JP4333139B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、励起エネルギーの変化に依存して光学特性の変化するレーザ活性媒質を含むレーザ装置およびレーザ加工装置の、該励起エネルギーの変化に依存したレーザビームパラメータの変化を小さくするための発明である。

第２６図は非特許文献１に示された、従来のレーザ装置を説明するための構成図である。
第２６図において、１ａは曲率が平面の全反射ミラー、２ａは曲率が平面の部分透過ミラーである。５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、それぞれレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとレーザ活性媒質励起装置３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、および必要に応じて、それらを冷却する手段や、それらへ電力等の動力を供給するための手段を備え、単数、もしくは複数でレーザ発振器やレーザ増幅器を構成する基本装置であって、以下、レーザ励起部と呼ぶ。第２６図において、１１１ａは全反射ミラー１ａの端面のビームウエスト位置を示す記号、１１１ｂはレーザ励起部５ａと５ｂの間のビームウエスト位置を示す記号、１００ａはレーザ活性媒質４ｂの被励起領域中間の位置を示す記号、１１１ｃは部分透過ミラー２ａの端面上のビームウエスト位置を示す記号、１１１ｄはレーザ励起部５ｃと５ｄの間のビームウエスト位置を示す記号、１１１ｅはレーザ励起部５ｄのビーム出射側に形成されるビームウエスト位置を示す記号である。また、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄはそれぞれ、１１１ａと１１１ｂの間、１１１ｂと１１１ｃ、１１１ｃと１１１ｄ、および、１１１ｄと１１１ｅの間のレーザ活性媒質の熱レンズを含んだ光学系を示す記号である。以下、レーザ光軸上に複数の光学素子が配置されたものをまとめて示す場合、光学系と呼ぶこととする。

次に、第２６図に示した本発明の従来例の動作について説明する。全反射ミラー１ａ、レーザ励起部５ａ、５ｂおよび部分透過ミラー２ａで構成されるレーザ発振器において発生したレーザビーム７は部分透過ミラー２ａを通過して発振器の外へ取り出され、レーザ励起部５ｃ、５ｄで構成されるレーザ増幅器へ導光され、通過の際に増幅されてレーザビーム７７となる。ここでレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは全て同じ仕様の部品で構成され、同じ励起エネルギーで励起される。

Ａ．Ｔａｋａｄａ ｅｔ ａｌ．、"Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ ｐｕｍｐｅｄ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ Ｎｄ：ＹＡＧ ｒｏｄ ｌａｓｅｒ" Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒｓ、 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．３８８９

第２６図のように構成されたレーザ装置は、ゲインや全反射鏡、全透過鏡といった光学特性を考慮せず、発振器および増幅器内部のビームモード形状およびビームモード形状に大きな影響を与える、集光素子や、伝播距離といった要素だけに着目すれば、光学系６０ｂ、６０ｃ、６０ｄは光学系６０ａと同一であるため、レーザ装置全体が基本単位となる光学系６０ａを周期的に直列に配置したカスケード型のレーザ発振器およびレーザ増幅器である。このため、後述するように、励起エネルギーの変化に依存して１１１ｅ位置のビーム径は大きく変化する。

上述のように、従来のカスケード型固体レーザ発振器やカスケード型固体レーザ増幅器は、出射されるレーザビームの径あるいはビーム波面曲率が励起強度に依存して大きく変化するため、取り出されたビームを用いて波長変換を行う際には、波長変換活性媒質位置のビーム径が励起強度に依存して変化し、励起強度に依存して波長変換条件が変化していた。また、従来のレーザ装置から発生したレーザビームを光ファイバーに導光する場合、出射ビームの径、波面曲率が励起強度に依存して大きく変化するため、光ファイバー導光条件のレーザ励起強度依存性が大きかった。また、従来のレーザ装置から取り出したレーザビームを加工に用いた場合、出射ビームが励起強度に依存して変化するため、加工条件がレーザ装置の励起強度、すなわちレーザビームのエネルギーに依存して変化していた。

一方、例えば、第２６図のレーザ励起部５ｃ、５ｄからなる増幅器部分を単独で増幅器として用いて、位置１１１ｃから入射ビームを入射させることを考えると、カスケード型増幅器の設計上、この位置１１１ｃはビーム径が変化する位置となるため、入射ビームのビームパラメータを励起強度に応じて変更してやる必要があった。また、ビーム径、ビーム波面曲率が一定の入射ビームを用い、増幅器の励起強度を変えて出力可変なレーザ装置を構成しようとすると、増幅器中でのビームの振る舞いが周期的な構造を持つカスケード型とならないため、増幅器の設計が複雑となったり、増幅段を多数とすることが難しかったり、被増幅ビームモードと被励起領域の重なる部分の体積が小さくなり高効率な増幅がされなかったという問題があった。

本発明は、以上のような従来のレーザ装置の問題点を解消するために行われたものであり、出力されるレーザビームのビーム径および波面曲率の励起強度依存性が低減されたレーザ装置、あるいは固定したビームパラメータを有する入射ビームを高効率に増幅できるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ装置は、励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１とし、
あるいは、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１としたものである。
これによれば、励起エネルギーを変化させた場合の出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードを崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。

また、励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１とし、
あるいは、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略２倍となるよう、前記複数のレーザ活性媒質を励起するようにしたものである。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。

また、励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームに一つのビームウエストが生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、
前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第１のレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第２のレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１とし、
あるいは、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第１のレーザ活性媒質の長さを前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第２のレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記第１のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第２のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１としたものである。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。

また、励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記レーザ活性媒質はその端面を励起するように構成されており、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質は一方の端面のみが励起され、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質は両端面が励起され、前記一方の端面のみ励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記両端面が励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１としたものである。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率、ビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。

実施例１．
第１図は、本発明の実施例１によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置の構成図である。第１図において、１ａは曲率が平面である全反射ミラー、２ａは曲率が平面である部分透過ミラー、３ａ、３ｂ、３ｃ、３０ａはＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やランプ等のレーザ活性媒質励起装置、４ａ、４ｂ、４ｃ、４０ａは材質がＮｄ：ＹＡＧであるロッド型固体レーザ活性媒質、５ａ、５ｂ、５ｃ、５０ａはレーザ励起部である。２個のレーザ励起部５ａと５ｂを全反射ミラー１ａと部分透過ミラー２ａとの間に配置してレーザ発振器を構成する。またレーザ発振器の外部にさらに２個のレーザ励起部５ｃおよび５０ａが増幅器として配置されている。５０ａは出力端に配置されたレーザ励起部であり、レーザ活性媒質４０ａおよびレーザ活性媒質励起装置３０ａを備えている。

ここで、３個のレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃは同一構成、すなわちレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃはいずれも同一寸法形状、Ｎｄ原子ドープ濃度等の仕様が同一であり、レーザ活性媒質励起装置３ａ、３ｂ、３ｃも同一構成、すなわち励起エネルギーおよび励起エネルギー密度や励起光のレーザ活性媒質への吸収特性が同じになるよう構成されている。さらに、レーザ励起部５０ａに配置されたレーザ活性媒質４０ａを励起する全エネルギーは、レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃに配置されたレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃのうちのレーザ活性媒質１個の全励起エネルギーの２分の１であり、レーザ活性媒質４０ａの励起される部分の長さが他のレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの２分の１となっている。すなわち、レーザ活性媒質４０ａはレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃと、長さにおいて２分の１の部分が等しい励起エネルギー密度で励起されている。

次に実施例１によるレーザ装置の構成を詳細に説明する。第１図において、１１１ａは全反射ミラー１ａの端面のビームウエスト位置を示す記号、１００ａはレーザ活性媒質４ａの被励起部分の中間点を示す記号、１１１ｂはレーザ励起部５ａと５ｂの間にあるビームウエスト位置を示す記号、１１１ｃは部分透過ミラー２ａの位置にあるビームウエスト位置を示す記号、１１１ｄはレーザ励起部５ｃのビーム出射側にあるビームウエスト位置を示す記号である。６ａは位置１１１ａから位置１００ａまでの光学系、６ｂは位置１００ａから位置１１１ｂまでの光学系である。光学系６ａ、６ｂはレーザ活性媒質４ａの被励起部分を２分の１ずつ含むため、レーザビーム光軸上の光学特性については、レーザ活性媒質４ａが励起され、発熱して生じた熱レンズを２分の１ずつ含む。すなわち、レーザ活性媒質４ａの熱レンズ焦点距離の２倍の熱レンズ焦点距離を持つ熱レンズを光学系６ａ、６ｂがそれぞれ含んでいる。また、３個のレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃは、モードの形状に大きな影響を与える熱レンズや光学距離といった特性のみを考慮すると、位置１１１ａから位置１１１ｃまで６ａと６ｂの光学系が６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂの順で光軸に沿って３度繰り返されるように構成されている。本実施例においては、上記のようなカスケード型レーザ装置を構成するための手段として、各レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃを、レーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの中心間の距離が等しくなるよう配置し、レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃに同じ電力を供給して使用し、レーザ活性媒質の励起によって生じる熱レンズが同等となるようにしている。

