JP7008055B2 - レーザ媒質ユニット及びレーザ光増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ媒質ユニット及びレーザ光増幅装置に関する。

近年、大型レーザを用いた新しい産業開発に向け、基礎科学や材料開発、医療応用などの研究開発が盛んに行われている。大出力のレーザ光を得るためには、入力した種光を増幅するレーザ光増幅装置が必要となる。レーザ光増幅装置は、レーザ媒質ユニットと、レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源とを備えており、レーザ媒質ユニット内のレーザ媒質の主表面に接触するように冷却媒体を流すことで、これを冷却している（特許文献１参照）。

特開２００９－４９４３９号公報

しかしながら、レーザ媒質は冷却の必要があるものの、主表面上を流れる冷却媒体内を増幅されたレーザ光が透過するため、冷却媒体の流速等に起因して、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が劣化する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レーザ光を高品質に増幅可能なレーザ光増幅装置に用いることが可能なレーザ媒質ユニット及びレーザ光増幅装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ媒質ユニットは、板状のレーザ媒質の厚み方向に沿って、種光としてのレーザ光が進行するように、前記厚み方向に沿って、複数枚の当該レーザ媒質が空間をあけて積層されてなるレーザ媒質ユニットであって、前記レーザ媒質は、外周面から内部に励起光を入射させるためのレーザ媒質であって、冷却媒体を流通させるため前記厚み方向に延びた貫通孔を有するレーザ媒質であり、隣接する前記レーザ媒質間には、環状のシール材が介在し、前記貫通孔は、前記レーザ媒質の厚み方向から見た場合に、環状の前記シール材の内側に位置していることを特徴とする

レーザ媒質の厚みは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができる。

上記のように、レーザ媒質ユニットは、積層されたレーザ媒質を複数備え、隣接する前記レーザ媒質間には環状のシール材が介在し、前記貫通孔は、前記レーザ媒質の厚み方向から見た場合に、環状の前記シール材の内側に位置している。

本発明に係るレーザ媒質ユニットは、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、複数の前記レーザ媒質の積層方向をＹ軸とした場合、隣接する前記レーザ媒質の前記貫通孔のＸＺ平面内における位置は、異なっているものが存在することを特徴とする。

本発明に係るレーザ光増幅装置は、レーザ媒質ユニットと、前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、前記レーザ媒質の前記貫通孔内に冷却媒体を供給する手段と、前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路とを備えることを特徴とする。

本発明のレーザ媒質及びレーザ媒質ユニットによれば、レーザ光の安定性や集束特性の劣化を抑制することができ、レーザ光増幅装置によれば、レーザ光の安定性や集束特性の劣化を抑制し、レーザ光を高品質に増幅することができる。

レーザ媒質ユニットの正面図である。 レーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。 レーザ媒質ユニットのＢ－Ｂ矢印断面図である。 レーザ光増幅装置の正面図である。 レーザ光増幅装置のＣ－Ｃ矢印断面図である。 シール材（Ｏリング）の近傍に補助要素を設けた場合のレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。 レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

以下、実施の形態に係るレーザ媒質、レーザ媒質ユニット及びレーザ光増幅装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、レーザ媒質ユニットの正面図である。なお、同図では、ＸＹＺ三次元直交座標系も示している。増幅される種光となるレーザ光の進行方向はＹ軸方向であり、Ｙ軸に垂直な２方向をＸ軸方向及びＺ軸方向とする。

実施形態に係るレーザ光増幅装置は、種光が入射するレーザ媒質ユニット１０を備えている。レーザ媒質ユニット１０は、複数枚の平板状のレーザ媒質を含む柱状のユニットである。これらのレーザ媒質プレートは、種光の進行方向（Ｙ軸の正方向）に沿って積層され、整列している。レーザ媒質ユニット１０の外側からは、レーザ媒質内に励起光ＥＸが照射される。複数の励起光ＥＸは、複数の光源から、各レーザ媒質の中央部に向かって照射される。励起光ＥＸの照射により、レーザ媒質の外周面から内部に励起光が入射し、レーザ媒質は励起され、励起された状態のレーザ媒質に種光が照射されると、レーザ光が増幅される。例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）添加ＹＡＧからなるレーザ媒質を用いた場合、種光およびレーザ媒質からの自然放出光の波長λ１は１０３０ｎｍ、励起光の波長λ２は９４０ｎｍである（λ１＞λ２）。レーザ媒質内のＹｂの添加濃度は、好適には、０．１原子％～１０原子％に設定することができる。

