JP2006196679A - 固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光源の一部が故障した場合でも熱レンズ効果の発生を抑制することができる固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器を提供すること。
【解決手段】 本発明に係る固体レーザ増幅器１は、励起光が主面上に照射されることにより、側面に入射した被増幅光を増幅する直方体形状の固体レーザ媒質１１と、励起光を出力する複数のレーザアレイユニット１５と、励起光の光路上に配置された光学系１７と、を備え、光学系が複数のレーザアレイユニット１５によって出力される励起光の放射角度を広げ、固体レーザ媒質１１中における被増幅光の光路のうち、所定長の光路の範囲へ入射するように励起光を主面上に照射し、励起光の主面上における照射範囲に、２つ以上の所定数のレーザアレイユニット１５によって出力される励起光の照射範囲が互いに重なり合うように励起光を照射することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器に関する。

固体レーザ媒質へ励起光を照射すると固体レーザ媒質中の活性元素が励起される。そこへ被増幅光を入射すると、光が誘導放出されて被増幅光が増幅される。この光増幅原理を利用した固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器がある。

固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器では、励起光が不均一に固体レーザ媒質に照射されることによって、熱レンズ効果が生じる。熱レンズ効果を抑制するために、固体レーザ媒質に均一に励起光を照射する技術が提案されている。

例えば、下記特許文献１には、隣接するレーザダイオード（ＬＤ）から出力される励起光の光強度の弱い部分が重なり合い、固体レーザ媒質上での光強度が略均一になるように、ＬＤを配置する技術が開示されている。
特開平９−２３７９２８号公報

上記特許文献１に記載の技術では、一つのＬＤが故障すると、固体レーザ媒質において励起光が照射されない部分ができる。その為に、固体レーザ媒質上での励起光強度が不均一になる。

本発明者らは、より大出力の固体レーザ増幅器を開発するにあたり、励起光源として、レーザアレイユニットを採用した。レーザアレイユニットとは、ＬＤを２次元的に配列させたユニットである。このレーザアレイユニットを複数利用することによって、大出力の固体レーザ増幅器を実現する。

大出力の固体レーザ増幅器においても、レーザアレイユニットが１つ故障すると、固体レーザ媒質上の励起光強度は不均一となる。また、１つのレーザアレイユニットが故障する確率は、１つのＬＤが故障する確率よりも高い。よって、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果はより大きな問題である。

本発明は、上記問題を解消する為になされたものであり、励起光源の一部が故障した場合でも熱レンズ効果の発生を抑制することができる固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器を提供することを目的とする。

本発明の固体レーザ増幅器は、励起光が主面上に照射されることにより、主面に入射した被増幅光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、励起光を出力する複数のレーザアレイユニットと、励起光の光路上に配置された光学系と、を備え、光学系が複数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の放射角度を広げ、固体レーザ媒質の主面上における被増幅光が入射する範囲に、２つ以上の所定数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の照射範囲が互いに重なり合うように励起光を照射することを特徴とする。

本発明の固体レーザ増幅器では、被増幅光が入射する範囲は、２つ以上の所定数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の照射範囲が重なり合うように励起光が照射されるので、１つのレーザアレイユニットが故障しても、少なくとも１つの他のレーザアレイユニットが、故障したレーザアレイユニットの照射範囲と重なる範囲を照射する。よって、レーザアレイユニットの故障による、固体レーザ媒質の主面上における励起光強度の不均一化を抑制することができる。従って、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を抑制することができる。

本発明の固体レーザ増幅器は、励起光が主面上に照射されることにより、側面に入射した被増幅光を増幅する直方体形状の固体レーザ媒質と、励起光を出力する複数のレーザアレイユニットと、励起光の光路上に配置された光学系と、を備え、光学系が複数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の放射角度を広げ、固体レーザ媒質中における被増幅光の光路のうち、所定長の光路の範囲へ入射するように励起光を主面上に照射し、励起光の主面上における照射範囲に、２つ以上の所定数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の照射範囲が互いに重なり合うように励起光を照射することを特徴とする。

本発明の固体レーザ増幅器では、所定長の光路の範囲へ入射するように照射した励起光の主面上における照射範囲に、２つ以上の所定数のレーザアレイユニットによって出力される励起光の照射範囲が重なり合うように励起光が照射されるので、１つのレーザアレイユニットが故障しても、少なくとも１つの他のレーザアレイユニットが、故障したレーザアレイユニットの照射範囲と重なる範囲を照射する。よって、レーザアレイユニットの故障による、固体レーザ媒質の主面上における励起光強度の不均一化を抑制することができる。従って、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を抑制することができる。