レーザ励起部５０ａは、励起エネルギーがレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃのうちの１個の励起エネルギーの２分の１であり、レーザ活性媒質４０ａの励起される部分の長さが他のレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの２分の１となるよう構成しているため、レーザ活性媒質４０ａが励起された状態では、位置１１１ｄからレーザ活性媒質４０ａの出射端１００までの光学系のレーザビーム光軸上の光学特性が、光学系６ａと等価となる。すなわち、ビームウエストのうち一番端にあるビームウエスト１１１ｄの端側にあるレーザ活性媒質４０ａの励起エネルギーは隣り合うビームウエスト１１１ｃと１１１ｄの間にあるレーザ活性媒質４ｃや、他の隣り合うビームウエスト間にあるレーザ活性媒質４ａ、４ｂの励起エネルギーの半分となっており、生じる熱レンズ焦点距離は２倍となる。

以上の全体の構造を記すと、光学系が６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａの配置となるよう構成されている。このように構成されたレーザ装置にあっては、全反射ミラー１ａ、部分透過ミラー２ａ、レーザ励起部５ａ、５ｂで構成されるレーザ発振器において発生したレーザビーム７の一部は部分透過ミラー２ａを通過して取り出され、レーザ励起部５ｃ、５０ａによって構成されるレーザ増幅器を通過、増幅され、レーザビーム７０として取り出される。

次に、本実施例によるレーザ装置の動作を詳細に説明する。第２図は、第１図の位置１００ａにおける固有モードビーム径の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第３図は、第１図の位置１００ａにおける固有モードビーム波面曲率の逆数の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第４図は、第１図のレーザ活性媒質４ａの端部１２０ａにおける固有モードビーム径の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第５図は、第１図のレーザ活性媒質４ａの端部１２０ａにおける固有モードビーム波面曲率の逆数の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第６図は、ビームウエストの位置１１１ａにおける固有モードビーム径の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第７図は、ビームウエストの位置１１１ａにおける固有モードビーム波面曲率の逆数の計算値を、励起エネルギーに比例する熱レンズ焦点距離の逆数に対して示したものである。第２図〜第７図において、破線は周方向偏光成分（φ方向）、実線は径方向偏光成分（ｒ方向）をそれぞれ示している。ここで、実際のレーザビームのビーム径の位置依存性は、近似的に光学系の固有モードビーム径の位置依存性と同じであり、実際のレーザビームの波面曲率は、近似的に光学系の固有モードビーム波面曲率と等しい。なお、第３図、第７図においては、周方向偏光成分（φ方向）の特性を示す破線と径方向偏光成分（ｒ方向）の特性を示す実線とが一致している。

第２図〜第７図の計算に用いたパラメータを以下に説明する。レーザ活性媒質としては、材質がＮｄ：ＹＡＧの長さ８０ｍｍのロッドを仮定し、ロッド長さを８０ｍｍとした。また、被励起部分はロッド長さ８０ｍｍのうち中心の４０ｍｍの部分とした。被励起部分のロッド断面内の屈折率分布は、Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５ ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ、ｐ．４０８−４１９によれば、ｎ（ｒ）＝ｎ_０−ｎ_２／２×ｒ^２のように近似的に中心からの距離ｒの２乗に依存して変化し、ｎ_０＝１．８２、ｎ_２は周方向偏光成分（φ方向）と径方向偏光成分（ｒ方向）で異なりｎ_２ｒ＝ｎ_２φ×１．２を保ったまま励起エネルギー密度に依存して変化し、ｎ_２は略励起エネルギーに比例する。そのため、ｎ_２のφ方向はｎ_２＝０〜０．８×１０^−４（第２図〜第７図において、横軸の左端がｎ_２＝０、右端がｎ_２＝０．８×１０^−４に相当）、ｒ方向がｎ_２＝０〜０．９６×１０^−４（第２図〜第７図において、横軸の左端がｎ_２＝０、右端がｎ_２＝０．９６×１０^−４に相当）とした。また、共振器構成は、ロッドの中心に関して対称で、ロッド端からミラー端まで４００ｍｍ（１２０ａから１１１ａまで）とした構成について計算している。なお、ｎ_２と励起エネルギー密度の間の比例係数はプローブ光をレーザ活性媒質内に通して、熱レンズ焦点距離を測定する等の実験によって正確に計測することができる。ｎ_２と励起エネルギーの間の関係は励起部の構成や励起光吸収率によって変わるが、直径数ｍｍ、励起部分長さ数１０ｍｍのＮｄ：ＹＡＧロッドを側面からＬＤで励起する構成の場合、ｎ_２＝１．０×１０^−４程度となるのは、励起ＬＤ光の平均パワー数百Ｗから数ｋＷ程度である。

第２図、第４図、第６図を比較することにより、第２図、第４図に対応するレーザ活性媒質の被励起領域中間の位置１００ａとレーザ活性媒質端部の位置１２０ａにおいては、励起エネルギーに対してビーム径の変化が小さいことがわかる。一方、第３図、第５図、第７図を比較することにより、第３図、第７図に対応する位置１００ａと位置１１１ａにおいては、レーザビーム波面曲率の励起エネルギーに依存した変化が小さいことがわかる。以上、第２図〜第７図より、レーザ活性媒質の被励起領域中間の位置１００ａにおいてはレーザビームの波面曲率、およびビーム径の変化がともに小さいことがわかる。これらの条件は、第２図におけるＡで示す励起エネルギーの領域にわたってほぼ満足している。

第１図に示したように構成されたレーザ装置においては、光学系６ａ、６ｂが６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａと繰り返されており、第２図〜第７図で説明したレーザビームのビーム径、ビーム波面曲率の変化の状態もこれらの光学系の配置にしたがって繰り返されることになる。このようにして、レーザビームの出力位置１００は、レーザビームのビーム径、ビーム波面曲率の変化に関して位置１００ａと等価な点となり、装置の安定動作可能なほとんどの領域で、励起エネルギーに依存した出力ビームの波面曲率およびビーム径共に変化の小さいレーザ装置を提供することができる。

すなわち、曲率が平面のミラーがＮｄ：ＹＡＧロッド両端面から等距離に配置された構成を等価的に結合した周期的構成のビームモードにおいて、平面ミラーに対応する位置および、Ｎｄ：ＹＡＧロッドの中間点の２点は、常にビーム曲率が平面である。平面ミラーに対応する位置はレンズから離れておりビーム径が小さい、言わば集光点であり、励起強度に依存して大きくビーム径が変化するのに対し、Ｎｄ：ＹＡＧロッドの中間点に対応する位置は、レンズからの出射点であり、ビーム径が大きい、言わばコリメート点であり、励起強度に依存したビーム径の変化が小さい。この周期的ビーム伝播におけるコリメートされるポイントからビームを取り出すことによって、励起強度に依存変化の小さい出力レーザビームを得ることが可能である。

これに対し、第２６図で説明した従来のレーザ装置にあっては、位置１１１ａや１２０ａ、あるいはその間に相当する位置をビーム出力位置としていたため、出力されるビームは励起エネルギー、すなわちレーザ出力を変化させると、そのビーム径、あるいはビームの波面曲率の一方あるいは双方が、第４図、第５図もしくは第６図、第７図に示すように大きく変化するものとなっていた。

第２図〜第７図に示した計算では設計どおり、理想的にレーザ装置が構成され、各レーザ励起部の励起エネルギーや各レーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離のばらつきと言った問題のない場合を説明したが、以下に、レーザ励起部５０ａ内に配置されたレーザ活性媒質４０ａの励起エネルギーが他のレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの励起エネルギーの２分の１からずれた場合、すなわちレーザ活性媒質４０ａの熱レンズ焦点距離がレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの熱レンズ焦点距離の２倍からずれた場合の本発明の効果について説明する。

第８図は、レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃ、５０ａの被励起部分の励起エネルギー密度を全て第２図〜第７図の横軸の左端（ｎ_２ｒ＝０．９６×１０^−４、ｎ_２φ＝０．８×１０^−４）の値で一定とし、レーザ励起部５０ａの被励起部分の長さを、第１図のレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃの被励起部分の０％から１００％の範囲で変化させ、出射端１００の位置におけるビーム波面曲率の逆数をプロットしたものである。すなわち、レーザ励起部５０ａにおけるレーザ活性媒質４０ａの全励起エネルギーが、レーザ励起部５ａにおけるレーザ活性媒質４ａの全励起エネルギーに対する割合を０％〜１００％の範囲で変化したものに対応する。図中の、φ、ｒはそれぞれ、周方向、動径方向の偏光成分に対する計算値を意味する。第８図の縦軸を絶対値とし、１００％での値で規格化すれば第９図のようになる。

