KR102341647B1 - 레이저광 증폭 장치 - Google Patents

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요시노리 다마오키
다카시 구리타
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다카아키 모리타
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저광 증폭 장치에 있어서의 레이저 매질 유닛(10)은, 복수의 레이저 매질(14)을 구비하고 있다. 레이저 매질 유닛(10)의 주위에는, 냉각 매체 유로(F1)가 마련되어, 외측에서부터 레이저 매질 유닛(10)을 냉각한다. 레이저 매질(14) 사이의 밀폐 공간 내에는, 기체 또는 액체가 충전되어 있고, 이러한 밀폐 공간 내를 통과하는 레이저광은, 외측을 흐르는 냉각 매체에 의해서 간섭되지 않기 때문에, 증폭된 레이저광의 흔들림 등이 억제되어, 레이저광의 안정성이나 수렴 특성 등의 품질이 향상된다.

Description

레이저광 증폭 장치{LASER BEAM AMPLIFICATION DEVICE}
본 발명은 대출력의 레이저광 증폭 장치에 관한 것이다.
근래, 대형(大型) 레이저를 이용한 새로운 산업 개발을 향해서, 기초 과학이나 재료 개발, 의료 응용 등의 연구 개발이 활발히 행해지고 있다. 대출력의 레이저광을 얻기 위해서는, 입력한 시드광(種光)을 증폭하는 레이저광 증폭 장치가 필요하다. 레이저광 증폭 장치는, 레이저 매질 유닛과, 레이저 매질 유닛 내에 여기광(勵起光)을 입사시키는 여기광원을 구비하고 있고, 레이저 매질 유닛 내의 레이저 매질의 주표면에 접촉하도록 냉각 매체를 흘림으로써, 이것을 냉각하고 있다(특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2009－49439호 공보
그렇지만, 레이저 매질은 냉각의 필요가 있지만, 주표면상을 흐르는 냉각 매체 내를 증폭된 레이저광이 투과하기 때문에, 냉각 매체의 유속 등에 기인하여, 레이저광의 안정성이나 수렴 특성 등의 품질이 열화된다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 레이저광을 고품질로 증폭 가능한 레이저광 증폭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 제1 레이저광 증폭 장치는, 레이저 매질 유닛과, 상기 레이저 매질 유닛 내에 여기광을 입사시키는 여기광원과, 상기 레이저 매질 유닛의 주위에 배치되고, 외측에서부터 상기 레이저 매질 유닛을 냉각하는 냉각 매체 유로를 구비하고, 상기 레이저 매질 유닛 내에 입력된 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저광 증폭 장치에 있어서, 상기 레이저 매질 유닛은, 판(板) 모양의 제1 레이저 매질과, 판 모양의 제2 레이저 매질과, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이에 배치된 씰(seal)재를 구비하고, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질은, 이들의 두께 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있고, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 감압(減壓) 환경하에 있거나 또는 기체가 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 장치에 의하면, 레이저 매질에 여기광을 입사시킴으로써, 레이저 매질이 여기하고, 이것에 시드광으로서의 레이저광을 입사시키면, 증폭된 레이저광이 레이저 매질로부터 출력된다. 또, 복수의 레이저 매질이 있는 경우, 증배율(增倍率)도 높아진다.
여기서, 냉각 매체 유로는, 레이저 매질 유닛의 주위에 마련되어 있고, 외측에서부터 레이저 매질 유닛을 냉각한다. 그리고 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 진공 등의 감압 환경하에 있거나, 또는, 기체가 충전되어 있다. 따라서, 이러한 공간 내를 통과하는 레이저광이, 레이저 매질의 주표면을 흐르는 냉각 매체에 의해서 간섭되지 않기 때문에, 증폭된 레이저광의 흔들림 등이 억제되어, 레이저광의 안정성이나 수렴 특성 등의 품질이 향상된다.
