JPWO2011040264A1 - レーザ発振器およびレーザ増幅器 - Google Patents

Abstract

レーザ発振器は、直交型ミラーおよび部分反射ミラーを有する光共振器と、放電電極の間に供給され、レーザ媒質として機能するレーザガスと、偏光選択素子として機能する９０度折り曲げミラーとを備える。直交型ミラーは、２つの反射面が直交したものである。光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように９０度折り曲げミラーが配置され、直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が平行となるように直交型ミラーが配置される。こうした構成により、レーザ媒質中の光学特性の異方性を補償し、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生できる。

Description

本発明は、レーザ光を発生するレーザ発振器に関する。また本発明は、レーザ光を増幅するレーザ増幅器に関する。

従来のレーザ発振器では、利得分布に異方性、もしくは不均一性を有するレーザ媒質から、等方性に優れたレーザ光を取り出すため、光共振器内の光路中に複数のミラーを使用して像回転光学系を構成し、光軸を回転軸として、レーザ光の強度分布を所望の角度に回転させた状態でレーザ媒質中を通過させることによって、利得分布の異方性を補償し、等方性に優れたレーザ光を発生させている（例えば、特許文献１）。

また、従来のレーザ増幅器では、直交型ミラーを使用した反転光学系を構成し、光ビームを空間的に反転させることによって、レーザ媒質の非対称性の影響を低減している（例えば、特許文献２）。

特開平５−２７５７７８号公報 特開２００３−１１５６２７号公報 特開平３−６６１８５号公報

従来のレーザ発振器では、多数のミラーを使用して像回転光学系を構成しているため、光共振器の構成が複雑になり、しかもミラーの角度調整が著しく煩雑になり、装置の組立性、保守性が低下してしまう。また、レーザ光の回転に応じて偏光の偏波面も回転してしまうため、直線偏光のレーザ光を取り出すことが困難である。

さらに、使用するミラーの数が増加するため、何れかのミラーに僅かな角度ずれが生じた場合でも、ミラーの数に応じて光共振器内の光軸角度は相乗的に変化してしまい、レーザ出力が不安定になる傾向がある。また、使用するミラーの数に応じて、ミラーを保持、調整するための角度調整機構を備えたミラーホルダが多数必要になり、装置の製造コスト増加、大型化をもたらす。

本発明の目的は、簡易な構成で、レーザ媒質中の光学特性の異方性を補償し、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生することが可能なレーザ発振器を提供することである。

また本発明の目的は、簡易な構成で、レーザ媒質中の光学特性の異方性を補償し、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に増幅することが可能なレーザ増幅器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様において、レーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が平行となるように直交型ミラーが配置されている。

本発明の第２態様において、レーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が垂直となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が垂直となるように直交型ミラーが配置されている。

本発明の第３態様において、レーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの各反射面には、Ｐ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されていることを特徴とする。

上記態様に係るレーザ発振器は、光共振器の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定された直交型ガスレーザ発振器であって、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定されることが好ましい。

本発明の第４態様において、レーザ増幅器は、所定の光軸に沿って進行する直線偏光のレーザ光を同じ光軸に沿って反射するための折り返しミラーと、
光軸に沿って進行するレーザ光を増幅するためのレーザ媒質とを備え、
折り返しミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
前記光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して直交型ミラーの谷線が平行となるように、さらに直交型ミラーの谷線に対してレーザ光の偏光方向が４５度となるように直交型ミラーが配置されている。

上記態様に係るレーザ増幅器は、レーザ光の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定された直交型ガスレーザ増幅器であって、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定されることが好ましい。

本発明によれば、レーザ光の往路と復路の間でレーザ光の強度分布を光軸周りに、直交型ミラーの設置角度によって、所望する角度に回転させることができる。そのためレーザ媒質の利得分布が空間的に非対称であっても、レーザ光の光学特性に与える影響を緩和でき、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生または増幅することができる。

