JPH0632348B2 - 色素レ−ザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エキシマレーザ、窒素レーザ等で励起され、
色素レーザスポットを得ることができる色素レーザ装置
に関する。

（従来の技術） 従来の色素レーザには、細いノズルからジェット状に噴
出された色素溶液を連続発振するアルゴンレーザ（主た
る波長５１５，４８８ｎｍ）等を用いて照射光励起して
色素レーザ光を得る方式のものがある。

この方式では、連続発振の色素レーザ光を得ることがで
きるから、現在良く使用されている。

色素レーザは、原理的に励起レーザ波長より短波長のレ
ーザ光は得られない。

そこで短波長側に波長域を拡大するためには上記のアル
ゴンレーザよりも波長の短いエキシマレーザ（代表例と
してＸｅＣｌレーザ、波長３０８ｎｍ）、窒素レーザ
（３３７ｎｍ）等の紫外線レーザが励起光源として使わ
れる。

この場合、色素レーザの波長はＸｅＣｌレーザを励起源
として使用すれば、３３０〜９５０ｎｍ位の波長範囲で
発振可能となる。

色素溶液を収めたセルに励起レーザ光が照射され、色素
レーザ光は励起レーザ光は励起レーザ光に対して直交す
る方向に得られる。

この方式も色素レーザを得る奉仕として現在良く使われ
ている。

第３図は、励起光としてエキシマレーザを用いた従来の
色素レーザ装置の主要部を示す斜視図である。

色素レーザ装置は容器に色素を溶媒によってある濃度に
溶解してできる溶液を封入して設けられた色素セル１を
用いる。

この色素セル１の両端延長上に反射鏡２，３が反射面を
対向して配置されている。

そしてこの色素セル１の側面からエキシマレーザ発振器
から発光されたレーザ光５をシリンドリカルレンズ４に
よって集光して照射して色素を発光させる。

前記一対の反射鏡２，３の間で多重反射によりレーザ発
振を起こさせ、前記色素の種類に対応した輝線スペクト
ル光を反射鏡３の一部より７の様に取り出す。

第４図は、第３図に示した従来の色素レーザの励起光を
発生するＸｅＣｌエキシマレーザを略図的に示した図で
ある。

レーザ管１０内にはＸｅ１．５％，ＨＣｌ０．１５％，
Ｈｅ（残）の割合の混合ガスが約２．５気圧封入されて
いる。

図には示されていない電源によってレーザ管は長い棒状
の陰極１３と陽極１４の間をパルス放電し、この時発生
する紫外光が全反射鏡１１、部分透過鏡１２の間を多重
反射することにより、波長３０８ｎｍでレーザ発振す
る。

レーザ光は部分透過鏡１２を通して外部に放出される。

この時得られるレーザ光１３のビームパターンは放電パ
ターンとほぼ同形で１３Ａに拡大して示しあるように長
方形状となる。

したがって、第３図に示されているシリンドリカルレン
ズ４に入射するエキシマレーザ光ビーム５の断面形状は
長方形状のパターンである。

第５図は、従来のエキシマレーザ励起色素レーザ装置の
レーザビームパターンを説明するための略図である。

図は色素レーザ光軸に対して垂直な面内での状態を示し
ている。

励起用のエキシマレーザ光５はシリンドリカルレンズ４
によって集光され、収束ビーム６となって色素セル１の
前板ガラス（これは紫外線を良く透明する石英ガラス板
で作られている）を透過し、色素溶液中に入射させられ
る。

このレーザ光の集光部分８でエキシマレーザ光のエネル
ギー密度が上昇するために、色素が効率良く発光する。

色素レーザの発振はこの発光部８得られ、レーザの形状
はこの発光部８と似た形状となり通常のレーザ（Ｈｅ−
Ｎｅ，Ａｒレーザ等の）で得られる円形パターンと異な
る３角形状のパターンとなる。

同図９に、この色素レーザのパターンを示す。

シリンドリカルレンズ４と色素セル１の間の距離ｘを変
えると得られる色素レーザのパターンは変わる（これに
より色素レーザ出力も変わる）が、本質的にレーザ光ビ
ームは３角形状で、円形とはならない。

（発明が解決しようとする問題点） 前述したエキシマレーザ等の紫外線レーザで光励起して
得られる色素レーザ光は広範囲の波長領域でレーザ光が
得られ、かつ出力光が短パルスでピーク出力が大きい。

