(57)【要約】【課題】ビーム品質を向上可能なレーザ媒質ユニット、及び、レーザ装置を提供する。【解決手段】  レーザ媒質ユニット１０Ａは、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２とを有し、第１面Ｓ１からの励起光Ｌ１の照射により放出光を発生する板状のレーザ利得媒質２２と、第２面Ｓ２上に設けられ、励起光Ｌ１及び放出光を反射する反射部材２３と、レーザ利得媒質２２を冷却するための冷却部材１７と、を備える。レーザ利得媒質２２は、励起光Ｌ１が照射される照射領域ＩＲと、厚さ方向からみて照射領域ＩＲの外側に位置する外側領域ＯＲと、を有する。冷却部材１７は、反射部材２３を介して第２面Ｓ２に熱的に接続されることにより、第２面Ｓ２上にレーザ利得媒質２２の冷却エリアＣＡを形成している。冷却エリアＣＡの外縁は、厚さ方向からみて照射領域ＩＲ内に位置する。【選択図】図３
2018129391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と前記第１面の反対側の第２面とを有し、前記第１面からの励起光の照射により放出光を発生する板状のレーザ利得媒質と、
前記第２面上に設けられ、前記励起光及び前記放出光を反射する反射部材と、
前記レーザ利得媒質を冷却するための冷却部材と、
を備え、
前記レーザ利得媒質は、前記励起光が照射される照射領域と、前記第１面及び前記第２面に交差する厚さ方向からみて前記照射領域の外側に位置する外側領域と、を有し、
前記冷却部材は、前記反射部材を介して前記第２面に熱的に接続されることにより、前記第２面上に前記レーザ利得媒質の冷却エリアを形成しており、
前記冷却エリアの外縁は、前記厚さ方向からみて前記照射領域内に位置する、
レーザ媒質ユニット。
【請求項２】
前記レーザ利得媒質を加熱するための加熱部材をさらに備え、
前記加熱部材は、前記レーザ利得媒質の外縁部において前記第１面以外の面上に設けられ、前記外側領域に対して熱を入力することにより前記レーザ利得媒質を加熱する、
請求項１に記載のレーザ媒質ユニット。
【請求項３】
前記レーザ利得媒質は、前記外縁部側に位置し、前記厚さ方向に沿って前記第１面と前記第２面とを接続する第３面を有し、
前記加熱部材は、前記第３面に設けられている、
請求項２に記載のレーザ媒質ユニット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ媒質ユニットと、
増幅されるべきレーザ光と前記励起光とを前記第１面から前記レーザ利得媒質に入力するための入力光学系と、
を備えるレーザ装置。
【請求項５】
活性元素が添加されておらず、前記励起光及び前記レーザ光を透過可能な光学媒質をさらに備え、
前記レーザ利得媒質は、前記第１面が前記光学媒質に接合されるように前記光学媒質上に設けられており、
前記入力光学系は、前記レーザ光及び前記励起光を、互いに同軸の光路により前記光学媒質を介して前記第１面から前記レーザ利得媒質に入力する、
請求項４に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ媒質ユニット、及び、レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザ媒質ユニットが記載されている。このレーザ媒質ユニットは、励起光が照射されることにより放出光を発生する複数の板状のレーザ利得媒質が、励起光及び放出光の双方を透過させる光学媒質に接合されてなるレーザ媒質体を備えている。また、このレーザ媒質ユニットは、レーザ媒質体を収容すると共に、レーザ利得媒質を冷却するための冷却媒質流路を有する容器を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２０１５−１６７２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のレーザ媒質ユニットにおいては、レーザ利得媒質は、一例として矩形板状である。そして、レーザ利得媒質においては、その厚さ方向に交差する一対の面のうちの一方の面が、光学媒質に接合されて励起光及び放出光の入出射面とされると共に、他方の面の全体が冷却媒質流路に接して冷却に供されている。特に、このレーザ媒質ユニットにあっては、冷却媒質流路の断面積を調整することにより、冷却媒質流路内の冷媒の流速を制御し、レーザ利得媒質の温度均一性の向上を図っている。すなわち、上記技術分野にあっては、ビーム品質の向上のため、温度勾配に起因する熱レンズ効果を低減することが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、ビーム品質を向上可能なレーザ媒質ユニット、及び、レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明者は、鋭意研究を進めることにより、レーザ利得媒質における励起光の照射領域と、レーザ利得媒質の冷却に供される冷却エリアとの相対的な関係を制御することにより、熱レンズ効果を低減可能であるとの知見を得るに至った。すなわち、本発明者は、冷却エリアを励起光の照射領域と同等以下の範囲とすることにより、照射領域よりも広い範囲を冷却する場合と比較して、熱レンズ効果を低減可能であることを見いだした。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【０００７】
すなわち、本発明に係るレーザ媒質ユニットは、第１面と第１面の反対側の第２面とを有し、第１面からの励起光の照射により放出光を発生する板状のレーザ利得媒質と、第２面上に設けられ、励起光及び放出光を反射する反射部材と、レーザ利得媒質を冷却するための冷却部材と、を備え、レーザ利得媒質は、励起光が照射される照射領域と、第１面及び第２面に交差する厚さ方向からみて照射領域の外側に位置する外側領域と、を有し、冷却部材は、反射部材を介して第２面に熱的に接続されることにより、第２面上にレーザ利得媒質の冷却エリアを形成しており、冷却エリアの外縁は、厚さ方向からみて照射領域内に位置する。
