図1はこの発明の第1の実施形態による、� �繰り返し周波数で安定なQスイッチパルスレ� ��ザ発振に用いる装置を示す。レーザ媒体1は 薄板レーザ媒体とするのが好適である。これ は、板の厚みが小さく、薄板の面に対して垂 直方向であるレーザ光軸に沿った光路長が小 さいため増幅利得が小さいからである。ただ し、一般に用いられるロッド型の媒体でも、 活性物質の添加量が少ない場合には特に有効 である。薄板レーザ媒体とした場合、レーザ 媒体1は熱伝導性が高く冷却能力の優れた基� �2に固定される。レーザ媒体1には対象とする 繰り返し動作の周期より長い上準位寿命を持 つ活性物質をドープしたものを用いる。ある いは、活性物質の上準位寿命よりも短い周期 に対応した繰り返し動作の周期で装置を動作 させる。レーザ媒体1の活性物質は例えばYb,  Ndなどの希土類イオンである。基板2とレーザ 媒体1の間には融着に用いるAuSn(金すず)など� �接合用の薄い層(図示せず)とレーザ媒体1の� �面から入射するレーザ波長の光を反射する� �ラー17が形成されて配置される。レーザ媒体 1には光励起するための励起用光源12からの励 起光16が表面側から照射され、レーザ媒体内� ��ドープされた活性物質を励起する。レーザ� ��体1の前には集光レンズ3がレーザ共振器の� �折損失の最小化のために設けられる。また� �レーザ媒体1と対向して、ミラー17とともに� �ーザ共振器を形成する出力側のミラー6が設� ��される。さらに、音響光学的に動作するQス イッチ5がレーザ共振器内の光路8に設けられ� ��Qスイッチ5内の回折媒体である高周波圧電� �子を駆動するためにQスイッチのRF制御部13が 設けられる。また、必要に応じて共振器内の 光路8には偏光板4を設ける。

 レーザ媒体1はレーザダイオード等の励起 用光源12からの励起光16がレーザ媒体1の上の� ��ーザ共振光軸に集光照射される。励起用光� ��12の波長はレーザ媒体1のレーザ発振の上準� ��への励起に有効な波長が選択される。レー� ��媒体1内の活性物質は光励起されて内部2準� �の反転分布を形成する。

 RF制御部13からRFパワーをオフ、オンしてQ スイッチ5のトランスジューサ(図示せず)を制 御することでQスイッチ5のオン、オフを行う� ��RFのパワーがオン状態の場合はレーザ共振� �内部の光路8の直進を妨げるのでQスイッチ5� �オフになり、レーザ共振器内の光学的な損� �を増加することでQ値を下げ発振を遮断する� ��RFパワーをオフ又はパワー低下をすればレ� �ザ共振器内部の光路の直進は妨げられない� �で、Qスイッチ5はオン動作となる。Qスイッ� �5がオン動作のとき、レーザ媒体1にレーザ増 幅利得があれば発振に至り、共振器を構成す るミラー6及び17間にQスイッチパルスが立ち� �がり、出力側のミラー6を透過して外部に出� ��ビーム7が得られる。

 本発明では、このような動作をしてQスイ ッチパルスが発振する場合に高繰り返し動作 まで安定なQスイッチパルスが得られるよう� �した。それは、Qスイッチのオン、オフのタ� ��ミングを制御し、さらに上準位寿命が長い� ��性物質を利用することで効率的に残留エネ� ��ギーを作り出し実質的に高密度の反転分布� ��得ることによる。その様子を図3で説明する 。

 図3のa)はレーザ媒体内のレーザ発振準位� ��の反転分布数Niの概念を示す。反転分布の� �い場合を0レベルにし、安定的に動作するた� ��に必要な反転分布数をN1、発振直前の反転� �布数の多い状態をN2とする。

 時刻t0以前からレーザ媒体1が励起用光源1 2により励起されているとする。t0以後反転分 布数Niは漸次増加20する。反転分布が発振閾� �より大きい或る時点t1でRF制御部13にてRFパワ ーを遮断して共振器の損失を低下させると、 レーザ共振器内でレーザ発振が立ち上がり始 め、時刻t2で図3b)の傾斜に示すようにパルス� ��立ち上がり27が起こる。このままRFパワーを 遮断したままにすると、光の誘導放出により 反転分布が0レベルに近いところまで低下し� �その際立ち下がり部分28を発生して尾の部分 のQスイッチパルスを発振する。

 もし、図3(c)に示したように、RFパワーの� ��ン(Qスイッチ動作はオフ)への切り替えを時� ��t15、t16及びt17で行うとする。この場合には� ��時刻t3からt15の間の立ち下り部28のパルスに よりエネルギーが放出されるため反転分布数 Niは大幅な減少21をみる。時刻t15でRFパワーを オンにし、これから次のパルスが発生する時 刻t6まで光励起による上準位への漸次励起を� ��うことで反転分布数Niの増加24を図る。レー ザ媒体を薄板形状とするなどレーザ媒体の増 幅利得が低い場合では、時刻t6においては安� ��な発振の立ち上がりに必要な反転分布数が� ��達成であり、Qスイッチ発振の立ち上がりが 不十分又は不可能な状態となる。従って、こ のt6から開始するQスイッチパルスは直前のパ ルスより低エネルギーのパルス29となるかパ� ��スの欠落となる。

