WO2005011075A1 - 固体レーザ励起モジュール及びレーザ発振器 - Google Patents

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Takayuki Yanagisawa
Syuhei Yamamoto
Yoshihito Hirano
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state laser excitation module and a laser oscillator using a thin disk-type solid-state laser medium suitable for a laser device for laser radar and a laser device for processing.
  • the shape of the laser medium used in the laser device is roughly classified into a rod type, a slab type, and a thin disk type.
  • the rod-type laser medium is obtained by processing a laser medium into a circular or polygonal cross section.
  • the laser light whose power is to be amplified is passed through and amplified from one end face to the other end face along an optical axis perpendicular to the end face of the laser diode medium.
  • a large gain is easily obtained because the passage distance of the laser light propagating in the laser medium is long.
  • the laser medium since the laser medium has a symmetrical shape with respect to the optical axis, there is an advantage that it is easy to obtain a laser beam having a symmetrical intensity distribution.
  • the heat generated in the excited rod-type laser medium is exhausted using the outer peripheral surface as an exhaust heat surface.
  • a temperature distribution occurs in a cross section perpendicular to the optical axis direction. This is a factor that causes problems such as a thermal lens effect that changes in an excited state and a wavefront aberration / thermal birefringence effect.
  • the thermal lens effect is based on the temperature gradient in the laser medium and the beam size of the laser beam in the laser resonator divided by the beam angle such as the divergence angle. Change the mode.
  • the wavefront aberration causes a loss when the laser light circulates in the resonator, thereby lowering the oscillation efficiency and lowering the beam quality of the laser light.
  • the thermal birefringence effect degrades the degree of polarization of laser light, especially when obtaining laser oscillation of linearly polarized light. For this reason, the loss in the resonator increases, the oscillation efficiency decreases, and the beam quality of the laser light decreases.
  • the slab type laser medium is obtained by processing the laser medium into a trapezoidal shape.
  • the heat generated in the excited slab-type laser medium is exhausted using the parallel opposing surfaces of the trapezoidal surfaces of the slab-type laser medium as heat-dissipating surfaces.
  • the laser light incident on the slab type laser medium is reflected and propagated a plurality of times on the heat-dissipating surface and amplified.
  • This configuration has a feature that a large gain is easily obtained because the passage distance of the laser light propagating in the laser medium is long.
  • the incident laser light is reflected multiple times on the heat-dissipating surface and output. For this reason, there is an advantage that the thermal lens effect generated in the direction of exhaust heat is canceled and the change in the beam mode due to the excited state is small.
  • the thermal birefringence in the laser medium has an axis in the direction of heat dissipation and the direction perpendicular thereto.
  • the change of the polarization state due to the thermal birefringence can be reduced by propagating the linearly polarized light in the axial direction of the thermal birefringence to the laser medium.
  • the slab-type laser medium since the laser light is reflected a plurality of times on the heat-dissipating surface, a high-accuracy flatness is required for the heat-dissipating surface.
  • the temperature distribution in the laser medium due to the heat generated by the excitation is not one-way. However, the thermal lens effect is not completely negated.
  • the thin disk type laser medium is obtained by processing the laser medium into a thin disk shape.
  • laser light is emitted from one of the surfaces having the largest area among the surfaces constituting the disk shape, and is reflected by the surface opposite to the incident surface, and is reflected in the thickness direction of the disk. Amplify while propagating.
  • the heat generated in the excited thin disk laser medium is exhausted using the surface facing the incident surface as a heat exhaust surface.
  • a large heat-dissipating surface is obtained, so that heat can be easily dissipated compared to the other two shapes.
  • the direction of heat dissipation is parallel to the optical axis, there is almost no thermal lens effect / thermal birefringence effect.
  • the thin disk type laser medium has a unique advantage that cannot be obtained with a laser medium of another shape.
  • a disadvantage of the laser medium having this shape is that since the distance in the laser medium through which the laser light passes is in the thickness direction of the disk, the gain becomes smaller as the thickness becomes thinner. Also, in order to obtain a large gain with the same thickness and the same pumping light power in a thin disk type laser medium, it is necessary to reduce the disk diameter and condense the pumping light to increase the pumping light density. Required.
  • the heat-dissipating surface is also reduced, so that the efficiency of the heat-dissipation is reduced. Therefore, when the excitation light is concentrated on the laser medium having such a small disk diameter, the heat generation density increases. Thus, if the temperature of the laser medium rises excessively during excitation, the laser medium itself may be thermally destroyed. Further, in general, the gain of the laser medium decreases as the temperature rises, so that there is a problem that the efficiency of the amplification also decreases.
  • the propagation distance of the excitation light is defined in the thickness direction of the disk.
  • the excitation light propagates in the radial direction of the disk, and a relatively long absorption length can be obtained.
  • the following problems also occur in side excitation.
  • the disk diameter when achieving high beam quality in a laser resonator using a thin disk laser medium, the disk diameter must be adjusted to the fundamental mode beam diameter of the resonator.
  • the beam diameter in the fundamental mode it is desirable that the beam diameter in the fundamental mode be small so that no loss occurs.
  • the disk diameter of the thin disk type laser medium must be made as small as possible.
  • the entrance surface of the excitation light is inevitably reduced, and it is difficult to enter the excitation light by side excitation.
  • the effect of the loss at the time of the incidence of the pump light becomes larger, and the oscillation efficiency of the laser device is rather reduced.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-284572
  • this device has a tapered LD optical transmission plate for transmitting the excitation light output from the LD and has a thickness substantially equal to that of the LD transmission plate, and is circular or positive. It is characterized by using a solid-state laser medium having a square disk shape.
  • Excitation light from the array-type LD is incident on the side of the LD optical transmission plate having a wide taper corresponding to the width of the LD in the array direction from the incident end face.
  • This pump light repeats total reflection in the thickness direction of the LD light transmission plate, and is reflected by the tape-like side surface in the horizontal direction while the T E M of the solid-state laser medium is reflected. .
  • the light propagates so as to converge to the width of the emission end face, which has a width close to the width of the mode oscillation region.
  • the emission end face of the LD light transmission plate is in contact with the side surface of the thin disk type laser medium, and the excitation light propagating through the LD light transmission plate excites the solid-state laser medium.
  • the vertical component of the excitation light emitted from the LD can be efficiently propagated through the solid-state laser medium by total reflection. Also, in the above configuration, T E M to some extent in the horizontal direction. . Since the pump light is uniformly converged to a width close to the mode oscillation region, it is possible to uniformly pump the solid-state laser medium at a high pump density.
  • Patent Document 1 does not solve all of the disadvantages of the thin disk type laser medium.
  • the excitation light is focused on the thin disk type solid-state laser medium using the LD light transmission plate.
  • a thin disk-type laser medium with a small disk diameter is used for stable laser resonance, it is inevitable that the heat generation density due to the excitation light increases as described above.
  • the smaller the incident surface the smaller the heat-dissipating surface. In this case, the rise in the temperature of the laser medium cannot be suppressed. For this reason, there is a problem that the laser medium may be thermally destroyed.
  • the rise in the temperature of the laser medium as described above decreases the excitation light absorption efficiency of the laser medium itself, and particularly in a three-level laser medium, a decrease in gain occurs due to an increase in the lower level ion of laser oscillation. As a result, there is also a problem that the oscillation efficiency of the entire laser device is reduced.
  • Patent Document 1 a laser beam is perpendicularly incident on an incident surface of a thin disk type laser medium. Therefore, a large gain cannot be expected in the laser medium because the distance of the laser light passing through the laser medium is defined by the thickness direction of the disk.
  • the conventional thin disk type laser medium has a disadvantage that the efficiency of the laser device is reduced because the absorption efficiency of the excitation light is reduced.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a solid-state laser excitation module and a laser capable of suppressing a temperature rise at the time of exciting a thin disk type laser medium and obtaining high gain.
  • the purpose is to obtain an oscillator.
  • a solid-state laser pumping module includes a flat solid-state laser medium that amplifies laser light by giving a gain generated by absorption of pumping light, and a surface facing the laser light incident surface of the solid-state laser medium.
  • a reflection surface portion for reflecting the laser light incident from the incident surface and propagating through the solid-state laser medium; and discharging heat transmitted from the solid-state laser medium via the reflection surface portion.
  • the solid-state laser medium has a cooling section, and the laser light incident surface of the solid-state laser medium has a size perpendicular to a plane defined by the optical axis of the laser light and a normal on the laser light incident surface of the solid-state laser medium.
  • the laser light passage distance in the medium can be increased compared to the case where laser light is introduced perpendicular to the laser light incident surface of the solid-state laser medium, and the laser light is efficiently amplified There is an effect that can be done.
  • the laser light incident surface of the solid laser medium in the excitation medium portion is defined by an optical axis of the laser light and a normal to the laser light incident surface of the solid laser medium.
  • a region in which the size a in the direction perpendicular to the surface and the size b in the longitudinal direction perpendicular to the direction and the normal line have a relationship of b a Z cos 0 with respect to the incident angle ⁇ ⁇ ⁇ of the laser light.
  • the laser light can be amplified with higher efficiency than the solid-state laser pumping module.
  • the solid-state laser medium is arranged in each region irradiated with the laser light from the reflection mirror unit, and the excitation light is propagated to each solid-state laser medium via the slab waveguide unit.
  • the solid-state laser medium is joined to form an excitation medium section.
  • the solid-state laser pumping module further includes a flat solid-state laser medium that amplifies the laser light by giving a gain generated by absorbing the pumping light, and a surface side of the solid-state laser medium facing the laser light incident surface.
  • the solid-state laser medium has a laser light incident surface in a direction perpendicular to a plane defined by an optical axis of the laser light and a normal line on the laser light incident surface of the solid-state laser medium.
  • the laser light reflected by the emitting surface is used as the output light, and the output light of the excitation medium disposed in the preceding stage is disposed so as to become the laser light incident on the excitation medium disposed in the subsequent stage. It is to be amplified sequentially.
  • a laser oscillator is provided on a flat solid-state laser medium that amplifies laser light by giving a gain generated by absorption of pump light, and on a surface of the solid-state laser medium facing a laser light incident surface.
  • a reflecting surface for reflecting laser light incident from the incident surface and propagating through the solid-state laser medium; and a cooling unit for discharging heat propagating from the solid-state laser medium via the reflecting surface, and
  • a solid-state laser medium is arranged for each region irradiated with the solid-state laser, and the solid-state laser medium is formed by joining the solid-state laser mediums via a slab waveguide section for propagating excitation light to each solid-state laser medium.
  • an optical system section for repeatedly oscillating the laser by repeatedly entering the laser beam and re-entering the reflected light from the reflection surface.
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a view of the solid-state laser pumping module in FIG. 1A viewed from the X-axis direction.
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a view of the solid-state laser pumping module in FIG. 1A viewed from the X-axis direction.
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a view of the solid-state laser pumping module in FIG. 1A viewed from the X-axis direction.
  • Fig. 2A is an xy plan view showing the configuration in which the pumping LD directly irradiates the pumping light into the solid-state laser medium.
  • Fig. 2B shows the solid-state laser pumping light through a slab waveguide whose side surface is tapered.
  • FIG. 3 is an Xy plan view showing a configuration of incidence on a medium o
  • FIG. 3A shows a cross section of the solid-state laser pumping module shown in Fig. 1 in the Xz plane.
  • Fig. 3B shows a cross section of the solid-state laser pumping module shown in Fig. 1 in the yz plane.
  • FIG. 3A shows a cross section of the solid-state laser pumping module shown in Fig. 1 in the Xz plane.
  • Fig. 3B shows a cross section of the solid-state laser pumping module shown in Fig. 1 in the yz plane.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 5B is a diagram of the solid-state laser pumping module in FIG. 5A viewed from the X-axis direction. It is.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a solid-state laser excitation module according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7A is a thin disk type solid-state laser according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 7B is a diagram showing a configuration of a medium, and
  • FIG. 7B is a cross-sectional view in the Xz plane showing a configuration of a solid-state laser excitation module according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 8A to FIG. 8H are plan views showing the configuration of the excitation medium section.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a laser device using a solid-state laser excitation module according to Embodiment 6 of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a view of the solid-state laser pumping module in FIG. 1A viewed from the X-axis direction.
  • FIG. 1 in the solid-state laser pumping module shown in FIG. 1 a total reflection film 3 is bonded on a heat sink 5 via a bonding agent 4, a thin disk-shaped solid laser medium 2 is provided on the total reflection film 3, and An anti-reflection film 1 is arranged on the substrate.
  • the antireflection film 1 transmits almost all of the laser light 6 incident on the solid-state laser medium 2 at an incident angle of 0.
  • a dielectric thin film is laminated.
  • the solid-state laser medium 2 a general solid-state laser medium can be used.
  • N d YAG, Nd: YLF, Nd: YV_ ⁇ 4
  • N d G 1 ass
  • Yb YAGs Yb: YL F
  • E r G lass
  • E r YAG
  • T m YAG s Tm: YL F
  • Ho YAG s Ho: YL F
  • Tm Ho: YAG, Tm
  • Ho: YLF Ti: Sap phire
  • Cr Li SAF, etc.
  • Fig. 1A the optical axis of the laser beam 6 and the incident surface of the solid-state laser medium 2 are shown.
  • the definition of the rectangular coordinate system is the same in the following drawings.
  • the incident surface of the solid-state laser medium 2 on which the laser light 6 is incident is represented by a rectangle having a size of a in the X-axis direction and a size of b in the y-axis direction, and these are expressed by the following formula (1).
  • the laser beam 6 is incident at an incident angle ⁇ ⁇ ⁇ such that the irradiation area on the incident surface of the solid-state laser medium 2 is larger than the beam cross-sectional area (area of a cross section perpendicular to the optical axis).
  • the total reflection film 3 is incident on the solid-state laser medium 2 at an incident angle of 0, and the laser light 6 incident at an incident angle of 6> a due to refraction inside the solid-state laser medium. Reflects almost everything. Further, the total reflection film 3 can be formed by laminating a dielectric thin film, or by using vapor deposition of a metal film.
  • the bonding agent 4 can be realized by a metal solder or an adhesive.
  • the laser beam 6 is incident angle S a which is incident to the total reflection film 3 is expressed by the following formula by the effect of refraction of the solid, single laser medium 2.
  • n is the refractive index of the solid-state laser medium 2
  • n is the refractive index of the medium through which the laser light 6 propagated before entering the solid-state laser medium 2.
  • Excitation light 8 incident from the side surface of the solid-state laser medium 2 propagates while being reflected inside the solid-state laser medium 2. As a result, the excitation light 8 It is absorbed by the medium 2 to generate gain.
  • the laser beam 6 whose power is to be amplified is incident on the solid-state laser medium 2 at an incident angle ⁇ , passes through the anti-reflection film 1, and is amplified by the solid-state laser medium 2 until reaching the total reflection film 3. Is done.
  • the laser light 6 amplified by the solid-state laser medium 2 until reaching the total reflection film 3 is reflected by the total reflection film 3 and amplified when passing through the solid-state laser medium 2 again. Thereafter, the laser light 6 passes through the antireflection film 1 and is output to the outside.
  • heat generated when the solid-state laser medium 2 is excited is conducted from the total reflection film 3 through the bonding agent 4 and is discharged to the heat sink 5.
  • the temperature of the solid-state laser medium 2 is suppressed from rising by cooling with, for example, cooling water or an air-cooling fan.
  • the direction perpendicular to the optical axis of the laser beam 6 in the z axis direction and the xy plane is defined as the birefringence axis.
  • Thermal birefringence occurs. This thermal birefringence indicates that the laser beam 6 incident at an incident angle of 0 has a direction perpendicular to the optical axis in a plane including the optical axis and the z axis, and a direction perpendicular to the optical axis in the xy plane. Provides a birefringence effect whose axis is the direction.
  • the birefringence effect causes different phase changes by generating different refractive indices for the two axial electric field components. Therefore, when the laser light 6 having an electric field component is incident in the two axial directions, the polarization state of the laser light 6 that has been amplified and emitted through the solid-state laser medium 2 changes due to the birefringence effect. It will be.
  • the laser beam 6 is linearly polarized light having polarization in the birefringence axis direction, that is, the optical axis of the laser beam 6 and the normal 7 Linearly polarized light (S-polarized light) in the direction perpendicular to the plane containing the (X-axis direction), or linearly polarized light in the direction perpendicular to the optical axis in the plane containing the optical axis of the laser beam 6 and the normal 7 ( P-polarized light).
  • S-polarized light Linearly polarized light
  • P-polarized light linearly polarized light
  • FIG. 1 shows a case where the polarization direction of the laser beam 6 is S-polarization.
  • the black circle symbol on the optical axis of the laser light 6 indicates the polarization direction of the laser light 6, and indicates the direction perpendicular to the paper surface, that is, the S-polarized light.
  • the polarization state of the amplified laser beam 6 does not change due to the birefringence effect, and it does not hinder a laser oscillator. Can be used without.
  • a total reflection mirror that reflects the laser light 6 and a partial reflection mirror that reflects part of the laser light 6 and transmits part of the laser light 6 are prepared, and are incident on the solid-state laser medium 2 side.
  • a total reflection mirror or a partial reflection mirror is arranged on the optical axis of the laser beam 6 before the laser beam 6 is emitted, and the laser beam 6 passes through the solid-state laser medium 2 and is output from the solid-state laser excitation module of the present invention on the optical axis. Install a partial or total reflection mirror.
  • the anti-reflection film 1 or the total reflection film 3 thus, by giving different characteristics, the polarization direction of the laser light 6 generated in the laser resonator can be limited to either S-polarized light or P-polarized light. Therefore, it is possible to obtain the linearly polarized laser light 6 as output light without preliminarily specifying the polarization direction of the laser light 6 to be incident on the laser resonator.
  • FIG. 2A is an xy plan view showing a configuration in which the pumping LD 9 directly enters the pumping light 8 into the solid-state laser medium 2.
  • FIG. This configuration is effective when the width of the incident surface of the excitation light 8 in the solid-state laser medium 2 is equal to or slightly larger than the width of the excitation LD 9 in the y-axis direction.
  • the excitation LD 9 outputs the excitation light 8 shown in FIG. 1 from the light emitting unit 10.
  • the light emitting section 10 has a size of several m in the X-axis direction and several mm in the y-axis direction. If the width of the incident surface of the excitation light 8 in the solid-state laser medium 2 is equal to or larger than the length of the light-emitting portion 10 in the y-axis direction, as shown in FIG. It is arranged close to the laser medium 2. Thereby, almost all of the pumping light 8 from the pumping LD 9 can be incident on the solid-state laser medium 2.
  • FIG. 2B is an xy plan view showing a configuration in which the excitation light 8 is incident on the solid-state laser medium 2 via the slab waveguide 11 whose side surface is processed into a tapered shape.
  • the configuration shown in FIG. 2B is effective when the width of the plane of incidence of the excitation light 8 in the solid-state laser medium 2 is smaller than the length of the light emitting unit 10 in the y-axis direction.
  • the slab waveguide 11 has substantially the same thickness as the solid-state laser medium 2 and makes the solid-state laser medium 2 enter the excitation light 8 from the pumping LD 9 while condensing the excitation light 8 in the y-axis direction.
  • the cross-sectional area from the incident end face of the pumping light 8 from the pumping LD 9 to the end face for emitting the pumping light 8 to the solid-state laser medium 2 gradually decreases, so that the excitation light 8 enters the solid-state laser medium 2 while being focused.
