(57)【要約】  【課題】  本発明は光学素子の位置の変動に対して安定で，偏光状態が励起パワーに依存しない円筒対称偏光を含む一様でない任意の偏光分布を有するレーザー共振器を提供すること。【解決手段】  共振器を構成する光学素子の少なくともひとつに任意方位に透過軸を有する反射型偏光子を用い，特定の位置に特定の偏光成分のみが安定共振条件となるようにレーザー共振器を構成する。具体的には，上記課題は，第1の反射鏡(1)と，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器において，第2の反射鏡(3)は，同心円状に透過軸を有する反射型偏光素子，又は同心円状に反射軸を有する反射型偏光素子を具備するレーザー共振器などにより解決される。【選択図】  図３
2008117528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器において，
前記第2の反射鏡(3)は，
同心円状に透過軸を有する反射型偏光素子，又は
同心円状に反射軸を有する反射型偏光素子，
を具備する，
レーザー共振器。
【請求項２】
前記第2の反射鏡(3)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のレーザー共振器を用い，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が，前記光増幅器(2)へ入射し，
前記光増幅器(2)が，入射した光の強度を増幅し，
前記第2の反射鏡(3)が，前記光増幅器(2)から出射された光の一部を反射するとともに，一部を透過することにより，円筒対称偏光を有するレーザー光を放出する，
レーザー光の出力方法。
【請求項５】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器において，
前記第2の反射鏡(3)は，
一方向でない透過軸のパターンを有する反射型偏光素子，又は
一方向でない反射軸のパターンを有する反射型偏光素子を具備する，
レーザー共振器。
【請求項６】
前記第2の反射鏡(3)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である請求項５に記載のレーザー共振器。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置。
【請求項８】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器の製造方法であって，
前記第2の反射鏡(3)が，
目的とする，一方向でない透過軸のパターンを有する反射型偏光素子，又は
目的とする，一方向でない反射軸のパターンを有する反射型偏光素子となるように，
自己クローニング法を用いて，基板パターンを設計するとともに，前記基板パターンを有する基板上に結晶を成長させることにより，反射型偏光素子を製造する工程を含む，
レーザー共振器の製造方法。
【請求項９】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，
前記第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と，
を具備するレーザー共振器において，
前記複屈折素子(4)は，
同心円状に異方性軸が配置された複屈折素子である，
レーザー共振器。
【請求項１０】
前記複屈折素子(4)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である請求項９に記載のレーザー共振器。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置。
【請求項１２】
前記複屈折素子(4)が，前記光増幅器(2)と前記第2の反射鏡(3)との間に設けられた，請求項９又は１０に記載のレーザー共振器を用い，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が，前記光増幅器(2)へ入射し，
前記光増幅器(2)が，入射した光の強度を増幅し，
前記光増幅器(2)から出射された光が，前記複屈折素子(4)により円筒対称偏光を有する光とされ，
前記第2の反射鏡(3)が，前記複屈折素子(4)から出射された光の一部を反射するとともに，一部を透過することにより，円筒対称偏光を有するレーザー光を放出する，
レーザー光の出力方法。
【請求項１３】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，
前記第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と，
を具備するレーザー共振器において，
前記複屈折素子(4)は，
一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子である，
レーザー共振器。
【請求項１４】
前記複屈折素子(4)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である請求項１３に記載のレーザー共振器。
【請求項１５】
請求項１２又は１３に記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置。
【請求項１６】
第1の反射鏡(1)と，
