JPH04127487A - レーザ励起レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はパルス状の光を励起光源としてレーザ動作でき
るレーザ媒質を用いたレーザ励起レーザ発振器における
レーザ共振器の構造に関する。

〔従来の技術〕

一般に、レーザ光を励起光源としたレーザ発振器におけ
る共振器の構造の一例として、第４図に示しであるよう
に、例えば、固体レーザ媒質であるタイサファイアレー
ザロッド１の両側にダイクロイックミラーとしての機能
をもつ全反射＠２と出力鏡３が向い合って置かれており
、励起光としての銅蒸気レーザからのレーザ光４が、集
光レンズ５を通って集光しながら進み、全反射鏡２を透
過してタイサファイアレーザロッド１の端面に照射され
ていた。その結果、レーザ光５が図のように発振してお
り、励起用のレーザ光４と同軸上となる縦励起方式とな
っていた。

さらに、レーザ励起レーザ発振器を含む一般的な光励起
レーザ発振器では、レーザ動作させるレーザ媒質中での
励起光の光強度を高くした方が、励起光子密度が高くな
り、誘導放出の起こる確率が増し、レーザ出力が向上す
る。その結果、励起光の光強度を高くするために、特に
励起光がレーザ光の場合は、この励起用レーザ光を集光
レンズにより小さく絞ってレーザ媒質に照射する必要が
ある。その結果、レーザ媒質の端面に反射防止膜（ＡＲ
ココ−ィング）が施されている場合、この膜における励
起用レーザ光が照射される部分にダメージを生じること
がある。

特に、励起用レーザとして、銅蒸気レーザ（ＣＶＬ）、
ＱＸＸラッチ作のＹＡＧＬ／−ザ、あるいは、エキシマ
レーザのような、およそＩＫＨｚ以上の高速で繰返し動
作ができるパルスレーザの場合、一般にパルス幅が数十
＋１秒程度と、熱の伝導による放熱に要する時間に比べ
て桁違いに短くなり、−パルス分の熱が、レーザ媒質の
端面のコーテイング面の微小面積中に注入されて、コー
テイング膜が一瞬のうちに融解し、蒸発を伴い、ダメー
ジを生じることがあった。つまり、コーテイング膜のダ
メージしきい値は一般に２〜４Ｊ／ｄしがないからであ
る。

そのため、レーザ媒質として固体レーザロットを用いる
場合には、ダメージを生じやすいコーテイング膜をでき
るだけ施さないために、ロンドの両端面を発振するレー
ザ光の入出射角がブリュースター角となるようにカット
することでこの面での反射を抑制させ、無反射コーテイ
ング膜を用いずにレーザ発振器を構成することができる
。つまり、この場合、ロンド端面でのダメージしきい値
は４０〜５０Ｊ／ｃｄもあり、コーテイング膜のダメー
ジしきい値より一桁以上も高いことに依る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、レーザ発振器における出力鏡と全反
射鏡のコーテイング膜に関して考慮がされておらず、共
振器間に発生するレーザ発振光が、これらのコーテイン
グ膜上に照射される部分にダメージを生じることがあっ
た。特にＣＶＬ励起タイサファイアレーザの場合、例え
ば、日本物理学今秋の分科会、６ａ−Ｅ５−４．１９８
８年、第３４６頁に記載されているように、出力鏡の反
射率が８０〜９８％と高く１例えば、反射率が９０％の
場合、共振器間から取出されるレーザ光のパワーよりも
、共振器内部でのレーザパワーの方が約十倍も高いこと
になり、その結果、全反射鏡や出力鏡のコーテイング膜
におけるレーザ光の強度が極めて高くなり、ダメージが
生じやすくなり、レーザ出力を制限する要因になってい
た。

