(57)【要約】平板状の固体レーザ媒質２と、固体レーザ媒質２のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して固体レーザ媒質２内を伝搬したレーザ光６を反射する全反射膜３と、全反射膜３を介して固体レーザ媒質２から伝搬してくる熱を排熱するヒートシンク５とを備え、固体レーザ媒質２のレーザ光入射面が、レーザ光６の光軸と固体レーザ媒質２のレーザ光入射面上の法線７とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線７に垂直な長手方向の大きさｂとが、レーザ光６の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有する固体レーザ励起モジュール。
2005011075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを有してなる励起媒質部を備え、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、上記レーザ光の光軸と上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、上記レーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有する固体レーザ励起モジュール。
【請求項２】
レーザ光は、その光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向又は当該面内の方向の偏光成分からなる直線偏光であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項３】
レーザ光の入射角θが、４５°以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項４】
レーザ光の入射角θが、固体レーザ媒質に固有のブリュースター角であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項５】
励起光源が発生する励起光の入射端面とこの入射端面より小さい面積の出射端面とを有し、上記出射端面と固体レーザ媒質の励起光導入面とが接合されて、上記励起光導入面を介して上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に導入するスラブ導波路部を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項６】
固体レーザ媒質より軟性を有し、接合すべき部材の接合面に存在する凹凸を被覆して接着する接着剤で反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項７】
固体レーザ媒質の屈折率よりも小さな屈折率を有する光学接着剤で反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項８】
励起媒質部の固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、レーザ光の光軸と上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、上記レーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有する領域を、上記長手方向に沿って少なくともｍ個（ｍは、正の整数）有し、
反射面部で反射されたレーザ光を逐次反射して、入射角θで上記固体レーザ媒質にｍ回入射させる反射鏡部を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項９】
反射面部から反射鏡部に至るまでのレーザ光経路にレーザ光の偏光を９０°回転させる偏光回転部を備えたことを特徴とする請求の範囲第８項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１０】
反射鏡部は、反射面部から反射されたレーザ光の偏光を９０°回転させることを特徴とする請求の範囲第８項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１１】
励起媒質部は、反射鏡部からのレーザ光を入射させる部位ごとに固体レーザ媒質を配置し、励起光を上記各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して上記固体レーザ媒質間を接合してなることを特徴とする請求の範囲第８項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１２】
スラブ導波路部は、固体レーザ媒質のレーザ光入射面及び反射面部との接合面を除く全ての面を被覆すると共に、励起光の入射端面から離れた位置に配置された固体レーザ媒質に導入する励起光が集光されるように、上記入射端面から離れるにつれて断面積が小さくなる形状に構成したことを特徴とする請求の範囲第１１項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１３】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを有する励起媒質部を複数備え、
上記各固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、上記レーザ光の光軸と上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、上記レーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ・ｃｏｓθの関係をそれぞれ有し、
上記各励起媒質部は、
上記固体レーザ媒質により増幅されて上記反射面部で反射されたレーザ光を出力光とし、
前段に配置された励起媒質部の出力光がその後段に配置された励起媒質部に入射するレーザ光となるように配置されて、上記レーザ光を逐次増幅する固体レーザ励起モジュール。
【請求項１４】
前段の励起媒質部から後段の励起媒質部までのレーザ光経路にレーザ光の偏光を９０°回転させる偏光回転部を備えたことを特徴とする請求の範囲第１３項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１５】
後段の励起媒質部を、前段の励起媒質部に入射するレーザ光の光軸とその固体レーザ媒質におけるレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向が、自己に入射するレーザ光の光軸と自己の固体レーザ媒質におけるレーザ光入射面上の法線とから定義される面内に含まれる方向となるように配置することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の固体レーザ励起モジュール。
【請求項１６】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを有しており、
複数の上記レーザ光をそれぞれ入射させる部位ごとに上記固体レーザ媒質を配置し、励起光を上記各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して上記固体レーザ媒質間を接合してなる励起媒質部と、
上記励起媒質部の固体レーザ媒質ごとに上記レーザ光の入射及び上記反射面部からの反射光の再入射を繰り返してレーザ発振させる光学系部とを備えたレーザ発振器。
【請求項１７】
固体レーザ媒質ごとに発振させるレーザ光について各々の位相同期をとることを特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザ発振器。
【請求項１８】
スラブ導波路部は、固体レーザ媒質のレーザ光入射面及び反射面部との接合面を除く全ての面を被覆すると共に、励起光の入射端面から離れた位置に配置された固体レーザ媒質に導入する励起光が集光されるように、上記入射端面から離れるにつれて断面積が小さくなる形状に構成したことを特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザ発振器。
【請求項１９】
固体レーザ媒質より軟性を有し、接合すべき部材の接合面に存在する凹凸を被覆して接着する接着剤で反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザ発振器。
【請求項２０】
固体レーザ媒質の屈折率よりも小さな屈折率を有する光学接着剤で反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、レーザレーダ用レーザ装置や加工用レーザ装置に好適な薄ディスク型の固体レーザ媒質を用いた固体レーザ励起モジュール及びレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】  レーザ装置に用いられるレーザ媒質の形状は、ロッド型、スラブ型及び薄ディスク型に大別される。ロッド型レーザ媒質とは、断面が円形若しくは多角形のロッド形状にレーザ媒質を加工したものである。パワーを増幅すべきレーザ光は、ロッド型レーザ媒質の端面に垂直な光軸に沿って一方の端面から他方の端面に抜けるように通過させて増幅する。
この構成では、レーザ媒質中を伝搬するレーザ光の通過距離が長くなるため、大きな利得を得やすいという特徴がある。また、レーザ媒質が光軸に対して対称な形状を有するため、対称な強度分布を持つレーザ光を得やすいという利点もある。
ここで、励起されたロッド型レーザ媒質で発生する熱は、その外周面を排熱面として排熱される。このため、ロッド型レーザ媒質では、光軸方向に垂直な断面内に温度分布が発生する。これは、励起状態で変化する熱レンズ効果、波面収差や熱複屈折効果などの不具合を与える要因となる。
具体的に説明すると、熱レンズ効果は、レーザ媒質内の温度勾配によりレーザ共振器内でのレーザ光のビームサイズや拡がり角などのビームモードを変化させてしまう。また、波面収差は、レーザ光が共振器内を周回する際に損失が発生して発振効率を低下させると共に、レーザ光のビーム品質を低下させる。さらに、熱複屈折効果は、特に直線偏光のレーザ発振を得る場合に、レーザ光の偏光度を劣化させる。このため、共振器内の損失が増加して発振効率が低下すると共に、レーザ光のビーム品質が低下してしまう。
次に、スラブ型レーザ媒質は、台形状にレーザ媒質を加工したものである。励起されたスラブ型レーザ媒質で発生する熱は、スラブ型レーザ媒質の台形を構成する面のうち、平行な対向する面を排熱面として排熱が行われる。また、スラブ型レーザ媒質内に入射したレーザ光は、上記排熱面にて複数回反射して伝搬してゆき増幅される。
この構成では、レーザ媒質中を伝搬するレーザ光の通過距離が長いため、大きな利得を得やすいという特徴がある。また、入射したレーザ光は、排熱面で複数回反射して出力される。このため、排熱方向に発生する熱レンズ効果が打ち消されて励起状態によるビームモードの変化が小さいという利点がある。
さらに、排熱方向が一方向であるため、理想的にはレーザ媒質内の温度分布が一方向に発生する。従って、当該レーザ媒質内での熱複屈折は、排熱方向とこれに垂直な方向とに軸を持つこととなる。これにより、レーザ媒質に対して熱複屈折の軸方向の直線偏光を伝搬させることで、熱複屈折による偏光状態の変化を小さくすることができるという利点がある。
