WO2016117425A1 - レーザ光増幅装置 - Google Patents

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laser
medium
unit
excitation light
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尊史 関根
義則 加藤
善紀 玉置
隆史 栗田
利幸 川嶋
宇亮 森田
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a high-power laser beam amplifying apparatus.
  • the laser beam amplifying apparatus includes a laser medium unit and an excitation light source that causes excitation light to enter the laser medium unit, and allows the cooling medium to flow so as to contact the main surface of the laser medium in the laser medium unit. This is cooled (see Patent Document 1).
  • the amplified laser light is transmitted through the cooling medium flowing on the main surface, so that the stability and focusing characteristics of the laser light are caused by the flow velocity of the cooling medium.
  • the quality of the product deteriorates.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a laser light amplifying apparatus capable of amplifying laser light with high quality.
  • a first laser beam amplifying apparatus includes a laser medium unit, an excitation light source that causes excitation light to enter the laser medium unit, and a cooling medium flow disposed around the laser medium unit.
  • the laser medium when the excitation light is incident on the laser medium, the laser medium is excited, and when the laser light as seed light is incident on the laser medium, the amplified laser light is output from the laser medium. Further, when there are a plurality of laser media, the multiplication factor is also increased.
  • the cooling medium flow path is provided around the laser medium unit, and cools the laser medium unit from the outside.
  • the space between the first laser medium and the second laser medium is a sealed space, which is in a reduced pressure environment such as a vacuum, or is filled with gas. Therefore, since the laser light passing through the space is not interfered by the cooling medium flowing on the main surface of the laser medium, fluctuations of the amplified laser light are suppressed, and the quality of the laser light such as stability and focusing characteristics is improved. improves.
  • the materials of the first laser medium and the second laser medium are ceramic laser media, respectively.
  • the thermal conductivity of the laser medium is high from the viewpoint of cooling performance.
  • Ceramic laser media are known to have higher thermal conductivity than glass and the like, and can output laser light with high pulse energy at a high repetition frequency.
  • the ceramic laser medium can use, for example, a rare earth metal as a dopant, particularly YAG containing at least one dopant selected from Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr: Nd and Tm.
  • a rare earth metal as a dopant
  • YAG containing at least one dopant selected from Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr: Nd and Tm.
  • yttria (Y 2 O 3 ) containing the rare earth metal can be used as a dopant.
  • YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), Lu 2 O 3 , Sc 2 O 3, or the like can also be used.
  • Such a transparent ceramic crystal has an upper limit of the thickness of the laser medium obtained by the current manufacturing method of about 10 mm.
  • the final output is The amplification factor of the emitted laser light can be increased.
  • the laser medium unit includes a pair of flanges arranged opposite to each other, and three or more columns that connect the flanges and adjust a distance between the flanges.
  • the alignment direction of the first laser medium and the second laser medium coincides with the longitudinal direction of the support column, and the pressure applied to the sealing material can be adjusted by adjusting the distance between the flanges. It is characterized by being.
  • the main surface position of the flange is uniquely determined by the strut position.
  • a sealing material for maintaining a hermetically sealed state is interposed between the first laser medium and the second laser medium.
  • the sealed state is sufficiently maintained. Since the length between the flanges can be adjusted, the pressure applied to the sealing material between the laser media can be set to a desired value, and the sealed state can be sufficiently maintained.
  • the fourth laser light amplifying apparatus includes a laser medium unit, an excitation light source that makes excitation light enter the laser medium unit, and a cooling medium flow path disposed around the laser medium unit, and the laser
  • the laser medium unit includes a plate-like first laser medium, a plate-like second laser medium, and the first A sealing material disposed between the laser medium and the second laser medium, wherein the first laser medium and the second laser medium are aligned along the thickness direction of the first laser medium and the second laser medium.
  • the space between the first laser medium and the second laser medium is a sealed space and is filled with heavy water or a fluorine-based inert liquid. When the above space is filled with heavy water or a fluorine-based inert liquid, there is an advantage that energy loss due to Fresnel reflection and generation of wavefront distortion can be suppressed as compared with the case where a solid is located. .
  • the laser beam can be amplified with high quality.
  • FIG. 1 is a front view of the laser medium unit.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser medium unit taken along the line AA.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the laser medium unit taken along the line BB.
  • FIG. 4 is a front view of the laser beam amplifier.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC of the laser beam amplifier.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the laser medium unit taken along the line AA when an auxiliary element is provided in the vicinity of the sealing material (O-ring).
  • O-ring sealing material
  • FIG. 1 is a front view of the laser medium unit.
  • an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is also shown.
  • the traveling direction of the laser light that is the seed light to be amplified is the Y-axis direction, and the two directions perpendicular to the Y-axis are the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • the laser light amplifying device includes a laser medium unit 10 on which seed light is incident.
  • the laser medium unit 10 is a columnar unit including a plurality of flat plate laser media. These laser medium plates are stacked and aligned along the traveling direction of the seed light (the positive direction of the Y axis). From the outside of the laser medium unit 10, the excitation light EX is irradiated into the laser medium. The plurality of excitation lights EX are irradiated from the plurality of light sources toward the central portion of each laser medium.
  • the excitation light EX When the excitation light EX is irradiated, the excitation light is incident from the outer peripheral surface of the laser medium, the laser medium is excited, and when the excited laser medium is irradiated with the seed light, the laser light is amplified.
