(57)【要約】【課題】内部での温度を均一にすることによって、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力すること。【解決手段】本発明の固体レーザ媒質１０は、励起光源３０から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する。固体レーザ媒質１０は、励起光の吸収率が低い低吸収部１１と、当該低吸収部１１の周縁外方を覆って、または当該低吸収部１１を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部１１の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部１１と一体となって固体レーザ媒質１０を構成する高吸収部１２と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質において、
励起光の吸収率が低い低吸収部と、
当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
を備えたことを特徴とする固体レーザ媒質。
【請求項２】
前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有しない部分から構成され、
前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ媒質。
【請求項３】
前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、所定量の不純物を含有する部分から構成され、
前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有された不純物の量よりも多い量の前記不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ媒質。
【請求項４】
前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有する部分から構成され、
前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有された不純物よりも励起光に対する吸収率が高い不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ媒質。
【請求項５】
少なくとも一部がセラミックからなることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体レーザ媒質。
【請求項６】
励起光を発生させる励起光源と、
励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質と、を備え、
固体レーザ媒質は、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
励起光源からの励起光は、高吸収部から固体レーザ媒質内に入射することを特徴とする固体レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、品質のよいレーザ光を出力することができる固体レーザ媒質、および当該固体レーザ媒質を用いた固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な固体レーザ発振器としてＹＡＧレーザ発振器を例として用いて説明する。また、説明を簡単にするために、最も単純なＣＷレーザ発振器を例にとって説明する。さらに、図１０（ａ）に示すように、ＹＡＧロッド（固体レーザ媒質）１０の形状としては円柱形状からなるものを例として用いて説明する。なお、図１０（ａ）は、ＹＡＧロッド１０の横断面を示している。
【０００３】
一般的に、ＹＡＧレーザ発振器は、励起光を発生させる励起光源と、励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するＹＡＧロッド１０と、を備えている。そして、ＹＡＧレーザ発振器は、励起光源から出た励起光を、内面に金メッキを施した楕円筒にて反射し、ＹＡＧロッド１０に導くことでＹＡＧロッド１０を励起して、ＹＡＧロッド１０からレーザ光を出力させる。
【０００４】
このため、円柱形状のＹＡＧロッド１０の側面から励起光が入射し、ほとんどの場台、ＹＡＧロッド１０の断面での励起光の強度分布は中心軸Ｃをピークとする強度分布となっている。このため、図１０（ｂ）に示すように、ＹＡＧロッド１０の断面での励起強度分布は中心軸Ｃをピークとする分布となり、ＹＡＧロッド１０から出力されるレーザ光も、レーザ光の外周部よりもレーザ光の中心部における強度が強くなる強度分布となっている。
【０００５】
また、ＹＡＧロッド１０は、励起によって高温となるため、その外周より冷却されることが普通である。この損合も当然、ＹＡＧロッド１０の外周部が冷却しやすく、内部に行くにつれて冷却しにくくなっている。
【０００６】
すなわち、励起強度分布と温度勾配の両方を考えると、最も励起強度が高く発熱の激しい部分が、最も冷却しにくい部分となり、ＹＡＧロッド１０の内部において中心軸Ｃ近傍が最も高温となる温度勾配が生じている（図１０（ｃ）参照）。
【０００７】
このため、ＹＡＧレーザ発振器において熱レンズ効果が発生してしまい、ＹＡＧレーザ発振器から出力されるレーザ光の品質を悪化させる最大の原因となっている。また、レーザ光の出力を上げるために励起強度を上げれば上げるほど、レーザ光の品質の悪化を招く結果となる。さらに、励起強度を上げすぎると内部温度上昇によりＹＡＧロッド１０が破損する場合もある。
【０００８】
このような熱レンズ効果が発生することを防止するために、レーザ活性元素がドープされたレーザロッドを、このレーザロッドと同じ結晶構造をもつノンドープのセラミックパイプの中空部に密着挿入したもの（例えば、特許文献１）や、活性元素であるＮｄを所定の濃度で添加して形成したＹＡＧ結晶からなるレーザロッド本体の周縁に、このレーザロッド本体に添加されたＮｄの濃度よりも低い濃度のＮｄを含むＮｄドープ・ＹＡＧ結晶膜を設けたもの（例えば、特許文献２）などが知られている。
【特許文献１】特開２００３−２５８３５０号
