JP2010171390A

JP2010171390A - 固体レーザ増幅装置および固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2010171390A
Application number: JP2009273582A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kojima; 哲夫小島; Susumu Konno; 進今野; Keisuke Furuta; 啓介古田; Shuichi Fujikawa; 周一藤川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP5430373B2

Abstract

【課題】固体レーザ媒質を高効率かつ均一に励起可能であり、従来よりも高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生できる固体レーザ増幅装置および固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ増幅装置は、柱状の固体レーザ媒質１と、固体レーザ媒質１の側方から励起光を照射するための複数の半導体レーザ２Ａ〜２Ｈとを備え、固体レーザ媒質１の中心軸を含む平面を基準として、該平面と平行に同一方向に進行する励起光を発生する半導体レーザ２Ａ〜２Ｄのうち少なくとも２つは、該平面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体レーザ媒質を複数の励起光源で励起するように構成した固体レーザ増幅装置および、これを用いた固体レーザ装置に関する。

従来の固体レーザ装置において、複数の半導体レーザ光源は、固体レーザ媒質の光軸方向の異なる区分毎に、かつ、固体レーザ媒質の周方向の角度が互いに異なるように設けられ、半導体レーザ光源からの励起光による励起強度が光軸付近の励起領域に集中するようにしている（例えば、特許文献１）。

また、他の従来の固体レーザ装置においては、円筒状よりなるレーザ媒質と、このレーザ媒質の外周を囲む反射面およびレーザ媒質へ半導体発光素子からの光を導入するための入射孔が形成された反射体とを備え、半導体発光素子の光軸をレーザ媒質の中心軸からずらして入射させるようにしている（例えば、特許文献２）。

さらに、他の従来の固体レーザ装置においては、固体レーザロッドの周囲に、円筒状部材を同軸に配置しており、円筒状部材の内側面は、反射面（反射鏡）を成している。円筒状部材の２カ所には、レーザロッドの中心軸を中心として９０度間隔で軸方向に細長い貫通溝（光出射口）が形成されており、各貫通溝には、レーザロッドに外部から励起光を伝搬させるための光導波板が、それぞれ挿入固定されている。光導波板の双方は、それぞれに出射する励起光の光軸がレーザロッドの中心軸に一致する位置、つまり、励起光の光軸をレーザロッドの中心軸に交差させる位置に配置されている（例えば、特許文献３）。

特開平５−３３５６６２号公報（段落［００１０］、図１）特開平２−５４５８８号公報（２頁左下欄１８行〜２頁右下欄５行、第１図、第２図）特開２００１−２４４５２６号公報（段落［００６８］〜［００７０］、図１）

特許文献１のような固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の中心付近の励起強度が高くなるため、固体レーザ媒質に生じる熱負荷が中心付近で高く、周囲で低いという不均一な状態となり、高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生させることが困難である。

本発明の目的は、固体レーザ媒質を高効率かつ均一に励起可能であり、従来よりも高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生できる固体レーザ増幅装置および固体レーザ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ増幅装置は、柱状の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質の側方から励起光を照射するための複数の励起光源とを備え、
固体レーザ媒質の中心軸を含む平面を基準として、該平面と平行に同一方向に進行する励起光を発生する励起光源のうち少なくとも２つは、該平面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されることを特徴とする。

本発明によれば、固体レーザ媒質を高効率かつ均一に励起できるため、従来よりも高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生することができる。

