JPH11251670A - 色素レーザ増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】より大出力化が可能であり、安定な出力が得ら
れる色素レーザ装置に備えられる色素レーザ増幅装置を
提供することができる。 【解決手段】励起レーザビームを励起領域に供給するた
めに光ファイバ１３を利用し、光ファイバ１３と色素レ
ーザ増幅器との間に設置する励起光学系に、より多数本
の光ファイバ１３を配列可能な方式を適用する。すなわ
ち、光ファイバ１３を空間的に二次元的に配置し、かつ
それぞれの光ファイバ１３から出射される励起レーザビ
ームをカライドスコープ２５を用いて均一化した後、テ
レセントリック型結像光学系１９により集光するもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ媒質とし
ての色素溶液を励起して色素レーザ光を発振する色素レ
ーザ装置に備えられる増幅装置に係り、特に色素レーザ
を励起するための励起レーザ光を光ファイバによって伝
送することを特徴とする色素レーザ増幅装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、色素レーザ装置は、図５に示すよ
うに、色素レーザビーム２を出力する発振器１と、この
色素レーザビーム２を増幅する増幅器３と、色素レーザ
ビームを増幅器３に所定の形状で入射させる光学系４と
を有し、色素レーザビーム２が増幅されることにより色
素レーザ増幅ビーム１１を発生している。発振器１及び
増幅器３は、レーザ媒質である色素媒質を含む色素溶液
９を一方向に流して循環する色素循環装置１０ａ，１０
ｂをそれぞれ備えている。発振器１及び増幅器３に供給
される色素溶液９にそれぞれ励起レーザ装置５からの励
起レーザビーム６が照射されることにより、色素溶液９
に含まれる色素媒質が励起される。発振器１において、
励起された色素媒質が低いエネルギ準位に遷移される際
に色素レーザビーム２を発生する。増幅器３において、
色素レーザビーム２は、励起された色素媒質中を通過す
ることにより増幅され、色素レーザ増幅ビーム１１が出
力される。

【０００３】励起レーザビーム６は、励起レーザ装置５
の出力段に設置された光学装置１２により複数本の光フ
ァイバ１３へと導光され、発振器１及び増幅器３のそれ
ぞれに供給される。各光ファイバ１３への供給パワー及
びその本数は、発振器１及び増幅器３の所要パワーに応
じて定められている。光ファイバ１３の出射端には、そ
の出射光を所定の形状で集光するための励起光学系１４
ａ，１４ｂが設置される。発振器１では、色素レーザビ
ーム２が発振される発振領域の励起領域に励起レーザビ
ーム６が片側から照射され、増幅器３では、色素レーザ
ビーム２が励起される励起領域に励起レーザビーム６が
両側から照射される。

【０００４】図６は、色素レーザビームを増幅する増幅
器における励起領域の模式図である。すなわち、レーザ
媒質である色素媒質を含む色素溶液９は、図示しないフ
ローセルが形成する流路内部を、図中の上方から下方に
向かって流れている。この色素溶液９が流れる方向に平
行な軸をＹ軸とする。励起レーザビーム６は、Ｙ軸に直
交する方向すなわちＸ軸方向より励起領域Ｅの両側から
入射され、色素溶液９の所定領域を励起する。色素レー
ザビーム２は、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向から励
起領域Ｅに入射され、増幅された後、色素レーザ増幅ビ
ーム１１としてＺ軸方向に出射される。

【０００５】図５に示したような構造の色素レーザ装置
においては、励起レーザビーム６は、光ファイバ１３が
形成する導波路内に閉じこめられて伝送されるため、励
起レーザビームの集光位置を所定の発振領域に一致させ
るといった微細な位置調整や、励起レーザビームを空間
伝送する際に必要な多数の光学素子が不要となる。