本発明の実施の形態１を示す斜視図である。 図１において光共振器の光軸方向に沿って９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。 直交型ミラー１の光学作用を示す説明図である。 レーザ媒質の小信号利得分布を示す説明図である。 光共振器が球面ミラーで構成された従来のレーザ発振器から得られたレーザ光の強度分布を示す画像である。 実施の形態１に係るレーザ発振器から得られたレーザ光の強度分布を示す画像である。 実施の形態２において、光共振器の光軸方向に沿って９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態３を示す斜視図である。 図８において光共振器の光軸方向に沿って９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。 実施の形態４において、光共振器の光軸方向に沿って９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態５を示す斜視図である。 直交型ミラー１の光学作用を示す説明図である。 本発明の実施の形態６を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す斜視図である。レーザ発振器は、直交型ミラー１および部分反射ミラー２を有する光共振器と、放電電極６１，６２の間に供給され、レーザ媒質として機能するレーザガスと、偏光選択素子として機能する９０度折り曲げミラー３とを備える。

ここでは理解容易のため、レーザガス流の方向をｘ方向、放電電極６１，６２の放電方向をｙ方向、部分反射ミラー２と９０度折り曲げミラー３の間の光軸をｚ方向とした直交型ガスレーザ発振器を例として説明する。

部分反射ミラー２は、光共振器で発振したレーザ光の一部をレーザ光４として外部に取り出す出力ミラーとして機能する。光共振器の一方を終端する直交型ミラー１は、直交した２つの反射面を有し、両反射面が交差する線を本明細書では「谷線」と称する。

９０度折り曲げミラー３は、光共振器の光軸を途中で９０度に折り曲げるとともに、その反射面には、入射角４５度で入射する光のＳ偏光成分（光入射面に垂直な偏光成分）の反射率がＰ偏光成分（光入射面に平行な偏光成分）の反射率より高くなるような反射膜が施されている。そのため、光共振器内でレーザ発振が生ずる際、Ｐ偏光の光学損失がＳ偏光よりも増加し、その結果、符号４１で示す偏光方向を持つ直線偏光のレーザ光が選択的に発振するようになる。

本実施形態では、レーザ光の偏光方向４１に対して直交型ミラー１の谷線が平行となるように直交型ミラー１が配置される。

放電電極６１，６２は、誘電体プレート５１，５２の対向面とは反対の背面にそれぞれ設けられ、給電線８を介して高周波電源７に接続される。放電電極６１，６２間に交番電圧が印加されると、均一なグロー放電が形成される。放電電極６１，６２間には、矢印９で示す方向にレーザガスが供給されており、グロー放電によってレーザガス中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスとしてＣＯ_２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ_２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。

図２は、図１において部分反射ミラー２から−ｚ方向に向かって９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。放電電極６１，６２間でグロー放電１１が生じており、光軸に直交するｘｙ面内において放電方向がｙ方向になり、このｙ方向に対して角度４５度の方向に基準軸１４を設定する。そして、この基準軸１４に対して、レーザ発振光の偏光方向４１が平行となるように９０度折り曲げミラー３の設置角度が設定される。さらに、９０度折り曲げミラー３で９０度折り曲げられた光軸に沿って進行するレーザ発振光の偏光方向４１が直交型ミラー１の谷線に対して平行となるように、直交型ミラー１の設置角度が設定される。

図３は、直交型ミラー１の光学作用を示す説明図である。ここでは理解容易のため、入射光４０１の強度分布が、谷線１０１に対して左４５度に傾斜したＢ字型の断面形状を有するものと仮定する。入射光４０１は、直交型ミラー１の谷線１０１に向かって進行し、２つの反射面に衝突する。このとき左反射面で反射した光は、右反射面で再び反射して紙面手前に進行する。一方、右反射面で反射した光は、左反射面で再び反射して紙面手前に進行する。こうして出射光４０２は、谷線１０１を基準軸として線対称形に反転し、鏡像反転Ｂ字型が谷線に対して右４５度に傾斜したような断面形状を有するようになる。

