JP2009541983A - レーザ輻射コヒーレント結合装置及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザシステム（２１）を構成する第１及び第２レーザ副発振子（Ｓ１，Ｓ２）各々の利得素子を、その媒質（１１，１１ａ）中に立体利得格子（４１，４４）が発生するように使用する。同じくレーザシステム（２１）を構成するビーム結合器（１３，２０）を、各レーザ発振子の輻射出力を互いに結合させる一方、各レーザ発振子の輻射出力を他のレーザ発振子内に回送するよう構成する。これによって、安定で位相ロックがかかるコヒーレント結合型の輻射システムが得られる。

Description

本発明はレーザ光源に関し、特にレーザ輻射コヒーレント結合装置及び方法に関する。

レーザ光源の高出力化に当たりとりわけ問題になるのは、ポンピング光源によってもたらされる熱がレーザ媒質（利得媒質）内に溜まることである。この加熱は、レーザ媒質を励起しいわゆる反転分布を発生させる、というレーザ発振プロセス上必須な処理の副次現象である。その熱により温度分布及び応力が発生するため、レーザ媒質内に屈折率ばらつきが発生してレーザ輻射の光学品質が損なわれるので、これは空間品質低下やスペクトル品質及び発振効率の低下を招きやすい。また、高空間品質モード（理想的には基本空間モード）又は狭スペクトルライン幅モード（理想的には単一縦モード）でレーザ光源を動作させねばならない分野や、使用電力やコストを抑えるためレーザ光源を高効率で動作させたい分野もあるが、レーザ光源の高出力化に伴い熱因性光学歪が増大するので、高出力レーザ光源の利用可能分野は限られてしまう。更に、ポンピングが顕著に強力だとその加熱によって利得媒質が損傷することがある。例えば固体レーザなら結晶破壊が生じるかもしれない。

この熱因性レーザ性能低下は各種レーザ光源、とりわけ固体レーザで問題になる。固体レーザの場合、まずレーザ光増幅器（利得素子）形状をスラブ状、シンディスク状、ファイバ状等とし熱因性歪の影響を抑える策が幾通りか提案されている。従来のロッド状利得素子に比べ熱管理性及びレーザ性能は高まるものの、そうした素子形状でも熱因性性能低下や装置損傷の問題がなくなるわけではなく、更なる高出力化に当たってはまた同じ問題が発生する。

他の策としては、複数個のレーザ光増幅器を並列配置してレーザシステムを形成し、レーザ光増幅器間で輻射出力を相互結合させてより強力な出力にする、という手法がある。この手法の魅力はその出力増強にほとんど限界がないことである。熱因性歪が生じない程度の出力で各光増幅器を動作させつつその使用個数で出力を増強するからである。ただ、この手法にはかなりの難点がある。なかでも問題なのは、レーザ発振子（キャビティ）同士が独立しているため、それらの間に微妙な発振周波数差及び位相差が生じ或いはレーザ光出射フィールド位相が確率的に経時変化することである。結局のところ、相互に独立している複数個のレーザ出射フィールドを（例えばビーム結合器、回折性光学素子等で）結合させ各発振子の出力が集まる単一の出射フィールドにすることは、通常環境下では不可能である。こうしたレーザ発振子間非最適結合手法のことを従来から非コヒーレント結合と呼んでいる。また、その次に問題となるのは、出射フィールドの横空間分布を振幅及び位相に強く相関させねばならないことである。さもないと、空間的な非コヒーレント結合で結合輻射出力が強まっても空間品質が下がり、とりわけいわゆるＭ²ビーム品質指標が増大する。スペクトル的な非コヒーレント結合も実現可能ではあるが、個々のレーザ発振子の発振波長を離散設定するのでスペクトル帯域幅が拡がるし、そもそも十分広帯域な（即ち多様にレーザ遷移させうる）レーザ媒質及び十分広いスペクトル帯域幅で使用できるビーム結合器がないとその実施すら不可能である。高空間品質と高スペクトル純度が両立する最適結合を達成するにはコヒーレント結合を実施しなければならない。コヒーレント結合とは、全出射フィールドの位相分布が時空双方で完全に相関し、それにより生じる強調干渉によって全出力が正加算され一つの出射フィールドができる手法である。従って、それを実現するには、結合させたい個々のビーム間に位相相関（空間波面分布及び絶対位相の相関）を持たせることと、それに相応のビーム結合手法とが必要になる。

