JP3540741B2

JP3540741B2 - 共振器長可変レーザー共振器とパルスレーザー光源装置

Info

Publication number: JP3540741B2
Application number: JP2000365878A
Authority: JP
Inventors: 眞幸桂川; 耕藏白田; 佳旗梁
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2002171015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、共振器長可変レーザー共振器に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、簡便にレーザー共振器長を延長することが可能な小型共振器長可変レーザー共振器とこれを備えたパルスレーザー光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、レーザー共振器において、レーザー共振器内部の横モードサイズ（共振器にマッチしたＴＥＭのガウスビーム強度がピーク強度の１／ｅ²になる直径）を大きく変更することなく共振器長を延長する方法として、図６に示されるような一定の共振器長で設計された外部共振器のレーザー光路上の位置Ａに、図７で示したような凸レンズを２枚組み合わせてなるイメージリレーのシステムを組み込み、図８で示されるような構成をとる方法が広く知られている。
【０００３】
この方法においては、レーザー共振器全体のサイズが大きくなり、また、それに伴い機械的に不安定となることが問題となっていた。また、ピーク強度の高いレーザーを扱う場合には、凸レンズ系の焦点位置におけるレーザー光による放電が発生し、これを防ぐためには凸レンズ系を真空中に封じ込める必要がある。さらに、ひとつのイメージリレーの光学部品に対して、ひとつの共振器長しか選択できないこと、また、共振器長を変更する際の調整に、手間と時間がかかることが、問題点として挙げられている。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、共振器全体のサイズを大きく変更することなく共振器長の延長を実現し、機械的安定性が高く、高強度レーザーを扱う場合にも放電防止用の真空を必要とせず、さらに共振器長の延長に用いられる１セットの光学部品に対して複数の共振器長を選択することが可能であり、さらには、共振器長の再調整が容易なレーザー共振器を提供することを課題としている。さらにまた、このようなレーザー共振器を備えたパルスレーザー光源装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願は、上記の課題を解決するものとして、第１の発明として、レーザーゲイン媒質から射出されたレーザー光を共振させる共振器であって、共振器が備える反射鏡の一部が、対向する２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡であり、曲率付き多重折り返し高反射率鏡に対するレーザー光の入射角の調整により、曲率付き多重折り返し高反射率鏡におけるレーザー光の折り返し回数が変更されて、共振器長が任意に設定可能となっていることを特徴とする共振器長可変レーザー共振器を提供する。
【０００６】
また、この出願は、第２の発明として、レーザーゲイン媒質より射出されるレーザー光を反射する第１の反射鏡と、第１の反射鏡により反射されたレーザー光を曲率付き多重折り返し高反射率鏡へ入射させる第２の反射鏡と、曲率付き多重折り返し高反射率鏡より射出されたレーザー光を反射する第３の反射鏡と、第３の反射鏡により反射されたレーザー光を第１の反射鏡へ入射させる第４の反射鏡とを備え、第２の反射鏡の設置角度の変更により、曲率付き多重折り返し高反射率鏡へのレーザー光の入射角が調整され、曲率付き多重折り返し高反射率鏡におけるレーザー光の折り返し回数が変更されて、共振器長が任意に設定可能となっていることを特徴とする共振器長可変レーザー共振器。
【０００７】
さらに、この出願は、第３の発明として、以上の共振器長可変レーザー共振器を備えることを特徴とするパルスレーザー光源をも提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、この出願の発明である共振器長可変レーザー共振器の要部構成の一例を示したものである。
【０００９】
たとえばこの図１に例示したように、この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器では、その反射鏡の一部が、対向する２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）であり、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）に対するレーザー光の入射角を調整することで、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）におけるレーザー光の折り返し回数が変更されて、共振器長を任意に設定可能となっている。
【００１０】
この場合さらに説明すると、図１の例では、レーザーゲイン媒質（１）より射出されたレーザー光は、第１の反射鏡（２）によりその光路が変更されて第２の反射鏡（３）へ入射される。第２の反射鏡（３）は、対向する２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）へレーザー光を入射させるためのものであり、この第２の反射鏡（３）により反射されたレーザー光は曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）の一方へ入射される。そして、レーザー光は、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）間を複数回繰り返して反射することとなる。複数回の反射後、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）から射出されたレーザー光は、第３の反射鏡（５）により反射されて、第４の反射鏡（６）へ入射される。第４の反射鏡（６）は入射レーザー光を第１の反射鏡（２）へ再び入射させる。
【００１１】
このように、この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器においては、対向する２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）間をレーザー光が繰り返し反射することで、共振器長の延長を実現している。すなわち、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）間のレーザー光の反射回数を変えることで、共振器長を自在に変更できるのである。
【００１２】
