JP2003115627A

JP2003115627A - レーザー増幅装置

Info

Publication number: JP2003115627A
Application number: JP2001309946A
Authority: JP
Inventors: Susumu Miki; 晋三木; Junichi Mizui; 順一水井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】光質の劣化を抑制すること。【解決手段】励起により熱歪みが空間的に非対称に生じ
る増幅媒体１と、増幅媒体１を往路で透過する光ビーム
を空間的に反転する反転光学系とを含み、反転光学系に
より反転した光ビームは増幅媒体１を復路で透過する。
空間反転した光ビームが往復路で増幅媒体１を通過し
て、増幅はビーム全体で均質化される。反転光学系は、
１次元的又は２次元的に形成される。増幅の均質化に基
づくレンズ効果は、矯正レンズで矯正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー増幅装置
に関し、特に、熱歪みが非対称に現れる増幅媒体を持つ
レーザー増幅装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】加工用光源、露光用光源のような光源と
して用いられるレーザー光源は、ビーム品質を劣化させ
ることなくその大出力化が求められている。そのような
大出力化の技術として、図９に示されるように、小出力
種光レーザーをレーザ媒体に通過させることにより、光
強度を増幅させるレーザ増幅器が知られている。このよ
うな増幅器の中に蓄積された利得を有効にレーザ光増幅
に用いて、その光強度を効果的に増幅するためには、レ
ーザを１回のみ通過させだけでなく、増幅器の中を２
回、更には、３回以上通過させることが有効である場合
がある。増幅器を３回以上通過させることは、レーザの
伝送光学系の配置を制限し、安定性を低下させることが
考えられるため、一般的には往復の２回通過で増幅器か
ら効果的にエネルギーを引き出すことができるような設
計が行われる。レーザを増幅器の中で往復させる場合で
は、小強度レーザー１０１は、増幅器の増幅媒質１０２
を透過して増幅媒質１０２から第１回目増幅レーザー１
０３として出力し、第１回目増幅レーザー１０３は反射
ミラー１０４で反射して、再度に増幅媒質１０２を透過
して増幅媒質１０２から第２回目増幅レーザー１０５と
して出力する。増幅媒質１０２は、一様に励起され冷却
されて、媒質内に局所的温度分布が発生して、これによ
る媒質内の屈折率分布又は応力分布が原因になって、局
所的に熱歪みが大きい領域１０６が存在している。領域
１０６の熱歪みは、熱歪みレンズ効果と増幅率不均一効
果により、出力レーザー１０５の光質を劣化させる。図
９に示されるように、レーザをミラーで反射させて折り
返す場合には、レーザは往路で、更に復路で、ビームの
同じ場所が熱歪みの空間１０６を通過するため、その熱
歪みの影響は積算され、レーザ光質の劣化は増幅され
る。往路と復路が重なり合わない場合には、図１０に示
されるように、反射ミラーは２つ１０４−１，１０４−
２が用いられる。このような場合には、熱歪み領域とし
て第１熱歪み領域１０６−１と第２熱歪み領域１０６−
２が光軸対称に形成され、既述の劣化は修正されない。

【０００３】光質の劣化を抑制することが求められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、光質
の劣化を抑制することができるレーザー増幅装置を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【０００６】本発明によるレーザー増幅装置は、光励起
されるレーザ増幅媒体（１）と、レーザ増幅媒体（１）
を往路で透過する光ビームを空間的に反転する反転光学
系とを含み、反転光学系により反転した光ビームはレー
ザ増幅媒体（１）を復路で透過する。その際に空間反転
した光ビームは、往路と復路でレーザ増幅媒体の異なる
空間部分を通過するため、レーザ媒質中の熱歪みの影響
が平均化され、レーザビーム品質の劣化を緩和すること
ができる。

【０００７】反転光学系は反射面角度が互いに異なる２
枚１組の組ミラー（４）を備え、反転光学系は１次元的
反転作用を有する。このような反転光学系は、簡素に形
成され得る。反転光学系は１つの反射面と２つの屈折面
を備えるプリズムが２つ組み合わされた組プリズム（２
２−１，２）を備え、反転光学系は２次元的反転作用を
有する。このような反転光学系は、簡素に形成され得
る。

