JP2014139969A - 固体レーザ増幅装置および多段レーザ増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的な異方性を有するレーザ媒質が使用可能であり、優れた増幅効率が得られる固体レーザ増幅装置および多段レーザ増幅装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ増幅装置は、偏光ビームスプリッタ３と、直線偏光の方向を４５°変化させるファラデーローテータ４と、光軸垂直方向に光学的な異方性を有する固体レーザ媒質５と、固体レーザ媒質５を通過したレーザ光を反射し、再び固体レーザ媒質５へ入射させるダイクロイックミラー６などを備える。シードレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３およびファラデーローテータ４を経由して固体レーザ媒質５を通過しながら増幅され、続いてダイクロイックミラー６によって反射され、再び固体レーザ媒質５を通過しながら増幅され、ファラデーローテータ４および偏光ビームスプリッタ６を経由して出力レーザ光９として外部に供給される。固体レーザ媒質５を往復するレーザ光の直線偏光の方向は、固体レーザ媒質５の誘導放出断面積の高い方向と平行に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ媒質を用いてシードレーザ光を増幅し、出力レーザ光を供給する固体レーザ増幅装置および、これを用いた多段レーザ増幅装置に関する。

従来の固体レーザ増幅装置では、増幅用レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ等、光学的に異方性のない結晶を使用している（例えば、非特許文献１）。非特許文献１では、シードレーザ光をＮｄ：ＹＡＧ結晶に往復して２度通過させることにより、高い増幅効率を得ている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と反射ミラーとの間には１／４波長板が設置され、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を通過する際、復路レーザ光の偏光方向は往路レーザ光の偏光方向と比べて９０°回転しており、偏光ビームスプリッタを用いて増幅後のレーザ光を分離している。

他の固体レーザ増幅装置では、増幅用レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の一軸性結晶を使用し、上記レーザ媒質はスラブ形状（平板状）であり、上記レーザ媒質を挟んで相対するミラー間を、レーザ光が偏光方向を維持したまま複数回結晶中を通過する構成が提案されている（例えば、非特許文献２）。

一軸性結晶であるＮｄ：ＹＶＯ_４結晶のｃ軸を、レーザ光の光軸に対して垂直に配置した場合、誘導放出断面積の高いｃ軸方向の偏光に対する増幅率が高くなる。この構成では、偏光方向を一定方向に維持した状態で増幅用レーザ媒質を複数回通過できるため、増幅後の光強度が効果的に増加する。

Martial et al., "Nd:YAG single-crystal fiber as high peak power amplifier of pulses below one nanosecond", Optics Express, Vol. 19, No. 12, pp.11667-11679 (2011) Luther-Davies et al., "Table-top 50-W laser system for ultra-fast laser ablation", Applied Physics A 79, pp.1051-1055 (2004)

非特許文献１では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を往復するレーザ光の偏光方向が９０°回転している。そのため、光軸垂直方向に光学的な異方性を有する結晶、例えば、ａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ_４のようなレーザ媒質を使用した場合には、往路または復路の増幅ゲインが偏光方向に応じて大きく低下することになる。

また、非特許文献２では、スラブ形状のレーザ媒質を使用しているため、レーザ光の光軸に対して温度分布の円筒対称性が崩れており、非対称熱レンズに起因した非点収差が生じるという問題点がある。さらに、レーザ媒質は、被増幅光軸と一致しないレーザ媒質側面から全体的に励起されており、被増幅光の通過空間とゲイン空間とのマッチング率に限界があるため、増幅効率が低いという問題点もある。

本発明の目的は、光学的な異方性を有するレーザ媒質が使用可能であり、優れた増幅効率が得られる固体レーザ増幅装置および多段レーザ増幅装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、シードレーザ光を増幅して出力レーザ光を供給する固体レーザ増幅装置であって、
互いに直交する直線偏光を有する２つのレーザ光を分離するための偏光ビームスプリッタと、
入射光と出射光との間で直線偏光の方向を４５°変化させるファラデーローテータと、
レーザ光を増幅するための固体レーザ媒質と、
固体レーザ媒質を通過したレーザ光を反射し、再び固体レーザ媒質へ入射させるための光反射部とを備え、
シードレーザ光は、偏光ビームスプリッタおよびファラデーローテータを経由して固体レーザ媒質を通過しながら増幅され、続いて光反射部によって反射され、再び固体レーザ媒質を通過しながら増幅され、ファラデーローテータおよび偏光ビームスプリッタを経由して出力レーザ光として外部に供給され、
固体レーザ媒質は、光軸垂直方向に光学的な異方性を有し、
固体レーザ媒質を往復するレーザ光の直線偏光の方向が、固体レーザ媒質の異方性を示す２軸のうち誘導放出断面積の高い方向と平行になるように設定されることを特徴とする。

