JP6308965B2 - レーザ発振装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ発振装置に関する。

レーザ利得媒質にイットリウム（Ｙ）・アルミニウム（Ａｌ）・ガーネット（Ｇ）の結晶を用いたＹＡＧレーザに代表される固体レーザ発振装置において、レーザ光の発振の効率化のためには、レーザ利得媒質を冷却して下位準位を空けておくことが求められる。

例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）をドーピングしたＹＡＧレーザでは、レーザ利得媒質を１２０Ｋ以下、より好ましくは１００Ｋ以下に冷却することが求められる。

特許文献１には、レーザ発振器が開示されている。かかるレーザ発振器は、光学媒質と、複数の第１面側利得媒質と、少なくとも１つの第２面側利得媒質と、冷却手段とを具備する。光学媒質は、レーザ光を透過するものであり、入射媒質面と、第１面と、第１面に対向する第２面とを有する。複数の第１面側利得媒質は、励起光により励起され、レーザ光を全反射しながらレーザ光を増幅するものであり、光学媒質の第１面において光学媒質に接合されている。少なくとも１つの第２面側利得媒質は、第１面側利得媒質と同様、励起光により励起され、レーザ光を全反射しながらレーザ光を増幅するものであり、光学媒質の第２面において光学媒質に接合されている。冷却手段は、複数の第１面側利得媒質と少なくとも１つの第２面側利得物質のそれぞれの背面側を冷却するものであり、利得媒質の複数の第１反射面と少なくとも１つの第２面反射面とを冷却するように配置されている。

特開２０１０−１１４１６２号公報

ところで、レーザ利得媒質は、熱応力等で破損しやすい消耗品であるが、レーザ利得媒質の周りには、調整が困難なミラー類が配置され、レーザ利得媒質の交換が困難なものとなっている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、レーザ利得媒質を簡単に交換することができるレーザ発振装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るレーザ発振装置は、
冷媒容器と、
前記冷媒容器に取り付けられ、レーザ利得媒質および該レーザ利得媒質にレーザ種光を導くための入射通路部を含む少なくとも一つのカートリッジと、
前記冷媒容器の内部に設けられ、前記レーザ利得媒質に対して冷媒を吹き付けるための少なくとも一本のノズルと、
前記冷媒容器を内部に収容するとともに、前記冷媒容器の外周側に真空断熱層を形成する真空断熱容器と、
を備え、
前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質の長手方向に沿って前記冷媒容器に対して挿脱自在に設けられる。

上記（１）の構成によれば、少なくとも一つのカートリッジは、レーザ利得媒質の長手方向に沿って冷媒容器に対して挿脱自在に設けられるので、カートリッジに含まれるレーザ利得媒質を冷媒容器に対して簡単に交換することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記真空断熱容器は、前記入射通路部に向かう前記レーザ種光を前記真空断熱容器内に取り込むための入射窓を含む。

上記（２）の構成によれば、真空断熱容器は、入射通路部に向かうレーザ種光を真空断熱容器内に取り込むための入射窓を含むので、入射通路部に向かうレーザ種光を入射窓から真空断熱容器内に取り込むことができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記入射通路部は、前記レーザ利得媒質の前記長手方向に沿って前記レーザ種光を前記レーザ利得媒質に導くように構成される。

上記（３）の構成によれば、入射通路部は、レーザ利得媒質の長手方向に沿ってレーザ種光をレーザ利得媒質に導くように構成されるので、入射通路部は、レーザ利得媒質の長手方向と直交する断面を小さくできる。これにより、カートリッジを小型なものにすることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記入射通路部は、前記レーザ利得媒質の入射媒質面に対して垂直方向に前記レーザ種光が入射するよう該レーザ種光を前記レーザ利得媒質まで導くように構成される。

上記（４）の構成によれば、入射通路部がレーザ利得媒質の入射媒質面に対して垂直方向にレーザ種光が入射するようレーザ種光をレーザ利得媒質まで導くので、レーザ種光がレーザ利得媒質に入射するに際して反射を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記レーザ利得媒質は、前記入射通路部とは反対側の端部において、少なくとも二面が直角をなすコーナーキューブを有し、
前記入射通路部は、前記コーナーキューブにおいて反射されて前記レーザ利得媒質から出射されたレーザ光を前記真空断熱容器外に向かって導くように構成される。

上記（５）の構成によれば、入射通路部は、コーナーキューブにおいて反射されてレーザ利得媒質から出射されたレーザ光を真空断熱容器外に向かって導くように構成されるので、コーナーキューブにおいて反射されてレーザ利得媒質から出射されたレーザ光を入射通路部が真空断熱容器外に導くことができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質を挟んで前記入射通路部とは反対側に設けられ、前記レーザ利得媒質から出射されるレーザ光を導くための出射通路部をさらに含む。

上記（６）の構成によれば、カートリッジは、レーザ利得媒質から出射されるレーザ光を導くための出射通路部をさらに含むので、レーザ利得媒質から出射されるレーザ光を出射通路部に導くことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（６）何れか一つの構成において、
前記カートリッジは、前記ノズルからの前記冷媒の噴流が前記レーザ利得媒質に衝突するように、前記ノズルに対向する領域に開口を有する。

