(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ増幅装置と、種光を出射する種光源と、を備えたレーザ装置において、
前記レーザ増幅装置は、
厚み方向に沿って整列して配置された複数の板状のレーザ媒質部品と、
前記レーザ媒質部品を光学的に結合させるプリズムと、
励起光を出射する励起光源と、
を備え、
個々の前記レーザ媒質部品は、
種光が入射する主面と、
前記主面を囲む側面と、
を備えており、
複数の前記レーザ媒質部品のうち、特定のレーザ媒質部品の少なくとも１つの側面から前記励起光が入射され、この励起光が、前記プリズムを介して、これに隣接するレーザ媒質部品の側面に入射することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記レーザ媒質部品間の隙間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給源を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記特定のレーザ媒質部品において励起光が最初に入射する側面には、前記励起光に対する反射防止処理が施されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質部品のうち励起光が最後に出射する側面には、反射膜が設けられている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ媒質部品の前記主面には、種光に対する反射防止処理が施され、
前記レーザ媒質部品の前記側面と前記プリズムとは、接着又は接合され、
前記レーザ媒質部品と前記プリズムとを収容する包囲体と、
前記包囲体の内面に設けられた、前記レーザ媒質部品からの自然放出光に対する吸収体と、
を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ媒質部品は、
レーザ媒質のみからなる、又は、
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質の側面を囲むように支持するホルダーと、
を備える、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザ媒質は、円板状である、ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記レーザ媒質の材料は、Ｙｂが添加されたＹＡＧである、ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
レーザ光照射により核融合が生じる燃料を収容し、前記レーザ装置からのレーザ光が導入されるチャンバと、
を備えることを特徴とするレーザ核融合炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ増幅装置、レーザ装置及びレーザ核融合炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ核融合炉は、次世代のエネルギー供給を担う装置として期待されている。レーザ核融合炉においては、これに用いるレーザ光が高出力を有していることが必要である。現在、１００Ｊのレーザ光を出力可能なレーザ装置の開発が、国家プロジェクトとして取り扱われているが、このような大出力のレーザ装置は実現されていない。
【０００３】
特許文献１に開示されたレーザ増幅装置では、３準位系ドーパント（Ｙｂ）を添加しＹＡＧディスクレーザの側面に励起光を照射し、主面に種光を入力している。レーザ装置としては、その他にも特許文献２〜３に記載のものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５６４７９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２９３５号公報
【特許文献３】特開２００２−１４１５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ装置は、レーザ核融合炉に適用可能な高出力のレーザ光は得られていない。例えば、特許文献１では、レーザ媒質に吸収される励起光の量が十分でないために、高出力化を達成することができない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高出力のレーザ光を出力可能なレーザ増幅装置、これを用いたレーザ装置及びレーザ核融合炉を提供することを目的とうする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の態様に係る第１のレーザ装置は、レーザ増幅装置と、種光を出射する種光源と、を備えたレーザ装置において、前記レーザ増幅装置は、厚み方向に沿って整列して配置された複数の板状のレーザ媒質部品と、前記レーザ媒質部品を光学的に結合させるプリズムと、励起光を出射する励起光源と、を備え、個々の前記レーザ媒質部品は、種光が入射する主面と、前記主面を囲む側面と、を備えており、複数の前記レーザ媒質部品のうち、特定のレーザ媒質部品の少なくとも１つの側面から前記励起光が入射され、この励起光が、前記プリズムを介して、これに隣接するレーザ媒質部品の側面に入射することを特徴とする。
【０００８】
レーザ媒質内で、励起光を十分吸収させることができれば、レーザ媒質内で蓄積されたエネルギーが増加し、増幅されるレーザ光の出力を高くすることができる。レーザ媒質内で、励起光を吸収させるには、レーザ媒質内における添加物（ドーパント）の濃度を高くする必要があるとも思われるが、安定な吸収帯を３つ有し、これらのエネルギー準位間の遷移により、発光を行う３準位系のレーザ媒質の場合、種光の再吸収が生じて、実際には、励起光の出力は大きくは増加しない。
【０００９】
そこで、第１のレーザ装置では、複数のレーザ媒質部品を用いて、これをプリズムで光学的に接続することにより、レーザ媒質部品内を伝播する励起光の距離（吸収長）を増加させ、低い添加物の濃度においても励起光の吸収量を増加させることにした。これより、側面から励起光を入射させると、種光は大きく増幅されて出力される。
【００１０】
このレーザ装置は、前記励起光を出射する励起光源を更に備えている。励起光源としては、半導体レーザ、気体レーザ、フラッシュランプの他、太陽光を集束する装置を用いることも可能である。半導体レーザは、単独では出力が高くないため、レーザダイオードアレイモジュールとして用いることが好適である。
【００１１】