  • the wavelength ⁇ 1 of seed light and spontaneous emission light from the laser medium is 1030 nm
  • the wavelength ⁇ 2 of excitation light is 940 nm ( ⁇ 1> ⁇ 2).
  • the additive concentration of Yb in the laser medium can be suitably set to 0.15% by mass to 0.25% by mass.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the laser medium unit shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB of the laser medium unit.
  • the laser medium unit 10 includes a pair of metal flanges 11 arranged to face each other, and a plurality of support columns 12 that connect the flanges 11 and adjust the distance between the flanges 11. Although four support columns 12 are shown in FIG. 1, if the number of support columns 12 is three or more, the position of the main surface (XZ plane) of the flange 11 can be easily fixed. That is, since the plane is determined by three points, the main surface position of the flange 11 is uniquely determined by the position of the column by interposing three or more columns between the flanges 11.
  • Threaded parts are provided at both ends of the support column 12.
  • the flange 11 constitutes an annular shape having an opening OP.
  • One flange 11 is provided with an opening (through hole) through which the threaded portion of the support 12 passes, and the other flange 11 facing the flange 11 has an opening.
  • a screw hole for fixing the screw portion of the column 12 is provided, and the screw portion of the column 12 is screwed into the screw hole of the flange 11.
  • a plurality of laser medium plates are stacked between the pair of flanges 11. That is, a plurality of disk-shaped and flat laser media 14 are arranged along the Y-axis direction.
  • a sealing material 15 is interposed between adjacent laser media 14.
  • a window material 16 made of quartz glass or the like is disposed instead of the laser medium 14 at both end positions in the Y-axis direction, and a seal material 15 is interposed between the laser medium 14 and the window material 16.
  • the shape of the sealing material 15 is an annular shape, and the material is not particularly limited as long as the sealed state of the space between the laser media 14 can be maintained, but a silicone O-ring or the like is adopted. be able to.
  • sealing material 15 resin, rubber, glass, ceramics, or a metal such as Cu or Al can be used.
  • the laser medium 14 and the sealing material 15 are alternately stacked, and pressure is applied in the Y-axis direction.
  • the sealing material 15 may be pressure-bonded on the surface of the laser medium 14. You may adhere with solder or an adhesive.
  • the material of the laser medium 14 is a ceramic laser medium. Although it is possible to use glass with low thermal conductivity as the laser medium, in order to output laser light with high pulse energy at a high repetition frequency, the thermal conductivity of the laser medium is high from the viewpoint of cooling performance. Is preferred.
  • a ceramic laser medium has a property equivalent to that of a single crystal and is known to have a higher thermal conductivity than glass or the like, and can output laser light with high pulse energy at a high repetition frequency.
  • the ceramic laser medium can use, for example, a rare earth metal as a dopant, particularly YAG containing at least one dopant selected from Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr: Nd and Tm.
  • a rare earth metal as a dopant
  • YAG containing at least one dopant selected from Nd, Yb, Er, Ce, Cr, Cr: Nd and Tm.
  • yttria (Y 2 O 3 ) containing the rare earth metal can be used as a dopant.
  • YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), Lu 2 O 3 , Sc 2 O 3, or the like can also be used.
  • the upper limit of the thickness of the laser medium obtained by the present manufacturing method is about 10 mm
  • such a transparent ceramic crystal can use a ceramic laser medium of 10 mm or more.
  • the ceramic laser medium has a thickness of 1 mm or more and 20 mm or less
  • the structure of the present invention exhibits particularly excellent effects in rigidity, cooling performance, and laser light quality.
  • the gain of the laser beam finally output can be made high.
  • the laser medium 14 is irradiated with excitation light EX from a plurality of directions along a radial direction perpendicular to the Y axis of the laser medium unit 10. Each laser medium 14 is excited by the excitation light EX.
  • the laser light LB as seed light is incident on the laser medium group perpendicularly to the main surface (XZ plane) of the laser medium along one of the window members 16 along the Y axis. The light is transmitted, amplified, and output from the other window member 16.
  • the alignment direction of these laser mediums 14 is the same as the longitudinal direction (Y-axis) of the column 12.
  • the pressure applied to the sealing material 15 can be adjusted.
  • Between the first laser medium and the second laser medium there is a sealing material 15 for maintaining a hermetically sealed state.
  • the pressure applied to the sealing material 15 by these laser media is appropriate
  • the sealed state is sufficiently maintained. Since the length between the flanges 11 can be adjusted, the pressure applied to the sealing material 15 between the laser media can be set to a desired value, and the sealed state in the space between the laser media is sufficiently maintained. be able to.
  • the sealing material 15 is arranged between the first laser medium and the second laser medium, and the first laser medium and the second laser medium are arranged in alignment along these thickness directions.
  • the space between the first laser medium and the second laser medium is a sealed space and is in a reduced pressure environment (less than 1 atm, including a vacuum) or gas (inert gas (air, N 2 , CO 2 ), rare gas (Ar, He), heavy water, fluorine-based inert liquid, or the like).
  • a reduced pressure environment less than 1 atm, including a vacuum
  • gas inert gas (air, N 2 , CO 2 ), rare gas (Ar, He), heavy water, fluorine-based inert liquid, or the like).
