JP2005039031A - レーザー増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図るとともに、効率を高めた、大出力レーザー増幅装置を提供する。
【解決手段】 レーザー光Ｌ１を第１の偏光子４１から入射させ、そのレーザー光を、偏光制御素子４２、第２の偏光子４３を通して第１の鏡４４で曲げて、レーザー増幅器４５で第１回目の増幅通過を行い、第２の鏡４６で反射させて、レーザー増幅器４５で第２回目の増幅通過を行い、その増幅されたレーザー光を第１の鏡４４で曲げて、第２の偏光子４３を通して偏光が９０度回転され、第１の偏光子４１を通してカセグレン副鏡４７で反射させ、第１の偏光子４１、偏光制御素子４２、第２の偏光子４３を通過し、第１の鏡４４で増幅器光路に導入され、レーザー増幅器４５で第３回目の増幅通過を行い、その増幅通過されたレーザー光をカセグレン主鏡４８によりビーム径を広げて方向が変えられ、レーザー増幅器４５で第４回目の増幅通過を行い、出力光Ｌ２を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー加工、レーザー核融合等に使用する大出力レーザーを得る
ためのレーザー増幅装置に関するものである。

近年、溶接・切断等のレーザー加工、レーザーアブレーションや描画加工にお
いて、レーザー装置の大出力化の要望は益々高くなっている。

（１）まず、従来の一般多数回通過増幅を行うレーザー増幅装置の構成につい
て説明する。

図７はかかる従来の多数回通過レーザー増幅装置の模式図である。

この図において、１は偏光によって反射と透過を行う偏光子、２は偏光を電圧
のＯＮ・ＯＦＦによって変化させる偏光制御素子、３はレーザー増幅器、４は光
路の折り返し用の第１の鏡、５は光路の折り返し用の第２の鏡である。

次に、この多数回通過レーザー増幅装置の動作について説明する。

入射レーザー光Ｌ１の偏光は、偏光子１の反射条件を満たす偏光方向であるた
め偏光子１で反射され、偏光制御素子２、レーザー増幅器３を通過する。このと
き、レーザー増幅器３を通過する際に増幅されるため、レーザー光の強度は増大
する。そのレーザー光は第１の鏡４で反射され、進行方向が折り返される。その
ため、再び、レーザー増幅器３を通過し増幅される。また、偏光制御素子２を２
度目に通過する際に、レーザー光の偏光は９０度回転され、これにより偏光子１
の透過条件を満たし、偏光子１を透過する。そして、第２の鏡５で反射され、進
行方向が折り返される。さらに、偏光子１、偏光制御素子２、レーザー増幅器３
を通過して、第１の鏡４により再度、方向が折り返される。この時点で、偏光制
御素子２に偏光を変化させる動作をさせなければ、レーザー光は第１の鏡４と第
２の鏡５の間を、多数回往復する。また、偏光制御素子２に偏光を変化させる動
作をさせれば、入射時と逆の動作が可能となる。すなわち、偏光子１の反射条件
を満たすように偏光方向を変えることにより、偏光子１で反射させ、十分増幅さ
れたレーザー出力光Ｌ２を取り出すことができる。

かかる多数回通過レーザー増幅装置は、下記の特許文献１〜２、非特許文献１
に開示されている。

（２）図８は従来の３回通過レーザー増幅装置の模式図である。

この図において、Ｌ１は入射レーザー光、１１はホール１２を有する凹面型主
鏡、１３はレーザー増幅器、１４は凸面型副鏡、１５，１６は対向したレンズ（
空間フィルタ）、Ｌ２はレーザー出力光である。

ここでは、入射レーザー光Ｌ１は凹面型主鏡１１のホール１２から入射され、
レーザー増幅器１３で第１回目の増幅通過が行われ、凸面型副鏡１４で反射され
る。このときレーザー光のビームは広げられて、レーザー増幅器１３で第２回目
の増幅通過が行われる。その広げられたレーザー光は、凹面型主鏡１１で反射さ
れコリメートされるが、この凹面型主鏡１１のホール１２の存在によってホール
の空いたビームが凸面型副鏡１４を通過し、空間フィルタ１５，１６を通過して
レーザー出力光Ｌ２が出力される。

かかる３回通過レーザー増幅装置は下記の非特許文献２に開示されている。

このように、従来では、大出力化には、偏光制御素子（ポッケルスセル等）、
偏光子、鏡を用いて、レーザー光がレーザー増幅器を多重往復する方式が用いら
れている。

（３）従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置について説明する。

図９は従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置の構成図である。

この図において、２１は入射用の第１のレンズ、２２は入射レーザー光Ｌ１を
増幅器光路に導入する第１の鏡、２３は入射レーザー光Ｌ１をコリメートする第
２のレンズ、２４はレーザー増幅器、２５は光路の折り返し用の第２の鏡、２６
はアイソレート用偏光制御素子の光路に導く第３の鏡、２７は偏光制御素子光路
のレーザー光をコリメートする第３のレンズ、２８と３０は第１と第２の偏光子
、２９はアイソレート用偏光制御素子、３１は偏光制御素子光路の折り返し用の
第４の鏡、３２はレーザー出力光Ｌ２をコリメートする第４のレンズである。