本発明の固体レーザ増幅器は、光学系が、それぞれのレーザアレイユニットによって出力される励起光を、励起光の主面上における照射範囲全体に照射することも好ましい。

本発明の固体レーザ媒質では、それぞれのレーザアレイユニットによって出力された励起光が、励起光の主面上における照射範囲全体を照射するので、一つのレーザアレイユニットが故障しても、励起光強度の不均一化を更に抑制することができる。従って、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を防止する。

本発明の固体レーザ増幅器では、放射角度が広がる方向と、レーザアレイユニットに含まれるそれぞれのレーザダイオードの速軸方向と、が一致することも好ましい。レーザダイオードの速軸方向は、最も放射角度が大きい。よって速軸方向の放射角度の大きさを利用して、励起光の放射角度を広げることができる。

本発明の固体レーザ増幅器は、光学系が、複数のレーザアレイユニットが出力する励起光の放射角度を広げて透過するレンズであることも好ましい。

また、本発明の固体レーザ増幅器は、光学系が、複数のレーザアレイユニットが出力する励起光の放射角度を広げて反射するミラーであることも好ましい。励起光を反射することによって固体レーザ媒質へ励起光を照射するので、固体レーザ増幅器の大きさに対して、励起光の光路長を長くすることができる。従って、励起光の光路長を調整して、レーザアレイユニットから出力される励起光の放射による広がりを調整することができる。また、励起光の光路長に対して固体レーザ増幅器を小型化できる。

本発明の固体レーザ増幅器は、光学系は、励起光を固体レーザ媒質の主面に対して斜めに入射させることも好ましい。励起光を主面に斜入射させることによって、励起光を主面に垂直に入射させた場合よりも、励起光の照射面積を増加することができる。

本発明の固体レーザ発振器は、上記の固体レーザ増幅器と、この固体レーザ増幅器に含まれる固体レーザ媒質を共振光路上に有する共振器と、を備えることを特徴とする。よって、本発明の固体レーザ発振器では、上述したように、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を抑制する。

本発明によれば、励起光源の一部が故障した場合でも、熱レンズ効果の発生を抑制することができる固体レーザ増幅器及び固体レーザ発振器を提供することができる。

以下、添付図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、説明の便宜の為にｘｙｚ直行座標系を設定する。

先ず、第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器について説明する。図１は、第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１の構成を示す斜視図である。図２は、図１の固体レーザ増幅器１をＺ方向から見た正面図である。第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１は、固体レーザ媒質１１と、水冷の為の容器の一部１３と、複数のレーザアレイモジュール１５と、複数の光学系モジュール１７（光学系）とを備えて構成される。以下、各構成要素の説明をする。

固体レーザ媒質１１は、直方体形状であり、励起光が主面上に照射されることにより、側面に入射した被増幅光を増幅する。図１のように固体レーザ媒質１１の主面と平行な面をｚｙ平面とすると、被増幅光の光軸Ｌはｚ方向となる。固体レーザ媒質１１の＋ｙ側の側面と−ｙ側の側面には、断熱材１２が接着されている。断熱材１２のｘ方向の長さは、固体レーザ媒質１１のｘ方向の長さと同程度である。断熱材１２のｙ方向の長さは、固体レーザ媒質１１のｙ方向の長さと同程度である。

水冷の為の容器の一部１３は、固体レーザ媒質１２における２つの主面とそれぞれ対向するように固体レーザ媒質１１に対して左右対称に配置される、長方形のガラス板である。容器の一部１３のｙ方向の長さは、固体レーザ媒質１１の＋ｙ側の面に接着された断熱材１２の＋ｙ側の面から、固体レーザ媒質１１の−ｙ側の面に接着された断熱材１２の−ｙ側の面までの長さと同程度である。容器の一部１１のｚ方向の長さは、固体レーザ媒質１１のｚ方向の長さとほぼ同程度である。固体レーザ媒質１１における２つの主面と容器の一部１３との間の隙間をそれぞれ冷却水Ｗがｙ方向に流れる。

レーザアレイモジュール１５は、固体レーザ媒質１１の主面に対向するように、容器の一部１３の外側に固体レーザ媒質１１に対して対称に配置されて、固体レーザ媒質１１の主面上に照射する励起光を出力する。第１の実施形態では、固体レーザ媒質１１に対して対称にそれぞれ４個ずつ、合計８個のレーザアレイモジュール１５を備えている。レーザアレイモジュール１５は、ｚ方向に等間隔で配列されている。レーザアレイモジュール１５のｙ方向の長さは、固体レーザ媒質１１のｙ方向の長さと同程度である。

レーザアレイモジュール１５は、複数のレーザアレイユニット１４を有する。第１の実施形態では、レーザアレイモジュール１５は、ｙ方向に配列された５つのレーザアレイユニット１４を有する。