  • Fluorinert TM fluorine inert liquid
  • water refractive index matching liquid Oils
  • the excitation light EX is incident on the laser medium 14 to excite the laser medium 14.
  • the amplified laser light LB is converted into the laser medium 14. And is output from the window material 16. Since there are a plurality of laser media 14, the multiplication factor is also increased.
  • the cooling medium flow path F1 is provided around the laser medium unit 10 and cools the laser medium unit from the outside.
  • the space between the first laser medium and the second laser medium is a sealed space, which is in a reduced pressure environment such as a vacuum, or is filled with gas. Therefore, since the laser beam LB passing through the space is not interfered by the cooling medium flowing on the main surface of the laser medium 14 as in the prior art, fluctuations of the amplified laser beam LB are suppressed, and the laser beam is stabilized. Quality, such as stability and focusing characteristics, is improved
  • the flange 11 is provided with a hole 11b that passes through the flange 11 in the Y-axis direction.
  • a tube (not shown) communicates with the outside of the hole 11b, and a cooling medium that contacts the outer surface of the laser medium unit 10 is supplied and discharged from the hole 11b.
  • the cooling medium introduced from the hole 11b of one flange 11 flows along the Y-axis direction as indicated by the dotted arrow F1 shown in FIG. 3 while contacting the peripheral surface around the Y-axis of the laser medium 14. It is discharged from the hole 11b of the other flange 11.
  • the cooling medium flow path F1 is formed between the laser medium unit 10 and the cylindrical body surrounding it.
  • a cylinder may be provided outside the excitation light source when viewed from the laser medium unit 10 (cylinder 24 in FIG. 5), and in addition, provided between the laser medium unit 10 and the excitation light source. It is good (the transparent cylinder 30 of FIG. 5).
  • the transparent cylinder 30 transmits the excitation light.
  • Transparent material for example, quartz glass.
  • FIG. 4 is a front view of the laser light amplifying device
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC of the laser light amplifying device.
  • the laser beam amplifying apparatus includes the laser medium unit 10 described above, a plurality of excitation light sources 21 that allow excitation light to enter the laser medium unit 10, and a cooling medium flow path F1 disposed around the laser medium unit 10 (FIG. 5). Reference).
  • the laser light amplification device amplifies and outputs the laser light LB input into the laser medium unit 10 from a seed light source such as a semiconductor laser element.
  • the transparent cylinder 30 described above is disposed around the laser medium unit 10 as necessary to form a cooling medium flow path.
  • the excitation light is output from the excitation light source 21. Although the number of the excitation light sources 21 is 12 in the drawing, the number may be 12 or more or 12 or less.
  • the excitation light source 21 is fixed to a metal support member 22 in a pair of substantially annular shapes provided outside the laser medium unit 10. Note that the electrode portion of the excitation light source 21 and the support member 22 are insulated.
  • the support member 22 has a flange-like lip portion, and an annular insulator 23 is fixed on the lip portion.
  • a plurality of terminals 25 are fixed on the insulator 23, and power is supplied from the terminals 25 to the excitation light source 21 via the wiring W.
  • the plurality of excitation light sources 21 may be connected in series or may be connected in parallel.
  • the support member 22 has a hole 22b penetrating therethrough in the Y-axis direction.
  • a tube (not shown) communicates with the hole 22b of one support member 22, the cooling medium is introduced into the second cooling medium flow path F2, and a tube (not shown) communicates with the hole 22b of the other support member 22. Then, the cooling medium is discharged.
  • a reflector (reflector) RF may be provided between the excitation light source 21 and the housing 24 so that the excitation light from the excitation light source 21 is efficiently transmitted to the laser medium unit.
  • the inner cylindrical surface of the support member 22 having a circular opening is fixed to the outer peripheral surface of the flange 11 of the laser medium unit 10.
  • the pair of support members 22 are connected by a cylindrical body 24, and a second cooling medium flow path F ⁇ b> 2 is formed between the inner surface of the cylindrical body 24 and the excitation light source 21.
  • the bottom surface of the support member 22 having a circular opening is fixed on the support base 26.
  • the structure of the sealing material 15 shown in FIG. 2 is not limited to the above-mentioned thing.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA of the laser medium unit when an auxiliary element is provided in the vicinity of the sealing material (O-ring).
  • Auxiliary elements 15 a are arranged at both ends in the radial direction of the sealing material 15 to assist sealing with the sealing material 15.
  • a spacer having higher rigidity than a silicone O-ring can be used in addition to an adhesive material such as a resin.
  • two annular spacers arranged concentrically around the Y axis can be adopted, and an O-ring as the sealing material 15 can be arranged between the annular spacers.
  • a glass material or a ceramic can be used in addition to a metal such as Cu or Al.
  • the above laser medium unit was prototyped.
  • each laser medium made of Nd: YAG has a diameter of 100 mm, a thickness of 10 mm, and a number of 10 sheets, and the sealed space between the laser media is filled with heavy water.
  • Laser light having a wavelength of 1064 nm was used as seed light, and 12 flash lamps were used as excitation light sources.
  • the ceramic laser medium is laminated so that it functions like a large laser rod and has a sealed integral structure, so that the refrigerant does not cross the propagation path of the laser light, so the laser light from the refrigerant is used. It is possible to suppress the deterioration of characteristics.
