WO2006070548A1 - 固体レーザモジュール、光増幅器及びレーザ発振器 - Google Patents

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Masayuki Fujita
Shigeki Tokita
Tadashi Ikegawa
Toshiyuki Kawashima
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Definitions

  • Solid state laser module Solid state laser module, optical amplifier and laser oscillator
  • the present invention relates to a solid-state laser module including a solid-state laser medium that generates emission light internally by excitation light irradiation, an optical amplifier including the solid-state laser module, and a laser oscillator including the solid-state laser module. Is.
  • An optical amplifier including a solid-state laser medium excites an active element (for example, a rare earth element or a transition metal element) contained in the solid-state laser medium by irradiating the solid-state laser medium with pumping light output from a pumping light source. To do. At this time, emitted light having a predetermined wavelength is generated in the solid-state laser medium due to the stimulated emission phenomenon.
  • the laser oscillator is composed of such an optical amplifier and a resonator.
  • the excitation light source is a laser diode
  • the wavelength of light that can be amplified is 1030 nm.
  • a solid laser medium In an optical amplifier or laser oscillator having such a structure, a solid laser medium generates heat during operation. Therefore, in order to obtain stable operation and high-quality optical output, it is necessary to radiate or cool the solid laser medium.
  • a laser oscillator disclosed in Patent Document 1 includes a polycrystalline transparent ceramic that does not contain an active element, and a solid-state laser medium in contact with the polycrystalline transparent ceramic (a polycrystalline transparent ceramic to which an active element is added). And a solid-state laser module composed of a heat sink provided to hold them simultaneously. According to the solid-state laser module having such a configuration, the heat generated in the solid-state laser medium propagates through the polycrystalline transparent ceramic or heat sink not containing the active element, and the temperature rise of the solid-state laser medium is suppressed. .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-57388
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a solid-state laser module having a structure for obtaining high-quality optical output, an optical amplifier including the solid-state laser module, And a laser oscillator including the solid-state laser module.
  • a solid-state laser module according to the present invention is provided between a solid-state laser medium, first and second members disposed so as to directly sandwich the solid-state laser medium, a heat sink, and the solid-state laser medium and the heat sink.
  • a thermal insulation region is provided between a solid-state laser medium, first and second members disposed so as to directly sandwich the solid-state laser medium, a heat sink, and the solid-state laser medium and the heat sink.
  • the solid-state laser medium is added with an active element that is excited by excitation light having a first wavelength, and generates emission light having a second wavelength in response to the irradiated excitation light.
  • the first member is provided in direct contact with the first main surface of the fixed laser medium. Further, the first member has a material force that is transparent to both the excitation light and the emission light, and has a higher thermal conductivity than the solid laser medium.
  • the second member is provided in a state of being in direct contact with the second main surface facing the first main surface of the fixed laser medium. The second member has a material force that is transparent to both the excitation light and the emission light, and has a higher thermal conductivity than the solid laser medium.
  • the heat sink is arranged so as to hold at least a part of each of the first and second members sandwiching the solid laser medium between them while the solid laser medium force is also separated by a predetermined distance.
  • the heat insulating region is provided between the heat sink and the side surface of the solid-state laser medium that connects the first main surface and the second main surface, and has a lower thermal conductivity than the solid-state laser medium. .
  • the heat insulating region provided between the solid laser medium and the heat sink may be solid or liquid, air or other gas, or vacuum.
  • the surface of the first member that is at least partially in contact with the first main surface of the solid-state laser medium has a larger area than the first main surface.
  • the surface of the second member that is at least partially in contact with the second main surface of the solid-state laser medium preferably has a larger area than the second main surface.
  • a solid-state laser module according to the present invention includes a cooling device for cooling a heat sink. Is preferably further provided. Moreover, a heating device for heating the heat sink may be further provided. Moreover, the solid-state laser module according to the present invention may include a sealed container whose inside is decompressed to a predetermined vacuum. This sealed container preferably has at least a space for housing the solid laser medium, the first member, and the second member, and a window for transmitting excitation light and emission light.
  • the first and second members arranged in direct contact with the first and second main surfaces of the solid-state laser medium are both higher than the solid-state laser medium.
  • the heat insulating region provided between the side surface of the solid-state laser medium and the heat sink has a lower thermal conductivity than the fixed laser medium. For this reason, the heat generated in the solid-state laser medium by the excitation light irradiation is transmitted to the members in contact with both main surfaces of the solid-state laser medium and further conducted to the heat sink.
  • the side force of the solid laser medium is conducted to the heat sink, and the amount of heat generated is small.
  • the thermal lens effect due to the excitation light irradiation on the solid-state laser medium is reduced, and the disturbance of the wave front of the stimulated emission light output from the solid-state laser medium is effectively suppressed.
  • high-quality light output can be obtained.
  • a cooling device for cooling the heat sink or a heating device for heating the heat sink is provided, the temperature of the solid laser medium is set appropriately. Optical amplification becomes possible.
  • a vacuum container that houses a solid laser medium or the like is provided, condensation of the solid laser medium or the like is prevented.
  • An optical amplifier irradiates a solid-state laser module (the solid-state laser module according to the present invention) having the structure as described above and a solid-state laser medium included in the solid-state laser module with excitation light.
  • An excitation light source In the optical amplifier, the active element in the solid-state laser medium is excited by the excitation light emitted from the excitation light source. In this way, the light having a predetermined wavelength incident on the solid-state laser medium while the active element is excited is amplified in the solid-state laser medium.
  • the solid-state laser module including the solid-state laser medium has the above-described structure, high-quality and high-power amplified light can be obtained.
  • a laser oscillator according to the present invention is a solid-state laser module having the structure as described above.
  • a solid-state laser module according to the present invention an excitation light source for irradiating the solid-state laser medium included in the solid-state laser module with excitation light, and a solid-state laser medium included in the solid-state laser module are arranged on the resonant optical path And a resonator.
  • the excitation light emitted from the excitation light source excites the active element in the solid-state laser medium, so that a stimulated emission phenomenon occurs in the solid-state laser medium.
  • the stimulated emission light generated at this time reciprocates on the resonance optical path of the resonator, whereby laser light is obtained from the resonator.
  • the solid-state laser module including the solid-state laser medium has the above-described structure, high-quality and high-power laser light can be obtained.
  • the solid-state laser medium since the solid-state laser medium has a structure for enabling appropriate temperature adjustment of the solid-state laser medium, High quality and high power optical output can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an embodiment of a solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a heat sink included in an embodiment of the solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part in one embodiment of the solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration of a main part in one embodiment of the solid-state laser module according to the present invention. It is an assembly process figure for demonstrating.
  • FIG. 5 is an operating temperature distribution of the solid-state laser medium included in one embodiment of the solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between pumping light absorption power and thermal lens power of a solid-state laser medium included in an embodiment of the solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an example of an optical amplifier according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of a laser oscillator according to the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a configuration of a second embodiment of the laser oscillator according to the present invention.
  • 2nd liquid nitrogen storage tank 113 ... Cooling device outer wall, 114, 115 ... Liquid nitrogen inlet, 116 ... Needle valve, 117 ... Exhaust port, 121 ... Vacuum container, 122, 12 3 ... Window, 130 ... Heat sink, 131 ... Heat sink body, 132 ⁇ Presser plate, 133, 13 4, 135 ⁇ Screw hole, 136, 137 ⁇ Through hole, 138 ⁇ Internal space, 141 ⁇ Temperature controller Roller, 142 ... heater, 143 ... thermocouple, 151 ... solid-state laser medium, 152, 153 ... transparent member, 154, 155 ... indium foil, 156 ... heat insulating member.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a solid-state laser module according to the present invention.
  • the solid-state laser module 10 shown in FIG. 1 is supported by a base 101 and support portions 102 and 103, and includes a vacuum pump 104, a first liquid nitrogen storage tank 111, a second liquid nitrogen storage tank 112, a cooling device outer wall 113, and a vacuum.
  • a container 121, a heat sink 130, a temperature controller 141, and the like are provided.
  • the vacuum vessel 121 means a sealed container whose inside is decompressed to a predetermined degree of vacuum. The main part of the solid-state laser module 10 housed in the vacuum vessel 121 will be described later.
  • the cooling device outer wall 113 is supported by support portions 102 and 103 fixed to the base 101.
  • the cooling device outer wall 113 is also made of stainless steel, for example, and a first liquid nitrogen storage tank 111 and a second liquid nitrogen storage tank 112 are provided therein.
  • the first liquid nitrogen storage tank 111 is fixed to the upper lid of the cooling device outer wall 113, and liquid nitrogen inlets 114 and 115 penetrating the upper lid are provided. Liquid nitrogen is injected into the inside through these liquid nitrogen inlets 114 and 115, or vaporized nitrogen is discharged to the outside.
  • the second liquid nitrogen storage tank 112 is arranged below the first liquid nitrogen storage tank 111, and communicates with the first liquid nitrogen storage tank 111 through a micro hole into which the tip of the needle valve 116 is inserted. Yes.
  • the second liquid nitrogen storage tank 112 is separated from the first liquid nitrogen storage tank 111 while the tip of the needle valve 116 is inserted into the micro hole and the micro hole is closed.
  • the second liquid nitrogen storage tank 112 communicates with the first liquid nitrogen storage tank 111, and the liquid nitrogen in the first liquid nitrogen storage tank 111 is inside. Is injected into the second liquid nitrogen storage tank 112. The injection amount at that time can be adjusted by the position of the needle valve 116.
  • the second liquid nitrogen storage tank 112 is provided with an exhaust port 117, and the vaporized nitrogen is discharged to the outside through the exhaust port 117.
  • the vacuum container 121 and the heat sink 130 are provided below the second liquid nitrogen storage tank 112.
  • the main part of the solid-state laser module 10 including the heat sink 130 is disposed inside the vacuum vessel 121.
  • the heat sink 130 is provided with an internal space, and this internal space communicates with the internal space of the second liquid nitrogen storage tank 112! As the liquid nitrogen flows into the internal space of the heat sink 130, the heat sink 130 is cooled.
  • Heat thin The heater 130 and the thermocouple are provided in the core 130, and the heater 142 and the thermocouple are connected to the temperature controller 141.
  • the temperature controller 141 monitors the temperature of the heat sink 130 measured by the thermocouple, and increases the temperature of the heat sink 130 by energizing the heater 142.
  • the space between the first liquid nitrogen storage tank 111 and the second liquid nitrogen storage tank 112 and the outer wall 11 3 of the cooling device communicates with the internal space of the vacuum vessel 121 and is connected via an exhaust pipe 105. And connected to the vacuum pump 104! By keeping these spaces in a vacuum (predetermined degree of vacuum) by the vacuum pump 104, condensation during cooling with liquid nitrogen is prevented.
  • the first liquid nitrogen storage tank 111 or the second liquid nitrogen storage tank 112 is insulated.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a heat sink included in an embodiment of the solid-state laser module according to the present invention.
  • a region (a) is a front view of the heat sink 130
  • a region (b) is a side view of the heat sink 130
  • a region (c) is a plan view of the heat sink 130.
  • the heat sink 130 includes a heat sink body 131 and a presser plate 132, and a force.
  • the heat sink body 131 includes a substantially rectangular portion and a cylindrical upper portion, and eight screw holes 133 are provided in the cylindrical upper portion. With this configuration, the heat sink body 131 is screwed to the bottom surface of the second liquid nitrogen storage tank 112.
  • a thickness of 100 m indium foil is preferably sandwiched.
  • the indium foil is a component of the heat sink 130.
  • screw holes 134 and through holes 136 are provided on the lower side of the substantially rectangular portion of the heat sink body 131.
  • the presser plate 132 is also provided with four screw holes 135 and through holes 137.
  • the heat sink body 131 and the holding plate 132 are screwed to each other through screw holes 134 and 135. This screwing is performed so that the through-holes 136 and 137 overlap each other at the same position. At this time, the solid laser medium or the like is sandwiched between the heat sink body 131 and the holding plate 132.
