(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射したレーザビームを光増幅するレーザ活性媒質とレーザ活性媒質励起装置を具備した光増幅部及び前記レーザビームの偏光方向を９０度回転させる９０度偏光方向回転素子と、前記光増幅部および前記９０度偏光方向回転素子を挟むように前後に配置された一対の偏光選択素子で構成された第１の光路と、
前記一対の偏光選択素子の一方によって反射された前記レーザビームを２つのレーザビーム反射手段によって前記一対の偏光選択素子の他方に入射させることにより前記第１の光路に周回させる第２の光路と、
を備えたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記一対の偏光選択素子を光路内部に含むように配置された部分透過ミラーおよび全反射ミラーを備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記光増幅部が少なくとも２以上で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第２の光路にビーム径補正光学素子を配置させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に高出力の直線偏光レーザビームを発生するレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、例えばW.Koechner著の”Solid-State Laser Engineering ”第５版、1７２〜１７３ページに示された従来のレーザ装置を示す構成図である。図４中、１は直線偏光レーザビーム２ａを発生するレーザビーム発生装置、３はビーム径補正用光学系、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは全反射ミラー、６は偏光選択素子、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄはＮｄ：ＹＡＧのようなレーザ活性媒質と、例えば、レーザダイオードやランプのようなレーザ活性媒質励起装置を備えた光増幅部、８は９０度偏光方向回転素子、１０は垂直入射全反射ミラー、１１は１/２波長板とファラデー回転子を備えたアイソレータ、１２は１/４波長板、をそれぞれ示す。
【０００３】
次に、従来のレーザ装置の動作について図４，５に基づき説明する。レーザビーム発生装置１から発生したレーザビーム２ａはビーム径補正光学素子３によってビーム径を変更され、全反射ミラー５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを経て偏光選択素子６へ入射する。レーザビーム２ａは図４、図５に示すように偏光方向４ａを有するため、偏光選択素子６を通過して光増幅部７ａ、７ｂに入射して光増幅され、レーザビーム２ｂとなる。
【０００４】
レーザビーム２ｂは９０度偏光方向回転素子８によってその偏光方向を９０度回転され、レーザビーム２ｃとなる。レーザビーム２ｃは光増幅部７ｃ、７ｄを通過する際に光増幅され、全反射ミラー１０によってビーム方向を反転するとともに、１/４波長板１２を往復することによってその偏光方向を９０度回転され、レーザビーム２ｄとなる。
【０００５】
レーザビーム２ｄは光増幅部７ｄ、７ｃを通過することによって光増幅され、９０度偏光方向回転素子８によって偏光方向を９０度回転され、レーザビーム２ｅとなる。レーザビーム２ｅは光増幅部７ｂ、７ａを通過することによって光増幅された後、偏光選択素子６に再度入射する。レーザビーム２ｅは偏光方向４ｂを有するため、偏光選択素子６によって９０度反射され、レーザ装置外部へと出力される。
【０００６】
従来のレーザ装置の構成では、光増幅部７ａ〜７ｄが有する複屈折によってレーザビームの偏光方向が回転してしまい、レーザビーム２ｅの中に偏光方向４ａを有するレーザビームが一部混じり、偏光選択素子６に対して透過光となってレーザビーム発生装置１側へ戻ってしまう場合があった。そこで、かかる不具合を防止すべく、図４に示すようにアイソレータ１１を配置してレーザビームの逆行を防止していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４,５に示した従来のレーザ装置では、アイソレータ１１、波長板１２といった他の光学素子と比べて高価な光学素子を光路上に配置する必要があったため、結果的にレーザ装置が高価なものとなっていた。
【０００８】
