JP2023032344A - 固体レーザ発振器 - Google Patents

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【課題】エンドポンピング方式の固体レーザ発振器において、高効率なＴＥＭ００発振を実現する。【解決手段】固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１は、光源１０２の各エミッタ１０２ａから出力されたレーザビームＢ１をコリメートするＦＡＣレンズ１０３と、レーザビームＢ１を光軸Ａｌまわりに回転するビームシェイパー１０４と、レーザビームＢ１を集光して励起ビームＢ３を生成する第１集光レンズ１０７と、レーザ媒質１１３と、を備える。第１集光レンズ１０７は、光軸Ａｌに直交する一方向である第１集光方向Ａｃ１においてレーザビームＢ１を集光し、励起ビームＢ３は、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆの双方に対して第１集光方向Ａｃ１が傾斜するように第１集光レンズ１０７が配置されることによりで、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状Ｇ１３を有する。【選択図】図１６

Description

ここに開示する技術は、固体レーザ発振器に関する。
エンドポンピング方式を採用した固体レーザ発振器において、レーザダイオードからなる光源を光ファイバに結合し、その光ファイバから出射されるレーザ光によってレーザ媒質を励起させる構成が広く知られている。
しかしながら、光ファイバを用いた固体レーザ発振器は、発振器自体の小型化、および、レーザ特性の安定化等が容易ではない。そのため、光ファイバを使用しないファイバレスな構成が、予てから提案されてきた。
具体的に、非特許文献１には、ファイバレスな構成の一例として、ビームを出力する光源（mini-bar）と、光源から出力されたビームのＸ方向とＹ方向を入れ替えるビームシェイパーとして機能するＢＴＳ（Beam transformation System）と、ＢＴＳによってＸ方向とＹ方向とが入れ替えられたビームをコリメートするＳＡＣレンズおよびＦＡＣレンズと、を備えた構成が開示されている。
前記非特許文献１によれば、同文献に記載の構成を採用した場合、ＳＡＣレンズまたはＦＡＣレンズを透過した直後のビームのプロファイルは、長方形ないし正方形となる。
また、非特許文献２には、ファイバレスな構成の別例として、複数のマイクロレンズによって構成されるホモジナイザーによって、ビームの強度分布を均一化する構成が開示されている。
前記非特許文献２によれば、同文献に記載の構成を採用した場合、ホモジナイザーによって強度分布が均一化されたビームのプロファイルは、前記非特許文献１と同様に、長方形ないし正方形となる。
Junhong Yu et al., "Optimization of beam transformation system for laser-diode bars", OPTICS EXPRESS Vol. 21, No.17, p.19728, 2016. V. Sinhoff et al., "Micro-lens arrays for laser beam homogenization and transformation", High-Power Diode Laser Technology and Applications XI, edited by Mark S. Zediker, Proc. of SPIE Vol. 8605, 2013.
ところで、高効率なＴＥＭ００発振を実現するためには、共振器の基本モードと励起ビームの空間モードとが一致するように、基本モードのビーム径（以下、「基本ビーム径」ともいう）と励起ビームのビーム径（以下、「励起ビーム径」ともいう）とを一致させることが考えられる。
ところが、前記非特許文献１および前記非特許文献２に記載された方法では、励起ビームのプロファイルは、長方形ないし正方形となる。この場合、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのは容易ではなく、高効率なＴＥＭ００発振を実現するには不都合なものとなる。
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンドポンピング方式の固体レーザ発振器において、高効率なＴＥＭ００発振を実現することにある。
本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ビームシェイパーによるビーム整形、および、集光レンズによる集光のうちの少なくとも１つにおいて、意図的に収差を引き起こすことを考えた。そして、意図的に引き起こされた収差によって励起ビームのスポット形状を正方形または長方形から変形することで、そのスポット形状を真円に整えることを想到するに至った。
具体的に、本開示の第１の態様は、エンドポンプ方式の固体レーザ発振器に係る。この固体レーザ発振器は、遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備える。
そして、本開示の第１の態様によれば、前記集光レンズは、前記光軸に直交する一方向である集光方向において前記レーザビームを集光し、前記励起ビームは、前記遅軸方向および前記速軸方向の双方に対して前記集光方向が傾斜するように前記集光レンズが配置されることにより、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状を有し、前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する。
ここで、「遅軸方向および速軸方向の双方に対して集光方向が傾斜する」の語は、遅軸方向および速軸方向の双方に対して集光方向が非平行かつ非直交となることを示す。
また、「集光レンズ」の語は広義で用いる。つまり、前記第１の態様に係る集光レンズには、いわゆるコリメートレンズとして用いられるレンズも含まれる。
集光レンズをレイアウトする際には、励起ビームの強度分布の一様化等の観点から、遅軸方向および速軸方向の一方に対して集光方向を一致させるのが通常の使用態様である。対して、前記第１の態様によると、そうした通常の使用態様から意図的に集光レンズの使用態様を変更することで、励起ビームに収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームのスポット形状をぼやかすように作用することになる。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームのスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となる。これにより、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
本開示の第２の態様は、エンドポンプ方式の固体レーザ発振器に係る。この固体レーザ発振器は、遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備える。
そして、本開示の第２の態様によれば、前記励起ビームは、前記ビームシェイパーによる回転前の速軸方向および遅軸方向と、前記ビームシェイパーによる回転後の速軸方向および遅軸方向とが互いに傾斜するように前記ビームシェイパーが前記レーザビームを回転させることで、前記回転後の速軸方向が前記回転前の遅軸方向に一致しかつ前記回転後の遅軸方向が前記回転前の速軸方向に一致するようにビームシェイパーが前記レーザビームを回転させる場合に比して真円化されたスポット形状を有し、前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する。
ここで、「回転前の速軸方向および遅軸方向と、回転後の速軸方向および遅軸方向とが互いに傾斜する」の語は、回転前の速軸方向が、回転後の速軸方向および遅軸方向の双方に対して非平行かつ非直交となり、かつ、回転前の遅軸方向が、回転後の速軸方向および遅軸方向の双方に対して非平行かつ非直交となることを示す。
ビームシェイパーの構成を設定する際には、励起ビームの強度分布の一様化等の観点から、回転後の遅軸方向を回転前の速軸方向に一致させ、回転後の速軸方向を回転前の遅軸方向に一致させるのが通常の使用態様である。対して、前記第２の態様によると、そうした通常の使用態様から意図的にビームシェイパーの使用態様を変更することで、励起ビームに収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームのスポット形状をぼやかすように作用することになる。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームのスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となり、ひいては、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
本開示の第３の態様は、エンドポンプ方式の固体レーザ発振器に係る。この固体レーザ発振器は、遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備える。
そして、本開示の第３の態様によれば、前記励起ビームは、前記光軸に対して前記集光レンズの中心軸が傾斜するように該集光レンズが配置されることにより、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状を有し、前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する。
集光レンズをレイアウトする際には、励起ビームの強度分布の一様化等の観点から、光軸と、集光レンズの中心軸とを一致させるのが通常の使用態様である。対して、前記第３の態様によると、そうした通常の使用態様から意図的に集光レンズの使用態様を変更することで、励起ビームに収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームのスポット形状をぼやかすように作用する。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームのスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となり、ひいては、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
また、本開示の第４の態様によれば、前記固体レーザ発振器は、前記光源から出力されたレーザビームを、前記遅軸方向においてコリメートする遅軸コリメータを備える、としてもよい。
前記第４の態様によると、速軸コリメータに加えて遅軸コリメータを設けることで、遅軸方向におけるレーザビームの広がりを低減することができる。これにより、レーザビームに基づいて励起ビームを生成する際に、その励起ビームのビーム品質を高める上で有利になる。そのことで、励起ビームのスポット形状をより適切に整形することができるようになる。
また、本開示の第５の態様によれば、前記光源から前記レーザ媒質に向かって、前記速軸コリメータ、前記ビームシェイパーおよび前記遅軸コリメータの順番で配置されている、としてもよい。
また、本開示の第６の態様によれば、前記固体レーザ発振器は、前記集光レンズとは異なる方向に前記レーザビームを集光する第２の集光レンズを備え、前記集光レンズおよび前記第２の集光レンズは、それぞれ、シリンドリカルレンズによって構成される、としてもよい。
前記第６の態様によると、２枚のシリンドリカルレンズを用いることで、縦横比が異なるレーザビームが出射される場合であっても、そのレーザビームを２つの方向で個別に集光することができるようになる。これにより、励起ビームのビーム品質を高める上で有利になる。
特に、遅軸方向に並んだ複数のエミッタにより、直線状のビームが光源から出力されるため、速軸方向に比して遅軸方向に拡がった光が出力される。そこで、前述の如き２枚のシリンドリカルレンズを用いることで、速軸方向と、遅軸方向とで、集光比率を変化させることができる。これにより、励起ビームの品質を高めることができる。
また、本開示の第７の態様によれば、前記共振器の共振器長に基づいて決定される前記出力ビームのビーム径と、前記真円化されたスポット形状の半径とが略一致するように構成され、前記集光レンズおよび前記第２の集光レンズそれぞれの曲率半径は、前記真円化されたスポット形状の半径に基づいて設定される、としてもよい。
前記第７の態様によると、集光レンズおよび第２の集光レンズそれぞれの曲率半径は、真円化されたスポット形状の半径、ひいては基本ビーム径に基づいて設定することができる。このように設定することは、励起ビームおよび出力ビームのビーム品質を高める上で好適に作用する。
また、本開示の第８の態様によれば、前記共振器は、前記出力ビームをパルス発振させる可飽和吸収体と、前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に配置されるブリュースタ板と、を有し、前記ブリュースタ板は、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する、としてもよい。
前記第８の態様によると、ブリュースタ板により、速軸方向の直線偏向であるｐ偏光を取り出し、該取り出した直線偏向を可飽和吸収体に入射させることができる。波長変換の効率を低下させる虞がある遅軸方向の偏光成分を取り除くことで、波長変換を効率的に行うことができる。
また、本開示の第９の態様によれば、前記２つ以上のミラー、前記レーザ媒質、前記可飽和吸収体および前記ブリュースタ板は、共通のベースプレート上に固定される、としてもよい。
前記第９の態様によると、共振器を構成する各光学部品は、共通のベースプレート上に固定されることになる。このように構成することで、光学部品同士の位置関係を一定に保ち、ひいては、出力ビームのビーム品質を保つ上で有利になる。
特に、レーザ媒質の端面には、真円化されたスポット形状を有する励起ビームが入射するように、共振器を構成する各光学部品は、最適条件を満たすようにレイアウトが調整されている。これらの光学部品の相対的な位置関係が、外部からの振動、衝撃や、温度変化などによりわずかにでも変動すると、最適条件を満たさなくなる。この場合、真円化されたスポット形状が形成されず、出力ビームの品質が低下してしまう虞がある。共振器を構成する各光学部品同士の位置関係を一定に保つことで、出力ビームの品質が低下してしまう虞を取り除くことができる。
また、本開示の第１０の態様によれば、前記第１の態様において、前記非傾斜状態における集光方向が前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの一方に沿ったものとすると、前記光軸に直交する断面視において、前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの一方と前記集光方向とがなす鋭角は、前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの他方と前記集光方向とがなす鋭角に比して小さい、としてもよい。
また、本開示の第１１の態様によれば、前記第２の態様において、前記光軸に直交する断面視において、前記ビームシェイパーによる回転前の前記速軸方向と該ビームシェイパーによる回転後の前記遅軸方向とがなす鋭角は、前記ビームシェイパーによる回転前の前記遅軸方向と該ビームシェイパーによる回転後の前記遅軸方向とがなす鋭角に比して小さい、としてもよい。
また、本開示の第１２の態様によれば、前記第３の態様において、前記光軸を通過する断面視において、前記光軸と前記中心軸とがなす鋭角は、前記遅軸方向および前記速軸方向に沿って延びる平面と前記中心軸とがなす鋭角に比して小さい、としてもよい。
また、本開示の第１３の態様によれば、前記励起ビームは、前記光軸に垂直な断面視において、該光軸から離間するにしたがって漸減する単峰性の強度分布をなす、としてもよい。
前記第１３の態様によると、励起ビームの強度分布は、一様な分布ではなく、いわゆるガウシアンビームのように、ガウシアン状の分布となる。これにより、より高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
以上説明したように、本開示によれば、エンドポンピング方式の固体レーザ発振器において、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができる。
図１は、分析観察装置の全体構成を例示する模式図である。 図２は、光学系アセンブリを例示する斜視図である。 図３は、光学系アセンブリを例示する側面図である。 図４は、光学系アセンブリを例示する正面図である。 図５は、光学系アセンブリを例示する分解斜視図である。 図６は、光学系アセンブリの構成を模式化して示す側面図である。 図７は、分析光学系の構成を例示する模式図である。 図８Ａは、ヘッド部の水平移動について説明するための図である。 図８Ｂは、ヘッド部の水平移動について説明するための図である。 図９は、コントローラ本体の構成を例示するブロック図である。 図１０は、分析観察装置の基本動作を例示するフローチャートである。 図１１は、レーザ出射部の外観を例示する斜視図である。 図１２は、筐体から第１蓋体および第２蓋体を取り外した状態を概略的に例示する平面図である。 図１３は、レーザ出射部を構成する光学部品のレイアウトを例示する平面図である。 図１４は、励起光源の構成を例示する斜視図である。 図１５Ａは、レーザビームに基づいて励起ビームを生成するための光学部品のレイアウトを例示する側面図である。 図１５Ｂは、レーザビームに基づいて励起ビームを生成するための光学部品のレイアウトを例示する平面図である。 図１６は、第１の方策について説明するための図である。 図１７は、第２の方策について説明するための図である。 図１８は、第３の方策について説明するための図である。 図１９Ａは、第１の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図１９Ｂは、第１の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図１９Ｃは、第１の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図１９Ｄは、第１の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２０Ａは、第２の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２０Ｂは、第２の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２０Ｃは、第２の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２０Ｄは、第２の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２１Ａは、第３の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２１Ｂは、第３の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２１Ｃは、第３の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２１Ｄは、第３の方策を採用した場合のスポット形状の計測結果を示す図である。 図２２は、共振器の概略構成を例示する縦断面図である。
以下、本開示の図面に基づいて説明する。なお、以下の説明は例示である。
＜分析観察装置Ａの全体構成＞
図１は、本開示の実施形態に係る固体レーザ発振器を備える分析観察装置Ａの全体構成を例示する模式図である。図１に例示される分析観察装置Ａは、載置台５に載置された観察対象物および分析対象物としてのサンプルＳＰの拡大観察を行うとともに、該サンプルＳＰの成分分析を行うことができる。特に本実施形態に係る載置台５は、開放空間に設けられるように構成されており、大気開放状態でサンプルＳＰの成分分析等を行うことができる。