  • the diameter of the column 12 is 2 mm. Further, the overall dimension is about 30 cm, and a laser output of 50 joules or more can be obtained despite its very small size.
  • an antireflection film for seed light may be provided on the light incident surface of the main surface (XZ surface) of the window material described above. As a result, the seed light can easily enter the front window material and can be easily emitted from the rear window material. These main surfaces may be subjected to an antireflection treatment other than the antireflection film. Similarly, an antireflection film for seed light may be provided on the light incident surface of the laser medium. These main surfaces may be subjected to an antireflection treatment other than the antireflection film. The antireflection film or the antireflection treatment may be provided not only on the light incident surface of each light transmitting element but also on the light emitting surface.
  • a dielectric multilayer film can be used as the antireflection film.
  • a dielectric multilayer film a laminate of titanium oxide and silicon oxide is known.
  • a refractive index matching liquid having a refractive index equivalent to that of the laser medium can also be used.
  • the rare gas is enclosed in the sealed space between the laser media, deterioration of the laser medium due to the rare gas is suppressed.
  • the above laser medium may be surrounded by a clad material.
  • cladding materials that absorb spontaneously emitted light include samarium-added materials, chromium-added materials, and copper-added materials. Specifically, samarium-added YAG, samarium-added glass, chromium-added YAG, chromium-added glass, copper-added YAG, copper-added glass, and the like.
  • they are bonded or bonded. In the case of bonding, an adhesive is interposed between them.
  • an adhesive such as a resin refractive index matching adhesive or a glass refractive index matching adhesive can be used.
  • bonding such as thermal diffusion bonding, optical contact, ion sputtering bonding, etc. can be used.
  • the outer surface of the laser medium component and the cladding material are made of ceramics, ceramic sintering bonding is used. Can be used to fix them.
  • the material of the antireflection film and the bonding method for the excitation light (808 nm) are the same as those for the seed light or spontaneous emission light.
  • the laser medium may be tilted from a plane perpendicular to the Y axis so that adjacent main surfaces that are adjacent to each other are not parallel to each other. Thereby, parasitic oscillation caused by unnecessary reflection by the main surface can be reduced.
  • each laser medium need not be a parallel plate as long as it is plate-shaped, and the surface may be slightly inclined.
  • a liquid or gas can be used as the above-mentioned cooling medium.
  • the liquid water can be used, and as the gas, helium gas or the like can be used.
