JP4452470B2

JP4452470B2 - 複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法及び装置

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Publication number: JP4452470B2
Application number: JP2003317246A
Authority: JP
Inventors: 正宣山中; 靖和井澤; 靖史滝沢; 孝七根本; 人志中野; 千代衛山中
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005084421A

Description

この発明は、複数レーザ光に位相共役鏡を組合わせて出力光相互のコヒーレンス結合性を向上させた複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法及び装置に関する。

複数の半導体レーザ（ＬＤと略記）を１次元又は２次元状に配列したＬＤアレイは、穴明け、切断などのレーザ加工、レーザロケット、レーザ医学、非線形光学用光源、分光用光源、あるいはＭＪ級の大出力レーザの励起用の光源など種々の用途に利用される。このようなＬＤアレイの出力光を球面レンズを用いて集光し照射する際に、位相共役鏡を用いて出力光のコヒーレンス結合性を向上させる方法が、例えば非特許文献１により知られている。この方法は位相固定法とも呼ばれ、ＬＤアレイに外部反射鏡として位相共役鏡を組合わせ、ＬＤアレイの出力光の位相を複数のＬＤのそれぞれについて反射された位相共役光により揃えてコヒーレンス結合性を向上させ、出力光の集光度を得んとするものである。

位相共役鏡としては、例えばＲｈをドープしたチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃（Ｒｈ：ＢａＴｉＯ₃と略記）を用いたフォトリフラクティブ結晶が一般に使用され、ＬＤアレイからの出力光を結晶に対し所定の入射角で入射すると共に、そのＴＥ偏光方向がフォトリフラクティブ結晶のＣ軸（Ｚ軸）と平行となるように入射される。結晶中で発生する４光波混合に基づく位相共役反射光は、時間反転光として正確に元の方向に向い、ＬＤ発光部では最初にＬＤ発光部を出射した時と全く同じ波面の整った位相共役光として戻され、出射光のコヒーレンス結合性を向上させることができる。

しかし、上述した従来の位相共役方式のＬＤアレイの構成では、その出力光と出力光相互のスローアクシス方向（ＳＡＤと略記）とファーストアクシス方向（ＦＡＤと略記）でのそれぞれの空間コヒーレンス度γSAD とγFAD の値において、γSAD はγFAD の約１／２程度と大きく異なり、出力光を集光した場合の集光度は必ずしも十分ではない。これはフォトリフラクティブ結晶のＣ軸にＬＤアレイのＴＥ偏光の方向が平行、即ちＴＥ偏光／／Ｃ軸とされているからである。

一般には、ＬＤアレイの出力光は、ＴＥ偏光のみを含むレーザ光として出力され、ＴＭ偏光を含まない。従って、ＴＥ偏光の位相共役光を最も有効に生じさせるためにはＴＥ偏光／／Ｃ軸とするのがよい。γSAD とγFAD の値が同一でなければ、コヒーレンス結合されたＬＤ出力光を球面レンズで集光しても中心非対称の形状となり、このため回折限界まで狭く集光することができないという問題がある。
米国光学会誌論文「Ｍ．Ｌｏｂｅｌ，Ｐ．Ｍ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，ａｎｄＰ．Ｍ．Ｊｏｈａｕｓｅｎ；Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｓ，２３（１９９８）８２５−８２７」

この発明は、上記の問題に留意して、複数のレーザ光を集光する際に位相共役鏡により位相共役光として空間コヒーレンス度を強化するため出力光にＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分を含ませて空間コヒーレンス度γSAD とγFAD を同一の値とし、コヒーレンス結合された出力光を球面レンズで集光すると回折限界まで狭く集光することができる複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法及び装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光を含む複数のレーザ光を両偏光を同期して発生させ、各レーザ光を屈折面に対し所定の角度で、かつ各レーザ光の両偏光のうち弱偏光の偏光方向が位相共役鏡のＣ軸と平行となるように位相共役鏡へ入射し、この位相共役鏡内で１のレーザ光の弱偏光が光起電力効果に基づいて直交する方向に生じる偏光を位相共役光として出射し、他のレーザ光のそれぞれの発生過程に作用させて他のレーザ光の強偏光の空間位相を上記弱偏光の位相に一致させ、かつ他のレーザ光のうちの１の強偏光が上記弱偏光と同様に光起電力効果で生じる直交する方向の偏光を位相共役光としてこのレーザ光以外のレーザ光の発生過程に作用させて各レーザ光の弱偏光の空間位相を強偏光の位相に一致させ、上記作用を複数のレーザ光相互間に生じさせて各レーザ光相互のＴＥ偏光とＴＭ偏光それぞれのコヒーレント結合度を１又は１に近い値に補正するようにした複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法としたのである。

