JP6678956B2 - Laser device, laser amplifier and laser oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ装置、レーザ増幅器及びレーザ発振器に関する。 The present invention relates to a laser device, a laser amplifier and a laser oscillator.
特許文献1には、レーザ利得媒質の発熱の影響を低減可能なレーザ媒質ユニットが開示されている。このレーザ媒質ユニットは、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。この冷却媒質流路は、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。 Patent Document 1 discloses a laser medium unit capable of reducing the influence of heat generation of a laser gain medium. This laser medium unit has a cooling medium flow path through which a cooling medium for cooling the laser gain medium flows. The cooling medium flow path is arranged so that the cooling medium flows from a region having a high intensity to a region having a low intensity in the intensity distribution in the irradiation region of the pump light with respect to the laser gain medium.
レーザ媒質は、光路に対する位置や姿勢が予め設定されている。この位置及び姿勢は、所望のレーザ特性が得られるように設定されている。従って、光路に対するレーザ媒質の位置及び姿勢がずれると、所望のレーザ特性が得られなくなる虞がある。 The position and orientation of the laser medium with respect to the optical path are preset. The position and orientation are set so that desired laser characteristics can be obtained. Therefore, if the position and orientation of the laser medium with respect to the optical path deviate, desired laser characteristics may not be obtained.
そこで、本発明は、所望のレーザ特性を安定して得ることが可能なレーザ装置、レーザ増幅器及びレーザ発振器を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser device, a laser amplifier, and a laser oscillator that can stably obtain desired laser characteristics.
本発明の一形態であるレーザ装置は、第1の基板と、励起光が照射されることにより励起状態とされるレーザ媒質体と、第1の基板に固定されると共に、第1の基板に対するレーザ媒質体を保持する媒質体保持部材と、を備え、媒質体保持部材は、第1の基板に固定される固定部と、レーザ媒質体に当接されると共に弾性変形が可能な変形部と、を有すると共に、レーザ媒質体において発生した熱を変形部及び固定部を介して第1の基板に伝えるように構成されている。 A laser device according to an aspect of the present invention includes a first substrate, a laser medium body that is brought into an excited state by being irradiated with excitation light, and a laser medium that is fixed to the first substrate. A medium body holding member that holds the laser medium body, the medium body holding member includes a fixing portion fixed to the first substrate, and a deformable portion that is in contact with the laser medium body and is elastically deformable. , And is configured to transfer the heat generated in the laser medium body to the first substrate via the deforming portion and the fixing portion.
レーザ装置では、レーザ媒質体において生じた熱が媒質体保持部材によって第1の基板に伝達される。従って、レーザ媒質体の温度を均一化し、レーザ媒質体の特性を安定化することが可能になる。また、レーザ装置は、弾性変形が可能な媒質体保持部材によってレーザ媒質体を保持する。従って、第1の基板とレーザ媒質体との間において相対的な位置関係を維持しつつ、レーザ媒質体に対する応力の負荷が抑制されるので、レーザ媒質体を物理的に安定した状態で保持することができる。これにより、光路に対するレーザ媒質体の位置ずれが低減されるので、所望のレーザ特性を安定して得ることができる。 In the laser device, the heat generated in the laser medium body is transferred to the first substrate by the medium body holding member. Therefore, it is possible to make the temperature of the laser medium body uniform and stabilize the characteristics of the laser medium body. Further, the laser device holds the laser medium body by a medium body holding member that is elastically deformable. Therefore, the load of stress on the laser medium body is suppressed while maintaining the relative positional relationship between the first substrate and the laser medium body, so that the laser medium body is held in a physically stable state. be able to. As a result, the displacement of the laser medium body with respect to the optical path is reduced, so that desired laser characteristics can be stably obtained.
上記のレーザ装置は、第1の基板に固定されると共に、レーザ媒質体に当接される位置決め部材をさらに備え、レーザ媒質体は、励起光が照射されることにより励起状態とされるレーザ利得媒質と、第1の基板に載置されると共に励起光を透過させる光学媒質であって、第1の基板に当接される第1の主面、第1の主面に対向する第2の主面、レーザ利得媒質が接合される第1の側面、及び、励起光を通過させる第2の側面を有する光学媒質と、を有し、第1の側面の法線方向を含む方向へのレーザ利得媒質の移動が生じたとき、変形部は、第1の側面の法線方向に沿って弾性変形してもよい。この構成によれば、レーザ利得媒質で発生した熱が、レーザ利得媒質に当接する変形部を介して第1の基板に排出される。従って、レーザ利得媒質の過度な加熱が抑制されるので、レーザ利得媒質の温度を所定の温度に安定化させることができる。さらに、レーザ利得媒質に当接する変形部は、弾性変形することによって固定部とレーザ利得媒質との間の距離の変化を許容するので、レーザ媒質体を構造的に安定した状態で保持することができる。これにより、所望のレーザ特性を好適に得ることができる。 The above laser device further includes a positioning member that is fixed to the first substrate and that abuts on the laser medium body, and the laser medium body is brought into an excited state by being irradiated with excitation light. A medium and an optical medium that is placed on the first substrate and transmits the excitation light, the first main surface being in contact with the first substrate, and the second main surface facing the first main surface. A laser having a main surface, a first side surface to which the laser gain medium is joined, and an optical medium having a second side surface that allows pumping light to pass therethrough, and in a direction including a direction normal to the first side surface. When the gain medium moves, the deforming portion may elastically deform along the normal direction of the first side surface. According to this configuration, the heat generated in the laser gain medium is discharged to the first substrate via the deforming portion that is in contact with the laser gain medium. Therefore, since excessive heating of the laser gain medium is suppressed, the temperature of the laser gain medium can be stabilized at a predetermined temperature. Further, since the deformable portion in contact with the laser gain medium is elastically deformed to allow a change in the distance between the fixed portion and the laser gain medium, the laser medium body can be held in a structurally stable state. it can. As a result, desired laser characteristics can be suitably obtained.
