JP3951782B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、半導体レーザ励起固体レーザ装置、および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法 - Google Patents
半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、半導体レーザ励起固体レーザ装置、および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザにより固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、その半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が組み込まれた半導体レーザ励起固体レーザ装置、および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば特開２００１−２３７４８６号公報に示された従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置を示す外観図であり、この冷却装置はレーザ媒質の周囲に並列配備された複数の励起光源の冷却を行うものである。より詳しくは、図１０（ａ）は、複数の放熱体構成要素を重合固定して構成される一つのブロック状放熱体の外観を簡略化して示した平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図からブロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示した斜視図である。図１１は、図１０（ｂ）の矢視Ａ−Ａ部分の断面図である。図１０、１１において、１０１は半導体レーザの冷却装置、１０２はブロック状放熱体、１０２ａ〜１０２ｆは放熱体構成要素、１０３は冷却器、１０４は冷媒流路、１０４ａ〜１０４ｆは各放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆに開けられた冷媒流路、１０５ａ〜１０５ｆは周溝、１０６ａ〜１０６ｆは弾性部材から成る環状体、１０７は長尺ボルト、１０９はナット、１１０は固体レーザ媒質、１１１ａ〜１１１ｆは半導体レーザである。
【０００３】
半導体レーザの冷却装置１０１は、図１０（ａ）に示されるように、概略において、ブロック状放熱体１０２および冷却器１０３で構成される。この中で、冷却器１０３は冷却水を送出および回収して循環させながら所定温度に制御する機能を具備している。
【０００４】
放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々は熱伝導率の高い金属、例えば、銅等によって構成される。また、放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの表面には、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)結晶からなる固体レーザ媒質１１０に対する励起光源となりうる波長のレーザ光を発する半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの各々が、その動作時に放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々に対して熱伝導可能な状態で固着されている。
【０００５】
従って、放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々は、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの各々に対応して分割形成された放熱体構成要素、つまり、ブロック状放熱体１０２の一部であり、これらの放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆを半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの整列方向、要するに、固体レーザ媒質１１０の長手方向に沿って重合することにより、固体レーザ媒質１１０の形状に適合した一つのブロック状放熱体１０２が得られる。
【０００６】
そして、図１０（ｂ）に示すように、ブロック状放熱体１０２の略中央部には、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの整列方向に沿った冷媒流路１０４が貫通して穿設されている。かかる冷媒流路１０４の両端の開口部、より具体的には、ブロック状放熱体１０２の最外郭にそれぞれ位置する放熱体構成要素１０２ａの一方の開口部と放熱体構成要素１０２ｆの他方の開口部に、冷却水供給用の冷却器１０３が図１０（ａ）に示されるようにして接続されている。
【０００７】
次に、冷媒流路１０４の内部の構成について、図１１に基づき詳述する。放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々毎には冷媒流路１０４ａ〜１０４ｆが穿設され、各冷媒流路１０４ａ〜１０４ｆの一方の開口部、つまり、図１１における右側の開口部に周溝１０５ａ〜１０５ｆを形成して、その内部に弾性部材から成る環状体１０６ａ〜１０６ｆを内嵌することによって連続した冷媒流路１０４を形成している。
【０００８】
次に、従来の固体レーザ励起用半導体レーザの冷却装置の動作について説明する。以上に説明した従来の固体レーザ励起用半導体レーザの冷却装置によれば、励起光源となる半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆから発散される熱が伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体１０２に伝達され、また、ブロック状放熱体１０２に穿設された冷媒流路１０４を流れる冷却水によって、このブロック状放熱体１０２が冷却される。冷却水は冷却器１０３により所定温度に制御されて、冷媒流路１０４に導入される。
【０００９】
この結果、励起光源となる複数の半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆを高密度で実装した状態で動作させる場合に発生する膨大な熱を除去することが可能となるので、高パワーな励起光の得られる高出力半導体レーザが得られた。半導体レーザは、自己の温度が上昇するほど光出力が低下する性質を有するからである。また、かかる半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆから発せられるレーザ光は、固体レーザ媒質１１０を励起し、この結果、固体レーザ媒質からの高出力のレーザ光が得られた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザから発せられる半導体レーザ光の波長は、半導体レーザ自体の温度によって変化するが、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の側面に複数の半導体レーザを配置して固体レーザ媒質を励起する際に半導体レーザから発せられる熱を冷却するための冷却水は、固体レーザ媒質１１０の長手方向に沿って一方向に流されるよう構成されていた。かかる構成では、冷却水の下流側に位置する半導体レーザは冷却水の上流側に位置する半導体レーザから発せられる熱によって暖められた冷却水で冷却されるため、冷却水の上流側と下流側とでは半導体レーザ自体の温度に差が生じ、この半導体レーザの温度差の影響により、半導体レーザ光の波長も冷却水の上流側と下流側では差が生じていた。よって、半導体レーザ光が固体レーザ媒質１１０に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側の部分とでは異なり、結果として、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さが固体レーザ媒質１１０の長手方向で異なると共に、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さの長手方向の最強点もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０の中心からずれたため、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置は高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生することができないという問題点があった。ここで、熱レンズとは、固体レーザ媒質におけるロッド半径方向の温度分布に起因する屈折率分布によって生じるレンズ作用を指す。
【００１１】
また、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆを冷却するブロック状放熱体１０２を放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆごとに分割して製造する必要があるため、半導体レーザの冷却装置が高価になるとともに、製造、組立に非常な労力と時間を要するという問題があった。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を安価に得ることを目的としており、また、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ装置を安価に得ることを目的としており、さらに高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１５】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、上記冷媒が水であることとした。
【００１６】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとした。
【００１７】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１８】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１９】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとした。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとした。
【００２１】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記冷媒が水であることとした。
【００２２】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとした。
【００２３】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとした。
【００２４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとした。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１、図２、および図３は、この発明を実施するための実施の形態１による半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための図であり、より具体的には、図１は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の平面図であり、図２は図１において破線Ａ‐Ａで示す断面の断面図であり、図３は図２において破線Ｂ‐Ｂで示す断面のうちヒートシンク２ａ、２ｂの部分のみを示した断面図である。
