JP2006186230A - 光増幅モジュール、光増幅器およびレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の光出力を得ることができる光増幅器及びレーザ発振器、並びに、これら光増幅器およびレーザ発振器において好適に用いられる光増幅モジュールを提供する。
【解決手段】 光増幅モジュール要部１０Ａ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、透明部材１５２、透明部材１５３、インジウム箔１５４、インジウム箔１５５および断熱部材１５６を収納したものである。インジウム箔１５４、透明部材１５２、固体レーザ媒質１５１、透明部材１５３およびインジウム箔１５５は、各々ディスク形状のものであり、この順に積層されている。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。固体レーザ媒質１５１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。
【選択図】 図３

Description

本発明は、励起光が照射されることにより放出光を発生する固体レーザ媒質を含む光増幅モジュール、このような光増幅モジュールおよび励起手段を含む光増幅器、ならびに、このような光増幅器および共振器を含むレーザ発振器に関するものである。

固体レーザ媒質を含む光増幅器は、励起光源から出力された励起光を固体レーザ媒質に照射して、固体レーザ媒質に含まれている活性元素（例えば希土類元素または遷移金属元素）を励起し、この固体レーザ媒質における誘導放射現象を利用して所定波長の光を光増幅する。また、レーザ発振器は、このような光増幅器および共振器を備えて構成される。例えば、固体レーザ媒質はＹｂ添加ＹＡＧであり、励起光源はレーザダイオードであり、光増幅し得る光の波長は１０３０ｎｍである。

このような構成の光増幅器また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ことから、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また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では、活性元素を含まない多結晶質透明セラミックと固体レーザ媒質（活性元素を添加した多結晶質透明セラミック）とが互いに接していて、また、これらの両側面にヒートシンクが接している。このような構成とすることで、固体レー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播していくので、固体レーザ媒質の温度上昇が抑制されるとされている。
特開２００２−５７３８８号公報

しかしながら、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または冷却は充分では無く、高品質の光出力が得られない場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高品質の光出力を得ることができる光増幅器およびレーザ発振器、ならびに、これら光増幅器およびレーザ発振器において好適に用いられる光増幅モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光増幅モジュールは、(1) 互いに対向する第１主面および第２主面を有し、活性元素が添加されており、励起光が照射されることにより放出光を発生する固体レーザ媒質と、(2) 固体レーザ媒質の第１主面に接して設けられ、活性元素が添加されておらず、励起光および放出光の双方を透過させる第１透明部材と、(3) 固体レーザ媒質の第２主面に接して設けられ、活性元素が添加されておらず、励起光および放出光の双方を透過させる第２透明部材と、(4) 固体レーザ媒質に接することなく、第１透明部材および第２透明部材それぞれの主面に接して設けられたヒートシンクと、を備えることを特徴とする。更に、本発明に係る光増幅モジュールでは、第１透明部材および第２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く、固体レーザ媒質とヒートシンクとの間の空間の熱伝導率は固体レーザ媒質の熱伝導率より低いことを特徴とする。なお、固体レーザ媒質とヒートシンクとの間の空間は、固体また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。

本発明に係る光増幅モジュールは、ヒートシンクを冷却する冷却手段を更に備えるのが好適であり、また、ヒートシンクを加熱する加熱手段を更に備えるのが好適である。また、本発明に係る光増幅モジュールは、固体レーザ媒質、第１透明部材および第２透明部材を密閉空間の内部に収納し、励起光および放出光を透過させるウィンドウを有し、その密閉空間の内部を真空に保つ真空容器を更に備えるのが好適である。

