特開 2022-75955 レーザー増幅装置

(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】P2022075955

(43)【公開日】2022-05-18

(54)【発明の名称】レーザー増幅装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/092 20060101AFI20220511BHJP

   H01S 3/06 20060101ALI20220511BHJP

【ＦＩ】

H01S3/092

H01S3/06

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022048754

(22)【出願日】2022-03-24

(62)【分割の表示】P 2017207544の分割

【原出願日】2017-10-26

【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）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム事業「レーザー誘起振動波診断技術の開発」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】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100113608

【弁理士】

【氏名又は名称】平川 明

(74)【代理人】

【識別番号】100126505

【弁理士】

【氏名又は名称】佐貫 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100131392

【弁理士】

【氏名又は名称】丹羽 武司

(74)【代理人】

【識別番号】100175190

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 裕明

(72)【発明者】

【氏名】錦野 将元

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 登

(72)【発明者】

【氏名】三上 勝大

(72)【発明者】

【氏名】近藤 修司

(72)【発明者】

【氏名】岡田 大

(72)【発明者】

【氏名】河内 哲哉

(57)【要約】

【課題】レーザー光の増幅率を高い水準で維持する固体レーザー装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、Ｍ（Ｍは整数、Ｎ＋Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源とを備え、前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置される、レーザー増幅装置とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、
Ｍ（Ｍは整数、Ｎ+Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源とを備え、
前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置される、
レーザー増幅装置。

【請求項2】

前記円柱形状の固体レーザー媒質の本数は、Ｎ（Ｎ≧２）本であり、
前記円柱形状の放射励起光源の本数は、Ｍ（Ｍ≧２、かつ、Ｎ－１≦Ｍ≦Ｎ＋１）本である、
請求項１に記載のレーザー増幅装置。

【請求項3】

前記３以上の楕円形のうちの少なくとも３つの楕円形は、少なくとも１つの焦点を少なくとも２つの他の楕円形と共有する楕円形である、
請求項１に記載のレーザー増幅装置。

【請求項4】

前記固体レーザー媒質の性能に基づいて、前記固体レーザー媒質の本数と前記放射励起光源の本数とが決定される、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザー増幅装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー増幅装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー光を増大させるためのレーザー増幅器として、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などを用いた固体レーザー媒質とフラッシュランプなどの励起用放射光源が配置されたレーザー装置がある。一般的に、レーザー装置では、励起光源の光エネルギーをレーザー媒質に吸収させた後に、種となるレーザー光を通すことでレーザー光を発振・出力増大をさせている。

【0003】

レーザー増幅器は、フラッシュランプなど放射光源を用いたものと、レーザーダイオード等を使用した指向性光源を用いたものの２種類に大別できる。放射光源を用いたレーザー増幅器でロッド状の固体レーザー媒質を用いる場合、固体レーザー媒質に光エネルギーを与え励起する放射光源（放射励起光源）を固体レーザー媒質の周辺に配置する。放射光源を用いた場合、直接固体レーザー媒質に放射する部分と、固体レーザー媒質以外の部分に放射する部分が発生する。この固体レーザー媒質以外の部分に放射された放射光を、反射筐体を用いて、固体レーザー媒質に集光させる技術がある。

【0004】

例えば、１本のロッド状固体レーザー媒質に対し、１から２本の放射励起光源を反射筐体内に設置したレーザー増幅器がある（特許文献１－５）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６０－８９９８９号公報

【特許文献2】特開平６－２６８２９８号公報

【特許文献3】特開平８－１６２６９４号公報

【特許文献4】特開２００８－２９４１４５号公報

【特許文献5】特開２０１３－１７９１０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

固体レーザー媒質を用いて、効率良く高強度のレーザー光を得るためには、レーザー増幅器内に設置した放射励起光源に入力する電気エネルギーに対して固体レーザー媒質に蓄積されるエネルギー（蓄積エネルギー）の割合を高い水準で維持しなければならない。しかしながら、高強度のレーザー光を得るために、ある一定以上の電気エネルギーを放射励起光源に投入して固体レーザー媒質の励起を行うと、蓄積エネルギーが飽和してしまい増幅率が低下するため、レーザー増幅器の高効率化の阻害要因となっている。
なお、本明細書において「増幅率」とは、レーザー増幅器内の全放射励起光源に入力される全電気ネルギーに対するレーザー増幅器内の全固体レーザー媒質に蓄積される全エネルギーの割合をいう。

