JPH02302083A - レーザビームのモード可変方法およびレーザ発振器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、レーザビームのモード可変方法およびレー
ザ発振器に関する。

（従来の技術） 従来、レーザ発振器のレーザビーム形状、すなわち発振
横モードの強度分布（以下単にモードと称す。）は、そ
の光共振器内に設置されたアパーチャと称する開口部の
径によって決定されている。これは光共振器を構成する
複数枚のミラーの曲率半径及びそのミラー間隔である光
路長（以下共振器長と称す）によって示される光ビーム
の電界強度伝播式に対し有限の開口径を境界条件として
与えることで高次の横モードを抑制してやる方法である
。

従来のレーザ発振器ではこの間口径は、その発振器の目
的に応じて設計時に決定されており、そのモードはレー
ザ発振器固有のものとされてきた。

しかし近年同一発振器を多用途に使用する為に、このア
パーチャ径を複数種内蔵し発振器外部から切換え可能と
する方法が開発され実施される様になっできている。

（発明が解決しようどする課題） しかしながら、上述したこの様な方法では、モード体積
が変化するため、出力値が変化する。

したがって、発振効率の低下をきたす。すなわち、低次
モードを得る為に開口部を小さくすると、モード体積が
小さくなり出力も低くなってしまう。

このことは注入電力に対する取出エネルギーの効率が悪
化することを示している。

また、アパーチャは通過するビームの回折やミラーでの
回折、散乱、等により加熱される為水冷する必要がある
。また、発振光路に対し正確に設置する必要がある。従
って複数種のアパーチャを冷却しつつ光路に対し精度良
く切換える構造が必要となり装置が複雑かつ大型となる
と共に、開口径を無段階に変化させることが困難である
という問題があった。

さらに、低次モード取出しの場合ビーム径が小さくなる
。この為ビーム伝送系、受光系はビーム径が変化するこ
とを考慮しなければならない（１例としては最適集光レ
ンズ焦点距離）。

この発明の目的は、上記問題点を改善するため、アパー
チャの径を変えることなく、レーザビームの発振横モー
ドを容易に可変できるようにしたレーザビームのモード
可変方法およびレーザ発振器を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、レーザビーム
の発振横モードを確定する光共振器の２つのパラメータ
であるミラー曲率とレーザビームの光路長のうち、少な
くとも一方を変化させてレーザビームの発振横モードを
変化させるレーザビームのモード可変方法である。

また、この発明は、光共振器プレートの外側に設けられ
たリアミラー、出力ミラーと、光共振器プ１ノートの内
側に設けられた複数の内部折返し反射ミラーとで構成さ
れるレーザ発振器であって、レーザビームの発振横モー
ドを変化させるために前記ミラーの曲率と、リアミラー
と出力ミラー間におけるレーザビームの光路長のうち、
少なくとも一方を変化自在に設けてなるものである。

前記ミラーの曲率を変化させるために、光共振器を構成
する複数のミラーのうち、少なくとも一枚のミラーを変
更したり、あるいは少なくとも一枚のミラーの曲率を可
変としたりする。

さらに、曲率可変ミラーは外部より変化自在に調整され
るのが望ましい。

また、レーザビームの光路長を変化させるために、リア
ミラー、出力ミラーのうち、少なくとも一方を移動可能
としたり、あるいは複数の内部折返し反射ミラーのうち
、少なくとも一枚の内部折返し反射ミラーの角度を変更
可能としたものである。

（作用） この発明のレーザビームのモード可変モード方法および
レーザ発振器を採用することにより、レーザビームの発
振横モードを確定する光共振器の２つのパラメータであ
るミラー曲率とレーザビームの光路長のうち、少なくと
もどちらか一方を変化させることによりレーザビームの
発振横モードが変化される。

而して、アパーチャの径をいちいち変えることなく、ミ
ラーの曲率あるいは光路長を変えることによりレーザビ
ームの発振横モードが容易に変られる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

