JPH02109382A - レーザ装置 - 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］ この発明は、複数のミラーで構成した光共振器の光路」
―に配置されたレーザ媒質に励起光を照射してレーザビ
ームを発生するレーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は、例えばレーザハンドブック（オーム社、昭和
５７年）に示された従来のレーザ装置の概略構成を示す
断面図であり、図において、（１，）は固体素子１例え
ばＹ、−ウＮｄｘＡＱ、Ｏ□２よりなるロッド状の結晶
からなるレーザ媒質、（２）はアークランプ、（３）は
アークランプ（２）を点灯させるための電源、（４）は
集光反射ミラー、（５）は全反射ミラー、（６）は例え
ばガラスでできた出口ミラー２（７）は出口ミラー（６
）内面に設けられた例えばＴｉＯ２よりなる部分反射膜
、（８）は出口ミラー（６）外面およびレーザ媒質（１
）両側面にもうけられた例えばＳＬＯ□よりなる無反射
膜、（９）はミラー（５）及び（６）からなる光共振器
、　（１０）は光共振器（９）内のレーザビーム、（１
１）は外部に取出されたレーザビーム、（１，２）は外
枠である。

次に動作について説明する。レーザ媒質（１）は電源（
３）により点灯されたアークランプ（２）からの直接光
および集光反射ミラー（４）よりの反射光により励起さ
れる。一方、内面に設けら九た部分反射膜（７）により
部分反射率をもった出口ミラー（６）と全反射ミラー（
５）とからなるいわゆる安定型光共振！　（９）内に閉
じこめられたレーザビーム（１０）は２両ミラー間を往
復するごとにこのレーザ媒質（１）により増幅され、あ
る−室以上の大きさになるとその一部が出口ミラー（６
）を通して外部にレーザビーム（１１）として放出され
る。

第７図にその発振出力特性の一例を示す。二二でレーザ
媒質（１）はＹ２，４Ｎ　ｄ　、、＆Ａ　Ｑ　、　０１
□よりなり、断面の直径８ｍ、長さ１５０　＋＋ｖ、出
［１ミラー（６）５全反射ミラー（５）の内面の曲率は
ともに０　、４　ｒｎ、両ミラー間の距離は０．４５ｍ
、出［コミラーの反射率は７０％である。また投入電力
とはアークランプ（２）の点灯に消費された電力であり
、６ｋＷの投入電力で約）００Ｗのレーザ出力が得られ
ている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ装置は、以」−のように安定型共振器をも
ちいているため１発生するレーザビーｌいは発散角の大
きいいわゆる高次モー！−となる。この高次モードの度
合いの指標としては、共振器内に発生しうる位相のそろ
った最低次モードの断面直径とレーザ媒質の断面直径と
の比がある。この例では最低次モードは正規分布をもつ
、いわゆるガウスビームとなるためその強度が中心の１
／ｅ２となる点で定義した断面直径φ。は両ミラー間の
距離り、レーザビームの波長λとして と計算される。一方、レーザ媒質の断面直径は８Ｈであ
るから両者の比は約１５と大変大きく、この値から経験
的に１００次以上の高次モードが発生していると予測さ
れる。高次モードの次数は実験的には発生されたレーザ
ビームの発散角を測定することによりおこなわれ１例え
ば第８図にその実測例を示す。この図から、発散角は１
０ｍｒａｄ程度と把握され、対応する高次モードの次数
として１００次程度であると計算される。この発散角の
大小はレーザビームの集光性能そのものといえる。これ
は焦点孔Ｅｌ　ｆの集光レンズによる集光スポット径φ
Ｓは概略的に発散角０に対して φ３−？ｆ・０ で表わされ、したがって発散角の大小に比例して集光ス
ポット径の大小が決定されるためである。