【０００８】
このレーザ媒質ユニットにおいては、板状のレーザ利得媒質が、励起光の入射面である第１面と、第１面の反対側の面であって、冷却部材の冷却エリアが形成される第２面と、を有する。また、レーザ利得媒質は、励起光が照射される照射領域と、厚さ方向からみて照射領域の外側に位置する外側領域と、を有する。そして、冷却エリアの外縁が、厚さ方向からみて励起光の照射領域内に位置する。すなわち、このレーザ媒質ユニットにあっては、レーザ利得媒質の厚さ方向からみて、冷却エリアが励起光の照射領域と同等以下の範囲となる。よって、このレーザ媒質ユニットによれば、熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。なお、冷却エリアとは、例えば、冷却部材と第２面とが反射部材を介して接するエリアである。
【０００９】
本発明に係るレーザ媒質ユニットは、レーザ利得媒質を加熱するための加熱部材をさらに備え、加熱部材は、レーザ利得媒質の外縁部において第１面以外の面上に設けられ、外側領域に対して熱を入力することによりレーザ利得媒質を加熱してもよい。このような加熱部材を用いることにより、第１面における励起光の入射を妨げることなく、熱レンズ効果をさらに低減可能である。
【００１０】
本発明に係るレーザ媒質ユニットにおいては、レーザ利得媒質は、外縁部側に位置し、厚さ方向に沿って第１面と第２面とを接続する第３面を有し、加熱部材は、第３面に設けられていてもよい。このように、加熱部材は、レーザ利得媒質の側端面である第３面に設けられ得る。
【００１１】
本発明に係るレーザ装置は、上記のレーザ媒質ユニットと、増幅されるべきレーザ光と励起光とを第１面からレーザ利得媒質に入力するための入力光学系と、を備える。このレーザ装置は、上記のレーザ媒質ユニットを備える。したがって、このレーザ装置によれば、レーザ利得媒質における熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００１２】
本発明に係るレーザ装置は、活性元素が添加されておらず、励起光及びレーザ光を透過可能な光学媒質をさらに備え、レーザ利得媒質は、第１面が光学媒質に接合されるように光学媒質上に設けられており、入力光学系は、レーザ光及び励起光を、互いに同軸の光路により光学媒質を介して第１面からレーザ利得媒質に入力してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ビーム品質を向上可能なレーザ媒質ユニット、及び、レーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係るレーザ装置の概要を示す図である。
【図２】図１に示されたレーザ媒質体を示す斜視図である。
【図３】図１に示されたレーザ装置の部分的な拡大断面図である。
【図４】図１に示されたレーザ利得媒質及び励起光の強度分布を示す図である。
【図５】レーザ利得媒質における位相シフト量を計算した結果を示す図である。
【図６】レーザ利得媒質と熱レンズ効果との関係の計算結果を示すグラフ、及び、加熱部材によるレーザ利得媒質の加熱の有無による位相シフト量の変化の計算結果を示すグラフである。
【図７】冷却エリアの外縁が照射領域よりも内側に位置する場合の計算結果を示す図である。
【図８】冷却エリアの最適化に関する計算結果を示す図である。
【図９】図５〜８の計算結果をまとめたグラフである。
【図１０】第２実施形態に係るレーザ装置の概要を示す図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザ装置の概要を示す図である。
【図１２】第４実施形態に係るレーザ装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一又は相当する要素同士には互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。また、各図には、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸により規定される直交座標系Ｓを示す場合がある。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るレーザ装置の概要を示す図である。図２は、図１に示されたレーザ媒質体を示す斜視図である。図３は、図１に示されたレーザ装置の部分的な拡大断面図である。図１〜３に示されるように、レーザ装置１Ａは、レーザ媒質ユニット１０Ａと、励起光Ｌ１を供給する複数（ここでは４つ）の励起光源部１２（励起光源部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）と、増幅されるべき光（種光）としてのレーザ光Ｌ２を反射する複数（ここでは４つ）のミラー部１４（ミラー部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）と、を備えている。
【００１７】
レーザ媒質ユニット１０Ａは、スラブ型のレーザ媒質体１６と、レーザ媒質体１６を収容する容器（不図示）と、冷却部材１７と、複数の加熱部材１８と、を有する。ただし、図１，２においては、加熱部材１８の図示が省略されている。レーザ媒質体１６は、光学媒質２０と、複数（ここでは６つ）の板状のレーザ利得媒質２２（レーザ利得媒質２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ）と、複数の反射部材２３（図３参照）と、を有する。レーザ利得媒質２２は、それぞれ、光学媒質２０に接合されている。
【００１８】
