JP2010199288A - パルスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザ光源１は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、アンプ媒質２１、第１反射部２２、レーザ媒質２３、第３反射部２４、可飽和吸収体２５および第２反射部２６を備える。反射部２２および反射部２６は、レーザ媒質２３，反射部２４および可飽和吸収体２５を共振光路上に有するレーザ共振器を構成している。また、アンプ媒質２１、反射部２２、レーザ媒質２３、反射部２４、可飽和吸収体２５および反射部２６は、順に配置されて一体化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ装置に関するものである。

パルスレーザ光源として、励起光が供給されることで放出光を発生させるレーザ媒質と、光吸収の飽和により光吸収率が小さくなり受動Ｑスイッチとして作用する可飽和吸収体とを、レーザ共振器の共振光路上に有する構成のものが知られている（特許文献１〜３を参照）。

上記のように構成されるレーザ共振器を有するパルスレーザ光源では、出力されるパルスレーザ光のパルス幅は一般に５００ｐｓ〜数ｎｓである。レーザ共振器の構成によってパルス幅が決定される。共振器長はパルス幅を決定付ける重要なパラメータの一つである。パルス幅を短くしたい場合には、共振器長を短くしなければならない。

特表平９−５０８７５５号公報 特開平１１−２６１１３６号公報 特開２００６−７３９６２号公報

しかしながら、共振器長を短くすることは、レーザ媒質や可飽和吸収体の長さを短くすることにつながり、レーザ発振特性との間に二律背反が生じてしまう。つまり、レーザ媒質を短くすれば、レーザを発振するために必要な反転分布を生じさせるに十分な吸収（励起）を得ることが難しく、出力されるパルスレーザ光のエネルギは低くなる。また、可飽和吸収体を短くすれば、Ｑスイッチの機能が弱くなり、パルス幅が広くなったり、出力パルスエネルギが低下したりして、所望のレーザ特性を得ることができなくなる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るパルスレーザ装置は、(1) 励起光が供給されることで放出光を発生させるアンプ媒質およびレーザ媒質と、(2) 光吸収の飽和により光吸収率が小さくなる可飽和吸収体と、(3) 励起光を透過させ、放出光の一部を透過させ残部を反射させる第１反射部と、(4) 放出光を反射させる第２反射部と、(5) 励起光を出力する励起光源と、(6) 励起光源から出力された励起光をアンプ媒質へ入射させ、アンプ媒質から出力された放出光を励起光の光路とは異なる光路へ導く光学系と、を備えことを特徴とする。更に、本発明に係るパルスレーザ装置は、第１反射部および第２反射部が、レーザ媒質および可飽和吸収体を共振光路上に有するレーザ共振器を構成し、アンプ媒質，第１反射部，レーザ媒質，可飽和吸収体および第２反射部が順に配置されて一体化されていることを特徴とする。

このパルスレーザ光源では、励起光源から出力され励起光はアンプ媒質へ入射され更にレーザ媒質へ入射されて、アンプ媒質およびレーザ媒質が励起される。第１反射部と第２反射部との間に構成されるレーザ共振器の共振光路上にあるレーザ媒質で発生した放出光は可飽和吸収体に達し得る。レーザ媒質で発生する放出光のパワーが小さいときは、可飽和吸収体の光吸収率が大きく、レーザ共振器においてレーザ発振は起こらない。やがて、レーザ媒質で発生する放出光のパワーが大きくなって、可飽和吸収体における光強度が或る値を超えると、可飽和吸収体の光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体の光吸収率が小さくなると、レーザ媒質で発生した放出光は、可飽和吸収体を透過することができ、レーザ媒質において誘導放出を生じさせる。これにより、レーザ共振器においてレーザ発振が起こる。

本発明に係るパルスレーザ装置は、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に設けられ、励起光を反射させ、放出光を透過させる第３反射部を更に備えるのが好適である。この場合には、励起光が第３反射部により反射されるので、励起光が可飽和吸収体を通過することが抑制され、可飽和吸収体の発熱の問題が抑制される。

