WO2020075246A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2020075246A1
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mirror
beams
laser device
laser
diffraction grating
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譲 田所
西前　順一
山本　達也
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三菱電機株式会社
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    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/115—Q-switching using intracavity electro-optic devices

Definitions

  • the present invention relates to a laser device that resonates a plurality of beams having different wavelengths.
  • Patent Document 1 discloses that, in a laser device that amplifies and outputs a beam having a plurality of wavelength components, an optical element that exerts a loss on the wavelength component having the maximum oscillation intensity is arranged in the resonator. .
  • the laser device of Patent Document 1 can equalize the output intensity of each wavelength component by promoting amplification of wavelength components other than the wavelength component having the maximum oscillation intensity, and achieve high efficiency and high output. Is possible.
  • Patent Document 2 discloses a laser device that outputs a plurality of beams by resonating a plurality of beams having different wavelengths between a diffraction grating and a mirror.
  • a plurality of beams are caused to travel between the diffraction grating and the mirror with the directions of the beam center axes different from each other.
  • the laser device of Patent Document 1 described above has a problem in that it is difficult to realize adjustment by an optical element so as to cause a loss to a wavelength component having the maximum oscillation intensity and not a loss to other wavelength components. It was
  • the laser device can output a beam having a plurality of wavelength components by combining a plurality of beams whose beam center axes are different from each other.
  • the laser device of Patent Document 2 described above does not have a configuration for combining a plurality of beams to enable output. Further, the laser device is required to have a high quality output beam.
  • the present invention has been made in view of the above, and it is possible to combine and output a plurality of beams having different wavelengths, and to achieve high efficiency, high output, and high beam quality. Aim to get.
  • a laser device includes a first mirror and a second mirror that resonate a plurality of beams having different wavelengths.
  • the laser device according to the present invention allows a plurality of beams, which are incident from the first mirror with the directions of the beam center axes being different from each other, to travel to the second mirror with their beam center axes aligned with each other, and at the same time.
  • a diffraction grating is provided that causes a plurality of beams, which are incident from the second mirror in a state where their axes are coincident with each other, to travel toward the first mirror by making the directions of the beam center axes different from each other.
  • a laser device is a medium through which a plurality of beams traveling between a first mirror and a diffraction grating pass, and which has a discrete gain spectrum in which peaks appear at respective wavelengths of the plurality of beams. Is provided with a housing portion.
  • a plurality of beams having different wavelengths can be combined and output, and high efficiency, high output, and high beam quality can be achieved.
  • FIG. 1 The figure which shows the schematic structure of the laser apparatus concerning Embodiment 1 of this invention.
  • the figure explaining the behavior of the several beam oscillated by the laser apparatus shown in FIG. The figure which shows the schematic structure of the laser apparatus concerning the modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. The figure which shows schematic structure of the laser apparatus concerning the modification 2 of Embodiment 1.
  • FIG. The figure explaining the equalization of the intensity
  • FIG. The figure which shows the schematic structure of the laser apparatus concerning the modification 5 of Embodiment 1.
  • FIG. The figure which shows schematic structure of the laser apparatus concerning Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 1 The figure which shows schematic structure of the laser apparatus concerning the modification 1 of Embodiment 3.
  • FIG. 2 The figure which shows schematic structure of the laser apparatus concerning the modification 2 of Embodiment 3.
  • FIG. 4 The figure explaining the structure for improving the coupling efficiency in the laser apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser device 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the laser device 10 is a gas laser that excites gas molecules by electric discharge in a gas that is a laser medium to oscillate laser light.
  • the laser device 10 is a CO 2 laser that performs laser oscillation using a laser medium containing carbon dioxide (CO 2 ).
  • the laser device 10 includes a first mirror 3 and a second mirror 4 that resonate a plurality of beams having different wavelengths.
  • the first mirror 3 and the second mirror 4 form a resonator.
  • the first mirror 3 reflects each of the plurality of beams.
  • the second mirror 4 reflects a part of the incident beam and transmits a part of the incident beam for each of the plurality of beams.
  • the laser device 10 outputs a plurality of beams that have passed through the second mirror 4.
  • the laser device 10 has a diffraction grating 2 that diffracts each of a plurality of beams.
  • the diffraction grating 2 causes a plurality of beams, which are incident from the first mirror 3 and have different beam center axes, to travel to the second mirror 4 with their beam center axes aligned with each other. Further, the diffraction grating 2 causes a plurality of beams, which are incident from the second mirror 4 in a state where the central axes of the beams coincide with each other, to travel to the first mirror with the directions of the central axes of the beams different from each other.
  • the beam center axis is an axis that represents the center of the light beam of the beam. The beam travels in the direction of the beam center axis.
  • the laser device 10 includes a housing unit 1 that houses a laser medium.
  • the laser medium is a medium through which a plurality of beams traveling between the first mirror 3 and the diffraction grating 2 pass.
  • the laser medium has a discrete gain spectrum in which a peak appears at each wavelength of the plurality of beams.
  • the laser device 10 combines a plurality of beams by matching the beam central axes of the plurality of beams.
  • the laser device 10 outputs a plurality of beams whose central axes coincide with each other.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of gain spectra of a plurality of beams oscillated by the laser device 10 shown in FIG.
  • the vertical axis represents gain and the horizontal axis represents wavelength.
  • “g” represents gain and “ ⁇ ” represents wavelength.
  • the discrete gain spectrum means that two or more gain peaks exist in the wavelength band of the laser light oscillated by the laser device 10 and are spaced apart from each other, and the gain is substantially between the peaks in the laser oscillation. It is assumed that the gain spectrum is in a state where there is a wavelength band that does not contribute.
  • the laser medium has a gain peak at two or more specific wavelengths.
  • the gain spectrum shown in FIG. 2 has seven peaks having different gain levels at the peaks.
  • the peak at the wavelength ⁇ 1 is the peak at which the gain is the maximum g 1 in the wavelength band of the laser light oscillated by the laser device 10.
  • the peak at the wavelength ⁇ 2 is the peak at which the gain is g 2 which is the second largest after g 1 .
  • the peak at the wavelength ⁇ 3 is a peak where the gain is g 3 which is the second largest after g 2 .
  • the fact that the graph is empty between the peaks indicates that the wavelength band between the peaks does not substantially contribute to the laser oscillation.
  • the number of peaks in the gain spectrum may be any number, and may be any number.
  • the laser device 10 shown in FIG. 1 oscillates a plurality of laser lights having different peak wavelengths because the laser medium has a discrete gain spectrum.
  • FIG. 2 shows three beams having wavelengths of ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 , respectively.
  • the x-axis, the y-axis, and the z-axis are three axes that are perpendicular to each other.
  • the optical axis of the optical system of the laser device 10 is folded back by the diffraction grating 2.
  • the z-axis represents the optical axis between the diffraction grating 2 and the first mirror 3.
  • the first mirror 3 and the diffraction grating 2 are arranged on the z axis.
  • the second mirror 4 is arranged on the optical axis that is folded back by the diffraction grating 2 from the z axis.
  • the plurality of beams pass through different positions in the three-dimensional space represented by the x-axis, the y-axis, and the z-axis.
  • the beam central axes of the three beams shown in FIG. 1 have different inclinations with respect to the z axis in a plane parallel to the x axis and the z axis, and do not intersect with each other.
  • Each of the plurality of beams is simultaneously amplified by the laser medium at different positions.
  • the diffraction grating 2 shown in FIG. 1 is a reflection type diffraction grating that reflects incident light to generate diffracted light. On the reflecting surface of the diffraction grating 2, a grating pattern with a constant interval is formed.
  • the diffraction grating 2 has a wavelength characteristic of reflecting light incident on the diffraction grating 2 in different directions depending on the wavelength. Due to such wavelength characteristics, the diffraction grating 2 reflects each of the plurality of beams incident from the second mirror 4 in different directions.
  • the diffraction grating 2 advances the plurality of beams, which are incident from the second mirror 4 in a state where the central axes of the beams coincide with each other, to the first mirror 3 while making the directions of the central axes of the beams different from each other.
  • the plurality of beams pass through different positions in the laser medium.
  • the diffraction grating 2 reflects a plurality of lights having different incident angles and incident on the diffraction grating 2 in the same direction due to the above wavelength characteristics.
  • the diffraction grating 2 reflects each of the plurality of beams that have entered from the first mirror 3 after passing through the laser medium in the same direction.
  • the diffraction grating 2 causes the plurality of beams, which are incident from the first mirror 3 with their beam center axes being in different directions, to travel to the second mirror 4 with their beam center axes aligned with each other.
  • the diffraction grating 2 may be a transmissive diffraction grating that transmits incident light to generate diffracted light.
  • the diffraction efficiency of the diffraction grating 2 changes depending on the polarization state.
  • the laser device 10 realizes high efficiency and high output by matching the polarized light that can achieve high diffraction efficiency with the diffraction grating 2 and the polarized light that causes less loss in the resonator.
  • the diffraction grating 2 has a high reflectance for the polarized light and the polarized light that can realize a high diffraction efficiency.
  • the diffraction grating 2 may be a blazed diffraction grating that can obtain the maximum diffraction efficiency for diffracted light of a specific order.
  • the blazed wavelength When light of a wavelength called the blazed wavelength is incident on the blazed diffraction grating, the blazed diffraction grating concentrates the light intensity on the diffracted light of a specific order and reduces the light intensity of the diffracted light of other orders.
  • the first mirror 3 is a mirror installed at the end of the resonator on the side where the laser medium is provided.
  • the first mirror 3 has a reflectance that can realize the function of a resonator.
  • the reflective surface of the first mirror 3 is coated with a coating having a high reflectance of 99% or more, for example.
  • the first mirror 3 reflects the plurality of beams dispersed by the diffraction grating 2 in the directions along the respective beam center axes.
  • the second mirror 4 is a mirror installed on the opposite end of the resonator from the side on which the laser medium is provided.
  • the second mirror 4 reflects a part of the combined beam, which is a plurality of beams whose beam central axes are superposed by the diffraction grating 2, in a direction along the beam central axis and transmits a part of the combined beam. It is a reflective mirror.
  • the reflective surface of the second mirror 4 is coated with, for example, a reflectance of 50% to 95%.
  • the material of the base material forming the second mirror 4 is selected as a material capable of realizing low loss with respect to the wavelength of each oscillated beam, so that the loss of light in the resonator is reduced. Can be suppressed.
  • the reflecting surface of the first mirror 3 and the reflecting surface of the second mirror 4 may be flat, concave or convex.
  • various curved surfaces such as a spherical surface, an aspherical surface, a cylindrical surface or a toroidal surface may be appropriately used.
  • the grating pattern of the diffraction grating 2, the position where the diffraction grating 2 is arranged, and the orientation of the diffraction grating 2 are such that a plurality of beams are dispersed between the diffraction grating 2 and the first mirror 3 and And the second mirror 4 are set so that a plurality of beams are combined.
  • the plurality of beams repeats dispersion and coupling by the diffraction grating 2 while reciprocating between the first mirror 3 and the second mirror 4. While the plurality of beams reciprocate in the resonator, the plurality of beams are amplified by repeatedly passing through the laser medium.
  • a part of each beam amplified in the resonator passes through the second mirror 4 and is emitted from the resonator in the direction along the beam center axis.
  • the laser device 10 outputs a combined beam that is a plurality of beams emitted from the resonator.
  • the laser device 10 disperses a plurality of beams by the diffraction grating 2 and simultaneously amplifies the plurality of beams by the laser media at different positions in the housing unit 1. Further, the laser device 10 combines a plurality of beams by the diffraction grating 2 and outputs a combined beam.
  • the laser output from the laser device 10 is the sum of the outputs of the beams having a plurality of wavelengths.
  • the laser device 10 can obtain a high laser output by oscillating a plurality of beams having different wavelengths, as compared with the case of oscillating only a beam having one wavelength.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the behavior of a plurality of beams oscillated by the laser device 10 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a laser device 10 according to the first embodiment and a laser device 10A according to a comparative example of the first embodiment.
