JP2007214293A - レーザ増幅媒体、レーザ増幅器、およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸性を有する結晶体を用いても、球面レンズによって出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能なレーザ増幅媒体を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ増幅媒体は、第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有すると共に、該第１の軸線に沿って並ぶN個の結晶体（Nは２以上の整数）を備えている。Ｎ個の結晶体の各々は、Ｎ個の結晶体のうちいずれか一つの第２の軸線方向を基準として、第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ増幅媒体、レーザ増幅器、およびレーザ装置に関するものである。

レーザ光の高エネルギー化に伴い、ＹＡＧ結晶体（イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶体）に代えてＹＬＦ結晶体（イットリウム・リチウム・フッ化物結晶体）をレーザ増幅媒体として用いるレーザ装置が知られている。特許文献１には、ＹＬＦ結晶体をレーザ増幅媒体として用いるレーザ装置が記載されている。
特許第３３３９３０６号公報

一般に、レーザ増幅器は、レーザ増幅媒体に発生する熱を低減するためにレーザ増幅媒体の周囲に冷却機構を有している。しかしながら、出力レーザ光の高エネルギー化を図ると、レーザ増幅器に高いエネルギーを有するレーザ光が入射することとなり、レーザ増幅媒体の中心まで冷却することが困難となり、レーザ増幅媒体の径方向には熱分布が生じてしまう。その結果、レーザ増幅器の出力光のビーム品質が低下してしまい、レーザ装置の出力レーザ光のビーム品質が低下してしまう。このような現象を熱レンズ効果という。ビーム品質とは、強度パターンの均一性、ビーム径、ビーム形状、エムスクエア特性などである。

ところで、ＹＬＦ結晶体は軸性を有しているので、ＹＬＦ結晶体を用いたレーザ増幅媒体における熱レンズ効果は非球面状に発生する。そのために、ＹＬＦレーザ増幅媒体を用いたレーザ増幅器の出力光のビーム品質の低下を抑制することが困難であった。

そこで、本発明は、軸性を有する結晶体を用いても、容易に出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能なレーザ増幅媒体、レーザ増幅器、およびレーザ装置を提供することを目的としている。

本発明のレーザ増幅媒体は、第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有すると共に、該第１の軸線に沿って並ぶN個の結晶体（Nは２以上の整数）を備えている。Ｎ個の結晶体の各々は、Ｎ個の結晶体のうちいずれか一つの第２の軸線方向を基準として、第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている。

このレーザ増幅媒体によれば、第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有するN個の結晶体（Nは２以上の整数）が第１の軸線に沿って並んでおり、Ｎ個の結晶体の各々は、Ｎ個の結晶体のうちいずれか一つの第２の軸線方向を基準として、第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されているので、第１の軸線に直交する面における光学特性、すなわち屈折率の温度依存性が同心円状に平均化される。その結果、このレーザ増幅媒体によれば、熱レンズ効果が球面状に発生する。したがって、このレーザ増幅媒体を一対の球面レンズを有するレーザ装置に適用すれば、熱レンズ効果によってレーザ増幅器の出力光のビーム品質が低下しても、一対の球面レンズの位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

本発明のレーザ増幅器は、入射された被増幅光を増幅するレーザ増幅器であって、被増幅光の光路に沿った第１の軸線を有する上記したレーザ増幅媒体と、レーザ増幅媒体に励起光を照射する励起光発生部と、を備えている。

このレーザ増幅器によれば、上記したレーザ増幅媒体を備えているので、熱レンズ効果が球面状に発生する。したがって、このレーザ増幅器を一対の球面レンズを有するレーザ装置に適用すれば、熱レンズ効果によってレーザ増幅器の出力光のビーム品質が低下しても、一対の球面レンズの位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

本発明のレーザ装置は、入射された被増幅光を増幅する上記したレーザ増幅器と、被増幅光の光路に沿って位置調整可能であり、レーザ増幅器からの出力光をレーザ増幅器の入力へ像転送するための一対の球面レンズと、を備えている。

このレーザ装置によれば、上記したレーザ増幅器を備えているので、レーザ増幅媒体による熱レンズ効果が球面状に発生する。また、このレーザ装置によれば、一対の球面レンズを備えているので、熱レンズ効果によってレーザ増幅器の出力光のビーム品質が低下しても、一対の球面レンズの位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

