JP2009182053A - レーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー核融合炉用ドライバーとして好適なレーザー装置を提供する。
【解決手段】 レーザー装置１においては、レーザー媒質１８のレーザー光入出射面１８ａが沿う正多角形がｎ辺からなり、レーザー光が出射したレーザー媒質１８からｋ辺目のレーザー媒質１８にレーザー光が入射するとき、ｋ辺目のレーザー媒質１８のレーザー光入出射面１８ａに対するレーザー光の入射角θ（度）は、０．９×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ≦θ≦１．１×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ、ここで、「ｎ＞３，ｋ≧１」、「ｋ＜ｎ／２」、「ｋ＞１のとき、ｎ／ｋは整数でなく且つ（ｎ及びｋの最小公倍数）≧ｎ×ｋ」なる関係式を満たしている。これにより、レーザー媒質１８の全てを利用して、レーザー媒質１８間においてレーザー光を行き来させ、レーザー光を増幅して出力することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザー核融合炉用ドライバーに適用されるレーザー装置に関する。

レーザー核融合炉用ドライバーに適用されるレーザー装置として、下記の非特許文献１には次のようなものが記載されている。すなわち、正多角形の複数の辺に沿い且つ正多角形の中心から辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面を有する板状のレーザー媒質を備え、レーザー媒質間においてレーザー光を行き来させることでレーザー光を増幅するレーザー装置である。
ＩＦＥフォーラム、核融合炉概念設計、"炉設計の概要"、［online］、平成１９年１１月１３日、［平成２０年１月２２日検索］、インターネット＜URL:http://www.ilt.or.jp/forum/index.html＞

上述したようなレーザー装置は、スケール拡大則（レーザーモジュールの数や大きさに比例してレーザー光の出力が増加すること）を満たす点で、将来のレーザー核融合炉用ドライバーとして有力視されているものの、未だ概念設計がなされただけの状態にある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザー核融合炉用ドライバーとして好適なレーザー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザー装置は、レーザー光源から発振されたレーザー光を増幅して出力するレーザー装置であって、正多角形の複数の辺に沿い且つ正多角形の中心から辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面を有する板状のレーザー媒質と、中心に対してレーザー媒質の外側に配置されたレーザー光反射部材と、を備え、正多角形がｎ辺からなり、レーザー光が出射したレーザー媒質からｋ辺目のレーザー媒質にレーザー光が入射するとき、ｋ辺目のレーザー媒質のレーザー光入出射面に対するレーザー光の入射角θ（度）は、
０．９×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ≦θ≦１．１×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ
ここで、ｎ＞３，ｋ≧１
ｋ＜ｎ／２
ｋ＞１のとき、ｎ／ｋは整数でなく且つ（ｎ及びｋの最小公倍数）≧ｎ×ｋ
なる関係式を満たすことを特徴とする。

このレーザー装置によれば、正多角形の複数の辺に沿い且つ正多角形の中心から辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面を有する板状のレーザー媒質の全てを利用して、レーザー媒質間においてレーザー光を行き来させ、レーザー光源から発振されたレーザー光を増幅して出力することができる。

本発明に係るレーザー装置において、ｋは、ｋ＜ｎ／２なる関係式を満たす最大の整数であることが好ましい。この場合、ｋ辺目のレーザー媒質のレーザー光入出射面に対するレーザー光の入射角θが０度に近くなるため、レーザー媒質内においてレーザー光を効率よく伝播させることができる。

本発明によれば、レーザー核融合炉用ドライバーとして好適なレーザー装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るレーザー装置の一実施形態の構成図である。図１に示されるように、レーザー装置１は、ファイバー出力型主発振器（レーザー光源）２から発振されたレーザー光（一点鎖線で示す）を４段の積層型正多角形増幅器３で別々に増幅し、増幅された４つのレーザー光をコヒーレント結合して１つの大きなエネルギーを持ったパルス波として出力する装置である。積層型正多角形増幅器３は、正多角形増幅器モジュール１０を４段積層することで、スケール拡大則によって出力が増加されたものである。

レーザー装置１において、Ｙｂドープのファイバー出力型主発振器２から、波長１０３０ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ、Ｐ偏光の光として発振されたレーザー光は、偏波保持型ファイバスプリッタ４によって２つに分岐される。分岐された一方のレーザー光は、音響光学素子５によって周波数変調を受け、最終段のコヒーレント結合の参照光として使用される。分岐された他方のレーザー光は、偏波保持型ファイバスプリッタ４によって更に４つに等分割され、Ｙｂドープのファイバー増幅器（ＹＤＦＡ）６によって１ｍＪ程度に増幅される。

