JPS5841794B2 - レ−ザ−発振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザー発振装置に関するもので、レーザ出力
の制御ｉらびに安定化に必要なレーザ出力のモニター機
能を備えたレーザー発振装置を提供することを目的とす
る。

レーザ出力の制御ならびに安定化はレーザ出力を発振中
にモニターしく多くの場合電圧に変換して行われる）、
その出力を制御入力信号である基準電圧と比較しその偏
差量を演算回路を通した後レーザ励起装置に負帰還して
行なわれる。

本発明はこれらの技術のうち特にレーザ光モニター技術
の改良に関するもので・ありその他の部分においては周
知の技術を用いているので以下の記述に勢いてはレーザ
出力モニターに関連する部分のみを取上げその他の部分
は省略することにする。

出力モニターの従来技術は第１図に示す如く、レーザの
出力結合鏡２と反対側の通常は全反射鏡である反射鏡を
出力結合率の低い（１饅程度）部分透過鏡３に置換しそ
れを通しての出力６を出力検出器７を用いて測定すると
いう手段を取っている。

ここで４は出力ビーム、８は出力検出器７からの電気信
号を示す。

この方法は装置構成が簡単であるという長所を有する反
面、次に述べる短所を有する。

すなわち第一には部分透過鏡３０表裏面が十分な平行度
を有する時、２ビーム干渉器を構成して見かけ上の透過
率が大巾に変化してし１うこと（簡単な計算の結果部分
透過鏡３よりの出力光６は１００％振巾変調が起り得る
ことが分り発明者の経験でもこれが確められた）である
。

第二には発振周波数のゆらぎに対する部分透過鏡３の干
渉フィルターの分光特性の変化であり、この時レーザ管
１内のビーム５の強度が一定であっても、モニタービー
ム６の強度がゆらいでし１う。

第２図にＣＯ２レーザの場合のこのゆらぎの大きさの一
例を示す。

同図の曲線は横軸が波数であり縦軸が第１図の部分透過
鏡３０分光透過特性であり、ＣＯ２レーザであれば１０
．６μであるに＝９４３ ｃｍ ’のところ所望の透過
率Ｔを有する様な設計が行われている。

（同図の場合Ｔ＝０．００１％である。

）ところがレーザ光はＣＯ２分子の異なった回転準位間
遷移で発振し、同図ではＰＩ３とＰ２６を示しているが
通常はこの範囲内の異ったＰ線間を不規則にゆらぎつつ
発振する。

この時ＪＴ＝（Ｔ２−Ｔ１ ）／Ｔ□＝１３．６％とな
り第１図の共振器内ビーム５の強度が一定であったとし
てもモニター用ビーム６の出力は１３．６％の範囲内で
不安定性を示すことになる。

発振波長でＡＴ＝０が成立すればよいがこれは鏡面の多
層膜蒸着技術に過大なる精度を要求することになり現実
的ではない、なお出力結合鏡２にあっては、Ｔの値その
ものが数１０優と大きな値であるので多少のＪＴが存在
してもＪＴ／Ｔ±０であり、この不安定性が無視でき、
Ｔ※０である微小出力モニターの場合のみ、この不安定
性が無視できなくなるのである。

以上述べたように、部分透過鏡を通してレーザ出力に比
例した微小量をモニターして出力制御を行う方法はエネ
ルギー効率と装置の寸法状の双方から望１れた方法であ
るが少くとも十分な精度においては今日実現されてはい
ない。

本発明はレーザ共振器の外部に設置したビームスプリッ
タ−を通して出力ビームの一部をモニターし、その測定
量を制御信号である基準電圧と比較し偏差量をレーザ励
起装置に負帰還することによりレーザ出力の制御を行な
うようにしたものである。

上記した透過率、反射率の波長依存性は誘電体多層膜フ
ィルターを使用する限り防止が困難であるので、本発明
ではフレネル反射係数で与えられる物質固有の反射率を
用いてその安定化をはかつている。

第１図の部分透過鏡３の使用例では、モニター出力はで
きるだけ微小なものにする必要からＲ÷１のものを用い
る必要があり、かつ、レーザ光に対して透明体でなけれ
ばｉらないのでそれらの条件を満足する物質を選択する
ことは容易ではなかった。

それに対して本発明では出力モニターを行なうのは発振
器外部に′設置したビームスプリッタ−であり、そこで
はＴ÷１即ちＲ÷０が要求されるのであり、イオン結晶
などのｎ±１の物質を用いることができる。

