(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】P2023035281
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】高出力レーザー増幅装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/10 20060101AFI20230306BHJP
H01S 3/042 20060101ALI20230306BHJP
H01S 3/091 20060101ALI20230306BHJP
【ＦＩ】
H01S3/10 D
H01S3/042
H01S3/091
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021142001
(22)【出願日】2021-08-31
【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、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願」
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100147267
【弁理士】
【氏名又は名称】大槻 真紀子
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】高田 英行
(72)【発明者】
【氏名】吉富 大
(72)【発明者】
【氏名】鳥塚 健二
(72)【発明者】
【氏名】小林 洋平
【テーマコード（参考）】
5F172
【Ｆターム（参考）】
5F172AE03
5F172AL01
5F172EE01
5F172NN05
5F172NN06
5F172NN07
5F172NN15
5F172NR13
5F172NR14
5F172NR28
5F172NS01
5F172NS09
5F172NS18
(57)【要約】
【課題】本発明は、高いピークパワーと平均出力を示すレーザー光を得ることができる高出力レーザー増幅装置の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、内部に直線状の流路を備え、流路の一端側に冷媒の導入側貯留部を他端側に冷媒の排出側貯留部を備えた増幅モジュールと、流路に沿って収容されたロッド状のレーザー増幅媒質と、レーザー増幅媒質の入力端側に接合された入力側エンドキャップと、レーザー増幅媒質の出力側に接合された対向側エンドキャップを具備し、レーザー増幅媒質がレーザー増幅用の希土類元素を含む固体レーザー材料からなり、エンドキャップがレーザー増幅用の希土類元素を含まない固体レーザー材料から、または、レーザー増幅用の希土類元素をレーザー増幅媒質より少なくした固体レーザー材料からなり、入力側エンドキャップから励起光と入力光が入力され、入力光を増幅する装置に関する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、内部に直線状の流路を備え、流路の一端側に冷媒の導入側貯留部を他端側に冷媒の排出側貯留部を備えた増幅モジュールと、流路に沿って収容されたロッド状のレーザー増幅媒質と、レーザー増幅媒質の入力端側に接合された入力側エンドキャップと、レーザー増幅媒質の出力側に接合された対向側エンドキャップを具備し、レーザー増幅媒質がレーザー増幅用の希土類元素を含む固体レーザー材料からなり、エンドキャップがレーザー増幅用の希土類元素を含まない固体レーザー材料から、または、レーザー増幅用の希土類元素をレーザー増幅媒質より少なくした固体レーザー材料からなり、入力側エンドキャップから励起光と入力光が入力され、入力光を増幅する装置に関する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に直線状の流路を備え、前記流路の一端側に冷媒の導入側貯留部を前記流路の他端側に冷媒の排出側貯留部を備えた増幅モジュールと、
前記流路に沿って収容されたロッド状のレーザー増幅媒質と、
前記流路の一端側に位置する前記レーザー増幅媒質の入力端側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した入力側エンドキャップと、
前記流路の他端側に位置する前記レーザー増幅媒質の対向側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した対向側エンドキャップとを具備し、
前記レーザー増幅媒質がレーザー増幅用の希土類元素を含む固体レーザー材料からなり、前記エンドキャップが前記レーザー増幅用の希土類元素を含まない固体レーザー材料から、あるいは、前記レーザー増幅用の希土類元素を前記レーザー増幅媒質より少なくした固体レーザー材料からなり、
前記入力側エンドキャップから励起光と入力光が入力され、前記レーザー増幅媒質により前記入力光を増幅することを特徴とする高出力レーザー増幅装置。
前記流路に沿って収容されたロッド状のレーザー増幅媒質と、
前記流路の一端側に位置する前記レーザー増幅媒質の入力端側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した入力側エンドキャップと、
前記流路の他端側に位置する前記レーザー増幅媒質の対向側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した対向側エンドキャップとを具備し、
前記レーザー増幅媒質がレーザー増幅用の希土類元素を含む固体レーザー材料からなり、前記エンドキャップが前記レーザー増幅用の希土類元素を含まない固体レーザー材料から、あるいは、前記レーザー増幅用の希土類元素を前記レーザー増幅媒質より少なくした固体レーザー材料からなり、
前記入力側エンドキャップから励起光と入力光が入力され、前記レーザー増幅媒質により前記入力光を増幅することを特徴とする高出力レーザー増幅装置。
【請求項2】
前記導入側貯留部と前記排出側貯留部に冷媒供給源が接続され、前記導入側貯留部と前記流路と前記排出側貯留部と前記冷媒供給源を介し冷媒の循環が可能であることを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー増幅装置。
【請求項3】
前記流路を挟んで前記流路の一端側に配置される導入側貯留部と、前記流路の他端側に配置される前記排出側貯留部が、相似形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高出力レーザー増幅装置。
【請求項4】
前記固体レーザー材料が、イットリウム・アルミニウム・ガーネットあるいはイットリアからなることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の高出力レーザー増幅装置。
【請求項5】
前記入力側エンドキャップの外方に励起光と入力光を入力するための入力側第１のダイクロイックミラーが配置され、前記対向側エンドキャップの外方に励起光を入力し出力光を取り出すための出力側第１のダイクロイックミラーが配置されたことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の高出力レーザー増幅装置。
【請求項6】
前記入力側エンドキャップの外方に励起光と入力光を入力し、出力光を取り出すための入力側第２のダイクロイックミラーが配置され、前記入力側第２のダイクロイックミラーの外方に入力光を前記入力側第２のダイクロイックミラーに入力するとともに前記入力側第２のダイクロイックミラーからの出力光を取り出すための偏光子が設けられ、
前記対向側のエンドキャップの外方に励起光を入力し前記レーザー増幅媒質から出射された増幅光を前記レーザー増幅媒質に戻すための対向側第２のダイクロイックミラーが配置され、前記ダイクロイックミラーの外方に前記対向側第２のダイクロイックミラーから取り出された増幅光を反射するための反射ミラーが設けられ、前記偏光子と前記反射ミラーの間に１／４波長板が設けられたことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の高出力レーザー増幅装置。
