JP2012222072A

JP2012222072A - レーザ増幅装置

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Publication number: JP2012222072A
Application number: JP2011084480A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sekine; 尊史関根; Takashi Kurita; 隆史栗田; Toshiyuki Kawashima; 利幸川嶋; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP5681022B2

Abstract

【課題】種光をレーザ媒質部において効率良く増幅することができるレーザ増幅装置を提供する。
【解決手段】レーザ増幅装置は、種光Ｌ１を出力する種光源と、励起光Ｌ２を出力する励起光源と、励起光Ｌ２が入力された状態で種光Ｌ１が入力されることにより、種光Ｌ１を増幅して出力するレーザ媒質部５と、種光Ｌ１が入力されたときに光透過率が高くなる可飽和吸収体６と、を備えている。可飽和吸収体６は、種光Ｌ１の光路に沿ってレーザ媒質部５に並設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、種光を増幅して出力するレーザ増幅装置に関する。

従来のレーザ増幅装置として、種光を出力する種光源と、励起光を出力する励起光源と、励起光が入力された状態で種光が入力されることにより、種光を増幅して出力するレーザ媒質と、を備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなレーザ増幅装置に対しては、レーザを応用する産業界等から、出力光の高エネルギー化（大出力化）が強く求められている。

特開２００４−２４１５３１号公報

しかしながら、出力光の高エネルギー化を実現するために、レーザ媒質を大型化すると共に励起光のエネルギーを高くすると、レーザ媒質において寄生発振が起こりやすくなる。そして、この寄生発振が起こると、レーザ媒質における蓄積エネルギーが減少するため、レーザ媒質に入力した種光を効率良く増幅することができない。なお、寄生発振とは、励起光の入力によりレーザ媒質中で発生した自然放出光が、意図せずに構成された光共振器によって、レーザ媒質中で増幅されて起こる現象である。

そこで、本発明は、種光を効率良く増幅することができるレーザ増幅装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ増幅装置は、種光を出力する種光源と、励起光を出力する励起光源と、励起光が入力された状態で種光が入力されることにより、種光を増幅して出力するレーザ媒質部と、種光が入力されたときに光透過率が高くなる第１の可飽和吸収体と、を備え、第１の可飽和吸収体は、種光の光路に沿ってレーザ媒質部に並設されている。

このレーザ増幅装置では、レーザ媒質部に励起光が入力されると、レーザ媒質部中で自然放出光が発生するものの、第１の可飽和吸収体に自然放出光の一部が吸収されて寄生発振の発生が抑制される。この状態でレーザ媒質部に励起光が入力され続けるので、レーザ媒質部では、自然放出光のエネルギーが蓄積されることになる。このとき、レーザ媒質部に種光が入力されると、第１の可飽和吸収体の光透過率が高くなる（種光が入力されていないときに比べて高くなる）。そのため、種光は、レーザ媒質部において自然放出光からエネルギーを得て増幅されると共に、第１の可飽和吸収体を透過して外部に出力される。このように、レーザ媒質部においては、寄生発振の発生が抑制されて、自然放出光のエネルギーが増加するので、このレーザ増幅装置によれば、種光を効率良く増幅することができる。

本発明のレーザ増幅装置においては、レーザ媒質部は、種光の光路に沿って複数配置されており、第１の可飽和吸収体は、少なくとも１つのレーザ媒質部と交互に複数配置されていてもよい。この構成によれば、種光の光路に沿ってレーザ媒質部が複数配置されても、第１の可飽和吸収体によって寄生発振の発生が抑制されるので、種光をレーザ媒質部のそれぞれにおいて効率良く増幅して、出力光の高エネルギー化を図ることができる。