本発明によれば、ファラデーローテータおよび偏光ビームスプリッタを使用することによって、固体レーザ媒質を往復するレーザ光の直線偏光の方向が一致するようになるため、光学的な異方性を有するレーザ媒質を使用した場合でも、高効率な光増幅を実現することができる。

図１（ａ）は本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１（ｂ）と図１（ｃ）はレーザ光の偏光方向に関する説明図である。 実施の形態１の光増幅部でのレーザ光のビーム形状を示す説明図である。 本発明の実施の形態２を示す構成図である。 実施の形態２の光増幅部でのレーザ光のビーム形状を示す説明図である。 本発明の実施の形態３を示す構成図である。 実施の形態３の光増幅部でのレーザ光のビーム形状を示す説明図である。 本発明の実施の形態４を示す構成図である。 本発明の実施の形態５を示す構成図である。

実施の形態１．
図１（ａ）は本発明の実施の形態１を示す構成図であり、図１（ｂ）と図１（ｃ）はレーザ光の偏光方向に関する説明図である。固体レーザ増幅装置は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ: Polarization Beam Splitter）３と、光増幅部２０と、励起光源８などを備え、シード光源１から供給されるシードレーザ光２を増幅して、高出力の出力レーザ光９を外部へ供給する。光増幅部２０は、ファラデーローテータ（ＦＲ: Faraday Rotator）４と、固体レーザ媒質５と、光反射部としてのダイクロイックミラー６などを備える。

シード光源１は、光増幅部２０で利得が得られる波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源である。本実施形態では、固体レーザ媒質５としてＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用しているため、シード光源１は、パルス発振の直線偏光レーザ光源（発振波長１０６４ｎｍ）、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４またはＮｄ：ＹＡＧを用いた固体レーザ光源、あるいは波長１０６４ｎｍ発振半導体レーザのＹｂイオン添加ファイバアンプ光源などが使用できる。

ＰＢＳ３は、互いに直交する直線偏光を有する２つのレーザ光を分離する機能を有する。本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、シードレーザ光２は、Ａ点において紙面垂直な直線偏光を有しており、ＰＢＳ３に入射するとＰＢＳ３の内部界面によって次段のＦＲ４に向けて反射され、Ｂ点においても紙面垂直な直線偏光を有する。一方、光増幅部２０で増幅されたレーザ光は、Ｇ点において紙面平行な直線偏光を有しており、ＰＢＳ３に入射するとＰＢＳ３の内部界面を通過して、Ｈ点において紙面平行な直線偏光を有する出力レーザ光９として外部に取り出される。

ＦＲ４は、入射光と出射光との間で直線偏光の方向を４５°変化させる機能を有する。本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、シードレーザ光２は、Ｂ点において紙面垂直な直線偏光を有しており、ＦＲ４を通過すると、直線偏光の方向が光軸周りに４５°回転し、Ｃ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を示すようになる。一方、固体レーザ媒質５を出射したレーザ光は、Ｃ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を有しており、ＦＲ４を通過すると、直線偏光の方向が光軸周りに４５°回転し、Ｇ点において紙面平行な直線偏光を示すようになる。

固体レーザ媒質５は、レーザ光を増幅する機能を有する。本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、シードレーザ光２は、Ｃ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を有しており、固体レーザ媒質５を通過する際に増幅され、Ｄ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を有する。往路で増幅されたレーザ光は、光反射部によって反対向きに反射され、Ｅ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を有する。反射したレーザ光は、再び固体レーザ媒質５に入射し、復路に沿って通過する際に増幅され、Ｆ点において紙面と４５°で交差する方向に沿った直線偏光を有する。

本実施形態では、固体レーザ媒質５として、ａ軸カットされたＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用している。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶は、一軸性の結晶であり、ｃ軸に平行な誘導放出断面積はａ軸のそれと比較して３倍以上大きいという性質がある。即ち、ｃ軸に平行な直線偏光を有する被増幅光を結晶に入射させなければ、効率的な増幅動作が得られないことになる。ここでは、図１（ｂ）に示すように、Ｎｄ：ＹＶＯ_４のｃ軸が、ＦＲ４によって光軸周りに４５°回転したレーザ光の直線偏光の方向と平行となるように、即ち、紙面と４５°で交差する方向と一致するように、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶を配置している。こうした配置により、ｃ軸方向の直線偏光を有するレーザ光がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を通過する際、効率的な光増幅を実現できる。

