特許 7500069 光発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-07

(45)【発行日】2024-06-17

(54)【発明の名称】光発振器

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/08 20230101AFI20240610BHJP

   H01S 3/113 20060101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

H01S3/08

H01S3/113

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020546238

(86)(22)【出願日】2019-09-13

(86)【国際出願番号】 JP2019036231

(87)【国際公開番号】W WO2020054869

(87)【国際公開日】2020-03-19

【審査請求日】2022-08-31

(31)【優先権主張番号】P 2018173008

(32)【優先日】2018-09-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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１７条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【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】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100176658

【弁理士】

【氏名又は名称】和田 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100223424

【弁理士】

【氏名又は名称】和田 雄二

(74)【代理人】

【識別番号】100165526

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 寛

(72)【発明者】

【氏名】平等 拓範

(72)【発明者】

【氏名】林 桓弘

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１９２１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１１２９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０５６０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２６１１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２１４０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－００２１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９３６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８０３９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１２３４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２６５４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２０６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０８２２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８４３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３２６６６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長の光を透過するとともに、前記第１波長とは異なる第２波長の光を反射する第１反射部と、
前記第１反射部とともに不安定共振器を形成しており、一方向において、前記第１反射部と離間して配置されており前記第２波長の光を反射する第２反射部と、
前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置されており、前記第１波長の光の入射により前記第２波長の光を放出するレーザー媒質と、
前記一方向において前記レーザー媒質からみて前記第１反射部と反対側に配置されており、光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収部と、
を備え、
前記第１反射部は、前記レーザー媒質と反対側に前記第１波長の光が入射される入射面を有し、
前記一方向からみて、前記第２反射部の大きさは前記第１反射部の大きさより小さく、
前記可飽和吸収部の前記レーザー媒質と反対側の面の少なくとも一部は、前記レーザー媒質側に向けて湾曲した湾曲領域を有し、
前記第２反射部は、前記湾曲領域の表面に設けられた誘電体多層膜である、
光発振器。

【請求項2】

第１波長の光を透過するとともに、前記第１波長とは異なる第２波長の光を反射する第１反射部と、
前記第１反射部とともに不安定共振器を形成しており、一方向において、前記第１反射部と離間して配置されており前記第２波長の光を反射する第２反射部と、
前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置されており、前記第１波長の光の入射により前記第２波長の光を放出するレーザー媒質と、
前記一方向において前記レーザー媒質からみて前記第１反射部と反対側に配置されており、光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収部と、
前記第２反射部を支持するとともに、前記第２波長の光を透過する支持体と、
を備え、
前記第１反射部は、前記レーザー媒質と反対側に前記第１波長の光が入射される入射面を有し、
前記一方向からみて、前記第２反射部の大きさは前記第１反射部の大きさより小さく、
前記支持体の前記可飽和吸収部側の面の少なくとも一部は、前記可飽和吸収部側に湾曲した湾曲領域であり、
前記第２反射部は、前記湾曲領域の表面に設けられた誘電体多層膜である、
光発振器。

【請求項3】

前記支持体は、平凸レンズである、
請求項２に記載の光発振器。

【請求項4】

前記一方向からみて、前記可飽和吸収部の大きさは前記レーザー媒質の大きさよりも小さい、
請求項１～３の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項5】

前記一方向からみて、前記可飽和吸収部の周囲に、第１波長の光の入射により第２波長の光を放出するレーザー媒質が設けられている、
請求項４に記載の光発振器。

【請求項6】

前記第１反射部は、平面鏡である、
請求項１～５の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項7】

前記第１反射部は、湾曲している、
請求項１～５の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項8】

前記第１反射部は、前記レーザー媒質と反対側に湾曲している、
請求項７に記載の光発振器。

【請求項9】

前記第１反射部のうち前記一方向からみて前記第２反射部と重なる領域の少なくとも一部に、第２波長を有するレーザー光を通すための開口が形成されている、
請求項１～８の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項10】

前記レーザー媒質は、セラミック製または単結晶であり、
前記可飽和吸収部は、セラミック製または単結晶の可飽和吸収体を含み、
前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部は、表面活性化接合されており、
前記第１反射部は、前記レーザー媒質に設けられている、
請求項１～９の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項11】

前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部の接合体における前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部の接合方向の長さは１０ｍｍより小さい、
請求項１０に記載の光発振器。

