(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を挟んで第１反射ミラーおよび出力ミラーが対向して配置されて構成される主共振器と、
前記出力ミラーおよび第２反射ミラーが対向して配置されて構成され、前記出力ミラーを介して前記主共振器に対して光学的に結合された外部共振器と、
を備え、
前記第２反射ミラーが、光の反射の際に当該光ビーム断面の各位置に応じた量の振幅または位相の変化を与えるものであって、振幅または位相の変化量分布を呈示して、この振幅または位相の変化量分布に基づいてレーザ発振光の横モードを決定する、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記主共振器内または前記外部共振器内の共振光路上に設けられ、前記第２反射ミラーに入射される光のビーム径を調整する光ビーム径調整部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記主共振器内または前記外部共振器内の共振光路上に設けられ、前記第２反射ミラーに入射される光のビーム径を制限するアパーチャを更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記第２反射ミラーが、レーザ発振光の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、前記主共振器内または前記外部共振器内の光学素子に起因する位相歪みを補償するための位相変化量分布を重畳して呈示する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記第２反射ミラーが、レーザ発振光の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、凹面鏡として作用するための位相変化量分布を重畳して呈示する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記第２反射ミラーが、ラゲール・ガウス・モード光をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記第２反射ミラーが、エルミート・ガウス・モード光をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記第２反射ミラーが、外部からの制御に従って振幅または位相の変化量分布を呈示する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ媒質を挟んで反射ミラーおよび出力ミラーが対向して配置されて構成されるレーザ共振器を備えるレーザ光源では、励起されたレーザ媒質から放出された誘導放出光は、反射ミラーで反射される一方で、出力ミラーで一部が透過し残部が反射される。反射ミラーと出力ミラーとの間で誘導放出光が往復することでレーザ発振が生じる。出力ミラーを透過して外部へ出力されるレーザ発振光は、一般には幾つかの横モードが重畳されたものとなっている。
【０００３】
ところで、レーザ光源から出力されるレーザ発振光は、用途によって、横モードとして基本モードのみであることが要求される場合があり、或いは、他の特定の横モードのみであることが要求される場合もある。
【０００４】
特許文献１に開示された発明は、レーザ共振器から特定の横モードのレーザ発振光を選択的に出力させることを意図したものである。この文献に開示されたレーザ光源は、レーザ共振器内の共振光路上に不連続位相素子を備えている。この不連続位相素子は、レーザ共振器内を往復する誘導放出光に対して、当該光ビーム断面の各位置に応じた量の位相変化を与える。この不連続位相素子は、厚み分布を有していて、その厚み分布に応じた位相変化量分布を誘導放出光に与えることで、レーザ発振光の横モードを決定する。
【特許文献１】特表２００１−５２３３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたレーザ光源では、不連続位相素子が誘導放出光に与える位相変化量分布が固定であることから、レーザ発振光の横モードの動的な制御が不可能である。したがって、誘導放出光に与える位相変化量分布を調整することができないことから、或る横モードのレーザ発振光を効率的に得ることができない場合がある。また、レーザ発振光の横モードを変更するには、レーザ共振器内に挿入される不連続位相素子を交換する必要があるが、素子の交換に伴い微妙な光学的再調整が必要になるなど、一般に、それは容易ではない。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、レーザ発振光の横モードを容易に制御することができるレーザ光源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】
【０００７】
本発明に係るレーザ光源は、(1) レーザ媒質を挟んで第１反射ミラーおよび出力ミラーが対向して配置されて構成される主共振器と、(2)出力ミラーおよび第２反射ミラーが対向して配置されて構成され、出力ミラーを介して主共振器に対して光学的に結合された外部共振器と、を備える。そして、第２反射ミラーが、光の反射の際に当該光ビーム断面の各位置に応じた量の振幅または位相の変化を与えるものであって、振幅または位相の変化量分布を呈示して、この振幅または位相の変化量分布に基づいてレーザ発振光の横モードを決定することを特徴とする。本発明に係るレーザ光源では、振幅または位相の変化量分布が第２反射ミラーに呈示されることで、レーザ光源の主共振器内および外部共振器内において効率的に生じる誘導放出光の横モードが決定され、その横モードのレーザ発振光が外部へ出力される。
