JP2022057009A - レーザ装置、及びレーザ装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光密度が高い領域で単一モードを維持し光変換効率が向上したレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置は、第１ミラーと第２ミラーを含む進行波型の共振器と、前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置されるレーザ媒質とを有し、前記第１ミラーと前記第２ミラーは、前記共振器を周回する周回光が前記レーザ媒質の内部に焦点を結ぶように配置され、前記共振器に入射される励起光が前記焦点で前記周回光に重畳されて前記周回光よりも細くしぼられ、前記励起光のレイリー長をＺＲ、前記レーザ媒質の前記励起光に対する吸収係数をαとすると、ＺＲ×α＜０．５であり、前記共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトは２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）を除く値を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置、及びレーザ装置の動作方法に関する。

縦モード、及び横モードが単一のハイパワーレーザは、量子情報処理、精密分光などで重要な役割を担う。単一モードで発振可能なレーザのひとつに、固体レーザがある。固体レーザは、複数枚のミラーと、レーザ媒質（遷移元素イオンをドープした固体結晶）で構成されるレーザである。固体レーザの出力パワーを高めるには、レーザ媒質（たとえばチタンサファイア結晶）に励起光を集光し、結晶で吸収された光を効率良くレーザ出力光に変換することが重要である。

ロッド型固体レーザのスロープ効率を高めるには、励起光のレイリー長Ｚ_Ｒと、レーザ媒質（結晶）の励起光に対する吸収係数αを乗算した「Ｚ_Ｒ×α」の値を最適化することが重要である。スロープ効率は励起光出力の増加に対する出力光の増加量（微分値）である。レイリー長Ｚ_Ｒは、ビーム断面積が焦点でのビーム断面積の２倍になる位置までの距離である。レイリー長Ｚ_Ｒは、焦点でのビーム半径ｗと波長λとレーザ結晶の屈折率ｎを用いて、Ｚ_Ｒ＝ｎπｗ^２／λと表される。光がレイリー長Ｚ_Ｒの距離を伝搬する間に、ビーム径は√２倍に拡がる。励起光のビーム径が拡散すると、励起光を効率的にレーザ出力光に変換することができない。数値解析により、レーザ結晶長Ｌに対して、α×Ｌ＞１．８９を満たす場合、「Ｚ_Ｒ×α」の値は１/２よりも大きい最適値を持つことが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。

パルス発振させる場合、複数のミラーで共振器を構成し、共振器内でビームが細く絞られる光パス以外の光パスにレーザ媒質を配置して、共振器の光損傷を防止し、かつ単一横モード発振を維持するレーザ共振器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、連続光発振させる場合は、細く絞られる光パスにレーザ媒質を配置する方法が一般的である。

再表２０１８－０９２８１３号公報

"Optimum Design of End-Pumped Solid-State Lasers", G. Shaveganrad, SOLID STATE LASER, Chapter 1, page 12, Edited by Amin Al-Khursan, IntechOpen

固体レーザを構成する際の課題として、上述した励起光のビーム径の拡散に加えて、励起光の吸収にともなうマルチモード化がある。励起光の吸収によって結晶中に空間的な温度分布が生じ、屈折率分布が生じる。この屈折率分布は伝搬モードに影響し、共振器の構成を変化させ、出力光の横モードをマルチモードにする。

本発明は、単一横モードが維持され、光変換効率が向上したレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明のひとつの側面では、レーザ装置は、
第１ミラーと第２ミラーを含む進行波型の共振器と、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置されるレーザ媒質と、
を有し、
前記第１ミラーと前記第２ミラーは、前記共振器を周回する周回光が前記レーザ媒質の内部に焦点を結ぶように配置され、
前記共振器に入射される励起光が前記焦点で前記周回光に重畳されて前記周回光よりも細くしぼられ、
前記励起光のレイリー長をＺ_Ｒ、前記レーザ媒質の前記励起光に対する吸収係数をαとすると、Ｚ_Ｒ×α＜０．５であり、前記共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトは２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）を除く値を有する。

単一横モードが維持され、光変換効率が向上したレーザ装置が得られる。

一実施形態に係るレーザ装置の模式図である。 熱レンズの焦点距離と共振器の周回グイ（Gouy）位相シフトの関係を示す図である。 実施形態のレーザ装置の構成例を測定セットアップとともに示す図である。 励起光パワーとレーザ出力パワー、及び励起光パワーと基本モード結合率との関係を示す図である。 注入同期の有無と励起光のパワーと結晶ホルダの温度による横モードの変化を、示す図である。 光スペクトラムアナライザによる測定結果を示す図である。 電気スペクトラムアナライザによるレーザ出力光とシード光とのビート計測結果を示す図である。 実施形態のレーザ装置の動作方法のフローチャートである。 励起光ビーム集光時の横モード回復のフローチャートである。

