JP2007059471A

JP2007059471A - 光増幅器およびｍｏｐａレーザ装置

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Publication number: JP2007059471A
Application number: JP2005240067A
Authority: JP
Inventors: Osamu Matsumoto; 修松本; Toshiyuki Kawashima; 利幸川嶋; Akira Yasuhara; 亮安原; Takashi Sekine; 尊史関根; Takashi Kurita; 隆史栗田; Yasushi Ikegawa; 恭史池川
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】効率よく光出力化が可能な光増幅器およびＭＯＰＡレーザ装置を提供する。
【解決手段】ＭＯＰＡレーザ装置２は、レーザ光源３１、光増幅器３２、ビームエクスパンダ３３、光学マスク３４および光増幅器１Ａを備える。レーザ光源３１から出力された光は、光増幅器３２，ビームエクスパンダ３３および光学マスク３４を経て、光増幅器１Ａに入力される。光増幅器１Ａに入力された光は、第１パスで光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で増幅され、第２パスで光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で増幅され、第２パスとは逆の経路となる第３パスで光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で増幅され、第１パスとは逆の経路となる第４パスで光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で増幅されて、出力される。第１パスと第２パスとでは、２個の光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２それぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光が伝搬する。
【選択図】図２

Description

本発明は、所定波長の光を誘導放射して光増幅し得る光増幅器、および、光源と該光増幅器とを含むＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）レーザ装置に関するものである。

固体レーザ媒質を含む光増幅器が知られている。この光増幅器では、固体レーザ媒質に励起光を照射して、この固体レーザ媒質に含まれている活性元素（例えば希土類元素や遷移元素）を励起し、この固体レーザ媒質における誘導放出現象を利用して所定波長の光を光増幅する。また、光源と光増幅器とからＭＯＰＡレーザ装置が構成され得る。例えば、固体レーザ媒質はＮｄやＹｂをドープしたロッド（円柱）状のガラスや結晶であり、励起光源はレーザダイオードアレイやフラッシュランプであり、光増幅し得る光の波長は１０５３ｎｍ等である。

このような固体レーザ媒質を含む光増幅器は、気体レーザ媒質または液体レーザ媒質を含むものと比較すると、小型であって取り扱いが容易である。しかし、レーザダイオードやフラッシュランプから出力される励起光でロッド型固体レーザ媒質を励起した場合、固体レーザ媒質に吸収された励起光の多くは、固体レーザ媒質内で熱負荷となり、固体レーザ媒質に温度分布をもたらす。この温度分布は、熱レンズ効果、熱複屈折効果およびビーム偏向などを発生させ、レーザ光のモードパターンの変化や出力低下の原因となる。

特許文献１に記載されたようなスラブ型固体レーザ媒質を含む光増幅器は、ロッド型またはディスク型の固体レーザ媒質を含むものと比較すると、水冷却により熱負荷を効率よく除去できるので、大きな出力エネルギを取り出すことができる。また、スラブ型固体レーザ媒質を含む光増幅器は、一方の端面に入射した光をスラブ型固体レーザ媒質の２つの主平面で繰り返し反射させてジグザグ伝搬させながら光増幅して他方の端面から出力することで、そのジグザグ伝搬光路での熱効果が平均化されるので、均一の出力パターンが得られる。
特開２００５−１５８８８６号公報

光増幅器やＭＯＰＡレーザ装置は、産業または科学の分野における更なる応用を目指して、更なる高利得化や高出力化が要求されている。スラブ型固体レーザ媒質を含む光増幅器は、複数のスラブ型固体レーザ媒質を多段に設けることで高利得化が可能であるが、単純に多段化したのみでは増幅効率がよくない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、効率よく光出力化が可能な光増幅器およびＭＯＰＡレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光増幅器は、(1) 一方の端面に入射した所定波長の光を２つの主平面で繰り返し反射させながら光増幅して他方の端面から出力するスラブ型固体レーザ媒質と、このスラブ型固体レーザ媒質を励起する励起部と、を各々含むＮ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎと、(2) 光増幅されるべき所定波長の光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、(3) この第１光増幅手段により光増幅された光を、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において第１光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第２光増幅手段と、(4) この第２光増幅手段により光増幅された光を、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第３光増幅手段と、(5) この第３光増幅手段により光増幅された光を、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において第３光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数である。

