(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、
前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、
前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、
前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡と
を備えたことを特徴とするレーザ共振器。
【請求項２】
光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、
前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第１のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、
前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、
前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第２及び第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第３のテレスコープと、
前記レーザ媒質を挟んで前記第２のテレスコープに対向して配置され、前記第３のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第３のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第４のテレスコープと、
前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第４のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡と
を備えたことを特徴とするレーザ共振器。
【請求項３】
前記第１の平面反射鏡は、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第１の稜線を有する第１のルーフプリズムであり、
前記第２の平面反射鏡は、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第２の稜線を有する第２のルーフプリズムであり、
前記第１及び第２の稜線がお互いに直交するように前記第１及び第２のルーフプリズムを配置した
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ共振器。
【請求項４】
前記各テレスコープは、
前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、
前記レーザ媒質側に設けられ、正の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、
｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たす
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項５】
前記各テレスコープは、
前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、
前記レーザ媒質側に設けられ、負の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、
｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たす
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項６】
前記レーザ媒質に隣接したテレスコープは、前記第２のレンズからレーザ共振器の中心までの距離が、前記第２のレンズの焦点距離ｆ２にほぼ等しくなるように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のレーザ共振器。
【請求項７】
前記各テレスコープは、
前記レーザ媒質の反対側に設けられ、焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、
前記レーザ媒質側に設けられ、焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、
｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たし、
前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間に共振器モードを選択する開口を設け、
前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間の距離をＬ１、前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの第１のレンズと第２のレンズの間の距離をｆ１＋ｆ２＋δとしたとき、前記第１の平面反射鏡と前記開口の間の距離をＬ１−ｆ１−ｆ１×ｆ１／（２×δ）とした
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ共振器。
【請求項８】
前記共振器モードを選択する開口は、光学部品である
ことを特徴とする請求項７記載のレーザ共振器。
【請求項９】
前記共振器モードを選択する開口の代わりに、レーザ光の一部を外部に取り出すための出力結合素子を設けた
ことを特徴とする請求項７記載のレーザ共振器。
【請求項１０】
前記第１のテレスコープ及び前記第３のテレスコープは、取り外し可能とした
ことを特徴とする請求項２記載のレーザ共振器。
【請求項１１】
第２の光源により励起されてレーザ光を増幅する第２のレーザ媒質を有する入れ替え装置をさらに備え、
前記レーザ媒質、前記第１のテレスコープ、及び前記第３のテレスコープを取り外して、前記入れ替え装置を共振器の略中心に配置する
ことを特徴とする請求項２記載のレーザ共振器。
【請求項１２】
前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、偏光子を設けた
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項１３】
前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、複屈折素子を設けた
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項１４】
前記レーザ媒質は、熱レンズ効果を持つ
ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項１５】
前記レーザ媒質は、レーザ共振器の光軸に垂直な面内で、２つの異なる焦点距離を有する熱レンズ効果を持つ
ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載のレーザ共振器。
【請求項１６】
前記レーザ媒質は、（Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ）、（Ｈｏ：ＹＬＦ）、又は（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ）のいずれか一つを用いた
ことを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれかに記載のレーザ共振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば空港などに設置される固体レーザ装置や、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載される固体レーザ装置に用いられ、特に風速等を計測するためのパルス型のコヒーレントライダ用の長い共振器長を要するレーザ共振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風速や移動体の速度を測定するコヒーレントライダでは、野外に向けてレーザ光を送信するため、人の目に安全な、１．４μｍ〜２μｍの波長（アイセーフ波長）が要求される。
