JP4627445B2

JP4627445B2 - レーザ増幅装置

Info

Publication number: JP4627445B2
Application number: JP2005047848A
Authority: JP
Inventors: 恭史池川; 利幸川嶋; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006237170A

Description

本発明は、レーザ光を増幅して出力するレーザ増幅装置に関し、特に、活性元素をドープしたレーザ媒質に被増幅光とともに励起光を導入して被増幅光の増幅を行うレーザ増幅装置に関する。

希土類をドープしたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）結晶等を励起材料としてレーザ光を増幅する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。現在は、大出力レーザ装置（パルス出力１００Ｊ以上）においては、フラッシュランプ励起のガラスレーザを用いたレーザ装置が主流であるが、これらのレーザ装置は、装置自体が数十ｍ規模と大型でシステムも複雑であり、繰り返し動作が困難である等の理由から、大出力レーザ装置においても前述したＹＡＧ結晶等を利用した固体レーザ増幅装置を用いる技術が検討されている。
特開２０００−３６６３１号公報

大出力レーザでは、大量のエネルギーをレーザ媒質内部に溜め込む必要がある。一方、製造コストやハンドリング上の要請からレーザ媒質はできる限り小さくすることが好ましい。この結果、単位体積あたりのエネルギーが大きくなるため、レーザ媒質内の熱負荷が増大し、最悪の場合には熱歪みによる破壊をもたらしかねない。

また、ドープ材料としてネオジウム（Ｎｄ）に代えてイットリビウム（Ｙｂ）を用いたＹｂ系レーザも近年、有望なレーザ媒体として注目されている。Ｙｂは、Ｎｄに比較して変換効率が高く、励起エネルギーが同一であればＮｄを使用した場合の半分以下に熱負荷を抑えることができる。また、誘導放出断面積がＮｄに比較して１桁小さいため、自然放出光によるエネルギーロスが少なく、単位体積あたりのエネルギー蓄積を上げることができる。しかしながら、Ｙｂは準３準位レーザであるため、レーザ下準位に元素がたまりレーザ閾値が高くなるため、発振・増幅効率は低いという問題がある。

このため、従来は、安定して繰り返し動作を可能とした大出力・高効率のレーザ装置を提供することは困難であった。そこで本発明は、安定して繰り返し動作を可能とした大出力・高効率のレーザ装置の提供を可能とする固体レーザ増幅器を用いたレーザ増幅装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ増幅装置は、活性元素をドープしたレーザ媒質に被増幅光であるレーザ光とともに励起光を導入してレーザ光の増幅を行うレーザ増幅装置において、レーザ媒質は、直方体であって、そのドープ濃度が長手方向の中心部分で最大となるよう設定されており、レーザ媒質の前記長手方向の対向する端面それぞれに励起光を導入する第１及び第２の励起光導入光学系と、レーザ媒質の励起光導入端面またはこれと異なるいずれかの端面に被増幅光を入射させる入射光学系と、レーザ媒質の励起光導入端面、被増幅光入射端面のいずれとも異なる対向する１組の端面上に施され、レーザ媒質より低い屈折率を有するコーティングと、をさらに備えていることを特徴とする。励起光の進行方向に沿ってレーザ媒質のドープ濃度を調整することで、レーザ媒質内での励起光の進行方向の励起分布が平坦化する。

入射光学系は、レーザ媒質の励起光が導入される端面とは異なる端面のうち面積の狭い側の端面に被増幅光を入射させるものでも、レーザ媒質の励起光が導入されるいずれかの端面に被増幅光を入射させるものでもよい。この場合、コーティングは、上記２組の端面のうち面積の広い側の端面に施されているとよい。

被増幅光の入射端面に対向する端面から出射した被増幅光をレーザ媒質へと再入射させる再入射光学系と、入射端面から再出射したレーザ光を出力する出力光学系と、をさらに備えていると好ましい。この場合には、レーザ光は、レーザ媒質内を２回通過する（２パス）ことになる。さらに、入射端面側に第２の再入射光学系を設けることで、４パス方式とすることも可能である。