図１に、従来手法に従い２個のレーザ副発振子（サブキャビティ）１２，１２ａ間で輻射出力をコヒーレント結合させるレーザシステムを示す。その副発振子１２は利得素子１０及び高い反射率を有するエンドミラー１６から構成されており、また副発振子１２ａはそれらとは別体の利得素子１０ａ及び高い反射率を有するエンドミラー１６ａから構成されている。副発振子１２はビーム結合器１４及びミラー２０と共に一方のレーザ発振子を構成しており、また副発振子１２ａは結合器１４及びミラー２０と共に他方のレーザ発振子を構成している。介在する結合器１４は、一方の副発振子１２からの輻射出力ビームを透過させ他方の副発振子１２ａからの輻射出力ビームを反射させるビームスプリッタであり、レーザ輻射に対し例えば５０％の反射率及び５０％の透過率を呈するハーフミラーとして機能している。素子１０，１０ａを外部エネルギ源によってポンピングすると、その素材たるレーザ媒質が励起され、レーザ発振の分野で既知の仕組みでレーザ光増幅が誘起される。なお、説明の都合上、ポンピング動作が同様なら同様に励起されるものとしている。両副発振子１２，１２ａによって共有されるミラー２０は半透明であり、結合輻射出力ビーム２２の出射に使用されている。

国際出願第ＷＯ９５／２５３６７号パンフレット

MJ. Damzen, R.P.M. Green and K.S. Syed, Opt. Lett., 20, 1704-1706 (1995) B. A. Thompson, A. Minassian and MJ. Damzen, J. Opt. Soc.Am. B 20, . 857-862 (2003)

ただ、このシステムには、ビーム結合器１４にて別方向出力ビーム２３も発生する、という難点がある。仮に、別々のレーザ副発振子に係るレーザ光出射フィールド間に非コヒーレンス性があると、このビーム２３は結合輻射出力ビーム２２と同等以上の強さになる。即ち、結合による出力増強は起きず、結合器１４が見かけ上無用の素子になる。この難点を克服するには、結合対象レーザ発振子間に位相ロックをかければよい。即ち、結合器１４にてコヒーレント結合が発生しビーム２３が概ねなくなるよう、各レーザ発振子を共通の周波数、共通の空間モード及び適切な位相差で動作させればよい。しかしながら、そうした位相ロックは実際にはうまく実現しにくい。それは、発振子内ミラー例えば１６，１６ａの角度位置及び直線位置を精密に制御しなければならないからである。また、その位相ロックは維持するのも難しい。それは、振動、気流、熱膨張等といった環境性外乱を受けるからである。

レーザ副発振子が２個から３個以上に増えると、制約条件が増え且つ複雑さが増すため、コヒーレント結合可能な共通のモードを見つけることが更に難しくなる。各副発振子の輻射出力ビームに対し従来技術で位相ロックをかけるとすると、ビーム未合流・未結合区間に位相制御用能動素子を都合複数個挿入し、フィードバック制御系を設けてビーム間位相差を能動的に最適化することとなろうが、能動位相制御は複雑且つ面倒でシステムコストを増大させるものであり、しかもその実行速度を対レーザ発振子外乱より高速にしなければならない。更に困難なことに、各ビームの空間分布を互いにそっくりにするため、レーザ発振子の構成をその熱因性光学歪及びレンズ効果を含めて互いに整合させねばならない。なお、従来技術に関しては非特許文献１及び２並びに特許文献１を参照されたい。

本発明は、別紙特許請求の範囲に記載の発明である。本発明によれば、複数個のレーザ発振子間でその輻射出力をコヒーレント結合させ、強力なレーザ出力を得ることができる。そのため、本発明では、互いに別体のレーザ光増幅器（利得素子）を備える複数個のレーザ発振子によってシステムを構成し、適応型の回折性光学素子として機能する立体利得格子(volume gain grating)を各レーザ発振子で発生させると共に、各レーザ発振子の輻射出力を他のレーザ発振子に回送して格子形成にフィードバックすることによって、それらレーザ発振子を共通の位相に収束させる。また、こうして位相等化した輻射出力を適当なビーム結合器１個又は複数個で強調干渉させることで、大出力且つ高空間品質で単一性即ちまとまりに秀でた結合輻射出力を発生させる。更に、従来技術と違い非線形利得格子形成によりコヒーレント結合が自動達成されるので、複雑な能動位相制御機器が必要ない。