  • a laser medium having a continuous gain spectrum is housed in the housing portion 1A of the laser device 10A.
  • FIG. 3 shows a gain spectrum showing the relationship between the wavelength “ ⁇ ” and the gain “g” and an intensity spectrum showing the relationship between the wavelength “ ⁇ ” and the beam intensity “I” for each of the laser devices 10 and 10A.
  • FIG. 3 two beams having wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 which are two of the plurality of beams oscillated in the laser devices 10 and 10A are shown.
  • the continuous gain spectrum is a gain spectrum in a state where the gain of the wavelength band of the laser light oscillated by the laser device 10 can contribute to the oscillation of the laser light of the wavelength band.
  • the continuous gain spectrum is, for example, a gain spectrum in which the peak of the gain forms one peak in the wavelength band.
  • a beam having a wavelength ⁇ C propagating in the laser device 10A is indicated by a broken line.
  • blurring occurs between the beam center axis of the beam having the wavelength ⁇ C and the beam center axes of the plurality of beams.
  • the beam generated by the crosstalk oscillation can be a factor that deteriorates the quality of the laser beam emitted from the laser device 10A.
  • the output decreases as the number of beams generated by the crosstalk oscillation increases.
  • the wavelength band between the peaks of the gain spectrum is the wavelength band that does not contribute to laser oscillation, and the wavelength ⁇ C included between the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ 2 is included. There is no gain in. Since the gain spectrum of the laser medium is a discrete gain spectrum, the laser device 10 can suppress crosstalk oscillation. As a result, the laser device 10 can improve the beam quality and the output. As a result, the laser device 10 can combine and output a plurality of beams having different wavelengths, and can achieve high efficiency, high output, and high beam quality.
  • the laser medium only needs to contain CO 2 , and may be a mixed gas containing CO 2 and another gas.
  • a mixed gas containing other gases and CO 2 referred to as a CO 2 laser gas.
  • CO 2 laser gas in addition to CO 2, nitrogen (N 2), helium (the He), carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2), xenon (Xe), or oxygen (O 2) those including May be
  • N 2 nitrogen
  • CO 2 laser gas nitrogen (N 2), helium (the He), carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2), xenon (Xe), or oxygen (O 2) those including May be
  • the CO 2 laser gas has a low pressure, for example, a gas pressure lower than about 100 Torr
  • the laser medium that is the CO 2 laser gas has a discrete gain spectrum.
  • the laser device 10 oscillates a plurality of beams having wavelengths corresponding to the respective peaks of the gain spectrum because the laser medium has a discrete gain spectrum.
  • the laser medium is CO 2 laser gas
  • the laser device 10 may oscillate beams other than P (20), P (18), and P (22).
  • the laser device 10 is only required to have a plurality of beams dispersed in the laser medium to the extent that only the beam having the wavelength having the maximum gain is not oscillated selectively.
  • the adjustment for dispersing the plurality of beams in the laser medium can be performed by appropriately selecting the number of ruled lines of the diffraction grating 2.
  • the laser device 10 can suppress a phenomenon in which oscillations of the respective beams compete with each other due to overlapping of beams having different wavelengths in the laser medium, and can efficiently oscillate a plurality of beams. As a result, the laser device 10 can realize high efficiency and high output.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 11 according to the first modification of the first embodiment.
  • Modification 1 is an example in which at least one aperture 5 is provided between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the laser device 11 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that the aperture 5 is provided.
  • the aperture 5 is an adjustment unit that collectively adjusts the transverse modes of a plurality of beams.
  • the aperture 5 allows a part of the incident light to pass therethrough, and restricts the passage of a part of the incident light.
  • the laser device 11 shown in FIG. 4 is provided with two apertures 5.
  • the two apertures 5 are provided in the beam propagation path between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the x ′ axis, the y ′ axis, and the z ′ axis are three axes that are perpendicular to each other.
  • the z ′ axis represents the optical axis between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the second mirror 4 and the diffraction grating 2 are arranged on the z'axis.
  • the aperture 5 suppresses the blurring of the beam in the x'-axis direction and the y'-axis direction, and performs adjustment so that the beam central axes of the plurality of beams are unified.
  • the aperture 5 also limits the transverse mode of the beam. Since the laser device 11 is provided with the apertures 5, the beam center axes of the respective beams can be unified and the transverse mode of each beam can be adjusted to oscillate a plurality of beams.
  • the shape and diameter of the aperture 5 in the x′-axis direction and the y′-axis direction can be set appropriately according to the transverse mode of the beam to be oscillated.
  • a circular aperture 5 is used to oscillate a beam having a transverse mode of TEM (Transverse Electro Magnetic) 00 .
  • TEM Transverse Electro Magnetic
  • the shape of the aperture 5 is, like an ellipse, the width in the x′-axis direction.
  • the width in the y′-axis direction may be different.
  • the laser device 11 may be provided with a slit that is an adjusting unit for adjusting the transverse modes of a plurality of beams.
  • the laser device 11 may be provided with a slit for adjusting the transverse mode in the x′-axis direction and a slit for adjusting the transverse mode in the y′-axis direction.
  • the laser device 11 can adjust the transverse mode of the beam by providing the two slits.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 12 according to the second modification of the first embodiment.
  • Modification 2 is an example in which an aperture 5 for each beam is provided between the housing 1 and the first mirror 3.
  • the laser device 12 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that the aperture 5 is provided.
  • the aperture 5 is an adjustment unit that adjusts the transverse modes of a plurality of beams for each beam.
  • the laser device 12 can use the aperture 5 in which the diameter optimized for the wavelength of each beam is set by providing the aperture 5 for each beam dispersed by the diffraction grating 2.
  • the laser device 12 can perform adjustment for consolidating the beam central axes into one and transverse mode adjustment for each beam by each aperture 5. Further, the laser device 12 can adjust the intensity of each beam by adjusting the diameter of each aperture 5.
  • the laser device 12 can make the intensity of each beam uniform by adjusting the intensity of each beam.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the homogenization of the intensity of each beam in the laser device 12 shown in FIG.
  • the gain spectrum showing the relationship between the wavelength “ ⁇ ” and the gain “g”
  • the loss spectrum showing the loss exerted for each beam by each aperture 5 by the relationship between the wavelength “ ⁇ ” and the loss “A”.
  • an intensity spectrum showing the relationship between the wavelength “ ⁇ ” and the beam intensity “I”.
  • the loss “A” due to each aperture 5 is set so that the loss “A” increases as the level of the gain “g” at the peak of the gain spectrum increases.
  • the maximum loss A 1 in the loss “A” due to each aperture 5 is set for the beam of wavelength ⁇ 1 where the gain is maximum g 1 .
  • the loss “A” is set such that the loss “A” increases as the gain “g” level at the peak increases.
  • a beam having a larger gain “g” peak has a larger loss due to the aperture 5, and a beam having a smaller gain “g” peak has a smaller loss due to the aperture 5, whereby the intensity of each beam is made uniform. .
  • any wavelength lambda n of the wavelengths of the plurality of beams, the gain of the beam of wavelength lambda n g n as, loss A n by the aperture 5 for the beam of wavelength lambda n is following equation (1) To be satisfied.
  • n is an integer of 2 or more.
  • L is the length of the housing portion 1 in the z-axis direction. It should be noted that the length of the housing portion 1 does not refer to the length of the appearance of the housing portion 1, but refers to the length of a solid body formed by the surface surrounding the space for exciting the laser medium.
  • (1-A n ) 2 (1-A 1 ) 2 exp ⁇ 2 (g 1 -g n ) L ⁇ (1)
  • ⁇ n the diameter of the aperture 5 for a beam of wavelength ⁇ n .
  • a n exp ( ⁇ 2 ⁇ n 2 / ⁇ n 2 ) (2)
  • the laser device 12 can uniformize the intensity of each beam by providing the aperture 5 that satisfies the above equations (1) and (2) for each beam. It should be noted that the laser device 12 may be provided with a slit, which is an adjusting unit for adjusting the transverse mode, instead of the aperture 5. The laser device 12 may be provided with a slit for adjusting the transverse mode in the x-axis direction and a slit for adjusting the transverse mode in the y-axis direction for each beam.
  • FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 13 according to the third modification of the first embodiment.
  • Modification 3 is an example in which the first mirror 3 has a reflecting surface having a different reflectance for each region where the beam is incident.
  • the laser device 13 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that the first mirror 3 has such a reflecting surface.
  • the components of the laser device 13 other than the housing portion 1 and the first mirror 3 are not shown.
  • FIG. 7 shows three beams having wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 among the plurality of beams, and also shows a portion of the first mirror 3 on which the three beams are incident. ing.
  • the beam having the wavelength ⁇ 1 is incident on the region 3a of the reflecting surface.
  • the beam having the wavelength ⁇ 2 is incident on the region 3b of the reflecting surface.
  • the beam of wavelength ⁇ 3 is incident on the area 3c of the reflecting surface.
  • the reflectance of each region of the reflecting surface on which the beam is incident is set so that the region in which the beam having a higher gain “g” level at the peak of the gain spectrum is incident has a lower reflectance.
  • the lowest reflectance r 1 is set in the region 3a in which the beam having the wavelength ⁇ 1 having the maximum gain g 1 is incident, among the reflectances of the regions in which the respective beams are incident.
  • the reflectance of each region of the reflecting surface other than the region 3a is also set such that the reflectance is lower in a region where a laser having a higher gain “g” level at the peak is incident.
  • a beam having a larger gain “g” peak has a lower reflectance at the first mirror 3, and a beam having a smaller gain “g” peak has a higher reflectance at the first mirror 3,
  • the intensity of each beam is made uniform.
  • n is an integer of 2 or more.
  • the laser device 13 can make the intensity of each beam uniform by satisfying the above-mentioned expression (3) in the reflectance of the region on the reflecting surface of the first mirror 3 on which each beam is incident.
  • the radius of curvature of the concave surface in the cross section of the first mirror 3 may be equal to the distance between the diffraction grating 2 and the first mirror 3. .
  • the beams dispersed from the diffraction grating 2 toward the first mirror 3 are reflected by the first mirror 3 and then superimposed again on the diffraction grating 2.
  • the reflecting surface of the first mirror 3 has a curvature in the first direction and a curvature in the second direction. It may be a cylindrical surface that does not. In this case, the radius of curvature of the cylindrical surface in the cross section including the first direction of the first mirror 3 may be equal to the distance between the diffraction grating 2 and the first mirror 3.
  • the reflecting surface of the first mirror 3 may be a toroidal surface.
  • the radius of curvature of the cylindrical surface in the cross section including the first direction of the first mirror 3 may be equal to the distance between the diffraction grating 2 and the first mirror 3.
  • the curvature of the cylindrical surface in the cross section of the first mirror 3 including the second direction is a curvature that can function as a resonance mirror.
  • the curvature that can function as a resonance mirror is a curvature that allows the incident position of light on the resonance mirror to be constant and the wavefront to be constant.
  • FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 14 according to the modified example 4 of the first embodiment.
  • Modification 4 is an example in which a convex lens 6 is provided between the diffraction grating 2 and the housing portion 1.
  • the laser device 14 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that the convex lens 6 is provided.
  • the convex lens 6 collimates a plurality of beams which are dispersed and propagated from the diffraction grating 2 and directs the beams to the accommodation unit 1, and also converges a plurality of beams which propagates from the accommodation unit 1 in mutually parallel directions by the diffraction grating 2. It is an optical element. Assuming that the reflecting surface of the first mirror 3 is a plane perpendicular to the z axis, the distance between the convex lens 6 and the diffraction grating 2 is made equal to the focal length of the convex lens 6.
  • the laser device 14 converges the plurality of beams from the first mirror 3 at the diffraction grating 2 and parallels the respective beam center axes of the plurality of beams traveling from the diffraction grating 2 to the first mirror 3.
  • the plurality of beams collimated by the convex lens 6 are reflected by the first mirror 3 and are incident on the convex lens 6 with their central axes parallel to each other.
  • the plurality of beams incident on the convex lens 6 are converged by the diffraction grating 2.
  • the space utilization ratio is the ratio of the beam to the space in the accommodation unit 1.