上記のレーザ装置は、第2の主面に当接される第2の基板と、第1の基板と第2の基板とのそれぞれに接続され、第1の基板を第2の基板に熱的に接続する第1の導熱部と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、第1の基板と第2の基板とが互いに熱的に接続されるので、第1の基板と第2の基板との間において温度差を小さくすることが可能になる。従って、部品間において生じる温度差に起因する応力の発生を抑制することができる。 The above laser device is connected to the second substrate that is in contact with the second main surface and the first substrate and the second substrate, respectively, and the first substrate is thermally connected to the second substrate. And a first heat conducting section connected to the. According to this configuration, the first substrate and the second substrate are thermally connected to each other, so that it is possible to reduce the temperature difference between the first substrate and the second substrate. Therefore, it is possible to suppress the generation of stress due to the temperature difference between the components.
上記のレーザ装置は、第1の基板に連結された一端と、第2の基板に連結された他端と、を含み、第1の基板をレーザ媒質体に押し当てると共に第2の基板をレーザ媒質体に押し当てる引張力を発生させる弾性部材をさらに備えてもよい。この構成によれば、レーザ媒質体と第1及び第2の基板との接触圧力が高まるので、レーザ媒質体で発生した熱を第1及び第2の基板に好適に伝達することができる。また、レーザ媒質体の温度上昇に起因してレーザ媒質体の厚みが増加したとき、第1及び第2の基板の間隔は、弾性部材の引張力によって、厚みの増加に対応するように拡張又は縮小することができる。従って、レーザ媒質体に作用する応力の発生を抑制することができる。 The above laser device includes one end connected to the first substrate and the other end connected to the second substrate, and presses the first substrate against the laser medium body and lasers the second substrate. An elastic member that generates a tensile force that presses the medium body may be further included. According to this configuration, the contact pressure between the laser medium body and the first and second substrates increases, so that the heat generated in the laser medium body can be suitably transferred to the first and second substrates. Further, when the thickness of the laser medium body increases due to the temperature rise of the laser medium body, the distance between the first and second substrates is expanded or expanded so as to correspond to the increase in thickness due to the tensile force of the elastic member. Can be reduced. Therefore, generation of stress acting on the laser medium body can be suppressed.
上記のレーザ装置は、光学媒質及びレーザ利得媒質を冷却する冷却部と、冷却部に接続された第2の導熱部と、第2の導熱部に接続された一端及び第2の基板に接続された他端を有する第3の導熱部と、をさらに備え、第3の導熱部は、冷却部が発生させる振動の周波数よりも低い固有周波数を有してもよい。この構成によれば、第3の導熱部の固有周波数は冷却部において発生した振動の周波数よりも低いので、この振動は第3の導熱部において減衰される。従って、レーザ媒質体への振動の影響を抑制できるので、所望のレーザ特性を安定して得ることができる。 The above laser device is connected to a cooling unit for cooling the optical medium and the laser gain medium, a second heat conducting unit connected to the cooling unit, one end connected to the second heat conducting unit, and a second substrate. And a third heat conducting part having the other end, and the third heat conducting part may have a natural frequency lower than the frequency of the vibration generated by the cooling part. According to this configuration, since the natural frequency of the third heat conducting section is lower than the frequency of the vibration generated in the cooling section, this vibration is damped in the third heat conducting section. Therefore, the influence of vibration on the laser medium body can be suppressed, and desired laser characteristics can be stably obtained.
本発明の別の形態であるレーザ増幅器は、上記の何れかのレーザ装置と、光増幅されるべきレーザ光をレーザ装置が有する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、レーザ装置が有するレーザ媒質体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のレーザ媒質ユニットを備えているので、光路に対するレーザ媒質体の位置ずれが低減される。従って、所望のレーザ増幅特性を安定して得ることができる。 A laser amplifier according to another embodiment of the present invention is any one of the above laser devices, an incident optical system for making a laser beam to be optically amplified enter an optical medium included in the laser device in an optical path coaxial with excitation light, An output optical system that outputs laser light amplified by a laser medium body included in the laser device and emitted from the laser medium body in an optical path coaxial with the excitation light in a direction different from the optical path of the excitation light. Since the laser amplifier includes the above laser medium unit, the positional deviation of the laser medium body with respect to the optical path is reduced. Therefore, a desired laser amplification characteristic can be stably obtained.
本発明のさらに別の形態であるレーザ発振器は、上記の何れかのレーザ装置と、レーザ装置が有するレーザ媒質体を共振光路上に配置された光共振器と、を備える。レーザ発振器は、上記のレーザ媒質ユニットを備えているので、光路に対するレーザ媒質体の位置ずれが低減される。従って、所望のレーザ特性を安定して得ることができる。 A laser oscillator according to yet another aspect of the present invention includes any one of the above laser devices and an optical resonator in which a laser medium body included in the laser device is arranged on a resonance optical path. Since the laser oscillator includes the above laser medium unit, the positional deviation of the laser medium body with respect to the optical path is reduced. Therefore, desired laser characteristics can be stably obtained.
