JP4824284B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。

従来におけるこの種の技術として、下記の特許文献１に記載された半導体レーザ励起固体レーザ発生装置がある。この固体レーザ発生装置では、内方へ向かって励起光を照射可能な環状の半導体レーザ素子が、ＹＡＧロッドの周面を取り囲むようにＹＡＧロッドの長手方向に並べられ、半導体レーザスタックが形成されている。このような構成により、ＹＡＧロッドに対しては、その周方向全方位から励起光が照射されることになるため、ＹＡＧロッドの周面近傍の温度分布を均一化することができ、理想的な熱レンズ効果を得ることが可能になる。
特開２００２−９３７２号公報

しかしながら、上述したような固体レーザ発生装置にあっては、ＹＡＧロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度がＹＡＧロッドの中心部と周面近傍とで不均一となり、ＹＡＧロッドから出射されるレーザ光の品質が劣化するおそれがある。

多重パス増幅方式のＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）システム等のレーザシステムにおける主増幅器（メインアンプ）においては、この励起強度の不均一性が顕著な問題となる。ＭＯＰＡシステムに係る出力光（アウトプット）を大出力なものにする際には、これを構成する増幅器が有するレーザロッド（ＹＡＧロッド等）は、小口径のものではなく、大口径のもので構成する必要が生じている。この理由としては、レーザロッド端面におけるダメージ閾値（ロッド端面のＡＲコート若しくはロッド自体の表面が光損傷に耐えることができるレーザ光のエネルギー密度やパワー密度の限界値であり、Ｊ／ｃｍ^２、Ｗ／ｃｍ^２等で表記される）が固定されるため、より大きな出力を得るためにはロッド端面の面積を大きくする、すなわち大口径化が必要である。

より具体的には、レーザロッド端面においては、ＭＯＰＡシステムのトータル性能を良好に保つため（高効率化、規制発振の防止のため）に、ＡＲコートがされているが、これは、ロッド自体よりも格段にダメージ閾値が低く、高強度のレーザ光が該端面に入射した場合には、特に光損傷を受けやすいからでる。レーザ光の強度が高く、またレーザロッドの口径が小さい場合には、ＡＲコートについて光損傷等が生じやすく、これによってＭＯＰＡシステムにおいて更なるダメージの進行や伝播ビーム品質の劣化によりレーザロッド自体やその他の光学部品の光損傷を引き起こす。しかし、レーザ光の出力が高い場合においても、レーザロッドの口径が大きい場合には、端面の面積が大きいため、ロッド端面におけるダメージ閾値よりレーザ光のエネルギー密度またはパワー密度を十分小さくすることができる。

レーザロッドの口径を大きくすれば、かかる問題は解決するのであるが、レーザロッドの口径を大きくした際には、レーザ光軸に垂直な断面における励起強度を均一とすることは、小口径のものにおいて実施する場合に比べて困難を極めた。なお、均一な強度分布を有するレーザ光を得るための条件としては、レーザロッドが周囲の励起光源から均一に励起されることが必要となるが、これは、レーザ光が、レーザ光軸に沿って伝播する過程において、その進行に伴って強度が増幅されるからである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することができる半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、ＬＤスタックの発光面から出射された励起光を円柱状のレーザロッドに照射することによりレーザロッドを励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、ＬＤスタックは、ＬＤスタックの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向をスロー軸方向とするＬＤバーがレーザロッドの中心軸線に沿って複数積層されて構成され、ＬＤスタックの発光面は、積層されたＬＤバーの発光面の集合であり、ＬＤスタックは、ＬＤスタックの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを含むように、レーザロッドの周囲に等しい間隔で、且つ、レーザロッドの中心軸線から発光面までの距離が互いに等しい距離で複数配置されており、レーザロッドに到達した励起光の強度をＩ_０とし、レーザロッドによる励起光の実効的な吸収係数をαとし、レーザロッドの半径をＲとし、ＬＤスタックの数量をＮとすると、複数のＬＤスタックのうち一のＬＤスタックに着目した場合に、レーザロッドの中心位置において、当該一のＬＤスタックから出射された励起光の強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−αＲ)は、Ｉ_０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ_０／Ｎを満たし、レーザロッドにおける当該一のＬＤスタックの反対側の位置において、当該一のＬＤスタックから出射された励起光の強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−２αＲ)は、０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ_０を満たすことを特徴とする。

