(57)【要約】【課題】簡素な構成で励起効率を向上できるレーザ装置および情報取得装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ装置は、活性媒質と、活性媒質を励起するための励起光を射出する励起光源と、励起光を偏向するための周期構造を有する回折部と、活性媒質によって発せられる光を共振させる少なくとも２つの共振器反射鏡を有する共振器と、を備え、回折部における周期方向に沿って周期構造の周期が変化している。【選択図】図１０
2017022153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性媒質と、
前記活性媒質を励起するための励起光を射出する励起光源と、
前記励起光を偏向するための周期構造を有する回折部と、
前記活性媒質によって発せられる光を共振させる少なくとも２つの共振器反射鏡を有する共振器と、
を備え、
前記回折部における周期方向に沿って前記周期構造の周期が変化していることを特徴とする、レーザ装置。
【請求項２】
前記回折部の前記周期構造が前記活性媒質の少なくとも１つの面上に設けら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】
前記回折部が前記活性媒質とは別に設けら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】
前記活性媒質の有する面のうち、前記回折部が配置されている側の面と隣り合う少なくとも１つの面に、前記励起光に対して９９．５パーセント以上の反射率を呈するコーティングが施されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記回折部が、前記励起光源と前記活性媒質の間に配置されており、前記活性媒質に入射される前の入射励起光を偏向するように構成されており、
前記活性媒質の有する面のうち、前記回折部が配置されている側の面に前記入射励起光に対して９９．５パーセント以上の透過率を呈するコーティングが施されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記活性媒質の有する面のうち、前記回折部が配置されている側と反対側の面に、前記入射励起光に対して９９．５パーセント以上の反射率を呈するコーティングが施されてい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７】
前記回折部が、前記活性媒質を介して前記励起光源とは反対側に配置されており、前記活性媒質に入射される入射励起光のうち前記活性媒質で吸収されずに前記活性媒質を透過してしまう透過励起光を再び前記活性媒質に偏向して入射するように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記活性媒質の有する面のうち、前記回折部が配置されている側と反対側の面に、前記入射励起光に対して９９．５パーセント以上の透過率を呈するコーティングが施されていることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記回折部の位置により前記回折部への入射方向が異なる前記励起光を、１つの方向に偏向するように、前記周期構造の前記周期が変化していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記回折部の位置により前記回折部への入射方向が異なる前記励起光の伝搬方向を偏向して、前記活性媒質中に所望の利得分布を形成するように、前記周期構造の前記周期が変化していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記活性媒質が、互いに対向する第１の広い面および第２の広い面を有する板状体であり、前記第１の広い面および前記第２の広い面の少なくとも一方に対して前記励起光が入射されるように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記活性媒質の有する面のうち前記回折部が設けられている側と反対側の広い面と、前記反対側の広い面に入射する前記励起光の伝搬方向がなす角度が、前記反対側の広い面における前記励起光の内部全反射臨界角以下となるように、前記回折部が前記励起光を偏向することを特徴とする、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記第１と第２の広い面との間の距離を前記活性媒質の厚さｔ、前記回折部の前記周期構造の前記周期方向と広い面の対向方向に平行な面における前記活性媒質の長さを長さｄとした場合、前記活性媒質の有する面のうち前記回折部の設けられている側の広い面と、前記回折部により偏向されて前記活性媒質に入射された前記励起光とのなす角度が、ａｒｃｔａｎ（ｔ／ｄ）以下となるように前記回折部が構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記回折部が、回折格子、計算機合成ホログラム、フレネルゾーンプレート、フォトニック結晶のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
前記活性媒質が、固体レーザ結晶、固体レーザセラミックス、無機光半導体材料、有機光半導体材料、色素レーザ活性媒質のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置から射出される光を被検体に照射することにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する検出素子と、
前記検出素子から出力された電気信号に基づいて、前記被検体内部の情報を取得する取得部と、を有する情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性媒質を光励起することによってレーザ光を生成するレーザ装置および情報取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ装置は、共振器中に配置した活性媒質を励起光により励起することにより、共振器中で誘導放出によるレーザ発振を起こすものである。レーザ装置では、励起光を効率よく活性媒質に吸収させること、および所望の発振モードのビームプロファイルに合わせた利得分布を活性媒質中に形成することが重要である。