また、本発明の別のレーザ装置は、入射された被増幅光を増幅するレーザ増幅器であって、該被増幅光の光路に沿った第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有するレーザ増幅媒体を有すると共に、該光路に沿って並ぶN個の該レーザ増幅器（Nは２以上の整数）と、光路に沿って位置調整可能であり、ｎ番目（ｎは２以上Ｎ以下の整数）のレーザ増幅器からの出力光を隣り合うレーザ増幅器の入力へ像転送するためのＮ対の球面レンズと、を備えている。Ｎ個のレーザ増幅器の各々は、Ｎ個のレーザ増幅器のうちいずれか一つのレーザ増幅媒体の第２の軸線方向を基準として、レーザ増幅媒体の第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている。

このレーザ装置によれば、光路に沿った第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有するレーザ増幅媒体を有するN個のレーザ増幅器（Nは２以上の整数）が光路に沿って並んでおり、Ｎ個のレーザ増幅器の各々は、Ｎ個のレーザ増幅器のうちいずれか一つのレーザ増幅媒体の第２の軸線方向を基準として、レーザ増幅媒体の第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されているので、光路に直交する面における光学特性、すなわち屈折率の温度依存性が同心円状に平均化される。その結果、このレーザ装置によれば、熱レンズ効果が球面状に発生する。また、このレーザ装置によれば、Ｎ対の球面レンズを備えているので、熱レンズ効果によってレーザ増幅器の出力光のビーム品質が低下しても、Ｎ対の球面レンズの位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

上述したレーザ装置では、前記光路上における前記レーザ増幅器の出力側に設けられたλ／４波長板をさらに備えることが好ましい。この場合、線偏光の被増幅光が増幅媒体によって円偏光にされた場合でも、線偏光のレーザ光に戻すことができる。

本発明によれば、軸性を有する結晶体を用いても、一対の球面レンズの位置調整によって容易に出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能なレーザ増幅媒体、レーザ増幅器、およびレーザ装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図１に示すレーザ装置１はリング型レーザ共振器である。レーザ装置１は、偏光ビームスプリッタ１０、光スイッチ２０、空間フィルタ部３０、偏光ビームスプリッタ４０、反射鏡５１、レーザ増幅器６０、λ／４波長板７０、反射鏡５２が周回光路Ｌ１（図１に点線で示す）に沿って順に配置された構成を備えている。

偏光ビームスプリッタ１０は、周回光路Ｌ１および入力光Ｏｉｎに対して４５度の角度をなすように設けられている。偏光ビームスプリッタ１０は、例えば、Ｓ偏光を有する光を反射し、Ｐ偏光を有する光を透過する。このようにして、偏光ビームスプリッタ１０は、入力光ＯｉｎにおけるＳ偏光（被増幅光）を周回光路Ｌ１上に設けられた光スイッチ２０へ導く。

光スイッチ２０は、半波長板２１および偏光回転素子２２を有している。半波長板２１は、偏光ビームスプリッタ１０から受けた被増幅光の偏光を変更する。偏光回転素子２２には、例えばポッケルスセルが用いられる。偏光回転素子２２は、オン状態のときに半波長板２１から受けた被増幅光の偏光を変更して空間フィルタ部３０へ出力する。一方、偏光回転素子２２は、オフ状態のときには半波長板２１から受けた被増幅光をそのまま空間フィルタ部３０へ出力する。

空間フィルタ部３０は、周回光路Ｌ１上に配置され、一対の球面レンズ３１，３２およびピンホール３５を有している。一対の球面レンズ３１，３２は、レーザ増幅器６０からの出力光をレーザ増幅器６０の入力へ像転送する。一対の球面レンズ３１，３２による像転送の詳細は後述する。一対の球面レンズ３１，３２は、周回光路Ｌ１に沿って位置調整が可能となっている。一対の球面レンズ３１，３２の間にはピンホール３５が設けられている。

空間フィルタ部３０は、球面レンズ３１によって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール３５で遮断する。ここで、空間フィルタ部３０が備えるピンホール３５の周囲は、第１の窓３６Ａおよび第２の窓３６Ｂを備える保持容器３６によって真空に保持されている。これによって、空間フィルタ部３０の内部で高エネルギーを有するレーザ光が集光されても、誘電崩壊（エアブレークダウン）やプラズマ化が防止される。

空間フィルタ部３０は、更に、反射鏡３３を球面レンズ３１と第１の窓３６Ａとの間に備え、反射鏡３４を第２の窓３６Ｂと球面レンズ３２との間に備えている。反射鏡３３は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、球面レンズ３１を透過した被増幅光を９０度方向転換することによってピンホール３５へと導く。反射鏡３４は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられており、ピンホール３５を透過した被増幅光を９０度方向転換することによって球面レンズ３２を介して偏光ビームスプリッタ４０へと導く。