光反射部は、固体レーザ媒質５を通過したレーザ光を反射し、再び固体レーザ媒質５へ入射させる機能を有し、本実施形態では、励起光源８からの励起光を通過し、固体レーザ媒質５で増幅されたレーザ光を反射するダイクロイックミラー６を使用している。

励起光源８は、固体レーザ媒質５の励起光を供給する機能を有し、本実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶の吸収帯に一致する８０８ｎｍ近傍の波長を有する励起光を発生するＬＤ（レーザダイオード）を使用している。この場合、ダイクロイックミラー６は、例えば、平面ミラーであって、波長８０８ｎｍの励起光を通過し、波長１０６４ｎｍの被増幅光を反射するダイクロイック特性を有するコーティングが施されている。励起光源８からの励起光は、光ファイバ８１および、リレーレンズなどの伝送光学系８２を経由しダイクロイックミラー６を通過することによって、固体レーザ媒質５に供給される。

次に動作について説明する。シードレーザ光２は、ＰＢＳ３およびＦＲ４を経由して固体レーザ媒質５を通過しながら増幅され、続いてダイクロイックミラー６によって反射され、再び固体レーザ媒質５を通過しながら増幅され、ＦＲ４およびＰＢＳ３を経由して出力レーザ光９として外部に供給される。固体レーザ媒質５を往復するレーザ光の直線偏光の方向は、固体レーザ媒質５の誘導放出断面積の高い方向と平行に維持されるため、効率的なダブルパス増幅が実現できる。

図２は、光増幅部２０におけるレーザ光のビーム形状を示す説明図である。固体レーザ媒質５であるＮｄ：ＹＶＯ_４結晶は、光軸回りに対称な円柱形状であることが好ましく、光軸に沿って通過する励起光の吸収により、光軸回りに回転対称な熱レンズが形成される。そのため本実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶へ入射させる被増幅光のビーム形状は、発散性のビームとすることが好ましい。このようにすることで、被増幅光は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶内で熱レンズを感じて集束方向に変化し、被増幅光はレーザ媒質５内をほぼコリメート状態で伝搬することが可能になり、非点収差も殆ど生じない。その結果、被増幅光と励起光が吸収された利得エリアとの空間的なマッチングが向上し、増幅効率を高めることができる。さらに、ダイクロイックミラー６の平面反射面の位置と被増幅光のビームウエスト位置を一致させることによって、往復する被増幅光のビーム形状がほぼ一致するようになり、効率的な増幅動作が実現できる。

次に、具体的な動作例について説明する。シードレーザ光２として、繰返し周波数５００ｋＨｚ、パルス幅２０ｎｓ、平均パワー１７．５Ｗの直線偏光シングルモードビームを使用した。固体レーザ媒質５として、長さ１５ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用し、波長８０８ｎｍ、パワー３６．０Ｗの励起光を吸収させた。この際、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶は、光軸を中心に二乗屈折率分布が形成され、伝搬光は仮想的な熱レンズを感じる。この屈折率分布ｎ（ｒ）は、下記の式（１）で表される。ここで、ｎ_０は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶の光軸上の屈折率、ｒは、光軸に垂直な断面における光軸からの距離である。

ｎ（ｒ）＝ｎ_０ − ｎ_２×ｒ^２／２ …（１）

上記励起条件では、ｎ_２値が約２．０×１０^４ｍｍ^−２相当となる。ｎ_２値が大きいほど、熱レンズ効果が大きいことになる。上記熱レンズを持つＮｄ：ＹＶＯ_４結晶への被増幅光入射径は、１／ｅ^２強度基準の直径で約０．８ｍｍとした。熱レンズ作用により、ダイクロイックミラー６の平面反射面においてビーム波面が平面になるように、約−３４０ｍｍの波面曲率の発散性ビームをＮｄ：ＹＶＯ_４結晶に入射させた。

この条件で、図１の構成においてレーザ光がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を１パス（往路）のみ通過した場合、被増幅光の平均パワーが２３．９Ｗまで増加した。また、レーザ光がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を２パス（往復）で通過した場合、被増幅光の平均パワーは３３．０Ｗまで増加した。このとき増幅部２０の励起光吸収パワーに対する光効率は、１パス（往路）で１７．８％、２パス（往復）で４３．１％となり、往復の増幅作用により約２．４倍（＝４３．１／１７．８）の効率向上を達成できた。

