(57)【要約】【課題】簡単な構成で固体レーザロッドの断面内における励起分布の不均一性を低減することが可能な固体レーザ装置を提供する。【解決手段】固体レーザロッド１０、固体レーザロッド１０に対して外周方向に設置された３個の半導体レーザ２１〜２３、及び、光通過窓３１〜３３を有し固体レーザロッド１０と半導体レーザ２１〜２３との間に設置されたリフレクタ３０によって固体レーザ装置１を構成する。半導体レーザ２１〜２３のそれぞれは、その出射面２１ａ〜２３ａの長手方向が、固体レーザロッド１０の長手方向に略沿うとともに固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて所定の傾き角度θで傾いて設置されている。このとき、固体レーザロッド１０での励起光の吸収が大きくなる領域がらせん状の領域となり、励起分布が均一化される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質である固体レーザロッドと、
前記固体レーザロッドに対して励起光を供給する励起光源とを備え、
前記励起光源は、前記励起光を前記固体レーザロッドに向けて出射する出射面の長手方向が、前記固体レーザロッドの長手方向に略沿うとともに前記固体レーザロッドの中心軸からみて所定角度で傾いて設置されていることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記励起光源として複数個の励起光源が、前記固体レーザロッドの中心軸からみて一定の角度間隔で設置されてい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】
前記固体レーザロッドと前記励起光源との間に設けられ、前記固体レーザロッドを囲む筒状に形成された反射部材を備え、
前記反射部材は、その所定部位に、前記固体レーザロッドの中心軸からみて所定角度で傾いて形成され、前記励起光源の前記出射面から出射された前記励起光を前記固体レーザロッドへと通過させるスリット状の光通過窓が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ媒質である固体レーザロッドと、励起光を供給する励起光源とを備える固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ媒質として固体レーザロッドを用いた固体レーザ発振器や固体レーザ増幅器などの固体レーザ装置においては、固体レーザロッドに対してその外周方向の所定位置に、励起光を供給する半導体レーザなどの励起光源が設置される。このような励起光源は、その長手方向が固体レーザロッドの長手方向に沿うように平行に配置され、これによって、固体レーザロッドの長手方向について充分な範囲で励起光が供給される。
【０００３】
また、特許文献１には、固体レーザロッドに対して、内側に向かって励起光を出射可能な環状の発光部を有する半導体レーザ素子を励起光源に用いた固体レーザ装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−９３７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
固体レーザロッドの長手方向に沿うように励起光源を配置する構成では、固体レーザロッドのうちで、励起光源から励起光が出射される方向にあって励起光源に近い領域で励起光の吸収が大きくなる。このため、固体レーザロッドの断面内において、レーザ媒質の励起分布が不均一となるという問題がある。また、励起分布が不均一となると、それに伴って固体レーザロッドの断面内における温度分布にも不均一が生じる。このような励起分布や温度分布の不均一性は、固体レーザロッドでのレーザ動作を不安定化させる要因となる。
【０００６】
一方、特許文献１に開示された固体レーザ装置のように、環状の発光部を有する励起光源を用いる構成では、固体レーザロッドの断面内において、レーザ媒質の励起分布及び温度分布の均一化を図ることができる。しかしながら、このような構成では、環状の励起光源を用いることにより固体レーザ装置全体としての構成が複雑化するとともに、装置が高コスト化するという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成で固体レーザロッドの断面内における励起分布の不均一性を低減することが可能な固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による固体レーザ装置は、（１）レーザ媒質である固体レーザロッドと、（２）固体レーザロッドに対して励起光を供給する励起光源とを備え、（３）励起光源は、励起光を固体レーザロッドに向けて出射する出射面の長手方向が、固体レーザロッドの長手方向に略沿うとともに固体レーザロッドの中心軸からみて所定角度で傾いて設置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記した固体レーザ装置においては、固体レーザロッドに対してその外周方向に設置される半導体レーザなどの励起光源について、固体レーザロッドの長手方向に沿って、その長手方向が固体レーザロッドに対して傾くように励起光源を配置する構成としている。このような構成によれば、固体レーザロッドに対して、その中心軸からみて所定角度で傾いたらせん状の領域に励起光源からの励起光が照射される。このとき、固体レーザロッドの断面内で励起光の吸収が大きくなる領域が、固体レーザロッドの長手方向に沿ってらせん状に変化していくこととなる。