詳しくは、本実施形態に係る分析観察装置Ａは、例えば微少物体等の試料、電子部品、被加工物等からなるサンプルＳＰを拡大して撮像することで、そのサンプルＳＰにおいて成分分析が行われるべき部位を探索したり、その外観の検査、計測等を行ったりすることができる。分析観察装置Ａは、その観察機能に着目した場合、拡大観察装置と呼称したり、単に顕微鏡と呼称したり、あるいは、デジタルマイクロスコープと呼称したりすることができる。
分析観察装置Ａはまた、サンプルＳＰの成分分析に際し、レーザ誘起ブレークダウン法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy：ＬＩＢＳ）、レーザ誘起プラズマ分光法（Laser Induced Plasma Spectroscopy：ＬＩＰＳ）等と呼称される手法を実施することができる。分析観察装置Ａは、その分析機能に着目した場合、成分分析装置と呼称したり、単に分析装置と呼称したり、あるいは、分光装置と呼称したりすることもできる。
図１に示すように、本実施形態に係る分析観察装置Ａは、主要な構成要素として、光学系アセンブリ（光学系本体）１と、コントローラ本体２と、操作部３と、を備える。
このうち、光学系アセンブリ１は、サンプルＳＰの撮像および分析を行うとともに、その撮像結果および分析結果に対応した電気信号を外部に出力することができる。
コントローラ本体２は、第１カメラ８１等、光学系アセンブリ１を構成する種々の部品を制御するための制御部２１を有する。コントローラ本体２は、制御部２１を介して、光学系アセンブリ１にサンプルＳＰの観察および分析を行わせることができる。コントローラ本体２はまた、種々の情報を表示可能な表示部２２を有する。この表示部２２には、光学系アセンブリ１において撮像された画像、サンプルＳＰの分析結果を示すデータ等を表示することができる。
操作部３は、ユーザによる操作入力を受け付けるマウス３１、コンソール３２およびキーボード３３を有する（キーボード３３は、図１５Ａにのみ図示）。コンソール３２は、ボタン、調整ツマミ等を操作することで、コントローラ本体２に画像データの取込、明るさ調整、第１カメラ８１のピント合わせ等を指示することができる。
なお、操作部３は、マウス３１、コンソール３２およびキーボード３３を３つとも有する必要はなく、任意の１つまたは２つを有していてもよい。また、マウス３１、コンソール３２およびキーボード３３に加えてまたは代えて、タッチパネル式の入力装置、音声式の入力装置等を用いてもよい。タッチパネル式の入力装置の場合、表示部２２に表示されている画面上の任意の位置を検出可能に構成することができる。
＜光学系アセンブリ１の詳細＞
図２～図４は、それぞれ、光学系アセンブリ１を例示する斜視図、側面図および正面図である。また、図５は光学系アセンブリ１の分解斜視図であり、図６は光学系アセンブリ１の構成を模式化して示す側面図である。
図１～図６に示すように、光学系アセンブリ１は、各種機器を支持するとともにサンプルＳＰが載置されるステージ４と、このステージ４に取り付けられるヘッド部６と、を備える。ここで、ヘッド部６は、分析光学系７が収容された分析筐体７０に、観察光学系９が収容された観察筐体９０を装着してなる。ここで、分析光学系７はサンプルＳＰの成分分析を行うための光学系である。観察光学系９はサンプルＳＰの拡大観察を行うための光学系である。ヘッド部６は、サンプルＳＰの分析機能と拡大観察機能とを兼ね備えた装置群として構成されている。
なお、以下の説明では、図１～図４に示すように光学系アセンブリ１の前後方向および左右方向が定義される。すなわち、ユーザと対面する一側が光学系アセンブリ１の前側であり、これと反対側が光学系アセンブリ１の後側であり、ユーザと光学系アセンブリ１とが対面したときに、そのユーザから見て右側が光学系アセンブリ１の右側であり、ユーザから見て左側が光学系アセンブリ１の左側である。なお、前後方向および左右方向の定義は、説明の理解を助けるためのものであり、実際の使用状態を限定するものではない。いずれの方向が前となるように使用してもよい。
また、以下の説明では、光学系アセンブリ１の左右方向を「Ｘ方向」とし、光学系アセンブリ１の前後方向を「Ｙ方向」とし、光学系アセンブリ１の上下方向を「Ｚ方向」とし、このＺ軸に平行な軸を中心に回転する方向を「φ方向」と定義する。Ｘ方向とＹ方向とは同一水平面上で互いに直交しており、その水平面に沿った方向を「水平方向」と定義する。Ｚ軸は、その水平面に対して直交する法線の方向である。これらの定義についても、適宜変更することが可能である。
また、ヘッド部６は、図２～図６に示す中心軸Ａｃに沿って移動したり、この中心軸Ａｃまわりに揺動したりすることができる。この中心軸Ａｃは、図６等に示すように、前述の水平方向、特に前後方向に沿って延びるように構成される。
（ステージ４）
ステージ４は、作業台等に設置されるベース４１と、ベース４１に接続されたスタンド４２と、ベース４１またはスタンド４２によって支持された載置台５と、を有する。このステージ４は、載置台５およびヘッド部６の相対的な位置関係を規定するための部材であり、少なくとも、ヘッド部６の観察光学系９および分析光学系７を取付可能に構成される。
ベース４１は、ステージ４の略下半部を構成しており、図２に示すように、左右方向の寸法に比して、前後方向の寸法が長い台座状に形成される。ベース４１は、作業台等に設置される底面を有する。ベース４１の前側部分には、載置台５が取り付けられる。
また、図６等に示すように、ベース４１の後側部分（特に、載置台５よりも後側に位置する部分）には、第１支持部４１ａと第２支持部４１ｂが、前側から順番に並んだ状態で設けられる。第１および第２支持部４１ａ，４１ｂは、双方ともベース４１から上方へ突出するように設けられる。第１および第２支持部４１ａ，４１ｂには、前記中心軸Ａｃと同心になるように配置される円形の軸受孔（不図示）が形成される。
スタンド４２は、ステージ４の上半部を構成しており、図２～図３、図６等に示すように、ベース４１（特にベース４１の底面）に対して垂直な上下方向に延びる柱状に形成される。スタンド４２における上側部分の前面には、別体の装着具４３を介してヘッド部６が取り付けられる。
また、図６等に示すように、スタンド４２の下側部分には、第１取付部４２ａと第２取付部４２ｂが、前側から順番に並んだ状態で設けられる。第１および第２取付部４２ａ，４２ｂは、前述の第１および第２支持部４１ａ，４１ｂに対応した構成とされている。具体的に、第１および第２支持部４１ａ，４１ｂならびに第１および第２取付部４２ａ，４２ｂは、第１取付部４２ａと第２取付部４２ｂによって第１支持部４１ａを挟み込むとともに、第１支持部４１ａと第２支持部４１ｂによって第２取付部４２ｂを挟み込むようにレイアウトされる。
また、第１および第２取付部４２ａ，４２ｂには、第１および第２支持部４１ａ，４１ｂに形成された軸受孔と同心かつ同径に構成された円形の軸受孔（不図示）が形成される。これら軸受孔に対し、クロスローラベアリング等のベアリング（不図示）を介して軸部材４４が挿入される。この軸部材４４は、その軸心が前述の中心軸Ａｃと同心になるように配置される。軸部材４４を挿入することで、ベース４１とスタンド４２は、相対的に揺動可能に連結される。軸部材４４は、第１および第２支持部４１ａ，４１ｂならびに第１および第２取付部４２ａ，４２ｂとともに、本実施形態における傾斜機構４５を構成する。
傾斜機構４５を介してベース４１とスタンド４２を連結することで、スタンド４２は、中心軸Ａｃまわりに揺動可能な状態で、ベース４１によって支持されることになる。スタンド４２は、中心軸Ａｃまわりに揺動することで、所定の基準軸Ａｉに対して左右方向に傾斜することになる（図１４Ａおよび図１４Ｂを参照）。この基準軸Ａｉは、図４等に示す非傾斜状態においては、載置台５の上面（載置面５１ａ）に垂直に延びる軸とすることができる。また、中心軸Ａｃは、傾斜機構４５による揺動の中心軸（回転中心）として機能することになる。
具体的に、本実施形態に係る傾斜機構４５は、スタンド４２を基準軸Ａｉに対して右側に９０°程度傾斜させたり、基準軸Ａｉに対して左側に６０°程度傾斜させたりすることができるようになっている。前述のように、スタンド４２にはヘッド部６が取り付けられることになるため、このヘッド部６もまた、基準軸Ａｉに対して左右方向に傾斜させることができる。ヘッド部６を傾斜させることは、分析光学系７および観察光学系９を傾斜させること、ひいては、後述の分析光軸Ａａおよび観察光軸Ａｏを傾斜させることに等しい。
装着具４３は、スタンド４２の長手方向に沿ってヘッド部６を案内するレール部４３ａと、レール部４３ａに対するヘッド部６の相対位置をロックするためのロックレバー４３ｂと、を有する。ここで、スタンド４２の長手方向は、非傾斜状態では上下方向（第１方向）に一致するとともに、分析光軸Ａａ、観察光軸Ａｏおよび基準軸Ａｉに沿って延びる方向に一致する。スタンド４２の長手方向は、傾斜状態では上下方向および基準軸Ａｉに沿って延びる方向とは不一致になるものの、分析光軸Ａａおよび観察光軸Ａｏに沿って延びる方向とは依然として一致する。スタンド４２の長手方向は、以下の記載では「略上下方向」とも呼称される。
レール部４３ａにはヘッド部６の後面部分（具体的にはヘッド取付部材６１）が挿入される。レール部４３ａは、その後面部分を略上下方向に沿って移動させることができる。そして、ヘッド部６を所望位置に設定した状態でロックレバー４３ｂを操作することで、ヘッド部６を所望位置に固定することができる。また、図２～図３に示される第１操作ダイヤル４６を操作することで、ヘッド部６の位置調整を行うこともできる。
さらに、ステージ４またはヘッド部６には、該ヘッド部６を略上下方向に移動させるためのヘッド駆動部４７が内蔵される。このヘッド駆動部４７は、コントローラ本体２によって制御される不図示のアクチュエータ（例えば、ステッピングモータ）と、そのステッピングモータの出力軸の回転を略上下方向の直線運動に変換する運動変換機構とを含んでおり、コントローラ本体２から入力される駆動パルスに基づいてヘッド部６を移動させる。ヘッド駆動部４７がヘッド部６を移動させることで、このヘッド部６、ひいては分析光軸Ａａおよび観察光軸Ａｏを略上下方向に沿って移動させることができる。
載置台５は、ベース４１の前後方向中央部よりも前側に配置されており、このベース４１の上面に取り付けられている。載置台５は、開放空間に設けられた電動式の載置台として構成されており、その載置面５１ａ上に載置されたサンプルＳＰを水平方向に沿って移動させたり、上下方向に沿って昇降させたり、φ方向に沿って回動させたりすることができる。載置台５を開放空間に設けることで、載置面５１ａ付近の空間は、カバー等の部材によって覆われていない非遮蔽空間となる。これにより、載置面５１ａ上に載置されたサンプルＳＰに対し外部からアクセスすることが可能となり、サンプルＳＰの位置調整等を手作業または工具を用いて行うことができるようになる。さらに、載置面５１ａ付近の空間が非遮蔽空間となることで、載置面５１ａ上の空間を有効に活用し、比較的大きなサンプルＳＰを載置することもできるようになる。
具体的に、本実施形態に係る載置台５は、図２～図４に示すように、サンプルＳＰを載置するための載置面５１ａを有する載置台本体５１と、ベース４１および載置台本体５１の間に配置されかつ載置台本体５１を変位させる載置台支持部５２と、後述の図１５Ｂに示す載置台駆動部５３と、を有する。
載置台本体５１は、いわゆるＸＹステージとして構成されている。載置台本体５１の上面は、サンプルＳＰが載置される載置面５１ａを構成している。この載置面５１ａは、略水平方向に沿って延びるように形成される。載置面５１ａには、大気開放状態、すなわち真空室等に収容されない状態でサンプルＳＰが載置される。
載置台支持部５２は、ベース４１と載置台本体５１とを連結する部材であり、上下方向に沿って延びる略円柱状に形成される。載置台支持部５２には、載置台駆動部５３を収容することができる。
載置台駆動部５３は、コントローラ本体２によって制御される不図示かつ複数のアクチュエータ（例えば、ステッピングモータ）と、そのステッピングモータの出力軸の回転を直線運動に変換する運動変換機構とを含んでおり、コントローラ本体２から入力される駆動パルスに基づいて載置台本体５１を移動させる。載置台駆動部５３が載置台本体５１を移動させることで、この載置台本体５１、ひいては、その載置面５１ａに載置されたサンプルＳＰを、水平方向および上下方向に沿って移動させることができる。
同様に、載置台駆動部５３は、コントローラ本体２から入力される駆動パルスに基づいて、載置台本体５１を所定の回転軸まわりにφ方向に沿って回転させることもできる。載置台駆動部５３が載置台本体５１を回転させることで、載置面５１ａに載置されたサンプルＳＰを、φ方向に回動させることもできる。なお、載置台駆動部５３を備えた構成は必須ではない。載置台本体５１を手動で回転させるように構成してもよい。
特に、本実施形態に係る載置面５１ａは、前記回転軸として、図６等に示した基準軸Ａｉまわりに回転可能に構成されている。つまり、本実施形態では、傾斜の基準となる基準軸Ａｉと、載置面５１ａの回転軸とが同軸化されている。
また、図２に例示される第２操作ダイヤル５４等を操作することで、載置台本体５１を手動で移動および回転させることもできる。第２操作ダイヤル５４の詳細は省略する。
（ヘッド部６）
ヘッド部６は、ヘッド取付部材６１と、分析筐体７０に分析光学系７を収容してなる分析ユニット６２と、観察筐体９０に観察光学系９を収容してなる観察ユニット６３と、筐体連結具６４と、スライド機構（水平駆動機構）６５と、を有する（分析ユニット６２および観察ユニット６３は、図５にのみ図示）。ヘッド取付部材６１は、分析筐体７０をスタンド４２に接続するための部材である。分析ユニット６２は、分析光学系７によってサンプルＳＰの成分分析を行うための装置である。観察ユニット６３は、観察光学系９によってサンプルＳＰの観察を行うための装置である。筐体連結具６４は、観察筐体９０を分析筐体７０に接続するための部材である。スライド機構６５は、スタンド４２に対して分析筐体７０をスライド移動させるための機構である。
詳しくは、本実施形態に係るヘッド取付部材６１は、ヘッド部６の後側に配置されており、スタンド４２にヘッド部６を取り付けるための板状部材として構成される。前述のように、ヘッド取付部材６１は、スタンド４２の装着具４３に固定される。
ヘッド取付部材６１は、ヘッド部６の後面と略平行に延びるプレート本体６１ａと、プレート本体６１ａの下端部から前方に突出するカバー部材６１ｂと、を有する。プレート本体６１ａは、サンプルＳＰに反射型対物レンズ７４を向かい合わせた後述の第１モードにおいては、ヘッド部６の後面と密着または近接する。プレート本体６１ａは、サンプルＳＰに対物レンズ９２を向かい合わせた後述の第２モードにおいては、前後方向においてヘッド部６の後面から離間する。
また、ヘッド取付部材６１の左端部には、スライド機構６５を構成するガイドレール６５ａが取り付けられている（図８Ｂにのみ図示）。ガイドレール６５ａは、ヘッド取付部材６１と、ヘッド部６における他の要素（具体的には、分析光学系７、観察光学系９および筐体連結具６４）と、を水平方向に相対変位可能に連結する。
以下、分析観察装置Ａの要部である分析ユニット６２、観察ユニット６３、筐体連結具６４、および、スライド機構６５について順番に説明する。その後、本実施形態に係る固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１について、詳細に説明する。
－分析ユニット６２－
図７は、分析光学系７の構成を例示する模式図である。
分析光学系７は、例えばＬＩＢＳ法を用いた分析を行うことができる。この分析光学系７には、コントローラ本体２との間で電気信号を送受するための通信ケーブルＣ１が接続される。この通信ケーブルＣ１は必須ではなく、分析光学系７とコントローラ本体２とを無線通信によって接続してもよい。
なお、ここでいう「光学系」の語は、広義で用いる。すなわち、分析光学系７は、レンズ等の光学素子に加え、光源、撮像素子等を包括したシステムとして定義される。観察光学系９についても同様である。
図７に示すように、本実施形態に係る分析光学系７は、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１と、出力調整手段７２と、偏向素子７３と、反射型対物レンズ７４と、分光素子７５と、第１パラボリックミラー７６Ａと、第１検出器７７Ａと、第１ビームスプリッター７８Ａと、第２パラボリックミラー７６Ｂと、第２検出器７７Ｂと、第２ビームスプリッター７８Ｂと、同軸照明７９と、結像レンズ８０と、第１カメラ８１と、側射照明８４と、を含んでなる。分析光学系７の構成要素のうちの一部は、図６にも示す。また、側射照明８４は、図９のみに示す。
レーザ出射部７１は、制御部２１からの出射許可信号に基づいて、サンプルＳＰに１次電磁波を出射する。特に、本実施形態に係るレーザ出射部７１は、１次電磁波としてのレーザ光をサンプルＳＰに出射するレーザ光源によって構成される。レーザ出射部７１は、本実施形態における「固体レーザ発振器」の例示である。レーザ出射部７１の詳細は後述する。
詳細は後述するが、本実施形態に係るレーザ出射部７１は、１次電磁波として、紫外線からなるレーザ光を出力することができる。これにより、ガラスの様に光学的に透明なサンプルＳＰに対してもＬＩＢＳ法による分析を行うことができる。加えて、紫外域にあるレーザ光は、人間の網膜に到達する割合が非常に少ない。網膜上でレーザ光が結像しないように構成することで、装置の安全性を高めることができる。
出力調整手段７２は、レーザ出射部７１と偏向素子７３を結ぶ光路上に配置されており、レーザ光（１次電磁波）の出力を調整することができる。具体的に、本実施形態に係る出力調整手段７２は、１／２波長板７２ａと、偏光ビームスプリッター７２ｂと、を有する。１／２波長板７２ａは、偏光ビームスプリッター７２ｂに対して相対的に回転するように構成されており、その回転角度を制御することで、偏光ビームスプリッター７２ｂを通過する光量を調整することができる。
出力調整手段７２によってその出力が調整されたレーザ光（１次電磁波）は、不図示のミラーによって反射された偏向素子７３に入射する。
詳しくは、偏向素子７３は、レーザ出射部７１から出力されて出力調整手段７２を通過したレーザ光を反射させ、反射型対物レンズ７４を介してサンプルＳＰに導く一方、このレーザ光に対応してサンプルＳＰにおいて発生した光（サンプルＳＰの表面で生じるプラズマ化に伴って発せられる光であり、以下、「プラズマ光」と呼称する）を通過させ、これを第１検出器７７Ａ、第２検出器７７Ｂに導くようにレイアウトされている。偏向素子７３はまた、撮像用に集光した可視光を通過させ、その大部分を第１カメラ８１に導くようにレイアウトされている。
偏向素子７３によって反射された紫外レーザ光は、平行光として分析光軸Ａａに沿って伝搬し、反射型対物レンズ７４に至る。
収集ヘッドとしての反射型対物レンズ７４は、レーザ出射部７１から出射された１次電磁波がサンプルＳＰに照射されることによって該サンプルＳＰにおいて生じた２次電磁波を収集するように構成されている。特に、本実施形態に係る反射型対物レンズ７４は、１次電磁波としてのレーザ光を集光してサンプルＳＰに照射するとともに、サンプルＳＰに照射されたレーザ光（１次電磁波）に対応してサンプルＳＰにおいて発生したプラズマ光（２次電磁波）を収集するように構成されている。この場合、２次電磁波は、サンプルＳＰの表面で生じるプラズマ化に伴って発せられるプラズマ光に相当する。
反射型対物レンズ７４は、レーザ出射部７１からの１次電磁波の出射に係る光学系と、第１カメラ８１での反射光の受光ならびに第１および第２検出器７７Ａ，７７Ｂでの２次電磁波の受光に係る光学系と、を同軸化するように構成されている。言い換えると、反射型対物レンズ７４は、２種類の光学系で共有化されている。
反射型対物レンズ７４は、前述の略上下方向に沿って延びる分析光軸Ａａを有する。分析光軸Ａａは、観察光学系９の対物レンズ９２が有する観察光軸Ａｏと平行になるように設けられる。