【0007】

本発明は、レーザー光の増幅率を高い水準で維持する固体レーザー装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、第１の態様は、
少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、
Ｍ（Ｍは整数、Ｎ+Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源とを備え、
前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置される、
レーザー増幅装置とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、レーザー光の増幅率を高い水準で維持する固体レーザー装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、レーザー増幅装置の主要部分の構成例１を示す図である。

【図2】図２は、レーザー増幅装置の主要部分の構成例２を示す図である。

【図3】図３は、レーザー増幅装置の詳細な構成例１を示す図である。

【図4】図４は、レーザー増幅装置の詳細な構成例２を示す図である。

【図5】図５は、本実施形態のレーザー増幅装置と従来方式のレーザー増幅装置との入力電気エネルギーに対する固体レーザー媒質の蓄積エネルギーの関係の例を示す図である。横軸は、放射励起光源に入力する電気エネルギーの総量（Ｊ）を示す。縦軸は、固体レーザー媒質に蓄積されるエネルギーの総量（Ｊ）を示す。

【図6】図６は、図５における従来方式のレーザー増幅装置の構成例を示す図である。

【図7】図７は、レーザー増幅装置の主要部分の構成の他の例を示す図である。

【図8】図８は、レーザー増幅装置の主要部分の構成の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、発明の構成は、開示の実施形態の具体的構成に限定されない。発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

【0012】

〔実施形態〕
本実施形態では、複数の固体レーザー媒質と放射励起光源とを反射筐体内の同一の空間に配置したレーザー増幅装置について説明する。本実施形態のレーザー増幅装置では、１本または２本以上のロッド状の放射励起光源と、２本または３本以上のロッド状固体レーザー媒質とが、同一空間の楕円形状構造を有する反射筐体内に設置される。これにより、放射励起光源の励起光を複数のロッド状固体レーザー媒質に分配させ、レーザー増幅の高効率化を図る。即ち、かかる構成のレーザー増幅装置によると、当該レーザー増幅装置（即ち、レーザー増幅装置が備える放射励起光源）に高いエネルギーを入力した場合であっても、レーザー媒質に蓄積される蓄積エネルギーが飽和することを抑制することができ、高い増幅率を維持することが可能である。

【0013】

（構成例）
図１及び図２は、レーザー増幅装置の主要部分の構成例を示す図である。図１は、レーザー増幅装置１００を斜め上方から見た図、図２は、レーザー増幅装置１００を正面から（固体レーザー媒質の光軸方向に）見た図である。光軸方向は、図１、図２におけるｙ方向である。図１及び図２のレーザー増幅装置１００は、３本の固体レーザー媒質１、４本の放射励起光源２、反射筐体３を含む。

【0014】

固体レーザー媒質１は、ロッド形状（円柱形状）を有する。固体レーザー媒質１は、例
えば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）である。固体レーザー媒質１は、ＹＡＧに限定されるものではない。固体レーザー媒質１として、ＹＶＯ（オルオバナジン酸イットリウム）、ルビー、サファイア等が使用されてもよい。固体レーザー媒質１は、これらに限定されない。また、固体レーザー媒質１の活性元素として、Ｎｄ（ネオジム）が使用される。固体レーザー媒質１の活性元素として、Ｎｄ以外に、Ｙｂ（イットリウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）等が使用されてもよい。ここで使用される固体レーザー媒質１は、例えば、直径１５ｍｍ、長尺方向の長さ２０ｃｍの円柱形状である。当該固体レーザー媒質１のサイズは特に限定されない。例えば、直径は１ｍｍ以上５０ｍｍ以下（典型的には１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下）の範囲内で適宜設定すればよい。本実施形態において、円柱形状は、直径よりも長さの方が長い形状であるとする。