  • the shape of the housing 1 is a rectangular parallelepiped, the plurality of beams are parallelized, and the size of the housing 1 is set according to the range of the space in which the beams propagate. Space utilization can be increased. Since the laser device 14 can convert a large amount of energy accumulated in the laser medium into a laser beam due to the high space utilization rate, high efficiency can be achieved.
  • the laser device 14 can suppress the overlapping of the beams in the laser medium by collimating the plurality of beams by the convex lens 6.
  • the laser device 14 prevents the beams from overlapping with each other by refracting the beams with the convex lens 6 so that the distance between the beam center axes of the beams adjacent to each other becomes longer than the sum of the beam radii of both beams. it can.
  • the laser device 14 can suppress the competition due to the beams having different wavelengths overlapping with each other in the laser medium.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 15 according to the modified example 5 of the first embodiment.
  • Modification 5 is an example in which the diffraction grating 2 that is the first diffraction grating and the diffraction grating 7 that is the second diffraction grating are provided.
  • the laser device 15 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that the diffraction grating 7 is provided.
  • the diffraction grating 7 collimates a plurality of beams that are dispersed and propagated from the diffraction grating 2 and directs the beams to the accommodation unit 1, and converges a plurality of beams that propagate from the accommodation unit 1 in mutually parallel directions at the diffraction grating 2.
  • the diffraction grating 7 has the same function as the convex lens 6 described above.
  • the laser device 14 converges the plurality of beams from the first mirror 3 at the diffraction grating 2 and parallels the respective beam center axes of the plurality of beams traveling from the diffraction grating 2 to the first mirror 3.
  • the plurality of beams collimated by the diffraction grating 7 are incident on the diffraction grating 7 with the central axes of the beams being parallel to each other due to reflection on the first mirror 3.
  • the plurality of beams incident on the diffraction grating 7 are converged by the diffraction grating 2.
  • the diffraction grating 7 may be either a reflection type diffraction grating or a transmission type diffraction grating.
  • the laser device 15 advances the plurality of beams collimated by the diffraction grating 7 in the housing portion 1 to increase the space utilization factor of the plurality of beams in the laser medium, as in the fourth modification. can do.
  • the shape of the accommodating part 1 is a rectangular parallelepiped
  • the size of the accommodating part 1 is set according to the range of the space in which the beam propagates, so that the accommodating part 1 can increase the space utilization rate.
  • the laser device 15 can suppress the competition caused by the beams having different wavelengths overlapping each other in the laser medium by collimating the plurality of beams.
  • the shape of the housing portion 1 does not refer to the shape of the outer appearance of the housing portion 1, but refers to a three-dimensional shape formed by a surface surrounding a space for exciting the laser medium.
  • the respective configurations of the laser devices 11, 12, 13, 14, 15 according to the modification of the first embodiment may be appropriately combined in the laser device 10.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 20 according to the second embodiment of the present invention.
  • the laser device 20 has a so-called slab-shaped housing portion 8 having a flat plate shape.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a configuration different from the first embodiment will be mainly described.
  • the accommodating portion 8 has a shape in which the length in the x-axis direction and the length in the z-axis direction are sufficiently longer than the length in the y-axis direction.
  • the ratio of the lengths in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction may be about 10: 1: 100. That is, the length in the x-axis direction is about 10 times the length in the y-axis direction, and the length in the z-axis direction is about 100 times the length in the y-axis direction.
  • the length in the z-axis direction may be longer than 100 times the length in the y-axis direction, or about 200 times the length in the y-axis direction.
  • the shape of the accommodating portion 8 does not refer to the external shape of the accommodating portion 8, but refers to a three-dimensional shape formed by a surface surrounding a space for exciting the laser medium.
  • the length of the accommodation portion 8 refers to the length of the solid body.
  • the distance a is the distance between the first mirror 3 and the laser medium in the housing portion 8.
  • the length d of the accommodation part 8 in the y-axis direction is the same as the width D of each beam in the y-axis direction.
  • the same as the width D includes that the length is as close as possible to the width D and is approximately the same as the width D.
  • the length of the accommodating portion 8 in the x-axis direction is md, which is m times the length d.
  • the housing portion 8 has a flat plate shape in which a plurality of beams arranged in the x-axis direction are propagated. As a result, the laser device 20 can increase the space utilization rate in the laser medium and can achieve high efficiency.
  • CO 2 laser gas is used as in the first embodiment.
  • the laser device 20 in which the CO 2 laser gas is housed in the slab-shaped housing portion 8 is called a slab CO 2 laser. Since the slab CO 2 laser does not require the circulation of the CO 2 laser gas by a gas circulation device or the like, the device configuration can be downsized.
  • the length d in the y-axis direction and the length L in the z-axis direction may satisfy the following expression (4) for the wavelength ⁇ of each beam. d 2 / (4 ⁇ L) ⁇ 1 (4)
  • the mode in the y-axis direction of each beam propagating through the laser medium in the housing portion 8 is a mode peculiar to the waveguide and is called a waveguide mode.
  • the mode of each beam becomes the guided mode because the laser medium in the housing 8 fulfills the function of the waveguide by satisfying the above expression (4). Therefore, the laser device 20 can reduce the coupling loss in the laser medium by increasing the coupling efficiency between the mode of each beam propagating in the resonator and the guided mode, and can realize high efficiency and high output. .
  • the laser device 20 is one that, in the first to fifth examples, combines the mode in the y-axis direction of each beam propagating in the resonator with the guided mode that is the mode in the y-axis direction in the laser medium.
  • FIG. 11 is a diagram showing a first example of a configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 20 shown in FIG.
  • the optical axis between the diffraction grating 2 and the second mirror 4 is replaced with an extension line of the optical axis between the first mirror 3 and the diffraction grating 2.
  • the configuration of the laser device 20 is shown.
  • the first example is an example in which the distance a between the first mirror 3 and the laser medium in the housing portion 8 is close to zero, and the first mirror 3 is brought as close as possible to the laser medium.
  • the reflecting surface of the first mirror 3 is a flat surface.
  • the coupling efficiency of the laser device 20 can be improved by adjusting the configuration as in the first example.
  • FIG. 12 is a diagram showing a second example of the configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 20 shown in FIG.
  • the second example is an example in which the first mirror 3 is as close to the laser medium as possible and the reflecting surface of the first mirror 3 is a concave surface, as in the first example.
  • the radius of curvature R 1 of the concave surface in the cross section parallel to the y-axis and the z-axis is sufficiently larger than the distance a.
  • the coupling efficiency of the laser device 20 can be improved by adjusting the configuration as in the second example.
  • FIG. 13 is a diagram showing a third example of the configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 20 shown in FIG.
  • the third example is an example in which the reflecting surface of the first mirror 3 is a concave surface and the radius of curvature R 1 is equal to the distance a.
  • the coupling efficiency of the laser device 20 can also be improved by adjusting the configuration as in the third example.
  • FIG. 14 is a diagram showing a fourth example of the configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 20 shown in FIG.
  • the fourth example is an example in which the reflecting surface of the first mirror 3 is a concave surface, and the distance a is equal to half the radius of curvature R 1 .
  • the laser device 20 can also improve the coupling efficiency by adjusting the configuration as in the fourth example.
  • the position of the second mirror 4 is adjusted similarly to the case where the position of the first mirror 3 and the reflection surface of the first mirror 3 are adjusted as in the first to fourth examples.
  • the reflection surface of the second mirror 4 may be adjusted.
  • the laser device 20 can also improve the coupling efficiency by adjusting the second mirror 4 as in the case of the first mirror 3.
  • FIG. 15 is a diagram showing a fifth example of the configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 20 shown in FIG.
  • the fifth example is an example in which the lens 9 is arranged between the housing portion 8 and the first mirror 3.
  • the first mirror 3 has a reflecting surface that is a flat surface.
  • the lens 9 is an optical element that optically couples the first mirror 3 and the laser medium.
  • FIG. 15 shows the configuration of the first example together with the configuration of the fifth example.
  • the combination of the lens 9 and the first mirror 3 fulfills an optically equivalent function to the first mirror 3 in the first example.
  • the optically equivalent function means that the ABCD matrix representing the propagation of the beam between the laser medium and the first mirror 3 in the first example and the lens 9 in the fifth example intervene. It means that the ABCD matrix representing the propagation of the beam between the laser medium and the first mirror 3 is equal.
  • the laser device 20 can enhance the coupling efficiency also in the case of the fifth example.
  • the reflecting surface of the first mirror 3 is not limited to a flat surface, and may be a concave surface or a convex surface.
  • the lens 9 may be arranged between the housing portion 8 and the second mirror 4.
  • the combination of the lens 9 and the second mirror 4 can perform an optically equivalent function to the second mirror 4 when the second mirror 4 is brought as close as possible to the laser medium.
  • the laser device 20 can improve the coupling efficiency.
  • the configuration of the laser device 20 may be appropriately combined with the laser devices 10, 11, 12, 13, 14, 15 according to the first embodiment. Since the laser devices 10, 11, 12, 13, 14, and 15 have the same configuration as the laser device 20, the coupling efficiency can be increased. As a result, the laser devices 10, 11, 12, 13, 14, and 15 can reduce the coupling loss in the laser medium, and can achieve high efficiency and high output.
  • FIG. 16 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 30 according to the third embodiment of the present invention.
  • the laser device 30 includes an electro-optic (EO) crystal 31 and a polarization beam splitter 32.
  • the electro-optic crystal 31 and the polarization beam splitter 32 form a pulse oscillation mechanism.
  • the pulse oscillating mechanism pulsates a plurality of beams.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and a configuration different from the first and second embodiments will be mainly described.
  • the laser device 30 has the same configuration as the laser device 10 shown in FIG. 1 except that an electro-optic crystal 31 and a polarization beam splitter 32 are provided.
  • the electro-optic crystal 31 and the polarization beam splitter 32 are arranged between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the electro-optic crystal 31 is also called a Pockels cell.
  • the electro-optic crystal 31 changes the polarization state of light passing through the electro-optic crystal 31 when a voltage is applied.
  • the polarization beam splitter 32 has polarization characteristics of high transmittance and low reflectance for p-polarized light and high reflectance and low transmittance for s-polarized light.
  • the polarization beam splitter 32 splits the incident light into linearly polarized light components according to the polarization characteristic.
  • the polarization beam splitter 32 transmits the p-polarized component of the beam propagating between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the polarization beam splitter 32 reflects the s-polarized component of the beam propagating between the diffraction grating 2 and the second mirror 4.
  • the laser device 30 resonates the p-polarized component in the resonator and emits the s-polarized component outside the resonator.
  • the laser device 30 loses the beam propagating in the resonator by emitting the s-polarized component outside the resonator.
  • the laser device 30 changes the polarization of the beam incident on the polarization beam splitter 32 into p-polarized light and s-polarized light as the voltage is applied to the electro-optical crystal 31 and the voltage application to the electro-optical crystal 31 is stopped. Switch to.
  • the laser device 30 changes the loss of the beam propagating in the resonator by switching between transmission of the p-polarized component in the polarization beam splitter 32 and reflection of the s-polarized component in the polarization beam splitter 32.
  • the laser device 30 periodically changes the beam loss as the voltage applied to the electro-optic crystal 31 changes periodically.
  • the laser device 30 changes the beam loss at a cycle of 10 kHz to 200 kHz.
  • Q-switch oscillation which is pulse oscillation using the pulse oscillation mechanism.
  • the beam loss increases when a voltage is applied to the electro-optic crystal 31 and the beam loss becomes a minimum when a voltage is not applied to the electro-optic crystal 31.
  • the laser medium suppresses the oscillation of the beam, thereby accumulating energy due to the excitation of molecules. Then, when the beam loss is minimized, the laser device 30 can increase the peak power of the beam with the stored energy.
  • the laser device 30 can perform pulse oscillation of the combined beam by periodically changing the beam loss in the resonator. That is, the laser device 30 simultaneously performs pulsing of a plurality of beams and outputs a pulsed beam that is a pulsed combined beam.
