(57)【要約】【課題】ビーム品質の低下を低減することが可能なレーザ装置を提供する。【解決手段】  本発明の一実施形態に係るレーザ装置は、（ａ）複数の反射鏡から規定される周回光路に配置された、固体レーザ増幅媒体と、一対のレンズおよび当該レンズの間に配置されたピンホールを含む空間フィルタ部と、（ｂ）周回光路におけるレーザ光のビーム品質情報を取得するモニタ部と、（ｃ）ビーム品質情報に基づいて、空間フィルタ部におけるレンズとピンホールとの間の第１光路の長さを変更する第１光路長変更手段と、（ｄ）第１光路長変更手段による第１光路の長さの変更量に応じて、周回光路における第１光路以外の第２光路の長さを変更する第２光路長変更手段と、を備えている。【選択図】図１
2007214289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反射鏡から規定される周回光路に配置された、固体レーザ増幅媒体と、一対のレンズおよび当該レンズの間に配置されたピンホールを含む空間フィルタ部と、
前記周回光路におけるレーザ光のビーム品質情報を取得するモニタ部と、
前記ビーム品質情報に基づいて、前記空間フィルタ部における前記レンズと前記ピンホールとの間の第１光路の長さを変更する第１光路長変更手段と、
前記第１光路長変更手段による前記第１光路の長さの変更量に応じて、前記周回光路における前記第１光路以外の第２光路の長さを変更する第２光路長変更手段と、
を備える、
レーザ装置。
【請求項２】
前記第１光路長変更手段は、前記空間フィルタ部に含まれる前記レンズの位置を変更することにより前記第１光路の長さを変更する、
請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記モニタ部により取得される前記ビーム品質情報は、前記レーザ光の強度分布を表す強度分布信号であり、
前記第１光路長変更手段は、前記強度分布信号の径が全径方向において平均的に最小となるように前記第１光路の長さを変更する、
請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第２光路長変更手段は、前記周回光路に配置された前記反射鏡の位置を変更することにより前記第２光路の長さを変更する、
請求項１〜３のいずれか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、周回光路に空間フィルタ部を備えるレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の高エネルギー化に伴い、小型で高増幅率を有するレーザ増幅装置が要望されている。小型で高増幅率を実現するレーザ増幅装置の一種として、周回光路を備えるレーザ装置、いわゆるリング型レーザ増幅装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−４２３９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載されているようなレーザ増幅装置では、高い増幅利得を得るために、被増幅光が共通のレーザ増幅媒体を複数回通過するように構成されている。しかしながら、レーザ増幅媒体として固体レーザ増幅媒体を用いた場合には、固体レーザ増幅媒体による熱レンズ効果の影響を受け、被増幅光のビーム品質が低下するおそれがある。このビーム品質が低下する問題は、共通の固体レーザ増幅媒体を複数回通過する周回光路を備えるレーザ増幅装置において特に問題となるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、ビーム品質の低下を抑制することが可能なレーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のレーザ装置は、（ａ）複数の反射鏡から規定される周回光路に配置された、固体レーザ増幅媒体と、一対のレンズおよび当該レンズの間に配置されたピンホールを含む空間フィルタ部と、（ｂ）周回光路におけるレーザ光のビーム品質情報を取得するモニタ部と、（ｃ）ビーム品質情報に基づいて、空間フィルタ部におけるレンズとピンホールとの間の第１光路の長さを変更する第１光路長変更手段と、（ｄ）第１光路長変更手段による第１光路の長さの変更量に応じて、周回光路における第１光路以外の第２光路の長さを変更する第２光路長変更手段と、を備えている。
【０００６】
このレーザ装置によれば、モニタ部が取得した周回光路におけるレーザ光のビーム品質情報に基づいて、第１光路長変更手段により、空間フィルタ部におけるレンズとピンホールとの間の第１光路の長さを変更する。また、この第１光路の長さの変更量に応じて、第２光路長変更手段により、周回光路における第１光路以外の第２光路の長さを変更する。したがって、固体レーザ増幅媒体による熱レンズ効果によって固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質が低下しても、熱レンズ効果と一対のレンズとによる合成焦点距離および一対のレンズと固体レーザ増幅媒体との光学的距離を調整することによって、レーザ光を適切に像転送することができ、固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質の低下を抑制することができる。
【０００７】
例えば、第１光路長変更手段は、空間フィルタ部に含まれるレンズの位置を変更することにより第１光路の長さを変更すればよい。また、第２光路長変更手段は、周回光路に配置された反射鏡の位置を変更することにより第２光路の長さを変更すればよい。
【０００８】
