固体レーザ発振器
【課題】安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力する固体レーザ発振器を得ること。
【解決手段】共振器１内に配置されて共振器１内でレーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１を規定するブリュースタウインドウ１６と、共振器１内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより共振器１内のレーザビームＬ１を入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御するＱスイッチ１０と、を備え、ブリュースタウインドウ１６で規定される偏光方向Ｄ２１と、超音波の進行方向Ｄ２２と、が平行方向となるよう、Ｑスイッチ１０が共振器１内に配置されている。
【解決手段】共振器１内に配置されて共振器１内でレーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１を規定するブリュースタウインドウ１６と、共振器１内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより共振器１内のレーザビームＬ１を入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御するＱスイッチ１０と、を備え、ブリュースタウインドウ１６で規定される偏光方向Ｄ２１と、超音波の進行方向Ｄ２２と、が平行方向となるよう、Ｑスイッチ１０が共振器１内に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器内の音響光学素子を用いてレーザパルスを出力する固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体レーザ発振器には、ブリュースタウインドウなどのレーザ偏光方向を規定する素子と、Ｑスイッチ（音響光学素子）と、が共振器内に配置されている。そして、共振器から出力するレーザパルスを、Ｑスイッチを用いて制御していた。この方法では、共振器内でレーザ媒質を励起した後、共振器のＱスイッチを所定時間ＯＮにして、この時間の間に共振器内にエネルギーを蓄積している。その後、ＱスイッチをＯＦＦにして、蓄積されたエネルギーをパルスエネルギーとして出力している。
【０００３】
Ｑスイッチパルスを用いた固体レーザ発振器では、一定のＱスイッチ周波数でレーザパルスを出力すれば、一定のレーザ出力値を有したレーザパルスが出力されることとなる。このような固体レーザ発振器から、所望のレーザ出力値（例えば、半分のパルスエネルギー）を有したレーザパルスを出力する場合、レーザ出力値の大きさに応じたＱスイッチ周波数でレーザパルスを出力していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０２６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、Ｑスイッチ周波数を変えないとレーザ出力値を制御できなかった。このため、レーザ出力値の小さなレーザパルスを出力する場合に、レーザパルスのレーザ出力値がばらつくという問題があった。これは、ブリュースタウインドウで規定されるレーザ偏光方向のＱスイッチロス（共振器ロス）と、このレーザ偏光方向に直交する方向のＱスイッチロスと、の差が小さくなり、その結果、レーザパルスのレーザ出力値が不安定になるからである。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力する固体レーザ発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、共振器内に配置されて前記共振器内でレーザビームの偏光方向を規定する偏光方向規定素子と、共振器内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより前記共振器内のレーザビームを前記入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御する音響光学素子と、を備え、前記偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、前記超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、前記音響光学素子が前記共振器内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、音響光学素子における超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、音響光学素子が共振器内に配置されているので、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態に係る固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。
【図２】図２は、従来の固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る共振器内の共振器ロスを説明するための図である。
【図４】図４は、従来の共振器内の共振器ロスを説明するための図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。
【図６】図６は、従来の共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。
【図８】図８は、従来の共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。
【図９】図９は、偏光方向を規定する素子が偏光子である場合の共振器の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、偏光方向を規定する素子が折り返しミラーである場合の共振器の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、共振器と波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態．
図１は、実施の形態に係る固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。固体レーザ発振器の共振器１は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０（石英ブロック１４、トランスデューサ１５）、ブリュースタウインドウ１６を有している。
【００１２】
共振器１では、各構成要素が、ＴＲミラー１１、レーザ励起部１３、石英ブロック１４、トランスデューサ１５、ブリュースタウインドウ１６、ＰＲミラー１２の順番で配置されている。
【００１３】
ＴＲミラー１１は、レーザビームＬ１を全反射させるミラーであり、ＰＲミラー１２は、レーザビームＬ１を部分反射させるミラーである。レーザ励起部１３は、レーザ媒質を励起する機能を有している。例えば、レーザ励起部１３がロッド型のＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの場合、レーザ媒質としてＹＡＧロッドが用いられる。また、ＹＡＧロッドの励起源としては、例えば半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）が用いられる。
【００１４】
レーザ励起部１３は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間に配置されており、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間でレーザビームＬ１が共振してレーザビームＬ１が作り出される。共振器１内には、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間に偏光方向を規定する素子（ブリュースタウインドウ１６）が配置されている。これにより、レーザビームＬ１を、１方向（偏光方向Ｄ２１）の偏光成分のみを有したレーザビームＬ１にすることができる。
【００１５】
また、共振器１には、１つのＱスイッチ１０が配置されている。共振器１では、Ｑスイッチ１０を動作させることによって共振器１の外部にパルス状のレーザビームを出力する。本実施の形態のＱスイッチ１０は、音響光学素子であり、石英ブロック１４にトランスデューサ１５を取付けたものである。Ｑスイッチ１０は、トランスデューサ１５に超音波をかけることにより、石英ブロック１４に進行方向Ｄ２２の超音波を進行させる。これにより、Ｑスイッチ１０でレーザビームＬ１を回折させることができ、共振器１としてのＱスイッチロスとなる。共振器１では、トランスデューサ１５からの超音波を高周波でＯＮ／ＯＦＦすることによりパルスレーザを発生させることが可能となる。