或いは、本発明に係る光増幅器は、(1) 一方の端面に入射した所定波長の光を２つの主平面で繰り返し反射させながら光増幅して他方の端面から出力するスラブ型固体レーザ媒質と、このスラブ型固体レーザ媒質を励起する励起部と、を各々含むＮ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎと、(2) 光増幅されるべき所定波長の光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、(3) この第１光増幅手段により光増幅された光を、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において第１光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第２光増幅手段と、(4) この第２光増幅手段により光増幅された光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第３光増幅手段と、(5) この第３光増幅手段により光増幅された光を、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において第３光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数である。

好適には、本発明に係る光増幅器は、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎのうちの光増幅モジュールＡ_ｎと光増幅モジュールＡ_ｎ＋１との間（ただし、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各整数）、第１光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと第２光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、第２光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと第３光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、および、第３光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと第４光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、それぞれに設けられ、前段の光増幅モジュールから出力された光のビーム断面形状を後段の光増幅モジュールへ像転送するスペーシャルフィルタを更に備える。

また、本発明に係るＭＯＰＡレーザ装置は、光を出力する光源と、この光源から出力された光を入力し光増幅して出力する上記の本発明に係る光増幅器と、を備えることを特徴とする。

本発明では、第１光増幅手段と第２光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。また、第３光増幅手段と第４光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。したがって、複数個の光増幅モジュールそれぞれでスラブ型固体レーザ媒質の広い体積からエネルギを取り出すことができるので、効率的に出力エネルギを取り出すことができる。また、スペーシャルフィルタ等の構成要素の個数を低減できるので、コストの削減、信頼性の向上、システムの小型化につなげることができる。

本発明によれば、効率よく光出力化が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

先ず、本発明に係る光増幅器の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光増幅器１の構成図である。この図に示される光増幅器１は、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎ、(Ｎ＋１)個のスペーシャルフィルタＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１、ポラライザＰ、ファラデーローテータＦＲおよびミラーＭを備える。なお、Ｎは２以上の整数であり、後に現れるｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。また、この図では、光の進行方向を変えるためのミラーの表示が省略されている。

Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎは共通の構成を有する。各光増幅モジュールＡ_ｎは、スラブ型固体レーザ媒質１０，励起光源１１および励起光源１２を含む。スラブ型固体レーザ媒質１０は、一方の端面に入射した所定波長の光を２つの主平面で繰り返し反射させながら光増幅して他方の端面から出力するものであり、例えば、活性イオン（例えばＮｄ、Ｙｂ等）が添加されたガラス、結晶、セラミックなどの固体レーザ材料である。励起光源１１および励起光源１２は、このスラブ型固体レーザ媒質１０を励起する励起部として用いられ、例えば、フラッシュランプ、レーザダイオードアレイまたはレーザダイオードアレイスタックを含む。励起光源１１は、出力した励起光をスラブ型固体レーザ媒質１０の一方の主平面に照射し、励起光源１２は、出力した励起光をスラブ型固体レーザ媒質１０の他方の主平面に照射する。なお、励起光が照射されたスラブ型固体レーザ媒質１０が発熱することから、このスラブ型固体レーザ媒質１０を冷却するために水冷機構が設けられている。

