WO2010013546A1 - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

　固体レーザ装置１は、励起光Ｌ１によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質２を介してエンドミラー３と出力鏡４との間でレーザ光Ｌ２を往復させることにより、レーザ光Ｌ２を増幅して出力する。固体レーザ媒質２は、レーザ光Ｌ２を入射及び出射させる入出射端面２ａ，２ｂ、及び入射したレーザ光Ｌ２がジグザグ状に伝播するようにレーザ光Ｌ２を反射する反射端面２ｃ，２ｄを有している。入出射端面２ａは、固体レーザ媒質２内において励起光Ｌ１がレーザ光Ｌ２と略同一の伝播路上を伝播するように励起光Ｌ１を入射させる。これにより、励起光とレーザ光との結合効率を向上させることができる固体レーザ装置が実現される。

Description

固体レーザ装置

　本発明は、励起光によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質を介して１対の反射鏡の間でレーザ光を往復させることにより、レーザ光を増幅して出力する固体レーザ装置に関する。

　従来における上記技術分野の固体レーザ装置として、固体レーザ媒質においてレーザ光を入射及び出射させる１対の入出射端面のうち、一方の入出射端面には、１対の入出射端面の対向方向に沿って励起光を入射させ、他方の入出射端面には、１対の入出射端面の対向方向に対して斜めの方向に沿って励起光を入射させるものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような固体レーザ装置によれば、固体レーザ媒質の全体を均一に励起することができる。

末田 敬一、外４名、「高出力ＬＤ励起薄型スラブＹｂ：ＹＡＧレーザの開発」、社団法人　電子情報通信学会、ｐ．１７－２０

　しかしながら、全体が均一に励起された固体レーザ媒質内をレーザ光がジグザグ状に伝播すると、励起されているにも拘らずレーザ光が通過しない領域が生じるため、励起光とレーザ光との結合効率が低下するという問題がある。このような結合効率の低下は、固体レーザ媒質の温度上昇に繋がり、レーザ光発振特性の低下（熱レンズ効果や熱複屈折の増大）を招くおそれがある。

　そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、励起光とレーザ光との結合効率を向上させることができる固体レーザ装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ装置は、励起光によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させることにより、レーザ光を増幅して出力する固体レーザ装置であって、固体レーザ媒質は、レーザ光を入射及び出射させる第１の入出射端面及び第２の入出射端面、並びに入射したレーザ光がジグザグ状に伝播するようにレーザ光を反射する反射端面を有し、第１の入出射端面は、固体レーザ媒質内において励起光がレーザ光と略同一の伝播路上を伝播するように励起光を入射させることを特徴とする。

　この固体レーザ装置では、励起光は、固体レーザ媒質の第１の入出射端面に入射し、固体レーザ媒質内においてレーザ光と略同一の伝播路上を伝播する。そのため、固体レーザ媒質内においてレーザ光が通過しない領域が励起光によって励起されるのを抑制することができ、励起光とレーザ光との結合効率を向上させることが可能となる。

　本発明によれば、励起光とレーザ光との結合効率を向上させることができる。

図１は、本発明に係る固体レーザ装置の第１の実施形態の構成図である。 図２は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質を冷却するための冷却装置の側面図である。 図３は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質及びヒートシンクの横断面図である。 図４は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質の斜視図である。 図５は、固体レーザ媒質の形状を説明するための固体レーザ媒質の平面図である。 図６は、励起光の入力パワーとレーザ光の出力パワーとの関係を示すグラフである。 図７は、固体レーザ媒質内における励起光のビーム径とレーザ光のビーム径との関係を説明するための固体レーザ媒質の平面図である。 図８は、固体レーザ媒質内における励起光のビーム径とレーザ光のビーム径との関係を説明するための固体レーザ媒質の側面図である。 図９は、固体レーザ媒質内における励起光のビーム径とレーザ光のビーム径との他の関係を説明するための固体レーザ媒質の側面図である。 図１０は、固体レーザ媒質内における散乱光の発生を説明するための固体レーザ媒質の平面図である。 図１１は、固体レーザ媒質内における散乱光の発生を説明するための固体レーザ媒質の側面図である。 図１２は、本発明に係る固体レーザ装置の第２の実施形態の構成図である。

