JPH02102587A - リングレーザ共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は一般的にレーザーに係り、特にリング・レーザ
ーに関克るものである。

［従来技術の問題点および解決手段］ （定　義） 「バイリシック」装置とは、１対のディスクリートコン
ポーネントとから成る装置である。

「リング」とは、リング・レーザー内のレーザー・ビー
ムによって横切られる閉経路である。

リング・レーザーの「サポーテッド・モード」とは、リ
ング轡まわりの単一経路に対する正味増幅が１に等いか
または１より大であるモードである。

リング・レーザーの「アンサボーテッド・モード」とは
、リング舎まわりの単一経路に対する正平面の間に形成
される２つの角の小さい方の角である。平行平面は、定
義により、ゼロ度の交さ＋従来のレーザーにおいては、
レーザー・キャビティが定在波モードを確立しこのモー
ドがレーザーが作動する周波数を選択するべく機能する
。オプティカルファイバを利用する光通信を含み、多く
の応用において、単一モードの光ビームを提供すること
がレーザーにとって有利である。光フアイバ通信に関し
ては、この単一モードの波長は光ファイバが最小減衰お
よび／または最小分散を有する波長レンジ以内にあるべ
きである。現在では、この波長は１．３ミクロンのオー
ダにある。

商業的に発展するためには、レーザーは低電力必要条件
、高信幀性、適度の大きさおよび手ごろなコストを有す
るべきである。１００メガボーのデータ速度に適応する
ためには、この単一レーザー・モードのライン幅はヘテ
ロゲイン検波および位相シフト・キーイング・データ・
エンコーディングを用いて２００キロヘルツより小であ
るべきでありかつレーザー周波数は等しく安定であるべ
きである。リング・レーザーは、これらの必要条件に合
致することが立証されている。

リング・レーザーにおいては、従来のレーザーの定在モ
ードの代りに進行モードが利用されている。光学ソース
が、レーザー内の閉経路（「リング」）のまわりに進行
する光を提供する。典型的なリング・レーザー（たとえ
ば、１９７４年７月１６日発行の「固体単一周波数レー
ザー」と題するミッチェルＪ、ブリンザ氏外による米国
特許第３，８２４．４９２号を参照のこと）は、リング
のまわりに進行波を導くための３個またはそれ以上の反
射素子を包含している。波はこのリングのまわりにいず
れの方向にも進行することができるので、このようなリ
ングはこのリングのまわりを反対方向に進行するモード
をサポートすることができることになる。

このレーザーの単一モード発振を確実にするために、リ
ング・レーザーの設計はこれら２つの進るものとすると
、これらのモードは空間的に干渉してリングのまわりに
ビーム強度の空間的変動を生じることにある。これは、
節（ｎｏｄｅ定在波）および波長の１７４だけ隔離され
ている反部（ａｎｔｉｎ−ｏｄｅ非定在波）の周期的パ
ターンである。利得の飽和によって、光学的輝度が最大
であるところで利得が減少する。したがって、この利得
は光学的干渉パターンの節に存在する最大利得領域によ
っても空間的に変調を受ける。この現象は、「空間ホー
ル・バーニング」として知られている。隣接モードの波
長は僅かに異なるので、これら２つのモードによって発
生する空間干渉パターンが一致することはない、したが
って、各モードは、隣接モードによって飽和されていな
い空間領域から利得を抽出することになる。このため、
二方向性リングおよび線形リング共振器は、１つのモー
ド以上で発振する傾向がある。これらの２つの進行モー
ドの一方のみをサポートすることは、別の利点を有して
いる。多くのレーザーの応用には、レーザーから放射さ
れた光のある部分がこのレーザーに対して逆反射される
結果が伴う、このような被反射光は、このレーザーの動
作を不安定にすることになる。リング・レーザーの場合
は、このような被反射光は非サポート進行波モードの方
向にあり、そしてこのため、この被反射光はレーザーの
動作に著しく影響を与えないうちに減衰される。

