(57)【要約】【課題】この発明は、励起光源として半導体レーザを使用し、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布として、複焦点現象が発生することのない励起光源による励起方法および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を得る。【解決手段】レーザビームの光軸に沿って延び、内部に活性物質を含む固体レーザロッド１と、固体レーザロッド１の軸芯と直角に交わる平面内を通り固体レーザロッド１の軸芯から所定の距離離れた励起光光軸４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄを有する複数の励起光源３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有し、複数の励起光源は、固体レーザロッド１の軸芯と直角に交わる平面に投影された場合に、固体レーザロッド１の軸芯に対して等角度間隔に配設されている。【選択図】図１
2004031991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　レーザビームの光軸に沿って延び、内部に活性物質を含む固体レーザロッドと、上記固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通り該固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起光光軸を有する複数の励起光源とを有し、
　上記レーザビームが上記固体レーザロッドを通過する際に、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布とする上記励起光源による励起方法。
【請求項２】
　上記励起光光軸の上記固体レーザロッドの軸芯からのずれ量を調節することにより固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布とする請求項１記載の励起方法。
【請求項３】
　レーザビームの光軸に沿って延び、内部に活性物質を含む固体レーザロッドと、上記固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通り該固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起光光軸を有する複数の励起光源とを有し、
　上記レーザビームが上記固体レーザロッドを通過する際に、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布としたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
【請求項４】
　上記励起光光軸の上記固体レーザロッドの軸芯からのずれ量を調節することにより固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布とすることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　この発明は、半導体レーザを励起光源として用いる半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及び励起光源による励起方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　図１７は、例えば非特許文献１に示されている従来の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に用いられる励起モジュールの構成図である。図において、２個の半導体レーザアレイ３は、発光部４を図１７の左方向に向けて、三角柱状のヒートシンク５の一側面に固定されている。発光部４の先には、半導体レーザアレイ３より出射された励起光を集光するための円筒レンズ３４が固定されている。また、ヒートシンク５の反対側の底面には、ヒートシンク５の温度調整を行うための電気冷却器３０１が固定されている。さらに電気冷却器３０１には、ヒートシンク５および電気冷却器３０１を介し、半導体レーザアレイ３より熱を取り除くための熱交換器３０２が固定されている。
【０００３】
　熱交換器３０２には、冷却水が循環されており、ヒートシンク５を介して半導体レーザアレイ３と熱交換を行う。そして、熱交換器３０２とヒートシンク５との間に挟まれて電気式冷却器３０１が設置されており、電気式冷却器３０１を用いてヒートシンク５を冷却すれば、熱交換器３０２に循環される冷却水の温度を変化させることなく、半導体レーザアレイ３の温度を速やかに調整することができる。
【０００４】
　ヒートシンク５には、２個の半導体レーザアレイ３が同一方向に固定されている。半導体レーザアレイ３の発光部４の正面には円筒レンズ３４が固定されており、発光部４を出射した励起光は円筒レンズ３４により集光される。また、ヒートシンク５と熱交換機３０２によって挟み込むように電気冷却器３０１が設置されており、電気冷却器３０１を用いてヒートシンク５の温度調整を行うことにより、半導体レーザアレイ３から出射される励起光の波長を調整することができる。ヒートシンク５、半導体レーザアレイ３、円筒レンズ３４、電気冷却器３０１、熱交換機３０２の構成要素から１個の励起モジュール９０が構成されている。
【０００５】
　図１８は図１７の構成の励起モジュール９０が固体レーザロッド１およびフローチューブ２と共に支持板３０３に固定された様子を示す斜視図である。この構成においては、１本の固体レーザロッド１に対して４個の励起モジュール９０がその周囲に設置されている。そして、各励起モジュール９０はヒートシンク５の端面を支持板３０３に固定されて、一端を支持されて取り付けられている。そして、４個の励起モジュール９０に固定されている各半導体レーザアレイ３の発光部４は、いずれも固体レーザロッド１の軸芯に向けられており、発光部４を出射した励起光は、円筒レンズ３４により固体レーザロッド１の軸芯において集光点が生ずるよう作用を受ける。また、固体レーザロッド１の周囲にはフローチューブ２が設けられており、固体レーザロッド１とフローチューブ２との間に形成される空間に冷却媒質が流され、固体レーザロッド１の冷却が行なわれる。
【０００６】