【請求項12】

前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部は、表面活性化接合されており、
前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部の接合体における前記レーザー媒質及び前記可飽和吸収部の接合方向の長さは１０ｍｍより小さい、または前記第１反射部と前記第２反射部との間の距離より小さい、
請求項１～９の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項13】

前記第２反射部の曲率半径は、１０ｍｍ～１００ｍｍである、
請求項１～１２の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項14】

前記第２反射部の直径は１ｍｍ～３ｍｍである、
請求項１～１３の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項15】

前記第２反射部からみて前記第１反射部と反対側に配置されており、前記不安定共振器から出力される光を平行化するレンズを備え、
前記レンズの焦点距離は、３０ｍｍ～２００ｍｍである、
請求項１～１４の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項16】

前記第１反射部と前記第２反射部との間の距離は１５ｍｍより小さい、
請求項１～１５の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項17】

前記第１波長の励起光を出力するレーザダイオードを有しており前記励起光を前記第１反射部に入射する励起光供給部を更に備える、
請求項１～１６の何れか一項に記載の光発振器。

【請求項18】

前記励起光供給部は、前記レーザダイオードからの前記励起光を伝播する光ファイバと、前記光ファイバから出力された前記励起光を前記第１反射部に入射するための入射光学系とを有する、
請求項１７に記載の光発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー点火、レーザー加工などでは、高出力のレーザー光が求められている。高出力のレーザー光を生成する光発振器として、非特許文献１～３に記載の技術がある。非特許文献１～３に記載の光発振器は、共振器を構成する一対の平面鏡と、一対の平面鏡の間に配置されたセラミック製のレーザー媒質及びセラミック製のＱスイッチ素子とを有する、受動Ｑスイッチ型のマイクロチップレーザーである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】平等拓範、「マイクロドメイン制御によるハイパワーレーザー材料」、応用物理、2016年、第85巻、第10号、p.863-869

【文献】Masaki Tsunekann, et. al.，“High Peak Power, Passively Q-switched Microlaser for IgnitionEngins,”IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELCTRONICS, 2010年2月, VOL. 46, NO.2, p. 277-284

【文献】Masaki Tsunekann, et. al.，“High Peak Power, Passively Q-switched Yb:YAG/Cr:YAG Micro-Lasers,”IEEEJOURNAL OF QUANTUM ELCTRONICS, 2013年5月, VOL. 49, NO.5, p. 454-461

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

Ｑスイッチレーザーの出力は、レーザーモードの面積に比例する。しかしながら、非特許文献１～３に記載の光発振器のように、共振器に平面鏡を用いている場合、励起に伴う発熱による熱レンズ効果のため、自動的にレーザーモード半径は小さくなる。一方、出力を上げるためには、非特許文献１にも記載されているように、励起面積を拡げることも考えられるが、基本モードは大きくできないため励起面積を拡げると高次モードの発振が始まりビーム品質（Ｍ^２）が急激に劣化する。ここでは、光発振器がＱスイッチレーザーである場合を説明したが、光パラメトリック発振器（OPO: optical parametric oscillator）といった非線形光学利得による光発振器においても同様である。

【0005】

そこで、本発明は、ビーム品質の劣化を抑制しながら高出力化を実現可能な光発振器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】

【0006】

本発明の一側面に係る光発振器（以下、「第１光発振器」と称す）は、第１波長の光を透過するとともに、上記第１波長とは異なる第２波長の光を反射する第１反射部と、上記第１反射部とともに不安定共振器を形成しており、一方向において、上記第１反射部と離間して配置されており上記第２波長の光を反射する第２反射部と、上記第１反射部と上記第２反射部との間に配置されており、上記第１波長の光の入射により上記第２波長の光を放出するレーザー媒質と、上記一方向において上記レーザー媒質からみて上記第１反射部と反対側に配置されており、光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収部と、を備え、上記第１反射部は、上記レーザー媒質と反対側に上記第１波長の光が入射される入射面を有し、上記一方向からみて、上記第２反射部の大きさは上記第１反射部の大きさより小さく、上記可飽和吸収部の上記レーザー媒質と反対側の面の少なくとも一部は、上記レーザー媒質側に向けて湾曲した湾曲領域を有し、上記第２反射部は、上記湾曲領域の表面に設けられた誘電体多層膜である。