  • the liquid is not limited thereto as long as it has cooling performance.

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Abstract

　レーザ光増幅装置におけるレーザ媒質ユニット１０は、複数のレーザ媒質１４を備えている。レーザ媒質ユニット１０の周囲には、冷却媒体流路Ｆ１が設けられ、外側からレーザ媒質ユニット１０を冷却する。レーザ媒質１４間の密閉空間内には、気体又は液体が充填されており、かかる密閉空間内を通過するレーザ光は、外側を流れる冷却媒体によって干渉されないため、増幅されたレーザ光の揺らぎ等が抑制され、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が向上する。

Description

レーザ光増幅装置
　本発明は、大出力のレーザ光増幅装置に関する。
　近年、大型レーザを用いた新しい産業開発に向け、基礎科学や材料開発、医療応用などの研究開発が盛んに行われている。大出力のレーザ光を得るためには、入力した種光を増幅するレーザ光増幅装置が必要となる。レーザ光増幅装置は、レーザ媒質ユニットと、レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源とを備えており、レーザ媒質ユニット内のレーザ媒質の主表面に接触するように冷却媒体を流すことで、これを冷却している（特許文献１参照）。
特開２００９－４９４３９号公報
　しかしながら、レーザ媒質は冷却の必要があるものの、主表面上を流れる冷却媒体内を増幅されたレーザ光が透過するため、冷却媒体の流速等に起因して、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が劣化する。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レーザ光を高品質に増幅可能なレーザ光増幅装置を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、第１のレーザ光増幅装置は、レーザ媒質ユニットと、前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路と、を備え、前記レーザ媒質ユニット内に入力されたレーザ光を増幅して出力するレーザ光増幅装置において、前記レーザ媒質ユニットは、板状の第１のレーザ媒質と、板状の第２のレーザ媒質と、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間に配置されたシール材と、を備え、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、減圧環境下にある又は気体が充填されていることを特徴とする。
　この装置によれば、レーザ媒質に励起光を入射させることで、レーザ媒質が励起し、これに種光としてのレーザ光を入射させると、増幅されたレーザ光がレーザ媒質から出力される。また、複数のレーザ媒質がある場合、増倍率も高くなる。
　ここで、冷却媒体流路は、レーザ媒質ユニットの周囲に設けられており、外側からレーザ媒質ユニットを冷却する。そして、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、真空等の減圧環境下にある、又は、気体が充填されている。したがって、かかる空間内を通過するレーザ光が、レーザ媒質の主表面を流れる冷却媒体によって干渉されないため、増幅されたレーザ光の揺らぎ等が抑制され、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が向上する。
　また、上記空間内に気体が充填されている場合には、固体が位置している場合よりも、フレネル反射によるエネルギー損失の軽減や波面歪みの発生を抑制できるという利点がある。
　第２のレーザ光増幅装置においては、前記第１のレーザ媒質及び前記第２のレーザ媒質の材料は、それぞれセラミックレーザ媒質であることを特徴とする。
　レーザ媒質としては、熱伝導率の低いガラスを用いることも可能であるが、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力するには、冷却性能の観点から、レーザ媒質の熱伝導率が高い方が好ましい。セラミックレーザ媒質は、ガラスなどよりも熱伝導率が高いことで知られており、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力することができる。
　セラミックレーザ媒質は、例えば、ドーパントとして希土類金属、特に、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｒ：Ｎｄ及びＴｍから選択される少なくとも１以上のドーパントを含有するＹＡＧを用いることができる。また、セラミックレーザ媒質としては、ドーパンドとして、上記希土類金属を含むイットリア（Ｙ２Ｏ３）を用いることができる。また、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｌｕ２Ｏ３やＳｃ２Ｏ３なども用いることもできる。
　なお、このような透明セラミック結晶は、現在の製法によって得られるレーザ媒質の厚みの上限値は１０ｍｍ程度であるが、本装置によれば、複数のレーザ媒質を用いているため、最終的に出力されるレーザ光の増幅率は高くすることができる。
　第３のレーザ光増幅装置においては、前記レーザ媒質ユニットは、対向配置された一対のフランジと、前記フランジ間を接続し、前記フランジ間の距離を調整可能な３本以上の支柱と、を備え、前記第１のレーザ媒質及び前記第２のレーザ媒質の整列方向は、前記支柱の長手方向に一致しており、前記フランジ間の距離を調整することで、前記シール材にかかる圧力が調整可能であることを特徴とする。
　フランジ間には３本以上の支柱が介在しているので、フランジの主表面位置は、支柱位置によって、一意的に決定される。第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間には、密閉状態を保持するためのシール材が介在しているが、これらの媒質によるシール材への圧力が適当である場合には、密閉状態は十分に保持される。フランジ間の長さは調整することができるため、レーザ媒質間のシール材に印加される圧力を所望の値に設定することができ、密閉状態を十分に保持することができる。
