JP2019176119A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成ながらも、縦モードが単一に近づけられ、且つ、偏光方向が制御されたレーザ光を出力できる固体レーザ装置を提供する。【解決手段】利得幅内の縦モード数が実質的に３本以下のレーザ光を出力する固体レーザ装置は、光共振器を構成する一対の反射手段と、一対の反射手段間に配置され、励起されて光を放出するレーザ媒質と、一対の反射手段間に配置され、レーザ媒質が放出する放出光を偏光する偏光制御手段を備える。偏光制御手段にフォトニック結晶を形成する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ光を出力する固体レーザ装置に関する。

レーザ光の縦モードを単一に近づけることができ、かつ数ナノ未満の短パルスを発生できる固体レーザデバイスが知られている（例えば特許文献１）。また、光共振器（共振器）を構成する一対のミラー間に、偏光子（ポラライザ）を傾斜させつつ配置した固体レーザ装置が知られている（例えば特許文献２）。また、Ｑスイッチを実現するための可飽和吸収体を、偏光方向を制御する機能としても利用する受動Ｑスイッチレーザ装置が知られている（例えば特許文献３）。

特開２０１４−１３５４２１号公報 特開２０１７−１８３５０５号公報 特開２００６−７３９６２号公報

特許文献１の固体レーザ装置は、レーザ光の縦モードを単一に近づけることができるものの、偏光方向が制御されていないレーザ光が出力されていた。例えばレーザ光の出力先に偏光制御素子を配置し、固体レーザ装置の外部で偏光方向を制御することは可能である。しかしこの場合、偏光制御素子の箇所で不要なエネルギーロスが発生してしまっていた。

一方、特許文献２の固体レーザ装置は、偏光方向が制御されたレーザ光を出力できるが、利得幅内の縦モード数を減らし難かった。つまり、偏光子を傾斜させつつ配置するスペースが必要であり、このスペースは光共振器長（光共振器のミラー間の距離）を短くする際の支障になっていた。また特許文献３の偏光方法は、偏光制御のために光共振器長が長くなることはないが、レーザ光の偏光特性が温度等で変化し易かった。

そこで、本開示は簡素な構成ながらも、縦モードが単一に近づけられ、且つ、偏光方向が制御されたレーザ光を出力できる固体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）利得幅内の縦モード数が実質的に３本以下のレーザ光を出力する固体レーザ装置は、光共振器を構成する一対の反射手段と、前記一対の反射手段間に配置され、励起されて光を放出するレーザ媒質と、前記一対の反射手段間に配置され、前記レーザ媒質が放出する放出光を偏光する偏光制御手段と、を備え、前記偏光制御手段はフォトニック結晶で形成されている、ことを特徴とする。

本開示の固体レーザ装置によれば、簡素な構成ながらも、縦モードが単一に近づけられ、且つ、偏光方向が制御されたレーザ光を出力できる。

本実施形態の固体レーザ装置の全体構成図である。 結合素子と出力素子の外観斜視図である。 第２反射部を結合素子側から見た図である。 第２反射部の構造を示す図である。 利得幅内の縦モード数を示す図である。 図１の固体レーザ装置を搭載した眼科用レーザ治療装置の光学系を示す図である。 変容例の固体レーザ装置の全体構成図である。 変容例の固体レーザ装置の全体構成図である。 変容例の固体レーザ装置の全体構成図である。 比較用の固体レーザ装置の全体構成図である。 比較用の固体レーザ装置の全体構成図である。 実験に用いた固体レーザ装置の全体構成図である。 図１２の固体レーザ装置で用いる出力素子の図である。 図１２の固体レーザ装置から出力されるレーザ光の波形を示すグラフである。 図１２の固体レーザ装置から出力されるレーザ光の偏光特性を示すグラフである。

以下、本開示における典型的な実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。なお本開示の固体レーザ装置（固体レーザ装置１等）はマイクロチップレーザと呼ばれることがある。本開示では利得幅内の縦モード数が実質的に１〜３本の固体レーザ装置、又は出力パルス幅が３ｎｓ未満（より好ましくは２ｎｓ未満）の固体レーザ装置をマイクロチップレーザと呼んでいる。なお本実施形態の出力パルス幅はレーザ光全体（つまりレーザ光のプロファイル全体）の時間的変化を対象にしている。また本開示では、レーザ媒質３３の利得特性において、半値幅内に存在する縦モード数が実質的に２本以下の固体レーザ装置を、マイクロチップレーザと呼ぶ場合がある。なお本開示の固体レーザ装置は共振器長を短くすることで、利得幅内の縦モード数３本以下を達成し、且つ、出力パルス幅２ｎｓ未満を達成している。なお縦モード数が実施的に３本以下とは、例えば、ピーク利得の半値を超える縦モードの本数を指す。半値幅内に存在する縦モード数が実質的に２本以下も同様であり、例えば、ピーク利得の半値を超える縦モードの本数を指す。

まず、本実施形態の固体レーザ装置１について、図１〜図５を参照しながら説明する。

＜固体レーザ装置の全体＞
本実施形態の固体レーザ装置１は、励起光源２と本体３を備える。励起光源２はレーザ媒質３３を励起するために用いられる。励起光源２の光源１１が生成した励起光ＢＥは、ファイバーを介して出力端１２から出射される。本実施形態では波長８０８ｎｍの励起光ＢＥが出力端１２から出射される。なおファイバーと出力端１２を用いず、励起光ＢＥが光源１１から直接出射されてもよい。

本実施形態の本体３は、支基２１、レンズ群２３、結合素子２５、および出力素子２７を備える。レンズ群２３、結合素子２５、及び出力素子２７は、支基２１上に所定の配置で固定されている。出力端１２は支基２１が備える入射端（不図示）に接続される。本実施形態では、励起光ＢＥの入射側（図１では左側）から、レンズ群２３、結合素子２５、出力素子２７の順で、光軸Ｌ１方向に並んで配置されている。なお本体３が備えるレンズ群２３を、励起光源２が備えてもよい。また固体レーザ装置が励起光源２を含まず、固体レーザ装置と励起光源２とを組み合わせた固体レーザシステムの態様であってもよい。