本発明に係るパルスレーザ装置では、第１反射部が誘電体多層膜からなり、アンプ媒質とレーザ媒質とが第１反射部を挟んでダイレクトボンディングされているのが好適である。この場合には、アンプ媒質とレーザ媒質とが一体的に接合する上で好適である。

本発明に係るパルスレーザ装置は、アンプ媒質またはレーザ媒質において光吸収により生じた熱を拡散させる熱拡散部を更に備えるのが好適である。この場合には、アンプ媒質またはレーザ媒質で発生する熱が熱拡散部により拡散されるので、熱レンズ効果の発生が抑制され、安定動作が可能となる。

本発明に係るパルスレーザ装置では、アンプ媒質が、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有し、或いは、レーザ媒質が、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有するのが好適である。さらに、光学系が、励起光源から出力されてアンプ媒質へ入射される励起光の偏光状態を調整する偏光調整部を含むのが好適である。これらの場合には、偏光調整部により励起光の偏光状態が調整されることにより、レーザ発振のパルス周期およびパルスレーザ光のエネルギが変調され得る。

本発明に係るパルスレーザ光源は、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができる。

第１実施形態に係るパルスレーザ光源１の構成を示す図である。 本実施形態に係るパルスレーザ光源１におけるアンプ媒質２１とレーザ媒質２３とのダイレクトボンディングの第１態様について説明する図である。 本実施形態に係るパルスレーザ光源１におけるアンプ媒質２１とレーザ媒質２３とのダイレクトボンディングの第２態様について説明する図である。 本実施形態に係るパルスレーザ光源１におけるアンプ媒質２１とレーザ媒質２３とのダイレクトボンディングの第３態様について説明する図である。 第２実施形態に係るパルスレーザ光源２の構成を示す図である。 第３実施形態に係るパルスレーザ光源３の構成を示す図である。 第４実施形態に係るパルスレーザ光源４の構成を示す図である。 第５実施形態に係るパルスレーザ光源５の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態に係るパルスレーザ光源１の構成を示す図である。この図に示されるパルスレーザ光源１は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、アンプ媒質２１、第１反射部２２、レーザ媒質２３、第３反射部２４、可飽和吸収体２５および第２反射部２６を備える。

アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれは、光活性物質を含有していて、励起光源１０から出力される励起光が供給されることで光活性物質が励起され、その光活性物質から放出光を発生させる。アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれはＮｄ:ＹＡＧやＹｂ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。アンプ媒質２１の厚さは例えば０.２ｍｍ〜１.５ｍｍである。レーザ媒質２３の厚さは例えば０.０１ｍｍ〜１.５ｍｍである。

可飽和吸収体２５は、光吸収の飽和により光吸収率が小さくなるものであって、レーザ共振器において受動Ｑスイッチとして用いられる。すなわち、可飽和吸収体２５は、光強度が小さいときには光吸収率が大きく、光強度が或る値を超えると光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体２５はＣｒ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。

反射部２２は、アンプ媒質２１とレーザ媒質２３との間に設けられている。反射部２２は、励起光を透過させ、放出光の一部を透過させ残部を反射させる。放出光波長における反射部２２の反射率は例えば９０％程度である。反射部２２は誘電体多層膜であるのが好適である。

反射部２４は、レーザ媒質２３と可飽和吸収体２５との間に設けられている。反射部２４は、励起光を反射させ、放出光を透過させる。この反射部２４も誘電体多層膜であるのが好適である。

反射部２６は、可飽和吸収体２５において反射部２４が設けられた面に対向する面に設けられている。反射部２６は、放出光を高反射率で反射させる。この反射部２６も誘電体多層膜であるのが好適である。

反射部２２および反射部２６は、レーザ媒質２３，反射部２４および可飽和吸収体２５を共振光路上に有するレーザ共振器を構成している。また、アンプ媒質２１、反射部２２、レーザ媒質２３、反射部２４、可飽和吸収体２５および反射部２６は、順に配置されて一体化されている。この一体化に際しては、ダイレクトボンディング（表面活性化接合技術）により接合されているのが好適である。

