JPH10275952A - 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及び半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及び半導体レーザ励起固体レーザ装置

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JPH10275952A
JPH10275952A JP9078307A JP7830797A JPH10275952A JP H10275952 A JPH10275952 A JP H10275952A JP 9078307 A JP9078307 A JP 9078307A JP 7830797 A JP7830797 A JP 7830797A JP H10275952 A JPH10275952 A JP H10275952A
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state laser
laser rod
excitation light
excitation
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Shuichi Fujikawa
周一 藤川
Tetsuo Kojima
哲夫 小島
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Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体レーザロッド断面内での発熱分布を均一
とすることができ、複焦点現象が発生することのない半
導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及びそれを用いた半
導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることが課題であ
る。 【解決手段】 レーザビームの光軸に沿って延び、内部
に活性媒質を含む固体レーザロッド１と、固体レーザロ
ッド１の軸芯と直角に交わる平面内を通り固体レーザロ
ッド１の軸芯から所定の距離離れた励起光光軸４０１
ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄを有する複数の励起
光源３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを有し、複数の励起光源３
ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、固体レーザロッド１の軸芯と
直角に交わる平面に投影された場合に、固体レーザロッ
ド１の軸芯に対して等角度間隔に配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザを
励起光源として用いる半導体レーザ励起固体レーザ増幅
装置及び半導体レーザ励起固体レーザ装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図１７は、例えば文献（Solid-State La
ser Engineering, Springer-Verlag,348頁）に示されて
いる従来の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に用い
られる励起モジュールの構成図である。図において、２
個の半導体レーザアレイ３は、発光部４を図１７の左方
向に向けて、三角柱状のヒートシンク５の一側面に固定
されている。発光部４の先には、半導体レーザアレイ３
より出射された励起光を集光するための円筒レンズ３４
が固定されている。また、ヒートシンク５の反対側の底
面には、ヒートシンク５の温度調整を行うための電気冷
却器３０１が固定されている。さらに電気冷却器３０１
には、ヒートシンク５および電気冷却器３０１を介し、
半導体レーザアレイ３より熱を取り除くための熱交換器
３０２が固定されている。
【０００３】熱交換器３０２には、冷却水が循環されて
おり、ヒートシンク５を介して半導体レーザアレイ３と
熱交換を行う。そして、熱交換器３０２とヒートシンク
５との間に挟まれて電気式冷却器３０１が設置されてお
り、電気式冷却器３０１を用いてヒートシンク５を冷却
すれば、熱交換器３０２に循環される冷却水の温度を変
化させることなく、半導体レーザアレイ３の温度を速や
かに調整することができる。
【０００４】ヒートシンク５には、２個の半導体レーザ
アレイ３が同一方向に固定されている。半導体レーザア
レイ３の発光部４の正面には円筒レンズ３４が固定され
ており、発光部４を出射した励起光は円筒レンズ３４に
より集光される。また、ヒートシンク５と熱交換機３０
２によって挟み込むように電気冷却器３０１が設置され
ており、電気冷却器３０１を用いてヒートシンク５の温
度調整を行うことにより、半導体レーザアレイ３から出
射される励起光の波長を調整することができる。ヒート
シンク５、半導体レーザアレイ３、円筒レンズ３４、電
気冷却器３０１、熱交換機３０２の構成要素から１個の
励起モジュール９０が構成されている。
【０００５】図１８は図１７の構成の励起モジュール９
０が固体レーザロッド１およびフローチューブ２と共に
支持板３０３に固定された様子を示す斜視図である。こ
の構成においては、１本の固体レーザロッド１に対して
４個の励起モジュール９０がその周囲に設置されてい
る。そして、各励起モジュール９０はヒートシンク５の
端面を支持板３０３に固定されて、一端を支持されて取
り付けられている。そして、４個の励起モジュール９０
に固定されている各半導体レーザアレイ３の発光部４
は、いずれも固体レーザロッド１の軸芯に向けられてお
り、発光部４を出射した励起光は、円筒レンズ３４によ
り固体レーザロッド１の軸芯において集光点が生ずるよ
う作用を受ける。また、固体レーザロッド１の周囲には
フローチューブ２が設けられており、固体レーザロッド
１とフローチューブ２との間に形成される空間に冷却媒
質が流され、固体レーザロッド１の冷却が行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一般に固体レーザロッ
ド１を励起光で励起し、固体レーザロッド１内を通過す
る光を増幅する装置において、レーザロッド断面内での
発熱分布が不均一になると、固体レーザロッド１の発熱
に起因するレンズ効果中に、レーザロッド断面内におい
て局所的な焦点距離の値に差異を生じる複焦点現象が発
生する。そして、この複焦点現象が発生すると、通常の
球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等の光学素子では、固
体レーザロッド１のレンズ効果を十分に補正することが
できず、高品質レーザ光の増幅性能が低下するばかりで
なく、安定性も劣化してしまうといった問題があった。
【０００７】そして、励起光源として半導体レーザを使
用する上記のような構成の従来の半導体レーザ励起固体
レーザ増幅装置においては、励起光源としてアークラン
プを使用するものに比べてレーザロッド断面内の発熱分
布の均一性について特別に着目されたことがなかった。
【０００８】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、励起光源として半導体レーザ
を使用し、固体レーザロッド断面内での発熱分布を均一
とすることができ、複焦点現象が発生することのない半
導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及びそれを用いた半
導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の半導体レーザ
励起固体レーザ増幅装置においては、レーザビームの光
軸に沿って延び、内部に活性媒質を含む固体レーザロッ
ドと、固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を