【非特許文献１】Solid-State Laser Engineering, Springer-Verlag, 348頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　一般に固体レーザロッド１を励起光で励起し、固体レーザロッド１内を通過する光を増幅する装置において、レーザロッド断面内での発熱分布が不均一になると、固体レーザロッド１の発熱に起因するレンズ効果中に、レーザロッド断面内において局所的な焦点距離の値に差異を生じる複焦点現象が発生する。そして、この複焦点現象が発生すると、通常の球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等の光学素子では、固体レーザロッド１のレンズ効果を十分に補正することができず、高品質レーザ光の増幅性能が低下するばかりでなく、安定性も劣化してしまうといった問題があった。
【０００８】
　そして、励起光源として半導体レーザを使用する上記のような構成の従来の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置においては、励起光源としてアークランプを使用するものに比べてレーザロッド断面内の発熱分布の均一性について特別に着目されたことがなかった。
【０００９】
　この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、励起光源として半導体レーザを使用し、固体レーザロッド断面内での発熱分布を均一とすることができ、複焦点現象が発生することのない励起光源による励起方法および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
　この発明による励起光源による励起方法は、レーザビームの光軸に沿って延び、内部に活性物質を含む固体レーザロッドと、上記固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通り該固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起光光軸を有する複数の励起光源とを有し、上記レーザビームが上記固体レーザロッドを通過する際に、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布とするものである。
　また、この発明による半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、レーザビームの光軸に沿って延び、内部に活性物質を含む固体レーザロッドと、上記固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通り該固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起光光軸を有する複数の励起光源とを有し、上記レーザビームが上記固体レーザロッドを通過する際に、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
　この発明によれば、複焦点現象が発生することがなく、球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等を用いて、熱発生にともなう固体レーザロッドのレンズ効果を効果的に補正し、安定で効率よく高ビーム品質のレーザ光の増幅および発生を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
　実施の形態１．
　図１は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を示す励起モジュールの正面図である。図２は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の横断面図である。図１において、円板状の基板９は、外縁に全周にわたって主面と直角に突設された円形フランジが形成され、さらに中央に穴が形成されている。基板９の主面には、中央の穴を中心にして４個の固定用ブロック１０が、各々９０゜ずつ離れて等間隔に配設されている。複数の発光素子が直線状に配置されてなる励起光源である４個の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが、各々ヒートシンク５を介し固定用ブロック１０に固定されている。固定用ブロック１０は、励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを固定するための手段を構成している。
【００１３】
　基板９と基板９の主面に固定された固定用ブロック１０、半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよびヒートシンク５は、１個の励起モジュール１１８を構成している。基板９の外縁部に形成された円形フランジには、ザグリ付き連結用貫通穴１８と連結用ネジ穴１９が設けられている。基板９上に設けられたザグリ付き連結用貫通穴１８および連結用ネジ穴１９は、固体レーザロッド１と中心を同じくした同一円上に６０゜の角度をなして交互に配置されている。このため基板９上に設けられた３個のザグリ付き連結用貫通穴１８の中心を結んで形成される三角形および３個の連結用ネジ穴１９の中心を結んで形成される三角形は、３辺の長さが等しい正三角形をなし互いに合同となる。またザグリ付き連結用貫通穴１８のザグリ径は、連結用ネジ穴に対応した六角穴付きボルトのボルト頭の直径より大きくされ、またザグリ深さはボルト頭の高さより深くされている。
【００１４】
　また、集光器３６が、固体レーザロッド１の周囲を取り囲むよう基板９上に設置されている。集光器３６は、固体レーザロッド１と対向する内面に拡散反射面で構成された例えばセラミックからなる反射面を有する。集光器３６には、４箇所に、集光器３６の内部に励起光３３を導入するための導入口３８が形成され、さらにこの導入口３８には、集光器３６内に励起光３３を導光するため、端面に励起光３３の反射防止処理を施された光学素子である光導波板３９が配設されている。
【００１５】
　半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、各々励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄを有し、この励起光光軸に沿って発光部４から励起光３３を発射する。各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内を通り、かつ各々固体レーザロッド１の軸芯８から所定の距離だけ離れている。また、それぞれの励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、隣り合う励起光光軸と直角に交わっている。ここで、励起光光軸４０１ａおよび４０１ｃと平行で、固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４０２ａ、また励起光光軸４０１ｂおよび４０１ｄと平行で、固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４０２ｂとすると、励起光光軸４０１ａおよび４０１ｃは、中心線４０２ａから各々反対の方向に所定の距離だけ離れ、また励起光光軸４０１ｂおよび４０１ｄは、中心線４０２ｂから各々反対の方向に所定の距離だけ離れている。すなわち、各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８を通る直線から所定の距離だけずれており、またずれの方向は、固体レーザロッド１の軸芯８に対して同一の回転方向にずれている。即ち、図１において、半時計回りの方向にずれている。