この半導体レーザ励起固体レーザ装置においては、各ＬＤスタックから出射された励起光は、レーザロッドの中心位置で強度Ｉ(Ｒ)がＩ_０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ_０／Ｎとなるように吸収されると共に、レーザロッドの反対位置で強度Ｉ(２Ｒ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ_０となるように吸収される。ここで、ＬＤスタックの数量はＮであるから、各ＬＤスタックから出射された励起光が重なり合った励起光（以下、「重畳励起光」という）の強度は、レーザロッドの中心位置でＩ(Ｒ)をＮ倍したものとなる。しかも、各ＬＤスタックは、ＬＤスタックの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを含むように、レーザロッドの周囲に等しい間隔で、且つ、レーザロッドの中心軸線から発光面までの距離が互いに等しい距離で配置されている。従って、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面において重畳励起光の強度が均一化されることになるため、当該断面における励起強度の分布を均一化することができる。なお、励起光の強度Ｉ(Ｒ)及び強度Ｉ(２Ｒ)は、一のＬＤスタックから出射された励起光の強度である。また、レーザロッドの反対位置とは、一のＬＤスタックに着目した場合に、レーザロッドにおける当該ＬＤスタックの反対側の位置を意味する。

また、レーザロッドに到達した励起光の幅は、ＬＤスタックの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において、レーザロッドの直径と等しいことが好ましい。これにより、ＬＤスタックから出射された励起光をレーザロッドの励起に最大限に利用することができる。

また、ＬＤスタックの発光面とレーザロッドとの間に、励起光の拡がり角を補正する補正レンズが配置されていてもよい。このような補正レンズを配置することで、ＬＤスタックの発光面から出射された励起光の拡がり角を補正し、発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを含むように、又はレーザロッドに到達した励起光の幅がレーザロッドの直径と等しくなるようにすることができる。

また、レーザロッドは、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材と、励起部材に密接して励起部材を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層とを有することが好ましい。レーザロッドの中心軸線に垂直な断面に着目した場合、レーザロッドの中心部では、レーザロッドの周面近傍に比べて励起強度の分布がより均一化される。そのため、レーザロッドの中心部を、レーザ遷移元素を含有する励起部材とし、レーザロッドの周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層とすることで、励起部材における励起強度の分布をより均一化することができる。

本発明によれば、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することができる。

以下、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す半導体レーザ励起固体レーザ装置１は、例えば、レーザシステムにおいて主増幅器として用いられるものである。図２２は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１を主増幅器として使用したダブルパス増幅方式のＭＯＰＡシステムの構成図である。同図に示すように、ＭＯＰＡシステム１００は、フロントエンド発振器１０１、プリアンプ１０２、光アイソレータ１０３、ビーム拡大器１０４、アポダイザ１０５、スペーシャルフィルタ１０６、光学系１０７、偏光器１１３、第１の主増幅器１０８ａ、９０度ローテータ１０９、第２の主増幅器１０８ｂ、拡がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、及び位相共役鏡（またはデフォーマブルミラー、折り返しミラー等）１１１を備えている。

フロントエンド発振器１０１は、高品質のパルスレーザ光を高い繰り返し周波数で発生させる。

プリアンプ１０２は、レーザ媒質を含む円柱状レーザロッドと、励起光源とから構成される（図示せず）。励起光源としては、半導体レーザが好適である。フロントエンド発振器１０１からのパルスレーザ光は、プリアンプ１０２を構成するレーザロッドの入射端面から該レーザロッドの長手方向に進行し、その出射端面から出力される。レーザロッドの周囲に配設されている励起光源からの励起光は、レーザロッドに含まれるレーザ媒質を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって、増幅されることになる。

なお、このプリアンプ１０２による増幅は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂによる増幅が飽和する程度にまで行うのが好適である。飽和増幅は主増幅器１０８ａ，１０８ｂの効率を最大にするためには必要不可欠だからである。

