(57)【要約】  互いに波長の異なるレーザビームを発生する複数のレーザ媒質（１１）と、複数のレーザ媒質（１１）のそれぞれから出射されるレ−ザビームを重畳レンズ（２）により分散素子（３）上に１つに重畳させて結合するレーザ装置（１００−１）であって、分散素子（３）は、重畳レンズ（２）により複数のレーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、複数のレーザビームの一部を第１のレーザビームとしてレーザ媒質（１１）側へ戻し、複数のレーザビームの一部を１つの光軸を有する第２のレーザビームとして出力する。
2018134966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに波長の異なるレーザビームを発生する複数のレーザ媒質と、前記複数のレーザ媒質のそれぞれから出射されるレ−ザビームを重畳手段により分散素子上に１つに重畳させて結合するレーザ装置であって、
前記分散素子は、前記重畳手段により複数の前記レーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、複数の前記レーザビームの一部を第１のレーザビームとして前記レーザ媒質側へ戻し、複数の前記レーザビームの一部を１つの光軸を有する第２のレーザビームとして出力することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記分散素子は、前記第１のレーザビームに対してリトロー配置されてい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】
前記第２のレーザビームが前記分散素子の＋１次回折光及び−１次回折光である場合、
前記分散素子は、前記＋１次回折光及び−１次回折光の発生特性が互いに異なるように構成され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４】
前記レーザ媒質と前記分散素子との間に配置された波長フィルタを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５】
複数の前記レーザビームのそれぞれをコリメートするコリメータを備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
複数の前記レーザビームのそれぞれのビーム軸を回転させるビーム回転素子を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
複数の前記レーザビームの重畳面と前記分散素子上にリレーするリレー光学系を備えることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記コリメータは傾けて配置されることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記第２のレーザビームが前記分散素子の＋１次回折光もしくは−１次回折光である場合、
前記分散素子で発生する０次回折光を回収する光学系を備えることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載のレーザ装置。 
【請求項１０】
複数の前記レーザ媒質は、前記分散素子面の法線を挟んで正及び負の角度で前記分散素子に入射する位置に配置されることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長の異なる複数のレーザビームを結合することによって高出力のレーザビームを得る波長ビーム結合型のレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示される従来のレーザ装置は、波長の異なる複数のレーザビームを、回折格子である分散素子上に重畳し、分散作用によって１本に結合したレーザビームを生成し、部分反射鏡を用いてこの結合したレーザビームの一部を反射してレーザ媒質へ戻して共振器を構成すると共に、結合したレーザビームの部分反射鏡を透過する成分を出力として取り出すように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２１６４１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に開示される従来のレーザ装置では、結合したレーザビームの一部が反射してレーザ媒質側へ戻る際にレーザビームが分散素子を経由するために、分散素子の損失によってビーム出力が低下すると共にエネルギー効率が低下するという課題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビーム出力及びエネルギー効率の低下を抑制できるレーザ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