そして、上記方法を実施する装置として、振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光を含むレーザ光を発生する複数のレーザ発振器を並設し、レーザ発振器から両偏光を同期して発生した各レーザ光を入射する位相共役鏡に対し屈折面への角度を所定の角度で、かつ各レーザ光の両偏光のうち弱偏光の偏光方向が位相共役鏡のＣ軸と平行となるように配設した位相共役鏡とを備え、位相共役鏡は入射されたレーザ光の１の弱偏光の散乱光が他のレーザ光の散乱により生じるブラッグ回折格子に作用して光起電力効果に基づいて直交する方向に生じる偏光を順位相共役光として出射し、かつ他のレーザ光の１の強偏光が上記弱偏光と同様に光起電力効果で生じる直交する方向の偏光を逆位相共役光として出射し、上記出射された順・逆位相共役光を各レーザ発振器へ種光として注入し発生過程でそれぞれの偏光の相互のコヒーレント結合度を１又は１に近い値に補正するように構成した複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正装置を採用することができる。

上記の方法及び装置の発明では、複数レーザ光の相互の空間コヒーレンス度が極めて高くなるよう相互に補正が行なわれる。それぞれのレーザ光は、その偏光成分としてＴＥ偏光とＴＭ偏光とを含んで同時に発生され、そのうちＴＭ偏光成分の振動方向が位相共役鏡の結晶のＣ軸と平行となるように配設された位相共役鏡に入射される。その際位相共役鏡の屈折面に対し内部でのブラッグ回折格子が生じ易い所定の角度で入射する。

入射されたレーザ光は、位相共役鏡内の所定領域に生じる干渉縞のブラッグ回折格子領域でブラッグ回折され位相共役光を生じ、この位相共役光を他のレーザ光の発生過程に注入して誘導放出過程で発生するレーザ光の位相を元のレーザ光に合致させることによりレーザ光相互のコヒーレント結合をする。このような位相共役光により位相の補正をする際に、ＴＭ偏光のブラッグ回折格子での回折作用において光起電力効果に基づく作用では直交する方向のＴＥ偏光が生じ、このＴＥ偏光成分の位相共役光が他のレーザ光の発生過程へ注入される。

上記両偏光成分の結合の際、電気光学係数とＴＥ偏光成分のＬＤ強度とＴＭ偏光成分のＬＤ強度の３つの値の積に比例した強度値がＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分の間で交換されＴＥ偏光成分へ伝達される。このため、ＴＭ偏光成分の空間コヒーレンス度の状態がＴＥ偏光成分に対しても、又ＴＥ偏光からＴＭ偏光に対しても適用され、ＴＭ偏光成分の空間コヒーレンス度と同じ状態にＴＥ偏光成分の空間コヒーレンス度が移行され、これによりＴＥ・ＴＭ両偏光成分の空間コヒーレンス度は約１００％又は１００％に近い高い値となり、空間コヒーレンス度γFAD とγSAD はほぼ同じ約１００％の値となる。

上記光起電力効果に基づいて位相共役光を生じる作用ではＴＭ偏光はＴＥ偏光に比して弱偏光であるが、結晶のＣ軸に平行な方向で位相共役鏡に入射されるため、ＴＭ偏光をＴＥ偏光に変換する作用は高効率に行なわれ、確実にＴＥ偏光の補正作用をする。他方、ＴＥ偏光は強偏光として入射されるから、ＴＭ偏光への変換効率は低くてもＴＭ偏光への補正作用を得ることができる。

上記のように位相共役鏡で生成された位相共役光をレーザ発生過程へ戻し、発生部からの出力光に対しＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分を共に約１００％の空間コヒーレンス度の出力光となるよう補正し、これにより位相共役半導体レーザアレイの出力光を空間コヒーレンス度の高い出力光として出力することができる。従って、この出力光を球面レンズで集光すれば、回折限界に近い集光度で集光できる。