　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

　［第１の実施形態］
　図１は、本発明に係る固体レーザ装置の第１の実施形態の構成図である。図１に示されるように、固体レーザ装置１は、励起光Ｌ１によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質２を介してエンドミラー（第１の反射鏡）３と出力鏡（第２の反射鏡）４との間においてレーザ光Ｌ２を往復させることでレーザ光Ｌ２を増幅し、増幅されたレーザ光Ｌ２を出力鏡４から前方に連続（ＣＷ）発振する装置である。

　固体レーザ媒質２は、直方体状に形成されており、その長手方向において対向する両端面のそれぞれが、レーザ光Ｌ２を入射及び出射させる入出射端面（第１の入出射端面）２ａ及び入出射端面（第２の入出射端面）２ｂとなっている。固体レーザ媒質２に入射したレーザ光Ｌ２は、固体レーザ媒質２の長手方向と直交する方向において対向する反射端面２ｃ，２ｄで反射されることにより、固体レーザ媒質２内をジグザグ状に伝播する。

　エンドミラー３は、平板の両主面に誘電体多層膜が形成されたダイクロイックミラーである。固体レーザ媒質２側の主面には、波長１０３０ｎｍのレーザ光Ｌ２に対する反射率が９９．９％であり、中心波長９４０ｎｍ、ＦＷＨＭ３ｎｍの０度入射の励起光Ｌ１に対する透過率が９９．０％である誘電体多層膜が形成されている。一方、固体レーザ媒質２の反対側の主面には、励起光Ｌ１に対する透過率が９９．４％である無反射（ＡＲ）コーティングの誘電体多層膜が形成されている。

　出力鏡４は、固体レーザ媒質２側が凹面とされ且つ固体レーザ媒質２の反対側が平面とされた平凹ミラーである。凹面の曲率半径は４０ｍであり、凹面には、レーザ光Ｌ２に対する反射率が７０％の誘電体多層膜が形成されている。一方、平面には、レーザ光Ｌ２に対する透過率が９９．５％であるＡＲコーティングの誘電体多層膜が形成されている。

　励起光Ｌ１は、ファイバ結合型の半導体レーザ装置５から供給され、光学系６によって集光される。集光された励起光Ｌ１は、エンドミラー３を透過して、固体レーザ媒質２の入出射端面２ａに入射する。このとき、入出射端面２ａは、固体レーザ媒質２内において励起光Ｌ１がレーザ光Ｌ２と略同一の伝播路上を伝播するように励起光Ｌ１を入射させる。

　光学系６は、非球面集光レンズ系（焦点距離１４０ｍｍ，２５０ｍｍ）であり、励起光Ｌ１の焦点が固体レーザ媒質２内に位置するように励起光Ｌ１を集光する。より具体的には、光学系６は、入出射端面２ａと励起光Ｌ１の焦点との距離が、入出射端面２ｂと励起光Ｌ１の焦点との距離と略等しくなるように、また、入出射端面２ａ，２ｂ及び反射端面２ｃ、２ｄを除く固体レーザ媒質２の端面に励起光Ｌ１が照射されないように、励起光Ｌ１を集光する。

　固体レーザ媒質２は、銅により矩形板状に形成された１対のヒートシンク７に反射端面２ｃ，２ｄを挟持された状態で、真空チャンバ８内に配置されている。真空チャンバ８には、入出射端面２ａとエンドミラー３との間を進行するレーザ光Ｌ２、及び入出射端面２ａに入射する励起光Ｌ１を透過させる光透過部材（第１の光透過部材）９が設けられている。更に、真空チャンバ８には、入出射端面２ｂと出力鏡４との間を進行するレーザ光Ｌ２を透過させる光透過部材（第２の光透過部材）１１が設けられている。光透過部材９，１１は、合成石英からなる平板の両主面に、レーザ光Ｌ２に対する透過率が９９．５％であるＡＲコーティングが施された窓材である。