実施形態では、一般的な固体レーザであるチタンサファイアレーザよりも高い励起光密度でレーザ媒質を照射し、単一横モード、かつ基本モードが９０％以上維持される横モードで、約５０％の光変換効率を達成する。良好な構成例では注入同期を適用し、レーザ装置を構成する共振器の共振器長を、注入されるシード光の波長の整数倍に制御することで縦モードも単一にして、縦横単一モードを実現する。注入同期を用いない場合は、共振器内の光路の適切な個所にアイソレータを配置することで光の分裂を抑制することも可能である。

単一モード、かつ高い光変換効率を実現するために、共振器を
Ｚ_Ｒ×α＜０．５
となる配置構成にして、励起光をレーザ媒質内で細く絞って周回光に重畳する。ここで、Ｚ_Ｒは励起光のレイリー長、αはレーザ媒質の励起光に対する吸収係数である。以下、図面を参照して、実施形態のレーザ装置の構成と動作を具体的に説明する。

図１は、実施形態のレーザ装置１０の模式図である。レーザ装置１０は、第１ミラー１１１、第２ミラー１１２、ミラー１１３、及びミラー１１４で形成される進行波型の共振器１１と、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間に配置されるレーザ媒質１３とを有する。この例で、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２は凹面ミラー、ミラー１１３とミラー１１４は平面ミラーである。

第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の反射面、及びミラー１１３の反射面には、周回光の波長に対して高い反射率をもつ高反射膜が形成されていてもよい。かつ、ミラー１１１の両面には励起光の波長に対して、低反射膜が形成されていてもよい。ミラー１１４の光入射面は低反射コーティングされていてもよい。ミラー１１４の光入射面は、反射面の反対側の面である。

複数のミラーで構成される共振器１１は、この例ではボウタイ型の共振器であり、光は一方向に周回する。共振器１１は、進行波型、すなわち定在波にならないリング共振器であればどのような配置でもよい。進行波型の共振器１１にする理由は、定在波共振器内のレーザ媒質中には、周期的に光の明暗が生じ、光の強いところでは誘導放出が飽和し、弱いところでは誘導放出が抑制されるため、光変換効率が低下するためである（空間ホールバーニング）。実施形態では、高効率のレーザ発振のため、共振器１１を進行波型の配置とする。

第１ミラー１１１と第２ミラー１１２は、共振器１１を周回する周回光（図中、グレーラインで描かれている）がレーザ媒質１３の内部に焦点を結ぶように配置されている。第１ミラー１１１の凹面と、第２ミラー１１２の凹面によって、共振器１１内を周回する光は第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間に焦点、またはビームウエストをもつ。

たとえば、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２を、その凹面の曲率半径よりも少し長く離れた位置に配置し、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間にレーザ媒質１３を配置することで、周回光はレーザ媒質１３の内部に焦点を結ぶ。周回光の焦点に、励起光Ｌpumpが重畳される。

図１の例では、励起光Ｌpumpは、第１ミラー１１１から共振器１１に入射し、レーザ媒質１３を照射する。レーザ媒質１３から自然放出された光は、第２ミラー１１２、ミラー１１３、ミラー１１４、第１ミラー１１１、第２ミラー１１２の順で周回し、一周するごとにレーザ媒質１３で増幅される。周回光の焦点に重畳された励起光Ｌpumpと周回光は、光吸収によりレーザ媒質１３内に生じた屈折率分布で生成される熱レンズにより、励起光のパワーを上げるにつれてさらに細く絞られる。

細く絞られた高密度の励起光でレーザ媒質１３を照射して、レーザ媒質１３で効率的に誘導放出をさせるために、励起光のレイリー長Ｚ_Ｒとレーザ媒質１３の励起光に対する吸収係数αの積「Ｚ_Ｒ×α」は、０．５未満に設計されている。レイリー長Ｚ_Ｒが短いと、ビーム径の拡散も早くなるが、実施形態では励起光自体の吸収によりレーザ媒質１３内に形成される熱レンズを利用して、レーザ媒質１３の内部で励起光が細く絞られた状態を維持する。熱レンズは、上述のように、細く絞られた高密度の励起光がレーザ媒質１３で吸収されることによって生じる屈折率分布で形成される。この屈折率分布は、第１ミラー１１１の方向から入射して周回光の焦点に重畳される励起光にとって、凸レンズのように作用し、励起光のビーム径の拡散を抑制する効果を奏すると考えられる。

レーザ装置１０は、注入同期により縦モードが制御されてもよい。図１の構成例では、ミラー１１４からシード光Ｌseedが注入される。共振器１１の共振器長、すなわち共振器１１内を一周するパスの長さは、シード光の波長の整数倍になるように調整されている。これにより、共振器１１の共振周波数またはレーザ出力光Ｌoutの縦モードが、シード光の周波数でロックされる。注入同期を用いない場合は、共振器１１内の光路の適切な個所にアイソレータを挿入して、周回光の分裂を抑制してもよい。