本発明の実施の形態１による固体レーザ増幅装置を示し、図１（ａ）は左側面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は右側面図、図１（ｄ）は正面図である。本発明の実施の形態１による固体レーザ増幅装置を示し、図２（ａ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は図１（ｂ）中のＣ−Ｃ断面図、図２（ｄ）は図１（ｂ）中のＤ−Ｄ断面図である。図１の固体レーザ増幅装置の側板５Ａ、５Ｂを省略した状態を示す斜視図である。固体レーザ媒質１と半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈとの位置関係を示す説明図である。励起効率と、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値との関係を示すグラフである。均一励起度と、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値との関係を示すグラフである。比較例を示す構成図である。本発明の実施の形態２による固体レーザ増幅装置を示し、図８（ａ）は左側面図、図８（ｂ）は平面図、図８（ｃ）は右側面図、図８（ｄ）は正面図である。本発明の実施の形態２による固体レーザ増幅装置を示し、図９（ａ）は図８（ｄ）中のＥ−Ｅ断面図、図９（ｂ）は図８（ｄ）中のＦ−Ｆ断面図、図９（ｃ）は図８１（ｂ）中のＤ−Ｄ断面図である。図８の固体レーザ増幅装置の側板５Ａ、５Ｂを省略した状態を示す斜視図である。本発明の実施の形態２による固体レーザ媒質１と半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈとの位置関係を示す説明図である。本発明の実施の形態１における実施例１による励起強度分布を示すグラフであり、図１２（ａ）は水平方向の励起強度分布、図１２（ｂ）は鉛直方向の励起強度分布である。本発明の実施の形態２における実施例２による励起強度分布を示すグラフであり、図１３（ａ）は水平方向の励起強度分布、図１３（ｂ）は鉛直方向の励起強度分布である。本発明の実施の形態３による固体レーザ装置を示す側面図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１による固体レーザ増幅装置を示す。図１（ａ）は左側面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は右側面図、図１（ｄ）は正面図である。図２（ａ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は図１（ｂ）中のＣ−Ｃ断面図、図２（ｄ）は図１（ｂ）中のＤ−Ｄ断面図である。図３は、図１の固体レーザ増幅装置の側板５Ａ、５Ｂを省略した状態を示す斜視図である。図４は、固体レーザ媒質１と半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈとの位置関係を示す説明図である。

固体レーザ増幅装置は、固体レーザ媒質１と、励起光源としての複数の半導体レーザ２Ａ〜２Ｈと、基台３と、フローチューブ４と、側板５Ａ、５Ｂなどを備える。

固体レーザ媒質１は、内部に活性媒質を含み、励起光の照射によって反転分布を形成して、光を増幅する機能を有する部材であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）等からなり、好ましくは円柱状の形状を有する。

半導体レーザ２Ａ〜２Ｈは、固体レーザ媒質１を励起するための励起光を発生する機能を有し、ここでは固体レーザ媒質１の側方から励起光を照射する側方励起の配置を採用している。また、図１（ｂ）に示すように、固体レーザ媒質１の左方に位置する半導体レーザ２Ａ〜２Ｄは第１の励起光源群を構成し、固体レーザ媒質１の右方に位置する半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈは第２の励起光源群を構成する。

基台３は、良好な放熱性を有する金属材料、例えば、銅で形成され、図２（ｄ）等で示すように、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを所定の高さに設置するための台座と、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４を格納するための円筒穴６と、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈからの励起光を反射し、円筒穴６の内部に励起光を閉じ込めるための部分円筒状の集光面とが一体に形成されている。

図２（ａ）と図２（ｃ）に示すように、半導体レーザ２Ａ〜２Ｄの対向面には、半導体レーザ２Ａ〜２Ｄからの励起光を通過させるためのスリット８Ａ〜８Ｄが形成され、半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈの対向面には、半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈからの励起光を通過させるためのスリット８Ｅ〜８Ｈが形成されている。基台３の少なくとも円筒状の集光面およびスリット８Ａ〜８Ｈの壁面には、例えば、金メッキ等の高反射膜が施されており、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈからの励起光を効率よく反射できる。

フローチューブ４は、励起光に対して透明な材料で構成され、固体レーザ媒質１を包囲し、固体レーザ媒質１を冷却する冷却水を流す機能を有する。

側板５Ａ、５Ｂは、基台３の前側面および後側面にそれぞれ固定され、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４を安定に保持する機能を有する。図２（ｂ）に示すように、側板５Ａ、５Ｂの内部には、フローチューブ４の開口端と連通する穴９Ａ、９Ｂがそれぞれ形成されており、穴９Ａ、９Ｂは冷却水を循環させるための外部ポンプ（不図示）と連結されている。冷却水が漏れないように、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４は、Ｏリング等を介して側板５Ａ、５Ｂに固定される。