図２は、図１に示したレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図、図３は、レーザ媒質ユニットのＢ－Ｂ矢印断面図である。

レーザ媒質ユニット１０は、対向配置された一対の金属製のフランジ１１と、フランジ１１間を接続し、フランジ１１間の距離を調整可能な複数の支柱１２とを備えている。図１では４本の支柱１２を示しているが、支柱１２の数は３本以上であれば、フランジ１１の主表面（ＸＺ面）の位置を容易に固定することができる。すなわち、平面は３点により決定されるため、フランジ１１間には３本以上の支柱が介在することで、フランジ１１の主表面位置は、支柱位置によって一意的に決定される。

支柱１２の両端にはネジ部が設けられている。フランジ１１は、開口ＯＰを有する円環を構成しており、一方のフランジ１１には、支柱１２のネジ部が貫通する開口（貫通孔）が設けられており、対向する他方のフランジ１１には支柱１２のネジ部を固定するためのネジ穴が設けられており、支柱１２のネジ部がフランジ１１のネジ穴に螺合している。一方のフランジ１１を貫通した支柱１２のネジ部に螺合したナット１３を具備し、ナット１３を回転させると、ナット１３が一方のフランジ１１をＹ軸方向に押して、一対のフランジ１１間の距離が短くなる。

一対のフランジ１１間には、複数のレーザ媒質プレートが積層配置されている。すなわち、円板状で平板状のレーザ媒質１４は、Ｙ軸方向に沿って複数枚配置されている。隣接するレーザ媒質１４間にはシール材１５が介在している。Ｙ軸方向の両端位置には、レーザ媒質１４の代わりに石英ガラス等からなる窓材１６が配置されており、レーザ媒質１４と窓材１６との間にもシール材１５が介在している。シール材１５の形状は円環であり、その材料は、レーザ媒質１４間の空間への、貫通孔１４ａ以外からの媒体の流入を阻止できる気密性を保持できるものであれば、特に限定されるものではないが、シリコーン製のＯリングなどを採用することができる。シール材１５として、樹脂、ゴム、ガラス、セラミックス、又は、ＣｕやＡｌなどの金属なども用いることができ、レーザ媒質１４とシール材１５とを交互に積み重ねて、Ｙ軸方向に圧力をかけて、レーザ媒質１４の表面上にシール材１５を圧着してもよい。半田や接着剤で接着しても良い。

なお、図７を参照すると、円板状で平板状のレーザ媒質１４は、厚み方向（Ｙ軸方向）に沿って延びた貫通孔１４ａを備えている。図２においては、１つのレーザ媒質１４は、１つの貫通孔１４ａを有している。ＸＺ平面内において、Ｚ軸の正方向の角度（位置）を０度とした場合、第１番目のレーザ媒質１４（図面の左端のレーザ媒体）の貫通孔１４ａの位置（重心位置）は、０度の位置にある。第２番目のレーザ媒質１４（左から２番目のレーザ媒質）の貫通孔１４ａの位置（重心位置）は、１８０度の位置にあり、第３番目のレーザ媒質１４（左から３番目のレーザ媒質）の貫通孔１４ａの位置（重心位置）は、０度の位置にある。一般式で説明すると、冷却媒体が最初に流入するレーザ媒質の順番を１番目とし、冷却媒体の流れる順番に沿って、ｎ番目のレーザ媒質における貫通孔の角度は、ｎ×１８０度である。すなわち、隣接する一対のレーザ媒質１４の貫通孔１４ａの位置は、Ｙ軸方向から見た場合、レーザ媒質１４の中心を通るＹ軸に対して、対称な位置にある。

また、円板状で平板状の窓材１６も、厚み方向（Ｙ軸方向）に沿って延びた貫通孔１６ａを備えている。図２では、窓材１６の貫通孔１６ａの位置は、Ｙ軸方向から見た場合、この窓材１６に隣接するレーザ媒質の１４の中心を通るＹ軸に対して、対称な位置にある。