【０００６】ここで、光ファイバ１３の出力端と増幅器
３との間に設置される励起光学系１４ａ，１４ｂは、例
えば公知文献（「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｏｐｔｉｃａ
ｌ−Ｆｉｂｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｎｅｔｗｏｒ
ｋ」，ＩＳＡＭ Ｓｅｍｉａｎｎｕａｌ Ｒｅｐｏｒｔ
Ｖｏｌ．３，ｐ１０−ｐ１８（１９９４））によれ
ば、図７に示すように構成されている。

【０００７】すなわち、光ファイバ１３は、３本で１組
となった状態２０で、色素レーザビームの進行方向と一
致する方向すなわちＺ軸方向に一次元に配置されてお
り、ファイバガイド１５により保持される。これら光フ
ァイバ２０からの出射光は、光学系１６によって、各光
ファイバ１３から出射されるレーザビームの強度分布が
ほぼ重なり合うよう、いったん線状パターン２１に集光
される。この光学系１６は、アナモルフィックな作用を
もつレンズ群により構成されている。

【０００８】光学系１６の後段すなわちビーム進行方向
後方には、この線状パターン２１の集光面を物体面とし
た両側テレセントリックな結像光学系１９として作用す
る１対のレンズ１７，１８が配置され、所定の形状２２
で増幅器３の励起領域を照射する。この時、光学系１６
の出射面像２１と励起領域に集光された集光ビームの形
状２２とは相似形である。このような励起光学系は、複
数本の光ファイバ１３から出射される励起レーザビーム
６を所定の励起領域に空間的に多重化して照射する機能
を有するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示した励起光学系は、空間的な多重化作用をアナモルフ
ィックなレンズ群の作用により実現するため、複数の光
ファイバを一次元方向に配置しなければならないという
制約をもち、同じ理由により励起領域へ照射される励起
レーザビームの強度分布のうち、色素溶液の流れ方向す
なわちＹ軸方向の強度分布２３は均一化されるものの、
色素レーザの光軸方向すなわちＺ軸方向の強度分布２４
は十分に均一化できないという制約をもつ。

【００１０】前者の制約は、光ファイバ１本あたりで伝
送可能な励起レーザビームのパワーとの兼ね合いから色
素レーザビームの出力規模を制限し、後者の制約は、色
素レーザビームの発振効率に無視できない悪影響を与え
る。このため、より大出力化が可能な大規模な色素レー
ザ増幅装置を実現することが困難である。

【００１１】このように、光ファイバによって伝送され
た励起レーザビームを利用して色素レーザビームを励起
する色素レーザ増幅装置においては、色素レーザ増幅装
置の励起領域に供給する光ファイバの本数及びその配列
方法に制約があり、また、励起領域に照射される励起レ
ーザビームの強度パターンが不均一となるため、大規模
な高性能色素レーザ増幅装置の実現が困難となる問題が
ある。

【００１２】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたものであり、励起レーザビームを供給する光フ
ァイバと色素レーザ増幅装置との間に設置する励起光学
系の光学特性を改善し、より大出力化が可能であり、安
定な出力が得られる色素レーザ装置に備えられる色素レ
ーザ増幅装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、第１方向に向かって流れる色
素溶液に、所定の励起領域において前記第１方向に直交
する第２方向から励起レーザ光を照射して前記色素溶液
中に含まれる色素媒質を励起し、前記励起領域内に前記
第１及び第２方向に直交する第３方向から色素レーザ光
を入射させて前記色素レーザ光の強度を増幅する色素レ
ーザ増幅装置において、前記励起レーザ光を前記励起領
域に導入する光ファイバと、前記光ファイバから出力さ
れる励起レーザ光の前記第１方向及び第３方向の強度分
布を均一化する第１光学手段と、前記第１光学手段から
出力された励起レーザ光の出力像を、前記励起領域内の
色素溶液に所定の形状にて結像する第２の光学手段と、
を備えていることを特徴とする色素レーザ増幅装置を提
供するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明に
係る色素レーザ増幅装置の実施の形態について詳細に説
明する。図１は、この発明の色素レーザ増幅装置が適用
される色素レーザ装置の構成を概略的に示す図である。
すなわち、色素レーザ装置は、色素レーザビーム２を出
力する発振器１と、この色素レーザビーム２を増幅する
増幅器３と、色素レーザビームを増幅器３に所定の形状
で入射させる光学系４とを有している。

