(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、高出力のレーザビームを高い効率で安定に発生することができる固体レーザ装置を提供する。【解決手段】固体レーザ装置は、ロッド状のレーザ媒質５０および該レーザ媒質５０を励起するための励起光源ユニット３０を含む固体レーザモジュール１１が配置されたレーザ発振部ＬＡと、ロッド状のレーザ媒質８０および該レーザ媒質８０を励起するための励起光源ユニット６０を含む固体レーザモジュール２１，２２が配置され、レーザ発振部ＬＡからのレーザビームを光増幅するためのレーザ増幅部ＬＡなどで構成され、レーザ増幅部ＬＢにおけるレーザ媒質８０の直径は、レーザ発振部ＬＡにおけるレーザ媒質５０の直径より大きい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド状のレーザ媒質および該レーザ媒質を励起するための励起光源を含む固体レーザモジュールが１つ以上配置されたレーザ発振部と、
ロッド状のレーザ媒質および該レーザ媒質を励起するための励起光源を含む固体レーザモジュールが１つ以上配置され、レーザ発振部からのレーザビームを光増幅するためのレーザ増幅部とを備え、
レーザ増幅部における少なくとも１つの固体レーザモジュールのレーザ媒質の直径は、レーザ発振部におけるレーザ媒質の直径より大きいことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
直径が小さいレーザ媒質を含む固体レーザモジュールにおける励起光源を駆動するための小レーザ媒質用電源回路と、
直径が大きいレーザ媒質を含む固体レーザモジュールにおける励起光源を駆動するための大レーザ媒質用電源回路と、
小レーザ媒質用電源回路および大レーザ媒質用電源回路を個別に制御するための制御回路とを備え、
制御回路が、直径が大きいレーザ媒質を含む固体レーザモジュールにおける励起光源の通電電流を一定に維持しつつ、直径が小さいレーザ媒質を含む固体レーザモジュールにおける励起光源の通電電流を変化させることによって、レーザ増幅部からのレーザビームの出力が調整可能であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
レーザ発振部における励起光源を駆動するための発振用電源回路と、
レーザ増幅部における励起光源を駆動するための増幅用電源回路と、
発振用電源回路および増幅用電源回路を個別に制御するための制御回路とを備え、
制御回路が、レーザ増幅部における励起光源の通電電流を一定に維持しつつ、レーザ発振部における励起光源の通電電流を変化させることによって、レーザ増幅部からのレーザビームの出力が調整可能であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
レーザ増幅部は、複数の固体レーザモジュールが直列配置され、偏光を９０度回転させる偏光回転素子が固体レーザモジュール間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
レーザ増幅部において、固体レーザモジュールおよび偏光回転素子がビーム進行方向に沿って対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
レーザ発振部は、複数の固体レーザモジュールが直列配置され、偏光を９０度回転させる偏光回転素子が固体レーザモジュール間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項７】
レーザ発振部において、固体レーザモジュールおよび偏光回転素子がビーム進行方向に沿って対称に配置されていることを特徴とする請求項６記載の固体レーザ装置。
【請求項８】
レーザ発振部は、ランダム偏光のレーザビームを発生することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザ媒質が直列配置され、高出力のレーザビームを発生できる固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１には、レーザ発振部およびレーザ増幅部において同一の固体レーザモジュールを使用し、各固体レーザモジュールが光軸に沿って光学的に等間隔に配置されている固体レーザ装置が開示されている。
【０００３】
また下記の非特許文献１には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質を多段配置し、いわゆるＭＯＰＡ(Master-Oscillator Power-Amplifier)構成を採用した固体レーザ装置が開示されており、レーザ増幅部においてレーザビームが往復で通過する２パス増幅が行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０７１８１号公報（第７〜８頁、図１３）
【非特許文献１】W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", 4th extensively revised and updated edition, Springer-Verlag, Berlin, 1996, pp. 166-167, Figs. 4.16 and 4.17
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１での固体レーザ装置では、発振部および増幅部において同一の固体レーザモジュールを使用し、各固体レーザモジュールが光学的に等間隔に配置されている。例えば、レーザ出力を約２倍増加させるためには、固体レーザモジュールの数を２倍に増やす必要がある。このとき、固体レーザモジュール内のレーザ媒質に生じる熱レンズの強さについてもモジュール毎に最適化しなければならない。モジュールの数を単に増やしただけでは、レーザビームがうまく伝搬せず、増幅器のレーザ媒質の端面からはみ出したり、レーザ媒質が光吸収によって破壊したり、あるいは所望のレーザ出力が得られないことがある。従って、モジュールの等間隔配置を維持しながら、モジュールの数を２倍に増やすと、レーザ装置全体が約２倍の大きさになってしまう。
【０００６】