【０００３】
励起光を活性媒質に入射して活性媒質を励起光で励起する際、励起光が入射端から反対の端に達するまでに活性媒質に十分に吸収されずに透過してしまう場合がある。このように透過してしまう励起光を低減し、励起光を活性媒質に十分に吸収させるために、特許文献１には、励起光を高反射する反射鏡で活性媒質を挟み込むことにより、励起光を活性媒質の対向する２つの端の間で往復させ、励起光を活性媒質中に閉じ込める構成が開示されている。また、特許文献２には、活性媒質中での励起光の伝搬方向を、回折格子を用いて活性媒質の長軸方向（すなわち励起光の入射方向に垂直な方向）に変化させることにより、活性媒質中で励起光が伝搬する長さを増大させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５１４９８１号公報
【特許文献２】特公平７−９３４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に開示されている固体レーザには以下のような課題が存在する。特許文献１では、入射端に形成された励起光の反射鏡の一部に、励起光を導入するための孔が形成されているため、入射端と反対の端に形成された反射鏡おいて反射され再び入射端に戻る励起光の一部はこの孔を通して励起光源に戻る。その結果、励起光の閉じ込め効率の低下と励起光源の不安定動作が発生する場合がある。また、特許文献２では、通常半導体レーザをはじめとする励起光源からのレーザ光は発散を有するため、角度分布を有する励起光を均一な方向にそろえることは困難である。さらに、所望の発振モードのビームプロファイルに合わせるような励起光分布、利得分布を形成することはできない。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みて行われたものであって、簡素な構成で励起効率を向上できるレーザ装置および情報取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るレーザ装置は、活性媒質と、前記活性媒質を励起するための励起光を射出する励起光源と、前記励起光を偏向するための周期構造を有する回折部と、前記活性媒質によって発せられる光を共振させる少なくとも２つの共振器反射鏡を有する共振器と、を備え、前記回折部における周期方向に沿って前記周期構造の周期が変化しており、前記回折部は、前記回折部に入射される前記励起光を、前記励起光の入射方向と０度以外の角度をなすように偏向することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、回折部における周期方向に沿って周期構造の周期が変化しており、回折部は、回折部に入射される励起光を、励起光の入射方向と０度以外の角度をなすように偏向する。そのため、回折部の各位置で入射方向の異なる励起光のそれぞれについて伝搬距離を長くし、励起効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る回折部材の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る回折部材の断面図である。
【図３】第２の実施形態に係るレーザ装置の断面図である。
【図４】第４の実施形態に係るレーザ装置の断面図である。
【図５】第５の実施形態に係るレーザ装置の断面図である。
【図６】活性媒質とその内部に形成される利得分布の模式図である。
【図７】活性媒質中を励起光が伝搬する様子を示す模式図である。
【図８】角度の定義を説明するための模式図である。
【図９】第８の実施形態における励起光の偏向方向を説明するための模式図である。
【図１０】第１の実施例に係るレーザ装置の斜視図および断面図である。
【図１１】第２の実施例に係るレーザ装置の断面図である。
【図１２】第９の実施形態に係る被検体情報取得装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明は各実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１１】
（第１の実施形態）
本実施形態に係るレーザ装置の基本的な構成は、吸収波長帯域中の波長を有する光により励起されて発光波長帯域中の波長の光を発する活性媒質と、これを挟むように配置された少なくとも２つの共振器反射鏡を含む共振器とを備えるものである。本明細書では簡単のため、共振器反射鏡が２つ設けられる構成を用いて説明する。活性媒質を挟んで第１および第２の共振器反射鏡により共振器を構成し、活性媒質から発せられ共振器中で共振する光のパスが活性媒質を通過するように、第１および第２の共振器反射鏡の間に活性媒質を配置する。第１、第２の共振器反射鏡の一方は、共振器中で共振する光の波長に対して、９９．９パーセント以上などの高い反射率を呈する高反射鏡であり、もう一方は高反射鏡よりも低い反射率（９９パーセント以下など）を呈する部分反射鏡つまりアウトプットカプラーとし、アウトプットカプラーからレーザ光が出力される。
【００１２】
レーザ装置共振器中で共振する光は、活性媒質が励起光源からの励起光により励起される際に発生する光であり、この光の共振に伴う誘導放出によりレーザ発振が起こる。励起光源は、出力する励起光の中心波長が活性媒質の吸収波長帯の中の波長となるように構成されており、単一の中心波長を有する励起光を出力してよく、または異なる中心波長を有する複数の励起光群を励起光として出力してよい。本実施形態における励起光源は、活性媒質の吸収波長帯内の波長を有する光を発するものであればよく、例えば端面発光型の半導体レーザ、面発光レーザ、発光ダイオードやこれらをアレイ化したもの、さらに固体レーザ、色素レーザ、ガスレーザ、フラッシュランプなどが挙げられる。
【００１３】
このような励起光源からの励起光は、コリメート処理をされている場合であっても現実的には完全な平行光ではなく、発散角や集光角をもって伝搬するものである。特に、半導体レーザなど、非常に小さな射出領域からレーザ光が射出される光源からの励起光は、数度から数十度の発散角を有する。つまり、励起光の伝搬方向に垂直な断面において断面内の異なる部分を貫く励起光の伝搬方向は異なっており、断面全体において伝搬角度に分布を有する。