　以上のように構成された固体レーザ装置１においては、固体レーザ媒質２、エンドミラー３及び出力鏡４によってレーザ共振器が構成される。このレーザ共振器の共振器長は約６００ｍｍであり、固体レーザ媒質２は、入出射端面２ａとエンドミラー３との距離が約３０ｍｍとなるように設置されている。

　図２は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質を冷却するための冷却装置の側面図である。図２に示されるように、冷却装置２０は、液体窒素タンク２１を備え、液体窒素タンク２１の最下部には、固体レーザ媒質２を保持するヒートシンク７がねじ止めされている。液体窒素タンク２１には、液体窒素をタンク２１内に導入するための窒素導入管２２、及び気化した窒素をタンク２１内から導出するための窒素導出管２３が設けられている。液体窒素タンク２１は、ステンレス鋼からなる真空容器２４内に配置されており、真空容器２４は、支持部材２５によって支持されている。液体窒素タンク２１の外壁面と真空容器２４の内壁面との間の領域は真空ポンプ２６によって真空引きされ、これにより、液体窒素タンク２１は真空断熱される。更に、冷却装置２０は、ヒートシンク７の温度を低温から常温まで調節可能な温度コントローラ２７を備えている。なお、真空容器２４の底部が、固体レーザ媒質２及びヒートシンク７を収容する真空チャンバ８となっている。

　図３は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質及びヒートシンクの横断面図である。図３に示されるように、固体レーザ媒質２は、長手方向における全長が６１．２ｍｍであり且つ長手方向と直交する断面形状が５ｍｍ×５ｍｍの正方形である直方体状のコンポジットセラミックスである。固体レーザ媒質２の両端部（長手方向における先端から１０．１ｍｍの長さの部分）は、希土類イオンがドープされていないＹＡＧであり、その両端部の間の中間部（長さ４１ｍｍの部分、図３に示されたドットハチング部分）は、Ｙｂイオンが０．７at.％ドープされたＹｂ：ＹＡＧである。このように、Ｙｂ：ＹＡＧである中間部を、ＹＡＧである両端部で挟むことにより、非ドープ部の両端部がヒートシンクとして機能するため、ドープ部の中間部の過熱を抑制して、レーザ光Ｌ２のビーム品質を向上させることができる。

　固体レーザ媒質２において、入出射端面２ａは、反射端面２ｄと５０度の角度をなすように、固体レーザ媒質２の長手方向と直交する面に対して傾斜している。また、入出射端面２ｂは、反射端面２ｃと５０度の角度をなすように、固体レーザ媒質２の長手方向と直交する面に対して傾斜している。つまり、入出射端面２ａ及び入出射端面２ｂは、互いに略平行となるように傾斜し、固体レーザ媒質の長手方向において対向している。

　図４は、図１に示された固体レーザ装置の固体レーザ媒質の斜視図である。図４に示されるように、入出射端面２ａ，２ｂには、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２に対するＡＲコーティング１２が施されており、反射端面２ｃ，２ｄには、厚さ３μｍのＳｉＯ_２コーティング１３が施されている。これにより、反射端面２ｃ，２ｄは、ＳｉＯ_２コーティング１３、及び厚さ５０μｍのインジウム層（図示せず）を介して、１対のヒートシンク７によって挟持されることになる。ＳｉＯ_２コーティング１３は、励起光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２が反射端面２ｃ，２ｄで反射する際のエバネッセント（反射時の波長程度の長さでの染み出し）がヒートシンク７に吸収されるのを防止する。なお、入出射端面２ａ，２ｂ及び反射端面２ｃ、２ｄを除く固体レーザ媒質２の端面２ｅ，２ｆは、スリ面となっている。

