JP7097236B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

特許文献１には、レーザ装置が記載されている。このレーザ装置は、共振型レーザ増幅器と、共振型レーザ増幅器によって増幅されたレーザ光をさらに増幅するパス型レーザ光増幅器（マルチパスアンプ）と、を備えている。パス型レーザ光増幅器は、レーザ媒体と、レーザ光の光路（パス）を形成する６つ反射板と、を有する。反射板によって形成された光路は、全て、レーザ媒体を通過するように構成されている。共振型レーザ増幅器からのレーザ光は、反射板を次々と反射することにより、多数の光路を通過してから出力される。レーザ光は、これらの光路を通過するたびに、レーザ媒体を通過する。レーザ光は、レーザ媒体を通過するたびに増幅される。

特開２００５－３２７８５７号公報

ところで、高いパルスエネルギーを出力するレーザ装置は、大型且つ高コストであると共に繰り返し率が低いため、産業展開が困難であった。近年、半導体レーザの高出力化により小型で繰り返し率が高い様々な固体レーザ装置の開発が進められている。それらの中でも、Ｙｂ系レーザは、Ｎｄ系レーザに比べて、少ない半導体レーザにより高出力化が望めるため期待されている。しかしながら、Ｙｂ系レーザは３準位のレーザであるため、低ドープイオン濃度化、高強度励起化、及び、低温化といったように、Ｎｄ系レーザとは異なる特別な対策が要求される場合がある。

これに対して、特許文献１に記載されたレーザ装置のように、マルチパス方式によれば、低ドープイオン濃度化と高強度励起化とを実現して高出力化を図ることができるとも考えられるが、上記の通り複雑な光学系が必要である。また、低温化のためには、装置の全体が大型化するため、実用化が困難である。

本発明は、簡単な構成により高出力化可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ装置は、シード光を増幅するためのレーザ媒質と、レーザ媒質を励起するための励起光を出力すると共に、励起光を前記レーザ媒質に入射させてレーザ媒質の励起領域に入力するための第１光学系と、第１偏光のシード光を、レーザ媒質に対して０°よりも大きな入射角をもってレーザ媒質に入射させて励起領域に入力するための第２光学系と、を備え、第２光学系は、第１偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように通過させると共に、レーザ媒質からの第１偏光と異なる第２偏光の前記シード光を反射する第１ビームスプリッタと、第１ビームスプリッタとレーザ媒質との間に配置され、シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第１位相シフト素子と、第１位相シフト素子を介してレーザ媒質に入射されたシード光を、レーザ媒質から出射されるように反射する反射する第１ミラーと、第１ミラーによって反射されたシード光を、レーザ媒質を介して第１ミラーに戻すように反射することによって、第１ミラーによって再び反射させて第１位相シフト素子を介して第１ビームスプリッタに向かわせる第２ミラーと、を有する。

このレーザ装置においては、増幅対象のシード光は、第１偏光（例えばＰ偏光）において第１ビームスプリッタに入力される。第１偏光のシード光は、第１ビームスプリッタを通過してレーザ媒質に向かう。第１ビームスプリッタからレーザ媒質に向かう第１偏光のシード光は、第１位相シフト素子を通過することにより、その偏光成分に１／４波長の位相差がつく。第１位相シフト素子を通過したシード光は、０°よりも大きな入射角をもってレーザ媒質に入射する。レーザ媒質に入射したシード光は、励起領域に入力されて増幅された後に、第１ミラーによって反射されて再度増幅された後に、レーザ媒質から出射される。レーザ媒質から出射されたシード光は、第２ミラーによって反射されて再びレーザ媒質に入射される。第２ミラーによって反射されてレーザ媒質に入射されたシード光は、第１ミラーによって再び反射され、第１位相シフト素子を介して第１ビームスプリッタに向かう。

このとき、シード光は、再び第１位相シフト素子を通過することにより、その偏光成分にさらに１／４波長の位相差がつけられ、第２偏光（例えばＳ偏光）とされている。このため、シード光は、第１ビームスプリッタによって反射されて分岐される。第１ビームスプリッタによって分岐されたシード光は、例えば、別の光学系よって再びレーザ媒質に導かれ、さらなる増幅に供されてもよい。このように、このレーザ装置においては、第１ビームスプリッタと第１位相シフト素子による偏光方向に応じた増幅経路の切り分けと、第１ミラー及び第２ミラーによる増幅経路の倍化と、が両立される。この結果、簡単な構成によって多数の増幅を実現して高出力化が可能である。なお、第１ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである。

本発明に係るレーザ装置は、第１ビームスプリッタによって反射された第２偏光のシード光をレーザ媒質に入射させて励起領域に入力するための第３光学系を備え、第３光学系は、第１ビームスプリッタからの第２偏光のシード光をレーザ媒質に向かうように反射すると共に、レーザ媒質からの第１偏光のシード光を通過させる第２ビームスプリッタと、第２ビームスプリッタとレーザ媒質との間に配置され、シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第２位相シフト素子と、第２位相シフト素子を介してレーザ媒質に入射されたシード光を、第２位相シフト素子を介して前記第２ビームスプリッタに向かうように反射する第３ミラーと、を有してもよい。

この場合、第１ビームスプリッタによって分岐されたシード光は、第２ビームスプリッタに入力される。第２ビームスプリッタに入力された第２偏光のシード光は、第２ビームスプリッタによってレーザ媒質に向かうように反射される。第２ビームスプリッタからレーザ媒質に向かう第２偏光のシード光は、第２位相シフト素子を通過することにより、その偏光成分に１／４波長の位相差がつく。第２位相シフト素子を通過したシード光は、レーザ媒質の励起領域に入力されて増幅された後に、第３ミラーによって反射されて再度増幅された後に再び第２位相シフト素子を通過し、第２ビームスプリッタに入力される。