光アイソレータ１０３は、戻り光、特に主増幅器１０８ａ，１０８ｂで増幅された戻りパルスレーザ光の偏光解消分がフロントエンド発振器１０１に逆入射するのを阻止する。

ビーム拡大器１０４は、プリアンプ１０２で増幅され、かつ光アイソレータ１０３を通過したパルスレーザ光のビーム径を拡大する。

アポダイザ１０５は、例えばセレーテッドアパーチャを用いて実現され、そこを通過するパルスレーザ光のビームプロファイルが平坦となるように、ビーム拡大器１０４にて拡大されたパルスレーザ光の一部を通過させ、残りの通過を阻止する。このアポダイザ１０５は、入射するパルスレーザ光の径方向中心部を通過させ、径方向周縁部の通過を阻止するように構成させることが好ましい。

スペーシャルフィルタ１０６は、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光が有するビームプロファイルを、第１の主増幅器１０８ａへ像転送する。即ち、スペーシャルフィルタ１０６は、アポダイザ１０５を通過したレーザビームが、光学系１０７及び偏光器１１３を通過伝播後に、第１の主増幅器１０８ａに入射する位置で、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光を結像しビームプロファイルを一致させている。

光学系１０７は、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光を第１の主増幅器１０８ａへ入射させるためのものである。光学系１０７は、一対のミラーにより構成されているが、適宜変更可能である。

偏光器１１３は、光学系１０７からのパルスレーザ光を通過させて第１の主増幅器１０８ａへ入射させ、位相共役鏡１１１により反射され増幅された第１の主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光を反射し光学系１０７への入射を阻止する。なお、偏光器１１３ではファラデーローテータ１１２を往復することで９０度偏光が回転されているため第１の主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光が反射され、このＭＯＰＡシステム１００の出力となる。

第１及び第２の主増幅器１０８ａ，１０８ｂは、ＭＯＰＡシステム１００における主増幅部１０８を構成する。偏光器１１３を通過してきたパルスレーザ光は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂにおいて、その進行とともに、レーザ光強度が増幅されることとなる。

主増幅器１０８ａ，１０８ｂについての具体的構成は図１及び図２に示されており、主増幅器１０８ａ，１０８ｂとしての固体レーザ装置１は、図１及び図２に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧロッドである円柱状のレーザロッド２を有している。なお、このレーザロッド２の表面には、ＡＲコート（図示せず）が施されている。これによって、透過損失の低減、規制発振の抑制がなされている。レーザロッド２の周囲には、その中心軸線ＣＬに沿って多数のＬＤ（Laser Diode）バー３が積層されて構成されたＬＤスタック（半導体レーザ）４が中心軸線ＣＬ回りに実質的に等しい間隔で（すなわち、実質的に等しい角度毎に）６個配置されている。各ＬＤスタック４の発光面４ａは、積層されたＬＤバー３の発光面３ａの集合であり、レーザロッド２に対面している。

ここで、図２２に戻り、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂについて、これを進行するパルスレーザ光の経路について説明する。

偏光器１１３を通過したパルスレーザ光は、主増幅器１０８ａ（図１における固体レーザ装置１）を構成するレーザロッドの入射面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの出射面から出力される。主増幅器１０８ａを構成するレーザロッドの周囲に配置されている励起光源からの励起光は、レーザロッドにドープされているレーザ遷移元素を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって増幅されることになる。

主増幅器１０８ａの出射端面から出力されたパルスレーザ光は、９０度ローテータ１０９を透過することにより偏光方向を９０度回転し、主増幅器１０８ｂに進行する。主増幅器１０８ａと主増幅器１０８ｂとの励起分布が等しい場合、このように偏光を９０度回転させることで偏光解消ロスを理論的に０に近づけられる。主増幅器１０８ｂを構成するレーザロッドの周囲に配置されている励起光源からの励起光は、レーザロッドにドープされているレーザ遷移元素を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって増幅されることになる。なお、増幅器１０８ｂは、図１に示された固体レーザ装置１と同じ構成をとることで励起分布を一致させることが偏光解消ロス低減のためにも好ましい。

次に、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂを通過したパルスレーザ光の進行について説明する。