【０００８】
本発明に係るレーザ光源は、主共振器内または外部共振器内の共振光路上に設けられ、第２反射ミラーに入射される光のビーム径を調整する光ビーム径調整部を更に備えるのが好適である。また、本発明に係るレーザ光源は、主共振器内または外部共振器内の共振光路上に設けられ、第２反射ミラーに入射される光のビーム径を制限するアパーチャを更に備えるのが好適である。
【０００９】
本発明に係るレーザ光源では、第２反射ミラーは、レーザ発振光の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、主共振器内または外部共振器内の光学素子に起因する位相歪みを補償するための位相変化量分布を重畳して呈示するのが好適である。また、第２反射ミラーは、レーザ発振光の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、凹面鏡として作用するための位相変化量分布を重畳して呈示するのが好適である。
【００１０】
本発明に係るレーザ光源では、第２反射ミラーは、ラゲール・ガウス・モード光をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。また、第２反射ミラーは、エルミート・ガウス・モード光をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。
【００１１】
本発明に係るレーザ光源では、第２反射ミラーは、外部からの制御に従って振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るレーザ光源は、レーザ発振光の横モードを容易に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
【００１５】
図１は、第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。この図に示されるレーザ光源１は、第１反射ミラー１１，レーザ媒質１２，アパーチャ１３，出力ミラー１４，ハーフミラー１５，光ビーム径調整部１６および第２反射ミラー１７を備え、ハーフミラー１５で反射されたレーザ発振光３１を外部へ出力する。
【００１６】
レーザ媒質１２を挟んで第１反射ミラー１１および出力ミラー１４が対向して配置されていて、これにより主共振器が構成されている。また、出力ミラー１４および第２反射ミラー１７が対向して配置されていて、これにより外部共振器が構成されている。外部共振器と主共振器とは、出力ミラー１４を介して光学的に結合されている。
【００１７】
レーザ媒質１２は、励起エネルギが供給されることにより上位エネルギ準位へ励起され、その上位エネルギ準位から下位エネルギ準位へ遷移する際に光を放出する。レーザ媒質１２は、Ａｒガス，Ｈｅ-Ｎｅガス，ＣＯ２ガス等の気体であってもよいし、色素分子を含有する有機溶媒等の液体であってもよいし、Ｎｄ:ＹＡＧ等の固体であってもよいし、また、レーザダイオードであってもよい。
【００１８】
第１反射ミラー１１は、レーザ発振光３１の波長において反射率が高いことが要求される。第１反射ミラー１１は、効率的にレーザ発振を生じさせるために、その反射面が或る曲率（例えば１５ｍ）を有する凹面となっているのが好適である。出力ミラー１４は、入射された光の一部を透過させ、残部を反射させる。
【００１９】
第２反射ミラー１７は、レーザ発振光３１の波長において反射率が高いことが要求される。第２反射ミラー１７は、光の反射の際に当該光ビーム断面の各位置に応じた量の振幅または位相の変化を与えるものであって、振幅または位相の変化量分布を呈示して、この振幅または位相の変化量分布に基づいてレーザ発振光３１の横モードを決定する。第２反射ミラー１７は、呈示する振幅または位相の変化量分布が固定であってもよいが、外部からの制御に従って振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。
【００２０】
第２反射ミラー１７は、入射光に対して空間的に振幅または位相を変調して反射させる空間光変調器（Spatial Light Modulator、以下「ＳＬＭ」という。）であってもよいし、入射光に対して空間的に位相を変調して反射させるセグメント型デフォーマブルミラーやＭＥＭＳ素子であってもよい。また、第２反射ミラー１７は、ＳＬＭの中でもＬＣＯＳ（LiquidCrystal on Silicon）型ＳＬＭであるのが好適である。
【００２１】
ＬＣＯＳ型ＳＬＭは、高い反射率、高い位相変調速度、小型などの特徴を有しており、入射光に対して空間的に位相を変調して反射させる。また、第２反射ミラー１７の反射面は、レーザ発振光３１の波長において高い反射率となるように反射コーティングがされているのが好適であり、これにより９０％程度の反射率を有することが可能である。なお、以下では主に第２反射ミラー１７がＬＣＯＳ型ＳＬＭであるとして実施形態を説明する。
【００２２】
