(57)【要約】【課題】  複数の励起光源で利得媒体を励起する構成の固体レーザ装置において、励起光ビームのビームウエストが集光位置で角度θ（０＜θ）で交差して励起光ビームが重なる領域が狭くなり、励起効率を十分に高めることができない。【解決手段】  本発明による固体レーザは、第１の光と、前記第１の光とは異なる波長を有し、前記第１の光に対して変調された第２の光と、を含む出力光を出射する光源部と、前記出力光を集光して被検体に照射する集光光学系と、前記被検体を通過した前記第１の光を検出する検出部と、を備える非線形計測装置であって、前記光源部が、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体レーザ装置を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2015119012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光ビームを出射する複数の励起光源と、共振器を構成する複数のミラーと、前記共振器内に配置された利得媒体と、前記複数の励起光源から出射された複数の励起光ビームを集光して前記利得媒体に照射する集光レンズと、を備える固体レーザ装置であって、
前記複数の励起光源の少なくとも１つから出射される励起光ビームが前記集光レンズに至るまでの光路上に、前記励起光ビームを分割するビーム分割部材が配置されており、
前記分割手段でＮ（Ｎ≧２）本に分割された励起光ビームは、前記集光レンズの光軸に対して互いにＮ回対称に前記集光レンズに入射することを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記複数の励起光源には、前記ビーム分割部材によって分割されない励起光ビームを出射する励起光源が含まれており、前記分割されない励起光ビームは、その中心軸が前記集光レンズの光軸に一致して前記集光レンズに入射することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
Ｎ＝２であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
前記励起光源が端面発光レーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記端面発光レーザダイオードが、ファスト軸およびスロー軸のいずれか一方の軸方向にマルチモードで発光する端面発光レーザダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
前記励起光ビームが、前記ビーム分割部材によってマルチモードの発光をする軸方向に分割されていることを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ装置。
【請求項７】
前記集光レンズに入射する際の前記集光レンズの光軸に垂直な面における前記励起光ビームの分布は、マルチモードで発光する軸方向のビーム径が、他方の軸方向のビーム径よりも大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の固体レーザ装置。
【請求項８】
前記マルチモードで発光する軸方向のビーム径と前記他方の軸方向のビーム径との比が、前記端面発光レーザダイオードのマルチモードで発光する軸方向のエムスクエアと他方の軸方向のエムスクエアとの比に等しいことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項９】
前記ビーム分割部材が、プリズムペアであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記利得媒体が、チタンサファイア結晶であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１１】
前記固体レーザ装置が、モードロック発振することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１２】
第１の光と、前記第１の光とは異なる波長を有し、前記第１の光に対して変調された第２の光と、を含む出力光を出射する光源部と、前記出力光を集光して被検体に照射する集光光学系と、前記被検体を通過した前記第１の光を検出する検出部と、を備える非線形計測装置であって、
