JPWO2020075246A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

レーザ装置（１０）は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラー（３）および第２のミラー（４）と、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー（３）から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー（４）へ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー（４）から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラー（３）へ進行させる回折格子（２）と、第１のミラー（３）と回折格子（２）との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部（１）と、を備える。

Description

本発明は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させるレーザ装置に関する。

特許文献１には、複数の波長成分を有するビームを増幅させて出力するレーザ装置について、発振強度が最大となる波長成分に損失を及ぼす光学素子を共振器内に配置することが開示されている。特許文献１のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分以外の波長成分の増幅を促進させることによって各波長成分の出力強度を均すことができ、高効率と高出力とを実現することが可能となる。

特許文献２には、互いに波長が異なる複数のビームを回折格子とミラーとの間にて共振させて複数のビームを出力するレーザ装置が開示されている。特許文献２のレーザ装置では、回折格子とミラーとの間にて、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で複数のビームを進行させる。

特開２００６−１３５２９８号公報 特開昭５３−１２５７９５号公報

上記の特許文献１のレーザ装置は、発振強度が最大となる波長成分には損失を及ぼすとともに他の波長成分には損失を及ぼさないような調整を光学素子によって実現することが困難という問題があった。

レーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる複数のビームを結合させることによって、複数の波長成分を有するビームを出力し得る。しかし、上記の特許文献２のレーザ装置は、複数のビームを結合させて出力可能とするための構成を備えていない。さらに、レーザ装置は、出力されるビームの高品質化が求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現可能とするレーザ装置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、本発明にかかるレーザ装置は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラーおよび第２のミラーを備える。本発明にかかるレーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラーから入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラーから入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラーへ進行させる回折格子を備える。本発明にかかるレーザ装置は、第１のミラーと回折格子との間を進行する複数のビームが通過する媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部を備える。

本発明によれば、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現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にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１に示すレーザ装置が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図 図１に示すレーザ装置によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図 実施の形態１の変形例１にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図５に示すレーザ装置における各ビームの強度の均一化について説明する図 実施の形態１の変形例３にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例４にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態１の変形例５にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第１の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第２の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第３の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第４の例を示す図 図１０に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成の第５の例を示す図 本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態３の変形例１にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 実施の形態３の変形例２にかかるレーザ装置の概略構成を示す図 図１８に示すレーザ装置における結合効率の向上のための構成について説明する図 本発明の実施の形態４にかかるレーザ装置の概略構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置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にかかるレーザ装置１０の概略構成を示す図である。レーザ装置１０は、レーザ媒質である気体中での放電によって気体分子を励起させ、レーザ光を発振させるガスレーザである。レーザ装置１０は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含むレーザ媒質を用いてレーザ発振を行うＣＯ_２レーザである。

レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラー３および第２のミラー４を備える。第１のミラー３と第２のミラー４とは、共振器を構成する。第１のミラー３は、複数のビームの各々を反射する。第２のミラー４は、複数のビームの各々について、入射したビームのうちの一部を反射するとともに入射したビームのうちの一部を透過する。レーザ装置１０は、第２のミラー４を通過した複数のビームを出力する。

レーザ装置１０は、複数のビームの各々を回折させる回折格子２を有する。回折格子２は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー３から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー４へ進行させる。また、回折格子２は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー４から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラーへ進行させる。なお、ビーム中心軸は、ビームの光束の中心を表す軸とする。ビームは、ビーム中心軸の向きに進行する。

レーザ装置１０は、レーザ媒質を収容する収容部１を備える。レーザ媒質は、第１のミラー３と回折格子２との間を進行する複数のビームが通過する媒質である。レーザ媒質は、複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有する。

レーザ装置１０は、複数のビームのビーム中心軸を一致させることによって、複数のビームを結合させる。レーザ装置１０は、ビーム中心軸が互いに一致した状態の複数のビームを出力する。

図２は、図１に示すレーザ装置１０が発振する複数のビームの利得スペクトルの例を示す図である。図２に示すグラフにおいて、縦軸は利得を表し、横軸は波長を表す。グラフにおいて、「ｇ」は利得、「λ」は波長をそれぞれ表すものとする。離散的な利得スペクトルとは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域において利得のピークが２つ以上かつ互いに離間して存在しており、当該ピーク間には利得がレーザ発振に実質的に寄与しない波長帯域が存在する状態の利得スペクトルであるものとする。レーザ媒質は、２以上の特定の波長において利得のピークを持つ。

図２に示す利得スペクトルは、ピークにおける利得のレベルが互いに異なる７つのピークを有する。波長λ_１におけるピークは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域の中で利得が最大のｇ_１となるピークである。波長λ_２におけるピークは、利得がｇ_１に次いで大きいｇ_２となるピークである。波長λ_３におけるピークは、利得がｇ_２に次いで大きいｇ_３となるピークである。ピーク同士の間にてグラフが空いていることは、ピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に実質的に寄与していないことを表している。なお、利得スペクトルにおけるピークの数は複数であれば良く、任意の数とする。

図１に示すレーザ装置１０は、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することによって、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザ光を発振する。なお、図２には、それぞれ波長がλ_１，λ_２，λ_３である３つのビームを示している。

図１において、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに垂直な３軸とする。レーザ装置１０が有する光学系の光軸は、回折格子２にて折り返されている。ｚ軸は、回折格子２と第１のミラー３との間における光軸を表す。第１のミラー３と回折格子２とは、ｚ軸上に配置されている。第２のミラー４は、ｚ軸から回折格子２にて折り返された先の光軸上に配置されている。

収容部１内において、複数のビームは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸によって表される三次元空間のうち互いに異なる位置を通過する。収容部１内において、図１に示す３本のビームの各ビーム中心軸は、ｘ軸とｚ軸とに平行な面内においてｚ軸に対する傾きが互いに異なっており、かつ互いに交わらない。複数のビームの各々は、互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって同時に増幅される。

図１に示す回折格子２は、入射した光を反射して回折光を生じさせる反射型の回折格子である。回折格子２の反射面には、一定の間隔の格子パターンが形成されている。回折格子２は、回折格子２へ入射した光を波長ごとに異なる向きへ反射する波長特性を有する。かかる波長特性によって、回折格子２は、第２のミラー４から入射した複数のビームの各々を、互いに異なる向きへ反射する。これにより、回折格子２は、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラー４から入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて第１のミラー３へ進行させる。回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの進行方向が分散されることによって、複数のビームは、レーザ媒質において互いに異なる位置を通過する。

