(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段および上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段の少なくとも一方とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【請求項２】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記鏡面反射性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【請求項３】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、
上記半導体レーザ光導入手段が、上記拡散性反射筒に形成されたスリットと、上記スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、上記スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面と上記スリットとの空隙に設けられた、上記スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、
上記半導体レーザ光方向変換手段が、上記スラブ導波路の長手方向に対して非垂直な該スラブ導波路の上記第２の端面から構成される
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【請求項４】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段および上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を折り曲げて上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段の少なくとも一方とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【請求項５】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記鏡面反射性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【請求項６】
固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を折り曲げて上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、
上記半導体レーザ光導入手段が、上記拡散性反射筒に形成されたスリットと、上記スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、上記スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面と上記スリットとの空隙に設けられた、上記スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、
上記半導体レーザ光方向変換手段が、上記スラブ導波路の長手方向に対して非垂直な該スラブ導波路の上記第２の端面から構成される
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザを用いて固体レーザロッドを励起しレーザ光を得る固体レーザロッド励起モジュールに関し、特にスタック型半導体レーザを用いて固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得る固体レーザロッド励起モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザから出射されたレーザ光（以下、半導体レーザ光という場合もある）を固体レーザロッドに吸収させて固体レーザロッドを励起しレーザ光を得るものである。このため、半導体レーザ光をいかに効率良く固体レーザロッドに吸収させるかが固体レーザロッドの励起の効率に影響を与える。
【０００３】
一般に、半導体レーザのレーザ光の出射端を固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積することにより高出力化を図る側面励起方式の固体レーザロッド励起モジュールにおいては、半導体レーザ光が固体レーザロッドを単一通過する構成では、固体レーザロッドの断面積が小さいため、固体レーザロッドの高効率な励起ができない。このため、従来、半導体レーザ光を、固体レーザロッドを取り囲んで配置された反射筒の内部に導入して反射筒の内部に閉じ込めることで、固体レーザロッドを複数回通過させて固体レーザロッドの高効率な励起を行う方法が用いられている。
【０００４】
この方法では、反射筒の内部での半導体レーザ光の閉じ込めが高いとき、固体レーザロッドの励起の効率が高くなるが、反射筒の内部での半導体レーザ光の閉じ込めを高くするためには、反射筒に設けられた半導体レーザ光導入口からの半導体レーザ光の逃げを小さくすること、すなわち半導体レーザ光導入口をできるだけ小さくすることが必要となる。
【０００５】
また、一般に、さらに高出力化を図るために、半導体レーザとしてスタック型半導体レーザを用いる。スタック型半導体レーザは、レーザ光の出射端を固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されるものである。
【０００６】
ただし、スタック型半導体レーザを用いる場合には、各バー状素子から出射されたレーザ光を、反射筒に設けられた半導体レーザ光導入口から反射筒の内部に導入することができるように集光することが困難である。このため、固体レーザロッドの高効率な励起はこれまで実現されていない。
また、固体レーザロッドを励起し高ビーム品質のレーザ光を得るためには、固体レーザロッドの励起時に固体レーザロッド内に発生する熱による固体レーザロッド自身の波面収差を低く抑える必要がある。このため、固体レーザロッドに半導体レーザ光をできるだけ均一に照射し、固体レーザロッド内での半導体レーザ光の強度分布を軸対称で均一なものとし、固体レーザロッド内での温度分布を２次の軸対称分布とすることで、固体レーザロッドを波面収差のない理想的なグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとすることが望ましい。
【０００７】
しかし、従来の固体レーザロッド励起モジュールでは、半導体レーザ光導入口から導入された半導体レーザ光が最初に固体レーザロッドに入射する部分の半導体レーザ光の強度が高いため、固体レーザロッド内での温度分布が２次の軸対称分布となり難い。このため、従来の固体レーザロッド励起モジュールにおいて、低ビーム品質のレーザ光として平均パワーが１ｋＷ程度のものが実現されているが、高ビーム品質のレーザ光として平均パワーが１００Ｗ程度のものしか実現されていない。
【０００８】
従来例１．
