JPH08512429A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザ装置は、一端で再帰反射鏡（２６）に接続された矩形マルチモード・ビームスプリッタウェーブガイド（２０）を備える。ビームスプリッタウェーブガイド（２０）は、第２の端部で、出力結合ウェーブガイド（２２）および反射結合ウェーブガイド（２４）に接続される。反射結合ウェーブガイド（２４）は、第２の再帰反射鏡（２７）で終わる。装置内で生成された放射は、装置の出力で部分反射鏡が必要とされないように、鏡（２６）で反射され２本の結合ウェーブガイドに結合される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ装置 本発明は、レーザ装置に関する。 レーザは、従来技術において周知であり、１９６０年にＴ．Ｈ．Ｍａｉｍａｎ によって初めて発明された。レーザでは、電磁放射が、励起エネルギー・レベル からより低いエネルギー・レベルへの遷移を誘導する共鳴キャビティの２つの端 部間で反射し、その結果、同位相であり、誘導放射と同じ方向に移動する更なる 光子が生成される。キャビティの端部は、鏡で吸収または透過される放射の量が 、この誘導プロセスによって生成される放射の量以下になるように、十分な反射 率を有するものでなければならない。従来技術のレーザは、多量の入射放射をキ ャビティ内に反射し少量をレーザ・ビームとして透過させる部分反射キャビティ 鏡を構成中に含む。いくつかの誘電体層を備える部分反射鏡は、製造費が比較的 高価である。部分反射鏡はまた、高出力応用例では損傷を受けやすい。 レーザ装置の一例は、１９７４年に米国マサチューセッツ州のAddison-Wesley Publishing Company Incが発行したＥ．ＨｅｃｈｔおよびＡ．Ｚａｊａｃ著” Ｏｐｔｉｃｓ”の４８６ ページに記載されたＨｅ：Ｎｅガス充填レーザである。 本発明は、導波手段と、共鳴キャビティを画定するように構成された第１およ び第２の反射手段とを含み、導波手段が、第１の放射手段で放射強度マキシマ（ radiation inteusity maxima）を画定し、第２の反射手段で少なくとも過渡的に 強度マキシマを画定し、第１および第２の反射手段から分離された出力で少なく とも過渡的に強度マキシマを画定するように構成されたレーザ装置を提供するも のである。 本発明は、部分反射出力鏡を必要としないという利点を提供する。そのような 鏡は、出力損傷を受けやすい。これは特に、高出力二酸化炭素レーザでそうであ る。 レーザとして構成されたマルチモード伝搬ウェーブガイドを使用することは、 ＰＣＴ出願ＷＯ９２／１１５５０号に記載されている。この出願は、部分反射鏡 を備えるレーザを記載している。ＰＣＴ特許出願ＷＯ９２／１１５５４号は、マ ルチモードウェーブガイドを強度分割装置として使用することを記載している。 本発明のレーザ装置は、第１の端部で２本の結合ウェーブガイドに接続された マルチモード・ビームスプリッタウェーブガ イドを有し、このうちの一方の結合ウェーブガイドは、反射結合ウェーブガイド であり、他方は出力結合ウェーブガイドである。放射結合ウェーブガイドは、完 全反射鏡で終わる。ビームスプリッタの第２の端部に反射手段が構成される。 この装置は、結合ウェーブガイドに結合された放射の約８５％が放射結合ウェ ーブガイドに結合され、残りの１５％が出力結合ウェーブガイドに結合されるよ うに構成することができる。 ビームスプリッタウェーブガイドの第２の端部にある反射手段は、変調ウェー ブガイドを含むことができる。変調ウェーブガイドは、反射手段によって反射さ れた放射の位相制御を行うように構成することができる。変調ウェーブガイド内 に電気光学位相変調器を構成することができる。このような位相変調器は、熱効 果のための装置の寸法の変化を補正するように構成することができ、放射強度マ キシマを結合ウェーブガイド間で切り換えることによって装置をＱスイッチ・モ ードで操作するように構成することもできる。Ｑスイッチ・レーザ装置として操 作することによって、高強度パルス出力を生成することができるという利点が与 えられる。レーザ装置の出力の強度は、位相変調器を制御することによって制御 することができる。 ビームスプリッタウェーブガイドの第２の端部にある反射手段は、平坦な鏡で よく、２本の結合ウェーブガイドに結合される放射強度マキシマは、等しい強度 のものでよい。 このレーザ装置は、中空のウェーブガイドを含むガス・レーザでよい。ガスは 、ＲＦ電極によってエネルギーが媒体自体に結合される利得媒体を提供する。こ のレーザ装置は、利得媒体として働く半導体材料系のリッジウェーブガイドで形 成することもできる。媒体は、装置中を流れる電流によって励起することができ る。 このレーザ装置は、ビームスプリッタウェーブガイドの両端部に出力結合ウェ ーブガイドを有することができる。これらの出力結合ウェーブガイドから放出さ れる放射出力ビームは、強度が等しく、相互の位相関係が一定のものでよい。 本発明をより完全に理解できるようにするために、次に、本発明の実施例を添 付の図面に関して一例としてのみ説明する。 