第２反射ミラー１７が外部からの制御に従って振幅または位相の変化量分布を呈示するものである場合、その第２反射ミラー１７を駆動するための駆動部や、その駆動部を介して第２反射ミラー１７に呈示する振幅または位相の変化量分布を制御するための制御部が設けられる。制御部は例えばパーソナルコンピュータである。
【００２３】
ハーフミラー１５は、外部共振器の光路上に設けられ、入射された光の一部を透過させ、残部を反射させる。この反射光は、レーザ光源１から出力されるレーザ発振光３１となる。
【００２４】
主共振器内または外部共振器内の共振光路上に光ビーム径調整部１６が設けられているのが好適である。この光ビーム径調整部１６は、第２反射ミラー１７に入射される光のビーム径を調整するものであり、例えば、２枚のレンズを含んで構成され、ハーフミラー１５と第２反射ミラー１７との間の光路上に設けられる。光ビーム径調整部１６は、出力ミラー１４と光ビーム径調整部１６との間の光路における光ビーム径と比べて、光ビーム径調整部１６と第２反射ミラー１７との間の光路における光ビーム径を大きくする。光ビーム径調整部１６が設けられることにより、第２反射ミラー１７における位相変調可能な領域に光を入射させることができて、その位相変調可能な領域を有効に利用することができる。なお、第２反射ミラー１７の解像度が所望の横モードを生成する上で充分であれば、光ビーム径調整部１６は不要である。
【００２５】
また、主共振器内または外部共振器内の共振光路上にアパーチャ１３が設けられているのが好適である。このアパーチャ１３は、第２反射ミラー１７に入射される光のビーム径を制限するものであり、例えばレーザ媒質１２と出力ミラー１４との間の光路上に設けられる。このアパーチャ１３は、意図しない不必要な横モード光の発生を抑制する。なお、意図しない横モード光の発生を抑制する必要がない場合には、アパーチャ１３は不要である。
【００２６】
このレーザ光源１の動作は以下のとおりである。レーザ媒質１２に励起エネルギが供給されると、レーザ媒質１２は上位エネルギ準位へ励起され、その上位エネルギ準位から下位エネルギ準位へ遷移する際にレーザ媒質１２から光が放出される。レーザ媒質１２から放出された光は、第１反射ミラー１１で反射される一方で、出力ミラー１４で一部が透過し残部が反射される。第１反射ミラー１１と出力ミラー１４との間で光が往復することで、その光はレーザ媒質１２と相互作用して、レーザ媒質１２で誘導放出光が生成される。
【００２７】
主共振器内から出力ミラー１４を透過して外部共振器内へ入力された誘導放出光は、出力ミラー１４と第２反射ミラー１７の間を往復し、その一部が出力ミラー１４を透過して主共振器内へ入力され、また、他の一部がハーフミラー１５で反射されてレーザ発振光３１として外部へ出力される。
【００２８】
また、外部共振器内において第２反射ミラー１７へ入射する光は、光ビーム径調整部１６によりビーム径が拡大され、アパーチャ１３によりビーム径が制限される。第２反射ミラー１７では、振幅または位相の変化量分布が呈示される。そして、第２反射ミラー１７に入射された光が第２反射ミラー１７で反射される際に、当該光ビーム断面の各位置に応じた量の振幅または位相の変化が反射光に与えられる。なお、第２反射ミラー１７がＬＣＯＳ型ＳＬＭである場合には、光ビーム断面の各位置に応じた量の位相の変化が反射光に与えられる。そして、この変化量分布に基づいてレーザ発振光３１の横モードが決定される。
【００２９】
本実施形態に係るレーザ光源１では、上記のように構成された横モード選択性を有する外部共振器が主共振器と空間モードに関して結合されている。この結合は、主共振器内の誘導放出光のビームウェストが概ね出力ミラー１４の位置に存在するようにすることで実現される。例えば、第１反射ミラー１１を凹面鏡として、第１反射ミラー１１と出力ミラー１４との間の距離を第１反射ミラー１１の凹面の曲率半径に略等しくすればよい。この結果、主共振器内の横間モードは外部共振器において選択された横モードと同じものとなり、レーザ光源１全体として所望の横モードのレーザ発振光３１が得られる。
【００３０】
第２反射ミラー１７は、ラゲール・ガウス・モード光（以下「ＬＧモード光」という。）をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適であり、また、エルミート・ガウス・モード光（以下「ＨＧモード光」という。）をレーザ発振させるための振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。ＬＧモードおよびＨＧモードそれぞれは、光の進行方向に直交する光ビーム断面における光の電場振幅パターンである横モードの代表的な例である。
【００３１】
ＬＧモードは、レーザ媒質１２の断面形状が円形である場合によくみられるレーザ発振光の横モードであり、動径指数ｐおよび偏角指数ｋにより指定される。以下では、動径指数がｐであって偏角指数がｋであるＬＧモードをＬＧ(p,k)と表す。一方、ＨＧモードは、レーザ媒質１２の断面形状が方形である場合によくみられるレーザ発振光の横モードであり、２つの指数ｎ，ｍにより指定される。以下では、指数ｎ，ｍのＨＧモードをＨＧ(n,m)と表す。
【００３２】