【0007】

本発明は、第１波長の光を透過するとともに、上記第１波長とは異なる第２波長の光を反射する第１反射部と、上記第１反射部とともに不安定共振器を形成しており、一方向において、上記第１反射部と離間して配置されており上記第２波長の光を反射する第２反射部と、上記第１反射部と上記第２反射部との間に配置されており、上記第１波長の光の入射により上記第２波長の光を放出するレーザー媒質と、上記一方向において上記レーザー媒質からみて上記第１反射部と反対側に配置されており、光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収部と、上記第２反射部を支持するとともに、上記第２波長の光を透過する支持体と、を備え、上記第１反射部は、上記レーザー媒質と反対側に上記第１波長の光が入射される入射面を有し、上記一方向からみて、上記第２反射部の大きさは上記第１反射部の大きさより小さく、上記支持体の上記可飽和吸収部側の面の少なくとも一部は、上記可飽和吸収部側に湾曲した湾曲領域であり、上記第２反射部は、上記湾曲領域の表面に設けられた誘電体多層膜である、光発振器（以下、「第２光発振器」とも称す）にも係る。

【0008】

上記第１光発振器及び第２光発振器では、第１反射部から励起光が入射される端面励起型の光発振器である。第１光発振器及び第２光発振器は、可飽和吸収部を備えていることから、パルス光を出力可能である。第１反射部及び第２反射部は不安定共振器を形成しており、第２反射部は、上記一方向からみて第１反射部より小さく、第１反射部側に湾曲している。第２反射部が、第１反射部側に湾曲していることから、第２反射部で反射された第２波長の光は発散する。そのため、第１反射部及び第２反射部がともに平面鏡である場合に比べて、レーザー媒質のより広い領域を第２波長の光が通過する。その結果、レーザー媒質から多くの誘導放出が生じ易いので、同じ励起面積であれば、第１反射部及び第２反射部がともに平面鏡である場合に比べて、高い出力のパルス光を得ることが可能である。この場合、ビーム品質（Ｍ^２）の劣化を抑制しながら、パルス光の出力向上を図れる。

【0009】

上記第２光発振器の一実施形態において、支持体の例は平凸レンズである。この場合、例えば、平凸レンズである支持体を利用して、パルス光を平行化可能或いは集光可能である。

【0010】

上記一方向からみて、上記可飽和吸収部の大きさは上記レーザー媒質の大きさよりも小さくてもよい。

【0011】

上記一方向からみて、上記可飽和吸収部の周囲に、第１波長の光の入射により第２波長の光を放出するレーザー媒質が設けられていてもよい。この場合、可飽和吸収部の周囲に設けられたレーザー媒質によって、パルス光が更に増幅され得る。その結果、パルス光の高出力化が更に図れる。

【0012】

上記第１反射部は、平面鏡であってもよい。この場合、第１反射部を形成し易い。例えば、第１反射部が、レーザー媒質の端面に設けられている場合、レーザー媒質の端面も平面でよいため、レーザー媒質の加工も容易である。

【0013】

上記第１反射部は、上記レーザー媒質と反対側に湾曲していてもよい。この場合、第２反射部で反射され第１反射部側に伝搬してきた第２波長の光が、第１反射部で反射する際に発散が抑制される。そのため、第１反射部と第２反射部との間における第２波長の光の閉じ込め効果を向上できる。

【0014】

上記第１反射部のうち上記一方向からみて上記第２反射部と重なる領域の少なくとも一部に、上記第２波長を有するレーザー光を通すための開口が形成されていてもよい。この場合、上記開口を利用して、注入同期用の第２波長を有するレーザー光をレーザー媒質に入射できる。その結果、第１光発振器及び第２光発振器のジッターを制御可能である。

【0015】

上記レーザー媒質は、セラミック製であり、上記可飽和吸収部は、セラミック製の可飽和吸収体を含み、上記レーザー媒質及び上記可飽和吸収部は、接合されており、上記第１反射部は、上記レーザー媒質に設けられていてもよい。ただし、何れもセラミックスには限定しない。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制しながら高出力を実現可能な光発振器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、第１実施形態に係るレーザー装置（光発振器）の概略構成を示す図面である。