また、コーティングが施されている２側面にそれぞれ密着し、レーザ媒質を熱伝導により冷却する冷却手段をさらに備えているとよい。この冷却手段によりレーザ媒質内で発生した熱をレーザ媒質から除去する。

この冷却手段をレーザ媒質に押圧する押圧手段をさらに備え、冷却手段とレーザ媒質との熱伝導を促進するとよい。

レーザ媒質の励起光の進行方向におけるドープ領域の長さに対してドープ濃度の変化領域の同方向における長さが１０分の１以上であることが、励起分布の平坦化のためには好ましい。

本発明によれば、励起光の進行方向で励起分布を平坦化しているため、レーザ媒質内のエネルギー蓄積を分散し、その熱負荷を分散して安定した動作を可能とし、大出力レーザに適した大型のレーザ媒質の使用が可能となる。濃度変化領域を励起光の進行方向の長さの１０分の１以上とすることでこの平坦化を確実にする。

両端から励起光を導入する両端面励起とすることで、吸収効率を上げることができ、高出力が実現できる。そして、２パス、４パスとすることで、大出力でありながら、レーザ増幅器のコンパクト化が可能となる。

側面冷却を行うことで、冷却効率を高める。また、冷却手段が圧着されていることでレーザ媒質の熱歪みを抑制できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係るレーザ増幅装置を用いたレーザ装置の概略構成図である。このレーザ増幅器は、端面励起・側面伝導冷却型のジグザグスラブ式固体レーザ増幅装置である。増幅装置の主部は、図の中央に配置されるレーザ媒質２であり、レーザ媒質２はヒートシンク３に挟まれて冷却装置１内に収容されている。冷却装置１のレーザ媒質２を望む両端の側面には、レーザ光を通過させる窓１１ａ、１１ｂが設けられている。レーザ媒質２は、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスラブを主材料としている（その具体的な構成については後述する）。窓１１は、両面をＡＲコーティングされている。

そして、レーザ媒質２の左右双方に、励起光源となる半導体レーザアレイ４ａ、４ｂが配置され、これら半導体レーザアレイ４ａ、４ｂと窓１１ａ、１１ｂの間には、略同一構成の集光光学系５ａ、５ｂが配置されている。半導体レーザアレイ４ａ、４ｂは、波長９４０ｎｍの励起光を出力するものであり、集光光学系５ａ、５ｂは、いずれも２つのシリンドリカルレンズ（平凸レンズ）で構成される。これらのレンズの曲率は、励起光がレーザ媒質２へと入射して良好に伝播しうるように適宜決定される。各レンズの表面には、高透過率のＡＲ（無反射）コーティングを施すことが好ましい。

また、図中右側の窓１１ｂ側には、種光（波長１０３０ｎｍ）を入射させる入射光学系の一部であるミラー６と、増幅した光を出力する出力光学系の一部であるミラー９が配置される。入射光学系と出力光学系はさらに複数のミラー、レンズやその他の各種の光学部品を用いて構成されていてもよい。一方、図中左側の窓１１ａ側には、レーザ媒質２から出射した被増幅光を再度レーザ媒質２へと導くための再入射光学系を構成するミラー７、８が配置されている。この再入射光学系は、他の光学部品を用いて構成してもよく、図に示される光学系にさらに他の光学部品（例えば、レンズ）を追加して構成してもよい。

これらの４枚のミラー６〜９を利用することで、レーザ媒質２の長手方向（図中の左右方向）で被増幅光を２回通過させることにより、いわゆる２パス増幅を行う。ミラー６〜９には、ＨＲ（高反射）コーティングされた平板ミラーを利用することで、被増幅光（種光）に対して高い反射率を実現している。