前記光源部が、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体レーザ装置を備えることを特徴とする非線形計測装置。
【請求項１３】
前記非線形計測装置が、前記検出部により前記被検体で生じる誘導ラマン散乱を検出する誘導ラマン散乱顕微鏡であることを特徴とする請求項１１に記載の非線形計測装置。
【請求項１４】
前記光源部が、チタンサファイア結晶からなる利得媒体を備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の非線形計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶利得媒体と複数の励起光源を備える固体レーザ装置、およびそれを用いた非線形計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、照射光によって被検体に生じる、誘導ラマン散乱、２光子吸収による蛍光、アンチストークスラマン散乱などの非線形効果を利用して物質を同定あるいは観察する非線形計測装置が注目されている。非線形効果は、照射光のピークパワーが高いほど強く現れるため、非線形計測装置の光源には高い出力が求められている。
【０００３】
出力の高い光源の１つとして、固体レーザ装置が知られている。固体レーザ装置は、共振器内に配置された利得媒体に励起光ビームを照射し、誘導放出および発振させることにより生じたレーザビームを出力する。
【０００４】
非特許文献１には、励起光源を複数用いた固体レーザ装置（モードロックレーザ）が開示されている。図９（ａ）は、非特許文献１に記載された固体レーザ装置の構成を表す模式図である。図９（ａ）の固体レーザ装置は、複数の高反射ミラー９０１で構成された共振器内に、チタンサファイア結晶９０４が配置されており、チタンサファイア結晶９０４を励起するための２個の励起光源（青色レーザダイオード）９０５と９０６とを備えている。各励起光源から発せられた励起光ビーム９１１、９１２は、それぞれコリメートレンズ９０７にてコリメートされ、ミラー９１０により集光レンズ９０９へと導かれる。図９（ｂ）に、集光レンズに入射する際の励起光ビーム９１１、９１２の、集光レンズの光軸に垂直な面における分布を示す。
【０００５】
集光レンズ９０９を通過した励起光ビーム９１１、９１２は、集光レンズ９０９の集光位置でそれぞれビームウエストを形成する。図９（ｃ）は、励起光ビーム９１１、９１２それぞれのビームウエスト１００２、１００３を表している。集光位置において、励起光ビーム９１１のビームウエスト１００２と励起光ビーム９１２のビームウエスト１００３とが交差して重なる図の斜線部１００５では、励起強度が高くなる。斜線部１００５が照射されるように利得媒体９０４を配置すると、高い励起強度で励起され、高い出力を得ることができる。利得媒体９０４で生じた光は、複数の高反射ミラー９０１で構成された共振器内で発振し、その一部が出力として部分反射ミラー９０２から出射する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｇ．Ｄｕｒｆｅｅ  「Ｄｉｒｅｃｔ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  Ｋｅｒｒ−ｌｅｎｓ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  Ｔｉ：ｓａｐｐｈｊｒｅ  ｌａｓｅｒ」  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  １８  Ｊｕｎｅ  ２０１２／Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１３  １３６７７−１３６８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、非特許文献１に記載されているように、励起光ビーム９１１と励起光ビーム９１２とが集光位置において角度θ（０°＜θ）で交差する場合、各励起光ビームのビームウエストの重なりが狭いため、励起効率を充分に高めることができない。
【０００８】
