JP6003323B2 - レーザ媒質ユニット、レーザ増幅器及びレーザ発振器並びに冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ媒質ユニット、レーザ増幅器及びレーザ発振器並びに冷却方法に関する。

レーザ増幅器及びレーザ発振器等に使用されるレーザ媒質として、光学媒質の互いに対向する一対の側面それぞれにレーザ利得媒質が接合されたレーザ媒質体が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１―１１４１６２号公報

レーザ媒質体内の温度勾配はレーザ品質の低下を招く傾向にある。そこで、例えば、特許文献１記載の技術では、各レーザ利得媒質における発熱の影響の違いを低減するために、レーザ利得媒質の厚さ又は活性元素のドープ量が調整されている。

しかしながら、各レーザ利得媒質の厚さ又は活性元素のドープ量を調整しても、レーザ利得媒質による発熱の影響を低減できずに、レーザ品質の低下が生じる場合がある。

そこで、本発明は、レーザ利得媒質の発熱の影響をより低減可能なレーザ媒質ユニット、それを含むレーザ増幅器及びレーザ発振器並びに冷却方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るレーザ媒質ユニットは、活性元素が添加されており励起光が照射されることにより放出光を発生する少なくとも一つのレーザ利得媒質が、活性元素が添加されておらず、励起光及び放出光の双方を透過させる光学媒質の第１面と、第１面と反対側に位置する第２面とに、それぞれ接合されてなる、レーザ媒質体と、レーザ媒質体を収容する容器であって、第１面及び第２面それぞれに接続される少なくとも一つのレーザ利得媒質を冷却する冷却媒質を流す冷却媒質流路を有する容器と、を備える。冷却媒質流路は、容器内のレーザ媒質体の配置空間に冷却媒質を供給する供給流路部と、配置空間から冷却媒質を排出する排出流路部とを有する。供給流路部の配置空間側の媒質流出口は、各レーザ利得媒質に対して設けられている。媒質流出口は、対応するレーザ利得媒質に対する励起光の照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に向けて冷却媒質が流れるように配置されている。

レーザ利得媒質に励起光が照射されると、励起光の吸収により発熱が生じる。この場合、上記照射領域において励起光の強度が高い方が、温度が高くなる傾向にある。上記構成では、媒質流出口からの冷却媒質が、励起光の照射領域内の強度の高い領域から低い領域に向けて流れる。すなわち、照射領域における高温部から低温部に向けて冷却媒質が流れる。従って、強度分布によって生じる照射領域内の温度の不均一性を、冷却媒質によって低減できる。その結果、照射領域内の温度均一性が向上するので、レーザ利得媒質の発熱の影響がより低減され得る。

上記媒質流出口は、対応するレーザ利得媒質に対する照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域に対向して配置されていてもよい。

この場合、媒質流出口からの冷却媒質は、上記強度の高い領域（高温部）にほぼ垂直に当たったのち、その周囲の領域、すなわち、より強度の低い領域（低温部）に向けて流れる。

上記レーザ媒質ユニットは、第１面に接合された少なくとも一つのレーザ利得媒質と、対応する媒質流出口との間、及び、第２面に接合された少なくとも一つのレーザ利得媒質と、対応する媒質流出口との間にそれぞれ配置されるヒートシンクを更に有してもよい。

この構成では、媒質流出口からの冷却媒質が直接レーザ利得媒質に当たらないので、レーザ利得媒質の劣化が防止され得る。

第１面及び第２面それぞれに複数のレーザ利得媒質が接合されていてもよい。この形態では、第２面に接合される複数のレーザ利得媒質の各々は、第１面に接合される複数のレーザ利得媒質の各々に対向していてもよい。

上記構成では、レーザ利得媒質の発熱による光学媒質の第１面側への影響が第２面側への影響と同じになりやすい。そのため、レーザ利得媒質の熱に起因して光学媒質に熱膨張などが生じても光学媒質にねじれが生じにくい。

各レーザ利得媒質における照射領域に対向して複数の媒質流出口が設けられていてもよい。この形態では、媒質流出口の数は、照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に向けて少なくなっていてもよい。

この場合、照射領域に対して複数の媒質流出口が配置されているので、レーザ利得媒質をより確実に冷却可能である。更に、媒質流出口の数が、照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に向けて少なくなっていれば、照射領域内の高温部が低温部より冷却され、照射領域内の温度分布の均一化を図り得る。

本発明の他の側面に係るレーザ増幅器は、上記レーザ媒質ユニットと、光増幅されるべきレーザ光を光学媒質に励起光と同軸の光路で入射させる入射光学系と、レーザ利得媒質によって増幅され励起光と同軸の光路でレーザ媒質体から出射されたレーザ光を励起光の光路とは異なる方向に出力する出力光学系と、を備える。

レーザ増幅器は、上記レーザ媒質ユニットを備えているので、レーザ光へのレーザ利得媒質の発熱の影響がより低減され得る。その結果、レーザ媒質ユニットで光増幅されたレーザ光の品質が向上する。

本発明の更に他の側面に係るレーザ発振器は、上記レーザ媒質ユニットと、レーザ媒質ユニットが有するレーザ媒質体を、共振光路上に有する光共振器と、を備える。

このレーザ発振器は、上記レーザ媒質ユニットを備えているので、レーザ発振器から出力されるレーザ光へのレーザ利得媒質の発熱の影響がより低減され得る。その結果、品質のよいレーザ光を出力可能である。

