(57)【要約】【課題】  特に、大口径化しても高品質、高集光性、高輝度な出力光を得ることができる不安定型光共振器を提供する。【解決手段】  共振器光軸に対して角度をもって光を出力する構成とされた不安定型光共振器10Bであって、共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率が異なり、光共振器10B内を往復する光の前記光学倍率が高い方向における一部分を、共振器光軸に対して角度をもって反射することによって出力するスクレイパーミラー142と、光共振器10B内における光往復範囲を制限する長方形アパーチャ144とを備え、該アパーチャ144により光往復範囲を制限された長方形の往復光の一部分をスクレイパーミラー142で反射することにより中実の長方形出力ビーム18を出力する。【選択図】      図１５
2008112948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器光軸に対して角度をもって光を出力する構成とされた不安定型光共振器であって、
前記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率が異なり、
前記光共振器内を往復する光の前記光学倍率が高い方向における一部分を、前記共振器光軸に対して角度をもって反射することによって出力するスクレイパーミラーと、
前記光共振器内における光往復範囲を制限する長方形のアパーチャと
を備え、
該アパーチャにより光往復範囲を制限された長方形の往復光の一部分を前記スクレイパーミラーで反射することにより中実の長方形光を出力することを特徴とする不安定型光共振器。
【請求項２】
前記アパーチャは、その穴が前記共振器光軸上を通過するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の不安定型光共振器。
【請求項３】
前記アパーチャは、前記スクレイパーミラーと、該スクレイパーミラーに近い側の共振器端部を構成する反射ミラーとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の不安定型光共振器。
【請求項４】
前記アパーチャは、前記スクレイパーミラーと一体に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の不安定型光共振器。
【請求項５】
前記出力する中実の長方形光が可及的に正方形に近づくように前記スクレイパーミラーおよび前記アパーチャの形状および前記共振器光軸に対する位置を設定してあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項６】
前記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率のうち、低い方の光学倍率は約１倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項７】
前記光共振器を構成する反射ミラーのうち少なくとも１枚は、トロイダルミラーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項８】
前記光共振器を構成する反射ミラーのうち少なくとも１枚は、シリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項９】
少なくとも１枚のシリンドリカルレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項１０】
前記光共振器を構成する反射ミラーのうち少なくとも１枚は、湾曲させることによって、前記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率が異なるミラー表面の曲率を設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項１１】
２枚の反射ミラーにより構成されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項１２】
Ｖ形折返し式であり、３枚の反射ミラーにより構成されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【請求項１３】