この課題を、図９（ｃ）を用いて説明する。励起ビーム９１１と励起ビーム９１２とは別体の励起光源から出力されたものであるため、両者間には干渉性はなく、それぞれ独立にビームウエスト１００２および１００３を形成する。図１０の点線１００６、１００７はそれぞれ、励起光ビーム９１１、９１２の進行方向のビームウエストの中心軸（以下、単に中心軸と称する）を表している。点線１００６と点線１００７とは、角度θ（０°＜θ）で交差している。よって、各励起光ビームのビームウエストの重なりは図の斜線部１００５に限られてしまう。
【０００９】
チタンサファイア結晶内での励起ビームの吸収係数は数ｃｍ−１程度であるから、励起ビームが結晶内を伝搬することのできる距離は、数ｍｍ程度である。例えば、励起ビームのビームウエストの直径が３０μｍ、励起光ビームが交差する角度θが３０°である場合、その重なりの長さΔＳは約１１５μｍと見積もることができる。ΔＳは、励起ビームが結晶内を伝搬することのできる距離の数十分の一と短いため、その励起ビームのエネルギーの多くは図９（ｂ）の斜線部１００５の外で吸収される。
【００１０】
図９（ｂ）の点線１００４は、発振したレーザビームを示している。点線１００４で表されるビームの外側で吸収される励起光ビームは、レーザビームの発振には寄与しない。そのため、図９の固体レーザ装置は、２個のレーザダイオードを使用しているにも関わらず、励起効率を充分に高めることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を鑑み、本発明による固体レーザ装置は、励起光ビームを出射する複数の励起光源と、共振器を構成する複数のミラーと、前記共振器内に配置された利得媒体と、前記複数の励起光源から出射された複数の励起光ビームを集光して前記利得媒体に照射する集光レンズと、を備える固体レーザ装置であって、
前記複数の光源から出射された励起光ビームのそれぞれは、前記集光レンズの光軸に対して回転対象に前記集光レンズに入射することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる非線形計測装置は、第１の光と、前記第１の光とは異なる波長を有し、前記第１の光に対して変調された第２の光と、を含む出力光を出射する光源部と、前記出力光を集光して被検体に照射する集光光学系と、前記被検体を通過した前記第１の光を検出する検出部と、を備える非線形計測装置であって、前記固体レーザ装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の励起光源を備える固体レーザ装置において、複数の励起光ビームのビームウエストの中心軸が互いに一致することにより、利得媒体内の広い範囲に渡って励起強度を高くことができる。その結果、利得媒体の励起効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る固体レーザ装置を説明する概略図。
【図２】第１の実施形態に係る固体レーザ装置を説明する概略図。
【図３】マルチモードの端面発光レーザダイオードの集光特性を説明するための図。
【図４】集光レンズに入射する際の励起光ビームの集光レンズの光軸に垂直な面における分布と、集光位置におけるスロー軸方向の強度分布との関係を表す図。
【図５】第２の実施形態に係る固体レーザ装置を説明する概略図。
【図６】集光レンズに入射する励起光ビームの離間距離と、集光位置におけるスロー軸方向の強度分布との関係を表す図。
【図７】第３の実施形態に例示した集光レンズに入射する際の励起光ビームの集光レンズの光軸に垂直な面における分布図。
【図８】第４の実施形態に係る固体レーザ装置を説明する概略図。
【図９】従来の固体レーザ装置を説明する概略図。
【図１０】ビーム分割部材の構成例を説明する概略図。
【図１１】本発明に係る固体レーザ装置を用いた非線形計測装置の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。各図面において、互いに同一あるいは対応する部材には同じ符号を付している。また、特に説明がなされていない点は、説明が重複する場合か、公知技術を採用することができる場合である。
【００１６】
