特開 2023-64593 レーザ共振器及びレーザ共振器の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023064593

(43)【公開日】2023-05-11

(54)【発明の名称】レーザ共振器及びレーザ共振器の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/137 20060101AFI20230501BHJP

   H01S 3/091 20060101ALI20230501BHJP

   H01S 3/08 20230101ALI20230501BHJP

【ＦＩ】

H01S3/137

H01S3/091

H01S3/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021174948

(22)【出願日】2021-10-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和２年１０月２６日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ｆｕｌｌｔｅｘｔ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｅ－２８－２３－３３９９４

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000125369

【氏名又は名称】学校法人東海大学

(74)【代理人】

【識別番号】100118784

【弁理士】

【氏名又は名称】桂川 直己

(72)【発明者】

【氏名】長岡 宏樹

(72)【発明者】

【氏名】永井 亨

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 雅守

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172CC10

5F172EE01

5F172NN02

5F172NN24

5F172NN33

5F172NP04

5F172NQ09

(57)【要約】

【課題】主要な２つのモードの影響度が高いレーザ光を生成可能なレーザ共振器を提供する。
【解決手段】レーザ共振器１は、媒質容器１１と、第１光学素子１７と、第２光学素子２０と、アクチュエータ（第１アクチュエータ１８、第２アクチュエータ２１）と、光計測器２２と、処理装置３０と、を備える。媒質容器１１は、少なくとも第１モード、第２モードを含む光を発生させる。アクチュエータは、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の少なくとも一方を共振光路に沿って移動させて共振器長を変化させる。光計測器２２は、共振光路によって共振する光の出力を計測する。処理装置３０は、光計測器２２が計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換し、媒質容器１１と第１光学素子１７の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、アクチュエータを動作させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部にレーザ媒質を有し、励起光が照射されることで誘導放出により、少なくとも第１モード、第２モードを含む光を発生させる媒質容器と、
前記媒質容器で発生した光を共振させる共振光路の第１端部に位置し、当該光を反射する第１光学素子と、
前記共振光路の第２端部に位置し、当該光を反射する第２光学素子と、
前記第１光学素子及び前記第２光学素子の少なくとも一方を前記共振光路に沿って移動させ共振器長を変化させるアクチュエータと、
前記共振光路によって共振する光の出力を計測する光計測器と、
前記光計測器が計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換し、前記媒質容器と前記第１光学素子との距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、前記アクチュエータを動作させる処理装置と、
を備えるレーザ共振器。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ共振器であって、
前記処理装置は、前記媒質容器と前記第１光学素子との距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に対する、第３モードに起因する周波数のパワースペクトルの値の割合が小さくなるように前記アクチュエータを動作させるレーザ共振器。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザ共振器であって、
前記処理装置は、前記媒質容器と前記第１光学素子との距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に対する、前記第３モードに起因する周波数のパワースペクトルの値の割合である第３モード影響度を算出し、前記第３モード影響度が最小となるように前記アクチュエータを動作させるレーザ共振器。

【請求項4】

請求項３に記載のレーザ共振器であって、
前記処理装置は、前記アクチュエータを動作させて前記第１光学素子及び前記第２光学素子の少なくとも一方を移動させながら前記第３モード影響度を断続的に算出し、前記第３モード影響度が最小である位置に前記第１光学素子及び前記第２光学素子を合わせるレーザ共振器。

【請求項5】

請求項１から４までの何れか一項に記載のレーザ共振器であって、
前記光計測器は、前記媒質容器から前記第１光学素子又は前記第２光学素子に向かう光を分岐させた分岐光を計測するレーザ共振器。

【請求項6】

請求項１から５までの何れか一項に記載のレーザ共振器であって、
前記媒質容器の光路方向の中心における、前記第１モードと前記第２モードの位相差が８８度以上９２度以下であるレーザ共振器。

【請求項7】

請求項１から６までの何れか一項に記載のレーザ共振器であって、
前記レーザ媒質はセシウムであり、
前記媒質容器の内部の前記レーザ媒質の圧力が１００ｋＰａ以下であるレーザ共振器。

【請求項8】

内部にレーザ媒質を有する媒質容器に励起光を照射することで誘導放出により、少なくとも第１モード、第２モードを含む光を発生させ、
前記媒質容器で発生した光が共振光路で共振した光の出力を計測し、
計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換し、
前記媒質容器と、前記媒質容器で発生した光を共振させる共振光路の第１端部に位置する第１光学素子と、の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、前記第１光学素子と、前記共振光路の第２端部に位置する第２光学素子と、の少なくとも一方を前記共振光路に沿って移動させるレーザ共振器の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、主として、レーザ共振器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、共振器長を調整可能なレーザ共振器を開示する。特許文献１には、共振器長を適切にすることにより、縦方向の２つのモードを有しつつ別のモードを抑制するため、ノイズ特性を改善できると記載されている。具体的には、特許文献１の共振器は、２モードになるよう設計された共振器と周波数倍化のための共振器を備え、周波数倍化のための共振器から出力されたレーザ光の出力に基づいて、当該レーザ光の出力の強度が最大となるように、２モードになるよう設計された共振器長を変化させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００７－５１５７６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１では、共振器長を制御する際に、出力されたレーザ光の強度にしか着目しておらず、その結果、２つのモードの影響度が高いレーザを生成できない場合があるため、改善の余地がある。