第１図は、本発明のレーザ装置の横断面平面図である。 第２図は、第１図の線ＩＩ−ＩＩに沿った縦断面図である。 第３図は、第１図の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った縦断面図である。 第４図は、第１図のマルチモードウェーブガイドと同じ断面のマルチモードウ ェーブガイドに沿った電界強度分布を示す一群のグラフを示す図である。 第５図は、密封キャビティを備える本発明のレーザ装置を示す図である。 第６図は、制御可能な位相変調器ウェーブガイドを備える本発明のレーザ装置 の断面図である。 第７図は、リッジウェーブガイドで形成された本発明のレーザ装置の概略図で ある。 第８図は、第７図のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った縦断面図である。 第９図は、第７図のＩＸ−ＩＸに沿った縦断面図である。 第１０図は、レーザ放射強度を２本の結合ウェーブガイドのそれぞれと同様に 結合するように構成された本発明のレーザ装置の横断面平面図である。 第１１図は、Ｑスイッチ操作向けに構成された本発明のレーザ装置の横断面平 面図である。 第１２図は、２本の出力結合ウェーブガイドを備える本発明のレーザ装置の横 断面平面図である。 第１図、第２図、第３図を参照すると、全体的に１０で示した本発明のレーザ 装置の断面図が示されている。第１図は、レーザ装置１０の横断面図である。第 ２図および第３図にはそれぞれ、第１図中の線ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩ 上の縦断面が示されている。 レーザ装置１０は、２枚のアルミナ、すなわち、ベース・シート１２とカバー ・シート１４を備える。シート１２および１４は、表面が平面であり、互いに平 行である。第２図および第３図で、カバー・シート１４とベース・シート１２の 間の界面の位置は、破線１６で示されている。 ベース・シート１２は、出力結合ウェーブガイド２２と反射結合ウェーブガイ ド２４とを含むビームスプリッタウェーブガイド２０を形成するように１枚の固 体アルミナからフライス削りによって形成される。ウェーブガイド２０、２２、 ２４は、シート１２をフライス削りすることによって形成された平坦な表面で画 定される側壁と下壁（図示せず）とを有する。これらのウェーブガイドは、カバ ー・シート１４の下部表面１４ａによって与えられる上壁を有する。 装置１０は、高反射率銅製の再帰反射鏡２６および２７を備 える。鏡２６は、３つの反射領域２６ａ、２６ｂ、２６ｃを画定する段形状を有 する。 無線周波数電極２９は、ウェーブガイド内の利得媒体にエネルギーを容量結合 するためにビームスプリッタウェーブガイド２０の上方および下方に位置決めさ れる。 ビームスプリッタウェーブガイド２０は、スケール３０で示した長さＬ、幅２ ｂ、高さ２ａの矩形断面のものである。ここで、Ｌ、ａ、ｂは、本発明のそれぞ れの異なる実施例ごとに異なるパラメータである。装置１０では、ｂ＝６ａであ る。結合ウェーブガイド２２および２４は、辺２ａの正方形断面のものである。 ビームスプリッタウェーブガイド２０の長さＬは、次式によって与えられる。 Ｌ＝２ｎｂ²／λ₀ （１．１） 上式で、λ₀は、装置１０の自由空間動作波長であり、ｎは、ビームスプリッ タウェーブガイド２０内の媒体の屈折率である。ｎ／λ₀をλ、すなわち、ビー ムスプリッタウェーブガイド中の伝搬波長に置き換えると、数式（１．１）は次 式のようになる。 Ｌ＝２ｂ²／λ （１．２） 装置１０で、動作波長λが１０．５９μｍである場合、２ｂ＝４ｍｍ、２ａ＝ ０．６７ｍｍ、Ｌ＝０．７５５ｍｍである。２ｂおよび２ａの寸法は、フライス 削りに関連する製造公差とレーザ装置の出力要件の影響を受けることがある。 ビームスプリッタウェーブガイド２０は、破線で示した中央長手方向軸３２を 有する。この軸３２は、ウェーブガイド２０の側壁から距離ｂであり、ウェーブ ガイドの下壁から距離ａである。結合ウェーブガイド２２および２４は、軸３２ に平行であり、かつ軸３２と同一平面に存在するそれぞれの中央長手方向軸３４ および３６を有する。軸３４および３６は、第１図中の最上スケール３０で示し たように、ビームスプリッタウェーブガイド２０の横断面のそれぞれの半分の中 央に位置する。 装置１０の動作を分析するために、ｙデカルト座標軸およびｚデカルト座標軸 を３８ａに示し、ｘ軸およびｙ軸を３８ｂに示す。ｚ軸は、装置の長手方向軸３ ２に平行である。ｘ軸とｙ軸はそれぞれ、横垂直および横水平である。長手方向 軸３２は、ｘ＝０とｙ＝０とを含む。ｚの値は、鎖線４０で示した、結合ウェー ブガイド２２および２４がビームスプリッタウェーブガイド２０に組み合わされ る平面では零である。 装置１０は、真空排気され、制御される量の周知の組成のＣＯ₂レーザ・ガス を裏込めされた真空チャンバ（図示せず）内に含まれる。このガスは、ビームス プリッタウェーブガイド２０内の利得媒体として働く。真空チャンバは、装置に よって生成される放射の波長では透過的であり、レーザ装置からの放射を透過す る窓（図示せず）を含む。