偏光制御素子及びそれを用いたレーザシステム
【課題】入射光の高出力化に起因する熱効果の影響を効率的に低減することが可能な偏光制御素子を提供すること。
【解決手段】この偏光制御素子１は、ポッケルス効果を有する電気光学材料からなる媒質５と、媒質５を挟むように媒質５の表面に接合された１対の平板状電極６とを有し、入射光Ｏｉｎの入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセル３ａ，３ｂと、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に設けられ、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂ間を伝搬する入射光Ｏｉｎの偏光面を９０度回転させる９０度クオーツローテータ４とを備える。
【解決手段】この偏光制御素子１は、ポッケルス効果を有する電気光学材料からなる媒質５と、媒質５を挟むように媒質５の表面に接合された１対の平板状電極６とを有し、入射光Ｏｉｎの入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセル３ａ，３ｂと、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に設けられ、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂ間を伝搬する入射光Ｏｉｎの偏光面を９０度回転させる９０度クオーツローテータ４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加する電界によって光の偏光制御を行う偏光制御素子及びそれを用いたレーザシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、励起用レーザダイオードの技術進歩や、レーザ材料、レーザ媒質の熱効果の制御方法の進歩によって、固体レーザを用いた産業用、科学技術用のレーザシステムの高平均出力化が実現されており、例えば平均出力1kW級、定光出力（CW出力）10kW級のレーザシステムが報告されている。このようなレーザシステムは、下記非特許文献１に記載のように、レーザ発振器、レーザガラスをレーザ媒質として有するレーザ増幅器、空間フィルター、ミラー、レンズ、ポッケルスセル、ファラデーローテータ等で構成されている。これらのうち、ポッケルスセル（電気光素子）は、媒質に電界を加えることで生じる複屈折性を利用して１／２波長板や１／４波長板と同等の機能をオン−オフすることができる光学素子であり、逆行する光の抑止、各レーザ増幅器間のアイソレーションや多重パス増幅における偏光制御用に用いられる。
【非特許文献１】T. Kawashima, T. Kanabe, H. Matsui, E. Eguchi, M. Yamanaka, Y. Kato,M. Nakatsuka, Y. Izawa, S. Nakai, T.Kanzaki and H. Kan, “Design and performance ofa Diode-Pumped Nd: Silica-Phosphate Glass Zig-Zag Slab Laser Amplifier forInertial Fusion Energy”, Jpn. J. Appl. Phys. 40, p.6415 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述したレーザシステムにおいては、高出力化に伴って光透過型の光学素子においてレーザ光のエネルギーが吸収され、それによって光学素子の媒質内における内部発熱が生じる。その結果、レーザシステムにおいて、光学素子の発熱による熱膨張や、光学素子の屈折率の熱依存性による屈折率分布等に起因した熱効果が問題になる。このような熱効果としては、熱レンズ効果、熱複屈折効果、熱変形、熱応力破壊等が挙げられる。熱レンズ効果は、媒質内に生じる温度分布によって媒質内の屈折率が空間分布を持つ現象である。熱複屈折効果は、熱応力により媒質が光学的異方性（複屈折性）を有し、これによりレーザ材料の主軸方向とこれに直交する方向の屈折率が異なり、直交する２つの方向の位相速度の差が原因で偏光解消が生じてしまう現象である。このような熱複屈折効果は、偏光の回転を利用したＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）のようなレーザシステムにおいては、システム損失の増大を招いてしまう。
【０００４】
なお、吸収係数が１０−３／ｃｍ程度と高く、線膨張係数が高く、かつ、屈折率の熱依存性を持つ材料で構成されるポッケルスセルにおいては、上記熱効果の影響が大きい。すなわち、ポッケルスセルに熱レンズ効果、熱複屈折効果、熱変形効果、熱応力破壊が発生すると、本来得られるべき偏光制御が得られなくなり、レーザシステムにおける効率の低下が生じるばかりか、安定したレーザ動作そのものの妨げになる。特に、ポッケルスセルにおいてはレーザ材料やレーザ媒質等に比して発生する熱量が小さいため熱レンズ効果よりも熱複屈折効果による影響を大きく受けてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、入射光の高出力化に起因する熱効果の影響を効率的に低減することが可能な偏光制御素子及びそれを用いたレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の偏光制御素子は、電気光学効果を有する電気光学材料からなる媒質と、媒質を挟むように媒質の表面に接合された１対の電極とを有し、光の入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセルと、２つのポッケルスセルの間に設けられ、２つのポッケルスセル間を伝搬する光の偏光面を９０度回転させる９０度偏光回転子とを備える。
【０００７】
