JP2007059591A - 光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、高品質および高出力なレーザビームを出力することの出来る、光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムを提供することである。
【解決手段】
本実施の形態に係わる光励起ディスク型固体レーザ発振器は、励起光が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラー（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｍｉｒｒｏｒ）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の貫通部の内部に配置される円錐形ミラー（ｃｏｎｉｃａｌ ｍｉｒｒｏｒ）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、円錐形ミラーの斜鏡面側に配置される出力ミラーとを備えている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、外部からの光エネルギーによりレーザ光を発振させる光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムに関する。

固体レーザ方式によるレーザビーム出力においては、固体のレーザ媒質（レーザ利得材料）内部に発生する熱の排熱が大きな問題となっている。従来の、ロッド型固体レーザシステムの概略構成を図１に示す。図１に示されるロッド型固体レーザシステムにおいては、励起光２がロッド型レーザ利得材料１に照射され、ロッド型レーザ利得材料１の軸方向からレーザビーム３の出力が行われると、ロッド型レーザ利得材料１内部に発生する熱の温度勾配により、出力されるレーザビーム３の出力低下といったレーザビーム３の品質低下や、ロッド型レーザ利得材料１自身の破損を引起こす。

このため、ロッド型レーザ利得材料内の温度勾配を減少させる方式として、レーザ利得材料を軸方向に薄膜化（ディスク化）するディスク型固体レーザ方式が考案された。レーザ利得材料をディスク形状とすることにより、外部から照射される励起光の受光面を大きくとれるとともに、ディスク面全体で均一に冷却することが可能となり、レーザ利得材料内における温度勾配を最小限に抑制することができる。ディスク型固体レーザ方式としては、レーザ光の増幅の方法により、透過型方式（図２）と反射型方式（図３）に大きく大別される。

図２に示されるように、透過型のディスク型固体レーザシステムにおいては、薄膜ディスク型レーザ利得材料（透過型）４に、外部からの励起光２が照射されることに起因するレーザ利得材料４内部の温度上昇、温度勾配を解消するため、通常、薄膜ディスク型レーザ利得材料（透過型）４の平行面（ディスク面）を両側より冷却媒質等により冷却して利得材料内部の熱を外部に放熱５するが、薄膜ディスク型レーザ利得材料（透過型）４の内部で発生するレーザビーム３も同時に当該冷却媒質を通過する。このため、冷却媒質を通過するレーザビーム３に歪が生じたり、運用上の制限（レーザ発振中は、冷却媒質を流さない）が生じる。

一方、図３に示される反射型のディスク型固体レーザシステムにおいては、薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６の平行面の一方に反射膜６ａが接合される。これにより、励起光２が、薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６の反射膜６ａの接合されていない平行面上に照射されると、当該平行面の表面からレーザビーム３が出力される。同時に、反射膜６ａの接合されている平行面全体から外部に熱を排出する冷却機構を設けることで、薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６の内部に蓄積された熱を効率的に放熱５することができる。本形態においては、冷却機構の影響を受けずに、反射膜６ａの接合されていない平行面上からレーザビーム３を出力することが可能となる。このように、反射型のディスク型固体レーザシステムは、透過型と比較して、励起光２が薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６の反射膜６ａの接合されていない平面上に照射されて、対向平面上に接合されている反射膜６ａ内表面にて反射されるため、薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６内部を進行する励起光２の光路の距離が、薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）６の厚さ分だけ増加し、励起光２による当該増加光路分だけレーザビーム３が余分に増幅される。このように、同じ形状の薄膜ディスク型レーザ利得材料を備えていても、反射型の方が透過型と比較して増幅度の大きいレーザビーム３を出力できる利点がある。但し、反射型のディスク型固体レーザシステムの場合においても、励起光２は薄膜ディスク型レーザ利得材料の一方の平行面からしか入射できず、薄膜ディスク型レーザ利得材料の内部における温度勾配の影響は残ってしまう。また、両方式とも、利得の大きいディスクの径方向の誘導放出に基づくレーザ発振を利用せず、利得の小さなディスク厚み方向（軸方向）の誘導放出のみを利用することから、単一ディスクで大きな利得を有するレーザビーム３を出力することは困難である。