これらの被増幅光は、それぞれ前置増幅器７を経て５００ｍＪ程度に増幅され、更に積層型正多角形増幅器３で増幅される。積層型正多角形増幅器３内でＳ偏光に変換されて出射した４つのレーザー光は、それぞれ波面補償ループ８によって波面歪を補正され、更に位相整合ループ９によって位相をヘテロダイン参照光の位相にロックされる。これらのレーザー光のコヒーレント結合の結果、タイル状に結合された大出力パルス波がレーザー装置１から出力される。

図２は、レーザー装置の積層型正多角形増幅器の平面図である。図２に示されるように、積層型正多角形増幅器３の正多角形増幅器モジュール１０は、正十二角形ＲＰの１１辺のそれぞれに沿い且つ正十二角形ＲＰの中心（重心）Ｃから１１辺に至る垂線のそれぞれと略直交するように配置されたミラー型増幅器１１を有している。ミラー型増幅器１１が配置されていない１辺は、レーザー光の入出射口１２として使用されている。積層型正多角形増幅器３は、その増幅器３を包囲する外壁１３、及び入出射口１２と対向するように外壁１３に設けられたレーザー光透過窓部材１４を有する真空装置内に配置されている。なお、正十二角形ＲＰにおいて入出射口１２と対向する辺Ｓに限り、レーザー媒質の代わりに合成石英やＢＫ７を用いた高反射ミラーが配置されていてもよい。

正多角形増幅器モジュール１０の入出射口１２の外側には、その増幅器モジュール１０に対する入力種光を透過し且つ出力増幅光を反射する薄型偏光板１５（２２５ｍｍ×１２０ｍｍ×１０ｍｍ）が設置されている。更に、正多角形増幅器モジュール１０の入出射口１２の外側には、その増幅器モジュール１０から一旦出射したレーザー光がその増幅器モジュール１０に再度入射して同一光路上を逆方向に進行するように、ファラデー回転素子１６及び全反射ミラー１７（１２５ｍｍ×１２５ｍｍ、０度入射１０３０ｎｍ、反射率９９．９５％）が設置されている。

図３は、ミラー型増幅器の斜視図である。図３に示されるように、ミラー型増幅器１１の中央部には、矩形合板状のコンポジットセラミックスＹｂ：ＹＡＧからなるレーザー媒質１８が配置されている。レーザー媒質１８は、正十二角形の辺に沿い且つ正十二角形の中心から辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面１８ａを有している。なお、ホスト媒質に添加される希土類イオンには、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｈｏ、Ｔｍ等を選択することができ、ホスト媒質には、ガラス、ＹＬＦ等を選択することができる。また、媒質は、単結晶であってもよい。

図４は、レーザー媒質及びその周辺部分の構成図である。図４に示されるように、レーザー媒質１８は、Ｙｂのドープ濃度が１at.％の板状部材（１００ｍｍ×１１２ｍｍ×７ｍｍ）２１と、Ｙｂのドープ濃度が８at.％の板状部材（１００ｍｍ×１１２ｍｍ×３ｍｍ）２２とをセラミックス作成時に焼結したものであり（媒質作成後の拡散結合であってもよい）、希土類イオンをドープしていないＹＡＧからなる枠部材２３が周囲に配置されている。レーザー媒質１８の表面（すなわち、レーザー光入出射面１８ａ）及び裏面は光学研磨されており、レーザー媒質１８の側面はスリ面となっている。

レーザー媒質１８の側面には、厚さ約５０μｍのシリコンポッティング２４を介して、１０３０ｎｍの自然放出光を吸収する厚さ２ｍｍの熱線吸収ガラス２５（Ｃｒ：ＹＡＧであってもよい）がクラッディング材として貼り付けられている。更に、レーザー媒質１８の表面には、入射角１５度、波長１０３０ｎｍのレーザー光及び入射角０〜１５度、波長９４０ｎｍの励起光に対する無反射コーティング２６（透過率９９．７％）が施されている。一方、レーザー媒質１８の裏面（正十二角形の中心に対してレーザー媒質１８の外側）には、レーザー光及び励起光に対する全反射コーティング（レーザー光反射部材）２７が施されている。