【０００３】
このアイセーフ波長で発振するレーザ媒質は、例えばＥｒ：Ｇｌａｓｓ（発振波長１．５μｍ）、Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ（発振波長１．５μｍ）、Ｅｒ：ＹＡＧ（発振波長１．６μｍ）、Ｔｍ：ＹＡＧ（発振波長２μｍ）、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ（発振波長２μｍ）、Ｈｏ：ＹＬＦ（発振波長２μｍ）、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ（発振波長２μｍ）などがあるが、一般的に材料固有の利得が小さい。
【０００４】
この場合、高効率に出力を得るためには、レーザ媒質の光軸に垂直な方向の断面積を小さくして、励起光源により高密度に励起を行い、相対的に高い利得を得る必要がある。また、コヒーレントライダでは、風速測定精度を高めるために、長いパルス幅ｔｐが要求される。
【０００５】
レーザ媒質の小信号利得をｇ０ｌ、共振器内の周回損失をｌｏｓｓ、光速をｃとすると、定在波型のレーザ共振器において、出力が最大となる時のエネルギーの取りだし効率η、およびパルス幅ｔｐは以下のように式（１）及び式（２）で表される。
【０００６】
【数１】
0003621623.tif 000002
【０００７】
【数２】
0003621623.tif 000003
【０００８】
ここで、レーザ発振が生じる条件は、２ｇ０ｌ＞ｌｏｓｓ、すなわちｚ＞１となるので、ｇ０ｌが大きくなるほど、取りだし効率ηは大きくなる。従って、高い取りだし効率ηを得るためには、大きな小信号利得ｇ０ｌが必要である。また、パルス幅ｔｐは、ｚが大きくなるほど短くなり、共振器長Ｌが長いほど長くなる。従って、高効率に長いパルス幅ｔｐを得るためには、高い小信号利得ｇ０ｌと長い共振器長Ｌが要求される。
【０００９】
従来のレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１８は、例えば『Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ．１「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ第４版」Ｗａｌｔｅｒ  Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著（１９９５年ドイツＳｐｒｉｎｇｅｒ社発行）１９７ページ、および「ＬＡＳＥＲＳ」Ｓｉｅｇｍａｎ著（１９８６年米国Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｂｏｏｋｓ社発行）７５５ページ』に示された従来のレーザ共振器の構成を示す図である。
【００１０】
図１８において、１及び２は互いに対向して共振器長Ｌで配置されレーザ光を閉じこめる凹面反射鏡、３はレーザ媒質、４はレーザ媒質３を励起する励起光源、５は凹面反射鏡１及び２の間に形成されるガウシアンビームの共振モード、６は共振モード５を制限する開口、７は光軸である。
【００１１】
つぎに、前述した従来のレーザ共振器の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
上記のようなレーザ共振器では、レーザ光が凹面反射鏡１及び２の間を往復し、励起光源４により励起されたレーザ媒質３を繰り返し通過して増幅されて、ガウシアンビームの共振モード５が形成される。開口６は、共振器内の共振モード５の低次のモードのみを選択して、高品質なレーザビームを生成するために配置される。開口６として、レーザ共振器内に配置されたレーザ媒質３やミラーなどの光学部品の開口が使用される場合もある。
【００１３】
凹面反射鏡１の曲率をＲ１、凹面反射鏡２の曲率をＲ２、凹面反射鏡１と凹面反射鏡２の距離をＬとすると、レーザ共振器内で共振モード５のビームサイズ（１／ｅ２半径）が最も小さくなる位置におけるビームサイズω０、凹面反射鏡１における共振モード５のビームサイズω１、凹面反射鏡２における共振モード５のビームサイズω２は、以下の式（３）で表される。
【００１４】
【数３】
0003621623.tif 000004
【００１５】
ここで、簡単のためＲ１＝Ｒ２＝Ｒとすると、上記の式（３）は以下の式（４）で表される。
【００１６】
【数４】
0003621623.tif 000005
【００１７】
すなわち、共振器長Ｌが小さいほど、また、２×Ｒ−Ｌの値が小さいほど、共振モード５のビームサイズが最も小さくなる位置におけるビームサイズω０は小さくなる。なお、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒとした時、ビームサイズが最も小さくなるω０の位置は、レーザ共振器の中心、すなわち凹面反射鏡１からＬ／２離れた位置となる。式４より、小さなω０を得るためには、短い共振器長Ｌと、２×Ｒ−Ｌが小さくなるような曲率Ｒの凹面反射鏡が必要となる。
【００１８】
図１９は、共振器長Ｌを２ｍとしたときの、凹面反射鏡の曲率Ｒとω０およびω１の関係を示したものである。例えば、ω０の値として０．２５ｍｍ以下が得られる曲率Ｒは１．０１７ｍから１．０００ｍとなり、この時のω１の値は１．９２ｍｍ〜∞となる。従って、ビームサイズを小さくしようとした場合、曲率Ｒの許容範囲が狭く、ビームサイズω０が曲率Ｒや共振器長Ｌの変化に対して敏感になる。また、共振器が不安定になりやすく、調整が困難となる。また、同じビームサイズで共振器長Ｌを長くしようとすると、さらに不安定になるため、共振器長Ｌを十分長くすることができない。
【００１９】
次に、図２０は、凹面反射鏡１に傾きθが生じたときの共振ビームモードの様子を示した図である。凹面反射鏡１に傾きが生じた場合、共振モードの光軸８とレーザ共振器の光軸７にずれが生じる。この時、凹面反射鏡１における光軸のずれ量をｄ１、凹面反射鏡１における光軸のずれ角をθ１、共振器中心における光軸のずれ量をｄ０、共振器中心における光軸のずれ角をθ０とすると、それぞれｄ０、θ０、ｄ１、及びθ１は以下の式（５）で表される。
【００２０】
【数５】
0003621623.tif 000006
【００２１】
図２１は、共振器長Ｌを２ｍとし、凹面反射鏡１にθ＝１００μｒａｄの傾きを与えたときの、凹面反射鏡の曲率Ｒと、共振器中心における光軸とのずれ量ｄ０および凹面反射鏡１における光軸とのずれ量ｄ１との関係を示したものである。なお、図１９に示した凹面反射鏡の曲率Ｒとω０およびω１の関係を同時に示している。凹面反射鏡１の位置におけるずれ量ｄ１は、モードサイズω０が小さくなるに従って大きくなり、例えば、ω０＝０．２５ｍｍの時、ｄ１＝−２．９ｍｍとなる。
【００２２】
図２２は、共振器長Ｌを２ｍとし、凹面反射鏡１にθ＝１００μｒａｄの傾きを与えたときの、凹面反射鏡の曲率Ｒと、共振器の中心位置における光軸とのずれ角θ０（＝θ１）との関係を示したものである。共振器の中心位置における光軸とのずれ角θ０は、凹面反射鏡１の曲率Ｒが１に近づくに従って大きくなり、例えば、ω０＝０．２５ｍｍの時、θ０＝３．０ｍｒａｄとなり、ミラーの傾き角θ＝１００μｒａｄに対して３０倍の傾きが生じることになる。
【００２３】
凹面反射鏡１の位置における共振モードがずれた場合、開口６や光軸上に配置された光学部品の開口のケラレが生じるため、レーザ出力が低下し、レーザ光の品質が悪くなる。例えば、ω０＝０．２５ｍｍの時、凹面反射鏡１の位置におけるビームサイズω１＝１．９２ｍｍであり、上記θ＝１００μｒａｄのずれが生じた場合、開口６により共振モード５が完全にけられてしまうため、共振モードを形成することができず、レーザ出力を得ることができなくなる。また、わずかな凹面反射鏡の傾きが、共振器内の共振モードの光軸に大きな傾きを与え、出力されるレーザ光の出射方向の安定性が低下する。
【００２４】
