JPH0626272B2 - レ−ザ装置用偏光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ装置用偏光装置に関する。特に、本発
明は、レーザ装置の光共振器内に配置され、偏光した光
をレーザ装置から出力させるレーザ装置用偏光装置に関
する。

（従来の技術） レーザ装置に関する技術の一つとして、光共振器内のレ
ーザビームの通路内に偏光素子を配置し、該光共振器内
でレーザビームを偏光させ、これによりレーザ装置から
偏光ビームを出力させる方法が知られている。この場
合、ほぼ完全な直線偏光を得るには、前記偏光素子によ
る偏光成分の吸収率の差が約１％程度であればよい。例
えば、光共振器の一端に、約４５゜の角度でレーザ光線
が入射するように平面型ミラーを配置すると、前記の如
き適当な吸収率の差が得らえ、直線偏光された出力ビー
ムが出力される。

しかしながら、いわゆる折り返し型光共振器を使用する
小型ガスレーザ装置では、前記４５゜反射器の使用は好
ましくない。というのは、このような光共振器では、共
振器内で利用できるスペースが極めて制限されているた
めである。また、気体の流れとの干渉を避ける必要があ
るためである。さらに、適当な反射器のコストが比較的
高いためである。

更にまた、４５゜反射器を使用すると、偏光面を変化さ
せることが困難である、という点も前記理由の一つであ
る。すなわち、出力ビームの偏光面が自由に考えられる
レーザ装置が、多方面で要望されているが、前記従来の
装置では、そのための構造が複雑化してしまうのであ
る。

したがって、従来の装置に代えて、光共振器内で場所を
とらず、４５゜反射器に比してコストが安く、かつ、偏
光面を容易に変えられるレーザ装置用偏光装置が望まれ
ていたのである。

（発明の目的） 本発明の主たる目的は、レーザ装置の光共振器で使用さ
れる偏光装置であって、該光共振器内に占めるスペース
がわずかであり、しかも、安価なレーザ装置用偏光装置
を提供することである。

本発明の他の目的は、レーザ装置の光共振器内で使用さ
れる偏光装置であって、レーザ装置から出力される光の
偏光面を容易に変化させることができるレーザ装置用偏
光装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、ガスレーザ装置の光共振器
内で使用される偏光装置であって、気体の流れの通路内
に配置しても、該気体の流れに悪影響を与えることがな
いガスレーザ装置用偏光装置を提供することである。

（発明の概要） この発明の偏光装置は、前記目的を達成するため、レー
ザ装置の光共振器のレーザビーム通路内に高い光反射率
を有する微細な複数の線状部材を互いにほぼ平行に、か
つ光共振器の光軸とほぼ直交するように配列してなるも
のである。

（実施例） 第１図は、気体レーザ装置に使用される折返し型の安定
光共振器を示す概略図である。この型の光共振器では、
該光共振器の空洞の両端に一対の比較的大きなミラーを
配置し、該ミラー間でレーザビームを反射させることに
よって、光共振器の長さを短縮する。このような光共振
器は、一般に、「折返し」光共振器と呼ばれる。これ
は、レーザビームが、二つのミラー間で何重かに折り返
されると見なされるためである。

第１図に示す安定光共振器は、プライマリーミラー１を
使用する。プライマリーミラー１は反射凹面を有し、こ
の反射凹面はレーザビームをフォールディングミラー２
の反射平面に向けて反射する。該フォールディングミラ
ー２は、レーザ領域４の一端に隣接して配置され、レー
ザ領域４の他端に隣接して配置される他の平面型フォー
ルディングミラー３の方向に向けられている。フォール
ディングミラー３の周縁には、平面型フィードバックミ
ラー５が配置されている。フィードバックミラー５は、
半透過性であり、入射する光の一部をレーザ装置の出力
ビームとして通過させるとともに、残りの光をフォール
ディングミラー２に反射する。

レーザ装置が作動する際には、反転分布を有するＣ
Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈｅ混合気体等のレーザ媒質がレーザ領域
４に流される。この領域４内で、放射光線がレーザ作用
によって増幅される。例えば、プライマリーミラー１で
反射されたレーザビーム６は、第１図に矢印で示される
通路に沿って進み、フォールディングミラー２および３
間で往復反射される。この行程の最後で、レーザビーム
６はフォールディングミラー２により反射され、フィー
ドバックミラー５に向けられる。そして、出力窓７を通
過してレーザビームの出力光として放出されるか、また
はフォールディングミラー２に向けて再び反射され、プ
ライマリーミラー１までの元の通路をたどり、ここで再
度反射されて、されにフィードバックミラー５までの同
一通路をたどる。第１図の光学系は「安定」共振器と呼
ばれるが、本発明は、レーザ装置に使用される他のタイ
プの光共振器、例えば「不安定型」光共振器などにも応
用可能である。

