JP5330801B2 - レーザ利得媒質、レーザ発振器及びレーザ増幅器 - Google Patents

Description

本発明はレーザに関し、特に利得媒体の構造に関する。

近年、レーザ加工等の分野において、小型、高出力で、かつ高ビーム品質を有するレーザ装置が望まれている。従来、高出力レーザとしては、出力、ビーム品質の観点からガスレーザが広く用いられていた。最近ではレーザダイオード（ＬＤ）を励起光源として用いたＬＤ励起固体レーザが急激に普及してきている。

固体レーザ方式を用いて出力レーザビームの高出力化を実現するためには、レーザ利得材料である固体中に発生する熱の排熱が大きな問題となっている。

図１は、ロッド型の固体レーザシステムを示す。ロッド型レーザ利得材料１０１の円筒形の側面から励起光１０２が供給され、増幅されたレーザ光１０３がロッド端部から出力される。この型のレーザシステムでは、ロッド型レーザ利得材料１０１の内部に半径方向の温度勾配が発生する。この温度勾配は、レーザビームの品質の低下やレーザ出力の低下の原因となる。更に、温度勾配に対するレーザ利得材料の耐久性を考慮して出力を抑制することが必要となる。更に、レーザ利得媒質としての結晶育成の点から大口径化が困難であり、大出力化には限界がある。

上記のロッド型レーザ利得材料内の温度勾配を減少させる方式として、板状のレーザ利得材料を有するスラブ型のレーザシステムが考案された。この方式では、レーザ光が板状のレーザ利得材料の中を全反射しながらジグザグに伝播し増幅される。このスラブ方式では、レーザ利得材料内に温度勾配が生じても、その温度勾配中をレーザ光がジグザグに伝播することで、レーザ利得材料内に発生する温度勾配の影響をキャンセルすることができる。

更に、固体レーザシステムに特有の熱の問題を解決するためにディスク型のレーザ利得材料を用いた方式が知られている。図２は、ディスク型の一例である透過型のレーザ方式を示す。薄いディスク型のレーザ利得材料１１１に外部から励起光１１２が供給される。レーザ利得材料１１１の一方の表面からレーザ光１１４が供給され、他方の表面から増幅されたレーザ光１１３が出力される。このディスク方式では、レーザ利得材料を薄いディスク形状とすることにより、外部からの励起光の受光面を大きくとることができる。さらに、ディスク面全体で均一に冷却することが可能であり、レーザ利得材料の温度勾配を小さく抑えることができる。

ディスク型のレーザ方式は、レーザ光の増幅の方法により、図２に示した透過型方式と、図３に示した反射型（アクティブミラー型）方式に大別される。

透過型のディスク型固体レーザシステムにおいては、レーザ利得材料であるディスク１１１に外部からの励起光１１２の照射によってディスク内の温度が上昇し、温度勾配が発生する。この温度上昇及び温度勾配を解消するため、ディスク表面と裏面に冷却媒質を供給して放熱１１５を行う。

透過型のディスク型固体レーザシステムにおいては、冷却媒質を通過したレーザビームが出力される。そのため、出力レーザビームの歪や、運用上の制限（例えば、レーザ発振中は冷却媒質の供給を停止する）等の問題が生じる。

それに対して、図３に例示されるアクティブミラー型固体レーザシステムにおいては、レーザ利得材料である薄膜ディスク１２１の一方の表面を反射膜で覆うことで、レーザ光１２３は、反射膜と反対側の表面から入力され且つ出力される。同時に、反射膜で覆われた面全体に熱を排出する機構を設けることで、レーザ利得材料中に蓄積された熱を効率的に放熱１２５することができる。更に、増幅したレーザ光を冷却機構の影響を受けずに出力することが可能となる。また、透過型と比較して、レーザ光の光路に折り返しがあるため、レーザ光が帰路の１パス分余分に増幅される。そのため、同じ形状のディスクを用いた場合、反射型の方が透過型よりもレーザ光の増幅度が大きいという利点がある。

以下にレーザ技術に関する先行技術文献を挙げる。
特開平９−３１２４３０号公報 特開２００６−２３７１７０号公報

以上のように、固体レーザシステムでは、光学的な励起によってレーザ利得媒質内に大量の熱が発生し、レーザ利得媒質の温度が上昇する。このため、連続してレーザを作動させるにはレーザ利得媒質を冷却して排熱する必要がある。