【0005】

本出願は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、主要な２つのモードの影響度が高いレーザ光を生成可能なレーザ共振器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本出願の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

【0007】

本出願の第１の観点によれば、以下の構成のレーザ共振器が提供される。即ち、レーザ共振器は、媒質容器と、第１光学素子と、第２光学素子と、アクチュエータと、光計測器と、処理装置と、を備える。前記媒質容器は、内部にレーザ媒質を有し、励起光が照射されることで誘導放出により、少なくとも第１モード、第２モードを含む光を発生させる。前記第１光学素子は、前記媒質容器で発生した光を共振させる共振光路の第１端部に位置し、当該光を反射する。前記第２光学素子は、前記共振光路の第２端部に位置し、当該光を反射する。前記アクチュエータは、前記第１光学素子及び前記第２光学素子の少なくとも一方を前記共振光路に沿って移動させ共振器長を変化させる。前記光計測器は、前記共振光路によって共振する光の出力を計測する。前記処理装置は、前記光計測器が計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換し、前記媒質容器と前記第１光学素子との距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、前記アクチュエータを動作させる。

【0008】

本出願の第２の観点によれば、以下のレーザ共振器の制御方法が提供される。即ち、内部にレーザ媒質を有する媒質容器に励起光を照射することで誘導放出により、少なくとも第１モード及び第２モードを含む光を発生させる。前記媒質容器で発生した光が共振光路で共振した光の出力を計測する。計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換する。前記媒質容器と、前記媒質容器で発生した光を共振させる共振光路の第１端部に位置する第１光学素子と、の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、前記第１光学素子と、前記共振光路の第２端部に位置する第２光学素子と、の少なくとも一方を前記共振光路に沿って移動させる。

【発明の効果】

【0009】

本出願によれば、主要な２つのモードの影響度が高いレーザ光を生成可能なレーザ共振器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】レーザ共振器の構成図。

【図2】レーザ光の各モードがレーザ共振器で干渉することを示す説明図。

【図3】レーザ光の各モードの数値解析の結果を示すグラフ。

【図4】位相差とＳＮ比の関係を示すグラフ。

【図5】位相差とＳＮ比の関係を示すグラフ。

【図6】位置調整処理のフローチャート。

【図7】位置調整処理による最適化の前後における内部出力、パルス出力、及びフーリエパワースペクトルを示すグラフ。

【図8】複数のケースに対して主モードの出現周波数を算出した結果を示す表。

【図9】レーザ媒質の圧力とＳＮ比の関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、図面を参照して本出願の実施形態を説明する。初めに、図１を参照して、レーザ共振器１の構成について説明する。

【0012】

レーザ共振器１は、誘導放出によりアルカリレーザを発生させてパルスレーザとして出力する。ただし、レーザ共振器１は、アルカリレーザ用に限られない。例えば、後述の二重縦モードが実現可能であれば、アルカリ金属以外の金属蒸気レーザ、気体レーザ、又は、固体レーザ等にも本技術が適用できる。また、パルスレーザに限られず、連続発振レーザにも本技術が適用できる。

【0013】

図１に示すように、レーザ共振器１は、光源１０を備える。光源１０は、例えばレーザダイオードであり、励起光１０１を発生させる。励起光とは、レーザ媒質を励起させる光である。本明細書において光とは、可視光に限られず、赤外光及び紫外光等を含む広義の光を意味する。光源１０が発生させた励起光１０１の光路には、媒質容器１１と、第１ダイクロイックミラー１２と、第２ダイクロイックミラー１３と、光ダンパ１４と、が配置されている。光源１０が発生させた励起光１０１は第２ダイクロイックミラー１３、媒質容器１１、第１ダイクロイックミラー１２の順に透過し、光ダンパ１４で吸収される。

【0014】

媒質容器１１は、レーザ媒質を収容する容器である。本実施形態では蒸気状のアルカリ金属、具体的にはセシウム蒸気が封入されている。上述したようにレーザ共振器１は様々なレーザに適用でき、その場合は適用するレーザの種類に応じたレーザ媒質が媒質容器１１に収容される。励起光１０１は媒質容器１１の内部を通過する。これにより、媒質容器１１内のレーザ媒質が励起されてエネルギー準位が高くなる。その後にレーザ媒質のエネルギー準位が下がることにより、差分のエネルギーに相当する光を放出する。媒質容器１１から放出された光はレーザ共振器１によって共振する。以下では、誘導放出により媒質容器１１で発生した光及びそれを共振させた光をまとめてレーザ光１０２と称する。