【００１６】
共振器１では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器１内のレーザ媒質にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器１内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともにブリュースタウインドウ１６で偏光（偏光方向Ｄ２１）が規定される。その後、Ｑスイッチ１０の入力パワーが所定値だけ下げられることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器１から出力される。
【００１７】
本実施の形態では、共振器１内に、偏光方向Ｄ２１に対して平行な方向（進行方向Ｄ２２）に超音波が進行するよう、Ｑスイッチ１０が配置されている。換言すると、Ｑスイッチ１０は、石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２と、レーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１と、が平行な方向となるよう、共振器１内に配置される。
【００１８】
Ｑスイッチ１０は、レーザビームＬ１の偏光方向により回折効率が異なる。この回折効率が高いほどＱスイッチロスが大きくなる。石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２に対してレーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１が平行な場合、進行方向Ｄ２２に対して偏光方向が垂直な方向（直交方向Ｄ２３）である場合と比べて回折効率が５分の１程度に低下する。そのため、従来は、共振器１内に偏光方向を規定する素子を配置する場合には、その偏光方向に対して垂直な方向に超音波が進行するようにＱスイッチを配置していた。
【００１９】
図２は、従来の固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。従来の固体レーザ発振器が備える共振器１０１は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、石英ブロック１１４、トランスデューサ１１５、ブリュースタウインドウ１６を有している。
【００２０】
共振器１０１では、偏光方向Ｄ２１に対する直交方向Ｄ２３に超音波が進行するよう、Ｑスイッチ１００が配置されている。換言すると、Ｑスイッチ１００は、石英ブロック１１４内の超音波の進行方向Ｄ１２２と、レーザビームＬ２の偏光方向Ｄ２１と、が垂直な方向となるよう、共振器１０１内に配置されている。
【００２１】
共振器１０１では、Ｑスイッチ１００が種々の時間に渡って入力パワーＯＮにされ、この間だけ共振器１０１のＱ値が下げられる。そして、入力パワーがＯＮの間、このＯＮの時間に比例したエネルギーが共振器１０１に蓄積される。その後、蓄積されたエネルギーに応じたレーザ出力値を有したレーザパルスが共振器１０１から出力される。これにより、種々のレーザ出力値を有したレーザパルスが出力される。このように、従来の共振器１０１は、入力パワーのＯＮ時間（エネルギーの蓄積時間）が制御されることにより、種々のレーザ出力値を有したレーザパルスを出力していた。
【００２２】
一方、本実施の形態の共振器１内では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０の入力パワー（ＲＦパワー）の大きさが制御される。本実施の形態では、一定のＱスイッチ周波数（音響光学素子周波数）に従ったタイミングで入力パワーを変化させ、これにより、所望のレーザ出力を有したレーザパルスをＱスイッチ周波数に応じた一定のタイミングで出力させる。
【００２３】
具体的には、レーザビームＬ１のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１０の入力パワーをＯＮ（最大値）にすることにより、Ｑスイッチ１０内で偏光方向Ｄ２１と平行方向である進行方向Ｄ２２に向かって超音波を進行させる。これにより、レーザビームＬ１をＱスイッチ１０で回折させ、Ｑスイッチロス（共振器ロス）を発生させる。
【００２４】
共振器１は、定格出力値のレーザパルスを出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーをＯＦＦにする。これにより、レーザビームＬ１はＱスイッチ１０で回折されることなく通過し、Ｑスイッチロスがなくなる。
【００２５】
また、共振器１は、所定出力値（例えば、半分のレーザ出力値）のレーザパルスを出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーを所定出力値に応じた値にする。これにより、レーザビームＬ１は、Ｑスイッチ１０で所定出力値に応じた量だけ回折され、所定出力値に応じたＱスイッチロスが発生する。そして、発生したＱスイッチロスに応じたレーザ出力値のレーザパルスが出力される。
【００２６】
図３は、実施の形態に係る共振器内の共振器ロスを説明するための図である。図３では、偏光方向の成分と垂直方向の成分とに分けて共振器１内の共振器ロスの状況を示している。ここでの共振器ロスは、Ｑスイッチロスと、ブリュースタウインドウロスと、を足したものである。
【００２７】
本実施形態の共振器１では、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と同一方向（偏光方向Ｄ２１）のＱスイッチロスＡ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワーに応じて変化する。同様に、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と垂直な方向（直交方向Ｄ２３）のＱスイッチロスＢ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワーに応じて変化する。
【００２８】
具体的には、レーザビームＬ１のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１０の入力パワーが最大値にされ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１は、ともに最大となる。
【００２９】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ１を定格出力パルスＰ１として出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１は、ともに０となる。
【００３０】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ１を、定格出力値のレーザ出力値を半減させたパルスレーザ（出力半減パルスＰ２）として出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーが所定量だけ下げられ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１も所定値だけ下がる。
【００３１】
また、ブリュースタウインドウ１６では、直交方向Ｄ２３のロスであるブリュースタウインドウロスＣ１が発生する。このブリュースタウインドウロスＣ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワー（ＱスイッチロスＡ１，Ｂ１）とは関係なく、常に一定のロス値ｃ１である。
【００３２】
共振器１では、ＱスイッチロスＡ１を最大値から０に変化させることにより、Ｑ値を急峻に上げると、パルスレーザとして定格出力パルスＰ１が出力される。この後、ＱスイッチロスＡ１が再び最大値となるよう、Ｑスイッチ１０の入力パワーが制御される。ＱスイッチロスＡ１を最大値としておく期間は、Ｑスイッチ周波数に応じた期間であり、一定期間である。
【００３３】
共振器１では、出力半減パルスＰ２を出力する場合、ＱスイッチロスＡ１が最大値から所定のロス値ａ１に変化する。このとき、ＱスイッチロスＢ１は、ロス値ａ１に応じたロス値ｂ１となる。このロス値ｂ１は、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向Ｄ２１に垂直な直交方向Ｄ２３のロス値であり、偏光方向Ｄ２１のロス値ａ１よりも大きい。そして、直交方向Ｄ２３のロス値ｂ１が大きいので、偏光方向Ｄ２１の成分のみで出力半減パルスＰ２のパルスレーザを発生させることが可能となり、安定したレーザ出力値の出力半減パルスＰ２を出力することが可能となる。
【００３４】
図４は、従来の共振器内の共振器ロスを説明するための図である。図４では、図３と同様に、偏光方向の成分と垂直方向の成分とに分けて共振器１０１内の共振器ロスの状況を示している。
