JPWO2019163207A1 - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

固体レーザ装置１は、複数のコールドヘッド２０と、冷却装置１０と、レーザ媒質３０と、種光源４０とを備える。冷却装置１０は、複数のコールドヘッド２０を冷却する。複数のレーザ媒質３０は、複数のコールドヘッド２０の各々に接触して配置され、照射された第１レーザ光を励起し、第１レーザ光を反射する。種光源４０は、複数のレーザ媒質３０のうちの第１レーザ媒質３０−１に第１レーザ光を照射する。また、複数のレーザ媒質３０は、第１レーザ媒質３０−１に照射された第１レーザ光を、当該レーザ媒質３０が配置されたコールドヘッド２０と異なるコールドヘッド２０に配置されたレーザ媒質３０に向けて反射する。また、複数のコールドヘッド２０は、複数のレーザ媒質３０を冷却する。

Description

固体レーザ装置に関するものである。

励起光を照射したレーザ媒質にレーザ光を照射することで、レーザ光が増幅されて出力される。この原理を用いて、高出力のレーザ光を得ることが知られている。このとき、レーザ媒質では、照射された励起光のエネルギーは、レーザ媒質を加熱する熱と、周囲に放出される光とに変換される。エネルギーが熱に変換されることで、レーザ媒質の温度は上昇する。また、レーザ媒質は低温で増幅効率が向上する。このため、レーザ媒質を冷却する必要がある。

特許文献１には、レーザ媒質と高い熱伝導率を有する円盤とを接触させ、レーザ媒質と円盤とを透過するレーザ光を増幅する技術が開示されている。レーザ媒質で発生する熱は、接触している円盤を介して、冷却チャネルに放熱される。

特許文献２には、レーザ媒質を極低温液体で冷却する技術が開示されている。

特許文献３には、フレキシブル管を用いて、圧縮機と膨張器とを接続した極低温冷凍機が開示されている。

特許文献４には、ワイヤー状の金属材料を複数束ねて形成する柔軟性を持たせた熱伝導構造体が開示されている。

米国特許出願公開第２００７／０２９７４６９号明細書 特開２０１６−７２３４６号公報 特開２０１７−１４１９８９号公報 特開２０１４−２３９１４４号公報

高出力のレーザ光を得るためには、レーザ媒質を低温に保つ必要がある。高出力の固体レーザ装置は、レーザ媒質を冷却するために、大きな冷却システムが用いられる。このため、高出力の固体レーザ装置は大きくなる。

以上のような状況を鑑み、本発明は、高出力で、小型な固体レーザ装置を提供することを目的の１つとする。他の目的については、以下の記載及び実施の形態の説明から理解することができる。

上記目的を達成するため、本発明の態様に係る固体レーザ装置は、複数のコールドヘッドと、冷却装置と、レーザ媒質と、種光源とを備える。冷却装置は、複数のコールドヘッドを冷却する。複数のレーザ媒質は、複数のコールドヘッドの各々に接触して配置され、照射された第１レーザ光を励起し、第１レーザ光を反射する。種光源は、複数のレーザ媒質のうちの第１レーザ媒質に第１レーザ光を照射する。また、複数のレーザ媒質は、第１レーザ媒質に照射された第１レーザ光を、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置されたレーザ媒質に向けて反射する。また、複数のコールドヘッドは、複数のレーザ媒質を冷却する。

前述の固体レーザ装置は、複数のレーザ媒質の各々と、複数のコールドヘッドとの境界に第１レーザ光を反射する反射面をさらに備えてもよい。

前述の複数のレーザ媒質の厚さは１ｍｍ以下でもよい。

前述の固体レーザ装置は、複数のコールドヘッドを内部に含む真空容器をさらに備えてもよい。

前述の固体レーザ装置は、複数のレーザ媒質の温度を測定する温度測定装置をさらに備えてもよい。

前述の温度測定装置は、光分析器と、判定部と、出力装置とを備えてもよい。この場合、光分析器は、複数のレーザ媒質の各々から放出される光のスペクトルを分析する。判定部は、スペクトルに基づき、各レーザ媒質の温度を判定する。

前述の固体レーザ装置は、コールドヘッドに支持され、複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備えてもよい。

前述の固体レーザ装置は、複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備えてもよい。この場合、光照射部は、光センサと、角度制御部と、照射部とを備えてもよい。光センサは、各レーザ媒質からの光波を検知する。角度制御部は、検知結果に基づき、励起光の照射方向を決定する。照射部は、照射方向に基づき、第１レーザ光が照射される各レーザ媒質の表面に励起光を照射する。

前述の角度制御部は、第１レーザ光が照射されているレーザ媒質の位置を算出してもよい。第１レーザ光が照射されているレーザ媒質の位置に励起光が照射されるように、照射方向を決定してもよい。

前述の光照射部は、光センサの前方に、第１レーザ光の波長の光を通過させるフィルタを備えてもよい。

前述の固体レーザ装置は、複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備えてもよい。この場合、光照射部は、角度制御部と、照射部とを備えてもよい。角度制御部は、光の照射状況に基づき、励起光の照射方向を決定する。照射部は、照射方向に基づき、第１レーザ光が照射される前記各レーザ媒質の表面に前記励起光を照射する。

前述の角度制御部は、光の照射状況に対応した第１レーザ光が照射されるレーザ媒質の位置を示す変化情報を保持してもよい。また、変化情報から、現在の光の照射状況に対応した第１レーザ光が照射されるレーザ媒質の位置に基づき、励起光の照射方向を決定してもよい。

前述の光照射部は、真空容器の外部に設けられてもよい。また、真空容器は、励起光を透過する励起光窓を備えてもよい。

前述の複数のコールドヘッドは、少なくとも３つのコールドヘッドを含んでもよい。

前述の複数のコールドヘッドは、２以上のコールドヘッドを含む第１組のコールドヘッドと、２以上のコールドヘッドを含む第２組のコールドヘッドとを含んでもよい。この場合、複数のレーザ媒質は、第１組のコールドヘッドに配置されたレーザ媒質を含む第１レーザ媒質群と、第２組のコールドヘッドに配置されたレーザ媒質を含む第２レーザ媒質群とを含む。第１レーザ媒質群は、第１レーザ媒質を含む。種光源は、第２レーザ媒質群に含まれる第２レーザ媒質に第２レーザ光を照射する。第１レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質は、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置され、第１レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質に、第１レーザ媒質に照射された第１レーザ光を反射する。第２レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質は、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置され、第２レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質に、第２レーザ媒質に照射された第２レーザ光を反射する。

前述の固体レーザ装置は、第１レーザ媒質群に反射された第１レーザ光と、第２レーザ媒質群に反射された第２レーザ光とを合成する光合成器をさらに備えてもよい。

本発明によれば、固体レーザ装置は、高い出力を得るとともに、小型化を実現することができる。

図１は、実施の形態１に係る固体レーザ装置の模式図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ拡大図である。 図４は、実施の形態２に係る固体レーザ装置の模式図である。 図５は、図４の温度測定装置の構成を示す図である。 図６は、製造誤差、熱による屈折率の変化の影響を説明するための図である。 図７は、実施の形態３に係る固体レーザ装置の模式図である。 図８は、図７の光照射部の機能を説明するための図である。 図９は、実施の形態４に係る固体レーザ装置の模式図である。 図１０は、図９のＣ−Ｃ断面図である。 図１１は、実施の形態５に係る固体レーザ装置の模式図である。 図１２は、実施の形態５の変形例に係る固体レーザ装置の模式図である。 図１３は、実施の形態６に係る固体レーザ装置の模式図である。 図１４は、図１３のＤ−Ｄ断面図である。 図１５は、冷却装置とコールドヘッドとの接続部分の変形例に関する模式図である。 図１６は、冷却装置とコールドヘッドとの接続部分の変形例に関する模式図である。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る固体レーザ装置１は、図１に示すように、種光源４０と、複数のレーザ媒質３０（第１レーザ媒質３０−１、第２レーザ媒質３０−２、・・・、第ｎレーザ媒質３０−ｎ）と、複数の鏡５０（第１鏡５０−１、第２鏡５０−２、第３鏡５０−３）とを備える。種光源４０は、第１レーザ窓６１−１を介して、第１鏡５０−１にレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は、レーザ光路１００に沿って進む。具体的には、レーザ光は、第１鏡５０−１、第１レーザ媒質３０−１、第２レーザ媒質３０−２、・・・、第ｎレーザ媒質３０−ｎ、第２鏡５０−２、第３鏡５０−３により順番に反射され、第２レーザ窓６１−２を介して出力される。このため、種光源４０から照射されたレーザ光は、レーザ媒質３０により励起され、高いエネルギーを得る。また、複数の鏡５０は、種光源４０から照射されるレーザ光がレーザ光路１００に沿って進むように、調整されている。