本発明によれば、所望のレーザ特性を安定して得ることが可能なレーザ装置、レーザ増幅器及びレーザ発振器が提供される。 According to the present invention, a laser device, a laser amplifier, and a laser oscillator that can stably obtain desired laser characteristics are provided.
<第1実施形態>
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
<First Embodiment>
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
図1は、本発明の一形態に係るレーザ装置を備えたレーザ増幅器の構成を概略的に示す図である。レーザ増幅器1は、シード光源部100から提供される増幅されるべきレーザ光L2(種光)を増幅する。レーザ増幅器1は、励起光源部2と、ミラー部3と、レーザ装置4と、を有する。励起光源部2は、励起光L1a,L2aを出射する。ミラー部3は、励起光L1a,L1bを透過すると共にレーザ光L2を反射する。レーザ装置4は、励起光源部2から提供された励起光L1a,L1bによって励起され、シード光源部100から提供されたレーザ光L2を増幅する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a laser amplifier including a laser device according to an embodiment of the present invention. The laser amplifier 1 amplifies the laser light L2 (seed light) to be amplified, which is provided from the seed
励起光源部2は、励起光L1aを提供する光源2aと、励起光L1bを提供する光源2bと、を有する。励起光L1aの光路は、シード光源部100から提供されるレーザ光L2の光路と交差する。光源2a,2bは、レーザ装置4のレーザ媒質ユニット8を励起し得る波長の光を出力する。励起光L1a,L1bの波長は、レーザ光L2の波長とは異なる。光源2a,2bとして、例えば、半導体レーザを採用し得る。なお、励起光源部2は、励起光L1a,L1bを集光する集光光学系(不図示)を備えていてもよい。
The excitation
ミラー部3は、励起光源部2とレーザ装置4との間における励起光L1a,L1bの光路上に配置される。ミラー部3は、入射光学系として機能するミラー3aと、出力光学系として機能するミラー3bとを有する。ミラー3a,3bは、所定の波長を有する光を透過すると共に、所定の波長とは別の波長を有する光を反射するダイクロイックミラーを用いることができる。また、ミラー3a,3bは、レーザ増幅器1を平面視したとき、左右対称となる位置に配置される。このような対称配置によれば、レーザ媒質ユニット8に対して均等に、より多くのパワーを供給することができる。なお、励起光L1a,L1bは、レーザ媒質ユニット8においてほとんど吸収されるため、レーザ媒質ユニット8を透過して外部に出射される励起光L1a,L1bはほとんどない。
The mirror unit 3 is arranged on the optical path of the excitation lights L1a and L1b between the excitation
ミラー3aは、励起光L1aの光路とレーザ光L2の光路との交点に配置される。ミラー部3は、光源2aからの励起光L1aを透過して励起光L1aをレーザ装置4に入射させる。また、ミラー3aは、シード光源部100からのレーザ光L2を反射してレーザ光L2をレーザ装置4に入射させる。ミラー3aを透過した後の励起光L1aの光路とミラー部3で反射された後のレーザ光L2の光路とは、同軸である。図1において、互いに並列するように示された励起光L1aとレーザ光L2とは、それらが同軸であることを意味する。
The
ミラー3bは、レーザ装置4から出射された増幅後のレーザ光L2を励起光L1bの光路と交差する方向へ反射する。また、ミラー3bは、光源2bからの励起光L1bを透過して励起光L1bをレーザ装置4に入射させる。
The
続いて、レーザ装置4について説明する。図2は、レーザ装置4の構成を示す断面斜視図である。レーザ装置4は、フレーム6と、チャンバ7と、レーザ媒質ユニット8と、冷却ユニット9と、を有する。
Next, the
フレーム6は、チャンバ7及び冷却ユニット9を所定の位置に保持する。フレーム6は、底板11と、中間板12と、天板13と、スペーサ14と、除振部16と、を有する。底板11は、円板状を呈し、主面11a上には、チャンバ7が載置される。また、底板11の主面11a上には、複数のスペーサ14が配置される。底板11の主面11a上において、複数のスペーサ14は、チャンバ7を囲むように等間隔をもって配置される。
The
スペーサ14の上端側には、中間板12が配置される。すなわち、底板11と中間板12との間には、チャンバ7とスペーサ14とが配置される。スペーサ14の長さは、チャンバ7の高さより長い。従って、チャンバ7と中間板12との間には、隙間が形成される。
The
中間板12は、リング状を呈し、冷却ユニット9の一部が挿通される貫通穴12bを有する。中間板12の上面12aには、複数の除振部16が配置される。除振部16は、中間板12の中心軸のまわりに等間隔に配置される。除振部16の上端側には、天板13が配置される。
The
天板13は、冷却ヘッド17を支持する。天板13の主面13aの中央には、冷却ヘッド17が配置される。冷却ヘッド17は、例えば、ギフォードマクホンサイクルに基づいて駆動するGM冷凍機であり得る。冷却ヘッド17は、その運転時に振動を発生させる。この振動は、天板13と中間板12との間に配置された除振部16によって減衰される。天板13とチャンバ7との間には、ベロー18が配置される。
The