【００２６】
図１、図２、および図３において、１ａ〜１ｈは半導体レーザ、２ａ、２ｂはロッド状の固体レーザ媒質１１０の長軸方向に沿って設けられたヒートシンクで、例えば銅などの高熱伝導材で構成されている。３は冷却器であり、従来の冷却器と同様に、冷媒、つまり本実施の形態では冷却水を送出および回収して循環させながら、冷却水を所定の温度に制御する機能がある。３ａ、３ｂは冷却器３にそれぞれ設けられた冷却水送出口（冷媒送出口）および冷却水回収口（冷媒回収口）である。５は光を拡散状に反射する拡散反射集光器、６は拡散反射集光器５に開けられた小さな開口、７はフローチューブ、８ａ、８ｂは固定板、９は基台、１０は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の励起部、１１は半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光、４０ａ〜４０ｄはヒートシンク２ａ、２ｂの内部に穿設された冷媒流路（以下、水路と言う）、４１ａ〜４１ｈはヒートシンク２ａ、２ｂの外部に装着された冷却水の水路、４２ａ〜４２ｈは上記４１ａ〜４１ｈの各水路に対応した開口、５０は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、１１０は例えばロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶からなる固体レーザ媒質、をそれぞれ示す。
【００２７】
なお、図１および図３に示した矢印は冷却水の水流方向である。また、図には示していないが、冷却器３と水路４１ａ〜４１ｈ間には、冷却水を通すための例えばチューブなどからなる配管が備わっている。また、半導体レーザ１ａ〜１ｈを駆動するための電源および電源と半導体レーザ１ａ〜１ｈを接続する電線も図中では省略している。
【００２８】
まず、固体レーザ媒質１１０の固定方法および励起方法について説明する。図１に示すように、ロッド状の固体レーザ媒質１１０は、その両端部近傍がＯリング等によって固定板８ａ、８ｂに固定されている。また、固体レーザ媒質１１０のロッド断面方向から観る（図２）と、固体レーザ媒質１１０はフローチューブ７を介して拡散反射集光器５にその側面を取り囲まれている。フローチューブ７も固体レーザ媒質１１０と同様、Ｏリング等によって固定板８ａ、８ｂに固定されている。ヒートシンク２ａ、２ｂ、拡散反射集光器５、固定板８ａ、８ｂは同一の基台９上に配置されている。半導体レーザ１ａ〜１ｈは固体レーザ媒質１１０を側面から励起すべくヒートシンク２ａ、２ｂ上に各々配置される。本実施の形態では、一例として４個ずつが固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置されている構成を示している（図１）。
【００２９】
半導体レーザ１ａ〜１ｈは、その発光部が拡散反射集光器５に開けられた小さな開口６の極近傍に位置するように配置されている。半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光１１は直接開口６を通って拡散反射集光器５中に導光され、固体レーザ媒質１１０を励起する。固体レーザ媒質１１０に吸収されなかった半導体レーザ光１１は拡散反射集光器５内に閉じ込められ、再度固体レーザ媒質１１０を励起する。
【００３０】
次に、本実施の形態における主な技術的特徴であるヒートシンク２ａ、２ｂの構成および冷却水の水流方向について詳述する。ここで中心とは、ロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た場合の中心と定義し、また外側とは、固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た場合の外側、つまりロッド端部と定義する。
【００３１】
図３に示すように、ヒートシンク２ａの内部には水路４０ａおよび４０ｂが固体レーザ媒質１１０の長手方向に対して中心対称になるように設けられており、それぞれの水路４０ａおよび４０ｂの両端部に水路４１ａ、４１ｂおよび４１ｃ、４１ｄが取りつけられている。また、ヒートシンク２ｂの内部にもヒートシンク２ａと同様に固体レーザ媒質１１０の長手方向に対して中心対称になるように水路４０ｃおよび４０ｄが設けられており、水路４１ｅ、４１ｆおよび４１ｇ、４１ｈが取りつけられている。
【００３２】
ヒートシンク２ａでは、冷却水は冷却器３の冷却水送出口３ａからチューブ等の配管（図示せず）によってヒートシンク２ａの中心側に設けられた開口４２ｂおよび４２ｃを経てヒートシンク２ａ内部に導入され、水路４１ｂおよび４１ｃから水路４０ａ、４０ｂへと、ヒートシンク２ａを構成する高熱伝導材と熱交換しながら流れる。冷却水は、さらに、外側の４１ａ、４１ｄへと流れて、開口４２ａ、４２ｄからヒートシンク２ａ外部に排出され、チューブ等の配管（図示せず）を経て冷却器３の冷却水回収口３ｂで回収され、所定の温度に冷却された後、冷却水送出口３ａから再度送出される。かかる動作の繰り返しにより、ヒートシンク２ａを継続的に冷却する。
【００３３】
ヒートシンク２ｂでは、冷却水はヒートシンク２ａの場合と同様な態様で、ヒートシンク２ｂの中心側の水路４１ｆおよび４１ｇから水路４０ｃ、４０ｄを経て、外側の水路４１ｅおよび４１ｈに向かった水流となるように流されている。すなわち、冷却水はロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向の中心側から外側に向かって水流方向が中心対称になるように流されている。
【００３４】
本実施の形態１では、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０は上記のように構成されており、固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ、２ｂ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。
【００３５】
また、ヒートシンク２ａ、２ｂを従来の半導体レーザの冷却装置のように分割して作製する必要がないため、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できる効果も併せて奏する。なお、本実施の形態では、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向の中心側から外側に向かう方向にした例について説明したが、これに限るものでなく、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向の外側から中心側に向かう方向にしてもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。ヒートシンク２ａを例にとると、冷却水を冷却器３の冷却水送出口３ａからチューブ等の配管（図示せず）によってヒートシンク２ａの外側に設けられた開口４２ａおよび４２ｄを経てヒートシンク２ａ内部に導入し、水路４１ａおよび４１ｄから水路４０ａおよび４０ｂへとヒートシンク２ａを構成する高熱伝導材と熱交換しながら流れ、さらに、中心側の４１ｂ、４１ｃへと流れて、開口４２ｂ、４２ｃからヒートシンク２ａ外部に排出する。上述の構成と同様、かかる構成においても固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た外側から中心に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。
【００３６】
また、半導体レーザ４個ずつを固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置する例について説明したが、半導体レーザの数は１〜３個ずつ、もしくは５個以上ずつでもよく、さらに、固体レーザ媒質の側面に対するヒートシンクの配置箇所は１箇所でも３箇所以上でもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００３７】
また、本実施の形態では、冷媒の一例として水を使用する構成について説明した。これは、水自体は極めて安価な冷媒で、一般的に使用されているからである。しかしながら、他の冷媒でも上記実施の形態に特有の効果を奏することはいうまでもない。
【００３８】
実施の形態２．
図４および図５は、この発明を実施するための実施の形態２による半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための図であり、より具体的には、図４は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の平面図であり、図５はヒートシンク２ｃ〜２ｆ内の水路４０ｅ〜４０ｈを通る部分の断面を示した断面図である。
【００３９】
図４および図５において、上記実施の形態１の図１〜３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図中、２ｃ〜２ｆは例えば銅などの高熱伝導材からなるヒートシンク、４０ｅ〜４０ｈはヒートシンク２ｃ〜２ｆの内部に開けられた水路、５５は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、をそれぞれ示す。なお、図４に示した矢印は冷却水の水流方向である。なお、上記実施の形態1と同様、図には示していないが、冷却器３と水路４１ａ〜４１ｈの間には冷却水を通すための例えばチューブなどからなる配管が備わっている。また、半導体レーザ１ａ〜１ｈを駆動するための電源および電源と半導体レーザ１ａ〜１ｈを接続する電線は省略してある。
【００４０】
固体レーザ媒質１１０の固定方法、励起方法は上記実施の形態１と同一である。ここでは、半導体レーザ１ａ〜１ｈは固体レーザ媒質１１０を側面から励起するように、ヒートシンク２ｃ〜２ｆ上に２個ずつ配置されており、固体レーザ媒質１１０を側面の２方向から励起する。
【００４１】
本実施の形態の場合、固体レーザ媒質１１０の側面の一方につき、ヒートシンク２ｃ、２ｄおよびヒートシンク２ｅ、２ｆの２個ずつとされている。かかる点が、実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０の装置構成、より詳しく言えば、ヒートシンク２ａ、ｂと比べて相違する。本実施の形態では、実施の形態１におけるヒートシンク２ａ、ｂが、それぞれ２つのブロック、つまりヒートシンク２ｃ、２ｄおよびヒートシンク２ｅ、２ｆで構成されていると言える。
【００４２】
図５に示すように、ヒートシンク２ｃの内部には水路４０ｅ、ヒートシンク２ｄの内部には水路４０ｆ、ヒートシンク２ｅの内部には水路４０ｇ、およびヒートシンク２ｆ内部には水路４０ｈがそれぞれ設けられている。冷却水は固体レーザ媒質１１０の中心側から外側に向かう水流となるように水路４０ｅ〜４０ｈ内に流されている。すなわち、冷却水は固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心側から外側に向かって水流方向が中心対称になるように流されている。
【００４３】