本発明の更に他の側面に係る冷却方法は、活性元素が添加されており励起光が照射されることにより放出光を発生する少なくとも一つのレーザ利得媒質が、活性元素が添加されておらず、励起光及び放出光の双方を透過させる光学媒質の第１面と、第１面と反対側に位置する第２面とに、それぞれ接合されてなる、レーザ媒質体を冷却する方法である。この冷却方法では、第１面及び第２面それぞれに接合された少なくとも一つのレーザ利得媒質に対する励起光の照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に冷却媒質を流して、少なくとも一つのレーザ利得媒質を冷却する。

上記冷却方法では、媒質流出口からの冷却媒質が、励起光の照射領域内の強度の高い領域から低い領域に向けて流れる。すなわち、照射領域における高温部から低温部に向けて冷却媒質が流れる。従って、強度分布によって生じる照射領域内の温度の不均一性を、冷却媒質によって低減できる。その結果、照射領域内の温度均一性が向上するので、レーザ利得媒質の発熱の影響がより低減され得る。

本発明によれば、レーザ利得媒質の発熱の影響をより低減可能なレーザ媒質ユニット、それを含むレーザ増幅器及びレーザ発振器並びに冷却方法が提供され得る。

、一実施形態に係るレーザ媒質ユニットを備えたレーザ増幅器の構成を概略的に示す図面である。 図１に示したレーザ媒質ユニットが有するレーザ媒質体の斜視図である。 図１に示したレーザ媒質ユニット１０Ａの斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 容器が有する第１本体部及び第２本体部の構成を概略的に示す斜視図である。 レーザ利得媒質に対する励起光の照射領域を模式的に示す図面である。 供給流路部の噴出口の位置を説明するための図面である。 レーザ媒質ユニットの変形例を示す断面図である。 レーザ増幅器の変形例を示す模式図である。 一実施形態に係るレーザ媒質ユニットを備えたレーザ発振器の構成を概略的に示す図面である。 媒質流出口の配置の他の例を示す図面である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、一実施形態に係るレーザ媒質ユニットを備えたレーザ増幅器の構成を概略的に示す図面である。図１は、図３のＩ−Ｉ線に沿った断面図に対応する。図２は、図１に示したレーザ媒質ユニット１０Ａが有するレーザ媒質体１６の斜視図である。

レーザ増幅器１Ａは、レーザ媒質ユニット１０Ａと、励起光Ｌ１を供給する励起光源部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、増幅されるべき光（種光）としてのレーザ光Ｌ２を反射するミラー部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、を有する。

レーザ媒質ユニット１０Ａは、スラブ型のレーザ媒質体１６が容器１８に収容されて構成されている。容器１８は、レーザ媒質体１６を冷却するための冷却媒質をレーザ媒質体１６に供給することによって、レーザ媒質体１６を冷却する冷却装置でもある。冷却媒質の例は水であるが、液体窒素及びフッ素系不活性液体等も使用され得る。

レーザ媒質体１６は、光学媒質２０に６枚のレーザ利得媒質２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆが貼り合わされた固体レーザ媒質体である。

光学媒質２０は、六角柱状を呈する薄い平板である。光学媒質２０は、６枚の側面２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆを有する。側面２０ａ〜２０ｆは平坦面である。側面２０ａ，２０ｂの形状は同じであり、側面２０ｃ〜２０ｆの形状が同じである。

側面２０ｂは側面２０ａに平行であって側面２０ａの反対側に位置する。側面２０ｅは、側面２０ｃと平行であって側面２０ｃに対して反対側に位置している。同様に、側面２０ｆは、側面２０ｄと平行であって側面２０ｄに対して反対側に位置している。

側面２０ｃ，２０ｆはそれぞれ側面２０ａ，２０ｂと交差する。側面２０ｃ，２０ｆは、更に、互いに交差している。同様に、側面２０ｄ，２０ｅはそれぞれ側面２０ａ，２０ｂと交差する。側面２０ｄ，２０ｅは、更に、互いに交差している。

図１に例示するように、側面２０ａ（又は側面２０ｂ）に平行な仮想平面であって、側面２０ａの法線方向において、側面２０ａと側面２０ｂとの間の中央に位置する上記仮想平面に対して、光学媒質２０は対称であり得る。

以下の説明では、図１及び図２に示した状態において、光学媒質２０の高さ方向（光学媒質２０の端面２０ｇの法線方向）をｚ方向と称し、ｚ方向に直交する方向をｘ方向及びｙ方向と称する。図１及び図２に示したように、ｘ方向は、光学媒質２０の長手方向に対応する。

光学媒質２０は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる透明部材であり、光学媒質２０は、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とを透過する。光学媒質２０の大きさの一例は、ｘ方向の長さが１００ｍｍ、ｙ方向の長さが１５ｍｍ、及び、ｚ方向の長さが３０ｍｍである。光学媒質２０の大きさは、例示した大きさ（ｘ，ｙ及びｚ方向の長さ）に限定されない。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆは、ＹＡＧに活性元素としてＮｄがドープされたものである。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆは、励起光Ｌ１により励起されて放出光を出力する。放出光の一例は、誘導放出光である。この誘導放出光が、レーザ光Ｌ２の光増幅に寄与する。

レーザ媒質体１６は、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃが、光学媒質２０の側面（第１の面）２０ａに接合されると共に、レーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆが、側面２０ａと反対側に位置する側面２０ｂに接合されて構成されている。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆは、例えば、セラミックコンポジット技術によって、光学媒質２０に接合され得る。

レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの大きさ及び平面視形状（ｙ方向から見た形状）は、側面２０ａ，２０ｂの形状及び大きさ並びにレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆに入射される励起光Ｌ１の径などに応じて設定され得る。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆは、そこに入射される励起光Ｌ１の照射領域より大きければよい。レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの大きさ及び平面視形状の例は、矩形及び正方形を含む。