【００１６】
　また、別な表現をすれば、励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８に対してそれぞれ等角度間隔に配設されている。即ち、各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８を回転軸としてそれぞれ等角度間隔に配設されている。
【００１７】
　図２において、下板１４の両端にそれぞれ側板１２が立設されている。２枚の側板１２は、固体レーザロッド１の両端部を各々の主面に設けられた穴に貫通させて、固体レーザロッド１を支持している。また、固体レーザロッド１の周囲にフローチューブ２が配設されている。フローチューブ２は、円筒状をなし固体レーザロッド１を長手方向にわたって全体的に包囲している。フローチューブ２の両端部もまた側板１２によって支持されている。そして、一方の側板１２には、例えば純水等の冷却媒体を供給するための流入口５１が設けられている。また他方の側板１２には、冷却媒体が排出される流出口５２が設けられている。流入口５１より供給された冷却媒体は、固体レーザロッド１とフローチューブ２との間で形成される空間を流れ、その間に固体レーザロッド１を直接冷却する。フローチューブ２を通過した冷却媒体は流出口５２から排出される。
【００１８】
　複数の励起モジュール１１８が、基板９の中央の穴に固体レーザロッド１およびフローチューブ２を貫通されて、同一の向きに複数枚積層されて配列されている。一方、側板１２には、ザグリ付き固定用貫通穴２０が設けられている。そして、各々の励起モジュール１１８および側板１２は、連結固定手段である六角穴付きボルト２１によって互いに連結、固定されている。
【００１９】
　励起モジュール１１８相互間の連結は、図２に示すように図の左端の励起モジュール１１８の連結用ネジ穴１９に、次の励起モジュール１１８のザグリ付き連結用貫通穴１８の位置が合致され、六角穴付きボルト２１を用いて順次右方へ締結されている。基板９の外縁部に設けられたザグリ付き連結用貫通穴１８および連結用ネジ穴１９は、固体レーザロッド１と中心を同じくした同一円上に設置されているため、固体レーザロッド１と励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの位置関係を常に一定に保つことができる。また側板１２上には、基板９の外縁部に設けられたザグリ付き連結用貫通穴１８および連結用ネジ穴１９と同じ位置関係を有する複数のザグリ付き固定用貫通穴２０が設けられており、両端の基板９が側板１２に密接され、連結用ネジ穴１９上に位置するザグリ付き固定用貫通穴２０に、六角穴付きボルト２１が貫通されて、基板９と励起モジュール１１８の結合が行われる。
【００２０】
　図１に示す励起モジュール１１８は、励起光源である４個の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを有し、４方向から固体レーザロッド１に励起光３３を照射して、固体レーザロッド１の励起を行う。そして、各々の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄから発射される励起光３３の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の中心を通過する中心線からずらされているので、固体レーザロッド１断面内における励起密度分布を変化させることができる。さらにこの軸ずれ量を所定のものとすると、固体レーザロッド１断面内での発熱分布を均一とすることができる。以下このことについて説明する。
【００２１】
　一般に、基底準位から励起光の吸収により励起準位へ励起された粒子は、複数の遷移を経て基底準位へと戻る。励起準位から基底準位へ至る複数の遷移中で、光を発しないいわゆる非放射遷移により緩和する際の準位間のエネルギー差が、熱に変換され固体レーザロッド１は発熱する。従来例のように固体レーザロッドの周囲全体から均一に冷却した場合、レーザロッド断面内の発熱分布が均一であれば、レーザロッド断面内の温度分布は、中央をピークとした放物面形状となる。固体レーザロッド１の屈折率は、ほぼ温度に比例するため、レーザロッド断面内の温度分布形状が放物面であれば固体レーザロッド１は理想的なレンズとして振る舞う。この結果、球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等の一般的な光学素子を用いて、固体レーザロッド１のレン効果を補正し、安定で効率よく高品質レーザ光の増幅を行なうことができる。
【００２２】
　しかし、レーザロッド断面内での発熱分布が不均一になると、固体レーザロッド１の発熱に起因するレンズ効果中に、固体レーザロッド断面内において局所的な焦点距離の値に差異を生じる複焦点現象が発生する。この複焦点現象が発生すると、通常の球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等の光学素子では、固体レーザロッド１のレンズ効果を十分に補正することができず、高品質レーザ光の増幅性能が低下するばかりでなく、安定性も劣化してしまう。
【００２３】