第２図は、前記光共振器が適用される横方向ガス流型の
ガスレーザ装置の内部構成を示す概略図である。このレ
ーザ装置の容器は、円筒型外殻１０によって形成されて
いる。第２図には、前記フォールディングミラー２が示
されている。安定光共振器の他の光学系は、本レーザ装
置の内部構成を見易くするために省略してある。第２図
に示されるレーザ領域４は、２枚の絶縁プレート１１お
よび１２の間に配置されている。この絶縁プレート１１
および１２は、高温に耐える材料からなり、その下面お
よび上面に、前記レーザ領域４に電界を発生させるため
のピン状電極１３および１４を配設している。前記ピン
状電極により発生される電界は、レーザ領域４を通過す
る気体を励起し、レーザを発生させる。

レーザ媒質である気体は、送風機１５によって加速され
レーザ領域４に導入される。この気体は、レーザ領域４
に導入される前に、上流熱交換器１６内を通される。上
流熱交換器１６は、送風機１５に於て加熱された気体を
冷却する。

次に、レーザ領域４を通過した高温気体は、下流熱交換
器１７に通される。下流熱交換器１７は、レーザ領域４
に於て放電で加熱された気体を冷却する。そして、適切
なレベルの気体分子分布を回復させ、該気体によるレー
ザ放射を再び可能にする。

こうして気体は、第２図に矢印で示す閉路を流れる。こ
の気体の流れは、流れ制御板１８によって閉路内に閉じ
込められる。

第２図は、横方向ガス流型のガスレーザ装置の構成の一
例を示すものである。この型のレーザ装置に採用される
他の構成は、米国特許第３，７２１，９１５号および第
３，７４８，５９４号に開示されている。

第３図は、前記フィードバックミラー５とフォールディ
ングミラー２とを有する前記安定光共振器の一部を示す
概略図である。第３図において、横方向の気体の流れは
矢印Ｇで示されており、これに対し光ビームは点線ＬＢ
で示されている。フィードバックミラー５は光共振器内
で発生したレーザビームを、出力ビームとしてレーザ装
置の出力窓７へ出力するものである。従って、以下では
これを出力カプラ５と呼ぶ。

光共振器において、前記出力カプラの前方には、支柱２
１および２２の間に支持された微細ワイヤ２０が平行配
列されている。この微細ワイヤ２０は金、銀、または銅
などの導電率の高い材料からなり、高い光反射率を有し
ている。

さて、散乱理論（例えば、１９６９年にニューヨークで
発行されたエム・カーカー氏によるアカデミックプレス
の「光及びその他の電磁波の散乱（Scattering of Ligh
t and Other Electromagnetic Radiation」参照）によ
れば、入射光の波長の１０倍程度の直径を有する高導電
率細ロッド又は細ワイヤによる、レーザ光の散乱断面積
は、該ロッド等に平行な偏光成分と、垂直な偏光成分と
でその値が異なる。すなわち、平行な偏光成分の散乱断
面積の方が垂直な偏光成分のそれに比べて少し大きい。
従って、前記ビームの通路に平行配列された微細ワイヤ
２０は、該レーザビームを、該ワイヤと垂直な方向に直
接偏光させる。

なお、その際、入射光の波長をλとし、プライマリーミ
ラーと出力カプラ間の通路の長さをＬとすると、細ロッ
ドまたは細ワイヤの直径が に比して小さければそのロッドまたはワイヤは、レーザ
モードにほとんど影響を与えない。

本発明の一実施例において、前記ワイヤは、銀メッキし
た銅からなり、直径は０．００８インチである。０．０
０８インチの直径は、放射入射光の波長の約２０倍であ
り、光共振器内のモードに対する影響が認められる。

平行配列されたワイヤの直径は、理想的には、レーザ波
長との同程度あるいはそれ以下であるのが望ましい。そ
れは、このような微細なワイヤは、レーザビームのエネ
ルギーを減少させることなく、ワイヤに平行な偏光成分
とワイヤに垂直な偏光成分との間に、比較的大きな成分
差を生じさせることができるからである。例えば、ＣＯ
_２、Ｎ_２、Ｈｅガスレーザでは、レーザ光の波長が１０
ミクロン程度となるので、ワイヤの太さも１０ミクロン
程度とするのが好ましい。しかしながら、このように細
いワイヤは、実際には機械的強度および耐熱性との関係
から、その扱いが困難である。

次に、前記ワイヤを冷却する方法について説明する。前
記配列されたワイヤは、導電率が高い材料から成ってい
るので、入射光のほとんどをほぼ完全に反射する。しか
し、それでも、入射されるレーザ光線のエネルギーが熱
を発生する。従って、この熱を除去し、ワイヤのたれ下
がりや融解による故障を防止する必要がある。

