特許 6048961 共振器及びこれを用いたレーザー装置、レーザー装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6048961

(24)【登録日】2016年12月2日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】共振器及びこれを用いたレーザー装置、レーザー装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20161212BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/10 Z

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-48808(P2013-48808)

(22)【出願日】2013年3月12日

(65)【公開番号】特開2014-175576(P2014-175576A)

(43)【公開日】2014年9月22日

【審査請求日】2016年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】森 道昭

(72)【発明者】

【氏名】小菅 淳

(72)【発明者】

【氏名】岡田 大

(72)【発明者】

【氏名】桐山 博光

(72)【発明者】

【氏名】永島 圭介

(72)【発明者】

【氏名】近藤 公伯

【審査官】 島田 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−２５２４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３０２９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−１２６２１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０６−０６９５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９８０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１２９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１１２５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０８０００３７２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ３／００−３／３０

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光を入射させる入射カプラと反射鏡との間で形成された光路中に前記レーザー光を閉じ込めて強度を増強させる共振器であって、
前記レーザー光における特定の偏光方向の振動電場の位相を、前記特定の偏光方向と垂直な偏光方向の振動電場の位相からπだけシフトさせる像反転機構を具備し、
前記共振器内における前記光路を前記レーザー光が１周する間に、前記像反転機構により前記位相をπだけシフトさせることを特徴とする共振器。

【請求項2】

前記像反転機構は、前記光路の光軸上の光を奇数枚の反射面を介して前記光路に戻す構成とされたことを特徴とする請求項１に記載の共振器。

【請求項3】

前記像反転機構は、前記像反転機構が設けられた光軸の回りで回転可能な構成とされたことを特徴とする請求項２に記載の共振器。

【請求項4】

共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置が制御されることによって前記共振器における光路長が制御され、前記共振器で増強された前記レーザー光が出力されるレーザー装置であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の共振器が用いられ、
前記共振器から出力されたレーザー光を透過させるλ／４板と、
前記λ／４板を透過後のレーザー光における一方向の偏光成分の光強度を検出する第１の光検出器と、前記λ／４板を透過後のレーザー光における前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度を検出する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器で検出された光強度と前記第２の光検出器で検出された光強度とに基づいて前記共振器における前記反射鏡の位置を制御する制御部と、
を具備することを特徴とするレーザー装置。

【請求項5】

共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置を制御することによって前記共振器における光路長を制御するレーザー装置の制御方法であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の共振器が用いられ、
前記共振器から出力されたレーザー光をλ／４板に透過させた後のレーザー光において、一方向の偏光成分の光強度の第１定数倍と前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度の第２定数倍との差分が零となるように前記共振器における前記反射鏡の位置を制御することを特徴とするレーザー装置の制御方法。

【請求項6】

共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置を制御することによって前記共振器における光路長を制御するレーザー装置の制御方法であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の共振器が用いられ、
前記反射鏡の位置を制御することによって前記光路における位相ずれδを変動させた際の、前記共振器から出力されたレーザー光をλ／４板に透過させた後のレーザー光における、一方向の偏光成分の光強度の第１定数倍と前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度の第２定数倍との差分の変化を、前記δの変化で除した値の正負を判定し、前記値の正負が切り替わるように前記反射鏡の位置を制御することによって、前記共振器内で閉じ込められる光の偏光方向を設定することを特徴とするレーザー装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共振器及びこれが用いられるレーザー装置、レーザー装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高強度の短パルスレーザーを発振するためには、２枚の反射鏡の間における共振条件が成立することを利用した共振器が使用されており、こうした共振器を用いたレーザー装置は各種の物理実験や計測等に用いられている。例えば、非特許文献１に記載されるように、レーザーコンプトンγ線の発生器においては、加速器によって高エネルギーとされた電子がパルスレーザー光と衝突することによって、パルスレーザー光の光子が高エネルギー化されたγ線となって出力される。この際、衝突のタイミングを最適化するためにパルスレーザー光のパルスタイミングは制御され、かつその光強度も高くされる。また、γ線の偏光方向を制御するために、このパルスレーザー光の偏光方向も制御される。このようなパルスレーザー光を発振するために、パルスレーザー光を共振器に蓄積することによって強度を高める光蓄積装置が用いられている。同様の光蓄積装置は、非特許文献２に記載の高次高調波生成にも有効である。

【0003】

ここで使用される共振器における共振条件は、共振器内の反射鏡の構成や間隔で規定された光路長で定まる。特に光蓄積装置において高強度のレーザー光を得るために用いられる共振器の共振条件は非常に狭いため、この光路長を高精度で最適化する必要がある。しかしながら、外部環境等の様々な要因により、光路長を高精度で一定とすることは実際には困難である。また、パルスレーザー発振器と光蓄積装置の両方においてそれぞれ共振器が用いられる。こうした場合には、パルスレーザーの発振器の共振器と光蓄積装置の共振器における光路長の誤差を定量的に抽出し、それを元に発振器の共振器もしくは光蓄積装置の共振器の光路長を能動的に制御する必要がある。この課題に対し、例えばパルスレーザー光における繰り返し周波数を変調し、これに応じた出力をモニターし、その結果を解析することによって光路長を最適に制御することができる。しかしながら、パルスレーザーの繰り返し周波数に高い精度が要求される用途では、このような変調を使う事が不適である。そのため、このような用途では共振器から実際に出力されたレーザー光をモニターした結果をフィードバックし、リアルタイムで光路長を最適化する方法が用いられる。

