JP7042981B2 - 固体レーザ媒質、固体レーザ増幅器および固体レーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の増幅に使用される固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を備える固体レーザ増幅器および固体レーザ発振器に関する。

従来、固体レーザ媒質の内部にて反射を繰り返しながらレーザ光が伝搬することによってレーザ光を増幅させる固体レーザ増幅器が知られている。特許文献１には、６つ以上の平面を有する多面体である固体レーザ媒質を有し、固体レーザ媒質の全ての平面に強反射膜が設けられている固体レーザ増幅器が開示されている。特許文献１の固体レーザ増幅器は、強反射膜が設けられた反射面での多重反射を繰り返しながらレーザ光が固体レーザ媒質の内部を伝搬することによって、レーザ光を増幅させる。

特開２００７－２２７６６４号公報

上記特許文献１の固体レーザ増幅器では、強反射膜の製造時のばらつきに起因して、反射面における反射率にばらつきが生じることがある。反射率にばらつきが生じている反射面での多重反射が繰り返されることによって、上記特許文献１の固体レーザ増幅器では、固体レーザ媒質でのレーザ光の伝搬によって損失されるレーザ光のエネルギーに大幅なばらつきが生じる。このため、上記特許文献１の技術によると、固体レーザ媒質は、高効率かつ安定してレーザ光を増幅することが困難であるという問題があった。

固体レーザ媒質の内部には、励起に伴う発熱によって生じる屈折率分布、いわゆる熱レンズが形成される。上記特許文献１の固体レーザ増幅器では、熱レンズ効果の影響を補償することができず、レーザ光の指向性低下、あるいはレーザ光の集光性の低下といった品質低下が生じることがある。このため、上記特許文献１の技術によると、固体レーザ媒質は、レーザ光の品質低下を抑制することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高効率かつ安定したレーザ光の増幅を可能とし、かつレーザ光の品質低下を抑制可能とする固体レーザ媒質を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる固体レーザ媒質は、互いに平行な入射面および出射面と、入射面と出射面との間を伝搬する光が反射し、入射面の法線から傾いて形成され、互いに平行な第１の反射面および第２の反射面と、入射面と出射面との間を伝搬する光が反射し、入射面の法線から傾いて形成され、第１の反射面と直交しかつ互いに平行な第３の反射面および第４の反射面と、を備える。本発明にかかる固体レーザ媒質は、入射面の中心に光線束の中心を一致させかつ光線束の方向が第１の反射面および第３の反射面に平行となるように入射面へ入射した光を、第１の反射面、第２の反射面、第３の反射面および第４の反射面のいずれかで内部全反射させつつ伝搬させ、出射面の中心に光線束の中心を一致させて出射面から出射させるまでにおいて、第１の反射面における内部全反射の回数と第２の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じであり、第３の反射面における内部全反射の回数と第４の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じである。

本発明によれば、固体レーザ媒質は、高効率かつ安定したレーザ光の増幅を可能とし、かつレーザ光の品質低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の平面図 実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の正面図 実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の左側面図 実施の形態１にかかる固体レーザ媒質における熱レンズ効果の影響に対する補償について説明するための図 実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の屈折率分布を模式的に表した図 本発明の実施の形態２にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図 実施の形態２にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図 本発明の実施の形態３にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図 実施の形態３にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図 本発明の実施の形態４にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図 実施の形態４にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図 本発明の実施の形態７にかかる固体レーザ増幅器の斜視図 本発明の実施の形態８にかかる固体レーザ発振器の斜視図

以下に、本発明の実施の形態にかかる固体レーザ媒質、固体レーザ増幅器および固体レーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の平面図である。図２は、実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の正面図である。図３は、実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の左側面図である。

実施の形態１にかかる固体レーザ媒質１０は、活性媒質であるネオジウム（Neodymium：Ｎｄ）がドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Yttrium Aluminum Garnet：ＹＡＧ）結晶である。固体レーザ媒質１０によって増幅されるレーザ光２０の波長は、１．０６４μｍである。１．０６４μｍの波長に対する固体レーザ媒質１０の屈折率は、１．８２である。励起光源には、８０８ｎｍの波長の半導体レーザが使用される。

固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０が入射する入射面１１と、レーザ光２０が出射する出射面１２と、互いに対向する第１の反射面１３および第２の反射面１４と、互いに対向する第３の反射面１５および第４の反射面１６とを有する。ｘ軸とｙ軸とｚ軸とは、互いに垂直な３つの軸である。固体レーザ媒質１０の中心軸、すなわち入射面１１の中心１１１と出射面１２の中心１２１とを通る軸線は、ｚ軸と一致する。

入射面１１の法線は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のいずれに対しても傾いている。入射面１１と出射面１２とは、互いに対向する。入射面１１と出射面１２とは、互いに平行である。第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、ｘｚ平面に平行である。第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、互いに平行である。第３の反射面１５と第４の反射面１６とは、ｙｚ平面に平行である。第３の反射面１５と第４の反射面１６とは、互いに平行である。第１の反射面１３と第３の反射面１５とは、互いに直交する。

固体レーザ媒質１０の外から入射面１１へ入射したレーザ光２０は、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６において内部全反射しながら、固体レーザ媒質１０の内部を伝搬する。レーザ光２０は、固体レーザ媒質１０の内部において増幅される。固体レーザ媒質１０の内部を伝搬したレーザ光２０は、出射面１２から固体レーザ媒質１０の外へ出射する。

なお、図１では、レーザ光２０の中心軸を一点鎖線によって表している。レーザ光２０の中心軸とは、レーザ光２０に含まれる光線束の中心を表す軸とする。レーザ光２０は、中心軸を中心とする一定のビーム径範囲に存在している。図２以降においても、レーザ光２０の表し方は図１と同様であるものとする。

入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸は、ｚ軸と平行である。また、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸は、入射面１１の中心１１１を通る。すなわち、レーザ光２０は、入射面１１の中心１１１に光線束の中心を一致させて、入射面１１へ入射する。入射面１１の法線がｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のいずれに対しても傾いているため、レーザ光２０の中心軸は、入射面１１でのレーザ光２０の屈折によって、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のいずれに対しても傾いた方向へ折り曲げられる。

図２に示すように、ｙｚ面内では、入射面１１において屈折したレーザ光２０は、第２の反射面１４に到達して、第２の反射面１４にて内部全反射する。第２の反射面１４にて内部全反射したレーザ光２０は、第１の反射面１３に到達して、第１の反射面１３にて内部全反射する。ｙｚ面内において、第１の反射面１３でのレーザ光２０の内部全反射と、第２の反射面１４でのレーザ光２０の内部全反射とが交互に繰り返される。レーザ光２０は、第１の反射面１３における４回の内部全反射と、第２の反射面１４における４回の内部全反射とを経て、出射面１２に到達する。

また、図１に示すように、ｘｚ面内では、入射面１１において屈折したレーザ光２０は、第３の反射面１５に到達して、第３の反射面１５にて内部全反射する。第３の反射面１５にて内部全反射したレーザ光２０は、第４の反射面１６に到達して、第４の反射面１６にて内部全反射する。ｘｚ面内において、第３の反射面１５でのレーザ光２０の内部全反射と、第４の反射面１６におけるレーザ光２０の内部全反射とが交互に繰り返される。レーザ光２０は、第３の反射面１５における２回の内部全反射と、第４の反射面１６における２回の内部全反射とを経て、出射面１２に到達する。