【0015】

放射励起光源２は、ロッド形状（円柱形状）を有する。放射励起光源２は、例えば、フラッシュランプである。放射励起光源２に適用可能なフラッシュランプの種類は特に限定されず、Ｘｅフラッシュランプ、Ｋｒフラッシュランプ、Ａｒフラッシュランプ等が例示される。一般的に、Ｎｄ：ＹＡＧの励起にはＸｅフラッシュランプが好適であることが知られているため、固体レーザー媒質１としてＮｄ：ＹＡＧを採用する場合には、放射励起光源２としてＸｅフラッシュランプを組み合わせることが好ましい。放射励起光源２は、フラッシュランプに限定されるものではない。放射励起光源２として、他の光源が使用されてもよい。ここで使用される放射励起光源２のサイズは特に限定されない。例えば、直径１５ｍｍ、長さ２０ｃｍの円柱形状である。特に限定するものでは無いが、放射励起光源２の長尺方向の長さとレーザー媒質１の長尺方向の長さとの差がレーザー媒質１の長尺方向長さの±５％以内となるように設定してもよい。固体レーザー媒質１と放射励起光源２のサイズをこのように設定することで、反射筐体内に効率よく格納することができる。また、例えばレーザー媒質１の長尺方向の長さを放射励起光源の長尺方向の長さよりも大きくなるように設定することで、レーザー媒質１を効率よく励起することができる。

【0016】

固体レーザー媒質１及び放射励起光源２は、互いの光軸方向が略平行（好ましくは平行）となるように配置される。

【0017】

反射筐体３の内側（即ち、固体レーザー媒質１および放射励起光源に対向する面）は、光軸方向（ｙ方向）に直交する面（ｘｚ平面）の断面において楕円形が連なった形状の空間を有している。また、隣接する２つの楕円形は、焦点を１つ共有している。即ち、反射筐体３の内側は、１以上の焦点を他の楕円形と共有する複数の楕円形による形状を底面とする柱状の空間を有している。換言すると、反射筐体３は、少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する複数（典型的には３以上、例えば４以上）の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する。連なる楕円形を構成する各楕円形は、すべてが同一形状である楕円形であっても、一部又は全部が異なる形状である楕円形であってもよい。楕円形の焦点の位置には、固体レーザー媒質１または放射励起光源２が配置される。また、図１及び図２に示すように、固体レーザー媒質１及び放射励起光源２は、光軸方向が平行となるように配置される。１つの楕円形の一方の焦点に固体レーザー媒質１が配置されると、他方の焦点には放射励起光源２が配置される。１つの固体レーザー媒質１に１つ以上の放射励起光源２が対向するように固体レーザー媒質１と放射励起光源２とを配置するのが好ましく、固体レーザー媒質１と放射励起光源２とを交互に配置するのがより好ましい。例えば、レーザー増幅装置１００は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の固体レーザー媒質１と、Ｍ（Ｍは整数、Ｎ＋Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の放射励起光源２とを備える。固体レーザー媒質１の本数をＮ（Ｎ≧２）本とし、かつ、放射励起光源２の本数をＭ（Ｍ≧２、かつ、Ｎ－１≦Ｍ≦Ｎ＋１）本とするのが好ましい。より好ましくは、ＮとＭとは｜Ｍ－Ｎ｜＝１を満たす。或いはまた、Ｎ＋Ｍ≧５とするのがより好ましい。このとき、反射筐体３の内側に配置される楕円形の数Ｌは、Ｌ＝Ｍ＋Ｎ－１を満たすように設定されるのが好ましく、Ｌを偶数とするのがより好ましい。反射筐体３
の内側は、励起光を反射できるように、研磨処理を施される。より好ましくは、反射筐体３の内側は、反射率を高めるためにコーティング（例えば、金メッキ）を施される。これにより、楕円形の一方の焦点位置に配置される放射励起光源２から照射される光が反射筐体３の内側（楕円形鏡）で反射すると、楕円形の他方の焦点位置に配置される固体レーザー媒質１に達する。また、放射励起光源２から照射される光が直接固体レーザー媒質１に達することもある。

【0018】

図２の例では、反射筐体３の内側の各楕円形の各焦点は、ｘ軸に平行な一直線上に存在している。各楕円形の各焦点は、一直線上に存在しなくてもよい。隣接する焦点を直線で結んだときに、結んだ線が、波型形状であったり、Ｖ字型形状であったりしてもよい。

【0019】

図３及び図４は、レーザー増幅装置の詳細な構成例を示す図である。図３は、レーザー増幅装置１００を正面（固体レーザー媒質の光軸方向、即ち、図中のｙ軸方向）から見た図である。図４は、図３のＡ－Ａ’断面図である。図４は、固体レーザー媒質１の設置位置における側面断面図である。図３及び図４のレーザー増幅装置１００は、固体レーザー媒質１、放射励起光源２、反射筐体３、冷却水入口４ａ、冷却水出口４ｂ、固体レーザー媒質固定用治具５、サイドプレート６、光源固定用治具７、反射筐体用冷却水入口８ａ、反射筐体用冷却水出口、冷却管９、Ｏリング１０、冷却管固定用治具１１、冷却水路１２、反射筐体用冷却水路１３を有する。