ここでのｌｏｍｒａｄという値を市販のｃｏ２レーザと
比較すると約１０倍であり、したがって従来のこのよう
な固体レーザ装置の集光特性はＣ０２レーザ装置のｌ／
ｌｏであるといえる。また従来の構成では互いに進向方
向の異なる２つのレーザビームが同時にレーザ媒質を通
過するため、レーザビーム同志の干渉がおき、さらにこ
の干渉波によりレーザ媒質内の増幅率分布に乱れが生じ
、その結果発振スペクトルの幅が広がったり１時間的に
レーザ出力が不安定になることもあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので５大所面積で発散角が小さいレーザビームをレ
ーザ媒質内のビーム干渉により悪影響をおよぼされるこ
とのない安定なレーザ装置この発明に係るレーザ装置は
、光共振器として、レーザ媒質から、第１の反射ミラー
、出口ミラー及び第２の反射ミラーを経て上記レーザ媒
質に戻るリング状の光路をもつ不安定型光共振器を用い
るとともに、この光共振器からレーザビームの一部を取
り出す出口ミラーを、中央部が部分反射性をもちその周
囲部が無反射性をもつよう構成したものである。

また、この発明の第２の発明に係るレーザ装置は、光共
振器として、レーザ媒質から、第１の反射ミラー、出口
ミラー、及び第２の反射ミラーを経て上記レーザ媒質に
戻るリング状の光路をもち。

その光路中に集光点をもつネガティブブランチ型光共振
器を用いるとともに、その光路中に集光されたレーザビ
ームの外形を整える空間フィルターを設けたものである
。

［作　用］ この発明におけるリング状に形成された不安定型光共振
器では、レーザ媒質内を一方向にのみ通過するレーザビ
ームの光路が形成され、さらに中央部が部分反射性をも
つ出口ミラーによりこの光路りから中づまり状のレーザ
ビームがとり出される。

また、この発明の第２の発明におけるリング状に形成さ
れ光路中に集光点をもつネガティブブランチ型光共振器
と空間フィルターを組合わせ用いることにより、光共振
器内でのレーザビームの乱れが補正され高品質のレーザ
ビームが安定にとり出される。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例の概ａｔｌｉ構成を示す断面図
、第２図はそれの出力特性を示す特性図である０図にお
いて、（１）はレーザ媒質、（２）はアークランプ、（
３）はアークランプ（２）点灯用電源。

（７）は例えばＴｊＯ２よりなる部分反射＋１Ｌ　（８
）は例えばＳｉｎ、よりなる無反射膜、（１２）は外枠
、（＋３）は第１の反射ミラーである凹面全反射ミラー
（１４）は例えばガラスでできたコリメートミラーを構
成する出口ミラーで、それの内面中央に部分反射膜（７
）が、その部分反射膜（７）の外周上及び外面に無反射
ＩＦＪ（８）がそれぞれ設けられている。（１５）は第
２の反射ミラーである全反射ミラー、　（１，６）は出
口ミラー（１４）と第１、第２の反射ミラー（＋３）。