このように、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、隣接する上記空間を流れる冷却媒体の進行方向が、逆向きになるように、貫通孔１４ａ及び貫通孔１６ａの位置が設定されている。この場合、冷却媒体の流れによるレーザ光の歪みを相殺することができる。

なお、隣接する貫通孔の位置は、Ｙ軸方向からみて、同じ位置にある場合も、冷却効果はある。

レーザ媒質１４の材料は、例えば全てセラミックレーザ媒質である。レーザ媒質としては、熱伝導率の低いガラスレーザ媒質を用いることも可能であるが、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力するには、冷却性能の観点から、レーザ媒質の熱伝導率が高い方が好ましい。セラミックレーザ媒質は、単結晶と同等の性質を有し、ガラスなどよりも熱伝導率が高いことで知られており、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力することができる。ガラスレーザ媒質を用いることで、低い繰り返し周波数だが、セラミックレーザ媒質よりも高いパルスエネルギーを得ることができる。

セラミックレーザ媒質は、例えば、ドーパントとして希土類金属、特に、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｒ：Ｎｄ及びＴｍから選択される少なくとも１以上のドーパントを含有するＹＡＧを用いることができる。また、セラミックレーザ媒質としては、ドーパンドとして、上記希土類金属を含むイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を用いることができる。また、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、Ｌｕ_２Ｏ_３やＳｃ_２Ｏ_３なども用いることもできる。

なお、このような透明セラミック結晶は、現在の製法によって得られるレーザ媒質の厚みの上限値は１０ｍｍ程度であるが、１０ｍｍ以上のセラミックレーザ媒質を用いることも可能である。また、セラミックレーザ媒質が、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚みの場合には、本発明の構造は剛性と冷却性能及びレーザ光の品質に特に優れた効果を発揮する。そして、本装置によれば、複数のレーザ媒質を用いているため、最終的に出力されるレーザ光の増幅率は高くすることができる。

図１～図３に示すように、レーザ媒質ユニット１０のＹ軸に垂直な径方向に沿って、複数の方向から励起光ＥＸがレーザ媒質１４に照射される。励起光ＥＸにより、各レーザ媒質１４は励起されている。種光としてのレーザ光ＬＢは、Ｙ軸に沿って、一方の窓材１６を介して、レーザ媒質の主表面（ＸＺ面）に垂直にレーザ媒質群内に入射し、これらのレーザ媒質１４を透過し、増幅されて、他方の窓材１６から出力される。

なお、隣接するレーザ媒質１４を、平板状の第１のレーザ媒質及び平板状の第２のレーザ媒質とすると、これらのレーザ媒質１４の整列方向は、支柱１２の長手方向（Ｙ軸）に一致しており、フランジ１１間の距離を調整することで、シール材１５にかかる圧力が調整可能である。第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間には、貫通孔を除く気密性を保持するためのシール材１５が介在しているが、これらのレーザ媒質によるシール材１５への圧力が適当である場合には、貫通孔を除く気密性は十分に保持される。フランジ１１間の長さは調整することができるため、レーザ媒質間のシール材１５に印加される圧力を所望の値に設定することができ、レーザ媒質間の空間における貫通孔を除く気密性を十分に保持することができる。

すなわち、隣接するレーザ媒質１４（第１及び第２のレーザ媒質とする）間にはシール材１５が配置され、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間の空間は、貫通孔を除いて、気密性のある空間であり、冷却媒体が流通する。冷却媒体としては、気体（不活性ガス（空気、Ｎ_２、ＣＯ_２）、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ））や液体（重水又はフッ素系不活性液体等）を用いることができる。フッ素系不活性液体としては、スリーエムジャパン社製のフロリナート^ＴＭ（フッ素系不活性液体）などを用いることができるが、充填する液体としては、フッ素系不活性液体の他、水、屈折率整合液、オイルなども用いることができる。

この装置によれば、レーザ媒質１４に励起光ＥＸを入射させることで、レーザ媒質１４が励起し、これに種光としてのレーザ光ＬＢを入射させると、増幅されたレーザ光ＬＢがレーザ媒質１４を通って、窓材１６から出力される。複数のレーザ媒質１４があるので、増倍率も高くなる。