【0020】

各固体レーザー媒質１は、動作時の熱を除去するために冷却水入口４ａ、冷却水出口４ｂに設置されたボルトにより取り付けられる固体レーザー媒質固定用治具５及びサイドプレート６により、気密性の担保及び設置位置の固定をされる。同様に、各放射励起光源２は、動作時の熱を除去するために冷却水入口４ａ、冷却水出口４ｂに設置されたボルトにより取り付けられる光源固定用治具７により、気密性の担保及び設置位置の固定をされる。また、反射筐体３については、反射筐体用冷却水路１３につながる反射筐体用冷却水入口８ａ、反射筐体用冷却水出口が設置され、冷却水を反射筐体用冷却水入口８ａから導入して反射筐体用冷却水路１３を通って反射筐体用冷却水出口から排出することにより反射筐体３全体の冷却がされる。

【0021】

図４に示すように、反射筐体３の外側においては、固体レーザー媒質１にＯリング１０が取り付けられ、固体レーザー媒質固定用治具５をボルトにより設置することで冷却水の漏洩が抑止される。反射筐体３の内側においては、固体レーザー媒質１を囲う冷却管９にＯリング１０が取り付けられ、冷却管固定用治具１１をボルトにより設置することで冷却水の漏洩が抑止される。冷却水路１２は、冷却水入口４ａ及び冷却管９を、または、冷却管９及び冷却水出口４ｂを接続する。冷却水入口４ａから冷却水が導入されることで、固体レーザー媒質１が冷却される。放射励起光源２についても、固体レーザー媒質１と同様にして、冷却される。反射筐体用冷却水路１３は、反射筐体用冷却水入口８ａ及び反射筐体用冷却水出口に接続され、反射筐体３全体に設けられる水路である。反射筐体用冷却水路１３は、冷却水が導入されることにより、反射筐体３を冷却する。反射筐体用冷却水出口は、例えば、図３のレーザー増幅装置１００の左上の裏側に設けられる。

【0022】

図５は、本実施形態のレーザー増幅装置と従来方式のレーザー増幅装置との入力電気エネルギーに対する固体レーザー媒質の蓄積エネルギーの関係の例を示す図である。図５のグラフの横軸は、レーザー増幅装置が備える放射励起光源全体へ入力される入力電気エネルギーの総和であり、縦軸は、レーザー増幅装置が備える固体レーザー媒質全体に蓄積される蓄積エネルギーの総和である。従来方式のレーザー増幅装置２００は、図６に示される。本実施形態のレーザー増幅装置１００では、固体レーザー媒質１としてＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）またはＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．３ａｔ％）が使用される。

【0023】

本実施形態では、Ｎｄ（活性元素）の添加量が１．１ａｔ％、１．３ａｔ％のものを使用した。活性元素の添加量は特に限定されないが、例えば、０．５ａｔ％以上２．０ａｔ％以下の範囲で設定すればよく、典型的には０．７ａｔ％以上１．５ａｔ％以下の範囲で設定すればよい。

【0024】

図６は、図５における従来方式のレーザー増幅装置の構成例を示す図である。図５の構成例は、本実施形態のレーザー増幅装置の図２に対応する。従来方式のレーザー増幅装置２００は、２つの反射筐体３を含み、各反射筐体３は、１本の固体レーザー媒質１と２本の放射励起光源２を含む。各反射筐体３の内側は、２つの楕円形が連なった形状を有している。また、当該２つの楕円形は、焦点を１つ共有している。２つの楕円形の共焦点の位置には、固体レーザー媒質１が設置される。２つの楕円形の残りの焦点には、放射励起光源２が設置される。ここでは、上記の本実施形態の例と同様に４本の放射励起光源２が使用されている。また、固体レーザー媒質１は２本使用されている。ここでは、固体レーザー媒質１としてＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）が使用される。