固体レーザ媒質は、通常、熱伝導性が低いため、熱い内面と冷却された外面との間に大きな温度勾配が生じる。このことによって、屈折率の勾配、機械的応力、偏光解消、離調等の現象が起こる。結果として、ビーム品質の低下、レーザ出力の低下、および固体レーザ媒質の破断などが起こりやすい。このような現象は、固体レーザを高出力に拡張する際に大きな問題を引き起こす。

大出力レーザでは、大量のエネルギをレーザ利得媒質内に溜め込む必要がある。一方、多段増幅によって大きな利得を得る技術がある。この場合、それぞれのレーザ利得媒質が独立しているため、振動などで被増幅光の光軸がずれるという問題がある。

高いビーム品質を有するレーザ光を得るためには、被増幅光がレーザ利得媒質内を伝播する領域において均一な励起分布であることが要求される。

同時に、励起光の吸収により発生する熱による、レーザ利得媒質の温度変化が大きいと、レーザ利得媒質全体として、温度勾配を生じ、レーザ発振に悪影響を与えるので、各レーザ媒質毎の温度を均一にすることが要求される。

本発明の目的は、利得媒質の発熱による悪影響を抑制して、高品質、高出力のレーザ光を生成することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）は、レーザ光を透過し、入射面（Ｓ１）と、第１面（４ａ）と、第１面に対向する第２面（４ｂ）とを有する光学媒質（１）と、第１面において光学媒質に接合され、レーザ光を増幅する複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）と、第２面において光学媒質に接合され、レーザ光を増幅する少なくとも１つの第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）とを備える。複数の第１面側利得媒質のそれぞれの第１面に対向する側の面である複数の第１反射面と、第２面側利得媒質の第２面に対向する側の面である第２反射面とは、入射面から所定の角度で入射するレーザ光のジグザグに進行するジグザグ光路を形成する。

本発明によるレーザ利得媒質において、複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）と少なくとも１つの第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）は、光学媒質と同一の光学的材料に活性元素を添加した材料により形成されている。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）において、光学媒質（１）にはレーザの利得に寄与する活性元素が添加されていない。従って、光学媒質（１）を励起光が通過しても、励起光の吸収による熱の発生は生じない。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）において、光学媒質（１）にはレーザの利得に寄与する活性元素が添加されていないため、励起光の吸収による熱の発生は生じないので、光学媒質（１）そのものが、これに接する複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）、第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）において、発生する熱を均一かつ効率的に除去する効果を与える。

本発明によるレーザ利得媒質において、複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）と少なくとも１つの第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）とを要素とする利得媒質群の各要素は、互いに励起光吸収率が異なる。

本発明によるレーザ利得媒質において、利得媒質群（２ａ〜２ｅ）の励起光吸収量は、励起光を吸収することで発生する熱が前記利得媒質毎に均一となるように、活性イオンのドープ量と、前記光学媒質との接触面に垂直な方向の厚さとの少なくとも一方が調整されている。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）において、複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）、第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）において励起光の吸収により発生する熱による各利得媒質の温度を各レーザ利得媒質の厚さ、または、ドープ量を調整することで、均一とすることにより、レーザ利得媒質（１０）内の温度勾配が発生せず、高品質、高出力なレーザ光発振が可能となる。

本発明によるレーザ利得媒質において、利得媒質群（２ａ〜２ｅ）のそれぞれに同一の励起光が供給された場合、ジグザグ光路上で励起光源により遠い側の利得媒質は励起光吸収率が大きい。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）における、複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）、第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）において励起光の吸収により発生する熱による各利得媒質の温度は各レーザ利得媒質の厚さ、または、ドープ量を調整することで、均一になっている。

本発明によるレーザ利得媒質システムは、本発明によるレーザ利得媒質（１０）と、レーザ利得媒質の第１面側と第２面側とを冷却する冷却手段とを備える。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）において、複数の第１面側利得媒質（２ａ、２ｃ、２ｅ）と、少なくとも１つの第２面側利得媒質（２ｂ、２ｄ）は、それぞれ薄い板状をしている。そのため、レーザ利得媒質（１０）の第１面側及び第２面側を冷却する冷却装置により、均一かつ効率的に冷却される。