本発明のレーザ増幅装置は、種光が入力されたときに光透過率が高くなる第２の可飽和吸収体を更に備え、第２の可飽和吸収体は、種光の光路に沿う方向から見た場合にレーザ媒質部を複数に分割するようにレーザ媒質部に設けられていてもよい。この構成によれば、種光の光路に垂直な方向にレーザ媒質部が大型化されても、第２の可飽和吸収体によって寄生発振の発生が抑制されるので、種光をレーザ媒質において効率良く増幅して、出力光の高エネルギー化を図ることができる。

本発明のレーザ増幅装置は、種光が入力されたときに光透過率が高くなる第３の可飽和吸収体を更に備え、第３の可飽和吸収体は、種光の光路に沿う方向から見た場合にレーザ媒質部の外縁を包囲するようにレーザ媒質部に設けられていてもよい。この構成によれば、種光の光路に垂直な方向にレーザ媒質部が大型化されても、第３の可飽和吸収体によって寄生発振の発生が抑制されるので、種光をレーザ媒質において効率良く増幅して、出力光の高エネルギー化を図ることができる。

本発明によれば、種光を効率良く増幅することができる。

本発明の一実施形態のレーザ増幅装置の斜視図である。図１のレーザ増幅装置の光増幅部の断面図である。図１のレーザ増幅装置のレーザ媒質部の斜視図である。可飽和吸収体における入力エネルギーと相対的光透過率との関係を示すグラフである。寄生発振の発生の原理、及びその抑制の原理を説明するための概念図である。図１のレーザ増幅装置における入力エネルギーと出力エネルギーとの関係、及び入力エネルギーとエネルギー取出し効率との関係を示すグラフである。参考形態としてのレーザ発振装置の光増幅部の断面図である。

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に示されるように、レーザ増幅装置１は、種光源２と、励起光源３と、光増幅部１０と、を備えている。種光源２は、例えば固体レーザ発振器であり、パルス波である種光Ｌ１を出力する。励起光源３は、例えば半導体レーザスタックであり、連続波、又は疑似連続波（パルス波）である励起光Ｌ２を出力する。光増幅部１０は、光軸Ａに沿って種光Ｌ１を増幅し、増幅した種光Ｌ１を出力光Ｌ３として出力する。ここで、光増幅部１０に入力される種光Ｌ１のエネルギーは、例えば１００Ｊ程度であり、光増幅部１０から出力される出力光Ｌ３のエネルギーは、例えば１ｋＪ程度である。

種光源２は、光増幅部１０に対向するように光軸Ａ上に配置されている。励起光源３は、光軸Ａ上から外れた状態で、光増幅部１０に対して種光Ｌ１の入力側（以下、単に「入力側」という）及び種光Ｌ１の出力側（以下、単に「出力側」という）のそれぞれに配置されている。光軸Ａ上において光増幅部１０の入力側及び出力側のそれぞれには、波長選択ミラー４が配置されている。入力側の波長選択ミラー４は、種光源２と光増幅部１０との間に位置している。

種光源２から出力された種光Ｌ１は、入力側の波長選択ミラー４を透過して光軸Ａに沿って進行し、光増幅部１０に入力される。入力側の励起光源３から出力された励起光Ｌ２は、入力側の波長選択ミラー４によって反射されて光軸Ａに沿って進行し、光増幅部１０に入力される。出力側の励起光源３から出力された励起光Ｌ２は、出力側の波長選択ミラー４によって反射されて光軸Ａに沿って進行し、光増幅部１０に入力される。光増幅部１０から出力された出力光Ｌ３は、出力側の波長選択ミラー４を透過して光軸Ａに沿って進行し、外部に出力される。

図２に示されるように、光増幅部１０は、レーザ媒質部５と、可飽和吸収体（第１の可飽和吸収体）６と、を有している。レーザ媒質部５は、励起光Ｌ２が入力された状態で種光Ｌ１が入力されることにより、種光Ｌ１を増幅して出力する。可飽和吸収体６は、種光Ｌ１が入力されたときに光透過率が高くなるものである。つまり、可飽和吸収体６においては、種光Ｌ１が入力されたときの光透過率が、種光Ｌ１が入力されていないときの光透過率よりも高くなる。