この発明の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法及び装置は、直交するＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分を有する出力光の経路に位相共役鏡をＴＭ偏光の振動方向とＣ軸が平行となるように配置し、位相共役鏡での光起電力効果によりＴＥ偏光成分に対しＴＭ偏光成分の空間コヒーレンス結合作用を及ぼし、ＴＥ偏光成分のＦＡＤ方向モードとＴＭ偏光成分ののＳＡＤ方向モード、またＴＥ偏光成分のＳＡＤ方向モードとＴＭ偏光成分のＦＡＤ方向モードとを結合することによりＴＥ、ＴＭ偏光成分の空間コヒーレンス度を同時に約１００％の値とし、その出射された位相共役光を他のレーザ光の誘導放出過程に作用させて出力光を補正するようにしたため、ＴＥ・ＴＭ偏光成分の両者共に約１００％近い高い空間コヒーレンス度の出力光が出力され、これを集光すれば回折限界まで絞ることが可能であるという利点が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態のレーザ光のコヒーレンス度相互補正装置の概略構成図を示す。図示の補正装置は、この発明のコヒーレンス度相互補正方法を実施する原理的な構成の組合わせによる装置を示しており、この原理を実際に応用した半導体レーザアレイのレーザ光のコヒーレンス度相互補正装置については後で説明する。なお、図示の補正装置は、後述する作用の説明を分り易く表示するため位相共役鏡２０の断面をレーザ発振器群１０より大きく拡大して示している。

図示のように、補正装置は複数のレーザ発振器１１、１２、１３・・・を並設したレーザ発振器群１０と、位相共役鏡（位相共役反射鏡又はフォトリフラクティブミラーとも呼ばれる）２０とを備えている。レーザ発振器１１、１２、１３・・・は、後述する実際の例では半導体レーザを採用しているが、固体レーザなどの他の形式のレーザとしてもよい。しかし、それぞれのレーザ発振器が発生するレーザ光については、振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光を同期して発生させるものでなければならない。各レーザ発振器１１、１２、１３・・・は、それぞれのレーザ光が互いに平行に送られ、各レーザ光は広がりのない平行光束であるとする。

上記ＴＥ偏光は、図示のように、位相共役鏡２０のＣ軸と直交する方向で、レーザ光の進行方向において水平に振動する偏光、ＴＭ偏光はＴＥ偏光と直交しＣ軸と平行な方向に振動する偏光である。そして、図示の例ではＴＥ偏光は出力大きさがＴＭ偏光より大きく、ＴＥ偏光を強偏光、ＴＭ偏光を弱偏光と呼ぶこととする。但し、出力の比は任意であり、例えば後述する実際の例における１９：１（９５％と５％）の比のように各レーザ光の強偏光の位相を各レーザ光相互に弱偏光により補正し、又反対に弱偏光の位相を各レーザ光相互に強偏光により補正できればよい。

各レーザ光は位相共役鏡２０に対しその屈折面ＡＢに対し所定の入射角θを以て入射される。この入射角θは、最も好ましい角度としては４５°であるが、±２０°の範囲内の任意の角度としてもよい。この範囲内であれば後述する光起電力効果に基づく位相共役光が生じるからであり、この位相共役光が最も効率よく起こるのが４５°である。又、位相共役鏡２０は、その結晶構造のＣ軸が各レーザ光のＴＭ偏光と平行となる方向に置かれてレーザ発振器群１０に対置されている。これも、各レーザ光のＴＭ偏光により生じる光起電力効果に基づく位相共役光を最も有効に発生させるためである。

位相共役鏡２０は、従来例と同じであり、Ｒｈをドープしたチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃（Ｒｈ：ＢａＴｉＯ₃）を用いたフォトリフラクティブ結晶が用いられている。なお、レーザ発振器群１０で発生され補正されたレーザ光を外部へ取り出すため、位相共役鏡２０との間に各レーザ光毎にビームスプリッタがそれぞれ置かれるが、図示簡略化のため図示を省略している。