光学媒質２０の側面２０ａ〜２０ｆのうちレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆが接合されていない側面２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆは、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２のうちの少なくとも一方が入射及び出射される入出射面である。

励起光源部１２ａ〜１２ｄそれぞれは、側面２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆから入射される励起光Ｌ１を出力する。励起光源部１２ａ〜１２ｄは、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを励起し得る波長の光を出力する半導体レーザといった励起光源を含む。励起光源部１２ａ〜１２ｄは、励起光源から出力された励起光Ｌ１を集光する集光光学系を有していてもよい。

ミラー部１４ａ〜１４ｄは、側面２０ｃ〜２０ｆと、側面２０ｃ〜２０ｆに対応する励起光源部１２ａ〜１２ｄとの間において、励起光源部１２ａ〜１２ｄからの励起光Ｌ１の光路上に配置されている。ミラー部１４ａ〜１４ｄは、励起光Ｌ１を透過すると共に、レーザ光Ｌ２を全反射する。

ミラー部１４ａは、レーザ光Ｌ２を反射して、レーザ光Ｌ２を側面２０ｃからレーザ媒質体１６に入射させる。レーザ光Ｌ２は、例えば、ファイバーレーザといったレーザ光源から出力された光であり得る。レーザ光Ｌ２は、励起光源部１２ａからの励起光Ｌ１の光路の軸方向と異なる方向からミラー部１４ａに入射される。ミラー部１４ａは、励起光源部１２ａから出力された励起光Ｌ１の光路と同軸でレーザ媒質体１６内をレーザ光Ｌ２が伝搬するように、レーザ光Ｌ２を反射するように配置されている。ミラー部１４ａは、レーザ光Ｌ２の入射光学系として機能する。図１では、ミラー部１４ａで反射されたレーザ光Ｌ２は、励起光Ｌ１に対して並列に示されているが、これは、レーザ光Ｌ２を明示するための便宜的なものである。同様に、図１において、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２と並列されていることは、それらが同軸であることを示している。

ミラー部１４ｂ，１４ｃは、レーザ媒質体１６の側面２０ｄから出射されたレーザ光Ｌ２を、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１の光路と同軸でレーザ媒質体１６に再入射させるように配置されている。ミラー部１４ｂ，１４ｃは、レーザ光Ｌ２をレーザ媒質体１６に再入射させるための再入射光学系として機能する。

ミラー部１４ｄは、側面２０ｆから出射されたレーザ光Ｌ２を、励起光源部１２ｄからの励起光Ｌ１の光路の軸方向と異なる方向に反射するように配置されている。ミラー部１４ｄは、レーザ光Ｌ２の出力光学系として機能する。

各励起光源部１２ａ〜１２ｄから出力された励起光Ｌ１は、ミラー部１４ａ〜１４ｄを透過した後、対応する側面２０ｃ〜２０ｆからレーザ媒質体１６に入射する。励起光Ｌ１のレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆへの入射角度は、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆにおいて光学媒質２０と反対側の面（以下、背面と称す）で励起光Ｌ１が全反射する角度である。

背面に冷却媒質として水が供給される場合、水の屈折率１．３３と、ＮｄドープのＹＡＧからなるレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの屈折率１．８２とから算出される臨界角は約４７度である。従って、励起光Ｌ１のレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆへの入射角度は４７度以上であり、例えば、約６０度でもよい。

レーザ媒質体１６内に入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの背面での全反射を利用してレーザ媒質体１６内をジグザグに伝搬して、側面２０ｃ〜２０ｆから出射される。

具体的には、側面２０ｃから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｆ、レーザ利得媒質２２ｂ及びレーザ利得媒質２２ｄの順にレーザ利得媒質２２ｆ，２２ｂ，２２ｄを経て、側面２０ｄから出射される。逆に、側面２０ｄから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｄ、レーザ利得媒質２２ｂ及びレーザ利得媒質２２ｆの順に、レーザ利得媒質２２ｄ，２２ｂ，２２ｆを経て、側面２０ｃから出射される。側面２０ｃ，２０ｄそれぞれから入力された励起光Ｌ１のパスは、互いに反対方向であり得る。

側面２０ｅから入射した励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ｃ、レーザ利得媒質２２ｅ及びレーザ利得媒質２２ａの順にレーザ利得媒質２２ｃ，２２ｅ，２２ａを経て、側面２０ｆから出射される。逆に、側面２０ｆから入射された励起光Ｌ１は、レーザ利得媒質２２ａ、レーザ利得媒質２２ｅ及びレーザ利得媒質２２ｃの順にレーザ利得媒質２２ａ，２２ｅ，２２ｃを経て、側面２０ｅから出射される。側面２０ｅ，２０ｆそれぞれから入力された励起光Ｌ１のパスは、互いに反対方向であり得る。

励起光Ｌ１の一部は、レーザ媒質体１６内における伝搬過程において、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆに吸収され、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを励起する。

側面２０ｃ〜２０ｆへの励起光源部１２ａ〜１２ｄからの入射は、垂直入射が例示され得る。しかしながら、側面２０ｃ〜２０ｆへの励起光源部１２ａ〜１２ｄからの励起光Ｌ１は、斜め入射でもよい。