前記対向側のエンドキャップの外方に励起光を入力し前記レーザー増幅媒質から出射された増幅光を前記レーザー増幅媒質に戻すための対向側第２のダイクロイックミラーが配置され、前記ダイクロイックミラーの外方に前記対向側第２のダイクロイックミラーから取り出された増幅光を反射するための反射ミラーが設けられ、前記偏光子と前記反射ミラーの間に１／４波長板が設けられたことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の高出力レーザー増幅装置。
【請求項7】
前記レーザー増幅媒質に含まれる希土類元素の濃度が、前記レーザー増幅媒質の長さ方向に沿って場所により濃度が変更されている請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の高出力レーザー増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高出力レーザー増幅装置に関する。
【背景技術】
【0002】
希土類元素を含むＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の結晶やセラミックスに励起光を入力し、レーザー光を増幅する現象を利用したレーザー増幅装置が種々開発されている。
例えば、レーザー増幅媒質の両端にエンドキャップを備え、レーザー増幅媒質を水冷する技術が知られている（特許文献１参照）。
また、産業用に必要とされるｍＪクラスのパルスエネルギーとｋＷクラスの平均出力を有する高出力フェムト秒レーザー増幅器として、厚さ１００μｍ程度の薄板形状（Thin Disk形状）のレーザー媒質と、４０個の反射鏡を備えたミラーアレイと薄膜偏光子などを配置した装置が知られている（非特許文献１参照）。
更に、厚さ１ｍｍ程度の小型の矩形板状のレーザー媒質と、このレーザー媒質を冷却するヒートシンクを備え、レーザー媒質の両側に設けたダイクロイックミラーから繰り返しレーザー光を入射することでレーザー光の増幅を行うレーザー増幅装置が知られている（非特許文献２参照）。
また、ヒートシンクの内部にsingle crystal fiberと呼ばれる細型のロッド形状のＹＡＧ単結晶を収容し、外部の導光ファイバーからの励起光をロッド形状のＹＡＧ単結晶の一端にレンズで集光して入射し、シードレーザー光を集光ミラーで入力して該レーザー光を増幅し、ロッド形状のＹＡＧ単結晶の他端から増幅光として取り出すタイプのレーザー増幅装置が知られている（非特許文献３参照）。
例えば、レーザー増幅媒質の両端にエンドキャップを備え、レーザー増幅媒質を水冷する技術が知られている（特許文献１参照）。
また、産業用に必要とされるｍＪクラスのパルスエネルギーとｋＷクラスの平均出力を有する高出力フェムト秒レーザー増幅器として、厚さ１００μｍ程度の薄板形状（Thin Disk形状）のレーザー媒質と、４０個の反射鏡を備えたミラーアレイと薄膜偏光子などを配置した装置が知られている（非特許文献１参照）。
更に、厚さ１ｍｍ程度の小型の矩形板状のレーザー媒質と、このレーザー媒質を冷却するヒートシンクを備え、レーザー媒質の両側に設けたダイクロイックミラーから繰り返しレーザー光を入射することでレーザー光の増幅を行うレーザー増幅装置が知られている（非特許文献２参照）。
また、ヒートシンクの内部にsingle crystal fiberと呼ばれる細型のロッド形状のＹＡＧ単結晶を収容し、外部の導光ファイバーからの励起光をロッド形状のＹＡＧ単結晶の一端にレンズで集光して入射し、シードレーザー光を集光ミラーで入力して該レーザー光を増幅し、ロッド形状のＹＡＧ単結晶の他端から増幅光として取り出すタイプのレーザー増幅装置が知られている（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許第６３６６５９６号明細書
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Jan-Philipp Negel et al.,「1.1 kW average output power from a thin-disk multipass amplifier for ultrashort laser pulses」, Optics. Letters. Vol. 38, Issue 24, PP 5442-5445 (2013)
【非特許文献2】P. Russbueldt et al., 「Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier」, Optics. Letters. Vol 35, Issue 24, PP 4169-4171 (2010)
【非特許文献3】Frieder Beirow et al., 「Amplification of radially polarized ultra-short pulsed radiation to avarege output powers exceeding 250W in a compactsingle-stage Yb:YAG single-crystal fiber amplifier」, Letters and Optics. Applied Physics B. P148 (Pages 1 to 10), 14 August 2020
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
レーザー増幅装置の分野において、パルスレーザー光を増幅してピークパワーを増大したいとする要求が存在する。その際、コストや信頼性の観点から光学系が簡易な方が望ましく、そのためには、被増幅パルスをレーザー媒質に１回透過させた場合の利得が大きく、透過させる回数が少ない方が望ましいと考えられる。
そのためには、レーザー媒質に入力する励起光の空間密度を高めることが有望である。即ち、励起光を集光してレーザー媒質に入力すれば、被増幅パルス光をレーザー増幅媒質に１回透過させた場合の利得が大きく、透過させる回数を少なくすることができ、光学系を簡易にできることが期待される。
そのためには、レーザー媒質に入力する励起光の空間密度を高めることが有望である。即ち、励起光を集光してレーザー媒質に入力すれば、被増幅パルス光をレーザー増幅媒質に１回透過させた場合の利得が大きく、透過させる回数を少なくすることができ、光学系を簡易にできることが期待される。
【0006】
しかしながら、従来のレーザー増幅装置の場合、励起光の集光度を高めると、励起光を入射するレーザー媒質表面付近で励起光の吸収により、励起光の中心部分に近いほど媒質の屈折率が高くなる。このため、いわゆる熱レンズ効果が発生し、被増幅レーザービームが集光して細くなる。そのことにより、レーザー光の強度が媒質中で高くなってレーザー媒質自身に損傷を引き起こしたり、レーザー増幅媒質の非線形現象により、レーザーパルスの波形が変形するといった不具合が発生する。レーザー増幅媒質は、特定の結晶性を有するが、熱膨張により縦方向と横方向で結晶変形の状態が異なると、レーザーパルスのビーム形状が変形する原因となる。
また、レーザー増幅媒質の温度が上がると上準位寿命が短くなる場合が多く、この場合に利得が下がり、結果的に得られるパルスエネルギーが減少する問題がある。
また、レーザー増幅媒質の温度が上がると上準位寿命が短くなる場合が多く、この場合に利得が下がり、結果的に得られるパルスエネルギーが減少する問題がある。
【0007】
熱レンズ効果を抑制するには、レーザー媒質の中心からレーザー媒質の表面までの温度差を小さくすれば良い。そのための方法として、媒質の直径を小さくし、媒質長を長くすることで、熱レンズ効果の低減と高い利得の両立を図ることができると考えられる。
【0008】