　図５は、固体レーザ媒質の形状を説明するための図である。図５に示されるように、固体レーザ媒質２の長手方向における全長：Ｌ、反射端面２ｃ，２ｄ間の距離：ｔ、入出射端面２ａと反射端面２ｄとがなす角度、及び入出射端面２ｂと反射端面２ｃとがなす角度：θ_ｅとする。また、入出射端面２ａに対するレーザ光Ｌ２の入射角：θ_ｉｎ、反射端面２ｃ，２ｄでの全反射角：θ_ＴＩＲ、固体レーザ媒質２内での全反射回数：ｎ_ｂとする。このとき、下記の関係式（１），（２）を満たすと、固体レーザ媒質２を端面励起のロッドレーザのような配置で機能させることができる。
　　０．９θ_ｉｎ０≦θ_ｉｎ≦１．１θ_ｉｎ０　　・・・（１）
　　ここで、θ_in０＝９０°－θ_ｅ
　　０．９Ｌ_０≦Ｌ≦１．１Ｌ_０　　　　　　・・・（２）
　　ここで、Ｌ_０＝ｔ（ｎ_ｂ・tanθ_ＴＩＲ＋１／tanθ_ｅ）

　次に、固体レーザ装置１の動作について説明する。

　まず、図２に示されるように、液体窒素タンク２１の外壁面と真空容器２４の内壁面との間の領域が真空ポンプ２６によって真空引きされて、液体窒素タンク２１が真空断熱される。続いて、液体窒素が窒素導入管２２を介してタンク２１内に導入されると共に、気化した窒素が窒素導出管２３を介してタンク２１内から導出されつつ、ヒートシンク７を介して固体レーザ媒質２が冷却される。このとき、固体レーザ媒質２は、温度コントローラ２７によって、例えば７７Ｋ以下というような極低温に冷却される。なお、固体レーザ媒質２は真空チャンバ８内に配置されているため、結露は防止される。

　ここで、固体レーザ媒質２を冷却する理由は次の通りである。固体レーザ媒質２は、Ｙｂ：ＹＡＧであるため、通常は３準位レーザとして動作するが、冷却すると４準位レーザとして動作する。また、誘導放出断面積は、３００Ｋ程度の室温ではＮｄ：ＹＡＧの１／１０程度であるが、冷却するとＮｄ：ＹＡＧと略同程度の値に上昇する。更に、冷却することで熱伝導率が向上し、熱的耐力も向上する。このように、固体レーザ媒質２を冷却することで、発熱が少なく且つ効率が高いレーザとして動作させることができる。

　固体レーザ媒質２が極低温に冷却された状態で、図１に示されるように、半導体レーザ装置５から波長９４０ｎｍの励起光Ｌ１が出力される。励起光Ｌ１は、光学系６によって集光され、エンドミラー３及び光透過部材９を介して、真空チャンバ８内に配置された固体レーザ媒質２の入出射端面２ａに入射する。入出射端面２ａに入射した励起光Ｌ１は、固体レーザ媒質２内をジグザグ状に伝播し、固体レーザ媒質２を励起する。励起光Ｌ１は、ＹｂイオンがドープされたＹｂ：ＹＡＧである中間部を伝播することで、９５％程度吸収される。

　そして、固体レーザ媒質２、エンドミラー３及び出力鏡４によって構成されたレーザ共振器内において、ビーム径２．５ｍｍのレーザ光Ｌ２が往復し始め、レーザ光Ｌ２は、固体レーザ媒質２内においてジグザグ状に伝播しながら光増幅されていく。このとき、固体レーザ媒質２内では、励起光Ｌ１の伝播路とレーザ光Ｌ２の伝播路とは略同一である。