レーザアレイユニット１４は、固体レーザ媒質１１の主面上に照射する励起光を出力する。励起光はレーザ光である。レーザアレイユニット１４は、ｙ方向に積み重ねられた複数のレーザダイオード（ＬＤ）バーを有する。ＬＤバーは、ｚ方向に沿って一次元的に配列されたＬＤを有するレーザアレイである。よって、レーザアレイユニット１４では、複数のＬＤが二次元的に配列されている。レーザアレイユニット１４は、励起光の出力面がそれぞれ固体レーザ媒質１１の主面に対向するように配置されている。

上述のように配置することによって、ＬＤバーに含まれるＬＤのｐｎ接合面は、ｙ軸に対して垂直となる。従って、レーザアレイユニット１４に含まれるＬＤの速軸方向は、ｙ方向と一致することとなる。速軸とは、ＬＤのｐｎ接合面に対して垂直方向を示す。速軸に対して垂直方向は、遅軸と呼ばれる。ＬＤから出力されるレーザ光の速軸方向の広がり角は、遅軸方向の広がり角よりも大きい。

光学系モジュール１７は、励起光の光路上に配置されて、それぞれのレーザアレイモジュール１５と容器の一部１３との間であって、固体レーザ媒質１１に対して対称に4個ずつ合計８個が配置される。１つの光学系モジュール１７は、１つのレーザアレイモジュール１５に対応する。光学系モジュール１７は、励起光を透過するレンズである。光学系モジュール１７は、対応するレーザアレイモジュール１５から出力される励起光の放射角度をｙ方向に広げ、１つのレーザアレイモジュール１５によって照射される主面上の照射範囲全体に、そのレーザアレイモジュール１５に含まれる５個のレーザアレイユニット１４のそれぞれによって出力される励起光の照射範囲が互いに重なり合うように励起光を照射する。その主面における励起光のｙ方向の照射範囲は、固体レーザ媒質１１の＋ｙ側の端から−ｙ側の端までを含む。その主面における励起光のｘ方向の照射範囲は、固体レーザ媒質１１中における被増幅光の光路のうち所定長の光路に対して励起光が入射する範囲である。光学系モジュール１７において固体レーザ媒質１１の主面に対向する面は、上述したように励起光をｙ方向に広げることが可能な曲面形状を形成している。

光学系モジュール１７による固体レーザ媒質１１の主面への照射についてより具体的に説明する。図３には、１つのレーザアレイモジュール１５と１つの光学系モジュール１７と固体レーザ媒質１１が図示されている。説明の為に、レーザアレイモジュール１５に含まれる５個のレーザアレイユニット１４をそれぞれレーザアレイユニット１４Ａ〜１４Ｅとする。また、図３のように、光学系モジュール１７において、それぞれのレーザアレイユニット１４Ａ〜１４Ｅに対応する部分ごとに、照射光学系１６Ａ〜１６Ｅの５つの部分に便宜上分割して説明する。

レーザアレイユニット１４Ａから出力される励起光は、固体レーザ媒質１１の主面上の＋ｙ側の端から−ｙ側の端までを含んで照射するように、照射光学系１６Ａによってｙ方向に広げられる（図３（ａ））。同様に、それぞれのレーザアレイユニット１４Ｂ、１４Ｃから出力される励起光は、固体レーザ媒質１１の主面上の＋ｙ側の端から−ｙ側の端までを含んで照射するように、照射光学系１６Ｂ、１６Ｃによってそれぞれｙ方向に広げられる（図３（ｂ）、図３（ｃ））。レーザアレイユニット１４Ｄ、１４Ｅによって出力される励起光も対応する照射光学系１６Ｄ、１６Ｅによって同様に広げられる。

従って、５つのレーザアレイユニット１４Ａ〜１４Ｅそれぞれが固体レーザ媒質１１の主面上を照射する照射範囲は、５重に重なることとなる。その照射範囲のｙ方向は、主面上の＋ｙ側の端から−ｙ側の端を含み、ｚ方向の幅は一定となる。

この固体レーザ増幅器１は、以下のように被増幅光を増幅する。各レーザアレイモジュール１５から出力された励起光は、各光学系モジュール１７によって放射角度をｙ方向に広げられる。放射角度が広がった励起光は、容器の一部１３を透過し、上述したように各レーザアレイユニット１４が出力する励起光が少なくとも５重に重なって固体レーザ媒質１１の主面に照射する。主面上に照射した励起光によって、固体レーザ媒質１１に含まれる活性元素が励起する。そこへ被増幅光が固体レーザ媒質１１の−ｚ側の側面へ入射し、増幅されて、入射面と対抗する側面から出力される。

固体レーザ媒質１１の両主面に接してｙ方向へ冷却水Ｗを流すことによって、励起光が照射されて発熱する固体レーザ媒質１１を冷却する。また、固体レーザ媒質１１の＋ｙ側の側面と−ｙ側の側面とに接着された断熱材１２は、温度が上昇した固体レーザ媒質１１の＋ｙ側の側面と−ｙ側の側面との熱伝達によって固体レーザ媒質１１における温度分布が生じることを防止する。

