WO2018092813A1 - レーザ共振器、及びレーザ共振器の設計方法 - Google Patents

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眞幸 桂川
千彰 大饗
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Definitions

  • the present invention relates to a laser resonator and a method for designing a laser resonator.
  • Laser light is used in various fields such as optical communication, absorption / excitation spectrum measurement, high-resolution measurement of substances, and spectroscopy.
  • an external resonator type semiconductor laser having a narrow oscillation spectrum width and high wavelength selectivity is widely used.
  • the external resonator type semiconductor laser has a resonator disposed outside an end face coated with an antireflection (AR) film of a solid-state laser medium, and outputs oscillation light tuned to the resonance wavelength of the resonator.
  • AR antireflection
  • a solid-state laser crystal is placed in the optical path of a ring type resonator consisting of three mirrors or a bow-tie type resonator consisting of four mirrors to resonate the oscillation light.
  • the structure to make is known (for example, refer patent document 1).
  • the optical components constituting the laser resonator are damaged by the high-intensity light.
  • the problem of damage to optical components can be solved by increasing the beam diameter of laser light that reciprocates or circulates in the resonator to reduce the light intensity per unit area.
  • the beam diameter is increased, it becomes difficult to obtain a laser beam in a single transverse mode having a uniform cross-sectional intensity distribution.
  • the laser resonator comprises: A set of optical elements forming a tightly narrowed first optical path; One or more mirrors forming a second optical path of substantially parallel light connected to the first optical path; A laser medium disposed in the second optical path; And stimulated emission light from the laser medium reciprocates or circulates a path formed by the first optical path and the second optical path.
  • a method for designing a laser resonator includes: A pair of concave mirrors forming a first optical path having a tightly narrowed beam waist, and one or more mirrors forming a second optical path of substantially parallel light connected to the first optical path And constitute a resonator, A laser medium is disposed in the second optical path; The distance between the pair of concave mirrors is adjusted to expand the beam diameter of the first optical path to a desired size.
  • the optical damage of the resonator can be prevented and single transverse mode oscillation can be maintained. This realizes a stable high-power laser.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a laser resonator according to Modification 1.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a laser resonator according to Modification 2.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a laser resonator according to Modification 3.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing a change in the beam diameter of the oscillation output according to the distance between the concave mirrors in the arrangement of FIG. 9. It is a figure which shows the evaluation result of the beam quality of the output light of FIG. It is a figure which shows the example of application to the Z-type resonator of the structure of FIG. It is a figure which shows another example of the arrangement
  • 10 is a schematic diagram of a laser resonator according to Modification 4.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating another configuration example of Modification Example 4.
  • one method for increasing the transverse mode diameter is to configure a laser resonator using a mirror having a large curvature radius.
  • An example using a Fabry-Perot type resonator will be described.
  • L 300 mm
  • the radius of curvature R of the mirror constituting the resonator is 10 meters (m)
  • the side of TEM 00 in the resonator is The mode diameter is 1.0 mm to 1.1 mm. This light is almost parallel light.
  • the transverse mode diameter of TEM 00 in the resonator becomes 2.0 mm ⁇ 2.1 mm.
  • the beam diameter is doubled and the cross-sectional area is four times larger.
  • TEM 01 which is the next higher-order mode of TEM 00
  • TEM 10 is close to the fundamental mode frequency of TEM 00 , and it is not easy to obtain single transverse mode oscillation.
  • a method of selecting TEM 00 to increase the finesse of the laser resonator to achieve single transverse mode oscillation is also conceivable.
  • the finesse is raised more than necessary, the light intensity in the resonator increases, which also causes damage problems. appear.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the laser resonator 10 of the embodiment.
  • the laser resonator 10 has a so-called bow tie type resonator arrangement and includes four mirrors M1, M2, M3, and M4.
  • the mirrors M1 and M2 are concave mirrors having a predetermined curvature, and the mirrors M3 and M4 are plane mirrors.
  • the radius of curvature r1 of the mirror M1 is set to 100 millimeters (mm)
  • the radius of curvature r2 of the mirror M2 is set to 100 millimeters (mm).
  • This mirror arrangement has a portion where the beam diameter is tightly focused (a path including a tightly narrowed beam waist) and a portion that can be regarded as almost parallel light (parallel light path).
  • the term “substantially parallel light” does not include a tightly focused beam waist and can be regarded as parallel rays within the scope of optical common sense described later with reference to FIG. Say.
  • the beam diameter is tightly narrowed between the mirrors M1 and M2, and the other paths, that is, between the mirrors M2 and M3, between the mirrors M3 and M4, and between the mirrors M4 and M1, are almost the same.
  • Parallel light The laser medium 12 is disposed in the parallel light portion.
  • the path between the mirrors M1 and M2 having a tightly narrowed beam waist has an optical path length that is at least 10 times the Rayleigh length defined by the beam diameter at the beam waist position.
  • the Rayleigh length indicates the distance until the beam diameter becomes ⁇ 2 times, and is uniquely determined when the beam diameter is given.
  • the beam diameter at the beam waist between the mirrors M1 and M2 is small, and an appropriate resonator arrangement is realized by making the optical path length 10 times or more of the Rayleigh length.
  • These parallel light paths may be set to an optical path length that is not more than twice the Rayleigh length determined by the beam diameter at the position where the beam diameter of the parallel light is the smallest.
  • the laser medium 12 is disposed between the mirrors M3 and M4 from the viewpoint of efficiently extracting output light, but a parallel light path between the mirrors M1 and M4 or between the mirrors M2 and M3. You may arrange in.
  • the base material, the added element, the composition, and the like of the laser medium 12 are appropriately selected based on the target wavelength, the absorption rate with respect to the excitation light, and the like.