また、出射されたレーザ光を波長変換に用いる場合など、出力されるレーザ光の偏光方向を直線偏光にするために、偏光子を光路上に配置する必要が生じる。レーザ光の光路上に偏光子を配置した場合、偏光子はレーザ光の入射角度により消光比の劣化が生じる。そのため、レーザ光の角度ずれが大きい場合、レーザ光の一部が偏光子により外部へ出力され、レーザ光の利用効率が低下する。
【００２５】
さらにまた、レーザ光の光路上にＥＯ−Ｑスイッチなどの複屈折材料を配置した場合、複屈折材料はレーザ光の入射角度によりレーザ光の偏光状態を変化させるため、レーザ光として共振できなくなり、レーザ光の利用効率が低下する。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のレーザ共振器では、長い共振器長で共振モード５のビームサイズω０を小さくすると、凹面反射鏡の曲率Ｒや共振器長Ｌの変化に対して、共振器モード５の変化が大きくなるため、レーザ共振器が不安定になりやすく、調整が困難になってしまうという問題点があった。
【００２７】
また、同じビームサイズで共振器長Ｌを長くしようとすると、さらに不安定になるため、共振器長Ｌを十分長くすることができないという問題点があった。
【００２８】
さらにまた、凹面反射鏡１に傾きが生じた場合、開口６や光軸上に配置された光学部品の開口によるケラレが生じるため、レーザ出力が低下し、レーザ光の利用効率の低下およびレーザ光の品質の劣化が生じるという問題点があった。
【００２９】
また、わずかな凹面反射鏡１の傾きが共振器内の共振モードに大きな傾きを与えるため、出力されるレーザ光の出射方向の安定性が低下するという問題点があった。
【００３０】
さらにまた、レーザ光の光路上に偏光子を配置した場合、偏光子はレーザ光の入射角度により消光比の劣化が生じるため、レーザ光の一部が偏光子により外部へ出力され、レーザ光の利用効率が低下するという問題点があった。
【００３１】
また、レーザ光の光路上にＥＯ−Ｑスイッチなどの複屈折材料を配置した場合、複屈折材料はレーザ光の入射角度によりレーザ光の偏光状態を変化させるため、レーザ光として共振できなくなり、レーザ光の利用効率が低下するという問題点があった。
【００３２】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、長い共振器長において小さなビームサイズが安定して得られると共に、レーザ光の利用効率およびレーザ光の品質の低下を防止することができ、レーザ光の出射方向を安定することができるレーザ共振器を得ることを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るレーザ共振器は、光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡とを備えたものである。
【００３５】
この発明の請求項２に係るレーザ共振器は、光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第１のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第２及び第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第３のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第２のテレスコープに対向して配置され、前記第３のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第３のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第４のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第４のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡とを備えたものである。
【００３６】
この発明の請求項３に係るレーザ共振器は、前記第１の平面反射鏡は、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第１の稜線を有する第１のルーフプリズムであり、前記第２の平面反射鏡は、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第２の稜線を有する第２のルーフプリズムであり、前記第１及び第２の稜線がお互いに直交するように前記第１及び第２のルーフプリズムを配置したものである。
【００３７】
この発明の請求項４に係るレーザ共振器は、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、正の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たすものである。
【００３８】
この発明の請求項５に係るレーザ共振器は、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、負の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たすものである。
【００３９】
この発明の請求項６に係るレーザ共振器は、前記レーザ媒質に隣接したテレスコープが、前記第２のレンズからレーザ共振器の中心までの距離が、前記第２のレンズの焦点距離ｆ２にほぼ等しくなるように配置されているものである。
【００４０】
この発明の請求項７に係るレーザ共振器は、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たし、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間に共振器モードを選択する開口を設け、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間の距離をＬ１、前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの第１のレンズと第２のレンズの間の距離をｆ１＋ｆ２＋δとしたとき、前記第１の平面反射鏡と前記開口の間の距離をＬ１−ｆ１−ｆ１×ｆ１／（２×δ）としたものである。
【００４１】
この発明の請求項８に係るレーザ共振器は、前記共振器モードを選択する開口を、光学部品としたものである。
【００４２】
この発明の請求項９に係るレーザ共振器は、前記共振器モードを選択する開口の代わりに、レーザ光の一部を外部に取り出すための出力結合素子を設けたものである。
【００４３】
この発明の請求項１０に係るレーザ共振器は、前記第１のテレスコープ及び前記第３のテレスコープを、取り外し可能としたものである。
【００４４】
この発明の請求項１１に係るレーザ共振器は、第２の光源により励起されてレーザ光を増幅する第２のレーザ媒質を有する入れ替え装置をさらに備え、前記レーザ媒質、前記第１のテレスコープ、及び前記第３のテレスコープを取り外して、前記入れ替え装置を共振器の略中心に配置するものである。
【００４５】
この発明の請求項１２に係るレーザ共振器は、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、偏光子を設けたものである。
【００４６】
この発明の請求項１３に係るレーザ共振器は、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、複屈折素子を設けたものである。
【００４７】
この発明の請求項１４に係るレーザ共振器は、前記レーザ媒質が、熱レンズ効果を持つものである。
【００４８】
この発明の請求項１５に係るレーザ共振器は、前記レーザ媒質が、レーザ共振器の光軸に垂直な面内で、２つの異なる焦点距離を有する熱レンズ効果を持つものである。
【００４９】
この発明の請求項１６に係るレーザ共振器は、前記レーザ媒質が、（Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ）、（Ｈｏ：ＹＬＦ）、又は（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ）のいずれか一つを用いたものである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００５１】