詳しくは、本実施形態に係る反射型対物レンズ７４は、２枚のミラーからなるシュヴァルツシルト型の対物レンズである。この反射型対物レンズ７４は、円環状かつ相対的に大径の１次ミラー７４ａと、円板状かつ相対的に小径の２次ミラー７４ｂと、を有する。
１次ミラー７４ａは、その中央部に設けた開口によってレーザ光（１次電磁波）を通過させる一方、その周囲に設けられた鏡面によってサンプルＳＰにて発生したプラズマ光（２次電磁波）を反射させる。後者のプラズマ光は、２次ミラー７４ｂの鏡面によって再び反射され、レーザ光と同軸化された状態で１次ミラー７４ａの開口を通過する。
２次ミラー７４ｂは、１次ミラー７４ａの開口を通過したレーザ光を透過させる一方、１次ミラー７４ａによって反射されたプラズマ光を集光して反射するように構成される。前者のレーザ光はサンプルＳＰに照射される一方、後者のプラズマ光は、前述のように１次ミラー７４ａの開口を通過して偏向素子７３に至る。
したがって、反射型対物レンズ７４にレーザ光を入力すると、そのレーザ光は、反射型対物レンズ７４の中央部に配置された２次ミラー７４ｂを透過してサンプルＳＰの表面に到達する。サンプルＳＰに到達したレーザ光によってサンプルＳＰが局所的にプラズマ化し、それに伴ってプラズマ光が発せられると、そのプラズマ光は２次ミラー７４ｂの周囲に設けた開口を通過して１次ミラー７４ａに到達する。１次ミラー７４ａに到達したプラズマ光は、その鏡面によって反射されて２次ミラー７４ｂに到達し、２次ミラー７４ｂによって再び反射されて反射型対物レンズ７４から偏向素子７３に至る。偏向素子７３に到達した反射光は、該偏向素子７３を通過して分光素子７５に至る。
分光素子７５は、反射型対物レンズ７４の光軸方向（分析光軸Ａａに沿った方向）において偏向素子７３と第１ビームスプリッター７８Ａとの間に配置されており、サンプルＳＰで発生したプラズマ光のうちの一部を第１検出器７７Ａに導く一方、他部を第２検出器７７Ｂ等へ導く。後者のプラズマ光は、その大部分が第２検出器７７Ｂに導かれるものの、その残りは第１カメラ８１に至る。
詳しくは、サンプルＳＰから戻るプラズマ光（２次電磁波）には、１次電磁波としてのレーザ光に対応した波長以外にも種々の波長成分が含まれる。そこで、本実施形態に係る分光素子７５は、サンプルＳＰから戻る２次電磁波のうち短い波長帯域の電磁波を反射させ、それを第１検出器７７Ａに導く。分光素子７５はまた、それ以外の帯域の電磁波を透過させ、それを第２検出器７７Ｂ等に導く。
第１パラボリックミラー７６Ａは、いわゆる放物面鏡であり、分光素子７５と第１検出器７７Ａとの間に配置される。第１パラボリックミラー７６Ａは、分光素子７５によって反射された２次電磁波を集光し、集光された２次電磁波を第１検出器７７Ａに入射させる。
第１検出器７７Ａは、サンプルＳＰにおいて発生しかつ反射型対物レンズ７４によって収集されたプラズマ光（２次電磁波）を受光し、該プラズマ光の波長毎の強度分布である強度分布スペクトルを生成する。
特に、レーザ光源によってレーザ出射部７１を構成するとともに、１次電磁波としてのレーザ光の照射に対応して発生した２次電磁波としてのプラズマ光を集光するように反射型対物レンズ７４を構成した場合、第１検出器７７Ａは、波長毎に異なる角度に光を反射させることで光を分離し、分離させた各々を複数の画素を有する撮像素子に入射させる。これにより、各画素によって受光される光の波長を相違させるとともに、波長毎に受光強度を取得することができる。この場合、強度分布スペクトルは、光の波長毎の強度分布に相当する。
なお、強度分布スペクトルは、波数毎に取得された受光強度によって構成してもよい。波長と波数とは一意に対応しているため、波数毎に取得された受光強度を用いた場合であっても、強度分布スペクトルを波長毎の強度分布とみなすことができる。後述の第２検出器７７Ｂにおいても同様である。
第１検出器７７Ａとしては、例えばツェルニターナー型の検出器をベースしたものを用いることができる。第１検出器７７Ａの入射スリットは、第１パラボリックミラー７６Ａの焦点位置にアライメントされている。第１検出器７７Ａによって生成された強度分布スペクトルは、コントローラ本体２の制御部２１に入力される。
第１ビームスプリッター７８Ａは、分光素子７５を透過した光のうちの一部（可視光帯域を含む赤外側の２次電磁波）を反射して第２検出器７７Ｂに導く一方、他部（可視光帯域の一部）を透過して第２ビームスプリッター７８Ｂに導く。可視光帯域に属するプラズマ光のうち、相対的に多量のプラズマ光が第２検出器７７Ｂに導かれ、相対的に少量のプラズマ光が、第２ビームスプリッター７８Ｂを介して第１カメラ８１に導かれる。
第２パラボリックミラー７６Ｂは、第１パラボリックミラー７６Ａと同様にいわゆる放物面鏡であり、第１ビームスプリッター７８Ａと第２検出器７７Ｂとの間に配置される。第２パラボリックミラー７６Ｂは、第１ビームスプリッター７８Ａによって反射された２次電磁波を集光し、集光された２次電磁波を第２検出器７７Ｂに入射させる。
第２検出器７７Ｂは、第１検出器７７Ａと同様に、レーザ出射部７１から出射された１次電磁波がサンプルＳＰに照射されることによってサンプルＳＰで生じた２次電磁波を受光し、該２次電磁波の波長毎の強度分布である強度分布スペクトルを生成する。
特に、レーザ光源によってレーザ出射部７１を構成するとともに、１次電磁波としてのレーザ光の照射に対応して発生した２次電磁波としてのプラズマ光を集光するように反射型対物レンズ７４を構成した場合、第２検出器７７Ｂは、波長毎に異なる角度に光を反射させることで光を分離し、分離させた各々を複数の画素を有する撮像素子に入射させる。これにより、各画素によって受光される光の波長を相違させるとともに、波長毎に受光強度を取得することができる。この場合、強度分布スペクトルは、光の波長毎の強度分布に相当する。
第２検出器７７Ｂとしては、例えばツェルニターナー型の検出器をベースにしたものを用いることができる。第２検出器７７Ｂの入射スリットは、第１パラボリックミラー７６Ａの焦点位置にアライメントされている。第２検出器７７Ｂによって生成された強度分布スペクトルは、第１検出器７７Ａによって生成された強度分布スペクトルと同様に、コントローラ本体２の制御部２１に入力される。
制御部２１には、第１検出器７７Ａによって生成された紫外側の強度分布スペクトルと、第２検出器７７Ｂによって生成された赤外側の強度分布スペクトルと、が入力される。制御部２１は、それらの強度分布スペクトルに基づいて、後述の基本原理を用いてサンプルＳＰの成分分析を行う。制御部２１は、紫外側の強度分布スペクトルと、赤外側の強度分布スペクトルとを組合わせて用いることで、より広い周波数域を利用した成分分析を行うことができる。
第２ビームスプリッター７８Ｂは、ＬＥＤ光源７９ａから発せられて光学素子７９ｂを通過した照明光（可視光）を反射して、これを第１ビームスプリッター７８Ａ、分光素子７５、偏向素子７３および反射型対物レンズ７４を介してサンプルＳＰに照射する。サンプルＳＰで反射された反射光（可視光）は、反射型対物レンズ７４を介して分析光学系７に戻る。
同軸照明７９は、照明光を発するＬＥＤ光源７９ａと、ＬＥＤ光源７９ａから発せられた照明光が通過する光学素子７９ｂと、を有する。同軸照明７９は、いわゆる「同軸落射照明」として機能する。ＬＥＤ光源７９ａから照射される照明光は、レーザ出射部７１から出力されてサンプルＳＰに照射されるレーザ光（１次電磁波）、および、サンプルＳＰから戻る光（２次電磁波）と同軸に伝搬する。
詳しくは、同軸照明７９は、レーザ出射部７１から出射される１次電磁波と同軸化された光路を介して照明光を照射する。具体的に、照明光の光路のうち偏向素子７３と反射型対物レンズ７４とを結ぶ部分が、１次電磁波の光路と同軸化されている。また、照明光の光路のうち第１ビームスプリッター７８Ａと反射型対物レンズ７４とを結ぶ部分が、２次電磁波の光路と同軸化されている。
第２ビームスプリッター７８Ｂはまた、分析光学系７に戻った反射光のうち、第１ビームスプリッター７８Ａを透過した反射光と、第１および第２検出器７７Ａ，７７Ｂに到達せずに第１ビームスプリッター７８Ａを透過したプラズマ光とをさらに透過させ、結像レンズ８０を介して第１カメラ８１に入射させる。
同軸照明７９は、図７に示す例では分析筐体７０に内蔵されているが、本開示は、そうした構成には限定されない。例えば、分析筐体７０の外部に光源をレイアウトし、その光源と分析光学系７とを光ファイバーケーブルを介して結合してもよい。
側射照明８４は、反射型対物レンズ７４を取り囲むように配置される。図示は省略するが、側射照明８４は、サンプルＳＰの側方（言い換えると、分析光軸Ａａに対して傾斜した方向）から照明光を照射する。
第１カメラ８１は、サンプルＳＰで反射された反射光を、反射型対物レンズ７４を介して受光する。第１カメラ８１は、受光した反射光の受光量を検出することで、サンプルＳＰを撮像する。
具体的に、本実施形態に係る第１カメラ８１は、その受光面に配置された複数の画素によって結像レンズ８０を通じて入射した光を光電変換し、被写体（サンプルＳＰ）の光学像に対応した電気信号に変換する。
第１カメラ８１は、受光面に沿って複数の受光素子を並べたものとすればよい。この場合、各受光素子が画素に対応することになり、各受光素子での受光量に基づいた電気信号を生成することができるようになる。具体的に、本実施形態に係る第１カメラ８１は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）からなるイメージセンサによって構成されているが、この構成には限定されない。第１カメラ８１としては、例えばＣＣＤ（Charged-Coupled Device）からなるイメージセンサを使用することもできる。
そして、第１カメラ８１は、各受光素子での受光量を検出することで生成される電気信号をコントローラ本体２の制御部２１に入力する。制御部２１は、入力された電気信号に基づいて、被写体の光学像に対応した画像データを生成する。制御部２１は、そうして生成された画像データを、被写体を撮像してなる画像として表示部２２等に表示させることができる。
ここまでに説明した光学部品は、前述の分析筐体７０に収容される。分析筐体７０の下面には、貫通孔７０ａが設けられている。反射型対物レンズ７４は、この貫通孔７０ａを介して載置面５１ａと対峙する。
分析筐体７０内には、図７に示す遮蔽部材８３が配置されていてもよい。この遮蔽部材８３は、貫通孔７０ａと反射型対物レンズ７４の間に配置されており、コントローラ本体２から入力される電気信号に基づいて、レーザ光の光路上に挿入することができる（図７の点線部を参照）。遮蔽部材８３は、少なくともレーザ光を透過不能に構成されている。
光路上に遮蔽部材８３を挿入することで、分析筐体７０からのレーザ光の出射を制限することができる。遮蔽部材８３は、レーザ出射部７１と出力調整手段７２との間に配置してもよい。
また、分析筐体７０には、反射型対物レンズ７４の着脱を検知するための着脱検知センサ８２が設けられてもよい（図９にのみ図示）。着脱検知センサ８２の検知信号に基づいて、制御部２１は、レーザ光の出射を許可する出射許可信号、および、レーザ光の出射を不許可とする出射不許可信号のうちの少なくとも一方を生成することができる。
例えば、着脱検知センサ８２は、反射型対物レンズ７４が分析筐体７０に取り付けられていることを検知すると、そのことを示す検知信号を制御部２１に入力する。制御部２１は、その検知信号を受けて出射許可信号を生成する。また、着脱検知センサ８２は、反射型対物レンズ７４が分析筐体７０に非装着であることを検知すると、そのことを示す検知信号を制御部２１に入力する。制御部２１は、その検知信号を受けて出射不許可信号を生成する。
反射型対物レンズ７４は、レーザ出射部７１から出射されるレーザ光を集光する機能を有する。着脱検知センサ８２の検知信号に基づいて出射許可信号が生成された場合にのみ、分析筐体７０からの集光されたレーザ光の出射が許可される。これに対し、反射型対物レンズ７４が非装着の状態では、レーザ光の出射は不許可となる。このように、着脱検知センサ８２の検知信号に基づいてレーザ光の出射許可と出射不許可とを切り替えることで、分析観察装置Ａの安全性をより一層向上させることができる。なお、着脱検知センサ８２の検知信号に基づいて出射許可信号または出射不許可信号を生成する代わりに、着脱検知センサ８２の検知信号を、そのまま出射許可信号または出射不許可信号として用いてもよい。
－分析光学系７による分析の基本原理－
制御部２１は、検出器としての第１検出器７７Ａおよび第２検出器７７Ｂから入力された強度分布スペクトルに基づいて、サンプルＳＰの成分分析を実行する。具体的な分析手法としては、前述のようにＬＩＢＳ法を用いることができる。ＬＩＢＳ法は、サンプルＳＰに含まれる成分を元素レベルで分析する手法（いわゆる元素分析法）である。
一般に、物質に高いエネルギーを付与すると、原子核から電子が分離することで、その物質はプラズマ状態となる。原子核から分離した電子は、一時的に高エネルギーかつ不安定な状態となるものの、その状態からエネルギーを失うことで、再び原子核によって捕捉されて低エネルギーかつ安定な状態に遷移する（換言すれば、プラズマ状態から非プラズマ状態に戻る）ことになる。
ここで、電子から失われるエネルギーは、電磁波として電子から放出されるものの、その電磁波のエネルギーの大きさは、各元素に固有の殻構造に基づいたエネルギー準位によって規定されることになる。つまり、プラズマから非プラズマ状態に電子が戻る際に放出される電磁波のエネルギーは、元素（より正確には、原子核に束縛された電子の軌道）毎に固有の値を持つ。電磁波のエネルギーの大きさは、その電磁波の波長によって規定される。ゆえに、電子から放出される電磁波の波長分布、すなわちプラズマ化に際して物質から放出される光の波長分布を解析することで、その物質に含まれる成分を元素レベルで解析することができるようになる。このような手法は、一般に原子発光分光（Atomic Emission Spectroscopy：ＡＥＳ）法と呼称される。
ＬＩＢＳ法は、このＡＥＳ法に属する分析手法である。具体的に、ＬＩＢＳ法では、物質（サンプルＳＰ）に対してレーザ（１次電磁波）を照射することで、その物質にエネルギーを付与することになる。ここで、レーザの照射部位が局所的にプラズマ化されるため、そのプラズマ化に伴い発せられるプラズマ光（２次電磁波）の強度分布スペクトルを解析することで、物質の成分分析を行うことができるようになっている。
すなわち、上記のように、各プラズマ光（２次電磁波）の波長は、元素毎に固有の値を持つため、強度分布スペクトルが特定の波長においてピークを形成する場合、そのピークに対応した元素がサンプルＳＰの成分となる。そして、強度分布スペクトルに複数のピークが含まれる場合、各ピークの強度（受光量）を比較することで、各元素の成分比を算出することができる。
ＬＩＢＳ法によれば、真空引きが不要であり、大気開放状態で成分分析を行うことができる。また、サンプルＳＰの破壊試験ではあるものの、サンプルＳＰ全体を溶解させるなどの処理は不要であり、サンプルＳＰの位置情報が残存する（局所的な破壊試験にすぎない）。
－観察ユニット６３－
観察ユニット６３は、観察光学系９と、観察光学系９が収容された観察筐体９０と、を有する。観察光学系９は、観察対象物としてのサンプルＳＰの観察を行うための部品の集合であり、各部品が観察筐体９０に収容されるようになっている。観察筐体９０は、前述した分析筐体７０とは別体に構成されており、撮像部としての第２カメラ９３を収容する。また、サンプルＳＰの観察を行うための要素には、コントローラ本体２の制御部２１も含まれる。
観察光学系９は、対物レンズ９２を有するレンズユニット９ａを備える。このレンズユニット９ａは、図３等に示すように、観察筐体９０の下端側に配置された筒状のレンズ鏡筒に相当する。レンズユニット９ａは、分析筐体７０によって保持される。レンズユニット９ａは、観察筐体９０から単体で取り外すことができる。
観察筐体９０には、コントローラ本体２との間で電気信号を送受するための通信ケーブルＣ２と、外部から照明光を導光するための光ファイバーケーブルＣ３と、が接続される。なお、通信ケーブルＣ２は必須ではなく、観察光学系９とコントローラ本体２とを無線通信によって接続してもよい。
具体的に、観察光学系９は、図６に示すように、ミラー群９１と、対物レンズ９２と、撮像部としての第２カメラ９３と、第２の同軸照明９４と、第２の側射照明９５と、倍率変更部としての拡大光学系９６と、を含んでなる。
対物レンズ９２は、略上下方向に沿って延びる観察光軸Ａｏを有し、照明光を集光して載置台本体５１に載置されたサンプルＳＰに照射するとともに、そのサンプルＳＰからの光（反射光）を集光する。観察光軸Ａｏは、分析光学系７の反射型対物レンズ７４が有する分析光軸Ａａと平行になるように設けられる。対物レンズ９２によって収集された反射光は、第２カメラ９３によって受光される。
ミラー群９１は、対物レンズ９２によって収集された反射光を透過させ、これを第２カメラ９３に導く。本実施形態に係るミラー群９１は、図６に例示されるように全反射ミラーとビームスプリッター等を用いて構成することができる。ミラー群９１はまた、第２の同軸照明９４から照射された照明光を反射して、これを対物レンズ９２に導く。
第２カメラ９３は、サンプルＳＰで反射された反射光を、対物レンズ９２を介して受光する。第２カメラ９３は、受光した反射光の受光量を検出することで、サンプルＳＰを撮像する。
具体的に、本実施形態に係る第２カメラ９３は、その受光面に配置された複数の画素によってサンプルＳＰから対物レンズ９２を通じて入射した光を光電変換し、被写体（サンプルＳＰ）の光学像に対応した電気信号に変換する。
第２カメラ９３は、受光面に沿って複数の受光素子を並べたものとすればよい。この場合、各受光素子が画素に対応することになり、各受光素子での受光量に基づいた電気信号を生成することができるようになる。本実施形態に係る第２カメラ９３は、第１カメラ８１と同様にＣＭＯＳからなるイメージセンサによって構成されているが、ＣＣＤからなるイメージセンサを使用することもできる。
そして、第２カメラ９３は、各受光素子での受光量を検出することで生成される電気信号をコントローラ本体２の制御部２１に入力する。制御部２１は、入力された電気信号に基づいて、被写体の光学像に対応した画像データを生成する。制御部２１は、そうして生成された画像データを、被写体を撮像してなる画像として表示部２２等に表示させることができる。
第２の同軸照明９４は、光ファイバーケーブルＣ３から導光された照明光を出射する。第２の同軸照明９４は、対物レンズ９２を介して集光される反射光と共通の光路を介して照明光を照射する。つまり、第２の同軸照明９４は、対物レンズ９２の観察光軸Ａｏと同軸化された「同軸落射照明」として機能することになる。なお、光ファイバーケーブルＣ３を介して外部から照明光を導光する代わりに、レンズユニット９ａの内部に光源を内蔵してもよい。その場合、光ファイバーケーブルＣ３は不要となる。
第２の側射照明９５は、図６に模式的に例示したように、対物レンズ９２を取り囲むように配置されたリング照明によって構成される。第２の側射照明９５は、分析光学系７における側射照明８４と同様に、サンプルＳＰの斜め上方から照明光を照射する。
拡大光学系９６は、ミラー群９１と第２カメラ９３との間に配置されており、第２カメラ９３によるサンプルＳＰの拡大倍率を変更可能に構成されている。本実施形態に係る拡大光学系９６は、変倍レンズと、その変倍レンズを第２カメラ９３の光軸に沿って移動させるように構成されたアクチュエータと、を有している。アクチュエータは、制御部２１から入力される制御信号に基づいて変倍レンズを移動させることで、サンプルＳＰの拡大倍率を変更することができる。
なお、拡大光学系９６の具体的な構成は、アクチュエータによって変倍レンズを移動させる構成には限定されない。例えば、変倍レンズを移動させるための操作部を拡大光学系に設けてもよい。この場合、ユーザによって操作部が操作されることにより、サンプルＳＰの拡大倍率を変更することができる。