ヒートシンク２ｃ、２ｄを例にとってさらに詳述する。図５に示すように、ヒートシンク２ｃ、２ｄの内部にはそれぞれ水路４０ｅおよび４０ｆが設けられており、水路４０ｅおよび４０ｆそれぞれの両端部に水路４１ａ、４１ｂおよび４１ｃ、４１ｄが取りつけられている。ヒートシンク２ｃ、２ｄを一体とすると、実施の形態１におけるヒートシンク２ａあるいは２ｂと同等の機能を果たし、冷却器３とヒートシンク２ｃ、２ｄの開口４２ａ〜４２ｄ間の配管（図示せず）の接続を実施の形態１と同様な構成となすことにより、固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になる。
【００４４】
本実施の形態２においては、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５５は上記のように構成されており、上述したように固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ｃ〜２ｆ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。さらに、実施の形態１に比べてヒートシンクのブロック当たりの大きさが二分の一になるので、ヒートシンクの取り扱いが容易になる一方、従来例ほどには製造が煩雑にならないという効果がある。
【００４５】
なお、上記実施の形態２では、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心側から外側に向かう方向にした例について説明したが、これに限るものでなく、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た外側から中心側に向かう方向にしてもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００４６】
また、半導体レーザ４個ずつを固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置する例について説明したが、半導体レーザの数は２個ずつ、もしくは６個以上の偶数個ずつでもよく、さらに、固体レーザ媒質の側面の配置箇所は１箇所でも３箇所以上でもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００４７】
また、本実施の形態では、冷媒の一例として水を使用する構成について説明した。これは、水自体は極めて安価な冷媒で、一般的に使用されているからである。しかしながら、他の冷媒でも上記実施の形態に特有の効果を奏することはいうまでもない。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態３における、上記実施の形態１に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０を用いた半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成およびその効果について、図６〜９に基づき説明する。
【００４９】
図６は、この発明を実施するための実施の形態３による半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【００５０】
図６において、上記実施の形態１、２における図１〜５と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図６中、１２は全反射ミラー、１３は部分反射ミラー、１４ａ、１４ｂは全反射ミラー１２あるいは部分反射ミラー１３を固定するミラーホルダー、１５は固体レーザ媒質１１０から発せられるレーザビーム、６０は半導体レーザ励起固体レーザ装置、をそれぞれ示す。励起部１０、ミラーホルダー１４ａ、１４ｂは同一の基台９ａ上に固定されている。なお、半導体レーザ１ｅ〜１ｈ、半導体レーザ光１１、ヒートシンク２ｂ、冷却器３、ヒートシンク２ｂの内部に開けられた水路４０ｃ、４０ｄ、ヒートシンク２ａ、２ｂの外部に装着された冷却水の水路４１ａ〜４１ｈ、水流方向、配管、電源、および電線については図示していない。
【００５１】
次に、実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置の動作について説明する。半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光１１は固体レーザ媒質１１０を励起する。固体レーザ媒質１１０に吸収されなかった半導体レーザ光１１は拡散反射集光器５内に閉じ込められ、再度固体レーザ媒質１１０を励起する。半導体レーザ光１１によって励起された固体レーザ媒質１１０はレーザビーム１５を発する。レーザビーム１５は全反射ミラー１２と部分反射ミラー１３からなる光共振器内を往復する間に、励起された固体レーザ媒質１１０によって増幅されてレーザビーム強度が増大し、その一部が部分反射ミラー１３から半導体レーザ励起固体レーザ装置６０の外部に取り出される。
【００５２】
実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、図７に示すように、２以上の励起部を備えた装置構成７０にした場合において特に効果が顕著である。図７中、１０ａ、１０ｂは励起部で実施の形態１に示された励起部１０と同じ構成である。また、１１０ａ、１１０ｂは固体レーザ媒質である。１２、１３、１４ａ、１４ｂ、１５は実施の形態３に示したものと同一またはこれに相当するものであり、同一の作用をする。なお、図７において、冷却器３は省略している。
【００５３】
図８は、図７の装置構成において、固体レーザ媒質１１０ａの中央部における固体レーザ媒質への励起強度に対するレーザビーム径の変化を示した図であり、図８（ａ）は本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂの中心からずれていない場合を示しており、図８（ｂ）は従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれている場合の固体レーザ媒質への励起強度に対するレーザビーム径の変化を示した図である。
【００５４】
図８において、固体レーザ媒質中央部のレーザビーム径が有限値の場合に、全反射ミラー１２と部分反射ミラー１３からなる光共振器が安定型共振器として動作し、固体レーザ媒質中央部のレーザビーム径が無限大の場合には、光共振器は不安定型共振器として動作する。本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合（図８（ａ））、励起強度０〜７０の間の励起強度では、光共振器は安定型共振器として動作する。一方、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合（図８（ｂ））、励起強度６０近傍ではレーザビーム径が無限大となってしまう。すなわち、不安定型共振器として動作する点が安定型共振器として動作する範囲内にあるという不具合が生じる。かかる不具合は、光共振器によって決定されるビーム品質が高ビーム品質になるに伴い顕著になる。したがって、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置においては高品質なレーザビームを安定に発生することができないのに対して、本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、高品質なレーザビームを安定に発生することが可能となるという効果を奏する。
【００５５】
また、図９は、図７の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０の光共振器が安定型共振器として動作する励起強度における光軸方向のエッジビーム径の変化を示す図であり、図９（ａ）は本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれない場合を示しており、図９（ｂ）は従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれている場合を示している。ここでは、エッジビーム径をレーザビーム強度が０になる半径と定義する。図９（ａ）に示す本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合、２つの固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂ内におけるエッジビーム径の最大値が固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂの径と一致している。一方、図９（ｂ）の従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合、固体レーザ媒質１１０ｂ内におけるエッジビーム径の最大値は固体レーザ媒質１１０ｂの径と一致しているものの、固体レーザ媒質１１０ａ内におけるエッジビーム径の最大値は固体レーザ媒質１１０ａの径よりも小さくなっている。
【００５６】
したがって、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では固体レーザ媒質１１０ａ内に蓄積されたゲイン、つまり利得を有効に利用することができないため、効率良く高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生できないのに対し、本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、２つの固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂ内に蓄積されたゲインを有効に利用することが可能なため、効率良く高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果を奏する。
【００５７】
本実施の形態３においては、半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０は上記のように構成されており、上記実施の形態１と同様に固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向がロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ、２ｂ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光１１が固体レーザ媒質１１０に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さの長手方向の最強点もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果を奏する。
【００５８】
なお、上記実施の形態３では、上記実施の形態１に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０を用いて半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０を構成する例について説明したが、上記実施の形態２に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５５を用いて半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０を構成するようにしてもよく、かかる場合でも本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６１】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、上記冷媒が水であることとしたので、安価な装置構成で半導体レーザを冷却することができる。