また、回折格子２は、上記の波長特性によって、互いに異なる入射角度をなして回折格子２へ入射した複数の光を同じ向きへ反射する。回折格子２は、第１のミラー３からレーザ媒質を通過後に入射した複数のビームの各々を、同じ向きへ反射する。これにより、回折格子２は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラー３から入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラー４へ進行させる。なお、回折格子２は、入射した光を透過させて回折光を生じさせる透過型の回折格子であっても良い。

回折格子２の回折効率は、偏光状態によって変化する。レーザ装置１０は、回折格子２にて高い回折効率を実現可能な偏光と、共振器における損失がより少なくなる偏光とを一致させることによって、高効率と高出力との実現が可能となる。例を挙げると、偏光によって反射率が変化する反射特性を有する第１のミラー３が使用される場合において、回折格子２が高い回折効率を実現可能とする偏光と共通の偏光に対し高い反射率を実現可能な第１のミラー３が設けられることで、レーザ装置１０は、共振器における光の損失を抑制することができ、高効率と高出力とを実現できる。

回折格子２は、特定の次数の回折光について最大の回折効率を得ることが可能なブレーズド回折格子であっても良い。ブレーズ波長と称される波長の光がブレーズド回折格子へ入射した場合に、ブレーズド回折格子は、特定の次数の回折光に光強度を集中させて、かつその他の次数の回折光の光強度を低下させる。複数のビームの各波長のうちのいずれか１つをブレーズ波長と一致させるとともに、特定の次数の回折光であるビームが発振可能となるように回折格子２の向きが設定されることによって、レーザ装置１０は、高効率と高出力との実現が可能となる。

第１のミラー３は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側の端に設置されているミラーである。第１のミラー３は、共振器の機能を実現し得る反射率を有する。第１のミラー３の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施されている。第１のミラー３は、回折格子２によって互いに分散された複数のビームを、それぞれのビーム中心軸に沿った方向へ反射する。

第２のミラー４は、共振器の両端のうちレーザ媒質が設けられている側とは逆側の端に設置されているミラーである。第２のミラー４は、回折格子２によってビーム中心軸が重畳された複数のビームである結合ビームの一部をビーム中心軸に沿った方向へ反射させるとともに、結合ビームの一部を透過させる部分反射ミラーである。第２のミラー４の反射面には、例えば、５０％から９５％の反射率を持つコーティングが施されている。また、レーザ装置１０は、第２のミラー４を構成する基材の材料に、発振される各ビームの波長に対し低損失を実現可能な材料が選択されることによって、共振器における光の損失を抑制することができる。

第１のミラー３の反射面と第２のミラー４の反射面とは、平面、凹面および凸面のいずれであっても良い。凹面と凸面とには、球面、非球面、シリンドリカル面あるいはトロイダル面といった各種曲面が適宜用いられても良い。

次に、レーザ装置１０におけるビームの振る舞いについて説明する。回折格子２の格子パターンと、回折格子２が配置される位置と、回折格子２の向きとは、回折格子２と第１のミラー３との間では複数のビームが分散されるとともに回折格子２と第２のミラー４との間では複数のビームが結合されるように設定される。複数のビームは、第１のミラー３と第２のミラー４との間を往復する間に、回折格子２による分散と結合とを繰り返す。共振器内にて複数のビームが往復するうちに、複数のビームは、レーザ媒質を繰り返し通過することによって増幅される。共振器内にて増幅された各ビームの一部が、第２のミラー４を透過して、共振器から各ビームのビーム中心軸に沿った方向へ出射する。レーザ装置１０は、共振器から出射した複数のビームである結合ビームを出力する。

実施の形態１にかかるレーザ装置１０は、回折格子２によって複数のビームを分散させることによって、収容部１内の互いに異なる位置におけるレーザ媒質によって複数のビームを同時に増幅させる。また、レーザ装置１０は、回折格子２によって複数のビームを結合させて、結合ビームを出力する。レーザ装置１０によるレーザ出力は、複数の波長の各ビームの出力の合計となる。レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを発振させることによって、１つの波長のビームのみを発振させる場合と比べて高いレーザ出力を得ることができる。

次に、レーザ媒質が離散的な利得スペクトルを有することの利点について説明する。図３は、図１に示すレーザ装置１０によって発振される複数のビームの振る舞いについて説明する図である。図３には、実施の形態１にかかるレーザ装置１０と、実施の形態１の比較例にかかるレーザ装置１０Ａとを示している。レーザ装置１０Ａの収容部１Ａには、連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質が収容されている。図３では、各レーザ装置１０，１０Ａについて、波長「λ」と利得「ｇ」との関係を表す利得スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「Ｉ」の関係を表す強度スペクトルとを示している。図３では、各レーザ装置１０，１０Ａにおいて発振させる複数のビームのうちの２つである波長λ_１，λ_２の各ビームについて図示している。

連続的な利得スペクトルとは、レーザ装置１０が発振するレーザ光の波長帯域において、当該波長帯域の利得が当該波長帯域のレーザ光の発振に寄与し得る状態の利得スペクトルであるものとする。連続的な利得スペクトルは、例えば、当該波長帯域において利得のピークが１つの山を形成するような利得スペクトルである。連続的な利得スペクトルを有するレーザ媒質をビームが通過する場合に、レーザ媒質では、回折格子２による分散と結合とが繰り返される複数のビームとは別に、分散および結合に寄与しないビームが発振する。この現象は、クロストーク発振と称される現象である。図３において、波長λ_Ｃのビームは、クロストーク発振によって生じたビームの１つであって、波長λ_１と波長λ_２との間に含まれる波長λ_Ｃにも利得が存在しているために生じたものである。

図３では、レーザ装置１０Ａにおいて伝搬する波長λ_Ｃのビームを破線によって示している。共振器の外において、波長λ_Ｃのビームのビーム中心軸と、複数のビームのビーム中心軸との間にはぶれが生じることとなる。このように、クロストーク発振によって生じるビームは、レーザ装置１０Ａから発振されるレーザビームの品質を低下させる要因となり得る。また、レーザ装置１０Ａは、クロストーク発振によって生じるビームが多くなるほど、出力が低下することとなる。

実施の形態１にかかるレーザ装置１０では、利得スペクトルのピーク同士の間の波長帯域がレーザ発振に寄与しない波長帯域とされており、波長λ_１と波長λ_２との間に含まれる波長λ_Ｃには利得が存在していない。レーザ装置１０は、レーザ媒質の利得スペクトルが離散的な利得スペクトルであることで、クロストーク発振を抑制することができる。これにより、レーザ装置１０は、ビーム品質の向上と、出力の向上とが可能となる。これにより、レーザ装置１０は、互いに波長が異なる複数のビームを結合させて出力可能とし、かつ高効率と高出力とビームの高品質化とを実現することができる。