図１３は、例えば、文献１「Ｓ．Ｆｕｊｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  ｉｎ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ’９７，  ｐ２９６，  １９９７」に示された従来例１の固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図１３において、１０１は固体レーザロッド励起モジュール、１０２は固体レーザロッド、１０３は固体レーザロッド１０２と略同軸に固体レーザロッド１０２を取り囲んで配置された、固体レーザロッド１０２を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、１０４は固体レーザロッド１０２と略同軸に固体レーザロッド１０２およびクーリングスリーブ１０３を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して拡散性の筒状の拡散性反射筒、１０５はレーザ光の出射端を固体レーザロッド１０２の軸方向と平行な方向に複数集積して構成された半導体レーザ、１０７は拡散性反射筒１０４に設けられた、半導体レーザ１０５から出射されたレーザ光を拡散性反射筒１０４の内部に固体レーザロッド１０２に向けて導入する、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段である。
【０００９】
次に動作について説明する。
半導体レーザ１０５から出射されたレーザ光は半導体レーザ光導入手段１０７としての薄板ガラスの上下面で全反射しながら拡散性反射筒１０４の内部に固体レーザロッド１０２に向けて導入される。拡散性反射筒１０４の内部に導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド１０２に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド１０２を透過した残りの半導体レーザ光は拡散性反射筒１０４により拡散反射され、拡散性反射筒１０４の内部で均一に分布される。図１３には、この様子が破線で示す矢印により示されている。均一に分布された半導体レーザ光は固体レーザロッド１０２を均一に照射する。固体レーザロッド１０２内で発生した熱は、クーリングスリーブ１０３に閉じ込められた冷却液により固体レーザロッド１０２の外周から排除される。
【００１０】
この従来例１の固体レーザロッド励起モジュール１０１では、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段１０７の、拡散性反射筒１０４の内面に位置する部分の面積が小さいため、半導体レーザ光導入手段１０７からの半導体レーザ光の逃げが小さく、固体レーザロッド１０２の高効率な励起が行われる。
【００１１】
従来例２．
図１４は、例えば、文献２「Ｈ．Ｂｒｕｅｓｓｅｌｂａｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，ｉｎ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ’９７，  ｐ２８５，  １９９７」に示された従来例２の固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図１４において、１１１は固体レーザロッド励起モジュール、１１２は固体レーザロッド、１１３は固体レーザロッド１１２と略同軸に固体レーザロッド１１２を取り囲んで配置された、固体レーザロッド１１２を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、１１４は固体レーザロッド１１２と略同軸に固体レーザロッド１１２およびクーリングスリーブ１１３を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の鏡面反射性反射筒、１１５はレーザ光の出射端を固体レーザロッド１１２の軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッド１１２の軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザ、１１５−１〜１１５−５はスタック型半導体レーザ１１５を構成するバー状素子、１１６はスタック型半導体レーザ１１５から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段、１１６−１〜１１６−５はスタック型半導体レーザ１１５を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から略焦点距離だけ離れた位置に配置された、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化するシリンドリカルレンズ、１１６ａは５個のシリンドリカルレンズ１１６−１〜１１６−５を５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５の積層間隔と同じ間隔で５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５の積層方向と平行な方向に集積して構成されたシルンドリカルレンズアレー、１１６ｂは各シリンドリカルレンズ１１６−１〜１１６−５により平行化された半導体レーザ光を５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５の積層方向と平行な方向に集光する集光レンズレット、１１７は鏡面反射性反射筒１１４に設けられた、半導体レーザ光集光手段１１６により集光された半導体レーザ光を鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入する半導体レーザ光導入手段である。鏡面反射性反射筒１１４はクーリングスリーブ１１３の外周面に施された高反射コーティング膜により構成され、半導体レーザ光導入手段１１７はクーリングスリーブ１１３の外周面にスリット状に施された減反射コーティング膜により構成されている。すなわち、クーリングスリーブ１１３の外周面は鏡面反射性反射筒１１４としての高反射コーティング膜と、半導体レーザ光導入手段１１７としてのスリット状の減反射コーティング膜とで覆われている。
【００１２】
次に動作について説明する。
各バー状素子１１５−１〜１１５−５から出射されたレーザ光は対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。各バー状素子１１５−１〜１１５−５から出射されたレーザ光は固体レーザロッド１１２の軸方向と平行な方向に１０°程度の広がり角度を持ち、固体レーザロッド１１２の軸方向と垂直な方向に３０°程度の広がり角度を持っている。平行化された半導体レーザ光は集光レンズレット１１６ｂにより線上に集光される。集光された半導体レーザ光は集光位置近傍に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入される。鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド１１２に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド１１２に吸収されなかった半導体レーザ光は、高反射コーティング膜から成る鏡面反射性反射筒１１４により反射され、再び固体レーザロッド１１２に入射し、吸収される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１の固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、レーザ光の出射端を固体レーザロッド１０２の軸方向と平行な方向に複数集積して構成された半導体レーザ１０５では、固体レーザロッド１０２を高いパワーで励起できず、高出力化には不向きであるという課題があった。
