(57)【要約】【課題】  従来のフラッシュランプを用いたレーザーシステムは、発振効率が低い、装置が大型になる、高繰り返し発振ができない、ビーム品質が不十分などの技術課題があり、又高出力半導体レーザー４を励起光源とするものは、半導体レーザーの出力エネルギーが低いので、固体レーザー材料に蓄積されているエネルギーを十分に抽出することはできず、出力エネルギーや効率が低いという欠点があった。【解決手段】  本発明の固体レーザー増幅器では、高出力半導体レーザーで励起することにより高繰り返しで高エネルギーのレーザー光1を増幅できること、及び高耐力位相共役鏡でレーザー光の波面補正することにより、集光性能の良い高いビーム品質のレーザー光を高エネルギーで増幅できる。【選択図】  図５
2005268506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器、光アイソレーター、ポラライザー、増幅器、レンズ、波長板、折り返し鏡、ビーム拡大光学系、アパーチャー、空間フィルター、偏光回転子、像転送光学系、回転ウエッジ板、及び位相共役鏡で構成され、発振器からのレーザー光が、増幅器からの戻り光防止のための光アイソレーターを透過後、前置増幅として増幅器を多数回パスし、前置増幅されたレーザー光が、波長板により偏光の回転を利用してポラライザーで取り出され、ビーム拡大光学系でビーム径を拡大され、アパーチャーによってそのビームの中心部分のみを切り取られてフラットトップの形状に整形され、その後空間フィルターで高周波成分の除去を行い、主増幅として前置増幅とは異なる光路で増幅器に再度入射し多数回パスして、ポラライザー、波長板、ファラデー回転子により偏光の回転を利用して取り出され、熱レンズ効果の補正は、前置増幅部及び主増幅部においてレンズで、主増幅部においてはさらに位相共役鏡を用いて行われ、熱複屈折効果の補正は、主増幅部において45度の旋光角を持つ偏光回転子を用いて行われ、主増幅部においてフラットトップのビームプロファイルを維持しエネルギーを効率よく抽出するため像転送光学系で像転送され、1台の増幅器のみで熱レンズ効果及び熱複屈折効果を補正し、増幅器を多数回パスさせることにより小型、高効率で高ビーム品質のレーザー光を増幅できることを特徴とする固体レーザー増幅器。
【請求項２】
主増幅が、ポラライザー、ファラデー回転子、1/2波長板、固体レーザー材料、高出力半導体レーザー、偏光回転子、折り返し鏡、及び高耐力位相共役鏡から構成され、レーザー光を、第１のポラライザー、ファラデー回転子、1/2波長板及び第２のポラライザーを透過させ、その後レーザー光を1つまたは複数個の高出力半導体レーザーにより励起された固体レーザー材料から成る増幅器で増幅させ、増幅されたレーザー光を偏光回転子を透過させて折り返し鏡で反射させ、再び偏光回転子を透過させ、その後レーザー光を再度増幅器で増幅され、第２のポラライザーで反射され高耐力位相共役鏡に導入させ、高耐力位相共役鏡からの反射レーザー光を再び同じ光路を通り、再度2回、合計4回増幅器で増幅され、その増幅されたレーザー光を1/2波長板、ファラデー回転子、第１のポラライザーで偏光の回転を利用して取り出すことにより行われることを特徴とする請求項１記載の固体レーザー増幅器。
【請求項３】
増幅器が、半導体レーザーにより励起される固体レーザー材料であり、半導体レーザーの高出力発振のために、半導体レーザー素子の直下を流れる冷却水により半導体レーザー素子に発生する熱を除去し、この冷却水の水路には小孔が形成されており、小孔から噴射される乱流冷却水が半導体レーザー素子直下に当たるようになっており、半導体レーザー素子直下には凸凹が形成されているので効果的に熱を除去でき、この冷却方法による半導体レーザー素子を2次元的に配列した高出力半導体レーザーにより励起されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体レーザー増幅器。
【請求項４】
前記位相共役鏡が、ガラス容器の中にフッ素系不活性液体を封入したものであり、レーザー損傷（放電破壊）を避けるため、超精細フィルターによりフッ素系不活性液体に含まれる不純物を取り除き高純度化することにより、高エネルギーのレーザー光に対して用いることができることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体レーザー増幅器。
【請求項５】
増幅器に使用する固体レーザー材料として、希土類イオンなどをドープした結晶、ガラスまたはセラミックなどを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高平均出力・高ビーム品質固体レーザー増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザー増幅器に関するものであり、特に、高繰り返し、高エネルギー、高効率で集光性能のよい高ビーム品質のレーザー光を増幅する増幅器を提供することにある。
【背景技術】
【０００２】