レーザ媒質は、ＣＯ_２を含むものであれば良く、ＣＯ_２とその他の気体とを含む混合ガスであっても良い。ここで、ＣＯ_２とその他の気体とを含む混合ガスを、ＣＯ_２レーザガスと称する。ＣＯ_２レーザガスは、ＣＯ_２の他に、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、キセノン（Ｘｅ）、または酸素（Ｏ_２）などを含むものであっても良い。ＣＯ_２レーザガスが低圧力、例えば１００Ｔｏｒｒ程度よりも低いガス圧である場合に、ＣＯ_２レーザガスであるレーザ媒質は、離散的な利得スペクトルを有するものとなる。

仮に、互いに波長が異なる複数のビームをレーザ媒質において重畳させたとすると、ビーム同士のレーザ発振がレーザ媒質内にて競合することによって、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることとなる。実施の形態１では、レーザ装置１０は、離散的な利得スペクトルをレーザ媒質が有することで、利得スペクトルの各ピークに対応する波長の複数のビームを発振させる。レーザ媒質がＣＯ_２レーザガスである場合において、レーザ装置１０では、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）とそれぞれと称される１０．５９μｍ、１０．５７μｍ、および１０．６１μｍの各波長のビームが発振する。なお、レーザ装置１０は、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）以外のビームを発振させても良い。

レーザ装置１０は、レーザ媒質において、利得が最大である波長のビームのみが選択的に発振されることにはならない程度に複数のビームが分散されていれば良いものとする。レーザ媒質において複数のビームを分散させるための調整は、回折格子２の刻線数を適宜選択することによって行い得る。レーザ装置１０は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによってビームごとの発振が競合する現象を抑制することができ、複数のビームを効率良く発振させることができる。これにより、レーザ装置１０は、高効率と高出力とを実現することができる。

次に、実施の形態１にかかるレーザ装置１０の変形例について説明する。図４は、実施の形態１の変形例１にかかるレーザ装置１１の概略構成を示す図である。変形例１は、回折格子２と第２のミラー４との間に少なくとも１つのアパーチャ５が設けられる例である。レーザ装置１１は、アパーチャ５が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と同様の構成を有する。アパーチャ５は、複数のビームの横モードを一括して調整する調整部である。

アパーチャ５は、入射する光の一部を通過させるとともに、入射する光の一部について通過を制限する。図４に示すレーザ装置１１には、２つのアパーチャ５が設けられている。２つのアパーチャ５は、回折格子２と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。

図４において、ｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸は、互いに垂直な３軸とする。ｚ’軸は、回折格子２と第２のミラー４との間における光軸を表す。第２のミラー４と回折格子２とは、ｚ’軸上に配置されている。アパーチャ５は、ｘ’軸方向およびｙ’軸方向におけるビームのぶれを抑制させ、複数のビームのビーム中心軸を１つに纏める調整を行う。また、アパーチャ５は、ビームの横モードを限定する。レーザ装置１１は、アパーチャ５が設けられることによって、各ビームのビーム中心軸を１つに纏めるとともに、各ビームの横モードを調整して、複数のビームを発振させることができる。

ｘ’軸方向およびｙ’軸方向におけるアパーチャ５の形状および径は、発振させるビームの横モードに応じて適宜設定することができる。例えば、ＴＥＭ（Transverse Electro Magnetic）_００の横モードを有するビームを発振させるために、円形のアパーチャ５が用いられる。アパーチャ５が配置される位置においてｘ’軸方向のビーム径とｙ’軸方向のビーム径とに顕著な差がある場合、アパーチャ５の形状は、楕円形のように、ｘ’軸方向の幅とｙ’軸方向の幅とを異ならせた形状としても良い。

レーザ装置１１には、アパーチャ５に代えて、複数のビームの横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置１１には、ｘ’軸方向における横モードを調整するためのスリットと、ｙ’軸方向における横モードを調整するためのスリットとが設けられても良い。レーザ装置１１は、２つのスリットが設けられることによって、ビームの横モードを調整することができる。

図５は、実施の形態１の変形例２にかかるレーザ装置１２の概略構成を示す図である。変形例２は、収容部１と第１のミラー３との間にビームごとのアパーチャ５が設けられる例である。レーザ装置１２は、アパーチャ５が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。アパーチャ５は、複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部である。

レーザ装置１２は、回折格子２によって分散されたビームごとにアパーチャ５が設けられることによって、ビームごとの波長に対し最適化された径が設定されたアパーチャ５を用いることができる。レーザ装置１２は、ビーム中心軸を１つに纏めるための調整と横モードの調整とを、各アパーチャ５によってビームごとに行うことができる。また、レーザ装置１２は、各アパーチャ５の直径が調整されることによって、ビームごとの強度の調整を行うことができる。レーザ装置１２は、ビームごとの強度の調整によって、各ビームの強度を均一化させることができる。

図６は、図５に示すレーザ装置１２における各ビームの強度の均一化について説明する図である。図６では、波長「λ」と利得「ｇ」との関係を表す利得スペクトルと、各アパーチャ５によってビームごとに及ぼされる損失を波長「λ」と損失「Ａ」との関係によって表した損失スペクトルと、波長「λ」とビーム強度「Ｉ」の関係を表す強度スペクトルとを示している。

各アパーチャ５による損失「Ａ」は、利得スペクトルのピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいほど損失「Ａ」が大きくなるように設定される。図６に示す例では、利得が最大のｇ_１となる波長λ_１のビームに対し、各アパーチャ５による損失「Ａ」の中で最大の損失Ａ_１が設定される。波長λ_１のビーム以外の各ビームについても、ピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいほど損失「Ａ」が大きくなるように、損失「Ａ」が設定される。利得「ｇ」のピークが大きいビームほどアパーチャ５による損失が大きくされ、かつ、利得「ｇ」のピークが小さいビームほどアパーチャ５による損失が小さくされることによって、各ビームの強度は均一化される。

複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλ_ｎ、波長λ_ｎのビームの利得をｇ_ｎ、として、波長λ_ｎのビームに対するアパーチャ５による損失Ａ_ｎは、次に示す式（１）を満足する。ｎは２以上の整数とする。式（１）において、Ｌはｚ軸方向における収容部１の長さとする。なお、収容部１の長さとは、収容部１の外観の長さではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の長さを指すものとする。
（１−Ａ_ｎ）^２＝（１−Ａ_１）^２ｅｘｐ｛２（ｇ_１−ｇ_ｎ）Ｌ｝ ・・・（１）

波長λ_ｎのビームがＴＥＭ_００の横モードを有するビームである場合に、ビームの１／ｅ^２半径をω_ｎとすると、損失Ａ_ｎは、次に示す式（２）を満足する。式（２）において、φ_ｎは、波長λ_ｎのビームに対するアパーチャ５の直径とする。
Ａ_ｎ＝ｅｘｐ（−２φ_ｎ ^２／ω_ｎ ^２） ・・・（２）

