JP2003332665A - パルスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い繰り返し周波数、高い効率、及び高い平
均パワーを実現できるパルスレーザ装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 フロントエンド発振器１１からのパルス
レーザ光を増幅するための増幅部として、ＣＷ励起プリ
アンプ１２と、ＣＷ励起主増幅器１９及び２１とを設け
る。ＣＷ励起プリアンプ１２は、ＣＷ励起主増幅器１９
及び２１において飽和増幅レベルの増幅が可能となるよ
う、フロントエンド発振器からのパルスレーザ光を増幅
する。ＣＷ励起主増幅器は、ＣＷ励起プリアンプからの
パルスレーザ光を増幅し、また、位相共役鏡２４で反射
されて戻ってきた戻りパルスレーザ光をさらに増幅す
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、パルスレーザ装置
に関し、特に、フロントエンド発振器からのレーザパル
ス列を増幅する増幅部を備えたパルスレーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のパルスレーザ装置として、フロン
トエンド発振器から周期的に出射されるパルスレーザ光
を、パルス励起増幅器からなる増幅部で増幅するように
構成されたものがある。

【０００３】パルス励起増幅器は、レーザ（増幅）媒体
と、このレーザ媒体をパルス励起するための励起光源と
を有し、レーザ媒体に入射するフロントエンド発振器か
らのパルスレーザ光を増幅して出射させる。通常、パル
ス励起増幅器に用いられる励起光源としては、フラッシ
ュランプや、レーザーダイオード（ＬＤ）が用いられて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のパルスレーザ装
置では、増幅部にパルス励起増幅器が用いられているの
で、その励起光源を周期的に発光させるための制御・駆
動回路が必要である。この制御・駆動回路は、高エネル
ギーを励起光源へ繰り返し供給しなければならないた
め、その繰り返し周波数を高くすることは技術的に困難
である。つまり、従来のパルスレーザ装置は、実現可能
なレーザパルス光の繰り返し周波数が増幅部によって制
限されてしまうという問題点がある。

【０００５】また、パルス励起増幅器の励起光源として
ＬＤを用いた場合には、励起光の立ち上がりから立ち下
がりにかけて発光領域の温度が変化するため、その波長
が変化（チャーピング）する。レーザ媒質の励起効率
は、励起光の波長に大きく依存するため、励起光の波長
変化は、レーザ媒質の励起効率を低下させる。このた
め、ＬＤを励起光源とするパルス励起増幅器を用いる従
来のパルスレーザ装置には、増幅効率が悪いという問題
点がある。

【０００６】本発明は、高い繰り返し周波数を実現でき
るパルスレーザ装置を提供することを目的とする。

【０００７】また、本発明は、高い効率で高い平均パワ
ーを実現できるパルスレーザ装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、周期的
にパルスレーザ光を発生する発振部と、該発振部からの
前記パルスレーザ光を増幅する増幅部とを備えたパルス
レーザ装置において、前記増幅部が、連続波励起光によ
りレーザ媒質を励起し、前記レーザ媒質に入射した前記
パルスレーザ光を増幅するＣＷ励起増幅部であることを
特徴とするパルスレーザ装置が得られる。

【０００９】上記パルスレーザ装置において、前記増幅
部は、プリアンプ部と主増幅部とを含む。また、前記主
増幅部は、複数段のＣＷ励起増幅器を含む。

【００１０】上記パルスレーザ装置では、前記発振部
が、前記増幅部における上準位寿命よりも短い周期で前
記パルスレーザ光を発生させることにより、高い効率で
増幅が行える。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００１２】図１に本発明の一実施の形態に係るパルス
レーザ装置のブロック図を示す。図１のパルスレーザ装
置は、フロントエンド発振器１１、ＣＷ励起プリアンプ
１２、光アイソレータ１３、ビーム拡大器１４、アポダ
イザ１５、スペーシャルフィルタ１６、光学系１７、偏
光器１８、第１のＣＷ励起主増幅器１９、９０度ローテ
ータ２０、第２のＣＷ励起主増幅器２１、拡がり角調整
器２２、ファラデーローテータ２３、及び位相共役鏡
（またはデフォーマブルミラー）２４を備えている。