励起光源部１２ａ〜１２ｄからの励起光Ｌ１が、対応する側面２０ｃ〜２０ｆに斜め入射する場合、励起光Ｌ１の側面２０ｃ〜２０ｆへの入射角度は、上述した互いに反対方向に伝搬する励起光Ｌ１の光路の軸がレーザ媒質体１６内で僅かにずれる程度が好ましい。これにより、レーザ媒質体１６内においては、ある励起光（基準励起光と称す）の光路と、その励起光に対する対向励起光の光路が少しずれている一方、側面２０ｃ〜２０ｆから出射する際に、基準励起光の入射方向と、対向励起光の出射方向は大きくずれる。その結果、励起光源部１２ａ〜１２ｄのうち基準励起光を出力した励起光源に対向励起光が入射することが防止され得る。

レーザ光源部から供給されるレーザ光Ｌ２は、ミラー部１４ａによって反射され、励起光源部１２ａからの励起光Ｌ１と同軸で側面２０ｃからレーザ媒質体１６内に入射される。側面２０ｃから入射された種光としてのレーザ光Ｌ２は、励起光Ｌ１と同じ光路を経て、側面２０ｄから出射される。側面２０ｄから出射された光は、ミラー部１４ｂ，１４ｃで順に反射され、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１と同軸で側面２０ｅからレーザ媒質体１６内に再度入射される。側面２０ｅからレーザ媒質体１６に入射されたレーザ光Ｌ２は、励起光源部１２ｃからの励起光Ｌ１と同様の光路を経て、側面２０ｆから出射される。

励起光Ｌ１により励起されたレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆにレーザ光Ｌ２が入射されると、誘導放出現象による放出光によってレーザ光Ｌ２が増幅される。そのため、レーザ媒質体１６内を、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを順に入射しながらジグザグにレーザ光Ｌ２が伝搬することで、側面２０ｆからは増幅されたレーザ光Ｌ２が出射される。

側面２０ｆから出射されるレーザ光Ｌ２は、ミラー部１４ｄで反射されてレーザ増幅器１Ａからの出力光として取り出される。

なお、図１のレーザ光Ｌ２のレーザ増幅器１Ａへの入射位置及びレーザ増幅器１Ａからの出力位置は模式的なものである。励起光源部１２ａ〜１２ｄ及びミラー部１４ａ〜１４ｄは、後述する容器１８でレーザ光Ｌ２を遮らないように、配置されていればよい。

次に、図３〜図５を利用して冷却装置として機能する容器１８の構成について説明する。図３は、図１に示したレーザ媒質ユニット１０Ａの斜視図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図４では、冷却媒質Ｃの流れを白抜き矢印で示している。図５は、容器が有する第１本体部及び第２本体部の構成を概略的に示す斜視図である。

容器１８は、図３及び図４に示すように、第１本体部２４_１と第２本体部２４_２とが接合されて構成されている。

図５に示すように、第１本体部２４_１は、第２本体部２４_２と対向する側の面（以下、対向面と称す）２６_１ａに、凹部２８_１が形成されたベース部材２６_１を有する。凹部２８_１は、容器１８内にレーザ媒質体１６を配置するための配置空間２８の一部を構成する。ベース部材２６_１は、ｚ方向に延在した板状体である。

凹部２８_１は、ｘ方向に延在している。凹部２８_１のｘ方向の幅は、側面２０ａ（又は側面２０ｂ）のｘ方向の幅とほぼ同じであり、凹部２８_１のｚ方向の幅は、側面２０ａのｚ方向の幅より広い。

ベース部材２６_１の対向面２６_１ａには、凹部２８_１より深さの浅い凹部３０_１が形成されている。凹部３０_１のｘ方向の幅は、ｘ方向における側面２０ａの幅より狭く、ｘ方向に配置された３枚のレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃが凹部３０_１内に配置される幅である。

凹部２８_１と凹部３０_１とが交差する領域では、凹部３０_１より深い凹部２８_１の底部と凹部３０_１の底部とを繋ぐ段差面が生じている。一実施形態において、段差面は、図５に例示したように、傾斜していても良い。

ベース部材２６_１には、冷却媒質Ｃをレーザ媒質体１６に供給するための媒質供給部材３２_１が、一体的に連結されている。媒質供給部材３２_１は、ｙ方向に延在しており３枚のレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃ各々に対応する、冷却媒質Ｃの供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃを有する。

同様に、第２本体部２４_２は、第１本体部２４_１と対向する側の面（以下、対向面と称す）２６_２ａに、凹部２８_１と共に、配置空間２８を構成する凹部２８_２が形成されたベース部材２６_２を有する。ベース部材２６_２は、ｚ方向に延在した板状体である。ベース部材２６_２の対向面２６_２ａには、凹部２８_２より深さが浅く、凹部３０_１と対をなす凹部３０_２が形成されている。凹部２８_２，３０_２の構造及び凹部３０_２と凹部２８_２との交差領域の構造は、第１本体部２４_１の凹部２８_１，３０_１の構造及び凹部３０_１と凹部２８_１との交差領域の構造と同様であるため、説明を省略する。

ベース部材２６_２には、冷却媒質Ｃをレーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆに供給するための媒質供給部材３２_２が一体的に連結されている。媒質供給部材３２_２は、ｙ方向に延在しており３枚のレーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆ各々に対応する、冷却媒質Ｃの供給流路部３４_２ａ〜３４_２ｃを有する。

図３及び図４に示すように、容器１８において、第１本体部２４_１と第２本体部２４_２とは、対向面２６_１ａ，２６_２ａが接するように接合されている。第１本体部２４_１と第２本体部２４_２との接合方法の例は、ネジ止めである。

第１本体部２４_１と第２本体部２４_２とが接合されることによって、凹部２８_１と凹部２８_２とにより配置空間２８が形成されると共に、凹部３０_１と凹部３０_２とにより冷却媒質Ｃの排出流路部３０が形成される。この排出流路部３０と、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ及び供給流路部３４_２ａ〜３４_２ｃとは、冷却媒質流路を構成している。