【0015】

第１ダイクロイックミラー１２及び第２ダイクロイックミラー１３は、第１波長域の光を反射し、第２波長域の光を透過させる。本実施形態では、第１波長域にレーザ光１０２の波長が含まれるように、かつ、第２波長域に励起光１０１の波長が含まれるような仕様の第１ダイクロイックミラー１２及び第２ダイクロイックミラー１３が選択されている。これにより、第１ダイクロイックミラー１２及び第２ダイクロイックミラー１３は、励起光１０１を透過させる。

【0016】

第１ダイクロイックミラー１２は、反射面が媒質容器１１を向くように、かつ第１ダイクロイックミラー１２で反射したレーザ光１０２が偏光ビームスプリッタ１５に照射されるような姿勢で、媒質容器１１と偏光ビームスプリッタ１５との間に配置される。第２ダイクロイックミラー１３は、反射面が媒質容器１１を向くように、かつ第２ダイクロイックミラー１３で反射したレーザ光１０２がミラー１９に照射されるような姿勢で、媒質容器１１とミラー１９との間に配置される。このため、レーザ光１０２は第１ダイクロイックミラー１２及び第２ダイクロイックミラー１３で反射する。第１ダイクロイックミラー１２で反射したレーザ光１０２の光路には、レーザ光１０２が通過する順に、偏光ビームスプリッタ１５と、ポッケルスセル１６と、第１光学素子１７と、が配置されている。

【0017】

偏光ビームスプリッタ１５は、レーザ光１０２の偏光に応じて、レーザ光１０２の透過と反射が切り替わる光学素子である。例えば、偏光ビームスプリッタ１５は、Ｓ偏光のレーザ光１０２を透過させて、Ｐ偏光のレーザ光１０２を反射する。Ｓ偏光とＰ偏光に対する偏光ビームスプリッタ１５の性質は反対であってもよい。詳細は後述するが、偏光ビームスプリッタ１５がレーザ光１０２を反射させることでレーザ光１０２が共振光路を往復し、偏光ビームスプリッタ１５がレーザ光１０２を透過させることでレーザ光１０２が外部に出力される。偏光ビームスプリッタ１５は、偏光ビームスプリッタ１５で反射したレーザ光１０２がポッケルスセル１６を透過し第１光学素子１７に照射されるような姿勢で、第１ダイクロイックミラー１２とポッケルスセル１６の間に配置される。

【0018】

ポッケルスセル１６は、レーザ光１０２を偏光させずに透過させる通常状態と、レーザ光１０２を偏光させて透過させる偏光状態と、を電圧の印加により切替可能である。ポッケルスセル１６を偏光状態にしてレーザ光１０２を透過させることにより、レーザ光１０２が４５度偏光する。

【0019】

第１光学素子１７は、ミラー又はプリズムであり、レーザ光１０２を反射する。第１光学素子１７がミラーである場合、平面鏡であってもよいし、凹面鏡であってもよい。第１光学素子１７は、共振光路の第１端部である。第１光学素子１７は、第１光学素子１７で反射したレーザ光１０２が同じ経路を戻って媒質容器１１に進行するような姿勢で配置されている。第１光学素子１７で反射したレーザ光１０２は、同じ経路を戻って媒質容器１１に向かって進行する。

【0020】

第１光学素子１７には第１アクチュエータ１８が取り付けられている。第１アクチュエータ１８は、入力された駆動信号に応じて駆動される。第１アクチュエータ１８は、例えば、ボールネジ、リニアモータ、又はソレノイド等の機構により直線運動する。これにより、第１光学素子１７を共振光路に沿って、つまり第１光学素子１７に入射するレーザ光１０２の光軸方向に沿って移動させることができる。第１光学素子１７が共振光路に沿って移動することにより、共振器長が変化する。第１アクチュエータ１８を動作させるタイミング及び移動量については後述する。

【0021】

偏光ビームスプリッタ１５及びポッケルスセル１６は、光スイッチング素子として機能する。具体的には、ポッケルスセル１６に電圧を印加して偏光状態にさせることにより、レーザ光１０２がポッケルスセル１６を往復する際に偏光が９０度変化する。その結果、レーザ光１０２が偏光ビームスプリッタ１５を透過する。偏光ビームスプリッタ１５を透過したレーザ光１０２は、偏光ビームスプリッタ１５を挟んでポッケルスセル１６の反対側に配置される出力ミラー２３によって案内されて出力される。つまり、ポッケルスセル１６に電圧を印加している間にポッケルスセル１６を透過したレーザ光１０２が外部に出力される。そして、ポッケルスセル１６に高速で電圧値が変化するパルス信号を入力することにより、パルス状のレーザ光１０２が外部に出力される。