引き続いて、第１の実施形態の効果を説明する。図４は、第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１に含まれる固体レーザ媒質１１の温度分布を示す図である。全てのレーザアレイユニット１４に故障がない場合、固体レーザ媒質１１では温度分布が均一化されている（図４（ａ））。光学系モジュール１７がない場合に、レーザアレイモジュール１５において中央のレーザアレイユニット１４Ｃが故障すると、固体レーザ媒質１１の中央部分は励起光が照射されず温度が周囲と比較して低くなる。よって、レーザアレイユニット１４の故障による温度分布が生じる（図４（ｂ））。一方、光学系モジュール１７がある場合に、固体レーザ増幅器１において、上記と同様にレーザアレイユニット１４Ｃが故障しても、全体的に温度は低下するが、レーザアレイユニット１４Ｃの故障による温度分布の発生を抑制することができる（図４（ｃ））。

これは、それぞれのレーザアレイモジュール１５に含まれる５つのレーザアレイユニット１４によって出力された励起光が、それぞれ主面上の同一の範囲を照射することに因る。よって、励起光源であるレーザアレイユニット１４の一部が故障しても、固体レーザ媒質１１の主面上のｚ方向に関して、温度分布が生じることを抑制するので、被増幅光の波面の乱れを抑制する。したがって、固体レーザ増幅器１では、励起光源の一部が故障した場合でも、熱レンズ効果の発生を抑制することができる。

また、固体レーザ増幅器１では、の光学系モジュール１７によって広げられる励起光の放射角度の方向が、レーザアレイユニット１４に含まれるＬＤの速軸方向と一致している。従って、励起光の速軸方向の広がりを利用して、それぞれのレーザアレイユニット１４の励起光の放射角度を効果的に広げ、主面の下端から上端までの範囲を照射させることができる。

上記第１の実施形態においては、励起光のｙ方向の照射範囲は、主面上の＋ｙ側の側面から−ｙ側の側面とした。励起光のｙ方向の照射範囲は、固体レーザ媒質１１中における被増幅光の光路を含んで照射する範囲であればよい。

次に、第２の実施形態に係る固体レーザ増幅器について説明する。図５は、第２の実施形態に係る固体レーザ増幅器２の構成を示す斜視図である。固体レーザ増幅器２は、固体レーザ媒質２１と、レーザアレイモジュール２５と、光学系モジュール２７とを備える。

固体レーザ媒質２１は、長方形の平板状であって、励起光が主面上に照射されることにより、主面に入射した被増幅光を増幅する。固体レーザ増幅器２は、４個の固体レーザ媒質２１を備えている。４個の固体レーザ媒質２１には、光軸Ｌがｚ方向である被増幅光がブリュースター角θ_Bで入射し、且つ、隣り合う固体レーザ媒質同士の主面の成す角度が２θ_Ｂとなるように配置される。４つの固体レーザ媒質２１は、筐体２８の内側に配置される。

レーザアレイモジュール２５は、上述したレーザアレイユニット１４と同様な構成のレーザアレイユニット２４が２次元的に配列されている。固体レーザ増幅器２は、８個のエーザアレイモジュール２５を備える。レーザアレイモジュール２５は、それぞれの固体レーザ媒質２１の＋ｙ側と−ｙ側に1個ずつ配置されて、励起光の出力面がｚｘ平面と平行になる。固体レーザ媒質２１の＋ｙ側に配置されたレーザアレイモジュール２５は、対応する固体レーザ媒質２１の＋ｙ側の主面全体へ励起光を照射する。固体レーザ媒質２１の−ｙ側に配置されたレーザアレイモジュール２５は、対応する固体レーザ媒質２１の−ｙ側の主面全体へ励起光を照射する。レーザアレイモジュール２５の大きさは、固体レーザ媒質２５のｚｘ平面への投影と同程度の大きさである。レーザアレイモジュール２５には、レーザアレイユニット２４がｚ方向に５個配列され、ｘ方向に７個配列されている。

固体レーザ増幅器２は、８個の光学系モジュール２７を備える。光学系モジュール２７はそれぞれレーザアレイモジュール２５に対応して、レーザアレイモジュール２５が出力する励起光をｚ方向に広げて、固体レーザ媒質２１の主面へ照射する。光学系モジュール２７は、それぞれ対応するレーザアレイモジュール２５の出力面に対向して配置される。

光学系モジュール２７によって放射角度を広げて主面上に照射される励起光の照射範囲について説明する。図６には、固体レーザ媒質２１の主面を示す。レーザアレイモジュール２５においてレーザアレイユニット２４がＸ方向に７列に配列されているが、その１列目の５個のレーザアレイユニット２４が出力する励起光は、光学系モジュール２７によって放射角度が広げられ、Ｘ方向に便宜上７分割された主面上の１列目（２１_１）を含む範囲に、５重に重なり合って照射される。

