JP4473617B2 - 固体レーザ媒質の励起分布を制御する装置および方法 - Google Patents

Description

この発明は、固体レーザシステムで使用される固体レーザ媒質の励起分布の制御に関する。

近年、ＬＤ励起の固体レーザが注目されている。ＬＤ励起の場合、フラッシュランプ励起と異なり、レーザ媒質の吸収波長に励起光の波長をマッチングさせることができる。このため、レーザ媒質中で発生する熱が低減され、レーザ効率が改善される。

ＬＤ励起固体レーザの出力を高めるためには、レーザ媒質への励起光の照射面積を大きくすればよい。そこで、一列に並べた複数のレーザアレイユニットを有するレーザアレイモジュールが励起光源として公開されている。個々のレーザアレイユニットでは、一列に並んだ複数のＬＤを有するＬＤバーパッケージが複数、積み重ねられている。各ＬＤバーパッケージには、ＬＤを冷却するためのヒートシンクが取り付けられる（非特許文献１を参照）。

固体レーザシステムの設計では、レーザ媒質中で発生する熱効果（例えば、熱レンズ効果や熱複屈折効果）の補償が大きな課題となっている。熱効果はレーザ光のビーム品質を著しく低下させるからである。熱効果によってレーザ光のビームパターンが劣化すると、光学部品に損傷を与えるおそれがある。また、レーザ光の集光特性も劣化するため、システム内に配置されたスペーシャルフィルタのピンホールをレーザ光が通過しにくくなり、その結果、出力パワーが低下してしまう。

このような背景から、固体レーザシステムにおいてスラブ型レーザ媒質への励起用ビームの照射角度を調整し、レーザ媒質中の熱レンズ効果を削減する手法が公開されている（特許文献１を参照）。
特開２００３−７８１９４号 Toshiyuki Kawashimaほか、「慣性核融合エネルギーレーザドライバ用の疑似ＣＷ１１０ｋＷ ＡｌＧａＡｓレーザダイオードアレイモジュール（Quasi-CW 110kW AlGaAs Laser Diode Array Module for Inertial Fusion Energy Laser Driver）」、Japan Journal of Applied Physics、日本応用物理学会、２００１年１２月、第４０巻、第１部、第１２号、６８５２〜６８５８頁

本発明者らは、大出力の固体レーザシステムを開発するにあたり、複数のレーザアレイモジュールを積み重ねた励起光源の使用を検討している。しかし、特許文献１の手法は、多数の単位光源を積み重ねる構成には適さない。特許文献１の手法では、すべての単位光源からの励起光がレーザ媒質に照射され、なおかつ個々の単位光源を回転できるように単位光源を配置する必要がある。このため、多数の単位光源を積み重ねる場合には、これらの単位光源をレーザ媒質を中心として扇形に配置する必要がある。しかし、このような配置では、積み重ねられる単位光源の数が自ずと制限されてしまうので、多数の単位光源を積み重ねて使用することは難しい。

そこで、本発明は、多数の単位光源を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも固体レーザ媒質の励起分布を適切に制御して熱効果を削減できる装置および方法を提供することを課題とする。

本発明の一つの側面は、固体レーザ媒質の励起分布を制御する装置に関する。この装置は、励起光が照射されることにより励起され、所定波長の光を誘導放出することの可能な固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、励起光源を移動させて固体レーザ媒質および励起光源間の距離を変更することの可能な移動装置と、固体レーザ媒質の励起分布を測定する測定部と、測定部によって測定された励起分布に応じて移動装置を駆動し、固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整することにより、固体レーザ媒質の励起分布を制御する制御部とを備え、固体レーザ媒質は、第１および第２の端面と、それらの端面間を延在する長尺の上面および底面と、上面および底面の間で第１および第２の端面の一方から他方まで延在する二つの側面とを有し、かつ上面、底面および二つの側面に平行な方向に沿った長さと、上面および底面に垂直な方向に沿った高さと、二つの側面に垂直な方向に沿った厚さとを有するスラブ形状の媒質であり、励起光源は、固体レーザ媒質の高さ方向に沿って積み重ねられた第１および第２の単位光源を含んでおり、測定部は、励起光源から励起光が照射されているときに固体レーザ媒質の第１または第２の端面から発する自然放出光の画像を取得する撮像装置を有しており、励起分布を固体レーザ媒質の厚さ方向及び高さ方向における二次元分布として測定し、制御部は、画像を用いて固体レーザ媒質の高さ方向における自然放出光の輝度分布を求め、その輝度分布において第１および第２の単位光源の発光にそれぞれ対応する二つのピーク間に位置する谷の深さが最小となるように移動装置を駆動する。

励起光源において複数の単位光源が積み重ねられている場合、固体レーザ媒質に照射される励起光の強度分布は、固体レーザ媒質および励起光源間の距離に依存する。したがって、この距離を調整することにより、固体レーザ媒質の励起分布を制御することができる。この距離の調整は、積み重ねられる単位光源の数に影響されずに行うことができる。したがって、多数の単位光源を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも、固体レーザ媒質の励起分布を適切に制御し、熱効果を削減することができる。

固体レーザ媒質の端面から発する自然放出光の強度分布は、固体レーザ媒質の厚さ方向および高さ方向における励起分布を反映する。上記の谷が深いほど、各単位光源からの励起光が分離しており、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の不均一性が高くなる。したがって、谷の深さが最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

測定部は、第１の端面を通じて固体レーザ媒質に入射しジグザグ光路上を伝搬して第２の端面から出射する上記所定波長の光を集光する集光装置と、集光装置によって集光された光のビームパターンの画像を取得する撮像装置とを有していてもよい。制御部は、励起光が固体レーザ媒質に照射されているときの上記ビームパターンの面積を算出し、その面積が最小となるように移動装置を駆動してもよい。

励起光が固体レーザ媒質に照射されているとき、ジグザグ光路上を伝搬する光は固体レーザ媒質内で発した熱から熱効果を受ける。このため、この光の集光性は固体レーザ媒質の励起分布に依存する。したがって、集光装置によって集光されたこの光のビームパターンは、固体レーザ媒質の励起分布を反映する。ビームパターンの面積が大きいほど、集光性は良くない。したがって、ビームパターンの面積が最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

測定部は、検査光を発する検査光源と、検査光を第１および第２の光に分岐し、第１の光を第１の端面を通じて固体レーザ媒質に入射させジグザグ光路上を伝搬させて第２の端面から出射させ、第２の光と干渉させて、固体レーザ媒質の厚さ方向および高さ方向に沿った矩形状のパターンを有する干渉縞を生成する干渉光学系と、干渉縞の画像を取得する撮像装置とを有していてもよい。制御部は、励起光が固体レーザ媒質に照射されているときに取得された干渉縞の画像内において固体レーザ媒質の高さ方向に平行な基準線を設定し、その基準線上における画像の輝度の振動回数を計数し、その振動回数が最小となるように移動装置を駆動してもよい。

干渉縞は、ジグザグ光路に沿った固体レーザ媒質の屈折率分布を反映する。この屈折率分布は、固体レーザ媒質への励起光の照射によって形成される。したがって、干渉縞のパターンは、固体レーザ媒質の励起分布を反映する。干渉縞画像の輝度の上記基準線上における振動回数が多いほど、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の不均一性が高い。したがって、振動回数が最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

制御部は、振動回数を計数する前に、励起光が固体レーザ媒質に照射されていないときに取得される干渉縞の画像が固体レーザ媒質の高さ方向に実質的に平行な明線を有するように干渉光学系を調整してもよい。

本発明の別の側面は、励起光源から励起光が照射されることにより励起され、所定波長の光を誘導放出することの可能な固体レーザ媒質の励起分布を制御する方法に関する。この方法は、固体レーザ媒質の励起分布を測定する測定ステップと、測定された励起分布に応じて励起光源を移動させ、固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整する距離調整ステップとを備え、固体レーザ媒質は、第１および第２の端面と、それらの端面間を延在する長尺の上面および底面と、上面および底面の間で第１および第２の端面の一方から他方まで延在する二つの側面とを有し、かつ上面、底面および二つの側面に平行な方向に沿った長さと、上面および底面に垂直な方向に沿った高さと、二つの側面に垂直な方向に沿った厚さとを有するスラブ形状の媒質であり、励起光源は、固体レーザ媒質の高さ方向に沿って積み重ねられた第１および第２の単位光源を含んでおり、測定ステップでは、励起光源から励起光が照射されているときに固体レーザ媒質の第１または第２の端面から発する自然放出光の画像を取得することにより、励起分布を固体レーザ媒質の厚さ方向及び高さ方向における二次元分布として測定し、距離調整ステップでは、画像を用いて固体レーザ媒質の高さ方向における自然放出光の強度分布を求め、その強度分布において第１および第２の単位光源の発光にそれぞれ対応する二つのピーク間に位置する谷の深さが最小となるように距離を調整する。