【００１０】
これにより、固体レーザロッドの或る断面内において、励起光源から供給される励起光による励起分布、及びそれに伴う発熱分布は不均一であるが、固体レーザロッドの長手方向に沿って積分した励起分布及び発熱分布の不均一性を低減することが可能な固体レーザ装置が実現される。また、上記構成では、固体レーザロッドに対する励起光源の配置によって励起分布の均一化を図っている。したがって、固体レーザ装置全体としての構成が簡単化されるとともに、装置を低コスト化することができる。
【００１１】
また、固体レーザ装置は、励起光源として複数個の励起光源が、固体レーザロッドの中心軸からみて一定の角度間隔で設置されていることが好ましい。このような構成によれば、それぞれ固体レーザロッドに対して傾くように配置された複数の励起光源が、固体レーザロッドの外周方向において均等に設置される。これにより、固体レーザロッドに対してそれぞれの励起光源から励起光が照射される領域を合わせて、固体レーザロッドの断面内における励起分布の均一性をさらに向上することができる。
【００１２】
また、固体レーザロッドと励起光源との間に設けられ、固体レーザロッドを囲む筒状に形成された反射部材を備え、反射部材は、その所定部位に、固体レーザロッドの中心軸からみて所定角度で傾いて形成され、励起光源の出射面から出射された励起光を固体レーザロッドへと通過させるスリット状の光通過窓が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
このような反射部材を設置することにより、励起光源から供給された励起光を筒状の反射部材の内側に閉じ込めて、励起光を固体レーザロッドに効率良く吸収させることができる。また、固体レーザロッドに対して傾いた励起光源の配置に対応させて、反射部材に設けられる光通過窓を固体レーザロッドに対して傾いた開口形状に形成することにより、光通過窓の開口面積を小さくして、反射部材による励起光の閉じ込め効果を向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による固体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による固体レーザ装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した固体レーザ装置を中心軸の方向からみた正面図である。なお、図２においては、後述するリフレクタ３０を点線によって図示している。
【００１６】
本実施形態による固体レーザ装置１は、固体レーザロッド１０と、半導体レーザ２１〜２３と、リフレクタ３０とを備えている。固体レーザロッド１０は、本固体レーザ装置１におけるレーザ媒質であり、中心軸Ｃを中心とした円形の断面形状を有するロッド状に形成されている。固体レーザロッド１０の固体レーザ媒質としては、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶などが用いられる。
【００１７】
この固体レーザロッド１０に対し、その外周方向の所定位置に、３個の半導体レーザ２１〜２３が設置されている。これらの半導体レーザ２１〜２３は、固体レーザロッド１０に対して所定波長のレーザ光を励起光として供給することによって、固体レーザロッド１０をレーザ動作が可能な状態に励起する励起光源である。
【００１８】
半導体レーザ２１は、略直方体形状を有し、その一方の面が励起光を出射する出射面２１ａとなっている。出射面２１ａは、図１に示すように、所定の長手方向に沿って延びる長方形状を有する。半導体レーザ２１は、固体レーザロッド１０側の面を出射面２１ａとして、固体レーザロッド１０から所定距離ｄだけ離れた位置に設置されている（図中の上方の位置）。これにより、図２に示すように、半導体レーザ２１の出射面２１ａから出射された励起光が固体レーザロッド１０へと照射される構成となっている。
【００１９】
また、この半導体レーザ２１は、出射面２１ａの長手方向が、固体レーザロッド１０の長手方向に略沿うとともに固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて所定の傾き角度θで傾くように設置されている。この傾き角度θは、図１に示すように、固体レーザロッド１０に対し、その中心軸Ｃからみて周方向（回転方向）に傾く角度として与えられている。
【００２０】