（］５）とからなる光共振器、（１７）、（１８）は光
共振器（１６）内に発生したレーザビーム、（１９）は
光共振器（１６）外部にとり出されたレーザビームであ
る。

次に動作について説明する。レーザ媒質（１）は電源（
３）により点灯されたアークランプ（２）により励起さ
れる。一方、光共振器（１６）内に発生したレーザビー
ム（１７）　、　（１８）はこのレーザ媒質（１）によ
り増幅され、ある一定以上の大きさになると、その一部
がレーザビーム（１９）として外部にとり出される。こ
の光共振器（１６）の動作をさらに詳しく説明すれば、
第１の反射ミラー（１３）、出口ミラー（１４）及び第
２の反射ミラー（１５）とで不安定型光共振器（工６）
を構成し、レーザビーム（１８）は第２の反射ミラー（
１５）により反射されレーザ媒質（１）に導かれ増幅さ
れたのちレーザビーム（１７）として第１の反射ミラー
（１３）により集光拡大されて、その周囲部は出口ミラ
ー（１４）内面周囲部の無反射膜（８）の作用によりそ
のほとんどがレーザビーム（１９）として外部に放出さ
れ、また中央部はその一部が出口ミラー（１４）内面中
央部の部分反射ＩＩ！　（７）の作用により一部がレー
ザビーム（１９）の一部として外部にとり出され、残り
の部分がレーザビーム（１８）として反射して再びレー
ザ媒質（１）に導かれ光共振器（１６）内をリング状に
循環する。したがって外部のレーザビーム（１９）は中
づまり状となる。このような不安定型共振器では位相の
揃った最低次モードと高次モードとの損失の差が安定型
共ａｉ器にくらべて非常に太きいため、数回循環後発生
するレーザビームは最低次モードのもののみとなり、毎
循環ごとに拡大されるため大断面積の高品質ビームが得
られる。また、出口ミラーの外面の曲率半径は内面の曲
率半径より小さくメニスカス状にし、出射ビームをほぼ
平行にしている。これらのことから結局５等位相の中づ
まり状大断面積の平行ビームという最も理想的なレーザ
ビームが得られる。なお１以上の構成において、レーザ
の発振初期には光共振器（１６）内には上記の左に回る
レーザビームの外に右に回るレーザビームが存在する。

しかし、この右回りレーザビームは毎循環ごとにレーザ
ビームが縮小されてしまうためしだいに減衰し、結局左
回りのレーザビームのみとなる。したがってレーザ媒質
（１）を一方向にのみレーザビームが通過することにな
る。

以上の構成において、レーザ媒質（１）として。

Ｙ２、Ｎｄ、、６ＡＱ５０□２よりなり断面の直径８ｍ
。

長さ１５０　ｌｌ１ｍのロット状の結晶を使用し、出口
ミラー（１４）、第１の反射ミラー（１３）の内面の曲
率をそれぞれ０．４８ｍ　、　０，８ｒｎ、両ミラー間
の距離を０．４４ｍ、出口ミラー（１４）内面中央の部
分反射膜（７）の反射率を８０％とした場合の発振出力
特性の一例を第２図に示す。ここで、投入ポカとはアー
クランプの点灯に消費された電力であり、８ｋｗの投入
電力で約１００　ｗのレーザ出力が得られている。

第３図（ａ）、（ｂ）は、この実施例と従来のレーザ装
置における集光パターンを示す特性図で、レーザ出ノ月
００ｗのこの実施例のレーザ装置からのレーザビームを
レンズで集光したパターンを第３図（ａ）に、従来の固
体レーザ装置からのレーザビームの型光パターンを第３
図（ｂ）に比較して示している０図より明らかなように
、この実施例のものは従来のものの約１７４０程度に幅
が縮小されているばかりでなく、中実軸上強度は１．０
００倍以」二となっている。また、そのビームパターン
も時間的にきオ）めで安定なものであったが、これはレ
ーザ媒質（１）内をレーザビームが一方向にのみ通過し
ているため、従来例でみられたレーザビームの二方向通
過による干渉の影響が除かれたためと思われる。

また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部と周囲部
とを通過するレーザビーム間の位相差は小さく問題とな
らなかったが、部分反射膜（７）の構成によってはこれ
が問題となることも考えられる。その場合は両レーザビ
ーム間の位相差を打消す手段を設ければよい。第４図は
この位相差打消し手段を設けた実施例の概略構成を示す
断面図で。

図において、（２０）は外面に段差（２１）を設けた出
口ミラーで、この段差（２１）により出口ミラー（２０
）内面の中央部と周囲部とを通過するレーザビーム間の
位相差が打消される。

さらに、上記実施例では第１の反射ミラー（１３）から
集光状のレーザビーム（１７）が反射されてくる。

いわゆるネガティブブランチ型光共振器の例を示したが
、平行状のレーザビームが反射されるようにしてもよく
、要は不安定型光共振器（１６）をリング状に構成すれ
ばよい。