偏光ビームスプリッタ４０は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。偏光ビームスプリッタ４０は、例えば、Ｓ偏光を有する光を反射し、Ｐ偏光を有する光を透過する。このようにして、偏光ビームスプリッタ４０は、空間フィルタ部３０から受ける被増幅光におけるＳ偏光を周回光路Ｌ１から出力レーザ光Ｏｏｕｔとして出力し、この被増幅光におけるＰ偏光を周回光路Ｌ１上に設けられた反射鏡５１へ導く。

反射鏡５１は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡５１は、偏光ビームスプリッタ４０を透過した被増幅光を９０度方向転換し、その反射光をレーザ増幅器６０へ導く。

レーザ増幅器６０は、反射鏡５１から受ける被増幅光を増幅してλ／４波長板７０へ出力する。レーザ増幅器６０の詳細については後述する。一般的なレーザ装置は、線偏光を有する光を効率よく周回させるように構成されている。そのために、λ／４波長板７０は、レーザ増幅器６０から出力された円偏光を有する被増幅光を線偏光に変換するために設けられている。λ／４波長板７０は、この線偏光を有する被増幅光を反射鏡５２へ導く。

反射鏡５２は、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡５２は、レーザ増幅器６０によって増幅された被増幅光を９０度方向転換し、その反射光を偏光ビームスプリッタ１０へ導く。

次に、レーザ増幅器６０について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るレーザ増幅器の構成を示す図である。図２に示すレーザ増幅器６０は、固体レーザ増幅器である。レーザ増幅器６０は、レーザ増幅媒体６１と、冷却部６２と、励起光発生部６３とを有している。

冷却部６２は、レーザ増幅媒体６１の側面を覆うように設けられている。例えば、冷却部６２の内部には冷却水が流れており、レーザ増幅媒体６１を冷却する。冷却部６２の外側には、励起光発生部６３が設けられている。励起光発生部６３は、被増幅光を増幅するための励起光をレーザ増幅媒体６１へ入射する。

次に、レーザ増幅媒体６１について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るレーザ増幅媒体の構成を示す図である。図３に示すレーザ増幅媒体６１は、４つの結晶体６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを有している。

結晶体６１ａ〜６１ｄは、例えば、ディスク形状やスラブ形状をなしている。結晶体６１ａ〜６１ｄは、図１に示す周回光路Ｌ１に沿った第１の軸線Ｘに沿って順に並んでいる。結晶体６１ａ〜６１ｄは、第１の軸線Ｘに沿って隣接して設けられていてもよいし、それぞれ離間して設けられていてもよい。結晶体６１ａ〜６１ｄは、例えばＮｄ：ＹＬＦ（ネオジウム添加イットリウム・リチウム・フッ化物）からなっており、１軸性を有している。図４は１軸性結晶体を示す図である。図４には結晶体６１ａを例示するが、結晶体６１ｂ〜６１ｄも結晶体６１ａと同様である。図４に示す結晶体６１ａは、第１の軸線Ｘに直交する第２の軸線Ｙ方向に軸性を有している。具体的には、結晶体６１ａにおける第１の軸線Ｙ方向の光学特性と第３の軸線Ｚ方向の光学特性とは同一であるが、第１の軸線Ｘ方向の光学特性と第２の軸線Ｙ方向の光学特性とは異なっている。光学特性には、屈折率の熱依存特性が含まれている。

再び図３を参照する。結晶体６１ａ〜６１ｄの各々は、結晶体６１ａ〜６１ｄのうちいずれか一つの第２の軸線Ｙ方向を基準として、第２の軸線Ｙ方向が１８０・Ｋ／４度（Ｋは０以上３以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている。例えば、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向を基準とすると、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向は０度の方向を向いており、結晶体６１ｂの第２の軸線Ｙｂ方向は、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して（１８０・１／４）＝４５度の方向に傾斜している。また、結晶体６１ｃの第２の軸線Ｙｃ方向は、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して（１８０・２／４）＝９０度の方向に傾斜しており、結晶体６１ｄの第２の軸線Ｙｄ方向は、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して（１８０・３／４）＝１３５度の方向に傾斜している。

次に、一対の球面レンズによる像転送について説明する。図５は、一対のレンズによる像転送の原理を説明するための図である。図５には、焦点距離がそれぞれｆ１，ｆ２である一対のレンズ（リレーレンズ）８１，８２が示されており、像８４は像８３を転送した像である。ここで、像８３とレンズ８１との距離およびレンズ８２と像８４との距離をそれぞれｄ１、ｄ２とすると、レンズ８１，８２による収差を低減するように適切に像転送を行うためには、下式（１）を満足する必要がある。