【図2】図２は、図１に示したレーザー装置から出力されるパルスレーザー光の一例を示す模式図である。

【図3】図３は、図１に示したレーザー装置の第１変形例の概略構成を示す図面である。

【図4】図４は、図１に示したレーザー装置の第２変形例の概略構成を示す図面である。

【図5】図５は、図１に示したレーザー装置の第３変形例の概略構成を示す図面である。

【図6】図６は、図１に示したレーザー装置の第４変形例の概略構成を示す図面である。

【図7】図７は、第２実施形態に係るレーザー装置の概略構成を示す図面である。

【図8】図８は、実験例１に係るレーザー装置の概略構成を示す図面である。

【図9】図９は、実験例１で得られたパルスレーザー光の画像を示す図面である。

【図10】図１０は、実験例１で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光のパルス幅の測定結果を示す図面である。

【図11】図１１は、実験例１で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光のビーム品質を確認するための実験結果を示す図面である。

【図12】図１２は、実験例１で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光の偏光状態を確認するための実験結果を示す図面である。

【図13】図１３は、実験例１で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光の出力安定性を確認するための実験結果を示す図面である。

【図14】図１４は、励起光の一例を示すための模式図である。

【図15】図１５は、励起光の他の例を示すための模式図である。

【図16】図１６は、実験例２に係るレーザー装置の概略構成を示す図面である。

【図17】図１７は、実施例２で得られたパルスレーザー光の画像を示す図面である。

【図18】図１８は、実験例２で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光のパルス幅の測定結果を示す図面である。

【図19】図１９は、実験例２で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光のビーム品質を確認するための実験結果を示す図面である。

【図20】図２０は、実験例２で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光の偏光状態を確認するための実験結果を示す図面である。

【図21】図２１は、実験例２で使用したレーザー装置からのパルスレーザー光の出力安定性を確認するための実験結果を示す図面である。

【図22】図２２は、励起光のサイズが異なる場合に対する図１６に示したレーザー装置及び比較用レーザー装置から出力されるパルスレーザー光のビームパターンの測定結果を示す図面である。

【図23】図２３は、図２２に示した各ビームパターンを有するパルスレーザー光のパルス幅の測定結果である。

【図24】図２４は、図２３に示した結果から算出されたパルス幅をプロットした図面である。

【図25】図２５は、ピークパワーの測定結果を示す図面である。

【図26】図２６は、実験例２ａにおいて得られたＭ^２を示す図面である。

【図27】図２７は、実験例２ａの結果から得られた輝度を示す図面である。

【図28】図２８は、実験例２ｂにおけるドーナツビーム及び近ガウシアンビームの集束レンズ上のビームパターンの測定結果を示す図面である。

【図29】図２９は、実験例２ｂにおけるドーナツビーム及び近ガウシアンビームのパルス波形を示した図面である。

【図30】図３０は、ブレークダウンの閾値エネルギーＥ_ｔｈの測定結果を示す図面である。

【図31】図３１は、Ｍ^２の算出のために計測された焦点位置でのドーナツビームのビームパターンを示している。

【図32】図３２は、図３１に示したドーナツビームの断面方向の強度分布を示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

【0019】

（第１実施形態）
図１に示したように、第１実施形態に係るレーザー装置（光発振器）１Ａは、第１反射部１０と、第２反射部１２と、レーザー媒質１４と、Ｑスイッチ素子（可飽和吸収部）１６とを有する。第１反射部１０と、第２反射部１２と、レーザー媒質１４と、Ｑスイッチ素子１６は、Ｚ軸に沿って、第１反射部１０、レーザー媒質１４、Ｑスイッチ素子１６及び第２反射部１２の順に配置されている。上記Ｚ軸は、レーザー装置１Ａの光軸に相当する。レーザー装置１Ａは、レーザー点火、レーザー誘起ブレークダウン分光法、アブレーションを目的とした様々なレーザー加工に好適に用いられる。

【0020】

レーザー装置１Ａは、励起光供給部１８から供給される第１波長（例えば、レーザー媒質１４がＮｄ：ＹＡＧであれば波長８０８ｎｍまたは波長８８５ｎｍ、レーザー媒質１４がＹｂ：ＹＡＧであれば波長９４０ｎｍまたは波長９６８ｎｍ）の励起光Ｌ１が第１反射部１０に入射されることによって、第２波長（例えば、レーザー媒質１４がＮｄ：ＹＡＧであれば波長１０６４ｎｍ、レーザー媒質１４がＹｂ：ＹＡＧであれば波長１０３０ｎｍ）のパルスレーザー光Ｌ２を第２反射部１２側（図１中の右側）から出力する。