本発明によるレーザ利得媒質（１０）において、光学媒質（１）と各レーザ利得媒質は、接着剤、光学結合等により接合され、一体形状となっているため、振動が加わった場合にも、被増幅光の光軸がずれることはない。

本発明によるレーザ発振器は、入力側反射ミラー（５）と出力側反射ミラー（６）とからなる光共振器と、入力側反射ミラーと出力側反射ミラーとの間に配置された本発明によるレーザ利得媒質（１０）と、レーザ利得媒質に励起用レーザ光を供給する励起光源（２）とを備える。励起光源から所定の角度で入射する励起光と、光共振器内で発生したレーザ光とは、ジグザグ光路に沿って進行する。

本発明によるレーザ発振器は、入力側反射ミラー（５）と出力側反射ミラー（６）とからなる光共振器と、入力側反射ミラーと出力側反射ミラーとの間に配置された本発明によるレーザ利得媒質（１０）と、レーザ利得媒質に正対する方向から、各レーザ利得媒質に励起光を供給する励起光源（２）とを備える。光共振器内で発生したレーザ光は、ジグザグ光路に沿って進行する。

本発明によるレーザ増幅器は、本発明によるレーザ利得媒質（１０）と、レーザ利得媒質に励起用レーザ光を供給する励起光源（２）と、被増幅レーザ光を供給する被増幅レーザ光源と、被増幅レーザ光を励起用レーザ光と同軸の光路に導く入射光学系（５）と、レーザ利得媒質を通過した被増幅レーザ光を励起用レーザ光と同軸の光路と異なる方向に導く出射光学系（９）とを備える。励起光源からレーザ利得媒質に入射する励起光と、被増幅光源から入射する被増幅レーザ光とは、同軸にジグザグ光路に沿って進行する。

本発明によるレーザ増幅器は、本発明によるレーザ利得媒質（１０）と、レーザ利得媒質に励起用レーザ光を供給する励起光源（２）と、被増幅レーザ光を供給する被増幅レーザ光源と、被増幅レーザ光をレーザ利得媒質に導く被増幅レーザ光用入射光学系（５）と、レーザ利得媒質に正対する方向から、レーザ利得媒質に励起光を供給する励起光用光学系とを備える。被増幅光源から入射する被増幅レーザ光は、ジグザグ光路に沿って進行する。

本発明により、励起光の吸収によるレーザ利得媒質の発熱による悪影響を抑制して、高品質、かつ高出力のレーザ光を生成することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図４は、第１実施形態におけるレーザ利得媒質体の構成を示す。レーザ利得媒質体１０は、光学媒質１と、複数のレーザ利得媒質２ａ〜２ｅとが結合されたコンポジット型の利得媒質体である。

光学媒質１は、複数のレーザ利得媒質２ａ〜２ｅと同一の光学材料を用い、レーザ光の利得に寄与する活性元素（Ｎｄ、Ｙｂ等）がドープされていないセラミック素材等によって形成される。光学媒質１は、ｙｚ平面に平行で互いに対向する２つの側面を有する。この側面の形状は、ｚ軸正方向に上辺、ｚ軸負方向に下辺、ｙ軸方向の両端部に斜辺を有する台形である。光学媒質１は、２つの側面のそれぞれの上辺に隣接する面である平坦な上面４ｂを有する。上面４ｂはｘｙ平面に平行である。光学媒質１は更に、２つの側面のそれぞれの底辺に隣接する面である平坦な底面４ａを有する。底面４ａはｘｙ平面に平行であり、上面４ｂに対向する。光学媒質１は更に、ｙ軸負方向に、２つの側面と上面４ｂと底面４ａとに隣接する平坦な面である第１の端面Ｓ１を有する。第１の端面Ｓ１は、底面４ａに対して９０度よりも小さい一定の傾斜角度で接する。光学媒質１は更に、ｙ軸正方向に、２つの側面と上面４ｂと底面４ａとに隣接する平坦な面である第２の端面Ｓ２を有する。第２の端面Ｓ２は、底面に対して９０度よりも小さい一定の傾斜角度で接する。これらの傾斜角度は、励起光またはレーザ光を後述するジグザグな光路に導入するときに、端面における反射を少なくするように設定される。