第２のレーザ装置は、前記レーザ媒質部品間の隙間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給源を更に備えることを特徴とする。レーザ媒質部品は、発熱するので、これらを並べた場合に、冷却媒体を供給すると、レーザ媒質部品の温度を所望の温度（例：室温）に維持し、安定したレーザ光増幅を行うことができる。冷却媒体としては、例えば、水、窒素ガス、ヘリウムガス、その他希ガス、フッ素系不活性液体又は重水を用いることができる。
【００１２】
第３のレーザ装置は、前記特定のレーザ媒質部品において励起光が最初に入射する側面には、前記励起光に対する反射防止処理が施されていることを特徴とする。反射防止処理には、蒸着による反射防止膜の形成の他、レーザ媒質部品と空気の中間の屈折率を有する材料を密着させる屈折率整合を側面に施すことも含まれる。これにより、励起光の反射が抑制されてレーザ媒質部品内に導入される。
【００１３】
第４のレーザ装置は、前記レーザ媒質部品のうち励起光が最後に出射する側面には、反射膜が設けられていることを特徴とする。この場合、励起光が反射膜で反射されるため、レーザ媒体部品内を往復することができ、吸収長を更に長くすることができる。
【００１４】
第５のレーザ装置は、前記レーザ媒質部品の前記主面には、種光に対する反射防止処理が施され、前記レーザ媒質部品の前記側面と前記プリズムは、接着又は接合され、前記レーザ媒質部品と前記プリズムとを収容する包囲体と、前記包囲体の内面に設けられた、前記レーザ媒質部品からの自然放出光に対する吸収体と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の態様に係るレーザ増幅装置は、不要な共振を抑制可能な構造を採用することができる。上記のように、レーザ媒質部品の主面には、反射防止処理が施されているので、レーザ媒質部品による種光の反射が抑制され、不要な共振が抑制される。また、レーザ媒質部品の側面とプリズムとは接着又は接合されているので、確実に励起光が、レーザ媒質部品の側面からプリズム内に導入される。レーザ媒質部品では、励起光により蓄えられたエネルギーが種光と同じ波長の光として少しずつ放出される。これを自然放出光と呼ぶ。レーザ媒質部品の側面とプリズムとは接着又は接合されているので、この自然放出光の反射が抑制され、不要な発振を抑制することができる。
【００１６】
なお、レーザ媒質部品とプリズムとの界面においては、励起光を低いエネルギー損失で伝播させる観点から、反射が抑制されることが好ましい。レーザ媒質部品又はプリズムから、これらの外部に漏れた自然放出光は、共振の原因となるため、包囲体の内面には吸収体が設けられており、これらの光を吸収体は吸収し、不要な共振を抑制することができる。
【００１７】
第６のレーザ装置は、前記レーザ媒質部品は、レーザ媒質のみからなる、又は、レーザ媒質と、前記レーザ媒質の側面を囲むように支持するホルダーとを備える、ことを特徴とする。
【００１８】
第７のレーザ装置は、前記レーザ媒質は、円板状であることを特徴とする。レーザ媒質の主面には種光が照射されるが、レーザ光を集光して応用する場合などは、ビーム形状は円形であることが好ましい。四角形などのように、角部が存在する場合には、角部における空間的高周波成分を反映した空間的にエネルギーが分散した集光パターンとなるからである。円板状のレーザ媒質であれば、これを伝播するビームの形状を円形とし、良好な集光パターンを得ることができる。
【００１９】
第８のレーザ装置は、前記レーザ媒質の材料は、Ｙｂが添加されたＹＡＧであることを特徴とする。Ｙｂの濃度は、好適な一例としては０．３質量％以下である。Ｙｂ：ＹＡＧをレーザ媒質として用いた場合、３準位系の遷移により、レーザ光が発生するが、Ｙｂの濃度を上記範囲に設定することで、レーザ光の出力を大幅に向上させることができる。
【００２０】
また、レーザ装置は、レーザ増幅装置と、前記種光を出射する種光源とを備えている。種光源から出力された種光は、レーザ媒質部品に入射して、増幅される。
【００２１】
レーザ核融合炉は、上記レーザ装置と、レーザ光照射により核融合が生じる燃料を収容し、前記レーザ装置からのレーザ光が導入されるチャンバとを備えることを特徴とする。レーザ核融合炉においては、高出力のレーザ装置から、高出力のレーザ光が核融合が生じる燃料に照射されるため、効率的にチャンバ内で核融合を起こし、発生したエネルギーを発電に利用することができる。
【００２２】
理論的には、５０Ｊの出力のレーザ光を、レーザ増幅装置に入力すると、国家プロジェクト（１００Ｊ）の２倍を超えるレーザ光（２５０Ｊ）が発生するものと期待される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のレーザ増幅装置及びレーザ装置によれば、高出力のレーザ光を出力することができるため、レーザ核融合炉において、高出力レーザ光を核融合用の燃料に照射することができ、レーザ核融合を生じさせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】レーザ増幅装置におけるレーザ媒質部品及びプリズムの斜視図である。
【図２】レーザ増幅装置を備えたレーザ装置のシステム構成図である。
【図３】種光源のブロック図である。
【図４】レーザ媒質部品の構造（第１例）を示す図である。
【図５】レーザ媒質部品の構造（第２例）を示す図である。
【図６】プリズムの構造を示す図である。
【図７】レーザ媒質部品及び窓材を斜視図である。
【図８】レーザ増幅装置における冷却システムを示す図である。
【図９】レーザ増幅装置における冷却システムを示す図である。
【図１０】レーザ増幅装置における冷却システムを示す図である。
【図１１】レーザ増幅装置における周辺装置を示す図である。
【図１２】レーザ媒質部品の斜視図である。
【図１３】一群のレーザ媒質部品を種光が通過した回数（パス数）と、出力されるレーザ光のエネルギー（Ｊ）及び抽出効率（％）との関係を示すグラフである。
【図１４】レーザ核融合炉のシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施の形態に係るレーザ増幅装置、レーザ装置及びレーザ核融合炉について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２６】
図１は、レーザ増幅装置におけるレーザ媒質部品及びプリズムの斜視図である。第１のレーザ媒質部品Ｍ１の厚み方向をＸ軸、Ｘ軸方向に直交する２軸をそれぞれＹ軸及びＺ軸とする。同図では、Ｚ軸方向が垂直上方を向くように示されている。
【００２７】
レーザ増幅装置は、複数の板状のレーザ媒質部品（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）を備えている。これらのレーザ媒質部品の形状は同一であり、厚み方向（Ｘ軸）に沿って整列して配置されている。なお、レーザ媒質部品の形状は、同一でなくても効果を奏することが可能である。