半導体レーザ２２は、固体レーザロッド１０側の面を励起光が出射される出射面２２ａとして、固体レーザロッド１０から所定距離ｄだけ離れた位置に、半導体レーザ２１に対して固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて１２０°の角度間隔で設置されている（図中の右下の位置）。また、この半導体レーザ２２は、出射面２２ａの長手方向が、固体レーザロッド１０の長手方向に略沿うとともに固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて傾き角度θで傾くように設置されている。
【００２１】
半導体レーザ２３は、固体レーザロッド１０側の面を励起光が出射される出射面２３ａとして、固体レーザロッド１０から所定距離ｄだけ離れた位置に、半導体レーザ２１及び半導体レーザ２２のそれぞれに対して固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて１２０°の角度間隔で設置されている（図中の左下の位置）。また、この半導体レーザ２３は、出射面２３ａの長手方向が、固体レーザロッド１０の長手方向に略沿うとともに固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて傾き角度θで傾くように設置されている。
【００２２】
固体レーザロッド１０と、その外周方向に配置された半導体レーザ２１〜２３との間には、リフレクタ３０が設置されている。リフレクタ３０は、半導体レーザ２１〜２３から固体レーザロッド１０へと供給された励起光をその内面で反射する反射部材である。このリフレクタ３０は、固体レーザロッド１０の中心軸Ｃを中心として、固体レーザロッド１０を囲む円筒形状に形成されている。また、リフレクタ３０には、その所定部位に、スリット状の光通過窓３１〜３３が設けられている。
【００２３】
光通過窓３１は、固体レーザロッド１０と半導体レーザ２１とによって挟まれた上方の部位に、半導体レーザ２１の出射面２１ａから出射された励起光が固体レーザロッド１０へと通過されるように形成されている。また、光通過窓３１の開口形状は、対向する半導体レーザ２１の出射面２１ａの形状及び配置に対応して、その長手方向が固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて傾き角度θで傾いた長方形のスリット状の形状となっている。
【００２４】
光通過窓３２は、固体レーザロッド１０と半導体レーザ２２とによって挟まれた右下の部位に、その長手方向が固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて傾き角度θで傾いたスリット状の開口形状で形成されている。光通過窓３３は、固体レーザロッド１０と半導体レーザ２３とによって挟まれた左下の部位に、その長手方向が固体レーザロッド１０の中心軸Ｃからみて傾き角度θで傾いたスリット状の開口形状で形成されている。なお、図２においては、リフレクタ３０の長手方向についての中心位置における光通過窓３１〜３３の位置を点線によって図示している。
【００２５】
以上の構成において、半導体レーザ２１〜２３の出射面２１ａ〜２３ａから出射された励起光は、それぞれ対応するリフレクタ３０の光通過窓３１〜３３を通過して固体レーザロッド１０へと供給される。これにより、固体レーザロッド１０が励起光を吸収して、レーザ動作可能な状態に励起される。
【００２６】
また、リフレクタ３０は、半導体レーザ２１〜２３からリフレクタ３０の内側に位置する固体レーザロッド１０へと供給された励起光のうち、固体レーザロッド１０に直接には吸収されずにリフレクタ３０の内面へと入射した励起光成分を反射する。これにより、励起光がリフレクタ３０の内側に閉じ込められ、固体レーザロッド１０に吸収される。
【００２７】
上記実施形態による固体レーザ装置の効果について、図３を参照しつつ説明する。図３は、図１に示した固体レーザ装置において固体レーザロッドに励起光が照射される領域を示す斜視図である。
【００２８】
図１及び図２に示した固体レーザ装置１においては、固体レーザロッド１０に対してその外周方向に励起光源として半導体レーザ２１〜２３を設置している。そして、半導体レーザ２１〜２３のそれぞれを、固体レーザロッド１０の長手方向に沿って、半導体レーザの長手方向が固体レーザロッド１０に対して周方向に傾くように配置する構成としている。
【００２９】
このような構成において、固体レーザロッド１０に対して半導体レーザ２１〜２３からの励起光が照射される領域を図３に示す。ここで、図３において図示されている３つの領域１１、１２、１３は、それぞれ半導体レーザ２１、２２、２３からの励起光が照射される領域を示している。
【００３０】
図３に示すように、上記構成の固体レーザ装置１によれば、固体レーザロッド１０に対して、その中心軸Ｃからみて角度θで傾いたらせん状の領域１１〜１３に、半導体レーザ２１〜２３のそれぞれからの励起光が照射される。このとき、固体レーザロッド１０の断面内で励起光の吸収が大きくなる領域が、励起光が照射される領域１１〜１３に対応して固体レーザロッド１０の長手方向に沿ってらせん状に変化していくこととなる。これにより、固体レーザロッド１０の断面内における励起分布の不均一性が低減される。