図２は、レーザ媒質１３内に形成される熱レンズの焦点距離と共振器１１の周回Ｇｏｕｙ位相シフト（θ）の関係を示す。周回Ｇｏｕｙ位相シフトとは、共振器を一周したときのＧｏｕｙ位相シフトである。実線はサジタル成分のＧｏｕｙ位相シフトθｓ、破線はタンジェンシャル成分のＧｏｕｙ位相シフトθtである。θ＝２π×ｎ／ｍを満たすとき（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）、ｍ次のモードと基本モードがともに共振器に共鳴し、横マルチモードとなる。図中に３π／２、１１π／７、及び８π／５に相当する焦点距離を曲線と直線との交点で示す。後述するように、ここに相当すると思われる励起光パワーにおいて、マルチモード化が起きることが確認された。

図２の計算は、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間の光路長を１３１．２ｍｍとする。これは空間光路９６ｍｍと結晶長３５．２ｍｍの和である。結晶、すなわちレーザ媒質１３の入射面を第１ミラー１１１から５１ｍｍの位置に配置した構成を前提としている。レーザ媒質１３の焦点（レーザ媒質の入射面から５ｍｍの位置と想定）の近傍に、１つの熱レンズが発生したとするモデルで、共振器１１の周回Ｇｏｕｙ位相シフト（θtとθsを合わせて「θt,s」とする）を計算する。

周回Ｇｏｕｙ位相シフトθt,ｓは、共振器１１の一周に相当する光線行列（またはＡＢＣＤ行列）を

とした際、
θt,s＝arccos((Ａ+Ｄ)/2)
で与えられる。ここで、θｔはタンジェンタル成分、θｓはサジタル成分を表し、Ｂが正の時は０＜θt,s＜πの範囲の値をとり、負の時はπ＜θt,s＜２πの範囲の値をとる。

共振器１１の光線行列は、各要素の積として計算される。
長さＬの空間を伝播する際の光線行列Ｓ(Ｌ）は、

と表される。曲率半径ｒ、入射角φの凹面鏡ミラーの光線行列Ｍt,s(f)は、タンジェンシャル成分とサジタル成分であり、

と表される。

焦点距離fのレンズの光線行列Ｌ（ｆ）は、

と表される。これらの光線行列を導波の順番で乗算することで、着目するパスの光線行列が計算される。すなわち、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の曲率半径ｒが同じであるとして、第１ミラー１１１と結晶（レーザ媒質１３）内に形成される熱レンズの間の光路長をＬ１、熱レンズから第２ミラー１１２までの光路長をＬ２、それ以外の光路長をＬ３とすると、

で計算される。

周回Ｇｏｕｙ位相シフトθは、平面波とガウシアンビームが共振器を１周した時に生じる光の位相の差を表している。０次モード（ガウシアンビーム）とｍ次の横モードが光共振器を１周した時、位相変化の差はｍ×θであらわされる。したがって、θ＝２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）を満たすとき、０次モードとｍ次モードの周回位相変化量が２πの整数倍となり、どちらも共振器に共鳴するため、マルチモード発振する。励起光がガウシアンビームである場合、周回光のｍが大きくなるほど空間的な重なりが悪くなって発振が抑制されると考えられる。実施例では１１π／７と考えられるマルチモード化が観測された。

レーザ媒質１３を照射する励起光パワーが強いほど、屈折率分布は急峻になり、熱レンズの焦点距離ｆは短くなる。実施例では、タンジェンシャル成分のθｔが３π／２となる焦点距離（約２０ｍｍ）より短くなったと思われる点で、スロープ効率の上昇が観測された。

焦点距離ｆが２０ｍｍ以下の範囲でサジタル成分、タンジェンタル成分ともに共振モードが存在する条件は、３ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲である。この中で、θｔ,ｓ＝２π×ｎ／ｍを除いた焦点距離に対し、スロープ効率の上昇とシングル横モードが両立可能となる。

この範囲の焦点距離ｆを実現するために、励起光のパワーを徐々に上げて、θｔを３π／２に近づける。図２の例では、ｆが約２０ｍｍのときに３π／２となる。この地点で横モードが縮退し、マルチモード発振すると考えられる。

