JP2020174093A - レーザー増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｖ字型反射のメカニズムを採用しながら垂直型反射と同様な増幅を可能として出射レーザー光の歪みが少なく構造がシンプルで高効率なレーザー増幅器を提供する。【解決手段】対向する両端面が平行研磨され、一の端面に増反射膜ＨＲが形成され、他の端面に反射防止膜ＡＲが形成された増幅用利得媒質１５と、この増幅利得媒質１５の他の端面に外部から導入される入射レーザー光１２を所定角度で入射させ、前記一の端面で反射させ、再度前記他の端面から増幅された出射レーザー光２６として出射させる反射体９ａと、入射レーザー光１２と出射レーザー光２６が形成するＶ字状光路に重畳する励起レーザー光２５を外部から導入する励起レーザー光導入部２０と、を有し、所定角度は反射体９ａの端部２８ａに出射レーザー光２６がわずかに接しない距離を実現する角度であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＹＡＧレーザー等の固体レーザーの増幅器に関する。

従来の固体レーザー増幅器は、主に偏光特性を利用したＷ−ＰＡＳＳ励起方式（例えば特許文献１、２参照）と、Ｚ型やＶ型、リング状の斜め多重反射、またはジグザグ多重反射方式の様にレーザー増幅媒質内を斜めに複数回入射させることにより、励起距離を長くして利得を上げる方式（例えば特許文献３、４参照）に分類できる。いずれの増幅器も増幅媒質を単に通過させるだけでは増幅効率が良くないので、Ｗ−ＰＡＳＳ励起方式では偏光ビームを波長板で９０度回転させて反射して増幅媒質内を往復させることで倍近くに増幅効率を高めている。
また、ジグザグ多重反射方式では複数回励起回数を増やすことで増幅率を高めている。

一例として、特許文献１に開示される「光増幅システム」を図７に示す。
図７は特許文献１における図４をそのまま引用するものであり、光増幅システムの光学系を示している。信号光を発するマスターレーザー６１と、信号光を増幅する光増幅器６２を備え、光増幅器６２は、Ｎｄドープバナデート混結晶６３、レンズ６４、及び励起半導体レーザーアレイからの励起出力光６５で構成される。
マスターレーザー６１から光増幅器６２の間には、半波長板６６、６９、７２、偏光方向により光を反射又は透過する偏光ビームスプリッタ６７、７０、ファラデー回転子６８、７１、及びレンズ７３、７４、７５が図に示すように配置されている。
光増幅器６２から出射した光は、レンズ７６を通過しプリズム７７で反射された後、再び光増幅器６２へと入射する。その後、レンズ７８、７９、８０、及び半波長板８１を透過し、位相共役鏡（ＰＣＭ）８２で反射された後、再び光増幅器６２へと入射する。位相共役鏡（ＰＣＭ）８２は、Ｎｄドープバナデート混結晶８３及びレンズ８４、８５で構成される。再び光増幅器６２へ入射した光は、同様の経路を経て、最終的に偏光ビームスプリッター７０を透過し出射する。
この特許文献１に開示されるレーザー増幅器では、偏光特性を利用したＷ−ＰＡＳＳ励起方式でピコ秒レーザーの増幅ができるものである。特許文献１のレーザー増幅器の基本原理はマスターレーザー６１から発振された偏光レーザー光を偏光ビームスプリッター７０で９０度反射させ、光増幅器６２で増幅したレーザー光を、半波長板７２を用いて９０度偏光方向を変え、再び偏光ビームスプリッター７０に入光されているが、９０度偏光方向が回転しているので、そのまま通過して出力されている。
しかしながら特許文献１において、偏光ビームスプリッター６７、７０は耐力が強いものを作るのが難しく、高いピークパワーでは偏光ビームスプリッターのコートにダメージがはいるので出力パワー制限があった。また、偏光ビームスプリッター７０の偏光度は１００％ではないので偏光ビームスプリッター７０にて直角に戻り、戻り光となってＬＤを戻り光破損させる。よって、半波長板６６，６９と偏光ビームスプリッター６７で構成されるアイソレータが必要になる。

本来増幅器の原理はシンプルであるが、破損対策の為に、多くの光学部品が追加必要とされ、複雑にならざるを得なかった。
また、偏光レーザーでないと増幅できなかった。更に、複雑になり大型化すると僅かなミラーの傾きで出力低下するので、特許文献２に開示される「固体レーザー増幅器及び固体レーザー装置」のようにミラーの傾きずれを検知し制御補正する複雑なシステムが必要となり、更に大型化ならざるを得なかった。
そこで、上記の課題を解決するために、特許文献３に開示される「レーザ媒質ユニット、レーザ増幅器及びレーザ発振器並びに冷却方法」や特許文献４に開示される「共振器およびレーザ装置」のように、レーザー増幅媒質に斜め入射させて、レーザー増幅媒質内でＶ字反射させる方法が容易に考えられる。