(Ｎ＋１)個のスペーシャルフィルタＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１も共通の構成を有する。各スペーシャルフィルタＳＦ_ｎは、ピンホール２０，レンズ２１およびレンズ２２を含む。レンズ２１およびレンズ２２は、ケプラ型逆望遠系の共焦点光学系を構成しており、光のビーム断面形状を次々に像転送するものである。ピンホール２０は、レンズ２１とレンズ２２との間の焦点位置にあり、熱歪み等に因り生じる空間的な高調波成分を除去するために設けられている。また、ピンホール２０は、集光位置に設けられることから、耐熱衝撃抵抗が大きく硬度が高い材料からなることが望ましく、セラミックスからなるのが好適であり、そのうちでも、アルミナ、窒化珪素、窒化炭素もしくは窒化ボロン、または、これらの混合物等からなるのが好適である。

Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎ、および、(Ｎ＋１)個のスペーシャルフィルタＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１は、交互に配置されている。ポラライザＰは、光増幅されるべきｐ偏光の光を入力して透過させスペーシャルフィルタＳＦ_１に入射させるとともに、スペーシャルフィルタＳＦ_１から到達したｓ偏光の光を反射させて光増幅器１の出力光とする。ミラーＭは、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１から到達した光を反射させて、その反射させた光をスペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１に入射させる。ファラデーローテータＦＲは、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１とミラーＭとの間の光路上に設けられ、光の２回の通過で偏光方位を９０度回転させ、また、熱複屈折の補償を図る。

この第１実施形態に係る光増幅器１は、光増幅されるべき光を光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、この第１光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第２光増幅手段と、この第２光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第３光増幅手段と、この第３光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、を備える。第１光増幅手段と第２光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。また、第３光増幅手段と第４光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。第１〜第４の光増幅手段それぞれは、このような経路で光を伝搬させるためのミラー等の光学系により構成される。

この光増幅器１は以下のように動作する。ポラライザＰに対してｐ偏光の被増幅光は、ポラライザＰを透過した後、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１に含まれるスラブ型固体レーザ媒質１０の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。このような光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力される。以上が第１光増幅手段による第１パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光が増幅される。

続いて、第１パスの最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力された光は、再びスペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。このような光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力される。以上が第２光増幅手段による第２パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光が増幅される。

ただし、第１パスと第２パスとでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光が伝搬する。このように、第１パスと第２パスとでスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路とすることにより、スラブ型固体レーザ媒質内のできるだけ大きな領域から蓄積エネルギを効率的に取り出すことができる。

更に続いて、第２パスの最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１によりミラーＭに像転送される。ミラーＭにより正反射された光は、再びスペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１により光増幅モジュールＡ_Ｎに像転送される。この間に、光は、ファラデーローテータＦＲを２回通過して、偏光方位が９０度回転され、また、熱複屈折の補償が図られる。

ファラデーローテータＦＲから光増幅モジュールＡ_Ｎに入射した光は、第２パスとは逆の経路となる第３パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第３光増幅手段による第３パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光が増幅される。

続いて、第３パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、再び光増幅モジュールＡ_Ｎに入射し、第１パスとは逆の経路となる第４パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第４光増幅手段による第４パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光が増幅される。

この第４パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、ポラライザＰに対してｓ偏光となっていて、ポラライザＰにより反射されて光増幅器１の出力光となる。この光増幅器１の出力は、スペーシャルフィルタＳＦ_１により所定の位置に像転送された出力となる。

このように第１実施形態に係る光増幅器１では、複数個の光増幅モジュールそれぞれでスラブ型固体レーザ媒質の広い体積からエネルギを取り出すことができるので、効率的に出力エネルギを取り出すことができる。また、スペーシャルフィルタ等の構成要素の個数を低減できるので、コストの削減、信頼性の向上、システムの小型化につなげることができる。

次に、本発明に係るＭＯＰＡレーザ装置の第１実施形態について説明する。図２は、第１実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置２の構成図である。この図に示されるＭＯＰＡレーザ装置２は、レーザ光源３１、光増幅器３２、ビームエクスパンダ３３、光学マスク３４および光増幅器１Ａを備える。