本発明に係る光増幅モジュールでは、固体レーザ媒質の主面に接して熱伝導率が高い第１透明部材および第２透明が設けられ、また、固体レーザ媒質の側面に接して熱伝導率が低い断熱部材が設けられている。このことから、励起光照射により固体レーザ媒質で発生した熱は、固体レーザ媒質の両主面に接している透明部材へ伝導し、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から断熱部材の方へ伝導していく熱の量は僅かである。したがって、固体レーザ媒質への励起光照射に因る熱レンズ効果が低減され、固体レーザ媒質で光増幅されて出力される光の波面の乱れが抑制されて、高品質の光出力を得ることができる。また、ヒートシンクを冷却する冷却手段や、ヒートシンクを加熱する加熱手段が設けられている場合には、固体レーザ媒質の温度が適切に設定されて、好適な条件の下で固体レーザ媒質における光増幅が行われる。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ている場合には。固体レーザ媒質等の結露が防止される。

本発明に係る光増幅器は、上記の本発明に係る光増幅モジュールと、この光増幅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手段と、を備えることを特徴とする。この光増幅器では、励起手段により励起光が照射されることにより固体レーザ媒質の活性元素が励起され、そのとき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光増幅される。固体レーザ媒質を含む光増幅モジュールは上記の本発明に係るものであることから、この光増幅器により光増幅されて出力される光は高品質・高出力のものとなる。

本発明に係るレーザ発振器は、上記の本発明に係る光増幅モジュールと、この光増幅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手段と、この光増幅モジュールに含まれる固体レーザ媒質を共振光路上に有する共振器と、を備えることを特徴とする。このレーザ発振器では、励起手段により励起光が照射されることにより固体レーザ媒質の活性元素が励起され、光共振器の作用により固体レーザ媒質において誘導放射現象が生じてレーザ光が得られる。固体レーザ媒質を含む光増幅モジュールは上記の本発明に係るものであることから、このレーザ発振器から出力されるレーザ光は高品質・高出力のものとなる。

本発明によれば、高品質の光出力を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、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。

先ず、本発明に係る光増幅モジュールの実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光増幅モジュール１０の全体構成図である。この図に示される光増幅モジュール１０は、基盤１０１および支持部１０２，１０３により支持されていて、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および温度コントローラ１４１等を備える。なお、真空容器１２１内に収納される光増幅モジュール要部については後述する。

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により支持されており、例えばステンレスからなり、その内部に第１液体窒素保存タンク１１１および第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いて、この上蓋を貫通する液体窒素注入口１１４，１１５が設けられていて、これら液体窒素注入口１１４，１１５を介して、液体窒素を内部に注入し、或いは、気化した窒素を外部へ排出する。

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の下方に設けられ、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と接続されている。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っているときには、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ときには、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と接続され、第１液体窒素保存タンク１１１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が設けられていて、この排気口１１７を介して気化した窒素を外部へ排出する。

真空容器１２１およびヒートシンク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を含む光増幅モジュール要部は、真空容器１２１の内部に設けられる。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の内部空間と接続されていて、こ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および熱電対が設けられていて、これらヒータ１４２およ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、熱電対によるヒートシンク１３０の温度を測定した結果をモニタし、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。

第１液体窒素保存タンク１１１および第２液体窒素保存タンク１１２と冷却装置外壁１１３との間の空間は、真空容器１２１の内部空間と接続され、また、排気管１０５を介して真空ポンプ１０４と接続されていている。これらの空間が真空ポンプ１０４により真空に保持されることにより、液体窒素による冷却時に結露を防止することができ、また、第１液体窒素保存タンク１１１または第２液体窒素保存タンク１１２を断熱することができる。

図２は、本実施形態に係る光増幅モジュール１０に含まれるヒートシンク１３０の構成図である。同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は側面図であり、同図（ｃ）は平面図である。ヒートシンク１３０は、ヒートシンク本体１３１と押え板１３２とからなる。ヒートシンク本体１３１は、略矩形状部分と上部の円柱状部分とを有し、上部円柱状部分には８個のねじ穴１３３が設けられ、これ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の底面にネジ留めされる。なお、このとき、ヒートシンク本体１３１の上部円柱状部分と第２液体窒素保存タンク１１２の底面との間の密着度を高めて熱伝導をよくするために、両者間に例えば厚さ１００μｍのインジウム箔が挟み込まれるのが好適である。この場合には、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と言える。