このような偏光制御素子によれば、媒質を挟んで接合された一対の電極を用いて媒質内に電界が印加されて、２つのポッケルスセルの媒質に連続して光が透過することで、その光の偏光状態を変化させることができる。このとき、光の入射方向に沿って並んだ２つのポッケルスセル間に９０度偏光回転子を配置させることで、１つ目のポッケルスセルの媒質から出射された光の偏光面を９０度回転させた後に、その光を２つ目のポッケルスセルの媒質に入射させることになる。従って、熱複屈折効果による偏光解消が２つのポッケルスセル間でキャンセルされ、全体として偏光解消を補償することができる。その結果、高出力化された入射光のエネルギー損失を低減することができる。
【０００８】
２つのポッケルスセルは、光の光軸を挟むように媒質の対向面に沿って設けられた冷却部を更に有することが好ましい。この場合、媒質内における温度上昇を抑えることができるので、入射する光の偏光制御時の熱効果の影響を更に低減することができる。
【０００９】
また、２つのポッケルスセルは、光の光軸を挟むように媒質の対向面を除く表面に沿って設けられた熱源又は断熱部材を更に有することも好ましい。かかる構成を採れば、ポッケルスセルの媒質内の熱の移動を特定の方向に制御することができるので、熱複屈折効果による偏光解消が２つのポッケルスセル間でキャンセルし易くなり、熱効果の影響が効果的に低減される。
【００１０】
さらに、媒質は、入射方向に垂直な方向に沿った断面が矩形状に形成されていることも好ましい。かかる媒質を備えれば、冷却面積を大きくすることができるので入射する光の偏光制御時の熱効果の影響を効率的に低減することができる。
【００１１】
またさらに、冷却部と媒質との間には、非潮解性物質からなる保護層が更に設けられていることも好ましい。こうすれば、冷却部における冷媒として液体を用いた場合であっても、媒質の劣化を防止することができる。
【００１２】
本発明のレーザシステムは、上述した偏光制御素子と、偏光制御素子に入射するレーザ光を生成するレーザ発振器と、偏光制御素子による偏光制御に応じてレーザ光を外部に出力する出力部とを備える。このようなレーザシステムによれば、入射光を高エネルギー化しても偏光制御素子における熱複屈折効果の影響を抑えることができ、全体のシステム損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、入射光の高出力化に起因する熱効果の影響を効率的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る偏光制御素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００１５】
図１は、本発明の好適な一実施形態である偏光制御素子１の斜視図である。この偏光制御素子１は、ポッケルス効果（電気光学効果）を利用して、印加電圧によって入射光の偏光状態の変化を制御する光学素子である。同図に示すように、偏光制御素子１は、平板状の台座部２上に載置された２つのポッケルスセル３ａ，３ｂと、台座部２上における２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に配置された９０度クオーツローテータ（偏光回転子）４とを備えている。なお、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂは、ほぼ同様の構成を有している。ここで、同図において、偏光制御素子１に対する光の入射方向に沿った方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直でかつ台座部２の面に平行な方向をＸ軸方向、Ｚ軸に垂直でかつ台座部２の面に垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１６】
詳細には、ポッケルスセル３ａ，３ｂは、略立方体形状の媒質５を有している。媒質５は、ポッケルス効果を有する電気光学材料であるＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）結晶、ＤＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ２）結晶等からなり、長手方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向の断面が矩形状を成している。ポッケルス効果とは、外部電界の影響下で光学媒体が屈折率変化を起こす現象である。これらの媒質５は、その側面がＹＺ平面又はＺＸ平面に平行になるように配置される。
【００１７】
この媒質５のＺＸ平面に平行な対向面には、それぞれ、媒質５を上下（Ｙ軸方向）から挟むように、その対向面全体に亘って一対の平板状電極６が接合されている。この一対の平板状電極６間に電圧が印加されると、媒質５のポッケルス効果によりＸＹ平面に沿った方向において屈折率差が生じる。すなわち、Ｘ方向とＹ方向とにおいて光の位相速度の差異が生じ、位相速度の差異は印加する電圧に依存する。
【００１８】
さらに、媒質５のＹＺ平面に平行な対向面には、それぞれ、媒質５を左右（Ｘ軸方向）から耐水コーティング（保護層）７を介して挟むように、その対向面全体に沿って一対の冷却部８が取り付けられている。冷却部８は、内部に冷却媒体が循環可能な中空構造を有し、略平板状に形成された樹脂材料等の非金属材料によって構成される。媒質５の対向面全体に形成された耐水コーティング７は、ＳｉＯ２等の非潮解性物質からなり、後述する冷却媒体として水を含む媒体が用いられた場合に、媒質５の潮解性を抑制する役割を有する。
【００１９】
このような冷却部８の外面（±Ｘ方向側の側面）には、それぞれ、内部の中空構造に接続されて冷却媒体を流入させるための導入パイプ９、及び内部の中空構造に接続されて冷却媒体を流出させるための排出パイプ１０が、外部に突出して設けられている。導入パイプ９及び排出パイプ１０は、図示しないチラー装置に接続されている。このチラー装置によって、水（Ｈ２Ｏ）、液体窒素、液体ヘリウム、フッ素系不活性液体、重水素デカリン等の冷却媒体が、導入パイプ９から冷却部８の中空部を経て、排出パイプ１０まで続く流路に循環される。このような構成により、冷却部８は、媒質５の両側面において発生する熱を吸収して媒質５を冷却する。なお、導入パイプ９から排出パイプ１０に続く流路における接続部分は、外部への冷却媒体の液漏れを防止するためにオーリングによってシールされている。
【００２０】