図３に示されるように、レーザー媒質１８の周囲には、コア径１ｍｍのファイバーが５本バンドルされてなるファイバー出力型半導体レーザー（励起光源）２８がシリコンポッティング２４及び熱線吸収ガラス２５を介して合計１６モジュール配置されている。各半導体レーザー２８のファイバー出力部には、ファイバー出力のマルチモードＬＤ光をコリメートすると共に対面するミラー型増幅器１１のレーザー媒質１８を均一に励起するためのホモジナイザ及び照射用レンズが包含されている。これにより、ファイバー出力型半導体レーザー２８の１６モジュール全てから出射された波長９４０ｎｍ（ＦＷＨＭ＝１．８ｎｍ）の励起光は、図５に示されるように、対面するミラー型増幅器１１のレーザー媒質１８を均一に励起する。

図６は、ミラー型増幅器の外側の構成図である。図６に示されるように、ミラー型増幅器１１の外側には、クラッディング材を含めてレーザー媒質１８を約１２０Ｋ程度に冷却するための銅製のヒートシンク３１が取り付けられている。ヒートシンク３１とレーザー媒質１８との間には、両者の熱接触を向上させるためのインジウム箔（シリコン接着剤等であってもよい）が挟まれている。ここでは、冷凍機として、ヘリウムガスの断熱圧縮により熱交換を行うアクティブバッファ方式のパルスチューブ冷凍機が用いられている。パルスチューブは、本体長６００ｍｍ、管径９０ｍｍであり、その熱交換部に直方体の銅部材が用いられたものである。パルスチューブの上方はバッファタンク３２と接続されており、パルスチューブの下方はコンプレッサ３３と接続されている。この冷却器は、６００Ｗの熱負荷を受けながら熱交換部の温度を１２０Ｋに維持することができる。

次に、積層型正多角形増幅器３の動作について、図２〜６を参照して説明する。

積層型正多角形増幅器３の各正多角形増幅器モジュール１０において、各ミラー型増幅器１１のレーザー媒質１８を励起する励起光は、対面するミラー型増幅器１１のファイバー出力型半導体レーザー２８から供給される。この半導体レーザー２８は、コア径１ｍｍのファイバーが５本バンドルされてなるが、１本のファイバーから出力される励起光は、繰返し周波数２０Ｈｚ、ピークパワー２ｋＷ、パルス幅２５０μｓである。これにより、ファイバー出力型半導体レーザー２８の１６モジュール全てから出射される励起光の照射強度は１．４３ｋＷ／ｃｍ^２となり、その照射エネルギーは８０Ｊに達する。

この励起光は、対面するミラー型増幅器１１のレーザー媒質１８において、無反射コーティング２６が施された低ドープ濃度の板状部材２１に入射してエネルギーの約５０％を７ｍｍの吸収長で吸収され、更に、板状部材２１の後面（外面）に焼結された高ドープ濃度の板状部材２２に入射して残りのエネルギーの略全て（＞９９％）を往復６ｍｍの吸収長で吸収される。このように、吸収方向にドープ濃度の異なる板状部材２１，２２をコンポジットすることで、励起表面における過度の利得上昇を防止し、結果として寄生発振を防止している。この励起過程で発生する波長１０３０ｎｍの自然放出光は、シリコンポッティング２４を介してレーザー媒質１８の周囲に貼り付けられた熱線吸収ガラス２５によって吸収され、寄生発振が抑制される。

このとき、発熱するクラッディング材は、ヒートシンク３１によって冷却される。また、非ドープ領域である枠部材２３は、発熱が無いためヒートシンクとして機能し、クラッディング材の排熱を援助する。更に、この非ドープ領域は、クラッディング材の発熱によるレーザー媒質１８の周囲の温度上昇という問題を緩和している。結果として、この励起によってミラー型増幅器１１当たり約６４Ｊ（蓄積効率約８０％）のエネルギーが蓄えられる。