【０００８】既述のように熱歪みの影響を緩和させる場
合、熱歪みのレンズ効果により、ビームの収束性が残る
ことがある。このような場合、収束性を矯正する矯正レ
ンズが追加される。矯正レンズは、１次元的には、シリ
ンドリカルレンズ（１５）であり、２次元的には球面レ
ンズ（１５）である。反転光学系がレンズを備えている
場合、ブレークダウンを防止するために、そのレンズの
焦点領域は真空化されることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】図に対応して、本発明によるレー
ザー増幅装置の実施の形態は、光軸対称反転光学系が増
幅媒質体とともに設けられている。図１に示されるよう
に、増幅媒体１の光軸に平行であるビーム軸心線を持つ
入射レーザー２は、増幅媒質体１に入射する。

【００１０】入射レーザー２は、増幅媒質体１の中で増
幅されながら増幅媒質体１を透過して第１出力レーザー
３として増幅媒質体１から出力する。入射レーザー２の
光軸は、増幅媒質体１の光軸に一致していない。

【００１１】増幅媒質体１の光軸上に、１次元反転光学
系として、光軸対称ミラー４が配置されて設けられてい
る。光軸対称ミラー４として、第１光軸対称ミラー４−
１と第２光軸対称ミラー４−２とから形成されている。
光軸対称ミラー４−１の反射面は増幅媒質体１の光軸に
直交し、第２光軸対称ミラー４−２の反射面は増幅媒質
体１の光軸に直交している。且つ、第１光軸対称ミラー
４−１の反射面は、第２光軸対称ミラー４−２の反射面
に直交している。

【００１２】第１出力レーザー３の任意のビーム部分
は、第１光軸対称ミラー４−１の反射面で概ね９０度の
光路変換を受け、更に、第２光軸対称ミラー４−２の反
射面で再度に概ね９０度の光路変換を受けて、再度に増
幅媒質体１に入射する。入射レーザー２は、光軸対称ミ
ラー４で概ね１８０度の光路変換を受けて、増幅媒質体
１から出射（出力）レーザー５として出力する。出射レ
ーザー５は、増幅媒質体１の光軸を含む基準対称面Ｓに
関して入射レーザー２に対して鏡面対称である。出射レ
ーザー５は、このような鏡面対称変換を受けて、空間的
に１次元的に反転している。

【００１３】図１に例示される熱歪み領域７は、増幅媒
質体１の中で既述の基準対称面から一方側に偏って分布
している。熱歪み領域７を通過する入射レーザー２のビ
ーム部分は、再度に増幅媒質体１を通過する際には、基
準対称面Ｓに関して熱歪み領域７に対して対称である対
称領域を通過する。その対称領域を通過する入射レーザ
ー２のビーム部分は、再度に増幅媒質体１を通過する際
には、基準対称面Ｓに関してその対称領域に対して対称
である熱歪み領域７を通過する。

【００１４】入射レーザー２の増幅前空間的対称強度分
布８は、図１中に示されているように、対称に形成され
ている。増幅媒質体１を透過した第１出力レーザー３
は、熱歪み領域７の歪みによる影響を受けて、非対称強
度分布９を有している。増幅媒質体１を２回通過した出
射レーザー５は、増幅後空間的対称強度分布１１に示さ
れるようにその対称性を取り戻している。増幅媒質体１
を通過する際に、熱歪み領域７の存在による光質の劣化
が修復され、出射レーザー５は全体的に均質な光質を持
って出力している。

【００１５】図２は、本発明によるレーザー増幅装置の
実施の他の形態を示している。実施の本形態では、往復
するレーザービームは、その往路と復路とが完全に重な
らず、又は、その往路と復路とが完全には重ならない。
その往路は、基準対称面Ｓに関してその復路に対して鏡
面対称に形成されている。増幅媒質体１には、第１熱歪
み領域７−１と第２熱歪み領域７−２が形成されてい
る。第１熱歪み領域７−１は、基準対称面Ｓに関して第
２熱歪み領域７−２に対して鏡面対称に形成されてい
る。