【００１５】発振器１及び増幅器３は、レーザ媒質であ
る色素媒質を含む色素溶液９を一方向に流す図示しない
フローセルを備えている。発振器１及び増幅器３にそれ
ぞれ備えられたフローセルは、色素溶液９を循環する色
素循環装置１０ａ，１０ｂに接続されている。すなわ
ち、色素溶液９は、色素循環装置１０ａ、１０ｂと発振
器１及び増幅器３との間にそれぞれ形成された流路内部
を流れ、循環されている。

【００１６】また、この色素レーザ装置は、発振器１及
び増幅器３の各フローセル内部を流れる色素溶液９を励
起する励起レーザ装置５ａ、５ｂを備えている。これら
の励起レーザ装置５ａ、５ｂは、互いに発振タイミング
が異なる２系列すなわちａ系列、及びｂ系列のパルス発
振レーザ装置によって構成されている。

【００１７】励起レーザ装置５ａ、５ｂから出力された
励起レーザビーム６ａ、６ｂは、励起レーザ装置５ａ、
５ｂのそれぞれの出力段に設置された光学装置１２ａ、
１２ｂにより複数本の光ファイバ１３へと導光され、発
振器１及び増幅器３のそれぞれに供給される。各光ファ
イバ１３への供給パワー及びその本数は、発振器１及び
増幅器３の所要パワーに応じて定められている。光ファ
イバ１３の出射端には、その出射光を所定の形状で集光
するための励起光学系１４ａ，１４ｂが設置されてい
る。そして、励起レーザ装置５ａ、５ｂからの励起レー
ザビーム６ａ、６ｂは、発振器１及び増幅器３に備えら
れたフローセルの所定領域すなわち励起領域に向けて照
射される。

【００１８】発振器１及び増幅器３に供給される色素溶
液９に、それぞれ励起レーザ装置５ａ、５ｂからの励起
レーザビーム６ａ，６ｂが照射されることにより、色素
溶液９に含まれる色素媒質が励起される。

【００１９】発振器１では、色素レーザビーム２が発振
される発振領域すなわち励起領域に励起レーザビーム６
がフローセルの片側から照射される。そして、励起され
た色素媒質が低いエネルギ準位に遷移される際に色素レ
ーザビーム２を発生する。発生された色素レーザビーム
２は、光学系４により増幅器３に導かれる。

【００２０】増幅器３では、色素レーザビーム２が励起
される励起領域に励起レーザビーム６がフローセルの２
方向すなわちセルの両側から照射される。そして、色素
レーザビーム２は、励起された色素媒質中を通過するこ
とにより増幅され、色素レーザ増幅ビーム１１が出力さ
れる。

【００２１】図６に示したように、レーザ媒質である色
素媒質を含む色素溶液９は、増幅器３に設けられた図示
しないフローセルが形成する流路内部を、図中の上方か
ら下方に向かって流れている。この色素溶液９が流れる
方向に平行な軸をＹ軸とする。励起レーザビーム６は、
Ｙ軸に直交する方向すなわちＸ軸方向より励起領域Ｅの
両側から入射され、色素溶液９の所定領域を励起する。
色素レーザビーム２は、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方
向から励起領域Ｅに入射され、増幅された後、色素レー
ザ増幅ビーム１１としてＺ軸方向に出射される。