レーザ光源３１は、レーザ光を出力するものである。このレーザ光源３１から出力される光の波長は、光増幅器３２および光増幅器１Ａそれぞれにおいて光増幅され得る波長である。光増幅器３２は、レーザ光源３１から出力された光を入力し光増幅して出力する。ビームエクスパンダ３３は、光増幅器３２から出力されミラーＭ_１により反射されて到達した光を入力し、この光のビーム径を大きくして出力する。光学マスク３４は、開口を有しており、ビームエクスパンダ３３から出力されミラーＭ_２により反射されて到達した光を入力し、開口のみに光を透過させて、この光の空間分布形状を矩形状に整形して出力する。

光増幅器１Ａは、図１に示された光増幅器１と略同様の構成を有している。ただし、ここでは、Ｎ値を２とし、また、スペーシャルフィルタＳＦ_３とスペーシャルフィルタＳＦ_１とを共通のものとしている。光増幅器１Ａに含まれるスペーシャルフィルタＳＦ_１は、光学マスク３４の位置における光のビーム断面形状を像転送する。そして、光増幅器１Ａは、光学マスク３４の開口を通過した光を入力し、その光を光増幅して出力する。

ＭＯＰＡレーザ装置２のより具体的な構成の一例は以下のとおりである。レーザ光源３１は、Ｎｄ:ＹＬＦを連続発振のレーザダイオードで励起する単一縦横シードレーザ光源と、Ｎｄ:ＹＬＦをレーザダイオードで励起するＱスイッチ光増幅器と、を含む構成のものであり、波長１０５３ｎｍの出力パルス光の立ち上がり時間を最小とするアルゴリズムでフィードバック制御して、単一モードの安定化を図る。光増幅器３２は、ロッド形状のＮｄ:ＹＬＦをレーザダイオードで励起する構成のものである。

このＭＯＰＡレーザ装置２は以下のように動作する。レーザ光源３１から出力された光は、光増幅器３２により光増幅され、ミラーＭ_１により反射されてビームエクスパンダ３３によりビーム径が拡大され、ミラーＭ_２により反射されて光学マスク３４に入力される。この光学マスク３４によりビーム断面形状が矩形状とされた光は光増幅器１Ａに入力される。

光増幅器１Ａに入力された光は、ポラライザＰに対してｐ偏光であり、ポラライザＰを透過した後、ミラーＭ_３により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１に含まれるスラブ型固体レーザ媒質の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、ミラーＭ_４，Ｍ_５により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。光増幅モジュールＡ_２に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_２に含まれるスラブ型固体レーザ媒質の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。このように光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。以上が第１光増幅手段による第１パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で光が増幅される。

続いて、第１パスの最後に光増幅モジュールＡ_２から出力された光は、ミラーＭ_６，Ｍ_７により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、ミラーＭ_８，Ｍ_９により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。光増幅モジュールＡ_２に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。このように光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。以上が第２光増幅手段による第２パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で光が増幅される。

ただし、第１パスと第２パスとでは、２個の光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２それぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光が伝搬する。このように、第１パスと第２パスとでスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路とすることにより、スラブ型固体レーザ媒質内のできるだけ大きな領域から蓄積エネルギを効率的に取り出すことができる。

更に続いて、第２パスの最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力された光は、ミラーＭ_１０により反射され、スペーシャルフィルタＳＦ_１によりミラーＭに像転送される。ミラーＭにより正反射された光は、再びスペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。この間に、光は、ファラデーローテータＦＲを２回通過して、偏光方位が９０度回転され、また、熱複屈折の補償が図られる。

ファラデーローテータＦＲから光増幅モジュールＡ_２に入射した光は、第２パスとは逆の経路となる第３パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第３光増幅手段による第３パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で光が増幅される。

続いて、第３パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、再び光増幅モジュールＡ_２に入射し、第１パスとは逆の経路となる第４パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第４光増幅手段による第４パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で光が増幅される。

この第４パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、ポラライザＰに対してｓ偏光となっていて、ポラライザＰにより反射されて光増幅器１Ａの出力光となる。この光増幅器１Ａの出力は、スペーシャルフィルタＳＦ_１により所定の位置に像転送された出力となる。