一方、利得の大きなディスクの径方向の誘導放出に基づくレーザ発振を利用することは、薄膜ディスク型レーザ利得材料の形状から難しい。また、利得の大きなディスクの径方向の誘導放出は、実際のレーザ発振に寄与するディスクの厚み方向の誘導放出へ影響を与え、ディスクの厚み方向の誘導放出の誘導効率を低下させていた。

上記した技術に関連して、以下に示すような報告がなされている。

特開２００４−３４９７０１号公報に開示されている「ダイオードポンプ固体ディスクレーザおよび均一なレーザ利得を生成する方法」では、固体レーザ用の増幅モジュールにおいて、２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備え、光利得材料を含んでいるディスクと、ディスクの周縁部を囲んで配置され、光利得材料に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバーとを備え、複数のダイオードバーはそれぞれ光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスクと整列して配置されている増幅モジュールが提案されている。

また、特開２００４−５２１４９０号公報に開示されている「高出力用側面励起アクティブミラー固体レーザ」では、レーザ照射を増幅するための固体レーザモジュールであって、複数のチャネルが形成された表面を含む基板と、前面、後面および周辺端縁面を有するレーザ利得媒質とを含み、その後面は、基板の表面と接触し、固体レーザモジュールはさらに、周辺端縁に装着されたドープされていない光学媒質と、光学励起照射源とを含み、源は光学励起照射をドープされていない光学媒質に向け、ドープされていない光学媒質は、光学励起照射をレーザ利得媒質に伝え、チャネルは、レーザ利得媒質の前面とレーザ利得媒質の後面との間に圧力の差が作られてレーザ利得媒質が基板に固定され沿うように、低い圧力に維持される、固体レーザモジュールが提案されている。

また、非特許文献１である「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ」では、”Ａｃｔｉｖｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”として、薄膜ディスク型レーザ媒質の並行面の一方に反射膜がコーティングされ、その反射膜がコーティングされているのと同じディスク面に励起光を照射する形態をとる反射型のディスク型固体レーザシステムが図示されており、また、”Ｄｉｓｋ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”として、本明細書で記載している透過型のディスク型固体レーザシステムにおいて、ディスク型固体レーザ媒質を直列に複数個使用することで、利得を向上させるレーザシステムが図示されている。

特開２００４−３４９７０１号公報 特開２００４−５２１４９０号公報 Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ出版、１９９９年、ｐ４４７−４６３．

本発明の目的は、高品質および高出力なレーザビームを出力することの出来る、光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムを提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用する括弧付き符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器は、励起光（１８）が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸（２０）に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラー（１４）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の貫通部の内部に配置される円錐形ミラー（１３）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、円錐形ミラーの斜鏡面（１３ａ）側に配置される出力ミラー（１５）とを備える。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器における出力ミラーは、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸に沿って円柱形状の貫通部をカップリングホール（１５ａ１）として備え、カップリングホール出力方式の出力ミラー（１５ａ）である。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器における出力ミラーは、半透鏡用素材により形成され、半透鏡型出力方式の出力ミラー（１５ｂ）である。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器における出力ミラーは、凸面型出力鏡による不安定型共振方式の出力ミラー（１５ｃ）であり、凸面型出力鏡の径は、円錐形ミラー（１３）で反射される誘導放射のビーム径よりも小さい。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器における薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）は、Ｎｄ、ＣｒドープのＹＡＧ（Ｙ３ＡＩ５Ｏ１２：イットリウム、アルミ、ガーネット）により形成される。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器のおける薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）は、Ｎｄ、ＣｒドープのＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ｓｃ２ＡＩ３Ｏ１２：ガドリウム、スカンディウム、アルミ、ガーネット）により形成される。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器における薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）は、Ｎｄ、ＨＯドープのアレキサンドライト（ＣｒドープのＢｅＡＩ２Ｏ４）により形成される。