典型的なディスクリート・コンポーネント・リング・レ
ーザー（１９７４年７月１６日発行の「固体単一周波数
レーザー」と題するプリンザ氏外による米国特許第３，
８２４，４９２号を参照のこと）においては、進行波ビ
ームの偏光（偏り）はウェーブ・プレートによって回転
を受けるとともにフェラデー・ロテータによっても回転
を受ける。サボーテッド・モードに関しては、この偏光
がリンに関しては、これら２つの回転に加わってリング
のまわりに正味回転を生じる。偏光子がリング内にあっ
て、非サポート・モードを減衰させかつサポートテッド
・モードの概ねすべてを送出する。

この選択的減衰は、これら２つのモードの一方のみがサ
ポートされることを確定にする。

１９８８年５月２４日発行の“クオリプレーナ・モノリ
シック一方向性リング・レーザー（Ｑｕａｌｉ　Ｐｌａ
−ｎａｒ　Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔ
ｉｏｎａｌ　Ｒｉｎｇ　Ｌａ５ｅｒ）”と題するツルツ
ナＪｒ、氏外による米国特許第４゜７４７．１１１号に
開示されている一方向性リング・レーザーにおいては、
リングのまわりに進行波ビームを導きかつこのビームの
偏光を回転させるために単一ブロックの物質が形成され
、これによってウェーブ・プレートの必要を回避してい
る。

このビームは、このブロックの４つの面から反射する。

このブロックは、この進行波ビームの波長でレーザーと
して使用するように選択されかつ印加磁界の存在中でフ
ァラデー・ロテータとして作用するように選択された物
質で形成されている。

よるビームの減衰を生じる。あいにく、このレーザーは
同調性を有しないので、単一ビーム周波数しか必要とし
ない応用に限られている。

［解決しようとする問題点および解決手段］図説の好適
実施例によれば、可同調リング・レーザーが開示されて
いる。このレーザーは、光源と、ギャップによって隔離
された２個のブロックとを包含している。このブロック
の少なくとも１個は選択レーザー波長でレーザー機能を
果す能力を有しまたこのブロック少なくとも１個は、印
加磁界の存在中で、レーザー・ビームがリングのまわり
を進行するにつれてこのレーザー・ビームのファラデー
回転を生じる。

これら２つのブロックは、閉経路（「リング」）のまわ
りにビームを反射するように整置されている少なくとも
４つの反射表面を含んでいる。リングのまわりの進行の
１つの方向（「サポーテッド・モｉド方向」）に関して
は、レーザー・ビームはリングのまわりの反対方向（「
非サポート・モード方向」）よりも大きい増幅を受ける
。ループのまわりの１完全トラバースに対する正味増幅
は、サボーテッド・モードに対しては１より大でありそ
して非サポート・モードに対しては１より小である。

これら２つのブロックは、一方のブロックを他方のブロ
ックに関して移動させることができる移動ステージ上に
装着されている。このような移動は、両ブロック間のギ
ャップの幅を変化させ、サボーテッド・モードの周波数
を変化させる。

第１のクラスの実施例の場合は、このリングはこれら２
つのブロックの１つとこれら２つのブロック間のギャッ
プとから成る領域内に含まれている。第２のクラスの実
施例の場合は、このリングは両ブロックおよびこれら２
つのブロック間のギャップから成る領域内に含まれてい
る。第３のクラスの実施例の場合は、一方のブロックは
ガラスでありまた他のブロックは、レーザー機能を果た
しかつファラデー回転を導入する能力を有するネオジム
によってドープされたイツトリウム・アルミニウム・ガ
ーネット（Ｎｄ：ＹＡＧと表わす）またはネオジムによ
ってドープされたガドリニウム・ガリウム・ガーネット
（Ｎｄ：ＧＧＧと表わす）のような、物質である。第４
のクラスの実施例の場合は、両ブロックの一方はレーザ
ー機能を果たし得る物質のものでありまた他方のブロッ
クは印加磁界内にファラデー回転を生じる能力を有する
物質のものである。この最後のクラスの実施例は、レー
ザー機能を果たし得る物質およびファラデー回転を生じ
得る物質の別個の選択を可能ならしめる利点を有し、こ
れによってこれらの選択の各々を別個に最適化すること
ができる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する０
図面において、参照番号の最初の数字はその参照番号で
示されている部品がある最初の図を示している。