上記（７）の構成によれば、カートリッジは、ノズルからの冷媒の噴流がレーザ利得媒質に衝突するように、ノズルに対向する領域に開口を有するので、ノズルからの冷媒の噴流がノズルに対向する領域に有する開口を通りレーザ利得媒質に衝突する。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）の何れか一つの構成において、
前記カートリッジは、前記長手方向における一端側にフランジを有し、該フランジによって前記入射通路部が形成されており、
前記冷媒容器は、前記フランジの外形よりも小さく、且つ、前記カートリッジの他端側が通過可能な容器開口を有し、
前記カートリッジの前記フランジは、前記容器開口の周囲の前記冷媒容器の壁材に固定されている。

上記（８）の構成によれば、冷媒容器が有する容器開口にカートリッジの他端側が挿入され、カートリッジのフランジが容器開口の周囲の壁材に固定されるので、カートリッジに含まれるレーザ利得媒質を冷媒容器に対して簡単に交換することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記カートリッジの他端部は、前記冷媒容器のうち前記容器開口から前記長手方向に延ばした仮想線と交わる領域において、前記冷媒容器の内壁面に当接する。

上記（９）の構成によれば、カートリッジの他端部は、冷媒容器のうち容器開口から長手方向に延ばした仮想線と交わる領域において、冷媒容器の内壁面に当接するので、カートリッジの他端部は冷媒容器の内壁面にも支持される。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）から（９）の何れか一つの構成において、
前記カートリッジは、
前記レーザ利得媒質と、
前記入射通路部を形成するとともに、前記レーザ利得媒質を保持するためのホルダ部と、
を含み、
前記レーザ利得媒質は、前記長手方向に直交する方向に沿って前記ホルダ部に対して挿脱自在に設けられる。

上記（１０）の構成によれば、レーザ利得媒質は、長手方向に直交する方向に沿ってホルダ部に対して挿脱自在に設けられるので、レーザ利得媒質をホルダ部に対して簡単に交換することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
前記ホルダ部は、
前記レーザ利得媒質が前記長手方向に直交する方向に通過可能なホルダ開口を有するホルダ本体と、
前記ホルダ開口を通過した前記レーザ利得媒質を前記ホルダ本体とともに固定するように構成された蓋部材と、
を含む。

上記（１１）の構成によれば、ホルダ部は、レーザ利得媒質が長手方向に直交する方向に通過可能なホルダ開口を有するホルダ本体と、ホルダ開口を通過したレーザ利得媒質をホルダ本体とともに固定するように構成された蓋部材と、を含むので、ホルダ本体が有するホルダ開口を通過したレーザ利得媒質を蓋部材がホルダ本体とともに固定することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）から（１１）の何れか一つの構成において、
前記冷媒は、液体窒素である。

上記（１２）の構成によれば、冷媒は、液体窒素であるので、冷媒が吹き付けられたレーザ利得媒質は、１００Ｋ以下に冷却することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）から（１２）の何れか一つの構成において、
前記レーザ利得媒質は、
前記レーザ種光を透過可能な光学媒質と、
前記光学媒質の第１面と該第１面に対向する第２面のそれぞれに取り付けられ、前記レーザ種光を増幅するための利得媒質シートと、
を含み、
前記ノズルは、前記利得媒質シートに対して前記冷媒を吹き付けるように構成される。

上記（１３）の構成によれば、利得媒質シートに対して冷媒が吹き付けられ、利得媒質シートが冷却されるので、レーザ利得媒質を効率的に冷却することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（１３）の何れか一つの構成において、
第１カートリッジおよび第２カートリッジを含む複数の前記カートリッジが、前記冷媒容器に対して前記長手方向に沿って挿脱自在に設けられる。

上記（１４）の構成によれば、第１カートリッジおよび第２カートリッジを含む複数のカートリッジが、冷媒容器に対して長手方向に沿って挿脱自在に設けられるので、第１カートリッジおよび第２カートリッジを含む複数のカートリッジが冷媒容器に対して簡単に交換することができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１４）の構成において、
前記レーザ種光は、前記第１カートリッジの前記レーザ利得媒質を通過して増幅された後、前記第２カートリッジの前記レーザ利得媒質を通過してさらに増幅されるように構成される。

上記（１５）の構成によれば、レーザ種光は、第１カートリッジのレーザ利得媒質を通過して増幅された後、第２カートリッジのレーザ利得媒質を通過してさらに増幅されるように構成されるので、レーザ種光は、第１カートリッジのレーザ利得媒質を通過して増幅された後、第２カートリッジのレーザ利得媒質を通過してさらに増幅される。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、カートリッジに含まれるレーザ利得媒質を冷媒容器に対して簡単に交換することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ発振装置の要部外観を概略的に示す斜視図である。 一実施形態に係るレーザ発振装置の要部構成を概略的に示す横断面図である。 一実施形態に係るレーザ発振装置の要部構成を概略的に示す横断面図である。 図２に示したレーザ発振装置において、冷媒容器からカートリッジを取り外した状態を示す図である。 一実施形態に係るレーザ利得媒質の詳細を示す図である。 一実施形態に係るレーザ利得媒質の詳細を示す図である。 一実施形態に係るレーザ利得媒質の詳細を示す図である。 一実施形態に係るレーザ利得媒質の詳細を示す図である。 図７に示したレーザ利得媒質を用いたレーザ発振装置の構成を示す概念図である。 図８に示したレーザ利得媒質を用いたレーザ発振装置の構成を示す概念図である。 一実施形態に係るカートリッジを示す縦断面図である。 一実施形態に係るカートリッジを示す縦断面図である。 図１１に示したカートリッジのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視図である。 図１２に示したカートリッジのＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 図１２に示したカートリッジの外観を概略的に示す斜視図である。 図１５に示したカートリッジのＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。 図１５に示したカートリッジの背面図である。 一実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示す概念図である。 一実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示す概念図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。