その後、励起光のパワーをさらに上げて、タンジェンシャル成分のθtを３π／２から遠ざける。このときの熱レンズの焦点距離は６～１３ｍｍ未満である。

励起光の拡散を抑制して光吸収の効率を上げるために、θtを３π／２にとなったところから励起光パワーをさらに上げてθtを３π／２から遠ざけると、θt＝２π×ｎ／ｍ（ｍ＞３）となる地点で、共振器のマルチモード化が再度始まる可能性がある。しかし、このときに共振器に共鳴する光がより高次となるため、θt＝３π／２の時よりもマルチモードになる割合は少なく、励起パワーを少し変えて熱レンズの焦点距離をずらすことや、後述するように、レーザ媒質の温度を制御することで回復可能である。横モードの回復については、図５を参照して後述する。

共振器１１に入射する励起光のパワーを上記のように制御することで、熱レンズの効果により励起光の拡散を抑制し、スロープ効率を高めて、従来よりも高い出力パワーのレーザ装置１０を実現することができる。

図３は、レーザ装置１０の構成例を、測定セットアップとともに示す図である。レーザ装置１０は、図１を参照して説明したように、共振器１１と、共振器１１内に配置されるレーザ媒質１３を有する。共振器１１は、第１ミラー１１１、第２ミラー１１２、ミラー１１３、ミラー１１４で形成される進行波型の共振器である。レーザ媒質１３は、凹面を有する円形の第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間に配置されている。

一例として、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の凹面の曲率半径は１００ｍｍ、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間の距離は１１６ｍｍである。レーザ媒質１３として、入射面から出射面までの光軸方向の実効的な長さＬ＝２０ｍｍのチタンサファイア結晶が、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間に配置されている。ここで「実効的な長さ」とはレーザ媒質１３を通過する光が感じる長さであり、レーザ媒質１３の物理長と屈折率、波長等で決まる。チタンサファイア結晶の入射面と出射面の直径は５ｍｍである。レーザ媒質１３の入射面は、第１ミラー１１１から５１ｍｍの位置にある。第１ミラー１１１の凹面によって入射光のビーム径は１５μｍ程度にまで絞られる。

レーザ装置１０は、レーザ媒質１３の温度を制御する温度制御機構５５を有していてもよい。温度制御機構５５は、レーザ媒質１３を保持するホルダと、ホルダの温度を調整する温度調整器とを含んでいてもよい。レーザ媒質１３の温度を直接変えることは困難なので、例えばレーザ媒質１３を保持するホルダの温度を変えて、レーザ媒質１３の温度を制御する。レーザ媒質１３を保持するホルダの温度を変えることで、レーザ媒質１３内に生成される熱レンズの効果を調整できる。この温度制御機構５５は、後述するように、熱レンズ効果の影響を調整でき、レーザ媒質１３を通過する周回光のマルチモード化を回復する。

熱レンズの効果とは、細く絞られた励起光を細く絞ったままレーザ媒質１３内を伝搬させる効果である。レーザ媒質１３が励起光を吸収することで内部に生じた熱レンズで、励起光の拡散を抑えながら導波させることから、熱レンズの効果を「自己導波効果」、もしくは「自己収束効果」と呼んでもよい。

第２ミラー１１２からミラー１１３とミラー１１４と経て第１ミラー１１１に戻るまでの距離Ｌ３は、この構成例では３９５ｍｍである。周回光は、ミラー１１４から第１ミラー１１１に１８度の入射角で入射し、第１ミラー１１１で反射されてレーザ媒質１３内に集光される。図３で、素子間を結ぶ実線と二重線は光パスを表し、点線の矢印は電気信号パスを示す。

レーザ装置１０は、励起光源３１を有していてもよいし、外部から光ファイバ等で共振器１１に励起光を入射してもよい。この例で、励起光は、１０６４ｎｍレーザの２倍波の波長５３２ｎｍの光である。共振器１１は、レーザ媒質１３に入射する励起光のレイリー長Ｚ_Ｒが２．２ｍｍ、励起光に対するレーザ媒質１３の実効的な長さＬは２０ｍｍで吸収係数αが１．８ｃｍ^－１となるように設計されている。「Ｌ×α」の値は３．６であり、１．８９を超えている。「Ｚ_Ｒ×α」の値は０．３９６であり、０．５未満である。

励起光のパワーは、レーザ媒質１３の内部に形成される熱レンズの焦点距離ｆによって変化する周回Ｇｏｕｙ位相シフトが、θt,s≠２π×ｎ／ｍを満たすように制御されている。上述したように、共振器１１のθtを３π／２となるまで励起光のパワーを上げ、その後さらに励起光パワーを上げて、θtを３π／２よりも大きくなるレベルに設定されている。励起光源３１を用いる場合、励起光源３１の出射側で励起光パワーをモニタしてもよい（測定（ａ））。

励起光源３１と第１ミラー１１１の間にレンズ３６が配置されていてもよい。レンズ３６は、励起光がレーザ媒質１３内の焦点で周回光に重畳されるように、励起光を共振器内に入射する。レンズ３６の傾きを調整することで、縦方向と横方向の少なくとも一方に１～３ｍｍ程度の収差を与えてもよい。

