(57)【要約】【課題】レーザー媒質に生じる熱レンズ効果が、レーザー装置の動作中あるいは運転、停止を繰り返すうちに変動しても、高い増幅効率が維持可能となるレーザー共振器を得ること、及びそのためのレーザー共振器の調節方法を提供すること。【解決手段】レーザーがその間を往復するよう設けられた一組の反射手段（平面反射ミラー３）と、該一組の反射手段の間のレーザーの光路上に配置されたレーザー媒質４と、該レーザー媒質４を励起するための励起手段（励起レーザー装置５）と、前記レーザー媒質４中におけるレーザーの状態を変化させるために前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上に配置された光学系（凸レンズ１）と、該光学系をレーザーの光軸に沿って移動可能とする移動手段と、を少なくとも備えたレーザー共振器。【選択図】　　　図１
2004047908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーがその間を往復するよう設けられた一組の反射手段と、
該一組の反射手段の間のレーザーの光路上に配置されたレーザー媒質と、
該レーザー媒質を励起するための励起手段と、
前記レーザー媒質中におけるレーザーの状態を変化させるために前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上に配置された光学系と、
該光学系をレーザーの光軸に沿って移動可能とする移動手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とするレーザー共振器。
【請求項２】
前記光学系が、前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上においてレーザー媒質を挟んで対向する位置に配置された一組の光学系であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項３】
前記励起手段が、前記レーザー媒質に励起レーザーを照射するための励起レーザー装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー共振器。
【請求項４】
前記レーザー媒質と前記光学系との間の少なくとも一方に、励起レーザーをレーザーと光軸を略重ねて前記レーザー媒質に照射するために用いるダイクロイックミラーが配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザー共振器。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれかに記載のレーザー共振器の調節方法であって、
光学系をレーザーの光軸に沿って移動させることにより、前記レーザー媒質中におけるレーザーの状態を変化させることを特徴とするレーザー共振器の調節方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの再生増幅器等に好ましく利用可能なレーザー共振器に関し、さらに詳しくはレーザー媒質の熱レンズ効果によるレーザー共振器の効率低下防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来のレーザー共振器を用いた再生増幅器の概略図である。
【０００３】
図３において、１０３は平面反射ミラー、１０４はレーザー媒質、１０５は励起レーザー装置、１０６はレーザー、１０８は励起レーザー、１０９はダイクロイック凹面ミラー、１１０は凹面ミラー、１１１はレーザー取り込み取り出し手段であり、レーザー取り込み取り出し手段１１１は、偏光子１１３、ポッケルスセル１１４からなる構成である。
【０００４】
まず図３に示した再生増幅器の動作を説明する。
【０００５】
レーザー１０６は、入射時には偏光子１１３にて反射される偏光方向を有している。このレーザー入射時には、ポッケルスセル１１４に電圧を印加し、レーザーの偏光方向を９０°回転させて偏光子１１３を透過する偏光方向としてレーザー共振器内に取り込む。
【０００６】
レーザー共振器内には、平面反射ミラー１０３の間のレーザーの光路上にレーザー媒質１０４が配置されている。励起レーザー装置１０５は、このレーザー媒質１０４に励起レーザー１０８を照射する。励起レーザー１０８を入射させるために１０９はダイクロイックミラーとなっていて、これには増幅対象であるレーザー１０６は反射し、励起レーザー１０８は透過させるものが選択される。励起レーザー装置１０５や、ミラー１０９、１１０等は、レーザー１０６と励起レーザー１０８とがレーザー媒質１０４中を通過する領域が重なるように配置されており、レーザー１０６を効率的に増幅するようになっている。