第１Ａ図は、リングが第１のブロックおよびこのブロッ
クと第２のブロックとの間のギャップ内に含まれている
リング・レーザーの第１の実施例の斜視図である。

第１Ｂ図〜第１Ｄ図は、第１Ａ図のリング・レーザーの
それぞれ平面図、背面図および側面図である。

第２Ａ図は、リングが第１のブロックおよびこのブロッ
クと第２のブロックとの間のギャップ内に含まれている
リング・レーザーの第１の実施例の斜視図である。

第２Ｂ図〜第２Ｄ図は、第２Ａ図のリング・レーザのそ
れぞれ平面図、端面図および側面図である。

第１Ａ図〜第１Ｄ図は、パイリシック・レーザー共振器
１１および光学的ポンプ源１２から成る可同調リング・
レーザーを図説している。バイリシック・レーザー共振
器１１は、ギャップ１１５によって隔離されている第１
のブロック１４および第２のブロック１５を包含してい
る。ブロック１５は、第１の端部表面１６、第２の端部
表面１７．１対の側部表面１８．１９．１対の傾斜表面
１１０．１１１、上部表面１１２および底部表面１１３
によって境界付けられている。

ブロック１４は、このブロック１４の表面１１４上の反
射頂点Ａを通して光源１２から入力ビーム１３を導く。

このビームは次に、諸表面１１０．　１１７．１１１お
よび１１４から反射してリングＡＢＣＤＡを形成する。

反時計方向にリングＡＢＣＤＡのまわりを進行するサボ
ーテッド・モードに関しては、反射頂点Ｂ、ＣおよびＤ
における反射は全内部反射である。ビームは、表面１６
が部分偏光子として作用するようにこの表面１６にブル
ースタ角で入射しかつ出て行く、第１Ｂ図の平面に偏光
された光は伝送に関して反射損失を全く受けないが、第
１Ｂ図の平面に対して垂直に偏光された光は著しく反射
される（ＹＡＧについて大略３０％）。表面１１４は、
反射頂点Ａにおいてはレーザー・ビームの大部分が反射
されるが、レーザー・ビームの一部分がレーザー出力ビ
ーム１１６としてブロック１６を通して出るように、多
層誘電体薄膜でコートされている０表面１１４は曲面化
されており、光ビームがこの表面から反射されるときに
この光ビームを集束させている０表面１１７はまた、ブ
ロック１４が表面１１４からの偏軸（オフアクシス）反
射および屈折によって導入される出力ビーム１１６内の
光学的収差の一部を補正するように、表面１１４に関し
て曲率を有している。

ブロック１４の主要機能は、ビーム１３をブロック１５
に進めること、レーザー・ビームの一部分を出力ビーム
１１６として退出させること、および反射頂点りから反
射頂点Ａに入射するビームの大部分を反射することであ
る。したがって、ブロック１４の材料の選択に関しては
、ガラスや水晶を含み、広い選択が可能である。

ブロック１５は、レーザー・ビームを増幅しかつレーザ
ー・ビームの偏光を回転させるように機能する。したが
って、ブロック１５は、誘導放出によってレーザー・ビ
ームを増幅することができかつファラデー回転によって
レーザー・ビームの偏光を回転させることができるネオ
ジムによってドープされたイツトリウム・アイアン・ガ
ーネット（Ｎｄ：ＹＡＧと表わす）のような物質から成
っている。