【００３１】
図４は、従来の固体レーザ装置の構成を示す正面図である。この固体レーザ装置６においては、固体レーザロッド６０に対し、その外周方向の所定位置に、３個の半導体レーザ７１〜７３が設置されている。また、半導体レーザ７１〜７３のそれぞれは、出射面７１ａ〜７３ａの長手方向が固体レーザロッド６０の長手方向に沿うとともに、固体レーザロッド６０の中心軸と平行となるように設置されている。
【００３２】
このような構成において、固体レーザロッド６０に対して半導体レーザ７１〜７３からの励起光が照射される領域６１〜６３を図５に示す。このように、図４に示した構成の固体レーザ装置６では、固体レーザロッド６０の長手方向に沿ったいずれの部位においても、固体レーザロッド６０の断面内で励起光の吸収が大きくなる領域が同じ位置となる。したがって、固体レーザロッド６０の断面内での励起分布を長手方向について積分した積分励起分布においても、各断面内での分布と同様に不均一な励起分布となる。
【００３３】
また、図６は、固体レーザロッド６０の前半部分及び後半部分で半導体レーザの周方向の位置を、その角度間隔の半分だけ変位させた構成において、励起光が照射される前半部分の領域６１ａ〜６３ａ、及び後半部分の領域６１ｂ〜６３ｂを示している。このような構成においても、固体レーザロッド６０での励起分布の不均一性は充分には低減されない。また、前半部分及び後半部分で別個に半導体レーザを設置する必要があるので、その構成が複雑化するとともに、装置が高コスト化する。
【００３４】
これに対して、上記実施形態による固体レーザ装置１によれば、固体レーザロッド１０の断面内で励起光の吸収が大きくなる領域が、長手方向に沿ってらせん状に変化する領域となっている。これにより、固体レーザロッド１０の断面内における励起分布の不均一性が低減され、特に、固体レーザロッド１０の断面内での励起分布を長手方向について積分した積分励起分布の不均一性が低減される。例えば、このような固体レーザ装置１を固体レーザ発振器に適用すれば、固体レーザロッド１０内で均一な利得分布が達成されることにより、良好な強度分布の発振レーザ光を得ることができる。
【００３５】
また、このような励起分布の均一化に伴って、固体レーザロッド１０の断面内における発熱分布及び温度分布についても、同様にその不均一性が低減される。ここで、固体レーザロッド１０のレーザ媒質中では、その温度分布により、熱レンズ効果や熱複屈折効果が発生する。
【００３６】
一般的に、固体レーザロッドはその外周部から冷却されるため、固体レーザロッドの断面内の発熱分布が均一であれば、固体レーザロッドの断面内の温度分布は、固体レーザロッドの断面内の中心が最大温度となる放物面分布となる。この放物面の温度分布は、歪みのない熱レンズ効果、及び中心軸に対称な熱複屈折分布を発生させることになる。この歪みのない熱レンズ、及び中心軸に対称な熱複屈折分布はその補正が可能であるため、高いレーザ発振効率及び高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【００３７】
このため、レーザ媒質の発熱分布が不均一となると、熱レンズ効果に歪みが発生することにより、固体レーザロッド１０におけるレーザ発振効率が低下する。あるいは、固体レーザロッド１０で生成されるレーザ光のビーム発散角度が大きくなるなど、生成されるレーザ光のビーム品質が劣化する。
【００３８】
これに対して、上記実施形態による固体レーザ装置１によれば、固体レーザロッド１０での発熱分布の不均一性が低減されることにより、歪みの小さい良好な熱レンズ効果が得られる。したがって、固体レーザ装置１を固体レーザ発振器に適用した場合に、固体レーザロッド１０におけるレーザ発振効率が向上される。また、熱レンズ効果に対する補正やレーザ動作の制御等が容易となるので、ビーム発散角度が小さく良好なビーム品質を有するレーザ光を生成することが可能となる。また、固体レーザ装置１を固体レーザ増幅器に適用した場合にも、同様に均一な利得分布や歪みの小さい熱レンズ効果等により、レーザ増幅の効率及び品質が向上される。
【００３９】
また、上記構成では、固体レーザロッド１０に対して、その外周方向の所定位置に半導体レーザ２１〜２３を傾けて配置する構成によって励起分布の均一化を図っている。したがって、固体レーザロッドに対する励起光源として環状の励起光源を用いる構成や、固体レーザロッドの前半部分及び後半部分で励起光源の位置を周方向に変位させる構成等に比べて、固体レーザ装置全体としての構成が簡単化されるとともに、装置を低コスト化することができる。また、このような構成では、リフレクタ３０に設けられる光通過窓の開口面積を大きくする必要がないので、リフレクタ３０の内側での励起光の閉じ込め効果を良好に保つことができる。
【００４０】
また、上記実施形態による固体レーザ装置１においては、固体レーザロッド１０に対して励起光を供給する励起光源として、３個の半導体レーザ２１〜２３を設置している。これにより、励起光源による固体レーザロッド１０の励起効率が向上される。
【００４１】