図１において、１１及び１２は平面反射鏡、１３はレーザ媒質、１４はレーザ媒質１３を励起する励起光源、１５はレンズ１５ａおよび１５ｂを有するテレスコープ、１６はレンズ１６ａおよび１６ｂを有するテレスコープ、１７はレーザ共振器内の共振モード、１８は共振モード１７を制限する開口である。
【００５２】
平面鏡１１と平面鏡１２はレーザ媒質１３を中心にして対称に配置されている。また、テレスコープ１５は平面反射鏡１１とレーザ媒質１３の間に配置され、テレスコープ１５のレンズ１５ａの焦点距離をｆ１、テレスコープ１５のレンズ１５ｂの焦点距離をｆ２、レンズ１５ａとレンズ１５ｂの間隔をｆ１＋ｆ２＋δとする。また、｜ｆ１／ｆ２｜＞１とする。テレスコープ１５とテレスコープ１６は同一のものを使用し、レーザ媒質１３を中心として対称に配置されている。レンズ１５ａと平面反射鏡１１の距離、およびレンズ１６ａと平面反射鏡１２の距離は、共にＬ１となるように配置されている。
【００５３】
つぎに、この実施の形態１に係るレーザ共振器の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５４】
レーザ媒質１３をテレスコープ１５の方向へ出射したレーザ光は、テレスコープ１５で拡大されて伝搬し、平面反射鏡１１により反射し、入射したレーザ光と反対方向に反射される。平面反射鏡１１により反射したレーザ光は、テレスコープ１５により縮小され、再びレーザ媒質１３に入射される。さらに、レーザ媒質１３に入射したレーザ光は、レーザ媒質１３を通過して増幅された後、テレスコープ１６により拡大されて伝搬し、平面反射鏡１２により反射し、入射したレーザ光と反対方向に反射される。この平面反射鏡１２により反射したレーザ光は、テレスコープ１６により縮小され、再びレーザ媒質１３に入射され、レーザ媒質１３によりさらに増幅される。すなわち、レーザ媒質１３から出射されたレーザ光が、同じ光路を往復してレーザ媒質１３へ戻り、レーザ共振器内に閉じこめらる。
【００５５】
次に、共振器内の共振モード１７の大きさを考える。Ｌ’＝Ｌ１−ｆ１＝Ｌ０／２、ｆ１／ｆ２＝Ｍ、ｆ１２／δ＝Ｒ０とすると、共振器の中心位置におけるビームサイズω０および平面反射鏡１１におけるビームサイズω１は、以下の式（６）で表される。なお、ここでは式の簡略化のため、Ｌ２＝ｆ２とした。
【００５６】
【数６】
0003621623.tif 000007
【００５７】
これより、任意のＬ０に対して、適当なｆ１／ｆ２＝Ｍを満たすテレスコープを使用することにより、任意のビームサイズω０が得られることが分かる。
【００５８】
図２は、Ｌ１＝１ｍ、ｆ１＝０．１ｍ、ｆ２＝０．０２５ｍ、Ｌ２＝０．０２５ｍとしたときの、レンズ間隔差δ（＝テレスコープのレンズ間隔−ｆ１−ｆ２）とω０およびω１の関係を示したものである。例えば、ω０の値として０．２５ｍｍ以下が得られるレンズ間隔差δは２．７ｍｍ〜８．４ｍｍとなり、広い範囲で安定したビームサイズが得られることが分かる。また、この時のω１は０．８７ｍｍ〜０．４９ｍｍである。
【００５９】
次に、レーザ共振器が、対称からずれた場合を考える。図３は、平面反射鏡１１とレンズ１５ａの距離を１．１ｍ、平面反射鏡１２とレンズ１６ａの距離を０．９ｍとしたときの、レンズ間隔差δ（＝テレスコープのレンズ間隔−ｆ１−ｆ２）とω０およびω１の関係を示したものである。安定領域が大きく二つに分かれ、安定領域の広さも狭くなることが分かる。対称からずれるに従い、この二つの領域はお互いに離れて、安定領域が狭くなる。従って、共振器はほぼ対称に配置することにより、広い安定領域を得ることができる。
【００６０】
次に、図４は、平面反射鏡１１に傾きθが生じたときの共振ビームモードの様子を示した図である。平面反射鏡１１に傾きが生じた場合、共振モードの光軸２０とレーザ共振器の光軸１９にずれが生じる。この時、平面反射鏡１１における光軸のずれ量をｄ１、平面反射鏡１１における光軸のずれ角をθ１、共振器中心における光軸のずれ量をｄ０、共振器中心における光軸のずれ角をθ０とすると、それぞれｄ０、θ０、ｄ１、及びθ１は以下の式（７）で表される。
【００６１】
【数７】
0003621623.tif 000008
【００６２】
図５は、Ｌ０＝２ｍ、ｆ１＝０．１ｍ、ｆ２＝０．０２５ｍ、Ｌ２＝０．０２５ｍｍとし、平面反射鏡１１にθ＝１００μｒａｄの傾きを与えたときの、レンズ間隔差δ（＝テレスコープのレンズ間隔−ｆ１−ｆ２）と、共振器中心における光軸とのずれ量ｄ０および平面反射鏡１１における光軸とのずれ量ｄ１との関係を示したものである。なお、図２に示したレンズ間隔差δとω０およびω１の関係を同時に示している。
【００６３】
平面反射鏡１１の位置におけるずれ量ｄ１は、ω０の値として０．２５ｍｍ以下が得られるレンズ間隔差の条件で、δ＝２．７ｍｍの時ｄ１＝０．０９ｍｍ、δ＝８．４ｍｍの時ｄ１＝−０．０３ｍｍとなり、δ＝５．６ｍｍにおいてはｄ１＝０となる。この時のω１の値は、δ＝２．７ｍｍの時ω１＝０．８７ｍｍ、δ＝８．４ｍｍの時ω１＝０．４９ｍｍであり、ｄ１の値はω１の値に比べて小さく、開口１８のケラレによる影響は小さい。従って、平面反射鏡１１の傾きによるレーザ出力の低下が生じにくく、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下が生じにくい、安定した共振器となる。
【００６４】
図６は、Ｌ０＝２ｍ、ｆ１＝０．１ｍ、ｆ２＝０．０２５ｍ、Ｌ２＝０．０２５ｍｍとし、平面反射鏡１１にθ＝１００μｒａｄの傾きを与えたときの、レンズ間隔差δ（＝テレスコープのレンズ間隔−ｆ１−ｆ２）と、共振器の中心位置における光軸とのずれ角θ０および平面反射鏡１１における光軸とのずれ角θ１との関係を示したものである。θ０およびθ１は、共にδの値によらず一定であり、θ０＝２００μｒａｄ、θ１＝１００μｒａｄとなる。
【００６５】
また、図７は、Ｌ０＝２ｍ、ｆ１＝０．１ｍ、ｆ２＝０．０２５ｍ、δ＝６ｍｍ、θ＝１００μｒａｄとし、Ｌ２を０から０．０５ｍまで変化させたときの、共振器中心におけるビームサイズω０、共振器中心における光軸とのずれ量ｄ０を、図８は、共振器の中心位置における光軸とのずれ角θ０を示したものである。ω０、ｄ０、θ０共に、Ｌ１が０〜０．０５ｍの範囲においても大きな変化はなく、Ｌ２≠ｆ２の時においても、平面反射鏡の傾きの影響が小さい共振器が構成される。
【００６６】
このような構成のレーザ共振器では、共振器長に対して適当な倍率Ｍのテレスコープを選ぶことができるので、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定した共振器を構成することができる。
【００６７】
また、共振器を構成する平面反射鏡の傾きの影響が小さいので、アライメントずれによりレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【００６８】
また、小さなビームサイズに合わせて小さなレーザ媒質を使用することができるため、材料固有の利得が小さいレーザ媒質、例えばアイセーフ波長で発振する、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ（発振波長１．５μｍ）、Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ（発振波長１．５μｍ）、Ｅｒ：ＹＡＧ（発振波長１．６μｍ）、Ｔｍ：ＹＡＧ（発振波長２μｍ）、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ（発振波長２μｍ）、Ｈｏ：ＹＬＦ（発振波長２μｍ）、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ（発振波長２μｍ）などのレーザ媒質を用いたレーザにおいて、レーザ光の利用効率を向上することができる。
【００６９】