また、本実施形態においては、固体レーザ媒質５として、好ましくはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を用いた構成を例示したが、固体レーザ媒質５のホスト材料として、ＹＶＯ_４結晶の他に、ＹＡＧまたはＹＬＦ等を使用してもよく、添加イオンとしては、Ｎｄの他に、Ｙｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｅｒ等を使用してもよく、本発明と同様な効果が得られる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。図４は、光増幅部２０におけるレーザ光のビーム形状を示す説明図である。本実施形態では、光反射部として、反射面が凸面状であるダイクロイックミラー１０を使用した構成を説明する。反射面を凸面状に形成することによって、ダイクロイックミラー１０に集光レンズの機能を付与できる。特に、両側の反射面を凸面状に形成することによって、集光パワーをより高めることができる。こうしたレンズ機能は、励起光の結合レンズとして使用できるため、図１（ａ）に示した伝送光学系８２を省略できる。

図４に示すように、往復する被増幅光のビーム径をほぼ一致させるには、ダイクロイックミラー１０の反射面の曲率と、被増幅光の波面曲率とを一致させる必要がある。この場合、ダイクロイックミラー１０の反射面に入射する被増幅光は集束性ビームに変換されている。つまり、パワーの強い熱レンズを形成させても往復のビーム形状を一致させることが可能となり、励起光の利用効率が向上し、結果的に高効率の光増幅作用を実現することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。図６は、光増幅部２０におけるレーザ光のビーム形状を示す説明図である。本実施形態では、光反射部として、固体レーザ媒質５の光軸に対して傾斜して配置されたダイクロイックミラー１１と、傾斜したダイクロイックミラー１１で反射したレーザ光を再び反射するための全反射平面ミラー１２を使用した構成を説明する。

ダイクロイックミラー１１は、実施の形態１と同様な平面ミラーであって、励起光を通過し、被増幅光を反射するダイクロイック特性を有するコーティングが施されており、固体レーザ媒質５の光軸に対して任意の角度、例えば、角度２２．５°で傾斜している。

固体レーザ媒質５を通過して熱レンズ効果によって収束性ビームに変換されたレーザ光は、傾斜したダイクロイックミラー１１によって反射され、新たに設けた光軸に沿って距離Ｌを伝搬する。そして、レーザ光のビームウエスト位置に全反射平面ミラー１２を設置し、垂直入射の配置に設定する。このときダイクロイックミラー１１へ入射するレーザ光の偏光方向は、反射率の高いｓ偏光（偏光方向が紙面垂直）であることが望ましい。反射率が問題にならない場合はｐ偏光でもよい。また、ｓ偏光とｐ偏光が混在する場合は、偏光方向が回転しないようにダイクロイックミラーのコーティングをゼロシフトミラーとして設計することが好ましい。

こうした構成によれば、実施の形態２のような凸面ミラーを用いなくとも、往復するレーザ光のモード形状を一致させることが可能になり、励起光の利用効率が向上し、結果的に高効率の光増幅作用を実現することができる。また、図６において、新たに設けた光軸の距離Ｌが可変であるように構成することで、増幅パワーに応じた高効率の光増幅作用を実現できる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。本実施形態では、光反射部として、励起光源８からの励起光を通過し、固体レーザ媒質４で増幅されたレーザ光を反射するダイクロイックコーティング１３を使用した構成を説明する。ダイクロイックコーティング１３は、固体レーザ媒質４の励起光入射側の端面に設けられ、この端面は平面研磨されており、ダイクロイックミラー６と同様の機能を有する。

このような構成により、ダイクロイックミラー６が不要となり、低コストで小型の固体レーザ増幅装置が実現できる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。本実施形態では、実施の形態１〜４に係る固体レーザ増幅装置を多段縦列配置することによって、多段レーザ増幅装置を構成している。ここでは実施の形態１に係る固体レーザ増幅装置を２段縦列配置した構成を例示するが、実施の形態１〜４に係る固体レーザ増幅装置のうちの任意の組合せを用いてもよく、さらに３段以上の縦列配置も同様に可能である。

第１段の固体レーザ増幅装置は、実施の形態１と同様に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３ａと、光増幅部２０ａと、励起光源８ａなどを備え、シード光源１から供給されるシードレーザ光２を増幅して、高出力の出力レーザ光９ａを第２段の固体レーザ増幅装置へ供給する。光増幅部２０ａは、ファラデーローテータ（ＦＲ）４ａと、固体レーザ媒質５ａと、光反射部としてのダイクロイックミラー６ａなどを備える。

