JPWO2020075246A1 - レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

レーザ装置(10)は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第1のミラー(3)および第2のミラー(4)と、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第1のミラー(3)から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第2のミラー(4)へ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第2のミラー(4)から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第1のミラー(3)へ進行させる回折格子(2)と、第1のミラー(3)と回折格子(2)との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部(1)と、を備える。

Description

本発明は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させるレーザ装置に関する。
特許文献1には、複数の波長成分を有するビームを増幅させて出力するレーザ装置について、発振強度が最大となる波長成分に損失を及ぼす光学素子を共振器内に配置することが開示されている。特許文献1のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分以外の波長成分の増幅を促進させることによって各波長成分の出力強度を均すことができ、高効率と高出力とを実現することが可能となる。
特許文献2には、互いに波長が異なる複数のビームを回折格子とミラーとの間にて共振させて複数のビームを出力するレーザ装置が開示されている。特許文献2のレーザ装置では、回折格子とミラーとの間にて、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で複数のビームを進行させる。
特開2006−135298号公報 特開昭53−125795号公報
上記の特許文献1のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分には損失を及ぼすとともに他の波長成分には損失を及ぼさないような調整を光学素子によって実現することが困難という問題があった。
レーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる複数のビームを結合させることによって、複数の波長成分を有するビームを出力し得る。しかし、上記の特許文献2のレーザ装置は、複数のビームを結合させて出力可能とするための構成を備えていない。さらに、レーザ装置は、出力されるビームの高品質化が求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現可能とするレーザ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第1のミラーおよび第2のミラーを備える。本発明にかかるレーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第1のミラーから入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第2のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第2のミラーから入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第1のミラーへ進行させる回折格子を備える。本発明にかかるレーザ装置は、第1のミラーと回折格子との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部を備える。
本発明によれば、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図1に示すレーザ装置が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図 図1に示すレーザ装置によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図 実施の形態1の変形例1にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態1の変形例2にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図5に示すレーザ装置における各ビームの強度の均一化について説明する図 実施の形態1の変形例3にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態1の変形例4にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態1の変形例5にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態2にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図10に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第1の例を示す図 図10に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第2の例を示す図 図10に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第3の例を示す図 図10に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第4の例を示す図 図10に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第5の例を示す図 本発明の実施の形態3にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態3の変形例1にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態3の変形例2にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図18に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成について説明する図 本発明の実施の形態4にかかるレーザ装置の概略構成を示す図
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ装置10の概略構成を示す図である。レーザ装置10は、レーザ媒質である気体中での放電によって気体分子を励起させ、レーザ光を発振させるガスレーザである。レーザ装置10は、二酸化炭素(CO)を含むレーザ媒質を用いてレーザ発振を行うCOレーザである。
レーザ装置10は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第1のミラー3および第2のミラー4を備える。第1のミラー3と第2のミラー4とは、共振器を構成する。第1のミラー3は、複数のビームの各々を反射する。第2のミラー4は、複数のビームの各々について、入射したビームのうちの一部を反射するとともに入射したビームのうちの一部を透過する。レーザ装置10は、第2のミラー4を通過した複数のビームを出力する。
レーザ装置10は、複数のビームの各々を回折させる回折格子2を有する。回折格子2は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第1のミラー3から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第2のミラー4へ進行させる。また、回折格子2は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第2のミラー4から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第1のミラーへ進行させる。なお、ビーム中心軸は、ビームの光束の中心を表す軸とする。ビームは、ビーム中心軸の向きに進行する。
レーザ装置10は、レーザ媒質を収容する収容部1を備える。レーザ媒質は、第1のミラー3と回折格子2との間を進行する複数のビームが通過する媒質である。レーザ媒質は、複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有する。
レーザ装置10は、複数のビームのビーム中心軸を一致させることによって、複数のビームを結合させる。レーザ装置10は、ビーム中心軸が互いに一致した状態の複数のビームを出力する。
図2は、図1に示すレーザ装置10が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図である。図2に示すグラフにおいて、縦軸は利得を表し、横軸は波長を表す。グラフにおいて、「g」は利得、「λ」は波長をそれぞれ表すものとする。離散的な利得スペクトルとは、レーザ装置10が発振するレーザ光の波長帯域において利得のピークが2つ以上かつ互いに離間して存在しており、当該ピーク間には利得がレーザ発振に実質的に寄与しない波長帯域が存在する状態の利得スペクトルであるものとする。レーザ媒質は、2以上の特定の波長において利得のピークを持つ。