折返し式であり、４枚の反射ミラーにより構成されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の不安定型光共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、共振器光軸に対して角度をもって光を取り出す構成とされた不安定型光共振器に関し、特に、大口径化しても高品質、高集光性、高輝度な出力光を得ることができる不安定型光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学レーザは、燃料となる化学物質を励起して活性化し、それをレーザ媒質として光学系（光共振器）により光増幅することにより強力なエネルギ束を得るものであり、この高密度のエネルギ束を目標物に照射することができる。
【０００３】
化学レーザは、その燃料となる化学物質の量、特に励起物質の量に応じた出力を得られることから、瞬発的なパルス状のレーザの照射で足りる場合には、比較的小規模のシステムで済ますことができるという利点がある。
【０００４】
また、化学レーザは、電源を特に必要としないことから小型化の期待が大きく、米国を中心とする各国においては、ヨウ素レーザ、フッ化水素レーザ、およびフッ化重水素（DF）レーザ等を利用した、移動体への搭載可能なタイプの化学レーザを開発し、一部実用段階にまで至っているようである。
【０００５】
移動体への搭載に適した高出力の化学レーザ装置としては、所謂、化学酸素ヨウ素レーザ（COIL：Chemical Oxygen Iodine Laser）装置が代表的であり、化学酸素ヨウ素レーザ装置は、励起酸素（一重項励起酸素：Singlet Oxygen）のエネルギを用いてヨウ素分子の解離とヨウ素原子の反転分布を起こさせることにより発振する波長1.315μmの赤外線レーザ発生装置である。
【０００６】
化学酸素ヨウ素レーザ装置は、光共振器内の圧力を低くすることで均一な安定したレーザの発振ができ、まず、塩素ガスCl2と窒素ガスN2との混合ガスである反応ガスを、燃料ガス発生装置としての励起酸素発生装置（SOG：Singlet Oxygen Generator）内にて、アルカリ性にした過酸化水素・水酸化カリウム混合液（BHP：Basic Hydrogen Peroxide）と混合し、次の（１）式に示す化学反応を生じさせ、一重項励起状態の酸素（以下、励起酸素O2*（1Δ）という）を生成する。
【０００７】
H2O2＋2KOH＋Cl2→O2*（1Δ）＋2KCl＋2H2O  …（１）
続いて、混合ノズル内にて、この励起酸素O2*（1Δ）を含むガス流の中にヨウ素ガスI2を混合し、次の（２）式に示すヨウ素分子の解離を生じさせた後で、（３）式に示す励起酸素O2*（1Δ）からの近共鳴的なエネルギ移乗によるヨウ素原子の励起で反転分布状態となったレーザ媒質としての励起ヨウ素原子I*（2P1/2）により、（４）式のように光を発生させる。
【０００８】
I2＋2O2*（1Δ）→2I＋2O2（3Σ）  …（２）
I（2P3/2）＋O2*（1Δ）→I*（2P1/2）＋O2（3Σ）  …（３）
I*（2P1/2）→I（2P3/2）＋hν（1.315μm）  …（４）
さらに、（４）式で発生させた波長1.315μmの光子を、光共振器内で誘導放出の原理に基づき増幅し、この波長を持ったレーザ光を取り出すようになっている。
【０００９】
化学酸素ヨウ素レーザ装置に限らず、このようなレーザ装置で使用される誘導放出のための光共振器は、一般に、（１）安定型光共振器（たとえば、非特許文献１を参照）、および（２）不安定型光共振器（たとえば、非特許文献２および３を参照）の２種類がある。
【００１０】
まず、安定型光共振器は、図１に示すような原理にてレーザ光を取り出すようになっている。安定型光共振器1は、反射ミラー（典型的には全反射ミラー。反射率100％）M1と、出力ミラー（典型的には半透過ミラー。反射率R％、透過率T％、R＋T＝100％）M2とから構成されており、対向配置されるこれらのミラーM1，M2間に供給されるレーザ媒質（化学酸素ヨウ素レーザ装置の場合、励起ヨウ素原子I*（2P1/2））をポンピングにより励起する。ポンピングとは、レーザ媒質となる原子や分子を何らかの方法（光照射、放電、化学反応など）で基底状態から励起状態に変化させることであり、励起状態となった原子や分子は、上準位から下準位に落ちるときに光を発生する。
【００１１】
発生した光は、２枚のミラーM1，M2間で反射を繰り返し、共振させられて増幅しつつ、その一部が、出力ミラーM2を透過して安定型光共振器1からビームとして出力されるようになっている。
【００１２】