チャンバ7は、レーザ媒質ユニット8を収容する容器であり、底板11上に配置される。チャンバ7には、レーザ媒質ユニット8と冷却ユニット9の一端とが配置される。また、チャンバ7は、第1の窓7a及び第2の窓7bを有する。チャンバ7の側壁に設けられた第1の窓7aは、励起光L1a及びレーザ光L2を通過させる。第1の窓7aは、光源2aからレーザ媒質ユニット8に至る光路上に形成される。また、チャンバ7の別の場所の側壁に設けられた第2の窓7bは、励起光L1b及びレーザ光L2を通過させる。第2の窓7bは、レーザ媒質ユニット8から光源2bに至る光路上に形成される。
The
レーザ媒質ユニット8は、励起光源部2から提供された励起光L1a,L1bによって励起され、シード光源部100から提供されたレーザ光L2を増幅する。レーザ媒質ユニット8は、チャンバ7の底面上に載置される。レーザ媒質ユニット8の詳細な構造については、後述する。
The
冷却ユニット9は、レーザ媒質ユニット8を冷却する。冷却ユニット9は、冷却ヘッド17(冷却部)と、クライオ吸熱部19(第2の導熱部)と、複数の導熱ユニット21A(第3の導熱部)と、を有する。冷却ユニット9は、一例として、レーザ媒質ユニット8を100K〜200K程度に冷却する。
The cooling unit 9 cools the
クライオ吸熱部19は、円柱状の部材であり、上端が冷却ヘッド17に接続され、下端が導熱ユニット21Aに接続される。
The cryo
導熱ユニット21Aは、上端がクライオ吸熱部19に接続され、下端がレーザ媒質ユニット8に接続される。導熱ユニット21Aは、銅網21aと、固定板21bとを有する。銅網21aの上端は、クライオ吸熱部19の下端と固定板21bとの間に挟持されて、物理的及び熱的に接続される。銅網21aの下端は、レーザ媒質ユニット8と固定板21bとの間に挟持されて、物理的及び熱的に接続される。銅網21aは、良好な熱伝導性を有する銅又は銅合金により形成される。銅網21aは、細い銅線が編み込まれて形成され、板状の銅板と比較して低い剛性を有する。換言すると、銅網21aは、レーザ媒質ユニット8とクライオ吸熱部19とを熱的に接続する部材であり、機械的な支持力が期待されない部材である。従って、排熱部31と上部ヒートシンク26(第2の基板)は、構造的にはクライオ吸熱部19を介してフレーム6に吊下げられた構成を有する。
The heat-conducting
この構成によれば、冷却ヘッド17において発生した振動は、クライオ吸熱部19に伝達されるが、銅網21aを有する導熱ユニット21Aにおいて減衰される。具体的には、銅網21aの剛性が低い(即ち、銅網21aの固有周波数が小さい)ので、機械振動の周波数応答曲線に基づけば、固有周波数より大きい周波数を有する冷却ヘッド17において発生した振動は減衰される。
According to this configuration, the vibration generated in the cooling
続いて、レーザ媒質ユニット8について詳細に説明する。図3に示されるように、レーザ媒質ユニット8は、レーザ媒質体22と、断熱シート23と、下部ヒートシンク24(第1の基板)と、上部ヒートシンク26(第2の基板)と、位置決めブロック27(位置決め部材)と、媒質体保持ブロック28A,28B,28C(媒質体保持部材)と、引張バネ29(弾性部材)と、導熱ユニット21B(第1の導熱部)と、を有する。
Next, the
下部ヒートシンク24は、平面視して矩形状を呈する板状部材であり、セラミックなどにより形成された断熱シート23を介してチャンバ7の底面上に載置される。従って、チャンバ7から下部ヒートシンク24への熱の移動が抑制されるので、レーザ媒質ユニット8の温度を好適に制御し得る。下部ヒートシンク24は、熱伝導性のよい金属材料であり、例えば銅或いは銅合金により形成される。なお、以下の説明において、「熱伝導性がよい」とは、当該部材の熱伝導性が、レーザ媒質体22、即ちレーザ利得媒質33A,33B,33C及び光学媒質32の熱伝導性よりも高いことを意味する。
The
レーザ媒質体22は、下部ヒートシンク24に載置される。具体的には、レーザ媒質体22の下面は、下部ヒートシンク24の主面24aに物理的に接触する。主面24a上におけるレーザ媒質体22の位置は、位置決めブロック27と、媒質体保持ブロック28A,28B,28Cとにより維持される。レーザ媒質体22と、位置決めブロック27及び媒質体保持ブロック28A,28B,28Cとの詳細な関係は、後述する。
The
レーザ媒質体22の上には、上部ヒートシンク26が載置される。具体的には、レーザ媒質体22の上面は、上部ヒートシンク26の下面26aに物理的に接触する。上部ヒートシンク26は、平面視して矩形状を呈する板状部材であり、下部ヒートシンク24と同形状を呈する。上部ヒートシンク26の主面26bには、円板状の排熱部31が設けられる。排熱部31には、導熱ユニット21Aの下端が接続される。上部ヒートシンク26は、熱伝導性のよい金属材料であり、例えば銅或いは銅合金により形成される。
An
引張バネ29は、下部ヒートシンク24及び上部ヒートシンク26の背面に設けられる。引張バネ29の下端(一端)は下部ヒートシンク24に連結されると共に上端(他端)は上部ヒートシンク26に連結される。引張バネ29は、上部ヒートシンク26を下部ヒートシンク24側に引っ張る力を生じさせる。レーザ媒質体22は、これらの引張バネ29により下部ヒートシンク24と上部ヒートシンク26とに挟持される。
The
また、下部ヒートシンク24及び上部ヒートシンク26の背面には、3個の導熱ユニット21Bが設けられる。導熱ユニット21Bは、導熱ユニット21Aと同様の構成を有する。導熱ユニット21Bの下端は下部ヒートシンク24の背面に接続され、上端は上部ヒートシンク26の背面に接続される。これら導熱ユニット21Bにより、下部ヒートシンク24と上部ヒートシンク26とは互いに熱的に接続される。
Further, three
図4に示されるように、レーザ媒質体22は、固体レーザ媒質体であり、光学媒質32と、レーザ利得媒質33A,33B,33Cと、を有する。
As shown in FIG. 4, the