従来のレーザシステムを模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザシステムを模式的に示す図である。 副発振子内光増幅用自己交差型ループ光路を模式的に示す図である。 その構成要素である非相反的透過素子を模式的に示す図である。 同じくその模式図である。 ビーム間干渉による利得飽和で発生する利得格子及びその回折性光学素子としての動作を模式的に示す図である。 別様のビーム間干渉による利得飽和で発生する別様の利得格子を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザシステムを模式的に示す図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザシステムを模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態を複数個、別紙図面を参照して例示説明する。

図２に本発明の第１実施形態に係るレーザシステム２１の概要を示す。このシステム２１は、２個のレーザ副発振子Ｓ１及びＳ２と、結合輻射出力ビーム２２を出射するため共用される半透明の出力結合ミラー２０と、それらに介在するビームスプリッタ１３とを備えている。スプリッタ１３は、ミラー２０から戻ってくる輻射の一部を透過させて副発振子Ｓ１方向のビーム２５を生成し、残りの一部を反射して副発振子Ｓ２方向のビーム２５ａを生成する。各副発振子Ｓ１，Ｓ２を構成する種々の素子、その組合せ方並びに本実施形態の動作原理については後に詳述する。本実施形態の優れたところは、副発振子Ｓ１，Ｓ２から戻ってくるビーム３０，３０ａを、スプリッタ１３にて自動的にコヒーレント結合し単一の結合輻射出力ビーム２２になるよう、また別方向出力ビーム２３が概ね生じないよう、発生させていることである。

図３に示すように、レーザ副発振子Ｓ１は、レーザ媒質１１、一組のミラー１７及び１８、並びに後に図４を参照して模式説明する非相反的(non-reciprocal)透過素子２７を備えている。ミラー１７及び１８は、戻入ビーム２６が媒質１１内でビーム２５と交差するよう、ビーム２５を媒質１１通過後に転向させる。本願ではこの光路を自己交差型(self-intersecting)ループ光路と呼ぶ。レーザ副発振子Ｓ２も、副発振子Ｓ１と同様に、レーザ媒質１１ａ、非相反的透過素子２７ａ及び一組のミラー１７ａ及び１８ａを自己交差型ループ光路が生じるよう配置した構成である。その媒質１１，１１ａをポンピング光源を用い励起すると、従来周知のレーザ発振の仕組みで輻射が光増幅される。

自己交差型ループ光路の形成によってレーザ媒質１１内に立体利得格子を発生させうることや、ビーム２５とは逆の波面及び伝搬方向を有するビーム３０を発生させうることは、従来から知られている通りである（非特許文献１及び２参照）。従って、出力結合ミラー２０からレーザ光増幅器（Ｓ１）内自己交差型ループ光路へのフィードバックによって、レーザ副発振子輻射（２５，３０）を同時ビルドアップし結合輻射出力ビーム２２を生成することができる。本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）ならばこの作用を理解できよう。そこで、本願では基本原理を幾つか説明するに止める。万全を期したい場合は特許文献１並びに非特許文献１及び２を参照されたい。なお、それらの文献の全内容を、この参照を以て本願に繰り入れることとする。

次に、本実施形態の動作をより好適に理解できるよう、自己交差型ループ光路の主要構成要素について説明する。図５ａに立体利得格子発生原理を模式的に示す。本件技術分野で知られている通り、レーザ媒質内を通るよう自己交差型ループ光路を形成すると、利得飽和プロセスによってその媒質内に立体利得格子が発生する（非特許文献１及び２参照）。例えば定常作用状態下では、レーザ媒質内増幅特性に、次の式