レーザ装置１０は、シード光源３２を有していてもよいし、外部から光ファイバ等で共振器１１にシード光を入射してもよい。シード光源３２として、たとえば、低出力であるが安定的な波長７８０ｎｍの連続波外部共振器型半導体レーザを用いることができる。

シード光は、注入同期光としてミラー１１４から共振器１１に入射される。図３の例では、シード光源３２から出力されたシード光に含まれる特定の偏波成分（たとえばＴＥ成分）が、偏光ビームスプリッタ（図中、「ＰＢＳ」と表記）３３を透過して、電気光学変調器（ＥＯＭ）３４とミラー３５を介して、ミラー１１４に入射する。ミラー１１４の入射側で、シード光の注入パワーを測定してもよい（測定（ｂ））。

共振器１１の出力パワーを共振器長にフィードバックする縦モード調整回路４０を設けてもよい。共振器１１の出力の一部をビームスプリッタ（図中、「ＢＳ」と表記）１５で分岐して、フォトダイオード４１で検出する。たとえば、ミラー１１３をアクチュエータ等で位置調整可能に構成し、フォトダイオード４１の出力に基づいて、共振器長がシード光の波長の整数倍となるようにミラー１１３の位置を調整する。これにより、単一縦モードが維持される。

周波数ジェネレータ（ＦＧ）４３で１０～２０ＭＨｚの周波数を生成し、電気光学変調器３４に入力することで、シード光の位相の変調をかけてもよい。乗算器４２にて、フォトダイオード４１で検出された信号に含まれる高周波成分を、変調周波数で同期検波してもよい。同期検波の結果をミラー１１３の位置調整にフィードバックすることで、共振器１１の共振周波数は、シード光の周波数にロックされる。

光共振器１１を逆走する光が電気光学変調器３４とシード光源３２に戻らないように、シード光源３２と偏光ビームスプリッタ３３の間、及び電気光学変調器３４とミラー３５の間に、光アイソレータを挿入してもよい。また、共振器１１からの出力光の保護のため、ビームスプリッタ１５と波長板４７の間にも光アイソレータを挿入してもよい。また出力光の収差の補正のため、ビームスプリッタ１５と波長板４７の間にシリンドリカルレンズペアを挿入してもよい。

共振器１１の出力光は、ビームスプリッタ１５を通過して出力される。この出力光が、レーザ装置１０の出力である。出力光のパワーをモニタしてもよい（測定（ｃ））。図３の測定セットアップでは、レーザ出力光の特性を評価するために、ビームスプリッタ１５の透過光を１／２波長板４７を介して偏光ビームスプリッタ１６に導き、偏光ビームスプリッタ１６でレーザ出力光を２つの偏波に分離する。一方の偏波成分（たとえばＴＥ成分）を、共振器長を掃引した光共振器（図中、「ＲＥＳ」と表記）５３に入射し、透過光をフォトダイオード４６で検出して、共振器長毎に共鳴する横モードが異なることを利用して横モードの分布を検出し、基本モードの割合を測定する（横モード測定（ｄ））。

光共振器６３への入射光の一部をハーフミラー６２で分岐して、カメラ６１でビーム形状を観察する。偏光ビームスプリッタ１６を透過した他方の偏波成分を、１／２波長板４８を介して偏光ビームスプリッタ１７に導き、偏光ビームスプリッタ１７で２つの偏波成分に分離する。偏光ビームスプリッタ１７で取り出された偏波成分（たとえばＴＥ成分）は、光スペクトラムアナライザ５１でスペクトル観測される。偏光ビームスプリッタ１７で取り出されたＴＭ成分は、ハーフミラー（ＨＭ）１８に導かれて、シード光のＴＭ成分と合波される。合波された光は、フォトダイオード１９で検波されて電気スペクトラムアナライザ５２で、ビート周波数が計測される。

横モード測定（ｄ）、光スペクトラムアナライザ５１によるスペクトル観測、及び電気スペクトラムアナライザ５２によるビート計測と、これらの測定サイトまでの光学系は、レーザ出力光の特性評価のためのものであり、レーザ装置１０には含まれない。

図４は、励起光パワーと、レーザ特性の関係を示す図である。下段は、励起光パワーとレーザ出力光パワーの関係を示す。上段は、励起光パワーと基本モード（Fundamental Mode）結合率との関係を示す。基本モードは、ビームの中央部で強度が最も強くなるガウス分布型の強度分布のＴＥＭ００モードである。

励起光パワーは、図３の励起光パワー測定（ａ）で測定されている。レーザ出力パワーは、図３の出力パワー測定（ｃ）で測定されている。基本モードへの結合率は、横モードに含まれる基本モードの割合で表され、図３のレーザ出力光の横モード測定（ｄ）で得られている。