励起光源において複数の単位光源が積み重ねられている場合、固体レーザ媒質に照射される励起光の強度分布は、固体レーザ媒質および励起光源間の距離に依存する。したがって、この距離を調整することにより、固体レーザ媒質の励起分布を制御することができる。この距離の調整は、積み重ねられる単位光源の数に影響されずに行うことができる。したがって、多数の単位光源を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも、固体レーザ媒質の励起分布を適切に制御し、熱効果を削減することができる。

固体レーザ媒質の端面から発する自然放出光の強度分布は、固体レーザ媒質の厚さ方向および高さ方向における励起分布を反映する。上記の谷が深いほど、各単位光源からの励起光が分離しており、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の不均一性が高くなる。したがって、谷の深さが最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

測定ステップは、励起光が固体レーザ媒質に照射されているときに第１の端面を通じて固体レーザ媒質に入射しジグザグ光路上を伝搬して第２の端面から出射する上記所定波長の光を集光し、その集光された光のビームパターンの画像を取得してもよい。距離調整ステップは、そのビームパターンの面積を算出し、その面積が最小となるように距離を調整してもよい。

励起光が固体レーザ媒質に照射されているとき、ジグザグ光路上を伝搬する光は固体レーザ媒質内で発した熱から熱効果を受ける。このため、この光の集光性は固体レーザ媒質の励起分布に依存する。したがって、集光されたこの光のビームパターンは、固体レーザ媒質の励起分布を反映する。ビームパターンの面積が大きいほど、集光性は良くない。したがって、ビームパターンの面積が最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

測定ステップは、所定の検査光源から発する検査光を第１および第２の光に分岐し、第１の光を固体レーザ媒質の第１の端面に入射させジグザグ光路上を伝搬させて第２の端面から出射させ、第２の光と干渉させて、固体レーザ媒質の厚さ方向および高さ方向に沿った矩形状のパターンを有する干渉縞を生成し、その干渉縞の画像を取得してもよい。距離調整ステップは、励起光が固体レーザ媒質に照射されているときに取得された干渉縞の画像内において固体レーザ媒質の高さ方向に平行な基準線を設定し、その基準線上における画像の輝度の振動回数を計数し、その振動回数が最小となるように距離を調整してもよい。

干渉縞は、ジグザグ光路に沿った固体レーザ媒質の温度分布を反映する。この温度分布は、固体レーザ媒質への励起光の照射によって形成される。したがって、干渉縞のパターンは、固体レーザ媒質の励起分布を反映する。干渉縞画像の輝度の上記基準線上における振動回数が多いほど、レーザ媒質の高さ方向における励起分布の不均一性が高い。したがって、振動回数が最小となるように固体レーザ媒質および励起光源間の距離を調整すれば、固体レーザ媒質の高さ方向における励起分布の均一性が高まり、熱効果が削減される。

測定ステップは、干渉光学系を用いて干渉縞を生成してもよい。この励起分布制御方法は、距離調整ステップの前に、励起光が固体レーザ媒質に照射されていないときに取得される干渉縞の画像が固体レーザ媒質の高さ方向に実質的に平行な明線を有するように干渉光学系を調整するステップをさらに備えていてもよい。

本発明によれば、多数の単位光源を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも固体レーザ媒質の励起分布を適切に制御でき、それによって熱効果を補償できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）図１は、本実施形態の励起分布制御装置を含むＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）システムの構成図である。ＭＯＰＡシステム１は、励起分布制御装置１０に加えて、レーザ光源１１、前置増幅器１２、ビームエクスパンダ１３、光学マスク１４、スペーシャルフィルタ１５、ファラデーローテータ１６、主増幅器１７、スペーシャルフィルタ１８およびポラライザ１９を備える。ＭＯＰＡシステム１は、レーザ光源１１から発するレーザ光を増幅して出力する。

レーザ光源１１は、被増幅レーザ光を発するマスター発振器である。レーザ光源１１から発するレーザ光は、前置増幅器１２および主増幅器１７それぞれにおいて増幅され得る波長を有する。レーザ光源１１は、例えば、ダイオード励起のＮｄ：ＹＬＦレーザ装置である。このレーザ装置は、連続発振のレーザダイオードを用いてＮｄ：ＹＬＦレーザ媒質を励起し、シード光をＱスイッチ増幅して、エネルギー１ｍＪ、ビーム直径１ｍｍおよび波長１．０５３μｍのレーザ光を生成する。

前置増幅器１２は、レーザ光源１１から発した被増幅光を受け取り、３００ｍＪまで増幅する。前置増幅器１２から出射した光は、ミラー２１によって反射され、ビームエクスパンダ１３へ送られる。ビームエクスパンダ１３は、この光のビーム径を拡大し、ミラー２２に向けて出射する。この光は、ミラー２２によって反射され、光学マスク１４に向かう。光学マスク１４は、ビーム整形用の開口を有している。ビームエクスパンダ１３によって拡大された光がこの開口を通過することにより、その光の空間分布形状が矩形状に整形される。

スペーシャルフィルタ１５は、レンズ１５ａ、レンズ１５ｂおよびピンホール板１５ｃを有している。同様に、スペーシャルフィルタ１８は、レンズ１８ａ、レンズ１８ｂおよびピンホール板１８ｃを有している。レンズ１５ａおよびレンズ１５ｂはケプラ型逆望遠系の共焦点光学系を構成しており、レンズ１８ａおよびレンズ１８ｂもケプラ型逆望遠系の共焦点光学系を構成している。これらの共焦点光学系は、光学マスク１４によって形成された被増幅光の横断面のパターン（ビームパターン）を光学像として転送する。本実施形態では、４往復で合計８回の増幅転送が行われる。光学マスク１４によって形成されたビームパターンを繰り返し転送することで、回折を起こすことなく被増幅光が伝搬する。

ピンホール１５ｃは、レンズ１５ａとレンズ１５ｂとの間の焦点位置にあり、ピンホール板１８ｃは、レンズ１８ａとレンズ１８ｂとの間の焦点位置にある。これらピンホール板１５ｃおよび１８ｃは、空間的な高調波成分を除去するために設けられている。ピンホール板１５ｃおよび１８ｃは被増幅レーザ光の集光位置に設けられるため、耐熱衝撃抵抗が大きく硬度が高い材料からなることが望ましい。このような材料としてはセラミックスを挙げることができ、そのうちでも特にアルミナ、窒化珪素、窒化炭素もしくは窒化ボロン、またはこれらの混合物が好ましい。ピンホール板１５ｃおよび１８ｃそれぞれの開口の形状は、光学マスク１４の開口の形状をフーリエ変換した形状と略相似形であるのが好適である。

主増幅器１７は、固体レーザ媒質３１と、固体レーザ媒質３１を挟むように配置された一対の励起光源３２を有する。各励起光源３２は、励起光を生成して固体レーザ媒質３１に照射し、固体レーザ媒質３１を励起する。以下では、主増幅器１７の構成を詳細に説明する。

固体レーザ媒質３１は、励起光の照射に応じて反転分布を形成し、特定の波長の光を誘導放出することができる。レーザ光源１１から発する被増幅光は、固体レーザ媒質３１が誘導放出可能な波長を有している。本実施形態では、固体レーザ媒質３１は、長尺のスラブ形状を有するＮｄ添加ガラスである。

図５に示されるように、固体レーザ媒質３１は、端面３１ａおよび３１ｂ、長尺の上面３１ｃおよび底面３１ｄ、ならびに長尺の側面３１ｅおよび３１ｆを有する平行六面体である。互いに平行な端面３１ａおよび３１ｂを通じて固体レーザ媒質３１に被増幅光７０が入射し、あるいは固体レーザ媒質３１から被増幅光７０が出射する。固体レーザ媒質３１の端面３１ａおよび端面３１ｂそれぞれには、反射低減膜が設けられている。上面３１ｃおよび底面３１ｄは、端面３１ａおよび３１ｂ間を互いに平行に延在する。側面３１ｅおよび３１ｆは、上面３１ｃおよび底面３１ｄの間で端面３１ａから端面３１ｂまで互いに平行に延在する。固体レーザ媒質３１は、上面３１ｃ、底面３１ｄ、および二つの側面３１ｅ、３１ｆに平行な方向に沿った長さを有する。また、固体レーザ媒質３１は、上面３１ｃおよび底面３１ｄに実質的に垂直な方向に沿った高さと、側面３１ｅおよび３１に実質的に垂直な方向に沿った厚さを有する。なお、図面に示されるＸ、ＹおよびＺ軸は、それぞれ固体レーザ媒質３１の長さ方向、厚さ方向および高さ方向を示している。