レーザ装置１２は、各ビームに対し上記の式（１）および式（２）を満足するアパーチャ５が設けられることによって、各ビームの強度を均一化させることができる。なお、レーザ装置１２には、アパーチャ５に代えて、横モードを調整するための調整部であるスリットが設けられても良い。レーザ装置１２には、ｘ軸方向における横モードを調整するためのスリットと、ｙ軸方向における横モードを調整するためのスリットとがビームごとに設けられても良い。

図７は、実施の形態１の変形例３にかかるレーザ装置１３の概略構成を示す図である。変形例３は、ビームが入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を第１のミラー３が有している例である。レーザ装置１３は、かかる反射面を第１のミラー３が有している以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。なお、図７では、レーザ装置１３のうち収容部１および第１のミラー３以外の構成要素については図示を省略している。

回折格子２によって分散された各ビームは、第１のミラー３の反射面のうち互いに異なる領域へ入射する。なお、図７には、複数のビームのうち、それぞれ波長がλ_１，λ_２，λ_３である３つのビームを示すとともに、第１のミラー３のうち当該３つのビームが入射する部分を示している。波長λ_１のビームは、反射面のうちの領域３ａへ入射する。波長λ_２のビームは、反射面のうちの領域３ｂへ入射する。波長λ_３のビームは、反射面のうちの領域３ｃへ入射する。

反射面のうちビームが入射する領域ごとの反射率は、利得スペクトルのピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいビームが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。図２に示す例では、利得が最大のｇ_１となる波長λ_１のビームが入射する領域３ａには、各ビームが入射する領域ごとの反射率の中で最低の反射率ｒ_１が設定される。反射面のうち領域３ａ以外の各領域の反射率も、ピークにおける利得「ｇ」のレベルが大きいレーザが入射する領域ほど反射率が低くなるように設定される。利得「ｇ」のピークが大きいビームほど第１のミラー３での反射率が低くされ、かつ、利得「ｇ」のピークが小さいビームほど第１のミラー３での反射率が高くされることによって、各ビームの強度は均一化される。

複数のビームの各波長のうちの任意の波長をλ_ｎ、波長λ_ｎのビームの利得をｇ_ｎ、として、第１のミラー３のうち波長λ_ｎのビームが入射する領域における反射率ｒ_ｎは、次に示す式（３）を満足する。ｎは２以上の整数とする。Ｌはｚ軸方向における収容部１の長さとする。
ｒ_ｎ＝ｒ_１ｅｘｐ｛２（ｇ_１−ｇ_ｎ）Ｌ｝ ・・・（３）

レーザ装置１３は、第１のミラー３の反射面のうち各ビームが入射する領域の反射率が上記の式（３）を満足することによって、各ビームの強度を均一化させることができる。

第１のミラー３の反射面が凹面とされる場合に、第１のミラー３の断面における凹面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。これにより、回折格子２から第１のミラー３へ向けて分散された各ビームは、第１のミラー３で反射してから回折格子２にて再び重畳される。

第１の方向と第２の方向とを互いに垂直な方向とした場合に、第１のミラー３の反射面は、第１の方向には湾曲を有しかつ第２の方向については湾曲を有しないシリンドリカル面であっても良い。この場合、第１のミラー３のうち第１の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。

第１のミラー３の反射面は、トロイダル面であっても良い。この場合、第１のミラー３のうち第１の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率半径は、回折格子２と第１のミラー３との間の距離と等しくされても良い。第１のミラー３のうち第２の方向を含む断面におけるシリンドリカル面の曲率は、共振ミラーとして機能可能な曲率とされる。共振ミラーとして機能可能な曲率とは、共振ミラーにおける光の入射位置が一定かつ波面が一定となり得る曲率とする。

図８は、実施の形態１の変形例４にかかるレーザ装置１４の概略構成を示す図である。変形例４は、回折格子２と収容部１との間に凸レンズ６が設けられる例である。レーザ装置１４は、凸レンズ６が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。

凸レンズ６は、回折格子２から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部１へ向かわせるとともに、収容部１から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子２にて収束させる光学素子である。第１のミラー３の反射面がｚ軸に垂直な平面であるとして、凸レンズ６と回折格子２との間の距離は、凸レンズ６の焦点距離と等しくされる。これにより、レーザ装置１４は、第１のミラー３からの複数のビームを回折格子２にて収束させるとともに、回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。凸レンズ６にて平行化された複数のビームは、第１のミラー３での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で凸レンズ６へ入射する。凸レンズ６へ入射した複数のビームは、回折格子２にて収束する。

なお、レーザ装置１４は、凸レンズ６によって平行化された複数のビームを収容部１にて進行させることによって、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態の複数のビームを収容部１にて進行させる場合に比べて、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。ここで、空間利用率とは、収容部１内の空間のうちビームが占める割合である。収容部１の形状が直方体である場合には、複数のビームを平行化させるとともに、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部１の大きさが設定されることによって、収容部１は、空間利用率を高くすることができる。レーザ装置１４は、空間利用率が高くなることによって、レーザ媒質に蓄積されたエネルギーの多くをレーザビームへ変換させることができるため、高効率化が可能となる。

レーザ装置１４は、凸レンズ６による複数のビームの平行化によって、レーザ媒質におけるビーム同士の重なり合いを抑制することができる。レーザ装置１４は、互いに隣り合うビームおけるビーム中心軸間の距離が双方のビーム半径の和よりも長くなるように、凸レンズ６にて各ビームを屈折させることによって、ビーム同士の重なり合いを防ぐことができる。これにより、レーザ装置１４は、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。

図９は、実施の形態１の変形例５にかかるレーザ装置１５の概略構成を示す図である。変形例５は、第１の回折格子である回折格子２と第２の回折格子である回折格子７とが設けられる例である。レーザ装置１５は、回折格子７が設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と共通の構成を有する。

回折格子７は、回折格子２から分散されて伝搬する複数のビームを平行化して収容部１へ向かわせるとともに、収容部１から互いに平行な向きへ伝搬する複数のビームを回折格子２にて収束させる。回折格子７は、上記の凸レンズ６と同様の機能を担う。これにより、レーザ装置１４は、第１のミラー３からの複数のビームを回折格子２にて収束させるとともに、回折格子２から第１のミラー３へ向かう複数のビームの各ビーム中心軸を互いに平行にさせることができる。回折格子７にて平行化された複数のビームは、第１のミラー３での反射によって、各ビーム中心軸が互いに平行とされた状態で回折格子７へ入射する。回折格子７へ入射した複数のビームは、回折格子２にて収束する。なお、回折格子７は、反射型の回折格子と透過型の回折格子とのどちらであっても良い。