本実施形態の結合素子２５は、第１反射部３１（第１反射手段）、レーザ媒質３３、及び可飽和吸収体３５を備えており、これらが一体化されて構成されている。なお第１反射部３１を全反射ミラーと呼んでもよい。この結合素子２５は、例えば、光軸Ｌ１方向に沿った中心軸を有する円柱状（本実施形態では直径が５ｍｍ程度）をなしており、励起光ＢＥの入射側（図１では左側）から、第１反射部３１、レーザ媒質３３、可飽和吸収体３５の順で、光軸Ｌ１方向に並んで配置されている。なお結合素子２５を構成する第１反射部３１等の説明は、後ほど詳細に行う。

本実施形態の出力素子２７は、第２反射部４１（第２反射手段）と基板４３を備えており、これらが一体化されて構成されている。なお第２反射部４１を出力ミラーと呼んでもよい。本実施形態の第２反射部４１はフォトニック結晶であり、基板４３の表面に形成されている。出力素子２７は、例えば、光軸Ｌ１方向に沿った中心軸を有する円柱状（本実施形態では直径が５ｍｍ程度）をなしており、励起光ＢＥの入射側（図１では左側）から、第２反射部４１、基板４３の順で、光軸Ｌ１方向に並んで配置されている。本実施形態では結合素子２５と出力素子２７との間に間隔Ｐｄの隙間を設け、第２反射部４１として形成されるフォトニック結晶の損傷を抑制している。本実施形態では間隔Ｐｄは１ｍｍである。間隔Ｐｄを例えば、０．５〜１ｍｍの範囲内にすればよい。なお出力素子２７を構成する各部材の説明は、後ほど詳細に行う。

本実施形態では第１反射部３１と第２反射部４１とで、レーザ媒質３３が放出する放出光を共振させる光共振器を構成している。本実施形態の光共振器長Ｍａは１３ｍｍである。なお本開示の説明で用いる光共振器長（共振器長）とは、光学的な長さ（光路長）を示す。実際の共振器長（空間）を、例えば６〜１０ｍｍとしてもよい。なお光共振器長（光路長）は前述した長さに限るものではない。励起光ＢＥは第１反射部３１を介してレーザ媒質３３を励起する。偏光されたレーザ光ＢＬのパルスが第２反射部４１を介して出力される。なお結合素子２５と出力素子２７の形状は円柱状に限られず、例えば多角柱状（例えば直方体形状など）でもよい。

＜第１反射部＞
本実施形態の第１反射部３１は、励起光ＢＥを透過させ、レーザ媒質３３から放出される放出光を反射させる全反射ミラーとして作用する。本実施形態の第１反射部３１は誘電体多層膜で形成されている。レーザ媒質３３と可飽和吸収体３５の接合面とは反対側の端面に第１反射部３１が形成（蒸着）されている。

＜レーザ媒質＞
本実施形態のレーザ媒質３３は光活性物質を含有しており、励起光源２（例えば、レーザダイオード）から出射される励起光ＢＥが入射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するものである。レーザ媒質３３としては、母材としてのＹＡＧ結晶中のイットリウム（Ｙ）を他の希土類元素で置換したものを用いることができる。本実施形態では、レーザ媒質３３として、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は、レーザ媒質として多く使用されており、安価であって取り扱い性に優れているからである。レーザ媒質３３としては、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶に限られることなく、例えばＹｂ：ＹＡＧ結晶などを用いることもできる。

本実施形態において、レーザ媒質３３の厚さ（図１の紙面左右方向）は、例えば４〜５ｍｍ程度である。そして、本実施形態では、レーザ媒質３３がＮｄ：ＹＡＧ結晶であるから、励起光ＢＥの主波長が８０８ｎｍであり、放出光（レーザ光ＢＬ）の主波長が１０６４ｎｍとなる。なお、励起光ＢＥの波長は８０８ｎｍに限られることはなく、例えば８８５ｎｍであってもよい。

＜可飽和吸収体＞
本実施形態の可飽和吸収体３５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、光共振器において受動Ｑスイッチとして作動する。本実施形態の可飽和吸収体３５をＱスイッチと呼んでもよい。可飽和吸収体３５は、光強度が小さいときには光吸収率が大きく、光強度が所定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特性を有する。本実施形態では可飽和吸収体３５を、固体レーザ装置１からレーザ光ＢＬのパルス（ジャイアントパルス）を出力するために用いている。この可飽和吸収体３５は、レーザ媒質３３に接合されている。本実施形態では、可飽和吸収体３５として、例えばＣｒ:ＹＡＧ結晶を用いている。本実施形態において、可飽和吸収体３５の厚さ（図１の紙面左右方向）は、例えば３〜５ｍｍ程度であり、透過率が３０〜５０％になるように決定される。なお、この透過率は３０〜５０％に限られることなく、例えば透過率２０％程度になるように、可飽和吸収体３５の厚さを決めることもできる。

＜第２反射部（フォトニック結晶）＞
本実施形態の第２反射部４１は、レーザ媒質３３からの放出光の一部を透過させ残部を反射させるハーフミラーとして作用する。また本実施形態の第２反射部４１は更に、レーザ光ＢＬ（レーザ媒質３３が放出する放出光）に対する偏光制御の作用も有する。なお本実施形態の第２反射部４１はレーザ光ＢＬを直線偏光する。詳細には、励起光ＢＥに基づきレーザ媒質３３から放出される放出光は、光共振器内で発振して、第２反射部４１からレーザ光ＢＬとして出力される。第２反射部４１の作用に着目すると、可飽和吸収体３５の光吸収率が小さくなると、放出光は光共振器を構成する第１反射部３１と第２反射部４１とで反射（つまり発振）しつつ第２反射部４１からレーザ光ＢＬとして出力される。ここで放出光（レーザ光ＢＬ）が第２反射部４１で反射する際に、第２反射部４１によって直線偏光化が行われる。なお本実施形態の第２反射部４１は、入射光の４０％程度（例えば３０〜５０％の範囲内）を反射し、入射光の９０％以上を透過する特性を有する。本実施形態の第２反射部４１は入射光に対して、反射、偏光、および透過を行う。このように本実施形態の第２反射部４１は、光共振器を構成する出力ミラーとしての作用とレーザ光ＢＬを偏光制御する作用とを兼ね備える。