【0022】

このように、媒質容器１１の外側に光スイッチング素子を設け、光スイッチング素子によりレーザ光１０２の方向を変えて外部に出力する方法がキャビティダンピング法である。キャビティダンピング法を用いることによりパルス状のレーザ光１０２を出力できる。なお、パルス状のレーザ光１０２を出力する方法としては、公知のＱスイッチング法等がある。しかし、アルカリレーザではレーザ遷移の放射寿命が短いためＱスイッチング法では十分なエネルギーが蓄積できない。そのため、本実施形態のようにキャビティダンピング法によりパルス状のレーザ光１０２を外部に出力することが好ましい。

【0023】

また、本実施形態で示した光スイッチング素子は一例であり、別の光学素子又はその組合せにより光スイッチング素子を構成してもよい。なお、アルカリレーザ以外を採用する場合は、Ｑスイッチング法等によりパルス状のレーザ光１０２を外部に出力してもよい。

【0024】

第２ダイクロイックミラー１３で反射したレーザ光１０２の光路には、レーザ光１０２が通過する順に、ミラー１９と、第２光学素子２０と、が配置されている。

【0025】

ミラー１９は、第２ダイクロイックミラー１３と第２光学素子２０の間に配置されている。ミラー１９は、ミラー１９に照射されたレーザ光１０２を第２光学素子２０に向かって反射するような姿勢で配置されている。

【0026】

第２光学素子２０は、共振光路の第２端部である。つまり、共振光路は、第１光学素子１７と第２光学素子２０の間のレーザ光１０２の光路である。従って、共振器長は、第１光学素子１７と第２光学素子２０の間の光路の長さである。第２光学素子２０は、第１光学素子１７と同様の構成であるため、説明を省略する。また、第２光学素子２０には第２アクチュエータ２１が取り付けられている。第２アクチュエータ２１は第１アクチュエータ１８と同様の構成であるため、説明を省略する。本実施形態では、第１光学素子１７と第２光学素子２０の両方にアクチュエータが取り付けられているが、何れか一方のみにアクチュエータが取り付けられていてもよい。

【0027】

ミラー１９に照射されるレーザ光１０２は一部が透過する。つまり、ミラー１９に照射されたレーザ光１０２は、ミラー１９を透過するレーザ光１０２と、ミラー１９で反射するレーザ光１０２と、に分岐する。ミラー１９を透過したレーザ光１０２の分岐光は光計測器２２によって計測される。光計測器２２はレーザ光１０２の出力に応じた電流信号又はそれを変換した電圧信号を出力する。言い換えれば、光計測器２２はレーザ光１０２の出力の時間変化を計測して出力する。なお、図１では第２ダイクロイックミラー１３からミラー１９に照射され透過した光を光計測器２２によって計測しているが、レーザ共振器１の内部であるならば、どの場所でレーザ光１０２を計測しても良い。例えば、ミラー１９を挟んで第２光学素子２０と反対側に光計測器２２を配置し、第２光学素子２０からミラー１９に照射されてミラー１９を透過した光を光計測器２２によって計測しても良い。

【0028】

本実施形態のレーザ共振器１の共振光路は一例であり、光学素子の追加、変更、又は省略がされてもよい。

【0029】

レーザ共振器１は、処理装置３０を備える。処理装置３０は、光計測器２２の計測結果に基づいて演算を行い、演算結果に基づいて第１アクチュエータ１８及び第２アクチュエータ２１の少なくとも一方を動作させることにより、共振器長が適切な値になるように変化させる制御を行う。

【0030】

次に、レーザ光１０２のモード、特に二重縦モードについて説明する。

【0031】

レーザ光１０２には、共振器長で決まる一つ以上の定在波が存在し、この定在波を縦モードと称する。縦モードのうち、エネルギー又は出力の主体となるモードを主モードと称し、それ以外の副次的なモードを副モードと称する。副モードは主モードに対するノイズと捉えることもできる。

【0032】

主モードが２つの場合を二重縦モードと称し、それぞれの主モードを第１モード及び第２モードと称する。第１モード及び第２モードは、学術的に定義された一次モード及び二次モードとは別の概念である。二重縦モードの場合の全ての副モードを第３モードと称する。第３モードは複数のモードの総称である。二重縦モードの場合、例えば、第１モード及び第２モードは、副モードと比較して内部強度（ｋＷ／ｃｍ²）が２０倍以上になる。

【0033】

主モードが１つの場合を単一縦モードと称する。レーザ媒質が均一に広がっている場合は単一縦モードが発振し易いが、空間ホールバーニングという現象が原因で、二重縦モードが発振することもある。二重縦モードは、単一縦モードと比較してレーザ光１０２の出力が大きくなり易いが、発振が安定しない場合があり得る。本実施形態のレーザ共振器１は、共振器長等を適切な値に変更することにより、安定した二重縦モードでレーザを発振させる。