通り固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起
光光軸を有する複数の励起光源を有し、複数の励起光源
の光軸は、固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面
に投影された場合に、平面内で上記固体レーザロッドの
軸芯を回転軸としてそれぞれ等角度間隔に配設されてい
る。
【００１０】請求項２の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光源は、少なくとも３基配設さ
れ、励起光源から発射された励起光は、固体レーザロッ
ドの軸芯と直角に交わる平面に投影された場合に、平面
内で少なくとも３方向から上記固体レーザロッドに照射
される。
【００１１】請求項３の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドと励起光源の間に
設けられ、固体レーザロッドに対する励起光光軸の位置
を位置決めする光学素子を備えている。
【００１２】請求項４の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光の光軸の位置を位置決めする
光学素子として光導波板を備えている。
【００１３】請求項５の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光を通過させる開口を有し、固
体レーザロッドを包囲して設けられた拡散反射面を有す
る集光器を備えている。
【００１４】請求項６の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドを包囲して設けら
れた拡散反射面を有する集光器を有し、励起光を通過さ
せるため該集光器に設けた開口中に、励起光光軸の位置
を位置決めする光学素子として光導波板を備えている。
【００１５】請求項７の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、集光器が励起光源を固定する手段を
兼ねる。
【００１６】請求項８の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドを両端で支える側
板と、中心に穿孔された穴に固体レーザロッドを貫通し
て配置された平板状の基板および基板に固定するための
手段により固定された励起光源で構成される励起モジュ
ールと、固体レーザロッドに沿って配列された複数の励
起モジュールを相互に連結しさらに側板に固定するため
の連結固定手段とを備えている。
【００１７】請求項９の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、複数の励起モジュールは、固体レー
ザロッドを中心軸として、所定の角度をもって順次角度
をずらしながら連結される。
【００１８】請求項１０の半導体レーザ励起固体レーザ
装置においては、請求項１乃至請求項９のいずれか記載
のレーザ増幅装置と、固体レーザロッドの一端に備えら
れた部分反射鏡と、固体レーザロッドの他端に備えられ
た全反射鏡とを備えている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．図１は本発明の半導体レーザ励起固体レ
ーザ増幅装置を示す励起モジュールの正面図である。図
２は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の横
断面図である。図１において、円板状の基板９は、外縁
に全周にわたって主面と直角に突設された円形フランジ
が形成され、さらに中央に穴が形成されている。基板９
の主面には、中央の穴を中心にして４個の固定用ブロッ
ク１０が、各々９０゜ずつ離れて等間隔に配設されてい
る。複数の発光素子が直線状に配置されてなる励起光源
である４個の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄが、各々ヒートシンク５を介し固定用ブロック１０に
固定されている。固定用ブロック１０は、励起光源であ
る半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを固定す
るための手段を構成している。
【００２０】基板９と基板９の主面に固定された固定用
ブロック１０、半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，
３ｄおよびヒートシンク５は、１個の励起モジュール１
１８を構成している。基板９の外縁部に形成された円形
フランジには、ザグリ付き連結用貫通穴１８と連結用ネ
ジ穴１９が設けられている。基板９上に設けられたザグ
リ付き連結用貫通穴１８および連結用ネジ穴１９は、固
体レーザロッド１と中心を同じくした同一円上に６０゜
の角度をなして交互に配置されている。このため基板９
上に設けられた３個のザグリ付き連結用貫通穴１８の中
心を結んで形成される三角形および３個の連結用ネジ穴
１９の中心を結んで形成される三角形は、３辺の長さが
等しい正三角形をなし互いに合同となる。またザグリ付
き連結用貫通穴１８のザグリ径は、連結用ネジ穴に対応
した六角穴付きボルトのボルト頭の直径より大きくさ
れ、またザグリ深さはボルト頭の高さより深くされてい
る。
【００２１】また、集光器３６が、固体レーザロッド１
の周囲を取り囲むよう基板９上に設置されている。集光
器３６は、固体レーザロッド１と対向する内面に拡散反
射面で構成された例えばセラミックからなる反射面を有
する。集光器３６には、４箇所に、集光器３６の内部に
励起光３３を導入するための導入口３８が形成され、さ
らにこの導入口３８には、集光器３６内に励起光３３を
導光するため、端面に励起光３３の反射防止処理を施さ
れた光学素子である光導波板３９が配設されている。
【００２２】半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄは、各々励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，
４０１ｄを有し、この励起光光軸に沿って発光部４から
励起光３３を発射する。各々の励起光光軸４０１ａ，４
０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の
軸芯８と直角に交わる同一の平面内を通り、かつ各々固
体レーザロッド１の軸芯８から所定の距離だけ離れてい
る。また、それぞれの励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，
４０１ｃ，４０１ｄは、隣り合う励起光光軸と直角に交
わっている。ここで、励起光光軸４０１ａおよび４０１
ｃと平行で、固体レーザロッド１の中心を通る線を中心
線４０２ａ、また励起光光軸４０１ｂおよび４０１ｄと
平行で、固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線４
０２ｂとすると、励起光光軸４０１ａおよび４０１ｃ
は、中心線４０２ａから各々反対の方向に所定の距離だ
け離れ、また励起光光軸４０１ｂおよび４０１ｄは、中
心線４０２ｂから各々反対の方向に所定の距離だけ離れ
ている。すなわち、各々の励起光光軸４０１ａ，４０１
ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯
８を通る直線から所定の距離だけずれており、またずれ
の方向は、固体レーザロッド１の軸芯８に対して同一の
回転方向にずれている。即ち、図１において、半時計回
りの方向にずれている。
【００２３】また、別な表現をすれば、励起光源である
半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、固体レ
ーザロッド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内で、