固体レーザ媒質１０を伝搬したレーザ光２０の中心軸は、出射面１２の中心１２１を通る。レーザ光２０の中心軸は、出射面１２でのレーザ光２０の屈折によって、ｚ軸に平行になるように折り曲げられる。固体レーザ媒質１０は、図３に示すように、第３の反射面１５にレーザ光２０が入射したときにおけるレーザ光２０の中心軸の位置が、第１の反射面１３と第２の反射面１４との間のｙ軸方向における中心に一致するように設計されている。また、固体レーザ媒質１０は、図３に示すように、第４の反射面１６にレーザ光２０が入射したときにおけるレーザ光２０の中心軸の位置が、第１の反射面１３と第２の反射面１４との間のｙ軸方向における中心に一致するように設計されている。

固体レーザ媒質１０のｚ軸方向の長さと、固体レーザ媒質１０のｘ軸方向の幅と、固体レーザ媒質１０のｙ軸方向の厚さとがあらかじめ決定されている場合、第１の反射面１３と第２の反射面１４とにおいて所望されるレーザ光２０の内部全反射の回数と、第３の反射面１５と第４の反射面１６とにおいて所望されるレーザ光２０の内部全反射の回数とに基づいて、入射面１１からレーザ光２０を伝搬させる方向が決まる。固体レーザ媒質１０の設計において、入射面１１の法線の傾きは、入射面１１で屈折したレーザ光２０の中心線が当該方向と一致するように、スネルの法則に従って決定される。

また、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６の各々におけるレーザ光２０の入射角は、内部全反射の臨界角以上である必要がある。第１の反射面１３と第２の反射面１４とにおけるレーザ光２０の入射角、または第３の反射面１５と第４の反射面１６とにおけるレーザ光２０の入射角が臨界角未満となる場合、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６の各々におけるレーザ光２０の入射角が臨界角以上となるように、レーザ光２０の内部全反射の回数が調整される。または、固体レーザ媒質１０の長さ、幅および厚さの少なくとも１つが調整される。なお、固体レーザ媒質１０の上記設計手順は一例であり、固体レーザ媒質１０の設計手順は上記のものに限られない。

実施の形態１にかかる固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６における内部全反射によってレーザ光２０を伝搬させる。固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０の内部におけるレーザ光２０の反射によるレーザ光２０の損失を低減できる。また、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６の各々に強反射膜が設けられなくても、固体レーザ媒質１０の内部にてレーザ光２０を低損失で伝搬させることができる。固体レーザ媒質１０は、強反射膜が必要となる場合に比べて、コストを低減できる。さらに、固体レーザ媒質１０は、強反射膜が設けられる場合よりも、反射面における反射率のばらつきを少なくできる。以上により、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定してレーザ光２０を増幅することができる。

次に、固体レーザ媒質１０における熱レンズ効果の影響に対する補償について説明する。図４は、実施の形態１にかかる固体レーザ媒質における熱レンズ効果の影響に対する補償について説明するための図である。図４では、第１の反射面１３と第２の反射面１４とにおける反射によって折り曲げられるレーザ光２０の中心軸が１つの直線になるように、レーザ光２０が伝搬する様子を展開図によって表している。図４に示すレーザ光２０の光路は、図２に示すレーザ光２０の光路と光学的に等価であるものとする。図４において、レーザ光２０の中心軸は、入射面１１と出射面１２との間にて１つの直線となる。

図５は、実施の形態１にかかる固体レーザ媒質の屈折率分布を模式的に表した図である。一般に、固体レーザ媒質１０の光励起において、励起光の波長は、励起状態からの状態遷移によって放出される光の波長よりも短い。励起光の波長と放出される光の波長との差に起因するエネルギー差は量子欠損と呼ばれる。量子欠損に相当するエネルギーは、熱として放出される。

実施の形態１では、励起光の波長が８０８ｎｍ、増幅されるレーザ光２０の波長が１．０６４μｍであるため、励起状態から消費されるエネルギーのうちの約２４％が熱として放出される。固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０の表面から熱を逃がすことによって冷却される。固体レーザ媒質１０の内部での熱の発生と、固体レーザ媒質１０の表面からの熱の放出とによって、固体レーザ媒質１０の内部には温度分布が発生する。

固体レーザ媒質１０の屈折率は、温度によって変化する。固体レーザ媒質１０の中心に近いほど温度が高くなることから、温度の上昇に対して屈折率が大きくなるＹＡＧ結晶である固体レーザ媒質１０では、図５に示すように、ｙ軸方向における固体レーザ媒質１０の中心ｙ０に近いほど屈折率が高くなる。

光学距離は、屈折率に比例する。屈折率が高い領域と屈折率が低い領域とにおいて互いに同じ空間距離を光が通過した場合であっても、屈折率が高い領域を光が通過した場合の光学距離は、屈折率が低い領域を光が通過した場合の光学距離よりも長くなる。仮に、固体レーザ媒質１０の内部においてｚ軸方向へレーザ光２０が伝搬した場合、中心ｙ０を光線が伝搬する場合における光学距離は、第１の反射面１３に近い位置または第２の反射面１４に近い位置を光線が伝搬する場合における光学距離よりも長くなる。この場合、中心ｙ０を伝搬する光線の位相は、第１の反射面１３に近い位置を伝搬する光線の位相および第２の反射面１４に近い位置を伝搬する光線の位相よりも遅れる。その結果、固体レーザ媒質１０においてｚ軸方向へ伝搬するレーザ光２０の波面は、レーザ光２０が伝搬する方向とは逆向きに凹んだ形になる。固体レーザ媒質１０は、凸レンズと同様な光学作用を奏することになる。温度分布に起因するこのようなレンズ作用は熱レンズ効果と称される。固体レーザ媒質１０では、熱レンズ効果の影響によって、レーザ光２０の指向性低下、あるいはレーザ光２０の集光性の低下といった品質低下が生じる場合がある。

実施の形態１によると、レーザ光２０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とで互いに同じ回数の内部全反射を繰り返して固体レーザ媒質１０の内部をジグザグ状に伝搬する。図４に示すように、レーザ光２０は、入射面１１と出射面１２との間を伝搬する間に、屈折率が高い領域と屈折率が低い領域とを交互に通過する。

図４において、光線２０１は入射面１１のうち第１の反射面１３に近い位置を通る光線とする。また、光線２０２は、入射面１１のうち第２の反射面１４に近い位置を通る光線とする。入射面１１の中心を通る光線、すなわちレーザ光２０の中心軸に一致する光線と、光線２０１と、光線２０２とでは、いずれも、屈折率が高い領域を通過する回数が同じであり、かつ、屈折率が低い領域を通過する回数が同じである。中心軸に一致する光線と、光線２０１と、光線２０２とが、入射面１１と出射面１２との間において屈折率の高低による影響を同じように受けることによって、中心軸に一致する光線の光学距離と、光線２０１の光学距離と、光線２０２の光学距離とは概ね等しくなる。これにより、固体レーザ媒質１０は、ｙｚ面内における光強度分布の対称性を低下させることなく、第１の反射面１３と第２の反射面１４との間における熱レンズ効果の影響を効果的に補償可能とし、レーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

さらに、実施の形態１によると、レーザ光２０は、第３の反射面１５と第４の反射面１６とで互いに同じ回数の内部全反射を繰り返して固体レーザ媒質１０の内部をジグザグ状に伝搬する。固体レーザ媒質１０は、ｘｚ面内における光強度分布の対称性を低下させることなく、第３の反射面１５と第４の反射面１６との間における熱レンズ効果の影響を効果的に補償可能とし、レーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