従って、入射光４０１に対する直交型ミラー１の谷線１０１の設置角度を任意に設定することによって、入射光４０１の鏡面対称像である出射光４０２を任意の角度に回転させることができる。

図２に戻って、基準軸１４がｙ軸に対して角度４５度の方向に設定され、この基準軸１４に対してレーザ光の偏光方向４１が平行に設定され、この偏光方向４１に対して直交型ミラー１の谷線が平行に設定される。

部分反射ミラー２から−ｚ方向に向かう往路のレーザ光は、９０度折り曲げミラー３で反射して直交型ミラー１に入射し、そこで谷線１０１を基準軸として線対称形に反転し、再び９０度折り曲げミラー３で反射して、ｚ方向に向かう復路のレーザ光になる。この復路のレーザ光は、往路のレーザ光と比べて基準軸１４に対して線対称形に反転している。この場合、ｙ軸を基準として、復路のレーザ光は、往路のレーザ光の鏡面対称像を光軸周りに９０度回転させた像と等しくなる。

一方、直交型ミラー１の谷線１０１は、直線偏光の偏光方向４１と平行に設置されているため、直交ミラー１による反射作用によって偏光方向が変化することはない。往路のレーザ光の回転角度に依存しない。従って、直線偏光の偏光方向４１は、直交型ミラー１への入射前後で一定に維持することができる。

図４は、レーザ媒質の小信号利得分布を示す説明図である。光軸に直交するｘｙ面内において、ｙ方向にグロー放電方向が設定され、ｘ方向にガス流の方向が設定される。小信号利得分布は、ｙ方向に沿って概ね一定の分布を示すが、ｘ方向に沿って大きく変化していることが判る。これは、グロー放電１１中をレーザガスが通過する際、通過時間の増加とともにレーザ上準位が逐次蓄積されるためである。その結果、小信号利得は、グロー放電１１のガス上流側で低く、ガス下流側で最も高くなり、グロー放電１１の外側で徐々に低下する山型の分布形状となる。

このように直交型ガスレーザ発振器では、ｙ方向に沿った小信号利得分布１３とｘ方向に沿った小信号利得分布１２とでは大きく異なることが判る。

図５は、光共振器が球面ミラーで構成された従来のレーザ発振器から得られたレーザ光の強度分布を示す画像である。図６は、実施の形態１に係るレーザ発振器から得られたレーザ光の強度分布を示す画像である。従来のレーザ発振器では、図４で説明したように、ｙ方向に沿った均一な小信号利得分布の影響が大きく作用して、ｘ方向に比べてｙ方向に高次の横モードが発生していることが判る。

一方、本実施形態に係るレーザ発振器では、ｙ軸を基準として、復路のレーザ光は、往路のレーザ光の鏡面対称像を光軸周りに９０度回転させた像と等しくなるため、ｙ方向に沿った小信号利得分布１３の影響とｘ方向に沿った小信号利得分布１２の影響とが平均化される。その結果、図６に示すように、ｘ方向およびｙ方向ともに高次の横モードが抑制され、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生させることができる。

また本実施形態では、レーザ光の偏光方向４１に対して直交型ミラー１の谷線が平行となるように直交型ミラー１を配置している。そのため、直交型ミラー１への入射前後で偏光方向が一定に維持されるため、光共振器での直線偏光発振を確実に維持できる。表面が鏡面で構成された一般的な材料へ光を斜入射させた場合、Ｐ偏光よりＳ偏光の反射率が高くなることが広く知られている。本実施形態では、直交型ミラー１に対しレーザ光は常にＳ偏光で入射するため、Ｐ偏光で入射する他の構成に比べ、容易に高い反射率が得られるばかりでなく、直線偏光の選択能力が更に向上し、高い直線偏光率を維持できるという利点がある。