  • the solid-state laser medium 2 and the slab waveguide 11 are optically joined by an optical contact or the like.
  • the optical contact means that the bonding surface between the solid-state laser medium 2 and the slab waveguide 11 is polished with high precision and then bonded.
  • the crystals of the solid-state laser medium 2 and the slab waveguide 11 may be individually processed into a powder form, and may be formed by an integral structure using a ceramic solidified by sintering.
  • FIG. 3A is a diagram showing a cross section on the Xz plane of the solid-state laser pumping module shown in FIG.
  • FIG. 3B is a diagram showing a cross section in the yz plane of the solid-state laser excitation module shown in FIG.
  • the laser light 6 having a circular cross section perpendicular to the optical axis and having a circular shape with a diameter c has a minor axis c in the X-axis direction and a y-axis direction on the surface of the solid-state laser medium 2. Is incident on the surface in an elliptical shape having a major axis c / coss.
  • the ratio between the beam diameter of the laser light 6 and the size of the solid-state laser medium 2 be constant.
  • the solid-state laser medium 2 is configured to satisfy the above expression (1), the same ratio can be maintained in the X-axis direction and the y-axis direction, and the power stored in the solid-state laser medium 2 can be efficiently used. It is possible to take out well.
  • Diffraction-limited TEM due to the aperture of size a. . It is known that in order to selectively amplify light, it is necessary to set a so that a / c is 1 to 1.7. In order to amplify, it is desirable that a / c is approximately 1.
  • the power that can be stored per unit area that is, the excitation light incident power per unit area
  • the area of the solid-state laser medium 2 needs to be increased.
  • the beam diameter of the laser beam 6 in the laser resonator is given by the stable condition of the laser resonator. In particular, when trying to achieve diffraction-limited beam quality, a longer cavity length is required for a larger beam diameter. As a result, the laser resonator becomes large and unstable.
  • the area of the solid-state laser medium 2 is increased, and the power accumulated in the entire solid-state laser medium 2 is increased. Can be increased.
  • the incident angle 0 is around 0 °, the effect of increasing the accumulated power is small, and the incident angle is preferably 45 ° or more.
  • the gain given to the laser beam 6 by the solid-state laser medium 2 is proportional to the length of the laser beam 6 passing through the solid-state laser medium 2.
  • the length of the laser light 6 passing through the solid-state laser medium 2 can be increased, and the gain given to the laser light 6 can be increased. Can be larger.
  • the length of the laser light 6 passing through the laser medium 2 is 1 / c 0
  • This effect is about 1.34 times, and the effect becomes smaller as the refractive index of the host material becomes smaller. growing.
  • the light is linearly polarized light (P-polarized light)
  • the reflection of the laser light 6 does not occur on the surface of the solid-state laser medium 2. Therefore, the anti-reflection film 1 can be omitted. In this case, it is possible to suppress the loss of the antireflection film 1. Further, since the antireflection film 1 becomes unnecessary, a laser device can be configured at low cost.
  • the total reflection film 3 When a dielectric multilayer film is used as the total reflection film 3, if the polarization of the laser light 6 is linearly polarized light (S-polarized light) perpendicular to the plane containing the optical axis and the normal line 7, it is compared with the case of P-polarized light. Thus, the thickness of the total reflection film 3 can be reduced. Since the thermal resistance of the total reflection film 3 is substantially proportional to its thickness, the above-described configuration can reduce the thermal resistance of the total reflection film 3 and suppress the temperature rise of the solid-state laser medium 2. You can also.
  • the efficiency generally decreases as the temperature increases. Therefore, in the present invention, when the accumulated power of the entire solid-state laser medium 2 is constant, the area of the solid-state laser medium 2 is increased by increasing the incident angle 0.
  • the amount of heat generated per unit area of the solid-state laser medium 2 is reduced, so that the temperature rise is suppressed and a highly efficient laser device can be obtained.
  • Adhesives especially organic adhesives, generally have a low maximum operating temperature and are difficult to use for fixing a high-power solid-state laser medium 2 with a high heat generation density.
  • the area of the solid-state laser medium 2 can be increased by increasing the incident angle 0, and the amount of heat generated per unit area can be reduced.
  • the above-mentioned organic adhesive has a bonding surface of a member to be bonded. There are some which can cover and adhere to minute irregularities existing in the above.
  • an adhesive as the bonding agent 4
  • an adhesive that is softer than the solid-state laser medium 2 that is, a softer adhesive, as the bonding agent 4
  • an effect as a buffer material that reduces stress on the solid-state laser medium 2 can be expected.
  • the bonding agent 4 absorbs the excitation light 8. For this reason, if the laser light 6 or the excitation light 8 leaks into the bonding agent 4, the temperature of the bonding agent 4 rises and the bonding strength decreases accordingly, and the optical components become dirty due to degassing from the bonding agent 4. There was a problem that it could cause damage or damage.
  • a total reflection film 3 that totally reflects the laser light 6 and the excitation light 8 at the same time is required.
  • a high-power semiconductor laser (LD) is used as an excitation light source.
  • Excitation light output from the semiconductor laser (LD) generally has a large divergence angle and enters the total reflection film 3 at various angles. For this reason, in order to achieve a high reflectance, the film configuration is inevitably complicated and the thickness must be increased. Here, the thermal resistance of the total reflection film 3 is almost proportional to its thickness. Therefore, when the thickness increases, the temperature of the laser medium 2 increases.
  • the excitation light 8 has a refractive index that satisfies the condition of total reflection in the solid-state laser medium 2 without using a metal solder or a thermally conductive adhesive as the bonding agent 4.
  • Use optical adhesive with low absorption May be.
  • Solid-state laser medium 2 of YAG as a host material (Y 3 A 1 5 0 1 2, refractive index 1.8 2) using a lever with a refractive index 1.6 of the optical adhesive as the bonding agent 4, a solid-state laser It is possible to confine the excitation light 8 spread to a full angle of 120 ° outside the medium 2 by total reflection.
  • the pumping light 8 is confined by total internal reflection inside the solid-state laser medium 2, a loss of the pumping light 8 is small, and a highly efficient pumping module can be realized.
  • the excitation light 8 is not absorbed by the metal solder or the thermally conductive adhesive, and is excited by the total reflection film 3. No function of totally reflecting light 8 is required. For this reason, the film design becomes easy, and a thin film thickness can be realized.
  • Optical adhesives have higher thermal resistance than thermally conductive adhesives.
  • optical adhesives do not include fillers (small metal fibers) to reduce thermal resistance with heat conductive adhesives.
  • the thickness of the bonding agent 4 can be reduced, and the thermal resistance of the bonding agent 4 and the total reflection film 3 can be reduced. It is.
  • the excitation light 8 is incident on the solid-state laser medium 2 from the side surface parallel to the xy plane.
  • the absorption length of the excitation light 8 can be adjusted by the magnitude a in the X-axis direction, and the total accumulated power of the solid-state laser medium 2 can be adjusted by the magnitude b in the y-axis direction.
  • FIG. 1 shows an example in which the excitation light 8 is incident from the side surface of the solid-state laser medium 2 which is parallel to the Xy plane, but the excitation light 8 is incident from the plane parallel to the Xz plane. You may. In this case, since a long absorption length in the y-axis direction of the solid-state laser medium 2 is obtained, high absorption efficiency can be obtained even when a laser medium material with small absorption is used.
  • the solid-state laser medium 2 has an absorption length of the excitation light 8 with the ratio of the size of the laser light incident surface in the X-axis direction to the size of the irradiation area of the laser light 6 on the laser light incident surface being constant. O It is possible to design the absorption amount and the beam diameter of the laser beam 6 independently.
  • the size of the irradiation area of the laser light 6 on the surface of the solid-state laser medium 2 and the size of the laser light incident surface of the solid-state laser medium 2 By setting the ratio to the same value in the X-axis direction and the y-axis direction, the power stored in the solid-state laser medium 2 can be efficiently extracted.
  • FIG. 1 shows a case where the surface shape of the solid-state laser medium 2 is a rectangle having a size of a in the X-axis direction and a size of b in the y-axis direction, but the present invention is not limited to this. is not.
  • the solid-state laser medium 2 may have an elliptical shape having a minor axis a in the X-axis direction and a major axis b in the y-axis direction.
  • the ratio between the size of the irradiation area of the laser beam 6 on the surface of the solid-state laser medium 2 and the size of the solid-state laser medium is not only in the X-axis direction and the y-axis direction, but also in all directions in the xy plane. The same value can be maintained for. As a result, the size of the irradiation area of the laser beam 6 and the size of the solid-state laser medium become substantially equal, and the power stored in the solid-state laser medium 2 can be more efficiently extracted.
  • the polarization direction of the incident laser beam 6 must be limited to either S-polarized light or P-polarized light due to thermal birefringence generated in the solid-state laser medium 2. was there.
  • the second embodiment provides a configuration that eliminates the above limitation.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a solid-state laser excitation module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the solid-state laser excitation modules 12a and 12b are formed by bonding total reflection films 3a and 3b on heat sinks 5a and 5b via bonding agents 4a and 4b.
  • a thin disk-shaped solid laser medium 2a, 2b is provided on b, and antireflection films la, lb are arranged thereon.
  • the functions of the anti-reflection film 1a, the solid-state laser medium 2a, the total reflection film 3a, the bonding agent 4a, and the heat sink 5a are as shown in Fig. 1 for the anti-reflection film 1, the solid-state laser medium 2, and the total reflection. It is the same as the film 3, the bonding agent 4, and the heat sink 5.
  • the polarization rotator 13 rotates the polarization of the laser beam 6 by 90 °, and an optical rotator, a half-wave plate, or the like is used.
  • the laser light 6 incident on the first solid-state laser excitation module 12a at an incident angle 6> is amplified in the path leading to the antireflection film 1a, the solid-state laser medium 2a, and the total reflection film 3a, and the total reflection film After being reflected at 3a, it is amplified again along the path leading to the solid-state laser medium 2a and the antireflection film 1a, and is emitted outside.
  • the laser light 6 emitted from the first solid-state laser excitation module 1 2a After the polarization is rotated by 90 ° by the polarization rotator 13, the light is incident on the second solid-state laser excitation module 12b.
  • the laser light 6 incident on the second solid-state laser excitation module 1 2b via the polarization rotator 13 is amplified by a path leading to the antireflection film lb, the solid-state laser medium 2b, and the total reflection film 3b, After being reflected by the total reflection film 3b, the light is amplified again along the path leading to the solid-state laser medium 2b and the antireflection film 1b, and is emitted outside.
  • the S-polarized light component of the laser light 6 incident on the first solid-state laser excitation module 12 a is rotated by 90 ° by the polarization rotation element 13, and then the second solid-state laser excitation It enters the module 12b as P-polarized light.
  • the P-polarized light component of the laser beam 6 incident on the first solid-state laser excitation module 12a is rotated by 90 ° by the polarization rotator 13, and then the second solid-state laser excitation module 12b Is incident as S-polarized light.
  • the phase difference given to the polarization components of the thermal birefringence in the two axial directions is compensated, so that the polarization state of the incident laser light 6 is maintained and output.
  • the solid-state laser pumping module shown in FIG. 4 can amplify the laser beam 6 in an arbitrary polarization state without changing the polarization state.
  • a laser amplifier for amplification can be configured.
  • a total reflection mirror that reflects the laser light 6 and a partial reflection mirror that reflects part of the laser light 6 and transmits part of the laser light 6 are prepared. 2 Place a total reflection mirror or partial reflection mirror on the optical axis of laser light 6 before entering laser beam a, and partially reflect on the optical axis of laser light 6 output from first solid-state laser excitation module 12b. Install a mirror or total reflection mirror. In this way, a laser resonator is constructed in which laser light 6 oscillates in a path composed of the total reflection mirror, the first solid-state laser excitation modules 12a and 12b, and the partial reflection mirror. can do.
  • FIG. 4 shows an example of a configuration in which two solid-state laser excitation modules 12a and 12b and a polarization rotator 13 are combined to compensate for a phase change.
  • a laser amplifier or a laser oscillator may be configured by combining the fi rectification module and the polarization rotator as one set, and combining them. With this configuration, a high-output, high-gain laser amplifier or laser oscillator can be formed.
  • a transmission optical element such as a rotator or a half-wave plate is used as the polarization rotation element 13, but the present invention is not limited to this.
  • the polarization rotation effect due to the reflection of the prism or the prism that spatially rotates the image by 90 ° is applied to the first solid-state laser excitation module 12a. It is clear that the same effect can be obtained even when the module is arranged so as to be orthogonal to the solid-state laser pumping module 12b.
  • the polarization of the laser beam 6 incident on the first solid-state laser pumping module 12a at an incident angle ⁇ without using the polarization rotator 13 is applied to the second solid-state laser pumping module 12b.
  • the laser beam 6 may be arranged so as to be orthogonal to the polarization of the laser beam 6 incident at an incident angle of 0.
  • the optical axis of the laser beam 6 The direction perpendicular to the plane including the normal line 7 of the incident surface of the first solid-state laser excitation module 12a is perpendicular to the optical axis of the laser beam 6 and the normal line of the incident surface of the second solid-state laser excitation module 12b. Be included in the plane including 7.
  • the first solid-state laser pumping module 12a and the second solid-state laser pumping module 12b are arranged so that the longitudinal directions are vertical. Then, an optical system such as a reflector is arranged on the propagation path of the laser beam 6 between these modules 12a and 12b, and the laser beam incident on the first solid-state laser excitation module 12a at an incident angle ⁇
  • the polarization direction of the laser light 6 incident on the second solid-state laser excitation module 12b at an angle of incidence ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ with respect to the polarization of 6 is adjusted so that the polarization is orthogonal.
  • the laser light incident as S-polarized light on the first solid-state laser excitation module 12a becomes P-polarized light on the second solid-state laser excitation module 12b, and the first solid-state laser excitation module 12
  • the laser light incident on P as P-polarized light becomes S-polarized light in the second solid-state laser excitation module 12b, and the same effect as when the polarization rotator 13 is used can be obtained.
  • the amount of increase in the length passing through the laser medium 2 is larger than that of the solid laser medium 2 when the incident angle 0 is 0 °.
  • the refractive index is 1.45, it is about 1.38 times, and when the refractive index is 1.82, it is about 1.20 times. Therefore, in the above excitation module, the effect of increasing the gain is smaller than the effect of increasing the accumulated power. Furthermore, if the incident angle 6 is increased, the anti-reflective coating
  • Embodiment 3 provides a configuration for improving the above-described contents.
  • FIG. 5A is a diagram showing a configuration of a solid-state laser pumping module according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 5B is a diagram showing the solid-state laser pumping module in FIG. 5A from the X-axis direction.
  • the total reflection mirror 14 reflects the laser light 6 amplified by the solid-state laser medium 2 and makes the laser light 6 incident on the solid-state laser medium 2 again.
  • the laser beam 6 is linearly polarized (S-polarized) in a direction perpendicular to the plane containing the optical axis and the normal 7 (X-axis direction), or perpendicular to the optical axis in the plane containing the optical axis and the normal 7. It is incident on the solid-state laser medium 2 as linearly polarized light (P-polarized light) in a perpendicular direction.
  • FIG. 5A shows the case where the polarization direction of the laser beam 6 is S-polarized light. Next, the operation will be described.
  • Excitation light 8 incident from the side surface of the solid-state laser medium 2 propagates while reflecting inside. Thereby, the pumping light 8 is absorbed by the solid-state laser medium 2 to generate a gain.
  • the laser beam 6 whose power is to be amplified is incident on the solid-state laser medium 2 at an incident angle of 0, passes through the anti-reflection film 1, and is amplified by the solid-state laser medium 2 until reaching the total reflection film 3. Is done.
  • the laser light 6 amplified by the solid-state laser medium 2 until reaching the total reflection film 3 is reflected by the total reflection film 3 and It is amplified when it passes through the solid-state laser medium 2 again.
  • the laser light 6 passes through the antireflection film 1 and is output to the outside.
  • the laser light 6 amplified by the solid-state laser medium 2 is totally reflected by the total reflection mirror 14 and reenters the solid-state laser medium 2.
  • FIG. 5 shows an example in which the laser beam 6 is output after being amplified three times in the solid-state laser medium 2 by the total reflection mirror 14. .
  • the laser light 6 enters the laser medium 2 as S-polarized light or P-polarized light, it is not affected by thermal birefringence generated in the laser medium 2 and is amplified while maintaining its polarized state.
  • the direction perpendicular to the plane including the optical axis of the laser beam 6 and the normal 7 is the X axis
  • the direction of the normal 7 is the z axis
  • the direction of the normal to the Xz plane is the y axis.
  • the module according to the present embodiment has a length substantially m times longer in the y-axis direction than the solid-state laser excitation module shown in FIG. For this reason, it is possible to accumulate m-fold power while keeping the beam diameter of the laser beam 6 constant.
  • the length of the laser light 6 passing through the laser medium 2 is shorter than that of the solid-state laser excitation module shown in FIG. Is m times larger, and a large gain can be obtained.
  • a large incident power and a large gain can be obtained by keeping the incident angle 0 and the beam diameter of the laser light 6 constant, so that a high-output laser light can be efficiently converted. Can be obtained at
  • the excitation light 8 is incident on the solid-state laser medium 2 from the side surface parallel to the Xy plane.
  • the absorption length of the pump light 8 can be adjusted by the magnitude a in the X-axis direction, and the total accumulated power of the solid-state laser medium 2 can be adjusted by the magnitude b a in the y-axis direction. It is possible to independently design the amount of light 8 absorbed and the required storage power. Further, since the wide surface of the surfaces constituting the disk of the solid-state laser medium 2 is used, it is easy to enter the excitation light 8. .
  • the pumping light 8 is incident from a side surface of the solid-state laser medium 2 parallel to the Xy plane, but may be incident from a plane parallel to the Xz plane.
  • a long absorption length can be obtained for the excitation light 8, so that a high absorption efficiency can be obtained even when the solid-state laser medium 2 is made of a material having a small absorption of the excitation light 8.
  • the absorption length of the solid-state laser medium 2 can be changed while keeping the ratio between the size a in the X-axis direction a and the beam diameter of the laser light 6 constant, so that the absorption amount of the excitation light 8 and the laser light 6 It is possible to design independently of the beam diameter.
  • the solid-state laser medium 2 has a size that satisfies the above equation (3).
  • the cross-sectional shape of the incident laser light 6 is not circular but oval or rectangular.
  • the ratio between the size of the irradiation area of the laser beam 6 on the surface of the solid-state laser medium 2 and the size of the incident surface of the solid-state laser medium 2 is determined in the X-axis direction and y Set to have the same value in the axial direction.
  • the polarization state of the incident laser beam 6 needs to be limited to S-polarization or P-polarization with respect to the solid-state laser medium 2.
  • a laser beam 6 having an arbitrary polarization state can be amplified in the configuration using the total reflection mirror 4 as in the third embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a solid-state laser excitation module according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the polarization rotator 13 is disposed on the path of the laser beam 6 reflected by the solid-state laser medium 2 according to the third embodiment.
  • the laser light 6 incident on the solid-state laser medium 2 is amplified in the solid-state laser medium 2 and emitted to the outside.
  • the laser beam 6 emitted from the solid-state laser excitation module is rotated by 90 ° in the polarization rotator 13, then reflected by the total reflection mirror 14, re-enters the solid-state laser medium 2, and amplified. Is done.