  • a heater 142 is wound around the heat sink main body 131, and a thermocouple 143 is provided. These heater 142 and thermocouple 143 are connected to the temperature controller 141. It is.
  • the heat sink body 131 is provided with an internal space 138 having an open top. When the heat sink body 131 is screwed to the bottom surface of the second liquid nitrogen storage tank 112, the internal space 138 of the heat sink body 131 communicates with the internal space of the second liquid nitrogen storage tank 112, and the second liquid nitrogen storage tank 112 Liquid nitrogen can enter from the nitrogen storage tank 112.
  • the heat sink body 131 and the holding plate 132 are preferably made of a medium having high thermal conductivity, for example, a metal such as copper.
  • the cylindrical upper portion of the heat sink body 131 has, for example, a diameter of 40 mm and a thickness of 5 mm.
  • the lower side of the rectangular portion of the heat sink body 131 is, for example, 50 mm long, 15 mm wide, and 7 mm thick.
  • the shape of the holding plate 132 is, for example, 15 mm X 15 mm X thickness 2 mm.
  • the shape of the through holes 136 and 137 is, for example, a circle having a diameter of 2 mm.
  • the shape of the upper open part of the internal space 138 is, for example, a rectangular shape of 10 mm ⁇ 3 mm.
  • the heater 142 is made of, for example, an electric resistance alloy manganin, and has a maximum supply power S40W. By cooling with liquid nitrogen and heating by the heater 142, the temperature of the heat sink 130 can be set in the range of 77K to 300K, for example.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the solid-state laser module according to the present invention.
  • FIG. 3 shows a cross-section including the central axes of the through holes 136 and 137 shown in FIG. It is shown.
  • FIG. 4 is an assembly process diagram showing the configuration of the main part of the solid-state laser module according to the present invention.
  • the main part of the solid-state laser module consists of a heat sink 130, a solid-state laser medium 151, a first member 152, a second member 153, an indium foil 154, an indium foil 155, and a heat insulating member 156 inside a vacuum vessel 121 having windows 122 and 123. Is stored.
  • the indium foil 154, the first member 152, the solid-state laser medium 151, the second member 153, and the indium foil 155 each have a disk shape and are laminated in this order.
  • the indium foils 154 and 155 have an opening at the center.
  • the solid-state laser medium 151 has a first main surface and a second main surface facing the first main surface, and an active element that is excited by a predetermined length of excitation light is added thereto.
  • This solid-state laser medium 151 generates stimulated emission light inside by irradiation with excitation light.
  • a first member 152 is provided in direct contact with the first main surface of the solid-state laser medium 151
  • a second member 153 is provided in direct contact with the second main surface of the solid-state laser medium 151.
  • Solid state laser medium 151 Of the principal surfaces of the first member 152 and the second member 153, the principal surfaces that contact each other are preferably optically polished so that the degree of adhesion with each other is improved.
  • the first and second members 152 and 153 are not added with an active element, and also have a material force that is transparent to both the excitation light and the stimulated emission light.
  • the first and second members 152 and 153 are referred to as transparent members.
  • the windows 122 and 123 can also transmit both the excitation light and the stimulated emission light. It is preferable that a dielectric multilayer filter for reducing reflection at the wavelengths of the excitation light and the stimulated emission light is formed on the main surfaces of the transparent members 152 and 153 and the windows 122 and 123, respectively. ⁇ .
  • a heat insulating member 156 is provided as a heat insulating region provided between the side surfaces and the heat sink 130 so as to be in direct contact with the four side surfaces.
  • the heat sink 130 has a shape in contact with the main surface and side surfaces of the transparent member 152 and the transparent member 153 that do not contact the solid-state laser medium 151.
  • an indium foil 154 having a thickness of 100 ⁇ m is provided between the transparent member 152 and the heat sink 130.
  • an indium foil 155 having a thickness of, for example, 100 m is preferably provided between the transparent member 153 and the heat sink 130. In this case, these indium foils 152 and 153 constitute a part of the heat sink 130.
  • each of the transparent members 152 and 153 is higher than the thermal conductivity of the solid-state laser medium 151. Further, the thermal conductivity of the heat insulating member 156 provided between the side surface of the solid-state laser medium 151 and the heat sink 130 is lower than the thermal conductivity of the solid-state laser medium 151.
  • the solid-state laser medium 151 is made of, for example, YAG added with 25 at% Yb element, and has a size of 3 mm ⁇ 3 mm ⁇ O. 8 mm.
  • Each of the transparent members 152 and 153 is made of, for example, sapphire glass and has a size of 6 mm ⁇ 6 mm ⁇ I 1.5 mm.
  • Each of the indium foils 154 and 155 has a circular shape with a diameter of 2 mm, for example.
  • the heat insulating member 156 is made of a resin such as Teflon (registered trademark), for example, and has a width of 1 mm and a thickness of 0.8 mm. The heat insulation member 156 is bonded to the side surface of the solid-state laser medium 151 by silicon potting.
  • the overall main surface dimensions of the solid laser medium 151 and the heat insulating member 156 (5 mm X 5 m in the above example) If m) is too small, there may be a gap between the two due to thermal strain. In this case, the efficiency of heat conduction from the solid-state laser medium 151 to the transparent members 152 and 153 decreases. Therefore, the main surface dimensions of the transparent members 152 and 153 are preferably approximately the same as the main surface dimensions of the solid-state laser medium 151 and the heat insulating member 156.
  • liquid nitrogen is injected into the first liquid nitrogen storage tank 111 from the liquid nitrogen inlets 114 and 115, and the first liquid nitrogen is adjusted by adjusting the needle valve 116.
  • Liquid nitrogen is injected from the storage tank 111 into the second liquid nitrogen storage tank 112. Further, the liquid nitrogen injected into the second liquid nitrogen storage tank 112 flows into the internal space 138 of the heat sink 130, thereby cooling the heat sink 130.
  • the heat sink 130 is heated by the heater 142.
  • Excitation light for exciting the active element contained in the solid-state laser medium 151 is incident on the main surface of the solid-state laser medium 151 perpendicularly.
  • the light to be amplified in the solid-state laser medium 151 is also incident perpendicular to the main surface of the solid-state laser medium 151.
  • the stimulated emission light generated inside the solid-state laser medium 151 is emitted perpendicular to the main surface of the solid-state laser medium 151.
  • the solid-state laser medium 151 When the solid-state laser medium 151 is irradiated with excitation light, a part of the energy of the excitation light is consumed to excite the active element, but the rest causes a temperature rise in the solid-state laser medium 151. At this time, the heat generated in the solid-state laser medium 151 is conducted to the transparent members 152 and 153 in contact with both main surfaces of the solid-state laser medium 151 and further conducted to the heat sink 130 through the indium foils 154 and 155. . On the other hand, since the heat insulating member 156 having a low thermal conductivity is provided on the side surface of the solid-state laser medium 151, the amount of heat conducted from the side surface of the solid-state laser medium 151 toward the heat insulating member 156 is small.
  • the thermal conductivity (20WZm.K) of sapphire glass which is an example of transparent members 152, 153, is the thermal conductivity of Yb: YAG, which is an example of solid laser medium 151 (12WZm * Same as K).
  • the thermal conductivity (lOOOWZm'K) of the sapphire glass, which is an example of the transparent members 152 and 153, at a low temperature (77K) is normal temperature (300K). Compared to the thermal conductivity, it is about two orders of magnitude higher.
  • the heat sink 130 that should take advantage of the characteristics of the transparent members 152 and 153 is cooled by liquid nitrogen, and the solid-state laser medium 151 and the transparent members 152 and 153 are conductively cooled. Therefore, compared with the case where the solid laser medium 151 is directly cooled without providing the transparent members 152 and 153, the direction force when the solid laser medium 151 is cooled via the transparent members 152 and 153 having high thermal conductivity is solid. The heat generated by the laser medium 151 is more effectively discharged.
  • FIG. 5 is a temperature distribution during use of the solid-state laser medium 151 included in the solid-state laser module 10 according to the present invention.
  • region (a) is a cross-sectional view showing the structure of the main part of solid-state laser module 10
  • region (b) is the temperature distribution along the optical axis in solid-state laser medium 151
  • region (c) is solid-state.
  • the temperature distribution along the direction perpendicular to the optical axis in the laser medium 151 is shown.
  • the graph G5 10a solid line
  • the draft G520 (dashed line) is the solid-state laser module according to the first comparative example.
  • graph G510b shows the temperature distribution during use of the solid-state laser module 10 according to the example
  • graph G530 shows the temperature distribution during use of the solid-state laser module according to the second comparative example.
  • first comparative example corresponding to the graph G520 shown in this region (b)
  • transparent members 152 and 153 are not provided, and the main surface of the solid-state laser medium 151 is in direct contact with the heat sink 130.
  • second comparative example corresponding to the graph G530 shown in the region (c)
  • the heat insulating member 156 is not provided, and the side surface of the solid-state laser medium 151 is in direct contact with the heat sink 130.
  • the transparent members 152, 153 having higher thermal conductivity than the first comparative example in contact with the main surface heat sink 130 of the solid-state laser medium 151.
  • the peak value in the temperature distribution along the optical axis in the solid laser medium 151 is low and the change is small.
  • the heat insulating member 156 having a low thermal conductivity is solid compared to the second comparative example in which the side surface of the solid-state laser medium 151 is in contact with the heat sink 130.
  • the temperature distribution along the direction perpendicular to the optical axis in the solid-state laser medium 151 is It is made uniform.
  • FIG. 6 shows the relationship between the pumping light absorption power and the thermal lens power (reciprocal of focal length) in the solid-state laser medium 151 included in the solid-state laser module according to the present invention together with the comparative example.
  • the power (lZm) of the thermal lens is the y-axis
  • the solid-state laser medium 151 was caused by irradiation with excitation light.
  • the thermal lens effect is reduced, and the thermal gradient along the direction perpendicular to the optical axis of the solid-state laser medium 151 is suppressed to about 1Z3. Therefore, the optical amplifier or laser oscillator to which the solid-state laser module 10 according to the embodiment is applied can obtain a high-quality optical output.
  • the thickness of the solid-state laser medium 151 due to the thermal breakdown limit.
  • the upper limit of the height is about 4 times that of the case where only one main surface is cooled.
  • the volume of the solid-state laser medium 151 can be quadrupled, and a large amount of energy can be stored in the solid-state laser medium 151, resulting in high gain and high output.
  • Optical amplifiers and laser oscillators can be realized.
  • the configuration of the optical amplifier and the laser oscillator can be simplified, which can contribute to the miniaturization of these devices.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the optical amplifier according to the present invention.
  • the optical amplifier 1 shown in FIG. 7 includes a solid-state laser module 10 having the above-described structure. However, in FIG. 7, only the main part 10A of the solid-state laser module 10 is shown.
  • the optical amplifier 1 includes laser diodes l la and l ib, optical finos 12a and 12b, lens systems 14a and 14b, And mirrors 15a and 15b.
  • Each of the laser diodes l la and l ib outputs excitation light having a wavelength capable of exciting the active element contained in the solid-state laser medium 151 of the main part 10A of the solid-state laser module 10.
  • the optical fiber 12a transmits the excitation light output from the laser diode 11a and emits the excitation light to the outside from the emission end 13a.
  • the lens system 14a condenses the excitation light emitted from the emission end 13a on the solid-state laser medium 151.
  • the optical fiber 12b transmits the excitation light output from the laser diode l ib and emits the excitation light to the outside from the emission end 13b.
  • the lens system 14 b condenses the excitation light emitted from the emission end 13 b on the solid-state laser medium 151.
  • the incident directions of the excitation light incident on the solid laser medium 151 from the lens system 14a and the excitation light incident on the solid laser medium 151 from the lens system 14b are opposite to each other.