【０００７】
共振器内に取り込まれたレーザー１０６は、平面反射ミラー１０３間を往復させて利得飽和までレーザー媒質１０４中を通過させ、その後再びポッケルスセル１１４に電圧を印加して偏光方向を回転させて偏光子１１３にて反射される偏光方向とし、これにより偏光子１１３においてレーザー１０６を反射させ、増幅されたレーザーを外部に取り出す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようなレーザー共振器においては、特に固体のレーザー媒質中における熱レンズ効果が問題となることがある。
【０００９】
レーザー媒質中における熱レンズ効果とは、レーザー媒質を通過するレーザーの一部がレーザー媒質に吸収されてレーザー媒質を加熱し、これにより生じる温度分布に対応して屈折率分布が生じることでレーザー媒質がレンズ作用をする効果をいう。
【００１０】
熱レンズ効果が生じると、通常、レーザー媒質は凸レンズと同様な集光作用を持つことになる。そして、熱レンズはレーザー共振器内のモードを変化させるため、上記のような再生増幅器において、レーザー１０６と励起レーザー１０８とのレーザー媒質１０４中におけるレーザーのスポット径等の状態にズレを生じることとなる。
【００１１】
図４はこの様子を概念的に示したものであり、従来のレーザー共振器におけるレーザー媒質中のレーザー通過状態説明のための概念図である。図４（ａ）は熱レンズ効果が生じていない時の図、図４（ｂ）は熱レンズ効果が生じた時の図である。
【００１２】
熱レンズ効果が生じていない図４（ａ）の状態においては、レーザー媒質１０４中におけるレーザー１０６と励起レーザー１０８とはほぼ重なり合っており、励起レーザー１０８によりレーザー媒質１０４に与えられた励起エネルギーを効率的にレーザー１０６の増幅に利用できる。
【００１３】
ところが熱レンズ効果が生じ、両レーザーの状態にズレが生じて、図４（ｂ）のように両レーザーのレーザー媒質１０４中における重なり状態が悪くなると、レーザー１０６の増幅の効率が低下してしまう。図４（ｂ）に示した状態では、レーザー１０６のスポット径が増大することにより、レーザー１０６がレーザー媒質１０４中の励起されていない領域を多く通過する等により、効率が低下するだけでなく、レーザー１０６のスポット中央近辺のみが増幅され、使用するレーザーのビーム質の低下にもつながる。図４（ｂ）の場合とは逆にレーザー１０６のスポット径が減少すれば、レーザー媒質中の励起レーザー１０８によって励起された領域の一部のみをレーザー１０６が通過することになるので、励起レーザーにより投入されるエネルギーを十分活用できなくなり、これも効率の低下につながる。また、このようにレーザーのスポット径が減少すると、エネルギー密度が増大してレーザー媒質の損傷につながることもある。
【００１４】
尚、熱レンズ効果の影響について視覚的に把握しやすいスポット径を例にとって説明したが、熱レンズ効果はレーザー媒質中のレーザーのモードにも影響を及ぼしてレーザーと励起レーザーのモードマッチングを悪化させるということもあり、これによる効率の低下、ビーム品質の低下も大きい。
【００１５】
この熱レンズ効果は、レーザーが低出力であるときにはレーザー媒質を十分冷却する等により解消することができた。また熱レンズ効果が生じるような装置においても、運転中に熱レンズの状態が定常状態に達した後はほぼ一定の状態となっていたため、予めこれに合わせてミラー１０９、１１０の形状、配置等の最適設計をしておけば良かった。
【００１６】
しかしながら、レーザーの出力を高くしていくと、レーザー媒質中における熱レンズ効果がレーザー装置の運転中あるいはレーザー装置の動作・停止を繰り返すうちに変化するため、この効果を予めレーザー共振器の設計に組み込んでおくことは非常に困難である。具体的には、励起レーザーの出力が変化したり、レーザーの発振状態を変えたり、排熱装置に変動があったりすると、熱レンズ効果が変化することになる。レーザー装置の運転中にレーザー媒質の熱レンズの状態が大きく変化すると、上記のような従来のレーザー共振器においてこれに対処するには、ミラー１０９、１１０の角度を変えたり、位置を移動したりする等の調整が必要となり、このためにはレーザー装置の運転を停止し、時間をかけて作業する必要がある等、事実上対処が不可能であった。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、熱レンズ効果が、動作中あるいは運転、停止を繰り返すうちに変動しても、高い増幅効率が維持可能となるレーザー共振器を得ること、及びそのためのレーザー共振器の調節方法を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明は、