入力ビーム１３は第１８図の平面に平行に偏光され、ブ
ロック１４に伝達されるこのビームの一部（フラクシヨ
ン）がこの偏光（偏り）の関数として最大化されること
を可能ならしめるとともにこの同一の偏光が反射頂点Ａ
に現われることを可能ならしめている。磁界Ｈが存在す
る場合は、この偏光はブロック１５内をビームが進行す
るにつれて回転せしめられる０表面１６．１１０．１７
および１１１に対する法線の方向およびファラデー回転
の量は、サボーテッド・モードに関して、非平坦形状に
よって誘起される幾何学的偏光とファラデー回転とが相
殺するように、選択される。この場合は、低損失線形偏
光は各往復行程について不変状態でブルースタ角偏光子
（表面１６）を通して循環する。換言すると、線形偏光
の光は共振器の偏光モードである。しかしながら、非サ
ポート・モードに関しては、２つの偏光回転が加わり、
より高損失のだ円形状に偏光された偏光モードの原因に
なる。

−特定実施例の場合は、サポート・モードに対する最小
減衰は下記のパラメータ選択に対して発生する。すなわ
ち、幅Ｗ＝４．９１閣、長さＬ＝４．７０閣、素子１４
の厚さｔ＝１ｍ、ギ＋７ブーｇ＝　０．７ｍ、印加磁界
的２，０００ガウス、ポンプしきい値１０−リ、Ｎｄド
ーパント密度１．１％、表面１１４の曲率半径４１１表
面１１０および１１１に対する約０．４５度の蛭子面（
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）法線、および表面１７に対
する約１度の蛭子面法線、これら法線の方向は、４５度
より小である平面ＡＢＤ（すなわち、反射頂点Ａ、Ｂお
よびＤを含む平面）と平面ＣＢＤ　（すなわち、反射頂
点Ｃ，ＢおよびＤを含む表面）の間に小角度φを生じる
ように選択される。角度φは、０．５〜２．０度のレン
ジ内にあることが好ましい、角度φのこのような選択は
、ビームのファラデー回転の量が平等に小になることを
意味している。このことは比較的小さい磁界（１００ガ
ウスのオーダ）の使用を可能ならしめ、これによって廉
価な磁石１１８を使用して磁界Ｈを生じることを可能な
らしめる。このような小角度φは、幾何学的偏光回転が
ＹＡＧ水晶内で微弱なファラデー回転によって相殺され
得るために十分小さいものであることを意味している。

φが過大であると、１往復行程に正味偏波回転が存在し
損失の多いだ円偏波モードに至る。φが過大であると、
キャビティ内損失が過大になりレーザー作用を維持する
ことが困難になる。

リングＡＢＣＤＡの完全な通過（トラパーサル）の後、
正味ゼロの偏光変化で反射頂点Ａにビームが戻ってくる
。リングＡＢＯＤＡの経路長は、サボーテッド・モード
の波長の整数倍数である。ギャップ１１５の幅抱が変化
すると、サボーテッド・モードの波長はリングのまわり
の波長の数を一定に保つべく変化せしめられる。レーザ
ー・ビームの波長はギャップ１１５の幅を変化させるこ
とによって同調をとる。

他の実施例の場合は、入力ボンピング・ビーム１３はポ
イントＡ以外のリング内のあるポイントにおいて注入可
能である。たとえば、表面２１０に対する法線は、光が
全部内部的に反射されるのではなく、光がポイントＢに
おいて注入されかっこの同一ポイントにおいて抽出可能
であるような角度で反射するように、選択可能である。

誘電体薄膜ミラーを表面２１０上にデポジットして、レ
ーザー・モードに対する反射率を増補することができる
。

第２Ａ図〜第２Ｄ図は、リングがレーザー共振器の両コ
ンポーネント内に延びかつレーザー共振器の両コンポー
ネントとこれら両セクション間のギャップとから成る領
域内に含まれているパイリシック・レーザー共振器を図
説している。この実施例は、第１Ａ図〜第１Ｄ図の実施
例に密接に一致している。これら２つの実施例における
対応素子は、第１図においてはすべての参照番号が１で
始まりまた第２図においてはすべての参照番号が２で始
まる点のみが異なる参照番号で示されている。この実施
例の場合は反射頂点Ａが表面２１６上に存在しているが
、第１Ａ図〜第１Ｄ図の実施例の場合は反射頂点Ａが表
面１１４上に存在している。

この差異の結果として、リングの一部がブロック２４内
に含まれているが、第１Ａ図〜第１Ｄ図の実施例の場合
はリングのいずれの部分もブロック１４内に含まれてい
ない。