上記のように構成した実施形態の補正装置によれば、各レーザ光のＴＥ偏光とＴＭ偏光は次のように補正される。図中の位相共役鏡２０内のＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃、Ｊ₁、Ｊ₂、Ｊ₃はそれぞれブラッグ回折格子を示し、レーザ発振器１１、１２、１３からの入射光とＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃の散乱光によって生じる干渉縞（丸印内に３本の斜線で示す）のブラッグ回折格子領域をそれぞれ示す。Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは回折光（散乱光）の進行方向を示す直線を表す記号である。

なお、上記ブラッグ回折格子Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃とＪ₁、Ｊ₂、Ｊ₃は、フォトリフラクティブ結晶に含まれる不純物により所定の入射光Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃に対し図示の位置に必然的に生じるものと考えられている。従って、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈにより表された直線も上記各点を結ぶ仮想線として示している。

まず、レーザ発振器１１からのレーザ光は位相共役鏡２０に入射されると、ブラッグ回折格子Ｉ₁でブラッグ回折され、この回折光はブラッグ回折格子Ｉ₂、Ｉ₃を通過してＦ→Ｇ→Ｈの方向に進み、ブラッグ回折格子Ｊ₃、Ｊ₂、Ｊ₁へ至る。一方、レーザ発振器１２からのレーザ光Ｌ₂も同様にブラッグ回折格子Ｉ₂で回折されるが、Ｉ₂で回折されずに直進する光（０次回折光）はＪ₂の位置でブラッグ回折格子Ｊ₂を形成する。

そして、上記Ｉ₁→Ｆ→Ｇ→Ｊ₂へ進んだレーザ発振器１１からのレーザ光Ｌ₁はＪ₂でブラッグ回折され、Ｊ₂からＩ₂を通り過ぎてレーザ発振器１２へ種光（位相共役光）として注入される。従って、レーザ光Ｌ₁はレーザ発振器１２内でレーザ光の発生過程に作用してレーザ光Ｌ₂が種光と同一の性質（位相の揃った）を持ち、レーザ光Ｌ₁とＬ₂の相互のコヒーレント結合が図られる。

又、レーザ発振器１２のレーザ光Ｌ₂は、同様にＪ₁で位相共役光（種光）として回折され、レーザ発振器１１へ注入されることによりレーザ光Ｌ₁の位相がレーザ光Ｌ₂の位相に一致するよう作用してコヒーレント結合される。さらに、レーザ発振器１３のレーザ光Ｌ₃は、同様にしてＪ₂でブラッグ回折されてレーザ発振器１２へ注入され、又Ｊ₁でブラッグ回折されてレーザ発振器１１へ注入され、これによりレーザ光Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃のコヒーレント結合が図られる。このような作用は相互励起型位相共役作用と呼ばれる。なお、上記のコヒーレント結合は、レーザ光のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分のいずれにも等しく生じる。

しかし、ＴＥ偏光とＴＭ偏光は上記の作用だけでは互いに相互作用がなく、それぞれのレーザ光のＴＥ偏光とＴＭ偏光はインコヒーレントであるため、複数レーザ光を集光する際の集光度はやはり向上しないが、この実施形態では上記作用に加えてさらに以下の作用が付加される。レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌ₁のうちＴＭ偏光に注目すると、このＴＭ偏光はＩ₁を通過してＪ₁へ向い、Ｊ₁でＴＭ偏光は回折されてＧ→Ｆ→Ｉ₂へ進む。そしてＩ₂に出来たブラッグ回折格子により光起電力効果に基づく直交したＴＥ偏光がＩ₂で生じ、回折されてレーザ発振器１２へ位相共役光（種光）として注入される。

なお、上記説明では、ＴＭ偏光の光起電力効果に基づくＴＥ偏光への再生はＩ₂で生じると説明したが、Ｉ₁、Ｊ₁でも同様に発生する。但し、Ｉ₁、Ｊ₁、Ｉ₂のいずれの点でもＴＭ偏光成分は存在するが、Ｉ₂点へ進むにつれてＴＭ偏光成分の割合が減少し、Ｉ₂点ではＴＭ偏光成分が光起電力効果に基づく電気分極により変換され、再生されたＴＥ偏光成分が大きな割合を占め、これによりレーザ発振器１２でのコヒーレント結合による補正が行なわれるのである。