本実施形態では、レンズ８１，８２をそれぞれ一対の球面レンズ３１，３２とし、像８３をレーザ増幅器６０内のレーザ増幅媒体６１の出力端におけるレーザ光、像８４をこのレーザ増幅媒体６１の入力端におけるレーザ光とすると、上記（１）式を満たすように、一対の球面レンズ３１，３２の位置を第１の軸線Ｘに沿って調整すれば、レーザ増幅媒体６１の出力端から入力端へ適切に像転送が行われることとなる。

次に、第１の実施形態に係るレーザ装置１の動作を説明する。入力光Ｏｉｎが偏光ビームスプリッタ１０に対して４５度の角度をなすように偏光ビームスプリッタ１０に入射されると、入力光ＯｉｎにおけるＰ偏光は偏光ビームスプリッタ１０を透過し、入力光ＯｉｎにおけるＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１０によって反射されて周回光路Ｌ１上に設けられた光スイッチ２０へ導かれる。このとき、光スイッチ２０をオフ状態、すなわち偏光回転素子２２をオフ状態とすると、光スイッチ２０に入射したＳ偏光を有する光は半波長板２１によってＰ偏光に変更され、このＰ偏光を有する光は偏光回転素子２２を介して空間フィルタ部３０へ入射する。

空間フィルタ部３０に入射したＰ偏光を有する光は、球面レンズ３１を通過し、反射鏡３３によって反射されて９０度方向転換した後にピンホール３５を通過する。その後、Ｐ偏光を有する光は、反射鏡３４によって反射されて９０度方向転換した後に球面レンズ３２を通過し、偏光ビームスプリッタ４０へ入射する。このようにして、空間フィルタ部３０に入射したＰ偏光を有する光は、一対の球面レンズ３１，３２によって像転送されると共に、ピンホール３５によって波面収差成分が除去される。

偏光ビームスプリッタ４０に入射されたＰ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ４０を通過し、反射鏡５１によって反射されて９０度方向転換した後にレーザ増幅器６０へ入射する。レーザ増幅器６０に入射したＰ偏光を有する光は、レーザ増幅器６０によって増幅されると共に円偏光を有する光に変換され、波長板７０によってＰ偏光に変換される。このＰ偏光を有する光は、反射鏡５２によって反射されて９０度方向転換した後に偏光ビームスプリッタ１０へ入射する。偏光ビームスプリッタ１０へ入射したＰ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ１０を通過し、再び光スイッチ２０へ入射する。

このとき、光スイッチ２０をオン状態、すなわち偏光回転素子２２をオン状態とすると、光スイッチ２０に入射したＰ偏光を有する光は半波長板２１によってＳ偏光に偏光された後に偏光回転素子２２によって再びＰ偏光に変更される。したがって、光スイッチ２０すなわち偏光回転素子２２がオン状態である間、上記のように、Ｐ偏光を有する光は周回光路Ｌ１を周回することとなり、レーザ増幅器６０によって複数回増幅される。

その後、光スイッチ２０をオフ状態、すなわち偏光回転素子２２をオフ状態とすると、光スイッチ２０に入射したＰ偏光を有する光が半波長板２１によってＳ偏光に変更され、このＳ偏光を有する光は偏光回転素子２２および空間フィルタ部３０を介して偏光ビームスプリッタ４０に入射する。すると、偏光ビームスプリッタ４０に入射したＳ偏光を有する光は、偏光ビームスプリッタ４０によって反射されて９０度方向転換した後に、レーザ装置１における周回光路Ｌ１より出力レーザ光Ｏｏｕｔとして出力される。

ここで、レーザ装置１における周回光路Ｌ１に閉じ込められ、レーザ増幅器６０によって複数回増幅されたレーザ光は、次第に高いエネルギーを有することとなる。レーザ増幅器６０は、レーザ増幅媒体６１に発生する熱を低減するためにレーザ増幅媒体６１の周囲に冷却部６２を有しているが、レーザ増幅器６０に高いエネルギーを有するレーザ光が入射すると、レーザ増幅媒体６１の中心まで冷却することが困難であり、レーザ増幅媒体６１の径方向には熱分布が生じてしまう。

また、レーザ増幅器６０では、励起光発生部６３からの励起光は固体レーザ増幅媒体における特定の径方向から入射されているので、レーザ増幅媒体６１には熱分布が生じてしまう。