【００１４】
また、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段１０７により拡散性反射筒１０４の内部に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド１０２に入射する。このため、固体レーザロッド１０２の吸収率が高くなると、半導体レーザ光が固体レーザロッド１０２に最初に入射するときの半導体レーザ光の強度が、拡散性反射筒１０４により拡散反射された半導体レーザ光の強度より高くなり、固体レーザロッド１０２内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段１０７側で高く固体レーザロッド１０２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものではなくなり、固体レーザロッド１０２内での温度分布が２次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド１０２は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。
【００１５】
また、従来例２の固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入された半導体レーザ光のうち、図１５に示すように、固体レーザロッド１１２に入射しない半導体レーザ光は、鏡面反射性反射筒１１４で複数回反射しても幾何学的に固体レーザロッド１１２に入射しない。図１５には、この様子が実線で示す矢印により示されている。このため、固体レーザロッド１１２での半導体レーザ光の高効率な吸収を図るために、集光レンズレット１１６ｂでの集光角度が半導体レーザ光導入手段１１７から固体レーザロッド１１２を見込む角度に収まるように集光レンズレット１１６ｂの焦点距離を調整することが必要となる。その結果、集光レンズレット１１６ｂの焦点距離により一意に決定される、集光レンズレット１１６ｂにより線上に集光された半導体レーザ光の、５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５の積層方向と平行な方向の大きさ（以下、半導体レーザ光の集光点の大きさという場合もある）は、集光レンズレット１１６ｂを用いて得られる最小の大きさとならず、半導体レーザ光導入手段１１７の大きさが大きくなり、鏡面反射性反射筒１１４の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下するという課題があった。なお、半導体レーザ光の集光点の大きさは、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをｄ１とし、各シリンドリカルレンズ１１６−１〜１１６−５の焦点距離をｆ１とし、集光レンズレット１１６ｂの焦点距離をｆ２としたとき、ｄ１×ｆ２／ｆ１となるが、実際には、５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５の積層間隔のばらつき、シリンドリカルレンズアレー１１６ａを構成する５個のシリンドリカルレンズ１１６−１〜１１６−５のピッチ誤差、５個のバー状素子１１５−１〜１１５−５およびシリンドリカルレンズアレー１１６ａの設置誤差などにより、さらに大きくなる。
【００１６】
一方、鏡面反射性反射筒１１４の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能を上げるため、半導体レーザ光導入手段１１７の大きさを小さくすると、半導体レーザ光の集光点の大きさが、半導体レーザ光導入手段１１７の大きさより大きくなる。このため、鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入される半導体レーザ光の割合が小さくなり、固体レーザロッド１１２での半導体レーザ光の高効率な吸収を図ることができないという課題があった。従来例２の場合、シリンドリカルレンズアレー１１６ａを透過した半導体レーザ光のうち、固体レーザロッド１１２に吸収される半導体レーザ光は２６％と非常に低い値であった。
【００１７】
また、半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４の内部に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド１１２に入射する。このため、固体レーザロッド１１２の吸収率が高くなると、半導体レーザ光が固体レーザロッド１１２に最初に入射するときの半導体レーザ光の強度が、鏡面反射性反射筒１１４により反射された半導体レーザ光の強度より高くなり、固体レーザロッド１１２内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段１１７側で高く固体レーザロッド１１２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものではなくなり、固体レーザロッド１１２内での温度分布が２次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド１１２は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。
【００１８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光が得られる固体レーザロッド励起モジュールを得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるものである。
【００２０】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるものである。
【００２１】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第２の端面から構成されるものである。
【００２２】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるものである。
【００２３】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるものである。