で表される物理変化が現れる。この式（１）中、

は媒質内局所増幅率、α₀はレーザ輻射が存在していない非飽和時の増幅率、

は媒質内局所輻射強度、Ｉ_Sは飽和時の媒質内輻射強度である。この式が表しているのは、入射ビーム２５と自己交差型ループ光路経由の戻入ビーム２６の強度干渉による干渉縞で増幅率が位置変調され、ビーム交差角に対し１／２の傾きを有する立体利得格子４１が発生する、ということである。同図に模式的に示されているように、この利得飽和プロセスで発生する格子４１は、媒質１１内ビーム２５，２６交差角の二等分線に沿った格子面を有しており、いわゆる当業者には自明の如く回折性光学素子として動作する。即ち、この格子４１にビーム４２が入射すると、増幅透過光たる輻射出力ビーム３０の他に、回折ビーム４３も発生する。通常条件下でこの回折が強くなるのは、ビーム２５と同一周波数のビーム４２をそのビーム２５と逆方向から入射したときである。ご理解頂けるように、そのときの回折ビーム４３はビーム２６とは逆方向に進み、ビーム２５，２６が辿ったループ光路を遡行してビーム４２となる。即ち、格子４１内回折及びループ光路沿い伝搬の併用で、ループ光路を遡行するビーム４２，４３によるリング発振子ができあがる。それらのビーム４２，４３の元となるビームは、外部から取り込んでもよいし、或いは媒質１１内自発輻射を増幅して発生させてもよい。いずれにしても、格子４１の回折効率とループ光路の透過率の積が１より大きくなるよう即ちレーザ発振条件が成り立つようにすれば、レーザ発振原理で低強度のビーム４２が成長し高強度の出射ビーム３０となる。

本実施形態の特徴事項の一つは、立体利得格子４１を利用して発生させたこの遡行発振(backward oscillation)ループを用い、入射ビーム２５，２６とは逆の波面を有するビーム４２，４３を発生させる点にある。逆の波面を発生させうるのは、ビーム２５をループ経由ビーム２６と干渉させて格子４１を発生させるため、その格子４１にビーム２５，２６間波面差の空間情報が刻印されるからである。遡行発振ループの最低次数自己複製空間モードはビーム２５，２６と逆の波面をもたらす。この特性があるため、輻射出力ビーム３０の波面はビーム２５に対して逆になり、ひいては強力ポンピング時等にレーザ媒質１１内で発生するあらゆる収差が歪補償されたビーム３０が得られる。

また、ビーム４２，４３を入射ビーム２５，２６と併用して別様の利得格子を発生させることもできる。例えばビーム２６及び４２によって輻射強度干渉縞を発生させると、図５ｂに示す別様の体積利得素子４４が発生する。このようにビーム２６，４２交差角の二等分線に沿った格子面を有する格子４４を形成することにより、ビーム２５を回折させてビーム４３を生成することができる。条件が適切なら、格子４４から出射されるビーム３０をこれにより増強することができる。

以上のことから明らかな通り、レーザ光増幅器（Ｓ１）内の自己交差型ループ光路にビーム２５を入射すると、それとは逆向きの輻射出力ビーム３０が発生する。レーザ副発振子Ｓ１の効率即ち反射率は、入射ビーム２５の強度（パワー）に対する逆向きのビーム３０のそれの比として定義することができる。その反射率を高めるには、利得飽和プロセスで相応の立体利得格子を発生させ、またそのループ光路上に非相反的透過素子２７を挿入すればよい（特許文献１並びに非特許文献１及び２による詳示を参照）。図４ａにその動作原理を示す通り、この素子２７には、その順行透過率ｔ₊と遡行透過率ｔ_-とが異なるという特徴がある。大まかには、順行方向では出射ビーム３６が入射ビーム３５と同程度の強度にとどまるよう透過率ｔ₊を低い値に設定することで、立体利得格子における回折効率及び変調深さを最適値に近づける一方、遡行方向ではその発振ループ上のビーム４２，４３が増強されるよう透過率ｔ_-をできるだけ高い値に保つことで、輻射出力ビーム３０の強度を最適値に近づけるとよい。また、この素子２７には、自己交差型ループ光路を順行する輻射３５，３６と遡行する輻射３７，３８の間に１８０°の位相差を付与してビーム３０を増強する、という特徴もある。即ち、ビーム４２，４３に関し共振条件を成立させ、ひいては遡行発振ループを入射ビーム２５，２６の波長で発振させるため、立体利得格子での回折により生じる１８０°の位相差をこの位相差付与で補償する。なお、利得飽和プロセスでは輻射強度最高時に局所増幅率が最低になるので（式（１）参照）、入射ビーム２５，２６による輻射強度干渉縞に対し立体利得格子は逆相（位相差＝１８０°）になる。立体利得格子で生じる１８０°の位相差とはそのことである。