第２段の固体レーザ増幅装置は、実施の形態１と同様に、ＰＢＳ３ｂと、光増幅部２０ｂと、励起光源８ｂなどを備え、第１段の固体レーザ増幅装置から供給される出力レーザ光９ａを増幅して、より高出力の出力レーザ光９ｂを外部へ供給する。光増幅部２０ｂは、ＦＲ４ｂと、固体レーザ媒質５ｂと、光反射部としてのダイクロイックミラー６ｂなどを備える。

第１段および第２段の固体レーザ増幅装置の詳細な構成および動作については、実施の形態１と同様であるため、重複説明を省略する。

なお、第２段の固体レーザ増幅装置については、理解容易のために、図８では第１段の固体レーザ増幅装置と同一平面状に図示したが、実際は、第２段の固体レーザ増幅装置へ入射する偏光方向が９０°回転しているため、第２段の固体レーザ増幅装置は、紙面に対し垂直方向に配列した構成になる。代替として、第２段の固体レーザ増幅装置の入射側に、出力レーザ光９ａの偏光方向を９０°回転させる偏光制御素子、例えば、ファラデーローテータ、１／２波長板などを介在させてもよい。

こうした固体レーザ増幅装置の多段縦列配置により、シンプルな構成で、出力レーザ光のパワーを格段に増加させることが可能である。

１，１ａ，１ｂ シード光源、 ２ シードレーザ光、
３，３ａ，３ｂ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、
４，４ａ，４ｂ ファラデーローテータ（ＦＲ）、
５，５ａ，５ｂ 固体レーザ媒質、
６，６ａ，６ｂ，１０，１１ ダイクロイックミラー、 ８，８ａ，８ｂ 励起光源、
８１，８１ａ，８１ｂ 光ファイバ、 ８２，８２ａ，８２ｂ 伝送光学系、
９，９ａ，９ｂ 出力レーザ光、 １２ 全反射平面ミラー、
１３ ダイクロイックコーティング、 ２０，２０ａ，２０ｂ 光増幅部。

Claims (8)

1. シードレーザ光を増幅して出力レーザ光を供給する固体レーザ増幅装置であって、
   互いに直交する直線偏光を有する２つのレーザ光を分離するための偏光ビームスプリッタと、
   入射光と出射光との間で直線偏光の方向を４５°変化させるファラデーローテータと、
   レーザ光を増幅するための固体レーザ媒質と、
   固体レーザ媒質を通過したレーザ光を反射し、再び固体レーザ媒質へ入射させるための光反射部とを備え、
   シードレーザ光は、偏光ビームスプリッタおよびファラデーローテータを経由して固体レーザ媒質を通過しながら増幅され、続いて光反射部によって反射され、再び固体レーザ媒質を通過しながら増幅され、ファラデーローテータおよび偏光ビームスプリッタを経由して出力レーザ光として外部に供給され、
   固体レーザ媒質は、光軸垂直方向に光学的な異方性を有し、
   固体レーザ媒質を往復するレーザ光の直線偏光の方向が、固体レーザ媒質の異方性を示す２軸のうち誘導放出断面積の高い方向と平行になるように設定されることを特徴とする固体レーザ増幅装置。
2. 固体レーザ媒質は、ａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ_４結晶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。
3. シードレーザ光が固体レーザ媒質に最初に入射する際、固体レーザ媒質に対して発散ビームで入射す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。
4. 固体レーザ媒質の励起光を供給する励起光源をさらに備え、
   光反射部は、励起光源からの励起光を通過し、固体レーザ媒質で増幅されたレーザ光を反射するダイクロイックミラーとして構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体レーザ増幅装置。
5. ダイクロイックミラーの反射面が、凸面状であることを特徴とする請求項４記載の固体レーザ増幅装置。
6. ダイクロイックミラーは、固体レーザ媒質の光軸に対して傾斜して配置され、
   光反射部は、傾斜したダイクロイックミラーで反射したレーザ光を再び反射するための全反射平面ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の固体レーザ増幅装置。
7. 光反射部は、励起光源からの励起光を通過し、固体レーザ媒質で増幅されたレーザ光を反射するダイクロイックコーティングとして構成され、該ダイクロイックコーティングは、固体レーザ媒質の端面に設けられることを特徴とする請求項４記載の固体レーザ増幅装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体レーザ増幅装置が、多段縦列配置されていることを特徴とする多段レーザ増幅装置。

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