  • the laser device 30 takes out a pulse beam which is a pulsed combined beam from the polarization beam splitter 32 instead of the second mirror 4.
  • a mirror that reflects each of the plurality of beams is used instead of the partial reflection mirror.
  • the reflective surface of the second mirror 4 is coated with a coating having a high reflectance of 99% or more, for example.
  • the pulse width of the combined beam extracted from the polarization beam splitter 32 is It becomes 2L C / c.
  • the laser device 30 can not only pulse a plurality of beams at the same time but also extract a pulse beam having a pulse width according to the cavity length.
  • the pulse oscillation mechanism of the laser device 30 may use a thin film polarizer, which is an optical element having the same function as the polarization beam splitter 32, instead of the polarization beam splitter 32.
  • the pulse oscillating mechanism may be arranged between the diffraction grating 2 and the accommodating portion 1 instead of being arranged between the diffraction grating 2 and the second mirror 4. Also in this case, the laser device 30 can output a pulse beam.
  • FIG. 17 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 33 according to the first modification of the third embodiment.
  • Modification 1 is an example in which the circular polarization mirror 34 is provided.
  • the laser device 33 has the same configuration as the laser device 30 shown in FIG. 16 except that a circular polarization mirror 34 is provided.
  • the laser device 33 is provided with a circular polarization mirror 34 in the beam propagation path between the electro-optic crystal 31 and the second mirror 4, in addition to the pulse oscillation mechanism for performing Q-switch oscillation.
  • the circular polarization mirror 34 converts linearly polarized light into circularly polarized light.
  • the beam loss becomes minimum when a voltage is applied to the electro-optic crystal 31, and the beam loss becomes large when the voltage application to the electro-optic crystal 31 is stopped.
  • the laser device 33 can accumulate more energy in the laser medium as the beam loss state lasts longer, and can obtain a pulse beam having a high level peak and a short pulse width.
  • a beam is lost by applying a voltage to the electro-optical crystal 31, a period in which a voltage is applied to the electro-optical crystal 31 is increased to obtain such a pulse beam, so that the electro-optical crystal 31 and the voltage are applied. For this reason, deterioration or failure of the driver is likely to occur.
  • a voltage generally called 1/4 wavelength voltage is applied to the electro-optic crystal 31.
  • a voltage is applied to the electro-optic crystal 31
  • the beam that reciprocates in the resonator passes through the electro-optic crystal 31 twice, so that the polarization direction of the linearly polarized light of the beam is rotated by 90 degrees.
  • Modification 1 the beam that reciprocates between the electro-optic crystal 31 and the second mirror 4 is reflected twice by the circular polarization mirror 34, so that the polarization direction of the linearly polarized light is rotated by 90 degrees.
  • the p-polarized light transmitted through the polarization beam splitter 32 and propagated toward the second mirror 4 reciprocates between the polarization beam splitter 32 and the second mirror 4.
  • the polarization state is converted into p-polarized light by the conversion of the polarization state in the electro-optic crystal 31 and the conversion of the polarization state in the circular polarization mirror 34.
  • the p-polarized component incident on the polarization beam splitter 32 passes through the polarization beam splitter 32.
  • the laser device 33 since the emission of the s-polarized component to the outside of the resonator is reduced, the loss of the beam from the inside of the resonator is reduced.
  • the p-polarized light transmitted through the polarization beam splitter 32 is circularly polarized while the light is reciprocated between the polarization beam splitter 32 and the second mirror 4.
  • the s-polarized light is converted by the conversion of the polarization state in the mirror 34.
  • the s-polarized component that has entered the polarization beam splitter 32 is reflected by the polarization beam splitter 32.
  • the emission of the s-polarized component to the outside of the resonator is increased, so that the beam loss from the inside of the resonator is increased.
  • the laser device 33 can be configured to lose the beam when the voltage is not applied to the electro-optic crystal 31 by providing the circular polarization mirror 34. Accordingly, in order to obtain a pulse beam having a high level peak and a short pulse width, it suffices to stop the voltage application to the electro-optical crystal 31. It is possible to prevent deterioration and breakdown with the driver for.
  • the laser device 33 may be provided with a quarter-wave plate instead of the circular polarization mirror 34. Also in this case, the laser device 33 can be configured to lose the beam when the voltage is not applied to the electro-optic crystal 31.
  • FIG. 18 is a diagram showing a schematic configuration of a laser device 35 according to the second modification of the third embodiment.
  • the modified example 2 is an example in which the lens 9 and the housing portion 8 similar to the second embodiment are provided.
  • the laser device 35 has the same configuration as the laser device 30 shown in FIG. 16 except that the lens 9 is provided and that the housing portion 8 is provided instead of the housing portion 1.
  • An optical element having an increased temperature may cause a thermal lens effect due to a change in density or a change in refractive index due to an increase in temperature. Since the focal length of the optical element that has generated the thermal lens effect changes depending on the temperature, the thermal lens effect can be a factor that reduces the coupling efficiency between the mode of each beam propagating in the resonator and the guided mode.
  • the lens 9 is provided in the beam propagation path between the diffraction grating 2 and the polarization beam splitter 32.
  • the lens 9 has a function of canceling the thermal lens effect of the optical element provided in the beam propagation path. Since the laser device 35 is provided with the lens 9, it is possible to suppress a decrease in the coupling efficiency due to the thermal lens effect and improve the coupling efficiency.
  • the lens 9 can be arranged at an arbitrary position in the propagation path of the beam in the resonator. The laser device 35 can effectively improve the coupling efficiency by disposing the lens 9 at an appropriate position.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration for improving the coupling efficiency in the laser device 35 shown in FIG.
  • the basic configuration of the resonator of the laser device 35 is extracted together with the configuration of the laser device 35.
  • the configuration of the laser device 35 shown in FIG. 18 is shown below this basic configuration.
  • the lowermost part of FIG. 19 shows a state in which the electro-optic crystal 31 produces the thermal lens effect in the laser device 35 shown in FIG.
  • the optical axis between the diffraction grating 2 and the second mirror 4 is replaced with an extension line of the optical axis between the first mirror 3 and the diffraction grating 2 to configure the laser device 35. Is represented.
  • the first mirror 3 and the second mirror 4 are arranged as close as possible to the laser medium in the housing portion 8.
  • the coupling efficiency can be increased by making the reflecting surface of the first mirror 3 and the reflecting surface of the second mirror 4 flat, for example.
  • a combination of the diffraction grating 2, the lens 9, the polarization beam splitter 32, the electro-optic crystal 31, and the second mirror 4 is provided instead of the second mirror 4 in the basic configuration. ing.
  • the lens 9 is an optical element that optically couples the second mirror 4 and the laser medium.
  • the propagation of light in the polarization beam splitter 32 is considered to be equivalent to the propagation of light in free space, and the propagation of the beam in the polarization beam splitter 32 will be omitted in the following description.
  • the laser device 35 is supposed to couple the mode in the y-axis direction of each beam propagating in the resonator and the guided mode which is the mode in the y-axis direction in the laser medium.
  • the ABCD matrix of the diffraction grating 2 may be regarded as a unit matrix.
  • the laser device 35 can improve the coupling efficiency.
  • the reflecting surface of the second mirror 4 included in the combination is not limited to a flat surface and may be a concave surface or a convex surface.
  • the same ABCD matrix as a thin lens having a focal length equivalent to that of the thermal lens may be used.
  • the laser device 35 can offset the thermal lens effect by adjusting the positional relationship of the components of the combination. Accordingly, the laser device 35 can make the optical function of the combination equivalent to the optical function of the second mirror 4 in the basic configuration.
  • the laser device 35 can make the optical function of the combination equivalent to that of the basic configuration by adjusting the position of at least one of the components of the combination.
  • the laser device 35 can maintain high coupling efficiency by adjusting the optical function of the combination to be equal to that of the basic configuration.
  • Each configuration of the laser devices 30, 33, 35 may be combined with each of the laser devices according to the first and second embodiments as appropriate.
  • Each of the laser devices according to the first and second embodiments has the same configuration as the laser devices 30, 33, and 35, so that it can output a pulsed beam that is a pulsed combined beam, and has a high coupling efficiency. It can be effectively improved.
  • FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of the laser device 40 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the laser device 40 includes at least one amplifier 41 and an optical system 42 in which a beam propagates toward the amplifier 41.
  • the same components as those in the above-described first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and a configuration different from the first to third embodiments will be mainly described.
  • the laser device 40 has the same configuration as the laser device 30 shown in FIG. 16 except that an amplifier 41 and an optical system 42 are provided.
  • the pulse beam extracted from the polarization beam splitter 32 to the outside of the resonator propagates through the optical system 42 and enters the amplifier 41.
  • the amplifier 41 amplifies the pulse beam extracted from the resonator.
  • the laser device 40 outputs the pulse beam amplified by the amplifier 41. Thereby, the laser device 40 can realize high output.
  • the number of amplifiers 41 provided in the laser device 40 may be one or plural.
  • the laser device 40 is not limited to the one that outputs the pulse beam extracted from the polarization beam splitter 32, and may be the one that outputs the pulse beam emitted from the second mirror 4.
  • the amplifier 41 may amplify the pulse beam emitted from the second mirror 4.
  • the laser device 40 takes out a pulse beam which is a pulsed combined beam from the polarization beam splitter 32 instead of the second mirror 4.
  • the extracted pulse beam enters the optical system 42.
  • the second mirror 4 a mirror that reflects each of the plurality of beams is used instead of the partial reflection mirror.
  • the reflective surface of the second mirror 4 is coated with a coating having a high reflectance of 99% or more, for example.
  • the amplifier 41 has a mirror that reflects the beam and an amplification medium.
  • a high reflectance mirror having a reflectance of 99.9% or more may be used as the mirror.
  • the amplification medium is a medium having a gain for each wavelength of the plurality of beams oscillated by the laser device 40. As a result, each of the oscillated beams can be amplified by the amplifier 41, so that the laser device 40 can realize a high output.
  • the amplifier 41 may pass each beam to the amplification medium a plurality of times by reflecting each beam on a plurality of mirrors.
  • CO 2 laser gas is used as in the first embodiment.
  • the amplification efficiency of the pulse beam by the amplifier 41 is P It is lower than that in the case of amplifying the continuous wave of the beam in (20).
  • the laser device 40 pulses a P (20) beam, a P (18) beam having a wavelength of 10.57 ⁇ m, and a P (22) beam having a wavelength of 10.61 ⁇ m. Since the oscillation is performed, it is possible to suppress a decrease in amplification efficiency as compared with the case of single-beam pulse oscillation. Thereby, the laser device 40 can realize a high output.
  • the laser device 40 may be, for example, a CO 2 laser used in an Extreme Ultra Violet (EUV) light source device that outputs P (20), P (18), and P (22) pulse beams.
  • EUV Extreme Ultra Violet
  • the EUV light source device generates EUV light by irradiating a tin droplet with a pulse beam of P (20), P (18), and P (22) having a pulse width of 10 ns to 30 ns, for example.
  • the EUV light source device can increase the output of EUV light by amplifying the pulse beam in the amplifier 41 of the laser device 40.
  • the laser device 40 may oscillate beams other than P (20), P (18), and P (22). As the number of beams having different wavelengths increases, the laser device 40 can realize a higher output by suppressing a decrease in amplification efficiency.
  • the configuration of the laser device 40 may be applied to each laser device according to the first to third embodiments.
  • Each of the laser devices according to the first to third embodiments has the same configuration as the laser device 40, so that high output can be realized.
  • 1,8 accommodation part 2,7 diffraction grating, 3 first mirror, 3a, 3b, 3c area, 4 second mirror, 5 aperture, 6 convex lens, 9 lens, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 30, 33, 35, 40 laser device, 31 electro-optic crystal, 32 polarization beam splitter, 34 circular polarization mirror, 41 amplifier, 42 optical system.

