JP4573644B2

JP4573644B2 - Ｑスイッチ素子、レーザー発振素子およびパルス幅可変レーザー装置

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Publication number: JP4573644B2
Application number: JP2004372129A
Authority: JP
Inventors: 貴代小川; 智之和田; 雄司興; 佳治浦田
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Megaopto Co Ltd
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Megaopto Co Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: US20060165135A1; JP2006179724A

Description

本発明は、Ｑスイッチ素子、レーザー発振素子およびパルス幅可変レーザー装置に関し、さらに詳細には、可飽和吸収体を用いたＱスイッチ素子、レーザー発振素子およびパルス幅可変レーザー装置に関する。

従来より、光の入射強度を上げると透明になる、即ち、光の吸収の飽和により光の吸収が弱くなるという性質を備えた光吸収材料である可飽和吸収体が知られており、パルスレーザー装置として、こうした可飽和吸収体をＱスイッチ素子として用いてレーザー共振器内に配置し、レーザーをパルス発振させてパルスレーザー光を出力するようにしたパルスレーザー装置が実現されている。

即ち、こうした可飽和吸収体をＱスイッチ素子として用いた従来のパルスレーザー装置においては、光の入射強度が増加するに従って光の吸収係数を低下させて光の透過率を上昇させるという可飽和吸収体の性質を利用したシャッタ動作により、レーザーのパルス発振が実現されているものである。

ところで、可飽和吸収体をＱスイッチ素子として用いた従来のパルスレーザー装置において出力されるパルスレーザー光のパルス幅は、可飽和吸収体の組成や可飽和吸収体を通過する光の光路長などに依存する上記した可飽和吸収体の性質、即ち、光の強度増加に伴う光の吸収係数や初期透過率を含む透過率の変化に応じて、Ｑスイッチ素子として用いる可飽和吸収体毎に一意に決定されるものであることが知られていた。

即ち、こうした従来のパルスレーザー装置によれば、Ｑスイッチ素子として用いる可飽和吸収体を取り換えない限りは、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を変化させることができないものであった。

従って、従来のパルスレーザー装置において、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を変化させようとする際には、パルスレーザー光の所望のパルス幅に応じた複数の可飽和吸収体を用意しておく必要があるとともに、そのパルス幅を変化させる毎にパルス幅に応じた可飽和吸収体への煩雑な交換作業を行う必要があり、装置全体の規模が大型化するようになるという問題点があるとともに、作業性に劣り利便性を欠くという問題点があった。

一方、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を変化させることのできるパルス幅可変レーザー装置として、例えば、Ｑスイッチ素子として音響光学Ｑスイッチ（ＡＯ−Ｑスイッチ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＱ−ｓｗｉｔｃｈ）や電気光学Ｑスイッチ（ＥＯ−Ｑスイッチ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＯｐｔｉｃＱ−ｓｗｉｔｃｈ）をレーザー共振器内に配置したパルス幅可変レーザー装置が知られている。

即ち、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチは、シャッタ動作を電気的に制御することのできるＱスイッチ素子であり、従って、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチを用いたパルス幅可変レーザー装置においては、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチのシャッタ動作を電気的に制御することにより、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を任意に変化させることができるものである。

しかしながら、こうしたＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチを用いたパルス幅可変レーザー装置にあっては、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチを制御するための電気制御系部品が必要となって装置全体の規模が大型化するようになり、上記した可飽和吸収体をＱスイッチ素子として用いる際と同様に装置の規模が大型化するという問題点があった。

さらに、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチを用いたパルス幅可変レーザー装置においては、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチをレーザー共振器内に配置するため、レーザー共振器内に電気的な部品が挿入されることになってそれが熱源となり、パルス幅可変レーザー装置内の温度を上昇させてパルスレーザー発振動作の安定度を低下させる原因となるという新たな問題点を招来するものであった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置全体の規模を大型化することなく、作業性に優れていて利便性がよく、しかもパルスレーザー発振動作の安定度を低下させる恐れのないようにしたＱスイッチ素子、レーザー発振素子およびパルス幅可変レーザー装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザーの進行方向をＸ軸とし、Ｘ軸上にレーザー媒質と可飽和吸収冷却促進体と可飽和吸収体とを一体に形成し、上記可飽和吸収冷却促進体は上記レーザー媒質と上記可飽和吸収体との間に配置され、上記レーザー媒質と上記可飽和吸収冷却促進体との境界面を第１の境界面とし、上記可飽和吸収冷却促進体と上記可飽和吸収体との境界面を第２の境界面とし、上記第１の境界面は、レーザーの上記レーザー媒質を透過する距離がＺ軸方向に変化しＹ軸方向に変化しないようにＹＺ平面に対して傾いて配置されており、上記第２の境界面は、レーザーの上記可飽和吸収体を透過する距離がＹ軸方向に変化してＺ軸方向に変化しないようにＹＺ平面に対して傾いて配置されているようにしたものである。