  • the S-polarized light component of the laser light 6 incident on the solid-state laser medium 2 is rotated by 90 ° by the polarization rotating element 13 and then reflected by the total reflection mirror 14. It enters the medium 2 as P-polarized light.
  • the P-polarized light component of the laser beam 6 incident on the solid-state laser medium 2 is rotated by 90 ° by the polarization rotator 13, reflected by the total reflection mirror 14, and then reflected by the solid-state laser medium 2. Is incident as S-polarized light.
  • the phase difference given to the polarization components of the thermal birefringence in the two axial directions is compensated, so that the polarization state of the incident laser light 6 is maintained and output.
  • the solid-state laser pumping module shown in Fig. 6 can amplify the laser beam 6 in an arbitrary polarization state without changing the polarization state, so that the laser beam in an arbitrary polarization state that is not linearly polarized.
  • a laser amplifier for amplifying 6 can be configured.
  • a total reflection mirror that reflects the laser light 6 and a partial reflection mirror that reflects a part of the laser light 6 and transmits a part of the laser light 6 are prepared, and are incident on the solid-state laser medium 2 side.
  • a total reflection mirror or a partial reflection mirror is arranged on the optical axis of the previous laser beam 6, and a partial reflection mirror or a total reflection mirror is installed on the optical axis of the laser beam 6 output from the solid-state laser excitation module.
  • FIG. 6 shows an example in which the number of reflections on the solid-state laser medium 2 is two.
  • the change in the polarization state is compensated by reflecting the polarization rotator 13 and the solid-state laser medium 2 twice. Therefore, the laser medium
  • the number of reflections in 2 may be 2 k (k is a natural number), and the polarization rotator 13 may be arranged after the odd-numbered reflection.
  • the laser light 6 is amplified by the solid-state laser medium 2, then reflected by the total reflection film 3 for the first time, and arranged on the optical axis up to the total reflection mirror 14. After the polarized light is rotated 90 ° by the polarization rotator 13, the reflected light is reflected by the total reflection mirror 14 toward the solid-state laser medium 2.
  • the laser light 6 reflected by the total reflection mirror 14 is again incident on the solid-state laser medium 2 and amplified, and then reflected by the total reflection film 3 for the second time. It is reflected to the laser medium 2 side.
  • the laser beam 6 reflected by the total reflection mirror 14 is amplified by the solid-state laser medium 2 and then reflected by the total reflection film 3 for the third time until reaching the total reflection mirror 14. After the polarized light is rotated 90 ° by the second polarization rotating element 13 arranged on the optical axis, it is reflected by the total reflection mirror 14 toward the solid-state laser medium 2.
  • the laser light 6 reflected by the total reflection mirror 14 is amplified by the solid-state laser medium 2 and then reflected by the total reflection film 3 for the fourth time. Reflected to the medium 2 side.
  • the laser light 6 amplified by the solid-state laser medium 2 is reflected by the total reflection film 3 every time 2 k—the first reflection is performed, and the path of the reflected laser light 6
  • the polarization is rotated 90 ° by k polarization rotators 13 arranged in each direction.
  • the laser beam 6 amplified by the solid-state laser medium 2 When the laser beam 6 amplified by the solid-state laser medium 2 is reflected by the total reflection film 3 for the second k-th time, it does not pass through the polarization rotating element 13 and passes through the total reflection mirror 14. The light is reflected and enters the solid-state laser medium 2 again. With this configuration, the phase difference between the polarization components in the two axial directions of thermal birefringence is compensated, so that the polarization state of the incident laser beam 6 is maintained. Will be output.
  • the solid-state laser pumping module shown in FIG. 6 can amplify the laser beam 6 in an arbitrary polarization state without changing the polarization state.
  • a laser amplifier that amplifies the current can be configured.
  • FIG. 6 shows an example in which the polarization rotation element 13 is used to rotate the polarization of the laser beam 6 by 90 °, but the effect of rotating the polarization by 90 ° by the total reflection mirror 14 is shown. It is also possible to have. For example, if an optical rotator that rotates the polarization by 45 ° is placed on the surface of the total reflection mirror 14, the laser beam 6 passes through the optical rotator twice when reflected by the total reflection mirror 14. .
  • the polarization of the laser beam 6 is rotated 90 °.
  • a prism may be used as the total reflection mirror 14, and a polarization rotation effect or an effect of rotating a spatial distribution by total internal reflection of the prism may be used.
  • the solid-state laser pumping module described in the third embodiment when the laser light 6 propagates through the solid-state laser medium 2 while being repeatedly reflected between the total reflection film 3 and the total reflection mirror 14, the solid-state laser medium An area where laser light 6 does not pass through occurs in 2.
  • the beam width of the laser beam 6 expands. Therefore, when the laser beam 6 is incident on the solid-state laser medium 2 and when the laser beam 6 is emitted from the solid-state laser medium 2 to the outside, shielding by the total reflection mirror 14 occurs, and the efficiency of the laser device is increased. Is reduced.
  • the fifth embodiment solves the above-mentioned problem.
  • FIG. 7A is a diagram showing a configuration of a thin-disk solid laser medium according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the solid-state laser media 2a to 2c and the slab waveguides 11a to 11d have thin disk shapes, respectively.
  • the excitation medium section 15 is configured by joining solid-state laser media 2a to 2c via slab waveguides 11a to 11d, and has a flat plate shape having a longitudinal direction in one direction. Further, the solid-state laser media 2a to 2c have the same function as the solid-state laser medium 2 shown in FIG.
  • the bonding between the solid-state laser media 2a to 2c and the slab waveguides 11a to 11d is performed by optical contact or diffusion bonding as described in the first embodiment. Further, as shown in the first embodiment, the solid-state laser mediums 2a to 2c and the slab waveguides 11a to 11d have an integrated structure using a ceramic as the excitation medium section 15. It may be formed.
  • FIG. 7B is a sectional view on the Xz plane showing the configuration of the solid-state laser pumping module according to Embodiment 5 of the present invention, and uses the pumping medium section 15 in FIG. 7A.
  • An antireflection film 1 having the same function as that described in FIG. 1 is provided on the entire upper surface of the excitation medium portion 15.
  • a total reflection film 3 is provided on the entire lower surface of the excitation medium portion 15, and is fixed to the heat sink 5 by the bonding agent 4.
  • the functions of the total reflection film 3, the bonding agent 4, and the heat sink 5 are the same as those described with reference to FIG.
  • the laser beam 6 is linearly polarized (S-polarized) in a direction (X-axis direction) perpendicular to the plane containing the optical axis and the normal 7 to the incident surface of the excitation medium section 15 or the optical axis described above.
  • Excitation light 8 entering the slab waveguide 11a from the side parallel to the Xz plane of the excitation medium part 15 propagates while repeating reflection inside and enters the solid-state laser medium 2a. .
  • the excitation light 8 incident on the solid-state laser medium 2a is absorbed by the solid-state laser medium 2a to generate a gain.
  • the residual pump light that has not been absorbed by the solid-state laser medium 2a passes through the solid-state laser medium 2a, enters the slab waveguide 11b, and propagates while repeating reflection inside the slab waveguide 11b. Incident on quality 2b.
  • the residual pump light from the solid-state laser medium 2a is absorbed by the solid-state laser medium 2b to generate a gain.
  • the residual pump light which is not absorbed in the solid-state laser medium 2b, passes through the solid-state laser medium 2b, enters the slab waveguide 11c, and propagates while repeating reflection inside the solid-state laser medium. 2 It is incident on c.
  • the residual pump light from the solid-state laser medium 2b is absorbed by the solid-state laser medium 2c to generate a gain.
  • the residual pump light that has not been absorbed by the solid-state laser medium 2c passes through the solid-state laser medium 2c and is incident on the slab waveguide 11d. It exits from part 15.
  • Excitation light 8 entering the slab waveguide 11 d from the side parallel to the X z .plane of the excitation medium portion 15 gains in each solid-state laser medium 2 a to 2 c in the same manner as described above. Generate.
  • the pumping light 8 incident from the slab waveguide 11 d is absorbed by the solid-state laser medium 2 c to generate a gain
  • the residual pumping light not absorbed by the solid-state laser medium 2 c is converted to solid-state laser medium 2 b
  • the residual pump light not absorbed by the solid-state laser medium 2b generates a gain in the solid-state laser medium 2a.
  • the laser beam 6 incident on the excitation medium section 15 at an incident angle ⁇ passes through the antireflection film 1 and is incident on the solid-state laser medium 2a to be amplified.
  • This laser light 6 is reflected by the total reflection film 3, amplified again by the solid-state laser medium 2 a, and transmitted through the antireflection film 1 to be emitted.
  • This laser light 6 is totally reflected by the total reflection mirror 14 and is incident on the excitation medium section 15 at an incident angle ⁇ , passes through the antireflection film 1 and is incident on the solid-state laser medium 2 b and is amplified. You. After being amplified by the total reflection film 3, the amplified laser light 6 is again amplified by the solid-state laser medium 2 b and transmitted through the antireflection film 1 and emitted.
  • the laser light 6 is totally reflected by the total reflection mirror 14 and is incident on the excitation medium section 15 at an incident angle of 0, passes through the antireflection film 1 and is incident on the solid-state laser medium 2c. Amplified.
  • the amplified laser light 6 is reflected by the total reflection film 3, then amplified again by the solid-state laser medium 2 c, passes through the antireflection film 1, and is emitted outside.
  • the laser beam 6 is incident on the solid-state laser mediums 2a to 2c as S-polarized light or P-polarized light, it is not affected by thermal birefringence generated in the solid-state laser mediums 2a to 2c, and has a polarization state. And is amplified.
  • a highly efficient solid-state laser excitation module can be configured.
  • the excitation light 8 is absorbed by the plurality of solid-state laser media 2a to 2c, the absorption efficiency of the excitation light 8 is increased, which also contributes to the realization of a highly efficient solid-state laser excitation module. can do. Furthermore, since the solid-state laser medium 2a to 2c reflects and amplifies the laser beam 6 a plurality of times, a large accumulated power and a large gain can be obtained, so that a high-output laser beam 6 can be obtained with high efficiency. It is possible to provide a laser device capable of performing the above.
  • the accumulated power by the pumping light 8 is distributed to the solid-state laser media 2a to 2c, the amount of heat generated in each solid-state laser medium can be reduced. Thereby, the temperature rise of the solid-state laser medium is suppressed, and a highly efficient laser device can be obtained.
  • Some of the above-mentioned organic adhesives can penetrate and bond so as to cover minute unevenness existing on the joining surface of the members to be joined.
  • the configuration up to the antireflection film 1, the solid-state laser medium 2, and the total reflection film 3 can be applied to the heat sink 5. It becomes easy to fix.
  • an adhesive that is softer than the solid-state laser medium 2 that is, an adhesive having softness, as the bonding agent 4
  • an effect as a buffer material that relieves stress on the solid-state laser medium 2 can be expected.
  • the excitation light 8 as the bonding agent 4 satisfies the total reflection condition in the solid-state laser medium 2 a to 2 c. It is possible to use an optical adhesive having the following properties and having a small absorption of the excitation light 8.
  • the excitation light 8 can be confined in the excitation medium section 15 by total reflection inside the excitation medium section 15. This makes it possible to realize a highly efficient pumping module with little loss of the pumping light 8.
  • the bonding agent 4 the function of totally reflecting the excitation light 8 with respect to the total reflection film 3 is not required, so that the film design becomes easy and a thin film thickness can be realized. it can. '
  • FIG. 7B shows a configuration in which the antireflection film 1, the total reflection film 3, the bonding agent 4, and the heat sink 5 are provided integrally with the excitation medium portion 15, but the solid laser medium 2a
  • An anti-reflection film 1, a total reflection film 3, a bonding agent 4, and a heat sink 5 may be provided for each of ⁇ 2c.
  • FIG. 7 shows an example in which the total reflection mirror 14 is constituted by one sheet, but a plurality of total reflection mirrors 14 may be arranged only in a region where the laser light 6 is incident.
  • the excitation medium section 15 shows an example in which three solid-state laser mediums 2a to 2c are configured. However, it is apparent that the same effect can be obtained if two or more are used. It is.
  • FIGS. 8A to 8H may be employed as the excitation medium section 15.
  • the excitation medium section 15 shown in FIG. 8A is different from FIG. 7 in that the entire outer periphery of the solid-state laser medium 2 including the side surface of the solid-state laser medium 2 in the X-axis direction is covered with the slab waveguide 11A. It has a configuration. With this configuration, the excitation light 8 can be incident not only from the side surface in the y-axis direction of the excitation medium unit 15 but also from the side surface in the X-axis direction. This has the effect that the excitation distribution in the excitation medium section 15 can be made uniform.
  • the pumping light 8 incident on the slab waveguide 11A propagates while repeating reflection inside the slab waveguide 11A and enters the solid-state laser medium 2, as in the above-described process.
  • the excitation medium section 15 shown in FIG. 8B has a configuration in which only one side surface in the X-axis direction of the solid-state laser medium 2 is not covered with the slab waveguide 11B. In this configuration, by irradiating the excitation light 8 from both sides in the X-axis direction, the excitation light 8 is directly incident on any solid-state laser medium 2 without passing through the slab waveguide 11B.
  • FIG. 8C and FIG. 8D show that the solid-state laser medium 2 is arranged in the y-axis direction, and the slab waveguides 11 C and 11 D are arranged so as to cover all side surfaces in the X-axis direction and the y-axis direction.
  • the excitation medium section 15 provided with a symbol is shown.
  • the side surface in the X-axis direction is linearly tapered.
  • the slab waveguide 11D in the excitation medium section 15 shown in FIG. 8D has a tapered side surface in the X-axis direction.
  • the excitation light 8 incident from both sides of the excitation medium section 15 in the y-axis direction is absorbed by the solid-state laser medium 2 in the excitation medium section 15 and the intensity of the residual excitation light not absorbed is It gradually decreases.
  • the residual pump light is collected by the tapered slab waveguides 11 C and 11 D as it propagates toward the center of the pump medium section 15.
  • the excitation light 8 is condensed at the center.
  • the residual pump light is propagated while being collected and absorbed by the solid-state laser medium 2, so that the accumulated power of the plurality of solid-state laser media 2 is uniform. It is possible to
  • FIGS. 8E and 8F show a configuration in which the solid-state laser media 2 are arranged not only in the y-axis direction but also in the X-axis direction. These configurations increase the number of solid-state laser media 2 so that the accumulated power can be further increased.
  • both sides in the y-axis direction which are the incident surfaces of the excitation light 8 in the excitation medium portion 15, can be enlarged, and the excitation light can be increased. Can be easily implemented.
  • the number of the solid-state laser media 2 arranged at the center of the excitation medium portion 15 is on both sides in the X-axis direction of the slab waveguides 11E and 11F. Less than the arranged solid laser medium 2.
  • the excitation light 8 When the excitation light 8 is incident from both sides in the y-axis direction, the excitation light 8 is absorbed by the solid-state laser media 2 disposed on both sides in the y-axis direction, and the residual excitation light not absorbed by these solid-state laser media 2 Is absorbed by the solid-state laser medium 2 at the center.
  • FIG. 8F it is arranged at the center of the excitation medium section 15. If the number of solid-state laser media 2 is reduced, the number of objects that absorb the residual pump light will decrease. Therefore, as a result, the accumulated power of the plurality of solid-state laser media 2 arranged in the excitation medium section 15 can be made uniform.
  • the solid-state laser medium 2 is also arranged in the X-axis direction as in FIGS. 8E and 8F. Further, the slab waveguides 11 G and 11 H covering the side surfaces of the solid-state laser medium 2 are formed into a tapered shape as in FIGS. 8C and 8D.
  • the power stored in the solid-state laser medium 2 can be made uniform, similarly to the configurations shown in FIGS. 8C and 8D. Further, similarly to the configuration shown in FIGS. 8E and 8F, the storage power of the solid-state laser medium 2 can be increased.
  • FIGS. 8A to 8H show examples in which the shape of the incident surface of the solid-state laser medium 2 is rectangular, but the incident surface of the solid-state laser medium 2 is circular or elliptical. A plurality of shapes may be arranged.
  • the number of the solid-state laser media 2 arranged in the y-axis direction of the excitation medium section 15 is 2 k (k is a natural number), and the odd-numbered solid-state laser media 2
  • the solid-state laser excitation module may be configured by disposing the polarization rotation elements 13 for rotating the polarization of the laser light 6 reflected from the laser light by 90 °.
  • Embodiment 5 a configuration in which power stored in a plurality of solid-state laser media is extracted by one laser beam has been described.
  • the power is accumulated by a plurality of laser beams from a plurality of solid-state laser media. It takes power.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a laser device using a solid-state laser excitation module according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the partial reflecting mirror 16 reflects a part of the laser beams 6a to 6c and transmits a part thereof. Note that the same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the solid-state laser pumping module has an antireflection film 1 and a lower surface of the pumping medium section 15 so that the relationship between the solid-state laser mediums 2a to 2c and the laser beams 6a to 6c can be understood. The description of the configuration to be formed is omitted.
  • Excitation light 8 entering the slab waveguide 11a from the side parallel to the Xz plane of the excitation medium section 15 propagates inside the slab waveguide 11a while repeating reflection, and the solid-state laser It is incident on the medium 2a.
  • the excitation light 8 incident on the solid-state laser medium 2a is absorbed by the solid-state laser medium 2a, and a gain is generated.
  • the residual pump light that has not been absorbed by the solid-state laser medium 2a passes through the solid-state laser medium 2a, enters the slab waveguide 11b, and propagates while repeating reflection inside the solid-state laser medium. It is incident on medium 2b.
  • the residual pump light from the solid-state laser medium 2a is absorbed by the solid-state laser medium 2b to generate a gain.
  • the residual pump light, which is not absorbed in the solid-state laser medium 2b passes through the solid-state laser medium 2b, enters the slab waveguide 11c, and propagates while repeating reflection inside the solid-state laser medium. 2 It is incident on c.
  • the residual pump light from the solid-state laser medium 2b is absorbed by the solid-state laser medium 2c to generate a gain.
  • the residual pump light that has not been absorbed by the solid-state laser medium 2c passes through the solid-state laser medium 2c and is incident on the slab waveguide 11d. It exits from part 15.
  • Excitation light 8 incident on the slab waveguide 11 d from the side parallel to the Xz plane of the excitation medium part 15 has gain in each solid-state laser medium 2 a to 2 c in the same manner as described above. generate.
  • the pumping light 8 incident from the slab waveguide 11 d is absorbed by the solid-state laser medium 2 c to generate a gain, and the residual pumping light not absorbed by the solid-state laser medium 2 c is converted to solid-state laser medium 2 b A gain is generated in the solid-state laser medium 2a, and the residual pump light not absorbed by the solid-state laser medium 2b generates a gain in the solid-state laser medium 2a.
  • the laser beams 6a to 6c are made to enter the excitation medium section 15 via the partial reflecting mirror 16 respectively.
  • the laser beams 6a to 6c incident on the excitation medium section 15 pass through the antireflection film 1 and enter the solid-state laser media 2a to 2c to be amplified.
  • the amplified laser beams 6 a to 6 c are reflected by the total reflection film 3, then amplified again by the solid-state laser media 2 a to 2 c, and transmitted through the antireflection film 1 to be emitted.
