JPH04307979A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光を往復させて発振
状態を作るレーザ共振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば特開平１−１７３６８０号
公報に示された従来のレーザ共振器を示す構成図である
。図において、１はレーザ媒質、２，３はレーザ光をレ
ーザ媒質１から導出させるための窓、４はレーザ光を全
反射する全反射鏡、５２はレーザ光を一部透過させる部
分反射鏡、６はレーザ光の波長を特定範囲に限定するた
めの波長選択素子である。

【０００３】次に動作について説明する。エキシマ等の
レーザ媒質１を放電によって励起すると、強い光が窓２
，３から外部に発せられる。レーザ媒質１の両外側には
、それぞれ、全反射鏡４と部分反射鏡５２とが設置され
ている。よって、それらの間を光が往復する間に光は強
められレーザ光となる。そして、レーザ光の一部は、部
分反射鏡５２の外部に導出される。なお、波長選択素子
６によって、レーザ光の波長は特定範囲に限定される。

【０００４】ところで、このようなレーザから出たレー
ザ光の波長分布には、図９に示すような凹みが生ずるこ
とがある。図９に示した例では、２．２ｐｍ〜２．３ｐ
ｍおきに凹みが生ずる。これらの凹みは、部分反射鏡５
２の作用によって生ずる。

【０００５】そこで、上記公報に示されたものでは、部
分反射鏡５２の形状を、図８に示すように楔形にすると
ともに、Ａ面に無反射コートを施すことにより、波長分
布の凹みをなくしている。

【０００６】また、アイイーイーイー　　ジャーナル　
　オブ　　クォンタム　　エレクトロニクス（ＩＥＥＥ
　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第第ＱＥ−１６巻第２号（１９
８０年２月）Ｐ．２３５〜Ｐ．２４１には、Ａ面に無反
射コートを施す点が開示され、オプティクス　　レター
ズ（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）第８巻第５号（１９
８３年５月）Ｐ．２７４〜Ｐ．２７６には、部分反射鏡
５２を楔形にする点が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ共振器は
以上のように構成されているので、部分反射鏡５２を楔
形にした場合には、プリズムのように光の方向を曲げる
ために、アラインメント（全反射鏡４および部分反射鏡
５２を、共振器の光軸と直交するように調整すること。 ）が難しいという課題があった。

【０００８】特に、不可視光レーザに適用される全反射
鏡４および部分反射鏡５２のアラインメントやビーム出
射方向の確認を、可視光レーザを用いて実行する場合に
は、双方のレーザ光の波長が異なることから部分反射鏡
５２における屈折角が異なり、可視レーザ光でアライメ
ント等を行っても不可視レーザ光に対しては調整不良と
なってしまう。

【０００９】また、片面（Ａ面）に無反射コートを施し
た場合には、完全な無反射状態を作り出すことは困難で
あるため（現実には、０．５％程度の反射が生ずる。）
、ゲインの高いレーザ、例えばエキシマレーザや色素レ
ーザは、その小さな反射によって発振してしまい、十分
な効果を発揮することができないという課題があった。

【００１０】上記課題の対応策として、無反射コートが
施されたＡ面による共振器が構成されないように、すな
わちＡ面の反射光がレーザ媒質１にもどらないように、
Ａ面を傾斜させる考え方が上記公報に示されている。

【００１１】しかし、Ａ面の反射光が窓２に入射しない
ようにするには、部分反射鏡５２と窓２との間の距離を
ｄ、部分反射鏡５２の傾き角をθ、ビーム径をｘとする
と、 θ＞ｘ／２ｄ の関係を満たす必要がある。例えば、代表的な値である
ｘ＝２ｃｍ、ｄ＝５ｃｍを採用したときには、θ＞０．
２ｒａｄという大きな値になる。この場合には、部分反
射鏡５２はほとんどプリズムのような形状となり、光は
大きく屈折するため、実用上、上実したような大きな問
題が生ずる。