【００３５】
従来の共振器１０１では、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と同一方向（偏光方向Ｄ２１）のＱスイッチロスＡ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワーに応じて変化する。同様に、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と垂直な方向（直交方向Ｄ２３）のＱスイッチロスＢ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワーに応じて変化する。
【００３６】
具体的には、レーザビームＬ２のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１００の入力パワーが最大値にされ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、ともに最大となる。
【００３７】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ２を定格出力パルスＰ１１として出力する際には、Ｑスイッチ１００の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、ともに０となる。
【００３８】
また、レーザ出力値を半減させたパルスレーザ（出力半減パルスＰ１２）として出力する場合には、出力半減パルスＰ１２のレーザ出力値に応じた期間だけ共振器１０１内にレーザビームＬ２を蓄積しておく。共振器１０１内に蓄積されたレーザビームＬ２を出力半減パルスＰ１２として出力する際には、Ｑスイッチ１００の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１も所定値だけ下がる。これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、レーザビームＬ１の蓄積期間（Ｑスイッチ周波数）に応じた大きさとなる。
【００３９】
ブリュースタウインドウ１６では、直交方向Ｄ２３のロスであるブリュースタウインドウロスＣ１１が発生する。このブリュースタウインドウロスＣ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワー（ＱスイッチロスＡ１１，Ｂ１１）とは関係なく、常に一定のロス値ｃ１１である。
【００４０】
共振器１０１では、ＱスイッチロスＡ１１を最大値から０に変化させることにより、Ｑ値を急峻に上げると、パルスレーザとして定格出力パルスＰ１１が出力される。この後、ＱスイッチロスＡ１１が再び最大値となるよう、Ｑスイッチ１００の入力パワーが制御される。ＱスイッチロスＡ１１を最大値としておく期間は、次に出力するパルスレーザのレーザ出力値に応じた可変期間である。
【００４１】
共振器１０１では、出力半減パルスＰ１２を出力する場合、ＱスイッチロスＡ１１が最大値から所定のロス値ａ１１に変化する。このとき、ＱスイッチロスＢ１１は、ロス値ａ１１に応じたロス値ｂ１１となる。このロス値ｂ１１は、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向Ｄ２１に垂直な直交方向Ｄ２３のロス値であり、ロス値ｂ１１とロス値ｃ１１とを合わせたロス値（直交方向のロス値）は、偏光方向Ｄ２１のロス値ａ１１と略同じ値である。そして、偏光方向Ｄ２１のロス値と直交方向Ｄ２３のロス値とが、略同じ大きさなので出力半減パルスＰ１２のレーザ出力値がばらつくこととなる。換言すると、Ｑスイッチ１００の入力パワーを変化させた場合に、偏光方向を規定したい方向のロス値ａ１１が大きくなり、安定なパルスが得られなくなる。
【００４２】
一方、本実施形態では、超音波の進行方向Ｄ２２が偏光方向Ｄ２１と平行な方向となるようＱスイッチ１０の配置をしているので、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスが大きくなる。この結果、パルスレーザの偏光に対して直交する成分のパルスレーザが発生しにくくなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、Ｑスイッチ１０（パルスを発生させる部分）の入力パワーを上げていくことでレーザパルスが出にくくなり、結果としてレーザ出力が低くなる。そして、Ｑスイッチ１０の入力パワーを変化させた場合に、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスが直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスに比べて小さくなる。したがって、レーザの偏光が規定され、安定なレーザパルスを発生させることが可能となる。このように、パルス出力を変化させた場合であっても、レーザパルスを安定して発生させることが可能となる。
【００４４】
なお、共振器１から出力するレーザパルスは、定格出力パルスＰ１、出力半減パルスＰ２に限らず、定格出力パルスＰ１よりも小さなレーザ出力値のレーザパルスであれば、何れのレーザパルスであってもよい。Ｑスイッチ１０では、出力するレーザパルスのレーザ出力値に応じた入力パワーを入力して、レーザパルスのレーザ出力値に応じたＱスイッチロスを発生させる。
【００４５】
つぎに、パルス安定性について説明する。図５は、実施の形態に係る共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。図５では、定格出力値の３０％で出力されるパルスレーザのレーザ出力値と時間との関係（出力特性３１）を示している。図５において縦軸がレーザ出力値であり、横軸が時間である。
【００４６】
所定数Ｎ（Ｎは自然数）のパルスレーザに対してレーザ出力値を測定した場合の最大値がレーザ出力値３２ａであり、最小値がレーザ出力値３２ｂである。図５に示すように、共振器１から出力されるパルスレーザは、レーザ出力値にほとんどばらつきを有していない。共振器１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｐは、例えば最大のレーザ出力値Ｐｘと、レーザ出力値のばらつき幅Ｐｙと、を用いて、以下の式で表される。
パルス安定性Ｓｐ＝Ｐｙ／Ｐｘ・・・（１）
【００４７】
図６は、従来の共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。図６では、定格出力値の３０％で出力されるパルスレーザのレーザ出力値と時間との関係（出力特性１３１）を示している。図６において縦軸がレーザ出力値であり、横軸が時間である。
【００４８】
所定数Ｎのパルスレーザに対してレーザ出力値を測定した場合の最大値がレーザ出力値１３２ａであり、最小値がレーザ出力値１３２ｂである。図６に示すように、共振器１０１から出力されるパルスレーザは、共振器１から出力されるパルスレーザと比べて、レーザ出力値に大きなばらつきを有している。共振器１０１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｑは、例えば最大のレーザ出力値Ｑｘと、レーザ出力値のばらつき幅Ｑｙと、を用いて、以下の式で表される。
パルス安定性Ｓｑ＝Ｑｙ／Ｑｘ・・・（２）
【００４９】
パルス安定性Ｓｐ，Ｓｑは、パルスレーザのレーザ出力値にばらつきが多いほど、大きな値を示す。本実施の形態の共振器１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｐは、従来の共振器１０１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｑよりも小さな値を示す。このように、本実施の形態の共振器１からは従来の共振器１０１よりも安定したパルスレーザが出力される。
【００５０】
従来のようにパルスレーザのレーザ出力値が安定してない場合には、パルスの波形が幅（レーザ出力値の幅）を持つような波形になり、ばらつき幅Ｑｙが大きくなる。一方、本実施の形態では、ばらつき幅Ｐｙが小さく、レーザパルスを安定して供給できる。
【００５１】
つぎに、パルス発生時のＱスイッチロスとパルス安定性の関係について説明する。図７は、実施の形態に係る共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。図７では、Ｑスイッチ１０を開放した際のＱスイッチロスとレーザ出力値３３との関係、Ｑスイッチ１０を開放した際のＱスイッチロスとパルス安定性３４との関係を示している。図７において、横軸がＱスイッチロスであり、縦軸がレーザ出力値およびパルス安定性である。ここでのパルス安定性３４は、前述の式（１）にＱスイッチロスとレーザ出力値３３との関係を適用して算出したものである。
【００５２】