光共振器の安定性、つまり、安定型であるか不安定型であるかは、レーザ媒質が気体であるヨウ素レーザなどのように、媒質の屈折率の分布が均一とみなせる場合は、これを構成するミラーの曲率と、ミラー間距離とによって定まる。ここでは、説明の簡略化のため、ミラー２枚で構成される光共振器を考えた場合、図２に示すように、ミラーM01の曲率をR1、ミラーM02の曲率をR2、共振器長をLとし、曲率R1，R2の符号が、正（R1，R2＞0）のときに凹面、負（R1，R2＜0）のときに凸面であるものとすれば、次の（５）式が成り立つときに、光共振器内の光は安定して反射を繰り返し、発散しない（つまり「安定型光共振器」である）。これに対して（５）式が成り立たないときには、光共振器内の光は発散する（つまり「不安定型光共振器」である）。
【００１３】
0＜（1−L／R1）（1−L／R2）＜1  …（５）
安定型光共振器1の特徴は、図３（ａ）に示すように、取り出される出力ビームB1が円形の中実ビームであり、ゲイン（利得）が低くても、その分だけ出力ミラーの透過率を小さくすれば発振が可能であり、設計が容易であるという長所がある一方、大口径化すると高次横モードが発振してビーム品質が低下するという短所がある。つまり、高いビーム品質が要求されるハイパワーなレーザ装置には適していない。
【００１４】
これに対して、不安定型光共振器は、基本的には、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、２枚のミラーは両方とも全反射ミラーから構成されている。たとえば、図３（ｂ）に示す不安定型光共振器2Aは、一方の全反射ミラーM11のミラー面が凸面、他方の全反射ミラーM12のミラー面が凹面となっており、全反射ミラーM11の直径は、全反射ミラーM12の直径よりも小さい構成となっている。このため、これらの全反射ミラーM11，M12間で繰り返し反射される光の一部分が、小さい全反射ミラーM11の外周囲から出力され、ドーナツ形ビームB2となる。
【００１５】
別の例の不安定型光共振器2Bは、図３（ｃ）に示すように、一方の全反射ミラーM21のミラー面が凸面、他方の全反射ミラーM22のミラー面が凹面となっており、図３（ｂ）に示した不安定型光共振器2Aのように一方の全反射ミラーの外周囲から出力ビームB2を取り出すのではなく、２枚の全反射ミラーM21，M22間にドーナツ形のスクレイパーミラーM23を全反射ミラーM21，M22の光軸（つまり、共振器光軸）に対して45°傾けて、且つ共振器光軸と同軸に配置し、スクレイパーミラーM23に反射するドーナツ形ビームB2を出力として取り出す構成となっている。
【００１６】
これらの不安定型光共振器2A，2Bでは、大口径でも高次横モードの発振は起こらないため、高いビーム品質が要求されるハイパワーなレーザ装置に適している。ここで、出力ビームB2の内径d1に対する外径d2の比（図４参照）、すなわち共振器倍率が小さく（つまり、ドーナツ形の幅が薄く）なるほど集光性が低下するという特徴があり、共振器倍率をいかに大きくできるかが集光性を向上させる上で重要となる。しかし一方で、出力向上の上では、共振器倍率は小さい方が有利である。特に化学酸素ヨウ素レーザ装置のような低ゲイン型レーザ装置の場合には、共振器倍率を小さくしないと十分な出力が望めず、結果として集光性に限界があるという短所があった。
【非特許文献１】W. Koechner, Solid-State Laser Engineering 5th Edition, pp. 195-236, 1999
【非特許文献２】W. Koechner, Solid-State Laser Engineering 5th Edition, pp. 270-276, 1999
【非特許文献３】A. E. Siegman, Proc. IEEE 53, p. 227, 1965
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本願発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、大口径化しても高品質、高集光性、高輝度な出力光を得ることができる不安定型光共振器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】
【００１８】
上記のビーム品質に影響する（つまり、集光性、輝度に影響する）要因としては、光共振器の倍率MURが挙げられる。光共振器の倍率MURは、次の（６）式で与えられる。なお、d1はドーナツ形ビームB2の内径、d2はドーナツ形ビームB2の外径である（図４参照）。