次に、各構成要素について図２〜図５を参照して説明する。図２は、冷却装置１の外観斜視図であり、図３は、冷却装置１と内部に収容されたレーザ媒質２を示す分解斜視図である。また、図４は、冷却装置１のヒートシンク部３の構成を示す図であり、図５は、レーザ媒質２の構成を示す図である。

最初に、レーザ媒質２について説明する。レーザ媒質２には、本実施形態では、５０ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍのＹｂ：ＹＡＧのセラミックスラブ２０が主材料として用いられている。ここでは、増幅後の出力フルエンスが光学素子のダメージ閾値を超えないよう１０Ｊ／ｃｍ^２に設定して、スラブ２０の寸法を決定した。スラブ２０として単結晶ではなく、セラミックを採用することで、大容積のスラブを安価に得ることができる。このスラブ２０の長手方向の両端には、ＹｂをドープしていないＹＡＧスラブ２１（５０ｍｍ×２００ｍｍ×２０ｍｍ）が接合されており、ＹＡＧスラブ２１のスラブ２０と接合されていない側の両端面は光学研磨されている。そして、種光に対するＡＲコーティング２２が施されている。この接合は焼結時に行うとよい。

図６は、スラブ２０、２１の長手方向（励起光の進行方向）に沿ってドープされているＹｂの濃度分布をプロットしたグラフである。図に示されるように、ドープ濃度は中央部の長さｔの領域ではｎ_０と高く、両端部でｎ_１と低く、両端から中央に至るそれぞれ長さｇの領域では、ドープ濃度が端から中央にいくに連れて高くなる分布をとっている。ここで、この濃度変化領域の濃度分布は図中の太線（ｂ）で示されるように、直線的に変化する形式に限られるものではなく、太線（ａ）に示されるように両端側の濃度増加量が中央側の濃度増加量より大きい形式のほか、太線（ｃ）に示されるように両端側の濃度増加量が中央側の濃度増加量より小さい形式であってもよい。ここでは、平均濃度が０．１５ａｔｍ％で、ｎ_１／ｎ_０が０．５で、濃度分布が直線的に変化する（図６の太線（ｂ）の濃度分布を有する）形式を採用した。

スラブ２０の濃度変化領域の濃度分布は、図６に示される形式に限られるものではなく、さらに、図７に示されるように、階段状に変化する形式であってもよい。このように階段状に変化するタイプは、ドープ濃度の異なる複数のセラミックスラブを作成し、それぞれを分割して、組み合わせて接合することで、任意の濃度分布を有するセラミックスラブを容易に製造することができるという利点がある。

スラブ２０の左右の側面には、それぞれ、エバネッセント波コーティング２３が施されている。このエバネッセント波コーティング２３は、厚さがレーザ波長の３倍以上（例えば、約３μｍ）であり、テフロン（登録商標）、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等で構成されて、その屈折率がＹＡＧ自体の屈折率より低くなるよう形成されている。さらに、その上（スラブ２０の両側面上）には、熱伝導率が高く、弾性率の高い低温用シリコン樹脂２５（厚さ１００μｍ）が貼り付けられている。このシリコン樹脂２５は、スラブ２０に対応する領域のみに配置される。シリコン樹脂２５に代えて、インジウムや金等の比較的弾性のある金属箔を用いてもよい。一方、スラブ２０の上下面には、自然放出光を吸収するための光吸収体（クラッディング材）２４がそれぞれ取り付けられている。

冷却装置１は図２に示されるように、ステンレス製の容器１０の対向する両側面に前述したレーザ光を通過させる窓１１が配置されている。容器１０には、真空ポンプ１３が接続されており、その内部は真空状態で維持される。また、容器１０には、内部に収容されたレーザ媒質２を冷却する冷却装置１を制御するコントローラ１２が接続されている。

