JPH11354897A

JPH11354897A - レーザビーム出力装置

Info

Publication number: JPH11354897A
Application number: JP15868898A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Ishida; 英伸石田; Satoshi Makio; 諭牧尾; Masazumi Sato; 正純佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビーム出力の断面分布をリング型形状
にするレーザ装置の簡略化と、出力を向上させること。【解決手段】２つのレーザ共振器からのビームの横モ
ード（Transverse mode）をTEM01もしくはTEM10とし、
また２つの共振器からのレーザビームの偏光方向を互い
に直角をなすようにする。このようして得られた偏光方
向が互いに垂直な２つのビームを偏光ビームスプリッタ
で合成し、レーザ出力とする。以上の構成により、一つ
のレーザ共振器からのレーザ出力に比較してレーザ出力
を低下させることなく、光強度分布をリング型形状とす
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光によって微
小な対象物を捕捉したり、移動あるいは切断する機能を
もつ光マニピュレーションや光トラップ用に使用される
レーザビーム装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ光を照射しその圧力（吸
収、反射、屈折に伴い、レーザ光から対象物へ運動量が
移動する現象）により、微小な対象物を捕捉したり動か
す技術は、光トラップもしくは光マニピュレーション技
術といわれ、最近急速に脚光を浴びるようになってき
た。このような技術は、特に生物学の基礎研究やマイク
ロマシン工学における手段として注目されている。例え
ば、顕微鏡と組み合わせてレーザ光を顕微鏡の中に導
き、対物レンズで絞ることでその焦点近くのＤＮＡなど
の巨大分子や細胞、生体組織等を捕まえて動かしたり
（光ピンセット）、切断・破壊したり（光メス）するこ
とが可能である。このような光操作に使用される顕微鏡
は、各研究機関で開発が進められ、実用化段階に入りつ
つある。

【０００３】また、他方では各種タイプのレーザビーム
出力装置が活発に研究開発され、利用分野が拡大してい
る。半導体レーザ、ガスレーザ、固体レーザなど多くの
タイプのレーザビーム装置が現在までに実用化されてい
る。そしてこれらのレーザ装置を光トラップや光マニピ
ュレーション用の光源として使用する研究、開発が活発
になされている。

【０００４】しかし、レーザビーム出力装置の出力ビー
ムの断面光強度分布は、円形の正規分布（ガウシアン分
布）であって、中心で一番強度が高い状態になってい
る。そのため、出力ビームを微小対象物にそのまま照射
し、光トラップや光マニピュレーションをおこなう場
合、対象物を移動させることは容易であるが、対象物は
一方向からのみ力を受けることになるため、捕捉が難し
いという問題がある。そのため、効率的な光トラップ、
光マニピュレーション操作を行う目的で、レーザビーム
出力装置からの出力ビームの光強度分布をフィルターや
ガルバノミラー等を用いて補正し、光トラップに適した
リング型形状の強度分布、すなわちビーム中心の光強度
が周囲の光強度より小さくなるような分布が従来利用さ
れてきた。

【０００５】図７に従来技術として、ガルバノミラー１
０と１１を用いた装置の構成を示す。レーザビーム出力
装置４から発せられた円形のガウシアンビーム５は、水
平方向に一定の振幅で振動するガルバノミラー１０と、
垂直方向に振動するガルバノミラー１１に反射され、そ
の進行方向を制御される。ガルバノミラー１０および１
１の振動周期と振幅を一定にすると共に、９０度の位相
差を持たせれば、反射後のビームの垂直面内においてあ
る一定の半径の円周を軌道として回転するビームとな
る。ガルバノミラーの振動周期を十分短くすることで、
見かけ上リング型形状のビームが得られる。さらに、ビ
ームの傾斜角度を光軸に対して平行に近づけるための補
正レンズ１２を配置する必要がある。その後、対象物を
捕捉するための光トラップ装置６に入力する構成であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したガルバノ
ミラーを用いた従来技術では、微小対象物の捕捉を維持
するための外部からの運動量は、ビームが高速で回転し
ているため、レーザ光は対象物にとって近似的にパルス
光として作用し、連続光の場合と比較して出力が小さく
なる。これはレーザ出力値が低くなった効果と同等とみ
なすことができる。このようにガルバノミラー式では、
装置が複雑であると同時に、出力を大きくする限界があ
った。

【０００７】また、中心付近の透過率が周囲より低い分
布を持つフィルタによりガウシアンレーザビームをリン
グ型形状に変換することも可能である。しかしながら、
この場合ではレーザ光を一部カットすることになるの
で、出力の低下と装置の複雑化と変換効率の低下を招く
という問題がある。このようにリング型形状のビームを
得るための従来方式では、レーザビーム出力装置から出
射されたレーザビームを補正するための装置を付加する
必要があると同時に、出力の低下を一般に招くという２
つの重大な問題があった。