【００１９】
MUR＝d2／d1＝R2／R1（共焦点の場合）  …（６）
ここで、これは、通常は、安定型光共振器に適用される指標ではあるが、ビーム品質指標M2（M-squared）というものがあり、M2値は、理想的なビーム（強度がガウス分布で、波面が揃ったビーム）で1となり、値が大きいほどビーム品質が低下し、値が小さいほど集光性が高く輝度も向上する。
【００２０】
ビーム品質指標M2とは、図５に示すように、光共振器から出力されるビームB0がレンズ3によって集光される場合の集光性を示す指標であり、図５において、b1はレンズ3の入口側の、b2はレンズ3の出口側のビームの強度分布をそれぞれ示している。ビーム品質指標M2と、集光ビーム径d（全パワーの86.5％が含まれる円の直径をビーム径と定義する）および輝度Bとの関係は、次の（７）式および（８）式により表わされる。
【００２１】
【数１】
2008112948.tif 000003
ここで、P：レーザ出力、λ：波長である。
【００２２】
（７）式から判るように、集光する前のビーム径Dと集光されたビーム径dを知ることでM2値を見積もることができる。すなわち、ビーム品質指標M2の捉え方は不安定型共振器にも適用できる。図６（ａ）は、不安定型共振器から出力されたレーザビームの集光前の強度分布（近視野像）、図７（ａ）は、集光後の強度分布（遠視野像）をそれぞれ計算した結果を示したものである。図６（ｂ）および図７（ｂ）は、共振器倍率MURが1.2、2、および∞（中実）の場合について近視野像と遠視野像とをそれぞれ比較したものであり、集光前のビーム径とトータルパワー（強度積分値）とは同じにしてある。図７（ｂ）から、共振器倍率MURが小さくなるほど遠視野でパワーが分散し、集光性が低下していることが判る。このとき周囲にサイドローブと呼ばれるこぶ（波状のもの）が発生することが特徴的である。共振器倍率が小さいほどサイドローブの発生が顕著になり、その結果、集光性や輝度が低下する。
【００２３】
図８（ａ）のグラフに従来の不安定型光共振器の倍率MURに対する出力およびM2値の関係を、そして、図８（ｂ）のグラフに従来の不安定型光共振器の倍率MURに対する出力および輝度の関係をそれぞれ示すように（シミュレーション条件：小信号利得0.5m-1、ゲイン長1.12m、出射ビーム径φ26mm）、出力向上のためには、不安定型光共振器の倍率MURを小さくする必要があるが、ビーム品質が低下するというトレードオフの関係にある。
【００２４】
図８（ａ）および（ｂ）の例では、輝度を最大にするためには、不安定型光共振器は、倍率MUR＝約1.5で、このときのビーム品質指標M2＝約6である。このように、従来の不安定型光共振器ではM2値を小さくするにも限界があり、理想であるM2＝1付近まで小さくするのは非常に困難である。そのことは、出力されたビーム形状が、中心に穴を有するドーナツ形であることに起因する。
【００２５】
以上のような観点から、本願発明に係る不安定型光共振器は、共振器光軸に対して角度をもって光を出力する構成とされた不安定型光共振器であって、前記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率が異なり、前記光共振器内を往復する光の前記光学倍率が高い方向における一部分を、前記共振器光軸に対して角度をもって反射することによって出力するスクレイパーミラーと、前記光共振器内における光往復範囲を制限する長方形のアパーチャとを備え、該アパーチャにより光往復範囲を制限された長方形の往復光の一部分を前記スクレイパーミラーで反射することにより中実の長方形光を出力することを特徴とする。
【００２６】
かかる構成によれば、不安定型光共振器で中実の出力光を得ることができるので、出力光の品質を向上させることができ、したがって、大口径化しても集光し易く焦点位置における輝度も高くすることができ、結果として従来と同規模のシステムであっても高輝度な出力光が得られる。また、出力光が長方形であるので、たとえば、既存の化学酸素ヨウ素レーザ装置に適用した場合、不安定型光共振器内のレーザ媒質が供給される発振ダクトの長方形断面形状と一致させることが容易であり、これによって、光出力効率を向上させることができる。
【００２７】
なお、ここでは、主として化学レーザ用の不安定型光共振器について説明しているが、本願発明にかかる不安定型共振器は同様の原理を適用可能な様々な不安定型光共振器として利用することが可能である。
【００２８】