なお、レーザ装置１５は、回折格子７によって平行化された複数のビームを収容部１にて進行させることによって、上記の変形例４と同様に、レーザ媒質において複数のビームの空間利用率を高くすることができる。収容部１の形状が直方体である場合には、ビームが伝搬する空間の範囲に合わせて収容部１の大きさが設定されることによって、収容部１は、空間利用率を高くすることができる。また、レーザ装置１５は、複数のビームが平行化されることによって、互いに波長が異なるビーム同士がレーザ媒質にて重なり合うことによる競合を抑制することができる。なお、収容部１の形状とは、収容部１の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。

なお、実施の形態１の変形例にかかるレーザ装置１１，１２，１３，１４，１５が有する各構成は、上記のレーザ装置１０において適宜組み合わせられても良い。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置２０の概略構成を示す図である。レーザ装置２０は、平板形状をなすいわゆるスラブ状の収容部８を有する。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。

収容部８は、ｘ軸方向の長さとｚ軸方向の長さとのそれぞれがｙ軸方向の長さに比べて十分に長い形状をなしている。ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の各長さの比は、１０：１：１００程度でも良い。すなわち、ｘ軸方向の長さはｙ軸方向の長さの１０倍程度であって、かつｚ軸方向の長さはｙ軸方向の長さの１００倍程度である。ｚ軸方向の長さは、ｙ軸方向の長さの１００倍よりも長くても良く、ｙ軸方向の長さの２００倍程度であっても良い。なお、収容部８の形状とは、収容部８の外観の形状ではなく、レーザ媒質の励起のための空間を囲う面によって構成される立体の形状を指すものとする。収容部８の長さとは、当該立体の長さを指すものとする。なお、距離ａは、第１のミラー３と収容部８内のレーザ媒質との間の距離である。

ｘ軸方向へ配列されたｍ本のビームを収容部８にて通過させる場合に、収容部８のうちｙ軸方向における長さｄは、各ビームのｙ軸方向における幅Ｄと同じである。ここで、幅Ｄと同じとは、幅Ｄとできるだけ近い長さであって幅Ｄと同程度であることを含む。また、長さｄが幅Ｄと同じである場合に、収容部８のうちｘ軸方向における長さは、長さｄのｍ倍であるｍｄとされる。このように、収容部８は、ｘ軸方向へ互いに並べられた複数のビームが伝搬する平板形状をなす。これにより、レーザ装置２０は、レーザ媒質における空間利用率を高くすることができ、高効率化が可能となる。

レーザ媒質には、実施の形態１と同様に、ＣＯ_２レーザガスが使用される。スラブ状の収容部８にＣＯ_２レーザガスが収容されるレーザ装置２０は、スラブＣＯ_２レーザと称される。スラブＣＯ_２レーザは、ガス循環装置等によるＣＯ_２レーザガスの循環が不要であることから、装置構成の小型化が可能である。

収容部８において、ｙ軸方向の長さｄとｚ軸方向の長さＬとは、各ビームの波長λに対し、次に示す式（４）を満足することとしても良い。
ｄ^２／（４λＬ）＜１ ・・・（４）

収容部８内のレーザ媒質を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードは、導波路に固有のモードであって、導波モードと称される。各ビームのモードが導波モードとなるのは、上記の式（４）を満足することによって、収容部８内のレーザ媒質が導波路の機能を担うことによるものである。したがって、レーザ装置２０は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を高めることによって、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。

次に、レーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第１の例から第５の例について説明する。レーザ装置２０は、第１の例から第５の例において、共振器内を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。

図１１は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第１の例を示す図である。図１１と、後述する図１２から図１４では、回折格子２と第２のミラー４との間の光軸を、第１のミラー３と回折格子２との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置２０の構成を表している。第１の例は、第１のミラー３と収容部８内のレーザ媒質との間の距離ａがゼロに近く、第１のミラー３がレーザ媒質に可能な限り近づけられている例である。第１のミラー３の反射面は、平面である。第１の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。

図１２は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第２の例を示す図である。第２の例は、第１の例と同様に第１のミラー３がレーザ媒質に可能な限り近づけられており、かつ第１のミラー３の反射面が凹面である例である。ｙ軸およびｚ軸に平行な断面における凹面の曲率半径Ｒ_１は、距離ａよりも十分に大きい。第２の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。

図１３は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第３の例を示す図である。第３の例は、第１のミラー３の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Ｒ_１と距離ａとが等しい例である。第３の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。

図１４は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第４の例を示す図である。第４の例は、第１のミラー３の反射面が凹面であって、かつ曲率半径Ｒ_１の２分の１倍と距離ａとが等しい例である。第４の例のように構成が調整されることによっても、レーザ装置２０は、結合効率を高めることができる。

レーザ装置２０は、第１のミラー３の位置と第１のミラー３の反射面とが第１の例から第４の例のように調整される場合と同様に、第２のミラー４の位置と第２のミラー４の反射面とが調整されても良い。レーザ装置２０は、第１のミラー３の場合と同様に第２のミラー４についての調整がなされることによっても、結合効率の向上を図ることができる。

図１５は、図１０に示すレーザ装置２０における結合効率の向上のための構成の第５の例を示す図である。第５の例は、収容部８と第１のミラー３との間にレンズ９が配置されている例である。第１のミラー３は、平面である反射面を有する。レンズ９は、第１のミラー３とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。また、図１５には、第５の例の構成と併せて、第１の例の構成を示している。

第５の例において、レンズ９と第１のミラー３との組み合わせは、第１の例における第１のミラー３と光学的に同等の機能を果たす。光学的に同等の機能であるとは、第１の例でのレーザ媒質と第１のミラー３との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列と、第５の例でのレンズ９が介在した場合のレーザ媒質と第１のミラー３との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列とが等しいことを意味する。レーザ装置２０は、第５の例の場合も、結合効率を高めることができる。第５の例において、第１のミラー３の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。

レーザ装置２０は、収容部８と第２のミラー４との間にレンズ９が配置されても良い。この場合に、レンズ９と第２のミラー４との組み合わせは、レーザ媒質に第２のミラー４が可能な限り近づけられる場合における第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たすことができる。この場合も、レーザ装置２０は、結合効率の向上を図ることができる。

なお、レーザ装置２０が有する構成は、実施の形態１にかかるレーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５と適宜組み合わせられても良い。レーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５は、レーザ装置２０と同様の構成を有することによって、結合効率を高めることができる。これにより、レーザ装置１０，１１，１２，１３，１４，１５は、レーザ媒質での結合損失の低減が可能となり、高効率および高出力を実現できる。

