JPWO2007032066A1

JPWO2007032066A1 - ロッド型固体レーザ装置

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Publication number: JPWO2007032066A1
Application number: JP2006519002A
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Inventors: 藤川　周一; 周一藤川; 孝文河井; 潤二加野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2009-03-19
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Abstract

対称安定型光共振器において、ロッド型固体レーザ媒質（１）の部分反射鏡（２）に対向する端面（１０２）と中点（１０１）との間の任意の位置に、第１の基準面を設定し、該基準面に対し、部分反射鏡（２）を中点として光学的に対称な位置に、ロッド型固体レーザ媒質（１）の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ（５）を配し、該アパーチャ（５）と光ファイバ（８）との間に配設されたリレーレンズ（６）、ならびに結合レンズ（７）を用いて、第１の基準面を、光ファイバ（８）の入射端面上に転写リレーするとともに、該アパーチャ（５）をリレーレンズ（６）によって結合レンズ（７）上へ転写する。これにより、ロッド型固体レーザ媒質（１）の熱レンズの焦点距離や、レーザ光のポインティングが変動した場合であっても、安定かつ信頼性に優れた光ファイバによるビーム伝送を行うとともに、光ファイバを出射するレーザ光の集光性を一定に維持する。

Description

この発明は、ロッド型の固体レーザ媒質を光励起しレーザ光を発生させるとともに、該レーザ光を光ファイバへ入射させ、レーザ光の伝送を行うロッド型固体レーザ装置に関する。

従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザビームの光軸上にビーム径を制限する開口を設け、該開口を光ファイバの入射端面に転写する構成としていた（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００３−７８１９０号公報（第００２２〜００２５段落、第１図）特開２００３−２０９３０７号公報（第００１９段落、第１図）

光ファイバを使用しレーザ光の伝送を行う従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザ出力に応じてロッド型レーザ媒質の熱レンズの強さ（焦点距離）が変化するため、レーザ光を取り出すために設けられた光共振器中で選択される固有モードが変化し、光ファイバへ入射するレーザ光の集束角もレーザ出力に応じて変化していた。ステップ屈折率型の光ファイバを使用する場合、光ファイバ内部でレーザ光の集束角は概ね保存されるため、光ファイバを出射するレーザ光の発散角も、集束角に対応してレーザ出力によって変化する。ここで、光ファイバ８へ入射するレーザ光の集束角および、光ファイバ８から出射するレーザ光の発散角は、図１５におけるαの角度を示す。光ファイバを出射するレーザ光は、ビームウェスト径が光ファイバのコア径と略等しく見なすことができるため、発散角の変化は集光性の変化に等しい。従って、従来のロッド型固体レーザ装置では、光ファイバから出射されるレーザ光の集光性は、レーザ出力によって変化していた。

上述のように、従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザ出力によって光ファイバを出射するレーザ光の発散角、即ち集光性が変化するため、例えば、光ファイバの出射端を集光光学系からなる加工ヘッドに結合し、レーザ光を利用する場合、加工ヘッドを通過するレーザ光の透過率が、レーザ出力によって変化するという問題点があった。また集光光学系へ入射するレーザ光のビーム径も、レーザ出力によって変化するため、集光光学系における収差の影響がレーザ出力によって異なり、集光ビーム径もレーザ出力によって変化してしまうという問題点があった。

また従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザ光のポインティング変動の影響を防止する手段が備えられていなかったため、レーザ光のポインティング変動が発生した場合、光ファイバへのレーザ光の集束角が変化し、光ファイバを出射するレーザ光の発散角が更に増加、集光性が低下するという問題点があった。加えて、ポインティング変動の発生によって、光ファイバへのレーザ光の集束角が、光ファイバの許容ＮＡを超える場合には、光ファイバからレーザ光が漏洩し、光ファイバの両端部を支持するコネクタや、光ファイバを被服する保護層を加熱し、損傷に至らしめるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズの強さが変化した場合であっても、光ファイバへ入射するレーザ光の集束角を略一定に保ち、またレーザ光のビームポインティングが変動した場合であっても光ファイバの損傷を防止し、安定にレーザ光を供給することが可能なロッド型固体レーザ装置を提供することを目的としている。

この発明に係るロッド型固体レーザ装置においては、ロッド型固体レーザ媒質と部分反射鏡及び全反射鏡からなる対称安定型光共振器から出力されたレーザ光を、リレーレンズと結合レンズを用いて光ファイバへ入射するロッド型固体レーザ装置において、前記部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の前記部分反射鏡に対向する端面と、このロッド型固体レーザ媒質の中点との間の任意の位置に第１の基準面を設定し、該第１の基準面と、前記部分反射鏡に対し光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、前記リレーレンズは、前記第１の基準面を第１像面に転写するとともに前記第２の基準面を前記結合レンズ上に転写する位置に配置され、前記結合レンズは、前記第１像面を光ファイバ端面に転写する位置に配置されたものである。

この発明は上述のごとく構成されているので、ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズの焦点距離が変動した場合であっても、結合レンズ、ならびに光ファイバ入射端面上におけるビーム径、ビーム位置を略一定に維持し、安定かつ信頼性に優れた光ファイバによるビーム伝送が可能になるばかりでなく、光ファイバを出射するレーザ光の集光性も略一定に保つことができる。

この発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ媒質を示す模式図である。この発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ媒質に、平面鏡からなる部分反射鏡、および全反射鏡を配して構成した対称安定型光共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態１における対称安定型光共振器を、２つの等価熱レンズを用いて表した光学的に等価な対称安定型光共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態１における対称安定型光共振器を、単一の等価熱レンズを用いて表した光学的に等価な対称安定型光共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態１における対称安定型光共振器中におけるレーザ光のモード形状、即ちビーム伝播状態を示す説明図である。この発明の実施の形態１における対称安定型光共振器を、単一の等価熱レンズを用いて表した光学的に等価な対称安定型光共振器中におけるレーザ光のモード形状、即ちビーム伝播状態を示す説明図である。この発明の実施の形態１に基づき設計した光学系中における、ビーム伝播状況を示すグラフである。この発明の実施の形態１における、レーザ出力に対する光ファイバ入射時のビーム集束角を示すグラフである。この発明の実施の形態２におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態３におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態４におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態５におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態６におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。光ファイバに入射するレーザ光の集束角を説明する図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。図１において、１はロッド型固体レーザ媒質、１０１はロッド型固体レーザ媒質１の中点、１０２はロッド型固体レーザ媒質１の端面を表している。本実施の形態において固体レーザ媒質１には、活性媒質としてＮｄ（ネオジウム）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用している。２は部分反射鏡、３は全反射鏡、４はレーザ光である。部分反射鏡２、および全反射鏡３により光共振器を構成し、ランプ光源や半導体レーザを用いて光励起されたロッド型固体レーザ媒質１よりレーザ光を取り出す。５はレーザ光４の光路上に設置されたアパーチャで、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有する。６は焦点距離ｆ１を有するリレーレンズ、７は焦点距離ｆ２を有する結合レンズである。８は光ファイバ、８１は光ファイバの入射端面を示している。アパーチャ５を通過したレーザ光４は、リレーレンズ６によって結合レンズ７へ伝送される。結合レンズ７へ伝送されたレーザ光４は、結合レンズ７によって集光され、光ファイバの入射端面８１より光ファイバ８中へ入射する。点線で示す９は、励起されたロッド型固体レーザ媒質１において、中点１０１より部分反射鏡２側に位置する領域の熱レンズ成分と、光学的に等価な薄肉レンズを表す等価熱レンズ、１０は後述する第１転写光学系の第１像面を表している。