図2に示す利得スペクトルは、ピークにおける利得のレベルが互いに異なる7つのピークを有する。波長λにおけるピークは、レーザ装置10が発振するレーザ光の波長帯域の中で利得が最大のgとなるピークである。波長λにおけるピークは、利得がgに次いで大きいgとなるピークである。波長λにおけるピークは、利得がgに次いで大きいgとなるピークである。ピーク同士の間にてグラフが空いていることは、ピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に実質的に寄与していないことを表している。なお、利得スペクトルにおけるピークの数は複数であれば良く、任意の数とする。
図1に示すレーザ装置10は、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することによって、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザ光を発振する。なお、図2には、それぞれ波長がλ,λ,λである3つのビームを示している。
図1において、x軸、y軸およびz軸は、互いに垂直な3軸とする。レーザ装置10が有する光学系の光軸は、回折格子2にて折り返されている。z軸は、回折格子2と第1のミラー3との間における光軸を表す。第1のミラー3と回折格子2とは、z軸上に配置されている。第2のミラー4は、z軸から回折格子2にて折り返された先の光軸上に配置されている。
収容部1内において、複数のビームは、x軸、y軸およびz軸によって表される三次元空間のうち互いに異なる位置を通過する。収容部1内において、図1に示す3本のビームの各ビーム中心軸は、x軸とz軸とに平行な面内においてz軸に対する傾きが互いに異なっており、かつ互いに交わらない。複数のビームの各々は、互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって同時に増幅される。
図1に示す回折格子2は、入射した光を反射して回折光を生じさせる反射型の回折格子である。回折格子2の反射面には、一定の間隔の格子パターンが形成されている。回折格子2は、回折格子2へ入射した光を波長ごとに異なる向きへ反射する波長特性を有する。かかる波長特性によって、回折格子2は、第2のミラー4から入射した複数のビームの各々を、互いに異なる向きへ反射する。これにより、回折格子2は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第2のミラー4から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第1のミラー3へ進行させる。回折格子2から第1のミラー3へ向かう複数のビームの進行方向が分散されることによって、複数のビームは、レーザ媒質において互いに異なる位置を通過する。
また、回折格子2は、上記の波長特性によって、互いに異なる入射角度をなして回折格子2へ入射した複数の光を同じ向きへ反射する。回折格子2は、第1のミラー3からレーザ媒質を通過後に入射した複数のビームの各々を、同じ向きへ反射する。これにより、回折格子2は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第1のミラー3から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第2のミラー4へ進行させる。なお、回折格子2は、入射した光を透過させて回折光を生じさせる透過型の回折格子であっても良い。
回折格子2の回折効率は、偏光状態によって変化する。レーザ装置10は、回折格子2にて高い回折効率を実現可能な偏光と、共振器における損失がより少なくなる偏光とを一致させることによって、高効率と高出力との実現が可能となる。例を挙げると、偏光によって反射率が変化する反射特性を有する第1のミラー3が使用される場合において、回折格子2が高い回折効率を実現可能とする偏光と共通の偏光に対し高い反射率を実現可能な第1のミラー3が設けられることで、レーザ装置10は、共振器における光の損失を抑制することができ、高効率と高出力とを実現できる。
回折格子2は、特定の次数の回折光について最大の回折効率を得ることが可能なブレーズド回折格子であっても良い。ブレーズ波長と称される波長の光がブレーズド回折格子へ入射した場合に、ブレーズド回折格子は、特定の次数の回折光に光強度を集中させて、かつその他の次数の回折光の光強度を低下させる。複数のビームの各波長のうちのいずれか1つをブレーズ波長と一致させるとともに、特定の次数の回折光であるビームが発振可能となるように回折格子2の向きが設定されることによって、レーザ装置10は、高効率と高出力との実現が可能となる。
第1のミラー3は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側の端に設置されているミラーである。第1のミラー3は、共振器の機能を実現し得る反射率を有する。第1のミラー3の反射面には、例えば、99%以上の高反射率のコーティングが施されている。第1のミラー3は、回折格子2によって互いに分散された複数のビームを、それぞれのビーム中心軸に沿った方向へ反射する。
第2のミラー4は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側とは逆側の端に設置されているミラーである。第2のミラー4は、回折格子2によってビーム中心軸が重畳された複数のビームである結合ビームの一部をビーム中心軸に沿った方向へ反射させるとともに、結合ビームの一部を透過させる部分反射ミラーである。第2のミラー4の反射面には、例えば、50%から95%の反射率を持つコーティングが施されている。また、レーザ装置10は、第2のミラー4を構成する基材の材料に、発振される各ビームの波長に対し低損失を実現可能な材料が選択されることによって、共振器における光の損失を抑制することができる。
第1のミラー3の反射面と第2のミラー4の反射面とは、平面、凹面および凸面のいずれであっても良い。凹面と凸面とには、球面、非球面、シリンドリカル面あるいはトロイダル面といった各種曲面が適宜用いられても良い。
次に、レーザ装置10におけるビームの振る舞いについて説明する。回折格子2の格子パターンと、回折格子2が配置される位置と、回折格子2の向きとは、回折格子2と第1のミラー3との間では複数のビームが分散されるとともに回折格子2と第2のミラー4との間では複数のビームが結合されるように設定される。複数のビームは、第1のミラー3と第2のミラー4との間を往復する間に、回折格子2による分散と結合とを繰り返す。共振器内にて複数のビームが往復するうちに、複数のビームは、レーザ媒質を繰り返し通過することによって増幅される。共振器内にて増幅された各ビームの一部が、第2のミラー4を透過して、共振器から各ビームのビーム中心軸に沿った方向へ出射する。レーザ装置10は、共振器から出射した複数のビームである結合ビームを出力する。
実施の形態1にかかるレーザ装置10は、回折格子2によって複数のビームを分散させることによって、収容部1内の互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって複数のビームを同時に増幅させる。また、レーザ装置10は、回折格子2によって複数のビームを結合させて、結合ビームを出力する。レーザ装置10によるレーザ出力は、複数の波長の各ビームの出力の合計となる。レーザ装置10は、互いに波長が異なる複数のビームを発振させることによって、1つの波長のビームのみを発振させる場合と比べて高いレーザ出力を得ることができる。
次に、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することの利点について説明する。図3は、図1に示すレーザ装置10によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図である。図3には、実施の形態1にかかるレーザ装置10と、実施の形態1の比較例にかかるレーザ装置10Aとを示している。レーザ装置10Aの収容部1Aには、連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質が収容されている。図3では、各レーザ装置10,10Aについて、波長「λ」と利得「g」との関係を表す利得スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「I」の関係を表す強度スペクトルとを示している。図3では、各レーザ装置10,10Aにおいて発振させる複数のビームのうちの2つである波長λ,λの各ビームについて図示している。
連続的な利得スペクトルとは、レーザ装置10が発振するレーザ光の波長帯域において、当該波長帯域の利得が当該波長帯域のレーザ光の発振に寄与し得る状態の利得スペクトルであるものとする。連続的な利得スペクトルは、例えば、当該波長帯域において利得のピークが1つの山を形成するような利得スペクトルである。連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質をビームが通過する場合に、レーザ媒質では、回折格子2による分散と結合とが繰り返される複数のビームとは別に、分散および結合に寄与しないビームが発振する。この現象は、クロストーク発振と称される現象である。図3において、波長λのビームは、クロストーク発振によって生じたビームの1つであって、波長λと波長λとの間に含まれる波長λにも利得が存在しているために生じたものである。