実施の形態３．
図１６は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置３０の概略構成を示す図である。レーザ装置３０は、電気光学（Electro-Optic：ＥＯ）結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とを有する。電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とは、パルス発振機構を構成する。パルス発振機構は、複数のビームをパルス化する。実施の形態３では、上記の実施の形態１および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および２とは異なる構成について主に説明する。

レーザ装置３０は、電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とが設けられている以外は、図１に示すレーザ装置１０と同様の構成を有する。電気光学結晶３１と偏光ビームスプリッタ３２とは、回折格子２と第２のミラー４との間に配置されている。

電気光学結晶３１は、ポッケルスセルとも称される。電気光学結晶３１は、電圧が印加されることによって、電気光学結晶３１を通過する光の偏光状態を変化させる。偏光ビームスプリッタ３２は、ｐ偏光について高透過率かつ低反射率であって、ｓ偏光について高反射率かつ低透過率である偏光特性を有する。偏光ビームスプリッタ３２は、かかる偏光特性によって、入射した光を直線偏光成分ごとに分離させる。

偏光ビームスプリッタ３２は、回折格子２と第２のミラー４との間を伝搬するビームのうちｐ偏光成分を透過させる。また、偏光ビームスプリッタ３２は、回折格子２と第２のミラー４との間を伝搬するビームのうちｓ偏光成分を反射する。共振器内に偏光ビームスプリッタ３２が設けられることによって、レーザ装置３０は、共振器内にてｐ偏光成分を共振させるとともに、ｓ偏光成分を共振器の外へ出射する。レーザ装置３０は、共振器の外へのｓ偏光成分の出射により、共振器内にて伝搬するビームを損失させる。

レーザ装置３０は、電気光学結晶３１への電圧の印加と電気光学結晶３１への電圧印加の停止との切り換えに伴って、偏光ビームスプリッタ３２へ入射するビームが有する偏光をｐ偏光とｓ偏光とに切り換える。レーザ装置３０は、偏光ビームスプリッタ３２におけるｐ偏光成分の透過と偏光ビームスプリッタ３２におけるｓ偏光成分の反射とを切り換えることによって、共振器内にて伝搬するビームの損失を変化させる。レーザ装置３０は、電気光学結晶３１へ印加される電圧の周期的な変化に伴って、ビームの損失を周期的に変化させる。レーザ装置３０は、１０ｋＨｚから２００ｋＨｚの周期で、ビームの損失を変化させる。

次に、パルス発振機構を用いたパルス発振であるＱスイッチ発振について説明する。ここでは、電気光学結晶３１へ電圧が印加されるときにビームの損失が大きくなり、電気光学結晶３１へ電圧が印加されないときにビームの損失が最小となるものとする。

電気光学結晶３１への電圧の印加によって共振器内のビームを損失させている間に、レーザ媒質では、ビームの発振が抑えられることによって、分子の励起によるエネルギーが蓄積される。その後、ビームの損失が最小とされたときに、レーザ装置３０は、蓄積されたエネルギーによってビームのピーク出力を高めることができる。レーザ装置３０は、共振器におけるビームの損失を周期的に変化させることによって、結合ビームのパルス発振を行うことができる。すなわち、レーザ装置３０は、複数のビームのパルス化を同時に行い、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力する。

次に、ビームのパルス化の手法の１つであるＱスイッチキャビティダンプ法について説明する。Ｑスイッチ発振によって得られたパルスのピークに近いタイミングにおいて電気光学結晶３１へ電圧が印加されることによって、共振器内でのビームの損失を増大させる。レーザ装置３０は、第２のミラー４に代えて偏光ビームスプリッタ３２から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。この場合において、第２のミラー４には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第２のミラー４の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施される。

第１のミラー３と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路の長さである共振器長さをＬ_Ｃ、光速をｃとして、偏光ビームスプリッタ３２から取り出される結合ビームのパルス幅は２Ｌ_Ｃ／ｃとなる。これにより、レーザ装置３０は、複数のビームのパルス化を同時に行うのみならず、共振器長さに応じたパルス幅を持つパルスビームを取り出すことができる。

なお、レーザ装置３０のパルス発振機構には、偏光ビームスプリッタ３２に代えて、偏光ビームスプリッタ３２と同様の機能を有する光学素子である薄膜ポラライザ等が用いられても良い。パルス発振機構は、回折格子２と第２のミラー４との間に配置される以外に、回折格子２と収容部１との間に配置されても良い。この場合も、レーザ装置３０は、パルスビームを出力することができる。

次に、実施の形態３にかかるレーザ装置３０の変形例について説明する。図１７は、実施の形態３の変形例１にかかるレーザ装置３３の概略構成を示す図である。変形例１は、円偏光ミラー３４が設けられる例である。レーザ装置３３は、円偏光ミラー３４が設けられている以外は、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。

レーザ装置３３は、Ｑスイッチ発振を行うためのパルス発振機構に加えて、電気光学結晶３１と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬経路に円偏光ミラー３４が設けられている。円偏光ミラー３４は、直線偏光を円偏光へ変換する。ここでは、電気光学結晶３１へ電圧が印加されるときにビームの損失が最小となり、電気光学結晶３１への電圧印加が停止されるときにビームの損失が大きくなるものとする。

レーザ装置３３は、ビームが損失されている状態が長く続くほど、レーザ媒質に多くのエネルギーを蓄積することができ、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得ることができる。電気光学結晶３１への電圧の印加によってビームを損失させる場合、このようなパルスビームを得るために、電気光学結晶３１へ電圧が印加される期間が長くなることによって、電気光学結晶３１と電圧印加のためのドライバとの劣化あるいは故障が生じ易くなる。

電気光学結晶３１には、一般に、１／４波長電圧と称される電圧が印加される。電気光学結晶３１へ電圧が印加されている場合、共振器内を往復するビームが電気光学結晶３１を２回通過することによって、ビームが有する直線偏光の偏光方向は９０度回転する。さらに、変形例１では、電気光学結晶３１と第２のミラー４との間を往復するビームが円偏光ミラー３４で２回反射することによって、直線偏光の偏光方向は９０度回転する。電気光学結晶３１へ電圧が印加されている場合、偏光ビームスプリッタ３２を透過し第２のミラー４へ向けて伝搬したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３２と第２のミラー４との間を往復する間に、電気光学結晶３１での偏光状態の変換と円偏光ミラー３４での偏光状態の変換とによってｐ偏光とされる。偏光ビームスプリッタ３２へ入射したｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２を透過する。この場合、レーザ装置３３は、共振器外へのｓ偏光成分の出射が少なくなることによって、共振器内からのビームの損失が少なくなる。一方、電気光学結晶３１への電圧印加が停止されているときは、偏光ビームスプリッタ３２を透過したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３２と第２のミラー４との間を往復する間に、円偏光ミラー３４での偏光状態の変換によってｓ偏光とされる。偏光ビームスプリッタ３２へ入射したｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２で反射する。この場合、レーザ装置３３は、共振器外へのｓ偏光成分の出射が多くなることによって、共振器内からのビームの損失が多くなる。