以上のように、レーザ光Ｌ₁のＴＭ偏光がＩ₂で光起電力効果に基づいてＴＥ偏光に変換されレーザ発振器１２へ注入されるため、レーザ発振器１２内での誘導放出過程に作用してＴＭ偏光がＴＥ偏光に結合し、レーザ発振器１２のレーザ光のＴＥ偏光の位相がレーザ発振器１１のＴＭ偏光の位相と一致するようコヒーレント結合が行なわれる。同様に、レーザ発振器１２からのＴＥ偏光はＪ₂→Ｇ→Ｆ→Ｉ₁へ進み、Ｉ₁で光起電力効果に基づいて直交するＴＭ偏光を生じ、Ｉ₁で回折されてレーザ発振器１１へ位相共役光（種光）として注入され、その発生過程に作用してコヒーレント結合される。

なお、上記各ブラッグ回折格子領域でレーザ光が回折することにより位相共役光が出射される作用において、位相共役鏡の結晶のＣ軸に平行な成分の電界ベクトルは、電界によって屈折率が変化する電気光学効果の係数と作用し、フォトリフラクティブ効果（光屈折効果）は大きくなるが、Ｃ軸に垂直な電界は電気光学係数の小さな係数と作用するためフォトリフラクティブ効果は小さくなる。

従って、各レーザ光のＴＥ偏光とＴＭ偏光が入射される際に、ＴＭ偏光成分は弱く、ＴＥ偏光成分は強いレーザ光であっても、ＴＭ偏光成分はＣ軸と平行なためフォトリフラクティブ効果が大きく、ＴＭ偏光によるＴＥ偏光への相互作用でのフォトリフラクティブ効果が大きい。一方、ＴＥ偏光成分はＣ軸と垂直であるため、強いレーザ光であってもフォトリフラクティブ効果は小さい。このため、ＴＥ偏光とＴＭ偏光は相互に補正し合って共にコヒーレント結合度が１又は１に近い値となり、各レーザ光同士のコヒーレント結合性が格段に向上する。

図２に第２実施形態のレーザ光のコヒーレンス度相互補正装置の概略構成の斜視図を示す。この実施形態では複数のレーザ発振器群１０として半導体レーザ（ＬＤ）アレイを用いている。図示の補正装置は、複数の半導体レーザ１１、１２、１３を一次元状に配列したＬＤアレイの発光窓１４₁〜１４₃から出力される出力光Ｌ₁〜Ｌ₃の縦及び横方向への広がりをほぼ平行光とするコリメートレンズ系１５₁〜１５₃と、上記出力光Ｌ₁〜Ｌ₃を一部反射し、残りを透過させるビームスプリッタ１６₁〜１６₃と、透過したレーザ光のそれぞれを集光する球面レンズ１７₁〜１７₃と、集光したレーザ光を位相共役反射する位相共役鏡２０とを備えている。

上記ＬＤアレイの半導体レーザ１１、１２、１３は、図示の例では波長８０８ｎｍを有し、その発光窓１４₁〜１４₃からの出力光Ｌ₁〜Ｌ₃は、発光窓１４₁〜１４₃の長い開口方向と垂直な全広がり角約４０度の回折方向である縦方向（ファーストアクシス方向）（相互コヒーレンス度；γFAD ）と、上記開口方向と平行な全広がり角約１０度の回折方向である横方向（スローアクシス方向）（相互コヒーレンス度；γSAD ）とに広がる性質を一般に有するが、縦方向の広がりは円柱状マイクロ棒（ロッド）レンズにより、横方向の広がりは円柱レンズによりそれぞれの方向の広がりを平行状とするレンズの組合せから成るコリメートレンズ系１５₁〜１５₃によりほぼ平行状に矯正される。

又、ＬＤアレイの発光窓１４₁〜１４₃からの出力光Ｌ₁〜Ｌ₃は、一般のＬＤでは長い開口の方向と平行な直線偏光（ＴＥ偏光と略記する）であるのに対し、図示のようにＴＥ偏光成分と、ＴＥ偏光成分と直交する方向のＴＭ偏光成分とを有する形式の半導体レーザが用いられるものとする。但し、ＴＥ偏光成分はＴＭ偏光成分より大きいとする。図示の半導体レーザではＴＥ偏光とＴＭ偏光は次のように設定される。即ち、半導体レーザに対しＴＥ偏光のみで発振する発振閾値の注入電流を越えてＴＭ偏光を同時に発生する閾値以上の注入電流を注入してＴＭ偏光も発振させる。このような作動状態の半導体レーザは、例えばＴＥ偏光出力９５％、ＴＭ偏光出力５％の出力が得られ、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の比は１９：１である。