【００２８】
第１のレーザ媒質部品Ｍ１と第２のレーザ媒質部品Ｍ２とは、これらの側面に設けられた第１のプリズムＰ１を介して光学的に結合しており、第２のレーザ媒質部品Ｍ２と第３のレーザ媒質部品Ｍ３とは、これらの側面に設けられた第２のプリズムＰ２を介して光学的に結合しており、第３のレーザ媒質部品Ｍ３と第４のレーザ媒質部品Ｍ４とは、これらの側面に設けられた第３のプリズムＰ３を介して光学的に結合している。
【００２９】
個々のレーザ媒質部品（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）は、種光ＳＥＥＤ１がＸ軸方向に沿って垂直に入射する主面（ＹＺ面）と、この主面を囲む側面（対向する２つのＸＺ面及び対向する２つのＸＹ面）とを備えている。図１では、レーザ媒質部品は、レーザ媒質のみからなる例が示されており、レーザ媒質は、平行平板状の直方体である。
【００３０】
複数のレーザ媒質部品のいずれかに励起光を入力することができ、レーザ媒質部品は励起光の入射によって励起される。複数のレーザ媒質部品のうち、適当に選択された特定のレーザ媒質部品の少なくとも１つの側面から励起光を入射させる。好適には、第１段目に位置する第１のレーザ媒質部品Ｍ１の側面ＩＮ１から励起光ＥＸＣＩＴ（１）を入射させる。
【００３１】
このように、特定のレーザ媒質部品において励起光が最初に入射する側面には、励起光（及び／又は自然放出光）に対する反射防止処理が施されている。なお、説明における「反射防止処理」には、反射防止膜の形成の他、レーザ媒質部品およびプリズムと空気との中間の屈折率を有する材料（例えば、液体屈折率整合材料）を密着させる屈折率整合を側面に施すことも含まれる。これにより、励起光の反射が抑制されてレーザ媒質部品内に導入される。
【００３２】
励起光ＥＸＣＩＴ（１）が入力されると、励起光ＥＸＣＩＴ（１）はＹ軸方向の正方向に沿って第１のレーザ媒質部品Ｍ１内を進行し、第１のレーザ媒質部品Ｍ１は励起される。Ｙ軸方向の終端には、終端部の側面（ＸＺ面）を介して、第１のプリズムＰ１が固定されている。第１のプリズムＰ１の形状は、Ｚ軸方向を中心軸して延びた三角柱であり、ＸＹ平面内における形状は直角二等辺三角形である。なお、第１のプリズムＰ１、第２のプリズムＰ２、第３のプリズムＰ３は、同一の構造を有している。
【００３３】
第１のプリズムＰ１の前述の直角二等辺三角形の斜辺を含む平面（ＸＺ面）（以下、プリズムにおける励起光入出力面とする）と、第１のレーザ媒質部品Ｍ１のＹ軸方向の終端部の側面（ＸＺ面）とは、対向しており、これらの界面における励起光（及び／又は自然放出光）の反射が抑制されるように反射防止処理が施されている。また、接着又は接合することも可能であり、接着の場合には、これらの間に接着剤ｂが介在している。
【００３４】
接着剤ｂを用いる場合、樹脂製屈折率整合接着剤、ガラス製屈折率整合接着剤などの接着剤を用いることができる。接着剤を用いない場合には、熱拡散接合、オプティカルコンタクト、イオンスパッタリング接合などの接合を用いることができ、レーザ媒質部品の外表面及びプリズムがセラミックスからなる場合には、セラミックス焼結接合を用いて、これらを固定することができる。
【００３５】
第１のレーザ媒質部品Ｍ１から第１のプリズムＰ１に入射した励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、前述の直角二等辺三角形の斜辺以外の２辺の一方を含む面（Ｙ＝Ｘに平行な面。以下、プリズムにおける第１反射面とする）で反射され、２辺の他方を含む面（Ｙ＝−Ｘに平行な面。以下、プリズムにおける第２反射面とする）で更に反射されて、第２のレーザ媒質部品Ｍ２内に、Ｙ軸の正方向の終端に位置する側面から、入射する。励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、第２のレーザ媒質部品Ｍ２内を、Ｙ軸の負方向に沿って進行し、第２のレーザ媒質部品Ｍ２を励起する。
【００３６】
第２のレーザ媒質部品Ｍ２の構造は、第１のレーザ媒質部品Ｍ１の構造と同一であり、第２のレーザ媒質部品Ｍ２のＹ軸の正方向の終端側の側面（ＸＺ面）において、第１のプリズムＰ１の励起光入出力面と対向しており、第２のレーザ媒質部品Ｍ２と第１のプリズムＰ１の励起光入出力面とは、これらの界面における反射が抑制されるように反射防止処理が施されている。また、接着又は接合することも可能であり、接着の場合には、これらの間に接着剤ｂが介在している。
【００３７】
このように、第１のレーザ媒質部品Ｍ１に入射した励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、第１のプリズムＰ１を介して、これに隣接する第２のレーザ媒質部品Ｍ２の側面に入射し、これらのレーザ媒質部品を励起する。
【００３８】
以下、同様に、励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、第３のレーザ媒質部品Ｍ３、第４のレーザ媒質部品Ｍ４を順次励起し、第４のレーザ媒質部品Ｍ４のＹ軸の負方向の終端面である側面ＩＮ４に到達する。
【００３９】
詳説すれば、第２のレーザ媒質部品Ｍ２から第２のプリズムＰ２に入射した励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、プリズムにおける第２反射面で反射され、次に、第１反射面で更に反射されて、第３のレーザ媒質部品Ｍ３内に、Ｙ軸の負の方向の終端に位置する側面から、入射する。励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、第３のレーザ媒質部品Ｍ３内を、Ｙ軸の正方向に沿って進行し、第３のレーザ媒質部品Ｍ３を励起する。
【００４０】
第３のレーザ媒質部品Ｍ３の構造は、第１のレーザ媒質部品Ｍ１の構造と同一であり、第３のレーザ媒質部品Ｍ３のＹ軸の負方向の終端側の側面（ＸＺ面）において、第２のプリズムＰ２の励起光入出力面と対向しており、第３のレーザ媒質部品Ｍ３と第２のプリズムＰ２の励起光入出力面とは、これらの界面における反射が抑制されるように反射防止処理が施されている。また、接着又は接合することも可能であり、接着の場合には、これらの間に接着剤ｂが介在している。
【００４１】