そこで、この冷却のため、前記配列されたワイヤを、気
体の流れの中に配置する。このとき、その配置位置は、
他の種々の条件のため、レーザ領域の縁とするのが望ま
しい。このようにすればレーザ領域内を流れる気体がワ
イヤから熱を奪う。また、このとき、第３図に示すよう
に、ワイヤの配列面を少し気体の流れ方向に向け、該気
体の流れにあたるワイヤの断面積を増加させるのがよ
い。このようにすれば気体の流れは、ワイヤ配列の間を
通り抜けて進むから、たいへん効率的にワイヤを冷却す
ることができる。

流れの方向にワイヤ配列を向ける代りに、曲線羽根など
のデフレタを使用し、気体の流れの一部をそらせ、ワイ
ヤ配列を通過させてもよい。

更に、前記の如く、ワイヤを気体の流れで冷却する代り
に、又は、これに加えて、第４図に示すように、該ワイ
ヤを冷却兼用支持台２３に取り付け、これによりワイヤ
を冷却することもできる。この冷却兼用支持台２３は中
央に透孔を有し、該透孔を通してレーザビームを出力カ
プラ５に向かわせる。第４図に示す実施例では、ワイヤ
配列はビーム進行方向にほぼ垂直な平面内に配置されて
いる。この構成において、ワイヤの熱は、ヒートシンク
として働く冷却兼用支持台へ伝導される。

この冷却兼用支持台２３は、例えば、水で冷却されるの
が好ましい。第４図に示される支持台２３は、この目的
のため、中空の円環状本体を備え、この本体に水入口２
５と水出口２６とを設けている。従って、冷却水がこの
中空支持台２３内部を通過することができ、該支持部２
３を介して、前記偏光ワイヤを冷却する。

なお、１ＫＷ程度の光出力を発生するレーザ装置では、
前記偏光ワイヤの反射率が１％程度に維持されれば、前
記２種の冷却方式のいずれでもよい。

次に、第５図は、レーザビームの偏光面を容易に回転さ
せることができる本発明の他の実施例を示す。この実施
例では、偏光ワイヤが環状支持台に取り付けられ、該支
持台の周縁に、モータ３０の回転軸に設けられたまさつ
車の周縁が当接されている。従って、モータ３０の軸を
回転させることにより、支持台３１及び偏光ワイヤが回
転される。そして、該偏光ワイヤの回転に伴って、レー
ザビームの偏光面が回転する。よって、本実施例によれ
ば、レーザ装置容器の外部から制御可能なモータを使用
することにより、レーザ装置容器を開かずに、またはレ
ーザ装置の運転を停止させずに、レーザビームの偏光面
を容易に変化させることができる。

なお、前記実施例では、支持台３１は、その周縁にモー
タ３０により回転する摩擦車の周縁を当接させることに
より、所望方向に回転させるようにしたが、必ずしもこ
のようにする必要はなく、たとえば、その周縁に、適宜
の歯車等を設け、該歯車に、モータ３０の回転を伝える
他の歯車を噛合させ、これにより、支持台を回転させる
ようにしてもよい。

次に、偏光ワイヤの直径が光共振器内の放射光の波長の
約１０倍またはそれ以下である場合、偏光ワイヤは、光
共振器の伝搬モードにほとんど影響を及ぼさないが、偏
光ワイヤの直径が波長の２０倍より大きくなると、共振
器内のモードに対するワイヤの影響が大きくなり得る、
という点に注目する。第６図は、この点に鑑み構成した
本発明の他の実施例を示すものである。この実施例で
は、第６図に示す如く、レーザ光の波長の約２０倍の直
径を有する偏光ワイヤが平行に３本用いられている。こ
の実施例によれば、３本の偏光ワイヤがＴＥＭ_００、Ｔ
ＥＭ₁₀、ＴＥＭ₁₁の各モードからほぼ同じエネルギー分
の光ビームを散乱させる。

第７図は、モード制御装置を使用する本発明の他の実施
例を示す。

この実施例では、光共振器内に高次モードが形成される
のを防ぐため、開口を有するモード制御装置が使用され
る。すなわち、同図に示すごとく前記モード制御装置５
０が、光共振器内において、出力カプラ５の前に配置さ
れている。そして、このモード制御装置５０に、偏光ワ
イヤ５１，５２，および５３が支持されている。これら
の平行ワイヤは、第６図に示すような方法で間隔を持た
せることが望ましい。