上記アパーチャは、その穴が前記共振器光軸上を通過するように配置されることが可能である。
【００２９】
上記アパーチャは、前記スクレイパーミラーと、該スクレイパーミラーに近い側の共振器端部を構成する反射ミラーとの間に配置されるか、あるいは、前記スクレイパーミラーと一体に形成されることが可能である。
【００３０】
上記出力する中実の長方形光が可及的に正方形に近づくように前記スクレイパーミラーおよび前記アパーチャの形状および前記共振器光軸に対する位置を設定することが可能である。
【００３１】
上記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率のうち、低い方の光学倍率は約１倍であることが可能である。
【００３２】
上記光共振器を構成する反射ミラーのうち少なくとも１枚は、トロイダルミラーであるか、あるいは、シリンドリカルミラーであることが可能である。
【００３３】
また、上記不安定型光共振器は、さらに、少なくとも１枚のシリンドリカルレンズを備えることが可能である。
【００３４】
上記光共振器を構成する反射ミラーのうち少なくとも１枚は、湾曲させることによって、前記共振器光軸に対して直角で、且つ、互いに直角な２方向における光学倍率が異なるミラー表面の曲率を設けられることが可能である。
【００３５】
上記不安定型光共振器は、２枚の反射ミラーにより構成されるか、あるいは、Ｖ形折返し式であり、３枚の反射ミラーにより構成されるか、あるいは、折返し式であり、４枚の反射ミラーにより構成されることが可能である。
【発明の効果】
【００３６】
上記発明によれば、大口径化しても高品質、高集光性、高輝度な出力光を得ることができる不安定型光共振器を提供することが可能であり、たとえば、遠距離伝播先でも高輝度なレーザビームの維持を要求される用途に有利である。また、相対的に小型軽量化を図れるので、たとえば、移動体搭載用のレーザ照射システム、工業用レーザなどの用途にも有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本願発明に係る不安定型光共振器について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３８】
図９は、前述したスクレイパーミラーM23を備えた従来の不安定型光共振器2Bを示す模式的斜視図である。従来の不安定型光共振器2Bは、図３（ｃ）を参照して前述したように、２枚の全反射ミラーM21，M22間にレーザ媒質4が供給されている。本実施の形態においては、全反射ミラーM21に近い側に楕円ドーナツ形のスクレイパーミラーM23が配置されており、この楕円の長軸が、全反射ミラーM21，M22の光軸に対してＹ軸回りに45°傾けられ、スクレイパーミラーM23に反射する円形ドーナツ形ビームB2をＸ軸方向に取り出す、あるいは出力する構成となっている。
【００３９】
これに対して本願発明の一実施の形態にかかる不安定型光共振器10は、図１０に示すように、上記の従来の不安定型光共振器2Bと同様に、対向配置された（ここでは、物理的且つ光学的に対向配置された）、共振器端部の１つを構成する凸面の全反射球面ミラー51と、共振器端部のもう１つを構成する凹面の全反射球面ミラー52とを備えている。また、本実施の形態にかかる不安定型光共振器10おいては、Ｙ軸方向にのみ曲率の付いたシリンドリカルレンズ12がレーザ媒質40と全反射球面ミラー52との間に配置されており、これによって、全反射球面ミラー51，52間を繰り返し反射する、あるいは往復するレーザ光の倍率をＸ軸方向にのみ高くするように構成されている。
【００４０】
なお、ここでは、シリンドリカルレンズ12を用いて、Ｘ軸方向にのみ倍率を高くする構成としているが、倍率を高くする方向は、ビーム取出し方向（あるいは出力方向。本実施の形態においては、Ｘ軸方向）に依存している。つまり、ビーム取出し方向をＸ方向とする場合には、Ｘ軸方向を高倍率、Ｙ軸方向を低倍率とする一方、ビーム取出し方向をＹ方向とする場合には、Ｘ軸方向を低倍率、Ｙ軸方向を高倍率とすればよい。また、低倍率は、１倍に近いほど良い。さらに、ビーム取出し方向は、たとえば、図１０に図示されたＸ軸方向の逆の方向であってもよいことは言うまでもない。
【００４１】
また、本実施の形態においては、従来の楕円ドーナツ形のスクレイパーミラーM23の位置に、且つ、これに代えて、穴あきの長方形スクレイパーミラー14が、その長手方向を共振器光軸に対してＹ軸回りに45°傾けて配置され、長方形スクレイパーミラー14に反射する穴あき長方形ビーム16を共振器光軸に対して直交する方向に取り出すことができる構成となっている。なお、このビーム取出し方向は、共振器光軸に対して任意の角度に設定することができることは言うまでもない。