図２は、ＨＧモード光およびＬＧモード光それぞれの光ビームパターンの例を示す図である。この図には、ＨＧモードとして、ＨＧ(0,0)，ＨＧ(1,0)，ＨＧ(2,0)，ＨＧ(1,1)，ＨＧ(2,1)およびＨＧ(2,2)の各横モードの光ビームパターンが示されている。また、ＬＧモードとして、ＬＧ(0,0)，ＬＧ(0,1)，ＬＧ(0,2)，ＬＧ(1,0)，ＬＧ(1,1)およびＬＧ(2,0)の各横モードの光ビームパターンが示されている。
【００３３】
図３は、第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の例を示す図である。同図（ａ）〜（ｃ）それぞれは、第２反射ミラー１７の反射面における各位置の位相変化量の大きさ（０〜２π）を濃淡で示している。
【００３４】
同図（ａ），（ｂ）は、ＨＧモード光をレーザ発振させるために第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布を示す。同図（ａ）はＨＧ(1,2)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示し、また、同図（ｂ）はＨＧ(2,2)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示す。
【００３５】
同図（ｃ）は、ＬＧモード光をレーザ発振させるために第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布を示す。同図（ｃ）はＬＧ(3,0)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示す。
【００３６】
ＨＧモード光とＬＧモード光とでは、第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布が異なる。ＨＧモード光であっても、指数ｎまたは指数ｍが異なれば、第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布が異なる。また、ＬＧモード光であっても、動径指数ｐまたは偏角指数ｋが異なれば、第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布が異なる。
【００３７】
ただし、ＨＧ(n,m)モード光およびＬＧ(p,k)モード光の何れでも、指数に拘わらず、発振させるべき横モードで光強度が０となる節の部分を含む所定領域（以下「損失領域」という。）においては光に損失を与えるような位相変化量分布とする一方で、上記の損失領域以外の領域（以下では「反射領域」という。）においては光を高い反射率で反射させるような位相変化量分布とする点では共通である。
【００３８】
損失領域において光に損失を与えることは、第２反射ミラー１７により反射されてレーザ媒質１２に入射される光のビーム断面において損失領域に相当する領域の光強度を低下させることを意味する。具体的には、損失領域に入射する光を吸収すること、損失領域に入射する光を散乱させること、損失領域に入射する光をレーザ媒質１２における誘導放出に寄与しない方向へ反射または回折させること、が含まれる。
【００３９】
図４は、第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布のうち損失領域における位相変化量分布の例を示す図である。同図（ａ）は、損失領域を含む一定範囲における各位置の位相変化量の大きさ（０〜２π）を濃淡で示している。また、同図（ｂ）は、横軸を位置とし縦軸を位相変化量として位相変化量分布を示している。同図（ｂ）において、幅Ｌの領域が損失領域であり、この損失領域以外の領域が反射領域である。
【００４０】
同図に示されるように、反射領域においては各位置の位相変化量は一定値（例えばπ）であるので、この反射領域に入射される光３２は殆ど正反射されて、その反射された光３３はレーザ媒質１２に入射される。これに対して、損失領域においては各位置の位相変化量は一方向に向って階段状に変化しているので、この損失領域に入射される光３４は正反射方向とは異なる方向へ反射されて、その反射された光３５はレーザ媒質１２に入射されない。
【００４１】
図５は、第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布のうち損失領域における位相変化量分布の他の例を示す図である。同図（ａ）〜（ｅ）それぞれは、横軸を位置とし縦軸を位相変化量として位相変化量分布を示している。
【００４２】
同図（ａ），（ｂ）それぞれに示される損失領域における位相変化量分布では、双方向に向って階段状に位相変化量が変化しており、入射光を正反射方向とは異なる２つの方向へ反射させる。同図（ａ）に示される損失領域における位相変化量分布は、互いに対称である２つの方向へ反射させる。また、同図（ｂ）に示される損失領域における位相変化量分布は、互いに非対称である２つの方向へ反射させる。
【００４３】
同図（ｃ）に示される損失領域における位相変化量分布は、図４（ｂ）に示された位相変化量分布における変化繰り返し周期を短くするとともに変化繰り返し回数を増やしたものである。これは、いわゆるブレーズド回折格子と呼ばれる位相分布であり、入射光を正反射方向とは異なる方向へ回折させる。図５（ａ）または（ｂ）に示された位相変化量分布における変化繰り返し周期を短くするとともに変化繰り返し回数を増やして、ブレーズド回折格子の位相分布としてもよい。
【００４４】