図１は、本発明に係る固体レーザ装置を説明する図である。図１（ａ）は、固体レーザ装置の構成の概要を示している。本実施形態にかかる固体レーザ装置は、複数の励起光源１０５および１０６と、高反射ミラー１０１と部分反射ミラー１０２とポンプミラー１０３とで構成された共振器とを備えている。共振器内には、利得媒体１０４が配置されている。この時、利得媒体に用いる結晶材料によっては、共振器で発振するレーザビームのビーム径を数１０μｍ程度にまで絞ることで、利得媒体１０４に照射される光強度が高められてカーレンズ効果が生じ、モードロック発振をさせることができる。
【００１７】
固体レーザ装置は、励起光源毎に、励起光源から出射された光をコリメートして励起光ビームとするコリメートレンズ１０７を備えている。さらに、一方の励起光源から出射された励起光ビーム１１１を分割するビーム分割部材１０８と、他方の励起光源から出射された励起光ビーム１１２を折り返す高反射ミラー１１０とを備えている。
【００１８】
ビーム分割部材１０８は、例えば２個のプリズムで構成されており、光源１０５から出射された励起光ビーム１１１を、１１１Ａと１１１Ｂの２本のビームに分割する。ビーム分割部材１０８は、分割された励起光ビーム１１１Ａ、１１１Ｂが、集光レンズ１０９の光軸に対して互いに２回対称に、集光レンズ１０９に入射するように配置されている。
ここでは、励起光ビームを２分割した場合を示しているが、これに限定されるものではない。励起光ビームをＮ本に分割し、分割された励起光ビームが集光レンズの光軸に対してＮ回対称となるように、集光レンズに入射するようにビーム分割部材を配置してもよい。ただし、励起光ビームを３本以上に分割するためには、ビーム分割部材の構造が複雑になってしまうため、２本のビームに分割するのが最も好ましい形態である。
【００１９】
励起光源１０６から出射された励起光ビーム１１２は、ミラー１１０で折り返されたのち、ビームの中心が集光レンズ１０９の光軸に一致するように、集光レンズ１０９に入射する。図１（ｂ）に、集光レンズ１０９に入射する際の、励起光ビーム１１１Ａ、１１１Ｂおよび１１２の集光レンズに垂直な面における分布を示す。
【００２０】
ここで、「光軸に対して回転対称」あるいは「光軸と一致」という表現は、多少のずれを許容するものである。ずれの許容範囲は、本発明の効果が得られる範囲であればよく、固体レーザ装置の構成や求められる特性に応じて決めることができる。以下においても同様である。
【００２１】
図１（ｃ）に、この時の集光位置における励起光ビームのビームウエストを表す。
【００２２】
励起光ビーム１１１Ａと１１１Ｂは、同一の励起光源から出射された光であるため、互いに干渉し合い、１つのビームウエスを形成する。また、励起光ビーム１１１Ａと１１１Ｂは集光レンズの光軸１２１に対して互いに２回対称であるから、得られるビームウエスト（即ち励起光ビーム１１１のビームウエスト）１２２の中心軸は、集光レンズの光軸１２１と一致する。図１（ｃ）の点線１２４は発振するレーザビームを表している。レーザビーム１２４の中心軸は、励起光ビーム１１１および励起光ビーム１１２の中心軸と一致する。
【００２３】
従って、図１の２つの励起光源１０５および１０６から出射される励起光ビームのビームウエストは互いに中心軸が一致した状態で重なり、さらに発振するレーザビームの中心軸とも重なる。従って、励起光ビーム１１１と１１２のビームウエストが重なる励起強度の高い領域において、利得媒体１０４に吸収される励起光ビームのほとんどがレーザビームの発振に寄与することができ、従来よりも励起効率を高めることが可能となる。
【００２４】
本発明の励起光源には、レーザダイオード、半導体励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ、ファイバレーザなど、公知の光源から適宜選択して用いることができるが、利得媒体を効率良く発振することのできる波長のスペクトル強度が高い光源を用いるのが好ましい。また、非線形計測装置には小型の光源が望まれるため、励起光源の小型化という点でレーザダイオードを用いるのが特に好ましい。
【００２５】
利得媒体としては、チタンサファイア結晶の他に、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、アレキサンドライト結晶、ガラスなどを用いることができる。中でも、チタンサファイア結晶を利得媒体に用いたチタンサファイア・モードロックレーザは、ナノ秒以下のパルス幅とメガワットに達する高いピークパワーとを有するパルスレーザ光の実現が可能である。