図４ｂに非相反的透過素子２７の一例構成を示す。この例では、その透過軸が互いに平行な２個の偏光子３１，３２の間に、半波長移相板(half-wave retardation plate)３４及び旋光角＝４５°のファラデイ旋光器(Faraday rotator)３３を配している。偏光に対する移相板３４での旋光角が旋光器３３による旋光角に対しある伝搬方向では加算的、他の伝搬方向では減算的に作用するので、偏光子３１，３２を介した透過率は伝搬方向によって違ってくる。極端な例でいえば、移相板３４での旋光角が４５°なら順行時の合計旋光角は９０°、透過率は０になり、遡行時の合計旋光角は０°、透過率は１になる。実際には、ビーム２５，２６間交差による格子発生プロセスを好適に始動させるため、順行透過率を０以外の低い率に設定する。ここで重要なのは、順行旋光角を９０°＋δにしても９０°−δにしても順行透過率は同じ値になるが出射フィールド間には１８０°の位相差が生じることである。これは、移相板３４の旋光角によって角度δの符号を適宜決めることによって、自己交差型ループ光路を順行するビーム３６と遡行するビーム３８との間に、素子２７で１８０°の非相反的位相差を付与できるということである。このように、ループ順行ビーム２６とループ遡行ビーム４２，４３の間に１８０°の非相反的位相差を付与することで、（逆相）立体利得格子での回折で付与される１８０°の位相差と相俟ちループ光路を共振させること、即ち入射ビーム２５と同一周波数でビーム４２，４３を発振させることができる。また、その発振が生じているときには、図５ｂに示した立体利得格子４４で輻射出力ビーム３０に対する強調寄与条件を成立させることができる。

また、出力結合ミラー２０から自己交差型ループ光路（Ｓ１）へフィードバックはレーザ発振を引き起こすためのものである。そのレーザ発振のしきい値条件を満たすには、レーザ光増幅器（１１）における利得を十分に高くすることと、生成される立体利得格子における回折効率を相応の値にすることとが必要である。入射ビーム２５，２５ａとループ経由戻入ビーム２６，２６ａとの相互作用で利得媒質（１１，１１ａ）内に回折性の立体利得格子を発生させると、その副発振子Ｓ１，Ｓ２に係るビーム２５，２５ａの位相分布についてのリアルな情報がその格子に刻印されるので、輻射出力ビーム３０，３０ａはビーム２５，２５ａと同一周波数で逆の波面を有するビームになり、また媒質１１，１１ａで発生する位相歪がキャンセルされる（符号同順）。

このように出力結合ミラー２０と自己交差型ループ光路（Ｓ１，Ｓ２）を組み合わせることで、単一周波数兼単一空間モードに収束する自動調整型のレーザ発振子が得られ、またレーザ光増幅器内で発生する歪が補正される。それにより、形成される立体利得格子の効率が顕著に高まり、その結果として他副発振子へのフィードバック（ビーム３０乃至３０ａ）が顕著に強まるため、顕著に高い成長速度を実現及び設定することができる。また、固定長発振子ではなく自動生成される立体利得格子で発振ループを閉じているため、非自動調整型のレーザ発振子と違い、離散的な周波数群からではなく連続的な周波数域から、発振周波数を選定することができる。従って、利得媒質１１内レーザ遷移のピークスペクトル利得等で決まる最高成長速度周波数近傍で発振させることとなろう。

