特開 2018-41834 選択増幅装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-41834(P2018-41834A)

(43)【公開日】2018年3月15日

(54)【発明の名称】選択増幅装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20180216BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/10 D

   H01S3/10 Z

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-174793(P2016-174793)

(22)【出願日】2016年9月7日

(11)【特許番号】特許第6261057号(P6261057)

(45)【特許公報発行日】2018年1月17日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）「マイクロチップレーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504261077

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平等 拓範

(72)【発明者】

【氏名】ヤヒア ヴァンサン

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AE03

5F172AF02

5F172DD03

5F172EE13

5F172EE16

5F172NN13

5F172NQ53

5F172NR13

5F172NR28

(57)【要約】      （修正有）

【課題】マルチモードレーザー光から特定モードのレーザー光を選択して増幅する。
【解決手段】マルチモードレーザー光８Ａと増幅用励起光３４Ａの両者を、両者の光軸が一致する関係で、増幅用利得媒質６２に入力する。増幅用利得媒質６２中において、増幅用励起光の実効的ビーム直径が特定モードのレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係とする。その結果、増幅用励起光３４Ａの照射範囲を進行する特定モード以下のレーザー光が選択的に増幅される。モードクリーニングしたレーザー光４０Ａが出力される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチモードのレーザー光に含まれる特定モードのレーザー光を選択して増幅する装置であり、
前記マルチモードのレーザー光を発生する発振用利得媒質と、
増幅用利得媒質と、
前記増幅用利得媒質に入力すると反転分布状態を生成する増幅用励起光を発生する増幅用励起光発生装置を備えており、
前記レーザー光の光軸と前記増幅用励起光の光軸が一致する関係で、前記レーザー光と前記増幅用励起光が前記増幅用利得媒質に入力し、
前記増幅用利得媒質中において、前記増幅用励起光の実効的ビーム直径が前記特定モードのレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係にあり、
前記特定モード以下のレーザー光を選択的に増幅したレーザー光を出力する選択増幅装置。

【請求項2】

共通利得媒質の一部が発振用利得媒質であり、他の一部が増幅用利得媒質であることを特徴とする請求項１に記載の選択増幅装置。

【請求項3】

前記増幅用利得媒質が一対の端面を備えており、
前記マルチモードのレーザー光が一方の端面から前記増幅用利得媒質に入力し、前記増幅用励起光が他方の端面から前記増幅用利得媒質に入力することを特徴とする請求項１または２に記載の選択増幅装置。

【請求項4】

前記増幅用利得媒質中において、前記増幅用励起光の実効的ビーム直径が基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係にあり、
基本モードのレーザー光を選択的に増幅したレーザー光を出力する請求項１〜３のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【請求項5】

前記増幅用励起光の横断面がリング状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【請求項6】

前記発振用利得媒質と前記増幅用利得媒質が、単結晶または多結晶性セラミックであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、マルチモードのレーザー光に含まれる特定モードのレーザー光を選択して増幅する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

レーザー光発生装置が発生するレーザー光には、低次モードから高次モードに至る複数のモードが含まれている場合が多い。用途によっては、基本モードのみが高強度であり、高次モードは低強度なレーザー光が必要とされることがある。基本モードのみが優越的なレーザー光が得られれば、レーザー光を処理する光学系の設計・設定が容易化される。あるいは、集光径を小さくして単位面積当たりの強度を高めるといったことが可能となる。レーザー微細加工、レーザー計測、あるいは光通信技術などの多くの技術分野で、特定の次数または次数帯のモードのみが優越的なレーザー光が必要とされることがある。

【0003】

基本モードから高次モードに至る複数モードを含むマルチモードのレーザー光から基本モードが優越的なレーザー光を得るために、レーザー光の伝播経路にアイリスを挿入し、基本モード以外のレーザー光をカットする手法が取り得る。図１は、その手法を説明しており、半導体レーザー装置２から放出された励起光４によって励起された発振用利得媒質６から放出されるレーザー光８は、基本モードのレーザー光８ａの他に、２次以上の高次モードのレーザー光８ｂを含んでいる。発振用利得媒質６から放出された基本モードのレーザー光８ａはほとんど拡がらないで進行するのに対し、高次モードのレーザー光８ｂは拡がりながら進行する。アイリス１０には、拡がらないで進行するレーザー光は通過し、拡がりながら進行するレーザー光を遮蔽する開口が形成されている。高次モードのレーザー光８ｂは、拡がりながら進行するために開口を通過しない。開孔を通過したレーザー光８ｃは、基本モードのレーザー光であり、基本モードが優越的なレーザー光となる。本明細書では、基本モードから高次モードに至る複数モードを含むマルチモードのレーザー光から特定のモードが優越的なレーザー光を得ることを、モードクリーニングという。図１に示したように、開孔を有するアイリス１０を利用することによって、基本モードにクリーニングすることができる。ただしこの手法では、開口を通過した後のレーザー光８ｃの周囲に回析光８ｄが付随してしまう。基本モードのみが優越的なレーザー光のみを得ることができないので、本来のモードクリーニングということはできない。なお、参照番号１２，１４，１６で示す図は、光ビームの該当位置における横断面を観測することで得られる明暗パターンを示している。