特開２００９−２９００３０号公報 特開平９−１８１３７８号公報 特開２０１４−０２２５６８号公報 特開２０１７−１３９３４４号公報

しかしながら、特許文献３や特許文献４に開示されるようにＶ字反射される入射レーザー光を励起すると、図８乃至図１０に示すようにビーム形状が大きく歪む課題があった。
以下に図８乃至図１０を用いて、増幅されたレーザー光が歪む理由を説明する。
図８（ａ）において、増幅用利得媒質８６のＨＲ（増反射膜コーティング）面にて入射レーザー光８７がＶ字反射し、増幅された出射レーザー光８８となって出射されている。前記Ｖ字反射される中心線８９を光軸とした励起レーザー光９０が入射レーザー光８７より大きいと、図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面にて、入射レーザー光８７の円形状断面９１と出射レーザー光８８の円形状断面９２がずれた状態で増幅されるので、図８（ｃ）に示されるように、出射レーザー光８８に歪んだレーザー光９３が加算されたいびつな楕円形状となる。なお、図８（ａ）において紙面を正面視した際の上方向をｘ方向として、図８（ａ）の他、図８（ｂ）、図８（ｃ）、さらには図９、１０においても同様に図示されている。また、図８乃至図１０に示される符号ＡＲで示される面は反射防止膜コーティング面を意味している。
図９（ａ）は励起レーザー光９０の照射径が入射レーザー光８７の照射径より小さい場合のＶ字反射の状態を示す概念図であるが、図９（ａ）のＣ−Ｃ線断面における出射レーザー光のビーム強度分布を示す図９（ｂ）が示すとおり、出射レーザー光８８は中心部がビーム強度的に尖がった歪んだ形状になる。なお、図９（ｂ）の断面におけるＰ軸はＣ−Ｃ断面における出力の強度を示す軸であり、紙面の上方向（すなわち、Ｐ軸の矢印に向かう方向）ほどビーム出力が強いことを示すものである。また、図８と同一の構成要素には同一の符号を付している。

次に、図１０（ａ）は、外観上見栄えを良くするために、励起レーザー光９０を斜め入射するのをやめて、励起レーザー光９０と出射レーザー光８８を同軸上に配置したものである。この場合は入射レーザー光８７と励起レーザー光９０に図中ハッチング領域として示される重畳部９４が存在する。
この重畳部９４では、図１０（ｂ）に示すように直角三角形状のまま増幅され、更に図１０（ｃ）に示すように長方形状のレーザー強度分布を持つ出射レーザー光８８のビームモードが長方形のままそのまま増幅されたレーザー強度分布９５となっている。したがって、図１０（ｂ）の重畳部９４のレーザー強度分布９６と図１０（ｃ）のレーザー強度分布９５が合成され、図１０（ｄ）に示すように歪んだレーザー強度分布になる。
これまで図８乃至図１０を参照しながら説明したとおり、Ｖ字型反射ではどのような位置関係にしても歪まずに増幅することはできなかった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、Ｖ字型反射のメカニズムを採用しながら垂直型反射と同様な増幅を可能として出射レーザー光の歪みが少なく構造がシンプルで高効率なレーザー増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明であるレーザー増幅器は、対向する両端面が平行研磨され、一の端面に増反射膜（ＨＲコーティング）が形成され、他の端面に反射防止膜（ＡＲコーティング）が形成された第１の増幅用利得媒質と、外部から導入される入射レーザー光を第１の入射レーザー光として第１の端部で反射させ前記第１の増幅用利得媒質の前記反射防止膜が形成された前記他の端面に対して所定角度で入射させることで、前記第１の入射レーザー光を前記増反射膜が形成された前記一の端面で反射させ、再度前記他の端面から増幅された第１の出射レーザー光として出射させる第１の反射体と、前記第１の入射レーザー光と前記第１の出射レーザー光が形成するＶ字状光路に重畳する第１の励起レーザー光を外部から前記第１の増幅用利得媒質の前記一の端面に導入する第１の励起レーザー光導入部と、を有し、前記所定角度は、前記第１の反射体の前記第１の端部に前記第１の出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であることを特徴とするものである。
このように構成される第１の発明においては、第１の入射レーザー光を第１の 反射体の第１の端部で反射させて第１の増幅用利得媒質の他の端面（反射防止膜が 形成された面）から所定の角度で増幅用利得媒質へ入射させることで、一の端面（増 反射膜が形成された面）で反射させて再度他の端面から増幅して出射される第１の 出射レーザー光が、先の第１の反射体の第１の端部に接する状態又はわずかに接 しない距離離れる状態となるように作用する。
すなわち、第１の反射体で反射される第１の入射レーザー光が第１の増幅用利 得媒質の他の端面から入射し、第１の増幅用利得媒質の一の端面で反射して、再度他の端面から第１の出射レーザー光として出射する際に、第１の入射レーザー光と第１の出射レーザー光のなす角度が極めて小さくなるような角度を所定の角度とし て、このような角度を実現するために第１の反射体を配置することで、第１の入 射レーザー光と第１の出射レーザー光が先の第１の反射体の第１の端部に接する 状態又はわずかに接しない距離離れる状態となるように作用する。

また、第２の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明において、前記第１の反射体は鋭角を挟んだ２面で構成されるエッジ部を備え、前記第１の端部は前記エッジ部の端部として形成され、前記外部から導入される入射レーザー光は前記エッジを構成する２面のうち１面側の前記端部で反射され、前記所定角度は前記第１の反射体の他の１面側の前記端部に対して前記第１の出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であることを特徴とするものである。
このように構成される第２の発明においては、第１の発明の作用に加えて、第１の反射体が備える鋭角を挟んだ２面で構成されるエッジ部が、エッジ部の２面 のうちの１面側の端部で反射された第１の入射レーザー光が増幅用利得媒質の他 の端面から入射し、増幅用利得媒質の一の端面で反射されて再び他の端面から第１の出射レーザー光として出射される際に、エッジ部の他の１面側の前記端部に対して 接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態となるように作用する。

そして、第３の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明又は第２の発明において、前記第１の出射レーザー光の外径をｄ_ｏｕｔとし、前記第１の増幅用利得媒質の前記一の端面から前記第１の反射体の前記第１の端部までの距離をＬとした場合に、
ｄ_ｏｕｔ／２Ｌ＜０．０４ （１）
であることを特徴とするものである。
このように構成される第３の発明においては、第１又は第２の発明の作用に加 えて、上式（１）を満足することで、第１の出射レーザー光のビーム径に大きな変形を生じさせないように作用する。