【0004】

図９は、この制御が行われる光蓄積装置９０の構成を示す図である。ここでは、光源となるレーザー発振器１１が発したレーザー光２００が、共振器９１内で、入射カプラ２１、反射鏡２２〜２４で形成され、矢印で示される方向で光が進行する光路中で共振条件を満たすように設定される。これにより、レーザー光２００はこの光路中に蓄積されコンストラクティブ干渉によって高強度とされ、このレーザー光２００の一部が入射カプラ２１を透過して外部に出力される。レーザー光２００は、一定の繰り返し周波数をもつパルスレーザー光である。実際には共振器９１から取り出された光は、この光蓄積装置９０が用いられる装置（例えばレーザーコンプトンγ線発生器）側に出力されるが、この装置及びこの装置との接続に用いられるビームライン等の記載は図９では省略されている。

【0005】

ここで、共振器９１から出力されるレーザー光２００の出力が極大となるように光路の調整を行うことによって、共振条件を実現できることは明らかである。しかしながら、実際にはパルス状のレーザー光２００の強度変化は非常に急峻であるため、こうした制御は実際には困難である。このため、この光蓄積装置９０においては、非特許文献３に記載の制御方法を用いて、高精度で共振条件が維持される。この制御方法においては、この共振器９１内の光路で特定の偏光方向の光のみが閉じ込められるように設定される。共振器９１から取り出されたこの光と、これと垂直な偏光方向をもち共振器９１内に入射しなかった光とを両方用いて制御のための信号を生成し、この信号に応じて共振器９１中の光路長を微調整している。

【0006】

このため、レーザー光２００はまずλ／２板３１を通り、共振器９１内の光路で閉じ込められる偏光方向をもつ成分と、これと直交する偏光方向をもつ成分と、を共にもつような方向にレーザー光２００の偏光方向が制御される。その後、レーザー光２００は入射カプラ２１を通り前記の光路に進入するが、この光路内には偏光子（偏光板）９２が設けられており、この偏光子９２で定められる偏光方向の光のみがこの光路内に閉じ込められる。ただし、この光の一部は入射カプラ２１から図中左上側に取り出され、さらに共振器９１から取り出された光と合流する。

【0007】

一方、この光路内で閉じ込められる偏光方向と直交する偏光方向をもつ光は、入射カプラ２１、折り返しミラー３２で順次反射される。その後、ｆａｓｔ ａｘｉｓが偏光子９２と並行となる条件を満たすλ／４板３３をこれらの光が通ることによってそれぞれ位相シフトを受け、グラントムソンプリズム３４によって、これを透過する偏光成分と反射される偏光成分に分離され、前記の偏光成分の光は光検出器（第１の光検出器）３５で、後者の偏光成分の光は光検出器（第２の光検出器）３６で検出される。非特許文献３に記載されるように、前者の検出強度をＩ_ａ、後者の検出強度をＩ_ｂとすると、Ｉ_ａ−Ｉ_ｂは、共振器９１における位相ずれδの関数となる。このため、制御部（例えばマイクロコンピュータ）９３がＩ_ａ−Ｉ_ｂを認識し、この値に基づいて共振器９１における反射鏡２２に固定されたピエゾ素子３７をフィードバック制御することにより、共振条件が成立するようにδを制御することができる。これにより、何らかの要因によって光路長が変化しても、共振器９１の共振条件を常に維持することができる。

【0008】

上記の構成においては、共振器９１内の光路中に偏光子９２、外部に折り返しミラー３２、λ／４板３３、グラントムソンプリズム３４等の光学素子を設けている。これらの光学素子は単純で安価であるため、上記の構成を容易に実現することができる。また、この方式ではパルスレーザー光の繰り返し周波数が一定の状態で上記の動作を行うことができるため、繰り返し周波数が一定である通常のパルスレーザー発振器を用いた場合に適用することが可能であり、かつこの共振器９１を使用するレーザー装置を使用している間においても、リアルタイムでこの制御を行うことができ、これにより共振条件を維持することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】「Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ａｓｓａｙ ｏｆ Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ ａｎｄ Ｍｉｎｏｒ Ａｃｔｉｎｉｄｅ ｉｎ Ｓｐｅｎｔ Ｆｕｅｌ Ｕｓｉｎｇ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｐｔｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ γ−ｒａｙｓ」、Ｔ．Ｈａｙａｋａｗａ、Ｎ．Ｋｉｋｕｚａｗａ、Ｒ．Ｈａｊｉｍａ、Ｔ．Ｓｈｉｚｕｍａ、Ｎ．Ｎｉｓｈｉｍｏｒｉ、Ｍ．Ｆｕｊｉｗａｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｓｅｙａ、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ、Ｖｏｌ．６２１、ｐ６９５（２０１０年）