【００１４】
このような、伝搬角度分布を有する励起光の方向を制御するために、本実施形態のレーザ装置は、周期方向において周期が変化している周期構造を有する回折部材（回折部）を具備する。ここで、周期方向とは、周期構造の周期性を表すための基本ベクトルが定義される方向である。基本ベクトルは、１次元の周期構造であれば１つ、２次元の周期構造であれば２つ、３次元の周期構造であれば３つの基本ベクトルが定義され、これらによって各周期構造の周期性が表わされるものである。例えば、２つの薄膜が交互に積層された１次元の周期性多層膜の場合、基本ベクトルは、２つの薄膜の膜厚の和の大きさを有する、積層方向のベクトルであり、この方向が周期方向となる。本実施形態では周期方向における周期が変化しているため、基本ベクトルの大きさ、すなわち２つの薄膜の膜厚およびその和が周期方向において変化しているものとなる。また、２次元または３次元の周期構造の場合も同様に、２つまたは３つの基本ベクトルに係る周期方向のうち少なくとも１つにおける周期が変化する。
【００１５】
図１（ａ）は、本実施形態に係る回折部材としての１次元回折格子１０の断面図である。１次元回折格子１０はｚ方向に沿って複数の凹凸構造１１を有しているため、ｚ方向を周期方向としており、ｚ方向においてその周期が徐々に大きくなったり小さくなったりしている。図１（ｂ）は、本実施形態に係る２次元フォトニック結晶スラブ２０の斜視図である。２次元フォトニック結晶スラブ２０はｚ−ｘ面内で複数の空孔２１を有しているため、ｚ方向およびｘ方向を周期方向としており、ｚ方向およびｘ方向のそれぞれにおいて周期が変化している。３次元の場合も同様の考え方が成り立つ。
【００１６】
周期構造からなる回折部材は、その周期と基本構造の形状により入射される光を回折する方向を制御することができる。回折部材の例として、図２は、本実施形態に係る回折部材としての１次元回折格子２０１の断面図である。１次元回折格子２０１の周期は、周期方向であるｚ方向に沿って変化している。具体的には、１次元回折格子２０１は、その表面に基本構造として複数の凹凸構造２０２を有しており、ｚ方向に沿った中心付近の周期（すなわち、隣接する凹凸構造２０２同士の間隔）が大きく、中心から遠ざかるに伴い徐々に周期が小さくなっている。
【００１７】
図２には例として励起光２０３が５本の矢印で表されている。それぞれの矢印で示される励起光２０３の伝搬方向は異なっており、１次元回折格子２０１上で励起光２０３が入射する位置によって励起光２０３の入射角度が異なる。仮に１次元回折格子２０１が周期変化のない回折格子であるとした場合、すなわち従来のように回折格子のどの位置でも回折特性が同一である場合、それぞれの位置において回折される励起光の回折方向は入射角度に依存して異なることになる。
【００１８】
それに対して、本実施形態においては、どの位置でも回折角度が同じになるように１次元回折格子２０１の凹凸構造２０２の周期を変化させている。これにより、発散を有していた励起光２０３の回折方向を、例えば同じ方向にそろえることができ、活性媒質を均一に励起することができる。活性媒質の入射面に１次元回折格子２０１を介して励起光を導入する際、特に入射面に平行な方向またはこれに近い方向に励起光を偏向することによって、活性媒質の入射面と対向する面側に透過してしまう透過励起光を抑制でき、また入射面から次に到達する面までの励起光の伝搬距離を長くできる。これにより、活性媒質の励起光の吸収効率を向上することができる。また、本実施形態における回折部材において、周期構造とその周期の変化を適宜設計することによって、簡素な構成で、自由な励起強度分布つまり利得分布を活性媒質内に形成することができる。
【００１９】
本実施形態に係るレーザ装置においては、活性媒質の断面における伝搬方向にばらつきや分布を有する励起光を、ばらつきや分布を低減して１つの方向に偏向するように回折部材が構成される。これにより、活性媒質の入射面内の異なる入射位置から導入される励起光の活性媒質中での吸収効率を一定化することができる。
【００２０】
本実施形態における回折部材は、周期構造を有するものであればよく、例えば、回折格子、計算機合成ホログラム、フレネルゾーンプレートなどの回折光学素子、あるいはフォトニック結晶などが挙げられるが、これらに限定するものではない。
【００２１】
また本実施形態におけるレーザ装置において、回折部材は活性媒質と一体に設けられてもよい。具体的には、レーザ装置の活性媒質の少なくとも１つの面に、回折部材の周期構造が直接形成される。この場合、活性媒質上の周期構造に励起光が入射されると同時に、励起光は活性媒質中に偏向されて伝搬してゆく。このときの偏向角度を活性媒質の入射面の位置によって制御するように周期構造の周期と基本構造を設計することにより、活性媒質中での励起光の吸収効率を向上させたり、レーザの発振モードプロファイルに合わせた利得分布を形成したりすることが可能である。この場合は、回折部材が活性媒質上に直接形成されているので、レーザは非常に簡素な構成をとることが可能となる。
【００２２】
本発明のレーザ装置における活性媒質は、固体レーザの活性媒質として用いられる固体レーザ結晶、固体レーザセラミックス、無機光半導体材料、有機光半導体材料、蛍光性有機色素材料を含有したアルコールなどの色素レーザ活性媒質のいずれかであることが好ましい。固体レーザ結晶としては、例えば、Ｃｒ３＋：ＢｅＡｌ２Ｏ４（アレキサンドライト）結晶、Ｃｒ３＋：ＬｉＳｒＡｌＦ６（ＬｉＳＡＦ）結晶、Ｃｒ３＋：ＬｉＣａＡｌＦ６（ＬｉＣＡＦ）結晶、Ｃｒ３＋：ＬｉＳｒＧａＦ６（ＬｉＳＧＡＦ）結晶、Ｎｄ３＋：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶、Ｙｂ３＋：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶、Ｙｂ：ＹＶＯ４結晶、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３（チタンサファイア）結晶、Ｃｒ３＋：Ａｌ２Ｏ３（ルビー）結晶、Ｃｒ４＋：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（Ｃｒ：ＹＡＧ）結晶などが挙げられる。固体レーザセラミックスとしては、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２、Ｇｄ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２、（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３などのセラミックス材料に、Ｎｄ３＋などのイオンをドープしたものが挙げられる。