真空チャンバは、ＲＦ電極２９を電源（図示せず）に 接続する電気フィードスルー（図示せず）も含む。 次に、一般的な矩形ウェーブガイドの理論伝搬特性を分析する。このウェーブ ガイドが、高さ２ａ、幅２ｂであり、複素誘電率を有する均一な誘電体材料の壁 によって境界付けられると仮定する。また、この壁が、非常に反射率が高く、伝 搬ウェーブガイドモードをそれほど減衰しないと仮定する。このウェーブガイド は、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に平行な高さ寸法と、幅寸法と、長さ寸法とを有 する。このウェーブガイドは、ＥＨ_mnの種類の正規化直線偏光モードを有する。 点（ｘ，ｙ，ｚ）での第ｍｎ番モードＥＨ_mnの電界寄与率Ｅ_mn（ｘ，ｙ，ｚ）は 、Ｌａａｋｍａｎｎ等によってＡｐｐｌ．Ｏｐｔ．第１５巻，１９７６年５月５ 日号，１３３４ページないし１３４０ページ で下記のように計算されている。 上式で、 ｍは、ｘ軸に沿った電界依存性に関係するモード番号である。 ｎは、ｙ軸に沿った電界依存性に関係するモード番号である。 ｚは、ｚ軸に沿った距離である。 γ_mn＝（α_mn＋ｉβ_mn）は、ｍｎ番目のモードの伝搬定数である。β_mnおよび α_mnはそれぞれ、第ｍｎ番モードの位相係数および減衰係数であり、 ”ｃｏｓ”ａｂｏｖｅ”ｓｉｎ”は、前者が奇数モード番号（必要に応じてｍ またはｎ）に適用され、後者が偶数モード番号に適用されることを示す。 近似を良好なものにするために、位相係数β_mnは次式によって与えられる。 数式（３．１）中の括弧中の負の項が、１よりも小さく、すなわち、λ／ａお よびλ／ｂが＜１であり、ｍおよびｎがロー ・オーダー・モードである場合（これは実際に満たされる）、二項定理を使用し て数式（３．１）を次式のように書き直すことができる。 上式で、ａ、ｂ、ｍ、ｎは、前に定義したとおりのものであり、λは、ウェー ブガイド中で伝搬する放射の波長である。 数式（２）は、矩形ウェーブガイドのすべての直線偏光モードから得ることが できる電界寄与率を示すものである。これは、各モードの電界寄与率がウェーブ ガイドの側壁、すなわち、ｙ＝±ｂでは零であることに基づいて算出される。こ のことは、反射壁を有するウェーブガイドの場合に満たされる。すべての矩形ウ ェーブガイドモードが所与の入力によって励起されるわけではない。入力を与え るように選択された正方形断面ウェーブガイドは、基本オーダー・モードまたは 最低オーダー・モードＥＨ_llの形の励起を供給する。これは、矩形断面ウェーブ ガイドの様々なＥＨ_mnモードに結合される。したがって、入力ＥＨ_llモードは、 それぞれの複素増倍係数Ａ_mnを有するＥＨ_mnモ ードの線形組合せとして分解される。このことは、次式によって表される。 ＥＨ_ll＝Σ Ａ_mn・ＥＨ_mn （４） 基本的に、Ａ_mn振幅結合係数は、関連する入力ウェーブガイドが矩形ウェーブ ガイドに組み合わされる入力アパーチャでの電界を表すフーリエ級数の係数であ る。ＥＨ_mnモードは、相互に直交し、したがって、係数Ａ_mnは、次式の形の重な りの積分から算出することができる。 次に第４図を参照すると、基準ウェーブガイド（図示せず）を横切る、軸４２ ａで示した位置ｙの関数としての電界強度Ｉの、全体的に４１で示した一群のグ ラフが示されている。基準ウェーブガイドは、長さが２Ｌであることを除いてウ ェーブガイド２０に類似している。基準ウェーブガイドは、高さ２ａ、幅２ｂで ある、第３図に示したウェーブガイド２０の断面と同じ断面を有し、ウェーブガ イド２０の長さ、高さ、幅に対して同じｘ軸配向、ｙ軸配向、ｚ軸配向を有する 。第４図のグラフ は、スケール４２ｂで示したようにｚの増分値で算出される。基本モードで動作 するものとみなされる一辺２ａの正方形入力ウェーブガイド（図示せず）は、ｙ ＝−ｂ／２を中心としｙ＝−ｂ／２＋ａを境界とする入力４３を提供する。入力 ４３では、励起すべき基準ウェーブガイドの対称モードおよび非対称モードが可 能になる。 ｚ＝Ｌおよびｚ＝２Ｌでの位置の関数としての電界強度をそれぞれ、線４４お よび４５で示す。線４４は、電界強度がｚ＝Ｌで、３つのマキシマ４６ａ、４６ ｂ、４６ｃを有することを示す。これらのマキシマの相対位相差はそれぞれ、＋ １３ｐｉ／８ラジアン、０ラジアン、＋５ｐｉ／８ラジアンである。線４５で示 したｚ＝２Ｌでは、電界強度は、ｙ＝±ｂ／２を中心として２つのマキシマ４８ ａおよび４８ｂを有する。強度マキシマ４８ａは、ｙ＝＋ｂ／２で入力４３の約 ８５％の強度を有し、ｙ＝−ｂ／２で入力４３の約１５％の強度を有する。マキ シマ４８ａおよび４８ｂの相対位相はそれぞれ、ｐｉラジアンおよび０ラジアン である。 再び第１図を参照すると、ビームスプリッタウェーブガイド２０は、前記で基 準ウェーブガイドに関して説明した長さに等 しい長さＬを有する。ウェーブガイド２０の末端にある鏡２６は、ウェーブガイ ド２０の光学特性を基準ウェーブガイドの光学特性に等しくする効果を有する。 軸３２に直交する平面鏡で鏡２６を置き換える場合、放射結合ウェーブガイド２ ４から放出された放射は、マキシマ４６ａ、４６ｂ、４６ｃに対応する鏡での放 射強度マキシマに分割される。