第９図から、ビーム波面曲率の変化は、偏光方向に依存せず、丁度５０％の場合、すなわち、第３図で説明した場合が最も小さく抑えられ、５０％から０％へおよび５０％から１００％へと近づくほど、大きくなっていることがわかる。第９図から、本発明の効果は最終段のレーザ励起エネルギーを前段の１／２と一致させ、なおかつ、励起密度が全てのレーザ活性媒質の被励起部分のビーム光軸上で一定である場合に最も大きな効果を発揮するが、レーザ励起部５０ａの励起エネルギーをレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃの励起エネルギーに対して小さくすれば本発明の効果は有ると言え、第２６図で示したような従来のレーザ装置、すなわち第９図における０％および１００％の場合に比べ、ビーム波面曲率の変化を小さくすることができる。特に、励起エネルギーを第１図のレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃに対して２５％から７５％に設定した場合にはビーム波面曲率逆数の変化を従来の約半分に低減できることが第９図の計算例からわかる。より好ましくは、４０％から６０％に設定すれば、ビーム波面曲率逆数の変化をほぼ２０％以下に抑えられる。

ここで、レーザ励起部５ｃおよび５０ａのレーザ活性媒質４ｃおよび４０ａを示す拡大図である第１０図を参照してビームが取り出される部分の装置構成、ビーム径の変化についてさらに詳しく説明する。第１０図において、レーザ活性媒質４ｃは位置１３０ａから位置１３０ｂの間、すなわちＢで示す領域が励起されており、この領域で熱レンズが生じる。同様にレーザ活性媒質４０ａは位置１３０ｃから位置１００の間、すなわちＣで示す領域が励起されている。第１０図に示すレーザ装置内のレーザビーム径およびビーム波面曲率は、位置１００ｃでは第２図および第３図のように、位置１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃでは第４図および第５図のように、位置１１１ｄでは第６図および第７図のように、レーザ活性媒質４０ｂの励起部端部である位置１００では再び第２図および第３図のように変化する。すなわち、位置１００はビーム径もビーム波面曲率も励起エネルギーに対する変化がほとんど無い位置となっている。また、第１０図には、レーザ光軸上のレーザビーム７のビーム径の変化を模式的に示しているが、励起されていない部分は励起エネルギーに依存して光学特性は変化しない。そのため、励起されていない、すなわち熱レンズを生じていないレーザ活性媒質中を少し伝播したレーザ活性媒質端である位置１０１においても、励起端部である位置１００と同様、ビーム径、ビーム波面曲率の励起エネルギーに依存した変化は小さいことは言うまでもない。

なお、第１図に示した実施例においては、レーザ発振器内にモード選択アパーチャは記されておらず、ロッド型レーザ活性媒質の断面が発振器のモード選択アパーチャとして機能している場合について説明したが、発振器内にモード選択アパーチャが配置された場合でも、あるいはレーザ活性媒質のゲイン分布が横モードを決定している場合でも、本発明の、励起強度に依存せずビーム径の大きなコリメートビームを取り出す効果は同様に発揮されることは言うまでもない。さらに、ロッド型レーザ活性媒質に近い位置にモード選択アパーチャが配置された場合には、本発明の励起強度に依存したビーム径の変化を抑える効果も発揮されることは言うまでもない。

なお、第１図に示した実施例においては、レーザ発振器内にレーザ励起部が２個配置され、レーザ増幅器に、レーザ励起部２個を用いた場合について示したが、必要に応じて発振器、増幅器を構成する励起部分の個数を変えてよい。また、第１図においてはレーザ励起部を全てレーザ活性媒質を光軸に垂直に側面方向から励起する側面励起型の構成としているが、端面励起等、任意の励起方法を用いてよい。また、レーザ活性媒質はＮｄ：ＹＡＧに限らず、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ等他の固体レーザ活性媒質であってもよい。

また、第１図に示した実施例においては、レーザ活性媒質としてロッド型固体レーザ活性媒質を用いているが、ロッド型の固体レーザ活性媒質は、光軸方向に励起された領域が長く、並べて配置するのが容易であるため、本発明の効果をより容易に発揮できる。しかし、それ以外のスラブ、ディスク等、他形状の固体レーザ活性媒質でも、励起エネルギーの変化により熱レンズが変化するため、本発明を適用すれば効果が発揮できる。また、励起エネルギーに依存して屈折率もしくは屈折率分布の変化する固体レーザ活性媒質以外のガス、液体等のレーザ活性媒質を用いてもよい。また、連続発振レーザ装置だけではなく、Ｑパルス発振やモードロック等の、パルスレーザ装置について同様の構成を採用してもよいし、擬似連続励起等の励起方法を採用してもよい。これらは、以下の各実施例においても、特に説明しない場合もあるが同様である。

実施例２．
第１１図は、本発明の実施例２によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ励起部を示す概略図である。すなわち、励起源をＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ、すなわち半導体レーザ）とした場合の、実施例１におけるレーザ励起部５ｃ、５０ａの構成の例である。第１１図においてレーザ活性媒質の光軸方向の領域のうち、領域Ｄ１、Ｄ２、Ｅで示される部分のみが励起されるようになっており、励起されている領域ＤがＤ１、Ｄ２の２つに分割されている。１３０ａはレーザ活性媒質４ｃの被励起部分の端の位置であり、１０２はレーザ活性媒質４０ａの被励起部分の端の位置である。また、１００ｄはレーザ活性媒質４０ａの端の位置である。

第１１図に示す実施例においては、レーザ活性媒質４ｃの励起される部分がＤ１とＤ２の２つに分離している。このような場合でも、レーザ活性媒質４０ａの全励起エネルギーを、レーザ活性媒質４ｃの励起エネルギーの略１／２とし、位置１００ｃから位置１１１ｄの間の光学系と位置１１１ｄから位置１００ｄの間の光学系が、位置１１１ｄに関して対称となるよう配置することにより、ビーム取りだし位置を第１０図における位置１００と同様、ビーム径、ビーム波面曲率ともに変化の小さい位置に選ぶことができる。

また、第１０図、第１１図においては、端部に配置されたレーザ活性媒質が１個であり、励起エネルギーが他レーザ活性媒質の略１／２で、被励起領域が１箇所である場合について示したが、ビームウエスト１１１ｄよりも端部側に配置されたレーザ活性媒質が複数個であってもよく、１個のレーザ活性媒質を複数の被励起領域に分割して励起しているものであってもよい。この場合、ビームウエスト１１１ｄよりも端部側に配置されたレーザ活性媒質の励起エネルギーの合計が、レーザ活性媒質４ｃ、すなわち隣り合うビームウエスト間にあるレーザ活性媒質の励起エネルギーの略１／２になるようにすればよい。

また、実施例１および２では、レーザ活性媒質４０ａについて、励起される部分の長さがレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの２分の１で、レーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃと同じ単位長さあたりの励起エネルギー密度となる励起を行うよう構成したが、レーザ活性媒質４０ａの長さをレーザ活性媒質４ａの長さと同じとし、レーザ活性媒質４ａの半分の励起エネルギー密度で励起するなどとしても実施例１および２と同様の効果を発揮できる。すなわち、レーザビーム７０が取り出される部分のレーザ励起部のレーザ励起エネルギーが他のレーザ励起部、すなわち隣り合うビームウエスト間にあるレーザ励起部のレーザ励起エネルギーの略半分になるようにすれば、実施例１および２と同様の効果を発揮できる。

また、別の励起方法、別の形状のレーザ活性媒質を用いた場合でも、実施例１の４０ａに対応するレーザ活性媒質のレーザビームの通過する部分の熱レンズが、実施例１の４ａ、４ｂ、４ｃに対応するレーザ活性媒質のレーザビームの通過する部分の熱レンズの略半分、すなわち熱レンズ焦点距離が略２倍となっていれば、実施例１と同様の効果が発揮できる。

なお、実施例２では、レーザビーム７０が取り出される部分のレーザ励起部のレーザ励起エネルギーが他のレーザ励起部、すなわち隣り合うビームウエスト間にあるレーザ励起部のレーザ励起エネルギーの略半分になるようにすれば、出射ビーム７０のビーム波面曲率、ビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置が得られることを説明したが、実施例１で説明したように、略半分に限るものではなく、レーザビーム７０が取り出される部分のレーザ励起部のレーザ励起エネルギーが他のレーザ励起部のレーザ励起エネルギーよりも小さくなる（例えば、２５％から７５％好ましくは４０％から６０％）ようにすれば、励起エネルギーを変化させても出射ビームのビーム波面曲率、ビーム径の変化の小さいレーザ装置が得られる。これは、以下の各実施例においても、特に説明しないが同様である。

実施例３．
第１２図は、本発明の実施例３によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置の構成図である。第１２図において、２５は４５度入射の赤外ビームに対して高い反射率を持つレーザビーム折り返しミラー、２６はパワーメータ、２７はレーザビームの波面曲率が無限大となる位置までの距離とその位置におけるビーム径をモニターすることのできる、市販のビームモニタ装置である。