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ装置は、互いに波長の異なるレーザビームを発生する複数のレーザ媒質と、複数のレーザ媒質のそれぞれから出射されるレ−ザビームを重畳手段により分散素子上に１つに重畳させて結合するレーザ装置であって、分散素子は、重畳手段により複数のレーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、複数のレーザビームの一部を第１のレーザビームとしてレーザ媒質側へ戻し、複数のレーザビームの一部を１つの光軸を有する第２のレーザビームとして出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るレーザ装置は、ビーム出力及びエネルギー効率の低下を抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係るレーザ装置において、２次回折光がレーザ媒質へ帰還する際の各レーザビームの波長を示す図
【図３】２次回折光に対してリトロー配置された回折格子で発生する１次回折光の回折角を示す図
【図４】特許文献１に開示されるレーザ装置の構成を示す図
【図５】フィードバック率に対する半導体レーザの寿命の関係を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るレーザ装置の構成を示す図
【図７】比較例に係るレーザ装置の構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態３に係るレーザ装置の構成を示す図
【図９】本発明の実施の形態４に係るレーザ装置の構成を示す図
【図１０】本発明の実施の形態５に係るレーザ装置の構成を示す図
【図１１】本発明の実施の形態６に係るレーザ装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態１に係るレーザ装置１００−１は、レーザユニット１と、レーザユニット１の出射側に配置された分散素子３と、レーザユニット１及び分散素子３の間に配置された重畳手段である重畳レンズ２とを備える。分散素子３は、重畳レンズ２により、複数のレーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、複数のレーザビームの一部を第１のレーザビームとしてレーザ媒質１１側へ戻し、複数のレーザビームの一部を１つの光軸を有する第２のレーザビームとして出力する。
【００１１】
レーザユニット１としては半導体レーザアレイまたは半導体レーザバーを例示できる。レーザ媒質１１としては半導体レーザアレイを例示できる。半導体レーザバーは、複数の発光点の形成された一枚の半導体チップで形成されたデバイスであり、半導体レーザアレイは、複数の半導体チップを一つのデバイスに組み込んだものである。半導体レーザバーが半導体レーザアレイに含まれる場合もある。複数のレーザ媒質１１のそれぞれが発生したレーザビームは、重畳レンズ２によって偏向され、各々に異なる出射角度が付与されて分散素子３上において重畳される。
【００１２】
分散素子３としては回折格子を例示でき、レーザ装置１００−１では分散素子３が所謂、リトロー配置されている。リトロー配置とは、想定される波長において複数のレーザビームのそれぞれの２次回折光の回折角と複数のレーザビームのそれぞれの入射角とが一致するように、回折格子の溝本数及び設置角度が設定されている配置を指す。リトロー配置された回折格子を備えるレーザ装置１００−１では、回折格子で発生する２次回折光が入射ビームに沿ってそれぞれのレーザ媒質１１に帰還するフィードバック光となり、それぞれのレーザ媒質１１と回折格子との間でビーム毎に各々異なる波長で動作する共振器５０が構成される。
【００１３】
回折格子の入射角θと回折格子の回折角φとレーザビームの波長λとの関係は、（１）式のグレーティング方程式で与えられる。（１）式において、ｄは回折格子の周期を表し、ｍは回折次数を表す。
【００１４】
【数１】
2018134966.tif 000003
【００１５】
リトロー動作時の２次回折光（回折次数ｍ＝２）においては、２次回折光の回折角をφ２とし、回折格子の入射角をθｉｎとしたとき、（２）式が成立する。リトロー動作とは、２次回折光に対してリトロー配置された回折格子で発生する２次回折光がレーザ媒質１１へ帰還する動作である。
【００１６】
【数２】
2018134966.tif 000004
【００１７】
また（３）式のように２次回折光の回折角φ２が回折格子の入射角θｉｎと等しいとき、２次回折光の回折角φ２は（４）式により表される。
【００１８】
【数３】
2018134966.tif 000005
【００１９】
【数４】
2018134966.tif 000006
【００２０】