【0004】

図２の光学系によると、回析光の発生を抑制しながらモードクリーニングすることができる。図２の光学系では、集光レンズ１８とコリメートレンズ２０を追加する。集光レンズ１８とアイリス１０とコリメートレンズ２０の組み合わせによって、フーリエ変換過程（イメージリレー）を経ると、回析光の発生を避けることができる。ただし、この技術では、強いレーザー光を取り扱う場合に、集光点においてエアブレイクダウンが発生する。高強度レーザー光の集光点でエアブレイクダウンが発生しないようにするためには、集光点を真空環境に置く必要があり、窓２２，２６を備えた真空容器２４が必要となる。図２の手法では、レーザー光発生装置を小型化しても、それとは別に大きな真空容器２４を必要とし、レーザー光発生装置を小型化する利点を享受できない。なお、参照番号１２，２８で示す図は、光ビームの該当位置における横断面を観測することで得られる明暗パターンを示しており、参照番号３０は、モードクリーニングされた基本モードのレーザー光を示している。

【0005】

特許文献１に、ファイバテーパあるいはファイバコイルのようなモードフィルタを利用してモードクリーニングする技術が開示されている。特許文献１の技術は、ファイバテーパあるいはファイバコイルといった特殊なファイバを必要とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許公報５８１８６３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本明細書では、アイリスもフーリエ変換用光学系も真空容器も特殊ファイバも利用しないでモードクリ−ニングする技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本明細書に開示する選択増幅装置は、マルチモードのレーザー光に含まれる特定モードのレーザー光を選択して増幅する。この選択増幅装置は、マルチモードレーザー光を発生する発振用利得媒質と、増幅用利得媒質と、増幅用利得媒質に入力すると反転分布状態を生成する増幅用励起光を発生する増幅用励起光発生装置を備えている。増幅用利得媒質には、マルチモードレーザー光と増幅用励起光の双方が入力する。その際に、マルチモードレーザー光の光軸と増幅用励起光の光軸が一致する関係とする。また、増幅用利得媒質中における増幅用励起光の実効的ビーム直径が、増幅用利得媒質中における特定モード（選択的に増幅したい次数）のレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係とする。ここでいう実効的ビーム直径は、光電力の９９％が含まれるビーム直径のことをいう。例えば、特定モード＝基本モードであって、その基本モードのレーザー光の１/ｅ^２ビーム半径がｗである場合、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径は、π×ｗとなる（Siegmanの著書「LASERS」p.666 参照）。増幅用励起光が高次モードのレーザー光である場合、増幅用励起光の実効的ビーム直径は、１/ｅ^２ビーム直径にほぼ等しい。
上記の関係にあると、増幅用利得媒質から特定モード以下のレーザー光を選択的に増幅したレーザー光が出力される。

【0009】

発振用利得媒質と増幅用利得媒質は、別体であってもよいが、一体であってもよい。利得媒質の一部を発振用利得媒質に利用し、他の一部を増幅用利得媒質に利用することができる。その場合は発振用利得媒質と増幅用利得媒質が一体化される。

【0010】

マルチモードレーザー光の光軸と増幅用励起光の光軸は一致していることが必要であるが、それらの進行方向は同一方向であってもよいし、逆方向であってもよい。例えば、増幅用利得媒質が一対の端面を備えており、マルチモードレーザー光が一方の端面から増幅用利得媒質に入力し、増幅用励起光が他方の端面から増幅用利得媒質に入力する関係にしてもよい。

【0011】

マルチモードレーザー光は、増幅用利得媒質中を単行するものであってもよいし、往復するものであってよい。増幅されたレーザー光が、前記した他方の端面から放出されるようにしてもよいし、前記した一方の端面から放出されるようにしてもよい。
増幅用励起光もまた、増幅用利得媒質中を単行するものであってもよいし、往復するものであってよいし、複数回往復するものであってもよい。増幅用励起光が、前記した一方の端面から放出されるようにしてもよいし、前記した他方の端面から放出されるようにしてもよい。増幅用利得媒質から放出された増幅用励起光を再び増幅用利得媒質に戻す光学系を備えていてもよい。

【0012】

増幅用利得媒質中における増幅用励起光の実効的ビーム直径が、増幅用利得媒質中における基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係にすれば、基本モードのレーザー光を選択的に増幅したレーザー光を出力することができる。

【0013】

例えば、ＴＥＭ_ｎｍ（ｎ，ｍは０から始まる。ｎ，ｍの値が大きいほど高次モード）の次数を持つレーザー光のみを増幅したい場合がある。この場合、増幅用利得媒質中における（ｎ，ｍ）次モードのレーザー光のビーム空間分布と、増幅用利得媒質中における増幅用励起光のビーム空間分布とが重なり合うようにすれば、（ｎ，ｍ）の次数を持つレーザー光を選択して増幅することができる。例えばＴＥＭ_００モードであれば基本ガウシャンモード（以降、基本モード）となるため、中心部が明るくて横断面が丸い形状の増幅用励起光で増幅する。ＴＥＭ_０１＊のモードであれば、横断面がリング状のビーム空間分布となる。この場合は、横断面がリング状の増幅用励起光で増幅する。必要な次数のモードは増幅し、不必要な次数のモードは増幅しないことによって、必要な次数のモードと不必要な次数のモードとのコントラストを高めることができる。これは等価的にレーザー光をクリーニングした事になる。複数モードが混入しているレーザー光の特定モードを選択的に増幅する事で、モードクリーニングしたレーザー光を得ることができる。つまり、マルチモードレーザー光からＴＥＭ_００モードが優越的なレーザー光を得るためには、マルチモードレーザー光の中心部だけを選択的に増幅すればよい。マルチモードレーザー光からＴＥＭ_０１＊モードが優越的なレーザー光を得るためには、リング状の増幅用励起光で励起すればよい。

【0014】

発振用利得媒質と増幅用利得媒質の材質・組成には特に制約されない。反転分布状態が得られて誘導放出現象が生じるものであればよい。例えば、単結晶または多結晶性セラミック等の固体であってもよい。固体の利得媒質を利用すると装置構成が簡単化される。さらに非線形光学媒質による光パラメトリック光増幅でも同様の効果が期待される。