こうした固体レーザ媒質１を均一に励起するために、本実施形態では、固体レーザ媒質１の中心軸を含む平面を基準として、該平面と平行に同一方向に進行する励起光を発生する半導体レーザのうち少なくとも２つは、該平面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置している。

例えば、図２（ｂ）に示すように、４個の半導体レーザ２Ａ〜２Ｄは、図２（ｂ）に対応したＢ−Ｂ切断面を基準として、この基準面と平行に、固体レーザ媒質１の側面に向けて左から右へ進行する励起光を発生する第１の励起光源群を構成するとともに、図１（ａ）に示すように、この基準面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されている。このとき半導体レーザ２Ａ〜２Ｄのパッケージ底面から発光部７Ａ〜７Ｄまでの高さが同じである場合は、基台３の台座の高さを変化させることにより、第１の励起光源群における励起光の光軸の高さが互いに異なるように設定できる。こうした台座高さの変化に合わせて、スリット８Ａ〜８Ｄの高さも変化させている。

一方、４個の半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈは、図２（ｂ）に対応したＢ−Ｂ切断面を基準として、この基準面と平行に、固体レーザ媒質１の側面に向けて右から左へ進行する励起光を発生する第２の励起光源群を構成するとともに、図１（ｃ）に示すように、この基準面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されている。このとき半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈのパッケージ底面から発光部７Ｅ〜７Ｈまでの高さが同じである場合は、基台３の台座の高さを変化させることにより、第２の励起光源群における励起光の光軸の高さが互いに異なるように設定できる。こうした台座高さの変化に合わせて、スリット８Ｅ〜８Ｈの高さも変化させている。

このとき、図４に示すように、固体レーザ媒質１の中心軸に正対して半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈを見た場合、第１の励起光源群における発光部７Ａ〜７Ｄは等間隔に配置し、第２の励起光源群における発光部７Ｅ〜７Ｈも等間隔に配置することが好ましい。また、発光部７Ａ〜７Ｈは、固体レーザ媒質１の中心軸を含む図２（ｂ）のＢ−Ｂ切断面に関して、上下対称に配置することが好ましい。

また、第１の励起光源群における発光部７Ａ〜７Ｄと第２の励起光源群における発光部７Ｅ〜７Ｈとを対向配置した場合、第１の励起光源群における励起光の各光軸と、第２の励起光源群における励起光の各光軸とは、互いに共軸でないことが好ましい。

こうした励起光源の配置を採用することにより、固体レーザ媒質１をより均一に励起できるようになる。その結果、固体レーザ媒質１は、高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生することができる。

以上の説明では、４個の半導体レーザで１つの励起光源群を構成する例を示したが、２個、３個あるいは５個以上の半導体レーザで１つの励起光源群を構成してもよい。

また、ここでは１つの励起光源群において全ての半導体レーザの光軸高さが異なる例を示したが、少なくとも２つの半導体レーザに関して光軸高さが異なっていれば、ある程度均一な励起光照射が得られる。

また、ここでは第１の励起光源群と第２の励起光源群とを対向配置した例を示したが、第１の励起光源群からの励起光の進行方向と、第２の励起光源群からの励起光の進行方向とは、斜めに交差するように設定してもよい。

また、ここでは２つの励起光源群を配置した例を示したが、１つの励起光源群を配置してもよく、あるいは３つ以上の励起光源群を配置してもよい。

さらに本実施形態では、基台３において、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを設置するための台座と、励起光を閉じ込めるための集光面とを一体に形成することが好ましい。これにより半導体レーザと集光面との間の相対的な位置精度を高くできるため、励起光の利用効率を向上できる。また、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの発光部７Ａ〜７Ｈと、これに対向するスリット８Ａ〜８Ｈとの間の相対的な位置精度も高くできるため、スリット８Ａ〜８Ｈの開口幅を可能な限り小さく設定できる。これにより基台３の円筒穴６に閉じ込められた励起光が外部に散逸する割合を低くでき、励起光の利用効率を向上できる。