光学媒質１の上面４ｂに、複数のレーザ利得媒質２ｂ、２ｄが接合される。各々のレーザ利得媒質２ｂ、２ｄにはレーザ利得に寄与する活性元素がドープされる。光学媒質１の底面４ａに、複数のレーザ利得媒質２ａ、２ｃ、２ｅが接合される。各々のレーザ利得媒質２ａ、２ｃ、２ｅにはレーザ利得に寄与する活性元素がドープされる。レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの各々は、スラブ型（薄い平板状）の部材である。

レーザ利得媒質２ａ〜２ｅは、光学材料としてイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）セラミックス素材、結晶等を用い、活性元素（Ｎｄ、Ｙｂ等）をドープした媒質である。レーザ利得媒質体１０は、光学媒質１とレーザ利得媒質２ａ〜２ｅとを焼結時に接合したコンポジット型の部材である。あるいは光学媒質１とレーザ利得媒質２ａ〜２ｅは、接着剤、光学的接合などにより接合される。光学媒質１とレーザ利得媒質２ａ〜２ｅが一体的に結合されているため、振動が加わった場合にもレーザ利得媒質体１０に光学的なずれが発生しない。

レーザ媒質にセラミックス素材を用いることにより、大出力レーザに適した大型のレーザ媒質の使用が可能となる。このような大型化が可能なセラミックス素材を用いることによって、励起面積を広げることが可能であるため、また、セラミックス素材の高い熱破壊特性により光強度の大きい励起光をレーザ利得媒質で吸収させることができる。

図５は、レーザ利得媒質体１０を用いたレーザ発振器の構成を示す断面図である。レーザ発振器は、入力側反射ミラーであるレーザ光全反射ミラー５と出力側反射ミラーである出力ミラー６とからなる光共振器を備える。レーザ利得媒質体１０は、レーザ光全反射ミラー５と出力ミラー６との間に配置される。

励起光源２から出力された励起光３は、レーザ光全反射ミラー５を透過して端面Ｓ１に入射する。入射した励起光３は、底面４ａ側のレーザ利得媒質２ａ、２ｃ、２ｅと上面４ｂ側のレーザ利得媒質２ｂ、２ｄとにおいて交互に反射することにより、ジグザグの光路を形成する。図５の場合、第１の端面Ｓ１から入射した励起光３は、レーザ利得媒質２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの順序で反射する。

励起光３は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの各々の光学媒質１との接合面に対して反対側の面（以後、背面側と記載する）において反射する。例えば光学媒質１の底面４ａ側に接合するレーザ利得媒質２ａ、２ｃ、２ｅは、光学媒質１の底面４ａに対して反対側の面、すなわちｚ軸負方向側に位置する面に反射面を有する。光学媒質１の上面４ｂ側に接合するレーザ利得媒質２ｂ、２ｄは、光学媒質１の上面４ｂと反対側の面、すなわちｚ軸正方向側に位置する面に反射面を有する。これらの反射面には、高反射コーティングが施されていてもよい。より好ましくは、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅは、ジグザグ光路に導入された励起光３が全反射する位置に配置され、高反射コーティングは施されない。こうした全反射を利用した構成は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの配置と、第１の端面Ｓ１に入射する励起光３の入射角を調整することにより実現できる。

励起光３は、光学媒質１を通過しているときは吸収されない。励起光３は、光学媒質１の上面４ｂまたは底面４ａを通ってレーザ利得媒質２ａ〜２ｅの各々に進入し、各レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの内部で吸収され、その背面で反射して、再び上面４ｂまたは底面４ａを通って光学媒質１に戻される。

レーザ利得媒質体１０の周囲に、ヒートシンク、または、液体窒素等が流れる流路などの冷却手段が設けられる。この冷却手段は、少なくともレーザ利得媒質２ａ〜２ｅの各々の背面側を冷却する。

励起光３は光学媒質１の内部で吸収されないため、光学媒質１それ自体は発熱しない。レーザ利得媒質２ａ〜２ｅは励起光３の吸収により発熱するが、薄い板状をしているため、背面側が冷却されることにより、効率的に且つ均一に冷却される。レーザ利得媒質２ａ〜２ｅで発生した熱は光学媒質１にも分散し、熱レンズ効果や熱複屈折による問題を緩和することができる。

