特開 2023-55378 レーザ増幅器及びレーザ増幅システム

(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】P2023055378

(43)【公開日】2023-04-18

(54)【発明の名称】レーザ増幅器及びレーザ増幅システム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20230411BHJP

   H01S 3/094 20060101ALI20230411BHJP

   H01S 3/042 20060101ALI20230411BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 D

H01S3/094

H01S3/042

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021164709

(22)【出願日】2021-10-06

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】永田 毅

(72)【発明者】

【氏名】緒方 大志

(72)【発明者】

【氏名】井上 和行

(72)【発明者】

【氏名】馬庭 裕二

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AL04

5F172EE13

5F172NN20

5F172NR28

5F172NS03

5F172NS05

(57)【要約】

【課題】レーザ増幅器の構成を簡易にしつつ、増幅媒質の蓄積エネルギーをシードレーザに効率よく与える。
【解決手段】レーザ増幅器１０は、増幅媒質１１によってシードレーザＳを増幅させる。増幅媒質１１は、シードレーザＳが入射するシード入射面１２と、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの進行方向Ｌにおいてシード入射面１２とは反対側に配置され且つシードレーザＳが出射するシード出射面１３と、進行方向Ｌに垂直な横断面１１ａにおける径方向Ｒの外側に配置された外周面１４と、を含む。外周面１４のうちの第１側面１４ａには、励起レーザＥが入射する励起入射部１５が設けられている。増幅媒質１１を通過するシードレーザＳのビーム形状は、扁平形状である。シードレーザＳは、シード入射面１２とシード出射面１３との間を往復することなく、増幅媒質１１を通過する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

増幅媒質によってシードレーザを増幅させるレーザ増幅器であって、
前記増幅媒質は、前記シードレーザが入射するシード入射面と、前記増幅媒質を通過する前記シードレーザの進行方向において前記シード入射面とは反対側に配置され且つ前記シードレーザが出射するシード出射面と、前記進行方向に垂直な横断面における径方向の外側に配置された外周面と、を含み、
前記外周面のうちの少なくとも一部には、励起レーザが入射する励起入射部が設けられており、
前記増幅媒質を通過する前記シードレーザのビーム形状は、扁平形状であり、
前記シードレーザは、前記シード入射面と前記シード出射面との間を往復することなく、前記増幅媒質を通過する、レーザ増幅器。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ増幅器であって、
前記シード入射面及び前記シード出射面は、それぞれ、前記シード入射面と前記シード出射面との対向方向において互いに対向しない部分を含む、レーザ増幅器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のレーザ増幅器であって、
前記外周面における前記励起入射部に対向する部分には、前記励起レーザを反射する反射膜が設けられている、レーザ増幅器。

【請求項4】

請求項３に記載のレーザ増幅器であって、
前記シードレーザは、前記増幅媒質における前記反射膜側よりも前記励起入射部側を通過する、レーザ増幅器。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ増幅器であって、
前記外周面のうちの少なくとも一部には、前記増幅媒質を冷却する冷却部が設けられている、レーザ増幅器。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ増幅器であって、
前記シードレーザは、ブリュースタ角で前記シード入射面に入射する、レーザ増幅器。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１つに記載のレーザ増幅器であって、
前記増幅媒質は、前記進行方向を長手方向とする直方体状に形成されている、レーザ増幅器。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１つに記載のレーザ増幅器と、
前記シードレーザを出射するシードレーザ出射部と、
前記励起レーザを出射する励起レーザ出射部と、を備える、レーザ増幅システム。

【請求項9】

請求項８に記載のレーザ増幅システムであって、
前記増幅媒質よりも上流側に配置され、前記シードレーザのビーム形状を扁平形状にするための集光レンズを備える、レーザ増幅システム。

【請求項10】

請求項８又は９に記載のレーザ増幅システムであって、
前記励起レーザ出射部から出射される前記励起レーザのパルス幅は、前記増幅媒質の蛍光寿命以上であり、
前記励起レーザのパルスエンドの直前に、前記シード入射面に前記シードレーザが入射されるように、前記シードレーザ出射部を制御する制御部を備える、レーザ増幅システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ増幅器及びレーザ増幅システムに関する。