【００１２】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、レーザ光の波長分布に凹みが生じ
ないようにしつつ、別光源を用いて容易にアラインメン
ト等が行えるレーザ共振器を得ることを目的とする。ま
た、波長分布に生ずる凹みを積極的に利用してより狭い
波長幅のレーザ光を出射しうるレーザ共振器を得ること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るレーザ共振器は、部分反射鏡の無反射コートが施され
た面の法線と共振器の光軸とのなす角度θを、｜θ｜ｔ
ａｎ−１（ｘ／８Ｌ） （ｘは法線に対して光軸が傾いている方向のビーム径、
Ｌは共振器の長さ）としたものである。

【００１４】また、請求項２記載の発明に係るレーザ共
振器は、部分反射鏡の片面を共振器の光軸に垂直にする
とともに、他面の法線と光軸のなす角度θを、｜θ｜〈
ｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ） とし、さらに、部分反射鏡の厚さｔを、ｔ〉λ２／２ｎ
λｗ （λはレーザの中心波長、ｎは部分反射鏡の基板の屈折
率、λｗはレーザの目的とする波長幅）としたものであ
る。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明における部分反射鏡は、楔
形を形成する角度がより小さくなり、レーザ光の屈折角
とアライメントに用いる別光源の光の屈折角との差をよ
り小さくして、別光源の光によるアラインメントを可能
にする。

【００１６】また請求項２記載の発明における部分反射
鏡は、厚さが調整され、その片面および他面と全反射鏡
との間で２つの共振器を構成するように作用し、レーザ
の波長幅をより狭くする。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１において、５は後述のような形状および構造
を有する部分反射鏡であり、その他のものは同一符号を
付して図８に示したものと同一のものである。

【００１８】次に動作について説明する。ここで、レー
ザ媒質１として、放電により励起されるエキシマを用い
た場合について説明する。レーザ媒質１に対して放電を
行うと、強い光が窓２，３から発せられる。そして、全
反射鏡４と部分反射鏡５とにより、光は、共振されて強
められレーザ光となる。このとき、レーザ光の波長幅は
４００ｐｍ程度の広がりがあるが、波長選択素子６によ
って、波長幅は１／１００以下に狭くされる。

【００１９】その際、波長分布における凹みを防止する
ために、部分反射鏡５の片面（Ａ面）に無反射コートを
施し、かつ、部分反射鏡５を楔形にする必要があること
は、既に述べたとおりである。また、楔形のなす角度（
楔角）があまりに大きいと実用上問題があることも既に
述べたとおりである。

【００２０】ここで、楔角として最低限必要な角度を求
める。そのため、波長分布に凹みが生ずる原因を調べた
ところ、図１において、部分反射鏡５のＡ面と全反射鏡
４とで構成される共振器（この共振器を共振器Ｃと呼び
、図１において、それによるレーザ光をＣで示す。）と
、部分反射鏡５のＢ面と全反射鏡４とで構成される共振
器（この共振器を共振器Ｄと呼び、図１において、それ
によるレーザ光をＤで示す。）とでそれぞれ発せられた
光が互いに干渉しあうことによって生ずることが明らか
になった。

【００２１】図２は、横軸を周波数にとって２つの共振
器Ｃ，Ｄによる発振周波数を模式的に示したものである
。図に示すように、それぞれ共振器Ｃ，Ｄの長さによっ
て定まる周波数間隔で多数の発振モードが出現する。 ２つの共振器Ｃ，Ｄによる各モードは、部分反射鏡５の
厚さｔの影響分だけ異なる周波数を持っている。そして
、周波数の低い方から見ていくと、双方の共振器Ｃ，Ｄ
による周波数が一度一致してから次に再び一致するまで
の間隔Δνは、ｃ／２ｎｔで表わせる。この間隔を波長
Δλについて見ると、次の式のようになる。 Δλ＝λ２／２ｎｔ　　（λ：レーザ波長，ｎ：部分反
射鏡５の基板の屈折率）

