JPH0980352A

JPH0980352A - レーザー装置

Info

Publication number: JPH0980352A
Application number: JP23186295A
Authority: JP
Inventors: Koshichi Nemoto; 孝七根本; Takashi Fujii; 隆藤井
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のレーザー媒質を用いて、レーザー光の
励起原子を有効に利用しつつ強度分布をガウス分布等、
所望の分布にする。【解決手段】レーザー光発生部であるレーザー媒質１
により発生されるレーザー光の光路上に、該レーザー光
の強度分布及び位相分布を例えばガウス分布に変換する
位相変換素子４ａ，４ｂ，４ｃを配置し、レーザー光の
強度分布や位相分布をレーザー光発生部のレーザー媒質
１の原子や分子の分布と無関係に設定できるようにして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー装置に関
する。更に詳述すると、本発明は、レーザー加工やレー
ザー同位体分離、レーザー計測等への利用に適したレー
ザー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光は、レーザー結晶からなるレ
ーザー媒質に励起光が入射されることにより発生され
る。そして、このレーザー光を集光して、レーザー加工
等の様々な用途に利用している。ここで、レーザー光の
強度分布は、レーザー媒質であるレーザー結晶の原子や
分子の分布により定められる。そして、レーザー媒質の
通常の形状は直方体や円柱形状である。例えば、レーザ
ー媒質が断面四角形の場合は、図６（Ａ）に示すよう
に、発生されたレーザー光の強度分布はほぼ矩形形状と
なる。

【０００３】一方、図６（Ｂ）に示すように、レーザー
光線の強度分布をガウス分布とした場合は、集光特性が
良く極めて小さく集光できると共に、伝播特性が良く長
距離の伝播を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たレーザー装置による矩形形状の強度分布を有するレー
ザー光では、他の用途に利用するためにレンズ等で集光
すると、ガウス分布以外の部分の光線はサイドローブに
なって利用されず無駄になってしまう。また、集光特性
が悪いので、長距離の伝播を行うことができず伝播特性
は悪い。

【０００５】一方、レーザー媒質を円柱形状としたり、
共振器のミラーを所定の形状にして、円柱形状の強度分
布を有するレーザー光を発生させるレーザー装置が知ら
れている。しかし、このレーザー光を集光してもサイド
ローブが発生してしまう。

【０００６】さらに、利用するレーザー光の強度分布が
ガウス分布以外の分布であっても、発生したレーザー光
の強度分布の形状と異なれば無駄な部分が生じてしま
う。そして、レーザー媒質固有の強度分布と利用するレ
ーザー光の強度分布との形状が一致しないことにより、
レーザー媒質の励起原子を有効に利用できず、レーザー
光の利用効率が低下してしまう。

【０００７】ここで、レーザー媒質の原子や分子の分布
を改良し、利用する強度分布を有するレーザー光を得る
方法が考えられるが、これは極めて困難である。

【０００８】そこで、本発明は、従来のレーザー媒質を
用いて、レーザー光の励起原子を有効に利用しつつ強度
分布をガウス分布等、所望の分布にするレーザー装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１のレーザー装置は、レーザー光発生部によ
り発生されるレーザー光の光路上に、該レーザー光の強
度分布及び位相分布を変換する位相変換素子を配置して
いる。

【００１０】ここで、レーザー光発生部により発生され
たレーザー光の強度分布及び位相分布は、レーザー媒質
の原子や分子の分布により決定される。そして、このレ
ーザー光の強度分布及び位相分布が、位相変換素子によ
って変換される。このため、レーザー光の強度分布や位
相分布を、レーザー光発生部のレーザー媒質の原子や分
子の分布と無関係に任意に設定することができる。