なお、アンプ媒質２１の励起光入射側の面に、励起光および放出光を高透過率で透過させる透過部が設けられているのが好適である。この透過部も誘電体多層膜であるのが好適である。

励起光源１０は、アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれに含有される光活性物質を励起するための励起光を出力する。励起光源１０はレーザダイオードを含むのが好適である。

レンズ１１〜１３およびダイクロイックミラー１４を含む光学系は、励起光源１０とアンプ媒質２１との間に設けられていて、励起光源１０から出力された励起光をアンプ媒質２１へ入射させ、アンプ媒質２１から出力された放出光を励起光の光路とは異なる光路へ導く。

励起光源１０としてレーザダイオードが用いられる場合、このレーザダイオードから出力される励起光は、ファスト軸およびスロー軸を有し、軸方向によって拡がり角が相違する。そこで、２つのレンズ１１，１２は、レーザダイオードから出力された励起光を入力して、コリメートされた励起光を出力する。

レンズ１３は、そのコリメートされた励起光を入力し、その励起光を収斂させてレーザ媒質２３において集光させる。これにより、レーザ媒質２３において励起光のエネルギ密度が大きくなって、短パルス化が容易となる。

ダイクロイックミラー１４は、励起光源１０から出力されてレンズ１１〜１３を経て到達した励起光を透過させてアンプ媒質２１へ入射させる。ダイクロイックミラー１４は、アンプ媒質２１から出力されて到達した放出光を反射させて励起光の光路とは異なる光路へ導く。

第１実施形態に係るパルスレーザ光源１は以下のように動作する。励起光源１０から出力された励起光は、２つのレンズ１１，１２によりコリメートされ、レンズ１３により収斂され、ダイクロイックミラー１４を透過して、アンプ媒質２１へ入射される。ダイクロイックミラー１４からアンプ媒質２１へ入射された励起光は、アンプ媒質２１，反射部２２およびレーザ媒質２３を順に通過して反射部２４に達し、この反射部２４により反射される。反射部２４により反射された励起光は、レーザ媒質２３，反射部２２およびアンプ媒質２１を順に通過する。アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれでは、励起光が通過する際に光活性物質が励起される。

レーザ共振器において、励起光により励起されたレーザ媒質２３で発生した放出光は、反射部２４を透過して可飽和吸収体２５に達し得る。レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さいときは、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きく、レーザ共振器においてレーザ発振は起こらない。やがて、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが大きくなって、可飽和吸収体２５における光強度が或る値を超えると、可飽和吸収体２５の光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体２５の光吸収率が小さくなると、レーザ媒質２３で発生した放出光は、可飽和吸収体２５を透過することができ、反射部２２と反射部２６との間で往復することでレーザ媒質２３において誘導放出を生じさせる。これにより、レーザ共振器においてレーザ発振が起こる。

このレーザ媒質２３において生じた誘導放出光のうち反射部２２を透過した光（レーザ光）は、アンプ媒質２１を通過する際に、励起光により励起されたアンプ媒質２１において光増幅される。そして、この光増幅されたレーザ光は、アンプ媒質２１から外部へ出射され、ダイクロイックミラー１４により反射される。また、このようなレーザ発振が生じると直ちに、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さくなり、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きくなって、レーザ共振器においてレーザ発振が終了する。以上のような動作が繰り返されることで、パルスレーザ光源１はパルスレーザ光を出力することができる。

ところで、可飽和吸収体として半導体や結晶が用いられ得る。しかし、可飽和吸収体として半導体が用いられる場合、光吸収が大きく発熱が大きいことから、実現化には問題が大きい。これに対して、本実施形態に係るパルスレーザ光源１では、可飽和吸収体として結晶が用いられる。結晶型の可飽和吸収体は、半導体型のものと比べて、吸収係数が小さいものの、熱的な問題が少なく、実用化する上で好ましい。