また、拡大倍率の切替を検知するセンサを拡大光学系に設けてもよい。そして、低倍から高倍へと拡大倍率が切り替わったことが検知された場合に、自動的に切替前の画像（後述の低倍画像）を第２カメラ９３によって撮像し、撮像された画像をコントローラ本体２に保存してもよい。このようにすることで、低倍画像に対する後述の高倍画像の相対的な位置関係をユーザに把握させることができる。
このような拡大光学系９６は、第２カメラ９３によるサンプルＳＰの拡大倍率を変更可能に構成されるだけでなく、第１カメラ８１によるサンプルＳＰの拡大倍率を変更可能に構成されてもよい。その場合、拡大光学系９６は、分光素子７５と第１カメラ８１との間に設けられることになる。
－筐体連結具６４－
筐体連結具６４は、分析筐体７０に観察筐体９０を連結するための部材である。筐体連結具６４が両筐体７０，９０を連結することで、分析ユニット６２と観察ユニット６３とが一体化され、ひいては、分析光学系７と観察光学系９とが一体的に移動するようになる。
筐体連結具６４は、分析筐体７０の内外、すなわち分析筐体７０の内部もしくは外部、または、スタンド４２に取り付けることができる。特に本実施形態では、筐体連結具６４は、分析筐体７０の外面に取り付けられるようになっている。
具体的に、本実施形態に係る筐体連結具６４は、分析筐体７０において前方に突出した突出部７０ｃに取付可能に構成されており、その突出部７０ｃよりも右側にレンズユニット９ａを保持するようになっている。
本実施形態に係る筐体連結具６４は、分析筐体７０に対して観察筐体９０を固定することで、観察光軸Ａｏに対する分析光軸Ａａの相対位置を固定することができる。
－スライド機構６５－
図８Ａおよび図８Ｂは、ヘッド部６の水平移動について説明するための図である。
スライド機構６５は、観察光学系９によるサンプルＳＰの撮像と、分析光学系７によって強度分布スペクトルを生成する場合における電磁波（レーザ光）の照射（換言すれば、分析光学系７のレーザ出射部７１による電磁波の照射）と、を観察対象物としてのサンプルＳＰにおける同一箇所に対して実行可能となるように、載置台本体５１に対する観察光学系９および分析光学系７の相対位置を水平方向に沿って移動させるよう構成されている。
スライド機構６５による相対位置の移動方向は、観察光軸Ａｏおよび分析光軸Ａａの並び方向とすることができる。詳細は省略するが、本実施形態に係るスライド機構６５は、載置台本体５１に対する観察光学系９および分析光学系７の相対位置を前後方向に沿って移動させる。
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、スライド機構６５が作動することで、ヘッド部６が水平方向に沿ってスライドし、載置台５に対する観察光学系９および分析光学系７の相対位置が移動（水平移動）することになる。この水平移動によって、ヘッド部６は、反射型対物レンズ７４をサンプルＳＰに対峙させた第１モードと、対物レンズ９２をサンプルＳＰに対峙させた第２モードと、の間で切り替わるようになっている。スライド機構６５は、第１モードと第２モードとの間で、分析筐体７０および観察筐体９０をスライドさせることができる。
スライド機構６５を作動させることで、第１モードと第２モードとの切替を行う前後のタイミングにおいて、観察光学系９によるサンプルＳＰの画像生成と、分析光学系７による強度分布スペクトルの生成（具体的には、分析光学系７によって強度分布スペクトルが生成される場合における、分析光学系７による１次電磁波の照射）と、をサンプルＳＰ中の同一箇所に対して同一方向から実行することができるようになる。
＜レーザ出射部の詳細＞
前述のように、ＬＩＢＳ法によるサンプルＳＰの成分分析を実行する場合、サンプルＳＰの局所的なプラズマ化を引き起こすべく、サンプルＳＰの表面を瞬間的に高温にすることが求められる。そうしたニーズを満たす１次電磁波として、パルス発振された高エネルギーのレーザビームを用いることが広く知られている。
ここで、高品質なレーザビームを生成するためには、最低次の共振モードであるＴＥＭ００モードを高効率で発振することが求められる。従来、高効率なＴＥＭ００発振を実現するための方策として、ファイバーバンドルを利用したり、共振器長を長く設定したりすることが検討されてきた。
しかしながら、これらの方策は、いずれもヘッド部６のコンパクト化を図るには不都合である。本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１の構成に工夫を凝らすことで、ヘッド部６のコンパクト化と、高効率なＴＥＭ００発振と、を両立するに至った。
以下、本実施形態における固体レーザ発振器を例示するレーザ出射部７１について、詳細に説明する。
（全体構成）
図１１は、レーザ出射部７１の外観を例示する斜視図である。図１１に示すように、本実施形態に係るレーザ出射部７１は、厚み方向の一側が開放された矩形薄箱状の筐体１０ａと、筐体１０ａを密閉するための矩形板状の第１蓋体１０ｂおよび第２蓋体１０ｃと、を有する。
以下、筐体１０ａの短手方向を第１方向（以下、「水平方向」とも呼称する）と呼称し、筐体１０ａの厚み方向を第２方向（以下、「垂直方向」とも呼称する）と呼称し、筐体１０ａの長手方向を第３方向（以下、「縦方向」とも呼称する）と呼称する。
本実施形態に係るレーザ出射部７１は、第１方向を左右方向に一致させ、第２方向を前後方向に一致させ、第３方向を上下方向に一致させた姿勢で、分析筐体７０の後部に内蔵される。
以下、分析筐体７０に対するレーザ出射部７１の相対位置に基づいて、第１方向としての水平方向の一側を「左」側とみなし、水平方向の他側を「右」側とみなす。同様に、第２方向としての垂直方向の一側を「前」側とみなし、垂直方向の他側を「後」側とみなす。同様に、第３方向としての縦方向の一側を「上」側とみなし、縦方向の他側を「下」側とみなす。
本実施形態に係るレーザ出射部７１は、基本波生成部７１Ａと、波長変換部７１Ｂと、基本波生成部７１Ａおよび波長変換部７１Ｂを収容するための前記筐体１０ａと、を備える。
ここで、基本波生成部７１Ａは、励起光源１０２から出力されるレーザビームＢ１を整形することで励起ビームＢ３を生成するための光学部品と、励起ビームＢ３に基づいて基本波Ｂ５をパルス発振するための光学部品と、によって構成される。以下、ビーム状に出力される基本波Ｂ５を「基本ビーム」とも呼称する。基本ビームＢ５は、本実施形態における「出力ビーム」の例示である。
一方、波長変換部７１Ｂは、基本波生成部７１Ａから出力された基本ビームＢ５を波長変換し、１次電磁波としてサンプルＳＰに出射されるべきレーザビーム（以下、「分析ビーム」と呼称する）Ｂ１１を出力するための光学部品によって構成される。
図１２は、筐体１０ａから第１蓋体１０ｂおよび第２蓋体１０ｃを取り外した状態を概略的に例示する平面図である。また、図１３は、レーザ出射部７１を構成する光学部品のレイアウトを例示する図である。
図１１および図１２に例示するように、本実施形態に係る筐体１０ａは、基本波生成部７１Ａを構成する光学部品を包囲して収容するための第１エンクロージャ１００Ａと、波長変換部７１Ｂを構成する光学部品を包囲して収容するための第２エンクロージャ１００Ｂと、を備える。
第１エンクロージャ１００Ａは、筐体１０ａの側壁部、底壁部、内壁部等によって構成されており、垂直方向の後側（図１２の紙面手前側）に向かって開口したスペース（後述の第１および第２スペース）を区画する。このスペースは、第１蓋体１０ｂを第１エンクロージャ１００Ａに取り付けることで閉塞可能である。第１エンクロージャ１００Ａの開口縁には、樹脂等からなる第１シール部材１０ｇが設けられている。この第１シール部材１０ｇは、第１エンクロージャ１００Ａの開口縁と第１蓋体１０ｂとによって挟持可能とされており、第１シール部材１０ｇに対して第１蓋体１０ｂを密着させることで、第１エンクロージャ１００Ａを閉塞するとともに、その内部空間を気密状に密閉することができる。
第１エンクロージャ１００Ａによって区画されるスペースは、縦方向の上端から下端（図１２の紙面上端から下端）にかけて延びる縦長の第１スペースと、その第１スペースの下側部分の右方に隣接する矩形状の第２スペースと、によって構成される。第１および第２スペースは互いに繋がっている。前者の第１スペースには、励起光源１０２、第１集光レンズ１０７等、励起ビームＢ３を生成するための光学部品が配置され、後者の第２スペースには、レーザ発振するための共振器１１１等、基本ビームＢ５を生成するための光学部品が配置される。
第２エンクロージャ１００Ｂは、第２方向の前記一側に向かって開口した第３スペースを区画する。この第３スペースは、第２蓋体１０ｃを第２エンクロージャ１００Ｂに取り付けることで閉塞可能である。第２エンクロージャ１００Ｂの開口縁には、樹脂等からなる第２シール部材１０ｈが設けられている。この第２シール部材１０ｈは、第２エンクロージャ１００Ｂの開口縁と第２蓋体１０ｃとによって挟持可能とされており、第２シール部材１０ｈに対して第２蓋体１０ｃを密着させることで、第２エンクロージャ１００Ｂを閉塞するとともに、その内部空間を気密状に密閉することができる。
第２エンクロージャ１００Ｂによって区画される第３スペースは、縦方向および水平方向に沿って延びる矩形状に形成される。この第３スペースは、第１エンクロージャ１００Ａの第１スペースに対して右側に隣接し、第２スペースに対して上側に隣接する。このように、第２エンクロージャ１００Ｂは、第１エンクロージャ１００Ａによって左方から下方にかけて部分的に覆われた構成となっている。
また、筐体１０ａの内部には、第１エンクロージャ１００Ａと第２エンクロージャ１００Ｂとを光学的に結合するための透過窓部１０ｅが設けられている。この透過窓部１０ｅは、第１エンクロージャ１００Ａと第２エンクロージャ１００Ｂとを隔てる内壁部に貫通孔を設けるとともに、その貫通孔にガラス等の光学部品を嵌め込んでなる。第１エンクロージャ１００Ａ内でパルス発振された基本ビームＢ５は、透過窓部１０ｅを透過して第２エンクロージャ１００Ｂに到達する。
また、筐体１０ａの外面には、第２エンクロージャ１００Ｂと分析筐体７０の内部空間とを光学的に結合するための出力窓部１０ｆが設けられている。この出力窓部１０ｆは、筐体１０ａの側壁部に貫通孔を設けるとともに、その貫通孔にガラス等の光学部品を嵌め込んでなる。第２エンクロージャ１００Ｂ内で生成された出力レーザは、出力窓部１０ｆを透過して出力調整手段７２に到達する。
筐体１０ａを第１蓋体１０ｂによって閉塞した状態では、第１エンクロージャ１００Ａは、透過窓部１０ｅを介して第２エンクロージャ１００Ｂと光学的に接続されるものの、第１シール部材１０ｇによって、筐体１０ａの外部空間からは気密状に遮断されることになる。また、第１エンクロージャ１００Ａ内に乾燥剤（不図示）を配置してもよい。乾燥剤を配置することで、第１エンクロージャ１００Ａ内での結露の発生を抑制することができるようになる。
同様に、筐体１０ａを第２蓋体１０ｃによって閉塞した状態では、第２エンクロージャ１００Ｂは、出力窓部１０ｆを介して筐体１０ａの外部空間と光学的に接続されるものの、第２シール部材１０ｈによって、筐体１０ａの外部空間からは気密状に遮断されることになる。また、第２エンクロージャ１００Ｂ内に乾燥剤（不図示）を配置してもよい。乾燥剤を配置することで、第２エンクロージャ１００Ｂ内での結露の発生を抑制することができるようになる。
また、筐体１０ａの開口縁には、複数（図例では３つ）の取付ネジ１０ｄが設けられている。これらの取付ネジ１０ｄは、分析筐体７０の内部に筐体１０ａを固定するための締結具である第１エンクロージャ１００Ａを構成する部材と、第２エンクロージャ１００Ｂを構成する部材と、に筐体１０ａを２分すると、複数の取付ネジ１０ｄは、いずれも前者の部材、すなわち第１エンクロージャ１００Ａの開口縁に配置されている。
前述のように、第１エンクロージャ１００Ａは、励起ビームＢ３を生成するための光学部品が配置される第１スペースと、基本ビームＢ５を生成するための光学部品が配置される第２スペースとに２分される。ここで、複数の取付ネジ１０ｄのレイアウトについて詳述すると、これらの取付ネジ１０ｄは、図１１および図１２に示すように、第１スペースの開口縁に配置されている。後述するように、第２スペースに配置される光学部品の相対的な位置関係は、出力ビームの品質を保つために一定に保たれる。この第２スペースの開口縁に取付ネジ１０ｄを設けた場合、第２スペースに歪みが生じ、出力ビームの品質が低下する虞がある。そこで、取付ネジ１０ｄは、第１スペースの少なくとも一部を囲うように配置される。すなわち、第２スペースには、取付ネジ１０ｄによる歪みが生じないように配置されている。これにより、出力ビームの品質を保つことができる。
なお、図１２に示すように、複数の取付ネジ１０ｄは、第１エンクロージャ１００Ａを垂直方向に沿って平面視したときに、基本波生成部７１Ａにおける共振器１１１と、波長変換部７１Ｂにおける全ての光学部品と、を包囲しないように配置される。このように配置することで、共振器１１１と波長変換部７１Ｂとの間の熱膨張率の差異に起因した種々の影響を抑制することができる。
（基本波生成部７１Ａ）
基本波生成部７１Ａは、励起光源１０２等をモジュール化してなる励起モジュール１０１と、第１集光レンズ１０７と、第２集光レンズ１０８と、第１折り返しミラー１０９と、第２折り返しミラー１１０と、２つ以上のミラー（リアミラー１１２および出力ミラー１１６）からなる共振器１１１と、を備える。
励起モジュール１０１は、励起光源１０２と、速軸コリメータとしてのＦＡＣレンズ１０３と、ビームシェイパー１０４と、遅軸コリメータとしてのＳＡＣレンズ１０６と、を有する。励起モジュール１０１は、第１温調部１２４と熱的に結合している。
また、共振器１１１は、リアミラー１１２と、レーザ媒質１１３と、ブリュースタ板１１４と、可飽和吸収体１１５と、出力ミラー１１６と、を有する。共振器１１１は、第２温調部１２５と熱的に結合している。
このうち、励起光源１０２、ＦＡＣレンズ１０３、ビームシェイパー１０４、ＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７、第２集光レンズ１０８および第１折り返しミラー１０９は、第３方向としての縦方向に沿って並んでいる。これらの光学部品は、第１エンクロージャ１００Ａにおける縦方向の上端から下方に向かって（図１２の紙面上端から紙面下端）、励起光源１０２、ＦＡＣレンズ１０３、ビームシェイパー１０４、ＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７、第２集光レンズ１０８および第１折り返しミラー１０９の順番で並んでいる。
また、第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０は、第１方向としての水平方向に沿って並んでいる。これらの光学部品は、第１エンクロージャ１００Ａにおける水平方向の左端から中央部（図１２の紙面左端から左右方向中央部）にかけて、第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０の順番で並んでいる。
第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０が水平方向に沿って配置されることにより、レーザビームＢ１と、基本ビームＢ５の向きと、が対向する。これにより、第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０を用いない場合と比較して、筐体１０ａを小型化することができる。
また、第２折り返しミラー１１０および共振器１１１は、縦方向に沿って並んでいる。これらの光学部品は、第１エンクロージャ１００Ａにおける縦方向の下端から上方に向かって、第２折り返しミラー１１０および共振器１１１の順番で並んでいる。
また、共振器１１１内では、縦方向の下側から上方に向かって、リアミラー１１２、レーザ媒質１１３、ブリュースタ板１１４、可飽和吸収体１１５および出力ミラー１１６の順番で並んでいる。
以下、基本波生成部７１Ａを構成する各光学部品について順番に説明する。
－励起光源１０２－
図１４は、励起光源１０２の構成を例示する斜視図である。この励起光源１０２は、水平方向に並んだ複数のエミッタ１０２ａ，…，１０２ａを有している。励起光源１０２は、各エミッタ１０２ａから発振されるレーザビームＢ１を組み合わせることで、水平方向に沿って延びる直線状のビームを出力することができる。レーザビームＢ１の光軸Ａｌは、水平方向および垂直方向と直交しており、縦方向に沿って延びる。
複数のエミッタ１０２ａを用いることで、１つのエミッタ１０２ａのみを用いる場合に比して、レーザビームの高出力化を図ることができる。各エミッタ１０２ａは、水平方向および垂直方向に沿って広がる励起光源１０２の端面上に配置されている。各ビームＢ１の高出力化を可能にすべく、各エミッタ１０２ａは、垂直方向の幅に比して、水平方向の幅が広くなるように構成されている。
各エミッタ１０２ａから発振されるビームＢ１は、水平方向に比して垂直方向の位相速度が速い。すなわち、図１４に示す例では、水平方向が遅軸方向Ａｓに相当し、垂直方向が速軸方向Ａｆに相当する。そのため、各ビームＢ１は、遅軸方向Ａｓである水平方向に比して、速軸方向Ａｆである垂直方向において大きく広がることになる。
例えば、本実施形態に係る励起光源１０２は、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）を用いて構成することができ、ファイバレスなＬＤバーとして構成されている。
また、各エミッタ１０２ａから発振されるレーザビームＢ１は、本実施形態では近赤外線に属する。このレーザビームＢ１の波長は、所定の励起波長に設定される。この励起波長は、近赤外域に属するように設定することが好ましく、８０８±５ｎｍまたは８８５±５ｎｍの範囲内に設定することがさらに好ましい。
励起光源１０２はまた、制御部２１と電気的に接続されており、該制御部２１から入力される制御信号に基づいて動作する。ここで、各エミッタ１０２ａは、レーザビームＢ１を間欠的に発振すべく、制御部２１からの制御信号を受けてパルス動作するように構成されている。各エミッタ１０２ａをパルス動作（ＱＣＷ動作ともいう）させることで、励起光源１０２の放熱を抑制することができる。これにより、ＬＤバーの長さに対するエミッタ幅の割合であるフィルファクターを可能な限り高く設定し、レーザビームＢ１のピークパワーを向上させることができる。
励起光源１０２から発振されたレーザビームＢ１は、光軸Ａｌに沿って縦方向の上側から下側に向かって伝搬し、ＦＡＣレンズ１０３に入射する。
また、励起モジュール１０１の筐体と第１エンクロージャ１００Ａを構成する壁部との間には、励起光源１０２の温度を調整するための第１温調部１２４が配置されている。第１温調部１２４は、例えばペルチェ素子によって構成されており、制御部２１と電気的に接続されている。
ペルチェ素子によって第１温調部１２４を構成した場合、この第１温調部１２４は、コントローラ本体２、ヘッド部６等から供給される電力に応じて発熱する。第１温調部１２４からの発熱は、励起モジュール１０１に設けた不図示の第１温度センサによって検出される。第１温度センサの検出信号は、コントローラ本体２に入力される。コントローラ本体２は、第１温度センサの検出信号に基づいて、励起光源１０２の温度が第１目標温度±１℃の範囲内に収まるように、第１温調部１２４へ供給する電流を制御する。
なお、第１目標温度の大きさは、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１の用途等に応じて適宜変更可能である。本実施形態では、第１目標温度は、好ましくは３５℃以上、さらに好ましくは４０℃以上に設定されている。分析観察装置Ａの使用環境における露点温度よりも第１目標温度を高く設定することで、結露の発生を抑制することができる。
－ＦＡＣレンズ１０３－
図１５Ａは、レーザビームＢ１に基づいて励起ビームＢ３を生成するための光学部品のレイアウトを例示する側面図である。図１５Ａは、レーザビームＢ１に基づいて励起ビームＢ３を生成するための光学部品のレイアウトを例示する平面図である。ＦＡＣレンズ１０３は、励起光源１０２から出力されたレーザビームＢ１を、遅軸方向Ａｓとしての水平方向と、レーザビームＢ１の光軸Ａｌと、に直交する速軸方向Ａｆとしての垂直方向においてコリメートすることができる。