　第４のレーザ光増幅装置は、レーザ媒質ユニットと、前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路と、を備え、前記レーザ媒質ユニット内に入力されたレーザ光を増幅して出力するレーザ光増幅装置において、前記レーザ媒質ユニットは、板状の第１のレーザ媒質と、板状の第２のレーザ媒質と、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間に配置されたシール材と、を備え、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、重水又はフッ素系不活性液体が充填されていることを特徴とする。上記空間内に重水又はフッ素系不活性液体等が充填されている場合には、固体が位置している場合よりも、フレネル反射によるエネルギー損失の軽減や波面歪みの発生を抑制できるという利点がある。
　本発明のレーザ光増幅装置によれば、レーザ光を高品質に増幅することができる。
図１は、レーザ媒質ユニットの正面図である。 図２は、レーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。 図３は、レーザ媒質ユニットのＢ－Ｂ矢印断面図である。 図４は、レーザ光増幅装置の正面図である。 図５は、レーザ光増幅装置のＣ－Ｃ矢印断面図である。 図６は、シール材（Ｏリング）の近傍に補助要素を設けた場合のレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。
　以下、実施の形態に係るレーザ光増幅装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、レーザ媒質ユニットの正面図である。なお、同図では、ＸＹＺ三次元直交座標系も示している。増幅される種光となるレーザ光の進行方向はＹ軸方向であり、Ｙ軸に垂直な２方向をＸ軸方向及びＺ軸方向とする。
　実施形態に係るレーザ光増幅装置は、種光が入射するレーザ媒質ユニット１０を備えている。レーザ媒質ユニット１０は、複数枚の平板状のレーザ媒質を含む柱状のユニットである。これらのレーザ媒質プレートは、種光の進行方向（Ｙ軸の正方向）に沿って積層され、整列している。レーザ媒質ユニット１０の外側からは、レーザ媒質内に励起光ＥＸが照射される。複数の励起光ＥＸは、複数の光源から、各レーザ媒質の中央部に向かって照射される。励起光ＥＸの照射により、レーザ媒質の外周面から内部に励起光が入射し、レーザ媒質は励起され、励起された状態のレーザ媒質に種光が照射されると、レーザ光が増幅される。例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）添加ＹＡＧからなるレーザ媒質を用いた場合、種光およびレーザ媒質からの自然放出光の波長λ１は１０３０ｎｍ、励起光の波長λ２は９４０ｎｍである（λ１＞λ２）。レーザ媒質内のＹｂの添加濃度は、好適には、０．１５質量％～０．２５質量％に設定することができる。
　図２は、図１に示したレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図、図３は、レーザ媒質ユニットのＢ－Ｂ矢印断面図である。
　レーザ媒質ユニット１０は、対向配置された一対の金属製のフランジ１１と、フランジ１１間を接続し、フランジ１１間の距離を調整可能な複数の支柱１２とを備えている。図１では４本の支柱１２を示しているが、支柱１２の数は３本以上であれば、フランジ１１の主表面（ＸＺ面）の位置を容易に固定することができる。すなわち、平面は３点により決定されるため、フランジ１１間には３本以上の支柱が介在することで、フランジ１１の主表面位置は、支柱位置によって一意的に決定される。
　支柱１２の両端にはネジ部が設けられている。フランジ１１は、開口ＯＰを有する円環を構成しており、一方のフランジ１１には、支柱１２のネジ部が貫通する開口（貫通孔）が設けられており、対向する他方のフランジ１１には支柱１２のネジ部を固定するためのネジ穴が設けられており、支柱１２のネジ部がフランジ１１のネジ穴に螺合している。一方のフランジ１１を貫通した支柱１２のネジ部に螺合したナット１３を具備し、ナット１３を回転させると、ナット１３が一方のフランジ１１をＹ軸方向に押して、一対のフランジ１１間の距離が短くなる。
　一対のフランジ１１間には、複数のレーザ媒質プレートが積層配置されている。すなわち、円板状で平板状のレーザ媒質１４は、Ｙ軸方向に沿って複数枚配置されている。隣接するレーザ媒質１４間にはシール材１５が介在している。Ｙ軸方向の両端位置には、レーザ媒質１４の代わりに石英ガラス等からなる窓材１６が配置されており、レーザ媒質１４と窓材１６との間にもシール材１５が介在している。シール材１５の形状は円環であり、その材料は、レーザ媒質１４間の空間の密閉状態が保持できるものであれば、特に限定されるものではないが、シリコーン製のＯリングなどを採用することができる。シール材１５として、樹脂、ゴム、ガラス、セラミックス、又は、ＣｕやＡｌなどの金属なども用いることができ、レーザ媒質１４とシール材１５とを交互に積み重ねて、Ｙ軸方向に圧力をかけて、レーザ媒質１４の表面上にシール材１５を圧着してもよい。半田や接着剤で接着しても良い。
　レーザ媒質１４の材料は、全てセラミックレーザ媒質である。レーザ媒質としては、熱伝導率の低いガラスを用いることも可能であるが、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力するには、冷却性能の観点から、レーザ媒質の熱伝導率が高い方が好ましい。セラミックレーザ媒質は、単結晶と同等の性質を有し、ガラスなどよりも熱伝導率が高いことで知られており、高いパルスエネルギーのレーザ光を高い繰り返し周波数で出力することができる。
　セラミックレーザ媒質は、例えば、ドーパントとして希土類金属、特に、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｒ：Ｎｄ及びＴｍから選択される少なくとも１以上のドーパントを含有するＹＡＧを用いることができる。また、セラミックレーザ媒質としては、ドーパンドとして、上記希土類金属を含むイットリア（Ｙ２Ｏ３）を用いることができる。また、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｌｕ２Ｏ３やＳｃ２Ｏ３なども用いることもできる。
　なお、このような透明セラミック結晶は、現在の製法によって得られるレーザ媒質の厚みの上限値は１０ｍｍ程度であるが、１０ｍｍ以上のセラミックレーザ媒質を用いることも可能である。また、セラミックレーザ媒質が、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚みの場合には、本発明の構造は剛性と冷却性能及びレーザ光の品質に特に優れた効果を発揮する。そして、本装置によれば、複数のレーザ媒質を用いているため、最終的に出力されるレーザ光の増幅率は高くすることができる。