【背景技術】

【0002】

増幅媒質によってシードレーザを増幅させるレーザ増幅器がある。特許文献１に開示の光増幅装置（レーザ増幅器）は、増幅媒質と、２つの反射ミラーと、を備える。増幅媒質は、互いに反対側に位置する入射面及び出射面を有する。レーザ発振器から放出されるシードレーザは、増幅媒質の入斜面に入射するとともに、増幅媒質の出射面から出射する。増幅媒質は、２つの反射ミラーの間に配置されている。

【0003】

シードレーザは、２つの反射ミラーによって、入射面と出射面との間を複数回往復しながら、増幅媒質を通過する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－０３５６０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

増幅媒質の蓄積エネルギーをシードレーザが効率よく吸収するためには、シードレーザが増幅媒質を通過する断面積を励起エリアに合わせる必要がある。特許文献１では、２つの反射ミラーによりシードレーザを入射面と出射面との間で複数回往復させることによって、増幅媒質を通過する断面積を大きくして、増幅媒質の蓄積エネルギーをシードレーザに効率よく与えている。

【0006】

しかしながら、特許文献１では、シードレーザが増幅媒質を正しく往復できるように、反射ミラーの反射角度やシードレーザの入射角度を正確に調整する必要がある。このため、レーザ増幅器の構成が複雑になったり、レーザ増幅器の設置が難しくなったりするという問題があった。

【0007】

本開示は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザ増幅器の構成を簡易にしつつ、増幅媒質の蓄積エネルギーをシードレーザに効率よく与えることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示に係るレーザ増幅器は、増幅媒質によってシードレーザを増幅させるレーザ増幅器であって、上記増幅媒質は、上記シードレーザが入射するシード入射面と、上記増幅媒質を通過する上記シードレーザの進行方向において上記シード入射面とは反対側に配置され且つ上記シードレーザが出射するシード出射面と、上記進行方向に垂直な横断面における径方向の外側に配置された外周面と、を含み、上記外周面のうちの少なくとも一部には、励起レーザが入射する励起入射部が設けられており、上記増幅媒質を通過する上記シードレーザのビーム形状は、扁平形状であり、上記シードレーザは、上記シード入射面と上記シード出射面との間を往復することなく、上記増幅媒質を通過する。

【0009】

本発明に係るレーザシステムは、上記レーザ増幅器と、上記シードレーザを出射するシードレーザ出射部と、上記励起レーザを出射する励起レーザ出射部と、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、レーザ増幅器の構成を簡易にしつつ、増幅媒質の蓄積エネルギーをシードレーザに効率よく与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ増幅器を備えるレーザ増幅システムを示す概略構成図である。

【図2】図２は、レーザ増幅器を示す平面図である。

【図3】図３は、レーザ増幅器を示す正面図である。

【図4】図４は、レーザ増幅器を示す側面断面図である。

【図5】図５は、レーザエネルギーのタイミングチャートを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0013】

（レーザ増幅システム）
図１は、レーザ増幅システム１を示す。レーザ増幅システム１は、シードレーザ素子励起レーザ２と、集光レンズ３と、シードレーザ素子４と、ベンドミラー５と、３つの励起レーザ出射部（増幅媒質励起レーザ）６と、駆動電源７と、レーザ増幅器１０と、を備える。シードレーザ素子励起レーザ２、集光レンズ３及びシードレーザ素子４は、シードレーザ出射部８を構成する。

【0014】

シードレーザ出射部８について、詳細に説明する。シードレーザ素子励起レーザ２は、半導体レーザであり、シードレーザ素子４用の励起レーザＳ’を、集光レンズ３に向けてパルス出射する。励起レーザＳ’は、波長８０８ｎｍであって、シート状（板状）である。

【0015】

集光レンズ３は、後述するシードレーザＳのビーム形状を扁平形状にするために、レーザ増幅器１０の後述する増幅媒質１１よりも、レーザ流れの上流側に配置されている。集光レンズ３は、例えば、シリンドリカルレンズである。詳細には、集光レンズ３は、シードレーザ素子励起レーザ２から出射されたシート状の励起レーザＳ’をシードレーザ素子４に合わせて横方向（図１の左右方向）にのみ適度に集光することによって、励起レーザＳ’のビーム形状を、横長の扁平形状に変形（縮小）する。これにより、後述するシードレーザＳのビーム形状は、増幅媒質１１を通過可能な横長の扁平形状（具体的には長円形状）になる（図４参照）。集光レンズ３を通過した励起レーザＳ’は、シードレーザ素子４に入射する。

