【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を複数のビームに分割する多重レーザ光発生素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ装置は高強度のコヒーレン卜光を発生し、その応用は情報伝達計測、加工、医学など、多岐にわたっている。これらの中でレーザ光を複数の光線に分割することによリ多大の効果を奏する場合がある。例えば、加工分野ではレーザ光を分割することによリ、多点加工を能率よく実行できる場合が多いし、情報分野では、レーザ光を多数の光ファイバーに入力するためにはレーザ光を分割する必要が出てくる。
【０００３】
レーザ光を分割するためには、これまで回折格子が広く用いられてきた。回折格子は光の透過あるいは反射部分に微細な周期パターンを形成したもので、特定の方向にのみ光を散乱する性質を利用して、単一レーザ光を複数のビームに分割することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折格子は便利な反面、微細な加工が要求されるため、製造にあたっては、特殊な製造装置と技術が必要となる。また本質的な問題として、ビーム品質低下が避けられないという解決すべき課題がある。
【０００５】
例えば、回折格子の直径をＤ、光の波長をλとした場合、各分割ビームの回折角θには、
【０００６】
【数１】
【０００７】
で表される幅δθが発生する。また、入射レーザ光の波長幅がδλである場合、
【０００８】
【数２】
【０００９】
による拡がりも新たに発生する。ここで、ｍは回折の次数、ｂは格子定数である。これらの幅が分割前のレーザ光のビーム拡がり角θに対して十分に小さいかどうかが問題で、場合によってはδθが無視できない場合も発生する。上式（１），（２）から分かる通り、δθを小さくするためにはＤおよびｂが大きいことが重要であり、したがって、ビーム径の大きな光に対して、大口径の回折格子を用いる場合は問題は少ないが、逆の場合はδθが大きくなって満足な性能が期待できない。
【００１０】
本発明の目的は、上述のような従来技術の課題を解決して、構造が簡単で、かつビーム品質の低下を伴わない多重レーザ光発生素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、第１の異方性一軸結晶と第２の異方性一軸結晶を交互に重ねて構成される光学素子であり、光線入射側からｎ番目の前記第１結晶における異常光源の移動距離が１／２ｎ−１ に比例し、前記第２結晶はその波数ベクトルを含む主断面が前記第１結晶における波数ベクトルを含む主断面と４５°の角度を成す１／４波長板であることを特徴とする多重レーザ光発生素子により達成される。
【００１２】
請求項１の発明による光学素子では、入射光は１段目の第１結晶で複屈折により振動方向が互いに直交する２本の偏光に分割され、それに続く第２結晶でそのいずれもが円偏光に変換される。２段目の第１結晶により再び複屈折により２分割されて４本のビームとなる。これを繰り返すことにより最終的に間隔δ１／２ｎ−１ のｎ本の平行ビームを発生する。ここで、δ１ は１段目の第１結晶により分割されたビーム間の距離である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明の実施形態である多重レーザ発生素子の構成を示す。本実施形態は、一例として、第１結晶に方解石、第２結晶に水晶を用い、これらの結晶の入出射研磨面同士をいわゆるオプティカルコンタク卜の状態で重ねたものである。入射光は直線偏光が望ましいが、円偏光、あるいは偏光面がランダムに変化する光であってもよい。本実施形態では一例として、波長λ＝５３２ｎｍの直線偏光を入射するものとする。
【００１５】
図１中、３１、３２、３３は第１結晶、３４、３５は第２結晶である。そして、図１に示すように、第１結晶３１、第２結晶３４、第１結晶３２、第２結晶３５、第１結晶３３の順に連結して形成する。また、第１結晶の波数ベクトル（方向は常光の伝播方向に一致する）を含む主断面の方向を０°、第２結晶の波数ベクトルを含む主断面の方向を４５°とする。図１の上部の実線は、素子を左から眺めた場合のこれらの主断面の方向を示している。図１の下部の両向き矢印は各部分の直線偏光の振動方向、円は円偏光を表している。
【００１６】