また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。

一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ発振装置１の要部外観を概略的に示す斜視図である。図２及び図３は、レーザ発振装置１の要部構成を概略的に示す横断面図である。図４は、図２に示したレーザ発振装置１において、冷媒容器２からカートリッジ４を取り外した状態を示す図である。

また、図５及び図６は、一実施形態に係るレーザ利得媒質５の詳細を示す図であり、図５は、レーザ種光ＬＭが入射媒質面に対して垂直方向に入射するレーザ利得媒質５Ａを示し、図６は、レーザ種光ＬＭが長手方向に沿って入射するレーザ利得媒質５Ｂを示す。

図１に示すように、本発明の少なくとも一実施形態に係るレーザ発振装置１は、冷媒容器２と、少なくとも一つのカートリッジ４と、少なくとも一本のノズル３（図２参照）と、真空断熱容器７とを備える。

冷媒容器２は、内部と外部を遮断する密閉容器である。
図１から図３に例示する形態において、冷媒容器２は、横断面が環状をなす円筒状の容器であり、その側面に前面板部２１と後面板部２２とを有している。

図２及び図３に示すように、少なくとも一つのカートリッジ４は、冷媒容器２に取り付けられる。カートリッジ４は、レーザ利得媒質５および入射通路部４１を含んでいる。
図２及び図３に例示する形態において、カートリッジ４は、直方体形状に形成され、一端部に入射通路部４１が設けられる。これにより、レーザ利得媒質５の入射媒質面５ａは、入射通路部４１を介して視認可能である。また、図示はしないが、レーザ利得媒質５の温度を計測するための光ファイバが取り付けられている。光ファイバは、後述するフランジ６１に設けたフィードスルー（図示せず）によって冷媒容器２の外部に取り出される。

レーザ利得媒質５は、レーザ種光を増幅するためのものであり、ポンピングにより、吸収よりも誘電放出のほうが優勢な反転分布状態となり、誘電放出によりレーザ種光を増幅する。
図２及び図３に例示する形態において、レーザ利得媒質５は、イットリウム（Ｙ）・アルミニウム（Ａｌ）・ガーネット（Ｇ）の結晶を用いたＹＡＧレーザにイッテルビウム（Ｙｂ）をドーピングしたものを用いる。これにより、レーザ利得媒質５は、１２０Ｋ以下、より好ましくは１００Ｋ以下に冷却することが求められる。
また、図２及び図３に例示する形態において、レーザ利得媒質５は、レーザ種光ＬＭが奇数回反射する台形をなすが、これに限られるものではなく、レーザ種光ＬＭが複数回反射する平行四辺形をなすものでもよい。尚、反射回数は、励起光ＬＥが媒質内で減衰せずに届く範囲で決まり、通常３回程度が反射回数とされる。

入射通路部４１は、レーザ利得媒質５にレーザ種光ＬＭを導くためのものである。
図２及び図３に例示する形態において、入射通路部４１は、レーザ利得媒質５の入射媒質面５ａの前方域に設けられる。

図２及び図４に示すように、カートリッジ４は、レーザ利得媒質５の長手方向に沿って冷媒容器２に対して挿脱自在に設けられる。

図２及び図３に示すように、少なくとも一本のノズル３は、レーザ利得媒質５に対して冷媒Ｒを吹き付けるためのものであり、冷媒容器２の内部に設けられる。
図２及び図３に例示する形態では、レーザ利得媒質５の第１面に対向する領域に二本のノズル３１，３２が設けられ、レーザ利得媒質５の第２面に対向する領域に一本のノズル３３が設けられる。各ノズル３１，３２，３３には、それぞれ冷媒Ｒを供給するための冷媒配管３４，３５，３６が接続され、冷媒供給源（図示せず）から各ノズル３１，３２，３３に冷媒Ｒが供給され、ノズル３１，３２，３３からレーザ利得媒質５に対して冷媒Ｒが吹き付けられる。そして、吹き付けられた冷媒Ｒは、図１に示すように、冷媒容器２の底部に接続された回収配管３７を通り回収される。

図２及び図３に示すように、真空断熱容器７は、冷媒容器２の外周側に真空断熱層Ｖを形成するものであり、冷媒容器２を内部に収容する。
図２及び図３に例示する形態では、真空断熱容器７は、冷媒容器２と同様に、横断面が環状の円筒状の密閉容器である。尚、上述したように、真空断熱容器７には真空断熱層Ｖが形成されるので、真空断熱容器７に収容される冷媒容器２及びカートリッジ４は、Ｏリングやインジウム等のシール材でシールされる。また、図示はしないが、真空断熱容器７には、排気口、弁類、真空ゲージ、及び脚等が取り付けられる。

上記構成によれば、少なくとも一つのカートリッジ４は、レーザ利得媒質５の長手方向に沿って冷媒容器２に対して挿脱自在に設けられるので、カートリッジ４に含まれるレーザ利得媒質５を冷媒容器２に対して簡単に交換することができる。