まず、この実施例の具体的な構成を説明する前に、基本
的に考え方について説明する。

一様媒質中でのＴＥＭｍｎ波の電界の振幅強変分布は、
マックスウェルの波動方程式を解くことにより次式で示
される。

Ｅｍｎ（ｘ、ｙ、ｚ）＝ 一１ｋｚ＋ｉ　（ｍ　＋ｎ　＋１）φ）　　　　−（＋
）上記（１）式において、 Ｈｍ：ｔｍ次のエルミツト多項式 ％式％ ： ： ｘ、ｙ：光波長進行方向垂直面の光軸からの距離 ２：光軸方向距離 ωｇ：Ｚ＝Ｚｏのモードスポットサイズである。

また、上記＜１）式における各パラメータは、ここで基
本モードとなるＴＥＭＯ，波については位置Ｉ　Ｚｌ　
における横方向の電界振幅変化がｒ＝、ｙ’ｘ２＋ｙ２
　　のみの関数で表わされる軸対称モードである。この
条件を上記（１）式に付与し計算を進めることにより上
記（１）式は次の様に示される。

・・・（５） これらの式からレーザの光共振器は、任意位置ｚ、、ｚ
２に、その位置での波面Ｒに等しい曲率をもった球面反
射ミラー（Ｒ，即ち平面波となる位置２−２．では平面
反射ミラー）を設けることにより作ることができる。Ｚ
−Ｚｏでω（Ｚ）が最小値ω０となることから（２）、
　（３）式は次式（６）。

（７）となる。

・・・（７） 但しＲ（ｚ）の符号は曲率中心が波面の左側のときを正
としている。

以上のことから任意位置ｚ、、ｚ２に置くべきミラーの
曲率半径Ｒ，，Ｒ２は、 以上のことから任意位置ｚ、、ｚ２に置くべきミラーの
曲率半径Ｒ，，Ｒ２は また、これよりｚ、、ｚ２は ここで反射ミラーＲ，，Ｒ２の間隔を髪とすると　斐−
ｚ２−ｚ、より（＋ｏ）、　（Ｉｆ）式をまとめると、
次式（■となる。

Ｚ０２ヨ （Ｒ２−Ｒ＋　−２更）２ 、：ゎ、１．最小、）７１ッ、ヶイオ　　　　゛パ（Ｗ
π （１０）、　（１１）式によりその位置が求められる。

簡略化のために、第５図に示されているようにリアミラ
ーＲＭと出力ミラーＯＭと、片方のミラー例えば出力ミ
ラーＯＭが平面の場合について考えてみる。

この場合、共振器内の伝播波は波面の対称性から、共振
器長’ｌｒ　Ｒ２−Ｒ１＝Ｒの場合と同義となり、第５
図に示したごとき状態となる。

従って、上記（１２）式において、Ｒ２＝−Ｒ，＝Ｒを
代入すると、 となる。

また、上記（６）式より 上記（１２）〜（１４）式から明らかなことはビームの
スポットサイズω０は発振波長を一定とした場合共振器
を構成するミラーの曲率半径Ｒ（Ｒ，。

Ｒ２）及びこれらの間隔斐のみの関数となっているとい
うことである。

実際には発振器設計段階で両者（Ｒ（Ｒ＋　Ｒ２）及び
更）が先に与えられ、その結果水められるω０に対し所
要のビームモード、出力を得る為のアパーチャ径を決定
することが多い。すなわちレーザービームの用途が切断
スクライビング等集光スポット点で高エネルギー密度を
求める場合には集光特性の良いＴＥＭＱＱ（ガウシアン
）モード、熱処理焼入れ等均一エネルギー分布を求める
場合には高次モード（Ｔ　Ｅ　Ｍｍｎ、　ｍ、ｎ−大）
のビームが要求される。それぞれのモードでのビーム形
状及びビーム径は（１）式のｍ、ｎに数値を代入して計
算処理することにより求められ、ｍ、ｎが大きい程ビー
ム径も大きくなる。アパーチャによって発振モードをコ
ントロールするのは、この様な“モードによって発振ビ
ーム径が異なる”という性格を利用したもので、所要モ
ード以上の高次モードの発振を抑制させ所要モード次数
以下のモードで発振させるものである。従って、第６図
に示すごとく、アパーチャＡＰの径を小さくするにつれ
発振モードは低次モードとなり（１４）　（又は（１２
）式＋（６）式）で求められるビーム半径ω０の２倍（
すなわちビーム直径）程度のアパーチャを用いた場合は
最も低次のＴＥＭｏｏ（ガウシアン）モードとなる。