これら２−？の実施例間のこの差異は、第２Ａ図〜第２
Ｄ図の実施例の次のような利点をもたらしている。増幅
のすべてがブロック２４によってもたらされることがで
き、またファラデー回転のすべてがブロック２５によっ
てもたらされることができる。このことは、ブロック２
４の材料の選択を、この材料がファラデー回転をももた
らさなければならないと言う制約と要することなく、可
能ならしめるとともに、ブロック２５の材料の選択を、
この材料がレーザー機能をも発揮することができなけれ
ばならないと言う制約を要することなく、可能ならしめ
る。したがって、これら再選択の各々は別個に最適化さ
れる。ブロック２４に対する好適特に、Ｎｄドープ化Ｙ
ＡＧ水晶は、これらが現在のところでは最良のレーザー
機能発揮材料であるので好ましい、ブロック２５に対す
る好適な選択は、大きいバーデッ）　（Ｖｅｒｄａｔ）
定数（すなわち、強いファラデー回転を呈する）を有す
るとともに１．３ミクロンにおいて低吸収を有するすべ
ての材料である。たとえば、アメリカ合衆国サウスカロ
ライナ州２９９２８、ヒルトン・ヘッド、マーシュラン
ド１００のキグレ（Ｋｉｇｒｅ）社からＭ１６フアラデ
ー回転ガラスが入手可能である。ブロック２５に対する
他の選択としては、ペンシルバニア州１８６４２、ドゥ
リエー、ヨーク・アベニー４００のショット・グラス・
テクノロジー社から入手可能な５Ｆ−６および５Ｆ−５
７はもとより、亜鉛セレン化物水晶がある。

上記に説明のとおり、パイリシック共振器の使用は、（
ａ）可同調性を提供すること、（ｂ）コンポーネント間
のギャップの変化によって上記のような可同調性を可能
ならしめる最小数（２）にコンポーネント数を制限する
こと、および（Ｃ）レーザー機能材料とファラデー回転
材料が別個に選択可能な諸実施例を可能にすることの利
点を有している。コンポーネント数を２に制限すること
によって、レーザーが可同調であることの制約に対して
所要アライメントの量が最小化される。

ギャップすなわち２個のブロック間のギャップの幅−ｇ
を変化させるために利用できる多数の現存装置がある。

たとえば、ローラ・ベアリング・ステージおよびたわみ
ピボット・ステージは、特別の例である。第２Ａ図に図
説されている好適実施例の場合は、ブロック２４および
２５は、圧電水晶２２１および２２３と電極２２１．２
２２．２２４、および２２５とから成る圧電シャー・プ
レート上に装着されている。この特殊実施例の場合は、
プレート２２１とプレート２２２との間の極性はプレー
ト２２４とプレート２２５との間の極性と反対になって
いて、これら２つのシャー・プレートがプッシュプル配
列、すなわち、シャー・プレート２２０がブロック２５
を−ｙ力方向動かすときに、シャー・プレート２２３が
ブロック２４を＋ｙ力方向動かすような配列で動作する
ようにしている。代替実施例の場合は、これら２つのシ
ャー・プレートの一方または他方がその関連ブロックに
対する固定マウントによって置換されている。選択的に
、これら２つのプロツクの一方の端部に取り付けられて
いる拡張モード圧電水晶が、そのブロックを変換するた
めに使用可能である。これらの実施例は、簡単性および
両ブロックに対して固定的サポートを提供する利点を有
している。

圧電材料はヒステリシスを呈するので、印加電圧と関連
ブロックのトランスレーションの量との間に１対１の関
係が成立しない。したがって、ギャップｗｇの変動の量
を判断するために１つのメカニズムが包含されている。

一実施例の場合は、光学式エンコーダがブロックの一方
または両方に包含され、また検出手段がブロックがトラ
ンスレートされる量を測定している。他の実施例の場合
は、レーザー周波数が測定され、そしてこの値がこのレ
ーザー周波数が選択周波数に等しくなるまで靭を調整す
るために使用されている。