【００１３】フロントエンド発振器１１は、高品質のパ
ルスレーザ光を高い繰り返し周波数で発生させる。

【００１４】ＣＷ励起プリアンプ１２は、励起光源（例
えば、レーザダイオード）からの連続波（ＣＷ）励起光
を用いてレーザ（増幅）媒質（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ）
を励起し、レーザ媒質中に入射するフロントエンド発振
器１１からのパルスレーザ光（レーザパルス列）を増幅
して出射させる。このＣＷ励起プリアンプ１２による増
幅は、ＣＷ励起主増幅器１９及び２１による増幅が飽和
する程度にまで行う。

【００１５】光アイソレータ１３は、戻り光、特に第１
及び第２のＣＷ励起主増幅器１９及び２１で増幅された
戻りパルスレーザ光、がフロントエンド発振器１１に入
射するのを阻止する。

【００１６】ビーム拡大器１４は、ＣＷ励起プリアンプ
１２で増幅され、かつ光アイソレータ１３を通過したパ
ルスレーザ光のビーム径を拡大する。

【００１７】アポダイザ１５は、例えばセレーテッドア
パーチャを用いて実現され、そこを通過するパルスレー
ザ光のビームプロファイルが平坦となるように、ビーム
拡大器１４にて拡大されたパルスレーザ光の一部を通過
させ、残りの通過を阻止する。通常、アポダイザ１５
は、入射するパルスレーザ光の径方向中心部を通過さ
せ、径方向周縁部の通過を阻止する。

【００１８】スぺーシャルフィルタ１６は、アポダイザ
１５を通過したパルスレーザ光が有するビームプロファ
イルを、第１のＣＷ励起主増幅器１９へ転送（像転送）
する。即ち、スぺーシャルフィルタ１６は、アポダイザ
１５を通過したレーザビームが、光学系１７及び偏光器
１８を通過する間に受けるビームプロファイルの変形を
補償し、第１のＣＷ励起主増幅器１９に入射するパルス
レーザ光のビームプロファイルをアポダイザ１５を通過
したパルスレーザ光のビームプロファイルに一致させ
る。

【００１９】光学系１７は、アポダイザ１５を通過した
パルスレーザ光を第１のＣＷ励起主増幅器１９へ入射さ
せるためのものである。本実施の形態においては、光学
系１７が一対のミラーにより構成されているが、適宜変
更され得るものである。

【００２０】偏光器１８は、光学系１７からのパルスレ
ーザ光を通過させて第１のＣＷ励起主増幅器１９へ入射
させ、第１のＣＷ励起主増幅器１９からのパルスレーザ
光を反射し光学系１７への入射を阻止する。なお、偏光
器１８で反射される第１のＣＷ励起主増幅器１９からの
パルスレーザ光が、このパルスレーザ装置の出力であ
る。

【００２１】第１及び第２のＣＷ励起主増幅器１９及び
２１は、主増幅部を構成する。主増幅部は、偏光器１８
からのパルスレーザ光を飽和増幅レベルで増幅する。詳
述すると、第１及び第２のＣＷ励起主増幅器１９及び２
１は、同一構成の増幅器であって、ともに励起光源（例
えば、ＬＤ）からの連続波（ＣＷ）励起光を用いてレー
ザ（増幅）媒質（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ）を励起し、レ
ーザ媒質中に入射するパルスレーザ光を増幅して出射さ
せる。これらＣＷ励起主増幅器１９及び２１は、偏光器
１８からのパルスレーザ光を順次増幅するとともに、位
相共役鏡２４で反射されファラデーローテータ２３及び
広がり角調整器２２を介して戻ってきたパルスレーザ光
を前記順序と逆の順序で増幅する。

【００２２】９０度ローテータ２０は、第１のＣＷ励起
主増幅器１９から第２のＣＷ励起主増幅器２０へ向かう
パルスレーザ光の偏光方向を９０度回転させると同時
に、第２のＣＷ励起主増幅器２０から第１のＣＷ励起主
増幅器１９へ向かうパルスレーザ光の偏光方向を９０度
回転させる。

【００２３】広がり角調整器２２は、第２のＣＷ励起主
増幅器２１からのパルスレーザ光の広がり角を調整して
平行光に変換する。また、広がり角調整器２２は、位相
共役２４により反射された戻りパルスレーザ光を第２の
ＣＷ励起主増幅器２１へ入射させる。

【００２４】ファラデーローテータ２３は、広がり角調
整器２２からのパルスレーザ光の偏光方向と位相共役鏡
２４からの戻りパルスレーザ光の偏光方向とが直交する
ように、広がり角調整器２２からのパルスレーザ光及び
位相共役鏡２４からの戻りパルスレーザ光の偏光方向を
４５度ずつ回転させる。