【0016】

シードレーザ素子４は、マイクロチップレーザ素子であり、ドープ量1～２％のＮｄ：ＹＡＧセラミックスと過飽和吸収体であるＣｒ：ＹＡＧセラミックスとを拡散接合してコンポジットすることで形成される。Ｎｄ：ＹＡＧセラミックスは、シードレーザ素子励起レーザ２側（入射面側）に配置されており、入射面には８０８ｎｍの反射防止コート及び１０６４ｎｍの高反射コートが施されている。Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスは、シードレーザ素子励起レーザ２とは反対側（出射面側）に配置されており、出射面には一部反射ミラーコートが施されている。

【0017】

シードレーザ素子励起レーザ２から出射された励起レーザＳ’を励起光としてシードレーザ素子４に入力（入射）して、励起レーザＳ’のエネルギーをシードレーザ素子４に一定程度蓄積させる。これにより、シードレーザ素子４のパッシブＱスイッチ動作によって、１０６４ｎｍのシードレーザＳ（種光）が、シードレーザ素子４からパルス出力（出射）される。

【0018】

換言すると、シードレーザ素子励起レーザ２、集光レンズ３及びシードレーザ素子４で構成されたシードレーザ出射部８は、シードレーザＳを出射する。また、集光レンズ３が励起レーザＳ’のビーム形状を扁平形状に変形することによって、シードレーザ出射部８から出射されるシードレーザＳのビーム形状は、後述する増幅媒質１１を通過可能な扁平形状（具体的には長円形状）になる。

【0019】

ベンドミラー５は、シードレーザ出射部８から出射されたシードレーザＳを、レーザ増幅器１０における後述する増幅媒質１１のシード入射面１２に向けて、反射する。これにより、シードレーザＳは、方向転換する。ベンドミラー５の傾きは、モータやピエゾ素子等からなるアクチュエータによって、変化可能でもよい。ベンドミラー５の傾きを変化させると、レーザ増幅器１０における後述する増幅媒質１１のシード入射面１２に対する入射角度θが、変化する。また、ベンドミラー５は、平行移動調整機構（例えば、ねじ締め等）を有してもよい。ベンドミラー５を平行移動させると、シードレーザＳは、上記入射角度θを変えずに平行移動する。

【0020】

各励起レーザ出射部６は、半導体レーザであり、波長８０８ｎｍの励起レーザＥを、レーザ増幅器１０における後述する増幅媒質１１の励起入射部１５に向けて、パルス出射する。各励起レーザ出射部６は、上下調整機構を有してもよい。上下調整機構によって、シードレーザＳの光軸と励起レーザＥの光軸とを、上下方向（図１の紙面垂直方向）に最適に合わせることができる。

【0021】

駆動電源７は、制御部を内蔵する（以下、「制御部７」という場合がある）。制御部７は、例えば、マイクロコンピュータ及びプログラムによって構成される。制御部７は、シードレーザ出射部８のシードレーザ素子励起レーザ２、及び励起レーザ出射部６を、任意のタイミングで駆動させる。

【0022】

（レーザ増幅器）
次に、レーザ増幅器１０について、図２～４を参照しながら説明する。図２は、レーザ増幅器１０を示す平面図である。図３は、レーザ増幅器１０を示す正面図である。図４は、レーザ増幅器１０を示す側面断面図である。図２は、図３におけるＩＩ矢視を示す。図３は、図２におけるＩＩＩ矢視を示す。図４は、図２におけるＩＶ－ＩＶ断面を示す。

【0023】

レーザ増幅器１０は、スラブ状の増幅媒質１１を備える。増幅媒質１１は、Ｎｄ：ＹＡＧで形成されている。レーザ増幅器１０は、シードレーザＳを増幅媒質１１に通過させることによって、シードレーザＳのエネルギーを増幅させる。

【0024】

図２，３に示すように、増幅媒質１１は、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの進行方向（光軸方向）Ｌを長さ方向（長手方向）とする直方体状に、形成されている（以下、「長さ方向Ｌ」ともいう）。すなわち、増幅媒質１１は、進行方向Ｌに垂直な横断面（垂直断面）１１ａ（図４参照）における径方向Ｒよりも、進行方向Ｌに長手に構成されている。