また、上記光学素子を通過する際に光学的な損失が生じる問題があった。さらに、光増幅部７ａ〜７ｄによって生じる複屈折により偏光方向が回転し、所望の偏光方向以外の偏光成分が生じた場合には、光学的な損失となってレーザ装置の出力の低下を招くという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、高効率でかつ高出力のレーザビームを発生することができ、さらに構成が簡易で安価なレーザ装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ装置は、入射したレーザビームを光増幅するレーザ活性媒質とレーザ活性媒質励起装置を具備した光増幅部及びレーザビームの偏光方向を９０度回転させる９０度偏光方向回転素子と、光増幅部および９０度偏光方向回転素子を挟むように前後に配置された一対の偏光選択素子で構成された第１の光路と、一対の偏光選択素子の一方によって反射されたレーザビームを２つのレーザビーム反射手段によって一対の偏光選択素子の他方に入射させることにより第１の光路に周回させる第２の光路と、を備えたものである。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ装置は、一対の偏光選択素子を光路内部に含むように配置され、部分透過ミラーおよび全反射ミラーを備えたものである。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ装置は、光増幅部が少なくとも２以上で構成されたものである。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ装置は、第２の光路にビーム径補正光学素子を配置させたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１によるレーザ装置を説明するための概略図である。図１中、１は直線偏光ビーム２ａを出射するレーザビーム発生装置、３ａ、３ｂはレーザビームのビーム径を補正するためのビーム径補正光学系、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはレーザビーム全反射ミラー、６ａ、６ｂは一対の偏光選択素子、７ａ、７ｂは一対の偏光選択素子６ａ、６ｂ間に挟まるよう設けられたＮｄ：ＹＡＧ等のレーザ活性媒質とレーザ活性媒質励起装置を含む光増幅部、８は光増幅部７ａ、７ｂ間に設けられた９０度偏光方向回転素子、をそれぞれ示す。
【００１５】
図１のように構成されたレーザ装置の動作を説明する。直線偏光レーザビームを発生するレーザビーム発生装置１より発生した直線偏光レーザビーム２ａは、紙面に平行でレーザビーム進行方向に対して垂直な偏光方向４ａを有しており、まずビーム径補正光学素子３ａによってビーム径が変更される。全反射ミラー５ａ、５ｂを通過したレーザビーム２ａは第１の偏光選択素子６ａへと入射する。第１および第２の偏光選択素子６ａ、６ｂは紙面に垂直な偏光方向を有するレーザビームに対しては全反射し、紙面に平行な偏光方向を有するレーザビームに対しては全透過である特性を具備するため、レーザビーム発生装置１から出射したレーザビーム２ａは、第１の偏光選択素子６ａを透過して、光増幅部７ａ、７ｂの方向へ進行する。
【００１６】
光増幅部７ａ、７ｂを通過することによってレーザビーム２ａは光増幅され、さらに、９０度偏光方向回転素子８の作用によって偏光方向を４ｂに変更されて、第２の偏光選択素子６ｂへ入射する。以上、第１の偏光選択素子６ａから光増幅部７ａ、７ｂおよび９０度偏光方向回転素子８を経て第２の偏光選択素子６ｂに至る光路を第１の光路と呼ぶ。第２の偏光選択素子６ｂに入射するレーザビームの偏光方向４ｂは紙面に対して垂直であるため、第２の偏光選択素子６ｂによって９０度方向を変えて反射されるレーザビーム２ｂとなる。かかるレーザビーム２ｂは、全反射ミラー５ｃ、５ｄで構成される第２の光路を経由して、第１の偏光選択素子６ａへと導光される。レーザビーム２ｂは、第２の光路を通過中にビーム径補正光学系３ｂによってビーム径を補正され、偏光方向４ｄを有しながら第１の偏光選択素子６ａへと入射する。
【００１７】
第２の光路におけるレーザビーム２ｂの偏光方向４ｄは、紙面に対して垂直であるため、第１の偏光選択素子６ａによって９０度方向を変えて反射され、第１の光路に周回され、レーザビーム２ｃとなる。レーザビーム２ｃは第１の光路内部の光増幅部７ａ、７ｂを通過する際に再度光増幅され、さらに、９０度偏光方向回転素子８の作用によって偏光方向を９０度回転され、偏光方向４ｃを有するレーザビームとなる。第２の偏光選択素子６ｂは紙面に平行な偏光方向４ｃを有するレーザビームを透過する作用があるため、レーザビーム２ｃはレーザ装置外部に出力される。
【００１８】
光増幅部７ａ、７ｂをＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ活性媒質で構成すると、光励起に起因する発熱等によってレーザ活性媒質が複屈折を有することがある。この対策として、ほぼ同一の光増幅部７ａ、７ｂの間に９０度偏光方向回転素子８を配置し、レーザビームの偏光方向の上述の複屈折効果に起因する回転を小さくしている。また、レーザビームの偏光回転によって生じた偏光成分を有するレーザビームを、全反射ミラー５ｃ、全反射ミラー５ｄ、で構成される第２の光路の内部に導光させることにより、光増幅部７ａ、７ｂで生じた複屈折によって偏光回転したレーザビーム成分を光学的な損失とならないようにしている。よって、本装置構成によると、レーザ装置全体として光学的な損失を最小限とすることができる。