　そのため、高品質レーザ光を安定かつ高効率に増幅するためには、固体レーザロッド断面内において均一な発熱分布を得ることが不可欠となる。しかしながら従来は、励起密度分布の均一性ばかりが主眼に置かれ、発熱分布の均一性は着目されたことがなかった。これは励起光源として専らアークランプが使用されてきたことに起因する。励起準位から基底準位へと至る過程は、励起準位からレーザ上準位までの遷移過程と、レーザ上準位から基底準位への遷移過程とに分けることができる。励起準位に励起された粒子の大部分は、非放射過程のみを介しレーザ上準位へ遷移する。このため励起準位のエネルギーと励起強度（単位時間、単位体積当たりに励起準位へ励起される粒子数）が決まれば、励起準位からレーザ上準位への遷移過程において発生する熱量は一定となる。一方、レーザ上準位から基底準位へと至る遷移過程は複数存在し、自然放出、もしくは誘導放出により光を発してエネルギーを放出する放射遷移と、光を発することなく熱によりエネルギーを放出する非放射遷移が混在する。レーザ発振の有無や、固体レーザロッド中を通過するレーザ光の強度により、各過程を通過する粒子の数は変化する。各過程中に含まれる非放射遷移で発生する熱量は、過程毎に異なるため、励起準位、励起強度が同一であっても、レーザ発振の有無やレーザロッド中を通過するレーザ光の強度によって、レーザ上準位から基底準位に至る過程中での固体レーザロッド１内で発生する熱量は変化する。例えば、エネルギー差の大きな非放射遷移を含む過程を通過する粒子の割合が多くなれば、レーザ上準位から基底準位へと至る過程において発生する熱量は大きくなる。
【００２４】
　アークランプを励起光源として用いた固体レーザ増幅器においては、アークランプが幅広い発光スペクトルを有するため、発光スペクトル中の紫外光成分により、レーザ上準位に比べ非常にエネルギーの高い準位にまで粒子の励起が行なわれていた。このため固体レーザロッド内の全発熱中、励起準位からレーザ上準位への非放射遷移過程において発生する熱量が大部分を占め、レーザ上準位から基底準位への遷移過程におけるレーザ発振の有無や、レーザ光強度による発熱量の変化は無視することができた。即ち、アークランプを励起光源として使用した場合、レーザ発振の有無やレーザ光強度に依らず、励起状態のみで固体レーザロッド内の発熱量はほぼ決定されていた。この結果、励起密度分布さえ均一にすれば、固体レーザロッド断面内の発熱分布は均一とみなすことができた。
【００２５】
　そして上述と同様な議論、即ち励起密度分布と発熱分布が一致するという仮定が、本発明で扱う半導体レーザを励起光源として用いた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の場合にも成り立つと考えられていた。
【００２６】
　しかし、半導体レーザアレイを励起光源として使用すれば、発光スペクトルは非常に狭くなるため、レーザ上準位に最も近い励起準位のエネルギーと半導体レーザの発振波長との整合を図ることにより、レーザ上準位に最も近い励起準位へと選択的に励起することが可能になる。このためアークランプで励起した場合に比べ、励起準位からレーザ上準位へと至る過程において発生する熱量は、格段に小さくなる。この結果、固体レーザロッド内の発熱中で、レーザ発振の有無やレーザ光の強度等、レーザ発振状態に起因する発熱量の変化が無視できなくなる。
【００２７】
　図３は実験で求めた、半導体レーザで励起した際の固体レーザ媒質中を通過するレーザ光強度に対する発熱量の変化を、レーザ光強度が０の時の発熱量を１として相対的に示している。レーザ光強度の増加にともない２０％以上発熱量が低下していることが分かる。これは誘導放出現象によりレーザ発振を行なう過程を通過する粒子数が増加し、発熱量の大きな遷移過程を通過する粒子数が減少したためである。２０％以上の発熱量の変化は、増幅時の安定性を低下させるに十分である。
【００２８】
　ここで一例として最も集光性能が高く応用価値の高い横最低次モードのレーザ光の増幅もしくは発生について説明する。図４は横最低次モードのビーム強度分布を示している。横最低次モードは通常ＴＥＭ００モードと呼ばれており、中央に唯一のピークを持つ軸対称ガウス分布形状を有する。このため横最低次モードのビームが固体レーザロッド１中を通過する際、固体レーザロッド断面の中央部を通過するビーム強度は高く、固体レーザロッド断面周囲を通過するビーム強度は低くなる。図３に示す通り、強度の高いビームが通過する領域ほど発熱量は小さくなる。固体レーザロッド内で均一な励起を仮定すると、固体レーザロッド１内を通過するレーザ光強度が未だ微弱で誘導放出が顕著でない場合には、固体レーザロッド断面内の発熱分布は均一とみなすことができる。
【００２９】
　しかし実際にレーザ光を増幅する際には、高強度のレーザ光が固体レーザロッド中を通過するため、横最低次モードのビームが固体レーザロッド断面内を通過する際ビーム強度の高い固体レーザロッド断面中央部において誘導放出が顕著となり、レーザ発振を含む遷移過程を通過する粒子数が増加するため、発熱の低下量が大きくなる。この結果、固体レーザロッド断面内の発熱分布は中央で発熱量が低下した不均一な分布となり、固体レーザロッド１内の発熱にともなうレンズ効果中に複焦点が生じてしまう。このため横最低次モードビームの発生および増幅時には、固体レーザロッド断面内中央において、励起密度分布がやや高くされ、横最低次モードのビームが通過する際に、固体レーザロッド断面内での発熱分布が均一になるような励起密度分布が望ましい。
【００３０】
　励起密度分布は、励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄの軸ずれ量、固体レーザロッド１での励起光吸収係数、集光器３６の形状および表面状態等、励起部の構成から光線追跡手法を用いて計算することができる。また各遷移過程を通過する粒子数は、活性媒質の各準位およびレーザ光の光子密度に対するレート方程式を解くことにより計算することができるので、固体レーザロッド内での発熱量は解析的に求めることができる。発熱分布から固体レーザロッド断面内の温度分布を計算し、温度分布から屈折率分布を求め、屈折率の傾きから固体レーザロッド断面内における局所的な焦点距離の値を計算することができる。
【００３１】
　図５、図６、図７は励起光光軸の軸ずれ量を０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍとした際の固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算値である。軸ずれ量の増加にともない中央のピークは低下し、軸ずれ量２ｍｍにおいてほぼ均一な励起密度分布形状が得られている。
【００３２】
　図８は固体レーザロッド１中を通過するレーザ光が微弱な際に、軸ずれ量０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍにおいて、不均一な発熱分布に起因する複焦点、即ち局所的な焦点距離の変化を、ロッド中心軸上の値を０とし半径の関数として示している。複焦点がない状態では半径に依らず焦点距離の値は一定となる。ここで固体レーザロッド断面内において発熱分布の不均一性に起因して生じる局所的な焦点距離の固体レーザロッド断面内の位置によるばらつき、即ち複焦点の度合いを示す指標として、固体レーザロッド断面内における局所的な焦点距離の最大値と最小値の差を複焦点量と定義する。固体レーザロッド１中を通過するレーザ光が微弱である仮定のもとでは、励起密度分布がもっとも均一な軸ずれ量２ｍｍにおいて複焦点量は最小となっている。