またビームスプリッタ−へは斜方向入射であるので前記
した２ビーム干渉による出力値の不安定性が防止できる
。

斜方向入射の場合の偏光面Ｑゆらぎに由来する出力値の
不安定性が存在するが、本発明によれば発振波長のゆら
ぎが存在してもレーザ出力に比例した量の検出が可能で
あるのでＣＯ２レーザなど発振波長の変動しゃすいレー
ザに最適の出力制御法であると云える。

以下本発明の一実施例を第３図に示す。

本実施例では偏光面が固定された、すなわちブリュース
タ窓１４′を有するレーザについて説明する。

同図に釦いては１１はレーザ管、１２は出力結合鏡、１
３は全反射鏡、１４及び１４′はレーザ管光学窓、１５
はレーザ発振器の外部に設けられたビームスプリッタ、
１６は出力モニター用検出器、１７はレーザ励起電源、
１８は共振器内レーザビーム、１９はレーザ出力ビーム
、２０はビームスプリッタ通過後のレーザビーム、２１
は出力モニター用ビーム、２２は出力モニター検出器か
らの出力、２３はレーザ出力制御用信号、２４はレーザ
励起電源出力である０本実施例ではレーザビーム１９に
比例したモニター用ビーム２１をモニター検出器１６に
て測定し、その出力２２と制御用信号２３を比較してそ
の偏差量を励起電源１７に負帰還して制御を行うもので
ある。

次に本発明の具体的実施例を必要要素毎に説明する。

本発明においてはビームスプリッタ・−材質は（１）レ
ーザ光に対して透明体であること、（ｉＤ （１）式の
Ｒができるだけ小さい、即ちｎが出来るだけ１に近いこ
と、という二条性から選択される。

たとえばＣＯ２レーザに対しては、ＮａＣ１（ｎ ＝
１．４５Ｒ＝３．４％）、ＫＣｌ（ｎ＝１．５２．Ｒ＝
４．３％）ＫＢ ｒ （ｎ＝ １．４７ 、 Ｒ＝３．
６％）などが適当である。

これらの材料を本発明のビームスプリッタに適用するこ
とにより本発明の目的は達成できる。

ところで一方、ビームスプリッタ−の第１面にかける反
射のみでなく、第２面にち・ける反射が問題になること
がある。

すｉわち第１面の反射に加えて、ビームスプリッタ−か
らは、はぼ同程度の強度を持つ２本のビームが反射され
ることになる。

これはビームスプリッタ−の総合的ｉ透過率を低下させ
ることと、２ビーム干渉による見掛上の反射率の不安定
性を発生させる。

この二種の望オしくない現象の防止方法としては、ビー
ムスプリッタ−第二面に反射防止膜をもうければよい。

これは同時にイオン結晶などの潮解性防止保護膜にもな
る。

この反射防止膜のついたビームスプリッタ−の構成例を
第４図に示す。

同図に卦いて２５はビームスプリッタ−１２６は第２面
上に設けられたレーザ波長にかける反射防止膜、１６は
モニタービーム用検出器、１９はビームスプリッタ−へ
の入射ビーム、２０は同透過ビーム、２１はビームスプ
リッタ−第一面における反射光であって、検出器１６に
導かれる。

この種のビームスプリッタ−でハ反射ビームは一本であ
るので２ビーム干渉による不安定性が発生しない。

反射防止膜が存在しない場合は、第５図に示すように現
象が出現する。

即ち同図ａに示す如く、ビームスプリッタ１５に入力ビ
ーム１９が入射すると透過光２０の他に第一面における
反射ビーム２１と第二面にかける反射ビーム２７が発生
しその強度は反射率Ｒが微小量である時はぼ同程度であ
るとしてよい。

簡単な幾何光学の計算より、これら２ビームの間隔りは
、ビームスプリッタ−１５の屈折率をｎ１第一面にかけ
る入射角をθｉ、スプリッター板厚をＴとすれば、 で与えられる。

さてレーザビームの直径をφ。して と である時、これら２本のビームはほぼ完全に重なり合い
検出器１６にあ・けるビーム強度■は干渉の理論からよ
く知られている様に第５図すに示す変動を示す。

同図の■。はａの２１及び２７で示すビーム強度である
。

また横軸のδはビーム２１及び２７の位相差であって、
ビームスプリッタ−１５の板厚Ｔが一定である時入射ビ
ーム１９０波長の変化に応じ変動する。

即ちδを変化させる要因は発振波長即ち同周波数νであ
る。

νの一周期をＪν１とア・＜と干渉理論より、Ｃを光速
度として であることが知られてあ・す、Ｔ＝ ３ ｍｍのＺｎ５
ｅの場合について４式を計算して見るとＡνＴ＝２１Ｇ
馬になる。