また、固体レーザ装置１は、レーザ媒質３０を冷却するために、２つの冷却装置１０（第１冷却装置１０−１、第２冷却装置１０−２）と、２つのコールドヘッド２０（第１コールドヘッド２０−１、第２コールドヘッド２０−２）とを備える。冷却装置１０は、コールドヘッド２０を冷却する。冷却されたコールドヘッド２０は、複数のレーザ媒質３０に密着している。このため、レーザ媒質３０で発生した熱は、コールドヘッド２０に伝わる。言い換えると、コールドヘッド２０は、レーザ媒質３０を冷却する。また、レーザ媒質３０の厚さは薄く、レーザ媒質３０で発生する熱はコールドヘッド２０により効率よく冷却される。このように、コールドヘッド２０に薄いレーザ媒質３０を密着させて冷却するため、レーザ媒質３０の冷却システムは従来技術よりも小さく構成することが可能である。つまり、固体レーザ装置１は従来技術よりも小さく構成することが可能である。

レーザ媒質３０は、励起光が照射されることで、照射されたレーザ光を増幅する。このため、固体レーザ装置１は、レーザ媒質３０に励起光を照射するために、励起光源７０と、複数の光ファイバ７５（第１光ファイバ７５−１、第２光ファイバ７５−２、第３光ファイバ７５−３、・・・）と、複数の光照射部８０（第１光照射部８０−１、第２光照射部８０−２、第３光照射部８０−３、・・・）とを備える。励起光源７０は、複数の光ファイバ７５に接続され、励起光を光ファイバ７５に照射する。光ファイバ７５は、内部に光路を有し、励起光を誘導する。光ファイバ７５は、図２に示すように、光照射部８０に接続されている。光ファイバ７５に沿って進んだ励起光は、光照射部８０からレーザ媒質３０に照射される。

また、固体レーザ装置１は、真空容器６０を備える。コールドヘッド２０と、レーザ媒質３０とは、真空容器６０の内部に設けられている。真空容器６０の内部は、真空、例えば高真空（１０^−５Ｐａ以上、０．１Ｐａ未満）に保たれている。これにより、真空容器６０の外部からコールドヘッド２０への熱が遮断される。また、コールドヘッド２０と、レーザ媒質３０とに水滴、霜などがつくのを抑制する。断熱効果を上げるために、真空容器６０の内部は分子流領域であってもよい。真空容器６０には、図１に示すように、レーザ光を透過するレーザ窓６１（第１レーザ窓６１−１、第２レーザ窓６１−２）と、励起光を透過する励起光窓６５（第１励起光窓６５−１、第２励起光窓６５−２、第３励起光窓６５−３）とが設けられている。このため、レーザ光は、レーザ窓６１を介して、真空容器６０の外部から内部に、内部から外部に通過することができる。また、励起光も、励起光窓６５を介して、真空容器６０の外部から内部に通過することができる。

固体レーザ装置１の構成を説明する。固体レーザ装置１は、冷却装置１０と、コールドヘッド２０と、レーザ媒質３０と、種光源４０と、鏡５０と、真空容器６０と、励起光源７０と、光ファイバ７５と、光照射部８０とを備える。冷却装置１０は、２つ設けられ、２つのコールドヘッド２０にそれぞれ接続されている。冷却装置１０は、冷媒を圧縮、膨張することで、コールドヘッド２０との接続部分を冷却する。つまり、第１冷却装置１０−１は第１コールドヘッド２０−１を冷却し、第２冷却装置１０−２は第２コールドヘッド２０−２を冷却する。冷却装置１０は、真空容器６０の外部に設けられている。このため、真空容器６０には、冷却装置１０がコールドヘッド２０を冷却するための穴が設けられている。

コールドヘッド２０は、冷却装置１０に接続されている。つまり、第１コールドヘッド２０−１は第１冷却装置１０−１に、第２コールドヘッド２０−２は第２冷却装置１０−２に接続されている。また、それぞれのコールドヘッド２０は、真空容器６０に接続され、支持されている。コールドヘッド２０は、柱状、例えば四角柱状に形成されている。第１コールドヘッド２０−１の長手方向と第２コールドヘッド２０−２の長手方向とは、互いに平行になるように設置されている。コールドヘッド２０の底面、つまり長手方向に直交する端面が冷却装置１０に接続されている。コールドヘッド２０の側面、つまり長手方向に平行な面に、レーザ媒質３０が密着している。すべてのレーザ媒質３０は、コールドヘッド２０の同じ側面に密着している。コールドヘッド２０は、冷却装置１０に冷却されることで、レーザ媒質３０を冷却する。コールドヘッド２０は、例えば熱伝導率の高い銅などで形成されている。ここで、理解が容易になるように、コールドヘッド２０の長手方向をｚ軸方向、レーザ媒質３０が密着しているコールドヘッド２０の側面の直交方向をｘ軸方向とする。また、ｚ軸方向とｘ軸方向とに直交する方向をｙ軸方向とする。また、コールドヘッド２０に対して冷却装置１０が設けられている方向を−ｚ方向とする。さらに、第２コールドヘッド２０−２に対する第１コールドヘッド２０−１の方向を＋ｘ方向とする。

レーザ媒質３０は、コールドヘッド２０に密着し、支持されている。レーザ媒質３０が密着している第１コールドヘッド２０−１の側面と、レーザ媒質３０が密着している第２コールドヘッド２０−２の側面とは、互いに平行に対向して設けられている。つまり、レーザ媒質３０が密着している第１コールドヘッド２０−１の側面は、第２コールドヘッド２０−２の方向、つまり−ｘ方向を向いている。また、レーザ媒質３０が密着している第２コールドヘッド２０−２の側面は、第１コールドヘッド２０−１の方向、つまり＋ｘ方向を向いている。また、ｙ軸方向において、第１コールドヘッド２０−１の位置は、第２コールドヘッド２０−２の位置と同じである。

また、レーザ媒質３０は、コールドヘッド２０の長手方向、つまりｚ軸方向に並べて配置されている。また、第１コールドヘッド２０−１に配置されているレーザ媒質３０と、第２コールドヘッド２０−２に配置されているレーザ媒質３０とは、ｚ軸方向にずれて配置されている。具体的には、図１に示すように、第１コールドヘッド２０−１の−ｘ方向の側面に、複数のレーザ媒質３０（第１レーザ媒質３０−１、第３レーザ媒質３０−３、・・・）が配置されている。また、第２コールドヘッド２０−２のｘ方向の側面に、別の複数のレーザ媒質３０（第２レーザ媒質３０−２、第４レーザ媒質３０−４、・・・）が配置されている。第１レーザ媒質３０−１と、第２レーザ媒質３０−２とは、第１レーザ媒質３０−１が反射したレーザ光が第２レーザ媒質３０−２に入射するように配置されている。また、第３レーザ媒質３０−３は、第２レーザ媒質３０−２が反射したレーザ光が第３レーザ媒質３０−３に入射するように配置されている。また、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３とは、互いに隣接して設けられている。つまり、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との間には、他のレーザ媒質３０が設けられていない。このように、複数のレーザ媒質３０は、レーザ光をそれぞれ順番に反射するように配置されている。言い換えると、ｚ軸方向において、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との間に第２レーザ媒質３０−２が配置されている。例えば、ｚ軸方向において、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との中点に第２レーザ媒質３０−２が配置されている。つまり、ｚ軸方向において、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０は、＋ｚ方向端部に配置されたレーザ媒質３０を除き、第１コールドヘッド２０−１の隣接するレーザ媒質３０の間、例えば中点に設けられている。この結果、レーザ光は、コールドヘッド２０の長手方向、つまり＋ｚ方向へのレーザ光路１００に沿って進む。なお、ｚ軸方向において、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０は、＋ｚ方向端部に配置されたレーザ媒質３０を含み、第１コールドヘッド２０−１の隣接するレーザ媒質３０の間、例えば中点に設けられてもよい。この場合、複数のレーザ媒質３０のうち、レーザ光を最後に反射する第ｎレーザ媒質３０−ｎは、第１コールドヘッド２０−１に配置されている。