同様に、２列目のレーザアレイユニット２４は、主面上の２列目（２１_２）を含む範囲に励起光を照射する。３列目〜７列目も同様である。４個の固体レーザ媒質２１の両主面には、対応するレーザアレイモジュール２５と光学系モジュール２７によって、上述したように励起光が照射される。従って、固体レーザ媒質２１の主面全体が少なくとも５重に励起光が照射されることとなる。

この固体レーザ増幅器２は、以下のように被増幅光を増幅する。各レーザアレイモジュール２５から出力された励起光は、各光学系モジュール２７によって放射角度をｚ方向に広げられる。放射角度が広がった励起光は、上述したように、５個のレーザアレイユニット２４によって出力される励起光の照射範囲が少なくとも５重に重なり合って励起光を固体レーザ媒質２１の主面全体に照射する。主面上に照射した励起光によって、固体レーザ媒質２１に含まれる活性元素が励起する。そこへ被増幅光が、４個の固体レーザ媒質２１の主面へブリュースター角θ_Ｂで次々と入射し、増幅されて出力される。

引き続いて、第２の実施形態の効果を説明する。固体レーザ増幅器２において、１個のレーザアレイユニット２４が故障しても、故障した列の他の４個のレーザアレイユニット２４が、故障したレーザアレイユニット２４が照射していた範囲を含んで励起光を照射する。よって、一部のレーザアレイユニット２４の故障による、固体レーザ媒質２１の主面上における励起光強度の不均一化を抑制することができる。従って、レーザアレイユニット２４の故障による熱レンズ効果を抑制することができる。

上記第２の実施形態では、光学系モジュール２７によって励起光をｚ方向に広げたが、ｘ方向にも広げることも好ましい。この場合、光学系モジュール２７は、それぞれのレーザアレイユニット２４によって出力される励起光を、レーザアレイユニット２４が属するレーザアレイモジュール２５に対応する固体レーザ媒質２１の主面全体に照射する。従って、一部のレーザアレイユニット２４が故障しても、レーザアレイユニット２４が属するレーザアレイモジュール２５に含まれる他のレーザアレイユニット２４が、故障したレーザアレイユニット２４が照射していた主面上の範囲を含んで励起光を照射する。よって、一部のレーザアレイユニット２４の故障による、固体レーザ媒質の主面上における励起光強度の不均一化を抑制することができる。従って、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を抑制することができる。

次に、第３の実施形態に係る固体レーザ増幅器について説明する。図７は、第３の実施形態に係る固体レーザ増幅器３の構成を示す斜視図である。第３の実施形態に係る固体レーザ増幅器３は、固体レーザ媒質３１と、複数のレーザアレイモジュール３５、複数の光学系モジュール３７とを備えて構成される。以下、各構成要素の説明をする。

固体レーザ媒質３１は、平板状であり、励起光が主面上に照射されることにより、主面に入射した被増幅光を増幅する。主面は長方形である。図８のように固体レーザ媒質３１の主面と平行な面をｘｙ平面とすると、被増幅光の光軸Ｌはｚ方向となる。固体レーザ媒質３１は、筐体３８内に配置される。固体レーザ媒質３１の周囲の側面には、固体レーザ媒質３１の屈折率と同程度の屈折率を持つクラッティングガラス（断熱材）３２が樹脂によって接着されている。接着されたクラッティングガラス３２のｚ方向の厚さは、固体レーザ媒質３１の厚さと同程度である。

固体レーザ増幅器３は、出力する励起光の放射角度がｘ方向に広げられるレーザアレイモジュール３５Ａを４個備える。固体レーザ増幅器３は、レーザアレイモジュール３５Ａにそれぞれ対応して、励起光の放射角度をｘ方向に広げる４個の光学系モジュール３７Ａを備える。更に、固体レーザ増幅器３は、出力する励起光の放射角度がｙ方向に広げられるレーザアレイモジュール３５Ｂを４個備える。固体レーザ増幅器３は、レーザアレイモジュール３５Ｂにそれぞれ対応して、励起光の放射角度をｙ方向に広げる４個の光学系モジュール３７Ｂを備える。

まず、レーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとについて説明する。図８は、レーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとを説明するための斜視図である。図９は、レーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとを説明するための上面図である。レーザアレイモジュール３５Ａは、励起光を放射するが、図８と図９に示すように、その放射面がｙ方向と平行でｘｙ平面（固体レーザ媒質３１の主面）との間に０°より大きく９０°より小さい範囲の角度を有するように、固体レーザ媒質３１の両主面においてそれぞれ＋ｘ側と−ｘ側との４箇所に配置される。それぞれのレーザアレイモジュール３５Ａは、ｙ方向から見て、固体レーザ媒質３１に対して対称であり、固体レーザ媒質３１の中心を通ってｙｚ平面と平行な面に対しても対称である。１つのレーザアレイモジュール３５Ａは、ｙ方向に８列のレーザアレイユニット３４が配列され、ｙ方向と垂直方向に３列のレーザアレイユニット３４が配列されている。レーザアレイモジュール３５Ａのｙ方向の長さは、固体レーザ媒質３１のｙ方向の長さと同程度である。レーザアレイモジュール３５Ａにおいては、レーザアレイユニット３４に含まれるＬＤの遅軸方向がｙ方向と平行になるように配置する。