図１０はかかる角度ずらし４回通過レーザー増幅装置の動作の詳細説明図であ
る。

ここで、第１のレンズ２１の焦点距離はｆ１、第２のレンズ２３の焦点距離は
ｆ２、第３のレンズ２７の焦点距離はｆ３、第４のレンズ３２の焦点距離はｆ４
である。

はじめに、角度ずらしのない場合〔図１０（ｂ）に示す焦点距離が１点に集光
される場合〕のレンズ位置を示すと、第１のレンズ２１と第２のレンズ２３はｆ
１＋ｆ２の距離に設置されている。第２のレンズ２３と第３のレンズ２７はｆ２
＋ｆ３の距離に設置されている。また、第２のレンズ２３と第４のレンズ３２は
、ｆ２＋ｆ４の距離に設置されている。なお、ｄは焦点位置Ａ面でのレーザービ
ームの分離量（焦点シフト）を示している。

このとき、レンズ光軸中心にレーザービームを通すと、図１０（ｂ）に示すよ
うに、レーザービームは、焦点位置Ａ面で１点に集光される。そこで、レーザー
ビームを光軸中心から（ｄ／２）はずした位置から入射させると焦点位置Ａ面で
は、パスごとに焦点を分離できる。すなわち、図１０（ｃ）に示すように、１回
目、２回目、３回目、４回目に通過するときのそれぞれの焦点を４つの異なった
位置に配置できる。この焦点位置Ａ面の前後での距離Ｘ１（Ｘ１＝ｄ・ｆ２・Ｄ
１：ただしＤ１は第２のレンズ２３出射後のビーム口径）ならびに距離Ｙ１（Ｙ
１＝ｄ・ｆ２・Ｄ１）には、それぞれのビームが重ならないエリアができる。こ
の部分に第１の鏡２２及び、第３の鏡２６を設置すれば、増幅器光路への入射用
、また偏光制御素子光路への導出用として機能させることができる。よってこの
構成で４回増幅通過のレーザー増幅装置が構成できる。

ただし、４つのビームの焦点位置Ａ面での分離量ｄを大きくすると、光軸中心
からのビーム角度が大きくなり、第２のレンズ２３およびそれを出射後にレーザ
ー増幅器２４に入射するビームの光軸中心からのずれが大きくなる。そのため第
２のレンズ２３および、レーザー増幅器２４の開口制限以内にビームを保つため
分離量ｄ（焦点シフト）は制限される。また、この例での第１の鏡２２と第３の
鏡２６で反射するビームの口径は最大で約ｄである。

次に、かかる４回通過レーザー増幅装置の動作について説明する。

入射レーザー光Ｌ１は、第１のレンズ２１を通過し、第１の鏡２２で反射され
、増幅器光路に入射する。第２のレンズ２３までビームは拡大され、第２のレン
ズ２３によりコリメートされ、レーザー増幅器２４を通過する。これが第１回目
の増幅通過である。増幅されたレーザー光は、平面の第２の鏡２５により反射さ
れ、進行方向が反転し、再度、レーザー増幅器２４を通過する。これが第２回目
の増幅通過である。そして、第２のレンズ２３を通過し、ビームが縮小され第３
の鏡２６によって増幅器光路から外部に出され、増幅器光路から偏光制御素子光
路に光路を変更する。第１の偏光子２８と第２の偏光子３０は、偏光透過方向が
直交するように配置されている。レーザー光は第３のレンズ２７、第１の偏光子
２８を通過し、偏光が偏光制御素子２９により９０度回転され、第２の偏光子３
０を通過する。第２の偏光子３０を通過したレーザー光は、第４の鏡３１で反射
され、進行方向が折り返され、再び第２の偏光子３０、偏光制御素子２９、第１
の偏光子２８、第３のレンズ２７を通過し、第３の鏡２６により増幅器光路に導
入される。増幅器光路に導入されたレーザー光は、再度第２のレンズ２３とレー
ザー増幅器２４を通過する。これが第３回目の増幅通過である。そして、再度、
第２の鏡２５でビームの進行方向が折り返され、レーザー増幅器２４を通過する
。これが第４回目の増幅通過である。さらに、第２レンズ２３を通過し、その後
光軸のずれから第３の鏡２６にあたらずに第４のレンズ３２を通過し、コリメー
トされたレーザー出力光Ｌ２が得られる。