本実施の形態においては、平面鏡からなる部分反射鏡２、および全反射鏡３を使用し、それぞれロッド型固体レーザ媒質１の端面からＬｍなる位置に部分反射鏡２、全反射鏡３を配すことによって、対称安定型共振器を構成している。従って、ロッド型固体レーザ媒質１が理想的に均一に励起されている場合、光共振器中でのビームモードは、ロッド型固体レーザ媒質１の中点１０１に対し対称性が保証される。

また本実施の形態においては、部分反射鏡２より距離Ｌ１なる位置に、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を、アパーチャ５より距離Ｌ２なる位置に、焦点距離ｆ１を有するリレーレンズ６を、リレーレンズ６より距離Ｌ３＋Ｌ４なる位置に、焦点距離ｆ２を有する結合レンズ７を、結合レンズ７より距離Ｌ５なる位置に、光ファイバ８の入射端面８１を配置している。また等価熱レンズ９の主面位置は、ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２よりＬｔｌなる距離に位置している。

本実施の形態において、リレーレンズ６、および結合レンズ７は第１転写光学系を構成しており、まず等価熱レンズ９の主面を、リレーレンズ６によって第１像面１０上に転写する。更に第１像面１０を、結合レンズ７によって、第２像面となる光ファイバ８の入射端面８１上へ転写する転写リレー構成としている。従って、ロッド型固体レーザ媒質１の屈折率をｎとすれば、ロッド端面１０２から等価熱レンズ９主面までの距離Ｌｔｌを光学距離に換算することによって、第１転写光学系は、（１）式、および（２）式で与えられる関係を満たしている。

また本実施の形態においては、リレーレンズ６は第２転写光学系を構成しており、アパーチャ５を、リレーレンズ６によって結合レンズ７上へ転写している。従って、第２転写光学系は、（３）式で与えられる関係を満たしている。

次に、図２に示すロッド型固体レーザ媒質１の模式図を使用し、本実施に形態において重要な役割を占めるロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズについて詳細に説明する。図２中、点線で示す９１は、ロッド型固体レーザ媒質１において、中点１０１より図中右側の熱レンズ成分と光学的に等価な薄肉レンズを、また９２は、中点１０１より図中左側の熱レンズ成分と光学的に等価な薄肉レンズを示している。また長さＬｐｕｍｐで示すハッチ領域は、放電ランプや半導体レーザによって励起光が照射される励起領域を、長さＬｅｎｄで示すロッド型固体レーザ媒質１の両端部分は、非励起領域を表している。ここでは簡単のため、励起領域内部の励起密度が均一である理想的な状態を想定する。

ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズは、励起にともなうロッド型レーザ媒質１自体の発熱によって、ロッド型レーザ媒質１の断面内に形成される温度分布によって発生する。ロッド型レーザ媒質１を励起した場合、ロッド断面内においては、中央部で温度が高く外縁部で温度が低い山型の温度分布が形成される。ロッド型固体レーザ媒質１の屈折率は、温度に略比例するため、温度分布によって発生した屈折率分布は収斂作用を呈する。本収斂作用が熱レンズと呼ばれる現象である。本実施の形態においては、まずロッド型固体レーザ媒質１の中点１０１に対し、図２中、右側の領域の熱レンズについて考える。

中点１０１から右側の領域の熱レンズは、Ｌｐｕｍｐ／２なる厚みを有している。この厚みのある熱レンズを、焦点距離が等しく光学的に等価な薄肉レンズに置き換えたものが、点線で示す等価熱レンズ９１である。励起領域内において励起密度が均一である場合、等価熱レンズ９１の主面は、厚みのある実際の熱レンズの中点に位置する。従って、Ｌｔｐで示す励起領域端部から等価熱レンズ主面までの距離は（４）式で与えられる。

従って、ロッド型固体レーザ媒質１の端面位置Ｂから、等価熱レンズ９１の主面までの距離Ｌｔｌは、ロッド長Ｌｒｏｄと励起領域の長さＬｐｕｍｐを用いて（５）式で表される。

なお図２中、９２はロッド型固体レーザ媒質１の中点１０１に対し、左側に位置する等価熱レンズを示している。

図３は、図２において示したロッド型固体レーザ媒質１に、平面鏡からなる部分反射鏡２、および全反射鏡３を、それぞれロッド型固体レーザ媒質１の端面より、距離Ｌｍなる位置に配した対称安定型光共振器の構成を示している。図４は、図３で示した対称安定型光共振器を、等価熱レンズ９１、９２を用いて表した光学的に等価な対称安定型光共振器である。図４に示すように、等価熱レンズ９１、９２で表した対称安定型光共振器では、等価熱レンズ９１、９２の両者が対称安定型光共振器の中点に位置している。図５に示すように、同一位置に配置された同一の焦点距離を有する等価熱レンズ９１、９２は、等価熱レンズ９１、９２の２分の１の焦点距離を有する単一の薄肉レンズ９３で置き換えることができる。図５に示す薄肉レンズ９３の主面から部分反射鏡２、ならびに全反射鏡３までの光学距離は、図３に示す等価熱レンズ９１の主面から部分反射鏡２までの光学距離、ならびに等価熱レンズ９２の主面から全反射鏡３までの光学距離に等しく、ロッド型固体レーザ媒質１の屈折率ｎを考慮すると、Ｌｔｌ／ｎ＋Ｌｍの自由空間として与えられる。

図６は、図３で示した対称安定型光共振器中におけるレーザ光のモード形状、即ちビーム伝播状態を示している。図６中、４１は、対称安定型光共振器中のレーザ光のビーム外郭形状である。図７は、図５において示したロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズを光学的に等価な薄肉レンズで置き換えて示した対称安定型光共振器中におけるレーザ光のモード形状、即ちビーム伝播状態を示している。図７中、４２は対称安定型光共振器中のレーザ光のビーム外郭形状、４３は部分反射鏡２を出射するレーザ光のビーム外郭形状を示している。ロッド型固体レーザ媒質が均一に励起された理想的な対称安定型光共振器中では、共振器の中点に対し、モードの対称性が保証される。また図６、および図７に示す対称安定型光共振器では、部分反射鏡２、および全反射鏡３に平面鏡を使用しているため、光共振器の境界条件から、部分反射鏡２、および全反射鏡３上におけるレーザ光の波面は必ず平面になる。換言すると、部分反射鏡２、および全反射鏡３上においては、必ずビームウェストが形成される。この結果、図６、および図７で示した対称安定型光共振器中では、中点においてビーム径が最大となる。図６で示すように、実際の対称安定型光共振器中では、共振器の中点Ｏはロッド型固体レーザ媒質１の内部、中点１０１に位置する。従って、対称安定型光共振器中でビーム径を制限する開口径は、ロッド型固体レーザ媒質１の直径に略等しくなる。励起媒体中では横多モード発振によって、開口径一杯にまでレーザ光のビーム径は広がる。従って、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズ強度、即ち熱レンズの焦点距離が変化した場合であっても、ロッド型固体レーザ媒質１の中点１０１におけるレーザ光のビーム径は、ロッド型固体レーザ媒質１の直径に略等しく維持される。すなわち、図７においては、薄肉レンズ９３の主面でのビーム径ｄは、熱レンズの焦点距離が変化しても、ロッド型固体レーザ媒質１の直径に略等しく維持されるということである。