【0025】

図４に示すように、径方向Ｒは、互いに直交する幅方向Ｂ及び厚み方向Ｔを、含む。図２に示すように、増幅媒質１１は、厚み方向Ｔに見て、長方形を除く平行四辺形である。図４に示すように、増幅媒質１１の横断面１１ａは、厚み方向Ｔよりも幅方向Ｂに長手の長方形状(扁平形状)である。図３，４に示すように、増幅媒質１１の長さ寸法をＬ１で示す。増幅媒質１１の幅寸法をＢ１で示す。増幅媒質１１の厚み寸法をＴ１で示す。

【0026】

本実施形態では、Ｌ１＝９０ｍｍ、Ｂ１＝５ｍｍ、Ｔ１＝３ｍｍである。後述するように、励起レーザ出射部６から出射された励起レーザＥは、増幅媒質１１内を幅方向Ｂに１往復するので、増幅媒質１１の幅寸法をＢ１は、吸収率＝１－ｅｘｐ（－α×２×Ｂ１）に基づいて、設定される。例えば、増幅媒質１１（Ｎｄ：ＹＡＧ）のＮｄドープが１．１％の場合、吸収係数αは３．８８ｃｍ^－１である。この場合、９５％以上の吸収率を実現するには、上式より、Ｂ１＞３．９ｍｍとなる。Ｂ１＝５ｍｍの場合、吸収率は９８％となる。

【0027】

増幅媒質１１の長さ寸法Ｌ１は、励起レーザ出射部６のサイズ及び個数により決定される。

【0028】

図２，３に示すように、増幅媒質１１は、シード入射面１２と、シード出射面１３と、外周面１４と、を含む。シード入射面１２には、ベンドミラー５（図１参照）で反射されたシードレーザＳが、入射角度θで入射する。入射角度θは、ブリュースタ角であり、６１．２°である。

【0029】

シード出射面１３は、シードレーザＳの進行方向Ｌにおいて、シード入射面１２とは反対側に配置されている。シード出射面１３からは、増幅媒質１１を通過したシードレーザＳが、出射する。

【0030】

増幅媒質１１は、励起レーザＥの寄生共振を抑制するための非共振構造となっている。図２に示すように、シード入射面１２及びシード出射面１３は、それぞれ、シード入射面１２とシード出射面１３との対向方向（垂線方向）Ａにおいて互いに対向しない（オーバラップしない）非対向部分を、含む。本実施形態では、次式Ｂ１/ｓｉｎθ＜Ｌ１を満たすことによって、シード入射面１２の全部及びシード出射面１３の全部が、非対向部分となっている。

【0031】

図４に示すように、外周面１４は、増幅媒質１１の横断面１１ａにおける径方向Ｒ（幅方向Ｂ、厚み方向Ｔ）の外側に、配置されている。外周面１４は、幅方向Ｂ一方側の第１側面１４ａと、幅方向Ｂ他方側の第２側面１４ｂと、厚み方向Ｔ一方側の第３側面１４ｃと、厚み方向Ｔ他方側の第４側面１４ｄと、で構成されている。第１側面１４ａと第２側面１４ｂとは、幅方向Ｂに互いに対向する。第３側面１４ｃと第４側面１４ｄとは、厚み方向Ｔに互いに対向する。各側面１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、進行方向（長さ方向）Ｌに延びている。

【0032】

図１に示すように、３つの励起レーザ出射部６は、増幅媒質１１よりも幅方向Ｂ一方側において、進行方向Ｌに沿って１列に並んでいる。

【0033】

図４に示すように、外周面１４のうちの幅方向Ｂ一方側の第１側面１４ａには、進行方向Ｌの全領域に亘って、励起入射部１５が設けられている。励起入射部１５には、３つの励起レーザ出射部６から出射された励起レーザＥが、入射する。励起レーザＥが励起入射部１５を介して増幅媒質１１に入射することによって、励起レーザＥのエネルギーが増幅媒質１１に蓄積される。励起エリアは、厚み方向Ｔの中央部において、励起入射部１５における励起レーザＥの幅と同じ１ｍｍの厚みとなる。

【0034】

外周面１４における励起入射部１５（第１側面１４ａ）に対向する部分、具体的には幅方向Ｂ他方側の第２側面１４ｂには、反射膜１６が設けられている。反射膜１６は、波長８０８ｎｍの励起レーザＥを反射する。反射膜１６は、進行方向Ｌの全領域に亘って、第２側面１４ｂをミラーコーティングすることで構成されている。