一般的に高反射コーティングは熱伝導率が高くないことが多い。そのため、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅが背面に高反射コーティングをされておらず、全反射により励起光３を反射するタイプであると、熱伝導が良好であり、より効率的に冷却が行われる。

励起光３は、レーザ利得媒質体１０の利得媒質２ａ〜２ｅにより吸収される。励起光の吸収により発生したレーザ光は、レーザ光全反射ミラー５と出力ミラー６との間で共振し、出力ミラー６のレーザ利得媒質体１０と反対側の面からレーザ光４として出力される。

レーザ利得媒質２ａ〜２ｅは、各利得媒質において励起光の吸収により発生した熱温度が一定となるようにする。これは利得媒質の厚さの違いにより、または活性元素のドープ量の違いにより実現することができる。

本実施形態におけるレーザ利得媒質体１０は、上面４ｂと底面４ａに、複数のレーザ利得媒質が接合される。図４、図５の例では底面に３つ、上面に２つのレーザ利得媒質が接合されている。このような構成により、光路上の異なる位置に配置されたレーザ利得媒質に、互いに異なる調整された利得を持たせることが容易である。

レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの利得の一例を以下に示す。各レーザ利得媒質での励起光吸収により発生した熱による温度がほぼ均一となるように調整される。

光路上の励起光源２により近い位置では、励起光３がより強い。従って、同一の特性を有するレーザ利得媒質に励起光３が入射した場合は、励起光源２により近い位置のレーザ利得媒質ほど発熱量が大きい。本実施の形態におけるように、励起光源２から光路に沿って遠ざかるほどレーザ利得媒質における励起光の吸収率が大きくなるようにレーザ利得媒質２ａ〜２ｅの厚さまたは活性元素のドープ量を調整することにより、光路上の位置が異なるレーザ利得媒質における発熱量を均一化することができる。

図５に示した実施形態の変形例として、入射側反射ミラーを介して励起光を供給する代わりに、入射側反射ミラーの外から励起光を供給する方法を採用してもよい。例えば、波長による屈折率差を利用する等により、入力側反射ミラーの外から光学媒質の入射面に励起光を斜めに入射させることでジグザグ光路を形成するようにしてもよい。この場合はレーザ光と励起光のそれぞれの波長に対するブリュースター角を利用することで好適な結果を得ることができる。

図６は、第１実施形態の変形例におけるレーザ発振器を示す。この変形例では、上面に２つ、底面に２つのレーザ利得媒質２ａ〜２ｄが接合されている。側面は平行四辺形である。こうした構成によっても、レーザ利得媒質２ａ〜２ｄの利得を互いに異なるものとすることにより、上述の効果が得られる。

図７は、本発明の第２実施形態に係るレーザ増幅器の構成を示す。本実施形態に係るレーザ増幅器は、図４、図５を参照して説明されたレーザ利得媒質体１０を用いて実現することができる。レーザ増幅器は、レーザ利得媒質体１０、励起光源２、レーザ光全反射ミラー５、偏光回転素子７、全反射ミラー８、偏光ビームスプリッタ９を備える。

励起光源２が出力する励起光３は、レーザ光全反射ミラー５、偏光ビームスプリッタ８を透過して、レーザ利得媒質体１０に第１の端面Ｓ１から入射する。励起光３は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅを励起する。一方、レーザ光源から被増幅レーザ光４が導入され、レーザ光全反射ミラーによって、励起光３と同軸の光路に導かれる。被増幅レーザ光４は、レーザ利得媒質体１０の内部で増幅され、第２の端面Ｓ２から出射する。出射したレーザ光４は、全反射ミラー８において反射して第２の端面Ｓ２に戻る。レーザ光４は、第２の端面Ｓ２と全反射ミラー８との間に配置された偏光回転素子７を通過する際に偏光方向が所定の角度変化する。この偏光方向の変化により、第２の端面Ｓ２から第１の端面Ｓ１の方向に戻ってきた増幅されたレーザ光４は、偏光ビームスプリッタ９において励起光３と同軸の光路とは異なる方向に導かれ、外部に取り出される。

図８は、本実施形態の変形例として、図７の構成から偏光回転素子７、全反射ミラー８、及び偏光ビームスプリッタ９を取り外した構成のレーザ増幅器を示している。このレーザ増幅器では、レーザ利得媒質１０の内部で増幅され、端面Ｓ２から射出したレーザ光を全反射ミラーで反射させずに、そのまま出力する。