レーザ媒質部５は、光軸Ａに沿って（すなわち、種光Ｌ１の光路に沿って）複数（ここでは、１０枚）配置されている。同様に、可飽和吸収体６は、光軸Ａに沿って複数（ここでは、４枚）配置されている。レーザ媒質部５及び可飽和吸収体６は、矩形板状に形成されており、その中心を光軸Ａが通るように配置されている。ここで、１枚の可飽和吸収体６は、所定数（ここでは、２枚）のレーザ媒質部５と交互に配置されている。このように、各可飽和吸収体６は、光軸Ａに沿ってレーザ媒質部５に隣接され、並設されている。

各レーザ媒質部５は、ホルダ７によって保持されており、各可飽和吸収体６は、ホルダ８によって保持されている。より具体的には、ホルダ７は、レーザ媒質部５の入力側及び出力側の表面を露出させた状態で、熱伝導率が高くかつ機械的な緩衝効果を有する材料（例えばインジウム等）を介してレーザ媒質部５の外縁を保持している。同様に、ホルダ８は、可飽和吸収体６の入力側及び出力側の表面を露出させた状態で、熱伝導率が高くかつ機械的な緩衝効果を有する材料（例えばインジウム等）を介して可飽和吸収体６の外縁を保持している。なお、光軸Ａ上には、レーザ媒質部５及び可飽和吸収体６を挟むように、種光Ｌ１、励起光Ｌ２及び出力光Ｌ３を透過させる光透過窓１１が配置されており、各光透過窓１１は、ホルダ１２によって保持されている。ホルダ１２もまた、光透過窓１１の入力側及び出力側の表面を露出させた状態で、熱伝導率が高くかつ機械的な緩衝効果を有する材料（例えばインジウム等）を介して光透過窓１１の外縁を保持している。

各ホルダ７，８，１２は、熱伝導率の高い材料（例えば銅等）からなり、図示しない筐体内において、隣り合うホルダ７，８，１２間の間隙には、水、ヘリウムガス、フッ素系不活性液体等である冷媒Ｃが流通させられる。これにより、レーザ増幅装置１の動作中、レーザ媒質部５及び可飽和吸収体６を冷却することができる。また、各ホルダ７，８，１２は、一方の側から他方の側に向かって（図１では、下側から上側に向かって）厚さが漸減する（すなわち、徐々に薄くなる）矩形板の翼型状に形成されており、冷媒Ｃは、一方の側から他方の側に向かって流通させられる。これにより、冷媒Ｃをスムーズに流通させることができる。

図３に示されるように、レーザ媒質部５は、レーザ媒質１３と、可飽和吸収体１４と、を有している。レーザ媒質１３は、Ｎｄ：ＹＡＧ、チタンサファイア等の固定レーザ媒質であり、例えば種光源２の固体レーザ媒質と同種のものが用いられている。可飽和吸収体１４は、種光Ｌ１が入力されたときに光透過率が高くなるものである。つまり、可飽和吸収体１４においては、種光Ｌ１が入力されたときの光透過率が、種光Ｌ１が入力されていないときの光透過率よりも高くなる。

レーザ媒質１３は、マトリックス状（ここでは、５行５列）に複数配置されており、各レーザ媒質１３は、矩形板状（例えば、外形３ｃｍ×３ｃｍ、厚さ１ｃｍ）に形成されている。可飽和吸収体１４は、可飽和吸収体（第２の可飽和吸収体）１４ａ及び可飽和吸収体（第３の可飽和吸収体）１４ｂを含んでいる。可飽和吸収体１４ａは、隣り合うレーザ媒質１３間の間隙に沿って格子状に配置されている。また、可飽和吸収体１４ｂは、全てのレーザ媒質１３の集合体の外縁に沿って矩形環状に配置されている。