レーザ出力値３３、パルス安定性３４に示すように、本実施の形態の共振器１では、レーザ出力値が１００％〜２０％程度の場合（Ｑスイッチロスが０％〜７０％程度の場合）に、レーザ出力値のばらつき度合いを示すパルス安定性３４が１０％以下である。したがって、共振器１は、レーザ出力値が１００％〜２０％程度の場合に、レーザパルスを安定して発生させることができる。
【００５３】
図８は、従来の共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。図８では、Ｑスイッチ１００を開放した際のＱスイッチロスとレーザ出力値１３３との関係、Ｑスイッチ１００を開放した際のＱスイッチロスとパルス安定性１３４との関係を示している。図８において、横軸がＱスイッチロスであり、縦軸がレーザ出力値およびパルス安定性である。ここでのパルス安定性１３４は、前述の式（２）にＱスイッチロスとレーザ出力値１３３との関係を適用して算出したものである。
【００５４】
レーザ出力値１３３、パルス安定性１３４に示すように、従来の共振器１０１では、レーザ出力値が１００％〜７０％程度の場合（０％〜６０％程度のＱスイッチロスの場合）に、レーザ出力値のばらつき度合いを示すパルス安定性１３４が１０％以下である。換言すると、レーザ出力値が７０％以下になると、パルス安定性１３４が大きくなり（レーザ出力値のばらつき度合いが大きくなり）、パルス安定度が悪くなる。したがって、共振器１０１は、７０％程度以上のレーザ出力値の場合にしか、レーザパルスを安定して発生させることができない。
【００５５】
なお、本実施の形態では、偏光方向を規定する素子がブリュースタウインドウ１６である場合について説明したが、偏光方向を規定する素子はブリュースタウインドウ１６以外の素子であってもよい。偏光方向を規定する素子は、例えば偏光子であってもよいし、折り返しミラーであってもよい。
【００５６】
図９は、偏光方向を規定する素子が偏光子である場合の共振器の構成を示す図である。なお、図９の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００５７】
固体レーザ発振器の共振器２は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０、偏光子４１を有している。共振器２では、ブリュースタウインドウ１６の代わりに偏光子４１が配置されている。具体的には、偏光子４１は、Ｑスイッチ１０とＰＲミラー１２との間に配置されている。なお、偏光子４１は、Ｑスイッチ１０とレーザ励起部１３との間もしくはＴＲミラー１１とレーザ励起部１３との間に配置してもよい。偏光子４１は、所定の方向にＱスイッチロスを与える素子である。
【００５８】
共振器２では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器２内にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器２内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともに、偏光子４１で偏光方向が規定される。その後、Ｑスイッチ１０がＯＦＦにされることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器２から出力される。
【００５９】
図１０は、偏光方向を規定する素子が折り返しミラーである場合の共振器の構成を示す図である。なお、図１０の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００６０】
固体レーザ発振器の共振器３は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０、折り返しミラー４２ａ，４２ｂを有している。共振器３では、ブリュースタウインドウ１６の代わりに折り返しミラー４２ａ、４２ｂが配置されている。具体的には、折り返しミラー４２ａ、４２ｂは、Ｑスイッチ１０とＰＲミラー１２との間に配置されている。折り返しミラー４２ａ、４２ｂは、それぞれ所定の方向に共振器ロスを与えるミラーである。
【００６１】
ＴＲミラー１１で反射されたレーザビームＬ１は、レーザ励起部１３とＱスイッチ１０を介して折り返しミラー４２ａに送られてくる。このレーザビームＬ１は、折り返しミラー４２ａで９０度曲げられて反射され、さらに折り返しミラー４２ｂで９０度曲げられて反射され、ＰＲミラー１２に送られる。このように、共振器３内では光路が折り曲げられている。
【００６２】
共振器３では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器３内にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器３内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともに、折り返しミラー４２ａ、４２ｂで偏光方向が規定される。その後、Ｑスイッチ１０がＯＦＦにされることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器３から出力される。なお、折り返しミラーの代わりに偏光方向を規定する１枚のミラーまたは偏光方向を規定する３枚以上のミラーを配置してもよい。
【００６３】
また、固体レーザ発振器は、共振器１〜３の何れか１つと、波長変換素子と、を備える構成としてもよい。ここで、共振器１〜３の何れか１つと、波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成について説明する。なお、ここでは共振器が共振器１である場合の固体レーザ発振器の構成について説明する。
【００６４】
図１１は、共振器と波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成を示す図である。図１１の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００６５】
固体レーザ発振器５は、共振器１と、波長変換素子（波長変換結晶）５１，５２と、を備えている。固体レーザ発振器５では、共振器１から出力されたレーザビームＬ１が波長変換素子５１，５２で波長変換され、レーザビームＬ３として固体レーザ発振器５の外部に出力される。
【００６６】
レーザビームＬ１，Ｌ２は、波長変換されると、レーザ出力値がばらつく。本実施の形態では、共振器１から出力されるレーザビームＬ１のレーザ出力値が安定しているので、波長変換された後のレーザビームＬ３のレーザ出力値も安定している。なお、固体レーザ発振器５は、共振器２と波長変換素子５１，５２とを用いて構成してもよいし、共振器３と波長変換素子５１，５２とを用いて構成してもよい。
【００６７】
このように実施の形態によれば、石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２と、レーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１と、が平行な方向となるよう、Ｑスイッチ１０が共振器１〜３内に配置されているので、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力することが可能となる。
【００６８】
また、共振器１〜３は、それぞれ１個のＱスイッチ１０で制御でき、かつ一定のＱスイッチ周波数でレーザパルスの出力を制御できる。したがって、簡易な構成で容易にレーザパルスの出力を制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明に係る固体レーザ発振器は、音響光学素子を用いたレーザパルスの出力に適している。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ 共振器
５ 固体レーザ発振器
１０ Ｑスイッチ
１３ レーザ励起部
１４ 石英ブロック
１５ トランスデューサ
１６ ブリュースタウインドウ
４１ 偏光子
４２ａ，４２ｂ 折り返しミラー
５１，５２ 波長変換素子
Ｄ２１ 偏光方向
Ｄ２２ 進行方向
Ｄ２３ 直交方向
Ｌ１，Ｌ３ レーザビーム
Ｐ１ 定格出力パルス
Ｐ２ 出力半減パルス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器内の音響光学素子を用いてレーザパルスを出力する固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体レーザ発振器には、ブリュースタウインドウなどのレーザ偏光方向を規定する素子と、Ｑスイッチ（音響光学素子）と、が共振器内に配置されている。そして、共振器から出力するレーザパルスを、Ｑスイッチを用いて制御していた。この方法では、共振器内でレーザ媒質を励起した後、共振器のＱスイッチを所定時間ＯＮにして、この時間の間に共振器内にエネルギーを蓄積している。その後、ＱスイッチをＯＦＦにして、蓄積されたエネルギーをパルスエネルギーとして出力している。