光学媒質２０は、ここでは、六角柱状を呈する薄い平板であり、６枚の平坦な側面２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆを有する。光学媒質２０のＸ軸方向の寸法、Ｙ軸方向の寸法、及び、Ｚ軸方向の寸法は、一例として、１００ｍｍ、１５ｍｍ、及び、３０ｍｍ程度である。側面２０ａ，２０ｂの形状は互いに同一であり、側面２０ｃ〜２０ｆの形状は互いに同一である。側面２０ｂは側面２０ａに平行であって側面２０ａの反対側に位置しており、側面２０ｅは、側面２０ｃと平行であって側面２０ｃに対して反対側に位置している。同様に、側面２０ｆは、側面２０ｄと平行であって側面２０ｄに対して反対側に位置している。
【００１９】
互いに交差する側面２０ｃ，２０ｆは、それぞれ側面２０ａ，２０ｂと交差している。同様に、互いに交差している側面２０ｄ，２０ｅは、それぞれ側面２０ａ，２０ｂと交差している。側面２０ａ（又は側面２０ｂ）に平行であり、且つ、側面２０ａの法線方向において側面２０ａと側面２０ｂとの間の中央に位置する仮想平面に対して、光学媒質２０は対称であり得る。
【００２０】
光学媒質２０は、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる透明部材である。光学媒質２０には、例えばＮｄ等の活性元素が添加されてない。光学媒質２０は、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを透過可能である。
【００２１】
レーザ利得媒質２２は、互いに同一の形状を有する。したがって、図３では、１つのレーザ利得媒質２２に相当する部分を代表して示している。レーザ利得媒質２２は、一例として矩形板状である。ここでは、Ｙ軸方向をレーザ利得媒質２２の厚さ方向とし、Ｘ軸方向及びＺ軸方向をレーザ利得媒質２２の延在方向（板面に沿った方向）としている。レーザ利得媒質２２の延在方向の寸法は、入射される励起光Ｌ１の照射領域（後述する照射領域ＩＲ）より大きい。
【００２２】
レーザ利得媒質２２は、例えば、ＹＡＧに活性元素としてＮｄがドープされたものである。すなわち、レーザ利得媒質には、活性元素が添加されている。レーザ利得媒質２２は、励起光Ｌ１により励起されて放出光を出力する。放出光の一例は、誘導放出光である。この誘導放出光が、レーザ光Ｌ２の光増幅に寄与する。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃは、光学媒質２０の側面２０ａに接合されており、レーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆは、側面２０ｂに接合されている。レーザ利得媒質２２は、例えば、セラミックコンポジット技術によって、光学媒質２０に接合され得る。
【００２３】
光学媒質２０の側面２０ａ〜２０ｆのうちレーザ利得媒質２２が接合されていない側面２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆは、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２のうちの少なくとも一方が入射及び出射される入出射面である。励起光源部１２のそれぞれは、側面２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆから入射される励起光Ｌ１を出力する。励起光源部１２は、レーザ利得媒質２２を励起し得る波長の光を出力する半導体レーザ（例えばレーザダイオード）といった励起光源を含む。励起光源部１２は、励起光源から出力された励起光Ｌ１を集光する集光光学系を有していてもよい。
【００２４】
ミラー部１４は、側面２０ｃ〜２０ｆと、側面２０ｃ〜２０ｆに対応する励起光源部１２との間において、励起光源部１２からの励起光Ｌ１の光路上に配置されている。ミラー部１４は、励起光Ｌ１を透過すると共に、レーザ光Ｌ２を全反射する。特に、ミラー部１４ａは、レーザ光Ｌ２を反射して、レーザ光Ｌ２を側面２０ｃから光学媒質２０に入射させる。レーザ光Ｌ２は、例えば、ファイバーレーザといったレーザ光源から出力された光であり得る。レーザ光Ｌ２は、励起光源部１２ａからの励起光Ｌ１の光路の軸方向と異なる方向からミラー部１４ａに入射される。
【００２５】
ミラー部１４ａは、励起光源部１２ａから出力された励起光Ｌ１の光路と同軸の光路により光学媒質２０内をレーザ光Ｌ２が伝搬するように、レーザ光Ｌ２を反射するように配置されている。図１では、ミラー部１４ａで反射されたレーザ光Ｌ２は、励起光Ｌ１に対して並列に示されているが、これは、レーザ光Ｌ２を明示するための便宜的なものである。同様に、図１において、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２と並列されていることは、それらが同軸であることを示している。
【００２６】
ミラー部１４ｂ，１４ｃは、光学媒質２０の側面２０ｄから出射されたレーザ光Ｌ２を、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１の光路と同軸で光学媒質２０に再入射させるように配置されている。ミラー部１４ｄは、側面２０ｆから出射されたレーザ光Ｌ２を、励起光源部１２ｄからの励起光Ｌ１の光路の軸方向と異なる方向に反射するように配置されている。
【００２７】
励起光源部１２から出力された励起光Ｌ１は、ミラー部１４を透過した後、対応する側面２０ｃ〜２０ｆから光学媒質２０に入射する。光学媒質２０内に入射した励起光Ｌ１は、後述するように、レーザ利得媒質２２の第２面Ｓ２において反射部材２３により反射されることにより光学媒質２０内をジグザグに伝搬して、側面２０ｃ〜２０ｆから出射される。
【００２８】