本実施形態では第２反射部４１としてフォトニック結晶を用いている。フォトニック結晶とは、例えば、屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体を指す。フォトニック結晶は、光学材料内に波長オーダーの屈折率周期構造を持った構造体（素子）とも言える。この周期構造は自由に設計可能であり、例えばミラー表面に縦方向と横方向とで構造が異なる周期構造を形成させて、光の偏光方向（振動方向）に対して縦方向と横方向とで反射率を変えることができる。例えば素子方向に対し、縦偏光は反射し横偏光は透過させる素子を形成できる。

一例として、反射側の偏光成分の反射率を高くすると（例えば９０％以上）、この素子を光共振器内の高反射ミラー且つ一方の偏光だけを反射する偏光制御素子（偏光制御手段）として利用できる。また同様に例えば、反射率を１０〜９０％の範囲で任意に設定すると、偏光制御機能を持った出力ミラーとして利用できる。このように、フォトニック結晶ミラーは両方の機能（共振ミラー・偏光制御素子）を持つことが可能であり、本開示のようにマイクロチップレーザの光共振器ミラーに利用することで、共振器長を伸ばすことなく簡単に直線偏光化が可能になる。なおフォトニック結晶で形成した偏光制御素子は反射型であり、透過偏光に直交する偏光は反射される。従って、偏光分離素子としても利用できる。

本実施形態のフォトニック結晶は２次元型であり、透明な板状部材である基板４３の片面に、薄膜で形成されている（図３のハッチング箇所を参照）。本実施形態の基板４３は石英で形成されている。本実施形態ではフォトニック結晶を形成する多層膜として、酸化シリコン、酸化ニオブ、酸化タンタルあるいは酸化ハフニウム等を用いている。

本実施形態では２次元の周期構造体を第２反射部４１として用いている。本実施形態の第２反射部４１には、直線偏光化するためのパターンがフォトニック結晶の態様で形成されている。本実施形態のフォトニック結晶は自己クローン技術で形成されている。図４は第２反射部４１の一部領域を切り出した構造図である。図４で例示するように、本実施形態では基板４３の表面に凹凸パターンを形成し、この凹凸パターン上に多層膜をスパッタリング成膜することでフォトニック結晶（第２反射部４１）を成形している。なお例えば、第２反射部４１として３次元の周期構造体（３次元型のフォトニック結晶）を用いてもよい。３次元型のフォトニック結晶で円偏光させてもよい。前述したようにフォトニック結晶（第２反射部４１）は基板４３の片面に形成されており、基板４３は光軸Ｌ１に対して垂直に配置される。つまり本実施形態では、光共振器内で発振するレーザ光ＢＬはフォトニック結晶面に対して垂直に入射する。入射軸に沿ってフォトニック結晶面に入射し、フォトニック結晶面で偏光されたレーザ光ＢＬは、入射軸を戻るようにフォトニック結晶面に対して垂直に反射する。つまり本実施形態で示すフォトニック結晶（第２反射部４１）を用いた偏光制御では、入射軸（偏光前）と出射軸（偏光後）が一致し、且つ、入射軸と出射軸はフォトニック結晶面に対して垂直である。

本実施形態の第１反射部３１及び第２反射部４１は、その間にレーザ媒質３３及び可飽和吸収体３５を共振光路上（光軸Ｌ１上）に有し、レーザ媒質３３からの放出光を共振させる光共振器を構成する。このように第１反射部３１及び第２反射部４１を設けることで、レーザ光ＢＬを偏光制御しつつ光共振器長を短縮できる。つまり本実施形態の固体レーザ装置１は、レーザ媒質３３が放出する放出光を偏光する偏光手段（第２反射部４１）を一対の反射手段間に配置し、偏光手段をフォトニック結晶で形成している。これにより、本実施形態の固体レーザ装置１は、縦モード数を単一に近づけている。詳細には、本実施形態の固体レーザ装置１は、利得幅内の縦モード数が実質的に３本以下である。本実施形態の固体レーザ装置１は、例えば、出力パルス幅２ｎｓ未満を達成し、且つ、レーザ光ＢＬの出力変動（リップル成分）が抑制されている。

＜縦モード数＞
図５は本実施形態の固体レーザ装置１が生成するレーザ光ＢＬの特性を示す。図５にて点線で示す曲線は、レーザ媒質３３の利得特性を示す。図５にて符号Ｐ１，符号Ｐ２，符号Ｐ２で示す実線は、本実施形態の固体レーザ装置１の縦モードを示す。本実施形態の固体レーザ装置１は短い光共振器長であるため、縦モード数が単一に近づけられている。本実施形態の固体レーザ装置１は、レーザ媒質３３の利得幅内の縦モード数が実質的に３本以下、又はレーザ媒質３３の利得特性において、半値幅Ｑ内に存在する縦モード数が実質的に２本以下である。なお、利得幅内の縦モード数が単一（１本：縦モードシングル）に近づくほど好ましい。

＜実験例＞
図１２〜１５を併用し、本実施形態の固体レーザ装置１を用いた実験例を説明する。図１２は、実験に用いた固体レーザ装置の全体構成図である。図１と同じ符号箇所の説明は省略する。