レーザ媒質体１６は、配置空間２８内に配置されている。レーザ媒質体１６の側面２０ｃ及び側面２０ｆ及び側面２０ｄ及び側面２０ｅは、励起光Ｌ１が入射され得るように、容器１８から外側に突出している。ｘ方向における配置空間２８の両側、すなわち、ｘ方向において互いに反対側に位置する容器１８の側面に形成された開口部は、そこから冷却媒質Ｃが洩れないようにＯリング３６により封止されている。一実施形態において、Ｏリング３６は、レーザ媒質体１６が、配置空間２８に保持する機能も有してもよい。Ｏリング３６の代わりにパッキンが採用されてもよい。

一実施形態において、レーザ媒質体１６の端面２０ｇ及び端面２０ｈ上にはそれぞれ断熱材３８が配置されてもよい。断熱材３８の材料の例は、テフロン（登録商標）である。更に、断熱材３８上には、冷却媒質Ｃを、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃの配置空間２８側の端部である噴出口（媒質流出口）４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃから排出流路部３０に流す流路を形成するための、テーパ板４２が設けられてもよい。テーパ板４２は、ｘ方向に延びており、ｘ方向に直交する断面の形状が三角形状の板であり得る。断熱材３８及びテーパ板４２のｘ方向の長さは、凹部３０_１（又は凹部３０_２）のｘ方向の長さと実質的に同じである。

上記構成では、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃにそれぞれ冷却媒質Ｃが流れる配管を接続することによって、配置空間２８に冷却媒質Ｃが供給され得る。配置空間２８に供給された冷却媒質Ｃは、排出流路部３０から排出される。排出流路部３０には、冷却媒質Ｃを排出するための配管が接続され得る。このように、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃ及び排出流路部３０とで構成される冷却媒質流路に冷却媒質Ｃを流すことによって、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆが冷却される。

レーザ媒質ユニット１０Ａにおいて、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃの噴出口４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃと、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆとの配置関係が重要である。この配置関係について説明する。

供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃの噴出口４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃと、対応するレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆとの配置関係は同じであるため、供給流路部３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃ、噴出口４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃ、及びレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを、それぞれ供給流路部３４、噴出口４０及びレーザ利得媒質２２とも称す。

図６は、レーザ利得媒質に対する励起光の照射領域を模式的に示す図面である。励起光Ｌ１は、その進行方向に直交する断面において、通常、強度分布が生じている。強度分布の一例は、上記断面において、中央部分の強度が高く、周縁部に向けて強度が低下した強度分布である。ここでは、このような中央部分の強度がより高い強度分布を例にして供給流路部３４の噴出口４０と、レーザ利得媒質２２との配置関係について説明する。

レーザ利得媒質２２に励起光Ｌ１は斜めに入射されるので、励起光Ｌ１の照射領域４４は、図６に示すように楕円形状になる。励起光Ｌ１の中心部分の強度が高い場合、照射領域４４において、中央部分の強度が高くなる。図６では、レーザ利得媒質２２における励起光Ｌ１の照射領域４４において、高強度部４４ａを破線で示している。高強度部分は、例えば、励起光Ｌ１の断面の強度分布において、最大強度の８０％以上であり得るが、５０％以上の領域であればよい。

供給流路部３４の噴出口４０は、図７に示すように、高強度部４４ａに対向する位置に形成されている。図７は、供給流路部の噴出口の位置を説明するための図面である。図７においても、冷却媒質Ｃの流れ状態を白抜き矢印で示している。

高強度部４４ａでは、レーザ利得媒質２２による吸収がより多くなるので、高強度部４４ａは、その周囲を囲む低強度部４４ｂに比べて高温になる傾向にある。そのため、例えば、レーザ利得媒質２２の背面を、背面に平行に冷却媒質を流して背面を一様に冷却しても、励起光Ｌ１の照射領域４４内で温度分布が生じる。このような温度分布は、屈折率を変化させるので熱レンズ効果及び波面歪み等により、ミラー部１４ｄで反射されて取り出される出力光（出力ビーム）の品質の低下を生じさせる場合がある。

図７に示したように、供給流路部３４の噴出口４０を高強度部４４ａに対向配置していることから、供給流路部３４を流れてきた冷却媒質Ｃが噴出口４０から噴出すると、冷却媒質Ｃは、レーザ利得媒質２２の高強度部４４ａに対してほぼ垂直に当たる。冷却媒質Ｃは、高強度部４４ａに当たった後、その周囲の低強度部４４ｂに向けて流れる。換言すれば、照射領域４４の中央部分に冷却媒質Ｃが当たり、中央部分から照射領域４４の周縁部に向けて冷却媒質Ｃが流れる。従って、供給流路部３４の噴出口４０が高強度部４４ａに対向配置した構成では、照射領域４４のうち高温部を中心にしてレーザ利得媒質２２が冷却され得る。その結果、照射領域４４内の温度が均一になり易い。照射領域４４における温度が均一になることで、上述した熱レンズ効果等によるビーム品質の低下が生じない。

更に、供給流路部３４に流れる冷却媒質Ｃの量を調整することによって、レーザ利得媒質２２の冷却状態が調整され得る。よって、例えば、ミラー部１４ｄで反射された出力光としてのレーザ光Ｌ２の状態をモニターしながら、冷却媒質Ｃの量を調整することで、より品質のよい出力光を得ることができる。更にまた、供給流路部３４がレーザ利得媒質２２に一対一に対応して設けられているので、異なるレーザ利得媒質２２毎にそのレーザ利得媒質２２の温度を調整し得る。異なるレーザ利得媒質２２毎に、それに対応する供給流路部３４からの冷却媒質Ｃで冷却するために、例えば、図１に示したように、凹部２８_１，２８_２の底面に、隣接する噴出口４０を仕切るための仕切り壁が設けられてもよい。