図１から図３に示すように、幾つかの実施形態では、真空断熱容器７は、入射窓７１を含む。入射窓７１は、入射通路部４１に向かうレーザ種光ＬＭを真空断熱容器内に取り込むためのものである。
図１から図３に例示する形態において、入射窓７１は、レーザ利得媒質５の高さ方向位置と同じ高さ方向位置に設けられている。

上記構成によれば、真空断熱容器７は、入射通路部４１に向かうレーザ種光ＬＭを真空断熱容器内に取り込むための入射窓７１を含むので、入射通路部４１に向かうレーザ種光ＬＭを入射窓７１から真空断熱容器７内に取り込むことができる。入射窓７１には反射防止膜（図示せず）がコーティングされ、レーザ種光ＬＭの反射が抑制される。

図３に示すように、幾つかの実施形態では、入射通路部４１Ｂは、レーザ利得媒質５Ｂの長手方向に沿ってレーザ種光ＬＭをレーザ利得媒質５Ｂに導くように構成される。

図６に示すように、幾つかの実施形態に係るレーザ利得媒質５Ｂは、長手方向に沿って入射したレーザ種光ＬＭが全反射するように形成される。すなわち、レーザ利得媒質５Ｂにおいて角度βが臨界角を超える（β＞臨界角）ように形成される。

図６に例示する形態において、空気の屈折率ｎ１を１．００、レーザ利得媒質５Ｂの屈折率ｎ２を１．８２、冷媒の屈折率ｎ３を１．２０とし、角度βを６０度とする場合には入射媒質面５ａの角度αを３２．３４度とする。
また、図６に例示する形態では、レーザ利得媒質５Ｂの入射媒質面５ａに反射防止膜（図示せず）がコーティングされ、レーザ種光ＬＭの反射が抑制される。

上記構成によれば、入射通路部４１Ｂは、レーザ利得媒質５Ｂの長手方向に沿ってレーザ種光ＬＭをレーザ利得媒質５に導くように構成されるので、入射通路部４１は、レーザ利得媒質５Ｂの長手方向と直交する断面を小さくできる。これにより、カートリッジ４を小型なものにすることができる。また、レーザ利得媒質５Ｂの前後で光軸が直線となるので、ミラー類を直線上に配置することができる。

図２に示すように、幾つかの実施形態では、入射通路部４１Ａは、レーザ利得媒質５の入射媒質面５ａに対して垂直方向にレーザ種光ＬＭが入射するようレーザ種光ＬＭをレーザ利得媒質５Ａまで導くように構成される。

図５に示すように、幾つかの実施形態に係るレーザ利得媒質５Ａは、入射媒質面５ａに対して垂直方向に入射したレーザ種光ＬＭが全反射するように形成される。すなわち、レーザ利得媒質５Ａにおいて角度βが臨界角を超える（β＞臨界角）ように形成される。

上記構成によれば、入射通路部４１がレーザ利得媒質５Ａの入射媒質面５ａに対して垂直方向にレーザ種光ＬＭが入射するようレーザ種光ＬＭをレーザ利得媒質５まで導くので、レーザ種光ＬＭがレーザ利得媒質５Ａに入射するに際して反射を抑制することができる。

図７及び図８は、一実施形態に係るレーザ利得媒質５の詳細を示す図である。また、図９は、図７に示したレーザ利得媒質５Ｃを用いたレーザ発振装置１（１Ｃ）の構成を示す概念図であり、図１０は、図８に示したレーザ利得媒質５Ｄを用いたレーザ発振装置１（１Ｄ）の構成を示す概念図である。

図７及び図８に示すように、幾つかの実施形態では、レーザ利得媒質５は、入射通路部４１とは反対側の端部において、少なくとも二面が直角をなすコーナーキューブ５１を有する。また、入射通路部４１は、コーナーキューブ５１において反射されてレーザ利得媒質５から出射されたレーザ光ＬＢを真空断熱容器外に向かって導くように構成される。

図７及び図８に例示する形態において、レーザ利得媒質５は、入射媒質面５ａに反射防止膜がコーティングされ、レーザ種光ＬＭの反射が抑制される。また、レーザ利得媒質５のコーナーキューブ５１をなす二面に全反射ミラーがコーティングされ、レーザ種光ＬＭの反射が促進される。

図７に例示する形態において、レーザ利得媒質５Ｃは、入射媒質面５Ｃａと反対側の端部において二面が直角をなすコーナーキューブ５Ｃ１を有する。コーナーキューブ５Ｃ１は、入射光を再起反射するためのものであり、図７に例示する形態において、後端面５Ｃｂと該後端面５Ｃｂに隣り合う側面５Ｃｃの二面が直角をなしている。

図８に例示する形態において、レーザ利得媒質５Ｄは、入射媒質面５Ｄａと反対側の端部において二面が直角を成すコーナーキューブ５Ｄ１を有する。コーナーキューブ５Ｄ１は、入射光を再起反射するためのものであり、図８に例示する形態において、隣り合う二つの後端面５Ｄｂが直角をなしている。

上記構成によれば、入射通路部４１は、コーナーキューブ５１において反射されてレーザ利得媒質５から出射されたレーザ光ＬＢを真空断熱容器７外に向かって導くように構成されるので、コーナーキューブ５１において反射されてレーザ利得媒質５から出射されたレーザ光ＬＢを入射通路部４１が真空断熱容器７外に導くことができる。