この第１実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置２は、上述した光増幅器１と同様の効果を奏することができ、加えて、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１とスペーシャルフィルタＳＦ_１とを共通のものとすることにより、スペーシャルフィルタの個数を減らすことができる。

次に、本発明に係る光増幅器の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光増幅器３の構成図である。この図に示される光増幅器３は、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎ、(Ｎ＋１)個のスペーシャルフィルタＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１、ポラライザＰ、ファラデーローテータＦＲおよびミラーＭを備える。なお、Ｎは２以上の整数であり、後に現れるｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。また、この図では、光の進行方向を変えるためのミラーの表示が省略されている。

この光増幅器３に含まれる個々の構成要素は、図１に示された光増幅器１に含まれるものと同様のものである。Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎ、および、(Ｎ＋１)個のスペーシャルフィルタＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１は、交互に配置されている。ポラライザＰは、光増幅されるべきｐ偏光の光を入力して透過させスペーシャルフィルタＳＦ_１に入射させるとともに、スペーシャルフィルタＳＦ_１から到達したｓ偏光の光を反射させて光増幅器３の出力光とする。ミラーＭは、スペーシャルフィルタＳＦ_１から到達した光を反射させて、その反射させた光をスペーシャルフィルタＳＦ_１に入射させる。ファラデーローテータＦＲは、スペーシャルフィルタＳＦ_１とミラーＭとの間の光路上に設けられ、光の２回の通過で偏光方位を９０度回転させ、また、熱複屈折の補償を図る。

この第２実施形態に係る光増幅器３は、光増幅されるべき所定波長の光を光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、この第１光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第２光増幅手段と、この第２光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第３光増幅手段と、この第３光増幅手段により光増幅された光を光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、を備える。第１光増幅手段と第２光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。また、第３光増幅手段と第４光増幅手段とでは、Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において異なる経路で光を伝搬させる。第１〜第４の光増幅手段それぞれは、このような経路で光を伝搬させるためのミラー等の光学系により構成される。

この光増幅器３は以下のように動作する。ポラライザＰに対してｐ偏光の被増幅光は、ポラライザＰを透過した後、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１に含まれるスラブ型固体レーザ媒質１０の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。このような光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力される。以上が第１光増幅手段による第１パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光が増幅される。

続いて、第１パスの最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力された光はスペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１によりミラーＭ_ＡとミラーＭ_Ｂとの中間に像転送され、像転送されたレーザ光はミラーＭ_ＡおよびミラーＭ_Ｂにより反射されて、再びスペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１により光増幅モジュールＡ_Ｎに像転送される。光増幅モジュールＡ_Ｎに入射した光は、この光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力される。この光増幅モジュールＡ_Ｎから出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎにより光増幅モジュールＡ_Ｎ−１に像転送される。このような光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第２光増幅手段による第２パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光が増幅される。

更に続いて、第２パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_１によりミラーＭに像転送される。ミラーＭにより正反射された光は、再びスペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。この間に、光は、ファラデーローテータＦＲを２回通過して、偏光方位が９０度回転され、また、熱複屈折の補償が図られる。

ファラデーローテータＦＲから光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、第２パスとは逆の経路となる第３パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力される。以上が第３光増幅手段による第３パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光が増幅される。

続いて、第３パスの最後に光増幅モジュールＡ_Ｎにより光増幅されて出力された光は、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１によりミラーＭ_ＡとミラーＭ_Ｂとの中間に像転送され、ミラーＭ_ＡおよびミラーＭ_Ｂにより反射されて、再びスペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１により光増幅モジュールＡ_Ｎに像転送される。光増幅モジュールＡ_Ｎに入射した光は、第１パスとは逆の経路となる第４パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第４光増幅手段による第４パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光が増幅される。

この第４パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、ポラライザＰに対してｓ偏光となっていて、ポラライザＰにより反射されて光増幅器３の出力光となる。この光増幅器３の出力は、スペーシャルフィルタＳＦ_１により所定の位置に像転送された出力となる。