【００２３】
無機光半導体レーザ材料としては、ＩＩ−ＶＩ族半導体であるＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であるＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＩＶ族化合物半導体であるＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体であるＣｕＩｎＳｅ２などのカルコパイライト系半導体、ＩＶ族半導体であるＳｉ、Ｇｅなどが挙げられる。有機光半導体材料としては、ＣＢＰ（４，４’−ｂｉｓ−（Ｎ−ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ）をホストとした、フルオレン誘導体であるＢＤＦ１（２，７−Ｂｉｓ（Ｎ，Ｎ−ｄｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏ）−９，９−ｂｉｓ（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４−ｙｌ）−９Ｈ−ｆｌｕｏｒｅｎｅ）、ＢＤＦ２（２，７−Ｂｉｓ［４’−（Ｎ，Ｎ−ｄｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏ）−１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４−ｙｌ］−９，９−ｂｉｓ（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４−ｙｌ）−９Ｈ−ｆｌｕｏｒｅｎｅ）や、スチリルベンゼン誘導体などが挙げられる。色素レーザ活性媒質としては、アルコールに、シンチレーター化合物、スチルベン系蛍光増白材、クマリン系化合物、ローダミン系色素、オキサジン系色素、スチリル系色素、ポリメチン系色素などの蛍光性有機色素材料を含有させたものが挙げられる。
【００２４】
（第２の実施形態）
本実施形態におけるレーザ装置においては、活性媒質の面のうち、回折部材が配置されている側の面と隣り合う少なくとも１つの面に、励起光を反射するための高反射コーティングが施される。この構成により、回折部材により偏向され活性媒質中を伝搬する励起光のうち、回折部材が配置されている側の面と隣り合う面に到達する励起光は、この面に配置された高反射コーティングからなる反射鏡により反射され、再び活性媒質中に戻される。その結果、励起光を効率よく活性媒質に吸収させることが可能である。
【００２５】
図３（ａ）は、回折部が活性媒質とは別に設けられた構成のレーザ装置の断面図である。本実施形態に係る回折部として、活性媒質３０３の面３０４に対向する位置に、変化する周期をもって周期的に基本構造３０２が形成された周期構造を有する回折部材３０１が配置されている。図３（ａ）には、励起光源からの励起光３０７が矢印で示されている。この場合、回折部材３０１が配置されている側の活性媒質３０３の面３０４に隣り合う面は、面３０５および面３０６である。活性媒質３０３が四角柱である場合には、面３０４に隣り合う面は４つ存在するが、ここでは説明の簡略化のために２つの面３０５および面３０６のみを示している。例えば、回折部材３０１により偏向されて活性媒質３０３の中を伝搬する励起光３０７は、面３０６に達する。仮に面３０６に高反射コーティングが施されていない場合には面３０６を通して励起光３０７は活性媒質３０３の外部へ透過してしまい吸収効率が低下することにつながる。それに対して、本実施形態においては、面３０６に高反射コーティングが施されているため、励起光３０７は面３０６において反射され再び活性媒質３０３中へ戻される。その結果、活性媒質３０３中の励起光３０７の吸収効率を向上することができる。面３０４と隣り合う他の面についても、高反射コーティングを施すことで、吸収効率の向上を図ることができる。高反射コーティングは、励起光３０７に対して９９．５％以上の反射率を有するものをさす。
【００２６】
図３（ｂ）は、回折部が活性媒質の面上に直接設けられた構成のレーザ装置の断面図である。この場合、活性媒質３０８の回折部材３１３が配置されている側の面とは、変化する周期をもって周期的に基本構造３０９が形成された周期構造を有する面そのものである。換言すると、活性媒質３０８の一部が回折部として機能する。また回折部材３１３が配置されている側の面と隣り合う面は、面３１０および面３１１である。図３（ｂ）の構成においても、回折部材３１３により偏向されて活性媒質中を伝搬する励起光３１２は、高反射コーティングが施された面３１０に到達すると、面３１０を透過せずに、反射されて再び活性媒質３０８中に戻されて伝搬することとなる。そのため、活性媒質３０８による励起光３１２の吸収効率を向上することができる。図３（ａ）の場合と同様、基本構造３０９が形成された面と隣り合う他の面についても高反射コーティングを施すことにより、励起光の吸収効率を向上することができる。
【００２７】
（第３の実施形態）
本実施形態において、回折部材は、励起光源と活性媒質の間に配置されており、活性媒質に入射される前の入射励起光を偏向するものである。励起光源からの励起光は回折部材を透過する際に偏向されて活性媒質に入射され、ここで入射される励起光を本明細書中で入射励起光と称する。本実施形態においては、回折部材が配置されている側の活性媒質の面には、入射励起光を高効率に透過するための無反射コーティング（アンチリフレクションコーティング、ＡＲコーティング）が施されている。活性媒質の入射励起光の入射面に無反射コーティングを施すことにより、回折部材により偏向された入射励起光が入射面を高効率で透過するので、入射面での入射励起光の反射損失を低減できる。またこの構成において、活性媒質の励起光の入射面自体に回折部材が形成されている場合にも、同様に回折部材表面に無反射コーティングを施すことによって、高効率に入射励起光を活性媒質内部に導入することができる。