図９は、本発明の第３実施形態におけるレーザ発振器の構成を示す。本実施形態に係るレーザ発振器は、図４、図５を参照して説明されたレーザ利得媒質体１０を用いて実現することができる。ただし、各レーザ利得媒質において、複数の励起光源からの励起光が吸収されることで発生する熱による各レーザ利得媒質の温度を均一にするために、各レーザ利得媒質の厚さ、ドープ量を調整する。レーザ発振器は、レーザ利得媒質体１０、励起光源２ａ、２ｂ、レーザ光全反射ミラー５ｂ、５ａ、出力ミラー６を備える。

励起光源２ａは、励起光３ａを出力する。この励起光３ａは、レーザ光全反射ミラー５ａを透過して、光学媒質１の第１の端面Ｓ１に入射する。入射した励起光３ａは、底面側のレーザ利得媒質２ａ、２ｃ、２ｅと上面側のレーザ利得媒質２ｂ、２ｄとにおいて交互に反射することにより、ジグザグの光路を形成する。励起光源２ｂは、励起光３ｂを出力する。この励起光３ｂは、レーザ光全反射ミラー５ｂを透過して、光学媒質１の第２の端面Ｓ２に入射する。入射した励起光３ｂは、励起光３ａと同軸のジグザグの光路を形成する。

励起光３ａは、レーザ利得媒質体１０の第２の端面Ｓ２と励起光源２ｂとの間に配置されたレーザ光全反射ミラー５ｂによって、第２の端面Ｓ２と励起光源２ｂとを結ぶ光路とは異なる出射方向に導かれる。その出射方向に、出力ミラー６が配置される。励起光３ａと励起光３ｂとは、レーザ利得媒質体１０内の利得媒質２ａ〜２ｅによって完全に吸収され、蛍光を発生する。発生した蛍光はレーザ光全反射ミラー５ａと出力ミラー６とからなる光共振器において共振し、出力ミラー６からレーザ光４として出射する。

図１０は、本発明の第４実施形態におけるレーザ増幅器の構成を示す。本実施形態に係るレーザ発振器は、図４、図５を参照して説明されたレーザ利得媒質体１０を用いて実現することができる。ただし、各レーザ利得媒質において、複数の励起光源からの励起光が吸収されることで発生する熱による各レーザ利得媒質の温度を均一にするために、各レーザ利得媒質の厚さ、ドープ量を調整する。レーザ増幅器は、レーザ利得媒質体１０、励起光源２ａ、２ｂ、レーザ光全反射ミラー５ａ、５ｂ、偏光回転素子７、偏光ビームスプリッタ９を備える。

本実施形態では、第２実施形態のレーザ増幅器に比べて、励起光源２ｂが追加されている。この励起光源２ｂが出力する励起光３ｂは、レーザ光全反射ミラー５ｂ、偏光回転素子７を透過して、励起光源２ａが出力する励起光３ａと同軸の光路に導かれる。レーザ利得媒質２ａ〜２ｅは、励起光３ａ、３ｂにより励起される。第２実施形態と同様に励起光３ａ、３ｂと同軸の光路に導かれたレーザ光４は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅにおいて増幅されて、偏光ビームスプリッタ９によって、励起光３ａ、３ｂの光路とは異なる方向に出力される。

第２〜第４実施形態のレーザシステムにおいても、第１実施形態と同様に、吸収率を調整し、温度が均等になるようにした２ａ〜２ｅを用いることにより、温度が均一に調整されるため、品質の高い増幅レーザ光を生成することができる。また第１実施形態で説明したものと同様の冷却手段により、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅに発生する熱を効率的に除去することができる。尚、レーザ利得媒質の枚数、大きさに関しては、所要の増幅度、出力を得るのに必要な数とすることが可能であり、上記の実施形態で図示した数、大きさに制限されるものではない。