固体レーザ媒質１０では、レーザ光２０と固体レーザ媒質１０内の励起粒子との相互作用によって誘導放出が発生し、励起粒子に蓄積されたエネルギーが増幅光として取り出されることによってレーザ光２０が増幅される。固体レーザ媒質１０におけるレーザ光２０の増幅効率は、固体レーザ媒質１０の内部における励起領域とレーザ光２０との重畳率に比例する。重畳率は、モードオーバラップ率と称されることがある。

実施の形態１では、第１の反射面１３と第２の反射面１４との間においてレーザ光２０がジグザグ状に伝搬するとともに、第３の反射面１５と第４の反射面１６との間においてレーザ光２０がジグザグ状に伝搬することによって、固体レーザ媒質１０の内部においてレーザ光２０が掃引する領域を広げることができる。この結果、固体レーザ媒質１０は、重畳率を高めることができ、増幅効率を効果的に向上させることが可能となる。

固体レーザ媒質１０のうちレーザ光２０が伝搬する領域において、励起粒子の分布である励起密度分布が不均一であることによって、レーザ光２０のビーム断面における増幅率が不均一になることがある。この場合、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０の強度分布が不均一になることによって、レーザ光２０の品質を低下させることがあり得る。

実施の形態１では、第１の反射面１３と第２の反射面１４との間においてレーザ光２０がジグザグ状に伝搬するとともに、第３の反射面１５と第４の反射面１６との間においてレーザ光２０がジグザグ状に伝搬することによって、熱レンズ効果の補償の場合と同様に、固体レーザ媒質１０の内部を伝搬することによってレーザ光２０が受ける利得の総量を概ね同じとすることができる。これにより、固体レーザ媒質１０は、励起密度分布が不均一であっても、レーザ光２０の強度分布が不均一となることを抑制可能とし、レーザ光２０の品質低下を効果的に抑制することができる。

なお、固体レーザ媒質１０は、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶に限られない。固体レーザ媒質１０にドープされる活性媒質は、Ｎｄに限られず、イッテルビウム（Ytterbium：Ｙｂ）、エルビウム（Erbium：Ｅｒ）、ホルミウム（Holmium：Ｈｏ）またはツリウム（Thulium：Ｔｍ）であっても良い。固体レーザに使用され得るいずれの活性媒質が使用される場合であっても、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

固体レーザ媒質１０に用いられるホスト材料は、ＹＡＧ結晶に限られず、イットリウムバナデート（Yttrium Orthovanadate：ＹＶＯ_４）、サファイア（Sapphire：Ａｌ_２Ｏ_３）またはリン酸ガラスといった材料であっても良い。固体レーザに使用され得るいずれの材料が使用される場合であっても、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。増幅されるレーザ光２０の波長と固体レーザ媒質１０の屈折率とに応じて固体レーザ媒質１０の形状が適宜設計されることによって、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

第１の反射面１３と第３の反射面１５とがなす角度は、直角に限られない。第１の反射面１３と第３の反射面１５とがなす角度は、０度より大きくかつ１８０度未満の範囲において適宜設定されても良い。この場合も、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とが互いに平行、第３の反射面１５と第４の反射面１６とが互いに平行であって、かつ入射面１１の法線の傾きが適切に設定されることによって、上記の場合と同様にレーザ光２０を内部全反射させることができる。固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３と第３の反射面１５とがなす角度が適宜設定されることによって、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

実施の形態１によると、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３、第２の反射面１４、第３の反射面１５および第４の反射面１６における内部全反射によってレーザ光２０を伝搬させることで、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とする。固体レーザ媒質１０は、入射面１１の中心１１１に光線束の中心を一致させて入射面１１へ入射したレーザ光２０を、第１の反射面１３と第２の反射面１４との各々における互いに同じ回数の内部全反射と、第３の反射面１５と第４の反射面１６との各々における互いに同じ回数の内部全反射とを経て、出射面１２の中心１２１に光線束の中心を一致させて出射面１２から出射させることで、レーザ光２０の品質低下を抑制することができる。以上により、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図である。図７は、実施の形態２にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図である。図６では、実施の形態２にかかる固体レーザ媒質１０のうち入射面１１を含む一部を拡大して示している。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態２において、固体レーザ媒質１０には、実施の形態１と同様に、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶が使用される。固体レーザ媒質１０によって増幅されるレーザ光２０の波長は、１．０６４μｍである。１．０６４μｍの波長に対する固体レーザ媒質１０の屈折率は、１．８２である。励起光源には、８０８ｎｍの波長の半導体レーザが使用される。第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、ｘｚ平面に平行である。第３の反射面１５と第４の反射面１６とは、ｙｚ平面に平行である。入射面１１と出射面１２とは、互いに平行である。

実施の形態２において、固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０は、図６に示す偏光方向２１を備えた直線偏光である。レーザ光２０は、入射面１１の中心１１１へ入射する。実施の形態２において、第３の反射面１５と第４の反射面１６とには、光学薄膜が設けられている。光学薄膜は、偏光無依存の光学薄膜である。すなわち、光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の波長の１０分の１以下である。

図７に示す仰角θ_ｎは、入射面１１の法線１１０とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｎは、ｘｚ面内における法線１１０の方向を表す角度である。方位角φ_ｎの基準は、ｘ軸とする。実施の形態２において、仰角θ_ｎは２８．８度、方位角φ_ｎは２４０度と設定される。仰角θ_ｒは、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｒは、ｘｚ面内におけるレーザ光２０の中心軸の方向を表す角度である。方位角φ_ｒの基準は、ｘ軸とする。実施の形態２において、仰角θ_ｒは９０度と設定される。すなわち、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸は、ｘｚ面内に含まれる。また、実施の形態２において、方位角φ_ｒは６０度と設定される。さらに、偏光方向２１はｙ軸方向である。

これらの設定によって、入射面１１には、直線偏光であるレーザ光２０がブリュースター角である６１．２度の入射角をもってＰ偏光で入射する。固体レーザ媒質１０は、入射面１１に反射防止膜等が設けられなくても、入射面１１での反射によるレーザ光２０の損失を効果的に抑制できる。固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０の内部へ効率よくレーザ光２０を入射させることができる。

固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、入射面１１にてレーザ光２０が屈折することによって、固体レーザ媒質１０への入射前における９０度から１２２．４度へ変化する。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、固体レーザ媒質１０への入射前と同じ６０度となる。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の偏光方向２２とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、３２．４度となる。ｘｚ面内における偏光方向２２の方向を表す方位角φ_ｐは、６０度となる。なお、方位角φ_ｐの基準は、ｘ軸とする。

入射面１１にて屈折したレーザ光２０は、第２の反射面１４の位置１４１へ入射する。第２の反射面１４の法線はｙ軸と一致することから、偏光方向２２は、第２の反射面１４の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面に含まれる。したがって、レーザ光２０は、第２の反射面１４に対してもＰ偏光として入射する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第２の反射面１４での反射前における１２２．４度から５７．６度へ変化する。第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第２の反射面１４での反射前と同じ６０度となる。第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の偏光方向２３とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２２の仰角θ_ｐと同じ３２．４度となる。ｘｚ面内における偏光方向２３の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２２の方位角φ_ｐである６０度から変化して、２４０度となる。レーザ光２０は、第２の反射面１４での反射によって、第３の反射面１５へ向かって伝搬する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０は、第３の反射面１５の位置１５１へ入射する。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第３の反射面１５での反射前と同じ５７．６度となる。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第３の反射面１５での反射前における６０度から１２０度へ変化する。レーザ光２０は、第３の反射面１５で反射によって、第１の反射面１３へ向かって伝搬する。