しかしながら、結晶型の可飽和吸収体は、小さい吸収係数を補うために、吸収長さを長くする必要があり、共振器長が長くなるため、短パルス化には限界がある。したがって、結晶型の可飽和吸収体を用いたパルスレーザ光源としては、出力されるパルスレーザ光のパルス幅が５００ｐｓより短く且つ高い出力を達成している製品は存在しない。

本実施形態では、短いパルス幅で高出力を達成するために、可飽和吸収体２５の吸収長さを確保する一方でレーザ媒質２３を短くすることで、共振器長を抑えて短パルス化を実現し、あわせて高出力化を狙っている。

また、本実施形態に係るパルスレーザ光源１は、励起光源１０から出力されたレーザ光がアンプ媒質２１を通過した後にレーザ媒質２３に供給される点にも特徴を有する。このような構成では、レーザ媒質２３に到達する前に励起光の一部がアンプ媒質２１において吸収されるので、一見すると、高出力化にとっては不利であるように考えられるかもしれない。しかし、本実施形態に係るパルスレーザ光源１は、このような考えに対して逆転の発想に基づく構成を有している。

すなわち、本実施形態に係るパルスレーザ光源１は、短パルス化のために一見不十分な吸収長さのレーザ媒質２３を共振器の中に配置するとともに、レーザ媒質２３と可飽和吸収体２５との間に励起光を反射させ放出光を透過させる反射部２４を配置することで、１パスでは吸収しきれなかった励起光を反射部２４により反射させ、レーザ媒質２３を２パス励起にすることで効率よくレーザ発振を起こしてから、レーザ媒質２３にとって励起を恰も妨げるように配置されているアンプ媒質２１にレーザ光を入射させる構成となっている。

レーザ媒質２１とアンプ媒質２３とは、励起光と放出光との空間モードを互いによく一致させるためにも、物理的に接合されていることが望ましい。また、一体的に接合されていることで、レーザ媒質２３の機械的変形を抑え、熱レンズ効果の抑制につながる利点もある。仮に一体的に接合されていない場合、機械的特性やマウントに問題が生じる。結晶同士を機械的に押し付ければ、結晶内部に応力が発生し、屈折率分布に影響するので、レーザ発振の安定性や発振モードに悪影響を与えるし、位置決め自体も煩雑である。近接して配置した場合は、アライメントが必要になるし、前述の空間モードの不一致につながり、アンプ効率が著しく低下する。それ故、本実施形態に係るパルスレーザ光源１では、レーザ媒質２１とアンプ媒質２３とは物理的に一体に接合されている。

ガラスや結晶の直接接合技術としては、幾つか知られており、例えば拡散接合やオプティカルコンタクトがよく知られている。なお、接着剤を用いても接着することができるが、これは高出力レーザの場合損傷の原因となるので適切ではない。

拡散接合は、熱的接合であって、高温をかけることで物質同士を相互に拡散させて接合するものである。しかし、反射部２２として用いられる誘電体多層膜は熱に弱いので、拡散接合することは物理的に不可能である。

オプティカルコンタクトは、平面度および表面粗さを極限までよくすることで、分子間力を発生させて接合する技術である。それ故、分子間力が発生し得るほどの平面度および表面粗さを有するものでないと、接合することができないし、外れてしまう可能性も残る。一般に、誘電体多層膜と結晶とのオプティカルコンタクト、あるいは、誘電体多層膜同士のオプティカルコンタクトは、限定的な条件で成立する可能性はあるものの、成立そのものが困難であるし、不具合発生の不安も残る。

そこで、本実施形態に係るパルスレーザ光源１では、近年においてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野で研究が進展を見せている表面活性化接合技術（ダイレクトボンディング）を適用することで、問題を解決することができる。表面活性化接合技術とは、シリコン基板同士を接合するためにＭＥＭＳ分野で開発が進められてきたものである。ダイレクトボンディングは、結晶-誘電体膜、誘電体膜同士の何れでも可能である。