実験例の固体レーザ装置１では、レンズ群２３と結合素子２５は支基２１に組み付けられている。出力素子２７はホルダ２２に組み付けられ、ホルダ２２は調整機構２４を介して支基２１に組み付けられている。つまり、レンズ群２３と結合素子２５は支基２１に固定され、出力素子２７は結合素子２５に対する位置及び角度の調整が可能とされている。なおホルダ２２と調整機構２４の組合せにより２軸のミラーホルダーが形成されている。図１２の実験例は一例であり、例えば、ホルダ２２が支基２１に固定されていてもよい。なお実験例の固体レーザ装置１は一例であり、例えば結合素子２５の箇所が分離していても構わない。つまり結合素子２５を構成する各素子同士が分離していてもよい。結合素子２５の代わりに、例えば、第１反射部３１、レーザ媒質３３、及び可飽和吸収体３５の各々を独立した素子とし、光軸Ｌ１上に配列させてもよい。

実験例では光源１１（励起用）の一例として、DILAS社の808nm QCW Diode Laserを用いている。光源１１はダイオードレーザ（半導体レーザ）であり、光源１１が出力するレーザ光の波長は８０８ｎｍである。実験例では光源１１がパルス状レーザ光を出力するように不図示の制御手段が光源１１を制御する。実験例では励起光の導光用として、コア径４００μｍの光ファイバー（DILAS社のHigh Power SMA/SMA Fiber）を用いている。光ファイバーの片端は光源１１に接続され、他端（出力端１２）は支基２１の入力端子に接続されている。なお光源１１と光ファイバーは一例である。

図１３は、実験例の固体レーザ装置１で用いる出力素子２７の図である。図１３（ａ）は出力素子２７を図１２の紙面左側から見た正面図であり、図１３（ｂ）は出力素子２７の側面図である。基板４３は板ガラスであり、一辺が１６ｍｍの正方形である。また基板４３は厚さ（光軸Ｌ１方向）は１ｍｍである。第２反射部４１（フォトニック結晶）は基板４３上に薄膜形成されている。実験例の第２反射部４１は、基板４３の中央部に４ｍｍ×３．５ｍｍの長方形で形成されており、可飽和吸収体３５と向き合う基板４３の片面に形成されている。なお第２反射部４１が薄膜形成される基板４３の表面の一部領域には、凹凸形状が形成されている（図４参照）。

実験例の第２反射部４１（フォトニック結晶）は、波長１０６４ｎｍに対して透過率（透過偏光透過率）が９５％以上であり、且つ、同波長に対する反射率（遮断偏光透過率）が５０％±１０％となる特性で形成されている。なお実験例では、基板４３を透過して出力されるレーザ光ＢＬのビーム径は３ｍｍである。

組立作業者は調整機構２４を用いて、基板４３からレーザ光ＢＬが出力されるように、結合素子２５に対するホルダ２２の位置調整を行う。なお本実験例の調整機構２４は、ホルダ２２を光軸Ｌ１の周方向に回転できる。従って、組立作業者はホルダ２２を回転することで、基板４３から出力されるレーザ光ＢＬの偏光方向を調整できる。

図１４は、実験例の固体レーザ装置１から出力されるレーザ光ＢＬのパルス波形に対応する測定結果（グラフ）である。図１４の横軸は時間であり、縦軸はレーザ光ＢＬのエネルギーの相対値である。図１４にて示されるように、実験例の固体レーザ装置１は半値幅１ｎｓ以下のレーザ光ＢＬを出力する。図１５は、実験例の固体レーザ装置１から出力されるレーザ光ＢＬの偏光特性に対応する測定結果（グラフ）である。図１５は光軸Ｌ１に直交する任意方向とレーザ光ＢＬのエネルギーとの関係を示す測定結果（グラフ）である。図１５は、光軸Ｌ１に直交する線分の角度に応じて、レーザ光ＢＬのエネルギーが変化することを示している。つまり図１５により、固体レーザ装置１から出力されるレーザ光ＢＬは偏光特性を有していると理解できる。なお実験例の固体レーザ装置１は一例として、４［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］のレーザ光を出力する。

このように、実験例の固体レーザ装置１は、共振器内にフォトニック結晶を配置することで、偏光されたレーザ光を共振器から出力できる。なお、実験例の固体レーザ装置１の基板４３の厚さは１ｍｍだが、基板４３が歪むことで第２反射部４１（フォトニック結晶）の特性が局所的又は全体的に変化し、レーザ光ＢＬのビームプロファイルが荒れ易くなると考えられる。したがって、基板４３の厚さは１ｍｍ以上が好ましく、３ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上が更に好ましい。なお、第２反射部４１（フォトニック結晶）と特性と基板の厚さとの関係は、実験例の基板４３に限るものでは無い。例えば、後ほど図９を用いて説明する偏光制御部５７でも同様である。つまり、レーザ光を偏光するためのフォトニック結晶を形成する基板の厚さは１ｍｍが好ましく、３ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上が更に好ましい。なお図１２で示した固体レーザ装置１の構成は、本開示の技術を説明するための実験例に過ぎず、適宜変更してもよい。

＜他の偏光制御方法との比較＞
図１０と図１１を併用し、本実施形態の固体レーザ装置１とフォトニック結晶を用いない比較用の固体レーザ装置（固体レーザ装置１１０，固体レーザ装置１２０）とを比較する。固体レーザ装置１１０，固体レーザ装置１２０は共に、マイクロチップレーザ（又は縦モードが単一に近づけられたレーザ）であるものとする。なお図１０と図１１において図１と同じ符号箇所は同じ部材であるため説明を省略する。

図１０に示す比較用の固体レーザ装置１１０は、図１０の第２反射部８３には誘電体多層膜が形成されている。第２反射部８３は、レーザ媒質３３からの放出光の一部を透過させ残部を反射させるハーフミラーとしての作用を有するが、偏光制御の作用を有しない。なお第２反射部８３（図１０）は可飽和吸収体３５等と一体化されているため、比較用の固体レーザ装置１１０の光共振器長Ｍｅは、本実施形態の固体レーザ装置１の光共振器長Ｍａよりも短い。つまり、光共振器長Ｍａ＞光共振器長Ｍｅの関係である。