さらに、第４の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つの発明において、前記第１の入射レーザー光の前記第１の反射体に対する入射角度を調整可能なミラーを備えることを特徴とするものである。
このように構成される第４の発明においては、第１乃至第３のいずれか１つの 発明の作用に加えて、ミラーが第１の反射体に対する第１の入射レーザー光の入 射角度を調整可能に作用する。

さらに、第５の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明乃至第４の発明のいずれか１つの発明において、前記第１の増幅用利得媒質の前記他の端面の前にビームエキスパンダを備えることを特徴とするものである。
このように構成される第５の発明においては、第１乃至第４のいずれか１つの発明の作用に加えて、ビームエキスパンダが第１の入射レーザー光のビーム径を 大きくするように作用する。
なお、ビームエキスパンダは第１の増幅用利得媒質の他の端面の前としているが、この「前」は広く前段あるいは上流を意味するものであり、他の端面の直前のみならず、外部から導入される入射レーザー光が本発明であるレーザー増幅器に入射される箇所から第１の増殖用利得媒質の他の端面の前までを含む概念である。

さらに、第６の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明乃至第５の発明のいずれか１つの発明において、第１の励起レーザー光導入部は、光ファイバのバンドル（束）を備え、前記第１の励起レーザー光を前記バンドルの一部又は全部から導入可能なスイッチが設けられることを特徴とするものである。
このように構成される第６の発明においては、第１乃至第５のいずれか１つの発明の作用に加えて、光ファイバのバンドルの一部又は全部から導入可能なスイ ッチが、第１の出射レーザー光の出力分布を調整するように作用する。

さらに、第７の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれか１つの発明において、前記第１の増幅用利得媒質の前記他の端面の前に高調波を発生する非線形光学素子を備えることを特徴とするものである。
このように構成される第７の発明においては、第１乃至第６のいずれか１つの 発明の作用に加えて、高調波を発生する非線形光学素子が第１の入射レーザー光 の波長を変換するように作用する。

さらに、第８の発明であるレーザー増幅器は、第１の発明において、対向する両端面が平行研磨され、前記両端面のうち一の端面に増反射膜（ＨＲコーティング）が形成され、他の端面に反射防止膜（ＡＲコーティング）が形成された前記第１から第ｎの増幅用利得媒質と、第（ｎ−１）の出射レーザー光を第ｎの入射レーザー光として第ｎの端部で反射させ前記第ｎの増幅用利得媒質の前記反射防止膜が形成された前記他の端面に対して第ｎの所定角度で入射させることで、前記第ｎの入射レーザー光を前記第ｎの増幅用利得媒質の前記増反射膜が形成された前記一の端面で反射させ、再度前記第ｎの増幅用利得媒質の前記他の端面から増幅された第ｎの出射レーザー光として出射させる第１から第ｎの反射体と、前記第ｎの入射レーザー光と前記第ｎの出射レーザー光が形成するＶ字状光路に重畳する第ｎの励起レーザー光を外部から前記第ｎの増幅用利得媒質の前記一の端面に導入する第ｎの励起レーザー光導入部と、を有し、前記第ｎの所定角度は前記第ｎの反射体の前記第ｎの端部に前記第ｎの出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であり、前記ｎは２以上の整数であり、前記第１の増幅用利得媒質、前記第１の反射体、前記第１の励起レーザー光導入部から、前記第ｎの増幅用利得媒質、前記第ｎの反射体、前記第ｎの励起レーザー光導入部は、前記第（ｎ−１）の出射レーザー光を前記第ｎの入射レーザー光として、複数段増幅するように構成されることを特徴とするものである。
このように構成される第８の発明においては、第１の発明の作用に加えて、第１の反射体、励起レーザー光導入部、増幅用利得媒質から第ｎの反射体、励起レーザー光導入部、増幅用利得媒質を備えることで、外部から入射される入射レー ザー光を第１の入射レーザー光とし、第１の出射レーザー光を第２の入射レーザ ー光として、順次ｎ段まで増幅するように作用する。

第１の発明であるレーザー増幅器によれば、第１の入射レーザー光と第１の出射レーザー光のなす角度が極めて小さくなるように第１の反射体を配置することで、増幅用利得媒質の一の端面にて極めて角度の小さいＶ字状に反射できるので、ほぼ垂直反射同様な増幅が可能となり、歪みが少なく高効率でシンプルなダブルパス端面励起増幅器が実現できる。

第２の発明であるレーザー増幅器によれば、第１の発明の効果に加えて、鋭角を挟んだエッジ部を備えることで、第１の反射体のエッジ部の１面側で反射された第１の入射レーザー光と、第１の反射体のエッジ部の他の１面側の端部に接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態となるように出射される第１の出射レーザー光とのなす角度を第１の発明に比較してより小さくなるようにすることが可能である。したがって、増幅用利得媒質の一の端面にてより極めて角度の小さいＶ字状に反射させることができるので、より垂直反射同様な増幅が可能となり、より歪みが少なく高効率でシンプルなダブルパス端面励起増幅器を実現させることができる。

第３の発明であるレーザー増幅器によれば、第１又は第２の発明の効果に加えて、第１の出射レーザー光のビーム径に大きな変形を生じないので、増幅効率を高めることが可能である。したがって、式（１）を満足することで第１の反射体によるエネルギーの損失がほとんどなくなるという効果を発揮する。

第４の発明であるレーザー増幅器によれば、第１乃至第３のいずれか１つの発明の効果に加えて、ミラーによって第１の反射体に入射する第１の入射レーザー光の角度を調整することができるので、第１の反射体の配置、向きに関し、裕度を取ることが可能である。