さらに、直交型ミラー１の光学特性により、直交型ミラー１に谷線１０１を回転軸とした角度ずれが生じても、直交型ミラー１への入射光と反射光の間に角度ずれが生じない。そのため、光共振器の終端ミラーとして平面ミラーまたは球面ミラーを使用した従来のレーザ発振器と比べて、機械振動等の外乱に起因した光軸ずれが生じにくくなり、レーザ出力へ与える影響が小さくなり、レーザ出力の安定性が向上する。その結果、光共振器のアライメント感度が低減し、光軸調整も格段に容易になる。

実施の形態２．
本実施形態では、実施の形態１において基準軸１４の角度設定が任意であることについて説明する。前述した実施の形態１では、理解容易のため、光軸に直交するｘｙ面内において、基準軸１４が放電電極６１，６２の放電方向、即ち、ｙ方向に対して角度４５度の方向に設定した場合を例として説明した。

しかしながら、基準軸１４は、ｙ方向に対して角度４５度以外の方向に設定してもよく、レーザ媒質における小信号利得や屈折率等光学特性の不均一性の影響を最も軽減できる角度に設定することが好ましい。

例えば、図７に示すように、光軸に直交するｘｙ面内において、ｙ方向に対して角度θをなす方向に基準軸１４を設定した場合、９０度折返しミラー３の設置角度を調整して、基準軸１４に対して偏光方向が平行になるよう直線偏光４１を選択するとともに、該直線偏光４１と谷線が平行となるよう直交型ミラー１を設置することによって、実施の形態１と同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３を示す斜視図である。レーザ発振器は、直交型ミラー１および部分反射ミラー２を有する光共振器と、放電電極６１，６２の間に供給され、レーザ媒質として機能するレーザガスと、偏光選択素子として機能する９０度折り曲げミラー３とを備える。

ここでは理解容易のため、レーザガス流の方向をｘ方向、放電電極６１，６２の放電方向をｙ方向、部分反射ミラー２と９０度折り曲げミラー３の間の光軸をｚ方向とした直交型ガスレーザ発振器を例として説明する。

本実施形態における個々の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、重複説明を省略する。本実施形態では、レーザ光の偏光方向４１に対して直交型ミラー１の谷線が垂直となるように直交型ミラー１が配置される。

図９は、図８において部分反射ミラー２から−ｚ方向に向かって９０度折り曲げミラー３を眺めたときの配置関係を示す説明図である。放電電極６１，６２間でグロー放電が生じており、光軸に直交するｘｙ面内において放電方向がｙ方向になり、このｙ方向に対して角度４５度の方向に基準軸１４を設定する。そして、この基準軸１４に対して、レーザ発振光の偏光方向４１が垂直となるように９０度折り曲げミラー３の設置角度が設定される。さらに、９０度折り曲げミラー３で９０度折り曲げられた光軸に沿って進行するレーザ発振光の偏光方向４１が直交型ミラー１の谷線に対して垂直となるように、直交型ミラー１の設置角度が設定される。

部分反射ミラー２から−ｚ方向に向かう往路のレーザ光は、９０度折り曲げミラー３で反射して直交型ミラー１に入射し、そこで直交型ミラー１の谷線を基準軸として線対称形に反転し、再び９０度折り曲げミラー３で反射して、ｚ方向に向かう復路のレーザ光になる。この復路のレーザ光は、往路のレーザ光と比べて基準軸１４に対して線対称形に反転している。この場合、ｙ軸を基準として、復路のレーザ光は、往路のレーザ光の鏡面対称像を光軸周りに９０度回転させた像と等しくなる。そのため、図６に示したように、ｙ方向に沿った小信号利得分布１３の影響とｘ方向に沿った小信号利得分布１２の影響とが平均化される。その結果、ｘ方向およびｙ方向ともに高次の横モードが抑制され、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生させることができる。