【0025】

図５のグラフにおいて、従来方式のＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）を用いた例では、レーザー増幅装置が備える放射励起光源全体に入力する入力電気エネルギーの総和が１００Ｊ程度までは、レーザー増幅装置が備える固体レーザー媒質全体に蓄積される蓄積エネルギーの総和は入力電気エネルギーに比例する。しかし、入力電気エネルギーが１００Ｊを超えると、蓄積エネルギーは入力電気エネルギーに比例しなくなり、４Ｊ程度で飽和する。これに基づく、従来方式のＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．３ａｔ％）を用いた場合の予測値では、入力電気エネルギーが１００Ｊ程度までは、蓄積エネルギーは入力電気エネルギーに比例する。この時の比例係数は、従来方式のＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）の場合よりも大きい。しかし、入力電気エネルギーが１００Ｊを超えると、蓄積エネルギーは入力電気エネルギーに比例しなくなり、従来方式のＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）の場合と同様に、４Ｊ程度で飽和する。従来方式では、放射励起光源２に投入する入力電気エネルギーを増加させると、レーザー光を増幅させる固体レーザー媒質１に蓄積するエネルギーが飽和し、入力電気エネルギーに対する蓄積エネルギーの比である増幅率が低下する。これは、固体レーザー媒質１の１本あたりの蓄積エネルギーに限界があるからである。

【0026】

これに対し、本実施形態のレーザー増幅装置１００では、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．１ａｔ％）を使用した場合でも、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．３ａｔ％）を使用した場合でも、蓄積エネルギーは、入力電気エネルギーに比例し、飽和しない。従来方式に比べて、１本の放射励起光源２に対して配置される固体レーザー媒質１の数が多いため、入力電気エネルギーが大きくなっても、固体レーザー媒質１の１本あたりの入力電気エネルギーが小さくなり、蓄積エネルギーが小さいため、全体の蓄積エネルギーが飽和しにくい。即ち、本実施形態のレーザー増幅装置１００では、放射励起光源２への入力電気エネルギーを増加させても蓄積エネルギーが飽和しにくく、増幅率が維持される。例えば、放射励起光源２の光の吸収効率を高めた高い添加濃度のＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ添加濃度１．３ａｔ％）を使用した場合に、入力電気エネルギーが２２０Ｊであるときで従来方式と本実施形態とを比較すると、１．５倍の蓄積エネルギーが得られる。

【0027】

従来方式のレーザー増幅装置２００（Ｎｄ１．３ａｔ％添加）であっても、入力電気エネルギーが１００Ｊ程度であれば、高い増幅率（入力電気エネルギーに対する蓄積エネルギーが比例する範囲での増幅率）で、蓄積エネルギーが得られる。このとき、得られる蓄積エネルギーは３Ｊ程度である。ここで、高い増幅率で、６Ｊ程度の蓄積エネルギーを得ようとする場合、レーザー増幅装置２００（Ｎｄ１．３ａｔ％添加）が２つ必要となる。即ち、８本の放射励起光源２が必要となる。これに対し、本実施形態のレーザー増幅装置
１００（Ｎｄ１．３ａｔ％添加）で、６Ｊ程度の蓄積エネルギーを得ようとする場合、１つのレーザー増幅装置１００（Ｎｄ１．３ａｔ％添加）で、入力電気エネルギーを２００Ｊとすればよい。このとき、４本の放射励起光源２があればよい。よって、より少ない数の放射励起光源２で、所望の蓄積エネルギーが得られる。

【0028】

上記のレーザー増幅装置１００のように、１つの反射筐体３に３本の固体レーザー媒質１と４本の放射励起光源２とを設置することにより、高い増幅率を維持して、所望の蓄積エネルギーを得ることができる。高い増幅率を維持したまま、より高い蓄積エネルギーを得るには、例えば、このような構成の反射筐体３、固体レーザー媒質１、放射励起光源２の組み合わせを複数使用すればよい。