図3では、レーザ装置10Aにおいて伝搬する波長λのビームを破線によって示している。共振器の外において、波長λのビームのビーム中心軸と、複数のビームのビーム中心軸との間にはぶれが生じることとなる。このように、クロストーク発振によって生じるビームは、レーザ装置10Aから発振されるレーザビームの品質を低下させる要因となり得る。また、レーザ装置10Aは、クロストーク発振によって生じるビームが多くなるほど、出力が低下することとなる。
実施の形態1にかかるレーザ装置10では、利得スペクトルのピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に寄与しない波長帯域とされており、波長λと波長λとの間に含まれる波長λには利得が存在していない。レーザ装置10は、レーザ媒質の利得スペクトルが離散的な利得スペクトルであることで、クロストーク発振を抑制することができる。これにより、レーザ装置10は、ビーム品質の向上と、出力の向上とが可能となる。これにより、レーザ装置10は、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現することができる。
レーザ媒質は、COを含むものであれば良く、COとその他の気体とを含む混合ガスであっても良い。ここで、COとその他の気体とを含む混合ガスを、COレーザガスと称する。COレーザガスは、COの他に、窒素(N)、ヘリウム(He)、一酸化炭素(CO)、水素(H)、キセノン(Xe)、または酸素(O)などを含むものであっても良い。COレーザガスが低圧力、例えば100Torr程度よりも低いガス圧である場合に、COレーザガスであるレーザ媒質は、離散的な利得スペクトルを有するものとなる。
仮に、互いに波長が異なる複数のビームをレーザ媒質において重畳させたとすると、ビーム同士のレーザ発振がレーザ媒質内にて競合することによって、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることとなる。実施の形態1では、レーザ装置10は、離散的な利得スペクトルをレーザ媒質が有することで、利得スペクトルの各ピークに対応する波長の複数のビームを発振させる。レーザ媒質がCOレーザガスである場合において、レーザ装置10では、P(20)、P(18)、およびP(22)とそれぞれと称される10.59μm、10.57μm、および10.61μmの各波長のビームが発振する。なお、レーザ装置10は、P(20)、P(18)、およびP(22)以外のビームを発振させても良い。
レーザ装置10は、レーザ媒質において、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることにはならない程度に複数のビームが分散されていれば良いものとする。レーザ媒質において複数のビームを分散させるための調整は、回折格子2の刻線数を適宜選択することによって行い得る。レーザ装置10は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによってビームごとの発振が競合する現象を抑制することができ、複数のビームを効率良く発振させることができる。これにより、レーザ装置10は、高効率と高出力とを実現することができる。
次に、実施の形態1にかかるレーザ装置10の変形例について説明する。図4は、実施の形態1の変形例1にかかるレーザ装置11の概略構成を示す図である。変形例1は、回折格子2と第2のミラー4との間に少なくとも1つのアパーチャ5が設けられる例である。レーザ装置11は、アパーチャ5が設けられている以外は、図1に示すレーザ装置10と同様の構成を有する。アパーチャ5は、複数のビームの横モードを一括して調整する調整部である。
アパーチャ5は、入射する光の一部を通過させるとともに、入射する光の一部について通過を制限する。図4に示すレーザ装置11には、2つのアパーチャ5が設けられている。2つのアパーチャ5は、回折格子2と第2のミラー4との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。
図4において、x’軸、y’軸およびz’軸は、互いに垂直な3軸とする。z’軸は、回折格子2と第2のミラー4との間における光軸を表す。第2のミラー4と回折格子2とは、z’軸上に配置されている。アパーチャ5は、x’軸方向およびy’軸方向におけるビームのぶれを抑制させ、複数のビームのビーム中心軸を1つに纏める調整を行う。また、アパーチャ5は、ビームの横モードを限定する。レーザ装置11は、アパーチャ5が設けられることによって、各ビームのビーム中心軸を1つに纏めるとともに、各ビームの横モードを調整して、複数のビームを発振させることができる。
x’軸方向およびy’軸方向におけるアパーチャ5の形状および径は、発振させるビームの横モードに応じて適宜設定することができる。例えば、TEM(Transverse Electro Magnetic)00の横モードを有するビームを発振させるために、円形のアパーチャ5が用いられる。アパーチャ5が配置される位置においてx’軸方向のビーム径とy’軸方向のビーム径とに顕著な差がある場合、アパーチャ5の形状は、楕円形のように、x’軸方向の幅とy’軸方向の幅とを異ならせた形状としても良い。
レーザ装置11には、アパーチャ5に代えて、複数のビームの横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置11には、x’軸方向における横モードを調整するためのスリットと、y’軸方向における横モードを調整するためのスリットとが設けられても良い。レーザ装置11は、2つのスリットが設けられることによって、ビームの横モードを調整することができる。
図5は、実施の形態1の変形例2にかかるレーザ装置12の概略構成を示す図である。変形例2は、収容部1と第1のミラー3との間にビームごとのアパーチャ5が設けられる例である。レーザ装置12は、アパーチャ5が設けられている以外は、図1に示すレーザ装置10と共通の構成を有する。アパーチャ5は、複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部である。
レーザ装置12は、回折格子2によって分散されたビームごとにアパーチャ5が設けられることによって、ビームごとの波長に対し最適化された径が設定されたアパーチャ5を用いることができる。レーザ装置12は、ビーム中心軸を1つに纏めるための調整と横モードの調整とを、各アパーチャ5によってビームごとに行うことができる。また、レーザ装置12は、各アパーチャ5の直径が調整されることによって、ビームごとの強度の調整を行うことができる。レーザ装置12は、ビームごとの強度の調整によって、各ビームの強度を均一化させることができる。
図6は、図5に示すレーザ装置12における各ビームの強度の均一化について説明する図である。図6では、波長「λ」と利得「g」との関係を表す利得スペクトルと、各アパーチャ5によってビームごとに及ぼされる損失を波長「λ」と損失「A」との関係によって表した損失スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「I」の関係を表す強度スペクトルとを示している。
各アパーチャ5による損失「A」は、利得スペクトルのピークにおける利得「g」のレベルが大きいほど損失「A」が大きくなるように設定される。図6に示す例では、利得が最大のgとなる波長λのビームに対し、各アパーチャ5による損失「A」の中で最大の損失Aが設定される。波長λのビーム以外の各ビームについても、ピークにおける利得「g」のレベルが大きいほど損失「A」が大きくなるように、損失「A」が設定される。利得「g」のピークが大きいビームほどアパーチャ5による損失が大きくされ、かつ、利得「g」のピークが小さいビームほどアパーチャ5による損失が小さくされることによって、各ビームの強度は均一化される。
複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλ、波長λのビームの利得をg、として、波長λのビームに対するアパーチャ5による損失Aは、次に示す式(1)を満足する。nは2以上の整数とする。式(1)において、Lはz軸方向における収容部1の長さとする。なお、収容部1の長さとは、収容部1の外観の長さではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の長さを指すものとする。
(1−A=(1−Aexp{2(g−g)L} ・・・(1)
波長λのビームがTEM00の横モードを有するビームである場合に、ビームの1/e半径をωとすると、損失Aは、次に示す式(2)を満足する。式(2)において、φは、波長λのビームに対するアパーチャ5の直径とする。
=exp(−2φ /ω ) ・・・(2)