非特許文献１での固体レーザ装置では、レーザ増幅部の前段に偏光ビームスプリッタが配置されており、レーザビームは偏光ビームスプリッタを通過して、増幅部において往復して偏光方向が９０度回転した後、偏光ビームスプリッタによって外部に取り出される。そのため、レーザ発振部がランダム偏光のレーザビームを発振した場合、増幅部に入射する段階で偏光ビームスプリッタによってほぼ半分に減少してしまい、光利用効率が低くなる。
【０００７】
また、レーザビームは増幅部の復路方向に進行してから外部に取り出されるため、一部のレーザビームが発振部に戻ってしまい、発振部の異常発振や破壊を生じさせる可能性がある。この戻り光対策として、発振部と増幅部の間にファラデー・アイソレータを配置する必要がある。ところが、ファラデー・アイソレータは、一般に透過率が約９０％以下と低いため、発振器から増幅器への光伝送損失が大きくなり、最終的なレーザ出力および全体の光利用効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、コンパクトな構成で、高出力のレーザビームを高い効率で安定に発生することができる固体レーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る固体レーザ装置は、ロッド状のレーザ媒質および該レーザ媒質を励起するための励起光源を含む固体レーザモジュールが１つ以上配置されたレーザ発振部と、
ロッド状のレーザ媒質および該レーザ媒質を励起するための励起光源を含む固体レーザモジュールが１つ以上配置され、レーザ発振部からのレーザビームを光増幅するためのレーザ増幅部とを備え、
レーザ増幅部におけるレーザ媒質の直径は、レーザ発振部におけるレーザ媒質の直径より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーザ増幅部におけるレーザ媒質の直径をレーザ発振部におけるレーザ媒質の直径より大きく設定することによって、レーザ増幅部におけるレーザ媒質の熱レンズ効果や熱応力に対する許容度がレーザ発振部のレーザ媒質よりも高くなり、ビームの拡がりに対する影響も低減できる。そのため、レーザ増幅部のレーザ媒質は、より高出力の励起光を用いて励起することが可能になり、その結果、コンパクトな構成で、より高出力のレーザビームを高い効率で安定に発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。固体レーザ装置は、レーザ発振部ＬＡと、レーザ増幅部ＬＢなどで構成される。レーザ発振部ＬＡとレーザ増幅部ＬＢの間には、ビーム径を調整するためのレンズ６が配置される。各光学素子は、基台１００の上に固定される。
【００１２】
レーザ発振部ＬＡは、固体レーザモジュール１１と、光共振器を構成するミラー１，２などを含む。ミラー１は、例えば全反射の平面ミラーが使用される。ミラー２は、例えば部分反射の平面ミラーが使用され、レーザ発振部ＬＡのレーザビームを取り出すための出力ミラーとして機能する。固体レーザモジュール１１は、ミラー１とミラー２の間に配置され、光がミラー１，２間で往復する際に光増幅を行う機能を有する。ここでは、レーザ発振部ＬＡに１つの固体レーザモジュール１１を配置した例を説明するが、複数の固体レーザモジュールを直列配置することも可能である。
【００１３】
レーザ増幅部ＬＢは、２つの固体レーザモジュール２１，２２と、固体レーザモジュール２１，２２の間に配置された偏光回転素子７などを含む。固体レーザモジュール２１，２２は、１パス増幅器として直列的に配置され、レーザ発振部ＬＡからのレーザビームが各固体レーザモジュールを一方向に通過する際に光増幅を行う機能を有する。ここでは、レーザ増幅部ＬＢに２つの固体レーザモジュール２１，２２を配置した例を説明するが、３つ以上の固体レーザモジュールを直列配置することも可能である。
【００１４】
偏光回転素子７は、例えば、１／２波長板や水晶などからなる旋光子などで構成され、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる機能を有する。
【００１５】
図２は、固体レーザモジュール１１の構成を示す断面図であり、光軸に対して垂直な断面を示している。固体レーザモジュール１１は、ロッド状のレーザ媒質５０と、フローチューブ５１と、集光器４０と、光ガイド素子４２と、励起光源ユニット３０などで構成される。
【００１６】
レーザ媒質５０は、レーザ発振波長と励起波長の組合せに応じて種々のレーザ材料から適宜選択可能であり、例えば、ＮｄをドープしたＮｄ：ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)が使用される。レーザ媒質５０を励起するための励起光源もレーザ媒質５０に応じて適宜選択可能であり、ここでは半導体レーザを使用した例を説明する。
【００１７】
フローチューブ５１は、励起光に対して透明な材料で形成され、レーザ媒質５０の側面に一定の空間を確保している。この空間には水などの冷媒が供給され、レーザ媒質５０を冷却する。
【００１８】
励起光源ユニット３０は、半導体レーザチップ３１と、半導体レーザチップ３１を搭載するためのチップ基台３５などで構成される。励起光強度を高くするために、一般に、レーザ媒質５０の周囲には多数の励起光源ユニット３０を配置することが好ましく、ここでは、４つの励起光源ユニット３０を９０度間隔で配置した例を説明する。
【００１９】
各半導体レーザチップ３１からの励起光をレーザ媒質５０に案内するために、光ガイド素子４２が設けられる。光ガイド素子４２は、板状の透明材料で構成され、例えば、サファイア、ノンドープＹＡＧ、ガラスなどで形成される。
【００２０】
集光器４０は、例えば、白色セラミックや白色合成樹脂、あるいは金属で構成されており、光ガイド素子４２を保持するための開口部４１と、レーザ媒質５０に面するシリンドリカル状の内面を有する。この内面は、励起光がレーザ媒質５０に効率的に集められるように拡散反射面が形成されている。集光器４０には、励起光源ユニット３０のチップ基台３５が固定される。
【００２１】
図３は、固体レーザモジュール２１，２２の構成を示す断面図であり、光軸に対して垂直な断面を示している。固体レーザモジュール２１，２２は、固体レーザモジュール１１と同様な構成を有するが、レーザ媒質の直径が固体レーザモジュール１１のものより大きい点が相違する。