【００６２】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとしたので、ヒートシンクの取り扱いが容易になるという効果がある。
【００６３】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６５】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとしたので、一層効果的に、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる。
【００６６】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとしたので、一層効果的に、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる。
【００６７】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、上記冷媒が水であることとしたので、安価な装置構成で半導体レーザを冷却することができる。
【００６８】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとしたので、ヒートシンクの取り扱いが容易になるという効果がある。
【００６９】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。
【００７０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための平面図である。
【図２】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための断面図である。
【図３】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置のヒートシンク内の水路を説明するために簡略化して示した断面図である。
【図４】 実施の形態２の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための平面図である。
【図５】 実施の形態２の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置のヒートシンク内の水路を説明するために簡略化して示した断面図である。
【図６】 実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【図７】 実施の形態３の２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【図８】 ２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置において、固体レーザ媒質への励起強度に対する固体レーザ媒質の中央部におけるビーム径の変化を示した図である。
【図９】 実施の形態３における２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置の共振器が安定型共振器として動作する励起強度における光軸方向のエッジビーム径の変化を示す図である。
【図１０】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置を示す外観図であって、図１０（ａ）は、複数の放熱体構成要素を重合固定して構成される一つのブロック状放熱体の外観を簡略化して示した平面図、また、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図からブロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示した斜視図である
【図１１】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置の断面図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｈ 半導体レーザ、 ２ａ〜２ｆ ヒートシンク、 ３ 冷却器、 ３ａ 冷却器に設けられた冷却水回収口（冷媒回収口）、 ３ｂ 冷却器３に設けられた冷却水回収口（冷媒回収口）、 ５ 拡散反射集光器、 ６ 拡散反射集光器５に開けられた小さな開口、 ７ フローチューブ、 ８ａ、ｂ 固定板、 ９ 基台、 １０、１０ａ、１０ｂ 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の励起部、 １１ 半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光、 １２ 全反射ミラー、 １３ 部分反射ミラー、 １４ａ、１４ｂ ミラーホルダー、 １５ 固体レーザ媒質１１０から発せられるレーザビーム、 ４０ａ〜４０ｄ ヒートシンク内部に開けられた水路、 ４１ａ〜４１ｈ ヒートシンクの外部に装着された冷却水の水路、 ４２ａ〜４２ｈ ４１ａ〜４１ｈの各水路に対応した開口、 ５０、５５ 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、 ６０半導体レーザ励起固体レーザ装置、 ７０ ２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置、 １０１ 半導体レーザの冷却装置、 １０２ ブロック状放熱体、 １０２ａ〜１０２ｆ 放熱体構成要素、 １０３ 冷却器、 １０４ 冷媒流路、 １０４ａ〜１０４ｆ 各放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆに開けられた冷媒流路、 １０５ａ〜１０５ｆ 周溝、 １０６ａ〜１０６ｆ弾性部材から成る環状体、 １０７ 長尺ボルト、 １０９ ナット、 １１０、１１０ａ、１１０ｂ 固体レーザ媒質、 １１１ａ〜１１１ｆ 半導体レーザ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザにより固体レーザ媒質を側面から励起する半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、その半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が組み込まれた半導体レーザ励起固体レーザ装置、および半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば特開２００１−２３７４８６号公報に示された従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置を示す外観図であり、この冷却装置はレーザ媒質の周囲に並列配備された複数の励起光源の冷却を行うものである。より詳しくは、図１０（ａ）は、複数の放熱体構成要素を重合固定して構成される一つのブロック状放熱体の外観を簡略化して示した平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図からブロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示した斜視図である。図１１は、図１０（ｂ）の矢視Ａ−Ａ部分の断面図である。図１０、１１において、１０１は半導体レーザの冷却装置、１０２はブロック状放熱体、１０２ａ〜１０２ｆは放熱体構成要素、１０３は冷却器、１０４は冷媒流路、１０４ａ〜１０４ｆは各放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆに開けられた冷媒流路、１０５ａ〜１０５ｆは周溝、１０６ａ〜１０６ｆは弾性部材から成る環状体、１０７は長尺ボルト、１０９はナット、１１０は固体レーザ媒質、１１１ａ〜１１１ｆは半導体レーザである。
【０００３】
半導体レーザの冷却装置１０１は、図１０（ａ）に示されるように、概略において、ブロック状放熱体１０２および冷却器１０３で構成される。この中で、冷却器１０３は冷却水を送出および回収して循環させながら所定温度に制御する機能を具備している。
【０００４】
放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々は熱伝導率の高い金属、例えば、銅等によって構成される。また、放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの表面には、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)結晶からなる固体レーザ媒質１１０に対する励起光源となりうる波長のレーザ光を発する半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの各々が、その動作時に放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々に対して熱伝導可能な状態で固着されている。
【０００５】
従って、放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々は、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの各々に対応して分割形成された放熱体構成要素、つまり、ブロック状放熱体１０２の一部であり、これらの放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆを半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの整列方向、要するに、固体レーザ媒質１１０の長手方向に沿って重合することにより、固体レーザ媒質１１０の形状に適合した一つのブロック状放熱体１０２が得られる。
【０００６】
そして、図１０（ｂ）に示すように、ブロック状放熱体１０２の略中央部には、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆの整列方向に沿った冷媒流路１０４が貫通して穿設されている。かかる冷媒流路１０４の両端の開口部、より具体的には、ブロック状放熱体１０２の最外郭にそれぞれ位置する放熱体構成要素１０２ａの一方の開口部と放熱体構成要素１０２ｆの他方の開口部に、冷却水供給用の冷却器１０３が図１０（ａ）に示されるようにして接続されている。
【０００７】
次に、冷媒流路１０４の内部の構成について、図１１に基づき詳述する。放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆの各々毎には冷媒流路１０４ａ〜１０４ｆが穿設され、各冷媒流路１０４ａ〜１０４ｆの一方の開口部、つまり、図１１における右側の開口部に周溝１０５ａ〜１０５ｆを形成して、その内部に弾性部材から成る環状体１０６ａ〜１０６ｆを内嵌することによって連続した冷媒流路１０４を形成している。
【０００８】
次に、従来の固体レーザ励起用半導体レーザの冷却装置の動作について説明する。以上に説明した従来の固体レーザ励起用半導体レーザの冷却装置によれば、励起光源となる半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆから発散される熱が伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体１０２に伝達され、また、ブロック状放熱体１０２に穿設された冷媒流路１０４を流れる冷却水によって、このブロック状放熱体１０２が冷却される。冷却水は冷却器１０３により所定温度に制御されて、冷媒流路１０４に導入される。