또, 상기 공간 내에 기체가 충전되어 있는 경우에는, 고체가 위치하고 있는 경우보다도, 프레넬(Fresnel) 반사에 의한 에너지 손실의 경감이나 파면(波面) 왜곡의 발생을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다.
제2 레이저광 증폭 장치에 있어서는, 상기 제1 레이저 매질 및 상기 제2 레이저 매질의 재료는, 각각 세라믹 레이저 매질인 것을 특징으로 한다.
레이저 매질로서는, 열전도율이 낮은 유리를 이용하는 것도 가능하지만, 높은 펄스 에너지의 레이저광을 높은 반복 주파수로 출력하려면, 냉각 성능의 관점에서, 레이저 매질의 열전도율이 높은 것이 바람직하다. 세라믹 레이저 매질은, 유리 등보다도 열전도율이 높은 것으로 알려져 있고, 높은 펄스 에너지의 레이저광을 높은 반복 주파수로 출력할 수 있다.
세라믹 레이저 매질은, 예를 들면, 도펀트(dopant)로서 희토류 금속, 특히, Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr：Nd 및 Tm으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 도펀트를 함유하는 YAG를 이용할 수 있다. 또, 세라믹 레이저 매질로서는, 도펀트로서, 상기 희토류 금속을 포함하는 이트리아(yttria)(Y2O3)를 이용할 수 있다. 또, YAG(Y3Al5O12), Lu2O3나 Sc2O3 등도 이용할 수도 있다.
또한, 이러한 투명 세라믹 결정은, 현재의 제법에 의해 얻어지는 레이저 매질의 두께의 상한치는 10mm 정도이지만, 본 장치에 의하면, 복수의 레이저 매질을 이용하고 있기 때문에, 최종적으로 출력되는 레이저광의 증폭율은 높게 할 수 있다.
제3 레이저광 증폭 장치에 있어서는, 상기 레이저 매질 유닛은, 대향 배치된 한 쌍의 플랜지(flange)와, 상기 플랜지 사이를 접속하고, 상기 플랜지 사이의 거리를 조정할 수 있는 3개 이상의 지주(支柱)를 구비하고, 상기 제1 레이저 매질 및 상기 제2 레이저 매질의 정렬 방향은, 상기 지주의 길이 방향과 일치하고 있고, 상기 플랜지 사이의 거리를 조정함으로써, 상기 씰재에 걸리는 압력을 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
플랜지 사이에는 3개 이상의 지주가 개재(介在)되어 있으므로, 플랜지의 주표면 위치는, 지주 위치에 의해서, 일의적으로 결정된다. 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이에는, 밀폐 상태를 유지하기 위한 씰재가 개재되어 있지만, 이들의 매질에 의한 씰재로의 압력이 적당한 경우에는, 밀폐 상태는 충분히 유지된다. 플랜지 사이의 길이는 조정할 수 있기 때문에, 레이저 매질 사이의 씰재에 인가되는 압력을 원하는 값으로 설정할 수 있어, 밀폐 상태를 충분히 유지할 수 있다.
제4 레이저광 증폭 장치는, 레이저 매질 유닛과, 상기 레이저 매질 유닛 내에 여기광을 입사시키는 여기광원과, 상기 레이저 매질 유닛의 주위에 배치되고, 외측에서부터 상기 레이저 매질 유닛을 냉각하는 냉각 매체 유로를 구비하고, 상기 레이저 매질 유닛 내에 입력된 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저광 증폭 장치에 있어서, 상기 레이저 매질 유닛은, 판 모양의 제1 레이저 매질과, 판 모양의 제2 레이저 매질과, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이에 배치된 씰재를 구비하고, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질은, 이들의 두께 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있고, 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 중수(重水) 또는 불소계 불활성 액체가 충전되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 공간 내에 중수 또는 불소계 불활성 액체 등이 충전되어 있는 경우에는, 고체가 위치하고 있는 경우보다도, 프레넬 반사에 의한 에너지 손실의 경감이나 파면 왜곡의 발생을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다.