本実施形態に係るパルスレーザ光源１では、ダイレクトボンディングの条件として、結晶または誘電体多層膜の表面状態は、平面度が好ましくはλ以下（より好ましくはλ／１０以下）で、表面粗さＲａが好ましくは１ｎｍ以下（より好ましくは０.５ｎｍ以下）である。

図２〜図４は、本実施形態に係るパルスレーザ光源１におけるアンプ媒質２１とレーザ媒質２３とのダイレクトボンディングの態様について説明する図である。

図２に示されるダイレクトボンディングの第１態様では、アンプ媒質２１の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に透過部２０が形成され、他方の主面に反射部２２Ａが形成される。レーザ媒質２３の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に反射部２４が形成され、他方の主面に反射部２２Ｂが形成される。そして、アンプ媒質２１とレーザ媒質２３とが反射部２２Ａおよび反射部２２Ｂを挟んでダイレクトボンディングされて、このダイレクトボンディングされた後の反射部２２Ａおよび反射部２２Ｂが反射部２２となる。

図３に示されるダイレクトボンディングの第２態様では、アンプ媒質２１の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に透過部２０が形成される。レーザ媒質２３の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に反射部２４が形成され、他方の主面に反射部２２が形成される。そして、アンプ媒質２１とレーザ媒質２３とが反射部２２を挟んでダイレクトボンディングされる。

図４に示されるダイレクトボンディングの第３態様では、アンプ媒質２１の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に透過部２０が形成され、他方の主面に反射部２２が形成される。レーザ媒質２３の互いに平行な２つの主面のうち、一方の主面に反射部２４が形成される。そして、アンプ媒質２１とレーザ媒質２３とが反射部２２を挟んでダイレクトボンディングされる。

これら何れの場合にも、ダイレクトボンディング前の反射部２２Ａ，反射部２２Ｂまたは反射部２２の最表面層は、表面粗さＲａが小さいＳｉＯ_２層であるのが好ましい。

（第２実施形態）

図５は、第２実施形態に係るパルスレーザ光源２の構成を示す図である。この図に示されるパルスレーザ光源２は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、アンプ媒質２１、第１反射部２２、レーザ媒質２３、可飽和吸収体２５および第２反射部２６を備える。

図１に示された第１実施形態に係るパルスレーザ光源１の構成と比較すると、この図５に示される第２実施形態に係るパルスレーザ光源２は、第３反射部２４を備えていない点で相違する。すなわち、レーザ媒質２３と可飽和吸収体２５とは直接に接合されている。また、第２実施形態では、反射部２６は、放出光だけでなく励起光をも高反射率で反射させる。

第２実施形態に係るパルスレーザ光源２は以下のように動作する。励起光源１０から出力された励起光は、２つのレンズ１１，１２によりコリメートされ、レンズ１３により収斂され、ダイクロイックミラー１４を透過して、アンプ媒質２１へ入射される。ダイクロイックミラー１４からアンプ媒質２１へ入射された励起光は、アンプ媒質２１，反射部２２，レーザ媒質２３および可飽和吸収体２５を順に通過して反射部２６に達し、この反射部２６により反射される。反射部２６により反射された励起光は、可飽和吸収体２５，レーザ媒質２３，反射部２２およびアンプ媒質２１を順に通過する。アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれでは、励起光が通過する際に光活性物質が励起される。

レーザ共振器において、励起光により励起されたレーザ媒質２３で発生した放出光は、可飽和吸収体２５に達し得る。レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さいときは、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きく、レーザ共振器においてレーザ発振は起こらない。やがて、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが大きくなって、可飽和吸収体２５における光強度が或る値を超えると、可飽和吸収体２５の光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体２５の光吸収率が小さくなると、レーザ媒質２３で発生した放出光は、可飽和吸収体２５を透過することができ、反射部２２と反射部２６との間で往復することでレーザ媒質２３において誘導放出を生じさせる。これにより、レーザ共振器においてレーザ発振が起こる。