ここで、冷却媒体流路Ｆ１は、レーザ媒質ユニット１０の周囲に設けられており、外側からレーザ媒質ユニットを冷却する。そして、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質と間の空間は、貫通孔を除いて、気密性のある空間であり、上述の隣接する貫通孔間を、冷却媒体が流れる。貫通孔の大きさや方向により、冷却媒体が流速や方向を調整することができる。したがって、かかる空間内を通過するレーザ光ＬＢは、レーザ媒質１４の主表面を流れる冷却媒体によって影響を受けるが、その影響を小さくするように、貫通孔の大きさを小さくするなどの調整をすることができる。したがって、増幅されたレーザ光ＬＢの揺らぎ等が抑制され、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が向上する。

また、図１及び図３に示すように、フランジ１１には、これをＹ軸方向に貫通する孔１１ｂが設けられている。孔１１ｂの外側には図示しないチューブが連通しており、孔１１ｂからは、レーザ媒質ユニット１０の外表面上に接触する冷却媒体が供給され、また、排出される。一方のフランジ１１の孔１１ｂから導入された冷却媒体は、レーザ媒質１４のＹ軸回りの周囲の面に接触しながら、図３に示す点線矢印Ｆ１のように、Ｙ軸方向に沿って流れ、他方のフランジ１１の孔１１ｂから排出される。

なお、冷却媒体流路Ｆ１は、レーザ媒質ユニット１０と、これを囲む筒体との間に形成される。このような筒体は、レーザ媒質ユニット１０からみて励起光源の外側に設けることとしてもよく（図５の筒体２４）、更に加えて、レーザ媒質ユニット１０と励起光源との間に設けることとしてもよい（図５の透明筒体３０）。冷却媒体流路Ｆ１を画成するための筒体を、レーザ媒質ユニット１０と励起光源との間に配置する場合には（図５の透明筒体３０）、透明筒体３０は励起光を透過する透明材料、例えば、石英ガラスからなる。

また、図２の左側の窓材１６の貫通孔１６ａには、別途、冷却媒体を供給するチューブが連通するように設けられ、右側の窓材１６の貫通孔１６ａには、別途、冷却媒体を排出するチューブが連通するように設けられるが、図面上はチューブの記載を省略している。また、図１及び図４においては、貫通孔１６ａの記載も省略している。なお、冷却媒体は、窓材１６以外の経路からも導入可能である。例えば、図２において、窓材１６と、これに隣接するレーザ媒質１４との間に介在するシール材１５に貫通孔を設けることもできる。これにより、冷却媒体流路Ｆ１を流れる冷却媒体の一部分が、左側の窓材１６とレーザ媒質１４との間の空間内に流れ込み、右側においては空間内から冷却媒体流路Ｆ１へと排出される。

図４はレーザ光増幅装置の正面図、図５はレーザ光増幅装置のＣ－Ｃ矢印断面図である。

レーザ光増幅装置は、前述のレーザ媒質ユニット１０と、レーザ媒質ユニット１０内に励起光を入射させる複数の励起光源２１と、レーザ媒質ユニット１０の周囲に配置された冷却媒体流路Ｆ１（図５参照）とを備えている。

レーザ光増幅装置は、半導体レーザ素子などの種光源からレーザ媒質ユニット１０内に入力されたレーザ光ＬＢを増幅して出力する。レーザ媒質ユニット１０の周囲には、必要に応じて、上述の透明筒体３０が配置され、冷却媒体流路を構成する。励起光源２１からは上述の励起光が出力される。励起光源２１の数は、図中では１２個を示すが、その数は１２個以上であっても、１２個以下であってもよい。