これらのマキシマは反射され、放射は、放射強度 の８５％が出力ウェーブガイド２２に結合され、１５％が反射ウェーブガイド２ ４に結合されるように分割される。鏡２６は、段形状を有する。鏡２６の段形状 は、領域２６ｂおよび２６ｃから反射した放射ではなく領域２６ａから反射した 放射の相対移相を導入する効果を有する。これは、これらの領域から反射した放 射の経路長の差によるものである。この経路長の差は、動作波長での放射の波長 の半分に等しい。この経路差によって、領域２６ａから反射した放射と２６ｂお よび２６ｃから反射した放射の間の、ｐｉラジアンの相対位相変化がもたらされ る。鏡２６の段形状を用いた場合、結合ウェーブガイドに結合された放射の８５ ％は、反射結合ウェーブガイドに結合され、前記放射の１５％は、出力結合ウェ ーブガイドに結合される。 鏡２６の反射領域２６ｂおよび２６ｃはそれぞれ、マキシマ４６ａおよび４６ ｃに対応する放射を反射するように構成される。領域２６ｂおよび２６ｃは、こ れらの領域から反射した光の光路長が、中央領域２６ａから反射した放射の経路 長よりもλ／２だけ長くなるように構成される。中央領域２６ａは、マキシマ４ ６ｂに等しい強度マキシマの位置に対応し、幅が４ａである。中央領域２６ａは 、領域２６ｂおよび２６ｃからλ／４、あるいは１０．５９μｍで動作するＣＯ₂ レーザ装置では２．６５μｍに等しい長さだけ突き出る。鏡２６は、周知の「 リフトオフ」プロセスによって製造することができる。銅製基板を研磨して光学 的に平坦で平滑な表面を与える。領域２６ｂおよび２６ｃを光学リソグラフィ・ プロセスによって画定し、前記領域をフォトレジストで被覆する。次いで、領域 ２６ａおよびフォトレジストを厚さ２．６５μｍの高反射率金属で被覆するため に真空チャンバ中で基板上に銅を蒸着させる。次いで、適当な溶剤を使用してフ ォトレジストを溶解する。レジスト上に蒸着させた金属が分離され、領域２６ａ が領域２６ｂおよび２６ｃから２．６５μｍだけ突き出した状態で残る。 次に、レーザ装置１０の動作について説明する。真空チャン バを排気し、利得媒体として働く比１６：８：４：１の従来型のＣＯ₂レーザ・ ガス混合物Ｈｅ／ＣＯ₂／Ｎ₂／Ｘｅを圧力約１２ＫＰａで充填する。次いで、電 極２９を横切ってＲＦ電位差を印加する。この電位差は、エネルギーを利得媒体 に結合し、そのため、Ｎ₂分子が活動状態になり、次いで、このエネルギーは、 衝突を介してＣＯ₂分子に移る。電極２９に送られる出力は、装置１０の形状お よび必要な放射強度に依存する。ＣＯ₂レーザの当業者は、実験によって必要な 出力を求める。 電磁放射は、活動ＣＯ₂分子を自発的に低エネルギー状態に緩和させることに よって生成される。この自発緩和によってウェーブガイド２４からウェーブガイ ド２０に進入する基本モード電界が生成されると、第４図に示したのと同様にビ ームスプリッティング動作が行われる。マキシマ４８ｂに対応する放射の約１５ ％が、出力結合ウェーブガイド２２に結合され、軸３４に沿って出力ビームとし て放出され、マキシマ４８ａに対応する残りの８５％が、ウェーブガイド２４に 沿って進む基本モードとして反射結合ウェーブガイド２４に結合される。この「 ラウンドトリップ」時に、次の分子緩和プロセスを誘導することによって放射の 強度を増大させる。ウェーブガイド２４に 沿って伝わる放射は、鏡２７によってウェーブガイド２４に沿って反射され、ビ ームスプリッタウェーブガイド２０に進入し、そこで、ビームスプリッティング ・プロセスおよび増幅プロセスが繰り返される。放射の強度は、損失を無視した 場合、出力ビームとしての出力結合ウェーブガイド中のエネルギー損失率が、Ｒ Ｆ電極２９によって利得媒体に注入されるエネルギーに等しくなるまで増加し続 ける。鏡２７は、軸３２に平行に移動できるように調整することができる。この 移動によって、反射結合ウェーブガイド２４の長さが変化し、装置１０を共鳴キ ャビティを形成するように調整することができる。 次に、第５図を参照すると、全体的に５０で示した密封キャビティ・レーザ装 置として構成された本発明の実施例の溝断面平面図が示されている。装置５０は 、ビームスプリッタウェーブガイド５４、反射結合ウェーブガイド５６、出力結 合ウェーブガイド５８を形成するようにフライス削りによって１枚の固体アルミ ナから形成されたベース・シート５２を有する。ウェーブガイド５４、５６、５ ８はそれぞれ、ウェーブガイド２０、２４、２２と同じ寸法を有する。平坦なア ルミナ・シートを備えるカバー・シート（図示せず）をベース・シート５２に結 合 してシート間に気密シールを形成する。これは、英国特許第２１４１６５５Ｂ号 に記載された方法を使用することによって行われる。鏡２６に類似の段鏡６０お よび鏡２７に類似の平面鏡６２も装置５０に結合して気密シールを形成する。こ れは、表面メタライゼーション・ロウ付けプロセスまたは接着によって行うこと ができる。出力結合ウェーブガイド５８の一端には、装置５０との気密シールを 形成するためにガス・ポンピング・ステム６４が取り付けられる。