レーザ媒質３０は、図３に示すように、反射面３０ａと、接触面３０ｂと、入射面３０ｃとを備える。接触面３０ｂは、レーザ媒質３０の表面の一部を形成し、コールドヘッド２０に接触している。このため、レーザ媒質３０で発生した熱は、接触面３０ｂからコールドヘッド２０に伝わる。入射面３０ｃは、レーザ光がレーザ媒質３０に入射する面である。反射面３０ａは、レーザ媒質３０に照射されたレーザ光を反射する。反射面３０ａは、接触面３０ｂの裏面である。つまり、接触面３０ｂがコールドヘッド２０と接触している部分の＋ｘ方向の面であり、反射面３０ａはコールドヘッド２０と接触している部分の−ｘ方向の面である。このため、レーザ媒質３０に照射されたレーザ光は、入射面３０ｃから入射する。入射したレーザ光は、レーザ媒質３０の内部を進み、レーザ媒質３０がコールドヘッド２０と接触している面の反射面３０ａで反射する。反射したレーザ光は、再度、レーザ媒質３０の内部を進み、入射面３０ｃから照射される。また、レーザ光は、レーザ媒質３０の内部、つまり励起部を通過することで、増幅される。レーザ媒質３０は、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）、Ｙｂ：ＣＡＦ２（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、Ｙｂ：ＬｕＡＧ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌｕｔｅｔｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などで形成されている。また、入射面３０ｃには、レーザ光の損失を低減するために反射防止コーティングが施されてもよい。反射面３０ａには、反射率を向上するために高反射コーティングが施されてもよい。また、レーザ媒質３０の接触面３０ｂには、レーザ光を反射する膜が設けられてもよい。

また、レーザ媒質３０の厚さは薄くてもよい。レーザ媒質３０の厚さが薄い場合、コールドヘッド２０はレーザ媒質３０の内部に発生した熱を十分に吸収することができる。これにより、レーザ媒質３０に入射したレーザ光が、レーザ媒質３０の内部の熱により屈折率が変化することを抑制する。この結果、固体レーザ装置１は、高エネルギーで高品質なレーザ光を出力することができる。レーザ媒質３０の厚さは、レーザ媒質３０の熱伝導率と、冷却装置１０とコールドヘッド２０とがレーザ媒質３０を冷却する性能とに基づき、決定する。例えば、レーザ媒質３０の厚さは、１ｍｍ以下である。また、レーザ媒質３０をコールドヘッド２０に密着させる方法として、コーティング、常温接合、接着剤による接着などが例示される。

種光源４０は、図１に示すように、真空容器６０の外側、−ｚ方向に設けられている。種光源４０は、レーザ光を真空容器６０に照射する。照射したレーザ光は、第１レーザ窓６１−１を通過し、真空容器６０の内部に照射される。レーザ光の波長は、レーザ媒質３０の素材に合わせて選択される。例えば、レーザ媒質３０がＹｂ：ＹＡＧで形成されている場合、レーザ光の波長として１０３０ｎｍを選択してもよい。

鏡５０は、真空容器６０の内部に設置され、真空容器６０に支持されている。第１鏡５０−１は、種光源４０から照射されたレーザ光を第１レーザ媒質３０−１に反射するように設置されている。これにより、種光源４０が照射したレーザ光は、第１レーザ媒質３０−１に照射される。また、第２鏡５０−２は、第ｎレーザ媒質３０−ｎが反射したレーザ光を第３鏡５０−３に反射するように設置されている。第３鏡５０−３は、第２鏡５０−２が反射したレーザ光を、第２レーザ窓６１−２を通過し、真空容器６０の外部に反射するように設置されている。つまり、第２鏡５０−２と、第３鏡５０−３とは、第ｎレーザ媒質３０−ｎが反射したレーザ光を、真空容器６０の外部に反射するように設置されている。鏡５０は、種光源４０が照射したレーザ光が、レーザ媒質３０で励起し、真空容器６０の外部に進むように、設置されている。

励起光源７０は、真空容器６０の外部に設置され、励起光を光ファイバ７５の内部に照射する。励起光の波長は、レーザ媒質３０の素材に合わせて選択される。例えば、レーザ媒質３０がＹｂ：ＹＡＧで形成されている場合、励起光の波長として９４０ｎｍを選択してもよい。

光ファイバ７５の一端は、励起光源７０に接続されている。光ファイバ７５の他端は、光照射部８０に接続されている。例えば、第１光ファイバ７５−１は、励起光源７０と、第１光照射部８０−１とに接続されている。同様に、第２光ファイバ７５−２は、励起光源７０と、第２光照射部８０−２とに接続されている。言い換えると、各々の光ファイバ７５は、励起光源７０と、互いに異なる光照射部８０とに接続されている。光ファイバ７５は、励起光源７０が照射する励起光を受光し、光照射部８０に照射する。これにより、励起光源７０から照射される励起光を各々の光照射部８０に伝搬する。

光照射部８０は、真空容器６０の外部に設けられ、真空容器６０に支持されている。また、光照射部８０は、光ファイバ７５から伝搬された励起光をレーザ媒質３０に照射するように設置されている。言い換えると、第１レーザ媒質３０−１に励起光を照射する第１光照射部８０−１は、図２に示すように、第１レーザ媒質３０−１よりも−ｘ方向に設置されている。また、ｚ軸方向において、第１光照射部８０−１は、第１レーザ媒質３０−１と同じ位置に設置されている。第２レーザ媒質３０−２に励起光を照射する第２光照射部８０−２は、第２レーザ媒質３０−２よりも＋ｘ方向に設置されている。また、ｚ軸方向において、第２光照射部８０−２は、第２レーザ媒質３０−２と同じ位置に設置されている。同様に、他の光照射部８０も、励起光が照射されるレーザ媒質３０の、ｘ軸方向に対する入射面３０ｃの向きと、ｚ軸方向の位置に基づき、設置されている。

また、光照射部８０はレンズを備える。レンズは、励起光の照射する範囲を調整する。このため、光照射部８０から照射された励起光は、励起光窓６５を通過し、レーザ媒質３０の入射面３０ｃに照射される。これにより、レーザ媒質３０は、励起され、レーザ媒質３０の内部を通るレーザ光を増幅する。

真空容器６０は、固体レーザ装置１の外部の装置などに支持されている。例えば、固体レーザ装置１を備える装置、固体レーザ装置１を設置している台などに、真空容器６０は支持されている。また、真空容器６０は、コールドヘッド２０を内部に含み、レーザ窓６１と、励起光窓６５とを備える。レーザ窓６１は、レーザ光を通過させるため、レーザ光路１００が真空容器６０と交差する位置に設けられている。具体的には、第１レーザ窓６１−１は、種光源４０がレーザ光を照射する位置に、レーザ光の方向に合せて、設けられている。つまり、第１レーザ窓６１−１は真空容器６０の−ｚ方向の面に設けられている。また、固体レーザ装置１がレーザ光を出力する位置に、レーザ光の方向に合せて、第２レーザ窓６１−２が設けられている。言い換えると、第２レーザ窓６１−２は真空容器６０の＋ｚ方向の面に設けられている。

励起光窓６５は、励起光を通過させるため、励起光路１１０が真空容器６０と交差する位置に設けられている。具体的には、第１光照射部８０−１が励起光を照射する方向に、第１励起光窓６５−１が設けられている。このため、ｚ軸方向において、第１励起光窓６５−１は、第１光照射部８０−１と同じ位置に設けられている。同様に、他の励起光窓６５も、励起光窓６５に励起光を照射する光照射部８０の位置に基づき、設置されている。

（使用方法）
固体レーザ装置１の使用方法を説明する。まず、第１冷却装置１０−１と第２冷却装置１０−２とを起動させ、第１コールドヘッド２０−１と第２コールドヘッド２０−２とを冷却する。両方のコールドヘッド２０の温度が十分に下がったら、種光源４０を起動し、レーザ光を照射する。種光源４０を起動するときのコールドヘッド２０の温度は、レーザ媒質３０の素材により決定される。例えば、レーザ媒質３０がＹｂ：ＹＡＧの場合、コールドヘッド２０の温度が１２０Ｋ以下に下がったら、種光源４０を起動する。種光源４０が照射するレーザ光は、鏡５０と、レーザ媒質３０とで反射され、固体レーザ装置１から出力される。次に、励起光源７０を起動し、光照射部８０からレーザ媒質３０に対して、励起光を照射する。レーザ媒質３０は、励起光が照射されると、励起光のエネルギーに応じて、照射されているレーザ光を増幅する。このため、固体レーザ装置１が出力するレーザ光のエネルギーは、種光源４０が照射するレーザ光のエネルギーよりも高くなる。最後に、種光源４０が出力するレーザ光のエネルギーを、励起光源７０を起動する前よりも高くする。これにより、固体レーザ装置１が出力するレーザ光のエネルギーは、さらに高くなる。以上のように、固体レーザ装置１を使用することで、固体レーザ装置１は、高出力で、高品質なレーザ光を出力することができる。