【００２２】上式に実際のレーザにおける数値（λ＝２
４８ｎｍ，ｎ＝１．５１，ｔ＝８ｍｍ）を代入すると、
Δλ＝２．５ｐｍとなる。これは、図９において現われ
た凹み発現箇所の間隔と一致している。すなわち、波長
分布における凹みは、２つの共振器Ｃ，Ｄにおいて発生
する多数のモード間の干渉によって生じたうなりである
。

【００２３】そこで、楔形の部分反射鏡５に無反射コー
ト（実際には０．５％の反射率を有する。）を施した場
合の発振出力と、部分反射コート（反射率１０％）を施
した場合の発振出力との比較を行った。図３には、その
結果が示されている。この結果から、無反射コート面に
よって構成される共振器Ｃであっても十分に発振するこ
とがわかる（図中の黒丸および黒四角参照）。また、部
分反射鏡５を振れさせていくに従って、発振出力が低下
することもわかる。従って、図３に示す例の数値を用い
た場合には、部分反射鏡５の部分反射コート面によって
構成される共振器Ｄの出力が最も大きくなるような光軸
を設定したときに、無反射コート面の法線が０．６〜１
．２ｍｒａｄ程度以上傾いていれば、無反射コート面に
起因する発振を避けられることがわかる。すなわち、波
長分布における凹みを消すことができる。

【００２４】この０．６ｍｒａｄは、光が共振器を４回
往復する間にビームの幅（ゲインが存在する範囲）から
はみ出さないような角度である（図４（ａ）参照）。共
振器長Ｌが１３０ｃｍ、ビーム径ｘが０．６ｃｍ、１．
２ｃｍ（ガス流方向，放電方向）であるとすると、それ
らに相当する角度は、 ０．６ｃｍ／（２×１３０ｃｍ）×４往復＝０．５７７
×１０−３ １．２ｃｍ／（２×１３０ｃｍ）×４往復＝１．１５×
１０−３ より、それぞれの方向に対して０．６ｍｒａｄ，１．２
ｍｒａｄになる。

【００２５】以上に述べたことから、部分反射鏡５の無
反射コート面が構成する共振器によって発振が生じない
条件として、次式を採用できる。 ｜θ｜〉ｔａｎ−１（ｘ／８） ここで、θは無反射コート面の法線と光軸とのなす角度
、ｘ（ｃｍ）は法線に対して光軸が傾いている方向のビ
ーム径である（図４（ｂ）におけるｐ，ｑ間の距離）。 なお、往復回数は、ゲインが大きいほど小さくて済むが
、ここで論じたレーザは、ゲインが１５％／ｃｍ、レー
ザ媒質１に長さが４０ｃｍ程度のものであり、４回往復
する間に発振するごく平均的なレーザである。

【００２６】上式の右辺で示される角度よりθが大きけ
れば波長分布における凹みをなくすという目的は達成さ
れる。しかし、角度θを大きくしすぎると、従来技術に
よるもののように光が屈折されるため、アラインメント
などがしにくくなる。そこで、アラインメント用として
波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いる場合を想
定して、屈折角度を調べてみた。

【００２７】図５は、Ｈｅ−Ｎｅレーザによるレーザ光
およびエキシマとしてＫｒＦを用いたエキシマレーザに
よるレーザ光の屈折の様子を示したものである。部分反
射鏡５の楔角をθｖとすると屈折角αは次の式で表わせ
る。 α＝（ｎ−１）θｖ　　　　　　（ｎは屈折率）レーザ
光を加工用として用い、かつ、レーザ光を加工台まで伝
送する場合に、屈折角α１が大きいと不便である。屈折
角α１が大きいときには、部分反射鏡５の固定方向を正
確にするか、部分反射鏡５を適当に設置して２α１が使
用上問題のない範囲となるようにする等の配慮をしなけ
ればならない。