具体的には、側面２０ｃから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｆ、レーザ利得媒質２２ｂ及びレーザ利得媒質２２ｄの順にレーザ利得媒質２２ｆ，２２ｂ，２２ｄを経て、側面２０ｄから出射される。逆に、側面２０ｄから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｄ、レーザ利得媒質２２ｂ及びレーザ利得媒質２２ｆの順に、レーザ利得媒質２２ｄ，２２ｂ，２２ｆを経て、側面２０ｃから出射される。側面２０ｃ，２０ｄそれぞれから入力された励起光Ｌ１のパスは、互いに反対方向であり得る。
【００２９】
側面２０ｅから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｃ、レーザ利得媒質２２ｅ及びレーザ利得媒質２２ａの順にレーザ利得媒質２２ｃ，２２ｅ，２２ａを経て、側面２０ｆから出射される。逆に、側面２０ｆから入射された励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ａ、レーザ利得媒質２２ｅ及びレーザ利得媒質２２ｃの順にレーザ利得媒質２２ａ，２２ｅ，２２ｃを経て、側面２０ｅから出射される。側面２０ｅ，２０ｆそれぞれから入力された励起光Ｌ１のパスは、互いに反対方向であり得る。
【００３０】
励起光Ｌ１の一部は、光学媒質２０内における伝搬過程において、レーザ利得媒質２２に吸収され、レーザ利得媒質２２を励起する。側面２０ｃ〜２０ｆへの励起光源部１２からの励起光Ｌ１の入射は、垂直入射が例示され得る。しかしながら、側面２０ｃ〜２０ｆへの励起光源部１２からの励起光Ｌ１は、斜め入射でもよい。
【００３１】
励起光源部１２からの励起光Ｌ１が、対応する側面２０ｃ〜２０ｆに斜め入射する場合、励起光Ｌ１の側面２０ｃ〜２０ｆへの入射角度は、上述した互いに反対方向に伝搬する励起光Ｌ１の光路の軸が光学媒質２０内で僅かにずれる程度が好ましい。これにより、光学媒質２０内においては、ある励起光（基準励起光と称す）の光路と、その励起光に対する対向励起光の光路が少しずれている一方、側面２０ｃ〜２０ｆから出射する際に、基準励起光の入射方向と、対向励起光の出射方向は大きくずれる。その結果、励起光源部１２のうち基準励起光を出力した励起光源に対向励起光が入射することが防止され得る。
【００３２】
レーザ光源部から供給されるレーザ光Ｌ２は、ミラー部１４ａによって反射され、励起光源部１２ａからの励起光Ｌ１と同軸で側面２０ｃから光学媒質２０内に入射される。側面２０ｃから入射された種光としてのレーザ光Ｌ２は、励起光Ｌ１と同じ光路を経て、側面２０ｄから出射される。側面２０ｄから出射された光は、ミラー部１４ｂ，１４ｃで順に反射され、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１と同軸で側面２０ｅから光学媒質２０内に再度入射される。側面２０ｅから光学媒質２０に入射されたレーザ光Ｌ２は、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１と同様の光路を経て、側面２０ｆから出射される。
【００３３】
励起光Ｌ１により励起されたレーザ利得媒質２２にレーザ光Ｌ２が入射されると、誘導放出現象による放出光によってレーザ光Ｌ２が増幅される。そのため、光学媒質２０内を、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを順に入射しながらジグザグにレーザ光Ｌ２が伝搬することで、側面２０ｆからは増幅されたレーザ光Ｌ２が出射される。側面２０ｆから出射されるレーザ光Ｌ２は、ミラー部１４ｄで反射されてレーザ装置１Ａからの出力光として取り出される。
【００３４】
このように、レーザ利得媒質２２には、光学媒質２０を介して励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２が照射される。特に、レーザ利得媒質２２は、その厚さ方向（Ｙ軸方向）に交差（直交）する第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２と、厚さ方向に沿った第３面Ｓ３と、を含む。第１面Ｓ１と第２面Ｓ２との間隔として規定されるレーザ利得媒質２２の厚さは、例えば０．２５ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度である。
【００３５】
第１面Ｓ１は、光学媒質２０に接合される面であって、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２の入出射面である。すなわち、レーザ利得媒質２２は、第１面Ｓ１からの励起光Ｌ１の照射により放出光を発生する。第２面Ｓ２は、第１面Ｓ１の反対側の面である。反射部材２３は、第２面Ｓ２上に設けられている。ここでは、反射部材２３は、第２面Ｓ２の全体を覆っている。
【００３６】
反射部材２３は、例えば、少なくとも励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２の２波長に対して高反射率を有する高反射コーティングである（例えば反射膜である）。一例として、励起光Ｌ１の波長は８０８ｎｍであり、レーザ光Ｌ２の波長は１０６４ｎｍである。これにより、上述したように、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２は、第２面Ｓ２において反射部材２３により反射される。第３面Ｓ３は、レーザ利得媒質２２の外縁部において第１面Ｓ１と第２面Ｓ２とを互いに接続する面、すなわち側端面である。
【００３７】