このポンピン グ・ステム６４には、装置５０の動作波長では透過的な窓６６と、装置を真空排 気し、前述のＣＯ₂レーザ・ガス混合物を導入する吐出管６８が組み込まれる。 窓６６は、放射を透過させるのに適当な角度で配向させた、窓自体の平面に電界 成分を含むブルースター窓でよい。ＲＦ電極（図示せず）は、レーザ・ガスを容 量励起するように構成される。 第６図は、全体的に７０で示した、電気光学位相変調器を備える本発明のレー ザ装置の実施例の横断面図を示す。装置７０は、装置１０のウェーブガイドと同 様に形成されたビームスプリッタウェーブガイド７２と出力結合ウェーブガイド ７４と反射結合ウェーブガイド７６とを備える。再帰反射鏡７８は、ウ ェーブガイド７６の末端に存在する。装置７０は、３本の変調ウェーブガイド８ ２ａ、８２ｂ、８２ｃも備える。変調ウェーブガイド８２ａないし８２ｃはそれ ぞれ、辺２ａの正方形断面ウェーブガイドと再帰反射鏡８４ａないし８４ｃを備 える。装置１０では、放射が、結合ウェーブガイド２２および２４とは逆のウェ ーブガイド２０の端部にある鏡２６で反射されるが、装置７０では、放射が、変 調ウェーブガイド８２ａないし８２ｃに結合され、鏡８４ａないし８４ｃで反射 される。各変調ウェーブガイドは、光路長が変調器自体を横切る電界を印加する ことによって制御される電気光学位相変調器８６ａないし８６ｃを備える。各変 調器８６ａないし８６ｃの光路長を変化させることによって、ビームスプリッタ ウェーブガイド７２に結合される反射放射の位相が制御される。 電気光学位相変調器８６は、ニオブ酸リチウムで製であり、電極（図示せず） が取り付けられる。位相変調器は、二水素リン酸、二水素リン酸カリウム、チタ ン酸バリウムを含む他の電気光学材料製のものでよい。 変調ウェーブガイド８２内に位相変調器８６を組み込むのではなく、変調ウェ ーブガイドの長さ自体を制御することもでき る。これは、圧電マニピュレータ（図示せず）上に鏡８４を取り付けることによ って行うことができる。変調ウェーブガイド８２の長さはそれぞれ、それぞれの 各圧電マニピュレータを横切って電位差を印加することによって制御される。 変調ウェーブガイド８２の光路長の電子制御を使用して、変調ウェーブガイド から結合された放射の位相を「トリム」し、したがって、熱膨張のための装置７ ０の寸法変化を防止することができる。レーザ装置７０の出力強度を制御するに は、反射結合ウェーブガイド７６および出力結合ウェーブガイド７４に、より非 効率的に放射を結合するように変調ウェーブガイド８２の光路長を調整する。こ の電子制御を使用して、装置７０を「Ｑスイッチ」することもできる。Ｑスイッ チ操作モードでは、変調ウェーブガイド８２の光路長を故意に、装置７０がレー ザとして働くのを妨げるように設定する。３本の変調ウェーブガイドから結合さ れた放射間の相対位相変化がなくなるように、３本の位相変調器８６との電気接 点（図示せず）をアースに接続する。次いで、装置７０は、「ロシー」状態にな り、したがって、高密度の準安定活動状態ＣＯ₂分子が生成される。次いで、相 対位相変化がレーザ放出動作に必要な変化になるよう に、それぞれの電界を印加することによって、ウェーブガイド８２ａないし８２ ｃ中の位相変調器８６ａないし８６ｃを調整する。ウェーブガイド８２ａないし ８２ｃから結合される放射の位相は、ウェーブガイド８２ｂから結合される放射 の位相に対してｐｉラジアンだけ遅延する。次いで、高密度の活動状態分子のた めに、出力結合ウェーブガイド７４から放射バーストが放出される。この放射は 、位相変調器を横切るそれぞれの電界が維持される場合、しだいに減衰して定常 状態に至る。装置７０がレーザ放出を開始するときに位相変調器８６ａないし８ ６ｃとの電気接点をアースに再接続した場合、装置７０内の光の８５％が出力結 合ウェーブガイド７４に結合され、装置は、「キャビティ・ダンプ」を受け、そ のため、強い放射バーストがもたらされ、その強度は迅速に零近くまで低下する 。このプロセスを繰り返してパルス出力を与えることができる。 次に、第７図、第８図、第９図を参照すると、全体的に９０で示した固体レー ザ装置の形の本発明の他の実施例が示されている。第７図は、横断面図であり、 第８図および第９図はそれぞれ、第７図中の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩおよびＩＸ− ＩＸ上の縦断面図である。装置９０は、固体ウェーブガイドを使用して 構築されるという点で前の実施例とは異なる。装置９０は、標準半導体リソグラ フィ技法を使用して製作される。レーザ装置９０は、ｎ−ドープＧａＡｓ基板９ ２を備え、その上に、多層ウェーブガイド構造９４が位置する。ウェーブガイド 構造９４は、複数のＧａ_1-x Ａｌ_x Ａｓ系層を備え、その上に、９５で示したメ タライゼーション層が位置する。ｎ＝ドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓベース層９５ ａは、厚さｔのＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ活性領域９５ｂで覆われ、前記活性領域は 、ｐ−ドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ層９５ｃでドープされる。