【００４２】
図１１に示すように、長方形スクレイパーミラー14の形状、およびそれに形成される長方形アパーチャを構成する長方形穴14aは、この長方形穴14aが共振器光軸を含み、且つ、共振器光軸から高倍率に設定した方向（つまり、ここではＸ軸方向）にオフセットして形成され、これによって、最終的に出力されるビーム形状が（この場合は、後述するように長方形穴14aの周囲で反射される部分がカットされた後で）正方形に近づくように設計される。このとき、次の（９）〜（１２）式を満足するように設定される。なお、それぞれ、Ｘ軸方向の倍率をMUR_X、Ｙ軸方向の倍率をMUR_Yとする。
【００４３】
Xa2／Xa1＝Xb2／Xb1＝MUR_X  …（９）
Ya2／Ya1＝MUR_Y  …（１０）
Xa1＞＞Xb1  …（１１）
MUR_X＞MUR_Y≒１  …（１２）
長方形穴14aは、共振器光軸を往復する光の通り穴であり、且つ、光往復範囲（つまり、光共振範囲）を制限して所望の出力光形状を得るためのものであって、本実施の形態に示したものと作用効果が同様である限り、その形状は厳密な長方形に限定されるものではなく、たとえばコーナーR形状を有した長方形状であってもよい。
【００４４】
このように設計される長方形スクレイパーミラー14により、たとえば、この長方形スクレイパーミラー14がその長方形穴14aも含めてＹ軸方向に対象な形状であると仮定して、Ｘ軸方向の倍率をMUR_X＝2、Ｙ軸方向の倍率をMUR_Y＝1.1とそれぞれ設定し、さらに、図１２（ａ）に示すように、Xa1＝15mm、Xb1=5mm、2Ya1＝16mmとそれぞれ設定した場合、図１２（ｂ）に示すように、長方形穴14aの周囲で反射する光は、高倍率方向、すなわちこの場合、Ｘ軸方向における長方形穴14aの両側にピークを備えた強度分布を有し、且つ、共振器光軸から離れた方にパワーが集中していることが判る。
【００４５】
ここで、Ｙ軸方向の倍率をMUR_Y＝1.1と設定したのは、出力光として利用できない余分な部分を減らすため、出来るだけ1に近づけたのであり、Ｘ軸方向の倍率をMUR_X＝2と設定したのは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の光学倍率を掛け合わせた面積倍率が、光が共振器内を１往復したときの強度増幅率exp(2g0L)＝3.06よりも十分小さくなるようにし、且つ、発振に寄与する範囲を発振ダクト内のレーザ媒質の断面形状に近づけることにより、ビーム取出し効率を向上させるためである。
【００４６】
また、ここで、図１０に戻って、長方形スクレイパーミラー14の長方形穴14aがＸ軸方向にオフセット配置されて広くなった部分（ビーム取出し部分）141（図１１参照）以外の部分で反射されるビームを不要部分カット用窓部材17で遮蔽するなどしてカットし、結果として正方形に近い形状の中実ビーム18を取り出すことができるようになっている。
【００４７】
なお、カット後の正方形の中実ビーム18は、このままでは若干の非点収差を持つ場合があるので、さらに、図１０に破線で示すように、シリンドリカルレンズ20を通じて補正するのが望ましい。
【００４８】
カット後の中実ビーム18の強度分布は、近視野像（つまり、集光前）で、図１３（ａ）に示すように太い山状となり、全体として大きな強度を有していることが判る。この中実ビーム18の強度分布は、さらに遠視野像（つまり、集光後）で、図１３（ｂ）に示すように、図７（ａ）と比べてサイドローブが非常に抑えられ、良く集光された輝度の大きい品質の良いビーム（M2＝1.2）を得られることが判る。
【００４９】
図１４（ａ）のグラフに本実施の形態の不安定型光共振器10の共振器光軸位置Xa1に対する出力およびM2値の関係を、そして、図１４（ｂ）のグラフに本実施の形態の不安定型光共振器10の共振器光軸位置Xa1に対する出力および輝度の関係をそれぞれ示すように（シミュレーション条件：小信号利得0.5m-1、ゲイン長1.12m）、出力最大時でM2＝1.2とビーム品質を非常に高くできるうえ、輝度が出力に良く追従してXa1＝16で輝度が最も大きくなり、最大で従来の約25倍となることが判る。
【００５０】