一方、直交型ミラー１の谷線１０１は、直線偏光の偏光方向４１と垂直に設置されているため、直交ミラー１による反射作用によって偏光方向が変化することはない。往路のレーザ光の回転角度に依存しない。従って、直線偏光の偏光方向４１は、直交型ミラー１への入射前後で一定に維持することができ、光共振器での直線偏光発振を確実に維持できる。

さらに、直交型ミラー１の光学特性により、直交型ミラー１に谷線１０１を回転軸とした角度ずれが生じても、直交型ミラー１への入射光と反射光の間に角度ずれが生じない。そのため、機械振動等の外乱に起因した光軸ずれが生じにくくなり、レーザ出力へ与える影響が小さくなり、レーザ出力の安定性が向上する。その結果、光共振器のアライメント感度が低減し、光軸調整も格段に容易になる。

実施の形態４．
本実施形態では、実施の形態３において基準軸１４の角度設定が任意であることについて説明する。前述した実施の形態３では、理解容易のため、光軸に直交するｘｙ面内において、基準軸１４が放電電極６１，６２の放電方向、即ち、ｙ方向に対して角度４５度の方向に設定した場合を例として説明した。

しかしながら、基準軸１４は、ｙ方向に対して角度４５度以外の方向に設定してもよく、レーザ媒質における小信号利得や屈折率等光学特性の不均一性の影響を最も軽減できる角度に設定することが好ましい。

例えば、図１０に示すように、光軸に直交するｘｙ面内において、ｙ方向に対して角度θをなす方向に基準軸１４を設定した場合、９０度折返しミラー３の設置角度を調整して、基準軸１４に対して偏光方向が垂直になるよう直線偏光４１を選択するとともに、該直線偏光４１と谷線が垂直となるよう直交型ミラー１を設置することによって、実施の形態３と同様な効果が得られる。

実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５を示す斜視図である。レーザ発振器は、直交型ミラー１および部分反射ミラー２を有する光共振器と、放電電極６１，６２の間に供給され、レーザ媒質として機能するレーザガスと、偏光選択素子として機能する９０度折り曲げミラー３とを備える。

ここでは理解容易のため、レーザガス流の方向をｘ方向、放電電極６１，６２の放電方向をｙ方向、部分反射ミラー２と９０度折り曲げミラー３の間の光軸をｚ方向とした直交型ガスレーザ発振器を例として説明する。

本実施形態における個々の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、重複説明を省略する。本実施形態では、直交型ミラー１の反射面において、入射角４５度で入射するレーザ光についてＰ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されている。また、９０度折り曲げミラー３は、光共振器の光軸を−ｙ方向に９０度折り曲げるとともに、その前後でｘ方向と平行な直線偏光４１を選択している。さらに、直交型ミラー１の谷線に対して発振光の偏光方向が４５度となるように直交型ミラー１が配置される。

図１２は、本実施形態に係る直交型ミラー１の光学作用を示す説明図である。直交型ミラー１に入射する直線偏光４１は、直交型ミラー１の第１反射面１０２に対しＳ偏光で入射する成分４１１と、Ｐ偏光で入射する成分４１２に分離して考えることができる。

ここで、直交型ミラー１の各反射面に、Ｓ偏光成分４１１とＰ偏光成分４１２で位相差を生じない通常の反射膜が施されている場合を想定する。前述のように直交型ミラー１の反射作用により、Ｐ偏光成分４１２は、符号４３２で示す矢印の向きに、谷線１０１を基準軸として線対称形に反転する。一方、谷線１０１に平行なＳ偏光成分４１１は、第２反射面１０３においても、符号４２１で示す矢印のように、第１反射面１０２に入射するＳ偏光成分４１１が維持される。この結果、第１反射面１０２へ入射する直線偏光４１は、Ｓ偏光成分４２１とＰ偏光成分４３２の合成ベクトルとなって、符号４３で示す矢印の方向へ偏光方向が変化してしまう。即ち、直交型ミラー１の谷線１０１を基準軸に線対称形に偏光方向も反転してしまう。