図９及び図１０に示すように、幾つかの実施形態に係るレーザ発振装置１は、入射媒質面５ａと反対側のコーナーキューブ５１において反射されてレーザ利得媒質５から出射されたレーザ光ＬＢを真空断熱容器外に向かって導くように構成される。

図９及び図１０に例示する形態に係るレーザ発振装置１は、種光入射系１１、励起光入射系１２、及びレーザ光出射系１３を備えている。

種光入射系１１は、レーザ利得媒質５にレーザ種光を入射（供給）するためのものである。
図９に例示する形態において、種光入射系１１は、種光光源１１１、ミラー１１２、偏光子１１３、４分の１波長板１１４、及びミラー１１５を含む。種光光源１１１には、固体レーザやファイバーレーザ等が用いられる。４分の１波長板１１４は、レーザ利得媒質５からレーザ光（増幅光）が種光光源に戻らないようにするためのものであり、往路の偏光方向を４分の１波長板１１４で回転させ、逆光した光が偏光子１１３を通過しないようにしている。

励起光入射系１２は、レーザ利得媒質５に励起光ＬＥを入射（供給）するためのものである。
図９及び図１０に例示する形態において、励起光光源１２１、及び集束レンズ群１２２を含む。励起光光源１２１には、励起用レーザ、例えば、半導体レーザが用いられる。集束レンズ群１２２は、レーザ種光ＬＭが反射する領域に向けて励起光ＬＥを集束させるためのものであり、レンズに限られるものではなく、ミラーで構成してもよい。

レーザ光出射系１３は、増幅されたレーザ光ＬＢを出射（出力）するためのものである。
図９及び図１０に例示する形態において、レーザ光出射系１３は、レーザ種光ＬＭや励起光ＬＥと異なる経路を通るように構成され、例えば、ミラー１３１を含む。

上記構成によれば、励起光ＬＥがレーザ利得媒質５で減衰せずに届く範囲は、入射媒質面５ａと反対側の出射面で出射するレーザ発振装置１と同じなので、同じ大きさのレーザ利得媒質５を用いたレーザ発振装置であれば反射回数が二倍となり、効率を高めることができる。

図１１及び図１２は、一実施形態に係るカートリッジ４を示す縦断面図である。尚、図１１に例示したカートリッジ４は、図２に例示したレーザ発振装置１Ａに挿脱自在に取り付けられ、図１２に例示したカートリッジ４は、図３に例示したレーザ発振装置１Ｂに挿脱自在に取り付けられる。

また、図１３は、図１１に示したカートリッジ４ＡのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視図であり、図１４は、図１２に示したカートリッジのＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。

また、図１５は、図１２に示したカートリッジ４Ｂの外観を概略的に示す斜視図である。図１６は、図１５に示したカートリッジ４ＢのＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図、図１７は、図１５に示したカートリッジ４Ｂの背面図である。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４は、レーザ利得媒質５を挟んで入射通路部４１とは反対側に設けられ、レーザ利得媒質５から出射されるレーザ光ＬＢを導くための出射通路部４２をさらに含む。

図１１に例示する形態では、出射通路部４２Ａは、レーザ利得媒質５Ａの出射面５ｂに対して垂直方向にレーザ光ＬＢが出射するように構成される（図２参照）。

図１２に例示する形態では、出射通路部４２Ｂは、レーザ利得媒質５Ｂの長手方向に沿ってレーザ光ＬＢが出射するように構成される（図３参照）。

上記構成によれば、カートリッジ４は、レーザ利得媒質５から出射されるレーザ光ＬＢを導くための出射通路部４２をさらに含むので、レーザ利得媒質５から出射されるレーザ光ＬＢを出射通路部４２が導くことができる。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４は、ノズル３からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５に衝突するように、ノズル３に対向する領域に開口４３，４４を有する。

図１１に例示する形態では、図１３及び図１４に示すように、ノズル３１，３２（図２参照）からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５Ａの第１面に衝突するように、ノズル３１，３２に対向する領域に開口４３が設けられる。同様に、ノズル３３（図２参照）からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５Ａの第２面に衝突するように、ノズル３３に対向する領域に開口４４が設けられる。

図１２に例示する形態では、ノズル３１，３２（図３参照）からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５Ｂの第１面に衝突するように、ノズル３１，３２に対向する領域に開口４３が設けられる。同様に、ノズル３３（図３参照）からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５Ｂの第２面に衝突するように、ノズル３３に対向する領域に開口４４が設けられる。

上記構成によれば、カートリッジ４は、ノズル３からの冷媒Ｒの噴流がレーザ利得媒質５に衝突するように、ノズル３に対向する領域に開口４３，４４を有するので、ノズル３からの冷媒Ｒの噴流がノズル３に対向する領域に有する開口４３，４４を通りレーザ利得媒質５に衝突する。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４は、長手方向における一端側にフランジ６１を有し、該フランジ６１によって入射通路部４１が形成されている。一方、冷媒容器２は、フランジ６１の外形よりも小さく、且つ、カートリッジ４の他端側が通過可能な容器開口２３（前面開口）を有する。そして、カートリッジ４のフランジ６１は、容器開口２３の周囲の冷媒容器２の壁材を構成する前面板部２１に固定されている。