モニタ部により取得されるビーム品質情報は、レーザ光の強度分布を表す強度分布信号であることが好ましい。このとき、第１光路長変更手段は、強度分布信号の径が全径方向において平均的に最小となるように第１光路の長さを変更することが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、レーザ光の強度分布を表す強度分布信号が強度パターンの均一性、ビーム径、ビーム形状、エムスクエア特性などの複数のビーム品質情報を含んでいるので、第１光路長変更手段が、強度分布信号の径が全径方向において平均的に最小となるように第１光路の長さを調整することによって、レーザ光のビーム品質を良好にすることが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ビーム品質の低下を抑制することが可能なレーザ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１２】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図１に示すレーザ装置１は、リング型レーザ増幅装置であり、リング型レーザ共振器１０、半反射鏡２０、反射鏡３０、モニタ部４０、および制御部５０を備えている。
【００１３】
リング型レーザ共振器１０は、入射された被増幅光を複数回周回させることによって増幅したレーザ光を出力する。リング型レーザ共振器１０は、偏光ビームスプリッタ１１、光スイッチ１２、空間フィルタ部１３、偏光ビームスプリッタ１４、反射鏡１５、レーザ増幅器１８、反射鏡１６、および反射部１７が周回光路Ｌ１（図１に点線で示す）に沿って順に配置された構成を有している。
【００１４】
偏光ビームスプリッタ１１は、周回光路Ｌ１および入力光Ｏｉｎに対して４５度の角度をなすように設けられている。偏光ビームスプリッタ１１は、例えば、Ｓ偏光を有する光を反射し、Ｐ偏光を有する光を透過する。このようにして、偏光ビームスプリッタ１１は、入力光ＯｉｎにおけるＳ偏光を周回光路Ｌ１上に設けられた光スイッチ１２へ導く。
【００１５】
光スイッチ１２は、半波長板１２１および偏光回転素子１２２を有している。半波長板１２１は、偏光ビームスプリッタ１１から受けた被増幅光の偏光を変更する。偏光回転素子１２２には、例えばポッケルスセルが用いられる。偏光回転素子１２２は、オン状態のときに半波長板１２１から受けた被増幅光の偏光を変更して空間フィルタ部１３へ出力する。一方、偏光回転素子１２２は、オフ状態のときには半波長板１２１から受けた被増幅光をそのまま空間フィルタ部１３へ出力する。
【００１６】
空間フィルタ部１３は、周回光路Ｌ１上に配置され、一対のレンズ１３１，１３２およびピンホール１３５を有している。一対のレンズ１３１，１３２は、レーザ増幅器１８からの出力光をレーザ増幅器１８の入力へ像転送する。一対のレンズ１３１，１３２による像転送の詳細は後述する。また、一対のレンズ１３１，１３２は、周回光路Ｌ１に沿って位置調整が可能となっている。一対のレンズ１３１，１３２の間にはピンホール１３５が設けられている。
【００１７】
空間フィルタ部１３は、レンズ１３１によって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール１３５で遮断する。ここで、空間フィルタ部１３が備えるピンホール１３５の周囲は、第１の窓１３６Ａおよび第２の窓１３６Ｂを備える保持容器１３６によって真空に保持されている。これによって、空間フィルタ部１３の内部で高エネルギーを有するレーザ光が集光されても、誘電崩壊（エアブレークダウン）やプラズマ化が防止される。
【００１８】
空間フィルタ部１３は、更に、反射鏡１３３をレンズ１３１と第１の窓１３６Ａとの間に備え、反射鏡１３４を第２の窓１３６Ｂとレンズ１３２との間に備えている。反射鏡１３３は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、レンズ１３１を透過した被増幅光を９０度方向転換することによってピンホール１３５へと導く。反射鏡１３４は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、空間フィルタ１３５を透過した被増幅光を９０度方向転換することによってレンズ１３２を介して偏光ビームスプリッタ１４へと導く。
【００１９】
偏光ビームスプリッタ１４は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。偏光ビームスプリッタ１４は、例えば、Ｓ偏光を有する光を反射し、Ｐ偏光を有する光を透過する。このようにして、偏光ビームスプリッタ１４は、空間フィルタ部１３から受ける被増幅光におけるＳ偏光を周回光路Ｌ１から出力し、この被増幅光におけるＰ偏光を周回光路Ｌ１上に設けられた反射鏡１５へ導く。
【００２０】
反射鏡１５は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡１５は、偏光ビームスプリッタ１４を透過した被増幅光を９０度方向転換し、その反射光をレーザ増幅器１８へ導く。
【００２１】
レーザ増幅器１８は周回光路Ｌ１上に設けられている。レーザ増幅器１８は、例えば、ＹＡＧやＹＬＦなどの固体レーザ増幅媒体、冷却部、および励起光発生部から構成された固体レーザ増幅器である。レーザ増幅器１８は、励起光発生部からの励起光が入射されることによって固体レーザ増幅媒体を通過する被増幅光を増幅する。その際、固体レーザ増幅媒体には熱が発生するので、レーザ増幅器１８は冷却部によって固体レーザ増幅媒体を冷却するように構成されている。レーザ増幅器１８は、増幅した被増幅光を反射鏡１６へ出力する。
【００２２】
反射鏡１６は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡１６は、レーザ増幅器１８によって増幅された被増幅光を９０度方向転換し、その反射光を反射部１７へ導く。