ビームスプリッタ１６₁〜１６₃は、ハーフミラー形式のものが用いられ、上記出力光Ｌ₁〜Ｌ₃は一部が反射されて出力光Ｌ_EXとなり、残りはハーフミラーを透過して球面レンズ１７₁〜１７₃で集光され、位相共役鏡２０で反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１６₁〜１６₃で再びその一部が反射され、残りはそのまま上記出力光Ｌ₁〜Ｌ₃と逆向きに向い、反射された一部のレーザ光Ｉ_Mは出力光Ｌ_EXと反対方向に出てモニタ部へ向う。

このモニタ部では、横方向１８と縦方向１９に設けた２つのピンホールの前に直線偏光板（図示せず）を置き、これらを通過した光の干渉縞の明瞭度（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）により、反射された位相共役光の空間コヒーレンス度が測定される。上記球面レンズ１７₁〜１７₃により集光されたレーザ光は、位相共役鏡２０へ入射される際に、そのＴＭ偏光が位相共役鏡２０のＣ軸（Ｚ軸）と平行となる方向に位相共役鏡２０が配設されている。

上記の構成としたこの実施形態の補正装置は、基本的な構成においては第１実施形態と同じであり、作用についても基本的に同じである。従って、作用の説明を繰り返すことは省略するが、ＴＭ偏光→ＴＥ偏光への変換と、相互コヒーレンス度γFAD とγSAD の関係は次の通りである。上記出力光相互のコヒーレンス度を考えるとき、第２実施形態のように、ＴＥ偏光９５％、ＴＭ偏光５％が混在している場合、γSAD とγFAD はＴＥ偏光によるものとＴＭ偏光によるものとが混在していると考えられる。このとき、γFAD の値が１００％近く、γSAD の値が２０〜３０％程度であるとし、ＴＭ偏光の光起電力効果によるＴＥ偏光への変換がないとすると、γSAD の値は元のまま改善されない。

しかし、実際にはＴＭ偏光が光起電力効果に基づきＴＥ偏光へ変換される際、ＴＭ偏光のＦＡＤ方向のモードとＴＥ偏光のＳＡＤ方向のモードが結合され、また同時にＴＥ偏光のＦＡＤ方向のモードとＴＭ偏光のＳＡＤ方向のモードも結合し、ＴＥ偏光とＴＭ偏光のコヒーレンス度が１００％又は１００％近くまで向上することでレンズによる集光の際に対称性が良くなり、高い集光密度が得られることとなる。

上記のγFAD 、γSAD の値は、図示の装置では半導体レーザ１１と１２、１２と１３、・・・のように相互に隣接する半導体レーザ間の空間コヒーレンス度として１８の２つのピンホールでγSAD が、１９の２つのピンホールでγFAD が、上述したように光の干渉縞の明瞭度により測定される。なお、図示ＬＤアレイは１次元の配列のものを示しているが、２次元ＬＤアレイでも同様に適用できることは詳細に説明するまでもない。

この発明のコヒーレンス度相互補正装置は、複数のＬＤアレイを光源とし位相共役鏡を用いてレーザ光相互の位相を高精度に補正できるものであり、レーザ加工、レーザロケット、レーザ医学、非線形光学用光源、分光用光源、ＭＴ級大出力レーザの励起用光源など種々の用途に利用できる。