【００２４】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第２の端面から構成されるものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）中のＢ部分の拡大図、図１（Ｄ）は図１（Ａ）中のＡ部分の拡大図である。図１（Ａ）〜（Ｄ）において、１は固体レーザロッド励起モジュール、２は固体レーザロッド、３は固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２を取り囲んで配置された、固体レーザロッド２を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、４は固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して拡散性の筒状の拡散性反射筒、５はレーザ光の出射端を固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザ、５−１〜５−５はスタック型半導体レーザ５を構成するバー状素子、６はスタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段、６−１〜６−５はスタック型半導体レーザ５を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から略焦点距離だけ離れた位置に配置された、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化するシリンドリカルレンズ、６ａは５個のシリンドリカルレンズ６−１〜６−５を５個のバー状素子５−１〜５−５の積層間隔と同じ間隔で５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に集積して構成されたシリンドリカルレンズアレー、６ｂはシリンドリカルレンズアレー６ａと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から焦点距離だけ離れた位置に配置された、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に屈折率を有する、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光を５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に集光する非球面レンズ、７は拡散性反射筒４に設けられた、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさを略保持して拡散性反射筒４の内部に固体レーザロッド２に向けて導入する半導体レーザ光導入手段、８は半導体レーザ光導入手段７と固体レーザロッド２との間に設けられた、半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段、９は半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光の進行方向を固体レーザロッド２の方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段である。図１（Ａ）において、矢印Ｘは固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向を示し、図１（Ｂ）において、矢印Ｙは固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向を示している。図１（Ｂ）には、冷却液が流れる様子が示されている。
【００３３】
なお、本発明の実施の形態には、バー状素子およびシリンドリカルレンズをそれぞれ５個備えている場合が示されているが、それぞれｎ個（ｎ≧２）備えている場合もある。また、スタック型半導体レーザ５、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段７をそれぞれ１個備えている場合が示されているが、固体レーザロットの軸方向に同一の構成要素を複数個備えている場合もある。
【００３４】
以下、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段７、半導体レーザ光拡散手段８および半導体レーザ光方向変換手段９について詳細に説明した後、固体レーザロッド励起モジュール１の動作について説明する。
【００３５】
１．半導体レーザ光集光手段
半導体レーザ光集光手段６は、高出力化を図るために、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するものである。また、半導体レーザ光導入手段７の大きさを小さくすることにより半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド２の高効率な励起を図るために、半導体レーザ光の集光点の大きさを小さくするものである。
【００３６】
このため、実施の形態１では、半導体レーザ光集光手段６を、シリンドリカルレンズアレー６ａと非球面レンズ６ｂとから構成している。シリンドリカルレンズアレー６ａは、５個のシリンドリカルレンズ６−１〜６−５を５個のバー状素子５−１〜５−５の積層間隔と同じ間隔で５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に集積して構成している。各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５を、スタック型半導体レーザ５を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向させ、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５の略焦点距離だけ離れた位置に配置している。非球面レンズ６ｂを、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に屈折力を有し、シリンドリカルレンズアレー６ａと半導体レーザ光導入手段７との間であって、半導体レーザ光導入手段７から非球面レンズ６ｂの焦点距離だけ離れた位置に配置している。
【００３７】
このように半導体レーザ光集光手段６を構成した場合、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により、対向するバー状素子から出射されたレーザ光は平行化される。各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂにより線上に集光される。非球面レンズ６ｂにより線上に集光された半導体レーザ光の、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさ（すなわち、集光点の大きさ）は、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをｄ２とし、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５の焦点距離をｆ３とし、非球面レンズ６ｂの焦点距離をｆとしたとき、ｄ２×ｆ／ｆ３となり、例えば数μｍと非常に小さい。