【００２３】
反射部１７は、周回光路Ｌ１に遅延光路を与えるために設けられている。反射部１７は、入射された被増幅光を１８０度方向転換して偏光ビームスプリッタ１１へ導くことによって、周回光路Ｌ１に遅延光路１７３，１７４を与えている。そのために、反射部１７は、一対の反射鏡１７１，１７２を有している。反射鏡１７１は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射鏡１６からの被増幅光を９０度方向転換することによって反射鏡１７２へ導く。同様に、反射鏡１７２は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射鏡１７１からの被増幅光を９０度方向転換することによって偏光ビームスプリッタ１１へ導く。反射部１７は、周回光路Ｌ１に沿って位置調整が可能となっており、遅延光路１７３，１７４の長さを調整することができる。
【００２４】
このようにして、リング型レーザ共振器１０は、光スイッチ１２すなわち偏光回転素子１２２がオン状態において、偏光ビームスプリッタ１１から入射された被増幅光を周回光路Ｌ１に沿って複数回周回させて、レーザ増幅器１８によって被増幅光の光強度を増幅する。また、リング型レーザ共振器１０は、光スイッチ１２すなわち偏光回転素子１２２がオフ状態において、増幅されたレーザ光を偏光ビームスプリッタ１４から半反射鏡２０へ出力する。
【００２５】
半反射鏡２０は、リング型レーザ共振器１０から出力されたレーザ光の光路（図１に点線で示す）に対して４５度の角度をなすように設けられている。半反射鏡２０は、レーザ光の一部を反射することによって反射光を反射鏡３０へ導く。また、半反射鏡２０は、レーザ光の他部である出力レーザ光Ｏｏｕｔを透過させる。
【００２６】
反射鏡３０は、半反射鏡２０からの反射光を９０度方向転換することによってモニタ部４０へ導く。
【００２７】
モニタ部４０は、入力されたレーザ光のビーム品質を表すビーム品質情報を取得する。換言すれば、モニタ部４０は、周回光路Ｌ１から出力されたレーザ光、すなわち周回光路Ｌ１を伝播するレーザ光のビーム品質を表すビーム品質情報を取得する。そのために、モニタ部４０は、例えばレンズ４１とＣＣＤカメラ４２とを有している。モニタ部４０は、レンズ４１によって入力されたレーザ光を集光し、ＣＣＤカメラ４２によって集光されたレーザ光の強度分布に応じた画像信号を生成する。モニタ部４０は、この画像信号をモニタ信号（ビーム品質情報）として制御部５０へ出力する。本実施形態では、モニタ部４０は、周回光路Ｌ１から出力されたレーザ光をモニタしているが、周回光路Ｌ１を伝播するレーザ光を直接モニタしてもよい。
【００２８】
制御部５０には、例えば、演算などを行うＣＰＵ、モニタ信号や演算結果などを記憶するＲＡＭなどを備えるパーソナルコンピュータが適用可能である。制御部５０は、本発明の第１光路長変更手段および第２光路長変更手段として機能する。制御部５０は、出力レーザ光Ｏｏｕｔのビーム品質を制御するために、モニタ信号に基づいて、空間フィルタ部１３における一対のレンズ１３１，１３２の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整する。すなわち、制御部５０は、モニタ信号に基づいて、空間フィルタ部１３におけるレンズ１３１とピンホール１３５との間の第１光路の長さ（以下、第１光路長という）およびレンズ１３２とピンホール１３５との間の第１光路長を変更する。また、制御部５０は、第１光路長の変更量に応じて、反射部１７の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整することによって遅延光路１７３，１７４の長さを変更する。すなわち、制御部５０は、第１光路長の変更量に応じて、周回光路Ｌ１における第１光路以外の第２光路の長さ（以下、第２光路長という）を変更する。
【００２９】
具体的には、制御部５０は、モニタ信号の径が全径方向において平均的に最小となるように、一対のレンズ１３１，１３２の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整すると共に、一対のレンズ１３１，１３２による像転送が適切に行われるように、一対のレンズ１３１，１３２の位置の調整量に応じて反射部１７の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整する。
【００３０】
以下では、制御部５０について詳細に説明する。まず、一対のレンズによる一般的な像転送について詳細に説明する。図２および図３は、一対のレンズによる像転送の原理を説明するための図である。まず、図２を参照する。図２には、焦点距離がそれぞれｆ１，ｆ２である一対のレンズ（リレーレンズ）８１，８２が示されており、像８４は像８３を転送した像である。ここで、像８３とレンズ８１との距離およびレンズ８２と像８４との距離をそれぞれｄ１、ｄ２とすると、レンズ８１，８２による収差を低減するように適切に像転送を行うためには、下式（１）を満足する必要がある。
【数１】
2007214289.tif 000003
【００３１】
ここで、レンズ８１，８２をそれぞれ本実施形態における一対のレンズ１３１，１３２とし、像８３をレーザ増幅器１８内の固体レーザ増幅媒体の出力端におけるレーザ光、像８４をこの固体レーザ増幅媒体の入力端におけるレーザ光とする。また、焦点距離ｆ１，ｆ２をそれぞれｆｓｆとし、更に距離ｄ１，ｄ２もｆｓｆとする。このとき、固体レーザ増幅媒体の出力端における光軸線Ｘからの位置ｙ１，傾きｄｙ１の光学レイを像転送した固体レーザ増幅媒体の入力端における光軸線Ｘからの位置ｙ２，傾きｄｙ２の光学レイは、光線行列である下式（２）によって表される。
