JP2005251981A - 固体レーザーの増幅法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
従来からレーザー光の増幅は、レーザー光を増幅器にシングルパスさせることによって行われてきたので、発振器から出力されるレーザー光のエネルギーは一般に低いため、十分に増幅器に蓄積されているエネルギーを抽出することはできず、レーザー出力や効率が低いという欠点があった。
【解決手段】
本発明の固体レーザーの増幅法は、レーザー光を多数回且つ空間的にむらなく増幅器をパスさせることにより増幅器に蓄積されているエネルギーを効率よく抽出でき、又１台の増幅器のみで発熱によるレーザー光の歪みを補正できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、折り返し鏡、増幅器、偏光素子、ファデー回転子及び位相共役鏡を使用してレーザー光の熱歪みを補正しながら増幅器に複数回パスさせることにより、固体レーザーを増幅する方法に関するものである。
従来からレーザー光の増幅は、レーザー光を増幅器２にシングルパスさせることによって行われてきた（非特許文献１）。図１に従来例のレーザー光の増幅法の構成図を示す。
発振器から出力されるレーザー光１のエネルギーは一般に低いので、図１に示すようなシングルパス方式では飽和増幅を行うことがでないため、十分に増幅器２に蓄積されているエネルギーを抽出することはできず、レーザー出力や効率が低いという欠点があった。
J. L. Emmett et al. Lawrence Livermore Laboratory, No. UCRL- 52863, April (1980)
本発明の課題は、増幅器以外に折り返し鏡、偏光素子、位相共役鏡等の機器を配置使用することにより効率良く高品質にレーザー光を増幅する方法を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明の固体レーザーの増幅法は、レーザー光１を多数回且つ空間的にむらなく増幅器２をパスさせることにより増幅器２に蓄積されているエネルギーを効率よく抽出できること、及び１台の増幅器２のみで発熱によるレーザー光１の歪みを補正できることを特徴としている。
例えば、本発明は、図４に示されるように、増幅器のレーザー発振器側に第２の折り返し鏡３2、第１及び第２の偏光素子４1，４2及び位相共役鏡６を配置し、その反対側にファラデー回転子５並びに第１、３及び第４の折り返し鏡３1，３3，３4を配置し、発振器からのレーザー光を増幅器２を経て第１の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を増幅器２及び第１の偏光素子を経て第２の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を増幅器２及びファラデー回転子５を経て第３の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を回転子５、増幅器２を経て位相共役鏡６で反射させ、増幅器２及び回転子５を経て第４の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を回転子５及び増幅器を経て第２の偏光素子から取り出すことにより、ファラデー回転子で増幅器の発熱によりレーザー光の偏光状態がくずれる熱複屈折効果で生ずるレーザー光の熱歪みを補正し、且つ位相共役鏡でレーザー光が平行でなくなり不必要に集光される熱レンズ効果で生ずるレーザー光の熱歪みを補正することにより、集光性能の良い高いビーム品質のレーザー光を得ることができるものである。
本発明の増幅法を用いることにより、増幅器に蓄積されたエネルギーを効率よく抽出することが可能となり、高出力のレーザー光を得ることができる。また、熱歪みの補正が可能となるので、集光性能の良い高ビーム品賛のレーザー光を得ることができる。
図２に示すように、レーザー光１に対して折り返し鏡３や偏光素子４を配置し、偏光の回転を利用することにより、増幅器２にレーザー光１を多数回且つむらなくパスさせることを特徴としている。その結果、低い入射レーザーエネルギーで増幅器２に蓄えられているエネルギーを効率よく抽出することができるとともに、高い増幅利得が達成できる。
即ち、図２においては、増幅器２のレーザー発振器側に第１の折り返し鏡３1を配置し、その反対側に偏光素子４及び第２の折り返し鏡３2を配置し、発振器からのレーザー光１を増幅器及び偏光素子を経て第２の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を偏光素子４及び増幅器２を経て第１の折り返し鏡で反射させ、その反射レーザー光を増幅器２を経て取り出すことにより、偏光素子４で偏光回転され、且つ増幅器２で３回パスさせて高エネルギー化されたレーザー光を得ることができるものである。
また、図３に示すように、ファラデー回転子５や位相共役鏡６を用いることにより増幅器２の発熱によるレーザー光１の熱歪み（熱レンズ効果、熱複屈折効果）を補正できることを特徴としている。その結果、集光性能の良い高いビーム晶質のレーザー光を得ることができる。
即ち、図３においては、増幅器のレーザー発振器側に折り返し鏡３を配置し、その反対側にファラデー回転子５及び位相共役鏡６を配置し、発振器からのレーザー光１を増幅器２及び回転子５を経て共役鏡６で反射させ、その反射レーザー光を回転子５及び増幅器２を経て折り返し鏡３で外側に反射させて取り出すことにより、回転子及び位相共役鏡を用いることにより増幅器の発熱によるレーザー光の熱歪みを補正させて、集光性能の良い高いビーム晶質のレーザー光を得ることができるものである。