【発明の効果】

【0015】

本明細書に開示する技術によると、特定モードが優越的な高強度レーザー光が得られ、レーザー光の品質が向上する。例えば、レーザー加工機、エンジンのレーザー点火装置、テラヘルツ波発生装置、高調波発生やパラメトリック発生などの非線形波長変換装置、計測機器あるいは医療器具等に利用するレーザー光の単位面積当たりのパワーを増加させることができる。あるいは、光通信に利用可能な情報量を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】基本モードを選択する従来装置を説明する。

【図2】基本モードを選択する別の従来装置を説明する。

【図3】実施例１の選択増幅装置を説明する。

【図4】実施例２の選択増幅装置を説明する。

【図5】実施例３の選択増幅装置を説明する。

【図6】実施例４の選択増幅装置を説明する。

【図7】実施例５の選択増幅装置を説明する。

【図8】実施例６の選択増幅装置を説明する。

【図9】実施例７の選択増幅装置を説明する。

【図10】実施例７の選択増幅装置が利用する増幅装置を説明する。

【図11】実施例７の選択増幅装置が利用する別の増幅装置を説明する。

【図12】マルチモードレーザー光と増幅用励起光の光軸からの距離と強度の関係を示す。

【図13】増幅用励起光の持続時間と利得の関係を示す。

【図14】増幅用励起光の持続時間と選択増幅後のビームプロファイルを示す。

【図15】増幅用励起光の持続時間と選択増幅後のビームプロファイルを示す。

【図16】選択増幅前と選択増幅後のビームプロファイルを示す。

【図17】利得とコントラストの関係を示す。

【図18】利得と選択増幅されたレーザー光のビーム直径の関係を示す。

【発明を実施するための最良の形態】

【0017】

以下に説明する実施例の特徴を先に列記する。
（特徴１）マルチモードレーザー光が増幅用利得媒質を単行する（通過する）。
（特徴２）マルチモードレーザー光が増幅用利得媒質を往復する。
（特徴３）増幅用励起光が増幅用利得媒質を単行する（通過する）。
（特徴４）増幅用励起光が増幅用利得媒質を往復する。
（特徴５）マルチモードレーザー光と増幅用励起光が同一面から増幅用利得媒質に入力する。
（特徴６）マルチモードレーザー光と増幅用励起光が反対面から増幅用利得媒質に入力する。
（特徴７）レーザー光のビーム半径ｗないしビーム直径は、その定義より、光強度の空間分布に関する二次モーメントとして定義される。従って、基本モードのレーザー光の光軸上での光強度に対して、光軸から半径方向にｗだけ隔てた位置での光強度が１/ｅ^２となる場合、基本モードのレーザー光のビーム半径はｗとなる。
ただし、基本ガウシャンモードの場合、光軸から１/ｅ^２半径を超えてもレーザー光の強度は直ぐにはゼロにならず、ガウス分布する。例えば、基本モードのレーザー光を、直径が２ｗのピンホールに通した場合、多くの成分を失ってしまう。９９％の光電力を得るために必要な穴の直径は、π×ｗとなる（Siegmanの著書「LASERS」p.666 参照）。
レーザー光増幅では、より高次の（換言すればビーム品質が劣悪な）光を用いて、品質の高い、すなわち特定モードの光強度を強くする。すなわち、増幅用励起光には、高次モードのレーザー光使われる。なお、高次モード光の場合、強度分布の境界は急峻に変化するため、２次モーメントの定義に従うなら、１/ｅ^２半径において、基本モードのような裾を引かず、急激に光強度は低下する（図１２, Ｃ２１またはＣ２２参照）。
上記の考察から、本明細書でいう基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径は、基本モード成分の９９％を含む直径（π×ｗ）をいう。それに対して増幅用励起光の実効的ビーム直径は、１/ｅ^２直径にほぼ等しい。増幅用励起光の実効的ビーム直径を２．１５×ｗとすると、増幅用励起光の実効的ビーム直径を（２．１５×ｗ）は基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（３．１４×ｗ）より小さい関係となり、基本モードを選択増幅する。
（特徴８）基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（３．１４×ｗ）に対して、増幅用励起光の実効的ビーム直径を２．３×ｗ以下とする。特徴７の場合とほぼ同じコントラストが得られる。
（特徴９）増幅用励起光の実効的ビーム直径を、１．４３×ｗとする。増幅用励起光の実効的ビーム直径（１．４３×ｗ）は、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（３．１４×ｗ）より小さく、基本モードを選択増幅する。
（特徴１０）基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（３．１４×ｗ）に対して、増幅用励起光の実効的ビーム直径を１．５７×ｗ以下とする。特徴９の場合とほぼ同じコントラストが得られる。
（特徴１１）パルス状の増幅用励起光で増幅用利得媒質を励起した状態でパルス状のマルチモードレーザー光を増幅用利得媒質に入力する。
（特徴１２）増幅利得を２以上とする。

【実施例】

【0018】

（実施例１の選択増幅装置）
図３において、参照番号２は、発振用励起光４を放出する半導体レーザー装置である。参照番号６は発振用励起光４が入力すると励起されて（反転分布状態が発達して）レーザー光８を放出する発振用利得媒質である。