４個の光学系モジュール３７Ａは、それぞれ４個のレーザアレイモジュール３５Ａと対応して配置される。光学系モジュール３７Ａは、対応するレーザアレイモジュール３５Ａが出力する励起光を反射して固体レーザ媒質３１の主面に照射するミラーである。

図１０は、光学系モジュール３７について説明するための図である。図１０には、固体レーザ媒質３１と、固体レーザ媒質３１に対して−ｚ側であって＋ｘ側に位置するレーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとが描かれている。レーザアレイモジュール３５Ａには、ｘ方向に３列のレーザアレイユニット３４Ａ_１〜３４Ａ_３が配列されている。光学系モジュール３７Ａは、３列のレーザアレイユニット３４Ａ_１〜３４Ａ_３にそれぞれ対応して、ｘ方向に３列に配列された照射光学系３６Ａ_１〜３６Ａ_３を有する。照射光学系３６Ａ_１〜３６Ａ_３の反射面は曲面である。

照射光学系３６Ａ_１は、レーザアレイユニット３４Ａ_１によって出力された励起光の放射角度を広げて反射し、固体レーザ媒質３１の−ｚ側の主面における−ｘ側の端から＋ｘ側の端までの範囲に励起光を照射する。照射光学系３６Ａ_２、３６Ａ_３も同様に、それぞれ対応するレーザアレイユニット３４Ａ_２、３４Ａ_２によって出力された励起光の放射角度を広げて反射し、固体レーザ媒質３１の−ｚ側の主面における−ｘ側の端から＋ｘ側の端までの範囲に励起光を照射する。

従って、固体レーザ媒質３１に対して−ｚ側であって＋ｘ側に位置するレーザアレイモジュール３５Ａによって出力される励起光の照射範囲が３重に重なり合うように、対応する光学系モジュール３７Ａによって、励起光が固体レーザ媒質３１の−ｚ側の主面へ照射される。同様に、固体レーザ媒質３１に対して−ｚ側であって−ｘ側に位置するレーザアレイモジュール３５Ａによって出力される励起光の照射範囲が３重に重なり合うように、対応する光学系モジュール３７Ａによって、励起光が固体レーザ媒質３１の−ｚ側の主面へ照射される。よって、固体レーザ媒質３１の−ｚ側の主面はそれぞれ６個のレーザアレイユニット３４Ａから出力される励起光が６重に重なり合って照射される。同様に、固体レーザ媒質３１の＋ｚ側の主面はそれぞれ６個のレーザアレイユニット３４Ａから出力される励起光が６重に重なり合って照射される。

引き続いて、レーザアレイモジュール３５Ｂと光学系モジュール３７Ｂとについて説明する。図１１は、レーザアレイモジュール３５Ｂと光学系モジュール３７Ｂとを説明するための斜視図である。固体レーザ媒質３１に対するｘ方向から見たレーザアレイモジュール３５Ｂと光学系モジュール３７Ｂとの位置関係は、ｙ方向から見たレーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ｂとの位置関係と同等である。レーザアレイモジュール３５Ｂは、励起光を放射するが、図１１に示すように、その放射面がｘ軸と平行でｘｙ平面（固体レーザ媒質３１の主面）との間に０°より大きく９０°より小さい範囲の角度を有するように、固体レーザ媒質３１の両主面においてそれぞれ＋ｙ側と−ｙ側との４箇所に配置される。それぞれのレーザアレイモジュール３５Ｂは、x方向から見て、固体レーザ媒質３１に対して対称であり、固体レーザ媒質３１の中心を通ってｚｘ平面と平行な面に対しても対称である。１つのレーザアレイモジュール３５Ｂは、ｙ方向に４列のレーザアレイユニット３４Ｂが配列され、ｙ方向と垂直方向に５列のレーザアレイユニット３４Ｂが配列されている。レーザアレイモジュール３５Ｂのｘ方向の長さは、固体レーザ媒質３１のｘ方向の長さと同程度である。レーザアレイユニット３４Ｂに含まれるＬＤの遅軸方向がｘ方向と一致するように配置する。