主増幅器１０８ｂを透過したパルスレーザ光は、広がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、位相共役鏡１１１、ファラデーローテータ１１２、広がり角調整器１１０という順序で進行し、再び主増幅器１０８ｂに到達する。より、具体的には、先に説明したところの主増幅器１０８ｂを構成するレーザロッドの出射端面にパルスレーザ光は戻ってくる。そして、このパルスレーザ光は、かかるレーザロッドの出射面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの入射端面から出力されることとなる。この主増幅器１０８ｂから出力されたパルスレーザ光は、９０度ローテータ１０９を経由し、主増幅器器１０８ａに到達する。より具体的には、パルスレーザ光は、先に説明したところの主増幅器１０８ａを構成するレーザロッドの出射端面に戻ってくる。そして、このパルスレーザ光は、かかるレーザロッドの出射端面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの入射端面から出力されることとなる。それぞれの増幅器１０８ａ，１０８ｂにおいては、上記したところと同様に、パルスレーザ光がレーザロッドの長手方向に進行するとともに、その強度が増幅される。

上述した説明から明らかな通り、図２２に示したＭＯＰＡシステム１００は、ダブルパス式のＭＯＰＡシステムである。

つまり、偏光器１１３を通過し、主増幅器１０８ａ、９０度ローテータ１０９、主増幅器１０８ｂ、広がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、位相共役鏡１１１に至る経路を「往路」とし、位相共役鏡１１１、ファラデーローテータ１１２、広がり角調整器１１０、主増幅器１０８ｂ、９０度ローテータ１０９、主増幅器１０８ａ、偏光器１１３に至る経路を「復路」とすれば、往路、復路を通じて、被増幅光であるパルスレーザ光は、それぞれの主増幅器１０８ａ，１０８ｂを２回通過（ダブルパス）することが認められる。

なお、このようなダブルパスさせるＭＯＰＡシステム１００において、これを構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂの数を増加させることで、パルスレーザ光の強度をより高いものとすることもできる。

上述した説明によれば、パルスレーザ光の強度は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂ内の反転分布が枯渇しない限り主増幅器１０８ａ，１０８ｂを透過するたびに増加していく。ここで、仮にこのパルスレーザ光について、その進行方向に対して垂直な面における強度分布に強度差が生じるとすれば、主増幅器１０８ａ，１０８ｂをパスするたびに、強度差の度合いは非線形に強調されていく。また、パルスレーザ光が有する２次元状の強度分布に起因して、レーザロッド端面に存するＡＲコートに一部破壊が生じた場合には、パルスレーザ光の強度分布はさらに悪化し、ひいてはＭＯＰＡシステム１００がダウンする原因ともなる。

したがって、かかる強度分布を生じないようにすることは、多重パス増幅に特徴があるＭＯＰＡシステム１００においては、特に重要となり、そのためには、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂにおけるレーザロッドについて、その中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することが必要となる。パルスレーザ光は、かかるレーザロッドの長手方向を進行するに従って、強度が増幅されるからである。

再び、図２２に示されたＭＯＰＡシステム１００の構成について続きを説明する。

９０度ローテータ１０９は、往路においては、主増幅器１０８ａから主増幅器１０８ｂへ向かうパルスレーザ光の偏光方向を９０度回転させ、復路においては、主増幅器１０８ｂから主増幅器１０８ａへ向かうパルスレーザ光の偏光方向を９０度回転させる。

広がり角調整器１１０は、往路において、主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光の広がり角を調整して平行光に変換する。

ファラデーローテータ１１２は、広がり角調整器１１０からのパルスレーザ光の偏光方向と位相共役鏡１１１からの戻りパルスレーザ光の偏光方向とが直交するように、広がり角調整器１１０からのパルスレーザ光及び位相共役鏡１１１からの戻りパルスレーザ光の偏光方向を４５度ずつ回転させる。（往路、復路では進行方向に対して偏光は反対方向に回転する。）

位相共役鏡１１１は、主増幅部１０８でのダブルパス増幅を実現するために、ファラデーローテータ１１２を通過したパルスレーザ光を、その波面を保存した形で反射し、戻りパルスレーザ光としてファラデーローテータ１１２へ入射させる。