【０００３】
Ｑスイッチパルスを用いた固体レーザ発振器では、一定のＱスイッチ周波数でレーザパルスを出力すれば、一定のレーザ出力値を有したレーザパルスが出力されることとなる。このような固体レーザ発振器から、所望のレーザ出力値（例えば、半分のパルスエネルギー）を有したレーザパルスを出力する場合、レーザ出力値の大きさに応じたＱスイッチ周波数でレーザパルスを出力していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０２６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、Ｑスイッチ周波数を変えないとレーザ出力値を制御できなかった。このため、レーザ出力値の小さなレーザパルスを出力する場合に、レーザパルスのレーザ出力値がばらつくという問題があった。これは、ブリュースタウインドウで規定されるレーザ偏光方向のＱスイッチロス（共振器ロス）と、このレーザ偏光方向に直交する方向のＱスイッチロスと、の差が小さくなり、その結果、レーザパルスのレーザ出力値が不安定になるからである。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力する固体レーザ発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、共振器内に配置されて前記共振器内でレーザビームの偏光方向を規定する偏光方向規定素子と、共振器内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより前記共振器内のレーザビームを前記入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御する音響光学素子と、を備え、前記偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、前記超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、前記音響光学素子が前記共振器内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、音響光学素子における超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、音響光学素子が共振器内に配置されているので、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態に係る固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。
【図２】図２は、従来の固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る共振器内の共振器ロスを説明するための図である。
【図４】図４は、従来の共振器内の共振器ロスを説明するための図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。
【図６】図６は、従来の共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。
【図８】図８は、従来の共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。
【図９】図９は、偏光方向を規定する素子が偏光子である場合の共振器の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、偏光方向を規定する素子が折り返しミラーである場合の共振器の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、共振器と波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態．
図１は、実施の形態に係る固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。固体レーザ発振器の共振器１は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０（石英ブロック１４、トランスデューサ１５）、ブリュースタウインドウ１６を有している。
【００１２】
共振器１では、各構成要素が、ＴＲミラー１１、レーザ励起部１３、石英ブロック１４、トランスデューサ１５、ブリュースタウインドウ１６、ＰＲミラー１２の順番で配置されている。
【００１３】
ＴＲミラー１１は、レーザビームＬ１を全反射させるミラーであり、ＰＲミラー１２は、レーザビームＬ１を部分反射させるミラーである。レーザ励起部１３は、レーザ媒質を励起する機能を有している。例えば、レーザ励起部１３がロッド型のＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの場合、レーザ媒質としてＹＡＧロッドが用いられる。また、ＹＡＧロッドの励起源としては、例えば半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）が用いられる。
【００１４】
レーザ励起部１３は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間に配置されており、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間でレーザビームＬ１が共振してレーザビームＬ１が作り出される。共振器１内には、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間に偏光方向を規定する素子（ブリュースタウインドウ１６）が配置されている。これにより、レーザビームＬ１を、１方向（偏光方向Ｄ２１）の偏光成分のみを有したレーザビームＬ１にすることができる。
【００１５】
また、共振器１には、１つのＱスイッチ１０が配置されている。共振器１では、Ｑスイッチ１０を動作させることによって共振器１の外部にパルス状のレーザビームを出力する。本実施の形態のＱスイッチ１０は、音響光学素子であり、石英ブロック１４にトランスデューサ１５を取付けたものである。Ｑスイッチ１０は、トランスデューサ１５に超音波をかけることにより、石英ブロック１４に進行方向Ｄ２２の超音波を進行させる。これにより、Ｑスイッチ１０でレーザビームＬ１を回折させることができ、共振器１としてのＱスイッチロスとなる。共振器１では、トランスデューサ１５からの超音波を高周波でＯＮ／ＯＦＦすることによりパルスレーザを発生させることが可能となる。
【００１６】
共振器１では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器１内のレーザ媒質にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器１内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともにブリュースタウインドウ１６で偏光（偏光方向Ｄ２１）が規定される。その後、Ｑスイッチ１０の入力パワーが所定値だけ下げられることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器１から出力される。
【００１７】
本実施の形態では、共振器１内に、偏光方向Ｄ２１に対して平行な方向（進行方向Ｄ２２）に超音波が進行するよう、Ｑスイッチ１０が配置されている。換言すると、Ｑスイッチ１０は、石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２と、レーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１と、が平行な方向となるよう、共振器１内に配置される。
【００１８】
Ｑスイッチ１０は、レーザビームＬ１の偏光方向により回折効率が異なる。この回折効率が高いほどＱスイッチロスが大きくなる。石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２に対してレーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１が平行な場合、進行方向Ｄ２２に対して偏光方向が垂直な方向（直交方向Ｄ２３）である場合と比べて回折効率が５分の１程度に低下する。そのため、従来は、共振器１内に偏光方向を規定する素子を配置する場合には、その偏光方向に対して垂直な方向に超音波が進行するようにＱスイッチを配置していた。
【００１９】
図２は、従来の固体レーザ発振器が備える共振器の構成を示す図である。従来の固体レーザ発振器が備える共振器１０１は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、石英ブロック１１４、トランスデューサ１１５、ブリュースタウインドウ１６を有している。