ここで、レーザ利得媒質２２は、励起光Ｌ１が照射される照射領域ＩＲと、厚さ方向からみて照射領域ＩＲの外側に位置する外側領域ＯＲと、を含む。ここでは、レーザ利得媒質２２は、照射領域ＩＲと、照射領域ＩＲを取り囲む環状の外側領域ＯＲと、から構成される。ここでは、レーザ利得媒質２２（第１面Ｓ１）に対して励起光Ｌ１が斜めに（すなわち、第１面Ｓ１の法線に対して傾斜して）入射されるので、励起光Ｌ１の照射領域ＩＲは、図４の（ａ）に示すように楕円形状になる。図４の（ｂ）は、照射領域ＩＲにおける励起光Ｌ１の強度分布の一例である。
【００３８】
なお、照射領域ＩＲは、レーザ利得媒質２２のうちの励起光Ｌ１の照射により励起される励起領域でもある。また、照射領域ＩＲは、励起光Ｌ１の照射により加熱される加熱領域でもある。一方、外側領域ＯＲは、非励起領域でもあり、非加熱領域でもある。
【００３９】
以上のように、レーザ光源部、励起光源部１２、及びミラー部１４は、増幅されるべきレーザ光Ｌ２と励起光Ｌ１とを第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力するための入力光学系を構成している。より具体的には、ここでは、レーザ光源部、励起光源部１２、及びミラー部１４により構成される入力光学系は、レーザ光Ｌ２及び励起光Ｌ１を、互いに同軸の光路により光学媒質２０を介して第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力する。
【００４０】
引き続き図１〜４を参照する。冷却部材１７は、レーザ利得媒質２２のそれぞれを冷却する。冷却部材１７は、反射部材２３を介してレーザ利得媒質２２に接触する接触部１７ａと、接触部１７ａに接続された冷却部１７ｂと、を含む。接触部１７ａは、レーザ利得媒質２２と冷却部１７ｂとの間の伝熱経路を提供する。接触部１７ａは、例えばヒートパイプである。
【００４１】
接触部１７ａは、レーザ利得媒質２２のそれぞれに対して設けられている。冷却部１７ｂは、例えば、熱媒体（冷媒）として液化ガス（例えば液体窒素）を保持することができる。また、冷却部１７ｂは、例えば冷凍機等の冷却装置である。なお、図１においては、６つの接触部１７ａが２つの冷却部１７ｂに対して分配されている例を示しているが、１つの冷却部１７ｂに集約されていてもよい。
【００４２】
接触部１７ａは、反射部材２３を介してレーザ利得媒質２２の第２面Ｓ２に熱的に接続されることにより、第２面Ｓ２にレーザ利得媒質２２の冷却エリアＣＡを形成している。冷却エリアＣＡは、冷却部材１７と第２面Ｓ２とが反射部材２３を介して接するエリアであって、ここでは、接触部１７ａの第２面Ｓ２側の端面に相当する。冷却エリアＣＡの外縁は、レーザ利得媒質２２の厚さ方向（Ｙ軸方向）からみて照射領域ＩＲ内に位置する。
【００４３】
冷却エリアＣＡの外縁が照射領域ＩＲ内に位置するとは、レーザ利得媒質２２の厚さ方向からみたとき、冷却エリアＣＡの外縁と照射領域ＩＲの外縁とが一致する場合と、冷却エリアＣＡの外縁が照射領域ＩＲの外縁よりも内側（照射領域ＩＲの中心側）に位置する場合と、を含む。ここでは、一例として、冷却エリアＣＡの外縁は、レーザ利得媒質２２の厚さ方向からみて、照射領域ＩＲの外縁よりも内側に位置する。このため、冷却部材１７は、第２面Ｓ２上において、照射領域ＩＲよりも狭い範囲においてレーザ利得媒質２２と熱交換を行ってレーザ利得媒質２２を冷却する。
【００４４】
換言すれば、レーザ利得媒質２２の第２面Ｓ２には、冷却エリアＣＡよりも外側に環状の非冷却エリアＴＡが形成されることになる。第２面Ｓ２における非冷却エリアＴＡは、例えば容器内において雰囲気中に露出される。これにより、非冷却エリアＴＡにおいて、レーザ利得媒質２２は、別の部材との間での熱交換することなく、実質的に断熱される。
【００４５】
一方、加熱部材１８は、レーザ利得媒質２２を加熱するためのものである。加熱部材１８は、レーザ利得媒質２２のそれぞれに対して設けられている。より具体的には、加熱部材１８は、レーザ利得媒質２２の延在方向における外縁部において第１面Ｓ１以外の面に設けられており、レーザ利得媒質２２の外側領域ＯＲに対して熱を入力することにより、レーザ利得媒質２２を加熱する。ここでは、加熱部材１８は、環状に形成され、レーザ利得媒質２２の第３面Ｓ３に設けられている。加熱部材１８は、例えばリングヒータである。なお、加熱部材１８は、レーザ利得媒質２２の外縁部において、例えば第２面Ｓ２上に印刷、接着、又は貼付等により形成されていてもよい。
【００４６】
引き続いて、レーザ装置１Ａ及びレーザ媒質ユニット１０Ａの作用・効果について説明する。まず、本発明者の得た知見について説明する。図５は、レーザ利得媒質における位相シフト量を計算した結果を示す図である。図５の（ａ），（ｃ）は、レーザ利得媒質の厚さ方向に沿った断面内における温度分布を示す図である。以下の図において、温度分布を示す場合には、薄いグレーから濃いグレーになるほど温度が高いことを示している。また、図５の（ｂ），（ｄ）は、レーザ利得媒質の径方向位置と位相シフト量との関係を示すグラフである。位相シフト量は、レーザ利得媒質の厚さ方向に平行に（入射面に垂直に）レーザ光が入出射した場合の値である。
【００４７】
なお、以下の計算においては、レーザ利得媒質を便宜的に円板状としている。このため、レーザ利得媒質がその径方向の中心線に対して対象であるので、以下では径方向の半分の範囲を図示している。また、ここでは、レーザ利得媒質の厚さを０．２５ｍｍとし、半径を１０ｍｍとした。さらに、ここでは、レーザ利得媒質における励起光の照射領域（励起領域）を、レーザ利得媒質と同心である半径５ｍｍの円板状とした。すなわち、ここでは、照射領域を、レーザ利得媒質の径方向の中心から径方向位置の５０％の範囲としている。
【００４８】
図５の（ａ），（ｂ）は、比較対象として、レーザ利得媒質の第２面（励起光の入射面と反対側の面）の全体を冷却エリアとした場合（以下、１００％冷却という場合がある）を示している。図５の（ｃ），（ｄ）は、第２面における径方向の中心から径方向位置の５０％の範囲を冷却エリアとした場合（以下、５０％冷却という場合がある）を示している。すなわち、図５の（ｃ），（ｄ）においては、冷却エリアの外縁が照射領域の外縁と一致している。