レーザ装置12は、各ビームに対し上記の式(1)および式(2)を満足するアパーチャ5が設けられることによって、各ビームの強度を均一化させることができる。なお、レーザ装置12には、アパーチャ5に代えて、横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置12には、x軸方向における横モードを調整するためのスリットと、y軸方向における横モードを調整するためのスリットとがビームごとに設けられても良い。
図7は、実施の形態1の変形例3にかかるレーザ装置13の概略構成を示す図である。変形例3は、ビームが入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を第1のミラー3が有している例である。レーザ装置13は、かかる反射面を第1のミラー3が有している以外は、図1に示すレーザ装置10と共通の構成を有する。なお、図7では、レーザ装置13のうち収容部1および第1のミラー3以外の構成要素については図示を省略している。
回折格子2によって分散された各ビームは、第1のミラー3の反射面のうち互いに異なる領域へ入射する。なお、図7には、複数のビームのうち、それぞれ波長がλ,λ,λである3つのビームを示すとともに、第1のミラー3のうち当該3つのビームが入射する部分を示している。波長λのビームは、反射面のうちの領域3aへ入射する。波長λのビームは、反射面のうちの領域3bへ入射する。波長λのビームは、反射面のうちの領域3cへ入射する。
反射面のうちビームが入射する領域ごとの反射率は、利得スペクトルのピークにおける利得「g」のレベルが大きいビームが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。図2に示す例では、利得が最大のgとなる波長λのビームが入射する領域3aには、各ビームが入射する領域ごとの反射率の中で最低の反射率rが設定される。反射面のうち領域3a以外の各領域の反射率も、ピークにおける利得「g」のレベルが大きいレーザが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。利得「g」のピークが大きいビームほど第1のミラー3での反射率が低くされ、かつ、利得「g」のピークが小さいビームほど第1のミラー3での反射率が高くされることによって、各ビームの強度は均一化される。
複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλ、波長λのビームの利得をg、として、第1のミラー3のうち波長λのビームが入射する領域における反射率rは、次に示す式(3)を満足する。nは2以上の整数とする。Lはz軸方向における収容部1の長さとする。
=rexp{2(g−g)L} ・・・(3)
レーザ装置13は、第1のミラー3の反射面のうち各ビームが入射する領域の反射率が上記の式(3)を満足することによって、各ビームの強度を均一化させることができる。
第1のミラー3の反射面が凹面とされる場合に、第1のミラー3の断面における凹面の曲率半径は、回折格子2と第1のミラー3との間の距離と等しくされても良い。これにより、回折格子2から第1のミラー3へ向けて分散された各ビームは、第1のミラー3で反射してから回折格子2にて再び重畳される。
第1の方向と第2の方向とを互いに垂直な方向とした場合に、第1のミラー3の反射面は、第1の方向には湾曲を有しかつ第2の方向については湾曲を有しないシリンドリカル面であっても良い。この場合、第1のミラー3のうち第1の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子2と第1のミラー3との間の距離と等しくされても良い。
第1のミラー3の反射面は、トロイダル面であっても良い。この場合、第1のミラー3のうち第1の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子2と第1のミラー3との間の距離と等しくされても良い。第1のミラー3のうち第2の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率は、共振ミラーとして機能可能な曲率とされる。共振ミラーとして機能可能な曲率とは、共振ミラーにおける光の入射位置が一定かつ波面が一定となり得る曲率とする。
図8は、実施の形態1の変形例4にかかるレーザ装置14の概略構成を示す図である。変形例4は、回折格子2と収容部1との間に凸レンズ6が設けられる例である。レーザ装置14は、凸レンズ6が設けられている以外は、図1に示すレーザ装置10と共通の構成を有する。
凸レンズ6は、回折格子2から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部1へ向かわせるとともに、収容部1から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子2にて収束させる光学素子である。第1のミラー3の反射面がz軸に垂直な平面であるとして、凸レンズ6と回折格子2との間の距離は、凸レンズ6の焦点距離と等しくされる。これにより、レーザ装置14は、第1のミラー3からの複数のビームを回折格子2にて収束させるとともに、回折格子2から第1のミラー3へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。凸レンズ6にて平行化された複数のビームは、第1のミラー3での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で凸レンズ6へ入射する。凸レンズ6へ入射した複数のビームは、回折格子2にて収束する。
なお、レーザ装置14は、凸レンズ6によって平行化された複数のビームを収容部1にて進行させることによって、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態の複数のビームを収容部1にて進行させる場合に比べて、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。ここで、空間利用率とは、収容部1内の空間のうちビームが占める割合である。収容部1の形状が直方体である場合には、複数のビームを平行化させるとともに、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部1の大きさが設定されることによって、収容部1は、空間利用率を高くすることができる。レーザ装置14は、空間利用率が高くなることによって、レーザ媒質に蓄積されたエネルギーの多くをレーザビームへ変換させることができるため、高効率化が可能となる。
レーザ装置14は、凸レンズ6による複数のビームの平行化によって、レーザ媒質におけるビーム同士の重なり合いを抑制することができる。レーザ装置14は、互いに隣り合うビームおけるビーム中心軸間の距離が双方のビーム半径の和よりも長くなるように、凸レンズ6にて各ビームを屈折させることによって、ビーム同士の重なり合いを防ぐことができる。これにより、レーザ装置14は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。
図9は、実施の形態1の変形例5にかかるレーザ装置15の概略構成を示す図である。変形例5は、第1の回折格子である回折格子2と第2の回折格子である回折格子7とが設けられる例である。レーザ装置15は、回折格子7が設けられている以外は、図1に示すレーザ装置10と共通の構成を有する。
回折格子7は、回折格子2から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部1へ向かわせるとともに、収容部1から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子2にて収束させる。回折格子7は、上記の凸レンズ6と同様の機能を担う。これにより、レーザ装置14は、第1のミラー3からの複数のビームを回折格子2にて収束させるとともに、回折格子2から第1のミラー3へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。回折格子7にて平行化された複数のビームは、第1のミラー3での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で回折格子7へ入射する。回折格子7へ入射した複数のビームは、回折格子2にて収束する。なお、回折格子7は、反射型の回折格子と透過型の回折格子とのどちらであっても良い。
なお、レーザ装置15は、回折格子7によって平行化された複数のビームを収容部1にて進行させることによって、上記の変形例4と同様に、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。収容部1の形状が直方体である場合には、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部1の大きさが設定されることによって、収容部1は、空間利用率を高くすることができる。また、レーザ装置15は、複数のビームが平行化されることによって、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。なお、収容部1の形状とは、収容部1の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。
なお、実施の形態1の変形例にかかるレーザ装置11,12,13,14,15が有する各構成は、上記のレーザ装置10において適宜組み合わせられても良い。
実施の形態2.