【非特許文献2】「Ｈｉｇｈ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ａ．Ｏｚａｗａ、Ｊ．Ｒａｕｓｃｈｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｃｈ．Ｇｏｈｌｅ、Ｍ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ、Ｄ．Ｒ．Ｗａｌｋｅｒ、Ｖ．Ｐｅｒｖａｋ、Ａ．Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ、Ｒ．Ｇｒａｆ、Ａ．Ａｐｏｌｏｎｓｋｉ、Ｒ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｆ．Ｋｒａｕｓｚ、Ｔ．Ｗ．Ｈａｎｓｃｈ ａｎｄ Ｔ．Ｈ．Ｕｄｅｍ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ＰＲＬ１００、２５３９０１ｐ（２００８年）

【非特許文献3】「Ｌａｓｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｖｉｔｙ」、Ｔ．Ｗ．Ｈａｎｓｃｈ ａｎｄ Ｂ．Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．３、ｐ４４１（１９８０年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記の共振器９１において用いられる偏光子（偏光板）９２は、特定の偏光方向をもつ光の透過率を選択的に高めることによって、偏光方向を定めている。しかしながら、偏光板において、この特定の偏光方向の光の透過率（最大透過率）を１００％とすることは実際には困難であり、この透過率は高々９９％程度である。このため、上記の光蓄積装置９０における閉じ込め効率は光路長を最適化することによって高めることができるものの、その場合においても偏光子９２に起因する損失が無視できなかった。偏光子９２の最大透過率には波長依存性があるため、この最大透過率を高めることが困難である波長をもつレーザー光２００においては、この損失は特に顕著であった。また、実際には偏光子９２においては分散効果や非線形屈折効果も存在するため、レーザー光２００におけるパルス波形の変形や、偏光子の損傷によって閉じ込め効率の上限が制限される問題も発生した。

【0011】

このため、共振器における閉じ込め効率を高く、かつ共振条件を精密に制御できる構成が望まれた。

【0012】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】

【0013】

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の共振器は、レーザー光を入射させる入射カプラと反射鏡との間で形成された光路中に前記レーザー光を閉じ込めて強度を増強させる共振器であって、前記レーザー光における特定の偏光方向の振動電場の位相を、前記特定の偏光方向と垂直な偏光方向の振動電場の位相からπだけシフトさせる像反転機構を具備し、前記共振器内における前記光路を前記レーザー光が１周する間に、前記像反転機構により前記位相をπだけシフトさせることを特徴とする。
本発明の共振器において、前記像反転機構は、前記光路の光軸上の光を奇数枚の反射面を介して前記光路に戻す構成とされたことを特徴とする。
本発明の共振器において、前記像反転機構は、前記像反転機構が設けられた光軸の回りで回転可能な構成とされたことを特徴とする。
本発明のレーザー装置は、共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置が制御されることによって前記共振器における光路長が制御され、前記共振器で増強された前記レーザー光が出力されるレーザー装置であって、前記共振器が用いられ、前記共振器から出力されたレーザー光を透過させるλ／４板と、前記λ／４板を透過後のレーザー光における一方向の偏光成分の光強度を検出する第１の光検出器と、前記λ／４板を透過後のレーザー光における前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器で検出された光強度と前記第２の光検出器で検出された光強度とに基づいて前記共振器における前記反射鏡の位置を制御する制御部と、を具備することを特徴とする。
本発明のレーザー装置の制御方法は、共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置を制御することによって前記共振器における光路長を制御するレーザー装置の制御方法であって、前記共振器が用いられ、前記共振器から出力されたレーザー光をλ／４板に透過させた後のレーザー光において、一方向の偏光成分の光強度の第１定数倍と前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度の第２定数倍との差分が零となるように前記共振器における前記反射鏡の位置を制御することを特徴とする。
本発明のレーザー装置の制御方法は、共振器内においてレーザー光が閉じ込められ、前記共振器における前記レーザー光の光路を定める反射鏡の位置を制御することによって前記共振器における光路長を制御するレーザー装置の制御方法であって、前記共振器が用いられ、前記反射鏡の位置を制御することによって前記光路における位相ずれδを変動させた際の、前記共振器から出力されたレーザー光をλ／４板に透過させた後のレーザー光における、一方向の偏光成分の光強度の第１定数倍と前記一方向と垂直な方向の偏光成分の光強度の第２定数倍との差分の変化を、前記δの変化で除した値の正負を判定し、前記値の正負が切り替わるように前記反射鏡の位置を制御することによって、前記共振器内で閉じ込められる光の偏光方向を設定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明は以上のように構成されているので、共振器における閉じ込め効率を高く、かつ共振条件を精密に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態に係る共振器及びこれが用いられた光蓄積装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る光蓄積装置において、共振器の光路中に挿入される像反転機構の構成を模式的に示す斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。

【図3】非特許文献３に記載された共振器の制御信号の一例を示す図（非特許文献３のＦｉｇ．１）である。

【図4】本発明の実施の形態に係る共振器の制御信号の一例を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態に係る共振器において、伝達率が偏光方向によらない場合と、偏光方向によって伝達率が異なる場合の制御信号の一例を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態に係る共振器において、偏光方向が垂直の光を閉じ込めた場合と偏光方向が水平の光を閉じ込めた場合における制御信号の一例を示す図である。