第３の反射面１５の法線は、ｘ軸と一致する。レーザ光２０は、第３の反射面１５に対して、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した状態で入射する。第３の反射面１５に上記の光学薄膜が設けられていることによって、第３の反射面１５でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、レーザ光２０の波長の１０分の１以下に抑えられる。これにより、固体レーザ媒質１０は、第３の反射面１５でのレーザ光２０の反射による直線偏光から楕円偏光への変化を効果的に抑制可能とし、レーザ光２０の偏光状態を直線偏光のまま維持させることができる。

したがって、第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の偏光方向２４とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２３の仰角θ_ｐと同じ３２．４度となる。ｘｚ面内における偏光方向２４の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２３の方位角φ_ｐである２４０度から変化して、３００度、すなわちマイナス６０度となる。

直線偏光である偏光状態が維持されたレーザ光２０は、第１の反射面１３の位置１３１へ入射する。第１の反射面１３の法線は、ｙ軸と一致する。偏光方向２４は、第１の反射面１３の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面に含まれる。したがって、レーザ光２０は、第１の反射面１３に対してもＰ偏光として入射する。

実施の形態２にかかる固体レーザ媒質１０が上記のように構成されていることにより、入射面１１へ入射するレーザ光２０のｘｚ平面内における方向は、入射面１１と第１の反射面１３との間の稜線または入射面１１と第２の反射面１４との間の稜線に対して垂直な方向に設定される。また、偏光方向２１がｙ軸方向と一致する。これにより、固体レーザ媒質１０は、ブリュースター角である入射角で、直線偏光であるレーザ光２０をＰ偏光で入射面１１へ入射させることができる。固体レーザ媒質１０は、実施の形態１の場合と同様の効果が得られるほか、入射面１１に反射防止膜等が設けられなくても固体レーザ媒質１０の内部へ効率良くレーザ光２０を入射させることが可能となる。

また、固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０は、Ｐ偏光として第２の反射面１４へ入射する。第３の反射面１５と第４の反射面１６とに上記の光学薄膜が設けられていることによって、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０が直線偏光から楕円偏光へ変化することを効果的に抑制できる。これにより、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とへＰ偏光でレーザ光２０が入射するように、レーザ光２０の偏光状態を維持させることができる。さらに、固体レーザ媒質１０の内部において、偏光方向２２，２３，２４，２５の仰角θ_ｐは３２．４度に維持される。

第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、固体レーザ媒質１０を構成する他の面と比べて面積が大きい面である。固体レーザ媒質１０の冷却は、第１の反射面１３と第２の反射面１４との両面の冷却によって行われる。そのため、固体レーザ媒質１０の内部における温度分布は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とが向かい合う方向であるｙ軸方向における温度分布が支配的となる。なお、固体レーザ媒質１０の冷却は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とのうちの一方の冷却によって行われても良い。

固体レーザ媒質１０の内部おける温度分布によって、固体レーザ媒質１０の内部において、熱応力に伴う光弾性効果に起因する熱複屈折が起きることがある。実施の形態２では、固体レーザ媒質１０の内部にてｙ軸方向における温度分布が支配的となることによって、固体レーザ媒質１０の熱複屈折は、ｙ軸を光学軸とする一軸結晶における複屈折と同様となる。したがって、偏光方向がｙ軸に直交する方向である直線偏光、すなわち偏光方向がｘｚ面内に含まれる直線偏光は常光となり、偏光方向がｙ軸に直交する方向以外の方向である直線偏光は異常光となる。異常光である直線偏光の屈折率は、ｙ軸に対する直線偏光の仰角によって変化する。

媒質の内部において熱複屈折が生じた場合において、偏光方向に常光成分と異常光成分とが混在すると、常光の光路と異常光の光路とが分離するいわゆるウォークオフが発生する場合がある。固体レーザ媒質１０の内部にてウォークオフが発生した場合、レーザ光２０の集光性は劣化する。また、常光と異常光とに位相差が発生することによって、直線偏光の維持が困難となる場合がある。

実施の形態２では、偏光方向２２，２３，２４，２５は、いずれもレーザ光２０の中心軸とｙ軸とによって形成される面内、すなわちｘｚ平面に直交する面内に含まれる。このため、固体レーザ媒質１０の内部において直線偏光は常に異常光となる。したがって、固体レーザ媒質１０は、熱複屈折によるウォークオフの発生を効果的に抑制することができ、高い集光性を維持しながら効率良くレーザ光２０を増幅することができる。

さらに、実施の形態２にかかる固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０の内部において偏光方向２２，２３，２４，２５の仰角θ_ｐが３２．４度に維持されることによって、固体レーザ媒質１０の内部における直線偏光が感受する屈折率を一定にすることができる。これにより、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０の増幅において高い安定性を維持することができる。

なお、実施の形態２にかかる固体レーザ媒質１０の形状は、上記の形状に限られない。固体レーザ媒質１０の形状は、固体レーザ媒質１０の材料またはレーザ光２０の波長に合わせて適宜設計可能である。第３の反射面１５および第４の反射面１６に設けられる光学薄膜は、固体レーザ媒質１０の屈折率と、第３の反射面１５または第４の反射面１６におけるレーザ光２０の入射角とに基づいて、多層膜構造等が適宜設計されたものであっても良い。固体レーザ媒質１０の形状と光学薄膜とが適宜設計されることによって、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図である。図９は、実施の形態３にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図である。図８では、実施の形態３にかかる固体レーザ媒質１０のうち入射面１１を含む一部を拡大して示している。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態３において、固体レーザ媒質１０には、実施の形態１および２と同様に、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶が使用される。固体レーザ媒質１０によって増幅されるレーザ光２０の波長は、１．０６４μｍである。１．０６４μｍの波長に対する固体レーザ媒質１０の屈折率は、１．８２である。励起光源には、８０８ｎｍの波長の半導体レーザが使用される。第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、ｘｚ平面に平行である。第３の反射面１５と第４の反射面１６とは、ｙｚ平面に平行である。入射面１１と出射面１２とは、互いに平行である。

実施の形態３において、固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０は、図８に示す偏光方向２１を備えた直線偏光である。レーザ光２０は、入射面１１の中心１１１へ入射する。実施の形態３では、実施の形態２と同様に、第３の反射面１５と第４の反射面１６とに光学薄膜が設けられている。光学薄膜は、偏光無依存の光学薄膜である。すなわち、光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の波長の１０分の１以下である。

図９に示す仰角θ_ｎは、入射面１１の法線１１０とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｎは、ｘｚ面内における法線１１０の方向を表す角度である。方位角φ_ｎの基準は、ｘ軸とする。実施の形態３において、仰角θ_ｎは７０度、方位角φ_ｎは２７０度と設定される。仰角θ_ｒは、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｒは、ｘｚ面内におけるレーザ光２０の中心軸の方向を表す角度である。方位角φ_ｒの基準は、ｘ軸とする。実施の形態３において、仰角θ_ｒは１０９．２度と設定される。また、実施の形態３において、方位角φ_ｒは２４．６度と設定される。固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０の偏光方向２１とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、１０２．１度に調整される。ｘｚ面内における偏光方向２１の方向を表す方位角φ_ｐは、１１８．９度に調整される。なお、方位角φ_ｐの基準は、ｘ軸とする。