【0034】

以下、図２を参照して、複数のモードの干渉について説明する。

【0035】

図２において、第１光学素子１７をＭ１で示し、第２光学素子２０をＭ２で示し、媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離をｂで示し、媒質容器１１の中央から第２光学素子２０までの距離をaで示し、共振器長をＬで示す。共振光路では、レーザ光１０２は、第１光学素子１７と第２光学素子２０の間の定在波として存在する。

【0036】

図２には、β、β＋１、β＋２の３つのモードの電場の変化及び出力が示されている。βは有理整数である。各モードで光の位相が異なるため、各モード間には位相差が存在する。そのため、出力を強め合う部分と打ち消し合う部分とが存在する。また、図２の左上にはｂ／Ｌ＝１／３のときの媒質容器の中央の位相差を示すグラフが示されている。図２の右上にはｂ／Ｌ＝１／２のときの媒質容器１１の中央の位相差を示すグラフが示されている。

【0037】

ここで、レーザ共振器１で共振するレーザ光１０２のある瞬間の振動モードの空間電界分布は、以下の式（１）で記述される。
Ｅ_β（ｚ）＝２Ｅ₀ｓｉｎ（βπｚ／Ｌ） ・・・（１）
ただし、Ｅ₀は電界振幅、ｚは第１光学素子１７から媒質容器１１の中心までの距離である。また、媒質容器１１の中央の位置では、β＋ｊ番目のモードは、β番目のモードと比較して、以下の式（２）に示す分だけ光の位相が進んでいる。なお、以下の式（２）及び式（３）において、Δφの単位はラジアンである。
Δφ＝ｊπｂ／Ｌ ・・・（２）
Δφは２つのモード間の媒質容器１１の中央の位置における位相差である。図２に示すように、２つのモードの位相差が以下の式（３）を満たす場合、２つの縦モード間の干渉は最小になる。
Δφ＝ｍπ／２ （ｍ＝１，３，５．．．） ・・・（３）
式（２）及び式（３）により、２つの縦モード間の干渉が最小となる場合の、媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離ｂと共振器長Ｌの関係を示す以下の式（４）が得られる。
ｂ／Ｌ＝ｍ／２ｎ （ｎ＝１，２，３．．． ｍ＝１，３，５．．．）・・・（４）

【0038】

次に、図３から図５を参照して、安定な二重縦モードが発生するときの位相差等の条件について説明する。以下の説明では、モードについて「位相差」と称した場合、「媒質容器１１の中央の位相差」を指す。

【0039】

図３には、レーザ出力及び各モードの位相差を数値解析により算出した結果が示されている。図３のグラフにおいて、丸印が付されたモードが主モードであり、それ以外のモードが副モードである。両グラフとも媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離ｂは１／３ｍとした。左のグラフは共振器長Ｌが２．０ｍの場合であり、ｂ／Ｌ＝１／６であるため、上記の式（４）を満たしている。つまり、２つの縦モード間の干渉は最小になっている。一方、右のグラフは共振器長Ｌが５．０ｍの場合であり、ｂ／Ｌ＝１／１５であるため、上記の式（４）を満たさない。つまり、２つの縦モード間の干渉は最小ではない。Ｏｄｄは位相差０度にモードを持つ状態で、Ｅｖｅｎは位相差０度にモードを持たない状態である。今回の数値解析の条件では、共振器長が２００ｎｍ変化するとＯｄｄとＥｖｅｎが入れ替わる。

【0040】

図３の左のグラフのＥｖｅｎのみ二重縦モードが発生しており、図３の左のグラフのＯｄｄ、図３の右のグラフのＯｄｄ及びＥｖｅｎは二重縦モードが発生していない状態である。二重縦モードが発生している図３の左のグラフのＥｖｅｎに示すように、二重縦モードが発生し、かつ、主モード以外の副モードの出力が小さい場合にレーザ出力が大きくなることが分かる。また、二重縦モードが発生する場合、主モードである第１モード及び第２モードの位相差は約９０度であること、二重縦モードを発生させるためにはＥｖｅｎの状態にする必要があることが分かる。共振器長を常にＥｖｅｎの状態にするため、第１アクチュエータ１８又は第２アクチュエータ２１の最小制御距離は２００ｎｍ以下であることが必要になる。最小制御距離とは、処理装置３０による第１アクチュエータ１８又は第２アクチュエータ２１の制御において、第１アクチュエータ１８又は第２アクチュエータ２１の移動量として処理装置３０が指定できる距離の最小値である。

【0041】

図４は、位相差とＳＮ比の関係を示すグラフである。位相差は、β、β＋１のように隣り合う縦モード間の位相差を示す。ＳＮ比は、第１モード及び第２モードの振幅に対する第３モードの振幅である。つまり、ＳＮ比が低いほど、第３モードの影響が低い、言い換えれば二重縦モードのレーザ光１０２が発振する可能性が高い。