固体レーザロッド１の軸芯８に対してそれぞれ等角度間
隔に配設されている。即ち、各々の励起光光軸４０１
ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッ
ド１の軸芯８と直角に交わる同一の平面内で、固体レー
ザロッド１の軸芯８を回転軸としてそれぞれ等角度間隔
に配設されている。
【００２４】図２において、下板１４の両端にそれぞれ
側板１２が立設されている。２枚の側板１２は、固体レ
ーザロッド１の両端部を各々の主面に設けられた穴に貫
通させて、固体レーザロッド１を支持している。また、
固体レーザロッド１の周囲にフローチューブ２が配設さ
れている。フローチューブ２は、円筒状をなし固体レー
ザロッド１を長手方向にわたって全体的に包囲してい
る。フローチューブ２の両端部もまた側板１２によって
支持されている。そして、一方の側板１２には、例えば
純水等の冷却媒体を供給するための流入口５１が設けら
れている。また他方の側板１２には、冷却媒体が排出さ
れる流出口５２が設けられている。流入口５１より供給
された冷却媒体は、固体レーザロッド１とフローチュー
ブ２との間で形成される空間を流れ、その間に固体レー
ザロッド１を直接冷却する。フローチューブ２を通過し
た冷却媒体は流出口５２から排出される。
【００２５】複数の励起モジュール１１８が、基板９の
中央の穴に固体レーザロッド１およびフローチューブ２
を貫通されて、同一の向きに複数枚積層されて配列され
ている。一方、側板１２には、ザグリ付き固定用貫通穴
２０が設けられている。そして、各々の励起モジュール
１１８および側板１２は、連結固定手段である六角穴付
きボルト２１によって互いに連結、固定されている。
【００２６】励起モジュール１１８相互間の連結は、図
２に示すように図の左端の励起モジュール１１８の連結
用ネジ穴１９に、次の励起モジュール１１８のザグリ付
き連結用貫通穴１８の位置が合致され、六角穴付きボル
ト２１を用いて順次右方へ締結されている。基板９の外
縁部に設けられたザグリ付き連結用貫通穴１８および連
結用ネジ穴１９は、固体レーザロッド１と中心を同じく
した同一円上に設置されているため、固体レーザロッド
１と励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄの位置関係を常に一定に保つことができる。ま
た側板１２上には、基板９の外縁部に設けられたザグリ
付き連結用貫通穴１８および連結用ネジ穴１９と同じ位
置関係を有する複数のザグリ付き固定用貫通穴２０が設
けられており、両端の基板９が側板１２に密接され、連
結用ネジ穴１９上に位置するザグリ付き固定用貫通穴２
０に、六角穴付きボルト２１が貫通されて、基板９と励
起モジュール１１８の結合が行われる。
【００２７】図１に示す励起モジュール１１８は、励起
光源である４個の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄを有し、４方向から固体レーザロッド１に励起
光３３を照射して、固体レーザロッド１の励起を行う。
そして、各々の半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，
３ｄから発射される励起光３３の励起光光軸４０１ａ，
４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１
の中心を通過する中心線からずらされているので、固体
レーザロッド１断面内における励起密度分布を変化させ
ることができる。さらにこの軸ずれ量を所定のものとす
ると、固体レーザロッド１断面内での発熱分布を均一と
することができる。以下このことについて説明する。
【００２８】一般に、基底準位から励起光の吸収により
励起準位へ励起された粒子は、複数の遷移を経て基底準
位へと戻る。励起準位から基底準位へ至る複数の遷移中
で、光を発しないいわゆる非放射遷移により緩和する際
の準位間のエネルギー差が、熱に変換され固体レーザロ
ッド１は発熱する。従来例のように固体レーザロッドの
周囲全体から均一に冷却した場合、レーザロッド断面内
の発熱分布が均一であれば、レーザロッド断面内の温度
分布は、中央をピークとした放物面形状となる。固体レ
ーザロッド１の屈折率は、ほぼ温度に比例するため、レ
ーザロッド断面内の温度分布形状が放物面であれば固体
レーザロッド１は理想的なレンズとして振る舞う。この
結果、球面ミラーや凸レンズ、凹レンズ等の一般的な光
学素子を用いて、固体レーザロッド１のレン効果を補正
し、安定で効率よく高品質レーザ光の増幅を行なうこと
ができる。
【００２９】しかし、レーザロッド断面内での発熱分布
が不均一になると、固体レーザロッド１の発熱に起因す
るレンズ効果中に、固体レーザロッド断面内において局
所的な焦点距離の値に差異を生じる複焦点現象が発生す
る。この複焦点現象が発生すると、通常の球面ミラーや
凸レンズ、凹レンズ等の光学素子では、固体レーザロッ
ド１のレンズ効果を十分に補正することができず、高品
質レーザ光の増幅性能が低下するばかりでなく、安定性
も劣化してしまう。
【００３０】そのため、高品質レーザ光を安定かつ高効
率に増幅するためには、固体レーザロッド断面内におい
て均一な発熱分布を得ることが不可欠となる。しかしな
がら従来は、励起密度分布の均一性ばかりが主眼に置か
れ、発熱分布の均一性は着目されたことがなかった。こ
れは励起光源として専らアークランプが使用されてきた
ことに起因する。励起準位から基底準位へと至る過程
は、励起準位からレーザ上準位までの遷移過程と、レー
ザ上準位から基底準位への遷移過程とに分けることがで
きる。励起準位に励起された粒子の大部分は、非放射過
程のみを介しレーザ上準位へ遷移する。このため励起準
位のエネルギーと励起強度（単位時間、単位体積当たり
に励起準位へ励起される粒子数）が決まれば、励起準位
からレーザ上準位への遷移過程において発生する熱量は
一定となる。一方、レーザ上準位から基底準位へと至る
遷移過程は複数存在し、自然放出、もしくは誘導放出に
より光を発してエネルギーを放出する放射遷移と、光を
発することなく熱によりエネルギーを放出する非放射遷
移が混在する。レーザ発振の有無や、固体レーザロッド
中を通過するレーザ光の強度により、各過程を通過する
粒子の数は変化する。各過程中に含まれる非放射遷移で
発生する熱量は、過程毎に異なるため、励起準位、励起
強度が同一であっても、レーザ発振の有無やレーザロッ
ド中を通過するレーザ光の強度によって、レーザ上準位
から基底準位に至る過程中での固体レーザロッド１内で
発生する熱量は変化する。例えば、エネルギー差の大き
な非放射遷移を含む過程を通過する粒子の割合が多くな
れば、レーザ上準位から基底準位へと至る過程において
発生する熱量は大きくなる。
【００３１】アークランプを励起光源として用いた固体
レーザ増幅器においては、アークランプが幅広い発光ス
ペクトルを有するため、発光スペクトル中の紫外光成分
により、レーザ上準位に比べ非常にエネルギーの高い準
位にまで粒子の励起が行なわれていた。このため固体レ
ーザロッド内の全発熱中、励起準位からレーザ上準位へ
の非放射遷移過程において発生する熱量が大部分を占
め、レーザ上準位から基底準位への遷移過程におけるレ
ーザ発振の有無や、レーザ光強度による発熱量の変化は
無視することができた。即ち、アークランプを励起光源
として使用した場合、レーザ発振の有無やレーザ光強度
に依らず、励起状態のみで固体レーザロッド内の発熱量
はほぼ決定されていた。この結果、励起密度分布さえ均
一にすれば、固体レーザロッド断面内の発熱分布は均一
とみなすことができた。
【００３２】そして上述と同様な議論、即ち励起密度分
布と発熱分布が一致するという仮定が、本発明で扱う半
導体レーザを励起光源として用いた半導体レーザ励起固
体レーザ増幅装置の場合にも成り立つと考えられてい
た。
【００３３】しかし、半導体レーザアレイを励起光源と
して使用すれば、発光スペクトルは非常に狭くなるた
め、レーザ上準位に最も近い励起準位のエネルギーと半
導体レーザの発振波長との整合を図ることにより、レー