【００１１】また、請求項２のレーザー装置は、位相変
換素子により位相補正を行う。このため、レーザー光の
位相を補正することができる。

【００１２】さらに、請求項３のレーザー装置は、位相
変換素子を、レーザー光の強度分布を座標変換により他
の強度分布に変換可能な光学的素子により構成してい
る。ここで、光学的素子としては、ミラーやレンズ、ホ
ログラフィー等が適している。したがって、所望の強度
分布や位相分布を有するレーザー光を得るために、光学
的素子の形状を予め設定しておけば良い。

【００１３】また、請求項４のレーザー装置は、位相変
換素子を、レーザー光発生部により発生されるレーザー
光の強度分布をガウス分布に変換するものとしている。
このため、レーザー光はガウスビームとされるので、集
光特性や伝播特性を向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形
態では、リング型のレーザー共振器の内部に位相変換素
子を配置した場合について説明している。

【００１５】図１に示すように、本発明のレーザー装置
の共振器は、レーザー発生部である断面四角形のレーザ
ー媒質１と、２枚の全反射ミラー２と、１枚のハーフミ
ラーからなる射出ミラー３と、３枚の位相変換素子４
ａ，４ｂ，４ｃとを備えている。３枚のミラー２，２，
３は互いに向き合って、反射により閉光路が形成される
よう配置されている。そして、全反射ミラー２同士の間
の光路中に、レーザー媒質１が配置されている。

【００１６】レーザー媒質１は、レーザー結晶や色素セ
ル、放電管等、既知の部材により構成される。そして、
レーザー媒質１のレーザー光射出側には、四角形ビーム
をガウスビームに変換する第１位相変換素子４ａが配置
されている。また、レーザー媒質１からのレーザー光が
最初に入射される全反射ミラー２と射出ミラー３との間
には、波面歪みを補正する第２位相変換素子４ｂが配置
されている。さらに、射出ミラー３と他の全反射ミラー
２との間には、ガウスビームを四角形ビームに変換する
第３位相変換素子４ｃが配置されている。なお、各位相
変換素子４ａ，４ｂ，４ｃの形状は、フレネル・エラー
リダクション法や停留位相法等により算出することがで
きる。

【００１７】したがって、レーザー媒質１に励起光を入
射することにより、四角形ビームのレーザー光が発生さ
れる。レーザー光は第１位相変換素子４ａによりガウス
ビームに変換され、全反射ミラー２で反射される。そし
て、第２位相変換素子４ｂにより波面歪みが補正され
る。このレーザー光の一部は射出ミラー３を透過してレ
ーザー共振器の外部に射出され、他の部分は反射され
る。反射されたレーザー光は第３位相変換素子４ｃによ
りガウスビームから四角形ビームに変換されて、全反射
ミラー２で反射され、レーザー媒質１に入射される。こ
れを繰り返すことにより、レーザー共振器の内部でレー
ザー光が共振されながら、射出ミラー３からガウスビー
ムが射出される。

【００１８】ところで、このリング型レーザー共振器内
での伝播の状態をモデル化すると図２に示すようにな
る。ここで、各位相変換素子４ａ，４ｂ，４ｃ同士の間
ではフレネル伝播が行われ、その複素振幅の関係を数式
１から数式３までに示す。

【００１９】

【数１】ｂ＝Ｆ_Za［ａ・ｅｘｐ（ｉφ_a）］

【００２０】

【数２】ｃ＝Ｆ_Zb［ｂ・ｅｘｐ（ｉφ_B）］

【００２１】

【数３】ｄ＝Ｆ_Zc［ｃ・ｅｘｐ（ｉφ_C）］＝Ｆ_Zc［Ｆ_Zb［Ｆ_Za［ａ・ｅｘｐ（ｉφ_a）］ｅｘｐ（ｉφ_B）］・ｅｘｐ（ｉφ_C）］そして、ｇを数式４に示すように定義する。

【００２２】

【数４】ｇ＝ｂ・ｅｘｐ（ｉφ_B）一方、レーザー共振器を１周した時の最終的な複素振幅
ｄが、１周する前の最初の複素振幅ａと等しくなるため
には、数式５及び数式６に示す２本の方程式を満たす必
要がある。