また、本発明は、レーザーの進行方向をＸ軸とし、Ｘ軸上にレーザー媒質と可飽和吸収冷却促進体と可飽和吸収体とを一体に形成し、上記可飽和吸収冷却促進体は上記レーザー媒質と上記可飽和吸収体との間に配置され、上記レーザー媒質と上記可飽和吸収冷却促進体との境界面を第１の境界面とし、上記可飽和吸収冷却促進体と上記可飽和吸収体との境界面を第２の境界面とし、ＸＹ平面と略平行な断面では、上記第１の境界面の第１の境界線はＹ軸に略平行であるとともに上記第２の境界面の第２の境界線はＸＹ平面において所定の傾きを有しており、ＺＸ平面と略平行な断面では、上記第１の境界面の第１の境界線はＺＸ平面において所定の傾きを有するとともに上記第２の境界面の前記第２の境界線はＺ軸に略平行であるようにしたものである。

また、本発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の境界面と上記第２の境界面は平面であるようにしたものである。

また、本発明は、Ｘ軸上にレーザー媒質と可飽和吸収冷却促進体と可飽和吸収体とを一体に形成し、上記可飽和吸収冷却促進体は上記レーザー媒質と上記可飽和吸収体との間に配置され、上記レーザー媒質と上記可飽和吸収冷却促進体との境界面を第１の境界面とし、上記可飽和吸収冷却促進体と上記可飽和吸収体との境界面を第２の境界面とし、上記第１の境界面と上記第２の境界面とは平面であって、上記第１の境界面と上記第２の境界面とは平行でないようにしたものである。

また、本発明は、レーザーの進行方向をＸ軸とし、Ｘ軸上にレーザー媒質と可飽和吸収冷却促進体と可飽和吸収体とを一体に形成し、上記可飽和吸収冷却促進体は上記レーザー媒質と上記可飽和吸収体との間に配置され、上記レーザー媒質と上記可飽和吸収冷却促進体との境界面を第１の境界面とし、上記可飽和吸収冷却促進体と上記可飽和吸収体との境界面を第２の境界面とし、ＸＹ平面と略平行な断面では、上記第１の境界面の第１の境界線はＹ軸に略平行な直線であるとともに上記第２の境界面の第２の境界線はＸＹ平面においてＹ軸に略平行な複数の階段を備えた折れ線であり、ＺＸ平面と略平行な断面では、上記第１の境界面の第１の境界線はＺＸ平面においてＺ軸に略平行な複数の階段を備えた折れ線であるとともに上記第２の境界面の第２の境界線はＺ軸に略平行な直線であるようにしたものである。

また、本発明は、上記Ｑスイッチ素子を備えたレーザー発振素子である。

また、本発明は、上記Ｑスイッチ素子を備えたパルス幅可変レーザー装置である。

本発明によれば、装置全体の規模を大型化することなく、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を変化させることができるという優れた効果が奏される。

また、本発明によれば、出力されるパルスレーザー光のパルス幅を変化させる際の作業性が優れていて利便性がよく、また、パルスレーザー発振動作の安定度を低下させる恐れがないという優れた効果が奏される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるＱスイッチ素子、レーザー発振素子およびパルス幅可変レーザー装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１には、本発明の実施の形態の一例によるパルス幅可変レーザー装置をＸ−Ｙ平面（図１のＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系を示す参考図を参照する。）上に設置した状態における概略構成平面図（図２におけるＺ軸方向に沿うＡ矢印方向から見た場合の概略構成説明図）が示されており、また、図２には、Ｑスイッチユニット３０（後述する。）の部分のみを取り出して示したパルス幅可変レーザー装置の概略構成側面図（図１におけるＢ矢印方向から見た場合の概略構成説明図）が示されている。

このパルス幅可変レーザー装置１０は、励起光を生成するための励起レーザー１２と、励起レーザー１２により生成された励起光を集光する２枚の凸レンズ１４ａ、１４ｂよりなる集光光学系レンズ群１４と、集光光学系レンズ群１４により集光された光が入射されるレーザー共振器１６とを有して構成されている。