従来はアパーチャＡＰの径を機械的手段により変更する
ことにより、発振ビームモードを変化させていたが、本
実施例においてはアパーチャＡ、　Ｐの径を変化させず
に、発振ビームモードをコントロールしようとするもの
である。

すなわち、上述してきたレーザビームの伝播特性の要旨
をまとめると、次のＡ、Ｂの２項目となる。

Ａ、ビーム径はビームモードの次数１２口によって変化
しｍ、ｎが大きい高次モードはどビーム径も大きくなる
。

Ｂ、同一モードのビーム径は発振波長が一定な場合、共
振器を構成するミラーの曲率半径及びそれらの間隔（共
振器長）により決定される。

このうちＡを利用しアパーチャ径を変化させるのが先に
述べた従来の技術であるが、これに対し両者を利用しよ
うとするのが本実施例の要点である。すなわち、一定量
口径のアパニチャに対し少なくとも一方のミラーの曲率
半径又は共振器長（又は両者とも）を変化させることに
より、発振モードを変化させ目的にあったモードを取出
そうとするものである。

以下さらに説明を行なうと、ＴＥＭｏＯモードのＺ−０
（平面波面の位置）でのビームスポットサイズω０は上
記（１３）、（１４）式からミラー曲率半径Ｒ９及び共
振器長文により求められＲ→大　にすると、　ω０→大
　となり、また、丈−大　にすると、　ω０→大　とな
る。

従って、第７図（Ａ）に示すように一定開口径ＤＡなる
アパーチャＡＰ及び共振器長に対し、Ｔ　Ｅ　Ｍｏ　０
モードとなる曲率半径ＲＡが存在する。

第７図（Ａ）はこの組合わせに置いてＴＥＭ００モード
で発振する状況を示し、上記（１４）式から を満している。

次に、第７図（Ｂ）は、第７図（Ａ）の条件からＲ７ｉ
　−ＲＢ　　（ＲＢ　＜　ＲＡ　）ど変化させた場合を
示す。リアミラーＲＭの曲率半径Ｒの減少によりＴＥＭ
００モードのビーム径は減少し図中２点鎖線で示した様
な光路となる。しかし、この状態ではアパーチャＡＰの
径ＤＡに比べＴＥＭＯｏモード径が小さい為ＴＥＭｏｏ
モードより高次のモード（例えばＴＥＭｏ、モードのビ
ーム径はＴＥＭ００モードのビーム径に比べ１．５倍大
きい）の発振を抑制できなくなり発振モードはＴＥＭ０
０モード→ＴＥＭ００　＋ＴＥＭＯＨ混成モード→ＴＥ
ＭＯ，モード→ＴＥＭＱ　ｌ　＋ＴＥＭ、Ｑ　というよ
うにアナログ的に高次モードへと遷移してゆく。

従ってリアミラーＲＢを所要のモードとなる値にしてや
ることにより発振モードを自由にコントロールしてやる
ことができる。

又、従来技術のようにアパーチャＡＰの径を変化させた
場合は発振ビームのモード体積がアバ−１６の開口面積
に比例（すなわち径の２乗に比例）し変化するため、取
出し得るレーザ光出力も又、アパーチャ径の２乗に比例
し変化してしまうという問題を有していたが、この実施
例の第７図（Ａ）、　（Ｂ）のような方法ではモード体
積が殆んど変化しない。従って、光出力上でも低次モー
ドル高次モードで殆んど変化がないという利点を有する
。

又、ビーム径がほぼ一定値であることからミラー系の冷
却、支持等の面からも従来の技術に比し有利である。第
７図（Ｃ）は第７図（Ａ）の条件から共振器長りを変化
させた場合を示す。共振器長りの減少によりＴＥＭｏｏ
モードのビーム径が減少し第７図（Ｂ）の例と同様にＴ
ＥＭｍｎモードで発振する。従ってリアミラーの曲率半
径Ｒを変化させた場合と同様に発振ビームのモードをコ
ントロールできる。