このように、レーザ装置３３は、円偏光ミラー３４が設けられることによって、電気光学結晶３１への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。これにより、高レベルなピークを持つとともに短いパルス幅のパルスビームを得るためには、電気光学結晶３１への電圧印加を停止させればよいため、レーザ装置３３は、電気光学結晶３１と電圧印加のためのドライバとの劣化および故障を防ぐことができる。なお、レーザ装置３３には、円偏光ミラー３４に代えて、４分の１波長板が設けられても良い。この場合もレーザ装置３３は、電気光学結晶３１への電圧の印加が無い場合にビームを損失させる構成にできる。

図１８は、実施の形態３の変形例２にかかるレーザ装置３５の概略構成を示す図である。変形例２は、レンズ９と、実施の形態２と同様の収容部８とが設けられる例である。レーザ装置３５は、レンズ９が設けられていることと、収容部１に代えて収容部８が設けられていることとを除いて、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。

共振器内を伝搬するビームの強度が大きいほど、ビームの伝搬経路に設けられている電気光学結晶３１などの光学素子は、ビームを吸収することによって温度が上昇する。温度が上昇した光学素子は、温度の上昇による密度の変化または屈折率の変化などによって、熱レンズ効果を生じさせることがある。熱レンズ効果を生じた光学素子による焦点距離は温度によって変化することから、熱レンズ効果は、共振器内を伝搬する各ビームのモードと導波モードとの結合効率を低下させる要因となり得る。

レンズ９は、回折格子２と偏光ビームスプリッタ３２との間におけるビームの伝搬経路に設けられている。レンズ９は、ビームの伝搬経路に設けられている光学素子による熱レンズ効果を相殺させる機能を果たす。レーザ装置３５は、レンズ９が設けられることによって、熱レンズ効果による結合効率の低下を抑制可能とし、結合効率を向上させることができる。なお、レンズ９は、共振器内におけるビームの伝搬経路のうち任意の位置に配置することができる。レーザ装置３５は、適切な位置にレンズ９が配置されることによって、結合効率を効果的に向上させることができる。

図１９は、図１８に示すレーザ装置３５における結合効率の向上のための構成について説明する図である。図１９では、レーザ装置３５の構成と併せて、レーザ装置３５のうち共振器の基本構成を抜き出したものを示している。かかる基本構成の下には、図１８に示すレーザ装置３５の構成を示している。図１９の最下部には、図１８に示すレーザ装置３５において電気光学結晶３１が熱レンズ効果を生じている状態を示している。なお、図１９では、回折格子２と第２のミラー４との間の光軸を、第１のミラー３と回折格子２との間の光軸の延長線に置き換えて、レーザ装置３５の構成を表している。

共振器の基本構成では、第１のミラー３と第２のミラー４とが収容部８内のレーザ媒質にできるだけ近づけられて配置されている。この基本構成では、第１のミラー３の反射面と第２のミラー４の反射面とのそれぞれを例えば平面とすることによって、結合効率を高めることができる。第２のミラー４は、ｚ＝ｚ_０の位置に配置されている。レーザ装置３５では、上記基本構成における第２のミラー４に代えて、回折格子２と、レンズ９と、偏光ビームスプリッタ３２と、電気光学結晶３１と、第２のミラー４との組み合わせが設けられている。レンズ９は、第２のミラー４とレーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子である。なお、偏光ビームスプリッタ３２における光の伝搬は自由空間での光の伝搬と同等であるものとみなすこととし、以下の説明では偏光ビームスプリッタ３２におけるビームの伝搬については省略する。また、レーザ装置３５は、共振器内を伝搬する各ビームのｙ軸方向におけるモードと、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードである導波モードとを結合させるものとする。説明上、レーザ媒質におけるｙ軸方向におけるモードを導波モードとしたため、回折格子２のＡＢＣＤ行列は単位行列とみなしても良い。

回折格子２と、レンズ９と、電気光学結晶３１と、第２のミラー４との組み合わせが、ｚ＝ｚ_０に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得るように構成されることによって、レーザ装置３５は、結合効率を高めることが可能となる。なお、光学的に同等の機能であるとは、ｚ＝ｚ_０の位置に配置される第２のミラー４とレーザ媒質との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列と、レーザ媒質と第２のミラー４との間に回折格子２とレンズ９と電気光学結晶３１とが介在した場合のレーザ媒質と第２のミラー４との間におけるビームの伝搬を表すＡＢＣＤ行列とが等しいことを意味する。ただし、当該組み合わせに含まれる光学素子である電気光学結晶３１が温度上昇によって熱レンズ効果を生じた場合に、当該組み合わせは、ｚ＝ｚ_０の位置に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得なくなる。なお、当該組み合わせに含まれる第２のミラー４の反射面は、平面に限られず、凹面または凸面などであっても良い。

レーザ装置３５は、熱レンズ効果が生じた場合に、当該組み合わせがｚ＝ｚ_０の位置に配置される第２のミラー４と光学的に同等の機能を果たし得るように、当該組み合わせを構成する構成要素の位置関係を調整する。熱レンズ効果を生じている電気光学結晶３１のＡＢＣＤ行列には、例えば、当該熱レンズと同等の焦点距離を有する薄肉レンズと同じＡＢＣＤ行列が使用されても良い。レーザ装置３５は、当該組み合わせの構成要素の位置関係を調整することによって熱レンズ効果を相殺させることができる。これにより、レーザ装置３５は、当該組み合わせの光学的な機能を、上記基本構成における第２のミラー４の光学的な機能と同等なものとすることができる。

なお、レーザ装置３５は、当該組み合わせの構成要素のうちの少なくとも１つについて位置を調整することによって、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にすることができる。レーザ装置３５は、当該組み合わせの光学的な機能を上記基本構成の場合と同等にするための調整によって、高い結合効率を維持することができる。

なお、レーザ装置３０，３３，３５が有する各構成は、実施の形態１および２にかかる各レーザ装置と適宜組み合わせられても良い。実施の形態１および２にかかる各レーザ装置は、レーザ装置３０，３３，３５と同様の構成を有することによって、パルス化された結合ビームであるパルスビームを出力することができ、かつ結合効率を効果的に向上させることができる。