【００１６】実施の本形態では、非対称光軸ミラー１２
が用いられている。非対称光軸ミラー１２は、第１非対
称光軸ミラー１２−１と、第２非対称光軸ミラー１２−
２と、第３非対称光軸ミラー１２−３とから構成されて
いる。第１非対称光軸ミラー１２−１の反射面は、往路
光軸１３に対して概ね４５度の角度で交叉している。第
２非対称光軸ミラー１２−２の反射面は、第１非対称光
軸ミラー１２−１の反射面に概ね平行である。第３非対
称光軸ミラー１２−３の反射面は、第２非対称光軸ミラ
ー１２−２の反射面に概ね４５度の角度で交叉してい
る。非対称光軸ミラー１２−１，２，３のそれぞれの互
いの角度が適正に選択されて、出射レーザー５と第１出
力レーザー３の間の角度が１８０度に設計され得る。

【００１７】往路の入射レーザー２の光軸１３は、基準
対称面Ｓに関して復路の出射レーザー５の光軸１４に対
して対称である。入射レーザー２のうちの第１熱歪み領
域７−１を通過するビーム部分は第２熱歪み領域７−２
を通過せず、入射レーザー２ののうちの第１熱歪み領域
７−１を通過しないビームは第２熱歪み領域７−２を通
過する。入射レーザー２のビームのうちの大部分は、往
復路で第１熱歪み領域７−１又は第２熱歪み領域７−２
を１回だけ通過する。このような通過は、出射レーザー
５の光質の劣化を有効に抑制し、入射レーザー２の増幅
前空間的対称強度分布８は、増幅的に再分布され、１回
増幅の後の第１出力レーザー３の増幅後非対称分布９は
非対称性を示すが、２回増幅後の出射レーザー５の増幅
後空間的対称強度分布１１は対称性を示している。

【００１８】図３は、本発明によるレーザー増幅装置の
実施の更に他の形態を示している。実施の本形態は、シ
リンドリカルレンズ１５が追加されている点で、実施の
既述の図１の形態と異なっている。実施の既述の形態
は、反射ミラーにより鏡面対称にビームを反転してい
る。このような１次元的反転は、１次元方向にビームの
均質性を補正していて、出射レーザー５はその１次元方
向に熱歪み領域によりレンズ効果を受けている。そのよ
うなレンズ効果は、１次元方向にレンズ効果を有するシ
リンドリカルレンズ１５により矯正されて相殺される。
熱歪みによるレンズ効果は凸レンズ効果であるので、シ
リンドリカルレンズ１５は凹レンズであることが好まし
い。

【００１９】図４は、本発明によるレーザー増幅装置の
実施の更に他の形態を示している。実施の本形態は、シ
リンドリカルレンズ１５が追加されている点で、実施の
既述の図２の形態と異なっている。実施の既述の形態
は、反射ミラーにより鏡面対称にビームを反転してい
る。このような１次元的反転は、１次元方向にビームの
均質性を補正していて、出射レーザー５はその１次元方
向に熱歪み領域によりレンズ効果を受けている。そのよ
うなレンズ効果は、１次元方向にレンズ効果を有するシ
リンドリカルレンズ１５により矯正されて相殺される。
熱歪みによるレンズ効果は凸レンズ効果であるので、シ
リンドリカルレンズ１５は凹レンズであることが好まし
い。

【００２０】図５は、本発明によるレーザー増幅装置の
実施の更に他の形態を示している。実施の本形態の反転
光学系は、２次元光学反転系として与えられている。そ
の２次元光学反転系は、組レンズ１６がビームスプリッ
タと偏光方向変換素子と光路変換ミラーとともに配置さ
れて設けられている。実施の本形態の光学系は、実施の
図１の形態の光学系と同様に、単一の光軸を持つ単一光
軸系である。

【００２１】入射レーザー２は、増幅媒質体１を１回目
に透過した後に、偏光ビームスプリッタ１７に入射し、
直進して偏光ビームスプリッタ１７を通過する。偏光ビ
ームスプリッタ１７を通過した入射レーザー２はλ／２
波長板１８を通過して、第１光路変換ミラー１９−１で
反射して組レンズ１６に向かう。組レンズ１６は、第１
球面レンズ１６−１と第２球面レンズ１６−２とから形
成されている。第１球面レンズ１６−１と第２球面レン
ズ１６−２とは、同一光軸と同一焦点を共有している。
組レンズ１６に入射する光ビームは、空間的に線対称に
反転する。組レンズ１６は、光ビームを２次元的に反転
する。組レンズ１６で２次元的に反転した光ビームは、
第２光路変換ミラー１９−２で反射して偏光ビームスプ
リッタ１７に向かう。第２光路変換ミラー１９−２で反
射した光ビームは、偏光ビームスプリッタ１７で偏光方
向が変換されていて、偏光ビームスプリッタ１７の偏光
面２１で反射して、再度に増幅媒質体１に入射する。