【数２】
2007214289.tif 000004
【００３２】
なお、本実施形態では、光軸線Ｘがリング状に形成されているので、一対のレンズであっても適切な像転送が行われるように、すなわち上記（１）式を満たすように、一対のレンズ１３１，１３２の間に反射鏡１３３，１３４が設けられている。
【００３３】
次に、図３を参照する。図３では、制御部５０によって一対のレンズ１３１，１３２が光軸線Ｘに沿って調整量ｘ１だけ調整され、この調整量ｘ１に応じて反射部１７が調整量ｘ２だけ調整される場合を示している。このとき、上記（２）式に代わり下式（３）が成り立つ。
【数３】
2007214289.tif 000005
上述したように、制御部５０は、モニタ信号の径が全径方向において総合的に最小となるように、一対のレンズ１３１，１３２の位置を光軸線Ｘに沿って調整量ｘ１調整する。また、制御部５０は、一対のレンズ１３１，１３２による像転送が適切に行われるように、すなわち上記（３）式を満たすように、一対のレンズ１３１，１３２の位置の調整量ｘ１に応じて反射部１７の位置を光軸線Ｘに沿って調整量ｘ２調整する。
【００３４】
なお、本実施形態では、反射部１７は固体レーザ増幅媒体における出力端とレンズ１３１に設けられており、反射部１７の調整量ｘ２によって距離ｄ１を調整する構成となっているが、この場合であっても、上述した原理が適用可能である。
【００３５】
次に、第１実施形態のレーザ装置１の動作を説明する。入力光Ｏｉｎが偏光ビームスプリッタ１１に対して４５度の角度をなすように偏光ビームスプリッタ１１に入射されると、入力光ＯｉｎにおけるＰ偏光は偏光ビームスプリッタ１１を透過し、入力光ＯｉｎにおけるＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１１によって反射されて周回光路Ｌ１上に設けられた光スイッチ１２へ導かれる。このとき、光スイッチ１２をオフ状態、すなわち偏光回転素子１２２をオフ状態とすると、光スイッチ１２に入射したＳ偏光を有する光は半波長板１２１によってＰ偏光に変更され、このＰ偏光を有する光は偏光回転素子１２２を介して空間フィルタ部１３へ入射する。
【００３６】
空間フィルタ部１３に入射したＰ偏光を有する光は、レンズ１３１を通過し、反射鏡１３３によって反射されて９０度方向転換した後にピンホール１３５を通過する。その後、Ｐ偏光を有する光は、反射鏡１３４によって反射されて９０度方向転換した後にレンズ１３２を通過し、偏光ビームスプリッタ１４へ入射する。このようにして、空間フィルタ部１３に入射したＰ偏光を有する光は、一対のレンズ１３１，１３２によって像転送されると共に、ピンホール１３５によって波面収差成分が除去される。
【００３７】
偏光ビームスプリッタ１４に入射されたＰ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ１４を通過し、反射鏡１５によって反射されて９０度方向転換した後にレーザ増幅器１８へ入射する。レーザ増幅器１８に入射したＰ偏光を有する光は、レーザ増幅器１８によって増幅され、反射鏡１６によって反射されて９０度方向転換した後に反射部１７へ入射する。反射部１７に入射したＰ偏光を有する光は、反射鏡１７１および反射鏡１７２によって順次に反射されて、それぞれ９０度ずつ、すなわち１８０度方向転換した後に、偏光ビームスプリッタ１１へ入射する。偏光ビームスプリッタ１１へ入射したＰ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ１１を通過し、再び光スイッチ１２へ入射する。
【００３８】
このとき、光スイッチ１２をオン状態、すなわち偏光回転素子１２２をオン状態とすると、光スイッチ１２に入射したＰ偏光を有する光は半波長板１２１によってＳ偏光に偏光された後に偏光回転素子１２２によって再びＰ偏光に変更される。したがって、光スイッチ１２すなわち偏光回転素子１２２がオン状態である間、上記のように、Ｐ偏光を有する光は周回光路Ｌ１を周回することとなり、レーザ増幅器１８によって複数回増幅される。
【００３９】
その後、光スイッチ１２をオフ状態、すなわち偏光回転素子１２２をオフ状態とすると、光スイッチ１２に入射したＰ偏光を有する光が半波長板１２１によってＳ偏光に変更され、このＳ偏光を有する光は偏光回転素子１２２および空間フィルタ部１３を介して偏光ビームスプリッタ１４に入射する。すると、偏光ビームスプリッタ１４に入射したＳ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ１４によって反射されて９０度方向転換した後に、リング型レーザ共振器１０における周回光路Ｌ１より出力される。
【００４０】
ここで、リング型レーザ共振器１０における周回光路Ｌ１に閉じ込められ、レーザ増幅器１８によって複数回増幅されたレーザ光は、次第に高いエネルギーを有することとなる。レーザ増幅器１８は、固体レーザ増幅媒体に発生する熱を冷却するために固体レーザ増幅媒体の周囲に冷却機構を有しているが、レーザ増幅器１８に高いエネルギーを有するレーザ光が入射すると、固体レーザ増幅媒体の中心まで冷却することが困難であり、固体レーザ増幅媒体の径方向には熱分布が生じてしまう。
【００４１】
また、レーザ増幅器１８では、励起光発生部からの励起光は固体レーザ増幅媒体における特定の径方向から入射されているので、固体レーザ増幅媒体には熱分布が生じてしまう。
【００４２】