前記第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，
前記光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，
前記第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と，
を具備するレーザー共振器の製造方法において，
前記複屈折素子(4)は，
目的とする，一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子となるように，
自己クローニング法を用いて，基板パターンを設計するとともに，前記基板パターンを有する基板上に結晶を成長させることにより，複屈折素子を製造する工程を含む，
レーザー共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，一様でない偏光分布を有するレーザービームを発生させるためのレーザー共振器，及びそのようなレーザー共振器を具備するレーザー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光が有する偏光状態として従来良く知られているのは，直線偏光，円偏光又は無偏光である。【０００３】
一方，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光は，光強度が中心で弱く周囲で強い空間を創出できるといった優れた集光特性を有することが予測されている。このため，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光は，高分解能光学顕微鏡や原子・微粒子の光トラッピングなどへの応用が期待される。均一偏光分布レーザーでは，用いる素子の熱複屈折により品質が劣化する。一方，レーザー光の偏光分布を円筒対称偏光とすることで，熱複屈折により品質が劣化する事態を軽減できると考えられる。よって，円筒対称偏光を有するレーザー光を発振できるレーザー装置が望まれた。【０００４】
下記非特許文献１では，レーザー共振器内で複数のビームの一部を重ね合わせることにより円筒対称偏光を有するレーザー光を得る方法が開示されている。しかしながら，この方法では，レーザー共振器内で複数のビームの一部を重ね合わせるものであるため，反射鏡の位置をきわめて精巧に制御しなければならない。このため，レーザー発振が不安定になるという問題がある。【０００５】
下記非特許文献２及び下記特許文献１では，レーザー共振器内に偏光素子と，位相制御素子とを挿入した上で，複数のレーザーモードを重ね合わせることにより，円筒対称偏光を有するレーザー光を得る方法が開示されている。しかしながら，この方法も，レーザー共振器内で複数のレーザーモードを重ね合わせるものであるため，反射鏡の位置をきわめて精巧に制御しなければならない。このため，レーザー発振が不安定になるという問題がある。【０００６】
また，径方向，又はある方位のみの偏光成分を有するレーザーなど，様々な偏光パターンを有するレーザー光を発振することも望まれる。そのような要求に対し，下記非特許文献３には，熱複屈折を利用して，径方向，又はある方位のみの偏光成分を有するレーザー発振を得る方法が開示されている。この方法では，異なるモードやビームの重ね合せを用いていない。このため，レーザー発振は安定となる。しかし，この方法ではレーザー媒質(Nd:YAG)の熱複屈折を利用する。レーザー媒質(Nd:YAG)の熱複屈折は，励起パワーに依存するので，偏光状態が安定な発振を得ることができるのは，ある限られた励起パワー領域に限定されるという問題がある。また，強い熱複屈折効果を得るためには励起パワーを大きくする必要がある。このため，低出力レーザーでは，強い熱複屈折効果を得ることができないという問題がある。【０００７】
【特許文献１】特表2003-509871号公報
【非特許文献１】D. J. Armstrong,et al., Appl. Opt., 42 (2003)3550
【非特許文献２】R. Oron et. Al, Appl. Phys. Lett., 77 (2000) 3322
【非特許文献３】I. Moshe et al., Opt. Lett., 28 (2003) 807
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光を発振できるレーザー発振器，そのようなレーザー発振器を具備するレーザー装置，及びそのようなレーザー発振器を用いた円筒対称な偏光分布を有するレーザー光の発振方法を提供することを目的とする。【０００９】
本発明は，目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できるレーザー発振器，その製造方法，そのようなレーザー発振器を具備するレーザー装置，及びそのようなレーザー発振器を用いた目的とする偏光分布を有するレーザー光の発振方法を提供することを目的とする。      
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は，基本的には，自己クローニング法を用いることで様々な偏光パターンや複屈折パターンを有する光学素子を製造できるので，そのような光学素子をレーザー発振器内に導入することで，様々な偏光特性や，様々なモードを有するレーザー光を，広範囲の出力領域に対して安定に出力させることができるという知見に基づくものである。【００１１】