【００２０】
共振器１０１では、偏光方向Ｄ２１に対する直交方向Ｄ２３に超音波が進行するよう、Ｑスイッチ１００が配置されている。換言すると、Ｑスイッチ１００は、石英ブロック１１４内の超音波の進行方向Ｄ１２２と、レーザビームＬ２の偏光方向Ｄ２１と、が垂直な方向となるよう、共振器１０１内に配置されている。
【００２１】
共振器１０１では、Ｑスイッチ１００が種々の時間に渡って入力パワーＯＮにされ、この間だけ共振器１０１のＱ値が下げられる。そして、入力パワーがＯＮの間、このＯＮの時間に比例したエネルギーが共振器１０１に蓄積される。その後、蓄積されたエネルギーに応じたレーザ出力値を有したレーザパルスが共振器１０１から出力される。これにより、種々のレーザ出力値を有したレーザパルスが出力される。このように、従来の共振器１０１は、入力パワーのＯＮ時間（エネルギーの蓄積時間）が制御されることにより、種々のレーザ出力値を有したレーザパルスを出力していた。
【００２２】
一方、本実施の形態の共振器１内では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０の入力パワー（ＲＦパワー）の大きさが制御される。本実施の形態では、一定のＱスイッチ周波数（音響光学素子周波数）に従ったタイミングで入力パワーを変化させ、これにより、所望のレーザ出力を有したレーザパルスをＱスイッチ周波数に応じた一定のタイミングで出力させる。
【００２３】
具体的には、レーザビームＬ１のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１０の入力パワーをＯＮ（最大値）にすることにより、Ｑスイッチ１０内で偏光方向Ｄ２１と平行方向である進行方向Ｄ２２に向かって超音波を進行させる。これにより、レーザビームＬ１をＱスイッチ１０で回折させ、Ｑスイッチロス（共振器ロス）を発生させる。
【００２４】
共振器１は、定格出力値のレーザパルスを出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーをＯＦＦにする。これにより、レーザビームＬ１はＱスイッチ１０で回折されることなく通過し、Ｑスイッチロスがなくなる。
【００２５】
また、共振器１は、所定出力値（例えば、半分のレーザ出力値）のレーザパルスを出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーを所定出力値に応じた値にする。これにより、レーザビームＬ１は、Ｑスイッチ１０で所定出力値に応じた量だけ回折され、所定出力値に応じたＱスイッチロスが発生する。そして、発生したＱスイッチロスに応じたレーザ出力値のレーザパルスが出力される。
【００２６】
図３は、実施の形態に係る共振器内の共振器ロスを説明するための図である。図３では、偏光方向の成分と垂直方向の成分とに分けて共振器１内の共振器ロスの状況を示している。ここでの共振器ロスは、Ｑスイッチロスと、ブリュースタウインドウロスと、を足したものである。
【００２７】
本実施形態の共振器１では、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と同一方向（偏光方向Ｄ２１）のＱスイッチロスＡ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワーに応じて変化する。同様に、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と垂直な方向（直交方向Ｄ２３）のＱスイッチロスＢ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワーに応じて変化する。
【００２８】
具体的には、レーザビームＬ１のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１０の入力パワーが最大値にされ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１は、ともに最大となる。
【００２９】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ１を定格出力パルスＰ１として出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１は、ともに０となる。
【００３０】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ１を、定格出力値のレーザ出力値を半減させたパルスレーザ（出力半減パルスＰ２）として出力する際には、Ｑスイッチ１０の入力パワーが所定量だけ下げられ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１も所定値だけ下がる。
【００３１】
また、ブリュースタウインドウ１６では、直交方向Ｄ２３のロスであるブリュースタウインドウロスＣ１が発生する。このブリュースタウインドウロスＣ１は、Ｑスイッチ１０の入力パワー（ＱスイッチロスＡ１，Ｂ１）とは関係なく、常に一定のロス値ｃ１である。
【００３２】
共振器１では、ＱスイッチロスＡ１を最大値から０に変化させることにより、Ｑ値を急峻に上げると、パルスレーザとして定格出力パルスＰ１が出力される。この後、ＱスイッチロスＡ１が再び最大値となるよう、Ｑスイッチ１０の入力パワーが制御される。ＱスイッチロスＡ１を最大値としておく期間は、Ｑスイッチ周波数に応じた期間であり、一定期間である。
【００３３】
共振器１では、出力半減パルスＰ２を出力する場合、ＱスイッチロスＡ１が最大値から所定のロス値ａ１に変化する。このとき、ＱスイッチロスＢ１は、ロス値ａ１に応じたロス値ｂ１となる。このロス値ｂ１は、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向Ｄ２１に垂直な直交方向Ｄ２３のロス値であり、偏光方向Ｄ２１のロス値ａ１よりも大きい。そして、直交方向Ｄ２３のロス値ｂ１が大きいので、偏光方向Ｄ２１の成分のみで出力半減パルスＰ２のパルスレーザを発生させることが可能となり、安定したレーザ出力値の出力半減パルスＰ２を出力することが可能となる。
【００３４】
図４は、従来の共振器内の共振器ロスを説明するための図である。図４では、図３と同様に、偏光方向の成分と垂直方向の成分とに分けて共振器１０１内の共振器ロスの状況を示している。
【００３５】
従来の共振器１０１では、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と同一方向（偏光方向Ｄ２１）のＱスイッチロスＡ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワーに応じて変化する。同様に、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向（レーザ偏光）と垂直な方向（直交方向Ｄ２３）のＱスイッチロスＢ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワーに応じて変化する。
【００３６】
具体的には、レーザビームＬ２のエネルギーを共振器１内に蓄積する間は、Ｑスイッチ１００の入力パワーが最大値にされ、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、ともに最大となる。
【００３７】
また、共振器１内に蓄積されたレーザビームＬ２を定格出力パルスＰ１１として出力する際には、Ｑスイッチ１００の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、ともに０となる。
【００３８】
また、レーザ出力値を半減させたパルスレーザ（出力半減パルスＰ１２）として出力する場合には、出力半減パルスＰ１２のレーザ出力値に応じた期間だけ共振器１０１内にレーザビームＬ２を蓄積しておく。共振器１０１内に蓄積されたレーザビームＬ２を出力半減パルスＰ１２として出力する際には、Ｑスイッチ１００の入力パワーが０になり、これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１も所定値だけ下がる。これにより、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスＡ１１、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスＢ１１は、レーザビームＬ１の蓄積期間（Ｑスイッチ周波数）に応じた大きさとなる。
【００３９】
ブリュースタウインドウ１６では、直交方向Ｄ２３のロスであるブリュースタウインドウロスＣ１１が発生する。このブリュースタウインドウロスＣ１１は、Ｑスイッチ１００の入力パワー（ＱスイッチロスＡ１１，Ｂ１１）とは関係なく、常に一定のロス値ｃ１１である。
【００４０】