【0042】

図４に示すように、隣り合う縦モード間の位相差が１５度及び３０度の場合と比較して、位相差が９０度の場合は、ＳＮ比が低く、二重縦モードのレーザ光１０２が発振する可能性が高いことが分かる。

【0043】

図５は、第１モードと第２モードの位相差が９０度付近でのＳＮ比を示すグラフである。図５に示すように、第１モードと第２モードの位相差が９０度のときにＳＮ比が最小となる。また、位相差が８８度以上９２度以下の範囲にあるときは、その範囲外にあるときと比較してＳＮ比が大幅に低いことが分かる。以上により、第１モードと第２モードの位相差は８８度以上９２度以下であることが好ましく、９０度であることが更に好ましい。

【0044】

次に、図６から図８を参照して、アクチュエータ１８，２１を制御して共振器長を調整し、安定した二重縦モードのレーザ光１０２を発振させる処理について説明する。図６は位置調整処理のフローチャートである。図７は位置調整処理による最適化の前後における内部出力、パルス出力、及びフーリエパワースペクトルを示すグラフである。図８は複数のケースに対して主モードの出現周波数を算出した結果を示す表である。

【0045】

以下では、アクチュエータ１８，２１を制御して共振器長を調整する処理を位置調整処理と称する。初めに、処理装置３０は、光計測器２２によるレーザ光１０２の計測結果を取得する（図６のＳ１０１）。上述したように、この計測結果は、レーザ光１０２の出力と計測時間の関係を示す。計測時間とは、レーザ光１０２が計測された時間、言い換えれば計測時刻である。図７に示す内部出力９１は、光計測器２２の計測結果に相当する。

【0046】

次に、処理装置３０は、光計測器２２の計測結果に対してフーリエ変換を行う（Ｓ１０２）。このフーリエ変換により、レーザ光１０２のパワースペクトルと周波数の関係が得られる。図７に示すフーリエパワースペクトル９３は、フーリエ変換により得られる、レーザ光１０２のパワースペクトルと周波数の関係に相当する。

【0047】

フーリエ変換により得られた周波数は、縦モードの発生周波数ではなく、レーザ共振器１で発生している多数の定在波の合成波の周波数である。これらの定在波は周波数が異なるため、定在波が干渉することにより、うなりが発生する。また、フーリエパワースペクトル９３のうちパワースペクトルが高いピークが主モードに起因する。図７のフーリエパワースペクトル９３において、丸印が付されたモードが主モードである。二重縦モードの場合において、パワースペクトルが高いピークは、第１モード及び第２モードの合成波に相当する。例えば、図７の左上のフーリエパワースペクトル９３において主モードの周波数の逓倍で現れるピークは、フーリエ変換が原因で現れるピークであり、主モードに関連するピークである。主モードに関連するピークのうち最も小さい周波数を「主モードの出現周波数」と称する。また、主モードに関連するピーク以外の小さなピークは、副モード、言い換えれば第３モードを示す。

【0048】

次に、処理装置３０は、主モードの出現周波数を処理装置３０の記憶装置から読み出す（Ｓ１０３）。主モードの出現周波数は、予め以下の方法によって算出されて処理装置３０の記憶装置に記憶されている。なお、主モードの出現周波数を予め算出して記憶することに代えて、位置調整処理を行う段階で主モードの出現周波数を算出してもよい。フーリエパワースペクトル９３において、第１モードと第２モードの位相差が９０度となる場合、つまり二重縦モードの場合の主モードの出現周波数は、以下に示す式（５）、式（６）、及び式（７）に基づいて算出できる。
Δφ＝１８０・ｂ／Ｌ ・・・（５）
Δｖ＝ｃ／２Ｌ ・・・（６）
ｖ_dual＝Δｖ×９０÷Δφ＝（ｃ／２Ｌ）×９０÷Δφ＝（ｃ／２Ｌ）・Ｌ／２ｂ＝ｃ／４ｂ ・・・（７）
式（５）は、β番目のモードとβ＋１番目のモードとの位相差を示す式であり、具体的には、式（２）のｊ＝１のときの位相差である。なお、式（５）及び式（７）においてΔφの単位は度である。式（６）はモード間隔を示す式である。モード間隔とは、隣り合う縦モード又は定在波の周波数の差である。なお、式（６）のｃは光速である。式（７）は、レーザ共振器１で発生している多数の定在波の合成波において、主モードの出現周波数を示す式である。式（７）が示す通り、第１モードと第２モードの位相差が９０度となる場合、主モードの出現周波数は媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離ｂ、及び光速ｃにより算出できる。

【0049】

例えば、光速ｃ＝３０万ｋｍ／ｓとすると、図８に示すケース１～４においては、媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離ｂは１／３ｍであるため、主モードの出現周波数は光速ｃ／（２×１／３）＝約２２５ＭＨｚとして算出される。