また、上記実施形態では同様の自動調整型レーザ副発振子を２個相互結合させている。即ち、２個の副発振子Ｓ１，Ｓ２を個別に自動調整することも可能だが、ビームスプリッタ１３を介し相互結合させ出力結合ミラー２０を共用することで、１個の自動調整型超発振子(super cavity)を形成している。これは、スプリッタ１３を設けて両副発振子Ｓ１，Ｓ２の動作を相互従属させたということである。この構成では、それら副発振子Ｓ１，Ｓ２からの輻射出力ビーム３０，３０ａ双方が共通の出力結合ミラー２０によって反射されスプリッタ１３で分岐されるので、副発振子Ｓ１，Ｓ２への入射ビーム２５，２５ａのいずれにも、副発振子Ｓ１，Ｓ２双方の輻射出力が含まれることとなる。このとき、仮に二種類の周波数、二種類の空間モード又はその双方を入射してしまうと、各副発振子Ｓ１，Ｓ２内の立体利得格子にて不備が発生しまたスプリッタ１３にて損失ビーム（２３）が発生する。副発振子Ｓ１，Ｓ２を相互結合させて単一周波数兼単一空間モードで動作させるのはそのためであり、そうすることでそれら副発振子Ｓ１，Ｓ２からのビーム３０，３０ａを顕著に強めまたスプリッタ１３における別方向出力ビーム２３の発生を顕著に抑えることができる。また、スプリッタ１３におけるビーム３０，３０ａ間位相差の最適値、即ちビーム２３の発生が最少になる位相差は、その条件を満たす共通の周波数を発振子で探す動作で見つけ出せる。それは、結合で生じた超発振子の成長速度がその動作で高まるからである。このようにすることで、ミラー２０からコヒーレント結合輻射出力ビーム２２が得られることとなり、副発振子Ｓ１及びＳ２における発振子内歪補正及び周波数の単一化によりその空間モードが高品質になり、しかも損失となるビーム２３の発生が最少になる。従来技術例えば図１に示したそれとの対比でいえば、本実施形態の長所は、精密な発振子長調整、発振子長安定化又は発振子空間モード設定抜きでも、また光増幅器（１１，１１ａ）で熱因性歪等の発振子内収差が生じているときでさえも、高空間品質且つ狭帯域幅なコヒーレント結合レーザ輻射が得られる点である。

更に、本発明は上述のものとは別の構成のレーザ発振子として実施することもできる。例えば、そのレーザ副発振子間に輻射の相互作用が生じる限り、自己交差型ループ光路付副発振子の個数を何個にしてもよい。

まず、図６に示す第２実施形態では、図３に示した内部構成を有するレーザ副発振子Ｓ１，Ｓ２並びに両者を結合するビームスプリッタ１３ａに加えて、更に２個のレーザ副発振子Ｓ３，Ｓ４並びに両者を結合するビームスプリッタ１３ｂが設けられている。副発振子Ｓ１，Ｓ２の対それ自体もビームスプリッタ１３によって副発振子Ｓ３，Ｓ４の対と結合されており、その結合により生じる結合輻射出力ビーム２２が共通の出力結合ミラー２０から出射されている。ご理解頂けるように、輻射出力ビームはビーム２３ａ，２３ｂの発生が最少になるよう収束するので、各副発振子対の成長速度は自動的に最適化される。また、それらの副発振子対同士を適宜配置することによって、ビームスプリッタ１３におけるビーム２３の発生を最少にし、顕著に高い成長速度を呈する超発振子を形成することができる。このように、その超発振子の動作が単一周波数兼単一空間モードに行き着くので、全副発振子Ｓ１〜Ｓ４の輻射出力がコヒーレント結合し、ミラー２０から出射されるビーム２２が顕著に強くなる。

また、適宜ビームスプリッタを追加することによって、レーザ副発振子の個数を更に増やすことができる。例えば８個の副発振子を結合させるには、ビームスプリッタ１３と出力結合ミラー２０との間に新たにビームスプリッタを挿入し、そのビームスプリッタから延びる一方のアーム上には副発振子Ｓ１〜Ｓ４をビームスプリッタ１３ａ、１３ｂ及び１３で結合させたもの（図６参照）を、また他方のアーム上には４個の新たな副発振子Ｓ５〜Ｓ８を副発振子Ｓ１〜Ｓ４と同様に結合させたものを、それぞれ配置すればよい。この原理に従い更に入れ子を増やせば、副発振子の個数を１６個、３２個等々、２の冪に従い増やすことができる。

更に、上記各実施形態では、その反射方向及び透過方向が各一通りのビームスプリッタを介した結合で、レーザ副発振子対の入れ子をコヒーレント結合させている。これに対し、図７に示す第３実施形態では、複数個の副発振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎに加えビームスプリッタ５１及び出力結合ミラー２０を設け、更に１本のビーム４６から複数の回折次数を発生させる回折性光学素子をそのスプリッタ５１として使用している。素子５１で生じる回折次数は各副発振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎに均等分配され、ミラー２０からのフィードバックと個別に相互作用する。それによって形成される超発振子では、各副発振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎの輻射出力が素子５１にてコヒーレント結合され、単一のビーム４７ひいては輻射出力ビーム２２が発生する。なお、各副発振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎ内には、図３を参照して前述した通り、レーザ光増幅器、それに付随する自己交差型ループ光路、並びに非相反的透過素子が設けられている。