図１に戻り、主増幅器１０８ａ，１０８ｂとしての固体レーザ装置１の構成について続いて説明する。

上述したように、図１及び図２には、主増幅部１０８ａ，１０８ｂを構成する増幅器としての固体レーザ装置１が示されており、かかる固体レーザ装置１は、Ｎｄ：ＹＡＧロッドである円柱状のレーザロッド２を有している。このレーザロッド２の表面には、ＡＲコートが施されている。ＭＯＰＡシステム１００に生じる透過損失や規制発振を抑制するためである。

レーザロッド２の周囲には、その中心軸線ＣＬに沿って多数のＬＤバー３が積層されて構成されたＬＤスタック４が中心軸線ＣＬ回りに実質的に等しい間隔で（すなわち、実質的に等しい角度毎に）６個配置されている。各ＬＤスタック４の発光面４ａは、積層されたＬＤバー３の発光面３ａの集合であり、レーザロッド２に対面している。

なお、各ＬＤスタック４は、隣り合うＬＤスタック４が中心軸線ＣＬ方向にオフセットした状態で配置されることで、中心軸線ＣＬ回りに千鳥状に並んでレーザロッド２を取り囲んでいる。これは、各ＬＤスタック４の発光面４ａから出射された励起光Ｌがレーザロッド２の所定の部分に集中して照射されることによりレーザロッド２が破壊されるのを防止するためである。

また、各ＬＤスタック４の内方側には、レーザロッド２の周面を取り囲むように円筒状に形成された透明ガラス製のフローチューブ６が配置されている。このフローチューブ６内には、レーザロッド２を冷却するための冷却水が循環供給される。

以上のように構成された半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、各ＬＤスタック４の発光面４ａから出射された励起光Ｌが、透明ガラス製のフローチューブ６を透過してレーザロッド２に照射される。この励起光Ｌの照射によりレーザロッド２が励起されるため、レーザロッド２の入射面２ａからレーザ光がレーザロッド２内に入射すると、当該レーザ光は、増幅されてレーザロッド２の出射面２ｂから出射することになる。

次に、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離について説明する。

当該距離は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向（発光面４ａに平行で且つレーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な方向）においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように設定する。すなわち、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、レーザロッド２の直径並びにフローチューブ６の内径及び外径に応じて、発光面４ａから出射された励起光Ｌの光線追跡を行い、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離を決定する。これは、ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌをレーザロッド２の励起に最大限に利用するためである。

なお、図４に示すように、フローチューブ６がない場合には、レーザロッド２の半径をＲとし、スロー軸方向における発光面４ａでの励起光Ｌの幅をＨとし、スロー軸方向における励起光Ｌの拡がり半角をθとすると、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるためには、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離Ｄが次の式（１）を満たせばよい。
Ｒ≒Ｈ／２＋（Ｄ−Ｒ）tanθ…（１）

次に、レーザロッド２内における励起光Ｌの強度について説明する。ここでは、図２においてレーザロッド２の真上に配置されたＬＤスタック４に着目して説明するが、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の他のＬＤスタック４についても同様である。

レーザロッド２に到達した励起光Ｌの強度をＩ_０とし、レーザロッド２による励起光Ｌの実効的な吸収係数をαとし、レーザロッド２の半径をＲとすると、レーザロッド２内における励起光Ｌの強度Ｉ(ｔ)は次の式（２）で表される。
Ｉ(ｔ)＝Ｉ_０・exp(−αｔ)…（２）

ここで、ｔは、レーザロッド２において、ＬＤスタック４に最も近い位置Ｐ_０から中心位置Ｐ_１を通って最も遠い位置（反対位置）Ｐ_２に至る励起光Ｌの伝播距離である。また、αは、レーザロッド２におけるレーザ遷移元素の濃度ｄ、励起光Ｌの中心波長λ、及び励起光Ｌのスペクトル幅Δλの関数として表され、これらのパラメータにより決定される係数である。

そして、この半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、図５に示すように、レーザロッド２の中心位置Ｐ_１（ｔ＝Ｒ）での励起光Ｌの強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−αＲ)がＩ_０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ_０／Ｎを満たし、レーザロッド２の反対位置Ｐ_２（ｔ＝２Ｒ）での励起光Ｌの強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−２αＲ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ_０を満たすように、各パラメータが設定されている。なお、ＮはＬＤスタック４の数量であり、この固体レーザ装置１ではＮ＝６である。