　図１～図３に示すように、レーザ媒質ユニット１０のＹ軸に垂直な径方向に沿って、複数の方向から励起光ＥＸがレーザ媒質１４に照射される。励起光ＥＸにより、各レーザ媒質１４は励起されている。種光としてのレーザ光ＬＢは、Ｙ軸に沿って、一方の窓材１６を介して、レーザ媒質の主表面（ＸＺ面）に垂直にレーザ媒質群内に入射し、これらのレーザ媒質１４を透過し、増幅されて、他方の窓材１６から出力される。
　なお、隣接するレーザ媒質１４を、平板状の第１のレーザ媒質及び平板状の第２のレーザ媒質とすると、これらのレーザ媒質１４の整列方向は、支柱１２の長手方向（Ｙ軸）に一致しており、フランジ１１間の距離を調整することで、シール材１５にかかる圧力が調整可能である。第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間には、密閉状態を保持するためのシール材１５が介在しているが、これらのレーザ媒質によるシール材１５への圧力が適当である場合には、密閉状態は十分に保持される。フランジ１１間の長さは調整することができるため、レーザ媒質間のシール材１５に印加される圧力を所望の値に設定することができ、レーザ媒質間の空間における密閉状態を十分に保持することができる。
　すなわち、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間にはシール材１５が配置され、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、減圧環境下（１気圧未満、真空を含む）にある又は気体（不活性ガス（空気、Ｎ２、ＣＯ２）、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ）、重水又はフッ素系不活性液体等）が充填されている。なお、上記空間内に気体が充填されている場合には、当該空間内に固体が位置している場合よりも、フレネル反射によるエネルギー損失の軽減や波面歪みの発生を抑制できるという利点がある。なお、上記空間内に重水又はフッ素系不活性液体等が充填されている場合には、当該空間内に固体が位置している場合よりも、フレネル反射によるエネルギー損失の軽減や波面歪みの発生を抑制できるという利点がある。フッ素系不活性液体としては、スリーエムジャパン社製のフロリナートＴＭ（フッ素系不活性液体）などを用いることができるが、充填する液体としては、フッ素系不活性液体の他、水、屈折率整合液、オイルなども用いることができる。
　この装置によれば、レーザ媒質１４に励起光ＥＸを入射させることで、レーザ媒質１４が励起し、これに種光としてのレーザ光ＬＢを入射させると、増幅されたレーザ光ＬＢがレーザ媒質１４を通って、窓材１６から出力される。複数のレーザ媒質１４があるので、増倍率も高くなる。
　ここで、冷却媒体流路Ｆ１は、レーザ媒質ユニット１０の周囲に設けられており、外側からレーザ媒質ユニットを冷却する。そして、第１のレーザ媒質と第２のレーザ媒質と間の空間は、密閉空間であり、真空等の減圧環境下にある、又は、気体が充填されている。したがって、かかる空間内を通過するレーザ光ＬＢが、従来のように、レーザ媒質１４の主表面を流れる冷却媒体によって干渉されないため、増幅されたレーザ光ＬＢの揺らぎ等が抑制され、レーザ光の安定性や集束特性などの品質が向上する。
　また、図１及び図３に示すように、フランジ１１には、これをＹ軸方向に貫通する孔１１ｂが設けられている。孔１１ｂの外側には図示しないチューブが連通しており、孔１１ｂからは、レーザ媒質ユニット１０の外表面上に接触する冷却媒体が供給され、また、排出される。一方のフランジ１１の孔１１ｂから導入された冷却媒体は、レーザ媒質１４のＹ軸回りの周囲の面に接触しながら、図３に示す点線矢印Ｆ１のように、Ｙ軸方向に沿って流れ、他方のフランジ１１の孔１１ｂから排出される。
　なお、冷却媒体流路Ｆ１は、レーザ媒質ユニット１０と、これを囲む筒体との間に形成される。このような筒体は、レーザ媒質ユニット１０からみて励起光源の外側に設けることとしてもよく（図５の筒体２４）、更に加えて、レーザ媒質ユニット１０と励起光源との間に設けることとしてもよい（図５の透明筒体３０）。冷却媒体流路Ｆ１を画成するための筒体を、レーザ媒質ユニット１０と励起光源との間に配置する場合には（図５の透明筒体３０）、透明筒体３０は励起光を透過する透明材料、例えば、石英ガラスからなる。
　図４はレーザ光増幅装置の正面図、図５はレーザ光増幅装置のＣ－Ｃ矢印断面図である。
　レーザ光増幅装置は、前述のレーザ媒質ユニット１０と、レーザ媒質ユニット１０内に励起光を入射させる複数の励起光源２１と、レーザ媒質ユニット１０の周囲に配置された冷却媒体流路Ｆ１（図５参照）とを備えている。
　レーザ光増幅装置は、半導体レーザ素子などの種光源からレーザ媒質ユニット１０内に入力されたレーザ光ＬＢを増幅して出力する。レーザ媒質ユニット１０の周囲には、必要に応じて、上述の透明筒体３０が配置され、冷却媒体流路を構成する。励起光源２１からは上述の励起光が出力される。励起光源２１の数は、図中では１２個を示すが、その数は１２個以上であっても、１２個以下であってもよい。
　励起光源２１は、レーザ媒質ユニット１０の外側に設けられた一対の概略円環状で金属製の支持部材２２に固定されている。なお、励起光源２１の電極部と支持部材２２とは絶縁されている。支持部材２２は、フランジ状のリップ部を有しており、リップ部上には円環状の絶縁体２３が固定されている。絶縁体２３上には、複数の端子２５が固定されており、端子２５から配線Ｗを介して、励起光源２１に電力が供給される。複数の励起光源２１は、直列接続されていてもよいし、並列接続されていてもよい。支持部材２２は、Ｙ軸方向にこれを貫通する孔２２ｂを有している。一方の支持部材２２の孔２２ｂには、図示しないチューブが連通して、第２の冷却媒体流路Ｆ２内に冷却媒体が導入され、他方の支持部材２２の孔２２ｂにも図示しないチューブが連通して、冷却媒体が排出される。励起光源２１と筺体２４の間には、励起光源２１からの励起光が効率良くレーザ媒質ユニットに伝達されるように、反射材（リフレクタ）ＲＦがあっても良い。
　円形の開口を有する支持部材２２の内側の円筒面は、レーザ媒質ユニット１０のフランジ１１の外周面に固定されている。一対の支持部材２２は、筒体２４によって接続されており、筒体２４の内面と、励起光源２１との間に、第２の冷却媒体流路Ｆ２が形成されている。なお、円形の開口を有する支持部材２２の底面は、支持台２６上に固定されている。
　なお、図２に示したシール材１５の構造は、上述のものに限定されない。