このとき、従来のようにレーザ増幅媒体６１が一つの結晶体であると、第２の軸線Ｙ方向の光学特性と第３の軸性Ｚ方向の光学特性が異なる。具体的には、レーザ増幅媒体６１における第２の軸線Ｙ方向の屈折率の熱依存特性と第３の軸性Ｚ方向の屈折率の熱依存特性が異なるので、レーザ増幅媒体６１による熱レンズ効果が非球面状に発生することとなる。そのために、一対の球面レンズ３１，３２の位置を調整しても適切に像転送が行われず、レーザ増幅器６０からの出力光のビーム品質が低下してしまう。具体的には、強度パターンが不均一となり、ビーム径が大きく干渉し、ビーム形状が円形ではなくなり、エムスクエア特性が低下する。すると、空間フィルタ部３０におけるピンホール３５によってレーザ光の一部が不必要に遮断される。その結果、レーザ装置１の出力レーザ光のビーム品質が低下する。

そこで、本実施形態のレーザ増幅媒体６１によれば、第１の軸線Ｘに直交する第２の軸線Ｙ方向に軸性を有する４個の結晶体６１ａ〜６１ｄが第１の軸線Ｘに沿って並んでおり、４個の結晶体６１ａ〜６１ｄの各々は、４個の結晶体６１ａ〜６１ｄのうちいずれか一つの第２の軸線Ｙ方向を基準として、第２の軸線Ｙ方向が１８０・Ｋ／４度（Ｋは０以上３以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されているので、第１の軸線Ｘに直交する面における光学特性、すなわち屈折率の温度依存性が同心円状に平均化される。その結果、このレーザ増幅媒体６１によれば、熱レンズ効果が球面状に発生する。したがって、本実施形態のレーザ増幅媒体６１を一対の球面レンズ３１，３２を有するレーザ装置１に適用すれば、熱レンズ効果によってレーザ増幅器６０の出力光のビーム品質が低下しても、上記（１）式を満たすように一対の球面レンズ３１，３２の位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器６０の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置１の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態のレーザ増幅器６０によれば、上記したレーザ増幅媒体６１を備えているので、熱レンズ効果が球面状に発生する。したがって、本実施形態のレーザ増幅器６０を一対の球面レンズ３１，３２を有するレーザ装置１に適用すれば、熱レンズ効果によってレーザ増幅器６０の出力光のビーム品質が低下しても、上記（１）式を満たすように一対の球面レンズ３１，３２の位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器６０の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置１の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態のレーザ装置１によれば、上記したレーザ増幅器６０を備えているので、レーザ増幅媒体６１による熱レンズ効果が球面状に発生する。また、本実施形態のレーザ装置１によれば、一対の球面レンズ３１，３２を備えているので、熱レンズ効果によってレーザ増幅器６０の出力光のビーム品質が低下しても、上記（１）式を満たすように一対の球面レンズ３１，３２の位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器６０の出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置１の出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図６に示すレーザ装置１Ａはリング型レーザ共振器である。図６に示すレーザ装置１Ａは、第１の実施形態のレーザ装置１において、レーザ増幅器６０に代えて２つのレーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂを備えており、空間フィルタ部３０に代えて２つの空間フィルタ部３０Ａ，３０Ｂおよび反射鏡３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂを備えている構成において第１の実施形態と異なっている。レーザ装置１Ａのその他の構成については、第１の実施形態のレーザ装置１と同一であるので、以下では説明を省略する。

レーザ装置１は、偏光ビームスプリッタ１０、光スイッチ２０、反射鏡３３Ａ、空間フィルタ部３０Ａ、反射鏡３４Ａ、偏光ビームスプリッタ４０、レーザ増幅器６０Ａ、反射鏡３３Ｂ、空間フィルタ部３０Ｂ、反射鏡３４Ｂ、およびレーザ増幅器６０Ｂが周回光路Ｌ２（図６に点線で示す）に沿って順に配置された構成を有している。

反射鏡３３Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡３３Ａは、光スイッチ２０からの被増幅光を９０度方向転換し、その反射光を空間フィルタ部３０Ａへ導く。

空間フィルタ部３０Ａは、周回光路Ｌ２上に配置され、一対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａおよびピンホール３５Ａを有している。一対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａは、レーザ増幅器６０Ｂからの出力光を隣り合うレーザ増幅器６０Ａの入力へ像転送する。一対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａは、周回光路Ｌ２に沿って位置調整が可能となっている。一対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａの間にはピンホール３５Ａが設けられている。

空間フィルタ部３０Ａは、球面レンズ３１Ａによって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール３５Ａで遮断する。ここで、空間フィルタ部３０Ａが備えるピンホール３５Ａの周囲は、第１の窓３７Ａおよび第２の窓３７Ｂを備える保持容器３７によって真空に保持されている。このようにして、空間フィルタ部３０Ａは、反射鏡３３Ａから受けた被増幅光を反射鏡３４Ａへ導く。