被増幅光７０は、固体レーザ媒質３１の端面３１ａまたは３１ｂに対して斜めに入射し、固体レーザ媒質３１の側面３１ｅおよび３１ｆで繰り返し反射されながら固体レーザ媒質３１内のジグザグ光路上を進行する。このジグザグ光路は、固体レーザ媒質３１の上面３１ｃおよび底面３１ｄに対して実質的に平行に延びている。また、ジグザグ光路は、固体レーザ媒質３１の厚さの中心線に対して実質的に対称な形状を有している。被増幅光７０がジグザグ光路に沿って伝搬する間、固体レーザ媒質３１内の励起分布（Pump Profile）に応じて誘導放出が生じ、被増幅光７０が増幅される。この励起分布は、励起光の強度分布に応じて形成される。

以下では、図２および図３を参照しながら、励起光源３２を詳細に説明する。図２は励起光源３２の拡大平面図であり、図３（ａ）および（ｂ）は励起光源３２の正面図および背面図である。図３に示されるように、各励起光源３２は、積層された二つのレーザアレイモジュール３３を有する。各レーザアレイモジュール３３では、複数のレーザアレイユニット３４が固体レーザ媒質３１の長さ方向（Ｘ方向）に沿って一次元的に配列されている。各レーザアレイユニット３４は、複数のＬＤバーパッケージと、それらのＬＤバーパッケージに取り付けられたヒートシンクを有する。さらに、図３（ｂ）に示されるように、レーザアレイユニット３４は、ＬＤバーパッケージの陽極および陰極にそれぞれ電気的に接続された引出電極３６および３７を有する。

各ＬＤバーパッケージは、金属製の放熱板上にＬＤバーが搭載された構造を有する。ＬＤバーは、ある方向（図３ではＺ方向）に沿って一次元的に配列された複数のＬＤ（レーザダイオード）を含むレーザアレイであり、したがって、一列に並んだ複数のレーザ発光スポットを有する。本実施形態では、複数のＬＤがモノリシックに集積されたＬＤバーを使用する。このようなＬＤバーでは、通常、活性層や電極を複数のストライプに分割して並列に配置することにより、複数のストライプ導波路が設けられている。なお、本発明では、このような構造のＬＤバーに代えて、独立した複数のＬＤチップを一列に並べた構造のＬＤバーを使用することもできる。

各レーザアレイユニット３４では、複数のＬＤバーパッケージがＬＤの配列方向と垂直な方向（図１ではＸ方向）に積み重ねられている。つまり、レーザアレイユニット３４は、マトリックス状に二次元配列された複数のＬＤおよびレーザ発光スポットを有するレーザアレイである。各ＬＤバーパッケージの発光面が集合して構成される略長方形の領域がレーザアレイユニット３４の発光部３４ａである。励起光源３２では、複数の発光部３４ａがほぼ一平面を成すように配置されている。励起光源３２は、これらの発光部３４ａが固体レーザ媒質３１の側面３１ｅまたは３１ｆと向き合うように配置されている。

これらのレーザアレイユニット３４の後部には、冷却マニホールドが取り付けられる。冷却マニホールドは、レーザアレイユニット３４のヒートシンク内の流路に冷媒を供給し、レーザアレイユニット３４を冷却する。レーザアレイユニット３４と冷却マニホールドは、ハウジング３８および３９に収納されている。

図２に示されるように、励起光源３２には、レーザアレイユニット３４をＹ方向に沿って前後に移動させるためのアクチュエータ４０が取り付けられている。アクチュエータ４０の構造については後述する。

一般に、ＬＤに対しては、速軸（Fast Axis）および遅軸（Slow Axis）が定義される。速軸はＬＤのｐｎ接合面に対して垂直であり、遅軸はｐｎ接合面に対して平行である。ＬＤから放射されるレーザ光の速軸方向の拡がり角は、遅軸方向の拡がり角よりも大きい。

各レーザアレイユニット３４に含まれるすべてのＬＤは、互いの速軸および遅軸の向きを揃えて配列されている。固体レーザ媒質３１はＸ方向に沿って長尺なので、固体レーザ媒質３１に対する励起光の照射面積を拡大するためには、固体レーザ媒質３１の長さ方向（Ｘ方向）に沿ってレーザアレイユニット３４を配列することが好ましい。また、各レーザアレイユニット３４は、速軸方向を固体レーザ媒質３１の長さ方向に合致させて配置することが好ましい。これはＬＤ光の速軸方向の拡がり角が遅軸方向の拡がり角に比べて大きいことに起因する。つまり、速軸方向を固体レーザ媒質３１の長さ方向に合致させれば、レーザ光の速軸方向における大きな拡がりを補正する必要がなくなるからである。以上の理由から、本実施形態では、レーザアレイユニット３４の速軸方向がＸ方向に合致し、遅軸方向がＺ方向に合致するように励起光源３２が配置されている。

図４は、主増幅器１７の横断面図である。この図は、固体レーザ媒質３１の長さ方向に垂直な断面を示している。

主増幅器１７は、前述した固体レーザ媒質３１、励起光源３２、ハウジング３８および３９に加えて、媒質収納部８０を有する。媒質収納部８０は、固体レーザ媒質３１を内部に収納する。媒質収納部８０の内部には冷媒流路８０ａも設けられている。外部から供給される冷却水が冷媒流路８０ａを流れると、固体レーザ媒質３１が冷却される。媒質収納部８０の内部には、固体レーザ媒質３１を挟んで一対のウィンドウ３５が互いに平行に配置されている。各ウィンドウ３５は透明な平板である。これらのウィンドウ３５は、固体レーザ媒質３１の側面３１ｅおよび３１ｆに平行である。励起光源３２は、ウィンドウ３５越しに固体レーザ媒質３１と向き合うように配置されている。

ハウジング３８および３９は、励起光源３２を内部に収納している。ハウジング３８の先端には開口３８ａが設けられている。励起光源３２から発した励起光は、開口３８ａおよびウィンドウ３５を通過して固体レーザ媒質３１に照射される。これに応じて、固体レーザ媒質３１に含まれる活性元素が励起される。その後、所定波長の光が固体レーザ媒質３１に入射すると誘導放出が生じて、その入射光が増幅される。ハウジング３９は、積層されたレーザアレイユニット３４および冷却マニホールド３６を上下から挟んで保持している。冷却マニホールド３６の内部には、図示しない冷媒流路が設けられている。

再び図１を参照する。ミラー２３から固体レーザ媒質３１の端面３１ａに入射した被増幅光は、固体レーザ媒質３１内を伝播しながら増幅され、その後、端面３１ｂから出射してミラー２４へ向かう。この光は、ミラー２４で反射され、スペーシャルフィルタ１８を通過し、ミラー２７および２８によって反射されてミラー２５へ向かう。ミラー２５によって反射されて固体レーザ媒質３１の端面３１ｂに入射した被増幅光は、固体レーザ媒質３１内を伝播しながら増幅され、その後、端面３１ａから出射してミラー２６へ向かう。この光はミラー２６によって反射され、ファラデーローテータ１６へ向かう。

ファラデーローテータ１６は、スペーシャルフィルタ１５とミラー２６との間の光路上に配置されている。ファラデーローテータ１６は、入射光の偏光面を回転させる光学部品である。本実施形態では、ファラデーローテータ１６は４５度の回転角を有している。ファラデーローテータ１６は熱複屈折の補償も行う。

ポラライザ１９は、ミラー２３からスペーシャルフィルタ１５を通過した光のうち特定方位の偏光成分を選択的に反射する。この反射光がＭＯＰＡシステム１の出力光である。

このＭＯＰＡシステム１は以下のように動作する。レーザ光源１１から出力された被増幅光は、前置増幅器１２により増幅され、ビームエクスパンダ１３によりビーム径が拡大されて、光学マスク１４に入力する。この光学マスク１４によりビーム断面形状が矩形状とされた光は、スペーシャルフィルタ１５、ミラー２３、主増幅器１７、ミラー２４、スペーシャルフィルタ１８、ミラー２７、ミラー２８、スペーシャルフィルタ１８、ミラー２５、主増幅器１７、ミラー２６、ファラデーローテータ１６およびスペーシャルフィルタ１５を順に経て、ミラー２９に到達する。ミラー２９によって反射された光は、光学マスク１４からミラー２９に到るまでの光路を逆向きに進行してポラライザ１９に到達する。以下では、光学マスク１４からミラー２９に到るまでの光路を「往路」、ミラー２９からポラライザ１９に到るまでの光路を「復路」と呼ぶことにする。

被増幅光は、往路および復路を進行するとき、回転角４５度のファラデーローテータ１６を２回通過する。したがって、合計で９０度だけ光の偏光面が回転する。したがって、復路を進行してポラライザ１９に到達した光はポラライザ１９により反射される。この反射光がＭＯＰＡシステム１の出力光である。