４個の光学系モジュール３７Ｂは、それぞれ４個のレーザアレイモジュール３５Ｂと対応して配置される。光学系モジュール３７Ｂは、対応するレーザアレイモジュール３５Ｂが出力する励起光を反射して固体レーザ媒質３１の主面に照射するミラーである。光学系モジュール３７Ｂは、ｙ方向に４列に配列されたレーザアレイユニット３４Ｂにそれぞれに対応する図示しない照射光学系３６Ｂを有する。照射光学系３６Ｂの反射面は曲面である。

照射光学系３６Ｂは、対応する列のレーザアレイユニット３４Ｂによって出力された励起光の放射角度を広げて反射し、固体レーザ媒質３１の対応する主面における−ｙ側の端から＋ｙ側の端までの範囲に励起光を照射する。従って、固体レーザ媒質３１の２つの主面はそれぞれ８個のレーザアレイユニット３４Ｂから出力される励起光が８重に重なり合って照射される。

この固体レーザ増幅器３は、以下のように被増幅光を増幅する。各レーザアレイモジュール３５から出力された励起光は、各光学系モジュール３７によって放射角度を広げられて反射される。放射角度が広がった励起光は、上述したように、６個のレーザアレイユニット３４Ａと８個のレーザアレイユニット３４Ｂによって出力される励起光の照射範囲が互いに重なり合うように励起光を固体レーザ媒質３１の主面に１４重に重なり合って照射する。主面上に照射した励起光によって、固体レーザ媒質３１に含まれる活性元素が励起する。そこへ被増幅光が固体レーザ媒質３１の主面に対して垂直に入射し、増幅されて出力される。

引き続いて、第３の実施形態の効果について説明する。図１２は、励起光が照射された状態の固体レーザ媒質３１における温度分布を示す図である。温度分布Ｔ１は、固体レーザ媒質３１のｘ方向およびｙ方向の温度分布を示している。全てのレーザアレイユニット３４において故障のない状態で、固体レーザ媒質３１の主面上は１４重以上に重なった励起光が照射されることによって、励起光が均一に照射されている。温度分布Ｔ２は、固体レーザ媒質３１のｚ方向の温度分布を示している。固体レーザ媒質３１の両主面上から入射した励起光が固体レーザ媒質３１内で減衰するため、固体レーザ媒質３１の中央付近で温度が低くなっている。この場合、被増幅光の進行方向に対する垂直断面において温度分布が均一であるので、固体レーザ媒質３１の主面に入射した被増幅光の波面は乱れない。従って、熱レンズ効果は生じない。固体レーザ増幅器３において、一部のレーザアレイユニット３４が故障しても、故障した列の他のレーザアレイユニット３４が、故障したレーザアレイユニット３４が照射していた範囲を含む範囲を照射する。よって、レーザアレイユニット２４の故障による、固体レーザ媒質３１の主面上における励起光強度の不均一化を抑制することができる。従って、レーザアレイユニットの故障による熱レンズ効果を抑制することができる。

また、固体レーザ媒質３１の主面全体に励起光を照射することによって、伝播可能な被増幅光の光路の断面積を固体レーザ媒質３１の主面の面積と等しくすることが可能となる。従って、従来より大口径のレーザビームを出力することが可能となる。

また、励起光をミラーの反射によって固体レーザ媒質３１の主面に照射しているので、固体レーザ増幅器３１の大きさに対して、励起光の光路長を長くすることができる。従って、励起光の光路長を調整して、レーザアレイユニットから出力される励起光の放射による広がりを調整することができる。また、励起光の光路長に対して固体レーザ増幅器３を小型化できるので、複数の固体レーザ増幅器３を直列に配置した増幅システム全体を小型化することができる。

次に、第４の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。図１３は、固体レーザ発振器４の構成を示す図である。この固体レーザ発振器４は、上述した固体レーザ増幅器１と、この固体レーザ増幅器１に含まれる固体レーザ媒質１１を共振光路上に有する共振器と、を備える。ミラー１８およびミラー１９は、共振器を構成している。一方のミラー１８は、固体レーザ媒質１１で自然放射される光の波長に対して高い反射率を有している。他方のミラー１９は、その波長に対して比較的に低い反射率を有している。

このレーザ発振器４では、レーザアレイモジュール１５から出力された励起光が固体レーザ媒質１１に照射されると、固体レーザ媒質１１に含まれる活性元素が励起され、所定波長の光が放射される。その光はミラー１８およびミラー１９それぞれで反射されて共振器内を往復し、これにより、固体レーザ媒質１１において誘導放射が生じて、その所定波長のレーザ発振器４の出力光として外部へ出力される。

このレーザ発振器４に含まれる固体レーザ増幅器１は上述した構成のものであるので、レーザ発振器４は、レーザアレイモジュール１５の一部が故障した場合でも熱レンズ効果の発生を抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるのもではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記の固体レーザ増幅器１では、被増幅光の光軸Ｌはｚ方向と一致して、被増幅光は、固体レーザ媒質１１の−ｚ側の側面に対して垂直に入射して主面に対して平行に直進し、入射面と対向する面から出力された。変形例として、被増幅光が、固体レーザ媒質１１の−ｚ側の側面に対して斜めに入射し、両主面に対して反射を繰返して、入射面と対向する面から出力されてもよい。