  • a titanium sapphire crystal reffractive index 1.76, Brewster angle 60.4 °
  • the laser medium 12 is arranged in a tightly focused portion in a normal configuration.
  • the laser medium 12 by placing the laser medium 12 in the parallel light portion, all the optical components including the mirrors M1 to M4 and the laser medium 12 are arranged at a position where the beam diameter is large. Avoid the problems of light damage.
  • FIG. 3 is a diagram showing the beam diameter in the laser resonator 10 having the arrangement shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the position in the resonator, specifically, the distance (optical path length) from the mirror M1.
  • the vertical axis represents the beam diameter (mm).
  • the distance between the mirrors M1 and M2 is 103.6 mm
  • the distance between the mirrors M2 and M3 is 130 mm
  • the distance from the mirror M3 to the incident surface of the titanium sapphire crystal as the laser medium 12 is 44 mm.
  • the crystal length of the titanium sapphire crystal is 17 mm (optical path length is 29.9 mm), the distance from the exit surface of the titanium sapphire crystal to the mirror M4 is 50.4 mm, and the distance between the mirrors M4 and M1 is 114 mm.
  • This beam is orthogonal to the direction of travel of the beam and is parallel to the plane of the paper (horizontal component or meridional ray) and perpendicular to the direction of travel of the beam and perpendicular to the plane of the paper (vertical component or sagittal ray).
  • the beam diameter is narrowed down by both the vertical component and the horizontal component.
  • the beam diameter in the direction perpendicular to the paper surface is approximately 2 mm
  • the beam diameter in the direction parallel to the paper surface is parallel light having a beam diameter of approximately 0.6 mm.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the beam waist region A of FIG. In this region, the beam diameter of the vertical component is narrowed down compared to the beam diameter of the horizontal component.
  • the beam cross section at the center of the mirrors M1 and M2 is the smallest, the light confinement is strong, and the intensity per unit area increases.
  • no optical component is disposed in the path P2 including the beam waist region A.
  • the arrangement of FIG. 2 has another feature that the beam diameter in the parallel light portion can be made variable while maintaining a single transverse mode, in addition to preventing damage to the optical components.
  • FIG. 5 shows changes in the beam diameter when the distance L between the mirrors M1 and M2 is changed. It shows the diameters of both the component in the direction perpendicular to the paper surface (vertical component or sagittal component) and the component in the direction horizontal to the paper surface (horizontal component or meridional component) in the plane orthogonal to the beam traveling direction.
  • the beam diameter in a portion close to parallel light can be continuously increased without changing the curvature of the mirror. For example, by setting the distance L between the mirrors M1 and M2 to 105 mm in the arrangement example of FIG.
  • a beam profile close to a perfect circle having a beam diameter of about 1 mm can be obtained.
  • the diameter of the vertical component can be increased and the beam cross-sectional area can be increased.
  • the beam diameter of the horizontal component is uniquely determined.
  • TEM 01 and TEM 10 which are the next higher order modes of TEM 00 are located at approximately the center of the longitudinal mode (axis mode) interval, and can select transverse mode oscillation with TEM 00 alone without raising finesse. it can. This is because the resonator arrangement is such that a tightly narrowed waist is formed in the resonator.
  • a stable resonator arrangement an arrangement in which a transverse mode profile in an oscillation resonator is determined by stable oscillation using optical confinement.
  • the beam diameter of the parallel light part is increased using a reasonable radius of curvature of the curved mirror, and a high output is obtained with a sufficiently large frequency interval between adjacent high-order transverse modes.
  • a laser can be realized.
  • even-order higher-order transverse modes are close to TEM 00 , but the spatial profile of these even-order modes has a shape that extends considerably outward as compared to the TEM 00 mode. Therefore, even-order modes can be sufficiently removed by matching the excitation light with the spatial profile of TEM 00 , or by arranging an aperture or the like in the resonator.
  • the spatial profile of TEM 01 mode and TEM 10 mode has a large overlap with TEM 00 mode and it is difficult to differentiate from TEM 00 spatially compared to TEM 02 and TEM 20; The frequency interval can be kept large.
  • FIG. 6 shows an application example to a standing wave type (Z type) resonator instead of the bow tie type resonator of FIG.
  • the effects of avoiding optical damage of the above-described optical components and adjusting the beam diameter by finely adjusting the distance between M1 and M2 can also be obtained by the standing wave type (Z type) resonator of FIG.
  • the laser resonator 10A includes mirrors M1 and M2 having curvature and plane mirrors M3 and M4.
  • the laser medium 12 is inserted into a path of parallel light other than the path between the mirrors M1 and M2 where the beam is tightly focused, and is inserted as an example between the mirrors M3 and M4.
  • the excitation light can be incident from the side of the mirror M4, but is not limited to this example.
  • Incident excitation light excites the laser medium 12.
  • the oscillation light is sequentially reflected by the mirror M3 and the mirror M1, and is turned back by the mirror M2.
  • the light reciprocates between the mirror M4 and the mirror M2. When the light energy is sufficiently amplified, the light is output to the outside from the mirror M4.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the laser resonator 20 of the first modification.
  • transparent plates 15 and 16 having a thickness satisfying a predetermined condition are inserted in a path between the mirrors M1 and M2 having curvature.
  • the transparent plate 15 and the transparent plate 16 are respectively inserted obliquely with respect to the optical axis.
  • the correction amount of astigmatism is defined by the thickness t of the transparent plates 15 and 16, the refractive index n, and the angle of the transparent plate from the optical axis.