第３のレーザ媒質部品Ｍ３から第３のプリズムＰ３に入射した励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、プリズムにおける第１反射面で反射され、次に、第２反射面で更に反射されて、第４のレーザ媒質部品Ｍ４内に、Ｙ軸の正の方向の終端に位置する側面から、入射する。励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、第４のレーザ媒質部品Ｍ４内を、Ｙ軸の負方向に沿って進行し、第４のレーザ媒質部品Ｍ４を励起する。
【００４２】
第４のレーザ媒質部品Ｍ４の構造は、第１のレーザ媒質部品Ｍ１の構造と同一であり、第４のレーザ媒質部品Ｍ４のＹ軸の正方向の終端側の側面（ＸＺ面）において、第３のプリズムＰ３の励起光入出力面と対向しており、第４のレーザ媒質部品Ｍ４と第３のプリズムＰ３の励起光入出力面とは、これらの界面における反射が抑制されるように反射防止処理が施されている。また、接着又は接合することも可能であり、接着の場合には、これらの間に接着剤ｂが介在している。
【００４３】
第４のレーザ媒質部品Ｍ４の側面ＩＮ４は、特別な処理をしない場合は、励起光ＥＸＣＩＴ（１）の光出射面として機能する。側面ＩＮ４による励起光ＥＸＣＩＴ（１）の反射を抑制して、レーザ媒質内部における共振を抑制するためには、側面ＩＮ４に反射防止処理を行う。
【００４４】
一方、最初の側面ＩＮ１において反射防止処理が行われている場合には、最後の側面ＩＮ４において励起光ＥＸＣＩＴ（１）を反射させれば、レーザ媒質部品群内を往復することが可能であるため、最後の側面ＩＮ４に反射膜を設けることとしてもよい。すなわち、レーザ媒質部品のうち励起光が最後に出射する側面ＩＮ４には、反射膜が設けられており、この場合、励起光が当該反射膜で反射されるため、レーザ媒体部品内を往復することができ、吸収長を更に長くすることができる。
【００４５】
なお、レーザ媒質で増幅した種光の一部や、レーザ媒質で発生した自然放出光が、レーザ媒質内に戻ると、それが種光の役割を果たすことで、予期しない増幅・発振や共振等が発生してしまい、レーザ媒質内に蓄えられたエネルギーが放出されてしまう。これは、大きな損失となり、レーザ増幅器全体の効率を著しく低下させてしまうため、共振抑制の処理が各部材で行われている。
【００４６】
以上のように、単一の励起光ＥＸＣＩＴ（１）をレーザ媒質部品内に入射させた場合には、当該励起光により、全てのレーザ媒質部品が励起されるが、その他の励起光をレーザ媒質部品群内に入射させてもよい。
【００４７】
例えば、前述の励起光ＥＸＣＩＴ（１）の側面ＩＮ１への入射に加えて、最後の側面ＩＮ４から、励起光ＥＸＣＩＴ（４）を、第４のレーザ媒質部品Ｍ４内に入射させることができる。この場合、励起光ＥＸＣＩＴ（４）は、励起光ＥＸＣＩＴ（１）とは逆向きの経路を進行して、第１のレーザ媒質部品Ｍ１の側面ＩＮ１から出射される。なお、最初の側面ＩＮ１と最後の側面ＩＮ４は、反射防止処理が施されることが好ましい。レーザ媒質部品群内には、互いに逆方向に進行する２つの励起光ＥＸＣＩＴ（１）及び励起光ＥＸＣＩＴ（４）が入射するので、より多くのエネルギーをレーザ媒質部品群内に蓄積することができる。
【００４８】
なお、上述の例では、レーザ媒質部品の数は４つであったが、これは２つ以上であれば、３つや５つ以上であっても同様の機能を奏する。
【００４９】
レーザ媒質部品の数が最初の２つのみである場合には、第２のレーザ媒質部品Ｍ２のＹ軸の負方向の終端の側面から励起光ＥＸＣＩＴ（２）を、第２のレーザ媒質部品Ｍ２内に入射させることができる。この場合には、第２のプリズムＰ２は設けられていない。
【００５０】
レーザ媒質部品の数が最初の３つのみである場合には、第３のレーザ媒質部品Ｍ３のＹ軸の正方向の終端の側面から励起光ＥＸＣＩＴ（３）を、第３のレーザ媒質部品Ｍ３内に入射させることができる。この場合には、第３のプリズムＰ３は設けられていない。
【００５１】
レーザ媒質部品のドープ濃度は、異なっても良い。例えば、第1のレーザ媒質部品Ｍ１からＥＸＣＩＴ（１）を入射した場合、レーザ媒質部品Ｍ１のドープ濃度を低くし第２のレーザ媒質部品Ｍ２のドープ濃度を高くすることで、第1のレーザ媒質部品Ｍ１と第２のレーザ媒質部品Ｍ２の蓄積されるエネルギーの量を同等とすることができる。
【００５２】
同様に、第２のレーザ媒質部品Ｍ２よりも第３のレーザ媒質部品Ｍ３のドープ濃度を高く、第３のレーザ媒質部品Ｍ３よりも第４のレーザ媒質部品Ｍ４のドープ濃度を高くすることで、レーザ媒質部品群の蓄積されるエネルギーの分布を均一にすることができる。
【００５３】
これにより、蓄積されたエネルギーの高い箇所で発生しやすい、予期しない増幅・発振や共振等を抑制でき、結果的にはより多くのエネルギーをレーザ媒質部品群に蓄積できる。
【００５４】
また、第１のレーザ媒質部品Ｍ１および第４のレーザ媒質部品Ｍ４よりそれぞれＥＸＣＩＴ（１）およびＥＸＣＩＴ（４）で励起する場合、第１のレーザ媒質部品Ｍ１および第４のレーザ媒質部品Ｍ４は低いドープ濃度であり、第２のレーザ媒質部品Ｍ２および第3のレーザ媒質部品Ｍ３は高いドープ濃度となる。レーザ媒質部品の枚数が増えると、ドープ濃度の種類もそれに準じて増える。
【００５５】
レーザ媒質内で、励起光を十分吸収させることができれば、レーザ媒質内で蓄積されたエネルギーが増加し、増幅されるレーザ光の出力を高くすることができる。レーザ媒質内で、励起光を吸収させるには、レーザ媒質内における添加物（ドーパント）の濃度を高くする必要があるとも思われるが、安定な吸収帯を３つ有し、これらのエネルギー準位間の遷移により、発光を行う３準位系のレーザ媒質の場合、種光ＳＥＥＤ１の再吸収が生じて、実際には、励起光の出力は大きくは増加しない。
【００５６】
そこで、このレーザ増幅装置では、複数のレーザ媒質部品（Ｍ１〜Ｍ４）を用いて、これをプリズム（Ｐ１〜Ｐ３）で光学的に接続することにより、レーザ媒質部品内を伝播する励起光の距離（吸収長）を増加させ、低い添加物の濃度においても励起光の吸収量を増加させている。これより、側面から励起光を入射させ、最初のレーザ媒質部品Ｍ１の主面から種光ＳＥＥＤ１を入射させると、種光は大きく増幅されて、増幅されたレーザ光ＯＵＴ１として、第４のレーザ媒質部品Ｍ４から出力される。
【００５７】
図２は、レーザ増幅装置を備えたレーザ装置のシステム構成図である。
【００５８】
レーザ増幅装置は、上述の励起光をそれぞれ出力するための励起光源を備えている。なお、励起光源としては、半導体レーザ、気体レーザ、フラッシュランプの他、太陽光を集束する装置を用いることも可能である。半導体レーザは、単独では出力が高くないため、レーザダイオードアレイモジュールとして用いることが好適である。
【００５９】