光共振器長の関係から、比較用の固体レーザ装置１１０（図１０）は本実施形態の固体レーザ装置１（図１）よりも縦モードを単一に近づけ易い。しかし比較用の固体レーザ装置１１０から出力されるレーザ光ＢＬは偏光制御されていないため、偏光制御されたレーザ光ＢＬを用いたい場合、固体レーザ装置１１０の外部に偏光子８５（ポラライザ）を配置する必要がある。しかしこの場合、外部に配置した偏光子８５の箇所にて、レーザ光ＢＬのエネルギーが大きく減衰してしまう。つまり固体レーザ装置１１０の外部で偏光制御する場合、偏光制御とエネルギー減衰とがトレードオフの関係になる。従って、偏光子８５でのエネルギー減衰を考慮して、固体レーザ装置１１０を高出力化する必要がある。固体レーザ装置１１０を高出力化しようとすると、例えば、複雑な放熱手段を設ける必要がある。これに対して本実施形態の固体レーザ装置１１０は、光共振器長の増加を抑制しつつ光共振器内に偏光制御手段（第２反射部４１）を配置しているため、縦モード数を単一に近づけ、且つ、偏光制御したレーザ光ＢＬをエネルギー効率よく出力できる。例えば、複雑な放熱手段が不要になる。

図１１に示す比較用の固体レーザ装置１２０は、偏光制御用の偏光子８５（ポラライザ）とハーフミラー用の第２反射部８３とに分離した態様である。第２反射部８３は先に説明した固体レーザ装置１１０と同じであるが、固体レーザ装置１２０では第２反射部８３は基板８７上に形成されている。偏光子８５は、可飽和吸収体３５と第２反射部８３の間に斜設されている。より詳しくは、偏光子８５は光軸Ｌ１に直交する面に対して２０度以上の角度で光軸方向（図１１の紙面右側）に傾斜している。偏光子８５の偏光制御する面（素子）を、光軸に対してブリュースター角（５６度程度）や４５度に配置してもよい。

一例として偏光子８５を傾斜させない場合（光軸に対して直交させる場合）、例えば、レーザ光ＢＬを偏光出来ない、又はレーザ光ＢＬの発振中又は出力時に偏光子８５が発熱する可能性が高い。前述した偏光子８５が発熱する場合、偏光子８５を損傷し易いと考えられる。比較用の固体レーザ装置１１０の光共振器長Ｍｆは本実施形態の固体レーザ装置１（図１）の光共振器長Ｍａよりも長く、光共振器長Ｍａ＜光共振器長Ｍｆの関係になる。

ここで比較用の固体レーザ装置同士を比較すると、比較用の固体レーザ装置１２０（図１１）は比較用の固体レーザ装置１１０（図１０）よりも、偏光制御されたレーザ光ＢＬをエネルギー効率よく生成できる。つまり、固体レーザ装置１２０は固体レーザ装置１１０よりも低出力化し易い。しかし比較用の固体レーザ装置１２０は偏光子８５の斜設に伴い、光共振器長Ｍｆが固体レーザ装置１１０の光共振器長Ｍｅよりも間隔Ｐｃだけ長くなっている。これにより、比較用の固体レーザ装置１２０（図１１）は比較用の固体レーザ装置１１０（図１０）よりも縦モードを単一に近づけ難い。

これらの比較用の固体レーザ装置に対して、本実施形態の固体レーザ装置１１０は、光共振器内にフォトニック結晶を用いた偏光制御手段（第２反射部４１）を配置することで、縦モード数を単一に近づけ、且つ、偏光制御したレーザ光ＢＬをエネルギー効率よく出力できる。なお本実施形態では組立時の第２反射部４１の傷付きを抑制するため可飽和吸収体３５と第２反射部４１の間に隙間（間隔Ｐｂ：図２の左右方向）を設けている。間隔Ｐｂ（図２）は間隔Ｐｃ（図３）よりも遥かに短く、２つの長さの関係は間隔Ｐｂ＜間隔Ｐｃである。つまり、本実施形態の固体レーザ装置１（図１）は比較用の固体レーザ装置１２０（図１１）よりも縦モードを単一に近づけ易い。なお本実施形態では可飽和吸収体３５と第２反射部４１の間に隙間を設けているが、これに限るものではなく、可飽和吸収体３５と第２反射部４１を密接していてもよい。この場合、本実施形態の固体レーザ装置１（図１）の光共振器長Ｍａは比較用の固体レーザ装置１１０（図１０）の光共振器長Ｍｅと同じになり得る。

このように、利得幅内の縦モード数が実質的に１〜３本のレーザ光を出力する本実施形態の固体レーザ装置１は、光共振器を構成する一対の反射手段と、一対の反射手段間に配置され、励起されて光を放出するレーザ媒質３３と、一対の反射手段間に配置され、レーザ媒質３３が放出する放出光を偏光する偏光制御手段とを備えており、偏光制御手段はフォトニック結晶で形成されている。これにより縦モードを単一に近づけ易く短パルス化もし易い、また、偏光制御されたレーザ光ＢＬをエネルギー効率よく生成できる。なお本実施形態の固体レーザ装置１はＱスイッチを備えるが、これに限るものでなく、固体レーザ装置１が可飽和吸収体３５を備えなくてもよい。一対の反射手段間に偏光制御を行なうためのフォトニック結晶が配置されていればよい。

また本実施形態の固体レーザ装置１において、偏光制御手段（第２反射部４１）はレーザ媒質３３が放出する放出光を直線偏光する。これにより、例えば、固体レーザ装置１を高出力化することなく、固体レーザ装置１の外部でレーザ光ＢＬのエネルギー調節が容易である。エネルギー調節方法として、例えば、回動可能な１／２波長板と固設した偏光板とを組み合わせてもよい（例えば特開２０００−１４６７９号公報参照）。