この方法による場合、ミラーの曲率変化に比べ“光路長
の変化”という簡単な装置、方法により実施可能である
。

第１図には、出力ミラー側の光共振蓋部分が示されてい
る。第１図において、共振器プレート１の内側には複数
のロッド３によりアパーチャ５が支持されている。また
、片側のロッド３（第１図において上側）には内部折返
し反射ミラー７を備えた左右方向へ調整自在な内部ミラ
ー調整プレート９が取付けられている。

前記共振器プレート１の外側には、複数の支持ロッド１
１を介して外部調整プレート１３が設けられている。し
かも、共振器プレート１と外部調整プレート１３間には
スプリング１５が介在されており、スプリング１５の付
勢力により外部調整プレート１３が第１図において左方
向へ付勢されている。外部調整プレート１３には冷却す
るために複数の冷却溝１７が設けられている。

前記外部調整プレート１３の外側には、内部に出力ミラ
ー１９を保持したミラホルダ２１が設けられていると共
に、ミラホルダ２１の外側にはボルト２３でハウジング
２５が取付けられている。

前記外部調整プレート１３の一端側（第１図において上
端側）にはミラー調整用マイクロメータ２７が設けられ
ている。

上記構成により、調整用マイクロメータ２７を廻するこ
とにより、出力ミラー１９の位置が第１図において左右
方向へ調整されることになる。

出力ミラー１９とハウジング２５との間には例えば第２
図に示されているように、リテーナ２９で支えられた凸
面プレート３１が設けられており、ハウジング２５のほ
ぼ中央部に取付けられたボルト３３で凸面プレート３１
を出力ミラー１９へ押圧している。この押圧力を調整す
ることにより、出力ミラー１９面の曲率を変化させるこ
とができる。この出力ミラー１９面の曲率を変化させる
ことにより、レーザ発振横モードを変化させることがで
きる。

第３図には凸面プレート３１の代りに圧電素子３５を設
けたもので、圧電素子３５には圧電素子ドライバー３７
が接続されている。したがって、圧電素子ドライバー３
７を駆動させることにより圧電素子３５により出力ミラ
ー１９の曲率が変化される。この出力ミラー１９の曲率
を変化させることにより、レーザ発振横モードを変化さ
せることができる。

第４図には共振器長りを変化させる一例が示されている
。第４図において、共振器プレートＩＲ。

ＩＬは複数の共振器ロッド３９で支持されている。

共振器プレートＩＲの外側にはリアミラー４１を備えた
リアミラー調整装置４３が設けられており、共振器プレ
ートＩＬの外側には出力ミラー１９を備えた出力ミラー
調整装置４５が設けられている。

前記共振器プレートＩＲ２ＩＬの内側には内部折返し反
射ミラー７を備えた内部ミラー調整プレート９が設けら
れている。この内部ミラー調整プレート９の一端は支持
ロッド４７で支持されていると共に、内部ミラー調整プ
レート９の他端は内部ミラー調整ネジ４９で傾き角を調
整できるように共振器プレートＩＲ１ＩＬに取付けられ
ている。

上記構成により、内部ミラー調整ねじ４９の少なくとも
一方を調整することによって内部折返し反射ミラー７の
傾き角が変化される。この内部折返し反射ミラー７の傾
き角を変化させることにより、例えば第４図において、
光路長（共振器長Ｌ）が約３１５に変化させることがで
きる。

なお、この発明は前述した実施例に限定されることなく
、適宜の変更を行なうことにより、その他の態様で実施
し得るものである。例えば、第１図、第２図および第３
図では、単一ミラーについてその曲率を変化させる例を
上げたが、他の例として曲率の異なる複数のミラーを設
け、それ等を変換自在に取付ける方法でも何等本実施例
の本質をかえるものではない。又第４図に於いては、そ
の−例として内部ミラーの傾き角の変化による共振器長
（光路長）の変更を上げたが、他の例として第４図中の
出力ミラー１つ、リアミラー４１のうち少な（とも一方
（両方）を移動可能とする場合や、第４図中左右の少な
くとも一方の共振器プレートごと（内部ミラーごと）移
動させる場合等によっても本実施例の効果を奏し得る。