【0035】

詳細には、図４に示すように、幅方向Ｂ一方側の励起入射部１５（第１側面１４ａ）を介して増幅媒質１１の内部に入射した励起レーザＥは、幅方向Ｂ他方へ移動した後（図４のＥ１参照）、反射膜１６（第２側面１４ｂ）によって幅方向Ｂ一方へ反射される。そして、励起レーザＥは、幅方向Ｂ一方へ移動して（図４のＥ２参照）、励起入射部１５（第１側面１４ａ）を介して増幅媒質１１の外部へ出ていく。すなわち、励起レーザＥは、増幅媒質１１内を幅方向Ｂに、１往復する。

【0036】

すなわち、増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）は、幅方向Ｂの全範囲（５ｍｍ）且つ厚み方向Ｔ中央部の一部（１ｍｍ）である。増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積エネルギーは、幅方向Ｂにおいて、反射膜１６（第２側面１４ｂ）側よりも励起入射部１５（第１側面１４ａ）側の方が、大きい。

【0037】

なお、反射膜１６による励起レーザＥの反射光（戻り光）が、励起レーザ出射部６に当たらないように、励起レーザ出射部６は、増幅媒質１１の幅方向Ｂに対してシード入射面１２側に１５°傾いた状態で、励起レーザＥを出射している。また、隣り合う励起レーザ出射部６に反射光が当たらないよう、隣り合う励起レーザ出射部６同士の間には、パーティションが設けられてもよい。隣り合う励起レーザ出射部６から出射される励起レーザＥは、進行方向Ｌにおいて、互いにオーバラップしてもよく、また互いにオーバラップしなくてもよい。

【0038】

本実施形態では、増幅媒質１１（Ｎｄ：ＹＡＧ）のＮｄドープが１．１％、吸収係数αが３．８８ｃｍ－１、増幅媒質１１の幅方向Ｂに対する励起レーザ出射部６の傾斜角度が１５°である。この場合、増幅媒質１１における励起入射部１５（第１側面１４ａ）からの幅方向Ｂの距離（ｍｍ）と、増幅媒質１１に蓄積された励起レーザＥの蓄積エネルギー割合（％）と、の関係は、次表の通りである。

【0039】

【表1】

【0040】

図４に示すように、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳのビーム形状は、増幅媒質１１の横断面１１ａの形状に対応するように、厚み方向Ｔよりも幅方向Ｂに長手の扁平形状、具体的には長円形状である。換言すると、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳのビーム形状は、励起レーザＥの入射方向（幅方向Ｂ）に長手の扁平形状（長円形状）である。増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの幅寸法をＢ２で示す。増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの厚み寸法をＴ２で示す。

【0041】

ここで、シードレーザ出射部８から出射されるシードレーザＳの厚み寸法は、１ｍｍであり、そのまま増幅媒質１１に導入される。すなわち、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの厚み寸法Ｔ２は、１ｍｍである。一方、シードレーザ出射部８から出射されるシードレーザＳの幅寸法は２ｍｍであるが、増幅媒質１１のシード入射面１２への入射角（ブリュースタ角）θが６１．２°であるため、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳの幅寸法Ｂ２は、２／ｃｏｓθ=２／ｃｏｓ６１．２°≒約４．２ｍｍに広がる。

【0042】

シードレーザＳは、増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）を、進行方向（長さ方向）Ｌに通過することによって、励起レーザＥの蓄積エネルギーを吸収する。これにより、シードレーザＳのエネルギーは、増幅する。

【0043】

増幅媒質１１を通過するシードレーザＳは、励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）とできるだけオーバラップすることが好ましい。

【0044】

本実施形態では、厚み方向Ｔにおける励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）１ｍｍに対して、シードレーザＳは、厚み寸法Ｔ２＝１ｍｍで１００％オーバラップしている。また、幅方向Ｂにおける励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）５ｍｍに対して、シードレーザＳは、幅寸法Ｂ２＝約４．２ｍｍで、ほぼ８０％オーバラップしている。

【0045】

上記表に示すように、増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積エネルギーは、幅方向Ｂにおいて、反射膜１６（第２側面１４ｂ）側よりも励起入射部１５（第１側面１４ａ）側の方が、大きい。したがって、シードレーザＳは、幅方向Ｂにおいて、増幅媒質１１における反射膜１６（第２側面１４ｂ）側よりも励起入射部１５（第１側面１４ａ）側（寄り）を、通過することが好ましい（図４の二点鎖線参照）。