第７図の実施例の変更状態を第８図に示す。この変更形
態においては、中央ワイヤ５２の中間部が省かれてい
る。このようにすることにより、中央偏光ワイヤに起因
するＴＥＭ_００モードのエネルギー減衰を減少させるこ
とができる。又、これにより該ＴＥＭ_００モードのモー
ド形成が促進される。第８図に示す実施例のワイヤ５
４，５５，および５６は、第６図に示されるような方法
で間隔を置かれている。また、当然ながらワイヤ５５の
間隔は、ＴＥＭ_００モードの散乱が起きないような十分
な大きさとすることが望ましい。なお、第７図および第
８図に示す実施例において、モード制御装置５０および
５７は、偏光ワイヤを伝導する熱のヒートシンクとして
も働く。

第９図は、光共振器のミラーを使用する他の実施例を示
す。

前記微細ワイヤの平行配列は、光共振器内のビームの通
路内であって、適切に冷却される領域であれば、ほぼど
こにでも配置できる。光共振器内のミラーのあるもの
は、冷却手段を持っているため、該ミラーの表面に、ま
たは該ミラーに埋込んで、ワイヤを配列させることがで
きる。この場合には、例えば第９図に示すように、出力
カプラの表面にワイヤを配列させることが可能である。

微細ワイヤを使用するする代りに、ミラーの表面に微細
ラインを刻み込むかエッチングすることもできる。これ
らの微細ラインまたは溝も、ビームの偏光面に従って放
射光を選択的に散乱させる。この実施例は、ミラーの表
面に１波長またはそれ以下の幅の極微細ラインをつくれ
るという利点を持っている。このような微細ラインの配
列の幅と間隔とは次のように設計される。すなわち、そ
の配列が非常に低い効率の回折格子を作り、偏光面に従
って、非常に小さいエネルギー部分（例えば、モード全
体のエネルギーの約１％またはそれ以下のエネルギー部
分）を選択的に回折するよう設計する。この実施例は、
４５゜入射のミラーと同様に動作し、各モードの空間的
細部には反応しない。

本発明は、各種態様において実施可能であるため、本発
明の範囲は、前記した実施例のみに限定されるものでは
ない。例えば、本発明は、軸方向流れ型の気体レーザ装
置においても実施可能である。従って、本発明の範囲
は、特許請求の範囲によって規定され、本発明の基本的
特徴から逸脱しないような変更形態をも含むものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、気体レーザ装置に使用できる折返し型の安定
光共振器を示す概略図、 第２図は、横方向ガス流型のガスレーザ装置の内部構成
を示す概略図、 第３図は、横方向ガス流型のレーザ装置内で発生するレ
ーザビームを偏光させるための本発明の一実施例を示す
概略図、 第４図は、ワイヤで発生した熱がワイヤに沿ってヒート
シンクに伝導されるようになっている本発明の他の実施
例を示す概略図、 第５図は、レーザ装置で発生したレーザビームを偏光す
ると共に、その偏光面を所望の態様で回転させることが
できる本発明の一実施例を示す概略図、 第６図は、光共振器内のモードのピークに対する偏光ワ
イヤの望ましい配置を示す概略図、 第７図は、偏光ワイヤの配列を支持するためのモード制
御装置を使用する、本発明の他の実施例を示す概略図、 第８図は、ＴＥＭ_００モードの形成を促進させる、第７
図の変更形態を示す図、および 第９図は、偏光ワイヤに代えて、光共振器のミラーの表
面にラインを刻み込んだ、またはエッチングした、本発
明の他の実施例を示す図である。 １……主ミラー、２，３……折返しミラー ４……レーザ領域、５……フィードバックミラー ６……放射光線、７……出力窓 １０……円筒型容器、１１，１２……絶縁ブレート １３，１４……電極、１５……送風機 １６……上流熱交換器、１７……下流熱交換器 １８……流れ制御板、２０，４０……微細ワイヤ ２１，２２……支柱、３０……モータ ３１……支持台、５０……モード制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーザン デー． ホッグ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、イ ースト ボストン ウエブスター ストリ ート 177

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ装置内で共振するレーザ光線を偏光
   するための偏光装置であって、該レーザ装置の光共振器
   の光ビーム通路内に高い光反射率を有する微細な複数の
   線状部材を互にほぼ平行に、かつ光共振器の光軸とほぼ
   直交するように配列してなるレーザ装置用偏光装置。
2. 【請求項２】前記平行に配列された線状部材は、前記レ
   ーザ光線に対する線状部材の向きが回転可能なよう構成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載のレーザ装置用偏光装置。
3. 【請求項３】前記平行に配列された線状部材は、前記光
   共振器内の低次の共振モードのピーク位置に配置されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のレ
   ーザ装置用偏光装置。
4. 【請求項４】前記平行に配列された線状部材で散乱され
   たレーザ光線の偏光成分の強度差は、各偏光成分の強度
   自身の約１％以内であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のレーザ装置用偏光装置。