しかしながら、スラブ型レーザ媒質では、上述したようにレーザ光を排熱面で複数回反射させるため、排熱面に対して高い精度の平面度が要求される。また、実際には、排熱面以外の側面からも熱が逃げるため、励起により発生した熱によるレーザ媒質内の温度分布は、一方向でなく、熱レンズ効果が完全に打ち消される訳ではない。
従って、スラブ型レーザ媒質においても、依然として熱レンズ効果による励起状態の変化に起因したビームモードの変化が発生することとなる。さらに、レーザ媒質内で熱複屈折によりレーザ光の偏光度が劣化するために、その損失が増加してレーザ装置の発振効率が低下するという問題もある。
続いて、薄ディスク型レーザ媒質は、レーザ媒質を薄いディスク状に加工したものである。この薄ディスク型レーザ媒質では、上記ディスク形状を構成する面のうち、最も面積の大きい面の一方からレーザ光を入射し、この入射面に対向する面で反射させてディスクの厚さ方向に伝搬させながら増幅する。
励起された薄ディスク型レーザ媒質で発生した熱は、上記入射面に対向する面を排熱面として排熱する。この構成では、大きな排熱面が得られるため他の２つの形状に比べて排熱が容易である。また、排熱方向が光軸と平行になるため、熱レンズ効果や熱複屈折効果もほとんど発生しない。このように薄ディスク型レーザ媒質には、他の形状のレーザ媒質では得られない特有の利点がある。
一方、この形状のレーザ媒質の短所としては、レーザ光が通過するレーザ媒質内での距離がディスクの厚さ方向であるため、薄型であればあるほど利得が小さいという問題がある。また、薄ディスク型レーザ媒質において、同じ厚さ、同じ励起光パワーで大きな利得を得るためには、ディスク径を小さくして励起光を集光させ、励起光の密度を高くすることが要求される。
しかしながら、ディスク径を小さくすると排熱面も小さくなるので排熱の効率が悪くなる。従って、このようにディスク径の小さいレーザ媒質に励起光を集中させると、発熱の密度が大きくなる。
これにより、励起時にレーザ媒質の温度が過度に上昇すると、レーザ媒質自体が熱破壊してしまう可能性がある。さらに、一般に、レーザ媒質は温度が上昇すると発生する利得も小さくなるため、増幅の効率も低下するという問題があった。
また、薄ディスク型レーザ媒質では、レーザ光の伝搬方向である光軸に沿って励起光を入射する端面励起を採用すると、励起光の伝搬距離がディスクの厚さ方向で規定されてしまう。これにより、励起光の吸収効率を稼ぐことができず、レーザ装置の発振効率が低くなるという不具合が発生する。
上記端面励起を採用せずに、光軸に平行な側面から励起光を入射する側面励起によれば、励起光がディスクの径方向を伝搬することとなり、比較的長い吸収長が得られる。しかしながら、側面励起においても、下記のような不具合が発生する。
一般的に、薄ディスク型レーザ媒質を使用してレーザ共振器内で高いビーム品質を実現する場合、共振器の基本モードビーム径に合わせたディスク径にする必要がある。ここで、レーザ共振器で安定して高いビーム品質を実現するには、損失が発生しないよう基本モードのビーム径は小さいことが望ましい。
このため、薄ディスク型レーザ媒質のディスク径をなるべく小さくしなければならない。ディスク径を小さくすると、不可避的に励起光の入射面が小さくなり、側面励起での励起光の入射は困難である。これにより、励起光の入射時における損失による影響の方が大きくなって、かえってレーザ装置の発振効率を低下させてしまう。
例えば、高出力なアレー状の半導体レーザ（ＬＤ）を用いた場合、ＬＤの広い発光面から出力される励起光を薄くて小さな薄ディスク型レーザ媒質のディスク側面より励起光を入射することは非常に困難である。
このような薄ディスク型レーザ媒質における不具合を解決するものとして、例えば特開平１１−２８４２５７号公報（以下、特許文献１と称する）に開示されるテーパ状の導光板を用いた半導体レーザ励起固体レーザ装置がある。この装置は、特許文献１の図１に記載されるように、ＬＤから出力された励起光を伝送するテーパ状のＬＤ光伝送板と厚みがＬＤ伝送板とほぼ同じで円形又は正多角形のディスク形状を有する固体レーザ媒質とを用いることを特徴としている。
アレー型のＬＤからの励起光は、ＬＤ光伝送板におけるＬＤのアレー方向の幅に対応するテーパの広い側に入射端面より入射する。この励起光は、ＬＤ光伝送板の厚み方向では全反射を繰り返し、水平方向にはテーパ状の側面で反射しながら固体レーザ媒質のＴＥＭ００モード発振領域の幅に近い幅をもつ出射端面の幅まで収束するように伝搬する。ＬＤ光伝送板の出射端面は、薄ディスク型レーザ媒質の側面に接しており、ＬＤ光伝送板中を伝搬した励起光は、固体レーザ媒質を励起する。
このように構成することにより、ＬＤから出射した励起光の垂直方向成分を全反射により固体レーザ媒質中に効率よく伝搬させることができる。また、上記構成では、水平方向にある程度ＴＥＭ００モード発振領域に近い幅まで均一に励起光が収束されるため、固体レーザ媒質を高い励起密度で均一に励起させることが可能である。
しかしながら、上記特許文献１による装置では、薄ディスク型レーザ媒質が有する上記不具合の全てを解決するものではない。
上記装置では、ＬＤ光伝送板を用いて励起光を薄ディスク型の固体レーザ媒質に集束させている。この構成において、安定してレーザ共振させるためにディスク径を小さくした薄ディスク型レーザ媒質を用いると、上述したように励起光による発熱密度が大きくなることは避けられない。また、入射面が小さくなると排熱面も小さくなることから、励起時におけるレーザ媒質温度の上昇を抑制することができない。このため、レーザ媒質が熱破壊する可能性があるという課題があった。
また、上述したようなレーザ媒質の温度上昇は、レーザ媒質自身の励起光吸収効率を低下させると共に、特に三準位レーザ媒質ではレーザ発振の下準位イオンの増加による利得の低下が発生するため、ひいてはレーザ装置全体の発振効率が低下してしまうという課題もある。
さらに、特許文献１では、薄ディスク型レーザ媒質の入射面に垂直にレーザ光を入射する。従って、レーザ光のレーザ媒質内の通過距離はディスクの厚さ方向で規定されることから、当該レーザ媒質において大きな利得を期待することはできない。
さらに、安定してレーザ共振させるためにディスク径を小さくした場合、側面励起によっても絶対的な励起光のレーザ媒質内の通過距離を稼ぐことができなくなる。従って、従来の薄ディスク型レーザ媒質では、励起光の吸収効率が低くなるため、レーザ装置の効率が低くなるという不具合があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、薄ディスク型レーザ媒質の励起時における温度上昇を抑制し、高い利得を得ることができる固体レーザ励起モジュール及びレーザ発振器を得ることを目的とする。
【発明の開示】
この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを備え、固体レーザ媒質のレーザ光入射面が、レーザ光の光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、レーザ光の光軸と上記法線とがなす角であるレーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有するものである。
この構成を有することで、固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対して垂直にレーザ光を導入する場合と比較して媒質中のレーザ光通過距離を長くすることができ、レーザ光を効率よく増幅することができるという効果がある。
また、この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、励起媒質部の固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、レーザ光の光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、レーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有する領域を、上記長手方向に沿って少なくともｍ個（ｍは、正の整数）有し、反射面部で反射されたレーザ光を逐次反射して、入射角θで固体レーザ媒質にｍ回入射させる反射鏡部を備えるものである。
この構成を有することで、上記固体レーザ励起モジュールよりさらに高効率にレーザ光を増幅することができるという効果がある。
さらに、この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、反射鏡部からのレーザ光が照射される領域ごとに固体レーザ媒質を配置し、励起光を各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して固体レーザ媒質間を接合して励起媒質部を構成するものである。
このように構成することで、励起時における固体レーザ媒質の温度上昇を分散させることができ、過度の温度上昇による不具合の発生を抑制することができるという効果がある。
さらに、この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、反射面部を介して固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを有する励起媒質部を複数備え、各固体レーザ媒質のレーザ光入射面が、レーザ光の光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさｂとが、レーザ光の入射角θに対して、ｂ＝ａ・ｃｏｓθの関係をそれぞれ有し、各励起媒質部が、固体レーザ媒質により増幅されて反射面部で反射されたレーザ光を出力光とし、前段に配置された励起媒質部の出力光がその後段に配置された励起媒質部に入射するレーザ光となるように配置されて、レーザ光を逐次増幅するものである。
この構成を有することで、平板状の固体レーザ媒質の励起時における温度上昇が抑制されると共に、上記固体レーザ励起モジュールよりさらに高い利得を増幅すべきレーザ光に与えることができるという効果がある。
この発明に係るレーザ発振器は、励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、反射面部を介して固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱する冷却部とを有し、レーザ光が照射される領域ごとに固体レーザ媒質を配置し、励起光を各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して固体レーザ媒質間を接合してなる励起媒質部と、励起媒質部の固体レーザ媒質ごとに上記レーザ光の入射及び反射面部からの反射光の再入射を繰り返してレーザ発振させる光学系部とを備えるものである。
この構成を有することで、平板状の固体レーザ媒質の励起時における温度上昇が抑制されると共に、増幅すべきレーザ光に高い利得を与えることができることから、高効率で高出力のレーザ装置を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】  第１図Ａはこの発明の実施の形態１による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図であり、第１図Ｂは第１図Ａ中の固体レーザ励起モジュールをｘ軸方向から見た図である。
