JP2009188090A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成でパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ発振装置を提供すること。
【解決手段】 本発明のレーザ発振装置は、増幅媒体及び可飽和吸収体を有する共振器と、前記可飽和吸収体に光を照射することにより、前記可飽和吸収体における発振波長に対する透過率を上昇させる外部光源と、前記外部光源から出力される光の強度を調整可能な制御手段とを備えて成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ発振装置に関し、特に簡単な構成でパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ発振装置に関する。

共振器をＱスイッチ発振させて高エネルギーのパルスを発生するレーザ発生装置が広く利用されている。Ｑスイッチには能動Ｑスイッチと受動Ｑスイッチとがある。能動Ｑスイッチの代表例としては、共振器内に挿入されたミラーやプリズムの方向を機械的に制御したり、同様に共振器内に挿入された電気光学素子、音響光学素子等の発振波長に対する透過率を外部からのスイッチングにより変化させたりする手法が挙げられる。受動Ｑスイッチの代表例としては、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ等の可飽和吸収体を共振器内に挿入する手法が挙げられる。

可飽和吸収体を利用した受動Ｑスイッチングには、励起光源の強度の変動によらずパルスエネルギーが一定であること、電気もしくは機械的要素を付加することなく、レーザ光学系に可飽和吸収体を挿入するだけでパルスが得られるという特徴があるので、受動Ｑスイッチは簡便なパルス発生手法として広く用いられている。

ところで、このような受動Ｑスイッチを利用したレーザ発振装置を使用する際に、出力されるパルスのエネルギーを、用途や状況に応じて変化させる必要を生じる場合がある。受動Ｑスイッチングでは、パルスのエネルギーは、可飽和吸収体の初期透過率等によって決まることが知られているので、パルスのエネルギーを変化させるために、当初の可飽和吸収体を初期透過率の異なる可飽和吸収体に交換する方法が考えられる。

また、特許文献１の請求項１には、「レーザー媒質を配置したレーザー共振器内における光の光路上にＱスイッチとして機能する可飽和吸収体を配置し、前記レーザー共振器内に配置された前記可飽和吸収体を前記光の光路に対して相対的に移動して、前記光が前記可飽和吸収体を通過する際における前記可飽和吸収体の初期透過率を変化させることを特徴とするパルス幅可変レーザー発振方法。」が記載されており、このようなパルス幅可変レーザー発振方法によれば、「レーザー共振器内に配置された可飽和吸収体を通過する光の当該可飽和吸収体内における光路長が変化することに応じて、当該可飽和吸収体の初期透過率を変化させることができ、而して、当該可飽和吸収体における光の透過率が変化してシャッタ動作のタイミングが変わるようになる。このため、これまでレーザー共振器内にＱスイッチ素子として配置された可飽和吸収体を取り換えなければ実現することができなかった出力されるパルスレーザー光のパルス幅の連続的または段階的な変化を、レーザー共振器内にＱスイッチ素子として配置された単一の可飽和吸収体により実現することができるようになる。」（特許文献１の段落番号００１４参照）と記載されている。

しかし、可飽和吸収体等の光学部品の交換及び共振器内部における光学部品の駆動は、高い精密性が要求されるレーザ発振装置にとって好ましくない。また特許文献１に記載されているような特殊な形状の可飽和吸収体を作製したり、高い精度で駆動させたりする手段を設けることは、装置構成を複雑にしてコスト上昇に繋がる。

特開平２００６−１７９７２４号公報

本発明の課題は、前記問題を解決することを目的とし、簡単な構成でパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ発振装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、
増幅媒体及び可飽和吸収体を有する共振器と、前記可飽和吸収体に光を照射することにより、前記可飽和吸収体における発振波長に対する透過率を上昇させる外部光源と、前記外部光源から出力される光の強度を調整可能な制御手段とを備えて成ることを特徴とするレーザ発振装置であり、
請求項２は、
前記制御手段は、前記外部光源から出力される光の強度と前記外部光源の稼動タイミングと前記増幅媒体に励起光を照射する励起光源の稼動タイミングとを制御する制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置であり、
請求項３は、
前記外部光源は、レーザを出力することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置であり、
請求項４は、
前記外部光源の出力波長は、前記発振波長と同じ波長を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ発振装置であり、
請求項５は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ発振装置と前記励起光源とを有するレーザ発振装置である。