さらに、これらの半導体レーザ２１〜２３は、固体レーザロッド１０に対して一定の角度間隔１２０°で、固体レーザロッド１０の外周方向において均等に設置されている。これにより、図３に示したように、固体レーザロッド１０に対してそれぞれの半導体レーザ２１〜２３から励起光が照射される領域１１〜１３を合わせて、固体レーザロッド１０の全体での励起分布の均一性をさらに向上することができる。このように、固体レーザロッドに対して複数の励起光源を用いる場合には、固体レーザロッドの中心軸からみて周方向に一定の角度間隔で設置することが好ましい。
【００４２】
また、上記実施形態では、固体レーザロッド１０と半導体レーザ２１〜２３との間に、円筒形状のリフレクタ３０を設置している。これにより、半導体レーザ２１〜２３から供給された励起光をリフレクタ３０の内側に閉じ込めて、励起光を固体レーザロッド１０に効率良く吸収させることができる。このようなリフレクタ３０としては、例えば、セラミックスなどの光を反射、散乱等させる材質からなる筒状の反射部材を用いることができる。
【００４３】
また、このようなリフレクタ３０を設けた構成において、固体レーザロッド１０に対して傾いた半導体レーザ２１〜２３の配置に対応させて、光通過窓３１〜３３を同様に固体レーザロッド１０に対して傾いた開口形状に形成している。このような構成によれば、半導体レーザ２１〜２３からの励起光を固体レーザロッド１０へと通過させるために必要な範囲で、光通過窓３１〜３３の開口面積を小さくすることができる。これにより、リフレクタ３０の内側での励起光の閉じ込め効果が向上される。
【００４４】
本発明による固体レーザ装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図１及び図２に示した固体レーザ装置１においては、励起光源として半導体レーザ２１〜２３を用いている。このような励起光源としては、所定波長の励起光を供給可能なものであれば、例えば放電管などの他の光源を用いても良い。また、固体レーザロッドに対して設置される励起光源の個数については、必要な励起強度等に応じて適宜設定して良い。
【００４５】
また、上記実施形態では、固体レーザロッド１０と半導体レーザ２１〜２３との間にリフレクタ３０を設置しているが、励起効率の点で不要であればリフレクタ３０などの反射部材を設けない構成としても良い。あるいは、リフレクタに光通過窓を設けず、リフレクタの内側に固体レーザロッドとともに励起光源を設置する構成としても良い。また、板状の光導波路部材（ライトガイド）を用いて励起光を導光する構成としても良い。
【００４６】
【発明の効果】
本発明による固体レーザ装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、レーザ媒質である固体レーザロッドに対してその外周方向に設置される励起光源を、固体レーザロッドの長手方向に沿って、その長手方向が固体レーザロッドに対して傾くように配置する構成によれば、固体レーザロッドに対して、その中心軸からみて所定角度で傾いたらせん状の領域に励起光源からの励起光が照射される。このとき、固体レーザロッドの断面内で励起光の吸収が大きくなる領域が、固体レーザロッドの長手方向に沿ってらせん状に変化していくこととなる。
【００４７】
これにより、固体レーザロッドの断面内において、励起光源から供給される励起光による励起分布の不均一性、及びそれに伴う温度分布の不均一性を低減することが可能な固体レーザ装置が実現される。また、固体レーザロッドに対する励起光源の配置によって励起分布の均一化を図っているので、固体レーザ装置全体としての構成が簡単化されるとともに、装置を低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体レーザ装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した固体レーザ装置を中心軸の方向からみた正面図である。
【図３】図１に示した固体レーザ装置において固体レーザロッドに励起光が照射される領域を示す斜視図である。
【図４】従来の固体レーザ装置の構成を示す正面図である。
【図５】固体レーザロッドに励起光が照射される領域の一例を示す斜視図である。
【図６】固体レーザロッドに励起光が照射される領域の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…固体レーザ装置、１０…固体レーザロッド、Ｃ…中心軸、２１〜２３…半導体レーザ、２１ａ〜２３ａ…出射面、３０…リフレクタ、３１〜３３…光通過窓。
【図１】
2004253644.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004253644.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004253644.tif 000007
【図６】
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