【００２２】第１光路変換ミラー１９−１の反射面と第
２光路変換ミラー１９−２の反射面と偏光面２１の反射
面で３回反射して往路と復路が１８０度の変換を受けて
いて、組レンズ１６がなければ、往路の光ビームと復路
の光ビームの間で、空間的反転関係はない。実施の本形
態で与えられている組レンズ１６は、線対称に（２次元
的に）光ビームを空間的に反転させる。熱歪み領域７
は、基準対称面Ｓで分割される増幅媒質体１の２領域の
一方にのみ存在している。熱歪み領域７を通過する往路
の入射レーザー２の一部分は、組レンズ１６により２次
元的に反転していて復路では熱歪み領域７を通過せず、
熱歪み領域７を通過しない往路の入射レーザー２の他の
一部分は、組レンズ１６により２次元的に反転していて
復路では熱歪み領域７を通過する。実施の本形態では、
図６に示されるように、熱歪み領域７が増幅媒質体１の
中で２次元的に偏寄している場合に、その２次元的偏寄
による光質の２次元的劣化を矯正して修復することがで
きる。実施の本形態の２次元的偏寄のレンズ歪み効果の
ある程度の相殺は、組レンズ１６のレンズ間距離の変
更、組レンズ１６の２つのレンズ光軸の相対的変位、そ
の２つのレンズ光軸の相対的角度の変更によって可能で
ある。このような光学系では、レーザ強度が大きい場
合、レンズ１６−１による集光点でブレークダウンを起
こす可能性がある。そのような場合、その焦点部を真空
にすることにより、ブレークダウンを抑止することが好
ましい。

【００２３】図７は、本発明によるレーザー増幅装置の
更に他の形態を示し、組レンズ１６に代えられて用いら
れ得る組プリズムを示している。その組プリズムは、第
１球面レンズ１６−１に代わる第１台形プリズム２２−
１と第２球面レンズ１６−２に代わる第２台形プリズム
２２−２とから構成されている。第１台形プリズム２２
−１は、第１ブリュースタ角入射面２３−１と第１反射
面２４−１と第１ブリュースタ角出射面２３−２とを有
している。第２台形プリズム２２−２は、第２ブリュー
スタ角入射面２５−１と第２反射面２４−２と第２ブリ
ュースタ角出射面２５−２とを有している。このような
プリズムは、通称としてダブルプリズムと呼ばれてい
る。

【００２４】第１台形プリズム２２−１に光軸上で入射
する光ビームは、第１ブリュースタ角入射面２３−１で
屈折し、第１反射面２４−１で反射し、第１ブリュース
タ角出射面２３−２で出射する。第１反射面２４−１で
反射する光ビームは、ｘ軸方向に空間的に反転する。こ
のように反転した光ビームは、第２ブリュースタ角入射
面２５−１で屈折し、第２反射面２４−２で反射し第２
ブリュースタ角出射面２５−２で出射する。第１反射面
２４−１に対して９０度回転位置にある第２反射面２４
−２で反射する光ビームは、ｘ軸方向に直交するｙ軸方
向に空間的に反転する。第２台形プリズム２２−２から
出射する光ビームは、第１台形プリズム２２−１に入射
する光ビームに対して空間的に２次元的に光軸Ｌに関し
て対称に反転している。

【００２５】図８は、本発明によるレーザー増幅装置の
実施の更に他の形態を示している。実施の本形態は、実
施の既述の図１の形態の光軸対称ミラー４に代えられ
て、レンズ−ミラー組が用いられている。往路の入射レ
ーザー２は、球面レンズ２６に入射して球面レンズ２６
を透過して単一反転用ミラー２７に向かう。単一反転用
ミラー２７で空間的に反転した光円錐ビームは、再度に
球面レンズ２６に入射して球面レンズ２６を透過して復
路のビームになって再度に増幅媒質体１に入射する。単
一反転用ミラー２７の反射面は球面レンズ２６の光軸
（第１出力レーザー３の光軸に一致）に概ね直交してい
ることが好ましく、球面レンズ２６の焦点は単一反転用
ミラー２７の反射面にあることが好ましい。実施の本形
態は、焦点焼けが生じない限り好ましい。