【0019】

発振用利得媒質６の左端面は、発振用励起光４を反射せず、レーザー光８を反射する膜でコートとされている。参照番号５２は、発振用励起光４を反射し、レーザー光８の一部を反射して一部を反射しないミラーである。発振用利得媒質６の左端面とミラー５２とによって、レーザー共振系が構成されている。ミラー５２から、レーザー光８が右向きに進行する。レーザー光８はマルチモードレーザー光である。レーザー共振系の中に、ＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）５０が挿入されており、λ／２板５４から右側に進行するマルチモードレーザー光８は直線偏光している。８αに示す記号は、偏光面が紙面に垂直であることを示す。なお、発振用利得媒質６の右側の端面は、発振用励起光４もレーザー光８も反射しない膜でコートされており、ＰＢＳ５０は発振用励起光４もレーザー光８も反射しない材質で形成されている。なお、発振用利得媒質６の右端面を、発振用励起光４を反射してレーザー光８を反射しない膜でコートしてもよく、その場合は、ＰＢＳ５０とミラー５２の発振用励起光４に対する反射特性に制約がなくなる。
ＰＢＳ５６とＰＢＳ５８は、偏光面が紙面に垂直なレーザー光８を反射する。レーザー光８は、λ／４板６０を通過し、増幅用利得媒質６２に入力する。

【0020】

参照番号３２は、増幅用励起光３４を放出する半導体レーザー装置であり、増幅用励起光３４は、増幅用利得媒質６２に入力する。レーザー光８と増幅用励起光３４は、両者の光軸が一致した状態で、反対側の端面から、増幅用利得媒質６２に入力する。
増幅用利得媒質６２の左端面は、増幅用励起光３４を反射しないでレーザー光８を反射する膜でコートされており、右側端面は、増幅用励起光３４を反射してレーザー光８を反射しない膜でコートされている。レーザー光８は増幅用利得媒質６２の左端面で反射して増幅用利得媒質６２内を往復し、増幅用励起光３４は増幅用利得媒質６２の右端面で反射して増幅用利得媒質６２内を往復する。増幅用利得媒質６２中を、レーザー光８も往復すれば、増幅用励起光３４も往復する。増幅のゲインが高く得られる。

【0021】

増幅用利得媒質６２内における、基本モードのレーザー光８の実効的ビーム直径と、増幅用励起光３４の実効的ビーム直径の関係は、図１２を参照して後記するように、前者＞後者の関係にある。増幅用利得媒質６２を進行する間に、マルチモードのレーザー光８のうちの基本モードが選択的に増幅される。増幅された基本モードのレーザー光４０は、増幅用利得媒質６２の右端面から右側に進行する。レーザー光８，４０は、λ／４板６０を合計して２回通過することから、λ／４板６０から右側に進行するレーザー光４０は、偏光面が９０°回転する。４０βに示す記号は、偏光面が紙面に平行であることを示す。偏光面が紙面に平行なレーザー光４０（４０β）は、ＰＢＳ５８で反射されずに直進する。ＰＢＳ５８から右側に進行するレーザー光４０（４０β）は、マルチモードレーザー８に含まれる基本モードを選択的に増幅したレーザー光である。図３の装置は、マルチモードレーザー光８に含まれる基本モードのみを選択的に増幅したレーザー光４０（４０β）を出力する。

【0022】

図３（ｂ）に示すように、利得媒質５の一部を発振用利得媒質６に利用し、他の一部を増幅用利得媒質６２に利用することができる。すなわち、発振用利得媒質６と増幅用利得媒質６２を一体化してもよい。

【0023】

（実施例２）
図４に示す実施例２の選択増幅装置では、発振用利得媒質６の左端面とミラーによって構成されるレーザー共振系の中に、Ｑスイッチとして動作する可飽和吸収体６４が挿入されており、可飽和吸収体６４の右端面からパルスレーザー光８Ａが放出される。本実施例では可飽和吸収体６４の右端面に、図３のミラー５２に対応する膜がコートされている。なお、説明すみの部材には、同じ参照番号を付することによって、重複説明を省略する。
半導体レーザー装置３２Ａはパルス状の電圧で駆動され、パルス状の増幅用励起光３４Ａを発生する。パルス状の増幅用励起光３４Ａは、増幅用利得媒質６２に入力する。パルス状レーザー光８Ａのパルス幅（持続時間）は、パルス状増幅用励起光３４Ａのパルス幅（持続時間）に比して短い。また、パルス状増幅用励起光３４Ａによる励起開始時刻から可飽和吸収体６４の透過度が低下するまでの時間は制御可能となっている。パルス状増幅用励起光３４Ａによって励起を開始し、それによって増幅用利得媒質６２に反転分布状態を発達させ、反転分布状態が発達した状態でパルス状レーザー光８Ａを入力して誘導放出を起こして増幅する。パルス状増幅用励起光３４Ａの励起開始時刻からパルス状レーザー光８Ａの入力時刻までの時間差が長いほど強い反転分布状態が発達し、増幅時の利得（ゲイン）が高くなる。ここでいうゲインは、増幅後のレーザー光のエネルギーを、増幅前の基本モードのレーザー光のエネルギーで除した値をいう。なお、図４に示す添え字Ａは、パルス状であることを示す。

【0024】

本実施例では、パルス状増幅用励起光３４Ａの励起開始時刻からパルス状レーザー光８Ａの入力時刻までの時間差を変えながら利得（ゲイン）を計測した。そのために、外部からの刺激によって透過度が低下する可飽和吸収体６４を用いた。すなわち、能動型のＱスイッチを用いた。実用用途に用いる際には、受動Ｑスイッチとして動作する可飽和吸収体６４を用いることができる。
図４（ｂ）に示すように、本実施例でも、利得媒質５の一部を発振用利得媒質６に利用し、他の一部を増幅用利得媒質６２に利用することができる。すなわち、発振用利得媒質６と増幅用利得媒質６２を一体化してもよい。