【００２８】
（第４の実施形態）
本実施形態においては、回折部材が配置されている側と反対側の活性媒質の面に、入射励起光を高効率に反射するための高反射コーティングが施される。図４は、本実施形態に係るレーザ装置の断面図である。励起光源４０１から発散角をもって射出される励起光４０２は、本実施形態に係る回折部としての回折部材４０３を透過する際に偏向されて活性媒質４０４の励起光入射面４０５から活性媒質４０４内部に導入される。活性媒質４０４に導入された励起光４０７、４０８は活性媒質４０４に吸収されながら伝搬するが、十分に吸収される前に、回折部材４０３が配置されている側に位置する励起光入射面４０５と反対側の面４０６に達する、あるいは励起光入射面４０５と隣り合う面４０９、４１０で反射されて面４０６に達する場合がある。本実施形態では、回折部材４０３が配置されている側と反対側の面４０６に励起光に対する高反射コーティングを施しているため、十分に吸収されずに面４０６に達する励起光４０７、４０８を反射して、再度活性媒質４０４に戻すことができるため、活性媒質４０４での吸収効率を向上することができる。
【００２９】
（第５の実施形態）
本実施形態においては、回折部材は活性媒質を挟んで励起光源とは反対側に配置されている。回折部材は、活性媒質に入射される入射励起光のうち活性媒質で吸収されずに活性媒質を透過してしまう透過励起光を偏向して再び前記活性媒質に戻すように構成されている。
【００３０】
この構成の場合、励起光源から射出された入射励起光は、活性媒質の励起光入射面に入射されて活性媒質内部に導入される。活性媒質内に導入された励起光は、活性媒質により吸収されながら活性媒質中を伝搬し、励起光入射面とは反対側つまり回折部材が配置されている側の面に達する。このように活性媒質中で十分吸収されずに回折部材が配置されている側の面に達する励起光を、本明細書中において透過励起光と称する。透過励起光が達する面に高反射コーティングなどが施されていない場合には、透過励起光の多くの部分はこの面から活性媒質外部に放出されてしまう。それに対して、本実施形態に係るレーザ装置においては、この面に接してまたはこの面の近傍に回折部材が設けられているため、透過励起光を再度活性媒質内部に戻すことができ、励起光の吸収効率を向上することができる。また本実施形態に係るレーザ装置に用いられる回折部材は、回折部材に入射する透過励起光を、入射方向（入射光の光軸）に平行またはこれに近い方向に偏向せず、入射方向に対して０度以外の角度に偏向する。そのため、透過励起光は回折部材により偏向されて再び活性媒質に導入されたのち、より長い距離を活性媒質中で伝搬することとなり、さらに吸収効率が向上される。また、回折部材が配置されている側と反対側の面、つまり入射励起光が入射される面に励起光に対する無反射コーティングを施してもよく、この場合には入射励起光を効率よく活性媒質内へ導入することができる。
【００３１】
図５は、本実施形態に係るレーザ装置の断面図である。入射励起光５０２は図５において矢印で示されており、励起光源５０１から発散角をもって射出され、活性媒質５０３の励起光入射面５０５に入射される。活性媒質５０３内に導入された励起光は活性媒質中で吸収されながら伝搬し、励起光入射面５０５の反対側の面５０４に達する。図５の構成では、励起光入射面５０５と反対側の活性媒質自体に本実施形態に係る回折部としての回折部材５１０が形成されている。すなわち、励起光入射面５０５と反対側の面５０４には回折格子が形成されており、この面自体が回折部材５１０として機能する。なお、回折部材５１０は、活性媒質５０３とは別に、励起光入射面５０５と反対側に設けられてもよい。さらにこの構成において回折部材５１０の表面を覆うように透過励起光を反射するための金属コーティングを施してもよく、この場合にはより高効率な反射および回折を起こすことが可能である。
【００３２】
図５の構成において、面５０４に到達する透過励起光は、例えば透過励起光５０６、５０７のように回折部材５１０により回折部材５１０への入射方向とは平行でない方向（すなわち入射方向に対して０度以外の角度）へ偏向される。これにより、活性媒質５０３の励起光入射面５０５と面５０４との間の距離が短い場合でも、偏向された透過励起光５０６、５０７がすぐに励起光入射面５０５に戻って外部に放出されることなく、活性媒質５０３中で長い距離を伝搬することが可能であり、励起光の吸収効率が向上される。さらに、活性媒質５０３の回折部材として機能する面５０４と隣り合う面５０８、５０９に励起光に対する高反射コーティングを施してもよく、この場合には回折部材５１０により偏向された透過励起光５０６、５０７が面５０８、５０９を透過して外部へ放出されづらいため、さらに励起光の吸収効率を向上することが可能である。
【００３３】
第４および第５の実施形態においては、第１の広い面４０５、５０５と第２の広い面４０６、５０４が対向する一対の面を有する板状体である活性媒質４０４、５０３を用い、第１の広い面４０５、５０５または第２の広い面４０６、５０４の少なくとも一方に対して入射励起光が入射される。スラブ状の活性媒質やディスク状の活性媒質など、薄い活性媒質を用いたレーザ装置において、広い面に励起光を導入して活性媒質を励起する場合、活性媒質が薄いために、入射面から導入され活性媒質中を伝搬する励起光は活性媒質の厚さに応じた短い距離だけを伝搬して入射面と対向する面に到達してしまう。入射面と対向する面に到達するまでに伝搬する距離が短いために、多くの励起光が活性媒質に十分に吸収されずに透過励起光として入射面と対向する面に達し、外部に放出される場合がある。これを避けるために入射面と対向する面に高反射コーティングを施しても、反射されて再度活性媒質中に導入された透過励起光は十分吸収されずに入射面に達し、外部に放出されてしまう場合がある。これに対し、本実施形態に係るレーザ装置では、励起光の入射面側またはこれに対向する面側に回折部材４０３、５１０が設けられているため、広い面に垂直な方向とは異なる方向へ入射励起光または透過励起光を大きく偏向するため、回折部材が配置された側の面から活性媒質に導入されて対向する面に到達するまでの、励起光の伝搬距離を長くすることができ、厚さの小さい活性媒質による励起光の吸収効率を大きく向上することができる。
【００３４】
（第６の実施形態）