反射鏡３４Ａは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡３４Ａは、空間フィルタ部３０Ａからの被増幅光を９０度方向転換し、その反射光を偏光ビームスプリッタ４０へ導く。

レーザ増幅器６０Ａは、偏光ビームスプリッタ４０から受ける被増幅光を増幅して反射鏡３３Ｂへ出力する。

反射鏡３３Ｂは、周回光路Ｌ２に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡３３Ｂは、レーザ増幅器６０によって増幅された被増幅光を９０度方向転換し、その反射光を空間フィルタ部３０Ｂへ導く。

空間フィルタ部３０Ｂは、空間フィルタ部３０Ａと同様に、周回光路Ｌ２上に配置され、一対の球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂおよびピンホール３５Ｂを有している。一対の球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂは、レーザ増幅器６０Ａからの出力光を隣り合うレーザ増幅器６０Ｂの入力へ像転送する。一対の球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂは、周回光路Ｌ２に沿って位置調整が可能となっている。一対の球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂの間にはピンホール３５Ｂが設けられている。

空間フィルタ部３０Ｂは、球面レンズ３１Ｂによって集光できない被増幅光における高次の波面収差成分をピンホール３５Ｂで遮断する。ここで、空間フィルタ部３０Ｂが備えるピンホール３５Ｂの周囲は、第１の窓３８Ａおよび第２の窓３８Ｂを備える保持容器３８によって真空に保持されている。このようにして、空間フィルタ部３０Ｂは、反射鏡３３Ｂから受けた被増幅光を反射鏡３４Ｂへ導く。

反射鏡３４Ｂは、周回光路Ｌ１に対して４５度の角度をなすように設けられている。反射鏡３４Ｂは、空間フィルタ部３０Ｂから出力された被増幅光を９０度方向転換し、その反射光をレーザ増幅器６０Ｂへ導く。

レーザ増幅器６０Ｂは、反射鏡３４Ｂから受ける被増幅光を増幅して偏光ビームスプリッタ１０へ出力する。

次に、レーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂについて説明する。レーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂは、周回光路Ｌ２に沿って順に並んでいる。レーザ増幅器６０Ａは、レーザ増幅媒体６１ｅと、上述した冷却部６２および励起光発生部６３とを有している。同様に、レーザ増幅器６０Ｂは、レーザ増幅媒体６１ｆと、上述した冷却部６２および励起光発生部６３とを有している。例えば、レーザ増幅媒体６１ｅ，６１ｆは、それぞれ一つのＮｄ：ＹＬＦ結晶体からなっており、１軸性を有している。すなわち、レーザ増幅媒体６１ｅ，６１ｆは、周回光路Ｌ２に沿った第１の軸線Ｘに直交する第２の軸線Ｙ方向に軸性を有している。

レーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂは、それぞれ、どちらか一方におけるレーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向を基準として、レーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向が１８０・Ｋ／２度（Ｋは０または１）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている。例えば、レーザ増幅器６０Ａにおけるレーザ増幅媒体６０ｅの第２の軸線Ｙ方向を基準とすると、レーザ増幅器６０Ａはレーザ増幅媒体６０ｅの第２の軸線Ｙ方向が０度の方向を向いており、レーザ増幅器６０Ｂは、レーザ増幅媒体６０ｆの第２の軸線Ｙ方向がレーザ増幅器６０Ａにおけるレーザ増幅媒体６０ｅの第２の軸線Ｙ方向に対して（１８０・１／２）＝９０度の方向に傾斜している。

図７は、第２の実施形態のレーザ装置から出力されたレーザ光の波面の熱レンズ効果の測定結果を示す図である。図７（ａ）にはレーザ装置１Ａにおいてレーザ増幅器６０Ｂおよび空間フィルタ部３０Ｂ（すなわち球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂ）を有さないレーザ装置の出力レーザ光の波面の測定結果が示されており、図７（ｂ）にはレーザ装置１Ａの出力レーザ光の波面の測定結果が示されている。なお、図７は波面計測器によって測定されたレーザ光の波面であり、黒色の濃淡において濃いほど位相が遅れている。

図７（ａ）によれば、横軸方向にのみ波面が分布しており、中心から横軸方向にずれるほど位相が進んでいることがわかる。すなわち、軸性を有する結晶体を一つだけ有するレーザ増幅媒体では、熱レンズ効果によってシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）のような波面収差が生じてしまう。一方、図７（ｂ）によれば、同心円状に波面が分布していることがわかる。すなわち、軸性を有する２つの結晶体の第２の軸線方向が９０度異なるように配置されたレーザ増幅媒体では、熱レンズ効果によって球面レンズのような波面収差が生じることがわかる。