  • n 1 is a refractive index of light in a medium (for example, air) before incidence
  • n 2 is a refractive index of light in the transparent plates 15 and 16.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a laser resonator 30 according to the second modification. 2 and 6, the laser medium 12 is arranged in a parallel light path having a large beam diameter while the optical confinement is enhanced by mirrors M1 and M2 having realistic curvatures, thereby avoiding optical damage of optical components.
  • the single transverse mode can be maintained. However, a tightly focused beam waist is formed in the resonator, and air discharge at the beam waist can occur when the laser output is increased.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the laser resonator 40 of the third modification.
  • the vacuum cell of Modification 2 and the oblique transparent plate of Modification 1 are combined to prevent both astigmatism and air discharge.
  • the laser resonator 40 includes mirrors M1 and M2 having curvature and plane mirrors M3 and M4, and the vacuum cell 18 is disposed in the beam waist region.
  • the vacuum cell 18 has transparent plates 21 and 22 having a predetermined thickness, which are disposed obliquely with respect to the optical axis on the incident side and the emission side, respectively. Astigmatism is relieved by the transparent plates 21 and 22, and air discharge is prevented by the vacuum cell 18.
  • reflection loss can be prevented.
  • the laser medium 12 is arranged in the optical path excluding the beam waist path (path between M1 and M2), as in FIGS.
  • a simple and stable laser resonator design is realized.
  • 10 and 11 are diagrams showing the characteristics of the laser oscillation output light in the arrangement of FIG. Injection-locked nanosecond pulsed laser oscillation light is used as the laser oscillation output light.
  • seed light is injected into the titanium sapphire laser medium 12 of FIG. 9 from the outside, and oscillation based on the seed light is dominantly generated before spontaneous emission of the laser medium 12.
  • the oscillation output is a stable output that matches the longitudinal mode of the seed light.
  • the horizontal axis indicates the distance (mm) between the concave mirrors
  • the vertical axis indicates the beam diameter (mm).
  • the cross-sectional shape of the beam is almost circular and the diameter is about 1 mm.
  • the beam shape observed at this time is shown by an image (a-2).
  • image (a-1) By changing the distance between the concave mirrors to 89.05 mm, it is possible to obtain output light having a substantially circular cross section with a beam diameter of 2 mm.
  • the beam shape observed at this time is shown by an image (a-1).
  • FIG. 11 shows the evaluation result of the beam quality (lateral mode) of the output light (a-1) in FIG.
  • the beam diameter is measured at a plurality of points along the optical axis from the focal point.
  • the upper diagram of FIG. 11 shows the characteristics of the component perpendicular to the paper surface (sagittal component), and the lower diagram of FIG.
  • the beam quality is evaluated by the M 2 method.
  • the M 2 value is an indicator of how close the beam is to the single mode TEM00 beam
  • M 2 ( ⁇ / 4 ⁇ ) w 0 ⁇ ⁇ 0
  • ⁇ is the wavelength used
  • w 0 is the radius at the beam waist
  • ⁇ 0 is the spread angle from the optical axis.
  • the value of M 2 is approximately 1 for both the vertical component and the horizontal component. This indicates that it is close to a single mode Gaussian beam.
  • FIG. 12 shows an example in which the configuration of FIG. 9 is applied to a standing wave type (Z type) resonator.
  • the laser resonator 40A includes mirrors M1 and M2 having curvature and plane mirrors M3 and M4.
  • a vacuum cell 18 is disposed in the beam waist region between the mirrors M1 and M2, and the laser medium 12 is inserted into a parallel light path excluding the path where the beam is focused.
  • the vacuum cell 18 has transparent plates 21 and 22 having a predetermined thickness that are disposed obliquely with respect to the optical axis on the incident side and the emission side, respectively, to reduce astigmatism and prevent air discharge. It is desirable that the angles of the transparent plates 21 and 22 with respect to the optical axis satisfy the Brewster condition.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating another example of the arrangement of the laser medium 12.
  • the laser medium 12 does not necessarily need to be between the mirrors M3 and M4 as long as the laser medium 12 is inserted into a path of substantially parallel light while avoiding a tightly narrowed beam waist.
  • the laser medium 12 is disposed between the mirrors M2 and M3, but the present invention is not limited to this example, and the laser medium 12 may be disposed between the mirrors M1 and M4.
  • the selection of the arrangement position of the laser medium 12 also applies to the Z-type resonator arrangement of FIG. In the example of FIG. 12, the laser medium 12 may be disposed between the mirrors M1 and M3.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a laser resonator 50A of the fourth modification.
  • a combination of the plane mirror M11 and the convex lens 51 is used instead of the concave mirror M1
  • a combination of the plane mirror M12 and the convex lens 52 is used instead of the concave mirror M2.
  • FIG. 15 shows a laser resonator 50B as another configuration example of the fourth modification.
  • the entrance surface and the exit surface of the vacuum cell 55 are formed by convex lenses 57 and 58. This configuration can reduce the number of parts and can prevent astigmatism and air discharge.
  • the laser medium 12 is arranged between the mirrors M3 and M4, but may be arranged in another parallel light path as shown in FIG.
  • damage to optical components in the resonator can be prevented even when the laser output is increased, and stable in a single transverse mode without increasing the finesse of the laser resonator. Oscillation can be obtained.
  • the laser device may be configured by combining the laser resonator of FIG. 2 and Modifications 1 to 4 and an external excitation light source.
  • the excitation light from the excitation light source is incident on the laser medium 12 to excite the laser medium 12 and cause laser oscillation.
  • Such a laser device is also within the scope of the present invention.