このレーザ媒質２３において生じた誘導放出光のうち反射部２２を透過した光（レーザ光）は、アンプ媒質２１を通過する際に、励起光により励起されたアンプ媒質２１において光増幅される。そして、この光増幅されたレーザ光は、アンプ媒質２１から外部へ出射され、ダイクロイックミラー１４により反射される。また、このようなレーザ発振が生じると直ちに、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さくなり、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きくなって、レーザ共振器においてレーザ発振が終了する。以上のような動作が繰り返されることで、パルスレーザ光源２はパルスレーザ光を出力することができる。

この第２実施形態に係るパルスレーザ光源２も、第１実施形態に係るパルスレーザ光源１と同様に、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができる。

（第３実施形態）

図６は、第３実施形態に係るパルスレーザ光源３の構成を示す図である。この図に示されるパルスレーザ光源３は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、１／４波長板１５、アンプ媒質２１、第１反射部２２、レーザ媒質２３、可飽和吸収体２５、第２反射部２６および熱拡散部２７〜２９を備える。

図５に示された第２実施形態に係るパルスレーザ光源２の構成と比較すると、この図６に示される第３実施形態に係るパルスレーザ光源３は、１／４波長板１５を更に備える点で相違し、熱拡散部２７〜２９を更に備える点で相違する。

熱拡散部２７〜２９は、レーザ媒質２１または可飽和吸収体２３において光吸収により生じた熱を拡散させるものである。熱拡散部２７〜２９は、光活性物質を含有しない結晶であり、好適にはＹＡＧである。熱拡散部２７は、レーザ媒質２１の一方の主面（励起光源１０の側）に接合されている。熱拡散部２８は、レーザ媒質２１と反射部２２との間に設けられている。また、熱拡散部２９は、反射部２６を挟んで可飽和吸収体２５と接合されている。

熱拡散部２７、アンプ媒質２１、熱拡散部２８、第１反射部２２、レーザ媒質２３、可飽和吸収体２５、第２反射部２６および熱拡散部２９は、順に配置されて一体化されている。この一体化に際しては、ダイレクトボンディング（表面活性化接合技術）により接合されているのが好適である。

１／４波長板１５は、ダイクロイックミラー１４とアンプ媒質２１との間に設けられる。ダイクロイックミラー１４は、ｐ偏光の励起光を透過させ、ｓ偏光の励起光を反射させる。１／４波長板１５は、ダイクロイックミラー１４から到達したｐ偏光の励起光を入力し、その励起光を２回通過させることでｓ偏光の励起光をダイクロイックミラー１４へ出力する。

第３実施形態に係るパルスレーザ光源３は以下のように動作する。励起光源１０から出力された励起光は、２つのレンズ１１，１２によりコリメートされ、ダイクロイックミラー１４をｐ偏光成分が選択的に透過して、１／４波長板１５およびレンズ１３を経て、熱拡散部２７へ入射される。ダイクロイックミラー１４から拡散部２７へ入射された励起光は、熱拡散部２７，アンプ媒質２１，熱拡散部２８，反射部２２，レーザ媒質２３および可飽和吸収体２５を順に通過して反射部２６に達し、この反射部２６により反射される。反射部２６により反射された励起光は、可飽和吸収体２５，レーザ媒質２３，反射部２２，熱拡散部２８，アンプ媒質２１および熱拡散部２７を順に通過する。アンプ媒質２１およびレーザ媒質２３それぞれでは、励起光が通過する際に光活性物質が励起される。また、反射部２６により反射された励起光のうち熱拡散部２７を経た励起光は、１／４波長板１５を通過することでｓ偏光となり、ダイクロイックミラー１４により反射される。

レーザ共振器において、励起光により励起されたレーザ媒質２３で発生した放出光は、可飽和吸収体２５に達し得る。レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さいときは、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きく、レーザ共振器においてレーザ発振は起こらない。やがて、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが大きくなって、可飽和吸収体２５における光強度が或る値を超えると、可飽和吸収体２５の光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体２５の光吸収率が小さくなると、レーザ媒質２３で発生した放出光は、可飽和吸収体２５を透過することができ、反射部２２と反射部２６との間で往復することでレーザ媒質２３において誘導放出を生じさせる。これにより、レーザ共振器においてレーザ発振が起こる。