また、本発明における光励起ディスク型固体レーザシステムは、請求項１から７までのいずれか１項に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器と、励起光（１８）を、薄膜ディスク型レーザ利得材料（１７）の出力ミラー（１５）が配置されるのと同じ側のディスク面上に入射させるための入射光学系（１０）と、薄膜ディスク型レーザ利得材料の出力ミラーが配置されるのと反対側のディスク面に熱的に接合されるヒートシンク（１２）とを備える。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザシステムにおける入射光学系は、
さらに、励起光（１８）としての半導体レーザを発生させる半導体レーザ発振装置を備え、入射光学系は、励起光として半導体レーザを薄膜ディスク型レーザ利得材料（１７）に入射させるための半導体レーザ入射光学系である。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザシステムにおける入射光学系は、励起光（１８）として太陽光を薄膜ディスク型レーザ利得材料（１７）に入射させるための太陽光入射光学系である。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器におけるレーザ発振モード制御方法は、励起光（１８）が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸（２０）に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラー（１４）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の貫通部の内部に配置される円錐形ミラー（１３）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、円錐形ミラーの斜鏡面（１３ａ）側に配置される出力ミラー（１５）とを有する光励起ディスク型固体レーザ発振器におけるレーザ発振モード制御方法であり、出力ミラーから外部に出力されるレーザビーム（１６）のレーザ発振モードを、低次Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードに制限するための、リング状ミラーの反射面（１４ａ）の曲率を最適化するリング状ミラー曲率最適化ステップと、円錐形状ミラーの斜鏡面の曲率を最適化する円錐形状ミラー曲率最適化ステップと、出力ミラーの鏡面の曲率を最適化する出力ミラー曲率最適化ステップと、円錐形状ミラーの薄膜ディスク型レーザ利得媒質に対する中心軸（２０）方向の相対位置を最適化する円錐形状ミラー相対位置最適化ステップとを備える。

また、本発明の光励起ディスク型固体レーザ発振器は、励起光（１８）が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸（２０）に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質（１７）と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質内部に発生する誘導放出の径方向成分をレーザ発振させる径方向レーザ発振部（１３、１４）とを備える。

本発明により、高品質および高出力なレーザビームを出力することの出来る光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムを提供することができる。

添付図面を参照して、本発明による光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムを実施するための最良の形態を以下に説明する。

初めに、本願発明のレーザ発振にとって一般概略的な説明として、ディスク型固体レーザ利得媒質に励起光を照射することにより媒質内に光が誘導放出される原理、および誘導放出される光を共振器によりレーザ発振させ、レーザビームとしてディスク型固体レーザ利得媒質外部に出力させる仕組みについて説明する。

図４に示されるように、レーザ媒質内部に励起光が入射すると、レーザ媒質は、励起光の持つエネルギー（Ｅ＝ｈν）に等しいエネルギー分だけエネルギー状態の高い状態に励起される。励起状態にある物質は、一定時間後、安定状態（基底状態）に戻る（Ｅ１→Ｅ０）が、その時に励起状態と安定状態のエネルギー差（Ｅ１−Ｅ０）に等しい周波数の光を放出する。これを自然放出（外部からの光によらず自発的に放出する）という。レーザ媒質が励起状態Ｅ１にあり、そこに外部からのエネルギー（Ｅ１−Ｅ０）を有する光が入射すると、レーザ媒質は、入射した光と同じエネルギー（Ｅ１−Ｅ０）、同じ位相、同じ方向の光を放出する。これを光の誘導放出という。誘導放出により放出された光は、入射した光と、エネルギー（Ｅ１−Ｅ０）、位相、および方向が揃っていることから、誘導放出を複数回繰り返すことにより高い強度の光を得ることが出来る。共振器により誘導放出が繰り返されると、ディスク型固体レーザ利得媒質内においては、安定状態にある物質よりもエネルギーの高い励起状態にある物質の方が多い状態である反転分布状態が実現する。反転状態においては、自然放出よりも誘導放出が多く発生する。

図５に、誘導放出に基づくレーザ発振の模式を示す。レーザ発振は、外部からの励起光により物質の反転分布を生じさせ、特に、共振器（ミラーとミラーとの間にレーザ利得媒質を挟んだもの）により、ランダムに発生する誘導放出のうち、ある一方向（共振器による共振方向）のみの誘導放出を利用し、ある閾値以上の強度にレーザ発振した光を、レーザ光としてレーザ利得媒質外部に出力する。