【0050】

次に、処理装置３０は、主モードのパワースペクトルの値と第３モードのパワースペクトルの値とを設定する（Ｓ１０４）。具体的には、処理装置３０は、予め算出した主モードの出現周波数の近傍において最も高いパワースペクトルを抽出し、当該パワースペクトルの値を主モードのパワースペクトルの値として設定する。例えば、フーリエ変換により得られたデータ群に対してカーブフィッティングにより近似曲線を求め、主モードの出現周波数の近傍において最も高いピークのパワースペクトルの値を主モードのパワースペクトルの値として設定しても良い。次に、処理装置３０は、第３モードに起因するピークに基づいて、第３モードのパワースペクトルの値を算出する。主モードのパワースペクトルの値に対する第３モードのパワースペクトルの値をパワースペクトル比と称する。パワースペクトル比は、上述したＳＮ比と同じであり、かつ、第３モード影響度に相当する。パワースペクトル比は、レーザ光１０２における第３モードの影響を示しており、値が小さいほど第３モードの影響が小さく、主要な２つのモード（第１モードと第２モード）の影響度が高い。上述したように、レーザ光１０２に含まれる第３モードは、主モードと比較して出力が大幅に小さい。そのため、レーザ光１０２における第３モードをノイズと捉えることもできる。同様に、フーリエパワースペクトル９３において第３モードに起因するパワースペクトルもノイズと捉えることができる。

【0051】

次に、処理装置３０は、パワースペクトル比が最小となるようにアクチュエータ１８，２１を制御する（Ｓ１０５）。具体的には、処理装置３０は、第１アクチュエータ１８又は第２アクチュエータ２１を制御することにより、第１光学素子１７又は第２光学素子２０を移動させながら、パワースペクトル比を断続的に算出して記憶する。その後、処理装置３０は、パワースペクトル比が最小となった位置に第１光学素子１７及び第２光学素子２０を合わせる。以上の位置調整処理を行うことにより、第３モードの影響を小さくできるので、レーザ共振器１は、安定した二重縦モードのレーザ光１０２が発振できる。

【0052】

次に、共振器長を変化させたときのレーザ光１０２の出力を計測した実験について説明する。図７の上の４つのグラフは、共振器長が０．６９ｍ，１．０ｍ，２．０ｍ，５．０ｍ、媒質容器１１の中央から第１光学素子１７までの距離ｂが１／３ｍの条件でレーザ発振を行い、レーザ共振器１で共振されるレーザ光１０２の出力である内部出力９１と、出力ミラー２３の案内によって外部に出力されるパルス状のレーザ光１０２の出力であるパルス出力９２と、を計測した結果を示す。更に、内部出力９１に対してフーリエ変換を行って算出されるフーリエパワースペクトル９３が、各グラフの右上に記載されている。

【0053】

図７の下部には、位置調整処理を行って、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の位置を最適化したときの実験結果が示されている。図７に示すように、位置調整処理を行うことにより、高いパルス出力９２を実現できることが分かる。

【0054】

なお、本実施形態では、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の何れか一方を移動させるが、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の両方を移動させてもよい。

【0055】

また、予め実験的又は数値計算により、パワースペクトル比が最小になるときの第１光学素子１７及び第２光学素子２０の位置を求めてもよい。この場合、求めた位置が第１光学素子１７及び第２光学素子２０の初期位置となる。この場合、処理装置３０は、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の位置を微調整するだけで、パワースペクトル比が最小になるときの第１光学素子１７及び第２光学素子２０の位置を探索できる。

【0056】

パワースペクトル比が最小になるときの第１光学素子１７及び第２光学素子２０の位置、つまり共振器長は、環境に応じて変化する可能性がある。環境の例としては、共振器周囲の温度、気圧、又はレーザ共振器１自体の姿勢がある。従って、レーザ共振器１の出荷時に位置合わせを行った場合でも、レーザ共振器１の設置後に再び位置調整処理を行うことが好ましい。また、その後も所定のタイミングで位置調整処理を行うことが好ましい。

【0057】

次に、レーザ媒質の圧力とＳＮ比の関係について説明する。図９には、レーザ媒質がセシウムの場合において、媒質容器１１内のレーザ媒質の圧力、レーザ光１０２の出力、及びＳＮ比の関係を計測した実験結果が示されている。図９に示すように、レーザ媒質の圧力が３６０Ｔｏｒｒ、７６０Ｔｏｒｒ（＝１ｋＰａ）、１５２０Ｔｏｒｒの順番でＳＮ比が高くなる。レーザ光１０２の使用用途及び他の条件にも依存するが、この実験結果により、レーザ媒質がセシウムの場合は媒質容器１１の圧力が７６０Ｔｏｒｒ（＝１ｋＰａ）以下であることが好ましいことが分かる。