【００２５】位相共役鏡２４は、主増幅部でのダブルパ
ス増幅を実現するために、ファラデーローテータ２３か
らのパルスレーザ光をその波面を保存した形で反射し、
戻りパルスレーザ光としてファラデーローテータ２３へ
入射させる。

【００２６】以下、図１のパルスレーザ装置の動作につ
いて説明する。

【００２７】フロントエンド発振器１１は、高品質のパ
ルスレーザ光を高い繰り返し周波数で発生させ、ＣＷ励
起プリアンプ１２へ供給する。

【００２８】ＣＷ励起プリアンプ１２は、フロントエン
ド発振器１１からのパルスレーザ光（レーザパルス列）
を増幅する。ここで、ＣＷ励起プリアンプ１２に用いら
れるレーザ媒質の上準位寿命がＴ秒であるならば、フロ
ントエンド発振器１１から出射されるパルスレーザ光の
繰り返し周波数が１／Ｔ（ＰＰＳ）より高いとき、ＣＷ
励起プリアンプ１２のレーザ媒質の上準位に蓄えられた
エネルギーを効率よく取り出すことができる。これは、
パルスレーザ光が、レーザ媒質の上準位寿命よりも短い
周期でＣＷ励起プリアンプ１２に入射すると、パルスレ
ーザ光が入射する毎にそこに蓄積されているエネルギー
が取り出されるが、次のパルスレーザ光が入射するまで
の間に、レーザ媒質がＣＷ励起光で励起され、そこに蓄
積されるエネルギーが元のレベルに戻るためである。な
お、ＣＷ励起プリアンプ１２の利得は、励起光のパワー
と入射するパルスレーザ光の間隔とによって決まる。

【００２９】ＣＷ励起プリアンプ１２で増幅されたパル
スレーザ光は、光アイソレータ１３を経てビーム拡大器
１４に入射する。ビーム拡大器１４は、入射するパルス
レーザ光のビーム径を拡大し、アポダイザ１５に入射さ
せる。アポダイザ１５は、ビーム拡大器１４からのパル
スレーザ光の中央部分のみを通過させる。

【００３０】図２に、ビーム拡大器１４に入射するパル
スレーザ光、ビーム拡大器１４を通過したパルスレーザ
光、及びアポダイザ１５を通過したパルスレーザ光の各
々のビームプロファイルを示す。図２に示すように、ア
ポダイザ１５を通過したパルスレーザ光のビームプロフ
ァイルは、ほぼ平坦になっている。このように、ビーム
拡大器１４とアポダイザ１５との組み合わせは、平坦な
ビームプロファイルが得られるように、ＣＷ励起プリア
ンプ１２からのパルスレーザ光の空間分布を整形する整
形部として働く。

【００３１】アポダイザ１５から出射したパルスレーザ
光は、スペーシャルフィルタ１６、光学系１７及び偏光
器１８を介して、そのビームプロファイルを維持したま
ま第１のＣＷ励起主増幅器１９に入射する。換言する
と、スぺーシャルフィルタ１６、光学系１７及び偏光器
１８は、アポダイザ１５から出射したパルスレーザ光
を、そのビームプロファイルを保存したまま第１のＣＷ
励起主増幅器１９へ入射させる。

【００３２】主増幅部は、偏光器１８からのパルスレー
ザ光を増幅する。偏光器１８からのパルスレーザ光は、
前述のように平坦なビームプロファイルを有しているの
で、各ＣＷ励起主増幅器１９，２１におけるレーザ媒質
の体積利用効率は高く、高効率での増幅が可能となる。

【００３３】主増幅部で増幅されたパルスレーザ光は、
広がり角調整器２２及びファラデーローテータ２３を介
して位相共役鏡２４に入射し、そこで反射されて、再び
ファラデーローテータ２３及び広がり角調整器２２を通
過して、主増幅部へと戻る。そして、主増幅部は、広が
り角調整器２２からの戻りパルスレーザ光も増幅する。

【００３４】主増幅部においても、ＣＷ励起プリアンプ
１２と同様に、各ＣＷ主増幅器１９，２１に使用されて
いるレーザ媒質の上準位寿命がＴ秒であるならば、入射
するパルスレーザ光の繰り返し周波数が１／Ｔ（ＰＰ
Ｓ）より高いとき、主増幅器の上準位に蓄えられたエネ
ルギーを効率良く取り出すことができる。また、各ＣＷ
励起主増幅器１９，２１の利得は、ＣＷ励起プリアンプ
１２の場合と同様、励起光のパワーと入射するパルスレ
ーザ光の間隔とによって決まる。