このとき、シード光は、再び第２位相シフト素子を通過することにより、その偏光成分にさらに１／４波長の位相差がつけられ、第１偏光とされている。このため、シード光は、第２ビームスプリッタを通過する。この結果、第２ビームスプリッタを通過したシード光は、少なくとも６度の増幅を経て出力される。このように、このレーザ装置においては、簡単な構成によってより多数の増幅を実現して高出力化が可能である。なお、第２ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである。

本発明に係るレーザ装置は、第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間に配置され、第１ビームスプリッタから第２ビームスプリッタに向かう方向に光を通過させる光アイソレータを備えてもよい。この場合、第２ビームスプリッタから第１ビームスプリッタに向かう方向の光の進行が抑制される。この結果、意図しない共振器の構成及び誘導放射が避けられる。なお、このレーザ装置においては、第１ビームスプリッタからレーザ媒質の間、及び、第２ビームスプリッタからレーザ媒質との間の経路は、シード光が往復する。したがって、この場合のように、シード光の往復を要さない第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間に光アイソレータを介在させることが有効である。なお、光アイソレータは、ファラデーアイソレータを含んでもよい。

本発明に係るレーザ装置においては、レーザ媒質は、第１面と、第１面の反対側の第２面と、を含み、第１光学系は、励起光を第１面側からレーザ媒質に入射させ、第２光学系は、シード光を第２面側からレーザ媒質に入射させてもよい。この場合、励起光の光路と、シード光の光路とが、レーザ媒質の両側に分配されることとなる。このため、各々の光路の干渉を考慮することなく光学系を設計できる。

本発明に係るレーザ装置においては、第１面には、励起光を透過すると共にシード光を反射するコートが形成されており、第１ミラーは、コートによる構成されるミラーを含んでもよい。この場合、より簡単な構成により高出力化が可能となる。

本発明に係るレーザ装置においては、レーザ媒質は、活性元素としてＹｂを含んでもよい。このように、Ｙｂ系のレーザ媒質を用いた場合には、例えばＮｄ系のレーザ媒質を用いた場合と比較して、高強度励起のために、より狭い励起領域に励起光及びシード光を入力する必要がある。このため、光学系のアライメントの高精度化及び容易化の重要性が相対的に高い。したがって、このレーザ装置によって簡単な構成を実現することがより有効となる。

本発明に係るレーザ装置は、シード光を増幅するためのレーザ媒質と、レーザ媒質を励起するための励起光を出力すると共に、励起光をレーザ媒質に入射させてレーザ媒質の励起領域に入力するための第１光学系と、第１偏光のシード光を、レーザ媒質に対して０°よりも大きな入射角をもってレーザ媒質に入射させて励起領域に入力するための第２光学系と、を備え、第２光学系は、第１偏光のシード光をレーザ媒質に向かうように通過させると共に、レーザ媒質からの第１偏光と９０°異なる第２偏光のシード光を反射する第１ビームスプリッタと、第１ビームスプリッタとレーザ媒質との間に配置され、シード光の偏光方向を４５°回転させるファラデーローテータと、ファラデーローテータを介してレーザ媒質に入射された前記シード光を、レーザ媒質から出射されるように反射する第１ミラーと、第１ミラーによって反射されたシード光を、レーザ媒質を介して第１ミラーに戻すように反射することによって、第１ミラーによって再び反射させてファラデーローテータを介して第１ビームスプリッタに向かわせる第２ミラーと、を有する。

このレーザ装置においても、上述したレーザ装置と同様に、簡単な構成によって多数の増幅を実現して高出力化が可能である。特に、このレーザ装置においては、偏光回転素子としてファラデーローテータを用いている。このため、レーザ媒質で発生した熱による偏光方向のばらつきを補償できる。

本発明によれば、簡単な構成により高出力化可能なレーザ装置を提供できる。

本実施形態に係るレーザ装置の全体構成を示す模式図である。 図１に示された第１光学系を示す模式図である。 図１の要部を拡大して示す模式図である。 ファラデーローテータの一例を示す図である。 ファラデーアイソレータの一例を示す図である。

以下、一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態に係るレーザ装置の全体構成を示す模式図である。図１に示されるように、レーザ装置１は、２段階の増幅機構を備えている。レーザ装置１は、第１段の増幅機構として、光源２と、レーザ媒質３と、第１光学系１０と、第２光学系２０と、第３光学系４０と、を備えている。光源２は、シード光（シード光Ｃ０）を出力する。シード光は、例えば、１０３０ｎｍ程度の波長を有するレーザ光である。レーザ媒質３は、シード光を増幅する。レーザ媒質３は、例えば、活性元素としてＹｂを含むレーザ利得媒質（一例としてＹｂ：ＹＡＧ）である。

第１光学系１０は、レーザ媒質３を励起するための励起光Ｅ１を出力すると共に、励起光Ｅ１をレーザ媒質３に入射させて後述する励起領域Ｒに入力する。励起光Ｅ１の波長は、シード光の波長と異なる。励起光Ｅ１は、例えば、９４０ｎｍ程度の波長を有するレーザ光である。第２光学系２０は、光源２からのシード光を導光してレーザ媒質３の励起領域Ｒに入力する。

図２は、図１に示された第１光学系を示す模式図である。図２に示されるように、第１光学系１０は、励起光源１１と、レンズ１２，１３，１４，１５と、を有する。励起光源１１は、励起光Ｅ１を出力する。励起光源１１は、例えば、半導体レーザ装置である。一例として、励起光源１１は、半導体レーザアレイにより構成され得る。レンズ１２～１５は、励起光源１１から出力された励起光Ｅ１を励起領域Ｒに集光する。レンズ１２～１５は、例えばシリンドリカルレンズである。レンズ１２～レンズ１５は、励起光源１１からレーザ媒質３に向かって順に配列されている。