冷却装置１内では、レーザー媒質２は、そのシリコン樹脂２５により、左右にある銅製のヒートシンク３へと接着されている。各ヒートシンク３は、レーザー媒質２に接着される側面がスラブ２０と同じ高さ、奥行（２００ｍｍ×２００ｍｍ）を有し、その厚さは高さの１／３〜１／４程度とするとよい（ここでは、６ｃｍとした）。

ヒートシンク３は、内部に循環路３５を有し、循環路３５は、循環パイプ３１を介して冷却液循環・再冷却器１７に接続されている。この循環路３５には、フロリナートや液体窒素等の冷却液が封入されている。ヒートシンク３の表面には、温度測定用の熱電対３４が配置されるほか、昇温用のヒータ３３も取り付けられている。熱電対３４の出力信号はコントローラ１２へと入力され、コントローラ１２が冷却液循環・再冷却器１７、ヒータ３３の作動を制御することにより、ヒートシンク３の温度を調整することで、レーザ媒質２の温度調整を可能としている。ヒータ３３は、レーザ媒質２を加熱するのではなく、冷却液循環・再冷却器１７により、レーザ媒質２が所望の温度より低温となった場合に、所望の温度まで昇温させるのに用いられる。調整の温度範囲としては７７Ｋ〜３００Ｋが好ましいが、２００Ｋ程度で作動させると自然放出光による損失が少なく好ましい。

レーザ媒質２と片側のヒートシンク３ｂとは、テフロン製の断熱板１０１、１０２と断熱支柱１０３により固定されている。一方、ヒートシンク３ａは、下側に可動部３２を有し、側壁１０４との間に電動式プレス１５が断熱材１４、１６をはさんで配置される。押圧手段であるこの電動式プレス１５の伸縮量を調整することで、ヒートシンク３ａのレーザ媒質２への押圧力を調整できる。押圧力としては１０００Ｐａ程度に設定される。また、ヒートシンク３ａの循環パイプ３１には伸縮性チューブが使用される。これらはテフロン製の断熱床１００上に配置されている。

次に、本実施形態の動作について具体的に説明する。半導体レーザアレイ４ａ、４ｂから出力されたパルス励起光（パルス幅１ｍｓ、波長９４０ｎｍ、合計平均パワー２１ｋＷ）は、集光光学系５ａ、５ｂにより集光されて窓１１を通過してレーザ媒質２へと入射する。吸収長である活性元素のドープされたスラブ２０の長手方向の寸法が長く（２００ｍｍ）、また、この励起光は、図の上下方向に発散する性質を有するため、集光光学系５ａ、５ｂ（シリンドリカルレンズ）を用いて励起光をスラブ端部２１に集光させている。端部のスラブ２１を経て中央部のスラブ２０へと入射した励起光は、スラブ内部で反射を繰り返しながらジグザグに伝播する。この間にスラブ２０へと吸収され、最終的に励起光エネルギーの９５％程度が吸収される。そして、前述したように、長手方向におけるドープ濃度分布を調整してるため、長手方向における励起分布は略均一になる（図８参照）。なお、図８の破線は規格化された励起強度の分布である。

一方、パルスエネルギー１Ｊ、波長１０３０ｎｍの種光（被増幅光）は、図１の上方から入射光学系によって導かれ、そのミラー６により窓１１ｂを透過して、レーザ媒質２へと入射する。入射した種光は、ジグザグ反射を繰り返しながら、スラブ２１、スラブ２０、反対側のスラブ２１へと伝播され、この間に増幅される（１パス目）。増幅されたレーザ光は、窓１１ａを透過して、再入射光学系のミラー７、８により反射されて再び窓１１ａを透過し、レーザ媒質２へと再入射する。再入射後は、１パス目と面対称な光路を伝播して増幅される（２パス目）。増幅後、窓１１ｂを透過したレーザ光は、ミラー９および出力光学系を通じて外部へと出力される。スラブ２０内のエネルギー抽出が不十分な場合には、ミラー９の向きを代えてレーザ光を反射することで４パス増幅を行うとよい。ミラー間にはスペーシャル・フィルターを挿入してビーム品質のさらなる改善を図ってもよい。