【００１９】
上記の実施の形態１では、光増幅部７ａ、７ｂの間に９０度偏光方向回転素子８を配置した場合について説明したが、単一の光増幅部を１個と９０度偏光方向回転素子を配置して同様のレーザ装置を構成してもよい。
【００２０】
さらに、レーザビーム発生装置１から発生したレーザビームはパルスビームでも連続波ビームでもよい。
【００２１】
なお、上述の説明では、一対の偏光選択素子６ａ、６ｂとして４５度入射方式の素子を使用した場合を説明したが、かかる方式に限らず、任意の入射角度の偏光選択素子を用いても同様な効果が得られるのは言うまでもない。
【００２２】
また、第１回目の光増幅部通過レーザビーム２ｂと第２回目の光増幅部通過レーザビーム２ｃが精度よく重複するよう光路を設定すれば、光増幅部通過時の偏光方向回転によってレーザビームが２回以上第２の光路を周回した場合にも実用上問題ない程度に同じ特性を有するレーザビームが出射されるため、本発明の効果をより大きく発揮できる。この実現方法として、例えば、レーザビーム発生装置１内の共振器内部の光路と光増幅部への導光路、レーザ装置を構成した周回光路が、同じようにビーム径の収束と発散を繰り返す、いわゆるカスケード型の光路を構成するよう各光学素子を配置することにより、より容易に上記の目的を達成できる。
【００２３】
実施の形態２．
図２は本発明の別の実施の形態を示す構成図である。図１と同様の部分は同一符号で示す。図２中、９は所定の反射率を有する部分透過ミラー、１０は全反射ミラー、をそれぞれ示す。
【００２４】
図２に示した本発明による実施の形態の構成および動作について説明する。全反射ミラー１０の位置で偏光方向４ａを有するレーザビーム２ａは第１の偏光選択素子６ａへ入射する。第１の偏光選択素子６ａは偏光方向４ａを有するレーザビームを全透過する性質を具備するので、レーザビーム２ａは光増幅部７a、７ｂを通過する。また、９０度偏光方向回転素子８ａの作用によって偏光方向を９０度回転し、偏光方向４ｂを有するレーザビームとなって、第２の偏光選択素子６ｂへ入射する。
【００２５】
第２の偏光選択素子６ｂは偏光方向４ｂを有するレーザビームを反射する性質を具備するため、レーザビーム２ａは偏光方向４ｄを有するレーザビーム２ｂとなり、全反射ミラー５ｃ、５ｄで構成される第２の光路へと導光される。また、レーザビーム２ｂはビーム径変更光学素子３ｂによってそのビーム径を変更され、再度第１の偏光選択素子６ａへ入射する。第１の偏光選択素子６ａは偏光方向４ｄを有するレーザビームを全反射する性質を具備するため、レーザビーム２ｂは光増幅部７ａ、７ｂの方へレーザビーム２ｃとして導光される。レーザビーム２ｃは光増幅部７ａ、７ｂによって増幅されるとともに偏光方向９０度回転素子８ａの作用によって偏光方向を４ｃのように回転され、第２の偏光選択素子６ｂへ入射する。第２の偏光選択素子６ｂは偏光方向４ｃを有するレーザビームを透過する性質を具備するため、レーザビーム２ｃは部分反射ミラー９へと導かれる。部分透過ミラー９へ入射したレーザビーム２ｃの一部は部分透過ミラー９の作用によって共振器外部へ出力レーザビームとして取り出される。
【００２６】
上記のような順序で共振器内部を全反射ミラー１０から部分反射ミラー９へと導光されたレーザビームは、逆方向の偏光方向回転を伴う逆方向の光路通過を経て、部分透過ミラー９から全反射ミラー１０へと導光される。このように共振器内光路内の往復の繰り返しによって一定のビーム強度分布、強度を有するまで増幅され、共振器内部定在波ビームとなる。
【００２７】
図２のように構成されたレーザ装置では、光源を兼ねた光増幅部７ａ、７ｂで生じた複屈折によって内部を通過するレーザビーム２ａ、２ｃの偏光が回転した場合でも、回転偏光成分が一対の偏光選択素子６ａ、６ｂを用いて構成された第１の光路の作用によって第１および第２からなる光共振器内部に閉じ込められるため、実施の形態１と同様、複屈折に起因する偏光方向回転による光学的な損失を小さく押さえることが可能となる。
【００２８】
また、図２に示した光共振器構成に加えて、光共振器内部にＱスイッチ素子等の共振器Ｑ値変調素子を設置してもよい。
【００２９】
また、図２に示した実施の形態においては光増幅部７ａ、７ｂの２台と９０度偏光方向回転素子８を第１の光路内部に配置した場合について示したが、光増幅部１台と偏光方向９０度回転素子だけを使用して同様の装置を構成しても同一の効果を奏することは言うまでもない。
【００３０】
実施の形態３．
図３は、この発明を実施するための別の実施の形態によるレーザ装置を説明するための構成図である。図１と同様の部分は同一符号で示す。
【００３１】