본 발명의 레이저광 증폭 장치에 의하면, 레이저광을 고품질로 증폭할 수 있다.
도 1은 레이저 매질 유닛의 정면도이다.
도 2는 레이저 매질 유닛의 A－A 화살표 단면도이다.
도 3은 레이저 매질 유닛의 B－B 화살표 단면도이다.
도 4는 레이저광 증폭 장치의 정면도이다.
도 5는 레이저광 증폭 장치의 C－C 화살표 단면도이다.
도 6은 씰재(O링)의 근방에 보조 요소를 마련했을 경우의 레이저 매질 유닛의 A－A 화살표 단면도이다.
이하, 실시 형태에 따른 레이저광 증폭 장치에 대해 설명한다. 또한, 동일 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 레이저 매질 유닛의 정면도이다. 또한, 동 도면에서는, XYZ 삼차원 직교 좌표계도 나타내고 있다. 증폭되는 시드광이 되는 레이저광의 진행 방향은 Y축 방향이고, Y축에 수직인 2방향을 X축 방향 및 Z축 방향이라고 한다.
실시 형태에 따른 레이저광 증폭 장치는, 시드광이 입사되는 레이저 매질 유닛(10)을 구비하고 있다. 레이저 매질 유닛(10)은 복수 매의 평판(平板) 모양의 레이저 매질을 포함하는 기둥 모양의 유닛이다. 이들의 레이저 매질 플레이트는, 시드광의 진행 방향(Y축의 양방향)을 따라서 적층되어, 정렬되어 있다. 레이저 매질 유닛(10)의 외측으로부터는, 레이저 매질 내에 여기광(EX)이 조사된다. 복수의 여기광(EX)은 복수의 광원으로부터, 각 레이저 매질의 중앙부를 향해 조사된다. 여기광(EX)의 조사에 의해, 레이저 매질의 외주면(外周面)으로부터 내부로 여기광이 입사되어, 레이저 매질은 여기되고, 여기된 상태의 레이저 매질에 시드광이 조사되면, 레이저광이 증폭된다. 예를 들면, Yb(ytterbium, 이테르븀) 첨가 YAG로 이루어지는 레이저 매질을 이용했을 경우, 시드광 및 레이저 매질로부터의 자연 방출광의 파장 λ1은 1030nm, 여기광의 파장 λ2는 940nm이다(λ1＞λ2). 레이저 매질 내의 Yb의 첨가 농도는, 매우 적합하게는, 0.15질량%~0.25질량%로 설정할 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 레이저 매질 유닛의 A－A 화살표 단면도, 도 3은 레이저 매질 유닛의 B－B 화살표 단면도이다.
레이저 매질 유닛(10)은 대향 배치된 한 쌍의 금속제의 플랜지(11)와, 플랜지(11) 사이를 접속하여, 플랜지(11) 사이의 거리를 조정할 수 있는 복수의 지주(12)를 구비하고 있다. 도 1에서는 4개의 지주(12)를 나타내고 있지만, 지주(12)의 수는 3개 이상이면, 플랜지(11)의 주표면(XZ면)의 위치를 용이하게 고정할 수 있다. 즉, 평면은 3점에 의해 결정되기 때문에, 플랜지(11) 사이에는 3개 이상의 지주가 개재함으로써, 플랜지(11)의 주표면 위치는, 지주 위치에 의해서 일의적으로 결정된다.
지주(12)의 양단에는 나사부가 마련되어 있다. 플랜지(11)는 개구(OP)를 가지는 링을 구성하고 있고, 일방의 플랜지(11)에는, 지주(12)의 나사부가 관통하는 개구(관통공)가 마련되어 있고, 대향하는 타방의 플랜지(11)에는 지주(12)의 나사부를 고정하기 위한 나사 구멍이 마련되어 있고, 지주(12)의 나사부가 플랜지(11)의 나사 구멍에 나사 결합하고 있다. 일방의 플랜지(11)를 관통한 지주(12)의 나사부에 나사 결합한 너트(13)를 구비하고, 너트(13)를 회전시키면, 너트(13)가 일방의 플랜지(11)를 Y축 방향으로 밀어, 한 쌍의 플랜지(11) 사이의 거리가 짧아진다.