【特許文献２】特開２０００−１０１１７８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような従来技術は、レーザ活性元素のドープされた部分の周縁を不純物を含有しないノンドープの部分で覆ったり、不純物濃度の高い部分を不純物濃度の低い部分で覆ったりすることによって、レーザロッド内に発生した熱を外部に逃がしやすくしたり、レーザロッド内を外部から冷却しやすくするものであるが、このような方法では、レーザロッドの内部にはどうしても温度勾配が生じてしまい、内部の温度を均一にすることが困難であり、熱レンズ効果を防止するには十分ではなかった。
【００１０】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、内部での温度を均一にすることによって、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる固体レーザ媒質、および当該固体レーザ媒質を用いた固体レーザ発振器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】
【００１１】
本発明は、励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質において、
励起光の吸収率が低い低吸収部と、
当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
を備えたことを特徴とする固体レーザ媒質である。
【００１２】
このような構成により、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
【００１３】
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有しない部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
【００１４】
このような構成により、中心部での温度を低くすることができ、熱レンズ効果を効率よく防止することができる。
【００１５】
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、所定量の不純物を含有する部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有された不純物の量よりも多い量の前記不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
【００１６】
このような構成により、低吸収部に含有される不純物の量、および高吸収部に含有される不純物の量を調整することによっても、固体レーザ媒質内の温度分布を調整することができる。
【００１７】
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、不純物を含有する部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有された不純物よりも励起光に対する吸収率が高い不純物を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
【００１８】
このような構成により、低吸収部に含有される不純物の種類、および高吸収部に含有される不純物の種類を適宜選択することによっても、固体レーザ媒質内の温度分布を調整することができる。
【００１９】
本発明は、少なくとも一部がセラミックからなることを特徴とする固体レーザ媒質である。
【００２０】
このような構成により、低吸収部や高吸収部に含有される不純物の量を調整したり、低吸収部や高吸収部に含有される不純物の種類を適宜選択したりすることができる。
【００２１】
本発明は、励起光を発生させる励起光源と、
励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質と、を備え、
固体レーザ媒質が、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
励起光源からの励起光が、高吸収部から固体レーザ媒質内に入射することを特徴とする固体レーザ発振器である。
【００２２】
このような構成により、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆ってまたは当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持つ固体レーザ媒質を構成する高吸収部とを備えることによって、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の実施の形態
以下、本発明に係る固体レーザ発振器の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図７は本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【００２５】
図１に示すように、固体レーザ発振器５０は、励起光を発生させる励起光源３０と、励起光源３０から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光Ｌを出力する固体レーザ媒質１０と、固体レーザ媒質１０の光軸方向に配置された一対の共振ミラー２１，２２と、を備えている。
【００２６】
このうち、固体レーザ媒質１０は、図２に示すように、円柱形状からなるとともに、励起光の吸収率が低い低吸収部１１と、当該低吸収部１１の周縁外方を覆って配置され、励起光に対して低吸収部１１の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部１１と一体となって固体レーザ媒質１０を構成する高吸収部１２と、を有している。
【００２７】
本実施の形態においては、固体レーザ媒質１０の低吸収部１１は、レーザ媒質材料（例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）など）からなり不純物を含有しない部分から構成され、固体レーザ媒質１０の高吸収部１２は、レーザ媒質材料からなり不純物を含有する部分から構成されている。
【００２８】