図１５に示すように、本願発明の別の実施の形態にかかる不安定型光共振器10Bは、先の実施の形態の穴あきの長方形スクレイパーミラー14の位置に、且つ、これに代えて、短寸長方形のナイフエッジ型スクレイパーミラー142と、該スクレイパーミラー142と全反射球面ミラー51との間に配置された長方形アパーチャ部材144とを備えている。長方形アパーチャ部材144には、長方形穴14bが形成されている。
【００５１】
ナイフエッジ型スクレイパーミラー142は、先の実施の形態の長方形スクレイパーミラー14のビーム取出し部分141（図１１参照）と同様の作用および効果を奏し、同様に、長方形アパーチャ部材144の長方形穴14bは、先の実施の形態の長方形穴14a（図１１参照）と同様の作用および効果を奏するので、ここではその詳細な説明は省略すると共に、関連する同様の部分には同様の参照符号を付してある。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、ナイフエッジ型スクレイパーミラー142と、これとは別体とされた長方形アパーチャ部材144との利用により、不要部分カット用窓部材17が不要である。
【００５３】
次に、前述したようなＸ軸方向とＹ軸方向とで異なる共振器倍率をつける方法について詳述する。なお、ここでは、Ｘ軸方向を高倍率、Ｙ軸方向を低倍率（≒１）にそれぞれする方法を示すが、前述したように任意の軸方向の倍率を任意に、同様の原理で変更することが可能であることは言うまでもない。
【００５４】
図１６は、図１５に示したナイフエッジ型スクレイパーミラー142と長方形アパーチャ部材144とを組み合わせた不安定型光共振器10Bを示すＹ軸方向視である。この不安定型光共振器10Bは、共振器端部の１つを構成する曲率R1の全反射球面ミラー51（図中、左側）と、共振器端部のもう１つを構成する曲率R2の全反射球面ミラー52（図中、右側）とを備えている。ここで、球面ミラーの曲率が正のときはミラー表面が凹面、曲率が負のときはミラー表面が凸面あるものと規定し、図１６の例では、R1＜0、R2＞0である。また、不安定型光共振器10Bは、全反射球面ミラー52とレーザ媒質40との間に、Ｙ軸方向の焦点距離がfyのシリンドリカルレンズ12を備えている。
【００５５】
図１７は、図１６の構成と同様の倍率変更作用をなす別の不安定型光共振器10Cを示している。この図１７の例では、全反射球面ミラー52に代えて、Ｘ軸方向の曲率Rx、Ｙ軸方向の曲率Ryのトロイダルミラー52Bを使用している。なお、双方の全反射球面ミラー51，52に代えて、トロイダルミラーを使用することも可能である。この場合、Ｘ軸およびＹ軸方向共に共焦点となるようにそれぞれの曲率を設計することにより、コリメートされた出力光が得られ、非点収差補正用シリンドリカルレンズ20は不要となる。
【００５６】
図１８は、さらに別の不安定型光共振器10Dを示している。この不安定型光共振器10Dは、所謂「Ｖ形」折り返し式の不安定型光共振器であり、共振器端部の１つを構成する曲率R1の全反射球面ミラー51（図中、左側上段）と、共振器端部のいま１つを構成する曲率R2の全反射球面ミラー52（図中、左側下段）とを備えている。不安定型光共振器10Dは、さらに、これらの中間に折り返し反射用として全反射シリンドリカルミラー52Cを備えている。
【００５７】
全反射シリンドリカルミラー52Cは、本実施の形態においては、Ｙ軸方向の曲率Ry、または、Ｘ軸方向の曲率Rxの一方向のみに曲率のついたミラーであり、これによって、前述したようなシリンドリカルレンズの介在や、たとえば、第２の反射光学系としてトロイダルミラーを使用することを不要としている。
【００５８】
図１８に示した「折り返し式」の不安定型光共振器10Dの具体的な設計例としては、たとえば、Ｘ軸方向の倍率MUR_X＝2、Ｙ軸方向の倍率MUR_Y＝1.1とすれば、共振器長L＝5m、全反射球面ミラー51の曲率R1＝-34.4m（ミラー表面が凸面）、全反射球面ミラー52の曲率R2＝40m（ミラー表面が凹面）、および、折り返し用の全反射シリンドリカルミラー52Cの曲率Rx＝-85m（Ｘ軸方向にのみシリンドリカル、且つ、ミラー表面が凸面）とすることが可能である。
【００５９】