한 쌍의 플랜지(11) 사이에는, 복수의 레이저 매질 플레이트가 적층 배치되어 있다. 즉, 원판 모양이고 평판 모양의 레이저 매질(14)은, Y축 방향을 따라서 복수 매 배치되어 있다. 인접하는 레이저 매질(14) 사이에는 씰재(15)가 개재되어 있다. Y축 방향의 양단 위치에는, 레이저 매질(14) 대신에 석영 유리 등으로 이루어지는 창재(窓材, 16)가 배치되어 있고, 레이저 매질(14)과 창재(16)와의 사이에도 씰재(15)가 개재되어 있다. 씰재(15)의 형상은 링이고, 그 재료는 레이저 매질(14) 사이의 공간의 밀폐 상태가 유지될 수 있는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실리콘제의 O링 등을 채용할 수 있다. 씰재(15)로서, 수지, 고무, 유리, 세라믹스, 또는 Cu나 Al 등의 금속 등도 이용할 수 있고, 레이저 매질(14)과 씰재(15)를 교대로 겹쳐 쌓아, Y축 방향으로 압력을 가하여, 레이저 매질(14)의 표면 위에 씰재(15)를 압착(壓着)해도 된다. 땜납이나 접착제로 접착해도 된다.
레이저 매질(14)의 재료는, 모두 세라믹 레이저 매질이다. 레이저 매질로서는, 열전도율이 낮은 유리를 이용하는 것도 가능하지만, 높은 펄스 에너지의 레이저광을 높은 반복 주파수로 출력하려면, 냉각 성능의 관점에서, 레이저 매질의 열전도율이 높은 쪽이 바람직하다. 세라믹 레이저 매질은 단결정과 동등한 성질을 가지고, 유리 등보다도 열전도율이 높은 것으로 알려져 있고, 높은 펄스 에너지의 레이저광을 높은 반복 주파수로 출력할 수 있다.
세라믹 레이저 매질은, 예를 들면, 도펀트로서 희토류 금속, 특히, Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr：Nd 및 Tm으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 도펀트를 함유하는 YAG를 이용할 수 있다. 또, 세라믹 레이저 매질로서는, 도펀트로서, 상기 희토류 금속을 포함하는 이트리아(Y2O3)를 이용할 수 있다. 또, YAG(Y3Al5O12), Lu2O3나 Sc2O3 등도 이용할 수도 있다.
또한, 이러한 투명 세라믹 결정은, 현재의 제법에 의해 얻어지는 레이저 매질의 두께의 상한치는 10mm 정도이지만, 10mm 이상의 세라믹 레이저 매질을 이용하는 것도 가능하다. 또, 세라믹 레이저 매질이, 1mm 이상 20mm 이하의 두께인 경우에는, 본 발명의 구조는 강성(剛性)과 냉각 성능 및 레이저광의 품질에 특별히 뛰어난 효과를 발휘한다. 그리고 본 장치에 의하면, 복수의 레이저 매질을 이용하고 있기 때문에, 최종적으로 출력되는 레이저광의 증폭율은 높게 할 수 있다.
도 1~도 3에 나타내는 것처럼, 레이저 매질 유닛(10)의 Y축에 수직인 지름 방향을 따라서, 복수의 방향으로부터 여기광(EX)이 레이저 매질(14)에 조사된다. 여기광(EX)에 의해, 각 레이저 매질(14)은 여기되어 있다. 시드광으로서의 레이저광(LB)은, Y축을 따라서, 일방의 창재(16)를 통과하여, 레이저 매질의 주표면(XZ면)에 수직으로 레이저 매질군(群) 내에 입사하고, 이들의 레이저 매질(14)을 투과하여, 증폭되어, 타방의 창재(16)로부터 출력된다.