第２図Ａは励起用ＬＤが固体レーザ媒質に励起光を直接入射する構成を示すｘｙ平面図、第２図Ｂは側面をテーパ状に加工したスラブ導波路を介して励起光を固体レーザ媒質に入射する構成を示すｘｙ平面図である。
第３図Ａは第１図に示した固体レーザ励起モジュールについてのｘｚ平面での断面を示す図、第３図Ｂは第１図に示した固体レーザ励起モジュールについてのｙｚ平面での断面を示す図である。
第４図はこの発明の実施の形態２による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図である。
第５図Ａはこの発明の実施の形態３による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図であり、第５図Ｂは第５図Ａ中の固体レーザ励起モジュールをｘ軸方向から見た図である。
第６図はこの発明の実施の形態４による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図である。
第７図Ａはこの発明の実施の形態５による薄ディスク型の固体レーザ媒質の構成を示す図であり、第７図Ｂはこの発明の実施の形態５による固体レーザ励起モジュールの構成を示すｘｚ面での断面図である。
第８図Ａから第８図Ｈまでは励起媒質部の構成を示す平面図である。
第９図はこの発明の実施の形態６による固体レーザ励起モジュールを用いたレーザ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従ってこれを説明する。
実施の形態１．
第１図Ａはこの発明の実施の形態１による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図であり、第１図Ｂは第１図Ａ中の固体レーザ励起モジュールをｘ軸方向から見た図である。第１図に示す固体レーザ励起モジュールは、ヒートシンク５上に全反射膜３を接合剤４を介して接合し、全反射膜３上に薄ディスク形状の固体レーザ媒質２を設け、その上に反射防止膜１を配置して構成される。
反射防止膜１は、固体レーザ媒質２に対して入射角θで入射するレーザ光６のほぼ全てを透過する。反射防止膜１としては、例えば誘電体薄膜を積層して構成する。固体レーザ媒質２としては、一般的な固体レーザ媒質を使用することができる。
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどを用いる。
また、第１図Ａでは、レーザ光６の光軸と固体レーザ媒質２の入射面の法線７とを含む面に垂直な方向にｘ軸、法線７方向にｚ軸、ｘｚ平面の法線方向にｙ軸をとる直交座標系を考えている。この直交座標系の定義は、以降の図面においても同様である。
ここで、レーザ光６が入射する固体レーザ媒質２の上記入射面は、ｘ軸方向にａ、ｙ軸方向にｂの大きさを持つ矩形で表されており、これらは下記式（１）の関係を有するものとする。
ｂ＝ａ／ｃｏｓθ      ・・・（１）
つまり、レーザ光６は、そのビーム断面積（光軸に垂直な断面の面積）より固体レーザ媒質２の入射面上の照射面積が大きくなるような入射角θで入射される。
このようにすることで、レーザ光６を固体レーザ媒質２の入射面に対して垂直に入射する場合と比較して媒質２内での通過距離を長くすることができ、増幅の効率を向上させることができる。
第１図Ｂに示すように、全反射膜３は、固体レーザ媒質２に入射角θで入射し、その内部での屈折により入射角θａとなって入射してきたレーザ光６のほぼ全てを反射する。また、全反射膜３は、誘電体薄膜を積層する、若しくは、金属膜の蒸着等を用いることで作成することができる。接合剤４は、金属半田や接着剤により実現可能である。
なお、レーザ光６が全反射膜３に入射する入射角度θａは、固体レーザ媒質２の屈折の影響によって下記式で表される。
θａ＝ｓｉｎ−１（ｎ０・ｓｉｎθ／ｎ）        ・・・（２）
ここで、ｎは固体レーザ媒質２の屈折率、ｎ０は固体レーザ媒質２に入射する前にレーザ光６が伝搬した媒質の屈折率である。
次に動作について説明する。
固体レーザ媒質２の側面より入射された励起光８は、固体レーザ媒質２の内部で反射しながら伝搬する。これにより、励起光８は、固体レーザ媒質２に吸収されて利得を発生させる。
パワーを増幅すべき対象であるレーザ光６は、固体レーザ媒質２に対して入射角θで入射し反射防止膜１を透過して全反射膜３に到達するまで固体レーザ媒質２により増幅される。全反射膜３に到達するまで固体レーザ媒質２により増幅されたレーザ光６は、全反射膜３で反射して、再度固体レーザ媒質２中を通過する際に増幅される。このあと、当該レーザ光６は、反射防止膜１を透過して外部に出力する。
また、固体レーザ媒質２の励起時に発生した熱は、全反射膜３から接合剤４を伝導してヒートシンク５へ排熱される。ヒートシンク５では、例えば冷却水や空冷ファンなどで冷却することにより、固体レーザ媒質２の温度が上昇することを抑制する。
ここで、固体レーザ媒質２は、第１図Ｂに示すように−ｚ方向に排熱されるので、ｚ軸方向とｘｙ平面内でレーザ光６の光軸に垂直な方向を複屈折軸とする熱複屈折が発生する。この熱複屈折は、入射角θで入射するレーザ光６に対して、光軸とｚ軸を含む面内で上記光軸に垂直な方向と、ｘｙ平面内の上記光軸に垂直な方向を軸とする複屈折効果を与える。
複屈折効果は、上記２つの軸方向の電界成分に対して異なる屈折率を発生させて異なる位相変化を与える。このため、上記２つの軸方向に電界成分を有するレーザ光６が入射すると、固体レーザ媒質２を通過して増幅されて出射したレーザ光６の偏光状態は、上記複屈折効果により変化してしまう。
また、上述したような複屈折効果が生じる固体レーザ励起モジュールをレーザ発振器として用いた場合、パワーの増幅対象であるレーザ光６についてその偏光方向を複屈折軸と無関係に設定すると、上記２つの軸方向で異なった共振モードで発振してしまう。このため、レーザ光６について高いビーム品質を得ることが困難となってしまう。
そこで、本発明では、上記複屈折効果によりレーザ光６の偏光状態を変化させないため、レーザ光６として複屈折軸方向の偏光を有した直線偏光、即ちレーザ光６の光軸と法線７とを含む面に垂直な方向（ｘ軸方向）の直線偏光（Ｓ偏光）、又は、レーザ光６の光軸と法線７とを含む面内にあり光軸に垂直な方向の直線偏光（Ｐ偏光）を入射する。
第１図では、レーザ光６の偏光方向としてＳ偏光である場合を示している。なお、第１図Ｂ中のレーザ光６の光軸上に記載した黒丸記号は、レーザ光６の偏光方向を示すものであり、紙面に垂直方向、即ちＳ偏光を示している。
このように、本発明による薄ディスク型のレーザ媒質２を用いた固体レーザ励起モジュールでは、増幅後のレーザ光６について複屈折効果による偏光状態の変化が発生することがなく、レーザ発振器として支障なく使用することができる。
また、図示は省略したが、レーザ光６を反射させる全反射鏡と、レーザ光６の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、固体レーザ媒質２側に入射する前のレーザ光６の光軸上に全反射鏡又は部分反射鏡を配置し、固体レーザ媒質２を通過して本発明の固体レーザ励起モジュールから出力されたレーザ光６の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を設置する。
このようにすることで、レーザ光６が上記全反射鏡、本発明の固体レーザ励起モジュール及び上記部分反射鏡からなる経路でレーザ発振するレーザ共振器を構成することができる。これにより、上記部分反射鏡から外部へ上記レーザ共振器にて増幅されたレーザ光６を出力するレーザ装置として使用することが可能である。
このとき、反射防止膜１又は全反射膜３についてＳ偏光とＰ偏光に対して異なる特性を与えることにより、上記レーザ共振器内で発生するレーザ光６の偏光方向をＳ偏光又はＰ偏光のいずれかのみに制限することができる。従って、上記レーザ共振器へ入射させるレーザ光６の偏光方向を予め規定しておかずとも、直線偏光のレーザ光６を出力光として得ることができる。
また、上記レーザ共振器内に、偏光子などのレーザ光６の偏光方向を複屈折軸に一致する方向に制限する光学部品を配置すれば、反射防止膜１や全反射膜３の特性を上述のように規定せずとも、直線偏光のレーザ光６を出力光として得ることが可能である。
次に、第１図に示した固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質２に対して励起光８を入射する方法の一例について第２図Ａ，Ｂを用いて説明する。なお、これらの図では、固体レーザ媒質２と他の構成との関係がわかるよう、反射防止膜１についての記載を省略している。
第２図Ａは、励起用ＬＤ９が固体レーザ媒質２に励起光８を直接入射する構成を示すｘｙ平面図である。この構成は、固体レーザ媒質２における励起光８の入射面の幅が、励起用ＬＤ９のｙ軸方向の幅と同じか、若干大きい場合に有効である。ここで、励起用ＬＤ９は、発光部１０から第１図で示した励起光８を出力する。
発光部１０は、ｘ軸方向の幅が数μｍ、ｙ軸方向の長さが数ｍｍの大きさを有している。固体レーザ媒質２における励起光８の入射面の幅が、発光部１０のｙ軸方向の長さに比べて同じか、大きい場合、第２図Ａに示すように、励起用ＬＤ９を固体レーザ媒質２に近づけて配置する。これにより、励起用ＬＤ９からのほぼ全ての励起光８を固体レーザ媒質２に入射することができる。
また、第２図Ｂは、側面をテーパ状に加工したスラブ導波路１１を介して励起光８を固体レーザ媒質２に入射する構成を示すｘｙ平面図である。この第２図Ｂに示す構成では、固体レーザ媒質２における励起光８入射面の幅が、発光部１０のｙ軸方向の長さに比べて小さい場合に有効である。
スラブ導波路１１は、固体レーザ媒質２とほぼ同じ厚さであり、励起用ＬＤ９からの励起光８をｙ軸方向について集光しながら固体レーザ媒質２に入射させる。
つまり、テーパ形状に加工されたスラブ導波路１１では、励起用ＬＤ９からの励起光８の入射端面から固体レーザ媒質２へ励起光８を出射する端面に至るまでの断面積（上記入射端面に平行な断面の面積）が徐々に小さくなるため、励起光８が集束しながら固体レーザ媒質２に入射することとなる。
これにより、励起光８を固体レーザ媒質２に入射させる際、高い入射効率を実現するものである。
ここで、固体レーザ媒質２とスラブ導波路１１は、オプティカルコンタクトなどにより光学的に接合される。オプティカルコンタクトとは、固体レーザ媒質２とスラブ導波路１１の接合面を高精度に研磨してから接合するものである。
この他、オプティカルコンタクトしたものに圧力をかけながら加熱して接合強度を強めた拡散接合により光学的に接合する方法もある。また、固体レーザ媒質２及びスラブ導波路１１の結晶をそれぞれ粉状に加工し、焼結により固めるセラミックを用いた一体構造等により形成してもよい。
次に、光軸に垂直な断面形状を円形（直径ｃ）と仮定したレーザ光６が、固体レーザ媒質２に入射角θで入射した場合における固体レーザ媒質２とレーザ光６との大きさの関係について、第３図Ａ，Ｂを用いて説明する。なお、これらの図では、固体レーザ媒質２とレーザ光６との関係がわかるよう、反射防止膜１やその他の構成についての記載を省略している。