【００２２】
各固体レーザモジュール２１，２２は、ロッド状のレーザ媒質８０と、フローチューブ８１と、集光器７０と、光ガイド素子７２と、励起光源ユニット６０などで構成される。
【００２３】
レーザ媒質８０は、レーザ発振波長と励起波長の組合せに応じて種々のレーザ材料から適宜選択可能であり、固体レーザモジュール１１と同様に、例えば、ＮｄをドープしたＮｄ：ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)が使用される。レーザ媒質８０を励起するための励起光源もレーザ媒質８０に応じて適宜選択可能であり、ここでは半導体レーザを使用した例を説明する。
【００２４】
フローチューブ８１は、励起光に対して透明な材料で形成され、レーザ媒質８０の側面に一定の空間を確保している。この空間には水などの冷媒が供給され、レーザ媒質８０を冷却する。
【００２５】
励起光源ユニット６０は、半導体レーザチップ６１と、半導体レーザチップ６１を搭載するためのチップ基台６５などで構成される。励起光強度を高くするために、一般に、レーザ媒質８０の周囲には多数の励起光源ユニット６０を配置することが好ましく、ここでは、４つの励起光源ユニット６０を９０度間隔で配置した例を説明する。
【００２６】
各半導体レーザチップ６１からの励起光をレーザ媒質８０に案内するために、光ガイド素子７２が設けられる。光ガイド素子７２は、板状の透明材料で構成され、例えば、サファイア、ノンドープＹＡＧ、ガラスなどで形成される。
【００２７】
集光器７０は、例えば、白色セラミックや白色合成樹脂、あるいは金属で構成されており、光ガイド素子７２を保持するための開口部７１と、レーザ媒質８０に面するシリンドリカル状の内面を有する。この内面は、励起光がレーザ媒質８０に効率的に集められるように拡散反射面が形成されている。集光器７０には、励起光源ユニット６０のチップ基台６５が固定される。
【００２８】
図１に戻って、固体レーザ装置には、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１の各励起光源ユニット３０を駆動するための電源回路１１１と、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０を駆動するための電源回路１２１と、電源回路１１１，１２１を個別に制御して、各励起光源ユニットの通電電流を制御するための制御回路２００が設けられる。
【００２９】
次に、固体レーザ装置の動作について説明する。制御回路２００は各電源回路１１１，１２１に対し所望の電流を流すように指令を出し、電源回路１１１，１２１は、指令に応じた通電電流を各励起光源ユニット３０，６０にそれぞれ供給する。
【００３０】
固体レーザモジュール１１において、各半導体レーザチップ３１から放射された励起光は、光ガイド素子４２によって案内され、フローチューブ５１を通過して、レーザ媒質５０を照射する。レーザ媒質５０は、励起光照射によって反転分布が形成され、レーザ利得が付与される。レーザ媒質５０で発生した光は、ミラー１，２からなる光共振器内を往復する際、誘導放射によって増幅され、ミラー２からランダム偏光のレーザビームが放射される。
【００３１】
レーザ発振部ＬＡからのレーザビームは、レンズ６によって所望のビーム径および所望の発散角に変換された後、レーザ増幅部ＬＢに入射する。
【００３２】
レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２では、固体レーザモジュール１１と同様に、各半導体レーザチップ６１から放射された励起光は、光ガイド素子７２によって案内され、フローチューブ８１を通過して、レーザ媒質８０を照射する。レーザ媒質８０は、励起光照射によって反転分布が形成され、レーザ利得が付与される。
【００３３】
レーザ増幅部ＬＢに入射したレーザビームは、最初の固体レーザモジュール２１によって増幅された後、偏光回転素子７によって偏光方向が９０度回転して、続いて２番目の固体レーザモジュール２２によって増幅された後、高出力のレーザビームとして外部に取り出される。
【００３４】
このようにレーザ発振部ＬＡで発生したランダム偏光のレーザビームが、レーザ増幅部ＬＢを一方向に進行することによって、高出力のレーザビームに増幅される。
【００３５】
本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２のレーザ媒質８０の直径は、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１のレーザ媒質５０の直径より大きく設定している。例えば、レーザ発振部ＬＡのレーザ媒質５０として、直径２ｍｍのロッド形状のＮｄ：ＹＡＧを用いた場合、レーザ増幅部ＬＢのレーザ媒質８０として、例えば、直径４ｍｍのロッド形状のＮｄ：ＹＡＧを用いている。
【００３６】
こうした構成によって、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１と比べて、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２でより高い出力の励起光で励起した場合でも、各レーザ媒質に生じる熱レンズの強さは、固体レーザモジュール１１と固体レーザモジュール２１，２２とで同等程度にすることができる。
【００３７】
従って、レーザ増幅部ＬＢにおけるレーザ媒質８０の熱レンズ効果や熱応力に対する許容度がレーザ発振部ＬＡのレーザ媒質５０よりも高くなり、ビームの拡がりに対する影響も低減できる。そのため、レーザ増幅部ＬＢのレーザ媒質８０は、より高出力の励起光を用いて励起することが可能になり、その結果、コンパクトな構成で、より高出力のレーザビームを高い効率で安定に発生することができる。
【００３８】