より具体的には、図１において、第２の反射鏡（３）と第３の反射鏡（５）を結ぶ破線は、曲率付き多重折り返し高反射率鏡を用いない場合のレーザー光路を示しており、他方、第２の反射鏡（３）と第３の反射鏡（５）を結ぶ実線は、２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）間で、７回往復反射を繰り返す場合のレーザー光路を示している。破線と比較しても格段に共振器長が延長されていることは明らかである。なお、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）の隣り合う反射点どうしの間隔（７）は、往復反射回数に関わらず図１に示したようにほぼ等間隔となる。
【００１３】
図１のレーザー共振器においては、第２の反射鏡（３）の設置角度を変更することで、レーザー光の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）への入射角が調整され、レーザー光の往復反射を制御することが可能である。もちろん、レーザー光の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）への入射角が変更されることで、レーザー光の曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）からの出射角も変わることから、第３の反射鏡（５）および第４の反射鏡（６）の設置角度も、あわせて調整する必要があることは言うまでもない。
【００１４】
この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器においては、レーザーのビーム系を絞るような光学系が存在しないため、ピーク強度の高いレーザーに適用する場合であっても、空気放電を引き起こすことはない。
【００１５】
そして、この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器をパルスレーザー光源が備えることで、パルス長の容易な変更が技術的に実現されるのである。この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器は、上述したように、横モードサイズをほとんど変更することなく共振器長の延長を実現するものであるから、この出願の発明の共振器長可変レーザー共振器を備えるパルスレーザー光源も小型となり、かつ、機械的に安定性に富むものとなる。
【００１６】
もちろん、この出願の発明である小型共振器長可変レーザー共振器の構成は、図１に例示したようなリング共振器型の構成に限定されるものではなく、様々な共振器に対して曲率付き多重折り返し高反射率鏡を組み込むことで、容易に共振器長の変更が可能となることはいうまでもない。
【００１７】
この出願の発明は以上の通りの特徴を持つものであるが、以下に、添付した図面に沿って実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
【実施例】
ここでは、図１に例示したこの出願の発明である共振器長可変レーザー共振器の有効性についてシミュレーションにより検討したので、その説明をする。
【００１９】
シミュレーションでは、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に例示したように、反射鏡（２）（３）（５）（６）からなるＺ型のリング共振器は共振器長７８ｃｍを有するものであり、このリング共振器の中に、曲率２０ｍの曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）２枚を互いの間隔（ｍ−ｎ）＝１８ｃｍにて完全に対向するように設置した。反射鏡（２）（３）（５）（６）および曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）の間隔は、ａ−ｂ間＝２０ｃｍ、ｂ−ｃ間＝１８ｃｍ、ｃ−ｄ間＝２２ｃｍ、ｄ−ａ間１８ｃｍ、ｂ−ｍ間＝１８ｃｍ、ｎ−ｃ間＝１８ｃｍである。また、反射鏡（２）（６）の曲率は８ｍ、反射鏡（３）（５）の曲率は∞ｍである。
【００２０】
このように設定した共振器長可変レーザー共振器において、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示したように、曲率付き多重折り返し高反射率鏡（４）間のレーザー光の往復反射回数が０回、３回、７回の場合、つまり共振器長が７８ｃｍ、２２２ｃｍ、３３０ｃｍとした場合について、共振器内のレーザー光路上の横モードサイズをシミュレート算出した。なお、ここでの横モードサイズとは、レーザー共振器にマッチしたＴＥＭ₀₀のガウスビームの強度がピーク強度の１／ｅ²となる部分の直径をいう。
【００２１】
図３〜図５は、各々、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の場合における横モードサイズの算出結果を示したものである。なお、レーザー光路の始点（０ｍｍの点）は反射鏡（６）の表面とした。
【００２２】
これら図３〜図５から明らかなように、共振器長を７８ｃｍ〜３３０ｃｍまで大きく変更しても、横モードサイズはほぼ一定（１．２ｍｍ±０．０７ｍｍ）となり、レーザー光の特性を損なうことなくレーザー共振を行うことが可能であることがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明により、共振器全体のサイズを大きく変更することなく共振器長の延長を実現し、機械的安定性が高く、高強度レーザーを扱う場合にも放電防止用の真空を必要とせず、さらに共振器長の延長に用いられる１セットの光学部品に対して複数の共振器長を選択することが可能であり、さらには、共振器長の再調整が容易な、新しい共振器長可変レーザー共振器が提供される。
【００２４】
そして、この共振器長可変レーザー共振器により、容易にパルス長可変なパルスレーザー光源装置も提供される。たとえば、フーリエ限界のナノ秒パルスレーザーに適用すれば、フーリエ限界の質を維持しながら、簡単にパルス長の変更を実現することができ、ナノ秒光パルス整形技術の発展に大きく貢献できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である共振器長可変レーザー共振器の要部構成の一例を示した概要図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、各々、この出願の発明である共振器長可変レーザー共振器の一実施例における曲率付き多重折り返し高反射率鏡および反射鏡の配置について示した概要図である。
【図３】図２（Ａ）の場合の光路長と横モードサイズとの関係を示した図である。
【図４】図２（Ｂ）の場合の光路長と横モードサイズとの関係を示した図である。
【図５】図２（Ｃ）の場合の光路長と横モードサイズとの関係を示した図である。
【図６】従来技術であるレーザー共振器の構成について示した概要図である。
【図７】従来技術であるレーザー共振器の共振器長を延長するためイメージリレー系の構成について示した概要図である。
【図８】従来技術であるレーザー共振器にイメージリレー系が組み込まれた構成について示した概要図である。
【符号の説明】
１レーザーゲイン媒質
２第１の反射鏡
３第２の反射鏡
４曲率付き多重折り返し高反射率鏡
５第３の反射鏡
６第４の反射鏡
７間隔