なお上記各図ではレーザー発振装置の構成のうち光学系
の部分を除き他の部分を削除しである。又、実施例では
、直交型レーザーについて説明したが、他の方式（軸流
型）に於いても同様の機能、効果を持たせ得ることは勿
論のことである。

［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるように、この
発明によれば、特許請求の範囲に記載されたとおりの構
成であるから、レーザビームの発振横モードを確定する
光共振器の２つのパラメータであるミラー曲率とレーザ
ビームの光路長のうち、少なくとも一方を変化させるこ
とにより、レーザビームの発振横モードを容易に変化さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はレーザ発振器における光共振器の出力ミラ一部
分を示した一実施例の正面図、第２図は第１図における
■矢視部の拡大図、第３図は第２図に代る他の実施例図
、第４図は光共振器の内部折返し反射ミラ一部分を示し
た一実施例の正面図、第５図、第６図および第７図（Ａ
）、（Ｂ）。 （Ｃ）はこの発明の基本的な考え方を説明するための説
明図である。 １・・・共振器プレート ７・・・内部折返し反射ミラー ９・・・内部ミラー調整プレート １３・・・外部調整プレート １９・・・出力ミラー　　　２１・・・ミラホルダ２５
・・・ハウジング　　　３１・・・凸面プレート３３・
・・ボルト　　　　　３５・・・圧電素子４５・・・リ
アミラー ４９・・・内部ミラー調整ねじ 代理人　弁理士　　三　好　秀　和 １・・・共振器プレート ７・内部折返し反射ミラー ９・・・内部ミラー凋整プレート １３・・・外部調整プレート １９・・・出力ミラー　　　２１・・・ミラホルダ２５
・・ハウジング　　　３１・・凸面プレート３３・・・
ボルト　　　　　３５・・圧電素子４５・・・リアミラ
ー ４９・・・内部ミラー１ａ整ねじ 第１図 第５図 第６図 第７図（Ａ） ＠７図（８１ 第７図（Ｃ） 手続補正書（自発） 平成　１年２月に日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームの発振横モードを確定する光共振機
   の２つのパラメータであるミラー曲率とレーザビームの
   光路長のうち、少なくとも一方を変化させてレーザビー
   ムの発振横モードを変化させることを特徴とするレーザ
   ビームのモード可変方法。
2. （２）光共振器プレートの外側に設けられたリアミラー
   、出力ミラーと、光共振器プレートの内側に設けられた
   複数の内部折返し反射ミラーとで構成されるレーザ発振
   器であって、レーザビームの発振横モードを変化させる
   ために前記ミラーの曲率と、リアミラーと出力ミラー間
   におけるレーザビームの光路長のうち、少なくとも一方
   を変化自在に設けてなることを特徴とするレーザ発振器
   。
3. （３）前記請求項（２）において、前記ミラーの曲率を
   変化させるために光共振器を構成する複数のミラーのう
   ち、少なくとも一枚のミラーを変更可能に設けてなるこ
   とを特徴とするレーザ発振器。
4. （４）前記請求項（２）において、前記ミラーの曲率を
   変化させるために光共振器を構成する複数のミラーのう
   ち、少なくとも一枚のミラーの曲率を可変に設けてなる
   ことを特徴とするレーザ発振器。
5. （５）前記請求項（２）において、前記レーザビームの
   光路長を変化させるためにリアミラー、出力ミラーうち
   、少なくとも一方を移動可能に設けてなることを特徴と
   するレーザ発振器。
6. （６）前記請求項（２）において、前記レーザビームの
   光路長を変化させるために複数の内部折返し反射ミラー
   のうち、少なくとも一枚の内部折返し反射ミラーの角度
   を変更可能に設けてなることを特徴とするレーザ発振器
   。
7. （７）前記請求項（４）において、前記曲率可変ミラー
   の曲率は、外部より変化自在に調整されることを特徴と
   するレーザ発振器。