図10は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ装置20の概略構成を示す図である。レーザ装置20は、平板形状をなすいわゆるスラブ状の収容部8を有する。実施の形態2では、上記の実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1とは異なる構成について主に説明する。
収容部8は、x軸方向の長さとz軸方向の長さとのそれぞれがy軸方向の長さに比べて十分に長い形状をなしている。x軸方向、y軸方向およびz軸方向の各長さの比は、10:1:100程度でも良い。すなわち、x軸方向の長さはy軸方向の長さの10倍程度であって、かつz軸方向の長さはy軸方向の長さの100倍程度である。z軸方向の長さは、y軸方向の長さの100倍よりも長くても良く、y軸方向の長さの200倍程度であっても良い。なお、収容部8の形状とは、収容部8の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。収容部8の長さとは、当該立体の長さを指すものとする。なお、距離aは、第1のミラー3と収容部8内のレーザ媒質との間の距離である。
x軸方向へ配列されたm本のビームを収容部8にて通過させる場合に、収容部8のうちy軸方向における長さdは、各ビームのy軸方向における幅Dと同じである。ここで、幅Dと同じとは、幅Dとできるだけ近い長さであって幅Dと同程度であることを含む。また、長さdが幅Dと同じである場合に、収容部8のうちx軸方向における長さは、長さdのm倍であるmdとされる。このように、収容部8は、x軸方向へ互いに並べられた複数のビームが伝搬する平板形状をなす。これにより、レーザ装置20は、レーザ媒質における空間利用率を高くすることができ、高効率化が可能となる。
レーザ媒質には、実施の形態1と同様に、COレーザガスが使用される。スラブ状の収容部8にCOレーザガスが収容されるレーザ装置20は、スラブCOレーザと称される。スラブCOレーザは、ガス循環装置等によるCOレーザガスの循環が不要であることから、装置構成の小型化が可能である。
収容部8において、y軸方向の長さdとz軸方向の長さLとは、各ビームの波長λに対し、次に示す式(4)を満足することとしても良い。
/(4λL)<1 ・・・(4)
収容部8内のレーザ媒質を伝搬する各ビームのy軸方向におけるモードは、導波路に固有のモードであって、導波モードと称される。各ビームのモードが導波モードとなるのは、上記の式(4)を満足することによって、収容部8内のレーザ媒質が導波路の機能を担うことによるものである。したがって、レーザ装置20は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を高めることによって、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。
次に、レーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第1の例から第5の例について説明する。レーザ装置20は、第1の例から第5の例において、共振器内を伝搬する各ビームのy軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるy軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。
図11は、図10に示すレーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第1の例を示す図である。図11と、後述する図12から図14では、回折格子2と第2のミラー4との間の光軸を、第1のミラー3と回折格子2との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置20の構成を表している。第1の例は、第1のミラー3と収容部8内のレーザ媒質との間の距離aがゼロに近く、第1のミラー3がレーザ媒質に可能な限り近づけられている例である。第1のミラー3の反射面は、平面である。第1の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置20は、結合効率を高めることができる。
図12は、図10に示すレーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第2の例を示す図である。第2の例は、第1の例と同様に第1のミラー3がレーザ媒質に可能な限り近づけられており、かつ第1のミラー3の反射面が凹面である例である。y軸およびz軸に平行な断面における凹面の曲率半径Rは、距離aよりも十分に大きい。第2の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置20は、結合効率を高めることができる。
図13は、図10に示すレーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第3の例を示す図である。第3の例は、第1のミラー3の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Rと距離aとが等しい例である。第3の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置20は、結合効率を高めることができる。
図14は、図10に示すレーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第4の例を示す図である。第4の例は、第1のミラー3の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Rの2分の1倍と距離aとが等しい例である。第4の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置20は、結合効率を高めることができる。
レーザ装置20は、第1のミラー3の位置と第1のミラー3の反射面とが第1の例から第4の例のように調整される場合と同様に、第2のミラー4の位置と第2のミラー4の反射面とが調整されても良い。レーザ装置20は、第1のミラー3の場合と同様に第2のミラー4についての調整がなされることによっても、結合効率の向上を図ることができる。
図15は、図10に示すレーザ装置20における結合効率の向上のための構成の第5の例を示す図である。第5の例は、収容部8と第1のミラー3との間にレンズ9が配置されている例である。第1のミラー3は、平面である反射面を有する。レンズ9は、第1のミラー3とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。また、図15には、第5の例の構成と併せて、第1の例の構成を示している。
第5の例において、レンズ9と第1のミラー3との組み合わせは、第1の例における第1のミラー3と光学的に同等の機能を果たす。光学的に同等の機能であるとは、第1の例でのレーザ媒質と第1のミラー3との間におけるビームの伝搬を表すABCD行列と、第5の例でのレンズ9が介在した場合のレーザ媒質と第1のミラー3との間におけるビームの伝搬を表すABCD行列とが等しいことを意味する。レーザ装置20は、第5の例の場合も、結合効率を高めることができる。第5の例において、第1のミラー3の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。
レーザ装置20は、収容部8と第2のミラー4との間にレンズ9が配置されても良い。この場合に、レンズ9と第2のミラー4との組み合わせは、レーザ媒質に第2のミラー4が可能な限り近づけられる場合における第2のミラー4と光学的に同等の機能を果たすことができる。この場合も、レーザ装置20は、結合効率の向上を図ることができる。
なお、レーザ装置20が有する構成は、実施の形態1にかかるレーザ装置10,11,12,13,14,15と適宜組み合わせられても良い。レーザ装置10,11,12,13,14,15は、レーザ装置20と同様の構成を有することによって、結合効率を高めることができる。これにより、レーザ装置10,11,12,13,14,15は、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。
実施の形態3.