【図7】実施例となる共振器において、実際に制御信号等を測定した結果である。

【図8】共振器における光閉じ込め状況を計算する際のパラメータを説明する図である。

【図9】従来の共振器が用いられた光蓄積装置の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態に係る共振器が用いられるレーザー装置として、光蓄積装置について説明する。この共振器は、パルスレーザー光を光路中で閉じ込め、コンストラクティブ干渉によってその強度を高めて出力する。この共振器における光路を規定する反射鏡の位置は、共振条件が常に成立するように精密に最適制御される。ただし、この共振器においては、損失の大きな偏光子（偏光板）を用いずに光路長の最適制御が行われる。このため、閉じ込め効率を高くすることができる。

【0017】

図１は、この光蓄積装置１の構成を示す図である。この光蓄積装置１においては、内部に入射カプラ２１、反射鏡２２〜２４が設けられた共振器２０に、レーザー発振器１１で発振されたパルスレーザー光であるレーザー光２００が入射する設定とされる。

【0018】

レーザー光２００が共振器２０に入射する前には前記の光蓄積装置９０（図９）と同様にλ／２板３１が、レーザー光２００が共振器２０から出射した後には、折り返しミラー３２、λ／４板３３、グラントムソンプリズム３４、光検出器（第１の光検出器）３５、光検出器（第２の光検出器）３６が用いられる。また、同様に、ピエゾ素子３７が反射鏡２２の位置を制御するために用いられる。これらの構成要素の機能は前記の光蓄積装置９０におけるものと同様である。また、光検出器３５、３６の出力に応じてピエゾ素子３７を制御する制御部３８が設けられる。

【0019】

レーザー発振器１１、レーザー光２００、共振器２０における入射カプラ２１、反射鏡２２〜２４、λ／２板３１、折り返しミラー３２、λ／４板３３、グラントムソンプリズム３４、光検出器３５、３６、ピエゾ素子３７については、光蓄積装置９０（図９）の場合と同様であるため、説明を省略する。ただし、この構成においては、光検出器３５、３６でそれぞれ検出すべき光の偏光方向を調整するために、λ／４板３３の前に、λ／２板３９が設けられている。ここでは、単純化のために、λ／２板３１に入射するレーザー光２００の偏光方向は水平方向であるとし、λ／２板３１の主軸がこの方向との間でなす角度をφとする。これによって、λ／２板３１を通過後のレーザー光２００の偏光方向は２φだけ回転する。すなわち、λ／２板３１によって、共振器２０内に入射するレーザー光２００の偏光方向を設定することができる。同様に、λ／２板３９によって、光検出器３５、３６でそれぞれ検出すべき光の偏光方向を設定することができ、これは、共振器２０内に入射するレーザー光２００の偏光方向の設定から独立して行うことができる。

【0020】

この共振器２０においては、前記の偏光子９２の代わりに、像反転機構２５が光路中に設けられている。また、光蓄積装置９０（図９）と同様に、制御部３８は、光検出器３５、３６の出力（Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ）に応じてピエゾ素子３７を制御することによって反射鏡２２の位置を微調整するが、この際の原理が非特許文献３に記載されたものとは異なる。主にこれらの点について以下に説明する。

【0021】

ここで用いられる像反転機構２５は、「Ｕｓｅ ｏｆ ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｉｍａｇｅ Ｒｏｔａｔｏｒ ｉｎ ａ Ｌａｓｅｒ−Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」、Ｒ．Ｈ．Ｄｉｘｏｎ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．２３、ｐ３８８３（１９７９年）、「Ａ Ｔｒｉｐｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ」、Ｖ．Ｇ．Ｈｏｒｔｏｎ、Ｅ．Ｔ．Ａｒａｋａｗａ、Ｒ．Ｎ．Ｈａｍｍ ａｎｄ Ｍ．Ｗ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．３、ｐ６６７（１９６９年）、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ」、Ｒ．Ｎ．Ｈａｍｍ、Ｒ．Ａ．ＭａｃＲａｅ ａｎｄ Ｅ．Ｔ．Ａｒａｋａｗａ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｖｏｌ．５５、Ｎｏ．１１、ｐ１４６０（１９６５年）等に記載された光学系と同様である。これらの文献におけるこの光学系は、一種の偏光板として使用されているが、本願においては使用の態様がこれとは異なる。

【0022】

前記の偏光子９２はこれに入射する光のうち特定の偏光方向をもつ光を選択的に透過させる性質をもったのに対し、像反転機構２５は、全ての偏光方向の光を透過させるが、特定の偏光方向の振動電場の位相を、この偏光方向と垂直な偏光方向の振動電場の位相からπ（１８０°）だけシフトさせる。図２は、この像反転機構２５の構成を模式的に示す斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。この像反転機構２５は３つの反射面（３枚の反射鏡２５１〜２５３）で構成され、左右両側の反射鏡２５１、２５３は、単一のプリズムの表面で構成される。光軸は図中のＡ１（図２において左側から反射鏡２５１に向かう光軸）、Ａ２（反射鏡２５１、２５２間の光軸）、Ａ３（反射鏡２５２、２５３間の光軸）、Ａ４（反射鏡２５３から右側に向かう光軸）で示される。光軸Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は同一平面（入射面）上に存在するように設定され、図２（ｂ）は、この入射面における構成を示している。光軸Ａ１と光軸Ａ４は共に図１における入射カプラ２１と反射鏡２２との間の光軸上に乗るものとする。図２における光軸Ａ１の反射鏡２５１に対する入射角αは、光軸Ａ４の反射鏡２５３に対する出射角と等しく、α＞４５°であるものとする。この構成により、像反転機構２５を光路中に挿入することができる。