本例では、励起光ＥＸＣＩＴ（１）を出射する励起光源１０と、励起光ＥＸＣＩＴ（４）を出射する励起光源４０とを備えている場合を示す。励起光ＥＸＣＩＴ（１）は、集光レンズ１１、励起光用の窓材１２を介して、第１のレーザ媒質部品Ｍ１に入射する。同様に、励起光ＥＸＣＩＴ（４）は、集光レンズ４１、励起光用の窓材４２を介して、第４のレーザ媒質部品Ｍ４に入射する。本例では、半導体レーザからの励起光は、一般に数１０度の発散角を有しているため、レーザ媒質の側面に効率良くレーザ光を照射するために、レンズ等を用いてビームサイズを縮小させている。
【００６０】
レーザ媒質部品（Ｍ１〜Ｍ４）及びプリズム（Ｐ１〜Ｐ４）は、包囲体２００内に収容されている。包囲体２００の内面に設けられた自然放出光に対する吸収体２０１及び吸収体２０２を備えている。包囲体２００のＸ軸方向に沿って対向する位置には、一対の開口が設けられており、これらの開口は種光用の窓材Ｗ１及び窓材Ｗ２によって、それぞれ塞がれている。少なくとも種光用の第１の窓材Ｗ１の光入射側の主面には、種光ＳＥＥＤ１に対する反射防止膜Ｗ１１が設けられている。本例では、種光用の第２の窓材Ｗ２の光出射側の主面にも、種光ＳＥＥＤ１に対する反射防止膜Ｗ２１が設けられている。これにより、種光が第１の窓材Ｗ１に容易に入射し、第２の窓材Ｗ２から容易に出射することができる。これらの主面には反射防止膜以外の反射防止処理を行ってもよい。
【００６１】
レーザ媒質部品（Ｍ１〜Ｍ４）の隣接するもの同士の間には、冷却媒体Ｃが流れるための隙間（約１ｍｍ）が形成されており、第１の窓材Ｗ１と第１のレーザ媒質部品Ｍ１との間、及び、第２の窓材Ｗ２と第４のレーザ媒質部品Ｍ４との間にも、冷却媒体Ｃが流れるための隙間（約１ｍｍ）が形成されている。冷却媒体Ｃにより、これに接するレーザ媒質部品及び窓材は冷却される。
【００６２】
なお、上述のように、第１のレーザ媒質部品Ｍ１のＹ軸の正方向の終端における側面及び第２のレーザ媒質部品Ｍ２のＹ軸の正方向の終端における側面とプリズムＰ１の斜辺には、励起光及び自然放出光に対する反射防止処理が施されている。また、第２のレーザ媒質部品Ｍ２のＹ軸の負方向の終端における側面及び第３のレーザ媒質部品Ｍ３のＹ軸の負方向の終端における側面とプリズムＰ２の斜辺には、励起光及び自然放出光に対する反射防止処理が施されている。同様に、第３のレーザ媒質部品Ｍ３のＹ軸の正方向の終端における側面及び第４のレーザ媒質部品Ｍ４のＹ軸の正方向の終端における側面とプリズムＰ３の斜辺には、励起光及び自然放出光に対する反射防止処理が施されている。したがって、励起光源１０及び４０からそれぞれ出力された励起光ＥＸＣＩＴ（１）及びＥＸＣＩＴ（４）は、それぞれ、各レーザ媒質部品内及びプリズムを介して進行し、レーザ媒質部品群の全体を励起する。
【００６３】
また、本形態のレーザ装置は、上述のレーザ増幅装置と、種光ＳＥＥＤ１を出射する種光源１００とを備えている。種光源１００から出力された種光ＳＥＥＤ１は、励起状態のレーザ媒質部品Ｍ１〜Ｍ４に入射し、これを通過することによって、増幅され、レーザ光ＯＵＴ１として出力される。
【００６４】
なお、種光ＳＥＥＤ１は、レーザ媒質部品群内を往復させてもよい。例えば、ＯＵＴ１を反射膜が施されたミラーなどにより折り返すことで、入射した種光ＳＥＥＤ１は、レーザ媒質部品群内を往復して、第１のレーザ媒質部品Ｍ１からＸ軸の負方向に向けて出射される。
【００６５】
なお、図２のレーザ媒質部品（Ｍ１〜Ｍ４）をレーザ媒質部品群ＬＤＧとすると、図１１のような装置を構成することも可能である。すなわち、レーザ媒質部品群ＬＤＧの入力側に第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を配置し、レーザ媒質部品群ＬＤＧの出力側の後段に、偏光回転装置ＲＯＴ（偏光スイッチング装置）及び第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を介して、第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を光が透過した位置に第２のラーＭＲＲ２を配置し、第１の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１で反射された位置に第1のミラーＭＲＲ１を配置する。
【００６６】
なお、図２に示した第1の窓材Ｗ１は、レーザ媒質部品群ＬＤＧと第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１との間に配置し、図２に示した第２の窓材Ｗ２は、レーザ媒質部品群ＬＤＧと偏光回転装置ＲＯＴとの間に配置することができる。
【００６７】
このような構成において、レーザ媒質部品群ＬＤＧ内を種光が３回通過する構造を採用する場合、以下のようになる。なお、種光の入力に伴って、レーザ媒質部品群ＬＤＧ内では、これと同様に進行する自然放出光が発生しており、いずれもレーザ光である。
【００６８】
種光をＰ偏光とし、第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を通過させ、その後にレーザ媒質部品群ＬＤＧに入射させる（１パス目）。レーザ媒質部品群ＬＤＧを出力したレーザ光ＯＵＴ１を、偏光回転装置ＲＯＴに入射させる。この時、偏光回転装置ＲＯＴの偏光回転角度を０度に設定する。この場合、レーザ光ＯＵＴ１はＰ偏光のまま第２の偏光ビームスプリッタＰＳＢ２へ入射する。このレーザ光ＯＵＴ１は、第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を通過し、反射膜が施された第２のミラーＭＲＲ２により反射され、元来た経路を折り返す。折り返されたレーザ光ＯＵＴ１は、第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を逆方向に通過し、再び偏光回転装置ＲＯＴに入射する。
【００６９】
この時、偏光回転装置ＲＯＴの回転角度は９０度に設定され、レーザ光ＯＵＴ１はＳ偏光に回転され、レーザ媒質部品群ＬＤＧに逆方向から入射される（２パス目）。
【００７０】
このＳ偏光でレーザ媒質部品群ＬＤＧを通過したレーザ光は、Ｓ偏光のため、第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１により反射され、反射されたレーザ光ＯＵＴ１（Ｓ偏光）は、同じく反射膜が施された第1のミラーＭＲＲ１で、反射され、元来た経路を折り返す。しかる後、このレーザ光は、第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１で反射され、レーザ媒質部品群ＬＤＧを通過し（３パス目）、偏光回転装置ＲＯＴに入射する。この時、偏光回転装置ＲＯＴの回転角度を０度に設定し、レーザ光ＯＵＴ１はＳ偏光のまま第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２により反射され、出力される。