ここで、レーザー共振器１６は、互いに対向して配設された２つのミラーである第１ミラー１８と第２ミラー２０とにより構成されており、第１ミラー１８が励起光の入射側、即ち、集光光学系レンズ群１４に隣接して配置され、第２ミラー２０からパルスレーザー光Ｌが出力されるものとする。これら第１ミラー１８と第２ミラー２０とは、それぞれ所定の反射率と透過率とを備えている。

なお、第１ミラー１８は、集光光学系レンズ群１４に対向する面１８ａと第２ミラー２０に対向する面１８ｂとの双方が平坦面とされた平面鏡である。また、第２ミラー２０は、第１ミラー１８の面１８ｂと対向する面が所定の曲率半径の凹面２０ａとして形成されるとともに、他方の面が平坦面２０ｂとして形成された凹面鏡である。

また、レーザー共振器１６を構成する第１ミラー１８と第２ミラー２０との間には、第１ミラー１８に隣接してレーザー媒質２２が配置され、また、レーザー媒質２２と第２ミラー２０との間にはＱスイッチユニット３０が配置されている。

このＱスイッチユニット３０の詳細な構成について説明すると、Ｑスイッチユニット３０は、レーザー共振器１６内をＸ軸方向に沿って進行する光の光路Ｐに対して直交する方向たるＹ軸方向、即ち、矢印Ｃ方向へ連続的に移動可能なスライドステージ３２と、スライドステージ３２上に着脱自在にＺ軸方向に沿って立設されたホルダー３４と、光の光路Ｐが内部に位置するようにＺ軸方向に延設されてホルダー３４に配設されたＱスイッチ素子３６とを有している。なお、スライドステージ３２は、モーターなどの駆動源を備えた駆動装置５０によって、Ｘ−Ｙ平面に沿って矢印Ｃ方向へ任意の距離だけ連続的に移動可能に設定されているものとする。

次に、図３にはＱスイッチ素子３６の斜視図が示されているが、この図３を参照しながら、Ｑスイッチ素子３６を詳細に説明する。

Ｑスイッチ素子３６は、上面３８ａと底面３８ｂとが直角三角形状を備えた三角柱形状の可飽和吸収体３８と、上面４０ａと底面４０ｂとが直角三角形状を備えていて可飽和吸収体３８と同形状の三角形柱状の可飽和吸収体冷却促進体４０とを、上面３８ａ（４０ａ）と底面３８ｂ（４０ｂ）との直角三角形状のそれぞれの斜辺を結ぶ三角柱形状の側面を互いに接合し、全体として直方体形状を備えるようにして形成されている。

ここで、可飽和吸収体冷却促進体４０は、可飽和吸収体３８の放熱を図って可飽和吸収体３８の冷却を促進するものであり、可飽和吸収体３８と同一または近似した屈折率を備え、光学的に透明な状態で可飽和吸収体３８に接合されている。

なお、この実施の形態においては、可飽和吸収体３８の上面３８ａと底面３８ｂとが直角三角形状の直角を形成するそれぞれの長辺を結ぶ三角柱形状の側面３８ｃが第２ミラー２０と対向するとともに、可飽和吸収体冷却促進体４０の上面４０ａと底面４０ｂとの直角三角形状の直角を形成するそれぞれの長辺を結ぶ三角柱形状の側面４０ｃが第１ミラー１８と対向するようにして配置されている。

また、Ｑスイッチ素子３６は、可飽和吸収体３８の側面３８ｃと可飽和吸収体冷却促進体４０の側面４０ｃとに対して、光路Ｐが垂直に位置するようにして配置されている。

以上の構成において、励起レーザー１２から出射された励起光を集光光学系レンズ群１４により集光して、レーザー共振器１６内のレーザー媒質２２へ入射すると、Ｑスイッチ素子３６を構成する可飽和吸収体３８のＱスイッチとしての機能により、第２ミラー２０からパルスレーザー光Ｌが出射されることになる。

なお、上記した可飽和吸収体３８のＱスイッチとしての機能により第２ミラー２０からパルスレーザー光Ｌが出射される作用については、従来より公知の技術であるので、その詳細な説明は省略する。

ここで、駆動装置５０によってスライドステージ３２をＸ−Ｙ平面に沿って矢印Ｃ方向へ移動すると、可飽和吸収体３８の光路Ｐに沿う厚さが変化し、可飽和吸収体３８を通過する光の可飽和吸収体３８内における光路長が変化することになる。

こうした可飽和吸収体３８内における光路長が変化することに応じて、可飽和吸収体３８の初期透過率を変化させることができ、而して、可飽和吸収体３８における光の透過率が変化してシャッタ動作のタイミングが変わるようになり、第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌのパルス幅が変化する。従って、駆動装置５０により可飽和吸収体３８内における光路長を連続的に変化させれば、第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌのパルス幅が連続的に変化し、また、駆動装置５０により可飽和吸収体３８内における光路長を段階的に変化させれば、第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌのパルス幅が段階的に変化する。