このとき２次回折光と同時に発生する１次回折光の回折角φ１は（５）式により表される。すなわち１次回折光の回折角φ１はレーザビームの波長λに依らずφ１＝０となる。
【００２１】
【数５】
2018134966.tif 000007
【００２２】
上記の解析結果によれば、実施の形態１に係るレーザ装置１００−１の動作時に、波長の異なる複数のレーザビームの１次回折光の全てが、波長に依らずに回折格子面に対して直角方向に出力される。これにより同軸上に方向の揃った１本の結合された出力ビームを得ることができる。
【００２３】
次にレーザ装置１００−１の動作を説明する。図２は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置において、２次回折光がレーザ媒質へ帰還する際の各レーザビームの波長を示す図である。図２の横軸は分散素子３へ入射する複数のレーザビームのそれぞれの入射角を表し、図２の縦軸は分散素子３へ入射する複数のレーザビームのそれぞれの波長を表す。図２には、回折格子への入射角が６４．０[ｄｅｇ]〜６６．０[ｄｅｇ]となるように配置された複数のレーザ媒質１１から出力されるレーザビームが９２５[ｌｉｎｅ／ｍｍ]の回折格子に重畳されたときに、２次回折光に対してリトロー配置された回折格子で発生する２次回折光がレーザ媒質１１へ帰還する際の各レーザビームの波長が示される。
【００２４】
図３は２次回折光に対してリトロー配置された回折格子で発生する１次回折光の回折角を示す図である。図３の横軸は分散素子３へ入射する複数のレーザビームのそれぞれの入射角[ｄｅｇ]を表し、図３の縦軸は１次回折光の回折角φ１を表す。図３には、回折格子への入射角が６４．０[ｄｅｇ]〜６６．０[ｄｅｇ]となるように配置された複数のレーザ媒質１１から出力されるレーザビームが９２５[ｌｉｎｅ／ｍｍ]の回折格子に重畳されたとき、２次回折光に対してリトロー配置された回折格子で発生する１次回折光の回折角φ１が示される。実線は１次回折光に対する回折角を表し、点線は２次回折光に対する回折角を表す。
【００２５】
レーザ装置１００−１の共振器５０では、複数のレーザ媒質１１のそれぞれで発生したレーザビームの２次回折光が複数のレーザ媒質１１のそれぞれにフィードバックされる。これにより複数のレーザ媒質１１のそれぞれは、図２に示す９８０［ｎｍ］近くの波長で発振する。このとき図３に示すように、１次回折光の回折角φ１は、６４〜６６[ｄｅｇ]に配置された全てのレーザ媒質１１に対して０[ｄｅｇ]となり、１本に結合した出力ビームが得られる。
【００２６】
以下では、特許文献１に開示されるレーザ装置と実施の形態１に係るレーザ装置１００−１とを比較して、レーザ装置１００−１の効果を説明する。
【００２７】
図４は特許文献１に開示されるレーザ装置の構成を示す図である。特許文献１に開示されるレーザ装置１００Ａは、レーザユニット１、重畳レンズ２、分散素子３１及び部分反射鏡４０を備える。レーザユニット１、重畳レンズ２、分散素子３１及び部分反射鏡４０は共振器５１を構成する。
【００２８】
レーザ装置１００Ａでは、レーザユニット１が備える複数のレーザ媒質のそれぞれから発生するレーザビームを１本に束ねた結合ビームが出力される。またレーザ装置１００Ａでは、複数のレーザビームのそれぞれを分散素子３１が振り分けてフィードバックすることによって、共振器５１が正常に動作するための波長に関する情報が得られる。これにより複数のレーザビームのそれぞれの波長が決定される。
【００２９】
レーザ装置１００Ａでは、損失を伴う分散素子３１が共振器５１内に配置されるため、共振器５１内にレーザビームが繰り返し伝搬される際に分散素子３１の損失の影響を受けて、ビーム出力が低下すると共にエネルギー効率が低下する。またレーザ装置１００Ａは、共振器５１を構成する部分反射鏡４０及び分散素子３１という複数の光学素子を備えるため、アライメントを必要とする要素が多くなり、ビーム出力が不安定になり易い。
【００３０】
これに対して実施の形態１に係るレーザ装置１００−１は、複数のレーザ媒質１１のそれぞれから発生するレーザビームを元のレーザ媒質１１へフィードバックする作用を有する再帰反射器として、分散素子３の２次回折を割り当てることにより、複数のレーザビームのそれぞれの波長が決定される。また実施の形態１に係るレーザ装置１００−１では、このとき同時に発生する１次回折光の回折角φ１が全て０[ｄｅｇ]となる性質を利用して１本に束ねられた結合ビーム出力が得られる。
【００３１】
このような機能及び作用により、実施の形態１に係るレーザ装置１００−１では、分散素子３の損失が共振器５０端に限定され、共振器５０内の損失が無くなり、分散素子３の損失に起因するビーム出力の低下とエネルギー効率の低下とが最小限に抑えられる。
【００３２】