上述の媒質５はその光の入射面と出射面は大気雰囲気にさらされているが、例えば媒質５を、その入射面及び出射面に対応する領域に光学ウィンドウが設けられた容器内に収容し、容器内を真空に保つか、もしくは窒素充填することにより、電気光学素子の温度をさらに２９３Ｋから７０Ｋ程度に冷却可能な構造とすることも可能である。このような構成とすることによって低温での熱伝導率の増加と電気光学定数の増加による低電圧化を得ることが可能になり、熱効果の低減に好都合である。
【００２１】
さらに、冷却部８が接合された面を除く媒質５の側面に沿って、シート状の断熱部材１１が設けられている。具体的には、この断熱部材１１は、冷却部８の側面に接合された平板状電極６の表面に接して設けられている。断熱部材１１としては、例えば、ポリウレタン、テトラフルオロエチレン等の熱伝導率が０．５Ｗ／ｃｍ２Ｋ以下の断熱材が用いられる。このような断熱部材１１は、媒質５内においてＹ軸方向への熱の輸送を防止するように作用する。
【００２２】
このような構成を有するポッケルスセル３ａ，３ｂは、入射光Ｏｉｎが媒質５の中心部に入射するように、台座部２上に互いに離間して配置される。すなわち、ポッケルスセル３ａ，３ｂは、入射光Ｏｉｎの光軸に沿って直列に並んでおり、平板状電極６、冷却部８、及び断熱部材１１のそれぞれは、その光軸を挟んで対称に配置される。
【００２３】
台座部２上における２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に、９０度クオーツローテータ４が載置される。９０度クオーツローテータ（水晶旋光子）４は、ポッケルスセル３ａを透過して、ポッケルスセル３ａ，３ｂ間を伝搬する入射光Ｏｉｎの偏光面を、偏光状態を保ったまま９０度回転させる光学素子である。９０度クオーツローテータ４は、ＸＹ平面に沿った断面がポッケルスセル３ａ，３ｂの媒質５の断面とほぼ同じ形状及び大きさを有し、入射光Ｏｉｎが断面の中心部を通るように配置される。
【００２４】
以上説明した偏光制御素子１のポッケルスセル３ａ，３ｂには、所定電圧（例えば、Ｐ波又はＳ波として入射した直線偏光を円偏光に変更するような大きさの電圧）が、平板状電極６を介して媒質５のＹ方向に印加される。このとき、ポッケルスセル３ａに入射した入射光Ｏｉｎは、媒質５を透過することによって印加電圧に応じて偏光状態が変更された後、９０度クオーツローテータ４に入射する。そして、入射光Ｏｉｎは９０度クオーツローテータ４によって偏光面が９０°回転させられた後にポッケルスセル３ｂに入射し、ポッケルスセル３ｂの印加電圧に応じて再び偏光状態が変更される。これにより、入射光Ｏｉｎの高エネルギー化に伴って生じる１つ目のポッケルスセル３ａの熱複屈折効果によって、ＸＹ平面における２つの方向に位相差が生じた偏光状態が、そのまま９０°回転させられた後に、２つ目のポッケルスセル３ｂにおいてポッケルスセル３ａと同様の熱複屈折効果の影響を受けることになる。従って、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂにおいて生じる位相差が互いに相殺されることになり、入射光Ｏｉｎの出力時の熱効果に起因する偏光解消が防止されて熱効果の影響が偏光制御素子１全体で低減される。
【００２５】
また、ポッケルスセル３ａ，３ｂには冷却部８が設けられているので、媒質５内における温度上昇を抑えることができ、入射光Ｏｉｎの偏光制御時の熱破壊等の熱効果の影響をも低減することができる。特に、媒質５はＸＹ平面に沿った断面が矩形状に形成されているので、媒質５の冷却面積を大きくすることができるので熱効果の影響を効率的に低減することができる。さらに、ポッケルスセル３ａ，３ｂには、断熱部材１１が設けられているので、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの媒質５内の熱の移動をＸＹ平面に沿った特定の方向に制御することができるので、熱効果による偏光解消が２つのポッケルスセル３ａ，３ｂ間でキャンセルし易くなる。
【００２６】
以上説明した偏光制御素子１は、レーザシステムに使用することができる。図５は、偏光制御素子１を有する多重パス増幅方式のＭＯＰＡレーザシステム１００の構成を示す図である。
【００２７】
ＭＯＰＡレーザシステム１００は、複数の反射板によって構成される光路上に、偏光制御素子１の他、レーザ発振器１１１、前置増幅器１１２、拡大光学系１１３ａ，１１３ｂファラデーアイソレータ１１４ａ，１１４ｂ、ファラデーローテータ１１５ａ，１１５ｂ、クオーツローテータ１１６、ポラライザ１１７ａ，１１７ｂ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂを備えている。ポラライザ１１７ａ，１１７ｂ、ファラデーローテータ１１５ａ、及びクオーツローテータ１１６によってレーザ光を外部出力する出力部が構成されている。
【００２８】
直線偏光である被増幅レーザ光を生成するレーザ発振器１１１から、拡大光学系１１３ａ及びファラデーアイソレータ１１４ａを経由して、被増幅レーザ光が前置増幅器１１２に入射される。拡大光学系１１３ａは、被増幅レーザ光のビーム径を１０倍に拡大する。ファラデーアイソレータ１１４ａは、被増幅レーザ光のレーザ発振器１１１側への逆行によるレーザ発振器１１１の損傷を防止する。その後、被増幅レーザ光は、前置増幅器１１２によって増幅される。増幅された被増幅レーザ光は、前置増幅器１１２及びレーザ発振器１１１への逆行を防止するファラデーアイソレータ１１４ｂを透過した後、拡大光学系１１３ｂに入射する。拡大光学系１１３ｂは、被増幅レーザ光のビーム径を５倍に拡大する。この時点で、被増幅レーザ光はＳ波の直線偏光である。
【００２９】