또한, 인접하는 레이저 매질(14)을, 평판 모양의 제1 레이저 매질 및 평판 모양의 제2 레이저 매질이라고 하면, 이들의 레이저 매질(14)의 정렬 방향은, 지주(12)의 길이 방향(Y축)과 일치하고 있고, 플랜지(11) 사이의 거리를 조정함으로써, 씰재(15)에 걸리는 압력을 조정할 수 있다. 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이에는, 밀폐 상태를 유지하기 위한 씰재(15)가 개재되어 있지만, 이들의 레이저 매질에 의한 씰재(15)로의 압력이 적당한 경우에는, 밀폐 상태는 충분히 유지된다. 플랜지(11) 사이의 길이는 조정할 수 있기 때문에, 레이저 매질 사이의 씰재(15)에 인가되는 압력을 원하는 값으로 설정할 수 있어, 레이저 매질 사이의 공간에 있어서의 밀폐 상태를 충분히 유지할 수 있다.
즉, 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이에는 씰재(15)가 배치되고, 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질은, 이들의 두께 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있고, 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 감압 환경하(1기압 미만, 진공을 포함함)에 있거나 또는 기체(불활성 가스(공기, N2, CO2), 희가스(Ar, He), 중수 또는 불소계 불활성 액체 등)가 충전되어 있다. 또한, 상기 공간 내에 기체가 충전되어 있는 경우에는, 당해 공간 내에 고체가 위치하고 있는 경우보다도, 프레넬 반사에 의한 에너지 손실의 경감이나 파면 왜곡의 발생을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또한, 상기 공간 내에 중수 또는 불소계 불활성 액체 등이 충전되어 있는 경우에는, 당해 공간 내에 고체가 위치하고 있는 경우보다도, 프레넬 반사에 의한 에너지 손실의 경감이나 파면 왜곡의 발생을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다. 불소계 불활성 액체로서는, 쓰리엠 재팬사제의 후로리나트(Fluorinert)TM(불소계 불활성 액체) 등을 이용할 수 있지만, 충전하는 액체로서는, 불소계 불활성 액체 외, 물, 굴절률 정합액(整合液), 오일 등도 이용할 수 있다.
이 장치에 의하면, 레이저 매질(14)에 여기광(EX)을 입사시킴으로써, 레이저 매질(14)이 여기되고, 이것에 시드광으로서의 레이저광(LB)을 입사시키면, 증폭된 레이저광(LB)이 레이저 매질(14)을 통과하여, 창재(16)로부터 출력된다. 복수의 레이저 매질(14)이 있으므로, 증배율도 높아진다.
여기서, 냉각 매체 유로(F1)는 레이저 매질 유닛(10)의 주위에 마련되어 있고, 외측에서부터 레이저 매질 유닛을 냉각한다. 그리고 제1 레이저 매질과 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 진공 등의 감압 환경하에 있거나, 또는, 기체가 충전되어 있다. 따라서, 이러한 공간 내를 통과하는 레이저광(LB)이, 종래와 같이, 레이저 매질(14)의 주표면을 흐르는 냉각 매체에 의해서 간섭되지 않기 때문에, 증폭된 레이저광(LB)의 흔들림 등이 억제되어, 레이저광의 안정성이나 수렴 특성 등의 품질이 향상된다.
또, 도 1 및 도 3에 나타내는 것처럼, 플랜지(11)에는, 이것을 Y축 방향으로 관통하는 구멍(11b)이 마련되어 있다. 구멍(11b)의 외측에는 도시하지 않은 튜브가 연통되어 있고, 구멍(11b)으로부터는, 레이저 매질 유닛(10)의 외표면상에 접촉하는 냉각 매체가 공급되고, 또, 배출된다. 일방의 플랜지(11)의 구멍(11b)으로부터 도입된 냉각 매체는, 레이저 매질(14)의 Y축 둘레의 주위의 면에 접촉하면서, 도 3에 나타내는 점선 화살표 F1과 같이, Y축 방향을 따라서 흘러, 타방의 플랜지(11)의 구멍(11b)으로부터 배출된다.