３つの層９５ａな いし９５ｃは、ｐｎ接合を形成する。この３つの層の上に、ｐ−ドープＧａＡｓ 層９５ｄが位置し、最後に金属層９５ｅが位置する。装置９０との電気接続は、 金属層９５ｅと基板９２のベース上の金属層９５ｆを介して行われる。 第７図を参照すると、装置９０は、出力結合ウェーブガイド９６と、反射結合 ウェーブガイド９８と、ビームスプリッタウェーブガイド１００と、３本の変調 ウェーブガイド１０１ａないし１０１ｃとを備える。放射が生成され、層９５ｂ 内に閉じ込められる。したがって、第９図の層９５ｂは、ビームスプリッタウェ ーブガイド１００を形成する。ビームスプリッタウェ ーブガイドの厚さはｔであり、装置１０の寸法２ａに等しい。結合ウェーブガイ ド９６および９８と変調ウェーブガイド１０１は、第９図に示した構造に類似の 層構造を有するが、金属層は含まない。この層構造によって、層９５ｂに等しい 層内にウェーブガイド特性がもたらされる。ウェーブガイド９６、９８、１０１ の幅はｔに等しい。ビームスプリッタウェーブガイド１００は、長さＬ、幅２ｂ 、高さｔである。長さＬは、数式（１．１）に従い、屈折率ｎはＡｌ_0.1 Ｇａ_{0. 9} Ａｓ領域９５ｂ中の値に等しく、自由空間動作波長λ。は０．８５μｍである 。装置９０は、それぞれウェーブガイド９８、１０１ａないし１０１ｃに取り付 けられた再帰反射端鏡１０２、１０４ａないし１０４ｃを備える。出力結合ウェ ーブガイド９６は、端部１１０に塗布された反射防止コーティング１０８を有す る。個別の変調ウェーブガイド１０１ａないし１０１ｃの長さは、リソグラフィ ・プロセス中に、装置１０の場合と同様にビームスプリッタウェーブガイドに結 合される放射の相対位相変調が正しいものになるように制御される。したがって 、ウェーブガイド１０１ａおよび１０１ｃは、ウェーブガイド１０１ｂよりもλ ／４だけ長い。装置に電流を通じることによって、エネル ギーが装置９０に結合され、電子が励起状態になる。 次に、第１０図を参照すると、全体的に１２０で示され、装置１０と同様に製 造された対称的なビームスプリッティングウェーブガイド１２２を備える本発明 のレーザ装置が横断面形で示されている。装置１２０は、装置１０と同様に製造 されたビームスプリッタウェーブガイド１２２と出力結合ウェーブガイド１２４ と反射結合ウェーブガイド１２６とを備える。ビームスプリッタウェーブガイド １２２は、長さ２Ｌ（Ｌは数式（１．２）によって与えられる）、幅２ｂ、高さ （図示せず）２ａである。結合ウェーブガイド１２４および１２６は、一辺２ａ の正方形断面のものである。結合ウェーブガイド１２４および１２６は、中央軸 １２７のそれぞれの側に対称的に位置決めされ、ｂだけ離隔される。装置１２０ は、再帰反射鏡１２８および１２９も備える。放射ウェーブガイド１２６から結 合された放射は、第４図でマキシマ４８ａおよび４８ｂで示したように、鏡１２ ８で２つのマキシマに分割される。放射は次いで、結合ウェーブガイド１２４お よび１２６の方へ反射される。結合ウェーブガイドで、放射は２つの等しいマキ シマに分割される。放射の５０％は反射結合ウェーブガイド１２６に結合され、 ５０％は出力結合ウェーブガイド１２４に結合される。装置１２０は、その動作 のための鏡１２８での放射の位相変調を必要としない。 第１１図は、全体的に１３０で示した本発明のＱスイッチ・レーザ装置を示す 。装置１３０は、装置１０と同様に製造された、出力結合ウェーブガイド１３２ と、完全反射鏡１３５で終わる反射結合ウェーブガイド１３４と、ビームスプリ ッタウェーブガイド１３６とを備える。ビームスプリッタウェーブガイド１３６ は、長さ４Ｌ（Ｌは数式（１．２）によって与えられる）、幅２ｂ、高さ２ａ（ 図示せず）である。結合ウェーブガイド１３２および１３４はそれぞれ、点線で 示され中央軸１３９から対称的にずれた位置に位置する中央軸１３８ａおよび１ ３８ｂを有するように位置決めされる。装置１３０は、それぞれ軸１３８ａおよ び１３８ｂと同軸の中央軸を有するように位置決めされた２本の位相変調ウェー ブガイド１４０ａおよび１４０ｂも備える。位相変調ウェーブガイド１４０ａお よび１４０ｂはそれぞれ、完全反射鏡１４１ａおよび１４１ｂで終わる。ウェー ブガイド１４０ｂには電気光学位相変調器１４２が組み込まれる。位相変調器１ ４２は、（ｐｉ）電圧と呼ばれ る、位相変調器１４２自体を横切る所定の電圧が印加された際に、鏡１４１ｂか ら反射されビームスプリッタウェーブガイド１３６に結合される放射の相対位相 を、ウェーブガイド１４０ａから結合される放射の位相に対してｐｉラジアンだ け遅延させるように構成される。装置１３０の上方および下方のＲＦ電極（図示 せず）は、ウェーブガイド１３６、１３２、１３４、１４０ａ、１４０ｂ内の利 得媒体にエネルギーを容量結合する。ウェーブガイド１４０ａがないことがあり 、その場合、鏡１４１ａは、ビームスプリッタウェーブガイド１３６に隣接して 位置決めされる。