以上のように、半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、各ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌは、レーザロッド２の中心位置Ｐ_１で強度Ｉ(Ｒ)がＩ_０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ_０／Ｎとなるように吸収されると共に、レーザロッド２の反対位置Ｐ_２で強度Ｉ(２Ｒ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ_０となるように吸収される。ここで、ＬＤスタック４の数量はＮ（＝６）であるから、各ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌが重なり合った励起光の強度、すなわち重畳励起光の強度は、レーザロッド２の中心位置Ｐ_１でＩ(Ｒ)をＮ（＝６）倍したものとなる。しかも、各ＬＤスタック４は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように、レーザロッド２の周囲に実質的に等しい間隔で配置されている。従って、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面において重畳励起光の強度が均一化されることになるため、当該断面における励起強度の分布を均一化することができる。

次に、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の実施例について、比較例を挙げて説明する。

図６に示すように、実施例１及び比較例１〜１１について各パラメータを設定し、実施例１及び比較例１〜１１のそれぞれについて求めた「レーザロッド２における励起強度の分布を示すグラフ」を図７〜図１８に示す。なお、図７〜図１８に示されるグラフの径方向位置とは、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面における図２のI−I線に沿っての位置である。また、実施例１及び比較例１〜１１について共通するパラメータは次の通りである。
ＬＤスタックの数量Ｎ：６個
レーザロッドの半径Ｒ：６ｍｍ
励起光の中心波長λ：８０８ｎｍ
励起光のスペクトル幅Δλ：４．５ｎｍ
フローチューブの内半径／外半径：９．５ｍｍ／１４ｍｍ

また、図６において、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離Ｄが５５ｍｍで、且つスロー軸方向における励起光Ｌの拡がり半角θが６．８度（１／ｅ^２）の場合に、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなる。その他の場合は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径より小さくなる。

図７〜図１８に示されるグラフから、実施例１（図１０）についての励起強度の分布が、比較例１〜１１（図７〜図９、図１１〜図１８）についての励起光の強度分布よりも均一化されていることが分かる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１がレーザ光増幅器として用いられる場合であったが、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光発振器等にも適用可能である。

また、上記実施形態は、ＬＤスタック４の数量が６個の場合であったが、本発明では、半導体レーザの数量は複数であれば幾つでも構わない。

また、上記実施形態は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるようにＬＤスタック４を配置した場合であったが、本発明では、半導体レーザの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを実質的に含むように半導体レーザを配置してもよい。なお、図２に示すように、ＬＤスタック４の発光面４ａとレーザロッド２との間に、励起光Ｌの拡がり角を補正する補正レンズ７を配置してもよい。このような補正レンズ７を配置することで、発光面４ａから出射された励起光Ｌの拡がり角を補正し、スロー軸方向において励起光Ｌがレーザロッド２を実質的に含むように、又はレーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるようにすることができる。

また、図１９に示すように、レーザロッド２が、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材１１と、励起部材１１に密接して励起部材１１を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層１２とを有するようにしてもよい。レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面に着目した場合、レーザロッド２の中心部では、レーザロッド２の周面近傍に比べて励起強度の分布がより均一化される。そのため、レーザロッド２の中心部を、レーザ遷移元素を含有する励起部材１１とし、レーザロッド２の周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層１２とすることで、励起部材１１における励起強度の分布をより均一化することができる。

図２０は、スリーブ層１２がなく励起部材１１のみからなるレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布を示すグラフであり、図２１は、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布を示すグラフである。なお、図２０及び図２１に示されるグラフにおいて、実線で示されるデータについての径方向位置とは、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面における図２のI−I線に沿っての位置であり、破線で示されるデータについての径方向位置とは、図２のII−II線に沿っての位置である。また、各パラメータは次の通りである。
ＬＤスタックの数量Ｎ：６個
レーザロッドの中心軸線とＬＤスタックの発光面との距離Ｄ：５５ｍｍ
レーザロッドの半径Ｒ：６．５ｍｍ
励起部材におけるレーザ遷移元素の濃度ｄ：０．６at％
スロー軸方向における励起光の拡がり半角θ：６．８度（１／ｅ^２）
励起光の中心波長λ：８０８ｎｍ
励起光のスペクトル幅Δλ：４．５ｎｍ
フローチューブの内半径／外半径：９．５ｍｍ／１４ｍｍ