【００７１】
なお、レーザ媒質部品群ＬＤＧ内を種光が４回通過する構造を採用する場合、以下のようになる。すなわち、レーザ光がレーザ媒質部品群ＬＤＧを３回目に通過した後（３パス後）、偏光回転装置ＲＯＴの回転角度を９０度に設定し、Ｐ偏光に回転して第２の偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を通過させる。このレーザ光は、第２のミラーＭＲＲ２で折り返されたあと、今度は、偏光回転装置ＲＯＴの回転確度を０°に設定し、Ｐ偏光のまま偏光回転装置ＲＯＴを通過させる。したがって、レーザ光は、レーザ媒質部品群ＬＤＧを４回通過し（４パス目）、第1の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を通過して、種光の入射方向とは逆方向に出力される。なお、偏光回転装置ＲＯＴは、ポッケルスセル(Pockelscell)などの電気−光学変調装置から構成することができる。ポッケルスセルは、入力する電圧パルスの時間に応答して、これを透過する光の偏光を変調することができる。なお、レーザ光を複数回増幅器に入力する手法は、他にも考えられるが、この手法が最も、簡便である。ポッケルスセルへの入力電圧は、図示しない制御装置によって行うことができる。
【００７２】
図３は、種光源１００のブロック図である。
【００７３】
上述の種光源１００は、種光ＳＥＥＤ１を発生するために、多段のレーザ増幅装置を備えている。すなわち、種光源１００は、レーザ発振器１００Ｓ（例えば、半導体レーザ、固体レーザ、ファイバーレーザなど）と、第１段レーザ増幅装置１０１と、第２段レーザ増幅装置１０２と、第３段レーザ増幅装置１０３とを備えている。レーザ発振器１００Ｓは、駆動回路ＤＲＶからの駆動電流によってレーザ発振し、駆動回路ＤＲＶは制御装置ＣＯＮＴによって、制御される。
【００７４】
レーザ発振器１００Ｓから出力されるレーザ光の出力が１００ｍＪだとすると、第１段レーザ増幅装置１０１はこれを１０倍に増幅して１Ｊのエネルギーを有するレーザ光を生成して第２段レーザ増幅装置１０２に入力し、第２段レーザ増幅装置１０２はこれを１０倍に増幅して１０Ｊのエネルギーを有するレーザ光を生成して第３段レーザ増幅装置１０３に入力し、第３段レーザ増幅装置１０３はこれを５倍に増幅して、５０Ｊのエネルギーを有する種光ＳＥＥＤ１を出力する。出力された種光ＳＥＥＤ１は、図１及び図２に示した最終段レーザ増幅装置に入力される。
【００７５】
第１段レーザ増幅装置１０１、第２段レーザ増幅装置１０２、及び、第３段レーザ増幅装置１０３としては、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ増幅器を採用することができるが、光ファイバ増幅器を用いることも可能である。
【００７６】
図４は、レーザ媒質部品Ｍの構造（第１例）を示す図である。この図は、上述のレーザ媒質部品（Ｍ１〜Ｍ４）のいずれかを代表して示している。
【００７７】
レーザ媒質部品Ｍの種光ＳＥＥＤ１が入射する主面には、種光に対する反射防止処理が行われており、本例では、反射防止膜Ｍ１１が設けられている。また、レーザ媒質部品Ｍの種光ＳＥＥＤ１が出射する主面にも、種光に対する反射防止処理が行われており、本例では、反射防止膜Ｍ１２が設けられている。
【００７８】
なお、レーザ媒質部品Ｍの上面（Ｚ軸正方向側のＸＹ面）と、下面（Ｚ軸負方向側のＸＹ面）には、自然放出光を吸収するクラッド材料（Ｍ１３及びＭ１４）が接着・接合されている。  
【００７９】
また、レーザ媒質部品Ｍの右の側面（Ｙ軸負方向側のＸＺ面）と、左の側面（Ｙ軸正方向側のＸＺ面）には、励起光及び自然放出光に対する反射防止処理が行われており、本例では、それぞれ反射防止膜Ｍ１５及びＭ１６が設けられている。
【００８０】
なお、種光および自然放出光の波長λ１は１０３０ｎｍ、励起光の波長λ２は９４０ｎｍであるとする（λ１＞λ２）。レーザ媒質部品Ｍの本体部（本例では単体のレーザ媒質とする）Ｍ０は、Ｙｂ（イッテルビウム）添加ＹＡＧであり、サイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍ（厚み）であり、Ｙｂの添加濃度は、第1のレーザ媒質部品Ｍ１および第４のレーザ媒質部品Ｍ４では０．１５質量％、第２のレーザ媒質部品Ｍ２および第３のレーザ媒質部品Ｍ３では０．２５質量％であるとする。
【００８１】
自然放出光（１０３０ｎｍ）を吸収するクラッド材料としては、サマリウム添加材料、クロム添加材料、銅添加材料などがある。具体的には、サマリウム添加ＹＡＧ、サマリウム添加ガラス、クロム添加ＹＡＧ、クロム添加ガラス、銅添加ＹＡＧ、銅添加ガラスなどである。これらのクラッド材料をレーザ媒質の本体部Ｍ０に固定するためには、接着又は接合する。接着の場合には、これらの間に接着剤ｂが介在している。接着剤ｂを用いる場合、樹脂製屈折率整合接着剤、ガラス製屈折率整合接着剤などの接着剤を用いることができる。接着剤を用いない場合には、熱拡散接合、オプティカルコンタクト、イオンスパッタリング接合などの接合を用いることができ、レーザ媒質部品の外表面及びクラッド材料がセラミックスからなる場合には、セラミックス焼結接合を用いて、これらを固定することができる。
【００８２】
励起光（９４０ｎｍ）に対する反射防止膜の材料や接着方法及び接合方法も、種光又は自然放出光に対するものと同様である。
【００８３】
この構造の場合、反射防止膜によって、種光又は自然放出光による不要な共振を抑制することが可能である。レーザ媒質部品Ｍの主面には、反射防止膜Ｍ１１，Ｍ１２が設けられているので、レーザ媒質部品Ｍによる種光ＳＥＥＤ１の反射が抑制され、不要な共振が抑制される。
【００８４】
なお、図１に示したように、レーザ媒質部品Ｍの側面とプリズムとは接着又は接合されているので、確実に励起光が、レーザ媒質部品の側面からプリズム内に導入される。レーザ媒質部品とプリズムとの界面においても、図１の接着剤ｂに、本例の接着剤と同様の屈折率整合材料を採用することにより、反射が抑制され、エネルギー損失が抑制されている。レーザ媒質部品又はプリズムから、これらの外部に漏れた種光及び自然放出光は、共振の原因となるため、図２に示した包囲体２００の内面には吸収体２０１，２０２が設けられており、これらの光を吸収体２０１，２０２は吸収し、不要な共振を更に抑制している。なお、プリズムの材料はガラス、ＹＡＧセラミックス、ＹＡＧ結晶、クラッド材料と同じ材料、又は、合成石英である。屈折率整合を行うことができる接着剤としては、上述の接着剤ｂと同じ材料を用いることができる。
【００８５】
図５は、レーザ媒質部品の構造（第２例）を示す図である。