レーザーがその間を往復するよう設けられた一組の反射手段と、
該一組の反射手段の間のレーザーの光路上に配置されたレーザー媒質と、
該レーザー媒質を励起するための励起手段と、
前記レーザー媒質中におけるレーザーの状態を変化させるために前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上に配置された光学系と、
該光学系をレーザーの光軸に沿って移動可能とする移動手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とするレーザー共振器である。
【００１９】
本発明は、上記第１の発明において、
「前記光学系が、前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上においてレーザー媒質を挟んで対向する位置に配置された一組の光学系であること」、
「前記励起手段が、前記レーザー媒質に励起レーザーを照射するための励起レーザー装置であること」、
「レーザー媒質と光学系との間の少なくとも一方に、励起レーザーをレーザーと光軸を略重ねてレーザー媒質に照射するために用いるダイクロイックミラーが配置されていること」、
をその好ましい態様として含むものである。
【００２０】
上記課題を解決するための第２の発明は、
上記第１の発明のレーザー共振器の調節方法であって、
光学系をレーザーの光軸に沿って移動させることにより、前記レーザー媒質中におけるレーザーの状態を変化させることを特徴とするレーザー共振器の調節方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のレーザー共振器の一実施形態である再生増幅器の概略図である。以下、図１の具体的な形態を参照しながら本発明を説明するが、本発明はこの形態に限定されるものではない。
【００２２】
図１において１は凸レンズ（光学系）、２は移動手段、３は平面反射ミラー（反射手段）、４はレーザー媒質、５は励起レーザー装置（励起手段）、６はレーザー、７は光軸、８は励起レーザー、９はダイクロイックミラー（折り曲げミラー）、１０はミラー（折り曲げミラー）、１１はレーザー取り込み手段、１２はレーザー取り出し手段、１３は偏光子、１４はポッケルスセルである。
【００２３】
図１に示す形態においては、まず一つの平面反射ミラー３は、レーザー取り込み手段１１から取り込まれたレーザー６を光学系１の方向に反射させるように配置し、該反射方向に、移動手段２を備えた光学系１とミラー１０とを直線上に配置する。ミラー１０は、レーザーの光路を９０°折り曲げ可能なように、反射面がレーザーの光軸に対して４５°の角度をなすように配置しておく。そして、ミラー１０と同一の折り曲げ方向にレーザーの光路を９０°折り曲げ可能なように、ダイクロイックミラー９を、やはり反射面がレーザーの光軸に対して４５°の角度をなすように反射面をミラー１０の方に向けて傾けて配置し、このダイクロイックミラー９とミラー１０との間にレーザー媒質４を配置する。そして、ダイクロイックミラー９による反射方向にも上記と同様に光学系１と平面反射ミラー３とを直線上に配置し、この二つ目の平面反射ミラー３はレーザーをもと来た方向に反射するように配置しておく。このようにして２つの平面反射ミラー３の間を光学系１、ダイクロイックミラー９、ミラー１０、レーザー媒質４を介してレーザーが往復するように各素子を配置する。なお、図１においてはレーザー取り出し手段１２をレーザー取り込み手段１１と同様に光学系１と平面反射ミラー３との間に配置し、平面反射ミラー３にて反射されたレーザーを外部に取り出す構成となっている。またレーザー媒質を励起するための励起レーザー装置５は、ダイクロイックミラー９を介してレーザー６と光軸を略重ねて励起レーザー８をレーザー媒質４に照射可能なように、ダイクロイックミラー９の外側で、レーザー媒質４とダイクロイックミラー９との間のレーザー６の光路の延長線上に配置しておく。
【００２４】
次に、図１に示した装置の動作を簡単に説明する。
【００２５】
レーザー６の共振器への取り込み及び共振器からの取り出しは、レーザー取り込み手段１１、レーザー取り出し手段１２にて行う。図１の構成においては、これらは偏光子１３とポッケルスセル１４とからなるが、レーザーの取り込み、取り出し方法については特に限定はされない。
