JP2016219712A - 多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の技術と比較すると、大型かつ複雑な光路構成を設定することなく、高出力のレーザー出力を得ることのできるようにする。
【解決手段】複数の波長のレーザー光を出力する多波長レーザー発振装置において、レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを構成し、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて上記レーザー発振ユニットを複数設けるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法に関し、さらに詳細には、二つあるいはそれ以上の複数の波長のレーザー光を出力するレーザー光源として用いることのできる多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法に関する。

従来より、差分吸収型レーザーレーダー（ＤＩＡＬ）により、大気中の水蒸気のモニタリングなどが行われていることが知られている（非特許文献１を参照する。）。

この差分吸収型レーザーレーダーによる大気中の水蒸気のモニタリングとは、大気中の水蒸気の吸収線の帯域に合わせた波長のパルスレーザー光と大気中の水蒸気の吸収線の帯域を外した波長のパルスレーザー光とを同軸で出射し、出射された二つのパルスレーザー光の進行に伴う各距離における散乱光の強さの差を測定することにより、対象物質たる大気中の水蒸気の分布を得るようにしたものである。

従って、差分吸収型レーザーレーダーにおいては、二つの波長のレーザー光を出力するレーザー光源が必要であり、こうしたレーザー光源としては、例えば、レーザー媒質としてアレキサンドライト結晶やＴｉ：サファイア結晶などを用いた波長可変レーザー装置が広く用いられてきた。

こうした波長可変レーザー装置は、パルス毎に２波長を切り替えるための手段として、レーザー共振器内に波長同調素子、複屈折フィルター、エタロンなどを設けており、これらの回転や角度を変化させることにより二つの波長のパルスレーザー光を出力するようになされていた。

即ち、予め指定された２波長を交互に出力するレーザー光源たる波長可変レーザー装置においては、波長同調可能な広帯域で利得のあるレーザー媒質と波長同調手段とが必要であった。

図１には、こうした従来の波長可変レーザー装置の一例が示されており、この波長可変レーザー装置１００においては、高効率で所定の波長のレーザー光を反射する高反射鏡１０２と、所定の効率で所定の波長のレーザー光をレーザー出力として透過するとともにそれ以外のレーザー光を反射する出力結合鏡１０４とにより、レーザー共振器が構成されている。

このレーザー共振器内には、レーザー媒質たる二つのＴｉ：サファイア結晶１０６、１０８と、レーザー共振器におけるレーザー光の光路を形成するために高効率で所定の波長のレーザー光を反射する光路形成鏡１１０と、レーザー共振器内で励起するレーザー光の波長を切り替える手段としての複屈折フィルター１１２およびエタロン１１４とが設けられている。

なお、符号１１６は、複屈折フィルター１１２を回転を制御するための複屈折フィルター回転機構である。また、符号１１８は、エタロンの角度を制御するためのエタロン傾斜調整機構である。

以上の構成において、波長可変レーザー装置１００によれば、Ｔｉ：サファイア結晶１０６、１０８へ励起光を入射するとともに、複屈折フィルター回転機構１１６により複屈折フィルター１１２の回転を制御し、エタロン傾斜調整機構１１８によりエタロンの角度を制御することによって、レーザー出力として複数の波長、例えば、２波長のレーザー光を交互に出射することができる。

しかしながら、従来の波長可変レーザー装置１００では、上記したような複雑なレーザー共振器の構成ならびに再現性のある波長出力のための精密な機械構造が要求されるため、大型かつ複雑な光路構成を設定した大掛かりな装置とならざるを得ないという問題点があった。

即ち、波長可変レーザー装置１００においては、広帯域で利得のあるレーザー媒質としてＴｉ：サファイア結晶１０６、１０８からなる固体レーザー媒質を用い、共振器モードと励起光のモードサイズとを一致させるために、出力結合鏡１０４と高反射鏡１０２との設置位置および曲率が規定される。

そして、出力結合鏡１０４と高反射鏡１０２との設置位置において、特定波長を得るための複屈折フィルター１１２の回転機構（複屈折フィルター回転機構１１６）や、さらに周波数スケールでの精密波長でレーザー発振波長を精密制御するためのエタロン１１４の傾斜機構（エタロン傾斜調整機構１１８）を設置する必要があった。

従って、これらの条件を同時に成立させるためには、大型かつ複雑な光路構成を設定せざるを得ないという問題点があった。

また、図１に示す波長可変レーザー装置１００では、固体レーザー媒質を２個（Ｔｉ：サファイア結晶１０６、１０８）用いることで、励起エネルギーの上限を二倍に引き上げるように構成している。

即ち、高出力を得るためには、励起エネルギーを共振器モードに合わせて集光しつつ高エネルギー化する必要があるが、固体レーザー媒質の励起光による破壊を防ぐためには、励起光を入力する際の高エネルギー化には制限がある。

このため、波長可変レーザー装置１００においては、固体レーザー媒質を２個（Ｔｉ：サファイア結晶１０６、１０８）設けることにより、励起箇所を二か所にするようにしてその上限を二倍に引き上げている。

このため、波長可変レーザー装置１００における高入力高出力化にあたっては、固体レーザー媒質を２個（Ｔｉ：サファイア結晶１０６、１０８）用いることに伴い、さらに複雑な光路構成を取らざるを得ないものであった。

さらに、高出力の励起光の入力を得るためには、大型の励起用光源を準備する必要があり、例えば、励起用光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）の第二高調波（波長５３２ｎｍ）を利用する際には、それ自体の高出力化に困難な熱制御を伴い、容易には利用することができないものであった。

例えば、一般的な固体レーザー媒質の表面の破壊閾値は１０Ｊ／ｃｍ^２であるので、レーザー共振器の設計に際し、波長可変レーザー装置１００のＴｉ：サファイア結晶１０６、１０８における励起部のスポットサイズを半径１ｍｍとするときには、励起光の励起入力上限が０．３Ｊ程度に制限される。

波長可変レーザー装置１００ではＴｉ：サファイア結晶１０６、１０８の二か所での励起となるので、励起光については０．６Ｊの励起入力となり、この構成のレーザー発振効率が１０％とすると、レーザー出力の上限は６０ｍＪ程度となる。

一方、励起光の出力として０．６Ｊの励起出力を得るためには、１．０Ｊ以上のＮｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（波長１０６４ｎｍ）出力が必要となり、これを満足する市販の光源では繰り返し周波数がせいぜい３０Ｈｚにとどまり、システム設計上の限界要素となっていた。

即ち、従来の波長可変レーザー装置１００による大型かつ複雑な光路構成をもってしても、励起光を出力する励起レーザーが一台のみでは、出力としては繰り返し周波数３０Ｈｚ、レーザー出力６０ｍＪのパルスレーザー光を得ることが限界であるという問題点があった。

長澤親生、阿保真、内野修、「ＰＡＳセルを用いた準同時２波長水蒸気差分吸収ライダー」、平成６年１２月、社団法人レーザー学会、レーザー研究、第２２巻、ｐｐ１０００−１００６

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の技術と比較すると、大型かつ複雑な光路構成を設定することなく、高出力のレーザー出力を得ることのできる多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザー出力するレーザー光の波長毎にユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを複数ユニット設けるようにしたものである。

従って、本発明によれば、波長毎にコンパクトな光源をユニット化することができ、冗長性の高い複数の波長のレーザー出力を得ることのできる多波長レーザー発振装置が得られる。

即ち、本発明による多波長レーザー発振装置は、複数の波長のレーザー光を出力する多波長レーザー発振装置において、レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを構成し、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて上記レーザー発振ユニットを複数設けるようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、上記レーザー発振ユニットは、垂直入射で特定波長でのみ高回折効率が得られる体積型回折素子を用いてレーザー共振器を構成し、レーザー媒質のレーザー利得の利得帯域が１ｎｍ以上であるようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、上記レーザー発振ユニットは、励起光がレーザー媒質のレーザー発振軸と同軸に集光されるようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、上記レーザー発振ユニットは、励起光がレーザー媒質のレーザー発振軸と異なる方向から集光されるようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、上記レーザー発振ユニットは、上記体積型回折素子を設置するヒートシンクを有し、上記ヒートシンクにより上記体積型回折素子を温調して回折波長をシフトさせて波長同調を行うようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、さらに、上記レーザー発振ユニットの後段に設けられ、上記レーザー発振ユニットのレーザー出力を増幅する増幅器とを有するようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、さらに、上記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれのレーザー出力を同軸上へ合成する偏光結合プリズムとを有するようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、上記した本発明による多波長レーザー発振装置において、さらに、上記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれのレーザー出力を同軸上へ合成する回折素子とを有するようにしたものである。

また、本発明による多波長レーザー発振方法は、複数の波長のレーザー光を出力する多波長レーザー発振方法において、レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて複数設け、上記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれからレーザー光をレーザー出力するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているため、従来の技術と比較すると、大型かつ複雑な光路構成を設定することなく、高出力のレーザー出力を得ることのできる多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

図１は、従来の波長可変レーザー装置の一例の概念構成説明図である。 図２は、本発明の実施の形態による多波長レーザー発振装置を構成するレーザー発振ユニットの概念構成説明図である。 図３は、レーザー発振ユニットを二つ用いて波長Ａと波長Ｂとの二つの波長のレーザー光を出力する本発明による多波長レーザー発振装置の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。 図４は、本発明による多波長レーザー発振装置の他の実施の形態を示す概念構成説明図である。 図５は、本発明による多波長レーザー発振装置の他の実施の形態を示す概念構成説明図である。 図６は、本発明の実施の形態による多波長レーザー発振装置を構成するレーザー発振ユニットの他の実施の形態を示す概念構成説明図である。 図７は、本発明の実施の形態による多波長レーザー発振装置を構成するレーザー発振ユニットの他の実施の形態を示す概念構成説明図である。 図８は、複数のレーザー発振ユニットから出射される複数の波長のレーザー光を同軸で多波長レーザー発振装置から出射する手法を示す概念構成説明図である。 図９は、複数のレーザー発振ユニットから出射される複数の波長のレーザー光を同軸で多波長レーザー発振装置から出射する手法を示す概念構成説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法の実施の形態について詳細に説明するものとする。

なお、各図において同一または相当する構成については、同一の符号を付して示すことにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略する。

本発明による多波長レーザー発振装置は、レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて複数ユニット設けるようにしたものである。

図２には、こうしたレーザー発振ユニットの概念構成説明図が示されている。この図２に示すレーザー発振ユニット１０は、レーザー出力としてある特定の所望の波長のレーザー光を出射するものであり、本発明による多波長レーザー発振装置はこうしたレーザー発振ユニット１０を複数設けることにより構成される。

ここで、レーザー発振ユニット１０においては、高効率で所定の波長のレーザー光を回折する体積型回折格子などの体積型回折素子１２と、所定の効率で所定の波長のレーザー光をレーザー出力として透過するとともにそれ以外のレーザー光を反射する出力結合鏡１４とにより、レーザー共振器が構成されている。

そして、このレーザー共振器内に、レーザー媒質としてＴｉ：サファイア結晶１６が設けられている。

即ち、レーザー発振ユニット１０は、レーザー媒質としてＴｉ：サファイア結晶１６を用い、高反射鏡として機能する体積型回折素子１２と出力結合鏡１４とによりレーザー共振器を構成しているものである。

また、符号１８は、レーザー共振器内に入射される励起光のプロファイルを整形してＴｉ：サファイア結晶１６に集光するための励起光整形光学系である。こうした励起光整形光学系１８としては、例えば、ロッドレンズやシリンドリカルレンズなどを用いることができる。

体積型回折素子１２には、励起光整形光学系１８を介して励起光が垂直入射（入射角０度）で入射されるように設定されている。

なお、体積型回折素子１２としては、垂直入射（入射角０度）で、例えば、９９％以上の高回折効率が得られて正反射が行われる体積型回折素子を用いることが好ましい。

具体的には、体積型回折素子１２に用いることができる体積型回折素子としては、例えば、米国特許第７，３９４，８４２号に開示された体積型回折素子にかかる発明を利用することができる。この米国特許第７，３９４，８４２号に開示された体積型回折素子にかかる発明による体積型回折素子は、米国のＯｐｔｉＧｒａｔｅ社から市販されている。

こうした市販されている体積型回折素子を本発明における体積型回折素子１２として用いる場合には、レーザー発振ユニット１０からレーザー出力されるレーザー光のパルス幅および繰り返し周波数は、レーザー発振ユニット１０のレーザー共振器に入射される励起光の動作に準じることになる。

また、市販されている体積型回折素子は、最大回折効率が得られる波長を２０ｐｍ単位で設定することができ、また、入射角度が０度入射（垂直入射）で９９％以上の回折効率が得られ、かつ、シリケートガラスに回折格子が形成されているので、体積型回折素子の端面に励起光用の低反射率コーティングを施すことで、図２に示すように体積型回折素子１２越しに励起光をレーザー共振器内に照射することが可能である。

以上の構成において、レーザー発振ユニット１０のレーザー共振器内に励起光整形光学系１８を介して励起光が入射されると、体積型回折素子１２と出力結合鏡１４とよりなるレーザー共振器内でレーザー媒質たるＴｉ：サファイア結晶１６が励起され、レーザー出力として出力結合鏡１４からレーザー光が出射される。

なお、この場合には、励起光は、体積型回折素子１２に垂直入射（入射角０度）され、かつ、レーザー媒質たるＴｉ：サファイア結晶１６のレーザー発振軸と同軸に集光されることになる。

ここで、出力結合鏡１４の曲率を変更したり、励起光の集光サイズを変更したり、レーザー媒質たるＴｉ：サファイア結晶１６の両側に円形の開口を設けたりすることにより、容易に所望の発振モードを得ることができる。

即ち、レーザー発振ユニット１０によれば、上記した構成のみで他の構成を用いることなく所望の波長のレーザー光のレーザー出力を得ることができる。

つまり、定まった波長で回折効率を高く設計し製作した体積型回折素子１２をレーザー共振器の高反射鏡として用いて、単純な構成のレーザー発振器を構築してレーザー発振ユニット１０とすることで、レーザー出力として予め定められた波長のレーザー光を出力することができる。

こうしたレーザー出力として出射されるレーザー光の波長がそれぞれ異なるレーザー発振ユニット１０を二つあるいはそれ以上の複数設けることにより、二つあるいはそれ以上の複数の波長のレーザー光を出力するレーザー光源として用いることのできる本発明による多波長レーザー発振装置が得られる。

ここで、図３には、レーザー発振ユニット１０を二つ用いて、第一の波長として波長Ａと第二の波長として波長Ｂとの異なる二つの波長のレーザー光を出力する本発明による多波長レーザー発振装置の実施の形態の一例が示されている。

なお、図３に示す本発明による多波長レーザー発振装置２０においては、波長Ａのレーザー光をレーザー出力するレーザー発振ユニット１０はレーザー発振ユニット１０−Ａの符号で示し、レーザー発振ユニット１０−Ａにおける体積型回折格子１２は波長Ａ用体積型回折格子として符号１２−Ａで示している。

同様に、図３に示す本発明による多波長レーザー発振装置２０においては、波長Ｂのレーザー光をレーザー出力するレーザー発振ユニット１０はレーザー発振ユニット１０−Ｂの符号で示し、レーザー発振ユニット１０−Ｂにおける体積型回折格子１２は波長Ｂ用体積型回折格子として符号１２−Ｂで示している。

この多波長レーザー発振装置２０によれば、体積型回折格子１２として波長Ａ用体積型回折格子１２−Ａと波長Ｂ用体積型回折格子１２−Ｂとを用いることにより、レーザー発振ユニット１０−Ａから波長Ａのレーザー光が出射され、かつ、レーザー発振ユニット１０−Ｂから波長Ｂのレーザー光が出射され、異なる２波長のレーザー出力が得られる。

波長Ａ用体積型回折格子１２−Ａならびに波長Ｂ用体積型回折格子１２−Ｂとして上記した市販の体積型回折格子を用いる場合には、その波長選択能は、温調された素子では２０ｐｍまで可能になっているので、通常の吸収スペクトルには容易に同調でき、２０ｐｍ単位で波長を設定することができる。

また、多波長レーザー発振装置２０における励起光としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を使用することができ、例えば、パルス幅１０ｎｓ程度のパルスレーザー光を用いればよい。レーザー発振ユニット１０−Ａとレーザー発振ユニット１０−Ｂとのそれぞれにパルス幅１０ｎｓの励起光を用いることで、レーザー出力として同等のパルス幅のレーザー光を得ることができる。

また、多波長レーザー発振装置２０は、共振器構成が上記した従来の波長可変レーザー装置１００よりも単純で、かつ、共振器内素子がレーザー媒質以外にないことから、従来の波長可変レーザー装置１００に比べて２倍以上の発振効率を得ることができる。

また、レーザー発振ユニット１０−Ａとレーザー発振ユニット１０−Ｂとに入射する励起光は、同一の光源から得るものに限られるものではなく、レーザー発振ユニット１０−Ａとレーザー発振ユニット１０−Ｂとでそれぞれ異なる独立の光源から得ることができる。

レーザー発振ユニット１０−Ａとレーザー発振ユニット１０−Ｂとでそれぞれ異なる独立の光源から励起光を得る場合には、励起用光源（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーである。）のそれぞれの規模を小さくすることができ、システム設計上、安定性の高い励起レーザーを使うことができるようになる。

なお、本願発明者の実験によると、従来の波長可変レーザー装置１００に使用した励起用光源を用いた場合には、多波長レーザー発振装置２０では利得の高い波長域８００ｎｍで１００ｍＪの出力が可能であった。

上記したように、本発明による多波長レーザー発振装置によれば、二つあるいはそれ以上の複数のレーザー発振ユニット１０から波長がそれぞれ異なるレーザー光を出力することができ、これら出力されたレーザー光は図８あるいは図９などで示す手法（後述する。）を用いることにより同軸で出射することができる。

つまり、予め発振波長をレーザー共振器で固定してユニット化したレーザー発振ユニットを用いて、必要な波長の数だけ複数のレーザー光を同軸上に出力することにより、信頼性の高い多波長レーザー発振装置を構築することができる。

このため、本発明による多波長レーザー発振装置は、差分吸収型レーザーレーダーで必要とされる予め指定された２波長を交互に出力するレーザー光源として利用することができる。

即ち、本発明による多波長レーザー発振装置は、複数の波長毎の独立した光源たるレーザー発振ユニット１０の出力を同軸あるいは非同軸で重畳することにより、簡便な多波長発生光源を実現することができるので、種々の計測器搭載用の光源として好適である。

次に、図４には、本発明による多波長レーザー発振装置の他の実施の形態が示されている。

この図４に示す多波長レーザー発振装置３０は、多波長レーザー発振装置２０の高出力化を図った構成を示すものであり、Ｔｉ：サファイヤ結晶１６の側面から大面積で励起する点において、多波長レーザー発振装置２０と異なっている。

即ち、この場合には、励起光は、レーザー媒質たるＴｉ：サファイア結晶１６のレーザー発振軸とは異なる方向から集光されることになる。

本願発明者の実験によると、多波長レーザー発振装置３０においては、Ｔｉ：サファイヤ結晶１６の側面から大面積で励起してもＴｉ：サファイヤ結晶１６に損傷は見られなかった。

また、Ｔｉ：サファイヤ結晶１６の側面の２ｍｍ×２０ｍｍ部に励起することで、波長可変レーザー装置１００と同等の集光密度では、励起部一箇所ごとに１２倍の入力まで可能であった。

次に、図５には、本発明による多波長レーザー発振装置の他の実施の形態が示されている。

この図５に示す多波長レーザー発振装置４０は、発振波長精度を高めるために、波長Ａ用体積型回折格子１２−Ａと波長Ｂ用体積型回折格子１２−Ｂとをそれぞれヒートシンク４２−Ａ、４２−Ｂに設置し、室温より高く設定する場合にはヒーターを内蔵させ、低く設定する場合には電子冷却機構を取り入れるようにした点において、多波長レーザー発振装置３０と異なっている。

本願発明者の実験によると、多波長レーザー発振装置４０によれば、１Ｋあたりの変化で８ｐｍ回折波長をシフトすることができた。

即ち、波長Ａ用体積型回折格子１２−Ａと波長Ｂ用体積型回折格子１２−Ｂとを同じ設計とし、ヒートシンク４２−Ａ、４２−Ｂにより設置温度を１０℃変えることで、発振波長を８０ｐｍ変えることができた。この実験では、波長Ａを８２０．２７ｎｍ、波長Ｂを８２０．８０ｎｍに設定して、多波長レーザー発振装置４０を大気中の水蒸気観測のための差分吸収型レーザーレーダーの光源として利用可能であることが確認できた。

次に、図６ならびに図７には、本発明による多波長レーザー発振装置を構成するレーザー発振ユニットの他の実施の形態がそれぞれ示されている。

レーザー発振ユニットは共振器長を短くすることができるので、レーザー出力の更なる高出力化が必要な場合には、図６あるいは図７に示すように装置構成をあまり大型化せずにレーザー出力の高出力化を図ることができる。

ここで、図６に示すレーザー発振ユニット５０は、図５に示すレーザー発振ユニット１０−Ａの後段に、レーザー発振ユニット１０−Ａからのレーザー出力である波長Ａのレーザー光を増幅するための増幅器５２を備える点において、図５に示すレーザー発振ユニット１０−Ａと異なっている。

増幅器５２は、具体的には、レーザー発振ユニット１０−Ａの後段にＴｉ：サファイア結晶１６とＴｉ：サファイア結晶１６へ入射される励起光のプロファイルを整形してＴｉ：サファイア結晶１６に集光するための励起光整形光学系１８とを設けており、レーザー発振ユニット１０−Ａの励起手段と同様な構成を持つ励起手段である。

また、図７に示すレーザー発振ユニット６０は、図５に示すレーザー発振ユニット１０−Ａの後段に、レーザー発振ユニット１０−Ａからのレーザー出力である波長Ａのレーザー光を増幅するための増幅器６２を備える点において、図５に示すレーザー発振ユニット１０−Ａと異なっている。

このレーザー発振ユニット６０は、増幅度を高めるためにマルチパス増幅で増幅長を長くし、励起による反転分布を有効に増幅出力に変換させた構成例である。

増幅器６２は、具体的には、レーザー発振ユニット１０−Ａの後段にＴｉ：サファイア結晶１６とＴｉ：サファイア結晶１６へ入射される励起光のプロファイルを整形してＴｉ：サファイア結晶１６に集光するための励起光整形光学系１８とマルチパス整形鏡６４とを設けて構成されている。

次に、図８ならびに図９を参照しながら、本発明による複数のレーザー発振ユニットから出射される複数の波長のレーザー光を同軸で多波長レーザー発振装置から出射する手法について説明する。

まず、図８には、レーザー発振ユニット１０−Ａから出射される波長Ａのレーザー光とレーザー発振ユニット１０−Ｂから出射される波長Ｂのレーザー光とを光学手段で合成して同軸で出射する場合の例を示している。

具体的には、波長Ａと波長Ｂとの二波長出力時の波長Ａと波長Ｂとの出力の合成を、光学手段たる偏光結合プリズム７０のｓ偏光入射とｐ偏光入射とによる偏光合成で同軸出力するようにしたものである。

次に、図９は、レーザー発振ユニット１０−Ａから出射される波長Ａのレーザー光とレーザー発振ユニット１０−Ｂから出射される波長Ｂのレーザー光とレーザー発振ユニット１０−Ｃから出射される波長Ｃのレーザー光とレーザー発振ユニット１０−Ｄから出射される波長Ｄのレーザー光とを光学手段で合成して同軸で出射する場合の例を示している。

同一軸で同等の偏波方向を持つ出力が必要な場合には、図９に示すように、光学手段たる回折素子８０、８２、８４の回折によるビーム結合により光路合成すればよい。

また、図９に示す構成によれば、三波長以上の波長のレーザー出力の同軸出力が可能になる。

以上において説明したように、上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置は、特定の第１の波長のレーザー光に関して垂直入射で９９％以上の正反射が行われる体積型回折素子を高反射鏡とし、この高反射鏡と出力結合鏡とによりレーザー共振器を構成して、このレーザー共振器内に広帯域な波長出力が可能なレーザー媒質を配置して第１のレーザー発振ユニットを構成するとともに、特定の第２の波長のレーザー光に関して垂直入射で９９％以上の正反射が行われる体積型回折素子を高反射鏡とし、この高反射鏡と出力結合鏡とによりレーザー共振器を構成して、このレーザー共振器内に広帯域な波長出力が可能なレーザー媒質を配置して第２のレーザー発振ユニットを構成するようにした。

また、上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置は、さらに、第１のレーザー発振ユニットと第２のレーザー発振ユニットとの出力を同軸で出力する光学手段を設けるようにした。

従って、上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置においては、第１のレーザー発振ユニットと第２のレーザー発振ユニットとの二つの波長のレーザー光の出力タイミングを検出器（公知の検出器を用いることができる。）で弁別できる範囲でずらして同軸で出力し、二波長光源とすることできる。

これにより、従来の波長可変レーザー装置１００などと比較すると、全体の光学系を簡便で小さくすることができ、また、精密な波長同調機構を排することができる。

なお、複数波長を同一光路で出射する用途では、予め出射すべき波長が決まっていることが多い。

例えば、水蒸気をモニタリングするための差分吸収型レーザーレーダーの光源として上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置を用いる場合には、大気の水蒸気の吸収の強い第１の波長（オン波長）と、大気の水蒸気の吸収が弱く他の大気構成物質の吸収の影響が小さい第２の波長（オフ波長）とを予め定め、これらの波長が発生できるように上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置の波長を同調させておけばよい。

即ち、出射のたびに波長同調を行う光源でなくとも、上記した実施の形態による多波長レーザー発振装置のように、小型の波長が定まった光源たるレーザー発振ユニットからレーザー光を複数同軸に出射することで、予め出射すべき波長が決まっている光源とすることができる。

また、差分吸収型レーザーレーダーにおける、オン波長とオフ波長とが、周波数スケールで１−５ＧＨｚレベルと近接している場合には、同じ設計の体積型回折素子を精密温調し、それぞれ異なる温度に設定することで第１の波長としてのオン波長と第２の波長としてのオフ波長とを得ることができる。

上記したように、本発明による多波長レーザー発振装置は、図１に示す従来の波長可変レーザー装置１００が二波長のレーザー光を交互に出力することで二波長光源を実現したのに対し、レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて複数ユニット設けるようにして、複数の波長のレーザー光を同軸または非同軸で同時または交互に出力する多波長光源を実現できる。

従って、本発明による多波長レーザー発振装置によれば、従来の技術と比較すると、大型かつ複雑な光路構成を設定することなく、高出力のレーザー出力を得ることができるようになる。

このように本発明による多波長レーザー発振装置においては、波長毎にコンパクトな光源をユニット化することができ、冗長性の高い複数波長出力可能なレーザー発振装置を構成することができる。

また、本発明による多波長レーザー発振装置は、その構成に複雑で不安定な機械的同調機構を含まないので、安定した波長出力が可能となる。

なお、上記した各実施の形態においては、レーザー媒質としてＴｉ：サファイア結晶を用いた場合について説明したが、レーザー媒質はこれに限られるものではなく、例えば、アレキサンドライトやＣｒ：フォルステライトなどような他の波長可変なレーザー媒質を用いてもよいが、レーザー利得の利得帯域が１ｎｍ以上の広いレーザー媒質であることが好ましい。

本発明は、差分吸収型レーザーレーダーの光源や、特開２０１０−４２１５８に開示された光超音波断層画像化装置の光源として利用することができるものである。

なお、上記した光超音波断層画像化装置の光源として利用する場合には、生体組織等の特定物質を吸収する第１の波長と生体組織等の特定物質を吸収しない第２の波長とを設定することにより、本発明による多波長レーザー発振装置および多波長レーザー発振方法を利用することができるものである。

１０、１０−Ａ、１０−Ｂ、１０−Ｃ、１０−Ｄ、５０、６０ レーザー発振ユニット
１２ 体積型回折素子
１２Ａ 波長Ａ用体積型回折素子
１２Ｂ 波長Ｂ用体積型回折素子
１４ 出力結合鏡
１６ Ｔｉ：サファイア結晶
１８ 励起光整形光学系
２０、３０、４０ 多波長レーザー発振装置
４２−Ａ、４２−Ｂ ヒートシンク
５２、６２ 増幅器
６４ マルチパス整形鏡
７０ 偏光プリズム
８０、８２、８４ 回折素子
１００ 波長可変レーザー装置
１０２ 高反射鏡
１０４ 出力結合鏡
１０６、１０８ Ｔｉ：サファイア結晶
１１０ 光路形成鏡
１１２ 複屈折フィルター
１１４ エタロン
１１６ 複屈折フィルター回転機構
１１８ エタロン傾斜調整機構

Claims (9)

1. 複数の波長のレーザー光を出力する多波長レーザー発振装置において、
   レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを構成し、
   レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて前記レーザー発振ユニットを複数設けるようにした
   ことを特徴とする多波長レーザー発振装置。
2. 請求項１に記載の多波長レーザー発振装置において、
   前記レーザー発振ユニットは、
   垂直入射で特定波長でのみ高回折効率が得られる体積型回折素子を用いてレーザー共振器を構成し、
   レーザー媒質のレーザー利得の利得帯域が１ｎｍ以上である
   ことを特徴とする多波長レーザー発振装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、
   前記レーザー発振ユニットは、励起光がレーザー媒質のレーザー発振軸と同軸に集光される
   ことを特徴とする多波長レーザー発振装置。
4. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、
   前記レーザー発振ユニットは、励起光がレーザー媒質のレーザー発振軸と異なる方向から集光される
   ことを特徴とする多波長レーザー発振装置。
5. 請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、
   前記レーザー発振ユニットは、
   前記体積型回折素子を設置するヒートシンクを有し、
   前記ヒートシンクにより前記体積型回折素子を温調して回折波長をシフトさせて波長同調を行う
   ことを特徴とする多波長レーザー発振装置。
6. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、さらに、
   前記レーザー発振ユニットの後段に設けられ、前記レーザー発振ユニットのレーザー出力を増幅する増幅器と
   を有することを特徴とする多波長レーザー発振装置。
7. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、さらに、
   前記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれのレーザー出力を同軸上へ合成する偏光結合プリズムと
   を有することを特徴とする多波長レーザー発振装置。
8. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の多波長レーザー発振装置において、さらに、
   前記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれのレーザー出力を同軸上へ合成する回折素子と
   を有することを特徴とする多波長レーザー発振装置。
9. 複数の波長のレーザー光を出力する多波長レーザー発振方法において、
   レーザー出力するレーザー光の波長毎に独立してユニット化されたレーザー発振装置たるレーザー発振ユニットを、レーザー出力として得たいレーザー光の波長にあわせて複数設け、前記複数のレーザー発振ユニットのそれぞれからレーザー光をレーザー出力する
   ことを特徴とする多波長レーザー発振方法。

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