第５の発明であるレーザー増幅器によれば、第１乃至第４のいずれか１つの発明の効果に加えて、第１の入射レーザー光のビーム径が大きくできることから第１の出射レーザー光のビーム径を大きくでき、よって、開口数を大きくとることが可能である。

第６の発明であるレーザー増幅器によれば、第１乃至第５のいずれか１つの発明の効果に加えて、第１の出射レーザー光の出力分布が調整されることで、熱分布も調整可能であり、出射レーザー光による加工点においても熱ダメージを抑制することができる。

第７の発明であるレーザー増幅器によれば、第１乃至第６のいずれか１つの発明の効果に加えて、波長の異なる出射レーザー光が必要な場合に、非線形素子が他の端面の前に備えられていることから往復で作用することになり、効率の高い波

第８の発明であるレーザー増幅器によれば、第１の発明の効果に加えて、１段からｎ段までの多段による増幅によって、高エネルギーの出射レーザー光を得ることが可能である。

（ａ）は本発明の実施例１に係るレーザー増幅器の構成図であり、（ｂ）は（ａ）において符号Ａで示す円形部分の構成を変えて示す部分構成図である。 （ａ）は本発明の実施例１に係るレーザー増幅器の評価実験を説明するための励起光学系の構成図であり、（ｂ）は入射レーザー光のレーザー強度分布を示すグラフであり、（ｃ）は出射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフである。 （ａ）は本発明の実施例２に係るレーザー増幅器の励起光学系の構成図であり、（ｂ）は入射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフであり、（ｃ）は出射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフである。 （ａ）は本発明の実施例３に係るレーザー増幅器の励起光学系の構成図であり、（ｂ）は入射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフであり、（ｃ）は出射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフであり、（ｄ）は第３の実施の形態に係るレーザー増幅器の光ファイバの断面構造を示す概念図である。 本発明の実施例４に係るレーザー増幅器の構成図である。 本発明の実施例５に係るレーザー増幅器の構成図である。 従来技術に係るレーザー増幅器の構成図である。 （ａ）は従来技術に係るレーザー増幅器において増幅用利得媒質でＶ字型反射する際の現象を説明するための概念図であり、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図での出射レーザー光のビーム強度分布を説明するための概念図である。 （ａ）は従来技術に係るレーザー増幅器において増幅用利得媒質でＶ字型反射する際の現象を説明するための概念図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線矢視断面での出射レーザー光のビーム強度分布を説明するための概念図である。 （ａ）は従来技術に係るレーザー増幅器において増幅用利得媒質でＶ字型反射する際の現象を説明するための概念図であり、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ出射レーザー光のビーム強度分布を説明するための概念図である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係るレーザー増幅器の構成図であり、（ｂ）は（ａ）において符号Ａで示す円形部分の構成を変えて示す部分構成図である。
図１（ａ）において、レーザー増幅器１は、外部から導入される入射レーザー光である増幅前レーザー光２を、レーザー増幅器１への入口である凹レンズ３を介して入射レーザー光４として導入し、その後、入射レーザー光４は鏡筒６に収容された凸レンズ７を経由して反射ミラー８でプリズム９ａに向けて反射され、さらに反射体としてのプリズム９ａで反射される。プリズム９ａで反射された後の入射レーザー光１２は、ベース１４に固定された増幅用利得媒質１５の反射防止膜（ＡＲコーティング）が形成された端面(以下、単にＡＲ端面という)から入射され、増反射膜（ＨＲコーティング）が形成された端面（以下、単にＨＲ端面という）において反射され、出射レーザー光２６として再度ＡＲ端面から出射される。
図１（ａ）中の増幅用利得媒質１５に符号ＡＲで示されるのがＡＲ端面であり、符号ＨＲで示されるのがＨＲ端面である。その後の図面でも同様である。
増幅用利得媒質１５は回転軸１６を中心に、ネジ１７によってあおり調整できるようにベース１４に固定されている。増幅用利得媒質1のＨＲ端面側には、２枚の組合せレンズ２１ａ，２１ｂを内蔵した鏡筒２０が配置され、この鏡筒２０は励起レーザー光２５を導入するための光ファイバ１８と接続されており、励起レーザー光２５の導入部として機能している。

増幅用利得媒質１５のＡＲ端面側には、鋭角を挟んだ２面で形成されるエッジ部のうち図中の上側に形成されるレーザー反射面を有するプリズム９ａが出射レーザー光２６の光軸２７近傍に配置されている。
一方、増幅する前の入射レーザー光４の光軸５上にはレーザー増幅器１の本体に固定された凹レンズ３と前後に移動可能な鏡筒６に内蔵された凸レンズ７が配置され、更に光軸５の延長線上には反射ミラー８が斜めに配置されている。
かかる構成によれば、増幅前レーザー光２は凹レンズ３と凸レンズ７にて所定の径に拡大された入射レーザー光４となり、反射ミラー８で反射後、入射レーザー光１２として前記プリズム９ａのエッジ部の上側に形成されるレーザー反射面３２ａの端部２８ａにて反射され、増幅用利得媒質１５のＡＲ端面に入射される。ここで出射レーザー光２６に接するプリズム９ａのエッジ部の下側の面３１ａは、出射レーザー光２６を遮光するかしないか程度、すなわち出射レーザー光２６が端部２８ａと接するかあるいはわずかに接しない距離離れるように、この出射レーザー光２６に対して平行研磨されている。