ＦＡＣレンズ１０３を透過したレーザビームＢ１は、遅軸方向Ａｓにおいては広がりを維持するものの、速軸方向Ａｆにおいては広がることなく平行光として伝搬する。
例えば、本実施形態に係るＦＡＣレンズ１０３は、水平方向に沿って延びる柱状に形成されかつ平凸レンズ状の横断面を有する光学部材によって構成することができる。この場合、ＦＡＣレンズ１０３は、平坦な背面を励起光源１０２に対向させ、凸状にカーブした前面をビームシェイパー１０４に対向させた姿勢で配置される。
ＦＡＣレンズ１０３によって速軸方向ＡｆにコリメートされたレーザビームＢ１は、縦方向に伝搬し、ビームシェイパー１０４に入射する。
－ビームシェイパー１０４－
ビームシェイパー１０４は、各エミッタ１０２ａから発振されてＦＡＣレンズ１０３によってコリメータされたレーザビームＢ１を光軸Ａｌまわりに回転することができる。
図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、ビームシェイパー１０４は、レーザビームＢ１を回転することで、該レーザビームＢ１の遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆを変換する。以下、ビームシェイパー１０４による回転前の遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆと、ビームシェイパー１０４による回転後の遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆと、を区別する場合、前者を「第１遅軸方向Ａｓ１」および「第１速軸方向Ａｆ１」と呼称し、後者を「第２遅軸方向Ａｓ２」および「第２速軸方向Ａｆ２」と呼称する。
本実施形態に係るビームシェイパー１０４は、予め定められた設計波長を有するレーザビームを入射させた場合に、該レーザビームを光軸Ａｌまわりに９０°回転させるように構成されている。
この場合、第２遅軸方向Ａｓ２は、第１遅軸方向Ａｓ１に対する直交方向となり、垂直方向に一致することになる。同様に、第２速軸方向Ａｆ２は、第１速軸方向Ａｆ１に対する直交方向となり、水平方向に一致することになる。
こうした特性を言い換えると、本実施形態に係るビームシェイパー１０４は、前記設計波長からオフセットした波長を有するレーザビームが入力された場合、第１遅軸方向Ａｓ１および第１速軸方向Ａｆ１と、第２遅軸方向Ａｓ２および第２速軸方向Ａｆ２と、が互いに傾斜するように、レーザビームを光軸Ａｌまわりに回転させることになる。レーザビームの回転角度は、設計波長からのオフセット量に応じて９０°からオフセットしたものとなる。
レーザビームの回転角度を回転させた場合、第２遅軸方向Ａｓ２は、第１遅軸方向Ａｓ１および第１速軸方向Ａｆ１に対して非直交かつ非平行な方向となる。この場合、第２速軸方向Ａｆ２もまた、第１遅軸方向Ａｓ１および第１速軸方向Ａｆ１に対して非直交かつ非平行な方向となる。
この場合、第２遅軸方向Ａｓ２は、第１遅軸方向Ａｓ１に対する非直交方向となり、垂直方向に対して傾くことになる。同様に、第２速軸方向Ａｆ２は、第１速軸方向Ａｆ１に対する非直交方向となり、水平方向に対して傾くことになる。
仮に、レーザビームＢ１を９０°回転させた場合、そのレーザビームＢ１は、第２遅軸方向Ａｓ２としての垂直方向に比して、第２速軸方向Ａｆ２としての水平方向において大きく広がることになる。
例えば、本実施形態に係るビームシェイパー１０４は、いわゆるビームツイスターによって構成することができる。ビームツイスターによってビームシェイパー１０４を構成した場合、そのビームシェイパー１０４は、垂直方向に対して所定角度（≠９０度）だけ傾けた円筒状の光学部材を水平方向に沿って結合してなる略柱状の部材として構成されることになる。
なお、ビームシェイパー１０４は、ビームツイスターには限定されない。ステップミラー方式のビームシェイパー等、エミッタ１０２ａ毎にレーザビームＢ１を回転可能な部材であれば、任意の光学素子を用いることができる。
ビームシェイパー１０４によって光軸Ａｌ回りに回転されたレーザビームＢ１は、縦方向に沿って伝搬し、ＳＡＣレンズ１０６に入射する。
－ＳＡＣレンズ１０６－
ＳＡＣレンズ１０６は、励起光源１０２の各エミッタ１０２ａから出力されたレーザビームＢ１を、遅軸方向Ａｓ、特に第２遅軸方向Ａｓ２においてコリメートすることができる。
ＳＡＣレンズ１０６を透過したレーザビームＢ１は、第２遅軸方向Ａｓ２における広がりが軽減された平行光として伝搬する。速軸方向Ａｆにおける広がりについてはＦＡＣレンズ１０３によって既に軽減されているため、ＳＡＣレンズ１０６を透過したレーザビームＢ１は、速軸方向Ａｆおよび遅軸方向Ａｓ双方の広がりが軽減された平行光として伝搬することになる。各方向の広がりを軽減することで、レーザビームＢ１に基づいて励起ビームＢ３を生成する際に、その励起ビームＢ３のビーム品質を高める上で有利になる。そのことで、後述の如きスポット形状の整形を、より適切に行うことができるようになる。
例えば、本実施形態に係るＳＡＣレンズ１０６は、水平方向に沿って延びる柱状に形成されかつ平凸レンズ状の横断面を有する光学部材によって構成することができる。この場合、ＳＡＣレンズ１０６は、平坦な背面をビームシェイパー１０４に対向させ、凸状にカーブした前面を第１集光レンズ１０７に対向させた姿勢で配置される。
また、図例では、励起光源１０２から出射されるレーザビームＢ１の伝搬方向である、縦方向の上側から下側に向かって、ＦＡＣレンズ１０３、ビームシェイパー１０４、ＳＡＣレンズ１０６および第１集光レンズ１０７の順番で配置されているが、この順番には限定されない。例えば、レーザビームＢ１の伝搬方向に沿って、ＦＡＣレンズ１０３、ＳＡＣレンズ１０６、ビームシェイパー１０４および第１集光レンズ１０７の順番で配置してもよい。またそもそも、ＳＡＣレンズ１０６は必須ではない。ＳＡＣレンズ１０６を用いることなく、基本波生成部７１Ａを構成することもできる。
ＳＡＣレンズ１０６によって第２遅軸方向Ａｓ２にコリメートされたレーザビームＢ１は、縦方向に伝搬し、第１集光レンズ１０７に入射する。
－第１集光レンズ１０７－
第１集光レンズ１０７は、ビームシェイパー１０４により回転されたレーザビームＢ１を集光し、第２集光レンズ１０８と協働して励起ビームＢ３を生成することができる。前述のように、ビームシェイパー１０４と第１集光レンズ１０７との間にＳＡＣレンズ１０６を配置した場合、第１集光レンズ１０７には、ＳＡＣレンズ１０６によってコリメートされたレーザビームＢ１が入射することになる。
第１集光レンズ１０７は、光軸Ａｌに直交する一方向である第１集光方向Ａｃ１においてレーザビームＢ１を集光することができる。本実施形態では、第１集光方向Ａｃ１は、水平方向、つまり、第２速軸方向Ａｆ２に対して僅かに傾けるか、あるいは、第２速軸方向Ａｆ２と一致させるように設定されている。第１集光方向Ａｃ１の設定の詳細については後述する。
例えば、本実施形態に係る第１集光レンズ１０７は、垂直方向に略直交する断面視において半円状の横断面を有するシリンドリカルレンズによって構成することができる。この場合、第１集光レンズ１０７は、半円状の曲面をビームシェイパー１０４およびＳＡＣレンズ１０６に向け、かつ平坦な端面を第２集光レンズ１０８に向けた姿勢で配置されることになる。
また、本実施形態に係る第１集光レンズ１０７は、前記励起波長（例えば、８０８±５ｎｍまたは８８５±５ｎｍ）を有するレーザ光については９５％以上の透過率を有するように設定してもよい。
また、基本ビームＢ５が有する波長を基本波長と呼称すると、第１集光レンズ１０７は、この基本波長を有するレーザ光については５０％未満の透過率を有するように設定してもよい。基本波長は、近赤外域に属しかつ励起波長よりも高く設定することが好ましく、例えば、１０６４ｎｍに設定することがさらに好ましい。
したがって、本実施形態に係る第１集光レンズ１０７は、レーザビームＢ１および励起ビームＢ３については相対的に透過率が高く、基本ビームＢ５については相対的に透過率が低くなるように構成されている。
また、第１集光レンズ１０７の曲率半径を調整することで、励起ビームＢ３のビーム半径を整えることができる。第１集光レンズ１０７の曲率半径は、共振器１１１の基本モードのビーム半径（以下、「基本ビーム径」と呼称する）に応じて設定することができる。なお、ここでいう「基本ビーム径」とは、リアミラー１１２、出力ミラー１１６、またはレーザ媒質１１３の端面における基本モードのビーム半径としてもよいし、基本モードのウェスト半径としてもよい。
第１集光レンズ１０７によって第１集光方向Ａｃ１に集光されたレーザビームＢ１は、縦方向に沿って上側から下側に伝搬し、第２集光レンズ１０８に入射する。
－第２集光レンズ１０８－
第２集光レンズ１０８は、第１集光レンズ１０７を透過したレーザビームＢ１をさらに集光し、励起ビームＢ３を生成することができる。この第２集光レンズ１０８は、第１集光レンズとは異なる方向にレーザビームＢ１を集光する。
第２集光レンズ１０８は、光軸Ａｌに直交しかつ第１集光方向Ａｃ１とは相違する一方向である第２集光方向Ａｃ２においてレーザビームＢ１を集光することができる。本実施形態では、第２集光方向Ａｃ２は、垂直方向、つまり、第２遅軸方向Ａｓ２に対して僅かに傾けるか、あるいは、第２遅軸方向Ａｓ２と一致させるように設定されている。第２集光方向Ａｃ２の設定の詳細については後述する。
例えば、本実施形態に係る第２集光レンズ１０８は、水平方向に略直交する断面視において半円状の横断面を有するシリンドリカルレンズによって構成することができる。この場合、第２集光レンズ１０８は、半円状の曲面を第１集光レンズ１０７に向け、かつ平坦な端面を第２集光レンズ１０８に向けた姿勢で配置されることになる。
また、本実施形態に係る第２集光レンズ１０８は、第１集光レンズ１０７と同様に、励起波長を有するレーザ光については９５％以上の透過率を有する一方、基本波長（例えば、１０６４ｎｍ）を有するレーザ光については５０％未満の透過率を有するように設定してもよい。
また、第２集光レンズ１０８の曲率半径を調整することで、励起ビームＢ３のビーム半径を整えることができる。第２集光レンズ１０８の曲率半径は、第１集光レンズ１０７と同様に、共振器１１１の前記基本ビーム径に応じて設定することができる。第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８という２枚のシリンドリカルレンズを用いることで、本実施形態のように縦横比が異なるレーザビームＢ１が出射される場合であっても、そのレーザビームＢ１を２つの方向で個別に集光することができるようになる。これにより、励起ビームＢ３のビーム品質を高める上で有利になる。
具体的に、複数のエミッタ１０２ａから出力されるレーザビームＢ１を一体的な直線状のビームとみなした場合、そのビームの横断面は、エミッタ１０２ａの並び方向である水平方向に沿って長く延びることにある。したがって、水平方向と垂直方向とで均等な強度分布にするためには、水平方向と垂直方向とで集光の度合いを異ならせることが考えられる。本実施形態のように、集光方向が相互に異なる２枚のシリンドリカルレンズによってレーザビームＢ１を集光することで、レーザビームＢ１をより適切に整形することができるようになる。
第１集光レンズ１０７によって第１集光方向Ａｃ１に集光されるとともに、第２集光レンズ１０８によって第２集光方向Ａｃ２に集光されたレーザビームＢ１は、レーザ媒質１１３を励起するための励起ビームＢ３として出力される。この励起ビームＢ３は、縦方向に沿って上側から下側に伝搬し、第１折り返しミラー１０９に入射する。
－第１折り返しミラー１０９－
第１折り返しミラー１０９は、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８によって生成された励起ビームＢ３を反射して、その伝搬方向を変換することができる。
詳しくは、第１折り返しミラー１０９は、励起光源１０２によるレーザビームＢ１の出射方向（図例では、第３方向としての縦方向）に対して直交させるように、励起ビームＢ３の伝搬方向を変換する。さらに詳しくは、第１折り返しミラー１０９は、第１方向としての水平方向に沿って伝搬させるように励起ビームＢ３を反射する。
また、本実施形態に係る第１折り返しミラー１０９は、励起波長を有するレーザ光については９５％以上の反射率を有する一方、基本波長を有するレーザ光については５０％未満の反射率を有するように設定してもよい。
これにより、共振器１１１により生成された基本波長を有する基本ビームＢ５が、共振器１１１から第１折り返しミラー１０９の方向へ戻ったとしても、励起光源１０２に戻る光を抑制することができるため、励起光源１０２の意図せぬ故障を防ぐことができる。
したがって、本実施形態に係る第１折り返しミラー１０９は、レーザビームＢ１および励起ビームＢ３については相対的に反射率が高く、基本ビームＢ５については相対的に反射率が低くなるように構成されている。
また、第１折り返しミラー１０９は、レーザ媒質１１３の光軸に沿って、励起ビームＢ３を入射できるように角度を変更することができる。これにより、どのような角度でレーザビームＢ１を受光したとしても、レーザビームＢ１の品質を低下させることなく、基本ビームＢ５を生成することができる。
第１折り返しミラー１０９によって反射された励起ビームＢ３は、水平方向に沿って左側から右側に伝搬し、第２折り返しミラー１１０に入射する。
－第２折り返しミラー１１０－
第２折り返しミラー１１０は、第１折り返しミラー１０９によって反射された励起ビームＢ３を再度反射して、その伝搬方向をさらに変換することができる。
詳しくは、第２折り返しミラー１１０は、励起光源１０２から出射されるレーザビームＢ１の伝搬方向とは反対側に向かって励起ビームＢ３を伝搬させるように、該励起ビームＢ３の伝搬方向を変換する。例えば本実施形態では、レーザビームＢ１は、第３方向としての縦方向に沿って上側から下側に向かって伝搬する。その伝搬方向に対応して、第２折り返しミラー１１０は、縦方向に沿って下側から上側に向かって伝搬させるように、励起ビームＢ３を反射する。
また、本実施形態に係る第２折り返しミラー１１０は、第１折り返しミラー１１０と同様に、励起波長を有するレーザ光については９５％以上の反射率を有する一方、基本波長を有するレーザ光については５０％未満の反射率を有するように設定してもよい。
これにより、共振器１１１により生成された基本波長を有する基本ビームＢ５が、共振器から第２折り返しミラー１１０の方向へ戻ったとしても、第２折り返しミラー１１０および第１折り返しミラー１０９を介して励起光源１０２に戻る光を抑制することができるため、励起光源１０２の意図せぬ故障を防ぐことができる。
また、第２折り返しミラー１１０は、レーザ媒質１１３の光軸に沿って、励起ビームＢ３を入射できるように角度を変更することができる。これにより、どのような角度でレーザビームＢ１を受光したとしても、レーザビームＢ１の品質を低下させることなく、基本ビームＢ５を生成することができる。
このように、第１折り返しミラー１０９と第２折り返しミラー１１０とによって励起ビームＢ３を反射することで、この励起ビームＢ３は、レーザビームＢ１とは反対方向に向かって伝搬することになる。これにより、第３方向としての縦方向におけるレーザ出射部７１のコンパクト化を実現することができる。
－共振器１１１の全体構成－
図２２は、共振器１１１の概略構成を例示する縦断面図である。この共振器１１１には、出力窓部１０ｆから出力される分析ビームＢ１１の出力を瞬間的に大きくするために、基本波をパルス発振するためのＱスイッチとして、可飽和吸収体１１５を用いたパッシブＱスイッチ方式が採用されている。
具体的に、本実施形態に係る共振器１１１は、前述のように、リアミラー１１２と、レーザ媒質１１３と、ブリュースタ板１１４と、可飽和吸収体１１５と、出力ミラー１１６と、を有する。
図２２に示すように、リアミラー１１２、レーザ媒質１１３、ブリュースタ板１１４、可飽和吸収体１１５および出力ミラー１１６は、共通のベースプレート１１１ａ上に固定されている。このベースプレート１１１ａは、金属製の一枚板として構成されており、同じく金属製の締結用プレート１１１ｂを介して筐体１０ａの底面に締結されている。
リアミラー１１２、レーザ媒質１１３、ブリュースタ板１１４、可飽和吸収体１１５および出力ミラー１１６を共通のベースプレート１１１ａ上に配置することで、これらの光学部品の相対的な位置関係を一定に保つことができる。これらの光学部品は、基本ビームＢ５のビーム品質を高めるために最適条件を満たすように配置されている。外部からの衝撃や温度変化などにより、これらの光学部品の配置が変動した場合、ビーム品質が低下してしまう虞がある。しかしながら、これらの光学部品の相対的な位置関係が一定に保たれることにより、光学部品の配置の変動を抑制でき、ひいては高いビーム品質の維持に資する。
また、図例のようなベースプレート１１１ａと締結用プレート１１１ｂの間の空間には、共振器１１１の温度を調整するための第２温調部１２５が配置されている。第２温調部１２５は、例えばペルチェ素子によって構成されており、制御部２１と電気的に接続されている。
ペルチェ素子によって第２温調部１２５を構成した場合、この第２温調部１２５は、コントローラ本体２、ヘッド部６等から供給される電力に応じて発熱する。第２温調部１２５からの発熱は、共振器１１１に設けた不図示の第２温度センサによって検出される。第２温度センサの検出信号は、コントローラ本体２に入力される。コントローラ本体２は、第２温度センサの検出信号に基づいて、共振器１１１が第２目標温度±１℃の範囲内に収まるように、第２温調部１２５へ供給する電流を制御する。
なお、第２目標温度の大きさは、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１の用途等に応じて適宜変更可能である。本実施形態では、第２目標温度は、好ましくは３５℃以上に設定されている。
また、図示は省略するが、第２集光レンズ１０８からリアミラー１１２へ至る途中にアパーチャを挿入し、このアパーチャによって励起ビームＢ３のスポット形状を成形してもよい。アパーチャによる成形は、後述の第１～第３の方策と同様に、励起ビームＢ３のスポット形状を真円に近づけることができる。
以下、共振器１１１を構成する各光学部品について順番に説明をする。
－リアミラー１１２－
リアミラー１１２は、出力ミラー１１６とともに共振光路を構成する。リアミラー１１２は、励起光としての励起ビームＢ３を透過する透過面として機能するとともに、基本波としての基本ビームＢ５を反射する鏡面として機能する。リアミラー１１２の鏡面は、出力ミラー１１６の鏡面と向かい合わせに配置される。
本実施形態に係るリアミラー１１２は、前記励起波長を有するレーザ光については略１００％の透過率を有し、前記基本波長を有するレーザ光については略１００％の反射率を有する。リアミラー１１２は、基本ビームＢ５については実質的に全反射ミラーとして機能することになる。
－出力ミラー１１６－
出力ミラー１１６は、リアミラー１１２とともに共振光路を構成する。出力ミラー１１６は、基本ビームＢ５を部分的に透過する鏡面を有する。前述のように、出力ミラー１１６の鏡面は、リアミラー１１２の鏡面と向かい合わせに配置される。
本実施形態に係る出力ミラー１１６は、少なくとも基本波長を有するレーザ光については７０％以下の反射率を有する。出力ミラー１１６は、基本ビームＢ５については部分透過ミラーとして機能することになる。
－レーザ媒質１１３－
レーザ媒質１１３は、２つ以上のミラー（リアミラー１１２および出力ミラー１１６）により構成される共振器１１１内に配置され、集光レンズとしての第１集光レンズ１０７により生成された励起ビームＢ３に基づいて、出力ビームとしての基本ビームＢ５を出射することができる。
詳しくは、レーザ媒質１１３は、反転分布を形成可能な材料によって構成されている。レーザ媒質１１３は、励起ビームＢ３からエネルギーが供給されることで、その内部で電子を励起させて反転分布を形成することができる。また、レーザ媒質１１３は、反転分布が形成された状態で自然放出光が放出されることで、励起ビームＢ３に対応した誘導放出を行うことができる。誘導放出によって放出される光子は、前記基本波長（例えば、１０６４ｎｍ）を有する基本波としてレーザ媒質１１３から出力される。