黒丸は、レーザ媒質１３を保持するホルダの温度を２３℃に設定し、注入同期すなわちシード光の注入をオンにしたときのデータである。グレイの四角は、レーザ媒質１３を保持するホルダの温度を２０℃に設定し、注入同期をオンにしたときのデータである。白丸は、レーザ媒質１３を保持するホルダの温度を２３℃に設定し、注入同期をオフにしたときのデータである。注入同期をオフにしたときは光が２方向にでるので、２つの光を合わせた値を提示している。

ホルダ温度２３℃で、励起光のパワーを０Ｗから８Ｗ程度まで上げていくと、ほぼリニアな関係で、レーザ出力パワーが増大する。この傾向は、注入同期の有無によらずに同じであるが、注入同期を行っているほうが、出力パワーは高い。

励起光パワーをさらに上げていくと、レーザ出力パワーはリニアな関係で上昇する。注目すべきは、励起光パワーの低い第１パワー領域と、励起光パワーの高い第２パワー領域で、スロープ効率が異なる点である。

スロープ効率は、励起光パワー上昇に対するレーザ出力パワー上昇の比を表し、すなわち、レーザ装置１０の光変換効率と相関する。注入同期オンのとき、第１パワー領域でのスロープ効率は、３０％以上、４０％未満であり、線形フィットした際の傾きでは約３８％である。これに対し、第２パワー領域でのスロープ効率は、４５％以上、６０％以下であり、線形フィットした際の傾きでは、５０％を超える。レーザ出力光のリニアな増大傾向は、注入同期の有無にかかわらず同じであるが、注入同期オンのときの方が、同じ励起光パワーに対するレーザ出力パワーが高い。励起光パワー増分に対する出力光パワー増分の比率で表されるスロープ効率は、励起光パワーが所定のレベル（この例では８Ｗ）以下の第１パワー領域よりも、所定のレベルよりも高い第２パワー領域のほうが高いことがわかる。

第２パワー領域で、ホルダ温度が２０℃の条件でレーザ発振すると、ホルダ温度が２３℃のときと同じパワーのレーザ光を出力し、同じスロープ効率が達成される。

一般に市販されている注入同期のないチタンサファイアレーザは、励起光パワー１８Ｗで５Ｗ程度の出力しか得られない。これに対し、実施形態の構成では、注入同期を行う場合、励起光パワー１８Ｗで、８Ｗ以上のレーザ出力パワーが得られている。従来のチタンサファイアレーザと比較して、出力パワーが３０～６０％も向上することがわかる。

次に、基本モードへの結合率を参照すると、第１パワー領域で、８０％以上の横モードが得られている。第２パワー領域の中でも、１３Ｗを超えるパワーでは、９０％以上の横モードが得られている。しかし、第１パワー領域と第２パワー領域の境界で、基本モード結合率が急激に悪化している。基本モード結合率が急激に落ち込む地点は、スロープの傾きが変わる変化点と一致している。変化点での励起光パワーは、正確には７．８８Ｗである。この点が、周回Ｇｏｕｙ位相シフトθｔが３π／２となった点であると考えられる。

図４のマルチモードとなる点、またはスロープの変化点は、図２でθt＝３π／２となる励起光パワーであり、レーザ媒質１３内に、焦点距離ｆが約２０ｍｍの熱レンズが形成されていることが示唆されている。θｔ＝３π／２となるところから、さらに励起光パワーを上げることで、θｔ≠２π×ｎ／ｍとなり、横モードが回復し、かつ光変換効率が向上する。

図５は、図４と同じ３通りの条件で光共振器５３の近くに設置したカメラ６１で得られた画像である。励起光パワーを、５．６７Ｗ、７．８８Ｗ、１３．４４Ｗ、１７．８９Ｗ、２２．３６Ｗと上げていく。

励起光パワーが７．８８Ｗ以下のとき、ホルダ温度が２３℃の条件では、５．６７Ｗの励起光パワーで、同期注入の有無によらずに良好なビーム形状が得られている。励起光を７．８８Ｗに上げると、注入同期オンのときに特にビームが横方向に分裂し、マルチモード化する。これはタンジェンシャル成分の周回Ｇｏｕｙ位相シフトθｔが３π／２となり、マルチモード発振したことを意味する。

励起光パワーを１３．４４Ｗにすると、ビーム形状が横方向に乱れている。同じ励起光パワーで、ホルダ温度が２３℃では、７．８８Ｗのときと比較してビーム形状がやや改善されているが、横モードの悪化が残っている。これはθｔ＝２π×ｎ／ｍの条件が再び満たされたことを意味する。計算によって、θt＝１１π／７であることが示唆される。