【0029】

図７は、レーザー増幅装置の主要部分の構成の他の例を示す図である。図７は、レーザー増幅装置３００を正面（固体レーザー媒質の光軸方向）から見た図である。図７のレーザー増幅装置３００は、５本の固体レーザー媒質１、６本の放射励起光源２、反射筐体３を含む。このように、反射筐体３内に設けられる１の空間に配置される固体レーザー媒質１の個数は２本以上であれば特に限定されず、例えば３本以上、典型的には４本以上の任意の本数とすることができる。反射筐体３内に設けられる１の空間に配置される固体レーザー媒質１の個数の上限は特に限定されないが、例えば１０本以下、典型的には９本以下とすればよい。反射筐体３内に設けられる１の空間に配置される固体レーザー媒質１の個数をかかる範囲とすることで、レーザー増幅装置の小型化と増幅効率増大の両方を実現することができる。また、固体レーザー媒質１の本数と放射励起光源２の本数は、それぞれ、Ｎ本とＭ本のように自由に決められる（ただし、Ｎ、Ｍは整数、Ｎ≧２、Ｍ≧２、Ｎ－１≦Ｍ≦Ｎ＋１）。このとき、２／３≦Ｎ／Ｍ≦３／２となる。固体レーザー媒質１の本数と放射励起光源２の本数との差が１または０であるのは、反射筐体３の内側の連なる楕円形のいずれの楕円形の２つの焦点のうち、一方の焦点に固体レーザー媒質１、他方の焦点に放射励起光源２が配置されるからである。１つの反射筐体内に複数の固体レーザー媒質１を設置することで、放射励起光源２の数に対する固体レーザー媒質１の数（固体レーザー媒質１の割合）をより詳細に調整することができる。即ち、１本あたりの固体レーザー媒質１の蓄積エネルギーが限界に達しないように（飽和しないように）放射励起光源２の数と固体レーザー媒質１の数とを調整することで、高い増幅率で、所望の蓄積エネルギーを得ることができる。例えば、より低い入力電気エネルギーで飽和する固体レーザー媒質１の場合、より固体レーザー媒質１の割合を高くすればよい。即ち、固体レーザー媒質１の性能（高い増幅率を維持できる入力電気エネルギー、蓄積エネルギーが飽和しない入力電気エネルギー）に基づいて、固体レーザー媒質１の本数と放射励起光源２の本数とを決定することで、効率よく蓄積エネルギーを得ることができる。

【0030】

入力電気エネルギー（励起エネルギー）の増加に伴う蓄積ネルギーの飽和は、励起光源の放射性及び指向性を問わず生じる現象である。よって、本実施形態で提供する固体レーザー媒質への適切な励起光源の光エネルギーを分配する方法は、部分透過鏡などを用いることでレーザーダイオード等の指向性を有する励起光源においても適用可能である。

【0031】

ここでは、反射筐体３の内側の断面の楕円形の１つの焦点を２つの楕円形で共有する例が記載されているが、１つの焦点を３つ以上の楕円形で共有するような形状であってもよい。このように反射筐体３内の空間が、楕円形の１つの焦点を３つ以上の楕円形で共有するように楕円形を重ね合わせた柱状である場合、反射筐体３内に設けられる１の空間に配置される固体レーザー媒質１の本数（Ｎ本）と放射励起光源２の本数（Ｍ本）は、上記のＮ－１≦Ｍ≦Ｎ＋１の関係に限定されない。固体レーザー媒質１の性能（高い増幅率を維持できる入力電気エネルギー、蓄積エネルギーが飽和しない入力電気エネルギー）に基づいて、固体レーザー媒質１の本数と放射励起光源２の本数とを決定すればよい。

【0032】

図８は、レーザー増幅装置の主要部分の構成の他の例を示す図である。図８は、レーザー増幅装置４００を正面（固体レーザー媒質の光軸方向）から見た図である。図８のレーザー増幅装置４００は、３本の固体レーザー媒質１、１本の放射励起光源２、反射筐体３を含む。反射筐体３の内側の空間の楕円形の１つの焦点を３つの楕円形で共有している。共焦点には、放射励起光源２が配置され、残りの焦点には、固体レーザー媒質１が配置されている。１つの楕円形の一方の焦点に固体レーザー媒質１が配置されると、他方の焦点には放射励起光源２が配置される。ここでは、固体レーザー媒質１が配置される焦点を有する楕円形は、他の楕円形と当該焦点を共有していないが、１以上の他の楕円形と当該焦点を共有してもよい。即ち、１以上の他の楕円形と焦点を共有する楕円形が、２以上存在してもよい。反射筐体３の内側の空間の楕円形の数は、ここに記載されたものに限定されない。３以上の楕円形が１つの焦点を共有してもよい。レーザー増幅装置４００は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の固体レーザー媒質１と、Ｍ（Ｍは整数、Ｎ＋Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の放射励起光源２とを有する。反射筐体３の内側の空間のすべての楕円形は、１以上の他の楕円形と焦点を共有する。１つの焦点を共有する楕円形の数を調整することで、固体レーザー媒質１の数と、放射励起光源２の数との比を柔軟に調整することができる。