かかる従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置としては、非特許文献２と
して開示されている。
特許第３２５１８７３号公報（第３−４頁 図１） 特開平９−１８１３７８号公報（第４−５頁 図３） Ｂｒｕｎｏ Ｍ．Ｖａｎ Ｗｏｎｔｅｒｇｈｅｍ，Ｊｏｈｎ Ｒ．Ｍｕｒｒａｙ，Ｊａｃｋ Ｈ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｄ．Ｒａｌｐｈ Ｓｐｅｃｋ，Ｃｈａｒｌｅｓ Ｅ．Ｂａｒｋｅｒ，Ｉａｎ Ｃ．Ｓｍｉｔｈ，Ｄｏｎａｌｄ Ｆ．Ｂｒｏｗｎｉｎｇ，ａｎｄ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｃ．Ｂｅｈｒｅｎｄｔ，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｆｏｒ ａ ｌａｒｇｅ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ｍｕｌｔｉｐａｓｓ Ｎｄ：ｇｌａｓｓ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｆｕｓｉｏｎ"，ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．２１，２０ Ｊｕｌｙ １９９７ Ｔａｋｕ Ｓａｉｋｉ，Ｔｈｉｅｒｒｙ Ｂｏｎｔｏｕｘ，Ｔａｄａｓｈｉ Ｋａｎａｂｅ，Ｈｉｓａｎｏｒｉ Ｆｕｊｉｔａ，Ｍａｓａｈｉｒｏ Ｎａｋａｔｓｕｋａ，Ｓａｄａｏ Ｎａｋａｉ，"Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ ｔｙｐｅ ３−ｐａｓｓ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ＡＳＥ"，Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，４４（１９９９），３９３−３９９ Ｍｉｃｈｅｌ Ｌ．Ａｎｄｒｅ* ，"Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｆｕｓｉｏｎ"，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．３０４７〔なお、ｅ* にはアクサン・テギュが付く〕。

しかしながら、上記した従来技術（１）では、増幅器光路に偏光制御素子２を
配置するため、レーザー光の大出力化のためには大口径の偏光制御素子が必要と
なり、技術的・経済的制限がある。

また、上記した従来技術（２）は、３回通過のレーザー増幅装置であり、４回
通過のレーザー増幅装置と比較すると、同等の入力エネルギーでも出力エネルギ
ーが低いといった問題がある。

更に、上記した従来技術（３）では、偏光制御素子光路を増幅器光路から外に
出すために配置される鏡が同一平面に配置されるが、焦点位置の関係上、鏡の反
射面積を小さくせざるを得ないため、鏡の耐力に限度があるといった問題があっ
た。すなわち、第３の鏡で大きな反射面積が取れないために、この第３の鏡によ
るレーザー損傷限界で、高いレーザー出力を得ることができなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、主要な部品の小型化を図るとともに、効率を高
め、大出力化を図ることができるレーザー増幅装置を提供することを目的とする
。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕レーザー増幅装置において、凸面を有するカセグレン副鏡と、このカセ
グレン副鏡に対応して配置される第１の偏光子と、この第１の偏光子に対応して
配置される偏光制御素子と、この偏光制御素子に対応して配置される第２の偏光
子と、この第２の偏光子からの光を増幅器光路に導入する第１の鏡と、この第１
の鏡からの反射光が入射されるレーザー増幅器と、このレーザー増幅器からの通
過光を折り返すように配置される第２の鏡と、この第２の鏡を中央に形成される
ホールに配置するとともに、この第２の鏡と同軸状に配置される凹面を有するカ
セグレン主鏡とを備え、レーザー光を前記第１の偏光子から入射させ、そのレー
ザー光を、前記偏光制御素子、第２の偏光子を通して前記第１の鏡で曲げて、前
記レーザー増幅器で第１回目の増幅通過を行い、前記第２の鏡で反射させて進行
方向を折り返し、前記レーザー増幅器で第２回目の増幅通過を行い、その増幅さ
れたレーザー光を前記第１の鏡で曲げて、前記第２の偏光子を通して前記偏光制
御素子で偏光が９０度回転され、前記第１の偏光子を通して前記凸面を有するカ
セグレン副鏡で反射させて進行方向を折り返し、前記第１の偏光子、偏光制御素
子、第２の偏光子を通過し、前記第１の鏡で増幅器光路に導入され、前記レーザ
ー増幅器で第３回目の増幅通過を行い、その増幅通過されたレーザー光を前記凹
面を有するカセグレン主鏡によりビーム径を広げて方向が変えられ、前記レーザ
ー増幅器で第４回目の増幅通過を行い、前記カセグレン主鏡のホールによってホ
ールが空いたビームを前記第１の鏡を通過させてレーザー出力光を得ることを特
徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のレーザー増幅装置において、前記偏光制御素子が小口
径であることを特徴とする。