レンズ１２は、励起光源１１から出力された励起光Ｅ１をファスト軸方向にコリメートする。レンズ１３は、レンズ１２からの励起光Ｅ１をスロー軸方向にコリメートする。レンズ１４は、レンズ１３からの励起光Ｅ１をファスト軸方向に集光する。レンズ１５は、レンズ１４からの励起光Ｅ１をスロー軸方向に集光する。これにより、励起光Ｅ１は、ファスト軸方向及びスロー軸方向の両方において集光され、レーザ媒質３の励起領域Ｒに入力される。

図３は、図１の要部を拡大して示す模式図である。図１～３に示されるように、レーザ媒質３は、例えば平板状に形成されている。レーザ媒質３は、第１面３ａと、第１面３ａと反対側の第２面３ｂと、を有している。第１面３ａと第２面３ｂとは、例えば互いに平行である。第１光学系１０は、第１面３ａ側に配置されており、第１面３ａ側から励起光Ｅ１をレーザ媒質３に入射させて励起領域Ｒに入力する。第２光学系２０及び第３光学系４０の主な構成は、第２面３ｂ側に配置されている。第２光学系２０及び第３光学系４０は、第２面３ｂ側からシード光をレーザ媒質３に入射させて励起領域Ｒに入力する。

第１面３ａにはコート（第１ミラー、第３ミラー）４が形成されており、第２面３ｂにはコート５が形成されている。コート４，５は、例えば、誘電体多層膜である。コート４は、励起光Ｅ１の波長に対する無反射コートと、シード光の波長に対する反射コートと、を含む。すなわち、コート４は、励起光Ｅ１を透過すると共に、シード光を反射する。コート５は、励起光Ｅ１の波長に対する反射コートと、シード光の波長に対する無反射コートと、を含む。すなわち、コート５は、励起光Ｅ１を反射すると共に、シード光を透過する。

第２光学系２０は、ミラー２１，２２、光アイソレータ２３、位相シフト素子２４、ミラー２５、第１ビームスプリッタ２６、第１位相シフト素子２７、及び、ミラー（第２ミラー）２８を有している。第３光学系４０は、第２ビームスプリッタ２９、ミラー（第３ミラー）３０、第２位相シフト素子３１、ミラー（第３ミラー）３２、ミラー３３、及び、光アイソレータ３４を有している。なお、第１ビームスプリッタ２６及び第２ビームスプリッタ２９は、偏光ビームスプリッタであり、第１位相シフト素子２７及び第２位相シフト素子３１は、例えば波長板（ここではλ／４波長板）である。

ミラー２１，２２は、光源２から出力されたシード光Ｃ０を反射することにより導光して光アイソレータ２３に入力する。光アイソレータ２３は戻り光を防止する。位相シフト素子２４は、光アイソレータ２３から出力されたシード光Ｃ０を入力する。位相シフト素子２４は、シード光Ｃ０の偏光成分に位相差をつけ、第１偏光（例えばＰ偏光）のシード光Ｃ１として出力する。ミラー２５は、位相シフト素子２４から出力された第１偏光のシード光Ｃ１を反射して第１ビームスプリッタ２６に入力する。

第１ビームスプリッタ２６は、第１偏光のシード光をレーザ媒質３に向かうように通過させると共に、第１偏光と９０°異なる第２偏光（例えばＳ偏光）のシード光を第２ビームスプリッタ２９に向かうように反射する機能を有する。したがって、第１ビームスプリッタ２６は、位相シフト素子２４によって第１偏光とされてミラー２５によって導光されたシード光Ｃ１を、レーザ媒質３に向けて通過させる。

第１位相シフト素子２７は、第１ビームスプリッタ２６とレーザ媒質３との間に配置されている。第１位相シフト素子２７は、光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける機能を有している。したがって、ここでは、第１位相シフト素子２７は、第１ビームスプリッタ２６からのシード光Ｃ１を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ２として出力する。第１位相シフト素子２７から出力されたシード光Ｃ２は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）に入力され、レーザ媒質３での増幅に供される。ここでは、シード光Ｃ２は、レーザ媒質３の第１面３ａに対して０°よりも大きな入射角（例えば３０°程度）をもって斜めに入射される。

コート４は、第１位相シフト素子２７を介してレーザ媒質３に入射され、レーザ媒質３内を進行したシード光Ｃ２を、再びレーザ媒質３内を進行してレーザ媒質３から出射されるように反射する。ここでは、コート４は、シード光Ｃ２を、レーザ媒質３への入射角に応じた角度をもって斜めに出射する。ミラー２８は、コート４によって反射されたシード光Ｃ２を反射してコート４に戻す。ミラー２８の反射面は、シード光Ｃ２に直交している（ミラー２８は０°ミラーである）。したがって、ミラー２８によって反射されたシード光Ｃ２は、コート４からミラー２８に向かう光路を逆に経てレーザ媒質３に戻される。また、レーザ媒質３に戻されたシード光Ｃ２は、コート４によって再び反射されて第１位相シフト素子２７及び第１ビームスプリッタ２６に向かう。すなわち、ミラー２８は、コート４によって反射されたシード光Ｃ２を、レーザ媒質３を介してコート４に戻すように反射することにより、第１位相シフト素子２７を介して第１ビームスプリッタ２６に向かように反射する。これにより、シード光Ｃ２は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）を４回通過して増幅されることになる。

レーザ媒質３と第１ビームスプリッタ２６との間には、第１位相シフト素子２７が介在されている。したがって、第１位相シフト素子２７は、コート４及びミラー２８により反射された増幅後のシード光Ｃ２を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ３として出力する。第１位相シフト素子２７から出力されたシード光Ｃ３の偏光方向は、シード光Ｃ１と比較して、偏光成分の位相が１／２波長シフトすることで９０°回転されることになり、第２偏光となる。第１位相シフト素子２７から出力されたシード光Ｃ３は、第１ビームスプリッタ２６に入力される。