【０００８】以上のように、ガウシアンビームを出射す
るレーザビーム出力装置を作業効率の高い光トラップや
光マニピュレーション装置用の光源として用いる場合、
レーザビームの光強度分布をガウシアン分布からリング
型形状に変換または修正するためには、レーザ装置に付
加する光学系の追加が行われ全体のシステムは複雑とな
り、また出力の低下を招いてしまう。本発明は、このよ
うな事情に鑑みてなされたものであり、レーザビーム出
力装置内に出力の低下を招くことなく光トラップに適し
た光強度分布を持つリング型形状のレーザビームを得る
機構を取り入れることによって、従来技術の問題を解決
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】微小な対象物を効率よく
捕捉するにはビーム強度の断面形状が中心領域で低く、
周辺にいくに従い強くなっていればよい。しかし、通常
のレーザビーム出力装置から出射されるビームは中心で
光強度がピークとなるガウシアン分布である。そのため
このガウシアン分布以外の分布を持つビームをレーザ共
振器から直接生成させるか、このガウシアンビームの分
布を各種光学素子を使ってリング型形状に変えるという
２つの方法が考えられる。

【００１０】しかし、単にこれらの２つの方法を適用す
ると、レーザ出力の低下を伴ってしまう。その理由を簡
単に述べる。まずレーザ共振器から直接生成させる方法
であるが、ガウシアンビームはレーザ共振器から生成す
るビームとしては理論的に最も回折損失が少なく、且つ
高い出力の得られるビームのモードとして知られてい
る。そのため、ガウシアンビーム以外の分布を持つビー
ムを同じ励起条件のもと直接レーザ共振器から取り出す
場合、ビーム出力の低下を必然的に伴う。また、ガウシ
アンビームを各種光学素子を使って、分布をリング型形
状の分布に補正する方法に関しては、従来技術の説明で
述べたように反射、吸収、屈折、散乱等による光出力の
低下を伴う。

【００１１】そこで本発明では、複数のレーザビーム出
力ユニットを想定し、それらの複数のユニットからのビ
ームを合成した時点でリング型形状が得られていればよ
いことに着目した。複数のレーザビーム出力ユニットを
想定することで、おおよそユニット台数分の出力の倍加
が行われるので、高出力化も同時に達成することができ
る。図１に本発明の原理構成を示す。ビーム合成を行う
前、各レーザビーム出力ユニット1の内部の構成を、Ａ
点に示すように例えば上下に２つの強度分布をもつ横モ
ードTEM01と、Ｂ点の左右に２つの強度分布をもつ横モ
ードTEM10のレーザビーム２および２´が出力されるよ
うにする。これらの２つのビーム２および２´を光学的
ビーム合成手段３によって合成することにより光強度分
布がリング型形状のビーム５が得られる。

【００１２】なお、横モードTEM01やTEM10を得る方法と
しては、例えばレーザ共振器ミラーのあおり角度を調整
する方法がある。また、レーザ共振器内のレーザ発生媒
体（例えば、レーザ結晶など）に与える励起エネルギの
分布を横モードTEM01やTEM10のレーザビームの強度分布
と一致させる方法もある。さらに、レーザ共振器内に横
モードTEM01やTEM10のレーザビームの強度分布と同じ損
失分布をもつアパーチャーを挿入する方法もある。いず
れも、本発明の実施に際しては問題なく適用可能であ
る。

【００１３】次に、具体的なビームの合成の条件に関し
て述べる。２つのビームを合成するには、例えば50%程
度の透過率と反射率をもつミラー（ハーフミラー）を用
いれば合成することができる。ただし、ハーフミラーに
よる反射損失、透過損失のために、２組のレーザビーム
出力ユニットからの出力はおのおので半分程度に落ちて
しまい、合成出力はレーザユニット１台分の出力にとど
まり、高出力を得ることが困難である。

【００１４】そこで出力を損なうことなくビーム合成を
具体的に実現する方法として本発明によるシステムの基
本構成を図２に示す。それぞれのビーム２および２´の
偏光方向を直交させるようにレーザ共振器1および１´
を構成し、光学的ビーム合成手段として偏光ビームスプ
リッタ８を用い、ビーム２と２´を合成する。偏光ビー
ムスプリッタ８は一般に互いに直角をなす２つの偏光方
向のビーム同士を損失なく合成することができる光学素
子である。そのため、１つの共振器からのレーザ出力に
比較して約２倍の出力を確保できると同時に、ビーム断
面形状５を輪環形状とすることができる。なお、レーザ
共振器１および１´からのビームは垂直もしくは水平に
分割された２つの強度分布をもつ断面形状である必要は
必ずしもなく、分割方向が２つのビームでお互いに直交
していさえすればよい。同様に偏光方向も互いに直交し
ていさえすればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】まず、図３に本発明の実施例を示
す。この実施例においては、励起光源として波長669n
m、定格出力１Ｗのブロードエリア赤色半導体レーザ１
３を使用し、固体レーザ媒体としては1.5%Cr濃度、3×3
×5mmのCr:LiSAF（Cr:LiSrAlF₆）単結晶１５を使用し
た。図３に示したように２つの共振器１６と１７を使用
する。また、レーザ共振器長は95mm、共振器ミラー１８
の曲率半径は100mmとした。レーザ出力側には共振器17
からのビームの行路を曲げるミラー７と偏光ビームスプ
リッタ８を配置した。最後に、出力レンズとして平凸レ
ンズ９を配置し、ビーム５を出力した。