また、図２において、固体レーザ媒質１０の高吸収部１２は、セラミックからなっている。他方、固体レーザ媒質１０の低吸収部１１は、セラミックからなってもよいし単結晶からなってもよい。
【００２９】
なお、励起光源３０および固体レーザ媒質１０は、図１に示すように、内面に金メッキ等の反射膜を施した楕円筒４０内に配置されており、励起光源３０から照射される励起光は、楕円筒４０の内面で反射され、固体レーザ媒質１０の全側面から入射する（高吸収部１２から固体レーザ媒質１０内に入射する）。
【００３０】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
【００３１】
まず、固体レーザ媒質１０内における励起光の一般的な強度分布について説明する。ここでは簡単に説明するために、ブロック形状からなる固体レーザ媒質１０を例にとって考える。
【００３２】
吸収係数αの固体レーザ媒質１０に強度Ｉ０の励起光が入射した場合における、固体レーザ媒質１０内部の各位置における励起光強度は、簡単な減衰式、
Ｉ（ｘ）＝Ｉ０×exp（−αｘ）
で示される（ｘ＝０で励起光が固体レーザ媒質１０に入射する)。そして、当然、励起光が減衰した分だけ、固体レーザ媒質１０に励起光が吸収されたことになる。
【００３３】
なお、吸収係数αは固体レーザ媒質１０に含有された不純物の濃度によって変化する。すなわち、固体レーザ媒質１０のうち不純物を含有しない部分においては、吸収係数αは固体レーザ媒質（例えば、ＹＡＧロッド）１０の吸収係数となり、非常に小さくなる（α≒０となる）。これに対して、固体レーザ媒質１０のうち不純物を含有する部分においては、吸収係数αは大きくなる。
【００３４】
ここで、本実施の形態によれば、図２に示すように、不純物を含有せず励起光の吸収率が非常に小さい低吸収部１１の周縁外方を覆って、不純物を含有し励起光の吸収率が高い高吸収部１２が配置されている。
【００３５】
このため、励起光強度Ｉは、図３（ａ）−（ｃ）に示すように、高吸収部１２において減衰する（励起光が吸収される）が、低吸収部１１においては減衰しない（励起光が吸収されない）。なお、図３（ａ）は固体レーザ媒質１０の横断面を示し、図３（ｂ）は固体レーザ媒質１０の縦断面を示し、図３（ｃ）は固体レーザ媒質１０内における励起光強度Ｉを示している。
【００３６】
このように、励起光が高吸収部１２において吸収されるが、低吸収部１１においては吸収されないので、固体レーザ媒質１０の内部における励起強度分布は図４（ｂ）に示すようになり、不純物を含有しない部分から構成されている低吸収部１１における励起強度は０となる。
【００３７】
この結果、図４（ｃ）に示すように、中心軸Ｃ近傍の領域において、固体レーザ媒質１０が発熱することを効率よく抑えることができ、冷却液などによって冷却しにくい固体レーザ媒質１０の中心軸Ｃ近傍の領域の温度が上昇することを防止することができる。
【００３８】
ところで、本実施の形態による固体レーザ媒質１０において、不純物を含む高吸収部１２の大きさや形状を調整したり、不純物を含まない低吸収部１１の大きさや形状を調整したり、高吸収部１２に含有される不純物の濃度を調整したりすることによって、固体レーザ媒質１０内で吸収される励起光の量を調整することができる。
【００３９】
このため、固体レーザ媒質１０の一の面から入射した励起光のうち高吸収部１２内で吸収される量と、当該一の面と中心軸Ｃを挟んで対向する他の面から入射した励起光のうち高吸収部１２内で吸収される量とを適宜調整することができ、図５（ａ）（ｂ）に示すように、固体レーザ媒質１０の高吸収部１２内の各箇所で吸収される励起光の量（減衰する励起光の量）をほぼ均一にすることができる。この結果、図５（ｃ）に示すように、固体レーザ媒質１０から出力されるレーザ光Ｌへの寄与率を高吸収部１２内でほぼ均一にすることができる。
【００４０】
そして、このように、固体レーザ媒質１０から出力されるレーザ光Ｌへの寄与率を高吸収部１２内で均一にすることによって、固体レーザ媒質１０内の温度分布を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Ｌを出力することができる（図１参照）。
【００４１】
なお、上記では、図５（ｃ）のように、固体レーザ媒質１０の高吸収部１２の内部におけるレーザ光Ｌへの寄与率がほぼ均一となっているが、これには限らない。
【００４２】
つまり、不純物を含む高吸収部１２の大きさや形状を調整したり、不純物を含まない低吸収部１１の大きさや形状を調整したりすることによって、固体レーザ媒質１０の一の面から入射した励起光のうち高吸収部１２内で吸収される量と、当該一の面と中心軸Ｃを挟んで対向する他の面から入射した励起光のうち高吸収部１２内で吸収される量とを適宜調整し、図６（ｂ）に示すように、高吸収部１２でのレーザ光Ｌへの寄与率を内部に行くに従って小さくしたり、図６（ｃ）に示すように、高吸収部１２でのレーザ光Ｌへの寄与率を内部に行くに従って大きくしたりすることもできる。
【００４３】
なお、上記では、円柱形状からなる固体レーザ媒質１０を用いて説明したが、これに限らず、円盤、角柱などの様々な形状からなる固体レーザ媒質１０を用いることができる。このように、固体レーザ媒質１０の形状を様々変化させることによって、固体レーザ媒質１０の内部における温度分布を適宜調整し、小さな広がり角を持つレーザ光Ｌを出力するよう調整することができる。
【００４４】
また、上記では、円柱形状からなる低吸収部１１を用いて説明したが、これに限らず、多角形状、楕円形状などの様々な形状からなる低吸収部１１を用いることができる。このように、低吸収部１１の形状を様々変化させることによっても、固体レーザ媒質１０の内部の温度分布を適宜調整することができ、小さな広がり角を持つレーザ光Ｌを出力するよう調整することができる。
【００４５】
さらに、上記では、高吸収部１２が、低吸収部１１の周縁（側面）外方を覆って配置される態様を用いて説明したが、これに限ることなく、図７に示すように、高吸収部１２は、低吸収部１１を挟むように配置されてもよい。なお、このときには、励起光源３０（図１参照）からの励起光は、高吸収部１２側から入射され、高吸収部１２を介して低吸収部１１に達する。
【００４６】