【００８６】
第２例では、上述のクラッド材料を４面（Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５，Ｍ１６）に渡って一体化したものであり、その他の構造は、第１例と同一である。クラッド材料が本体部Ｍ０の周囲を覆うように取り囲んでおり、本体部Ｍ０と、より強固に固定される。Ｍ１５，Ｍ１６の位置には、クラッド材料の上から励起光および自然放出光に対して反射防止処理が施されている。
【００８７】
図６は、プリズムＰの構造を示す図である。この図は、上述のプリズム（Ｐ１〜Ｐ３）のいずれかを代表して示している。
【００８８】
柱状のプリズムＰは、５つの面を有しているが、全ての面は光学研磨された後、コーティングが施される。上下の面（ＸＹ面）には、励起光（９４０ｎｍ）に対する反射膜Ｐ１４，Ｐ１５が形成され、残りの面（第１反射面、第２反射面、励起光入出力面）には、特殊なコーティングが施される。第１反射面のコーティングＰ１１、第２反射面のコーティングＰ１２は、いずれも種光（１０３０ｎｍ）に対しては反射防止膜として機能し、励起光（９４０ｎｍ）に対しては反射膜として機能する。励起光入出力面は、励起光および自然放出光に対して反射防止処理が施されている。プリズムの本体部Ｐ０の材料は、ガラス、ＹＡＧセラミックス、ＹＡＧ結晶、クラッド材料、又は、合成石英である。
【００８９】
図７は、レーザ媒質部品及び窓材の配列を示す斜視図である。
【００９０】
本例のレーザ媒質部品Ｍ’は、上述のレーザ媒質部品Ｍ（Ｍ１〜Ｍ４）を、開口フレーム部品Ｂ内の開口内に、はめ込み、接着剤ＡＤ２を介して、開口の内面に接着している。開口フレーム部品Ｂは、レーザ媒質部品Ｍの上下面（ＸＹ面）にフィンＦＵ，ＦＬを位置させる構造を有している。レーザ媒質の本体部Ｍ０の周囲には、図４又は図５に示したクラッド材料が設けられており、このクラッド材料を符号ＨＤで示す。クラッド材料ＨＤと本体部Ｍ０とは、接着剤ＡＤ１を介して接着されている。
【００９１】
開口フレーム部品Ｂは、種光の入射方向に垂直に開口しており、この開口内に、レーザ媒質部品Ｍがはめ込まれている。レーザ媒質部品Ｍの周囲と開口の内面との間には、接着剤ＡＤ２が介在している。なお、開口フレーム部品Ｂの側面（ＸＺ面）は、開口ＯＰ１お及び開口ＯＰ２を有しており、レーザ媒質部品Ｍが開口ＯＰ１，ＯＰ２内において露出している。したがって、開口ＯＰ１，ＯＰ２を介して、励起光をレーザ媒質部品Ｍ内に導入し、また、出力することができる。開口ＯＰ１，ＯＰ２の外側には、図１又は図２のように、プリズムが配置される。
【００９２】
開口フレーム部品Ｂは、上下のフィンＦＵ，ＦＬを接続する位置に存在し、中央の開口の側部に位置する連結部ＲＫ１、ＲＫ２を有している。開口ＯＰ１及びＯＰ２は、それぞれ、連結部ＲＫ１、ＲＫ２に形成されている。
【００９３】
なお、窓材においても同様に、レーザ媒質部品Ｍと同様に、開口フレーム部品Ｂ内に、これを固定することができる。
【００９４】
開口フレーム部品Ｂは、中央が開口したフレームである。このような開口フレーム部品Ｂは、旋盤加工等、様々な方法を用いて製造することができる。開口フレーム部品Ｂは、図７に示したように、Ｈ型となり、上部及び下部に楔形のフィンＦＵ，ＦＬが形成される。楔形のフィンＦＵ，ＦＬは、レーザ媒質部品Ｍの重心からＺ軸方向に沿って離れるほどＸ軸方向幅が狭くなるという、三角柱、台形柱又は半楕円柱の形状を有している。なお、窓材（Ｗ１，Ｗ２）に設けられるフィンＦＵ，ＦＬは台形柱の形状を有することができる。すなわち、フィンＦＵ，ＦＬのそれぞれのＸＺ断面形状は、三角形、台形又は半楕円形である。
【００９５】
連結部ＲＫ１、ＲＫ２は、隣接するレーザ媒質部品との間のスペーサとして機能させる構造とすることもできる。連結部ＰＫ１、ＲＫ２は、Ｚ軸方向に延びており、流体としての冷却媒体を整流する機能があり、また、窓材及びレーザ媒質部品を、外部筐体としての包囲体２００又はその壁面を構成する窓材（１２，４２）或いは吸収体（２０１，２０２）（図２参照）に、固定するための部材である。冷却媒体Ｃは、Ｚ軸に沿って、下から上に流れるが、フィンＦＵ，ＦＬの形状が先細り形状であるため、この流体が整流され、小さな圧力で冷却媒体Ｃを効率的に流すことができる。冷却媒体の圧力損失が大きくならないように、緩やかに冷却媒体が間隙に導入される。
【００９６】
図８は、レーザ増幅装置における冷却システムを示す図である。
【００９７】
このレーザ増幅装置は、上述のレーザ媒質部品Ｍ’で代表されるレーザ媒質部品Ｍ（Ｍ１’〜Ｍ４ ’）の間の隙間に、冷却媒体Ｃを供給する冷却媒体供給源３００を備えている。レーザ媒質部品（Ｍ１’〜Ｍ４’）は、励起光及び種光の照射によって、発熱するので、これらを並べた場合に、冷却媒体Ｃを供給すると、レーザ媒質部品の温度を所望の温度（例：室温（２７℃））に維持し、安定したレーザ光増幅を行うことができる。冷却媒体Ｃとしては、例えば、水、窒素ガス、ヘリウムガス、その他希ガス、フッ素系不活性液体又は重水を用いることができる。冷却媒体供給源３００から延びた配管は、包囲体２００の内部まで延びており、包囲体２００の中を通過した冷却媒体Ｃは、配管を通って、冷却媒体供給源３００に戻るよう循環している。
【００９８】
なお、本例では、窓材（Ｗ１’，Ｗ２’）のフィンＦＵ、ＦＬのＹ軸方向の両端部は、包囲体２００に固定されている。
【００９９】
図９は、レーザ増幅装置における別の冷却システムを示す図である。楔形のフィンＦＵ，ＦＬに対向する位置であって、冷却媒体Ｃの経路上に、楔形の整流部材ＢＵ，ＢＬを配置してもよい。これにより、冷却媒体Ｃの流れが均一化される。
【０１００】
図１０は、上述の整流部材構造を採用したレーザ媒質部品群ＬＤＧの構造の一例である。同図では、２つのレーザ媒質部品Ｍ’をＸ軸方向に沿って隣接して配置し、各フィンＦＵ，ＦＬと整流部材ＢＵ，ＢＬが対向するように配置している。Ｘ軸方向の両端に位置する整流部材ＢＵ，ＢＬは、開口フレーム部品ＢのＹＺ面を固定する支持部分ＳＰＵ，ＳＰＬ，に連続している。
【０１０１】
整流部材と支持部分は、全体として支持部品を構成しており、冷却媒体の蓄積容器ＶＵ，ＶＬに固定されている。蓄積容器ＶＵ，ＶＬ内には、冷却媒体が一時的に蓄積される。蓄積容器ＶＬ、ＶＬには、上述の冷却媒体供給源（ポンプなど）が接続されている。
【０１０２】
図１２は、レーザ増幅装置のレーザ媒質部品Ｍ’の斜視図である。このレーザ媒質部品Ｍ’で、上述のレーザ媒質部品（Ｍ１’〜Ｍ４’）を置換することもできる。
【０１０３】