  • the excitation medium part 15 Laser oscillation occurs between the reflector 16 and the laser beams 6a to 6c, and the laser beams 6a to 6c having sufficiently amplified power can be emitted from the partial reflector 16 to the outside. it can. That is, it operates as a laser resonator that outputs a plurality of laser beams 6a to 6c.
  • the power accumulated in the plurality of solid-state laser media 2a to 2c can be output to the outside as a plurality of laser beams 6a to 6c. Obtainable.
  • the accumulated power by the pumping light 8 is distributed to the solid-state laser media 2a to 2c, the amount of heat generated in each solid-state laser medium can be reduced, so that the temperature rise of the solid-state laser medium is suppressed, A highly efficient laser device can be obtained.
  • an adhesive such as an organic material having a generally low maximum operating temperature can be used as the bonding agent 4.
  • some of the above-mentioned organic adhesives can cover and adhere to minute irregularities existing on the joining surface of members to be joined.
  • an adhesive as the bonding agent 4
  • the structure including the antireflection film 1, the solid-state laser medium 2, and the total reflection film 3 with respect to the heat sink 5. can be easily fixed.
  • the adhesive is softer than the solid-state laser medium 2, that is, a soft adhesive.
  • the bonding agent 4 an effect as a buffer material for relaxing the stress on the solid-state laser medium 2 can be expected.
  • the excitation light 8 as the bonding agent 4 satisfies the total reflection condition in the solid-state laser mediums 2a to 2c. It is possible to use an optical adhesive having the following properties and having a small absorption of the excitation light 8.
  • the excitation light 8 can be confined in the excitation medium 15 between the four layers of the bonding agent and the antireflection film 1 by total reflection of the four layers of the bonding agent by the optical adhesive. This makes it possible to realize a highly efficient pumping module with little loss of the pumping light 8.
  • the bonding agent 4 the function of totally reflecting the excitation light 8 with respect to the total reflection film 3 is not required, so that the film design becomes easy and a thin film thickness can be realized. it can.
  • FIG. 9 shows a configuration in which the antireflection film 1, the total reflection film 3, the bonding agent 4, and the heat sink 5 are provided integrally with the excitation medium portion 15, but the solid-state laser media 2a to 2c
  • the anti-reflection film 1, the total reflection film 3, the bonding agent 4, and the heat sink 5 may be separately provided.
  • FIG. 9 shows an example in which the partial reflecting mirror 16 is constituted by one sheet, but the partial reflecting mirror 16 may be arranged for each of the laser beams 6a to 6c.
  • FIG. 9 shows an example in which the excitation medium section 15 is composed of three solid-state laser media 2a to 2c, but it is apparent that the same effect can be obtained if two or more are used.
  • a partial reflecting mirror 16 having a plurality of concave shapes may be used for the laser lights 6a to 6c. .
  • a desired beam model can be obtained.
  • a laser oscillator having a diode can be obtained.
  • the laser beams 6 a to 6 c are applied to the excitation medium section 1 through the respective lenses using a plane mirror. It may be configured to lead to 5. With this configuration, the laser beams 6a to 6c can be condensed by each lens, and the beam diameter can satisfy the stability condition of the laser resonator.
  • the partial reflecting mirror 16 can be constituted by a single plane mirror, a laser oscillator can be manufactured at low cost.
  • a lens arranged on the optical path of the laser beams 6a to 6c a lens array obtained by processing a lens into an array on one base material may be used. With this configuration, it is not necessary to fix each lens individually, and the configuration of the laser device can be simplified. In addition, a stable laser resonator can be obtained.
  • the phases of the plurality of laser beams 6a to 6c in the laser resonator may be synchronized.
  • the phase synchronization is performed, for example, by preparing a plurality of the above laser resonators, injecting a common shield light into each of the laser resonators, and generating a laser oscillation that matches the phase of the seed light.
  • the phases of the plurality of laser beams to be output are aligned, so that the entire plurality of laser beams can be treated as one laser beam output beam, and high output and beam quality can be obtained. High laser output can be obtained Industrial applicability
  • the solid-state laser pumping module and the laser resonator according to the present invention can suppress a temperature rise at the time of pumping a thin disk-type laser medium and can obtain a high gain. It can be applied to a laser device for laser radar and a laser device for processing.

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Abstract

平板状の固体レーザ媒質２と、固体レーザ媒質２のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、上記入射面から入射して固体レーザ媒質２内を伝搬したレーザ光６を反射する全反射膜３と、全反射膜３を介して固体レーザ媒質２から伝搬してくる熱を排熱するヒートシンク５とを備え、固体レーザ媒質２のレーザ光入射面が、レーザ光６の光軸と固体レーザ媒質２のレーザ光入射面上の法線７とから定義される面に垂直な方向の大きさａと、当該方向及び上記法線７に垂直な長手方向の大きさｂとが、レーザ光６の入射角θに対して、ｂ＝ａ／ｃｏｓθの関係を有する固体レーザ励起モジュール。

Description

固体レーザ励起モジュール及び ザ発振器 技術分野
この発明は、 レーザレーダ用レーザ装置や加工用レーザ装置に好適な 薄ディスク型の固体レーザ媒質を用いた固体レーザ励起モジュール及び レーザ発振器に関するものである。 背景技術
レーザ装置に用いられるレーザ媒質の形状は、 ロッ ド型、 スラブ型及 び薄ディスク型に大別される。 ロッ ド型レーザ媒質とは、 断面が円形若 しくは多角形の口ッ ド形状にレ一ザ媒質を加工したものである。 パワー を増幅すべきレーザ光は、 口ヅ ド型レーザ媒質の端面に垂直な光軸に沿 つて一方の端面から他方の端面に抜けるように通過させて増幅する。 この構成では、 レーザ媒質中を伝搬するレーザ光の通過距離が長くな るため、 大きな利得を得やすい':ど^う特徴がある。 また、 レーザ媒質が 光軸に対して対称な形状を有するため、 対称な強度分布を持つレーザ光 を得やすいという利点もある。
ここで、 励起されたロッ ド型レーザ媒質で発生する熱は、 その外周面 を排熱面として排熱される。 このため、 ロッ ド型レーザ媒質では、 光軸 方向に垂直な断面内に温度分布が発生する。 これは、 励起状態で変化す る熱レンズ効果、 波面収差ゃ熱複屈折効果などの不具合を与える要因と なる。
具体的に説明すると、 熱レンズ効果は、 レーザ媒質内の温度勾配によ りレーザ共振器内でのレーザ光のビームサイズゃ拡がり角などのビーム モー ドを変化させてしまう。 また、 波面収差は、 レーザ光が共振器内を 周回する際に損失が発生して発振効率を低下させると共に、 レーザ光の ビーム品質を低下させる。 さらに、 熱複屈折効果は、 特に直線偏光のレ 一ザ発振を得る場合に、 レーザ光の偏光度を劣化させる。 このため、 共 振器内の損失が増加して発振効率が低下すると共に、 レーザ光のビーム 品質が低下してしまう。
次に、 スラブ型レーザ媒質は、 台形状にレーザ媒質を加工したもので ある。 励起されたスラブ型レーザ媒質で発生する熱は、 スラブ型レーザ 媒質の台形を構成する面のうち、 平行な対向する面を排熱面として排熱 が行われる。 また、 スラブ型レ一ザ媒質内に入射したレーザ光は、 上記 排熱面にて複数回反射して伝搬してゆき増幅される。
この構成では、 レーザ媒質中を伝搬するレーザ光の通過距離が長いた め、 大きな利得を得やすいという特徴がある。 また、 入射したレーザ光 は、 排熱面で複数回反射して出力される。 このため、 排熱方向に発生す る熱レンズ効果が打ち消されて励起状態によるビームモードの変化が小 さいという利点がある。
さらに、 排熱方向が一方向であるため、 理想的にはレーザ媒質内の温 度分布が一方向に発生する。 従って、 当該レーザ媒質内での熱複屈折は 、 排熱方向とこれに垂直な方向とに軸を持つこととなる。 これにより、 レーザ媒質に対して熱複屈折の軸方向の直線偏光を伝搬させることで、 熱複屈折による偏光状態の変化を小さ くすることができるという利点が ある。
しかしながら、 スラブ型レーザ媒質では、 上述したようにレーザ光を 排熱面で複数回反射させるため、 排熱面に対して高い精度の平面度が要 求される。 また、 実際には、 排熱面以外の側面からも熱が逃げるため、 励起により発生した熱によるレーザ媒質内の温度分布は、 一方向でなく 、 熱レンズ効果が完全に打ち消される訳ではない。
従って、 スラブ型レーザ媒質においても、 依然として熱レンズ効果に よる励起状態の変化に起因したビームモードの変化が発生することとな る。 さらに、 レーザ媒質内で熱複屈折によ り レーザ光の偏光度が劣化す るために、 その損失が増加してレーザ装置の発振効率が低下するという 問題もある。
続いて、 薄ディスク型レーザ媒質は、 レーザ媒質を薄いディスク状に 加工したものである。 この薄ディスク型レーザ媒質では、 上記ディスク 形状を構成する面のうち、 最も面積の大きい面の一方からレーザ光を入 射し、 この入射面に対向する面で反射させてディスクの厚さ方向に伝搬 させながら増幅する。
励起された薄ディスク型レーザ媒質で発生した熱は、 上記入射面に対 向する面を排熱面として排熱する。 この構成では、 大きな排熱面が得ら れるため他の 2つの形状に比べて排熱が容易である。 また、 排熱方向が 光軸と平行になるため、 熱レンズ効果ゃ熱複屈折効果もほとんど発生し ない。 このように薄ディスク型レーザ媒質には、 他の形状のレーザ媒質 では得られない特有の利点がある。
一方、 この形状のレーザ媒質の短所としては、 レーザ光が通過する レ —ザ媒質内での距離がディスクの厚さ方向であるため、 薄型であればあ るほど利得が小さいという問題がある。 また、 薄ディスク型レーザ媒質 において、 同じ厚さ、 同じ励起光パワーで大きな利得を得るためには、 ディスク径を小さ く して励起光を集光させ、 励起光の密度を高くするこ とが要求される。
しかしながら、 ディスク径を小さ くすると排熱面も小さ くなるので排 熱の効率が悪くなる。 従って、 このようにディスク径の小さいレーザ媒 質に励起光を集中させると、 発熱の密度が大きく なる。 これにより、 励起時にレーザ媒質の温度が過度に上昇すると、 レーザ 媒質自体が熱破壊してしまう可能性がある。 さらに、 一般に、 レーザ媒 質は温度が上昇すると発生する利得も小さ くなるため、 増幅の効率も低 下するという問題があつた。
また、 薄ディスク型レーザ媒質では、 レーザ光の伝搬方向である光軸 に沿って励起光を入射する端面励起を採用すると、 励起光の伝搬距離が ディスクの厚さ方向で規定されてしまう。 これによ り、 励起光の吸収効 率を稼ぐことができず、 レーザ装置の発振効率が低くなるという不具合 が発生する。
上記端面励起を採用せずに、 光軸に平行な側面から励起光を入射する 側面励起によれば、 励起光がディスクの径方向を伝搬することとなり、 比較的長い吸収長が得られる。 しかしながら、 側面励起においても、 下 記のような不具合が発生する。
一般的に、 薄ディスク型レーザ媒質を使用してレーザ共振器内で高い ビーム品質を実現する場合、 共振器の基本モードビーム径に合わせたデ イスク径にする必要がある。 ここで、 レーザ共振器で安定して高いビー ム品質を実現するには、 損失が発生しないよう基本モードのビーム径は 小さいことが望ましい。
このため、 薄ディスク型レーザ媒質のディスク径をなるベく小さ く し なければならない。 ディスク径を小さ くすると、 不可避的に励起光の入 射面が小さ くなり、 側面励起での励起光の入射は困難である。 これによ り、 励起光の入射時における損失による影響の方が大きくなつて、 かえ つてレ一ザ装置の発振効率を低下させてしまう。
例えば、 高出力なアレー状の半導体レーザ （ L D ) を用いた場合、 L Dの広い発光面から出力される励起光を薄くて小さな薄ディスク型レ一 ザ媒質のディスク側面よ り励起光を入射することは非常に困難である。 このような薄ディスク型レーザ媒質における不具合を解決するものと して、 例えば特開平 1 1— 2 8 4 2 5 7号公報 （以下、 特許文献 1 と称 する） に閧示されるテーパ状の導光板を用いた半導体レーザ励起固体レ 一ザ装置がある。 この装置は、 特許文献 1の図 1 に記載されるように、 L Dから出力された励起光を伝送するテ一パ状の L D光伝送板と厚みが L D伝送板とほぼ同じで円形又は正多角形のディスク形状を有する固体 レーザ媒質とを用いることを特徴としている。
アレー型の L Dからの励起光は、 L D光伝送板における L Dのアレー 方向の幅に対応するテーパの広い側に入射端面よ り入射する。 この励起 光は、 L D光伝送板の厚み方向では全反射を繰り返し、 水平方向にはテ —パ状の側面で反射しながら固体レーザ媒質の T E M。。モー ド発振領 域の幅に近い幅をもつ出射端面の幅まで収束するように伝搬する。 L D 光伝送板の出射端面は、 薄ディスク型レーザ媒質の側面に接しており、 L D光伝送板中を伝搬した励起光は、 固体レーザ媒質を励起する。
このように構成することによ り、 L Dから出射した励起光の垂直方向 成分を全反射により固体レーザ媒質中に効率よく伝搬させることができ る。 また、 上記構成では、 水平方向にある程度 T E M。。モー ド発振領 域に近い幅まで均一に励起光が収束されるため、 固体レーザ媒質を高い 励起密度で均一に励起させることが可能である。
しかしながら、 上記特許文献 1 による装置では、 薄ディスク型レーザ 媒質が有する上記不具合の全てを解決するものではない。
上記装置では、 L D光伝送板を用いて励起光を薄ディスク型の固体レ 一ザ媒質に集束させている。 この構成において、 安定してレーザ共振さ せるためにディスク径を小さ く した薄ディスク型レーザ媒質を用いると 、 上述したように励起光による発熱密度が大きくなることは避けられな い。 また、 入射面が小さ くなると排熱面も小さ くなることから、 励起時 におけるレーザ媒質温度の上昇を抑制することができない。 このため、 レーザ媒質が熱破壊する可能性があるという課題があった。
また、 上述したようなレーザ媒質の温度上昇は、 レーザ媒質自身の励 起光吸収効率を低下させると共に、 特に三準位レーザ媒質ではレーザ発 振の下準位ィオンの増加による利得の低下が発生するため、 ひいてはレ 一ザ装置全体の発振効率が 下してしまう という課題もある。
さらに、 特許文献 1では、 薄ディスク型レーザ媒質の入射面に垂直に レーザ光を入射する。 従って、 レーザ光のレーザ媒質内の通過距離はデ ィスクの厚さ方向で規定されることから、 当該レーザ媒質において大き な利得を期待することはできない。
さらに、 安定してレーザ共振させるためにディスク径を小さ く した場 合、 側面励起によっても絶対的な励起光のレーザ媒質内の通過距離を稼 ぐことができなくなる。 従って、 従来の薄ディスク型レーザ媒質では、 励起光の吸収効率が低くなるため、 レーザ装置の効率が低くなるという 不具合があつた。
この発明は、 上記のような課題を解決するためになされたものであ り 、 薄ディスク型レーザ媒質の励起時における温度上昇を抑制し、 高い利 得を得ることができる固体レーザ励起モジュール及びレーザ発振器を得 ることを目的とする。
発明の開示
この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、 励起光の吸収によ り発 生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、 固 体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上記入射面 から入射して固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部 と、 反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬して く る熱を排熱す る冷却部とを備え、 固体レーザ媒質のレーザ光入射面が、 レーザ光の光 軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂 直な方向の大きさ aと、 当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大き さ bとが、 レーザ光の光軸と上記法線とがなす角であるレーザ光の入射 角 Θに対して、 b = a / c 0 s 0の関係を有するものである。
この構成を有することで、 固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対して 垂直にレーザ光を導入する場合と比較して媒質中のレーザ光通過距離を 長くすることができ、 レーザ光を効率よく増幅することができるという 効果がある。
また、 この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、 励起媒質部の固 体レーザ媒質のレーザ光入射面は、 レーザ光の光軸と固体レーザ媒質の レーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさ aと 、 当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさ bとが、 レーザ光の 入射角 Θに対して、 b = a Z c o s 0の関係を有する領域を、 上記長手 方向に沿って少なく とも m個 （mは、 正の整数） 有し、 反射面部で反射 されたレーザ光を逐次反射して、 入射角 Θで固体レーザ媒質に m回入射 させる反射鏡部を備えるものである。
この構成を有することで、 上記固体レーザ励起モジュールよりさらに 高効率にレーザ光を増幅することができるという効果がある。
さらに、 この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、 反射鏡部から のレーザ光が照射される領域ごとに固体レーザ媒質を配置し、 励起光を 各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して固体レーザ媒質 間を接合して励起媒質部を構成するものである。
このように構成することで、 励起時における固体レーザ媒質の温度上 昇を分散させることができ、 過度の温度上昇による不具合の発生を抑制 することができるという効果がある。 さらに、 この発明に係る固体レーザ励起モジュールは、 励起光の吸収 により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒 質と、 固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上 記入射面から入射して固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する 反射面部と、 反射面部を介して固体レーザ媒質から伝搬してく る熱を排 熱する冷却部とを有する励起媒質部を複数備え、 各固体レーザ媒質のレ —ザ光入射面が、 レーザ光の光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上 の法線とから定義される面に垂直な方向の大きさ aと、 当該方向及び上 記法線に垂直な長手方向の大きさ bとが、 レーザ光の入射角 0に対して 、 b = a . c o s Sの関係をそれぞれ有し、 各励起媒質部が、 固体レ一 ザ媒質により増幅されて反射面部で反射されたレーザ光を出力光とし、 前段に配置された励起媒質部の出力光がその後段に配置された励起媒質 部に入射するレーザ光となるように配置されて、 レーザ光を逐次増幅す るものである。
この構成を有することで、 平板状の固体レ一ザ媒質の励起時における 温度上昇が抑制されると共に、 上記固体レーザ励起モジュールよりさら に高い利得を増幅すべきレーザ光に与えることができるという効果があ る o
この発明に係るレーザ発振器は、 励起光の吸収により発生した利得を 与えてレーザ光を増幅する平板状の固体レーザ媒質と、 固体レーザ媒質 のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上記入射面から入射して 上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射する反射面部と、 反射 面部を介して固体レーザ媒質から伝搬してく る熱を排熱する冷却部とを 有し、 レーザ光が照射される領域ごとに固体レーザ媒質を配置し、 励起 光を各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波路部を介して固体レーザ 媒質間を接合してなる励起媒質部と、 励起媒質部の固体レーザ媒質ごと に上記レーザ光の入射及び反射面部からの反射光の再入射を繰り返して レーザ発振させる光学系部とを備えるものである。
この構成を有することで、 平板状の固体レーザ媒質の励起時における 温度上昇が抑制され,ると共に、 増幅すべきレーザ光に高い利得を与える ことができることから、 高効率で高出力のレーザ装置を提供することが できるという効果がある。 図面の簡単な説明
第 1図 Aはこの発明の実施の形態 1による固体レ一ザ励起モジュール の構成を示す図であり、 第 1図 Bは第 1図 A中の固体レーザ励起モジュ ールを X軸方向から見た図である。
第 2図 Aは励起用 L Dが固体レーザ媒質に励起光を直接入射する構成 を示す X y平面図、 第 2図 Bは側面をテーパ状に加工したスラブ導波路 を介して励起光を固体レーザ媒質に入射する構成を示す X y平面図であ る o
第 3図 Aは第 1図に示した固体レーザ励起モジュールについての X z 平面での断面を示す図、 第 3図 Bは第 1図に示した固体レーザ励起モジ ユールについての y z平面での断面を示す図である。
第 4図はこの発明の実施の形態 2による固体レーザ励起モジュールの 構成を示す図である。
第 5図 Aはこの発明の実施の形態 3による固体レーザ励起モジュール の構成を示す図であり、 第 5図 Bは第 5図 A中の固体レーザ励起モジュ ールを X軸方向から見た図である。
第 6図はこの発明の実施の形態 4による固体レーザ励起モジュールの 構成を示す図である。
第 7図 Aはこの発明の実施の形態 5による薄ディスク型の固体レーザ 媒質の構成を示す図であり、 第 7図 Bはこの発明の実施の形態 5による 固体レーザ励起モジュールの構成を示す X z面での断面図である。
第 8図 Aから第 8図 Hまでは励起媒質部の構成を示す平面図である。. 第 9図はこの発明の実施の形態 6による固体レーザ励起モジュールを -用いたレーザ装置の構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明をより詳細に説明するために、 この発明を実施するた めの最良の形態について、 添付の図面に従ってこれを説明する。
実施の形態 1.