一方、パルスエネルギー５００ｍＪ、ビームサイズ１００ｍｍ×１００ｍｍ、パルス幅２０ｎｓ、Ｐ偏光の被増幅レーザー光（入力種光）は、偏光板１５を透過し、入出射口１２を介して正多角形増幅器モジュール１０に入射する。この入力種光は、正十二角形ＲＰの１１辺のそれぞれに配置されたミラー型増幅器１１（上述の通り、約６４Ｊのエネルギーが蓄積されている）によって増幅されながら伝播していく。レーザー光は、一度全てのミラー型増幅器１１によって増幅された後、入出射口１２を介して正多角形増幅器モジュール１０から出射し、全反射ミラー１７で折り返される。このとき、レーザー光は、ファラデー回転素子１６を往復通過することで偏光方向が９０度回転してＳ偏光となる。そして、レーザー光は、再度全てのミラー型増幅器１１によって増幅された後、入出射口１２を介して正多角形増幅器モジュール１０から出射し、偏光板１５によって反射されることで出力される。このような正多角形増幅器モジュール１０における２パス増幅によって、正多角形増幅器モジュール１０に蓄えられているエネルギー７０４Ｊの８０％以上が抽出される。なお、正十二角形ＲＰにおいて入出射口１２と対向する辺Ｓに、レーザー媒質の代わりに合成石英やＢＫ７を用いた高反射ミラーが配置されている場合には、その辺においては、レーザー光は増幅されない。

次に、波面補償ループ８及び位相整合ループ９について、図１を参照して説明する。積層型正多角形増幅器３から出射した４つのレーザー光は、それぞれ波面補償ループ８によって波面歪を補正され、更に位相整合ループ９によって位相（光路長）をヘテロダイン参照光の位相にロックされた後、コヒーレント結合されて、１つの大出力パルス波として出力される。

波面補償ループ８では、積層型正多角形増幅器３から出射した各レーザー光（出力増幅光）の一部が窓部材３４（透過率＞９９．９％）によって反射され、その反射光の波面が高解像度の波面センサ３５によって計測される。そして、計測された波面歪を補正する形状が可変鏡制御器３６によってバイモルフ式の可変鏡３７に持たされることで、積層型正多角形増幅器３から出射して反射ミラー３８を介して可変鏡３７に到達した各レーザー光の波面歪がＰＶ値でλ／１０以下に減少される。

位相整合ループ９では、波面補償ループ８によって略回折限界に近い集光特性を持ったレーザー光の一部が０．０１％反射窓部材４１によって反射され、参照光と干渉してヘテロダイン信号を出力する。参照光は、ファイバー出力型主発振器２から周波数シフトされたものであり、４つのレーザー光の全てと干渉するように拡大光学系４２によってビーム径が拡大されている。そして、ヘテロダイン信号が集光レンズ４３によって半導体検出器４４に集光されて半導体光検出器４４によって読み取られ、参照光に対する４つのレーザー光のそれぞれの位相差が求められる。

これらの位相差に基づいて４つの位相変調器４５が位相変調制御器４６によって駆動され、フロントエンドの４つのレーザー光の位相が参照光の位相にロックされる。これにより、間接的に４つのレーザー光の位相が１つの位相にロックされる。位相がロックされた４つのレーザー光は、大部分が０．０１％反射窓４１を透過し、コヒーレント結合された１つの大出力パルス波（エネルギー２．１ｋＪ）として出力される。

以上のように構成されたレーザー装置１においては、レーザー媒質１８のレーザー光入出射面１８ａが沿う正多角形がｎ辺からなり、レーザー光が出射したレーザー媒質１８からｋ辺目のレーザー媒質１８にレーザー光が入射するとき、ｋ辺目のレーザー媒質１８のレーザー光入出射面１８ａに対するレーザー光の入射角θ（度）は、
θ＝９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ
ここで、ｎ＞３，ｋ≧１
ｋ＜ｎ／２
ｋ＞１のとき、ｎ／ｋは整数でなく且つ（ｎ及びｋの最小公倍数）≧ｎ×ｋ
なる関係式を満たしている。これにより、正多角形の複数の辺に沿い且つ正多角形の中心から辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面１８ａを有する板状のレーザー媒質１８の全てを利用して、レーザー媒質１８間においてレーザー光を行き来させ、ファイバー出力型主発振器２から発振されたレーザー光を増幅して出力することができる。なお、０．９×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ≦θ≦１．１×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎを満たせば、レーザー媒質１８の全てを利用して、レーザー媒質１８間においてレーザー光を行き来させることが可能である。

例えば、上述したように正多角形が正十二角形ＲＰである場合（すなわち、ｎ＝１２である場合）、図７に示されるように、上記関係式の全ての条件を満たすｋはｋ＝１，５であり、入射角θが０度に近くなるｋ（すなわち、ｋ＜ｎ／２なる関係式を満たす最大の整数）はｋ＝５である。このとき、入射角θは１５度となる。そして、図８に示されるように、レーザー媒質１８のサイズ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、屈折率１．８２とすると、スネルの法則による計算結果から、励起されているレーザー媒質１８内を最も効率良く伝播するビーム幅は９４ｍｍ程度であることが分かる。