【0046】

図２に示すように、シードレーザＳは、シード入射面１２とシード出射面１３との間を往復することなく、増幅媒質１１を通過する。

【0047】

図４に示すように、外周面１４のうちの厚み方向Ｔ両側の第３側面１４ｃ及び第４側面１４ｄには、進行方向Ｌの全領域に亘って、冷却部１７，１８が設けられている。詳細には、厚み方向Ｔ一方側の第３側面１４ｃには、第１冷却部１７が設けられている。厚み方向Ｔ他方側の第４側面１４ｄには、第２冷却部１８が設けられている。第１冷却部１７及び第２冷却部１８は、増幅媒質１１を冷却する。

【0048】

第１冷却部１７及び第２冷却部１８は、ヒートシンク、放熱フィン、又はペルチェ素子、等で構成されている。各冷却部１７，１８は、熱伝導率の高いインジウムシートや導電性シートを含んでもよい。

【0049】

第１冷却部１７及び第２冷却部１８は、励起レーザ出射部６から出射されて増幅媒質１１に蓄積された励起レーザＥの蓄積エネルギーのうち、シードレーザＳの増幅に利用されなかった熱を、冷却により除去する。

【0050】

第１冷却部１７及び第２冷却部１８は、増幅媒質１１の最大発熱量よりも十分大きな冷却能力を持つことが好ましい。

【0051】

図５は、レーザエネルギーのタイミングチャートを示すグラフである。横軸は時間、縦軸はエネルギーを示す。上から１番目のグラフは、励起レーザ出射部６から増幅媒質１１に入力（入射）される増幅媒質１１用励起レーザＥのエネルギーを示す。上から２番目のグラフは、増幅媒質１１に蓄積される励起レーザＥの蓄積エネルギーを示す。上から３番目のグラフは、シードレーザ素子励起レーザ２からシードレーザ素子４に入力（入射）されるシードレーザ素子４用励起レーザＳ’のエネルギーを示す。上から４番目のグラフは、シードレーザ素子４から出力（出射）されて増幅媒質１１に入力（入射）されるシードレーザＳのエネルギーを示す。

【0052】

図５に示すように、励起レーザ出射部６から増幅媒質１１に励起レーザＥを入射すると、増幅媒質１１は励起状態となり、時間の経過に伴い、増幅媒質１１に蓄積される励起レーザＥの蓄積エネルギーが増大する。各励起レーザ出射部６から出射される励起レーザＥのパルス幅は、増幅媒質１１の蛍光寿命（本例では２２０μｓ、図示せず）以上である。蛍光寿命とは、励起状態における分子数が蛍光（光エネルギーの放出）によって基底状態になることで減少して、元の分子数の１／ｅ（約３７％）になるまでの時間である。

【0053】

図５に示すように、制御部（駆動電源）７は、各励起レーザ出射部６から出射される励起レーザＥのパルスエンドの直前に、増幅媒質１１のシード入射面１２にシードレーザＳが入射されるように、シードレーザ出射部８におけるシードレーザ素子励起レーザ２を制御する。なお、「励起レーザＥのパルスエンドの直前」とは、例えば、励起レーザＥのパルスエンドと同時、乃至、励起レーザＥのパルスエンドから２０μｓｅｃ前（好ましくは１０μｓｅｃ前）、程度のことをいう。

【0054】

具体的には、励起レーザＥのパルスエンドの直前にシードレーザ素子４からシードレーザＳが出射されるように、シードレーザ素子励起レーザ２によるシードレーザ素子４への励起レーザＳ’の出射タイミングを、調整する。シードレーザ素子励起レーザ２によるシードレーザ素子４への励起レーザＳ’の出射タイミングと、シードレーザ素子４から増幅媒質１１へのシードレーザＳの出射タイミングとの間に、ジッターが生じる場合には、シードレーザ素子励起レーザ２によるシードレーザ素子４への励起レーザＳ’の出射タイミングを、当該ジッター分だけ早くオフセットする。なお、通常、ジッターは１～２μｓｅｃ程度なので、考慮しなくても差し支えない。