また本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の励起光源ユニット６０は、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１の励起光源ユニット３０よりも高い出力の励起光を発生することが好ましい。例えば、レーザ発振部ＬＡでの励起光源ユニット３０として、約１００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ３１を用いた場合、レーザ増幅部ＬＢでの励起光源ユニット６０として、例えば、約３００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ６１を用いている。
【００３９】
こうした構成によって、レーザ発振部ＬＡのレーザ媒質５０と比べて、レーザ増幅部ＬＢのレーザ媒質８０は、より高出力の励起光を用いて励起することが可能になる。
【００４０】
次に、固体レーザ装置のレーザビーム出力を変化させる手法について説明する。一般に、固体レーザモジュール１１での励起光源ユニット３０の通電電流ＩＡと、固体レーザモジュール２１，２２での各励起光源ユニット６０の通電電流ＩＢの両方またはいずれか一方を変化させることによって、各励起光源ユニットの励起光強度を調整して、各レーザ媒質の利得を制御することが可能であり、これにより最終のレーザビーム出力を変化させることができる。
【００４１】
本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０の通電電流ＩＢは一定の値に維持しつつ、一方、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１での励起光源ユニット３０の通電電流ＩＡを変化させることが好ましく、これによって最終のレーザビーム出力を変化させている。
【００４２】
このような電流制御を採用することにより、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２のレーザ媒質８０は、温度変動が少なくなるため、光学的には焦点距離一定のレンズとして動作することになる。従って、最終のレーザビーム出力の大きさに係わらず、レンズ６とレーザ媒質８０に生じる熱レンズとを組み合わせることにより、レーザ増幅部ＬＢでの光学特性は常に一定となる光学系として取り扱うことができることから、コンパクトな設計ができる。
【００４３】
さらに本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおいて１番目の固体レーザモジュール２１と２番目の固体レーザモジュール２２との間に、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる偏光回転素子７を配置することが好ましい。
【００４４】
こうした構成により、レーザ発振部ＬＡからのレーザビームの偏光成分のうち、１番目の固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０においてｒ偏光（径方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、２番目の固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０においてφ偏光（周方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じることになる。同時に、１番目の固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０においてφ偏光の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、２番目の固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０においてｒ偏光の屈折率による熱レンズを感じることになる。その結果、ｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離差を補正することができ、レーザ増幅部ＬＢを通過することによるビーム品質の劣化を抑制できる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態では、レーザ発振部ＬＡでの固体レーザモジュール１１と比べて、レーザ増幅部ＬＢでの固体レーザモジュール２１，２２でより高出力の半導体レーザを励起光源として用い、より高出力の励起光で励起できることから、コンパクトな構成で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００４６】
また、レーザ発振部ＬＡでのレーザ媒質５０と比べて、レーザ増幅部ＬＢにおいて直径がより太いレーザ媒質８０を用いていることから、レーザ増幅部ＬＢでより高出力の励起光で励起しても、レーザ媒質８０に生じる歪を小さくでき、高いビーム品質で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００４７】
また、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０の通電電流ＩＢを一定の値に維持していることから、レーザ媒質８０に生じる熱レンズの強さを一定にできる。そのため、固体レーザ装置のレーザビーム出力を変化させる場合、レーザ増幅部ＬＢのレーザ媒質８０に生じる熱レンズを単なるレンズとして扱うことができることから、レーザ増幅器の光学設計が容易になり、コンパクトな構成で、高いビーム品質で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００４８】
また、レーザ増幅部ＬＢにおいて、レーザビームは一方向に進行して増幅されることから、レーザ発振部ＬＡとレーザ増幅部ＬＢとの間にアイソレータを配置する必要がない。そのため、レーザ発振部ＬＡからレーザ増幅部ＬＢへのレーザビームの伝送効率が高くなり、高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００４９】