被増幅光が往路および復路を進行するとき、光学マスク１４の位置における被増幅光のビームパターンは、スペーシャルフィルタ１５および１８によって８回転送される。このとき、スペーシャルフィルタ１５および１８内のピンホール板１５ｃおよび１８ｃによって、熱歪み等による空間的な高調波成分が除去され、したがってスパイクノイズが除去される。この結果、被増幅光がＭＯＰＡシステム１中の光学部品に与える損傷を低減できる。

往路および復路を通過する間に、被増幅光は主増幅器１７を４回通過する。被増幅光は励起光源３２によって励起された固体レーザ媒質３１中を通過し、誘導放出を引き起こす。こうして、被増幅光は主増幅器１７を通過するたびに増幅される。固体レーザ媒質３１に照射される励起光の全エネルギーは４８Ｊであり、励起効率は０．５である。このとき、ポラライザ１９を通じて放射される出力光のエネルギーは１０Ｊである。

本実施形態のＭＯＰＡシステム１には、固体レーザ媒質３１の励起分布を制御する装置１０が設置されている。これは、固体レーザ媒質３１の不適切な励起分布によって引き起こされる問題点を解消するためである。以下では、図５〜図７を参照しながら、この問題点を説明する。

図５は、固体レーザ媒質３１内を伝搬する被増幅光７０を模式的に示す図である。図５に示されるように、被増幅光７０は固体レーザ媒質３１内をジグザグに進行する。固体レーザ媒質３１の側面３１ｅおよび３１ｆには、励起光源３２から固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）に沿って励起光が照射されている。これにより固体レーザ媒質３１は励起され、自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光を発するようになる。図５の符号７１は、固体レーザ媒質３１の端面から出射するＡＳＥ光のパターンを模式的に示している。ＡＳＥパターン７１は、ＡＳＥ光ビームの横断面における強度分布を示しており、固体レーザ媒質３１の励起分布を反映する。図５のＡＳＥパターン７１は、固体レーザ媒質３１の長さ方向（Ｘ方向）に実質的に垂直な横断面に沿ってとられている。ＡＳＥパターン７１は、異なる強度の領域７１ａ〜７１ｄを有する。これらの領域は、領域７１ａ、７１ｂ、７１ｃおよび７１ｄの順に高い強度を有している。強度の高い領域ほど、励起強度が高いことになる。励起強度は、固体レーザ媒質３１に照射される励起光の強度分布に対応している。

上述のように、励起光源３２は、二つのレーザアレイモジュール３３が固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に沿って積層された構造を有する。上下のレーザアレイモジュール３３に含まれる発光部３４ａの間には、通常、１ｍｍ以上の間隔があく。この間隔が原因で、固体レーザ媒質３１には、高さ方向に沿って不均一な励起分布が生じることがある。上下のレーザアレイモジュール３３から発した励起光は、それぞれＺ方向に拡散しながら固体レーザ媒質３１に向かって進行する。したがって、固体レーザ媒質３１に照射される励起光の強度分布、そして固体レーザ媒質３１の励起分布は、固体レーザ媒質３１と励起光源３２との距離に応じて変化する。この距離が近すぎると、上下のレーザアレイモジュール３３からの励起光がＺ方向に分離されて固体レーザ媒質３１に照射される。その結果、ＡＳＥパターン７１に示されるように、比較的強度の高い領域７１ｂ中に、比較的強度の低い領域７１ｃが生じ、領域７１ｂを分断するように延びる。また、ＡＳＥパターン７１の上部および下部に、それぞれ二つの高強度の領域７１ａがＹ方向に並んで現れる。

励起強度のより高い領域には、より高い強度の励起光が照射されている。そのため、励起強度の高い領域はそれだけ発熱も大きく、したがって高い温度を有する。固体レーザ媒質３１内で発した熱は、被増幅光７０に対して熱レンズ効果や熱複屈折効果などの熱効果を及ぼすことがある。

図６（ａ）および（ｂ）は、図５に示されるＡＳＥパターン７１に対応するＹ方向およびＺ方向の励起分布をそれぞれ示している。これらの図に示されるように、双方の励起分布において二つのピークが現れている。上述のように被増幅光７０はＸＹ平面に平行なジグザグ光路に沿って固体レーザ媒質３１内を伝搬するため、Ｙ方向励起分布の全体から影響を受ける。したがって、Ｙ方向励起分布の二つのピークとそれらの間に位置する谷が被増幅光７０に及ぼす熱効果が相殺し、結果として、Ｙ方向励起分布による熱効果が平均化される。一方、ジグザグ光路と垂直なＺ方向の励起分布が被増幅光７０に及ぼす影響は、被増幅光７０の伝搬にともない積算されてゆく。そのため、固体レーザ媒質３１を出射した被増幅光７０は、Ｚ方向において不均一な熱効果を受けることとなり、ビーム品質が著しく劣化する。

図７（ａ）は固体レーザ媒質３１を通過する前の被増幅光７０の波面の形状を模式的に示しており、図７（ｃ）は固体レーザ媒質３１を通過した後の被増幅光７０の波面の形状を模式的に示している。図７（ｂ）は、固体レーザ媒質３１内をジグザグ光路に沿って進行する被増幅光７０に対する等価的な励起分布を示している。図７（ｂ）では、ジグザグ光路に起因する上記の平均化によって、Ｙ方向の励起分布は均一になっている。その一方で、二つの励起強度のピーク８２がＺ方向に沿って並んでいる。これは、図６（ｂ）における二つのピークが積算されたものである。このようなＺ方向に沿って不均一な励起分布による熱レンズ効果は、図７（ａ）に示される被増幅光７０の平坦な波面９０を、図７（ｃ）に示されるような凹凸を有する波面９１に変えてしまう。

ビーム品質がこのように劣化すると、ピンホール板１５ｃおよび１８ｃにおける被増幅光７０の透過率が低下したり、ＭＯＰＡシステム１内の光学部品の損傷が大きくなったり、被増幅光７０に楕円偏光性が生じてＭＯＰＡシステム１の出力が低下するなど、ＭＯＰＡシステム１の性能が大きく低下するおそれがある。そこで、本実施形態のＭＯＰＡシステム１には、固体レーザ媒質３１の励起分布を制御するための装置１０が設置されている。この励起分布制御装置１０は、固体レーザ媒質３１と励起光源３２との距離を調整することにより適切な励起分布を達成する。上述のように、上下のレーザアレイモジュール３３からそれぞれ放射される励起光は拡散しながら固体レーザ媒質３１に向かう。このため、レーザアレイモジュール３３と固体レーザ媒質３１との距離が変われば、励起光の強度分布が変化し、それに応じて固体レーザ媒質３１の励起分布も変化する。励起分布制御装置１０は、この仕組みを利用して励起分布を制御する。

以下では、図１および図２を再び参照しながら、励起分布制御装置１０の構成を説明する。励起分布制御装置１０は、主増幅器１７に加えて、アクチュエータ４０、測定部５０および制御部６０を有する。

アクチュエータ４０は、励起光源３２に取り付けられている。アクチュエータ４０は、励起光源３２を固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）に移動させて、固体レーザ媒質３１および励起光源３２間の距離を変更することができる。

図２に示されるように、アクチュエータ４０は、本体４２、一対のネジ部品４４および一対のモータ４６を有するネジ送り機構である。本体４２は励起光源３２の後部に取り付けられる。各ネジ部品４４は、ギヤが設けられた頭部４４ａと、頭部４４ａからＹ方向に延びる軸部４４ｂを有する。軸部４４ｂの外周には雄ネジが設けられている。軸部４４ｂは、本体４２に設けられたネジ孔と螺合しながらハウジング３８内に延びている。軸部４４ｂの先端は、ハウジング３８内に設けられた支持部品４８によって回転可能に支持されている。モータ４６は、ネジ部品４４の頭部４４ａと噛み合うピニオン４６ａと、ピニオン４６ａからＹ方向に沿って延びる軸部４６ｂを有する。モータ４６の駆動信号は制御部６０から供給される。この駆動信号は、回転量と回転方向をモータ４６に指示する。モータ４６が駆動するとピニオン４６ａが軸部４６ｂの周りに回転し、それに連動してネジ部品４４が軸部４４ｂの周りに回転する。ネジ部品４４の回転に伴い、本体４２および励起光源３２がＹ方向に沿って並進する。これにより、励起光源３２と固体レーザ媒質３１との距離が変化する。この距離はモータ４６の回転方向に応じて増加または減少する。