先の非特許文献１、２に記載されているレーザー増幅器は、どちらも１パス当たりの利得が低いため、利得を得ようとするとパス数を多くしなければならないなどの理由で光学系が複雑で大掛かりな装置となる課題がある。このため、高出力フェムト秒レーザー増幅器の小型化が困難であり、コストの低減も困難な課題がある。非特許文献１、２に記載されている技術では、特に光学系の小型化が困難であった。
【0009】
レーザー増幅媒質の直径を小さくし、媒質長を長くすることで、熱レンズ効果の低減と高い利得の両立をはかる技術が特許文献１として知られているが、非特許文献３に記載されているように、高出力パワー、例えば１００Ｗ以上の高出力を良好なシングルモードで得ることは現状の技術では困難であると考えられている。
しかし、レーザー加工の分野では、良好な集光性やパルス幅がナノ秒以下の超短パルスでありながら、平均出力が１００Ｗ以上のレーザー増幅器が望まれており、そのためにはシングルモード動作が必要であるが、現状の技術でこのようなレーザー増幅を行うことは困難であると考えられる。
しかし、レーザー加工の分野では、良好な集光性やパルス幅がナノ秒以下の超短パルスでありながら、平均出力が１００Ｗ以上のレーザー増幅器が望まれており、そのためにはシングルモード動作が必要であるが、現状の技術でこのようなレーザー増幅を行うことは困難であると考えられる。
【0010】
本願発明は、レーザー増幅媒質中に種となる被増幅パルス光を１方向のみ通過させるかあるいは１往復通過させるだけで、偏光方向に依存せず、十分な利得、高いピークパワーおよび高い平均出力を示すレーザー光を得ることができる高出力レーザー増幅装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
（１）本形態に係る高出力レーザー増幅装置は、内部に直線状の流路を備え、前記流路の一端側に冷媒の導入側貯留部を前記流路の他端側に冷媒の排出側貯留部を備えた増幅モジュールと、前記流路に沿って収容されたロッド状のレーザー増幅媒質と、前記流路の一端側に位置する前記レーザー増幅媒質の入力端側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した入力側エンドキャップと、前記流路の他端側に位置する前記レーザー増幅媒質の対向側に接合され、前記増幅モジュールの外壁に形成された透孔を介し一部を外部に出した対向側エンドキャップとを具備し、前記レーザー増幅媒質がレーザー増幅用の希土類元素を含む固体レーザー材料からなり、前記エンドキャップが前記レーザー増幅用の希土類元素を含まない固体レーザー材料から、あるいは、前記レーザー増幅用の希土類元素を前記レーザー増幅媒質より少なくした固体レーザー材料からなり、前記入力側エンドキャップから励起光と入力光が入力され、前記レーザー増幅媒質により前記入力光を増幅することを特徴とする。
なお、前記レーザー増幅媒質の希土類元素の濃度は、前記レーザー増幅媒質の長さ方向（被増幅レーザーが伝搬する方向）に対して、場所により濃度が変わっていても良い。
なお、前記レーザー増幅媒質の希土類元素の濃度は、前記レーザー増幅媒質の長さ方向（被増幅レーザーが伝搬する方向）に対して、場所により濃度が変わっていても良い。
【0012】
（２）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記導入側貯留部と前記排出側貯留部に冷媒供給源が接続され、前記導入側貯留部と前記流路と前記排出側貯留部と前記冷媒供給源を介し冷媒の循環が可能であることが好ましい。
（３）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記流路を挟んで前記流路の一端側に配置される導入側貯留部と、前記流路の他端側に配置される前記排出側貯留部が、相似形状であることが好ましい。
（４）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記固体レーザー材料が、イットリウム・アルミニウム・ガーネットあるいはイットリアからなることが好ましい。
（３）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記流路を挟んで前記流路の一端側に配置される導入側貯留部と、前記流路の他端側に配置される前記排出側貯留部が、相似形状であることが好ましい。
（４）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記固体レーザー材料が、イットリウム・アルミニウム・ガーネットあるいはイットリアからなることが好ましい。
【0013】
（５）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記入力側のエンドキャップの外方に励起光と入力光を入力するための入力側第１のダイクロイックミラーが配置され、前記対向側のエンドキャップの外方に励起光を入力し出力光を取り出すための出力側第１のダイクロイックミラーが配置されたことが好ましい。
【0014】
（６）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記入力側のエンドキャップの外方に励起光と入力光を入力し、出力光を取り出すための入力側第２のダイクロイックミラーが配置され、前記入力側第２のダイクロイックミラーの外方に入力光を前記入力側第２のダイクロイックミラーに入力するとともに前記入力側第２のダイクロイックミラーからの出力光を取り出すための偏光子が設けられ、前記対向側のエンドキャップの外方に励起光を入力し前記レーザー増幅媒質から出射された増幅光を前記レーザー増幅媒質に戻すための対向側第２のダイクロイックミラーが配置され、前記ダイクロイックミラーの外方に前記対向側第２のダイクロイックミラーから取り出された増幅光を反射するための反射ミラーが設けられ、前記偏光子と前記反射ミラーの間に１／４波長板が設けられたことが好ましい。
（７）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記レーザー増幅媒質に含まれる希土類元素の濃度は、前記レーザー増幅媒質の長さ方向に沿って場所により濃度が変わっていることが好ましい。
（７）本形態の高出力レーザー増幅装置において、前記レーザー増幅媒質に含まれる希土類元素の濃度は、前記レーザー増幅媒質の長さ方向に沿って場所により濃度が変わっていることが好ましい。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係る高出力レーザー増幅装置によれば、良好な集光性やパルス幅がナノ秒以下の超短パルスでありながら、１００Ｗ以上の平均出力のレーザー光をシングルモードで得ることができるレーザー増幅装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明に係る高出力レーザー増幅装置の第１実施形態を示す要部断面図である。
【図2】同第１実施形態の高出力レーザー増幅装置の全体構成を示す概要図である。
【図4】同第１実施形態の高出力レーザー増幅装置の要部を示すもので、図４(ａ)は増幅モジュールの中央部で断面をとった水平断面図、図４（ｂ）は増幅モジュールの横断面図、図４（ｃ）は増幅モジュールの中央部で断面をとった垂直断面図である。
【図5】本発明の高出力レーザー増幅装置に係る第２実施形態の全体構成を示す概要図である。
【図6】本発明の高出力レーザー増幅装置に係る第３実施形態の全体構成を示す概要図である。
【図7】本発明の高出力レーザー増幅装置に係る第４実施形態の全体構成を示す概要図である。
【図8】本発明の高出力レーザー増幅装置に係る第５実施形態の全体構成を示す概要図である。
【図9】実施例において用いたレーザー増幅装置のサイズを示すための断面図である。
【図10】実施例のレーザー増幅装置において得られた平均励起パワーと平均出力パワーを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。
【0018】
＜第１実施形態＞