【００２８】また、既に述べたように、エキシマレーザ
のような大出力レーザを用いる場合には、前もって別の
レーザを用いてアラインメントを行う。その場合、可視
光レーザであるＨｅ−Ｎｅレーザを用いることが多い。 Ｈｅ−Ｎｅレーザ光はエキシマレーザ光とは屈折率が異
なるので、屈折角も異なる。例えば、エキシマレーザ光
に対する屈折率は１．５１、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光に対す
る屈折率は１．４７５である。θｖとして例えば５ｍｒ
ａｄを採用すると、エキシマレーザ光の屈折角は２．５
５ｍｒａｄ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光の屈折角は２．３８ｍ
ｒａｄとなる。屈折角の差Δαは次式で表わされる。 Δα＝Δｎ・θｖ ここで、Δｎは２つのレーザ光に対する屈折率の差であ
り、この場合には、０．０３５である。

【００２９】この差Δαがｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ）より
大きいと、Ｈｅ−Ｎｅレーザでアラインメントを行った
後、エキシマレーザでは発振しないという事態が生ずる
。この場合には、θｖが１７．１ｍｒａｄより大きいと
そのような事態が生ずる。そこで、部分反射鏡５の楔角
θｖは次式の範囲内にあることが望ましい。 θｖ＜〔ｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ）〕／Δｎ

【００３０】
なお、上記実施例では、部分反射鏡５に光がほぼ垂直に
入射する場合の楔角について説明したが、共振器が図６
に示すように、さらに全反射鏡７を有する構成であって
も同様に考えることができる。すなわち、全反射鏡７で
反射された光がさらに部分反射鏡５で反射されてレーザ
媒質１にもどる場合を考えれば、上記実施例における考
え方をそのまま適用できる。

【００３１】また、上記実施例では、エキシマレーザに
ついて説明したが、無反射コートが施されてもその面に
よって発振が生ずるようなゲインの高いレーザ（例えば
色素レーザ）であれば、そのようなレーザを用いても同
様の効果を奏する。

【００３２】図７はこの発明の他の実施例によるレーザ
共振器をレーザ媒質１等とともに示す構成図である。図
において、８は部分反射鏡５１のホルダ、９はヒータ、
１０は温度検出器、１１はヒータ９および温度検出器１
０に接続された温度制御装置である。

【００３３】次に動作について説明する。この場合には
、部分反射鏡５１の片面を光軸と垂直にし、他面の法線
と光軸とのなす角度θは、 θ＜ｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ） とされる。すなわち、波長分布において積極的に凹みを
生じさせる。よって、無反射コートは施されない。そし
て、その面は部分反射鏡５の基板自体の反射率４％を用
いるか、あるいは、その面に両面の反射率を加えると望
ましい反射率となるようなコートが施される。

【００３４】この場合には、波長分布における凹みが、
期待される中心波長の両側に存在し、波長分布はローレ
ンツ形などの単純な形状の分布となっているのが望まし
い。

【００３５】中心波長の両側に凹みを配置するには、部
分反射鏡５１の厚さを精度よく加工するか、エッチング
や蒸着で調整すればよい。あるいは、部分反射鏡５１の
温度を変えればよい。波長のシフト量Δλｓと温度変化
ΔＴとの間には、次式が成立している。 Δλｓ＝χλΔＴ ここで、χは、部分反射鏡５の基板の線膨張率である（
例えば、石英では５×１０−７）。

【００３６】例えば、レーザの波長幅を３ｐｍに設定す
る場合に、仮に、波長分布において凹みが中心波長の位
置にあったとすると波長を１．５ｐｍずらせばよいが、
およそ１０゜温度を変えればΔλｓ＝１．５ｐｍ（λ＝
３００ｎｍの場合）となる。さらに、変更後の温度を±
１゜以内で安定化すれば、凹みの表われる波長は、０．
１５ｐｍの精度で安定化する。