また、上記の固体レーザ増幅器１〜３は、ＭＯＰＡ（Master oscillator power amplifier）システムにおける増幅器としても用いることができる。ＭＯＰＡシステムとは、光源と、増幅器と、を備え、光源から出力されるレーザ光を増幅器によって増幅させるシステムである。

また、上記の固体レーザ増幅器１〜３に含まれる照射光学系は、１個または複数のレーザアレイユニットに対応したレンズ又はミラーを備えて構成したが、レーザアレイユニットに含まれるそれぞれのＬＤに対応するマイクロレンズを備えて構成してもよい。更に、照射光学系は、マイクロレンズが一体化したマイクロレンズアレイでもよい。

第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１の構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１の構成を示す正面図である。 第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１に含まれる光学系モジュール１７を説明するための図である。 第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器１に含まれる固体レーザ媒質１１の温度分布を示す図である。 第２の実施形態に係る固体レーザ増幅器２の構成を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る固体レーザ増幅器２における励起光の照射範囲を説明するための図である。 第３の実施形態に係る固体レーザ増幅器３の構成を示す斜視図である。 固体レーザ増幅器３に含まれるレーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとを説明するための斜視図である。 固体レーザ増幅器３に含まれるレーザアレイモジュール３５Ａと光学系モジュール３７Ａとを説明するための上面図である。 第３の実施形態に係る固体レーザ増幅器３に含まれる光学系モジュール３７を説明するための図である。 固体レーザ増幅器３に含まれるレーザアレイモジュール３５Ｂと光学系モジュール３７Ｂとを説明するための斜視図である。 第１の実施形態に係る固体レーザ増幅器３に含まれる固体レーザ媒質３１の温度分布を示す図である。 第４の実施形態に係る固体レーザ発振器４の構造を示す断面図である。

符号の説明

１〜３…固体レーザ増幅器、４…固体レーザ発振器、１１，２１，３１…固体レーザ媒質、１２，３２…断熱材、１３…容器の一部、１４，１４Ａ〜１４Ｅ…レーザアレイユニット、１５，２５，３５Ａ，３５Ｂ…レーザアレイユニット、１７，２７，３７Ａ，３７Ｂ…レーザアレイユニット、１８，１９…ミラー。

Claims (8)

1. 励起光が主面上に照射されることにより、前記主面に入射した被増幅光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、
   前記励起光を出力する複数のレーザアレイユニットと、
   前記励起光の光路上に配置された光学系と、
   を備え、
   前記光学系が前記複数のレーザアレイユニットによって出力される前記励起光の放射角度を広げ、前記固体レーザ媒質の前記主面上における前記被増幅光が入射する範囲に、２つ以上の所定数の前記レーザアレイユニットによって出力される前記励起光の照射範囲が互いに重なり合うように前記励起光を照射することを特徴とする固体レーザ増幅器。
2. 励起光が主面上に照射されることにより、側面に入射した被増幅光を増幅する直方体形状の固体レーザ媒質と、
   前記励起光を出力する複数のレーザアレイユニットと、
   前記励起光の光路上に配置された光学系と、
   を備え、
   前記光学系が前記複数のレーザアレイユニットによって出力される前記励起光の放射角度を広げ、前記固体レーザ媒質中における前記被増幅光の光路のうち、所定長の前記光路の範囲へ入射するように前記励起光を前記主面上に照射し、前記励起光の前記主面上における照射範囲に、２つ以上の所定数の前記レーザアレイユニットによって出力される前記励起光の照射範囲が互いに重なり合うように前記励起光を照射することを特徴とする固体レーザ増幅器。
3. 前記光学系は、それぞれの前記レーザアレイユニットによって出力される前記励起光を、前記主面上における前記照射範囲全体に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ増幅器。
4. 前記放射角度が広がる方向と、前記レーザアレイユニットに含まれるそれぞれのレーザダイオードの速軸方向と、が一致することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レーザ増幅器。
5. 前記光学系が、前記複数のレーザアレイユニットが出力する前記励起光の放射角度を広げて透過するレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ増幅器。
6. 前記光学系が、前記複数のレーザアレイユニットが出力する前記励起光の放射角度を広げて反射するミラーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ増幅器。
7. 前記光学系は、前記励起光を前記固体レーザ媒質の前記主面に対して斜めに入射させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体レーザ増幅器。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体レーザ増幅器と、
   この光増幅器に含まれる固体レーザ媒質を共振光路上に有する共振器と、
   を備えることを特徴とする固体レーザ発振器。
   

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