第１実施形態の位相共役半導体レーザアレイの全体概略構成図第２実施形態の位相共役半導体レーザアレイの全体概略構成図

符号の説明

１１、１２、１３半導体レーザ（レーザ発振器）
１４発光窓
１５コリメートレンズ系
１６ビームスプリッタ
１７球面レンズ
２０位相共役鏡

Claims

振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光を含む複数のレーザ光を両偏光を同期して発生させ、各レーザ光を屈折面（ＡＢ）に対し所定の角度（θ）で、かつ各レーザ光の両偏光のうち弱偏光の偏光方向が位相共役鏡（２０）のＣ軸と平行となるように、上記複数のレーザ光のうちの１のレーザ光の弱偏光を上記位相共役鏡（２０）へ入射し、この位相共役鏡（２０）内で、上記入射光と、この光の散乱光との間の干渉光によるフォトリフラクティブ効果によって生じたブラッグ回折格子（Ｉ _１）によって上記入射光を回折させ、この回折光を上記位相共役鏡（２０）内で反射させ、他のレーザ光によって生じたブラッグ回折格子（Ｊ _２、Ｊ _３）によって、上記反射させた回折光を再び回折させ、上記弱偏光が光起電力効果に基づいて直交する方向に生じる偏光を位相共役光として出射し、他のレーザ光のそれぞれの発生過程に作用させて上記複数のレーザ光のうちの他のレーザ光の上記強偏光の空間位相を上記弱偏光の位相に一致させ、かつ上記他のレーザ光のうちの１の強偏光が上記弱偏光と同様に光起電力効果で生じる直交する方向の偏光を位相共役光としてこのレーザ光以外のレーザ光の発生過程に作用させて各レーザ光の弱偏光の空間位相を強偏光の位相に一致させ、上記作用を複数のレーザ光相互間に生じさせて各レーザ光相互のＴＥ偏光とＴＭ偏光それぞれのコヒーレント結合度を１に補正するようにした複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法。
前記ＴＥ偏光を強偏光、ＴＭ偏光を弱偏光としたことを特徴とする請求項１に記載の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法。
前記レーザ光を位相共役鏡（２０）へ入射する所定の角度（θ）を前記弱偏光が光起電力効果を生じ得る２５〜６５°の範囲内としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正方法。
振動方向が互いに直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光を含むレーザ光を発生する複数のレーザ発振器（１１、１２、１３）を並設し、レーザ発振器（１１、１２、１３）から両偏光を同期して発生した各レーザ光を入射する位相共役鏡（２０）に対し屈折面（ＡＢ）への角度を所定の角度（θ）で、かつ各レーザ光の両偏光のうち弱偏光の偏光方向が位相共役鏡（２０）のＣ軸と平行となるように配設した上記位相共役鏡（２０）とを備え、上記位相共役鏡は、上記入射光と、この光の散乱光との間の干渉光によるフォトリフラクティブ効果によって生じたブラッグ回折格子（Ｉ _１）によって上記入射光を回折させ、この回折光を上記位相共役鏡（２０）内で反射させ、他のレーザ光によって生じたブラッグ回折格子（Ｊ _２、Ｊ _３）によって、上記反射させた回折光を再び回折させ、上記複数のレーザ発振器（１１、１２、１３）から入射されたレーザ光のうちの１の弱偏光の散乱光が他のレーザ光の散乱により生じるブラッグ回折格子（Ｊ _２、Ｊ _３）に作用して光起電力効果に基づいて直交する方向に生じる偏光を順位相共役光として出射し、かつ上記複数のレーザ発振器（１１、１２、１３）から入射された他のレーザ光の１の強偏光が上記弱偏光と同様に光起電力効果で生じる直交する方向の偏光を逆位相共役光として出射し、上記出射された順・逆位相共役光を各レーザ発振器（１１、１２、１３）へ種光として注入し発生過程でそれぞれの偏光の相互のコヒーレント結合度を１に補正するように構成した複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正装置。
前記複数のレーザ発振器を複数の半導体レーザから成る半導体レーザアレイ（１０）とし、半導体レーザアレイ（１０）の発光部からの出力光をコリメートレンズ系（１５）で平行光源とし、その出力光をビームスプリッタ（１６）で一部を反射、残りは球面レンズ（１７）で集光し、所定の入射角（θ）で位相共役鏡（２０）へ入射させるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正装置。
前記位相共役鏡（２０）をチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃のフォトリフラクティブ結晶により形成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正装置。
前記半導体レーザアレイ（１０）の各半導体レーザにおけるＴＥ偏光とＴＭ偏光が１９対１の割合で出力されるように各レーザへの注入電流を発振閾値を超える値に設定したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の複数レーザ光のコヒーレンス度相互補正装置。