本発明の光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムにおいては、（１）励起光を照射してレーザビームを発振させるためのディスク型固体レーザ利得媒質において、誘導放出される光が大きな利得を得ることができる、ディスクの径方向への光の伝播および増幅を活用する共振機構を備える。（２）ディスク型固体レーザ利得媒質において、ディスクの前面から励起光を入射することにより媒質内に誘導放出される光を、ディスクの径方向に全反射伝播させ、ディスク内においてディスクの厚み方向（ディスクの軸方向）に発生する熱歪を抑制することにより、高品質のレーザビームを発振させる。（３）ディスク型固体レーザ利得媒質の外周に対向させるように配置されたリング形状（トロイダル型）ミラーと、ディスク型固体レーザ利得媒質の中心軸上に設けられている貫通部内に配置される円錐型ミラーと、出力ミラーとで構成される共振器において、それぞれのミラーの曲率の最適化、および円錐形状ミラーの薄膜ディスク型レーザ利得媒質に対する中心軸方向の相対位置を最適化するように調整することにより、出力されるレーザビームの発振モードを低次Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードに制限し、高品質のレーザビームを発振させる。また、ディスクの後面にディスク型固体レーザ利得媒質内部に生じる熱を外部に排熱するための放熱機構を備えることにより高品質のレーザビームを発振させるとともに、信頼性の高い光励起ディスク型固体レーザシステムを実現することが出来る。

（実施の形態１）光励起ディスク型固体レーザ共振器
本発明の実施の形態に係わる光励起ディスク型固体レーザ共振器の概略構成を図６に示す。本実施の形態に係わる光励起ディスク型固体レーザ発振器は、励起光１８が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸２０に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の中心軸２０と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラー（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｍｉｒｒｏｒ）１４と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の中心軸と同一の中心軸を有し、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の貫通部の内部に配置される円錐形ミラー（ｃｏｎｉｃａｌ ｍｉｒｒｏｒ）１３と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質の中心軸と同一の中心軸を有し、円錐形ミラーの斜鏡面１３ａ側に配置される出力ミラー１５とを備えている。

薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の素材としては、（１）Ｎｄ、ＣｒドープのＹＡＧ（Ｙ３ＡＩ５Ｏ１２：イットリウム、アルミ、ガーネット）、（２）Ｎｄ、ＣｒドープのＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ｓｃ２ＡＩ３Ｏ１２：ガドリウム、スカンディウム、アルミ、ガーネット）、（３）Ｎｄ、ＨＯドープのアレキサンドライト（ＣｒドープのＢｅＡＩ２Ｏ４）等が使用される。

（実施の形態１の動作原理）
本実施の形態の光励起ディスク型固体レーザ共振器に備えられる薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の１つのディスク平面上に軸方向から励起光１８が入射されると、媒質内部において反転分布が生じる。本実施の形態においては、図４に示されるように、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の中心に設けられた貫通部の内部に配置される円錐形ミラー１３を介して、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の外周部に対向するように設置されるリング状ミラー（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｍｉｒｒｏｒ）１４と、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７および円錐形ミラー１３の中心軸上の励起光１８が入射される側に設置される出力ミラー１５とにより共振機構が構成される。つまり、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７内部で発生した誘導放出のうち、径方向の誘導放出のみが、上記共振機構により何度も繰り返し励起され、最終的にある閾値の強度を超えたレーザ光が、出力ミラー１５を介して外部に出力される。

図７に、本実施の形態に係わる薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７における誘導放射の径方向への全反射伝播の模式を示す。レーザ利得媒質１７の１つのディスク平面上に軸方向から励起光１８が入射されると、レーザ利得媒質１７内部で誘導放射が生じる。この誘導放射の径方向の成分は、本実施の形態の共振機構である、リング状ミラー（ｔｏｒｏｉｄａｌ ｍｉｒｒｏｒ）１４の反射面１４ａと、出力ミラー１５との間を、円錐ミラー１３の斜鏡面１３ａを介して共振させられることにより徐々に増幅される。そして、出力ミラー１５において、ある閾値以上の強度を有する光は、レーザ光として外部に出力される。