一方、増幅用利得媒質１５のＨＲ端面に入射される励起レーザー光２５は、２枚の組合せレンズ２１ａ，２１ｂにより集光されたビームウエスト部（符号ｄ_ｗで示す）が増幅用利得媒質１５内部で、わずかな角度でＶ字状に反射される入射レーザー光１２と重畳することにより入射レーザー光１２を増幅する。すなわち、入射レーザー光１２の光軸１３と励起レーザー光２５の光軸が増幅用利得媒質１５のＨＲ端面で交差し、出射レーザー光２６の光軸２７と励起レーザー光２５の光軸は一致している。
なお、これらの光軸調整は反射ミラー８の回転調整と増幅用利得媒質１５を水平にあおり調整するネジ１７により、プリズム９ａと出射レーザー光２６を遮ることなく接する位置に調整されている。
なお、エッジ部を有する反射体としてプリズム９ａにて説明したが、図１（ｂ）に示すようにプリズム９ａの代わりに通常の平板反射ミラー２９のレーザー反射面３２ｂの端部２８ｄで入射レーザー光１２を反射させ、この端部２８ｄと出射レーザー光２６が接するかあるいはわずかに接しない距離離れるように、平板反射ミラー２９の下側の面３１ｂとレーザー反射面３２ｂを、鋭角を挟んだ２面から形成されるようなエッジ状に研磨しても同等な作用をするのは自明である。具体的には、平板反射ミラー２９の下側の面３１ｂを出射レーザー光２６と平行となるように研磨することで下側の面３１ｂとレーザー反射面３２ｂがエッジ状に形成される。
また、増幅用利得媒質１５の励起は光ファイバ１８から行っているが、図示しない励起用レーザーダイオード（ＬＤ）から直接励起しても増幅できるのも自明である。

次に、かかる構成において図１（ａ）にて調整方法を説明する。
実際のレーザー光は次第に大きくなる特性があるので、プリズム９ａと出射レーザー２６の光軸２７を接する様に調整するのは極めて難しい。また、出射レーザー光２６とプリズム９ａを接するようにし更に励起レーザー光２５の集光位置、すなわちビームウエストｄ_ｗと増幅用利得媒質１５内でＶ字反射する位置を合わせるのも極めて難しい。更に、各光学部品の固定位置もばらつくばかりでなく、図中における上下方向にも入射レーザー光４はばらつくので更に調整が難しい。
本発明では、このような難しい調整をできるだけ簡素化するために、プリズム９ａに入射する入射レーザー光４に対し符号１０で示す上下あおり方向と符号１１で示す左右あおり方向（図１（ａ）の紙面に対して垂直方向）に微調整できる反射ミラー８を追加した。

かかる構成において、初めに光軸調整方法について調整順に説明する。
（１） 被増幅される増幅前レーザー光２と励起レーザー光２５との光軸合わせのための凹レンズ３と凸レンズ７にて所定の径に拡大された入射レーザー光４は左右あおり方向１１と上下あおり方向１０なる微調整機構を有する反射ミラー８で反射され プリズム９ａのエッジ部の端部２８ａにて反射され、増幅用利得媒質１５のＡＲ端面に入射され、励起レーザー光２５と増幅用利得媒質１５内部でＶ字状に反射される入射レーザー光１２と重畳させる位置に来るように、反射ミラー８のあおり角を調整する。その際、プリズム９ａのエッジ部の端部２８ａから外側にはみ出したり、内側にはいったりするので、エッジ部の端部２８ａにくるように、プリズム９ａを前後（図面中の左右）に位置を微調整する。
（２） 入射レーザー光１２と励起レーザー光２５とのビーム径合わせ
２枚の組合せレンズ２１ａ，２１ｂを内蔵した鏡筒２０を前後方向(図中の左右方向)に動かし、更に光ファイバ１８の出射端面１９と組合せレンズ２１ａ，２１ｂとの距離ｄも前後に移動して出射レーザー光２６が最大パワーになるように増幅用利得媒質１５内部においてビームウエストｄ_ｗを調整する。これをモードマッチングと呼ぶ。
（３） プリズム９ａと出射レーザー光２６との位置合わせ
モードマッチングをすることにより、出射ビーム径は変化するので、プリズム９ａと出射レーザー光２６との位置合わせが必要となる。増幅用利得媒質１５は回転軸１６を中心に、ネジ１７にてあおり調整できるベース１４に固定されているので、ネジ１７を前後（図中の上下）に動かしベース１４をあおり調整する。
（４）最適化調整
出射レーザー光２６が最大パワーになるように上記（１）〜（３）の調整を繰り返すことにより、最適位置に調整することができる。
なお、上記の調整を説明する文章においては、出射レーザー光２６はプリズム９ａのエッジ部の端部２８ａに接する位置に調整したが、わずかに接しない距離離れる状態を保っても良い。図１では、わずかに接しない距離離れる状態を示している。

（評価試験）
出射レーザー光２６の径をｄ_ｏｕｔ、増幅用利得媒質１５のＨＲ端面からプリズム９ａのエッジ部の端部２８ａまでの距離をＬとし、式（１）で示される条件を満足すると
ｄ_ｏｕｔ／２Ｌ＜０．０４ （１）
ビーム径に大きな変形がなく、プリズム９ａによる損失も殆どなく、増幅効率が高い良好な増幅器を構成できることが評価試験にて確かめられた。
以下に実施した評価実験について図２（ａ）〜（ｃ）も参照しながら説明する。
図２（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るレーザー増幅器の評価実験を説明するための励起光学系の構成図であり、（ｂ）は入射レーザー光のレーザー強度分布を示すグラフであり、（ｃ）は出射レーザー光のレーザー強度分布を示すグラフである。
鏡筒２０及び光ファイバ１８及び増幅用利得媒質１５からなる励起光学系はビームウエストｄ_ｗ＝１．８ｍｍ、ビームウエスト長は約２〜３ｍｍになるように組合せレンズ２１ａ，２１ｂと鏡筒２０の位置を微調整した。この時、実測した有効励起長Ｌ_ｅｆｆ＝約１０ｍｍであった。
出射レーザー光２６の径ｄ_ｏｕｔ＝３ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍとした。この場合、ｄ_ｏｕｔ／２Ｌ＝０．０１５であり、０．０４よりも小さいので式（１）を満足している。Ｖ字反射による光軸ずれ量αを下記に示す。
α＝ｄ_ｏｕｔ／２＊（Ｌｅｆｆ/Ｌ）＝３/２＊(１０／１００)＝０．１５ｍｍ
よって、ｄ_ｏｕｔ＝３ｍｍに対し０．１５／３＝５％のビーム歪しか発生せず、ほぼ円径ビームを維持することができた。なお、増幅用利得媒質１５に入射されるビーム径ｄ_ｉｎは１．８ｍｍとした。