本実施形態の測定部５０は、ＣＣＤカメラ５２から構成されている。ＣＣＤカメラ５２は、固体レーザ媒質３１の一方の端面（本実施形態では端面３１ｂ）から放射されるＡＳＥ光８８の画像を取得する。ＣＣＤカメラ５２は撮像面を有しており、その撮像面に入射した光学像を電気的な出力信号に変換する。本実施形態では、ＣＣＤカメラ５２は、その撮像面が固体レーザ媒質３１の長さ方向（Ｘ方向）に対して実質的に垂直となるように配置されている。ＣＣＤカメラ５２は、ＡＳＥ光８８の画像を表す出力信号を生成し、それを制御部６０に送出する。

制御部６０は、パーソナルコンピュータ６２、アクチュエータコントローラ６４、および励起光源３２用の駆動装置６６を有する。コンピュータ６２は、測定部５０の出力信号を用いて演算を行い、その結果に応じてアクチュエータコントローラ６４の動作を制御する。アクチュエータコントローラ６４は、コンピュータ６２の制御のもとでアクチュエータ４０のモータ４６に駆動信号を送信し、アクチュエータ４０を駆動する。アクチュエータコントローラ６４は、モータ４６の回転方向および回転量を指示することにより、アクチュエータ４０の移動方向および移動量を制御する。駆動装置６６は、コンピュータ６２の制御のもとで励起光源３２に駆動電力を供給し、励起光源３２に励起光を放射させる。したがって、コンピュータ６２は、固体レーザ媒質３１を所望のタイミングで励起することができる。

本実施形態のＭＯＰＡシステム１は、まず、励起分布制御装置１０を用いて固体レーザ媒質３１内の励起分布を調節し、その後、レーザ光源１１を光を出射させて、その光を増幅する。励起分布制御装置１０は、固体レーザ媒質３１と励起光源３２との距離を調整することにより励起分布を制御する。この距離の調整は、固体レーザ媒質３１から発するＡＳＥ光の画像に基づいて行われる。以下では、この距離の調整について詳しく説明する。

まず、励起分布制御装置１０は、ＣＣＤカメラ５２を用いてＡＳＥ光の画像を取得する。上述のように、固体レーザ媒質３１に照射される励起光の強度分布は、励起光源３２と固体レーザ媒質３１との距離に応じて変化する。その強度分布に応じて固体レーザ媒質３１に励起分布が形成され、励起された箇所からＡＳＥ光が発する。励起強度が大きい箇所ほど、強いＡＳＥ光を発する。したがって、固体レーザ媒質３１の端面から発するＡＳＥ光の強度分布は、固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）における励起分布を反映する。

図８（ａ）〜（ｃ）は、励起光源３２の発光部３４ａを固体レーザ媒質３１から様々な距離に配置したときにＣＣＤカメラ５２によって取得されるＡＳＥ光の画像を模式的に示している。ＡＳＥ光画像７２は、固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に沿った二次元画像である。ＡＳＥ光画像７２は、異なる輝度の領域７２ａ〜７２ｄを有する。これらの領域は、領域７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄの順に高い輝度を有している。輝度の高い領域ほど、ＡＳＥ光の強度が高い。つまり、ＡＳＥ光画像７２の輝度分布は、ＹＺ平面上におけるＡＳＥ光の強度分布を示している。

図８（ａ）は、励起光源３２の発光部３４ａと固体レーザ媒質３１との距離（以下、「光源距離」と呼ぶ）が短いときのＡＳＥ光画像７２を示す。この画像では、比較的輝度の高い領域７２ｂ中に比較的輝度の低い領域７２ｃが生じ、領域７２ｂを分断するように延びている。これは、固体レーザ媒質３１の中央付近で不均一な励起が生じていることを示している。光源距離がより大きくなると、図８（ｂ）に示されるＡＳＥ光画像７２が検出され、光源距離がさらに大きくなると、図８（ｃ）に示されるＡＳＥ光画像７２が検出される。これらの画像では領域７２ｂが領域７２ｃによって分断されておらず、固体レーザ媒質３１の中央付近において励起の均一性が高まっている。

上述のように、励起分布のＹ方向の不均一性は平均化されるため問題を生じないが、Ｚ方向の不均一性は積算されるためＭＯＰＡシステム１の出力ビームの品質を劣化させる。そこで、本実施形態では、ＡＳＥ光画像７２に基づいて励起分布のＺ方向の不均一性を評価し、その結果に応じて光源距離を調整する。

ＣＣＤカメラ５２の出力信号は、制御部６０内のコンピュータ６２に送られる。コンピュータ６２は、その出力信号を二次元のテキストデータに変換する。この二次元テキストデータには、ＣＣＤカメラ５２によって取得されたＡＳＥ光画像の輝度が各画素に対応付けて収容されている。各画素には、一対のＹ方向およびＺ方向画素番号が割り当てられている。つまり、ＣＣＤカメラ５２の出力信号は、固体レーザ媒質３１の端面から発するＡＳＥ光の２次元輝度分布データを含んでいる。

コンピュータ６２は、励起分布のＺ方向の不均一性を評価するために、ＡＳＥ光画像の輝度分布をＹ方向に積分し、Ｚ方向におけるＡＳＥ光の輝度分布を作成する。具体的に述べると、コンピュータ６２は、上記の二次元テキストデータを用いて、Ｙ方向に平行な画素列の各々について輝度の総計を算出する。各画素列は、単一のＺ方向画素番号を有している。コンピュータ６２は、各画素列について算出された輝度の総計をプロットし、固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）におけるＡＳＥ光画像の輝度分布を作成する。以下では、この輝度分布を「Ｚ方向プロファイル」と呼ぶ。

図９（ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとでのＺ方向プロファイルを示している。これらの図において、横軸は固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）の座標を示し、縦軸は固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）に積算された輝度を示している。

図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図８（ａ）〜（ｃ）に対応している。図９（ａ）に示されるように、もっとも短い光源距離のもとでは、Ｚ方向プロファイルに二つのピーク８４と、それらのピーク８４の間に位置する谷８５が現れる。これらのピーク８４は、各レーザアレイモジュール３３のＺ方向の発光中心に対応する。以下では、Ｚ方向プロファイルの谷８５の深さをΔＩと表記する。谷８５は、励起分布のＺ方向における不均一性の大きさを表している。光源距離がより長くなると、図９（ｂ）および（ｃ）に示されるようにΔＩが低減される。これは、励起分布の不均一性が軽減されたことを意味する。そこで、コンピュータ６２は、ΔＩが最小となるように光源距離を調整する。

まず、コンピュータ６２は、アクチュエータコントローラ６４を制御してアクチュエータ４０を駆動させ、Ｚ方向プロファイルに谷８５が現れるように励起光源３２を固体レーザ媒質３１に充分に近づける。続いて、コンピュータ６２は、駆動装置６６を制御して励起光源３２を駆動し、励起光を固体レーザ媒質３１に照射させる。ＣＣＤカメラ５２は、固体レーザ媒質３１の端面３１ｂから発するＡＳＥ光の画像を取得し、出力信号をコンピュータ６２に送る。コンピュータ６２は、この出力信号を用いて上述の手順によりＺ方向プロファイルを作成する。

このＺ方向プロファイルに現れる谷８５の深さΔＩを評価するために、コンピュータ６２は、谷８５の最下部に対応する基準座標ｚ０および谷８５の最上部に対応する基準座標ｚ１を算出する。ｚ０およびｚ１は、任意の波形解析方法を用いて求めることができる。基準座標ｚ１は、谷８５の最上部に対応する輝度Ｉ０に応じて決まる。輝度Ｉ０は、例えば、Ｚ方向プロファイルに現れる二つのピーク８４の高さの平均値であってもよいし、あるいは、ピーク８４のいずれか一方の高さであってもよい。

次に、コンピュータ６２は、励起光源３２を固体レーザ媒質３１から所定の距離だけ遠ざけた後、励起光源３２を駆動して励起光を固体レーザ媒質３１に照射させ、新たにＺ方向プロファイルを取得する。コンピュータ６２は、この取得されたＺ方向プロファイルに基づいて深さΔＩを算出する。具体的には、このＺ方向プロファイルにおいて上記の基準座標ｚ０およびｚ１に対応する輝度をそれぞれ特定し、これらの特定された輝度の差をΔＩとして算出する。この後も、コンピュータ６２は、励起光源３２を固体レーザ媒質３１から所定の距離だけ遠ざけ、Ｚ方向プロファイルを取得してΔＩを算出するという作業を繰り返す。