Abstract

共振器の共振器の光損傷を防止し、かつ単一横モード発振を維持することのできるレーザ共振器を提供する。レーザ共振器は、タイトに絞られたビームウエストを有する第１の光パスを形成する１組の光学素子と、前記第１の光パスに接続されるほぼ平行光の第２の光パスを形成する１以上のミラーと、前記第２の光パスに配置されるレーザ媒質とを有し、前記レーザ媒質からの誘導放出光が前記第１の光パスと第２の光パスで形成されるパスを往復または周回する。

Description

レーザ共振器、及びレーザ共振器の設計方法
　本発明は、レーザ共振器とレーザ共振器の設計方法に関する。
　レーザ光は、光通信、吸収／励起スペクトルの測定、物質の高解像測定、分光等、多様な分野で用いられている。単一縦モード発振のレーザ光源として、発振スペクトル幅が狭く波長選択性の高い外部共振器型半導体レーザが広く用いられている。外部共振器型半導体レーザは、固体レーザ媒質の反射防止（ＡＲ）膜で被膜された端面の外側に共振器を配置し、共振器の共振波長に同調した発振光を出力する。外部共振器として、３枚のミラーで構成したリング型共振器、あるいは４枚のミラーで構成したボウタイ（Bow-tie）型の共振器の光パスに固体レーザ結晶を配置して発振光を共振させる構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００８－３４４５７号公報
　レーザを高出力化しようとすると、高強度の光によって、レーザ共振器を構成する光学部品が損傷を受けるという問題が生じる。光学部品の損傷の問題は、共振器内を往復または周回するレーザ光のビーム径を大きして単位面積当たりの光強度を下げることで解決され得る。しかし、ビーム径を大きくすると均一な断面強度分布を持つ単一横モードのレーザ出力を得るのが困難になる。
　本発明は、共振器の光損傷を防止し、かつ単一横モード発振を維持することのできるレーザ共振器の設計を提供することを目的とする。
　本発明の一つの側面では、レーザ共振器は、
　タイトに絞り込まれた第１の光パスを形成する１組の光学素子と、
　前記第１の光パスに接続されるほぼ平行光の第２の光パスを形成する１以上のミラーと、
　前記第２の光パスに配置されるレーザ媒質と、
を有し、前記レーザ媒質からの誘導放出光が前記第１の光パスと第２の光パスで形成されるパスを往復または周回する。
　本発明の別の側面では、レーザ共振器の設計方法は、
　タイトに絞られたビームウエストを有する第１の光パスを形成する１組の凹面ミラーと、前記第１の光パスに接続されるほぼ平行光の第２の光パスを形成する１以上のミラーとで共振器を構成し、
　前記第２の光パスにレーザ媒質を配置し、
　前記１組の凹面ミラー間の距離を調整して前記第１の光パスのビーム径を所望のサイズに拡張する。
　共振器の光損傷を防止し、かつ単一横モード発振を維持することができる。これにより安定した高出力レーザが実現される。
ビーム径を大きくすることで生じる問題を説明する図である。 実施形態のレーザ共振器の概略図である。 図２の配置のレーザ共振器内のビーム径を示す図である。 図３のタイトに絞り込まれたビームウエスト領域の拡大図である。 実施形態で用いる凹面ミラー（Ｍ１－Ｍ２）間の距離を調整することで、ビーム径を所望のサイズに拡張する一例を示す図である。 Ｚ型共振器への適用例を示す図である。 変形例１のレーザ共振器の概略図である。 変形例２のレーザ共振器の概略図である。 変形例３のレーザ共振器の概略図である。 図９の配置において、凹面ミラー間の距離に応じた発振出力のビーム径の変化を示す図である。 図１０の出力光のビーム品質の評価結果を示す図である。 図９の構成のＺ型共振器への適用例を示す図である。 レーザ媒質の配置箇所の別の例を示す図である。 変形例４のレーザ共振器の概略図である。 変形例４の別の構成例を示す図である。
　本発明のレーザ共振器の躯体的な構成を示す前に、共振器内を往復する光のビーム径を大きくすることにより生じる問題点を説明する。共振器内でビーム径を大きくする、特に光学部品が置かれた位置でのビーム径を大きくすることで、高出力レーザの共振器内の光学部品の損傷は解決され得る。ただし、発振レーザ光が単一横モードであることが条件となる。レーザ出力が単一横モードでないと、均一な断面強度分布の光が得られないだけでなく、出力光を回折限界まで絞り込めないなど、応用の観点でデメリットが発生するからである。
　図１に示すように、横モード径を大きくする一つの方法は、曲率半径の大きいミラーを用いてレーザ共振器を構成することである。ファブリ－ペロー型の共振器を用いた例で説明する。図１の右図のように、共振器間隔Ｌ＝３００ｍｍのファブリ－ペロー共振器において、共振器を構成するミラーの曲率半径Ｒを１０メートル（ｍ）とすると、共振器内のＴＥＭ00の横モード直径は１．０ｍｍ～１．１ｍｍになる。この光はほぼ平行光に近い。
　一方、図１の左図のように、同じ配置でミラーの曲率半径Ｒを１００メートル（ｍ）にすると、共振器内のＴＥＭ00の横モード直径は２．０ｍｍ～２．１ｍｍになる。曲率半径Ｒ＝１０ｍのミラーと比較して、ビーム直径で２倍、断面積で４倍大きくなる。この場合は、Ｒ＝１０ｍの共振器設計に比べて、光学部品の損傷の問題を生じさせることなく、４倍大きいエネルギーの光出力を得ることができる。このことは、リング型の共振器配置をとったときも同様に当てはまる。