このとき、従来のように一対のレンズ１３１，１３２の位置および反射部１７の位置が調整されないと、固体レーザ増幅媒体による熱レンズ効果によって、レーザ増幅器１８からの出力光のビーム品質が低下してしまう。具体的には、強度パターンが不均一となり、ビーム径が大きく干渉し、ビーム形状が円形ではなくなり、エムスクエア特性が低下する。その結果、リング型レーザ共振器１０、すなわちレーザ装置１の出力レーザ光のビーム品質が低下する。
【００４３】
ここで、図５を参照する。図５は、レーザ装置の出力レーザ光の強度分布を示す図である。図５（ａ）には、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整が行われないときの出力レーザ光の強度分布が示されている。図５（ａ）に示されるように、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整が行われないときには、出力レーザ光のビーム品質が低下していることがわかる。具体的には、固体レーザ増幅媒体における熱レンズ効果に起因した一対のレンズ１３１，１３２による像転送のずれによりレーザ増幅器１８に対する被増幅光の強度パターンが不均一となり、そのまま増幅されることとなるので、増幅後の強度パターンは不均一となる。また、熱レンズ効果により一対のレンズ１３１，１３２における実効的な焦点距離が変化し、空間フィルタ部１３におけるピンホール１３５によってレーザ光の一部が遮断されるので、ビーム径が小さく、ビーム形状が円形でなく、エムスクエア値が低下する。
【００４４】
そこで、本実施形態では、リング型レーザ共振器１０から出力されたレーザ光の一部が、半反射鏡２０によって反射されて９０度方向転換した後に、反射鏡３０を介してモニタ部４０へ入射する。モニタ部４０に入射したレーザ光の一部は、レンズ４１によって集光された後にＣＣＤカメラ４２に導かれる。ＣＣＤカメラ４２では、出力レーザ光の一部の強度分布に応じた画像信号が生成され、この画像信号は制御部５０へ出力される。制御部５０は、この画像信号に基づいて、画像信号の径が全径方向において平均的に最小となるように、一対のレンズ１３１，１３２の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整する。また、制御部５０は、一対のレンズ１３１，１３２による像転送が適切に行われるように、一対のレンズ１３１，１３２の位置の調整量に応じて反射部１７の位置を周回光路Ｌ１に沿って調整する。
【００４５】
図４は、モニタ部からのモニタ信号を示す図である。図４（ａ）には、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整量が不足しているときのモニタ信号が示されており、図４（ｂ）には、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整量が適切であるときのモニタ信号が示されている。また、図４（ｃ）には、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整量が過多であるときのモニタ信号が示されている。調整量不足である図４（ａ）では、モニタ信号がＸ軸方向に延びた楕円形であり、調整量過多である図４（ｃ）では、モニタ信号がＹ軸方向に延びた楕円形であることがわかる。調整量が適切である図４（ｂ）では、モニタ信号の径が、全径方向において平均的に最小であることがわかる。
【００４６】
次に、図５（ｂ）を参照する。図５（ｂ）には、一対のレンズ１３１，１３２および反射部１７の位置の調整量が適切であるときの出力レーザ光の強度分布が示されている。図５（ｂ）に示されるように、調整量が適切であると、ビーム品質の低下が低減されている。具体的には、固体レーザ増幅媒体における熱レンズ効果に起因した一対のレンズ１３１，１３２による像転送ずれが補正されるので、強度パターンは均一となる。また、熱レンズ効果と一対のレンズ１３１，１３２とによる合成焦点距離が補正され、空間フィルタ部１３におけるピンホール１３５によってレーザ光の一部が不必要に遮断されることがないので、ビーム径が大きく、ビーム形状がほぼ円形となり、エムスクエア値の低下が低減される。
【００４７】
図６は、レーザ装置における出力レーザ光の出力エネルギーの測定結果とシミュレーション結果とを示す図である。プロットポイント９１は、本実施形態による調整量が適切であるときにおける出力レーザ光の出力エネルギーの測定結果であり、曲線９２は熱レンズ効果を考慮しないシミュレーション結果である。横軸はレーザ増幅器１８における励起光発生部から出力される励起光の励起エネルギーである。図６では、レーザ増幅器１８における励起光のパルス繰り返し周波数を１０Ｈｚとし、周回光路Ｌ１の周回数を５回としている。図６によれば、励起光の励起エネルギーを大きくしても、本実施形態の測定結果と熱レンズ効果を考慮しないシミュレーション結果とがほぼ一致していることがわかる。すなわち、高いエネルギーを有するレーザ光を生成しても、熱レンズ効果を補償することによってビーム品質の低下を低減することができることがわかる。
【００４８】
このように、第１実施形態のレーザ装置１によれば、モニタ部４０が取得した周回光路Ｌ１におけるレーザ光のビーム品質情報に基づいて、制御部（第１光路長変更手段）５０により、空間フィルタ部１３におけるレンズ１３１とピンホール１３５との間の第１光路長およびレンズ１３２とピンホール１３５との間の第１光路長を変更する。また、この第１光路長の変更量に応じて、制御部（第２光路長変更手段）５０により、周回光路Ｌ１における第１光路以外の第２光路長を変更する。したがって、固体レーザ増幅媒体による熱レンズ効果によって固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質が低下しても、熱レンズ効果と一対のレンズ１３１，１３２とによる合成焦点距離および一対のレンズと固体レーザ増幅媒体との光学的距離を調整することによって、レーザ光を適切に像転送することができ、固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質の低下を抑制することができる。故に、第１実施形態のレーザ装置１によれば、高いエネルギーを有するレーザ光を生成しても、出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能である。