ヒートシンク本体１３１の略矩形状部分の下部には４個のネジ穴１３４および貫通孔１３６が設けられている。一方、押え板１３２にも４個のネジ穴１３５および貫通孔１３７が設けられている。これらヒートシンク本体１３１および押え板１３２は、ネジ穴１３４，１３５により互いにねじ留めされ、そのときに、両者間に固体レーザ媒質等を挟むとともに、貫通孔１３６，１３７が互いに同じ位置に重なる。

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および熱電対１４３は、温度コントローラ１４１と接続されている。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が設けられている。ヒートシンク本体１３１が第２液体窒素保存タンク１１２の底面にネジ留めされているときに、このヒートシンク本体１３１の内部空間１３８は、第２液体窒素保存タンク１１２の内部空間と接続されており、第２液体窒素保存タンク１１２から液体窒素が流入し得る。

ヒートシンク本体１３１および押え板１３２は、熱伝導率が高い媒質からなり、例えば金属からなるのが好適であり、また、例えば銅からなるのが好適である。ヒートシンク本体１３１の上部円柱状部分は、例えば、直径４０ｍｍであり、厚さ５ｍｍである。ヒートシンク本体１３１の下部矩形状部分は、例えば、縦５０ｍｍであり、幅１５ｍｍであり、厚さ７ｍｍである。押え板１３２の形状は例えば１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍである。貫通孔１３６，１３７の形状は例えば直径２ｍｍ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×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、最大供給電力が４０Ｗである。液体窒素による冷却およびヒータ１４２による加熱により、ヒートシンク１３０の温度は例えば７７Ｋ〜３００Ｋの範囲で設定可能である。

図３は、本実施形態に係る光増幅モジュール要部１０Ａの断面図であり、図２に示される貫通孔１３６，１３７の中心軸を含む断面を示す。また、図４は、本実施形態に係る光増幅モジュール要部１０Ａの説明図である。光増幅モジュール要部１０Ａ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、透明部材１５２、透明部材１５３、インジウム箔１５４、インジウム箔１５５および断熱部材１５６を収納したものである。インジウム箔１５４、透明部材１５２、固体レーザ媒質１５１、透明部材１５３およびインジウム箔１５５は、各々ディスク形状のものであり、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。

固体レーザ媒質１５１は、互いに対向する第１主面および第２主面を有し、活性元素が添加されており、励起光が照射されることにより放出光を発生することができる。固体レーザ媒質１５１の第１主面に接して透明部材１５２が設けられ、固体レーザ媒質１５１の第２主面に接して透明部材１５３が設けられている。固体レーザ媒質１５１および透明部材１５２，１５３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適である。透明部材１５２，１５３は、活性元素が添加されておらず、上記励起光および上記放出光の双方を透過させることができる。ウィンドウ１２２，１２３も、上記励起光および上記放出光の双方を透過させることができる。透明部材１５２，１５３およびウィンドウ１２２，１２３それぞれの主面は、上記励起光および上記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ているのが好適である。

固体レーザ媒質１５１の４つの側面に接して断熱部材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に接することなく、透明部材１５２および透明部材１５３それぞれの主面および側面に接して設けられている。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て熱伝導をよくするために、透明部材１５２とヒートシンク１３０との間に例えば厚さ１００μｍのインジウム箔１５４が設けられ、透明部材１５３とヒートシンク１３０との間に例えば厚さ１００μｍのインジウム箔１５５が設けられているのが好適である。この場合には、これらのインジウム箔１５２，１５３はヒートシンク１３０の一構成要素であると言える。

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。

固体レーザ媒質１５１は、例えば、組成が２５at％のＹｂ元素が添加されたＹＡＧであり、寸法が３ｍｍ×３ｍｍ×０.８ｍｍである。透明部材１５２，１５３それぞれは、例えば、組成がサファイアガラスであり、寸法が６ｍｍ×６ｍｍ×１.５ｍｍである。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、組成がテフロン（登録商標）等の樹脂であり、幅１ｍｍであり、厚さ０.８ｍｍであり、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。