【００２３】

【数５】ａ＝Ｆ_Zc［Ｆ_Zb［ｇ］ｅｘｐ（ｉφ_C）］

【００２４】

【数６】ａ＝Ｆ_Za ^-1［ｇ・ｅｘｐ（−ｉφ_B）］ｅｘｐ
（−ｉφ_a）ここで、数式５から数式７を導くことができる。

【００２５】

【数７】ｅｘｐ（ｉφ_C）＝Ｆ_Zc ^-1［ａ］／Ｆ_Zb［ｇ］数式７により、位相分布関数φ_C を複素振幅ａとｄとか
ら求めることができる。また、数式６から数式８を導く
ことができる。

【００２６】

【数８】Ｆ_Za［ａ・ｅｘｐ（ｉφ_a）］＝ｇ・ｅｘｐ（−ｉφ_B）数式８は、レーザービームの強度分布変換と同一の式で
ある。ａは最初の複素振幅であり、φ_a は変換に必要な
位相分布であり、ｇ・ｅｘｐ（−ｉφ_B ）は強度分布変
換後の複素振幅を示している。従って、数式９の方程式
が満たされれば、いかなる複素振幅ａ，ｇについても３
つの位相分布関数φ_a ，φ_B ，φ_C が存在する。

【００２７】

【数９】

【００２８】ここで、数式１０及び数式１１の関係を有
している。

【００２９】

【数１０】

【００３０】

【数１１】

【００３１】そして、複素振幅ａをガウスビーム、複素
振幅ｇを四角形ビームとすることができる。この場合、
四角形のレーザー媒質１の境界によりｇの像が画像制限
を受けるため、ａがガウスビームであり、かつｇが四角
形ビームである組み合わせの時が最小の損失となる伝播
モードとなる。このため、レーザー媒質１との空間的な
マッチングが良好で、しかもビーム品質に優れたガウス
ビームを発生することができる。

【００３２】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施形態では３つの位相変換素子４
ａ，４ｂ，４ｃをレーザー光が透過可能なレンズ型とし
ているが、ミラー型やホログラフィーを用いたものであ
っても構わない。

【００３３】ここで、波長０．６３μｍのガウスビーム
を四角形ビームに変換する位相変換素子をミラー型とし
た場合、その表面の形状は例えば図３に示す形状とな
る。また、四角形ビームをガウスビームに変換する位相
変換素子をミラー型とした場合、その表面の形状は例え
ば図４に示す形状となる。

【００３４】一方、上述した実施形態ではレーザー共振
器をリング型としたが、他の型であっても構わない。例
えば、図５に示すように、互いに対向する２枚の位相共
役ミラー５と、各位相共役ミラー５にレーザー光を集光
させる２枚の集光レンズ６と、これら集光レンズ６の間
に配置され、光路に対して約４５度の傾斜を有するハー
フミラーからなる射出ミラー３及び断面四角形のレーザ
ー媒質１と、これら射出ミラー３及びレーザー媒質１の
間に配置されたガウスビームと四角形ビームとを相互に
変換可能な位相変換素子４とを備えたレーザー共振器と
しても構わない。

【００３５】この構造によれば、レーザー媒質１に励起
光が与えられると、四角形ビームが発光される。このレ
ーザー光は位相変換素子４に入射して座標変換され、円
形のガウスビームに変換される。このレーザー光は集光
レンズ６により位相共役ミラー５に集光され、反射され
る。そして、レーザー光は、集光レンズ６を透過して位
相変換素子４で四角形ビームに変換され、レーザー媒質
１を透過して増幅される。次いで、他方の集光レンズ６
で集光されて、他の位相共役ミラー５で反射される。再
び、集光レンズ６を透過してレーザー媒質１からのレー
ザー光と重畳して同一の光路を進む。従って、レーザー
光は、四角形ビームとガウスビームとに交互に変換され
ながら２枚の位相共役ミラー５の間で共振することにな
る。なお、光路中に波面歪みを補正する位相変換素子を
配置しても構わない。