ザ上準位に最も近い励起準位へと選択的に励起すること
が可能になる。このためアークランプで励起した場合に
比べ、励起準位からレーザ上準位へと至る過程において
発生する熱量は、格段に小さくなる。この結果、固体レ
ーザロッド内の発熱中で、レーザ発振の有無やレーザ光
の強度等、レーザ発振状態に起因する発熱量の変化が無
視できなくなる。
【００３４】図３は実験で求めた、半導体レーザで励起
した際の固体レーザ媒質中を通過するレーザ光強度に対
する発熱量の変化を、レーザ光強度が０の時の発熱量を
１として相対的に示している。レーザ光強度の増加にと
もない２０％以上発熱量が低下していることが分かる。
これは誘導放出現象によりレーザ発振を行なう過程を通
過する粒子数が増加し、発熱量の大きな遷移過程を通過
する粒子数が減少したためである。２０％以上の発熱量
の変化は、増幅時の安定性を低下させるに十分である。
【００３５】ここで一例として最も集光性能が高く応用
価値の高い横最低次モードのレーザ光の増幅もしくは発
生について説明する。図４は横最低次モードのビーム強
度分布を示している。横最低次モードは通常ＴＥＭ００
モードと呼ばれており、中央に唯一のピークを持つ軸対
称ガウス分布形状を有する。このため横最低次モードの
ビームが固体レーザロッド１中を通過する際、固体レー
ザロッド断面の中央部を通過するビーム強度は高く、固
体レーザロッド断面周囲を通過するビーム強度は低くな
る。図３に示す通り、強度の高いビームが通過する領域
ほど発熱量は小さくなる。固体レーザロッド内で均一な
励起を仮定すると、固体レーザロッド１内を通過するレ
ーザ光強度が未だ微弱で誘導放出が顕著でない場合に
は、固体レーザロッド断面内の発熱分布は均一とみなす
ことができる。
【００３６】しかし実際にレーザ光を増幅する際には、
高強度のレーザ光が固体レーザロッド中を通過するた
め、横最低次モードのビームが固体レーザロッド断面内
を通過する際ビーム強度の高い固体レーザロッド断面中
央部において誘導放出が顕著となり、レーザ発振を含む
遷移過程を通過する粒子数が増加するため、発熱の低下
量が大きくなる。この結果、固体レーザロッド断面内の
発熱分布は中央で発熱量が低下した不均一な分布とな
り、固体レーザロッド１内の発熱にともなうレンズ効果
中に複焦点が生じてしまう。このため横最低次モードビ
ームの発生および増幅時には、固体レーザロッド断面内
中央において、励起密度分布がやや高くされ、横最低次
モードのビームが通過する際に、固体レーザロッド断面
内での発熱分布が均一になるような励起密度分布が望ま
しい。
【００３７】励起密度分布は、励起光光軸４０１ａ，４
０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄの軸ずれ量、固体レーザロ
ッド１での励起光吸収係数、集光器３６の形状および表
面状態等、励起部の構成から光線追跡手法を用いて計算
することができる。また各遷移過程を通過する粒子数
は、活性媒質の各準位およびレーザ光の光子密度に対す
るレート方程式を解くことにより計算することができる
ので、固体レーザロッド内での発熱量は解析的に求める
ことができる。発熱分布から固体レーザロッド断面内の
温度分布を計算し、温度分布から屈折率分布を求め、屈
折率の傾きから固体レーザロッド断面内における局所的
な焦点距離の値を計算することができる。
【００３８】図５、図６、図７は励起光光軸の軸ずれ量
を０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍとした際の固体レーザロッド
断面内の励起密度分布計算値である。軸ずれ量の増加に
ともない中央のピークは低下し、軸ずれ量２ｍｍにおい
てほぼ均一な励起密度分布形状が得られている。
【００３９】図８は固体レーザロッド１中を通過するレ
ーザ光が微弱な際に、軸ずれ量０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ
において、不均一な発熱分布に起因する複焦点、即ち局
所的な焦点距離の変化を、ロッド中心軸上の値を０とし
半径の関数として示している。複焦点がない状態では半
径に依らず焦点距離の値は一定となる。ここで固体レー
ザロッド断面内において発熱分布の不均一性に起因して
生じる局所的な焦点距離の固体レーザロッド断面内の位
置によるばらつき、即ち複焦点の度合いを示す指標とし
て、固体レーザロッド断面内における局所的な焦点距離
の最大値と最小値の差を複焦点量と定義する。固体レー
ザロッド１中を通過するレーザ光が微弱である仮定のも
とでは、励起密度分布がもっとも均一な軸ずれ量２ｍｍ
において複焦点量は最小となっている。
【００４０】図９は、固体レーザロッド１中を横最低次
モードのレーザ光が誘導放出を起こすに十分な強度をも
って通過する際、軸ずれ量０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍにお
いて、不均一な発熱分布に起因する複焦点、即ち焦点距
離の変化を、半径の関数として示している。微弱な通過
光を仮定した図８の結果とは異なり、軸ずれ量１ｍｍの
ときに上記定義による複焦点量が最小となっている。即
ち、横最低次モードのレーザ光の増幅および発生を行う
際には、軸ずれ量を１ｍｍとした方が均一な発熱分布が
得られることが分かる。
【００４１】以上、横最低次モードのレーザ光が固体レ
ーザロッド１内を通過する場合について示したが、高次
モードのレーザ光が通過する際にも、励起部の構成、励
起強度、活性媒質密度、固体レーザロッド１を通過する
レーザ光の強度分布等、想定する動作条件に応じて、固
体レーザロッド断面内で生じる複焦点量が最小となるよ
う軸ずれ量を決定すればよい。
【００４２】図１及び図２で示す本実施の形態において
は、４つの半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ
から発せられる励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１
ｃ，４０１ｄは、固体レーザロッド１の軸芯８と直角に
交わる同一の平面内を通り、かつ各々固体レーザロッド
１の軸芯８から所定の距離だけ離れている。また、隣り
合う励起光光軸と直角に交わっている。そして、励起光
光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄの軸ずれ
量は、上記に説明した最適な量とされている。従って、
固体レーザロッド断面の周方向に対する発熱分布のばら
つきを最小限に抑えることができ、複焦点現象の発生を
抑制することができる。この結果、球面ミラーや凸レン
ズ、凹レンズ等を用いて、固体レーザロッド１のレンズ
効果を効果的に補正することができ、安定で効率よく高
ビーム品質のレーザ光の増幅および発生を行うことがで
きる。
【００４３】また図１及び図２で示した本実施の形態に
おいては、各々半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，
３ｄを出射した励起光は、集光器３６に設けられた導入
口３８内に固定された光導波板３９内部を伝搬し、集光
器３６内に入射される。光導波板３９は、外部に接する
例えば接着剤等の材料よりも屈折率が十分高い例えばサ
ファイア等の材料を用いて作製されるので、光導波板３
９内に入射した励起光の大部分は、光導波板３９の側面
で全反射され、低損失で効率よく集光器３６内に導かれ
る。このため固体レーザロッド照射時の励起光の光軸位
置は、光導波板３９の設置位置で規定される。このよう
に励起光の光軸位置を光学素子を用いて所望の位置に規
定すれば、励起光源である半導体レーザアレイ３ａ，３
ｂ，３ｃ，３ｄに正規設置位置、設置角度からのずれが
生じた場合も、励起光の光軸位置が一定に保たれるた
め、固体レーザロッド断面内において常に安定した励起
密度分布が得られ、効率よい高ビーム品質のレーザ光の
増幅および発生を安定に維持することができる。また、
励起光源である半導体レーザ３の設置精度が緩和され、