上述したように、第１ビームスプリッタ２６は、第２偏光のシード光を第２ビームスプリッタ２９に向かうように反射する機能を有する。したがって、第１ビームスプリッタ２６は、第２偏光のシード光Ｃ３を、第２ビームスプリッタ２９に向けて反射する。第２ビームスプリッタ２９は、第２偏光のシード光をレーザ媒質３に向かうように反射すると共に、第１偏光のシード光を通過させる機能を有する。したがって、第２ビームスプリッタ２９は、第１ビームスプリッタ２６からの第２偏光のシード光Ｃ３を、レーザ媒質３に向かうように反射する。ここでは、第２ビームスプリッタ２９は、シード光Ｃ３をミラー３０に向けて反射する。ミラー３０は、第２ビームスプリッタ２９からのシード光Ｃ３をミラー３２に向けて反射する。ミラー３２は、ミラー３０からのシード光Ｃ３をレーザ媒質３に向けて反射する。

第２位相シフト素子３１は、光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける機能を有している。第２位相シフト素子３１は、ミラー３０とミラー３２との間、すなわち、第２ビームスプリッタ２９とレーザ媒質３との間に配置されている。したがって、第２位相シフト素子３１は、第２ビームスプリッタ２９からミラー３０を経由したシード光Ｃ３を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ４として出力する。第２位相シフト素子３１から出力されたシード光Ｃ４は、ミラー３２により反射されてレーザ媒質３に入力される。ここでは、シード光Ｃ４は、レーザ媒質３の第１面３ａに対して０°の入射角をもって入射される。

コート４は、レーザ媒質３に入射されたシード光Ｃ４をミラー３２に向けて反射する。コート４の反射面は、シード光Ｃ４に直交している（コート４はシード光Ｃ４に対する０°ミラーである）。したがって、コート４によって反射されたシード光Ｃ４は、ミラー３２からコート４に向かう光路を逆に経て、ミラー３２，３０、第２位相シフト素子３１、及び、第２ビームスプリッタ２９に向かう。すなわち、コート４、及び、ミラー３２，３０は、第２位相シフト素子３１を介してレーザ媒質３に入力されたシード光Ｃ４を、第２位相シフト素子３１を介して第２ビームスプリッタ２９に向かように反射する。これにより、シード光Ｃ４は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）を２回通過して増幅されることになる。

ミラー３２とミラー３０との間には、第２位相シフト素子３１が介在されている。したがって、第２位相シフト素子３１は、コート４により反射された増幅後のシード光Ｃ４を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ５として出力する。第２位相シフト素子３１から出力されたシード光Ｃ５の偏光方向は、シード光Ｃ３と比較して、偏光成分の位相が１／２波長シフトすることで９０°回転されることになり、第１偏光となる。第２位相シフト素子３１から出力されたシード光Ｃ５は、ミラー３０を介して第２ビームスプリッタ２９に入力される。

上述したように、第２ビームスプリッタ２９は、第１偏光のシード光を通過させる機能を有する。したがって、第２ビームスプリッタ２９は、ミラー３０からの第１偏光のシード光Ｃ５を通過させる。第２ビームスプリッタ２９を通過したシード光Ｃ５は、ミラー３３により反射された後に、第２段の増幅機構に提供される。以上のように、レーザ装置１においては、第１段の増幅機構において、レーザ媒質３を通過する６つの経路が形成され、シード光の６回の増幅が行われる。

なお、図３に示されるように、レーザ装置１においては、第１ビームスプリッタ２６と第２ビームスプリッタ２９との間に光アイソレータ３４が配置されている。光アイソレータ３４は、第１ビームスプリッタ２６から第２ビームスプリッタ２９に向かう方向のみに光を通過させ、逆方向の光の通過を防止する。

ここで、レーザ装置１は、第２段の増幅機構として、第１段の増幅機構と概ね同様の構成をさらに備えている。すなわち、レーザ装置１は、第２段の増幅機構として、ミラー５１と、レーザ媒質３と、第１光学系１０と、第２光学系５０と、第３光学系７０と、を備えている。第２光学系５０には、第１段の増幅機構からのシード光Ｃ５がミラー５１により反射されて導入される。

第２光学系５０は、第１ビームスプリッタ５２、第１位相シフト素子５３、及び、ミラー（第２ミラー）５４を有している。第３光学系７０は、第２ビームスプリッタ５５、ミラー（第３ミラー）５６、第２位相シフト素子５８、ミラー（第３ミラー）５７、ミラー５９、及び、光アイソレータ（不図示）を有している。なお、第１ビームスプリッタ５２及び第２ビームスプリッタ５５は、偏光ビームスプリッタであり、第１位相シフト素子５３及び第２位相シフト素子５８は、例えば波長板（ここではλ／４波長板）である。

第１ビームスプリッタ５２は、第１偏光のシード光をレーザ媒質３に向かうように通過させると共に、第１偏光と９０°異なる第２偏光のシード光を第２ビームスプリッタに向かうように反射する機能を有する。したがって、第１ビームスプリッタ５２は、ミラー５１により導光された第１偏光のシード光Ｃ５を、レーザ媒質３に向けて通過させる。

第１位相シフト素子５３は、第１ビームスプリッタ５２とレーザ媒質３との間に配置されている。第１位相シフト素子５３は、光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける機能を有している。したがって、ここでは、第１位相シフト素子５３は、第１ビームスプリッタ５２からのシード光Ｃ５を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ６として出力する。第１位相シフト素子５３から出力されたシード光Ｃ６は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）に入力され、レーザ媒質３での増幅に供される。ここでは、シード光Ｃ６は、レーザ媒質３の第１面３ａに対して０°よりも大きな入射角（例えば３０°程度）をもって斜めに入射される。