【００３８】
この場合、シリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光の５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の幅は、例えば１０〜２０ｍｍと大きく、集光レンズでの集光角度が大きくなるため、球面収差が生じ集光点の大きさが大きくなるが、集光レンズとして非球面レンズ６ｂを用いることにより球面収差が低く抑えられ、集光点の大きさが小さく抑えられている。
【００３９】
また、この場合、５個のバー状素子５−１〜５−５のいずれかが所定の設置位置からずれると、所定の設置位置からずれたバー状素子から出射されたレーザ光が対向するシリンドリカルレンズにより平行化されたとき、平行化された半導体レーザ光に所定の方向からの角度ずれが生じる。例えば、図２には、バー状素子５−１が所定の設置位置からΔｐだけずれ（５個のバー状素子５−１〜５−５の所定の積層間隔がｐであるのに、バー状素子５−１と隣接するバー状素子５−２との間隔がｐ＋Δｐであるとき）、対向するシリンドリカルレンズ６−１により平行化された半導体レーザ光が所定の方向から角度ずれθ（単位：ラジアン）が生じている場合を示している。このとき、角度ずれθ１が生じている平行化された半導体レーザ光の非球面レンズ６ｂによる集光位置は、所定の集光位置０１から５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向にｆ×θ１（ｆは非球面レンズ６ｂの焦点距離）だけずれる。
【００４０】
所定の集光位置０１からのずれを小さくし集光点の大きさを小さくするためには、非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆを小さくすればよいが、焦点距離ｆを小さくするに従い、非球面レンズ６ｂの中心位置から離れた位置を通過する半導体レーザ光にコマ収差が生じ集光点の大きさが大きくなる。図３はシリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光の５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆを横軸とし、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に±θ１の広がり角度を持つシリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光が非球面レンズ６ｂにより線上に集光されたときの集光点の大きさを縦軸として示したグラフ図である。図３は非球面レンズ６ｂの非球面形状を各焦点距離における集光点の大きさが最小になるように計算した結果である。図３において、曲線ａはコマ収差が生じる場合であり、曲線ｂはコマ収差が生じない場合である。図３に示すように、コマ収差が生じない場合には、焦点距離が小さくなるに従い、集光点の大きさは小さくなる。一方、コマ収差が生じる場合には幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆが０．７のとき最小となり、０．５より小さくなると極端に大きくなる。従って、幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆが０．５以上であるとき、すなわち、非球面レンズの焦点距離ｆは０．５×Ｌ以上であるとき、集光点の大きさが小さくなるために望ましい。
【００４１】
なお、シリンドリカルレンズアレー６ａと非球面レンズ６ｂとの間に、図１（Ａ）に示したＩ−Ｉ線を回転軸とした、所定の設置位置からの角度ずれが生じた場合、固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向に所定の間隔だけ離れた２点において、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に、半導体レーザ光の非球面レンズ６ｂによる集光位置のずれが生じ、集光点の大きさが大きくなる。例えば、１°の角度ずれが生じた場合、１０ｍｍ離れた２点において、集光位置のずれが１７０μｍとなる。従って、図４に示すように、シリンドリカルレンズアレーと非球面レンズとを一体的に形成した非球面合成レンズ６ｃを用いた場合、角度ずれを０．１°以下に抑えることができ、集光位置のずれが小さくなり集光点の大きさが小さくなるために望ましい。
【００４２】
また、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも屈折力を有する非球面レンズを用いた場合には、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂにより５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に線上に集光されるとともに、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも集光される。従って、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも屈折力を有する非球面レンズを用いた場合には、半導体レーザ光導入手段７の大きさを小さくすることにより半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド２の高効率な励起をより図ることができるために望ましい。
【００４３】
２．半導体レーザ光導入手段
半導体レーザ光導入手段７は、固体レーザロッド２の高効率な励起を図るために、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさを略保持して拡散性反射筒４の内部に固体レーザロッド２に向けて導入するものである。
【００４４】
このため、図５に示すように、実施の形態１では、半導体レーザ光導入手段７を、拡散性反射筒４に形成されたスリット１１と、スリット１１内に配置された六面体形のスラブ導波路１２と、スラブ導波路１２の６端面のうち半導体レーザ光が入射する第１の端面１２ａおよび半導体レーザ光が出射する第２の端面１２ｂ以外の４端面とスリット１１との空隙に設けられた、スラブ導波路１２より屈折率の小さい、光学接着材から成る接着材層１３とから構成することにより構成を簡略化している。図５（Ｂ）は図５（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００４５】
このように半導体レーザ光導入手段７を構成した場合、集光位置０２において線上に集光された半導体レーザ光は、第１の端面１２ａからスラブ導波路１２に入射する。スラブ導波路１２に入射した半導体レーザ光は、スラブ導波路１２より屈折率の小さい接着材層１３と接触している、スラブ導波路１２の端面で全反射を繰り返し、第２の端面１２ｂから出射し、拡散性反射筒４の内部に導入される。図５には、この様子が矢印により示されている。
【００４６】