次に増幅用利得媒質１５により増幅した出射レーザー光２６が１．８ｍｍから３ｍｍに増加する理由を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
励起レーザー光２５のビームウエストｄ_ｗ＝１．８ｍｍを入射される入射レーザー光１２のビームｄ_ｉｎと同じに調整しているので、更に上述したように有効励起長Ｌｅｆｆでの光軸ずれ量は０．１５ｍｍとなる。よって出射レーザー光２６のビーム径ｄ_ｏｕｔは１．８＋０．１５＝１．９５ｍｍと計算される。
しかし、励起レーザー光２５は集光ビームなので増幅用利得媒質１５への入射ビーム径ｄｐは図２（ｃ）に示されるとおりｄｗより少し大きくなる。入射レーザー光のビーム径ｄ_ｉｎはレーザーの特性上、図２（ｂ）に示されるとおり裾野３０に僅かに強度があるので、裾野３０が増幅されて、ビーム径は３ｍｍと大きくなっている。

次に評価実験条件と結果を示す。
（条件）波長１０６４ｎｍ 増幅用利得媒質 ６．３５ｍｍ径ｘ５０ｍｍ長さ、
Ｎｄ０．７％含有（ドープ）
８０８ｎｍ励起パワー１．０９ＫＷ、励起時間４５０μｓ、
入射レーザー光のレーザーエネルギ＝２４．５ｍＪ
パルス幅１ｎｓ×４パルス
（結果）出射レーザー光のレーザーエネルギ
励起レーザー光の重畳無し時＝２１．６２ｍＪ
同重畳時＝１２３．２ｍＪ
損失＝（２４．５７−２１．６２）/２４．５７＝１２％
増幅率＝１２３．２／２４．５７＝約５倍
ピークパワー＝１２３．２ｍＪ／（1ｎｓ×４パルス）＝３０．８ＭＷ
上記に示すように、本発明が小型シンプルにもかかわらず、レーザー増幅器の損失は１２％と極めて小さく、増幅率５倍と大きな増幅ができ、またピークパワー３０．８ＭＷものジャイアントパルス生成に耐えることも確認できた。
更に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）等破損耐力の低い光学部品が不要なので、入射ビームや励起ビームの径を大きくすることで更に大きく増幅することができる。
更に、入射ビームの偏光依存性もなく、ビーム径を変更可能な凹レンズ３と凸レンズ７の組み合わせによるビームエキスパンダにより、必要とするサイズにも任意に変更できるので、汎用レーザー増幅器としても活用できる。
なお、本実施例ではビームエキスパンダとして凹レンズ３と凸レンズ７を反射ミラー８よりも前段（上流）側に設けているが、ビームエキスパンダはレーザー増幅器１へ増幅前レーザー光２が入射される箇所、すなわちレーザー増幅器１の入口から増幅用利得媒質１５のＡＲ端面の前までの間であればいずれの箇所に設けてもよい。
従来レーザー増幅器は汎用品が無く、発振器とセットで特殊な高度レーザー技術者が個別設計していたが、本発明により、高度レーザー技術者でなくても容易に種々のレーザー光の強度ＵＰが可能になる。この汎用化によりレーザー活用において大きな便宜性を提供し、レーザー発展に貢献することができると考える。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本発明に係る実施例２について説明する。図３（ａ）は本発明の実施例２に係るレーザー増幅器の励起光学系の構成図であり、（ｂ）は入射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフであり、（ｃ）は出射レーザー光のビーム強度分布を示すグラフである。
図３（ａ）において 励起レーザー光２５のビームウエスト径ｄ_ｗ２は、入射ビーム径ｄ_ｉｎより小さく、更に増幅用利得媒質１５のＨＲ端面における励起レーザー光２５の入射ビーム径ｄ_ｐ２も入射レーザー光１２のビーム径ｄ_ｉｎより小さくしている。
この場合、入射レーザー光１２の裾野が増幅されないので、出射レーザー光２６のビーム径を入射レーザー光１２のビーム径と同等の径にすることができる。そうすると、当然に損失が増え、増幅率も低下するが、ビームモードの良い、すなわちビーム強度分布がガウシアンに近い出射レーザー光２６を得ることができる。
更に、図３（ｂ）に示すように、励起レーザー光２５のビームモードを、トップハット形状にすることにより、入射レーザー光１２のビームモードを類似形状に保存することができる。また、励起レーザー光２５のビームモードをガウシアン形状にすると、増幅率が５倍と大きく、増幅された出射レーザー光２６もガウシアン形状にすることができる。この原理により、ビーム品質の向上も図ることができる。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本発明に係る実施例４について説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は光ファイバ１８を図４（ｄ）に示すような７コンバイナ等のリング状の導光体にした場合の励起光学系（ａ）と励起状態（ｂ）と出射レーザー光２６のビームモード（ｃ）を示した図である。これらの図において、励起レーザー光２５のビームウエスト径と増幅用利得媒質１５への入射ビーム径をそれぞれｄｗ３、ｄｐ３としている。
ピークパワーがＫＷ級の励起の場合、中心部が熱破損することがあるが、７コンバイナの中心ファイバ３５を励起しないことで中心部の熱破損を防止できる。また、この時増幅された出射レーザー光２６もリング形状になり、この出射レーザー光２６を集光するとリングビームが重畳されて、図４（ｃ）に示されるようなトップハットに近い中央部が窪んだ集光スポットが得られる。熱分布もトップハット状に近くなるので、加工点においても、中心部に熱ダメージを起こしにくい均質な加工ができる。
さらに可変倍率のビームエキスパンダを付加することにより、入射レーザー光１２と励起レーザー光２５のビームザイズ比を可変できるので上述した各種の任意なレーザビームモードやビーム径を作り出すことができる。
更に、ＰＢＳが無い等、偏光特性の影響を受けない構成なので、顧客が増幅したい任意の変更特性があるレーザー光を任意のビーム径にモードマッチングすることも可能になり、シンプルで汎用的なレーザー増幅器を提供することができる、
また、偏光特性のないフラッシュランプ励起ＹＡＧレーザーに対しても、ＹＡＧの発振波長１０６４ｎｍであれば増幅することができるばかりでなく、１０６４ｎｍに近い波長の１０７０ｎｍのファイバレーザ光も増幅することができる。