　光増幅されたレーザ光Ｌ２は、最終的に励起光パワー９Ｗに達すると、出力鏡４から前方に連続（ＣＷ）波として出力される。なお、励起光Ｌ１の伝搬に伴い、固体レーザ媒質２の伝播路上部分に熱負荷がかかるが、１対のヒートシンク７を介して反射端面２ｃ，２ｄから固体レーザ媒質２を冷却するため、定常状態では固体レーザ媒質２の中心を最高温度点とする放物線上の温度分布が維持されるようになる。

　以上説明したように、固体レーザ装置１においては、励起光Ｌ１は、固体レーザ媒質２の入出射端面２ａに入射し、固体レーザ媒質２内においてレーザ光Ｌ２と略同一の伝播路上を伝播する。そのため、固体レーザ媒質２内においてレーザ光Ｌ２が通過しない領域が励起光Ｌ１によって励起されるのを抑制することができ、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との結合効率を向上させることが可能となる。その結果、図６に示されるように、レーザ発振効率が飛躍的に向上した高平均出力レーザを実現することが可能となる。

　また、固体レーザ装置１においては、光学系６は、図７，８に示されるように、入出射端面２ａと励起光Ｌ１の焦点Ｆとの距離が、入出射端面２ｂと励起光Ｌ１の焦点Ｆとの距離と略等しくなるように、励起光Ｌ１を集光する。これにより、固体レーザ媒質２内の伝播路の全部において、励起光Ｌ１のビーム径をレーザ光Ｌ２のビーム径よりも小さくすることができ、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との結合効率の向上に寄与させることが可能となる。

　なお、固体レーザ媒質２内の伝播路の全部において、励起光Ｌ１のビーム径をレーザ光Ｌ２のビーム径よりも小さくすることは必須ではない。固体レーザ媒質２内の伝播路の少なくとも一部において、励起光Ｌ１のビーム径をレーザ光Ｌ２のビーム径よりも小さくすれば、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との結合効率の向上に寄与し得るからである。

　そして、固体レーザ媒質２内の伝播路において励起光Ｌ１のビーム径がレーザ光Ｌ２のビーム径よりも小さくなる部分を、励起光Ｌ１の焦点Ｆの前後に長くとり得るという観点からは、上述したような焦点Ｆの位置が好ましいが、図９に示されるように、入出射端面２ａと励起光Ｌ１の焦点Ｆとの距離が、入出射端面２ｂと励起光Ｌ１の焦点Ｆとの距離よりも短くなるように、光学系６が励起光Ｌ１を集光するようにしてもよい。このような焦点Ｆの位置は、固体レーザ媒質２において希土類イオンのドープ濃度が高い場合に特に有効であり、そのような場合に、励起光Ｌ１からレーザ光Ｌ２へのエネルギ変換効率を向上させることができる。これは、固体レーザ媒質２において希土類イオンのドープ濃度が高いと、励起光Ｌ１からレーザ光Ｌ２へのエネルギ変換効率が励起光入射面側（すなわち、入出射端面２ａ側）ほど高くなるからである。

　また、固体レーザ装置１においては、光学系６は、入出射端面２ａ，２ｂ及び反射端面２ｃ、２ｄを除く固体レーザ媒質２の端面２ｅ，２ｆに励起光Ｌ１が照射されないように、励起光Ｌ１を集光する。つまり、固体レーザ媒質２内においては、励起光Ｌ１のビーム径は、焦点Ｆ到達前の収束部分においても焦点Ｆ到達後の発散部分においても、固体レーザ媒質２の断面外形よりも小さくなっており、且つその断面外形内に含まれている。これにより、図１０，１１に示されるように、端面２ｅ，２ｆに励起光Ｌ１が照射されることにより励起光Ｌ１が散乱し、その散乱光（図１０，１１に示された矢印）が、固体レーザ媒質２内においてレーザ光Ｌ２が通過しない領域を励起するような事態を防止することができる。このような散乱光の発生は、固体レーザ媒質２の温度上昇を招くばかりか、不要な利得領域を発生させてレーザ光Ｌ２の単一モード発振を阻害する要因となる。