ただし、ビームスプリッタウェーブガイドに結合される放射強 度マキシマ間の関係は維持されるものとする。 装置１３０は、下記のように動作する。（ｐｉ）電圧が位相変調器１４２に印 加され、放射結合ウェーブガイド１３４からのすべての放射が出力結合ウェーブ ガイド１３２に結合され、したがって、誘導放出が効率的に発生できない高損失 キャビティが生成される。ＲＦエネルギーがガス分子を励起して上部レーザ・レ ベルにする。次いで、位相変調器１４２が接地され、ウェーブガイド１３２に光 を結合することなく装置１３０内で レーザ放出動作を行うことができ、したがって、キャビティ内電界が迅速に増大 する。次いで、（ｐｉ）電圧が位相変調器１４２に再印加され、次いで、すべて の放射が短く強いパルスとしてウェーブガイド１３２に結合される。次いで、こ のプロセスが繰り返され、パルス出力が与えられる。出力パルスの強度は、位相 変調器１４２を横切って印加される電圧を調整することによって調整することが できる。印加された電圧が（ｐｉ）電圧に等しくない場合、ウェーブガイド１３ ６内のある割合の放射は、出力結合ウェーブガイド１３２に結合されず反射結合 ウェーブガイド１３４に結合される。出力強度と印加電圧の間の関係は、定期的 で体系的な測定によって判定することができる。装置１３０は、位相変調器１４ ２に印加する電圧を制御することによって連続出力モードとパルス出力モードで 操作することができる。 ビームスプリッタウェーブガイド１３６の長さは４Ｌ／３でよく、結合ウェー ブガイド１３２および１３４と変調ウェーブガイド１４０は、ｙが±ｂ／３に等 しい位置に位置する。 第１２図は、全体的に１５０で示した二重出力レーザ装置の形の本発明の他の 実施例を示す。装置１５０は、それぞれ完全 反射鏡１５８および１６０で終わる２本の反射結合ウェーブガイド１５４および １５６を含む、幅２ｂ、高さ２ａ（図示せず）、長さ２Ｌのビームスプリッタウ ェーブガイド１５２を備える。装置１５０は、エネルギーを利得媒体に容量結合 するために装置の上方および下方に、２本の結合ウェーブガイド１６２および１ ６４と電極（図示せず）も備える。ウェーブガイド１５４、１５６、１６２、１ ６４は、一辺２ａの正方形断面のものである。装置１５０は実際上、鏡２６なし で端部間で連結された２つの装置１０である。ビームスプリッタウェーブガイド １５２の第１の端部１６６にあるウェーブガイド１５４および１６２はそれぞれ 、ｙ＝＋ｂ／２およびｙ＝−ｂ／２に位置決めされ、これに対して、ウェーブガ イド１５２の第２の端部１６８にあるウェーブガイド１５６および１６４はそれ ぞれ、ｙ＝−ｂ／２およびｙ＝＋ｂ／２に位置決めされる。 装置１５０で、ウェーブガイド１５４からウェーブガイド１５２に結合された 放射は、ウェーブガイド１５２を通過する際に増幅され、第２の端部１６８で２ つの強度マキシマに分割される。総放射の約１５％の強度マキシマが出力結合ウ ェーブガイド１６４に結合され、残りの８５％の強度マキシマが反射 結合ウェーブガイド１５６に結合され、そこで反射され、ウェーブガイド１５２ に結合される。ウェーブガイド１５６から結合された放射はウェーブガイド１５ ２を通過し、再び増幅され、第１の端部で２つのマキシマに分割される。この場 合も、総放射の１５％が出力結合ウェーブガイド１６２に結合され、８５％が反 射結合ウェーブガイド１５４に結合され、このプロセスが繰り返される。したが って、装置１５０は、２本の出力ウェーブガイドを有し、動作時には、装置が定 常状態に達した後、この２つの出力は、大きさが等しく、相互の位相関係が一定 のものになる。この構成では、装置５０を使用して、装置自体から放出され、離 れた物体から装置に反射される信号を増幅することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１９日 【補正内容】 本発明は、部分反射出力鏡を必要としないという利点を提供する。そのような 鏡は、出力損傷を受けやすい。これは特に、高出力二酸化炭素レーザでそうであ る。 レーザとして構成されたマルチモード伝搬ウェーブガイドを使用することは、 ＰＣＴ出願ＷＯ９２／１１５５０号に記載されている。この出願は、部分反射鏡 を備えるレーザを記載している。ＰＣＴ特許出願ＷＯ９２／１１５５４号は、マ ルチモードウェーブガイドを強度分割装置として使用することを記載している。 本発明のレーザ装置は、第１の端部で２本の結合ウェーブガイドに接続された マルチモード・ビームスプリッタウェーブガイドを有することができ、このうち の一方の結合ウェーブガイドは、反射結合ウェーブガイドであり、他方は出力結 合ウェーブガィドである。放射結合ウェーブガイドは、完全反射鏡で終わる。ビ ームスプリッタの第２の端部に反射手段が構成される。 この装置は、結合ウェーブガイドに結合された放射の約８５％が放射結合ウェ ーブガイドに結合され、残りの１５％が出力結合ウェーブガイドに結合されるよ うに構成することができる。 ビームスプリッタウェーブガイドの第２の端部にある反射手 段は、変調ウェーブガイドを含むことができる。変調ウェーブガイドは、反射手 段によって反射された放射の位相制御を行うように構成することができる。