【００４９】
これらの２つの場合を比較すると、１００％冷却の場合よりも５０％冷却の場合の方が、照射領域の外側の外側領域の温度が上昇しているものの、外側領域における位相シフト量は、径方向に均一であり、且つ、照射領域における位相シフト量との差が減少していることが理解される。すなわち、レーザ利得媒質の厚さが一定である場合、５０％冷却の方が、１００％冷却と比較して、照射領域（励起領域）と外側領域（非励起領域）との境界領域において生じる位相シフト量の差が入射光に与える影響（熱レンズ効果）を低減できることが理解される。
【００５０】
図６の（ａ）は、レーザ利得媒質と熱レンズ効果との関係の計算結果を示すグラフである。図６の（ａ）のグラフの縦軸は、厚さが１ｍｍのレーザ利得媒質の１００％冷却の場合における熱レンズ効果による非平面波成分を基準値（＝１）とした場合の値である（すなわち、規格化された熱レンズ効果である）。図６の（ａ）に示されるように、５０％冷却によれば、レーザ利得媒質の厚さを５ｍｍまで厚くしても、なお基準値の１／５０程度まで熱レンズ効果を低減可能であることが理解される。
【００５１】
図６の（ｂ）は、加熱部材によるレーザ利得媒質の加熱の有無による位相シフト量の変化の計算結果を示すグラフである。図６の（ｂ）においては、破線により加熱有りの場合を示しており、実線により加熱無しの場合を示している。なお、ここでは、レーザ利得媒質の第３面（側端面）から熱を入力するものとしている。図６の（ｂ）によれば、励起光の入射による照射領域の加熱と、第３面からの外側領域へ入熱の影響とが加算される結果、加熱有りの場合の方が全体として位相シフト量の差を低減（すなわち、熱レンズ効果を低減）できることが理解される。
【００５２】
図７は、冷却エリアの外縁が照射領域よりも内側に位置する場合の計算結果を示す図である。すなわち、図７においては、第２面上において照射領域よりも狭い範囲からレーザ利得媒質を冷却する場合を示している。ここでは、レーザ利得媒質の厚さを０．２５ｍｍとしている。また、ここでは、照射領域を径方向位置の５０％の範囲とすると共に、冷却エリアを径方向位置の４３％とすることにより、照射領域と冷却エリアとの間に差を形成した。
【００５３】
図７の（ａ）は、径方向における冷却エリアの範囲を示し、図７の（ｂ）は、径方向における励起光の照射領域の範囲を示し、図７の（ｃ）は、厚さ方向に沿った断面内での径方向における照射領域の範囲を示している。また、図７の（ｄ）は、厚さ方向に沿った断面内での温度分布を示しており、図７の（ｅ）は、径方向の位置に対する位相シフト量を示している。
【００５４】
図７によれば、照射領域における冷却エリアよりも外側の領域（すなわち、径方向位置の４３％から５０％までの範囲）は励起光により加熱されても、直接的に厚さ方向の熱流により冷却されないため、励起と冷却の不整合部分の温度分布が厚さ方向と径方向との熱流が混ざった形状となっている。その結果、外側領域（非加熱領域）の温度が照射領域（加熱領域）よりも高くなり、外側領域における位相シフト量は照射領域における位相シフト量よりも多くなっている。
【００５５】
この結果から、加熱と冷却のミスマッチから生み出される熱障壁が、外側領域の温度や熱誘起位相シフトを照射領域よりも大きくすることが可能であり、その場合でも位相シフトの分布は均一であることが理解される。したがって、このことを利用すれば、外側領域の位相を制御することにより、照射領域と外側領域との境界の位相シフト量の差を可能な限り低減させ得ると考えられる。
【００５６】
図８の（ａ）は、冷却エリアの最適化に関する計算結果を示すグラフである。図８の（ａ）においては、レーザ利得媒質の厚さを２ｍｍとし、照射領域を径方向位置の５０％の範囲としている。また、冷却エリアを径方向位置の４７％の範囲とした場合（４７％冷却）を実線により示し、冷却エリアを径方向位置の４６％の範囲とした場合（４６％冷却）を破線により示し、冷却エリアを径方向位置の４５％の範囲とした場合（４５％冷却）を一点鎖線により示している。
【００５７】
図８の（ａ）に示されるように、４７％冷却においては、外側領域における位相シフト量が、照射領域における位相シフト量よりも少なくなる。これに対して、４５％冷却においては、外側領域における位相シフト量が、照射領域における位相シフト量よりも多くなる。そして、４６％冷却においては、外側領域における位相シフト量と、照射領域における位相シフト量とが概ね等しくなる。したがって、この場合には、４６％冷却によって、熱レンズ効果を低減して熱障壁生成の最適化が可能であることが理解される。
【００５８】
同様に、図８の（ｂ），（ｃ）においては、レーザ利得媒質の厚さを０．５ｍｍとして冷却エリアの最適化を行った結果を示す。図８の（ｂ）は、厚さ方向に沿った断面内における温度分布を示し、図８の（ｃ）は、径方向の位置に対する位相シフト量を示している。このように、照射領域内の範囲（ここでは５０％以内の範囲）において冷却エリアの最適化を行うことにより、熱レンズ効果は１／２００００（規格化された熱レンズ効果＝４．７×１０−５）となり、ほぼ平坦な位相シフト量とすることが可能である。なお、ここでは、冷却エリアを径方向位置の４９％の範囲とした。
【００５９】
図９は、図５〜８の計算結果をまとめたグラフである。縦軸は、規格化された熱レンズ効果を示している。図９に示されるように、最も熱レンズ効果を低減可能であるのは、冷却エリアを照射領域内の範囲（ここでは５０％以内の範囲）において最適化し、且つ、外側領域からの加熱を行った場合であった。この場合には、レーザ利得媒質の厚さが０．２５ｍｍ〜５ｍｍの広い範囲において、熱レンズ効果を１／１０００以下に低減することが可能である。
【００６０】