【0023】

図２（ａ）における各光軸において、入射面に垂直な（図１においては垂直方向の）電場成分が白矢印、入射面に平行な（図１においては水平方向の）電場成分が黒矢印の方向で振動している。いずれの電場成分も、光軸方向に垂直であるが、この振動には位相がπだけ異なる２種類のものがある。各矢印に示された向きは、位相がπだけ異なる２種類の振動を示している。図２（ｂ）においては、白矢印は紙面と垂直（ただしいずれも紙面手前側向き）となり、黒矢印のみが示されている。

【0024】

図２の構成においては、光が反射される際に、入射面内における電場の振動方向は図示されるように変化する。ここで、入射面に垂直な電場の振動の位相は入射側の光軸Ａ１から出射側の光軸Ａ４に至るまでの間で変化しない。このため、入射面と垂直な電場の振動の向き（図２（ｂ）における黒点）は、どの場所においても同様に紙面手前側向きである。一方、入射面に平行な電場の振動の位相は、図示されるように変化し、入射側の光軸Ａ１、出射側の光軸Ａ４で逆転する。すなわち、位相がπだけずれる。すなわち、この像反転機構２５を図１の構成で用いることにより、共振器２０内の光路中で、図１における水平方向の偏光成分の位相は変化させず、垂直方向の偏光成分の位相をπだけ変化させることができる。

【0025】

また、図１において、共振器２０内で光（レーザー光２００）が閉じ込められる光路は、入射カプラ２１、反射鏡２２〜２４で規定される。ここで、光カプラ２１と反射鏡２２に光を垂直入射させる構成として、光カプラ２１と反射鏡２２の間のみで光が往復する光路を構成することも可能である。この場合には、光が往復する際に、この光は像反転機構２５を２回通過する。これに対して、ここでは、図示されるように反射鏡２３、２４を更に用いて光路を形成することによって、光がこの光路を１周する際の光の向きは矢印で示されるとおりとなる。この場合、この１周の際に光は像反転機構２５を１回しか通過しない。なお、図１における入射カプラ２１、反射鏡２２〜２４への光の入射角は４５°よりも小さいため、像反転機構２５におけるような位相の変化は発生しない。このため、光が共振器２０内を１周する間に、垂直方向に偏光した光は、水平方向に偏光した光から位相がπだけずれる。

【0026】

すなわち、この像反転機構２５を用いて、図１における光路中の光の垂直偏光成分における位相を、水平偏光成分の位相からπだけシフトさせることができる。前記の通り偏光子（偏光板）が用いられる場合にはその透過率は高々９９％程度であったのに対し、この像反転機構２５は、単純な反射鏡２５１〜２５３のみで構成され、各反射鏡の反射率を１００％に近くすることが可能である。このため、像反転機構２５の透過率は９９％よりも高く、例えば９９．９８％とすることができる。なお、この場合には、共振器２０における光路長は、像反転装置２５における光路も考慮して設定される。

【0027】

次に、この場合に光検出器３５、３６の光検出強度を用いて非特許文献３に記載の技術と同様な制御が可能か否かを調べるために、光検出器３５、３６の光検出強度を、光蓄積装置９０（図９）、光蓄積装置１（図１）の場合のそれぞれについて計算する。初めに、従来の共振器９１が用いられた光蓄積装置９０（図９）の場合について説明する。この場合の計算結果は、非特許文献３に記載されている。図９の構成においては、λ／２板３１によって、共振器９１に入射するレーザー光２００における偏光の方向が設定され、その電場は、偏光子９２によって共振器９１内に閉じ込められる方向の成分とこれに垂直な成分に分けて考えられる。前者の振幅をＥ_‖^（ｉ）、後者に振幅をＥ_⊥^（ｉ）とすると、これらは入射する電場の振幅をＥ^（ｉ）として、（１）（２）式で示される。

【0028】

【数1】

【0029】

ここで、θは、入射光の偏光方向と共振器９１内に閉じ込められる偏光方向（偏光子９２によって定まる方向）との間のなす角度であり、前記の通りθ≠０に設定されるため、Ｅ_‖^（ｉ）、Ｅ_⊥^（ｉ）共に零でない有意な値となる。この場合において、共振器９１から取り出され４／λ板３３に入射する光の電場の複素振幅Ｅ_‖^（ｒ）、共振器９１に取り込まれずに４／λ板３３に入射する光の電場の複素振幅Ｅ_⊥^（ｒ）は、（３）（４）式で与えられる。ここで、Ｒ_１、Ｔ_１はそれぞれ入射カプラ２１の反射率、透過率であり、Ｒは共振器９１内における１周回当たりの伝達率である。δは共振器９１における光の位相ずれであり、光路長に対応した最適化されるべきパラメータである。

【0030】

【数2】

【0031】

図９の構成においては、光検出器（第１の光検出器）３５、光検出器（第２の光検出器）３６の箇所の電界強度Ｅ_ａ、Ｅ_ｂは（５）式で表され、光検出器３５、光検出器３６で検出された光強度Ｉ_ａ、Ｉ_ｂは（６）式で表される。ここで、ｃは光速度、εは媒体の誘電率である。