〔３〕レーザー増幅装置において、レーザー光の入射用の第１のレンズと、こ
の第１のレンズからのレーザー光を増幅器光路に導入する第１の鏡と、入射光を
受ける第２のレンズと、この第２のレンズからのレーザー光が入射されるレーザ
ー増幅器と、このレーザー増幅器からの通過光を同光軸方向に折り返すように配
置される第２の鏡と、アイソレート用偏光制御素子の光路に導く第３の鏡と、偏
光制御素子光路に導入されたレーザー光をコリメートする第３のレンズと、この
第３のレンズに対応して配置される第１の偏光子と、この第１の偏光子に対応し
て配置されるアイソレート用偏光制御素子と、このアイソレート用偏光制御素子
に対応して配置される第２の偏光子と、この第２の偏光子の通過光を折り返す第
４の鏡と、レーザー出力光を得る第４のレンズとを備え、入射レーザー光は、前
記第１のレンズを通過し、前記第１の鏡で反射され、拡大されて増幅器光路に入
射し、前記第２のレンズを通過し、このとき第２のレンズにより完全にコリメー
トされずに発散角を持つ条件となるように、予め前記第１のレンズと第２のレン
ズを配置するとともに、入射レーザー光の入射角も調整し、前記第２のレンズ通
過後、前記レーザー増幅器で第１回目の増幅通過を行い、前記平面の第２の鏡で
反射させて、進行方向を反転させ、前記レーザー増幅器により第２回目の増幅通
過を行い、次いで、前記第２のレンズを通過し、ビームが縮小され前記第３の鏡
によって増幅器光路から外部に外され、偏光制御素子光路に光路を変更し、前記
第１の偏光子と第２の偏光子は、偏光透過方向が直交するように配置されており
、前記第１の偏光子を通過し、偏光が前記偏光制御素子により９０度回転し、前
記第２の偏光子を通過し、前記第４の鏡で反射され、進行方向が折り返されて、
再び前記第２の偏光子、偏光制御素子、第１の偏光子を通過し、前記第３の鏡に
より増幅器光路に導入され、再度前記第２のレンズを介して前記レーザー増幅器
により、第３回目の増幅通過を行い、再度、前記第２の鏡で、ビームの進行方向
が折り返され、前記レーザー増幅器により、第４回目の増幅通過を行い、前記第
２のレンズを通過し、その後光軸のずれから前記第４のレンズを通過し、コリメ
ートされたレーザー出力光を得ることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載のレーザー増幅装置において、前記第３のレンズにおけ
るビーム径を大きく設定可能にしてなることを特徴とする。

〔５〕上記〔３〕記載のレーザー増幅装置において、前記入射レーザー光に発
散角を付けて、焦点位置を増幅器光路の垂直方向にずらすと共に、増幅器光路の
前後方向にもずらして、前記第３の鏡でのビーム面積を大きくしてレーザービー
ムの大出力化を図ることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）レーザー増幅器の口径に対し、小口径の偏光制御素子を用いることがで
きる。すなわち、大きな口径の偏光制御素子を必要としないため、偏光制御素子
の口径内の電界強度の一様性の確保（プラズマ電極型が不要である）や、大型結
晶の供給などの技術的問題を無くすことができる。また、小口径の偏光制御素子
で良いので、低コスト化を図ることができる。

因みに、偏光制御素子の口径が１５０ｍｍ以上に大きくなると、従来のリング
電極型のポッケルスセルでは対応できない。米国ＬＬＮＬでは、リング電極型か
ら新たな方式であるプラズマ電極型のポッケルスセルを開発し、大口径化を可能
としたが、プラズマ電極型ポッケルスセルは、プラズマの生成回路の必要なこと
や、プラズマ電極からのスパッターによる汚れによる寿命（ショットライフ）制
限がある。

これに対して、本発明は、プラズマ電極を用いないで、従来のリング電極ポッ
ケルスセルで対応できる。また、同じリング電極型のポッケルスセルでも小口径
もので対応できるので、低コスト化できる。

（Ｂ）従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置の構成では、第３の鏡で大
きな反射面積が取れないために、この鏡によるレーザー損傷限界で、高いレーザ
ー出力が得にくかったが、本発明の発散角付き角度ずらし４回通過レーザー増幅
装置においては、従来の構成に加え、入射時に発散角を付けることで、従来法の
発散角付きでない角度ずらし４回通過レーザー増幅装置に比べ、第３の鏡でも反
射面積を２倍から１０倍以上に大きくすることができるので、問題となったレー
ザー損傷による、出力限界を解消することができ、大出力化を図ることができる
。