同図（ｄ），（ｅ）それぞれに示される損失領域における位相変化量分布では、各位置の位相変化量が周期的に変化しており、反射型回折格子と同等の機能を有する周期的位相分布である。同図（ｄ）に示される損失領域における位相変化量分布では、各画素の位相変化量は２値の何れの値となる。また、同図（ｅ）に示される損失領域における位相変化量分布では、各画素の位相変化量は、位置を変数とする正弦関数（図中の破線）の値に近似した値とされる。これらは、入射光を正反射方向とは異なる方向へ回折させる。
【００４５】
なお、第２反射ミラー１７がＬＣＯＳ型ＳＬＭである場合には、第２反射ミラー１７は、位相の変化量分布のみを呈示することができる。このように第２反射ミラー１７が位相変化量分布のみを呈示することができる場合には、損失領域における位相変化量分布を空間周波数に関してフーリエ変換したときに、そのフーリエ変換結果に含まれる空間周波数が０の成分が５０％以下であるのが好適である。また、第２反射ミラー１７が振幅変化量分布のみを呈示することができる場合には、反射領域における反射率に対して損失領域における反射率が５０％以下であるのが好適である。また、第２反射ミラー１７が振幅変化量分布および位相変化量分布の双方を呈示することができる場合には、反射領域における反射率に対して損失領域における正反射方向への反射率が５０％以下であるのが好適である。
【００４６】
図６は、第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の他の例を示す図である。同図（ａ）はＨＧ(1,2)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示し、同図（ｂ）はＨＧ(2,2)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示し、また、同図（ｃ）はＬＧ(3,0)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示す。同図（ａ）〜（ｃ）それぞれに示された例では、第２反射ミラー１７の反射面における各位置の位相変化量の大きさが０または２πとされる。位相変化量０，２πの各領域が、黒色領域，白色領域で示されている。第２反射ミラー１７としてＬＣＯＳ型ＳＬＭを用いた場合、それが画素構造を有していて、有限の解像度を有していることから、位相変化量が２πだけ異なる２つの領域の間の境界では狭く急峻な位相変化量分布が形成されるので、前述の損失領域と同様の効果を奏することができる。
【００４７】
図７は、第１実施形態に係るレーザ光源１から出力されるレーザ発振光３１の光強度プロファイルの例を示す図である。同図はＨＧ(1,1)モード光の光強度プロファイルの例を示す。このように特定の横モードのレーザ発振光３１が得られている。
【００４８】
以上に説明したように、本実施形態では、振幅または位相の変化量分布が第２反射ミラー１７に呈示されることで、レーザ光源１において生じる誘導放出光の横モードが効率的に選択され、その横モードのレーザ発振光３１がハーフミラー１５から外部へ出力される。本実施形態では、外部から制御されて第２反射ミラー１７に振幅または位相の変化量分布が呈示されるので、任意の横モードのレーザ発振光３１を容易に得ることができる。また、レーザ発振光３１のビーム径やビーム形状に合わせて、横モードで光強度が０となる節の部分を適切に設定することができるので、或る特定の横モードのレーザ発振光３１を効率的に得ることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、第２反射ミラー１７は、レーザ発振光３１の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、主共振器内または外部共振器内の光学素子（レーザ媒質１２、出力ミラー１４、ハーフミラー１５、光ビーム径調整部１６）に起因する位相歪みを補償するための位相変化量分布を重畳して呈示するのが好適であり、凹面鏡として作用するための位相変化量分布を重畳して呈示するのも好適であり、また、外部共振器の光軸に垂直な面に対して第２反射ミラー１７の反射面が傾斜している場合に当該傾斜を補償するための位相変化量分布を重畳して呈示するのも好適である。このような場合にも、外部から制御されて第２反射ミラー１７に位相変化量分布が呈示されるので、或る特定の横モードのレーザ発振光３１を効率的に得ることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、或る特定の横モードのレーザ発振光３１を効率的に得るために、レーザ発振光３１の光強度プロファイルをモニタして、そのモニタにより得られた光強度プロファイルに基づいて、第２反射ミラー１７に呈示される振幅または位相の変化量分布をフィードバック制御することも可能である。
【００５１】
（第２実施形態）
【００５２】
図８は、第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。この図に示される第２実施形態に係るレーザ光源２は、図１に示された第１実施形態に係るレーザ光源１の構成に加えて、シリンドリカルレンズ２１〜２３を更に備える。このレーザ光源２は、偏角指数ｋが０でないＬＧモード光（すなわち、光ビーム断面において位相の螺旋構造を有するＬＧモード光）をレーザ発振光３１として出力するのに好適な構成を有している。
【００５３】