【0025】

図４に示す実施例を用いて行った実験結果を次に示す。
図１２のカーブＣ１は、増幅用利得媒質６２中を進行するレーザー光８のビームプロファイルを示し、横軸は光軸からの距離であり、縦軸は単位面積当たりの強度を示す。単位体積当たりの強度は、光軸上での値を１．００に規格化したものである。図示の直径φ１は、その直径内に基本モード成分の９９％が含まれる直径であり、本実施例では２０４０μｍであった。
ビーム直径の定義方法に複数種類があり得る。基本ガウシャンビームの場合、ＩＳＯによって１/ｅ^２半径を計測することが推奨されており、業界はそれに習っている。１/ｅ^２半径は、レーザー光の光軸から離れた位置における単位面積当たりの光強度が、光軸上における単位面積当たりの光強度の１/ｅ^２となる距離のことである。本実施例では、６５０μｍであった。基本モード成分は、１/ｅ^２半径の外側にも広がっており、基本モード成分の９９％が含まれる半径は、１/ｅ^２半径よりも広い。基本モード成分の９９％が含まれる実効的ビーム直径φ１は、π×（１/ｅ^２半径）の関係にある。本実施例では、１/ｅ^２半径を計測し、それから基本モードの実効的ビーム直径（φ１）を求めた。なおφ１＝π×（１/ｅ^２半径）の関係にあることは、Anthony E. Siegman 教授の「LASERS」という書籍等に記載されている。

【0026】

図１２のカーブＣ２１は、第１の実験で用いた第１の増幅用励起光のビームプロファイルを示す。実験では、増幅用励起光３４を放出する半導体レーザー装置３２と増幅用利得媒質６２の間に直径９００ミクロンの光ファイバを用い、その光ファイバによって導かれた増幅用励起光３４を拡径光学系を通して増幅用利得媒質６２に入力した。光ファイバによって導かれたビームプロファイルはガウシアン分布とならず、光軸から所定距離だけ離れた位置で急速に減衰する。増幅用励起光３４の９９％が含まれる直径φ２１は、１４００μｍであった。すなわち、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径がπ×ｗであるのに対し、増幅用励起光の実効的ビーム直径を２．１５×ｗとした。

【0027】

第１実験で用いた増幅用励起光３４の実効的ビーム直径φ２１（１４００μｍ）は、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径φ１（２０４０μビームｍ）よりも細い。この場合、基本モードのレーザー光のうち増幅用励起光３４の実効的ビーム直径φ２１内に存在するレーザー光のみが選択的に増幅される。

【0028】

後記する第２実験では。半導体レーザー装置３２と増幅用利得媒質６２の間に直径６００ミクロンの光ファイバを用い、その光ファイバによって導かれた増幅用励起光３４を拡径光学系を通して増幅用利得媒質６２に入力した。図１２のカーブＣ２２は、第２の実験で用いた第２の増幅用励起光のビームプロファイルを示す。この実験に用いた増幅用励起光３４の９９％が含まれる直径φ２２は、９３０μｍであった。すなわち、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径がπ×ｗであるのに対し、増幅用励起光の実効的ビーム直径を１．４３×ｗとした。第２実験で用いた増幅用励起光３４の実効的ビーム直径φ２２（９３０μｍ）は、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径φ１（２０４０μｍ）よりも細い。そのために、基本モードのレーザー光のうち増幅用励起光３４の実効的ビーム直径φ２２内に存在するレーザー光のみが選択的に増幅される。

【0029】

図１３は、パルス状増幅用励起光３４Ａの励起開始時刻からパルス状レーザー光８Ａの入力時刻までの時間差（励起時間）と、利得（ゲイン）の関係を示している。カーブＣ４は、増幅用励起光３４の直径φ２２＝９３０μｍの場合の計測結果を示し、カーブＣ５は、増幅用励起光３４の直径φ２１＝１４００μｍの場合の計測結果を示している。φ２２＝９３０μｍの場合の方がφ２１＝１４００μｍの場合より、単位面積当たりの強度が高いので、利得も高い。カーブＣ４，Ｃ５から明らかに、励起時間が長いほど、利得は上昇する。励起時間とともに反転分布状態が発達していく。ただし、励起時間が上位準位寿命に達すると、それ以上には反転分布状態が発達せず、利得が飽和する。

【0030】

図１４は、直径φ２１が１４００μｍの増幅用励起光３４で選択増幅した後のレーザー光４０Ａの横断面をＣＣＤカメラで撮影した結果を示している。図中のｔｐは、パルス状の増幅用励起光３４Ａの励起開始時刻からパルス状レーザー光８Ａの入力時刻までの時間差（つまり増幅時のゲイン）を示す。ｔｐが長いほどゲインが大きい。
図１５は、直径φ２２が９３０μｍの増幅用励起光３４で選択増幅した後のレーザー光４０Ａの横断面をＣＣＤカメラで撮影した結果を示している。図１５（ｂ）は、ｔｐ=ゼロの場合（すなわち増幅前の）マルチモードレーザー光８Ａの横断面を示し、中心の高強度領域１５２の周囲に高次のレーザー光範囲１５４が存在する。図１５（ｃ）は、ｔｐ＝５００μ秒（図１３からゲインは３．２倍程度）の場合の増幅後レーザー光４０Ａの横断面を示す。図１５（ｂ）では存在した高次モードの照射範囲１５４が無くなっており、高次モードのクリーニングが実行されたことが分かる。また、中心の高強度領域１５６の大きさが、図１５（ｂ）の１５２よりも縮小している。これは、図１２のカーブＣ１のすそ野に含まれる高次成分がクリーニングされたことに対応する。図１５（ｂ）（ｃ）から明らかに、選択増幅することで、モードのクリーニングが進むことが分かる。また、図１４と図１５におけるｔｐに関する変化から、増幅のゲインを上げるほど、モードクリーニングが効率的に進行することが分かる。また、図１３と図１４の比較から、増幅用励起光の実効的ビーム直径を細く絞るほど、モードクリーニングが効率的に進行することが分かる。基本モードのみを取り出すためには、増幅用励起光３４の実効的ビーム直径を細くし、ゲインを上げるのが有利である。