【００３３】
　図９は、固体レーザロッド１中を横最低次モードのレーザ光が誘導放出を起こすに十分な強度をもって通過する際、軸ずれ量０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍにおいて、不均一な発熱分布に起因する複焦点、即ち焦点距離の変化を、半径の関数として示している。微弱な通過光を仮定した図８の結果とは異なり、軸ずれ量１ｍｍのときに上記定義による複焦点量が最小となっている。即ち、横最低次モードのレーザ光の増幅および発生を行う際には、軸ずれ量を１ｍｍとした方が均一な発熱分布が得られることが分かる。
【００３４】
　以上、横最低次モードのレーザ光が固体レーザロッド１内を通過する場合について示したが、高次モードのレーザ光が通過する際にも、励起部の構成、励起強度、活性媒質密度、固体レーザロッド１を通過するレーザ光の強度分布等、想定する動作条件に応じて、固体レーザロッド断面内で生じる複焦点量が最小となるよう軸ずれ量を決定すればよい。
【００３５】
　図１及び図２で示す本実施の形態においては、４つの半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄから発せられる励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内を通り、かつ各々固体レーザロッド１の軸芯８から所定の距離だけ離れている。また、隣り合う励起光光軸と直角に交わっている。そして、励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄの軸ずれ量は、上記に説明した最適な量とされている。従って、固体レーザロッド断面の周方向に対する発熱分布のばらつきを最小限に抑えることができ、複焦点現象の発生を抑制することができる。この結果、球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等を用いて、固体レーザロッド１のレンズ効果を効果的に補正することができ、安定で効率よく高ビーム品質のレーザ光の増幅および発生を行うことができる。
【００３６】
　また図１及び図２で示した本実施の形態においては、各々半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを出射した励起光は、集光器３６に設けられた導入口３８内に固定された光導波板３９内部を伝搬し、集光器３６内に入射される。光導波板３９は、外部に接する例えば接着剤等の材料よりも屈折率が十分高い例えばサファイア等の材料を用いて作製されるので、光導波板３９内に入射した励起光の大部分は、光導波板３９の側面で全反射され、低損失で効率よく集光器３６内に導かれる。このため固体レーザロッド照射時の励起光の光軸位置は、光導波板３９の設置位置で規定される。このように励起光の光軸位置を光学素子を用いて所望の位置に規定すれば、励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに正規設置位置、設置角度からのずれが生じた場合も、励起光の光軸位置が一定に保たれるため、固体レーザロッド断面内において常に安定した励起密度分布が得られ、効率よい高ビーム品質のレーザ光の増幅および発生を安定に維持することができる。また、励起光源である半導体レーザ３の設置精度が緩和され、励起モジュールの組立を容易にすることができる。さらに、本実施の形態では、半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと集光器３６は同一の基板９上に固定されているため、励起光の光軸位置を励起モジュール１１８の設置位置、設置角度によらず常に一定に保つことができる。
【００３７】
　本実施の形態においては、励起光の光軸を規定するための光学素子として光導波板３９を使用した構成を示したが、光学素子はこれに限るものではなく、円筒レンズや、光ファイバを使用しても同様な効果を得ることができる。
【００３８】
　更に本実施の形態において示した光導波板３９は、励起光が入射する端面の形状が矩形であるため、例えば励起光源として複数の半導体レーザ発光部を１列に配置した半導体リニアレーザアレイを使用した場合、励起光の光学素子に対する効率よい結合が容易になる。またレンズのような光の屈折作用を利用した光学素子ではないので、焦点距離や集光方向を考慮した配置の必要がなく、組立および調整が容易になる。
【００３９】
　また本実施の形態において示したように、固体レーザロッド１の周囲に集光器３６を配し、集光器３６に設けた導入口３８を介して集光器３６内への励起光の導入を行う構成では、導入口３８部分は励起光の反射作用を有しないため、集光器３６本来の作用からみると無効領域となる。このため効率よい励起を行うためには、集光器３６全内面積中に占める導入口３８の割合を小さくしなければならない。一方、導入口３８を大きくした方が集光器３６内への効率よい励起光の導入が容易になる。
【００４０】
　本実施の形態において示したように、光導波板３９を用いて励起光を集光器３６内へ導入すれば、励起光発光部形状と光導波板３９の励起光導入端面との整合が容易で、導波板３９を薄く形成した際にも光導波板３９側面での全反射作用により効率よい励起光の伝送が可能となる。このため励起光の伝送効率を高く保ちながら励起光導入のため集光器３６に設ける導入口３８を小さくすることが可能となり、更に効率よい励起を行うことができる。
【００４１】
　また、本実施の形態においては、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み４方向より励起光を照射する構成を示したが、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み、２方向から固体レーザロッド１の側方より励起光を照射し、固体レーザの励起を行う構成においても、２つの励起光の光軸方向を、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間隔、即ち、１８０゜間隔で配置し、両励起光光軸とも固体レーザロッド１の中心線と所定の定距離をなし、中心線からの励起光光軸のずれの方向が、いずれの励起光光軸方向においても固体レーザロッド１の中心軸から見て同一側とすることにより、固体レーザロッド断面内における発熱分布の均一性を向上させることができる。
【００４２】