特に、本実施の形態においては、レーザ利得材料である薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の径方向の誘導放出を利用してレーザ共振器を構成する。これにより、ディスクの径方向に伝播する誘導放射は、ディスクの２つの平面の間において反射を繰り返すことにより径方向に伝搬進行する。このため、ディスクの厚み方向（中心軸方向）に対する熱勾配は抑制される。また、利得の高いディスク径方向の誘導放出をレーザ発振に利用する。これにより、ビーム品質が高く、かつ、高出力のレーザビームを発振させることができる。

本実施の形態に係わる出力ミラー１５としては、図８Ａ〜図８Ｃに示されるような形態が適用される。図８Ａに示される出力ミラー１５ａは、カップリングホール出力方式のもので、出力ミラー１５ａの中心軸はレーザ利得媒質１７および円錐形ミラー１３の中心軸と同じであり、当該軸上に、出力ミラー１５の径よりも径の小さなカップリングホール１５ａ１が備えられている。そして、この出力ミラー１５ａを適用した場合、誘導放射は出力ミラー１５ａのミラー部にて反射を繰り返し、ある特定の強度（閾値）を超えて、レーザ発振したレーザ光は、カップリングホール１５ａ１を介して外部に出力される。図８Ｂに示される出力ミラー１５ｂは、半透鏡型出力方式のもので、円錐形ミラー１３で反射されてきた誘導放射の規定比率のみ反射し、残りは透過されてレーザビーム１６として共振器外部に出力される。この出力ミラー１５ｂを適用した場合、誘導放射は出力ミラー１５ｂにおいて反射される規定比率の誘導放射が共振機構において反射を繰り返して増幅され、最終的にはレーザビーム１６として出力ミラー１５ｂを透過して外部に出力される。図８Ｃに示される出力ミラー１５ｃは、凸面型出力鏡による不安定型共振方式のもので、凸面型出力鏡の径は、円錐形ミラー１３で反射されてきた誘導放射のビーム系よりも小さい。このため、円錐形ミラー１３で反射されてきた誘導放射のビームのうち、凸面型出力鏡の径分は当該凸面型出力鏡により反射されて、残りのビームはそのままレーザビーム１６として共振器外部に出力される。この出力ミラー１５ｃを適用した場合、誘導放射は、凸面型出力鏡において反射される誘導放射が共振機構において反射を繰り返して増幅され、最終的にはレーザビーム１６として出力ミラー１５ｃを透過して外部に出力される。

さらに、本実施の形態においては、リング状ミラー１４の反射面１４ａの曲率と、円錐形状ミラー１４の斜鏡面１３ａの曲率、および出力ミラー１５の鏡面の曲率との組み合わせを最適化する、および円錐形状ミラーの薄膜ディスク型レーザ利得媒質に対する中心軸方向の相対位置を最適化することにより、出力ミラー１５から外部に出力されるレーザビーム１６のレーザ発振モードを、低次Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードに制限することができ、これにより高品質なレーザビーム出力が可能となる。

以上説明してきたように、本実施の形態においては、薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の内部に発生した反転分布により、ランダム方向に発生する誘導放出のうち、利得を最大限に取れるディスクの径方向の光伝播を利用するために、構成された共振器により、ディスク径方向に指向性を持ちつつ増幅を続け、ある閾値以上になった時点で共振器外へレーザビーム１６を発振する構成を有する。これにより、極めて高出力のレーザビームを出力できる光励起ディスク型固体レーザ共振器を実現することが出来る。また、本実施の形態においては、リング状ミラー１４、円錐型ミラー１３、および出力ミラー１５から構成される特殊な共振器により、レーザ利得材料であるディスク内において、ディスクの径方向の誘導放出をレーザ発振に利用することて、ディスク前面から入射される励起光１８により、レーザ利得材料である薄膜ディスク型レーザ利得媒質１７の軸方向（ディスク厚さ方向）に発生する熱歪の影響を抑制することが可能となる。これにより、熱歪によるレーザビームへの影響（ビーム品質の劣化、ビーム出力の低下）を効果的に抑えることが可能となる。さらに、本実施の形態においては、リング状ミラー１４の反射面１４ａの曲率と、円錐形状ミラー１４の斜鏡面１３ａの曲率、および出力ミラー１５の鏡面の曲率との組み合わせを最適化する、および円錐形状ミラーの薄膜ディスク型レーザ利得媒質に対する中心軸方向の相対位置を最適化することにより、出力ミラー１５から外部に出力されるレーザビーム１６のレーザ発振モードを、低次Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードに制限することができ、これにより良好なビーム品質のレーザビーム出力が可能となる。