また、積層型正多角形増幅器３は、正多角形増幅器モジュール１０の積層によって、出力のスケール拡大則を満たし且つコンパクトな光増幅装器となっているため、レーザー装置１は、レーザー核融合炉用ドライバーとして極めて好適である。

更に、正多角形増幅器モジュール１０においては、各レーザー媒質１８を励起するためのファイバー出力型半導体レーザー２８が正多角形増幅器モジュール１０内を行き来するレーザー光の伝播を妨げることがないため、レーザー光のビーム幅を好適な値に設定することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、レーザー媒質１８のレーザー光入出射面１８ａが沿う正多角形は正十二角形ＲＰに限定されず、ｎ＞３を満たす正ｎ角形であればよい。また、上記実施形態では、励起光を出射するファイバー出力型半導体レーザー２８が、対面するレーザー媒質１８間に配置されていたが、これに限定されない。励起光源は、入射角が９０度よりも小さくなる位置関係にあるレーザー媒質１８間に配置することができる。ただし、励起光源は、ｎが偶数の場合には、励起すべきレーザー媒質１８からｎ／２辺目のレーザー媒質１８の周囲に配置されていることが好ましく、ｎが奇数の場合には、励起すべきレーザー媒質１８から（ｎ±１）／２辺目のレーザー媒質１８の周囲に配置されていることが好ましい。入射角が小さくなるからである。

また、上記実施形態では、フロントエンドがファイバーレーザーで構成されていたが、固体レーザーで構成されていてもよい。その場合、位相変調器４５は、液晶を使用した空間位相変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）に置き換わる。

更に、積層型正多角形増幅器３において積層される正多角形増幅器モジュール１０の段数は４段に限定されない。積層段数を増加させれば、結合することができるビーム本数も増加するため、それに比例してレーザー装置１の出力を増大させることができる。

本発明に係るレーザー装置の一実施形態の構成図である。 レーザー装置の積層型正多角形増幅器の平面図である。 ミラー型増幅器の斜視図である。 レーザー媒質及びその周辺部分の構成図である。 対面するミラー型増幅器の関係を示す構成図である。 ミラー型増幅器の外側の構成図である。 正多角形の辺の数と入射角との関係を示すグラフである。 レーザー媒質に対して入出射するレーザー光の一例を示す構成図である。

符号の説明

１…レーザー装置、２…ファイバー出力型主発振器（レーザー光源）、１２…入出射口、１８…レーザー媒質、１８ａ…レーザー光入出射面、２７…全反射コーティング（レーザー光反射部材）、２８…ファイバー出力型半導体レーザー（励起光源）。

Claims (4)

1. レーザー光源から発振されたレーザー光を増幅して出力するレーザー装置であって、
   正多角形の複数の辺に沿い且つ前記正多角形の中心から前記辺に至る垂線と略直交するレーザー光入出射面を有する板状のレーザー媒質と、
   前記中心に対して前記レーザー媒質の外側に配置されたレーザー光反射部材と、を備え、
   前記正多角形がｎ辺からなり、前記レーザー光が出射した前記レーザー媒質からｋ辺目の前記レーザー媒質に前記レーザー光が入射するとき、ｋ辺目の前記レーザー媒質の前記レーザー光入出射面に対する前記レーザー光の入射角θ（度）は、
   ０．９×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ≦θ≦１．１×９０×（ｎ−２ｋ）／ｎ
   ここで、ｎ＞３，ｋ≧１
   ｋ＜ｎ／２
   ｋ＞１のとき、ｎ／ｋは整数でなく且つ（ｎ及びｋの最小公倍数）≧ｎ×ｋ
   なる関係式を満たすことを特徴とするレーザー装置。
2. ｋは、ｋ＜ｎ／２なる関係式を満たす最大の整数であることを特徴とするレーザー装置。
3. 前記レーザー媒質のそれぞれの周囲には、前記レーザー媒質のそれぞれに対向する前記レーザー媒質を励起する励起光を出射する励起光源が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー装置。
4. 前記正多角形の少なくとも１辺には、前記レーザー媒質が配置されておらず、前記レーザー媒質が配置されていない前記正多角形の少なくとも１辺は、前記正多角形内に対する前記レーザー光の入出射口となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザー装置。

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