(57)【要約】【課題】  利得を向上させるレーザ増幅器を提供する【解決手段】    固体レーザ媒質の周囲の空間に冷媒を流す流路を画定するレーザ媒質保持具が固体レーザ媒質を保持する。固体レーザ媒質を励起させる励起光を固体レーザ媒質まで導波させる導波部材が流路外から流路内に挿入される。【選択図】  図１
2007134522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質を保持すると共に、該固体レーザ媒質の周囲の空間に冷媒を流す流路を画定するレーザ媒質保持具と、
前記流路外から該流路内に挿入され、前記固体レーザ媒質を励起させる励起光を該固体レーザ媒質まで導波させる導波部材と
を有する光学装置。
【請求項２】
前記導波部材が、前記固体レーザ媒質に対向する出射表面を有し、該出射表面に連続する一部の表面が、前記流路を流れる冷媒に直接接触する請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質が一方向に長い形状を有し、前記導波部材の出射表面が、前記固体レーザ媒質の長手方向と平行な方向に長い形状を有する請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記出射表面の法線に平行な視線で見たとき、該出射表面が、前記固体レーザ媒質に内包される形状及び大きさである請求項１から３のいずれかに記載の光学装置。
【請求項５】
前記出射表面から前記固体レーザ媒質までの距離が、該固体レーザ媒質を、該出射表面を含む仮想平面へ垂直投影した像の、該出射表面の幅方向に関する寸法の最大値の１／２以下である請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記固体レーザ媒質が、入射端面と、該入射端面から入射したレーザ光を出射する出射端面を有し、
さらに、前記入射端面を通して前記固体レーザ媒質にレーザ光を入射させるレーザ光源と、
前記導波部材に励起光を入射させる励起用光源と
を有する請求項１から５のいずれかに記載の光学装置。
【請求項７】
さらに、前記励起用光源から出射した励起光を集光して、前記導波部材に入射させるレンズダクトを有する請求項１から６のいずれかに記載の光学装置。
【請求項８】
流路内に配置された固体レーザ媒質を、該流路を流れる冷媒で冷却しつつ、該流路内まで挿入された導波部材を通して励起光を該固体レーザ媒質に入射させる工程と、
励起された前記固体レーザ媒質の入射端面から種レーザ光を入射させて、該種レーザ光を増幅する工程と
を有するレーザ増幅方法。
【請求項９】
さらに、励起用光源から出射した励起光をレンズダクトにより集光して、該導波部材に入射させる工程を有する請求項８に記載のレーザ増幅方法。
【請求項１０】
前記導波部材が、前記固体レーザ媒質に対向する出射表面を有し、該出射表面に連続する一部の表面が、前記固体レーザ媒質の周囲の空間に流れる冷媒に直接接触する請求項８または９に記載のレーザ増幅方法。
【請求項１１】
前記固体レーザ媒質が一方向に長い形状を有し、前記導波部材の出射表面が、前記固体レーザ媒質の長手方向と平行な方向に長い形状を有する請求項８から１０のいずれかに記載のレーザ増幅方法。
【請求項１２】
前記出射表面の法線に平行な視線で見たとき、該出射表面が、前記固体レーザ媒質に内包される形状及び大きさである請求項８から１１のいずれかに記載のレーザ増幅方法。
【請求項１３】
前記出射表面から前記固体レーザ媒質までの距離が、該固体レーザ媒質を、該出射表面を含む仮想平面へ垂直投影した像の、該出射表面の幅方向に関する寸法の最大値の１／２以下である請求項１２に記載のレーザ増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置及びレーザ増幅方法に関し、特に固体レーザ媒質に励起光を照射して固体レーザ媒質に入射する種レーザ光を増幅する光学装置及びレーザ増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ増幅器においては、固体レーザ媒質に半導体レーザから励起光を照射し高出力を得るレーザ増幅器が主流である。従来技術には、固体レーザ媒質の冷却方法により間接冷却方式と直接冷却方式があった。
【０００３】