【００２６】
非線形計測装置には、数ナノ秒程度のパルス幅のパルスレーザ光が必要とされるため、チタンサファイア結晶を利得媒体に用いた固体レーザ装置は、非線形計測装置の光源として特に好ましい。
【００２７】
図１では、ビーム分割部材１０８として、２個のプリズムを組み合わせた部材を用いているが、ハーフミラー１３０、高反射ミラー１３１および１３２、プリズム１３３を組み合わせた図１０の部材など、他の部材を用いることもできる。
【００２８】
また、図１では、複数の励起光源のうち一方からのビーム光を分割して集光レンズに入射させているが、これに限定されるものではない。図５のように、複数の励起光源の両方から出射されるビーム光をそれぞれ分割して集光レンズに入射させる構成も好ましい。
【００２９】
また、図８のように励起光源を３つ以上備えていてもよい。この場合、装置の小型化の利点が低減してしまうが、より強い励起強度で利得媒体を励起することができる。
【００３０】
複数の光源からの励起光ビームは、必ずしも図１のように利得媒体に対して一方向から照射する必要はなく、図８のように複数の方向から照射する構成を採用することもできる。
【００３１】
利得媒体の吸収率が偏光依存性または利得媒体の光学面の反射率の偏光依存性に合わせて、励起光源と集光レンズとの間に偏光方向を制御するλ／２波長板を挿入してもよい。
【００３２】
以上、説明した固体レーザ装置を非線形計測装置に用いると、励起効率が高いため、従来よりも低い電力で同等以上のピークパワーを有する出力を得ることができる。その結果、省電力化もしくは高精度の観察が可能となる。
【００３３】
（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る固体レーザ装置の構成図で、励起光源１０５および１０６にレーザダイオードを用いている。以下、レーザダイオードが、高出力が得られるマルチモードの端面発光レーザダイオードである場合を例にとって説明する。
【００３４】
図３（ａ）は、マルチモードの端面発光レーザダイオードの集光特性を説明するために、図２（ａ）の構成の一部を抜き出して表したものである。図３（ｂ）はダイオード基板４０３の拡大図である。
【００３５】
マルチモードの端面発光レーザダイオードのレーザビームは、広がり角が小さいスロー軸と、広がり角が大きいファスト軸とを有している。ここで用いる端面発光レーザダイオードは、スロー軸に平行なスロー軸方向にマルチモード、ファスト軸に平行なファスト軸方向にシングルモードで発振するものとする。
【００３６】
一般に、ダイオード基板４０３の活性層４１０に平行な軸がスロー軸となり、活性層４１０に直交する軸がファスト軸となる。従って、レーザダイオードから出射されたビームがコリメートレンズ４０４によりコリメートされたビームのコリメートレンズの光軸に垂直な面における分布４０５は、図３（ａ）のように、ファスト軸方向４０２に長い楕円となる。
【００３７】
コリメートされたビームは、スロー軸方向４０１とファスト軸方向４０２で倍率の異なるビーム調整部材４０６を通過することにより、円形の分布４０７に調整される。ビーム調整部材４０６は、ビームの進行方向に垂直な断面における分布を調整する部材で、テレスコープや、アナモルフィックプリズムペアなどの公知の光学部材を用いることができる。
【００３８】
進行方向に垂直な断面での分布４０７が円形となったビームは、集光レンズ４０８へと入射する。集光レンズ４０８によって集光されたビームの集光位置における進行方向に垂直な断面での分布（ビームウエストの断面分布）４０９のスロー軸方向４０１のビームウエスト径ｄｓとファスト軸方向のビームウエスト径ｄｆは、それぞれ（１）式のように表される。
【００３９】
【数１】
2015119012.tif 000003
【００４０】
ここで、ｄｇｓ、ｄｇｆは、それぞれガウシアンビームの集光点におけるビームウエストのスロー軸方向の径とファスト軸方向の径である。ｄｇｓ、ｄｇｆは、それぞれ波長λ、集光レンズ４０８に入射するビームのスロー軸方向４０１の径Ｄｓ、ファスト軸方向４０２の径Ｄｆ、および集光レンズの焦点距離ｆを用いて式（２）で表される。
【００４１】
【数２】