そのため各方面での応用が期待されている。

しかし得られるレーザ光ビーム形状が円形状でないの
で、このレーザ光を利用するときたびたび問題にされて
いる。

これは励起方法（構造、幾何学的形状）に関係している
と考えられる。

本発明の目的は、前述した紫外線パルス等のレーザで励
起されて得られる色素レーザにおいても円形のレーザ光
パターンが得られる色素レーザ装置を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による色素レーザ装
置は、励起レーザと色素レーザ発生部からなる色素レー
ザ装置において、前記色素レーザ発生部を対向して配置
されている一対の反射鏡，前記反射鏡の光軸を結ぶ線上
に収容されたレーザ発振を行う色素溶液，前記溶液収容
空間の外周に配置された円筒状の反射面により形成し、
前記いずれか一方の反射鏡の一部から励起レーザ光を前
記円筒状の反射面に囲まれる空間に導入して構成されて
いる。

前記レーザ発生部の励起レーザ光入射側の反射鏡はその
中心部には色素レーザ光に対して十分高い反射率を有す
る反射膜が付され、励起レーザ光を導入する外周部には
反射膜が設けない方が良い。

前記励起レーザは不安定形共振器構造を有するエキシマ
レーザまたは窒素レーザが適している。

前記色素レーザ光発生部は中心孔を有する透明円筒で作
られ、この中心孔をレーザ発振を行う色素溶液が流通
し、中心孔軸に対して垂直に付された前記一対の反射鏡
の一部から入射された励起レーザ光が前記円筒外壁を前
記円筒状の反射面として伝達させられることが好まし
い。

前記レーザ光発生部の中心孔を有する透明円筒は励起レ
ーザ光に対して、十分な透過率を有する物体であり、か
つ円筒外壁には前記励起レーザ光が効率良く反射するた
めの反射膜が設けられていることが好ましい。

（実施例） 以下、実施例等を参照して本発明をさらに詳しく説明す
る。

第１図は、本発明による色素レーザ装置の実施例を示す
略図である。

この実施例の色素レーザ装置から得られるレーザ光ビー
ムの断面形状を円形とすることができる。

第１図は、励起用のエキシマレーザと得られる円形スポ
ットの色素レーザを光ファイバに導入して伝送する応用
例を概略的してある。

この実施例において、色素レーザの励起には不安定形共
振器と呼ばれる共振器構造を有するエキシマレーザが用
いられている。

エキシマレーザ管（図示せず）の両端外側には凹面反射
鏡２１（Ｍ_１），凸面反射鏡２２（Ｍ_２）がそれぞれ配
置されている。

凹面反射鏡２１と凸面反射鏡２２の極率半径をＲ_１，Ｒ
_２とし、反射鏡の間隔をｄとするときこれ等の間に以下
の関係を成立させると凸面反射鏡２２の周辺から出射さ
れるレーザ光は中心の抜けた平行ビームとなる。

（Ｒ_１／２）−（Ｒ_２／２）＝ｄ このとき得られるレーザ光ビームの形状は円形アパーチ
ャをもつアパーチャ板２６を通すことにより、中心が凸
面反射鏡２２の直径相当分だけ除去された断面が円環状
のビームとなる。

アパーチャ板２６は周辺が長方形状のビームの周辺を一
部カットして円形にするもので、エネルギー的には少し
の損失しか与えない。

ビーム２３は、集光レンズ２４（Ｌ_１）によってビーム
２５の様に収束され色素レーザ管に入射させられる。

第２図は、本発明の色素レーザ管を拡大して示したもの
である。

色素レーザ管本体３０は紫外線（波長３０８ｎｍ）を良
く透過できる様に石英管で作られている。そしてこの色
素レーザ管本体３０の中心には色素レーザ光を発生させ
る溶液を収容する中心孔３４が設けられている。

色素レーザ管本体３０の両端面は平行度３０秒位の精度
で平行に研磨されており、ここに反射鏡３１（Ｍ_３），
反射鏡３２（Ｍ_５）がエポキシ樹脂などの接着剤３５，
３６で接着されている。