（Ａ）カセグレン型４回通過レーザー増幅装置において、レーザー光は、第１
の偏光子から入射し、第１の鏡で折り曲げられレーザー増幅器に入り１回目の増
幅通過を行う。その後、第２の鏡に反射され、レーザー増幅器に入り２回目の増
幅通過を行う。再度、第１の鏡で曲げられ、偏光制御素子で偏光が９０度回転さ
れ、第１の偏光子を通過し、カセグレン副鏡で反射される。再び、ビーム径を広
げながら、第１の鏡で反射され３回目の増幅通過を行う。その後、カセグレン主
鏡で反射・コリメートされ、４回目の増幅通過を行う。

（Ｂ）発散角付き角度ずらし４回通過レーザー増幅装置として構成し、入射時
に発散角を付けることで、従来法のレーザーに比べ、第３の鏡でも反射面積を２
倍から１０倍以上に大きくすることができるので、問題となったレーザー損傷に
よる、出力限界をなくすことができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すカセグレン型４回通過レーザー増幅装置の構
成図である。

この図において、４１は偏光によって反射と透過を行う第１の偏光子、４２は
偏光を電圧のＯＮ・ＯＦＦによって変化させる偏光制御素子、４３は第２の偏光
子、４４は光路を増幅器光路内部に導入する第１の鏡、４５はレーザー増幅器、
４６は初期光路を折り返す第２の鏡、４７は凸面のカセグレン副鏡、４８はホー
ル４９を有する凹面のカセグレン主鏡である。

次に、本発明の第１実施例を示すカセグレン型４回通過レーザー増幅装置の動
作について説明する。

入射レーザー光Ｌ１の偏光は、第１の偏光子４１の反射条件を満たす偏光方向
であるため第１の偏光子４１で反射され、偏光制御素子４２、第２の偏光子４３
を通過し、第１の鏡４４によって増幅器光路に入射する。その後、レーザー増幅
器４５を通過する。これが第１回目の増幅通過である。

次に、増幅されたレーザー光は、凹面のカセグレン主鏡４８のホール４９を通
過し、第２の鏡４６により反射され、進行方向が反転し、再度、レーザー増幅器
４５を通過する。これが、第２回目の増幅通過である。

次いで、第１の鏡４４によって増幅器光路から外部に出され、偏光制御素子光
路に光路を変更する。ここで、第１の偏光子４１と第２の偏光子４３は、偏光透
過方向が直交するように配置されている。レーザー光は、まず、第２の偏光子４
３を通過し、偏光制御素子４２により偏光が９０度回転され、第１の偏光子４１
を通過する。そして、凸面のカセグレン副鏡４７で反射され、進行方向が折り返
される。再び第１の偏光子４１、偏光制御素子４２、第２の偏光子４３を通過し
、第１の鏡４４により増幅器光路に導入され、再度レーザー増幅器４５を通過す
る。これが第３回目の増幅通過である。

このときレーザー光は凸面のカセグレン副鏡４７によりビーム径が広げられ、
レーザー増幅器４５の開口と同程度になっている。ビームは凹面のカセグレン主
鏡４８で、進行方向が折り返され、レーザー増幅器４５を通過する。これが第４
回目の増幅通過である。この時のレーザー光は凹面のカセグレン主鏡４８によっ
てコリメートされている。凹面のカセグレン主鏡４８のホール４９の存在によっ
てホールの空いたビームが第１の鏡４４を通過しレーザー出力光Ｌ２が出力され
る。

図２に従来のカセグレン型３回通過レーザー増幅装置構成と、本発明にかかる
カセグレン型４回通過レーザー増幅装置構成での、計算での入出力特性を示す。
横軸に入力エネルギー〔Ｊ〕、縦軸に出力エネルギー〔Ｊ〕をそれぞれ示す。

この図において、点線での曲線は従来の３回通過のカセグレン構成での計算特
性の例、実線は本発明の４回通過のレーザー増幅装置構成での計算特性の例であ
る。

計算の条件は、３回通過増幅構成でも４回通過増幅構成でも同じパラメーター
である。なお、ここでは、レーザー増幅器は、利得１．８倍の増幅器を４段に直
列接続した構成で総合利得１０倍であり、レーザー媒質はＮｄガラス、誘導放出
断面積は４．２×１０^-20 ｃｍ² であり、レーザーの開口は４０ｃｍ×４０ｃｍ
である。この図に示すように、増幅通過回数が多い４回通過増幅のほうが、入力
エネルギーが同等でも、高い出力エネルギーが得られていることがわかる。