本実施形態では、スラブ２０をドープなしのスラブ２１で挟み込む構成としている。このようにドープなしの両側の励起光入射端面にドープなしのスラブ２１を配置することで、スラブ２０両端の急激な温度勾配を緩和し、これらの部分に加わる熱応力を軽減する。これは、スラブ２０の熱破壊を防ぐと同時に、熱効果による屈折率の不均一分布を軽減し、レーザ光のビーム品質向上にも寄与する。また、スラブ２０とスラブ２１とは基本的に同じ材質であるため、フレネル反射による出力損失もない。これにより、スラブ２０からスラブ２１へと向かって進む自然放出光をほぼ１００％スラブ２１へと伝播させ、スラブ２１側面のコーティングによりスラブ２１の外へと放出することができる。つまり、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）による利得の減少や寄生発振の抑制に寄与する。

一方、スラブ２０上下面のエバネッセント波コーティング２３は、コーティング部の屈折率を変化させることで、レーザ光がスラブ２０内部で全反射してジグザグに伝播する際の角度（臨界角）を調整する。本実施形態では、厚さ２０ｍｍ、伝播長２４０ｍｍのスラブ２０、２１内部を片面６回反射させるため、反射角は６０度に設定される。Ｙｂ：ＹＡＧの屈折率は１．８２であるから、コーティング部の屈折率を１．５７とすると、臨界角は５９．６度となり、６０度未満の光はその大部分が内部反射せずコーティング側に透過する。これによって寄生発振を極力抑制する。

エバネッセント波コーティング２３の外側に貼付されたシリコン樹脂２５は、低温でも弾性を保ち、スラブ２０に加わる熱歪みを緩和する。また、ヒートシンク３との密着度を維持することで、スラブ２０（レーザ媒質２）が破損することのない高効率冷却を実現することができる。これにより、スラブ２０の温度を低温に維持して誘導放出断面積を増大せしめ、高利得・高効率増幅が可能となる。

また、スラブ２０の上下端は真空断熱されているため、スラブ２０からの熱移動はヒートシンク３ａ、３ｂ方向に限られ、上下方向の温度分布が均一化する。このため、熱レンズや熱複屈折の影響の少ない高品質なレーザ光が得られる。

冷却装置１内部は真空状態に維持されているため、低温冷却による結露が起こらない。また、電動式プレス１５により、ヒートシンク３ａをレーザ媒質２へと押圧することで、ヒートシンク３ａ、３ｂをレーザ媒質２に密着させるとともに、両者でレーザ媒質２を挟み込むことにより、冷却性を向上させるとともに熱歪みの発生を機械的にも抑制する。

本実施形態によれば、１ｋＪの大出力パルスを小型のレーザ媒質から発生させることができ、さらに、１０ｋＷを超える高平均出力動作（実施例では１６Ｈｚ動作が可能。）であり、従来の単発大出力ガラスレーザに対して格段の効果が得られる。また、自然放出光の影響の少ない高品質なレーザ光が得られる。

図７において、濃度変化領域の幅ｇは全長Ｌの１／１０以上とすることが好ましい。ｇがＬ／２に近づくほど励起分布も略均一とすることができる。一方、１／１０を下回ると、高濃度域と低濃度域とで励起分布の変化は断続的なものに近くなる。

以上の説明では、両端面励起の場合を例に説明したが、図９に示されるように片面励起の場合にも本発明は好適に適用できる。この片面励起の場合には、両端面励起の片端面から中心部までと同様の濃度分布を設定すればよい。