間接冷却方式は、図４に示すように、Ｉｎホイル１１を巻いた固体レーザ媒質６の周囲に放熱のためのヒートシンク１２を配置した状態で、レーザダイオードアレイ１から出射した励起光を集光レンズ３で集光して固体レーザ媒質６に導入する方式である。間接冷却方式では、固体レーザ媒質６で発生する熱をヒートシンク１２で吸収しつつ、ヒートシンク１２内に形成された流路８に水などの冷媒を流すことでヒートシンク１２を冷やして冷却効率を上げている。しかし、この方式では、固体レーザ媒質６に励起光を照射しても、増幅すべきレーザビームが固体レーザ媒質６に照射される前に、自然放出光の反射に起因した寄生発振と呼ばれる発振が固体レーザ媒質６内で起こるため、効果的にレーザビームを増幅できなかった。  
【０００４】
直接冷却方式は、図５に示すように、固体レーザ媒質６をレーザ媒質保持具７内に配置し、レーザ媒質保持具７内に画定された流路８を流れる冷媒で固体レーザ媒質６を直接冷却する方法である。このダイオード励起のレーザ増幅器は側方励起式であり、レーザ媒質保持具７の励起光が入射する側に、冷媒をシールし、かつ励起光を透過する励起光透過窓１３を設置している。レーザダイオードアレイ１から出射した励起光が、集光光学系３で集光され、励起光透過窓１３を通過して流路８内に入射する。入射した励起光は冷媒を透過し固体レーザ媒質６に吸収される。この方式では、構造的に集光光学系３の光出射口と固体レーザ媒質６との間隔を広げざるを得ないため、励起光が拡散して効率よく固体レーザ媒質６に入射できず、所望の利得が得られなかった。
【０００５】
下記の特許文献１に、図６に示すように、拡散反射性のレーザ媒質保持具７の内部に固体レーザ媒質６を配置したレーザ増幅器が開示されている。レーザ媒質保持具７内に画定された流路８には冷却液を充填している。さらに、レーザ媒質保持具７の励起光を入射させる側を、励起光を透過するカバー用シール１４にて密閉し、流路８内の冷媒の流出を防いでいる。特許文献１の方法においては、レーザダイオードアレイ１からの励起光をレーザ媒質保持具７と流路８との境界面にて反射させ固体レーザ媒質６に入射させることで、固体レーザ媒質６の励起輝度分布をほぼ均一にしている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５０７８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、基本的に拡散性反射材料でできているレーザ媒質保持具７と流路８との境界面にて反射した励起光を固体レーザ媒質に入射させるため、励起光が効率よく固体レーザ媒質６に入射できない。本発明の目的は、利得を大きく向上させるレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を保持すると共に、固体レーザ媒質の周囲の空間に冷媒を流す流路を画定するレーザ媒質保持具と、流路外から流路内に挿入され、固体レーザ媒質を励起させる励起光を固体レーザ媒質まで導波させる導波部材とを有する光学装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点よれば、流路内に配置された固体レーザ媒質を、流路を流れる冷媒で冷却しつつ、流路内まで挿入された導波部材を通して励起光を固体レーザ媒質に入射させる工程と、励起された固体レーザ媒質の入射端面から種レーザ光を入射させて、種レーザ光を増幅する工程とを有するレーザ増幅方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
励起光が導波部材を経由して固体レーザ媒質に入射し、固体レーザ媒質を励起する。流路内に挿入された導波部材により励起光が固体レーザ媒質に導かれるため、効率的に励起光が固体レーザ媒質に導入され、レーザ増幅器の利得を大きく向上させている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１〜図３を参照して本願の発明の実施例による光学装置について説明する。
【００１２】
図１に、本願の実施例における光学装置の概略断面図を示す。レーザダイオードアレイ１が励起光を出射する。レーザダイオードアレイ１は、複数のレーザダイオードが一列に連なって形成されるバーを構成単位とし、複数のバーがバーの長手方向に垂直な方向に配列された構成となっている。
【００１３】
レーザダイオードアレイ１から出射した励起光はロッドレンズ２を透過する。ロッドレンズ２は、レーザダイオードアレイ１を構成する１バーにつき一個ずつ、励起光の光路上に配置されている。ロッドレンズ２には、合成石英が用いられる。また、その他の材料としてＢＫ７などの光学材料を用いてもよい。
【００１４】