励起モジュールの組立を容易にすることができる。さら
に、本実施の形態では、半導体レーザアレイ３ａ，３
ｂ，３ｃ，３ｄと集光器３６は同一の基板９上に固定さ
れているため、励起光の光軸位置を励起モジュール１１
８の設置位置、設置角度によらず常に一定に保つことが
できる。
【００４４】本実施の形態においては、励起光の光軸を
規定するための光学素子として光導波板３９を使用した
構成を示したが、光学素子はこれに限るものではなく、
円筒レンズや、光ファイバを使用しても同様な効果を得
ることができる。
【００４５】更に本実施の形態において示した光導波板
３９は、励起光が入射する端面の形状が矩形であるた
め、例えば励起光源として複数の半導体レーザ発光部を
１列に配置した半導体リニアレーザアレイを使用した場
合、励起光の光学素子に対する効率よい結合が容易にな
る。またレンズのような光の屈折作用を利用した光学素
子ではないので、焦点距離や集光方向を考慮した配置の
必要がなく、組立および調整が容易になる。
【００４６】また本実施の形態において示したように、
固体レーザロッド１の周囲に集光器３６を配し、集光器
３６に設けた導入口３８を介して集光器３６内への励起
光の導入を行う構成では、導入口３８部分は励起光の反
射作用を有しないため、集光器３６本来の作用からみる
と無効領域となる。このため効率よい励起を行うために
は、集光器３６全内面積中に占める導入口３８の割合を
小さくしなければならない。一方、導入口３８を大きく
した方が集光器３６内への効率よい励起光の導入が容易
になる。
【００４７】本実施の形態において示したように、光導
波板３９を用いて励起光を集光器３６内へ導入すれば、
励起光発光部形状と光導波板３９の励起光導入端面との
整合が容易で、導波板３９を薄く形成した際にも光導波
板３９側面での全反射作用により効率よい励起光の伝送
が可能となる。このため励起光の伝送効率を高く保ちな
がら励起光導入のため集光器３６に設ける導入口３８を
小さくすることが可能となり、更に効率よい励起を行う
ことができる。
【００４８】また、本実施の形態においては、固体レー
ザロッド１の中心軸方向から望み４方向より励起光を照
射する構成を示したが、固体レーザロッド１の中心軸方
向から望み、２方向から固体レーザロッド１の側方より
励起光を照射し、固体レーザの励起を行う構成において
も、２つの励起光の光軸方向を、固体レーザロッド１の
中心軸方向から望み等角度間隔、即ち、１８０゜間隔で
配置し、両励起光光軸とも固体レーザロッド１の中心線
と所定の定距離をなし、中心線からの励起光光軸のずれ
の方向が、いずれの励起光光軸方向においても固体レー
ザロッド１の中心軸から見て同一側とすることにより、
固体レーザロッド断面内における発熱分布の均一性を向
上させることができる。
【００４９】但し、２方向から励起を行う構成では、両
励起光の光軸は平行に配置されているため、固体レーザ
ロッド断面内において、励起光光軸の軸ずれ方向は１方
向成分のみ発生することとなる。軸ずれ方向が１方向で
しかないため、ロッド断面全体の２次元的な発熱分布の
均一化が困難であり、この結果、軸ずれと同方向である
励起光光軸に垂直な方向と、軸ずれと垂直方向で励起光
光軸に平行な方向では、発熱分布の均一化の度合いが異
なり、固体レーザロッド断面内における発熱分布の方向
性を効果的に除去することができない。
【００５０】図１０は、固体レーザロッド１の中心軸方
向から望み等角度間隔で配置された２方向、即ち互いに
１８０°の角度をなす２方向より励起光を固体レーザロ
ッド１に対し照射する構成と、固体レーザロッド１の中
心軸方向から望み等角度間隔で配置された３方向、即ち
互いに１２０°の角度をなす３方向より励起光を固体レ
ーザロッド１に対し照射する構成において、それぞれ軸
ずれ量の最適化を行い、固体レーザロッド断面内におけ
る複焦点量を最小とした場合の、固体レーザロッド外縁
部における、周方向に対する局所的な焦点距離の変化を
示している。励起光の照射方向を２方向から３方向へ増
やすことにより、励起光の光軸方向を固体レーザロッド
１の中心軸方向から望み等角度間隔に維持しつつ、励起
光光軸の軸ずれによる発熱分布の補正方向を、固体レー
ザロッド断面内において平行でない２方向以上とするこ
とができるので、固体レーザロッド断面内における発熱
分布の２次元的な均一化を効果的に図ることが可能とな
り、周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性を
格段に低減することができる。
【００５１】図１１は、内面に鏡面を有する集光器と、
内面に拡散反射面を有する集光器を用いた構成におい
て、固体レーザロッド１の中心軸方向から望み等角度間
隔で配置された３方向、即ち互いに１２０°の角度をな
す３方向より励起光を固体レーザロッド１に対し照射
し、それぞれ軸ずれ量の最適化を行い、固体レーザロッ
ド断面内における複焦点量を最小とした場合の、固体レ
ーザロッド外縁部における、周方向に対する局所的な焦
点距離の変化を示している。前述のように固体レーザロ
ッド１を包囲するよう設けた集光器３６は、固体レーザ
ロッド１に入射しなかった励起光や、固体レーザロッド
１内に一旦入射したものの固体レーザロッド１では吸収
されず固体レーザロッド１外へ出射した励起光を、集光
器３６の内面で反射させることにより進行方向を変化さ
せ、再度固体レーザロッド１内への入射させることによ
り、励起光の利用効率の向上を図るものである。
【００５２】鏡面における光線の反射方向は光線の入射
方向でほぼ一義的に決まるのに対し、拡散反射面での光
線の反射方向は、拡散反射面の表面状態で定まる広がり
をもって分布するため、拡散反射面を有する集光器を使
用すれば、図１１に示すように固体レーザロッド断面内
の周方向に対する複焦点量、即ち発熱分布の方向性を格
段に低減することができる。
【００５３】更に、上記拡散反射面を有する集光器３６
が、励起光源を固定する手段を兼ねる構成とすれば、固
体レーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち
発熱分布の方向性の大幅な改善を図ることが可能となる
ばかりでなく、励起部の構成要素を低減し、組立を容易
にすると同時にコストを下げることができる。
【００５４】また、本実施の形態の励起モジュール１１
８は、基板９外縁部の円形フランジにザグリ付き連結用
貫通穴１８と連結用ネジ穴１９が設けられており、固体
レーザロッド１に沿って、複数の励起モジュール１１８
が、正規設置位置に対し、高精度で簡易かつ堅固に、連
結、固定することができるので、増幅性能向上のため複
数の励起モジュール１１８を固体レーザロッド１に沿っ
て連結して使用する際にも、各励起モジュールにおける
励起密度分布を正確に重ね合わせることができる。その
ため、固体レーザロッド断面内の発熱分布の均一性を損
ねることなく、安定かつ効率よい高ビーム品質のレーザ
光の増幅を行うことができる。
【００５５】実施の形態２．図１２は本発明の半導体レ
ーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュ
ールの正面図である。本実施の形態の励起モジュール１
１９においては、基板９の外縁部にある円形フランジに
は、９０゜毎に離れて配置された４個で１組をなす３組
の連結用貫通穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられてい
る。３組の連結用貫通穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃの何れ
の連結用貫通穴も同一円上に設けられている。そして、
連結用貫通穴１１ｂは連結用貫通穴１１ａに対し反時計
回りに２２．５゜の位置、また連結用貫通穴１１ｃは連
結用貫通穴１１ｂに対し反時計回りに２２．５゜の位置
に設けられている。励起光源である半導体レーザアレイ
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの基板９への固定方法について