ところで、固体レーザ発振器５０には様々な形式の発振器形態があるが、本発明による固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０を用いた全ての固体レーザ発振器５０に応用することができる。
【００４７】
第２の実施の形態
次に、図８により、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８に示す第２の実施の形態は、不純物を含有しない部分から低吸収部１１が構成され、不純物を含有する部分から高吸収部１２が構成されている代わりに、所定量の不純物を含有する部分から低吸収部１１’が構成され、低吸収部１１’に含有された不純物の量よりも多い量の不純物を含有する部分から高吸収部１２’が構成されているものであり、その他の構成は図１乃至図７に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００４８】
図８に示す第２の実施の形態において、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４９】
図８に示すように、固体レーザ媒質１０は、所定量の不純物（例えば、ＮｄやＹｂなど）を含有する低吸収部１１’と、当該低吸収部１１’の周縁外方を覆って配置され、低吸収部１１’に含有された不純物の量よりも多い量の不純物を含有し、励起光に対して低吸収部１１’の吸収率よりも高い吸収率を持つ高吸収部１２’と、を備えている。
【００５０】
そして、本実施の形態においては、低吸収部１１’に含有される不純物の量、および高吸収部１２’に含有される不純物の量を調整することによっても、固体レーザ媒質１０内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Ｌを出力する固体レーザ媒質１０を容易に得ることができる。
【００５１】
第３の実施の形態
次に、図９により、本発明の第３の実施の形態について説明する。図９に示す第３の実施の形態は、不純物を含有しない部分から低吸収部１１が構成され、不純物を含有する部分から高吸収部１２が構成されている代わりに、不純物を含有する部分から低吸収部１１”が構成され、低吸収部１１”に含有された不純物よりも励起光に対する吸収率が高い不純物を含有する部分から高吸収部１２”が構成されているものであり、その他の構成は図１乃至図７に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００５２】
図９に示す第３の実施の形態において、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
図９に示すように、固体レーザ媒質１０は、不純物（例えば、Ｎｄ）を含有する低吸収部１１”と、当該低吸収部１１”の周縁外方を覆って配置され、低吸収部１１”に含有された不純物よりも励起光に対する吸収率が高い不純物（例えば、Ｙｂ）を含有することによって励起光に対して低吸収部１１”の吸収率よりも高い吸収率を持つ高吸収部１２”と、を備えている。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、低吸収部１１”に含有される不純物の種類、および高吸収部１２”に含有される不純物の種類を適宜選択することによっても、固体レーザ媒質１０内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Ｌを出力する固体レーザ媒質１０を容易に得ることができる。
【００５５】
また、低吸収部１１”に含有される不純物の種類、および高吸収部１２”に含有される不純物の種類を適宜選択するだけでなく、低吸収部１１”に含有される不純物の量、および高吸収部１２”に含有される不純物の量を調整することによっても、固体レーザ媒質１０内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Ｌを出力する固体レーザ媒質１０をさらに容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による固体レーザ発振器を示す概略断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による固体レーザ媒質の断面と、励起光強度との関係を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による固体レーザ媒質の横断面と、励起強度分布と、温度分布との関係を示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態による固体レーザ媒質の横断面と、励起光強度と、レーザ光への寄与率との関係を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態による別の態様における固体レーザ媒質の横断面とレーザ光への寄与率との関係を示す図。
【図７】本発明の第１の実施の形態による別の態様における固体レーザ媒質を示す斜視図。
【図８】本発明の第２の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。
【図９】本発明の第３の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。
【図１０】従来技術による固体レーザ媒質の横断面と、励起強度分布と、温度分布との関係を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１０    固体レーザ媒質
１１，１１’，１１”  低吸収部
１２，１２’，１２”  高吸収部
１２ａ  不純物を含有する粉末
３０    励起光源
４０    楕円筒
５０    固体レーザ発振器
６１    炉
Ｌ      レーザ光
【図１】
2008277558.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008277558.tif 000007
【図６】
2008277558.tif 000008
【図７】
2008277558.tif 000009
【図８】
2008277558.tif 000010
【図９】
2008277558.tif 000011
【図１０】
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