また上述にように、本実施の形態においては、部分反射鏡２に平面鏡を使用しているため、部分反射鏡２上において必ずビームウェストが形成される。自由空間中においては、ビームウェストの前後でビーム径の対称性が保証されるため、図７に示すように部分反射鏡２を出射し、距離Ｌｔｌ／ｎ＋Ｌｍ伝播後の位置Ｏ’におけるビーム径ｄ’も、共振器中点におけるビーム径ｄと等しくなる。この結果、部分反射鏡２出射後、距離Ｌｔｌ／ｎ＋Ｌｍなる位置Ｏ’におけるビーム径も、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、常にロッド型固体レーザ媒質１の直径に略等しく保たれる。

ここで、第１転写光学系の物体面を第１の基準面と呼ぶことにする。第１の基準面においてはレーザ光のビーム径が、ロッド型個体レーザ媒質の熱レンズに寄らず略一定であることが望ましい。よって、本実施の形態では、ロッド型固体レーザ媒質１中の等価熱レンズ９１の主面を第１の基準面に設定する。また、第１の基準面の、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置を第２の基準面と呼ぶ。本実施の形態では、第２の基準面は図７のＯ’の位置にあたり、レーザ光のビーム径が第１の基準面におけるビーム径と略等しく維持される位置となる。本実施の形態においては、第２の基準面にアパーチャ５を配置している。

図１に示す本実施の形態においては、部分反射鏡２とアパーチャ５間の距離Ｌ１が上述したようにＬｔｌ／ｎ＋Ｌｍと等しくなるよう配置している。即ち、

従って、アパーチャ５上でのレーザ光のビーム径、ビーム位置は、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、常にロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しく保たれる。

本実施の形態においては、第１転写光学系を用いて、ロッド型固体レーザ媒質１中の等価熱レンズ９１の主面を光ファイバ８の入射端面８１上へ転写する構成としている。第１転写光学系の物体面に相当する等価熱レンズ９１の主面においては、熱レンズの状態によらずビーム径はロッド型固体レーザ媒質１の直径に略等しく維持され、且つ、ロッド型固体レーザ媒質１の内部に存在することが保証されるため、第１転写光学系の像面である光ファイバ８の入射端面８１上での、ビーム径、ならびにビーム位置についても、ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズの状態に依らず、常に一定に保つことができる。

本実施の形態での第１転写光学系の転写倍率Ｍ１と各光学素子間の距離との関係は、（７）式で与えられる。

通常、第１転写光学系の転写倍率Ｍ１の値は、使用するロッド型固体レーザ媒質１の直径、光ファイバ８のコア径に応じて、適宜決めればよい。例えば、直径５ｍｍのロッド型固体レーザ媒質１、コア径０．４ｍｍの光ファイバ８を使用する場合、光ファイバ８のコア径に対し、９０％基準にてレーザ光を入射させるのであれば、第１の転写光学系の転写倍率Ｍ１は０．０７２となる。

また本実施の形態においては、ロッド型固体レーザ媒質１の等価熱レンズ９１の主面と、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置に、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配置している。そして、第２転写光学系を用いて、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する構成としている。このため、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、アパーチャ５上でのビーム径は、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しく保たれる。よって、部分反射鏡２を出射するレーザ光４にポインティング変動がなければ、アパーチャ５を透過するレーザ光のビーム径はアパーチャ５の有無によらずほぼ一定である。これにより、第２転写光学系の像面である結合レンズ７上におけるビーム径、ならびにビーム位置を、ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズの状態に依らず、保証することができる。また、部分反射鏡２を出射するレーザ光４にポインティング変動があった場合、アパーチャ５の開口より外側に位置するレーザ光４は、アパーチャ５を透過し得ないため、アパーチャ５を透過するレーザ光はポインティング変動に関係なく常にアパーチャ５の開口の範囲内に存在することとなる。これにより、第２転写光学系の像面である結合レンズ７上におけるレーザ光の照射範囲は、常にポインティング変動の無い場合の照射範囲に含まれる。よって、光ファイバ８へ入射するレーザ光の集束角も略一定の値が維持される。

ところで上記では、第２の基準面である第２の転写光学系の物体面上にアパーチャを配し、ビームの位置を物理的に規定する構成を示した。しかし、上述したようにポインティングずれが無い場合は、アパーチャの有無に依らず、結合レンズ７上のビーム径は熱レンズに依らず略一定となるので、例えば、ポインティング変動が小さく光ファイバへのビーム集束角の変動が許容範囲であるならば、第２の転写光学系の物体面上にアパーチャを配置しない構成であってもかまわない。以下の実施の形態においても同様である。

なお、本実施の形態における第２転写光学系の転写倍率Ｍ２と各光学素子間の距離との関係は（８）式で与えられる。

また、通常、第２転写光学系の転写倍率Ｍ２の値は、所望する光ファイバ８へのビーム集束角に応じて適宜決めればよい。例えば、結合レンズ７からファイバ入射端面８１までの距離Ｌ５を５０ｍｍとし、光ファイバ８入射時の集束角を０．２０ｒａｄとしたい場合、結合レンズ８への入射ビーム径を１０ｍｍにすれば、集束角を概ね０．２０ｒａｄとすることができる。ここで、ロッド型固体レーザ媒質の直径ｄを５ｍｍとすると、第２の基準面でのビーム径ｄ’またはアパーチャ５の開口径は５ｍｍとなるので、第２転写光学系の転写倍率Ｍ２の値は２．０に設定すればよい。この関係は、図１５に示したように集束角の半角をθとすると（９）式で与えられる。

ここで、レンズ等の配置を決定する式は、（１）、（２）、（３）、（７）、（８）、（９）式と、光学系のトータルの長さＬを与える（１０）式の７式である。

各種前提条件を用いてこれらの式を解くことにより、リレーレンズおよび結合レンズの適切な位置を算出することができる。例えば、共振器の構成は既知とすれば、Ｌｔｌ、ｎ、Ｌｍ、Ｌ１は既知の定数となる。また、レーザ発振器の大きさも決まっているならば、Ｌも既知の定数となる。さらに、固体レーザ媒質の直径と光ファイバの径も通常既知であるので、第１転写光学系の転写倍率Ｍ１も既知の定数となる。よって、この場合、変数はＬ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、ｆ１、ｆ２、Ｍ２の７つとなり、上記７式から変数を決定することができる。また、例えば、結合レンズやリレーレンズを他のレーザ装置と共用すべく焦点距離ｆ１、ｆ２を固定したい場合は、光学系の長さに自由度を持たせるために（１０）式を削除したり、共振器の構成に自由度を持たせＬｔｌやＬｍを変数としたりすること等により、各レンズの配置を決定することができる。