これに対して本実施形態のように、直交型ミラー１の反射面にＰ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じる反射膜が施されている場合、第１反射面１０２と第２反射面１０３で受ける２回の反射作用によって、Ｐ偏光とＳ偏光の間には２分の１波長分に相当する位相差が発生する。従って、Ｐ偏光とＳ偏光との間で位相差を生じない通常の反射膜が施された場合には、第２反射面１０３の出射するＰ偏光は、矢印４３２で示す方向となるのに対し、本実施形態のようにＰ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じる反射膜が施されている場合には、第２反射面１０３の出射するＰ偏光の方向は反転し、矢印４２２で示す方向となる。従って、Ｐ偏光とＳ偏光の合成ベクトルである第２反射面１０３の出射する光線の偏光方向は、矢印４２で示す方向となり、直交型ミラー１へ入射する光線の偏光方向４１が維持されることが判る。

図１１に戻って、部分反射ミラー２から−ｚ方向に向かう往路のレーザ光は、９０度折り曲げミラー３で反射して直交型ミラー１に入射し、そこで直交型ミラー１の谷線を基準軸として線対称形に反転し、再び９０度折り曲げミラー３で反射して、ｚ方向に向かう復路のレーザ光になる。この復路のレーザ光は、往路のレーザ光と比べて基準軸１４に対して線対称形に反転している。この場合、ｙ軸を基準として、復路のレーザ光は、往路のレーザ光の鏡面対称像を光軸周りに９０度回転させた像と等しくなる。そのため、図６に示したように、ｙ方向に沿った小信号利得分布１３の影響とｘ方向に沿った小信号利得分布１２の影響とが平均化される。その結果、ｘ方向およびｙ方向ともに高次の横モードが抑制され、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生させることができる。

また、直交型ミラー１の反射面において、入射角４５度で入射するレーザ光についてＰ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されている。そのため直交型ミラー１へ入射する直線偏光の偏光方向に依らず、常に一定方向の直線偏光を維持することができる。なお、本実施の形態においては、直線偏光４１が、直交型ミラー１の谷線１０１に対し、４５度の角度をなして入射する構成について示したが、直線偏光４１の谷線１０１に対する角度はこれに限るものではなく、入射する直線偏光４１の角度に依らず、入射光と反射光で一定の偏光方向を維持することができる。この結果、直交型ミラー１の設置角度に依らず所望する任意の方向の直線偏光を選択することが可能になり、用途に応じて最適な偏光方向を選択することで、レーザ光４の取扱いが格段に容易になる。

なお、本実施形態では、ｘ方向に平行な偏光方向を選択するとともに、直交型ミラー１の谷線の方向をｚ軸に対し４５度の角度にて配置する構成を示したが、選択する偏光方向、直交型ミラーの角度はこれに限るものでない。要は、Ｐ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されている直交型ミラー１を使用すれば、直交型ミラー１による像の反転方向と、直線偏光の方向を任意に独立して選択することが可能になるので、レーザ媒質における小信号利得や屈折率等光学特性の不均一性の影響を最も軽減する角度へ、直交型ミラー１の谷線の角度を設定するとともに、用途に最適な方向へレーザ光の偏光方法を選択してやればよい。

なお、実施の形態１〜５では、９０度折り曲げミラー３を使用して直線偏光の偏波方向を選択する構成を示したが、直線偏光の選択方法はこれに限るものではなく、任意の偏光光学素子、例えば、通常の偏光子やブリュースター板等を使用してもよい。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６を示す斜視図である。レーザ増幅器は、垂直偏光のレーザ光を反射し、水平偏光のレーザ光を通過させる偏光ビームスプリッタ１５と、偏光ビームスプリッタ１５で反射したレーザ光を同じ光軸に沿って反射するための直交型ミラー１と、放電電極６１，６２の間に供給され、レーザ媒質として機能するレーザガスとを備える。