入射光は振動方向を４５°にセッ卜して第１結晶３１に入射する。この入射光は第１結晶３１内で振動方向９０°の常光と振動方向０°の異常光として伝播し、この結晶内を進むにつれて常光と異常光の両者は複屈折により分離する。この分離角ρは、
【００１７】
【数３】
ρ＝ａｒｃｔａｎ〔（ｎｏ／ｎｅ）２ｔａｎ θｃ 〕−θｃ （３）
【００１８】
で表される。ここでｎｏとｎｅはそれぞれ常光と異常光の屈折率、θｃ は光軸に対する常光伝播方向の角度である。λ＝５３２ｎｍにおける方解石の常光に対する屈折率ｎｏは１．６６２、異常光に対する屈折率ｎｅは１．４８８である。上式（３）にこれらの値を代入して計算すると、分離角ρはθｃ ＝４２°で最大となり、このときρ＝６．３２°であることがわかる。
【００１９】
小さな結晶で効率よく光を分割するために、本実施形態では、第１結晶３１への垂直入射でθ＝４２°となるように、この結晶が加工・研磨されている。第１結晶３１（３２、３３も同様）の厚みｔ１ は
【００２０】
【数４】
ｔ１ ＝δ／ｔａｎ ρ （４）
【００２１】
により計算する。ここで、δは異常光のシフ卜量である。本実施形態では第１段のδを４ｍｍとするため、ｔ１ ＝３６ｍｍとしている。
【００２２】
第１結晶３１を出た２本の平行ビームはλ／４板としての第２結晶３４に入射する。このλ／４板は直線偏光を常光と異常光に分割し、常光と異常光の両者の位相差をπ／２の奇数倍とするものである。また、こ場合はθｃ ＝９０°とすることにより、δ＝０となる。λ／４板３４を出た光の振動方向は円運動をするため、これを円偏光と呼ぶ。第１結晶３１を出た光は振動方向は０°と９０°の直線偏光であるから、これら直線偏光を常光と異常光に分割するために、第２結晶３４の主断面の方向は４５°とする。λ／４板３４（３５も同様）の厚みｔ２は、
【００２３】
【数５】
【００２４】
により計算する。ここで、ｋは０および正の整数である。
【００２５】
本実施形態では上式（４）に、λ＝０．５３２×１０−３ｍｍおよび水晶の屈折率として、ｎｏ ＝ｌ．５４６２、ｎｅ＝Ｉ．５５５３を代入し、ｋ＝５０とすることにより、ｔ２＝１．４８ｍｍとした。
【００２６】
第２結晶３４で２分割された平行ビームは、円偏光となって２段目の第１結晶３２に入射する。円偏光は振動方向が回転するため、結晶３２に入射すると等しく常光と異常光に分割され、各ビームが２つに分離して、４本の平行ビームが発生する。２段目の異常光のシフ卜量（すなわち、ビーム間隔）δを１段目のδの１／２とするために、２段目の第１結晶３２の厚みはｔ１ ＝３６／２＝１８ｍｍとしている。２段目の第１結晶３３から出た４本の直線偏光ビームは２段目の第２結晶３５により同様に円偏光に変換される。
【００２７】
３段目は厚みｔ１ ＝３６／４＝９ｍｍの第１結晶３３のみであり、２段目の第２結晶３５から出た平行ビームは、第３段目の第１結晶３３でさらに２分割されて、最終的にδ＝１ｍｍの８本の平行ビームが発生する。
【００２８】
本実施形態では異常光のシフ卜量δを調節するために、第１結晶の厚みｔ１ を１段毎に１／２としたが、この方法ではδが小さくなるにつれてｔ１ が小さくなりすぎて製作が困離な場合がある。その場合はｔ１ の代わりにθｃ を変えることによりδを調節することも可能である（上式（３）、（４）を参照）。また、ｎｏとｎｅの差が小さい例えば水晶を第１結晶として用いることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造が簡単で、かつビーム品質の低下を伴わないレーザ光分割装置に組み込むに好適な多重レーザ光発光素子を提供することができ、とくに、実施の形態で述べたようなδの小さな分割光の発生に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である多重レーザ発生素子の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
３１，３２，３３・・・ 第１結晶
３４，３５・・・第２結晶[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multiplex laser light generating element that divides laser light into a plurality of beams.