【００２６】増幅媒質体１を少なくとも２回通過する出
力光ビームは、増幅媒質体１の熱歪みによりレンズ効果
を受けている。そのようにレンズ効果を受けたビームの
収束性を矯正するために矯正用レンズを透過させること
は重要である。矯正用レンズとしては、既述の通り、１
次元矯正のためにはシリンドリカルレンズが用いられ、
２次元矯正のためには球面レンズが用いられる。熱歪み
によるレンズ効果は、凸レンズ効果であることが多いの
で、シリンドリカルレンズとしてはシリンドリカル凹レ
ンズが好適に用いられ、球面レンズとしては球面凹レン
ズが好適に用いられる。実施の図５の形態では、第１球
面レンズ１６−１又は第２球面レンズ１６−２の光軸調
整は、矯正効果を不完全に与える。

【００２７】

【発明の効果】本発明によるレーザー増幅装置は、簡素
な光学系である空間反転光学系により光質の劣化を有効
に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の形態を示す光学回路図である。

【図２】図２は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の他の形態を示す光学回路図である。

【図３】図３は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の更に他の形態を示す光学回路図である。

【図４】図４は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の更に他の形態を示す光学回路図である。

【図５】図５は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の更に他の形態を示す光学回路図である。

【図６】図６は、増幅媒質体を示す側面断面図である。

【図７】図７は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の更に他の形態を示す斜軸投影図である。

【図８】図８は、本発明によるレーザー増幅装置の実施
の更に他の形態を示す光学回路図である。

【図９】図９は、公知装置を示す光学回路図である。

【図１０】図１０は、他の公知装置を示す光学回路図で
ある。

【符号の説明】

１…レーザ増幅媒体４…組ミラー１２…ミラー組１５…シリンドリカルレンズ（球面レンズ）１６…レンズ１９…ミラー２２−１…プリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光励起されるレーザ増幅媒体と、前記増幅媒体を往路で透過する光ビームを空間的に反転
する反転光学系とを含み、前記反転光学系により反転した前記光ビームは前記レー
ザ増幅媒体を復路で透過する際に、前記レーザ増幅媒体
の異なる空間を前記光ビームが通過することにより、前
記レーザ増幅媒体中に生じる熱光学歪みに起因するレー
ザビーム品質の劣化を平均化させて緩和させるレーザー
増幅装置。
【請求項２】前記反転光学系は反射面角度が互いに異な
る２枚１組の組ミラーを備え、前記反転光学系は１次元
的反転作用を有する請求項１のレーザー増幅装置。
【請求項３】前記反転光学系は反射面を有する台形プリ
ズムを備え、前記反転光学系は１次元的反転作用を有す
る請求項１のレーザー増幅装置。
【請求項４】前記反転光学系は反射面角度が互いに異な
る２枚１組のミラー組を２組備え、前記反転光学系は２
次元的反転作用を有する請求項１のレーザー増幅装置。
【請求項５】前記反転光学系はミラーとレンズを備え、
前記反転光学系は２次元的反転作用を有する請求項１の
レーザー増幅装置。
【請求項６】前記反転光学系は１つの反射面と２つの屈
折面を備えるプリズムが２つ組み合わされた組プリズム
を備え、前記反転光学系は２次元的反転作用を有する請
求項１のレーザー増幅装置。
【請求項７】収束性を矯正する矯正レンズを備える請求
項２又は３のレーザー増幅装置。
【請求項８】前記矯正レンズは、シリンドリカルレンズ
である請求項７のレーザー増幅装置。
【請求項９】収束性を矯正する矯正レンズを備える請求
項４〜６から選択される１請求項のレーザー増幅装置。
【請求項１０】前記矯正レンズは、球面レンズである請
求項９のレーザー増幅装置。
【請求項１１】前記レーザ増幅媒体は固体である請求項
１〜１０から選択される１請求項のレーザー増幅装置。
【請求項１２】前記反転光学系はレンズを備え、前記レ
ンズの焦点領域が真空化される請求項１のレーザー増幅
装置。