シリンドリカルレンズ２１は、第１反射ミラー１１とレーザ媒質１２との間に設けられている。シリンドリカルレンズ２１と第１反射ミラー１１との間の距離は、シリンドリカルレンズ２１の焦点距離に等しい。シリンドリカルレンズ２２とシリンドリカルレンズ２３とは、出力ミラー１４を挟んで設けられている。シリンドリカルレンズ２２およびシリンドリカルレンズ２３それぞれの焦点ラインは互いに一致している。シリンドリカルレンズ２２と出力ミラー１４との間の距離は、シリンドリカルレンズ２２の焦点距離に等しい。また、シリンドリカルレンズ２３と出力ミラー１４との間の距離は、シリンドリカルレンズ２３の焦点距離に等しい。第２反射ミラー１７は、巻数が−２ｋである位相変化量分布を反射光に与える。
【００５４】
図９は、第２実施形態に係るレーザ光源２に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の例を示す図である。同図（ａ），（ｂ）それぞれは、第２反射ミラー１７の反射面における各位置の位相変化量の大きさ（０〜２π）を濃淡で示している。同図（ａ）は、ＬＧ(1,1)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示しており、１つの円周を含む所定領域が損失領域となっていて、この損失領域により区分される２つの反射領域それぞれでは巻数が−２である螺旋構造の位相変化量分布となっている。また、同図（ｂ）は、ＬＧ(2,2)モード光をレーザ発振させるための位相変化量分布を示しており、２つの円周を各々含む所定領域が損失領域となっていて、これら２つの損失領域により区分される３つの反射領域それぞれでは巻数が−４である螺旋構造の位相変化量分布となっている。
【００５５】
ＬＧ(p,k)モード光をレーザ発振光３１として出力するレーザ光源２において、第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布は一般に以下のように表される。下記（１）式で表されるｐ次多項式のSonine多項式Ｓpk(ｚ)のｐ個の正の実数根ａ１〜ａｐが求められ、これら実数根ａ１〜ａｐと光ビームウェスト半径ｗとから下記（２）式に従って損失領域における円周の半径ｒ１〜ｒｐが求められる。各々の半径ｒｉ（ｉ＝１〜ｐ）の円周を含む一定幅の領域が損失領域とされて、各損失領域における動径方向の位相変化量分布が図４または図５に示されたような分布とされる。また、ｐ個の損失領域により区分される(ｐ＋１)個の反射領域それぞれでは、位相変化量φ(ｒ,θ)は下記（３）式で表される。ｒ，θは、第２反射ミラー１７の反射面上に設定した極座標系における動径変数および偏角変数である。
【００５６】
【数１】
0004871326.tif 000002
【００５７】
【数２】
0004871326.tif 000003
【００５８】
【数３】
0004871326.tif 000004
【００５９】
なお、ｎを整数としたときに任意の位相αと位相(α＋２ｎπ)とは互いに等価であり、また、位相変化量の分布はオフセット値を無視して相対値のみを問題とすればよい。これらのことを考慮して、第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布は、位相αから位相(α＋２π)までの範囲に制限することが可能であり、また、αを値０としてもよい。
【００６０】
また、本実施形態においても、図６に示された位相変化量分布のように、各々の半径ｒｉの円周の内側と外側とで位相差が２πとなるような位相変化量分布が第２反射ミラー１７により呈示されてもよい。
【００６１】
第２実施形態に係るレーザ光源２は、第１実施形態に係るレーザ光源１と略同様の動作をし、同様の効果を奏することができる。ただし、第２実施形態に係るレーザ光源２は、上記（３）式で表されるような巻数が−２ｋである位相変化量分布が第２反射ミラー１７により呈示されること、および、シリンドリカルレンズ２１〜２３が設けられていることに関連して、図１０を用いて説明するように以下のような動作をする。
【００６２】
図１０は、第２実施形態に係るレーザ光源２の動作を説明する図である。同図には、第１反射ミラー１１，出力ミラー１４，第２反射ミラー１７およびシリンドリカルレンズ２１〜２３が示されており、また、主共振器内および外部共振器内それぞれにおける誘導放出光およびその偏角指数（＋ｋまたは−ｋ）が示されている。
【００６３】
主共振器において第１反射ミラー１１に入射する光がＬＧ(p,-k)モード光であると、入射時にシリンドリカルレンズ２１により第１反射ミラー１１の反射面に集光され、第１反射ミラー１１で反射された後にシリンドリカルレンズ２１によりコリメートされることで、そのコリメートされた後の反射光は、進行方向が逆になるとともに位相分布が線対称に変換されるので、ＬＧ(p,-k)モードのまま維持される。
【００６４】
主共振器において出力ミラー１４に入射する光がＬＧ(p,-k)モード光であると、入射時にシリンドリカルレンズ２２により出力ミラー１４の反射面に集光され、出力ミラー１４で反射された後にシリンドリカルレンズ２２によりコリメートされることで、そのコリメートされた後の反射光は、進行方向が逆になるとともに位相分布が線対称に変換されるので、ＬＧ(p,-k)モードのまま維持される。しかし、主共振器から出力ミラー１４を透過して外部共振器へと進む光は、２つのシリンドリカルレンズ２２，２３を経ることによりＬＧ(p,+k)モード光となる。