　また、固体レーザ装置１においては、光透過部材９がレーザ光Ｌ２と共に励起光Ｌ１を透過させるため、レーザ光Ｌ２を透過させる光透過部材９とは別に、励起光Ｌ１を透過させる光透過部材を真空チャンバ８に設けることが不要となり、装置の簡便化及び低コスト化を図ることができる。

　［第２の実施形態］
　図１２は、本発明に係る固体レーザ装置の第２の実施形態の構成図である。図１２に示されるように、固体レーザ装置１は、励起光Ｌ１によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質２を介してエンドミラー３と出力鏡４との間においてレーザ光Ｌ２を往復させることでレーザ光Ｌ２を増幅し、増幅されたレーザ光Ｌ２を出力鏡４から前方にパルス発振する装置である。以下、レーザ光Ｌ２を連続（ＣＷ）発振する上記固体レーザ装置１との相違点について主に説明する。

　図１２に示されるように、固体レーザ装置１０は、ポッケルスセル１４と、２枚の偏光板１５とを備えている。ポッケルスセル１４は、直径６ｍｍの非線形光学結晶（ＢＢＯ）の両端面に、レーザ光Ｌ２に対する透過率が９９．５％であるＡＲコーティングが施されたものであり、真空チャンバ８と出力鏡４との間におけるレーザ光Ｌ２の伝播路上に配置されている。ポッケルスセル１４は、位相変調器として動作し、４．９ｋＶの電圧が加えられることで、レーザ光Ｌ２のＰ偏光成分とＳ偏光成分とにλ／４の位相差を与える。偏光板１５は、５５度入射のレーザ光Ｌ２のＰ偏光成分に対しては透過率９８％、そのＳ偏光成分に対しては反射率９９．９％という特性を有しており、真空チャンバ８とポッケルスセル１４との間におけるレーザ光Ｌ２の伝播路上に配置されている。このような偏光板１５との組合せにより、ポッケルスセル１４は、Ｑスイッチとして動作する。

　次に、固体レーザ装置１０の動作について説明する。

　４．９ｋＶの電圧が加えられたポッケルスセル１４は、透過する光の偏光方向を往復でλ／２回転させる。ここでは、レーザ光Ｌ２のＳ偏光成分の光が固体レーザ媒質２側からポッケルスセル１４に入射するため、ポッケルスセル１４を往復することでＰ偏光成分の光が戻ることになる。このＰ偏光成分の光は、偏光板１５を透過するため、共振モードが成立せずレーザ発振されない。ポッケルスセル１４は５ｋＨｚで動作するため、２００μｓに１回、ポッケルスセル１４に掛かる電圧がゼロとなると、透過するレーザ光Ｌ２のＳ偏光成分の光は、位相変調を受けずＳ偏光のまま透過する。このとき、レーザ共振器の損失が急激に減少するため、レーザ発振が起こり、尖頭値の高いパルス波が出力される。

　以上のような固体レーザ装置１０においても、上記固体レーザ装置１と同様に、励起光Ｌ１は、固体レーザ媒質２の入出射端面２ａに入射し、固体レーザ媒質２内においてレーザ光Ｌ２と略同一の伝播路上を伝播する。そのため、固体レーザ媒質２内においてレーザ光Ｌ２が通過しない領域が励起光Ｌ１によって励起されるのを抑制することができ、励起光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との結合効率を向上させることが可能となる。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

　例えば、固体レーザ媒質２は、Ｙｂ：ＹＡＧに限定されず、他のＹｂ系レーザ媒質であってもよいし、Ｎｄ：ＹＡＧ等のＮｄ系レーザ媒質であってもよい。ただし、Ｙｂ系レーザ媒質を用いると、Ｎｄ系レーザ媒質の１／３程度の発熱量であるため、効率の良いレーザ発振動作が可能となる。そして、発熱量が少ないことは、冷却系への負荷低減、装置の小型化、レーザの特性向上（熱レンズ効果や熱複屈折の縮小）と様々な利点に繋がる。