Claims

レーザーゲイン媒質から射出されたレーザー光を共振させる共振器であって、共振器が備える反射鏡の一部が、対向する２枚の曲率付き多重折り返し高反射率鏡であり、曲率付き多重折り返し高反射率鏡に対するレーザー光の入射角の調整により、曲率付き多重折り返し高反射率鏡におけるレーザー光の折り返し回数が変更されて、共振器長が任意に設定可能となっていることを特徴とする共振器長可変レーザー共振器。
レーザーゲイン媒質より射出されるレーザー光を反射する第１の反射鏡と、第１の反射鏡により反射されたレーザー光を曲率付き多重折り返し高反射率鏡へ入射させる第２の反射鏡と、曲率付き多重折り返し高反射率鏡より射出されたレーザー光を反射する第３の反射鏡と、第３の反射鏡により反射されたレーザー光を第１の反射鏡へ入射させる第４の反射鏡とを備え、第２の反射鏡の設置角度の変更により、曲率付き多重折り返し高反射率鏡へのレーザー光の入射角が調整され、曲率付き多重折り返し高反射率鏡におけるレーザー光の折り返し回数が変更されて、共振器長が任意に設定可能となっていることを特徴とする共振器長可変レーザー共振器。
請求項１または２の共振器長可変レーザー共振器を備えることを特徴とするパルスレーザー光源装置。