一方円波数安定化を行っていないＣＯ２レーザはＣＯ２
分子の回転準位間遷移であるＰ（２６）力らＰ（１４）
間にわたってＡシー３２０ＧＨ２の範囲内で周波数がラ
ンダムに変動する。

この時第５図すに示す１５周期分に相当する変動を示す
ことになり検出器１６の受ける不安定性は極めて太きい
ものと云はなければならない。

この干渉による不安定性を防止するには２本ビームの間
隔りをレーザビーム直径φ。

より大きくして両者を分離してやればよい。

そのためには（２）式を用いてビームスプリッタ−板厚
Ｔが であればよく、この時２本のビームは干渉を惹起せず検
出器１６の出力は完全な安定性を示すことが分る。

５式のφ。の代りにレーザ管の内径φを代用しても大差
ｉい。

第６図は本発明の他の実施例であり、ビームスプリッタ
として頂角φをもつプリズム型のものを使用した例を示
す。

この場合は上記平行板に比して、小さな板厚で２本のビ
ームの分離が効果的に行われる。

同図において３１は頂角ψを持つプリズム型ビームスプ
リッタ−１３２は入射ビーム、３３は射出ビーム、３４
は第一面反射ビーム、３５は第二面反射ビーム、３６は
プリズム内高次反射光である。

幾何光学的計算の結果法の諸関係が導かれる。

〔ビームスプリッタ−第一面上にわける ２本ビーム射出点間距離〕 この場合干渉防止の条件は であり、φ。

とじては前記した如くレーザ管内径を用いればよい。

本実施例にあ・いては（６）〜（１０）の関係式を用い
て（ｉｉ）を満足するようにビームスプリッタ−の形状
を決定すれば良く、ＫＣ１＃ ｎ＝１．４６で、Ｔ＝１
０間、φ＝１００の場合の例を第１表に示す。

このＩｊｃｏｓθ。

、釦よびレーザ管内径の値の比較からビームスプリッタ
−構成の諸パラメータが決定できる。

以上は第３図に示したようにブリュースタ窓を有するも
ので、出力ビームが特定方向に直線偏光しているものを
基本として説明してきたが、これに限定されるものでは
なく、偏光面が固定されていないレーザについても同様
に適用できる。

次に偏光面が固定されていないレーザについては、偏光
面のゆらぎに基づくモニタ出力のゆらぎの問題があるが
、この偏光面のゆらぎに由来するモニター出力のゆらぎ
を防止できるのも本発明の特徴の一つである。

ビームスプリッタ−は垂直入射であるとモニタービーム
がレーザ発振器内に帰ってし１い、その測定が困難であ
るので斜方向入射で用いる。

その場合、入射面に対して偏光面が水平なＰ成分、垂直
々Ｓ成分の反射率が異なるので偏向面のゆらぎがモニタ
ー出力の不安定の原因となる。

第７図にＫ（ｌの場合について入射角と、ｐｉ−よびＳ
それぞれの取分の反射率とその比を示す。

偏光面が固定されていないレーザではＲｐ／Ｒｓ比が１
に近い領域でしかビームスプリッタ−を用いることがで
きない。

同図で許容測定精度を５％以下とすると、ビームスプリ
ッタ−第一面へのレーザビームの入射角は１００以下で
なければならない。

５方ビームスプリツタ第二面からの第２ビームを考慮し
た場合、たとえば第６図に示したプリズム型ビームスプ
リッタ−の場合を例にとると、第２ビームは第１ビーム
に比較してその光路においてより大きな入射角を経験す
ることになるので上記入射角の条件を守ることはより困
難であるので第２ビームはビームストッパで受けてモニ
ター検出器に入らないようにした方がよい。

この構成を第８図に示す。

同図にち・いて、４１はレーザ管、４２は出力結合鏡、
４３は全反射鏡、４４はビームスプリッタ第一反射ビー
ム、４５は同第２反射ビーム、４６はビームスプリッタ
−１４７は射出レーザビーム、４８はモニター検出器、
４９はビームストッパ、５０はレーザ励起電源、５１は
モニター出力、５２は制御用信号、５３は励起電源出力
であり動作原理は前述した通りであるので説明を省略す
る。

また第４図に示す反射防止膜を採用する時第２ビームは
存在しないのでビームストッパーの設置は必要でないこ
とはもちろんである。

この偏光面のゆらぎによるモニター出力の変動の問題は
、偏光面が固定されていないレーザに固有の問題であり
、レーザ光がある特定の方向に直線偏光しているレーザ
を使用すればこの問題は解消される。