励起光パワーを１７．８９Ｗにすると、ホルダ温度２０、２３℃の条件ともに、ビーム形状がきれいに整っている。励起光パワーを２２．３６Ｗにすると、ホルダ温度２３℃の条件では、ビーム形状が再度悪化するが、ホルダ温度２０℃で、ビーム形状が回復されている。これはホルダ温度２３℃の条件ではθt＝２π×ｎ／ｍの条件が満たされたが、ホルダ温度２０℃に変えたことによって焦点距離がわずかに変わって、条件が満たされなくなったことを示唆する。

図５の観察結果から、マルチモード化はホルダ温度、すなわちレーザ媒質１３の温度を制御することで、チューニングまたは回復可能であることがわかる。温度制御機構５５を設けることで、励起光の吸収によりレーザ媒質１３を通過する周回光のマルチモード化を回復することができる。

図６は、光スペクトラムアナライザ５１の測定結果である。上段は、２２．５Ｗ励起で注入同期オンのときのスペクトル、下段は２２．５Ｗ励起で注入同期オフのときのスペクトルである。

上段の注入同期オンのとき、単一縦モードが得られている。このときのレーザ出力光パワーは９．８Ｗである。注入同期のない下段では、完全にマルチモード発振している。

図７は、レーザ出力光とシード光のビート計測結果である。図３の電気スペクトラムアナライザ５２で計測されている。図７は、図６の上段のスペクトルをより狭い範囲でみたものである。線幅が十分に細く、シード光のモードを劣化させずにハイパワー化されていることがわかる。

図８は、レーザ装置１０の動作方法のフローチャートである。進行型の共振器１１で、凹面をもつ第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間にレーザ媒質１３を配置する（Ｓ１１）。共振器１１を周回する周回光がレーザ媒質１３の内部に焦点を結ぶように、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の位置を決定する（Ｓ１２）。第１ミラー１１１、第２ミラー１１２、及びレーザ媒質１３の配置位置は、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の曲率半径、レーザ媒質１３の実効的な長さＬ等に基づいて決定される。ここで、レーザ媒質１３の励起光に対する吸収係数αとＬは、Ｌ×α＞１．８９の関係を満たす。

励起光をレーザ媒質１３内の焦点で周回光に重畳し、励起光を周回光よりも細く集光して、Ｚ_Ｒ×α＜０．５でレーザ装置１０を動作させる（Ｓ１３）。周回光に重畳された励起光は、レーザ媒質１３内に形成される熱レンズの効果で拡散が抑制され、スロープ効率が向上する。レーザ装置１０の動作が終了するまで（Ｓ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１３のレーザ出力動作は継続される。

図９は、図８のステップＳ１３のフローチャートである。励起光のパワーを０から上げて、共振器１１のθｔ＝３π／２に近づける（Ｓ１３１）。θｔ＝３π／２としたところから、さらに励起光のパワーを上げて、θｔをさらに上昇させる（Ｓ１３２）。θｔ≠２π×ｎ／ｍとなる点で励起光パワーを固定してもよい。ここでｍは最大１４までを考慮すれば十分である。また、レーザ媒質１３の温度、もしくは、励起光パワーを制御して周回Ｇｏｕｙ位相シフトθtが２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）とならないように制御して、レーザ媒質１３を通過する周回光がマルチモード発振することを回避してもよい。これにより高い光変換効率のレーザ装置が実現される。

このように、レーザ装置１０の動作方法は、
第１ミラー１１１と第２ミラー１１２を含む複数のミラーで進行波型の共振器１１を形成し、第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の間にレーザ媒質１３を配置し、共振器１１を周回する周回光がレーザ媒質１３の内部に焦点を結ぶように第１ミラー１１１と第２ミラー１１２の位置を決定し、共振器１１に励起光を入射して励起光をレーザ媒質１３内の焦点で周回光に重畳し、励起光を周回光よりも細く集光し、
共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトが２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）とならないように制御し、
励起光のレイリー長をＺ_Ｒ、前記レーザ媒質による前記光の吸収係数をαとすると、
Ｚ_Ｒ×α＜０．５
の条件で動作させる。

より好ましい例では、励起光に対するレーザ媒質１３の実効的な長さをＬとすると、
Ｌ×α＞１．８９
かつ、Ｚ_Ｒ×α＜０．５
である。

上述のように、励起光はレーザ媒質１３内に生成される熱レンズにより集光される。励起光のパワーを上げて、熱レンズの焦点距離を短縮し、共振器１１の周回Ｇｏｕｙ位相を３π／２に近づけ、さらに励起光のパワーを上げて前記熱レンズの焦点距離を短縮して、周回Ｇｏｕｙ位相シフトを３π／２よりさらに上昇させる。これにより、スロープ効率が向上する。レーザ媒質１３の温度、もしくは、励起光パワーを制御して周回Ｇｏｕｙ位相シフトθが２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）とならないように制御することで、周回光のマルチモード発振を抑制することができる。