【0032】

【数3】

【0033】

図３は、非特許文献３におけるＦｉｇ．１であり、共振器９１の出力光を直接検出した場合の光強度Ｉ^（ｔ）のδ依存性の計算値（上段：Ａ）、その微分値（中段：Ｂ）、（６）式による差分Ｉ_ａ−Ｉ_ｂの計算値（下段：Ｃ）を示す。Ｉ^（ｔ）が極大値を取る場合が、共振状態が成立している状態となり、この場合に差分Ｉ_ａ−Ｉ_ｂが零となる。Ｉ^（ｔ）の検出値（Ａ）、あるいはその微分値（Ｂ）を用いて光路長をフィードバック制御し、Ｉ^（ｔ）が最大となる（あるいはその微分値が零となる）ようにδ（反射鏡２２の位置）をピエゾ素子３７を用いて制御すればよいことは明らかである。差分Ｉ_ａ−Ｉ_ｂを用いた場合、差分Ｉ_ａ−Ｉ_ｂが零となるような制御を行えばＩ^（ｔ）の最大値を見いだすことが可能であり、更にＩ_ａ−Ｉ_ｂの変化率は緩やかであるため、その制御は容易である。このため、図９の構成において、Ｉ_ａ−Ｉ_ｂを用いて共振条件が常に成立するような制御を制御部９３が行うことが可能となる。以上は、非特許文献３に記載された内容である。

【0034】

このように、図９の構成、あるいは非特許文献３に記載の技術においては、共振器９１に特定の偏光方向の光を閉じ込め、共振器９１に閉じ込められた光と共振器９１に閉じ込められなかった偏光方向の光の両方を利用して、Ｉ_ａ−Ｉ_ｂを算出し、δを制御している。この際、光蓄積装置９０本来の目的より、共振器９１に閉じ込められる光が必要であることは当然であるが、これ以外にも、共振器９１に閉じ込められない偏光成分の光も必要であり、両者が存在するようにθは設定される。

【0035】

次に、図１の構成において、同様の計算を行った結果について説明する。この場合には、Ｅ_‖^（ｉ）、Ｅ_⊥^（ｉ）、Ｅ_‖^（ｒ）、Ｅ_⊥^（ｒ）は、それぞれ（７）〜（１０）式の通りとなる。前記の通り、φはλ／２板３１の設定角度（入射するレーザー光２００とλ／２板３１の主軸のなす角度）である。前記の場合とは、共振器２０内に２方向の偏光成分の光が共に存在することが大きく異なる。これに対応して、Ｒ_‖は、像反転機構２５の入射面と垂直な方向の（像反転機構２５におけるｓ偏光の）１周回当たりにおける伝達率であり、Ｒ_⊥は、これと垂直な方向の（ｐ偏光の）１周回当たりにおける伝達率である。

【0036】

【数4】

【数5】

【0037】

ここで、図９の構成の場合には共振器９１内における電場の垂直成分が零であるために、Ｅ_⊥^（ｒ）（（４）式）においては、入射カプラ２１によって入射光が反射された成分のみが存在した。これに対し、図１の構成の場合には共振器２０内における電場の垂直成分が零でなく、かつ像反転機構２５による効果が図２における入射面に平行な電場成分であるＥ_⊥^（ｒ）においてのみ加わるため、特にＥ_⊥^（ｒ）（（１０）式）がＥ_⊥^（ｒ）（（４）式）と大きく異なっている。

【0038】

また、図１における共振器２０の外側における構成は図９と同一であるため、Ｅ_ａ，ｂ、Ｉ_ａ，ｂについては、前記と同様に（５）（６）式で与えられる（この場合におけるＩ_ａをＩ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂをＩ_ｂ^（ｒ）とする）。このため、λ／２板３９による偏光方向の角度変化を零とした場合には、図３と同様に、Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）が算出できる。図１の構成において、φ＝２２．５°、Ｒ_１＝０．９５（Ｔ_１＝０．０５）、Ｒ_‖＝Ｒ_⊥＝０．９７とした場合における図３のＡ（Ｉ^（ｔ））、Ｃ（Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ））に対応する結果を、それぞれＡ’、Ｃ’として図４に示す。

【0039】

図４のＡ’において図３のＡと異なるのは、２方向の偏光成分がそれぞれ共振器２０内に存在するため、それぞれに応じたピークが算出される点である。各々のピークは、像反転機構２５によって半ピッチだけずれて観測される。これに応じて、図４のＣ’における零点が検出される。このため、Ｃ’の特性から、図３の場合と同様に、光検出器３５、３６で検出された光強度の差Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）が零となるように、共振器２０における光の位相ずれδを最適化することが可能であることが明らかである。

【0040】

このように、図１の構成においては、共振器２０に任意の偏光方向の光を閉じ込め、共振器２０に閉じ込められた光の出力を利用して差分Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）を算出し、δを制御している。あるいは、図１の構成においては、２方向の偏光成分の光を同時に共振器２０に閉じ込めて使用することができる。このうち、どちらの偏光成分の光も取り出すことが可能である。