変調 ウェーブガイド内に電気光学位相変調器を構成することができる。このような位 相変調器は、熱効果のための装置の寸法の変化を補正するように構成することが でき、放射強度マキシマを結合ウェーブガイド間で切り換えることによって装置 をＱスイッチ・モードで操作するように構成することもできる。Ｑスイッチ・レ ーザ装置として操作することによって、高強度パルス出力を生成することができ るという利点が与えられる。レーザ装置の出力の強度は、位相変調器を制御する ことによって制御することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．導波手段（２０）と、共鳴キャビティを画定するように構成された第１およ び第２の反射手段（２６，２７）とを含み、導波手段（２０）が、第１の反射手 段（２６）で放射強度マキシマを画定し、第２の反射手段（２７）で少なくとも 過渡的に強度マキシマを画定し、第１および第２の反射手段から離れた第１の出 力（２２）で少なくとも過渡的に強度マキシマを画定するように構成されること を特徴とするレーザ装置。 ２．導波手段が、矩形断面のマルチモードウェーブガイド（２０，５４，７２， １００，１２２，１３６，１５２）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項 に記載のレーザ装置。 ３．第１の反射手段が、それが反射した放射強度マキシマ間に相対移相を導入す る移相手段（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）を含むことを特徴とする請求の範囲第２ 項に記載のレーザ装置。 ４．移相手段が、放射を基本モードとして伝搬させるように構成された少なくと も１本の二次ウェーブガイド（８２ａ，８２ｂ，８２ｃ）を備えることを特徴と する請求の範囲第３項に記載のレーザ装置。 ５．前記少なくとも１本の二次ウェーブガイドが、それぞれ、放射を基本モード として伝搬させるように構成され、それぞれの反射手段（８４ａ，８４ｂ，８４ ｃ）で終わる複数の二次ウェーブガイドであることを特徴とする請求の範囲第４ 項に記載のレーザ装置。 ６．移相手段（８６ａ，８６ｂ，８６ｃ）が電気光学的なものであることを特徴 とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。 ７．それぞれの反射手段（８４ａ，８４ｂ，８４ｃ）が、放射伝搬方向に平行な 方向に調整可能であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。 ８．それぞれの反射手段が、それぞれの移動可能な圧電マウント上に取り付けら れることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のレーザ装置。 ９．ウェーブガイド手段（７２）と第１の反射手段（８２，８４，８６）が共に 、第２の反射手段（７６，７８）と第１の出力（７４）に交互に放射強度マキシ マを送るように構成されることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のレーザ装 置。 １０．第２の反射手段での放射強度マキシマおよび出力での放射強度マキシマの うちの一方の強度が他方の強度よりも大きく、 この２つの強度マキシマの強度比がほぼ８５：１５に等しいことを特徴とする請 求の範囲第３項に記載のレーザ装置。 １１．第２の反射手段での放射強度マキシマの強度が、出力での強度よりも大き いことを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のレーザ装置。 １２．導波手段と第１の反射手段が共に、第２の反射手段と出力に交互に、より 大きな強度の放射強度マキシマを送るように構成されることを特徴とする請求の 範囲第１０項に記載のレーザ装置。 １３．第２の反射手段での放射強度マキシマの強度と出力での放射強度マキシマ の強度がほぼ等しいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 １４．レーザ装置が、第１および第２の反射手段から分離された第２の出力を有 することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 １５．導波手段が中空のウェーブガイドであることを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載のレーザ装置。 １６．中空のウェーブガイドがアルミナの壁を有することを特徴とする請求の範 囲第１５項に記載のレーザ装置。 １７．導波手段が固体ウェーブガイドであることを特徴とする請求の範囲第１項 に記載のレーザ装置。 １８．固体ウェーブガイドが半導体材料系のものであることを特徴とする請求の 範囲第１７項に記載のレーザ装置。 １９．半導体材料系がＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓであることを特徴とする請求の範囲第 １８項に記載のレーザ装置。