なお、第１〜第４実施形態のレーザシステムにおいて、励起光をレーザ利得媒質体１０の外部から端面Ｓ１もしくは、Ｓ２を通して、レーザ利得媒質体１０に入射する形態を有しているが、図１４に示すように、レーザ利得媒質体１０を構成する複数のレーザ利得媒質各々独立に、各レーザ利得媒質に正対する方向から、励起光を入射させても、図４から図１０を参照して説明されたレーザ発振器、レーザ増幅器と同等の効果が得られる。ただし、この場合においても、励起光の吸収による複数のレーザ利得媒質における熱の発生による温度を均一にするために、各レーザ利得媒質の厚さ、ドープ量を調整する。

［実施例］
発明者らは、以下のようにレーザ利得媒質２ａ〜２ｅのドープ濃度と厚みとを調整した。
（１）決められた励起パワー、スポットサイズに対して、各レーザ利得媒質における発熱が２０Ｋ以下で均一であるように設定する。
（２）励起光がレーザ媒質内で９９％以上吸収されるように設定する。
（３）レーザ光がレーザ媒質を１往復する際に、蓄積されたパワーを効率よく抽出することができるように設定する。
図１１、図１２は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅの厚さ及びドープされる活性元素の濃度が一定の場合と、濃度の調整をした場合とを比較した計算結果を示す。図１１は励起光源１個、図１２は励起光源２個の構成例の結果である。

図１３は、レーザ利得媒質２ａ〜２ｅへの入射角が６０度の場合の、レーザ利得媒質の厚みと励起光の吸収率との関係を示す。右側の縦軸は５００Ｗの光源を用いた場合の吸収量を示している。

図１１、図１２の温度差ΔＴは、以下のように計算することができる。
ΔＴ＝Ｑ×ｄ／κ×Ｓ
Ｑ：発熱量（Ｗ）（吸収量の２０％）
ｄ：媒質の厚さ（ｍｍ）
κ：熱伝導率（２０Ｗ／ｍＫ）
Ｓ：ビームの表面積（２ｒ＝５ｍｍを使用）

ロッド型の固体レーザシステムを示す。 透過型のディスク型レーザを示す。 反射型のディスク型レーザを示す。 レーザ利得媒質体の構成を示す。 レーザ発振器の構成を示す。 レーザ発振器の構成を示す。 レーザ増幅器の構成を示す。 レーザ増幅器の構成を示す。 レーザ発振器の構成を示す。 レーザ増幅器の構成を示す。 レーザ利得媒質の厚さ及びドープ量を調整した場合の結果を示す。 レーザ利得媒質の厚さ及びドープ量を調整した場合の結果を示す。 レーザ利得媒質の厚さと吸収量の関係を示す。 レーザ利得媒質体に対する励起方式を示す。

符号の説明

１ 光学媒質
２ 励起光源
２ａ〜２ｅ レーザ利得媒質
３、３ａ、３ｂ 励起光
４ レーザ光
４ａ 上面
４ｂ 下面
５ レーザ光全反射ミラー
５ａ、５ｂ レーザ光全反射ミラー
６ 出力ミラー
７ 偏光回転素子
８ 全反射ミラー
９ 偏光ビームスプリッタ
１０ レーザ利得媒質体
Ｓ１ 第１の端面
Ｓ２ 第２の端面

Claims (9)