【００２２】図１に示した色素レーザ装置の光ファイバ
１３の出力端と増幅器３との間に備えられる励起光学系
１４ｂは、図２に示すような構成である。すなわち、図
２に示した実施の形態では、合計６本の光ファイバ１３
は、ファイバガイド１５内に保持されている。すなわ
ち、ファイバガイド１５は、６本の光ファイバの出射端
が図３に示したようなパターン２０となるように各光フ
ァイバ１３を保持している。色素レーザビーム２が進行
する方向と一致する一次元方向すなわちＺ軸方向に各３
本を配置し、これと垂直な方向すなわちＹ軸方向に２列
配置している。この時、例えば系列ａ及び系列ｂから各
３本の光ファイバによってそれぞれの励起レーザビーム
を導光する。この時の光ファイバ出射端のパターン２０
は、図３に示したように、Ｙ軸方向にそれぞれの系列か
らの光ファイバが１本ずつ１組として配列され、またＺ
軸方向にはこれらの組が３組並列して配列されている。
そして、それぞれの系列からの光ファイバ出射端が隣り
合わないように配置されている。

【００２３】なお、励起光学系に導かれる光ファイバが
２本以上使用される際には、光ファイバの出射端の配置
方法は、この例に限定されるものではなく、色素レーザ
ビームの進行方向に一致する一次元方向すなわちＺ軸方
向に配置するか、もしくは、この一次元方向とこれに垂
直な方向のはる平面すなわちＹＺ平面内に二次元的に配
置されていればよい。

【００２４】ファイバガイド１５に保持された光ファイ
バの出射端から出射される励起レーザビームは、第１光
学手段としての中空タイプのカライドスコープ２５にい
ったん入射される。カライドスコープ２５は、その内面
に励起レーザビームに対して高い反射率を有する誘電体
多層膜がコーティングされた中空構造の光導波路によっ
て形成されており、各ファイバから出射されたビームを
内部で多数回反射する。光ファイバの出射端が図３に示
したようなパターン２０で配列された場合、双方の励起
レーザ装置５ａ、５ｂから出射されたパルスビームは、
カライドスコープ２５の多重反射作用により、各ファイ
バから出射されたビームは空間的に折り畳まれて、カラ
イドスコープ出射面では、図２に示すように、その強度
分布２１が均一化される。

【００２５】カライドスコープ２５における出射面での
像２１は、第２光学手段としてのテレセントリック型結
像光学系１９により、所定形状２２で結像される。この
テレセントリック型結像光学系１９は、それぞれ少なく
とも１枚以上のレンズにより構成される第１レンズ群１
７、及び第２レンズ群１８を有している。また、このテ
レセントリック型結像光学系１９は、カライドスコープ
２５の出射端面を物体面とし、レーザ媒質としての色素
媒体が流れるフローセル内の所定位置すなわち励起領域
を結像面としている。この時、カライドスコープ出射面
像２１と励起領域における集光ビーム形状２２は相似形
である。なお、この実施の形態においては、中空タイプ
のカライドスコープを使用する例を示したが、バルクタ
イプのカライドスコープを使用する場合も同様な作用で
ある。

【００２６】すなわち、このような構成の励起光学系を
適用することにより、励起領域における励起レーザビー
ムは、色素溶液の流れ方向すなわちＹ軸方向の強度分布
２３が均一化されるとともに、色素レーザの光軸方向す
なわちＺ軸方向の強度分布２４に対しても均一化され
る。

【００２７】したがって、この実施の形態では、励起レ
ーザビームを増幅器に導く光ファイバを複数本使用する
場合には、従来のようにこれらの光ファイバを一次元方
向のみに配置しなければならないという制約から開放さ
れる。このため、励起レーザビームを導く光ファイバの
配列の自由度が増し、多数の光ファイバを励起レーザビ
ーム導入用に利用することが可能となる。また、励起領
域における励起レーザビームの照射パターンがいずれの
方向においても均一化されるため、より高効率の励起が
可能となる。

【００２８】これにより、励起レーザビームのパワーを
増大することが可能となり、大出力化が可能な大規模な
色素レーザを実現することができる。次に、この発明の
他の実施の形態について説明する。

【００２９】図４に示すように、励起光学系１４ｂは、
複数本の光ファイバ１３を保持するファイバガイド１
５、光ファイバ１３の出射端での励起レーザビームの強
度分布を均一化するカライドスコープ２５、及び第１レ
ンズ群１７と第２レンズ群１８とからなるテレセントリ
ック型結像光学系を有している。そして、テレセントリ
ック結像光学系の第１レンズ群１７と第２レンズ群１８
との間には、ビーム光軸をほぼ直角に折り返すための第
３光学手段としての高反射ミラー２６が設置されてい
る。