[0002]
[Prior art]
Laser devices generate high-intensity coherent light, and their applications are wide-ranging, including information transmission measurement, processing, and medicine. Of these, dividing the laser beam into a plurality of light beams may provide a great effect. For example, in the processing field, it is often possible to efficiently perform multi-point processing by dividing laser light, and in the information field, it is necessary to split laser light in order to input laser light to many optical fibers. Comes out.
[0003]
Diffraction gratings have been widely used to split laser light. The diffraction grating has a fine periodic pattern formed in a light transmitting or reflecting portion, and can divide a single laser beam into a plurality of beams by utilizing the property of scattering light only in a specific direction.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, while diffraction gratings are convenient, they require fine processing, so that special manufacturing equipment and techniques are required for manufacturing. Further, as an essential problem, there is a problem to be solved that deterioration of beam quality is inevitable.
[0005]
For example, when the diameter of the diffraction grating is D and the wavelength of light is λ, the diffraction angle θ of each split beam is
[0006]
(Equation 1)
A width δθ represented by When the wavelength width of the incident laser light is δλ,
[0008]
(Equation 2)
A new spread also occurs. Here, m is the order of diffraction, and b is the lattice constant. It is a problem whether these widths are sufficiently small with respect to the beam divergence angle θ of the laser beam before division, and in some cases, δθ cannot be ignored. As can be seen from the above equations (1) and (2), it is important that D and b are large in order to reduce δθ. Therefore, when a large-diameter diffraction grating is used for light having a large beam diameter, Has few problems, but in the opposite case, δθ increases and satisfactory performance cannot be expected.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a multiplex laser light generating element which has a simple structure and does not cause deterioration in beam quality.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an optical element configured by alternately stacking first anisotropic uniaxial crystals and second anisotropic uniaxial crystals, wherein The moving distance of the extraordinary light source in the first first crystal is proportional to ｎ n−1 , and the main cross section of the second crystal including the wave vector is 45 ° from the main cross section including the wave vector of the first crystal. This is achieved by a multiplex laser light generating element characterized in that it is a quarter-wave plate having the following angle.
[0012]
In the optical element according to the first aspect of the present invention, incident light is split into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other by birefringence in the first crystal of the first stage, and both of them are circularly polarized by the second crystal. Is converted to The second stage first crystal again splits the beam into two beams by birefringence to form four beams. By repeating this, n parallel beams with an interval δ1 / 2 n−1 are finally generated. Here, δ1 is the distance between the beams divided by the first crystal of the first stage.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
【Example】
FIG. 1 shows a configuration of a multiplex laser generating element according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, as an example, calcite is used as the first crystal and quartz is used as the second crystal, and the incoming and outgoing polished surfaces of these crystals are overlapped in a so-called optical contact state. The incident light is preferably linearly polarized light, but may be circularly polarized light or light whose polarization plane changes randomly. In the present embodiment, as an example, it is assumed that linearly polarized light having a wavelength λ = 532 nm is incident.
[0015]
In FIG. 1, 31, 32, and 33 are first crystals, and 34 and 35 are second crystals. Then, as shown in FIG. 1, the first crystal 31, the second crystal 34, the first crystal 32, the second crystal 35, and the first crystal 33 are connected in this order. The direction of the main section including the wave vector of the first crystal (the direction corresponds to the propagation direction of ordinary light) is 0 °, and the direction of the main section including the wave vector of the second crystal is 45 °. The solid line at the top of FIG. 1 shows the directions of these main sections when the element is viewed from the left. The double arrow at the bottom of FIG. 1 indicates the vibration direction of linearly polarized light in each part, and the circle indicates circularly polarized light.