なお、透明部材１５２，１５３の主面寸法（上記の例では６ｍｍ×６ｍｍ）と比べて、固体レーザ媒質１５１および断熱部材１５６の全体の主面寸法（上記の例では５ｍｍ×５ｍｍ）が小さすぎると、熱歪みによって両者間に隙間ができて、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する場合がある。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および断熱部材１５６の全体の主面寸法と同程度であるのが好ましい。

以上に説明した構成を有する光増幅モジュール１０では、液体窒素注入口１１４，１１５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、さらに、その液体窒素がヒートシンク１３０の内部空間１３８に流入して、これにより、ヒートシンク１３０が冷却される。また、ヒータ１４２によりヒートシンク１４０が加熱される。

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する。固体レーザ媒質１５１において光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する。また、固体レーザ媒質１５１において誘導放射された光は、固体レーザ媒質１５１の主面に対して垂直に出射する。これらの光は、ヒートシンク１３０の貫通孔１３６，１３７、および、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。

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に温度上昇をもたらす。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。

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（２０Ｗ／ｍ・Ｋ）は、固体レーザ媒質１５１の一例であるＹｂ：ＹＡＧの熱伝導率（１２Ｗ／ｍ・Ｋ）と同程度である。しかし、透明部材１５２，１５３の一例であるサファイアガラスの低温（７７Ｋ）における熱伝導率（１０００Ｗ／ｍ・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の特性を活用すべく、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および透明部材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を冷却する場合には、固体レーザ媒質１５１で発生して熱は効果的に排出される。

図５は、本実施形態に係る光増幅モジュール１０に含まれる固体レーザ媒質１５１における温度分布を示す図である。同図（ａ）は光増幅モジュール要部１０Ａの断面を示し、同図（ｂ）は固体レーザ媒質１５１における光軸に沿った温度分布を示し、また、同図（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示す。なお、同図（ｂ）および（ｃ）では、本実施形態の場合の温度分布が実線で示されているだけでなく、比較例の場合の温度分布も破線で示されている。同図（ｂ）における比較例１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に接している。また、同図（ｃ）における比較例２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に接している。

同図（ｂ）に示されるように、固体レーザ媒質１５１の主面がヒートシンク１３０に接している比較例１と比較すると、熱伝導率が高い透明部材１５２，１５３が固体レーザ媒質１５１の主面とヒートシンク１３０との間に設けられている本実施形態では、固体レーザ媒質１５１における光軸に沿った温度分布は、ピーク値が低く、かつ、変化が小さい。一方、同図（ｃ）に示されるように、固体レーザ媒質１５１の側面がヒートシンク１３０に接している比較例２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本実施形態では、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は、均一化される。

図６は、本実施形態に係る光増幅モジュール１０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）との関係を示す図である。この図に示されるように、比較例と比較して、本実施形態に係る光増幅モジュール１０では、固体レーザ媒質１５１への励起光照射に因る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１／３程度に抑えられる。したがって、この光増幅モジュール１０を用いた光増幅器やレーザ発振器では、高品質の光出力を得ることができる。

また、本実施形態では、固体レーザ媒質１５１を透明部材１５２，１５３で挟んで、固体レーザ媒質１５１の両主面から冷却しているので、熱破壊限界に因る固体レーザ媒質１５１の厚さの上限は、一方の主面のみから冷却する場合と比較すると４倍となる。その結果、寄生発振に因る制限が無ければ、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を実現することができる。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。

次に、本発明に係る光増幅器の実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る光増幅器１の構成図である。この図に示される光増幅器１は、前述した本実施形態に係る光増幅モジュール１０を備える。ただし、この図には、光増幅モジュール１０のうちの光増幅モジュール要部１０Ａ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１１ａ，１１ｂ、光ファイバ１２ａ，１２ｂ、レンズ系１４ａ，１４ｂ、および、ミラー１５ａ，１５ｂをも備える。