また、平面反射鏡１１とテレスコープ１５の間、または平面反射鏡１２とテレスコープ１６の間に、レーザ光の偏光方向を規定するための偏光子を配置してもよい。このように構成すれば、平面反射鏡１１に角度ずれが生じた場合でも、偏光子の位置の共振ビームモードに与える角度ずれが小さくなり、消光比の劣化による出力低下の少ない、レーザ光の利用効率の高いレーザ共振器が構成できる。
【００７０】
さらにまた、平面反射鏡１１とテレスコープ１５の間、または平面反射鏡１２とテレスコープ１６の間に、パルス駆動させるためのＥＯ−Ｑスイッチなどの複屈折材料を配置してもよい。このように構成すれば、平面反射鏡１１に角度ずれが生じた場合でも、複屈折材料の位置の共振ビームモードに与える角度ずれが小さくなり、レーザ光の消光比の劣化が小さくなり、レーザ光の利用効率の高いレーザ共振器が構成できる。
【００７１】
この実施の形態１では、テレスコープ１５および１６として、ｆ１、ｆ２共に正の焦点距離を持つ場合について説明したが、図９に示したようなｆ２が負の焦点距離を持つテレスコープ２１を用いても良い。このように構成すれば、テレスコープ２１のレンズ２１ａとレンズ２１ｂの間でレーザ光が集光せず、高いパワー密度による放電（エアブレイクダウン）が生じる可能性が低くなるため、レーザ発振器の信頼性が向上する。
【００７２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施の形態２に係る自己補償形レーザ共振器の構成を示す図である。
【００７３】
図１０において、２２は焦点距離ｆｒの熱レンズ効果を持つレーザ媒質である。他の構成は、上記の実施の形態１と同様である。この時、Ｌ’＝Ｌ１−ｆ１＝Ｌ０／２、ｆ１／ｆ２＝Ｍ、ｆ１２／（δ＋ｆ２２／２ｆｒ）＝Ｒ０’とすると、共振器の中心位置におけるビームサイズω０および平面反射鏡におけるビームサイズω１は、以下の式（８）で表される。なお、ここでは式の簡略化のため、Ｌ２＝ｆ２とした。
【００７４】
【数８】
0003621623.tif 000009
【００７５】
式（６）と比較すると、式（６）のδを（δ＋ｆ２２／２ｆｒ）に置き換えた形となる。すなわち、レーザ媒質２２を共振器内に挿入した場合、挿入する前の共振器のδと挿入した後の（δ＋ｆ２２／２ｆｒ）の値が同じになるように、δを変化させることにより、挿入する前と同じビームサイズω０の共振器を構成することができる。また、平面反射鏡１１の傾きによるビームサイズおよびビームの光軸の変化も同じになる。
【００７６】
従って、このような構成のレーザ共振器では、熱レンズ効果を持つレーザ媒質を使用した場合においても、共振器長に対して適当な倍率Ｍのテレスコープを選ぶことができるので、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定した共振器を構成することができる。また、共振器を構成する平面反射鏡の傾きの影響が小さいので、アライメントずれによりレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【００７７】
また、レーザ媒質２２の熱レンズ焦点距離がｘ軸方向とｙ軸方向で異なっている場合を考える。共振モードのレーザ媒質２２上のビームサイズは、レーザ媒質の焦点距離により変化するため、焦点距離がｘ軸方向とｙ軸方向で異なった場合、一般にレーザ媒質上のビームサイズが異なる。この時、共振モードとレーザ媒質２２のオーバラップが悪くなるため、レーザ媒質２２からのエネルギーの取り出し効率が悪くなり、レーザ光の利用効率が低下する。
【００７８】
ｘ軸方向の焦点距離ｆｒｘ、ｙ軸方向の焦点距離ｆｒｙとすると、共振器中心における共振モードのｘ軸方向のビームサイズω０ｘ、ｙ軸方向のビームサイズω０ｙは以下の式（９）で表される。ここで、ｆ１２／（δ＋ｆ２２／２ｆｒｘ）＝Ｒ０ｘ’、ｆ１２／（δ＋ｆ２２／２ｆｒｙ）＝Ｒ０ｙ’とした。
【００７９】
【数９】
0003621623.tif 000010
【００８０】
ここで、δを以下の式（１０）ように設定する。
【００８１】
【数１０】
0003621623.tif 000011
【００８２】
この時、ω０ｘとω０ｙは等しくなる。
【００８３】
したがって、このような構成のレーザ共振器では、レーザ媒質２２がｘ軸方向とｙ軸方向で異なる熱レンズ焦点距離を持つ場合でも、レーザ媒質上のｘ軸方向のビームサイズおよびｙ軸方向のビームサイズが一致するため、共振モードとレーザ媒質のオーバラップが良くなり、レーザ光の利用効率が向上する。
【００８４】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１１は、この発明の実施の形態３に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【００８５】
図１１において、２３は平面反射鏡１１から距離Ｌｐの位置に配置された開口であり、平面反射鏡１１に傾きθが生じたときの共振ビームモードの様子を示したものである。他の構成は、上記の実施の形態１と同様である。
【００８６】
この時、開口２３の位置における光軸のずれ量ｄｐ、光軸のずれ角θｐは以下の式（１１）で表される。
【００８７】
【数１１】
0003621623.tif 000012
【００８８】
ここで、Ｌｐ＝Ｌ’−ｆ１２／２δ＝Ｌ１−ｆ１−ｆ１×ｆ１／（２×δ）とすると、平面反射鏡１１の傾きθによらず、ｄｐは常に０となる。すなわち、平面反射鏡１１に傾きが生じた場合、開口２３の位置ではビームの位置がずれないため、ケラレによる損失が生じない。
【００８９】
従って、このような構成のレーザ共振器では、平面反射鏡１１の傾き量によらず開口によるケラレが生じないので、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【００９０】
なお、上記の例ではＬｐの位置に開口２３を配置したが、偏光子、波長板、ＥＯ−Ｑスイッチ、ＡＯ−Ｑスイッチなどの光学部品を配置しても良い。このように配置すれば、平面反射鏡１１の傾き量によらず光学部品の開口によるケラレが生じないので、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【００９１】
また、開口２３の代わりに、レーザの一部を外部に取り出すための出力結合素子を配置しても良い。このように配置すれば、平面反射鏡１１の傾き量より出力されたレーザ光の出射位置が変化せず、また、共振モードの角度ずれに与える影響も小さいので、レーザの照射位置安定度の良いレーザ共振器を構成することができる。
【００９２】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１２は、この発明の実施の形態４に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【００９３】
図１２において、３５及び３６は平面反射鏡、３７はレンズ３７ａおよびレンズ３７ｂを有するテレスコープ、３８はレーザ媒質、３９はレーザ媒質３８を励起する励起光源である。
【００９４】
平面反射鏡３５と平面反射鏡３６は互いに対向して配置され、レーザ媒質３８は平面反射鏡３６側に配置されている。テレスコープ３７は、平面反射鏡３５とレーザ媒質３８の間に配置され、テレスコープ３７のレンズ３７ａの焦点距離をｆ１、テレスコープ３７のレンズ３７ｂの焦点距離をｆ２、レンズ３７ａとレンズ３７ｂの間隔をｆ１＋ｆ２＋δとする。また、｜ｆ１／ｆ２｜＞１とする。レンズ３７ａと平面反射鏡３５の距離をＬ１、レンズ３７ｂと平面反射鏡３６の距離をＬ２とする。
【００９５】
次に、この実施の形態４に係るレーザ共振器の動作について説明する。レーザ媒質３８をテレスコープ３７の方向へ出射したレーザ光は、テレスコープ３７で拡大されて伝搬し、平面反射鏡３５により反射し、入射したレーザ光と反対方向に反射される。平面反射鏡３５により反射したレーザ光は、テレスコープ３７により縮小され、再びレーザ媒質３８に入射される。さらに、レーザ媒質３８に入射したレーザ光は、平面反射鏡３６により反射し、再びレーザ媒質３８に入射され、レーザ媒質３８によりさらに増幅される。すなわち、レーザ媒質３８から出射されたレーザ光が、同じ光路を往復してレーザ媒質３８へ戻り、レーザ共振器内に閉じこめらる。
【００９６】