【０００９】
この結果、励起光源となる複数の半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆを高密度で実装した状態で動作させる場合に発生する膨大な熱を除去することが可能となるので、高パワーな励起光の得られる高出力半導体レーザが得られた。半導体レーザは、自己の温度が上昇するほど光出力が低下する性質を有するからである。また、かかる半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆから発せられるレーザ光は、固体レーザ媒質１１０を励起し、この結果、固体レーザ媒質からの高出力のレーザ光が得られた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザから発せられる半導体レーザ光の波長は、半導体レーザ自体の温度によって変化するが、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の側面に複数の半導体レーザを配置して固体レーザ媒質を励起する際に半導体レーザから発せられる熱を冷却するための冷却水は、固体レーザ媒質１１０の長手方向に沿って一方向に流されるよう構成されていた。かかる構成では、冷却水の下流側に位置する半導体レーザは冷却水の上流側に位置する半導体レーザから発せられる熱によって暖められた冷却水で冷却されるため、冷却水の上流側と下流側とでは半導体レーザ自体の温度に差が生じ、この半導体レーザの温度差の影響により、半導体レーザ光の波長も冷却水の上流側と下流側では差が生じていた。よって、半導体レーザ光が固体レーザ媒質１１０に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側の部分とでは異なり、結果として、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さが固体レーザ媒質１１０の長手方向で異なると共に、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さの長手方向の最強点もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０の中心からずれたため、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置は高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生することができないという問題点があった。ここで、熱レンズとは、固体レーザ媒質におけるロッド半径方向の温度分布に起因する屈折率分布によって生じるレンズ作用を指す。
【００１１】
また、半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｆを冷却するブロック状放熱体１０２を放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆごとに分割して製造する必要があるため、半導体レーザの冷却装置が高価になるとともに、製造、組立に非常な労力と時間を要するという問題があった。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を安価に得ることを目的としており、また、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ装置を安価に得ることを目的としており、さらに高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１５】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、上記冷媒が水であることとした。
【００１６】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置は、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとした。
【００１７】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１８】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとした。
【００１９】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとした。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとした。
【００２１】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記冷媒が水であることとした。
【００２２】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとした。
【００２３】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとした。
【００２４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法は、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとした。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１、図２、および図３は、この発明を実施するための実施の形態１による半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための図であり、より具体的には、図１は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の平面図であり、図２は図１において破線Ａ‐Ａで示す断面の断面図であり、図３は図２において破線Ｂ‐Ｂで示す断面のうちヒートシンク２ａ、２ｂの部分のみを示した断面図である。
【００２６】
図１、図２、および図３において、１ａ〜１ｈは半導体レーザ、２ａ、２ｂはロッド状の固体レーザ媒質１１０の長軸方向に沿って設けられたヒートシンクで、例えば銅などの高熱伝導材で構成されている。３は冷却器であり、従来の冷却器と同様に、冷媒、つまり本実施の形態では冷却水を送出および回収して循環させながら、冷却水を所定の温度に制御する機能がある。３ａ、３ｂは冷却器３にそれぞれ設けられた冷却水送出口（冷媒送出口）および冷却水回収口（冷媒回収口）である。５は光を拡散状に反射する拡散反射集光器、６は拡散反射集光器５に開けられた小さな開口、７はフローチューブ、８ａ、８ｂは固定板、９は基台、１０は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の励起部、１１は半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光、４０ａ〜４０ｄはヒートシンク２ａ、２ｂの内部に穿設された冷媒流路（以下、水路と言う）、４１ａ〜４１ｈはヒートシンク２ａ、２ｂの外部に装着された冷却水の水路、４２ａ〜４２ｈは上記４１ａ〜４１ｈの各水路に対応した開口、５０は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、１１０は例えばロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶からなる固体レーザ媒質、をそれぞれ示す。
【００２７】
なお、図１および図３に示した矢印は冷却水の水流方向である。また、図には示していないが、冷却器３と水路４１ａ〜４１ｈ間には、冷却水を通すための例えばチューブなどからなる配管が備わっている。また、半導体レーザ１ａ〜１ｈを駆動するための電源および電源と半導体レーザ１ａ〜１ｈを接続する電線も図中では省略している。
【００２８】
まず、固体レーザ媒質１１０の固定方法および励起方法について説明する。図１に示すように、ロッド状の固体レーザ媒質１１０は、その両端部近傍がＯリング等によって固定板８ａ、８ｂに固定されている。また、固体レーザ媒質１１０のロッド断面方向から観る（図２）と、固体レーザ媒質１１０はフローチューブ７を介して拡散反射集光器５にその側面を取り囲まれている。フローチューブ７も固体レーザ媒質１１０と同様、Ｏリング等によって固定板８ａ、８ｂに固定されている。ヒートシンク２ａ、２ｂ、拡散反射集光器５、固定板８ａ、８ｂは同一の基台９上に配置されている。半導体レーザ１ａ〜１ｈは固体レーザ媒質１１０を側面から励起すべくヒートシンク２ａ、２ｂ上に各々配置される。本実施の形態では、一例として４個ずつが固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置されている構成を示している（図１）。
【００２９】
半導体レーザ１ａ〜１ｈは、その発光部が拡散反射集光器５に開けられた小さな開口６の極近傍に位置するように配置されている。半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光１１は直接開口６を通って拡散反射集光器５中に導光され、固体レーザ媒質１１０を励起する。固体レーザ媒質１１０に吸収されなかった半導体レーザ光１１は拡散反射集光器５内に閉じ込められ、再度固体レーザ媒質１１０を励起する。
【００３０】
次に、本実施の形態における主な技術的特徴であるヒートシンク２ａ、２ｂの構成および冷却水の水流方向について詳述する。ここで中心とは、ロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た場合の中心と定義し、また外側とは、固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た場合の外側、つまりロッド端部と定義する。
【００３１】
図３に示すように、ヒートシンク２ａの内部には水路４０ａおよび４０ｂが固体レーザ媒質１１０の長手方向に対して中心対称になるように設けられており、それぞれの水路４０ａおよび４０ｂの両端部に水路４１ａ、４１ｂおよび４１ｃ、４１ｄが取りつけられている。また、ヒートシンク２ｂの内部にもヒートシンク２ａと同様に固体レーザ媒質１１０の長手方向に対して中心対称になるように水路４０ｃおよび４０ｄが設けられており、水路４１ｅ、４１ｆおよび４１ｇ、４１ｈが取りつけられている。
【００３２】
ヒートシンク２ａでは、冷却水は冷却器３の冷却水送出口３ａからチューブ等の配管（図示せず）によってヒートシンク２ａの中心側に設けられた開口４２ｂおよび４２ｃを経てヒートシンク２ａ内部に導入され、水路４１ｂおよび４１ｃから水路４０ａ、４０ｂへと、ヒートシンク２ａを構成する高熱伝導材と熱交換しながら流れる。冷却水は、さらに、外側の４１ａ、４１ｄへと流れて、開口４２ａ、４２ｄからヒートシンク２ａ外部に排出され、チューブ等の配管（図示せず）を経て冷却器３の冷却水回収口３ｂで回収され、所定の温度に冷却された後、冷却水送出口３ａから再度送出される。かかる動作の繰り返しにより、ヒートシンク２ａを継続的に冷却する。
【００３３】
ヒートシンク２ｂでは、冷却水はヒートシンク２ａの場合と同様な態様で、ヒートシンク２ｂの中心側の水路４１ｆおよび４１ｇから水路４０ｃ、４０ｄを経て、外側の水路４１ｅおよび４１ｈに向かった水流となるように流されている。すなわち、冷却水はロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向の中心側から外側に向かって水流方向が中心対称になるように流されている。
【００３４】