つまり、可飽和吸収体１４ａは、光軸Ａ方向（すなわち、種光Ｌ１の光路に沿う方向）から見た場合にレーザ媒質部５を複数に分割するようにレーザ媒質部５に設けられている。また、可飽和吸収体１４ｂは、光軸Ａ方向から見た場合にレーザ媒質部５の外縁を包囲するようにレーザ媒質部５に設けられている。なお、各レーザ媒質部５において、レーザ媒質１３及び可飽和吸収体１４は、光学接着剤やオプティカルコンタクト等により一体化されている。

上述した可飽和吸収体６，１４について、より詳細に説明する。一般的に、可飽和吸収体においては、入力エネルギー（すなわち、入力される光のエネルギー）に対して光透過率が大きく変化する。図４に示される可飽和吸収体では、入力エネルギーが１ｍＪから１μＪになると、光透過率が２桁減少する。通常、レーザ増幅装置においては、数Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスで種光を入力して光増幅を行う。このとき、レーザ媒質中で発生する自然放出光のフラックスは、ｎＪ〜μＪレベルであると想定される。

ここで、レーザ媒質中で発生する自然放出光のフラックスは、可飽和吸収体の飽和フルエンスよりも低いため、自然放出光に対する可飽和吸収体の光透過率は、例えば１％と低くなる。一方、レーザ媒質に入力される種光のフルエンスは、可飽和吸収体の飽和フルエンスよりも高いため、種光に対する可飽和吸収体の透過率は、例えば９９％と高くなる。

従って、上述した可飽和吸収体６，１４においては、レーザ媒質１３中で発生する自然放出光を吸収する一方で、レーザ媒質部５に入力される種光Ｌ１を低損失で伝播するようにすることができる。なお、可飽和吸収体６，１４の材料としては、ガラスフィルター（ＢＧ８５０、ＲＧ１０００等）、Ｃｒ：ＹＡＧ、半導体可飽和吸収体、カーボンナノチューブ、非線形光学材料等を用いることができる。そして、可飽和吸収体６，１４の光透過率特性は、可飽和吸収体６，１４の厚さや不純物の添加濃度等によって調節することができる。

以上説明したように、レーザ増幅装置１においては、レーザ媒質部５が種光Ｌ１の光路に沿って複数配置されており、可飽和吸収体６が所定数のレーザ媒質部５と交互に複数配置されている。更に、各レーザ媒質部５には、種光Ｌ１の光路に沿う方向から見た場合にレーザ媒質部５を複数に分割するように可飽和吸収体１４ａが設けられていると共に、当該方向から見た場合にレーザ媒質部５の外縁を包囲するように可飽和吸収体１４ｂが設けられている。これにより、連続波、又は疑似連続波（パルス波）である励起光Ｌ２が各レーザ媒質部５に入力されると、各レーザ媒質部５のレーザ媒質１３中で自然放出光が発生するものの、可飽和吸収体６，１４に自然放出光の一部が吸収されて寄生発振の発生が抑制される。この状態で各レーザ媒質部５に励起光Ｌ２が入力され続けるので、各レーザ媒質部５では、自然放出光のエネルギーが増加することになる（すなわち、蓄積されることになる）。このとき、パルス波である種光Ｌ１が各レーザ媒質部５に入力されると、可飽和吸収体６，１４の光透過率が急激に高くなる。そのため、種光Ｌ１は、各レーザ媒質部５において自然放出光からエネルギーを得て増幅されると共に、可飽和吸収体６，１４を透過して外部に出力される。このように、レーザ増幅装置１では、種光Ｌ１の光路に沿ってレーザ媒質部５を複数配置しても、更には、種光Ｌ１の光路に垂直な方向に各レーザ媒質部５を大型化しても、各レーザ媒質部５においては、寄生発振の発生が抑制されて、自然放出光のエネルギーが増加することになる。よって、レーザ増幅装置１によれば、種光Ｌ１を各レーザ媒質部５において効率良く増幅して、出力光Ｌ３の高エネルギー化を図ることが可能となる。