以下、具体的な計算例（実施例１と比較例１）を説明する。

実施例１．
固体レーザ媒質１として、Ｎｄ濃度０．５５原子％で直径２ｍｍの円柱形状のＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）を用いた。半導体レーザ２Ａ〜２Ｈとして、発光部７Ａ〜７Ｄの幅が１０ｍｍで、波長が８０８ｎｍの１次元アレイ型半導体レーザを用いて、発光部の幅方向が固体レーザ媒質１の軸と平行になるように配置した。

基台３の円筒穴６の直径は５ｍｍとした。ガラス製フローチューブの外径は４．５ｍｍ、内径は３ｍｍとした。また、半導体レーザ２Ａ〜２Ｄの高さは、高い方から２Ａ、２Ｃ、２Ｂ、２Ｄの順とし、半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈの高さは、高い方から２Ｈ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｅの順とし、発光部間の高さの差は均等とした。

基台３に形成するスリット８Ａ〜８Ｈの固体レーザ媒質１の軸に垂直な方向の開口幅は、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈから発せられた励起光を閉じ込めるための集光器と半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを設置する基台とを一体に形成していることから、小さくでき、０．４ｍｍとした。スリット８Ａ〜８Ｈの固体レーザ媒質１の軸に平行な方向の開口幅は１１．５ｍｍとした。

第１の励起光源群を構成する半導体レーザ２Ａ〜２Ｄの高さの差の最大値（ここでは、半導体レーザ２Ａと２Ｄの高さの差に相当する）と、第２の励起光源群を構成する半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈの高さの差の最大値（ここでは、半導体レーザ２Ｅと２Ｈの高さの差に相当する）とは同じ値になるように設定し、この値を変化させて光線追跡計算により計算した励起効率と均一励起度を図５および図６に示す。

ここで、励起効率は、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈから発せられる励起光の全出力の内固体レーザ媒質１に吸収される割合と定義した。また、均一励起度は、光線追跡計算により固体レーザ媒質１の軸方向に積分された固体レーザ媒質１全体の断面方向の励起強度分布を求め、その固体レーザ媒質１全体の断面方向の励起強度分布の最大値を１とした場合の断面全体の平均値で定義した。

図５に示す励起効率は、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値が大きいほど低くなる傾向があることが判明した。また、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値が固体レーザ媒質１の直径の１．２倍である２．４ｍｍ以下の場合に、励起効率６０％以上という高効率な励起ができることが判った。

また、図６に示す均一励起度は、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値が固体レーザ媒質１の直径の１．０倍程度の場合に最大となり、固体レーザ媒質１の直径の１．２倍である２．４ｍｍ以下、かつ、固体レーザ媒質１の直径の０．７倍である１．４ｍｍ以上の場合に８２％以上という高い均一励起度が得られた。

また、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値を固体レーザ媒質１の直径の１．１倍である２．２ｍｍ以下、かつ、固体レーザ媒質１の直径の０．９倍である１．８ｍｍ以上とすることにより、均一励起度は８４％以上とより高くなることが判った。

以上の計算結果より、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈの高さの差の最大値を固体レーザ媒質１の直径の０．７倍〜１．２倍の範囲にすることにより、固体レーザ媒質を高効率かつ均一に励起できるため、高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生することができることが判った。

比較例１．
一方、比較例として、従来の特許文献２の構成について、図７を用いて説明する。固体レーザ媒質１として、直径２ｍｍの円柱形状のＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）を用いた。半導体レーザ２Ａ、２Ｂとして、発光部の幅が１０ｍｍ、波長が８０８ｎｍの１次元アレイ型半導体レーザを２個用いて、発光部の幅方向が固体レーザ媒質１の軸と平行になるように配置した。