図８は本実施の形態に基づき設計した光学系中における、ビーム伝播状況を示すグラフであり、縦軸はビーム直径を、横軸はロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２からの距離を表している。図８中、２０１は低出力時、即ち熱レンズの焦点距離が比較的長い状態におけるビーム直径を表す曲線、２０２は中出力時、即ち熱レンズの焦点距離が中程度でのビーム直径を表す曲線、２０３は高出力時、即ち熱レンズの焦点距離が比較的短い状態におけるビーム直径を表す曲線である。図８に示す設計例は直径４ｍｍのロッド型固体レーザ媒質１を使用した際の光学系中のビーム伝播状況を表しており、アパーチャ５におけるビーム径は、熱レンズに依らずロッド型固体レーザ媒質１の直径４ｍｍに略等しくなっていることが分かる。また第１転写光学系の第１像面１０、および結合レンズ７上においても、熱レンズの状態に依らずビーム径は一定となる。結合レンズ７上における入射ビーム径が、熱レンズに依らず常に一定の値となるため、光ファイバ８へ入射するレーザ光の集束角も略一定の値が維持される。

図９は、レーザ出力に対する光ファイバ入射時のビーム集束角を示すグラフである。図９中、３０１は本実施の形態に基づき設計した光学系に対するビーム集束角、３０２は従来の光学系に対するビーム集束角を示している。従来の光学系設計では、レーザ出力の増加にともない、光ファイバ入射時のビーム集束角が低下していたのに対し、本実施の形態に基づく光学系では、レーザ出力に依らず光ファイバ入射時のビーム集束角は略一定に保たれている。ステップインデックス（ＳＩ）型の光ファイバを使用した場合、光ファイバ中においても、理想的にはビーム発散角が保存されるため、本実施の形態に基づき光学系を設計すれば、光ファイバ８を出射するレーザ光についても、レーザ出力に依らず略一定の集光性を維持することができる。

本実施の形態においては、励起領域が明確に規定されており、励起領域内において均一な励起密度を想定した理想的な状態に対し、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズを想定し、光学系の配置を設定する方法を示した。しかし、実際にロッド型固体レーザ媒質１を放電ランプや半導体レーザを用いて励起した場合には、ロッド型固体レーザ媒質１内での励起光の反射、散乱等によって、励起領域と非励起領域との境界は明確ではない。本実施の形態で示した熱レンズ主面の算定法はあくまで目安であり、（５）式で与えられる位置近傍に等価熱レンズ主面すなわち第１の基準面を設定すればよい。例えば、ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２から中点１０１までの範囲内において、第１の基準面となる熱レンズ主面を任意に設定しても、同様な効果を得ることができる。要は設定する等価熱レンズ主面位置に対し、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、リレーレンズ５、および結合レンズ７からなる第１転写光学系を用いて等価熱レンズ９の主面を光ファイバ８の入射端面８１に転写リレーするとともに、リレーレンズ６からなる第２転写光学系を用いて、第２の基準面を結合レンズ７上へ転写すればよい。必要であれば、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を、第２の基準面に配置すればよい。

なお本実施の形態においては、リレーレンズおよび結合レンズを使用し、第１の転写光学系、および第２の転写光学系を構成する実施例を示したが、第１の転写光学系、ならびに第２の転写光学系を構成するレンズは、リレーレンズ、および結合レンズの２枚に限るものではない。例えば、２枚のレンズの組合わせによって形成される等価レンズをリレーレンズと見なし、第１、および第２の転写光学系を構成しても、本実施の形態と同様な効果が得られるばかりでなく、リレーレンズを構成する２枚のレンズ間の距離を変化させれば、リレーレンズの焦点距離を変化させた場合と光学的に等価であるため、第１、第２の転写光学系の転写倍率を一定に維持しながら、容易に光路長を変更させることが可能になる。
また本実施の形態においては、結合レンズに単レンズを使用する構成を示したが、結合レンズに組レンズを使用しても同様な効果が得られるばかりでなく、球面収差の影響が低減され、ファイバ入射ビームの調整裕度を増加させることができる。
以下の実施の形態においても、リレーレンズおよび結合レンズをそれぞれ単レンズで構成された装置にて説明を行うが、上記のように、リレーレンズまたは結合レンズをそれぞれ複数のレンズにて構成してもよい。

実施の形態２．
図１０（ａ）は、本発明の実施の形態２におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。図１０（ａ）において、１１は内部アパーチャであり、部分反射鏡２より距離Ｌａなる光共振器内部に配設されている。本実施の形態においては、光共振器内のレーザ光のビーム径、所謂横モードを内部アパーチャ１１によって制限している。このため、内部アパーチャ１０におけるレーザ光ビーム径、ならびにビーム位置は、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず一定に保たれる。すなわち、本実施の形態における第１の基準面は内部アパーチャ１１の位置となる。

本実施の形態においては、内部アパーチャ１１に対し、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置すなわち第２の基準面に、内部アパーチャ１１と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配設している。即ち、（１１）式が成り立つ。

部分反射鏡２上では、光共振器の境界条件からビームウェストであることが保証されるため、ビーム伝播の対称性によって、アパーチャ５においても、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、ビーム径、およびビーム位置は略一定に保たれる。

また本実施の形態においても、前記実施の形態１と同じくリレーレンズ６、および結合レンズ７で第１転写光学系を構成している。但し、本実施の形態においては、内部アパーチャ１１を物体面としており、まず内部アパーチャ１１を、リレーレンズ６によって第１像面１０上に転写する。第１像面１０については、前記実施の形態１と同じく、結合レンズ７によって光ファイバ８の入射端面８１上へ縮小転写リレーしている。また本実施の形態においては、内部アパーチャ１１を第１転写光学系の物体面としているため、前記実施の形態１において示した第１像面上での結像条件を示す（１）式は、（１’）式のように変形される。

なお、（２）式については、本実施の形態においてもそのまま適用することができる。また本実施の形態においても、前記実施の形態１と同じく、リレーレンズ６によって第２転写光学系を構成しており、アパーチャ５は、リレーレンズ６によって、結合レンズ７上へに転写される。従って、前記実施の形態１で示した（３）式の関係は、本実施の形態に対してもそのまま適用することができる。

本実施の形態においては、第１転写光学系の転写倍率Ｍ１は、（７’）式で与えられる。

また第２転写光学系の転写倍率Ｍ２は、前記実施の形態１と同じく、（８）式に従い計算することができる。第１転写光学系の転写倍率Ｍ１、第２転写光学系の転写倍率Ｍ２については、内部アパーチャ１１の開口径に基づき、所望する光ファイバ８の入射端面８１上でのビーム径、光ファイバ８入射時のビーム集束角に対し、適切な値に設定すればよい。

本実施の形態においては、第１転写光学系の物体面上におけるビーム径、ならびにビーム位置が、内部アパーチャ１１によって保証されているため、第１転写光学系の像面である光ファイバ８の入射端面８１上におけるレーザ光４のビーム径、ならびにビーム位置についても、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、常に一定に保つことができる。