【００３７】ここで、ヒータ９が部分反射鏡５１の温度
を変え、温度検出器１０が検出した温度に応じて、温度
制御装置１１は、ヒータ９の発熱量を制御すればよい。

【００３８】凹みが中心波長の両側に配置できたときに
、所望する波長幅内に凹みが生じないようにするには、
凹みの間隔が波長幅λｗより大きければよい。すなわち
、以下の条件を満たすように部分反射鏡５１の厚さｔ（
ビーム中心が透過する位置における厚さ）を定めればよ
い。 ｔ＞λ２／２ｎλｗ

【００３９】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、レーザ共振器の部分反射鏡の無反射コート面がビ
ームの光軸となす角度の最低限が明らかになったので、
楔角のより小さい部分反射鏡を採用でき、波形分布に凹
みが生ずることを防止しつつ、アラインメント等が容易
に行えるレーザ共振器が得られる効果がある。

【００４０】また、請求項２記載の発明によれば、レー
ザ共振器を、厚さが調整された部分反射鏡の片面および
他面と全反射鏡との間で２つの共振器が構成されるよう
にしたので、より狭い波長幅のレーザ光を取り出せるも
のが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるレーザ共振器をレー
ザ媒質とともに示す構成図である。

【図２】波長分布に生ずる凹みを説明するための説明図
である。

【図３】部分反射鏡のふれ角に対するレーザ出力の変化
を示す説明図である。

【図４】光の往復の様子およびビーム径の定義を示す説
明図である。

【図５】楔角と屈折角との関係を説明するための説明図
である。

【図６】この発明の他の実施例によるレーザ共振器をレ
ーザ媒質等とともに示す構成図である。

【図７】この発明のさらに他の実施例によるレーザ共振
器をレーザ媒質等とともに示す構成図である。

【図８】従来のレーザ共振器をレーザ媒質等とともに示
す構成図である。

【図９】波長分布の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　　　レーザ媒質 ２　　　　窓 ３　　　　窓 ４　　　　全反射鏡 ５　　　　部分反射鏡 ６　　　　波長選択素子 ７　　　　全反射鏡 ８　　　　ホルダ ９　　　　ヒータ １０　　温度検出器 １１　　温度制御装置 ５１　　部分反射鏡 ５２　　部分反射鏡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ媒質を挾んで設置された全反射
   鏡および部分反射鏡を有するレーザ共振器において、前
   記部分反射鏡は、片面に部分反射コートを有するととも
   に他面に無反射コートを有し、かつ、前記部分反射鏡の
   部分反射コート面の法線と共振器の光軸とのなす角度を
   θ、前記法線に対して前記光軸が傾いている方向のビー
   ム径をｘ、前記全反射鏡と前記部分反射鏡との間の距離
   をＬとした場合に、 ｜θ｜〉ｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ） の関係を有することを特徴とするレーザ共振器。
2. 【請求項２】　　レーザ媒質を挾んで設置された全反射
   鏡および部分反射鏡を有するレーザ共振器において、前
   記部分反射鏡は、共振器の光軸と垂直な一面を有し、前
   記部分反射鏡の他面の法線と共振器の光軸とのなす角度
   をθ、前記法線に対して前記光軸が傾いている方向のビ
   ーム径をｘ、前記全反射鏡と前記部分反射鏡との間の距
   離をＬとした場合に、 ｜θ｜〈ｔａｎ−１（ｘ／８Ｌ） の関係を有しかつ、前記部分反射鏡の厚さをｔ、レーザ
   の中心波長をλ、前記部分反射鏡の基板の屈折率をｎ、
   レーザの波長幅をλｗとした場合に、 ｔ〉λ２／２ｎλｗ の関係を有することを特徴とするレーザ共振器。