次に、共振器内の共振モードの大きさを考える。Ｌ’＝Ｌ１−ｆ１＝Ｌ０／２、ｆ１／ｆ２＝Ｍ、ｆ１２／δ＝Ｒ０とすると、平面反射鏡３６の位置におけるビームサイズω０および平面反射鏡３５におけるビームサイズω１は、式６と同様で、任意のＬ０に対して、適当なｆ１／ｆ２＝Ｍを満たすテレスコープを使用することにより、任意のビームサイズω０が得られる。また、平面反射鏡３５に傾きθが生じたときのずれ量は、式７と同様である。
【００９７】
従って、このような構成のレーザ共振器では、共振器長に対して適当な倍率Ｍのテレスコープを選ぶことができるので、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定した共振器を構成することができる。また、共振器を構成する平面反射鏡の傾きの影響が小さいので、アライメントずれによりレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。さらにまた、光学部品の数が図１の約半分となるため、共振器の周回損失が減少し、レーザ光の利用効率を向上することができる。
【００９８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１３は、この発明の実施の形態５に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【００９９】
図１３において、２４はｙ軸に平行な稜線２４ａを有するルーフプリズム、２５はｘ軸に平行な稜線２５ａを有するルーフプリズムである。他の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【０１００】
次に、この実施の形態５に係るレーザ共振器に使用されているルーフプリズムの動作について説明する。図１４は、図１３のルーフプリズム２４に入射したレーザ光の反射状態を示す説明図である。
【０１０１】
図１４において、稜線２４ａを挟む反射面２４ｂ及び２４ｃは、互いに直角に固定され、かつ光軸１９とのなす角度が４５度になっている。光軸１９と平行な光路２６を進み、ルーフプリズム２４に入射したレーザ光は、反射面２４ｂにより９０度、反射面２４ｃにより９０度、合計１８０度の方向の変化を与えられる。このようにして反射されたレーザ光の光路２７は、やはり光軸１９と平行になる。即ち、ルーフプリズム２４は、入射したレーザ光を、入射したレーザ光と平行で進行方向が逆方向のレーザ光として反射する。
【０１０２】
また、図１５に示すように、ルーフプリズム２４が稜線２４ａを中心軸として角度α傾いた場合、反射面２４ｂより与えられる角度変化は９０°＋２α，反射面２４ｃにより与えられる角度変化は９０°−２αとなり、光路２６を進むレーザ光とルーフプリズム２４により反射されたレーザ光の光路２７の角度変化は合計１８０度となる。従って，稜線２４ａを中心軸とした傾きが生じた場合でも、ルーフプリズム２４は、入射したレーザ光を、入射したレーザ光と平行で進行方向が逆方向のレーザ光として反射する。
【０１０３】
さらに、入射するレーザ光が光軸１９に対して傾いた場合も同様に、ルーフプリズム２４は、入射したレーザ光を、入射したレーザ光と平行で進行方向が逆方向のレーザ光として反射する。なお、図１４および図１５では、説明のため、光路２６および２７を光軸１９からずらして示したが、実際には、光路２６も光路２７もビームの中心が光軸１９に一致し、レーザ光は稜線２４ａを含む範囲内に照射され反射される。
【０１０４】
さらにまた、図１３に示したように、ルーフプリズム２４の稜線２４ａ及びルーフプリズム２５の稜線２５ａを、互いに直交する方向に配置することにより、ルーフプリズム２４及び２５の傾きがお互いに補償される。
【０１０５】
従って、このような構成のレーザ共振器では、ルーフプリズム２４及び２５の傾きをお互いに補償するため、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【０１０６】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係るレーザ共振器について図面を参照しながら説明する。図１６は、この発明の実施の形態６に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【０１０７】
図１６において、２８はレンズ２８ａおよび２８ｂを有するテレスコープ、２９はレンズ２９ａおよび２９ｂを有するテレスコープ、３０はレンズ３０ａおよび３０ｂを有するテレスコープ、３１はレンズ３１ａおよび３１ｂを有するテレスコープである。その他の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【０１０８】
テレスコープ２８のレンズ２８ａの焦点距離をｆ１、テレスコープ２８のレンズ２８ｂの焦点距離をｆ２、これらのレンズ２８ａとレンズ２８ｂの間隔をｆ１＋ｆ２＋δ１とする。また、｜ｆ１／ｆ２｜＞１とする。
【０１０９】
また、テレスコープ３０のレンズ３０ａの焦点距離をｆ３、テレスコープ３０のレンズ３０ｂの焦点距離をｆ４、これらのレンズ３０ａとレンズ３０ｂの間隔をｆ３＋ｆ４＋δ２とする。また、｜ｆ３／ｆ４｜＞１とする。
【０１１０】
図上左端のテレスコープ２８と右端のテレスコープ２９は同一のものを使用し、レーザ媒質１３を中心として対称に配置されている。また、図上左側のテレスコープ３０と右側のテレスコープ３１は同一のものを使用し、レーザ媒質１３を中心として対称に配置され、このテレスコープ３０はテレスコープ２８とレーザ媒質１３の間に、テレスコープ３１はテレスコープ２９とレーザ媒質１３の間に、それぞれ配置されている。
【０１１１】
レンズ２８ａと平面反射鏡１１の距離、およびレンズ２９ａと平面反射鏡１２の距離は、共にＬ１となるように配置されている。また、レンズ２８ｂとレンズ３０ａの距離、およびレンズ２９ｂとレンズ３１ａの距離は、共にＬ２となるように配置されている。また、レンズ３０ｂと共振器の中心との距離、およびレンズ３１ｂと共振器の中心との距離は、共にＬ３となるように配置されている。
【０１１２】
次に、この実施の形態６に係るレーザ共振器の動作について説明する。レーザ媒質１３をテレスコープ３０の方向へ出射したレーザ光は、テレスコープ３０で拡大されて伝搬し、テレスコープ２８に入射する。このテレスコープ２８に入射したレーザ光はテレスコープ２８で拡大されて伝搬し、平面反射鏡１１により反射し、入射したレーザ光と反対方向に反射される。
【０１１３】
この平面反射鏡１１により反射したレーザ光は、テレスコープ２８およびテレスコープ３０により縮小され、再びレーザ媒質１３に入射される。さらに、レーザ媒質１３に入射したレーザ光は、レーザ媒質１３を通過して増幅された後、テレスコープ３１およびテレスコープ２９により拡大されて伝搬し、平面反射鏡１２により反射し、入射したレーザ光と反対方向に反射される。
【０１１４】
この平面反射鏡１２により反射したレーザ光は、テレスコープ２９およびテレスコープ３１により縮小され、再びレーザ媒質１３に入射され、レーザ媒質１３によりさらに増幅される。すなわち、レーザ媒質１３から出射されたレーザ光が、同じ光路を往復してレーザ媒質へ戻り、レーザ共振器内に閉じこめられる。
【０１１５】
次に、共振器内の共振モードの大きさを考える。Ｌ’＝Ｌ１−ｆ１＝Ｌ０／２、ｆ１／ｆ２＝Ｍ１、ｆ１２／δ＝Ｒ０、ｆ３／ｆ４＝Ｍ２とすると、共振器の中心位置におけるビームサイズω０および平面反射鏡１１におけるビームサイズω１は、以下の式（１２）で表される。なお、ここでは式の簡略化のため、Ｌ２＝ｆ２＋ｆ３、Ｌ３＝ｆ４、δ２＝０とした。
【０１１６】
【数１２】
0003621623.tif 000013
【０１１７】
式（６）と比較すると、式（６）のＭを（Ｍ１×Ｍ２）に置き換えた形となる。すなわち、テレスコープ３０およびテレスコープ３１を共振器内に挿入した場合、挿入する前の共振器中心における共振モードの大きさが１／Ｍ２倍に縮小される。また、平面反射鏡１１の傾きによるビームサイズおよびビームの光軸に対する変化も式（７）のＭを（Ｍ１×Ｍ２）に置き換えればよい。すなわち、Ｍ１とＭ２の組合せにより任意のビームサイズω０の共振モードを与えることができる。
【０１１８】