図１１及び図１２に例示する形態では、カートリッジ４のフランジ６１と冷媒容器２の前面板部２１との間にはＯリング８１が設けられ、カートリッジ４のフランジ６１と冷媒容器２の前面板部２１との間はシールされている。

また、図１１及び図１２に例示する形態において、フランジ６１に貫通穴が設けられる一方、冷媒容器２の前面板部の貫通穴と対応する位置に有底のネジ穴が設けられる。これにより、ネジ穴を通り冷媒Ｒが漏れることはない。

上記構成によれば、冷媒容器２が有する容器開口２３にカートリッジ４の他端側が挿入され、カートリッジ４のフランジ６１が容器開口２３の周囲の壁材を構成する前面板部２１に固定されるので、カートリッジ４に含まれるレーザ利得媒質５を冷媒容器２に対して簡単に交換することができる。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４の他端部６２は、冷媒容器２のうち容器開口２３から長手方向に延ばした仮想線Ｍと交わる領域において、冷媒容器２の内壁面を構成する後面板部２２に当接する。

図１１に例示する形態では、カートリッジ４Ａは、長手方向における他端側にインレット６２１を有する一方、冷媒容器２は、インレット６２１の外形よりも大きく、且つ、カートリッジ４Ａが通過不能な容器開口２４Ａ（後面開口）を有する。そして、カートリッジ４Ａのインレット６２１は、容器開口２４Ａに嵌り、容器開口２４Ａの周囲の冷媒容器２の壁材を構成する後面板部２２に固定される。

また、図１１に例示する形態では、カートリッジ４Ａの他端部６２と冷媒容器２の内壁面を構成する後面板部２２との間にはＯリング８２が設けられ、カートリッジ４Ａの他端部６２と冷媒容器２の後面板部２２との間はシールされている。

図１２に例示する形態では、カートリッジ４Ｂは、長手方向における他端側に位置決部６２２を有する一方、冷媒容器２は、位置決部６２２が嵌り、且つ、カートリッジ４Ｂが通過不能な容器開口２４Ｂ（後面開口）を有する。そして、カートリッジ４Ｂの位置決部６２２は、容器開口２４Ｂに嵌り、容器開口２４Ｂの周囲の冷媒容器２の壁材を構成する後面板部２２に固定される。

上記構成によれば、カートリッジ４の他端部６２は、冷媒容器２のうち容器開口２３から長手方向に延ばした仮想線Ｍと交わる領域において、冷媒容器２の内壁面に当接するので、カートリッジ４の他端部６２は冷媒容器２の内壁面にも支持される。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４は、レーザ利得媒質５と、入射通路部４１を形成するとともに、レーザ利得媒質５を保持するためのホルダ部６３と、を含み、レーザ利得媒質５は、長手方向に直交する方向に沿ってホルダ部６３に対して挿脱自在に設けられる。

図１１及び図１２に例示する形態では、ホルダ部６３とレーザ利得媒質５との間にはＯリング８３が設けられ、ホルダ部６３とレーザ利得媒質５との間はシールされている。

上記構成によれば、レーザ利得媒質５は、長手方向に直交する方向に沿ってホルダ部６３に対して挿脱自在に設けられるので、レーザ利得媒質５をホルダ部６３に対して簡単に交換することができる。

図１１及び図１２に示すように、幾つかの実施形態では、ホルダ部６３は、レーザ利得媒質５が長手方向に直交する方向に通過可能なホルダ開口６４１を有するホルダ本体６４と、ホルダ開口６４１を通過したレーザ利得媒質５をホルダ本体６４とともに固定するように構成された蓋部材６５と、を含む。

図１１及び図１２に例示する形態では、レーザ利得媒質５と蓋部材６５との間にはＯリング８４が設けられ、蓋部材６５とレーザ利得媒質５との間はシールされている。

上記構成によれば、ホルダ部６３は、レーザ利得媒質５が長手方向に直交する方向に通過可能なホルダ開口６４１を有するホルダ本体６４と、ホルダ開口６４１を通過したレーザ利得媒質５をホルダ本体６４とともに固定するように構成された蓋部材６５と、を含むので、ホルダ本体６４が有するホルダ開口６４１を通過したレーザ利得媒質５を蓋部材６５がホルダ本体６４とともに固定することができる。

幾つかの実施形態では、冷媒Ｒは、液体窒素（ＬＮ_２）である。これにより、冷媒Ｒが吹き付けられたレーザ利得媒質５の周りは、液体窒素（ＬＮ_２）又は窒素（Ｎ_２）雰囲気の環境となる。

上記構成によれば、冷媒Ｒは、液体窒素であるので、冷媒Ｒが吹き付けられたレーザ利得媒質５は、１００Ｋ以下に冷却することができる。

図５及び図６に示すように、幾つかの実施形態では、レーザ利得媒質５は、レーザ種光ＬＭを透過可能な光学媒質５２と、光学媒質５２の第１面５２ａと該第１面５２ａに対向する第２面５２ｂのそれぞれに取り付けられ、レーザ種光ＬＭを増幅するための利得媒質シート５３，５４と、を含む。そして、ノズル３は、利得媒質シート５３，５４に対して冷媒Ｒを吹き付けるように構成される。