図１、図２は、本発明に係る第１実施形態のレーザー増幅装置を示すもので、このレーザー増幅装置１は、一例としてステンレス鋼製の円筒状の筐体の内部に直線状の流路２と導入側貯留部３と排出側貯留部４を備えた増幅モジュール５を主体として構成されている。増幅モジュール５の流路２にレーザー増幅用の丸棒状（ロッド状）のレーザー増幅媒質６が収容され、レーザー増幅媒質６の一端側に入力側エンドキャップ７が接合され、レーザー増幅媒質６の他端側に対向側エンドキャップ８が接合されている。
なお、筐体を構成する材料はステンレス鋼に限らず、水に浸されず、強度が充分な材料であれば、エンジニアリングプラスチックなどを採用しても良い。例えば、アルミニウム合金、銅、真鍮、ポリアセタール樹脂（デルリン：デュポン（株）商品名）、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）、ナイロン、塩化ビニール、アクリル、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの材料から筐体を構成しても良い。
また、図２に示すように増幅モジュール５の入力側（図２の左側）に入力側第１のダイクロイックミラー９が配置され、増幅モジュール５の出力側（図２の右側）に出力側第１のダイクロイックミラー１０が配置されてレーザー増幅装置１が構成されている。
図１、図２は、本発明に係る第１実施形態のレーザー増幅装置を示すもので、このレーザー増幅装置１は、一例としてステンレス鋼製の円筒状の筐体の内部に直線状の流路２と導入側貯留部３と排出側貯留部４を備えた増幅モジュール５を主体として構成されている。増幅モジュール５の流路２にレーザー増幅用の丸棒状（ロッド状）のレーザー増幅媒質６が収容され、レーザー増幅媒質６の一端側に入力側エンドキャップ７が接合され、レーザー増幅媒質６の他端側に対向側エンドキャップ８が接合されている。
なお、筐体を構成する材料はステンレス鋼に限らず、水に浸されず、強度が充分な材料であれば、エンジニアリングプラスチックなどを採用しても良い。例えば、アルミニウム合金、銅、真鍮、ポリアセタール樹脂（デルリン：デュポン（株）商品名）、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）、ナイロン、塩化ビニール、アクリル、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの材料から筐体を構成しても良い。
また、図２に示すように増幅モジュール５の入力側（図２の左側）に入力側第１のダイクロイックミラー９が配置され、増幅モジュール５の出力側（図２の右側）に出力側第１のダイクロイックミラー１０が配置されてレーザー増幅装置１が構成されている。
【0019】
増幅モジュール５の一端側内部に空間を設けて導入側貯留部３が形成され、増幅モジュール５の他端側内部に空間を設けて排出側貯留部４が形成されている。
後に示す異なる方向から増幅モジュール５の断面を見た図４（ａ）～（ｃ）にも示されるように、導入側貯留部３は、増幅モジュール５の長さ方向（図１の左右方向）に均一の奥行きを有し、図４（ｂ）に示すように増幅モジュール５の横断面をとった場合に断面円形状の空間である。導入側貯留部３と排出側貯留部４は奥行きが同一サイズであり、内径も同一サイズの相似形状に形成されている。
なお、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状であることが望ましいが、相似形状を必須とする訳ではない。
後に示す異なる方向から増幅モジュール５の断面を見た図４（ａ）～（ｃ）にも示されるように、導入側貯留部３は、増幅モジュール５の長さ方向（図１の左右方向）に均一の奥行きを有し、図４（ｂ）に示すように増幅モジュール５の横断面をとった場合に断面円形状の空間である。導入側貯留部３と排出側貯留部４は奥行きが同一サイズであり、内径も同一サイズの相似形状に形成されている。
なお、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状であることが望ましいが、相似形状を必須とする訳ではない。
【0020】
図１に示す増幅モジュール５の左端側の周壁５Ａの上部には導入側貯留部３に連通する導入口１２が形成され、導入口１２に継手部材１３が接続されている。図１に示す増幅モジュール５の右端側の周壁５Ｂの上部には排出側貯留部４に連通する排出口１４が形成され、排出口１４に継手部材１６が接続されている。
増幅モジュール５の中心部には、導入側貯留部３の中心部と排出側貯留部４の中心部を連通する横断面円形状の直線状の流路２が形成されている。
増幅モジュール５の中心部には、導入側貯留部３の中心部と排出側貯留部４の中心部を連通する横断面円形状の直線状の流路２が形成されている。
【0021】
増幅モジュール５に接続されている継手部材１３と継手部材１６には、接続管１１を介し冷媒供給源１７が接続されている。この冷媒供給源１７から継手部材１３を介し導入側貯留部３に液体冷媒を供給し、この液体冷媒を流路２を介し排出側貯留部４に流すことができる。そして、この液体冷媒を継手部材１６と接続管１１を介し冷媒供給源１７に戻し、再度冷媒供給源１７から導入側貯留部３に供給することで液体冷媒の循環を行うことができる。液体冷媒としては水を使用できる。
【0022】
増幅モジュール５の長さ方向に沿う導入側貯留部３の奥行きは、一例として図４（ａ）、（ｃ）にも示すように増幅モジュール５の全体長さの数分の一、例えば、１／８程度に形成されている。図４（ｂ）に示すように導入側貯留部３の周囲を囲んでいる増幅モジュール５の周壁５Ａは円形状であるが、重要なことは導入側貯留部３の形状であり、周壁５Ａの外面の形状は円形でも四角形などの多角形などでも良い。例えば、図４（ｂ）に示す円形状の導入側貯留部３の形状を維持したまま、周壁５外面の断面輪郭を正方形状に形成しても良い。即ち、周壁５の肉厚が均一である必要は無い。
増幅モジュール５の長さ方向に沿う排出側貯留部４の奥行きは、一例として図４（ａ）、（ｃ）に示すように増幅モジュール５の全体長さの数分の一、例えば、１／８程度に形成されている。図４（ａ）、（ｃ）に示すように排出側貯留部４の周囲を囲んでいる増幅モジュール５の周壁５Ｂは円形状であるが、重要なことは排出側貯留部４の形状であり、周壁５Ｂの外面の形状は円形でも四角形などの多角形などでも良い。
導入側貯留部３の奥行きと排出側貯留部４の奥行きは同等サイズであり、導入側貯留部３と排出側貯留部４の内径も同等サイズである。このため、導入側貯留部３と排出側貯留部４は先に説明した通り相似形状とされている。先に説明した通り、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状であることが望ましいが、相似形状を必須とする訳ではない。
なお、導入側貯留部３と排出側貯留部４の奥行きや高さは図面に示す例に限らず、任意に設定して良いが、できるだけ内容積を大きくとることが望ましい。
増幅モジュール５の長さ方向に沿う排出側貯留部４の奥行きは、一例として図４（ａ）、（ｃ）に示すように増幅モジュール５の全体長さの数分の一、例えば、１／８程度に形成されている。図４（ａ）、（ｃ）に示すように排出側貯留部４の周囲を囲んでいる増幅モジュール５の周壁５Ｂは円形状であるが、重要なことは排出側貯留部４の形状であり、周壁５Ｂの外面の形状は円形でも四角形などの多角形などでも良い。
導入側貯留部３の奥行きと排出側貯留部４の奥行きは同等サイズであり、導入側貯留部３と排出側貯留部４の内径も同等サイズである。このため、導入側貯留部３と排出側貯留部４は先に説明した通り相似形状とされている。先に説明した通り、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状であることが望ましいが、相似形状を必須とする訳ではない。
なお、導入側貯留部３と排出側貯留部４の奥行きや高さは図面に示す例に限らず、任意に設定して良いが、できるだけ内容積を大きくとることが望ましい。
【0023】
増幅モジュール５の中心軸に沿うように導入側貯留部３の中心部と排出側貯留部４の中心部を結ぶ直線状の透孔が形成され、この透孔を囲むように筐体を構成する材料からなる筒壁部１５が形成され、筒壁部１５の内部に流路２が構成されている。
【0024】