また、半導体レーザ２Ａ、２Ｂは、固体レーザ媒質１の軸を通る面に対し対向する２方向に配置し、一方の半導体レーザ２Ａの高さは固体レーザ媒質１の軸より０．８ｍｍ低くし、固体レーザ媒質１の軸を通る面に対し他方の半導体レーザ２Ｂは固体レーザ媒質１の軸より０．８ｍｍ高くして、上下対称になるように配置した。従って、対向する半導体レーザ２Ａと２Ｂの高さの差は固体レーザ媒質１の直径の０．８倍である１．６ｍｍとした。

集光器３Ａには半導体レーザ２Ａ、２Ｂの発光部７Ａ、７Ｂに対向してスリット８Ａ、８Ｂを開けた。スリット８Ａ、８Ｂの開口幅は、集光器と半導体レーザ２Ａ、２Ｂの基台が一体になっていないため薄くすることができないので、実施例１よりも大きい０．６ｍｍとした。また、スリット８Ａ、８Ｂの固体レーザ媒質１の軸方向の幅は１１．５ｍｍとした。

このような構成において、光線追跡計算により励起効率と均一励起度を求めると、固体レーザ媒質１のＮｄ濃度を実施例１と同じ０．５５原子％とした場合、励起効率６７．２％という高効率な励起ができるが、均一励起度が６３．３％と非常に低くなることが判った。また、Ｎｄ濃度を０．０５原子％に下げることにより、均一励起度は８２．４％まで高めることができたが、励起効率は２１．９％と非常に低くなることが判った。

このように従来の固体レーザ装置において、固体レーザ媒質１の断面全体を均一に励起するためには励起効率が下がり、また、励起効率を上げるためには均一励起度が下がるので、高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生させることが困難である。

実施の形態２．
図８〜図１１は、本発明の実施の形態２による固体レーザ増幅装置を示す。図８（ａ）は左側面図、図８（ｂ）は平面図、図８（ｃ）は右側面図、図８（ｄ）は正面図である。図９（ａ）は図８（ｄ）中のＥ−Ｅ断面図、図９（ｂ）は図８（ｄ）中のＦ−Ｆ断面図、図９（ｃ）は図８（ｂ）中のＤ−Ｄ断面図である。図１０は、図８の固体レーザ増幅装置の側板５Ａ、５Ｂを省略した状態を示す斜視図である。図１１は、固体レーザ媒質１と半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈとの位置関係を示す説明図である。

図８（ｄ）において、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平面１６を、固体レーザ媒質１の中心軸を中心として時計回りに回転した傾斜面１６Ａおよび反時計回りに回転した傾斜面１６Ｂをそれぞれ示しており、これらの傾斜面１６Ａ，１６Ｂは、図９（ａ）に示すＥ−Ｅ断面および図９（ｂ）に示すＦ−Ｆ断面の各切断面に対応する。

半導体レーザ２Ａ〜２Ｈは、固体レーザ媒質１を励起するための励起光を発生する機能を有し、ここでは固体レーザ媒質１の側方から励起光を照射する側方励起の配置を採用している。また、図８（ｂ）に示すように、固体レーザ媒質１の左方に位置する半導体レーザ２Ａ〜２Ｄは第１の励起光源群を構成し、固体レーザ媒質１の右方に位置する半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈは第２の励起光源群を構成する。

基台３は、良好な放熱性を有する金属材料、例えば、銅で形成され、図９（ｃ）等で示すように、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを所定の高さおよび姿勢に設置するための台座と、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４を格納するための円筒穴６と、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈからの励起光を反射し、円筒穴６の内部に励起光を閉じ込めるための部分円筒状の集光面とが一体に形成されている。