― 第 1図 Aはこの発明の実施の形態 1による固体レーザ励起モジュール の構成を示す図であり、 第 1図 Bは第 1図 A中の固体レーザ励起モジュ —ルを X軸方向から見た図である。 第 1図に示す固体レーザ励起モジュ ールは、 ヒートシンク 5上に全反射膜 3を接合剤 4を介して接合し、 全 反射膜 3上に薄ディスク形状の固体レーザ媒質 2を設け、 その上に反射 防止膜 1を配置して構成される。
反射防止膜 1は、 固体レーザ媒質 2に対して入射角 0で入射するレー ザ光 6のほぼ全てを透過する。 反射防止膜 1としては、 例えば誘電体薄 膜を積層して構成する。 固体レーザ媒質 2としては、 一般的な固体レー ザ媒質を使用することができる。
例えば、 N d : YAG、 Nd : Y L F、 Nd : YV〇 4、 N d ： G 1 a s s、 Yb : YAGs Yb : YL F、 E r : G l a s s、 E r : Y A G、 T m : Y A G s Tm : YL F、 H o ： Y A G s H o : YL F、 T m , H o : YAG、 Tm, H o : YL F、 T i ： S ap p h i r e, C r ： : L i SAFなどを用いる。
また、 第 1図 Aでは、 レーザ光 6の光軸と固体レーザ媒質 2の入射面 の法線 7 とを含む面に垂直な方向に x軸、 法線 7方向に z軸、 x z平面 の法線方向に y軸をとる直交座標系を考えている。 この直交座標系の定 義は、 以降の図面においても同様である。
ここで、 レーザ光 6が入射する固体レーザ媒質 2の上記入射面は、 X 軸方向に a、 y軸方向に bの大きさを持つ矩形で表されており、 これら は下記式 （ 1 ) の関係を有するものとする。
b = a / c o s 0 · · · ( 1 )
つま り、 レーザ光 6は、 そのビーム断面積 （光軸に垂直な断面の面積 ) より固体レーザ媒質 2の入射面上の照射面積が大きくなるような入射 角 Θで入射される。
このようにすることで、 レーザ光 6を固体レーザ媒質 2の入射面に対 して垂直に入射する場合と比較して媒質 2内での通過距離を長くするこ とができ、 増幅の効率を向上させることができる。
第 1図 Bに示すように、 全反射膜 3は、 固体レーザ媒質 2に入射角 0 で入射し、 その内部での屈折により入射角 6> aとなって入射してきたレ 一ザ光 6のほぼ全てを反射する。 また、 全反射膜 3は、 誘電体薄膜を積 層する、 若しくは、 金属膜の蒸着等を用いることで作成することができ る。 接合剤 4は、 金属半田や接着剤により実現可能である。
なお、 レーザ光 6が全反射膜 3に入射する入射角度 S aは、 固体レ一 ザ媒質 2の屈折の影響によって下記式で表される。
Θ & = s i n - 1 ( n 0 · s i n θ / n ) · · · ( 2 )
ここで、 nは固体レーザ媒質 2の屈折率、 n。は固体レーザ媒質 2 に 入射する前にレーザ光 6が伝搬した媒質の屈折率である。
次に動作について説明する。 ·
固体レーザ媒質 2の側面より入射された励起光 8は、 固体レーザ媒質 2の内部で反射しながら伝搬する。 これにより、 励起光 8は、 固体レー ザ媒質 2に吸収されて利得を発生させる。
パワーを増幅すべき対象であるレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2に対 して入射角 Θで入射し反射防止膜 1を透過して全反射膜 3に到達するま で固体レーザ媒質 2により増幅される。 全反射膜 3に到達するまで固体 レーザ媒質 2により増幅されたレーザ光 6は、 全反射膜 3で反射して、 再度固体レーザ媒質 2中を通過する際に増幅される。 このあと、 当該レ —ザ光 6は、 反射防止膜 1を透過して外部に出力する。
また、 固体レーザ媒質 2の励起時に発生した熱は、 全反射膜 3から接 合剤 4を伝導してヒートシンク 5へ排熱される。 ヒートシンク 5では、 例えば冷却水や空冷ファンなどで冷却することにより、 固体レーザ媒質 2の温度が上昇することを抑制する。
ここで、 固体レーザ媒質 2は、 第 1図 Bに示すように— z方向に排熱 されるので、 z軸方向と x y平面内でレーザ光 6の光軸に垂直な方向を 複屈折軸とする熱複屈折が発生する。 この熱複屈折は、 入射角 0で入射 するレーザ光 6に対して、 光軸と z軸を含む面内で上記光軸に垂直な方 向と、 X y平面内の上記光軸に垂直な方向を軸とする複屈折効果を与え る。
複屈折効果は、 上記 2つの軸方向の電界成分に対して異なる屈折率を 発生させて異なる位相変化を与える。 このため、 上記 2つの軸方向に電 界成分を有するレーザ光 6が入射すると、 固体レ一ザ媒質 2 を通過して 増幅されて出射したレーザ光 6の偏光状態は、 上記複屈折効果により変 化してしまう。
また、 上述したような複屈折効果が生じる固体レーザ励起モジユール をレーザ発振器として用いた場合、 パワーの増幅対象であるレーザ光 6 についてその偏光方向を複屈折軸と無関係に設定すると、 上記 2つの軸 方向で異なった共振モードで発振してしまう。 このため、 レ一ザ光 6に ついて高いビーム品質を得ることが困難となってしまう。
そこで、 本発明では、 上記複屈折効果により レーザ光 6の偏光状態を 変化させないため、 レーザ光 6 として複屈折軸方向の偏光を有した直線 偏光、 即ちレーザ光 6の光軸と法線 7 とを含む面に垂直な方向 （X軸方 向） の直線偏光 （ S偏光） 、 又は、 レーザ光 6の光軸と法線 7 とを含む 面内にあり光軸に垂直な方向の直線偏光 （P偏光） を入射する。
第 1図では、 レーザ光 6の偏光方向として S偏光である場合を示して いる。 なお、 第 1図 B中のレーザ光 6の光軸上に記載した黒丸記号は、 レーザ光 6の偏光方向を示すものであり、 紙面に垂直方向、 即ち S偏光 を示している。
このように、 本発明による薄ディスク型のレーザ媒質 2を用いた固体 レーザ励起モジュールでは、 増幅後のレーザ光 6について複屈折効果に よる偏光状態の変化が発生することがなく、 レーザ発振器として支障な く使用することができる。
また、 図示は省略したが、 レーザ光 6を反射させる全反射鏡と、 レ一 ザ光 6の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、 固体レー ザ媒質 2側に入射する前のレーザ光 6の光軸上に全反射鏡又は部分反射 鏡を配置し、 固体レーザ媒質 2を通過して本発明の固体レーザ励起モジ ユールから出力されたレーザ光 6の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を 設置する。
このようにすることで、 レーザ光 6が上記全反射鏡、 本発明の固体レ —ザ励起モジュール及び上記部分反射鏡からなる経路でレーザ発振する レーザ共振器を構成することができる。 これにより、 上記部分反射鏡か ら外部へ上記レーザ共振器にて増幅されたレーザ光 6を出力するレーザ 装置として使用することが可能である。
このとき、 反射防止膜 1又は全反射膜 3について S偏光と P偏光に対 して異なる特性を与えることにより、 上記レーザ共振器内で発生するレ 一ザ光 6の偏光方向を S偏光又は P偏光のいずれかのみに制限すること ができる。 従って、 上記レーザ共振器へ入射させるレーザ光 6の偏光方 向を予め規定しておかずとも、 直線偏光のレーザ光 6を出力光として得 ることができる。
また、 上記レーザ共振器内に、 偏光子などのレーザ光 6の偏光方向を 複屈折軸に一致する方向に制限する光学部品を配置すれば、 反射防止膜 1や全反射膜 3の特性を上述のように規定せずとも、 直線偏光のレーザ 光 6を出力光として得ることが可能である。
次に、 第 1図に示した固体レーザ励起モジュールの固体レーザ媒質 2 に対して励起光 8を入射する方法の一例について第 2図 A， Bを用いて 説明する。 なお、 これらの図では、 固体レーザ媒質 2 と他の構成との関 係がわかるよう、 反射防止膜 1についての記載を省略している。
第 2図 Aは、 励起用 L D 9が固体レーザ媒質 2に励起光 8を直接入射 する構成を示す X y平面図である。 この構成は、 固体レーザ媒質 2にお ける励起光 8の入射面の幅が、 励起用 L D 9の y軸方向の幅と同じか、 若干大きい場合に有効である。 ここで、 励起用 L D 9は、 発光部 1 0か ら第 1図で示した励起光 8を出力する。
発光部 1 0は、 X軸方向の幅が数^ m、 y軸方向の長さが数 m mの大 きさを有している。 固体レーザ媒質 2における励起光 8の入射面の幅が 、 発光部 1 0の y軸方向の長さに比べて同じか、 大きい場合、 第 2図 A に示すように、 励起用 L D 9を固体レーザ媒質 2に近づけて配置する。 これにより、 励起用 L D 9からのほぼ全ての励起光 8を固体レーザ媒質 2に入射することができる。
また、 第 2図 Bは、 側面をテ一パ状に加工したスラブ導波路 1 1を介 して励起光 8を固体レーザ媒質 2に入射する構成を示す X y平面図であ る。 この第 2図 Bに示す構成では、 固体レーザ媒質 2における励起光 8 入射面の幅が、 発光部 1 0の y軸方向の長さに比べて小さい場合に有効 である。
スラブ導波路 1 1は、 固体レーザ媒質 2 とほぼ同じ厚さであり、 励起 用 L D 9からの励起光 8を y軸方向について集光しながら固体レーザ媒 質 2に入射させる。
つまり、 テーパ形状に加工されたスラブ導波路 1 1では、 励起用 L D 9からの励起光 8の入射端面から固体レーザ媒質 2へ励起光 8を出射す る端面に至るまでの断面積 （上記入射端面に平行な断面の面積） が徐々 に小さくなるため、 励起光 8が集束しながら固体レーザ媒質 2に入射す ることとなる。
これにより、 励起光 8を固体レーザ媒質 2に入射させる際、 高い入射 効率を実現するものである。
ここで、 固体レーザ媒質 2 とスラブ導波路 1 1は、 オプティ カルコン タク トなどにより光学的に接合される。 オプティカルコンタク トとは、 固体レーザ媒質 2 とスラブ導波路 1 1の接合面を高精度に研磨してから 接合するものである。
この他、 ォプティカルコンタク トしたものに圧力をかけながら加熱し て接合強度を強めた拡散接合により光学的に接合する方法もある。 また 、 固体レーザ媒質 2及びスラブ導波路 1 1の結晶をそれそれ粉状に加工 し、 焼結により固めるセラミ ックを用いた一体構造等により形成しても よい。
次に、 光軸に垂直な断面形状を円形 （直径 c ) と仮定したレーザ光 6 が、 茴体レーザ媒質 2に入射角 Θで入射した場合における固体レーザ媒 質 2 とレーザ光 6 との大きさの関係について、 第 3図 A , Bを用いて説 明する。 なお、 これらの図では、 固体レーザ媒質 2 とレーザ光 6 との関 係がわかるよう、 反射防止膜 1やその他の構成についての記載を省略し ている。 '
第 3図 Aは、 第 1図に示した固体レーザ励起モジュールについての X z平面での断面を示す図である。 第 3図 Bは、 第 1図に示した固体レー ザ励起モジュールについての y z.平面での断面を示す図である。 第 3図 A, Bに示すように、 光軸に垂直な断面形状が直径 cの円形であるレー ザ光 6は、 固体レーザ媒質 2の表面において X軸方向に短径 c、 y軸方 向に長径 c/ c o s Θを有する楕円形状で入射する。
固体レーザ媒質 2に蓄えられたパワーを効率よく取り出すには、 レ一 ザ光 6のビーム径と固体レ一ザ媒質 2の大きさとの比が一定であること が望ましい。 ここで、 レーザ光 6の直径 cと固体レーザ媒質 2の X軸方 向の大きさ aとの比を a/c = rとすると、 固体レーザ媒質 2の表面で のレーザ光 6 と固体レーザ媒質 2 との大きさの関係は、 X軸方向の比が aZc =.rとなり、 y軸方向の比が （ a/ c o s 6> ) / { c / c o s Θ ) = a/ c = rとなる。
従って、 上記式 （ 1 ) を満たすように固体レーザ媒質 2を構成すれば 、 X軸方向及び y軸方向に同じ比率を保つことが可能であり、 固体レー ザ媒質 2に蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可能である。
また、 aの大きさの開口によ り回折限界の T E M。。光を選択的に増 幅するためには、 a/ cが 1〜 1 . 7となるように aを設定すればよい ことが知られており、 高次のモードを含むマルチモードのレーザ光 6を 増幅するためには、 a / cが約 1であることが望ましい。
薄ディスク型レーザ媒質では、 単位面積あたりに蓄えることが可能な パワー、 即ち単位面積あたりの励起光入射パワーが、 固体レーザ媒質の 温度上昇による熱破壊限界に制限される。 従って、 大きな出力を得るた めには、 固体レーザ媒質 2の面積を大きくする必要がある。 しかしながら、 レ一ザ共振器内のレーザ光 6のビーム径は、 レーザ共 振器の安定条件で与えられる。 特に、 回折限界のビーム品質を実現しよ う とした場合、 ビーム径を大きくすると、 長い共振器長が要求される。 このため、 レーザ共振器が大型化すると共に、 不安定になりやすい。 そこで、 本発明では、 レーザ光 6のビーム径を一定に保ちながら、 入 射角度 0を大きくすることによ り、 固体レーザ媒質 2の面積を増加させ 、 固体レーザ媒質 2全体に蓄積されるパワーを増加させることが可能で ある。 これによ り、 高出力な回折限界のビーム品質を実現した安定した レーザ共振器を構成することができる。 - 固体レーザ媒質 2において、 単位面積あたりの励起光入射パワーを一 定とすると、 蓄積パワーは、 1ZC O S 6>に比例し、 例えば入射角 6»が 4 5 ° で約 1. 4倍、 Θが 6 0° で約 2倍、 6> = 7 5° で約 3. 8倍の パワーを蓄積することが可能となる。 入射角 0が 0° 近辺の場合、 蓄積 パワー増加の効果は小さ く、 入射角は 45 ° 以上が望ましい。
また、 固体レーザ媒質 2によってレーザ光 6に与えられる利得は、 レ 一ザ光 6が固体レーザ媒質 2内を通過する長さに比例する。 しかしなが ら、 薄ディスク型の固体レーザ媒質では、 厚さが薄いために十分な利得 を得ることが困難であった。
これに対して、 本発明では、 入射角度 0を大きくすることによ り、 レ —ザ光 6が固体レーザ媒質 2内を通過する長さを長くすることができ、 レーザ光 6に与える利得を大きくすることができる。
例えば、 固体レーザ媒質 2のホス ト材料として Y L F (L i YF4、 屈折率 1. 4 5 ) を用いた場合、 レーザ光 6がレーザ媒質 2内を通過す る長さは、 1/c 0 s < aに比例し、 入射角 6>が 0 ° の時に比べて入射 角 ( が 45 ° で約 1. 1 5倍、 0が 6 0 ° で約 1. 2 5倍、 0 = 7 5 ° で約 1. 34倍となる。 この効果は、 ホス ト材料の屈折率が小さいほど 大きくなる。
また、 入射角 6>を固体レーザ媒質 2 についてのプリユース夕一角度 （ 6> = t a n— 1 ( n Z n J ) とし、 レーザ光 6をその光軸と法線 7を含 む面内での直線偏光 （ P偏光） とすれば、 固体レーザ媒質 2表面でレー ザ光 6の反射が発生しない。 従って、 反射防止膜 1を省略することがで きる。 これにより、 固体レーザ媒質 2に入射する際の反射防止膜 1の損 失を抑制することができる。 また、 反射防止膜 1が不要になるので廉価 にレーザ装置を構成することもできる。
全反射膜 3 として誘電体多層膜を用いた場合、 レーザ光 6の偏光をそ の光軸と法線 7を含む面に垂直な直線偏光 （ S偏光） とすれば、 P偏光 の場合に比べて全反射膜 3の膜厚を薄くすることができる。 全反射膜 3 の熱抵抗は、 その厚さにほぼ比例するので、 上述のように構成すれば、 全反射膜 3の熱抵抗を小さくすることができ、 固体レーザ媒質 2の温度 上昇を抑制することもできる。
固体レーザ媒質では、 一般的に温度が高くなるほど効率が低下する。 そこで、 本発明では、 固体レーザ媒質 2全体の蓄積パワーを一定とした 場合、 入射角 0を大きく して固体レーザ媒質 2の面積を大きくする。
これにより、 固体レーザ媒質 2の単位面積あたりの発熱量が減少する ため、 その温度上昇が抑制されて高効率なレーザ装置を得ることが可能 となる。
接着剤、 特に有機系の接着剤は、 一般的に最大使用温度が低く、 発熱 密度が大きくなる高出力の固体レーザ媒質 2の固定に用いることが困難 であった。
本発明では、 入射角 0を大きく して固体レーザ媒質 2の面積を大きく し、 単位面積あたりの発熱量を減少させることができる。
また、 上述したような有機系の接着剤には、 接合すべき部材の接合面 に存在する微小な凹凸を被覆して接着することができるものがある。 このような接着剤を接合剤 4として用いることで、 ヒートシンク 5の 表面精度が悪い場合であつても、 ヒートシンク 5に対して反射防止膜 1 、 固体レーザ媒質 2及び全反射膜 3までの構成を固定することが容易に なる。
また、 固体レーザ媒質 2に比べて柔らかい、 即ち軟性を有する接着剤 を接合剤 4として使用することで、 固体レーザ媒質 2への応力を緩和す る緩衝材としての効果も期待することができる。
この他、 接合剤 4として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いると、 接 合剤 4が励起光 8を吸収してしまう。 このため、 接合剤 4にレーザ光 6 や励起光 8が漏れると、 接合剤 4の温度上昇やこれに伴う接合強度の低 下が発生したり、 接合剤 4からの脱ガスによる光学部品の汚れや損傷な どを引き起こす可能性があるという問題があった。
従って、 接合剤 4として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いる場合、 レーザ光 6及び励起光 8を同時に全反射するような全反射膜 3が要求さ れる。 通常、 励起光源としては、 高出力の半導体レーザ （ L D ) が用い られ 。
この半導体レーザ （ L D ) から出力される励起光は、 一般的に拡がり 角が大きく、 様々な角度で全反射膜 3に入射する。 このため、 高い反射 率を実現するには、 不可避的に膜構成が複雑になると共に、 その厚さを 厚く しなければならない。 ここで、 全反射膜 3の熱抵抗は、 その厚さに ほぼ比例するので、 厚さが厚くなつた場合、 レーザ媒質 2の温度が上昇 してしまう。
そこで、 本発明では、 接合剤 4として金属半田や熱伝導性の接着剤を 用いることなく、 励起光 8が固体レーザ媒質 2内で全反射条件を満たす 屈折率を有し、 且つ励起光 8の吸収が少ない光学接着剤を用いるように してもよい。
固体レーザ媒質 2のホス ト材料として Y A G ( Y 3 A 1 5 0 1 2、 屈折 率 1 . 8 2 ) を用い、 屈折率 1 . 6の光学接着剤を接合剤 4として用い れば、 固体レーザ媒質 2の外部で全角 1 2 0 ° まで拡がった励起光 8を 全反射により閉じこめることが可能である。
この場合、 固体レーザ媒質 2内部の全反射により励起光 8が閉じこめ られるので、 励起光 8の損失が少なく、 効率の高い励起モジュールを実 現可能である。
また、 接合剤 4として金属半田や熱伝導性の接着剤を用いる場合のよ うに、 励起光 8が金属半田や熱伝導性の接着剤などに吸収されることが なく、 全反射膜 3に励起光 8を全反射する機能が要求されない。 このた め、 膜設計が容易になり、 薄い膜厚を実現することができる。
光学接着剤は、 熱伝導性接着剤に比べて熱抵抗が大きい。 一方、 光学 接着剤には、 熱伝導接着剤で熱抵抗を小さくするためのフイラ一 （金属 の小さな繊維） などが入っていない。
このため、 光学接着剤を接合剤 4として用いることで、 接合剤 4の層 厚を薄くすることができ、 この接合剤 4と全反射膜 3 とを合わせた熱抵 抗を小さくすることが可能である。
また、 第 1図 Aに示すように、 本実施の形態では、 励起光 8を固体レ —ザ媒質 2の X y面に平行な側面から入射する。 このように構成するこ とで、 励起光 8の吸収長を X軸方向の大きさ a、 固体レーザ媒質 2の全 蓄積パワーを y軸方向の大きさ bでそれそれ調整することができる。
これにより、 固体レーザ媒質 2について、 その励起光 8の吸収量と必 要な蓄積パワーを独立して設計することが可能である。 また、 固体レ一 ザ媒質 2のディスクを構成する面のうち幅の広い面を使用するため、 励 起光 8の入射が容易である。 また、 第 1図では、 固体レーザ媒質 2の； X y面に平行な側面から励起 光 8を入射する例を示したが、 X z面に平行な面から励起光 8を入射す るようにしてもよい。 この場合、 固体レーザ媒質 2の y軸方向に長い吸 収長が得られるので、 吸収が小さなレーザ媒質材料を用いても高い吸収 効率が得られる。
固体レーザ媒質 2は、 その X軸方向についてのレーザ光入射面の大き さとレーザ光 6のレーザ光入射面上での照射領域の大きさとの比を一定 にした状態で励起光 8の吸収長を変えることができるので、 吸収量とレ 一ザ光 6のビーム径を独立して設計することが可能である o
なお、 上記実施の形態 1では、 固体レーザ媒質 2を上記式 （ 1 ) を満 たす大きさとする例を示したが、 b > aであれば、 ほぼ同様の効果が得 られることは明かである。
特に、 入射するレーザ光 6の断面形状が円形でなく、 楕円形や長方形 である場合、 固体レーザ媒質 2の表面におけるレーザ光 6の照射領域の 大きさと固体レーザ媒質 2のレーザ光入射面の大きさとの比を、 X軸方 向及び y軸方向に同じ値を持つように設定すれば、 固体レーザ媒質 2に 蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可能である。
また、 第 1図において、 固体レーザ媒質 2の表面形状は、 X軸方向に a、 y軸方向に bの大きさを持つ長方形である場合を示したが、 本発明 ではこれに限定されるものではない。 例えば、 固体レーザ媒質 2 として X軸方向に短径 a及び y軸方向に長径 bの大きさを持つ楕円形としても よい。
このように構成すれば、 固体レーザ媒質 2の表面におけるレーザ光 6 の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の大きさとの比は、 X軸方向及び y軸方向だけでなく、 x y面内のあらゆる方向について同じ値を保つこ とができる。 これにより、 レーザ光 6の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の大き さがほぼ等しくなり、 固体レーザ媒質 2に蓄えられたパワーを、 さらに 効率よく取り出すことが可能である。 実施の形態 2 .