（実施の形態２）
レーザ媒質３０の温度を測定し、固体レーザ装置１の冷却性能と、出力するレーザ光のエネルギーとを、測定結果に応じて調整してもよい。例えば、高エネルギーのレーザ光を出力する場合、冷却装置１０の冷却エネルギーを最大にする。次に、励起光源７０が出力する励起光のエネルギーを高くする。また、種光源４０が出力するレーザ光のエネルギーを高くする。レーザ媒質３０が予め決められた温度を超える場合、例えば１２０Ｋを超える場合、レーザ光のエネルギーを下げる。これにより、固体レーザ装置１の冷却性能を超えない範囲で、出力されるレーザ光のエネルギーは最大になる。このように、レーザ媒質３０の温度を測定することで、固体レーザ装置１がレーザ光を出力する効率を上げることができる。

レーザ媒質３０の温度を測定するための構成の一例を示す。レーザ媒質３０は、図４に示すように、励起されることで光波１２０（第１光波１２０−１、第２光波１２０−２、など）を放出する。光波１２０のスペクトル、つまり蛍光スペクトルは、温度により変化する。このため、レーザ媒質３０が放出する光波１２０のスペクトルを分析することで、レーザ媒質３０の温度を測定することが出来る。具体的には、固体レーザ装置１は、真空容器６０の外部に温度測定装置９０（第１温度測定装置９０−１、第２温度測定装置９０−２、など）を備える。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

温度測定装置９０は、レーザ媒質３０が放出する光波１２０を受光する。このため、温度測定装置９０は、励起光窓６５を介してレーザ媒質３０が放出する光波１２０を受光できるように設置されている。言い換えると、温度測定装置９０は、光照射部８０の近傍に設置されている。

温度測定装置９０は、図５に示すように、光分析器９１と、判定部９２と、出力装置９３とを備える。光分析器９１は、レーザ媒質３０が放出する光波１２０を受光し、光波１２０のスペクトルを分析し、その蛍光スペクトルを取得する。光分析器９１は、取得した蛍光スペクトルを表す情報を含む検知信号を判定部９２に送信する。光分析器９１には、必要に応じて位置分解能を向上するための光学系装置を組み合わせることができる。例えば、光波１２０の受光部の前に凸レンズを設け、所望の位置分解能の領域を所望の倍率に拡大してもよい。

判定部９２は、検知信号を受信し、蛍光スペクトルを抽出する。判定部９２は、抽出した蛍光スペクトルに基づき、レーザ媒質３０の温度を判定する。具体的には、判定部９２は、レーザ媒質３０の温度に対応した蛍光スペクトルを温度データとして保持する。このため、判定部９２は、具体的には、温度データから抽出した蛍光スペクトルに最も近い蛍光スペクトルを検索し、該当する温度を抽出する。判定部９２は、抽出した温度をレーザ媒質３０の温度として決定する。判定部９２は、決定した温度を表す情報を含む温度信号を出力装置９３に送信する。判定部９２は、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）などの演算装置と、ハードディスクなどの記憶装置とを含む。

出力装置９３は、温度信号を受信し、レーザ媒質３０の温度を抽出する。出力装置９３は、抽出した温度を表示する。例えば、出力装置９３は、ディスプレイを含む。

以上のように、固体レーザ装置１は、レーザ媒質３０の温度を測定することができる。このため、固体レーザ装置１の使用者は、励起光源７０が出力する励起光のエネルギーを上げるとき、種光源４０が出力するレーザ光のエネルギーを上げるときなどに、レーザ媒質３０の温度を確認することができる。使用者がレーザ媒質３０の温度を確認することで、予め決められた温度を超えないように、励起光のエネルギーと、レーザ光のエネルギーとを調整することができる。また、冷却装置１０の冷却力も調整することができる。このため、使用者は、出力すべきレーザ光のエネルギーに応じて、励起光のエネルギーと、レーザ光のエネルギーと、冷却力とを調整することで、効率よくレーザ光を出力することができる。

（実施の形態３）
レーザ光は、複数のレーザ媒質３０で反射する。このため、製造誤差、レーザ媒質３０で発生した熱による屈折率の変化などにより、図６に示すように、設計時のレーザ光路１００に対して、レーザ光の光路が実際のレーザ光路１０５に変化する場合がある。これにより、レーザ媒質３０において、レーザ光が照射される位置は、励起光が照射される位置とずれてしまう。この結果、レーザ媒質３０におけるレーザ光の増幅効率が低下する。

実施の形態３では、レーザ媒質３０に励起光を照射する位置を補正することで、レーザ光の増幅効率を保つ例を示す。図７に示すように、光照射部８０は、照射部８１と、駆動部８２と、角度制御部８３と、光センサ８４と、フィルタ８５とを備える。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

照射部８１は、光ファイバ７５に接続されている。照射部８１は、光ファイバ７５から伝搬された励起光をレーザ媒質３０に照射する。このため、照射部８１はレンズを備え、励起光を収束させる。

駆動部８２は、照射部８１を支持し、第１回転方向８７と、第２回転方向８８とに照射部８１を回転させる。第１回転方向８７の第１回転軸と第２回転方向８８の第２回転軸とは、互いに直交する。また、第１回転軸と第２回転軸とは、照射部８１とレーザ媒質３０とを結ぶ直線に直交する。駆動部８２は、照射部８１を第１回転方向８７と、第２回転方向８８とに回転させることで、照射部８１が励起光を照射する方向を調整する。駆動部８２は、例えば、アクチュエータを備える。

光センサ８４は、レーザ媒質３０の方向から受光する光波１２０を検知する。光センサ８４は、光波１２０を受光するため、照射部８１の近傍に設置される。光センサ８４は、照射部８１と同様に、駆動部８２に支持されてもよい。

フィルタ８５は、光センサ８４の前方、つまり光センサ８４から見てレーザ媒質３０の方向に設けられている。フィルタ８５は、レーザ光の波長を有する光を透過し、その他の光を遮断する。このため、光センサ８４が受光する光波１２０は、レーザ光の波長を有する光に限定される。

角度制御部８３は、光センサ８４の検知結果に基づき、レーザ媒質３０におけるレーザ光が照射されている位置を算出する。具体的には、光センサ８４がレーザ光の波長を有する光を受光するため、角度制御部８３は、検知した光の方向から、レーザが照射されている位置を算出する。角度制御部８３は、レーザ光が照射されている位置に基づき、照射部８１が励起光を照射すべき照射方向を決定する。また、角度制御部８３は、照射方向に基づき、照射部８１を回転させる第１回転方向８７の角度と第２回転方向８８の角度とを算出し、駆動部８２に指示する。角度制御部８３は、光センサ８４と駆動部８２と通信できればよく、任意の位置に設置することができる。角度制御部８３は、例えば、駆動部８２の近傍に設置されてもよい。

光照射部８０が、励起光の照射方向を変更する方法を説明する。図８に示すように、光センサ８４は、検知した光波１２０の情報を含む光波信号を生成し、角度制御部８３に送信する。

角度制御部８３は、光波信号を受信し、光センサ８４が受光した光波１２０の情報を抽出する。光センサ８４が受光する光波１２０は、フィルタ８５により、レーザ光の波長を有する光に限定されている。このため、抽出した光波１２０の情報には、レーザ光路１００を表す情報が含まれている。よって、角度制御部８３は、レーザ光路１００の情報に基づき、光波信号からレーザ媒質３０の入射面３０ｃにおいて、レーザ光が照射されている位置を算出する。次に、算出した位置に基づき、照射部８１が励起光を照射すべき方向を決定する。最後に、決定した方向に基づき、駆動部８２が回転すべき第１回転方向８７の角度と第２回転方向８８の角度とを算出し、決定した角度を表す情報を含む角度信号を生成する。

駆動部８２は、角度信号を受信し、回転すべき第１回転方向８７の角度と、第２回転方向８８の角度とを抽出する。抽出した両角度に基づき、照射部８１を第１回転方向と第２回転方向とに回転する。この結果、照射部８１が励起光を照射する方向は、レーザ光が入射しているレーザ媒質３０の位置に励起光が届くように変更される。