【００２６】
レーザー共振器内に取り込まれたレーザーは、一組の反射手段である平面反射ミラー３の間を往復しながら、励起レーザー装置５から照射される励起レーザー８により励起されたレーザー媒質４中の領域を複数回通過し、利得飽和後に外部に取り出される。
【００２７】
この図１の形態にも示されるように、本発明においては、レーザーがその間を往復するよう設けられた一組の反射手段（平面反射ミラー３）と、該一組の反射手段の間のレーザーの光路上に配置されたレーザー媒質４と、該レーザー媒質４を励起するための励起手段（励起レーザー装置５）と、前記レーザー媒質４中におけるレーザーの状態を変化させるために前記レーザー媒質と前記一組の反射手段との間のレーザーの光路上に配置された光学系（凸レンズ１）と、該光学系をレーザーの光軸に沿って移動可能とする移動手段と、を少なくとも備えている。
【００２８】
このような構成によれば、レーザー媒質４に生じる熱レンズ効果が、動作中あるいは運転、停止を繰り返すうちに変動しても、また発振状態の制御によって熱レンズの影響が変化しても、凸レンズ１を移動手段２によりレーザーの光軸７に沿って移動させることにより、レーザー媒質４中におけるレーザーのモードやスポット径を含むモードパターン等の状態を変化させて、レーザー６と励起レーザー８とのマッチングを取ることができ、レーザー共振器の運転を停止することなく迅速に調節が可能となり、高い増幅効率が維持できる。また、レーザーのスポット径減少によるレーザー媒質の損傷防止も可能となる。
【００２９】
この本発明の効果を、励起手段として励起レーザー装置５を用いた本形態の場合について、図２を用いて詳しく説明する。図２は本発明を実施した場合のレーザー媒質４中のレーザー６及び励起レーザー８の通過状態説明のための概念図である。図２（ａ）は熱レンズ効果が生じていない時の図であり、図２（ｂ）は熱レンズ効果が生じた時の光学系（凸レンズ１）の移動による補正の効果を示す図である。尚、図２（ｂ）の６’は、熱レンズ効果が生じた時に凸レンズ１の移動による補正を行う前のレーザーの状態を示すものである。
【００３０】
熱レンズ効果が生じていない図２（ａ）の状態においては、レーザー媒質４中におけるレーザー６と励起レーザー８とはほぼ重なり合っており、励起レーザー８によりレーザー媒質４に与えられた励起エネルギーを効率的にレーザー６の増幅に利用できる。
【００３１】
しかし、熱レンズ効果が生じてレーザー６のスポット径等の状態が変化して６’のようになっても、上記図３、図４を用いて説明した従来のレーザー共振器の場合とは異なり、凸レンズ１を移動手段２により移動することで、図２（ｂ）に示すようにレーザー６の状態を変化させ、レーザー６と励起レーザー８とのマッチングを取ることができるため、従来のような効率の低下、レーザーのビーム質低下等を低減できる。
【００３２】
また、さらに本発明によれば、このような調節機能を有することでレーザー媒質の冷却装置が不要となる、又は消費電力が低いもの、冷却性能の低いものあるいは温度調整精度の低いもの等でも対応可能となるため、低コスト化も可能となる。
【００３３】
尚、本発明は、ＹＡＧやサファイアあるいはガラス等を母材として用いた、熱レンズ効果が顕著に現れる固体レーザー媒質を用いたレーザー共振器において特に効果がある。
【００３４】
光学系は、図１に示すような単一の両凸レンズの他にも、平凸レンズの単レンズ構成であっても良いし複数枚のレンズ構成でも構わない。但し、レーザーの光軸がずれないようにするため、光学系が例えば単一レンズからなる場合には、レーザーの光軸がレンズの中心を通るようにレンズを配置しておく。また、レンズの表面にはＡＲコート等の無反射コーティングが施されていることが好ましい。
【００３５】
移動手段には周知のボールねじ等を用いた移動装置が使用できる。
【００３６】
好ましくは、反射手段が本形態の平面反射ミラー３のように平面反射面を有するもので構成され、光学系（凸レンズ１）との間でレーザーが平行光となるようにすることである。これにより、レーザーがポッケルスセル１４等のレーザー取り込み手段、レーザー取り出し手段に用いられる光学素子を通過する際の損失を減少させることができる。また、平行光部分ではレーザーのスポット径をレーザー媒質４中よりも大きくしておくことができ、ポッケルスセル１４等の光学素子の損傷を防ぐとともに、レーザー媒質４中では高い利得を得ることもできる。
【００３７】