또한, 냉각 매체 유로(F1)는 레이저 매질 유닛(10)과, 이것을 둘러싸는 통체(筒體)와의 사이에 형성된다. 이러한 통체는, 레이저 매질 유닛(10)에서 보았을 때 여기광원의 외측에 마련하는 것으로 해도 되고(도 5의 통체(24)), 또한 이에 더하여, 레이저 매질 유닛(10)과 여기광원과의 사이에 마련하는 것으로 해도 된다(도 5의 투명 통체(30)). 냉각 매체 유로(F1)를 형성하기 위한 통체를, 레이저 매질 유닛(10)과 여기광원과의 사이에 배치하는 경우에는(도 5의 투명 통체(30)), 투명 통체(30)는 여기광을 투과하는 투명 재료, 예를 들면, 석영 유리로 이루어진다.
도 4는 레이저광 증폭 장치의 정면도, 도 5는 레이저광 증폭 장치의 C－C 화살표 단면도이다.
레이저광 증폭 장치는 전술한 레이저 매질 유닛(10)과, 레이저 매질 유닛(10) 내에 여기광을 입사시키는 복수의 여기광원(21)과, 레이저 매질 유닛(10)의 주위에 배치된 냉각 매체 유로(F1)(도 5 참조)를 구비하고 있다.
레이저광 증폭 장치는 반도체 레이저 소자 등의 시드광원으로부터 레이저 매질 유닛(10) 내에 입력된 레이저광(LB)을 증폭하여 출력한다. 레이저 매질 유닛(10)의 주위에는, 필요에 따라서, 상술한 투명 통체(30)가 배치되어, 냉각 매체 유로를 구성한다. 여기광원(21)으로부터는 얼마 상술한 여기광이 출력된다. 여기광원(21)의 수는, 도면 중에서는 12개를 나타냈지만, 그 수는 12개 이상이어도, 12개 이하여도 된다.
여기광원(21)은 레이저 매질 유닛(10)의 외측에 마련된 한 쌍의 대략 링 모양이고 금속제인 지지 부재(22)에 고정되어 있다. 또한, 여기광원(21)의 전극부와 지지 부재(22)는 절연되어 있다. 지지 부재(22)는 플랜지 모양의 립(lip)부를 가지고 있고, 립부상에는 링 모양의 절연체(23)가 고정되어 있다. 절연체(23)상에는, 복수의 단자(25)가 고정되어 있고, 단자(25)로부터 배선(W)을 통해서, 여기광원(21)에 전력이 공급된다. 복수의 여기광원(21)은 직렬 접속되어 있어도 되고, 병렬 접속되어 있어도 된다. 지지 부재(22)는 Y축 방향으로 이것을 관통하는 구멍(22b)을 가지고 있다. 일방의 지지 부재(22)의 구멍(22b)에는, 도시하지 않은 튜브가 연통되어, 제2 냉각 매체 유로(F2) 내에 냉각 매체가 도입되고, 타방의 지지 부재(22)의 구멍(22b)에도 도시하지 않은 튜브가 연통되어, 냉각 매체가 배출된다. 여기광원(21)과 프레임(24)의 사이에는, 여기광원(21)으로부터의 여기광이 효율 좋게 레이저 매질 유닛에 전달되도록, 반사재(리플렉터)(RF)가 있어도 된다.
원형의 개구를 가지는 지지 부재(22)의 내측의 원통면은, 레이저 매질 유닛(10)의 플랜지(11)의 외주면에 고정되어 있다. 한 쌍의 지지 부재(22)는, 통체(24)에 의해서 접속되어 있고, 통체(24)의 내면과, 여기광원(21)과의 사이에, 제2 냉각 매체 유로(F2)가 형성되어 있다. 또한, 원형의 개구를 가지는 지지 부재(22)의 바닥면은, 지지대(26)상에 고정되어 있다.