これにより、製造誤差や熱歪みにより、設計時のレーザ光路１００から実際のレーザ光路１０５にずれたとしても、レーザ媒質３０におけるレーザ光が照射する位置に励起光を照射することができる。この結果、レーザ光の増幅効率が低下するのを抑制することができる。また、レーザ媒質３０の角度を調整することで、レーザ光路１００を調整することもできる。しかし、それぞれのレーザ媒質３０の角度は、互いにレーザ光路１００に影響を及ぼし、独立して調整することができない。一方、励起光の照射位置を調整する場合は、複数の照射部８１の角度をそれぞれ独立して調整することができる。また、固体レーザ装置１の使用中にも照射部８１の角度を調整できるため、使用中に生じた熱歪みによりレーザ光路１００が変更されても、レーザ光の増幅効率が低下することを抑制することができる。特に、レーザ媒質３０がコールドヘッド２０に密着しているなど、レーザ媒質３０の角度を調整するのが難しいときに有効である。

（実施の形態４）
実施の形態４では、図９に示すように、固体レーザ装置１が３つのコールドヘッド２０（第１コールドヘッド２０−１、第２コールドヘッド２０−２、第３コールドヘッド２０−３）を備える例を示す。このため、固体レーザ装置１は、第１コールドヘッド２０−１を冷却する第１冷却装置１０−１と、第２コールドヘッド２０−２を冷却する第２冷却装置１０−２と、第３コールドヘッド２０−３を冷却する第３冷却装置１０−３とを備える。実施の形態１と同じ機能を有するものは、同じ符号で参照する。また、ここでは、実施の形態１と異なる機能・構成について説明し、実施の形態１と同じ機能・構成については説明を省略する。また、実施の形態１と同様に、コールドヘッド２０の長手方向をｚ軸方向とする。ただし、ｙ軸方向をレーザ媒質３０が密着している第３コールドヘッド２０−３の側面の直交方向とし、ｘ軸方向をｙ軸方向とｚ軸方向とに直交する方向とする。コールドヘッド２０に対して冷却装置１０が設けられている方向を−ｚ方向とする。なお、理解を容易にするため、図９では励起光源７０と光ファイバ７５とを省略している。

図１０に示すように、第１コールドヘッド２０−１のレーザ媒質３０が密着している側面と、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０が密着している側面と、第３コールドヘッド２０−３のレーザ媒質３０が密着している側面とは真空容器６０の中心を向いている。言い換えると、コールドヘッド２０の側面のうち、真空容器６０の中心側の側面に、レーザ媒質３０が密着している。２つのコールドヘッド２０の真空容器６０の中心側の側面が成す角は、例えば、６０度である。

また、図９に示すように、第２コールドヘッド２０−２に密着しているレーザ媒質３０は、第１コールドヘッド２０−１に密着しているレーザ媒質３０よりも＋ｚ方向にずれている。また、第３コールドヘッド２０−３に密着しているレーザ媒質３０は、第２コールドヘッド２０−２に密着しているレーザ媒質３０よりも＋ｚ方向にずれている。言い換えると、ｚ軸方向において、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０と第３コールドヘッド２０−３のレーザ媒質３０は、第１コールドヘッド２０−１の隣接するレーザ媒質３０の間に設けられている。また、ｚ軸方向において、第３コールドヘッド２０−３のレーザ媒質３０と第１コールドヘッド２０−１のレーザ媒質３０は、第２コールドヘッド２０−２の隣接するレーザ媒質３０の間に設けられている。例えば、ｚ軸方向において、第２レーザ媒質３０−２は、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との中点に配置されてもよい。また、第３レーザ媒質３０−３は、第２レーザ媒質３０−２と第４レーザ媒質３０−４との中点に配置されてもよい。ここで、第１レーザ媒質３０−１と第４レーザ媒質３０−４とは互いに隣接して設けられている。このため、例えば、第１コールドヘッド２０−１に密着している第１レーザ媒質３０−１が反射したレーザ光は、第２コールドヘッド２０−２に密着している第２レーザ媒質３０−２に入射する。また、第２コールドヘッド２０−２に密着している第２レーザ媒質３０−２が反射したレーザ光は、第３コールドヘッド２０−３に密着している第３レーザ媒質３０−３に入射する。さらに、第３コールドヘッド２０−３に密着している第３レーザ媒質３０−３が反射したレーザ光は、第１コールドヘッド２０−１に密着している第４レーザ媒質３０−４に入射する。このように、第１コールドヘッド２０−１に密着しているレーザ媒質３０と、第２コールドヘッド２０−２に密着しているレーザ媒質３０と、第３コールドヘッド２０−３に密着しているレーザ媒質３０とは、順番にレーザ光を反射する。つまり、レーザ媒質３０が反射するレーザ光は、各レーザ媒質３０で順番に反射され、レーザ光路１００に沿って、らせん状に＋ｚ方向に進む。

固体レーザ装置１の構成を説明する。固体レーザ装置１は、実施の形態１と同様に、冷却装置１０と、コールドヘッド２０と、レーザ媒質３０と、種光源４０と、鏡５０と、真空容器６０と、励起光源７０と、光ファイバ７５と、光照射部８０とを備える。冷却装置１０は、３つ設けられ、３つのコールドヘッド２０をそれぞれ冷却する。

コールドヘッド２０は、第１コールドヘッド２０−１と、第２コールドヘッド２０−２と、第３コールドヘッド２０−３のそれぞれに設置されたレーザ媒質３０がレーザ光を順番に反射するように設置されている。具体的には、第１コールドヘッド２０−１に設置されたレーザ媒質３０が反射したレーザ光が、第２コールドヘッド２０−２に設置されたレーザ媒質３０に反射し、さらに第３コールドヘッド２０−３に設置されたレーザ媒質３０に反射し、第１コールドヘッド２０−１に設置されたレーザ媒質３０に反射するように設置されている。

光照射部８０は、レーザ媒質３０に励起光を照射するように設置されている。光照射部８０は、図１０に示すように、レーザ媒質３０の入射面３０ｃに直交する方向に設置されている。

真空容器６０の励起光窓６５は、励起光路１１０が真空容器６０と交差する位置に設けられている。具体的には、レーザ媒質３０の入射面３０ｃに直交する方向に設けられている。

以上のように、固体レーザ装置１は３つのコールドヘッド２０を備えることができる。また、４つ以上のコールドヘッド２０を備えてもよい。例えば、固体レーザ装置１は、円周上に配置された複数のコールドヘッド２０を備えてもよい。この場合、互いに隣接する２つのコールドヘッドを第１コールドヘッド２０−１、第２コールドヘッド２０−２とすると、第１コールドヘッド２０−１のレーザ媒質３０は、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０にレーザ光を反射してもよい。つまり、レーザ光が、コールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０に順番に反射され、らせん状に＋ｚ方向に進んでもよい。

また、コールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０に順番にレーザ光が反射され、＋ｚ方向に進めば、任意のレーザ光路１００を選択してもよい。例えば、固体レーザ装置１は、円周上に配置された５つのコールドヘッド２０を備えてもよい。この場合、レーザ光路１００が＋ｚ方向から見た場合に五芒星の形状であってもよい。つまり、レーザ媒質３０は、当該レーザ媒質３０が設置されているコールドヘッド２０に対向するコールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０に、レーザ光を反射してもよい。

（実施の形態５）
実施の形態５では、レーザ光がレーザ光路１００を折り返すことで、同じレーザ媒質３０で複数回反射する例を示す。固体レーザ装置１は、レーザ光を折り返すため、図１１に示すように、真空容器６０の第２レーザ窓６１−２から出力されるレーザ光を反射する折返し鏡９６を備える。また、固体レーザ装置１は、折り返したレーザ光の位相を変更させる波長板９７と、位相が変更されたレーザ光を反射する偏光子９５とを備える。その他の構成は実施の形態１と同様である。

折返し鏡９６は、真空容器６０の外部に設けられ、レーザ光を反射する。レーザ光を反射する折返し鏡９６の面は、真空容器６０から出力されるレーザ光のレーザ光路１００に直交する。このため、折返し鏡９６が反射するレーザ光は、レーザ光路１００に沿って進む。

波長板９７は、折返し鏡９６と真空容器６０の第２レーザ窓６１−２との間に設けられている。波長板９７は、通過するレーザ光の直交する2つの偏光成分に位相差をつけることにより、レーザ光の偏光状態を変えることができる。具体的には、位相差を、レーザ光の４分の１波長に相当する角度だけずらす４分の１波長板が用いられる。真空容器６０から出力されるレーザ光は、折返し鏡９６に入射するときと、折返し鏡９６から反射されたときで、波長板９７を２回通過する。このため、第２レーザ窓６１−２から真空容器６０の内部に入射するレーザ光の位相は、レーザ光の２分の１波長に相当する角度だけずれる。波長板９７の光学軸に対して、４５度傾いた直線偏光のレーザ光を入射することで、偏光方向を９０度（例えばp偏光からs偏光に）変えることができる。