　一見、これで損傷の問題が解決するようにみえるが、実際にはこの設計は十分に機能しない。ひとつの現実的な問題は、このような大きい曲率半径（Ｒ＝１００ｍ）のミラーの製作が容易でないこと、また、製作してもその曲率半径にばらつきが大きく、安定したスペックのミラーを入手することが困難なことにある。
　もう一つの問題は、図１に示すように、ビーム径が大きくなるにつれて高次の横モード（ＴＥＭ：Transverse Electromagnetic Mode）の共振周波数、特にＴＥＭ00の次の高次モードであるＴＥＭ01、あるいはＴＥＭ10がＴＥＭ00の基本モードの周波数に近接し、単一横モード発振を得るのが容易でなくなることにある。レーザ共振器のフィネスを上げて、単一横モード発振となるようＴＥＭ00を選択する方法も考えられるが、フィネスを必要以上に上げると共振器内の光強度が高くなり、やはり損傷の問題が発生する。
　本発明は、以上のような問題意識を背景として、これらの問題を解決するためのレーザ共振器の新しい設計を提供する。
＜基本構成＞
　図２は、実施形態のレーザ共振器１０の概略図である。レーザ共振器１０はいわゆるボウタイ型の共振器配置を有し、４枚のミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を有する。ミラーＭ１とＭ２は所定の曲率を有する凹面ミラー、ミラーＭ３とＭ４は平面ミラーである。この例では、ミラーＭ１の曲率半径ｒ１は１００ミリメートル（ｍｍ）ミラーＭ２の曲率半径ｒ２は１００ミリメートル（ｍｍ）に設定されている。これらの設定値は一例であって、Ｍ１－Ｍ２間でビーム径を光閉じ込めに適したサイズに絞ることのできる任意の曲率半径を選択することができる。
　このミラー配置は、ビーム径がタイトに集光された部分（タイトに絞られたビームウエストを含むパス）と、ほぼ平行光とみなせる部分（平行光パス）を有する。この明細書と特許請求の範囲で「ほぼ平行光」というときは、タイトに絞られたビームウエストを含まず、図３を参照して後述する光学的な常識の範囲内で平行光線とみなせるものをいう。ビーム径がタイトに絞られているのはミラーＭ１とＭ２の間であり、それ以外のパス、すなわちミラーＭ２とＭ３の間、ミラーＭ３とＭ４の間、及びミラーＭ４とＭ１の間は、ほぼ平行光である。そして、平行光の部分に、レーザ媒質１２が配置される。
　タイトに絞られたビームウエストを有するミラーＭ１とＭ２の間のパスは、ビームウエスト位置でのビーム径で規定されるレーリー長の１０倍以上の光路長を有する。レーリー長は、ビーム径が√２倍になるまでの距離を指し、ビーム径が与えられると一義的に決まる。ミラーＭ１とＭ２の間のビームウエスト部分でのビーム径は小さく、光路長をレーリー長の１０倍以上にすることで適切な共振器配置を実現する。
　ほぼ平行光のパスとなるミラーＭ２とＭ３の間、ミラーＭ３とＭ４の間、及びミラーＭ４とＭ１の間では、ビームウエスト部分とビームウエスト以外の部分でのビーム径の差は小さい。これらの平行光パスは、ほぼ平行光のビーム径が最も小さくなる位置でのビーム径で決まるレーリー長の２倍以下の光路長に設定されてもよい。
　図２の例では、効率良く出力光を取り出す観点から、レーザ媒質１２をミラーＭ３とＭ４の間に配置しているが、ミラーＭ１とＭ４の間、あるいはミラーＭ２とＭ３の間の平行光パスに配置してもよい。レーザ媒質１２の母体材料、添加される元素、組成等は、目的とする波長、励起光に対する吸収率等に基づいて適宜選択される。この例では、レーザ媒質１２としてチタンサファイア結晶（屈折率１．７６、ブリュースター角６０．４°）を用いる。
　レーザ媒質１２での増幅を高めるためには、通常の構成ではタイトにフォーカスされた部分にレーザ媒質１２が配置される。これに対して、図２では平行光の部分にレーザ媒質１２を置くことで、ミラーＭ１～Ｍ４とレーザ媒質１２を含めた全ての光学部品がビーム径の大きい位置に配置され、高出力レーザでの光損傷の問題を避けることができる。
　図３は、図２の配置のレーザ共振器１０内のビーム径を示す図である。横軸は共振器内での位置、具体的にはミラーＭ１からの距離（光路長）である。分かりやすくするため、横軸に沿って共振器内での光学素子の配置位置を示している。縦軸はビーム直径（ｍｍ）である。実験に用いた配置では、ミラーＭ１とＭ２の間の距離が１０３．６ｍｍ、ミラーＭ２とＭ３の間の距離が１３０ｍｍ、ミラーＭ３からレーザ媒質１２としてのチタンサファイア結晶の入射面までの距離が４４ｍｍ、チタンサファイア結晶の結晶長は１７ｍｍ（光路長は２９．９ｍｍ）、チタンサファイア結晶の出射面からミラーＭ４までの距離は５０．４ｍｍ、ミラーＭ４とＭ１の間の距離は１１４ｍｍである。このビームは、ビームの進行方向に直交し、かつ紙面と水平な方向の成分（水平成分またはメリジオナル光線）とビームの進行方向に直交し、かつ紙面と垂直な方向の成分（垂直成分またはサジタル光線）で径の異なる楕円プロファイルを有する。これは、曲率を持った凹面ミラーＭ１，Ｍ２を用いることによる非点収差の影響による。後述するように、この非点収差の影響は追加の光学素子を用いることで補正可能である。
　図３からわかるように、ミラーＭ１とＭ２の間でビーム径は垂直方向の成分、水平方向の成分の双方で絞り込まれている。それ以外のパスでは、紙面と垂直な方向のビーム径が約２ｍｍ、紙面と水平な方向のビーム径は約０．６ｍｍの平行光である。