【0021】

励起光供給部１８は、励起光Ｌ１を第１反射部１０に供給可能な構成を有すればよい。励起光供給部１８は、例えば、光ファイバ１８Ｂにカップリングされており励起光Ｌ１を出力するレーザーダイオード（ＬＤ）１８Ａと、光ファイバ１８Ｂから出力される励起光Ｌ１を第１反射部１０に入射するための入射光学系１８Ｃと、を有する。ＬＤ１８Ａは、連続波発振されてもよいし、準連続波発振されてもよい。図１の入射光学系１８Ｃは、光ファイバ１８Ｂから出力された励起光Ｌ１を集光して、第１反射部１０に入射させている。励起光Ｌ１は、例えば平行光もしくは実質的に平行光に近い緩い集光光として第１反射部１０に入射されてもよい。励起光供給部１８もレーザー装置１Ａの一部であってもよい。

【0022】

［第１反射部］
第１反射部１０は、レーザー媒質１４の第１端面１４ａに設けられている。第１反射部１０は、第１波長の励起光Ｌ１を透過する一方、第２波長の光を反射する誘電体多層膜である。第１波長の励起光Ｌ１に対する第１反射部１０の透過率は８０％以上（望ましくは９５％以上）であり、第２波長の光に対する第１反射部１０の反射率は９０％以上（望ましくは９９％以上）である。第１反射部１０は、例えば第１波長の励起光Ｌ１に対してＡＲコートとして機能し、第２波長の光に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜である。第１反射部１０は、薄膜形成技術によって第１端面１４ａに形成され得る。

【0023】

第１反射部１０は、励起光Ｌ１が入射される第１面（入射面）１０ａと、第２面１０ｂ（光の伝搬するＺ軸の方向において第１面１０ａと反対側の面）とを有する。第１面１０ａ及び第２面１０ｂは、Ｚ軸に直交している平面である。よって、第１反射部１０は、上述した透過特性及び反射特性を有する平面鏡である。しかし、第１反射部１０は、曲率を有する鏡（湾曲した鏡）でもよく、例えば凹面鏡であってもよい。

【0024】

第２反射部１２は、Ｚ軸の方向（一方向）において、第１反射部１０と離間して配置されている。第２反射部１２は、Ｑスイッチ素子１６の第２端面１６ｂに設けられている。第２反射部１２は、第２波長の光を反射する誘電体多層膜である。第２波長の光に対する第２反射部１２の反射率は８０％以上（望ましくは９９％以上）である。第２反射部１２は、例えば第２波長の光に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜である。第２反射部１２は、薄膜形成技術によって第２端面１６ｂに形成され得る。

【0025】

第２反射部１２は、第１反射部１０とともに、不安定共振器を形成している。図１に示した実施形態において、第１反射部１０及び第２反射部１２によって形成される不安定共振器の光軸は、Ｚ軸と一致している。Ｚ軸の方向からみた場合、第２反射部１２の大きさは、第１反射部１０の大きさより小さい。更に、第２反射部１２は、第１反射部１０側に向けて湾曲している。第２反射部１２が上記のように湾曲していることから、第２反射部１２は、第２波長の光を発散させる。よって、第１反射部１０及び第２反射部１２とは拡大光学系を形成している。

【0026】

第１反射部１０及び第２反射部１２が上記のような不安定共振器であることから、レーザー装置１Ａからは、図２に示したように、ドーナツ状（ドーナツモード）のパルスレーザー光Ｌ２が出力される。パルスレーザー光Ｌ２の内径をａとし、パルスレーザー光Ｌ２の外径をｂとし、拡大率ｍをｂ／ａで定義した場合、拡大率ｍは、例えば、２^１／２以上且つ３以下である。拡大率ｍは、１．２以上３以下でもよい。

【0027】

第２反射部１２のうち第１反射部１０に最も近い部分（第２反射部１２の頂部）と、第１反射部１０の第２面１０ｂとの間の距離（以下、「共振器長ｄ」とも称す）の例は、約４～５０ｍｍである。共振器長ｄは、１５ｍｍより小さくてもよい。Ｚ軸の方向からみた場合、第２反射部１２は円形または多角形であり、その直径または対角の長さの例は、１～２０ｍｍである。第２反射部１２の直径または対角の長さは、１ｍｍ～３ｍｍであってもよい。第２反射部１２の曲率半径の例は１０ｍｍ～２ｍである。第２反射部１２の曲率半径の例は１０ｍｍ～１００ｍｍであってもよい。