  • the lens systems 14a and 14b also have a material strength with high transmittance at the excitation light wavelength, and it is preferable that a dielectric multilayer filter for reducing the reflectance at the excitation light wavelength is formed on the lens surface.
  • the mirror 15a is provided on the optical path of the excitation light between the main part 10A of the solid-state laser module 10 and the lens system 14a.
  • the mirror 15b is provided on the optical path of the excitation light between the main part 10A of the solid-state laser module 10 and the lens system 14b.
  • the mirrors 15a and 15b have a concave surface facing the main part 10A of the solid laser module 10, and reflect the stimulated emission light generated in the solid laser medium 151 by the concave surface, while transmitting the excitation light. To lead.
  • the concave surfaces of the mirrors 15a and 15b having such transmission and reflection characteristics are dichroic coated.
  • the solid-state laser medium 151 is Yb: YAG
  • the excitation light wavelength is 940 nm
  • the stimulated emission light wavelength is 1030 nm
  • specific examples of each component are as follows. That is, the laser diodes l la and l ib have an output light wavelength of 940 nm and a maximum output power of 140 W.
  • Each of the lens systems 14a and 14b has a structure in which, for example, a dielectric multilayer film filter having a transmittance of 99.6% at a wavelength of 940 nm is formed, and two plano-convex lenses are combined.
  • the radius of curvature of the convex reflecting surface in one plano-convex lens is 150 nm, and the radius of curvature of the convex reflecting surface in the other plano-convex lens is 300 nm.
  • the beam of excitation light in the solid-state laser medium 151 The diameter can be reduced to 180 / zm.
  • the radius of curvature of the concave reflecting surface is 100 mm, the transmittance with respect to the excitation light wavelength is 97.6%, and the reflectance with respect to the stimulated emission wavelength at the concave reflecting surface is 99.6%.
  • the optical amplifier 1 configured as described above operates as follows.
  • the pumping light output from the laser diode 11a propagates through the optical fiber 12a and the output end 13a is also output.
  • the emitted excitation light is converged by the lens system 14a, sequentially transmitted through the mirror 15a and the window 122, and introduced into the vacuum vessel 121.
  • the excitation light introduced into the vacuum chamber 121 passes through the transparent member 152 and is then irradiated perpendicularly to one main surface of the solid-state laser medium 151. Further, the excitation light output from the laser diode l ib is output from the output end 13b after propagating through the optical fiber 12b.
  • the emitted excitation light is converged by the lens system 14b, is sequentially transmitted through the mirror 15b and the window 123, and is then introduced into the vacuum vessel 121. Also in this case, the excitation light introduced into the vacuum chamber 121 is irradiated perpendicularly to the other main surface of the solid-state laser medium 151 after passing through the transparent member 153. In this way, the active elements contained in the solid-state laser medium 151 are excited by vertically irradiating the main surfaces of the both sides of the solid-state laser medium 151 with the excitation light.
  • the light L to be amplified is incident on the concave surface of the mirror 15a at a predetermined angle, and the mirror 15a
  • the light is incident perpendicularly to one main surface of the laser medium 151. At this time, the incident light L is fixed.
  • the light L amplified in the solid-state laser medium 151 is emitted perpendicularly to the other main surface force of the solid-state laser medium 151 and passes through the transparent member 153 and the window 123.
  • the transmitted amplified light L is reflected by the concave surface of the mirror 15b.
  • the light (amplified light L) reflected by the concave surface of the mirror 15b becomes the output light of the optical amplifier 1.
  • the excitation light is vertically incident on each of the main surfaces of the solid-state laser medium 151 included in the solid-state laser module 10, and
  • the amplified light L is vertically incident on one main surface of the solid-state laser medium 151.
  • a solid-state laser medium by excitation light irradiation The amplified light L was amplified by the solid-state laser medium 151 due to the thermal lens effect in 151.
  • transparent members 152 and 153 having high thermal conductivity in a state of being in direct contact with the main surface of the solid-state laser medium 151 are provided, and are further in direct contact with the side surface of the solid-state laser medium 151.
  • a heat insulating member 156 having a low thermal conductivity is provided. Therefore, as described in FIGS. 5 and 6, the thermal lens effect due to the excitation light irradiation on the solid-state laser medium 151 is reduced. That is, after the amplified light L is amplified by the solid-state laser medium 151, the output light L
  • the wavefront disturbance of the output light L when emitted as 0 1 is effectively suppressed, and a high-quality light output can be obtained.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the laser oscillator according to the present invention.
  • the laser oscillator 2 shown in FIG. 8 includes a solid-state laser module 10 (one embodiment of the solid-state laser module according to the present invention) having the above-described structure. However, in FIG. 8, only the main part 10A of the solid-state laser module 10 is shown.
  • the laser oscillator 2 also includes laser diodes l la and l ib, optical finos 12a and 12b, lens systems 14a and 14b, mirrors 15a and 15b, a rear mirror 21 and an output mirror 22.
  • the laser oscillator 2 shown in FIG. 8 is different in that it further includes a rear mirror 21 and an output mirror 22.
  • the rear mirror 21 has a concave reflecting surface and can reflect the stimulated emission light generated in the solid-state laser medium 151 by the concave surface.
  • the output mirror 22 is a plane mirror, and when stimulated emission light generated in the solid-state laser medium 151 is incident, the output mirror 22 transmits part of the stimulated emission light and reflects the rest.
  • the wavelength of the stimulated emission light is 1030 nm
  • the reflectance of the rear mirror 21 at the stimulated emission light wavelength is 99.6%
  • the reflectance of the output mirror 22 at the wavelength of the stimulated emission light is 85%.
  • the radius of curvature of the concave reflecting surface of the rear mirror 21 is 1000 mm.
  • the rear mirror 21 and the output mirror 22 constitute a part of a Fabry-Perot resonator.
  • a solid-state laser medium 151, transparent members 152 and 153, and mirrors 15a and 15b are provided on the resonance optical path of this resonator.
  • Mirror 15a, 15b, rear mirror 21 and output mirror The curvature radii of the reflecting surfaces in each of the two are set so that the laser oscillator 2 operates as a stable resonator and the beam diameter of the resonant light in the solid-state laser medium 151 is minimized.
  • the resonant optical path of the resonator is perpendicular to the main surface of the solid-state laser medium 151.
  • an X-shaped resonator is configured by providing mirrors 15a and 15b on the resonant optical path.
  • the laser oscillator 2 operates as follows. That is, the excitation light output from the laser diode 11a propagates through the optical fiber 12a and is output from the output end 13a.
  • the excitation light emitted from the emission end 13a is converged by the lens system 14a, and then sequentially passes through the mirror 15a and the window 122 and is introduced into the vacuum vessel 121.
  • the excitation light introduced into the vacuum vessel 121 passes through the transparent member 152 and is irradiated perpendicularly to one main surface of the solid laser medium 151.
  • the excitation light output from the laser diode l ib propagates through the optical fiber 12b and is output from the output end 13b.
  • the excitation light emitted from the emission end 13b is converged by the lens system 14b, and then sequentially passes through the mirror 15b and the window 123 and is introduced into the vacuum vessel 121.
  • the excitation light introduced into the vacuum vessel 121 passes through the transparent member 153 and is irradiated perpendicularly to the other main surface of the solid-state laser medium 151. In this way, both main surfaces of the solid-state laser medium 151 are vertically irradiated with excitation light, and the active elements contained in the solid-state laser medium 151 are excited.
  • Spontaneously emitted light is generated when the active element contained in the solid-state laser medium 151 transits from the upper level to the lower level of the laser, and the emitted light resonates between the rear mirror 21 and the output mirror 22. Stimulated emission occurs in the solid-state laser medium 151. A part of the stimulated emission light passes through the output mirror 22 and becomes output light of the laser oscillator 2.
  • the solid-state laser medium 151 is YAG to which 25 at% Yb element is added.
  • the wavelength of the pumping light is 940 nm
  • the pumping light power is 580 mW
  • the beam diameter of the pumping light irradiation to the solid laser medium 151 is 180 m
  • the energy density of the pumping light irradiation to the solid laser medium 151 is 2.3. it is a kWZcm 2.
  • the solid laser medium 151 absorbs 98% or more of the energy of the excitation light incident on the solid laser medium 151.
  • the optical elements existing from the laser diodes l la and l ib to the solid-state laser medium 151 can be only the mirrors 15a and 15b, and the loss of the pumping light can be reduced. Loss can be minimized.
  • the power of laser light with a wavelength of 030 nm (laser light output through the output mirror 22) generated in the excited solid-state laser medium 151 was 430 mW.
  • the slope efficiency was as high as 90%, which is very close to the theoretical limit (91%), and the light-to-light conversion efficiency was 74%.
  • mode-synchronized pulse laser oscillation can be achieved by using a saturable absorption mirror instead of the rear mirror 21. Under the same conditions as described above, stable pulse oscillation with a pulse period of 6.8 ps was obtained.
  • the excitation light is vertically incident on each of the main surfaces of the solid-state laser medium 151 included in the solid-state laser module 10.
  • both main surfaces of the solid-state laser medium 151 are perpendicular to the resonance optical path of the resonator.
  • transparent members 152 and 153 having high thermal conductivity in a state of being in direct contact with the main surface of the solid-state laser medium 151 are provided.
  • a heat insulating member 156 having a low thermal conductivity in a state of being in direct contact with the side surface of the solid-state laser medium 151 is provided.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the laser oscillator according to the present invention.
  • the laser oscillator 3 shown in FIG. 9 includes the above-described solid-state laser module 10 (one embodiment of the solid-state laser module according to the present invention). However, in FIG. 9, only the main part 10A of the solid-state laser module 10 is shown.
  • the laser oscillator 3 includes a laser diode 11a, l ib, optical phino 12a, 12b, lens system 14, 14b, mirror 15a, 15b, rear mirror 21, 1 Z2 wavelength plate 31, polarizing plate 32, Pockels cell 33, and Also equipped with a mirror 34.
  • the laser oscillator 3 according to the second embodiment shown in FIG. 31 the polarizing plate 32, the Pockels cell 33, and the mirror 34.
  • the 1Z2 wave plate 31 is provided on the optical path between the mirror 15a and the polarizing plate 32, and linearly polarized light.
  • the polarizing plate 32 transmits the P-polarized light, while reflecting the S-polarized light that has arrived from the 1Z2 wavelength plate 31 to the Pockels cell 33. Further, the polarizing plate 32 reflects the S-polarized light reaching from the Pockels cell 33 to the 1Z2 wavelength plate 31.
  • the Pockels cell 33 is provided on the optical path between the polarizing plate 32 and the mirror 34. When linearly polarized light enters, the Pockels cell 33 rotates the polarization direction of the light.
  • the Pockels cell 33 is made of a KDP crystal, and the polarization azimuth rotation angle can be changed by adjusting the voltage value applied to the KDP crystal.
  • the mirror 34 is an optical element that reflects the light that has arrived from the Pockels cell 33 to the Pockels cell 33, and the reflection surface thereof is concave.
  • the mirror 34 has a concave reflecting surface with a radius of curvature of 2000 mm and a reflectance of 99.6% with respect to the emitted light wavelength.
  • Each of the rear mirror 21 and the mirror 34 constitutes a part of a Fabry-Perot resonator.
  • a solid-state laser medium 151, transparent members 152 and 153, mirrors 15a and 15b, a 1Z2 wavelength plate 31, a polarizing plate 32, and a Pockels cell 33 are arranged on the resonance optical path of this resonator.
  • the radii of curvature of the reflecting surfaces of the mirrors 15a, 15b, the rear mirror 21, and the mirror 34 are such that the laser oscillator 3 operates as a stable resonator and the beam diameter of the resonant light is the smallest in the solid-state laser medium 151. It is set to be.
  • the resonant optical path of the resonator is perpendicular to the main surface of the solid-state laser medium 151.