次に、発散角付き角度ずらしレーザー増幅装置について説明する。

図３は本発明の第２実施例を示す発散角付き角度ずらしビーム増幅装置の構成
図である。

この図３においては、５１は入射用の第１のレンズ、５２は増幅器光路に導入
する第１の鏡、５３は入射レーザー光Ｌ１をコリメートする第２のレンズ、５４
はレーザー増幅器、５５は光路の折り返し用の第２の鏡、５６はアイソレート用
偏光制御素子光路に導く第３の鏡、５７は偏光制御素子光路のレーザー光をコリ
メートする第３のレンズ、５８は第１の偏光子、５９はアイソレート用偏光制御
素子、６０は第２の偏光子、６１は偏光制御素子光路の折り返し用の第４の鏡、
６２はレーザー出力光Ｌ２をコリメートする第４のレンズである。

図４はかかる発散角付き角度ずらし増幅器の配置と動作の詳細説明図である。

この図において、図４（ａ）は全体の装置の配置と動作の説明図、図４（ｂ）
は焦点位置Ａ面でのビームの状態を、図４（ｃ）は焦点位置Ｂ面でのビームの状
態をそれぞれ示す図である。

ここでは、第１のレンズ５１の焦点距離はｆ１、第２のレンズ５３の焦点距離
はｆ２、第３のレンズ５７の焦点距離はｆ３、第４のレンズ６２の焦点距離はｆ
４である。

第１のレンズ５１と第２のレンズ５３はｆ１＋ｆ２＋Ｚの距離に設置されてい
る。第２のレンズ５３と第３のレンズ５７はｆ２＋ｆ３−Ｚの距離に設置されて
いる。また、第２のレンズ２３と第４のレンズ６２はｆ２＋ｆ４＋Ｚの距離に設
置されている。

すなわち、図１０の構成に加え、第１のレンズ５１と第２のレンズ５３をｆ１
＋ｆ２＋Ｚの距離に設置するため、ビームに発散が生じ、第２回目の増幅通過後
のビームは、ｆ２−Ｚ（Ｂ点）で集光する。これをコリメートするために、第２
のレンズ５３と第３のレンズ５７はｆ２＋ｆ３−Ｚの距離に設置する。第４回目
の増幅通過後のビームは、第４のレンズ６２出射後レーザーをコリメートするた
めに、第２のレンズ５３と第４のレンズ６２はｆ２＋ｆ４＋Ｚの距離に設置され
ている。

図５は従来の角度ずらしのみと本発明の発散角付き角度ずらしビーム増幅装置
のレーザービームの態様を示す図である。

ここで、焦点位置Ａ，Ｂ面での分離量をｄとし、ビーム焦点シフトＺを２・Ｚ
を２・ｄ・ｆ２／Ｄまで与えるとすると、図５（ｂ）に示すような配置を取るこ
とにより、図１０に示す構成〔図５（ａ）参照〕に比べ、図５（ｂ）に示すよう
にビーム焦点位置Ａ，Ｂが互いにシフトして、ビームの重ならないエリアが拡大
できる。なお、Ｄはレンズ出射ビーム径を示す。

その拡大の領域は、図１０に示したＸ１，Ｙ１面のビーム径ｄに対し、ビーム
Ｂ１とビームＢ２の焦点位置がシフトしたため、ビームが重なる部分が少なくな
り、セパレートされた部分のビームＢ２およびビームＢ１の最大ビーム径は２ｄ
が得られる。Ｘ２、Ｙ２は、第１の鏡５２、第３の鏡５６の設置可能な最大距離
を示す。

特に、このような構成の従来のレーザー装置は、図１０に示すように、第３の
鏡２６のレーザー損傷の限界によって制限されるため、最終動作出力が制限され
ていた。

それに対して本発明では、図４に示す構成を取ることによって、ビームエリア
を４倍（ビーム径は２倍）確保できる構成とすることができ、大出力化を図るこ
とができる。

次に、かかる発散角付き角度ずらしレーザー増幅装置の動作について説明する
。

入射レーザー光Ｌ１は、第１のレンズ５１を通過し、第１の鏡５２で反射され
、増幅器光路に入射する。第２のレンズ５３までビームは拡大され、第２のレン
ズ５３を通過する。このとき、第２のレンズ５３を通過後、レーザー光が完全に
はコリメートされずに少しの発散角を持つ条件となるように、第１のレンズ５１
と第２のレンズ５３の配置及び入射レーザー光Ｌ１の入射角を調整可能とする。
その後、レーザー光がレーザー増幅器５４を通過する。これが第１回目の増幅通
過である。

次に、レーザー増幅器５４を通過したレーザー光は平面の第２の鏡５５により
反射され、進行方向が反転し、再度、レーザー増幅器５４を通過する。これが第
２回目の増幅通過である。