光学媒質32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32は、励起光L1a,L1bとレーザ光L2とを透過する。光学媒質32は、平面視して台形形状を呈する薄い平板である。光学媒質32は、4枚の側面32a,32b,32c,32dを有する。側面32a,32b,32c,32dは平坦面である。光学媒質32を平面視したとき、側面32c(第1の側面)と側面32d(第2の側面)とは互いに平行であり、例えば、側面32dを下底とし、側面32cを上底と呼ぶこともできる。側面32a(第1の側面)と側面32b(第1の側面)とは、台形の脚と呼ぶこともできる。さらに、光学媒質32は、第1の主面32eと、第2の主面32fとを有する。第1の主面32eは、下部ヒートシンク24の主面24aと当接する。第1の主面32eと対向する第2の主面32fは、上部ヒートシンク26の下面26aと当接する。
The
側面32aにはレーザ利得媒質33Aが接続され、側面32bにはレーザ利得媒質33Bが接続され、側面32cにはレーザ利得媒質33Cが接続される。一方、側面32dは、励起光L1a,L1bが入射されると共に増幅されたレーザ光L2が出射される光入出射面である。すなわち、側面32dには、レーザ利得媒質が接続されていない。
A
レーザ利得媒質33A,33B,33C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32に接合される。レーザ利得媒質33A,33B,33Cの大きさ及び平面視形状は、側面32a,32b,32cの形状及び大きさ並びにレーザ利得媒質33A,33B,33Cに入射される励起光L1a,L1bの径などに応じて設定され得る。レーザ利得媒質33A,33B,33Cは、そこに入射される励起光L1a,L1bの照射領域より大きければよい。レーザ利得媒質33A,33B,33Cの大きさ及び平面視形状の例は、矩形及び正方形を含む。レーザ利得媒質33A,33B,33Cは、YAGに活性元素としてYbがドープされたものである。レーザ利得媒質33A,33B,33Cは、励起光L1a,L1bにより励起状態とされる。励起状態とされたレーザ利得媒質33A,33B,33Cは、放出光を出力することができる。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。
The
位置決めブロック27は、下部ヒートシンク24(図3参照)に対して物理的に固定される。位置決めブロック27は、その側面27aが光学媒質32の側面32dに当接する。従って、光学媒質32は、側面27a,32dの法線N1の方向への移動は規制される。位置決めブロック27の高さは、光学媒質32の高さよりも低い。すなわち、位置決めブロック27と上部ヒートシンク26との間には、隙間が形成される。位置決めブロック27は、熱伝導性のよい金属材料であり、例えば銅或いは銅合金により形成される。
The
媒質体保持ブロック28A,28B,28Cは、配置される位置が異なるだけであり、単体としてはそれぞれ同じ形状を有する。以下、媒質体保持ブロック28Cについて詳細に説明し、媒質体保持ブロック28A,28Bの説明を省略する。
The medium body holding blocks 28A, 28B, 28C are different only in the positions where they are arranged, and have the same shape as a single body. Hereinafter, the medium
媒質体保持ブロック28Cは、良好な熱伝導性を有する熱伝導部材であり、一例として銅により形成される。媒質体保持ブロック28Cは、固定部34と変形部36とを有する。固定部34は、直方体状を呈し、下部ヒートシンク24に対して物理的に接触した状態で固定される。従って、媒質体保持ブロック28Cは、下部ヒートシンク24に対して熱的に接続される。媒質体保持ブロック28Cの高さは、光学媒質32の高さよりも低い。すなわち、媒質体保持ブロック28Cと上部ヒートシンク26との間には、隙間が形成される。
The medium
レーザ利得媒質33Cに対面する固定部34の側面には、変形部36が設けられる。変形部36は、固定部34と一体に形成される。従って、変形部36は、固定部34と熱的に接続される。変形部36は、固定部34の側面からレーザ利得媒質33Cに向けて延在する複数の櫛歯36aを有する。変形部36の先端(すなわち櫛歯36aの先端)は、レーザ利得媒質33Cに当接する。従って、変形部36は、レーザ利得媒質33Cに対して熱的に接続される。従って、レーザ利得媒質33Cは、媒質体保持ブロック28Cの変形部36及び固定部34を介して、下部ヒートシンク24に熱的に接続される。
A deforming
固定部34の側面は、レーザ利得媒質33Cの主面33aと対面する。より具体的には、固定部34の側面は、レーザ利得媒質33Cの主面33aに対して平行である。櫛歯36aは、固定部34の側面に対して傾いた方向に延びる。換言すると、櫛歯36aの延在方向A1は、固定部34の側面の法線方向N2aに対して傾く。従って、櫛歯36aの延在方向A1は、固定部34の側面に対して平行なレーザ利得媒質33Cの主面33aに対しても傾く。すなわち、櫛歯36aの延在方向A1はレーザ利得媒質33Cの主面33aの法線方向N2bに対しても傾く。
The side surface of the fixed
ここで、図5に示されるように、固定部34の法線方向N2a(又はレーザ利得媒質33Cの法線方向N2b)に沿った力Fが、櫛歯36aの先端36bのそれぞれに作用した場合を想定する。櫛歯36aの一本に注目すると、力Fの方向FAは、櫛歯36aの延在方向A1に対して傾いている。そうすると、櫛歯36aには、固定部34側の基端部36cを固定端とし、レーザ利得媒質33C側の先端36bを自由端とする片持ち梁構造を有する板バネであるとみなせる。片持ち梁構造によれば、自由端(先端36b)に作用する力に対して櫛歯36aが柔軟に弾性変形することが可能になる。複数の櫛歯36aを有する変形部36の全体を見たときには、複数の櫛歯36aの先端がレーザ利得媒質33Cに当接する。レーザ利得媒質33Cが、レーザ利得媒質33Cの主面33aの法線方向N2bに移動した時には、櫛歯36aのそれぞれに曲げ変形が生じる。すなわち、変形部36は、レーザ利得媒質33Cの法線方向N2bへの移動を許容する。
Here, as shown in FIG. 5, when the force F along the normal direction N2a of the fixed portion 34 (or the normal direction N2b of the laser gain medium 33C) acts on each of the