[0016]
The incident light is incident on the first crystal 31 with the vibration direction set at 45 °. The incident light propagates in the first crystal 31 as ordinary light having a vibration direction of 90 ° and extraordinary light having a vibration direction of 0 °. As the light travels through the crystal, both the ordinary light and the extraordinary light are separated by birefringence. This separation angle ρ is
[0017]
[Equation 3]
ρ = arctan [(n o / n e) 2 tan θc ] -θc (3)
[0018]
Is represented by Where n o and n e are each ordinary and extraordinary refractive index of, .theta.c is the angle ordinary propagation direction with respect to the optical axis. refractive index n o for ordinary light of calcite in lambda = 532 nm is 1.662, the refractive index n e for extraordinary light is 1.488. When these values are substituted into the above equation (3) and calculated, it is found that the separation angle ρ becomes maximum at θc = 42 °, and at this time, ρ = 6.32 °.
[0019]
In order to split light efficiently with a small crystal, in the present embodiment, this crystal is processed and polished so that θ = 42 ° when it is perpendicularly incident on the first crystal 31. The thickness t 1 of the first crystal 31 (similarly for 32 and 33) is
(Equation 4)
t 1 = δ / tan ρ (4)
[0021]
Is calculated by Here, δ is the shift amount of extraordinary light. In the present embodiment, t 1 = 36 mm in order to set the first stage δ to 4 mm.
[0022]
The two parallel beams that have exited the first crystal 31 enter a second crystal 34 as a λ / 4 plate. This λ / 4 plate divides linearly polarized light into ordinary light and extraordinary light, and makes the phase difference between both ordinary light and extraordinary light an odd multiple of π / 2. In this case, by setting θc = 90 °, δ = 0. Since the vibration direction of the light that has exited the λ / 4 plate 34 makes a circular motion, this is called circularly polarized light. Since the light exiting the first crystal 31 is linearly polarized light having a vibration direction of 0 ° and 90 °, the direction of the main cross section of the second crystal 34 is 45 ° in order to divide these linearly polarized light into ordinary light and extraordinary light. And The thickness t 2 of the lambda / 4 plate 34 (35 as well) is
[0023]
(Equation 5)
[0024]
Is calculated by Here, k is 0 and a positive integer.
[0025]
The above equation (4) in the present embodiment, the refractive index of lambda = 0.532 × 10 -3 mm and crystal, n o = l. 5462, n e = I. By substituting 5553 and setting k = 50, t 2 was set to 1.48 mm.
[0026]
The parallel beam split by the second crystal 34 into circularly polarized light is incident on the first crystal 32 in the second stage. Circularly polarized light rotates in the direction of oscillation, so that when it enters the crystal 32, it is equally divided into ordinary light and extraordinary light, and each beam is split into two to generate four parallel beams. In order to set the shift amount (ie, beam interval) δ of the extraordinary light in the second stage to の of δ in the first stage, the thickness of the first crystal 32 in the second stage is t 1 = 36/2 = 18 mm. The four linearly polarized beams emitted from the first crystal 33 in the second stage are similarly converted into circularly polarized light by the second crystal 35 in the second stage.
[0027]
The third stage is only the first crystal 33 having a thickness of t 1 = 36/4 = 9 mm, and the parallel beam emitted from the second crystal 35 in the second stage is further divided into two by the first crystal 33 in the third stage. Finally, eight parallel beams of δ = 1 mm are generated.
[0028]
In order to adjust the shift Bok amount of abnormal light δ in this embodiment has 1/2 the thickness t 1 of the first crystal for each stage, t 1 is too small as δ in this way is reduced Production is sometimes difficult. In that case, it is also possible to adjust δ by changing θc instead of t 1 (see the above equations (3) and (4)). It is also possible to use a small difference e.g. crystal n o and n e as the first crystals.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a multiplex laser light emitting element which has a simple structure and is suitable for being incorporated in a laser beam splitting apparatus without a decrease in beam quality. It is suitable for generating divided light with a small δ as described in the embodiment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a multiplex laser generation element according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
31, 32, 33 ... first crystal 34, 35 ... second crystal