その後、被増幅レーザ光は、ポラライザ１１７ａを透過してファラデーローテータ１１５ａ及びクオーツローテータ１１６に順に入射する。ここで、ポラライザ１１７ａ，１１７ｂはＳ波を透過させ、Ｐ波を反射する性質を有する。被増幅レーザ光は、ファラデーローテータ１１５ａによって偏光面を４５°回転された後、クオーツローテータ１１６によって逆方向に４５°回転されることによってＳ波に戻り、ポラライザ１１７ｂを透過して、レーザ増幅器１１９ａ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ｂに順に入射する。レーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂは、固体レーザ媒質と固体レーザ媒質を挟むように配置された一対の励起光源を有し、励起光の照射に応じて反転分布を形成し、特定の波長の光を誘導放出することができる。この励起光源は、励起光を生成して固定レーザ媒質に照射して固定レーザ媒質を励起する。例えば、固体レーザ媒質は、長尺のスラブ形状を有するＮｄ添加ガラスである。このようなレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂに入射したレーザ光は、固定レーザ媒質の一方の端面に対して斜めに入射し、固体レーザ媒質の両側面で繰り返し反射されながらジグザグ光路上を進行する。レーザ光が固体レーザ媒質のジグザグ光路に沿って伝播する間誘導放出が生じ、レーザ光が増幅される。また、空間フィルター１１８は、レーザ増幅器１１９ａから出力されたレーザ光をレーザ増幅器１１９ｂ側に像転送する。
【００３０】
そして、レーザ増幅器１１９ｂによって増幅されて出力されたレーザ光は、反射板で反射されることによってファラデーローテータ１１５ｂを往復し、Ｓ波からＰ波に変更された後、再び、レーザ増幅器１１９ｂ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ａを逆方向に通過する。その後、レーザ光は、ポラライザ１１７ｂで反射されて、偏光制御素子１を往復する。このとき、偏光制御素子１に直線偏光を円偏光に偏光するような電圧、すなわち１／４波長板と同等の機能を発揮させるような電圧が印加されていれば、レーザ光はＳ波に戻されて、レーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂを含む増幅パスを再び往復する。このように偏光制御素子１に電圧が印加されている間は、レーザ光を繰り返し増幅することができる。
【００３１】
一方、偏光制御素子１に印加する電圧をオフすると、偏光制御素子１で偏光状態は変更されないので、レーザ光はＰ波でファラデーローテータ１１５ｂを往復することによって、Ｓ波に変更されてポラライザ１１７ｂを透過する。そして、レーザ光は、クオーツローテータ１１６、及びファラデーローテータ１１５ａを透過することによって、同一方向に偏光面を４５°回転されてＰ波に変更された後、ポラライザ１１７ａで反射されて出力される。
【００３２】
このように、レーザ発振器１１１によって生成されてからレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂによって複数回増幅されたレーザ光が、偏光制御素子１による偏光制御に応じて外部に出力される。
【００３３】
このようなレーザシステム１００によれば、被増幅レーザ光の出力を大きくして高エネルギー化しても多重パス増幅方式における偏光制御用の偏光制御素子１における熱複屈折効果の影響を抑えることができ、全体のシステム損失を低減することができる。
【００３４】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、偏光制御素子１の媒質５としては、入射光の光軸に沿って配置されたロッド状の形状のものを使用してもよい。このような形状の場合は、媒質５の周面上の対向する位置に冷却部を配置し、冷却部が配置された面を除く面に断熱部材を配置することができる。
【００３５】
また、冷却部８としてはペルチェ素子等の冷却素子を用いてもよい。この場合は、冷却部８から発生する電界の影響を防ぐために、冷却部８と媒質５との間にサファイヤ等の熱伝導性の高い絶縁層を設けることが好ましい。
【００３６】
また、断熱部材１１の代わりに、導電性のプラスチックシートや、内部に温水等の熱媒体を有するシート部材等の熱源が用いられてもよい。このような熱源を用いることで、断熱部材では熱流束の制御が不十分な場合でも、充分な温度分布の制御が可能になる結果、偏光制御素子１の熱効果の影響を抑えることができる。
【００３７】
また、９０度クオーツローテータ４の代わりに、直線偏光の偏光面を９０°回転させる機能を有する１／２波長板を用いてもよい。ただし、１／２波長板はあくまで複屈折性を利用した光学素子であるため、偏光面を単純に回転させる機能を有するクオーツローテータを用いるほうがポッケルスセル３ａ，３ｂ間の相殺効果を得やすいのでより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好適な一実施形態である偏光制御素子の斜視図である。
【図２】図１の偏光制御素子を用いたレーザシステムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…偏光制御素子、３ａ，３ｂ…ポッケルスセル、４…９０度クオーツローテータ（９０度偏光回転子）、５…媒質、６…平板状電極、７…耐水コーティング（保護層）、８…冷却部、１１…断熱部材、１００…レーザシステム、１１１…レーザ発振器、Ｏｉｎ…入射光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加する電界によって光の偏光制御を行う偏光制御素子及びそれを用いたレーザシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、励起用レーザダイオードの技術進歩や、レーザ材料、レーザ媒質の熱効果の制御方法の進歩によって、固体レーザを用いた産業用、科学技術用のレーザシステムの高平均出力化が実現されており、例えば平均出力1kW級、定光出力（CW出力）10kW級のレーザシステムが報告されている。このようなレーザシステムは、下記非特許文献１に記載のように、レーザ発振器、レーザガラスをレーザ媒質として有するレーザ増幅器、空間フィルター、ミラー、レンズ、ポッケルスセル、ファラデーローテータ等で構成されている。これらのうち、ポッケルスセル（電気光素子）は、媒質に電界を加えることで生じる複屈折性を利用して１／２波長板や１／４波長板と同等の機能をオン−オフすることができる光学素子であり、逆行する光の抑止、各レーザ増幅器間のアイソレーションや多重パス増幅における偏光制御用に用いられる。
