JP2004029836A - 多重レーザ光発生素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】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（３１，３２，３３）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（３４，３５）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。
【選択図】 図１
【解決手段】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（３１，３２，３３）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（３４，３５）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。
【選択図】 図１
Description
【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
【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】
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】
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】
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
Claims (1)
- 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って、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003207435A JP2004029836A (ja) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 多重レーザ光発生素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003207435A JP2004029836A (ja) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 多重レーザ光発生素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15952997A Division JPH118427A (ja) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | 多重レーザ光発生装置および多重レーザ光発生素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004029836A true JP2004029836A (ja) | 2004-01-29 |
Family
ID=31185518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003207435A Pending JP2004029836A (ja) | 2003-08-13 | 2003-08-13 | 多重レーザ光発生素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004029836A (ja) |
-
2003
- 2003-08-13 JP JP2003207435A patent/JP2004029836A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20040706 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |