JP2000077764A - 色素レーザ増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 色素レーザ装置において、色素溶液の流路の
熱による出力レーザ光の波面歪みを低減する。 【解決手段】 この発明の色素レーザ増幅器１２は、色
素フローセル３１内の被励起領域ＯＳＣの色素溶液流路
３２が、色素溶液が流入される流入端３２ｉｎの面積に
比較して色素溶液が排出される排出端３２ｏｕｔの面積
が狭い縮流テーパ状に形成されている。また、流入端と
フローセルの端部との間には、流路内に流入する色素溶
液の流速を連続的に高めるためのノズル部３３が、排出
端とフローセルの端部との間には、流路から色素溶液循
環装置に向けて排出される色素溶液の流速を連続的に低
下させるためのデフューザ部３４が、形成されている。
これにより、流路の壁面近傍において色素溶液の流速が
低下されて熱レンズ効果が生じることにより生じる出力
レーザ光の波面歪みが低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、色素溶液をレー
ザ媒質としてレーザ光を増幅する色素レーザ増幅装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すように、色素レーザ発振器１
０１と、この色素レーザ発振器１０１からの色素レーザ
出力光１０２を増幅する色素レーザ増幅器１０３とを有
する色素レーザ増幅装置１００が知られている。なお、
図８に示した色素レーザ増幅装置では、レーザ発振器１
０１とレーザ増幅器１０３は、銅蒸気励起レーザ装置１
０５からの励起レーザ光１０６、１０８により励起され
る。なお、レーザ増幅器１０３からの色素レーザ出力光
は符号１０２ａであらわしている。

【０００３】上述した色素レーザ増幅装置の色素レーザ
発振器１０１は、励起レーザ装置１０５からの励起レー
ザ光１０４の一部１０６により片側から励起される。ま
た、色素レーザ増幅器１０３は、残りの励起レーザ出力
１０７をさらに２分割した励起レーザ光１０８および１
０９により両側から励起される。

【０００４】レーザ発振器１０１および増幅器１０３に
は、それぞれに設けられている色素溶液循環装置１１０
および１１１により、色素溶液１１２および１１３ｉｎ
が供給される。なお、増幅器１０３に供給された色素溶
液は、１１３ｏｕｔとして、色素溶液循環装置１１１に
戻される。

【０００５】図９は、図８に示した横励起方式色素レー
ザ増幅器１０３の被励起領域（図１０を用いて以下に説
明するフローセル内）を座標系で示した概略図である。

【０００６】図９に示されるように、レーザ媒質である
色素溶液が流れる方向１１３ｉｎから１１３ｏｕｔをｙ
軸方向とするとき、励起レーザ光１０８，１０９は、ｙ
軸に直行するｘ軸方向から入射され、発振器１０１から
の色素レーザ光１０２がそれぞれの軸と直交するｚ軸方
向から入力される。

【０００７】色素レーザ光１０２は、レーザ増幅器１０
３で増幅され、ｚ軸方向に、色素レーザ光出力１０２ａ
として出力される。なお、図９において、色素溶液の流
れ（ｙ軸方向）、励起レーザ光１０８，１０９および色
素レーザ光１０２のそれぞれが重なる部分は、通常、被
励起領域または発振領域１１４と呼ばれている。

【０００８】図１０は、図９に示した被励起領域すなわ
ち図８に示した色素レーザ増幅器の色素フローセルの構
成を説明する図である。

【０００９】図１０に示すように、ガラス製のフローセ
ル１１５には、断面形状が矩形の中空の流路１１６が設
けられ、流路１１６内に色素溶液が導入される。なお、
図１０に示す例においては、流路１１６の形状は直線状
としている。

【００１０】ところで、上述した色素レーザ増幅器にお
いては、通常、色素溶液の循環流量は、図中に斜線で示
した被励起領域１１４を通過する色素溶液が励起レーザ
光の励起パルスが入射するごとに完全に入れ替わるよう
に設定される。このことは、励起エネルギーの一部が熱
に変わることによって色素溶液中に形成される屈折率分
布（すなわち熱レンズ効果）を、次の励起パルスが入力
されるまでの間に除去し、波面歪みの少ない高品質な色
素レーザ光を発生させるために有益である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般
に、被励起領域の流路１１６の壁面近傍では、摩擦抵抗
により中心部よりも流速が低下することが知られてい
る。

【００１２】このため、被励起領域１１４を通過する色
素溶液の流速を、次の励起パルスが入力されるまでの間
に完全に色素溶液が入れ替わるように設定したとして
も、流路１１６の壁面近傍の流速が中心部を通過する色
素溶液の流速より低下し、結果的に、流路１１６の壁面
近傍で増幅される色素レーザ光に、励起レーザ光による
熱により屈折率分布が蓄積されて、波面歪みが生じる問
題がある。

【００１３】この発明の目的は、色素レーザ増幅装置の
色素フローセル内を流れる色素溶液に励起レーザ光から
の熱による屈折率分布が生じて出力レーザ光の波面歪み
が生じることを抑制し、伝送特性に優れた出力レーザ光
を発生可能な色素レーザ増幅装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、上述した問
題点に基づきなされたもので、レーザ媒質としての色素
溶液の流路を形成する色素フローセルおよびこれを保持
する保持機構と、上記フローセル中の色素媒質を励起す
るために励起レーザ光を導入する励起用光学手段および
励起レーザ光により励起された色素媒質領域内に色素レ
ーザ光を入射する色素レーザ光導入光学手段を有し、上
記色素レーザ光の強度を増幅する横励起方式色素レーザ
増幅装置において、上記色素フローセルの流路形状は、
被励起領域に色素溶液が流入する側に比較して被励起領
域から色素溶液が排出される側が狭く形成されたテーパ
状であることを特徴とする色素レーザ増幅装置である。

【００１５】この発明では、色素レーザ増幅器のフロー
セル内の色素溶液の流路の形状を工夫して流路端面部に
おける溶液流速の低下を抑制することにより、レーザ光
の波面歪みを低減することができる。

【００１６】フローセル内において、被励起領域を含む
色素溶液の流路は、色素溶液の流れる方向に縮流形状に
形成されている。これにより、流路の壁面の摩擦抵抗に
起因する流路壁面近傍の色素溶液の流速が低下すること
が防止される。

【００１７】なお、縮流テーパを、励起レーザ光光軸と
色素溶液の流れ方向とにより規定される面にのみ形成す
ることにより色素レーザ光の品質が劣化することが防止
される。

【００１８】また、縮流テーパの角度を所定の範囲内と
することで、色素レーザ光の増幅効率が低下することを
防止できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を詳細に説明する。図１は、１段の色素レ
ーザ増幅器を有する色素レーザ装置の一例を示す概略図
である。図１に示されるように、色素レーザ装置１は、
色素レーザ光を発振する色素レーザ発振器１１と、レー
ザ発振器１１からの色素レーザ出力光Ｌを増幅する色素
レーザ増幅器１２とを有する。なお、レーザ発振器１１
から出力される色素レーザ光Ｌの断面形状は、例えば矩
形に設定される。

【００２０】レーザ発振器１１とレーザ増幅器１２は、
励起レーザ装置１３で発振された励起レーザ光Ｌｐによ
り励起される。なお、励起レーザ装置１３からの励起レ
ーザ光Ｌｐは、励起レーザ光分離ミラー１４によりレー
ザ発振器１１とレーザ増幅器１２のそれぞれに向けて分
離される。また、レーザ増幅器１２に対しては、励起レ
ーザ光Ｌｐを分離ミラー１４によりさらに分離した２つ
の励起レーザ光Ｌｐａ，Ｌｐｂが、以下に説明するフロ
ーセルの側方から照射される。

【００２１】レーザ発振器１１およびレーザ増幅器１２
には、それぞれに設けられている色素溶液循環装置１５
および１６により、色素溶液が循環される。なお、レー
ザ増幅器１２からの色素レーザ出力光は符号Ｌａであら
わしている。

【００２２】図２は、図１に示した色素レーザ増幅装置
１のレーザ増幅器１２のフローセル内の被励起領域を座
標系で示した概略図である。図２に示されるように、レ
ーザ媒質である色素溶液が流れる方向をｙ軸方向とする
とき、励起レーザ光Ｌｐａ，Ｌｐｂは、ｙ軸に直行する
ｘ軸方向から入射され、レーザ発振器１１からの色素レ
ーザ光Ｌは、それぞれの軸と直交するｚ軸方向から入力
される。

【００２３】色素レーザ光Ｌは、レーザ増幅器１２で増
幅され、ｚ軸方向に、色素レーザ光として出力される。
なお、図２において、色素溶液の流れ（ｙ軸方向）、励
起レーザ光Ｌｐａ，Ｌｐｂおよび色素レーザ光Ｌのそれ
ぞれが重なる部分は、通常、被励起領域又は発振領域Ｏ
ＳＣと呼ばれている。

【００２４】図３は、図１に示した色素レーザ増幅器１
２のフローセルの断面を示す概略図である。なお、図３
において、斜線を施した部分は、図２を用いて説明した
被励起領域ＯＳＣに対応するものである。また、座標軸
は、図２に示した例と同一である。

【００２５】図３に示されるように、フローセル３１
は、色素溶液が被励起領域を所定流速で通過可能に形成
された流路３２を有している。なお、フローセル３１の
流路３２は、色素溶液は概ね直線状に流れることのでき
る形状に形成される。

【００２６】流路３２は、ｘ−ｙ断面において、色素溶
液が流入される側すなわち流入端３２ｉｎの面積に比較
して色素溶液が排出される側すなわち排出端３２ｏｕｔ
の面積が狭くなるよう形成されたテーパ状に形成されて
いる。また、流路３２の流入端３２ｉｎとフローセル３
１の端部との間には、流路３２内に流入する色素溶液の
流速を連続的に高めるためのノズル部３３が、流路３２
の排出端３２ｏｕｔとフローセル３１の端部との間に
は、流路３２から色素溶液循環装置１６に向けて排出さ
れる色素溶液の流速を連続的に低下させるためのデフュ
ーザ部３４が、それぞれ、形成されている。なお、図３
においては、Ａ方向側面では、ノズル部３３と流路３２
が見え、Ｂ方向側面では、デフューザ部３４が見える。

【００２７】流路３２におけるテーパの大きさは、図４
に示すように、中心から一方の壁面に対して角度θであ
り、全体で２θとなる。また、上流すなわち流入端３２
ｉｎから下流すなわち排出端３２ｏｕｔに向かって縮流
となるテーパである。なお、ノズル部３３と被励起領域
流入端３２ｉｎ、および被励起領域排出端３２ｏｕｔと
デフューザ部３４の境界部分は、それぞれ、曲面加工等
により摩擦抵抗が所定値以下となるよう、滑らかに形成
されている。

【００２８】図５は、上述したフローセル内の発振部に
おける流速分布を説明する概略図である。図５に示され
るように、上流から下流に向けて縮流テーパに形成され
ている流路３２においては、流路３２の壁面における流
速ベクトルの合流があるため壁面の流速を増加させるこ
とができる。

【００２９】このテーパにより増加される流速は、図１
０に示した従来の構成における流路の壁面による摩擦抵
抗に起因する流速の低下を相殺することができ、結果的
にフローセル内の流速分布を均一化することができる。

【００３０】ところで、テーパの角度θが大きいほど壁
面の流速を増加する効果が大きくなるが、色素レーザ光
Ｌの断面形状が矩形であるから色素レーザ光との空間的
な整合性が悪くなり、増幅効率が低下するため、テーパ
の角度θは、所定の範囲、例えば３°ないし５°に設定
される。

【００３１】詳細には、図５に示すように、色素レーザ
光Ｌの断面において、流路方向の寸法をＤ（壁面と接す
る位置を基準とする）、励起レーザ光の幅方向の寸法を
Ｈとすると、発振部内における励起領域面積Ｓ１は、 Ｓ１＝Ｈ×（Ｄ＋Ｈ×ｔａｎθ） であり、流路３２を通過する色素レーザ光Ｌの断面積Ｓ
２は、 Ｓ２＝Ｈ×Ｄ であるから、双方の比をＥ（＝Ｓ２／Ｓ）とすると、 Ｅ＝１／｛１＋（Ｈ／Ｄ）×ｔａｎθ｝ となる。

【００３２】なお、Ｅは、励起領域と増幅される色素レ
ーザ光Ｌとの重なりを示すことから、発振部における増
幅効率は、Ｅに比例すると考えられる。

【００３３】従って、テーパの角度θが大きくなるにつ
れてＥが小さくなり、増幅効率が低下されることがわか
る。

【００３４】次に、テーパの角度θについて説明する。

【００３５】上述したように、発振部における励起領域
面積Ｓ１と流路３２を横切る色素レーザ光Ｌの断面積Ｓ
２との比であるＥの値は、テーパ角度θに比例すること
から、例えば、Ｈ＝１ｍｍ，Ｄ＝２ｍｍの条件下で、θ
を２°とすれば、０．９８３、θを４°とすれば、０．
９６６となる。同様に、Ｈ＝１ｍｍ，Ｄ＝２ｍｍの条件
下で、θを６°とすれば、０．９４７となる。また、同
様に、θを８°とすれば、０．９３０、θを１０°とす
れば、０．９１９となる。

【００３６】なお、確認試験の結果、Ｅ＝０．９８３
（θ＝２°）では、発振部の流路の壁面による速度の減
少が見られ、Ｅ＝０．９１９（θ＝１０°）では、増幅
効率の低下が認められている。

【００３７】従って、Ｅの値としては、好ましくは、 ０．９３０ ＜ Ｅ ＜ ０．９６６ が特定できる。

【００３８】これにより、テーパの角度θとしては、
２° ＜ θ ＜ ８°、より好ましくは、３° ＜
θ ＜ ５°に設定すれば、増幅効率が低下せず、しか
も流路の壁面の摩擦抵抗により色素溶液の流速が低下す
ることに起因して波面歪みが生じることが防止できる。

【００３９】図６は、図３に示したフローセルの色素溶
液の流路の別の実施の形態を示す概略図である。図６
は、フローセル４１の色素溶液流路４２のｘ−ｙ断面を
示すもので、流路４２の入力側すなわちノズル部には、
筒状の基本ユニットが複数並列に配列され、その開口の
方向が色素溶液の流れる方向に向けられているハニカム
構造の整流機構４３ａが設けられている。

【００４０】整流機構４３ａは、Ａ方向側面から見た場
合には、ノズル部４３を所定の大きさの断面積に分割す
る。この整流機構４３ａによれば、流路４２に流入され
る色素溶液のベクトルの方向が均質化される。なお、Ｂ
方向側面においても、整流機構４３ａによりノズル部４
３の断面方向が複数に分割されている状態が見える。

【００４１】図７は、図６に示したフローセルの色素溶
液の流路の変形例を示す概略図である。図７は、フロー
セル５１の色素溶液流路５２のｘ−ｙ断面を示すもの
で、流路５２の入力側すなわちノズル部５３には、断面
が所定の大きさの複数の小領域に区分された整流格子
（メッシュ）５３ａが設けられている。整流格子５３ａ
は、流路５２に向かう色素溶液のベクトルの大きさを均
一化するもので、従って、流路５２に案内される色素溶
液の流速が安定化される。

【００４２】以上説明したように、この発明によれば、
色素レーザ増幅器のフローセル内の色素溶液の流路は、
色素溶液が流入される側すなわち被励起領域流入端３２
ｉｎの面積に比較して色素溶液が排出される側すなわち
被励起領域排出端３２ｏｕｔの面積が狭くなるよう形成
されたテーパ状（縮流テーパ）に形成されているので、
流路の壁面近傍における色素溶液の流速の低下が抑制さ
れ、熱レンズ効果が生じることによる波面歪みが低減さ
れる。

【００４３】なお、上述した実施の形態においては、ノ
ズル部、テーパ部（流路）およびデフューザ部のそれぞ
れの形状は、励起レーザ光の光軸と色素溶液の流れ方向
とにより定義される例を示したが、色素レーザ光の光軸
と色素溶液の流れ方向とにより定義される方向について
も、同様な流路形状としてもよい。

【００４４】

【発明の効果】この発明によれば、色素フローセル内の
被励起領域への色素溶液の流路は、色素溶液が流入され
る側に比較して色素溶液が排出される側が狭くなるよう
形成された縮流テーパ状に形成されているので、色素溶
液の流路の壁面近傍における色素溶液の流速の低下が抑
制され、熱レンズ効果により生じるレーザ光の波面歪み
が低減される。

【００４５】また、テーパの角度を最適に設定すること
により、色素レーザ光の増幅効率が不所望に低下される
こともない。これにより、波面歪みの少ない高品質の色
素レーザ増幅光が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態が適用される色素レーザ
装置を示す概略図。

【図２】図１に示した色素レーザ装置のフローセル内の
発振部（増幅領域）を示す概略図。

【図３】図１に示した色素レーザ装置のフローセルの特
徴を説明する概略図。

【図４】図３に示したフローセル内の流速分布を説明す
る概略図。

【図５】図３に示したフローセル内の縮流テーパの条件
を説明する概略図。

【図６】図３に示したフローセルの別の実施の形態を説
明する概略図。

【図７】図６に示したフローセルの変形例を説明する概
略図。

【図８】周知の色素レーザ装置の一例を示す概略図。

【図９】周知の色素レーザ装置のフローセルにおける発
振部（増幅領域）を説明する概略図。

【図１０】周知の色素レーザ装置のフローセルの特徴を
説明する概略図。

【符号の説明】

１ ・・・色素レーザ装置、 １１ ・・・色素レーザ発振器、 １２ ・・・色素レーザ増幅器、 １３ ・・・励起レーザ装置、 １４ ・・・励起レーザ光分離ミラー、 １５ ・・・色素溶液循環装置、 １６ ・・・色素溶液循環装置、 ３１ ・・・フローセル、 ３２ ・・・色素溶液流路、 ＯＳＣ・・・被励起領域、 ３３ ・・・ノズル部、 ３４ ・・・デフューザ部、 ４２ａ・・・整流機構、 ５２ａ・・・整流素子。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 色素レーザ媒質の流路を形成する色素フ
   ローセル、上記色素フローセル内被励起領域中の上記色
   素レーザ媒質を励起するために励起レーザ光を導入する
   励起用光学手段、および前記励起レーザ光により励起さ
   れる被励起領域の色素レーザ媒質に色素レーザ光を入射
   する色素レーザ光導入光学手段を備え、上記色素レーザ
   光の強度を増幅する横励起方式色素レーザ増幅装置にお
   いて、 上記色素フローセルの流路形状は、上記被励起領域に色
   素レーザ媒質が流入する側に比較して前記被励起領域か
   ら色素溶液が排出される側が狭く形成されたテーパ状で
   あることを特徴とする色素レーザ増幅装置。
2. 【請求項２】 前記被励起領域のテーパ形状は、励起レ
   ーザ光の光軸と色素溶液が流れる方向とにより定義され
   る断面内のみに形成されることを特徴とする請求項１に
   記載の色素レーザ増幅装置。
3. 【請求項３】 上記色素レーザ光のビーム断面形状は、
   矩形であることを特徴とする請求項１または２のいづれ
   かに記載の色素レーザ増幅装置。
4. 【請求項４】 上記色素レーザ光の断面領域と前記被励
   起領域の流路の断面領域の比率は、９５％以上であるこ
   とを特徴とする請求項１ないし３のいづれかに記載の色
   素レーザ増幅装置。
5. 【請求項５】 前記被励起領域のテーパ状の流路の前段
   にノズル流路が設けられ、その後段に、デフューザ流路
   が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４の
   いづれかに記載の色素レーザ増幅装置。
6. 【請求項６】 上記ノズル流路と前記被励起領域のテー
   パ状の流路との境界部、および前記被励起領域のテーパ
   状の流路と上記デフューザ流路との境界部は、それぞ
   れ、曲面形状によって接続されていることを特徴とする
   請求項１ないし５のいづれかに記載の色素レーザ増幅装
   置。
7. 【請求項７】 上記ノズル流路の入口部には、整流装置
   が設けれらていることを特徴とする請求項１ないし６の
   いづれかに記載の色素レーザ増幅装置。
8. 【請求項８】 上記デフューザ部には、整流装置が設け
   れらていることを特徴とする請求項１ないし６のいづれ
   かに記載の色素レーザ増幅装置。