また本実施の形態においては、第１基準面である内部アパーチャ１１と、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置である第２基準面に、内部アパーチャ１１と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配置し、第２転写光学系を用いて、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する構成としている。このため、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、アパーチャ５上でのビーム径は、内部アパーチャ１１の開口径と略等しく保たれることに加え、アパーチャ５の開口より外側に位置するレーザ光４は、アパーチャ５を透過することができないため、部分反射鏡２を出射するレーザ光４にポインティング変動等が発生した場合であっても、第２転写光学系の像面である結合レンズ７上におけるビーム径、ならびにビーム位置が保証される。この結果、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、光ファイバ８へ入射するレーザ光４の集束角は略一定に保たれ、光ファイバ８を出射するレーザ光４についても、レーザ出力に依らず略一定の集光性を維持することができる。

ところで、上記においては内部アパーチャ１１をロッド型固体レーザ媒質１と部分反射鏡２との間に配置したが、ロッド型固体レーザ媒質１と全反射鏡３の間に配置してもよい。この場合、共振器内のレーザビームの対称性により、部分反射鏡２側に全反射鏡３と同様な距離だけ部分反射鏡２からはなして配置した場合、すなわちロッド型固体レーザ媒質の中心１０１に対して、対称な位置に配置した場合と等価である。例えば、図１０（ｂ）に示したように、内部アパーチャ１１を全反射鏡３側で全反射鏡３からＬａの距離に配置した場合、内部アパーチャ１１の効果は図１０（ａ）と等価になる。よって、光学系の配置は、図１０（ｂ）に示した様に図１０（ａ）と同等に配置することで、同様な効果が得られる。

なお本実施の形態に示すように、部分反射鏡２に平面鏡を使用し、光共振器内部のビーム径を内部アパーチャ１１で制限する構成については、対称型共振器構成に限るものではなく、非対称型共振器についても、本実施の形態に従い、アパーチャ５、リレーレンズ６、結合レンズ７、光ファイバ８を配置すれば、本実施の形態と同様な効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態においては、リレーレンズ６、ならびに結合レンズ７からなる第１転写光学系を用いて、ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２を第１像面１０上に転写するとともに、第１像面１０を光ファイバ８の入射端面８１上に転写している。また前記実施の形態１、２と同じく、リレーレンズ６により第２転写光学系を構成し、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する構成としている。

本実施の形態においては、ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２と、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置にロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配設している。即ち、（１１’）式が成り立つ。

従って、第１像面上での結像条件は、（１”）式のように与えられる。

なお光ファイバ８の入射端面８上での結像条件を与える（２）式、ならびに結合レンズ７上での結像条件を与える（３）式については、本実施の形態に対してもそのまま適用することができる。

本実施の形態においては、ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２を、第１転写光学系の物体面すなわち第１の基準面に設定している。ロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２における、熱レンズが変化した際のビーム径の変化は、前記実施の形態１の等価熱レンズ９主面、ならびに前記実施の形態２の内部アパーチャ１１に比べやや大きくなるものの、内部アパーチャ１１等によりビーム径を制限する場合を除き、ロッド型固体レーザ媒質１外部でのビーム径の変化に比べ小さく、またビームは常にロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２内にあることが保証される。このため、第１転写光学系によって光ファイバ８の入射端面８１上に結像されるビームは、物体面であるロッド端面１０２上で想定される最大ビーム径、即ちロッド型固体レーザ媒質１の直径と等しくなった場合に、ファイバ入射端面８１上に結像されるビームよりも、常に内側に位置することが保証される。この結果、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズが変化した場合であっても光ファイバ８の入射端面８１において、常にレーザ光４を光ファイバ８のコア内部に維持することができる。

またアパーチャ５は、第１の基準面であるロッド型固体レーザ媒質１の端面１０２に対し、部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置である第２の基準面に配置されているため、アパーチャ５上でのビーム径については、ビーム伝播の対称性から常にロッド型固体レーザ媒質１の直径よりも小さくなることが保証される。加えてアパーチャ５の開口径は、ロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しく設定されているため、レーザ光４にポインティング変動等が発生した場合であっても、結合レンズ７上におけるビームの位置は常に一定に保たれ、またビーム径はアパーチャ５の開口径、ならびに第２転写光学系の転写倍率によって決まる一定の値よりも常に小さくなることが保証される。この結果、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの状態に依らず、光ファイバ８へ入射するレーザ光４の集束角は常に一定値以下に保たれ、光ファイバ８を出射するレーザ光４についても、レーザ出力に依らず一定値以上の集光性を維持することができる。

実施の形態４．
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態４におけるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。図１２（ａ）中、１ａは、平面鏡からなる部分反射鏡２、全反射鏡３によって構成した光共振器中に配置された第１のロッド型固体レーザ媒質、１ｂは第２のロッド型固体レーザ媒質を示しており、第１および第２のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂはともに、Ｌｒｏｄなる長さを有している。また本実施の形態においては、部分反射鏡２と第１のロッド型固体レーザ媒質１ａ間の距離をＬｍ、第１のロッド型固体レーザ媒質１ａと第２のロッド型固体レーザ媒質１ｂ間の距離を２Ｌｍ、第２の固体レーザ媒質１ｂと全反射鏡３間の距離をＬｍに設定し、所謂周期型共振器を構成している。このため、第１および第２の固体レーザ媒質１ａ、１ｂが均等に励起されている理想的な条件においては、第１、および第２のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂ中のビーム径、換言するとモード形状は、例えば図６に示すような単一のロッド型固体レーザ媒質１を使用し、対称安定型光共振器を構成した場合と同一になる。即ち、周期型共振器を構成すれば、複数のロッド型固体レーザ媒質１を使用し、集光性を一定に保ちながら、容易に高出力化を図ることができる。

本実施の形態においても、アパーチャ５、リレーレンズ６、結合レンズ７、光ファイバ８の入射端面８１については、前記実施の形態１と同一基準で配置している。即ち、第１のロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２より距離Ｌｔｌに位置する等価熱レンズ９の主面を第１の基準面とし、この第１の基準面と部分反射鏡２を中点として光学的に対称な位置である第２の基準面にロッド型固体レーザ媒質１ａの直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配する。リレーレンズ６と結合レンズ７で第１転写光学系を構成し、等価熱レンズ９の主面をリレーレンズ６によって第１像面１０上へ転写するとともに、第１像面１０を結合レンズ７によって、光ファイバ８の入射端面８１上に転写する。またリレーレンズ６によって第２転写光学系を構成し、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写している。

本実施の形態に示すように、単一の光共振器中に複数のロッド型固体レーザ媒質１を配置し、周期型共振器を構成する場合であっても、前記実施の形態１と同一の方法にて、アパーチャ５、リレーレンズ６、結合レンズ７、光ファイバ８の入射端面８１を配置すれば、前記実施の形態１と同様な効果が得られるばかりでなく、略一定の集光性を維持しながら容易に高出力化を図ることができる。