2015119012.tif 000004
【００４２】
Ｍｓ２およびＭｆ２は、エムスクエアと呼ばれるレーザダイオードの集光特性を表すパラメータである。エムスクエアは、理想的なガウシアンビームの場合を１として、ビーム断面分布の強度分布がガウス分布からずれるほど値が大きくなる。
【００４３】
ファスト軸方向ではシングルモードとして発振するため、一般にＭｆ２〜１である。よって、そのビームウエスト径ｄｆはｄｇｆとほぼ一致する。一方、マルチモードとして発振するスロー軸方向ではＭｓ２は一般に３以上の値となる。励起光源に、スロー軸方向で高次のマルチモード発振をする高出力の端面発光レーザダイオードを用いると、Ｍｓ２の値が１０以上の大きな値となる場合もある。
【００４４】
ビーム調整部材４０６にて断面分布を円形に調整したビームを集光レンズで集光した場合のｄｓ、ｄｆを（１）（２）式を用いて算出すると、図３（ａ）に示したように集光位置でのビームの断面はスロー軸方向に長い楕円となる。
【００４５】
固体レーザ装置で発振するレーザビームの断面は、励起光ビームの断面形状によらず、共振器の構成や利得媒体の形状等によって決まる。一般的には、発振するレーザビームの断面分布は、ほぼ円形となるように設計される。従って、励起光ビームのビームウエストにおける断面分布が楕円形であると、発振するレーザビームの円形の断面分布と重ならない領域ができてしまい、励起効率が下がってしまう。
【００４６】
図４は、集光レンズに入射するビームの断面分布と、集光位置におけるスロー軸方向の強度分布とを表す図である。集光位置におけるスロー軸方向の強度分布を表す図において、スロー軸方向のビーム径を矢印で示しておく。図４（ａ）はスロー軸方向のビーム径Ｄｓとファスト軸方向のビーム径Ｄｆが等しいビームを入射させた場合である。図４（ｂ）は、１つの光源から出射された励起光ビームをスロー軸方向に分割させることにより、スロー軸方向のビーム径Ｄｓがファスト軸方向のビーム径Ｄｆより長いビームを入射させた場合である。図４（ｃ）はスロー軸方向のビーム径Ｄｓがファスト軸方向のビーム径Ｄｆより長い楕円状のビームを入射させた場合である。それぞれの場合を比較すると、図４（ｂ）および（ｃ）の集光位置におけるスロー軸方向のビーム径は、図４（ａ）のビームウエストにおけるスロー軸方向のビーム径に比べて小さくなっていることがわかる。
【００４７】
つまり、図４（ｂ）や（ｃ）のように、集光レンズに入射するビームのスロー軸方向のビーム径Ｄｓがファスト軸方向のビーム径Ｄｆよりも長い場合、スロー軸方向の集光特性が改善される。その結果、集光位置においてビームのスロー軸方向とファスト軸方向のビーム径の差が小さくなり、ビームウエストの断面分布は円形に近づく。励起光ビームのビームウエストが円形に近づくと、発振するレーザビームの円形の断面分布との重なりが増え、固体レーザ装置の励起効率は改善することができる。
【００４８】
以上のことから、本実施形態では、光源１０５から出射された励起光ビーム１１１を、スロー軸方向４０１−１に２本に分割して、集光レンズ１０９に入射させる。この時、分割された励起光ビーム１１１Ａ、１１１Ｂが、集光レンズ１０９の光軸に対して互いに２回対称になるように、集光レンズに入射させる。
【００４９】
励起光源１０６から出射された励起光ビーム１１２は、スロー軸４０１−２の方向のビーム径がファスト軸方向のビーム径よりも大きくなるように、光路上に置かれたビーム径調整部材１１４によりビーム径を調整する。そして、ビームの中心軸と集光レンズ１０９の光軸とが一致するように入射させる。図２の（ｂ）に、集光レンズ１０９の表面における励起光ビーム１１１および励起光ビーム１１２の断面分布を表しておく。
【００５０】
集光位置でのビームウエストの断面分布をほぼ円形とするには、式（１）（２）から、スロー軸方向のビーム径Ｄｓおよびファスト軸方向のビーム径ＤｆがＤｓ／Ｄｆ＝Ｍｓ２／Ｍｆ２を満たせばよいことが導き出せる。励起光ビームを分割する場合は、図４（ｂ）で定義するように、分割した励起光ビームを含む長さに対してビーム径Ｄｓを定義すればよい。
【００５１】
上記検討結果に基づいて、図２では、励起光ビーム１１１をスロー軸方向に分割して集光レンズに入射させ、励起光ビーム１１２をスロー軸方向に長い楕円の断面分布に調整して集光レンズ１０９に入射させている。集光位置でのビームウエストの断面分布をほぼ円形の場合に、最も固体レーザ装置の励起効率が高くなるため、Ｄｓ／Ｄｆ＝Ｍｓ２／Ｍｆ２を満たすようにビーム形状を調整するのが好ましい。