図16は、本発明の実施の形態3にかかるレーザ装置30の概略構成を示す図である。レーザ装置30は、電気光学(Electro-Optic:EO)結晶31と偏光ビームスプリッタ32とを有する。電気光学結晶31と偏光ビームスプリッタ32とは、パルス発振機構を構成する。パルス発振機構は、複数のビームをパルス化する。実施の形態3では、上記の実施の形態1および2と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1および2とは異なる構成について主に説明する。
レーザ装置30は、電気光学結晶31と偏光ビームスプリッタ32とが設けられている以外は、図1に示すレーザ装置10と同様の構成を有する。電気光学結晶31と偏光ビームスプリッタ32とは、回折格子2と第2のミラー4との間に配置されている。
電気光学結晶31は、ポッケルスセルとも称される。電気光学結晶31は、電圧が印加されることによって、電気光学結晶31を通過する光の偏光状態を変化させる。偏光ビームスプリッタ32は、p偏光について高透過率かつ低反射率であって、s偏光について高反射率かつ低透過率である偏光特性を有する。偏光ビームスプリッタ32は、かかる偏光特性によって、入射した光を直線偏光成分ごとに分離させる。
偏光ビームスプリッタ32は、回折格子2と第2のミラー4との間を伝搬するビームのうちp偏光成分を透過させる。また、偏光ビームスプリッタ32は、回折格子2と第2のミラー4との間を伝搬するビームのうちs偏光成分を反射する。共振器内に偏光ビームスプリッタ32が設けられることによって、レーザ装置30は、共振器内にてp偏光成分を共振させるとともに、s偏光成分を共振器の外へ出射する。レーザ装置30は、共振器の外へのs偏光成分の出射により、共振器内にて伝搬するビームを損失させる。
レーザ装置30は、電気光学結晶31への電圧の印加と電気光学結晶31への電圧印加の停止との切り換えに伴って、偏光ビームスプリッタ32へ入射するビームが有する偏光をp偏光とs偏光とに切り換える。レーザ装置30は、偏光ビームスプリッタ32におけるp偏光成分の透過と偏光ビームスプリッタ32におけるs偏光成分の反射とを切り換えることによって、共振器内にて伝搬するビームの損失を変化させる。レーザ装置30は、電気光学結晶31へ印加される電圧の周期的な変化に伴って、ビームの損失を周期的に変化させる。レーザ装置30は、10kHzから200kHzの周期で、ビームの損失を変化させる。
次に、パルス発振機構を用いたパルス発振であるQスイッチ発振について説明する。ここでは、電気光学結晶31へ電圧が印加されるときにビームの損失が大きくなり、電気光学結晶31へ電圧が印加されないときにビームの損失が最小となるものとする。
電気光学結晶31への電圧の印加によって共振器内のビームを損失させている間に、レーザ媒質では、ビームの発振が抑えられることによって、分子の励起によるエネルギーが蓄積される。その後、ビームの損失が最小とされたときに、レーザ装置30は、蓄積されたエネルギーによってビームのピーク出力を高めることができる。レーザ装置30は、共振器におけるビームの損失を周期的に変化させることによって、結合ビームのパルス発振を行うことができる。すなわち、レーザ装置30は、複数のビームのパルス化を同時に行い、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力する。
次に、ビームのパルス化の手法の1つであるQスイッチキャビティダンプ法について説明する。Qスイッチ発振によって得られたパルスのピークに近いタイミングにおいて電気光学結晶31へ電圧が印加されることによって、共振器内でのビームの損失を増大させる。レーザ装置30は、第2のミラー4に代えて偏光ビームスプリッタ32から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。この場合において、第2のミラー4には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第2のミラー4の反射面には、例えば、99%以上の高反射率のコーティングが施される。
第1のミラー3と第2のミラー4との間におけるビームの伝搬経路の長さである共振器長さをL、光速をcとして、偏光ビームスプリッタ32から取り出される結合ビームのパルス幅は2L/cとなる。これにより、レーザ装置30は、複数のビームのパルス化を同時に行うのみならず、共振器長さに応じたパルス幅を持つパルスビームを取り出すことができる。
なお、レーザ装置30のパルス発振機構には、偏光ビームスプリッタ32に代えて、偏光ビームスプリッタ32と同様の機能を有する光学素子である薄膜ポラライザ等が用いられても良い。パルス発振機構は、回折格子2と第2のミラー4との間に配置される以外に、回折格子2と収容部1との間に配置されても良い。この場合も、レーザ装置30は、パルスビームを出力することができる。
次に、実施の形態3にかかるレーザ装置30の変形例について説明する。図17は、実施の形態3の変形例1にかかるレーザ装置33の概略構成を示す図である。変形例1は、円偏光ミラー34が設けられる例である。レーザ装置33は、円偏光ミラー34が設けられている以外は、図16に示すレーザ装置30と同様の構成を有する。
レーザ装置33は、Qスイッチ発振を行うためのパルス発振機構に加えて、電気光学結晶31と第2のミラー4との間におけるビームの伝搬経路に円偏光ミラー34が設けられている。円偏光ミラー34は、直線偏光を円偏光へ変換する。ここでは、電気光学結晶31へ電圧が印加されるときにビームの損失が最小となり、電気光学結晶31への電圧印加が停止されるときにビームの損失が大きくなるものとする。
レーザ装置33は、ビームが損失されている状態が長く続くほど、レーザ媒質に多くのエネルギーを蓄積することができ、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得ることができる。電気光学結晶31への電圧の印加によってビームを損失させる場合、このようなパルスビームを得るために、電気光学結晶31へ電圧が印加される期間が長くなることによって、電気光学結晶31と電圧印加のためのドライバとの劣化あるいは故障が生じ易くなる。
電気光学結晶31には、一般に、1/4波長電圧と称される電圧が印加される。電気光学結晶31へ電圧が印加されている場合、共振器内を往復するビームが電気光学結晶31を2回通過することによって、ビームが有する直線偏光の偏光方向は90度回転する。さらに、変形例1では、電気光学結晶31と第2のミラー4との間を往復するビームが円偏光ミラー34で2回反射することによって、直線偏光の偏光方向は90度回転する。電気光学結晶31へ電圧が印加されている場合、偏光ビームスプリッタ32を透過し第2のミラー4へ向けて伝搬したp偏光は、偏光ビームスプリッタ32と第2のミラー4との間を往復する間に、電気光学結晶31での偏光状態の変換と円偏光ミラー34での偏光状態の変換とによってp偏光とされる。偏光ビームスプリッタ32へ入射したp偏光成分は、偏光ビームスプリッタ32を透過する。この場合、レーザ装置33は、共振器外へのs偏光成分の出射が少なくなることによって、共振器内からのビームの損失が少なくなる。一方、電気光学結晶31への電圧印加が停止されているときは、偏光ビームスプリッタ32を透過したp偏光は、偏光ビームスプリッタ32と第2のミラー4との間を往復する間に、円偏光ミラー34での偏光状態の変換によってs偏光とされる。偏光ビームスプリッタ32へ入射したs偏光成分は、偏光ビームスプリッタ32で反射する。この場合、レーザ装置33は、共振器外へのs偏光成分の出射が多くなることによって、共振器内からのビームの損失が多くなる。