図９（ｃ）に示すように、半導体レーザ２Ａ〜２Ｄの対向面には、半導体レーザ２Ａ〜２Ｄからの励起光を通過させるための個別のスリットが形成され、半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈの対向面には、半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈからの励起光を通過させるための個別のスリットが形成されている（図９（ｃ）では、半導体レーザ２Ｄに対応したスリット８Ｄと、半導体レーザ２Ｈに対応したスリット８Ｈを示す）。基台３の少なくとも円筒状の集光面およびスリットの壁面には、例えば、金メッキ等の高反射膜が施されており、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈからの励起光を効率よく反射できる。

側板５Ａ、５Ｂは、基台３の前側面および後側面にそれぞれ固定され、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４を安定に保持する機能を有する。図９（ｃ）に示すように、側板５Ａ、５Ｂの内部には、フローチューブ４の開口端と連通する穴９Ａ、９Ｂがそれぞれ形成されており、穴９Ａ、９Ｂは冷却水を循環させるための外部ポンプ（不図示）と連結されている。冷却水が漏れないように、固体レーザ媒質１およびフローチューブ４は、Ｏリング等を介して側板５Ａ、５Ｂに固定される。

固体レーザ媒質１を均一に励起するために、実施の形態１と同様に、固体レーザ媒質１の中心軸を含む平面を基準として、該平面と平行に同一方向に進行する励起光を発生する半導体レーザのうち少なくとも２つは、該平面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置している。

例えば、図９（ａ）に示すように、４個の半導体レーザ２Ａ〜２Ｄは、図９（ａ）に対応したＥ−Ｅ切断面を基準として、この基準面と平行に、固体レーザ媒質１の側面に向けて左から右へ進行する励起光を発生する第１の励起光源群を構成するとともに、図８（ａ）に示すように、この基準面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されている。このとき半導体レーザ２Ａ〜２Ｄのパッケージ底面から発光部７Ａ〜７Ｄまでの高さが同じである場合は、基台３の台座の高さを変化させることにより、第１の励起光源群における励起光の光軸の高さが互いに異なるように設定できる。こうした台座高さの変化に合わせて、スリットの高さも変化させている。

一方、４個の半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈは、図９（ｂ）に対応したＦ−Ｆ切断面を基準として、この基準面と平行に、固体レーザ媒質１の側面に向けて右から左へ進行する励起光を発生する第２の励起光源群を構成するとともに、図８（ｃ）に示すように、この基準面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されている。このとき半導体レーザ２Ｅ〜２Ｈのパッケージ底面から発光部７Ｅ〜７Ｈまでの高さが同じである場合は、基台３の台座の高さを変化させることにより、第２の励起光源群における励起光の光軸の高さが互いに異なるように設定できる。こうした台座高さの変化に合わせて、スリットの高さも変化させている。

また、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈは、固体レーザ媒質１の中心軸より鉛直方向上方に位置するように配置される。

このとき、図１１に示すように、固体レーザ媒質１の中心軸に正対して半導体レーザの発光部７Ａ〜７Ｈを見た場合、第１の励起光源群における発光部７Ａ〜７Ｄは等間隔に配置し、第２の励起光源群における発光部７Ｅ〜７Ｈも等間隔に配置することが好ましい。また、発光部７Ａ〜７Ｄは、固体レーザ媒質１の中心軸を含む図９（ａ）のＥ−Ｅ切断面に関して、上下対称に配置することが好ましい。また、発光部７Ｅ〜７Ｈは、固体レーザ媒質１の中心軸を含む図９（ｂ）のＦ−Ｆ切断面に関して、上下対称に配置することが好ましい。

また、図８（ｄ）と図１１に示す傾斜面１６Ａは、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平面１６を、固体レーザ媒質１の中心軸を中心として時計回りに２０度〜７０度の範囲で回転させたものであることが好ましく、より好ましくは４５度程度回転させたものである。さらに、図８（ｄ）と図１１に示す傾斜面１６Ｂは、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平面１６を、固体レーザ媒質１の中心軸を中心として反時計回りに２０度〜７０度の範囲で回転させたものであることが好ましく、より好ましくは４５度程度回転させたものである。すなわち、第１の励起光源群の励起光進行方向と第２の励起光源群の励起光進行方向は、４０度〜１４０度の範囲で互いに交差することが好ましく、より好ましくは９０度程度で交差する。