また、この場合、図６に示すように、スラブ導波路１２の第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積が小さければ、半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド２の高効率な励起を図ることができるため望ましい。ただし、第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積を小さくし過ぎると、スラブ導波路１２の端面への半導体レーザ光の入射角度が小さくなり、全反射条件を満たさなくなる恐れがあるため、これを考慮して第１，第２の端面１２ａ，１２ｂの大きさを設定する必要がある。また、スラブ導波路１２の屈折率をできるだけ大きくして、全反射条件の臨界角をできるだけ小さくすることが望ましい。図６（Ｂ）は図６（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００４７】
なお、非球面レンズ６ｂにより線上に集光される半導体レーザ光の、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさは、非球面レンズ６ｂによる集光位置で最小となるが、その前後で大きくなる。また、拡散性反射筒４を形成する材料として一般的に用いられるセラミックス材料やポリマー材料により拡散性反射筒４を形成する場合には、反射率が拡散性反射筒４の厚さに大きく依存し、例えば、セラミックス材料により、反射率９８％以上の拡散性反射筒４を形成する場合には、拡散性反射筒４の厚さを１０ｍｍ程度にする必要がある。このため、図７に示すように、半導体レーザ光導入手段７を、拡散性反射筒４に形成されたスリット１１のみで構成する場合には、スリット１１の５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさを大きくしなければならない。例えば、拡散性反射筒４の厚さが１０ｍｍ、シリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光の５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な幅Ｌが１０ｍｍ、非球面レンズ６ｂの焦点距離が７ｍｍのとき、非球面レンズ６ｂによる集光位置の前後での半導体レーザ光の広がり角度が７０°程度となり、スリット１１両端での半導体レーザ光の、５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさは７ｍｍとなる。従って、拡散反射性反射筒４の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下する。
【００４８】
３．半導体レーザ光拡散手段および半導体レーザ光方向変換手段
半導体レーザ光拡散手段８は、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布を均一にすることにより固体レーザロッド２内での温度分布を２次の軸対称にして高ビーム品質のレーザ光を得るために、半導体レーザ光導入手段７と固体レーザロッド２との間で、半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光を拡散するものである。
【００４９】
このため、実施の形態１では、半導体レーザ光拡散手段８を、スリガラス状に荒らされたクーリングスリーブ３の内面から構成していている。半導体レーザ光拡散手段８は、スリガラス状の透明材料を固体レーザロッド２を囲んで配置することにより構成することができるが、クーリングスリーブ３の内面をグランドラフとしスリガラス状に荒らすことにより構成を簡略化している。グランドラフの表面粗度は、クーリングスリーブ３の屈折率にもよるが、半導体レーザ光の波長の数倍から１０倍程度、すなわち数μｍから１０μｍ程度とするのが良い。グランドラフとする方法には、機械的研磨、化学処理などの方法があるが、クラックなどの発生を抑止できることから化学処理を用いることが望ましい。同じ表面祖度でも、境界の屈折率差が大きい程、拡散性が高くなるため、クーリングスリーブ３を屈折率の高い材料により形成することが望ましい。クーリングスリーブ３として薄くて機械強度が高いことが望まれるため、クーリングスリーブ３をサファイヤにより形成することが適している。
【００５０】
このように半導体レーザ光拡散手段８を構成した場合、図８に示すように、拡散性反射筒４の内部に導入された指向性のある高強度の半導体レーザ光は、クーリングスリーブ３の内面で拡散される。図８には、この様子が矢印により示されている。ただし、図８には後述する半導体レーザ光方向変換手段９は示されていない。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４の内部で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射し吸収される。このため、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものとなり固体レーザロッド２内での温度分布が２次の軸対称分布となり固体レーザロッド２は波面収差を持たないグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００５１】
なお、クーリングスリーブ３を半導体レーザ光の波長の数倍から１０倍程度、すなわち数μｍから１０μｍ程度の直径の気泡を内包する発砲性ガラスにより構成し、これを半導体レーザ光拡散手段８として用いることもできる。この場合、拡散性はクーリングスリーブ３の内面をグランドラフとする場合より高い。
【００５２】
一方、半導体レーザ光方向変換手段９は、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布を均一にすることにより固体レーザロッド２内での温度分布を２次の軸対称にして高ビーム品質のレーザ光を得るために、半導体レーザ光導入手段７と固体レーザロッド２との間で、半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光の進行方向を固体レーザロッド２の方向から逸らすものである。
【００５３】
このため、実施の形態１では、半導体レーザ光方向変換手段９を、スラブ導波路１２の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路１２の第２の端面１２ｂから構成している。半導体レーザ光方向変換手段９は、くさび形の透明材料を半導体レーザ光導入手段７と固体レーザロッド２との間に配置することにより構成することができるが、スラブ導波路１２の第２の端面１２ｂをスラブ導波路１２の長手方向に対して非垂直にすることにより構成を簡略化している。
【００５４】