次に、図８は、第２の実施形態のレーザ装置から出力されたレーザ光の強度分布の測定結果を示す図である。図８（ａ）にはレーザ装置１Ａにおいてレーザ増幅器６０Ｂおよび空間フィルタ部３０Ｂ（すなわち球面レンズ３１Ｂ，３２Ｂ）を有さないレーザ装置の出力レーザ光の強度分布の測定結果が示されており、図８（ｂ）にはレーザ装置１Ａの出力レーザ光の強度分布の測定結果が示されている。

図８（ａ）によれば、強度パターンの右半分がかけており、ビーム品質が低下していることがわかる。具体的には、軸性を有する結晶体を一つだけ有するレーザ増幅媒体では、熱レンズ効果によってシリンドリカルレンズのような波面収差が生じてしまうので、一対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａによる像転送によって波面の補正が適切に行えていないことが予想される。そのために、強度パターンが不均一である。また、空間フィルタ部３０におけるピンホール３５によってレーザ光の一部が不必要に遮断されるので、ビーム径が小さく、ビーム形状が円形でなく、エムスクエア値が低下する。

一方、図８（ｂ）によれば、ビーム品質の低下が低減されている。具体的には、軸性を有する２つの結晶体の第２の軸線方向が９０度異なるように配置されたレーザ増幅媒体では、熱レンズ効果によって球面レンズのような波面収差が生じるので、二対の球面レンズ（３１Ａ，３２Ａ）および（３１Ｂ，３２Ｂ）による像転送によって波面の補正が適切に行われていることが予想される。そのために、強度パターンが均一である。また、空間フィルタ部３０Ａにおけるピンホール３５Ａおよび空間フィルタ部３０Ｂにおけるピンホール３５Ｂによってレーザ光の一部が不必要に遮断されることがないので、ビーム径が大きく、ビーム形状が円形であり、エムスクエア値の低下が低減されている。

このように、本実施形態のレーザ装置１Ａによれば、周回光路Ｌ２に沿った第１の軸線Ｘに直交する第２の軸線Ｙ方向に軸性を有するレーザ増幅媒体６１ｅ，６１ｆを有する２個のレーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂが周回光路Ｌ２に沿って並んでおり、２個のレーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂの各々は、どちらか一方のレーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向を基準として、レーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向が１８０・Ｋ／２度（Ｋは０または１）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されているので、周回光路Ｌ２に直交する面における光学特性、すなわち屈折率の温度依存性が同心円状に平均化される。その結果、本実施形態のレーザ装置１Ａによれば、熱レンズ効果が球面状に発生する。また、本実施形態のレーザ装置１Ａによれば、二対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａと３１Ｂ，３２Ｂとを備えているので、熱レンズ効果によってレーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂの出力光のビーム品質が低下しても、二対の球面レンズ３１Ａ，３２Ａと３１Ｂ，３２Ｂとの位置を調整することによってレーザ光を適切に像転送することができ、レーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂの出力光のビーム品質の低下を補正することが可能である。故に、レーザ装置１Ａの出力レーザ光のビーム品質の低下を抑制することが可能となる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

本実施形態では、リング型レーザ増幅装置を例示したが、往復型レーザ増幅装置やレーザ共振器においても、本発明のレーザ増幅媒体６１およびレーザ増幅器６０，６０Ａおよび６０Ｂを球面レンズと組み合わせて適用可能である。

また、本実施形態では、入射される被増幅光を増幅するためのレーザ増幅装置を例示したが、励起光発生部からの励起光によってレーザ光を生成するレーザ発振装置においても、本発明の思想が適用可能である。

第１の実施形態では、４つの結晶体６１ａ〜６１ｄから構成されたレーザ増幅媒体６１を例示したが、レーザ増幅媒体６１は２つ以上の結晶体から構成されていれば本実施形態と同様の効果が得られる。

同様に、第２の実施形態では、２つのレーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂを備えたレーザ装置１Ａを例示したが、レーザ装置１Ａは２つ以上のレーザ増幅器を備えていても本実施形態と同様の効果が得られる。

また、第１の実施形態では、レーザ増幅媒体６１における結晶体６１ａ〜６１ｄは、隣り合う結晶体の第２の軸線Ｙ方向に対して、第２の軸線Ｙ方向が（１８０／４）度ずつ順に傾斜するように配置された態様を例示したが、レーザ増幅媒体６１における結晶体６１ａ〜６１ｄは順不同に傾斜するように配置された態様であってもよい。例えば、結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向を基準として、結晶体６１ｂの第２の軸線Ｙｂ方向が結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して９０度の方向に傾斜しており、結晶体６１ｃの第２の軸線Ｙｃ方向が結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して４５度の方向に傾斜しており、結晶体６１ｄの第２の軸線Ｙｄ方向が結晶体６１ａの第２の軸線Ｙａ方向に対して１３５度の方向に傾斜していてもよい。