【0055】

（作用効果）
本実施形態に係るレーザ増幅器１０によれば、シードレーザＳのビーム形状を扁平形状とすることによって、シードレーザＳが増幅媒質１１を通過する断面積を大きくすることができる。これにより、シードレーザＳは、増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積範囲（励起エリア）に対して、より大きくオーバラップすることができる。したがって、シードレーザＳがシード入射面１２とシード出射面１３との間を往復することなく増幅媒質１１を通過したとしても、励起入射部１５から入射して増幅媒質１１に蓄積された励起レーザＥの蓄積エネルギーを、シードレーザＳに効率よく与えることができる。

【0056】

シードレーザＳをシード入射面１２とシード出射面１３との間で往復させるための往復用反射ミラーを、増幅媒質１１の長さ方向Ｌ両側に配置する必要がないので、レーザ増幅器１０の構成が簡単になる。また、往復用反射ミラーの調整作業が不要となるので、レーザ増幅器１０の設置（設定）が簡単になる。

【0057】

以上、レーザ増幅器１０の構成を簡易にしつつ、増幅媒質１１の蓄積エネルギーをシードレーザＳに効率よく与えることができる。

【0058】

さらに、往復用反射ミラーが不要なので、シードレーザＳの光軸ずれの抑制に寄与することができる。これにより、レーザ増幅器１０を、ロボットアームなどの可動部分に適用したり、リモート加工機等の用途に応用したりすることができる。

【0059】

増幅媒質１１のシード入射面１２及びシード出射面１３は、それぞれ、シード入射面１２とシード出射面１３との対向方向（垂線方向）Ａにおいて互いに対向しない（オーバラップしない）非対向部分を、含む。特に本実施形態では、次式Ｂ１/ｓｉｎθ＜Ｌ１を満たすことによって、シード入射面１２の全部及びシード出射面１３の全部が、非対向部分となっている。これにより、非共振構造を有する増幅媒質１１を構成することができる。すなわち、シードレーザＳが増幅媒質１１に入射しない場合において、励起レーザＥが増幅媒質１１において進行方向（長さ方向）Ｌに寄生共振しないようにすることができる。

【0060】

外周面１４における励起入射部１５（第１側面１４ａ）に対向する第２側面１４ｂに反射膜１６が設けられているので、励起レーザＥを、増幅媒質１１内で幅方向Ｂに１往復させることができる。これにより、励起レーザＥが増幅媒質１１内で幅方向Ｂに往復しない場合に比較して、励起レーザＥのエネルギーを、増幅媒質１１により多く蓄積することができる。

【0061】

シードレーザＳが増幅媒質１１における反射膜１６（第２側面１４ｂ）側よりも励起入射部１５（第１側面１４ａ）側を通過するので、シードレーザＳが増幅媒質１１における幅方向Ｂ中央部や反射膜１６（第２側面１４ｂ）側を通過する場合に比較して、増幅媒質１１におけるより多くの励起レーザＥの蓄積エネルギーを、シードレーザＳに与えることができる。

【0062】

第３側面１４ｃ及び第４側面１４ｄに冷却部１７，１８を設けることによって、増幅媒質１１の加熱を抑制することができる。

【0063】

シードレーザＳがブリュースタ角θで増幅媒質１１のシード入射面１２に入射するので、偏光のシードレーザＳがシード入射面１２で反射することを抑制して、反射損失を低減することができる。これにより、より多くのシードレーザＳを、増幅媒質１１に通過させることができる。

【0064】

増幅媒質１１が直方体状なので、増幅媒質１１を簡単に形成することができる。

【0065】

シードレーザ出射部８とレーザ増幅器１０の増幅媒質１１との間にベンドミラー５が設けられているので、ベンドミラー５の傾きを微調整することによって、増幅媒質１１のシード入射面１２に対する入射角度θを微調整することができる。また、ベンドミラー５を平行移動させることによって、シードレーザＳを、増幅媒質１１のシード入射面１２に対する入射角度θを変えずに、平行移動させることができる。ベンドミラー５が傾き変化機能及び平行移動機能を併せ持つことによって、ベンドミラー５の個数を削減することができる。

【0066】

また、ベンドミラー５を平行移動させることによって、簡単に、シードレーザＳを、増幅媒質１１における反射膜１６（第２側面１４ｂ）側よりも励起入射部１５（第１側面１４ａ）側に、寄せることができる。