本発明者の以上の知見に基づいて、本実施形態に係るレーザ媒質ユニット１０Ａの効果について説明する。レーザ媒質ユニット１０Ａにおいては、板状のレーザ利得媒質２２が、励起光Ｌ１の入射面である第１面Ｓ１と、第１面Ｓ１の反対側の面であって、冷却部材１７の冷却エリアＣＡが形成される第２面Ｓ２と、を有する。また、レーザ利得媒質２２は、励起光Ｌ１が照射される照射領域ＩＲと、厚さ方向からみて照射領域ＩＲの外側に位置する外側領域ＯＲと、を有する。
【００６１】
そして、冷却エリアＣＡの外縁が、厚さ方向からみて励起光Ｌ１の照射領域ＩＲ内に位置する。すなわち、このレーザ媒質ユニット１０Ａにあっては、レーザ利得媒質２２の厚さ方向からみて、冷却エリアＣＡが励起光Ｌ１の照射領域ＩＲと同等以下の範囲となる。よって、このレーザ媒質ユニット１０Ａによれば、熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００６２】
また、レーザ媒質ユニット１０Ａは、レーザ利得媒質２２を加熱するための加熱部材１８をさらに備える。そして、加熱部材１８は、レーザ利得媒質２２の外縁部において第１面Ｓ１以外の面上に設けられ、外側領域ＯＲに対して熱を入力することによりレーザ利得媒質２２を加熱する。このような加熱部材１８を用いることにより、第１面Ｓ１における励起光Ｌ１の入射を妨げることなく、熱レンズ効果をさらに低減可能である。
【００６３】
また、レーザ媒質ユニット１０Ａにおいては、レーザ利得媒質２２は、外縁部側に位置し、厚さ方向に沿って第１面Ｓ１と第２面Ｓ２とを接続する第３面Ｓ３を有している。そして、加熱部材１８は、第３面Ｓ３に設けられていてもよい。このように、加熱部材は、レーザ利得媒質２２の側端面である第３面Ｓ３に設けられ得る。
【００６４】
さらに、レーザ装置１Ａは、上記のレーザ媒質ユニット１０Ａと、増幅されるべきレーザ光Ｌ２と励起光Ｌ１とを第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力するための入力光学系と、を備える。したがって、このレーザ装置１Ａによれば、レーザ利得媒質２２における熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００６５】
［第２実施形態］
引き続いて、第２実施形態に係るレーザ装置について説明する。図１０は、第２実施形態に係るレーザ装置の概略を示す図である。図１０に示されるように、レーザ装置１Ｂは、上述したレーザ媒質ユニット１０Ａと、一対の励起光源部１２と、偏光ビームスプリッタ２５と、偏光回転素子２７と、を備えている。偏光回転素子２７は、例えばλ／４波長板である。ここでは、レーザ媒質ユニット１０Ａは、単一のレーザ利得媒質２２と、それに対応する冷却部材１７、加熱部材１８、及び、反射部材２３と、を有している。また、レーザ媒質ユニット１０Ａは、光学媒質２０を有していない。
【００６６】
ここでは、増幅されるべき種光としてのレーザ光Ｌ２は、レーザ光源部（不図視）から出射された後に、直線偏光の状態において偏光ビームスプリッタ２５と偏光回転素子２７とを透過し、第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入射される。ここでは、レーザ光Ｌ２は、レーザ利得媒質２２の厚さ方向に沿って、すなわち、第１面Ｓ１に垂直にレーザ利得媒質２２に入射される。一方、励起光Ｌ１は、一対の励起光源部１２によって、第１面Ｓ１の法線に対して傾斜した光路により第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入射される。
【００６７】
したがって、レーザ光源部、偏光ビームスプリッタ２５、偏光回転素子２７、及び、励起光源部１２は、増幅されるべきレーザ光Ｌ２と励起光Ｌ１とを第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力するための入力光学系を構成している。より具体的には、ここでは、入力光学系は、レーザ光Ｌ２及び励起光Ｌ１を、互いに異なる光路により第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力する。
【００６８】
レーザ利得媒質２２に入射したレーザ光Ｌ２は、レーザ利得媒質２２内において増幅された後に第２面Ｓ２において反射部材２３により反射される。第２面Ｓ２において反射されたレーザ光Ｌ２は、レーザ利得媒質２２内においてさらに増幅された後に、第１面Ｓ１においてレーザ利得媒質２２から出射される。レーザ利得媒質２２から出射されたレーザ光Ｌ２は、偏光回転素子２７を透過することにより、その偏光方向が９０°回転された状態となる。偏光回転素子２７を透過したレーザ光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ２５において入射光と異なる方向に反射され、外部に出力される。
【００６９】
以上のようなレーザ装置１Ｂ、及びレーザ媒質ユニット１０Ａによっても、上述した理由と同様の理由により、熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００７０】
［第３実施形態］
引き続いて、第３実施形態に係るレーザ装置について説明する。図１１は、第３実施形態に係るレーザ装置の概略を示す図である。図１１に示されるように、レーザ装置１Ｃは、第２実施形態と同様のレーザ媒質ユニット１０Ａと、一対の励起光源部１２と、を備えている。
【００７１】
ここでは、増幅されるべき種光としてのレーザ光Ｌ２は、レーザ光源部（不図視）から出射された後に、第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入射される。ここでは、レーザ光Ｌ２は、第１面Ｓ１の法線に対して所定角度で傾斜した光路によりレーザ利得媒質２２に入射される。したがって、ここでは、入射光としてのレーザ光Ｌ２と、出射光としてのレーザ光Ｌ２とが、空間的に分離される。一方、励起光Ｌ１は、一対の励起光源部１２によって、第１面Ｓ１の法線に対して別の所定角度で傾斜した光路により第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入射される。