上記実施の形態 1における第 1図に示した励起モジュールでは、 固体 レーザ媒質 2で発生する熱複屈折のため、 入射させるレーザ光 6の偏光 方向を S偏光又は P偏光のいずれかに制限する必要があった。 この実施 の形態 2では、 上記制限を解消する構成を提供する。
第 4図は、 この発明の実施の形態 2による固体レーザ励起モジュール の構成を示す図である。 固体レーザ励起モジュール 1 2 a , 1 2 bは、 ヒートシンク 5 a， 5 b上に全反射膜 3 a， 3 bを接合剤 4 a , 4 bを 介して接合し、 全反射膜 3 a， 3 b上に薄ディスク形状の固体レーザ媒 質 2 a， 2 bを設け、 その上に反射防止膜 l a， l bを配置して構成さ れる。
反射防止膜 1 a、 固体レーザ媒質 2 a、 全反射膜 3 a、 接合剤 4 a及 びヒートシンク 5 aの機能は、 第 1図に示した反射防止膜 1、 固体レー ザ媒質 2、 全反射膜 3、 接合剤 4及びヒートシンク 5 とそれそれ同一で ある。 偏光回転素子 1 3は、 レーザ光 6の偏光を 9 0 ° 回転させるもの であり、 旋光子や 1 / 2波長板などが用いられる。
次に動作について説明する。
第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射角 6>で入射したレーザ 光 6は、 反射防止膜 1 a、 固体レーザ媒質 2 a及び全反射膜 3 aに至る 経路で増幅され、 全反射膜 3 aで反射したあと、 固体レーザ媒質 2 a及 び反射防止膜 1 aに至る経路にて再び増幅されて外部に出射される。 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aから出射されたレーザ光 6は 、 偏光回転素子 1 3にて偏光が 9 0 ° 回転されたあと、 第 2の固体レー ザ励起モジュール 1 2 bに入射する。
偏光回転素子 1 3を介して第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bに 入射したレーザ光 6は、 反射防止膜 l b、 固体レーザ媒質 2 b及び全反 射膜 3 bに至る経路で増幅され、 全反射膜 3 bで反射したあと、 固体レ —ザ媒質 2 b及び反射防止膜 1 bに至る経路にて再び増幅されて外部に 出射される。
ここで、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射したレーザ光 6の S偏光成分は、 偏光回転素子 1 3によ り偏光が 9 0 ° 回転されたあ と、 第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bに P偏光として入射する。 一方、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射したレーザ光 6の P偏光成分は、 偏光回転素子 1 3により偏光が 9 0 ° 回転されたあと、 第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bに S偏光として入射する。
このように、 上記構成では、 熱複屈折の上記 2つの軸方向の偏光成分 に与える位相差が補償されるので、 入射したレーザ光 6の偏光状態が保 持されて出力されることとなる。
つまり、 第 4図に示す固体レーザ励起モジュールでは、 任意の偏光状 態のレーザ光 6を、 偏光状態を変えずに増幅することができるので、 直 線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光 6を増幅するレーザ増幅器を構 成することができる。
また、 図示は省略したが、 レーザ光 6を反射させる全反射鏡と、 レー ザ光 6の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、 第 1の固 体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射する前のレーザ光 6の光軸上に全 反射鏡又は部分反射鏡を配置し、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 bから出力されたレーザ光 6の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を設置 する。 このようにすることで、 レーザ光 6が上記全反射鏡、 第 1の固体レー ザ励起モジュール 1 2 a， 1 2 b及び上記部分反射鏡からなる経路でレ 一ザ発振するレーザ共振器を構成することができる。
これにより、 部分反射鏡から外部へ上記レーザ共振器にて増幅された レーザ光 6を出力するレーザ装置として使用することが可能である。 こ のとき、 熱複屈折により発生する上記 2つの軸方向で発生する位相差が 補償されるので、 任意の偏光状態で高いビーム品質のレーザ出力を得る ことができる。
なお、 第 4図では、 2個の固体レ一ザ励起モジュール 1 2 a， 1 2 b と偏光回転素子 1 3を組み合わせて位相変化を補償する構成例を示した が > 2個の固体レ一ザ fi¾起モジュールと偏光回転素子を一組とし、 これ らを複数個組み合わせてレーザ増幅器又はレーザ発振器を構成してもよ い。 このように構成すれば、 さらに、 高出力、 高利得なレーザ増幅器又 はレーザ発振器を構成することができる。
また、 偏光回転素子 1 3 として旋光子や 1 / 2波長板などの透過型光 学素子を用いる例を示したが、 これに限られるものではない。 例えば、 プリズムの反射による偏光回転の効果や空間的に像を 9 0 ° 回転させる プリズムなどを、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射したレ 一ザ光 6の偏光が、 第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bに対して直 交するように配置しても同様の効果が得られることは明らかである。
さらに、 偏光回転素子 1 3を使用せず、 第 1の固体レーザ励起モジュ —ル 1 2 aに入射角 Θで入射したレーザ光 6の偏光が、 第 2の固体レー ザ励起モジュール 1 2 bに入射角 0で入射したレーザ光 6の偏光に対し て直交するように配置してもよい。
つまり、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに対して第 2の固体 レーザ励起モジュール 1 2 bを配置するにあたり、 レーザ光 6の光軸と 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aの入射面の法線 7を含む面に垂 直な方向が、 レーザ光 6の光軸と第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bの入射面の法線 7を含む面内に含まれるようにする。
具体的には、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aと第 2の固体レ —ザ励起モジュール 1 2 bとの長手方向が垂直にな'るように配置する。 そして、 これらモジュール 1 2 a， 1 2 b間のレーザ光 6の伝搬経路に 反射鏡などの光学系を配置して、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに入射角 Θで入射したレーザ光 6の偏光に対して、 第 2の固体レーザ 励起モジュール 1 2 bに入射角 Θで入射するレーザ光 6の偏光が直交す るように偏光方向を調節する。
このように構成すると、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに S 偏光として入射したレーザ光が、 第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bでは P偏光となり、 第 1の固体レーザ励起モジュール 1 2 aに P偏光 として入射したレーザ光が、 第 2の固体レーザ励起モジュール 1 2 bで は S偏光となり、 偏光回転素子 1 3を用いた場合と同様の効果が得られ る o 実施の形態 3 .
上記実施の形態 1における第 1図に示した固体レーザ励起モジュール では、 入射角 6>を大きくするほど、 蓄積パワーを大きく又は発熱密度を 低減することが可能である。 また、 入射角 Θを大きくするに伴ってレー ザ媒質 2内を通過する長さを長くすることができる。
しかしながら、 入射角として最大である 0 = 9 0 ° とした場合でも、 レーザ媒質 2内を通過する長さの増加量は、 入射角 0が 0 ° の場合と比 較して固体レーザ媒質 2の屈折率 1 . 4 5の時で 1 . 3 8倍、 屈折率 1 . 8 2の時で 1 . 2 0倍程度である。 従って、 上記励起モジュールでは、 蓄積パワー増加の効果に比べて利 得増加の効果が小さい。 さらに、 入射角 6を大きくすると、 反射防止膜
1の入射角に対する許容度が小さくなる。
本実施の形態 3は、 上述したような内容を改善する構成を提供するも のである。
第 5図 Aは、 この発明の実施の形態 3による固体レーザ励起モジュ一 ルの構成を示す図であり、 第 5図 Bは、 第 5図 A中の固体レーザ励起モ ジュールを X軸方向から見た図である。 全反射鏡 1 4は、 固体レーザ媒 質 2にて増幅されたレーザ光 6を反射して再び固体レーザ媒質 2へ入射 させる。
なお、 第 1図と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省 略した。 また、 これらの図では、 固体レーザ媒質 2 とレーザ光 6 との関 係がわかるよう、 固体レーザ励起モジュールについて反射防止膜 1やそ の他の構成の記載を省略している。
レーザ光 6は、 その光軸と法線 7を含む面に垂直な方向 （X軸方向） の直線偏光 （ S偏光） 、 又は、 その光軸と法線 7を含む面内で光軸に垂 直な方向の直線偏光 （ P偏光） で固体レーザ媒質 2に入射される。 第 5 図 Aでは、 レーザ光 6の偏光方向として S偏光の場合を示している。 次に動作について説明する。
固体レーザ媒質 2の側面より入射された励起光 8は、 その内部を反射 しな ら伝搬する。 これにより、 励起光 8は、 固体レーザ媒質 2に吸収 されて利得を発生させる。
パワーを増幅すべき対象であるレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2に対 して入射角 0で入射し反射防止膜 1を透過して全反射膜 3に到達するま で固体レーザ媒質 2により増幅される。 全反射膜 3に到達するまで固体 レーザ媒質 2により増幅されたレーザ光 6は、 全反射膜 3で反射して、 再度固体レーザ媒質 2中を通過する際に増幅される。
このあと、 当該レーザ光 6は、 反射防止膜 1を透過して外部に出力す る。 固体レーザ媒質 2にて増幅されたレーザ光 6は、 全反射鏡 1 4にて 全反射されて固体レーザ媒質 2に再度入射する。
上述した増幅過程が複数回繰り返されたされた後、 レーザ光 6は、 出 力光として外部に出力される。 第 5図では、 全反射鏡 1 4によってレ一 ザ光 6が固体レーザ媒質 2にて 3回増幅過程を経たのち出力する例を示 している。 .
このとき、 レーザ光 6は、 S偏光又は P偏光としてレーザ媒質 2に入 射するので、 レーザ媒質 2で発生する熱複屈折の影響を受けず、 偏光状 態を保持して増幅される。
ここで、 レーザ光 6の光軸と法線 7を含む面に垂直な方向を X軸、 法 線 7方向を z軸、 X z平面の法線方向を y軸とし、 レーザ光 6の固体レ —ザ媒質 2における反射回数を mとすると、 固体レーザ媒質 2の X軸方 向の大きさ a及び y軸方向の大きさ b aは、 レーザ光 6が通過する領域 のみを考慮すると下記式 （ 3 ) の関係を有する。 但し、 mは、 正の整数 である。
b a = m - a / c o s 0 · · · ( 3
このように、 本実施の形態によるモジュールでは、 第 1図に示した固 体レーザ励起モジュールに比べて、 実質的に y軸方向に m倍の長さを有 することとなる。 このため、 レーザ光 6のビーム径を一定に保ちながら m倍のパヮ一を蓄積することが可能である。
さらに、 レーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2の中を m回通過するので、 第 1図に示した固体レ一ザ励起モジュールに比べてレ一ザ光 6がレーザ 媒質 2内を通過する長さは m倍となり、 大きな利得を得ることが可能で ある。 . 本実施の形態による固体レ一ザ励起モジュールでは、 入射角 0及びレ 一ザ光 6のビーム径を一定にして、 大きな蓄積パワーと大きな利得が得 られるため、 高出力なレーザ光を高い効率で得ることができる。
また、 第 5図 Aに示すように、 本実施の形態においても、 励起光 8を 固体レーザ媒質 2の X y面に平行な側面から入射している。
このように構成することで、 励起光 8の吸収長を X軸方向の大きさ a 、 固体レーザ媒質 2の全蓄積パワーを y軸方向の大きさ b aでそれそれ 調整することができ、 励起光 8の吸収量と必要な蓄積パワーを独立して 設計することが可能である。 また、 固体レーザ媒質 2のディスクを構成 する面のうち幅の広い面を使用するため、 励起光 8を入射することが容 易である。 .