レーザダイオード１１ａ，１１ｂそれぞれは、光増幅モジュール要部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一端に入力して導光し、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入力して、その励起光を固体レーザ媒質１５１に集光照射させる。光ファイバ１２ｂは、レーザダイオード１１ｂから出力された励起光を一端に入力して導光し、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入力して、その励起光を固体レーザ媒質１５１に集光照射させる。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、各々の入射方向が互いに対向している。レンズ系１４ａ，１４ｂは、励起光波長における透過率が高い材料からなり、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適である。

ミラー１５ａは、光増幅モジュール要部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、光増幅モジュール要部１０Ａ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、光増幅モジュール要部１０Ａに対向する面が凹面となっていて、固体レーザ媒質１５１で発生する放出光を該凹面で反射させることができ、その一方で励起光を透過率させることができる。このような透過および反射の特性を有すべく、ミラー１５ａ，１５ｂそれぞれの凹面にはダイクロイックコーティングが施されている。

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、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。レーザダイオード１１ａ，１１ｂ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ものであり、一方の平凸レンズの凸面の反射面の曲率半径が１５０ｎｍであり、他方の平凸レンズの凸面の反射面の曲率半径が３００ｎｍであって、固体レーザ媒質１５１における励起光のビーム径を１８０μｍまで絞ることができる。ミラー１５ａ，１５ｂは、凹面の反射面の曲率半径が１００ｍｍであり、励起光波長における透過率が９７.６％であり、凹面の反射面での放出光波長における反射率が９９.６％である。

このように構成される本実施形態に係る光増幅器１は以下のように動作する。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により導光されて出射端１３ａから出射され、レンズ系１４ａにより収斂され、ミラー１５ａを透過し、ウィンドウ１２２を透過し真空容器１２１内に導入され、透明部材１５２を透過して、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１１ｂから出力された励起光は、光ファイバ１２ｂにより導光されて出射端１３ｂから出射され、レンズ系１４ｂにより収斂され、ミラー１５ｂを透過し、ウィンドウ１２３を透過し真空容器１２１内に導入され、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て、固体レーザ媒質１５１に含まれる活性元素が励起される。

光増幅されるべき光Ｌ_０は、ミラー１５ａの凹面に対して所定方位で入射し、ミラー１５ａの凹面により反射され、ウィンドウ１２２を透過し真空容器１２１内に導入され、透明部材１５２を透過し、固体レーザ媒質１５１の一方の主面に垂直に入射して、この固体レーザ媒質１５１における誘導放射現象により光増幅される。固体レーザ媒質１５１において光増幅された後の光Ｌ_１は、固体レーザ媒質１５１の他方の主面から垂直に出射し、透明部材１５３およびウィンドウ１２３を透過し、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が、光増幅器１の出力光となる。

以上のように、本実施形態に係る光増幅器１では、光増幅モジュール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し、また、固体レーザ媒質１５１の一方の主面に被増幅光Ｌ_０が垂直に入射する。仮に透明部材１５２，１５３が設けられていないとすれば、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_０が固体レーザ媒質１５１で光増幅されて出力光Ｌ_１として出射する際に、該出力光Ｌ_１の波面が乱れる。しかし、本実施形態では、固体レーザ媒質１５１の主面に接して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の側面に接して熱伝導率が低い断熱部材１５６が設けられていることにより、図５および図６で説明したように、固体レーザ媒質１５１への励起光照射に因る熱レンズ効果が低減され、被増幅光Ｌ_０が固体レーザ媒質１５１で光増幅されて出力光Ｌ_１として出射する際の該出力光Ｌ_１の波面の乱れが抑制されて、高品質の光出力を得ることができる。

次に、本発明に係るレーザ発振器の第１実施形態について説明する。図８は、第１実施形態に係るレーザ発振器２の構成図である。この図に示されるレーザ発振器２は、前述した本実施形態に係る光増幅モジュール１０を備える。ただし、この図には、光増幅モジュール１０のうちの光増幅モジュール要部１０Ａ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１１ａ，１１ｂ、光ファイバ１２ａ，１２ｂ、レンズ系１４ａ，１４ｂ、ミラー１５ａ，１５ｂ、リアミラー２１および出力ミラー２２をも備える。図７に示した光増幅器１の構成と比較すると、この図８に示したレーザ発振器２は、リアミラー２１および出力ミラー２２を更に備える点で相違する。