コート４は、第１位相シフト素子５３を介してレーザ媒質３に入射され、レーザ媒質３内を進行したシード光Ｃ６を、再びレーザ媒質３を進行してレーザ媒質３から出射されるように反射する。ここでは、コート４は、シード光Ｃ６を、レーザ媒質３への入射角に応じた角度をもって斜めに出射する。ミラー５４は、コート４によって反射されたシード光Ｃ６を反射してコート４に戻す。ミラー５４の反射面は、シード光Ｃ６に直交している（ミラー５４は０°ミラーである）。したがって、ミラー５４によって反射されたシード光Ｃ６は、コート４からミラー５４に向かう光路を逆に経てレーザ媒質３に戻される。また、レーザ媒質３に戻されたシード光Ｃ２は、コート４によって再び反射されて第１位相シフト素子５３及び第１ビームスプリッタ５２に向かう。すなわち、ミラー５４は、コート４によって反射されたシード光Ｃ２を、レーザ媒質３を介してコート４に戻すように反射することにより、第１位相シフト素子５３を介して第１ビームスプリッタ５２に向かように反射する。これにより、シード光Ｃ６は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）を４回通過して増幅されることになる。

レーザ媒質３と第１ビームスプリッタ５２との間には、第１位相シフト素子５３が介在されている。したがって、第１位相シフト素子５３は、コート４及びミラー５４により反射された増幅後のシード光Ｃ６を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ７として出力する。第１位相シフト素子５３から出力されたシード光Ｃ７の偏光方向は、シード光Ｃ５と比較して、偏光成分の位相が１／２波長シフトすることで９０°回転されることになり、第２偏光となる。第１位相シフト素子５３から出力されたシード光Ｃ７は、第１ビームスプリッタ５２に入力される。

上述したように、第１ビームスプリッタ５２は、第２偏光のシード光を第２ビームスプリッタ５５に向かうように反射する機能を有する。したがって、第１ビームスプリッタ５２は、第２偏光のシード光Ｃ７を、第２ビームスプリッタ５５に向けて反射する。第２ビームスプリッタ５５は、第２偏光のシード光をレーザ媒質３に向かうように反射すると共に、第１偏光のシード光を通過させる機能を有する。したがって、第２ビームスプリッタ５５は、第１ビームスプリッタ５２からの第２偏光のシード光Ｃ７を、レーザ媒質３に向かうように反射する。ここでは、第２ビームスプリッタ５５は、シード光Ｃ７をミラー５６に向けて反射する。ミラー５６は、第２ビームスプリッタ５５からのシード光Ｃ７をミラー５７に向けて反射する。ミラー５７は、ミラー５６からのシード光Ｃ７をレーザ媒質３に向けて反射する。

第２位相シフト素子５８は、光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける機能を有している。第２位相シフト素子５８は、ミラー５７とレーザ媒質３との間、すなわち、第２ビームスプリッタ５５とレーザ媒質３との間に配置されている。したがって、第２位相シフト素子５８は、第２ビームスプリッタ５５からミラー５６，５７を経由したシード光Ｃ７を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ８として出力する。第２位相シフト素子５８から出力されたシード光Ｃ８は、レーザ媒質３に入力される。ここでは、シード光Ｃ８は、レーザ媒質３の第１面３ａに対して０°の入射角をもって入射される。

コート４は、レーザ媒質３に入射されたシード光Ｃ８をミラー５７に向けて反射する。コート４の反射面は、シード光Ｃ８に直交している（コート４はシード光Ｃ８に対する０°ミラーである）。したがって、コート４によって反射されたシード光Ｃ８は、ミラー５７からコート４に向かう光路を逆に経て、第２位相シフト素子５８、ミラー５７，５６、及び、第２ビームスプリッタ５５に向かう。すなわち、コート４、及び、ミラー５７，５６は、第２位相シフト素子５８を介してレーザ媒質３に入力されたシード光Ｃ８を、第２位相シフト素子５８を介して第２ビームスプリッタ５５に向かように反射する。これにより、シード光Ｃ８は、レーザ媒質３（励起領域Ｒ）を２回通過して増幅されることになる。

第２位相シフト素子５８は、コート４により反射された増幅後のシード光Ｃ８を入力し、その偏光成分に１／４波長の位相差をつけてシード光Ｃ９として出力する。第２位相シフト素子５８から出力されたシード光Ｃ９の偏光方向は、シード光Ｃ７と比較して、偏光成分の位相が１／２波長シフトすることで９０°回転されることになり、第１偏光となる。第２位相シフト素子５８から出力されたシード光Ｃ９は、ミラー５６，５７を介して第２ビームスプリッタ５５に入力される。

上述したように、第２ビームスプリッタ５５は、第１偏光のシード光を通過させる機能を有する。したがって、第２ビームスプリッタ５５は、ミラー５７からのシード光Ｃ９を通過させる。第２ビームスプリッタ５５を通過したシード光Ｃ９は、ミラー５９，６０により反射された後に、出力光として外部に取り出される。以上のように、レーザ装置１においては、第２段の増幅機構においても、レーザ媒質３を通過する６つの経路が形成され、シード光の６回の増幅が行われる。

ここで、レーザ装置１は、上述した第１位相シフト素子２７，５３、及び、第２位相シフト素子３１，５８等の位相シフト素子に代えて、偏光回転素子であるファラデーローテータを備えていてもよい。図４は、ファラデーローテータの一例を示す図である。ファラデーローテータは、磁場中を進行する光の偏光が回転する現象であるファラデー効果を利用した偏光回転素子である。

図４の（ａ）に示されるように、ファラデーローテータＦＲは、第１方向に進行する第１偏光Ｄａの光Ｌ１を入力した場合、その偏光方向を４５°回転して、第２偏光Ｄｂの光Ｌ２を出力する。また、図４の（ｂ）に示されるように、ファラデーローテータＦＲは、第１方向と逆方向の第２方向に進行する第２偏光Ｄｂの光Ｌ２を入力した場合には、その偏光方向をさらに４５°回転して、第３偏光Ｄｃ（第１偏光Ｄａから９０°回転した偏光）の光Ｌ３を出力する。