ロッドレンズ２を透過した励起光は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、レンズダクト等の反射型で非結像型の集光光学系である。集光レンズ３は、屈折系や屈折系と反射系を組み合わせた構成としてもよい。集光レンズ３の材料にはＢＫ７などの光学材料が用いられる。集光レンズ３に入射した励起光は集光レンズ３と外部との境界面で反射しながら導波部材４に向けて集光される。
【００１５】
集光レンズ３にて集光された励起光は、導波部材４にその入射表面４ｂを通って入射する。導波部材４は、直方体状の部材である。導波部材４の材料には合成石英が用いられるほか、ＢＫ７などの光学材料を用いても良い。導波部材４に入射した励起光は、導波部材４内を導波される。導波部材４内を導波された励起光は、出射表面４ａから出射する。導波部材４の出射表面４ａは、一方向に長い形状を有しており、後述する固体レーザ媒質６に対向している。なお、本願の実施例による光学装置においては集光レンズ３と導波部材４が一体化した構成でも構わない。
【００１６】
導波部材４の出射表面４ａから出射した励起光は、固体レーザ媒質６の側面から固体レーザ媒質６に入射する。固体レーザ媒質６は導波部材４の出射表面４ａの長手方向と平行な方向に長い形状を有しており、レーザ光を入射させる入射端面と、入射端面から入射したレーザ光を出射する出射端面とを有している。その形状は、例えば円柱状である。必要に応じて多角柱状、楕円柱状のものを用いても良い。固体レーザ媒質６には、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４などが用いられる。また、これらの母材にＹｂを加えたものを用いてもよい。
【００１７】
固体レーザ媒質６の入射端面に向けて、種レーザビームを出射するレーザ光源１０が配置されている。レーザ光源１０には、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。その他のレーザ媒質としては、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４などが用いられる。また、これらの母材にＹｂを加えたものを用いてもよい。
【００１８】
固体レーザ媒質６は、その長手方向の両端において、レーザ媒質保持具７によって固定されている。レーザ媒質保持具７は、銅等の金属で形成され、その内部に、固体レーザ媒質６を収容する空洞を有する。この空洞は、固体レーザ媒質６の長手方向に長い形状を有し、その内面と固体レーザ媒質６の側面との間に、冷媒が流れる流路８が画定される。固体レーザ媒質６は、レーザ媒質保持具７の内部の空洞と、外部の空間とを連通させる一対の貫通孔７ｂに、その端部を挿入することにより、レーザ媒質保持具７に保持されている。
【００１９】
レーザ媒質保持具７の内部空洞の両端近傍に、それぞれ冷媒導入路７ｃ及び冷媒排出路７ｄが形成されている。冷媒導入路７ｃを通して流路８内に冷媒が導入され、流路８内を流れた冷媒が冷媒排出路７ｄを通して排出される。流路８内を流れる冷媒は、固体レーザ媒質６に直接接触し、固体レーザ媒質６を冷却する。冷媒には水などが用いられるが、励起光を透過するものであれば水以外のものを用いることができる。例えば、ヘリウム等の希ガスを用いても良い。
【００２０】
レーザ媒質保持具７に、その内部空洞と外部の空間とを連通させる開口７ａが形成されている。開口７ａは、導波部材４の出射表面４ａよりもやや大きな平面形状を有する。導波部材４がこの開口７ａ内に挿入され、その出射表面４ａが固体レーザ媒質６に対向する姿勢で固定されている。
【００２１】
図２に、導波部材４、及びそれを固定する導波部材支持具５の斜視図を示す。導波部材支持具５は、導波部材４の入射表面４ｂとほぼ合同の形状を有する開口５ａが形成された板状の部材であり、例えばアルミニウム等の金属で形成される。この開口５ａに、導波部材４の入射表面４ｂ側の端部が挿入され、導波部材支持具５に光学接着剤で接着されている。
【００２２】
図１に戻って説明を続ける。導波部材４が、レーザ媒質保持具７に形成された開口７ａを通って流路８内に挿入されている。導波部材支持具５が、レーザ媒質保持具７に固定されることにより、導波部材４の姿勢が固定される。レーザ媒質保持具７と導波部材支持具５との、相互に対向する面の間に、Ｏリング９が挿入されており、流路８内の冷媒の流出を防止している。
【００２３】