リアミラー２１は、反射面が凹面であり、固体レーザ媒質１５１で発生する放出光を該凹面で反射させることができる。出力ミラー２２は、平面ミラーであり、固体レーザ媒質１５１で発生する放出光が入射すると、その放出光の一部を透過させ、残部を反射させる。例えば、放出光の波長は１０３０ｎｍであり、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、放出光波長における出力ミラー２２の反射率は８５％である。また、例えば、リアミラー２１の凹面の反射面の曲率半径は１０００ｍｍである。

リアミラー２１および出力ミラー２２はファブリペロー型の共振器を構成している。この共振器の共振光路上に、固体レーザ媒質１５１、透明部材１５２，１５３、および、ミラー１５ａ，１５ｂが設けられている。ミラー１５ａ，１５ｂ、リアミラー２１および出力ミラー２２それぞれの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、且つ、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が設けられていることにより、Ｘ字型の共振器が構成されている。

このように構成される第１実施形態に係るレーザ発振器２は以下のように動作する。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により導光されて出射端１３ａから出射され、レンズ系１４ａにより収斂され、ミラー１５ａを透過し、ウィンドウ１２２を透過し真空容器１２１内に導入され、透明部材１５２を透過して、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１１ｂから出力された励起光は、光ファイバ１２ｂにより導光されて出射端１３ｂから出射され、レンズ系１４ｂにより収斂され、ミラー１５ｂを透過し、ウィンドウ１２３を透過し真空容器１２１内に導入され、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て、固体レーザ媒質１５１に含まれる活性元素が励起される。

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において誘導放射が生じる。そして、この誘導放射で発生した光の一部は、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。

例えば、固体レーザ媒質１５１が２５at％のＹｂ元素が添加されたＹＡＧであって、励起光の波長が９４０ｎｍであり、励起光パワーが５８０ｍＷであり、固体レーザ媒質１５１への励起光照射のビーム径が１８０μｍであり、固体レーザ媒質１５１への励起光照射のエネルギ密度が２.３ｋＷ／ｃｍ^２である。このとき、固体レーザ媒質１５１に入射した励起光の９８％以上のエネルギが固体レーザ媒質１５１により吸収された。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１１ａ，１１ｂ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た。励起された固体レーザ媒質１５１で発生し出力ミラー２２を透過して出力する波長１０３０ｎｍのレーザ光のパワーは４３０ｍＷ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。

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く、このようにすることにより、モード同期したパルスレーザ発振が可能となる。上記と同じ条件では、パルス周期が６.８ピコ秒の安定したパルス発振が得られた。

以上のように、第１実施形態に係るレーザ発振器２では、光増幅モジュール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し、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。本実施形態では、固体レーザ媒質１５１の主面に接して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の側面に接して熱伝導率が低い断熱部材１５６が設けられていることにより、図５および図６で説明したように、固体レーザ媒質１５１への励起光照射に因る熱レンズ効果が低減され、固体レーザ媒質１５１から誘導放射光が出射する際の該誘導放射光の波面の乱れが抑制されて、高品質のレーザ光出力を得ることができる。

次に、本発明に係るレーザ発振器の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係るレーザ発振器３の構成図である。この図に示されるレーザ発振器３は、前述した本実施形態に係る光増幅モジュール１０を備える。ただし、この図には、光増幅モジュール１０のうちの光増幅モジュール要部１０Ａ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１１ａ，１１ｂ、光ファイバ１２ａ，１２ｂ、レンズ系１４ａ，１４ｂ、ミラー１５ａ，１５ｂ、リアミラー２１、１／２波長板３１、偏光板３２、ポッケルスセル３３およびミラー３４をも備える。図８に示したレーザ発振器２の構成と比較すると、この図９に示したレーザ発振器３は、出力ミラー２２に替えて、１／２波長板３１、偏光板３２、ポッケルスセル３３およびミラー３４を備える点で相違する。