筒壁部１５の一端部１５ａが所定長さ、導入側貯留部３に突出され、筒壁部１５の他端部１５ｂが所定長さ排出側貯留部４に突出されている。導入側貯留部３に突出された一端部１５ａの長さと排出側貯留部４に突出された他端部１５ｂの長さは図１の例では同一にされている。ただし、一端部１５ａの長さと他端部１５ｂの長さは、同一でなくても差し支えない。
また、筒壁部１５の一端部１５ａを除外した導入側貯留部３の体積と、筒壁部１５の他端部１５ｂを除外した排出側貯留部４の体積も同等とされていることが好ましい。
従って、導入側貯留部３の内容積と排出側貯留部４の内容積は同一とされ、筒壁部１５の一端部１５ａと他端部１５ｂが占める体積を加味したとして、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状とされていることが好ましい。勿論、導入側貯留部３の体積と排出側貯留部４の体積が同一でなくとも良く、導入側貯留部３と排出側貯留部４が相似形状でなくとも良い。
また、筒壁部１５の一端部１５ａを除外した導入側貯留部３の体積と、筒壁部１５の他端部１５ｂを除外した排出側貯留部４の体積も同等とされていることが好ましい。
従って、導入側貯留部３の内容積と排出側貯留部４の内容積は同一とされ、筒壁部１５の一端部１５ａと他端部１５ｂが占める体積を加味したとして、導入側貯留部３と排出側貯留部４は相似形状とされていることが好ましい。勿論、導入側貯留部３の体積と排出側貯留部４の体積が同一でなくとも良く、導入側貯留部３と排出側貯留部４が相似形状でなくとも良い。
【0025】
増幅モジュール５の中心に設けられている流路２に丸棒状のレーザー増幅媒質６が設置されている。レーザー増幅媒質６は、一端側に短い丸棒状（ロッド状）の入力側エンドキャップ７が接合され、他端側に短い丸棒状（ロッド状）の対向側エンドキャップ８が接合されている。
本実施形態において、入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６と同一径の棒状体からなる。入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８の長さは後述する冷却効率を確保するため、レーザー増幅媒質６の半径以上であることが望ましい。
本実施形態において、入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６と同一径の棒状体からなる。入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８の長さは後述する冷却効率を確保するため、レーザー増幅媒質６の半径以上であることが望ましい。
【0026】
レーザー増幅媒質６はレーザー増幅が可能な固体レーザー材料（レーザー増幅媒質）、例えば、ＹＡＧセラミックス（イットリウムとアルミニウムの複合酸化物からなるガーネット構造の結晶体：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）セラミックス、酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）セラミックス、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）セラミックス、ＹＳＡＧ（Ｙ３ＡｌＳｃ４Ｏ１２）セラミックス）などの希土類含有セラミックスからなる。
レーザー増幅媒質６を結晶体から構成すると、結晶が有する異方性により、熱膨張を起因として出力ビーム形状の変形を生むおそれが高くなる。結晶体であると、結晶方位によって必然的に熱膨張率や屈折率に方向性を有するが、上述のセラミックスからなるレーザー増幅媒質６であれば、結晶の異方性を有しないため、出力ビーム形状の変形を生むおそれを低くできる。
レーザー増幅媒質６を結晶体から構成すると、結晶が有する異方性により、熱膨張を起因として出力ビーム形状の変形を生むおそれが高くなる。結晶体であると、結晶方位によって必然的に熱膨張率や屈折率に方向性を有するが、上述のセラミックスからなるレーザー増幅媒質６であれば、結晶の異方性を有しないため、出力ビーム形状の変形を生むおそれを低くできる。
【0027】
レーザー増幅媒質６の一端は筒壁部１５の一端部１５ａの先端と同程度の位置（但し、内側が望ましい）に配置され、この一端に入力側エンドキャップ７が接合されている。レーザー増幅媒質６の他端は筒壁部１５の他端部１５ｂの先端と同程度の位置（但し、内側が望ましい）に配置され、この他端に対向側エンドキャップ８が接合されている。エンドキャップ７、８はレーザー増幅媒質６と同一外径の丸棒状に形成されている。
入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６に含まれているレーザー増幅用の希土類元素を含まないか、含んでいたとして、レーザー増幅媒質６よりもレーザー増幅用の希土類元素を少なく含むセラミックスからなる固体レーザー材料からなる。例えば、ＹＡＧセラミックス（イットリウムとアルミニウムの複合酸化物からなるガーネット構造の結晶体：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）セラミックス、酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）セラミックス、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）セラミックス、ＹＳＡＧ（Ｙ３ＡｌＳｃ４Ｏ１２）セラミックス）からなる。
入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６に含まれているレーザー増幅用の希土類元素を含まないか、含んでいたとして、レーザー増幅媒質６よりもレーザー増幅用の希土類元素を少なく含むセラミックスからなる固体レーザー材料からなる。例えば、ＹＡＧセラミックス（イットリウムとアルミニウムの複合酸化物からなるガーネット構造の結晶体：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）セラミックス、酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）セラミックス、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）セラミックス、ＹＳＡＧ（Ｙ３ＡｌＳｃ４Ｏ１２）セラミックス）からなる。
【0028】
レーザー増幅媒質６をロッド状（例えば直径：１～３ｍｍ）にするのは、断面を小さくすることで、レーザー増幅媒質６の中心部と周辺部の温度差を少なくして熱レンズ効果を低減するためである。また、直径に比べて十分長くする（例えば長さ：２０～５０ｍｍ）のは、１パス当たりの利得を大きくする（例えば２～１０倍）ためである。レーザー増幅媒質６の直径は連通管１５の内径より小さいので、レーザー増幅媒質６の外周面と連通管１５の内周面との間に流路２が形成されている。また、レーザー増幅媒質６は連通管１５の軸心を通過するように配置され、レーザー増幅媒質６の外周面と連通管１５の内周面との間にはレーザー増幅媒質６の全長かつ全周に渡り均一幅の隙間が形成され、この隙間が流路２を構成する。また、レーザー増幅媒質６の外径とエンドキャップ７、８の外径が同一であるため、エンドキャップ７、８の外周面と連通管１５の内周面との間にも、エンドキャップ７、８の全長かつ全周に渡り均一幅の隙間が形成され、この隙間が流路２の一部を構成する。
【0029】
レーザー増幅媒質６の一端側の入力側エンドキャップ７は、導入側貯留部３の中心部を通過するように配置されている。また、流路２を増幅モジュール５の長さ方向に延長した位置の外壁５ａに形成されている透孔５Ｄを挿通し、入力側エンドキャップ７が増幅モジュール５の外部に一部突出されている。
レーザー増幅媒質６の他端側の対向側エンドキャップ８は、排出側貯留部４の中心部を通過するように配置されている。また、流路２を増幅モジュール５の長さ方向に延長した位置の外壁５ｂに形成されている透孔５Ｅを挿通し、対向側エンドキャップ８が増幅モジュール５の外部に一部突出されている。