第３図Ａは、第１図に示した固体レーザ励起モジュールについてのｘｚ平面での断面を示す図である。第３図Ｂは、第１図に示した固体レーザ励起モジュールについてのｙｚ平面での断面を示す図である。第３図Ａ，Ｂに示すように、光軸に垂直な断面形状が直径ｃの円形であるレーザ光６は、固体レーザ媒質２の表面においてｘ軸方向に短径ｃ、ｙ軸方向に長径ｃ／ｃｏｓθを有する楕円形状で入射する。
固体レーザ媒質２に蓄えられたパワーを効率よく取り出すには、レーザ光６のビーム径と固体レーザ媒質２の大きさとの比が一定であることが望ましい。ここで、レーザ光６の直径ｃと固体レーザ媒質２のｘ軸方向の大きさａとの比をａ／ｃ＝ｒとすると、固体レーザ媒質２の表面でのレーザ光６と固体レーザ媒質２との大きさの関係は、ｘ軸方向の比がａ／ｃ＝ｒとなり、ｙ軸方向の比が（ａ／ｃｏｓθ）／（ｃ／ｃｏｓθ）＝ａ／ｃ＝ｒとなる。
従って、上記式（１）を満たすように固体レーザ媒質２を構成すれば、ｘ軸方向及びｙ軸方向に同じ比率を保つことが可能であり、固体レーザ媒質２に蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可能である。
また、ａの大きさの開口により回折限界のＴＥＭ００光を選択的に増幅するためには、ａ／ｃが１〜１．７となるようにａを設定すればよいことが知られており、高次のモードを含むマルチモードのレーザ光６を増幅するためには、ａ／ｃが約１であることが望ましい。
薄ディスク型レーザ媒質では、単位面積あたりに蓄えることが可能なパワー、即ち単位面積あたりの励起光入射パワーが、固体レーザ媒質の温度上昇による熱破壊限界に制限される。従って、大きな出力を得るためには、固体レーザ媒質２の面積を大きくする必要がある。
しかしながら、レーザ共振器内のレーザ光６のビーム径は、レーザ共振器の安定条件で与えられる。特に、回折限界のビーム品質を実現しようとした場合、ビーム径を大きくすると、長い共振器長が要求される。このため、レーザ共振器が大型化すると共に、不安定になりやすい。
そこで、本発明では、レーザ光６のビーム径を一定に保ちながら、入射角度θを大きくすることにより、固体レーザ媒質２の面積を増加させ、固体レーザ媒質２全体に蓄積されるパワーを増加させることが可能である。これにより、高出力な回折限界のビーム品質を実現した安定したレーザ共振器を構成することができる。
固体レーザ媒質２において、単位面積あたりの励起光入射パワーを一定とすると、蓄積パワーは、１／ｃｏｓθに比例し、例えば入射角θが４５°で約１．４倍、θが６０°で約２倍、θ＝７５°で約３．８倍のパワーを蓄積することが可能となる。入射角θが０°近辺の場合、蓄積パワー増加の効果は小さく、入射角は４５°以上が望ましい。
また、固体レーザ媒質２によってレーザ光６に与えられる利得は、レーザ光６が固体レーザ媒質２内を通過する長さに比例する。しかしながら、薄ディスク型の固体レーザ媒質では、厚さが薄いために十分な利得を得ることが困難であった。
これに対して、本発明では、入射角度θを大きくすることにより、レーザ光６が固体レーザ媒質２内を通過する長さを長くすることができ、レーザ光６に与える利得を大きくすることができる。
例えば、固体レーザ媒質２のホスト材料としてＹＬＦ（ＬｉＹＦ４、屈折率１．４５）を用いた場合、レーザ光６がレーザ媒質２内を通過する長さは、１／ｃｏｓθａに比例し、入射角θが０°の時に比べて入射角θが４５°で約１．１５倍、θが６０°で約１．２５倍、θ＝７５°で約１．３４倍となる。この効果は、ホスト材料の屈折率が小さいほど大きくなる。
また、入射角θを固体レーザ媒質２についてのブリュースター角度（θ＝ｔａｎ−１（ｎ／ｎ０））とし、レーザ光６をその光軸と法線７を含む面内での直線偏光（Ｐ偏光）とすれば、固体レーザ媒質２表面でレーザ光６の反射が発生しない。従って、反射防止膜１を省略することができる。これにより、固体レーザ媒質２に入射する際の反射防止膜１の損失を抑制することができる。また、反射防止膜１が不要になるので廉価にレーザ装置を構成することもできる。
全反射膜３として誘電体多層膜を用いた場合、レーザ光６の偏光をその光軸と法線７を含む面に垂直な直線偏光（Ｓ偏光）とすれば、Ｐ偏光の場合に比べて全反射膜３の膜厚を薄くすることができる。全反射膜３の熱抵抗は、その厚さにほぼ比例するので、上述のように構成すれば、全反射膜３の熱抵抗を小さくすることができ、固体レーザ媒質２の温度上昇を抑制することもできる。
固体レーザ媒質では、一般的に温度が高くなるほど効率が低下する。そこで、本発明では、固体レーザ媒質２全体の蓄積パワーを一定とした場合、入射角θを大きくして固体レーザ媒質２の面積を大きくする。
これにより、固体レーザ媒質２の単位面積あたりの発熱量が減少するため、その温度上昇が抑制されて高効率なレーザ装置を得ることが可能となる。
接着剤、特に有機系の接着剤は、一般的に最大使用温度が低く、発熱密度が大きくなる高出力の固体レーザ媒質２の固定に用いることが困難であった。
本発明では、入射角θを大きくして固体レーザ媒質２の面積を大きくし、単位面積あたりの発熱量を減少させることができる。
また、上述したような有機系の接着剤には、接合すべき部材の接合面に存在する微小な凹凸を被覆して接着することができるものがある。
このような接着剤を接合剤４として用いることで、ヒートシンク５の表面精度が悪い場合であっても、ヒートシンク５に対して反射防止膜１、固体レーザ媒質２及び全反射膜３までの構成を固定することが容易になる。
また、固体レーザ媒質２に比べて柔らかい、即ち軟性を有する接着剤を接合剤４として使用することで、固体レーザ媒質２への応力を緩和する緩衝材としての効果も期待することができる。
この他、接合剤４として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いると、接合剤４が励起光８を吸収してしまう。このため、接合剤４にレーザ光６や励起光８が漏れると、接合剤４の温度上昇やこれに伴う接合強度の低下が発生したり、接合剤４からの脱ガスによる光学部品の汚れや損傷などを引き起こす可能性があるという問題があった。
従って、接合剤４として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いる場合、レーザ光６及び励起光８を同時に全反射するような全反射膜３が要求される。通常、励起光源としては、高出力の半導体レーザ（ＬＤ）が用いられる。
この半導体レーザ（ＬＤ）から出力される励起光は、一般的に拡がり角が大きく、様々な角度で全反射膜３に入射する。このため、高い反射率を実現するには、不可避的に膜構成が複雑になると共に、その厚さを厚くしなければならない。ここで、全反射膜３の熱抵抗は、その厚さにほぼ比例するので、厚さが厚くなった場合、レーザ媒質２の温度が上昇してしまう。
そこで、本発明では、接合剤４として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いることなく、励起光８が固体レーザ媒質２内で全反射条件を満たす屈折率を有し、且つ励起光８の吸収が少ない光学接着剤を用いるようにしてもよい。
固体レーザ媒質２のホスト材料としてＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、屈折率１．８２）を用い、屈折率１．６の光学接着剤を接合剤４として用いれば、固体レーザ媒質２の外部で全角１２０°まで拡がった励起光８を全反射により閉じこめることが可能である。
この場合、固体レーザ媒質２内部の全反射により励起光８が閉じこめられるので、励起光８の損失が少なく、効率の高い励起モジュールを実現可能である。
また、接合剤４として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いる場合のように、励起光８が金属半田や熱伝導性の接着剤などに吸収されることがなく、全反射膜３に励起光８を全反射する機能が要求されない。このため、膜設計が容易になり、薄い膜厚を実現することができる。
光学接着剤は、熱伝導性接着剤に比べて熱抵抗が大きい。一方、光学接着剤には、熱伝導接着剤で熱抵抗を小さくするためのフィラー（金属の小さな繊維）などが入っていない。
このため、光学接着剤を接合剤４として用いることで、接合剤４の層厚を薄くすることができ、この接合剤４と全反射膜３とを合わせた熱抵抗を小さくすることが可能である。
また、第１図Ａに示すように、本実施の形態では、励起光８を固体レーザ媒質２のｘｙ面に平行な側面から入射する。このように構成することで、励起光８の吸収長をｘ軸方向の大きさａ、固体レーザ媒質２の全蓄積パワーをｙ軸方向の大きさｂでそれぞれ調整することができる。
これにより、固体レーザ媒質２について、その励起光８の吸収量と必要な蓄積パワーを独立して設計することが可能である。また、固体レーザ媒質２のディスクを構成する面のうち幅の広い面を使用するため、励起光８の入射が容易である。
また、第１図では、固体レーザ媒質２のｘｙ面に平行な側面から励起光８を入射する例を示したが、ｘｚ面に平行な面から励起光８を入射するようにしてもよい。この場合、固体レーザ媒質２のｙ軸方向に長い吸収長が得られるので、吸収が小さなレーザ媒質材料を用いても高い吸収効率が得られる。
固体レーザ媒質２は、そのｘ軸方向についてのレーザ光入射面の大きさとレーザ光６のレーザ光入射面上での照射領域の大きさとの比を一定にした状態で励起光８の吸収長を変えることができるので、吸収量とレーザ光６のビーム径を独立して設計することが可能である。
なお、上記実施の形態１では、固体レーザ媒質２を上記式（１）を満たす大きさとする例を示したが、ｂ＞ａであれば、ほぼ同様の効果が得られることは明かである。
特に、入射するレーザ光６の断面形状が円形でなく、楕円形や長方形である場合、固体レーザ媒質２の表面におけるレーザ光６の照射領域の大きさと固体レーザ媒質２のレーザ光入射面の大きさとの比を、ｘ軸方向及びｙ軸方向に同じ値を持つように設定すれば、固体レーザ媒質２に蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可能である。
また、第１図において、固体レーザ媒質２の表面形状は、ｘ軸方向にａ、ｙ軸方向にｂの大きさを持つ長方形である場合を示したが、本発明ではこれに限定されるものではない。例えば、固体レーザ媒質２としてｘ軸方向に短径ａ及びｙ軸方向に長径ｂの大きさを持つ楕円形としてもよい。
このように構成すれば、固体レーザ媒質２の表面におけるレーザ光６の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の大きさとの比は、ｘ軸方向及びｙ軸方向だけでなく、ｘｙ面内のあらゆる方向について同じ値を保つことができる。
これにより、レーザ光６の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の大きさがほぼ等しくなり、固体レーザ媒質２に蓄えられたパワーを、さらに効率よく取り出すことが可能である。
実施の形態２．
上記実施の形態１における第１図に示した励起モジュールでは、固体レーザ媒質２で発生する熱複屈折のため、入射させるレーザ光６の偏光方向をＳ偏光又はＰ偏光のいずれかに制限する必要があった。この実施の形態２では、上記制限を解消する構成を提供する。
第４図は、この発明の実施の形態２による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図である。固体レーザ励起モジュール１２ａ，１２ｂは、ヒートシンク５ａ，５ｂ上に全反射膜３ａ，３ｂを接合剤４ａ，４ｂを介して接合し、全反射膜３ａ，３ｂ上に薄ディスク形状の固体レーザ媒質２ａ，２ｂを設け、その上に反射防止膜１ａ，１ｂを配置して構成される。