【0028】

［レーザー媒質］
レーザー媒質１４は、励起状態において増幅が吸収を上回る反転分布を形成し、誘導放出を利用して光を増幅させる物質である。レーザー媒質１４は、利得媒質とも称される。レーザー媒質１４は、第１波長の励起光Ｌ１が供給されることによって、第２波長の光を放出可能であれば、既知の種々のレーザー媒質を利用できる。

【0029】

レーザー媒質１４の材料の例は、発光中心となる希土類イオンを添加した酸化物から形成される光利得材料、発光中心となる遷移金属イオンを添加した酸化物から形成される光利得材料、カラーセンターとなる酸化物から形成される光利得材料等を含む。

【0030】

上記希土類イオンの例は、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂを含む。遷移金属イオンの例は、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕを含む。母体材料の例は、ＹＡＧ，ＹＳＡＧ，ＹＧＡＧ，ＹＳＧＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧ，ＬｕＡＧなどのガーネット系、ＹＬＦ，ＬｉＳＡＦ，ＬｉＣＡＦ，ＭｇＦ_２，ＣａＦ_２などのフッ化系、ＹＶＯ_４，ＧｄＶＯ_４，ＬｕＶＯ_４などのバナデート系、ＦＡＰ，ｓＦＡＰ，ＶＡＰ，ｓＶＡＰなどのアパタイト系、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＡｌ_２Ｏ_３などのアルミナ系、Ｙ_２Ｏ_３，Ｓｃ_２Ｏ_３，Ｌｕ_２Ｏ_３などの二三酸化物系、ＫＧＷ，ＫＹＷなどのタングステート系を含む。母体材料は、単結晶であってもよいし多結晶セラミック材料であってもよい。母体材料は、非晶質の各種ガラスでもよい。

【0031】

レーザー媒質１４の形状の例は、板状及び柱状を含む。図１に示した実施形態において、レーザー媒質１４の中心軸はＺ軸に一致する。レーザー媒質１４は、第１端面１４ａと、第２端面１４ｂ（Ｚ軸の方向において第１端面１４ａと反対側の面）とを有する。第１端面１４ａ及び第２端面１４ｂはＺ軸に直交している。Ｚ軸の方向に沿ったレーザー媒質１４の長さの例は、０．２～２６ｍｍである。

【0032】

Ｚ軸からみたレーザー媒質１４の形状（平面視形状）の例は、円形、矩形又は正方形、多角形を含む。上記レーザー媒質１４の平面視形状が円形の場合、直径の例は１．４～１００ｍｍである。上記レーザー媒質１４の平面視形状が矩形又は正方形の場合、およその対角の長さの例は１．９～１４０ｍｍである。

【0033】

以下では、Ｚ軸からある要素をみた場合のその要素の形状を上記のように「平面視形状」とも称す。

【0034】

Ｑスイッチ素子１６は、Ｑスイッチ素子１６に入射する光の強度が増大すると吸収能力が飽和する特性を有する可飽和吸収体である。Ｑスイッチ素子１６は、第２波長の光の吸収に伴って透過率が増加する。Ｑスイッチ素子１６は、レーザー媒質１４と同軸に配置され得る。Ｑスイッチ素子１６は、第２端面１４ｂに接合されてもよい。

【0035】

Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６の大きさは、レーザー媒質１４より小さい。Ｑスイッチ素子１６の形状の例は、板状及び柱状を含む。Ｑスイッチ素子１６は、レーザー媒質１４側の第１端面１６ａと、第２端面１６ｂ（Ｚ軸の方向において第１端面１６ａと反対側の面）とを有する。第１端面１６ａはＺ軸に直交している。第２端面１６ｂには第２反射部１２が設けられている。第２反射部１２が第１反射部１０側に湾曲していることから、第２端面１６ｂも同様に湾曲している。第２端面１６ｂの曲率半径と第２反射部１２の曲率半径は同じである。

【0036】

Ｚ軸の方向に沿ったＱスイッチ素子１６の長さの例は、０．１～１０ｍｍである。

【0037】

レーザー装置１Ａのように、第２端面１６ｂの全面に第２反射部１２が設けられている場合、Ｑスイッチ素子１６の平面視形状の例は、円形または多角形であり、その等価的直径の例は、１～２０ｍｍである。