実施の形態４．
図２０は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ装置４０の概略構成を示す図である。レーザ装置４０は、少なくとも１つの増幅器４１と、増幅器４１へ向けてビームが伝搬する光学系４２とを有する。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。

レーザ装置４０は、増幅器４１と光学系４２とが設けられている以外は、図１６に示すレーザ装置３０と同様の構成を有する。偏光ビームスプリッタ３２から共振器外へ取り出されたパルスビームは、光学系４２を伝搬して増幅器４１へ入射する。増幅器４１は、共振器から取り出されたパルスビームを増幅する。レーザ装置４０は、増幅器４１にて増幅されたパルスビームを出力する。これにより、レーザ装置４０は、高出力を実現できる。なお、レーザ装置４０に設けられる増幅器４１の数は、１つであっても良く、複数であっても良い。レーザ装置４０は、偏光ビームスプリッタ３２から取り出されたパルスビームを出力するものに限られず、第２のミラー４から出射されたパルスビームを出力するものであっても良い。増幅器４１は、第２のミラー４から出射されたパルスビームを増幅するものであっても良い。

レーザ装置４０は、第２のミラー４に代えて偏光ビームスプリッタ３２から、パルス化された結合ビームであるパルスビームを取り出す。取り出されたパルスビームは、光学系４２へ入射する。この場合において、第２のミラー４には、部分反射ミラーに代えて、複数のビームの各々を反射するミラーが使用される。第２のミラー４の反射面には、例えば、９９％以上の高反射率のコーティングが施される。

増幅器４１は、ビームを反射するミラーと増幅媒質とを有する。ミラーには、９９．９％以上の反射率を持つ高反射率ミラーを用いても良い。増幅媒質は、レーザ装置４０によって発振される複数のビームの各波長について利得を有する媒質とする。これにより、発振される各ビームの増幅が増幅器４１によって可能となることで、レーザ装置４０は、高出力を実現できる。なお、増幅器４１には、複数のミラーにおいて各ビームを反射させることによって、各ビームを増幅媒質へ複数回通過させても良い。

レーザ媒質には、実施の形態１と同様に、ＣＯ_２レーザガスが使用される。Ｑスイッチキャビティダンプ法によって、例えば、波長が１０．５９μｍであるＰ（２０）の単一ビームを、１０ｎｓから３０ｎｓのパルス幅で発振させた場合において、増幅器４１によるパルスビームの増幅効率は、Ｐ（２０）のビームの連続波を増幅する場合に比べて低下する。実施の形態４では、レーザ装置４０は、Ｐ（２０）のビームとともに、波長が１０．５７μｍであるＰ（１８）のビーム、および、波長が１０．６１μｍであるＰ（２２）のビームをパルス発振させるため、単一ビームのパルス発振の場合と比べて、増幅効率の低下を抑制することができる。これにより、レーザ装置４０は、高出力を実現することができる。

レーザ装置４０は、例えば、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）のパルスビームを出力する極端紫外（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ）光源装置に用いられるＣＯ_２レーザであっても良い。ＥＵＶ光源装置は、例えば、１０ｎｓから３０ｎｓのパルス幅を持つＰ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）のパルスビームを、錫の液滴に照射することによって、ＥＵＶ光を発生させる。ＥＵＶ光源装置は、レーザ装置４０の増幅器４１におけるパルスビームの増幅によって、ＥＵＶ光の高出力化が可能となる。

レーザ装置４０は、Ｐ（２０）、Ｐ（１８）、およびＰ（２２）以外のビームを発振させても良い。レーザ装置４０は、互いに波長が異なるビームの数が多くなるほど、増幅効率の低下の抑制によって、さらに高出力を実現することができる。

レーザ装置４０が有する構成は、実施の形態１から３にかかる各レーザ装置に適用されても良い。実施の形態１から３にかかる各レーザ装置は、レーザ装置４０と同様の構成を有することによって、高出力を実現することができる。

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。

１，８ 収容部、２，７ 回折格子、３ 第１のミラー、３ａ，３ｂ，３ｃ 領域、４ 第２のミラー、５ アパーチャ、６ 凸レンズ、９ レンズ、１０，１１，１２，１３，１４，１５，２０，３０，３３，３５，４０ レーザ装置、３１ 電気光学結晶、３２ 偏光ビームスプリッタ、３４ 円偏光ミラー、４１ 増幅器、４２ 光学系。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラーおよび第２のミラーを備える。本発明にかかるレーザ装置は、ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で第１のミラーから入射する複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて第２のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で第２のミラーから入射する複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異なる状態にして第１のミラーへ進行させる回折格子を備える。本発明にかかるレーザ装置は、第１のミラーと回折格子との間を進行する複数のビームが通過するレーザ媒質であって複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有する二酸化炭素レーザガスを収容する収容部を備える。本発明にかかるレーザ装置は、互いにビーム中心軸が一致した状態で複数のビームを出力する。

Claims (13)

1. 互いに波長が異なる複数のビームを共振させる第１のミラーおよび第２のミラーと、
   ビーム中心軸の向きが互いに異なる状態で前記第１のミラーから入射する前記複数のビームを、互いにビーム中心軸を一致させて前記第２のミラーへ進行させ、かつ、ビーム中心軸が互いに一致する状態で前記第２のミラーから入射する前記複数のビームを、ビーム中心軸の向きを互いに異ならせて前記第１のミラーへ進行させる回折格子と、
   前記第１のミラーと前記回折格子との間を進行する前記複数のビームが通過する媒質であって前記複数のビームの各波長においてピークが現れる離散的な利得スペクトルを有するレーザ媒質を収容する収容部と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記収容部は、平板形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記回折格子と前記第２のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームをパルス化するパルス発振機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記第１のミラーは、凹面である反射面を有し、前記第１のミラーの断面における前記凹面の曲率半径が、前記回折格子と前記第１のミラーとの間の距離と等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
5. 前記回折格子と前記収容部との間に設けられ、前記回折格子から伝搬する前記複数のビームを平行化するとともに前記収容部から伝搬する前記複数のビームを収束させる光学素子を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
6. 前記回折格子と前記第２のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードを一括して調整する調整部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
7. 前記回折格子と前記第１のミラーとの間に設けられ、前記複数のビームの横モードをビームごとに調整する調整部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
8. 前記第１のミラーは、前記複数のビームの各々が入射する領域ごとに異なる反射率を持たせた反射面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
9. 前記第１のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
10. 前記第２のミラーと前記レーザ媒質との間を光学的に結合する光学素子を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
11. 前記第２のミラーを通過した前記複数のビームを出力することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のレーザ装置。
12. 前記パルス発振機構によってパルス化された前記複数のビームを増幅する増幅器を備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
13. 前記レーザ媒質は、二酸化炭素レーザガスであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載のレーザ装置。

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