励起光源２１は、レーザ媒質ユニット１０の外側に設けられた一対の概略円環状で金属製の支持部材２２に固定されている。なお、励起光源２１の電極部と支持部材２２とは絶縁されている。支持部材２２は、フランジ状のリップ部を有しており、リップ部上には円環状の絶縁体２３が固定されている。絶縁体２３上には、複数の端子２５が固定されており、端子２５から配線Ｗを介して、励起光源２１に電力が供給される。複数の励起光源２１は、直列接続されていてもよいし、並列接続されていてもよい。支持部材２２は、Ｙ軸方向にこれを貫通する孔２２ｂを有している。一方の支持部材２２の孔２２ｂには、図示しないチューブが連通して、第２の冷却媒体流路Ｆ２内に冷却媒体が導入され、他方の支持部材２２の孔２２ｂにも図示しないチューブが連通して、冷却媒体が排出される。励起光源２１と筺体２４の間には、励起光源２１からの励起光が効率良くレーザ媒質ユニットに伝達されるように、反射材（リフレクタ）ＲＦがあっても良い。

円形の開口を有する支持部材２２の内側の円筒面は、レーザ媒質ユニット１０のフランジ１１の外周面に固定されている。一対の支持部材２２は、筒体２４によって接続されており、筒体２４の内面と、励起光源２１との間に、第２の冷却媒体流路Ｆ２が形成されている。なお、円形の開口を有する支持部材２２の底面は、支持台２６上に固定されている。

なお、図２に示したシール材１５の構造は、上述のものに限定されない。

図６は、シール材（Ｏリング）の近傍に補助要素を設けた場合のレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。シール材１５の径方向に両端には、補助要素１５ａが配置されており、シール材１５によるシールを補助している。補助要素１５ａとしては、樹脂などの接着材料の他、シリコーン製のＯリングよりも剛性が高いスペーサを用いることができる。このようなスペーサは、Ｙ軸の周囲に同心円状に配置された２つの円環状スペーサを採用することができ、円環状スペーサの間に、シール材１５としてのＯリングを配置することができる。スペーサ材料としては、ＣｕやＡｌなどの金属の他、ガラス材、セラミックを用いることも可能である。

上述のレーザ媒質ユニットを試作した。

この装置においては、Ｎｄ；ＹＡＧからなる各レーザ媒質の直径が１００ｍｍ、厚みが１０ｍｍ、枚数が１０枚であり、レーザ媒質間の空間内は、重水が流れる。種光として波長１０６４ｎｍのレーザ光を用い、励起光源としては、１２本のフラッシュランプを用いた。この場合の場合、セラミックレーザ媒質が積層されることで、大型のレーザロッドのように機能し、一体構造であるため、大型のレーザロッドのように機能させることができるが、冷却媒体の流速は貫通孔により、制御できるため、レーザ光の特性劣化を抑制することができる。支柱１２の直径は２ｍｍである。また、全体の寸法も、３０ｃｍ程度となり、非常に小型であるにも拘らず、５０ジュール以上のレーザ出力を得ることができる。

なお、上述の窓材の主表面（ＸＺ面）の光入射面には、種光に対する反射防止膜が設けられていてもよい。これにより、種光が前段の窓材に容易に入射し、後段の窓材から容易に出射することができる。これらの主面には反射防止膜以外の反射防止処理を行ってもよい。同様に、レーザ媒質の光入射面にも、種光に対する反射防止膜が設けられていてもよい。これらの主面には反射防止膜以外の反射防止処理を行ってもよい。反射防止膜或いは反射防止処理は、各光透過要素の光入射面のみならず、光出射面に設けることとしてもよい。反射防止膜としては、例えば、誘電体多層膜を用いることができる。誘電体多層膜としては、酸化チタンと酸化シリコンの積層物が知られている。レーザ媒質と屈折率が同等の屈折率整合液も用いることができる。なお、レーザ媒質間の空間を希ガスが流れる場合には、希ガスによるレーザ媒質の劣化が抑制される。