偏光子９５は、第１レーザ窓６１−１と種光源４０との間に設けられ、レーザ光を分離する。種光源４０から照射されるレーザ光に対して、折返し鏡９６から反射されたレーザ光は、波長板９７により偏光状態が、例えばp偏光からs偏光に変化する。このため、偏光子９５は、種光源４０から照射されるレーザ光を通過させ、折返し鏡９６から反射されたレーザ光を反射することができる。固体レーザ装置１は、偏光子９５が反射したレーザ光を出力する。

このように、固体レーザ装置１は、偏光子９５と、折返し鏡９６と、波長板９７とを用いることで、レーザ光を同じレーザ媒質３０で複数回反射させ、出力するレーザ光のエネルギーを増加することができる。

また、レーザ光を折返すことで、出力するレーザ光のエネルギーを増加させる方法は、これに限定されず、任意に選択することができる。例えば、固体レーザ装置１は、図１２に示すように、レーザ光を反射する折返し鏡９６と、第１レーザ窓６１−１から出力されたレーザ光を分離する分離鏡９８とを備えてもよい。この場合、種光源４０から放射されたレーザ光は、レーザ光往路１０１に沿って、第２レーザ窓６１−２から出力される。折返し鏡９６は、第２レーザ窓６１−２から出力されたレーザ光を反射する。ここで、折返し鏡９６のレーザ光を反射する面は、レーザ光往路１０１に直交しない。このため、折返し鏡９６が反射するレーザ光は、レーザ光往路１０１を通らず、レーザ光復路１０２に沿って進む。よって、第１レーザ窓６１−１から出力されるレーザ光は、レーザ光往路１０１と一致しない。この結果、分離鏡９８は、第１レーザ窓６１−１から出力されるレーザ光を反射させることができる。固体レーザ装置１は、分離鏡９８が反射したレーザ光を出力する。

（実施の形態６）
実施の形態６では、固体レーザ装置１は、種光源４０から照射されるレーザ光を分岐する。分岐したレーザ光をそれぞれのレーザ光路１００で増幅し、増幅したレーザ光を合成する例を示す。固体レーザ装置１は、図１３、１４に示すように、４つのコールドヘッド２０（第１コールドヘッド２０−１、第２コールドヘッド２０−２、第３コールドヘッド２０−３、第４コールドヘッド２０−４）と、各コールドヘッド２０を冷却する冷却装置１０（第１冷却装置１０−１、第２冷却装置１０−２、図示しない第３冷却装置１０−３、第４冷却装置１０−４）とを備える。実施の形態１と同じ機能を有するものは、同じ符号で参照する。また、ここでは、実施の形態１と異なる機能・構成について説明し、実施の形態１と同じ機能・構成については説明を省略する。また、実施の形態１と同様に、コールドヘッド２０の長手方向をｚ軸方向とする。ただし、ｘ軸方向をレーザ媒質３０が密着している第２コールドヘッド２０−２の側面の直交方向とし、ｙ軸方向をｚ軸方向とｘ軸方向とに直交する方向とする。コールドヘッド２０に対して冷却装置１０が設けられている方向を−ｚ方向とする。

コールドヘッド２０は、図１４に示すように、第１コールドヘッド２０−１のレーザ媒質３０が密着している面と、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０が密着している面とが、互いに平行に向かい合って配置されている。また、第３コールドヘッド２０−３のレーザ媒質３０が密着している面と、第４コールドヘッド２０−４のレーザ媒質３０が密着している面とは、互いに平行に向かい合っている。

また、固体レーザ装置１は、図１３に示すように、光分岐器５５と、光合成器５６とを備える。光分岐器５５は、真空容器６０の内部に設けられ、真空容器６０に支持されている。光分岐器５５は、種光源４０が照射したレーザ光を受光し、２つに分岐する。分岐したレーザ光の一方の第１レーザ光は、第１コールドヘッド２０−１に設置された第１レーザ媒質３０−１に照射される。他方の第２レーザ光は、第３コールドヘッド２０−３に設置された第３レーザ媒質３０−３に照射される。

第１レーザ媒質３０−１に照射された第１レーザ光は、第１レーザ媒質３０−１に反射され、第２コールドヘッド２０−２に設置された第２レーザ媒質３０−２に照射される。第２レーザ媒質３０−２は、照射された第１レーザ光を第１コールドヘッド２０−１に設置されたレーザ媒質３０に向けて反射する。このように、第１レーザ光は、第１コールドヘッド２０−１に設置されたレーザ媒質３０と、第２コールドヘッドに設置されたレーザ媒質３０とに反射され、第１レーザ光路１００−１に沿って進み、光合成器５６に照射される。つまり、第１コールドヘッド２０−１に設置されたレーザ媒質３０と、第２コールドヘッド２０−２に設置されたレーザ媒質３０とを第１レーザ媒質群とすると、第１レーザ光は第１レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質３０に順番に反射される。このため、第１レーザ光は、第１レーザ媒質群のレーザ媒質３０により、増幅される。

第３レーザ媒質３０−３に照射された第２レーザ光は、第３レーザ媒質３０−３に反射され、第４コールドヘッド２０−４に設置された第４レーザ媒質３０−４に照射される。第４レーザ媒質３０−４は、照射された第２レーザ光を第３コールドヘッド２０−３に設置されたレーザ媒質３０に反射する。このように、第２レーザ光は、第３コールドヘッド２０−３に設置されたレーザ媒質３０と、第４コールドヘッドに設置されたレーザ媒質３０とに反射され、第２レーザ光路１００−２に沿って進み、光合成器５６に照射される。つまり、第３コールドヘッド２０−３に設置されたレーザ媒質３０と、第４コールドヘッド２０−４に設置されたレーザ媒質３０とを第２レーザ媒質群とすると、第２レーザ光は第２レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質３０に順番に反射される。このため、第２レーザ光は、第２レーザ媒質群のレーザ媒質３０により、増幅される。

光合成器５６は、真空容器６０の内部に設けられ、真空容器６０に支持されている。光合成器５６は、増幅した第１レーザ光と第２レーザ光とを合成する。固体レーザ装置１は、合成したレーザ光を第２レーザ窓６１−２から出力する。

これにより、種光源４０から照射されるレーザ光は第１レーザ光と第２レーザ光とに分岐するため、レーザ媒質３０に照射される第１レーザ光と第２レーザ光とのエネルギーは、分岐する前のレーザ光のエネルギーより小さい。このため、レーザ媒質３０の内部で生じる熱を抑制することができる。

実施の形態６では、固体レーザ装置１は、２つのコールドヘッド２０を組として、それぞれで第１レーザ光路１００−１と、第２レーザ光路１００−２とを設ける例を示したが、これに限定されない。組のコールドヘッド２０に含まれる数は、任意に選択することができる。例えば、組のコールドヘッド２０は、３つのコールドヘッド２０を含んでもよい。この場合、３つのコールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０により、レーザ光路１００を設ける。

また、固体レーザ装置１は、２組のコールドヘッド２０を備え、２つのレーザ光路１００（第１レーザ光路１００−１、第２レーザ光路１００−２）を設ける例を示したが、これに限定されない。固体レーザ装置１に含まれるコールドヘッド２０の組数は、任意に選択することができる。例えば、固体レーザ装置１は、３組のコールドヘッド２０を備えてもよい。この場合、光分岐器５５は、種光源４０が照射するレーザ光を３つのレーザ光に分岐する。各組のコールドヘッド２０に設置したレーザ媒質３０は、分岐したレーザ光を増幅する。増幅したレーザ光を、光合成器５６が合成する。

（変形例）
上記実施の形態では、複数のコールドヘッド２０は、互いに異なる冷却装置１０に冷却される例を示したが、これに限定されない。例えば、１つの冷却装置１０が複数のコールドヘッド、例えばすべてのコールドヘッド２０を冷却してもよい。また、複数の冷却装置１０で１つのコールドヘッド２０を冷却してもよい。

また、冷却装置１０は、冷媒を圧縮、膨張させることで、コールドヘッド２０との接続部分を冷却する例を示したが、これに限定されない。コールドヘッド２０との接続部分を冷却できればよく、任意の方法を選択することができる。

上記実施の形態では、真空容器６０には、冷却装置１０がコールドヘッド２０を冷却するための穴が設けられている例を示したが、これに限定されない。冷却装置１０がコールドヘッド２０を冷却できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、真空容器６０は、高い熱伝導率の素材、例えば銅で形成された熱伝導部を備えてもよい。この場合、冷却装置１０は、熱伝導部を介して、コールドヘッド２０を冷却する。