（実施の形態２）光励起ディスク型固体レーザシステム
本発明の実施の形態２に係わる光励起ディスク型固体レーザシステムの概略構成を図６に示す。本実施の形態の光励起ディスク型固体レーザシステムは、実施の形態１の光励起ディスク型固体レーザ共振器によりレーザビーム１６を安定的に出力させるために、さらに、外部励起光１８として半導体レーザを発振させるための図示せぬ半導体レーザ発振装置と、当該半導体レーザを薄膜ディスク型レーザ利得材料１７に入射させるための半導体レーザ入射光学系（レンズ１０）と、レーザ発振により高温になる薄膜ディスク型レーザ利得材料１７を常時安定して冷却するためのヒートシンク１２とを備えている。ヒートシンク１２は、外部励起光１８が入射されるディスク面とは反対の面に熱的に接合される排熱機構で、ヒートシンク１２内部にはヒートパイプ１１が配管されて、ヒートパイプ１１内を流れる冷媒により、薄膜ディスク型レーザ利得材料１７からヒートシンク１２に伝導されてくる熱が外部に排熱される。

本実施の形態においては、外部励起光１８として、半導体レーザを入射させるための半導体レーザ発振装置および半導体レーザ入射光学系に換わって、太陽光を入射させるための太陽光入射光学系を備えても良い。本実施の形態において太陽光を利用することにより、太陽光励起固体レーザとして、現状想定されているロッド型太陽光励起レーザよりも、さらに高出力および高品質なレーザビーム出力が実現できる。

本実施の形態により、実施の形態１における作用効果に加えて、さらに長時間安定したレーザビームを出力することのできる光励起ディスク型固体レーザシステムを実現することができる。また、本実施の形態においてはヒートシンク１２による薄膜ディスク型レーザ利得材料１７の安定冷却により、極めて信頼性の高い光励起ディスク型固体レーザシステムを実現することができる。

従来のロッド型固体レーザ共振器の概略構成を示す図である。 従来の透過方式のディスク型固体レーザ共振器の概略構成を示す図である。 従来の反射方式のディスク型固体レーザ共振器の概略構成を示す図である。 レーザ利得媒質における反転分布とレーザ発振の模式を示す図である。 レーザ利得媒質における反転分布とレーザ発振の模式を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステムの概略構成を示す図である。 本実施の形態に係わる薄膜ディスク型レーザ利得媒質における誘導放射の径方向への全反射伝播の模式を示す図である。 本実施の形態に係わるカップリング出力方式の出力ミラーを示す図である。 本実施の形態に係わる半透鏡型出力方式の出力ミラーを示す図である。 本実施の形態に係わる凸面型出力鏡による不安定型共振方式の出力ミラーを示す図である。

符号の説明

１…ロッド型レーザ利得材料
２…励起光
３…レーザビーム
４…薄膜ディスク型レーザ利得材料（透過型）
５…放熱
６…薄膜ディスク型レーザ利得材料（反射型）
６ａ…反射膜
１０…レンズ
１１…ヒートパイプ
１２…ヒートシンク
１３…円錐形ミラー
１３ａ…斜鏡面
１４…リング状トロイダル型ミラー
１４ａ…反射面
１５…出力ミラー
１５ａ…カップリング出力方式の出力ミラー
１５ａ１…カップリングホール
１５ｂ…半透鏡型出力方式の出力ミラー
１５ｃ…凸面型出力鏡による不安定型共振方式の出力ミラー
１６…レーザビーム
１７…薄膜ディスク型レーザ利得媒質
１８…外部励起光
２０…中心軸

Claims (12)