　図４は、図３のビームウエスト領域Ａの拡大図である。この領域では、垂直成分のビーム径のほうが水平成分のビーム径よりも絞り込まれている。ミラーＭ１とＭ２の中央部でのビーム断面が最も小さくなり、光閉じ込めが強く単位面積当たりの強度が増大する。図２の構成では、このビームウエスト領域Ａを含むパスＰ２に光学部品は配置されない。
＜レンズ間距離の調整によるビーム径の調整＞
　図２の配置は、光学部品の損傷防止以外に、単一横モードを維持したまま平行光部分でのビーム径を可変にできるという、もうひとつの特徴を有する。
　図５は、ミラーＭ１－Ｍ２間の距離Ｌを変化させたときのビーム径の変化を示す。ビームの進行方向と直交する面内で紙面と垂直な方向の成分（垂直成分またはサジタル成分）と紙面と水平な方向の成分（水平成分またはメリジオナルメ成分）の双方の径を示している。図５からわかるように、曲率を持ったミラーＭ１－Ｍ２間の距離を微調整することで、ミラーの曲率を変えずに平行光に近い部分のビーム径を連続的に増大させることができる。たとえば、図２の配置例でミラーＭ１とＭ２間の距離Ｌを１０５ｍｍに設定することで、ビーム径が約１ｍｍの真円に近いビームプロファイルが得られる。距離Ｌを１０４ｍｍにすることで垂直成分の径を増大させてビーム断面積を大きくすることができる。合理的な範囲内で垂直成分のどのようなビーム径を選択したとしても、水平成分のビーム径が一義的に決まる。一例として、垂直方向の径を２ｍｍ（Ｌ＝１０３．６ｍｍ）に設定する。垂直方向のビーム径をたとえば１ｍｍから２倍の２ｍｍに変化させる場合でも、凹面ミラーの曲率半径を現実的な値、たとえば１００ｍｍ程度に固定することができ、安定したスペックのミラーを容易に入手することができる。
　さらに、図２の構成は単一横モードの選択性も良い。ＴＥＭ00の次の高次モードであるＴＥＭ01、及びＴＥＭ10は、縦モード（軸モード）間隔のほぼ中央に位置し、フィネスを上げることなくＴＥＭ00単一で横モード発振を選択することができる。共振器内にタイトに絞り込まれたウエストが形成されるような共振器配置となっているからである。この明細書では、光閉じ込めを用いた安定発振で発振共振器中の横モードプロファイルが確定する配置を「安定共振器配置」と呼ぶ。安定共振器配置において、曲面ミラーの合理的な曲率半径を用いて平行光部分のビーム径を大きくし、隣接する高次横モードとの間の周波数間隔を十分に大きく保った状態で高出力のレーザを実現することができる。
　なお、偶数次の高次横モード（ＴＥＭ02、ＴＥＭ20等）はＴＥＭ00に近接するが、これらの偶数次モードの空間プロファイルはＴＥＭ00モードに比べてかなり外側に広がる形状になる。したがって、励起光をＴＥＭ00の空間プロファイルにマッチングさせる、共振器内にアパーチャ等を配置するなどして、偶数次モードを十分に除去することができる。ＴＥＭ01モードやＴＥＭ10モードの空間プロファイルはＴＥＭ00モードとのオーバーラップが大きく空間的にＴＥＭ00と差別化することはＴＥＭ02、ＴＥＭ20に比べて困難であるが、上記の構成によりモード間の周波数間隔を大きく保つことができる。
　図６は、図２のボウタイ型共振器に替えて、定在波型（Ｚ型）の共振器への適用例を示す。上述した光学部品の光損傷の回避と、Ｍ１－Ｍ２間距離の微調整によるビーム径調整の効果は、図６の定在波型（Ｚ型）共振器でも得られる。レーザ共振器１０Ａは、曲率を持ったミラーＭ１、Ｍ２と、平面ミラーＭ３、Ｍ４を有する。レーザ媒質１２は、ビームがタイトに絞られるミラーＭ１とＭ２の間のパス以外の平行光のパスに挿入され、一例としてミラーＭ３とＭ４の間に挿入される。
　励起光は、一例としてミラーＭ４の側から入射し得るがこの例に限定されない。入射励起光はレーザ媒質１２を励起する。発振光はミラーＭ３、ミラーＭ１で順次反射され、ミラーＭ２で折り返す。光はミラーＭ４とミラーＭ２の間を往復する。光のエネルギーが十分に増幅されるとミラーＭ４から外部に出力される。
　図６の構成でも、ミラーＭ１とＭ２間の距離を微調整することで、平行光部分のビーム径は拡張され、単位面積当たりの強度が緩和されている。ミラーＭ１とＭ２の曲率は安定共振器配置となる適切な曲率に設定されている。
＜変形例１＞
　図７は、変形例１のレーザ共振器２０の概略図である。図7では、曲率を持つミラーＭ１とＭ２の間のパスに、所定の条件を満たす厚さの透明板１５，１６を挿入する。
　一般に、ボウタイ型またはＺ型の共振器配置で曲率を持つ球面ミラーを用いると、非点収差が生じ、ビーム径が楕円になり、かつ楕円の長軸方向と短軸方向のそれぞれで異なるビームダイバージェンスをもつ。これは図３、４にも現れている。非点収差の影響を低減するため、透明板１５と透明板１６をそれぞれ光軸に対して斜めに挿入する。非点収差の補正量は、透明板１５、１６の厚さｔ、屈折率ｎ、光軸からの透明板の角度で規定される。
　透明板１５、１６へのビームの入射角θをブリュースター角とすることで、透明板１５，１６を挿入することによる反射ロスを回避することができる。ブリュースター角は、透明板１５、１６への入射角θがθ＝ｔａｎ-1（ｎ2／ｎ1）を満たすときの角度であり、このときＰ偏波は全く反射されなくなる。ここで、ｎ1は入射前の媒質（たとえば空気）での光の屈折率、ｎ2は透明板１５，１６中での光の屈折率である。ブリュースター角で透明板１５、１６を挿入することで、透明板１５、１６の表明反射による損失を最小にし、かつ凹面を有するミラーＭ１、Ｍ２を用いることによる非点収差の影響を低減することができる。
