JPWO2018092813A1 - 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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Abstract
Description
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。
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。
<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。
<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。
<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。
<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。
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。
<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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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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