以下、第１２図のように構成された側面ＬＤ励起型Ｎｄ：ＹＡＧロッドレーザを用いたレーザ装置により実施した、本発明の実証試験について説明する。レーザ励起部５ａ、５ｂは、１６個のレーザ活性媒質励起装置であるＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）３ａ、３ｂが、材質がＮｄ：ＹＡＧであるロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂ（ロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂは励起部分の長さが７２ｍｍ、φ４×１０５ｍｍである。）を回転対称軸として４個４回対称に、光軸方向に４列に並ぶように配置されている。レーザ励起部５ａ、５ｂは、ロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂ端面間１２０ｂと１２０ｃ間の光学距離が８００ｍｍであり、ロッド型固体レーザ活性媒質４ａの端面１２０ａと全反射ミラー（曲率が平面である。）１ａ間の光学距離、およびロッド型固体レーザ活性媒質４ｂの端面１２０ｄと部分透過ミラー（曲率が平面である。）２ａ間の光学距離が４００ｍｍであるカスケード型構成となるよう配置され、レーザ発振器を構成している。

レーザ励起部５０ａは、８個のＬＤ３０ａが、材質がＮｄ：ＹＡＧであるロッド型固体レーザ活性媒質４０ａ（ロッド型固体レーザ活性媒質４０ａは励起部分の長さが３６ｍｍ、φ４×７０ｍｍである。）光軸を回転対象軸として、４個４回対称に光軸方向に２列に並ぶように配置されている。レーザ励起部５０ａは、部分透過ミラー２ａのレーザ励起部５ｂ側の端面からロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの部分透過ミラー２ａ側の端面１２０ｅまでの光学距離が４００ｍｍとなるように、レーザ発振器外の光路上に配置され、レーザ増幅器を構成している。

このように構成されたものにおいて、レーザ励起部５０ａを通過し増幅されたレーザビーム７０は、その大部分が折り返しミラー２５で反射されてパワーメータ２６に入射する。また、折り返しミラー２５で反射されなかったもれ光をビームモニタ装置２７でモニターすることにより、出力ビーム７０の波面曲率が無限大となる位置、波面曲率が無限大となる位置のビーム径、およびビーム品質を計測した。レーザ励起部５ａと５ｂの励起電流値は、別途、Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４ａと４ｂの熱レンズをそれぞれ計測しておき、各レーザ励起部５ａと５ｂの熱レンズ焦点距離が等しくなるように電流値を設定した。また、レーザ励起部５０ａのＬＤ３０ａの励起電流値は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの熱レンズを別途計測しておき、Ｎｄ：ＹＡＧロッドロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの被励起部分のｎ_２値（屈折率：ｎ（ｒ）＝ｎ_０−ｎ_２×ｒ^２／２）がレーザ励起部５ａと５ｂのＮｄ：ＹＡＧロッド被励起部の熱レンズ値と等しくなるよう設定した。なお、各Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂ，４０ａの熱レンズ焦点距離の計測は、コリメートされたＨｅ−Ｎｅレーザ光を各Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂ，４０ａの中心部φ１．５ｍｍの部分を通過させ、励起ＬＤ電流値を変えた際の熱レンズ焦点距離を計測することにより決定した。

第１３図において、黒丸は、第１２図に示すようにレーザ励起部５０ａを配置した場合の、レーザ励起部５ｂの各励起強度における出力ビーム７０の波面曲率が無限大となる位置（ビームモニタ装置２７から波面曲率が無限大となる位置までの距離で表されている。）を実測した結果を示し、白抜き丸は、レーザ励起部５０ａを配置しない場合の、レーザ励起部５ｂの各励起強度における出力ビーム７０の波面曲率が無限大となる位置を実測した結果を示している。第１４図にレーザ励起部５ｂの各励起強度における波面曲率が無限大となる位置でのビーム径を、レーザ励起部５０ａを配置した場合（図中黒丸で示す。）と配置しない場合（図中白抜き丸で示す。）についてそれぞれ実測した結果を示す。第１３図および第１４図の横軸（励起強度）はレーザ励起部５ｂの電流値を用いて示してある。

ここで、レーザ励起部５０ａを配置した場合は、波面曲率が無限大となる位置は、ほぼレーザ励起部５０ａの固体レーザ活性媒質４０ａのレーザ出射端となっており、この位置がレーザビームがコリメートされた位置となっている。また、第１３図の黒丸で示すように、この位置の励起強度に依存した変動は±４％以下とほぼ一定である。さらに、第１４図の黒丸で示すように、この位置でのビーム径の値の変動は２．０％以下である。

一方、レーザ励起部５０ａを配置しない場合は、波面曲率が無限大となる位置は、ほぼ部分透過ミラー２ａの位置となっており、ビームウエスト位置に相当することがわかる。第１３図の白抜き丸で示すように、この位置の変動は少ないが、第１４図の白抜き丸で示すように、この位置でのビーム径の値は、電流値１７Ａで３．３ｍｍ、２２Ａで２．６ｍｍであり、２１％以上変化していることがわかる。このように、レーザ励起部５０ａを配置した場合、レーザ励起部５０ａを配置しない場合に比較して、ビーム径の変化が非常に小さいものが得られることが実証できた。

なお、レーザ励起部５０ａのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの被励起部分長さを、レーザ励起部５ａ、５ｂのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂの被励起部分と同じ長さとすることによっても本実施の形態と近い効果を発揮することができるが、その際は、レーザ励起部５０ａの励起ＬＤ３０ａに用いるＬＤ駆動電流値をレーザ励起部５ａ、５ｂの励起ＬＤ３ａ、３ｂに用いるＬＤ駆動電流値より小さくする必要があり、１台の電源で複数のレーザ励起部を直流につないで駆動することができない、もしくは、複雑な電流調整設備が必要であるという不都合が生じる。

また、レーザ励起部５０ａのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの長さが長い場合、コリメートされたビームを取り出すためにはレーザ励起部５ａ、５ｂに比べて、Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａのｎ_２を小さくする必要が生じる。そのため、レーザ励起部５０ａのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの出射側でロッド外径にビームの当りが生じ、効率の良い運転ができなくなるという問題が生じる。

上記の内容をより詳細に説明する。細かい補正を無視すれば、レーザ活性媒質中の被励起部分の励起強度分布とレーザ活性媒質を通過するビーム強度分布の積をレーザ活性媒質中の被励起部分全体について足し合わせたものが最大となる場合にレーザ活性媒質からのエネルギーの取りだし量は最大となる。

本発明で述べるカスケード型レーザ装置においては多くの場合、エネルギーの取りだしを最大とするため、複数のレーザ励起部のレーザ活性媒質被励起部分においてレーザ活性媒質の光軸に垂直な方向の有効径を超えない範囲で伝播ビーム径ができるだけ大きくなるよう装置を構成する。

かかる装置において、レーザ励起部５０ａのｎ_２をレーザ励起部５ａ、５ｂのｎ_２に対して小さくした場合、レーザ活性媒質５０ａ内での伝播ビーム径がレーザ励起部５ａ、５ｂ内のビーム径より大きくなり、レーザ活性媒質の有効径を超えてしまい、ロッド外径に当りが生じ高効率な運転ができなくなるという問題が生じる。

一方、レーザ励起部５０ａのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａの被励起部分の長さがレーザ励起部５ａ、５ｂのＮｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４ａ、４ｂの被励起部分の長さの半分より短い場合は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質４０ａのｎ_２を大きくする必要が生じ、コリメートされたビームを取り出すためには、出射側ビーム径が小さくなる。従って、Ｎｄ：ＹＡＧロッド型固体レーザ活性媒質内の励起された部分から十分にエネルギーを取り出すことができず、高効率な動作ができない。

上記の内容をより詳細に説明する。回折の効果等の細かい補正を無視すれば、レーザ活性媒質中の被励起部分の励起強度分布とレーザ活性媒質を通過するビーム強度分布の積を被励起部分全体について足し合わせたものが最大となる場合にレーザ活性媒質からのエネルギーの取りだし量は最大となる。

かかる装置において、レーザ励起部50a内ビーム径がレーザ励起部５ａ、５ｂ内に比べて小さくなると、レーザ励起部５０ａの、レーザ活性媒質被励起部分内にレーザビーム強度が著しく低い部分が生じ、レーザ活性媒質中の被励起部分の励起強度分布とビーム強度分布の積を被励起部分全体について足し合わせたものが小さくなるためエネルギー取りだし効率が低下し、高効率な動作ができなくなる。