従って、媒質体保持ブロック28は、レーザ媒質体22において生じた熱を下部ヒートシンク24に伝達する伝熱経路として機能すると共に、レーザ媒質体22の変形を許容する物理的なバッファとして機能する。
Therefore, the medium body holding block 28 functions as a heat transfer path that transfers the heat generated in the
ところで、レーザ増幅器1に用いられるレーザ媒質ユニット8は、レーザ利得媒質として用いるYb:YAG結晶を、その稼働時において100K程度にまで冷却する必要がある。このため、レーザ増幅器1のレーザ媒質ユニット8は、その稼働時には100K程度の冷却が行われる一方で、例えば保守時には室温程度の環境に曝される。このように、極低温環境と室温環境とに曝されるレーザ媒質ユニット8では、構成部品の熱膨張及び熱収縮が生じる。この構成部品の熱膨張及び熱収縮が繰り返されると、レーザ媒質ユニット8のアライメントずれが生じることがあった。
By the way, in the
そこで、熱膨張及び熱収縮が生じたときであってもレーザ媒質のずれが生じないように、レーザ媒質ユニット8の保持部材を構成することが考えられる。しかし、このような構成によれば、レーザ媒質ユニット8が室温環境に曝されたとき、すなわち、レーザ媒質ユニット8が熱膨張を生じた時に熱膨張に伴う変形が許容されない。従って、レーザ媒質ユニット8に応力が生じる可能性も生じる。
Therefore, it is conceivable to configure the holding member of the
そこで、レーザ媒質ユニット8では、位置決めブロック27が下部ヒートシンク24に固定されている。従って、位置決めブロック27は、光学媒質32の移動を規制可能であるので、位置決めブロック27によって光学媒質32及び光学媒質32に接続されたレーザ利得媒質33A,33B,33Cの光軸ずれを抑制できる。一方、媒質体保持ブロック28A,28B,28Cは変形部36を有するので、レーザ媒質ユニット8を構成する部品同士の熱膨張率の差と、温度変化と、に起因して生じる熱変形を許容する。従って、レーザ媒質ユニット8を構成する部品に生じる熱応力の発生を抑制できる。その上、媒質体保持ブロック28A,28B,28Cは熱伝導性のよい銅により形成されるので、レーザ利得媒質33A,33B,33Cにおいて発生した熱を変形部36及び固定部34を介して下部ヒートシンク24に伝えることができる。従って、レーザ媒質ユニット8の動作時に生じる熱が好適に排出されるので、光学媒質32及びレーザ利得媒質33A,33B,33Cの内部における熱分布を均一化することができる。これにより、レーザ媒質ユニット8は、レーザ利得媒質33A,33B,33Cの光学的なアライメントずれの発生を抑制し、内部応力の発生を抑制すると共に、光学媒質32及びレーザ利得媒質33A,33B,33Cにおける熱分布を均一化するので、光学媒質32及びレーザ利得媒質33A,33B,33Cの状態を熱的及び構造的に安定化させることが可能になる。従って、所望のレーザ特性を安定して得ることできる。
Therefore, in the
また、レーザ媒質体22は、下部ヒートシンク24と上部ヒートシンク26とに挟持される。下部ヒートシンク24と上部ヒートシンク26とは、導熱ユニット21Bにより熱的に互い接続される。従って、レーザ媒質体22において発生し、下部ヒートシンク24に排出された熱は、導熱ユニット21Bを介して上部ヒートシンク26に伝達される。そして、上部ヒートシンク26の排熱部31から、導熱ユニット21A,21B及びクライオ吸熱部19を介して冷却ユニット9に向けて排出される。従って、レーザ媒質体22において発生した熱を効率よく排出することができる。
The
また、下部ヒートシンク24と上部ヒートシンク26とは、引張バネ29によって互いに引き付けられて、レーザ媒質体22を挟持する。この構成によれば、レーザ媒質体22の厚み方向の変形が引張バネ29の伸びによって許容される。従って、レーザ媒質体22の保持状態をより安定化することができる。
Further, the
また、レーザ媒質ユニット8は、導熱ユニット21Bを介してクライオ吸熱部19に接続される。この導熱ユニット21Bは、冷却ヘッド17が発生させる振動の周波数よりも低い固有周波数を有する。従って、冷却ヘッド17において発生した振動は、導熱ユニット21Bにおいて減衰される。すなわち、冷却ヘッド17において発生した振動は、レーザ媒質ユニット8に影響を与えることがない。従って、光学媒質32及びレーザ利得媒質33A,33B,33Cの状態をさらに安定化させることが可能になる。従って、安定したレーザ特性を好適に得ることできる。
Further, the
<第2実施形態>
図6は、第2実施形態に係るレーザ発振器の構成を概略的に示す図である。図6に示されたレーザ発振器1Aは、励起光L1a,L2aが供給されることにより、レーザ光L3を生成する。レーザ発振器1Aは、励起光源部2と、ミラー部3Aと、レーザ装置4と、を有する。励起光源部2及びレーザ装置4は、第1実施形態の励起光源部2及びレーザ装置4と同様の構成を有するので、詳細な説明は省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the laser oscillator according to the second embodiment. The
ミラー部3Aは、励起光源部2とレーザ装置4との間における励起光L1a,L1bの光路上に配置される。ミラー部3Aは、ミラー3c,3d,3e有する。ミラー3cは、光源2aから出射される励起光L1aの光路上に配置される。ミラー3cは、励起光L1aを透過すると共に、レーザ装置4が発生する放出光としてのレーザ光L3を反射する。
The mirror unit 3A is arranged on the optical path of the excitation lights L1a and L1b between the excitation
ミラー3dは、光源2bから出射される励起光L1bの光路上に配置される。ミラー3dは、励起光L1bを透過し、レーザ光L3の一部を反射する。ミラー3c,3dは、光共振器を構成する。換言すると、ミラー3c,3dの間でレーザ光L3が繰り返し反射するように、ミラー3c,3dが配置される。このミラー3c,3dの間の共振光路内にレーザ媒質ユニット8が配置される。