更に、図１及び図２に例示したような、側面２０ｂに接合されたレーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆが、側面２０ａに接合されたレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃに対向している形態では、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの上記配置状態によっても、出力光としてのレーザ光Ｌ２の品質が向上され得る。この点について説明する。

レーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆ各々が、対応するレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃに対向していると、ｙ方向における側面２０ａ，２０ｂ間の中心位置における仮想平面であって、レーザ媒質体１６を二等分する仮想平面に対して、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの発熱による温度分布が対称になりやすい。通常、励起光Ｌ１でレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆが励起されて生じた熱によりレーザ媒質体１６に熱膨張が生じる。上記のように、側面２０ａ側の温度分布と側面２０ｂ側の温度分布が対称になっていると、上記熱膨張によるレーザ媒質体１６のねじれが抑制され易い。そのため、ねじれに起因するレーザ光Ｌ２への影響が低減され得る。その結果、出力光としてのレーザ光Ｌ２の品質が向上される。

上記レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの発熱によるレーザ媒質体１６のねじれは、光学媒質２０が、上記仮想平面に対して対称である場合に、更に低減され得る。また、光学媒質２０が、例示したように、六角柱状であれば、側面２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆからそれぞれ励起光Ｌ１が入射され得る。この場合、各レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの励起状態、すなわち、発熱状態が均一化しやすいので、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの発熱によるレーザ媒質体１６のねじれの影響が更に低減され易い。

図８は、図１に示したレーザ媒質ユニットの変形例を示す断面図である。図８に示したレーザ媒質ユニット１０Ｂは、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃに隣接してヒートシンク４６_１が設けられており、レーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆに隣接してヒートシンク４６_２が設けられている点で、図１に示したレーザ媒質ユニット１０Ａと相違する。

ヒートシンク４６_１及びヒートシンク４６_２の構成は同じであり得る。ヒートシンク４６_１は、ｘ方向に延在しており、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃに対して一つ設けられている。同様に、ヒートシンク４６_２は、ｘ方向に延在しており、レーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆに対して一つ設けられている。ただし、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆそれぞれに対して、一つのヒートシンクが設けられていてもよい。

ヒートシンク４６_１，４６_２の材料の例は、銅及びアルミニウムを含む。ヒートシンク４６_１，４６_２の厚みは、噴出口４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃから噴出される冷却媒質Ｃによって、高強度部４４ａを中心にレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆが冷却されるような厚みであればよい。ヒートシンク４６_１，４６_２の厚みの一例は、図６に示したように、照射領域４４が楕円形の場合、高強度部４４ａの短辺の長さの半分程度であり得る。

図８に示したように、ヒートシンク４６_１，４６_２を備える場合には、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆのヒートシンク４６_１，４６_２側の面、すなわち、背面は、高反射コーティングが施されていてもよい。これにより、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの背面で励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２が確実に反射され、レーザ媒質体１６内を、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２がジグザグに伝搬可能である。

レーザ媒質ユニット１０Ｂは、レーザ媒質ユニット１０Ａと、少なくとも同様の作用効果を奏する。レーザ媒質ユニット１０Ｂは、ヒートシンク４６_１，４６_２を備えているので、レーザ媒質ユニット１０Ｂでは、冷却媒質Ｃがレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆに直接当たることによるレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの劣化が防止できる。

図９は、図１に示したレーザ増幅器の変形例を示す模式図である。図９に示したレーザ増幅器１Ｂは、ミラー部１４ａの前段に偏光ビームスプリッタ４８を設けると共に、ミラー部１４ｄと側面２０ｆとの間に偏光回転素子５０を設けている点で、レーザ増幅器１Ａと相違する。この相違点以外のレーザ増幅器１Ｂの構成は、レーザ増幅器１Ａの構成と同様である。従って、図９では、容器１８の記載は省略している。レーザ媒質体１６と容器１８とを含むレーザ媒質ユニットとしては、図１に示したレーザ媒質ユニット１０Ａの構成でもよいし、図８に示したレーザ媒質ユニット１０Ｂの構成でもよい。

レーザ増幅器１Ｂでは、レーザ光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ４８を通過した後、ミラー部１４ａで励起光Ｌ１と同軸の光路に導かれる。その後、レーザ利得媒質２２ｆ，２２ｂ，２２ｄの順にレーザ利得媒質２２ｆ，２２ｂ，２２ｄを経た後、側面２０ｄから出射される。側面２０ｄから出射されたレーザ光Ｌ２は、ミラー部１４ｂ及びミラー部１４ｃでの反射を経た後、側面２０ｅから再びレーザ媒質体１６に入射される。

側面２０ｅから入射したレーザ光Ｌ２は、レーザ利得媒質２２ｃ，２２ｅ，２２ａの順にレーザ利得媒質２２ｃ，２２ｅ，２２ａを経た後、側面２０ｆから出射される。側面２０ｆから出射されたレーザ光Ｌ２は、偏光回転素子５０を通過した後、ミラー部１４ｄで反射される。その後、側面２０ｃからレーザ光Ｌ２が入射された後のレーザ光Ｌ２の光路と同様の光路を逆方向に伝搬して、側面２０ｃから出射される。レーザ増幅器１Ｂでは、ミラー部１４ｄは、レーザ光Ｌ２をレーザ媒質体１６に再入射させるための再入射光学系の一部として機能する。側面２０ｃから出射されたレーザ光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ４８に入射される。