また実施の形態１に係るレーザ装置１００−１では、１枚の分散素子３で波長の決定及び結合を同時に行うことができるため、図４に示す部分反射鏡４０が不要となり、ビーム出力が不安定となる要因を減らすことができる。
【００３３】
なお図４に示されるレーザ装置１００Ａは共振器内部波長結合方式を用いたレーザ装置であるのに対して、実施の形態１に係るレーザ装置１００−１は、共振器端部波長結合方式という新しい方式を用いたレーザ装置である。レーザ装置１００Ａは、レーザビームが繰り返し伝搬される際の損失の影響がある。実施の形態１に係るレーザ装置１００−１によれば、レーザ装置１００Ａとは異なり、光学動作に無駄が無く、高いビーム出力及びエネルギー効率が得られる。また光学素子である部分反射鏡４０が不要であるため、ビーム出力を安定させることができる。
【００３４】
また実施の形態１に係るレーザ装置１００−１は、レーザユニット１の射出面に設けられたへき界面よりも反射率を下げる減反射コーティングを施した半導体レーザの外部共振器に適用できる。減反射コーティングはレーザユニット１の射出面に設けられている。ゲインの高い半導体レーザの場合、高いスロープ効率を得やすい低いフィードバック率の方が高出力を得ることができる。低いフィードバック率とは、１次回折光に対して２次回折光の回折効率が低いことを示す。またフィードバック率が高い場合、半導体レーザの寿命が短くなることが報告されており、明確な波長決定をできる範囲ではフィードバック率が低い方が好ましい。実施の形態１に係るレーザ装置１００−１は、第１のレーザビームとしてレーザ媒質側へ戻る割合を１０％以下とすることで、エネルギー効率を高めることができると共に、装置の寿命を長くすることができる。
【００３５】
図５はフィードバック率に対する半導体レーザの寿命の関係を示す図である。図５の縦軸は半導体レーザの寿命を表し、図５の横軸は、２次回折光が入射ビームに沿ってそれぞれのレーザ媒質１１に帰還するフィードバック率を表す。半導体レーザの寿命は、フィードバック率が高くなるほど減少するため、レーザ装置の寿命の観点からはフィードバック率は低い方が望ましい。図５に示されるフィードバック率に対する半導体レーザの寿命の特性によれば、フィードバック率が１０％以上になると、半導体レーザの寿命は、半導体レーザの出射端面を部分反射コーティングして外部共振器なしの半導体レーザとして使用したとき（フィードバック率は数％であるのが一般的）の半分以下となる。従って、フィードバック率を１０％以下とするためには、フィードバックを行う分散素子３の２次回折効率を１０％以下とすることが望ましい。
【００３６】
一方で、フィードバック率、すなわち外部共振器から半導体レーザへの帰還率を低下させると、半導体レーザの発振波長を外部共振器で制御することが困難となる。半導体レーザの出射面には、前述したように減反射コーティングが設けられるが、０．５％以下の残存反射率が存在する。外部共振器からの帰還率が低下すると、外部発振から半導体レーザ出射面への残存反射率による発振に切り替わるためである。このように半導体レーザの寿命と外部共振器の有効性とはトレードオフの関係にある。これらのトレードオフの関係から、フィードバック率を決定する必要がある。半導体レーザの寿命と外部共振器の有効性とを両立可能なフィードバック率としては２％〜１０％が望ましい。
【００３７】
またエネルギー効率を高める動作を実現するためには、取り出される１次回折光の出力効率を高くすることが有利である。２次回折光と１次回折光とを同時に発生する分散素子３では、＋１次回折光と−１次回折光との両方が発生する。このとき分散素子３が対称な構造であり、分散素子３の＋１次回折光及び−１次回折光の発生特性が互いに同一である場合、１次回折効率を５０％以上に高めることが困難となり、結果として高効率化の妨げとなる。１次回折効率とは、入射光出力に対する１次回折光出力の割合である。このような課題に対しては、分散素子３にブレースまたは２段以上の溝構造を用いて、第２のレーザビームが分散素子３の＋１次回折光及び−１次回折光である場合、分散素子３は、＋１次回折光及び−１次回折光の発生特性が互いに異なるように構成される。これにより、分散素子３に入射するレーザビームの１次回折への結合が大きくなり、結果としてエネルギー効率を高める動作が実現できる。
【００３８】
実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態２に係るレーザ装置１００−２は、レーザユニット１、重畳レンズ２及び分散素子３に加えて、波長フィルタ４を備える。波長フィルタ４は、重畳レンズ２及び分散素子３の間に配置される。波長フィルタ４としては、エタロンまたは薄膜フィルタを例示できる。
【００３９】