このような構成のレーザ共振器では、共振器長に対して適当な倍率Ｍ１、Ｍ２のテレスコープを組み合わせて任意の共振モードのビームサイズを与えることができるので、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定した共振器を構成することができる。また、共振器を構成する平面反射鏡の傾きの影響が小さいので、アライメントずれによりレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止した、安定した共振器を構成することができる。
【０１１９】
また、テレスコープ３０およびテレスコープ３１を取り外すことにより、倍率が（Ｍ１×Ｍ２）からＭ１に変化するため、共振器中心のビームサイズω０を大きくすることができる。したがって、１台のレーザ共振器で２種類のビームサイズω０を持つレーザ共振器を構成できる。レーザ媒質１３上でビームサイズω０を変化させた場合、レーザ光の出力、ビーム品質、パルス幅などが変化する。
【０１２０】
このような構成のレーザ共振器では、２種類の共振モードのビームサイズを与えることができるので、レーザ光の出力、ビーム品質、パルス幅を変化させることができるレーザ共振器を構成することができる。
【０１２１】
また、図１７に示したように、テレスコープ３０、テレスコープ３１、レーザ媒質１３、及び励起光源１４を取り外し、異なった大きさまたは異なった材料のレーザ媒質３２と励起光源３３を、入れ替え装置３４を用いて挿入しても良い。このような構成のレーザ共振器では、２種類の共振モードのビームサイズを、異なったレーザ媒質に対して与えることができるので、レーザ光の波長、出力、ビーム品質、パルス幅などを変化させることができるレーザ共振器を構成することができる。
【０１２２】
また、上記の例ではテレスコープを４個使用したが、２ｍ個（ｍは整数）を対称に配置しても良い。このように構成すれば、一つのレーザ共振器でｍ種類のビームサイズω０が得られるため、ｍ種類にレーザ光の出力、ビーム品質、パルス幅を変化させることができるレーザ共振器を構成することができる。
【０１２３】
なお、上記各実施の形態で反射手段として平面反射鏡で説明した箇所は、凹面反射鏡でも構わない。
【０１２４】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡とを備えたので、共振器長に対して適当な倍率のテレスコープを選ぶことにより共振器中心における共振モードのビームサイズを任意に調整でき、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定した共振器を構成することができ、また、平面反射鏡の傾きが共振モードに与える影響が小さいので、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折によるレーザビーム品質の低下を防止することができ、さらに、小さなビームサイズに合わせて小さなレーザ媒質を使用することができるため、材料固有の利得が小さいレーザ媒質でも、レーザ光の利用効率を向上することができるという効果を奏する。
【０１２６】
この発明の請求項２に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、光源により励起されてレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質から入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第１のテレスコープと、前記第１のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第１のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第２のテレスコープと、前記第２のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第１の平面反射鏡と、前記レーザ媒質を挟んで前記第１のテレスコープに対向して配置され、前記第１の平面反射鏡により反射され前記第２及び第１のテレスコープにより縮小されかつ前記レーザ媒質により増幅されて入射するレーザ光を拡大するとともに、前記レーザ媒質側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第３のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第２のテレスコープに対向して配置され、前記第３のテレスコープから入射するレーザ光を拡大するとともに、前記第３のテレスコープ側の反対側から入射するレーザ光を縮小する第４のテレスコープと、前記レーザ媒質を挟んで前記第１の平面反射鏡に対向して配置され、前記第４のテレスコープから入射するレーザ光を入射方向と反対方向へ反射する第２の平面反射鏡とを備えたので、２種類の倍率のテレスコープを組み合わせて任意の共振モードのビームサイズを与えることができ、長い共振器長で小さなビームサイズを持つ安定したレーザ共振器を構成することができるという効果を奏する。
【０１２７】
この発明の請求項３に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記第１の平面反射鏡が、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第１の稜線を有する第１のルーフプリズムであり、前記第２の平面反射鏡が、直交した２つの反射面とこれら２つの反射面の第２の稜線を有する第２のルーフプリズムであり、前記第１及び第２の稜線がお互いに直交するように前記第１及び第２のルーフプリズムを配置したので、２つのルーフプリズムがお互いのアライメントずれを補償し、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止した、安定した共振器を構成することができるという効果を奏する。
【０１２８】
この発明の請求項４に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、正の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たすので、２枚のレンズのアライメントずれが生じにくく、レーザ光の出力の劣化を防止できるという効果を奏する。
【０１２９】
この発明の請求項５に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、正の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、負の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たすので、第１のレンズと第２のレンズの間でレーザ光が集光せず、高いパワー密度による放電（エアブレイクダウン）を防止でき、レーザ発振器の信頼性が向上し、安定したレーザ共振器を構成できるという効果を奏する。
【０１３０】
この発明の請求項６に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記レーザ媒質に隣接したテレスコープが、前記第２のレンズからレーザ共振器の中心までの距離が、前記第２のレンズの焦点距離ｆ２にほぼ等しくなるように配置されているので、レーザ共振器内のビームサイズやアライメントずれの計算式が簡略になり、設計が容易になるという効果を奏する。
【０１３１】
この発明の請求項７に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記各テレスコープが、前記レーザ媒質の反対側に設けられ、焦点距離ｆ１を有する第１のレンズと、前記レーザ媒質側に設けられ、焦点距離ｆ２を有する第２のレンズとを含み、｜ｆ１／ｆ２｜＞１の関係を満たし、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間に共振器モードを選択する開口を設け、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間の距離をＬ１、前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの第１のレンズと第２のレンズの間の距離をｆ１＋ｆ２＋δとしたとき、前記第１の平面反射鏡と前記開口の間の距離をＬ１−ｆ１−ｆ１×ｆ１／（２×δ）としたので、開口によるケラレが無く、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折のよるビーム品質の低下を防止することができるという効果を奏する。