このように半導体レーザ光方向変換手段９を構成した場合、図９に示すように、スラブ導波路１２に入射した半導体レーザ光の進行方向は、第２の端面１２ｂから出射する際に、固体レーザロッド２の方向から逸らされる。そして、拡散性反射筒４で拡散される。図９には、この様子が矢印により示されている。ただし、図９には後述する半導体レーザ光方向変換手段９は示されていない。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４の内部で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射し吸収される。このため、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものとなり固体レーザロッド２内での温度分布が２次の軸対称分布となり固体レーザロッド２は波面収差を持たないグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００５５】
上述した説明から理解できるように、高ビーム品質のレーザ光を得るためには、半導体レーザ光拡散手段８および半導体レーザ光方向変換手段９の少なくとも一方を備えていればよい。
【００５６】
なお、半導体レーザ光拡散手段８および半導体レーザ光方向変換手段９を設けなかった場合には、図１０に示すように、拡散性反射筒４の内部に導入された指向性のある高強度の半導体レーザ光は、クーリングスリーブ３を透過して、固体レーザロッド２に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド２に吸収されなかった残りの半導体レーザ光は、拡散性反射筒４により拡散反射されて指向性を失い強度が低くなり、拡散性反射筒４の内部で均一に分布され、再び固体レーザロッド２に入射し吸収される。図１０には、この様子が矢印により示されている。ただし、図１０には前述した半導体レーザ光拡散変換手段８は示されていない。このため、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段７側で高く固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布が均一ではなくなり、固体レーザロッド２内での温度分布が２次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド２は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができない。
【００５７】
次に動作について説明する。
各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向に１０°程度の広がり角度を持ち、固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向に３０°程度の広がり角度を持っている。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂにより５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、第１の端面１２ａからスラブ導波路１２に入射する。スラブ導波路に入射した半導体レーザ光は、スラブ導波路１２の端面で全反射を繰り返し、第２の端面１２ｂから出射し、拡散性反射筒４の内部に導入される。このとき、半導体レーザ光の進行方向はスラブ導波路１２の第２の端面１２ｂにより固体レーザロッド２の方向から逸らされる。図１（Ｄ）には、半導体レーザ光の進行方向がθ２だけ屈折する様子が示されている。その後、半導体レーザ光は、クーリングスリーブ３の内面および拡散性反射筒４で拡散される。図１（Ｃ）には、半導体レーザ光がクーリングスリーブ３の内面で拡散される様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４の内部で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射し吸収される。
【００５８】
以上のように、この実施の形態１によれば、固体レーザロッド励起モジュール１を、上述した固体レーザロッド２と、クーリングスリーブ３と、拡散性反射筒４と、スタック型半導体レーザ５と、半導体レーザ光集光手段６と、半導体レーザ光導入手段７と、半導体レーザ光拡散手段８と、半導体レーザ光方向変換手段９とで構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果が得られる。
【００５９】
ここまで、スタック型半導体レーザ５、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段７、半導体レーザ光拡散手段８および半導体レーザ光方向変換手段９から構成される半導体レーザ光照射手段を１個備えた系について説明したが、図１１に示すように、半導体レーザ光照射手段２２を固体レーザロッド２の周囲に、例えば４個配置して固体レーザロッド励起モジュール２１を構成した場合には、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度が高くなり、強度分布もより軸対称で均一なものとなり、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００６０】
実施の形態２．
図１２はこの発明の実施の形態２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１２（Ｃ）は図１２（Ａ）中のＣ部分の拡大図である。図１２（Ａ）〜（Ｃ）において、３１は固体レーザロッド励起モジュール、３４は固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の鏡面反射性反射筒、３７は鏡面反射性反射筒３４に設けられた、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を、鏡面反射性反射筒３４の内部に導入する半導体レーザ光導入手段である。その他の構成要素は図１において同一の符号を付して示したものと同一あるいは同等であるため、その詳細な説明は省略する。図１２（Ａ）において、矢印Ｘは固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向を示し、図１２（Ｂ）において、矢印Ｙは固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向を示している。図１２（Ｂ）には、冷却液が流れる様子が示されている。
【００６１】
実施の形態２では、鏡面反射性反射筒３４をクーリングスリーブ３の外周面に施した高反射コーティング膜により構成し、半導体レーザ光導入手段３７をクーリングスリーブ３の外周面にスリット状に施した減反射コーティング膜により構成している。この場合、スリット状に施した減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段３７の大きさを、非球面レンズ６ｂにより線上に集光される半導体レーザ光の大きさと同じ程度とし、鏡面反射性反射筒３４の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能を高くしている。また、半導体レーザ拡散手段８を、スリガラス状に荒らされたクーリングスリーブ３の内面により構成している。
【００６２】