なお本実施の形態においては、単一の光共振器中に２本のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂを配置する構成について示したが、光共振器中に配置するロッド型固体レーザ媒質１の数はこれに限るものではない。例えば、所望するレーザ出力に応じて、光共振器中へ配置するロッド型固体レーザ媒質１の数を選定し、部分反射鏡２と隣接するロッド型固体レーザ媒質１間の距離、ならびに全反射鏡３と隣接するロッド型固体レーザ媒質１間の距離をＬｍに設定するとともに、相対面するロッド型固体レーザ媒質１間の距離を２Ｌｍに設定すれば、ロッド型固体レーザ媒質１の数に依らず、周期型共振器を構成することができる。

また複数のロッド型固体レーザ媒質１を単一の光共振器中に配置する本実施の形態においては、前記実施の形態１と同じく、部分反射鏡２に隣接するロッド型固体レーザ媒質１ａの等価熱レンズ９主面を、第１転写光学系の物体面とする構成を示したが、第１転写光学系の物体面はこれに限るものではない。例えば、図１２（ｂ）に示したように前記実施の形態２と同じく、光共振器中に内部アパーチャ１１を設置する構成に対しては、内部アパーチャ１１を第１の基準面として第１転写光学系の物体面とすることにより、前記実施の形態２と同様な効果を得ることができる。図１２（ｂ）とは異なり、ロッド型固体レーザ媒質１と全反射鏡３の間に内部アパーチャ１１を配置した場合、実施の形態２で述べたようにロッド型固体レーザ媒質の中心１０１に対して、対称な位置に内部アパーチャ１１を配置した場合と等価と考えればよい。また前記実施の形態３と同じく、部分反射鏡２に隣接するロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２を第１の基準面として第１転写光学系の物体面とすれば、前記実施の形態３と同様な効果を得ることができる。要は光共振器内部の適当な位置に第１の基準面をとして、リレーレンズ６、および結合レンズ７からなる第１転写光学系の物体面を設定し、リレーレンズ６によって該物体面を第１像面に転写し、更に第１像面を結合レンズ７によって光ファイバ８の入射端面８１上へ縮小転写リレーするとともに、光共振器中に設定された第１転写光学系の物体面に対し、部分反射鏡２を中点として、光学的に対称な位置にアパーチャ５を設置し、リレーレンズ６からなる第２転写光学系によって、第２転写光学系の物体面であるアパーチャ５を、結合レンズ７上へ転写する構成とすればよい。

実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５によるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態においては、３本のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂ、１ｃを使用しており、第３のロッド型固体レーザ媒質１ｃのみを、部分反射鏡２、および全反射鏡３からなる光共振器中に配置し、レーザ光を発生させる発振器として使用するとともに、第１、第２のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂは、発振器から発せられたレーザ光を増幅する増幅器として使用する所謂ＭＯＰＡ（ＭａｓｔｅｒＯｓｃｉｌｌａｔｏｒＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）構成を採用している。本実施の形態において３本のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂ、１ｃは、距離２Ｌｍをもって等間隔に配置されている。また第２のロッド型固体レーザ媒質１ｂと第３のロッド型固体レーザ媒質１ｃの中間に平面鏡からなる部分反射鏡２を、第３のロッド型固体レーザ媒質１ｃより距離Ｌｍなる位置に平面鏡からなる全反射鏡３を配設している。本実施の形態に示すように、複数のロッド型固体レーザ媒質１を使用するロッド型固体レーザ装置において、複数のロッド型固体レーザ媒質１を距離２Ｌｍなる等間隔で配置し、末端に配置されたロッド型固体レーザ媒質１の端面より距離Ｌｍなる位置に全反射鏡３を配設するとともに、任意のロッド型固体レーザ媒質１の中間に部分反射鏡２を配設する周期型ＭＯＰＡ構成を採用すれば、複数のロッド型固体レーザ媒質１が全て均等に励起されている理想的な条件においては、前記周期型共振器の場合と同じく、各ロッド型固体レーザ媒質１中でのモード形状の周期性が保存される。従って、本実施の形態に示す周期型ＭＯＰＡ構成を使用しても、複数のロッド型固体レーザ媒質１を使用し、集光性を略一定に保ちながら、容易に高出力化を図ることができる。周期型ＭＯＰＡ構成については、複数のロッド型固体レーザ媒質１を用いたロッド型固体レーザ装置においては一般的な構成であり、光共振器中に配設するロッド型固体レーザ媒質１の数、増幅器に用いるロッド型固体レーザ媒質１の数は、所望する性能に応じて選定すればよい。

次に本実施の形態、即ち周期型ＭＯＰＡ構成に対する光学系の配置方法について説明する。周期型ＭＯＰＡ構成においては、レーザ光４が出射する最終段のロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２より、ロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂ、１ｃの設置間隔２Ｌｍに対し１／２なる距離Ｌｍの位置に、第３の基準面２’を設定する。この第３の基準面２’を中点とし、第１の基準面となる第１のロッド型固体レーザ媒質１ａの等価熱レンズ９主面と対称な位置すなわち第２の基準面に、ロッド型固体レーザ媒質１ａの直径と略等しい開口を有するアパーチャ５を設置する。すなわち、第３の基準面は、第２の基準面を設定する際に実施の形態１〜４の部分反射鏡と同様の作用を有することとなるので、第３の基準面を仮想部分反射鏡と呼ぶ。以下、前記実施の形態１と同じく、リレーレンズ６、ならびに結合レンズ７によって第１転写光学系を構成し、まずリレーレンズ６にてロッド型固体レーザ媒質１ａの等価熱レンズ９の主面を第１像面１０上へ転写するとともに、結合レンズ７により第１像面１０を光ファイバ８の入射端面８１上に縮小転写リレーする。加えて、リレーレンズ６は第２転写光学系を構成しており、リレーレンズ６によって、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する。従って、本実施の形態においても、前記実施の形態１にして示した、（１）式乃至（３）式をそのまま適用することができる。

周期ＭＯＰＡ構成においても、ロッド型固体レーザ媒質１中でのモード形状の周期性が略一定に保存されるため、前記実施の形態１と同一の方法にて、アパーチャ５、リレーレンズ６、結合レンズ７、光ファイバ８の入射端面８１を配置すれば、前記実施の形態１と同様な効果が得られるばかりでなく、略一定に集光性を維持しながら容易に高出力化を図ることができる。なお、前記実施の形態４にて示した周期共振器構成と本実施の形態で示した周期ＭＯＰＡ構成を比較すると、周期共振器構成の場合には、全てのロッド型固体レーザ媒質１が光共振器内部に配置されているため、取り出されるレーザ光４中での自然放出光の割合が低いことに加え、光共振器の境界条件によってビームウェスト位置が固定されるため、集光性に優れたレーザ光４を発生させることが容易であるという長所がある。一方、光共振器中に多数のロッド型固体レーザ媒質１が配置されるため、各ロッド型固体レーザ媒質１間の励起状態のばらつきによって、光共振器の安定条件が容易に崩れ、不安定発振を起こし易いという短所も内在している。周期ＭＯＰＡ構成については、増幅器から発せられる自然放出光が容易に増幅されるため、レーザ光４中に占める自然放出光の割合が増加することに加え、光共振器の境界条件によってビームウェスト位置が固定されることがないため、集光性が容易に低下するという短所がある。また低強度のレーザ光４では増幅器中の利得を十分に取り出すことができず、レーザ光の発生効率が低下するという短所もある。一方、周期共振器光共振器と同一数のロッド型固体レーザ媒質１を使用する場合であっても、光共振器中に配置するロッド型固体レーザ媒質１の数は少なくすることができるので、各ロッド型固体レーザ媒質１間で、励起状態にばらつきが生じた場合であっても、安定にレーザ光４を発生させることができるという長所がある。