この基本波は、Ｑスイッチがオフ状態（可飽和吸収体１１５が透明な状態）では、リアミラー１１２と出力ミラー１１６とを結ぶ共振光路を繰り返し往復する。これにより、レーザ媒質１１３中での誘導放出が促進され、基本波が増幅される。そうして増幅された基本波は、共振光路を往復することで、共振器１１１に対応したモードで伝搬する定常波を形成する。増幅が進んだ基本波は、所定の基本ビームＢ５としてパルス発振される。
基本ビームＢ５のモード（基本モード）は、共振器１１１の幾何学的な特性によって特徴付けられる。本実施形態では、基本モードとして、最低次のエルミート・ガウシアンモードであるＴＥＭ００モードで基本ビームＢ５を発振するように構成されている。つまり、光軸に垂直な横断面で見た場合、該基本ビームＢ５のプロファイルは真円状となる。
また、理想的なＴＥＭ００モードとならずとも、Ｍ２＜２．５となるように基本ビームＢ５を発振すればよい。Ｍ２は、レーザビームの品質を示す指標であり、ＴＥＭ００モードからのズレを示す数値である。
ＴＥＭ００モードまたはＭ２＜２．５となるように基本ビームＢ５を発振することで、集光性に優れた基本ビームＢ５を生成することができる。基本ビームＢ５の集光性を高めることは、分析ビームＢ１１のパルスエネルギー密度およびピークパワー密度を高める上で有効である。後述のように、これらの特性は、分析ビームＢ１１をＬＩＢＳ法に用いる上で有効である。
本実施形態では、レーザ媒質１１３としてロッド状のＮｄ：ＹＡＧを用いることができる。このレーザ媒質１１３は、ロッド状とされたレーザ媒質１１３の一端面から励起ビームＢ３を入射させることで、その他端面（励起ビームＢ３が入射する端面の反対側に位置する端面）から基本波が出射されるようになっている（いわゆる、エンドポンプ方式）。例えば、図１３に示すレーザ媒質１１３は、励起ビームＢ３の入射方向と、基本ビームＢ５の出射方向とが一致するように配置されている。
なお、レーザ媒質１１３としてＮｄ：ＹＡＧを用いる場合、励起ビームＢ３の波長（励起波長）は、誘導放出を促すべく、Ｎｄ：ＹＡＧの吸収スペクトルに基づいて設定することができる。そのように設定する場合、励起波長は、前述のように、８０８±５ｎｍまたは８８５±５ｎｍの範囲内に設定することが好ましい。また、レーザ媒質１１３としてＮｄ：ＹＡＧを用いる場合、そのＮｄ濃度は、０．５％以上に設定することが好ましい。
その他、レーザ媒質１１３として、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４等を用いてもよい。レーザ媒質１１３の構成材料は、レーザ出射部７１の用途等に応じて、適宜、変更することができる。
－ブリュースタ板１１４－
ブリュースタ板１１４は、レーザ媒質１１３と可飽和吸収体１１５との間に配置される。このブリュースタ板１１４は、該ブリュースタ板１１４を透過する励起ビームＢ３のうち、速軸方向Ａｆ、特に第２速軸方向Ａｆ２に沿った直線偏光であるｐ偏光を透過し、遅軸方向Ａｓ、特に第２遅軸方向Ａｓ２に沿った直線偏光であるｓ偏光を反射することができる。
レーザ媒質１１３と可飽和吸収体１１５との間にブリュースタ板１１４を設けることで、波長変換の効率を低下させる虞のあるｓ偏光を取り除くことができる。これにより、可飽和吸収体１１５に入射する光の大部分がｐ偏光となり、波長変換を効率的に行うことができる。
－可飽和吸収体１１５－
可飽和吸収体１１５は、リアミラー１１２と出力ミラー１１６の間、詳しくはレーザ媒質１１３と出力ミラー１１６の間、さらに詳しくはブリュースタ板１１４と出力ミラー１１６の間に配置される。この可飽和吸収体１１５は、基本ビームＢ５をパルス発振させるためのパッシブＱスイッチとして機能する。
詳しくは、可飽和吸収体１１５は、誘導放出によってレーザ媒質１１３から放出される基本波を入射させるように配置されており、その基本波の強度に応じて透過率を変化させるように構成されている。
例えば、可飽和吸収体１１５に入射する基本波の強度が弱い場合、可飽和吸収体１１５の透過率は相対的に低くなる（可飽和吸収体１１５が不透明になる）。この場合、可飽和吸収体１１５は僅かに基本波を透過させることができるものの、共振光路における多重反射が規制された結果、レーザ発振には至らない。こうした状態を「Ｑスイッチのオン状態」とみなすことができる。オン状態では、基本ビームＢ５はレーザ発振されず、レーザ媒質１１３における反転分布の形成が進行する（レーザ媒質１１３中でのエネルギーの蓄積が進行する）ことになる。
一方、可飽和吸収体１１５に入射する基本波の強度が一定の閾値を超えると、可飽和吸収体１１５は、その透過率を高める（可飽和吸収体１１５が透明に近づく）。この場合、可飽和吸収体１１５の透過率が高まった結果、リアミラー１１２および出力ミラー１１６の間を基本波が多重反射し、ひいては、レーザ媒質１１３からの誘導放出が促されることになる。こうした状態を「Ｑスイッチのオフ状態」とみなすことができる。オフ状態では、基本波の誘導放出が進行し、その強度が加速度的に高まっていくことになる。最終的に基本ビームＢ５がレ－ザ発振されると、反転分布の解消に伴って基本波の強度が弱まるため、可飽和吸収体１１５の透過率は低い状態に戻ることになる。
なお、Ｑスイッチのオン状態とオフ状態との切替は、励起ビームＢ３のパルス動作を通じて制御することができる。例えば、励起ビームＢ３のパルス数を調整することで基本ビームＢ５の出射回数を制御したり、励起ビームＢ３のデューティ比を調整することで基本ビームＢ５の発振間隔を制御したりすることができる。
本実施形態では、可飽和吸収体１１５として、Ｃｒ４＋：ＹＡＧを用いることができる。Ｃｒ４＋：ＹＡＧを用いる場合、可飽和吸収体１１５の初期透過率は、１０％以上かつ３５％以下に設定することが好ましい。この初期透過率は、結晶中にドーピングされるクロムの濃度を大きくしたり、可飽和吸収体１１５を縦方向に長くしたりすることで低下可能である。
可飽和吸収体１１５の初期透過率が低い場合、透明になるまでの時間が相対的に長くなる分、レーザ媒質１１３では相対的に高い反転分布が形成される。これにより、基本ビームＢ５のパルスエネルギーを高めることができる。
しかしながら、可飽和吸収体１１５の透過率は、ＥＳＡ（Excited State Absorption）によって１００％には到達しない。ＥＳＡは、初期透過率が低いほど大きくなる。そのため、初期透過率を過度に低く設定してしまうと、レーザ発振時のエネルギーロスが大きくなり、パルスエネルギーを高めるには不都合なものとなる。
本願発明者らが鋭意検討を重ねた結果、得られた知見によれば、１５％以上かつ３５％以下の範囲内に収まるように初期透過率を設定することで、基本ビームＢ５のパルスエネルギーを高める上で有利になる。
また、本実施形態に係る可飽和吸収体１１５は、励起ビームＢ３のビーム径が小さくなるにしたがって、基本ビームＢ５のパルスエネルギーを低下させるように構成されている。この構成は、前述のように、可飽和吸収体１１５としてＣｒ４＋：ＹＡＧを用いことで実現することができる。
つまり、励起ビームＢ３を細くすると、励起密度が高まる分、可飽和吸収体１１５が飽和に達する（透明になる）までの時間が短くなる。この場合、基本ビームＢ５のパルスエネルギーは小さくなる。透明になるまでの時間を長くすべく、可飽和吸収体１１５の初期透過率を低くすることも考えられるが、前述のように、ＥＳＡの影響も考慮する必要がある。
Ｃｒ４＋：ＹＡＧは、Ｖ：ＹＡＧ等の他の材料と比較すると、基本波長に対する吸収断面積よりも、ＥＳＡに対する吸収断面積が相対的に小さい。これにより、ＥＳＡの影響を抑制しつつ、初期透過率を低く設定することが可能になる。その結果、高効率で大きなパルスエネルギーを実現することができる。
（波長変換部７１Ｂ）
波長変換部７１Ｂは、第１波長変換素子１１７と、第２波長変換素子１１８と、第１ハーモニックセパレータ１１９と、第２ハーモニックセパレータ１２０と、ビームエキスパンダ１２１と、を備える。波長変換部７１Ｂには、基本波生成部７１Ａにおいて生成された基本ビームＢ５が透過窓部１０ｅから入射する。
ビームエキスパンダ１２１は、平凹レンズ１２２と、平凸レンズ１２３と、を有する。
また、第１波長変換素子１１７は、第３温調部１２６と熱的に結合している。第２波長変換素子１１８は、第４温調部１２７と熱的に結合している。
これらの部品のうち、第１波長変換素子１１７、第２波長変換素子１１８および第１ハーモニックセパレータ１１９は、第２エンクロージャ１００Ｂにおいて、縦方向に沿って下側からこの順番で並んでいる。これらの光学部品は、基本波生成部７１Ａを構成する光学部品の一部とも直線状に並んでいる。具体的に、縦方向に沿って下側から順に、第２折り返しミラー１１０、共振器１１１、透過窓部１０ｅ、第１波長変換素子１１７、第２波長変換素子１１８および第１ハーモニックセパレータ１１９が直線状に並んでいる。
また、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０は、第１方向としての水平方向に沿って並んでいる。これらの光学部品は、第２エンクロージャ１００Ｂにおける水平方向の左端から右端にかけて、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０の順番で並んでいる。
また、第２ハーモニックセパレータ１２０、平凹レンズ１２２および平凸レンズ１２３は、縦方向に沿って並んでいる。これらの光学部品は、第２エンクロージャＢにおける縦方向の上端から中央部にかけて、第２ハーモニックセパレータ１２０、平凹レンズ１２２および平凸レンズ１２３の順番で並んでいる。
以下、波長変換部７１Ｂを構成する各光学部品について順番に説明する。
－第１波長変換素子１１７－
第１波長変換素子１１７は、第２高調波を生成可能な非線形光学結晶とされており、基本ビームＢ５が入射したときに、その基本ビームＢ５の周波数を２倍にして第２高調波として出射する（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）ことができる。すなわち、基本波長を例えば１０６４ｎｍに設定した場合、第２高調波の波長は５３２ｎｍに設定されることになる。
一般に、第１波長変換素子１１７による基本波の変換効率は１００％を下回る。そのため、第１波長変換素子１１７に入射した基本ビームＢ５の少なくとも一部は、第１波長変換素子１１７によって変換されずに出射される。したがって、第１波長変換素子１１７に基本ビームＢ５を入射すると、第２高調波を主体としつつも、若干の基本波が含まれた第２高調波ビームＢ７が出射されることになる。
本実施形態では、第１波長変換素子１１７としてＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ３）を用いることができる。この場合、第１波長変換素子１１７の位相整合角度は、基本ビームＢ５の偏光が平行方向であるタイプ１の臨界位相整合（Critical Phase Matching：ＣＰＭ）によって決定してもよい。あるいは、第１波長変換素子１１７の位相整合角度は、温度調整を利用した非臨界位相整合（Non Critical Phase Matching：ＮＣＰＭ）によって決定してもよい。
第１波長変換素子１１７の後段には第２波長変換素子１１８が配置されており、第１波長変換素子１１７から出射された第２高調波ビームＢ７は、第２波長変換素子１１８に入射する。
また、第１波長変換素子１１７を第２エンクロージャ１００Ｂに固定するための固定具と、第２エンクロージャ１００Ｂを構成する壁部との間には、第１波長変換素子１１７の温度を調整するための第３温調部１２６が配置されている。第３温調部１２６は、例えばペルチェ素子によって構成されており、制御部２１と電気的に接続されている。
ペルチェ素子によって第３温調部１２６を構成した場合、この第３温調部１２６は、コントローラ本体２、ヘッド部６等から供給される電力に応じて発熱する。第３温調部１２６からの発熱は、第１波長変換素子１１７付近に設けた不図示の第３温度センサによって検出される。第３温度センサの検出信号は、コントローラ本体２に入力される。コントローラ本体２は、第３温度センサの検出信号に基づいて、第１波長変換素子１１７の温度が第３目標温度±１℃の範囲内に収まるように、第３温調部１２６へ供給する電流を制御する。
なお、第３目標温度の大きさは、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１の用途等に応じて適宜変更可能である。本実施形態では、第３目標温度は、好ましくは３５℃以上、さらに好ましくは４０℃以上に設定されている。分析観察装置Ａの使用環境における露点温度よりも第３目標温度を高く設定することで、ＣＰＭを行う上でより適切な構成を実現することができる。
－第２波長変換素子１１８－
第２波長変換素子１１８は、第３高調波を生成可能な非線形光学結晶とされており、第２高調波ビームＢ７が入射したときに、基本波の３倍の周波数を有する第３高調波を出射する（Third Harmonic Generation：ＴＨＧ）ことができる。すなわち、基本波長を例えば１０６４ｎｍに設定した場合、第３高調波の波長は３５５ｎｍ付近に設定されることになる。
一般に、第２波長変換素子１１８による変換効率は１００％を下回る。そのため、第２波長変換素子１１８に入射した第２高調波ビームＢ７の少なくとも一部は、第２波長変換素子１１８によって変換されずに出射される。したがって、第２波長変換素子１１８に第２高調波ビームＢ７を入射すると、第３高調波を主体としつつも、若干の基本波および第２高調波が含まれた第３高調波ビームＢ９が出射されることになる。
本実施形態では、第２波長変換素子１１８としてＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ３）を用いることができる。この場合、第２波長変換素子１１８の位相整合角度は、レーザビームの偏光が垂直方向であるタイプ２の臨界位相整合（Critical Phase Matching：ＣＰＭ）によって決定してもよい。
第２波長変換素子１１８の後段には第１ハーモニックセパレータ１１９が配置されており、第２波長変換素子１１８から出射された第３高調波ビームＢ９は、第１ハーモニックセパレータ１１９に入射する。
また、第２波長変換素子１１８を第２エンクロージャ１００Ｂに固定するための固定具と、第２エンクロージャ１００Ｂを構成する壁部との間には、第２波長変換素子１１８の温度を調整するための第４温調部１２７が配置されている。第４温調部１２７は、例えばペルチェ素子によって構成されており、制御部２１と電気的に接続されている。
ペルチェ素子によって第４温調部１２７を構成した場合、この第４温調部１２７は、コントローラ本体２、ヘッド部６等から供給される電力に応じて発熱する。第４温調部１２７からの発熱は、第２波長変換素子１１８付近に設けた不図示の第４温度センサによって検出される。第４温度センサの検出信号は、コントローラ本体２に入力される。コントローラ本体２は、第４温度センサの検出信号に基づいて、第２波長変換素子１１８の温度が第４目標温度±１℃の範囲内に収まるように、第４温調部１２７へ供給する電流を制御する。
なお、第４目標温度の大きさは、固体レーザ発振器としてのレーザ出射部７１の用途等に応じて適宜変更可能である。本実施形態では、第４目標温度は、好ましくは３５℃以上、さらに好ましくは４０℃以上に設定されている。分析観察装置Ａの使用環境における露点温度よりも第４目標温度を高く設定することで、ＣＰＭを行う上でより適切な構成を実現することができる。
－第１ハーモニックセパレータ１１９－
第１ハーモニックセパレータ１１９は、いわゆるビームスプリッターであって、基本波を透過する一方で、第２高調波と第３高調波を反射するように構成されている。この第１ハーモニックセパレータ１１９は、第１波長変換素子１１７と第２波長変換素子１１８を結んだ光軸と交わるように配置されており、その光軸に対して、略４５度傾斜した姿勢とされている。
第１ハーモニックセパレータ１１９の後段には第２ハーモニックセパレータ１２０が配置されており、第１ハーモニックセパレータ１１９によって反射された第３高調波ビームＢ９は、基本波成分が取り除かれた状態で、第２ハーモニックセパレータ１２０に入射する。
－第２ハーモニックセパレータ１２０－
第２ハーモニックセパレータ１２０は、第１ハーモニックセパレータ１１９に類似したビームスプリッターであって、第２高調波を透過する一方で、第３高調波を反射するように構成されている。この第２ハーモニックセパレータ１２０は、第１ハーモニックセパレータ１１９により反射されたレーザビームの光軸と交わるように配置されており、その光軸に対して、略４５度傾斜した姿勢とされている。
第２ハーモニックセパレータ１２０の後段にはビームエキスパンダ１２１が配置されており、第１ハーモニックセパレータ１１９によって反射された第３高調波ビームＢ９は、第２高調波成分が取り除かれた準出力ビームＢ１０となった状態で、ビームエキスパンダ１２１に入射する（図１３参照）。
前述のように、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０は、第１方向としての水平方向に沿って並んでいる。このように、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０が水平方向に沿って配置されることにより、第２高調波ビームＢ７と、分析ビームＢ１１の向きと、が対向する。これにより、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０を用いない構成と比較して、筐体１０ａを小型化することができる。
また、前述の通り、第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０が水平方向に沿って配置されることにより、レーザビームＢ１と、基本ビームＢ５の向きとが対向する。
第１折り返しミラー１０９および第２折り返しミラー１１０でレーザビームＢ１と基本ビームＢ５の向きを対向させ、さらに、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０で第２高調波ビームＢ７と分析ビームＢ１１の向きを対向させることができる。図１３に示すように、基本ビームＢ５と第２高調波ビームＢ７とが同じ方向を指向していることに鑑みると、レーザビームＢ１と、分析ビームＢ１１とが略同一方向を向くことになる。
最終的に、励起光源１０２により生成されたレーザビームＢ１は、複数回の折り返しを経て、分析ビームＢ１１として出力される。これにより、レーザビームＢ１が折り返しを経ることなく分析ビームＢ１１として出力される場合と比較して、筐体１０ａを小型化することができる。
－ビームエキスパンダ１２１－
ビームエキスパンダ１２１は、複数枚の光学レンズによって構成されており、第２ハーモニックセパレータ１２０によって反射された準出力ビームＢ１０のビーム径を整えるように構成されている。
例えば、本実施形態に係るビームエキスパンダ１２１は、平凹レンズ１２２と、平凸レンズ１２３と、を有する。平凹レンズ１２２および平凸レンズ１２３を透過した準出力ビームＢ１０は、そのビーム径が好ましくは１ｍｍ以上に整えられる。ビームエキスパンダ１２１によってビーム径が整えられた準出力ビームＢ１０は、１次電磁波としての分析ビームＢ１１として、出力窓部１０ｆを通じて第２エンクロージャ１００Ｂから出射される。ここで、基本ビームＢ５の強度分布のプロファイルを真円状とした場合、分析ビームＢ１１のプロファイルも真円状となる。
なお、ビーム径を整える必要がない場合は、ビームエキスパンダ１２１を省略することもできる。この場合、準出力ビームＢ１０が、そのまま分析ビームＢ１１として筐体１０ａから出力されることになる。
（レーザ出射部７１の動作）
図１３、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、励起光源１０２から出射されたレーザビームＢ１は、ビームシェイパー１０４によってエミッタ１０２ａ毎に回転された後、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８を透過することで励起ビームＢ３となる。