The
ミラー3eは、ミラー3dと光源2bとの間に配置される。ミラー3eは、光源2bから出射された励起光L1bを透過し、ミラー3dを透過した一部のレーザ光L3を励起光L1bの光路とは異なる方向へ反射する。従って、ミラー3eにより反射されたレーザ光L3が出力光である。
The
レーザ発振器1Aは、レーザ装置4を備えているので、レーザ媒質体51を物理的に安定した状態で保持することができる。これにより、光路に対するレーザ媒質体51の位置ずれが低減されるので、所望のレーザ特性を安定して得ることができる。
Since the
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The present invention has been described in detail above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、図7の(a)部に示されるように、レーザ媒質ユニット8Bは、円柱状のレーザ媒質体51を備えていてもよい。円柱状のレーザ媒質体51は、一端を媒質体保持部52Aによって支持され、他端を媒質体保持部52Bによって支持される。媒質体保持部52A,52Bは、それぞれヒートシンク53A,53Bに固定される。図7の(b)部に示されるように、媒質体保持部52Aは、ヒートシンク53Aに固定される固定部54と、弾性変形が可能な変形部56とを有する。変形部56は、円筒状の固定部54の内周面から中心に向かって円弧状に伸びる複数の櫛歯56aを有する。櫛歯56aは、固定部54の中心軸線まわりに等間隔に設けられる。櫛歯56aの外周側は、固定部54に対して固定された固定端である。櫛歯56aの内周側は、レーザ媒質体51に当接される自由端である。変形部56は、固定部54の直径方向(即ちレーザ媒質体51の直径方向)に弾性変形が可能である。従って、レーザ媒質体51が発熱し、レーザ媒質体51の直径が大きくなったときには、変形部56がその直径の変化を許容する。従って、レーザ媒質体51を構造的に安定した状態で保持することができる。これにより、所望のレーザ特性を安定して得ることができる。
For example, as shown in part (a) of FIG. 7, the
また、レーザ媒質ユニット8の冷却には、例えば、液体窒素を用いる構成であってもよい。
Further, for cooling the
1…レーザ増幅器、1A…レーザ発振器、2…励起光源部、3…ミラー部、4…レーザ装置、6…フレーム、7…チャンバ、8…レーザ媒質ユニット、9…冷却ユニット、11…底板、12…中間板、13…天板、14…スペーサ、16…除振部、17…冷却ヘッド(冷却部)、18…ベロー、19…クライオ吸熱部(第2の導熱部)、21A…導熱ユニット(第3の導熱部)、21B…導熱ユニット(第1の導熱部)、21a…銅網、21b…固定板、22…レーザ媒質体、23…断熱シート、24…下部ヒートシンク(第1の基板)、26…上部ヒートシンク(第2の基板)、27…位置決めブロック(位置決め部材)、28A,28B,28C…媒質体保持ブロック(媒質体保持部)、29…引張バネ(弾性部材)、31…排熱部、32…光学媒質、33A,33B,33C…レーザ利得媒質、34…固定部、36…変形部、36a,56a…櫛歯、51…レーザ媒質体、52A,52B…媒質体保持部、53A,53B…ヒートシンク、L1a,L1b…励起光、L2…レーザ光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser amplifier, 1A ... Laser oscillator, 2 ... Excitation light source part, 3 ... Mirror part, 4 ... Laser device, 6 ... Frame, 7 ... Chamber, 8 ... Laser medium unit, 9 ... Cooling unit, 11 ... Bottom plate, 12 ... intermediate plate, 13 ... top plate, 14 ... spacer, 16 ... vibration isolation unit, 17 ... cooling head (cooling unit), 18 ... bellows, 19 ... cryo heat absorption unit (second heat conduction unit), 21A ... heat conduction unit ( 3rd heat-conducting part), 21B ... Heat-conducting unit (first heat-conducting part), 21a ... Copper net, 21b ... Fixing plate, 22 ... Laser medium body, 23 ... Insulating sheet, 24 ... Lower heat sink (first substrate) , 26 ... Upper heat sink (second substrate), 27 ... Positioning block (positioning member), 28A, 28B, 28C ... Medium body holding block (medium body holding portion), 29 ... Tension spring (elastic member), 31 ... Discharge Heat part, 3 ... optical medium, 33A, 33B, 33C ... laser gain medium, 34 ... fixed part, 36 ... deformable part, 36a, 56a ... comb teeth, 51 ... laser medium body, 52A, 52B ... medium body holding part, 53A, 53B ... Heat sink, L1a, L1b ... Excitation light, L2 ... Laser light.