こうした励起光源の配置を採用することにより、固体レーザ媒質１をより均一に励起できるようになる。その結果、固体レーザ媒質１は、高出力で高品質かつ等方なレーザビームをより高効率に発生することができる。

また本実施形態では、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈは、固体レーザ媒質１の中心軸を中心として２０度〜７０度の範囲で回転させた面に対して平行に励起光が進行するように、かつ、固体レーザ媒質１の中心軸より鉛直方向上方になるように配置したので、即ち、固体レーザ媒質の中心軸を含む水平面を基準として、下向きに２０度〜７０度の範囲で励起光が進行するようにしたので、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを設置または交換する場合に、固体レーザ増幅装置を固体レーザ媒質１の中心を軸として回転させる必要がなく、固体レーザ増幅装置を水平に設置したままでよく、半導体レーザの設置、交換が容易にできるという効果がある。

また、基台３において、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈを設置するための台座と、励起光を閉じ込めるための集光面とを一体に形成することが好ましい。

以下、具体的な計算例（実施例２と実施例３）を説明する。

実施例２．
実施例２は、実施の形態１で示した実施例１の構成において、半導体レーザの高さの差の最大値を固体レーザ媒質１の直径の１．０倍としたものである。

この構成において、光線追跡計算により固体レーザ媒質１の軸方向に積分した固体レーザ媒質１全体の断面方向の励起強度分布のうち、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平方向の２次元の励起強度分布を図１２（ａ）、固体レーザ媒質１の中心軸を通る鉛直方向の２次元の励起強度分布を図１２（ｂ）に示す。

この場合、図１２（ａ）と図１２（ｂ）を比較すると、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平方向と鉛直方向とで励起強度分布が異なることが判った。

実施例３．
実施例３は、実施の形態２で示した構成において、傾斜面１６Ａ、傾斜面１６Ｂの角度を水平面１６に対して±４５度に設定し、半導体レーザの高さの差の最大値を固体レーザ媒質１の直径の１．０倍としたものである。

この構成において、光線追跡計算により固体レーザ媒質１の軸方向に積分した固体レーザ媒質１全体の断面方向の励起強度分布のうち、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平方向の２次元の励起強度分布を図１３（ａ）、固体レーザ媒質１の中心軸を通る鉛直方向の２次元の励起強度分布を図１３（ｂ）に示す。

この場合、図１３（ａ）と図１３（ｂ）を比較すると、固体レーザ媒質１の中心軸を通る水平方向と鉛直方向とで励起強度分布がほぼ同じとなり、固体レーザ媒質１から発生するレーザビームの異方性がなくなることが判った。

実施の形態３．
図１４は、本発明の実施の形態３による固体レーザ装置を示す側面図である。固体レーザ装置は、実施の形態１，２で説明したような固体レーザ増幅装置１０と、固体レーザ媒質１の両端面側にそれぞれ対向配置された一対の反射ミラー１２，１３などを備える。

反射ミラー１２は、レーザビーム１１を反射する全反射ミラーとして構成される。反射ミラー１３は、レーザビーム１１の一部を反射し、残りを透過する部分反射ミラーとして構成される。反射ミラー１２，１３は、ミラーホルダ１４Ａ、１４Ｂにそれぞれ保持され、ミラー面の法線と固体レーザ媒質１の中心軸とが一致するように位置決めされる。ミラーホルダ１４Ａ、１４Ｂおよび固体レーザ増幅装置１０は、同一の基台１５上に固定される。