【非特許文献１】T. Kawashima, T. Kanabe, H. Matsui, E. Eguchi, M. Yamanaka, Y. Kato,M. Nakatsuka, Y. Izawa, S. Nakai, T.Kanzaki and H. Kan, “Design and performance ofa Diode-Pumped Nd: Silica-Phosphate Glass Zig-Zag Slab Laser Amplifier forInertial Fusion Energy”, Jpn. J. Appl. Phys. 40, p.6415 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述したレーザシステムにおいては、高出力化に伴って光透過型の光学素子においてレーザ光のエネルギーが吸収され、それによって光学素子の媒質内における内部発熱が生じる。その結果、レーザシステムにおいて、光学素子の発熱による熱膨張や、光学素子の屈折率の熱依存性による屈折率分布等に起因した熱効果が問題になる。このような熱効果としては、熱レンズ効果、熱複屈折効果、熱変形、熱応力破壊等が挙げられる。熱レンズ効果は、媒質内に生じる温度分布によって媒質内の屈折率が空間分布を持つ現象である。熱複屈折効果は、熱応力により媒質が光学的異方性（複屈折性）を有し、これによりレーザ材料の主軸方向とこれに直交する方向の屈折率が異なり、直交する２つの方向の位相速度の差が原因で偏光解消が生じてしまう現象である。このような熱複屈折効果は、偏光の回転を利用したＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）のようなレーザシステムにおいては、システム損失の増大を招いてしまう。
【０００４】
なお、吸収係数が１０−３／ｃｍ程度と高く、線膨張係数が高く、かつ、屈折率の熱依存性を持つ材料で構成されるポッケルスセルにおいては、上記熱効果の影響が大きい。すなわち、ポッケルスセルに熱レンズ効果、熱複屈折効果、熱変形効果、熱応力破壊が発生すると、本来得られるべき偏光制御が得られなくなり、レーザシステムにおける効率の低下が生じるばかりか、安定したレーザ動作そのものの妨げになる。特に、ポッケルスセルにおいてはレーザ材料やレーザ媒質等に比して発生する熱量が小さいため熱レンズ効果よりも熱複屈折効果による影響を大きく受けてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、入射光の高出力化に起因する熱効果の影響を効率的に低減することが可能な偏光制御素子及びそれを用いたレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の偏光制御素子は、電気光学効果を有する電気光学材料からなる媒質と、媒質を挟むように媒質の表面に接合された１対の電極とを有し、光の入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセルと、２つのポッケルスセルの間に設けられ、２つのポッケルスセル間を伝搬する光の偏光面を９０度回転させる９０度偏光回転子とを備える。
【０００７】
このような偏光制御素子によれば、媒質を挟んで接合された一対の電極を用いて媒質内に電界が印加されて、２つのポッケルスセルの媒質に連続して光が透過することで、その光の偏光状態を変化させることができる。このとき、光の入射方向に沿って並んだ２つのポッケルスセル間に９０度偏光回転子を配置させることで、１つ目のポッケルスセルの媒質から出射された光の偏光面を９０度回転させた後に、その光を２つ目のポッケルスセルの媒質に入射させることになる。従って、熱複屈折効果による偏光解消が２つのポッケルスセル間でキャンセルされ、全体として偏光解消を補償することができる。その結果、高出力化された入射光のエネルギー損失を低減することができる。
【０００８】
２つのポッケルスセルは、光の光軸を挟むように媒質の対向面に沿って設けられた冷却部を更に有することが好ましい。この場合、媒質内における温度上昇を抑えることができるので、入射する光の偏光制御時の熱効果の影響を更に低減することができる。
【０００９】
また、２つのポッケルスセルは、光の光軸を挟むように媒質の対向面を除く表面に沿って設けられた熱源又は断熱部材を更に有することも好ましい。かかる構成を採れば、ポッケルスセルの媒質内の熱の移動を特定の方向に制御することができるので、熱複屈折効果による偏光解消が２つのポッケルスセル間でキャンセルし易くなり、熱効果の影響が効果的に低減される。
【００１０】
さらに、媒質は、入射方向に垂直な方向に沿った断面が矩形状に形成されていることも好ましい。かかる媒質を備えれば、冷却面積を大きくすることができるので入射する光の偏光制御時の熱効果の影響を効率的に低減することができる。
【００１１】
またさらに、冷却部と媒質との間には、非潮解性物質からなる保護層が更に設けられていることも好ましい。こうすれば、冷却部における冷媒として液体を用いた場合であっても、媒質の劣化を防止することができる。
【００１２】
本発明のレーザシステムは、上述した偏光制御素子と、偏光制御素子に入射するレーザ光を生成するレーザ発振器と、偏光制御素子による偏光制御に応じてレーザ光を外部に出力する出力部とを備える。このようなレーザシステムによれば、入射光を高エネルギー化しても偏光制御素子における熱複屈折効果の影響を抑えることができ、全体のシステム損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、入射光の高出力化に起因する熱効果の影響を効率的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る偏光制御素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００１５】