【００３０】この高反射ミラー２６は、図中の矢印の方
向に沿って移動可能に形成されている。また、この高反
射ミラー２６のビーム進行方向の後方には、出力計２８
と導光用のレンズ２７が設置されている。この出力計２
８は、励起レーザビームのパワー、光波形、あるいは強
度分布を計測する計測器であり、例えば、計測器はバイ
プラナ光電管などの光波形測定器、あるいはＣＣＤカメ
ラのようなビームプロファイル測定器などである。この
高反射ミラー２６は、矢印の方向に移動され、励起レー
ザビームを反射しない位置に配置された際に、励起レー
ザビームが出力計２８に入射されるよう配置されてい
る。すなわち、高反射ミラー２６は、通常、テレセント
リック型結像光学系の第１レンズ群１７及び第２レンズ
群１８の間の光軸上に配置され、増幅器３に向けて励起
レーザビームを導く。そして、所定のタイミングで高反
射ミラー２６が移動され、光軸から外れた位置に配置さ
れると、出力計２８により励起レーザビームの出力をモ
ニタする。

【００３１】このように、所定のタイミングで励起レー
ザビームの出力をモニタすることにより、安定に色素レ
ーザビームを励起することが可能となり、安定した出力
を得ることが可能となる。

【００３２】なお、この実施の形態においては、高反射
ミラーが可動タイプとなっているが、高反射ミラーを励
起レーザビームの一部を透過するように形成することに
より、常時、出力計２８に励起レーザビームの一部を供
給可能とすることができる。これにより、常時、励起レ
ーザビームの出力をモニタすることが可能となり、より
安定した出力を得ることが可能となる。

【００３３】上述したように、この発明の色素レーザ増
幅装置によれば、励起レーザビームを励起領域に供給す
るために光ファイバを利用し、光ファイバと色素レーザ
増幅器との間に設置する励起光学系に、より多数本の光
ファイバを配列可能な方式を適用することが可能とな
る。すなわち、光ファイバを空間的に二次元的に配置
し、かつそれぞれの光ファイバから出射される励起レー
ザビームをカライドスコープを用いて均一化した後、テ
レセントリック型結像光学系により集光するものであ
る。

【００３４】また、このテレセントリック型結像光学系
を、よりコンパクトに構成し、かつ励起レーザビームの
出力パラメータを計測可能とするため、光学系内で光路
を折り返す高反射ミラーを配置している。

【００３５】このような構成の色素レーザ増幅装置によ
れば、励起レーザビームを供給するための光ファイバを
空間的に二次元に配置可能となるため、従来構成よりも
はるかに大規模な色素レーザ増幅装置を構成可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、励起レーザビームを供給する光ファイバと色素レー
ザ増幅装置との間に設置する励起光学系の光学特性を改
善し、より大出力化が可能であり、安定な出力が得られ
る色素レーザ装置に備えられる色素レーザ増幅装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の色素レーザ増幅装置が適用
される色素レーザ装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】図２は、図１に示した色素レーザ装置に適用さ
れる励起光学系の構成を概略的に示す図である。