〔効　果〕

本発明は、以上のように構成され、作用するものである
から、上記した課題を達成することができるレーザ共振
器を提供しうるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はリングが第１のブロック及びこのブロックと
第２のブロックとの間のギャップ内にふくまれている第
１実施例に係るリング・レーザの斜視図である。 第１Ｂ図、第１Ｃ図、第１Ｄ図は、第１Ａ図のリング・
レーザのそれぞれ平面図、背面図、側面図である。 第２Ａ図は、リングが第１のブロックおよびこのブロッ
クと第２のブロックとの間のギャップ内に含まれている
リング・レーザの第１の実施例の斜視図である。 第２Ｂ図、第２Ｃ図、第２Ｄ図は、第２Ａ図のリング・
レーザのそれぞれ平面図、背面図、側面図である。 １４．２４：第１のブロック。 １５．２５：第２のブロック。 １１５．２１５：間隙。 間隙の幅を変化させる手段：２２０乃至２２４゜ＡＢＣ
ＤＡ：リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　第一のブロックと、前記第一のブロックとの間に幅
   Ｗｇの間隙をもつ第二のブロックとを具備し、前記第１
   のブロック及び第二のブロックのうち少なくとも一つは
   レーザの働きに適した材料からなり、前記第一のブロッ
   ク及び第二のブロックのうち少なくとも一つはその中を
   進む光ビームのファラデー回転を起こすのに適した材料
   からなり、前記間隙の幅Ｗｇを変化させる手段と、前記
   第一のブロック及び第二のブロック及び該２つのブロッ
   クの間の間隙に含まれており少なくとも４つの非共面反
   射頂点を含む一方向性リング共振器を境界付ける手段と
   、レーザを誘導するため入力光ビームを前記リングに注
   入するための入力手段と、前記一方向性リングの光から
   出力レーザビームを引き出すための出力手段とを具備す
   ることを特徴とするレーザ共振器。 ２　前記入力手段及び前記出力出力は、前記入力光ビー
   ムが入射される第１の表面からなることを特徴とする請
   求項１に記載のレーザ共振器。 ３　前記リングは、前記第二のブロック及び前記両ブロ
   ックの間の前記間隙をなす部分に含まれており、前記リ
   ングは前記第一のブロックの表面上の反射頂点を有して
   おり、前記第二のブロックはレーザの働きに適するとと
   もにファラデ回転を起こすのに通した材料からなるもの
   であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ共振器
   。 ４　前記第一のブロックは透明であることを特徴とする
   請求項３に記載のレーザ共振器。５　前記リングは前記
   第一のブロックと前記第二のブロックと前記両ブロック
   間の間隙とに広がっているものであることを特徴とする
   請求項１に記載のレーザ共振器。 ６、前記第一のブロックは、レーザ動作に適した材料か
   らなり、前記第二のブロックは磁界中でファラデー回転
   を起こすのに適した材料からなるものであることを特徴
   とする請求項５に記載のレーザ共振器。 ７　前記第二のブロックは、レーザ動作に適した材料か
   らなり、前記第一のブロックは磁界中でファラデー回転
   を起こすのに適した材料からなることを特徴とする請求
   項５に記載のレーザ共振器。 ８　前記間隙の幅Ｗｇを変化させる手段は、前記第一及
   び第二のブロックの一つが装着されており、印加制御信
   号に応じて該ブロックを動かすピエゾエレクトリック・
   プレートからなることを特徴とする請求項１に記載のレ
   ーザ共振器。 ９　前記リングの連続的反射の頂点を含む平面の対（Ａ
   ＢＣ、ＢＣＤ、ＣＤＡ、ＤＡＣ）が互いになす小さい方
   の角度は、４５度よりも小さいことを特徴とする請求項
   １に記載のレーザ共振器。 １０　前記角度は、１０度よりも小さいことを特徴とす
   る請求項９に記載のレーザ共振器。 １１　前記角度は、０．５乃至２．０度の範囲にあるこ
   とを特徴とする請求項９に記載のレーザ共振器。