  • an X-shaped resonator is configured by providing mirrors 15a and 15b on the resonant optical path.
  • the laser oscillator 3 operates as follows. That is, the excitation light output from the laser diode 11a propagates through the optical fiber 12a and is output from the output end 13a.
  • the excitation light emitted from the emission end 13a is converged by the lens system 14a, and then sequentially passes through the mirror 15a and the window 122 and is introduced into the vacuum vessel 121.
  • the excitation light introduced into the vacuum vessel 121 passes through the transparent member 152 and is irradiated perpendicularly to one main surface of the solid-state laser medium 151. Further, the excitation light output from the laser diode l ib propagates through the optical fiber 12b and is output from the output end 13b.
  • the excitation light emitted from the emission end 13b is converged by the lens system 14b, and then sequentially passes through the mirror 15b and the window 123 and is introduced into the vacuum vessel 121.
  • the excitation light introduced into the vacuum chamber 121 passes through the transparent member 153 and then enters the other main surface of the solid-state laser medium 151. Irradiated vertically. In this way, both main surfaces of the solid-state laser medium 151 are vertically irradiated with excitation light, and the active elements contained in the solid-state laser medium 151 are excited.
  • the laser seed light L that has arrived is rotated by the Pockels cell 33 by 45 degrees and then reflected by the mirror 34.
  • the laser seed light L reflected by the mirror 34 is polarized again by the Pockels cell 33.
  • the azimuth After the azimuth is rotated by 45 degrees, it enters the polarizing plate 32. At this time, the laser seed light L that has reached the polarizing plate 32 is S-polarized light, and is reflected by the polarizing plate 32.
  • 0 1Z2 wavelength plate 31 rotates the polarization direction by 90 degrees. Then, the laser type light L reflected by the mirror 15a passes through the transparent member 152 and then is perpendicular to the main surface of the solid-state laser medium 151.
  • the incident laser seed light L causes the stimulated emission phenomenon.
  • the light amplified in the solid-state laser medium 151 is also emitted perpendicularly to the other principal surface force of the solid-state laser medium 151. Further, the outgoing light (amplified light) transmitted through the transparent member 153 is reflected by the mirror 15b and then reflected by the rear mirror 21. The light reflected by the rear mirror 21 passes through the mirror 15b, the solid-state laser medium 151, and the mirror 15a, and the 1Z2 wavelength plate 31 rotates the polarization direction by 90 degrees. Therefore, the reflected light is reflected by the polarizing plate 32 and reaches the Pockels cell 33.
  • the voltage value applied to the Pockels cell 33 is changed, and after the voltage value is changed, the Pockels cell 33 acts as a 1Z2 wavelength plate.
  • the polarization direction of the light passing through the Pockels cell 33 is rotated by 90 degrees. Therefore, the laser seed light L reciprocates between the rear mirror 21 and the mirror 34, and between them,
  • the voltage value applied to the Pockels cell 33 is changed again. After this change, the Pockels cell 33 acts as a 1Z4 wavelength plate. At this time, the polarization direction of the light passing through the Pockels cell 33 is rotated by 45 degrees. Therefore, the light that has been amplified in the resonator so far passes through the polarizing plate 32 and is output as the laser output light L.
  • the solid-state laser medium 151 is YAG added with 25 at% Yb element, the wavelength of the excitation light is 940 nm, the excitation light power is 140 mW, The beam diameter of the excitation light irradiation is 2 mm, and the energy density of the excitation light irradiation to the solid-state laser medium 151 is 2.3 kWZcm 2 .
  • the P-polarized pulse laser seed beam L incident on the polarizing plate 32 from the outside has a wavelength of 1030 nm, a pulse width of 6.8 ps,
  • the frequency is 50 Hz.
  • the polarizing plate 32 has a transmittance of 98.7% for P-polarized light and a reflectance of 99.7% for S-polarized light at a wavelength of 1030 nm.
  • the mirror 34 has a reflectance of 99.7% at a wavelength of 1030 nm.
  • the optical path length along the resonant optical path between the rear mirror 21 and the mirror 34 is 2100 mm. At this time, if the period during which the Pockels cell 33 acts as a half-wave plate is 140 nanoseconds, the laser seed light L travels 10 times within the resonator during this period.
  • the Pockels cell 33 functions as a 1Z4 wavelength plate, the light amplified in the resonator until then passes through the polarizing plate 32 and is output as the laser output light L.
  • the excitation light is perpendicularly incident on both main surfaces of the solid-state laser medium 151 included in the solid-state laser module 10, and the solid-state laser medium Both main surfaces of 151 are perpendicular to the resonant optical path of the resonator.
  • transparent members 152 and 153 having high thermal conductivity are provided in a state of being in direct contact with the main surface of the solid-state laser medium 151, and further, thermal conductivity is in a state of being in direct contact with the side surface of the solid-state laser medium 151.
  • a low thermal insulation member 156 is provided.
  • the thermal lens effect due to irradiation of the solid-state laser medium 151 with the excitation light is reduced.
  • the wavefront disturbance of the stimulated emission light emitted from the solid-state laser medium 151 is suppressed, and a high-quality laser light output can be obtained.
  • the solid-state laser medium 151 is not limited to Yb: YAG.
  • the active element added to the solid-state laser medium 151 may be a rare earth element such as Nd, Tm, Ho, or Cr, or a transition metal element.
  • the host material of the solid-state laser medium 151 may be ruby, YLF, sapphire, glass, S-FAP, YVO, or the like.
  • Transparent members 152, 153 are sapphire glass
  • Transparent members 152 and 153 are more thermally conductive than solid laser medium 151.
  • diamond, yttrium oxide, additive-free Y AG, or the like may be used. Since diamond has a high thermal conductivity of lOOOWZm'K at room temperature, the cooling mechanism can be reduced in size and simplified, or the solid laser medium can be sufficiently cooled without liquid nitrogen cooling.