また、この際に、可飽和吸収体冷却促進体４０によって、可飽和吸収体３８の放熱が図られて可飽和吸収体３８の冷却が促進されるので、熱による可飽和吸収体３８への影響が抑止される。

さらに、可飽和吸収体３８に可飽和吸収体冷却促進体４０を接合することにより、Ｑスイッチ素子３６の全体が直方体形状を備えるようになるので、Ｑスイッチ素子３６のホルダー３４への取り付けを容易に行うことができるようになる。

従って、パルス幅可変レーザー装置１０によれば、これまでレーザー共振器内にＱスイッチ素子として配置された可飽和吸収体を取り換えなければ実現することができなかった出力されるパルスレーザー光のパルス幅の連続的または段階的な変化を、レーザー共振器１６内に配置されたＱスイッチ機能を達成する単一の可飽和吸収体３８により実現することができるようになる。

こうしたパルス幅可変レーザー装置１０を用いれば、装置全体の規模を小型化することが可能になり、また、パルス幅可変レーザー装置を設計する際の自由度を飛躍的に増大させることができるものであり、作業性に優れていて利便性がよく、しかもレーザー共振器１６内に熱源となる電気的な部品を設ける必要がないのでパルスレーザー発振動作の安定度を低下させる恐れもない。

次に、パルス幅可変レーザー装置１０を用いた本願発明者による実験結果について説明するが、この実験においては、具体的には以下のような構成のパルス幅可変レーザー装置１０を用いた。

即ち、励起レーザー１２としては、半導体レーザーを用いており、波長８７９ｎｍの励起光を出力するようにした。

また、レーザー媒質２２としては、サイズが「縦４ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ１ｍｍ」の大きさにカットされたＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を用いている。さらに、この実験においては、レーザー媒質２２たるＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は、レーザー媒質２２の第１ミラー１８と対向する面２２ａおよびレーザー媒質２２の第２ミラー２０と対向する面２２ｂが波長１０６３ｎｍの光に対して無反射となる反射防止膜のコーティングを施されている。

次に、レーザー共振器１６を構成する第１ミラー１８は全反射ミラーであり、面１８ａは波長８７９ｎｍの光に対して無反射となるように反射防止膜のコーティングを施され、一方、面１８ｂは波長１０６３ｎｍの光に対して全反射となるように全反射膜のコーティングを施されている。

一方、レーザー共振器１６を構成する第２ミラー２０は部分反射ミラーであり、凹面２０ａは波長１０６３ｎｍの光を３０％透過する半透過膜のコーティングを施されている。なお、平坦面２０ｂにはコーティングは施されていない。

また、ホルダー３４としては、Ｑスイッチ素子３６の放熱を促進するために銅製のものを用いた。

さらに、Ｑスイッチ素子３６の可飽和吸収体３８としては、Ｃｒ濃度が０．５％の組成のＣｒ：ＹＡＧ単結晶を用い、一方、Ｑスイッチ素子３６の可飽和吸収体冷却促進体４０としては、Ｃｒを添加していないノンドープのＹＡＧ単結晶を用いており、可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０とは、公知のオプティカルコンタクトの手法により接合されている。

なお、この実験においては、第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌの出力パワーの平均値が４Ｗとなるように、励起光の入力パワーを制御した。

以上の構成のパルス幅可変レーザー装置１０を用いて、駆動装置５０によりスライドステージ３２をＸ−Ｙ平面に沿って矢印Ｃ方向へ移動し、可飽和吸収体３８を通過する光の可飽和吸収体３８内における光路長を変化させる実験を行ったところ、図４に示すように、Ｑスイッチ素子３６の初期透過率および第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌのパルス幅が変化した。

具体的には、可飽和吸収体３８を通過する光の可飽和吸収体３８内における光路長が長くなるほど、Ｑスイッチ素子３６の初期透過率が低下するとともに、第２ミラー２０から出力されるパルスレーザー光Ｌのパルス幅が短くなった。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（１７）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、可飽和吸収体３８としてＣｒ：ＹＡＧ単結晶を例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、可飽和吸収体材料としては、例えば、Ｃｒ：ＧＳＧＧ単結晶、Ｖ：ＹＡＧ単結晶あるいはＧａＡｓ単結晶やセラミック結晶などの適宜の材料を選択することができる。

（２）上記した実施の形態においては、励起レーザー１２として半導体レーザーを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、励起レーザーとしては、各種の半導体レーザーはもとよりガスレーザーや色素レーザーなどの各種のレーザーを適宜に選択することができる。

（３）上記した実施の形態においては、波長８７９ｎｍの励起光により励起する場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、波長８０８ｎｍの励起光により励起するようにしてもよく、レーザー媒質の吸収帯の波長に応じて適宜に選択すればよい。

（４）上記した実施の形態においては、レーザー媒質２２としてＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を用いた場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー媒質としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶あるいはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶などを適宜に選択することができる。また、レーザー媒質２２には、上記した実施の形態に示したように、出力したいパルスレーザー光の波長帯に応じて反射防止膜をコーティングするようにしてもよいし、あるいは、こうした反射防止膜をコーティングをしなくてもよい。

（５）上記した実施の形態においては、レーザー媒質２２のサイズとして「縦４ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ１ｍｍ」を例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー媒質のサイズはレーザーの仕様によって適宜に変更すればよい。同様に、パルス幅可変レーザー装置１０を構成するＱスイッチ素子３６などの各種の構成要素のサイズなども、レーザーの仕様によって適宜に変更すればよい。

（６）上記した実施の形態において示したレーザー共振器１６の第１ミラー１８ならびに第２ミラー２０にコーティングされた膜の波長帯や透過率は一例にすぎないものであり、レーザーの仕様によって適宜の波長帯や透過率に適した膜をコーティングすればよい。

（７）上記した実施の形態において、レーザー共振器１６の第１ミラー１８に代えて、レーザー媒質２２における励起レーザー１２側の端面に全反射膜を形成し、この全反射膜と第２ミラー２０とによりレーザー共振器を構成するようにしてもよい。

（８）上記した実施の形態において、レーザー共振器１６の第２ミラー２０に代えて、可飽和吸収体３８の面３８ｃに部分反射膜を形成し、レーザー共振器１６の第１ミラー１８とこの部分反射膜とによりレーザー共振器を構成するようにしてもよい。

（９）上記した実施の形態においては、スライドステージ３２を移動する移動手段として、モーターなどの駆動源を備えた駆動装置５０を例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ピエゾ素子などを用いた駆動装置などを適宜に選択してよいことは勿論である。

（１０）上記した実施の形態においては、可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０とを接合する手法の一例としてオプティカルコンタクトの手法を示したが、可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０とを接合する手法はオプティカルコンタクトに限られるものではないことは勿論であり、可飽和吸収体３８ならびに可飽和吸収体冷却促進体４０としてセラミック結晶を用いる場合には圧縮処理などにより両者を接合してもよく、あるいは、ディフュージョンボンディング法や接着剤などによる接着を用いて両者の接合を行ってもよい。

（１１）上記した実施の形態においては、レーザー共振器１６内の光の光路Ｐに対して直角方向に可飽和吸収体３８を移動させるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、可飽和吸収体３８を移動させる方向は任意の方向でよい。

また、上記した実施の形態においては、レーザー共振器１６内の光の光路Ｐに対して可飽和吸収体３８を移動させるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー共振器１６の第１ミラー１８および第２ミラー２０の配置を変えるなどして、可飽和吸収体３８に対してレーザー共振器１６内の光の光路Ｐを移動するようにしてもよい。

要は、レーザー共振器１６内の光の光路Ｐに対して可飽和吸収体３８を相対的に移動させることにより、可飽和吸収体３８を通過する光の可飽和吸収体３８内における光路長を変化させればよい。

（１２）上記した実施の形態においては、可飽和吸収体冷却促進体４０は、可飽和吸収体３８と同一または近似した屈折率を備えるものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０との屈折率が異なっていてもよい。

即ち、可飽和吸収体３８ならびに可飽和吸収体冷却促進体４０として屈折率が同じ材料を用いるとともに、光路ＰがＱスイッチ素子３６の面、即ち、可飽和吸収体３８の面３８
ｃならびに可飽和吸収体冷却促進体４０の面４０ｃに対して垂直に入出射するようにした場合には、光路Ｐの屈折がなくレーザー共振器１６の第１ミラー１８および第２ミラー２０の配置位置は一定でよい。

一方、可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０との屈折率が異なる場合には、可飽和吸収体３８ならびに可飽和吸収体冷却促進体４０を通過する際に光路Ｐが屈折することになるので、こうした屈折した光路Ｐに応じてレーザー共振器１６の第１ミラー１８および第２ミラー２０の配置位置を随時決定すればよい。