従って、レーザ励起部５０ａの被励起部分長さをレーザ励起部５ａ、５ｂの被励起部分長さの半分とした場合に、本発明の効果はより大きく発揮される。

実施例４．
第１５図は、本発明の実施例４によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。本実施例では、曲率のついたミラーと、レンズを使用してレーザ装置を構成した場合について説明する。第１５図において、１ｂは曲率を有する全反射ミラー、２ｂは曲率を有する部分透過ミラー、５ａ、５ｂ、５ｃは第１図で示したレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃと同様のレーザ励起部である。８ａ、８ｂは凹レンズである。レーザ励起部５０ａはレーザ活性媒質４０ａの励起エネルギーがレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの半分で励起部分の長さが半分に構成されている。また、１１１ａはミラー１ｂ端面上の位置を示す記号、１００ａはレーザ活性媒質４ａの中間位置を示す記号、１１１ｂはレンズ内のビーム波面曲率符号が変化する位置を示す記号である。

第１５図において、ミラー１ｂ、２ｂおよび、レンズ８ａ、８ｂは位置１１１ａから１１１ｂの間のビームモード形状が位置１１１ａから１１１ｄの間で繰り返されるように曲率、焦点距離が選択され、配置されている。具体的には、部分透過ミラー２ｂは、発振器内側のミラー曲率は全反射ミラー１ｂと同じであり、増幅器側にも曲率を設け、透過する発振器出力ビームと反射する発振器内レーザビームが同じビーム波面曲率を持って両方向へ伝播していくようされている。

このようにレーザ活性媒質とレーザ活性媒質の間に曲率を有するミラーやレンズを配置しても、レーザ活性媒質中のレーザビームのビーム径およびビーム波面曲率の変化を第１図に示したものと同様にすることができる。したがって、第１図に示した実施例１と同様に、出射ビーム波面曲率、ビーム径の励起エネルギーに依存した変化の小さいレーザ装置を構成できる。

なお、第１５図においては全反射ミラーおよび部分透過ミラー１ｂ、２ｂのミラー曲率が凸である場合について示したが、全反射ミラーおよび部分透過ミラー１ｂ、２ｂのミラー曲率を凹としてもよい。また、第１５図のような構成では、第１図に示したようなレーザ励起部間のビームウエストが生じない場合があるが、その場合は、ビームの波面曲率の符号が光軸方向の位置に依存して変化する位置が第１図のビームウエストに対応して、レーザ励起部の間に生じる。すなわち、その位置がビームウエストと同等の位置になる。

実施例５．
第１６図、本発明の実施例５によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第１６図において、９はファイバーレーザや固体レーザ等のレーザビーム発生装置、７ａはレーザビーム発生装置９から発生したレーザビーム、７１はレーザ装置から取り出されるレーザビーム、８ｃ、８ｄはレーザビーム発生装置９から発生したレーザビーム７ａをレーザ励起部５０ａ、５ａ、５ｂ、５ｃで構成されるレーザ増幅器に導入するためのレンズである。

また、第１６図において、１１１ａはレーザ励起部５０ａと５ａの間のビームウエスト位置を示す記号、１００ａはレーザ活性媒質４ａの被励起領域の中間点を示す記号、１１１ｂはレーザ励起部５ａと５ｂの間のビームウエストの位置を示す記号である。また、６ａは位置１１１ａと１００ａの間の光学系を示す記号であり、６ｂは位置１００ａと１１１ｂの間の光学系を示す記号である。レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃは、同じ光学系を繰り返し伝播するカスケード型の構成となるように、すなわち、光学系６ａと６ｂの組み合わせを単位構造として３周期、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂという周期的構造となるように光学部品が配置されている。

また、レーザ励起部５０ａは、光学特性として、光学系６ｂを、光学系６ｂの位置１００ａが位置１００に重なるような形に、位置１００と１１１ａの間に配置した、すなわち、レーザ励起部５０ａで構成される増幅器を含めて全体の構成を記すと、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂという構造をなすよう構成されている。このような構成を実現するために、実施例１、すなわち第１図において出力端に配置されたレーザ励起部５０ａのレーザ活性媒質４０ａと同様、入力側の端に配置したレーザ励起部５０ａのレーザ活性媒質４０ａが、他のレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃに比べて、被励起エネルギーが２分の１で熱レンズ焦点距離が２倍であり、レーザ活性媒質４０ａの励起される部分の長さが他のレーザ活性媒質４ａ、４ｂ、４ｃの２分の１となるよう構成する。

このように構成されたレーザ増幅器にあっては、レーザビームが入射する位置１００が、励起エネルギーを変化させた場合にビーム径、ビーム波面曲率の変化の小さい１００ａと等価な点となっているため、レーザ活性媒質励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードを崩さず伝播できる構成となっている。このため、被増幅ビームモードと被励起領域の重なる部分の体積が大きく高効率な増幅ができる。また、励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームを用いることができるため、増幅器の設計も簡単になる。

すなわち、曲率が平面のミラーがロッド型レーザ活性媒質両端面から等距離に配置された構成を等価的に結合した周期的構成のビームモードにおいて、平面ミラーに対応する位置および、ロッド型レーザ活性媒質の中間点の２点は、常にビーム曲率が平面である。平面ミラーに対応する位置はレンズから離れておりビーム径が小さい、言わば集光点であり、励起強度に依存して大きくビーム径が変化するのに対し、ロッド型レーザ活性媒質の中間点に対応する位置は、レンズからの出射点に対応し、ビーム径が大きい、言わばコリメート点であり、励起強度に依存したビーム径の変化が小さい。この点、つまり周期的ビーム伝播におけるコリメートされるポイントからビームを入射させた場合、励起強度に依存せず、入射ビームをカスケード構成内の伝播モードに合致させることができ、励起強度に依存せず高効率で安定した増幅器内伝播が得られる。

なお、本実施例５では、増幅器の出力側は従来のレーザ装置と同じく１１１ｂに相当する位置から出力するものを示したが、実施例１で示したものと同じく、出力端にも励起エネルギーが半分のレーザ励起部を配置すると、出力ビーム径やビーム波面曲率の励起エネルギーに対応した変化をより小さく出来るのは言うまでもない。また、本実施例においては、レーザ増幅器に、レーザ励起部４個を用いた４段の増幅構成としているが、必要に応じて増幅器の励起部分の個数を変えて構成してもよいし、実施例４に示したように曲率のついたミラーやレンズを用いてレーザ装置を構成してもよい。

実施例６．
第１７図は本発明の実施例6によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第１７図において、全反射ミラー１ａと部分透過ミラー２ａの間にレーザ励起部５ａを配置してレーザ発振器を構成している。７はレーザ発振器内で発生したレーザビーム、７ａはレーザ発振器から取り出されたレーザビームであり、レーザ励起部５０ａで構成されるレーザ増幅器に入射される。以上のレーザ発振器とレーザ増幅器でレーザ装置Ｌ１を構成している。レーザ装置Ｌ１の出力レーザビーム７０は光学素子８ｅ、８ｆを通過して、レーザ励起部５０ｂ、５ｂ、５ｃで構成されるレーザ増幅器、すなわちレーザ装置Ｌ２へ入射される。ここで、Ｌ１、Ｌ２において、レーザ励起部５０ａの励起エネルギーはレーザ励起部５ａの励起エネルギーの２分の１で、レーザ活性媒質４０ａの熱レンズ焦点距離はレーザ活性媒質４ａの２倍、また、レーザ励起部５０ｂのレーザ活性媒質励起エネルギーはレーザ励起部５ｂ、５ｃの励起エネルギーの２分の１で、レーザ励起部５０ｂのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部５ｂ、５ｃのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の２倍になるようそれぞれ構成されている。すなわち、レーザ励起部５ａと５０ａのなすレーザ装置Ｌ１、レーザ励起部５０ｂとレーザ励起部５ｂ、５ｃのなすレーザ装置Ｌ２は、それぞれ、別々に、第１図および第１６図のレーザ装置端部と同等の構成になっている。また、第１７図において、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄはそれぞれ、ビームウエスト位置を示す記号、１００ａはレーザ活性媒質４ａの励起部分中間位置を示す記号、１００、１００ｂはそれぞれ、レーザ励起部５０ａ、５０ｂの被励起部分端部の位置を示す記号である。

第１７図に示したレーザ装置の動作について説明する。全反射ミラー１ａ、部分透過ミラー２ａ、レーザ励起部５ａによって構成されるレーザ発振器から取り出されたレーザビーム７ａはレーザ励起部５０ａによって構成されるレーザ増幅器を通過する際に増幅されてレーザビーム７０となって出力される。第１７図の１００で示す位置は、第１図の１００と同様、励起エネルギーが変化した場合のビーム径、ビーム波面曲率の変化の小さい位置となっている。従って、出力レーザビーム７０は、第１図における出力レーザビーム７０と同様、レーザ装置Ｌ１における励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さい。出力ビーム７０は光学素子８ｅ、８ｆを介して次の増幅段への入射ビーム７０ａとなる。この入射ビーム７０ａもレーザ装置Ｌ１における励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さいため、励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さい入射レーザビームとなる。