側面２０ｃから出射された後、偏光ビームスプリッタ４８に入射されたレーザ光Ｌ２は、偏光回転素子５０を通過しているので、偏光方向の角度が変わっている。そのため、偏光ビームスプリッタ４８によって反射され、出力光として取り出される。

レーザ増幅器１Ｂは、レーザ増幅器１Ａの場合と同様のレーザ媒質ユニット１０Ａを備えるので、少なくとも、レーザ増幅器１Ａと同様の作用効果を有する。

（第２の実施形態）
図１０は、一実施形態に係るレーザ媒質ユニットを備えたレーザ発振器の構成を概略的に示す図面である。

図１０に示したレーザ発振器２は、レーザ媒質ユニット１０Ａと、励起光源部１２ａ〜１２ｄと、ミラー部１４ａ〜１４ｅとを有する。レーザ発振器２の構成は、ミラー部１４ｄと、側面２０ｆとの間にミラー部１４ｅが配置されている点で、主に図１に示したレーザ増幅器１Ａの構成と相違する。

レーザ発振器２は、レーザ媒質ユニット１０Ａが有するレーザ媒質体１６に励起光Ｌ１を供給することによって、レーザ光Ｌ３を生成する。

ミラー部１４ｅは、励起光Ｌ１を透過し、レーザ光Ｌ３を部分反射する。ミラー部１４ｅは、ミラー部１４ａ〜１４ｃと共に、光共振器を構成する。換言すれば、ミラー部１４ａ〜１４ｃ，１４ｅ間で、レーザ光Ｌ３が繰り返し反射するように、ミラー部１４ａ〜１４ｃ，１４ｅは配置されており、ミラー部１４ａ〜１４ｃ，１４ｅ間のレーザ光Ｌ３の共振光路内にレーザ媒質体１６が配置されている。

上記構成では、励起光源部１２ａ〜１２ｄから出力された励起光Ｌ１は、レーザ増幅器１Ａの場合と同様にして、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆを励起する。励起されたレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆからの放出光としてのレーザ光Ｌ３は、ミラー部１４ａ〜１４ｃ，１４ｅ間で反射し、光増幅される。ミラー部１４ｅを部分的に透過したレーザ光Ｌ３は、ミラー部１４ｄによって、励起光源部１２ｄからの励起光Ｌ１の光路の軸と異なる方向に反射される。ミラー部１４ｄで反射されたレーザ光Ｌ３が、レーザ発振器２からの出力光である。

レーザ発振器２においても、レーザ媒質ユニット１０Ａを備えているので、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの発熱の影響を低減できる。その結果、ビーム品質の良いレーザ光Ｌ３を出力可能である。

レーザ発振器２において、レーザ媒質ユニット１０Ａの代わりにレーザ媒質ユニット１０Ｂを採用してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されずに、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、一つのレーザ利得媒質２２に対応して、図１１に示すように、複数の噴出口４０が設けられていてもよい。図１１は、媒質流出口の配置の他の例を示す図面である。

複数の噴出口４０は、照射領域４４の大きさ又は強度分布に応じて、照射領域４４内の温度をより均一にし得るように配置されていればよい。例えば、図６では、照射領域４４における強度分布を２つの領域に分けているが、強度分布は強度に応じて複数の領域に分けられてもよい。この場合、複数の噴出口４０が形成される面（すなわち、凹部２８_１，２８_２の底面）のうち複数の強度領域に対応する領域に、それぞれの強度領域の強度に応じて噴出口４０が配置され得る。具体的には、強度のより高い領域に対向する部分には、より多くの噴出口４０を配置し、強度が低くなる領域に対向する部分に向けて噴出口４０の数が減少するような配置が例示され得る。

なお、図１１に示した複数の噴出口４０の群の形成領域は、図５に示した一つの噴出口４０の形成領域と同じ大きさであってもよい。この場合、図１１に示した複数の噴出口４０の径は、図５に示した噴出口４０より小さい。

レーザ増幅器１Ａ，１Ｂは、図１及び図９に示した構成において、励起光源部１２ｂ，１２ｃを備えない構成でもよい。同様に、図１０に示したレーザ発振器２では、励起光源部１２ｂ，１２ｃを備えなくてもよい。

レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの厚さ及び活性元素のドープ量は、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆの温度が互いにほぼ等しくなるように異なっていても良い。

レーザ媒質体１６において、側面２０ｂに接合されたレーザ利得媒質２２ｄ〜２２ｆは、側面２０ａに接合されたレーザ利得媒質２２ａ〜２２ｃと対向配置されていなくてもよい。側面２０ａ，２０ｂそれぞれには少なくとも一つのレーザ利得媒質が接合されていればよい。レーザ媒質体１６が有する光学媒質２０は六角柱状に限定されず、他の多角柱状でもよい。例えば、光学媒質２０の形状は、五角柱状でもよい。この場合、図１に示したｚ方向から光学媒質２０を見た場合、光学媒質２０の形状は台形形状であり得る。励起光源部の数及びその配置並びにミラー部の数及びその配置は、光学媒質の形状及びレーザ利得媒質の配置位置に応じて、レーザ増幅器又はレーザ発振器に適用され得るように適宜配置されていればよい。

容器１８は、第１本体部２４_１及び第２本体部２４_２が接合された構成に限定されず、第１本体部２４_１及び第２本体部２４_２の構成も図４を用いて説明した構成に限定されない。容器１８は、レーザ媒質体１６が配置される配置空間２８が確保されていると共に、これまで説明したように、照射領域４４の強度の高い領域から低い領域に向けて冷却媒質Ｃが流れるように噴出口４０を配置できる構成であればよい。