【0058】

なお、本開示にて開示する処理装置３０をはじめとする各要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成又はプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、及び／又は、それらの組み合わせ、を含む回路又は処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路又は回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、又は手段は、列挙された機能を実行するハードウエアであるか、又は、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウエアである。ハードウエアは、本明細書に開示されているハードウエアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラム又は構成されているその他の既知のハードウエアであってもよい。ハードウエアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、又はユニットはハードウエアとソフトウエアの組み合わせであり、ソフトウエアはハードウエア及び/又はプロセッサの構成に使用される。

【0059】

以上に説明したように、本実施形態のレーザ共振器１は、媒質容器１１と、第１光学素子１７と、第２光学素子２０と、アクチュエータ（第１アクチュエータ１８、第２アクチュエータ２１）と、光計測器２２と、処理装置３０と、を備える。媒質容器１１は、内部にレーザ媒質を有し、励起光１０１が照射されることで誘導放出により、少なくとも第１モード、第２モードを含む光を発生させる。第１光学素子１７は、媒質容器１１で発生した光を共振させる共振光路の第１端部に位置し、光を反射する。第２光学素子２０は、共振光路の第２端部に位置し、光を反射する。アクチュエータ１８，２１は、第１光学素子１７及び第２光学素子２０の少なくとも一方を共振光路に沿って移動させ共振器長を変化させる。光計測器２２は、共振光路によって共振する光の出力を計測する。処理装置３０は、光計測器２２が計測した出力と計測時間の関係をフーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係に変換し、媒質容器１１と第１光学素子１７の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に基づいて、アクチュエータ１８，２１を動作させる。

【0060】

これにより、第１モード及び第２モードが優勢であるレーザ光１０２を生成できる。特に、フーリエ変換によりパワースペクトルと周波数の関係を算出することにより、第１モード及び第２モードに対する第３モードの影響度を簡単に求めることができる。

【0061】

本実施形態のレーザ共振器１において、処理装置３０は、媒質容器１１と第１光学素子１７の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に対する、第３モードに起因する周波数のパワースペクトルの値の割合が小さくなるようにアクチュエータ１８，２１を動作させる。

【0062】

これにより、第１モード及び第２モードに対する第３モードの影響を具体的に見積もって、第１光学素子１７及び第２光学素子２０を適切な位置に合わせることができる。

【0063】

本実施形態のレーザ共振器１において、処理装置３０は、媒質容器１１と第１光学素子１７の距離を基に算出される周波数のパワースペクトルの値に対する、第３モードに起因する周波数のパワースペクトルの値の割合である第３モード影響度を算出し、第３モード影響度が最小となるようにアクチュエータ１８，２１を動作させる。

【0064】

これにより、第１モード及び第２モードがより一層優勢であるレーザ光１０２を生成できる。

【0065】

本実施形態のレーザ共振器１において、処理装置３０は、アクチュエータ１８，２１を動作させて第１光学素子１７及び第２光学素子２０の少なくとも一方を移動させながら第３モード影響度を断続的に算出し、第３モード影響度が最小である位置に第１光学素子１７及び第２光学素子２０を合わせる。

【0066】

簡単な処理により、第１モード及び第２モードが優勢であるレーザ光１０２を生成できる。

【0067】

本実施形態のレーザ共振器１において、光計測器２２は、媒質容器１１から第１光学素子１７又は第２光学素子２０に向かう光を分岐させた分岐光を計測する。

【0068】

媒質容器１１を通過する光を計測する構成と比較して、簡単な構成で光を計測できる。

【0069】

本実施形態のレーザ共振器１において、媒質容器１１の光路方向の中心における前記第１モードと前記第２モードの位相差が８８度以上９２度以下である。

【0070】

位相差を９０度又はその近傍にすることにより、第１モード及び第２モードが優勢となり易い。

【0071】

本実施形態のレーザ共振器１において、レーザ媒質はセシウムである。媒質容器１１の内部のレーザ媒質の圧力が１００ｋＰａ以下である。

【0072】

圧力を上記の範囲に設定することにより、第１モード及び第２モードが優勢となり易い。

【0073】

以上に本出願の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

【0074】

上記実施形態の光計測器２２は媒質容器１１から第２光学素子２０に向かうレーザ光１０２を計測するが、媒質容器１１から第１光学素子１７に向かうレーザ光１０２を計測してもよい。あるいは、媒質容器１１を通る光を取り出して計測してもよい。

【0075】

これに代えて、処理装置３０は、位置調整処理の前と比較してパワースペクトル比が小さくなるのであれば、パワースペクトル比の最小値を探索する必要は必ずしもない。

【0076】

上記実施形態では、モード間隔として周波数の間隔を用いたが、波長の間隔を用いてもよい。

【符号の説明】

【0077】

１ レーザ共振器
１１ 媒質容器
１７ 第１光学素子
１８ 第１アクチュエータ
２０ 第２光学素子
２１ 第２アクチュエータ
２２ 光計測器
３０ 処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】