図３に、図１中の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図を示し、実施例の特徴について述べる。実施例の特徴は、導波部材４の構造と配置にある。一つ目の特徴は、図１（Ｃ）に示すように、レーザ媒質保持具７に挿入された直方体状の導波部材４の一部が、流路８を流れる冷媒に直接接触していることである。冷媒に直接接触しているのは、出射表面４ａおよび出射表面に隣接する４つの側面の各々の一部である。このような構造としたのは、導波部材４を固体レーザ媒質６に出来るだけ近付けるためである。具体的には、導波部材４の出射表面４ａと固体レーザ媒質６との距離Ｇが、固体レーザ媒質６を、出射表面４ａを含む仮想平面へ垂直投影した像の、出射表面４ａの幅方向に関する寸法の最大値Ｒの１／２以下となることが好ましい。
【００２４】
また、導波部材４の出射表面４ａの法線に平行な視線で見たとき、出射表面４ａは、固体レーザ媒質６に内包される形状及び大きさであることが二つ目の特徴として挙げられる。すなわち、出射表面４ａの幅Ｗは、固体レーザ媒質６を、出射表面４ａを含む仮想平面へ垂直投影した像の、出射表面４ａの幅方向に関する寸法の最大値Ｒよりも小さいということである。
【００２５】
本願の実施例による光学装置の動作について説明する。固体レーザ媒質６は、入射した励起光により励起される。固体レーザ媒質６が励起された状態で、レーザ光源１０から種レーザビームが出射され、出射された種レーザビームは固体レーザ媒質６の入射端面から固体レーザ媒質６に入射する。入射した種レーザビームは、固体レーザ媒質６内で増幅され、増幅されたレーザビームが出射端面から出射される。
【００２６】
導波部材４と固体レーザ媒質６の距離Ｇが、固体レーザ媒質６を、出射表面４ａを含む仮想平面へ垂直投影した像の、出射表面４ａの幅方向に関する寸法の最大値Ｒの１／２以下であり、出射表面４ａの幅ＷがＲよりも小さいことから、導波部材４の出射表面４ａから出射した励起光のほとんどが冷媒を介して直接固体レーザ媒質６に入射する。直接入射しなかった励起光も、レーザ媒質保持具７と流路８との境界面で反射して固体レーザ媒質６に再入射する。こうして入射した励起光により、効率よく固体レーザ媒質６を励起することができる。
【００２７】
例えば、固体レーザ媒質６にＮｄ：ＹＡＧ結晶（３ｍｍφ×３０ｍｍ）を用い、波長８０８ｎｍ、ピーク出力が２．５ｋＷのレーザダイオードを疑似ＣＷ発振(パルス幅１０ｐｓ)させて励起した場合において、波長１０６４ｎｍ、ピーク出力１ｋＷの種レーザを固体レーザ媒質６に入射させた場合、レーザ増幅器の利得が１０倍となる。なお、従来の間接冷却方式で実施した場合は、利得は２倍以下であった。
【００２８】
上述のように、直接冷却方式のレーザ増幅器において、導波部材と固体レーザ媒質の距離が、固体レーザ媒質を、出射表面を含む仮想平面へ垂直投影した像の、出射表面の幅方向に関する寸法の最大値の１／２以下とし、かつ導波部材の出射表面の幅を、固体レーザ媒質における、導波部材の出射表面の幅方向に平行な成分の最大値よりも小さくすることで、固体レーザ媒質が効率よく励起され、利得が大きく向上する。
【００２９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本願の実施例の構成を説明する概略断面図である。
【図２】図１に示した導波部材及びそれを固定する導波部材支持具の斜視図である。
【図３】図１中の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図４】従来の間接冷却方式のレーザ増幅器を示す概略断面図である。
【図５】従来の直接冷却方式のレーザ増幅器を示す概略断面図である。
【図６】従来例によるレーザ増幅器の概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  レーザダイオードアレイ
２  ロッドレンズ
３  集光レンズ
４  導波部材
４ａ  出射表面
４ｂ  入射表面
５  導波部材支持具
５ａ  開口
６  固体レーザ媒質
７  レーザ媒質保持具
７ａ  開口
７ｂ  貫通孔
７ｃ  冷媒導入路
７ｄ  冷媒排出路
８  流路
９  Ｏリング
１０  レーザ光源
１１  Ｉｎホイル
１２  ヒートシンク
１３  励起光透過窓
１４  カバー用シール
【図１】
2007134522.tif 000003
【図２】
2007134522.tif 000004
【図３】
2007134522.tif 000005
【図４】
2007134522.tif 000006
【図５】
2007134522.tif 000007
【図６】
2007134522.tif 000008