また本実施の形態においては、レーザ光の出射端に位置するロッド型固体レーザ媒質１ａの等価熱レンズ９主面を、第１の基準面である第１転写光学系の物体面とする構成を示したが、第１転写光学系の物体面はこれに限るものではない。例えば、前記実施の形態３と同じく、仮想部分反射鏡２’を中点として、レーザ光の出射端に位置するロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２と対称な位置すなわち第２の基準面に、ロッド型固体レーザ媒質１ａの直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配設するとともに、ロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２を第１の基準面である第１転写光学系の物体面とし、光ファイバ８の入射端面８１上へ転写リレーする構成とすれば、前記実施の形態３と同様な効果を得ることができる。

なお上記説明では、ロッド型固体レーザ媒質１ａの等価熱レンズ９、もしくは端面１０２を、第１の基準面である第１転写光学系の物体面として設定する方法を示したが、第１転写光学系の物体面の設定方法はこれに限るものではない。例えば、ロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２から中点１０１までの範囲内において、基準となる熱レンズ主面を任意に設定しても、同様な効果を得ることができる。要は設定する等価熱レンズ主面位置に対し、仮想部分反射鏡２’を中点として光学的に対称な位置すなわち第２の基準面にロッド型固体レーザ媒質１の直径と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配置するとともに、リレーレンズ６、および結合レンズ７からなる第１転写光学系を用いて等価熱レンズ９の主面を光ファイバ８の入射端面８１に転写リレーするとともに、リレーレンズ６からなる第２転写光学系を用いて、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する構成とすれば、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズが変化したり、レーザ光４にポインティング変動が発生した場合であっても、結合レンズ７上におけるビーム径、ビーム位置を略一定に維持するとともに、光ファイバ８の入射端面８１上でのビーム径、ビーム位置を保証し、光ファイバ８による安定なビーム伝送が可能になるとともに、光ファイバ８を出射するレーザ光４についても、集光性を略一定に保つことができる。

実施の形態６．
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態６によるロッド型固体レーザ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態においても、前記実施の形態５と同じく、複数のロッド型固体レーザ媒質１ａ、１ｂ、１ｃを等間隔で配置し、周期ＭＯＰＡ構成を採用している。なお本実施の形態においては、部分反射鏡２、ならびに全反射鏡３から構成される光共振器中に内部アパーチャ１１を挿入し、レーザ光４のビーム径を制限している。増幅器として使用されるロッド型固体レーザ媒質１ｂ、１ｃ中においても、レーザ光４が通過する部分でのみ増幅作用を被るため、第１のロッド型固体レーザ媒質１ａ中のモード形状が、増幅器中においても略保存される。本実施の形態においては、内部アパーチャ１１は、部分反射鏡２より距離Ｌａなる位置に設置されている。

次に本実施の形態に対する光学系の配置方法について説明する。まず前記実施の形態５と同じく、レーザ光４が出射する最終段のロッド型固体レーザ媒質１ａの端面１０２より距離Ｌｍなる位置に、仮想部分反射鏡２’を想定する。次に仮想部分反射鏡２’より第１のロッド型固体レーザ媒質１ａの方向で、距離Ｌａなる位置を第１の基準面としてここに、仮想内部アパーチャ１１’を想定する。仮想部分反射鏡２’を中点とし、仮想内部アパーチャ１１’と光学的に対称な位置を第２の基準面としてここに、内部アパーチャ１１と略等しい開口径を有するアパーチャ５を配置する。従って、周期ＭＯＰＡ構成に対しても、前記実施の形態２にて示した（１１）式を適用することができる。以下、前記実施の形態１と同じく、リレーレンズ６、ならびに結合レンズ７によって第１転写光学系を構成し、まずリレーレンズ６にて仮想内部アパーチャを第１像面１０上へ転写するとともに、結合レンズ７により第１像面１０を光ファイバ８の入射端面８１上に縮小転写リレーする。また、リレーレンズ６は第２転写光学系を構成しており、リレーレンズ６によって、アパーチャ５を結合レンズ７上へ転写する。従って、本実施の形態においても、前記実施の形態２にして示した（１’）式、前記実施の形態１にて示した（２）乃至（３）式を適用することができる。

また、図１４（ａ）とは異なり、図１４（ｂ）に示したようにロッド型固体レーザ媒質１ｃと全反射鏡３の間に内部アパーチャ１１を配置した場合、実施の形態２で述べたように部分反射鏡２側に全反射鏡３と同様な距離だけ部分反射鏡２からはなして内部アパーチャ１１を配置した場合と等価と考えればよい。すなわち、内部アパーチャ１１を全反射鏡３からＬａの距離に配置した場合は、図１４（ｂ）に示したように、図１４（ａ）と同様の配置にて光学系の配置を決定すればよい。

本実施の形態に示すように、周期ＭＯＰＡ構成において、光共振器に内部アパーチャ１１を挿入し、ビーム径を制限する方式においても、ロッド型固体レーザ媒質１中でのモード形状の周期性が略一定に保存されるため、前記実施の形態２と同様な効果が得られるばかりでなく、一定の集光性を維持しながら容易に高出力化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、光共振器中にのみ内部アパーチャ１１を挿入し、ビーム径を制限する構成を示したが、光共振器に挿入する内部アパーチャ１１に加え、増幅器として使用する任意のロッド型固体レーザ媒質１の近傍に、ビーム径を制限するアパーチャを設けてもよい。例えば、仮想内部アパーチャ１１’を設置する位置に、内部アパーチャ１１と略等しい開口径を有する実際のアパーチャを設置すれば、増幅器として使用するロッド型固体レーザ媒質中で発生したビームポインティング変動や、レーザ光４のビーム品質を劣化させる自然放出増幅光の影響を抑制し、更に安定かつ信頼性の高い光ファイバ８を用いたレーザ光４の伝送が可能になる。

また上記説明では、ロッド型固体レーザ媒質として、Ｎｄ（ネオジウム）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用した構成について示したが、固体レーザ媒質の種類はこれに限るものではなく、例えばリン酸ガラスやバナデート結晶等を使用した場合であっても、同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明に係るロッド型固体レーザ装置は、光ファイバーを用いてレーザ光を伝送し加工を行う装置に適している。