【００３６】そして、共振するレーザー光の一部は射出
ミラー３により反射され、レーザー共振器の外部に射出
される。この時、射出されるレーザー光は、ラゲールガ
ウシャンのＴＥＭ００モードのレーザー光となる。この
ため、射出されたレーザー光をレンズで集光すると集光
特性が良好となり、またレーザー加工等の特性が優れた
ものとなる。ここで特記すべきことは、位相変換素子に
よる座標変換は単に四角形ビームを円柱形状ビームに変
換するだけでなく、変換後の等価的な利得分布をＴＥＭ
００モードのガウス分布にできることである。

【００３７】また、本実施形態では位相変換素子を共振
器中に配置したが、集光前のレーザー光について位相変
換を行えば良いので、位相変換素子の配置位置は集光部
に達する前の光路上であればいずれの位置であっても構
わない。例えば、共振器と増幅器との間や、増幅器と集
光レンズとの間等に配置することもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１のレーザー装置では、レーザー光の強度分布や位相分
布を、レーザー光発生部のレーザー媒質の原子や分子の
分布と無関係に設定することができる。このため、従来
のレーザー媒質を効率良く用いながらも位相変換素子を
設定することにより、レーザー光の使用目的に対して最
も適した強度分布や位相分布を有するレーザー光を得る
ことができる。従って、発生したレーザー光の大部分を
利用できるので、レーザー光の利用効率を向上させるこ
とができる。

【００３９】また、請求項２のレーザー装置では、位相
変換素子により位相補正を行うので、レーザー光の位相
を所望の状態に補正することができる。

【００４０】さらに、請求項３のレーザー装置では、位
相変換素子を、ミラーやレンズ、ホログラフィー等の光
学的素子により構成している。このため、レーザー装置
の構造や位相変換素子の配置位置を考慮しながら、所望
の強度分布を有するレーザー光を得るための形状に最適
な種類の光学的素子により、位相変換素子を構成するこ
とができる。

【００４１】また、請求項４のレーザー装置では、位相
変換素子によりレーザー光をガウスビームに変換する。
このため、レーザー光を集光する際にサイドローブを生
ずることがなく、集光特性が良好で極めて小さく集光す
ることができる。これにより、伝播特性が向上して長距
離の伝播が可能となると共に、レーザー加工等、様々な
用途に適切に応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザー装置の共振器の一実施形態を
示すブロック図である。

【図２】図１の共振器の位相変換の順序を示すブロック
図である。

【図３】ガウスビームを四角形ビームに変換するミラー
型の位相変換素子を示す三次元グラフである。

【図４】四角形ビームをガウスビームに変換するミラー
型の位相変換素子を示す三次元グラフである。

【図５】本発明のレーザー装置の共振器の他の実施形態
を示すブロック図である。

【図６】レーザー光の集光前後の強度分布を示すグラフ
であり、（Ａ）は四角形ビームのレーザー光について、
（Ｂ）はガウスビームのレーザー光について示す。

【符号の説明】

１レーザー媒質（レーザー発光部）４，４ａ，４ｂ，４ｃ位相変換素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光発生部により発生されるレー
ザー光の光路上に、該レーザー光の強度分布及び位相分
布を変換する位相変換素子を配置したことを特徴とする
レーザー装置。
【請求項２】前記位相変換素子により位相補正を行う
ことを特徴とする請求項１記載のレーザー装置。
【請求項３】前記位相変換素子を、レーザー光の強度
分布を座標変換により他の強度分布に変換可能な光学的
素子により構成したことを特徴とする請求項１または請
求項２記載のレーザー装置。
【請求項４】前記位相変換素子を、レーザー光発生部
により発生されるレーザー光の強度分布をガウス分布に
変換するものとしたことを特徴とする請求項１から請求
項３までのいずれかに記載のレーザー装置。