一般的に回折格子では、リトロー配置での使用において最大の反射率、すなわち最大の回折効率が得られることから、リトロー条件に合致する波長が選択されやすい。ところがその効果だけでは、異なるレーザ媒質間を横断して意図しない波長で発振するため、ビーム品質が低下する現象、所謂クロストーク現象を抑制できない可能性がある。実施の形態２に係るレーザ装置１００−２は、損失の小さい波長フィルタ４を用いてクロストーク現象を抑制することによって、高いビーム出力及びエネルギー効率を得ることができ、また高いビーム品質の出力を得ることができる。
【００４０】
以下では、一例として米国特許出願公開第２０１５／０１４６２８２号明細書に開示されるレーザ装置と実施の形態２に係るレーザ装置１００−２とを比較して、レーザ装置１００−２の効果を説明する。以下では、米国特許出願公開第２０１５／０１４６２８２号明細書に開示されるレーザ装置を単に、比較例に係るレーザ装置と称す場合がある。
【００４１】
図７は比較例に係るレーザ装置の構成を示す図である。比較例に係るレーザ装置１００Ｂは、少なくともレーザユニット１、重畳レンズ２及び波長フィルタ６０を有する共振器部７０と、少なくとも分散素子３２を有するビーム結合部８０とで構成される。比較例に係るレーザ装置１００Ｂは、共振器外部波長結合方式を用いたレーザ装置であるのに対して、実施の形態２に係るレーザ装置１００−２は、共振器端部波長結合方式という新しい方式を用いたレーザ装置である。
【００４２】
比較例に係るレーザ装置１００Ｂの共振器部７０では、複数のレーザビームのそれぞれの波長が決定され、ビーム結合部８０では１本に結合した出力ビームが得られる。波長フィルタ６０及び分散素子３２は各々が角度依存性を持つため、共振器部７０またはビーム結合部８０の角度が変動すると、波長決定特性とビーム結合特性との関係が変化し、結果として出力ビームの品質が変動する。また比較例に係るレーザ装置１００Ｂは、共振器部７０及びビーム結合部８０を備えるため、共振器部７０のみ備える場合に比べて構成が複雑となり、レーザ装置の製造コストが増加する。
【００４３】
これに対して実施の形態２に係るレーザ装置１００−２は、複数のレーザビームの波長の決定及び結合を１枚の分散素子３で行うため、波長決定特性とビーム結合特性との間の関係がずれることなく、出力ビームの品質が変動することがない。またレーザ装置１００−２は、比較例に係るレーザ装置１００Ｂに比べて構成が簡素化され、レーザ装置の製造コストを低減できる。
【００４４】
また比較例に係るレーザ装置１００Ｂで使用される波長フィルタ６０では、周期的な複数の波長が選択される可能性があるため、意図しない波長選択を回避するために自由スペクトル領域（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）の広いフィルタが必要となる。ＦＳＲの広いフィルタではスペクトル幅が拡大する傾向にあるため、広帯域で狭スペクトルの品質の高いビームを得るためには、結果としてフィネスの高いフィルタが必要となる。ところが高フィネスのフィルタでは損失が増加するため、高いビーム出力及びエネルギー効率と、高いビーム品質との両立が困難である。
【００４５】
これに対して実施の形態２に係るレーザ装置１００−２では、狭スペクトル幅が分散素子３で担保されるため、クロストークを抑制するだけの損失の小さい波長フィルタ４が使用される。損失の小さい波長フィルタ４を用いてクロストークを抑制することによって、高いビーム出力及びエネルギー効率が得られると共に、高いビーム品質が得られる。
【００４６】
実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態３に係るレーザ装置１００−３は、レーザユニット１、重畳レンズ２及び分散素子３に加えて、波長フィルタ４と、複数のレーザビームをコリメートする光学素子であるコリメータ５と、ビーム軸を回転させる光学素子であるビーム回転素子６とを備える。波長フィルタ４は、重畳レンズ２及び分散素子３の間に配置される。ビーム回転素子６はレーザユニット１と重畳レンズ２との間に配置され、コリメータ５はレーザユニット１とビーム回転素子６との間に配置される。
【００４７】
実施の形態３に係るレーザ装置１００−３では高いエネルギー効率を実現できるが、２次回折光及び１次回折光を同時に発生させるために分散素子３の分散能には制限が生じ、多数のレーザビームを重畳する場合にはレーザ媒質１１から分散素子３までの光学長を長くする必要が生じ、分散素子３上のビーム径が大きくなるという課題が生じる。
【００４８】
この課題に対しては、ビーム重畳方向に可能な限り発散角の小さいビームを用いることが有効となる。ブロードエリアの高出力半導体レーザの場合には速軸方向の発散角が小さいことから、ビーム重畳方向に速軸方向を用いることが有効となる。速軸方向がビーム重畳方向となるように回転させるための光学要素については、一例として米国特許第５５１３２０１号明細書に複数の実施例が開示されており、その何れかを用いればよい。この構成によれば、ビーム重畳方向の各ビームの発散角を小さくできるため、重畳レンズ以降の光学素子を小さくでき、小型かつ低コストの装置を実現できる。この構成は、２次回折光及び１次回折光を同時に発生する分散素子を用いるために分散素子の分散能に制限が生じ、レーザ媒質から分散素子までの光学長が長くなり、ビームが大きくなるという課題に対して格別の効果を奏するものである。