本実施形態では、例えばガウシアン分布を有する発散状の励起光強度分布と同等な利得分布を活性媒質内に形成するように回折部材が構成されている。これにより、横シングルモードのディスクレーザのディスク活性媒質などに、レーザの発振モードプロファイルと一致した利得分布の高効率なレーザを実現することが可能である。
【００３５】
本実施形態においては、活性媒質中に所望の利得分布を形成するように入射励起光または透過励起光の伝搬方向を偏向可能な周期構造を有する回折部材を用いる。励起光が偏向される方向つまり回折方向は、周期や基本構造形状、くぼみの深さなど回折部材の周期構造により自由に制御することができるため、回折部材の励起光を回折する位置によって周期構造を変化させておけば、活性媒質内に導入される励起光の任意の強度分布を形成することができる。
【００３６】
本実施形態の構成により、横シングルモードのみならず、特定の高次モードのモードプロファイルに対応する利得分布を活性媒質内に形成することができるため、高次モードで発振するレーザにおいても安定な動作を実現することができる。図６（ａ）〜６（ｃ）は、活性媒質内に形成される利得分布の例を示す模式図である。図６（ａ）は、ロッド状の活性媒質６０１内にｚ方向において共振するレーザ光のモードのうちＴＥＭ０１の横モードのモードプロファイルに合わせるように利得分布６０２を形成した状態の模式図である。図６（ｂ）は、板状の活性媒質６０３内にｚ方向において共振するレーザ光のモードのうちｘ方向において３次、ｙ方向において０次の横モードのモードプロファイルに合わせるように利得分布６０４を形成した状態の模式図である。図６（ｃ）は、ディスク状の活性媒質６０５内にｙ方向において共振するレーザ光のモードのうちｘ方向、ｙ方向ともに１次の横モードのモードプロファイルに合わせるように利得分布６０６を形成した状態の模式図である。通常高次モードで発振可能なレーザでは、励起光強度の増減や、温度分布の不安定性により、発振モードが変化してしまう不安定発振が引き起こされる。それに対して、本実施形態に係るレーザ装置においては、特定の高次モードのモードプロファイルに合わせた利得分布を活性媒質内に形成することにより、他のモードでの発振は抑制され、基本的な発振モードはこの特定のモードに限られるため、安定かつ高効率なレーザを実現することができる。
【００３７】
（第７の実施形態）
本実施形態では、板状の活性媒質を用いる構成において、回折部材が設けられている側と反対側の活性媒質の広い面と、これに入射する励起光の伝搬方向がなす角度が、回折部材が設けられている側と反対側の広い面における励起光の内部全反射臨界角以下となるように、回折部材は入射励起光または透過励起光を偏向する。
【００３８】
本実施形態によれば、レーザ装置の構成を簡素化できる。励起光源からの入射励起光または透過励起光は、回折部材により偏向されて活性媒質に導入、または再導入された後、活性媒質中を吸収されながら伝搬して、活性媒質の入射励起光または透過励起光の入射面に対向する広い面に達する。
【００３９】
図７は、本実施形態に係る構成において活性媒質中を励起光が伝搬する様子を示す模式図である。励起光７０４、７０６は、活性媒質７０１中を伝搬して、活性媒質７０１における入射励起光の入射面または透過励起光の再入射面に相当する広い面７０２と対向する広い面７０３に達する。広い面７０２、７０３に隣り合う面７０８には励起光に対する高反射コーティングが施されており、励起光７０４はこの面７０８において反射されて広い面７０３に到達する。また、励起光７０６は、不図示の回折部材により回折されて広い面７０２、７０３に隣り合う面７０９を介さずに広い面７０３に到達する。このとき広い面７０３と、これに到達して入射する励起光７０４および７０６の入射方向とのなす角度をそれぞれ角度７０５および角度７０７とする。なお、本明細書中では特に説明がない限り、図８で示すように、面８０１とこれに入射またはこれから射出される光８０２の伝搬方向のなす角度８０３によって角度が定義される。
【００４０】
本実施形態では、角度７０５および７０７が広い面７０３における励起光の内部全反射臨界角よりも小さくなるように、回折部材が設計されている、そのため、広い面７０３に到達する励起光７０４および７０６は、広い面７０３を透過して活性媒質７０１外部に放射されずに全反射されて再び活性媒質７０１中に導入される。このような構成を用いることにより、活性媒質７０１による励起光の吸収効率を向上することができると同時に、広い面７０３に励起光を反射するための高反射コーティング等の反射手段を必要としないため、レーザ装置の構成を簡素化することができる。
【００４１】
（第８の実施形態）
本実施形態では、板状の活性媒質を用いる構成において、第１および第２の広い面の間の距離を活性媒質の厚さｔとし、回折部材の周期構造の周期方向と広い面の対向方向に平行な面における活性媒質の長さ（回折部材の周期方向に沿った活性媒質の長さ）を長さｄとして、回折部材の設けられている側の広い面と、偏向されて活性媒質に導入された入射励起光または透過励起光とのなす角度がａｒｃｔａｎ（ｔ／ｄ）以下となるように回折部材が設計される。
【００４２】
図９は、本実施形態における励起光の偏光方向を説明するための模式図である。活性媒質９０１の例えば第１の広い面９０２側に回折部材が配置されている場合、励起光９０６、９０８は回折部材により偏向されて第１の広い面９０２から活性媒質９０１内に導入または再導入される。図中の点線は、活性媒質９０１の断面の対角線９１０を表し、対角線９１０と第２の広い面９０３のなす角を角度９１１とする。第１の広い面９０２上の点９１２および点９１３から伝搬する励起光９０６および９０８は、第１の広い面９０２との間でそれぞれ角度９０７、９０９をなして伝搬する。広い面と隣り合う面９０４と面９０５には励起光に対する高反射コーティングが施されており、これらの面に達する励起光は反射されて再度活性媒質９０１内に導入される。角度９０７および９０９が、角度９１１以下である場合、それぞれの励起光は第２の広い面９０３に達する前に一度面９０４または９０５に到達する。同様に、第１の広い面９０２上のすべての点から伝搬する励起光がこの条件を満たすことにより、第２の広い面９０３に達するまでの励起光の伝搬距離を長くすることができる。これにより、板状の活性媒質中においてより吸収効率を向上する。特に厚さ数ミリメートル以下、長さまたは幅が数ミリメートル以上などのスラブ状やディスク状の活性媒質を用いる場合には、吸収係数の小さな活性媒質に対しても、十分大きな吸収効率を実現することが可能である。本実施形態に係る構成において、図９のように、活性媒質９０１の厚さをｔ、回折部材の周期方向と広い面の対向方向に平行な面における活性媒質の長さをｄとした場合、角度９１１はａｒｃｔａｎ（ｔ／ｄ）ラジアンである。