この後のレーザ装置Ｌ２は第１６図と比べて増幅段が１段少ない他は同様の構成になっている。すなわち、レーザ装置Ｌ２は、レーザ励起部５０ｂ、５ｂ、５ｃで構成されており、レーザビームの入射位置１００ｂは第１６図の入射位置１００ｂと同様、励起エネルギーを変化させても、同じビーム径、ビーム波面曲率の被増幅入射ビームを、カスケード型構成に整合させて伝播できるよう入射位置を選んでいるため、レーザ装置Ｌ２の広い励起エネルギー範囲において同じビーム径、ビーム波面曲率の入射ビームを導光し、増幅させることが可能である。また、レーザ装置Ｌ１とレーザ装置Ｌ２とを、独立して励起エネルギーを変化させても広い励起エネルギー領域にわたって安定に結合することが可能である。また、Ｌ１のレーザ活性媒質やレーザ活性媒質励起装置とＬ２のレーザ活性媒質やレーザ活性媒質励起装置が異なるよう構成した場合でも、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの動作域において結合動作させることが可能である。

実施例７．
第１８図は本発明の実施例7によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第１８図において、８ｇ、８ｈはレンズ、１６は光ファイバーである。全反射ミラー１ａと部分透過ミラー２ａの間にレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃを配置してレーザ発振器を構成している。７はレーザ発振器において発生したレーザビームであり、その一部は部分透過ミラー２ａを通過して取り出され、レーザ励起部５０ａで構成されるレーザ増幅器に入射される。以上のレーザ発振器とレーザ増幅器でレーザ装置Ｌ１を構成している。レーザ装置Ｌ１の出力レーザビーム７０はレンズ８ｇ、光ファイバー１６、およびレンズ８ｈを順に通過して、レーザ励起部５０ｂ、５ｄ、５ｅ、５ｆで構成されるレーザ増幅器、すなわちレーザ装置Ｌ２へ入射される。ここで、Ｌ１、Ｌ２において、レーザ励起部５０ａの励起エネルギーはレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃの励起エネルギーの２分の１で、レーザ励起部５０ａのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃのレーザ活性媒質の２倍、また、レーザ励起部５０ｂのレーザ活性媒質励起エネルギーはレーザ励起部５ｄ、５ｅ、５ｆの励起エネルギーの２分の１でレーザ励起部５０ｂのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部５ｄ、５ｅ、５ｆのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の２倍になるようそれぞれ構成されている。すなわち、レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃと５０ａのなすレーザ装置Ｌ１、レーザ励起部５０ｂとレーザ励起部５ｄ、５ｅ、５ｆのなすレーザ装置Ｌ２は、それぞれ、別々に、第１図および第１６図のレーザ装置端部と同等の構成になっている。実施例６ではレーザ装置Ｌ１の出力レーザビーム７０は光学素子８ｅ、８ｆを通過してレーザ装置Ｌ２へ入射されたが、本実施例では、レーザ装置Ｌ１の出力レーザビーム７０はレンズ８ｇ、光ファイバー１６、およびレンズ８ｈを順に通過してレーザ装置Ｌ２へ入射されるところが異なる。

第１８図に示したレーザ装置の動作について説明する。全反射ミラー１ａ、部分透過ミラー２ａ、レーザ励起部５ａ、５ｂ、５ｃによって構成されるレーザ発振器において発生したレーザビーム７は、レーザ励起部５０ａによって構成されるレーザ増幅器を通過する際に増幅されてレーザビーム７０となって出力される。第１８図の１００で示す位置は、第１図の１００と同様、励起エネルギーが変化した場合のビーム径、ビーム波面曲率の変化の小さい位置となっている。従って、出力レーザビーム７０は、第１図における出力レーザビーム７０と同様、レーザ装置Ｌ１における励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さい。出力ビーム７０はレンズ８ｇにより集光され光ファイバー１６へと入射する。光ファイバー１６より取り出されたレーザビーム７０ａは、レンズ８ｈによりレーザ励起部５０ｂに結合するようにビーム曲率、ビーム径を変更され、次の増幅段への入射ビーム７０ａとなる。この入射ビーム７０ａもレーザ装置Ｌ１における励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さいため、励起エネルギーの変化に対してビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さい入射レーザビームとなる。入射ビーム７０ａは、レーザ励起部５０ｂおよびレーザ励起部５ｄ、５ｅ、５ｆにより構成されるレーザ増幅器（レーザ装置Ｌ２）へと入射して増幅され、出射レーザビーム７１として取り出される。

この後のレーザ装置Ｌ２は第１６図と同様の構成になっている。すなわち、レーザ装置Ｌ２は、レーザ励起部５０ｂ、５ｄ、５ｅ、５ｆで構成されており、レーザビームの入射位置１００ｂは第１６図の入射位置１００ｂと同様、励起エネルギーを変化させても、同じビーム径、ビーム波面曲率の被増幅入射ビームを、カスケード型構成に整合させて伝播できるよう入射位置を選んでいるため、レーザ装置Ｌ２の広い励起エネルギー範囲において同じビーム径、ビーム波面曲率の入射ビームを導光し、増幅させることが可能である。

また、レーザ装置Ｌ１とレーザ装置Ｌ２とを、独立して励起エネルギーを変化させても広い励起エネルギー領域にわたって安定に結合することが可能である。また、Ｌ１のレーザ活性媒質やレーザ活性媒質励起装置とＬ２のレーザ活性媒質やレーザ活性媒質励起装置が異なるよう構成した場合でも、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの動作域において結合動作させることが可能である。また、光ファイバー１６端面における過度の集光に起因した損傷を回避することができる。また、第１８図においては、光ファイバー１６出射側光学系は全て増幅器で構成されているが、レーザ励起部５０ｂ、５ｄ、５ｅ、５ｆのどれかの後に部分透過ミラーを配置することによって、光ファイバー１６を含んだレーザ発振器を構成することもできる。また、出射側最終端のレーザ励起部５ｅを励起部５０ａ、５０ｂと同等とすることによって出射ビームの曲率、径の変化の小さい構成としてもよい。

実施例８．
第１９図は、本発明の実施例８によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。この実施例８においては、レーザ励起部５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ａが全て、第１図の５０ａと同様の構成となっている。そして、全反射ミラー１ａ、部分透過ミラー２ａの間にレーザ励起部５０ｃと５０ｄの２個を配置してレーザ発振器Ｍ１を構成している。ここで、レーザ励起部５０ｃと５０ｄの間にはビーム波面曲率の符号の変化する位置、ビームウエストが存在しない。また、全反射ミラー１ａ端面上のビームウエスト位置を１１１ａ、部分透過ミラー２ａ端面上のビームウエスト位置を１１１ｂ、ビームウエスト位置１１１ａと１１１ｄの中間位置を１００ａとし、レーザビーム光軸に沿って位置１１１ａと１００ａの間の光学系を６ａ、位置１００ａと１１１ｂの間の光学系を６ｂとすると、光学系６ａと６ｂは位置１００ａに関して対称に構成されている。また、レーザ発振器Ｍ１の後段にレーザ励起部５０ｅと５０ｆを対にしてレーザ増幅器Ｍ２とし、さらにその後段にレーザ励起部５０ａを配置してレーザ増幅器Ｍ３として、全体として光学系がレーザビーム光軸に沿って６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａと繰り返される構成となっている。

第１９図において、位置１００ａは第１図の１００ａと等価な位置になっており、レーザ励起部の励起エネルギーに依存したビーム径、ビーム波面曲率の変化が小さい位置となっている。また、１１１ｃはレーザ励起部５０ｆと５０ａの間のビームウエスト位置を示す記号であるが、位置１１１ｃの後段のレーザ励起部５０ａの励起エネルギーは、第１図のレーザ励起部５０ａと同様に、隣り合うビームウエストもしくはビーム波面曲率の符号が変化する位置の間、すなわち位置１１１ａと１１１ｂの間にあるレーザ励起部５０ｃと５０ｄの励起エネルギーの合計の２分の１となっており、ビーム取り出し位置１００のビーム径、ビーム波面曲率の励起エネルギーに依存した変化が小さくなるように構成されている。

このように、第１図等に示した一つの励起部５ａ等と同等の励起部を、レーザ励起部を分割して構成してもよい。なお、第１９図においては、レーザ装置内のビームウエストとビームウエストの間のレーザ励起部、特にレーザ活性媒質が２つに分割された場合について示したが、レーザ励起部５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ａ等をさらに複数に分割して各隣り合うビームウエスト間にあるレーザ活性媒質の励起エネルギーの合計を第１９図と同等になるよう装置を構成してもよい。また、本実施例においては平面ミラーを用い、レンズを含まない構成について示したが、実施例４と同様、曲率のついたミラーやレンズを用いてレーザ装置を構成してもよい。