例えば、波長４６０ｎｍ付近の色素レーザ光が必要なと
きには、約４ｍＭ／ｌ濃度のクマリン４６０色素のエチ
ルアルコール溶液を中心孔３４中を流通させる。

反射鏡３１（Ｍ_３）は、色素溶液と接触する反射面の中
心部のみ、波長４６０ｎｍ光に対して反射率がほぼ１０
０％となる様に蒸着膜が施されている。

同様に色素レーザ光取り出し側の反射鏡３２（Ｍ_５）も
色素溶液と接する反対面が４６０ｎｍ光に対して適度な
透過率を持つ様に蒸着が施されている。なおゲインの大
きな色素レーザの場合は、反射鏡３２（Ｍ_５）は単なる
ガラス板が使用される。また反射鏡３１，３２は色素レ
ーザ光に対して平面鏡であっても凹面積であっても良
い。

管３７，３８は色素溶液をレーザ管に入れるときの入
口，出口を規定する管である。

そしてこれらの管３７と３８は、第１図に示す様に循環
ポンプ４１，リザーバ（色素溶液溜め）４２を接続し
て、３４中を色素溶液が循環できるようにしてある。

これはエキシマレーザ出力が大きい時に、色素溶液の冷
却をするために必要である。

第２図において、矢印３９，４０は色素溶液の流れる方
向を示している。これが反対方向となっても問題は無
い。

石英管３０の円筒外周面にはエキシマレーザ光（波長３
０８ｎｍ）に対して高反射率を持つ反射膜よりなる反射
面３３（Ｍ_４）が蒸着されている。

レンズ２４で収束されるエキシマレーザ光は第２図に詳
細に示されているように反射鏡３１（Ｍ_３）に入射させ
られる。

レーザ光の円環状のビームパターンの中心は、反射鏡３
１の光軸に位置合わせされており、円環状のビームパタ
ーンは反射鏡３１の反射膜の外周部に入射させられる。

この調整はレンズ２４（Ｌ_１）の光軸方向の位置調整に
よって行われる。

反射鏡３１（Ｍ_３）に入射したエキシマレーザ光は各構
成面を屈折透過しながら、石英管３０の反射面３３（Ｍ
_４）で反射されて色素溶液を含む中心孔方向に折り返さ
れる。

この後エキシマレーザ光は反射面３３（Ｍ_４）での反射
を繰り返しながら、結果として光軸方向に進行する。

この間に中心孔の色素溶液を励起し、これからの発光を
反射鏡３１（Ｍ_３），３２（Ｍ_５）の間での多重反射に
より増幅して、レーザ光として成長させ、反射鏡２２
（Ｍ_５）を通して外部にレーザ光５０として出力され
る。

収束光として反射鏡Ｍ_３に入射したエキシマレーザ光は
色素レーザ管の内部で発散光に変わり、これが反射鏡３
３（Ｍ_４）で反射されながら光軸方向に進行することに
なるから、色素溶液の励起は空間的に平均化される。

その結果、色素レーザビーム５０は中心孔で定められる
大きさの円形ビームとして取り出される。色素レーザビ
ーム５０はさらに収束レンズ６０（Ｌ_２）により小径に
収束され光ファイバ６１に効果的に入射させられて伝送
され、遠方で出力光６２として放出される。

本発明のレーザ装置によって得られるレーザ光は、光フ
ァイバに導光する時に従来の方式（ビーム断面形状が３
角形）のものより効率良く光ファイバに入射され導光さ
れることは明らかである。

発明者は、以上詳しく説明した実施例について以下の条
件で実験を行い、４６０ｎｍのレーザ光の発生を確認し
た。

石英管３０：外径２０ｍｍ、中心孔径４ｍｍ 反射鏡３１（Ｍ_３）：曲率半径５００ｍｍ 反射鏡３２（Ｍ_５）：石英板（反射膜の蒸着無し） 反射鏡３１と３２の間隔：１００ｍｍ 色素溶液：濃度約４ｍＭ／の（クマリン４６０／エチ
ルアルコール）の色素溶液 以上エキシマレーザを励起光とした場合について詳細な
説明を行ったが、他のレーザ、例えば窒素レーザ（波長
３３７ｎｍ）等の横例レーザを用いて同様に良好な色素
レーザ発振を得ることができた。

（発明の効果） 以上詳しくは説明したように、本発明による色素レーザ
装置は、励起レーザと色素レーザ発生部からなる色素レ
ーザ装置において、前記色素レーザ発生部を対向して配
置されている一対の反射鏡，前記反射鏡の光軸を結ぶ線
上に収容されたレーザ発振を行う色素溶液，前記溶液収
容空間の外周に配置された円筒状の反射面により形成
し、前記いずれか一方の反射鏡の一部から励起レーザ光
を前記円筒状の反射面に囲まれる空間に導入して構成さ
れている。