本実施の形態１では、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０は上記のように構成されており、固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ、２ｂ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。
【００３５】
また、ヒートシンク２ａ、２ｂを従来の半導体レーザの冷却装置のように分割して作製する必要がないため、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できる効果も併せて奏する。なお、本実施の形態では、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向の中心側から外側に向かう方向にした例について説明したが、これに限るものでなく、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向の外側から中心側に向かう方向にしてもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。ヒートシンク２ａを例にとると、冷却水を冷却器３の冷却水送出口３ａからチューブ等の配管（図示せず）によってヒートシンク２ａの外側に設けられた開口４２ａおよび４２ｄを経てヒートシンク２ａ内部に導入し、水路４１ａおよび４１ｄから水路４０ａおよび４０ｂへとヒートシンク２ａを構成する高熱伝導材と熱交換しながら流れ、さらに、中心側の４１ｂ、４１ｃへと流れて、開口４２ｂ、４２ｃからヒートシンク２ａ外部に排出する。上述の構成と同様、かかる構成においても固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た外側から中心に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。
【００３６】
また、半導体レーザ４個ずつを固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置する例について説明したが、半導体レーザの数は１〜３個ずつ、もしくは５個以上ずつでもよく、さらに、固体レーザ媒質の側面に対するヒートシンクの配置箇所は１箇所でも３箇所以上でもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００３７】
また、本実施の形態では、冷媒の一例として水を使用する構成について説明した。これは、水自体は極めて安価な冷媒で、一般的に使用されているからである。しかしながら、他の冷媒でも上記実施の形態に特有の効果を奏することはいうまでもない。
【００３８】
実施の形態２．
図４および図５は、この発明を実施するための実施の形態２による半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための図であり、より具体的には、図４は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の平面図であり、図５はヒートシンク２ｃ〜２ｆ内の水路４０ｅ〜４０ｈを通る部分の断面を示した断面図である。
【００３９】
図４および図５において、上記実施の形態１の図１〜３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図中、２ｃ〜２ｆは例えば銅などの高熱伝導材からなるヒートシンク、４０ｅ〜４０ｈはヒートシンク２ｃ〜２ｆの内部に開けられた水路、５５は半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、をそれぞれ示す。なお、図４に示した矢印は冷却水の水流方向である。なお、上記実施の形態1と同様、図には示していないが、冷却器３と水路４１ａ〜４１ｈの間には冷却水を通すための例えばチューブなどからなる配管が備わっている。また、半導体レーザ１ａ〜１ｈを駆動するための電源および電源と半導体レーザ１ａ〜１ｈを接続する電線は省略してある。
【００４０】
固体レーザ媒質１１０の固定方法、励起方法は上記実施の形態１と同一である。ここでは、半導体レーザ１ａ〜１ｈは固体レーザ媒質１１０を側面から励起するように、ヒートシンク２ｃ〜２ｆ上に２個ずつ配置されており、固体レーザ媒質１１０を側面の２方向から励起する。
【００４１】
本実施の形態の場合、固体レーザ媒質１１０の側面の一方につき、ヒートシンク２ｃ、２ｄおよびヒートシンク２ｅ、２ｆの２個ずつとされている。かかる点が、実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０の装置構成、より詳しく言えば、ヒートシンク２ａ、ｂと比べて相違する。本実施の形態では、実施の形態１におけるヒートシンク２ａ、ｂが、それぞれ２つのブロック、つまりヒートシンク２ｃ、２ｄおよびヒートシンク２ｅ、２ｆで構成されていると言える。
【００４２】
図５に示すように、ヒートシンク２ｃの内部には水路４０ｅ、ヒートシンク２ｄの内部には水路４０ｆ、ヒートシンク２ｅの内部には水路４０ｇ、およびヒートシンク２ｆ内部には水路４０ｈがそれぞれ設けられている。冷却水は固体レーザ媒質１１０の中心側から外側に向かう水流となるように水路４０ｅ〜４０ｈ内に流されている。すなわち、冷却水は固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心側から外側に向かって水流方向が中心対称になるように流されている。
【００４３】
ヒートシンク２ｃ、２ｄを例にとってさらに詳述する。図５に示すように、ヒートシンク２ｃ、２ｄの内部にはそれぞれ水路４０ｅおよび４０ｆが設けられており、水路４０ｅおよび４０ｆそれぞれの両端部に水路４１ａ、４１ｂおよび４１ｃ、４１ｄが取りつけられている。ヒートシンク２ｃ、２ｄを一体とすると、実施の形態１におけるヒートシンク２ａあるいは２ｂと同等の機能を果たし、冷却器３とヒートシンク２ｃ、２ｄの開口４２ａ〜４２ｄ間の配管（図示せず）の接続を実施の形態１と同様な構成となすことにより、固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になる。
【００４４】
本実施の形態２においては、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５５は上記のように構成されており、上述したように固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向が固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ｃ〜２ｆ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光が固体レーザ媒質に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないため、高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に増幅することができるという効果を奏する。さらに、実施の形態１に比べてヒートシンクのブロック当たりの大きさが二分の一になるので、ヒートシンクの取り扱いが容易になる一方、従来例ほどには製造が煩雑にならないという効果がある。
【００４５】
なお、上記実施の形態２では、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心側から外側に向かう方向にした例について説明したが、これに限るものでなく、水流方向を固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た外側から中心側に向かう方向にしてもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００４６】
また、半導体レーザ４個ずつを固体レーザ媒質１１０の側面の２箇所に配置する例について説明したが、半導体レーザの数は２個ずつ、もしくは６個以上の偶数個ずつでもよく、さらに、固体レーザ媒質の側面の配置箇所は１箇所でも３箇所以上でもよく、かかる場合でも、本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００４７】
また、本実施の形態では、冷媒の一例として水を使用する構成について説明した。これは、水自体は極めて安価な冷媒で、一般的に使用されているからである。しかしながら、他の冷媒でも上記実施の形態に特有の効果を奏することはいうまでもない。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態３における、上記実施の形態１に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０を用いた半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成およびその効果について、図６〜９に基づき説明する。
【００４９】
図６は、この発明を実施するための実施の形態３による半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【００５０】
図６において、上記実施の形態１、２における図１〜５と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図６中、１２は全反射ミラー、１３は部分反射ミラー、１４ａ、１４ｂは全反射ミラー１２あるいは部分反射ミラー１３を固定するミラーホルダー、１５は固体レーザ媒質１１０から発せられるレーザビーム、６０は半導体レーザ励起固体レーザ装置、をそれぞれ示す。励起部１０、ミラーホルダー１４ａ、１４ｂは同一の基台９ａ上に固定されている。なお、半導体レーザ１ｅ〜１ｈ、半導体レーザ光１１、ヒートシンク２ｂ、冷却器３、ヒートシンク２ｂの内部に開けられた水路４０ｃ、４０ｄ、ヒートシンク２ａ、２ｂの外部に装着された冷却水の水路４１ａ〜４１ｈ、水流方向、配管、電源、および電線については図示していない。
【００５１】
次に、実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置の動作について説明する。半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光１１は固体レーザ媒質１１０を励起する。固体レーザ媒質１１０に吸収されなかった半導体レーザ光１１は拡散反射集光器５内に閉じ込められ、再度固体レーザ媒質１１０を励起する。半導体レーザ光１１によって励起された固体レーザ媒質１１０はレーザビーム１５を発する。レーザビーム１５は全反射ミラー１２と部分反射ミラー１３からなる光共振器内を往復する間に、励起された固体レーザ媒質１１０によって増幅されてレーザビーム強度が増大し、その一部が部分反射ミラー１３から半導体レーザ励起固体レーザ装置６０の外部に取り出される。
【００５２】
実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、図７に示すように、２以上の励起部を備えた装置構成７０にした場合において特に効果が顕著である。図７中、１０ａ、１０ｂは励起部で実施の形態１に示された励起部１０と同じ構成である。また、１１０ａ、１１０ｂは固体レーザ媒質である。１２、１３、１４ａ、１４ｂ、１５は実施の形態３に示したものと同一またはこれに相当するものであり、同一の作用をする。なお、図７において、冷却器３は省略している。
【００５３】