【００１６】半導体レーザ１３から発せられる励起光は
集光光学系１４によりレーザ結晶１５へ集光させた。共
振器１６と１７内で増幅され発振したレーザ光は、レー
ザビームとなりミラー１８より出射される。2つの共振
器１６と１７からのレーザビームの偏光方向が互いに直
角をなすように、固体レーザ結晶が発振する偏光の方向
を規定している。共振器１７からのビーム２０はミラー
７によって90°行路が曲げられ、共振器１６及び共振器
１７から発せられた2つのビーム１９と２０を偏光ビー
ムスプリッタ８で合成し１本のレーザビームとした。そ
して出力レンズ9でビーム拡がり角を低減させて出力ビ
ーム５とした。

【００１７】以上の光学系においてレーザ発振をおこな
った。半導体レーザ１３における駆動電流は1540mAであ
り、その励起出力は860mWである。レーザ発振の際に
は、レーザ共振器ビームの横モードがTEM01となるよう
に、各光学部品の位置調整をおこなった。

【００１８】半導体レーザの駆動電流1540mAにて合成後
のビーム５の出力値は305mWであった。これは共振器１
６および１７単独での値151mW、158mWと比べて高出力を
達成している。また、半導体レーザ駆動電流1540mAにお
いて、出力ビーム５の光強度分布を測定した結果を図６
に、また共振器１６および共振器１７の合成前の各ビー
ムを図４と５に示す。共振器１６および１７からのビー
ムの強度分布は、前述したようにTEM01、TEM10モードに
よる分布であり、合成後のビームの強度分布は目的とし
たリング型形状となった。また、この実施例では固体レ
ーザ結晶として、Cr:LiSrAlF_６結晶を用いているが、N
d:Y_３Al_５O_１２単結晶やNd:YVO_４等により構成してもま
ったく同様の結果が得られる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によりレーザ装置を光トラップ用
光源として使用する場合、ビームの光強度分布を調整す
るための光学系を付加する必要がなく、システムの複雑
化が避けられると同時に、1組のレーザ共振器によるレ
ーザ出力に比べて高出力のリング型形状を有するレーザ
ビームを得ることができる。そのため、光トラップや光
マニピュレーションシステムの小型化と、光トラップや
光マニピュレーションの作業効率向上に著しく貢献する
ことが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の原理図である。

【図２】本発明によるシステムの基本構成である。

【図３】本発明による他の実施例である。

【図４】TEMOIモード分布である。

【図５】TEM10モード分布である。

【図６】本発明による合成ビームの分布である。

【図７】従来技術を示す模式図である。

【符号の説明】

１レーザ共振器、２レーザビーム、３光学的ビー
ム合成手段、４レーザビーム出力装置、５出力ビー
ム、６光マニピュレーション装置、７反射ミラー、
８偏光ビームスプリッタ、９出力レンズ、１０水
平方向ガルバノミラー、１１垂直方向ガルバノミラ
ー、１２補正レンズ、１３半導体レーザ、１４集
光光学系、１５ Cr:LiSrAlF_６単結晶、１６レーザ共
振器A、１７レーザ共振器B、１８出力ミラー、１９
レーザビームA、２０レーザビームB、２１半導体
レーザ駆動電源と結晶温度調節装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器内部にあるレーザ媒体を励起光源
により励起しレーザビームを発生するレーザビーム装置
において、前記レーザビーム装置はレーザビームを出力
するユニットを少なくとも２つ以上具備し、前記複数の
ユニットからのレーザビームを光学的手段によって合成
すると共に、合成出力ビームの断面光強度は、中央部よ
り周辺部の方が大きいことを特徴とするレーザビーム出
力装置。
【請求項２】前記レーザユニットのレーザビームはCr
ドープLiSrAlF_６レーザ単結晶を半導体レーザによって
励起することによって得られることを特徴とする請求項
1に記載のレーザビーム出力装置。
【請求項３】前記レーザユニットのレーザビームは第
(0,1)次の横モードTEM01もしくは第(1,0)次の横モードT
EM10であることを特徴とする請求項1または2のいずれか
に記載のレーザビーム出力装置。
【請求項４】前記光学的手段は偏光ビームスプリッタ
を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載のレーザビーム出力装置。