共振器１０１では、ＱスイッチロスＡ１１を最大値から０に変化させることにより、Ｑ値を急峻に上げると、パルスレーザとして定格出力パルスＰ１１が出力される。この後、ＱスイッチロスＡ１１が再び最大値となるよう、Ｑスイッチ１００の入力パワーが制御される。ＱスイッチロスＡ１１を最大値としておく期間は、次に出力するパルスレーザのレーザ出力値に応じた可変期間である。
【００４１】
共振器１０１では、出力半減パルスＰ１２を出力する場合、ＱスイッチロスＡ１１が最大値から所定のロス値ａ１１に変化する。このとき、ＱスイッチロスＢ１１は、ロス値ａ１１に応じたロス値ｂ１１となる。このロス値ｂ１１は、ブリュースタウインドウ１６の偏光方向Ｄ２１に垂直な直交方向Ｄ２３のロス値であり、ロス値ｂ１１とロス値ｃ１１とを合わせたロス値（直交方向のロス値）は、偏光方向Ｄ２１のロス値ａ１１と略同じ値である。そして、偏光方向Ｄ２１のロス値と直交方向Ｄ２３のロス値とが、略同じ大きさなので出力半減パルスＰ１２のレーザ出力値がばらつくこととなる。換言すると、Ｑスイッチ１００の入力パワーを変化させた場合に、偏光方向を規定したい方向のロス値ａ１１が大きくなり、安定なパルスが得られなくなる。
【００４２】
一方、本実施形態では、超音波の進行方向Ｄ２２が偏光方向Ｄ２１と平行な方向となるようＱスイッチ１０の配置をしているので、直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスが大きくなる。この結果、パルスレーザの偏光に対して直交する成分のパルスレーザが発生しにくくなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、Ｑスイッチ１０（パルスを発生させる部分）の入力パワーを上げていくことでレーザパルスが出にくくなり、結果としてレーザ出力が低くなる。そして、Ｑスイッチ１０の入力パワーを変化させた場合に、偏光方向Ｄ２１のＱスイッチロスが直交方向Ｄ２３のＱスイッチロスに比べて小さくなる。したがって、レーザの偏光が規定され、安定なレーザパルスを発生させることが可能となる。このように、パルス出力を変化させた場合であっても、レーザパルスを安定して発生させることが可能となる。
【００４４】
なお、共振器１から出力するレーザパルスは、定格出力パルスＰ１、出力半減パルスＰ２に限らず、定格出力パルスＰ１よりも小さなレーザ出力値のレーザパルスであれば、何れのレーザパルスであってもよい。Ｑスイッチ１０では、出力するレーザパルスのレーザ出力値に応じた入力パワーを入力して、レーザパルスのレーザ出力値に応じたＱスイッチロスを発生させる。
【００４５】
つぎに、パルス安定性について説明する。図５は、実施の形態に係る共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。図５では、定格出力値の３０％で出力されるパルスレーザのレーザ出力値と時間との関係（出力特性３１）を示している。図５において縦軸がレーザ出力値であり、横軸が時間である。
【００４６】
所定数Ｎ（Ｎは自然数）のパルスレーザに対してレーザ出力値を測定した場合の最大値がレーザ出力値３２ａであり、最小値がレーザ出力値３２ｂである。図５に示すように、共振器１から出力されるパルスレーザは、レーザ出力値にほとんどばらつきを有していない。共振器１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｐは、例えば最大のレーザ出力値Ｐｘと、レーザ出力値のばらつき幅Ｐｙと、を用いて、以下の式で表される。
パルス安定性Ｓｐ＝Ｐｙ／Ｐｘ・・・（１）
【００４７】
図６は、従来の共振器から出力されるパルスレーザの出力特性を示す図である。図６では、定格出力値の３０％で出力されるパルスレーザのレーザ出力値と時間との関係（出力特性１３１）を示している。図６において縦軸がレーザ出力値であり、横軸が時間である。
【００４８】
所定数Ｎのパルスレーザに対してレーザ出力値を測定した場合の最大値がレーザ出力値１３２ａであり、最小値がレーザ出力値１３２ｂである。図６に示すように、共振器１０１から出力されるパルスレーザは、共振器１から出力されるパルスレーザと比べて、レーザ出力値に大きなばらつきを有している。共振器１０１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｑは、例えば最大のレーザ出力値Ｑｘと、レーザ出力値のばらつき幅Ｑｙと、を用いて、以下の式で表される。
パルス安定性Ｓｑ＝Ｑｙ／Ｑｘ・・・（２）
【００４９】
パルス安定性Ｓｐ，Ｓｑは、パルスレーザのレーザ出力値にばらつきが多いほど、大きな値を示す。本実施の形態の共振器１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｐは、従来の共振器１０１から出力されるパルスレーザのパルス安定性Ｓｑよりも小さな値を示す。このように、本実施の形態の共振器１からは従来の共振器１０１よりも安定したパルスレーザが出力される。
【００５０】
従来のようにパルスレーザのレーザ出力値が安定してない場合には、パルスの波形が幅（レーザ出力値の幅）を持つような波形になり、ばらつき幅Ｑｙが大きくなる。一方、本実施の形態では、ばらつき幅Ｐｙが小さく、レーザパルスを安定して供給できる。
【００５１】
つぎに、パルス発生時のＱスイッチロスとパルス安定性の関係について説明する。図７は、実施の形態に係る共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。図７では、Ｑスイッチ１０を開放した際のＱスイッチロスとレーザ出力値３３との関係、Ｑスイッチ１０を開放した際のＱスイッチロスとパルス安定性３４との関係を示している。図７において、横軸がＱスイッチロスであり、縦軸がレーザ出力値およびパルス安定性である。ここでのパルス安定性３４は、前述の式（１）にＱスイッチロスとレーザ出力値３３との関係を適用して算出したものである。
【００５２】
レーザ出力値３３、パルス安定性３４に示すように、本実施の形態の共振器１では、レーザ出力値が１００％〜２０％程度の場合（Ｑスイッチロスが０％〜７０％程度の場合）に、レーザ出力値のばらつき度合いを示すパルス安定性３４が１０％以下である。したがって、共振器１は、レーザ出力値が１００％〜２０％程度の場合に、レーザパルスを安定して発生させることができる。
【００５３】
図８は、従来の共振器におけるＱスイッチロスとパルス安定性の関係を示す図である。図８では、Ｑスイッチ１００を開放した際のＱスイッチロスとレーザ出力値１３３との関係、Ｑスイッチ１００を開放した際のＱスイッチロスとパルス安定性１３４との関係を示している。図８において、横軸がＱスイッチロスであり、縦軸がレーザ出力値およびパルス安定性である。ここでのパルス安定性１３４は、前述の式（２）にＱスイッチロスとレーザ出力値１３３との関係を適用して算出したものである。
【００５４】
レーザ出力値１３３、パルス安定性１３４に示すように、従来の共振器１０１では、レーザ出力値が１００％〜７０％程度の場合（０％〜６０％程度のＱスイッチロスの場合）に、レーザ出力値のばらつき度合いを示すパルス安定性１３４が１０％以下である。換言すると、レーザ出力値が７０％以下になると、パルス安定性１３４が大きくなり（レーザ出力値のばらつき度合いが大きくなり）、パルス安定度が悪くなる。したがって、共振器１０１は、７０％程度以上のレーザ出力値の場合にしか、レーザパルスを安定して発生させることができない。
【００５５】
なお、本実施の形態では、偏光方向を規定する素子がブリュースタウインドウ１６である場合について説明したが、偏光方向を規定する素子はブリュースタウインドウ１６以外の素子であってもよい。偏光方向を規定する素子は、例えば偏光子であってもよいし、折り返しミラーであってもよい。
【００５６】
図９は、偏光方向を規定する素子が偏光子である場合の共振器の構成を示す図である。なお、図９の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００５７】
固体レーザ発振器の共振器２は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０、偏光子４１を有している。共振器２では、ブリュースタウインドウ１６の代わりに偏光子４１が配置されている。具体的には、偏光子４１は、Ｑスイッチ１０とＰＲミラー１２との間に配置されている。なお、偏光子４１は、Ｑスイッチ１０とレーザ励起部１３との間もしくはＴＲミラー１１とレーザ励起部１３との間に配置してもよい。偏光子４１は、所定の方向にＱスイッチロスを与える素子である。
【００５８】
共振器２では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器２内にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器２内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともに、偏光子４１で偏光方向が規定される。その後、Ｑスイッチ１０がＯＦＦにされることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器２から出力される。