また、冷却装置１０が熱伝導部を介してコールドヘッド２０を冷却する場合、冷却装置１０からコールドヘッド２０に伝わる振動を熱伝導部が抑制してもよい。例えば、熱伝導部は、熱伝導率が高く、やわらかい材料、例えば高純度アルミニウム、銅などで形成され、振動を抑制してもよい。また、熱伝導部は、図１５に示すように、板、ワイヤーなどを複数束ねて形成された熱伝導構造体６６を備えてもよい。

また、冷却装置１０は、冷媒を圧縮機１１で冷却し、冷媒管１２を介して寒冷部１３に供給する。寒冷部１３は、図１６に示すように、真空容器６０の内部に設けられてもよい。この場合、圧縮機１１は、真空容器６０の外部に設置される。このため、冷媒管１２は、真空容器６０の穴を貫通し、圧縮機１１と寒冷部１３とを接続する。また、冷媒管１２は、ベローズ管などで形成され、圧縮機１１で発生する振動が、寒冷部１３に伝わるのを抑制する。

また、寒冷部１３とコールドヘッド２０との間に、振動抑制部２２が設けられてもよい。この場合、振動抑制部２２は、冷却装置１０からコールドヘッド２０に伝わる振動を抑制する。振動抑制部２２は、例えば、熱伝導率が高く、やわらかい材料、例えば高純度アルミニウム、銅などで形成されている。また、振動抑制部２２は、板、ワイヤーなどを複数束ねて形成されてもよい。

さらに、振動抑制部２２とコールドヘッド２０との間に、支持台２４が設けられてもよい。この場合、支持台２４は、コールドヘッド２０を支持する。また、真空容器６０の内部の鏡５０は、真空容器６０に支持される例を示したが、これに限定されず、支持台２４に支持されてもよい。

また、冷却装置１０は、コールドヘッド２０との接続部分を冷却する例を示したが、これに限定されない。冷却装置１０がコールドヘッド２０を冷却できれば、任意の方法を選択することができる。例えば、冷却装置１０は、コールドヘッド２０の内部に冷媒を供給し冷却してもよい。

また、レーザ媒質３０は、コールドヘッド２０に設けられた凹部に、嵌め込まれてもよい。例えば、レーザ媒質３０の入射面３０ｃは、コールドヘッド２０の側面と同じ面を形成してもよい。つまり、ｘ軸方向において、入射面３０ｃの位置は、コールドヘッド２０の側面の位置と同じでもよい。

また、レーザ媒質３０の周囲に、光吸収材を設けてもよい。光吸収材は、例えば、Ｃｒ（Ｃｈｒｏｍｉｕｍ）を添加したドープ材、Ｓｍ（Ｓａｍａｒｉｕｍ）を添加したドープ材などを含む。

また、反射面３０ａが接触面３０ｂの裏面、つまりレーザ媒質３０の内部に形成されている例を示したが、これに限定されない。例えば、反射面３０ａは、レーザ媒質３０とコールドヘッド２０との境界に設けることができる。つまり、接触面３０ｂの裏面、またはコールドヘッド２０の表面に反射面３０ａを設けることができる。また、入射面３０ｃと接触面３０ｂの間に設けてもよい。ここでは、レーザ媒質３０で反射するとの文言には、コールドヘッド２０の表面で反射する場合も含む。

上記実施の形態では、温度測定装置９０は、光分析器９１を備える例を示したが、これに限定されない。レーザ媒質３０の温度を検知できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、レーザ媒質３０とコールドヘッド２０との間に、極低温用の熱電対を設置してもよい。

上記実施の形態では、光照射部８０は、真空容器６０の外部に設けられる例を示したが、これに限定されない。光照射部８０は、レーザ媒質３０に励起光を照射できればよく、任意の位置に設置することができる。例えば、真空容器６０の内部、例えばコールドヘッド２０に支持され配置されてもよい。

また、光照射部８０は、コールドヘッド２０に設けた貫通孔を通じてレーザ媒質３０に励起光を照射してもよい。特に、レーザ媒質３０の直交方向に、コールドヘッド２０が設けられ、かつ、レーザ媒質３０が配置されていない場合に有効である。また、コールドヘッド２０に貫通孔を設ける例を示したが、コールドヘッド２０を励起光が透過できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、コールドヘッド２０に励起光が透過する窓を設けてもよい。

上記実施の形態では、レーザ媒質３０におけるレーザ光が照射されている位置を検出するために、光センサ８４と、フィルタ８５とを備える例を示したが、これに限定されない。例えば、温度測定装置９０が備える光分析器９１を用いてもよい。例えば、光分析器９１を用いて、レーザ光の波長の光強度が閾値以上である位置を検出する。角度制御部８３は、検出した位置を、レーザ光が照射されている位置として判定してもよい。この閾値は、レーザ媒質３０の素材、例えばレーザ媒質３０の蛍光スペクトルに基づき、決定してもよい。

また、角度制御部８３は、照射されるレーザ光の出力エネルギーと、照射される励起光の出力エネルギーと、レーザ光の照射時間と、励起光の照射時間とに基づき、励起光の照射方向を決定してもよい。つまり、光の照射状況に基づき、励起光の照射方向を決定してもよい。この場合、角度制御部８３は、光の照射状況に対応した、レーザ光がレーザ媒質３０に照射される位置を示す変化情報を予め保持する。角度制御部８３は、レーザ光の出力エネルギーと照射時間と、励起光の出力エネルギーと照射時間とを取得する。つまり、角度制御部８３は、現在の光の照射状況を取得する。角度制御部８３は、変化情報から取得した光の照射状況を検索し、レーザ光がレーザ媒質３０に照射される位置を抽出する。抽出した位置に基づき、励起光の照射方向を決定する。また、光の照射状況は、レーザ光の出力エネルギーと、励起光の出力エネルギーと、レーザ光の照射時間と、励起光の照射時間とのうちの一部であってもよい。なお、変化情報は、実験またはシミュレーションにより取得する。

上記実施の形態では、温度測定装置９０の出力装置９３がレーザ媒質３０の温度を表示する例を示したが、これに限定されない。例えば、冷却装置１０が、レーザ媒質３０の温度を含む温度信号を受信し、レーザ媒質３０の温度に基づき、冷却力を調整してもよい。また、種光源４０が、温度信号を受信し、レーザ媒質３０の温度に基づき、レーザ光のエネルギーを調整してもよい。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形または変更され得ることは明らかである。各実施の形態の技術は、技術的矛盾の発生しない限り、他の実施の形態で用いることが可能である。言い換えれば、以上において説明した処理は一例であり、各ステップの順番、処理内容は、機能を阻害しない範囲で変更してもよい。また、説明した構成は、機能を阻害しない範囲で、任意に変更してもよい。例えば、固体レーザ装置１は、励起光の照射方向を制御する光照射部８０と、温度測定装置９０とを備えてもよい。さらに、３以上のコールドヘッド２０を備えてもよい。また、３以上のコールドヘッド２０を含む第１組のコールドヘッド２０と、３以上のコールドヘッド２０を含む第２組のコールドヘッド２０とを備えてもよい。この場合、第１組のコールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０により、第１レーザ光路１００−１を構成し、第２組のコールドヘッド２０に設置されたレーザ媒質３０により、第２レーザ光路１００−２を構成してもよい。

なお、この出願は、２０１８年２月２６日に出願された日本特許出願２０１８−０３２１９８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを引用によりここに組み込む。

上記目的を達成するため、本発明の態様に係る固体レーザ装置は、複数のコールドヘッドと、冷却装置と、レーザ媒質と、種光源とを備える。冷却装置は、複数のコールドヘッドを冷却する。複数のレーザ媒質は、複数のコールドヘッドの各々に接触して配置され、照射された第１レーザ光を増幅し、第１レーザ光を反射する。種光源は、複数のレーザ媒質のうちの第１レーザ媒質に第１レーザ光を照射する。また、複数のレーザ媒質は、第１レーザ光を、複数のコールドヘッドの１つに配置された複数のレーザ媒質の１つから、複 数のコールドヘッドの別の１つに配置された複数のレーザ媒質の別の１つに向けて反射する。また、複数のコールドヘッドは、複数のレーザ媒質を冷却する。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る固体レーザ装置１は、図１に示すように、種光源４０と、複数のレーザ媒質３０（第１レーザ媒質３０−１、第２レーザ媒質３０−２、・・・、第ｎレーザ媒質３０−ｎ）と、複数の鏡５０（第１鏡５０−１、第２鏡５０−２、第３鏡５０−３）とを備える。種光源４０は、第１レーザ窓６１−１を介して、第１鏡５０−１にレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は、レーザ光路１００に沿って進む。具体的には、レーザ光は、第１鏡５０−１、第１レーザ媒質３０−１、第２レーザ媒質３０−２、・・・、第ｎレーザ媒質３０−ｎ、第２鏡５０−２、第３鏡５０−３により順番に反射され、第２レーザ窓６１−２を介して出力される。このため、種光源４０から照射されたレーザ光は、レーザ媒質３０により増幅され、高いエネルギーを得る。また、複数の鏡５０は、種光源４０から照射されるレーザ光がレーザ光路１００に沿って進むように、調整されている。