  • the heat insulating member 156 is not limited to resin such as Teflon.
  • the heat insulating member 156 constituting the heat insulating region may be another material having a lower thermal conductivity than the solid laser medium 151.
  • the heat insulating member 156 may be foamed glass, air, or other gas. Vacuum may be used.
  • the solid-state laser module according to the present invention can be applied to an optical amplifier, a laser oscillator, and the like capable of high-quality optical output.

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Abstract

　この発明は、高品質の光出力を得ることを可能にするための構造を備えた固体レーザモジュール等に関する。当該固体レーザモジュールは、ウィンドウを有する真空容器を備え、この真空容器内に、ヒートシンク、固体レーザ媒質、一対の透明部材が一体的に組み立てられた状態で収納されている。固体レーザ媒質及び一対の透明部材は、それぞれディスク形状を有し、固体レーザ媒質を一対の透明部材が挟んでいる。一対の透明部材それぞれの熱伝導率は、固体レーザ媒質の熱伝導率より高い。ヒートシンクは、固体レーザ媒質を間に挟んだ一対の透明部材の一部を同時に把持する形状を有し、このヒートシンクと固体レーザ媒質との間に、固体レーザ媒質の熱伝導率より低い熱伝導率を有する断熱領域が設けられている。

Description

明 細 書
固体レーザモジュール、光増幅器及びレーザ発振器
技術分野
[0001] この発明は、励起光の照射により内部で放出光を発生させる固体レーザ媒質を含 む固体レーザモジュール、該固体レーザモジュールを含む光増幅器、及び該固体レ 一ザモジュールを含むレーザ発振器に関するものである。
背景技術
[0002] 固体レーザ媒質を含む光増幅器は、励起光源力 出力された励起光を固体レーザ 媒質に照射することにより、固体レーザ媒質に含まれる活性元素 (例えば希土類元 素又は遷移金属元素）を励起する。このとき、固体レーザ媒質内では誘導放出現象 により所定波長の放出光が発生する。また、レーザ発振器は、このような光増幅器及 び共振器により構成される。例えば、固体レーザ媒質が Yb添加 YAGである場合、励 起光源はレーザダイオードであり、増幅し得る光の波長は 1030nmである。
[0003] このような構造を有する光増幅器又はレーザ発振器では、動作時に固体レーザ媒 質が発熱する。そのため、安定した動作を得るとともに高品質の光出力を得るには、 固体レーザ媒質を放熱又は冷却する必要がある。例えば、特許文献 1に開示された レーザ発振器は、活性元素を含まない多結晶質透明セラミックと、該多結晶質透明 セラミックに接した固体レーザ媒質 (活性元素が添加された多結晶質透明セラミック） と、これらを同時に把持するよう設けられたヒートシンクとで構成された固体レーザモ ジュールを備える。このような構成を有する固体レーザモジュールによれば、固体レ 一ザ媒質で発生した熱は活性元素を含まない多結晶質透明セラミックやヒートシンク を伝搬し、該固体レーザ媒質の温度上昇が抑制される。
特許文献 1：特開 2002 - 57388号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 発明者らは、上述の従来技術にっ 、て検討した結果、以下のような課題を発見した 。すなわち、特許文献 1に開示されたレーザ発振器であっても、固体レーザ媒質の放 熱又は冷却は不十分であり、高品質の光出力が得られない場合があった。
[0005] この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、高品質の光出 力を得るための構造を備えた固体レーザモジュール、該固体レーザモジュールを含 む光増幅器、及び該固体レーザモジュールを含むレーザ発振器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
[0006] この発明に係る固体レーザモジュールは、固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質を 直接挟むよう配置された第 1及び第 2部材と、ヒートシンクと、固体レーザ媒体とヒート シンクとの間に設けられた断熱領域とを備える。
[0007] 上記固体レーザ媒質は、第 1波長の励起光により励起される活性元素が添加され、 照射された該励起光に応答して内部で第 2波長の放出光を発生させる。上記第 1部 材は、固定レーザ媒質の第 1主面に直接接した状態で設けられる。また、第 1部材は 、励起光及び放出光の双方に対して透明な材料力 なるとともに固体レーザ媒質より も高い熱伝導率を有する。上記第 2部材は、固定レーザ媒質の第 1主面と対向する 第 2主面に直接接した状態で設けられる。また、第 2部材は、励起光及び放出光の双 方に対して透明な材料力 なるとともに固体レーザ媒質よりも高い熱伝導率を有する 。上記ヒートシンクは、固体レーザ媒質を間に挟んだ第 1及び第 2部材それぞれの少 なくとも一部を、該固体レーザ媒質力も所定距離離間した状態で把持するよう配置さ れる。上記断熱領域は、第 1主面と第 2主面とを連絡している固体レーザ媒質の側面 と、ヒートシンクとの間に設けられており、該固体レーザ媒質よりも低い熱伝導率を有 する。なお、固体レーザ媒質とヒートシンクとの間に設けられた断熱領域は、固体又 は液体であってもよいし、空気その他の気体であってもよいし、真空であってもよい。
[0008] さらに、固体レーザ媒質の第 1主面に少なくとも一部が接する第 1部材の面は、該 第 1主面よりも広い面積を有するのが好ましい。同様に、固体レーザ媒質の第 2主面 に少なくとも一部が接する第 2部材の面も、該第 2主面よりも広い面積を有するのが 好ましい。この構成により、第 1及び第 2部材は、固体レーザ媒質の側面とヒートシン クとの間隔を規定するためのスぺーサとして機能する。
[0009] この発明に係る固体レーザモジュールは、ヒートシンクを冷却するための冷却装置 をさらに備えるのが好ましい。また、ヒートシンクを加熱するための加熱装置がさらに 設けられてもよい。また、この発明に係る固体レーザモジュールは、内部が所定の真 空度まで減圧された密閉容器を備えてもよい。この密閉容器は、少なくとも、固体レ 一ザ媒質、第 1部材及び第 2部材を収納する空間を有するとともに、励起光及び放出 光を透過させるためのウィンドウを有するのが好ましい。
[0010] この発明に係る固体レーザモジュールにおいて、固体レーザ媒質の第 1及び第 2 主面にそれぞれ直接接触した状態で配置された第 1及び第 2部材は、いずれも固体 レーザ媒質もよりも高い熱伝導率を有する。また、固体レーザ媒質の側面とヒートシン クとの間に設けられた断熱領域は、固定レーザ媒質よりも低い熱伝導率を有する。こ のことから、励起光照射により固体レーザ媒質内で発生した熱は、固体レーザ媒質の 両主面に接している部材へ伝えられ、さらにヒートシンクへ伝導していく。一方、固体 レーザ媒質の側面力 ヒートシンク側へ伝導して 、く熱量は僅かである。したがって、 固体レーザ媒質への励起光照射に起因した熱レンズ効果が低減され、固体レーザ 媒質から出力される誘導放出光の波面の乱れが効果的に抑制される。その結果、高 品質の光出力が得られる。また、ヒートシンクを冷却するための冷却装置や、ヒートシ ンクを加熱するための加熱装置が設けられた場合、固体レーザ媒質の温度が適切に 設定されるため、好適な条件の下で固体レーザ媒質における光増幅が可能になる。 また、固体レーザ媒質等を内部に収納する真空容器が設けられた場合、固体レーザ 媒質等の結露が防止される。
[0011] この発明に係る光増幅器は、上述のような構造を有する固体レーザモジュール (こ の発明に係る固体レーザモジュール）と、該固体レーザモジュールに含まれる固体レ 一ザ媒質に励起光を照射するための励起光源とを備える。当該光増幅器では、励起 光源から照射された励起光により固体レーザ媒質内の活性元素が励起される。この ように活性元素が励起されている間に固体レーザ媒質に入射した所定波長の光は 固体レーザ媒質において増幅される。当該光増幅器では、固体レーザ媒質を含む 固体レーザモジュールが上述のような構造を有するため、高品質かつ高出力の増幅 光が得られる。
[0012] この発明に係るレーザ発振器は、上述のような構造を有する固体レーザモジュール (この発明に係る固体レーザモジュール）と、該固体レーザモジュールに含まれる固 体レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、該固体レーザモジュールに含まれる 固体レーザ媒質が共振光路上に配置された共振器とを備える。当該レーザ発振器 では、励起光源から照射された励起光が固体レーザ媒質内の活性元素を励起する ことで、該固体レーザ媒質内で誘導放出現象が生じる。このとき発生した誘導放出光 が共振器の共振光路上を往復することにより、該共振器カゝらレーザ光が得られる。ま た、当該レーザ発振器では、固体レーザ媒質を含む固体レーザモジュールが上述の ような構造を有するため、高品質かつ高出力のレーザ光が得られる。
[0013] なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに 十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、こ の発明を限定するものと考えるべきではない。
[0014] また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかし ながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではある 力 例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における 様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかであ る。
発明の効果
[0015] この発明に係る固体レーザモジュールによれば、固体レーザ媒質の適切な温度調 整を可能にするための構造を備えるため、当該固体レーザモジュールが適用される 光増幅器、レーザ発振器等では、高品質かつ高パワーの光出力が得られる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例の全体構成を示す図で ある。
[図 2]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例に含まれるヒートシンクの 構成を示す図である。
[図 3]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例における主要部の構成 を示す断面図である。
[図 4]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例における主要部の構成 を説明するための組立工程図である。
[図 5]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例に含まれる固体レーザ媒 質の動作時温度分布である。
[図 6]は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例に含まれる固体レーザ媒 質の、励起光吸収パワーと熱レンズの度との関係を示す図である。
[図 7]は、この発明に係る光増幅器の一実施例の構成を示す図である。
[図 8]は、この発明に係るレーザ発振器の第 1実施例の構成を示す図である。
[図 9]は、この発明に係るレーザ発振器の第 2実施例の構成を示す図である。
符号の説明
[0017] 1…光増幅器、 2、 3…レーザ発振器、 10···固体レーザモジュール、 10A…固体レ 一ザモジュール要部、 lla、 lib…レーザダイオード、 12a, 12b…光ファイノく、 13a 、 13b…出射端、 14a、 14b…レンズ系、 15a、 15b…ミラー、 21···リアミラー、 22··· 出力ミラー、 31···1Ζ2波長板、 32···偏光板、 33···ポッケルスセル、 34···ミラー、 10 1…基盤、 102、 103…支持部、 104…真空ポンプ、 105…排気管、 111〜第1液体 窒素保存タンク、 112…第 2液体窒素保存タンク、 113…冷却装置外壁、 114、 115 …液体窒素注入口、 116…ニードル弁、 117···排気口、 121…真空容器、 122、 12 3···ウィンドウ、 130···ヒートシンク、 131···ヒートシンク本体、 132···押え板、 133, 13 4, 135···ねじ穴、 136、 137···貫通孔、 138···内部空間、 141···温度コントローラ、 142···ヒータ、 143···熱電対、 151···固体レーザ媒質、 152、 153···透明部材、 154 、 155···インジウム箔、 156···断熱部材。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、この発明に係る固体レーザモジュール、光増幅器及びレーザ共振器の各実 施例を、図 1〜図 11を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部 位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。また、図面の寸法比 率は説明のものと必ずしも一致しておらず、各要素の寸法や材質等は一例にすぎな い。