　ここで、上記実施形態による固体レーザ装置では、励起光によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させることにより、レーザ光を増幅して出力する固体レーザ装置であって、固体レーザ媒質は、レーザ光を入射及び出射させる第１の入出射端面及び第２の入出射端面、並びに入射したレーザ光がジグザグ状に伝播するようにレーザ光を反射する反射端面を有し、第１の入出射端面は、固体レーザ媒質内において励起光がレーザ光と略同一の伝播路上を伝播するように励起光を入射させる構成を用いている。

　上記構成による固体レーザ装置は、励起光の焦点が固体レーザ媒質内に位置するように励起光を集光する光学系を備えることが好ましい。この構成によれば、固体レーザ媒質内における伝播路の少なくとも一部において、励起光のビーム径をレーザ光のビーム径よりも小さくすることができるため、励起光とレーザ光との結合効率を更に向上させることが可能となる。

　このとき、光学系は、第１の入出射端面と励起光の焦点との距離が、第２の入出射端面と励起光の焦点との距離と略等しくなるように、励起光を集光することが好ましい。この構成によれば、固体レーザ媒質内の伝播路において励起光のビーム径がレーザ光のビーム径よりも小さくなる部分を、励起光の焦点の前後に長くとることができる。

　また、光学系は、第１の入出射端面と励起光の焦点との距離が、第２の入出射端面と励起光の焦点との距離よりも短くなるように、励起光を集光することが好ましい。この構成によれば、励起光からレーザ光へのエネルギ変換効率を向上させることができる。これは、例えば固体レーザ媒質において希土類イオンのドープ濃度が高いと、励起光からレーザ光へのエネルギ変換効率が励起光入射面側（すなわち、第１の入出射端面側）ほど高くなるからである。

　更に、光学系は、第１の入出射端面、第２の入出射端面及び反射端面を除く固体レーザ媒質の端面に励起光が照射されないように、励起光を集光することが好ましい。この構成によれば、入出射端面及び反射端面を除く固体レーザ媒質の端面に励起光が照射されることにより、励起光が散乱して、固体レーザ媒質内においてレーザ光が通過しない領域を励起するような事態を防止することができる。

　上記構成による固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質において、第１の入出射端面と第２の入出射端面とが対向する方向における全長：Ｌ、反射端面間の距離：ｔ、第１の入出射端面と反射端面とがなす鋭角側の角度、及び第２の入出射端面と反射端面とがなす鋭角側の角度：θ_ｅ、第１の入出射端面に対するレーザ光の入射角：θ_ｉｎ、反射端面での全反射角：θ_ＴＩＲ、固体レーザ媒質内での全反射回数：ｎ_ｂとしたとき、下記の関係式（１），（２）を満たすことが好ましい。この構成によれば、固体レーザ媒質を端面励起のロッドレーザのような配置で機能させることができる。
　　０．９θ_ｉｎ０≦θ_ｉｎ≦１．１θ_ｉｎ０　　・・・（１）
　　ここで、θ_in０＝９０°－θ_ｅ
　　０．９Ｌ_０≦Ｌ≦１．１Ｌ_０　　　　　　・・・（２）
　　ここで、Ｌ_０＝ｔ（ｎ_ｂ・tanθ_ＴＩＲ＋１／tanθ_ｅ）

　上記構成による固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質は、真空チャンバ内に配置されており、真空チャンバには、第１の入出射端面と第１の反射鏡との間を進行するレーザ光を透過させる第１の光透過部材、及び第２の入出射端面と第２の反射鏡との間を進行するレーザ光を透過させる第２の光透過部材が設けられており、第１の光透過部材は、第１の入出射端面に入射する励起光を透過させることが好ましい。この構成によれば、レーザ光を透過させる光透過部材とは別に、励起光を透過させる光透過部材を真空チャンバに設けることが不要となるため、装置の簡便化及び低コスト化を図ることができる。