このレーザ媒質２３において生じた誘導放出光のうち反射部２２を透過した光（レーザ光）は、アンプ媒質２１を通過する際に、励起光により励起されたアンプ媒質２１において光増幅される。そして、この光増幅されたレーザ光は、アンプ媒質２１から熱拡散部２７を経て外部へ出射され、ダイクロイックミラー１４により反射される。また、このようなレーザ発振が生じると直ちに、レーザ媒質２３で発生する放出光のパワーが小さくなり、可飽和吸収体２５の光吸収率が大きくなって、レーザ共振器においてレーザ発振が終了する。以上のような動作が繰り返されることで、パルスレーザ光源３はパルスレーザ光を出力することができる。

この第３実施形態に係るパルスレーザ光源３も、第２実施形態に係るパルスレーザ光源２と同様に、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができる。加えて、第３実施形態に係るパルスレーザ光源３では、アンプ媒質２１またはレーザ媒質２３において励起に用いられなかった残余の励起光が励起光源１０に戻ることが抑制されるので、励起光源１０の保護の上で好適である。また、第３実施形態に係るパルスレーザ光源３では、アンプ媒質２１またはレーザ媒質２３で発生する熱が熱拡散部２７〜２９により拡散されるので、熱レンズ効果の発生が抑制され、安定動作が可能となる。

（第４実施形態）

図７は、第４実施形態に係るパルスレーザ光源４の構成を示す図である。この図に示されるパルスレーザ光源４は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、１／２波長板１６、アンプ媒質２１Ａ、第１反射部２２、レーザ媒質２３、可飽和吸収体２５および第２反射部２６を備える。

図５に示された第２実施形態に係るパルスレーザ光源２の構成と比較すると、この図７に示される第４実施形態に係るパルスレーザ光源４は、１／２波長板１６を更に備える点で相違し、アンプ媒質２１に替えてアンプ媒質２１Ａを備える点で相違する。

アンプ媒質２１Ａは、光活性物質を含有していて、励起光源１０から出力される励起光が供給されることで光活性物質が励起され、その光活性物質から放出光を発生させる。アンプ媒質２１ＡはＮｄ:ＹＡＧやＹｂ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。アンプ媒質２１Ａの厚さは例えば０.２ｍｍ〜１.５ｍｍである。特に、このアンプ媒質２１Ａは、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有する。

１／２波長板１６は、ダイクロイックミラー１４とアンプ媒質２１Ａとの間に設けられる。１／２波長板１６は、光軸の周りに回転自在であり、励起光源１０から出力されてアンプ媒質２１Ａへ入射される励起光の偏光状態を調整する偏光調整部として作用する。

すなわち、１／２波長板１６の回転方位によって、アンプ媒質２１Ａにおける励起光の吸収が異なり、アンプ媒質２１Ａにおけるレーザ光の光増幅の利得が異なり、また、レーザ発振のパルス周期が異なる。例えば、アンプ媒質２１Ａにおける励起光の吸収が大きくなると、アンプ媒質２１Ａにおけるレーザ光の光増幅の利得が大きくなり、また、レーザ発振のパルス周期が長くなる。

この第４実施形態に係るパルスレーザ光源４も、第２実施形態に係るパルスレーザ光源２と同様に、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができる。加えて、第４実施形態に係るパルスレーザ光源４では、１／２波長板１６の回転方位によって、レーザ発振のパルス周期およびパルスレーザ光のエネルギを変調することができる。

（第５実施形態）

図８は、第５実施形態に係るパルスレーザ光源５の構成を示す図である。この図に示されるパルスレーザ光源５は、励起光源１０、レンズ１１〜１３、ダイクロイックミラー１４、１／２波長板１６、アンプ媒質２１、第１反射部２２、レーザ媒質２３Ａ、可飽和吸収体２５および第２反射部２６を備える。