このように第２実施形態に係る光増幅器３では、複数個の光増幅モジュールそれぞれでスラブ型固体レーザ媒質の広い体積からエネルギを取り出すことができるので、効率的に出力エネルギを取り出すことができる。また、スペーシャルフィルタ等の構成要素の個数を低減できるので、コストの削減、信頼性の向上、システムの小型化につなげることができる。

次に、本発明に係るＭＯＰＡレーザ装置の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置４の構成図である。この図に示されるＭＯＰＡレーザ装置４は、レーザ光源３１、光増幅器３２、ビームエクスパンダ３３、光学マスク３４および光増幅器３Ａを備える。

この第２実施形態におけるレーザ光源３１、光増幅器３２、ビームエクスパンダ３３および光学マスク３４それぞれは、前述した第１実施形態におけるものと同様のものである。光増幅器３Ａは、図３に示された光増幅器３と略同様の構成を有している。ただし、ここでは、Ｎ値を２とし、また、スペーシャルフィルタＳＦ_３とスペーシャルフィルタＳＦ_１とを共通のものとしている。光増幅器３Ａに含まれるスペーシャルフィルタＳＦ_１は、光学マスク３４の位置における光のビーム断面形状を像転送する。そして、光増幅器３Ａは、光学マスク３４の開口を通過した光を入力し、その光を光増幅して出力する。

このＭＯＰＡレーザ装置４は以下のように動作する。レーザ光源３１から出力された光は、光増幅器３２により光増幅され、ミラーＭ_１により反射されてビームエクスパンダ３３によりビーム径が拡大され、ミラーＭ_２により反射されて光学マスク３４に入力される。この光学マスク３４によりビーム断面形状が矩形状とされた光は光増幅器３Ａに入力される。

光増幅器３Ａに入力された光は、ポラライザＰに対してｐ偏光であり、ポラライザＰを透過した後、ミラーＭ_３により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１に含まれるスラブ型固体レーザ媒質の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。この光増幅モジュールＡ_１から出力された光は、ミラーＭ_４，Ｍ_５により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。光増幅モジュールＡ_２に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_２に含まれるスラブ型固体レーザ媒質の一方の端面に入力され、２つの主平面で繰り返し反射されながら光増幅されて、他方の端面から出力される。このように光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。以上が第１光増幅手段による第１パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で光が増幅される。

続いて、第１パスの最後に光増幅モジュールＡ_２から出力された光は、ミラーＭ_６により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_１によりミラーＭ_７に像転送される。ミラーＭ_７により反射された光は、ミラーＭ_８により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_２に像転送される。光増幅モジュールＡ_２に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。この光増幅モジュールＡ_２から出力された光は、ミラーＭ_９，Ｍ_１０により反射され、また、スペーシャルフィルタＳＦ_２により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、この光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。このように光増幅および像転送が繰り返し行われて、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第２光増幅手段による第２パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で光が増幅される。

更に続いて、第２パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、ミラーＭ_１１により反射され、スペーシャルフィルタＳＦ_１によりミラーＭに像転送される。ミラーＭにより正反射された光は、再びスペーシャルフィルタＳＦ_１により光増幅モジュールＡ_１に像転送される。この間に、光は、ファラデーローテータＦＲを２回通過して、偏光方位が９０度回転され、また、熱複屈折の補償が図られる。

ファラデーローテータＦＲから光増幅モジュールＡ_１に入射した光は、第２パスとは逆の経路となる第３パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力される。以上が第３光増幅手段による第３パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_１，Ａ_２の正順で光が増幅される。

続いて、第３パスの最後に光増幅モジュールＡ_２により光増幅されて出力された光は、再び光増幅モジュールＡ_２に入射し、第１パスとは逆の経路となる第４パスを経て、最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力される。以上が第４光増幅手段による第４パスの光増幅であり、光増幅モジュールＡ_２，Ａ_１の逆順で光が増幅される。