1. 励起光が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質と、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラーと、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記貫通部の内部に配置される円錐形ミラーと、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記円錐形ミラーの斜鏡面側に配置される出力ミラーと
   を具備する光励起ディスク型固体レーザ発振器。
2. 請求項１に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記出力ミラーは、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸に沿って円柱形状の貫通部をカップリングホールとして備え、カップリングホール出力方式の出力ミラーである光励起ディスク型固体レーザ発振器。
3. 請求項１に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記出力ミラーは、半透鏡用素材により形成され、半透鏡型出力方式の出力ミラーである光励起ディスク型固体レーザ発振器。
4. 請求項１に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記出力ミラーは、凸面型出力鏡による不安定型共振方式の出力ミラーであり、前記凸面型出力鏡の径は、前記円錐形ミラーで反射される前記誘導放射のビーム径よりも小さい光励起ディスク型固体レーザ発振器。
5. 請求項１から４までの少なくとも１項に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質は、Ｎｄ、ＣｒドープのＹＡＧ（Ｙ３ＡＩ５Ｏ１２：イットリウム、アルミ、ガーネット）により形成される光励起ディスク型固体レーザ発振器。
6. 請求項１から４までの少なくとも１項に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質は、Ｎｄ、ＣｒドープのＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ｓｃ２ＡＩ３Ｏ１２：ガドリウム、スカンディウム、アルミ、ガーネット）により形成される光励起ディスク型固体レーザ発振器。
7. 請求項１から４までの少なくとも１項に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器において、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質は、Ｎｄ、ＨＯドープのアレキサンドライト（ＣｒドープのＢｅＡＩ２Ｏ４）により形成される光励起ディスク型固体レーザ発振器。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の光励起ディスク型固体レーザ発振器と、
   前記励起光を、前記薄膜ディスク型レーザ利得材料の前記出力ミラーが配置されるのと同じ側のディスク面上に入射させるための入射光学系と、
   前記薄膜ディスク型レーザ利得材料の前記出力ミラーが配置されるのと反対側のディスク面に熱的に接合されるヒートシンクと
   を備える光励起ディスク型固体レーザシステム。
9. 請求項８に記載の光励起ディスク型固体レーザシステムにおいて、
   さらに、前記励起光としての半導体レーザを発生させる半導体レーザ発振装置を備え、
   前記入射光学系は、前記励起光として前記半導体レーザを前記薄膜ディスク型レーザ利得材料に入射させるための半導体レーザ入射光学系である光励起ディスク型固体レーザシステム。
10. 請求項８に記載の光励起ディスク型固体レーザシステムにおいて、
    前記入射光学系は、前記励起光として太陽光を前記薄膜ディスク型レーザ利得材料に入射させるための太陽光入射光学系である光励起ディスク型固体レーザシステム。
11. 励起光が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質と、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の外周部に対向するように設置されるリング状ミラーと、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記貫通部の内部に配置される円錐形ミラーと、前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質の前記中心軸と同一の中心軸を有し、前記円錐形ミラーの斜鏡面側に配置される出力ミラーとを具備する光励起ディスク型固体レーザ発振器におけるレーザ発振モード制御方法であり、
    前記出力ミラーから外部に出力されるレーザビームのレーザ発振モードを、低次Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードに制限するための、
    前記リング状ミラーの反射面の曲率を最適化するリング状ミラー曲率最適化ステップと、
    前記円錐形状ミラーの前記斜鏡面の曲率を最適化する円錐形状ミラー曲率最適化ステップと、
    前記出力ミラーの鏡面の曲率を最適化する出力ミラー曲率最適化ステップと
    前記円錐形状ミラーの前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質に対する前記中心軸方向の相対位置を最適化する円錐形状ミラー相対位置最適化ステップと、
    を具備する光励起ディスク型固体レーザ発振器におけるレーザ発振モード制御方法。
12. 励起光が入射されることにより内部に誘導放出が発生し、中心軸に沿って円柱形状の貫通部を有する薄膜ディスク型レーザ利得媒質と、
    前記薄膜ディスク型レーザ利得媒質内部に発生する誘導放出の径方向成分をレーザ発振させる径方向レーザ発振部とを
    を具備する光励起ディスク型固体レーザ発振器。

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