このように出力鏡や全反射鏡のコーテイング膜にダメー
ジが生じやすくなるのは、励起光であるＣＶＬレーザ光
などを比較的細く絞って励起光子密度を高くする必要も
あるからである。つまり、ＣＶＬでは、１パルスのエネ
ルギが２０〜２０ｍＪ　（平均出力としては繰返し数が
５ＫＨｚの場合、１０〜１００Ｗに相当）程度であり、
励起光源としてダイレーザを用いた場合（これに関して
は例えば、オプテイクスレターズ、第１３巻、第５号、
５月号、１９８８年第３８０頁から第３８２頁（Ｏｐｔ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、１３．　ｋ　５　
、　Ｍａｙ　１９８８゜Ｐρ、３８０−３８２）に記載
されている）の１〜１．　ＯＪに比へて１１５００も小
さいため、レーザ発振のしきい値となる励起光のエネル
ギを、およそ２　ｍ　、Ｊ以下程度の小さい値になるよ
うにしないと、発振効率が悪化する。

そこでレーザ発振のしきい値を下げるために、出力鏡の
反射率を８ｏ％以上に高くしたり、あるいは励起光であ
るＣＶＬレーザ光を細く絞る必要があり、その結果、共
振器間に発生するレーザ光の強度が高くなり、出力鏡や
全反射鏡の□コーティング膜にダメージが生じやすくな
ってしまった。

これに対して従来、レーザ励起レーザ発振器において、
出力鏡や全反射鏡に施されたコーテイング膜にダメージ
が生じにくくなるように、例えばコーテイング面上に照
射されるレーザ光のスポット面積を大きくすることで、
そこでのレーザ光強度を下げようとする構成もあった。

それには、共振器間に形成されるレーザ光のビーム形状
として、出力鏡や全反射鏡上での直径が、レーザ媒質中
でのビームの直径よりも多少大きくなるように、励起用
レーザ光を共振器内部のレーザ媒質まで導くために用い
られるダイクロイックミラーとなっている全反射鏡は、
例えば、第３図に示した従来例のように、ダイクロイッ
クミラー４として凹面鏡を用いていた。その場合、発生
するレーザ光６のビーム断面積よりもいく分大きくする
ことができた。ところが、従来、このダイクロイックミ
ラー４は、もう一方の面が平面になっているため、ダイ
クロイックミラー４を透過する励起用レーザ光１に対し
て、凹レンズとして機能する。その結果、初めに凸レン
ズ２を通って絞られながら進んでくる励起用レーザ光１
は、ダイクロイックミラー４を通過後、絞り角度が拡が
ってしまい、レーザ媒質３中に集光させるまでにかなり
長い距離が必要になってしまった。その結果、共振器長
が長くなってしまい、レーザ出力が低下したり、発振す
るレーザ光の縦モードの本数が多くなって、第−縦モー
ドで発振しづらくなってしまった。

また、このようにダイクロインクミラー４から、励起用
レーザ光が集光されるまでの距離が長くならないように
するには、凸レンズ２の焦点距離として十分短いもので
用いる必要がある。しかし、焦点距離が短かい凸レンズ
に５特に、ＣＶＬレーザ光のようにビーム径がおよそ３
０＋ｎｍ以上の太いレーザ光を通すと、球面収差が大き
くなってしまう。その結果、励起用レーザ光の集光性が
悪化してしまい、レーザ出力を高くすることができなか
った。

本発明の目的は、共振器長が長くならずに、出力鏡や全
反射鏡においてダメージが生じにくく高出力で動作する
レーザ励起レーザ発振器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達するために、励起用レーザ発振器における
、励起用レーザ光を前記レーザ媒質中に導びくために用
いられる前記励起用レーザ光に対して高い透過率をもつ
ダイクロイックミラーにおいて、片面が凸面であり、か
つ、もう一方の面が凹面となる形状をなし、凹面側が共
振器の内側を向くように構成したものである。

さらにダメージをより生じにくくさせるために、発振器
の構成として、共中心系の共振器としたものである。

また、励起用レーザ光を集光させるために用いられる凸
レンズを省略するために、前記ダイクロイックミラーの
凸面の曲率半径が、前記凹面の曲率半径よりも短かい正
のメニスカスレンズの形状としたものである。