図５は、寄生発振の発生の原理、及びその抑制の原理を説明するための概念図である。図５（ａ）に示されるように、光増幅部がレーザ媒質１３のみからなる場合には、出力光の高エネルギー化を実現するために、レーザ媒質１３を大型化すると共に励起光Ｌ２のエネルギーを高くするほど、寄生発振Ｌ１０が起こりやすくなる。すなわち、励起光Ｌ２の入力によりレーザ媒質１３中で発生した自然放出光Ｌ０が、意図せずに構成された光共振器によって、レーザ媒質１３中で増幅されて、寄生発振Ｌ１０が起こってしまう。そして、寄生発振Ｌ１０が起こると、レーザ媒質１３における蓄積エネルギーが減少するため、レーザ媒質１３に入力した種光を効率良く増幅することができない。

これに対し、図５（ｂ）に示されるように、光増幅部１０において、種光Ｌ１の光路に沿う方向にレーザ媒質１３が複数に分割され、隣り合うレーザ媒質１３間に可飽和吸収体６が配置されている場合には、励起光Ｌ２の入力によりレーザ媒質１３中で自然放出光Ｌ０が発生するものの、可飽和吸収体６に自然放出光Ｌ０の一部が吸収されて寄生発振の発生が抑制される。そして、寄生発振によるエネルギーの損失が抑制されたレーザ媒質１３に種光Ｌ１が入力されるため、レーザ媒質１３に蓄積されたエネルギーを抽出して種光Ｌ１を効率良く増幅し、出力光Ｌ３として出力することができる。

ここで、可飽和吸収体６，１４が設けられている場合（すなわち、上記レーザ増幅装置１の場合）と、可飽和吸収体６，１４が設けられていない場合とで、レーザの増幅計算を行った。なお、高エネルギーギーレーザの設計では、寄生発振の有無を考慮するときに、ｇ０ｌというパラメータを用いており、ｇ０ｌが３以上で寄生発振が起こるとされている。

まず、５行５列に２５枚配置された矩形板状（外形３ｃｍ×３ｃｍ、厚さ１ｃｍ）のレーザ媒質１３において、可飽和吸収体１４が設けられていない場合には、ｇ０ｌは１１．７となり、寄生発振が起こってしまう。これに対し、５行５列に２５枚配置された矩形板状（外形３ｃｍ×３ｃｍ、厚さ１ｃｍ）のレーザ媒質１３において、可飽和吸収体１４が設けられている場合には、ｇ０ｌは２．８となり、寄生発振の発生を抑制することができる。

次に、種光Ｌ１の光路に沿って１０枚配置されたレーザ媒質部５において、可飽和吸収体６が設けられていない場合には、光軸Ａ方向のｇ０ｌが７．８となり、寄生発振が起こってしまう。これに対し、種光Ｌ１の光路に沿って１０枚配置されたレーザ媒質部５において、２枚のレーザ媒質部５と交互に可飽和吸収体６が設けられている場合には、光軸Ａ方向のｇ０ｌは１．７となり、寄生発振の発生を抑制することができる。図６は、可飽和吸収体６，１４が設けられている場合（すなわち、上記レーザ増幅装置１の場合）における入力エネルギーと出力エネルギーとの関係、及び入力エネルギーとエネルギー取出し効率との関係を示すグラフである。

一般的に、種光Ｌ１の光路上に光吸収体を配置することは、種光Ｌ１のエネルギーを損失することとなるため、実用的ではない。しかしながら、可飽和吸収体を用いることで、同じ波長であってもその強度（エネルギー）によって光透過率が異なるため、上述したような構成を実現することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、可飽和吸収体６は、複数のレーザ媒質部５と交互に複数配置されている場合に限定されず、１つのレーザ媒質部５と交互に複数配置されていてもよい。更に、可飽和吸収体６は、複数である場合に限定されず、種光Ｌ１の光路に沿ってレーザ媒質部５に並設されていれば、１つであってもよい。