前記構成はエキシマレーザや窒素レーザ励起の色素レー
ザ装置に適しており、得られるパルス当りの光エネルギ
ーが大きく、大きな平均出力を取り出すことができる。

そして、出力レーザ光ビームの形状を円形スポット状に
することが出来るという優れた効果が得られた。

そのため、本発明による色素レーザ装置では、次の様な
利点が得られる。

(1) 従来の色素レーザ装置の出力ビームは３角形等の
断面形状であったので、レンズで集光しても微小点迄に
集光できなかったが、本発明による色素レーザ装置では
問題は解決できる。

(2) 〔(1)と関連して〕色素レーザ光を他の非線形光学
物質（結晶、ガス等の）に照射して波長変換を行う時
に、微小点に集光できるので、変換効率を向上させるこ
とができる。

(3) 光ファイバ中に色素レーザ光を通す時にはレンズ
で集光してファイバに入射させるが、レーザスポットが
円形となるために入射効率を向上させることができる。

(4) 〔(3)に関連して〕強いレーザ光をファイバに入射
するときに、ビーム断面形状が円形であるので、ファイ
バ断面をほぼ均一に照射するためファイバの光破壊を減
少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による色素レーザ装置の実施例の概略
を示す図である。 第２図は、前記実施例装置の色素レーザ管を拡大して示
した断面図である。 第３図は、エキシマレーザを励起源として得られる従来
の色素レーザの主要部の構成を示す斜視図である。 第４図は、従来の色素レーザ装置の励起用のエキシマレ
ーザの概略を示す断面図である。 第５図は、第３図に示す従来の色素レーザ装置で得られ
るレーザ光パターンを説明するための略図である。 Ｉ……励起（エキシマ）レーザ II……色素レーザ発生部 ２１……エキシマレーザ管の凹面反射鏡 ２２……エキシマレーザ管の凸面反射鏡 ２３……エキシマレーザ管の出力ビームの断面 ２４……集光レンズ ２５……収束された励起レーザビーム ２６……アパーチャ板 ３０……色素レーザ管本体 ３１……反射鏡（入射側） ３２……反射鏡（出射側） ３４……中心孔 ３５，３６……接着剤 ３７，３８……管 ４１……循環ポンプ ４２……リザーバ ５０……色素レーザ出力ビーム ６０……集光レンズ ６１……光ファイバ ６２……出力光

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】励起レーザと色素レーザ発生部からなる色
   素レーザ装置において、前記色素レーザ発生部を対向し
   て配置されている一対の反射鏡，前記反射鏡の光軸を結
   ぶ線上に収容されたレーザ発振を行う色素溶液，前記溶
   液収容空間の外周に配置された円筒状の反射面により形
   成し、前記いずれか一方の反射鏡の一部から励起レーザ
   光を前記円筒状の反射面に囲まれる空間に導入して構成
   した色素レーザ装置。
2. 【請求項２】前記レーザ発生部の励起レーザ光入射側の
   反射鏡はその中心部には色素レーザ光に対して十分高い
   反射率を有する反射膜が付され、励起レーザ光を導入す
   る外周部には反射膜が設けられていない反射鏡である特
   許請求の範囲第１項記載の色素レーザ装置。
3. 【請求項３】前記励起レーザは不安定形共振器構造を有
   するエキシマレーザまたは窒素レーザである特許請求の
   範囲第１項記載の色素レーザ装置。
4. 【請求項４】前記色素レーザ光発生部は中心孔を有する
   透明円筒で作られ、この中心孔をレーザ発振を行う色素
   溶液が流通し、中心孔軸に対して垂直に付された前記一
   対の反射鏡の一部から入射された励起レーザ光が前記円
   筒外壁を前記円筒状の反射面として伝達させられる特許
   請求の範囲第１項記載の色素レーザ装置。
5. 【請求項５】前記レーザ光発生部の中心孔を有する透明
   円筒は励起レーザ光に対して、十分な透過率を有する物
   体であり、かつ円筒外壁には前記励起レーザ光が効率良
   く反射するための反射膜が設けられている特許請求の範
   囲第４項記載の色素レーザ装置。