ここでは理解容易のため、レーザガス流の方向をｘ方向、放電電極６１，６２の放電方向をｙ方向、偏光ビームスプリッタ１５と直交型ミラー１との間の光軸をｚ方向とした直交型ガスレーザ増幅器を例として説明する。

放電電極６１，６２は、誘電体プレート５１，５２の対向面とは反対の背面にそれぞれ設けられ、給電線８を介して高周波電源７に接続される。放電電極６１，６２間に交番電圧が印加されると、均一なグロー放電が形成される。放電電極６１，６２間には、矢印９で示す方向にレーザガスが供給されており、グロー放電によってレーザガス中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスとしてＣＯ_２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ_２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ増幅が可能になる。

本実施形態では、光軸に直交するｘｙ面内において放電方向がｙ方向になり、このｙ方向に対して角度４５度の方向に基準軸を設定する。そして、この基準軸に対して、直交型ミラー１の谷線が平行となるように、さらに直交型ミラー１の谷線に対してレーザ光の偏光方向が４５度となるように直交型ミラー１が配置される。

被増幅光である往路のレーザ光４６は、矢印４６１に示す向き、即ちｙ方向に偏波した直線偏光であり、偏光ビームスプリッタ１５へＳ偏光で入射し、進行方向を９０度折り曲げられ、放電電極６１，６２で放電励起されたレーザガスを通過しながら増幅される。続いて、増幅されたレーザ光は、直交型ミラー１によって同じ光軸に沿って反射される。ここで、直交型ミラー１の谷線は、放電方向であるｙ方向に対し角度４５度の方向に設定され、往路のレーザ光４６の偏光方向４６１に対しても４５度の角度をなすように設定される。直交型ミラー１による像反転効果により、復路のレーザ光４７の偏光方向４７１は、往路のレーザ光４６の偏光方向４６１に対し９０度回転して、ｘ方向と平行になり、放電電極６１，６２で放電励起されたレーザガスを再び通過しながら増幅される。復路のレーザ光４７は、Ｐ偏光となって偏光ビームスプリッタ１５を透過し、外部に供給される。

このように直交型ミラー１の谷線に対してレーザ光の直線偏光方向が４５度となるように設定することによって、波長板や偏光回転子等偏光光学素子を使用することなく簡易な構成で、レーザ光の偏光方向を９０度回転させることが可能になる。そのため、偏光ビームスプリッタ１５によって往路のレーザ光４６と復路のレーザ光４７を分離できる往復型のレーザ増幅器を構成することが可能になる。

また、直交型ミラー１は、反射型の光学素子であるため、透過型の波長板や偏光回転子等偏光光学素子を使用した場合に比べて、光吸収に起因した光学素子の歪みの影響を低減でき、さらに、複屈折性を利用した偏光光学素子を使用する場合に比べて、安価な構成で往復型のレーザ増幅器を構成できる。

また、直交型ミラー１の谷線を、放電方向であるｙ方向に対して角度４５度の方向に設定した場合、レーザ光がレーザガスを往復する際、図６に示したように、ｙ方向に沿った小信号利得分布１３の影響とｘ方向に沿った小信号利得分布１２の影響とが平均化される。その結果、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に増幅することができる。

なお、直交型ミラー１の谷線とレーザ光の偏光方向が４５度の関係を維持していれば、直交型ミラー１の谷線と平行な基準軸は、放電方向であるｙ方向に対して角度４５度以外の方向に設定してもよく、レーザ媒質における小信号利得や屈折率等光学特性の不均一性の影響を最も軽減できる角度に設定することが好ましい。

以上の各実施形態において、直交型ガスレーザ発振器または直交型ガスレーザ増幅器を例として説明したが、レーザ光軸とガス流を同軸状に構成する軸流型ガスレーザや、固体レーザ媒質を使用した場合であっても、直交型ミラーの設置角度、ならびに偏光方向を適切に選定することによって、同様な効果を得ることができる。