【００３５】各ＣＷ励起主増幅器１９，２１において、
レーザ媒質を連続波励起することによって発生する熱歪
の影響は、位相共役鏡２４によって波面を保存した形で
レーザパルス光を反射するようにしたので、戻りレーザ
パルス光を増幅する際にキャンセルされる。

【００３６】上記のように、主増幅部は、偏光器１８か
らのパルスレーザ光を増幅するとともに、位相共役鏡２
４で反射された戻りパルスレーザ光も増幅する。即ち、
本実施の形態に係るパルスレーザ装置では、主増幅部を
ダブルパスアンプとして動作させよう構成されている。
このような構成においては、戻りパルスレーザ光の一部
が偏光器１８を通過する可能性がある。偏光器１８を通
過した戻りパルスレーザ光がＣＷ励起プリアンプ１２に
到達すると、寄生発振を起こすなどの問題が生じる。ま
た、偏光器１８を通過した戻りパルスレーザ光がフロン
トエンド発振器１１に到達するとその発振動作に悪影響
を与える恐れがある。そこで、光アイソレータ１３は、
このような問題あるいは影響が生じないように、戻りパ
ルスレーザ光がＣＷプリアンプ１２やフロントエンド発
振器に到達しないようその進行を阻止する。

【００３７】また、主増幅部をダブルパスアンプとして
動作させると、ＹＡＧ等のレーザ媒質を用いた場合には
熱的な偏光解消が生じる。そこで、９０度ローテータ２
０とファラデーローテータ２３との組み合わせは、ＣＷ
励起主増幅器１９，２１にそれぞれ入射する互いに逆方
向の２つのパルスレーザ光の偏光方向が互いに直交する
ように、そこを通過するパルスレーザ光の偏光方向を回
転させる。これにより、各ＣＷ励起主増幅器１９，２１
における熱的な偏光解消をキャンセルすることができ、
主増幅部は、ダブルパスアンプとしての正常な動作が可
能になる。

【００３８】主増幅部で増幅された戻りパルスレーザ光
は、偏光器１８へと出射される。偏光器１８は、戻りパ
ルスレーザ光を反射して、このパルスレーザ装置の出力
として外部へ出力する。

【００３９】以上のように、本実施の形態に係るパルス
レーザ装置では、増幅部として、ＣＷ励起プリアンプ１
２及びＣＷ励起主増幅器１９，２１を用いたので、増幅
部としてパルス励起増幅器を用いた場合のように、パル
ス励起を行うための制御・駆動回路が不用になる。その
結果、本実施の形態に係るパルスレーザ装置では、装置
構成が簡略化されるだけでなく、従来のパルスレーザ装
置よりも高い繰り返し周波数（理論上は、無制限）のパ
ルスレーザ光を発生させることができる。例えば、ＣＷ
励起プリアンプ１２及びＣＷ励起主増幅器１９，２１の
各々のレーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いた場合に
は、５ｋＨｚ以上の繰り返し周波数のパルスレーザ光を
発生させることが可能となる。

【００４０】また、上記実施の形態に係るパルスレーザ
装置では、増幅器の励起光源としてＬＤを用いた場合で
あっても、パルス励起を行うときのような発光領域の温
度変化が無く、安定しているので、高い増幅効率を得る
ことができる。

【００４１】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上
記実施の形態に係るパルスレーザ装置では、主増幅部の
段数を２段としたが、より高出力のレーザパルスを得た
い場合には、ＣＷ励起主増幅器の段数をさらに多くすれ
ばよい。また、上記実施の形態に係るパルスレーザ装置
では、主増幅部をダブルパスアンプとしたが、シングル
パスアンプとしてもよい。さらに、上記実施の形態に係
るパルスレーザ装置は、ＭＯＰＡシステムとして構成さ
れているが、本発明は、フロントエンドがストレッチン
グされているＣＰＡシステムにも適用することができ
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、増幅部にＣＷ励起増幅
部を採用したことで、高い繰り返し周波数を実現できる
パルスレーザ装置が得られる。また、高い効率で高い平
均パワーを実現できるパルスレーザ装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に一実施の形態に係るパルスレーザ装置
のブロック図である。