【0041】

ただし、上記の例ではＩ_ａ^（ｒ）として水平の偏光方向、Ｉ_ｂ^（ｒ）として垂直な偏光方向の光の強度を測定したが、Ｉ_ａ^（ｒ）として検出すべき偏光方向、Ｉ_ｂ^（ｒ）として検出すべき偏光方向は、λ／２板３９の設定によって適宜設定することができ、例えばλ／２板３９の設定角度を（π／４−φ）とした場合には、Ｉ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）として検出される偏光方向は上記と逆になる。すなわち、光検出器３５、３６がそれぞれ検出する偏光方向は、共振器２０の中で切り替えられる偏光方向とは独立に設定することができる。このため、上記の場合には、Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）の値を用い、これが零となるような制御を行うものとしたが、より一般的には、光検出器３５、３６がそれぞれ検出する偏光方向において共振器２０の中で切り替えられる偏光方向の成分の比率で定まる第１定数と第２定数を用いて、この演算を行うことができる。この場合、上記のＩ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）の代わりに、第１定数×Ｉ_ａ^（ｒ）と第２定数×Ｉ_ｂ^（ｒ）との差分を用いて、この制御を行うことができる。上記の例は、第１定数＝第２定数とした場合に対応する。

【0042】

図４の特性ではＲ_‖＝Ｒ_⊥としたが、一般的にはＲ_‖≠Ｒ_⊥となる。図５上段は、Ｒ_‖＝Ｒ_⊥の場合（図４の場合）におけるＩ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）、これらの差分であるＩ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）、図５下段は、Ｒ_‖≠Ｒ_⊥（Ｒ_‖＝０．９４、Ｒ_⊥＝０．９７）の場合におけるＩ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）、Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）をそれぞれ示す。Ｒ_‖＝Ｒ_⊥の場合には、２方向の偏光成分に対応する信号が同等に得られていたのに対して、Ｒ_‖≠Ｒ_⊥の場合には、偏光方向に応じて異なる強度の信号が得られている。しかしながら、この場合においても同様の制御が可能であることは明らかである。

【0043】

光の偏光方向の極端な例として、垂直方向（像反転機構２５における入射面と平行方向）の場合、水平方向（像反転機構２５における入射面と垂直方向）の場合における、Ｉ^（ｔ）、Ｉ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）、Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）の計算結果を、これらの２方向について、それぞれ図６左、図６右に示す。どちらの場合においても、Ｉ^（ｔ）が最大となる点はＩ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）が零となる箇所に一致している。このため、共振器２０内で閉じ込める光の偏光方向によらずに、上記の制御を行うことができる。

【0044】

図７（ａ）に、実際の共振器において、ピエゾ素子を用いてδを掃引した場合におけるＩ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）、Ｉ^（ｔ）を実測した一例を示す。図５下側に示された計算結果と同様の結果が確認できた。また、図７（ｂ）には、Ｉ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）、Ｉ^（ｔ）を実測した他の一例を示す。この場合においては、Ｉ^（ｔ）自身の測定結果にはノイズが非常に多くなっているために、Ｉ^（ｔ）自身を用いた制御は極めて困難であるにも関わらず、Ｉ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）を用いた制御が容易に行えることが明らかである。このため、上記の制御方法が有効であることが確認できる。

【0045】

また、上記の制御方法においては、より高精度の制御を行うために、像反転機構２５で設定される２つの偏光方向を適宜変更することが可能である。このためには、図２における光軸Ａ１、Ａ４（入射カプラ２１と反射鏡２２の間の光軸）の回りでこの像反転機構２５を回転させればよい。例えばこれを９０°回転させることによって、上記の動作における水平偏光成分と垂直偏光成分とを切り替えることができる。この操作は、入射するレーザー光２００の偏光方向に応じて行うこともできる。

【0046】

次に、この共振器２０に光が閉じ込められた際の光の増強について計算する。図９の構成（従来の光蓄積装置９０）においては、偏光子９２によって共振器９１には特定の偏光方向の光が閉じ込められるが、他に従来より知られる光閉じ込めの原理と変わるところはない。また、従来の光蓄積装置９０においては、この特定の偏光方向の光のみが共振器９１で増強されて出力されるため、偏光子９２によって偏光方向が定められた高強度のパルスレーザー光が得られる。これにより、偏光方向が定められた高強度のパルスレーザー光が得られ、こうしたレーザー光は、様々な用途、例えばレーザーコンプトンγ線発生器には特に好ましく用いられる。

【0047】

一方、上記の共振器２０においては、共振器２０の光路中に偏光子９２は設けられないため、任意の偏光方向の光が共振器２０内に存在しうる。こうした場合においても、従来の光蓄積装置９０と同様に、偏光方向が特定された高強度のパルスレーザー光が得られることが好ましい。この場合においては、ある一方向の偏光成分の光強度（所望の偏光方向成分の光強度）に対する、これと垂直な偏光方向の光強度の比率（消光比）が小さくなることが好ましい。