〔作用〕

片面が凸面であり、かつ、もう一方の面が凹面となる形
状のダイクロインクミラーを通過するレーザ光に対して
、凹レンズとしての作用を低減させることができる。特
に、それら凸面と凹面の曲率を等しくさせると、これを
通過するレーザ光の拡がり角度を全く変化させずに済む
。その結果、絞られながらこのダイクロイックミラーを
透過する励起用レーザ光の集光点までの距離が長くなら
ずに済む。

また、共中心系の共振器とすることで、共振器間に発生
するレーザ光において、共振器中に焦点を形成できるた
め、この焦点付近ではレーザビーム径を極めて細くする
ことができる。この焦点近くにレーザ媒質を置くことで
、励起用レーザ光をここに細く集光することができ、レ
ーザ出力が増す。この場合、出力鏡や全反射鏡でのレー
ザビーム径は細くならないで済むため、これらの鏡にお
けるコーテイング膜にダメージが生じにくい。

さらに前記ダイクロイックミラーは前述したような正の
メニスカスレンズの形状とすることで、この内側で反射
するレーザ光に対しては凹面であるため変化はないが、
これを透過する励起用レーザ光に対しては凸レンズとし
て働く。そのため、励起用レーザ光が平行に進んできた
としても、この正のメニスカスレンズの凸面の曲率のみ
を調整することで、励起用レーザ光をレーザ媒質中に焦
光させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ここ
ではレーザ媒質３としてタイサファイア結晶が用いられ
ており、その両端がブリュースター角でカットされてお
り、それによって発振するレーザ光６に対してＡＲココ
−ィングが無くても、損失が小さくなるようになってい
る。励起用レーザ光１は、ビーム径が約５０ｍｍと比較
的太いＣＶＬからのレーザ光であり、焦点距離が約２０
０ｍの凸レンズ２を透過し、ダイクロイックミラー４を
透過し、レーザ媒質３中に集光する。このダイクロイッ
クミラー４は１図のように外側が凸面であり、内側が凹
面であるが、どちらの球面の曲率半径も約１１００ａで
あるため、励起用レーザ光１は絞られ角が変化すること
なく、共振器間に進み、レーザ媒質３中に集光できる。

出力鏡５は、内側が凹面となっており、その曲率は約１
００ｍ＋である。この出力鏡は、発振するレーザ光６に
対して全反射鏡として働くダイクロイックミラー４と、
約２００ｍｍの間隔で置かれている。そのため、共振器
は共中心系を形成し、共振器間で形成されるレーザ光６
は図のように平行ビームではなく、出力ｌＲ５とダイク
ロイックミラー４の面でビーム径が太く、それらの間で
細い形状となる。従って、これら出力＃！５とダイクロ
イックミラー４におけるコーテイング膜にダメージが生
じにくくなっている。また、レーザ媒質中では光６のビ
ーム径が小さくなり、ここにおいて励起光も十分絞られ
るため、ゲインが高くなり、結果的に高出力なレーザ光
６′が取出される。

第２図は、本発明の他の実施例を示したものである。励
起用レーザ光１は、音響光学（Ａ○）Ｑスイッチにより
約２０ＫＨｚで動作しているＹＡＧレーザからの第二高
調波の緑色のレーザ光である。

この励起用レーザ光１は、ダイクロイックミラー７を透
過して、出力鏡として働いているダイクロイックミラー
４から共振器中に入射する。このダイクロイックミラー
４は、外側が曲率３４ｍの凸面、内側が曲率約１１００
ｎの凹面になっている。