反射防止膜１ａ、固体レーザ媒質２ａ、全反射膜３ａ、接合剤４ａ及びヒートシンク５ａの機能は、第１図に示した反射防止膜１、固体レーザ媒質２、全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５とそれぞれ同一である。偏光回転素子１３は、レーザ光６の偏光を９０°回転させるものであり、旋光子や１／２波長板などが用いられる。
次に動作について説明する。
第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射角θで入射したレーザ光６は、反射防止膜１ａ、固体レーザ媒質２ａ及び全反射膜３ａに至る経路で増幅され、全反射膜３ａで反射したあと、固体レーザ媒質２ａ及び反射防止膜１ａに至る経路にて再び増幅されて外部に出射される。
第１の固体レーザ励起モジュール１２ａから出射されたレーザ光６は、偏光回転素子１３にて偏光が９０°回転されたあと、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂに入射する。
偏光回転素子１３を介して第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂに入射したレーザ光６は、反射防止膜１ｂ、固体レーザ媒質２ｂ及び全反射膜３ｂに至る経路で増幅され、全反射膜３ｂで反射したあと、固体レーザ媒質２ｂ及び反射防止膜１ｂに至る経路にて再び増幅されて外部に出射される。
ここで、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射したレーザ光６のＳ偏光成分は、偏光回転素子１３により偏光が９０°回転されたあと、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂにＰ偏光として入射する。一方、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射したレーザ光６のＰ偏光成分は、偏光回転素子１３により偏光が９０°回転されたあと、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂにＳ偏光として入射する。
このように、上記構成では、熱複屈折の上記２つの軸方向の偏光成分に与える位相差が補償されるので、入射したレーザ光６の偏光状態が保持されて出力されることとなる。
つまり、第４図に示す固体レーザ励起モジュールでは、任意の偏光状態のレーザ光６を、偏光状態を変えずに増幅することができるので、直線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光６を増幅するレーザ増幅器を構成することができる。
また、図示は省略したが、レーザ光６を反射させる全反射鏡と、レーザ光６の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射する前のレーザ光６の光軸上に全反射鏡又は部分反射鏡を配置し、第１の固体レーザ励起モジュール１２ｂから出力されたレーザ光６の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を設置する。
このようにすることで、レーザ光６が上記全反射鏡、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａ，１２ｂ及び上記部分反射鏡からなる経路でレーザ発振するレーザ共振器を構成することができる。
これにより、部分反射鏡から外部へ上記レーザ共振器にて増幅されたレーザ光６を出力するレーザ装置として使用することが可能である。このとき、熱複屈折により発生する上記２つの軸方向で発生する位相差が補償されるので、任意の偏光状態で高いビーム品質のレーザ出力を得ることができる。
なお、第４図では、２個の固体レーザ励起モジュール１２ａ，１２ｂと偏光回転素子１３を組み合わせて位相変化を補償する構成例を示したが、２個の固体レーザ励起モジュールと偏光回転素子を一組とし、これらを複数個組み合わせてレーザ増幅器又はレーザ発振器を構成してもよい。このように構成すれば、さらに、高出力、高利得なレーザ増幅器又はレーザ発振器を構成することができる。
また、偏光回転素子１３として旋光子や１／２波長板などの透過型光学素子を用いる例を示したが、これに限られるものではない。例えば、プリズムの反射による偏光回転の効果や空間的に像を９０°回転させるプリズムなどを、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射したレーザ光６の偏光が、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂに対して直交するように配置しても同様の効果が得られることは明らかである。
さらに、偏光回転素子１３を使用せず、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射角θで入射したレーザ光６の偏光が、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂに入射角θで入射したレーザ光６の偏光に対して直交するように配置してもよい。
つまり、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに対して第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂを配置するにあたり、レーザ光６の光軸と第１の固体レーザ励起モジュール１２ａの入射面の法線７を含む面に垂直な方向が、レーザ光６の光軸と第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂの入射面の法線７を含む面内に含まれるようにする。
具体的には、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａと第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂとの長手方向が垂直になるように配置する。そして、これらモジュール１２ａ，１２ｂ間のレーザ光６の伝搬経路に反射鏡などの光学系を配置して、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａに入射角θで入射したレーザ光６の偏光に対して、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂに入射角θで入射するレーザ光６の偏光が直交するように偏光方向を調節する。
このように構成すると、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａにＳ偏光として入射したレーザ光が、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂではＰ偏光となり、第１の固体レーザ励起モジュール１２ａにＰ偏光として入射したレーザ光が、第２の固体レーザ励起モジュール１２ｂではＳ偏光となり、偏光回転素子１３を用いた場合と同様の効果が得られる。
実施の形態３．
上記実施の形態１における第１図に示した固体レーザ励起モジュールでは、入射角θを大きくするほど、蓄積パワーを大きく又は発熱密度を低減することが可能である。また、入射角θを大きくするに伴ってレーザ媒質２内を通過する長さを長くすることができる。
しかしながら、入射角として最大であるθ＝９０°とした場合でも、レーザ媒質２内を通過する長さの増加量は、入射角θが０°の場合と比較して固体レーザ媒質２の屈折率１．４５の時で１．３８倍、屈折率１．８２の時で１．２０倍程度である。
従って、上記励起モジュールでは、蓄積パワー増加の効果に比べて利得増加の効果が小さい。さらに、入射角θを大きくすると、反射防止膜１の入射角に対する許容度が小さくなる。
本実施の形態３は、上述したような内容を改善する構成を提供するものである。
第５図Ａは、この発明の実施の形態３による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図であり、第５図Ｂは、第５図Ａ中の固体レーザ励起モジュールをｘ軸方向から見た図である。全反射鏡１４は、固体レーザ媒質２にて増幅されたレーザ光６を反射して再び固体レーザ媒質２へ入射させる。
なお、第１図と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略した。また、これらの図では、固体レーザ媒質２とレーザ光６との関係がわかるよう、固体レーザ励起モジュールについて反射防止膜１やその他の構成の記載を省略している。
レーザ光６は、その光軸と法線７を含む面に垂直な方向（ｘ軸方向）の直線偏光（Ｓ偏光）、又は、その光軸と法線７を含む面内で光軸に垂直な方向の直線偏光（Ｐ偏光）で固体レーザ媒質２に入射される。第５図Ａでは、レーザ光６の偏光方向としてＳ偏光の場合を示している。
次に動作について説明する。
固体レーザ媒質２の側面より入射された励起光８は、その内部を反射しながら伝搬する。これにより、励起光８は、固体レーザ媒質２に吸収されて利得を発生させる。
パワーを増幅すべき対象であるレーザ光６は、固体レーザ媒質２に対して入射角θで入射し反射防止膜１を透過して全反射膜３に到達するまで固体レーザ媒質２により増幅される。全反射膜３に到達するまで固体レーザ媒質２により増幅されたレーザ光６は、全反射膜３で反射して、再度固体レーザ媒質２中を通過する際に増幅される。
このあと、当該レーザ光６は、反射防止膜１を透過して外部に出力する。固体レーザ媒質２にて増幅されたレーザ光６は、全反射鏡１４にて全反射されて固体レーザ媒質２に再度入射する。
上述した増幅過程が複数回繰り返されたされた後、レーザ光６は、出力光として外部に出力される。第５図では、全反射鏡１４によってレーザ光６が固体レーザ媒質２にて３回増幅過程を経たのち出力する例を示している。
このとき、レーザ光６は、Ｓ偏光又はＰ偏光としてレーザ媒質２に入射するので、レーザ媒質２で発生する熱複屈折の影響を受けず、偏光状態を保持して増幅される。
ここで、レーザ光６の光軸と法線７を含む面に垂直な方向をｘ軸、法線７方向をｚ軸、ｘｚ平面の法線方向をｙ軸とし、レーザ光６の固体レーザ媒質２における反射回数をｍとすると、固体レーザ媒質２のｘ軸方向の大きさａ及びｙ軸方向の大きさｂａは、レーザ光６が通過する領域のみを考慮すると下記式（３）の関係を有する。但し、ｍは、正の整数である。
ｂａ＝ｍ・ａ／ｃｏｓθ      ・・・（３）
このように、本実施の形態によるモジュールでは、第１図に示した固体レーザ励起モジュールに比べて、実質的にｙ軸方向にｍ倍の長さを有することとなる。このため、レーザ光６のビーム径を一定に保ちながらｍ倍のパワーを蓄積することが可能である。
さらに、レーザ光６は、固体レーザ媒質２の中をｍ回通過するので、第１図に示した固体レーザ励起モジュールに比べてレーザ光６がレーザ媒質２内を通過する長さはｍ倍となり、大きな利得を得ることが可能である。
本実施の形態による固体レーザ励起モジュールでは、入射角θ及びレーザ光６のビーム径を一定にして、大きな蓄積パワーと大きな利得が得られるため、高出力なレーザ光を高い効率で得ることができる。