【００５２】
ここでは、スロー軸方向にマルチモード、ファスト軸方向にシングルモードで発振する端面発光レーザダイオードについて説明した。しかしこれに限定されるものではなく、スロー軸方向にシングルモード、ファスト軸方向にマルチモードで発振する場合は、前述の内容におけるスロー軸をファスト軸に置き換えると、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態を説明するための模式図である。本実施形態は、励起光ビーム１１１だけでなく、励起光ビーム１１２もスロー軸の方向に２本に分割し、集光レンズ１０９の光軸に対して互いに２回対称となるように集光レンズ１０９に入射させている点で、第１の実施形態とは異なる。
【００５４】
図６には、分割された励起光ビーム間の離間距離Ｌを変えたときの、集光位置におけるビームのスロー軸方向の強度分布を示している。図６のように励起光ビーム間の離間距離Ｌが短くなるほどサイド強度ピーク７０１が小さくなっている。一般にサイド強度ピーク７０１の光は、本発明において考慮するレーザビームのビーム径の外側にあるため、レーザビームの発振にはほとんど寄与しない。従って、サイド強度ピーク７０１が小さいほどエネルギーの無駄を低減することができる。
【００５５】
図５では、励起光ビーム１１１を１１１Ａと１１１Ｂ、励起光ビーム１１２を１１２Ａと１１２Ｂにそれぞれ分割し、集光レンズの光軸に対して互いに２回対称に入射させている。励起光ビームの分割は、第１の実施形態と同様に行えばよい。
【００５６】
図５（ｂ）と図２（ｂ）を比較すれば分かるように、励起光ビーム１１１だけでなく、励起光ビーム１１２を分割したことで、励起光ビーム１１１Ａと１１１Ｂとの間の離間距離Ｌを第１の実施形態に比べて短くすることができる。その結果、サイドピークの影響を小さくして励起効率を高めることができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
本実施例では、Ｍｓ２が大きな値をもつ端面発光レーザダイオードから発せられた励起光ビームの断面分布を調整して、スロー軸方向の集光特性を改善する例について説明する。
【００５８】
前述したように集光位置におけるビームウエストのスロー軸方向およびフアスト軸方向の径は、それぞれ励起光ビームのスロー軸方向の径Ｄｓおよびフアスト軸方向の径Ｄｆによって制御することができる。従って、Ｍｓ２が大きな値をもつ端面発光レーザダイオードを使用する場合、分割した励起光ビーム１１１の径をスロー軸方向に伸ばすことにより、スロー軸方向の集光特性をさらに改善することができる。
【００５９】
例えば、図２においては、励起光ビーム１１１Ａ、Ｂのビーム断面分布を、図７（ａ）のように、スロー軸方向に長い楕円形状に調整して、集光レンズに入射させるとより好ましい。図５においては、図７（ｂ）のように、励起光ビーム１１１ＡおよびＢ、１１２ＡおよびＢのビーム断面分布を、それぞれスロー軸方向に長い楕円形状に調整して、集光レンズに入射させるとより好ましい。
【００６０】
励起光ビームの断面分布は、ビーム径調整部材１１４のスロー軸方向とファスト軸方向の倍率を調整して所望の形状とすることができる。
【００６１】
（第４の実施形態）
本実施形態では、二方向から利得媒体に励起光ビームを照射する構成を説明する。
【００６２】
図８（ａ）は、本実施形態にかかる固体レーザ装置の構成の概要、図８（ｂ）は集光レンズ１０９に入射する際のビームの断面分布を示している。
【００６３】
図８（ａ）の固体レーザ装置は、４つの励起光源１０５、１０６、２０５、２０６を有しており、２つの集光レンズ１０９−１、１０９−２が、互いの光軸および集光位置が一致するように、利得媒体１０４を挟んで配置されている。
【００６４】