図８は、図７の装置構成において、固体レーザ媒質１１０ａの中央部における固体レーザ媒質への励起強度に対するレーザビーム径の変化を示した図であり、図８（ａ）は本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂの中心からずれていない場合を示しており、図８（ｂ）は従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれている場合の固体レーザ媒質への励起強度に対するレーザビーム径の変化を示した図である。
【００５４】
図８において、固体レーザ媒質中央部のレーザビーム径が有限値の場合に、全反射ミラー１２と部分反射ミラー１３からなる光共振器が安定型共振器として動作し、固体レーザ媒質中央部のレーザビーム径が無限大の場合には、光共振器は不安定型共振器として動作する。本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合（図８（ａ））、励起強度０〜７０の間の励起強度では、光共振器は安定型共振器として動作する。一方、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合（図８（ｂ））、励起強度６０近傍ではレーザビーム径が無限大となってしまう。すなわち、不安定型共振器として動作する点が安定型共振器として動作する範囲内にあるという不具合が生じる。かかる不具合は、光共振器によって決定されるビーム品質が高ビーム品質になるに伴い顕著になる。したがって、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置においては高品質なレーザビームを安定に発生することができないのに対して、本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、高品質なレーザビームを安定に発生することが可能となるという効果を奏する。
【００５５】
また、図９は、図７の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０の光共振器が安定型共振器として動作する励起強度における光軸方向のエッジビーム径の変化を示す図であり、図９（ａ）は本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置７０、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれない場合を示しており、図９（ｂ）は従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置、すなわち固体レーザ媒質の熱レンズの最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれている場合を示している。ここでは、エッジビーム径をレーザビーム強度が０になる半径と定義する。図９（ａ）に示す本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合、２つの固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂ内におけるエッジビーム径の最大値が固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂの径と一致している。一方、図９（ｂ）の従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の場合、固体レーザ媒質１１０ｂ内におけるエッジビーム径の最大値は固体レーザ媒質１１０ｂの径と一致しているものの、固体レーザ媒質１１０ａ内におけるエッジビーム径の最大値は固体レーザ媒質１１０ａの径よりも小さくなっている。
【００５６】
したがって、従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では固体レーザ媒質１１０ａ内に蓄積されたゲイン、つまり利得を有効に利用することができないため、効率良く高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生できないのに対し、本実施の形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、２つの固体レーザ媒質１１０ａ、１１０ｂ内に蓄積されたゲインを有効に利用することが可能なため、効率良く高出力でかつ高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果を奏する。
【００５７】
本実施の形態３においては、半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０は上記のように構成されており、上記実施の形態１と同様に固体レーザ媒質１１０を励起する半導体レーザ１ａ〜１ｈを冷却する冷却水の水流方向がロッド状の固体レーザ媒質１１０の長手方向に見た中心から外側に向かって中心対称になるように流されているため、ヒートシンク２ａ、２ｂ内での冷却水の上流側と下流側で水温に差が生じ、半導体レーザ光１１が固体レーザ媒質１１０に吸収される割合、いわゆる励起効率が冷却水の上流側と下流側で異なった場合においても、固体レーザ媒質１１０の熱レンズの強さの長手方向の最強点もしくは最弱点が固体レーザ媒質１１０の中心からずれないため、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果を奏する。
【００５８】
なお、上記実施の形態３では、上記実施の形態１に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５０を用いて半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０を構成する例について説明したが、上記実施の形態２に示した半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置５５を用いて半導体レーザ励起固体レーザ装置６０、７０を構成するようにしてもよく、かかる場合でも本実施の形態の一例と同様の効果を奏する。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６１】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、上記冷媒が水であることとしたので、安価な装置構成で半導体レーザを冷却することができる。
【００６２】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置では、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとしたので、ヒートシンクの取り扱いが容易になるという効果がある。
【００６３】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６４】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記冷却器の冷媒送出口が上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口と接続されていることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。また、半導体レーザ励起固体レーザ装置が安価になるとともに、製造、組立に必要な労力と時間を削減できるという効果もある。
【００６５】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとしたので、一層効果的に、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる。
【００６６】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、上記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、上記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、上記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、を備え、上記全反射ミラーと上記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の上記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、上記冷却器の冷媒送出口が上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ上記各励起部における上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が上記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることとしたので、一層効果的に、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができる。
【００６７】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、上記冷媒が水であることとしたので、安価な装置構成で半導体レーザを冷却することができる。
【００６８】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置では、上記ヒートシンクが上記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることとしたので、ヒートシンクの取り扱いが容易になるという効果がある。
【００６９】
本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。
【００７０】
また、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法では、レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、上記ヒートシンク上に固着された上記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、上記ヒートシンク内部で上記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ上記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する上記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、上記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、上記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、上記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることとしたので、固体レーザ媒質の熱レンズの強さの長手方向の最強点、もしくは最弱点が固体レーザ媒質の中心からずれないようにでき、高出力で、高品質なレーザビームを安定に発生することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための平面図である。
【図２】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための断面図である。