励起ビームＢ３は、共振器１１１において、リアミラー１１２を透過してレーザ媒質１１３の一端面へと入射する。そして、励起ビームＢ３によって励起されたレーザ媒質１１３は、基本波からなる基本ビームＢ５を出力する。この基本ビームＢ５は、パッシブＱスイッチとしての可飽和吸収体１１５が透明状態になることで、リアミラー１１２と出力ミラー１１６との間を多重反射して増幅される。増幅された基本ビームＢ５は、共振器１１１の固有モードでレーザ発振されて、透過窓部１０ｅを介して波長変換部７１Ｂに入射する。
共振器１１１から出射されて波長変換部７１Ｂに入射する基本ビームＢ５は、間欠的に発振されたパルスビームとなる。その際、基本ビームＢ５は、前述のように、ＴＥＭ００モード、または、Ｍ２＜２．５となるようにパルス発振される。この基本ビームＢ５は、例えば真円状のプロファイルを有し、好ましくは１パルスあたり０．５［ｍＪ］以上のパルスエネルギーを有する。
続いて、波長変換部７１Ｂへと入射した基本ビームＢ５は、第１波長変換素子１１７および第２波長変換素子１１８を順番に透過することで、第３高調波を主体とした第３高調波ビームＢ９となる。
この第３高調波ビームＢ９は、第１ハーモニックセパレータ１１９および第２ハーモニックセパレータ１２０によって順番に反射された後にビームエキスパンダ１２１を透過することで、基本波成分と第２高調波成分が取り除かれかつビーム径が整えられた分析ビームＢ１１となる。この分析ビームＢ１１は、前述の第１電磁波として利用可能なパルスビームであり、出力窓部１０ｆから出射されて、反射型対物レンズ７４等を介してサンプルＳＰに照射される。
出力窓部１０ｆから出射される分析ビームＢ１１は、基本ビームと同様にパルスビームとなる。この分析ビームＢ１１は、基本ビームＢ５と同様のプロファイル（例えば、真円状のプロファイル）を有し、好ましくは１パルスあたり０．１［ｍＪ］以上のパルスエネルギーを有する。
（ＬＩＢＳ法に適したパルスビームについて）
ＬＩＢＳ法に適したパルスビームとは、パルス幅が短く、パルスエネルギーが大きく、かつ、集光性に優れたビームである。特に、局所的に高いエネルギーをサンプルＳＰに与えるためには、ビームを集光した際のピークパワー密度［ＧＷ／ｃｍ２］、およびパルスエネルギー密度［Ｊ／ｃｍ２］の両方を高めることが考えられる。
ここで、ピークパワー密度およびパルスエネルギー密度を高めるためには、本実施形態のようにパッシブＱスイッチ法を用いることで、共振器長（リアミラー１１２と出力ミラー１１６との間の距離）を可能な限り短くすることが考えられる。
共振器長を短くすることで、ピークパワー密度およびパルスエネルギー密度を両方とも高めることができる。一般に、リアミラー１１２および出力ミラー１１６の半径が共振器長に対して十分に長いと仮定した場合、基本ビームＢ５のビーム径（基本ビーム径）は、共振器長の４分の１乗に比例する。そのため、共振器長を短くした分、基本ビームＢ５のビーム径（基本ビーム径）は小さくなる。すなわち、基本ビームＢ５のビーム径である基本ビーム径は、共振器長に基づいて決定される。
ここで、ＴＥＭ００モードでのレーザ発振（以下、「ＴＥＭ００発振」と呼称する）を高効率で行うためには、基本ビーム径と、前記一端面における励起ビームＢ３のビーム径（励起ビーム径）と、を一致させること（いわゆる「モードマッチング」）が求められる。したがって、共振器長を短くしつつ、高効率なＴＥＭ００発振を実現するためには、励起ビーム径も小さく絞ることが必要になる。
ところが、励起ビーム径を小さく絞ってしまうと、前述のように励起密度が上がった分、可飽和吸収体１１５が短時間で飽和に至る。そのため、反転分布が十分に形成されず、パルスエネルギーを大きくするには不都合なものとなる。ＬＩＢＳ法を用いるためには、１パルスあたり０．１［ｍＪ］以上のパルスエネルギーとすることが望ましい。
本願発明者らは、高効率なＴＥＭ００発振と、パルスエネルギーの向上と、の両立を図った。このうち、高効率なＴＥＭ００発振を実現するための方策としては、例えば励起光源１０２をファイバに結合することが考えられる。しかしながら、ファイバを用いた構成では、レーザの特性は安定化するが、製造コストの抑制、レーザ出射部７１のコンパクト化等の観点において難がある。
ファイバを使用しない構成として、ビームシェイパー１０４によってレーザビームＢ１を整形することも考えられる。しかしながら、ビームシェイパー１０４を用いた構成は、励起ビームＢ３のプロファイルが長方形または正方形となってしまい、モードマッチングを行うには不利なものとなる。この場合、基本ビームＢ５のプロファイルに正方形または長方形を内接させるべく、基本ビーム径以下となるように励起ビーム径を小さく絞ることが求められる。しかしながら、励起ビーム径を小さく絞ってしまうと、前述のように可飽和吸収体１１５が短時間で飽和に至るため、パルスエネルギーの向上を図る上では不利なものとなる。
本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ビームシェイパー１０４によるビーム整形、ＳＡＣレンズ１０６によるコリメート、ならびに、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８による集光のうちの少なくとも１つにおいて意図的に収差を引き起こすことを考えた。そして、その収差によって励起ビームＢ３のプロファイルを正方形または長方形からぼやかすことで、そのプロファイルを真円に整えることを想到するに至った。
本実施形態に係る基本波生成部７１Ａは、真円化されたスポット形状を有する状態で、励起ビームＢ３をレーザ媒質１１３の一端面に入射させる。これにより、励起ビーム径を小さくせずとも、モードマッチングを良好に行うことができるようになる。その結果、パルスエネルギーを損なうことなく、高効率なＴＥＭ００発振ができるようになった。
具体的に、本願発明者らは、意図的に収差を引き起こすための方策として、ＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８に関連した第１の方策と、ビームシェイパー１０４に関連した第２の方策と、第１の方策とは別の観点からＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８に関連した第３の方策と、を創作した。
これらの方策は、独立して実施することを前提としたものではない。第１の方策、第２の方策および第３の方策のうちの任意の２つ以上を組み合わせて実施してもよい。
－第１の方策－
図１６は、第１の方策について説明するための図である。また、図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃおよび図１９Ｄは、第１の方策を採用した場合のスポット形状Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４の計測結果を示す図である。
ここでは、ＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８のうち、第１集光レンズ１０７を集光レンズとして用いた場合を例示する。
第１集光レンズ１０７の代わりに第２集光レンズ１０８を用いた場合、以下の記載において、集光レンズとしての「第１集光レンズ１０７」を「第２集光レンズ１０８」に読み替えるとともに、集光方向としての「第１集光方向Ａｃ１」を「第２集光方向Ａｃ２」に読み替えればよい。
本願発明者らの知見によれば、第１の方策に係る励起ビームＢ３は、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆの双方に対して第１集光方向Ａｃ１が傾斜するように第１集光レンズ１０７が配置されることにより、非傾斜状態となるように第１集光レンズ１０７が配置される場合に比して、真円化されたスポット形状（例えば、レーザ媒質１１３の端面におけるスポット形状）Ｇ１３を有する。励起ビームＢ３は、真円化されたスポット形状Ｇ１３を有する状態でレーザ媒質１１３の端面に入射する。
なお、ここでの遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆには、第１遅軸方向Ａｓ１および第１速軸方向Ａｆ１と、第２遅軸方向Ａｓ２および第２速軸方向Ａｆ２と、の両方が含まれる。
この場合、図１６に示すように、第１集光方向Ａｃ１は、第１遅軸方向Ａｓ１としての水平方向と、第１速軸方向Ａｆ１としての垂直方向と、の双方に対して傾斜角αだけ傾くように配置されることになる。
また、非傾斜状態における第１集光方向Ａｃ１が、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆのうちの一方に沿ったものである場合（つまり、従来の配置を採用した場合）、光軸Ａｌに直交する断面視において、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆのうちの一方と第１集光方向Ａｃ１とがなす鋭角（＝α）は、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆのうちの他方と第１集光方向Ａｃ１とがなす鋭角（＝９０°－α）に比して小さい。
つまり、傾斜角αは、通常の集光方向から必要以上に傾けないようになっている。傾斜角αは、好ましくは０°以上４５°未満の範囲内に設定され、さらに好ましくは２°以上１０°未満の範囲内に設定され、より一層好ましくは５°に一致するように設定される。
図１９Ａに示すように、α＝０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ１１は、正方形または長方形状の強度分布をなす。図１９Ｂに示すように、α＝２°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ１２は、真円には近づいたものの、角度方向において若干の異方性が残存する。
そして、図１９Ｃに示すように、α＝５°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ１３は、実質的に真円となる。この場合、励起ビームＢ３は、光軸Ａｌに垂直な断面視において、該光軸Ａｌから離間するにしたがって漸減する単峰性の強度分布をなす。この強度分布は、例えばガウス分布とすることができる。こうした強度分布は、ＴＥＭ００モード、すなわちガウシアンモードにおけるビームのプロファイルと一致する。強度分布を意図的に非一様化することで、励起ビームＢ３の光軸Ａｌ付近から順番に可飽和吸収体１１１５を飽和させることができる。このことは、パルスエネルギーの安定化に資する。
なお、真円化されたスポット形状Ｇ１３の半径は、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径と関連している。換言すれば、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径は、真円化されたスポット形状Ｇ１３の半径に基づいて設定されるようになっている。
また、図１９Ｄに示すように、α＝１０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ１４は、真円から離れた形状となり、図１９Ｂに例示したスポット形状Ｇ１２と同様に、角度方向において若干の異方性が残存する。
第１集光レンズ１０７をレイアウトする際には、励起ビームＢ３の強度分布の一様化等の観点から、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆの一方に対して第１集光方向Ａｃ１を一致させるのが通常の使用態様である。対して、第１の方策によれば、そうした通常の使用態様から意図的に第１集光レンズ１０７の使用態様を変更することで、励起ビームＢ３に収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームＢ３のスポット形状をぼやかすように作用することになる。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームＢ３のスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となる。これにより、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
－第２の方策－
図１７は、第２の方策について説明するための図である。また、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃおよび図２０Ｄは、第２の方策を採用した場合のスポット形状Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４の計測結果を示す図である。
本願発明者らの知見によれば、第２の方策に係る励起ビームＢ３は、第１速軸方向Ａｆ１および第１遅軸方向Ａｓ１と、第２速軸方向Ａｆ２および第２遅軸方向Ａｓ２とが互いに傾斜するようにビームシェイパー１０４がレーザビームＢ１を回転させることで、第２速軸方向Ａｆ２が第１遅軸方向Ａｓ１に一致しかつ第２遅軸方向Ａｓ２が第１速軸方向Ａｆ１に一致するようにビームシェイパーがレーザビームＢ１を回転させる場合に比して真円化されたスポット形状を有する。励起ビームＢ３は、真円化されたスポット形状Ｇ２３を有する状態でレーザ媒質１１３の端面に入射する。
なお、ここでの遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆには、第１遅軸方向Ａｓ１および第１速軸方向Ａｆ１と、第２遅軸方向Ａｓ２および第２速軸方向Ａｆ２と、の両方が含まれる。この第２の方策では、第１速軸方向Ａｆ１は、第２速軸方向Ａｆ２および第２遅軸方向Ａｓ２の双方に対し非平行かつ非直交となり、かつ、第１遅軸方向Ａｓ１は、第２速軸方向Ａｆ２および第２遅軸方向Ａｓ２の双方に対し非平行かつ非直交となる。すなわち、第２の方策に係るビームシェイパー１０４は、第２速軸方向Ａｆ２が第１速軸方向Ａｆ１および第１遅軸方向Ａｓ１の双方に傾斜し、かつ、第２遅軸方向Ａｓ２が第１速軸方向Ａｆ１および第１遅軸方向Ａｓ１の双方に傾斜するように、レーザビームＢ１を回転させる。
この場合、図１７において第１集光レンズ１０７に入射する直前のレーザビームＢ１を断面Ｃｓで見た場合、そのレーザビームＢ１における第２速軸方向Ａｆ２は、第１速軸方向Ａｆ１および第１遅軸方向Ａｓ１の双方に対して非直交かつ非平行となる。第２遅軸方向Ａｓ２もまた、第１速軸方向Ａｆ１および第１遅軸方向Ａｓ１の双方に対して非直交かつ非平行となる。図例のように、第２遅軸方向Ａｓ２は、第１遅軸方向Ａｓ１に対して傾斜角βだけ傾き、第１速軸方向Ａｆ１に対して、傾斜角β＋９０°だけ傾くことになる。この場合、β≠０°かつβ≠９０°の関係が満足される（ここで、０°≦β＜１８０°と仮定した）。
なお、この第２の方策を実施する場合、励起光源１０２は、ビームシェイパー１０４に入力されるレーザビームＢ１として、前述した設計波長からオフセットした波長を有するレーザビームＢ１を出力する。既に説明したように、このように設定された励起光源１０２を用いることで、前記関係が満足されるようにβの値を調整することができる。
また、光軸Ａｌに直交する断面視において、第１速軸方向Ａｆ１と第２遅軸方向Ａｓ２とがなす鋭角（＝β）は、第１遅軸方向Ａｓ１と第２遅軸方向Ａｓ２とがなす鋭角（＝９０°－β）に比して小さい。
つまり、傾斜角βは、ビームシェイパー１０４による通常の回転角度から必要以上に傾けないようになっている。傾斜角βは、好ましくは０°以上４５°未満の範囲内に設定され、さらに好ましくは２°以上１０°未満の範囲内に設定され、より一層好ましくは５°に一致するように設定される。
図２０Ａに示すように、β＝０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ２１は、正方形または長方形状の強度分布をなす。図２０Ｂに示すように、β＝２°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ２２は、真円には近づいたものの、角度方向において若干の異方性が残存する。
そして、図２０Ｃに示すように、β＝５°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ２３は、実質的に真円となる。この場合、励起ビームＢ３は、光軸Ａｌに垂直な断面視において、該光軸Ａｌから離間するにしたがって漸減する単峰性の強度分布をなす。この強度分布は、例えばガウス分布とすることができる。こうした強度分布は、ＴＥＭ００モード、すなわちガウシアンモードにおけるビームのプロファイルと一致する。強度分布を意図的に非一様化することで、励起ビームＢ３の光軸Ａｌ付近から順番に可飽和吸収体１１１５を飽和させることができる。このことは、パルスエネルギーの安定化に資する。
なお、真円化されたスポット形状Ｇ２３の半径は、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径と関連している。換言すれば、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径は、真円化されたスポット形状Ｇ２３の半径に基づいて設定されるようになっている。
また、図２０Ｄに示すように、β＝１０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ２４は、真円から離れた形状となり、図２０Ｂに例示したスポット形状Ｇ１２と同様に、角度方向において若干の異方性が残存する。
ビームシェイパー１０４の構成を設定する際には、励起ビームＢ３の強度分布の一様化等の観点から、第２遅軸方向Ａｓ２を第１速軸方向Ａｆ１に一致させ、第２速軸方向Ａｆ２を第１遅軸方向Ａｓ１に一致させるのが通常の使用態様である。対して、第２の方策によれば、そうした通常の使用態様から意図的にビームシェイパー１０４の使用態様を変更することで、励起ビームＢ３に収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームＢ３のスポット形状をぼやかすように作用することになる。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームＢ３のスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となる。これにより、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
なお、第２の方策を実現するためのビームシェイパー１０４は、ビームツイスターには限定されない。ステップミラー方式のビームシェイパー等、エミッタ１０２ａ毎にレーザビームＢ１を回転可能な部材であれば、任意の光学素子を用いることができる。
－第３の方策－
図１８は、第３の方策について説明するための図である。また、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃおよび図２１Ｄは、第３の方策を採用した場合のスポット形状Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４の計測結果を示す図である。
ここでは、ＳＡＣレンズ１０６、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８のうち、第１集光レンズ１０７を集光レンズとして用いた場合を例示する。
第１集光レンズ１０７の代わりに第２集光レンズ１０８を用いた場合は、以下の記載において、集光レンズとしての「第１集光レンズ１０７」を「第２集光レンズ１０８」に読み替えるとともに、集光方向としての「第１集光方向Ａｃ１」を「第２集光方向Ａｃ２」に読み替えればよい。
本願発明者らの知見によれば、第３の方策に係る励起ビームＢ３は、光軸Ａｌに対して第１集光レンズ１０７の中心軸Ａ３が傾斜するように該第１集光レンズ１０７が配置されることにより、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状（例えば、レーザ媒質１１３の端面におけるスポット形状）Ｇ３３を有する。励起ビームＢ３は、真円化されたスポット形状Ｇ１３を有する状態でレーザ媒質１１３の端面に入射する。