次いで、第２のレンズ５３を通過し、ビームが縮小され第３の鏡５６によって
増幅器光路から外部に出され、増幅器光路から偏光制御素子光路に光路を変更す
る。この時点でのビームの口径は、従来型の発散角なしのビーム口径に比べ大き
く設定でき、面積比で、約４倍以上にできる。第１の偏光子５８と第２の偏光子
６０は、偏光透過方向が直交するように配置されている。レーザー光は、第１の
偏光子５８を通過し、偏光が偏光制御素子５９により９０度回転し、第２の偏光
子６０を通過する。第４の鏡６１で反射され、進行方向が折り返される。折り返
されたレーザー光は、再び第２の偏光子６０、偏光制御素子５９、第１の偏光子
５８を通過し、第３の鏡５６により増幅器光路に導入される。そして、再度第２
のレンズ５３とレーザー増幅器５４を通過する。これが第３回目の増幅通過であ
る。

次に、再度、第２の鏡５５で、ビームの進行方向が折り返され、レーザー増幅
器５４を通過する。これが第４回目の増幅通過である。第２のレンズ５３を通過
し、その後光軸のずれから第４のレンズ６２を通過し、コリメートされたレーザ
ー出力光Ｌ２が出力される。

図６には従来型の発散角なしと本発明の発散角付きの角度ずらし４回通過レー
ザー増幅装置構成での、計算での入出力特性を示す。この図において、横軸に入
力エネルギー〔Ｊ〕、縦軸に出力エネルギー〔Ｊ〕を示す。計算の条件は、発散
角なしと発散角付き増幅構成でも同じパラメーターである。レーザー増幅器は、
利得１．８倍の増幅器を４段に直列接続した構成で総合利得１０倍であり、レー
ザー媒質はＮｄガラス、誘導放出断面積は４．２×１０^-20 ｃｍ² である。レー
ザーの開口は４０ｃｍ×４０ｃｍである。

この図から明らかなように、本発明の発散角付きの構成の方が第３の鏡５６で
のビームの面積が大きいため従来の発散角なしの構成より高い出力エネルギーを
得ることができる。

上記したように、入射レーザー光に発散角を付けて、焦点位置を増幅器光路の
垂直方向にずらすとともに、増幅器光路の前後方向にもずらして、第３の鏡での
ビーム面積を大きくするようにしたので、レーザービームの大出力化を図ること
ができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づい
て種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明にかかるレーザー増幅装置は、大出力レーザー装置、高ピークパワーレ
ーザー装置、高平均パワーレーザー装置、超短パルスレーザー装置に適しており
、機械切断、溶接、材料表面改質（ピーニング）、レーザーアブレーション、電
子基盤トリミング、半導体トリミング、液晶回路トリミング、ナノテクノロジー
、高密度半導体露光装置、ＥＵＶ光源、Ｘ線源、Ｘ線レーザー源、γ線源、γ線
レーザー源、ＰＥＴ、高密度プラズマ源、レーザー核融合などへの広範な応用が
期待できる。

本発明の第１実施例を示すカセグレン型４回通過レーザー増幅装置の構成図である。 従来のカセグレン型３回通過レーザー増幅装置構成と、本発明にかかるカセグレン型４回通過レーザー増幅装置構成での、計算での入出力特性を示す図である。 本発明の第２実施例を示す発散角付き角度ずらし増幅器の構成図である。 本発明の第２実施例を示す発散角付き角度ずらし増幅器の配置と動作の詳細説明図である。 従来の角度ずらしのみと本発明の発散角付き角度ずらしビーム増幅装置のレーザービームの態様を示す図である。 従来型の発散角なしと本発明の発散角付きの角度ずらし４回通過レーザー増幅装置構成での、計算での入出力特性を示す図である。 従来の多数回通過レーザー増幅装置の模式図である。 従来の３回通過レーザー増幅装置の模式図である。 従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置の構成図である。 従来の角度ずらし４回通過レーザー増幅装置の配置と動作の詳細説明図である。

符号の説明

４１，５８ 第１の偏光子
４２，５９ 偏光制御素子
４３，６０ 第２の偏光子
４４，５２ 第１の鏡
４５，５４ レーザー増幅器
４６，５５ 第２の鏡
４７ 凸面のカセグレン副鏡
４８ 凹面のカセグレン主鏡
４９ ホール
５１ 第１のレンズ
５３ 第２のレンズ
５６ 第３の鏡
５７ 第３のレンズ
６１ 第４の鏡
６２ 第４のレンズ

Claims (5)