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Abstract

レーザ装置（１０）は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラー（３）および第２のミラー（４）と、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー（３）から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー（４）へ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー（４）から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラー（３）へ進行させる回折格子（２）と、第１のミラー（３）と回折格子（２）との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部（１）と、を備える。

Description

レーザ装置
　本発明は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させるレーザ装置に関する。
　特許文献１には、複数の波長成分を有するビームを増幅させて出力するレーザ装置について、発振強度が最大となる波長成分に損失を及ぼす光学素子を共振器内に配置することが開示されている。特許文献１のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分以外の波長成分の増幅を促進させることによって各波長成分の出力強度を均すことができ、高効率と高出力とを実現することが可能となる。
　特許文献２には、互いに波長が異なる複数のビームを回折格子とミラーとの間にて共振させて複数のビームを出力するレーザ装置が開示されている。特許文献２のレーザ装置では、回折格子とミラーとの間にて、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で複数のビームを進行させる。
特開２００６－１３５２９８号公報 特開昭５３－１２５７９５号公報
　上記の特許文献１のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分には損失を及ぼすとともに他の波長成分には損失を及ぼさないような調整を光学素子によって実現することが困難という問題があった。
　レーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる複数のビームを結合させることによって、複数の波長成分を有するビームを出力し得る。しかし、上記の特許文献２のレーザ装置は、複数のビームを結合させて出力可能とするための構成を備えていない。さらに、レーザ装置は、出力されるビームの高品質化が求められている。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現可能とするレーザ装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラーおよび第２のミラーを備える。本発明にかかるレーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラーから入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラーから入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラーへ進行させる回折格子を備える。本発明にかかるレーザ装置は、第１のミラーと回折格子との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部を備える。
　本発明によれば、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１に示すレーザ装置が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図 図１に示すレーザ装置によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図 実施の形態１の変形例１にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図５に示すレーザ装置における各ビームの強度の均一化について説明する図 実施の形態１の変形例３にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例４にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例５にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第１の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第２の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第３の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第４の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第５の例を示す図 本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態３の変形例１にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態３の変形例２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１８に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成について説明する図 本発明の実施の形態４にかかるレーザ装置の概略構成を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置１０の概略構成を示す図である。レーザ装置１０は、レーザ媒質である気体中での放電によって気体分子を励起させ、レーザ光を発振させるガスレーザである。レーザ装置１０は、二酸化炭素（ＣＯ２）を含むレーザ媒質を用いてレーザ発振を行うＣＯ２レーザである。
　レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラー３および第２のミラー４を備える。第１のミラー３と第２のミラー４とは、共振器を構成する。第１のミラー３は、複数のビームの各々を反射する。第２のミラー４は、複数のビームの各々について、入射したビームのうちの一部を反射するとともに入射したビームのうちの一部を透過する。レーザ装置１０は、第２のミラー４を通過した複数のビームを出力する。
　レーザ装置１０は、複数のビームの各々を回折させる回折格子２を有する。回折格子２は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー３から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー４へ進行させる。また、回折格子２は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー４から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラーへ進行させる。なお、ビーム中心軸は、ビームの光束の中心を表す軸とする。ビームは、ビーム中心軸の向きに進行する。
　レーザ装置１０は、レーザ媒質を収容する収容部１を備える。レーザ媒質は、第１のミラー３と回折格子２との間を進行する複数のビームが通過する媒質である。レーザ媒質は、複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有する。
　レーザ装置１０は、複数のビームのビーム中心軸を一致させることによって、複数のビームを結合させる。レーザ装置１０は、ビーム中心軸が互いに一致した状態の複数のビームを出力する。
　図２は、図１に示すレーザ装置１０が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図である。図２に示すグラフにおいて、縦軸は利得を表し、横軸は波長を表す。グラフにおいて、「ｇ」は利得、「λ」は波長をそれぞれ表すものとする。離散的な利得スペクトルとは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域において利得のピークが２つ以上かつ互いに離間して存在しており、当該ピーク間には利得がレーザ発振に実質的に寄与しない波長帯域が存在する状態の利得スペクトルであるものとする。レーザ媒質は、２以上の特定の波長において利得のピークを持つ。
　図２に示す利得スペクトルは、ピークにおける利得のレベルが互いに異なる７つのピークを有する。波長λ１におけるピークは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域の中で利得が最大のｇ１となるピークである。波長λ２におけるピークは、利得がｇ１に次いで大きいｇ２となるピークである。波長λ３におけるピークは、利得がｇ２に次いで大きいｇ３となるピークである。ピーク同士の間にてグラフが空いていることは、ピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に実質的に寄与していないことを表している。なお、利得スペクトルにおけるピークの数は複数であれば良く、任意の数とする。
　図１に示すレーザ装置１０は、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することによって、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザ光を発振する。なお、図２には、それぞれ波長がλ１，λ２，λ３である３つのビームを示している。
　図１において、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに垂直な３軸とする。レーザ装置１０が有する光学系の光軸は、回折格子２にて折り返されている。ｚ軸は、回折格子２と第１のミラー３との間における光軸を表す。第１のミラー３と回折格子２とは、ｚ軸上に配置されている。第２のミラー４は、ｚ軸から回折格子２にて折り返された先の光軸上に配置されている。
　収容部１内において、複数のビームは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸によって表される三次元空間のうち互いに異なる位置を通過する。収容部１内において、図１に示す３本のビームの各ビーム中心軸は、ｘ軸とｚ軸とに平行な面内においてｚ軸に対する傾きが互いに異なっており、かつ互いに交わらない。複数のビームの各々は、互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって同時に増幅される。
　図１に示す回折格子２は、入射した光を反射して回折光を生じさせる反射型の回折格子である。回折格子２の反射面には、一定の間隔の格子パターンが形成されている。回折格子２は、回折格子２へ入射した光を波長ごとに異なる向きへ反射する波長特性を有する。かかる波長特性によって、回折格子２は、第２のミラー４から入射した複数のビームの各々を、互いに異なる向きへ反射する。これにより、回折格子２は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー４から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラー３へ進行させる。回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの進行方向が分散されることによって、複数のビームは、レーザ媒質において互いに異なる位置を通過する。
　また、回折格子２は、上記の波長特性によって、互いに異なる入射角度をなして回折格子２へ入射した複数の光を同じ向きへ反射する。回折格子２は、第１のミラー３からレーザ媒質を通過後に入射した複数のビームの各々を、同じ向きへ反射する。これにより、回折格子２は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー３から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー４へ進行させる。なお、回折格子２は、入射した光を透過させて回折光を生じさせる透過型の回折格子であっても良い。
　回折格子２の回折効率は、偏光状態によって変化する。レーザ装置１０は、回折格子２にて高い回折効率を実現可能な偏光と、共振器における損失がより少なくなる偏光とを一致させることによって、高効率と高出力との実現が可能となる。例を挙げると、偏光によって反射率が変化する反射特性を有する第１のミラー３が使用される場合において、回折格子２が高い回折効率を実現可能とする偏光と共通の偏光に対し高い反射率を実現可能な第１のミラー３が設けられることで、レーザ装置１０は、共振器における光の損失を抑制することができ、高効率と高出力とを実現できる。
　回折格子２は、特定の次数の回折光について最大の回折効率を得ることが可能なブレーズド回折格子であっても良い。ブレーズ波長と称される波長の光がブレーズド回折格子へ入射した場合に、ブレーズド回折格子は、特定の次数の回折光に光強度を集中させて、かつその他の次数の回折光の光強度を低下させる。複数のビームの各波長のうちのいずれか１つをブレーズ波長と一致させるとともに、特定の次数の回折光であるビームが発振可能となるように回折格子２の向きが設定されることによって、レーザ装置１０は、高効率と高出力との実現が可能となる。
　第１のミラー３は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側の端に設置されているミラーである。第１のミラー３は、共振器の機能を実現し得る反射率を有する。第１のミラー３の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施されている。第１のミラー３は、回折格子２によって互いに分散された複数のビームを、それぞれのビーム中心軸に沿った方向へ反射する。
　第２のミラー４は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側とは逆側の端に設置されているミラーである。第２のミラー４は、回折格子２によってビーム中心軸が重畳された複数のビームである結合ビームの一部をビーム中心軸に沿った方向へ反射させるとともに、結合ビームの一部を透過させる部分反射ミラーである。第２のミラー４の反射面には、例えば、５０％から９５％の反射率を持つコーティングが施されている。また、レーザ装置１０は、第２のミラー４を構成する基材の材料に、発振される各ビームの波長に対し低損失を実現可能な材料が選択されることによって、共振器における光の損失を抑制することができる。
　第１のミラー３の反射面と第２のミラー４の反射面とは、平面、凹面および凸面のいずれであっても良い。凹面と凸面とには、球面、非球面、シリンドリカル面あるいはトロイダル面といった各種曲面が適宜用いられても良い。
　次に、レーザ装置１０におけるビームの振る舞いについて説明する。回折格子２の格子パターンと、回折格子２が配置される位置と、回折格子２の向きとは、回折格子２と第１のミラー３との間では複数のビームが分散されるとともに回折格子２と第２のミラー４との間では複数のビームが結合されるように設定される。複数のビームは、第１のミラー３と第２のミラー４との間を往復する間に、回折格子２による分散と結合とを繰り返す。共振器内にて複数のビームが往復するうちに、複数のビームは、レーザ媒質を繰り返し通過することによって増幅される。共振器内にて増幅された各ビームの一部が、第２のミラー４を透過して、共振器から各ビームのビーム中心軸に沿った方向へ出射する。レーザ装置１０は、共振器から出射した複数のビームである結合ビームを出力する。
　実施の形態１にかかるレーザ装置１０は、回折格子２によって複数のビームを分散させることによって、収容部１内の互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって複数のビームを同時に増幅させる。また、レーザ装置１０は、回折格子２によって複数のビームを結合させて、結合ビームを出力する。レーザ装置１０によるレーザ出力は、複数の波長の各ビームの出力の合計となる。レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを発振させることによって、１つの波長のビームのみを発振させる場合と比べて高いレーザ出力を得ることができる。
　次に、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することの利点について説明する。図３は、図１に示すレーザ装置１０によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図である。図３には、実施の形態１にかかるレーザ装置１０と、実施の形態１の比較例にかかるレーザ装置１０Ａとを示している。レーザ装置１０Ａの収容部１Ａには、連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質が収容されている。図３では、各レーザ装置１０，１０Ａについて、波長「λ」と利得「ｇ」との関係を表す利得スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「Ｉ」の関係を表す強度スペクトルとを示している。図３では、各レーザ装置１０，１０Ａにおいて発振させる複数のビームのうちの２つである波長λ１，λ２の各ビームについて図示している。