このように、コンピュータ６２は、光源距離を所定の距離ずつ増加しながらΔＩの算出を繰り返し、光源距離に応じたΔＩの変化を調べる。図９（ｂ）および（ｃ）に示されるように、光源距離が長くなると、当初、ΔＩは低下し、その後、増加する。谷８５の深さΔＩが最も小さいとき、励起分布のＺ方向の不均一性が最も抑えられる。コンピュータ６２は、様々な光源距離のもとで算出したΔＩから、ΔＩが最小になる光源距離を導出する。そして、コンピュータ６２は、アクチュエータ４０を駆動して、算出した光源距離に励起光源３２を配置する。これにより、固体レーザ媒質３１の励起分布のＺ方向における不均一性を最小限に抑えることができる。レーザ光源１１が被増幅光を発すると、この被増幅光は主増幅器１７によって増幅され、ＭＯＰＡシステム１から出力される。励起分布のＺ方向の不均一性が抑えられているため、被増幅光に対する熱効果を削減し、品質の良い出力ビームを得ることができる。

上記実施形態では、励起光源３２において二つの単位光源、すなわちレーザアレイモジュール３３が積み重ねられている。しかし、より多数のレーザアレイモジュール３３が積み重ねられていてもよい。固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に沿って積み重ねられるレーザアレイモジュール３３の数は、固体レーザ媒質３１および励起光源３２間の距離の調整に影響を与えない。したがって、より多数のレーザアレイモジュール３３を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも、本実施形態と同様の手法を用いて固体レーザ媒質３１の励起分布を制御し、熱効果を削減することができる。

（第２実施形態）以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。図１０は、本実施形態に係るＭＯＰＡシステムの構成図である。このＭＯＰＡシステム１ａは、励起分布制御装置１０ａを有する。励起分布制御装置１０ａは、ＡＳＥ光画像７２の代わりに、固体レーザ媒質３１によって増幅された光の集光パターン７４を測定することにより、固体レーザ媒質３１の励起分布を制御する。励起分布制御装置１０ａは、アクチュエータ４０、測定部５０ａおよび制御部６０を有する。励起分布制御装置１０ａは、測定部５０ａの構成および制御部６０の動作の点で第１実施形態の励起分布制御装置１０と異なる。他の構成は第１実施形態と同様なので、重複する説明を省略する。

測定部５０ａは、ＣＣＤカメラ５２に加えて、集光レンズ５４およびミラー２５を有する。ミラー２５は、上述のように光増幅用の光学系の一部を成している。ミラー２５は充分に高い反射率を有しているが、被増幅光の一部はミラー２５を透過する。集光レンズ５４は、ミラー２５を透過した被増幅光を集光し、ＣＣＤカメラ５２に向けて出射するように配置されている。ＣＣＤカメラ５２は、集光レンズ５４によって集光された被増幅光のビームパターン、すなわち集光パターンの画像を取得する。本実施形態では、ＣＣＤカメラ５２は、その撮像面が集光レンズ５４の光軸に対して実質的に垂直となるように配置されている。

本実施形態では、制御部６０がレーザ光源１１の発光タイミングを制御する。すなわち、レーザ光源１１は、コンピュータ６２から発光命令信号を受け取ったときに被増幅光を発する。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、励起光源３２を固体レーザ媒質３１から様々な距離に配置したときにＣＣＤカメラ５２によって取得される集光パターン画像７４を模式的に示している。集光パターン画像７４は、固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に沿った二次元画像である。画像７４に現れる集光パターンは、固体レーザ媒質３１において増幅された被増幅光のビームパターンを反映する。被増幅光は固体レーザ媒質３１の励起分布に応じて増幅されるので、被増幅光のビームパターンは励起分布を反映する。結局、被増幅光の集光パターンは固体レーザ媒質３１の励起分布を反映することになる。

図１１（ａ）は、光源距離が短すぎるときの集光パターン画像７４を示す。この集光パターンでは、Ｚ方向に沿って多数の発光スポット７４ａが並んでいる。これは集光性が良くないことを示している。これは固体レーザ媒質３１の励起分布のＺ方向における不均一性に起因する。光源距離がより大きくなると、図１１（ｂ）に示されるように、集光パターン画像７４における発光スポット７４ａの数および面積が減少し、集光性が高まる。しかし、光源距離が大きくなりすぎると、図１１（ｃ）に示されるように、発光スポット７４ａの面積が拡大し、集光性が低下する。

上述のように、励起分布のＺ方向の不均一性は被増幅光の集光性を低下させる。そこで、本実施形態では、集光パターン画像７４に基づいてＺ方向の励起分布の不均一性を評価し、その結果に応じて光源距離を調整する。

ＣＣＤカメラ５２の出力信号は、制御部６０内のコンピュータ６２に送られる。コンピュータ６２は、その出力信号を二次元のテキストデータに変換する。この二次元テキストデータには、ＣＣＤカメラ５２によって取得された集光パターン画像の輝度が各画素に対応付けて収容されている。各画素には、一対のＹ方向およびＺ方向の画素番号が割り当てられている。つまり、ＣＣＤカメラ５２の出力信号は、集光レンズ５４によって集光された被増幅光の２次元輝度分布データを含んでいる。

コンピュータ６２は、励起分布のＺ方向の不均一性を評価するために、ＣＣＤカメラ５２を用いて測定した集光パターンの面積を算出する。具体的に述べると、コンピュータ６２は、上記の二次元テキストデータを用いて、閾値以上の輝度を有する画素を計数する。本実施形態では、集光パターン画像７４における最大輝度の１０％に相当する輝度を閾値として用いる。なお、最大輝度に対する閾値の比率は任意に設定できる。コンピュータ６２は、この計数によって求められた画素数を集光パターンの面積Ｓとして記憶する。

コンピュータ６２は、光源距離を所定の距離ずつ変えながら励起光源３２を駆動して励起光を固体レーザ媒質３１に照射させ、さらにレーザ光源１１に発光命令信号を送って被増幅光を放射させる。これにより、固体レーザ媒質３１によって増幅された被増幅光の集光パターン画像７４が取得され、その集光パターン画像７４に基づいて集光パターンの面積、すなわち閾値以上の輝度を有する画素数が取得される。例えば、図１１（ａ）〜（ｃ）の集光パターン画像７４について、それぞれ３０００、５００および１００００という画素数が集光パターンの面積Ｓとして求められる。

このように、コンピュータ６２は、様々な光源距離のもとで集光パターンの面積Ｓを繰り返し測定し、光源距離に応じた面積Ｓの変化を調べる。面積Ｓが最も小さいとき、励起分布のＺ方向の不均一性が最も抑えられる。コンピュータ６２は、様々な光源距離のもとで取得した面積Ｓから、面積Ｓが最小になる光源距離を導出する。そして、コンピュータ６２は、アクチュエータ４０を駆動して、算出した光源距離に励起光源３２を配置する。これにより、固体レーザ媒質３１の励起分布のＺ方向における不均一性を最小限に抑えることができる。レーザ光源１１が被増幅光を発すると、この被増幅光は主増幅器１７によって増幅され、ＭＯＰＡシステム１ａから出力される。励起分布のＺ方向の不均一性が抑えられているため、被増幅光に対する熱効果を削減し、品質の良い出力ビームを得ることができる。

上記実施形態では、励起光源３２において二つの単位光源、すなわちレーザアレイモジュール３３が積み重ねられている。しかし、より多数のレーザアレイモジュール３３が積み重ねられていてもよい。固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に沿って積み重ねられるレーザアレイモジュール３３の数は、固体レーザ媒質３１および励起光源３２間の距離の調整に影響を与えない。したがって、より多数のレーザアレイモジュール３３を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも、本実施形態と同様の手法を用いて固体レーザ媒質３１の励起分布を制御し、熱効果を削減することができる。

（第３実施形態）以下では、本発明の第３の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態に係るＭＯＰＡシステムの構成図である。このＭＯＰＡシステム１ｂは、励起分布制御装置１０ｂを有する。励起分布制御装置１０ｂは、ＡＳＥ光画像７２の代わりに、固体レーザ媒質３１を透過した光と透過していない光との干渉縞パターンを測定することにより、固体レーザ媒質３１の励起分布を制御する。励起分布制御装置１０ｂは、アクチュエータ４０、測定部５０ｂおよび制御部６０を有する。励起分布制御装置１０ｂは、測定部５０ｂの構成および制御部６０の動作の点で第１実施形態の励起分布制御装置１０と異なる。他の構成は第１実施形態と同様なので、重複する説明を省略する。

測定部５０ｂは、ＣＣＤカメラ５２に加えて、検査光源５５、マッハツェンダ干渉系５６、およびスクリーン５７を有する。検査光源５５は、コンピュータ６２からの発光命令信号に応答して検査光を発するＨｅ−Ｎｅレーザ装置である。マッハツェンダ干渉系５６は、この検査光を用いて干渉縞を生成するための光学系である。マッハツェンダ干渉系５６は、ビームスプリッタ５６ａ、ダイクロイックミラー５６ｂ、高反射ミラー５６ｃ、ビームスプリッタ５６ｄ、ビームエクスパンダ５６ｅ、および光学マスク５６ｆを有する。マッハツェンダ干渉系５６は、検査光をＸＹ平面に実質的に平行に伝搬させる。後述するように、コンピュータ６２は、高反射ミラー５６ｃおよびビームスプリッタ５６ｄの位置を調整することができる。