また、第５図Ａに示すように、本実施の形態においても、励起光８を固体レーザ媒質２のｘｙ面に平行な側面から入射している。
このように構成することで、励起光８の吸収長をｘ軸方向の大きさａ、固体レーザ媒質２の全蓄積パワーをｙ軸方向の大きさｂａでそれぞれ調整することができ、励起光８の吸収量と必要な蓄積パワーを独立して設計することが可能である。また、固体レーザ媒質２のディスクを構成する面のうち幅の広い面を使用するため、励起光８を入射することが容易である。
第５図では、励起光８を固体レーザ媒質２のｘｙ面に平行な側面から入射しているが、ｘｚ面に平行な面から入射してもよい。このように構成すれば、励起光８について長い吸収長が得られるので、励起光８の吸収が小さな材料で固体レーザ媒質２を作成した場合であっても高い吸収効率が得られる。
また、固体レーザ媒質２についてｘ軸方向の大きさａとレーザ光６のビーム径との比を一定にした状態で吸収長を変えることができるので、励起光８の吸収量とレーザ光６のビーム径とを独立して設計することが可能である。
なお、上記実施の形態３では、固体レーザ媒質２について上記式（３）を満たす大きさとする例を示したが、ｂａ＞ａであれば、ほぼ同様の効果が得られることは明かである。特に、入射するレーザ光６の断面形状が円形でなく、楕円形や長方形である場合が挙げられる。
この場合、固体レーザ媒質２の表面におけるレーザ光６の照射領域の大きさと固体レーザ媒質２の入射面の大きさとの比を、ｘ軸方向及びｙ軸方向に同じ値を持つように設定する。このようにすれば、レーザ光６の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の入射面の大きさがほぼ等しくなり、固体レーザ媒質２に蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可能である。
実施の形態４．
上記実施の形態３では、入射するレーザ光６の偏光状態を固体レーザ媒質２に対してＳ偏光又はＰ偏光に制限する必要があった。この実施の形態４は、上記実施の形態３と同様に全反射鏡４を用いる構成において、任意の偏光状態のレーザ光６を増幅可能としたものである。
第６図は、この発明の実施の形態４による固体レーザ励起モジュールの構成を示す図である。本実施の形態による構成では、上記実施の形態３における固体レーザ媒質２を反射したレーザ光６の経路上に偏光回転素子１３を配置したものである。
なお、第１図及び第４図と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略した。また、これらの図では、固体レーザ媒質２とレーザ光６との関係がわかるよう、固体レーザ励起モジュールについて反射防止膜１やその他の構成の記載を省略している。
次に動作について説明する。
固体レーザ媒質２に入射したレーザ光６は、固体レーザ媒質２中で増幅されて外部に出射される。固体レーザ励起モジュールから出射されたレーザ光６は、偏光回転素子１３にて偏光が９０°回転されたあと、全反射鏡１４にて反射して、固体レーザ媒質２に再度入射し増幅される。
ここで、固体レーザ媒質２に入射したレーザ光６のＳ偏光成分は、偏光回転素子１３により偏光が９０°回転されたあと、全反射鏡１４で反射された後、固体レーザ媒質２にＰ偏光として入射する。
一方、固体レーザ媒質２に入射したレーザ光６のＰ偏光成分は、偏光回転素子１３により偏光が９０°回転されたあと、全反射鏡１４で反射された後、固体レーザ媒質２にＳ偏光として入射する。
このように、上記構成では、熱複屈折の上記２つの軸方向の偏光成分に与える位相差が補償されるので、入射したレーザ光６の偏光状態が保持されて出力されることとなる。
つまり、第６図に示す固体レーザ励起モジュールでは、任意の偏光状態のレーザ光６を、偏光状態を変えずに増幅することができるので、直線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光６を増幅するレーザ増幅器を構成することができる。
また、図示は省略したが、レーザ光６を反射させる全反射鏡と、レーザ光６の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、固体レーザ媒質２側に入射する前のレーザ光６の光軸上に全反射鏡又は部分反射鏡を配置し、上記固体レーザ励起モジュールから出力されたレーザ光６の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を設置する。
このようにすることで、レーザ光６が上記全反射鏡、本実施の形態による固体レーザ励起モジュール及び上記部分反射鏡からなる経路でレーザ発振するレーザ共振器を構成することができる。
これにより、部分反射鏡から外部へ上記レーザ共振器にて増幅されたレーザ光６を出力するレーザ装置として使用することが可能である。このとき、熱複屈折により発生する上記２つの軸方向で発生する位相差が補償されるので、任意の偏光状態で高いビーム品質のレーザ出力を得ることができる。
なお、第６図では、固体レーザ媒質２における反射回数を２回とする例を示した。ここで、偏光回転素子１３と固体レーザ媒質２を２回反射することにより、偏光状態の変化が補償される。このため、レーザ媒質２における反射回数を２ｋ回（ｋは自然数）とし、奇数番目の反射の後に偏光回転素子１３を配置してもよい。
つまり、レーザ光６は、固体レーザ媒質２にて増幅された後、全反射膜３で１回目の反射が行われ、全反射鏡１４に至るまでの光軸上に配置された１個目の偏光回転素子１３で偏光が９０°回転された後、全反射鏡１４にて固体レーザ媒質２側へ反射される。
全反射鏡１４にて反射されたレーザ光６は、固体レーザ媒質２に再び入射して増幅された後、全反射膜３で２回目の反射が行われ、全反射鏡１４にて固体レーザ媒質２側へ反射される。
さらに、全反射鏡１４にて反射されたレーザ光６は、固体レーザ媒質２にて増幅された後、全反射膜３で３回目の反射が行われ、全反射鏡１４に至るまでの光軸上に配置された２個目の偏光回転素子１３で偏光が９０°回転された後、全反射鏡１４にて固体レーザ媒質２側へ反射される。
さらに、全反射鏡１４にて反射されたレーザ光６は、固体レーザ媒質２にて増幅された後、全反射膜３で４回目の反射が行われ、全反射鏡１４にて固体レーザ媒質２側へ反射される。
このような過程を繰り返し行い、固体レーザ媒質２にて増幅されたレーザ光６が、全反射膜３で２ｋ−１回目の反射が行われる度に、反射後のレーザ光６の経路にそれぞれ配置されたｋ個の偏光回転素子１３でその偏光が９０°回転される。
また、固体レーザ媒質２にて増幅されたレーザ光６が、全反射膜３で２ｋ回目の反射が行われる際は、偏光回転素子１３を通過させることなく、全反射鏡１４にて反射され、再び固体レーザ媒質２へ入射する。
このように構成することで、熱複屈折の上記２つの軸方向の偏光成分に与える位相差が補償されるので、入射したレーザ光６の偏光状態が保持されて出力されることとなる。
つまり、第６図に示す固体レーザ励起モジュールでは、任意の偏光状態のレーザ光６を、偏光状態を変えずに増幅することができるので、直線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光６を増幅するレーザ増幅器を構成することができる。
また、第６図では、レーザ光６の偏光を９０°回転させるために、偏光回転素子１３を用いる例を示したが、全反射鏡１４に偏光を９０°回転させる効果を持たせることも可能である。例えば、全反射鏡１４の表面に偏光を４５°回転させる旋光子を配置すれば、レーザ光６が全反射鏡１４で反射される際に旋光子を２回通過することとなる。
これにより、レーザ光６の偏光は９０°回転される。また、レーザ光６の偏光を回転させるにあたり、全反射鏡１４としてプリズムを用い、プリズムの内部全反射による偏光回転効果や空間分布を回転させる効果を用いるようにしてもよい。
実施の形態５．
上記実施の形態３に示した固体レーザ励起モジュールでは、全反射膜３と全反射鏡１４との間でレーザ光６が反射を繰り返しながら固体レーザ媒質２中を伝搬するにあたり、固体レーザ媒質２中にレーザ光６が通過しない領域が生じる。
励起光８によって全体的に励起された固体レーザ媒質２にレーザ光６が通過しない場合、励起により蓄積されたパワーがレーザ光６により取り出されない。このため、蓄積パワーが残留し、レーザ装置の効率を低下させてしまう。
また、固体レーザ媒質２にレーザ光６が通過しない領域が発生しないように、反射するレーザ光６をいくつか重ねて通過させようとすると、不可避的にレーザ光６のビーム幅が拡がってしまう。このため、レーザ光６が固体レーザ媒質２に入射するとき及びレーザ光６が固体レーザ媒質２から外部へ出射するときに全反射鏡１４による遮蔽が発生して、レーザ装置の効率を低下させてしまう。
この実施の形態５は、上記不具合を解消するものである。
第７図Ａは、この発明の実施の形態５による薄ディスク型の固体レーザ媒質の構成を示す図である。固体レーザ媒質２ａ〜２ｃ及びスラブ導波路１１ａ〜１１ｄは、それぞれ薄いディスク形状を有している。励起媒質部１５は、スラブ導波路１１ａ〜１１ｄを介して固体レーザ媒質２ａ〜２ｃを接合して構成され、一方向に長手方向を有する平板形状を有している。また、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃは、第１図で示した固体レーザ媒質２と同様の機能を有する。
固体レーザ媒質２ａ〜２ｃとスラブ導波路１１ａ〜１１ｄとの接合は、上記実施の形態１で示したように、オプティカルコンタクトや拡散接合により行われる。また、励起媒質部１５として、上記実施の形態１で示したように、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃとスラブ導波路１１ａ〜１１ｄを、セラミックを用いた一体構造で形成してもよい。
第７図Ｂは、この発明の実施の形態５による固体レーザ励起モジュールの構成を示すｘｚ面での断面図であり、第７図Ａ中の励起媒質部１５を用いている。励起媒質部１５の上面全体には、第１図中で説明したものと同一の機能を有する反射防止膜１を設けている。
また、励起媒質部１５の下面全体には、全反射膜３が施され、接合剤４によりヒートシンク５に固定されている。これら全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５の機能は、第１図で説明したものと同様である。
レーザ光６は、その光軸と励起媒質部１５の入射面における法線７とを含む面に垂直な方向（ｘ軸方向）の直線偏光（Ｓ偏光）又は上記光軸と法線７とを含む面内で上記光軸に垂直な方向の直線偏光（Ｐ偏光）で入射される。
次に動作について説明する。
励起媒質部１５のｘｚ平面に平行な側面からスラブ導波路１１ａに入射させた励起光８は、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ａに入射する。
固体レーザ媒質２ａに入射した励起光８は、固体レーザ媒質２ａに吸収されて利得を発生させる。このとき、固体レーザ媒質２ａに吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ａを通過してスラブ導波路１１ｂに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ｂに入射する。これにより、固体レーザ媒質２ａからの残留励起光は、固体レーザ媒質２ｂに吸収されて利得を発生させる。