これらの設定および調整によって、入射面１１には、直線偏光であるレーザ光２０がブリュースター角である６１．２度の入射角をもってＰ偏光で入射する。固体レーザ媒質１０は、入射面１１に反射防止膜等が設けられなくても、入射面１１での反射によるレーザ光２０の損失を効果的に抑制できる。固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０の内部へ効率よくレーザ光２０を入射させることができる。

固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、入射面１１にてレーザ光２０が屈折することによって、固体レーザ媒質１０への入射前における１０９．２度から１１３．０度へ変化する。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、固体レーザ媒質１０への入射前における２４．６度から５９．２度へ変化する。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の偏光方向２２とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２１の仰角θ_ｐである１０２．１度から変化して、９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２２の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２１の方位角φ_ｐである１１８．９度から変化して、１４９．２度となる。

入射面１１にて屈折したレーザ光２０は、第２の反射面１４の位置１４１へ入射する。第２の反射面１４の法線はｙ軸と一致することから、偏光方向２２は、第２の反射面１４の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面と直交する。したがって、レーザ光２０は、第２の反射面１４に対してＳ偏光として入射する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第２の反射面１４での反射前における１１３．０度から６７．０度へ変化する。第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第２の反射面１４での反射前と同じ５９．２度となる。Ｓ偏光であるレーザ光２０が第２の反射面１４で反射することによって、第２の反射面１４での反射後におけるレーザ光２０の偏光方向２３は、第２の反射面１４での反射前におけるレーザ光２０の偏光方向２２と同じとなる。すなわち、偏光方向２３とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２２の仰角θ_ｐと同じ９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２３の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２２の方位角φ_ｐと同じ１４９．２度となる。レーザ光２０は、第２の反射面１４での反射によって、第３の反射面１５へ向かって伝搬する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０は、第３の反射面１５の位置１５１へ入射する。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第３の反射面１５での反射前と同じ６７．０度となる。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第３の反射面１５での反射前における５９．２度から１２０．８度へ変化する。レーザ光２０は、第３の反射面１５で反射によって、第１の反射面１３へ向かって伝搬する。

第３の反射面１５の法線は、ｘ軸と一致する。レーザ光２０は、第３の反射面１５に対して、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した状態で入射する。第３の反射面１５に上記の光学薄膜が設けられていることによって、第３の反射面１５でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、レーザ光２０の波長の１０分の１以下に抑えられる。これにより、固体レーザ媒質１０は、第３の反射面１５でのレーザ光２０の反射による直線偏光から楕円偏光への変化を効果的に抑制可能とし、レーザ光２０の偏光状態を直線偏光のまま維持させることができる。

したがって、第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の偏光方向２４とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２３の仰角θ_ｐと同じ９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２４の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２３の方位角φ_ｐである１４９．２度から変化して、２１０．８度となる。

直線偏光である偏光状態が維持されたレーザ光２０は、第１の反射面１３の位置１３１へ入射する。第１の反射面１３の法線は、ｙ軸と一致する。偏光方向２４は、第１の反射面１３の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面と直交する。したがって、レーザ光２０は、第１の反射面１３に対してもＳ偏光として入射する。

実施の形態３にかかる固体レーザ媒質１０が上記のように構成されていることにより、固体レーザ媒質１０は、ブリュースター角である入射角で、直線偏光であるレーザ光２０を入射面１１へＰ偏光で入射させることができる。これにより、固体レーザ媒質１０は、実施の形態１の場合と同様の効果が得られるほか、入射面１１に反射防止膜等が設けられなくても、実施の形態２と同様に固体レーザ媒質１０の内部へ効率良くレーザ光２０を入射させることが可能となる。

また、固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０は、Ｓ偏光として第２の反射面１４へ入射する。一方、第３の反射面１５と第４の反射面１６とには、Ｓ偏光とＰ偏光とが混在して入射する。第３の反射面１５と第４の反射面１６とに上記の光学薄膜が設けられていることによって、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０が直線偏光から楕円偏光へ変化することを効果的に抑制できる。これにより、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とへ、直線偏光であるレーザ光２０が、常にＳ偏光で入射するように、レーザ光２０の偏光状態を維持させることができる。さらに、固体レーザ媒質１０の内部において、偏光方向２２，２３，２４，２５の仰角θ_ｐは９０度に維持される。すなわち、偏光方向２２，２３，２４，２５は、いずれもｘｚ平面に平行である。

第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、固体レーザ媒質１０を構成する他の面と比べて面積が大きい面である。実施の形態３においても、固体レーザ媒質１０の冷却は、実施の形態２と同様に、第１の反射面１３と第２の反射面１４との両面の冷却によって行われる。固体レーザ媒質１０の熱複屈折は、ｙ軸を光学軸とする一軸結晶における複屈折と同様となる。なお、固体レーザ媒質１０の冷却は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とのうちの一方の冷却によって行われても良い。

実施の形態３では、偏光方向２２，２３，２４，２５はいずれもｘｚ平面に平行であるため、固体レーザ媒質１０の内部では常光と異常光とが混在せず、直線偏光は常に常光となる。したがって、固体レーザ媒質１０は、実施の形態２と同様に、熱複屈折によるウォークオフの発生を効果的に抑制することができ、高い集光性を維持しながら効率良くレーザ光２０を増幅することができる。

さらに、実施の形態３では、固体レーザ媒質１０の内部において偏光方向２２，２３，２４，２５がｘｚ平面に平行に維持される。レーザ光２０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とへ常にＳ偏光として入射する。Ｓ偏光の偏光方向は反射前と反射後とにおいて変化しないことから、固体レーザ媒質１０の内部では常光の偏光方向が確実に維持される。これにより、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０の増幅においてさらに高い安定性を維持することができる。

なお、実施の形態３にかかる固体レーザ媒質１０の形状は、上記の形状に限られない。固体レーザ媒質１０の形状は、固体レーザ媒質１０の材料またはレーザ光２０の波長に合わせて適宜設計可能である。第３の反射面１５および第４の反射面１６に設けられる光学薄膜は、固体レーザ媒質１０の屈折率と、第３の反射面１５または第４の反射面１６におけるレーザ光２０の入射角とに基づいて、多層膜構造等が適宜設計されたものであっても良い。固体レーザ媒質１０の形状と光学薄膜とが適宜設計されることによって、固体レーザ媒質１０は、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４にかかる固体レーザ媒質の一部を示す斜視図である。図１１は、実施の形態４にかかる固体レーザ媒質における、入射面の法線の方向と、レーザ光の中心軸の方向と、偏光方向とについて説明するための図である。図１０では、実施の形態４にかかる固体レーザ媒質１０のうち入射面１１を含む一部を拡大して示している。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態４において、固体レーザ媒質１０には、実施の形態１から３と同様に、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶が使用される。固体レーザ媒質１０によって増幅されるレーザ光２０の波長は、１．０６４μｍである。１．０６４μｍの波長に対する固体レーザ媒質１０の屈折率は、１．８２である。励起光源には、８０８ｎｍの波長の半導体レーザが使用される。第１の反射面１３と第２の反射面１４とは、ｘｚ平面に平行である。第３の反射面１５と第４の反射面１６とは、ｙｚ平面に平行である。入射面１１と出射面１２とは、互いに平行である。