（１３）上記した実施の形態においては、レーザー共振器１６の第１ミラー１８側に可飽和吸収体冷却促進体４０を配置するとともに、レーザー共振器１６の第２ミラー２０側に可飽和吸収体３８を配置するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー共振器１６の第１ミラー１８側に可飽和吸収体３８を配置するとともに、レーザー共振器１６の第２ミラー２０側に可飽和吸収体冷却促進体４０を配置するようにしてもよい。

（１４）上記した実施の形態においては、Ｑスイッチ素子３６として可飽和吸収体３８と可飽和吸収体冷却促進体４０とを接合したものを用いたが、これに限られるものではないことは勿論である。

即ち、例えば、図５に示すように、可飽和吸収体３８に可飽和吸収体冷却促進体４０を接合することなく、可飽和吸収体３８のみでＱスイッチ素子３６を構成してＱスイッチとして機能させてもよい。

この場合には、Ｑスイッチ素子３６の構成が簡素化され、Ｑスイッチ素子３６を製造する際の製造コストの低減を図ることができる。

なお、上記したように可飽和吸収体３８単独でＱスイッチ素子３６を構成する場合には、光の光路Ｐが可飽和吸収体３８に対して垂直に入出射しなくなるので、光路Ｐは屈折した光路となり、こうした光路Ｐに応じてレーザー共振器１６の第１ミラー１８および第２ミラー２０の配置位置を随時決定すればよい。

また、例えば、図６乃至図７に示すように、可飽和吸収体３８に代えた可飽和吸収体１３８と可飽和吸収体冷却促進体４０に代えた可飽和吸収体冷却促進体１４０とを接合するとともに、可飽和吸収体冷却促進体１４０にレーザー媒質２２に代えたレーザー媒質１２２を接合するようにして、Ｑスイッチ素子３６に代えてＱスイッチ素子１３６を構成するようにしてもよい。この図６乃至図７に示すＱスイッチ素子１３６は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧよりなるレーザー媒質１２２とノンドープＹＡＧよりなる可飽和吸収体冷却促進体１４０とＣｒ：ＹＡＧよりなる可飽和吸収体１３８とを組み合わせたセラミック素子により形成することができる。

ここで、図６乃至図７に示すＱスイッチ素子１３６を詳細に説明するが、図６（ａ）にはＱスイッチ素子１３６の斜視図が示されており、図６（ｂ）には図６（ａ）のＤ矢視図が示されており、図６（ｃ）には図６（ａ）のＥ矢視図が示されており、図６（ｄ）には図６（ａ）のＦ矢視図が示されている。また、図７（ａ）にはＱスイッチ素子１３６を構成する可飽和吸収体１３８の斜視図が示されており、図７（ｂ）にはＱスイッチ素子１３６を構成する可飽和吸収体冷却促進体１４０の斜視図が示されており、図７（ｃ）にはＱスイッチ素子１３６を構成するレーザー媒質１２２の斜視図が示されている。

Ｑスイッチ素子１３６は、図６（ａ）に示すように直方体形状を備えており、可飽和吸収体１３８は図７（ａ）に示すように三角柱形状を備え、可飽和吸収体冷却促進体１４０は図７（ｂ）に示すように五角柱形状を備え、レーザー媒質１２２は図７（ｃ）に示すように台形柱形状を備えている。

従って、こうした形状の可飽和吸収体１３８と可飽和吸収体冷却促進体１４０とを光学的に接合するとともに、可飽和吸収体冷却促進体１４０にレーザー媒質１２２を光学的に接合するようにして、Ｑスイッチ素子１３６を構成することにより、結晶の冷却が促進され、また、レーザー媒質１２２と可飽和吸収体１３８とを通過する光路ＰをＹ軸方向とＺ軸方向との２次元的に変化させることにより、レーザー媒質１２２内および可飽和吸収体１３８内における光路Ｐの光路長をそれぞれ独立して変化させることができるようになる。これにより、レーザー媒質１２２の励起光吸収率と可飽和吸収体１３８の初期透過率を任意に変更することができることになる。

また、Ｑスイッチ素子１３６においては、光路Ｐと直交する面において可飽和吸収体１３８が配置されない領域が形成されるので、この領域を光が通過する場合、即ち、図６（ａ）における光路Ｐ’の光路を光が通過する場合には、レーザー共振器１６内を通過する光が可飽和吸収体１３８を経由することがないので、レーザー共振器１６の第２ミラー２０から連続レーザー光（ＣＷレーザー光）を出力することができる。