図１は、本発明の好適な一実施形態である偏光制御素子１の斜視図である。この偏光制御素子１は、ポッケルス効果（電気光学効果）を利用して、印加電圧によって入射光の偏光状態の変化を制御する光学素子である。同図に示すように、偏光制御素子１は、平板状の台座部２上に載置された２つのポッケルスセル３ａ，３ｂと、台座部２上における２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に配置された９０度クオーツローテータ（偏光回転子）４とを備えている。なお、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂは、ほぼ同様の構成を有している。ここで、同図において、偏光制御素子１に対する光の入射方向に沿った方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直でかつ台座部２の面に平行な方向をＸ軸方向、Ｚ軸に垂直でかつ台座部２の面に垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１６】
詳細には、ポッケルスセル３ａ，３ｂは、略立方体形状の媒質５を有している。媒質５は、ポッケルス効果を有する電気光学材料であるＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）結晶、ＤＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ２）結晶等からなり、長手方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向の断面が矩形状を成している。ポッケルス効果とは、外部電界の影響下で光学媒体が屈折率変化を起こす現象である。これらの媒質５は、その側面がＹＺ平面又はＺＸ平面に平行になるように配置される。
【００１７】
この媒質５のＺＸ平面に平行な対向面には、それぞれ、媒質５を上下（Ｙ軸方向）から挟むように、その対向面全体に亘って一対の平板状電極６が接合されている。この一対の平板状電極６間に電圧が印加されると、媒質５のポッケルス効果によりＸＹ平面に沿った方向において屈折率差が生じる。すなわち、Ｘ方向とＹ方向とにおいて光の位相速度の差異が生じ、位相速度の差異は印加する電圧に依存する。
【００１８】
さらに、媒質５のＹＺ平面に平行な対向面には、それぞれ、媒質５を左右（Ｘ軸方向）から耐水コーティング（保護層）７を介して挟むように、その対向面全体に沿って一対の冷却部８が取り付けられている。冷却部８は、内部に冷却媒体が循環可能な中空構造を有し、略平板状に形成された樹脂材料等の非金属材料によって構成される。媒質５の対向面全体に形成された耐水コーティング７は、ＳｉＯ２等の非潮解性物質からなり、後述する冷却媒体として水を含む媒体が用いられた場合に、媒質５の潮解性を抑制する役割を有する。
【００１９】
このような冷却部８の外面（±Ｘ方向側の側面）には、それぞれ、内部の中空構造に接続されて冷却媒体を流入させるための導入パイプ９、及び内部の中空構造に接続されて冷却媒体を流出させるための排出パイプ１０が、外部に突出して設けられている。導入パイプ９及び排出パイプ１０は、図示しないチラー装置に接続されている。このチラー装置によって、水（Ｈ２Ｏ）、液体窒素、液体ヘリウム、フッ素系不活性液体、重水素デカリン等の冷却媒体が、導入パイプ９から冷却部８の中空部を経て、排出パイプ１０まで続く流路に循環される。このような構成により、冷却部８は、媒質５の両側面において発生する熱を吸収して媒質５を冷却する。なお、導入パイプ９から排出パイプ１０に続く流路における接続部分は、外部への冷却媒体の液漏れを防止するためにオーリングによってシールされている。
【００２０】
上述の媒質５はその光の入射面と出射面は大気雰囲気にさらされているが、例えば媒質５を、その入射面及び出射面に対応する領域に光学ウィンドウが設けられた容器内に収容し、容器内を真空に保つか、もしくは窒素充填することにより、電気光学素子の温度をさらに２９３Ｋから７０Ｋ程度に冷却可能な構造とすることも可能である。このような構成とすることによって低温での熱伝導率の増加と電気光学定数の増加による低電圧化を得ることが可能になり、熱効果の低減に好都合である。
【００２１】
さらに、冷却部８が接合された面を除く媒質５の側面に沿って、シート状の断熱部材１１が設けられている。具体的には、この断熱部材１１は、冷却部８の側面に接合された平板状電極６の表面に接して設けられている。断熱部材１１としては、例えば、ポリウレタン、テトラフルオロエチレン等の熱伝導率が０．５Ｗ／ｃｍ２Ｋ以下の断熱材が用いられる。このような断熱部材１１は、媒質５内においてＹ軸方向への熱の輸送を防止するように作用する。
【００２２】
このような構成を有するポッケルスセル３ａ，３ｂは、入射光Ｏｉｎが媒質５の中心部に入射するように、台座部２上に互いに離間して配置される。すなわち、ポッケルスセル３ａ，３ｂは、入射光Ｏｉｎの光軸に沿って直列に並んでおり、平板状電極６、冷却部８、及び断熱部材１１のそれぞれは、その光軸を挟んで対称に配置される。
【００２３】
台座部２上における２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの間に、９０度クオーツローテータ４が載置される。９０度クオーツローテータ（水晶旋光子）４は、ポッケルスセル３ａを透過して、ポッケルスセル３ａ，３ｂ間を伝搬する入射光Ｏｉｎの偏光面を、偏光状態を保ったまま９０度回転させる光学素子である。９０度クオーツローテータ４は、ＸＹ平面に沿った断面がポッケルスセル３ａ，３ｂの媒質５の断面とほぼ同じ形状及び大きさを有し、入射光Ｏｉｎが断面の中心部を通るように配置される。
【００２４】
以上説明した偏光制御素子１のポッケルスセル３ａ，３ｂには、所定電圧（例えば、Ｐ波又はＳ波として入射した直線偏光を円偏光に変更するような大きさの電圧）が、平板状電極６を介して媒質５のＹ方向に印加される。このとき、ポッケルスセル３ａに入射した入射光Ｏｉｎは、媒質５を透過することによって印加電圧に応じて偏光状態が変更された後、９０度クオーツローテータ４に入射する。そして、入射光Ｏｉｎは９０度クオーツローテータ４によって偏光面が９０°回転させられた後にポッケルスセル３ｂに入射し、ポッケルスセル３ｂの印加電圧に応じて再び偏光状態が変更される。これにより、入射光Ｏｉｎの高エネルギー化に伴って生じる１つ目のポッケルスセル３ａの熱複屈折効果によって、ＸＹ平面における２つの方向に位相差が生じた偏光状態が、そのまま９０°回転させられた後に、２つ目のポッケルスセル３ｂにおいてポッケルスセル３ａと同様の熱複屈折効果の影響を受けることになる。従って、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂにおいて生じる位相差が互いに相殺されることになり、入射光Ｏｉｎの出力時の熱効果に起因する偏光解消が防止されて熱効果の影響が偏光制御素子１全体で低減される。