また、レーザ発振部ＬＡにおいて、ランダム偏光のレーザビームを発生し、レーザ増幅部ＬＢで全ての偏光方向について光増幅を行っていることから、非特許文献１のように、直線偏光のレーザビームを発生するものと比べて、光利用効率が高くなり、高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態１においては、レーザ増幅部ＬＢに２つの固体レーザモジュール２１，２２を含む構成を例として示したが、レーザ増幅部ＬＢに含まれる固体レーザモジュールの数はこれに限るものでなく、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１のレーザ媒質５０の直径より太いレーザ媒質８０を含んだ固体レーザモジュールを少なくとも１つ備えればよく、本実施の形態１と同様に、コンパクトな構成で、高いビーム品質で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００５１】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。固体レーザ装置は、レーザ発振部ＬＡと、レーザ増幅部ＬＢなどで構成される。各光学素子は、基台１００の上に固定される。
【００５２】
本実施形態において、レーザ発振部ＬＡには、１つの固体レーザモジュール１１が配置され、レーザ増幅部ＬＢには、５つの固体レーザモジュール２０〜２４が直列配置されている。そのうち、固体レーザモジュール２０は、固体レーザモジュール１１と同様に、図２に示すように、細いレーザ媒質５０を有するタイプであり、一方、固体レーザモジュール２１〜２４は、図３に示すように、太いレーザ媒質８０を有するタイプである。
【００５３】
レーザ発振部ＬＡは、固体レーザモジュール１１と、光共振器を構成するミラー１，２などを含む。ミラー１は、例えば全反射の平面ミラーが使用される。ミラー２は、例えば部分反射の平面ミラーが使用され、レーザ発振部ＬＡのレーザビームを取り出すための出力ミラーとして機能する。固体レーザモジュール１１は、ミラー１とミラー２の間に配置され、光がミラー１，２間で往復する際に光増幅を行う機能を有する。
【００５４】
レーザ増幅部ＬＢは、５つの固体レーザモジュール２０〜２４と、固体レーザモジュール２０，２１の間に配置されたレンズ６と、固体レーザモジュール２１，２２の間に配置された偏光回転素子７ａと、固体レーザモジュール２３，２４の間に配置された偏光回転素子７ｂなどを含む。
【００５５】
固体レーザモジュール２０〜２４は、１パス増幅器として直列的に配置され、レーザ発振部ＬＡからのレーザビームが各固体レーザモジュールを一方向に通過する際に光増幅を行う機能を有する。
【００５６】
レンズ６は、固体レーザモジュール２０からのビーム径を調整する機能を有する。
【００５７】
偏光回転素子７ａ，７ｂは、例えば、１／２波長板や水晶などからなる旋光子などで構成され、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる機能を有する。
【００５８】
固体レーザ装置には、レーザ発振部ＬＡにおける直径が小さいレーザ媒質を含む固体レーザモジュール１１の各励起光源ユニット３０を駆動するための小レーザ媒質用電源回路１１１と、レーザ増幅部ＬＢにおいて、直径が小さいレーザ媒質を含む固体レーザモジュール２０の各励起光源ユニット３０を駆動するための小レーザ媒質用電源回路１１２と、直径が大きいレーザ媒質を含む固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０を駆動するための大レーザ媒質用電源回路１２１と、直径が大きいレーザ媒質を含む固体レーザモジュール２３，２４の各励起光源ユニット６０を駆動するための大レーザ媒質用電源回路１２２と、小レーザ媒質用電源回路１１１，１１２と大レーザ媒質用１２１，１２２を個別に制御して、各励起光源ユニットの通電電流を制御するための制御回路２００が設けられる。
【００５９】
本実施形態では、ミラー２として部分反射平面ミラーを使用する場合、ミラー２の中心を基準として、固体レーザモジュール１１と固体レーザモジュール２０が対称に配置されている。こうした対称配置によって、レーザ発振部ＬＡでの固体レーザモジュール１１およびレーザ増幅部ＬＢでの固体レーザモジュール２０において、通過するレーザビームについてのビーム径変化および発散角変化など、ビーム伝搬状況がほぼ同じになる。
【００６０】
固体レーザ装置のレーザ動作については、前の実施形態と同様であり、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１は、光励起によってレーザ発振を行い、ミラー２からランダム偏光のレーザビームを放射する。次に、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２０〜２４は、光励起によってレーザ増幅を行う。
【００６１】
固体レーザモジュール２０からのレーザビームは、レンズ６によって所望のビーム径および所望の発散角に変換された後、固体レーザモジュール２１に入射する。この固体レーザモジュール２１によって増幅されたレーザビームは、偏光回転素子７ａによって偏光方向が９０度回転して、次の固体レーザモジュール２２によって増幅される。続いて固体レーザモジュール２３によって増幅されたレーザビームは、偏光回転素子７ｂによって偏光方向が９０度回転して、固体レーザモジュール２４によって増幅された後、高出力のレーザビームとして外部に取り出される。
【００６２】
このようにレーザ発振部ＬＡで発生したランダム偏光のレーザビームが、レーザ増幅部ＬＢを一方向に進行することによって、高出力のレーザビームに増幅される。
【００６３】
次に、固体レーザ装置のレーザビーム出力を変化させる手法について説明する。本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおける太い（直径が大きい）レーザ媒質８０を備えた固体レーザモジュール２１〜２４の各励起光源ユニット６０の通電電流ＩＢは一定の値に維持しつつ、一方、レーザ発振部ＬＡにおける細い（直径が小さい）レーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュール１１およびレーザ増幅部ＬＢにおける細い（直径が小さい）レーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュール２０での励起光源ユニット３０の通電電流ＩＡおよびＩＢを変化させることが好ましく、これによって最終のレーザビーム出力を変化させている。