実施例９．
第２０図は、本発明の実施例９によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。この実施例９においては、実施例８と同様、レーザ励起部５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ａが全て、第１図の５０ａと同様の構成となっている。そして、曲率が平面の全反射ミラー１ａと曲率が平面の部分透過ミラー２ａの間にレーザ励起部５０ｃと５０ｄの２個を配置してレーザ発振器Ｍ４を構成している。レーザ発振器Ｍ４から出射されたレーザビームはレーザ励起部５０ｅで構成される増幅器に入射され、増幅器部分の光学系６ｂを通過して、ビームウエストを位置１１１ｂに形成し、さらにレーザ励起部５０ａで構成される増幅器に入射されて増幅され、レーザビーム７０として出射される。

ここで、レーザ共振器内の光学的な配置は、実施例８すなわち第１９図のものと異なる。共振器内のレーザ励起部５０ｃと５０ｄの間の位置１１１ａにビームウエストがあり、全反射ミラー１ａおよび部分反射ミラー２ａ端面上の位置１００ｃおよび位置１００ｄ、およびビーム取り出し口１００はビーム波面が平面でビーム径が最大となる位置になっている。すなわち、１００ｃ、１００ｄ、１００はビームの振る舞いの観点からは、第１９図の１００ａ、１００ｂに相当する位置となっており、第２０図の１１１ａ、１１１ｂが第１９図の１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに相当する位置になっている。よってレーザ発振器Ｍ４から出射されるビームおよびレーザ増幅器の出射部分１００から取り出されるレーザビームは、レーザビーム波面曲率およびビーム径の励起エネルギーに依存した変化が小さい。

なお、この実施例９においても、ビーム取り出し位置端部にあるレーザ励起部５０ａの励起エネルギーは、隣り合うビームウエスト間、１１１ａと１１１ｂの間にあるレーザ励起部５０ｄと５０ｅの励起エネルギーを合計した値の２分の１となっている。

本実施例９によれば、レーザ活性媒質に近い位置にミラーを配置したレーザ装置が構成できる。また、レーザ活性媒質４０ｃおよび４０ｄの端面にコーティングを施して全反射ミラー、部分透過ミラーとすることもできる。また、第２０図のように構成されたレーザ装置においてはミラー位置のレーザビーム径が、発振器内部の他の位置に比べて大きく設定されるため、ミラーのレーザビームによる損傷を避けることができる。そのため、Ｑパルスビーム等を発生させた場合等には、より高出力のレーザビームを用いて本発明の効果をより大きく発揮できる。第２０図には示していないが、レーザ装置内部にレンズ等のほかの光学素子を配置してもよい。また、平面ミラーを用いた場合について示しているが、実施例２と同様、曲率のついたミラーを用いてもよい。

実施例１０．
第２１図は、本発明の実施例１０によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。全反射ミラー１ａ、部分透過ミラー２ａの間にレーザ励起部５０ｃと５０ｄの２個を配置してレーザ発振器Ｍ５を構成し、レーザ発振器Ｍ５の後段にレーザ励起部５０ｅと５０ｆを対にしてレーザ増幅器Ｍ６とし、さらにその後段にレーザ励起部５０ａを配置してレーザ増幅器Ｍ７として、全体として光学系がレーザビーム光軸に沿って６ａ、６ｂ、６ａ、６ｂ、６ａと繰り返される構成となっている。このように、レーザ発振器、増幅器のレーザ励起部、およびミラーの配置構成は第１９図とほぼ同じであるが、本実施例１０では、レーザ発振器のレーザ励起部５０ｃと５０ｄの間に９０度偏光方向ローテータ１０ａを、また、レーザ励起部５０ｅと５０ｆの間に９０度偏光方向ローテータ１０ｂを配置している。

第２１図のように構成されたレーザ装置においては、レーザ発振器が９０度偏光方向ローテータを含む複レンズ解消構成として構成されているため、レーザ共振器中では、広い励起エネルギー範囲および、光学系内の光軸に沿った広い位置範囲において、動径方向ｒ偏光と周方向φ偏光で同一となる。すなわち、第２図〜第７図で示したｒ偏光とφ偏光とのビーム径やビーム波面曲率のグラフは一致することになり、広い励起エネルギーに対して安定な発振を行うことが可能であるため、本発明の効果をより大きく発揮することができる。また、直線偏光発振動作に有利な構成において、励起エネルギーに依存した変化の小さい構成を実現することが可能である。さらに、第２１図のように９０度偏光方向ローテータを配置した構成においては、ビーム取りだし位置における動径方向ｒ偏光と周方向φ偏光、両偏光方向のビームの径、ビーム波面曲率の違いが小さい位置からレーザビームを取り出しているため出力ビームの使用が容易である。

実施例１１．
第２２図は、本発明の実施例１１によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第２２図において、１ａは曲率が平面である全反射ミラー、２ａは曲率が平面である部分透過ミラーである。３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅはレーザ活性媒質励起装置であり、以下ではＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である場合について説明する。４１ａ、４１ｂ、４１ｃは材質がＮｄ：ＹＡＧであるロッド型固体レーザ活性媒質であり、レーザ活性媒質励起装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、４１ｃを端面から励起するように配置されている。２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆは、ＬＤ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅからのレーザビームに対しては全透過、固体レーザビームに対しては全反射であるようにコーティングされたレーザビーム折り返しミラーである。７は共振器内レーザビーム、７０は出射レーザビームである。

次に、実施例１１によるレーザ装置の構成を詳細に説明する。第２２図において、レーザ発振器を構成する固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂはレーザ活性媒質励起装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから出射しレーザビーム折り返しミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを通過した励起光により両端面を励起される。一方、レーザ増幅器を構成する固体レーザ活性媒質４１ｃはレーザ活性媒質励起装置３１ｅにより出射側と反対側の端面のみを励起される。レーザ活性媒質励起装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、それぞれ固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、４１ｃへのビーム入射条件、固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、４１ｃへのＬＤ光吸収率等を調整することにより、励起ＬＤパワーの固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、４１ｃへの吸収パワーが同等となるよう、設計、構成されており、固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、４１ｃはいずれも同一寸法形状、Ｎｄ原子ドープ濃度等の仕様が同一であり、それらの熱レンズ、収差も同等となっており、全反射ミラー１ａから部分透過ミラー２ａまでは周期的なビームモード形状となるカスケード型レーザ装置を形成するよう設計されている。

すなわち、全反射ミラー１ａから固体レーザ活性媒質４１ａの端面までの光学距離と部分透過ミラー２ａから固体レーザ活性媒質４１ｂの端面までの光学距離とは、固体レーザ活性媒質４１ａの端面から固体レーザ活性媒質４１ｂの端面までの光学距離の半分である。一方、固体レーザ活性媒質４１ｃは、固体レーザ活性媒質４１ｃの端面から部分透過ミラー２ａの端面までの距離が固体レーザ活性媒質４１ｂの端面から部分透過ミラー２ａの端面までの距離と同等となるよう構成されている。

また、第２２図において、１１１ａは全反射ミラー１ａの端面のビームウエスト位置を示す記号、１１１ｂは固体レーザ活性媒質４１ａと４１ｂの間にあるビームウエスト位置を示す記号、１１１ｃは部分透過ミラー２ａの位置にあるビームウエスト位置を示す記号である。ビームウエストのうち一番端にあるビームウエスト１１１ｃのさらに端側にあるレーザ活性媒質４１ｃの励起エネルギーは隣り合うビームウエスト１１１ｃと１１１ｂの間にあるレーザ活性媒質４１ｂや、他の隣り合うビームウエスト１１１ｂと１１１ａの間にあるレーザ活性媒質４１ａの励起エネルギーの半分となっており、生じる熱レンズ焦点距離は２倍となるよう構成されている。言い換えれば、レーザ発振器、レーザ増幅器構成内に形成された周期的伝播ビームモードのコリメートされたポイントがビーム取り出し口となるよう構成されている。

以下、本実施例によるレーザ装置の動作について説明する。全反射ミラー１ａ、固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂ、部分透過ミラー２ａにより構成されるレーザ発振器はレーザ活性媒質励起装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄにより固体レーザ活性媒質４１ａ、４１ｂの両端面を励起されることにより共振器内レーザビーム７を発生する。光軸上に配置された固体レーザ活性媒質４１ｃはレーザ活性媒質励起装置３１ｅに励起されることによりレーザ増幅器として機能する。レーザビーム７は部分透過ミラー２ａから共振器外へ取り出され、固体レーザ活性媒質４１ｃを通過することにより増幅され、レーザビーム７０としてレーザ発振器およびレーザ増幅器外へと取り出される。