このように、レーザ装置33は、円偏光ミラー34が設けられることによって、電気光学結晶31への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。これにより、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得るためには、電気光学結晶31への電圧印加を停止させればよいため、レーザ装置33は、電気光学結晶31と電圧印加のためのドライバとの劣化および故障を防ぐことができる。なお、レーザ装置33には、円偏光ミラー34に代えて、4分の1波長板が設けられても良い。この場合もレーザ装置33は、電気光学結晶31への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。
図18は、実施の形態3の変形例2にかかるレーザ装置35の概略構成を示す図である。変形例2は、レンズ9と、実施の形態2と同様の収容部8とが設けられる例である。レーザ装置35は、レンズ9が設けられていることと、収容部1に代えて収容部8が設けられていることとを除いて、図16に示すレーザ装置30と同様の構成を有する。
共振器内を伝搬するビームの強度が大きいほど、ビームの伝搬経路に設けられている電気光学結晶31などの光学素子は、ビームを吸収することによって温度が上昇する。温度が上昇した光学素子は、温度の上昇による密度の変化または屈折率の変化などによって、熱レンズ効果を生じさせることがある。熱レンズ効果を生じた光学素子による焦点距離は温度によって変化することから、熱レンズ効果は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を低下させる要因となり得る。
レンズ9は、回折格子2と偏光ビームスプリッタ32との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。レンズ9は、ビームの伝搬経路に設けられている光学素子による熱レンズ効果を相殺させる機能を果たす。レーザ装置35は、レンズ9が設けられることによって、熱レンズ効果による結合効率の低下を抑制可能とし、結合効率を向上させることができる。なお、レンズ9は、共振器内におけるビームの伝搬経路のうち任意の位置に配置することができる。レーザ装置35は、適切な位置にレンズ9が配置されることによって、結合効率を効果的に向上させることができる。
図19は、図18に示すレーザ装置35における結合効率の向上のための構成について説明する図である。図19では、レーザ装置35の構成と併せて、レーザ装置35のうち共振器の基本構成を抜き出したものを示している。かかる基本構成の下には、図18に示すレーザ装置35の構成を示している。図19の最下部には、図18に示すレーザ装置35において電気光学結晶31が熱レンズ効果を生じている状態を示している。なお、図19では、回折格子2と第2のミラー4との間の光軸を、第1のミラー3と回折格子2との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置35の構成を表している。
共振器の基本構成では、第1のミラー3と第2のミラー4とが収容部8内のレーザ媒質にできるだけ近づけられて配置されている。この基本構成では、第1のミラー3の反射面と第2のミラー4の反射面とのそれぞれを例えば平面とすることによって、結合効率を高めることができる。第2のミラー4は、z=zの位置に配置されている。レーザ装置35では、上記基本構成における第2のミラー4に代えて、回折格子2と、レンズ9と、偏光ビームスプリッタ32と、電気光学結晶31と、第2のミラー4との組み合わせが設けられている。レンズ9は、第2のミラー4とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。なお、偏光ビームスプリッタ32における光の伝搬は自由空間での光の伝搬と同等であるものとみなすこととし、以下の説明では偏光ビームスプリッタ32におけるビームの伝搬については省略する。また、レーザ装置35は、共振器内を伝搬する各ビームのy軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるy軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。説明上、レーザ媒質におけるy軸方向におけるモードを導波モードとしたため、回折格子2のABCD行列は単位行列とみなしても良い。
回折格子2と、レンズ9と、電気光学結晶31と、第2のミラー4との組み合わせが、z=zに配置される第2のミラー4と光学的に同等の機能を果たし得るように構成されることによって、レーザ装置35は、結合効率を高めることが可能となる。なお、光学的に同等の機能であるとは、z=zの位置に配置される第2のミラー4とレーザ媒質との間におけるビームの伝搬を表すABCD行列と、レーザ媒質と第2のミラー4との間に回折格子2とレンズ9と電気光学結晶31とが介在した場合のレーザ媒質と第2のミラー4との間におけるビームの伝搬を表すABCD行列とが等しいことを意味する。ただし、当該組み合わせに含まれる光学素子である電気光学結晶31が温度上昇によって熱レンズ効果を生じた場合に、当該組み合わせは、z=zの位置に配置される第2のミラー4と光学的に同等の機能を果たし得なくなる。なお、当該組み合わせに含まれる第2のミラー4の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。
レーザ装置35は、熱レンズ効果が生じた場合に、当該組み合わせがz=zの位置に配置される第2のミラー4と光学的に同等の機能を果たし得るように、当該組み合わせを構成する構成要素の位置関係を調整する。熱レンズ効果を生じている電気光学結晶31のABCD行列には、例えば、当該熱レンズと同等の焦点距離を有する薄肉レンズと同じABCD行列が使用されても良い。レーザ装置35は、当該組み合わせの構成要素の位置関係を調整することによって熱レンズ効果を相殺させることができる。これにより、レーザ装置35は、当該組み合わせの光学的な機能を、上記基本構成における第2のミラー4の光学的な機能と同等なものとすることができる。
なお、レーザ装置35は、当該組み合わせの構成要素のうちの少なくとも1つについて位置を調整することによって、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にすることができる。レーザ装置35は、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にするための調整によって、高い結合効率を維持することができる。
なお、レーザ装置30,33,35が有する各構成は、実施の形態1および2にかかる各レーザ装置と適宜組み合わせられても良い。実施の形態1および2にかかる各レーザ装置は、レーザ装置30,33,35と同様の構成を有することによって、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力することができ、かつ結合効率を効果的に向上させることができる。
実施の形態4.