【００６４】
このような電流制御を採用することにより、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１〜２４のレーザ媒質８０は、温度変動が少なくなるため、光学的には焦点距離一定のレンズとして動作することになる。従って、最終のレーザビーム出力の大きさに係わらず、レンズ６とレーザ媒質８０に生じる熱レンズとを組み合わせることにより、レンズ６以後のレーザ増幅部ＬＢでの光学特性は常に一定となる光学系として取り扱うことができることから、コンパクトな設計ができる。
【００６５】
さらに本実施形態では、レーザ増幅部ＬＢにおいて固体レーザモジュール２１と固体レーザモジュール２２との間に、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる偏光回転素子７ａを配置し、固体レーザモジュール２３と固体レーザモジュール２４との間に、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる偏光回転素子７ｂを配置することが好ましい。
【００６６】
こうした構成により、固体レーザモジュール２０からのレーザビームの偏光成分のうち、固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２４のレーザ媒質８０においてｒ偏光（径方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２３のレーザ媒質８０においてφ偏光（周方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じることになる。同時に、固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２４のレーザ媒質８０においてφ偏光の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２３のレーザ媒質８０においてｒ偏光の屈折率による熱レンズを感じることになる。その結果、ｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離差を補正することができ、レーザ増幅部ＬＢを通過することによるビーム品質の劣化を抑制できる。
【００６７】
次に、固体レーザ装置のレーザビーム出力を変化させる別の手法について説明する。本実施形態において、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２０〜２４の各励起光源ユニット３０，６０の通電電流ＩＢは一定の値に維持しつつ、一方、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１での励起光源ユニット３０の通電電流ＩＡを変化させることが好ましく、これによって最終のレーザビーム出力を変化させている。
【００６８】
このような電流制御を採用することにより、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２０のレーザ媒質５０および固体レーザモジュール２１〜２４のレーザ媒質８０は、温度変動が少なくなるため、光学的には焦点距離一定のレンズとして動作することになる。従って、最終のレーザビーム出力の大きさに係わらず、レンズ６とレーザ媒質５０，８０に生じる熱レンズとを組み合わせることにより、レーザ増幅部ＬＢでの光学特性は常に一定となる光学系として取り扱うことができることから、コンパクトな設計ができる。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態では、実施の形態１と同等の効果があるとともに、レーザ発振部ＬＡでの固体レーザモジュール１１と比べて、レーザ増幅部ＬＢにおいて直径がより太いレーザ媒質８０を備えた４つの固体レーザモジュール２１〜２４を使用していることから、より高出力の励起光で励起可能になり、コンパクトな構成で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００７０】
なお、本実施形態において、レーザ発振部ＬＡとして１つの固体レーザモジュール１１を使用し、レーザ増幅部ＬＢとして１つの固体レーザモジュール２０および４つの固体レーザモジュール２１〜２４を使用した例を説明したが、レーザ発振部ＬＡおよびレーザ増幅部ＬＢで使用する固体レーザモジュールの数は任意であって、これに限定されるものでなく、例えば、レーザ発振部ＬＡとして、細いレーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュールを２つ直列配置し、レーザ増幅部ＬＢとして、細いレーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュールを２つ、および太いレーザ媒質８０を備えた固体レーザモジュールを４つ直列配置した構成でも構わない。
【００７１】
細いレーザ媒質５０を備えた複数の固体レーザモジュールを直列配置する場合は、各モジュールを通過するレーザビームのビーム伝搬状況がほぼ同じになるように配置することが好ましい。また、太いレーザ媒質８０を備えた複数の固体レーザモジュールを直列配置する場合は、奇数番目のモジュールと偶数番目のモジュールの間にレーザビームの偏光方向を９０度回転させる偏光回転素子を配置することが好ましい。なお、太いレーザ媒質８０を備えた固体レーザモジュールを奇数個使用する場合は、最後のモジュールの後に偏光回転素子を配置しなくても、本実施形態と同様な効果を奏する。
【００７２】