ビームエクスパンダ５６ｅは、検査光のビーム径を拡大し、光学マスク５６ｆに向けて出射する。光学マスク５６ｆは、ビーム整形用の開口を有している。ビームエクスパンダ５６ｅによって拡大された検査光がこの開口を通過することにより、検査光の波面が矩形状に整形される。この波面は、図５に示される被増幅光と同様に、Ｙ方向に延びる短辺とＺ方向に延びる長辺を有する。

ビームスプリッタ５６ａは、光学マスク５６ｆから検査光を受け取り、第１の光８６および第２の８７に分岐する。ビームスプリッタ５６ａは、第１の分岐光８６を高反射ミラー５６ｂに向けて透過させ、第２の分岐光８７を高反射ミラー５６ｃへ向けて反射する。ミラー５６ｂは、第１の分岐光８６をダイクロイックミラー２６ａに向けて反射する。ダイクロイックミラー２６ａは、被増幅光を反射する一方で、検査光を透過させる。したがって、第１の分岐光８６は、ダイクロイックミラー２６ａを透過して固体レーザ媒質３１に向かう。第１の分岐光８６は、端面３１ａを通って固体レーザ媒質３１に入射し、被増幅光のジグザグ光路上を伝搬した後、端面３１ｂから出射する。

本実施形態では、端面３１ｂから出射した被増幅光を受け取るミラーとしてダイクロイックミラー２５ｂが使用されている。固体レーザ媒質３１から出射した第１の分岐光８６は、被増幅光の光路上を進行し、ダイクロイックミラー２５ｂに到達する。ダイクロイックミラー２５ｂは、被増幅光をスペーシャルフィルタ１８へ反射する一方で、第１の分岐光８６を透過させる。ビームスプリッタ５６ｄは、ダイクロイックミラー２５ｂを透過した第１の分岐光８６の半分をスクリーン５７に向けて反射する。

一方、ビームスプリッタ５６ａによって反射された第２の分岐光８７は、高反射ミラー５６ｃによって反射され、ビームスプリッタ５６ｄに向かう。第２の分岐光８７の半分はビームスプリッタ５６ｄを透過し、スクリーン５７に向かう。この結果、固体レーザ媒質３１をジグザグ光路に沿って通過した検査光（すなわち、第１の分岐光８６）と固体レーザ媒質３１を通過していない検査光（すなわち、第２の分岐光８７）とが干渉し、干渉ビーム９２が形成される。

干渉ビーム９２はスクリーン５７の映写面上に照射される。これにより、映写面上に干渉縞７５が形成される。スクリーン５７の映写面は、干渉ビーム９２の伝搬方向に対してほぼ垂直に配置されている。上述のように、検査光、ならびにその検査光から生成される分岐光８６および８７は、固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に沿った矩形状の波面を有する。このため、干渉縞７５もＹ方向およびＺ方向に沿った矩形状のパターンを有する。

ＣＣＤカメラ５２は、スクリーン５７の映写面に映し出された干渉縞７５の画像を取得する。本実施形態では、干渉縞画像に基づいてＺ方向の励起分布の不均一性を評価し、その結果に応じて光源距離を調整する。以下では、この調整手順を詳細に説明する。

まず、制御部６０内のコンピュータ６２は、マッハツェンダ干渉系５６を調整する。コンピュータ６２は、励起光源３２を駆動することなく検査光源５５に発光命令信号を送って検検査光を放射させ、干渉縞７５を形成する。ＣＣＤカメラ５２は、この干渉縞７５の画像を取得し、その画像に応じた出力信号を生成する。この出力信号はコンピュータ６２に送られる。

図１３（ａ）は、こうして取得された干渉縞の画像７６を模式的に示している。干渉縞画像７６は、固体レーザ媒質３１の厚さ方向（Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に沿った二次元画像である。図１３（ａ）には、Ｚ方向に平行な仮想の基準線７７も描かれている。基準線７７は、固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に平行に延在する、干渉縞画像７６の中心線である。基準線７７は、固体レーザ媒質３１内における被増幅光のジグザグ光路の中心軸に対応する。

固体レーザ媒質３１に励起光が照射されていないときに高反射ミラー５６ｃおよびビームスプリッタ５６ｄが適切に配置されると、図１３（ａ）に示されるように、Ｚ方向に実質的に平行な明線７６ａがＹ方向に並んだ干渉縞画像７６を得ることができる。コンピュータ６２は、このような干渉縞画像７６が得られるように高反射ミラー５６ｃおよびビームスプリッタ５６ｄの位置を調整する。図１３（ａ）に示される干渉縞画像７６が得られたら、高反射ミラー５６ｃおよびビームスプリッタ５６ｄの位置が固定される。こうして前処理が終了する。

次に、コンピュータ６２は、励起光源３２を駆動して励起光を固体レーザ媒質３１に照射させ、さらに検査光源５５に発光命令信号を送って検査光を放射させる。これにより干渉縞７５が再び形成され、その画像がＣＣＤカメラ５２によって取得される。図１３（ｂ）〜（ｄ）は、様々な光源距離のもとで固体レーザ媒質３１に励起光を照射したときにＣＣＤカメラ５２によって取得される干渉縞画像７６を模式的に示している。

固体レーザ媒質３１へ励起光が照射されると、固体レーザ媒質３１の内部の温度が上昇し、温度分布が形成される。この温度分布は励起光の強度分布を反映し、したがって固体レーザ媒質３１の励起分布を反映する。温度に応じて固体レーザ媒質３１の屈折率が変化するので、固体レーザ媒質３１内には温度分布に応じた屈折率分布が形成される。つまり、固体レーザ媒質３１の屈折率分布は励起分布を反映する。不均一な屈折率分布は、固体レーザ媒質３１を透過する検査光（第１の分岐光８６）の波面を歪める。この波面の歪みは干渉縞７５のパターンに影響を与える。

光源距離が小さすぎると、図６（ａ）および（ｂ）に示される励起分布、およびこの励起分布に応じた屈折率分布が固体レーザ媒質３１内に形成される。検査光はＸＹ平面に平行なジグザグ光路に沿って固体レーザ媒質３１内を伝搬するため、Ｙ方向の屈折率分布が検査光に及ぼす影響は平均化される。一方、ジグザグ光路と垂直なＺ方向の屈折率分布が検査光に及ぼす影響は、検査光の伝搬にともない積算される。この結果、図１３（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、干渉縞画像７６中の明線７６ａがＺ方向と交差するように湾曲する。Ｚ方向屈折率分布の不均一性が高いほど明線７６ａの湾曲が大きく、それに応じて明線７６ａが基準線７７と交差しやすくなる。

図１３（ｂ）は、光源距離が短すぎるときの干渉縞画像７６を示す。この干渉縞では、基準線７７を多数の明線７６ａが横切っている。言い換えると、干渉縞画像７６の輝度が基準線７７上において多数回、振動している。これは、固体レーザ媒質３１のＺ方向における屈折率分布の不均一性に起因する。光源距離がより大きくなると、図１３（ｃ）に示されるように、基準線７７上における輝度の振動回数が減少する。これは、Ｚ方向屈折率分布の不均一性が減少したことを意味する。しかし、光源距離が大きくなりすぎると、図１３（ｄ）に示されるように、基準線７７上における輝度の振動回数が増加する。

このように、基準線７７上における干渉縞画像７６の輝度の振動回数が少ないほど、固体レーザ媒質３１の屈折率分布がＺ方向に沿って均一である。上述のように、この屈折率分布は、固体レーザ媒質３１の励起分布に対応する。そこで、本実施形態では、干渉縞画像７６に基づいてＺ方向の励起分布の不均一性を評価し、その結果に応じて光源距離を調整する。

ＣＣＤカメラ５２は干渉縞７５の画像を取得すると、その画像に応じた出力信号をコンピュータ６２に送る。コンピュータ６２は、その出力信号を二次元のテキストデータに変換する。この二次元テキストデータには、ＣＣＤカメラ５２によって取得された干渉縞画像７６の輝度が各画素に対応付けて収容されている。各画素には、一対のＹ方向およびＺ方向の画素番号が割り当てられている。つまり、ＣＣＤカメラ５２の出力信号は、マッハツェンダ干渉系５６によって生成された干渉縞の２次元輝度分布データを含んでいる。