또한, 도 2에 나타낸 씰재(15)의 구조는, 상술한 것으로 한정되지 않는다.
도 6은 씰재(O링)의 근방에 보조 요소를 마련했을 경우의 레이저 매질 유닛의 A－A 화살표 단면도이다. 씰재(15)의 지름 방향으로 양단에는, 보조 요소(15a)가 배치되어 있어, 씰재(15)에 의한 씰을 보조하고 있다. 보조 요소(15a)로서는, 수지등의 접착 재료 외, 실리콘제의 O링 보다도 강성이 높은 스페이서를 이용할 수 있다. 이러한 스페이서는, Y축의 주위에 동심원 모양으로 배치된 2개의 링 모양 스페이서를 채용할 수 있고, 링 모양 스페이서의 사이에, 씰재(15)로서의 O링을 배치할 수 있다. 스페이서 재료로서는, Cu나 Al 등의 금속 외, 유리재, 세라믹을 이용하는 것도 가능하다.
상술한 레이저 매질 유닛을 시작(試作)했다.
이 장치에 있어서는, Nd；YAG로 이루어지는 각 레이저 매질의 직경이 100mm, 두께가 10mm, 매수가 10매이고, 레이저 매질 사이의 밀폐 공간 내에는, 중수가 충전되어 있다. 시드광으로서 파장 1064nm의 레이저광을 이용하고, 여기광원으로서는, 12개의 플래시 램프를 이용했다. 이 경우의 경우, 세라믹 레이저 매질이 적층됨으로써, 대형의 레이저 로드(rod)와 같이 기능하고, 밀폐된 일체 구조이기 때문에, 레이저광의 전파로를 냉매가 횡단하지 않으므로, 냉매에 의한 레이저광의 특성 열화를 억제할 수 있다. 지주(12)의 직경은 2mm이다. 또, 전체의 치수도, 30cm 정도로 되어, 매우 소형임에도 불구하고, 50줄(Joule) 이상의 레이저 출력을 얻을 수 있다.
또한, 상술한 창재의 주표면(XZ면)의 광 입사면에는, 시드광에 대한 반사 방지막이 마련되어 있어도 된다. 이것에 의해, 시드광이 전단(前段)의 창재에 용이하게 입사되고, 후단의 창재로부터 용이하게 출사될 수 있다. 이들의 주면에는 반사 방지막 이외의 반사 방지 처리를 행해도 된다. 마찬가지로, 레이저 매질의 광 입사면에도, 시드광에 대한 반사 방지막이 마련되어 있어도 된다. 이들의 주면에는 반사 방지막 이외의 반사 방지 처리를 행해도 된다. 반사 방지막 혹은 반사 방지 처리는, 각 광 투과 요소의 광 입사면 뿐만 아니라, 광 출사면에 마련하는 것으로 해도 된다. 반사 방지막으로서는, 예를 들면, 유전체 다층막을 이용할 수 있다. 유전체 다층막으로서는, 산화 티탄과 산화 실리콘의 적층물이 알려져 있다. 레이저 매질과 굴절률이 동등한 굴절률 정합액도 이용할 수 있다. 또한, 레이저 매질 사이의 밀폐 공간 내에 희가스가 봉입(封入)되어 있는 경우에는, 희가스에 의한 레이저 매질의 열화가 억제된다.