この場合、図１８に示すように、第１集光レンズ１０７の中心軸Ａ３は、第１遅軸方向Ａｓ１としての水平方向に沿って見た場合、光軸Ａｌに対して傾斜角γだけ傾くように配置されることになる。
また、光軸Ａｌを通過する断面視において、光軸Ａｌと中心軸Ａ３とがなす鋭角（＝γ）は、遅軸方向Ａｓおよび速軸方向Ａｆに沿って延びる平面Ｐ３と中心軸Ａ３とがなす鋭角（＝９０°－γ）に比して小さい。
つまり、傾斜角γは、光軸Ａｌに対して過度に傾けないようになっている。傾斜角γは、好ましくは０°以上４５°未満の範囲内に設定され、さらに好ましくは２°以上１０°未満の範囲内に設定され、より一層好ましくは５°に一致するように設定される。
図２１Ａに示すように、γ＝０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ３１は、正方形または長方形状の強度分布をなす。図２１Ｂに示すように、γ＝２°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ３２は、真円には近づいたものの、角度方向において若干の異方性が残存する。
そして、図２１Ｃに示すように、γ＝５°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ３３は、実質的に真円となる。この場合、励起ビームＢ３は、光軸Ａｌに垂直な断面視において、該光軸Ａｌから離間するにしたがって漸減する単峰性の強度分布をなす。この強度分布は、例えばガウス分布とすることができる。こうした強度分布は、ＴＥＭ００モード、すなわちガウシアンモードにおけるビームのプロファイルと一致する。強度分布を意図的に非一様化することで、励起ビームＢ３の光軸Ａｌ付近から順番に可飽和吸収体１１１５を飽和させることができる。このことは、パルスエネルギーの安定化に資する。
なお、真円化されたスポット形状Ｇ３３の半径は、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径と関連している。換言すれば、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８の曲率半径は、真円化されたスポット形状Ｇ３３の半径に基づいて設定されるようになっている。
また、図２１Ｄに示すように、γ＝１０°の場合、励起ビームＢ３のスポット形状Ｇ３４は、真円から離れた形状となり、図２１Ｂに例示したスポット形状Ｇ３２と同様に、角度方向において若干の異方性が残存する。
第１集光レンズ１０７をレイアウトする際には、励起ビームＢ３の強度分布の一様化等の観点から、光軸Ａｌと、第１集光レンズ１０７の中心軸Ａ３とを一致させるのが通常の使用態様である。対して、第３の方策によれば、そうした通常の使用態様から意図的に第１集光レンズ１０７の使用態様を変更することで、励起ビームＢ３に収差を引き起こす。そうして引き起こされた収差は、励起ビームＢ３のスポット形状をぼやかすように作用することになる。この作用によって、スポット形状を真円に整えることができる。
このように、励起ビームＢ３のスポット形状を真円に整えることで、励起ビーム径を基本ビーム径に一致させるのが容易となる。これにより、ファイバレスな構成でありながらも、高効率なＴＥＭ００発振を実現することができるようになる。
なお、第１集光レンズ１０７の傾斜方向は、図例には限定されない。図１８に示す例では、水平方向に沿って延びる回転軸まわりに第１集光レンズ１０７を回転させているが、これに代えて、垂直方向に沿って延びる回転軸まわりに第１集光レンズ１０７を回転してもよいし、前記平面Ｐ３上の任意の直線を回転軸に設定してもよい。第２集光レンズ１０８を傾斜させる場合も同様である。
＜コントローラ本体の詳細＞
図９は、コントローラ本体２の構成を例示するブロック図である。なお、本実施形態では、コントローラ本体２と光学系アセンブリ１とが別体に構成されているが、本開示は、そうした構成には限定されない。コントローラ本体２の少なくとも一部を光学系アセンブリ１に設けてもよい。例えば、制御部２１を構成する処理部２１ａの少なくとも一部を光学系アセンブリ１に内蔵させることができる。
前述のように、本実施形態に係るコントローラ本体２は、種々の処理を行う制御部２１と、制御部２１が行う処理に係る情報を表示する表示部２２と、を備える。制御部２１には、少なくとも、マウス３１、コンソール３２、キーボード３３、ヘッド駆動部４７、載置台駆動部５３、スライド機構６５のアクチュエータ６５ｂ（図９にのみ図示）、レーザ出射部７１の励起光源１０２、第１温調部１２４、第２温調部１２５、第３温調部１２６および第４温調部１２７、出力調整手段７２、ＬＥＤ光源７９ａ、第１カメラ８１、遮蔽部材８３、側射照明８４、第２カメラ９３、第２の同軸照明（第２同軸照明）９４、第２の側射照明（第２側射照明）９５、拡大光学系９６、ならびに、図示しない各種センサが電気的に接続されている。
制御部２１によって、ヘッド駆動部４７、載置台駆動部５３、アクチュエータ６５ｂ、レーザ出射部７１、出力調整手段７２、ＬＥＤ光源７９ａ、第１カメラ８１、遮蔽部材８３、側射照明８４、第２カメラ９３、第２同軸照明９４、第２側射照明９５および拡大光学系９６が電気的に制御される。
また、第１カメラ８１、第２カメラ９３および各種センサの出力信号は、制御部２１に入力される。制御部２１は、入力された出力信号に基づいた演算等を実行し、その演算結果に基づいた処理を実行する。そうした処理を行うためのハードウェアとして、本実施形態に係る制御部２１は、種々の処理を実行する処理部２１ａと、処理部２１ａが行う処理に関連したデータを記憶する記憶装置２１ｂと、入出力バス２１ｃと、を有する。
処理部２１ａは、ＣＰＵ、システムＬＳＩ、ＤＳＰ等からなる。処理部２１ａは種々のプログラムを実行することで、サンプルＳＰの分析を実行したり、表示部２２等、分析観察装置Ａの各部を制御したりすることができる。
記憶装置２１ｂは、揮発性メモリと、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の不揮発性メモリと、によって構成される。記憶装置２１ｂは、各種データを一時的にまたは継続的に記憶することができる。
＜制御フローの具体例＞
図１０は、分析観察装置Ａの基本動作を例示するフローチャートである。
まず、図１０のステップＳ１では、第２モードにおいて、観察光学系９による分析対象の探索が実行される。このステップＳ１では、ユーザによる操作入力に基づいて、制御部２１が、第２カメラ９３の露光時間、光ファイバーケーブルＣ３によって導光される照明光など、第２カメラ９３によって生成される画像データの明るさ等の条件を調整しながら、サンプルＳＰの各部のうち、分析光学系７によって分析されるべき部分（分析対象）を探索する。このとき、制御部２１は、必要に応じて、第２カメラ９３によって生成される画像データを保存する。
なお、第２カメラ９３の露光時間の調整および照明光の明るさの調整は、ユーザによる操作入力を伴わずとも、各種センサの検出信号に基づいて制御部２１が自動的に実行するように構成することもできる。
また、このステップＳ１の最中、または、同ステップＳ１と前後して、例えばユーザによる手動操作に基づいて、分析対象の探索に際し、傾斜機構４５によって観察光学系９、ひいてはヘッド部６全体が傾けられる。制御部２１は、そのときの傾きθの大きさを検知する。その傾きθの大きさは、第２カメラ９３によって生成される第１画像データとともに、表示部２２上に表示してもよい。
続くステップＳ２では、制御部２１がスライド機構６５を作動させて観察光学系９と分析光学系７とを一体的にスライド移動させることで、第２モードから第１モードへの切替が実行される。
続くステップＳ３では、制御部２１が載置台駆動部５３を作動させて載置台５の位置調整を実行する。この位置調整は、前後方向、左右方向および上下方向の少なくとも１方向に沿って行われる。載置台５の位置調整を行うことで、反射型対物レンズ７４に対するサンプルＳＰの相対位置が調整される。なお、第１モードから第２モードへの切替に際して同様の位置調整を実行してもよい。
続くステップＳ４では、着脱検知センサ８２の検知信号に基づいて、分析筐体７０に反射型対物レンズ７４が装着されているか否か（装着状態か否か）を制御部２１が判定する。この判定がＹＥＳの場合、制御部２１はレーザ光の出射を許可する制御信号（出射許可信号）を生成し、レーザ出射部７１に入力する。この場合、制御プロセスはステップＳ５に進む。一方、ステップＳ４に係る判定がＮＯの場合、制御部２１はレーザ光の出射を不許可とする制御信号（出射不許可信号）を生成し、レーザ出射部７１に入力する。この場合、制御プロセスはステップＳ５に進まず、ステップＳ４に係る判定に戻る。なお、出射許可信号および出射不許可信号は、少なくとも一方を用いればよい。また、出射許可信号および出射不許可信号は、制御部２１による生成には限定されず、例えばヘッド部６に内蔵された制御装置によって生成してもよい。
続いて、図１０のステップＳ５では、第１モードにおいて、分析光学系７によるサンプルＳＰの成分分析が実行される。具体的に、このステップＳ５では、制御部２１は、励起光源１０２等の温度を適温に調整した状態で、該励起光源１０２からレーザビームＢ１を出射させ、このレーザビームＢ１に基づいて分析ビームＢ１１を生成される。この分析ビームＢ１１をサンプルＳＰに照射し、サンプルＳＰの局所的なプラズマ化を引き起こす。このステップＳ５に係る処理の最中（特に、分析ビームＢ１１の生成よりも前のタイミング）に、ステップＳ４に係る判定を行ってもよい。例えば、励起光源１０２等の調温を実行した状態で待機し、制御部２１からレーザ出射部７１に出射許可信号が入力されたことを条件として、分析ビームＢ１１の生成を開始するように構成することもできる。
あるいは、ステップＳ１とステップＳ２の間または途中のタイミングでステップＳ４に係る処理を実行したり、ステップＳ２とステップＳ３の間または途中のタイミングでステップＳ４に係る処理を実行したりしてもよい。着脱検知センサ８２からの検知信号に基づいた処理は、分析ビームＢ１１の生成以前であれば、任意のタイミングで行うことができる。
また、制御部２１から出射許可信号を受け付ける代わりに、着脱検知センサ８２から検知信号を受け付けて、その検知信号を出射許可信号として用いることもできる。
第１および第２検出器７７Ａ，７７Ｂは、サンプルＳＰのプラズマ化に起因して発せられるプラズマ光を受光して、強度分布スペクトルを生成する。制御部２１は、生成された強度分布スペクトルを解析することで、サンプルＳＰに含まれる元素の成分および成分比の分析と、その成分比に基づいた材料の推定と、を実行する。その後、制御部２１は、分析結果等を表示部２２上に表示させ、図１０に示す制御プロセスを終了する。
Ａ 分析観察装置
ＳＰ サンプル（分析対象物）
１ 光学系アセンブリ
６ ヘッド部
６２ 分析ユニット
７ 分析光学系
７１ レーザ出射部（固体レーザ発振器）
１０２ 励起光源（光源）
１０２ａ エミッタ
１０３ ＦＡＣレンズ（速軸コリメータ）
１０４ ビームシェイパー
１０６ ＳＡＣレンズ（遅軸コリメータ）
１０７ 第１集光レンズ（集光レンズ）
１０８ 第２集光レンズ（第２の集光レンズ）
１１１ 共振器
１１２ リアミラー（ミラー）
１１３ レーザ媒質
１１４ ブリュースタ板
１１５ 可飽和吸収体
１１６ 出力ミラー（ミラー）
Ａｓ 遅軸方向
Ａｓ１ 第１遅軸方向（回転前の遅軸方向）
Ａｓ２ 第２遅軸方向（回転後の遅軸方向）
Ａｆ 速軸方向
Ａｆ１ 第１速軸方向（回転前の速軸方向）
Ａｆ２ 第２速軸方向（回転後の速軸方向）
Ａｌ 光軸
Ａｃ１ 第１集光方向（集光方向）
Ａｃ２ 第２集光方向
Ａ３ 中心軸（集光レンズの中心軸）
Ｂ１ レーザビーム
Ｂ３ 励起ビーム
Ｂ５ 基本ビーム（出力ビーム）
Ｇ１３ 真円化されたスポット形状
Ｇ２３ 真円化されたスポット形状
Ｇ３３ 真円化されたスポット形状
Ｐ３ 遅軸方向および速軸方向に沿って延びる平面

Claims (13)

  1. エンドポンプ方式の固体レーザ発振器であって、
    遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、
    前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、
    前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、
    前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、
    ２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備え、
    前記集光レンズは、前記光軸に直交する一方向である集光方向において前記レーザビームを集光し、
    前記励起ビームは、前記遅軸方向および前記速軸方向の双方に対して前記集光方向が傾斜するように前記集光レンズが配置されることにより、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状を有し、
    前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  2. エンドポンプ方式の固体レーザ発振器であって、
    遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、
    前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、
    前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、
    前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、
    ２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備え、
    前記励起ビームは、前記ビームシェイパーによる回転前の速軸方向および遅軸方向と、前記ビームシェイパーによる回転後の速軸方向および遅軸方向とが互いに傾斜するように前記ビームシェイパーが前記レーザビームを回転させることで、前記回転後の速軸方向が前記回転前の遅軸方向に一致しかつ前記回転後の遅軸方向が前記回転前の速軸方向に一致するようにビームシェイパーが前記レーザビームを回転させる場合に比して真円化されたスポット形状を有し、
    前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  3. エンドポンプ方式の固体レーザ発振器であって、
    遅軸方向に並んだ複数のエミッタを有し、各エミッタから出力されるレーザビームによって直線状のビームを出力する光源と、
    前記各エミッタから出力されたレーザビームを、該レーザビームの速軸方向においてコリメートする速軸コリメータと、
    前記速軸コリメータによりコリメータされたレーザビームを該レーザビームの光軸まわりに回転するビームシェイパーと、
    前記ビームシェイパーにより回転されたレーザビームを集光し、励起ビームを生成する集光レンズと、
    ２つ以上のミラーにより構成される共振器内に配置され、前記集光レンズにより生成された励起ビームに基づいて出力ビームを出射するレーザ媒質と、を備え、
    前記励起ビームは、前記光軸に対して前記集光レンズの中心軸が傾斜するように該集光レンズが配置されることにより、非傾斜状態となるように集光レンズが配置される場合に比して真円化されたスポット形状を有し、
    前記励起ビームは、前記真円化されたスポット形状を有する状態で前記レーザ媒質の端面に入射する
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された固体レーザ発振器において、
    前記光源から出力されたレーザビームを、前記遅軸方向においてコリメートする遅軸コリメータを備える
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  5. 請求項４に記載された固体レーザ発振器において、
    前記光源から前記レーザ媒質に向かって、前記速軸コリメータ、前記ビームシェイパーおよび前記遅軸コリメータの順番で配置されている
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された固体レーザ発振器において、
    前記集光レンズとは異なる方向に前記レーザビームを集光する第２の集光レンズを備え、
    前記集光レンズおよび前記第２の集光レンズは、それぞれ、シリンドリカルレンズによって構成される
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  7. 請求項６に記載された固体レーザ発振器において、
    前記共振器の共振器長に基づいて決定される前記出力ビームのビーム径と、前記真円化されたスポット形状の半径とが略一致するように構成され、
    前記集光レンズおよび前記第２の集光レンズそれぞれの曲率半径は、前記真円化されたスポット形状の半径に基づいて設定される
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された固体レーザ発振器において、
    前記共振器は、
    前記出力ビームをパルス発振させる可飽和吸収体と、
    前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に配置されるブリュースタ板と、を有し、
    前記ブリュースタ板は、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  9. 請求項８に記載された固体レーザ発振器において、
    前記２つ以上のミラー、前記レーザ媒質、前記可飽和吸収体および前記ブリュースタ板は、共通のベースプレート上に固定される
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  10. 請求項１に記載された固体レーザ発振器において、
    前記非傾斜状態における集光方向が前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの一方に沿ったものとすると、前記光軸に直交する断面視において、前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの一方と前記集光方向とがなす鋭角は、前記遅軸方向および前記速軸方向のうちの他方と前記集光方向とがなす鋭角に比して小さい
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  11. 請求項２に記載された固体レーザ発振器において、
    前記光軸に直交する断面視において、前記ビームシェイパーによる回転前の前記速軸方向と該ビームシェイパーによる回転後の前記遅軸方向とがなす鋭角は、前記ビームシェイパーによる回転前の前記遅軸方向と該ビームシェイパーによる回転後の前記遅軸方向とがなす鋭角に比して小さい
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  12. 請求項３に記載された固体レーザ発振器において、
    前記光軸を通過する断面視において、前記光軸と前記中心軸とがなす鋭角は、前記遅軸方向および前記速軸方向に沿って延びる平面と前記中心軸とがなす鋭角に比して小さい
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
  13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載された固体レーザ発振器において、
    前記励起ビームは、前記光軸に垂直な断面視において、該光軸から離間するにしたがって漸減する単峰性の強度分布をなす
    ことを特徴とする固体レーザ発振器。
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