また本実施形態の固体レーザ装置１は、一対の反射手段間に配置され、光共振器の光損失を変化させるＱスイッチを備える。これにより、例えば、固体レーザ装置１からジャイアントパルス（レーザ光ＢＬのパルス）を出力できる。固体レーザ装置１から出力されるジャイアントパルスは、縦モードが単一に近づけられ、且つ、エネルギー効率よく偏光制御されている。なお、Ｑスイッチとしてレーザ媒質３３が放出する放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体３５を用いることで、例えば固体レーザ装置１を簡素な構成にし易い。ここで本実施形態の固体レーザ装置１は、出力されるレーザ光ＢＬのパルス幅が２ｎｓ未満となる間隔で一対の反射手段が配置されている。レーザ光ＢＬのパルス幅を短くするほど、固体レーザ装置１から出力されるレーザ光ＢＬのピークパワーを大きくし易くできる。これにより例えば、レーザ光ＢＬを用いたプラズマを発生し易くできる。また本実施形態の固体レーザ装置１は利得幅内の縦モード数が１〜３本のレーザ光ＢＬ（ジャイアントパルス）を出力するため、リップルが抑制されたジャイアントパルスを出力でき、プラズマを安定して発生できる。

また本実施形態の固体レーザ装置１は、一対の反射手段の少なくともいずれかにフォトニック結晶が形成されており、フォトニック結晶はレーザ媒質３３が放出する放出光に対して反射と偏光を行う。フォトニック結晶が複数の作用を兼用するため、例えば、光共振器長を短くし易い。また、固体レーザ装置１を簡素な構成にし易い。

このように本実施形態の固体レーザ装置１（マイクロチップレーザー）は、共振器長を短くすることで、短パルス化（２ｎｓ未満）し、かつ単一波長化を達成しようとするレーザである。例えば固体レーザ装置から出力されるレーザ光ＢＬを高効率で波長変換（グリーン光等へ）するには、基本波光の直線偏光化が必要になる。ここでマイクロチップレーザの共振器内に通常の偏光制御素子（ポラライザ）を挿入すると、共振器長が伸びてしまうため、パルス幅が延びる。さらに多波長化することで時間パルス波形も不安定化し易い。本実施形態の固体レーザ装置１は偏光素子（ポラライザ）を挿入せずに、共振器ミラー偏光制御機能を持たせることで、従来と同じレーザ構成となり、短パルス化、単一波長化を達成し易い。小型の固体レーザ装置にて、短パルスと単一偏光を両立できるため、応用範囲も広い。

次いで、図７〜図９を併用し、固体レーザ装置１の変容例を説明する。図７〜図９において図１と同じ符号箇所は同じ部材であるため説明を省略する。

＜第１変容例の固体レーザ装置＞
図７に示す第１変容例の固体レーザ装置１０１は入力素子２８を備え、入力素子２８はフォトニック結晶が形成されている第１反射部５２を有する。また第１変容例の固体レーザ装置１０１は、誘電体多層膜が形成されている第２反射部８３を備える。第１反射部５２には２次元型又は３次元型のフォトニック結晶が形成されており、レーザ光ＢＬの直線偏光と全反射が可能である。ここで第１反射部５２は更に、励起光ＢＥを通過させる特性も有する。第２反射部８３は比較用の固体レーザ装置１１０と同じ部材であるため説明を省略する。

図１に記した固体レーザ装置１の光共振器長Ｍａと図７に記した変容例の固体レーザ装置１０１の光共振器長Ｍｂとの関係は、光共振器長Ｍａ＝光共振器長Ｍｂである。つまり第１変容例の固体レーザ装置１０１も固体レーザ装置１と同様に、光共振器内にフォトニック結晶を用いた偏光制御手段（第１反射部５２）を配置することで、縦モード数を単一に近づけ、且つ、偏光制御したレーザ光ＢＬをエネルギー効率よく出力できる。

＜第２変容例の固体レーザ装置＞
次いで図８を用いて第２変容例の固体レーザ装置１０２を説明する。第２変容例の固体レーザ装置１０２は、励起光ＢＥをレーザ光ＢＬの出力側（つまり出力ミラー側）から入射させる。第１反射部５４（全反射ミラー）にはフォトニック結晶が形成されている。詳細には、可飽和吸収体３５の片面にフォトニック結晶がコーティングで形成されている。第１反射部５４はレーザ光ＢＬの全反射の作用とレーザ光ＢＬの偏光制御の作用を有する。

第２反射部５５（出力ミラー）は、レーザ光ＢＬの波長に対してハーフミラーの作用を有し、励起光ＢＥに対して通過させる作用を有する。第２反射部５５を誘電体多層膜で形成してもよい。励起光源２から出射された励起光ＢＥは、レンズ群２３を介した後にダイクロイックミラー５６で第２反射部５５の方向に反射し、第２反射部５５を介してレーザ媒質３３を励起する。光共振器から出力されるレーザ光ＢＬは、ダイクロイックミラー５６を透過する。図１の固体レーザ装置１と対比すると、光共振器長の関係は、光共振器長Ｍａ＞光共振器長Ｍｃである。第２変容例の固体レーザ装置１０２のフォトニック結晶（第１反射部５４）は、レーザ光ＢＬの全反射の作用とレーザ光ＢＬの偏光制御の作用のみであり、フォトニック結晶の構造を簡素化し易い。

＜第３変容例の固体レーザ装置＞
次いで図９を用いて第３変容例の固体レーザ装置１０３を説明する。第３変容例の固体レーザ装置１０３は、偏光制御用の部材が独立して設けられている。第３変容例の固体レーザ装置１０３は、レーザ光ＢＬに対する偏光制御の作用は偏光制御素子２９（偏光制御手段）で行い、レーザ光ＢＬに対するハーフミラーの作用は第２反射部８３（反射手段）で行う。なお第２反射部８８と基板８７は比較用の固体レーザ装置１２０と同じであるため説明を省略する。偏光制御素子２９は偏光制御部５７と基板５８を備える。偏光制御部５７はフォトニック結晶であり、フォトニック結晶は透明な板状部材である基板５８の片面に形成されている。偏光制御素子２９ではレーザ光ＢＬの直線偏光が行われる。