本発明の第1の側面は，第1の反射鏡(1)と，第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器において，第2の反射鏡(3)は，同心円状に透過軸を有する反射型偏光素子，又は同心円状に反射軸を有する反射型偏光素子，を具備する，レーザー共振器に関する。【００１２】
第1の反射鏡(1)として，レーザー発振器に用いられる公知のものを適宜用いることができる。第1の反射鏡(1)は，光増幅器(2)に面した面が，凹んでいる凹面となるものが好ましい。光増幅器(2)として，レーザー発振器に用いられる公知のものを適宜用いることができる。具体的な光増幅器(2)は，Nd:YAGなどのレーザー媒質である。このレーザー媒質に電力の利得を与えるなどして，光の強度が増幅される。【００１３】
第2の反射鏡(3)として，同心円状に透過軸を有する反射型偏光素子，又は同心円状に反射軸を有する反射型偏光素子，を具備するので，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光を発振できる。しかも，本発明のレーザー共振器は，共振器内で，レーザーやモードを重ね合わせる必要がないので，反射鏡の位置などを精巧に制御する必要がない。よって，安定にレーザー発振を行うことができる。また，本発明のレーザー共振器は，レーザー媒質などの光増幅器における熱複屈折を利用する必要がないので，広い範囲の出力にも対応できる。【００１４】
本発明の第1の側面の好ましい態様は，第2の反射鏡(3)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である上記に記載のレーザー共振器に関する。【００１５】
自己クローニング法を用いることで，同心円状に透過軸を有する反射型偏光素子，又は同心円状に反射軸を有する反射型偏光素子を設計でき，また製造できる。【００１６】
本発明の第1の側面の好ましい利用態様は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置に関する。【００１７】
このレーザー装置は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するので，安定にレーザー発振を行うことができる。また，このレーザー装置は，広い範囲の出力にも対応できる。なお，レーザー装置として，上記のレーザー共振器を具備するほかは，公知のレーザー装置における構成を適宜具備すればよい。【００１８】
本発明の第1の側面の好ましい利用態様は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を用い，第1の反射鏡(1)で反射した光が，光増幅器(2)へ入射し，光増幅器(2)が，入射した光の強度を増幅し，第2の反射鏡(3)が，光増幅器(2)から出射された光の一部を反射するとともに，一部を透過することにより，円筒対称偏光を有するレーザー光を放出する，レーザー光の出力方法に関する。【００１９】
レーザー光の出力方法は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を用いるので，安定にレーザー発振を行うことができる。また，このレーザー光の出力方法は，広い範囲の出力にも対応できる。【００２０】
本発明の第2の側面は，第1の反射鏡(1)と，第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器において，第2の反射鏡(3)は，設計された，一方向でない透過軸のパターンを有する反射型偏光素子，又は設計された，一方向でない反射軸のパターンを有する反射型偏光素子を具備する，レーザー共振器に関する。【００２１】
このレーザー発振器は，第2の反射鏡(3)として，設計された，一方向でない透過軸のパターンを有する反射型偏光素子，又は設計された，一方向でない反射軸のパターンを有する反射型偏光素子を具備するので，目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できる。特に，目的とする任意のモードのレーザー光を選択的に発生させることができる。【００２２】
本発明の第2の側面の好ましい態様は，第2の反射鏡(3)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である上記に記載のレーザー共振器に関する。【００２３】
自己クローニング法を用いることで，目的とする偏光分布を有する反射型偏光素子を設計でき，また製造できる。【００２４】
本発明の第2の側面の好ましい利用態様は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置に関する。【００２５】
このレーザー装置は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するので，安定にレーザー発振を行うことができる。また，このレーザー装置は，広い範囲の出力にも対応できる。【００２６】