　但し、２方向から励起を行う構成では、両励起光の光軸は平行に配置されているため、固体レーザロッド断面内において、励起光光軸の軸ずれ方向は１方向成分のみ発生することとなる。軸ずれ方向が１方向でしかないため、ロッド断面全体の２次元的な発熱分布の均一化が困難であり、この結果、軸ずれと同方向である励起光光軸に垂直な方向と、軸ずれと垂直方向で励起光光軸に平行な方向では、発熱分布の均一化の度合いが異なり、固体レーザロッド断面内における発熱分布の方向性を効果的に除去することができない。
【００４３】
　図１０は、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間隔で配置された２方向、即ち互いに１８０°の角度をなす２方向より励起光を固体レーザロッド１に対し照射する構成と、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間隔で配置された３方向、即ち互いに１２０°の角度をなす３方向より励起光を固体レーザロッド１に対し照射する構成において、それぞれ軸ずれ量の最適化を行い、固体レーザロッド断面内における複焦点量を最小とした場合の、固体レーザロッド外縁部における、周方向に対する局所的な焦点距離の変化を示している。励起光の照射方向を２方向から３方向へ増やすことにより、励起光の光軸方向を固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間隔に維持しつつ、励起光光軸の軸ずれによる発熱分布の補正方向を、固体レーザロッド断面内において平行でない２方向以上とすることができるので、固体レーザロッド断面内における発熱分布の２次元的な均一化を効果的に図ることが可能となり、周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性を格段に低減することができる。
【００４４】
　図１１は、内面に鏡面を有する集光器と、内面に拡散反射面を有する集光器を用いた構成において、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間隔で配置された３方向、即ち互いに１２０°の角度をなす３方向より励起光を固体レーザロッド１に対し照射し、それぞれ軸ずれ量の最適化を行い、固体レーザロッド断面内における複焦点量を最小とした場合の、固体レーザロッド外縁部における、周方向に対する局所的な焦点距離の変化を示している。前述のように固体レーザロッド１を包囲するよう設けた集光器３６は、固体レーザロッド１に入射しなかった励起光や、固体レーザロッド１内に一旦入射したものの固体レーザロッド１では吸収されず固体レーザロッド１外へ出射した励起光を、集光器３６の内面で反射させることにより進行方向を変化させ、再度固体レーザロッド１内への入射させることにより、励起光の利用効率の向上を図るものである。
【００４５】
　鏡面における光線の反射方向は光線の入射方向でほぼ一義的に決まるのに対し、拡散反射面での光線の反射方向は、拡散反射面の表面状態で定まる広がりをもって分布するため、拡散反射面を有する集光器を使用すれば、図１１に示すように固体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性を格段に低減することができる。
【００４６】
　更に、上記拡散反射面を有する集光器３６が、励起光源を固定する手段を兼ねる構成とすれば、固体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性の大幅な改善を図ることが可能となるばかりでなく、励起部の構成要素を低減し、組立を容易にすると同時にコストを下げることができる。
【００４７】
　また、本実施の形態の励起モジュール１１８は、基板９外縁部の円形フランジにザグリ付き連結用貫通穴１８と連結用ネジ穴１９が設けられており、固体レーザロッド１に沿って、複数の励起モジュール１１８が、正規設置位置に対し、高精度で簡易かつ堅固に、連結、固定することができるので、増幅性能向上のため複数の励起モジュール１１８を固体レーザロッド１に沿って連結して使用する際にも、各励起モジュールにおける励起密度分布を正確に重ね合わせることができる。そのため、固体レーザロッド断面内の発熱分布の均一性を損ねることなく、安定かつ効率よい高ビーム品質のレーザ光の増幅を行うことができる。
【００４８】
　実施の形態２．
　図１２は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。本実施の形態の励起モジュール１１９においては、基板９の外縁部にある円形フランジには、９０゜毎に離れて配置された４個で１組をなす３組の連結用貫通穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられている。３組の連結用貫通穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃの何れの連結用貫通穴も同一円上に設けられている。そして、連結用貫通穴１１ｂは連結用貫通穴１１ａに対し反時計回りに２２．５゜の位置、また連結用貫通穴１１ｃは連結用貫通穴１１ｂに対し反時計回りに２２．５゜の位置に設けられている。励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの基板９への固定方法については、実施の形態１と同様である。本実施の形態の励起モジュール１１９が実際に半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置内に設置された際には、図１２に示す励起モジュール１１９の中央部を、紙面に垂直な向きに固体レーザロッド１およびフローチューブ２が貫通する構成となる。
【００４９】
　このような構成の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置においては、１番目の励起モジュール１１９と２番目の励起モジュール１１９の２個の励起モジュールが連結される際に、第１の励起モジュール１１９においては連結用貫通穴１１ａが使用され、第２の励起モジュール１１９においては連結用貫通穴１１ｂが用いられて連結される。そのため、１番目の励起モジュール１１９の半導体レーザアレイ３の設置方向と２番目の励起モジュール１１９の半導体レーザアレイ３の設置方向は、固体レーザロッド１の中心軸を中心として２２．５゜だけずれる。
【００５０】