このレーザ媒質部品Ｍ’は、図７に示したものと比較して、レーザ媒質の本体部Ｍ０の形状が異なる。図７では、ＹＺ平面形状が長方形であったが、本例では、円形である。また、クラッド材料ＨＤは、外周を四角形、内周を円形とした。レーザ媒質部品Ｍは、本体部Ｍ０のみからなる、すなわちレーザ媒質のみからなることもできるが、本例では、その周囲にクラッド材料を設けている。レーザ媒質部品の本体部Ｍ０は、円板状である。レーザ媒質部品Ｍは、レーザ媒質のみからなる、又は、レーザ媒質と、レーザ媒質の側面を囲むように支持する枠体としてのクラッド材ＨＤを備えている。クラッド材ＨＤは、本体部Ｍ０を支持するホルダーとして機能している。ホルダーは、金属などから構成し、その内側面上にクラッド材を形成してもよい。ホルダーは、Ｘ軸方向に沿った円形の開口を有しており、当該開口内にレーザ媒質部品の本体部Ｍ０の外周が固定されている。
【０１０４】
レーザ媒質の主面には種光が照射されるが、レーザ光を集光して応用する場合などは、ビーム形状は円形であることが好ましい。四角形などのように、角部が存在する場合には、角部における空間的高周波成分を反映した空間的にエネルギーが分散した集光パターンとなるからである。円板状のレーザ媒質であれば、これを伝播するビームの形状を円形とし、良好な集光パターンを得ることができる。
【０１０５】
図１３は一群のレーザ媒質部品を種光が通過した回数（パス数）と、出力されるレーザ光のエネルギー（Ｊ）及び抽出効率（％）との関係を示すグラフである。
【０１０６】
図１の構造を採用した実施例では、レーザ媒質の材料は、Ｙｂが添加されたＹＡＧであり、Ｙｂの濃度は、０．２質量％である。一方、比較例では、Ｙｂの濃度を１．０質量％とした。入力した種光のエネルギーは５０Ｊとして、計算を行った。レーザ媒質の寸法は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍであり、いずれの場合も、レーザ媒質内で励起されたエネルギーは５２５Ｊ、蓄積されたエネルギーは２６４Ｊとした。また、励起光の吸収率はいずれの場合も９０％（以上）にした。
【０１０７】
この場合、実施例では、パス数が４回において、２５０Ｊの出力が得られており、抽出効率も７５％が得られている。一方、比較例では、パス数が４回において、１２０Ｊの出力が得られており、抽出効率は１８％が得られている。
【０１０８】
なお、抽出効率は、レーザ媒質内に蓄えられたエネルギーをどの程度取り出すことができるかを示すものである。
【０１０９】
Ｙｂ：ＹＡＧをレーザ媒質として用いた場合、３準位系の遷移により、レーザ光が発生するが、Ｙｂの濃度を０質量％よりも大きく、好適には０．３質量％以下、更に好適には０．２質量％以下に設定することで、レーザ光の出力を大幅に向上させることができる。Ｙｂの濃度は低ければ低いほど、三準位系のレーザ媒質の場合、種光の再吸収が生じにくくなるからである。したがって、上述の効果は、物理現象を検討すると、Ｙｂの濃度が０．３質量％以下であっても、比較例の場合よりは高くなる。
【０１１０】
レーザ媒質部品のドープ濃度は、異なっても良い。例えば、第１のレーザ媒質部品Ｍ１からＥＸＣＩＴ（１）を入射した場合、第１のレーザ媒質部品Ｍ１のドープ濃度を低くし第２のレーザ媒質部品Ｍ２のドープ濃度を高くすることで、第１のレーザ媒質部品Ｍ１と第２のレーザ媒質部品Ｍ２の蓄積されるエネルギーの量を同等とすることができる。
【０１１１】
同様に、第２のレーザ媒質部品Ｍ２よりも第３のレーザ媒質部品Ｍ３のドープ濃度を高く、第３のレーザ媒質部品Ｍ３よりも第４のレーザ媒質部品Ｍ４のドープ濃度を高くすることで、レーザ媒質部品群の蓄積されるエネルギーの分布を均一にすることができる。
【０１１２】
これにより、蓄積されたエネルギーの高い箇所で発生しやすい、予期しない増幅・発振や共振等を抑制でき、結果的にはより多くのエネルギーをレーザ媒質部品群に蓄積できる。
【０１１３】
また、第１のレーザ媒質部品Ｍ１および第４のレーザ媒質部品Ｍ４よりそれぞれＥＸＣＩＴ（１）およびＥＸＣＩＴ（４）で励起する場合、第１のレーザ媒質部品Ｍ１および第４のレーザ媒質部品Ｍ４は低いドープ濃度であり、第２のレーザ媒質部品Ｍ２および第３のレーザ媒質部品Ｍ３は高いドープ濃度となる。また、レーザ媒質部品の枚数が増えると、ドープ濃度の種類もそれに準じて増える。
【０１１４】
なお、Ｙｂ：ＹＡＧレーザは、ＹＡＧにＹｂをドープした結晶をレーザ媒質とした三準位レーザであり、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、波長９４１ｎｍに幅１８ｎｍ、波長９６８ｎｍに幅４ｎｍの強い吸収ラインを有している。広い吸収バンドにより、ＩｎＧａＡｓ半導体レーザによる高効率励起が可能である。発振波長は１０３０ｎｍである。蛍光寿命はＮｄ：ＹＡＧ結晶に比べて５倍以上長く、単位励起パワーあたりの蓄積エネルギーが大きいレーザ媒質であって、熱伝導率が高く、高品質の結晶を容易に作ることができる。
【０１１５】
図１４は、レーザ核融合炉のシステムを示す図である。
【０１１６】
このレーザ核融合炉は、複数の上記レーザ装置ＬＳと、レーザ光照射により核融合が生じる燃料Ｓを収容し、レーザ装置ＬＳからのレーザ光が導入されるチャンバ５００とを備えている。レーザ核融合炉においては、高出力のレーザ装置ＬＳから、レーザ光が照射されるため、レーザ媒質が効率的にチャンバ内でレーザ核融合をし、発生したエネルギーを発電に利用することができる。
【０１１７】
燃料Ｓのペレットは、燃料ペレット導入装置５０１によって、チャンバ５００内に導入される。チャンバ５００内で発生した熱は、チャンバ５００内を通る配管内の媒体に練達され、蒸気発生器５０３に送られる。この配管内の媒体は、循環ポンプ５０２によって循環させられる。蒸気発生器５０３で発生した蒸気により、蒸気タービン５０４を回転させ、この駆動力を発電機５０５に伝達して、発電を行う。
【０１１８】
以上、レーザ増幅装置について説明したが、レーザ媒質のＹｂ：添加濃度は、１枚目と２枚目などで異なっても良い。レーザ媒質の形状も様々なものを採用することができる。また、レーザ媒質は、Ｙｂ添加ＹＡＧと無添加ＹＡＧを接合した材料であってもよい。添加材料は、Ｙｂ以外の３準位レーザ用の材料も用いることができる。励起光は、２方向以上からレーザ媒質に照射することができる。レーザ媒質部品の枚数を増減させても良い。プリズムの形状を三角柱ではなく、放物面状、楕円形状としても良い。プリズムを透過した励起光を吸収する吸収体は熱線吸収ガラス、水、サマリウム光学素子などを用いることができる。
【符号の説明】
【０１１９】
Ｍ１〜Ｍ４…レーザ媒質部品、Ｐ１〜Ｐ３…プリズム。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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