１／２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、その光の偏光方位を９０度だけ回転させて出射する。偏光板３２は、Ｐ偏光の光を透過させ、１／２波長板３１から入射したＳ偏光の光をポッケルスセル３３へ反射させ、また、ポッケルスセル３３から入射したＳ偏光の光を１／２波長板３１へ反射させる。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て出射するものである。ポッケルスセル３３は、ＫＤＰ結晶からなり、このＫＤＰ結晶に印加す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へ反射させるものであり、その反射面が凹面となっている。例えば、ミラー３４は、凹面の反射面の曲率半径が２０００ｍｍであり、放出光波長における反射率が９９.６％である。

リアミラー２１およびミラー３４はファブリペロー型の共振器を構成している。この共振器の共振光路上に、固体レーザ媒質１５１、透明部材１５２，１５３、ミラー１５ａ，１５ｂ、１／２波長板３１、偏光板３２およびポッケルスセル３３が設けられている。ミラー１５ａ，１５ｂ、リアミラー２１およびミラー３４それぞれの反射面の曲率半径は、レーザ発振器３が安定共振器として動作するように、且つ、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が設けられていることにより、Ｘ字型の共振器が構成されている。

このように構成される第２実施形態に係るレーザ発振器３は以下のように動作する。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により導光されて出射端１３ａから出射され、レンズ系１４ａにより収斂され、ミラー１５ａを透過し、ウィンドウ１２２を透過し真空容器１２１内に導入され、透明部材１５２を透過して、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１１ｂから出力された励起光は、光ファイバ１２ｂにより導光されて出射端１３ｂから出射され、レンズ系１４ｂにより収斂され、ミラー１５ｂを透過し、ウィンドウ１２３を透過し真空容器１２１内に導入され、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て、固体レーザ媒質１５１に含まれる活性元素が励起される。

外部からＰ偏光のパルスレーザ種光Ｌ_０が偏光板３２に入射すると、そのレーザ種光Ｌ_０は、偏光板３２を透過し、所定電圧が印加されて１／４波長板として作用するポッケルスセル３３により偏光方位が４５度だけ回転され、ミラー３４により反射され、再びポッケルスセル３３により偏光方位が４５度だけ回転されて、偏光板３２に入射する。このときに偏光板３２に入射するレーザ種光Ｌ_０は、Ｓ偏光となっているので、偏光板３２により反射され、１／２波長板３１により偏光方位が９０度だけ回転されて、ミラー１５ａにより反射され、透明部材１５２を透過し、固体レーザ媒質１５１の主面に垂直に入射して、この固体レーザ媒質１５１における誘導放射現象により光増幅される。

この固体レーザ媒質１５１において光増幅された後の光は、固体レーザ媒質１５１の他方の主面から垂直に出射し、透明部材１５３を透過し、ミラー１５ｂにより反射されて、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およびミラー１５ａを経て、１／２波長板３１により偏光方位が９０度だけ回転され、偏光板３２により反射されて、ポッケルスセル３３に入射する。

しかし、このときまでにポッケルスセル３３に印加される電圧値が変更されていて、これ以降、ポッケルスセル３３は１／２波長板として作用し、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_０は、リアミラー２１とミラー３４との間を往復し、その間に、固体レーザ媒質１５１において光増幅される。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て、これ以降、ポッケルスセル３３は１／４波長板として作用し、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_１として出力される。

例えば、固体レーザ媒質１５１が２５at％のＹｂ元素が添加されたＹＡＧであって、励起光の波長が９４０ｎｍであり、励起光パワーが１４０ｍＷであり、固体レーザ媒質１５１への励起光照射のビーム径が２ｍｍであり、固体レーザ媒質１５１への励起光照射のエネルギ密度が２.３ｋＷ／ｃｍ^２である。外部から偏光板３２に入射するＰ偏光のパルスレーザ種光Ｌ_０は、波長が１０３０ｎｍであり、パルス幅が６.８ピコ秒であり、パルス周波数が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が１４０ナノ秒間であるとすると、この期間にレーザ種光Ｌ_０は共振器内を１０往復して増幅される。そして、ポッケルスセル３３が１／４波長板として作用するように転じると、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_１として出力される。