上述した構成のレーザシステムによれば、複数個の発振子を共通の縦（時間）モード及び共通の空間モードで動作させることができ、また位相ロックによって出射時ビーム再結合で強調干渉を起こし高品質のビームを得ることができる。

また、本発明の実施形態として図示した素子配置はあくまで説明のための例であり、本発明の基本原理を生かしながらそれとは違う素子配置にすることもできる。例えば図３では２個のミラー１７，１８で自己交差型ループ光路を形成しているが、ミラーの個数は何個でもよいし、屈折性又は回折性の素子を使用してミラー光路を形成してもよい。ループ光路への入射ビーム２５とループ光路経由のビーム２６との間に、レーザ媒質１１内で自己交差が生じればよい。例えば、図示例では媒質１１の側面のうちビーム２５が入射する面とは逆側の面からビーム２６が入射しているが、ビーム２５が入射する面と同じ面にビーム２６が入射するよう、或いは更に他の面に入射するよう、ループ光路を回り込ませてもよい。利得素子内領域でビーム２５，２６間に自己交差が生じればよい。

更に、光学部品を追加して性能を向上させることもできる。例えばファブリペロー素子を組み込むことにより、調整無しならレーザ光増幅器の増幅特性に従い超発振子が収束するはずの周波数とは違う周波数へと、発振周波数を調整することができる。複数個の発振子を好適に相互結合させうる手段としては、例えば反射性ビームスプリッタや相応の回折性光学素子もある。

副発振子内ミラー、ビームスプリッタ、出力結合ミラー等は、いわゆる当業者にとり周知の様々な素材で形成することができる。そのため仔細な説明を省略するが、例えばミラーなら、本件技術分野で周知の通り、ガラス基板を誘電体で被覆することによって形成することができる。

利得媒質として使用できる素材も多数ある。適宜ポンピングすることで励起させることができひいてはレーザ光増幅を行わせることができるものであれば、固体、ファイバ、半導体、気体、液体等、様々な素材を使用することができる。Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒質を使用する場合は、その媒質をロッド状或いはスラブ状にし放電ランプでポンピングするとよい。また、Ｎｄ：ＹＡＧ或いはＮｄ：ＹＶＯ₄を利得媒質として使用する場合は、半導体ダイオードレーザでポンピングするとよい。

Claims (11)

1. それぞれ立体利得格子が発生するようその利得素子が配置された複数個のレーザ発振子と、
   各レーザ発振子の輻射出力を互いに結合させて結合輻射出力を生成する一方各レーザ発振子の輻射出力のうち一部を他のレーザ発振子内に回送するビーム結合器と、
   を備え、複数個のレーザ発振子間で輻射出力をコヒーレント結合させるレーザシステム。
2. 請求項１記載のレーザシステムであって、各レーザ発振子内に自己交差型のループ光路があるレーザシステム。
3. 請求項２記載のレーザシステムであって、そのループ光路を複数個のミラーにより形成するレーザシステム。
4. 請求項２又は３記載のレーザシステムであって、その稼働時に立体利得格子が発生するよう各利得素子が対応するループ光路上の交差点に配されたレーザシステム。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載のレーザシステムであって、各ループ光路上に非相反的透過素子を備えるレーザシステム。
6. 請求項５記載のレーザシステムであって、各非相反的透過素子が、一対の偏光子並びにその間に配された４５°ファラデイ旋光器及び半波長移相板を有するレーザシステム。
7. 請求項５又は６記載のレーザシステムであって、各非相反的透過素子が、ループ光路沿いに別々の方向から通過していく二通りの輻射間に１８０°の非相反的位相差を付与するレーザシステム。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項記載のレーザシステムであって、第１及び第２レーザ発振子間で輻射出力を結合させる第１ビーム結合器と、第３及び第４レーザ発振子間で輻射出力を結合させる第２ビーム結合器と、第１乃至第４レーザ発振子間で輻射出力を結合させる第３ビーム結合器と、を備えるレーザシステム。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項記載のレーザシステムであって、そのビーム結合器がビームスプリッタを含むレーザシステム。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項記載のレーザシステムであって、回折性光学素子たる共通のビーム結合器によって、複数個のレーザ発振子間で輻射出力を結合させるレーザシステム。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項記載のレーザシステムであって、実質的に図２〜図７に記載のレーザシステム。

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