さらに、固体レーザ媒質２ｂにおいても吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ｂを通過してスラブ導波路１１ｃに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ｃに入射する。ここでも、同様に、固体レーザ媒質２ｂからの残留励起光は、固体レーザ媒質２ｃに吸収されて利得を発生させる。
最後に、固体レーザ媒質２ｃにおいても吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ｃを通過してスラブ導波路１１ｄに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して励起媒質部１５から出射する。
励起媒質部１５のｘｚ平面に平行な側面からスラブ導波路１１ｄに入射させた励起光８は、上述した過程と同様にして、各固体レーザ媒質２ａ〜２ｃにおいて利得を発生させる。
つまり、スラブ導波路１１ｄから入射した励起光８は、固体レーザ媒質２ｃにおいて吸収されて利得を発生させ、固体レーザ媒質２ｃに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質２ｂにて利得を発生させ、固体レーザ媒質２ｂに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質２ａにて利得を発生させる。
励起媒質部１５に入射角θで入射したレーザ光６は、反射防止膜１を透過して、固体レーザ媒質２ａに入射して増幅される。このレーザ光６は、全反射膜３により反射された後、固体レーザ媒質２ａにより再度増幅されて反射防止膜１を透過して出射される。
このレーザ光６は、全反射鏡１４で全反射されて励起媒質部１５に入射角θにて入射し、反射防止膜１を透過して固体レーザ媒質２ｂに入射して増幅される。増幅されたレーザ光６は、全反射膜３により反射された後、固体レーザ媒質２ｂにより再度増幅されて反射防止膜１を透過して出射される。
さらに、このレーザ光６は、全反射鏡１４で全反射されて、励起媒質部１５に入射角θにて入射し、反射防止膜１を透過して固体レーザ媒質２ｃに入射して増幅される。増幅されたレーザ光６は、全反射膜３により反射された後、固体レーザ媒質２ｃにより再度増幅されて反射防止膜１を透過して外部に出射される。
ここで、レーザ光６は、Ｓ偏光又はＰ偏光として固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに入射させるので、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃで発生する熱複屈折の影響を受けず、偏光状態を保持して増幅される。
このように、レーザ光６が通過する領域にのみ固体レーザ媒質２ａ〜２ｃを配置することで、励起媒質部１５においてレーザ光６によって取り出されずに残留する蓄積パワーが少なくなり、効率の高い固体レーザ励起モジュールを構成することができる。
また、励起光８を複数の固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに吸収させるため、励起光８の吸収効率が高くなり、これによっても効率の高い固体レーザ励起モジュールの具現化に寄与することができる。
さらに、これら固体レーザ媒質２ａ〜２ｃにレーザ光６を複数回反射させて増幅することにより、大きな蓄積パワーと大きな利得が得られるため、高出力なレーザ光６を高い効率で得ることができるレーザ装置を提供することが可能である。
さらに、本実施の形態では、励起光８を発生する半導体レーザ（ＬＤ）などの光源を、スラブ導波路１１ａ側とスラブ導波路１１ｄ側の２組だけ用意すればよい。このため、第１図に示したような１つの固体レーザ媒質２を扱う固体レーザ励起モジュールを複数個配置する構成と比較して、小型な固体レーザ励起モジュールを提供することができる。
さらに、励起光８による蓄積パワーが固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに分散されるため、個々の固体レーザ媒質における発熱量を低減することができる。これにより、固体レーザ媒質の温度上昇が抑制され、高効率なレーザ装置を得ることができる。
このように、１個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、一般的に最大使用温度が低い有機系などの接着剤を接合剤４として用いることも可能となる。
上述したような有機系の接着剤には、接合すべき部材の接合面に存在する微小な凹凸を被覆するように浸透して接着することができるものがある。
このような接着剤を接合剤４として用いることで、ヒートシンク５の表面精度が悪い場合であっても、ヒートシンク５に対して反射防止膜１、固体レーザ媒質２及び全反射膜３までの構成を固定することが容易になる。
また、固体レーザ媒質２に比べて柔らかい、即ち軟性を有する接着剤を接合剤４として使用することで、固体レーザ媒質２への応力を緩和する緩衝材としての効果も期待することができる。
上記実施の形態１と同様に、１個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、接合剤４として、励起光８が固体レーザ媒質２ａ〜２ｃ内で全反射条件を満たす屈折率を有し、且つ励起光８の吸収が少ない光学接着剤を用いることができる。
つまり、励起媒質部１５内部での全反射によって励起光８を励起媒質部１５内に閉じこめることが可能となる。これにより、励起光８の損失が少なく、効率の高い励起モジュールを実現可能である。
また、上記光学接着剤を接合剤４として用いれば、全反射膜３に対して励起光８を全反射する機能が要求されなくなるため、膜設計が容易になり、薄い膜厚を実現することができる。
なお、第７図Ｂでは、励起媒質部１５に対して反射防止膜１、全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５を一体に設けた構成を示したが、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに対して、反射防止膜１、全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５をそれぞれ設置するようにしてもよい。
また、第７図では、全反射鏡１４を１枚で構成する例を示したが、レーザ光６が入射する領域のみに複数の全反射鏡１４を配置してもよい。
励起媒質部１５は、第７図Ａ，Ｂにおいて固体レーザ媒質２ａ〜２ｃを３個で構成した例を示したが、２個以上であれば同様の効果が得られることは明らかである。
励起媒質部１５として第８図Ａ〜第８図Ｈに示すような構成を採用してもよい。
第８図Ａに示す励起媒質部１５は、第７図と異なりｘ軸方向の固体レーザ媒質２の側面を含む固体レーザ媒質２の外周全体がスラブ導波路１１Ａに覆われた構成を有している。この構成では、励起光８を励起媒質部１５のｙ軸方向の側面からだけでなく、ｘ軸方向の側面からも入射することが可能である。
これにより、励起媒質部１５における励起分布を均一にすることができるという効果がある。なお、スラブ導波路１１Ａに入射した励起光８は、上述した過程と同様に、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２に入射する。
また、第８図Ｂに示す励起媒質部１５は、固体レーザ媒質２におけるｘ軸方向の１つの側面のみがスラブ導波路１１Ｂに覆われない構成を有している。この構成では、ｘ軸方向の両側面から励起光８を照射することで、いずれの固体レーザ媒質２もスラブ導波路１１Ｂを介することなく励起光８が直接入射される。
このため、第７図に示す励起媒質部１５のように、ある固体レーザ媒質２で吸収されなかった残留励起光を他の固体レーザ媒質２に吸収させる構成と比較して、複数の固体レーザ媒質２の個々の蓄積パワーを均一にさせることができる。
第８図Ｃ及び第８図Ｄは、固体レーザ媒質２をｙ軸方向に並べ、これらのｘ軸方向及びｙ軸方向の全ての側面を覆うようにスラブ導波路１１Ｃ，１１Ｄを設けた励起媒質部１５を示している。第８図Ｃに示す励起媒質部１５におけるスラブ導波路１１Ｃは、ｘ軸方向の側面を直線的にテーパ状に加工している。また、第８図Ｄに示す励起媒質部１５におけるスラブ導波路１１Ｄは、ｘ軸方向の側面を曲線的にテーパ状に加工している。
これら励起媒質部１５のｙ軸方向の両側面から入射した励起光８は、励起媒質部１５内で固体レーザ媒質２に吸収されるに伴って、吸収されなかった残留励起光分の強度に低下してゆく。このとき、テーパ形状に加工されたスラブ導波路１１Ｃ，１１Ｄによって、残留励起光は、励起媒質部１５の中心方向に伝搬するに従って集光される。
つまり、テーパ形状に加工されたスラブ導波路１１Ｃ，１１Ｄでは、励起光８の入射端面から離れた励起媒質部１５の中心部に至るまでに断面積が徐々に小さくなるため、中心部にて励起光８が集光することとなる。
このように、第８図Ｃ及び第８図Ｄに示す構成では、残留励起光を集光しながら伝搬させて固体レーザ媒質２に吸収させるので、複数の固体レーザ媒質２の蓄積パワーを均一にすることが可能である。
第８図Ｅ及び第８図Ｆでは、固体レーザ媒質２をｙ軸方向に並べるだけでなく、ｘ軸方向にも配置した構成を示している。これらの構成は、固体レーザ媒質２の数を多くするので蓄積パワーをさらに大きくすることができる。
また、ｘ軸方向に複数の固体レーザ媒質２が配置されることより、励起媒質部１５において励起光８の入射面となるｙ軸方向の両側面を大きくすることができ、励起光の導入を容易に実行することができる。
第８図Ｆに示す構成では、励起媒質部１５の中心部に配置した固体レーザ媒質２の数が、スラブ導波路１１Ｅ，１１Ｆのｘ軸方向の両側面側に配置した固体レーザ媒質２よりも少ない。
ｙ軸方向の両側面から励起光８を入射すると、励起光８は、ｙ軸方向の両側面側に配置した固体レーザ媒質２によって吸収され、これら固体レーザ媒質２に吸収されなかった残留励起光が中心部の固体レーザ媒質２に吸収されることとなる。
ここで、第８図Ｅのように、ｙ軸方向の両側面側に配置した固体レーザ媒質２と同数の固体レーザ媒質２が中心部に配置されていると、残留励起光を分け合うことになる。これにより、中心部に配置した固体レーザ媒質２に生成される蓄積パワーは、ｙ軸方向の両側面側に配置した固体レーザ媒質２よりも低下する。
そこで、第８図Ｆに示すように、励起媒質部１５の中心部に配置する固体レーザ媒質２の数を減らしておけば、残留励起光を吸収する対象が減ることとなる。従って、結果的に励起媒質部１５内に配置された複数の固体レーザ媒質２の蓄積パワーを均一にすることができる。
第８図Ｇ及び第８図Ｈは、第８図Ｅ及び第８図Ｆと同様にｘ軸方向にも固体レーザ媒質２を配置する。また、固体レーザ媒質２の側面を覆うスラブ導波路１１Ｇ，１１Ｈは、第８図Ｃ及び第８図Ｄと同様にテーパ形状に加工されている。
このように構成すれば、第８図Ｃ及び第８図Ｄに示した構成と同様に固体レーザ媒質２に蓄積される蓄積パワーを均一にすることができる。また、第８図Ｅ及び第８図Ｆに示した構成と同様に固体レーザ媒質２の蓄積パワーを増加させることもできる。
ここで、第８図Ａから第８図Ｈまででは、固体レーザ媒質２の入射面の形状が矩形である例を示したが、固体レーザ媒質２の入射面として円形又は楕円形としたものを複数配置してもよい。