　図１３は１番目の励起モジュール１１９、２番目の励起モジュール１１９および３番目の励起モジュール１１９の３個の励起モジュールを連結したときの、１番目の励起モジュール１１９中にある半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ、２番目の励起モジュール１１９中にある半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび３番目の励起モジュール１１９中にある半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれの設置位置を示す模式図である。本実施の形態においては、隣接する励起モジュール１１９を順次角度をずらしながら連結することができるため、各励起モジュール毎の励起光の照射方向を順次角度をずらすことができ、固体レーザロッド１に対する励起光照射方向を増すことができ、さらに発熱分布の均一性をよいものとすることができる。そして、固体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量をさらに確実に低減し、安定かつ効率よい高ビーム品質のレーザ光の増幅を行うことができる。
【００５１】
　尚、本実施の形態において、基板９の外縁部に２２．５゜の間隔で連結用貫通穴１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設けた構成を示したが、連結用貫通穴を配置する角度間隔及び配置する数はこれに限るものではなく、連結する励起モジュールの数、励起モジュール内に固定する半導体レーザアレイの配置に応じて、最適な励起分布となるよう選定すればよい。
【００５２】
　実施の形態３．
　図１４は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。また図１５は側面図である。本実施の形態では、励起光源としてそれぞれ１個の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃを用いた３個の励起モジュール１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、固体レーザロッド１に沿って順次角度をずらされながら重ねて配設された構成を有している。半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃは、それぞれ励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃに沿って励起光を発射する。
【００５３】
　各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃは、それぞれ固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる別々の平面内を通り、かつ各々の平面内において固体レーザロッド１の軸芯８から所定の距離だけ離れている。また固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる平面に投影された場合に隣り合う励起光光軸との角度が１２０゜とされている。さらにその投影された面内において、励起光光軸４０１ａと平行で固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４０２ａ、励起光光軸４０１ｂと平行で固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４０２ｂ、励起光光軸４０１ｃと平行で固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４０２ｃとすると、それぞれの励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃは、中心線４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃから各々同じ回転方向にずれている。即ち、図１４において半時計回りの方向にずれている。
【００５４】
　また、別な表現をすれば、励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる平面に投影された場合に、この平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８に対してそれぞれ等角度間隔に配設されている。即ち、各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わる平面に投影された場合に、この平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８を回転軸としてそれぞれ等角度間隔に配設されている。
【００５５】
　本実施の形態においても、内面が拡散反射面で構成された集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃが用いられている。集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃには、内部に励起光３３を導入するために導入口３８ａ、３８ｂ、３８ｃが設けられ、さらに導入口３８ａ、３８ｂ、３８ｃには、光導波板３９ａ、３９ｂ、３９ｃが配設されている。半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃを出射した励起光は、光導波板３９ａ、３９ｂ、３９ｃ内部を伝搬し、集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃ内に入射される。
【００５６】
　本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、１つの励起モジュールに対し１つの半導体レーザアレイが配設され、固体レーザロッド１の側方一方向から励起光の照射を行うため、単独の励起モジュールでは、固体レーザロッド断面内に形成される励起密度分布は非対称形状を呈する。しかし、レーザビームが固体レーザロッド１を通過した際被る波面の変化は、固体レーザロッド中心軸方向から観測した固体レーザロッド断面内の屈折率の積分値に従うため、３個の励起モジュールによって形成される励起密度分布を軸方向に重ね合わせた形状が対称であれば、固体レーザロッドから被る波面の変化も対称なものとなる。
【００５７】
　本実施の形態では、上記のように固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面に投影された場合に、３つの半導体レーザから出射する励起光の光軸は、固体レーザロッド軸芯に対して均等な角度をなすように配置されている。そのため、３つの励起モジュールによって形成される固体レーザロッド断面内の励起密度分布の重ね合わせたものの対称性を格段に良好なものとすることができ、固体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性を低減することができる。