【００６５】
外部共振器において第２反射ミラー１７に入射する光がＬＧ(p,+k)モード光であると、第２反射ミラー１７により反射された反射光は、進行方向が逆になるととともに上記の位相変化量分布に従って位相変化が与えられて、ＬＧ(p,+k)モードのまま維持される。
【００６６】
また、外部共振器において出力ミラー１４に入射する光がＬＧ(p,+k)モード光であると、入射時にシリンドリカルレンズ２３により出力ミラー１４の反射面に集光され、出力ミラー１４で反射された後にシリンドリカルレンズ２３によりコリメートされることで、そのコリメートされた後の反射光は、進行方向が逆になるとともに位相分布が線対称に変換されるので、ＬＧ(p,+k)モードのまま維持される。しかし、外部共振器から出力ミラー１４を透過して主共振器へと進む光は、２つのシリンドリカルレンズ２３，２２を経ることによりＬＧ(p,-k)モード光となる。
【００６７】
このように、主共振器内ではＬＧ(p,-k)モードが定在モードとなり、外部共振器内ではＬＧ(p,+k)モードが定在モードとなる。そして、外部共振器内に挿入されたハーフミラー１５で反射されて外部へ出力されるレーザ発振光３１はＬＧ(p,+k)モードとなる。このようにしてＬＧ(p,+k)モード光がレーザ発振する。
【００６８】
第２実施形態においても、第２反射ミラー１７は、レーザ発振光３１の横モードを決定するための振幅または位相の変化量分布に加えて、主共振器内または外部共振器内の光学素子（レーザ媒質１２、出力ミラー１４、ハーフミラー１５、光ビーム径調整部１６、シリンドリカルレンズ２１〜２３）に起因する位相歪みを補償するための位相変化量分布を重畳して呈示するのが好適であり、凹面鏡として作用するための位相変化量分布を重畳して呈示するのも好適であり、また、外部共振器の光軸に垂直な面に対して第２反射ミラー１７の反射面が傾斜している場合に当該傾斜を補償するための位相変化量分布を重畳して呈示するのも好適である。このような場合にも、外部から制御されて第２反射ミラー１７に位相変化量分布が呈示されるので、或る特定の横モードのレーザ発振光３１を効率的に得ることができる。
【００６９】
また、第２実施形態でも、或る特定の横モードのレーザ発振光３１を効率的に得るために、レーザ発振光３１の光強度プロファイルをモニタして、そのモニタにより得られた光強度プロファイルに基づいて、第２反射ミラー１７に呈示される振幅または位相の変化量分布をフィードバック制御することも可能である。
【００７０】
第２実施形態に係るレーザ光源２は、偏角指数ｋが０でないＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力するのに好適な構成を有しているが、偏角指数ｋが０であるＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能であり、また、ＨＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能である。
【００７１】
（第３実施形態）
【００７２】
図１１は、第３実施形態に係るレーザ光源３の構成図である。この図に示される第３実施形態に係るレーザ光源３は、図８に示された第２実施形態に係るレーザ光源２の構成において、第１反射ミラー１１およびシリンドリカルレンズ２１に替えて、第１反射ミラー１１Ａを備えるものである。第１反射ミラー１１Ａと出力ミラー１４とはレーザ媒質１２を挟んで主共振器を構成している。
【００７３】
第１反射ミラー１１Ａは、第２反射ミラー１７と同様に、光の反射の際に当該光ビーム断面の各位置に応じた量の振幅または位相の変化を与えるものであって、振幅または位相の変化量分布を呈示して、この振幅または位相の変化量分布に基づいてレーザ発振光３１の横モードを決定する。第１反射ミラー１１Ａは、呈示する振幅または位相の変化量分布が固定であってもよいが、外部からの制御に従って振幅または位相の変化量分布を呈示するのが好適である。
【００７４】
第１反射ミラー１１Ａは、入射光に対して空間的に振幅または位相を変調して反射させるＳＬＭであってもよいし、入射光に対して空間的に位相を変調して反射させるセグメント型デフォーマブルミラーやＭＥＭＳ素子であってもよい。また、第１反射ミラー１１Ａは、ＳＬＭの中でもＬＣＯＳ型ＳＬＭであるのが好適である。
【００７５】
第１反射ミラー１１Ａにより呈示される振幅または位相の変化量分布は、第２反射ミラー１７により呈示される振幅または位相の変化量分布に対して鏡像関係を有している。例えば、ＬＧ(p,k)モード光をレーザ発振光３１とする場合に、第２反射ミラー１７の反射領域における位相変化量φ(ｒ,θ)が上記（３）式で表されると、第１反射ミラー１１Ａの反射領域における位相変化量φ(ｒ,θ)は下記（４）式で表される。
【００７６】
【数４】
0004871326.tif 000005
【００７７】
このような第１反射ミラー１１Ａを用いることにより、主共振器において第１反射ミラー１１Ａに入射する光がＬＧ(p,-k)モード光であると、第１反射ミラー１１Ａにより反射された反射光は、進行方向が逆になるととともに上記の位相変化量分布に従って位相変化が与えられて、ＬＧ(p,-k)モードのまま維持される。
【００７８】