本発明の第2の側面の好ましい利用態様は，第1の反射鏡(1)と，第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，を具備するレーザー共振器の製造方法であって，第2の反射鏡(3)が，目的とする，一方向でない透過軸のパターンを有する反射型偏光素子，又は目的とする，一方向でない反射軸のパターンを有する反射型偏光素子となるように，自己クローニング法を用いて，基板パターンを設計するとともに，基板パターンを有する基板上に結晶を成長させることにより，反射型偏光素子を製造する工程を含む，レーザー共振器の製造方法に関する。【００２７】
これにより目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できるレーザー発振器を設計できる。【００２８】
本発明の第3の側面は,第1の反射鏡(1)と,第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し,入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と,光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに,一部を透過する第2の反射鏡(3)と,第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と,を具備するレーザー共振器において,複屈折素子(4)は,同心円状に異方性軸が配置された複屈折素子である,レーザー共振器に関する。【００２９】
複屈折素子(4)として，同心円状に異方性軸が配置された複屈折素子を具備するので，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光を発振できる。しかも，本発明のレーザー共振器は，共振器内で，レーザーやモードを重ね合わせる必要がないので，反射鏡の位置などを精巧に制御する必要がない。よって，安定にレーザー発振を行うことができる。また，本発明のレーザー共振器は，レーザー媒質などの光増幅器における熱複屈折を利用する必要がないので，広い範囲の出力にも対応できる。【００３０】
本発明の第3の側面の好ましい態様は，複屈折素子(4)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である上記いずれかに記載のレーザー共振器に関する。【００３１】
自己クローニング法を用いることで，同心円状に異方性軸が配置された複屈折素子を設計でき，また製造できる。【００３２】
本発明の第3の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置に関する。【００３３】
このレーザー装置は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するので，安定にレーザー発振を行うことができる。また，このレーザー装置は，広い範囲の出力にも対応できる。【００３４】
本発明の第3の側面の好ましい態様は,複屈折素子(4)が,光増幅器(2)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた,上記いずれかに記載のレーザー共振器を用い,第1の反射鏡(1)で反射した光が，光増幅器(2)へ入射し,光増幅器(2)が,入射した光の強度を増幅し,光増幅器(2)から出射された光が，複屈折素子(4)により円筒対称偏光を有する光とされ，第2の反射鏡(3)が,複屈折素子(4)から出射された光の一部を反射するとともに,一部を透過することにより，円筒対称偏光を有するレーザー光を放出する,レーザー光の出力方法に関する。【００３５】
このレーザー光の出力方法は，複屈折素子(4)として，同心円状に異方性軸が配置された複屈折素子を用いることにより，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光を発振できる。【００３６】
本発明の第4の側面は，第1の反射鏡(1)と，第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と，を具備するレーザー共振器において，複屈折素子(4)は，設計された，一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子である，レーザー共振器に関する。【００３７】
このレーザー共振器は，設計された，一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子を具備するので，目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できる。【００３８】
このレーザー発振器は，複屈折素子(4)として，一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子を具備するので，目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できる。特に，目的とする任意のモードのレーザー光を選択的に発生させることができる。【００３９】
本発明の第4の側面の好ましい態様は，複屈折素子(4)は，自己クローニング法により製造された，自己クローニングフォトニック結晶である上記いずれかに記載のレーザー共振器に関する。【００４０】
自己クローニング法を用いることで，目的とする一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子を設計でき，また製造できる。【００４１】