第 5図では、 励起光 8を固体レーザ媒質 2の X y面に平行な側面から 入射しているが、 X z面に平行な面から入射してもよい。 このように構 成すれば、 励起光 8について長い吸収長が得られるので、 励起光 8の吸 収が小さな材料で固体レーザ媒質 2を作成した場合であつても高い吸収 効率が得られる。
また、 固体レーザ媒質 2について X軸方向の大きさ aとレーザ光 6の ビーム径との比を一定にした状態で吸収長を変えることができるので、 励起光 8の吸収量とレーザ光 6のビーム径とを独立して設計することが 可能である。
なお、 上記実施の形態 3では、 固体レーザ媒質 2について上記式 （ 3 ) を満たす大きさとする例を示したが、 b a > aであれば、 ほぼ同様の 効果が得られることは明かである。 特に、 入射するレーザ光 6の断面形 状が円形でなく、 楕円形や長方形である場合が挙げられる。
この場合、 固体レーザ媒質 2の表面におけるレーザ光 6の照射領域の 大きさと固体レーザ媒質 2の入射面の大きさとの比を、 X軸方向及び y 軸方向に同じ値を持つように設定する。 このようにすれば、 レーザ光 6 の照射領域の大きさと固体レーザ媒質の入射面の大きさがほぼ等しくな り、 固体レーザ媒質 2に蓄えられたパワーを効率よく取り出すことが可 能である。 実施の形態 4
上記実施の形態 3では、 入射するレーザ光 6の偏光状態を固体レーザ 媒質 2に対して S偏光又は P偏光に制限する必要があった。 この実施の 形態 4は、 上記実施の形態 3 と同様に全反射鏡 4を用いる構成において 、 任意の偏光状態のレーザ光 6を増幅可能としたものである。
第 6図は、 この ¾明の実施の形態 4による固体レーザ励起モジュール の構成を示す図である。 本実施の形態による構成では、 上記実施の形態 3における固体レーザ媒質 2を反射したレーザ光 6の絰路上に偏光回転 素子 1 3を配置したものである。
なお、 第 1図及び第 4図と同一構成要素には同一符号を付して重複す る説明を省略した。 また、 これらの図では、 固体レ一ザ媒質 2 とレーザ 光 6 との関係がわかるよう、 固体レーザ励起モジュールについて反射防 止膜 1やその他の構成の記載を省略している。
次に動作について説明する。
固体レーザ媒質 2に入射したレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2中で増 幅されて外部に出射される。 固体レーザ励起モジュールから出射された レーザ光 6は、 偏光回転素子 1 3にて偏光が 9 0 ° 回転されたあと、 全 反射鏡 1 4にて反射して、 固体レーザ媒質 2に再度入射し増幅される。
ここで、 固体レーザ媒質 2に入射したレーザ光 6の S偏光成分は、 偏 光回転素子 1 3により偏光が 9 0 ° 回転されたあと、 全反射鏡 1 4で反 射された後、 固体レーザ媒質 2に P偏光として入射する。 —方、 固体レーザ媒質 2に入射したレーザ光 6の P偏光成分は、 偏光 回転素子 1 3により偏光が 9 0 ° 回転されたあと、 全反射鏡 1 4で反射 された後、 固体レーザ媒質 2に S偏光として入射する。
このように、 上記構成では、 熱複屈折の上記 2つの軸方向の偏光成分 に与える位相差が補償されるので、 入射したレーザ光 6の偏光状態が保 持されて出力されることとなる。
つまり、 第 6図に示す固体レーザ励起モジュールでは、 任意の偏光状 態のレーザ光 6を、 偏光状態を変えずに増幅することができ.るので、 直 線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光 6を増幅するレーザ増幅器を構 成することができる。
また、 図示は省略したが、 レーザ光 6を反射させる全反射鏡と、 レー ザ光 6の一部を反射し一部を透過させる部分反射鏡を用意し、 固体レー ザ媒質 2側に入射する前のレーザ光 6の光軸上に全反射鏡又は部分反射 鏡を配置し、 上記固体レーザ励起モジュールから出力されたレーザ光 6 の光軸上に部分反射鏡又は全反射鏡を設置する。
このようにすることで、 レーザ光 6が上記全反射鏡、 本実施の形態に よる固体レーザ励起モジュール及び上記部分反射鏡からなる経路でレー ザ発振するレーザ共振器を構成することができる。
これにより、 部分反射鏡から外部へ上記レーザ共振器にて増幅された レーザ光 6を出力するレーザ装置として使用することが可能である。 こ のとき、 熱複屈折により発生する上記 2つの軸方向で発生する位相差が 補償されるので、 任意の偏光状態で高いビーム品質のレーザ出力を得る ことができる。
なお、 第 6図では、 固体レーザ媒質 2における反射回数を 2回とする 例を示した。 ここで、 偏光回転素子 1 3と固体レーザ媒質 2を 2回反射 することにより、 偏光状態の変化が補償される。 このため、 レーザ媒質 2における反射回数を 2 k回 （ kは自然数） とし、 奇数番目の反射の後 に偏光回転素子 1 3を配置してもよい。
つ.まり、 レーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2にて増幅された後、 全反射 膜 3で 1回目の反射が行われ、 全反射鏡 1 4に至るまでの光軸上に配置 された 1個目の偏光回転素子 1 3で偏光が 9 0 ° 回転された後、 全反射 鏡 1 4にて固体レーザ媒質 2側へ反射される。
全反射鏡 1 4にて反射されたレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2に再び 入射して増幅された後、 全反射膜 3で 2回目の反射が行われ、 全反射鏡 1 4にて固体レーザ媒質 2側へ反射される。
さらに、 全反射鏡 1 4にて反射されたレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2にて増幅された後、 全反射膜 3で 3回目の反射が行われ、 全反射鏡 1 4に至るまでの光軸上に配置された 2個目の偏光回転素子 1 3で偏光が 9 0 ° 回転された後、 全反射鏡 1 4にて固体レーザ媒質 2側へ反射され る。
さらに、 全反射鏡 1 4にて反射されたレーザ光 6は、 固体レーザ媒質 2にて増幅された後、 全反射膜 3で 4回目の反射が行われ、 全反射鏡 1 4にて固体レーザ媒質 2側へ反射される。
このような過程を繰り返し行い、 固体レーザ媒質 2にて増幅されたレ 一ザ光 6が、 全反射膜 3で 2 k— 1回目の反射が行われる度に、 反射後 のレーザ光 6の経路にそれそれ配置された k個の偏光回転素子 1 3でそ の偏光が 9 0 ° 回転される。
また、 固体レーザ媒質 2にて増幅されたレーザ光 6が、 全反射膜 3で 2 k回目の反射が行われる際は、 偏光回転素子 1 3を通過させることな く、 全反射鏡 1 4にて反射され、 再び固体レーザ媒質 2へ入射する。 このように構成することで、 熱複屈折の上記 2つの軸方向の偏光成分 に与える位相差が補償されるので、 入射したレーザ光 6の偏光状態が保 持されて出力されることとなる。
つま り、 第 6図に示す固体レーザ励起モジュールでは、 任意の偏光状 態のレーザ光 6を、 偏光状態を変えずに増幅することができるので、 直 線偏光でない任意の偏光状態のレーザ光 6を増幅するレーザ増幅器を構 成することができる。
また、 第 6図では、 レーザ光 6の偏光を 9 0 ° 回転させるために、 偏 光回転素子 1 3を用いる例を示したが、 全反射鏡 1 4に偏光を 9 0 ° 回 転させる効果を持たせることも可能である。 例えば、 全反射鏡 1 4の表 面に偏光を 4 5 ° 回転させる旋光子を配置すれば、 レーザ光 6が全反射 鏡 1 4で反射される際に旋光子を 2回通過することとなる。
― これにより、 レーザ光 6の偏光は 9 0 ° 回転される。 また、 レーザ光 6の偏光を回転させるにあたり、 全反射鏡 1 4としてプリズムを用い、 プリズムの内部全反射による偏光回転効果や空間分布を回転させる効果 を用いるようにしてもよい。 実施の形態 5 .
上記実施の形態 3に示した固体レーザ励起モジュールでは、 全反射膜 3 と全反射鏡 1 4との間でレーザ光 6が反射を繰り返しながら固体レー ザ媒質 2中を伝搬するにあたり、 固体レーザ媒質 2中にレーザ光 6が通 過しない領域が生じる。
励起光 8によって全体的に励起された固体レ一ザ媒質 2にレーザ光 6 が通過しない場合、 励起により蓄積されたパワーがレーザ光 6により取 り出されない。 このため、 蓄積パヮ一が残留し、 レーザ装置の効率を低 下させてしまう。
また、 固体レーザ媒質 2にレーザ光 6が通過しない領域が発生しない ように、 反射するレーザ光 6をいくつか重ねて通過させようとすると、 不可避的にレーザ光 6のビーム幅が拡がってしまう。 このため、 レーザ 光 6が固体レーザ媒質 2に入射するとき及びレーザ光 6が固体レーザ媒 質 2から外部へ出射するときに全反射鏡 1 4による遮蔽が発生して、 レ —ザ装置の効率を低下させてしまう。
この実施の形態 5は、 上記不具合を解消するものである。
第 7図 Aは、 この発明の実施の形態 5による薄ディスク型の固体レー ザ媒質の構成を示す図である。 固体レーザ媒質 2 a 〜 2 c及びスラブ導 波路 1 1 a 〜 1 1 dは、 それぞれ薄いディスク形状を有している。 励起 媒質部 1 5は、 スラブ導波路 1 1 a 〜 1 1 dを介して固体レーザ媒質 2 a 〜 2 cを接合して構成され、 一方向に長手方向を有する平板形状を有 している。 また、 固体レーザ媒質 2 a 〜 2 cは、 第 1図で示した固体レ 一ザ媒質 2 と同様の機能を有する。
固体レーザ媒質 2 a ~ 2 cとスラブ導波路 1 1 a 〜 1 1 dとの接合は 、 上記実施の形態 1で示したように、 オプティカルコンタク トや拡散接 合により行われる。 また、 励起媒質部 1 5 として、 上記実施の形態 1で 示したように、 固体レーザ媒質 2 a 〜 2 cとスラブ導波路 1 1 a 〜 1 1 dを、 セラミ ックを用いた一体構造で形成してもよい。
第 7図 Bは、 この発明の実施の形態 5による固体レーザ励起モジユ ー ルの構成を示す X z面での断面図であり、 第 7図 A中の励起媒質部 1 5 を用いている。 励起媒質部 1 5の上面全体には、 第 1図中で説明したも のと同一の機能を有する反射防止膜 1を設けている。
また、 励起媒質部 1 5の下面全体には、 全反射膜 3が施され、 接合剤 4によりヒートシンク 5に固定されている。 これら全反射膜 3、 接合剤 4及びヒートシンク 5の機能は、 第 1図で説明したものと同様である。 レーザ光 6は、 その光軸と励起媒質部 1 5の入射面における法線 7 と を含む面に垂直な方向 （X軸方向） の直線偏光 （ S偏光） 又は上記光軸 と法線 7 とを含む面内で上記光軸に垂直な方向の直線偏光 （P偏光） で 入射される。
次に動作について説明する。
励起媒質部 1 5の X z平面に平行な側面からスラブ導波路 1 1 aに入 射させた励起光 8は、 その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レ 一ザ媒質 2 aに入射する。
固体レーザ媒質 2 aに入射した励起光 8は、 固体レーザ媒質 2 aに吸 収されて利得を発生させる。 このとき、 固体レーザ媒質 2 aに吸収され なかった残留励起光は、 固体レーザ媒質 2 aを通過してスラブ導波路 1 1 bに入射し、 その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒 質 2 bに入射する。 これにより、 固体レーザ媒質 2 aからの残留励起光 は、 固体レーザ媒質 2 bに吸収されて利得を発生させる。
さらに、 固体レーザ媒質 2 bにおいても吸収されなかった残留励起光 は、 固体レーザ媒質 2 bを通過してスラブ導波路 1 1 cに入射し、 その 内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質 2 cに入射する。 ここでも、 同様に、 固体レ一ザ媒質 2 bからの残留励起光は、 固体レ一 ザ媒質 2 cに吸収されて利得を発生させる。
最後に、 固体レーザ媒質 2 cにおいても吸収されなかった残留励起光 は、 固体レーザ媒質 2 cを通過してスラブ導波路 1 1 dに入射し、 その 内部で反射を繰り返しながら伝搬して励起媒質部 1 5から出射する。 励起媒質部 1 5の X z .平面に平行な側面からスラブ導波路 1 1 dに入 射させた励起光 8は、 上述した過程と同様にして、 各固体レーザ媒質 2 a〜 2 cにおいて利得を発生させる。
つまり、 スラブ導波路 1 1 dから入射した励起光 8は、 固体レーザ媒 質 2 cにおいて吸収されて利得を発生させ、 固体レーザ媒質 2 cに吸収 されなかった残留励起光が固体レーザ媒質 2 bにて利得を発生させ、 固 体レーザ媒質 2 bに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質 2 a にて利得を発生させる。
励起媒質部 1 5に入射角 Θで入射したレーザ光 6は、 反射防止膜 1 を 透過して、 固体レーザ媒質 2 aに入射して増幅される。 このレ一ザ光 6 は、 全反射膜 3により反射された後、 固体レーザ媒質 2 aにより再度増 幅されて反射防止膜 1を透過して出射される。
このレーザ光 6は、 全反射鏡 1 4で全反射されて励起媒質部 1 5に入 射角 ^にて入射し、 反射防止膜 1 を透過して固体レーザ媒質 2 bに入射 して増幅される。 増幅されたレーザ光 6は、 全反射膜 3により反射され た後、 固体レーザ媒質 2 bにより再度増幅されて反射防止膜 1を透過し て出射される。
さらに、 このレーザ光 6は、 全反射鏡 1 4で全反射されて、 励起媒質 部 1 5に入射角 0にて入射し、 反射防止膜 1を透過して固体レーザ媒質 2 cに入射して増幅される。 増幅されたレーザ光 6は、 全反射膜 3によ り反射された後、 固体レーザ媒質 2 cにより再度増幅されて反射防止膜 1を透過して外部に出射される。
ここで、 レーザ光 6は、 S偏光又は P偏光として固体レーザ媒質 2 a 〜 2 cに入射させるので、 固体レーザ媒質 2 a ~ 2 cで発生する熱複屈 折の影響を受けず、 偏光状態を保持して増幅される。
このように、 レーザ光 6が通過する領域にのみ固体レーザ媒質 2 a〜 2 cを配置することで、 励起媒質部 1 5においてレーザ光 6によって取 り出されずに残留する蓄積パワーが少なくなり、 効率の高い固体レーザ 励起モジュールを構成することができる。
また、 励起光 8を複数の固体レーザ媒質 2 a ~ 2 cに吸収させるため 、 励起光 8の吸収効率が高くなり、 これによつても効率の高い固体レ一 ザ励起モジュールの具現化に寄与することができる。 さらに、 これら固体レーザ媒質 2 a〜 2 cにレーザ光 6 を複数回反射 させて増幅することによ り、 大きな蓄積パワーと大きな利得が得られる ため、 高出力なレーザ光 6 を高い効率で得ることができるレーザ装置を 提供することが可能である。
さらに、 本実施の形態では、 励起光 8を発生する半導体レーザ （ L D ) などの光源を、 スラブ導波路 1 1 a側とスラブ導波路 1 1 d側の 2組 だけ用意すればよい。 このため、 第 1図に示したような 1つの固体レー ザ媒質 2 を扱う固体レーザ励起モジュールを複数個配置する構成と比較 して、 小型な固体レーザ励起モジュールを提供することができる。
さらに、 励起光 8 による蓄積パワーが固体レーザ媒質 2 a〜 2 cに分 散されるため、 個々の固体レーザ媒質における発熱量を低減することが できる。 これにより、 固体レーザ媒質の温度上昇が抑制され、 高効率な レーザ装置を得ることができる。
このように、 1個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、 一般的に最大使用温度が低い有機系などの接着剤を接合剤 4 として用い ることも可能となる。
上述したような有機系の接着剤には、 接合すべき部材の接合面に存在 する微小な凹凸を被覆するように浸透して接着することができるものが ある。
このような接着剤を接合剤 4 として用いることで、 ヒートシンク 5の 表面精度が悪い場合であっても、 ヒートシンク 5 に対して反射防止膜 1 、 固体レーザ媒質 2及び全反射膜 3までの構成を固定することが容易に なる。
また、 固体レーザ媒質 2 に比べて柔らかい、 即ち軟性を有する接着剤 を接合剤 4 として使用することで、 固体レーザ媒質 2への応力を緩和す る緩衝材としての効果も期待することができる。 上記実施の形態 1 と同様に、 1個の固体レーザ媒質における発熱量が 低減されると、 接合剤 4として、 励起光 8が固体レーザ媒質 2 a〜 2 c 内で全反射条件を満たす屈折率を有し、 且つ励起光 8の吸収が少ない光 学接着剤を用いることができる。
つまり、 励起媒質部 1 5内部での全反射によって励起光 8を励起媒質 部 1 5内に閉じこめることが可能となる。 これにより、 励起光 8の損失 が少なく、 効率の高い励起モジュールを実現可能である。
また、 上記光学接着剤を接合剤 4として用いれば、 全反射膜 3に対し て励起光 8を全反射する機能が要求されなくなるため、 膜設計が容易に なり、 薄い膜厚を実現することができる。 '
なお、 第 7図 Bでは、 励起媒質部 1 5に対じて反射防止膜 1、 全反射 膜 3、 接合剤 4及びヒートシンク 5を一体に設けた構成を示したが、 固 体レーザ媒質 2 a〜2 cに対して、 反射防止膜 1、 全反射膜 3、 接合剤 4及びヒートシンク 5をそれそれ設置するようにしてもよい。
また、 第 7図では、 全反射鏡 1 4を 1枚で構成する例を示したが、 レ 一ザ光 6が入射する領域のみに複数の全反射鏡 1 4を配置してもよい。 励起媒質部 1 5は、 第 7図 A， Bにおいて固体レーザ媒質 2 a ~ 2 c を 3個で構成した例を示したが、 2個以上であれば同様の効果が得られ ることは明らかである。
励起媒質部 1 5 として第 8図 A〜第 8図 Hに示すような構成を採用し てもよい。
第 8図 Aに示す励起媒質部 1 5は、 第 7図と異なり X軸方向の固体レ 一ザ媒質 2の側面を含む固体レーザ媒質 2の外周全体がスラブ導波路 1 1 Aに覆われた構成を有している。 この構成では、 励起光 8を励起媒質 部 1 5の y軸方向の側面からだけでなく、 X軸方向の側面からも入射す ることが可能である。 これにより、 励起媒質部 1 5における励起分布を均一にすることがで きるという効果がある。 なお、 スラブ導波路 1 1 Aに入射した励起光 8 は、 上述した過程と同様に、 その内部で反射を繰り返しながら伝搬して 固体レーザ媒質 2に入射する。
また、 第 8図 Bに示す励起媒質部 1 5は、 固体レーザ媒質 2における X軸方向の 1つの側面のみがスラブ導波路 1 1 Bに覆われない構成を有 している。 この構成では、 X軸方向の両側面から励起光 8を照射するこ とで、 いずれの固体レーザ媒質 2もスラブ導波路 1 1 Bを介することな く励起光 8が直接入射される。
このため、 第 7図に示す励起媒質部 1 5のように、 ある固体レーザ媒 M 2で吸収されなかった残留励起光を他の固体レーザ媒質 2に吸収させ る構成と比較して、 複数の固体レーザ媒質 2の個々の蓄積パワーを均一 にさせることができる。
第 8図 C及び第 8図 Dは、 固体レーザ媒質 2を y軸方向に並べ、 これ らの X軸方向及び y軸方向の全ての側面を覆うようにスラブ導波路 1 1 C , 1 1 Dを設けた励起媒質部 1 5を示している。 第 8図 Cに示す励起 媒質部 1 5におけるスラブ導波路 1 1 Cは、 X軸方向の側面を直線的に テ一パ状に加工している。 また、 第 8図 Dに示す励起媒質部 1 5におけ るスラブ導波路 1 1 Dは、 X軸方向の側面を曲線的にテーパ状に加工し ている。
これら励起媒質部 1 5の y軸方向の両側面から入射した励起光 8は、 励起媒質部 1 5内で固体レーザ媒質 2に吸収されるに伴って、 吸収され なかった残留励起光分の強度に低下してゆく。 このとき、 テ一パ形状に 加工されたスラブ導波路 1 1 C , 1 1 Dによって、 残留励起光は、 励起 媒質部 1 5の中心方向に伝搬するに従って集光される。
つまり、 テ一パ形状に加工されたスラブ導波路 1 1 C , 1 1 Dでは、 励起光 8の入射端面から離れた励起媒質部 1 5の中心部に至るまでに断 面積が徐々に小さくなるため、 中心部にて励起光 8が集光することとな る
このように、 第 8図 C及び第 8図 Dに示す構成では、 残留励起光を集 光しながら伝搬させて固体レーザ媒質 2に吸収させるので、 複数の固体 レーザ媒質 2の蓄積パヮ一を均一にすることが可能である。
第 8図 E及び第 8図 Fでは、 固体レーザ媒質 2を y軸方向に並べるだ けでなく、 X軸方向にも配置した構成を示している。 これらの構成は、 固体レーザ媒質 2の数を多くするので蓄積パワーをさらに大きくするこ とができる。
また、 X軸方向に複数の固体レーザ媒質 2が配置されることより、 励 起媒質部 1 5において励起光 8の入射面となる y軸方向の両側面を大き くすることができ、 励起光の導入を容易に実行することができる。 _ 第 8図 Fに示す構成では、 励起媒質部 1 5の中心部に配置した固体レ —ザ媒質 2の数が、 スラブ導波路 1 1 E , 1 1 Fの X軸方向の両側面側 に配置した固体レーザ媒質 2よりも少ない。
y軸方向の両側面から励起光 8を入射すると、 励起光 8は、 y軸方向 の両側面側に配置した固体レーザ媒質 2によって吸収され、 これら固体 レーザ媒質 2に吸収されなかった残留励起光が中心部の固体レーザ媒質 2に吸収されることとなる。
ここで、 第 8図 Eのように、 y軸方向の両側面側に配置した固体レ一 ザ媒質 2 と同数の固体レーザ媒質 2が中心部に配置されていると、 残留 励起光を分け合うことになる。 これにより、 中心部に配置した固体レー ザ媒質 2に生成される蓄積パワーは、 y軸方向の両側面側に配置した固 体レーザ媒質 2よりも低下する。
そこで、 第 8図 Fに示すように、 励起媒質部 1 5の中心部に配置する 固体レーザ媒質 2の数を減らしておけば、 残留励起光を吸収する対象が 減ることとなる。 従って、 結果的に励起媒質部 1 5内に配置された複数 の固体レーザ媒質 2の蓄積パワーを均一にすることができる。
第 8図 G及び第 8図 Hは、 第 8図 E及び第 8図 Fと同様に X軸方向に も固体レーザ媒質 2を配置する。 また、 固体レーザ媒質 2の側面を覆う スラブ導波路 1 1 G， 1 1 Hは、 第 8図 C及び第 8図 Dと同様にテーパ 形状に加工されている。
このように構成すれば、 第. 8図 C及び第 8図 Dに示した構成と同様に 固体レーザ媒質 2に蓄積される蓄積パワーを均一にすることができる。 また、 第 8図 E及び第 8図 Fに示した構成と同様に固体レーザ媒質 2の 蓄積パワーを増如させることもできる。
ここで、 第 8図 Aから第 8図 Hまででは、 固体レ一ザ媒質 2の入射面 の形状が矩形である例を示したが、 固体レ一ザ媒質 2の入射面として円 形又は楕円形としたものを複数配置してもよい。
このように構成すれば、 光軸に垂直な断面形状が円形の.レーザ光 6に 対する取り出し効率を向上させることができるため、 高い効率でレーザ 光を得ることが可能となる。
さらに、 第 6図に示した構成と同様に、 励起媒質部 1 5の y軸方向に 配置する固体レーザ媒質 2の個数を 2 k個 （ kは自然数） とし、 奇数番 目の固体レーザ媒質 2から反射されたレーザ光 6の偏光を 9 0 ° 回転さ せる偏光回転素子 1 3をそれぞれ配置して固体レーザ励起モジュールを 構成してもよい。
このように構成すれば、 熱複屈.折の上記 2つの軸方向についてレーザ 光 6の偏光成分に与える位相差が補償される。 これにより、 任意の偏光 状態のレーザ光 6を入射しても、 その偏光状態が保持されて出射される ので、 任意の偏光状態のレーザ光 6を増幅することができる。 また、 この固体レーザ励起モジュールにてレーザ発振器を構成すれば 、 任意の偏光状態のレーザ光 6を用いて高いビーム品質のレーザ出力を 得ることができる。 実施の形態 6 .