このように、本実施形態においても、主共振器内ではＬＧ(p,-k)モードが定在モードとなり、外部共振器内ではＬＧ(p,+k)モードが定在モードとなる。そして、外部共振器内に挿入されたハーフミラー１５で反射されて外部へ出力されるレーザ発振光３１はＬＧ(p,+k)モードとなる。このようにしてＬＧ(p,+k)モード光がレーザ発振する。
【００７９】
第３実施形態に係るレーザ光源３も、偏角指数ｋが０でないＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力するのに好適な構成を有しているが、偏角指数ｋが０であるＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能であり、また、ＨＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能である。
【００８０】
（第４実施形態）
【００８１】
図１２は、第４実施形態に係るレーザ光源４の構成図である。この図に示される第４実施形態に係るレーザ光源４は、図８に示された第２実施形態に係るレーザ光源２の構成において、第１反射ミラー１１およびシリンドリカルレンズ２１に替えて、第１反射ミラー１１Ｂを備えるものである。第１反射ミラー１１Ｂと出力ミラー１４とはレーザ媒質１２を挟んで主共振器を構成している。第１反射ミラー１１Ｂは、互いに直交する２つの反射面を有しており、例えば互いに直交する２面を反射面として有する２次元のレトロリフレクタ（プリズム）が用いられる。
【００８２】
このような第１反射ミラー１１Ｂを用いることにより、主共振器において第１反射ミラー１１Ｂに入射する光がＬＧ(p,-k)モード光であると、第１反射ミラー１１Ｂにより反射された反射光は、進行方向が逆になるととともに位相分布が線対称に変換されるので、ＬＧ(p,-k)モードのまま維持される。
【００８３】
このように、本実施形態においても、主共振器内ではＬＧ(p,-k)モードが定在モードとなり、外部共振器内ではＬＧ(p,+k)モードが定在モードとなる。そして、外部共振器内に挿入されたハーフミラー１５で反射されて外部へ出力されるレーザ発振光３１はＬＧ(p,+k)モードとなる。このようにしてＬＧ(p,+k)モード光がレーザ発振する。
【００８４】
第４実施形態に係るレーザ光源４も、偏角指数ｋが０でないＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力するのに好適な構成を有しているが、偏角指数ｋが０であるＬＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能であり、また、ＨＧモード光をレーザ発振光３１として出力することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。
【図２】ＨＧモード光およびＬＧモード光それぞれの光ビームパターンの例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の例を示す図である。
【図４】第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布のうち損失領域における位相変化量分布の例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布のうち損失領域における位相変化量分布の他の例を示す図である。
【図６】第１実施形態に係るレーザ光源１に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の他の例を示す図である。
【図７】第１実施形態に係るレーザ光源１から出力されるレーザ発振光３１の光強度プロファイルの例を示す図である。
【図８】第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。
【図９】第２実施形態に係るレーザ光源２に含まれる第２反射ミラー１７に呈示される位相変化量分布の例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係るレーザ光源２の動作を説明する図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザ光源３の構成図である。
【図１２】第４実施形態に係るレーザ光源４の構成図である。
【符号の説明】
【００８６】
１〜４…レーザ光源、１１，１１Ａ，１１Ｂ…第１反射ミラー、１２…レーザ媒質、１３…アパーチャ、１４…出力ミラー、１５…ハーフミラー、１６…光ビーム径調整部、１７…第２反射ミラー、２１〜２３…シリンドリカルレンズ、３１…レーザ発振光。
【図１】
0004871326.tif 000006
【図５】
0004871326.tif 000007
【図８】
0004871326.tif 000008
【図１０】
0004871326.tif 000009
【図１１】
0004871326.tif 000010
【図１２】
0004871326.tif 000011
【図２】
0004871326.tif 000012
【図３】
0004871326.tif 000013
【図４】
0004871326.tif 000014
【図６】
0004871326.tif 000015
【図７】
0004871326.tif 000016
【図９】
0004871326.tif 000017