以上、特定の構成例に基づいて実施例を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。励起光のレイリー長Ｚ_Ｒ、励起光に対するレーザ媒質の吸収係数αは、Ｌ×α＞１．８９かつＺ_Ｒ×α＜０．５を満たす範囲で、適切に選択される。共振器１１は、用いる凹面ミラーの曲率半径、レーザ媒質のサイズ等に応じて、適切な配置で構成される。励起光の波長、シード光の波長は、目的とするレーザ出力光に応じて選択される。いずれの場合も、従来構成と比較して高い光変換効率のレーザ装置を実現できる。

１０ レーザ装置
１１ 共振器
１１１ 第１ミラー
１１２ 第２ミラー
１１３、１１４ ミラー
１３ レーザ媒質
３１ 励起光源
３２ シード光源
３６ レンズ
４０ 縦モード調整回路
５５ 温度制御機構
Ｚ_Ｒ 励起光のレイリー長
α レーザ媒質の励起光に対する吸収係数
Ｌ 励起光に対するレーザ媒質の実効的な長さ
θ 周回Ｇｏｕｙ位相シフト

Claims (13)

1. 第１ミラーと第２ミラーを含む進行波型の共振器と、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置されるレーザ媒質と、
   を有し、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーは、前記共振器を周回する周回光が前記レーザ媒質の内部に焦点を結ぶように配置され、
   前記共振器に入射される励起光が前記焦点で前記周回光に重畳されて前記周回光よりも細くしぼられ、
   前記励起光のレイリー長をＺ_Ｒ、前記レーザ媒質の前記励起光に対する吸収係数をαとすると、
   Ｚ_Ｒ×α＜０．５
   であり、前記共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトは２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）を除く値を有する、
   レーザ装置。
2. 前記励起光に対する前記レーザ媒質の実効的な長さをＬとすると、
   Ｌ×α＞１．８９
   である、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザ装置は、前記レーザ媒質の温度を制御する温度制御機構、
   を有する請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記温度制御機構は、前記レーザ媒質を保持するホルダと、前記ホルダの温度を調整する温度調整器と、を含む
   請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記温度制御機構は、前記励起光の吸収により前記レーザ媒質を通過する前記周回光のマルチモード化を回復する、
   請求項３または４に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ装置は、さらに前記共振器にシード光を入射するシード光源と、
   前記共振器の共振器長を前記シード光の波長の整数倍に制御する縦モード調整回路と、
   を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 励起光パワー増分に対する出力光パワー増分の比率で表されるスロープ効率は、前記励起光パワーが所定のレベル以下の第１パワー領域よりも前記所定のレベルよりも高い第２パワー領域のほうが高い、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 前記第１パワー領域での前記スロープ効率は、３０％以上、４０％未満である、
   請求項７に記載のレーザ装置。
9. 前記第２パワー領域での前記スロープ効率は、４５％以上、６０％以下である、
   請求項７または８に記載のレーザ装置。
10. 第１ミラーと第２ミラーを含む複数のミラーで進行波型の共振器を形成し、
    前記第１ミラーと前記第２ミラーの間にレーザ媒質を配置し、
    前記共振器を周回する周回光が前記レーザ媒質の内部に焦点を結ぶように前記第１ミラーと前記第２ミラーの位置を決定し、
    前記共振器に励起光を入射して前記励起光を前記焦点で前記周回光に重畳し、前記励起光を前記周回光よりも細く集光し、
    前記共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトが２π×ｎ／ｍ（ｍは１５未満の整数、ｎはｍ以下の整数）とならないように制御し、
    前記励起光のレイリー長をＺ_Ｒ、前記レーザ媒質の前記励起光に対する吸収係数をαとすると
    Ｚ_Ｒ×α＜０．５
    の条件で動作するレーザ装置の動作方法。
11. 前記励起光に対する前記レーザ媒質の実効的な長さをＬとすると、前記レーザ装置は
    Ｌ×α＞１．８９
    の条件で動作する、請求項１０に記載のレーザ装置の動作方法。
12. 前記励起光は前記レーザ媒質内に生成される熱レンズにより集光される、
    請求項１０または１１に記載のレーザ装置の動作方法。
13. 前記励起光のパワーを上げて、前記熱レンズの焦点距離を短縮し、前記共振器の周回Ｇｏｕｙ位相シフトを３π／２に近づけ、さらに前記励起光のパワーを上げて前記熱レンズの焦点距離を短縮し、前記周回Ｇｏｕｙ位相シフトを３π／２よりさらに上昇させる、
    請求項１２に記載のレーザ装置の動作方法。

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