上記,実施の形態 5では、 1つのレーザ光により複数の固体レーザ媒質 に蓄積されたパワーを取り出す構成について説明したが、 この実施の形 態 6は複数の固体レーザ媒質から複数のレーザ光により蓄積パワーを取 り出すものである。
第 9図は、 この発明の実施の形態 6による固体レーザ励起モジュール を用いたレーザ装置の構成を示す図である。 部分反射鏡 1 6は、 レーザ 光 6 a〜 6 cの一部を反射し一部を透過する。 なお、 第 1図及び第 7図 と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略した。 また、 これらの図では、 固体レ一ザ媒質 2 a〜 2 cとレーザ光 6 a〜 6 cとの 関係がわかるよう、 固体レーザ励起モジュールについて反射防止膜 1や 励起媒質部 1 5の下面に形成する構成の記載を省略している。
次に動作について説明する。
励起媒質部 1 5の X z平面に平行な側面からスラブ導波路 1 1 aに入 射させた励起光 8は、 スラブ導波路 1 1 aの内部で反射を繰り返しなが ら伝搬して固体レーザ媒質 2 aに入射する。
固体レーザ媒質 2 aに入射した励起光 8は、 固体レーザ媒質 2 aに吸 収され、 利得が発生する。 このとき、 固体レーザ媒質 2 aに吸収されな かった残留励起光は、 固体レーザ媒質 2 aを通過してスラブ導波路 1 1 bに入射し、 その内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質 2 bに入射する。 これにより、 固体レーザ媒質 2 aからの残留励起光は 、 固体レーザ媒質 2 bに吸収されて利得を発生させる。 さらに、 固体レーザ媒質 2 bにおいても吸収されなかった残留励起光 は、 固体レーザ媒質 2 bを通過してスラブ導波路 1 1 cに入射し、 その 内部で反射を繰り返しながら伝搬して固体レーザ媒質 2 cに入射する。 ここでも、 同様に、 固体レーザ媒質 2 bからの残留励起光は、 固体レー ザ媒質 2 cに吸収されて利得を発生させる。
最後に、 固体レーザ媒質 2 cにおいても吸収されなかった残留励起光 は、 固体レーザ媒質 2 cを通過してスラブ導波路 1 1 dに入射し、 その 内部で反射を繰り返しながら伝搬して励起媒質部 1 5から出射する。 励起媒質部 1 5の X z平面に平行な側面からスラブ導波路 1 1 dに入 射させた励起光 8は、 上述した過程と同様にして、 各固体レーザ媒質 2 a〜 2 cにおいて利得を発生させる。
つまり、 スラブ導波路 1 1 dから入射した励起光 8は、 固体レーザ媒 質 2 cにおいて吸収されて利得を発生させ、 固体レーザ媒質 2 cに吸収 されなかった残留励起光が固体レーザ媒質 2 bにて利得を発生させ、 固 体レーザ媒質 2 bに吸収されなかった残留励起光が固体レーザ媒質 2 a にて利得を発生させる。
上述のようにして固体レーザ媒質 2 a〜 2 cが励起されて利得が発生 すると、 部分反射鏡 1 6を介してレーザ光 6 a〜 6 cを励起媒質部 1 5 にそれそれ入射させる。 励起媒質部 1 5に入射したレーザ光 6 a〜 6 c は、 反射防止膜 1を透過して、 固体レーザ媒質 2 a〜 2 cに入射して増 幅される。 増幅されたレーザ光 6 a〜 6 cは、 全反射膜 3により反射さ れた後、 固体レーザ媒質 2 a〜 2 cにより再度増幅されて反射防止膜 1 を透過して出射される。
励起媒質部 1 5により増幅されて出射したレーザ光 6 a〜 6 cは、 部 分反射鏡 1 6に到達すると、 一部が透過し一部は反射して励起媒質部 1 5に再び入射する。 この過程を繰り返すことで、 励起媒質部 1 5 と部分 反射鏡 1 6 との間でレーザ光 6 a〜 6 cによるレーザ発振が起こ り、 十 分にパワーが増幅されたレーザ光 6 a〜 6 cを部分反射鏡 1 6から外部 へ出射することができる。 即ち、 複数のレーザ光 6 a〜 6 cを出力する レーザ共振器として動作する。
このように構成すれば、 複数の固体レーザ媒質 2 a ~ 2 cに蓄積され たパワーを、 複数のレーザ光 6 a〜 6 c として外部に出力することがで きるため、 高出力なレーザ出力を得ることができる。
また、 本実施の形態では、 励起光 8を発生する半導体レーザ （ L D ) などの光源を、 スラブ導波路 1 1 a側とスラブ導波路 1 1 d側の 2組だ け用意すればよい。 このため、 第 1図に示したような 1つの固体レーザ 媒質 2を扱う固体レーザ励起モジュールを複数個配置する構成と比較し て、 小型な固体レ一ザ励起モジュールを提供することができる。
さらに、 励起光 8による蓄積パワーが固体レーザ媒質 2 a〜 2 cに分 散されるため、 個々の固体レーザ媒質における発熱量を低減することが できるため、 固体レーザ媒質の温度上昇が抑制され、 高効率なレーザ装 置を得ることができる。
また、 1個の固体レーザ媒質における発熱量が低減されると、 一般的 に最大使用温度が低い有機系などの接着剤を接合剤 4 として用いること も可能となる。
また、 上述したような有機系の接着剤には、 接合すべき部材の接合面 に存在する微小な凹凸を被覆して接着することができるものがある。 このような接着剤を接合剤 4 として用いることで、 ヒー トシンク 5の 表面精度が悪い場合であっても、 ヒートシンク 5 に対して反射防止膜 1 、 固体レーザ媒質 2及び全反射膜 3 までの構成を固定することが容易に なる。
また、 固体レーザ媒質 2 に比べて柔らかい、 即ち軟性を有する接着剤 を接合剤 4として使用することで、 固体レーザ媒質 2への応力を緩和す る緩衝材としての効果も期待することができる。
上記実施の形態 1 と同様に、 1個の固体レーザ媒質における発熱量が 低減されると、 接合剤 4 として、 励起光 8が固体レーザ媒質 2 a〜 2 c 内で全反射条件を満たす屈折率を有し、 且つ励起光 8の吸収が少ない光 学接着剤を用いることができる。
つまり、 この光学接着剤による接合剤 4層での全反射によって接合剤 4層と反射防止膜 1 との間で励起媒質部 1 5内に励起光 8を閉じこめる ことが可能となる。 これにより、 励起光 8の損失が少なく、 効率の高い 励起モジュールを実現可能である。
また、 上記 学接着剤を接合剤 4として用いれば、 全反射膜 3に対し て励起光 8を全反射する機能が要求されなくなるため、 膜設計が容易に なり、 薄い膜厚を実現することができる。
なお、 第 9図では、 励起媒質部 1 5に対して反射防止膜 1、 全反射膜 3、 接合剤 4及びヒートシンク 5を一体に設けた構成を示したが、 固体 レーザ媒質 2 a〜 2 cに対して、 反射防止膜 1、 全反射膜 3、 接合剤 4 及びヒートシンク 5をそれそれ設置するようにしてもよい。
また、 第 9図では、 部分反射鏡 1 6を 1枚で構成する例を示したが、 レーザ光 6 a〜 6 cに対して部分反射鏡 1 6をそれぞれ配置するように してもよい。
励起媒質部 1 5は、 第 9図において固体レーザ媒質 2 a〜 2 cを 3個 で構成した例を示したが、 2個以上であれば同様の効果が得られること は明らかである。
また、 レーザ共振器で発生するレーザ光のビ一ムモ一ドを調整するた め、 レーザ光 6 a〜 6 cに対してそれそれ複数の凹面形状を有する部分 反射鏡 1 6を用いてもよい。 このように構成すれば、 所望のビームモ一 ドを有するレーザ発振器を得ることができる。
さらに、 部分反射鏡 1 6の代わり に、 レーザ光 6 a〜 6 cの光路上に それそれレンズを配置し、 平面鏡を用いて各レンズを介してレーザ光 6 a〜 6 cを励起媒質部 1 5 に導く ように構成してもよい。 このように構 成すれば、 各レンズにより レーザ光 6 a〜 6 cを集光して、 レーザ共振 器の安定条件を満たすビーム径とすることができる。
これにより、 安定したレーザ発振器を得ることができる。 また、 部分 反射鏡 1 6 を 1枚の平面鏡で構成できるので、 廉価にレーザ発振器を製 造することもできる。
ここで、 レーザ光 6 a〜 6 cの光路上に配置するレンズは、 1つの基 材にレンズをアレー状に加工したレンズアレーを用いてもよい。 このよ うに構成すれば、 それそれのレンズを個別に固定する必要がなく、 レー ザ装置の構成を簡略化することができる。 また、 安定したレーザ共振器 を得ることもできる。
さらに、 レーザ共振器内の複数のレーザ光 6 a〜 6 cの位相を同期さ せてもよい。 位相の同期は、 例えば上記レーザ共振器を複数用意し、 そ れそれの共振器内に共通のシ一ド光を入射して、 シード光の位相に一致 したレーザ発振を発生させるイ ンジェクションシーデイ ング法がある。 また、 上記レーザ共振器にて生成した各レーザ発振光の一部を他の共振 器に混じり込むように配置して同じ位相で発振させる方法などによ り実 現可能である。
このように構成すれば、 出力される複数のレ一ザ光の位相がそろつて いるため、 複数のレーザ光全体を 1つのレーザ光の出力光として取り扱 うことができ、 高出力でビーム品質の高いレーザ出力を得ることができ 産業上の利用可能性
以上のように、 この発明に係る固体レーザ励起モジュール及びレーザ 共振器は、 薄ディスク型レーザ媒質の励起時における温度上昇を抑制し 、 高い利得を得ることができることから、 大きなレーザ光出力が要求さ れるレーザレーダ用レーザ装置や加工用レーザ装置に適用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平板 状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上 記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射 する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱 する冷却部とを有してなる励起媒質部を備え、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、 上記レーザ光の光軸と上記 固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直な 方向の大きさ aと、 当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさ b とが、 上記レーザ光の入射角 6>に対して、 b = a / c o s 0の関係を有 する固体レーザ励起モジュール。
2 . レーザ光は、 その光軸と固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線 とから定義される面に垂直な方向又は当該面内の方向の偏光成分からな る直線偏光であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の固体レーザ 励起モジュ一ノレ。
3 . レーザ光の入射角 が、 4 5 ° 以上であることを特徴とする請求の 範囲第 1項記載の固体レーザ励起モジュール。
4 . レーザ光の入射角 ( が、 固体レーザ媒質に固有のブリュース夕一角 であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の固体レーザ励起モジュ ール。
5 . 励起光源が発生する励起光の入射端面とこの入射端面より小さい面 積の出射端面とを有し、 上記出射端面と固体レーザ媒質の励起光導入面 とが接合されて、 上記励起光導入面を介して上記励起光源からの励起光 を上記固体レーザ媒質に導入するスラプ導波路部を備えたことを特徴と する請求の範囲第 1項記載の固体レーザ励起モジュール。
6 . 固体レーザ媒質より軟性を有し、 接合すべき部材の接合面に存在す る凹凸を被覆して接着する接着剤で反射面部と冷却部とを接合したこと を特徴とする請求の範囲第 1項記載の固体レーザ励起モジュール。
7 . 固体レーザ媒質の屈折率よりも小さな屈折率を有する光学接着剤で 反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第 1項記載 の固体レーザ励起モジユール。
8 . 励起媒質部の固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、 レーザ光の光軸 と上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に 垂直な方向の大きさ aと、 当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大 きさ bとが、 上記レ一ザ光の入射角 0に対して、 b = a / c o s 0の関 係を有する領域を、 上記長手方向に沿って少なく とも m個 （mは、 正の 整数） 有し、
反射面部で反射されたレーザ光を逐次反射して、 入射角 0で上記固体 レーザ媒質に m回入射させる反射鏡部を備えたことを特徴とする請求の 範囲第 1項記載の固体レーザ励起モジュール。
9 . 反射面部から反射鏡部に至るまでのレーザ光経路にレーザ光の偏光 を 9 0 ° 回転させる偏光回転部を備えたことを特徴とする請求の範囲第 8項記載の固体レーザ励起モジュール。
1 0 . 反射鏡部は、 反射面部から反射されたレーザ光の偏光を 9 0 ° 回 転させることを特徴とする請求の範囲第 8項記載の固体レーザ励起モジ ュ一ノレ。
1 1 . 励起媒質部は、 反射鏡部からのレーザ光を入射させる部位ごとに 固体レーザ媒質を配置し、 励起光を上記各固体レーザ媒質に伝搬させる スラブ導波路部を介して上記固体レーザ媒質間を接合してなることを特 徴とする請求の範囲第 8項記載の固体レ一ザ励起モジユール。
1 2 . スラブ導波路部は、 固体レーザ媒質のレーザ光入射面及び反射面 部との接合面を除く全ての面を被覆すると共に、 励起光の入射端面から 離れた位置に配置された固体レーザ媒質に導入する励起光が集光される ように、 上記入射端面から離れるにつれて断面積が小さくなる形状に構 成したことを特徴とする請求の範囲第 1 1項記載の固体レーザ励起モジ ユー レ。
1 3 . 励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平 板状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上 記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射 する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してく る熱を排熱 する冷却部とを有する励起媒質部を複数備え、 上記各固体レーザ媒質のレーザ光入射面は、 上記レーザ光の光軸と上 記固体レーザ媒質のレーザ光入射面上の法線とから定義される面に垂直 な方向の大きさ aと、 当該方向及び上記法線に垂直な長手方向の大きさ bとが、 上記レーザ光の入射角 Θに対して、 b = a ' c o s 6>の関係を それそれ有し、
上記各励起媒質部は、
上記固体レーザ媒質により増幅されて上記反射面部で反射されたレー ザ光を出力光とし、
前段に配置された励起媒質部の出力光がその後段に配置された励起媒 質部に入射するレーザ光となるように配置されて、 上記レーザ光を逐次 増幅する固体レーザ励起モジュール。
1 . 前段の励起媒質部から後段の励起媒質部までのレーザ光経路にレ 一ザ光の偏光を 9 0 ° 回転させる偏光回転部を備えたことを特徴とする 請求の範囲第 1 3項記載の固体レーザ励起モジュール。
1 5 . 後段の励起媒質部を、 前段の励起媒質部に入射するレーザ光の光 軸とその固体レーザ媒質におけるレーザ光入射面上の法線とから定義さ れる面に垂直な方向が、 自己に入射するレーザ光の光軸と自己の固体レ 一ザ媒質におけるレーザ光入射面上の法線とから定義される面内に含ま れる方向となるように配置することを特徴とする請求の範囲第 1 3項記 載の固体レーザ励起モジュール。
1 6 . 励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平 板状の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質のレーザ光入射面に対向する面側に設けられ、 上 記入射面から入射して上記固体レーザ媒質内を伝搬したレーザ光を反射 する反射面部と、
上記反射面部を介して上記固体レーザ媒質から伝搬してくる熱を排熱 する冷却部とを有しており、
複数の上記レーザ光をそれそれ入射させる部位ごとに上記固体レーザ 媒質を配置し、 励起光を上記各固体レーザ媒質に伝搬させるスラブ導波 路部を介して上記固体レーザ媒質間を接合してなる励起媒質部と、 上記励起媒質部の固体レーザ媒質ごとに上記レーザ光の入射及び上記 反射面部からの反射光の再入射を繰り返してレーザ発振させる光学系部 とを備えたレーザ発振器。
1 7 . 固体レーザ媒質ごとに発振させるレーザ光について各々の位相同 期をとることを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載のレーザ発振器。
1 8 . スラブ導波路部は、 固体レーザ媒質のレーザ光入射面及び反射面 部との接合面を除く全ての面を被覆すると共に、 励起光の入射端面から 離れた位置に配置された固体レーザ媒質に導入する励起光が集光される ように、 上記入射端面から離れるにつれて断面積が小さくなる形状に構 成したことを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載のレーザ発振器。 ·
1 9 . 固体レーザ媒質より軟性を有し、 接合すべき部材の接合面に存在 する凹凸を被覆して接着する接着剤で反射面部と冷却部とを接合したこ とを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載のレーザ発振器。
2 0 . 固体レーザ媒質の屈折率よりも小さな屈折率を有する光学接着剤 で反射面部と冷却部とを接合したことを特徴とする請求の範囲第 1 6項 記載のレーザ発振器,
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