なお、前記レーザー増幅媒質６における希土類元素の濃度は、レーザー増幅媒質６の長さ方向（被増幅レーザーが伝搬する方向）に対して、場所により濃度が変わっていても良い。
例えば、後述する種々の形態を含めて励起光強度が大きいエンドキャップ７あるいはエンドキャップ８に近い部分の熱レンズ効果を低減するために、エンドキャップ７、８に近い部分のレーザー増幅媒質６の希土類元素の濃度を下げることで励起光吸収を小さくして熱レンズ効果を抑えることができる。また、励起光強度が低くなってくるレーザー増幅媒質６の中心部分では濃度を上げて励起光吸収を大きくすることで利得の低下を防ぎ、トータルとして、熱レンズ効果を低減しつつ、利得を維持する構成を採用できる。
レーザー増幅媒質６の他端側の対向側エンドキャップ８は、排出側貯留部４の中心部を通過するように配置されている。また、流路２を増幅モジュール５の長さ方向に延長した位置の外壁５ｂに形成されている透孔５Ｅを挿通し、対向側エンドキャップ８が増幅モジュール５の外部に一部突出されている。
なお、前記レーザー増幅媒質６における希土類元素の濃度は、レーザー増幅媒質６の長さ方向（被増幅レーザーが伝搬する方向）に対して、場所により濃度が変わっていても良い。
例えば、後述する種々の形態を含めて励起光強度が大きいエンドキャップ７あるいはエンドキャップ８に近い部分の熱レンズ効果を低減するために、エンドキャップ７、８に近い部分のレーザー増幅媒質６の希土類元素の濃度を下げることで励起光吸収を小さくして熱レンズ効果を抑えることができる。また、励起光強度が低くなってくるレーザー増幅媒質６の中心部分では濃度を上げて励起光吸収を大きくすることで利得の低下を防ぎ、トータルとして、熱レンズ効果を低減しつつ、利得を維持する構成を採用できる。
【0030】
増幅モジュール５において、入力側エンドキャップ７が一部突出された部分の外側に入力側第１のダイクロイックミラー９が設けられ、対向側エンドキャップ８が一部突出された部分の外側に対向側第１のダイクロイックミラー１０が設けられている。
入力側第１のダイクロイックミラー９は、レーザー増幅媒質６においてレーザー光を増幅する場合に必要な励起光を通過させる。また、ダイクロイックミラー９は、入射光としての被増幅パルス光を反射させて入力側エンドキャップ７に入力する機能を有する。
対向側第１のダイクロイックミラー１０は、レーザー増幅媒質６に対しレーザー光を増幅する場合に必要な励起光を通過させる。また、ダイクロイックミラー１０は、レーザー増幅媒質６で増幅され、対向側エンドキャップ８から出射された出力光を反射して出射光とする機能を有する。
入力側第１のダイクロイックミラー９は、レーザー増幅媒質６においてレーザー光を増幅する場合に必要な励起光を通過させる。また、ダイクロイックミラー９は、入射光としての被増幅パルス光を反射させて入力側エンドキャップ７に入力する機能を有する。
対向側第１のダイクロイックミラー１０は、レーザー増幅媒質６に対しレーザー光を増幅する場合に必要な励起光を通過させる。また、ダイクロイックミラー１０は、レーザー増幅媒質６で増幅され、対向側エンドキャップ８から出射された出力光を反射して出射光とする機能を有する。
【0031】
レーザー増幅装置１を用いて被増幅パルス光の増幅を行うには、まず、水などの液体冷媒を冷媒供給源１７から導入側貯留部３に供給し、導入側貯留部３に液体冷媒Ｗを満たし、この液体冷媒を導入側貯留部３から流路２に流す。次いで、液体冷媒Ｗを排出側貯留部４に流し、排出側貯留部４から冷媒供給源に液体冷媒Ｗを戻し、再度冷媒供給源から導入側貯留部３に供給することで液体冷媒Ｗの循環を行う。流路２を流れる液体冷媒Ｗにより流路２内のレーザー増幅媒質６を効率良く均等に冷却することができる。
【0032】
次いで、ダイクロイックミラー９から入力側エンドキャップ７を介しレーザー増幅媒質６に被増幅パルス光と励起光を入力する。また、ダイクロイックミラー１０から対向側エンドキャップ８を介しレーザー増幅媒質６に励起光を入力する。これにより、レーザー増幅媒質６において被増幅パルス光を増幅でき、この増幅パルス光を対向側エンドキャップ８から出力し、図２に示すようにダイクロイックミラー１０で反射させて出力光が得られる。
【0033】
上述のレーザー増幅装置１においては、流路２に沿ってレーザー増幅媒質６の長さ方向に均一に流れる液体冷媒Ｗによりレーザー増幅媒質６を均一冷却しながら被増幅パルス光の増幅を行っている。即ち、冷却はレーザー増幅媒質６に透過する励起光と被増幅パルス光の進行方向の中心軸（レーザー増幅媒質６の中心軸でもある）に対して軸対象になるように行っている。
【0034】
冷却を軸対象になるように行うのは、熱的にも異方性のないセラミック製のレーザー増幅媒質６に対し軸対象冷却を行うことで熱レンズ効果を軸対象になるように調整し、出力ビーム形状の変形を低減するためである。レーザー増幅媒質６に対し軸対象になるように冷却するため、液体冷媒Ｗがレーザー増幅媒質６の近傍を流れる前に、図１に示すように、レーザー増幅媒質６の近傍を流れる断面に比べ十分大きな断面を持ち、相似形状（流路２を介し軸対称）になっている貯留部３、４を設けている。貯留部３、４を設けることでレーザー増幅媒質６の近傍での液流を均一になるように調整している。また、横断面円形状の流路２においてその中心に丸棒状のレーザー増幅媒質６を配置し、レーザー増幅媒質６の周囲に均一な厚さの冷却媒体Ｗの流れを生じさせることで、レーザー増幅媒質６の軸対称冷却を図っている。
【0035】
更に、レーザー増幅媒質６の両端に接合されている入力側エンドキャップ７と対向側エンドキャップ８においてもそれらの冷却を軸対象になるように冷却できる。
冷媒供給源１７から導入側貯留部３に流入した液体冷媒は、筒壁部１５の一端部１５ａ側から流路２に流入し、入力側エンドキャップ７とレーザー増幅媒質６に沿って流路２を流れ、排出側貯留部４に至る。液体が流路２を通して常に流れていることでレーザー増幅媒質６とエンドキャップ７、８を十分に冷却することができる。
冷媒供給源１７から導入側貯留部３に流入した液体冷媒は、筒壁部１５の一端部１５ａ側から流路２に流入し、入力側エンドキャップ７とレーザー増幅媒質６に沿って流路２を流れ、排出側貯留部４に至る。液体が流路２を通して常に流れていることでレーザー増幅媒質６とエンドキャップ７、８を十分に冷却することができる。
【0036】
一般的なレーザー増幅装置の場合、励起光の集光度を高めると、励起光が入射するレーザー媒質表面付近で励起光の吸収により、励起光の中心部分に近いほど媒質の屈折率が高くなり、いわゆる熱レンズ効果により、被増幅ビームが集光して細くなる。そのことにより、レーザー光強度が媒質中で高くなって媒質自身に損傷を引き起こしたり、媒質による非線形現象によるパルス波形が変形するといった現象が起こる。また、レーザー媒質の温度が上がると上準位寿命が短くなる場合が多く、この場合には利得が下がり、結果的に得られるパルスエネルギーが減ってしまう。
【0037】
熱レンズ効果を抑制するには、レーザー増幅媒質６の中心からレーザー増幅媒質６の表面までの温度差を小さくすれば良い。そのための方法として、レーザー増幅媒質６の直径を小さくし、媒質長を長くするとともに、上述の軸対称冷却を実施することにより、熱レンズ効果の低減と高い利得の両立を図ることができる。
また、エンドキャップ７及びエンドキャップ８は励起光が入力されて発熱の大きい部位となる可能性を有するが、エンドキャップ７及びエンドキャップ８を軸対称に強制冷却すると、エンドキャップ７及びエンドキャップ８に接するレーザー増幅媒質６において一番発熱する部分を効果的に冷却することができ、それにより熱レンズ効果を効果的に低減できる。エンドキャップ７及びエンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６ほどは励起光を吸収しないか、または、全く吸収しないために、レーザーの増幅をレーザー増幅媒質６ほどは行わないか、全く行わないため、発熱も少なくなる。このため、エンドキャップ７及びエンドキャップ８の温度上昇を抑制し、出力ビーム形状の変形を防止できる。