【００４９】
従来、偏光回転型レーザ共振器（４パス型レーザ共振器）を有するレーザ増幅装置を用いて、高いエネルギーを有するレーザ光を生成するためには、このレーザ増幅装置を複数段用いる必要があったので、設備が大きくなっていた。一方、リング型レーザ共振器を有するレーザ増幅装置では、周回数を増加することによって一つのレーザ増幅装置で高いエネルギーを有するレーザ光を生成する可能性があったが、熱レンズ効果に妨げられてレーザ光を大きくすることが困難であった。しかしながら、本実施形態によれば、熱レンズ効果を自動的に補正することによって一つのレーザ増幅装置で高いエネルギーを有するレーザ光を生成することができるので、小型化が可能であり、低コスト化が可能である。
【００５０】
また、強度パターンが不均一であるレーザ増幅器に高いエネルギーを有するレーザ光を入射すると、強電界に起因する誘電破壊によって固体レーザ増幅媒体の一部が欠ける可能性がある（光学ダメージ）。しかしながら、本実施形態によれば、強度分布を均一にすることができるので、固体レーザ増幅媒体の光学ダメージが低減される。
【００５１】
［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図７に示すレーザ装置１Ａは、第１の実施形態のレーザ装置１においてリング型レーザ共振器１０および制御部５０の代わりにそれぞれリング型レーザ共振器１０Ａおよび制御部５０Ａを備えている構成において第１の実施形態と異なっている。レーザ装置１Ａのその他の構成は、レーザ装置１と同一であるので、以下では説明を省略する。
【００５２】
リング型レーザ共振器１０Ａは、リング型レーザ共振器１０において空間フィルタ部１３の代わりに２つの空間フィルタ部１３Ａ，１３Ｂおよび反射鏡１３３Ａ，１３４Ａ，１３３Ｂ，１３４Ｂを備えている構成においてリング型レーザ共振器１０と異なっている。また、リング型レーザ共振器１０Ａは、レーザ増幅器１８の代わりに２つのレーザ増幅器１８Ａ，１８Ｂを備えており、反射部１７の代わりに２つの反射部１７Ａ，１７Ｂを備えている構成においてもリング型レーザ共振器１０と異なっている。また、リング型レーザ共振器１０Ａは、リング型レーザ共振器１０において反射鏡１５，１６の代わりに反射鏡１５Ａ，１６Ａおよび反射鏡１５Ｂ，１６Ｂを備えている。リング型レーザ共振器１０Ａのその他の構成は、リング型レーザ共振器１０と同一であるので、以下では説明を省略する。
【００５３】
リング型レーザ共振器１０Ａは、偏光ビームスプリッタ１１、光スイッチ１２、反射鏡１３３Ａ、空間フィルタ部１３Ａ、反射鏡１３４Ａ、反射鏡１５Ａ、反射部１７Ａ、反射鏡１６Ａ、偏光ビームスプリッタ１４、レーザ増幅器１８Ａ、反射鏡１３３Ｂ、空間フィルタ部１３Ｂ、反射鏡１３４Ｂ、反射鏡１５Ｂ、反射部１７Ｂ、反射鏡１６Ｂ、およびレーザ増幅器１８Ｂを周回光路Ｌ２に沿って順に配置された構成を有している。
【００５４】
反射鏡１３３Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、光スイッチ１２から受けた被増幅光を９０度方向転換することによって空間フィルタ部１３Ａへと導く。
【００５５】
空間フィルタ部１３Ａは、周回光路Ｌ２上に配置され、一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａおよびピンホール１３５Ａを有している。一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａは、レーザ増幅器１８Ｂからの出力光をレーザ増幅器１８Ａの入力へ像転送する。これにより、本実施形態では、反射鏡１３３Ａ，１３４Ａを一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａの間に設けることなく像転送を行うことができる。また、一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａは、周回光路Ｌ２に沿って位置調整が可能となっている。一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａの間にはピンホール１３５Ａが設けられている。
【００５６】
空間フィルタ部１３Ａは、レンズ１３１Ａによって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール１３５Ａで遮断する。ここで、空間フィルタ部１３Ａが備えるピンホール１３５Ａの周囲は、第１の窓１３７Ａおよび第２の窓１３７Ｂを備える保持容器１３７によって真空に保持されている。
【００５７】
反射鏡１３４Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、空間フィルタ部１３Ａから受けた被増幅光を９０度方向転換することによって反射鏡１５Ａへ導く。
【００５８】
反射鏡１５Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射鏡１３４Ａから受けた被増幅光を９０度方向転換することによって反射部１７Ａへと導く。
【００５９】