【００４９】
実施の形態３に係るレーザ装置１００−３の動作をさらに詳しく説明する。本実施の形態では、レーザ媒質１１で発生する複数のレーザビームは、分散素子３上の１点に平行ビームとして重畳される。この光学動作は、空間上の異なる位置にあるレーザビームの位置情報をビーム軸の角度情報に移し替える所謂フーリエ変換動作に相当する。このとき、レーザ媒質１１から分散素子３までの光学系の光線行列は（６）式に示すように、一般的にＢが光学距離と呼ばれるパラメータとなる。分散素子３の分散能をＤで表すと、レーザ媒質１１を配置できる空間範囲は「Ｄ×Ｂ×Δλ」で求められる。利用できる波長幅Δλを共通に取ると、分散能Ｄが小さいと多数のレーザ媒質１１を配置する空間範囲を確保するために長い光学距離Ｂが必要となる。
【００５０】
【数６】
2018134966.tif 000008
【００５１】
ここで実施の形態３に係るレーザ装置１００−３では、分散素子３が１次回折光と共に２次回折光を発生するため、２次回折光の回折角を１８０°未満にする必要があり、分散能は２次回折光の回折角が１８０°未満となる範囲に制限される。分散素子３として回折格子を考えると、２次回折光を用いないで１８００本の回折格子までが使用可能である場合、２次回折光を用いるレーザ装置１００−３では、９００本の回折格子の使用に制限される。このことから、同じレーザ媒質１１を配置するためには、より長い光学距離が必要となり、分散素子３上のビームの大きさが大きくなる。なお、同じレーザ媒質１１を配置するためとは、２次回折光を用いる本実施の形態に係るレーザ装置に対して、従来の２次回折光を用いないレーザ装置と同じサイズ、ビーム発散角、及び個数のレーザ媒質を配置するため、との意味である。なお分散素子３上のビームの大きさは「ビームの発散角×光学距離Ｂ」で求められる。
【００５２】
このような課題に対してはビーム重畳方向のビーム発散角を小さくすることが有効であり、ビーム重畳方向にビーム発散角の小さい方向を揃えるビーム回転素子６は、実施の形態３において格別の効果を奏する。なお実施の形態３において課題となる分散能の制限を緩和する構成としては、高屈折率媒質中で分散作用を行うイマージョングレーティングまたはグリズムを用いる構成を例示できる。
【００５３】
実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態４に係るレーザ装置１００−４は、実施の形態３に係るレーザ装置１００−３の構成に加えて、複数のレーザビームの重畳面を分散素子３上にリレーするリレー光学系７を備える。リレー光学系７は波長フィルタ４と分散素子３との間に配置される。レーザ装置１００−４によれば、実施の形態３における波長フィルタの特性と分散素子３の特性との関係を調整できるため、低コストの標準品を使用して設計の自由度が拡大するため、レーザ装置の製造コストを低減できる。
【００５４】
実施の形態５．
図１０は本発明の実施の形態５に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態５に係るレーザ装置１００−５ではコリメータ５が傾けられており、傾けられたコリメータ５を用いることにより重畳レンズ２が省かれている。レーザ装置１００−５によれば、重畳レンズ２を省くことができるためレーザ装置の製造コストを低減できる。
【００５５】
実施の形態６．
図１１は本発明の実施の形態６に係るレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態６に係るレーザ装置では、２つのレーザユニット１が用いられており、複数のレーザユニット１からのレーザビームが分散素子３に重畳される。実施の形態６に係るレーザ装置では、複数のレーザ媒質が分散素子３面の法線を挟んで正及び負の角度で分散素子３に入射する位置に配置される。この構成により、より多数のレーザ媒質の光を重畳でき、パワー及び輝度を向上できるという効果を得ることができる。
【００５６】
なお実施の形態１〜５に係るレーザ装置には、第２のレーザビームが分散素子３の＋１次回折光もしくは−１次回折光である場合、分散素子３で発生する０次回折光を回収する光学系を追加しても良い。この構成によれば、損失となっていた０次回折光を回収し、エネルギー効率の向上を図ることができる。分散素子３における０次回折光は不可避的に発生し、一般的には損失となる。０次回折光の回収と利用については、一例として米国特許出願公開第２０１５／０３３３４８５号明細書に開示されているが、０次回折光及びその派生ビームが高反射面の間に閉じ込められて容易に出力に結合することができないため、効果的な動作が困難である。本実施の形態では、０次回折光、１次回折光及び２次回折光を発生する３ポートを備えた分散素子３が用いられ、分散素子３が一種のサーキュレータとして動作し、出力に結合された０次回折光を回収することができる。以上のように０次回折光を回収する光学系は、１次回折光及び２次回折光を同時に発生する分散素子３を用いる構成において格別の効果を奏するものである。