さらに、本実施形態では、固体レーザモジュール２１，２２の間に偏光回転素子７ａを配置し、固体レーザモジュール２３，２４の間に偏光回転素子７ｂを配置した例を説明したが、その代わりに、固体レーザモジュール２２と固体レーザモジュール２３の間にのみ偏光回転素子を配置しても同様な効果が得られる。即ち、レーザビームの偏光成分に関して、固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０においてｒ偏光（径方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、固体レーザモジュール２３のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２４のレーザ媒質８０においてφ偏光（周方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じることになる。同時に、固体レーザモジュール２１のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２２のレーザ媒質８０においてφ偏光の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、固体レーザモジュール２３のレーザ媒質８０および固体レーザモジュール２４のレーザ媒質８０においてｒ偏光の屈折率による熱レンズを感じることになる。その結果、ｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離差を補正することができ、レーザ増幅部ＬＢを通過することによるビーム品質の劣化を抑制できる。
【００７３】
この場合も、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュールの数は任意である。従って、太いレーザ媒質８０を備えた複数の固体レーザモジュールを直列配置する場合は、固体レーザモジュールおよび偏光回転素子がビーム進行方向に沿って対称に配置されることが好ましく、これによってｒ偏光の屈折率による熱レンズが生ずる固体レーザモジュールの数とφ偏光の屈折率による熱レンズが生ずる固体レーザモジュールの数とを一致させることができ、ビーム品質の劣化を抑制できる。
【００７４】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。固体レーザ装置は、レーザ発振部ＬＡと、レーザ増幅部ＬＢなどで構成される。レーザ発振部ＬＡとレーザ増幅部ＬＢの間には、ビーム径を調整するためのレンズ６が配置される。各光学素子は、基台１００の上に固定される。
【００７５】
本実施形態において、レーザ発振部ＬＡには、２つの固体レーザモジュール１１，１２が直列配置され、レーザ増幅部ＬＢには、２つの固体レーザモジュール２１，２２が直列配置されている。そのうち、固体レーザモジュール１１，１２は、図２に示すように、細いレーザ媒質５０を有するタイプであり、一方、固体レーザモジュール２１，２２は、図３に示すように、太いレーザ媒質８０を有するタイプである。
【００７６】
レーザ発振部ＬＡは、固体レーザモジュール１１，１２と、固体レーザモジュール１１，１２の間に配置された偏光回転素子７ｃと、光共振器を構成するミラー１，２などを含む。ミラー１は、例えば全反射の平面ミラーが使用される。ミラー２は、例えば部分反射の平面ミラーが使用され、レーザ発振部ＬＡのレーザビームを取り出すための出力ミラーとして機能する。固体レーザモジュール１１，１２は、ミラー１とミラー２の間に配置され、光がミラー１，２間で往復する際に光増幅を行う機能を有する。
【００７７】
レーザ増幅部ＬＢは、２つの固体レーザモジュール２１，２２と、固体レーザモジュール２１，２２の間に配置された偏光回転素子７ｄなどを含む。
【００７８】
固体レーザモジュール２１，２２は、１パス増幅器として直列的に配置され、レーザ発振部ＬＡからのレーザビームが各固体レーザモジュールを一方向に通過する際に光増幅を行う機能を有する。
【００７９】
偏光回転素子７ｃ，７ｄは、例えば、１／２波長板や水晶などからなる旋光子などで構成され、レーザビームの偏光方向を９０度回転させる機能を有する。
【００８０】
固体レーザ装置には、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１，１２の各励起光源ユニット３０を駆動するための電源回路１１１と、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０を駆動するための電源回路１２１と、電源回路１１１，１２１を個別に制御して、各励起光源ユニットの通電電流を制御するための制御回路２００が設けられる。
【００８１】
本実施形態では、レーザ発振部ＬＡにおいて、２つの固体レーザモジュール１１，１２を通過するレーザビームの伝搬状況（ビーム径や発散角の変化など）が、偏光回転素子７ｃから前方および後方を見たときにどちらもほぼ相似になるように、偏光回転素子７ｃを基準としてミラー１とミラー２が対称配置され、固体レーザモジュール１１と固体レーザモジュール１２が対称配置されている。すなわち、例えばミラー１、２として平面ミラーを用いる場合、ミラー１とミラー２のほぼ中間点に偏光回転素子７ｃが配置され、ミラー１から固体レーザモジュール１１までの距離とミラー２から固体レーザモジュール１２までの距離がほぼ等しくなるように配置されている。
【００８２】
こうした対称配置により、レーザ発振部ＬＡにおけるレーザビームの偏光成分のうち、固体レーザモジュール１１のレーザ媒質５０においてｒ偏光（径方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、次の固体レーザモジュール１２のレーザ媒質５０においてφ偏光（周方向偏光）の屈折率による熱レンズを感じることになる。同時に、固体レーザモジュール１１のレーザ媒質５０においてφ偏光の屈折率による熱レンズを感じた偏光成分は、次の固体レーザモジュール１２のレーザ媒質５０においてｒ偏光の屈折率による熱レンズを感じることになる。その結果、ｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離差を補正することができ、レーザ発振部ＬＡにおけるレーザビームのビーム品質の劣化をより抑制できる。
【００８３】
さらに、レーザ発振部ＬＡにおいて、レーザ媒質５０のｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離を補正したレーザビームがレーザ増幅部ＬＢに入射するため、レーザ増幅部ＬＢにおいて、レーザ媒質８０のｒ偏光とφ偏光の屈折率差による熱レンズ焦点距離差をより補正できることから、レーザ増幅部ＬＢを通過する際のビーム品質の劣化をより抑制できる。
【００８４】