固体レーザ増幅装置１０の中の固体レーザ媒質１は、半導体レーザ２Ａ〜２Ｈから発せられる励起光により励起され、反転分布を形成する。反転分布を形成する上準位から下準位への遷移にともない、固体レーザ媒質１から自然放出光が発生し、自然放出光の一部は、反射ミラー１２，１３から構成される光共振器内に閉じこめられ、共振器内を往復する。共振器を往復する自然放出光は、固体レーザ媒質１に形成された反転分布中を通過する際、誘導放出により増幅され、共振器内の光強度は急速に増加し、位相の揃った安定なモードが光共振器内に形成される。光共振器内のモードを形成するレーザビーム１１は、反射ミラー１３の透過率に相当する割合で、共振器外部へ取り出される。

本実施形態に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質１を高効率かつ均一に励起可能な固体レーザ増幅装置１０を採用しているため、高出力で高品質なレーザビームを高効率に発生することができる。

なお、以上に示した実施の形態１〜３において、円柱状の固体レーザ媒質１を用いた例を示したが、固体レーザ媒質１の形状はこれに限るものでなく、例えば角柱形状等、他の形状の固体レーザ媒質を用いてもよい。

また、固体レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧを用いた例を示したが、固体レーザ媒質１の材質はこれに限るものでなく、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウム・ワイブイオーフォー）等、他の材質の固体レーザ媒質を用いてもよい。

また、固体レーザ媒質１の励起光源として、半導体レーザを用いた例を示したが、これに限るものでなく、ガスレーザ、液体レーザ、固体レーザ等の各種の高出力光源を用いてもよい。

また、基台３の材質として銅を用い、集光面とスリットの壁面に金メッキ等を施した例を示したが、基台の材質はこれに限るものでなく、また、反射率を高めるためのメッキの材質はこれに限るものではなく、また、メッキ以外に誘電体膜等を蒸着などの方法により施すようにしてもよい。また、必ずしもメッキ等を施す必要はなく、集光面とスリットの壁面を鏡面に仕上げるだけでもよい。

１固体レーザ媒質、
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ半導体レーザ、３基台、
４フローチューブ、５Ａ，５Ｂ側板、６円筒穴、
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ，７Ｆ，７Ｇ，７Ｈ発光部、
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ，８Ｆ，８Ｇ，８Ｈスリット、９Ａ，９Ｂ穴、
１０固体レーザ増幅装置、１１レーザビーム、１２，１３反射ミラー。

Claims

柱状の固体レーザ媒質と、
固体レーザ媒質の側方から励起光を照射するための複数の励起光源とを備え、
固体レーザ媒質の中心軸を含む平面を基準として、該平面と平行に同一方向に進行する励起光を発生する励起光源のうち少なくとも２つは、該平面から励起光の光軸までの距離が互いに異なるように配置されることを特徴とする固体レーザ増幅装置。
第１方向に進行する励起光を発生する第１の励起光源群と、
第１方向とは異なる第２方向に進行する励起光を発生する第２の励起光源群とが配置されることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ増幅装置。
第１の励起光源群と第２の励起光源群とが対向配置されることを特徴とする請求項２記載の固体レーザ増幅装置。
第１の励起光源群における励起光の各光軸と、第２の励起光源群における励起光の各光軸とは、互いに共軸でないことを特徴とする請求項３記載の固体レーザ増幅装置。
第１方向および第２方向は、４０度〜１４０度の範囲で互いに交差することを特徴とする請求項２記載の固体レーザ増幅装置。
第１方向および第２方向は、固体レーザ媒質の中心軸を含む水平面を基準として、下向きに２０度〜７０度の範囲にそれぞれ設定されることを特徴とする請求項５記載の固体レーザ増幅装置。
励起光源を固定するための基台をさらに備え、
該基台の一部に、励起光を固体レーザ媒質に向けて反射するための集光面が設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体レーザ増幅装置。
前記基準平面から励起光の光軸までの距離の最大値と最小値との差が、固体レーザ媒質の直径の０．７倍〜１．２倍の範囲であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ増幅装置。
励起光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の固体レーザ増幅装置。
請求項１〜９のいずれかに記載の固体レーザ増幅装置と、
固体レーザ媒質の両端面側にそれぞれ対向配置された一対の反射ミラーとを備えたことを特徴とする固体レーザ装置。