また、自然放出光よる寄生発振を抑制するため、上述のレーザ媒質の周囲をクラッド材料で囲んでもよい。自然放出光（１０６４ｎｍ）を吸収するクラッド材料としては、サマリウム添加材料、クロム添加材料、銅添加材料などがある。具体的には、サマリウム添加ＹＡＧ、サマリウム添加ガラス、クロム添加ＹＡＧ、クロム添加ガラス、銅添加ＹＡＧ、銅添加ガラスなどである。これらのクラッド材料をレーザ媒質に固定するためには、接着又は接合する。接着の場合には、これらの間に接着剤が介在している。接着剤を用いる場合、樹脂製屈折率整合接着剤、ガラス製屈折率整合接着剤などの接着剤を用いることができる。接着剤を用いない場合には、熱拡散接合、オプティカルコンタクト、イオンスパッタリング接合などの接合を用いることができ、レーザ媒質部品の外表面及びクラッド材料がセラミックスからなる場合には、セラミックス焼結接合を用いて、これらを固定することができる。なお、励起光（８０８ｎｍ）に対する反射防止膜の材料や接着方法も、種光又は自然放出光に対するものと同様である。

また、レーザ媒質は、隣接して対向する主表面同士が平行にならないように、主表面がＹ軸に対して垂直な面から傾斜していてもよい。これにより、主表面による不要な反射に起因した寄生発振を低減させることができる。すなわち、各レーザ媒質は、板状であれば、平行平板である必要はなく、表面が多少傾斜してもよい。また、上述の冷却媒体としては、液体又は気体を用いることができる。液体としては、水を用いることができ、気体としては、ヘリウムガスなどを用いることができるが、冷却性能があるものであれば、これらに限定されるものではない。また、冷却媒体流路Ｆ１を流れる冷却媒体と、レーザ媒質間の空間を流れる冷却媒体の種類は、異ならせることができる。最も適当な組み合わせとしては、前者の冷却媒体として水を用い、後者の冷却媒体としてヘリウムを用いる。これにより、冷却媒体によるレーザ光の歪の影響を更に好適に抑制することができる。

なお、上述のレーザ媒質の貫通孔形状は、様々な変形をすることができる。

図８は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４では、貫通孔１４ａの数は、２個であり、ＸＺ平面内において、Ｚ軸方向を０度とし、０度と１８０度の位置に存在している。２以上の貫通孔を有することで、冷却媒体の流れる方向や流速をより精密に調整することができる。

図９は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４では、貫通孔１４ａの数は、３個であり、ＸＺ平面内において、Ｚ軸方向を０度とし、０度と１２０度と２４０度の位置に存在している（同図のθ１＝θ２＝θ３＝１２０度である）。２以上の貫通孔を有することで、冷却媒体の流れる方向や流速をより精密に調整することができる。また、３つの貫通孔を均等な角度位置に配置した場合、２つの貫通孔の場合よりも低速で多量の冷却媒質を流すことができるという効果がある。

図１０は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４においては、貫通孔１４ａの開口形状は、レーザ媒質１４の外周に沿った弧状である。この円弧の開き角θ４は１０度～１８０度に設定することができる。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、一方向に低速で多くの冷却媒体を安定的に流すことができるという効果がある。

図１１は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４においては、貫通孔１４ａは、レーザ媒質１４の厚み方向（Ｙ軸）に対して、斜めに延びている。貫通孔１４ａの中心軸がＹ軸と成す角度は、１０度～８０度、隣接するレーザ媒質への流体衝突による渦流を抑制するには、３０度以上８０度以下に設定することができる。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、流したい方向に指向性を持たせて冷却媒体を安定に流すことができるという効果がある。

図１２は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４においては、貫通孔１４ａは、先細り形状を有している。冷却媒体の進行方向に対して、貫通孔１４ａが先細りしている場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、積極的に乱流を起こすことで冷却性能を向上できるという効果がある。

図１３は、レーザ媒質の正面図（Ａ）及びＤ―Ｄ矢印断面図（Ｂ）である。

このレーザ媒質１４においては、貫通孔１４ａは、レーザ媒質１４の外周に沿って、環状に並んでいる。同図では、２４個の貫通孔１４ａを示しているが、貫通孔１４ａの数は、これに限定されず、これよりも多くても、少なくてもよい。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、均一の方向に低速で多量に冷却媒体を安定的に流すことができるという効果がある。

以上、説明したように、上述の実施形態に係るレーザ媒質１４を備えるレーザ媒質ユニットにおいては、複数のレーザ媒質１４は、その厚み方向に沿って積層され、隣接するレーザ媒質間にはシール材が介在している。