【００４３】
（第９の実施形態）
次に、図１２を用いて、上記のいずれかの実施形態で説明したレーザ装置２１００を用いた被検体情報取得装置について説明する。本実施形態に係る被検体情報取得装置は、レーザ装置２１００、光学系２２００、探触子（検出素子）２４００、信号処理部（取得部）２５００、表示部２６００を有する。
【００４４】
まず、レーザ装置２１００から発生した光は、光学系２２００を介してパルス光２２１０として被検体２０００に照射される。そして、光音響効果により被検体２０００内の光吸収体２０１０で光音響波２０２０が発生する。続いて、探触子２４００が被検体２０００内を伝搬した光音響波２０２０を検出して時系列の電気信号を取得する。続いて、信号処理部２５００が探触子２４００からの時系列の電気信号に基づいて被検体内部の情報を取得し、表示部２６００に被検体内部の情報を表示させる。
【００４５】
なお、本実施形態において、レーザ装置２１００が発することのできる光の波長は、被検体２０００の内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体２０００が生体の場合、好適な波長は、５００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の波長領域を使用することも可能である。
【００４６】
本実施形態に係る被検体情報としては、光音響波の初期音圧、光エネルギー吸収密度、吸収係数、および被検体を構成する物質の濃度などがある。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。また、本実施形態において被検体情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報であってもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。
【００４７】
また、レーザ装置２１００は発生させる光の波長を切り替える構成であってもよい。また、異なる複数のレーザ装置２１００を用いることもできる。
【００４８】
（第１の実施例）
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、第１の実施例に係るレーザ装置１０００の斜視図および断面図である。図１０（ａ）は、本実施例に係るレーザ装置１０００の斜視図である。レーザ装置１０００は、中心波長４４５ナノメートルの複数の青色半導体レーザからのレーザ光を導光する１００本の束ねられたファイババンドルを含む励起光源１００１と、励起光源１００１からの励起光１００２を入射するための第１の広い面１０１０（励起光入射面）およびこれに対向する第２の広い面１００５を有する板状のアレキサンドライト結晶である活性媒質１００３と、第２の広い面１００５上に形成された周期的な基本構造１００４からなる回折格子である回折部材１０１３と、を備える。レーザ装置１０００においては、ｚ方向に沿ってレーザ発振が起こるように共振器が構成されている。活性媒質１００３の側方には、部分反射鏡であるアウトプットカプラー１０１１が設けられる。さらに、回折部材１０１３上には、反射鏡として機能するアルミニウム１０１２が蒸着されている。
【００４９】
レーザ装置１０００中の共振器は、ｚ方向において対向する２つの共振器反射鏡を含む。一方の反射鏡は７２０ナノメートルから８００ナノメートルの波長の光に対して９９．９パーセント以上の高反射率を呈する反射鏡として活性媒質１００３の１つの面１００８上に施された高反射コーティングであり、もう一方の反射鏡は７２０ナノメートルから８００ナノメートルの波長の光に対して９５パーセントの反射率（５パーセントの透過率）を呈する部分反射鏡であるアウトプットカプラー１０１１である。また、活性媒質１００３の側面を取り囲む面１００８、面１００９、面１００６、および面１００７には励起光１００２に対して９９パーセント以上の高反射率を呈する高反射コーティングが施され、さらにアウトプットカプラー１０１１側の面１００９には７２０ナノメートルから８００ナノメートルの波長の光に対して９９．５パーセント以上の高透過率を呈する無反射コーティングが施されている。また、励起光源１００１からの励起光１００２を効率よく活性媒質１００３に導入するために、励起光入射面１０１０には励起光１００２に対して９９．５パーセント以上の高透過率を呈する無反射コーティングが施されている。
【００５０】
活性媒質１００３として、ｚ方向、ｘ方向に沿った長さが２０ミリメートル、ｙ方向に沿った厚さが１ミリメートルの、空間群Ｐｎｍａに属するアレキサンドライト結晶が用いられており、活性媒質１００３は結晶のｂ軸が図中のｘ軸に一致するように配置されている。
【００５１】
励起光源１００１の励起光射出端と活性媒質１００３の励起光入射面１０１０の距離は約４０ミリメートルであり、励起光１００２は開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ、ＮＡ）約０．２２の発散光であるため、励起光１００２は活性媒質１００３の励起光入射面１０１０上で直径約１８ミリメートルの領域に入射される。
【００５２】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すレーザ装置１０００のｙ−ｚ面における断面図である。変化する周期をもってｚ方向に周期的に基本構造１００４が配列した周期構造からなる回折部材１０１３が、活性媒質１００３の励起光入射面１０１０と対向する面１００５に設けられている。励起光源１００１からの励起光１００２はｙ軸に対して０度から約１２．７度の角度分布をもって励起光入射面１０１０に入射され、励起光入射面１０１０で屈折して対向する面１００５に０度から約７．３度の角度分布をもって入射される。
【００５３】