　本発明は、励起光とレーザ光との結合効率を向上させることができる固体レーザ装置として利用可能である。

　１，１０…固体レーザ装置、２…固体レーザ媒質、２ａ…入出射端面（第１の入出射端面）、２ｂ…入出射端面（第２の入出射端面）、２ｃ，２ｄ…反射端面、３…エンドミラー（第１の反射鏡）、４…出力鏡（第２の反射鏡）、６…光学系、８…真空チャンバ、９…光透過部材（第１の光透過部材）、１１…光透過部材（第２の光透過部材）、Ｌ１…励起光、Ｌ２…レーザ光、Ｆ…焦点。

Claims (7)

1. 　励起光によって励起されたスラブ型の固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させることにより、前記レーザ光を増幅して出力する固体レーザ装置であって、
   　前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光を入射及び出射させる第１の入出射端面及び第２の入出射端面、並びに入射した前記レーザ光がジグザグ状に伝播するように前記レーザ光を反射する反射端面を有し、
   　前記第１の入出射端面は、前記固体レーザ媒質内において前記励起光が前記レーザ光と略同一の伝播路上を伝播するように前記励起光を入射させることを特徴とする固体レーザ装置。
2. 　前記励起光の焦点が前記固体レーザ媒質内に位置するように前記励起光を集光する光学系を備えることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
3. 　前記光学系は、前記第１の入出射端面と前記励起光の焦点との距離が、前記第２の入出射端面と前記励起光の焦点との距離と略等しくなるように、前記励起光を集光することを特徴とする請求項２記載の固体レーザ装置。
4. 　前記光学系は、前記第１の入出射端面と前記励起光の焦点との距離が、前記第２の入出射端面と前記励起光の焦点との距離よりも短くなるように、前記励起光を集光することを特徴とする請求項２記載の固体レーザ装置。
5. 　前記光学系は、前記第１の入出射端面、前記第２の入出射端面及び前記反射端面を除く前記固体レーザ媒質の端面に前記励起光が照射されないように、前記励起光を集光することを特徴とする請求項２～４のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
6. 　前記固体レーザ媒質において、前記第１の入出射端面と前記第２の入出射端面とが対向する方向における全長：Ｌ、前記反射端面間の距離：ｔ、前記第１の入出射端面と前記反射端面とがなす鋭角側の角度、及び前記第２の入出射端面と前記反射端面とがなす鋭角側の角度：θ_ｅ、前記第１の入出射端面に対する前記レーザ光の入射角：θ_ｉｎ、前記反射端面での全反射角：θ_ＴＩＲ、前記固体レーザ媒質内での全反射回数：ｎ_ｂとしたとき、下記の関係式（１），（２）を満たすことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
   　　０．９θ_ｉｎ０≦θ_ｉｎ≦１．１θ_ｉｎ０　　・・・（１）
   　　ここで、θ_in０＝９０°－θ_ｅ
   　　０．９Ｌ_０≦Ｌ≦１．１Ｌ_０　　　　　　・・・（２）
   　　ここで、Ｌ_０＝ｔ（ｎ_ｂ・tanθ_ＴＩＲ＋１／tanθ_ｅ）
7. 　前記固体レーザ媒質は、真空チャンバ内に配置されており、
   　前記真空チャンバには、前記第１の入出射端面と前記第１の反射鏡との間を進行する前記レーザ光を透過させる第１の光透過部材、及び前記第２の入出射端面と前記第２の反射鏡との間を進行する前記レーザ光を透過させる第２の光透過部材が設けられており、
   　前記第１の光透過部材は、前記第１の入出射端面に入射する前記励起光を透過させることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項記載の固体レーザ装置。

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