図20は、本発明の実施の形態4にかかるレーザ装置40の概略構成を示す図である。レーザ装置40は、少なくとも1つの増幅器41と、増幅器41へ向けてビームが伝搬する光学系42とを有する。実施の形態4では、上記の実施の形態1から3と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から3とは異なる構成について主に説明する。
レーザ装置40は、増幅器41と光学系42とが設けられている以外は、図16に示すレーザ装置30と同様の構成を有する。偏光ビームスプリッタ32から共振器外へ取り出されたパルスビームは、光学系42を伝搬して増幅器41へ入射する。増幅器41は、共振器から取り出されたパルスビームを増幅する。レーザ装置40は、増幅器41にて増幅されたパルスビームを出力する。これにより、レーザ装置40は、高出力を実現できる。なお、レーザ装置40に設けられる増幅器41の数は、1つであっても良く、複数であっても良い。レーザ装置40は、偏光ビームスプリッタ32から取り出されたパルスビームを出力するものに限られず、第2のミラー4から出射されたパルスビームを出力するものであっても良い。増幅器41は、第2のミラー4から出射されたパルスビームを増幅するものであっても良い。
レーザ装置40は、第2のミラー4に代えて偏光ビームスプリッタ32から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。取り出されたパルスビームは、光学系42へ入射する。この場合において、第2のミラー4には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第2のミラー4の反射面には、例えば、99%以上の高反射率のコーティングが施される。
増幅器41は、ビームを反射するミラーと増幅媒質とを有する。ミラーには、99.9%以上の反射率を持つ高反射率ミラーを用いても良い。増幅媒質は、レーザ装置40によって発振される複数のビームの各波長について利得を有する媒質とする。これにより、発振される各ビームの増幅が増幅器41によって可能となることで、レーザ装置40は、高出力を実現できる。なお、増幅器41には、複数のミラーにおいて各ビームを反射させることによって、各ビームを増幅媒質へ複数回通過させても良い。
レーザ媒質には、実施の形態1と同様に、COレーザガスが使用される。Qスイッチキャビティダンプ法によって、例えば、波長が10.59μmであるP(20)の単一ビームを、10nsから30nsのパルス幅で発振させた場合において、増幅器41によるパルスビームの増幅効率は、P(20)のビームの連続波を増幅する場合に比べて低下する。実施の形態4では、レーザ装置40は、P(20)のビームとともに、波長が10.57μmであるP(18)のビーム、および、波長が10.61μmであるP(22)のビームをパルス発振させるため、単一ビームのパルス発振の場合と比べて、増幅効率の低下を抑制することができる。これにより、レーザ装置40は、高出力を実現することができる。
レーザ装置40は、例えば、P(20)、P(18)、およびP(22)のパルスビームを出力する極端紫外(Extreme Ultra Violet:EUV)光源装置に用いられるCOレーザであっても良い。EUV光源装置は、例えば、10nsから30nsのパルス幅を持つP(20)、P(18)、およびP(22)のパルスビームを、錫の液滴に照射することによって、EUV光を発生させる。EUV光源装置は、レーザ装置40の増幅器41におけるパルスビームの増幅によって、EUV光の高出力化が可能となる。
レーザ装置40は、P(20)、P(18)、およびP(22)以外のビームを発振させても良い。レーザ装置40は、互いに波長が異なるビームの数が多くなるほど、増幅効率の低下の抑制によって、さらに高出力を実現することができる。
レーザ装置40が有する構成は、実施の形態1から3にかかる各レーザ装置に適用されても良い。実施の形態1から3にかかる各レーザ装置は、レーザ装置40と同様の構成を有することによって、高出力を実現することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,8 収容部、2,7 回折格子、3 第1のミラー、3a,3b,3c 領域、4 第2のミラー、5 アパーチャ、6 凸レンズ、9 レンズ、10,11,12,13,14,15,20,30,33,35,40 レーザ装置、31 電気光学結晶、32 偏光ビームスプリッタ、34 円偏光ミラー、41 増幅器、42 光学系。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第1のミラーおよび第2のミラーを備える。本発明にかかるレーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第1のミラーから入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第2のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第2のミラーから入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異なる状態にして第1のミラーへ進行させる回折格子を備える。本発明にかかるレーザ装置は、第1のミラーと回折格子との間を進行する複数のビームが通過するレーザ媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有する二酸化炭素レーザガスを収容する収容部を備える。本発明にかかるレーザ装置は、互いにビーム中心軸が一致した状態で複数のビームを出力する。

Claims (13)

  1. 互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第1のミラーおよび第2のミラーと、
    ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で前記第1のミラーから入射する前記複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて前記第2のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で前記第2のミラーから入射する前記複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて前記第1のミラーへ進行させる回折格子と、
    前記第1のミラーと前記回折格子との間を進行する前記複数のビームが通過する媒質であって前記複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記収容部は、平板形状をなすことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
  3. 前記回折格子と前記第2のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームをパルス化するパルス発振機構を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ装置。
  4. 前記第1のミラーは、凹面である反射面を有し、前記第1のミラーの断面における前記凹面の曲率半径が、前記回折格子と前記第1のミラーとの間の距離と等しいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  5. 前記回折格子と前記収容部との間に設けられ、前記回折格子から伝搬する前記複数のビームを平行化するとともに前記収容部から伝搬する前記複数のビームを収束させる光学素子を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  6. 前記回折格子と前記第2のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードを一括して調整する調整部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  7. 前記回折格子と前記第1のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  8. 前記第1のミラーは、前記複数のビームの各々が入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  9. 前記第1のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項2に記載のレーザ装置。
  10. 前記第2のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項2に記載のレーザ装置。
  11. 前記第2のミラーを通過した前記複数のビームを出力することを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載のレーザ装置。
  12. 前記パルス発振機構によってパルス化された前記複数のビームを増幅する増幅器を備えることを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
  13. 前記レーザ媒質は、二酸化炭素レーザガスであることを特徴とする請求項1から12のいずれか1つに記載のレーザ装置。
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