実施の形態４では、入射面１１と出射面１２とに光学薄膜が設けられている。光学薄膜は、偏光無依存の光学薄膜である。すなわち、光学薄膜へのＰ偏光とＳ偏光との入射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の波長の１０分の１以下である。また、光学薄膜は、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の反射を低減する反射防止膜でもある。光学薄膜におけるレーザ光２０の反射率は、５％以下である。さらに、実施の形態４では、実施の形態２および３と同様に、第３の反射面１５と第４の反射面１６とに偏光無依存の光学薄膜が設けられている。

実施の形態４において、固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０は、図１０に示す偏光方向２１を備えた直線偏光である。レーザ光２０は、入射面１１の中心１１１へ入射する。

図１１に示す仰角θ_ｎは、入射面１１の法線１１０とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｎは、ｘｚ面内における法線１１０の方向を表す角度である。方位角φ_ｎの基準は、ｘ軸とする。実施の形態４において、仰角θ_ｎは３０度、方位角φ_ｎは２４０度と設定される。仰角θ_ｒは、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸とｙ軸とがなす角度である。方位角φ_ｒは、ｘｚ面内におけるレーザ光２０の中心軸の方向を表す角度である。方位角φ_ｒの基準は、ｘ軸とする。実施の形態４において、仰角θ_ｒは９０度と設定される。また、実施の形態４において、方位角φ_ｒは９０度と設定される。すなわち、入射面１１へ入射するレーザ光２０の中心軸は、ｚ軸と一致する。固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０の偏光方向２１とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、１０９．１度に調整される。ｘｚ面内における偏光方向２１の方向を表す方位角φ_ｐは、０度に調整される。なお、方位角φ_ｐの基準は、ｘ軸とする。

偏光無依存の反射防止膜である上記の光学薄膜が入射面１１に設けられていることによって、固体レーザ媒質１０は、入射面１１での反射によるレーザ光２０の損失を抑制することができる。また、固体レーザ媒質１０は、レーザ光２０が直線偏光から楕円偏光へ変化することを効果的に抑制できる。これにより、固体レーザ媒質１０は、直線偏光である偏光状態を維持しながら、固体レーザ媒質１０の内部へ効率良くレーザ光２０を入射させることができる。

固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、入射面１１にてレーザ光２０が屈折することによって、固体レーザ媒質１０への入射前における９０度から１２３．１度へ変化する。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、固体レーザ媒質１０への入射前における９０度から７９．２度へ変化する。固体レーザ媒質１０へ入射したレーザ光２０の偏光方向２２とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２１の仰角θ_ｐである１０９．１度から変化して、９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２２の方向を表す方位角φ_ｐは、０度から変化して、３４９．２度、すなわちマイナス１０．８度となる。

入射面１１にて屈折したレーザ光２０は、第２の反射面１４の位置１４１へ入射する。第２の反射面１４の法線はｙ軸と一致することから、偏光方向２２は、第２の反射面１４の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面と直交する。したがって、レーザ光２０は、第２の反射面１４に対してＳ偏光として入射する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第２の反射面１４での反射前における１２３．１度から５６．９度へ変化する。第２の反射面１４で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第２の反射面１４での反射前と同じ７９．２度となる。Ｓ偏光であるレーザ光２０が第２の反射面１４で反射することによって、第２の反射面１４での反射後におけるレーザ光２０の偏光方向２３は、第２の反射面１４での反射前におけるレーザ光２０の偏光方向２２と同じとなる。すなわち、偏光方向２３とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２２の仰角θ_ｐと同じ９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２３の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２２の方位角φ_ｐと同じ３４９．２度となる。レーザ光２０は、第２の反射面１４での反射によって、第３の反射面１５へ向かって伝搬する。

第２の反射面１４で反射したレーザ光２０は、第３の反射面１５の位置１５１へ入射する。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の仰角θ_ｒは、第３の反射面１５での反射前と同じ５６．９度となる。第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の方位角φ_ｒは、第３の反射面１５での反射前における７９．２度から１００．８度へ変化する。レーザ光２０は、第３の反射面１５での反射によって、第１の反射面１３へ向かって伝搬する。

第３の反射面１５の法線は、ｘ軸と一致する。レーザ光２０は、第３の反射面１５に対して、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した状態で入射する。第３の反射面１５に上記の光学薄膜が設けられていることによって、第３の反射面１５でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、レーザ光２０の波長の１０分の１以下に抑えられる。これにより、固体レーザ媒質１０は、第３の反射面１５でのレーザ光２０の反射による直線偏光から楕円偏光への変化を効果的に抑制可能とし、レーザ光２０の偏光状態を直線偏光のまま維持させることができる。

したがって、第３の反射面１５で反射したレーザ光２０の偏光方向２４とｙ軸とがなす仰角θ_ｐは、偏光方向２３の仰角θ_ｐと同じ９０度となる。ｘｚ面内における偏光方向２４の方向を表す方位角φ_ｐは、偏光方向２３の方位角φ_ｐである３４９．２度から変化して、１０．８度となる。

直線偏光である偏光状態が維持されたレーザ光２０は、第１の反射面１３の位置１３１へ入射する。第１の反射面１３の法線は、ｙ軸と一致する。偏光方向２４は、第１の反射面１３の法線とレーザ光２０の中心軸とを含む平面と直交する。したがって、レーザ光２０は、第１の反射面１３に対してもＳ偏光として入射する。

実施の形態４にかかる固体レーザ媒質１０が上記のように構成されていることにより、固体レーザ媒質１０の内部において、偏光方向２２，２３，２４，２５の仰角θ_ｐは９０度に維持される。すなわち、偏光方向２２，２３，２４，２５は、いずれもｘｚ平面に平行である。また、実施の形態３と同様に、固体レーザ媒質１０は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とへＳ偏光であるレーザ光２０が入射するように、レーザ光２０の偏光状態を維持させることができる。

実施の形態４において、入射面１１におけるレーザ光２０の入射角は、ブリュースター角に限られない。偏光無依存の反射防止膜である上記の光学薄膜が、レーザ光２０の入射角とレーザ光２０の波長とに基づいて適宜設計され、かつ偏光方向２１が適切に調整されることによって、固体レーザ媒質１０は、実施の形態３と同様に固体レーザ媒質１０の内部へ効率良くレーザ光２０を入射させることが可能となる。また、このように固体レーザ媒質１０が構成されることによって、固体レーザ媒質１０の設計自由度は格段に高められる。

固体レーザ媒質１０の形状は、適宜設計可能である。固体レーザ媒質１０の形状は、レーザ光２０の入射角、固体レーザ媒質１０の大きさ、第１の反射面１３および第２の反射面１４における内部全反射の回数、第３の反射面１５および第４の反射面１６における内部全反射の回数に応じて設計可能である。固体レーザ媒質１０の形状と、偏光無依存の反射防止膜である上記の光学薄膜とが適宜設計されることによって、固体レーザ媒質１０は、実施の形態３と同様に、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