次に、図５を参照しながら本発明に係る実施例４について説明する。
図５は、本発明の実施例４のレーザー増幅器の構成図である。これまでの図に記載された構成要素と同一のものについては同一の符号を付している。
図５において、プリズム９ａのエッジ部の端部２８ａ近傍にて反射され、１０〜２０ｍｍと短い増幅用利得媒質１５のＡＲ端面に入射される前に第２高調波発生（ＳＨＧ）素子３６を、増幅用利得媒質１５のＡＲ端面近傍に配置することにより、第２高調波発生（ＳＨＧ）素子３６を往復するように通すことで、効率の高い波長変換を行うことができる。

次に、図６を参照しながら本発明に係る実施例５について説明する。
図６は、本発明の実施例５のレーザー増幅器の構成図である。これまでの図に記載された構成要素と同一のものについては同一の符号を付している。また、図６に開示されるレーザー増幅器４１では、図１のレーザー増幅器１に対し、新たに反射型の直角プリズム９ｂと第２の増幅用利得媒質４４と鏡筒４９と光ファイバ４７が追加された構成となっている。
かかる構成によれば、入射レーザー光１２は、直角プリズム９ｂの直角を挟んだ２面で構成されるエッジ部の端部２８ｂ近傍で反射後、ベース１４に固定された増幅用利得媒質１５のＡＲ端面に入射される。
一方、出射レーザー光２６は直角プリズム９ｂのエッジ部の端部２８ｂの反対側近傍で反射された後、プリズム９ｃのエッジ部の端部２８ｃ近傍にて反射され、第２の入射レーザー光４２として、第２のベース４３に固定された増設の第２の増幅用利得媒質４４のＡＲ端面に入射される。第２の増幅用利得媒質４４のＨＲ端面側には、２枚の組合せレンズ５０ａ，５０ｂを内蔵した鏡筒４９が配置され、この鏡筒４９は励起レーザー光５１を導入するための光ファイバ４７と接続されている。励起レーザー光５１は、外部から光ファイバ４７を経由して出射端面４８から鏡筒４９内に導かれる。
第２の増幅用利得媒質４４は、実施例１の増幅用利得媒質１５と同様に、回転軸４５を中心に、ネジ４６にてあおり調整できる。なお、増幅用利得媒質を複数段設ける場合、図６に示されるベース１４のように増幅用利得媒質のベースによってはレーザー増幅器４１の本体にネジを設けることができない場合が生じるが、もちろんあおり調整できるような手段を別途設けておく。
ＨＲ端面から入射される励起レーザー光５１は第２の増幅用利得媒質４４の内部で、ＡＲ端面から入射されＨＲ端面で、わずかな角度でＶ字状に反射して再びＡＲ端面から出射する第２の入射レーザー光４２に重畳することによって第２の入射レーザー光４２を増幅する。そして、第２の入射レーザー光４２は符号５３で示される光軸を備えた出射レーザー光５２となって出力される。
本実施例では増幅用利得媒質１５と第２の増幅用利得媒質４４の２段によってレーザー光を増幅したが、プリズムと増幅用利得媒質、及び励起レーザー光を複数段に設けることで、多段化が容易であり、更なる高エネルギーレーザー光を得ることができる。
また、本実施例では入射レーザー光４を反射して入射レーザー光１２とし、さらに、出射レーザー光２６を反射して第２の入射レーザー光４２とするプリズムを１つの直角プリズム９ｂとしているが、これに代えて、入射レーザー光４を反射して入射レーザー光１２とするプリズム（反射体）と出射レーザー光２６を反射して第２の入射レーザー光４２とするプリズム（反射体）を別個に設けてもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項８に記載された発明は、様々な用途に用いられる固体レーザーの増幅器として広く利用することができる。