1. （ａ）凸面を有するカセグレン副鏡と、
   （ｂ）該カセグレン副鏡に対応して配置される第１の偏光子と、
   （ｃ）該第１の偏光子に対応して配置される偏光制御素子と、
   （ｄ）該偏光制御素子に対応して配置される第２の偏光子と、
   （ｅ）該第２の偏光子からの光を増幅器光路に導入する第１の鏡と、
   （ｆ）該第１の鏡からの反射光が入射されるレーザー増幅器と、
   （ｇ）該レーザー増幅器からの通過光を折り返すように配置される第２の鏡と、
   （ｈ）該第２の鏡を中央に形成されるホールに配置するとともに、該第２の鏡と
   同軸状に配置される凹面を有するカセグレン主鏡とを備え、
   （ｉ）レーザー光を前記第１の偏光子から入射させ、そのレーザー光を、前記偏
   光制御素子、第２の偏光子を通して前記第１の鏡で曲げて、前記レーザー増幅器
   で第１回目の増幅通過を行い、前記第２の鏡で反射させて進行方向を折り返し、
   前記レーザー増幅器で第２回目の増幅通過を行い、その増幅されたレーザー光を
   前記第１の鏡で曲げて、前記第２の偏光子を通して前記偏光制御素子で偏光が９
   ０度回転され、前記第１の偏光子を通して前記凸面を有するカセグレン副鏡で反
   射させて進行方向を折り返し、前記第１の偏光子、偏光制御素子、第２の偏光子
   を通過し、前記第１の鏡で増幅器光路に導入され、前記レーザー増幅器で第３回
   目の増幅通過を行い、その増幅通過されたレーザー光を前記凹面を有するカセグ
   レン主鏡によりビーム径を広げて方向が変えられ、前記レーザー増幅器で第４回
   目の増幅通過を行い、前記カセグレン主鏡のホールによってホールが空いたビー
   ムを前記第１の鏡を通過させてレーザー出力光を得ることを特徴とするレーザー
   増幅装置。
2. 請求項１記載のレーザー増幅装置において、前記偏光制御素子が小口径である
   ことを特徴とするレーザー増幅装置。
3. （ａ）レーザー光の入射用の第１のレンズと、
   （ｂ）該第１のレンズからのレーザー光を増幅器光路に導入する第１の鏡と、
   （ｃ）入射光を受ける第２のレンズと、
   （ｄ）該第２のレンズからのレーザー光が入射されるレーザー増幅器と、
   （ｅ）該レーザー増幅器からの通過光を同光軸方向に折り返すように配置される
   第２の鏡と、
   （ｆ）アイソレート用偏光制御素子の光路に導く第３の鏡と、
   （ｇ）偏光制御素子光路に導入されたレーザー光をコリメートする第３のレンズ
   と、
   （ｈ）該第３のレンズに対応して配置される第１の偏光子と、
   （ｉ）該第１の偏光子に対応して配置されるアイソレート用偏光制御素子と、
   （ｊ）該アイソレート用偏光制御素子に対応して配置される第２の偏光子と、
   （ｋ）該第２の偏光子の通過光を折り返す第４の鏡と、
   （ｌ）レーザー出力光を得る第４のレンズとを備え、
   （ｍ）入射レーザー光は、前記第１のレンズを通過し、前記第１の鏡で反射され
   、拡大されて増幅器光路に入射し、前記第２のレンズを通過し、このとき第２の
   レンズにより完全にコリメートされずに発散角を持つ条件となるように、予め前
   記第１のレンズと第２のレンズを配置するとともに、入射レーザー光の入射角も
   調整し、前記第２のレンズ通過後、前記レーザー増幅器で第１回目の増幅通過を
   行い、前記平面の第２の鏡で反射させて、進行方向を反転させ、前記レーザー増
   幅器により第２回目の増幅通過を行い、次いで、前記第２のレンズを通過し、ビ
   ームが縮小され前記第３の鏡によって増幅器光路から外部に外され、偏光制御素
   子光路に光路を変更し、前記第１の偏光子と第２の偏光子は、偏光透過方向が直
   交するように配置されており、前記第１の偏光子を通過し、偏光が前記偏光制御
   素子により９０度回転し、前記第２の偏光子を通過し、前記第４の鏡で反射され
   、進行方向が折り返されて、再び前記第２の偏光子、偏光制御素子、第１の偏光
   子を通過し、前記第３の鏡により増幅器光路に導入され、再度前記第２のレンズ
   を介して前記レーザー増幅器により、第３回目の増幅通過を行い、再度、前記第
   ２の鏡で、ビームの進行方向が折り返され、前記レーザー増幅器により、第４回
   目の増幅通過を行い、前記第２のレンズを通過し、その後光軸のずれから前記第
   ４のレンズを通過し、コリメートされたレーザー出力光を得ることを特徴とする
   レーザー増幅装置。
4. 請求項３記載のレーザー増幅装置において、前記第３のレンズにおけるビーム
   径を大きく設定可能にしてなることを特徴とするレーザー増幅装置。
5. 請求項３記載のレーザー増幅装置において、前記入射レーザー光に発散角を付
   けて、焦点位置を増幅器光路の垂直方向にずらすと共に、増幅器光路の前後方向
   にもずらして、前記第３の鏡でのビーム面積を大きくしてレーザービームの大出
   力化を図ることを特徴とするレーザー増幅装置。

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