また、可飽和吸収体１４ａは、種光Ｌ１の光路に沿う方向から見た場合にレーザ媒質部５を複数に分割していれば、格子状に配置されていなくてもよい。また、可飽和吸収体１４ｂは、種光Ｌ１の光路に沿う方向から見た場合にレーザ媒質部５の外縁を包囲していれば、矩形環状に配置されていなくてもよい。更に、可飽和吸収体１４に代えて、クラッディング材を適用しても、寄生発振の発生を抑制するのに効果がある。ここで、クラッディング材とは、種光Ｌ１と同じ波長のレーザ媒質１３内の蓄積光を吸収する特性を有する材料である（ただし、この場合にも、可飽和吸収体６は必須である）。

最後に、参考形態としてのレーザ発振装置について説明する。図７に示されるように、このレーザ発振装置の光増幅部１００の構成は、光透過窓１１に代えて、波長選択全反射ミラー１５及び波長選択出力結合ミラー１６が用いられている点で、上述したレーザ増幅装置１の光増幅部１０の構成と相違している。すなわち、波長選択全反射ミラー１５は、励起光Ｌ２を透過させ、発振される光（放出光）を全反射する。また、波長選択出力結合ミラー１６は、励起光Ｌ２を透過させ、発振される光（放出光）をレーザ発振に適した透過率で透過させる。

このように構成された光増幅部１００においては、連続波である励起光Ｌ２が各レーザ媒質部５に入力されると、各レーザ媒質部５のレーザ媒質１３中で自然放出光が発生する。このとき、可飽和吸収体６，１４に自然放出光の一部が吸収されて寄生発振の発生が抑制される。この状態で各レーザ媒質部５に励起光Ｌ２が入力され続けるので、各レーザ媒質部５では、自然放出光のエネルギーが増加することになる（すなわち、蓄積されることになる）。そして、自然放出光のフラックスが可飽和吸収体６，１４の飽和フルエンスを超えたときに、放出光が可飽和吸収体６，１４を透過して誘導放出が起こると共に、ミラー１５，１６を光共振器として往復させられ、その結果、高ピーク強度のパルス波である出力光Ｌ３が波長選択出力結合ミラー１６から外部に出力される。このような光増幅部１００は、電界光学効果や音響光学効果を用いた能動的な光学スイッチを用いた一般的なＱスイッチパルス発振器にも応用可能である。

１…レーザ増幅装置、２…種光源、３…励起光源、５…レーザ媒質部、６…可飽和吸収体（第１の可飽和吸収体）、１４ａ…可飽和吸収体（第２の可飽和吸収体）、１４ｂ…可飽和吸収体（第３の可飽和吸収体）、Ｌ１…種光、Ｌ２…励起光。

Claims

種光を出力する種光源と、
励起光を出力する励起光源と、
前記励起光が入力された状態で前記種光が入力されることにより、前記種光を増幅して出力するレーザ媒質部と、
前記種光が入力されたときに光透過率が高くなる第１の可飽和吸収体と、を備え、
前記第１の可飽和吸収体は、前記種光の光路に沿って前記レーザ媒質部に並設されていることを特徴とするレーザ増幅装置。
前記レーザ媒質部は、前記種光の光路に沿って複数配置されており、
前記第１の可飽和吸収体は、少なくとも１つの前記レーザ媒質部と交互に複数配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
前記種光が入力されたときに光透過率が高くなる第２の可飽和吸収体を更に備え、
前記第２の可飽和吸収体は、前記種光の光路に沿う方向から見た場合に前記レーザ媒質部を複数に分割するように前記レーザ媒質部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ増幅装置。
前記種光が入力されたときに光透過率が高くなる第３の可飽和吸収体を更に備え、
前記第３の可飽和吸収体は、前記種光の光路に沿う方向から見た場合に前記レーザ媒質部の外縁を包囲するように前記レーザ媒質部に設けられ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増幅装置。