従来から固体レーザー増幅器は、主としてフラッシュランプで励起された固体レーザー材料で構成されてきた。図1に従来例のレーザー増幅器の構成図を示す。しかし、このフラッシュランプ2を用いたレーザーシステムは、発振効率が低い、装置が大型になる、高繰り返し発振ができない、ビーム品質が不十分などの技術課題があった。
【０００３】
フラッシュランプ2の替わりに半導体レーザー４を励起光源とすることで、小型で高繰り返し発振ができるようになった（非特許文献１）が、半導体レーザーの出力エネルギーは一般に低いので高利得増幅を行うことができないため、固体レーザー材料3に蓄積されているエネルギーを十分に抽出することはできず、出力エネルギーや効率が低いという欠点があった。また、高繰り返し動作に伴って固体レーザー材料3の発熱によるレーザー光1の波面歪みのため、集光性能が悪いなどの問題点があった。
【非特許文献１】J.L.Emmett et al. Lawrence Livemore Laboratory, No. UCRL-52868, April (1980)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、高繰り返し、高エネルギー、高効率で集光性能のよい高ビーム品質のレーザー光を増幅する増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するために、本発明の固体レーザー増幅器では、高出力半導体レーザーで励起することにより高繰り返しで高エネルギーのレーザー光を増幅できること、及び高耐力位相共役鏡でレーザー光の波面補正することにより、集光性能の良い高いビーム品質のレーザー光を高エネルギーで増幅できることを特徴としている。
【０００６】
（１）高出力半導体レーザーによる励起について
本発明では、図2に示すように、固体レーザー材料3に対して1つまたは複数個の高出力半導体レーザー4で励起することを特徴としている。その結果、高利得で増幅することができるので、固体レーザー材料に蓄積されているエネルギーを効率よく抽出することができる。このため、高効率で高エネルギー増幅が達成できる。
【０００７】
（２）高耐力位相共役鏡によるレーザー光の波面補正について
本発明では、図3に示すように、増幅光路中に高耐力位相共役鏡6を配置することにより、固体レーザー材料3の発熱によるレーザー光1の波面歪みを補正することを特徴としている。その結果、集光性能の良い高ビーム品質のレーザー光1を得ることができる。また、高耐力であるので高エネルギーのレーザー光1に対して用いることができるので、高繰り返しで高エネルギーつまり高平均出力のレーザー光1を得ることができる。
【０００８】
（３）本発明で行われる主増幅について
本発明では、図4に示すように、ポラライザー8、ファラデー回転子10、1/2波長板9、固体レーザー材料3、高出力半導体レーザー4、偏光回転子5、折り返し鏡7、及び高耐力位相共役鏡6から構成されている。
【０００９】
紙面に対して水平な面に偏光面を持つレーザー光1はポラライザー81を透過し、45度の旋光角を持つファラデー回転子10及び進相軸を紙面に対して水平な面から22.5度傾けた1/2波長板9を透過する。この時点でレーザー光1の偏光面は紙面に対して水平な面にあるので2つめのポラライザー82を透過し、その後レーザー光1は、1つまたは複数個の高出力半導体レーザー4により励起された固体レーザー材料3、つまり増幅器で増幅される。レーザー光1は偏光回転子5（例えば45度の旋光角を持つファラデー回転子10、またはレーザー光1の偏光面に対して進相軸を45度傾けた1/4波長板）を透過し折り返し鏡7で反射され再び偏光回転子5を透過する。その後レーザー光1は再度増幅器で増幅される。偏光回転子5を2回透過することにより、レーザー光1は紙面に対して垂直な面に偏光面を持つようになるので、ポラライザー82で反射され高耐力位相共役鏡6に導かれる。高耐力位相共役鏡6からの反射レーザー光1は波面補正をされながら再び同じ光路を通り、再度2回、合計4回増幅器で増幅される。増幅されたレーザー光1は1/2波長板9、ファラデー回転子10、ポラライザー81により偏光の回転を利用して取り出される。
【００１０】
高出力半導体レーザーで励起することにより、高利得増幅が可能となるのでレーザー光1を数回増幅器で増幅することで、増幅器に蓄積されているエネルギーを十分に抽出できる。このため、小型で高効率なレーザー増幅が可能となる。高耐力の位相共役鏡により高エネルギーのレーザー光1の波面補正を行うことができるので、集光性能の良い高ビーム品質のレーザー光を高エネルギーで得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の増幅器を用いることにより、高利得増幅が可能となり増幅器に蓄積されたエネルギーを効率よく抽出することができる。このため、高エネルギーで高繰り返しのレーザー光を高効率で得ることができる。また、高耐力の位相共役鏡を用いることにより高エネルギーのレーザー光の波面歪みの補正が可能となるので、集光性能の良い高ビーム品質のレーザー光を高エネルギーで得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実際の固体レーザー増幅器においては、図５に示すように、発振器１１、光アイソレーター１２、ポラライザー８1，８2，８3、固体レーザー材料３及び高出力半導体から構成される増幅器、レンズ１３、波長板９1，９2、折り返し鏡７1，７2，７3，７4、ビーム拡大光学系１４、アパーチャー１５、空間フィルター１６、偏光回転子５、像転送光学系１７、回転ウエッジ板１８、及び位相共役鏡６で構成される。