したがって、上述した第１位相シフト素子２７，５３をファラデーローテータに置き換えた場合には、ファラデーローテータは、第１ビームスプリッタ２６，５２とレーザ媒質３との間に配置され、第１ビームスプリッタ２６，５２からのシード光Ｃ１，Ｃ５を入力し、その偏光方向を４５°回転させてシード光Ｃ２，Ｃ６として出力することとなる。また、この場合、ファラデーローテータは、コート４により反射された増幅後のシード光Ｃ２，Ｃ６を入力し、その偏光方向を４５°回転してシード光Ｃ３，Ｃ７として出力することとなる。

さらに上述した第２位相シフト素子３１，５８をファラデーローテータに置き換えた場合には、ファラデーローテータは、第２ビームスプリッタ２９，５５とレーザ媒質３との間に配置され、第２ビームスプリッタ２９，５５からのシード光Ｃ３，Ｃ７を入力し、その偏光方向を４５°回転してシード光Ｃ４，Ｃ８として出力することとなる。また、この場合には、ファラデーローテータは、コート４により反射された増幅後のシード光Ｃ４，Ｃ８を入力し、その偏光方向を４５°回転してシード光Ｃ５，Ｃ９として出力することとなる。

また、レーザ装置１における上述した光アイソレータ３４等の光アイソレータは、例えば、ファラデーアイソレータを含む。ここでは、光アイソレータ３４は、ファラデーアイソレータである。図５は、ファラデーアイソレータを示す図である。図５に示されるように、ファラデーアイソレータＦＩは、ファラデーローテータＦＲと、偏光素子Ｐａ，Ｐｂと、を有する。偏光素子Ｐａ、ファラデーローテータＦＲ、及び偏光素子Ｐｂは、第１方向に順に配列されている。偏光素子Ｐａは、第１偏光Ｄａの光Ｌ１のみを通過させる。偏光素子Ｐｂは、第１偏光Ｄａと４５°異なる第２偏光Ｄｂの光Ｌ２のみを通過させる。

したがって、図５の（ａ）に示されるように、ファラデーアイソレータＦＩに対して第１偏光Ｄａの光Ｌ１が第１方向から入力された場合には、光Ｌ１は偏光素子Ｐａを通過してファラデーローテータＦＲに入力される。ファラデーローテータＦＲに入力された光Ｌ１は、その偏光方向が４５°回転され、第２偏光Ｄｂの光Ｌ２として出力される。ファラデーローテータＦＲから出力された光Ｌ２は、偏光素子Ｐｂを通過して外部に出力される。

一方、図５の（ｂ）に示されるように、ファラデーアイソレータＦＩに対して第２偏光Ｄｂの光Ｌ２が、第１方向と逆方向の第２方向から入力された場合には、光Ｌ２は偏光素子Ｐｂを通過してファラデーローテータＦＲに入力される。ファラデーローテータＦＲに入力された光Ｌ２は、その偏光方向がさらに４５°回転され、第３偏光Ｄｃの光Ｌ３として出力される。ファラデーローテータＦＲから出力された光Ｌ３は、偏光素子Ｐａを通過できず、偏光素子Ｐａにより遮蔽される。

以上説明したように、レーザ装置１においては、増幅対象のシード光Ｃ１は、第１偏光において第１ビームスプリッタ２６に入力される。第１偏光のシード光Ｃ１は、第１ビームスプリッタ２６を通過してレーザ媒質３に向かう。第１ビームスプリッタ２６からレーザ媒質３に向かう第１偏光のシード光Ｃ１は、第１位相シフト素子２７を通過することにより、その偏光成分に１／４波長の位相差がつく。第１位相シフト素子２７を通過したシード光Ｃ２は、０°よりも大きな入射角をもってレーザ媒質３に入射する。レーザ媒質３に入射したシード光Ｃ２は、励起領域Ｒに入力されて増幅された後に、コート４によって反射されて再度増幅された後に、レーザ媒質３から出射される。レーザ媒質３から出射されたシード光Ｃ２は、ミラー２８によって反射されて再びレーザ媒質３に入射される。ミラー２８によって反射されてレーザ媒質３に入射されたシード光Ｃ２は、コート４によって再び反射され、第１位相シフト素子２７を介して第１ビームスプリッタ２６に向かう。

このとき、シード光Ｃ３は、再び第１位相シフト素子２７を通過することにより、その偏光成分にさらに１／４波長の位相差がつけられ、第２偏光（例えばＳ偏光）とされている。このため、シード光Ｃ３は、第１ビームスプリッタ２６によって反射されて分岐される。第１ビームスプリッタ２６によって分岐されたシード光Ｃ３は、例えば、別の光学系（ここでは第３光学系４０）よって再びレーザ媒質３に導かれ、さらなる増幅に供されてもよい。このように、このレーザ装置１においては、第１ビームスプリッタ２６と第１位相シフト素子２７による偏光方向に応じた増幅経路の切り分けと、コート４及びミラー２８による増幅経路の倍化と、が両立される。この結果、簡単な構成によって多数の増幅を実現して高出力化が可能である。

また、レーザ装置１は、第１ビームスプリッタ２６によって反射された第２偏光のシード光Ｃ３をレーザ媒質３に入射させて励起領域Ｒに入力するための第３光学系４０を備えている。第３光学系４０は、第１ビームスプリッタ２６からの第２偏光のシード光Ｃ３をレーザ媒質３に向かうように反射すると共に、レーザ媒質３からの第１偏光のシード光Ｃ５を通過させる第２ビームスプリッタ２９と、第２ビームスプリッタ２９とレーザ媒質３との間に配置され、シード光Ｃ３の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第２位相シフト素子３１と、第２位相シフト素子３１を介してレーザ媒質３に入射されたシード光Ｃ４を、第２位相シフト素子３１を介して第２ビームスプリッタ２９に向かうように反射するコート４と、を有している。