本発明の第4の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するレーザー装置に関する。【００４２】
このレーザー装置は，上記いずれかに記載のレーザー共振器を具備するので，安定にレーザー発振を行うことができる。また，このレーザー装置は，広い範囲の出力にも対応できる。【００４３】
本発明の第4の側面の好ましい態様は，第1の反射鏡(1)と，第1の反射鏡(1)で反射した光が入射し，入射した光の強度を増幅する光増幅器(2)と，光増幅器(2)から出射した光の一部を反射するとともに，一部を透過する第2の反射鏡(3)と，第1の反射鏡(1)と第2の反射鏡(3)との間に設けられた複屈折素子(4)と，を具備するレーザー共振器の製造方法において，複屈折素子(4)は，目的とする，一方向ではないパターンを有するように異方性軸が配置された複屈折素子となるように，自己クローニング法を用いて，基板パターンを設計するとともに，基板パターンを有する基板上に結晶を成長させることにより，複屈折素子を製造する工程を含む，レーザー共振器の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば，円筒対称な偏光分布を有するレーザー光を発振できるレーザー発振器，そのようなレーザー発振器を具備するレーザー装置，及びそのようなレーザー発振器を用いた円筒対称な偏光分布を有するレーザー光の発振方法を提供できる。【００４５】
本発明によれば，目的とする偏光分布を有するレーザー光を発振できるレーザー発振器，その製造方法，そのようなレーザー発振器を具備するレーザー装置，及びそのようなレーザー発振器を用いた目的とする偏光分布を有するレーザー光の発振方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は円筒対称偏光レーザー光ビームの偏光分布を示す。図1(a)は径偏光を示し図1(b)は方位偏光を示す。
【図２】図２は，凹型ミラーを用いた一般的なレーザー共振器の構成例を示す。
【図３】図３は，凹型ミラーとフォトニック結晶を用いたレーザー共振器の構成例を示す。
【図４】図４は，複屈折材を挿入したレーザー共振器の構成例を示す。
【図５】図５は，実施例の自己クローニングフォトニック結晶反射型偏光子を示す。図5(a)は全体の概念図，図5(b)は基板の概念図，図5(c)は試作素子の表面SEM観察像を示す。
【図６】図６は，実施例の自己クローニングフォトニック結晶反射型偏光子の分光特性測定データの一例を示す。図6(a)はＴＥ波が透過軸方位となるような膜厚構成で作製した例，図6(b)はＴＭ波が透過軸方位となるような膜厚構成で作製した例を示す。
【図７】図７は，径偏光のレーザー光強度分布の測定例を示す。
【図８】図８は，方位偏光のレーザー光強度分布の測定例を示す。
【符号の説明】
【００４７】
１  第1の反射鏡，２  光増幅器，３  第2の反射鏡，４  複屈折素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、図面に従って、本発明を詳細に説明する。図１に円筒対象偏光レーザービームの偏光分布を示す。図1(a)および図1(b)はそれぞれ、径偏光および方位偏光である。径偏光では電界の振動方向が放射状に、方位偏光では同心円状に分布している。【００４９】
図２に凹面鏡を用いた一般的なレーザー共振器の一例を示す。Nd:YAG結晶(2)が凹面鏡(1)と平面鏡(3)で構成される共振器内に置かれている。このような配置のレーザー発振器から出射されるレーザー光の偏光方位は，ランダムもしくは一軸偏光に近い空間分布を有するのが一般的である。【００５０】
本発明の偏光素子は，たとえば，表面の凹凸が同心円状に複数となるような基板を用いて自己クローニング法により製造すればよい。また，表面の凹凸が放射状に複数となるような基板を用いて自己クローニング法により製造してもよい。自己クローニング法で用いる表面凹凸を有する基板は，イオンビーム露光技術やナノインプリント技術を用いて作製されるが，その溝形状は任意に作製することができる。ただし，放射状のパターンを用いる場合には，放射状に広がる一様な凹凸幅の形状というものがありえないことから，なるべく一様な幅の溝になるように放射中心から一定距離ごとに溝を作るなどの工夫が必要になり，望ましくない。【００５１】
従って，の透過軸が放射状に設けられる反射型偏光子と，透過軸が同心円状にもうけられる反射型偏光子の両方が，同様に表面の凹凸が同心円状に設けられた基板から作成されることが望ましく，積層する膜厚の組み合わせによって実現可能である。例えば凹凸の周期が500nmである同心円状の溝もしくは凸部を有する基板上に，SiO2層の厚さが250nm, Nb2O5層の厚さが327nmであり，SiO2層とNb2O5層とが交互に自己クローニング法を用いて５層積層した構造の反射型偏光子の透過率は図6(a)に示すように，Nd:YAGレーザの発振波長である1064nm近傍で，円周方向に電界成分を持つ光に対して10%程度の透過率を持たせることができ，これに直行する電界振動成分を持つ光に対しては80%程度以上と相対的に高い透過率を持たせることができる。【００５２】