本発明の実施形態の固体レーザーの増幅法について、図面を参照して説明する。図４に、本発明の実施形態にかかる例として６パス方式の固体レーザーの増幅法の構成図を示す。図４の構成では従来例の図１の構成に対して、新たにレーザー光１を多数回且つ空間的にむらなく増幅器２をパスさせるために４個の折り返し鏡３、及びレーザー光を取り出すために２個の偏光素子４、レーザー光１の熱歪みを補正するためにレーザー光１の偏光状態を回転させるファラデー回転子５並びにレーザー光１の波面歪みを補正する位相共役鏡６を設けた。
入射するレーザー光１は増幅器２を１パスし、折り返し鏡３で反射され２パスする。偏光素子４によりレーザー光を取り出しレーザー光の空間的な形状を整形した後、入射レーザー光は折り返し鏡３や位相共役鏡６で反射されることによって増幅器２及びファラデー回転子５を４パスする。増幅されたレーザー光１は偏光素子４を用いて偏光の回転を利用して取り出される。従ってレーザー光１は合計６回増幅器中を空間的にむらなく伝搬することができる。このため、十分に増幅器２中に蓄積されているエネルギーを抽出することができるので、効率の良い増幅が可能となる。
また、ファラデー回転子５で増幅器２の発熱によりレーザー光の偏光状態がくずれる熱複屈折効果を、位相共役鏡６でレーザー光が平行でなくなり不必要に集光される熱レンズ効果といったレーザー光１の熱歪みを補正することにより、集光性能の良い高いビーム品質のレーザー光を得ることが可能となる。
本発明においては、増幅器中を通過するレーザー光は、図６に示されるように、直線的な光路を有するものでも、又はジグザグ的な光路を有するものでもどちらでも使用可能である。
以下に実際の実験例を掲げて本発明をより具体的に説明する。図４に示した構成で実験を行った。入射レーザー光には半導体レーザー（ＬＤ）励起単一縦横モードＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いた。このレーザーの出力光はパルス当たりのエネルギーが０．２５ｍＪ、レーザー波長１０６４ｎｍ、パルス幅５０ｎｓ（ＦＷＨＭ）、繰り返し率１ｋＨｚ、直線偏光で発振するという特徴を持つ。増幅器は側面励起ジグザグスラブ型増幅器であり、固体レーザー材料にはＮｄ：ＹＡＧ結晶、励起光源にはＬＤを用いた。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶のサイズは５ｍｍ（厚み）×３２ｍｍ（幅）×２４６ｍｍ（長さ）であり、レーザー光１の入出射面は１０６４ｎｍの波長で無反射コートを施した。励起光源としてパルス当たりのエネルギー１．８Ｊ、レーザー波長８０８ｎｍ、繰り返し率１ｋＨｚ、パルス幅２００μｓで発振するＬＤを２つ用いた。
図５に平均ＬＤ励起入力に対する増幅器平均出力特性を示す。図中の白丸はレーザー光を増幅器中をシングルパスさせた場合（従来例）、黒丸は熱歪みを補正しながら増幅器中を６パスさせた場合（実施例）の実験結果である。実施例の増幅法を用いることにより、出力特性が向上しこの増幅法の有用性が示される結果が得られた。増幅器の利得として〜１５００倍もの高利得を達成した。また理論限界に近い高いビーム品質の出力レーザー光が得られた。
従来例のレーザー光の増幅法の構成図である。 レーザー光の増幅光路を示す概念図である。 増幅されたレーザー光の熱歪み補正を示す概念図である。 本発明の実施形態にかかる６パス方式固体レーザーの増幅法の構成図である。 従来例と本発明の実施例における平均ＬＤ励起入力に対する増幅器平均出力特性を示す図である。 ジグザグスラブ型のレーザー光の光路を示す図である。
符号の説明
１…レーザー光
２…増幅器
３1…折り返し鏡
３2…折り返し鏡
３3…折り返し鏡
３4…折り返し鏡
４1…偏光素子
４2…偏光素子
５…ファラデー回転子
６…位相共役鏡

Claims (4)

  1. 発振器から出力されるレーザー光に対して折り返し鏡や偏光素子を配置し、偏光の回転を利用することにより、増幅器にレーザー光を多数回且つむらなくパスさせ、増幅器に蓄えられているエネルギーを効率よく抽出することを特徴とする固体レーザーの増幅法。
  2. レーザー光の偏光状態を４５度回転できる偏光回転子及び時間反転波を発生できる位相共役鏡を用いることにより、１台の増幅器だけで増幅器の発熱によるレーザー光の熱歪み（熱レンズ効果、熱複屈折効果）を補正できることを特徴とする請求項１記載の固体レーザーの増幅法。
  3. 増幅器に使用する固体レーザー材料は希土類イオンなどをドープした結晶、ガラスまたはセラミックなどで、励起光源には半導体レーザーやフラッシュランプなどを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２の固体レーザー光の増幅法。
  4. 増幅器には、冷却面を大きく取れるので単位長さ当たりの蓄積エネルギーを大きく取ることができ、増幅レーザー光の利得は均一でレーザー光の熱歪みを低減させることができるジグザグスラブ型を用いることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の固体レーザー光の増幅法。




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