Claims (7)
励起光が照射されることにより励起状態とされるレーザ媒質体と、
前記第1の基板に固定されると共に、前記第1の基板に対する前記レーザ媒質体を保持する媒質体保持部材と、を備え、
前記媒質体保持部材は、前記第1の基板に固定される固定部と、前記レーザ媒質体に当接されると共に弾性変形が可能な変形部と、を有すると共に、前記レーザ媒質体において発生した熱を前記変形部及び前記固定部を介して前記第1の基板に伝えるように構成されている、レーザ装置。 A first substrate,
A laser medium body that is excited by being irradiated with excitation light,
A medium body holding member which is fixed to the first substrate and holds the laser medium body with respect to the first substrate,
The medium body holding member has a fixing portion fixed to the first substrate, and a deformable portion that is in contact with the laser medium body and is elastically deformable, and is generated in the laser medium body. A laser device configured to transfer heat to the first substrate via the deforming portion and the fixing portion.
前記レーザ媒質体は、前記励起光が照射されることにより励起状態とされるレーザ利得媒質と、前記第1の基板に載置されると共に前記励起光を透過させる光学媒質であって、前記第1の基板に当接される第1の主面、前記第1の主面に対向する第2の主面、前記レーザ利得媒質が接合される第1の側面、及び、前記励起光を通過させる第2の側面を有する前記光学媒質と、を有し、
前記第1の側面の法線方向を含む方向への前記レーザ利得媒質の移動が生じたとき、前記変形部は、前記第1の側面の法線方向に沿って弾性変形する、請求項1に記載のレーザ装置。 A positioning member fixed to the first substrate and abutting on the laser medium body;
The laser medium body is a laser gain medium that is excited by being irradiated with the excitation light, and an optical medium that is mounted on the first substrate and transmits the excitation light. 1st main surface which contact | abuts to the 1st board | substrate, the 2nd main surface which opposes the said 1st main surface, the 1st side surface with which the said laser gain medium is joined, and the said excitation light are passed. An optical medium having a second side surface,
The deformable portion elastically deforms along a normal direction of the first side surface when the laser gain medium moves in a direction including a normal direction of the first side surface. The laser device described.
前記第1の基板と前記第2の基板とのそれぞれに接続され、前記第1の基板を前記第2の基板に熱的に接続する第1の導熱部と、をさらに備える、請求項2に記載のレーザ装置。 A second substrate in contact with the second main surface;
The first heat conducting unit connected to each of the first substrate and the second substrate, and thermally connecting the first substrate to the second substrate, further comprising: The laser device described.
前記冷却部に接続された第2の導熱部と、
前記第2の導熱部に接続された一端及び前記第2の基板に接続された他端を有する第3の導熱部と、をさらに備え、
前記第3の導熱部は、前記冷却部が発生させる振動の周波数よりも低い固有周波数を有する、請求項3又は4に記載のレーザ装置。 A cooling unit for cooling the optical medium and the laser gain medium;
A second heat conducting section connected to the cooling section;
A third heat conducting part having one end connected to the second heat conducting part and the other end connected to the second substrate,
The laser device according to claim 3, wherein the third heat conducting unit has a natural frequency lower than the frequency of vibration generated by the cooling unit.
光増幅されるべきレーザ光を前記レーザ装置が有する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、
前記レーザ装置が有するレーザ媒質体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。 A laser device according to any one of claims 1 to 5,
An incident optical system that makes laser light to be optically amplified enter an optical medium of the laser device in an optical path coaxial with excitation light,
An output optical system that outputs the laser light amplified by a laser medium body included in the laser device and emitted from the laser medium body in an optical path coaxial with the excitation light in a direction different from the optical path of the excitation light. , Laser amplifier.
前記レーザ装置が有するレーザ媒質体を共振光路上に配置された光共振器と、を備えるレーザ発振器。 A laser device according to any one of claims 1 to 5,
An optical resonator in which a laser medium body included in the laser device is arranged on a resonant optical path.
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