光学媒質２０の材料は、ＹＡＧに限定されないと共に、レーザ利得媒質２２ａ〜２２ｆに添加する活性元素はＮｄに限定されない。レーザ増幅器やレーザ発振器といった固体レーザ装置に使用される光学材料及び活性元素であればよい。光学媒質の材料の他の例は、（ＧＧＧ：ガドリニウム ガリウム ガーネット（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２））が例示され得る。また、活性元素の他の例は、Ｙｂが例示され得る。また、レーザ増幅器及びレーザ発振器は、励起光源部を備えた構成としたが、レーザ媒質体に励起光が入射され得る構成であればよい。

１Ａ，１Ｂ…レーザ増幅器、２…レーザ発振器、１０Ａ，１０Ｂ…レーザ媒質ユニット、１４ａ〜１４ｄ…ミラー部、１４ｅ…ミラー部（光共振器の一部）、１６…レーザ媒質体、１８…容器、２０…光学媒質、２０ａ…側面（第１面）、２０ｂ…側面（第２面）、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…レーザ利得媒質（第１面に接合されたレーザ利得媒質）、２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ…レーザ利得媒質（第２面に接合されたレーザ利得媒質）、２８…配置空間、３０…排出流路部、３４，３４_１ａ〜３４_１ｃ，３４_２ａ〜３４_２ｃ…供給流路部、４０，４０_１ａ〜４０_１ｃ，４０_２ａ〜４０_２ｃ…噴出口（媒質流出口）、４４…照射領域、４４ａ…高強度部（照射領域のうち強度の高い領域）、４４ｂ…低強度部（照射領域のうち強度の低い領域）、４６_１，４６_２…ヒートシンク、Ｃ…冷却媒質。

Claims (9)

1. 活性元素が添加されており励起光が照射されることにより放出光を発生するレーザ利得媒質が、活性元素が添加されておらず、前記励起光及び前記放出光の双方を透過させる光学媒質の第１面と、前記第１面と反対側に位置する第２面とに、それぞれ複数接合されてなる、レーザ媒質体と、
   前記レーザ媒質体を収容する容器であって、前記第１面に接合される複数の前記レーザ利得媒質及び前記第２面に接合される複数の前記レーザ利得媒質を冷却する冷却媒質を流す冷却媒質流路を有する前記容器と、
   を備え、
   前記冷却媒質流路は、複数の前記レーザ利得媒質のそれぞれに対して設けられており前記容器内の前記レーザ媒質体の配置空間に前記冷却媒質を供給する複数の供給流路部と、前記配置空間から前記冷却媒質を排出する排出流路部とを有し、
   前記供給流路部の前記配置空間側の媒質流出口は、対応する前記レーザ利得媒質に対して設けられており、
   前記媒質流出口は、対応する前記レーザ利得媒質に対する励起光の照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に向けて前記冷却媒質が流れるように配置されている、
   レーザ媒質ユニット。
2. 前記媒質流出口は、対応する前記レーザ利得媒質に対する前記照射領域内の前記強度分布のうち強度の高い領域に対向して配置されている、請求項１記載のレーザ媒質ユニット。
3. 前記第１面に接合された複数の前記レーザ利得媒質と、対応する前記媒質流出口との間、及び、前記第２面に接合された複数の前記レーザ利得媒質と、対応する前記媒質流出口との間にそれぞれ配置されるヒートシンクを更に有する、
   請求項１又は２記載のレーザ媒質ユニット。
4. 前記第２面に接合される複数の前記レーザ利得媒質の各々は、前記第１面に接合される複数の前記レーザ利得媒質の各々に対向している、
   請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ媒質ユニット。
5. 各前記レーザ利得媒質における前記照射領域に対向して複数の媒質流出口が設けられており、
   前記媒質流出口の数は、前記照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に向けて少なくなっている、
   請求項１〜４の何れか一項記載のレーザ媒質ユニット。
6. 前記容器は、隣接する前記供給流路部の前記媒質流出口を仕切るための仕切り壁を有する、
   請求項１〜５の何れか一項記載のレーザ媒質ユニット。
7. 請求項１〜６の何れか一項記載のレーザ媒質ユニットと、
   光増幅されるべきレーザ光を前記光学媒質に前記励起光と同軸の光路で入射させる入射光学系と、
   前記レーザ利得媒質によって増幅され前記励起光と同軸の光路で前記レーザ媒質体から出射された前記レーザ光を前記励起光の光路とは異なる方向に出力する出力光学系と、
   を備える、
   レーザ増幅器。
8. 請求項１〜６の何れか一項記載のレーザ媒質ユニットと、
   前記レーザ媒質ユニットが有する前記レーザ媒質体を、共振光路上に有する光共振器と、
   を備えるレーザ発振器。
9. 活性元素が添加されており励起光が照射されることにより放出光を発生するレーザ利得媒質が、活性元素が添加されておらず、前記励起光及び前記放出光の双方を透過させる光学媒質の第１面と、前記第１面と反対側に位置する第２面とに、それぞれ複数接合されてなる、レーザ媒質体を冷却する方法であって、
   前記第１面及び前記第２面それぞれに接合された複数の前記レーザ利得媒質のそれぞれに対応しており冷却媒質を供給する供給流路部を介して、各前記レーザ利得媒質に対する励起光の照射領域内の強度分布のうち強度の高い領域から低い領域に前記冷却媒質を流して、複数の前記レーザ利得媒質を冷却する、
   冷却方法。

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