 その後、次に時刻t9で再度RFパワーをオフ 状態にしてQスイッチをオンにすると、その� �の時刻t6で発振不十分のため誘導放出がなさ れないので反転分布が保持されているところ にt16~t10間の光励起エネルギーが与えられ反� �分布がさらに増加する。したがって、反転� �布数がN2を越えるので、t10にて急激なパルス 立ち上がり30が発生する。また、この後、急� ��なパルスにより誘導放出量が大きくなって� ��び残存の反転分布数が減り、安定な出力が� ��り出せなくなる。

 通常は、Qスイッチパルスレーザ装置は、 RFパワーをオフにしている間に発振を起こす� ��に十分な反転分布エネルギーが蓄積されて� ��らに放出されるように設計されている。薄� ��レーザ媒体など増幅利得が小さい媒体を用� ��た場合は、十分な反転分布エネルギーを与� ��るために必要な時間が長くなるので、ロッ� ��形固体レーザより高繰り返しパルス発振の� ��波数の上限が低くなる。

 本願発明では、RFパワーをオフにしてQス� ��ッチをオンにしたのち、レーザパルスが発� ��を開始した時点で、強制的にQスイッチをオ フに切り替えてレーザ発振を遮断することに より、高繰り返しパルス発振の周波数の上限 が低くならないようにした。以下、これを図 3b)とd)とで説明する。時刻t2でレーザパルス� �振を開始したら、t3で発振中に強制的にQス� �ッチをオフに切り替えてレーザ発振を遮断� �る。

 薄板レーザ媒体など増幅利得が小さい媒� ��を用いた場合、Qスイッチをオフにすると即 座にパルス発振を停止できる。Qスイッチオ� �及び発振停止を図3d)に示した時刻t3、t7及びt 11にて行うものとする。このように発振中に� ��振を遮断することにより、反転分布数Niは� �に0レベルより高くN1とN2の間に維持できる。 RFパワーをオンにする時刻t3から次のオフに� �る時刻t5を過ぎて次のパルスの立ち上がり時 刻t6まで反転分布数は増加23し続け、前のQス� ��ッチパルス発振開始時の値まで反転分布数� ��増加してから発振する。時刻t6で発振開始� �てからここでも、発振中の時刻t7にてQスイ� �チをオフに切り替えパルスを停止させる。Q� ��イッチパルスへの反転分布のエネルギーの� ��行は遮断され、反転分布が残存する。時刻t 7でパルス発振停止してからその次の発振動� �開始時刻t10まで反転分布数を増加させる。� �のように、Qスイッチパルスの発振動作中にQ スイッチをオフにして、レーザ媒体内の反転 分布を残存させ、常に高い反転分布状態を維 持しながら、繰り返しパルス動作を継続する ようにしたので、高繰り返しまで安定した立 ち上がり27を有するパルス列で発振を継続可� ��になった。

 反転分布を効率的に維持するためには、� ��準位寿命が繰り返し動作の周期に対して十� ��長い活性物質を使用するとよい。例えば、� ��り返し周波数20kHz越の繰り返し動作に対応� �る50μ秒未満の周期に対して上準位寿命がほ� ��1msであるYbを活性物質として用ればこれを� �現できる。

 なお、RFパワーをオンして強制的にQスイ� ��チをオフに切り替えるタイミングをQスイッ チパルスの発振中に行うことが重要である。 この方法は単純にはQスイッチ素子のRF制御部 13でRFパワーをオフして(図3のt1、t5、t9)から� �ンする(t3、t7、t11)までの時間を所定の値に� �御すれば実現できる。所定の値は実験的に� �めることができる。一方、レーザ発振した� �とを感知するセンサ等を別途追加し、さら� �センサからの発振感知信号を受けて適当な� �間遅延手段を介してRFパワーをオフにする手 段をRF制御部13に入れる構成も可能である。

 図2はこの発明の第2の実施形態を示す。� �1実施形態と同じ機能の構成部品は同じ番号� ��表示する。本実施形態は第1実施形態に、発 生したレーザパルスを高調波変換する機能が 追加された。この実施形態では45度に傾けた� ��長選択ミラー14はレーザ発振の基本波11に対 しては全反射特性を有し、共振器内に設置し た高調波変換手段9,10によって基本波から変� �された高調波の波長には透過性の特性を有� �る。高調波変換手段9,10としては、非線形光� ��結晶などの非線形光学素子を用いることが� ��きる。非線形光学素子に非線形作用をさせ� ��ためには入力光が偏光されている必要があ� ��。共振器内に偏光を伴う要素が有る場合は� ��光手段を特にいれなくても、偏光発振が可� ��であるので、偏光板4は入れなくてもよい。 しかしながら、レーザ媒体が偏光を伴う要素 がない場合偏光板4は必須である。

 波長選択ミラー14は基本波に対しては反� �し、高調波に対しては透過する性質を有す� �。基本波に対しては、ミラー6,17及び波長選� ��ミラー14で共振器を構成する。光路上の基� �波11は波長選択ミラー14で反射され高調波変� ��手段9,10に向けられ、高調波変換手段9,10通� �中に第2高調波または第3次高調波に変換され る。短波長の高調波は高繰り返しQスイッチ� �ルスとして波長選択ミラー14を透過し、高調 波出力ビーム15として放出される。したがっ� ��、基本波の発振波長1.03μmとなるYb:YAGをレー ザ媒体として用い、高調波変換手段9,10で、� �2高調波を出力すると、可視領域である波長5 15nmのレーザパルスを、第3高調波を出力する� ��、紫外領域である波長343nmのレーザパルス� �得られる。