上記構成によれば、利得媒質シート５３，５４に対して冷媒Ｒが吹き付けられ、利得媒質シート５３，５４が冷却されるので、レーザ利得媒質５を効率的に冷却することができる。

図１８は、一実施形態に係るレーザ発振装置１（１Ｅ）の構成を示す概念図である。
図１８に示すように、幾つかの実施形態では、第１カートリッジ４Ｃおよび第２カートリッジ４Ｄを含む複数のカートリッジ４が、冷媒容器２に対して長手方向に沿って挿脱自在に設けられる。

上記構成によれば、第１カートリッジ４Ｃおよび第２カートリッジ４Ｄを含む複数のカートリッジ４が、冷媒容器２に対して長手方向に沿って挿脱自在に設けられるので、第１カートリッジ４Ｃおよび第２カートリッジ４Ｄを含む複数のカートリッジ４が冷媒容器２に対して簡単に交換することができる。

図１８に示すように、幾つかの実施形態では、レーザ種光ＬＭは、第１カートリッジ４Ｃのレーザ利得媒質５Ｂを通過して増幅された後、第２カートリッジ４Ｄのレーザ利得媒質５Ｂを通過してさらに増幅されるように構成される。

上記構成によれば、レーザ種光ＬＭは、第１カートリッジ４Ｃのレーザ利得媒質５を通過して増幅された後、第２カートリッジ４Ｄのレーザ利得媒質５を通過してさらに増幅されるように構成されるので、レーザ種光ＬＭは、第１カートリッジ４Ｃのレーザ利得媒質５を通過して増幅された後、第２カートリッジ４Ｄのレーザ利得媒質５を通過してさらに増幅される。

図１９は、一実施形態に係るレーザ発振装置１（１Ｆ）の構成を示す概念図である。
図１９に示すように、幾つかの実施形態では、カートリッジ４がレーザ利得媒質５の長手方向に沿って真空断熱容器７に対して挿脱自在に設けられる。

図１９に例示する形態において、カートリッジ４Ｆは、フランジ６６と、蓋部材６７と、連結部材６８と、枠部材６９とを備えている。フランジ６６は、冷媒容器２と密着する部分であり、上述したフランジ６１に対応する。そして、フランジ６６と冷媒容器２との間にはＯリング８５が設けられ、真空断熱容器７にカートリッジ４Ｆを装着した場合に、冷媒容器２とフランジ６６との間をシールするようになっている。

蓋部材６７は、真空断熱容器７に密着する部材であり、上述した入射窓７１に対応する。そして、蓋部材６７と真空断熱容器７との間にはＯリング８６が設けられ、真空断熱容器７にカートリッジ４Ｆを装着した場合に、真空断熱容器７と蓋部材６７との間をシールするようになっている。

連結部材６８は、フランジ６６と蓋部材６７とを連結するためのものであり、円筒状の筒状体で構成され、その側面に真空断熱容器内に連通する孔６８１が設けられている。枠部材６９は、蓋部材６７に設けられた入射窓６７１にガラス７１１を取り付けるためのもので、環状に設けられている。また、ガラス７１１と蓋部材６７との間にはＯリング８７が設けられ、ガラス７１１と蓋部材６７との間をシールするようになっている。

上記構成によれば、カートリッジ４がレーザ利得媒質５の長手方向に沿って真空断熱容器７に対して挿脱自在に設けられるので、真空断熱容器７からカートリッジ４を取り外すだけでレーザ利得媒質５を交換することができる。
尚、上記構成は、カートリッジ４がレーザ利得媒質５の長手方向に沿って真空断熱容器７に対して挿脱自在に設けられるが、同時に、レーザ利得媒質５の長手方向に沿って冷媒容器２に対して挿脱自在に設けられるものであり、冷媒容器２にも取り付けられるものである。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｆ レーザ発振装置
１１ 種光入射系
１１１ 種光光源
１１２ ミラー
１１３ 偏光子
１１４ 波長板
１１５ ミラー
１２ 励起光入射系
１２１ 励起光光源
１２２ 集束レンズ群
１３ レーザ光出射系
１３１ ミラー
２ 冷媒容器
２１ 前面板部
２２ 後面板部
２３ 容器開口（前面開口）
２４Ａ，２４Ｂ 容器開口（後面開口）
３，３１，３２，３３ ノズル
３４，３５，３６ 冷媒配管
３７ 回収配管
４，４Ａ，４Ｂ カートリッジ
４Ｃ 第１カートリッジ
４Ｄ 第２カートリッジ
４１，４１Ａ，４１Ｂ 入射通路部
４２，４２Ａ，４２Ｂ 出射通路部
４３，４４ 開口
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ レーザ利得媒質
５１，５Ｃ１，５Ｄ１ コーナーキューブ
５ａ，５Ｃａ，５Ｄａ 入射媒質面
５ｂ 出射面
５Ｃｂ，５Ｄｂ 後端面
５Ｃｃ 側面
５２ 光学媒質
５２ａ 第１面
５２ｂ 第２面
５３，５４ 利得媒質シート
６１ フランジ
６２ 他端部
６２１ インレット
６２２ 位置決部
６３ ホルダ部
６４ ホルダ本体
６４１ ホルダ開口
６５ 蓋部材
６６ フランジ
６７ 蓋部材
６７１ 入射窓
６８ 連結部材
６９ 枠部材
７ 真空断熱容器
７１ 入射窓
７１１ ガラス
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７ Ｏリング
Ｒ 冷媒
Ｖ 真空断熱層
ＬＥ 励起光
ＬＭ レーザ種光