【００２５】
また、ポッケルスセル３ａ，３ｂには冷却部８が設けられているので、媒質５内における温度上昇を抑えることができ、入射光Ｏｉｎの偏光制御時の熱破壊等の熱効果の影響をも低減することができる。特に、媒質５はＸＹ平面に沿った断面が矩形状に形成されているので、媒質５の冷却面積を大きくすることができるので熱効果の影響を効率的に低減することができる。さらに、ポッケルスセル３ａ，３ｂには、断熱部材１１が設けられているので、２つのポッケルスセル３ａ，３ｂの媒質５内の熱の移動をＸＹ平面に沿った特定の方向に制御することができるので、熱効果による偏光解消が２つのポッケルスセル３ａ，３ｂ間でキャンセルし易くなる。
【００２６】
以上説明した偏光制御素子１は、レーザシステムに使用することができる。図５は、偏光制御素子１を有する多重パス増幅方式のＭＯＰＡレーザシステム１００の構成を示す図である。
【００２７】
ＭＯＰＡレーザシステム１００は、複数の反射板によって構成される光路上に、偏光制御素子１の他、レーザ発振器１１１、前置増幅器１１２、拡大光学系１１３ａ，１１３ｂファラデーアイソレータ１１４ａ，１１４ｂ、ファラデーローテータ１１５ａ，１１５ｂ、クオーツローテータ１１６、ポラライザ１１７ａ，１１７ｂ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂを備えている。ポラライザ１１７ａ，１１７ｂ、ファラデーローテータ１１５ａ、及びクオーツローテータ１１６によってレーザ光を外部出力する出力部が構成されている。
【００２８】
直線偏光である被増幅レーザ光を生成するレーザ発振器１１１から、拡大光学系１１３ａ及びファラデーアイソレータ１１４ａを経由して、被増幅レーザ光が前置増幅器１１２に入射される。拡大光学系１１３ａは、被増幅レーザ光のビーム径を１０倍に拡大する。ファラデーアイソレータ１１４ａは、被増幅レーザ光のレーザ発振器１１１側への逆行によるレーザ発振器１１１の損傷を防止する。その後、被増幅レーザ光は、前置増幅器１１２によって増幅される。増幅された被増幅レーザ光は、前置増幅器１１２及びレーザ発振器１１１への逆行を防止するファラデーアイソレータ１１４ｂを透過した後、拡大光学系１１３ｂに入射する。拡大光学系１１３ｂは、被増幅レーザ光のビーム径を５倍に拡大する。この時点で、被増幅レーザ光はＳ波の直線偏光である。
【００２９】
その後、被増幅レーザ光は、ポラライザ１１７ａを透過してファラデーローテータ１１５ａ及びクオーツローテータ１１６に順に入射する。ここで、ポラライザ１１７ａ，１１７ｂはＳ波を透過させ、Ｐ波を反射する性質を有する。被増幅レーザ光は、ファラデーローテータ１１５ａによって偏光面を４５°回転された後、クオーツローテータ１１６によって逆方向に４５°回転されることによってＳ波に戻り、ポラライザ１１７ｂを透過して、レーザ増幅器１１９ａ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ｂに順に入射する。レーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂは、固体レーザ媒質と固体レーザ媒質を挟むように配置された一対の励起光源を有し、励起光の照射に応じて反転分布を形成し、特定の波長の光を誘導放出することができる。この励起光源は、励起光を生成して固定レーザ媒質に照射して固定レーザ媒質を励起する。例えば、固体レーザ媒質は、長尺のスラブ形状を有するＮｄ添加ガラスである。このようなレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂに入射したレーザ光は、固定レーザ媒質の一方の端面に対して斜めに入射し、固体レーザ媒質の両側面で繰り返し反射されながらジグザグ光路上を進行する。レーザ光が固体レーザ媒質のジグザグ光路に沿って伝播する間誘導放出が生じ、レーザ光が増幅される。また、空間フィルター１１８は、レーザ増幅器１１９ａから出力されたレーザ光をレーザ増幅器１１９ｂ側に像転送する。
【００３０】
そして、レーザ増幅器１１９ｂによって増幅されて出力されたレーザ光は、反射板で反射されることによってファラデーローテータ１１５ｂを往復し、Ｓ波からＰ波に変更された後、再び、レーザ増幅器１１９ｂ、空間フィルター１１８、及びレーザ増幅器１１９ａを逆方向に通過する。その後、レーザ光は、ポラライザ１１７ｂで反射されて、偏光制御素子１を往復する。このとき、偏光制御素子１に直線偏光を円偏光に偏光するような電圧、すなわち１／４波長板と同等の機能を発揮させるような電圧が印加されていれば、レーザ光はＳ波に戻されて、レーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂを含む増幅パスを再び往復する。このように偏光制御素子１に電圧が印加されている間は、レーザ光を繰り返し増幅することができる。
【００３１】
一方、偏光制御素子１に印加する電圧をオフすると、偏光制御素子１で偏光状態は変更されないので、レーザ光はＰ波でファラデーローテータ１１５ｂを往復することによって、Ｓ波に変更されてポラライザ１１７ｂを透過する。そして、レーザ光は、クオーツローテータ１１６、及びファラデーローテータ１１５ａを透過することによって、同一方向に偏光面を４５°回転されてＰ波に変更された後、ポラライザ１１７ａで反射されて出力される。
【００３２】
このように、レーザ発振器１１１によって生成されてからレーザ増幅器１１９ａ，１１９ｂによって複数回増幅されたレーザ光が、偏光制御素子１による偏光制御に応じて外部に出力される。
【００３３】
このようなレーザシステム１００によれば、被増幅レーザ光の出力を大きくして高エネルギー化しても多重パス増幅方式における偏光制御用の偏光制御素子１における熱複屈折効果の影響を抑えることができ、全体のシステム損失を低減することができる。