固体レーザ装置のレーザビーム出力を変化させる手法については、前の実施形態と同様であり、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２の各励起光源ユニット６０の通電電流ＩＢは一定の値に維持しつつ、一方、レーザ発振部ＬＡにおける固体レーザモジュール１１，１２での励起光源ユニット３０の通電電流ＩＡを変化させることが好ましく、これによって最終のレーザビーム出力を変化させている。
【００８５】
このような電流制御を採用することにより、レーザ増幅部ＬＢにおける固体レーザモジュール２１，２２のレーザ媒質８０は、温度変動が少なくなるため、光学的には焦点距離一定のレンズとして動作することになる。従って、最終のレーザビーム出力の大きさに係わらず、レンズ６とレーザ媒質８０に生じる熱レンズとを組み合わせることにより、レーザ増幅部ＬＢでの光学特性は常に一定となる光学系として取り扱うことができることから、コンパクトな設計ができる。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態では、実施の形態１と同等の効果があるとともに、レーザ発振部ＬＡでの固体レーザモジュール１１，１２と比べて、レーザ増幅部ＬＢにおいて直径がより太いレーザ媒質８０を備えた２つの固体レーザモジュール２１，２２を使用していることから、より高出力の励起光で励起可能になり、コンパクトな構成で高出力のレーザビームを効率よく発生することができる。
【００８７】
なお、上述した各実施形態において、レーザ媒質５０、８０として、波長１０６４ｎｍのランダム偏光のレーザビームを発生するＮｄ：ＹＡＧを用いた例を示したが、その代わりに、Ｎｄ：ＹＬＦ(Yttrium Lithium Fluoride)、Ｎｄ：ＹＶＯ４(Yttrium Vanadate)、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３（チタン・サファイヤ）等の固体レーザ媒質も使用できる。なお、Ｎｄ：ＹＶＯ４などの直線偏光のレーザビームを発生する固体レーザ媒質を用いる場合、ランダム偏光発振させる必要はない。
【００８８】
また、上述した各実施形態において、レーザ媒質５０として、例えば直径２ｍｍのロッド形状のもの、レーザ媒質８０として、例えば直径４ｍｍのロッド形状のものを用いた例を示したが、その代わりに、レーザ媒質５０として、例えば直径４ｍｍのロッド形状のもの、レーザ媒質８０として、例えば直径６ｍｍのロッド形状のものも使用でき、レーザ媒質５０の直径よりもレーザ媒質８０の直径の方が大きいことが好ましい。
【００８９】
また、上述した各実施形態において、励起光源ユニット３０として、約１００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ３１を用い、レーザ増幅部ＬＢでの励起光源ユニット６０として、例えば、約３００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ６１を用いた例を示したが、その代わりに、励起光源ユニット３０として、約３００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ３１を用い、レーザ増幅部ＬＢでの励起光源ユニット６０として、例えば、約５００Ｗの励起ビームを発生する半導体レーザチップ６１も使用でき、励起光源ユニット３０の出力よりも励起光源ユニット６０の出力が高いことが好ましい。
【００９０】
また、上述した各実施形態において、励起光源ユニット３０，６０において、チップ基台３５，６５に１つの半導体レーザチップ３１，６１をそれぞれ搭載した例を示したが、その代わりに、１つのチップ基台に複数の半導体レーザチップを搭載しても構わない。
【００９１】
また、上述した各実施形態において、励起光源ユニット３０，６０において、集光器４０，７０および光ガイド素子４２，７２をそれぞれ用いた例を示したが、その代わりに、集光器および光ガイド素子の両方またはいずれか一方が無い励起光源ユニットでも使用可能である。
【００９２】
また、上述した各実施形態において、細いレーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュールと太いレーザ媒質８０を備えた固体レーザモジュールとの間にレンズ６を配置する例を示したが、その代わりに細いレーザ媒質５０を備えた固体レーザモジュールと太いレーザ媒質８０を備えた固体レーザモジュールとの間隔を適宜調整してビーム径を調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態１による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。
【図２】固体レーザモジュール１１の構成を示す断面図である。
【図３】固体レーザモジュール２１，２２の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。
【図５】本発明の実施の形態３による固体レーザ装置の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９４】
ＬＡ  レーザ発振部、  ＬＢ  レーザ増幅部、  １，２  ミラー、  ６  レンズ、  ７，７ａ〜７ｄ  偏光回転素子、  １１，１２，２０〜２４  固体レーザモジュール、  ３０，６０  励起光源ユニット、  ３１，６１  半導体レーザチップ、  ３５，６５  チップ基台、  ４０，７０  集光器、  ４１，７１  開口部、  ４２，７２  光ガイド素子、  ５０，８０  レーザ媒質、  ５１，８１  フローチューブ、  １００  基台、  １１１，１１２，１２１，１２２  電源回路、  ２００  制御回路。
【図１】
2006203117.tif 000003
【図２】
2006203117.tif 000004
【図３】
2006203117.tif 000005
【図４】
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【図５】
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