図３のように構成されたレーザ装置の動作について説明する。レーザビーム発生装置１で発生した直線偏光レーザビーム２ａは紙面に平行でビーム進行方向に対して直角な偏光方向４ｂを有しており、まずビーム径補正光学素子３ａによってビーム径を変更される。全反射ミラー５ａを通過したレーザビーム２ａは第１の偏光選択素子６ａへと入射する。一対の偏光選択素子６ａ、６ｂは紙面に垂直な偏光方向を有するレーザビームに対して全反射であり、紙面に平行な偏光を有するレーザビームに対しては全透過である特性を具備するため、レーザビーム発生装置１から入射したレーザビーム２ａは、光増幅部７ａに向かって進行する。
【００３２】
光増幅部７ａ、７ｂを通過することによってレーザビーム２ａは光増幅され、さらに、９０度偏光方向回転素子８の作用によって偏光方向４ｃに変更され、第２の偏光選択素子６ｂへ入射する。第２の偏光選択素子６ｂに入射したレーザビーム２ｂの偏光方向４ｃは紙面に対して平行であるため、第２の偏光選択素子６ｂを通過して、全反射ミラー５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅで構成される第２の光路へと導光される。レーザビームはビーム径補正光学系３ｂによってビーム径を補正され、４ｃの偏光方向を保持しながら、第１の偏光選択素子６ａへと周回する。
【００３３】
レーザビーム２ｂの偏光方向４ｃは紙面に対して平行であるため、第１の光路内、すなわち第１の偏光選択素子６ａを通過し、レーザビーム２ｃとなって、再度光増幅部７ａ、７ｂへ入射する。光増幅部７ａ、７ｂを通過することによって、レーザビーム２ｃは再び光増幅され、９０度偏光方向回転素子８の作用によって偏光方向が９０度回転され、偏光方向４ｄを有するレーザビームとなる。第２の偏光選択素子６ｂは紙面に平行な偏光方向を有するレーザビームを透過するため、レーザビーム２ｃは全反射ミラー５ｆを経て、レーザ装置から出力される。
【００３４】
図３のように構成されたレーザ装置では、上述の実施の形態１と同様、光増幅部７ａ、７ｂで生じた複屈折によって内部を通過するレーザビーム２ａ、２ｃの偏光が回転した場合でも、回転偏光成分が一対の偏光選択素子６ａ、６ｂを用いて構成された第１の光路の作用によって第１および第２からなる光共振器内部に閉じ込められるため、複屈折に起因する偏光方向回転による光学的な損失を小さく押さえることが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ装置では、入射したレーザビームを光増幅するレーザ活性媒質とレーザ活性媒質励起装置を具備した光増幅部及びレーザビームの偏光方向を９０度回転させる９０度偏光方向回転素子と、光増幅部および９０度偏光方向回転素子を挟むように前後に配置された一対の偏光選択素子で構成された第１の光路と、一対の偏光選択素子の一方によって反射されたレーザビームを２つのレーザビーム反射手段によって一対の偏光選択素子の他方に入射させることにより第１の光路に周回させる第２の光路と、を備えたので、光増幅部で生じた複屈折によって偏光回転したレーザビーム成分も光学的な損失とならないため、レーザ装置全体として光学的な損失を最小限とすることができる結果、簡易な装置構成で、かつ高効率のレーザ装置を得ることができる。
【００３６】
また、本発明に係るレーザ装置では、一対の偏光選択素子を光路内部に含むように配置された部分透過ミラーおよび全反射ミラーを備えたので、簡易な構成で、かつ高出力動作可能なレーザ装置が得られる。
【００３７】
また、本発明に係るレーザ装置では、光増幅部が少なくとも２以上で構成されたもので、簡易な構成で、高出力のレーザビームが得られる。
【００３８】
また、本発明に係るレーザ装置では、第２の光路にビーム径補正光学素子を配置させたので、光路内の光学的な損失を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１のレーザ装置の構成を説明するための図である。
【図２】  実施の形態２のレーザ装置の構成を説明するための図である。
【図３】  実施の形態３のレーザ装置の構成を説明するための図である。
【図４】  従来のレーザ装置の構成を説明するための図である。
【図５】  図４に示した従来のレーザ装置の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１  レーザビーム発生装置、  ２  レーザビーム、  ３  ビーム径補正光学素子、  ４  偏光方向を表す記号、  ５  全反射ミラー、  ６  偏光選択素子、  ７  レーザ活性媒質とレーザ活性媒質励起装置を含む光増幅部、  ８  ９０度偏光方向回転素子、  ９  部分透過ミラー、  １０  垂直入射全反射ミラー、  １１  アイソレータ、  １２  １／４波長板。
【図１】
0003975671.tif 000002
【図２】
0003975671.tif 000003
【図３】
0003975671.tif 000004
【図４】
0003975671.tif 000005
【図５】
0003975671.tif 000006