【００３４】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、偏光制御素子１の媒質５としては、入射光の光軸に沿って配置されたロッド状の形状のものを使用してもよい。このような形状の場合は、媒質５の周面上の対向する位置に冷却部を配置し、冷却部が配置された面を除く面に断熱部材を配置することができる。
【００３５】
また、冷却部８としてはペルチェ素子等の冷却素子を用いてもよい。この場合は、冷却部８から発生する電界の影響を防ぐために、冷却部８と媒質５との間にサファイヤ等の熱伝導性の高い絶縁層を設けることが好ましい。
【００３６】
また、断熱部材１１の代わりに、導電性のプラスチックシートや、内部に温水等の熱媒体を有するシート部材等の熱源が用いられてもよい。このような熱源を用いることで、断熱部材では熱流束の制御が不十分な場合でも、充分な温度分布の制御が可能になる結果、偏光制御素子１の熱効果の影響を抑えることができる。
【００３７】
また、９０度クオーツローテータ４の代わりに、直線偏光の偏光面を９０°回転させる機能を有する１／２波長板を用いてもよい。ただし、１／２波長板はあくまで複屈折性を利用した光学素子であるため、偏光面を単純に回転させる機能を有するクオーツローテータを用いるほうがポッケルスセル３ａ，３ｂ間の相殺効果を得やすいのでより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好適な一実施形態である偏光制御素子の斜視図である。
【図２】図１の偏光制御素子を用いたレーザシステムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…偏光制御素子、３ａ，３ｂ…ポッケルスセル、４…９０度クオーツローテータ（９０度偏光回転子）、５…媒質、６…平板状電極、７…耐水コーティング（保護層）、８…冷却部、１１…断熱部材、１００…レーザシステム、１１１…レーザ発振器、Ｏｉｎ…入射光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学材料からなる媒質と、前記媒質を挟むように前記媒質の表面に接合された１対の電極とを有し、光の入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセルと、
前記２つのポッケルスセルの間に設けられ、前記２つのポッケルスセル間を伝搬する光の偏光面を９０度回転させる９０度偏光回転子と、
を備えることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
前記２つのポッケルスセルは、前記光の光軸を挟むように前記媒質の対向面に沿って設けられた冷却部を更に有する、
ことを特徴とする請求項１記載の偏光制御素子。
【請求項３】
前記２つのポッケルスセルは、前記光の光軸を挟むように前記媒質の対向面を除く表面に沿って設けられた熱源又は断熱部材を更に有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の偏光制御素子。
【請求項４】
前記媒質は、前記入射方向に垂直な方向に沿った断面が矩形状に形成されている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の偏光制御素子。
【請求項５】
前記冷却部と前記媒質との間には、非潮解性物質からなる保護層が更に設けられている、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の偏光制御素子と、
前記偏光制御素子に入射するレーザ光を生成するレーザ発振器と、
前記偏光制御素子による偏光制御に応じて前記レーザ光を外部に出力する出力部と、
を備えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学材料からなる媒質と、前記媒質を挟むように前記媒質の表面に接合された１対の電極とを有し、光の入射方向に沿って直列に配置された２つのポッケルスセルと、
前記２つのポッケルスセルの間に設けられ、前記２つのポッケルスセル間を伝搬する光の偏光面を９０度回転させる９０度偏光回転子と、
を備えることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
前記２つのポッケルスセルは、前記光の光軸を挟むように前記媒質の対向面に沿って設けられた冷却部を更に有する、
ことを特徴とする請求項１記載の偏光制御素子。
【請求項３】
前記２つのポッケルスセルは、前記光の光軸を挟むように前記媒質の対向面を除く表面に沿って設けられた熱源又は断熱部材を更に有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の偏光制御素子。
【請求項４】
前記媒質は、前記入射方向に垂直な方向に沿った断面が矩形状に形成されている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の偏光制御素子。
【請求項５】
前記冷却部と前記媒質との間には、非潮解性物質からなる保護層が更に設けられている、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の偏光制御素子と、
前記偏光制御素子に入射するレーザ光を生成するレーザ発振器と、
前記偏光制御素子による偏光制御に応じて前記レーザ光を外部に出力する出力部と、
を備えることを特徴とするレーザシステム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−３１６１５８（Ｐ２００７−３１６１５８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４３１９２（Ｐ２００６−１４３１９２）
【出願日】平成１８年５月２３日（２００６．５．２３）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２３日（２００６．５．２３）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]