【0031】

図１６は、増幅前後のレーザー光のビームプロファイルを示す。（Ａ）は増幅用励起光３４の直径φ２１＝１４００μｍの場合を示し、（Ｂ）は増幅用励起光３４の直径φ２２＝９３０μｍの場合を示している。カーブＣ１は、増幅前のレーザー光８のビームプロファイルを示し、図１２のカーブＣ１に等しい。Ｃ７〜Ｃ９と、Ｃ１０〜Ｃ１２は、選択増幅後のレーザー光４０Ａのビームプロファイルを示している。選択増幅することによって裾部分におけるカーブが、径の増大とともに減衰するカーブに変化する。図１５の（ｂ）と（ｃ）において、中心の高強度領域が１５２から１５６に収縮するのに対応する。その変化は、増幅用励起光の実効的ビーム直径が細く、利得（ゲイン）が上昇するほど顕著になる。

【0032】

図１６のグラフからコントラストを計測した。コントラストは、選択増幅前のレーザー光のビームプロファイルＣ１において光軸から離れた最初のピークが存在する位置（Ｃ６の位置）における「選択増幅前のレーザー光の単位面積当たりの強度／選択増幅後のレーザー光の単位面積当たりの強度」とした。（Ａ）のグラフでは、利得を１．９５から２．９２に増大させることによって、コントラストが５から１６．７に上昇した。基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（π×ｗ）に対して増幅用励起光の実効的ビーム直径を２．１５×ｗとした場合には、ゲインを２以上とすることによってコントラストが明瞭になる。なお増幅用励起光の実効的ビーム直径を２．３×ｗとした場合も、ゲインを２以上とすることによって、コントラストが明瞭化した。
（Ｂ）のグラフでは、利得を２．３４から３．３２に増大させることによって、コントラストが５から２５０まで上昇した。基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径（π×ｗ）に対して増幅用励起光の実効的ビーム直径を１．４３×ｗとした場合には、ゲインを２以上とすることによってコントラストが顕著に明瞭化される。なお増幅用励起光の実効的ビーム直径を１．５７×ｗとした場合も、ゲインを２以上とすることによって、コントラストが顕著に明瞭化した。

【0033】

図１７は、ゲインとコントラストの関係を示している。図１７の縦軸は、前に示したコントラストを示しており、上方ほどコントラストが明瞭であることになる。実験に用いたビームは、必ずしも左右対称でないことから、光軸の左側と右側にそれぞれについて計測した。カーブＣ１６は、９３０μｍの増幅用励起光によって得られる右側コントラストを示し、ゲインの増大に伴って明瞭化する。カーブＣ１４は、９３０μｍの増幅用励起光によって得られる左側コントラストを示し、ゲインの増大に伴って明瞭化する。カーブＣ１５は、１４００μｍの増幅用励起光によって得られる右側コントラストを示し、ゲインの増大に伴って明瞭化する。カーブＣ１３は、１４００μｍの増幅用励起光によって得られる左側コントラストを示し、ゲインの増大に伴って明瞭化する。Ｃ１５とＣ１６の比較、ならびにＣ１３とＣ１４の比較から明らかに、同じゲインであれば、増幅用励起光の直径が細いほどコントラストは明瞭化される。

【0034】

図１８は、選択増幅後のレーザー光４０Ａの直径を示している。カーブＣ１７とＣ１８は、１/ｅ^２直径を示している。それに対して、カーブＣ１９とＣ２０は半値直径を示している。半値直径は、単位面積当たりの強度が光軸上の強度の半値となる直径である。カーブＣ１７とＣ１９は、増幅用励起光が１４００μｍの場合を示し、カーブ１８とＣ２０は、増幅用励起光が９３０μｍの場合を示している。増幅用励起光が細いほど、また利得が高いほど、選択増幅後のレーザー光は光軸の周りに集中し、高次モードが除去される。

【0035】

（実施例３）
図５に示す実施例３では、増幅用利得媒質３８内をレーザー光８，４０が単行する。この場合、装置構成が簡単化される。

【0036】

発振用励起光４の波長とレーザー光８の波長は相違する。発振用利得媒質６の上端面は、発振用励起光４を反射せず、レーザー光８を反射する膜でコートされており、発振用利得媒質６の下端面は、発振用励起光４を反射し、レーザー光８の一部が反射して一部が透過する膜でコートされている。また増幅用励起光３４の波長とレーザー光８の波長は相違する。ミラー３６は、レーザー光８を反射し、増幅用励起光３４を反射しない。増幅用利得媒質３８の左端面は、レーザー光８と増幅用励起光３４を反射しない膜でコートされており、増幅用利得媒質３８の右端面は、増幅用励起光３４を反射し、レーザー光８を反射しない膜でコートされている。発振用利得媒質６に形成されているレーザー共振系は、基本モードを中心にして発振するように設計されているが、高次モードのレーザー光も放出される。