実施の形態５．
実施の形態５にかかる固体レーザ媒質１０は、固体レーザ媒質１０へ入射するレーザ光２０の偏光方向２１が実施の形態４の場合とは異なる以外、実施の形態４にかかる固体レーザ媒質１０と同様である。実施の形態５では、上記の実施の形態１から４と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から４とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態５では、偏光方向２１の仰角θ_ｐは１７３．８度、かつ、偏光方向２１の方位角φ_ｐは０度に調整される。実施の形態５の場合も、固体レーザ媒質１０は、Ｓ偏光であるレーザ光２０を第２の反射面１４へ入射させることができる。固体レーザ媒質１０は、実施の形態４と同様に、固体レーザ媒質１０の設計自由度を格段に高めることができる。また、固体レーザ媒質１０は、実施の形態４と同様に、高効率かつ安定したレーザ光２０の増幅を可能とし、かつレーザ光２０の品質低下を抑制することができる。

実施の形態６．
実施の形態２から５にかかる固体レーザ媒質１０では、第３の反射面１５と第４の反射面１６とに偏光無依存の光学薄膜が設けられている。実施の形態６にかかる固体レーザ媒質１０は、第３の反射面１５および第４の反射面１６に加えて、第１の反射面１３および第２の反射面１４の各々にも偏光無依存の光学薄膜が設けられている。すなわち、第１の反射面１３および第２の反射面１４の各々には、光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差が、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の波長の１０分の１以下である光学薄膜が設けられている。実施の形態６では、上記の実施の形態１から５と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から５とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態６では、第１の反射面１３と第２の反射面１４とに上記の光学薄膜が設けられることによって、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した状態のレーザ光２０が第２の反射面１４または第３の反射面１５へ入射しても、直線偏光から楕円偏光への変化が抑制される。これにより、固体レーザ媒質１０は、直線偏光であるレーザ光２０が入射面１１へ入射されると、レーザ光２０の偏光状態を直線偏光のまま維持させることができる。

実施の形態６においても、固体レーザ媒質１０の冷却は、実施の形態２および３と同様に、第１の反射面１３と第２の反射面１４との両面の冷却によって行われる。固体レーザ媒質１０の熱複屈折は、ｙ軸を光学軸とする一軸結晶における複屈折と同様となる。ただし、固体レーザ媒質１０の励起密度が不均一であることによって、あるいは固体レーザ媒質１０の冷却が不均一であることによって、実際の熱複屈折にはばらつきが生じることがある。

実施の形態６では、第３の反射面１５および第４の反射面１６に加えて、第１の反射面１３および第２の反射面１４にも上記の光学薄膜が設けられていることによって、固体レーザ媒質１０は、任意の偏光方向の直線偏光について、直線偏光である偏光状態を維持させることができる。固体レーザ媒質１０へ入射されるレーザ光２０の偏光方向として、熱複屈折の影響がより小さくなる偏光方向が選定されることによって、固体レーザ媒質１０は、集光性の劣化を抑制することができ、さらに安定したレーザ光２０の増幅が可能となる。

実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７にかかる固体レーザ増幅器の斜視図である。実施の形態７にかかる固体レーザ増幅器２には、実施の形態４と同様の固体レーザ媒質１０が設けられている。実施の形態７では、上記の実施の形態１から６と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から６とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態４と同様に、固体レーザ媒質１０へ入射されるレーザ光２０の偏光方向２１は、固体レーザ媒質１０へ入射された波長１．０６４μｍのレーザ光２０が第２の反射面１４へＳ偏光として入射するように調整される。また、実施の形態７では、第３の反射面１５と第４の反射面１６とに、偏光無依存の光学薄膜が設けられている。すなわち、光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、固体レーザ媒質１０を伝搬する光の波長の１０分の１以下である。また、光学薄膜は、励起光の反射を低減する反射防止膜でもある。光学薄膜において、８０８ｎｍの波長の励起光の反射率は、５％以下である。

固体レーザ増幅器２は、励起光源である４つの半導体レーザ３と、水冷式の冷却器４と、各半導体レーザ３と冷却器４とを絶縁する絶縁板５とを有する。半導体レーザ３は、波長８０８ｎｍの半導体レーザバーと、半導体レーザバーと一体とされたヒートシンクおよび給電電極とを有する。４つの半導体レーザ３のうちの２つは、固体レーザ媒質１０のうち第３の反射面１５に対向して配置されている。４つの半導体レーザ３のうちの他の２つは、固体レーザ媒質１０のうち第４の反射面１６に対向して配置されている。

冷却器４は、固体レーザ媒質１０を冷却する機能と、各半導体レーザ３を冷却する機能とを兼ねる。冷却器４の材料には、銅が使用されている。冷却器４は、冷却器４へ供給される冷却水が通る給水口４１と、冷却器４から排出される冷却水が通る排水口４２とを有する。固体レーザ媒質１０のうち第２の反射面１４が冷却器４の表面に接合されている。第２の反射面１４には、エバネッセント光が生じることによるレーザ光２０の損失を抑制するために、厚さ５μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）がコーティングされている。各半導体レーザ３は、絶縁板５を介して冷却器４の表面に固定されている。絶縁板５が設けられることによって、各半導体レーザ３と冷却器４との短絡が回避される。

第３の反射面１５に対向する２つの半導体レーザ３によって出射された励起光は、第３の反射面１５へ入射する。第４の反射面１６に対向する２つの半導体レーザ３によって出射された励起光は、第４の反射面１６へ入射する。固体レーザ増幅器２は、固体レーザ媒質１０へ励起光を照射することによって固体レーザ媒質１０を励起させる。

偏光無依存の反射防止膜である上記の光学薄膜が第３の反射面１５と第４の反射面１６とに設けられていることによって、第３の反射面１５と第４の反射面１６とにおける励起光の反射が抑制される。これにより、固体レーザ増幅器２は、固体レーザ媒質１０へ効率良く励起光を入射可能とし、固体レーザ媒質１０を効率良く励起させることができる。固体レーザ増幅器２は、実施の形態４と同様の作用効果によって、集光性に優れた増幅光２６を、高効率かつ安定して発生させることができる。

なお、固体レーザ増幅器２において、固体レーザ媒質１０の冷却は、第１の反射面１３と第２の反射面１４とのうちの少なくとも一方の冷却によって行われても良い。固体レーザ媒質１０の冷却は、第２の反射面１４の冷却によって行われる以外に、第１の反射面１３の冷却によって行われても良く、第１の反射面１３と第２の反射面１４との両面の冷却によって行われても良い。

固体レーザ増幅器２に設けられる固体レーザ媒質１０は、実施の形態４と同様の固体レーザ媒質１０に限られない。固体レーザ増幅器２に設けられる固体レーザ媒質１０は、実施の形態１から３、実施の形態５および６のうちのいずれか１つと同様の固体レーザ媒質１０であっても良い。この場合も、固体レーザ増幅器２は、集光性に優れた増幅光２６を、高効率かつ安定して発生させることができる。

実施の形態８．
図１３は、本発明の実施の形態８にかかる固体レーザ発振器の斜視図である。実施の形態８にかかる固体レーザ発振器１には、実施の形態７と同様の固体レーザ増幅器２が設けられている。実施の形態８では、上記の実施の形態１から７と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から７とは異なる構成について主に説明する。

固体レーザ発振器１は、安定型の光共振器を構成する部分反射鏡６１および全反射鏡６２を有する。部分反射鏡６１と全反射鏡６２とは、固体レーザ増幅器２の光軸上に配置されている。部分反射鏡６１は、部分反射鏡６１へ入射する波長１．０６４μｍのレーザ光２０である内部レーザ光２７の一部を反射し、部分反射鏡６１へ入射する波長１．０６４μｍの内部レーザ光２７の一部を透過させる。全反射鏡６２は、全反射鏡６２へ入射する波長１．０６４μｍの内部レーザ光２７の全体を反射する。