即ち、Ｑスイッチ素子１３６を用いた場合には、連続レーザー光および任意のパルス幅のパルスレーザー光を出力することができるようになる。

さらに、例えば、図８に示すように、可飽和吸収体３８に代えた可飽和吸収体２３８と可飽和吸収体冷却促進体４０に代えた可飽和吸収体冷却促進体２４０とを接合するようにして、Ｑスイッチ素子３６に代えてＱスイッチ素子２３６を構成するようにしてもよい。

ここで、図８（ａ）にはＱスイッチ素子２３６の斜視図が示されており、図８（ｂ）には可飽和吸収体２３８の斜視図が示されており、図８（ｃ）には図８（ａ）のＧ矢視図が示されているが、可飽和吸収体２３８は、Ｘ軸方向に沿う厚さがＴ１とＴ２との２段階の階段状になるように形成されている。

従って、このＱスイッチ素子２３６においては、Ｑスイッチ素子２３６が光路Ｐに対して相対的にＹ軸方向に移動すると、可飽和吸収体２３８内における光路Ｐの光路長が２段階に変化することになる。このため、パルス幅を２段階で高速に切り替えたい場合には、このＱスイッチ素子２３６を用いることが好ましい。

さらにまた、例えば、図９に示すように、可飽和吸収体３８に代えた可飽和吸収体３３８と可飽和吸収体冷却促進体４０に代えた可飽和吸収体冷却促進体３４０とを接合するとともに、可飽和吸収体冷却促進体３４０にレーザー媒質２２に代えたレーザー媒質３２２
を接合するようにして、Ｑスイッチ素子３６に代えてＱスイッチ素子３３６を構成するようにしてもよい。

ここで、図９（ａ）にはＱスイッチ素子３３６の斜視図が示されており、図９（ｂ）には可飽和吸収体３３８の斜視図が示されており、図９（ｃ）には可飽和吸収体冷却促進体３４０の斜視図が示されており、図９（ｄ）にはレーザー媒質３２２の斜視図が示されているが、可飽和吸収体３３８はＸ軸方向に沿う厚さがＴ３とＴ４との２段階の階段状になるように形成されており、また、レーザー媒質３２２は、Ｚ軸方向に沿う厚さがＴ５とＴ６との２段階の階段状になるように形成されている。

従って、このＱスイッチ素子３３６においては、レーザー媒質３２２と可飽和吸収体３３８とを通過する光路ＰをＹ軸方向とＺ軸方向との２次元的に変化させることにより、レーザー媒質３２２内および可飽和吸収体３３８内における光路Ｐの光路長をそれぞれ独立して２段階で変化させることができるようになる。これにより、レーザー媒質３２２の励起光吸収率と可飽和吸収体３３８の初期透過率とを２段階で高速に変更することができるようになる。

なお、上記した図８に示すＱスイッチ素子２３６においては、可飽和吸収体２３８の初期透過率を２段階で切り替えるようにし、また、図９に示すＱスイッチ素子３３６においては、レーザー媒質３２２の励起光吸収率と可飽和吸収体３３８の初期透過率とを２段階で切り替えるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、適宜の段数の階段形状を備えるように可飽和吸収体２３８、３３８あるいはレーザー媒質３２２を形成し、所望の段階でレーザー媒質の励起光吸収率や可飽和吸収体の初期透過率を切り替えることができるようにしてもよい。

（１５）上記した実施の形態や変形例の説明において、Ｑスイッチ素子を構成するレーザー媒質、可飽和吸収体、可飽和吸収体冷却促進体の形状として、三角柱状、五角柱状あるいは台形柱状などを示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、適宜の形状を選択することができる。

（１６）上記した実施の形態や変形例の説明においては、レーザー共振器内に配置された可飽和吸収体を通過する光の当該可飽和吸収体内における光路長が変化させることにより、当該可飽和吸収体の初期透過率を変化させるようにしたが、可飽和吸収体の初期透過率を変化させる手法は上記した手法に限られるものではないことは勿論であり、可飽和吸収体の初期透過率を変化させる手法としては適宜の手法を選択することができる。

即ち、可飽和吸収体の初期透過率を変化させる手法としては、例えば、単一の可飽和吸収体における添加物（例えば、可飽和吸収体としてＣｒ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合におけるＣｒである。）の濃度を連続的あるいは段階的に変化させるなどして、単一の可飽和吸収体において組成を変化させ、添加物の濃度の異なる領域を光が透過するように当該可飽和吸収体を移動することにより、入射される光に対する可飽和吸収体の初期透過率を変化させるようにしてもよい。

即ち、図１０に示すように、単一の可飽和吸収体の添加物の濃度の異なる領域を光が透過する場合には、光が可飽和吸収体を通過する領域の添加物の濃度が濃くなるに従って、可飽和吸収体の初期透過率が低下することになる。