第５図はこの発明の他の実施例の概略構成を示す断面図
で、この実施例ではネガティブブランチ型光共振器にお
いて、第１の反射ミラー（１３）から反射されたレーザ
ビーム（１７）の実光点（２２）近傍に小径のアパーチ
ャを備えたいわゆる空間フィルター　（２３）を設けた
ものである。この空間フィルター（２３）によりレーザ
ビーム（１７）の外周に発生するノイズ成分が除去され
、外部に取り出されるレーザビーム（１９）の品質がさ
らに向上し、レーザ媒質（１）の不安定さによるノイズ
成分もカットできるため、とり出されるレーザビーム（
１７）の品質が安定化する。

［発明の効果］ 以」二のようにこの発明によれば、光共振器として、レ
ーザ媒質から、第１の反射ミラー、出口ミラー、及び第
２の反射ミラーを経て上記レーザ媒質に戻るリング状の
光路をもつ不安定型光共振器を用いるとともに、この光
共振器からレーザビームの一部を取り出す出口ミラーを
、中央部が部分反射性をもちその周囲部が無反射性をも
つよう構成したので、大断面積で高品質のレーザビーム
を安定に取出し得るレーザ装置が得られる効果がある。

また、リング状の光路中に実光点をもつネガティブブラ
ンチ型光共振器を用いるとともに、その光路中に集光さ
れたレーザビームの外形を整える空間フィルターを設け
たので、さらに高品質で品質の安定したレーザビームを
取出し得るレーザ装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概略構成を示す断面図、
第２図はそれの出力特性を示す特性図、第３図（ａ）　
、　（ｂ）は、この実施例と従来のレーザ装置における
集光パターンを示す特性図、第４図。 第５図は、それぞれこの発明の他の実施例の概略構成を
示す断面図、第６図は従来のレーザ装置の概略構成を示
す断面図、第７図及び第８図は各々従来の固体レーザ装
置におけるレーザ出力及び発散角を示す特性図である。 図において、（１）はレーザ媒質、（２）は光源（ア−
クランプ）、　（７）は部分反射膜、（８）は無反射膜
、（１２）は外枠、（１３）は第１の反射ミラー、　（
１４）、（２０）は出ｊコミラー、　（１５）は第２の
反射ミラー、（１６）は光共振器、　（１７）、（Ｌ、
Ｓ）、（１９）はレーザビーム、　（２１）は段差、　
（２２）は集光点、　（２３）は空間フィルターである
。 図中同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　複数のミラーで構成した光共振器、この光共振
   器の光路上に配置されたレーザ媒質、及びこのレーザ媒
   質に励起光を照射する光源とを備えたレーザ装置におい
   て、上記光共振器を、上記レーザ媒質から、第１の反射
   ミラー、出口ミラー、及び第２の反射ミラーを経て上記
   レーザ媒質に戻るリング状の光路をもつ不安定型光共振
   器とするとともに、この光共振器からレーザビームの一
   部を取り出す上記出口ミラーを、中央部が部分反射性を
   もちその周囲部が無反射性をもつよう構成したことを特
   徴とするレーザ装置。
2. （２）　複数のミラーで構成した光共振器、この光共振
   器の光路上に配置されたレーザ媒質、及びこのレーザ媒
   質に励起光を照射する光源とを備えたレーザ装置におい
   て、上記光共振器を、上記レーザ媒質から、第１の反射
   ミラー、出口ミラー、及び第２の反射ミラーを経て上記
   レーザ媒質に戻るリング状の光路をもち、その光路中に
   集光点をもつネガティブブランチ型光共振器とするとと
   もに、その光路中に集光されたレーザビームの外形を整
   える空間フィルターを設けたことを特徴とするレーザ装
   置。