本発明に係るレーザ発振装置は、増幅媒体及び可飽和吸収体を有する共振器と、増幅媒体の反転分布密度の発振閾値を変化させることを目的として、前記可飽和吸収体に光を照射することにより、前記可飽和吸収体における発振波長に対する透過率を上昇させる外部光源と、前記外部光源から出力される光の強度を調整可能な制御手段とを備えて成る。したがって、外部光源から出力される光の強度を制御手段で調整し、その光を可飽和吸収体に照射することにより、可飽和吸収体の発振波長に対する透過率を所望のように上昇させることができる。レーザ発振装置から発振されるパルスレーザのパルスエネルギーは、増幅媒体における反転分布密度の発振閾値に依存し、この反転分布密度の発振閾値は、可飽和吸収体の発振波長に対する基準透過率に依存する。本発明に係るレーザ発振装置は、外部光源から可飽和吸収体に所望の強度を有する光を照射することによって、可飽和吸収体の発振波長に対する基準透過率を所望のように調整することができるので、増幅媒体における反転分布密度の発振閾値を調整することができる。その結果、レーザ発振装置から所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振させることができる。したがって、レーザ発振装置に設置されていた可飽和吸収体を発振波長に対する透過率の異なる可飽和吸収体に交換したり、特殊な形状を有する可飽和吸収体を駆動させたりすることにより、可飽和吸収体の基準透過率を変化させるための駆動手段を設けることなく、前述のような簡単な構成でパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ発振装置を提供することができる。

前記制御手段が、外部光源から出力される光の強度と外部光源の稼動タイミングと増幅媒体に励起光を照射する励起光源の稼動タイミングとを制御する制御回路を有すると、パルスエネルギーを容易にかつ精度良く調整することのできるレーザ発振装置を提供することができる。さらに、パルスレーザの発振タイミングを容易にかつ精度良く制御することのできるレーザ発振装置を提供することができる。

前記外部光源から出力される光がレーザであり、好ましくはこのレーザが発振波長と同じ波長を含むレーザであり、このレーザが可飽和吸収体に照射されると、レーザは単一の波長を有する光であり、この光は可飽和吸収体における発振波長に対する基準透過率を上昇させることができるので、外部光源から出力された光のほぼすべてを、可飽和吸収体の基準透過率を上昇させることに利用することができる。

図１は、本発明の一実施例であるレーザ発振装置の構成説明図である。本実施形態のレーザ発振装置１は、全反射鏡２と増幅媒体３と可飽和吸収体４と部分反射鏡５とを有する共振器１３と、前記増幅媒体３に励起光７を照射する励起光源６の一例であるレーザダイオードと、前記可飽和吸収体４に光９を照射することにより、前記可飽和吸収体４における発振波長１２に対する透過率を上昇させる外部光源１０の一例であるフラッシュランプと、前記外部光源１０から出力される光９の強度を調整可能な制御手段１１とを備えて成る。この実施形態のレーザ発振装置１は、前記励起光源６と前記全反射鏡２と前記増幅媒体３と前記可飽和吸収体４と前記部分反射鏡５とがこの順に一列に配置されており、Ｑスイッチ固体パルスレーザ８を形成している。

Ｑスイッチ固体パルスレーザ８は、公知のＱスイッチ固体パルスレーザを採用することができる。Ｑスイッチ固体パルスレーザ８の構成としては、例えば、図１に示すように、励起光源６の一例であるレーザダイオードと、レーザダイオード６から出力された励起光７が照射されることにより光の誘導放出を行う増幅媒体３と、誘導放出された光を吸収し、発振波長１２に対する透過率を変化させることによりＱスイッチとしての機能を有する可飽和吸収体４と、レーザダイオード６から出力された励起光７は透過し、増幅媒体３から誘導放出された光は反射する全反射鏡２と、増幅媒体３から誘導放出された発振波長１２を一部透過する部分反射鏡５とにより形成されている。全反射鏡２と部分反射鏡５との間では共振器１３、例えばファブリペロー共振器が形成されており、誘導放出された光のうちの全反射鏡２と部分反射鏡５との間を往復する光が選択的に増大し、パルスレーザ１４が発振する。