また、エンドキャップ７及びエンドキャップ８の厚みをレーザー増幅媒質６の半径以上の大きさに調整することで、液体冷媒Ｗとの十分な接触面積を確保し、均一、かつ、効果的な冷却を行うことができる。
また、エンドキャップ７及びエンドキャップ８は励起光が入力されて発熱の大きい部位となる可能性を有するが、エンドキャップ７及びエンドキャップ８を軸対称に強制冷却すると、エンドキャップ７及びエンドキャップ８に接するレーザー増幅媒質６において一番発熱する部分を効果的に冷却することができ、それにより熱レンズ効果を効果的に低減できる。エンドキャップ７及びエンドキャップ８は、レーザー増幅媒質６ほどは励起光を吸収しないか、または、全く吸収しないために、レーザーの増幅をレーザー増幅媒質６ほどは行わないか、全く行わないため、発熱も少なくなる。このため、エンドキャップ７及びエンドキャップ８の温度上昇を抑制し、出力ビーム形状の変形を防止できる。
また、エンドキャップ７及びエンドキャップ８の厚みをレーザー増幅媒質６の半径以上の大きさに調整することで、液体冷媒Ｗとの十分な接触面積を確保し、均一、かつ、効果的な冷却を行うことができる。
【0038】
更に、本実施形態のレーザー増幅装置１では、レーザー増幅媒質６やエンドキャップ７、８の材料に、光学特性や熱的特性、機械的特性について等方性を有するセラミックスを用いている。このことにより、励起光のビーム形状が軸対象の場合、熱レンズ効果も軸対象になり、被増幅パルス光の熱レンズ効果による変形も軸対象になる。
【0039】
また、高効率化に必要な励起光と被増幅パルス光のモードマッチングの改善のため、励起光を媒質の側面に当たらないように伝搬させることが好ましい。そうすることにより、被増幅パルス光と励起光の空間的な重なり率を向上させることができ、増幅率の高効率化を図ることができる。
【0040】
本実施形態のレーザー増幅装置１では、レーザー増幅媒質６の励起は、図２に示すように、ダイクロイックミラー９、１０を用いてレーザー増幅媒質６の両端からレーザー増幅媒質６の同軸方向に励起光を入力することにより実施する。
これは、このようにすることで被増幅パルス光とのモードマッチングを改善し、増幅効率を高めるためである。
これは、このようにすることで被増幅パルス光とのモードマッチングを改善し、増幅効率を高めるためである。
【0041】
本実施形態のレーザー増幅装置１では、上述の軸対称冷却により上述の問題を解消し、熱レンズ効果を抑制して被増幅パルス光の波形の変形を抑制し、利得の低下を抑制することができる。
また、エンドキャップ７、８では、レーザー増幅媒質６ほどは励起光を吸収しないか、または、全く吸収しないために、レーザーの増幅をレーザー増幅媒質６ほどは行わないか、全く行わないため、発熱も少なくなる上に、エンドキャップ７。８も上述の軸対称になるような冷却を行うので、エンドキャップ７、８における熱レンズ効果の抑制と被増幅パルスのビーム形状や波形の変形防止をなし得る。
以上説明した効果が相俟って、本実施形態のレーザー増幅装置１では、熱レンズ効果の低減と高い利得の両立を図り、高出力パワー、例えば１００Ｗ以上の高出力レーザーをシングルモードで得ることができる。
また、エンドキャップ７、８では、レーザー増幅媒質６ほどは励起光を吸収しないか、または、全く吸収しないために、レーザーの増幅をレーザー増幅媒質６ほどは行わないか、全く行わないため、発熱も少なくなる上に、エンドキャップ７。８も上述の軸対称になるような冷却を行うので、エンドキャップ７、８における熱レンズ効果の抑制と被増幅パルスのビーム形状や波形の変形防止をなし得る。
以上説明した効果が相俟って、本実施形態のレーザー増幅装置１では、熱レンズ効果の低減と高い利得の両立を図り、高出力パワー、例えば１００Ｗ以上の高出力レーザーをシングルモードで得ることができる。
【0042】
本実施形態では、図２に示すように被増幅パルス光を一方向に入射させて出射するだけで十分な利得(例えば１０倍以上)を得ることができ、高いパルスエネルギーおよび高い平均出力を得られるようなシンプルな構造の高出力のレーザー増幅装置１を構築できる。
また、レーザー増幅装置１は、非特許文献１、２などに記載の従来装置と比較し、光学系を簡略化できるので、高出力レーザーの出力が可能でありながら、小型化、軽量化に寄与する。
また、レーザー増幅装置１は、非特許文献１、２などに記載の従来装置と比較し、光学系を簡略化できるので、高出力レーザーの出力が可能でありながら、小型化、軽量化に寄与する。
【0043】
レーザー加工の分野では、良好な集光性やパルス幅がナノ秒以下の超短パルスで平均出力が１００Ｗ以上のレーザー増幅器が望まれており、そのためにはシングルモード動作が必要であるが、本実施形態のレーザー増幅装置１で実現可能となる。
【0044】
＜第２実施形態＞
図５は本発明の第２実施形態に係るレーザー増幅装置２０を示すもので、流路２と導入側貯留部３と排出側貯留部４を備えた増幅モジュール５を主体として構成されている点は先の第１実施形態の構造と同様である。また、増幅モジュール５においてロッド状のレーザー増幅媒質６に入力側エンドキャップ７とエンドキャップ８が接合されている構造も同様である。
第２実施形態では、増幅モジュール５の一側に入力側第２のダイクロイックミラー１８が設けられ、他側に対向側第２のダイクロイックミラー１９が設けられ、ダイクロイックミラー１８に対応する偏光子２１が設けられ、ダイクロイックミラー１９に対応する反射ミラー２２と１／４波長板２３が設けられている点が異なる。
図５は本発明の第２実施形態に係るレーザー増幅装置２０を示すもので、流路２と導入側貯留部３と排出側貯留部４を備えた増幅モジュール５を主体として構成されている点は先の第１実施形態の構造と同様である。また、増幅モジュール５においてロッド状のレーザー増幅媒質６に入力側エンドキャップ７とエンドキャップ８が接合されている構造も同様である。
第２実施形態では、増幅モジュール５の一側に入力側第２のダイクロイックミラー１８が設けられ、他側に対向側第２のダイクロイックミラー１９が設けられ、ダイクロイックミラー１８に対応する偏光子２１が設けられ、ダイクロイックミラー１９に対応する反射ミラー２２と１／４波長板２３が設けられている点が異なる。
【0045】
第２実施形態において、偏光子２１は、入力側第２のダイクロイックミラー１８の外方に設けられ、入力光を入力側第２のダイクロイックミラー１８に入力することができる。また、入力側第２のダイクロイックミラー１８で反射された増幅後のパルス光を出力光として取り出すために設けられている。
また、反射ミラー２２は、対向側第２のダイクロイックミラー１９の外方に設けられ、ダイクロイックミラー１９で反射された増幅後のパルス光を反射してダイクロイックミラー１９に戻すために設けられている。また、ダイクロイックミラー１９と反射ミラー２２の間に１／４波長板２３が設けられている。なお、１／４波長板２３は、偏光子２１と反射ミラー２２の間の光路上のいずれの場所に配置されても良い。１／４波長板２３を設けることで、偏光子２１で反射されてきた入力光の偏光方向が９０°回転し、偏光子２１から出力光が透過して出力される。
なお、入力光が偏光子２１を透過してダイクロイックミラー１８に向かい、ダイクロイックミラー１８から反射されてきた出力光が偏光子２１で反射されて出力されるという構成を採用しても良い。
また、反射ミラー２２は、対向側第２のダイクロイックミラー１９の外方に設けられ、ダイクロイックミラー１９で反射された増幅後のパルス光を反射してダイクロイックミラー１９に戻すために設けられている。また、ダイクロイックミラー１９と反射ミラー２２の間に１／４波長板２３が設けられている。なお、１／４波長板２３は、偏光子２１と反射ミラー２２の間の光路上のいずれの場所に配置されても良い。１／４波長板２３を設けることで、偏光子２１で反射されてきた入力光の偏光方向が９０°回転し、偏光子２１から出力光が透過して出力される。
なお、入力光が偏光子２１を透過してダイクロイックミラー１８に向かい、ダイクロイックミラー１８から反射されてきた出力光が偏光子２１で反射されて出力されるという構成を採用しても良い。