固体レーザ発振器１において、励起光によって励起された固体レーザ媒質１０からは、自然放出光が発生する。自然放出光の一部は、光共振器に閉じ込められ、部分反射鏡６１と全反射鏡６２との間を往復する。固体レーザ増幅器２において固体レーザ媒質１０の内部を自然放出光が伝搬する際に、自然放出光は増幅される。自然放出光が増幅されることによって、光強度が高い内部レーザ光２７が光共振器内において形成される。部分反射鏡６１へ入射した内部レーザ光２７のうち、一定の割合の内部レーザ光２７が、部分反射鏡６１を透過することによって、部分反射鏡６１へ入射した内部レーザ光２７の一部は、外部レーザ光２８として光共振器の外へ出射する。

光共振器内における内部レーザ光２７の光路には、ブリュースター板７が配置されている。ブリュースター板７の向きは、入射面１１へ入射する内部レーザ光２７の偏光方向が、ｙ軸に対する仰角θ_ｐが１０９．０度、かつｘ軸を基準とする方位角φ_ｐが０度である偏光方向である場合に反射損失が最小となるように設定される。固体レーザ発振器１は、ブリュースター板７が設けられることによって、所望の偏光方向の直線偏光を選択的に増幅させることができる。固体レーザ発振器１は、実施の形態４と同様の作用効果によって、集光性に優れた外部レーザ光２８を高効率かつ安定して発生させることができる。

なお、固体レーザ発振器１に設けられる固体レーザ媒質１０は、実施の形態４と同様の固体レーザ媒質１０に限られない。固体レーザ発振器１に設けられる固体レーザ媒質１０は、実施の形態１から３、実施の形態５および６のうちのいずれか１つと同様の固体レーザ媒質１０であっても良い。この場合も、固体レーザ発振器１は、集光性に優れた外部レーザ光２８を高効率かつ安定して発生させることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 固体レーザ発振器、２ 固体レーザ増幅器、３ 半導体レーザ、４ 冷却器、５ 絶縁板、７ ブリュースター板、１０ 固体レーザ媒質、１１ 入射面、１２ 出射面、１３ 第１の反射面、１４ 第２の反射面、１５ 第３の反射面、１６ 第４の反射面、２０ レーザ光、２１，２２，２３，２４，２５ 偏光方向、２６ 増幅光、２７ 内部レーザ光、２８ 外部レーザ光、４１ 給水口、４２ 排水口、６１ 部分反射鏡、６２ 全反射鏡、１１０ 法線、１１１，１２１ 中心、１３１，１４１，１５１ 位置、２０１，２０２ 光線。

Claims (13)

1. 互いに平行な入射面および出射面と、
   前記入射面と前記出射面との間を伝搬する光が反射し、前記入射面の法線から傾いて形成され、互いに平行な第１の反射面および第２の反射面と、
   前記入射面と前記出射面との間を伝搬する光が反射し、前記入射面の法線から傾いて形成され、前記第１の反射面と直交しかつ互いに平行な第３の反射面および第４の反射面と、を備え、
   前記入射面の中心に光線束の中心を一致させかつ光線束の方向が前記第１の反射面および前記第３の反射面に平行となるように前記入射面へ入射した光を、前記第１の反射面、前記第２の反射面、前記第３の反射面および前記第４の反射面のいずれかで内部全反射させつつ伝搬させ、前記出射面の中心に光線束の中心を一致させて前記出射面から出射させるまでにおいて、前記第１の反射面における内部全反射の回数と前記第２の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じであり、前記第３の反射面における内部全反射の回数と前記第４の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じであることを特徴とする固体レーザ媒質。
2. 前記固体レーザ媒質のうち前記入射面の中心と前記出射面の中心とを通る軸線に対し前記入射面の法線が傾いていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ媒質。
3. 前記第１の反射面および前記第２の反射面の対と、前記第３の反射面および前記第４の反射面の対とのうちの少なくとも一方には、光学薄膜が設けられており、
   前記光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、前記固体レーザ媒質を伝搬する光の波長の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ媒質。
4. 前記光学薄膜は、前記固体レーザ媒質を励起するための励起光の反射を低減する反射防止膜を兼ねることを特徴とする請求項３に記載の固体レーザ媒質。
5. 前記入射面と前記出射面とに光学薄膜が設けられており、
   前記入射面と前記出射面とに設けられている前記光学薄膜へのＰ偏光とＳ偏光との入射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、前記固体レーザ媒質を伝搬する光の波長の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の固体レーザ媒質。
6. 前記入射面と前記出射面とに設けられている前記光学薄膜は、前記固体レーザ媒質へ入射する光の反射を低減する反射防止膜を兼ねることを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ媒質。
7. 光を増幅する固体レーザ媒質を備え、
   前記固体レーザ媒質は、
   互いに平行な入射面および出射面と、
   前記入射面と前記出射面との間を伝搬する光が反射し、前記入射面の法線から傾いて形成され、互いに平行な第１の反射面および第２の反射面と、
   前記入射面と前記出射面との間を伝搬する光が反射し、前記入射面の法線から傾いて形成され、前記第１の反射面と直交しかつ互いに平行な第３の反射面および第４の反射面と、を備え、
   前記入射面の中心に光線束の中心を一致させかつ光線束の方向が前記第１の反射面および前記第３の反射面に平行となるように前記入射面へ入射した光を、前記第１の反射面、前記第２の反射面、前記第３の反射面および前記第４の反射面のいずれかで内部全反射させつつ伝搬させ、前記出射面の中心に光線束の中心を一致させて前記出射面から出射させるまでにおいて、前記第１の反射面における内部全反射の回数と前記第２の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じであり、前記第３の反射面における内部全反射の回数と前記第４の反射面における内部全反射の回数とが互いに同じであることを特徴とする固体レーザ増幅器。
8. 直線偏光であるレーザ光がブリュースター角である入射角をもってＰ偏光で前記入射面へ入射することを特徴とする請求項７に記載の固体レーザ増幅器。
9. 直線偏光であるレーザ光が前記入射面へ入射し、
   前記第１の反射面と前記第２の反射面とへ、Ｐ偏光とＳ偏光とのいずれか一方の直線偏光でレーザ光が入射することを特徴とする請求項７または８に記載の固体レーザ増幅器。
10. 前記第３の反射面と前記第４の反射面とに光学薄膜が設けられており、
    前記光学薄膜でのＰ偏光とＳ偏光との反射によってＰ偏光とＳ偏光とに生じる位相差は、前記固体レーザ媒質を伝搬する光の波長の１０分の１以下であることを特徴とする請求項９に記載の固体レーザ増幅器。
11. 前記第３の反射面と前記第４の反射面とへ、前記固体レーザ媒質を励起するための励起光を照射し、
    前記光学薄膜は、前記固体レーザ媒質を励起するための励起光の反射を低減する反射防止膜を兼ねることを特徴とする請求項１０に記載の固体レーザ増幅器。
12. 前記第１の反射面と前記第２の反射面とのうちの少なくとも一方を冷却する冷却器を有することを特徴とする請求項７から１１のいずれか１つに記載の固体レーザ増幅器。
13. 請求項７から１２のいずれか１つに記載の固体レーザ増幅器を備えることを特徴とする固体レーザ発振器。

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