1. レーザ光を透過し、入射面と、第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有する光学媒質と、
   前記第１面において前記光学媒質に接合され、励起光により励起され、前記レーザ光を全反射しながら前記レーザ光を増幅する複数の第１面側利得媒質と、
   前記第２面において前記光学媒質に接合され、前記励起光により励起され、前記レーザ光を全反射しながら前記レーザ光を増幅する少なくとも１つの第２面側利得媒質と、
   少なくとも、前記利得媒質の前記複数の第１反射面と前記第２反射面とを冷却するように、前記複数の第１面側利得媒質と前記少なくとも１つの第２面側利得媒質の各々の背面側を冷却する冷却手段と
   を具備し、
   前記複数の第１面側利得媒質のそれぞれの前記第１面に対向する側の面である複数の第１反射面と、前記第２面側利得媒質の前記第２面に対向する側の面である第２反射面とは、前記入射面から所定の角度で前記第１面側利得媒質に入射する前記励起光と、前記励起光と同軸に進行する前記レーザ光とを前記第１反射面と前記第２反射面とで交互に全反射することにより、前記レーザ光のジグザグに進行するジグザグ光路を形成し、
   前記複数の第１面側利得媒質と前記少なくとも１つの第２面側利得媒質のそれぞれが前記励起光を吸収することによる発熱と、前記冷却手段による冷却とにより、前記利得媒質にわたって温度が均一となるように、前記活性元素のドープ量と、前記光学媒質との接触面に垂直な方向の前記利得媒質の厚さとの少なくとも一方が調整されている
   レーザ利得媒質。
2. 請求項１に記載されたレーザ利得媒質において、
   前記複数の第１面側利得媒質と前記少なくとも１つの第２面側利得媒質は、前記光学媒質と同一の光学的材料に活性元素を添加した材料により形成されている
   レーザ利得媒質。
3. 請求項２に記載されたレーザ利得媒質において、
   前記同一の光学的材料は、セラミックス材料である
   レーザ利得媒質。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載されたレーザ利得媒質において、
   前記ジグザグ光路上で前記励起光が入射される前記入射面から遠い側の前記利得媒質の励起光吸収率は大きい
   レーザ利得媒質。
5. 入力側反射ミラーと出力側反射ミラーとを備える光共振器と、
   前記入力側反射ミラーと前記出力側反射ミラーとの間に配置された請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ利得媒質と、
   前記レーザ利得媒質に前記励起光を供給する励起光源と
   を具備し、
   前記励起光は、前記励起光源から前記入力側反射ミラーを介して前記レーザ利得媒質に供給され、
   前記入力側反射ミラーは前記レーザ光を反射し、前記出力側反射ミラーは、前記レーザ光の一部を透過し、残りを反射し、
   前記レーザ光は、前記入力側反射ミラーと前記出力側反射ミラーとの間で前記励起光と同軸に前記ジグザグ光路を往復して増幅される
   レーザ発振器。
6. 入力側反射ミラーと、反射ミラーと、出力側反射ミラーとを備える光共振器と、
   前記入力側反射ミラーと前記反射ミラーとの間に配置された請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ利得媒質と、
   前記レーザ利得媒質に前記励起光を供給する第１と第２の励起光源と
   を具備し、
   前記第１の励起光源は、前記励起光を前記入射側反射ミラーを介して前記レーザー利得媒質に供給し、
   前記第２の励起光源は、前記励起光を前記反射ミラーを介して前記レーザー利得媒質に供給し、
   前記入力側反射ミラーは前記レーザ光を前記レーザ利得媒質方向に反射し、前記出力側反射ミラーは、前記レーザ光の一部を透過し、残りを前記反射ミラーを介して前記レーザ利得媒質方向に反射し、
   前記レーザ光もしくは前記励起光は、前記反射ミラーにより光路を変えられ、前記レーザ光は、前記入力側反射ミラーと前記出力側反射ミラーとの間で前記励起光と同軸に前記ジグザグ光路を往復して増幅される
   レーザ発振器。
7. 入射光学系と出射光学系と、
   反射ミラーと、
   前記出射光学系に適応して設けられた偏光光学系と、
   前記出射光学系と前記偏光光学系との間に設けられた請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ利得媒質と、
   前記入射光学系と前記出射光学系とを介して前記レーザ利得媒質に前記励起光を供給する励起光源と、
   前記入射光学系と前記出射光学系とを介して前記レーザ利得媒質に前記レーザ光を供給するレーザ光源と
   を具備し、
   前記レーザ光は、前記入射光学系と前記出射光学系とを介して前記レーザ利得媒質に供給され、前記レーザ利得媒質内で前記励起光と同軸の前記ジグザグ光路を進行して増幅され、前記偏光光学系で偏光された後前記反射ミラーで前記レーザ利得媒質方向に反射されて増幅され、
   前記レーザ光は、前記レーザ利得媒質により増幅された後、前記出射光学系により出射される
   レーザ増幅器。
8. 請求項７に記載のレーザ増幅器において、
   前記励起光を前記反射ミラーを介して前記レーザ光と同軸に前記レーザ利得媒質に供給する付加励起光源を更に具備する
   レーザ増幅器。
9. 反射ミラーと、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ利得媒質と、
   前記反射ミラーを介して前記レーザ利得媒質に前記励起光を供給する励起光源と
   を具備し、
   前記レーザ光は、前記反射ミラーで反射されて前記励起光と同軸に前記ジグザグ光路を進行して増幅される
   レーザ増幅器。

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