このため、第１ビームスプリッタ２６によって分岐されたシード光Ｃ３は、第２ビームスプリッタ２９に入力される。第２ビームスプリッタ２９に入力された第２偏光のシード光Ｃ３は、第２ビームスプリッタ２９によってレーザ媒質３に向かうように反射される。第２ビームスプリッタ２９からレーザ媒質３に向かう第２偏光のシード光Ｃ３は、第２位相シフト素子３１を通過することにより、その偏光成分に１／４波長の位相差がつく。第２位相シフト素子３１を通過したシード光Ｃ４は、レーザ媒質３の励起領域Ｒに入力されて増幅された後に、コート４によって反射されて再度増幅された後に再び第２位相シフト素子３１を通過し、第２ビームスプリッタ２９に入力される。

このとき、シード光ｃ５は、再び第２位相シフト素子３１を通過することにより、その偏光成分にさらに１／４波長の位相差がつけられ、第１偏光とされている。このため、シード光Ｃ５は、第２ビームスプリッタ２９を通過する。この結果、第２ビームスプリッタ２９を通過したシード光Ｃ５は、少なくとも６度の増幅を経て出力される。このように、このレーザ装置１においては、簡単な構成によってより多数の増幅を実現して高出力化が可能である。

また、レーザ装置１においては、レーザ媒質３は、第１面３ａと、第１面３ａの反対側の第２面３ｂと、を含む。そして、第１光学系１０は、励起光Ｅ１を第１面３ａ側からレーザ媒質３に入射させ、第２光学系２０及び第３光学系４０は、シード光を第２面３ｂ側からレーザ媒質３に入射させる。このため、励起光Ｅ１の光路と、シード光の光路とが、レーザ媒質３の両側に分配されることとなる。このため、各々の光路の干渉を考慮することなく光学系を設計できる。

また、レーザ装置１においては、第１面３ａには、励起光Ｅ１を透過すると共にシード光を反射するコート４が形成されている。そして、シード光Ｃ２，Ｃ４を反射するミラーがコート４により構成されるミラーを含んでいる。このため、より簡単な構成により高出力化が可能となる。

また、レーザ装置１は、第１ビームスプリッタ２６と第２ビームスプリッタ２９との間に配置され、第１ビームスプリッタ２６から第２ビームスプリッタ２９に向かう方向に光を通過させる光アイソレータ３４を備えている。このため、第２ビームスプリッタ２９から第１ビームスプリッタ２６に向かう方向の光の進行が抑制される。この結果、意図しない共振器の構成及び誘導放射が避けられる。なお、このレーザ装置１においては、第１ビームスプリッタ２６からレーザ媒質３の間、及び、第２ビームスプリッタ２９からレーザ媒質３との間の経路は、シード光が往復する。したがって、この場合のように、シード光の往復を要さない第１ビームスプリッタ２６と第２ビームスプリッタ２９との間に光アイソレータ３４を介在させることが有効である。

また、レーザ装置１においては、レーザ媒質３は、活性元素としてＹｂを含んでもよい。このように、Ｙｂ系のレーザ媒質３を用いた場合には、例えばＮｄ系のレーザ媒質を用いた場合と比較して、高強度励起のために、より狭い励起領域Ｒに励起光Ｅ１及びシード光を入力する必要がある。このため、光学系のアライメントの高精度化及び容易化の重要性が相対的に高い。したがって、レーザ装置１によって簡単な構成を実現することがより有効となる。

さらに、レーザ装置１においては、第１位相シフト素子２７及び第２位相シフト素子３１に代えて偏光回転素子としてのファラデーローテータを用いてもよい。この場合、レーザ媒質３で発生した熱による偏光方向のばらつきを補償できる。

以上の実施形態は、本発明に係るレーザ装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ装置は、上述したレーザ装置１に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態においては、レーザ媒質３としてＹｂ系のレーザ利得媒質を例示した。しかしながら、レーザ媒質３としては、例えば、活性元素としてＮｄを含むもの（例えばＮｄ：ＹＡＧ）であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、レーザ媒質３の第１面３ａに設けられたコート４を、シード光Ｃ２，Ｃ４を反射するミラーとして用いる例を挙げた。これに対して、シード光Ｃ２，Ｃ４がレーザ媒質３を透過するように構成すると共に、第１面３ａから離間した位置に、シード光Ｃ２，Ｃ４を第１面３ａに向けて反射する別のミラーを設けてもよい。

また、上記実施形態においては、レーザ装置１は、２段階の増幅機構を備えるものとしたが、１段階であってもよいし、３段階以上であってもよい。さらに、レーザ装置１は、光源２を備えなくてもよい。