　図６は、シール材（Ｏリング）の近傍に補助要素を設けた場合のレーザ媒質ユニットのＡ－Ａ矢印断面図である。シール材１５の径方向に両端には、補助要素１５ａが配置されており、シール材１５によるシールを補助している。補助要素１５ａとしては、樹脂などの接着材料の他、シリコーン製のＯリングよりも剛性が高いスペーサを用いることができる。このようなスペーサは、Ｙ軸の周囲に同心円状に配置された２つの円環状スペーサを採用することができ、円環状スペーサの間に、シール材１５としてのＯリングを配置することができる。スペーサ材料としては、ＣｕやＡｌなどの金属の他、ガラス材、セラミックを用いることも可能である。
　上述のレーザ媒質ユニットを試作した。
　この装置においては、Ｎｄ；ＹＡＧからなる各レーザ媒質の直径が１００ｍｍ、厚みが１０ｍｍ、枚数が１０枚であり、レーザ媒質間の密閉空間内には、重水が充填されている。種光として波長１０６４ｎｍのレーザ光を用い、励起光源としては、１２本のフラッシュランプを用いた。この場合の場合、セラミックレーザ媒質が積層されることで、大型のレーザロッドのように機能し、密閉された一体構造であるため、レーザ光の伝搬路を冷媒が横切らないため、冷媒によるレーザ光の特性劣化を抑制することができる。支柱１２の直径は２ｍｍである。また、全体の寸法も、３０ｃｍ程度となり、非常に小型であるにも拘らず、５０ジュール以上のレーザ出力を得ることができる。
　なお、上述の窓材の主表面（ＸＺ面）の光入射面には、種光に対する反射防止膜が設けられていてもよい。これにより、種光が前段の窓材に容易に入射し、後段の窓材から容易に出射することができる。これらの主面には反射防止膜以外の反射防止処理を行ってもよい。同様に、レーザ媒質の光入射面にも、種光に対する反射防止膜が設けられていてもよい。これらの主面には反射防止膜以外の反射防止処理を行ってもよい。反射防止膜或いは反射防止処理は、各光透過要素の光入射面のみならず、光出射面に設けることとしてもよい。反射防止膜としては、例えば、誘電体多層膜を用いることができる。誘電体多層膜としては、酸化チタンと酸化シリコンの積層物が知られている。レーザ媒質と屈折率が同等の屈折率整合液も用いることができる。なお、レーザ媒質間の密閉空間内に希ガスが封入されている場合には、希ガスによるレーザ媒質の劣化が抑制される。
　また、自然放出光よる寄生発振を抑制するため、上述のレーザ媒質の周囲をクラッド材料で囲んでもよい。自然放出光（１０６４ｎｍ）を吸収するクラッド材料としては、サマリウム添加材料、クロム添加材料、銅添加材料などがある。具体的には、サマリウム添加ＹＡＧ、サマリウム添加ガラス、クロム添加ＹＡＧ、クロム添加ガラス、銅添加ＹＡＧ、銅添加ガラスなどである。これらのクラッド材料をレーザ媒質に固定するためには、接着又は接合する。接着の場合には、これらの間に接着剤が介在している。接着剤を用いる場合、樹脂製屈折率整合接着剤、ガラス製屈折率整合接着剤などの接着剤を用いることができる。接着剤を用いない場合には、熱拡散接合、オプティカルコンタクト、イオンスパッタリング接合などの接合を用いることができ、レーザ媒質部品の外表面及びクラッド材料がセラミックスからなる場合には、セラミックス焼結接合を用いて、これらを固定することができる。なお、励起光（８０８ｎｍ）に対する反射防止膜の材料や接着方法も、種光又は自然放出光に対するものと同様である。
　また、レーザ媒質は、隣接して対向する主表面同士が平行にならないように、主表面がＹ軸に対して垂直な面から傾斜していてもよい。これにより、主表面による不要な反射に起因した寄生発振を低減させることができる。すなわち、各レーザ媒質は、板状であれば、平行平板である必要はなく、表面が多少傾斜してもよい。また、上述の冷却媒体としては、液体又は気体を用いることができる。液体としては、水を用いることができ、気体としては、ヘリウムガスなどを用いることができるが、冷却性能があるものであれば、これらに限定されるものではない。
　１４…レーザ媒質、１２…支柱、１５…シール材、１１…フランジ。

Claims (4)

  1. 　レーザ媒質ユニットと、
    　前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、
    　前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路と、
    を備え、
    　前記レーザ媒質ユニット内に入力されたレーザ光を増幅して出力するレーザ光増幅装置において、
    　前記レーザ媒質ユニットは、
    　板状の第１のレーザ媒質と、
    　板状の第２のレーザ媒質と、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間に配置されたシール材と、
    を備え、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、減圧環境下にある、又は、気体が充填されている、
    ことを特徴とするレーザ光増幅装置。
  2. 　前記第１のレーザ媒質及び前記第２のレーザ媒質の材料は、それぞれ、セラミックレーザ媒質であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光増幅装置。
  3. 　前記レーザ媒質ユニットは、対向配置された一対のフランジと、
    　前記フランジ間を接続し、前記フランジ間の距離を調整可能な３本以上の支柱と、
    を備え、
    　前記第１のレーザ媒質及び前記第２のレーザ媒質の整列方向は、前記支柱の長手方向に一致しており、
    　前記フランジ間の距離を調整することで、前記シール材にかかる圧力が調整可能である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光増幅装置。
  4. 　レーザ媒質ユニットと、
    　前記レーザ媒質ユニット内に励起光を入射させる励起光源と、
    　前記レーザ媒質ユニットの周囲に配置された冷却媒体流路と、
    を備え、
    　前記レーザ媒質ユニット内に入力されたレーザ光を増幅して出力するレーザ光増幅装置において、
    　前記レーザ媒質ユニットは、
    　板状の第１のレーザ媒質と、
    　板状の第２のレーザ媒質と、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間に配置されたシール材と、
    を備え、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質とは、これらの厚み方向に沿って整列して配置されており、
    　前記第１のレーザ媒質と前記第２のレーザ媒質との間の空間は、密閉空間であり、重水又はフッ素系不活性液体が充填されている、
    ことを特徴とするレーザ光増幅装置。
     
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