このように構成されたレーザ発振器およびレーザ増幅器においては、固体レーザ活性媒質４１ｃの出射側端面が励起されていないため、固体レーザ活性媒質４１ｃの持つ、熱レンズ焦点距離が他のレーザ活性媒質４１ａ、４１ｂの熱レンズ焦点距離より長くなり、レーザ装置のビーム径、およびビーム曲率のレーザ装置励起強度に依存した変化を小さくすることが可能である。さらに、レーザ活性媒質励起装置３１ｅの固体レーザ活性媒質吸収励起パワーとレーザ活性媒質励起装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄそれぞれからの固体レーザ活性媒質吸収励起パワーが同じであるとき、本発明は最も大きな効果を発揮する。その際、レーザ装置の励起強度に依存せず周期的なビーム伝播のコリメートされたポイントからビームを取り出すことになるため、ほぼコリメートしたビームを励起強度に依存せず、取り出すことが可能である。

以上、実施例１〜１１はいずれも、複数のレーザ励起部をカスケードに配置し、レーザ活性媒質の熱レンズにより周期的にビームウエストが生じるように構成して、最も入射側あるいは出射側にあるビームウエストよりも端側に配置されたレーザ励起部の励起エネルギーを、隣り合うビームウエスト間にある励起部の励起エネルギーの合計の２分の１とすることにより、入射端あるいは出射端がレーザビームのビーム径が最大になる位置に構成している。これにより、励起エネルギーを変化させてもビーム径およびビーム波面曲率の変化が少ない出力ビームが得られるレーザ装置を提供でき、あるいは、励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードを崩さず伝播できる増幅器を提供できる。

実施例１２
第２３図は本発明の実施例１２によるレーザ装置を示す構成図である。第２３図において、１１は出射ビーム波面曲率および出射ビーム径の励起エネルギーに依存する変化が小さくなるよう構成したレーザ装置であり、実施例１〜１１の何れかに示したレーザ装置である。７０はレーザ装置１１から発生したレーザビーム、８ｇ、８ｈはレンズ、１２は波長変換素子であり、温度を調整する装置や、角度を調整する装置等の位相整合を行わせる手段が設けてある。１３は波長変換レーザビームに対して透過率が高く、基本波レーザビームに対して反射率の高いレーザビームスプリッターミラー、１４は波長変換レーザビーム、１５は波長変換素子通過後に波長変換されなかった基本波レーザビームである。

第２３図のように構成されたものにおいて、本発明のレーザ装置１１から発生したレーザビーム７０はレンズ８ｇによって波長変換素子１２において集光され一部が波長変換される。波長変換レーザビームと基本波ビームはレンズ８ｈによってコリメートされた後、レーザビームスプリッターミラー１３において波長変換レーザビーム１４と基本波レーザビーム１５に分離される。

このように構成されたレーザ装置においては、波長変換するための基本波光源として実施例１〜１１の何れかに示した本発明のレーザ装置を用いているため、レーザ光源１１からの出射ビームのビーム径、波面曲率の励起エネルギーに依存した変化が少ない。その結果、広い励起エネルギー範囲、すなわち広い出力範囲で高い変換効率を持つレーザ装置を提供することができる。また、波長変換レーザビームのビーム波面曲率、ビーム径は、波長変換活性媒質位置の基本波ビームのビーム径、ビーム波面曲率の変化に依存して変化するため、レーザ装置１１の励起エネルギー変化に対する波長変換レーザビームのビーム径、ビーム波面曲率変化の少ない波長変換レーザビーム光源を提供できる。

なお、本実施例においては、単一の波長変換を経て、所望の波長変換レーザビームを発生させる構成としているが、必要に応じて、２種類以上もしくは２個以上の波長変換素子を光路上に設けて、波長変換を行ってもよい。

実施例１３．
第２４図は本発明の実施例１３によるレーザ装置を示す構成図である。第２４図において、１１は出射ビームパラメータの変化が小さくなるよう構成されたレーザ装置であり、実施例１〜１１の何れかに示したレーザ装置、７０はレーザ装置１１から発生したレーザビーム、１６は光ファイバー、７２は光ファイバー１６からの出射ビーム、８ｈは集光レンズである。

第２４図に示したレーザ装置の動作について説明する。レーザ光源１１から発生したレーザビーム７０は集光レンズ８ｈによって集光され、光ファイバー１６中に導光され、出力ビーム７２として取り出される。第２４図に示したレーザ装置においては、広い励起エネルギー範囲でビーム波面曲率、ビーム径の変化の少ないレーザビームを光ファイバーに導光したため、導光条件の変化の少ない光ファイバー導光が可能である。したがって、導光系の設計、配置が容易である。

実施例１４．
第２５図は本発明の実施例１４によるレーザ加工装置を示す構成図である。第２５図において、１１は出射ビームパラメータの励起エネルギーに依存した変化が小さくなるよう構成したレーザ装置であり、実施例１〜１１の何れかに示したレーザ装置である。７０はレーザ装置１１からの出射レーザビーム、８ｉは集光レンズ、１７はアパーチャ、１８はレーザビーム折り返しミラー、１９ａ、１９ｂはレーザビームの方向を高速に変化させることが可能なガルバノミラー、２０は加工レンズ、２１は加工対象物であり、高速で加工対象物２１を移動可能なステージ２２に装着されている。

第２５図のように構成されたレーザ加工装置においては、レーザ装置１１から発生したレーザビーム７０の、励起エネルギーに依存したビーム波面曲率およびビーム径変化が小さいため、レーザ装置１１の広い励起エネルギー範囲において、すなわち、広い出力範囲においてレーザビームパラメータの変化の小さいレーザ加工装置を提供することができる。また、本実施例のように、アパーチャや、ホモジナイザー、非球面レンズ等のビーム断面内の位置に依存した変調をレーザビームに施す装置をビーム光軸上に配置した場合、本発明の効果は大きく発揮される。

本発明によるレーザ装置は、例えばレーザ加工機に用いることができ、このようなレーザ加工機は、長期間安定に精度良く均一な加工ができるので、例えば、プリント基板の製造やファイバグレーティングの製造など種々の加工において有利に使用することができる。さらに、本発明のレーザ装置は励起強度に依存した出力レーザビーム径の変化が小さいため、集光してレーザビームを用いる用途において特にその効果が大きい。例をあげると、集光を伴う光ファイバー導光を利用する溶接用レーザや切断用レーザ、あるいは集光を伴う波長変換レーザ等である。これらの用途においては、励起強度に依存せず、安定した加工特性を得ることができるため、操作が容易になり、また、同一機種の部品のばらつきに起因する特性のばらつきも抑えることができる。

第１図は本発明の実施例１によるレーザ装置の概略構成図、第２図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第３図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第４図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第５図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第６図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第７図は本発明の実施例１によるレーザ装置の動作を説明する図、第８図は本発明の実施例１によるレーザ装置のばらつき、ずれに対する裕度を説明する図、第９図は本発明の実施例１によるレーザ装置のばらつき、ずれに対する裕度を説明する図、第１０図は本発明の実施例１によるレーザ装置の要部拡大図、第１１図は本発明の実施例２によるレーザ装置の構成の要部拡大図、第１２図は本発明の実施例３によるレーザ装置の概略構成図、第１３図は本発明の実施例３によるレーザ装置の動作を説明する図、第１４図は本発明の実施例３によるレーザ装置の動作を説明する図、第１５図は本発明の実施例４によるレーザ装置の概略構成図、第１６図は本発明の実施例５によるレーザ装置の概略構成図、第１７図は本発明の実施例６によるレーザ装置の概略構成図、第１８図は本発明の実施例７によるレーザ装置の概略構成図、第１９図は本発明の実施例８によるレーザ装置の概略構成図、第２０図は本発明の実施例９によるレーザ装置の概略構成図、第２１図は本発明の実施例１０によるレーザ装置の概略構成図、第２２図は本発明の実施例１１によるレーザ装置の概略構成図、第２３図は本発明の実施例１２によるレーザ装置の概略構成図、第２４図は本発明の実施例１３によるレーザ装置の概略構成図、第２５図は本発明の実施例１４によるレーザ加工装置の概略構成図、第２６図は従来のレーザ装置の概略構成図である。

Claims (7)

1. 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１であり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１であることを特徴とするレーザ装置。
2. 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１であることを特徴とするレーザ装置。
3. 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１であり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略２倍となるよう、前記複数のレーザ活性媒質を励起することを特徴とするレーザ装置。
4. 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略２倍となるよう、前期複数のレーザ活性媒質を励起することを特徴とするレーザ装置。
5. 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームに一つのビームウエストが生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第１のレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第２のレーザ活性媒質の励起部分の長さの略２分の１であり、前記第１のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第２のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１であることを特徴とするレーザ装置。
6. 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームに一つのビームウエストが生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第１のレーザ活性媒質の長さは前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第２のレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記第１のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第２のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１であることを特徴とするレーザ装置。
7. 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記レーザ活性媒質はその端面を励起するように構成されており、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質は一方の端面のみが励起され、前記複数のビームウエストのうち隣り合う２つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質は両端面が励起され、前記一方の端面のみ励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記両端面が励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーの略２分の１であることを特徴とするレーザ装置。

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