反射部１７Ａは、周回光路Ｌ２に遅延光路を与えるために設けられている。反射部１７Ａは、入射された被増幅光を１８０度方向転換して反射鏡１６Ａへ導くことによって、周回光路Ｌ２に遅延光路１７３，１７４を与えている。そのために、反射部１７Ａは、反射部１７と同様に一対の反射鏡１７１，１７２を有している。
【００６０】
反射鏡１６Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射部１７Ａから受けた被増幅光を９０度方向転換することによって偏光ビームスプリッタ１４へ導く。
【００６１】
レーザ増幅器１８Ａは、レーザ増幅器１８と同様の構成であり、偏光ビームスプリッタ１４から受けた被増幅光を増幅して反射鏡１３３Ｂへ出力する。
【００６２】
反射鏡１３３Ｂは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、レーザ増幅器１８Ａから出力された被増幅光を９０度方向転換することによって空間フィルタ部１３Ｂへと導く。
【００６３】
空間フィルタ部１３Ｂは、周回光路Ｌ２上に配置され、空間フィルタ部１３Ａと同様に、一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂおよびピンホール１３５Ｂを有している。一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂは、レーザ増幅器１８Ａからの出力光をレーザ増幅器１８Ｂの入力へ像転送する。また、一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂは、周回光路Ｌ２に沿って位置調整が可能となっている。一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂの間にはピンホール１３５Ｂが設けられている。
【００６４】
空間フィルタ部１３Ｂは、レンズ１３１Ｂによって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール１３５Ｂで遮断する。ここで、空間フィルタ部１３Ｂが備えるピンホール１３５Ｂの周囲は、第１の窓１３８Ａおよび第２の窓１３８Ｂを備える保持容器１３８によって真空に保持されている。
【００６５】
反射鏡１３４Ｂは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、空間フィルタ部１３Ｂから受けた被増幅光を９０度方向転換することによって反射鏡１５Ｂへと導く。
【００６６】
反射鏡１５Ｂは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射鏡１３４Ｂから受けた被増幅光を９０度方向転換することによって反射部１７Ｂへ導く。
【００６７】
反射部１７Ｂは、周回光路Ｌ２に遅延光路を与えるために設けられている。反射部１７Ｂは、入射された被増幅光を１８０度方向転換して反射鏡１６Ｂへ導くことによって、周回光路Ｌ２に遅延光路１７３，１７４を与えている。そのために、反射部１７Ｂは、反射部１７と同様に一対の反射鏡１７１，１７２を有している。
【００６８】
反射鏡１６Ｂは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられており、反射部１７Ｂから受けた被増幅光を９０度方向転換することによってレーザ増幅器１８Ｂへ導く。
【００６９】
レーザ増幅器１８Ｂは、レーザ増幅器１８と同様の構成であり、反射鏡１６Ｂから受けた被増幅光を増幅して偏光ビームスプリッタ１１へ出力する。
【００７０】
制御部５０Ａには、例えば、演算などを行うＣＰＵ、モニタ信号や演算結果などを記憶するＲＡＭなどを備えるパーソナルコンピュータが適用可能である。制御部５０Ａは、本発明の第１光路長変更手段および第２光路長変更手段として機能する。制御部５０Ａは、出力レーザ光Ｏｏｕｔのビーム品質を制御するために、モニタ部４０から受けるモニタ信号に基づいて、空間フィルタ部１３Ａにおける一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａの位置および空間フィルタ部１３Ｂにおける一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂの位置を周回光路Ｌ２に沿って調整する。すなわち、制御部５０Ａは、モニタ信号に基づいて、空間フィルタ部１３Ａにおけるレンズ１３１Ａとピンホール１３５Ａとの間の第１光路長、レンズ１３２Ａとピンホール１３５Ａとの間の第１光路長、空間フィルタ部１３Ｂにおけるレンズ１３１Ｂとピンホール１３５Ｂとの間の第１光路長、およびレンズ１３２Ｂとピンホール１３５Ｂとの間の第１光路長を変更する。また、制御部５０Ａは、第１光路長の変更量に応じて、反射部１７Ａの位置および反射部１７Ｂの位置を周回光路Ｌ２に沿って調整することによって遅延光路１７３，１７４の長さを変更する。すなわち、制御部５０Ａは、第１光路長の変更量に応じて、周回光路Ｌ１における第１光路以外の第２光路長を変更する。
【００７１】
具体的には、制御部５０Ａは、モニタ信号の径が全径方向において平均的に最小となるように、２対のレンズ（１３１Ａ，１３２Ａ）および（１３１Ｂ，１３２Ｂ）の位置を周回光路Ｌ２に沿って調整すると共に、２対のレンズ（１３１Ａ，１３２Ａ）および（１３１Ｂ，１３２Ｂ）による像転送が適切に行われるように、２対のレンズ（１３１Ａ，１３２Ａ）および（１３１Ｂ，１３２Ｂ）の位置の調整量に応じて２個の反射部１７Ａ，１７Ｂの位置をそれぞれ周回光路Ｌ２に沿って調整する。
【００７２】