　連続的な利得スペクトルとは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域において、当該波長帯域の利得が当該波長帯域のレーザ光の発振に寄与し得る状態の利得スペクトルであるものとする。連続的な利得スペクトルは、例えば、当該波長帯域において利得のピークが１つの山を形成するような利得スペクトルである。連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質をビームが通過する場合に、レーザ媒質では、回折格子２による分散と結合とが繰り返される複数のビームとは別に、分散および結合に寄与しないビームが発振する。この現象は、クロストーク発振と称される現象である。図３において、波長λＣのビームは、クロストーク発振によって生じたビームの１つであって、波長λ１と波長λ２との間に含まれる波長λＣにも利得が存在しているために生じたものである。
　図３では、レーザ装置１０Ａにおいて伝搬する波長λＣのビームを破線によって示している。共振器の外において、波長λＣのビームのビーム中心軸と、複数のビームのビーム中心軸との間にはぶれが生じることとなる。このように、クロストーク発振によって生じるビームは、レーザ装置１０Ａから発振されるレーザビームの品質を低下させる要因となり得る。また、レーザ装置１０Ａは、クロストーク発振によって生じるビームが多くなるほど、出力が低下することとなる。
　実施の形態１にかかるレーザ装置１０では、利得スペクトルのピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に寄与しない波長帯域とされており、波長λ１と波長λ２との間に含まれる波長λＣには利得が存在していない。レーザ装置１０は、レーザ媒質の利得スペクトルが離散的な利得スペクトルであることで、クロストーク発振を抑制することができる。これにより、レーザ装置１０は、ビーム品質の向上と、出力の向上とが可能となる。これにより、レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現することができる。
　レーザ媒質は、ＣＯ２を含むものであれば良く、ＣＯ２とその他の気体とを含む混合ガスであっても良い。ここで、ＣＯ２とその他の気体とを含む混合ガスを、ＣＯ２レーザガスと称する。ＣＯ２レーザガスは、ＣＯ２の他に、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）、キセノン（Ｘｅ）、または酸素（Ｏ２）などを含むものであっても良い。ＣＯ２レーザガスが低圧力、例えば１００Ｔｏｒｒ程度よりも低いガス圧である場合に、ＣＯ２レーザガスであるレーザ媒質は、離散的な利得スペクトルを有するものとなる。
　仮に、互いに波長が異なる複数のビームをレーザ媒質において重畳させたとすると、ビーム同士のレーザ発振がレーザ媒質内にて競合することによって、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることとなる。実施の形態１では、レーザ装置１０は、離散的な利得スペクトルをレーザ媒質が有することで、利得スペクトルの各ピークに対応する波長の複数のビームを発振させる。レーザ媒質がＣＯ２レーザガスである場合において、レーザ装置１０では、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）とそれぞれと称される１０．５９μｍ、１０．５７μｍ、および１０．６１μｍの各波長のビームが発振する。なお、レーザ装置１０は、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）以外のビームを発振させても良い。
　レーザ装置１０は、レーザ媒質において、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることにはならない程度に複数のビームが分散されていれば良いものとする。レーザ媒質において複数のビームを分散させるための調整は、回折格子２の刻線数を適宜選択することによって行い得る。レーザ装置１０は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによってビームごとの発振が競合する現象を抑制することができ、複数のビームを効率良く発振させることができる。これにより、レーザ装置１０は、高効率と高出力とを実現することができる。
　次に、実施の形態１にかかるレーザ装置１０の変形例について説明する。図４は、実施の形態１の変形例１にかかるレーザ装置１１の概略構成を示す図である。変形例１は、回折格子２と第２のミラー４との間に少なくとも１つのアパーチャ５が設けられる例である。レーザ装置１１は、アパーチャ５が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と同様の構成を有する。アパーチャ５は、複数のビームの横モードを一括して調整する調整部である。
　アパーチャ５は、入射する光の一部を通過させるとともに、入射する光の一部について通過を制限する。図４に示すレーザ装置１１には、２つのアパーチャ５が設けられている。２つのアパーチャ５は、回折格子２と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。
　図４において、ｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸は、互いに垂直な３軸とする。ｚ’軸は、回折格子２と第２のミラー４との間における光軸を表す。第２のミラー４と回折格子２とは、ｚ’軸上に配置されている。アパーチャ５は、ｘ’軸方向およびｙ’軸方向におけるビームのぶれを抑制させ、複数のビームのビーム中心軸を１つに纏める調整を行う。また、アパーチャ５は、ビームの横モードを限定する。レーザ装置１１は、アパーチャ５が設けられることによって、各ビームのビーム中心軸を１つに纏めるとともに、各ビームの横モードを調整して、複数のビームを発振させることができる。
　ｘ’軸方向およびｙ’軸方向におけるアパーチャ５の形状および径は、発振させるビームの横モードに応じて適宜設定することができる。例えば、ＴＥＭ（Transverse　Electro　Magnetic）００の横モードを有するビームを発振させるために、円形のアパーチャ５が用いられる。アパーチャ５が配置される位置においてｘ’軸方向のビーム径とｙ’軸方向のビーム径とに顕著な差がある場合、アパーチャ５の形状は、楕円形のように、ｘ’軸方向の幅とｙ’軸方向の幅とを異ならせた形状としても良い。
　レーザ装置１１には、アパーチャ５に代えて、複数のビームの横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置１１には、ｘ’軸方向における横モードを調整するためのスリットと、ｙ’軸方向における横モードを調整するためのスリットとが設けられても良い。レーザ装置１１は、２つのスリットが設けられることによって、ビームの横モードを調整することができる。
　図５は、実施の形態１の変形例２にかかるレーザ装置１２の概略構成を示す図である。変形例２は、収容部１と第１のミラー３との間にビームごとのアパーチャ５が設けられる例である。レーザ装置１２は、アパーチャ５が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。アパーチャ５は、複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部である。
　レーザ装置１２は、回折格子２によって分散されたビームごとにアパーチャ５が設けられることによって、ビームごとの波長に対し最適化された径が設定されたアパーチャ５を用いることができる。レーザ装置１２は、ビーム中心軸を１つに纏めるための調整と横モードの調整とを、各アパーチャ５によってビームごとに行うことができる。また、レーザ装置１２は、各アパーチャ５の直径が調整されることによって、ビームごとの強度の調整を行うことができる。レーザ装置１２は、ビームごとの強度の調整によって、各ビームの強度を均一化させることができる。
　図６は、図５に示すレーザ装置１２における各ビームの強度の均一化について説明する図である。図６では、波長「λ」と利得「ｇ」との関係を表す利得スペクトルと、各アパーチャ５によってビームごとに及ぼされる損失を波長「λ」と損失「Ａ」との関係によって表した損失スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「Ｉ」の関係を表す強度スペクトルとを示している。
　各アパーチャ５による損失「Ａ」は、利得スペクトルのピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいほど損失「Ａ」が大きくなるように設定される。図６に示す例では、利得が最大のｇ１となる波長λ１のビームに対し、各アパーチャ５による損失「Ａ」の中で最大の損失Ａ１が設定される。波長λ１のビーム以外の各ビームについても、ピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいほど損失「Ａ」が大きくなるように、損失「Ａ」が設定される。利得「ｇ」のピークが大きいビームほどアパーチャ５による損失が大きくされ、かつ、利得「ｇ」のピークが小さいビームほどアパーチャ５による損失が小さくされることによって、各ビームの強度は均一化される。
　複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλｎ、波長λｎのビームの利得をｇｎ、として、波長λｎのビームに対するアパーチャ５による損失Ａｎは、次に示す式（１）を満足する。ｎは２以上の整数とする。式（１）において、Ｌはｚ軸方向における収容部１の長さとする。なお、収容部１の長さとは、収容部１の外観の長さではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の長さを指すものとする。
（１－Ａｎ）２＝（１－Ａ１）２ｅｘｐ｛２（ｇ１－ｇｎ）Ｌ｝　　・・・（１）
　波長λｎのビームがＴＥＭ００の横モードを有するビームである場合に、ビームの１／ｅ２半径をωｎとすると、損失Ａｎは、次に示す式（２）を満足する。式（２）において、φｎは、波長λｎのビームに対するアパーチャ５の直径とする。
Ａｎ＝ｅｘｐ（－２φｎ ２／ωｎ ２）　　・・・（２）
　レーザ装置１２は、各ビームに対し上記の式（１）および式（２）を満足するアパーチャ５が設けられることによって、各ビームの強度を均一化させることができる。なお、レーザ装置１２には、アパーチャ５に代えて、横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置１２には、ｘ軸方向における横モードを調整するためのスリットと、ｙ軸方向における横モードを調整するためのスリットとがビームごとに設けられても良い。
　図７は、実施の形態１の変形例３にかかるレーザ装置１３の概略構成を示す図である。変形例３は、ビームが入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を第１のミラー３が有している例である。レーザ装置１３は、かかる反射面を第１のミラー３が有している以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。なお、図７では、レーザ装置１３のうち収容部１および第１のミラー３以外の構成要素については図示を省略している。
　回折格子２によって分散された各ビームは、第１のミラー３の反射面のうち互いに異なる領域へ入射する。なお、図７には、複数のビームのうち、それぞれ波長がλ１，λ２，λ３である３つのビームを示すとともに、第１のミラー３のうち当該３つのビームが入射する部分を示している。波長λ１のビームは、反射面のうちの領域３ａへ入射する。波長λ２のビームは、反射面のうちの領域３ｂへ入射する。波長λ３のビームは、反射面のうちの領域３ｃへ入射する。
　反射面のうちビームが入射する領域ごとの反射率は、利得スペクトルのピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいビームが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。図２に示す例では、利得が最大のｇ１となる波長λ１のビームが入射する領域３ａには、各ビームが入射する領域ごとの反射率の中で最低の反射率ｒ１が設定される。反射面のうち領域３ａ以外の各領域の反射率も、ピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいレーザが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。利得「ｇ」のピークが大きいビームほど第１のミラー３での反射率が低くされ、かつ、利得「ｇ」のピークが小さいビームほど第１のミラー３での反射率が高くされることによって、各ビームの強度は均一化される。
　複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλｎ、波長λｎのビームの利得をｇｎ、として、第１のミラー３のうち波長λｎのビームが入射する領域における反射率ｒｎは、次に示す式（３）を満足する。ｎは２以上の整数とする。Ｌはｚ軸方向における収容部１の長さとする。
ｒｎ＝ｒ１ｅｘｐ｛２（ｇ１－ｇｎ）Ｌ｝　　・・・（３）
　レーザ装置１３は、第１のミラー３の反射面のうち各ビームが入射する領域の反射率が上記の式（３）を満足することによって、各ビームの強度を均一化させることができる。
　第１のミラー３の反射面が凹面とされる場合に、第１のミラー３の断面における凹面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。これにより、回折格子２から第１のミラー３へ向けて分散された各ビームは、第１のミラー３で反射してから回折格子２にて再び重畳される。
　第１の方向と第２の方向とを互いに垂直な方向とした場合に、第１のミラー３の反射面は、第１の方向には湾曲を有しかつ第２の方向については湾曲を有しないシリンドリカル面であっても良い。この場合、第１のミラー３のうち第１の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。
　第１のミラー３の反射面は、トロイダル面であっても良い。この場合、第１のミラー３のうち第１の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。第１のミラー３のうち第２の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率は、共振ミラーとして機能可能な曲率とされる。共振ミラーとして機能可能な曲率とは、共振ミラーにおける光の入射位置が一定かつ波面が一定となり得る曲率とする。
　図８は、実施の形態１の変形例４にかかるレーザ装置１４の概略構成を示す図である。変形例４は、回折格子２と収容部１との間に凸レンズ６が設けられる例である。レーザ装置１４は、凸レンズ６が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。
　凸レンズ６は、回折格子２から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部１へ向かわせるとともに、収容部１から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子２にて収束させる光学素子である。第１のミラー３の反射面がｚ軸に垂直な平面であるとして、凸レンズ６と回折格子２との間の距離は、凸レンズ６の焦点距離と等しくされる。これにより、レーザ装置１４は、第１のミラー３からの複数のビームを回折格子２にて収束させるとともに、回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。凸レンズ６にて平行化された複数のビームは、第１のミラー３での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で凸レンズ６へ入射する。凸レンズ６へ入射した複数のビームは、回折格子２にて収束する。
　なお、レーザ装置１４は、凸レンズ６によって平行化された複数のビームを収容部１にて進行させることによって、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態の複数のビームを収容部１にて進行させる場合に比べて、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。ここで、空間利用率とは、収容部１内の空間のうちビームが占める割合である。収容部１の形状が直方体である場合には、複数のビームを平行化させるとともに、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部１の大きさが設定されることによって、収容部１は、空間利用率を高くすることができる。レーザ装置１４は、空間利用率が高くなることによって、レーザ媒質に蓄積されたエネルギーの多くをレーザビームへ変換させることができるため、高効率化が可能となる。
　レーザ装置１４は、凸レンズ６による複数のビームの平行化によって、レーザ媒質におけるビーム同士の重なり合いを抑制することができる。レーザ装置１４は、互いに隣り合うビームおけるビーム中心軸間の距離が双方のビーム半径の和よりも長くなるように、凸レンズ６にて各ビームを屈折させることによって、ビーム同士の重なり合いを防ぐことができる。これにより、レーザ装置１４は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。