또, 자연 방출광에 의한 발진을 억제하기 위해, 상술한 레이저 매질의 주위를 클래드 재료로 둘러싸도 된다. 자연 방출광(1064nm)을 흡수하는 클래드 재료로서는, 사마륨(samarium) 첨가재료, 크롬 첨가재료, 동 첨가재료 등이 있다. 구체적으로는, 사마륨 첨가 YAG, 사마륨 첨가 유리, 크롬 첨가 YAG, 크롬 첨가 유리, 동첨가 YAG, 동첨가 유리 등이다. 이들 클래드 재료를 레이저 매질에 고정하기 위해서는, 접착 또는 접합한다. 접착의 경우에는, 이들 사이에 접착제가 개재되어 있다. 접착제를 이용하는 경우, 수지제 굴절률 정합 접착제, 유리제 굴절률 정합 접착제 등의 접착제를 이용할 수 있다. 접착제를 이용하지 않는 경우에는, 열확산 접합, 옵티컬 컨택트, 이온 스퍼터링 접합 등의 접합을 이용할 수 있고, 레이저 매질 부품의 외표면 및 클래드 재료가 세라믹스로 이루어지는 경우에는, 세라믹스 소결(燒結) 접합을 이용하여, 이것들을 고정할 수 있다. 또한, 여기광(808nm)에 대한 반사 방지막의 재료나 접착 방법도, 시드광 또는 자연 방출광에 대한 것과 마찬가지이다.
또, 레이저 매질은, 인접하여 대향하는 주표면끼리가 평행하게 되지 않도록, 주표면이 Y축에 대해 수직인 면으로부터 경사져 있어도 된다. 이것에 의해, 주표면에 의한 불필요한 반사에 기인한 기생 발진(寄生 發振)을 저감시킬 수 있다. 즉, 각 레이저 매질은, 판 모양이면, 평행 평판일 필요는 없고, 표면이 다소 경사져도 된다. 또, 상술한 냉각 매체로서는, 액체 또는 기체를 이용할 수 있다. 액체로서는, 물을 이용할 수 있고, 기체로서는, 헬륨 가스 등을 이용할 수 있지만, 냉각 성능이 있는 것이면, 이것들로 한정되는 것은 아니다.
14 … 레이저 매질, 12 … 지주,
15 … 씰재, 11 … 플랜지.

Claims (4)

  1. 레이저 매질 유닛과,
    상기 레이저 매질 유닛 내에 여기광을 입사시키는 여기광원과,
    상기 레이저 매질 유닛의 주위에 배치되고, 외측에서부터 상기 레이저 매질 유닛을 냉각하는 냉각 매체 유로를 구비하고,
    상기 레이저 매질 유닛 내에 입력된 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저광 증폭 장치에 있어서,
    상기 레이저 매질 유닛은,
    판(板) 모양의 제1 레이저 매질과,
    판 모양의 제2 레이저 매질과,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이에 배치된 씰재(seal)를 구비하고,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질은, 이들의 두께 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있고,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 감압(減壓) 환경하에 있거나, 또는, 기체가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저광 증폭 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저 매질 및 상기 제2 레이저 매질의 재료는, 각각, 세라믹 레이저 매질인 것을 특징으로 하는 레이저광 증폭 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 매질 유닛은, 대향 배치된 한 쌍의 플랜지와,
    상기 플랜지 사이를 접속하여, 상기 플랜지 사이의 거리를 조정할 수 있는 3개 이상의 지주(支柱)를 구비하고,
    상기 제1 레이저 매질 및 상기 제2 레이저 매질의 정렬 방향은, 상기 지주의 길이 방향과 일치하고 있고,
    상기 플랜지 사이의 거리를 조정함으로써, 상기 씰재에 걸리는 압력을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저광 증폭 장치.
  4. 레이저 매질 유닛과,
    상기 레이저 매질 유닛 내에 여기광을 입사시키는 여기광원과,
    상기 레이저 매질 유닛의 주위에 배치되고, 외측에서부터 상기 레이저 매질 유닛을 냉각하는 냉각 매체 유로를 구비하고,
    상기 레이저 매질 유닛 내에 입력된 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저광 증폭 장치에 있어서,
    상기 레이저 매질 유닛은,
    판 모양의 제1 레이저 매질과,
    판 모양의 제2 레이저 매질과,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이에 배치된 씰재를 구비하고,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질은, 이들의 두께 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있고,
    상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 레이저 매질과의 사이의 공간은, 밀폐 공간이고, 중수(重水) 또는 불소계 불활성 액체가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저광 증폭 장치.
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