【図３】図３は、図２に示した励起光学系のファイバガ
イドにおける光ファイバの出力端の配置パターンを説明
するための図である。

【図４】図４は、この発明における励起光学系の他の実
施の形態を説明するための図である。

【図５】図５は、従来の色素レーザ装置の構成を説明す
るための図である。

【図６】図６は、横励起方式色素レーザ増幅装置の模式
図である。

【図７】図７は、従来の励起光学系の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…色素レーザ発振器 ３…色素レーザ増幅器 ５（ａ，ｂ）…励起レーザ装置 １３…光ファイバ １４（ａ，ｂ）…励起光学系 １９…テレセントリック光学系 ２５…カライドスコープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 城戸 剛 栃木県大田原市下石上1385番の１ 株式会 社東芝那須電子管工場内 (72)発明者 原 孝信 神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１ 東 芝電子エンジニアリング株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１方向に向かって流れる色素溶液に、所
   定の励起領域において前記第１方向に直交する第２方向
   から励起レーザ光を照射して前記色素溶液中に含まれる
   色素媒質を励起し、前記励起領域内に前記第１及び第２
   方向に直交する第３方向から色素レーザ光を入射させて
   前記色素レーザ光の強度を増幅する色素レーザ増幅装置
   において、 前記励起レーザ光を前記励起領域に導入する光ファイバ
   と、 前記光ファイバから出力される励起レーザ光の前記第１
   方向及び第３方向の強度分布を均一化する第１光学手段
   と、 前記第１光学手段から出力された励起レーザ光の出力像
   を、前記励起領域内の色素溶液に所定の形状にて結像す
   る第２光学手段と、 を備えていることを特徴とする色素レーザ増幅装置。
2. 【請求項２】前記光ファイバを少なくとも２本備え、前
   記各光ファイバは、前記第３方向に平行な一次元方向ま
   たは、前記第１方向と第３方向とで規定される平面内に
   二次元的に配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の色素レーザ増幅装置。
3. 【請求項３】前記励起レーザ光は、発振タイミングの異
   なる少なくとも２系列のパルスレーザ装置から供給さ
   れ、前記励起レーザ光がそれぞれの系列から少なくとも
   １本以上の光ファイバによって前記第１光学手段に供給
   されることを特徴とする請求項１又は２に記載の色素レ
   ーザ増幅装置。
4. 【請求項４】前記第１光学手段は、カライドスコープを
   用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれか１項に記載の色素レーザ増幅装置。
5. 【請求項５】前記カライドスコープは、前記励起レーザ
   光に対して高い反射率を有する誘電体多層膜コートを施
   した中空構造の光導波路により形成されていることを特
   徴とする請求項４に記載の色素レーザ増幅装置。
6. 【請求項６】前記第２光学手段は、それぞれが少なくと
   も１枚以上のレンズにより構成される第１のレンズ群と
   第２のレンズ群よりなる、両側テレセントリック型結像
   光学系により構成されていることを特徴とする請求項１
   乃至５のいずれか１項に記載の色素レーザ増幅装置。
7. 【請求項７】前記両側テレセントリック型結像光学系
   は、前記カライドスコープの出射端面を物体面とし、前
   記色素溶液の所定位置を結像面としていることを特徴と
   する請求項６に記載の色素レーザ増幅装置。
8. 【請求項８】前記両側テレセントリック型結像光学系
   は、前記第１のレンズ群と第２のレンズ群との間に、励
   起レーザ光の光軸を折り返す第３の光学手段を有するこ
   とを特徴とする請求項６又は７に記載の色素レーザ増幅
   装置。
9. 【請求項９】前記励起レーザ光の進行方向に沿って前記
   第３の光学手段の後方には、励起レーザ光のパワー、光
   波形あるいは強度分布の計測機構が設けられていること
   を特徴とする請求項８に記載の色素レーザ増幅装置。
10. 【請求項１０】前記第３の光学手段は、前記光軸を含む
    位置と光軸から外れる位置との間を移動する移動機構を
    備え、前記光軸を含むように配置された際に前記第２の
    レンズ群に向けて励起レーザ光の光軸を折り返すととも
    に、前記光軸から外れて配置された際に前記計測機構に
    励起レーザ光を供給するよう構成されていることを特徴
    とする請求項９に記載の色素レーザ増幅装置。
11. 【請求項１１】前記第３の光学手段は、励起レーザ光の
    一部を透過し、残りを反射する反射ミラーによって構成
    され、透過された励起レーザ光が前記計測機構に供給さ
    れ、反射された励起レーザ光が前記第２のレンズ群に供
    給されることを特徴とする請求項９に記載の色素レーザ
    増幅装置。