　図９は、実施の形態１の変形例５にかかるレーザ装置１５の概略構成を示す図である。変形例５は、第１の回折格子である回折格子２と第２の回折格子である回折格子７とが設けられる例である。レーザ装置１５は、回折格子７が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。
　回折格子７は、回折格子２から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部１へ向かわせるとともに、収容部１から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子２にて収束させる。回折格子７は、上記の凸レンズ６と同様の機能を担う。これにより、レーザ装置１４は、第１のミラー３からの複数のビームを回折格子２にて収束させるとともに、回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。回折格子７にて平行化された複数のビームは、第１のミラー３での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で回折格子７へ入射する。回折格子７へ入射した複数のビームは、回折格子２にて収束する。なお、回折格子７は、反射型の回折格子と透過型の回折格子とのどちらであっても良い。
　なお、レーザ装置１５は、回折格子７によって平行化された複数のビームを収容部１にて進行させることによって、上記の変形例４と同様に、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。収容部１の形状が直方体である場合には、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部１の大きさが設定されることによって、収容部１は、空間利用率を高くすることができる。また、レーザ装置１５は、複数のビームが平行化されることによって、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。なお、収容部１の形状とは、収容部１の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。
　なお、実施の形態１の変形例にかかるレーザ装置１１，１２，１３，１４，１５が有する各構成は、上記のレーザ装置１０において適宜組み合わせられても良い。
実施の形態２．
　図１０は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置２０の概略構成を示す図である。レーザ装置２０は、平板形状をなすいわゆるスラブ状の収容部８を有する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。
　収容部８は、ｘ軸方向の長さとｚ軸方向の長さとのそれぞれがｙ軸方向の長さに比べて十分に長い形状をなしている。ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の各長さの比は、１０：１：１００程度でも良い。すなわち、ｘ軸方向の長さはｙ軸方向の長さの１０倍程度であって、かつｚ軸方向の長さはｙ軸方向の長さの１００倍程度である。ｚ軸方向の長さは、ｙ軸方向の長さの１００倍よりも長くても良く、ｙ軸方向の長さの２００倍程度であっても良い。なお、収容部８の形状とは、収容部８の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。収容部８の長さとは、当該立体の長さを指すものとする。なお、距離ａは、第１のミラー３と収容部８内のレーザ媒質との間の距離である。
　ｘ軸方向へ配列されたｍ本のビームを収容部８にて通過させる場合に、収容部８のうちｙ軸方向における長さｄは、各ビームのｙ軸方向における幅Ｄと同じである。ここで、幅Ｄと同じとは、幅Ｄとできるだけ近い長さであって幅Ｄと同程度であることを含む。また、長さｄが幅Ｄと同じである場合に、収容部８のうちｘ軸方向における長さは、長さｄのｍ倍であるｍｄとされる。このように、収容部８は、ｘ軸方向へ互いに並べられた複数のビームが伝搬する平板形状をなす。これにより、レーザ装置２０は、レーザ媒質における空間利用率を高くすることができ、高効率化が可能となる。
　レーザ媒質には、実施の形態１と同様に、ＣＯ２レーザガスが使用される。スラブ状の収容部８にＣＯ２レーザガスが収容されるレーザ装置２０は、スラブＣＯ２レーザと称される。スラブＣＯ２レーザは、ガス循環装置等によるＣＯ２レーザガスの循環が不要であることから、装置構成の小型化が可能である。
　収容部８において、ｙ軸方向の長さｄとｚ軸方向の長さＬとは、各ビームの波長λに対し、次に示す式（４）を満足することとしても良い。
ｄ２／（４λＬ）＜１　　・・・（４）
　収容部８内のレーザ媒質を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードは、導波路に固有のモードであって、導波モードと称される。各ビームのモードが導波モードとなるのは、上記の式（４）を満足することによって、収容部８内のレーザ媒質が導波路の機能を担うことによるものである。したがって、レーザ装置２０は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を高めることによって、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。
　次に、レーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第１の例から第５の例について説明する。レーザ装置２０は、第１の例から第５の例において、共振器内を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。
　図１１は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第１の例を示す図である。図１１と、後述する図１２から図１４では、回折格子２と第２のミラー４との間の光軸を、第１のミラー３と回折格子２との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置２０の構成を表している。第１の例は、第１のミラー３と収容部８内のレーザ媒質との間の距離ａがゼロに近く、第１のミラー３がレーザ媒質に可能な限り近づけられている例である。第１のミラー３の反射面は、平面である。第１の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。
　図１２は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第２の例を示す図である。第２の例は、第１の例と同様に第１のミラー３がレーザ媒質に可能な限り近づけられており、かつ第１のミラー３の反射面が凹面である例である。ｙ軸およびｚ軸に平行な断面における凹面の曲率半径Ｒ１は、距離ａよりも十分に大きい。第２の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。
　図１３は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第３の例を示す図である。第３の例は、第１のミラー３の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Ｒ１と距離ａとが等しい例である。第３の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。
　図１４は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第４の例を示す図である。第４の例は、第１のミラー３の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Ｒ１の２分の１倍と距離ａとが等しい例である。第４の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。
　レーザ装置２０は、第１のミラー３の位置と第１のミラー３の反射面とが第１の例から第４の例のように調整される場合と同様に、第２のミラー４の位置と第２のミラー４の反射面とが調整されても良い。レーザ装置２０は、第１のミラー３の場合と同様に第２のミラー４についての調整がなされることによっても、結合効率の向上を図ることができる。
　図１５は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第５の例を示す図である。第５の例は、収容部８と第１のミラー３との間にレンズ９が配置されている例である。第１のミラー３は、平面である反射面を有する。レンズ９は、第１のミラー３とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。また、図１５には、第５の例の構成と併せて、第１の例の構成を示している。
　第５の例において、レンズ９と第１のミラー３との組み合わせは、第１の例における第１のミラー３と光学的に同等の機能を果たす。光学的に同等の機能であるとは、第１の例でのレーザ媒質と第１のミラー３との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列と、第５の例でのレンズ９が介在した場合のレーザ媒質と第１のミラー３との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列とが等しいことを意味する。レーザ装置２０は、第５の例の場合も、結合効率を高めることができる。第５の例において、第１のミラー３の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。
　レーザ装置２０は、収容部８と第２のミラー４との間にレンズ９が配置されても良い。この場合に、レンズ９と第２のミラー４との組み合わせは、レーザ媒質に第２のミラー４が可能な限り近づけられる場合における第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たすことができる。この場合も、レーザ装置２０は、結合効率の向上を図ることができる。
　なお、レーザ装置２０が有する構成は、実施の形態１にかかるレーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５と適宜組み合わせられても良い。レーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５は、レーザ装置２０と同様の構成を有することによって、結合効率を高めることができる。これにより、レーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５は、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。
実施の形態３．
　図１６は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置３０の概略構成を示す図である。レーザ装置３０は、電気光学（Electro-Optic：ＥＯ）結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とを有する。電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とは、パルス発振機構を構成する。パルス発振機構は、複数のビームをパルス化する。実施の形態３では、上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。
　レーザ装置３０は、電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とが設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と同様の構成を有する。電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とは、回折格子２と第２のミラー４との間に配置されている。
　電気光学結晶３１は、ポッケルスセルとも称される。電気光学結晶３１は、電圧が印加されることによって、電気光学結晶３１を通過する光の偏光状態を変化させる。偏光ビームスプリッタ３２は、ｐ偏光について高透過率かつ低反射率であって、ｓ偏光について高反射率かつ低透過率である偏光特性を有する。偏光ビームスプリッタ３２は、かかる偏光特性によって、入射した光を直線偏光成分ごとに分離させる。
　偏光ビームスプリッタ３２は、回折格子２と第２のミラー４との間を伝搬するビームのうちｐ偏光成分を透過させる。また、偏光ビームスプリッタ３２は、回折格子２と第２のミラー４との間を伝搬するビームのうちｓ偏光成分を反射する。共振器内に偏光ビームスプリッタ３２が設けられることによって、レーザ装置３０は、共振器内にてｐ偏光成分を共振させるとともに、ｓ偏光成分を共振器の外へ出射する。レーザ装置３０は、共振器の外へのｓ偏光成分の出射により、共振器内にて伝搬するビームを損失させる。
　レーザ装置３０は、電気光学結晶３１への電圧の印加と電気光学結晶３１への電圧印加の停止との切り換えに伴って、偏光ビームスプリッタ３２へ入射するビームが有する偏光をｐ偏光とｓ偏光とに切り換える。レーザ装置３０は、偏光ビームスプリッタ３２におけるｐ偏光成分の透過と偏光ビームスプリッタ３２におけるｓ偏光成分の反射とを切り換えることによって、共振器内にて伝搬するビームの損失を変化させる。レーザ装置３０は、電気光学結晶３１へ印加される電圧の周期的な変化に伴って、ビームの損失を周期的に変化させる。レーザ装置３０は、１０ｋＨｚから２００ｋＨｚの周期で、ビームの損失を変化させる。
　次に、パルス発振機構を用いたパルス発振であるＱスイッチ発振について説明する。ここでは、電気光学結晶３１へ電圧が印加されるときにビームの損失が大きくなり、電気光学結晶３１へ電圧が印加されないときにビームの損失が最小となるものとする。
　電気光学結晶３１への電圧の印加によって共振器内のビームを損失させている間に、レーザ媒質では、ビームの発振が抑えられることによって、分子の励起によるエネルギーが蓄積される。その後、ビームの損失が最小とされたときに、レーザ装置３０は、蓄積されたエネルギーによってビームのピーク出力を高めることができる。レーザ装置３０は、共振器におけるビームの損失を周期的に変化させることによって、結合ビームのパルス発振を行うことができる。すなわち、レーザ装置３０は、複数のビームのパルス化を同時に行い、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力する。
　次に、ビームのパルス化の手法の１つであるＱスイッチキャビティダンプ法について説明する。Ｑスイッチ発振によって得られたパルスのピークに近いタイミングにおいて電気光学結晶３１へ電圧が印加されることによって、共振器内でのビームの損失を増大させる。レーザ装置３０は、第２のミラー４に代えて偏光ビームスプリッタ３２から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。この場合において、第２のミラー４には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第２のミラー４の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施される。
　第１のミラー３と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路の長さである共振器長さをＬＣ、光速をｃとして、偏光ビームスプリッタ３２から取り出される結合ビームのパルス幅は２ＬＣ／ｃとなる。これにより、レーザ装置３０は、複数のビームのパルス化を同時に行うのみならず、共振器長さに応じたパルス幅を持つパルスビームを取り出すことができる。
　なお、レーザ装置３０のパルス発振機構には、偏光ビームスプリッタ３２に代えて、偏光ビームスプリッタ３２と同様の機能を有する光学素子である薄膜ポラライザ等が用いられても良い。パルス発振機構は、回折格子２と第２のミラー４との間に配置される以外に、回折格子２と収容部１との間に配置されても良い。この場合も、レーザ装置３０は、パルスビームを出力することができる。
　次に、実施の形態３にかかるレーザ装置３０の変形例について説明する。図１７は、実施の形態３の変形例１にかかるレーザ装置３３の概略構成を示す図である。変形例１は、円偏光ミラー３４が設けられる例である。レーザ装置３３は、円偏光ミラー３４が設けられている以外は、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。
　レーザ装置３３は、Ｑスイッチ発振を行うためのパルス発振機構に加えて、電気光学結晶３１と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路に円偏光ミラー３４が設けられている。円偏光ミラー３４は、直線偏光を円偏光へ変換する。ここでは、電気光学結晶３１へ電圧が印加されるときにビームの損失が最小となり、電気光学結晶３１への電圧印加が停止されるときにビームの損失が大きくなるものとする。
　レーザ装置３３は、ビームが損失されている状態が長く続くほど、レーザ媒質に多くのエネルギーを蓄積することができ、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得ることができる。電気光学結晶３１への電圧の印加によってビームを損失させる場合、このようなパルスビームを得るために、電気光学結晶３１へ電圧が印加される期間が長くなることによって、電気光学結晶３１と電圧印加のためのドライバとの劣化あるいは故障が生じ易くなる。