[0019] まず、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例について説明する。図 1は 、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例の構成を示す図である。この図 1 に示された固体レーザモジュール 10は、基盤 101及び支持部 102、 103により支持 されており、真空ポンプ 104、第 1液体窒素保存タンク 111、第 2液体窒素保存タンク 112、冷却装置外壁 113、真空容器 121、ヒートシンク 130及び温度コントローラ 141 等を備える。なお、真空容器 121は、所定の真空度にまで内部が減圧された密閉容 器を意味する。また、真空容器 121内に収納された固体レーザモジュール 10の主要 部については後述する。
[0020] 冷却装置外壁 113は、基盤 101に対して固定された支持部 102、 103により支持さ れている。また、この冷却装置外壁 113は、例えばステンレス力もなり、その内部に第 1液体窒素保存タンク 111及び第 2液体窒素保存タンク 112が設けられている。第 1 液体窒素保存タンク 111は、冷却装置外壁 113の上蓋に固定されており、この上蓋 を貫通する液体窒素注入口 114、 115が設けられている。これら液体窒素注入口 11 4、 115を介して液体窒素が内部に注入され、あるいは、気化した窒素が外部へ排出 される。
[0021] 第 2液体窒素保存タンク 112は、第 1液体窒素保存タンク 111の下方に配置され、 ニードル弁 116の先端が挿入される微小孔を介して第 1液体窒素保存タンク 111と 連絡している。なお、ニードル弁 116の先端が微小孔に挿入されて微小孔が塞がつ ている間、第 2液体窒素保存タンク 112は第 1液体窒素保存タンク 111と分離されて いる。一方、ニードル弁 116の先端が微小孔に挿入されていない間、第 2液体窒素 保存タンク 112は第 1液体窒素保存タンク 111と連絡し、第 1液体窒素保存タンク 11 1の内部にある液体窒素が第 2液体窒素保存タンク 112の内部に注入される。そのと きの注入量は、ニードル弁 116の位置により調整可能である。また、第 2液体窒素保 存タンク 112は、排気口 117が設けられており、この排気口 117を介して気化した窒 素が外部へ排出される。
[0022] 真空容器 121及びヒートシンク 130は、第 2液体窒素保存タンク 112の下方に設け られている。ヒートシンク 130を含む固体レーザモジュール 10の主要部は、真空容器 121の内部に配置されている。ヒートシンク 130には内部空間が設けられ、この内部 空間が第 2液体窒素保存タンク 112の内部空間と連絡して!/、る。このヒートシンク 130 の内部空間に液体窒素が流入することで、ヒートシンク 130が冷却される。ヒートシン ク 130にはヒータ 142及び熱電対が設けられており、これらヒータ 142及び熱電対は 温度コントローラ 141に接続されている。温度コントローラ 141は、熱電対により測定 されたヒートシンク 130の温度をモニタし、また、ヒータ 142に通電することでヒートシ ンク 130の温度を上昇させる。
[0023] 第 1液体窒素保存タンク 111及び第 2液体窒素保存タンク 112と冷却装置外壁 11 3との間の空間は、真空容器 121の内部空間と連絡しており、また、排気管 105を介 して真空ポンプ 104に連結されて!、る。これらの空間が真空ポンプ 104により真空（ 所定の真空度）に保持されることにより、液体窒素による冷却時の結露が防止される 。また、第 1液体窒素保存タンク 111又は第 2液体窒素保存タンク 112は断熱される。
[0024] 図 2は、この発明に係る固体レーザモジュールの一実施例に含まれるヒートシンク の構成を示す図である。この図 2において、領域（a)はヒートシンク 130の正面図、領 域（b)はヒートシンク 130の側面図、領域（c)はヒートシンク 130の平面図をそれぞれ 示す。ヒートシンク 130は、ヒートシンク本体 131と押え板 132と力も構成されている。 ヒートシンク本体 131は、略矩形状の部分と円柱状の上部とを備え、円柱状の上部に は 8個のネジ穴 133が設けられている。この構成によりヒートシンク本体 131は第 2液 体窒素保存タンク 112の底面にネジ止めされる。なお、このとき、ヒートシンク本体 13 1の円柱状の上部と第 2液体窒素保存タンク 112の底面との間の密着度を高めるた め（熱伝導をよくするため）、両者間に例えば厚さ 100 mのインジウム箔が挟み込ま れるのが好ましい。この場合、このインジウム箔はヒートシンク 130の一構成要素であ る。
[0025] ヒートシンク本体 131の略矩形状の部分における下側には 4個のネジ穴 134及び 貫通孔 136が設けられている。一方、押え板 132にも 4個のネジ穴 135及び貫通孔 1 37が設けられている。これらヒートシンク本体 131及び押え板 132は、ネジ穴 134、 1 35により互いにネジ止めされる。このネジ止めは、貫通孔 136、 137力互いに同じ位 置に重なるよう行われ、このとき、固体レーザ媒質等がヒートシンク本体 131及び押え 板 132によって挟まれる。
[0026] ヒートシンク本体 131の周囲には、ヒータ 142が巻き付けられ、また、熱電対 143が 設けられている。これらヒータ 142及び熱電対 143は、温度コントローラ 141に接続さ れている。また、ヒートシンク本体 131には、上部が開放されている内部空間 138が 設けられて 、る。ヒートシンク本体 131が第 2液体窒素保存タンク 112の底面にネジ 止めされているとき、ヒートシンク本体 131の内部空間 138は、第 2液体窒素保存タン ク 112の内部空間と連絡しており、第 2液体窒素保存タンク 112から液体窒素が流入 し得る。
[0027] ヒートシンク本体 131及び押え板 132は、熱伝導率が高い媒質、例えば銅などの金 属からなるのが好ましい。ヒートシンク本体 131の円柱状の上部は、例えば、 40mm の直径と、 5mmの厚みを有する。一方、ヒートシンク本体 131における矩形状の部分 の下側は、例えば、縦 50mm、幅 15mm、厚み 7mmである。押え板 132の形状は例 えば 15mm X 15mm X厚み 2mmである。貫通孔 136、 137の形状は例えば直径 2 mmの円形である。内部空間 138の上部開放部の形状は例えば 10mm X 3mmの矩 形である。ヒータ 142は、例えば、電気抵抗合金マンガニン製であり、最大供給電力 力 S40Wである。液体窒素による冷却及びヒータ 142による加熱により、ヒートシンク 13 0の温度は例えば 77K〜300Kの範囲で設定可能である。
[0028] 図 3は、この発明に係る固体レーザモジュールの主要部の構造を示す断面図であ り、この図 3には、図 2に示された貫通孔 136、 137の中心軸を含む断面が示されて いる。また、図 4は、この発明に係る固体レーザモジュールの主要部の構成を示す組 立工程図である。固体レーザモジュールの主要部は、ウィンドウ 122、 123を有する 真空容器 121の内部に、ヒートシンク 130、固体レーザ媒質 151、第 1部材 152、第 2 部材 153、インジウム箔 154、インジウム箔 155及び断熱部材 156を収納したもので ある。インジウム箔 154、第 1部材 152、固体レーザ媒質 151、第 2部材 153及びイン ジゥム箔 155は、それぞれディスク形状を有し、この順に積層されている。インジウム 箔 154、 155は、中央に開口が設けられている。
[0029] 固体レーザ媒質 151は、第 1主面と該第 1主面に対向する第 2主面を有し、所定は 長の励起光により励起される活性元素が添加されている。この固体レーザ媒質 151 は、励起光の照射により内部に誘導放出光を発生させる。固体レーザ媒質 151の第 1主面には直接接触した状態で第 1部材 152が設けられ、固体レーザ媒質 151の第 2主面には直接接した状態で第 2部材 153が設けられている。固体レーザ媒質 151、 第 1部材 152、第 2部材 153それぞれの主面のうち相互に接する主面は、互いの密 着度がよくなるように、光学研磨されているのが好ましい。第 1及び第 2部材 152、 15 3は、活性元素が添加されておらず、上記励起光及び上記誘導放出光の双方に対し て透明な材料力もなる。以下、これら第 1及び第 2部材 152、 153を透明部材という。 ウィンドウ 122、 123も、上記励起光及び上記誘導放出光の双方を透過させることが できる。透明部材 152、 153及びウィンドウ 122、 123それぞれの主面には、上記励 起光及び上記誘導放出光それぞれの波長における反射を低減するための誘電体多 層膜フィルタが形成されるのが好まし ヽ。
[0030] 固体レーザ媒質 151の 4つの側面には、これら側面とヒートシンク 130との間に設け られた断熱領域として、 4つの側面に直接接するよう断熱部材 156が設けられている 。ヒートシンク 130は、固体レーザ媒質 151に接することなぐ透明部材 152及び透明 部材 153それぞれの主面及び側面に接する形状を有している。なお、透明部材 152 、 153とヒートシンク 130との間の密着度を高めるため（熱伝導をよくするため）、透明 部材 152とヒートシンク 130との間に例えば厚さ 100 μ mのインジウム箔 154が設けら れる一方、透明部材 153とヒートシンク 130との間に例えば厚さ 100 mのインジウム 箔 155が設けられるのが好ましい。この場合、これらインジウム箔 152、 153はヒート シンク 130の一部を構成する。
[0031] 透明部材 152、 153それぞれの熱伝導率は、固体レーザ媒質 151の熱伝導率より 高い。また、固体レーザ媒質 151の側面とヒートシンク 130との間に設けられた断熱 部材 156の熱伝導率は、固体レーザ媒質 151の熱伝導率より低い。
[0032] 固体レーザ媒質 151は、例えば、 25at%の Yb元素が添カ卩された YAGからなり、 3 mm X 3mm X O. 8mmの寸法を有する。透明部材 152、 153それぞれは、例えばサ ファイアガラスからなり、 6mm X 6mm X I . 5mmの寸法を有する。インジウム箔 154 、 155それぞれの開口は、例えば直径 2mmの円形である。断熱部材 156は、例えば 、テフロン (登録商標）等の樹脂からなり、幅 lmm、厚さ 0. 8mmを有する。また、断 熱部材 156は、シリコンポッティングにより固体レーザ媒質 151の側面に接着される。
[0033] なお、透明部材 152、 153の主面寸法（上述の例では 6mm X 6mm)と比べて、固 体レーザ媒質 151及び断熱部材 156の全体の主面寸法（上述の例では 5mm X 5m m)が小さすぎると、熱歪みによって両者間に隙間ができる可能性がある。この場合、 固体レーザ媒質 151から透明部材 152、 153への熱伝導の効率が低下してしまう。し たがって、透明部材 152、 153の主面寸法は、固体レーザ媒質 151及び断熱部材 1 56の全体の主面寸法と同程度であるのが好ましい。
[0034] 以上のような構造を有する固体レーザモジュール 10では、液体窒素注入口 114、 1 15から液体窒素が第 1液体窒素保存タンク 111に注入され、ニードル弁 116の調整 により、第 1液体窒素保存タンク 111から液体窒素が第 2液体窒素保存タンク 112に 注入される。さらに、第 2液体窒素保存タンク 112に注入された液体窒素は、ヒートシ ンク 130の内部空間 138に流入し、これにより、ヒートシンク 130が冷却される。なお、 ヒータ 142によりヒートシンク 130は加熱される。
[0035] 固体レーザ媒質 151に含まれる活性元素を励起するための励起光は、固体レーザ 媒質 151の主面に対して垂直に入射される。固体レーザ媒質 151において増幅され るべき光も、固体レーザ媒質 151の主面に対して垂直に入射される。また、固体レー ザ媒質 151内部で発生した誘導放出光は、固体レーザ媒質 151の主面に対して垂 直に出射される。これら励起光、増幅光及び誘導放出光は、ヒートシンク 130の貫通 孔 136、 137、及び、インジウム箔 154、 155の開口を通過し、また、透明部材 152、 153を透過する。
[0036] 固体レーザ媒質 151に励起光が照射されると、その励起光のエネルギーの一部は 活性元素を励起するのに消費されるが、残部は固体レーザ媒質 151に温度上昇を 引き起こす。このとき固体レーザ媒質 151で発生した熱は、固体レーザ媒質 151の両 主面に接している透明部材 152、 153へ伝導し、さらに、インジウム箔 154、 155を経 てヒートシンク 130へ伝導していく。一方、熱伝導率が低い断熱部材 156が固体レー ザ媒質 151の側面に設けられているので、固体レーザ媒質 151の側面から断熱部材 156の方へ伝導していく熱の量は僅かである。
[0037] 常温（300K)において、透明部材 152、 153の一例であるサファイアガラスの熱伝 導率（20WZm.K)は、固体レーザ媒質 151の一例である Yb :YAGの熱伝導率（1 2WZm*K)と同程度である。しかしながら、透明部材 152、 153の一例であるサファ ィァガラスの低温（77K)における熱伝導率（lOOOWZm'K)は、常温（300K)にお ける熱伝導率と比較して 2桁ほど高い。このような透明部材 152、 153の特性を活用 すべぐヒートシンク 130は液体窒素により冷却され、さらに、固体レーザ媒質 151及 び透明部材 152、 153は伝導冷却される。したがって、透明部材 152、 153を設ける こと無く固体レーザ媒質 151を直接冷却する場合と比較して、熱伝導率が高い透明 部材 152、 153を介して固体レーザ媒質 151を冷却する場合の方力 固体レーザ媒 質 151で発生した熱がより効果的に排出される。
[0038] 図 5は、この発明に係る固体レーザモジュール 10に含まれる固体レーザ媒質 151 の使用時温度分布である。この図 5において、領域（a)は固体レーザモジュール 10 の主要部の構造を示す断面図、領域 (b)は固体レーザ媒質 151における光軸に沿 つた温度分布、また、領域 (c)は固体レーザ媒質 151における光軸に垂直な方向に 沿った温度分布をそれぞれ示している。なお、図 5中の領域 (b)において、グラフ G5 10a (実線）は当該実施例に係る固体レーザモジュール 10の使用時温度分布、ダラ フ G520 (破線）は第 1比較例に係る固体レーザモジュールの使用時温度分布をそれ ぞれ示されている。また、領域 (c)において、グラフ G510b (実線）は当該実施例に 係る固体レーザモジュール 10の使用時温度分布、グラフ G530 (破線）は第 2比較例 に係る固体レーザモジュールの使用時温度分布をそれぞれ示されて 、る。この領域 (b)に示されたグラフ G520に相当する第 1比較例では、透明部材 152、 153が設け られておらず、固体レーザ媒質 151の主面がヒートシンク 130に直接接している。ま た、領域 (c)に示されたグラフ G530に相当する第 2比較例では、断熱部材 156が設 けられておらず、固体レーザ媒質 151の側面がヒートシンク 130に直接接している。