以上の実施形態について、以下に付記する。
［付記１］
シード光を増幅するためのレーザ媒質と、
前記レーザ媒質を励起するための励起光を出力すると共に、前記励起光を前記レーザ媒質に入射させて前記レーザ媒質の励起領域に入力するための第１光学系と、
第１偏光の前記シード光を、前記レーザ媒質に対して０°よりも大きな入射角をもって前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するための第２光学系と、
を備え、
前記第２光学系は、
前記第１偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように通過させると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光と９０°異なる第２偏光の前記シード光を反射する第１ビームスプリッタと、
前記第１ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第１位相シフト素子と、
前記第１位相シフト素子を介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記レーザ媒質から出射されるように反射する反射する第１ミラーと、
前記第１ミラーによって反射された前記シード光を、前記レーザ媒質を介して前記第１ミラーに戻すように反射することによって、前記第１ミラーによって再び反射させて前記第１位相シフト素子を介して前記第１ビームスプリッタに向かわせる第２ミラーと、
を有する、
レーザ装置。
［付記２］
前記第１ビームスプリッタによって反射された前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するための第３光学系を備え、
前記第３光学系は、
前記第１ビームスプリッタからの前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように反射すると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光の前記シード光を通過させる第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第２位相シフト素子と、
前記第２位相シフト素子を介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記第２位相シフト素子を介して前記第２ビームスプリッタに向かうように反射する第３ミラーと、
を有する、
付記１に記載のレーザ装置。
［付記３］
前記レーザ媒質は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を含み、
前記第１光学系は、前記励起光を前記第１面側から前記レーザ媒質に入射させ、
前記第２光学系及び前記第３光学系は、前記シード光を前記第２面側から前記レーザ媒質に入射させる、
付記２に記載のレーザ装置。
［付記４］
前記第１面には、前記励起光を透過すると共に前記シード光を反射するコートが形成されており、
前記第１ミラー及び前記第３ミラーは、前記コートによる構成されるミラーを含む、
付記３に記載のレーザ装置。
［付記５］
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間に配置され、前記第１ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタに向かう方向に光を通過させる光アイソレータを備える、
付記２～４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
［付記６］
前記光アイソレータは、ファラデーアイソレータを含む、
付記５に記載のレーザ装置。
［付記７］
前記レーザ媒質は、活性元素としてＹｂを含む、
付記１～６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

１…レーザ装置、２…光源、３…レーザ媒質、３ａ…第１面、３ｂ…第２面、４…コート（第１ミラー，第３ミラー）、１０…第１光学系、２０…第２光学系、２６…第１ビームスプリッタ、２７…第１位相シフト素子、２８…ミラー（第２ミラー）、２９…第２ビームスプリッタ、３０，３２…ミラー（第３ミラー）、３１…第２位相シフト素子、３４…光アイソレータ、４０…第３光学系、Ｅ１…励起光、Ｃ０～Ｃ５…シード光、ＦＲ…ファラデーローテータ、ＦＩ…ファラデーアイソレータ。

Claims (7)

1. シード光を増幅するためのレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質を励起するための励起光を出力すると共に、前記励起光を前記レーザ媒質に入射させて前記レーザ媒質の励起領域に入力するための第１光学系と、
   第１偏光の前記シード光を、前記レーザ媒質に対して０°よりも大きな入射角をもって前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するための第２光学系と、
   第３光学系と、
   を備え、
   前記第２光学系は、
   前記第１偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように通過させると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光と９０°異なる第２偏光の前記シード光を反射する第１ビームスプリッタと、
   前記第１ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第１位相シフト素子と、
   前記第１位相シフト素子を介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記レーザ媒質から出射されるように反射する第１ミラーと、
   前記第１ミラーによって反射された前記シード光を、前記レーザ媒質を介して前記第１ミラーに戻すように反射することによって、前記第１ミラーによって再び反射させて前記第１位相シフト素子を介して前記第１ビームスプリッタに向かわせる第２ミラーと、
   を有し、
   前記第３光学系は、前記第１ビームスプリッタによって反射された前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するためのものであり、
   前記第３光学系は、
   前記第１ビームスプリッタからの前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように反射すると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光の前記シード光を通過させる第２ビームスプリッタと、
   前記第２ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光成分に１／４波長の位相差をつける第２位相シフト素子と、
   前記第２位相シフト素子を介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記第２位相シフト素子を介して前記第２ビームスプリッタに向かうように反射する第３ミラーと、
   を有する、
   レーザ装置。
2. 前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間に配置され、前記第１ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタに向かう方向に光を通過させる光アイソレータを備える、
   請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記光アイソレータは、ファラデーアイソレータを含む、
   請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記レーザ媒質は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を含み、
   前記第１光学系は、前記励起光を前記第１面側から前記レーザ媒質に入射させ、
   前記第２光学系は、前記シード光を前記第２面側から前記レーザ媒質に入射させる、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
5. 前記第１面には、前記励起光を透過すると共に前記シード光を反射するコートが形成されており、
   前記第１ミラーは、前記コートにより構成されるミラーを含む、
   請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ媒質は、活性元素としてＹｂを含む、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. シード光を増幅するためのレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質を励起するための励起光を出力すると共に、前記励起光を前記レーザ媒質に入射させて前記レーザ媒質の励起領域に入力するための第１光学系と、
   第１偏光の前記シード光を、前記レーザ媒質に対して０°よりも大きな入射角をもって前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するための第２光学系と、
   第３光学系と、
   を備え、
   前記第２光学系は、
   前記第１偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように通過させると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光と９０°異なる第２偏光の前記シード光を反射する第１ビームスプリッタと、
   前記第１ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光方向を４５°回転させるファラデーローテータと、
   前記ファラデーローテータを介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記レーザ媒質から出射されるように反射する第１ミラーと、
   前記第１ミラーによって反射された前記シード光を、前記レーザ媒質を介して前記第１ミラーに戻すように反射することによって、前記第１ミラーによって再び反射させて前記ファラデーローテータを介して前記第１ビームスプリッタに向かわせる第２ミラーと、
   を有し、
   前記第３光学系は、前記第１ビームスプリッタによって反射された前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に入射させて前記励起領域に入力するためのものであり、
   前記第３光学系は、
   前記第１ビームスプリッタからの前記第２偏光の前記シード光を前記レーザ媒質に向かうように反射すると共に、前記レーザ媒質からの前記第１偏光の前記シード光を通過させる第２ビームスプリッタと、
   前記第２ビームスプリッタと前記レーザ媒質との間に配置され、前記シード光の偏光方向を４５°回転させる別のファラデーローテータと、
   前記別のファラデーローテータを介して前記レーザ媒質に入射された前記シード光を、前記別のファラデーローテータを介して前記第２ビームスプリッタに向かうように反射する第３ミラーと、
   を有する、
   レーザ装置。

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