励起光源６と増幅媒体３と可飽和吸収体４と全反射鏡２と部分反射鏡５とは、パルスレーザ１４を発振させることができる限り特に制限はなく、公知の光学部品を使用することができる。

本実施形態に係るレーザ発振装置１は、励起光源６としてレーザダイオードを使用している。レーザダイオード６から出力されるレーザ光は、励起光７として増幅媒体３に照射され、増幅媒体３を励起する。レーザダイオード６は、増幅媒体３のうち、共振器１３の光路軸１５を含む領域に励起光７を照射することができる限り任意の位置に配設されることができ、本実施形態に係るレーザ発振装置１においては、共振器１３の光路軸１５上にレーザダイオード６が配置され、このレーザダイオード６から出力された励起光７が全反射鏡２を透過して、増幅媒体３に照射される端面励起方式を採用している。この他にも、レーザダイオード６は、例えばレーザダイオード６の増幅媒体３への励起光７の光路が、共振器１３の光路軸１５に対して傾斜する位置に配設されることができる。また、増幅媒体３が充分に小さい場合や、充分に小さい増幅媒体３が励起光７に対して非活性な材料で囲まれている場合は、レーザダイオード６は、励起光７が共振器１３の光路軸１５に対して垂直な角度で、増幅媒体３を照射する位置に配設されても良い。

全反射鏡２と部分反射鏡５とで形成される共振器１３の間には、通常、増幅媒体３と可飽和吸収体４とが励起光７が照射される側からこの順に配置される。しかし、可飽和吸収体４が励起光７を吸収しない材料である場合、又は励起光７が可飽和吸収体４を介さずに増幅媒体３に直接に照射されるように励起光源６が配設されている場合等には、増幅媒体３と可飽和吸収体４との順番を入れ替えることもできる。

増幅媒体３は、励起光７が照射されると励起され誘導放出の起こる結晶体であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ等が好適に使用される。

可飽和吸収体４は、レーザ発振装置１においてＱスイッチとしての機能を有する。可飽和吸収体４は、例えば増幅媒体３から誘導放出される光及びフラッシュランプ等の外部光源１０から照射される光９等の特定の波長を有する光を吸収し、所定以上の強度を有する光が照射されると、光の吸収が飽和状態となり、光の透過率が一時的に増大する結晶体であり、例えば、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧが好適に使用される。

全反射鏡２は、発振波長１２を９９％より大きな反射率（ほぼ１００％の反射率）で反射し、それ以外の波長の光を透過する特性を有する。部分反射鏡５は、発振波長１２を１０〜９８％、好ましくは６０〜９０％の反射率で反射するとともにその残りの発振波長１２を透過する特性を有する。図１に示すように、本実施形態のレーザ発振装置１においては、全反射鏡２と部分反射鏡５とは、それぞれ独立した部品となっているが、増幅媒体３における励起光７が入射される側の面に全反射鏡２がコーティングされることにより全反射鏡２が形成されても良いし、可飽和吸収体４における増幅媒体３が配置されている側とは反対側の面に部分反射鏡５がコーティングされることにより部分反射鏡５が形成されても良い。

また、本実施形態のレーザ発振装置１においては、全反射鏡２と増幅媒体３と可飽和吸収体４と部分反射鏡５とがそれぞれ分離されて設置されているが、これらの光学部品すべてが密着するように配置されても良いし、一部の光学部品のみが密着するように配置されても良い。