は、実施の形態１と同様である。本実施の形態の励起モ
ジュール１１９が実際に半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置内に設置された際には、図１２に示す励起モジュ
ール１１９の中央部を、紙面に垂直な向きに固体レーザ
ロッド１およびフローチューブ２が貫通する構成とな
る。
【００５６】このような構成の半導体レーザ励起固体レ
ーザ増幅装置においては、１番目の励起モジュール１１
９と２番目の励起モジュール１１９の２個の励起モジュ
ールが連結される際に、第１の励起モジュール１１９に
おいては連結用貫通穴１１ａが使用され、第２の励起モ
ジュール１１９においては連結用貫通穴１１ｂが用いら
れて連結される。そのため、１番目の励起モジュール１
１９の半導体レーザアレイ３の設置方向と２番目の励起
モジュール１１９の半導体レーザアレイ３の設置方向
は、固体レーザロッド１の中心軸を中心として２２．５
゜だけずれる。
【００５７】図１３は１番目の励起モジュール１１９、
２番目の励起モジュール１１９および３番目の励起モジ
ュール１１９の３個の励起モジュールを連結したとき
の、１番目の励起モジュール１１９中にある半導体レー
ザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ、２番目の励起モジュ
ール１１９中にある半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄおよび３番目の励起モジュール１１９中にある
半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれ
の設置位置を示す模式図である。本実施の形態において
は、隣接する励起モジュール１１９を順次角度をずらし
ながら連結することができるため、各励起モジュール毎
の励起光の照射方向を順次角度をずらすことができ、固
体レーザロッド１に対する励起光照射方向を増すことが
でき、さらに発熱分布の均一性をよいものとすることが
できる。そして、固体レーザロッド断面内の周方向に対
する複焦点量をさらに確実に低減し、安定かつ効率よい
高ビーム品質のレーザ光の増幅を行うことができる。
【００５８】尚、本実施の形態において、基板９の外縁
部に２２．５゜の間隔で連結用貫通穴１１ａ，１１ｂ，
１１ｃを設けた構成を示したが、連結用貫通穴を配置す
る角度間隔及び配置する数はこれに限るものではなく、
連結する励起モジュールの数、励起モジュール内に固定
する半導体レーザアレイの配置に応じて、最適な励起分
布となるよう選定すればよい。
【００５９】実施の形態３．図１４は本発明の半導体レ
ーザ励起固体レーザ増幅装置の他の例を示す励起モジュ
ールの正面図である。また図１５は側面図である。本実
施の形態では、励起光源としてそれぞれ１個の半導体レ
ーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃを用いた３個の励起モジュ
ール１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、固体レーザロッ
ド１に沿って順次角度をずらされながら重ねて配設され
た構成を有している。半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，
３ｃは、それぞれ励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０
１ｃに沿って励起光を発射する。
【００６０】各々の励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４
０１ｃは、それぞれ固体レーザロッド１の軸芯８と直角
に交わる別々の平面内を通り、かつ各々の平面内におい
て固体レーザロッド１の軸芯８から所定の距離だけ離れ
ている。また固体レーザロッド１の軸芯８と直角に交わ
る平面に投影された場合に隣り合う励起光光軸との角度
が１２０゜とされている。さらにその投影された面内に
おいて、励起光光軸４０１ａと平行で固体レーザロッド
１の中心を通る線を中心線４０２ａ、励起光光軸４０１
ｂと平行で固体レーザロッド１の中心を通る線を中心線
４０２ｂ、励起光光軸４０１ｃと平行で固体レーザロッ
ド１の中心を通る線を中心線４０２ｃとすると、それぞ
れの励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃは、中心
線４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃから各々同じ回転方向
にずれている。即ち、図１４において半時計回りの方向
にずれている。
【００６１】また、別な表現をすれば、励起光源である
半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃは、固体レーザロ
ッド１の軸芯８と直角に交わる平面に投影された場合
に、この平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８に対し
てそれぞれ等角度間隔に配設されている。即ち、各々の
励起光光軸４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃは、固体レー
ザロッド１の軸芯８と直角に交わる平面に投影された場
合に、この平面内で、固体レーザロッド１の軸芯８を回
転軸としてそれぞれ等角度間隔に配設されている。
【００６２】本実施の形態においても、内面が拡散反射
面で構成された集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃが用いら
れている。集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃには、内部に
励起光３３を導入するために導入口３８ａ、３８ｂ、３
８ｃが設けられ、さらに導入口３８ａ、３８ｂ、３８ｃ
には、光導波板３９ａ、３９ｂ、３９ｃが配設されてい
る。半導体レーザアレイ３ａ，３ｂ，３ｃを出射した励
起光は、光導波板３９ａ、３９ｂ、３９ｃ内部を伝搬
し、集光器３６ａ、３６ｂ、３６ｃ内に入射される。
【００６３】本実施の形態の半導体レーザ励起固体レー
ザ増幅装置では、１つの励起モジュールに対し１つの半
導体レーザアレイが配設され、固体レーザロッド１の側
方一方向から励起光の照射を行うため、単独の励起モジ
ュールでは、固体レーザロッド断面内に形成される励起
密度分布は非対称形状を呈する。しかし、レーザビーム
が固体レーザロッド１を通過した際被る波面の変化は、
固体レーザロッド中心軸方向から観測した固体レーザロ
ッド断面内の屈折率の積分値に従うため、３個の励起モ
ジュールによって形成される励起密度分布を軸方向に重
ね合わせた形状が対称であれば、固体レーザロッドから
被る波面の変化も対称なものとなる。
【００６４】本実施の形態では、上記のように固体レー
ザロッドの軸芯と直角に交わる平面に投影された場合
に、３つの半導体レーザから出射する励起光の光軸は、
固体レーザロッド軸芯に対して均等な角度をなすように
配置されている。そのため、３つの励起モジュールによ
って形成される固体レーザロッド断面内の励起密度分布
の重ね合わせたものの対称性を格段に良好なものとする
ことができ、固体レーザロッド断面内の周方向に対する
複焦点量、即ち発熱分布の方向性を低減することができ
る。
【００６５】上記実施の形態１および２では、固体レー
ザロッド光軸に対し４方向あるいは３方向から励起光を
照射する構成を示したが、励起光の照射方向の数はこれ
に限るものではなく、更に照射方向数を増せば、固体レ
ーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量、即ち発熱
分布の方向性の大幅な低減を図ることが可能となる。ま
た照射方向数に応じて軸ずれ量の最適化を行うことによ
り、固体レーザロッド断面内において複焦点量のより効