[0039] 図 5中の領域（b)に示されたように、固体レーザ媒質 151の主面力ヒートシンク 130 に接している第 1比較例と比較すると、熱伝導率が高い透明部材 152、 153が固体レ 一ザ媒質 151の主面とヒートシンク 130との間に設けられている当該実施例では、固 体レーザ媒質 151における光軸に沿った温度分布におけるピーク値が低ぐかつ、 変化が小さい。一方、図 5中の領域 (c)に示されたように、固体レーザ媒質 151の側 面がヒートシンク 130に接している第 2比較例と比較すると、熱伝導率が低い断熱部 材 156が固体レーザ媒質 151の側面とヒートシンク 130との間に設けられている当該 実施例では、固体レーザ媒質 151における光軸に垂直な方向に沿った温度分布が 均一化される。
[0040] 図 6は、この発明に係る固体レーザモジュールに含まれる固体レーザ媒質 151にお ける励起光吸収パワーと熱レンズの度 (焦点距離の逆数)との関係を、比較例の場合 とともに示す図である。この図 6において、グラフ G610は当該実施例に係る固体レー ザ媒質 151の低温 (80K)における関係を示し、熱レンズの度数（lZm)を y軸とし励 起光吸収パワー (W)を X軸とするとき直線 y=0. 0061xにより近似される。グラフ G6 20aは第 1比較例に係る固体レーザ媒質の低温 (80K)における関係を示し、直線 y =0. 017xにより近似される。また、グラフ G620bは第 1比較例に係る固体レーザ媒 質の常温（300K)における関係を示し、直線 y=0. 078xにより近似される。この図 6 に示されたように、第 1比較例における常温及び低温時それぞれの関係と比較して、 当該実施例に係る固体レーザモジュール 10では、固体レーザ媒質 151への励起光 照射に起因した熱レンズ効果が低減され、固体レーザ媒質 151の光軸に垂直な方 向に沿った熱勾配が 1Z3程度に抑えられる。したがって、当該実施例に係る固体レ 一ザモジュール 10が適用された光増幅器やレーザ発振器では、高品質の光出力が 得られる。
[0041] また、当該実施例では、固体レーザ媒質 151を透明部材 152、 153で挟んだ状態 で該固体レーザ媒質 151を冷却しているので、熱破壊限界に起因した固体レーザ媒 質 151の厚さの上限は、一方の主面のみ力も冷却する場合と比較すると 4倍程度に なる。その結果、寄生発振に起因した制限が無ければ、固体レーザ媒質 151の体積 を 4倍にすることができ、固体レーザ媒質 151に多くのエネルギーを蓄積することがで き、高利得 ·高出力の光増幅器やレーザ発振器が実現可能になる。また、光増幅器 やレーザ発振器の構成の簡略化にもつながり、これらの装置の小型化にも寄与する ことができる。
[0042] 次に、この発明に係る光増幅器の一実施例について説明する。図 7は、この発明に 係る光増幅器の一実施例の構成を示す図である。この図 7に示された光増幅器 1は 、上述のような構造を有する固体レーザモジュール 10を備える。ただし、この図 7には 、固体レーザモジュール 10のうちの主要部 10Aのみが示されている。また、この光増 幅器 1は、レーザダイオード l la、 l ib,光ファイノ 12a、 12b、レンズ系 14a、 14b、 及びミラー 15a、 15bをも備える。
[0043] レーザダイオード l la、 l ibそれぞれは、固体レーザモジュール 10の主要部 10A の固体レーザ媒質 151に含まれる活性元素を励起し得る波長の励起光を出力する。 光ファイバ 12aは、レーザダイオード 11aから出力された励起光を伝送し、その励起 光を出射端 13aから外部へ出射する。レンズ系 14aは、出射端 13aから出射された励 起光を固体レーザ媒質 151に集光させる。光ファイバ 12bは、レーザダイオード l ib から出力された励起光を伝送し、その励起光を出射端 13bから外部へ出射する。レ ンズ系 14bは、出射端 13bから出射された励起光を固体レーザ媒質 151に集光させ る。レンズ系 14aから固体レーザ媒質 151へ入射する励起光と、レンズ系 14bから固 体レーザ媒質 151へ入射する励起光とは、それぞれの入射方向が逆方向である。レ ンズ系 14a、 14bは、励起光波長における透過率が高い材料力もなり、また、励起光 波長における反射率を低減するための誘電体多層膜フィルタがレンズ面に形成され ているのが好ましい。
[0044] ミラー 15aは、固体レーザモジュール 10の主要部 10Aとレンズ系 14aとの間の励起 光の光路上に設けられている。ミラー 15bは、固体レーザモジュール 10の主要部 10 Aとレンズ系 14bとの間の励起光の光路上に設けられている。ミラー 15a、 15bは、固 体レーザモジュール 10の主要部 10Aに向いた面が凹面となっており、固体レーザ媒 質 151内で発生する誘導放出光を該凹面で反射する一方、励起光を透過率させる。 このような透過及び反射の特性を有すべぐミラー 15a、 15bそれぞれの凹面にはダ ィクロイツクコーティングが施されて 、る。
[0045] 例えば、固体レーザ媒質 151が Yb :YAGであって、励起光波長が 940nmであり、 誘導放出光波長が 1030nmである場合、各構成要素の具体例は以下のとおりであ る。すなわち、レーザダイオード l la、 l ibは、出力光波長が 940nmであり、最大出 力パワーが 140Wである。レンズ系 14a、 14bそれぞれは、例えば、波長 940nmに おける透過率が 99.6%となるような誘電体多層膜フィルタが形成され、 2つの平凸レ ンズが組み合わされた構造を有する。また、一方の平凸レンズにおける凸状反射面 の曲率半径は 150nmであり、他方の平凸レンズにおける凸状反射面の曲率半径は 300nmである。このレンズ構成により、固体レーザ媒質 151における励起光のビーム 径を 180 /z mまで絞ることができる。ミラー 15a、 15bそれぞれにおいて、凹状反射面 の曲率半径は 100mmであり、励起光波長に対する透過率は 97.6%であり、凹状反 射面における誘導放出光波長に対する反射率は 99.6%である。
[0046] 以上のように構成された当該実施例に係る光増幅器 1は以下のように動作する。レ 一ザダイオード 11aから出力された励起光は、光ファイバ 12aを伝搬して出射端 13a 力も出射される。出射された励起光は、レンズ系 14aにより収斂され、該ミラー 15a、ゥ インドウ 122を順次透過して真空容器 121内に導入される。真空容器 121内に導入 された励起光は、透明部材 152を透過した後、固体レーザ媒質 151の一方の主面に 垂直に照射される。また、レーザダイオード l ibから出力された励起光は、光ファイバ 12bを伝搬した後に出射端 13bから出射される。出射された励起光は、レンズ系 14b により収斂され、該ミラー 15b、ウィンドウ 123を順次透過した後に真空容器 121内に 導入され。この場合も真空容器 121内に導入された励起光は、透明部材 153を透過 した後に固体レーザ媒質 151の他方の主面に垂直に照射される。このように、固体レ 一ザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起光が垂直に照射されることにより、固体 レーザ媒質 151に含まれる活性元素が励起される。
[0047] 増幅されるべき光 Lは、ミラー 15aの凹面に対して所定角度で入射され、ミラー 15a
0
の凹面により反射される。この反射された光 Lは、ウィンドウ 122を透過し真空容器 1
0
21内に導入される。真空容器 121内において、光 Lは透明部材 152を透過し、固体
0
レーザ媒質 151の一方の主面に垂直に入射される。このとき、入射された光 Lは、固
0 体レーザ媒質 151内で誘導放出現象により増幅される。固体レーザ媒質 151におい て増幅された光 Lは、固体レーザ媒質 151の他方の主面力 垂直に出射され、透明 部材 153及びウィンドウ 123を透過する。そして、透過した増幅光 Lは、ミラー 15bの 凹面により反射される。ミラー 15bの凹面により反射された光 (増幅光 L )が、光増幅 器 1の出力光となる。
[0048] 以上のように、当該実施例に係る光増幅器 1では、固体レーザモジュール 10に含 まれる固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起光が垂直に入射されるとと もに、固体レーザ媒質 151の一方の主面に被増幅光 Lが垂直に入射される。透明
0
部材 152、 153が設けられていないと仮定すると、励起光照射による固体レーザ媒質 151における熱レンズ効果により、被増幅光 Lが固体レーザ媒質 151で増幅された
0
後に出力光 Lとして出射される際に、該出力光 Lの波面が乱れる。し力しながら、当 該実施例では、固体レーザ媒質 151の主面に直接接した状態で熱伝導率が高い透 明部材 152、 153が設けられ、さらに、固体レーザ媒質 151の側面に直接接した状 態で熱伝導率が低い断熱部材 156が設けられている。そのため、図 5及び図 6で説 明されたように、固体レーザ媒質 151への励起光照射に起因した熱レンズ効果が低 減される。すなわち、被増幅光 Lが固体レーザ媒質 151で増幅された後に出力光 L
0 1 として出射される際の該出力光 Lの波面乱れが効果的に抑制されて、高品質の光 出力が得られる。
[0049] 次に、この発明に係るレーザ発振器の第 1実施例について説明する。図 8は、この 発明に係るレーザ発振器の第 1実施例の構成を示す図である。この図 8に示されたレ 一ザ発振器 2は、上述のような構造を有する固体レーザモジュール 10 (この発明に係 る固体レーザモジュールの一実施例）を備える。ただし、この図 8には、固体レーザモ ジュール 10のうちの主要部 10Aのみが示されている。また、このレーザ発振器 2は、 レーザダイオード l la、 l ib,光ファイノ 12a、 12b、レンズ系 14a、 14b、ミラー 15a、 15b、リアミラー 21及び出力ミラー 22をも備える。図 7に示された光増幅器 1の構成と 比較すると、この図 8に示されたレーザ発振器 2は、リアミラー 21及び出力ミラー 22を さらに備えた点で相違する。
[0050] リアミラー 21は、凹面の反射面を有し、固体レーザ媒質 151内で発生する誘導放 出光を該凹面で反射することができる。出力ミラー 22は、平面ミラーであり、固体レー ザ媒質 151内で発生する誘導放出光が入射されると、該誘導放出光の一部を透過さ せ、残部を反射する。例えば、誘導放出光の波長は 1030nmであり、該誘導放出光 波長におけるリアミラー 21の反射率は 99.6%であり、該誘導放出光波長における出 カミラ一 22の反射率は 85%である。また、例えば、リアミラー 21における凹面の反射 面の曲率半径は 1000mmである。
[0051] リアミラー 21及び出力ミラー 22は、フアブリペロー型の共振器の一部を構成してい る。この共振器の共振光路上には、固体レーザ媒質 151、透明部材 152、 153、及 び、ミラー 15a、 15bが設けられている。ミラー 15a、 15b、リアミラー 21及び出力ミラ 一 22それぞれにおける反射面の曲率半径は、レーザ発振器 2が安定共振器として 動作するように、かつ、固体レーザ媒質 151においる共振光のビーム径が最も小さく なるように、設定されている。共振器の共振光路は、固体レーザ媒質 151の主面に垂 直である。また、共振光路上にミラー 15a、 15bが設けられることにより、 X字型の共振 器が構成されている。
[0052] 以上のように構成された第 1実施例に係るレーザ発振器 2は以下のように動作する 。すなわち、レーザダイオード 11aから出力された励起光は、光ファイバ 12a内を伝搬 し、出射端 13aから出射される。出射端 13aから出射された励起光は、レンズ系 14a により収斂された後、ミラー 15a、ウィンドウ 122を順次透過し真空容器 121内に導入 される。真空容器 121内に導入された励起光は、透明部材 152を透過して、固体レ 一ザ媒質 151の一方の主面に垂直に照射される。一方、レーザダイオード l ibから 出力された励起光は、光ファイバ 12b内を伝搬し、出射端 13bから出射される。出射 端 13bから出射された励起光は、レンズ系 14bにより収斂された後、ミラー 15b、ウイ ンドウ 123を順次透過し真空容器 121内に導入される。真空容器 121内に導入され た励起光は、透明部材 153を透過して、固体レーザ媒質 151の他方の主面に垂直 に照射される。このように、固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起光が 垂直に照射され、固体レーザ媒質 151に含まれる活性元素が励起される。
[0053] 固体レーザ媒質 151に含まれる活性元素がレーザ上準位から下準位へ遷移する 際に自然放出光が発生し、その放出光がリアミラー 21と出力ミラー 22との間で共振 して、固体レーザ媒質 151において誘導放出が生じる。そして、この誘導放出された 光の一部は、出力ミラー 22を透過して、レーザ発振器 2の出力光となる。
[0054] 例えば、固体レーザ媒質 151は、 25at%の Yb元素が添加された YAGである。励 起光の波長は 940nmであり、励起光パワーは 580mWであり、固体レーザ媒質 151 への励起光照射のビーム径は 180 mであり、固体レーザ媒質 151への励起光照 射のエネルギー密度は 2.3kWZcm2である。このとき、固体レーザ媒質 151に入射 された励起光の 98%以上のエネルギーが固体レーザ媒質 151により吸収される。共 振器が X字型となっていることから、レーザダイオード l la、 l ibから固体レーザ媒質 151までに存在する光学素子をミラー 15a、 15bのみとすることができ、励起光の損 失を最低限に抑えることができる。励起された固体レーザ媒質 151で発生した波長 1 030nmのレーザ光（出力ミラー 22を透過して出力されるレーザ光）のパワーは、 430 mWであった。スロープ効率として理論限界値（91%)に極めて近い 90%という高い 値が得られ、光-光変換効率は 74%であった。