図５に示された第２実施形態に係るパルスレーザ光源２の構成と比較すると、この図８に示される第５実施形態に係るパルスレーザ光源５は、１／２波長板１６を更に備える点で相違し、レーザ媒質２３に替えてレーザ媒質２３Ａを備える点で相違する。

レーザ媒質２３Ａは、光活性物質を含有していて、励起光源１０から出力される励起光が供給されることで光活性物質が励起され、その光活性物質から放出光を発生させる。レーザ媒質２３ＡはＮｄ:ＹＡＧやＹｂ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。レーザ媒質２３Ａの厚さは例えば０.０１ｍｍ〜１.５ｍｍである。特に、このレーザ媒質２３Ａは、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有する。

１／２波長板１６は、ダイクロイックミラー１４とアンプ媒質２１との間に設けられる。１／２波長板１６は、光軸の周りに回転自在であり、励起光源１０から出力されてアンプ媒質２３Ａへ入射される励起光の偏光状態を調整する偏光調整部として作用する。

すなわち、１／２波長板１６の回転方位によって、レーザ媒質２３Ａにおける励起光の吸収が異なり、レーザ発振のパルス周期が異なる。例えば、レーザ媒質２３Ａにおける励起光の吸収が大きくなると、レーザ発振のパルス周期が短くなる。そして、パルス周期が短くなると、１周期当たりにアンプ媒質２１に蓄積されるエネルギが少なくなるので、アンプ媒質２１における光増幅の利得が小さくなる。

この第５実施形態に係るパルスレーザ光源５も、第２実施形態に係るパルスレーザ光源２と同様に、短いパルス幅で高いエネルギのパルスレーザ光を出力することができる。加えて、第４実施形態に係るパルスレーザ光源４では、１／２波長板１６の回転方位によって、レーザ発振のパルス周期およびパルスレーザ光のエネルギを変調することができる。

１〜５…パルスレーザ光源、１０…励起光源、１１〜１３…レンズ、１４…ダイクロイックミラー、１５…１／４波長板、１６…１／２波長板、２０…透過部、２１，２１Ａ…アンプ媒質、２２…第１反射部、２３，２３Ａ…レーザ媒質、２４…第３反射部、２５…可飽和吸収体、２６…第２反射部、２７〜２９…熱拡散部。

Claims (6)

1. 励起光が供給されることで放出光を発生させるアンプ媒質およびレーザ媒質と、
   光吸収の飽和により光吸収率が小さくなる可飽和吸収体と、
   前記励起光を透過させ、前記放出光の一部を透過させ残部を反射させる第１反射部と、
   前記放出光を反射させる第２反射部と、
   前記励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源から出力された励起光を前記アンプ媒質へ入射させ、前記アンプ媒質から出力された前記放出光を前記励起光の光路とは異なる光路へ導く光学系と、
   を備え、
   前記第１反射部および前記第２反射部が、前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を共振光路上に有するレーザ共振器を構成し、
   前記アンプ媒質，前記第１反射部，前記レーザ媒質，前記可飽和吸収体および前記第２反射部が順に配置されて一体化されている、
   ことを特徴とするパルスレーザ装置。
2. 前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に設けられ、前記励起光を反射させ、前記放出光を透過させる第３反射部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
3. 前記第１反射部が誘電体多層膜からなり、
   前記アンプ媒質と前記レーザ媒質とが前記第１反射部を挟んでダイレクトボンディングされている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
4. 前記アンプ媒質または前記レーザ媒質において光吸収により生じた熱を拡散させる熱拡散部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
5. 前記アンプ媒質が、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有し、
   前記光学系が、前記励起光源から出力されて前記アンプ媒質へ入射される励起光の偏光状態を調整する偏光調整部を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
6. 前記レーザ媒質が、励起光の偏光方位に依存した励起光吸収特性を有し、
   前記光学系が、前記励起光源から出力されて前記アンプ媒質へ入射される励起光の偏光状態を調整する偏光調整部を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。

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