Claims

ロッド型固体レーザ媒質と部分反射鏡及び全反射鏡からなる対称安定型光共振器から出力されたレーザ光を、リレーレンズと結合レンズを用いて光ファイバへ入射するロッド型固体レーザ装置において、
前記部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の前記部分反射鏡に対向する端面と、このロッド型固体レーザ媒質の中点との間の任意の位置に第１の基準面を設定し、
該第１の基準面と、前記部分反射鏡に対し光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、
前記リレーレンズは、前記第１の基準面を第１像面に転写するとともに前記第２の基準面を前記結合レンズ上に転写する位置に配置され、
前記結合レンズは、前記第１像面を光ファイバ端面に転写する位置に配置されたことを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
前記部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の前記部分反射鏡に対向する端面と、このロッド型固体レーザ媒質の中点との間で形成される熱レンズと光学的に等価な薄肉レンズを想定し、この想定した薄肉レンズの主面の位置に前記第１の基準面を設定することを特徴とする請求の範囲１に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の前記部分反射鏡に対向する端面に、前記第１の基準面を設定することを特徴とする請求の範囲１に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記第２の基準面の位置にアパーチャを配置したことを特徴とする請求の範囲１〜３いずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
前記アパーチャの開口径は、前記ロッド型固体レーザ媒質の直径と略等しいものであることを特徴とする請求の範囲４に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質が単数であることを特徴とする請求の範囲１に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質が複数であることを特徴とする請求の範囲１に記載のロッド型固体レーザ装置。
ロッド型固体レーザ媒質と全反射鏡及び平面鏡である部分反射鏡からなる安定型光共振器から出力されたレーザ光を、リレーレンズと結合レンズを用いて光ファイバへ入射するロッド型固体レーザ装置において、
前記部分反射鏡と、前記部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の中点との間で、レーザ光のビーム径が前記ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズに依らず一定となる位置に第１の基準面を設定し、
該第１の基準面と、前記部分反射鏡に対し光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、
前記リレーレンズは、前記第１の基準面を第１像面に転写するとともに前記第２の基準面を前記結合レンズ上に転写する位置に配置され、
前記結合レンズは、前記第１像面を光ファイバ端面に転写する位置に配置されたことを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質と前記部分反射鏡との間にビーム径を制限する内部アパーチャを備え、
この内部アパーチャの位置に第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲８に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質と前記全反射鏡との間にビーム径を制限する内部アパーチャを備え、
前記部分反射鏡からロッド型固体レーザ媒質側の、前記内部アパーチャと前記全反射鏡間と略等しい距離に第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲８に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記第２の基準面の位置にアパーチャを配置したことを特徴とする請求の範囲８〜１０のいずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
前記アパーチャの開口径は、前記内部アパーチャの開口径と略等しいものであることを特徴とする請求の範囲１１に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質が単数であることを特徴とする請求の範囲８〜１０のいずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
前記ロッド型固体レーザ媒質が複数であることを特徴とする請求の範囲８〜１０のいずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
等間隔で配置された複数のロッド型固体レーザ媒質を備え、末端に配置されたロッド型固体レーザ媒質から、ロッド型固体レーザ媒質の配置間隔の略１／２の距離に、平面鏡からなる全反射鏡を配置し、任意のロッド型固体レーザ媒質間の略中点なる位置に平面鏡からなる部分反射鏡を配置して前記全反射鏡との間で光共振器を構成し、この光共振器外のロッド型固体レーザ媒質を増幅器として使用して前記光共振器から出射したレーザ光を増幅し、リレーレンズと結合レンズを用いてレーザ光を光ファイバへ入射するロッド型固体レーザ装置において、
レーザ光出射側の末端に位置するロッド型固体レーザ媒質のレーザ光出射側の端面から、前記ロッド型固体レーザ媒質の配置間隔の略１／２の距離に、仮想部分反射鏡を想定し、
前記仮想部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の前記仮想部分反射鏡に対向する端面と、このロッド型固体レーザ媒質の中点との間の任意の位置に第１の基準面を設定し、
該第１の基準面と、前記仮想部分反射鏡に対し光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、
前記リレーレンズは、前記第１の基準面を第１像面に転写するとともに前記第２の基準面を前記結合レンズ上に転写する位置に配置され、
前記結合レンズは、前記第１像面を光ファイバ端面に転写する位置に配置されたことを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
前記仮想部分反射鏡に隣接するロッド型固体レーザ媒質の前記仮想部分反射鏡に対向する端面と中点との間で形成される熱レンズと光学的に等価な薄肉レンズを想定し、この想定した薄肉レンズの主面の位置に前記第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲１５に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記仮想部分反射鏡に隣接するロッド型固体レーザ媒質の前記仮想部分反射鏡に対向する端面に、前記第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲１５に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記第２の基準面の位置にアパーチャを配置したことを特徴とする請求の範囲１５〜１７のいずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
前記アパーチャの開口径は、前記ロッド型固体レーザ媒質の直径と略等しいものであることを特徴とする請求の範囲１８に記載のロッド型固体レーザ装置。
等間隔で配置された複数のロッド型固体レーザ媒質を備え、末端に配置されたロッド型固体レーザ媒質から、ロッド型固体レーザ媒質の配置間隔の略１／２の距離に、平面鏡からなる全反射鏡を配置し、任意のロッド型固体レーザ媒質間の略中点なる位置に平面鏡からなる部分反射鏡を配置して前記全反射鏡との間で光共振器を構成し、この光共振器外のロッド型固体レーザ媒質を増幅器として使用して前記光共振器から出射したレーザ光を増幅し、リレーレンズと結合レンズを用いてレーザ光を光ファイバへ入射するロッド型固体レーザ装置において、
レーザ光出射側の末端に位置するロッド型固体レーザ媒質のレーザ光出射側の端面から、前記ロッド型固体レーザ媒質の配置間隔の略１／２の距離に、仮想部分反射鏡を想定し、
前記仮想部分反射鏡と、前記仮想部分反射鏡に隣接して配置されたロッド型固体レーザ媒質の中点との間で、レーザ光のビーム径が前記ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズに依らず一定となる位置に第１の基準面を設定し、
該第１の基準面と、前記仮想部分反射鏡に対し光学的に対称な位置に第２の基準面を設定し、
前記リレーレンズは、前記第１の基準面を第１像面に転写するとともに前記第２の基準面を前記結合レンズ上に転写する位置に配置され、
前記結合レンズは、前記第１像面を光ファイバ端面に転写する位置に配置されたことを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
前記光共振器中の前記部分反射鏡に隣接するロッド型固体レーザ媒質と前記部分反射鏡間にビーム径を制限する内部アパーチャを備え、
前記仮想部分反射鏡からロッド型固体レーザ媒質側の、前記内部アパーチャと前記部分反射鏡間と略等しい距離に第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲２０に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記光共振器中の前記全反射鏡に隣接するロッド型固体レーザ媒質と前記全反射鏡間にビーム径を制限する内部アパーチャを備え、
前記仮想部分反射鏡からロッド型固体レーザ媒質側の、前記内部アパーチャと前記全反射鏡間と略等しい距離に第１の基準面を設定したことを特徴とする請求の範囲２０に記載のロッド型固体レーザ装置。
前記第２の基準面の位置にアパーチャを配置したことを特徴とする請求の範囲２０〜２２のいずれかに記載のロッド型固体レーザ装置。
前記アパーチャの開口径は、前記内部アパーチャの開口径と略等しいものであることを特徴とする請求の範囲２３に記載のロッド型固体レーザ装置。