このように固体レーザロッド励起モジュール３１を構成した場合、各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂにより５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、集光位置に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段３７から鏡面反射性反射筒３４の内部に導入される。鏡面反射性反射筒３４の内部に導入された半導体レーザ光は、クーリングスリーブ３の内面で拡散される。図１２（Ｂ），（Ｃ）には、半導体レーザ光がクーリングスリーブ３の内面で拡散される様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４の内部で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射し吸収される。
【００６３】
以上のように、この実施の形態２によれば、固体レーザロッド励起モジュール３１を、上述した固体レーザロッド２と、クーリングスリーブ３と、鏡面反射性反射筒３４と、スタック型半導体レーザ５と、半導体レーザ光集光手段６と、半導体レーザ光導入手段３７と、半導体レーザ光拡散手段８とで構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００６４】
なお、半導体レーザ光拡散手段８を設けなかった場合には、非球面レンズ６ｂでの集光角度が半導体レーザ光導入手段３７から固体レーザロッド２を見込む角度に収まるように非球面レンズ６ｂの焦点距離を調整することが必要となり、その結果、半導体レーザ光導入手段３７の大きさが大きくなり、鏡面反射性反射筒３４の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下する。
【００６５】
ここまで、スタック型半導体レーザ５、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段３７および半導体レーザ光拡散手段８から構成される半導体レーザ光照射手段を１個用いる系について説明したが、実施の形態１の場合と同様に、半導体レーザ光照射手段を固体レーザロッド２の周囲に複数配置して固体レーザロッド励起モジュールを構成した場合には、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度が高くなり、強度分布もより軸対称で均一なものとなり、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【００６７】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【００６８】
この発明によれば、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第２の端面から構成されるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。
【００６９】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【００７０】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をＬとしたとき、非球面レンズの焦点距離が０．５×Ｌ以上であるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【００７１】
この発明によれば、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第２の端面から構成されるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段の説明に供する断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面レンズの説明に供するグラフ図である。
【図４】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面合成レンズの構成を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる別の半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。
【図７】半導体レーザ光導入手段を、スリットのみで構成した場合の問題点の説明に供する断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光拡散手段の動作の説明に供する断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光方向変換手段の動作の説明に供する断面図である。
【図１０】半導体レーザ光拡散手段および半導体レーザ光方向変換手段を設けなかった場合の問題点の説明に供する断面図である。
【図１１】半導体レーザ光照射手段が固体レーザロッドの周囲に複数配置されている、この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図１３】従来例１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図１４】従来例２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図１５】従来例２による固体レーザロッド励起モジュールの問題点の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
１，２１，３１  固体レーザロッド励起モジュール、２  固体レーザロッド、３  クーリングスリーブ、４  拡散性反射筒、５  スタック型半導体レーザ、５−１〜５−５  バー状素子、６  半導体レーザ光集光手段、６ａ  シリンドリカルレンズアレー、６ｂ  非球面レンズ、６ｃ  非球面合成レンズ、６−１〜６−５  シリンドリカルレンズ、７，３７  半導体レーザ光導入手段、８  半導体レーザ光拡散手段、９  半導体レーザ光方向変換手段、１１  スリット、１２  スラブ導波路、１２ａ  第１の端面、１２ｂ  第２の端面、１３  接着材層、２２半導体レーザ光照射手段、３４  鏡面反射性反射筒。
【図１】
0003587969.tif 000002
【図２】
0003587969.tif 000003
【図３】
0003587969.tif 000004
【図４】
0003587969.tif 000005
【図５】
0003587969.tif 000006
【図６】
0003587969.tif 000007
【図７】
0003587969.tif 000008
【図８】
0003587969.tif 000009
【図９】
0003587969.tif 000010
【図１０】
0003587969.tif 000011
【図１１】
0003587969.tif 000012
【図１２】
0003587969.tif 000013
【図１３】
0003587969.tif 000014
【図１４】
0003587969.tif 000015
【図１５】
0003587969.tif 000016