果的な低減を図ることができ、レーザ光増幅時の効率な
らびに安定性を格段に向上させることができる。
【００６６】実施の形態４．図１６は本発明の半導体レ
ーザ励起固体レーザ装置を示す横断面図である。上記の
実施の形態１及び実施の形態２においては、半導体レー
ザ励起固体レーザ増幅装置としての構成について述べて
きたが、本実施の形態においては、半導体レーザ励起固
体レーザ増幅装置を用いた半導体レーザ励起固体レーザ
装置について述べる。
【００６７】たとえば実施の形態１と同様の構成の励起
モジュール１１８を有する半導体レーザ励起固体レーザ
装置２００は、部分反射鏡４０および全反射鏡４１が、
固体レーザロッド１の前後に位置するよう下板１４上か
ら立設されている。そのため、励起された固体レーザロ
ッド１中で発生する自然放出光は、光共振器内で往復さ
れ増幅する。そして、指向性の揃ったレーザビーム４２
として取り出される。すなわち、これは、半導体レーザ
励起固体レーザ装置として使用することができる。部分
反射鏡４０および全反射鏡４１は光共振器を構成してい
る。
【００６８】本実施の形態においては、半導体レーザ励
起固体レーザ装置として使用する際の半導体レーザ励起
固体レーザ装置２００の構成は、上記実施の形態１及び
２の何れの構成が用いられてもよい。
【００６９】尚、上記のいずれの実施の形態において
も、単一励起モジュールにおいては、光軸に垂直な４方
向あるいは３方向から、固体レーザロッドに対し、半導
体レーザアレイより発生した励起光を照射する構成を示
したが、励起光源である半導体レーザアレイの数および
励起光の照射方向はこれに限るものではなく、固体レー
ザロッドに対し側方より励起光を照射することが可能な
構成であればよい。
【００７０】また上記のいずれの実施の形態において
も、励起光源には複数の発光素子を直線状に配置した半
導体レーザアレイを使用した例を示したが、単一の発光
素子を有する半導体レーザを励起光源として使用しても
同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００７１】また、本実施の形態においては、固体レー
ザロッド１の前後に、部分反射鏡および全反射鏡を設置
し、安定型の光共振器を構成してレーザビームを取り出
す半導体レーザ励起固体レーザ装置を示したが、光共振
器の構成はこれに限ることなく、例えば、固体レーザロ
ッド１の前後に全反射鏡を設置し、光の回折によってレ
ーザビームを取り出す不安定型の光共振器を設置しても
よい。
【００７２】
【発明の効果】請求項１の半導体レーザ励起固体レーザ
増幅装置においては、レーザビームの光軸に沿って延
び、内部に活性媒質を含む固体レーザロッドと、固体レ
ーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通り固体レー
ザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起光光軸を有す
る複数の励起光源を有し、複数の励起光源の光軸は、固
体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面に投影された
場合に、平面内で上記固体レーザロッドの軸芯を回転軸
としてそれぞれ等角度間隔に配設されている。そのた
め、固体レーザロッド断面の周方向に対する発熱分布の
ばらつきを最小限に抑えることができ、複焦点現象が発
生することがない。この結果、球面ミラーや凸レンズ、
凹レンズ等を用いて、熱発生にともなう固体レーザロッ
ド１のレンズ効果を効果的に補正し、安定で効率よく高
ビーム品質のレーザ光の増幅および発生を行うことがで
きる。
【００７３】請求項２の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光源は、少なくとも３基配設さ
れ、励起光源から発射された励起光は、固体レーザロッ
ドの軸芯と直角に交わる平面に投影された場合に、平面
内で少なくとも３方向から上記固体レーザロッドに照射
される。そのため、励起光光軸の軸ずれによる発熱分布
の補正方向を、固体レーザロッド断面内において平行で
ない２方向以上とすることができるので、固体レーザロ
ッド断面内における発熱分布の均一化を効果的に図るこ
とが可能となり、周方向に対する複焦点量、即ち発熱分
布の方向性を格段に低減することができる。
【００７４】請求項３の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドと励起光源の間に
設けられ、固体レーザロッドに対する励起光光軸の位置
を位置決めする光学素子を備えている。そのため、たと
え励起光源の位置がずれても、励起光は固体レーザロッ
ドの所定の位置に照射される。励起光の光軸位置が一定
に保たれるため、固体レーザロッド断面内において常に
安定した励起密度分布が得られ、効率よい高ビーム品質
のレーザ光の増幅および発生を安定に維持することがで
きる。
【００７５】請求項４の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドと励起光源との間
に設けられ、固体レーザロッドに対する励起光光軸の位
置を位置決めする光学素子として光導波板を備えてい
る。そのため、励起光を光導波板内で全反射させながら
効率よく伝送することができる。また焦点距離や集光方
向を考慮した配置の必要がないため、組立および調整を
容易にすることができる。
【００７６】請求項５の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光を通過させる開口を有し、固
体レーザロッドを包囲して設けられた拡散反射面を有す
る集光器を備えている。拡散反射面での光線の反射方向
は、拡散反射面の表面状態で定まる広がりをもって分布
するため、固体レーザロッド断面内の周方向に対する発
熱分布の方向性をなくすことができ、複焦点現象の発生
を格段に低減することができる。
【００７７】請求項６の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、励起光を通過させるため拡散反射面
を有する集光器に設けた開口中に、励起光光軸の位置を
位置決めする光学素子として光導波板を備えている。そ
のため、励起光の集光器内への伝送効率を高く保ちなが
ら、励起光導入のため集光器に設ける導入口を小さくす
ることが可能となり、効率よい励起を行うことができ
る。
【００７８】請求項７の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、集光器が励起光源を固定する手段を
兼ねる。そのため、構成要素を低減し組立を容易にする
と同時にコストを下げることができる。
【００７９】請求項８の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、固体レーザロッドを両端で支える側
板と、中心に穿孔された穴に固体レーザロッドを貫通し
て配置された平板状の基板および基板に固定するための
手段により固定された励起光源で構成される励起モジュ
ールと、固体レーザロッドに沿って配列された複数の励
起モジュールを相互に連結しさらに側板に固定するため
の連結固定手段とを備えている。そのため、複数の励起
モジュールを正規設置位置、設置角度に対し高精度で簡
易かつ堅固に連結、固定することができ、そして、複数
の励起光源の位置関係を一定に保つことができ、増幅性
能の向上が容易になるばかりでなく、機械振動等の外乱
が生じた場合も、励起モジュールの正規設置位置、設置
角度からのずれおよび複数の励起光源の位置関係のずれ
を抑制することができるので、安定した増幅性能、ひい
ては安定したレーザ出力を得ることができる。
【００８０】請求項９の半導体レーザ励起固体レーザ増
幅装置においては、複数の励起モジュールは、固体レー
ザロッドを中心軸として、所定の角度をもって順次角度
をずらしながら連結される。そのため、固体レーザロッ
ドに対する励起光照射方向を増すことができ、固体レー
ザロッド断面内の周方向に対する発熱分布のばらつきを