例えば、図３において、一対のレンズ１３１，１３２をそれぞれ一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａ（または一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂ）とし、転送前の像をレーザ増幅器１８Ｂ（またはレーザ増幅器１８Ａ）内の固体レーザ増幅媒体の出力端におけるレーザ光、転送後の像をレーザ増幅器１８Ａ（またはレーザ増幅器１８Ｂ）内の固体レーザ増幅媒体の入力端におけるレーザ光とする。このとき、制御部５０Ａは、モニタ信号の径が全径方向において平均的に最小となるように、一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａの位置および一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂの位置を光軸線Ｘに沿って調整量ｘ１調整する。また、制御部５０Ａは、一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａによる像転送および一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂによる像転送が適切に行われるように、すなわち上記（３）式を満たすように、一対のレンズ１３１Ａ，１３２Ａの位置の調整量および一対のレンズ１３１Ｂ，１３２Ｂの位置の調整量に応じて反射部１７Ａの位置および反射部１７Ｂの位置を光軸線Ｘに沿ってそれぞれ調整量ｘ２調整する。
【００７３】
このように、第２実施形態のレーザ装置１Ａによれば、熱レンズ効果によってレーザ増幅器１８Ａにおける固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光およびレーザ増幅器１８Ｂにおける固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質が低下しても、熱レンズ効果と２対のレンズ（１３１Ａ，１３２Ａ）および（１３１Ｂ，１３２Ｂ）とによるそれぞれの合成焦点距離、これらのレンズ１３１Ａ，１３２Ａ，１３１Ｂ，１３２Ｂと２個のレーザ増幅器１８Ａ，１８Ｂにおける固体レーザ増幅媒体とのそれぞれの距離を調整することによって、レーザ光を適切に像転送することができ、２個のレーザ増幅器１８Ａ，１８Ｂにおける固体レーザ増幅媒体から出力されるレーザ光のビーム品質の低下を補正することができる。したがって、第２実施形態のレーザ装置１Ａでも、第１実施形態と同様の利点を得ることができる。
【００７４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【００７５】
第１の実施形態では、周回光路Ｌ２に遅延光路を与えるために反射部１７を備えていたが、周回光路Ｌ２に遅延光路を与える手法はこの態様に限られるものではない。例えば、周回光路を構成する反射鏡の位置を変更することによって周回光路Ｌ２に遅延光路を与えてもよい。この態様は、第２の実施形態にも適用可能である。
【００７６】
第２の実施形態では、レンズ対およびレーザ増幅器と同数の反射部を備えていたが、少なくとも１つの反射部を備えていればよい。すなわち、第２の実施形態では、レンズ対およびレーザ増幅器の個数と周回光路Ｌ２に遅延光路を与える手段の個数は同一でなくてもよい。
【００７７】
また、第２の実施形態では、レンズ対およびレーザ増幅器を２つずつ備えたレーザ装置１Ａを例示したが、レーザ装置１Ａはレンズ対およびレーザ増幅器をそれぞれ２つ以上備えていてもよい。この場合、制御部は、上記同様、レンズ対および反射部の位置を全て制御すれば、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００７８】
本実施形態では、入射される被増幅光を増幅するためのレーザ増幅装置を例示したが、励起光発生部からの励起光によってレーザ光を生成するレーザ発振装置においても、本発明の思想が適用可能である。
【００７９】
また、例示したレーザ増幅装置に含まれる固体レーザ増幅媒体の形状は、円形状、スラブ状、ディスク状等、どのような形状のものであっても構わない。
【００８０】
また、本実施形態では、入力光をリング型レーザ共振器１０に取り込むための偏光ビームスプリッタ１１と出力光をリング型レーザ共振器１０から取り出すための偏光ビームスプリッタ１４とを、レーザ光を９０度方向転換するための反射鏡とは別に設けたが、いずれかの反射鏡を偏光ビームスプリッタ１１，１４に置き換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】一対のレンズによる像転送の原理を説明するための図である。
【図３】一対のレンズによる像転送の原理を説明するための図である。
【図４】モニタ部からのモニタ信号を示す図である。
【図５】レーザ装置の出力レーザ光の強度分布を示す図である。
【図６】レーザ装置における出力レーザ光の出力エネルギーの測定結果とシミュレーション結果とを示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…レーザ装置、１０…リング型レーザ共振器、１１，１４…偏光ビームスプリッタ、１２…光スイッチ、１３…空間フィルタ部、１５，１６…反射鏡、１７…反射部、１８…レーザ増幅器、２０…半反射鏡、３０…反射鏡、４０…モニタ部、４１…レンズ、４２…カメラ、５０…制御部（第１光路長変更手段、第２光路長変更手段）、１２１…半波長板、１２２…偏光回転素子、１３１，１３２…レンズ、１３３，１３４…反射鏡、１３５…ピンホール、１７１，１７２…反射鏡、Ｌ１…周回光路、Ｏｉｎ…入力光、Ｏｏｕｔ…出力レーザ光。
【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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