更に好ましくは、図１に示すように、光学系が、レーザー媒質４と一組の反射手段（平面反射ミラー３）との間のレーザーの光路上においてレーザー媒質４を挟んで対向する位置に配置された一組の光学系（凸レンズ１）であること、更に好ましくは該一組の光学系は夫々が互いに同じ構成を有していることである。
【００３８】
光学系をこのような構成で配置しておくことにより、レーザー媒質４中におけるレーザーのスポット径等の状態のレーザー通過方向における均一性を保つことが容易となる。また、互いに同じ単レンズを配置するのみといった単純な構成も可能であり、レーザー共振器の設計、製造が容易となり、低コスト化にもつながる。
【００３９】
また図１に示すように、光学系及びレーザー取り込み手段と、レーザー取り出し手段とをレーザー媒質を挟んで対向する位置に設けておくことにより、レーザー共振器内におけるレーザーの横モードパターンの乱れを容易に抑制することができ、ビーム質の高いレーザーが得られる。
【００４０】
また、図１に示すように、励起手段がレーザー媒質４に励起レーザー８を照射するための励起レーザー装置５であることが好ましく、これによりレーザー媒質中の励起領域をレーザーの通過領域と一致させることも容易となる。特に本発明においては、このような励起レーザーを用いた場合に、励起レーザーとレーザーとのモードやスポット径等の状態をレーザー媒質内にて一致させるように調節可能ということで顕著な効果がある。但し本発明は、励起手段が図１のようにレーザーと光軸を略重ねて励起レーザーをレーザー媒質に照射する励起レーザー装置でなくとも、レーザー媒質の熱レンズ効果の変動により影響を受ける励起手段を用いた場合にも有効であると考えられる。
【００４１】
さらに、本発明においては、図１に示されているように、レーザー媒質と光学系との間の少なくとも一方に、前記励起レーザーをレーザーと光軸を略重ねてレーザー媒質に照射するために用いるダイクロイックミラーを配置することができ、このような配置が好ましい。これにより、励起レーザーをレーザーと光軸を略重ねてレーザー媒質に照射する励起手段を用いたレーザー共振器において、レーザー媒質に生じる熱レンズ効果が動作中あるいは運転、停止を繰り返すうちに変動しても、レーザー共振器の運転を停止することなく迅速に調節が可能となる。更には、ダイクロイックミラーをレーザー媒質の近くに配置することにより、励起レーザーの集光手段として、短い焦点距離のレンズを用いることも可能になる。これにより、集光性の悪い励起レーザー装置の使用も可能となり、コスト低下が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザー媒質に生じる熱レンズ効果が、動作中あるいは運転、停止を繰り返すうちに変動しても、光学系を移動手段によりレーザーの光軸に沿って移動させることにより、レーザー媒質中におけるレーザーのモードやスポット径を含むモードパターン等の状態を変化させて、レーザーと励起レーザーとのマッチングを取ることができ、レーザー共振器の運転を停止することなく迅速に調節が可能となり、高い増幅効率が維持できる。
【００４３】
また、このような調節機能を有することでレーザー媒質の冷却装置が不要となる、若しくは消費電力が低いもの、冷却性能の低いものあるいは温度調整精度の低いもの等でも対応可能となるため、低コスト化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザー共振器の一実施形態である再生増幅器の概略図である。
【図２】本発明を実施した場合のレーザー媒質中のレーザー及び励起レーザー通過状態説明のための概念図である。（ａ）は熱レンズ効果が生じていない時の図である。（ｂ）は熱レンズ効果が生じた時の光学系移動による補正の効果を示す図である。
【図３】従来のレーザー共振器を用いた再生増幅器の概略図である。
【図４】従来のレーザー共振器におけるレーザー媒質中のレーザー及び励起レーザー通過状態説明のための概念図である。（ａ）は熱レンズ効果が生じていない時の図である。（ｂ）は熱レンズ効果が生じた時の図である。
【符号の説明】
１　凸レンズ（光学系）
２　移動手段
３　平面反射ミラー（反射手段）
４　レーザー媒質
５　励起レーザー装置（励起手段）
６，６’　レーザー
７　光軸
８　励起レーザー
９　ダイクロイックミラー（折り曲げミラー）
１０　ミラー（折り曲げミラー）
１１　レーザー取り込み手段
１２　レーザー取り出し手段
１３　偏光子
１４　ポッケルスセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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