外部光源１０は、外部光源１０から可飽和吸収体４に光９を照射することにより、可飽和吸収体４における発振波長１２に対する透過率を変化させることのできる波長の光を含んでいる限り、任意の光を出力する装置を使用することができる。本実施形態のレーザ発振装置１においては、外部光源としてフラッシュランプ１０を用いている。この他にレーザダイオード等を使用することができる。フラッシュランプ１０は、さまざまな波長を含む光を出力するので、そのうちの特定の波長を有する光のみが、可飽和吸収体４における発振波長１２に対する透過率を変化させることに寄与し、その他の光は透過率を変化させることに寄与せず、これらの光は有効に利用されない。一方、レーザダイオードは単一の波長を有するレーザ光を出力することができるので、所望の波長を有するレーザ光を可飽和吸収体に照射することができ、出力されたレーザ光は、ほぼすべて可飽和吸収体の発振波長に対する透過率を変化させることに利用される。すなわち、外部光源で消費されるエネルギーが可飽和吸収体の発振波長に対する透過率を変化させるために有効に使用されるため、システム全体の消費電力を抑えられるばかりでなく、可飽和吸収体の温度上昇を抑制できるので好ましい。

本実施形態のレーザ発振装置１においては、図１に示すように、フラッシュランプ１０は、共振器１３の光路軸１５に直交する方向から可飽和吸収体４に対して光９を照射しているが、外部光源の一例であるフラッシュランプ１０からの光９が可飽和吸収体４のうちの、共振器１３の光路軸１５を含む領域に照射される限り、任意の位置に外部光源１０を配置することができる。外部光源１０としてレーザダイオードを採用した場合に、レーザダイオードから可飽和吸収体４に光９を照射することのできるレーザダイオードの配置としては、例えば、図２〜図４に示されるような配置をとることができる。図２は、外部光源の一例であるレーザダイオード２１０の可飽和吸収体２０４への光２０９の光路が、共振器２１３の光路軸２１５に対して直交する位置にレーザダイオード２１０を配置した場合の一例である。図３は、外部光源の一例であるレーザダイオード３１０の可飽和吸収体３０４への光３０９の光路が、共振器３１３の光路軸３１５に対して傾斜する位置にレーザダイオード３１０を配置した場合の一例である。図４（ａ）、（ｂ）は、外部光源の一例である複数のレーザダイオード４１０が共振器４１３の光路軸４１５を中心とした円周上に配置され、それぞれのレーザダイオード４１０の可飽和吸収体４０４への光４０９の光路が、共振器４１３の光路軸４１５に対して直交又は傾斜する位置にレーザダイオード４１０が配置された場合の一例である。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図５は、本実施形態のレーザ発振装置の制御手段を説明するための構成図である。制御手段５１１は、外部光源５１０から出力される光５０９の強度を調整することができれば良く、さらに、外部光源５１０の稼動タイミング及び励起光源５０６の稼動タイミングを調整できると、より好ましい。制御手段５１１は、図５に示すように、制御回路５２１を備え、この制御回路５２１により上記調整が行われると、所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザ５１４を容易にかつ精度良く発振可能なレーザ発振装置を提供することができるので好ましい。図５に示す例においては、外部入力手段５２２に所望のパルスエネルギーと所望の発振タイミングとを入力することにより、信号が制御回路５２１に送信され、この制御回路５２１により外部光源５１０から出力される光５０９の強度、外部光源５１０の稼動タイミング、励起光源５０６の稼動タイミングが解析され、制御回路５２１から出力された出力信号により外部光源５１０に備えられた制御電源５２３と励起光源に備えられた制御電源５２４とが制御される。なお、パルスエネルギーと発振タイミングとを外部入力手段５２２に入力するのではなく、フィードバック信号５２５によりこれらの値が決定され、決定された信号が制御回路５２１に送信されるようにしても良い。