【0067】

増幅媒質１１よりも上流側に配置されているシードレーザ素子４を励起するレーザに、シート状のシードレーザ素子励起レーザ２やシリンドリカルの集光レンズ３を使うことで、シードレーザＳが増幅媒質１１のシード入射面１２に入射する前に、シードレーザＳのビーム形状を、増幅媒質１１を通過可能な扁平形状にすることができる。

【0068】

励起レーザＥのパルスエンドの直前に、シードレーザＳを増幅媒質１１のシード入射面１２に入射することによって、さらに効率よく、増幅媒質１１における励起レーザＥの蓄積エネルギーを、シードレーザＳに与えることができる。

【0069】

（その他の実施形態）
以上、本開示を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。

【0070】

増幅媒質１１は、直方体状ではなく、例えば円柱形状等でもよい。

【0071】

増幅媒質１１は、Ｎｄ：ＹＡＧに限定されず、例えばＮｄ：ＹＶＯ４等で形成されてもよい。

【0072】

冷却部１７，１８は、第１側面１４ａや第２側面１４ｂに設けられてもよい。

【0073】

シードレーザ素子励起レーザ２とレーザ増幅器１０との間には、パッシブＱスイッチ動作を行うシードレーザ素子（マイクロチップレーザ素子）４ではなく、他のシードレーザ素子（例えば、アクティブＱスイッチ動作を行うレーザ素子など）が設けられてもよい。

【0074】

シードレーザＳのビーム形状は、長円形状ではなく、例えば楕円形状等でもよい。

【0075】

励起入射部１５は、外周面１４のうちの全ての側面１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに設けられてもよい。

【0076】

集光レンズ３は、点状・真円状等のような非扁平形状のレーザ光を線状・長円状・楕円状等のような扁平形状に変形するシリンドリカルレンズでもよい。シードレーザ素子励起レーザ２が非扁平形状の励起レーザＳ’を出射する場合、集光レンズ３は、シードレーザ素子４よりもレーザ進行方向の下流側に配置されてもよく、シードレーザ素子４から出射されるシードレーザＳを扁平形状にしてもよい。集光レンズ３は、ウェッジプリズムやビームエキスパンダなどでもよい。

【0077】

増幅媒質１１は、厚み方向Ｔに見て、シード入射面１２及びシード出射面１３が互いに平行しない台形状でもよい。この場合でも、非共振構造を有する増幅媒質１１を構成することができる。また、増幅媒質１１は、非共振構造を有さなくてもよい。

【0078】

励起入射部１５は、外周面１４における幅方向Ｂ一方側の第１側面１４ａではなく、厚み方向Ｔ一方側の第３側面１４ｃ又は厚み方向Ｔ他方側の第４側面１４ｄに、設けられてもよい。この場合、増幅媒質１１を通過するシードレーザＳのビーム形状は、励起レーザＥの入射方向（厚み方向Ｔ）に短手の扁平形状となる。

【0079】

増幅媒質１１の寸法、シードレーザＳ及び励起レーザＥの波長、又はシードレーザＳのビーム形状・寸法等の数値は、上記実施形態の数値に限定されない。

【産業上の利用可能性】

【0080】

本開示は、レーザ増幅器及びレーザ増幅システムに適用できるので、極めて有用であり、産業上の利用可能性が高い。

【符号の説明】

【0081】

Ｌ 進行方向（長さ方向）
Ｌ１ 長さ寸法
Ｒ 径方向
Ｂ 幅方向
Ｂ１ 幅寸法
Ｂ２ 幅寸法
Ｔ 厚み方向
Ｔ１ 厚み寸法
Ｔ２ 厚み寸法
Ａ 対向方向
Ｓ シードレーザ
Ｓ’ シードレーザ素子用励起レーザ
Ｅ 増幅媒質用励起レーザ
θ 入射角度（ブリュースタ角）
１ レーザ増幅システム
２ シードレーザ素子励起レーザ
３ 集光レンズ
４ シードレーザ素子
５ ベンドミラー
６ 励起レーザ出射部
７ 駆動電源（制御部）
８ シードレーザ出射部
１０ レーザ増幅器
１１ 増幅媒質
１１ａ 横断面
１２ シード入射面
１３ シード出射面
１４ 外周面
１４ａ 第１側面
１４ｂ 第２側面
１４ｃ 第３側面
１４ｄ 第４側面
１５ 励起入射部
１６ 反射膜
１７ 第１冷却部
１８ 第２冷却部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】