【００５７】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  レーザユニット、２  重畳レンズ、３，３１，３２  分散素子、４  波長フィルタ、５  コリメータ、６  ビーム回転素子、７  リレー光学系、１１  レーザ媒質、４０  部分反射鏡、５０，５１  共振器、６０  波長フィルタ、７０  共振器部、８０  ビーム結合部、１００−１，１００−２，１００−３，１００−４，１００−５，１００Ａ，１００Ｂ  レーザ装置。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年6月20日(2017.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに波長の異なるレーザビームを発生する複数のレーザ媒質と、前記複数のレーザ媒質のそれぞれから出射されるレ−ザビームを重畳手段により分散素子上に１つに重畳させて結合するレーザ装置であって、
前記分散素子は、前記重畳手段により複数の前記レーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、互いに波長の異なるレーザビームの２次回折光をそれぞれの前記レーザ媒質へ帰還させ、互いに波長の異なるレーザビームの＋１次回折光及び−１次回折光を１つの光軸を有するレーザビームとして出力することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記分散素子は、リトロー配置され、
前記リトロー配置は、前記＋１次回折光及び前記−１次回折光を出射し、前記２次回折光をそれぞれの前記レーザ媒質へ帰還させる配置であ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】
前記分散素子は、前記＋１次回折光又は前記−１次回折光の回折効率が５０％より大きいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質と前記分散素子との間に配置された波長フィルタを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５】
複数の前記レーザビームのそれぞれをコリメートするコリメータを備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
複数の前記レーザビームのそれぞれのビーム軸を回転させるビーム回転素子を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
複数の前記レーザビームの重畳面と前記分散素子上にリレーするリレー光学系を備えることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記分散素子への入射光と回折光を含む面内に対し、前記コリメータを傾斜することにより、前記レーザ媒質から出射される主光線の向きを変更することを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記分散素子で発生する０次回折光を回収する光学系を備えることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載のレーザ装置。 
【請求項１０】
複数の前記レーザ媒質は、前記分散素子面の法線を挟んで正及び負の角度で前記分散素子に入射する位置に配置されることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載のレーザ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ装置は、互いに波長の異なるレーザビームを発生する複数のレーザ媒質と、複数のレーザ媒質のそれぞれから出射されるレ−ザビームを重畳手段により分散素子上に１つに重畳させて結合するレーザ装置であって、分散素子は、重畳手段により複数のレーザビームが１つに重畳された位置に設置されると共に、互いに波長の異なるレーザビームの２次回折光をそれぞれのレーザ媒質へ帰還させ、互いに波長の異なるレーザビームの＋１次回折光及び−１次回折光を１つの光軸を有するレーザビームとして出力することを特徴とする。
【国際調査報告】
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