レーザ媒質間にはシール材が介在しているので、冷却媒体は、レーザ媒質の貫通孔内を通って流れる。複数のレーザ媒質１４を積層することで、大型のレーザロッドのように機能させることができるが、冷却媒体の流速は貫通孔により、制御できるため、レーザ光の特性劣化を抑制することができる。

また、レーザ媒質ユニットは、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、複数のレーザ媒質１４の積層方向をＹ軸とした場合、隣接するレーザ媒質の貫通孔１４ａのＸＺ平面内における位置は、異なっているものが存在する（図２参照）。

貫通孔１４ａの位置、すなわち、隣接するレーザ媒質１４間の空間への冷却媒体の導入口と出力口位置が異なるため、これらの間を流れる冷却媒体の流路を制御することができる。

また、上述のレーザ媒質ユニット１０を用いたレーザ光増幅装置（図５参照）は、このレーザ媒質ユニット１０と、レーザ媒質ユニット１０内に励起光を入射させる励起光源２１と、レーザ媒質１４の貫通孔１４ａ内に冷却媒体を供給する手段（窓材１６の貫通孔１６ａ等）と、レーザ媒質ユニット１０の周囲に配置された冷却媒体流路Ｆ１とを備える。

この装置によれば、レーザ媒質１４に励起光を入射させることで、レーザ媒質１４が励起し、これに種光としてのレーザ光を入射させると、増幅されたレーザ光がレーザ媒質１４から出力される。また、複数のレーザ媒質１４がある場合、増倍率も高くなる。

ここで、冷却媒体によるレーザ光の歪みを最小化するためには、貫通孔１４ａから出力され、冷却媒体間空間を流れる冷却媒体の流速は小さい方が好ましいが、冷却性能は低下する。したがって、レーザ媒質ユニット１０の周囲にも、冷却媒体流路Ｆ１を設けることで、貫通孔１４ａのみによる冷却性能の低下を抑制しつつ、十分にレーザ媒質を冷却して、レーザ媒質自体の特性を安定化させることで、レーザ光の安定性や集束特性などの品質の劣化を更に抑制し、高品質なレーザ光を出力することができる。

なお、上述のレーザ媒質の位置は、Ｙ軸を中心に回転させることができる。例えば、例えば１８０度回転、９０度回転、又は３０度回転をさせて、配置することができる。Ｚ軸の正方向を鉛直上方とした場合、加熱された冷却媒体はＺ軸正方向に力を受ける。Ｚ軸の正方向の上部に、加熱された冷却媒体が蓄積され続けないためには、貫通孔１４ａの位置は、Ｚ軸の正方向を０度して、０度に位置するものを含むように、回転角度を設定することが好ましい。

以上、説明したように、第１のレーザ媒質は、外周面から内部に励起光を入射させるレーザ媒質であって、冷却媒体を流通させるための貫通孔を有する板状のレーザ媒質である。

板状のレーザ媒質に貫通孔を設けることで、設定する貫通孔の大きさに応じて、冷却媒体の流速を調整することができる。冷却媒体の流速調整により、レーザ光の安定性や集束特性の劣化を抑制することができる。

特に、第２のレーザ媒質では、前記貫通孔の数は、２以上であることを特徴とする。２以上の貫通孔を有することで、冷却媒体の流れる方向や流速をより精密に調整することができる。

第３のレーザ媒質においては、前記貫通孔の開口形状は、前記レーザ媒質の外周に沿った弧状であることを特徴とする。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、一方向に低速で多くの冷却媒体を安定的に流すことができるという効果がある。

第４のレーザ媒質においては、前記貫通孔は、前記レーザ媒質の厚み方向に対して、斜めに延びていることを特徴とする。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、流したい方向に指向性を持たせて冷却媒体を安定に流すことができるという効果がある。

第５のレーザ媒質においては、前記貫通孔は、先細り形状を有していることを特徴とする。冷却媒体の進行方向に対して、貫通孔が先細りしている場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、積極的に乱流を起こすことで冷却性能を向上できるという効果がある。

第６のレーザ媒質においては、前記貫通孔は、前記レーザ媒質の外周に沿って、環状に並んでいることを特徴とする。この場合、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、均一の方向に低速で多量に冷却媒体を安定的に流すことができるという効果がある。