このように構成すれば、光軸に垂直な断面形状が円形のレーザ光６に対する取り出し効率を向上させることができるため、高い効率でレーザ光を得ることが可能となる。
さらに、第６図に示した構成と同様に、励起媒質部１５のｙ軸方向に配置する固体レーザ媒質２の個数を２ｋ個（ｋは自然数）とし、奇数番目の固体レーザ媒質２から反射されたレーザ光６の偏光を９０°回転させる偏光回転素子１３をそれぞれ配置して固体レーザ励起モジュールを構成してもよい。
このように構成すれば、熱複屈折の上記２つの軸方向についてレーザ光６の偏光成分に与える位相差が補償される。これにより、任意の偏光状態のレーザ光６を入射しても、その偏光状態が保持されて出射されるので、任意の偏光状態のレーザ光６を増幅することができる。
また、この固体レーザ励起モジュールにてレーザ発振器を構成すれば、任意の偏光状態のレーザ光６を用いて高いビーム品質のレーザ出力を得ることができる。
実施の形態６．
上記実施の形態５では、１つのレーザ光により複数の固体レーザ媒質に蓄積されたパワーを取り出す構成について説明したが、この実施の形態６は複数の固体レーザ媒質から複数のレーザ光により蓄積パワーを取り出すものである。
第９図は、この発明の実施の形態６による固体レーザ励起モジュールを用いたレーザ装置の構成を示す図である。部分反射鏡１６は、レーザ光６ａ〜６ｃの一部を反射し一部を透過する。なお、第１図及び第７図と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略した。また、これらの図では、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃとレーザ光６ａ〜６ｃとの関係がわかるよう、固体レーザ励起モジュールについて反射防止膜１や励起媒質部１５の下面に形成する構成の記載を省略している。
次に動作について説明する。
励起媒質部１５のｘｚ平面に平行な側面からスラブ導波路１１ａに入射させた励起光８は、スラブ導波路１１ａの内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ａに入射する。
固体レーザ媒質２ａに入射した励起光８は、固体レーザ媒質２ａに吸収され、利得が発生する。このとき、固体レーザ媒質２ａに吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ａを通過してスラブ導波路１１ｂに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ｂに入射する。これにより、固体レーザ媒質２ａからの残留励起光は、固体レーザ媒質２ｂに吸収されて利得を発生させる。
さらに、固体レーザ媒質２ｂにおいても吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ｂを通過してスラブ導波路１１ｃに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質２ｃに入射する。ここでも、同様に、固体レーザ媒質２ｂからの残留励起光は、固体レーザ媒質２ｃに吸収されて利得を発生させる。
最後に、固体レーザ媒質２ｃにおいても吸収されなかった残留励起光は、固体レーザ媒質２ｃを通過してスラブ導波路１１ｄに入射し、その内部で反射を繰り返しながら伝搬して励起媒質部１５から出射する。
励起媒質部１５のｘｚ平面に平行な側面からスラブ導波路１１ｄに入射させた励起光８は、上述した過程と同様にして、各固体レーザ媒質２ａ〜２ｃにおいて利得を発生させる。
つまり、スラブ導波路１１ｄから入射した励起光８は、固体レーザ媒質２ｃにおいて吸収されて利得を発生させ、固体レーザ媒質２ｃに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質２ｂにて利得を発生させ、固体レーザ媒質２ｂに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質２ａにて利得を発生させる。
上述のようにして固体レーザ媒質２ａ〜２ｃが励起されて利得が発生すると、部分反射鏡１６を介してレーザ光６ａ〜６ｃを励起媒質部１５にそれぞれ入射させる。励起媒質部１５に入射したレーザ光６ａ〜６ｃは、反射防止膜１を透過して、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに入射して増幅される。増幅されたレーザ光６ａ〜６ｃは、全反射膜３により反射された後、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃにより再度増幅されて反射防止膜１を透過して出射される。
励起媒質部１５により増幅されて出射したレーザ光６ａ〜６ｃは、部分反射鏡１６に到達すると、一部が透過し一部は反射して励起媒質部１５に再び入射する。この過程を繰り返すことで、励起媒質部１５と部分反射鏡１６との間でレーザ光６ａ〜６ｃによるレーザ発振が起こり、十分にパワーが増幅されたレーザ光６ａ〜６ｃを部分反射鏡１６から外部へ出射することができる。即ち、複数のレーザ光６ａ〜６ｃを出力するレーザ共振器として動作する。
このように構成すれば、複数の固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに蓄積されたパワーを、複数のレーザ光６ａ〜６ｃとして外部に出力することができるため、高出力なレーザ出力を得ることができる。
また、本実施の形態では、励起光８を発生する半導体レーザ（ＬＤ）などの光源を、スラブ導波路１１ａ側とスラブ導波路１１ｄ側の２組だけ用意すればよい。このため、第１図に示したような１つの固体レーザ媒質２を扱う固体レーザ励起モジュールを複数個配置する構成と比較して、小型な固体レーザ励起モジュールを提供することができる。
さらに、励起光８による蓄積パワーが固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに分散されるため、個々の固体レーザ媒質における発熱量を低減することができるため、固体レーザ媒質の温度上昇が抑制され、高効率なレーザ装置を得ることができる。
また、１個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、一般的に最大使用温度が低い有機系などの接着剤を接合剤４として用いることも可能となる。
また、上述したような有機系の接着剤には、接合すべき部材の接合面に存在する微小な凹凸を被覆して接着することができるものがある。
このような接着剤を接合剤４として用いることで、ヒートシンク５の表面精度が悪い場合であっても、ヒートシンク５に対して反射防止膜１、固体レーザ媒質２及び全反射膜３までの構成を固定することが容易になる。
また、固体レーザ媒質２に比べて柔らかい、即ち軟性を有する接着剤を接合剤４として使用することで、固体レーザ媒質２への応力を緩和する緩衝材としての効果も期待することができる。
上記実施の形態１と同様に、１個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、接合剤４として、励起光８が固体レーザ媒質２ａ〜２ｃ内で全反射条件を満たす屈折率を有し、且つ励起光８の吸収が少ない光学接着剤を用いることができる。
つまり、この光学接着剤による接合剤４層での全反射によって接合剤４層と反射防止膜１との間で励起媒質部１５内に励起光８を閉じこめることが可能となる。これにより、励起光８の損失が少なく、効率の高い励起モジュールを実現可能である。
また、上記光学接着剤を接合剤４として用いれば、全反射膜３に対して励起光８を全反射する機能が要求されなくなるため、膜設計が容易になり、薄い膜厚を実現することができる。
なお、第９図では、励起媒質部１５に対して反射防止膜１、全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５を一体に設けた構成を示したが、固体レーザ媒質２ａ〜２ｃに対して、反射防止膜１、全反射膜３、接合剤４及びヒートシンク５をそれぞれ設置するようにしてもよい。
また、第９図では、部分反射鏡１６を１枚で構成する例を示したが、レーザ光６ａ〜６ｃに対して部分反射鏡１６をそれぞれ配置するようにしてもよい。
励起媒質部１５は、第９図において固体レーザ媒質２ａ〜２ｃを３個で構成した例を示したが、２個以上であれば同様の効果が得られることは明らかである。
また、レーザ共振器で発生するレーザ光のビームモードを調整するため、レーザ光６ａ〜６ｃに対してそれぞれ複数の凹面形状を有する部分反射鏡１６を用いてもよい。このように構成すれば、所望のビームモードを有するレーザ発振器を得ることができる。
さらに、部分反射鏡１６の代わりに、レーザ光６ａ〜６ｃの光路上にそれぞれレンズを配置し、平面鏡を用いて各レンズを介してレーザ光６ａ〜６ｃを励起媒質部１５に導くように構成してもよい。このように構成すれば、各レンズによりレーザ光６ａ〜６ｃを集光して、レーザ共振器の安定条件を満たすビーム径とすることができる。
これにより、安定したレーザ発振器を得ることができる。また、部分反射鏡１６を１枚の平面鏡で構成できるので、廉価にレーザ発振器を製造することもできる。
ここで、レーザ光６ａ〜６ｃの光路上に配置するレンズは、１つの基材にレンズをアレー状に加工したレンズアレーを用いてもよい。このように構成すれば、それぞれのレンズを個別に固定する必要がなく、レーザ装置の構成を簡略化することができる。また、安定したレーザ共振器を得ることもできる。
さらに、レーザ共振器内の複数のレーザ光６ａ〜６ｃの位相を同期させてもよい。位相の同期は、例えば上記レーザ共振器を複数用意し、それぞれの共振器内に共通のシード光を入射して、シード光の位相に一致したレーザ発振を発生させるインジェクションシーディング法がある。また、上記レーザ共振器にて生成した各レーザ発振光の一部を他の共振器に混じり込むように配置して同じ位相で発振させる方法などにより実現可能である。
このように構成すれば、出力される複数のレーザ光の位相がそろっているため、複数のレーザ光全体を１つのレーザ光の出力光として取り扱うことができ、高出力でビーム品質の高いレーザ出力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、この発明に係る固体レーザ励起モジュール及びレーザ共振器は、薄ディスク型レーザ媒質の励起時における温度上昇を抑制し、高い利得を得ることができることから、大きなレーザ光出力が要求されるレーザレーダ用レーザ装置や加工用レーザ装置に適用可能である。
2005011075.tif 000003
2005011075.tif 000004
2005011075.tif 000005
【図４】
2005011075.tif 000006
2005011075.tif 000007
【図６】
2005011075.tif 000008
2005011075.tif 000009
2005011075.tif 000010
【図９】
2005011075.tif 000011
【国際調査報告】
2005011075.tif 000012
2005011075.tif 000013
2005011075.tif 000014
2005011075.tif 000015
2005011075.tif 000016
2005011075.tif 000017