一方で同様の凹凸周期が500nmの同心円パターン基板上に，SiO2層の厚さが174nm, Nb2O5層の厚さが460nmであり，SiO2層とNb2O5層とが交互に自己クローニング法を用いて８層積層した構造の反射型偏光子の透過率は図6(b)に示すように，Nd:YAGレーザの発振波長である1064nm近傍で，放射方向に電界成分を持つ光に対して10%程度の透過率を持たせることができ，これに直行する電界振動成分を持つ光に対しては90%程度以上と相対的に高い透過率を持たせることができる。【００５３】
つまり，同じ同心円パターンの基板を用いた場合でも，自己クローニング法により積層する膜の厚さの組み合わせによって，透過軸が放射状に設けられる反射型偏光子と，透過軸が同心円状にもうけられる反射型偏光子の両方を作製することができる。【００５４】
更には,凹凸周期500nmの同心円パターン基板を用いて複屈折材料を得ることもできる。具体的には,SiO2層の厚さが100nm,Ta2O5層の厚さが100nmであり,SiO2層とTa2O5層とが交互に自己クローニング法を用いて積層した構造は,異方性軸を基板凹凸溝方向に有し積層数に応じた位相差を有する複屈折材料となる。【００５５】
以上の説明から，任意の凹凸パターンの基板へ自己クローニング法による積層膜を作製することにより，任意形状の透過軸を有する反射型偏光子や複屈折材料を得ることができるとわかる。【００５６】
上記のような偏光子は，例えば，特開平10-335758号公報，特開2000-258645号公報，特開2001-74954号公報，特開2001-249235号公報，特開2004-45779号公報などに開示される製造技術を用いて適宜作成することができる。自己クローニングフォトニック結晶の望ましい製造方法を以下に記す。基板材料に石英を用い，フォトリソグラフィープロセスを用いて動作波長の半分程度のピッチの周期的な凹凸を形成する。これを，スパッタリング装置を用いて成膜することにより，フォトニック結晶を得ることができる。成膜する材料は，例えばSiO2,Nb2O5，又はTa2O5など，スパッタリングすることができる材料から適宜選択することができる。例えばSiO2及びNb2O5を用いて多層膜を自己クローニング成膜する場合，成膜装置内に４：１の分圧でArと酸素ガスとを流しながら約0.5Paのガス圧で電圧印加，スパッタリングを行えばよい。同時に基板バイアスを印加することにより，成膜とエッチングとを同時に行うことができ，これにより，自己クローニング成膜を実現できる。なお，基板バイアスに印加する電力は，成膜電力の10%以下であることが望ましい。【００５７】
後述する実施例により実証されたとおり，例えば，石英基板を用いて，基板ピッチ(凹凸の一周期)が500nm，SiO2層の厚さが250nm, Nb2O5層の厚さが327nmで各５層積層した場合，波長1064nmで凹凸に平行な電界成分を有する偏光が選択的に反射する反射型偏光子を得ることができた。つまり，この場合は基板溝が同心円状の場合に，透過軸が同心円状のものを得ることができる。逆に，基板溝が放射状のものを用いれば，透過軸が放射状のものを製造することができる。たとえば，放射状の周期構造が中心から外縁部まで多段に形成されている層を有する偏光子であっても透過軸が放射状のものを得ることができる。このように，基板に設けられた溝と，透過軸が平行な偏光子は，この実施例に基づき，適宜基板の溝形状，基板ピッチ，各層を構成する材料，及び各層の膜厚などを適宜調整することで，製造できる。基板ピッチは，特に限定されないが，入射光の波長の半分程度，例えば，50nm以上800nm以下の範囲，好ましくは100nm以上600nm以下の範囲において適宜調整すればよい。自己クローニング結晶からなる偏光子を構成する各層の厚さは，例えば，20nm以上500nm以下から適宜調整すればよい。また，各層は異なる２種類の層がひとつのペアとなり，そのペアが複数積み重ねられるようにされているものが好ましい。そのようなペアの数（層数）として，例えば３層以上100層以下があげられ，３層以上20層以下であってもよい。【００５８】
一方，後述する実施例において実証されたとおり，同じ材料を用いても，基板ピッチが500nmでSiO2が174nm, Nb２O5が460nmで各８層の場合，波長1064nmで凹凸に垂直は電界成分を有する偏光が選択的に反射する反射型偏光子が得られる。この場合は，基板溝が同心円状の場合，透過軸が放射状の偏光子が得られ，基板溝が放射状の場合，透過軸が同心円状のものが得られる。たとえば，放射状の周期構造が中心から外縁部まで多段に形成されている層を有する偏光子であっても，透過軸が同心円状のものを得ることができる。このように，基板に設けられた溝と，透過軸が直交する偏光子は，この実施例に基づき適宜，基板の溝形状，基板ピッチ，各層を構成する材料，各層の膜厚などを調整することで製造することができる。基板ピッチは，特に限定されないが，入射光の波長の半分程度，例えば，50nm以上800nm以下の範囲，好ましくは100nm以上600nm以下の範囲において適宜調整すればよい。自己クローニング結晶からなる偏光子を構成する各層の厚さは，例えば，20nm以上500nm以下から適宜調整すればよい。また，各層は異なる２種類の層がひとつのペアとなり，そのペアが複数積み重ねられるようにされているものが好ましい。そのようなペアの数（層数）として，例えば３層以上100層以下があげられ，３層以上20層以下であってもよい。【００５９】
また，自己クローニングフォトニック結晶以外にも，例えばワイヤーグリッド型の偏光子により放射状に透過軸を有する偏光子を実現することができる。ただし，自己クローニングフォトニック結晶によるものの方が，高い精度を持って製造でき，偏光調整機能を発揮できるので好ましい。