【００５８】
　上記実施の形態１および２では、固体レーザロッド光軸に対し４方向あるいは３方向から励起光を照射する構成を示したが、励起光の照射方向の数はこれに限るものではなく、更に照射方向数を増せば、固体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性の大幅な低減を図ることが可能となる。また照射方向数に応じて軸ずれ量の最適化を行うことにより、固体レーザロッド断面内において複焦点量のより効果的な低減を図ることができ、レーザ光増幅時の効率ならびに安定性を格段に向上させることができる。
【００５９】
　実施の形態４．
　図１６は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す横断面図である。上記の実施の形態１及び実施の形態２においては、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置としての構成について述べてきたが、本実施の形態においては、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を用いた半導体レーザ励起固体レーザ装置について述べる。
【００６０】
　たとえば実施の形態１と同様の構成の励起モジュール１１８を有する半導体レーザ励起固体レーザ装置２００は、部分反射鏡４０および全反射鏡４１が、固体レーザロッド１の前後に位置するよう下板１４上から立設されている。そのため、励起された固体レーザロッド１中で発生する自然放出光は、光共振器内で往復され増幅する。そして、指向性の揃ったレーザビーム４２として取り出される。すなわち、これは、半導体レーザ励起固体レーザ装置として使用することができる。部分反射鏡４０および全反射鏡４１は光共振器を構成している。
【００６１】
　本実施の形態においては、半導体レーザ励起固体レーザ装置として使用する際の半導体レーザ励起固体レーザ装置２００の構成は、上記実施の形態１及び２の何れの構成が用いられてもよい。
【００６２】
　尚、上記のいずれの実施の形態においても、単一励起モジュールにおいては、光軸に垂直な４方向あるいは３方向から、固体レーザロッドに対し、半導体レーザアレイより発生した励起光を照射する構成を示したが、励起光源である半導体レーザアレイの数および励起光の照射方向はこれに限るものではなく、固体レーザロッドに対し側方より励起光を照射することが可能な構成であればよい。
【００６３】
　また上記のいずれの実施の形態においても、励起光源には複数の発光素子を直線状に配置した半導体レーザアレイを使用した例を示したが、単一の発光素子を有する半導体レーザを励起光源として使用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００６４】
　また、本実施の形態においては、固体レーザロッド１の前後に、部分反射鏡および全反射鏡を設置し、安定型の光共振器を構成してレーザビームを取り出す半導体レーザ励起固体レーザ装置を示したが、光共振器の構成はこれに限ることなく、例えば、固体レーザロッド１の前後に全反射鏡を設置し、光の回折によってレーザビームを取り出す不安定型の光共振器を設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を示す励起モジュールの正面図である。
【図２】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の横断面図である。
【図３】レーザ光強度と発熱量の関係を示す図である。
【図４】横最低時モードのビーム強度分布を示す図である。
【図５】固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算値を示す図である。
【図６】固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算値を示す図である。
【図７】固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算値を示す図である。
【図８】固体レーザロッド断面内の径方向に対する焦点距離の変化を示す説明図である。
【図９】固体レーザロッド断面内の径方向に対する焦点距離の変化を示す説明図である。
【図１０】固体レーザロッド断面内の周方向に対する焦点距離の変化を示す説明図である。
【図１１】固体レーザロッド断面内の周方向に対する焦点距離の変化を示す説明図である。
【図１２】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。
【図１３】１番目乃至３番目の励起モジュール中にある半導体レーザアレイのそれぞれの設置位置を示す模式図である。
【図１４】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。
【図１５】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュールの側面図である。
【図１６】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す横断面図である。
【図１７】従来の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に用いられる励起モジュールの構成図である。
【図１８】図１７の構成の従来の励起モジュールが固体レーザロッドおよびフローチューブと共に支持板に固定された様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６６】
　１　固体レーザロッド、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ　半導体レーザアレイ（励起光源）、９　基板、１２　側板、２１　六角穴付きボルト（連結固定手段）、３６　集光器、３９，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ　光導波板（光学素子）、４０　部分反射鏡、４１　全反射鏡、１１８，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ　励起モジュール、４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄ　励起光光軸。
【図１】
2004031991.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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