このような大きな曲率を有する全反射シリンドリカルミラー52Cは、図１９（ａ）に示すような平面状の全反射ミラー50を、図１９（ｂ）に示すように適宜の押圧手段80を使用して湾曲させるか、あるいは、全反射ミラー50の裏表面間の差圧で湾曲させることによって容易に数μｍオーダーの撓み（曲率）をつけることが可能である。このように、本実施の形態にかかる全反射ミラーは、非常に容易に製作することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本願発明に係る不安定型光共振器によれば、大口径化しても高品質、高集光性、高輝度な出力光を得ることができる不安定型光共振器を提供することが要求される、たとえば、遠距離伝播先でも高輝度なレーザビームの維持を要求される用途に利用可能である。また、相対的に小型軽量化を図れるので、たとえば、移動体搭載用のレーザ照射システム、工業用レーザなどの用途にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】一般的な安定型光共振器の構成および原理を説明するための模式図である。
【図２】安定型光共振器と不安定型光共振器との違いを説明するための光共振器の模式図である。
【図３】（ａ）は安定型光共振器の構成例およびその出力ビーム形状、（ｂ）は不安定型光共振器の構成の一例およびその出力ビーム形状、ならびに（ｃ）は不安定型光共振器の構成の別の例およびその出力ビーム形状をそれぞれ示す模式図である。
【図４】一般的な不安定型光共振器の倍率の求め方を説明するためのドーナツ形ビームの模式図である。
【図５】一般的なビーム品質指標の求め方を説明するための、集光用光学系を示す模式図である。
【図６】（ａ）は不安定型共振器（倍率MUR＝1.2）から出力される近視野（集光前）のビーム強度分布を３次元で示すグラフ、および（ｂ）はトータルパワー（強度積分値）を同じにして共振器倍率MURが1.2、2、および∞（中実）である場合について近視野像の強度分布を２次元で示すグラフである。
【図７】（ａ）は不安定型共振器（倍率MUR＝1.2）から出力される遠視野（集光後）のビーム強度分布を３次元で示すグラフ、および（ｂ）はトータルパワー（強度積分値）を同じにして共振器倍率MURが1.2、2、および∞（中実）である場合について遠視野像の強度分布を２次元で示すグラフである。
【図８】（ａ）は従来の不安定型光共振器の倍率に対する出力およびM2値の関係を示すグラフ、および（ｂ）は従来の不安定型光共振器の倍率に対する出力および輝度の関係を示すグラフである。
【図９】スクレイパーミラーを備えた従来の不安定型光共振器の構成を示す模式的斜視図である。
【図１０】本願発明の一実施の形態にかかる不安定型光共振器の構成を示す模式的斜視図である。
【図１１】図１０に示した長方形スクレイパーミラーの形状、ならびにそれに形成される長方形穴の形状および位置を示す模式図である。
【図１２】（ａ）は図１１に示した長方形スクレイパーミラーおよびその長方形穴の特定の実例を示す模式図、および（ｂ）はこの特定の実例の長方形スクレイパーミラーの長方形穴の周囲で反射する光の強度分布を３次元で示すグラフである。
【図１３】（ａ）は図１２（ｂ）に示した反射光のビーム取出し部分の近視野（集光前）のビーム強度分布を３次元で示すグラフ、および（ｂ）はその遠視野（集光後）のビーム強度分布を３次元で示すグラフである。
【図１４】（ａ）は図１２（ａ）に示した特定の実例の不安定型光共振器の光軸位置に対する出力およびM2値の関係を示すグラフ、および（ｂ）は光軸位置に対する出力および輝度の関係を示すグラフである。
【図１５】本願発明の別の実施の形態にかかる不安定型光共振器の構成を示す模式的斜視図である。
【図１６】図１５に示した不安定型光共振器を示すＹ軸方向視である。
【図１７】図１６の構成と同様の倍率変更作用をなす、本願発明の別の実施の形態にかかる不安定型光共振器を示すＹ軸方向視である。
【図１８】本願発明のさらに別の実施の形態にかかる不安定型光共振器を示すＹ軸方向視である。
【図１９】（ａ）および（ｂ）は本願発明にかかる各実施の形態で使用される、大きな曲率を一方向に有するシリンドリカルミラーの曲率の付加方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
10，10B，10C，10D  不安定型光共振器
12  シリンドリカルレンズ
14  スクレイパーミラー（長方形穴付き）
14a  長方形穴
18  出力ビーム
20  非点収差補正用シリンドリカルレンズ
40  レーザ媒質
51，52  全反射ミラー
142  ナイフエッジ型スクレイパーミラー
144  長方形アパーチャ
【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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