【0048】

共振器２０における光閉じ込めの状況は、共振器２０内における電場の干渉を考慮して考えることができる。図８は、この計算において用いた条件を示している。実際には図１に示される構成でこの光路は定められているが、ここでは、単純化のために、左側（入射、出射側）反射鏡、右側反射鏡の２枚の反射光の間で光路が定められているものとする。ここで、入射光の電界は図８におけるＥ_ｉｎであり、左側反射鏡における反射波の電界をＥ_ｒ、透過波の電界をＥ_ｃ、右側反射鏡の反射波の電界をＥ_ｄ、透過光の電界をＥ_ｔ、波数をｋとする。また、左側反射鏡の複素反射率、複素透過率をそれぞれρ_ｆ、τ_ｆ（反射率Ｒ_ｆ＝｜ρ_ｆ｜^２、透過率Ｔ_ｆ＝｜τ_ｆ｜^２）とし、右側反射鏡の複素反射率、複素透過率をそれぞれρ_r、τ_r（反射率Ｒ_r＝｜ρ_r｜^２、透過率Ｔ_r＝｜τ_r｜^２）、光路長をＬとする。この場合、Ｅ_ｃ、Ｅ_ｄ、Ｅ_ｒ、Ｅ_ｔは、それぞれ以下の（１１）〜（１４）式の通りとなる。

【0049】

【数6】

【0050】

これにより、共振器１０における光路長Ｌ中において蓄積されるパワーＩ_ｃは、以下の（１５）式の通りとなる。

【0051】

【数7】

【0052】

ここで、入射パワーＩ_ｉｎ＝｜Ｅ_ｉｎ｜^２である。このため、ｋＬ＝２Ｎπ（Ｎは整数）の場合において、Ｉ_ｃは以下の（１６）式で表される最大値をとる。

【0053】

【数8】

【0054】

この場合、ｋＬ＝２Ｎπ（Ｎは整数）の条件が満たされる場合に、Ｒ_ｆ、Ｒ_ｒが１に近づき、Ｔ_ｆが零に近い場合に、Ｉ_ｃ＞Ｉ_ｉｎとなり、コンストラクティブ干渉が起こり共振器２０内で光を増強することができる。

【0055】

この条件が共振器２０における水平偏光、垂直偏光のうちの一方の光で満たされる場合、像反転機能２５によって他方の偏光をもつ光の位相はこれからπだけずれる。このため、この光においては、（１５）式におけるｋＬ＝（２Ｎ＋１）πとなる。この場合には、Ｉ_ｃは（１７）式で表される最小値となる。すなわち、一方の偏光方向の光においてコンストラクティブ干渉が起こった場合には、他方の偏光方向の光においては、デコンストラクティブ干渉が起こる。

【0056】

【数9】

【0057】

この場合の消光比は、（１８）式で表される。

【0058】

【数10】

【0059】

この消光比は、例えばＲ_ｆ＝０．９９、Ｒ_ｒ＝０．９９９とした場合には、８×１０^−６となり、充分に小さな値となる。すなわち、一方の偏光方向の光のみを共振器２０から選択的に取り出すことが可能である。これにより、共振器２０から、偏光方向の定まった高強度のパルスレーザー光を出力させることができる。この偏光方向は、λ／２板３１、像反転機構２５の回転角度を調整することによって行うことができる。この際、これに応じて、δもＩ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）を用いて最適化することができる。さらに、δをΔδだけ変化させた際の差分Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ）の変化Δ（Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ））を検出し、Δ（Ｉ_ａ^（ｒ）−Ｉ_ｂ^（ｒ））／Δδの値が正から負もしくは負から正に変わるようにδを制御することにより、２つの直交する偏光方向の光出力を、δの制御のみで選択して取り出すことができる。すなわち、偏光板、あるいは像反転機構２５の状態を変えずに、δを調整する（光路長を調整する）ことのみによって、共振器２０内で高強度とされる偏光方向の光を切り替え、取り出すことができる。この際、より一般的には、Ｉ_ａ^（ｒ）、Ｉ_ｂ^（ｒ）の代わりに、前記と同様に、第１定数×Ｉ_ａ^（ｒ）、第２定数×Ｉ_ｂ^（ｒ）を用いて上記の制御を行うことができる。この場合、この制御がやりやすいように、第１定数、第２定数の値を設定する、すなわち、この制御が行いやすいようにλ／２板３９の角度を設定することもできる。

【0060】

この際、前記の通り、像反転機構２５の透過率を、偏光子９２の最大透過率（所望の偏光方向の光の透過率）よりも高く設定することができる。このため、共振器２０によって、従来の共振器９１よりも大きな出力を得ることができる。

【0061】

なお、上記の例では、図１に示された構成の光蓄積装置、共振器について説明したが、例えば共振器における光路を定める反射鏡の構成は、光路が精密に調整できる限りにおいて、任意である。こうした光蓄積装置は、特に非特許文献１、非特許文献２に記載の装置に特に好ましく用いることができる。また、上記の構成の共振器は、光蓄積装置に限らず、レーザー光を閉じ込める共振器が用いられる全てのレーザー装置に対して有効であることも明らかである。

【符号の説明】

【0062】

１、９０ 光蓄積装置
１１ レーザー発振器
２０、９１ 共振器
２１ 入射カプラ
２２〜２４、２５１〜２５３ 反射鏡
２５ 像反転機構
３１、３９ λ／２板
３２ 折り返しミラー
３３ λ／４板
３４ グラントムソンプリズム
３５ 光検出器（第１の光検出器）
３６ 光検出器（第２の光検出器）
３７ ピエゾ素子
３８、９３ 制御部
９２ 偏光子
２００ レーザー光

【図1】

【図2】

【図4】

【図5】

【図6】

【図8】

【図9】

【図3】

【図7】