次に、図２及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、レーザ発振装置１の作用について説明する。図２に示すように、励起光源の一例であるレーザダイオード２０６から出力された励起光２０７は、全反射鏡２０２を透過して増幅媒体２０３に入射される。入射された励起光２０７は増幅媒体２０３に吸収されて時間と共に励起され、反転分布密度が閾値を超えた時点で発振する。
増幅媒体２０３から誘導放出された光が全反射鏡２０２と部分反射鏡２０５とにより形成される共振器２１５内を往復する過程において、可飽和吸収体２０４が、共振器２１５内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する透過率が急激に上昇する。同時に、反転分布密度が閾値に達すると共に共振器２１５に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるＱ値が急激に上昇し、レーザ２１４の出力が急激に増加する。レーザ２１４の出力の急激な増加に伴い、増幅媒体２０３の反転分布密度は急激に減少するので短時間の内にレーザ２１４の出力は減少に転じ、発振が終了する。そのため、発振されたレーザ２１４はパルスとなる。

レーザダイオード２０６からの励起光２０７が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ発振装置２０１からパルスレーザ２１４が所定間隔で出力される。一方、増幅媒体２０３の反転分布密度が閾値に達した後に、レーザダイオード２０６から出力される励起光２０７を速やかに止めると、単一のパルスレーザ２１４となる。

本発明においては、パルスレーザの１パルスあたりのエネルギー、すなわちパルスエネルギーを変化させるために、可飽和吸収体における発振波長に対する基準透過率を変化させる。基準透過率とは、励起光が可飽和吸収体に照射される前における、発振波長に対する透過率である。換言すると、基準透過率とは、励起光以外の要因によってのみ決定される、発振波長に対する透過率である。また、外部光源等からの光が可飽和吸収体に照射される前における基準透過率は、可飽和吸収体固有の特性値である、一般に初期透過率と称される値に一致する。

可飽和吸収体は、所定範囲の波長を有する光を吸収することにより、発振波長に対する透過率が大きくなる。したがって、励起光以外の外部光源等の光を照射して、可飽和吸収体における発振波長に対する透過率を増大させると、基準透過率が大きくなる。基準透過率が大きくなると、増幅媒体におけるレーザ発振するための反転分布密度の閾値は低くなるので、レーザ発振時の反転分布密度は低くなる。その結果、外部光源からの光で可飽和吸収体を照射しないときより、低いパルスエネルギーを有するパルスレーザが発振される。

従来は、レーザ発振装置に設置されている可飽和吸収体を、発振波長に対する透過率の異なる可飽和吸収体に交換することにより、可飽和吸収体の発振波長に対する基準透過率を変化させる方法を用いて、パルスエネルギーを変化させることがあった。しかし、光学部品を交換することは、高い精密性が要求されるレーザ発振装置にとって好ましくない。
そこで、本発明においては、外部光源として、例えば発振波長と同等の波長を有するレーザ光等の光を、可飽和吸収体に照射して、可飽和吸収体の発振波長に対する基準透過率を上昇させることにより、外部光源からの光で可飽和吸収体を照射しないときより、低いパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振させることができる。したがって、本発明に係るレーザ発振装置によれば、１つの可飽和吸収体をレーザ発振装置に設置したままで、外部光源から可飽和吸収体に照射される光の強度を調整することにより、所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振させることができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、図２に示した構成を有するレーザ発振装置において、励起光を出力した後の、パルスエネルギー、反転分布密度の発振閾値、可飽和吸収体の発振波長に対する透過率、外部光源のレーザ光の強度、増幅媒体の反転分布密度、及び励起光源の励起光の強度についての動作を模式的に表した図である。

図６（ａ）は、外部光源２１０から可飽和吸収体２０４にレーザ光２０９を照射しない場合の例である。外部光源２１０から可飽和吸収体２０４にレーザ光２０９を照射していないので、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率と増幅媒体２０３における反転分布密度の発振閾値に変化がない。励起光２０７が増幅媒体２０３に照射されると、次第に増幅媒体の反転分布密度が高くなる。可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する透過率が急激に上昇すると共に、各種パラメータによって決定される反転分布密度の発振閾値に達すると、レーザ２１４が発振し、反転分布密度が急激に減少に転じるので、レーザ２１４の出力は止まる。このとき出力されたレーザ２１４は、後で説明する図６（ｂ）、（ｃ）の場合に比べて高いエネルギーを有するパルスレーザ２１４となる。励起光２０７は連続して増幅媒体２０３に入射されているので、上記過程が繰り返し行われ、パルスレーザ２１４が所定間隔で出力される。