Claims (14)

1. 冷媒容器と、
   前記冷媒容器に取り付けられ、レーザ利得媒質および該レーザ利得媒質にレーザ種光を導くための入射通路部を含む少なくとも一つのカートリッジと、
   前記冷媒容器の内部に設けられ、前記レーザ利得媒質に対して冷媒を吹き付けるための少なくとも一本のノズルと、
   前記冷媒容器を内部に収容するとともに、前記冷媒容器の外周側に真空断熱層を形成する真空断熱容器と、
   を備え、
   前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質の長手方向に沿って前記冷媒容器に対して挿脱自在に設けられるとともに、
   前記カートリッジは、前記長手方向における一端側にフランジを有し、該フランジによって前記入射通路部が形成されており、
   前記冷媒容器は容器開口を有し、前記容器開口は前記フランジの外径よりも小さく、且つ、前記カートリッジの他端側が通過可能であり、
   前記カートリッジの前記フランジは、前記容器開口の周囲の前記冷媒容器の壁材に固定されていることを特徴とするレーザ発振装置。
2. 冷媒容器と、
   前記冷媒容器に取り付けられ、レーザ利得媒質および該レーザ利得媒質にレーザ種光を導くための入射通路部を含む少なくとも一つのカートリッジと、
   前記冷媒容器の内部に設けられ、前記レーザ利得媒質に対して冷媒を吹き付けるための少なくとも一本のノズルと、
   前記冷媒容器を内部に収容するとともに、前記冷媒容器の外周側に真空断熱層を形成する真空断熱容器と、
   を備え、
   前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質の長手方向に沿って前記冷媒容器に対して挿脱自在に設けられるとともに、
   前記カートリッジは、
   前記レーザ利得媒質と、
   前記入射通路部を形成するとともに、前記レーザ利得媒質を保持するためのホルダ部と、
   を含み、
   前記レーザ利得媒質は、前記長手方向に直交する方向に沿って前記ホルダ部に対して挿脱自在に設けられることを特徴とする記載のレーザ発振装置。
3. 冷媒容器と、
   前記冷媒容器に取り付けられ、レーザ利得媒質および該レーザ利得媒質にレーザ種光を導くための入射通路部を含む少なくとも一つのカートリッジと、
   前記冷媒容器の内部に設けられ、前記レーザ利得媒質に対して冷媒を吹き付けるための少なくとも一本のノズルと、
   前記冷媒容器を内部に収容するとともに、前記冷媒容器の外周側に真空断熱層を形成する真空断熱容器と、
   を備え、
   前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質の長手方向に沿って前記冷媒容器に対して挿脱自在に設けられるとともに、
   第１カートリッジおよび第２カートリッジを含む複数の前記カートリッジが、前記冷媒容器に対して前記長手方向に沿って挿脱自在に設けられたことを特徴とするレーザ発振装置。
4. 前記真空断熱容器は、前記入射通路部に向かう前記レーザ種光を前記真空断熱容器内に取り込むための入射窓を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
5. 前記入射通路部は、前記レーザ利得媒質の前記長手方向に沿って前記レーザ種光を前記レーザ利得媒質に導くように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
6. 前記入射通路部は、前記レーザ利得媒質の入射媒質面に対して垂直方向に前記レーザ種光が入射するよう該レーザ種光を前記レーザ利得媒質まで導くように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
7. 前記レーザ利得媒質は、前記入射通路部とは反対側の端部において、少なくとも二面が直角をなすコーナーキューブを有し、
   前記入射通路部は、前記コーナーキューブにおいて反射されて前記レーザ利得媒質から出射されたレーザ光を前記真空断熱容器外に向かって導くように構成されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
8. 前記カートリッジは、前記レーザ利得媒質を挟んで前記入射通路部とは反対側に設けられ、前記レーザ利得媒質から出射されるレーザ光を導くための出射通路部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
9. 前記カートリッジは、前記ノズルからの前記冷媒の噴流が前記レーザ利得媒質に衝突するように、前記ノズルに対向する領域に開口を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
10. 前記カートリッジの他端部は、前記冷媒容器のうち前記容器開口から前記長手方向に延ばした仮想線と交わる領域において、前記冷媒容器の内壁面に当接することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
11. 前記ホルダ部は、
    前記レーザ利得媒質が前記長手方向に直交する方向に通過可能なホルダ開口を有するホルダ本体と、
    前記ホルダ開口を通過した前記レーザ利得媒質を前記ホルダ本体とともに固定するように構成された蓋部材と、
    を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ発振装置。
12. 前記冷媒は、液体窒素であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
13. 前記レーザ利得媒質は、
    前記レーザ種光を透過可能な光学媒質と、
    前記光学媒質の第１面と該第１面に対向する第２面のそれぞれに取り付けられ、前記レーザ種光を増幅するための利得媒質シートと、
    を含み、
    前記ノズルは、前記利得媒質シートに対して前記冷媒を吹き付けるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載のレーザ発振装置。
14. 前記レーザ種光は、前記第１カートリッジの前記レーザ利得媒質を通過して増幅された後、前記第２カートリッジの前記レーザ利得媒質を通過してさらに増幅されるように構成されたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振装置。

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