ここで面１００５に設けられた回折部材１０１３は、ｚ方向における活性媒質の中心付近での周期が２９５ナノメートルであり、ｚ方向において中心から遠ざかるとともに徐々に周期が増大し、中心から１０ミリメートル付近での周期が３４６ナノメートルになるように形成されている。周期構造の基本構造１００４は溝とそれに隣り合う凸構造からなり、溝の深さ（凸構造の高さ）が６０ナノメートル、デューティ比（周期に対する凸構造の幅の比）は５０パーセントである。つまり、回折部材１０１３をなす周期構造は、ｚ方向において基本構造の溝深さ（凸構造の高さ）と、溝の幅および凸構造の幅の比とを維持したまま周期だけが変化しているものである。さらに透過励起光の反射効率を上げるために、回折部材１０１３上にアルミニウム１０１２が蒸着され、反射鏡とされている。このように回折部材１０１３を設けることにより、図１０（ｂ）中において５本の矢印で例示される入射励起光１００２のうち、活性媒質１００３中で吸収されずに面１００５に達した透過励起光は、ｚ方向における活性媒質１００３の面１００５上のどの位置においても、ほぼ同じ方向（角度）へ偏向されて再び活性媒質１００３中に導入されることとなる。本実施例の構成では、ｙ−ｚ面において、面１００５に対しておよそ３０度の方向へ偏向される。偏向は回折部材１０１３における回折により起こる結果であるが、本構成では±１次の回折光への回折効率が７０％以上と支配的であるため、高効率な励起光の吸収が達成される。また、励起光はｘ方向においてもｚ方向と同様の角度分布を有するが、ｙ−ｚ面内における偏向により偏向後の励起光のｙ方向伝搬成分はほとんどなくなるため、またｘ方向成分を有する偏向後の励起光は面１００６および１００７に施された高反射コーティングにより反射されて再び活性媒質１００３内へ導入されるため、改めてｘ−ｙ面内での偏向を行う必要はない。
【００５４】
（第２の実施例）
図１１は、第２の実施例に係るディスクレーザとして構成されたレーザ装置１１００の断面図である。レーザ装置１１００は、中心波長８０８ナノメートルの半導体レーザが配列および積層されたＧスタックタイプの半導体レーザバースタックである励起光源１１０１と、励起光源１１０１から射出される入射励起光１１０２を偏向するための石英からなる回折部材１１０３と、厚さが約１．０ミリメートルであり、幅と奥行きがそれぞれ１０ミリメートルのＮｄ：ＹＡＧ結晶である活性媒質１１０４と、活性媒質１１０４を温度調節するためのシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる透明な熱伝導材１１０５と、活性媒質１１０４の励起光入射面１１０８に設けられた波長１０００ナノメートルから１１００ナノメートルの光に対して９９．９パーセント以上の高反射率を呈する共振器反射鏡として機能する高反射コーティングと、波長１０００ナノメートルから１１００ナノメートルの光に対して反射率９８パーセント（透過率２パーセント）を呈する共振器反射鏡１１０６からなる。
【００５５】
活性媒質１１０４の広い面１１１１（励起光入射面１１０８に対向する面）には、励起光に対して高反射率を呈する高反射コーティング、および波長１０００ナノメートルから１１００ナノメートルの光に対して高透過率を呈する無反射コーティングが施されている。また、活性媒質１１０４の面１１０８と面１１１１以外の側面１１０９、１１１０のすべてに励起光に対して高反射率を呈する高反射コーティングが施されている。また活性媒質１１０４の励起光入射面１１０８は厚さ１ミリメートルの熱伝導材１１０５に接しており、熱伝導材１１０５の活性媒質と接する面およびこれに対向する面には励起光に対して高透過率を呈する無反射コーティングが施されている。さらに回折部材１１０３の広い２つの面にも励起光に対して高透過率を呈する無反射コーティングが施されている。熱伝導材１１０５は不図示のヒートシンクにつながっており、活性媒質１１０４に生じる熱を効率よく排熱することができる。
【００５６】
励起光源１１０１の射出端は、全体でおよそ５ミリメトール×５ミリメートルのサイズを有しており、ｙ−ｚ面内において開口数０．４で発散し、ｘ−ｙ面内において０．２２で発散するレーザ光である入射励起光１１０２を発する。励起光源１１０１の射出端と回折部材１１０３の励起光が入射される面との距離は約５．５ミリメートルであり、入射励起光１１０２は回折部材１１０３と熱伝導材１１０５を介して活性媒質１１０４の全面に入射される。
【００５７】
回折部材１１０３は、第１の実施例と同様に溝と凸構造を基本構造１１０７とした、ｚ方向に沿ってその周期が変化している周期構造よりなるものである。基本構造１１０７の溝の深さ（凸構造の高さ）を１２００ナノメートル、デューティ比（周期に対する凸構造の幅の比）を４５パーセントとした。回折部材１１０３は、ｚ方向での活性媒質１１０４の中心において周期が８８６ナノメートルであり、中心から遠ざかるに従い周期を徐々に減少させてゆき、中心から５ミリメートルの位置における周期が６１６ナノメートルとなるように構成されている。
【００５８】
この構成により、活性媒質１１０４に導入された励起光は、ｙ−ｚ面において励起光入射面１１０８とおよそ３０度の角度をなして伝搬することとなり、活性媒質１１０４による励起光の吸収効率を向上することができる。活性媒質１１０４から放出されてしまう透過励起光を何度も活性媒質１１０４に戻すための大型な反射光学系を必要とする従来のディスクレーザ構成に対して、本実施例のレーザ装置１１００は構成を非常に簡素化することができる。
【００５９】
本発明に係るレーザ装置は、レーザ技術分野において大きな利用可能性を有する。さらに、被検体情報取得装置の他に、レーザ装置を用いた気象観測技術、エネルギー技術などの多様な分野において利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００６０】
２０１、３０１、３１３、４０３、５１０、１０１３、１１０３  回折部材
３０３、３０８、４０４、５０３、１００３、１１０４  活性媒質
４０１、５０１、１００１、１１０１  励起光源
【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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【図１２】
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