【００５９】
図１０は、偏光方向を規定する素子が折り返しミラーである場合の共振器の構成を示す図である。なお、図１０の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００６０】
固体レーザ発振器の共振器３は、ＴＲミラー１１、ＰＲミラー１２、レーザ励起部１３、Ｑスイッチ１０、折り返しミラー４２ａ，４２ｂを有している。共振器３では、ブリュースタウインドウ１６の代わりに折り返しミラー４２ａ、４２ｂが配置されている。具体的には、折り返しミラー４２ａ、４２ｂは、Ｑスイッチ１０とＰＲミラー１２との間に配置されている。折り返しミラー４２ａ、４２ｂは、それぞれ所定の方向に共振器ロスを与えるミラーである。
【００６１】
ＴＲミラー１１で反射されたレーザビームＬ１は、レーザ励起部１３とＱスイッチ１０を介して折り返しミラー４２ａに送られてくる。このレーザビームＬ１は、折り返しミラー４２ａで９０度曲げられて反射され、さらに折り返しミラー４２ｂで９０度曲げられて反射され、ＰＲミラー１２に送られる。このように、共振器３内では光路が折り曲げられている。
【００６２】
共振器３では、レーザ励起部１３のレーザ媒質が励起された後、Ｑスイッチ１０を所定時間ＯＮにして、共振器３内にレーザビームＬ１のエネルギーを蓄積する。共振器３内のレーザビームＬ１は、ＴＲミラー１１とＰＲミラー１２との間を往復するとともに、折り返しミラー４２ａ、４２ｂで偏光方向が規定される。その後、Ｑスイッチ１０がＯＦＦにされることにより、蓄積されたエネルギーがパルスエネルギーとして共振器３から出力される。なお、折り返しミラーの代わりに偏光方向を規定する１枚のミラーまたは偏光方向を規定する３枚以上のミラーを配置してもよい。
【００６３】
また、固体レーザ発振器は、共振器１〜３の何れか１つと、波長変換素子と、を備える構成としてもよい。ここで、共振器１〜３の何れか１つと、波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成について説明する。なお、ここでは共振器が共振器１である場合の固体レーザ発振器の構成について説明する。
【００６４】
図１１は、共振器と波長変換素子を備えた固体レーザ発振器の構成を示す図である。図１１の各構成要素のうち図１に示した共振器１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
【００６５】
固体レーザ発振器５は、共振器１と、波長変換素子（波長変換結晶）５１，５２と、を備えている。固体レーザ発振器５では、共振器１から出力されたレーザビームＬ１が波長変換素子５１，５２で波長変換され、レーザビームＬ３として固体レーザ発振器５の外部に出力される。
【００６６】
レーザビームＬ１，Ｌ２は、波長変換されると、レーザ出力値がばらつく。本実施の形態では、共振器１から出力されるレーザビームＬ１のレーザ出力値が安定しているので、波長変換された後のレーザビームＬ３のレーザ出力値も安定している。なお、固体レーザ発振器５は、共振器２と波長変換素子５１，５２とを用いて構成してもよいし、共振器３と波長変換素子５１，５２とを用いて構成してもよい。
【００６７】
このように実施の形態によれば、石英ブロック１４内の超音波の進行方向Ｄ２２と、レーザビームＬ１の偏光方向Ｄ２１と、が平行な方向となるよう、Ｑスイッチ１０が共振器１〜３内に配置されているので、安定したレーザ出力値のレーザパルスを出力することが可能となる。
【００６８】
また、共振器１〜３は、それぞれ１個のＱスイッチ１０で制御でき、かつ一定のＱスイッチ周波数でレーザパルスの出力を制御できる。したがって、簡易な構成で容易にレーザパルスの出力を制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明に係る固体レーザ発振器は、音響光学素子を用いたレーザパルスの出力に適している。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ 共振器
５ 固体レーザ発振器
１０ Ｑスイッチ
１３ レーザ励起部
１４ 石英ブロック
１５ トランスデューサ
１６ ブリュースタウインドウ
４１ 偏光子
４２ａ，４２ｂ 折り返しミラー
５１，５２ 波長変換素子
Ｄ２１ 偏光方向
Ｄ２２ 進行方向
Ｄ２３ 直交方向
Ｌ１，Ｌ３ レーザビーム
Ｐ１ 定格出力パルス
Ｐ２ 出力半減パルス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器内に配置されて前記共振器内でレーザビームの偏光方向を規定する偏光方向規定素子と、
共振器内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより前記共振器内のレーザビームを前記入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御する音響光学素子と、
を備え、
前記偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、前記超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、前記音響光学素子が前記共振器内に配置されていることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】
前記入力パワーは、一定の音響光学素子周波数に従ったタイミングで、所望のレーザ出力値に応じた値に変化させられることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
【請求項３】
前記偏光方向規定素子は、ブリュースタウインドウであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項４】
前記偏光方向規定素子は、偏光子であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項５】
前記偏光方向規定素子は、所定の方向に共振器ロスを与えるミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項６】
前記共振器内から出力されたレーザビームの波長を変換する波長変換素子をさらに備え、
波長変換されたレーザビームを出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体レーザ発振器。
【請求項１】
共振器内に配置されて前記共振器内でレーザビームの偏光方向を規定する偏光方向規定素子と、
共振器内に配置されるとともに所定量の入力パワーによって超音波を進行させ、これにより前記共振器内のレーザビームを前記入力パワーに応じた量だけ回折させてレーザパルス毎にレーザ出力値を制御する音響光学素子と、
を備え、
前記偏光方向規定素子で規定される偏光方向と、前記超音波の進行方向と、が平行方向となるよう、前記音響光学素子が前記共振器内に配置されていることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】
前記入力パワーは、一定の音響光学素子周波数に従ったタイミングで、所望のレーザ出力値に応じた値に変化させられることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
【請求項３】
前記偏光方向規定素子は、ブリュースタウインドウであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項４】
前記偏光方向規定素子は、偏光子であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項５】
前記偏光方向規定素子は、所定の方向に共振器ロスを与えるミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項６】
前記共振器内から出力されたレーザビームの波長を変換する波長変換素子をさらに備え、
波長変換されたレーザビームを出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体レーザ発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２５３０９２（Ｐ２０１２−２５３０９２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２２７３８（Ｐ２０１１−１２２７３８）
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]