【0037】

増幅用利得媒質３８に入力するマルチモードのレーザー光８の光軸と増幅用励起光３４の光軸は一致している。レーザー光８の実効的ビーム直径は増幅用励起光３４の実効的ビーム直径よりも大きい。増幅用利得媒質３８のうち、増幅用励起光３４が通過する範囲は励起され、反転分布状態となっている。そこにレーザー光８が入力すると誘導放出が生じ、レーザー光８よりも高強度の光４０が放出される。上記現象は、増幅用励起光３４とレーザー光８の双方が入力する範囲で生じる。レーザー光８のうち、増幅用励起光３４の実効的ビーム直径よりも小さな直径内に含まれるレーザー光は、増幅用励起光３４と増幅用利得媒質３８によって増幅される。選択されたモードが増幅されたレーザー光４０が増幅用利得媒質３８から放出される。

【0038】

（実施例４）
図６を参照して実施例４を説明する。図６に示す実施例では、増幅用利得媒質４２の右端面が、増幅用励起光３４とレーザー光８を反射しない膜でコートされている。そのために、増幅用利得媒質４２の右端面から、選択増幅されたレーザー光４０と、増幅用利得媒質４２を通過した増幅用励起光３４が放出される。ミラー４４は、選択増幅されたレーザー光４０を反射して増幅用励起光３４を反射しないことから、選択増幅されたレーザー光４０と増幅用励起光３４を分離する。
実施例３と４を比較すると、実施例３では、増幅用励起光３４が増幅用利得媒質３８を往復するのに対し、実施例４では、増幅用励起光３４が増幅用利得媒質４２を単行する。前者では増幅用利得媒質３８中に強い反転分布が発達するのに対し、後者では得られる反転分布が弱い。前者の方が、大きなゲインの増幅が可能となる。また前者は、選択増幅されたレーザー光４０と増幅用励起光３４を分離するミラー４４を必要としない。

【0039】

（実施例５）
実施例３と４では、レーザー光８と増幅用励起光３４が同一方向から増幅用利得媒質４２に入力するが、反対方向から入力してもよい。
図７に示すように、レーザー光８は左側から増幅用利得媒質４６に入力し、増幅用励起光３４は右側から増幅用利得媒質４６に入力する。ミラー４８は、増幅用励起光３４を反射して選択増幅されたレーザー光４０を反射しないことから、ミラー４８の右側では、選択増幅されたレーザー光４０のみが得られる。

【0040】

（実施例６）
この技術によると、基本モードにクリーニングするだけでなく、ＴＥＭ_ｎｍ（０から始まり、ｎやｍの値が大きいほど高次モード）における特定の次数帯のレーザー光を選択増幅することもできる。その場合は、図８に示すように、横断面がリング状の増幅用励起光３４Ｂを用いる。増幅用励起光がリング状であると、特定の次数帯（例えばＴＥＭ_０１＊）に属するレーザーを選択して増幅することができる。

【0041】

（実施例７）
選択増幅されたレーザー光をさらに増幅することもできる。図９は、図３または図４の選択増幅装置で選択増幅されたレーザー光４０を増幅器７２に入力し、増幅器７２でさらに増幅されたレーザー光８８をＰＢＳ５８から取り出す装置を示している。参照番号７４は増幅器７２のための励起光を示している。増幅器７２の右側端面は、レーザー光４０を反射して励起光７４を反射しない膜でコートされており、左側端面は、レーザー光４０を反射せずに励起光７４を反射する膜でコートされている。レーザー光４０も励起光７４も増幅器７２内を往復する。
なお、図９では図示しないが、増幅器７２とＰＢＳ５８の間にはλ／４板が配置されており、ＰＢＳ５８から右進するレーザー光の偏光面と、ＰＢＳ５８に向けて左進するレーザー光の偏光面が９０°回転する関係にする。それによって、増幅器７２でさらに増幅されたレーザー光８８のみがＰＢＳ５８から下向きに進行する。

【0042】

図１０は、増幅器７２の一例を示す。増幅用利得媒質板８０と、それを冷却する透明放熱板７８が交互に積層されている。この増幅器７２は、増幅用励起光７４を入力して反転分布が生じた状態でレーザー光４０が入力すると誘導放出現象が生じてレーザー光８８を放出する。そのレーザー光８８はレーザー光４０より高強度であり、増幅されている。なお、増幅器７２の詳細は、特願２０１６−１１６６０３号に添付した明細書に記載されている。例えば、増幅用利得媒質板８０にはＮｄ：ＹＡＧが利用でき、透明放熱板７８にはサファイアが利用できる。その場合、両者の端面に特殊なコーティングを施す必要を無くすことができる。両端に位置する増幅用利得媒質板８０は空気に晒せばよい。また、レーザー光４０と増幅用励起光７４の実効的ビーム直径を調整することによって、増幅器７２でさらにモードクリーニングするようにしてもよい。

【0043】

図１１は、増幅器７２の他の例を示し、増幅用利得媒質板８０に、その側面から増幅用励起光８４を入力する。側面から入射するために、モードを選択して増幅することはできないが、モードクリーニングされたレーザー光４０を増幅するので、図１１の増幅器を増幅器７２に利用することができる。

【0044】

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の
変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