【図２】図１のパルスレーザ装置に用いられるビーム拡
大器及びアポダイザを夫々通過する前と後のパルスレー
ザ光のビームプロファイルの変化を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１１ フロントエンド発振器 １２ ＣＷ励起プリアンプ １３ 光アイソレータ １４ ビーム拡大器 １５ アポダイザ １６ スペーシャルフィルタ １７ 光学系 １８ 偏光器 １９ 第１のＣＷ励起主増幅器 ２０ ９０度ローテータ ２１ 第２のＣＷ励起主増幅器 ２２ 拡がり角調整器 ２３ ファラデーローテータ ２４ 位相共役鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 502176786 山中 正宣 大阪府箕面市石丸３丁目25−Ｅ205 (72)発明者 久保村 浩之 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 井澤 靖和 大阪府茨木市橋の内２−８−417 (72)発明者 中塚 正大 奈良県生駒市緑ケ丘1425−78 (72)発明者 山中 正宣 大阪府箕面市石丸３丁目25−Ｅ205 Ｆターム(参考） 5F072 AB02 JJ04 JJ07 KK05 KK15 KK30 MM08 PP07 SS06

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的にパルスレーザ光を発生する発振
   部と、該発振部からの前記パルスレーザ光を増幅する増
   幅部とを備えたパルスレーザ装置において、 前記増幅部が、連続波励起光によりレーザ媒質を励起
   し、前記レーザ媒質に入射した前記パルスレーザ光を増
   幅するＣＷ励起増幅部であることを特徴とするパルスレ
   ーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のパルスレーザ装置にお
   いて、 前記増幅部が、プリアンプ部と主増幅部とを含むことを
   特徴とするパルスレーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のパルスレーザ装置にお
   いて、 前記主増幅部が、複数段のＣＷ励起増幅器を含むことを
   特徴とするパルスレーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のパルスレーザ装置にお
   いて、 前記複数段のＣＷ励起増幅器同士の間に、第１のローテ
   ータを設けたことを特徴とするパルスレーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項２，３又は４に記載のパルスレー
   ザ装置において、 前記主増幅部から出射するパルスレーザ光を反射し、戻
   りパルスレーザ光として前記主増幅部へ再び入射させる
   反射鏡と、 前記プリアンプ部から前記主増幅部へ向かうパルスレー
   ザ光をそのまま通過させるとともに、前記主増幅部から
   前記プリアンプ部へ向かう戻りパルスレーザ光を反射す
   る偏光器と、 該偏光器を通過して前記プリアンプ部へ向かう前記戻り
   パルスレーザ光を阻止する光アイソレータとを備えるこ
   とを特徴とするパルスレーザ装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のパルスレーザ装置にお
   いて、 前記主増幅部と前記反射鏡との間に、前記主増幅部から
   出射するレーザ光を平行光に変換する広がり角調整器が
   設けられていることを特徴とするパルスレーザ装置。
7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載のパルスレーザ装
   置において、 前記反射鏡が、入射するパルスレーザ光の波面を保存し
   た形で、当該パルスレーザ光を反射して戻りパルスレー
   ザ光とする位相共役鏡又はデフォーマブルミラーである
   ことを特徴とするパルスレーザ装置。
8. 【請求項８】 請求項５，６又は７に記載のパルスレー
   ザ装置において、 前記主増幅部と前記反射鏡との間に、前記反射鏡へ入射
   する前記パルスレーザ光の偏光方向と前記反射鏡からの
   前記戻りパルスレーザ光の偏光方向とを互いに異ならせ
   るための第２のローテータを設けたことを特徴とするパ
   ルスレーザ装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のうちのいずれかに記載
   のパルスレーザ装置において、 前記プリアンプ部と前記主増幅部との間に、前記パルス
   レーザ光を整形する整形部が設けられていることを特徴
   とするパルスレーザ装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載のパルスレーザ装置に
    おいて、 前記整形部が、前記パルスレーザ光のビーム径を拡大す
    るビーム拡大器と、該ビーム拡大器で拡大されたパルス
    レーザ光の一部を通過させるアポダイザと、該アポダイ
    ザを通過したパルスレーザ光が有するプロファイルを前
    記主増幅部の入射位置に転送するためのスぺーシャルフ
    ィルタとを含むことを特徴とするパルスレーザ装置。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    パルスレーザ装置において、 前記発振部が、前記増幅部における上準位寿命よりも短
    い周期で前記パルスレーザ光を発生させることを特徴と
    するパルスレーザ装置。