【０１３２】
この発明の請求項８に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記共振器モードを選択する開口を、光学部品としたので、光学部品によるケラレが無く、アライメントずれによるレーザ出力の低下を防止し、ケラレの回折のよるビーム品質の低下を防止することができるという効果を奏する。
【０１３３】
この発明の請求項９に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記共振器モードを選択する開口の代わりに、レーザ光の一部を外部に取り出すための出力結合素子を設けたので、レーザ光の出射位置が変化せず、共振モードの角度ずれも小さく、レーザの照射位置の安定度が向上するという効果を奏する。
【０１３４】
この発明の請求項１０に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記第１のテレスコープ及び前記第３のテレスコープを、取り外し可能としたので、テレスコープの倍率を変化させ、共振器中心のビームサイズを変えることができ、レーザ光の出力、ビーム品質、パルス幅が可変なレーザ共振器を構成することができるという効果を奏する。
【０１３５】
この発明の請求項１１に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、第２の光源により励起されてレーザ光を増幅する第２のレーザ媒質を有する入れ替え装置をさらに備え、前記レーザ媒質、前記第１のテレスコープ、及び前記第３のテレスコープを取り外して、前記入れ替え装置を共振器の略中心に配置するので、２種類の共振モードのビームサイズを、異なったレーザ媒質に対して与えることができ、レーザ光の波長、出力、ビーム品質、パルス幅が可変なレーザ共振器を構成することができるという効果を奏する。
【０１３６】
この発明の請求項１２に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、偏光子を設けたので、平面反射鏡の傾きによる共振ビームモードの影響が小さく、偏光子に入射するレーザ光の入射方向の変化が小さく、消光比の劣化による出力低下を防止し、レーザ光の利用効率を向上することができるという効果を奏する。
【０１３７】
この発明の請求項１３に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記第１の平面反射鏡と前記第１の平面反射鏡側のテレスコープの間、または前記第２の平面反射鏡と前記第２の平面反射鏡側のテレスコープの間の光路上に、複屈折素子を設けたので、平面反射鏡の傾きによる共振ビームモードの影響が小さく、複屈折材料に入射するレーザ光の入射方向の変化が小さいため、消光比の劣化による出力低下を防止し、レーザ光の利用効率を向上することができるという効果を奏する。
【０１３８】
この発明の請求項１４に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記レーザ媒質が、熱レンズ効果を持つので、テレスコープのレンズの間隔を調整することにより、レーザ媒質の熱レンズを容易に補償することができ、レーザ媒質の大きさにビームサイズを調整できるので、レーザ光の利用効率の低下を防止することができるという効果を奏する。
【０１３９】
この発明の請求項１５に係るレーザ共振器は、前記レーザ媒質が、レーザ共振器の光軸に垂直な面内で、２つの異なる焦点距離を有する熱レンズ効果を持つので、テレスコープのレンズの間隔を調整することにより、レーザ媒質上のビームサイズを同じにでき、レーザ光の利用効率の低下を防止することができるという効果を奏する。
【０１４０】
この発明の請求項１６に係るレーザ共振器は、以上説明したとおり、前記レーザ媒質が、（Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ）、（Ｅｒ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ：ＹＡＧ）、（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ）、（Ｈｏ：ＹＬＦ）、又は（Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ）のいずれか一つを用いたので、高密度に励起することができ、効率よく、目に安全なレーザ光を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器のビームサイズを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器が共振器を中心として対称でなくなったときのビームサイズを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器の平面反射鏡が傾いたときの共振モードを示す図である。
【図５】図４のレーザ共振器の光軸と共振モードの軸とのずれ量を示す図である。
【図６】図４のレーザ共振器の光軸と共振モードの軸とのずれ角を示す図である。
【図７】図４のレーザ共振器のテレスコープと共振器中心の距離を変えたときのビームサイズと光軸のずれ量を示す図である。
【図８】図４のレーザ共振器のテレスコープと共振器中心の距離を変えたときの光軸のずれ角を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るレーザ共振器のテレスコープの一例を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態５に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態５に係るレーザ共振器のルーフプリズムに入射したレーザ光の反射状態を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態５に係るレーザ共振器のルーフプリズムが傾斜した状態を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態６に係るレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態６に係るレーザ共振器の他の構成を図である。
【図１８】従来のレーザ共振器の構成を示す図である。
【図１９】従来のレーザ共振器のビームサイズを示す図である。
【図２０】従来のレーザ共振器の凹面反射鏡が傾いたときの共振モードを示す図である。
【図２１】図２０のレーザ共振器の光軸と共振モードの軸とのずれ量を示す図である。
【図２２】図２０のレーザ共振器の光軸と共振モードの軸とのずれ角を示す図である。
【符号の説明】
１１  平面反射鏡、１２  平面反射鏡、１３  レーザ媒質、１４  励起光源、１５  テレスコープ、１６  テレスコープ、１７  共振モード、１８  開口、１９  光軸、２０  共振モードの軸、２１  テレスコープ、２２  レーザ媒質、２３  開口、２４  ルーフプリズム、２５  ルーフプリズム、２６、２７  光路、２８  テレスコープ、２９  テレスコープ、３０  テレスコープ、３１  テレスコープ、３２  レーザ媒質、３３  励起光源、３４  入れ替え装置、３５  平面反射鏡、３６  平面反射鏡、３７  テレスコープ、３８  レーザ媒質、３９  励起光源。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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