（１７）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（１６）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、レーザー装置メーカーにおいてパルス幅可変レーザー装置を製作する際や、各種のレーザー実験施設などでパルスレーザーを用いた実験を行う際などにおいて利用することができるものである。

図１は、本発明の実施の形態の一例によるパルス幅可変レーザー装置をＸ−Ｙ平面上に設置した状態における概略構成平面図（図２におけるＺ軸方向に沿うＡ矢印方向から見た場合の概略構成説明図）である。図２は、Ｑスイッチユニットの部分のみを取り出して示したパルス幅可変レーザー装置の概略構成側面図（図１におけるＢ矢印方向から見た場合の概略構成説明図）である。図３は、Ｑスイッチ素子の構成を示す斜視図である。図４は、本願発明者による実験結果を示すグラフであり、可飽和吸収体を通過する光の可飽和吸収体内における光路長の変化とＱスイッチ素子の初期透過率ならびに第２ミラーから出力されるパルスレーザー光のパルス幅との関係を表すものである。横軸に可飽和吸収体を通過する光の可飽和吸収体内における光路長をとり、左側縦軸にＱスイッチ素子の初期透過率をとり、右側縦軸に第２ミラーから出力されるパルスレーザー光のパルス幅をとっている。図５は、可飽和吸収体のみで構成したＱスイッチ素子の他の実施の形態の斜視図である。図６（ａ）はＱスイッチ素子の他の実施の形態の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ矢視図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＥ矢視図であり、図６（ｄ）は図６（ａ）のＦ矢視図である。図７（ａ）は図６に示すＱスイッチ素子を構成する可飽和吸収体の斜視図であり、図７（ｂ）は図６に示すＱスイッチ素子を構成する可飽和吸収体冷却促進体の斜視図であり、図７（ｃ）は図６に示すＱスイッチ素子を構成するレーザー媒質の斜視図である。図８（ａ）はＱスイッチ素子の他の実施の形態の斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＱスイッチ素子を構成する可飽和吸収体の斜視図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）のＧ矢視図である。図９（ａ）はＱスイッチ素子の他の実施の形態の斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＱスイッチ素子を構成する可飽和吸収体の斜視図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）に示すＱスイッチ素子を構成する可飽和吸収体冷却促進体の斜視図であり、図９（ｄ）は図９（ａ）に示すＱスイッチ素子を構成するレーザー媒質の斜視図である。図１０は、単一の可飽和吸収体の添加物の濃度の異なる領域を光が透過する際の可飽和吸収体の初期透過率の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０パルス幅可変レーザー装置
１２励起レーザー
１４集光光学系レンズ群
１４ａ、１４ｂ凸レンズ
１６レーザー共振器
１８第１ミラー
１８ａ、１８ｂ面
２０第２ミラー
２０ａ凹面
２０ｂ面
２２、１２２、３２２レーザー媒質
２２ａ、２２ｂ面
３０Ｑスイッチユニット
３２スライドステージ
３４ホルダー
３６、１３６、２３６、３３６Ｑスイッチ素子
３８、１３８、２３８、３３８可飽和吸収体
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ面
４０、１４０、２４０、３４０可飽和吸収体冷却促進体
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ面
５０駆動装置

Claims

レーザーの進行方向をＸ軸とし、
Ｘ軸上にレーザー媒質と可飽和吸収体冷却促進体と可飽和吸収体とを一体に形成し、
前記可飽和吸収体冷却促進体は前記レーザー媒質と前記可飽和吸収体との間に配置され、
前記レーザー媒質と前記可飽和吸収体冷却促進体との境界面を第１の境界面とし、
前記可飽和吸収体冷却促進体と前記可飽和吸収体との境界面を第２の境界面とし、
前記第１の境界面は、レーザーの前記レーザー媒質を透過する距離がＺ軸方向に変化してＹ軸方向に変化しないようにＹＺ平面に対して傾いて配置されており、
前記第２の境界面は、レーザーの前記可飽和吸収体を透過する距離がＹ軸方向に変化してＺ軸方向に変化しないようにＹＺ平面に対して傾いて配置されている
ことを特徴とするＱスイッチ素子。
前記第１の境界面と前記第２の境界面は平面であることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチ素子。
請求項１または２のいずれか１項に記載のＱスイッチ素子を備えたことを特徴とするレーザー発振素子。
請求項１または２のいずれか１項に記載のＱスイッチ素子を備えたことを特徴とするパルス幅可変レーザー装置。