図６（ｂ）は、外部光源２１０から可飽和吸収体２０４にレーザ光２０９を照射した場合の例である。図６（ｂ）に示すように、外部光源２１０からレーザ光２０９を可飽和吸収体２０４に連続照射すると、図６（ａ）に示したレーザ光２０９を可飽和吸収体２０４に照射しない場合に比べて、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率は高くなるので、レーザ発振するための反転分布密度の発振閾値は相対的に低くなる。そのため、図６（ａ）に示した反転分布密度に比べて低い反転分布密度でレーザが発振されるので、図６（ａ）のパルスレーザ２１４のエネルギーよりも低いエネルギーを有するパルスレーザ２１４が出力される。また、図６（ａ）と同じ強度の励起光２０７が連続照射されており、かつ、図６（ａ）に比べて反転分布密度の発振閾値は低いので、反転分布密度の発振閾値に達する時間は、図６（ａ）の場合に比べて短くなる。したがって、パルスレーザ２１４の出力間隔は、図６（ａ）に比べて短くなる。

図６（ｃ）は、外部光源２１０から可飽和吸収体２０４にレーザ光２０９を照射し、かつ、図６（ｂ）に比べて外部光源２１０のレーザ光２０９の強度が高い場合の例である。図６（ｃ）に示すように、図６（ｂ）に比べて強度の高いレーザ光２０９を外部光源２１０から可飽和吸収体２０４に連続照射すると、図６（ｂ）に比べて可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率は高くなるので、図６（ｂ）に比べてレーザ発振するための反転分布密度の発振閾値は低くなる。そのため、図６（ｂ）に示した反転分布密度に比べて低い反転分布密度でレーザが発振されるので、図６（ｂ）に示したパルスレーザ２１４のエネルギーよりも低いエネルギーを有するパルスレーザ２１４が出力される。図６（ｃ）においても図６（ａ）と同じ強度の励起光２０７が連続照射されているので、反転分布密度の発振閾値に達する時間は、図６（ａ）、（ｂ）の場合に比べて短くなる。したがって、パルスレーザ２１４の出力間隔は、図６（ａ）、（ｂ）に比べて短くなる。

図７は、図２に示した構成を有するレーザ発振装置において、外部光源から出力される光の強度と外部光源の稼動タイミングと励起光源の稼動タイミングとを制御した場合における、パルスエネルギー、反転分布密度の発振閾値、可飽和吸収体の発振波長に対する透過率、外部光源のレーザ光の強度、増幅媒体の反転分布密度、及び励起光源の励起光の強度についての動作を模式的に表した図である。

まず、図７のパルスレーザ（ａ）が出力される際の前記各種パラメータの動作について説明する。外部光源２１０から可飽和吸収体２０４にレーザ光２０９を照射すると、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率は次第に高くなるのと共に、反転分布密度の発振閾値は低下する。反転分布密度の発振閾値の低下が飽和した後に、励起光源２０６を稼動させると、反転分布密度は次第に上昇する。可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する透過率が急激に上昇し、同時に反転分布密度が反転分布密度の発振閾値に達するとパルスレーザ（ａ）が発振する。