【００１３】
発振器１１からのレーザー光は、増幅器からの戻り光防止のための光アイソレーター１２を透過後、前置増幅として増幅器を多数回パスする。即ち、アイソレーター１２及びポラライザー８1を透過したレーザー光は、折り返し鏡７1で反射され、増幅器、レンズ１３，偏光回転子５1を透過して折り返し鏡７2で反射されて再度増幅器で前置増幅される。前置増幅されたレーザー光は、折り返し鏡７1，ポラライザー８1、８2及び８3で反射され、ビーム拡大光学系でビーム径を拡大され、アパーチャー１５によってそのビームの中心部分のみを切り取られフラットトップの形状に整形される。その後折り返し鏡７3で反射され、空間フィルター１６で高周波成分の除去を行われ、折り返し鏡７4で反射され、波長板９1を経て主増幅工程に導入される。主増幅工程は図４のそれと同じものである。主増幅として前置増幅とは異なる光路で増幅器に再度入射し多数回パスして、ポラライザー８4、波長板９２、ファラデー回転子１０により偏光の回転を利用してポラライザー８5を経てレーザー光が取り出される。
【００１４】
熱レンズ効果の補正は、前置増幅部及び主増幅部においてレンズ１３で、主増幅部においてはさらに位相共役鏡６を用いて行われる。熱複屈折効果の補正は、主増幅部において45度の旋光角を持つ偏光回転子５を用いて行われる。本発明は、主増幅部においてフラットトップのビームプロファイルを維持しエネルギーを効率よく抽出するため像転送光学系で像転送され、1台の増幅器のみで熱レンズ効果及び熱複屈折効果を補正し、増幅器を多数回パスさせることにより小型、高効率で高ビーム品質のレーザー光を増幅できることを特徴とする固体レーザー増幅器である。
【実施例】
【００１５】
以下に実際の実験例を掲げて本発明をより具体的に説明する。図５に示した構成で実験を行った。入射レーザー光には単一縦横モードのNd:YAGレーザーを用いた。このレーザー光は、パルス当たりのエネルギーが0.25mJ、レーザー波長1064nm、パルス幅50ns（FWHM）、繰り返し率1kHz、直線偏光で発振するという特徴を持つ。固体レーザー材料には5mm（厚み）×32mm（幅）×246mm（長さ）と大型のNd:YAG結晶を用いた。半導体レーザーには9kWの高ピーク出力を繰り返し率1kHz、パルス幅200μsで動作できる2次元アレイを2つ用いた。増幅器はジグザグスラブ型増幅器であり、Nd:YAG結晶を両側より合計2台の高出力半導体レーザーで側面励起される構成である。位相共役鏡には化学的に安定で取扱が容易な液体媒質であるフロリナートFC-75を用いた。位相共役鏡の高耐力化のためにフロリナートFC-75（フッ素系不活性液体）を0.025μmのセルロース製メンブレンフィルターを通し、不純物を取り除いた。
【００１６】
図６に平均半導体レーザー励起入力に対する増幅器平均出力特性を示す。実施例の増幅器を用いることにより、パルスエネルギー360mJ、繰り返し率1kHzの高エネルギー、高繰り返しレーザー光（平均出力360W）を〜1500倍もの高利得増幅で達成した。また理論限界に近い高いビーム品質の出力レーザー光が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来例のレーザー増幅器の構成図を示す図である。
【図２】本発明で行われる高出力半導体レーザーによる励起構成の概念を示す図である。
【図３】本発明で行われる高耐力位相共役鏡によるレーザー光の波面歪み補正の概念を示す図である。
【図４】本発明で行われる主増幅を示す図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる例としての固体レーザーシステムの全体構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例における平均半導体レーザー励起入力に対する増幅器平均出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
1・・・レーザー光
2・・・フラッシュランプ
3・・・固体レーザー材料
4・・・高出力半導体レーザー
5・・・偏光回転子
6・・・高耐力位相共役鏡
7・・・折り返し鏡
8・・・ポラライザー
9・・・1/2波長板
10・・・ファラデー回転子
11・・・発振器
12・・・光アイソレーター
13・・・レンズ
14・・・ビーム拡大光学系
15・・・アパーチャー
16・・・空間フィルター
17・・・像転送光学系
18・・・回転ウエッジ板
【図１】
2005268506.tif 000003
【図２】
2005268506.tif 000004
【図３】
2005268506.tif 000005
【図４】
2005268506.tif 000006
【図５】
2005268506.tif 000007
【図６】
2005268506.tif 000008