この第４パスの最後に光増幅モジュールＡ_１により光増幅されて出力された光は、ポラライザＰに対してｓ偏光となっていて、ポラライザＰにより反射されて光増幅器３Ａの出力光となる。この光増幅器３Ａの出力は、スペーシャルフィルタＳＦ_１により所定の位置に像転送された出力となる。

この第２実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置４は、上述した光増幅器３と同様の効果を奏することができ、加えて、スペーシャルフィルタＳＦ_Ｎ＋１とスペーシャルフィルタＳＦ_１とを共通のものとすることにより、スペーシャルフィルタの個数を減らすことができる。

第１実施形態に係る光増幅器１の構成図である。第１実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置２の構成図である。第２実施形態に係る光増幅器３の構成図である。第２実施形態に係るＭＯＰＡレーザ装置４の構成図である。

符号の説明

１，１Ａ，３，３Ａ…光増幅器、２，４…ＭＯＰＡレーザ装置、１０…スラブ型固体レーザ媒質、１１，１２…励起光源、２０…ピンホール、２１，２２…レンズ、３１…レーザ光源、３２…光増幅器、３３…ビームエクスパンダ、３４…光学マスク、Ａ_１〜Ａ_Ｎ…光増幅モジュール、ＳＦ_１〜ＳＦ_Ｎ＋１…スペーシャルフィルタ、Ｍ，Ｍ_１〜Ｍ_１１…ミラー、ＦＲ…ファラデーローテータ、Ｐ…ポラライザ。

Claims

一方の端面に入射した所定波長の光を２つの主平面で繰り返し反射させながら光増幅して他方の端面から出力するスラブ型固体レーザ媒質と、このスラブ型固体レーザ媒質を励起する励起部と、を各々含むＮ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎと、
光増幅されるべき所定波長の光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、
この第１光増幅手段により光増幅された光を、前記Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において前記第１光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第２光増幅手段と、
この第２光増幅手段により光増幅された光を、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第３光増幅手段と、
この第３光増幅手段により光増幅された光を、前記Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において前記第３光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、
を備えることを特徴とする光増幅器（ただし、Ｎは２以上の整数）。
一方の端面に入射した所定波長の光を２つの主平面で繰り返し反射させながら光増幅して他方の端面から出力するスラブ型固体レーザ媒質と、このスラブ型固体レーザ媒質を励起する励起部と、を各々含むＮ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎと、
光増幅されるべき所定波長の光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第１光増幅手段と、
この第１光増幅手段により光増幅された光を、前記Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において前記第１光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第２光増幅手段と、
この第２光増幅手段により光増幅された光を、光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎの正順で光増幅させる第３光増幅手段と、
この第３光増幅手段により光増幅された光を、前記Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎそれぞれに含まれるスラブ型固体レーザ媒質内において前記第３光増幅手段による光増幅の際と異なる経路で伝搬させ、光増幅モジュールＡ_Ｎ〜Ａ_１の逆順で光増幅させる第４光増幅手段と、
を備えることを特徴とする光増幅器（ただし、Ｎは２以上の整数）。
前記Ｎ個の光増幅モジュールＡ_１〜Ａ_Ｎのうちの光増幅モジュールＡ_ｎと光増幅モジュールＡ_ｎ＋１との間（ただし、ｎは１以上(Ｎ−１)以下の各整数）、前記第１光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと前記第２光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、前記第２光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと前記第３光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、および、前記第３光増幅手段における最終段の光増幅モジュールと前記第４光増幅手段における初段の光増幅モジュールとの間、それぞれに設けられ、前段の光増幅モジュールから出力された光のビーム断面形状を後段の光増幅モジュールへ像転送するスペーシャルフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅器。
光を出力する光源と、
この光源から出力された光を入力し光増幅して出力する請求項１〜３の何れか１項に記載の光増幅器と、
を備えることを特徴とするＭＯＰＡレーザ装置。