次に、図７のパルスレーザ（ｂ）が出力される際の前記各種パラメータの動作について説明する。外部光源２１０からレーザ光２０９を可飽和吸収体２０４に照射すると、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率は次第に高くなるのと共に、レーザ発振するための反転分布密度の閾値は低下する。外部光源２１０から出力されたレーザ光２０９の強度は、パルスレーザ（ａ）が出力されるときに可飽和吸収体２０４に照射されたレーザ光２０９の強度に比べて低いので、可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率はパルスレーザ（ａ）が出力されるとき程高くはならず、レーザ発振するための反転分布密度の発振閾値の低下の度合いも少ない。反転分布密度の発振閾値の低下が飽和した後に、励起光源２０６を稼動させると、反転分布密度は次第に上昇する。可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する透過率が急激に上昇し、同時に反転分布密度が反転分布密度の発振閾値に達するとパルスレーザ（ｂ）が発振する。パルスレーザ（ｂ）のパルスエネルギーは、パルスレーザ（ａ）のパルスエネルギーより高い。なぜなら、パルスレーザ（ａ）よりもパルスレーザ（ｂ）を出力するときの方が強度の低いレーザ光２０９を可飽和吸収体２０４に照射しているので、パルスレーザ（ａ）よりもパルスレーザ（ｂ）を出力するときの方が可飽和吸収体２０４の発振波長２１２に対する基準透過率が低い。したがって、パルスレーザ（ａ）よりもパルスレーザ（ｂ）を出力するときの方が、反転分布密度の発振閾値が高く、レーザ発振する際の反転分布密度は高くなっているので、パルスレーザ（ａ）よりもパルスレーザ（ｂ）のパルスエネルギーの方が高くなる。このとき、図７に示すように、パルスレーザ（ａ）よりパルスレーザ（ｂ）を出力するときの方が、励起光源２０６から出力される励起光２０７の強度は高い。又は励起光源２０６を稼動する時間は長くなる。また、図６（ａ）〜（ｃ）においては、励起光２０７及び外部光源２１０からのレーザ光２０９は連続して照射されているので、所定間隔でパルスレーザ２１４が出力されているが、図７に示すように、励起光２０７を断続的に照射することにより、所望のタイミングでパルスレーザを出力することができる。さらに外部光源２１０のレーザ光２０９の強度を調整することにより、パルスエネルギーを調整することができる。パルスレーザが出力されるタイミングをより一層厳密に制御する必要がある場合には、外部光源２１０のレーザ光２０９の強度と励起光源２０６の稼動タイミングとを制御すれば良い。なぜなら、励起光源２０６が稼動を開始してからパルスが出力されるまでの時間は、外部光源２１０のレーザ光２０９の強度に依存するからである。なお、実際には、励起光源２０６の電源をｏｆｆにするタイミングは、外部光源２１０から出力されるレーザ光２０９及び励起光源２０６から出力される励起光２０７の強度のふらつきを考慮して設定され、パルスレーザ２１４が出力される時間より若干遅めに設定される。

本実施形態のレーザ発振装置は、内燃機関の気筒に装着し、燃焼室内にパルスレーザを照射することにより、燃焼室内にある燃料に着火することができるので、内燃機関用レーザ着火装置として使用することができる。図８は、本実施形態のレーザ発振装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。内燃機関の気筒８００は、シリンダブロック８０１とシリンダヘッド８０２とピストン８０３とにより形成され、シリンダブロック８０１とシリンダヘッド８０２とピストン８０３とにより囲まれて形成される空間が燃焼室８０４である。シリンダヘッド８０２には燃料と空気との混合気を供給する吸入管８０５が接続され、吸入弁８０６の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド８０２には混合気を排出する排気管８０７が接続され、排気弁８０８の開閉により混合気の排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ発振装置１は、燃焼室８０４内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図８に示すようにシリンダヘッド８０２における吸入弁８０６と排気弁８０８との間に、本実施形態のレーザ発振装置を設置することができる。レーザ発振装置から出力されたパルスレーザは燃焼室８０４内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの結像点を起点に燃焼室８０４内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。

本実施形態のレーザ発振装置が内燃機関用レーザ着火装置として使用される場合には、制御手段は制御回路を有するのが好ましい。この制御回路で外部光源から出力される光の強度と外部光源の稼動タイミングと励起光源の稼動タイミングとを制御することにより、内燃機関の稼動状態に応じて、所望のタイミングで所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを容易にかつ確実に発振させることができる。図５に示すように、内燃機関に取り付けられた種々のセンサ（図示せず。）により得られる信号がフィードバック信号５２５として外部入力手段５２２に送信され、このフィードバック信号５２５からパルスレーザの出力タイミングとパルスエネルギーとを解析し、解析結果の信号が制御回路５２１に送信される。制御回路５２１にて外部光源５１０の稼動タイミングと外部光源５１０から出力される光の強度と励起光源５０６の稼動タイミングとが解析され、この解析結果から外部光源５１０の制御電源５２３と励起光源５０６の制御電源５２４へと制御信号が送信される。そして、外部光源５１０から所望のタイミング及び強度を有する光が可飽和吸収体に照射され、かつ、励起光源５０６から所望のタイミングで励起光が出力されることにより、所望のタイミング及びパルスエネルギーを有するパルスレーザが、内燃機関の燃焼室内に出力される。したがって、内燃機関の稼動状況に応じて、所望のように燃焼室内の燃料を着火させることができる。また、本実施例の内燃機関用レーザ着火装置は、燃焼室内の混合気における燃料の割合が低い場合には、燃料に着火させるのに十分なだけの低いパルスエネルギーのパルスレーザを出力させることができるので、消費電力を抑えた内燃機関用レーザ着火装置とすることができる。