これにより、外部からほぼ平行ビームとして進んできた
励起用レーザ光１に対しては、このダイクロイックミラ
ー４を通過後、約１００ｍｍ進んだ地点で焦点を結ぶよ
うに絞られながら進んでレーザ媒質３中に入射する。ダ
イクロインクミラー４から約２００閣の所には、焦点距
離が約１００ｍｎの凸レンズ８が置かれており、そのす
ぐ横には、回折格子９が置かれ、共振器が構成されてい
る。その結果、発生するレーザ光６が、図のように共振
器間で焦点を結ぶような共中心系を形成する。それによ
って第１図に示した実施例と同様に、レーザ光６の照射
される面積は、ダイクロイックミラー４の面上や、凸レ
ンズ８や回折格子９の面上では、レーザ媒質３における
ビーム断面積よりも大きく、これらの面上でのコーテイ
ング膜にダメージが生じにくくなる。

さらにこの実施例では、第１図に示した実施例と同様に
、レーザ媒質３に、タイサファイア結晶が用いられてお
り、波長可変性をもっている。そのため波長選択素子と
して回折格子９が用いられている。さらに発振させる波
長を大まかに選択するだめに、ピンホール板１０が用い
られている。

つまり、凸レンズ８の焦点距離は、およそ１００Ｉであ
るが、正確にはレーザ光６の波長に依存する。そこで、
図のように凸レンズ８の焦点付近に置かれたピンホール
板１０と、凸レンズ８との間隔を焦点とするような波長
のレーザ光が発振しやすくなる。換言すると、それ以外
の波長のレーザ光は、ピンホール板１０において、ちょ
うど焦点を結ばないため、この穴（ここでは約０．１ｍ
ｍ程度大きさである。）を通過できるレーザ光の割合が
小さくなり、その波長では発振しずらくなる。

また、このように波長の選択が行えるため、場合によっ
ては回折格子９の代りに平面反射鏡を用いても良い。

この実施例では、励起用レーザ光１を、出力鏡として用
いられたダイクロイックミラー４から共振器中に入射さ
せている点が、第１図で示した実施例と反対である。こ
れによって全反射側に回折格子９を用いることができる
ようになった。

〔発明の効果〕 本発明によれば、出力鏡や全反射鏡におけるコーテイン
グ膜にダメージが生じにくくなるため、特に、パルス幅
が数十ｎｓ程度のＣＶＬやＱスイッチで動作するＹＡＧ
レーザの第二高調波を励起光源とし、レーザ媒質として
タイサファイア結晶をブ１２ユースター角にカットして
用いたレーザ励起タイサファイアレーザ発振器を高出力
化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての装置の説明図、第２
図は本発明の他の実施例としての装置の説明図、第３図
は従来例としての装置の説明図を示す。 １・・・励起用レーザ光、２・・・凸レンズ、３・・・
レーザ媒質、４・・・ダイクロイックミラー、５・・・
出力鏡、６．６′・・・レーザ光、７・・・ダイクロイ
ックミラー８・・・凸レンズ、９・・・回折格子、１０
・・・ピンホール板。 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光を励起光源としてレーザ動作できるレーザ
   媒質を用いたレーザ励起レーザ発振器の励起用レーザ光
   を前記レーザ媒質中に導びくために用いられる前記励起
   用レーザ光に対して高い透過率をもつダイクロイックミ
   ラーにおいて、片面が凸面であり、もう一方の面が凹面
   となる形状をなし、前記凹面側が、共振器の内側を向く
   ように構成することを特徴とするレーザ励起レーザ発振
   器。 ２、請求項１において、前記レーザ励起レーザ発振器に
   おける共振光学系が共中心系であるレーザ励起レーザ発
   振器。 ３、請求項１におけるダイクロイックミラーの前記凸面
   の曲率半径が、前記凹面の曲率半径よりも短かい正のメ
   ニスカスレンズの形状をなすレーザ励起レーザ発振器。 ４、請求項１におけるレーザ媒質がタイサファイア結晶
   であり、励起用レーザ光が銅蒸気レーザからのレーザ光
   あるいはＱスイッチで動作するＹＡＧレーザの第二高調
   波であるレーザ励起レーザ発振器。