また、レーザ媒質３０は、コールドヘッド２０の長手方向、つまりｚ軸方向に並べて配置されている。また、第１コールドヘッド２０−１に配置されているレーザ媒質３０と、第２コールドヘッド２０−２に配置されているレーザ媒質３０とは、ｚ軸方向にずれて配置されている。具体的には、図１に示すように、第１コールドヘッド２０−１の−ｘ方向の側面に、複数のレーザ媒質３０（第１レーザ媒質３０−１、第３レーザ媒質３０−３、・・・）が配置されている。また、第２コールドヘッド２０−２のｘ方向の側面に、別の複数のレーザ媒質３０（第２レーザ媒質３０−２、第４レーザ媒質３０−４、・・・）が配置されている。第１レーザ媒質３０−１と、第２レーザ媒質３０−２とは、第１レーザ媒質３０−１が反射したレーザ光が第２レーザ媒質３０−２に入射するように配置されている。また、第３レーザ媒質３０−３は、第２レーザ媒質３０−２が反射したレーザ光が第３レーザ媒質３０−３に入射するように配置されている。また、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３とは、互いに隣接して設けられている。つまり、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との間には、他のレーザ媒質３０が設けられていない。このように、複数のレーザ媒質３０は、レーザ光をそれぞれ順番に反射するように配置されている。言い換えると、ｚ軸方向において、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との間に第２レーザ媒質３０−２が配置されている。例えば、ｚ軸方向において、第１レーザ媒質３０−１と第３レーザ媒質３０−３との中点に第２レーザ媒質３０−２が配置されている。つまり、ｚ軸方向において、第２コールドヘッド２０−２のレーザ媒質３０は、＋ｚ方向端部に配置されたレーザ媒質３０を除き、第１コールドヘッド２０−１の隣接するレーザ媒質３０の間、例えば中点に設けられている。この結果、レーザ光は、コールドヘッド２０の長手方向、つまり＋ｚ方向へのレーザ光路１００に沿って進む。なお、ｚ軸方向において、第１コールドヘッド２０−１のレーザ媒質３０は、＋ｚ方向端部に配置されたレーザ媒質３０を含み、第２コールドヘッド２０−２の隣接するレーザ媒質３０の間、例えば中点に設けられてもよい。この場合、複数のレーザ媒質３０のうち、レーザ光を最後に反射する第ｎレーザ媒質３０−ｎは、第２コールドヘッド２０− ２に配置されている。

鏡５０は、真空容器６０の内部に設置され、真空容器６０に支持されている。第１鏡５０−１は、種光源４０から照射されたレーザ光を第１レーザ媒質３０−１に反射するように設置されている。これにより、種光源４０が照射したレーザ光は、第１レーザ媒質３０−１に照射される。また、第２鏡５０−２は、第ｎレーザ媒質３０−ｎが反射したレーザ光を第３鏡５０−３に反射するように設置されている。第３鏡５０−３は、第２鏡５０−２が反射したレーザ光を、第２レーザ窓６１−２を通過し、真空容器６０の外部に反射するように設置されている。つまり、第２鏡５０−２と、第３鏡５０−３とは、第ｎレーザ媒質３０−ｎが反射したレーザ光を、真空容器６０の外部に反射するように設置されている。鏡５０は、種光源４０が照射したレーザ光が、レーザ媒質３０で増幅され、真空容器６０の外部に進むように、設置されている。

Claims (16)

1. 複数のコールドヘッドと、
   前記複数のコールドヘッドを冷却する冷却装置と、
   前記複数のコールドヘッドの各々に接触して配置され、照射された第１レーザ光を励起し、前記第１レーザ光を反射する複数のレーザ媒質と、
   前記複数のレーザ媒質のうちの第１レーザ媒質に前記第１レーザ光を照射する種光源と、
   を備え、
   前記複数のレーザ媒質は、前記第１レーザ媒質に照射された前記第１レーザ光を、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置されたレーザ媒質に向けて反射し、
   前記複数のコールドヘッドは、前記複数のレーザ媒質を冷却する
   固体レーザ装置。
2. 前記複数のレーザ媒質の各々と、前記複数のコールドヘッドとの境界に前記第１レーザ光を反射する反射面をさらに備える
   請求項１に記載の固体レーザ装置。
3. 前記複数のレーザ媒質の厚さは１ｍｍ以下である
   請求項１または２に記載の固体レーザ装置。
4. 前記複数のコールドヘッドを内部に含む真空容器をさらに備える
   請求項１から３のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
5. 前記複数のレーザ媒質の温度を測定する温度測定装置をさらに備える
   請求項１から４のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
6. 前記温度測定装置は、
   前記複数のレーザ媒質の各々から放出される光のスペクトルを分析する光分析器と、
   前記スペクトルに基づき、前記各レーザ媒質の温度を判定する判定部と、
   を備える
   請求項５に記載の固体レーザ装置。
7. 前記コールドヘッドに支持され、前記複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備える
   請求項１から６のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
8. 前記複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備え、
   前記光照射部は、
   前記各レーザ媒質からの光波を検知する光センサと、
   検知結果に基づき、前記励起光の照射方向を決定する角度制御部と、
   前記照射方向に基づき、前記第１レーザ光が照射される前記各レーザ媒質の表面に前記励起光を照射する照射部と、
   を備える
   請求項１から６のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
9. 前記角度制御部は、
   前記検知結果に基づき、前記レーザ媒質における前記第１レーザ光が照射されている位置を算出し、
   前記第１レーザ光が照射されている前記位置に、前記励起光が照射されるように前記照射方向を決定する
   請求項８に記載の固体レーザ装置。
10. 前記光照射部は、前記光センサの前方に、前記第１レーザ光の波長の光を通過させるフィルタを備える
    請求項８または９に記載の固体レーザ装置。
11. 前記複数のレーザ媒質の各々に励起光を照射する光照射部をさらに備え、
    前記光照射部は、
    光の照射状況に基づき、前記励起光の照射方向を決定する角度制御部と、
    前記照射方向に基づき、前記第１レーザ光が照射される前記各レーザ媒質の表面に前記励起光を照射する照射部と、
    を備える
    請求項１から６のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
12. 前記角度制御部は、
    前記レーザ媒質における、前記光の照射状況に対応した前記第１レーザ光が照射される位置を示す変化情報を保持し、
    前記変化情報から、現在の前記光の照射状況に対応した前記第１レーザ光が照射される前記位置に基づき、前記励起光の照射方向を決定する
    請求項１１に記載の固体レーザ装置。
13. 前記光照射部は、前記複数のコールドヘッドを内部に含む真空容器の外部に設けられ、
    前記真空容器は、前記励起光を透過する励起光窓を備える
    請求項８から１２のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
14. 前記複数のコールドヘッドは、少なくとも３つのコールドヘッドを含む
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
15. 前記複数のコールドヘッドは、
    ２以上のコールドヘッドを含む第１組のコールドヘッドと、
    ２以上のコールドヘッドを含む第２組のコールドヘッドと、
    を含み、
    前記複数のレーザ媒質は、
    前記第１組のコールドヘッドに配置されたレーザ媒質を含む第１レーザ媒質群と、
    前記第２組のコールドヘッドに配置されたレーザ媒質を含む第２レーザ媒質群と、
    を含み、
    前記第１レーザ媒質群は、前記第１レーザ媒質を含み、
    前記種光源は、前記第２レーザ媒質群に含まれる第２レーザ媒質に第２レーザ光を照射し、
    前記第１レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質は、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置され、前記第１レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質に、前記第１レーザ媒質に照射された前記第１レーザ光を反射し、
    前記第２レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質は、当該レーザ媒質が配置されたコールドヘッドと異なるコールドヘッドに配置され、前記第２レーザ媒質群に含まれるレーザ媒質に、前記第２レーザ媒質に照射された前記第２レーザ光を反射する
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
16. 前記第１レーザ媒質群に反射された前記第１レーザ光と、前記第２レーザ媒質群に反射された前記第２レーザ光とを合成する光合成器をさらに備える
    請求項１５に記載の固体レーザ装置。
    

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