励起光源１０５から出射された励起光ビーム１１１と励起光源１０６から出射された励起光源１１２は、第１の実施形態と同様にして利得媒体１０４に照射する。即ち、励起光源１０５から出射され、スロー軸方向に分割された励起光ビーム１１１Ａ、１１１Ｂは、集光レンズ１０９−１の光軸に対して互いに２回対称に集光レンズに入射させる。励起光源１０６から出射された励起光ビーム１１２は、スロー軸方向のビーム径がファスト軸方向のビーム径よりも大きくなるよう調整され、ビームの中心軸が集光レンズ１０９−１の光軸に一致するように集光レンズ１０９−１に入射させる。励起光源２０５、２０６から出射する励起光ビームは、それぞれ励起光源１０５、１０６から出射される励起光ビームが利得媒体に入射する面とは反対側から、同様の手法で入射させる。即ち、励起光源２０５から出射され、スロー軸４０１−１の方向に２本に分割された励起光ビーム２１１Ａ、２１１Ｂは、集光レンズ１０９−２の光軸に対して互いに２回対称に集光レンズに入射させる。励起光源２０６から出射された励起光ビーム２１２は、スロー軸４０１−２の方向のビーム径がファスト軸方向のビーム径よりも大きくなるよう調整され、集光レンズ１０９−１の光軸に一致するように入射させる。このような構成を採用することにより、各励起光源からの励起光ビームのビームウエストの中心軸が、集光レンズの光軸と一致すると共に、発振するレーザビームの中心軸とも一致する。従って、各励起光ビームの重なる励起強度の高い領域において、利得媒体１０４に吸収される励起光ビームの多くがレーザビームの発振に寄与することができ、従来よりも励起効率を高めることが可能となる。
【００６５】
また、本実施例では、４つの励起光源を用いているため、固体レーザ装置からの出力をより高くすることも可能である。
【００６６】
（第５の実施形態）
本発明に係る固体レーザ装置を、光源として用いた非線形計測装置について説明する。図１２は、非線形計測装置の一例である誘導ラマン散乱顕微鏡の概要図である。
【００６７】
光源部１５０は、周波数が互いに同じである光源１５１−１と１５１−２を備えており、光源１５１−１および１５１−２として、本発明にかかるモードロック固体レーザ装置を用いた。ここでは、光源部１５１−１から出射される波長λｐの出力光を励起光として用い、光源１５１−２から出力され、波長λｐとは異なる波長λｓの出力光を、変調器１５２で変調してストークス光として用いる。
【００６８】
光源１５１−１、１５１−２それぞれから出射された出力光は、不図示のパルス調整部にて、互いのパルスのタイミングが揃えられ、ダイクロイミックミラー１５３にて合波され、光源部１５０から出射される。パルス調整部には、光路長を調整する構成であってもよいし、光源１５１−１、１５１−２を同期させる同期回路などを採用することができる。
【００６９】
光源部１５０から出射された出力光は、集光光学系１５４で集光されて被検体１５５に照射される。出力光の集光点では励起光とストークス光によって分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じる。被検体で生じた誘導ラマン散乱により強度変化を受けた励起光は、光集光光学系１５６と励起光の波長域を透過させるバンドパスフィルタ１５７とを通過後、検出部（受光素子）１５８にて検出される。検出部１５８で検出された光は、情報取得部５１９により画像信号として取得され、必要に応じて表示部１６０に表示される。
【００７０】
図では示していないが、光源部１５０からの出力光を、走査手段によって、集光点を被検体１５６内で二次元に走査し、被検体の二次元情報あるいは三次元情報を取得することができる。
【００７１】
本実施形態では、光源部に含まれる固体レーザ装置の励起効率が高いため、非線形計測装置全体としての消費電力を低減することができる。また、同じ電力を加えた場合は、従来よりもピークパワーの高い出力光を照射することができるため、強い信号光を得ることができ、被検体について精度の高い情報を取得することが可能となる。
【符号の説明】
【００７２】
１０１、１１０  高反射ミラー
１０２  部分反射ミラー
１０３  ポンプミラー
１０４  利得媒体
１０５、１０６、２０５、２０６  励起光源
１０７  コリメートレンズ
１０８  レーザ分割部材
１０９  集光レンズ
１１１、１１２、２１１、２１２  励起光ビーム
１１４  ビーム調整部材
４０１  スロー軸方向
４０２  ファスト軸方向
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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