【0046】
第２実施形態のレーザー増幅装置２０は、偏光子２１から被増幅パルス光（入力光）をダイクロイックミラー１８に入射し、ダイクロイックミラー１８から入力光を増幅モジュール５の入力側エンドキャップ７に入力する。この入力光をレーザー増幅媒質６で増幅後、ダイクロイックミラー１９から１／４波長板２３、反射ミラー２２、１／４波長板２３を通過した増幅パルス光とし、この増幅パルス光をダイクロイックミラー１９で再度、対向側エンドキャップ８を介しレーザー増幅媒質６に入射する。
レーザー増幅媒質６による２回目の増幅を行いし、この２回目の増幅パルス光を入力側エンドキャップ７からダイクロイックミラー１８に戻し、ダイクロイックミラー１８で反射させて偏光子２１を通過させることで偏光子２１から出力光を得ることができる。
レーザー増幅媒質６による２回目の増幅を行いし、この２回目の増幅パルス光を入力側エンドキャップ７からダイクロイックミラー１８に戻し、ダイクロイックミラー１８で反射させて偏光子２１を通過させることで偏光子２１から出力光を得ることができる。
【0047】
第２実施形態のレーザー増幅装置２０によれば、図５に示すように増幅モジュール５に対しレーザー光を１往復させるだけで十分な利得(例えば１０倍以上)、高いパルスエネルギーおよび高い平均出力の増幅パルス光を得られるようなシンプルな構造のレーザー増幅装置２０を構築することができる。
その他、増幅モジュール５の構成は第１実施形態と同等なので、第１実施形態のレーザー増幅装置１で得られる作用効果と同等の作用効果を得ることができる。
その他、増幅モジュール５の構成は第１実施形態と同等なので、第１実施形態のレーザー増幅装置１で得られる作用効果と同等の作用効果を得ることができる。
【0048】
第２実施形態のレーザー増幅装置２０により、第１実施形態のレーザー増幅装置１と同様に、熱レンズ効果の低減を図るとともに、更に高い利得の出力光を得ることができ、更なる高出力パワー、例えば１００Ｗ以上の高出力レーザーをシングルモードで得ることができる。
【0049】
なお、本発明に係るレーザー増幅装置はこれまで説明してきた実施形態以外に様々な実施形態を採用できる。
図６は第３実施形態に係るレーザー増幅装置３０を示すが、図２に示す第１実施形態の構造において、ダイクロックミラー９を略し、ダイクロックミラー９を設置していた側から増幅モジュール５に対し入力光のみを入力するように構成した装置である。増幅モジュール５の構造は第１実施形態と同等である。
図６に示すレーザー増幅装置３０によっても増幅した出力光を得ることができる。
図６は第３実施形態に係るレーザー増幅装置３０を示すが、図２に示す第１実施形態の構造において、ダイクロックミラー９を略し、ダイクロックミラー９を設置していた側から増幅モジュール５に対し入力光のみを入力するように構成した装置である。増幅モジュール５の構造は第１実施形態と同等である。
図６に示すレーザー増幅装置３０によっても増幅した出力光を得ることができる。
【0050】
図７は第４実施形態に係るレーザー増幅装置４０を示すが、図５に示す第２実施形態の構造において、ダイクロックミラー1９を略し、ダイクロックミラー1９を設置していた側に反射ミラー２２と１／４波長板２３を設置した装置である。増幅モジュール５の構造は第１実施形態と同等である。
図７に示すレーザー増幅装置４０によっても増幅した出力光を得ることができる。
図７に示すレーザー増幅装置４０によっても増幅した出力光を得ることができる。
【0051】
図８は第５実施形態に係るレーザー増幅装置５０を示すが、図６に示す第３実施形態の構造において、ダイクロックミラー１０の代わりにダイクロックミラー５１を設置し、増幅モジュール５を通過して増幅された増幅光の光路を変更せずにそのままダイクロックミラー５１を通過させて出力光を得るように構成した装置である。
図８の第３実施形態では、入力光の光路を維持したまま出力光として取り出し、励起光は出力光の光路に対し異なる方向からダイクロックミラー５１に入射させ、ダイクロックミラー５１を介し増幅モジュール５に入力する。増幅モジュール５の構造は第１実施形態と同等である。
なお、ここで説明しているすべてのダイクロイックミラーの反射角は任意に設定することが可能である。
図８に示すレーザー増幅装置５０によっても増幅した出力光を得ることができる。
図８の第３実施形態では、入力光の光路を維持したまま出力光として取り出し、励起光は出力光の光路に対し異なる方向からダイクロックミラー５１に入射させ、ダイクロックミラー５１を介し増幅モジュール５に入力する。増幅モジュール５の構造は第１実施形態と同等である。
なお、ここで説明しているすべてのダイクロイックミラーの反射角は任意に設定することが可能である。
図８に示すレーザー増幅装置５０によっても増幅した出力光を得ることができる。
【実施例0052】
図９に断面構造を示すステンレス鋼製の筐体から本実施例の増幅モジュール６０を構成した。図９に示す増幅モジュール６０において、図１に示す増幅モジュール５と同じ構成要素には同等の符号を付している。
増幅モジュール６０において各部のサイズは図９に示す通りである。レーザー増幅媒質６の材料は添加濃度が０．６％のイッテルビウム添加ＹＡＧセラミックスで、サイズは直径が２．２ｍｍで、長さが４０ｍｍである。エンドキャップ７、８のサイズは、いずれも、直径が２．２ｍｍで、長さが４ｍｍである。
エンドキャップ７、８において増幅媒質６との接合面の逆側の面には、励起光と被増幅光の表面反射を低減するために、無反射コーティングを施した。液体冷媒は水を採用し、液体冷媒の流量は毎分６Ｌとした。
増幅モジュール６０において各部のサイズは図９に示す通りである。レーザー増幅媒質６の材料は添加濃度が０．６％のイッテルビウム添加ＹＡＧセラミックスで、サイズは直径が２．２ｍｍで、長さが４０ｍｍである。エンドキャップ７、８のサイズは、いずれも、直径が２．２ｍｍで、長さが４ｍｍである。
エンドキャップ７、８において増幅媒質６との接合面の逆側の面には、励起光と被増幅光の表面反射を低減するために、無反射コーティングを施した。液体冷媒は水を採用し、液体冷媒の流量は毎分６Ｌとした。
【0053】
本実施例において、レーザー増幅試験は図６に示す構成で行った。被増幅入射レーザーパルスは、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、パルス幅が３ナノ秒、パルスエネルギーが１３５マイクロジュール、平均パワーが１３５Ｗである。励起光入射側の増幅媒質の端面での励起光のビーム径は１ｍｍである。
図１０に本実施例の増幅モジュール６０で得られた平均励起パワーに対する平均出力パワーの変化を示す。励起光の平均パワーが１２７０Ｗのとき、上述の条件で得られた出力平均パワーは３００Ｗ、パルスエネルギーは３００マイクロジュールであった。このときの利得は約２．２であった。
従って、本実施例により、１００Ｗ～３００Ｗの高出力レーザーを出力することができた。
図１０に本実施例の増幅モジュール６０で得られた平均励起パワーに対する平均出力パワーの変化を示す。励起光の平均パワーが１２７０Ｗのとき、上述の条件で得られた出力平均パワーは３００Ｗ、パルスエネルギーは３００マイクロジュールであった。このときの利得は約２．２であった。
従って、本実施例により、１００Ｗ～３００Ｗの高出力レーザーを出力することができた。
【符号の説明】
【0054】
１…レーザー増幅装置、２…流路、３…導入側貯留部、４…排出側貯留部、５…増幅モジュール、６…レーザー増幅媒質、７…入力側エンドキャップ、８…対向側エンドキャップ、９…入力側第１のダイクロイックミラー、１０…対向側第１のダイクロイックミラー、１５…筒壁部、１７…冷媒供給源、１８…入力側第２のダイクロイックミラー、１９…対向側第２のダイクロイックミラー、２０…レーザー増幅装置、２１…偏光子、２２…反射ミラー、２３…１／４波長板、３０、４０、５０、６０…レーザー増幅装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】