図１は、本発明の一実施例であるレーザ発振装置の構成説明図である。 図２は、本発明の他の実施例であるレーザ発振装置の構成説明図である。 図３は、本発明の他の実施例であるレーザ発振装置の構成説明図である。 図４（ａ）は、本発明の他の実施例であるレーザ発振装置の構成説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図５は、本発明の一実施例であるレーザ発振装置の制御手段を説明するための構成図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、図２に示した構成を有するレーザ発振装置において、励起光を出力した後の、パルスエネルギー、反転分布密度の発振閾値、可飽和吸収体の透過率、外部光源のレーザ光の強度、増幅媒体の反転分布密度、及び励起光源の励起光の強度についての動作を模式的に表した図である。 図７は、図２に示した構成を有するレーザ発振装置において、外部光源から出力される光の強度と外部光源の稼動タイミングと励起光源の稼動タイミングとを制御した場合における、パルスエネルギー、反転分布密度の発振閾値、可飽和吸収体の透過率、外部光源のレーザ光の強度、増幅媒体の反転分布密度、及び励起光源の励起光の強度についての動作を模式的に表した図である。 図８は、本実施形態のレーザ発振装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。

符号の説明

１、２０１、３０１、４０１ レーザ発振装置
２、２０２、３０２、４０２ 全反射鏡
３、２０３、３０３、４０３ 増幅媒体
４、２０４、３０４、４０４ 可飽和吸収体
５、２０５、３０５、４０５ 部分反射鏡
６、２０６、３０６、４０６、５０６ 励起光源、レーザダイオード
７、２０７、３０７、４０７、５０７ 励起光
８、２０８、３０８、４０８ Ｑスイッチ固体パルスレーザ
９、２０９、３０９、４０９、５０９ 光
１０ 外部光源、フラッシュランプ
１１、２１１、３１１、４１１、５１１ 制御手段
１２、２１２、３１２、４１２ 発振波長
１３、２１３、３１３、４１３ 共振器
１４、２１４、３１４、４１４、５１４ パルスレーザ
１５、２１５、３１５、４１５ 光路軸
２１０、３１０、４１０ 外部光源、レーザダイオード
５１０ 外部光源
５２１ 制御回路
５２２ 外部入力手段
５２３、５２４ 制御電源
５２５ フィードバック信号
８００ 気筒
８０１ シリンダブロック
８０２ シリンダヘッド
８０３ ピストン
８０４ 燃焼室
８０５ 吸入管
８０６ 吸入弁
８０７ 排気管
８０８ 排気弁

Claims (5)

1. 増幅媒体及び可飽和吸収体を有する共振器と、前記可飽和吸収体に光を照射することにより、前記可飽和吸収体における発振波長に対する透過率を上昇させる外部光源と、前記外部光源から出力される光の強度を調整可能な制御手段とを備えて成ることを特徴とするレーザ発振装置。
2. 前記制御手段は、前記外部光源から出力される光の強度と前記外部光源の稼動タイミングと前記増幅媒体に励起光を照射する励起光源の稼動タイミングとを制御する制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記外部光源は、レーザを出力することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記外部光源の出力波長は、前記発振波長と同じ波長を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ発振装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ発振装置と前記励起光源とを有するレーザ発振装置。

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