【実施例１】
【００６０】
本発明では,図3に示される構成を有する円筒対称レーザー共振器を製造した。図3に示されるように,レーザー媒質であるNd:YAG結晶(2)が凹面鏡(1)と,自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子からなる平面鏡(3)で構成される共振器内に置かれている。一方,また,図4に示される複屈素子を挿入した共振器も製造した。【００６１】
図５は，作製した自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子の基板パターンと，表面SEM観察像を示す図である。図5(a)は反射型偏光子の概念図をしめし，図5(b)は基板パターンの概念図であり，図5(c)は表面ＳＥＭ観察像を示す。この自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子は，偏光方位を表す凹凸が同心円状に形成されていることにより，透過軸が同心円状，もしくは放射状の偏光子が実現されている。図5(a)に示すような自己クローニング型フォトニック結晶は，図5(b)に示すような凹凸形状を作製した石英等の基板上に，自己クローニングプロセスで多層膜を形成することにより作製される。成膜される材料は，Si,SiO2,Nb2O5，Ta２O5，HfO2など，スパッタリング成膜可能な全ての光学材料を選択可能である。本実施例では石英基板上にSiO2とNb2O5とを交互に積層して作製した。【００６２】
図６は，自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子の分光特性測定結果を示すグラフである。図5(b)に示したと同じ形状の基板から，凹凸方向に平行な電界振動成分を持つＴＥ波が透過軸方位に一致する反射型偏光子(図6(a))と，凹凸方向に垂直な電界振動成分を持つＴＭ波が透過軸方位に一致する反射型偏光子(図6(b))のいずれをもでき，これらは積層する材料と膜厚の組み合わせで任意に選択できることがわかる。本実施例では図6(a)および図6(b)の特性を有する反射型偏光子をそれぞれ用いた。【００６３】
図7に，図6(a)のTE透過偏光子を配置したレーザー発振器から得られたレーザー光強度分布の測定例を示す。図7(a)より，中心での強度がゼロとなるドーナツ型の分布をしていることがわかる。直線偏光板を通した後の強度分布を図7(b)，図7(c)および図7(d)に示す。図中右下の矢印は直線偏光板の偏光方向を示している。これらより，得られたレーザー光の偏光が放射状であり，径偏光ビームであることがわかる。このレーザー光は励起光強度に依存せず，常に径偏光となっている。また，機械的振動に乱されることは全くなく，安定な発振が得られる。さらに，安定共振器の範囲内であれば平面鏡３の位置を任意に設定することができる。【００６４】
次に図6(b)のＴＭ透過偏光子を配置したレーザー発振器から得られたレーザー光強度分布の測定例を，図8に示す。図8(a)より，中心での強度がゼロとなるドーナツ型の分布をしていることがわかる。直線偏光板を通した後の強度分布を図8(b)，図8(c)および図8(d)に示す。図中右下の矢印は直線偏光板の偏光方向を示している。これらより，得られたレーザー光の偏光が同心円状であり，方位偏光ビームであることがわかる。このレーザー光は励起光強度に依存せず，常に径偏光となっている。また，機械的振動に乱されることは全くなく，安定な発振が得られる。さらに，安定共振器の範囲内であれば平面鏡３の位置を任意に設定することができる。【００６５】
本実施例で示した試作によって，従来実現に高度なアライメントや複雑且つ精密な光路設計が必要であった円筒対称偏光ビームが，発振器を構成する反射鏡を自己クローニングフォトニック結晶反射型偏光子に置き換えるだけで容易に発振させることが可能になった。【００６６】
自己クローニングフォトニック結晶は透過軸あるいは反射軸方位を任意に設計および製作できるので，本実施例以外の一様でない任意の偏光分布を有するレーザービームを発生させるレーザー共振器を製作することもできる。【００６７】
また，同心円状あるいは任意方位に異方性軸が配置された複屈素子料をレーザー共振器内に挿入することにより，同心円状あるいは一様でない任意の偏光分布を有するレーザービームを発生させることができる。この複屈素子料は，自己クローニングフォトニック結晶でもよい。【００６８】
共振器に用いる反射鏡の形状は凹面あるいは凸面でも良い。また，励起方法はサイドポンプあるいはエンドポンプでも良い。更に，レーザー発振は連続あるいはパルスでも良い。以上のようにして得られたレーザービームを種光として増幅し，出力を増大することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の円筒対称偏光レーザー光発振器および任意モードのレーザー光発振器は，レーザー加工におけるエネルギー効率や加工精度の向上に寄与し，光ピンセットなどのバイオ研究や医療現場などでの応用も期待され，あらゆるレーザー応用製品に適応されうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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