以上のように、第２実施形態に係るレーザ発振器３でも、光増幅モジュール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し、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。本実施形態では、固体レーザ媒質１５１の主面に接して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の側面に接して熱伝導率が低い断熱部材１５６が設けられていることにより、図５および図６で説明したように、固体レーザ媒質１５１への励起光照射に因る熱レンズ効果が低減され、固体レーザ媒質１５１から誘導放射光が出射する際の該誘導放射光の波面の乱れが抑制されて、高品質のレーザ光出力を得ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、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く、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し、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_４等であってもよい。透明部材１５２，１５３は、サファイアガラスに限られるものではなく、固体レーザ媒質１５１より熱伝導率が高い他の透明材料からなるものであってもよく、例えば、ダイアモンド，酸化イットリウム，無添加のＹＡＧ等であってもよい。ダイアモンドは、室温で１０００Ｗ／ｍ・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、テフロン等の樹脂に限られるものではなく、固体レーザ媒質１５１より熱伝導率が低い他の材料からなるものであってもよく、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。

本実施形態に係る光増幅モジュール１０の全体構成図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール１０に含まれるヒートシンク１３０の構成図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール要部１０Ａの断面図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール要部１０Ａの説明図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール１０に含まれる固体レーザ媒質１５１における温度分布を示す図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール１０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との関係を示す図である。 本実施形態に係る光増幅器１の構成図である。 第１実施形態に係るレーザ発振器２の構成図である。 第２実施形態に係るレーザ発振器３の構成図である。

符号の説明

１…光増幅器、２，３…レーザ発振器、１０…光増幅モジュール、１０Ａ…光増幅モジュール要部、１１ａ，１１ｂ…レーザダイオード、１２ａ，１２ｂ…光ファイバ、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…１／２波長板、３２…偏光板、３３…ポッケルスセル、３４…ミラー。

１０１…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、１２２，１２３…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、１３３，１３４，１３５…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。

Claims (6)

1. 互いに対向する第１主面および第２主面を有し、活性元素が添加されており、励起光が照射されることにより放出光を発生する固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質の前記第１主面に接して設けられ、活性元素が添加されておらず、前記励起光および前記放出光の双方を透過させる第１透明部材と、
   前記固体レーザ媒質の前記第２主面に接して設けられ、活性元素が添加されておらず、前記励起光および前記放出光の双方を透過させる第２透明部材と、
   前記固体レーザ媒質に接することなく、前記第１透明部材および前記第２透明部材それぞれの主面に接して設けられたヒートシンクと、
   を備え、
   前記第１透明部材および前記第２透明部材それぞれの熱伝導率が前記固体レーザ媒質の熱伝導率より高く、
   前記固体レーザ媒質と前記ヒートシンクとの間の空間の熱伝導率が前記固体レーザ媒質の熱伝導率より低い、
   ことを特徴とする光増幅モジュール。
2. 前記ヒートシンクを冷却する冷却手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光増幅モジュール。
3. 前記ヒートシンクを加熱する加熱手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光増幅モジュール。
4. 前記固体レーザ媒質、前記第１透明部材および前記第２透明部材を密閉空間の内部に収納し、前記励起光および前記放出光を透過させるウィンドウを有し、その密閉空間の内部を真空に保つ真空容器を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光増幅モジュール。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光増幅モジュールと、
   この光増幅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手段と、
   を備えることを特徴とする光増幅器。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光増幅モジュールと、
   この光増幅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手段と、
   この光増幅モジュールに含まれる前記固体レーザ媒質を共振光路上に有する共振器と、
   を備えることを特徴とするレーザ発振器。

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