＜変形例２＞
　図８は、変形例２のレーザ共振器３０の概略図である。図２及び図６の構成は、現実的な曲率を持つミラーＭ１、Ｍ２で光閉じ込めを高めつつ、ビーム径の大きい平行光パスにレーザ媒質１２を配置して、光学部品の光損傷を回避しつつ単一横モードを維持できる。ただし、共振器内にタイトに集光されたビームウエストが形成され、レーザ出力を高くしたときに、ビームウエストでの空気放電が発生し得る。
　変形例２では、ビームウエスト領域を真空にすることで空気放電を防止する。レーザ共振器３０は、曲率を有するミラーＭ１、Ｍ２と平面ミラーＭ３、Ｍ４を有し、ビームウエスト領域に真空セル１７が配置される。レーザ媒質１２がビームウエストのパス（Ｍ１－Ｍ２間のパス）を除く光パスに配置されていることは図２，６，７と同様である。なお、レーザ共振器３０の全体を真空チャンバーに配置してもよい。図８のようにビームウエスト領域にだけ真空セル１７を配置することでレーザ装置を小型に保つことができる。
＜変形例３＞
　図９は、変形例３のレーザ共振器４０の概略図である。変形例３では、変形例２の真空セルと変形例１の斜めの透明板を組み合わせて、非点収差と空気放電の両方を防止する。レーザ共振器４０は、曲率を有するミラーＭ１、Ｍ２と平面ミラーＭ３、Ｍ４を有し、ビームウエスト領域に真空セル１８が配置される。真空セル１８は、入射側と出射側にそれぞれ光軸に対して斜めに配置される所定の厚さの透明板２１と２２を有する。透明板２１及び２２により非点収差を緩和し、かつ真空セル１８で空気放電を防止する。真空セル１８の窓となる透明板２１，２２の角度をブリュースター条件を満たすように設定することで、反射ロスを防止することができる。レーザ媒質１２がビームウエストのパス（Ｍ１－Ｍ２間のパス）を除く光パスに配置されていることは図２，６，７と同様である。図９の構成では、シンプルで安定したレーザ共振器の設計が実現される。
図１０と図１１は、図９の配置におけるレーザ発振出力光の特性を示す図である。レーザ発振出力光として、注入同期ナノ秒パルスレーザ発振光を用いている。具体的には、図９のチタンサファイアのレーザ媒質１２に、外部からシード光を注入し、レーザ媒質１２の自然放出よりも前にシード光に基づく発振を支配的に生じさせる。その結果、発振出力はシード光の縦モードと一致した安定出力となる。
　図１０の横軸は、凹面ミラー間の距離（ｍｍ）を示し、縦軸は、ビーム直径（ｍｍ）を示す。図９のミラーＭ１とＭ２の間パスに透明板２１，２２を有する真空セル１８を挿入した状態で、ミラーＭ１とＭ２の間の距離（パス長）を変える。距離の変化にともなって発振出力光の径が変化する。
　凹面ミラー間距離が８９．７ｍｍのときにビームの断面形状はほぼ円形であり、直径は約１ｍｍである。このときに観察されるビーム形状を画像（ａ－２）で示す。凹面ミラー間距離を８９．０５ｍｍに変えることで、ビーム径が２ｍｍのほぼ円形断面の出力光を得ることができる。このときに観察されるビーム形状を画像（ａ－１）で示す。
　図９のレーザ共振器４０では、凹面ミラー間に挿入された透明板２１、２２により、非点収差がほぼ取り除かれている。したがって、図１０で垂直成分と水平成分を表わす２本の曲線は互いに近接しており、凹面ミラー間の距離の変化にかかわらず、ビーム断面形状はほぼ円形に維持されている。
　図１１は、図１０の出力光（ａ－１）のビーム品質（横モード）の評価結果を示す。集光点から光軸に沿って複数の点でビーム径を測定する。図１１の上図がビームの紙面と垂直な成分（サジタル成分）、図１１の下図が紙面と水平な成分（メリジオナル成分）の特性である。ビーム品質は、Ｍ2法で評価する。Ｍ2値はビームがシングルモードＴＥＭ00ビームにどれだけ近いかを表わす指標であり、
　　　Ｍ2＝（π／４λ）ｗ0×θ0
で計算される。ここで、λは使用波長、ｗ0はビームウエストでの半径、θ0は光軸からの広がり角である。計算の結果、垂直成分、水平成分ともに、Ｍ2の値はほぼ１である。これはシングルモードのガウシアンビームに近いことを示す。
　図１２は、図９の構成を定在波型（Ｚ型）の共振器に適用した例を示す。レーザ共振器４０Ａは、曲率を持ったミラーＭ１、Ｍ２と、平面ミラーＭ３、Ｍ４を有する。ミラーＭ１とＭ２の間のビームウエスト領域に真空セル１８が配置され、レーザ媒質１２は、ビームが絞られるパスを除く平行光のパスに挿入される。真空セル１８は、入射側と出射側にそれぞれ光軸に対して斜めに配置される所定の厚さの透明板２１と２２を有し、非点収差を緩和するとともに空気放電を防止する。透明板２１、２２の光軸に対する角度は、ブリュースター条件を満たしていることが望ましい。
　図１３は、レーザ媒質１２の配置の別の例を示す図である。上述のように、レーザ媒質１２は、タイトに絞られたビームウエスト部分を避けてほぼ平行光のパスに挿入されるならば、必ずしもミラーＭ３とＭ４の間である必要はない。図１３のレーザ共振器４０Ｂでは、レーザ媒質１２をミラーＭ２とＭ３の間に配置するが、この例に限定されず、ミラーＭ１とＭ４の間にレーザ媒質１２を置いてもよい。レーザ媒質１２の配置位置の選択は、図１２のＺ型の共振器配置にも当てはまる。図１２の例では、ミラーＭ１とＭ３の間にレーザ媒質１２を配置してもよい。レーザ媒質をほぼ平行光のパスに配置することで、単一横モード発振の安定共振器において光学素子に対する光損傷を防止することができる。
＜変形例４＞