【００７２】
したがって、レーザ光源部と励起光源部１２とは、増幅されるべきレーザ光Ｌ２と励起光Ｌ１とを第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力するための入力光学系を構成している。より具体的には、ここでは、入力光学系は、レーザ光Ｌ２及び励起光Ｌ１を、互いに異なる光路により第１面Ｓ１からレーザ利得媒質２２に入力する。
【００７３】
以上のようなレーザ装置１Ｃ、及びレーザ媒質ユニット１０Ａによっても、上述した理由と同様の理由により、熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００７４】
［第４実施形態］
引き続いて、第４実施形態に係るレーザ装置について説明する。図１２は、第４実施形態に係るレーザ装置の概略を示す図である。図１２に示されるように、レーザ装置１Ｄは、第２実施形態と同様のレーザ媒質ユニット１０Ａと、一対の励起光源部１２と、共振器ミラー２９と、を備えている。共振器ミラーは、レーザ利得媒質２２の第２面Ｓ２上の反射部材２３との間でレーザ共振器を構成している。
【００７５】
レーザ装置（レーザ発振器）１Ｄは、レーザ媒質ユニット１０Ａが有するレーザ利得媒質２２に励起光Ｌ１を供給することによって、レーザ光Ｌ３を生成する。
【００７６】
共振器ミラー２９は、レーザ光Ｌ３を部分反射する。共振器ミラー２９は、反射部材２３と共に、光共振器を構成する。換言すれば、共振器ミラー２９と反射部材２３との間で、レーザ光Ｌ３が繰り返し反射するように、共振器ミラー２９及び反射部材２３は配置されており、共振器ミラー２９と反射部材２３との間のレーザ光Ｌ３の共振光路内にレーザ利得媒質２２が配置されている。
【００７７】
上記構成では、励起光源部１２から出力された励起光Ｌ１は、レーザ装置（レーザ増幅器）１Ｂの場合と同様にして、レーザ利得媒質２２を励起する。励起されたレーザ利得媒質２２からの放出光としてのレーザ光Ｌ３は、共振器ミラー２９と反射部材２３との間で反射し、光増幅される。共振器ミラー２９を部分的に透過したレーザ光Ｌ３が、レーザ発振器からの出力光である。
【００７８】
以上のようなレーザ装置１Ｄ、及びレーザ媒質ユニット１０Ａによっても、上述した理由と同様の理由により、熱レンズ効果を低減し、ビーム品質を向上可能である。
【００７９】
以上の実施形態は、本発明に係るレーザ媒質ユニット及びレーザ装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ媒質ユニット及びレーザ装置は、上述したレーザ媒質ユニット１０Ａ、及び、レーザ装置１Ａ〜１Ｄに限定されない。本発明に係るレーザ媒質ユニット及びレーザ装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述したレーザ媒質ユニット１０Ａ及びレーザ装置１Ａ〜１Ｄを任意に変形したものとすることができる。
【００８０】
例えば、各実施形態に係るレーザ装置１Ａ〜１Ｄにおいては、図示された構成に限定されず、部分的な要素を相互に交換又は追加することにより、別のレーザ装置として構成されてもよい。また、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２，Ｌ３の波長や、光学媒質２０及びレーザ利得媒質２２等の材料について、適宜変更してもよい。
【００８１】
例えば、光学媒質２０及びレーザ利得媒質２２の材料は、ＹＡＧに限定されないと共に、レーザ利得媒質２２に添加する活性元素はＮｄに限定されない。レーザ増幅器やレーザ発振器といった固体レーザ装置に使用される光学材料及び活性元素であればよい。光学媒質２０及びレーザ利得媒質２２の材料の他の例は、（ＧＧＧ：ガドリニウム  ガリウム  ガーネット（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２））が例示され得る。また、活性元素の他の例は、Ｙｂが例示され得る。また、レーザ利得媒質２２は、矩形板状に限らず、円板状や他の板状としてもよい。
【００８２】
さらに、上記実施形態においては、冷却部材１７として、ヒートパイプ等の接触部１７ａを冷凍機等の冷却部１７ｂに接続したものを例示した。しかしながら、冷却部材１７はこれに限定されず、例えば、レーザ利得媒質２２のそれぞれに設けられるペルチェ素子等の他のものであってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１Ａ〜１Ｄ…レーザ装置、１０Ａ…レーザ媒質ユニット、１２…励起光源部、１６…レーザ媒質体、１７…冷却部材、１８…加熱部材、２０…光学媒質、２２…レーザ利得媒質、２３…反射部材、２５…偏光ビームスプリッタ、２７…偏光回転素子、２９…共振器ミラー、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面、Ｓ３…第３面、Ｌ１…励起光、Ｌ２…レーザ光、Ｌ３…レーザ光、ＩＲ…照射領域、ＯＲ…外側領域、ＣＡ…冷却エリア、ＴＡ…非冷却エリア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018129391.tif 000010
【図９】
2018129391.tif 000011
【図１０】
2018129391.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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