【0033】

（実施形態の作用、効果）
従来の放射光源を用いたレーザー増幅装置では、１つの固体レーザー媒質に対して１つ以上の放射光源を閉じた反射筐体内に設置するため、放射励起光源の数は固体レーザー媒質の整数倍に制限され、複数の固体レーザー媒質への励起光の分配は難しかった。本実施形態のレーザー増幅装置１００等によれば、励起光を固体レーザー媒質１に分配することができ、固体レーザー媒質１に最適な励起光強度を与えることができる。これにより、レーザー増幅装置１００等に高いエネルギーを入力し、固体レーザー媒質１内へ高効率にエネルギーを蓄積することができるため、高い増幅率を維持することができる。

【0034】

レーザー増幅装置１００等によれば、レーザー光を効率的に増幅できることで、現在普及している高出力レーザー装置をより小型で高効率に動作させることが可能となる。レーザー増幅装置１００等によれば、消費電力量の抑制やレーザー光高出力化による作業効率の向上が期待できる。

【0035】

以上の実施形態の構成は、可能な限りこれらを組み合わせて実施され得る。また、以上の実施形態の各構成要素として、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で、他の構成要素が採用され得る。

【符号の説明】

【0036】

１ ：固体レーザー媒質
２ ：放射励起光源
３ ：反射筐体
４ａ ：冷却水入口
４ｂ ：冷却水出口
５ ：固体レーザー媒質固定用治具
６ ：サイドプレート
７ ：光源固定用治具
８ａ ：反射筐体用冷却水入口
９ ：冷却管
１０ ：Ｏリング
１１ ：冷却管固定用治具
１２ ：冷却水路
１３ ：反射筐体用冷却水路
１００ ：レーザー増幅装置
２００ ：レーザー増幅装置
３００ ：レーザー増幅装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2022-04-25

【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】

少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、
Ｍ（Ｍは整数、Ｎ+Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源と、
Ｎ本の前記固体レーザー媒質及びＭ本の前記放射励起光源にそれぞれ対応する複数の冷却管と、
複数の前記冷却管に各々繋がっており、Ｎ本の前記固体レーザー媒質及びＭ本の前記放射励起光源にそれぞれ対応して設けられる複数の冷却水入口及び複数の冷却水出口と、を備え、
前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置され、
Ｎ本の前記固体レーザー媒質及びＭ本の前記放射励起光源は、前記冷却水入口から前記冷却管経由で前記冷却水出口へ流れる冷却水によって動作時の熱が除去され、
前記反射筐体は、前記反射筐体に設けられた反射筐体用冷却水路を流れる冷却水によって冷却され、
前記冷却水出口は、前記冷却水入口の位置よりも鉛直方向の上側に配置され、
前記反射筐体用冷却水路は、反射筐体用冷却水入口及び反射筐体用冷却水出口にそれぞれ接続され、さらに、前記反射筐体用冷却水入口が、レーザー増幅装置本体の鉛直方向の下側に配置され、かつ前記反射筐体用冷却水出口が、前記レーザー増幅装置本体の鉛直方向の上側に配置されている、
レーザー増幅装置。

【請求項2】

少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、
Ｍ（Ｍは整数、Ｎ+Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源とを備え、
前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置され、
前記固体レーザー媒質の長尺方向の長さは、前記放射励起光源の長尺方向の長さよりも大きい、
レーザー増幅装置。

【請求項3】

少なくとも１つの焦点を少なくとも１つの他の楕円形と共有する部分的に重複する３以上の楕円形による形状を底面とする柱状空間を内部に有する反射筐体と、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の円柱形状の固体レーザー媒質と、
Ｍ（Ｍは整数、Ｎ+Ｍ≧４、かつ、Ｍ≠Ｎ）本の円柱形状の放射励起光源とを備え、
前記反射筐体の前記柱状空間の各楕円形の一方の焦点の位置に前記固体レーザー媒質が配置され、他方の焦点の位置に前記放射励起光源が配置され、
前記放射励起光源１本あたりに入力される入力電気エネルギーが５０Ｊのとき、前記固体レーザー媒質１本あたりに蓄積される蓄積エネルギーは１．４Ｊ以上である、
レーザー増幅装置。

【請求項4】

Ｍ本の前記放射励起光源に入力される入力電気エネルギーの総和が２００Ｊのとき、Ｎ本の前記固体レーザー媒質に蓄積される蓄積エネルギーの総和は４Ｊ以上である、
請求項３に記載のレーザー増幅装置。