ここで第３変容例の固体レーザ装置１０３の光共振器長Ｍｄと比較用の固体レーザ装置１２０（図１１）の光共振器長Ｍｆを対比すると、光共振器長Ｍｄ＜光共振器長Ｍｆの関係にある。第３変容例の固体レーザ装置１０３の間隔Ｐｂは比較用の固体レーザ装置１２０の間隔Ｐｃよりも短いため、光共振器長を短くし易い。つまり、縦モードが単一に近づけられ、且つ、偏光方向が制御されたレーザ光を出力する。以上説明したように、図１に示した本実施形態の固体レーザ装置１のみならず、図７〜図９に示した変容例の固体レーザは何れも、光共振器を構成する一対の反射手段間にフォトニック結晶で形成された偏光制御手段を配置し、レーザ光を偏光している。これにより、縦モードが単一に近づけられ、且つ、偏光方向が制御されたレーザ光をエネルギー効率よく出力できる。なお反射手段間とは反射手段の箇所（例えば全反射ミラー，ハーフミラー）も含む。なお本開示の固体レーザ装置（１，１０１，１０２，１０３）は例示に過ぎず、例えば、レーザ媒質３３と可飽和吸収体３５が接合されていなくてもよい。

＜利用例＞
図６は一例として、本実施形態の固体レーザ装置１を搭載した眼科用レーザ治療装置２００を示す。なお図６は、後述する選択的レーザー線維柱帯形成術の場合を示している。本実施形態の眼科用レーザ治療装置２００は、患者眼Ｅｐに第１波長の治療レーザ光を照射する第１照射手段８と、患者眼Ｅｐに第２波長の治療レーザ光を照射する第２照射手段９とを備える。眼科用レーザ治療装置２００は更に、患者眼Ｅｐを観察するための観察手段７を備える。観察手段は対物レンズ６９とダイクロイックミラー６８を第１照射手段８等と兼用し、変倍レンズ群７１と術者眼Ｅｏが覗く接眼レンズ７２を備える。本実施形態では第１照射手段８と第２照射手段９と観察手段７は筐体６に収容されている。本実施形態では第１照射手段８と第２照射手段９とで固体レーザ装置１を共用する。

先ず、第１照射手段８を用いた後発白内障の治療方法を説明する。第１照射手段８は光軸Ｌ２を備える第１照射光学系を用いて、固体レーザ装置１から出射されるレーザ光ＢＬを患者眼Ｅｐに照射する。なお第１照射手段８で患者眼Ｅｐにレーザ光ＢＬを照射する際には、術者が治療モード切換手段を操作して、挿脱ミラー６２を光路外に退避しておく。本実施形態の第１照射手段８は、固体レーザ装置１、エネルギー調節部６１（減衰手段）、ミラー６３、ミラー６４、ダイクロイックミラー６５、シャッター６６、ビームエキスパンダ６７、ダイクロイックミラー６８、および対物レンズ６９を備える。術者が操作するトリガスイッチに基づき固体レーザ装置１から出射されたレーザ光ＢＬ（波長１０６４ｎｍでありパルス幅３ｎｓ未満）は、エネルギー調節部６１で減衰（調節）される。本実施形態のエネルギー調節部６１は、回動可能な１／２波長板と固設した偏光板とで構成される（例えば特開２０００−１４６７９号公報参照）。エネルギー調節部６１は、患者眼Ｅｐに照射する治療レーザ光のエネルギーを調節する。

エネルギー調節部６１を通過したレーザ光ＢＬは、光路外に退避された挿脱ミラー６２を通過してミラー６３に入射する。ミラー６３に入射したレーザ光ＢＬは、ミラー６４で反射した後、ダイクロイックミラー６５を透過してシャッター６６の開口部を通過する。シャッター６６を通過したレーザ光ＢＬは、ビームエキスパンダ６７でビーム径が拡大される。ダイクロイックミラー６８で反射したレーザ光ＢＬは対物レンズ６９とコンタクトレンズＣＬを介して患者眼Ｅｐに入射する。

患者眼Ｅｐの水晶体後嚢部ではレーザ光ＢＬに基づくプラズマが発生し、白濁した後嚢に穴が空く。なお前述したビームエキスパンダ６７は、プラズマを発生し易くするためビーム径を拡大している。本実施形態の固体レーザ装置１は利得幅内の縦モード数が少ないため、例えば、患者眼Ｅｐの照射するレーザ光ＢＬのエネルギーが少なくてもプラズマを安定して発生させ易い。また、本実施形態の固体レーザ装置１はパルス幅が３ｎｓ未満であるため、プラズマを発生させ易い。つまりパルス幅を短くすることでピークパワーを大きくし易い。ピークパワーが大きいことでプラズマが発生され易い。また効率よくピークパワーを得られるため、固体レーザ装置１の高出力化も抑制されている。また本実施形態の固体レーザ装置１は直線偏光されたレーザ光ＢＬを出力するため、患者眼Ｅｐに照射する治療レーザ光（レーザ光ＢＬ）を、エネルギー効率よく調節できる。なおパルス幅を狭めるほど（例えば２ｎｓ未満）、プラズマが発生され易くなる。