【0045】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0046】

２：半導体レーザー装置（レーザー光発振用）
４：発振用励起光
６：発振用利得媒質
８：マルチモードレーザー光
８ａ：基本モード
８ｂ：高次モード
８ｃ：アイリスを通過したレーザー光
８ｄ：回析光
１０：アイリス
１２：アイリス通過前のレーザー光の横断面図。
１４：アイリス通過直後のレーザー光の横断面図。
１６：進行後のレーザー光の横断面図。
１８：集光レンズ
２０：コリメートレンズ
２２：窓
２４：真空容器
２６：窓
２８：アイリス通過直後のレーザー光の横断面図。
３０：基本モードのレーザー光
３２：半導体レーザー装置（増幅用）
３４：増幅用励起光
３６：ミラー
３８：増幅用利得媒質
４０：モードクリーニングされて増幅された基本モードのレーザー光
４２：増幅用利得媒質
４４：ミラー
４６：増幅用利得媒質
４８：ミラー
５０：ＰＢＳ( Polarized Beam Splitter )
５２：ミラー
５４：λ／２板
５６：ＰＢＳ
５８：ＰＢＳ
６０：λ／４板
６２：増幅用利得媒質
６４：可飽和吸収体（Ｑスイッチ）
７０：選択された次数のモードが増幅されたレーザー光
７２：レーザー光増幅装置
７４：増幅用励起光
７８：透明放熱板
８０：増幅用利得媒質
８２：増幅用利得媒質
８４：増幅用励起光
８８：多段増幅された基本モードのレーザー光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【手続補正書】

【提出日】2017年11月2日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチモードのレーザー光に含まれる特定モードのレーザー光を選択して増幅する装置であり、
前記マルチモードのレーザー光を発生する発振用利得媒質と、
増幅用利得媒質と、
前記増幅用利得媒質に入力すると反転分布状態を生成する増幅用励起光を発生する増幅用励起光発生装置を備えており、
前記レーザー光の光軸と前記増幅用励起光の光軸が一致する関係で、前記レーザー光と前記増幅用励起光が前記増幅用利得媒質に入力し、
前記増幅用利得媒質中において、前記増幅用励起光の実効的ビーム直径が前記特定モードのレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係にあり、
前記特定モードのレーザー光を選択的に増幅したレーザー光を出力する選択増幅装置。

【請求項2】

前記発振用利得媒質と前記増幅用利得媒質が一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の選択増幅装置。

【請求項3】

前記増幅用利得媒質が一対の端面を備えており、
前記マルチモードのレーザー光が一方の端面から前記増幅用利得媒質に入力し、前記増幅用励起光が他方の端面から前記増幅用利得媒質に入力することを特徴とする請求項１または２に記載の選択増幅装置。

【請求項4】

前記特定モードが基本モードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【請求項5】

前記増幅用励起光の横断面がリング状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【請求項6】

前記発振用利得媒質と前記増幅用利得媒質が、単結晶または多結晶性セラミックであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの１項に記載の選択増幅装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0003】

基本モードから高次モードに至る複数モードを含むマルチモードのレーザー光から基本モードが優越的なレーザー光を得るために、レーザー光の伝播経路にアイリスを挿入し、基本モード以外のレーザー光をカットする手法が取り得る。図１は、その手法を説明しており、半導体レーザー装置２から放出された励起光４によって励起された発振用利得媒質６から放出されるレーザー光８は、基本モードのレーザー光８ａの他に、高次モードのレーザー光８ｂを含んでいる。発振用利得媒質６から放出された基本モードのレーザー光８ａはほとんど拡がらないで進行するのに対し、高次モードのレーザー光８ｂは拡がりながら進行する。アイリス１０には、拡がらないで進行するレーザー光は通過し、拡がりながら進行するレーザー光を遮蔽する開口が形成されている。開孔を通過したレーザー光８ｃは、基本モードが優越的なレーザー光となる。本明細書では、基本モードから高次モードに至る複数モードを含むマルチモードのレーザー光から特定のモードが優越的なレーザー光を得ることを、モードクリーニングという。図１に示したように、開孔を有するアイリス１０を利用することによって、基本モードにクリーニングすることができる。ただしこの手法では、開口を通過した後のレーザー光８ｃの周囲に回析光８ｄが付随してしまう。基本モードのみが優越的なレーザー光のみを得ることができないので、本来のモードクリーニングということはできない。なお、参照番号１２，１４，１６で示す図は、光ビームの該当位置における横断面を観測することで得られる明暗パターンを示している。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

本明細書に開示する選択増幅装置は、マルチモードのレーザー光に含まれる特定モードのレーザー光を選択して増幅する。この選択増幅装置は、マルチモードレーザー光を発生する発振用利得媒質と、増幅用利得媒質と、増幅用利得媒質に入力すると反転分布状態を生成する増幅用励起光を発生する増幅用励起光発生装置を備えている。増幅用利得媒質には、マルチモードレーザー光と増幅用励起光の双方が入力する。その際に、マルチモードレーザー光の光軸と増幅用励起光の光軸が一致する関係とする。また、増幅用利得媒質中における増幅用励起光の実効的ビーム直径が、増幅用利得媒質中における特定モード（選択的に増幅したい次数）のレーザー光の実効的ビーム直径以下の関係とする。ここでいう実効的ビーム直径は、光電力の９９％が含まれるビーム直径のことをいう。例えば、特定モードが基本モードであって、その基本モードのレーザー光の１/ｅ^２ビーム半径がｗである場合、基本モードのレーザー光の実効的ビーム直径は、π×ｗとなる（Siegmanの著書「LASERS」p.666 参照）。増幅用励起光が高次モードのレーザー光である場合、増幅用励起光の実効的ビーム直径は、１/ｅ^２ビーム直径にほぼ等しい。
上記の関係にあると、増幅用利得媒質から特定モードのレーザー光を選択的に増幅したレーザー光が出力される。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

発振用利得媒質と増幅用利得媒質は、別体であってもよいが、一体であってもよい。共通の利得媒質の一部を発振用利得媒質に利用し、他の一部を増幅用利得媒質に利用することができる。