【図３】 実施の形態１の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置のヒートシンク内の水路を説明するために簡略化して示した断面図である。
【図４】 実施の形態２の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置を説明するための平面図である。
【図５】 実施の形態２の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置のヒートシンク内の水路を説明するために簡略化して示した断面図である。
【図６】 実施の形態３の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【図７】 実施の形態３の２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための正面図である。
【図８】 ２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置において、固体レーザ媒質への励起強度に対する固体レーザ媒質の中央部におけるビーム径の変化を示した図である。
【図９】 実施の形態３における２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置の共振器が安定型共振器として動作する励起強度における光軸方向のエッジビーム径の変化を示す図である。
【図１０】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置を示す外観図であって、図１０（ａ）は、複数の放熱体構成要素を重合固定して構成される一つのブロック状放熱体の外観を簡略化して示した平面図、また、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図からブロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示した斜視図である
【図１１】 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置における半導体レーザの冷却装置の断面図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｈ 半導体レーザ、 ２ａ〜２ｆ ヒートシンク、 ３ 冷却器、 ３ａ 冷却器に設けられた冷却水回収口（冷媒回収口）、 ３ｂ 冷却器３に設けられた冷却水回収口（冷媒回収口）、 ５ 拡散反射集光器、 ６ 拡散反射集光器５に開けられた小さな開口、 ７ フローチューブ、 ８ａ、ｂ 固定板、 ９ 基台、 １０、１０ａ、１０ｂ 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置の励起部、 １１ 半導体レーザ１ａ〜１ｈから発せられる半導体レーザ光、 １２ 全反射ミラー、 １３ 部分反射ミラー、 １４ａ、１４ｂ ミラーホルダー、 １５ 固体レーザ媒質１１０から発せられるレーザビーム、 ４０ａ〜４０ｄ ヒートシンク内部に開けられた水路、 ４１ａ〜４１ｈ ヒートシンクの外部に装着された冷却水の水路、 ４２ａ〜４２ｈ ４１ａ〜４１ｈの各水路に対応した開口、 ５０、５５ 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置、 ６０半導体レーザ励起固体レーザ装置、 ７０ ２以上の励起部を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置、 １０１ 半導体レーザの冷却装置、 １０２ ブロック状放熱体、 １０２ａ〜１０２ｆ 放熱体構成要素、 １０３ 冷却器、 １０４ 冷媒流路、 １０４ａ〜１０４ｆ 各放熱体構成要素１０２ａ〜１０２ｆに開けられた冷媒流路、 １０５ａ〜１０５ｆ 周溝、 １０６ａ〜１０６ｆ弾性部材から成る環状体、 １０７ 長尺ボルト、 １０９ ナット、 １１０、１１０ａ、１１０ｂ 固体レーザ媒質、 １１１ａ〜１１１ｆ 半導体レーザ。
Claims (12)
- レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、
前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、
前記冷却器の冷媒送出口が前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口と接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。 - レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、
前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、を備え、
前記冷却器の冷媒送出口が前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口と接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。 - 前記冷媒が、水であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
- 前記ヒートシンクが、前記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置。
- レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、
前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、前記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、
前記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、
を備え、
前記冷却器の冷媒送出口が前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口と接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。 - レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、
前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、前記ロッド状の固体レーザ媒質の一方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、
前記ロッド状の固体レーザ媒質の他方の端面側におけるレーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、
を備え、
前記冷却器の冷媒送出口が前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口と接続され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口と接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。 - レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、前記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、
前記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、
を備え、
前記全反射ミラーと前記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の前記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、前記冷却器の冷媒送出口が前記各励起部における前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ前記各励起部における前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。 - レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を具備する励起部と、
冷媒送出口と冷媒回収口を具備し、前記冷媒を冷却すべく設けられた冷却器と、前記レーザビームの光軸上に配置された全反射ミラーと、
前記レーザビームの光軸上に配置された部分反射ミラーと、
を備え、
前記全反射ミラーと前記部分反射ミラー間のレーザビーム光軸上で複数の前記励起部が互いに光軸を一致させるように一列に配列され、前記冷却器の冷媒送出口が前記各励起部における前記固体レーザ媒質の長軸方向の略端部に対応する冷媒流路の開口とそれぞれ接続され、かつ前記各励起部における前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部に対応する冷媒流路の開口が前記冷却器の冷媒回収口とそれぞれ接続されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。 - 前記冷媒が、水であることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
- 前記ヒートシンクが、前記固体レーザ媒質の長軸方向に対して２個のブロックからなることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
- レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、前記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、前記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、前記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法。
- レーザビームの光軸方向に長軸を有するロッド状の固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の長軸に沿って設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に固着された前記固体レーザ媒質励起用の複数の半導体レーザと、前記ヒートシンク内部で前記半導体レーザが固着された部分近傍を通るように穿設され、かつ前記固体レーザ媒質の長軸方向の略中央部および略端部に対応する部分にそれぞれ開口を有する前記半導体レーザ冷却用の冷媒流路と、を少なくとも備えた半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置に対して、前記固体レーザ媒質の略端部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を導入し、前記固体レーザ媒質の略中央部に対応した冷媒流路の開口から冷媒を排出する手段によって、前記固体レーザ媒質の長手方向の温度分布を中心対称とせしめることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置における半導体レーザの冷却方法。
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