同様に、第２の実施形態において、レーザ装置１ＡがＮ個のレーザ増幅器（Ｎは３以上の整数）を備えている場合、レーザ増幅器の各々は、隣り合わないレーザ増幅器におけるレーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向に対して、レーザ増幅媒体の第２の軸線Ｙ方向が（１８０／Ｎ）度ずつ傾斜するように、順不同に順不同に配置されていてもよい。

また、第１の実施形態では、レーザ増幅媒体６１における結晶体６１ａ〜６１ｄとして１軸性を有する結晶体を例示したが、結晶体６１ａ〜６１ｄとして２軸性を有する結晶体を用いる場合であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

同様に、第２の実施形態では、レーザ増幅器６０Ａ，６０Ｂにおけるレーザ増幅媒体６１ｅ，６１ｆとして１軸性を有する結晶体を例示したが、レーザ増幅媒体６１ｅ，６１ｆとして２軸性を有するレーザ増幅媒体を用いる場合であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

また、第２の実施形態では、第１の実施形態におけるλ／４波長板を備えていない態様を例示したが、第２の実施形態においても、レーザ増幅器６０Ａと反射鏡３３Ｂとの間およびレーザ増幅器６０Ｂと偏光ビームスプリッタ１０との間に、それぞれλ／４波長板を備えていてもよい。

本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ増幅媒体の構成を示す図である。 １軸性結晶体を示す図である。 一対のレンズによる像転送の原理を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。 第２の実施形態のレーザ装置から出力されたレーザ光の波面の熱レンズ効果の測定結果を示す図である。 第２の実施形態のレーザ装置から出力されたレーザ光の強度分布の測定結果を示す図である。

符号の説明

１…レーザ装置、１０，４０…偏光ビームスプリッタ、２０…光スイッチ、２１…半波長板、２２…偏光回転素子、３０…空間フィルタ部、３１，３２…一対の球面レンズ、３３，３４…反射鏡、３５…ピンホール、５１，５２…反射鏡、６０…レーザ増幅器、６１…レーザ増幅媒体、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…結晶体、６２…冷却部、６３…励起光発生部、７０…１／λ波長板、Ｌ１…周回光路、Ｏｉｎ…入力光、Ｏｏｕｔ…出力レーザ光。

Claims (5)

1. 第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有すると共に、該第１の軸線に沿って並ぶN個の結晶体（Nは２以上の整数）を備えており、
   前記Ｎ個の結晶体の各々は、前記Ｎ個の結晶体のうちいずれか一つの第２の軸線方向を基準として、前記第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている、
   レーザ増幅媒体。
2. 入射された被増幅光を増幅するレーザ増幅器であって、
   前記被増幅光の光路に沿った前記第１の軸線を有する請求項１に記載のレーザ増幅媒体と、
   前記レーザ増幅媒体に励起光を照射する励起光発生部と、
   を備える、レーザ増幅器。
3. 入射された被増幅光を増幅する請求項２に記載のレーザ増幅器と、
   前記被増幅光の光路に沿って位置調整可能であり、前記レーザ増幅器からの出力光を前記レーザ増幅器の入力へ像転送するための一対の球面レンズと、
   を備える、レーザ装置。
4. 入射された被増幅光を増幅するレーザ増幅器であって、該被増幅光の光路に沿った第１の軸線に直交する第２の軸線方向に軸性を有するレーザ増幅媒体を有すると共に、該光路に沿って並ぶN個の該レーザ増幅器（Nは２以上の整数）と、
   前記光路に沿って位置調整可能であり、ｎ番目（ｎは２以上Ｎ以下の整数）のレーザ増幅器からの出力光を隣り合うレーザ増幅器の入力へ像転送するためのＮ対の球面レンズと、
   を備えており、
   前記Ｎ個のレーザ増幅器の各々は、前記Ｎ個のレーザ増幅器のうちいずれか一つのレーザ増幅媒体の第２の軸線方向を基準として、前記レーザ増幅媒体の前記第２の軸線方向が１８０・Ｋ／Ｎ度（Ｋは０以上Ｎ−１以下の整数）のうち異なるいずれかの方向に傾斜するように配置されている、
   レーザ装置。
5. 前記光路上における前記レーザ増幅器の出力側に設けられたλ／４波長板をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ装置。
   

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