上述のいずれかの前記レーザ媒質を複数備えるレーザ媒質ユニットにおいては、前記レーザ媒質の厚みは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、複数の前記レーザ媒質は、その厚み方向に沿って積層され、隣接する前記レーザ媒質間にはシール材が介在しており、前記シール材には前記積層の方向に沿って圧力が加えられていることを特徴とする。

レーザ媒質間にはシール材が介在しているので、冷却媒体は、レーザ媒質の貫通孔内を通って流れる。複数のレーザ媒質を積層することで、大型のレーザロッドのように機能させることができるが、冷却媒体の流速は貫通孔により、制御できるため、レーザ光の特性劣化を抑制することができる。

また、本発明に係るレーザ媒質ユニットは、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、複数の前記レーザ媒質の積層方向をＹ軸とした場合、隣接する前記レーザ媒質の前記貫通孔のＸＺ平面内における位置は、異なっているものが存在することを特徴とする。

貫通孔の位置、すなわち、隣接するレーザ媒質間の空間への冷却媒体の導入口と出力口位置が異なるため、これらの間を流れる冷却媒体の流路を制御することができる。

また、冷却媒体の流速や方向の安定性等の観点からは、隣接する上記空間を流れる冷却媒体の進行方向が、逆向きになるように、貫通孔の位置を設定し、冷却媒体の流れによるレーザ光の歪みを相殺することができる。例えば、ＸＺ平面内において、Ｚ軸の正方向の角度を０度とした場合、第１番目のレーザ媒質の貫通孔の位置が０度であり、第２番目のレーザ媒質の貫通孔の位置が１８０度である場合には、第３番目のレーザ媒質の貫通孔の位置を０度とすることができる。

また、上述のレーザ媒質ユニットを用いたレーザ光増幅装置は、このレーザ媒質ユニットと、前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と前記レーザ媒質の前記貫通孔内に冷却媒体を供給する手段と、前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路とを備えることを特徴とする。前記レーザ媒質はＹｂ添加ＹＡＧからなり、Ｙｂの添加濃度は０．１原子％～１０原子％に設定されることが好ましい。

この装置によれば、レーザ媒質に励起光を入射させることで、レーザ媒質が励起し、これに種光としてのレーザ光を入射させると、増幅されたレーザ光がレーザ媒質から出力される。また、複数のレーザ媒質がある場合、増倍率も高くなる。

ここで、冷却媒体によるレーザ光の歪みを最小化するためには、貫通孔から出力され、冷却媒体間空間を流れる冷却媒体の流速は小さい方が好ましいが、冷却性能は低下する。したがって、レーザ媒質ユニットの周囲にも、冷却媒体流路を設けることで、貫通孔のみによる冷却性能の低下を抑制しつつ、十分にレーザ媒質を冷却して、レーザ媒質自体の特性を安定化させることで、レーザ光の安定性や集束特性などの品質の劣化を更に抑制し、高品質なレーザ光を出力することができる。

１４…レーザ媒質、１２…支柱、１５…シール材、１１…フランジ。

Claims (3)

1. 板状のレーザ媒質の厚み方向に沿って、種光としてのレーザ光が進行するように、前記厚み方向に沿って、複数枚の当該レーザ媒質が空間をあけて積層されてなるレーザ媒質ユニットであって、
   前記レーザ媒質は、外周面から内部に励起光を入射させるためのレーザ媒質であって、冷却媒体を流通させるため前記厚み方向に延びた貫通孔を有するレーザ媒質であり、
   隣接する前記レーザ媒質間には、環状のシール材が介在し、
   前記貫通孔は、前記レーザ媒質の厚み方向から見た場合に、環状の前記シール材の内側に位置している、ことを特徴とするレーザ媒質ユニット。
2. ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、複数の前記レーザ媒質の積層方向をＹ軸とした場合、隣接する前記レーザ媒質の前記貫通孔のＸＺ平面内における位置は、異なっているものが存在することを特徴とする請求項１に記載のレーザ媒質ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザ媒質ユニットと、
   前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、
   前記レーザ媒質の前記貫通孔内に冷却媒体を供給する手段と、
   前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路と、
   を備えることを特徴とするレーザ光増幅装置。

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