次いで、第２照射手段９を用いた選択的レーザー線維柱帯形成術（ＳＬＴ）を説明する。第２照射手段９は光軸Ｌ３を備える第２照射光学系を用いて、固体レーザ装置１から出射されるレーザ光ＢＬを患者眼Ｅｐに照射する。なお第２照射手段９で患者眼Ｅｐにレーザ光ＢＬを照射する際には、術者が治療モード切換手段を操作して、挿脱ミラー６２を光路内に挿入しておく。本実施形態の第２照射手段９は、固体レーザ装置１、エネルギー調節部６１、挿脱ミラー６２、縮小光学系７３、波長変換器７４（波長変換手段）、ダイクロイックミラー６５、シャッター６６、ビームエキスパンダ６７、ダイクロイックミラー６８、および対物レンズ６９を備える。術者が操作するトリガスイッチに基づき固体レーザ装置１から出射されたレーザ光ＢＬ（波長１０６４ｎｍのパルス）は、エネルギー調節部６１で減衰された後、光路内に挿入された挿脱ミラー６２で反射する。挿脱ミラー６２で反射したレーザ光ＢＬは、縮小光学系７３でビーム径が縮小された後、波長変換器７４に入射する。波長変換器７４では、入射した波長１０６４ｎｍのビームを５３２ｎｍに変換する。本実施形態の波長変換器７４はＫＴＰである。波長変換器７４で波長変換されたレーザ光ＢＬは、ダイクロイックミラー６５で反射してシャッター６６の開口部を通過する。以降、ビームエキスパンダ６７でビーム径が拡大され、ダイクロイックミラー６８で反射したレーザ光ＢＬは、対物レンズ６９とコンタクトレンズＣＬを介して患者眼Ｅｐに入射する。患者眼Ｅｐの線維柱帯には５３２ｎｍに波長変換されたレーザ光ＢＬが照射される。本実施形態の固体レーザ装置１は偏光制御したレーザ光ＢＬを出力するため、波長変換器７４で効率よく波長変換できる。

本実施形態の固体レーザ装置１を用いた眼科用レーザ治療装置２００は、固体レーザ装置１と、固体レーザ装置１から出力されるレーザ光を波長変換する波長変換手段と、固体レーザ装置１から出力されるレーザ光を用いて、第１波長の治療レーザ光を患者眼に照射する第１照射手段８を備えている。また眼科用レーザ治療装置２００は更に、波長変換手段を用いて、第２波長の治療レーザ光を患者眼に照射する第２照射手段９と、固体レーザ装置１から出力されるレーザ光を所定の割合へと減衰する減衰手段とを備えている。これにより、例えば、簡素な構成ながらも波長が異なる治療レーザ光を患者眼に照射できる。眼科用レーザ治療装置を小型化し易い。なお本開示は一例にすぎず、固体レーザ装置１を搭載した眼科用レーザ治療装置が、第１照射手段と第２照射手段のいずれか一方を備えるだけでもよい。また、本開示の技術を適用可能な眼科用レーザ装置はこれに限るものでは無い。例えば、患者眼の網膜に治療レーザ光を照射して、この治療レーザ光で凝固班を生成する光凝固装置に本開示の固体レーザ装置を用いてもよい。従来の眼科用レーザ治療装置（例えば特開２０１６−１９３０７１号公報）では、共振器長の長いレーザ光源が搭載されていた。詳細には、特開２０１７−１８３５０５号公報の固体レーザ装置のように、共振器内に偏光子が斜設され、また利得幅内の縦モード数が実質的に５本以上のレーザ光源が搭載されていた。このため、眼科用レーザ治療装置が大型化し易く、また治療レーザ光のビーム品質を向上させ難かった。このビーム品質の課題の一例として、パルス波形が安定し難く、治療レーザ光を用いた気中プラズマの下限値（閾値）を下げ難かった。これに対して本実施形態では、例えば、眼科用レーザ治療装置２００を小型化し易い。また気中プラズマの下限値を下げ易い。本実施形態の固体レーザ装置を用いた眼科用レーザ治療装置は、例えば、眼科用レーザ治療装置の構成を簡素でき、治療レーザ光のビーム品質を向上でき、また眼科用レーザ装置を小型化し易い。

＜その他＞
なお本開示の固体レーザ装置はレーザ光ＢＬをパルス出力するため可飽和吸収体３５を備えるが、可飽和吸収体３５を備えない固体レーザ装置の態様であってもよい。つまりフォトニック結晶を用いた偏光制御で光共振器長を短くできればよい。また本開示の固体レーザ装置は光共振器の光損失を変化させるＱスイッチとして可飽和吸収体３５（言い換えるなら受動Ｑスイッチ）を用いるが、これに限るものでは無く、Ｑスイッチで光共振器の光損失を変化できればよい。例えば能動Ｑスイッチ（ＡＯＭ，ＥＯＭ等）を用いてもよい。Ｑスイッチとフォトニック結晶を組み合わせて、例えば、共振器長を抑制しつつ、直線偏光されたレーザ光ＢＬをパルス（ジャイアントパルス）として出力できればよい。なおフォトニック結晶を形成する箇所は、光共振器を構成する反射手段（図１の第２反射部４１等）、又は偏光制御用として独立した部材（図９の偏光制御部５７）に限らない。例えばレーザ媒質３３や可飽和吸収体３５の表面に、偏光制御するためのフォトニック結晶を形成してもよい。つまりレーザ媒質３３や可飽和吸収体３５の表面に、フォトニック結晶をコーティングで形成してもよい。光共振器間に偏光制御するためのフォトニック結晶が配置されればよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲及びこれと均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 固体レーザ装置
３１ 第１反射部
３３ レーザ媒質
４１ 第２反射部

Claims (4)

1. 利得幅内の縦モード数が実質的に３本以下のレーザ光を出力する固体レーザ装置は、
   光共振器を構成する一対の反射手段と、
   前記一対の反射手段間に配置され、励起されて光を放出するレーザ媒質と、
   前記一対の反射手段間に配置され、前記レーザ媒質が放出する放出光を偏光する偏光制御手段と、
   を備え、
   前記偏光制御手段はフォトニック結晶で形成されている、
   ことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 請求項１に記載の固体レーザ装置であって、前記偏光制御手段は前記レーザ媒質が放出する放出光を直線偏光する、ことを特徴とする固体レーザ装置。
3. 請求項１または２に記載の固体レーザ装置は、前記一対の反射手段間に配置され、前記光共振器の光損失を変化させるＱスイッチを備える、ことを特徴とする固体レーザ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レーザ装置は、前記一対の反射手段の少なくともいずれかに前記フォトニック結晶が形成されており、前記フォトニック結晶は前記レーザ媒質が放出する放出光に対して反射と偏光を行う、ことを特徴とする固体レーザ装置。

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