また、レーザ媒質はスラブ、ロッドに限られるものではなく、ディスク（アクティブミラー）のような媒質であってもよい。これらの場合には、ドープ濃度は励起光の入射端面側で低く、その進行方向に沿って濃度分布を高くしていけばよい。また、ドープされる元素はＹｂに限られるものではなく、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｔｍ等も考えられる。また、ホスト媒質としては、ルビー、ＹＬＦ、サファイア、ガラス、Ｓ−ＦＡＰ、ＹＶＯ４等も考えられる。

また、上述の実施形態では、被増幅光の入出射端面と励起光の入出射端面とが同面であったが、図１０に示されるように励起光を被増幅光に直交する方向から入射させてもよい。この場合も励起光の進行方向に沿ってドープ濃度を変えればよい。

本発明に係るレーザ増幅装置を用いたレーザ装置の概略構成図である。図１の冷却装置１の外観斜視図である。図１の冷却装置１と内部に収容されたレーザ媒質２を示す分解斜視図である。図１の冷却装置１のヒートシンク部３の構成を示す図である。レーザ媒質２の構成を示す図である。スラブ２０、２１の長手方向（励起光の進行方向）に沿ってドープされているＹｂの濃度分布をプロットしたグラフである。濃度分布の別の例を示した図である。本実施形態の励起分布を示す図である。片面励起の場合の濃度分布を示す図である。励起光を側面から入射させる形態を示す図である。

符号の説明

１…冷却装置、２…レーザ媒質、３ａ、３ｂ…ヒートシンク、４ａ、４ｂ…半導体レーザアレイ、５ａ、５ｂ…集光光学系、６〜９…ミラー、１０…容器、１１ａ、１１ｂ…窓、１２…コントローラ、１３…真空ポンプ、１４…断熱材、１５…電動式プレス、１７…冷却液循環・再冷却器、２０…スラブ（ドープあり）、２１…スラブ（ドープなし）、２２…コーティング、２３…エバネッセント波コーティング、２５…シリコン樹脂、３１…循環パイプ、３２…可動部、３３…ヒータ、３４…熱電対、３５…循環路、１００…断熱床、１０１…断熱板、１０３…断熱支柱、１０４…側壁。

Claims

活性元素をドープしたレーザ媒質に被増幅光であるレーザ光とともに励起光を導入してレーザ光の増幅を行うレーザ増幅装置において、
前記レーザ媒質は、直方体であって、そのドープ濃度が長手方向の中心部分で最大となるよう設定されており、
前記レーザ媒質の前記長手方向の対向する端面それぞれに励起光を導入する第１及び第２の励起光導入光学系と、
前記レーザ媒質の励起光導入端面またはこれと異なるいずれかの端面に被増幅光を入射させる入射光学系と、
前記レーザ媒質の励起光導入端面、被増幅光入射端面のいずれとも異なる対向する１組の端面上に施され、前記レーザ媒質より低い屈折率を有するコーティングと、をさらに備えていることを特徴とするレーザ増幅装置。
前記入射光学系は、前記レーザ媒質の励起光が導入される端面とは異なる端面のうち面積の狭い側の端面に被増幅光を入射させることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
前記入射光学系は、前記レーザ媒質の励起光が導入されるいずれかの端面に被増幅光を入射させることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
前記コーティングは、前記２組の端面のうち面積の広い側の端面に施されている請求項３記載のレーザ増幅装置。
被増幅光の入射端面に対向する端面から出射した被増幅光をレーザ媒質へと再入射させる再入射光学系と、
入射端面から再出射したレーザ光を出力する出力光学系と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ増幅装置。
前記コーティングが施されている２側面にそれぞれ密着し、前記レーザ媒質を熱伝導により冷却する冷却手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ増幅装置。
前記冷却手段を前記レーザ媒質に押圧する押圧手段をさらに備えていることを特徴とする請求項６記載のレーザ増幅装置。
前記レーザ媒質の励起光の進行方向におけるドープ領域の長さに対してドープ濃度の変化領域の同方向における長さが１０分の１以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ増幅装置。