また、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についてのスリーブ層１２の内半径／外半径は５．０ｍｍ／６．５ｍｍである。

図２０及び図２１に示されるグラフからも、スリーブ層１２がなく励起部材１１のみからなるレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布に比べ、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布の方がより均一化されていることが分かる。なお、レーザロッド２の周面近傍は、回折損失を考慮するとレーザ光を通過させない方がよいため、レーザロッド２の周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層１２としても問題はない。

本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図である。 発光面から出射された励起光の光線追跡の様子を示す図であり、（ａ）は、レーザロッドの半径が６ｍｍでフローチューブの内半径／外半径が７ｍｍ／１０ｍｍの場合であり、（ｂ）は、レーザロッドの半径が６ｍｍでフローチューブの内半径／外半径が７ｍｍ／３０ｍｍの場合である。 フローチューブがない場合の「レーザロッドの中心軸線とＬＤスタックの発光面との距離」を説明するための図である。 励起光の伝播距離と励起光の強度との関係を示すグラフである。 実施例１及び比較例１〜１１についての各パラメータを示す表である。 比較例１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例２についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例３についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 実施例１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例４についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例５についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例６についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例７についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例８についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例９についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例１０についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 比較例１１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。 本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の変形例を示す正面図である。 スリーブ層がなく励起部材のみからなるレーザロッドについての励起部材における励起強度の分布を示すグラフである。 励起部材とスリーブ層とを有するレーザロッドについての励起部材における励起強度の分布を示すグラフである。 図１の半導体レーザ励起固体レーザ装置を主増幅器として使用したＭＯＰＡシステムの構成図である。

符号の説明

１…半導体レーザ励起固体レーザ装置、２…レーザロッド、４…ＬＤスタック（半導体レーザ）、４ａ…発光面、７…補正レンズ、Ｌ…励起光、ＣＬ…中心軸線。

Claims (4)

1. ＬＤスタックの発光面から出射された励起光を円柱状のレーザロッドに照射することにより前記レーザロッドを励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、
   前記ＬＤスタックは、前記ＬＤスタックの発光面に平行で且つ前記レーザロッドの中心軸線に垂直な方向をスロー軸方向とするＬＤバーが前記レーザロッドの中心軸線に沿って複数積層されて構成され、前記ＬＤスタックの発光面は、積層された前記ＬＤバーの発光面の集合であり、
   前記ＬＤスタックは、前記ＬＤスタックの発光面に平行で且つ前記レーザロッドの中心軸線に垂直な方向において前記励起光が前記レーザロッドを含むように、前記レーザロッドの周囲に等しい間隔で、且つ、前記レーザロッドの中心軸線から前記発光面までの距離が互いに等しい距離で複数配置されており、
   前記レーザロッドに到達した前記励起光の強度をＩ_０とし、前記レーザロッドによる前記励起光の実効的な吸収係数をαとし、前記レーザロッドの半径をＲとし、前記ＬＤスタックの数量をＮとすると、複数の前記ＬＤスタックのうち一のＬＤスタックに着目した場合に、
   前記レーザロッドの中心位置において、当該一のＬＤスタックから出射された前記励起光の強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−αＲ)は、Ｉ_０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ_０／Ｎを満たし、
   前記レーザロッドにおける当該一のＬＤスタックの反対側の位置において、当該一のＬＤスタックから出射された前記励起光の強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ_０・exp(−２αＲ)は、０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ_０を満たすことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
2. 前記レーザロッドに到達した前記励起光の幅は、前記ＬＤスタックの発光面に平行で且つ前記レーザロッドの中心軸線に垂直な方向において、前記レーザロッドの直径と等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
3. 前記ＬＤスタックの発光面と前記レーザロッドとの間には、前記励起光の拡がり角を補正する補正レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
4. 前記レーザロッドは、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材と、前記励起部材に密接して前記励起部材を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。

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