　電気光学結晶３１には、一般に、１／４波長電圧と称される電圧が印加される。電気光学結晶３１へ電圧が印加されている場合、共振器内を往復するビームが電気光学結晶３１を２回通過することによって、ビームが有する直線偏光の偏光方向は９０度回転する。さらに、変形例１では、電気光学結晶３１と第２のミラー４との間を往復するビームが円偏光ミラー３４で２回反射することによって、直線偏光の偏光方向は９０度回転する。電気光学結晶３１へ電圧が印加されている場合、偏光ビームスプリッタ３２を透過し第２のミラー４へ向けて伝搬したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３２と第２のミラー４との間を往復する間に、電気光学結晶３１での偏光状態の変換と円偏光ミラー３４での偏光状態の変換とによってｐ偏光とされる。偏光ビームスプリッタ３２へ入射したｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２を透過する。この場合、レーザ装置３３は、共振器外へのｓ偏光成分の出射が少なくなることによって、共振器内からのビームの損失が少なくなる。一方、電気光学結晶３１への電圧印加が停止されているときは、偏光ビームスプリッタ３２を透過したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３２と第２のミラー４との間を往復する間に、円偏光ミラー３４での偏光状態の変換によってｓ偏光とされる。偏光ビームスプリッタ３２へ入射したｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２で反射する。この場合、レーザ装置３３は、共振器外へのｓ偏光成分の出射が多くなることによって、共振器内からのビームの損失が多くなる。
　このように、レーザ装置３３は、円偏光ミラー３４が設けられることによって、電気光学結晶３１への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。これにより、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得るためには、電気光学結晶３１への電圧印加を停止させればよいため、レーザ装置３３は、電気光学結晶３１と電圧印加のためのドライバとの劣化および故障を防ぐことができる。なお、レーザ装置３３には、円偏光ミラー３４に代えて、４分の１波長板が設けられても良い。この場合もレーザ装置３３は、電気光学結晶３１への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。
　図１８は、実施の形態３の変形例２にかかるレーザ装置３５の概略構成を示す図である。変形例２は、レンズ９と、実施の形態２と同様の収容部８とが設けられる例である。レーザ装置３５は、レンズ９が設けられていることと、収容部１に代えて収容部８が設けられていることとを除いて、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。
　共振器内を伝搬するビームの強度が大きいほど、ビームの伝搬経路に設けられている電気光学結晶３１などの光学素子は、ビームを吸収することによって温度が上昇する。温度が上昇した光学素子は、温度の上昇による密度の変化または屈折率の変化などによって、熱レンズ効果を生じさせることがある。熱レンズ効果を生じた光学素子による焦点距離は温度によって変化することから、熱レンズ効果は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を低下させる要因となり得る。
　レンズ９は、回折格子２と偏光ビームスプリッタ３２との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。レンズ９は、ビームの伝搬経路に設けられている光学素子による熱レンズ効果を相殺させる機能を果たす。レーザ装置３５は、レンズ９が設けられることによって、熱レンズ効果による結合効率の低下を抑制可能とし、結合効率を向上させることができる。なお、レンズ９は、共振器内におけるビームの伝搬経路のうち任意の位置に配置することができる。レーザ装置３５は、適切な位置にレンズ９が配置されることによって、結合効率を効果的に向上させることができる。
　図１９は、図１８に示すレーザ装置３５における結合効率の向上のための構成について説明する図である。図１９では、レーザ装置３５の構成と併せて、レーザ装置３５のうち共振器の基本構成を抜き出したものを示している。かかる基本構成の下には、図１８に示すレーザ装置３５の構成を示している。図１９の最下部には、図１８に示すレーザ装置３５において電気光学結晶３１が熱レンズ効果を生じている状態を示している。なお、図１９では、回折格子２と第２のミラー４との間の光軸を、第１のミラー３と回折格子２との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置３５の構成を表している。
　共振器の基本構成では、第１のミラー３と第２のミラー４とが収容部８内のレーザ媒質にできるだけ近づけられて配置されている。この基本構成では、第１のミラー３の反射面と第２のミラー４の反射面とのそれぞれを例えば平面とすることによって、結合効率を高めることができる。第２のミラー４は、ｚ＝ｚ０の位置に配置されている。レーザ装置３５では、上記基本構成における第２のミラー４に代えて、回折格子２と、レンズ９と、偏光ビームスプリッタ３２と、電気光学結晶３１と、第２のミラー４との組み合わせが設けられている。レンズ９は、第２のミラー４とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。なお、偏光ビームスプリッタ３２における光の伝搬は自由空間での光の伝搬と同等であるものとみなすこととし、以下の説明では偏光ビームスプリッタ３２におけるビームの伝搬については省略する。また、レーザ装置３５は、共振器内を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。説明上、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードを導波モードとしたため、回折格子２のＡＢＣＤ行列は単位行列とみなしても良い。
　回折格子２と、レンズ９と、電気光学結晶３１と、第２のミラー４との組み合わせが、ｚ＝ｚ０に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得るように構成されることによって、レーザ装置３５は、結合効率を高めることが可能となる。なお、光学的に同等の機能であるとは、ｚ＝ｚ０の位置に配置される第２のミラー４とレーザ媒質との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列と、レーザ媒質と第２のミラー４との間に回折格子２とレンズ９と電気光学結晶３１とが介在した場合のレーザ媒質と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列とが等しいことを意味する。ただし、当該組み合わせに含まれる光学素子である電気光学結晶３１が温度上昇によって熱レンズ効果を生じた場合に、当該組み合わせは、ｚ＝ｚ０の位置に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得なくなる。なお、当該組み合わせに含まれる第２のミラー４の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。
　レーザ装置３５は、熱レンズ効果が生じた場合に、当該組み合わせがｚ＝ｚ０の位置に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得るように、当該組み合わせを構成する構成要素の位置関係を調整する。熱レンズ効果を生じている電気光学結晶３１のＡＢＣＤ行列には、例えば、当該熱レンズと同等の焦点距離を有する薄肉レンズと同じＡＢＣＤ行列が使用されても良い。レーザ装置３５は、当該組み合わせの構成要素の位置関係を調整することによって熱レンズ効果を相殺させることができる。これにより、レーザ装置３５は、当該組み合わせの光学的な機能を、上記基本構成における第２のミラー４の光学的な機能と同等なものとすることができる。
　なお、レーザ装置３５は、当該組み合わせの構成要素のうちの少なくとも１つについて位置を調整することによって、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にすることができる。レーザ装置３５は、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にするための調整によって、高い結合効率を維持することができる。
　なお、レーザ装置３０，３３，３５が有する各構成は、実施の形態１および２にかかる各レーザ装置と適宜組み合わせられても良い。実施の形態１および２にかかる各レーザ装置は、レーザ装置３０，３３，３５と同様の構成を有することによって、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力することができ、かつ結合効率を効果的に向上させることができる。
実施の形態４．
　図２０は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ装置４０の概略構成を示す図である。レーザ装置４０は、少なくとも１つの増幅器４１と、増幅器４１へ向けてビームが伝搬する光学系４２とを有する。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。
　レーザ装置４０は、増幅器４１と光学系４２とが設けられている以外は、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。偏光ビームスプリッタ３２から共振器外へ取り出されたパルスビームは、光学系４２を伝搬して増幅器４１へ入射する。増幅器４１は、共振器から取り出されたパルスビームを増幅する。レーザ装置４０は、増幅器４１にて増幅されたパルスビームを出力する。これにより、レーザ装置４０は、高出力を実現できる。なお、レーザ装置４０に設けられる増幅器４１の数は、１つであっても良く、複数であっても良い。レーザ装置４０は、偏光ビームスプリッタ３２から取り出されたパルスビームを出力するものに限られず、第２のミラー４から出射されたパルスビームを出力するものであっても良い。増幅器４１は、第２のミラー４から出射されたパルスビームを増幅するものであっても良い。
　レーザ装置４０は、第２のミラー４に代えて偏光ビームスプリッタ３２から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。取り出されたパルスビームは、光学系４２へ入射する。この場合において、第２のミラー４には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第２のミラー４の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施される。
　増幅器４１は、ビームを反射するミラーと増幅媒質とを有する。ミラーには、９９．９％以上の反射率を持つ高反射率ミラーを用いても良い。増幅媒質は、レーザ装置４０によって発振される複数のビームの各波長について利得を有する媒質とする。これにより、発振される各ビームの増幅が増幅器４１によって可能となることで、レーザ装置４０は、高出力を実現できる。なお、増幅器４１には、複数のミラーにおいて各ビームを反射させることによって、各ビームを増幅媒質へ複数回通過させても良い。
　レーザ媒質には、実施の形態１と同様に、ＣＯ２レーザガスが使用される。Ｑスイッチキャビティダンプ法によって、例えば、波長が１０．５９μｍであるＰ（２０）の単一ビームを、１０ｎｓから３０ｎｓのパルス幅で発振させた場合において、増幅器４１によるパルスビームの増幅効率は、Ｐ（２０）のビームの連続波を増幅する場合に比べて低下する。実施の形態４では、レーザ装置４０は、Ｐ（２０）のビームとともに、波長が１０．５７μｍであるＰ（１８）のビーム、および、波長が１０．６１μｍであるＰ（２２）のビームをパルス発振させるため、単一ビームのパルス発振の場合と比べて、増幅効率の低下を抑制することができる。これにより、レーザ装置４０は、高出力を実現することができる。
　レーザ装置４０は、例えば、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）のパルスビームを出力する極端紫外（Extreme　Ultra　Violet：ＥＵＶ）光源装置に用いられるＣＯ２レーザであっても良い。ＥＵＶ光源装置は、例えば、１０ｎｓから３０ｎｓのパルス幅を持つＰ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）のパルスビームを、錫の液滴に照射することによって、ＥＵＶ光を発生させる。ＥＵＶ光源装置は、レーザ装置４０の増幅器４１におけるパルスビームの増幅によって、ＥＵＶ光の高出力化が可能となる。
　レーザ装置４０は、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）以外のビームを発振させても良い。レーザ装置４０は、互いに波長が異なるビームの数が多くなるほど、増幅効率の低下の抑制によって、さらに高出力を実現することができる。
　レーザ装置４０が有する構成は、実施の形態１から３にかかる各レーザ装置に適用されても良い。実施の形態１から３にかかる各レーザ装置は、レーザ装置４０と同様の構成を有することによって、高出力を実現することができる。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１，８　収容部、２，７　回折格子、３　第１のミラー、３ａ，３ｂ，３ｃ　領域、４　第２のミラー、５　アパーチャ、６　凸レンズ、９　レンズ、１０，１１，１２，１３，１４，１５，２０，３０，３３，３５，４０　レーザ装置、３１　電気光学結晶、３２　偏光ビームスプリッタ、３４　円偏光ミラー、４１　増幅器、４２　光学系。

Claims (13)

  1. 　互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラーおよび第２のミラーと、
    　ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で前記第１のミラーから入射する前記複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて前記第２のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で前記第２のミラーから入射する前記複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて前記第１のミラーへ進行させる回折格子と、
    　前記第１のミラーと前記回折格子との間を進行する前記複数のビームが通過する媒質であって前記複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部と、
    　を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　前記収容部は、平板形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　前記回折格子と前記第２のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームをパルス化するパルス発振機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 　前記第１のミラーは、凹面である反射面を有し、前記第１のミラーの断面における前記凹面の曲率半径が、前記回折格子と前記第１のミラーとの間の距離と等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  5. 　前記回折格子と前記収容部との間に設けられ、前記回折格子から伝搬する前記複数のビームを平行化するとともに前記収容部から伝搬する前記複数のビームを収束させる光学素子を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  6. 　前記回折格子と前記第２のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードを一括して調整する調整部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  7. 　前記回折格子と前記第１のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  8. 　前記第１のミラーは、前記複数のビームの各々が入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  9. 　前記第１のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
  10. 　前記第２のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
  11. 　前記第２のミラーを通過した前記複数のビームを出力することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のレーザ装置。
  12. 　前記パルス発振機構によってパルス化された前記複数のビームを増幅する増幅器を備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
  13. 　前記レーザ媒質は、二酸化炭素レーザガスであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載のレーザ装置。
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