　図１４は、変形例４のレーザ共振器５０Ａの概略図である。レーザ共振器５０Ａでは、凹面ミラーＭ１に替えて、平面ミラーＭ１１と凸レンズ５１の組み合わせを用い、凹面ミラーＭ２に替えて、平面ミラーＭ１２と凸レンズ５２の組合せを用いる。この構成例ではレーザ光が凸レンズ５１、５２に垂直に入射するので、非点収差の問題を回避することができ、光パス中に非点収差補正用の透明板１５，１６、２１、２２（図７及び図９参照）を挿入する必要はない。ただし、タイトに絞り込まれたビームウエスト付近で空気放電が問題となり得る場合は、凸レンズ５１と凸レンズ５２の間に真空セル１７を配置するのが望ましい。このとき、凸レンズ５１、５２と真空セル１７の光窓は無反射コートされていることが望ましい。
　図１５は、変形例４の別の構成例としてレーザ共振器５０Ｂを示す。レーザ共振器５０Ｂでは、真空セル５５の入射面と出射面が凸レンズ５７及び５８で形成されている。この構成は部品点数を減らすことができ、かつ非点収差と空気放電を防止することができる。
　図１４及び図１５の例では、レーザ媒質１２はミラーＭ３とＭ４の間に配置されているが、図１３のように別の平行光パスに配置されてもよい。
　以上述べたように、実施例及び変形例の構成によると、レーザ出力を上げても共振器内の光学部品の損傷を防止でき、かつレーザ共振器のフィネスを上げることなく単一横モードで安定した発振を得ることができる。
　図２及び変形例１～４のレーザ共振器と、外部の励起光源を組み合わせてレーザ装置を構成してもよい。励起光源からの励起光をレーザ媒質１２に入射することでレーザ媒質１２を励起してレーザ発振させる。このようなレーザ装置も本発明の範囲内である。
　この出願は、２０１６年１１月１６日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０１６－２２３０００号に基づき、その全内容を含むものである。
１　レーザ装置
１０、１０Ａ、２０、３０、４０、４０Ａ、４０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ　レーザ共振器
１２　レーザ媒質
１５、１６、２１、２２　透明板
１７、１８、５５　真空セル
５１、５２、５７、５８　凸レンズ
Ｍ１、Ｍ２　曲率を有するミラー（凹面ミラー）
Ｍ３、Ｍ４、Ｍ１１、Ｍ１２　平面ミラー

Claims (11)

  1. 　タイトに絞られたビームウエストを有する第１の光パスを形成する１組の光学素子と、
    　前記第１の光パスに接続されるほぼ平行光の第２の光パスを形成する１以上のミラーと
    　前記第２の光パスに配置されるレーザ媒質と、
    を有し、前記レーザ媒質からの誘導放出光が前記第１の光パスと第２の光パスで形成されるパスを往復または周回することを特徴とするレーザ共振器。
  2. 　前記第１の光パスの光路長は、前記ビームウエストの位置でのビーム径で規定されるレーリー長の１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ共振器。
  3. 　前記第２の光パスの光路長は、前記第２の光パスのビーム径で規定されるレーリー長の２倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ共振器。
  4. 　前記第1の光パスの前記ビームウエストは真空環境に置かれていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ共振器。
  5. 　前記第1の光パスの前記ビームウエストに配置される真空セル、
    をさらに有することを特徴とする請求項1～４のいずれか１項に記載のレーザ共振器。
  6. 　前記真空セルは前記第１の光パスの光軸に対してブリュースター角を満たす角度で斜めに配置される所定の厚さの透明板を有することを特徴とする請求項５に記載のレーザ共振器。
  7. 　前記第1の光パスに配置される非点収差補正手段、
    をさらに有することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ共振器。
  8. 　前記１組の光学素子は所定の曲率の凹面を有する第１ミラーと第２ミラーであり、
    　前記１以上のミラーは、平面型のミラーであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ共振器。
  9. 　前記１組の光学素子は、一対の凸レンズであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ共振器。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載のレーザ共振器と、
    　前記レーザ共振器の外部に配置されて前記レーザ媒質を励起する励起光源と、
    を有することを特徴とするレーザ装置。
  11. 　タイトに絞られたビームウエストを有する第１の光パスを形成する１組の光学素子と、前記第１の光パスに接続されるほぼ平行光の第２の光パスを形成する１以上のミラーとで共振器を形成し、
    　前記第２の光パスにレーザ媒質を配置し、
    　前記１組の光学素子間の距離を調整して前記第１の光パスのビーム径を所望のサイズに拡張する、
    ことを特徴とするレーザ共振器の設計方法。
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