本発明は、等方性に優れた直線偏光のレーザ光を安定に発生できる点で産業上極めて有用である。

１ 直交型ミラー、 ２ 部分反射ミラー、 ３ ９０度折り曲げミラー、 ４ レーザ光、 ７ 高周波電源、 ８ 給電線、 ９ ガス流の方向、 １１ グロー放電、 １２ ｘ方向に沿った小信号利得分布、 １３ ｙ方向に沿った小信号利得分布、 １４ 基準軸、 １５ 偏光ビームスプリッタ、 ４１，４２，４６１，４７１ 偏光方向、 ４６ 往路のレーザ光、 ４７ 復路のレーザ光、 ５１，５２ 誘電体プレート、 ６１，６２ 放電電極、 １０１ 谷線、 １０２ 第１反射面、 １０３ 第２反射面、 ４０１ 入射光、 ４０２ 出射光、 ４１１，４２１ Ｓ偏光成分、 ４１２，４３２ Ｐ偏光成分。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様において、直交型ガスレーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が平行となるように直交型ミラーが配置され、
光共振器の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定され、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定される。

本発明の第２態様において、直交型ガスレーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が垂直となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が垂直となるように直交型ミラーが配置され、
光共振器の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定され、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定される。

本発明の第３態様において、直交型ガスレーザ発振器は、反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
直交型ミラーの各反射面には、Ｐ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されており、
光共振器の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定され、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定される。

本発明の第４態様において、直交型ガスレーザ増幅器は、所定の光軸に沿って進行する直線偏光のレーザ光を同じ光軸に沿って反射するための折り返しミラーと、
光軸に沿って進行するレーザ光を増幅するためのレーザ媒質とを備え、
折り返しミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
前記光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して直交型ミラーの谷線が平行となるように、さらに直交型ミラーの谷線に対してレーザ光の偏光方向が４５度となるように直交型ミラーが配置され、
レーザ光の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定され、
前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定される。

Claims (6)

1. 反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
   光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
   光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
   反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
   光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
   直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が平行となるように直交型ミラーが配置されていることを特徴とするレーザ発振器。
2. 反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
   光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
   光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
   反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
   光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が垂直となるように偏光選択素子が配置され、
   直交型ミラーの谷線に対して発振光の偏光方向が垂直となるように直交型ミラーが配置されていることを特徴とするレーザ発振器。
3. 反射ミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
   光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
   光共振器内に設けられ、発振光を直線偏光に規定するための偏光選択素子とを備え、
   反射ミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
   光共振器の光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して発振光の偏光方向が平行となるように偏光選択素子が配置され、
   直交型ミラーの各反射面には、Ｐ偏光とＳ偏光の間で４分の１波長分の位相差を生じさせる反射膜が施されていることを特徴とするレーザ発振器。
4. レーザ発振器は、光共振器の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定された直交型ガスレーザ発振器であって、
   前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずかれに記載のレーザ発振器。
5. 所定の光軸に沿って進行する直線偏光のレーザ光を同じ光軸に沿って反射するための折り返しミラーと、
   光軸に沿って進行するレーザ光を増幅するためのレーザ媒質とを備え、
   折り返しミラーは、２つの反射面が直交した直交型ミラーであり、
   前記光軸に直交する面内に設定された基準軸に対して直交型ミラーの谷線が平行となるように、さらに直交型ミラーの谷線に対してレーザ光の偏光方向が４５度となるように直交型ミラーが配置されていることを特徴とするレーザ増幅器。
6. レーザ増幅器は、レーザ光の光軸に対して垂直な第１方向にレーザガス流の方向が設定され、光軸および第１方向に対して垂直な第２方向に放電方向が設定された直交型ガスレーザ増幅器であって、
   前記基準軸は、放電方向に対して４５度の角度で交差するように設定されることを特徴とする請求項５記載のレーザ増幅器。