コンピュータ６２は、励起分布のＺ方向の不均一性を評価するために、ＣＣＤカメラ５２を用いて測定した干渉縞画像７６中に基準線７７を設定し、その基準線７７上における輝度の振動回数を計数する。具体的に述べると、コンピュータ６２は、上記の二次元テキストデータから、基準線７７上に位置する画素列を抽出する。続いて、コンピュータ６２は、その画素列に含まれる各画素の輝度をプロットし、基準線７７に沿った干渉縞パターンの輝度分布を作成する。以下では、この輝度分布を「干渉縞の一次元プロファイル」と呼ぶ。

図１４（ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとでの干渉縞の一次元プロファイルを示している。これらの図において、横軸は基準線７７上における干渉縞画像７６の輝度を示し、縦軸は固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）の座標を示している。図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１３（ａ）〜（ｃ）に対応している。これらの図に示されるように、干渉縞の一次元プロファイルには、基準線７７上における輝度の振動に応じた波形が現れる。

コンピュータ６２は、一次元プロファイルに現れる輝度の振動の回数を計数する。この計数は任意の方法を用いて行われる。例えば、所定の閾値Ｉ１以上の輝度を有するピークを一次元プロファイル中で検出し、そのピークを計数してもよい。ピークの検出は、任意の波形解析方法を用いて行われる。

なお、干渉縞画像７６のうちＺ座標の全範囲の上下５％に含まれる部分は、輝度の振動回数の計数対象から除外することが好ましい。このため、本実施形態では、図１４に示されるように、一次元プロファイルにおける座標ｚ１から座標ｚ２までの範囲内で輝度の振動回数を計数する。このほかに、干渉縞画像７６のうちＺ座標の全範囲の上下５％に含まれる画素を除いて一次元プロファイルを作成し、その一次元プロファイルのＺ座標の全範囲にわたって輝度の振動回数を計数してもよい。

コンピュータ６２は、光源距離を所定の距離ずつ変えながら励起光源３２を駆動して励起光を固体レーザ媒質３１に照射させ、さらに検査光源５５に発光命令信号を送って検査光を放射させる。これにより、干渉縞画像７６が取得され、固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に沿った基準線７７上における輝度の振動回数が計数される。例えば、図１３（ｂ）〜（ｄ）の干渉縞画像７６について、それぞれ５回、２回および１０回という振動回数が得られる。

このように、コンピュータ６２は、様々な光源距離のもとで干渉縞画像７６におけるＺ方向に沿った輝度の振動回数を繰り返し計数し、振動回数の変化を調べる。振動回数が最も少ないとき、励起分布のＺ方向の不均一性が最も抑えられる。コンピュータ６２は、様々な光源距離のもとで取得した振動回数から、振動回数が最小になる光源距離を導出する。そして、コンピュータ６２は、アクチュエータ４０を駆動して、算出した光源距離に励起光源３２を配置する。これにより、固体レーザ媒質３１の励起分布のＺ方向における不均一性を最小限に抑えることができる。レーザ光源１１が被増幅光を発すると、この被増幅光は主増幅器１７によって増幅され、ＭＯＰＡシステム１ｂから出力される。励起分布のＺ方向の不均一性が抑えられているため、品質の良い出力ビームを得ることができる。

上記実施形態では、励起光源３２において二つの単位光源、すなわちレーザアレイモジュール３３が積み重ねられている。しかし、より多数のレーザアレイモジュール３３が積み重ねられていてもよい。固体レーザ媒質３１の高さ方向（Ｚ方向）に沿って積み重ねられるレーザアレイモジュール３３の数は、固体レーザ媒質３１および励起光源３２間の距離の調整に影響を与えない。したがって、より多数のレーザアレイモジュール３３を積み重ねた構造の励起光源を使用したときにも、本実施形態と同様の手法を用いて固体レーザ媒質３１の励起分布を制御し、熱効果を削減することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記の第３実施形態では、マッハツェンダ干渉系５６を用いて干渉縞を形成する。しかし、他の任意の干渉光学系を使用して干渉縞を形成してもよい。

第１実施形態のＭＯＰＡシステムの構成図である。 励起光源の拡大平面図である。 （ａ）は励起光源の正面図であり、（ｂ）は励起光源の背面図である。 主増幅器の横断面図である。 固体レーザ媒質内を伝搬する被増幅光を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、Ｙ方向およびＺ方向の励起分布をそれぞれ示す図である。 （ａ）は固体レーザ媒質を通過する前の被増幅光の波面の形状を模式的に示す図であり、（ｂ）は被増幅光に対する等価的な励起分布を示す図であり、（ｃ）は固体レーザ媒質を通過した後の被増幅光の波面の形状を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとで取得されたＡＳＥ光の画像を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとでのＺ方向プロファイルを示す図である。 第２実施形態のＭＯＰＡシステムの構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとで取得された集光パターンの画像を模式的に示す図である。 第３実施形態のＭＯＰＡシステムの構成図である。 （ａ）は、レーザ媒質を励起しないときに取得された干渉縞の画像を模式的に示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、様々な光源距離のもとで取得された干渉縞の画像を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、様々な光源距離のもとでの干渉縞の一次元プロファイルを示す図である。

符号の説明

１、１ａおよび１ｂ…ＭＯＰＡシステム、１０、１０ａおよび１０ｂ…励起分布制御装置、３１…固体レーザ媒質、３２…励起光源、４０…アクチュエータ（移動装置）、５０…測定部、５２…ＣＣＤカメラ（撮像装置）、５４…集光レンズ（集光装置）、５５…検査光源、５６…マッハツェンダ干渉系（干渉光学系）、５７…スクリーン、６０…制御部、６２…コンピュータ、６４…アクチュエータコントローラ、６６…励起光源用の駆動装置。

Claims (2)

1. 励起光が照射されることにより励起され、所定波長の光を誘導放出することの可能な固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質に前記励起光を照射する励起光源と、
   前記励起光源を移動させて前記固体レーザ媒質および前記励起光源間の距離を変更することの可能な移動装置と、
   前記固体レーザ媒質の励起分布を測定する測定部と、
   前記測定部によって測定された励起分布に応じて前記移動装置を駆動し、前記固体レーザ媒質および前記励起光源間の距離を調整することにより、前記固体レーザ媒質の励起分布を制御する制御部と
   を備え、
   前記固体レーザ媒質は、第１および第２の端面と、それらの端面間を延在する長尺の上面および底面と、前記上面および底面の間で前記第１および第２の端面の一方から他方まで延在する二つの側面とを有し、かつ前記上面、底面および二つの側面に平行な方向に沿った長さと、前記上面および底面に垂直な方向に沿った高さと、前記二つの側面に垂直な方向に沿った厚さとを有するスラブ形状の媒質であり、
   前記励起光源は、前記固体レーザ媒質の高さ方向に沿って積み重ねられた第１および第２の単位光源を含んでおり、
   前記測定部は、前記励起光源から前記励起光が照射されているときに前記固体レーザ媒質の第１または第２の端面から発する自然放出光の画像を取得する撮像装置を有しており、前記励起分布を前記固体レーザ媒質の厚さ方向及び前記高さ方向における二次元分布として測定し、
   前記制御部は、前記画像を用いて前記固体レーザ媒質の高さ方向における前記自然放出光の輝度分布を求め、その輝度分布において前記第１および第２の単位光源の発光にそれぞれ対応する二つのピーク間に位置する谷の深さが最小となるように前記移動装置を駆動する、
   励起分布制御装置。
2. 励起光源から励起光が照射されることにより励起され、所定波長の光を誘導放出することの可能な固体レーザ媒質の励起分布を制御する方法であって、
   前記固体レーザ媒質の励起分布を測定する測定ステップと、
   測定された励起分布に応じて前記励起光源を移動させ、前記固体レーザ媒質および前記励起光源間の距離を調整する距離調整ステップと、
   を備え、
   前記固体レーザ媒質は、第１および第２の端面と、それらの端面間を延在する長尺の上面および底面と、前記上面および底面の間で前記第１および第２の端面の一方から他方まで延在する二つの側面とを有し、かつ前記上面、底面および二つの側面に平行な方向に沿った長さと、前記上面および底面に垂直な方向に沿った高さと、前記二つの側面に垂直な方向に沿った厚さとを有するスラブ形状の媒質であり、
   前記励起光源は、前記固体レーザ媒質の高さ方向に沿って積み重ねられた第１および第２の単位光源を含んでおり、
   前記測定ステップでは、前記励起光源から前記励起光が照射されているときに前記固体レーザ媒質の第１または第２の端面から発する自然放出光の画像を取得することにより、前記励起分布を前記固体レーザ媒質の厚さ方向及び前記高さ方向における二次元分布として測定し、
   前記距離調整ステップでは、前記画像を用いて前記固体レーザ媒質の高さ方向における前記自然放出光の強度分布を求め、その強度分布において前記第１および第２の単位光源の発光にそれぞれ対応する二つのピーク間に位置する谷の深さが最小となるように前記距離を調整する、
   励起分布制御方法。

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