[0055] なお、このレーザ発振器 2において、リアミラー 21に替えて可飽和吸収型ミラーが 用いられてもよぐ可飽和吸収型ミラーの使用により、モード同期したパルスレーザ発 振が可能になる。なお、上述の条件と同じ条件では、パルス周期が 6. 8ピコ秒である 安定したパルス発振が得られた。
[0056] 以上のように、第 1実施例に係るレーザ発振器 2では、固体レーザモジュール 10に 含まれる固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起光が垂直に入射される 。また、固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれが共振器の共振光路に垂直で ある。当該実施例では、固体レーザ媒質 151の主面に直接接した状態で熱伝導率 が高い透明部材 152、 153が設けられる。さらに、当該実施例では、固体レーザ媒質 151の側面に直接接した状態で熱伝導率が低い断熱部材 156が設けられている。こ れらの構造的特徴により、図 5及び図 6で説明されたように、固体レーザ媒質 151へ の励起光照射に起因した熱レンズ効果が低減される。固体レーザ媒質 151から出射 する光の波面乱れが抑制されて、高品質のレーザ光出力が得られる。
[0057] 次に、この発明に係るレーザ発振器の第 2実施例について説明する。図 9は、この 発明に係るレーザ発振器の第 2実施例の構成を示す図である。この図 9に示されたレ 一ザ発振器 3は、上述の固体レーザモジュール 10 (この発明に係る固体レーザモジ ユールの一実施例）を備える。ただし、この図 9には、固体レーザモジュール 10のうち 主要部 10Aのみが示されている。また、このレーザ発振器 3は、レーザダイオード 11 a、 l ib,光ファイノ 12a、 12b、レンズ系 14、 14b、ミラー 15a、 15b,リアミラー 21、 1 Z2波長板 31、偏光板 32、ポッケルスセル 33及びミラー 34をも備える。図 8に示され た第 1実施例に係るレーザ発振器 2の構成と比較すると、この図 9に示された第 2実 施例に係るレーザ発振器 3は、出力ミラー 22に替えて、 1Z2波長板 31、偏光板 32、 ポッケルスセル 33及びミラー 34を備える点で相違する。
[0058] 1Z2波長板 31は、ミラー 15aと偏光板 32との間の光路上に設けられ、直線偏光の 光が入射すると、その入射光の偏光方位を 90度だけ回転させる。偏光板 32は、 P偏 光の光を透過する一方、 1Z2波長板 31から到達した S偏光の光をポッケルスセル 3 3へ反射する。また、偏光板 32は、ポッケルスセル 33から到達した S偏光の光を 1Z2 波長板 31へ反射する。ポッケルスセル 33は、偏光板 32とミラー 34との間の光路上に 設けられ、直線偏光の光が入射すると、その光の偏光方位を回転させる。ポッケルス セル 33は、 KDP結晶からなり、この KDP結晶に印加される電圧値を調整することで 、その偏光方位回転角を変更することができる。ミラー 34は、ポッケルスセル 33から 到達した光をポッケルスセル 33へ反射させる光学素子であり、その反射面は凹面に なっている。例えば、ミラー 34は、凹面の反射面の曲率半径が 2000mmであり、放 出光波長に対する反射率が 99.6%である。
[0059] リアミラー 21及びミラー 34それぞれは、フアブリペロー型の共振器の一部を構成し ている。この共振器の共振光路上には、固体レーザ媒質 151、透明部材 152、 153、 ミラー 15a、 15b、 1Z2波長板 31、偏光板 32及びポッケルスセル 33が配置されてい る。ミラー 15a、 15b、リアミラー 21及びミラー 34それぞれの反射面の曲率半径は、レ 一ザ発振器 3が安定共振器として動作するように、かつ、固体レーザ媒質 151におい て共振光のビーム径が最も小さくなるように、設定されている。共振器の共振光路は 、固体レーザ媒質 151の主面に垂直である。また、共振光路上にミラー 15a、 15bが 設けられることにより、 X字型の共振器が構成されている。
[0060] 以上のように構成された第 2実施例に係るレーザ発振器 3は以下のように動作する 。すなわち、レーザダイオード 11aから出力された励起光は、光ファイバ 12a内を伝搬 して出射端 13aから出射される。出射端 13aから出射された励起光は、レンズ系 14a により収斂された後、ミラー 15a、ウィンドウ 122を順次透過し真空容器 121内に導入 される。真空容器 121内に導入された励起光は、透明部材 152を透過した後に固体 レーザ媒質 151の一方の主面に垂直に照射される。また、レーザダイオード l ibから 出力された励起光は、光ファイバ 12b内を伝搬して出射端 13bから出射される。出射 端 13bから出射された励起光は、レンズ系 14bにより収斂された後に、ミラー 15b、ゥ インドウ 123を順次透過し真空容器 121内に導入される。真空容器 121内に導入さ れた励起光は、透明部材 153を透過した後に固体レーザ媒質 151の他方の主面に 垂直に照射される。このように、固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起 光が垂直に照射され、固体レーザ媒質 151に含まれる活性元素が励起される。
[0061] 外部から P偏光のパルスレーザ種光 Lが偏光板 32に入射すると、そのレーザ種光
0
Lは、偏光板 32を透過した後にポッケルスセル 33に到達する。ポッケルスセル 33は
0
所定電圧が印加されることで 1Z4波長板として作用するため、到達したレーザ種光 Lは、ポッケルスセル 33により偏光方位が 45度だけ回転された後、ミラー 34により反
0
射される。ミラー 34で反射されたレーザ種光 Lは、再びポッケルスセル 33により偏光
0
方位が 45度だけ回転された後、偏光板 32に入射される。このとき、偏光板 32に到達 したレーザ種光 Lは、 S偏光となっているので、偏光板 32により反射され、
0 1Z2波長 板 31により偏光方位が 90度だけ回転される。そして、ミラー 15aにより反射されたレ 一ザ種光 Lは、透明部材 152を透過した後に固体レーザ媒質 151の主面に垂直に
0
入射される。固体レーザ媒質 151では、入射されたレーザ種光 Lが誘導放出現象に
0
より光増幅される。
[0062] この固体レーザ媒質 151において増幅された光は、固体レーザ媒質 151の他方の 主面力も垂直に出射される。さらに、透明部材 153を透過した出射光 (増幅光）は、ミ ラー 15bにより反射された後、リアミラー 21により反射される。このリアミラー 21により 反射された光は、ミラー 15b、固体レーザ媒質 151及びミラー 15aを経て、 1Z2波長 板 31により偏光方位が 90度だけ回転される。このため、該反射光は偏光板 32により 反射されて、ポッケルスセル 33に到達する。
[0063] し力しながら、この時点ではポッケルスセル 33に印加される電圧値が変更されてお り、電圧値が変更された時点以降、ポッケルスセル 33は 1Z2波長板として作用して いる。このとき、ポッケルスセル 33を通過する光の偏光方位は 90度だけ回転される。 したがって、レーザ種光 Lは、リアミラー 21とミラー 34との間を往復し、その間に、固
0
体レーザ媒質 151において増幅される。その後、一定時間経過すると、ポッケルスセ ル 33に印加される電圧値が再び変更され、この変更時点以降、ポッケルスセル 33は 1Z4波長板として作用する。このとき、ポッケルスセル 33を通過する光の偏光方位 は 45度だけ回転される。したがって、それまでに共振器において増幅された光は、 偏光板 32を透過して、レーザ出力光 Lとして出力される。 [0064] 例えば、固体レーザ媒質 151は 25at%の Yb元素が添カ卩された YAGであって、励 起光の波長は 940nmであり、励起光パワーは 140mWであり、固体レーザ媒質 151 への励起光照射のビーム径は 2mmであり、固体レーザ媒質 151への励起光照射の エネルギー密度は 2. 3kWZcm2である。外部から偏光板 32に入射される P偏光の パルスレーザ種光 Lは、波長が 1030nmであり、パルス幅が 6. 8ピコ秒であり、パル
0
ス周波数が 50Hzである。偏光板 32は、波長 1030nmにおいて、 P偏光の透過率が 98.7%であり、 S偏光の反射率が 99.7%である。ミラー 34は、波長 1030nmにおけ る反射率が 99.7%である。リアミラー 21とミラー 34との間の共振光路に沿った光路長 は 2100mmである。このとき、ポッケルスセル 33が 1/2波長板として作用する期間 を 140ナノ秒間とすると、この期間にレーザ種光 Lは共振器内を 10往復することで
0
増幅される。そして、ポッケルスセル 33が 1Z4波長板として作用するようになると、そ れまでに共振器において増幅された光は、偏光板 32を透過して、レーザ出力光 Lと して出力される。
[0065] 以上のように、第 2実施例に係るレーザ発振器 3でも、固体レーザモジュール 10に 含まれる固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれに励起光が垂直に入射され、 また、固体レーザ媒質 151の双方の主面それぞれが共振器の共振光路に垂直であ る。当該実施例では、固体レーザ媒質 151の主面に直接接した状態で熱伝導率が 高い透明部材 152、 153が設けられ、さらに、固体レーザ媒質 151の側面に直接接 した状態で熱伝導率が低い断熱部材 156が設けられている。これにより、図 5及び図 6で説明されたように、固体レーザ媒質 151への励起光照射に起因した熱レンズ効 果が低減される。その結果、固体レーザ媒質 151から出射された該誘導放出光の波 面乱れが抑制され、高品質のレーザ光出力が得られる。
[0066] この発明は、上述の実施例に限定されるものではなぐ種々の変形が可能である。
固体レーザ媒質 151は Yb :YAGに限られるものではない。例えば、固体レーザ媒質 151に添加される活性元素は Nd、 Tm、 Ho、 Cr等の希土類元素や遷移金属元素で あってもよい。また、固体レーザ媒質 151のホスト材料は、ルビー、 YLF、サファイア、 ガラス、 S- FAP、 YVO等であってもよい。透明部材 152、 153は、サファイアガラス
4
に限られるものではない。透明部材 152、 153は、固体レーザ媒質 151より熱伝導率 が高い他の材料であってもよぐ例えば、ダイアモンド、酸化イットリウム、無添加の Y AG等であってもよい。ダイアモンドは、室温で lOOOWZm'Kという高い熱伝導率を 有するので、冷却機構を小型化 ·簡易化することができ、或いは、液体窒素冷却を行 わなくても固体レーザ媒質を充分に冷却できる場合がある。断熱部材 156は、テフ口 ン等の樹脂に限られるものではない。断熱領域を構成する断熱部材 156は、固体レ 一ザ媒質 151より熱伝導率が低い他の材料であってもよぐ例えば、発泡ガラス、空 気その他の気体などであってもよいし、また、真空であってもよい。
[0067] 以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのよう な変形は、本発明の思想及び範囲力 逸脱するものとは認めることはできず、すべて の当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。 産業上の利用可能性
[0068] この発明に係る固体レーザモジュールは、高品質の光出力が可能な光増幅器、レ 一ザ発振器等に適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1波長の励起光により励起される活性元素が添加され、照射された該励起光に応 答して内部で第 2波長の放出光を発生させる固体レーザ媒質と、
前記固定レーザ媒質の第 1主面に直接接した状態で設けられた第 1部材であって 、前記励起光及び前記放出光の双方に対して透明な材料力 なるとともに前記固体 レーザ媒質よりも高い熱伝導率を有する第 1部材と、
前記固定レーザ媒質の第 1主面と対向する第 2主面に直接接した状態で設けられ た第 2部材であって、前記励起光及び前記放出光の双方に対して透明な材料からな るとともに前記固体レーザ媒質よりも高い熱伝導率を有する第 2部材と、
前記固体レーザ媒質を間に挟んだ前記第 1及び第 2部材それぞれの少なくとも一 部を、該固体レーザ媒質から所定距離離間した状態で把持するよう配置されたヒート シンクと、そして、
前記第 1主面と前記第 2主面とを連絡している前記固体レーザ媒質の側面と、前記 ヒートシンクとの間に設けられ、該固体レーザ媒質よりも低い熱伝導率を有する断熱 領域とを備えた固体レーザモジュール。
[2] 請求項 1記載の固体レーザモジュールにおいて、
前記固体レーザ媒質の第 1主面に少なくとも一部が接する前記第 1部材の面は、該 第 1主面よりも広い面積を有し、前記固体レーザ媒質の第 2主面に少なくとも一部が 接する前記第 2部材の面は、該第 2主面よりも広い面積を有する。
[3] 請求項 2記載の固体レーザモジュールにおいて、
前記第 1及び第 2部材は、前記固体レーザ媒質の側面と前記ヒートシンクとの間隔 を規定するためのスぺーサとして機能して 、る。
[4] 請求項 1〜3のいずれか一項記載の固体レーザモジュールは、さらに、
前記ヒートシンクを冷却するための冷却装置を備える。
[5] 請求項 4記載の固体レーザモジュールは、さらに、
前記ヒートシンクを加熱するための加熱装置を備える。
[6] 請求項 4記載の固体レーザモジュールは、さらに、
内部が所定の真空度まで減圧された密閉容器を備え、この密閉容器は、少なくとも 、前記固体レーザ媒質、前記第 1部材及び前記第 2部材を収納する空間を有すると ともに、前記励起光及び前記放出光を透過させるためのウィンドウを有する。
[7] 請求項 1〜6のいずれか一項記載の固体レーザモジュールと、そして、
前記固体レーザモジュールに含まれる前記固体レーザ媒質に励起光を照射する 励起光源とを備えた光増幅器。
[8] 請求項 1〜6のいずれか一項記載の固体レーザモジュールと、
前記固体レーザモジュールに含まれる前記固体レーザ媒質に励起光を照射する 励起光源と、そして、
前記固体レーザモジュールに含まれる前記固体レーザ媒質が共振光路上に配置 された共振器とを備えたレーザ発振器。
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