すなわち、レーザ光がある特定方向に直線偏光している
場合にはこの種の不安定性が存在しないので入射角の制
約がなくレーザの構成はより自由度が増大する。

第３図に示したレーザはブリュースター窓４′が存在す
るためＥベクトルは入射面即ち紙面内に偏光してかりこ
の関係はレーザの発振中不変であるので出力モニター値
は安定である。

以上述べたように本発明はレーザ発振器の外部に設置し
た出力モニター装置によりレーザ出力の一部を測定用に
供しその測定結果を制御信号と比較しその偏差量により
レーザ励起電源を負帰還制御する方法によって出力の制
御ならびに安定化をはかったレーザー発振装置であり、
次の特徴を有する。

第一に周波数安定化を特に行わないレーザでも出力モニ
ターの精度を高く維持することができるので制御精度が
高い。

第二にレーザ光の可干渉性にもとづく制御の不安定性が
本発明では回避されてかり高精度の制御が可能である。

第三に偏光面のゆらぎに起因するモニター出力の変動が
本発明では回避されてかり高精度の制御が可能である。

る。

第四に出力モニター測定に所要するエネルギー量を出来
るだけ抑えた方式であるので総合的左エネルギー効果の
低下を１わく事がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は全反射鏡より出力モニターを行う従来のレーザ
ー発振装置の概略構成図、第２図は微小出力モニターを
行う低透過率誘電体多層干渉フィルターの透過分光特性
を示す図、第３図は本発明の一実施例にかけるレーザー
発振装置の概略構成図、第４図は同ビームスプリッタ−
の具体構造例を示す断面図、第５図ａは同ビームスプリ
ッタ−の一構造例を示す図、第５図すは２ビーム干渉に
おけるビーム強度の変化を示す図、第６図はプリズム型
ビームスプリッタ−内の光路を示す図、第７図は異った
偏光面に対する反射特性を示す図、第８図は本発明の他
の実施例を示す概略構成図である。 １・・・レーザ管、２・・・出力結合鏡、３・・・出力
モニターを行う全反射鏡、４・・・レーザ出力ビーム、
５・・・共振器内レーザビーム、６−モニター出力ビー
ム、７・・・出力モニター検出器、８・・・出力モニタ
ー検出器出力、１１・・・レーザ管、１２・・・出力結
合鏡１３・・・全反射鏡、１４・・・レーザ管光学窓、
１４・・・ブリニスター窓、１５・・・ビームスプリッ
タ、１６・・・出力モニター検出器、１７・・・レーザ
励起電源、１８・・・共振器内レーザビーム、１９・・
・レーザ出力ビーム、２０・・・ビームスプリッタ、射
出ビーム、２１・・・出力モニタービーム、２２・・・
出力モニター検出器出力、２３・・・制御用信号、２４
・・励起電源出力、２５・・・ビームスプリッタ基板、
２６・・・反射防止膜、２７・・・第２面反射ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ活性領域と、同領域を囲むレーザ共振器と、
   この共振器の外部に設けられた、透明体のフレネル反射
   によるビームスプリッタと、このビームスプリッタから
   の反射光を測定するモニター出力検出器と、レーザ励起
   手段とを有し、前記モニター出力検出器の出力と制御信
   号とを比較し、その偏差量を前記レーザ励起手段に負帰
   還するごとく構成したことを特徴とするレーザー発振装
   置。 ２ ビームスプリッタがＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＫＢｒのい
   ずれかで構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のレーザー発振装置。 ３ ビームスプリッタの、レーザ共振器と反対側の面に
   反射防止膜を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のレーザー発振装置。 ４ ビームスプリッタが平行平板であり、かつその板厚
   Ｔが 但し、ｎはビームスプリッタ材の屈折率 φ０はレーザ管内径 θｉはビームスプリッタへの入射角 の関係を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のレーザー発振装置。 ５ ビームスプリッタがプリズム状であり、かつビーム
   スプリッタのレーザ共振器側表面とその反対側表面とに
   釦ける第１．第２の反射ビームが、検出器受光面上で分
   離されるごとく構成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のレーザー発振装置。 ６ レーザー発振装置のレーザー出力ビームが、特定方
   向に直線偏光していることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のレーザー発振装置。 ７ レーザー発振装置が、レーザ出力ビームの偏光面が
   固定されて釦らず、かつ上記ビームスプリッタのレーザ
   共振器側表面へのレーザビームの入射角が１０度以下で
   あるごとく構成されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のレーザー発振装置。 ８ 上記ビームスプリッタの、レーザ共振器に対して反
   対側表面からの反射ビームを遮蔽する手段が配されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザー発
   振装置。