１…レーザー増幅器 ２…増幅前レーザー光 ３…凹レンズ ４…入射レーザー光 ５…光軸 ６…鏡筒 ７…凸レンズ ８…反射ミラー ９ａ〜９ｃ…プリズム １０…上下あおり方向 １１…左右あおり方向 １２…入射レーザー光 １３…光軸 １４…ベース １５…増幅用利得媒質 １６…回転軸 １７…ネジ １８…光ファイバ １９…出射端面 ２０…鏡筒 ２１ａ，２１ｂ…組合せレンズ ２５…励起レーザー光 ２６…出射レーザー光 ２７…光軸 ２８ａ〜２８ｄ…端部 ２９…平板反射ミラー ３０…裾野 ３１ａ，３１ｂ…面 ３２ａ，３２ｂ…レーザー反射面 ３５…中心ファイバ ３６…第２高調波発生（ＳＨＧ）素子 ４１…レーザー増幅器 ４２…第２の入射レーザー光 ４３…第２のベース ４４…第２の増幅用利得媒質 ４５…回転軸 ４６…ネジ ４７…光ファイバ ４８…出射端面 ４９…鏡筒 ５０ａ，５０ｂ…組合せレンズ ５１…励起レーザー光 ５２…出射レーザー光 ５３…光軸 ６１…マスターレーザー ６２…光増幅器 ６３…Ｎｄドープバナデート混結晶 ６４…レンズ ６５…励起半導体レーザーアレイからの励起出力光 ６６…半波長板６６ ６７…偏光ビームスプリッター ６８…ファラデー回転子 ６９…半波長板 ７０…偏光ビームスプリッター ７１…ファラデー回転子 ７２…半波長板 ７３…レンズ ７４…レンズ ７５…レンズ ７６…レンズ ７７…プリズム ７８…レンズ ７９…レンズ ８０…レンズ ８１…半波長板 ８２…位相共役鏡（ＰＣＭ） ８３…Ｎｄドープバナデート混結晶 ８４…レンズ ８５…レンズ ８６…増幅用利得媒質 ８７…入射レーザー光 ８８…出射レーザー光 ８９…Ｖ字反射される中心線 ９０…励起レーザー光 ９１…円形状断面 ９２…円形状断面 ９３…歪んだレーザー光 ９４…重畳部 ９５…レーザー強度分布 ９６…レーザー強度分布 ＡＲ…ＡＲ端面 ＨＲ…ＨＲ端面

Claims (8)

1. 対向する両端面が平行研磨され、前記両端面のうち一の端面に増反射膜（ＨＲコーティング）が形成され、他の端面に反射防止膜（ＡＲコーティング）が形成された第１の増幅用利得媒質と、
   外部から導入される入射レーザー光を第１の入射レーザー光として第１の端部で反射させ前記第１の増幅用利得媒質の前記反射防止膜が形成された前記他の端面に対して所定角度で入射させることで、前記第１の入射レーザー光を前記増反射膜が形成された前記一の端面で反射させ、再度前記他の端面から増幅された第１の出射レーザー光として出射させる第１の反射体と、
   前記第１の入射レーザー光と前記第１の出射レーザー光が形成するＶ字状光路に重畳する第１の励起レーザー光を外部から前記第１の増幅用利得媒質の前記一の端面に導入する第１の励起レーザー光導入部と、を有し、前記所定角度は、前記第１の反射体の前記第１の端部に前記第１の出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であることを特徴とするレーザー増幅器。
2. 前記第１の反射体は鋭角を挟んだ２面で構成されるエッジ部を備え、前記第１の端部は前記エッジ部の端部として形成され、前記外部から導入される入射レーザー光は前記エッジ部を構成する２面のうち１面側の前記端部で反射され、前記所定角度は前記第１の反射体の他の１面側の前記端部に対して前記第１の出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であることを特徴とする請求項１記載のレーザー増幅器。
3. 前記第１の出射レーザー光の外径をｄ_ｏｕｔとし、前記第１の増幅用利得媒質の前記一の端面から前記第１の反射体の前記第１の端部までの距離をＬとした場合に、
   ｄ_ｏｕｔ／２Ｌ＜０．０４
   であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー増幅器。
4. 前記第１の入射レーザー光の前記第１の反射体に対する入射角度を調整可能なミラーを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザー増幅器。
5. 前記第１の増幅用利得媒質の前記他の端面の前にビームエキスパンダを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザー増幅器。
6. 第１の励起レーザー光導入部は、光ファイバのバンドル（束）を備え、前記第１の励起レーザー光を前記バンドルの一部又は全部から導入可能なスイッチが設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザー増幅器。
7. 前記第１の増幅用利得媒質の前記他の端面の前に高調波を発生する非線形光学素子を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のレーザー増幅器。
8. 対向する両端面が平行研磨され、前記両端面のうち一の端面に増反射膜（ＨＲコーティング）が形成され、他の端面に反射防止膜（ＡＲコーティング）が形成された前記第１から第ｎの増幅用利得媒質と、第（ｎ−１）の出射レーザー光を第ｎの入射レーザー光として第ｎの端部で反射させ前記第ｎの増幅用利得媒質の前記反射防止膜が形成された前記他の端面に対して第ｎの所定角度で入射させることで、前記第ｎの入射レーザー光を前記第ｎの増幅用利得媒質の前記増反射膜が形成された前記一の端面で反射させ、再度前記第ｎの増幅用利得媒質の前記他の端面から増幅された第ｎの出射レーザー光として出射させる第１から第ｎの反射体と、前記第ｎの入射レーザー光と前記第ｎの出射レーザー光が形成するＶ字状光路に重畳する第ｎの励起レーザー光を外部から前記第ｎの増幅用利得媒質の前記一の端面に導入する第ｎの励起レーザー光導入部と、を有し、前記第ｎの所定角度は前記第ｎの反射体の前記第ｎの端部に前記第ｎの出射レーザー光が接する状態又はわずかに接しない距離離れる状態を実現する角度であり、前記ｎは２以上の整数であり、前記第１の増幅用利得媒質、前記第１の反射体、前記第１の励起レーザー光導入部から、前記第ｎの増幅用利得媒質、前記第ｎの反射体、前記第ｎの励起レーザー光導入部は、前記第（ｎ−１）の出射レーザー光を前記第ｎの入射レーザー光として、複数段増幅するように構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザー増幅器。

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