さらに小さなものとすることができる。そして、固体レ
ーザロッド断面内の周方向に対する複焦点量をさらに確
実に低減し、安定かつ効率よい高ビーム品質のレーザ光
の増幅を行うことができる。
【００８１】請求項１０の半導体レーザ励起固体レーザ
装置においては、請求項１乃至請求項７のいずれか記載
のレーザ増幅装置と、固体レーザロッドの一端に備えら
れた部分反射鏡と、固体レーザロッドの他端に備えられ
た全反射鏡とを備えている。そのため、高効率で高品質
なレーザビームを安定して発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装
置を示す励起モジュールの正面図である。
【図２】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装
置の横断面図である。
【図３】 レーザ光強度と発熱量の関係を示す図であ
る。
【図４】 横最低時モードのビーム強度分布を示す図で
ある。
【図５】 固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算
値を示す図である。
【図６】 固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算
値を示す図である。
【図７】 固体レーザロッド断面内の励起密度分布計算
値を示す図である。
【図８】 固体レーザロッド断面内の径方向に対する焦
点距離の変化を示す説明図である。
【図９】 固体レーザロッド断面内の径方向に対する焦
点距離の変化を示す説明図である。
【図１０】 固体レーザロッド断面内の周方向に対する
焦点距離の変化を示す説明図である。
【図１１】 固体レーザロッド断面内の周方向に対する
焦点距離の変化を示す説明図である。
【図１２】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅
装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。
【図１３】 １番目乃至３番目の励起モジュール中にあ
る半導体レーザアレイのそれぞれの設置位置を示す模式
図である。
【図１４】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅
装置の他の例を示す励起モジュールの正面図である。
【図１５】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ増幅
装置の他の例を示す励起モジュールの側面図である。
【図１６】 本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置
を示す横断面図である。
【図１７】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装
置に用いられる励起モジュールの構成図である。
【図１８】 図１７の構成の従来の励起モジュールが固
体レーザロッドおよびフローチューブと共に支持板に固
定された様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 固体レーザロッド、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 半導
体レーザアレイ（励起光源）、９ 基板、１２ 側板、
２１ 六角穴付きボルト（連結固定手段）、３６ 集光
器、３９，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ 光導波板（光学素
子）、４０ 部分反射鏡、４１ 全反射鏡、１１８，１
２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ 励起モジュール、４０１
ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄ 励起光光軸。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザビームの光軸に沿って延び、内部
    に活性媒質を含む固体レーザロッドと、 上記固体レーザロッドの軸芯と直角に交わる平面内を通
    り該固体レーザロッドの軸芯から所定の距離離れた励起
    光光軸を有する複数の励起光源を有し、 上記複数の励起光源の光軸は、固体レーザロッドの軸芯
    と直角に交わる平面に投影された場合に、該平面内で上
    記固体レーザロッドの軸芯を回転軸としてそれぞれ等角
    度間隔に配設されたことを特徴とする半導体レーザ励起
    固体レーザ増幅装置。
  2. 【請求項２】 上記励起光源は、少なくとも３基配設さ
    れ、該励起光源から発射された励起光は、固体レーザロ
    ッドの軸芯と直角に交わる平面に投影された場合に、該
    平面内で少なくとも３方向から上記固体レーザロッドに
    照射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レ
    ーザ励起固体レーザ増幅装置。
  3. 【請求項３】 上記固体レーザロッドと上記励起光源の
    間に設けられ、上記固体レーザロッドに対する上記励起
    光光軸の位置を位置決めする光学素子を備えた請求項１
    または２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装
    置。
  4. 【請求項４】上記励起光光軸の位置を位置決めする光学
    素子が光導波板である請求項３記載の半導体レーザ励起
    固体レーザ増幅装置。
  5. 【請求項５】 励起光を通過させる開口を有し、該固体
    レーザロッドを包囲して設けられた拡散反射面を有する
    集光器を備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の半導
    体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
  6. 【請求項６】励起光を通過させるため拡散反射面を有す
    る集光器に設けた開口中に、励起光光軸の位置を位置決
    めする光学素子として光導波板を備えた請求項５に記載
    の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
  7. 【請求項７】 上記集光器が上記励起光源を固定する手
    段を兼ねる請求項５乃至６のいずれかに記載の半導体レ
    ーザ励起固体レーザ増幅装置。
  8. 【請求項８】 上記固体レーザロッドを両端で支える側
    板と、 中心に穿孔された穴に上記固体レーザロッドを貫通して
    配置された平板状の基板および該基板に固定するための
    手段により固定された上記励起光源で構成される励起モ
    ジュールと、 上記固体レーザロッドに沿って配列された複数の上記励
    起モジュールを相互に連結しさらに上記側板に固定する
    ための連結固定手段とを備えた請求項１乃至７のいずれ
    かに記載の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
  9. 【請求項９】 上記複数の励起モジュールは、上記固体
    レーザロッドを中心軸として、所定の角度をもって順次
    角度をずらしながら連結される請求項８記載の半導体レ
    ーザ励起固体レーザ増幅装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項９のいずれかに記
    載のレーザ増幅装置と、 上記固体レーザロッドの一端に備えられた部分反射鏡
    と、 上記固体レーザロッドの他端に備えられた全反射鏡とを
    備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置。
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