【0038】

第２反射部１２は、第２端面１６ｂの一部に設けられていてもよい。すなわち、第２端面１６ｂに第２反射部１２が部分コーティングされていてもよい。この場合、第２端面１６ｂがその一部に第１反射部１０側に湾曲した湾曲領域を有し、その湾曲領域に第２反射部１２が設けられる。第２反射部１２が、第２端面１６ｂの一部に設けられる実施形態では、Ｑスイッチ素子１６の平面視形状の例は、円形、矩形又は正方形、多角形でもよい。Ｑスイッチ素子１６の平面視形状が矩形又は正方形の場合、等価的対角の長さの例は、１～２０ｍｍである。

【0039】

Ｑスイッチ素子１６の材料は、入射する第２波長の光の強度が増大すると吸収能力が飽和する特性を有する可飽和吸収体の材料でよい。本実施形態においてＱスイッチ素子１６の材料はＣｒ：ＹＡＧセラミックであるが、単結晶でも良い。

【0040】

Ｑスイッチ素子１６は、第２端面１６ｂの全面またはその一部が湾曲した状態で製造されてもよいし、第２端面１６ｂが平面のＱスイッチ素子１６を製造した後に、第２端面１６ｂを全面またはその一部が湾曲するように加工することによって製造されてもよい。

【0041】

レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６がともにセラミック製である場合、通常は焼結接合が行われるが、励起光を反射させることができない。そこで例えば、レーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６とは、表面活性化接合されていてもよい。表面活性化接合は、真空中で接合する材料の接合面の酸化膜又は表面付着物をイオンビーム照射又はＦＡＢ（中性原子ビーム）照射によって除去し、平坦で構成原子の露出した接合面同士を接合するという手法である。上記接合は、分子間結合を利用した直接接合である。表面活性接合であれば、レーザー媒質をセラミックスに限定すること無く、単結晶同士、またはそれらのハイブリッドが可能なだけでなく、励起光反射コーティングなどを施した上での接合が可能になる。レーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６とが接合されることによって接合体を形成している場合、その接合体におけるレーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６の接合方向の長さ（Ｚ軸方向の長さに相当）は、例えば、１０ｍｍより小さい。

【0042】

レーザー媒質１４の第２端面１４ｂ及びＱスイッチ素子１６の第１端面１６ａの少なくとも一方には、第２端面１４ｂ及び第１端面１６ａにおける反射特性（例えば第２波長の光の反射特性）を調整するコーティング層が設けられてもよい。このようなコーティング層が第２端面１４ｂ及び第１端面１６ａの少なくとも一方に設けられている場合、例えばレーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６は、上記コーティング層を介して上記のように接合され得る。Ｑスイッチ素子１６の第１端面１６ａ及び第２端面１６ｂの少なくとも一方には、第１波長の励起光Ｌ１に対してＨＲコートとして機能し、第２波長の光に対してＡＲコートとして機能するコーティング層が設けられてもよい。このようなコーティング層は、可飽和吸収部の一部であってもよい。すなわち、可飽和吸収部は、可飽和吸収体（図１のＱスイッチ素子１６）の他、上記コーティング層を有してもよく、コーティング層が可飽和吸収体の端面に設けられている場合、コーティング層の端面が可飽和吸収部の端面に相当する。

【0043】

レーザー装置１Ａにおいて、レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６のＺ軸の方向の長さ並びに第２反射部１２の形状など（特に、第２反射部１２の大きさ及び曲率半径など）は、共振器長ｄ、利得などを考慮して、所望のドーナツ形状のパルスレーザー光Ｌ２が得られるように設定されていればよい。例えば、上記拡大率ｍが、２^１／２以上であり且つ３以下又は１．２以上であり且つ３以下であるように、レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６のＺ軸の方向の長さ並びに第２反射部１２の形状が設定されていればよい。

【0044】

次に、レーザー装置１Ａの作用効果を説明する。

【0045】

励起光供給部からの励起光Ｌ１が第１反射部１０の第１面１０ａに入射されると、励起光Ｌ１は、第１反射部１０を透過して、レーザー媒質１４に供給される。これにより、レーザー媒質１４が励起され、第２波長の光が放出される。レーザー媒質１４から放出された第２波長の光は、第２反射部１２によって、第１反射部１０側に反射される。第１反射部１０は第２波長の光を反射する。これにより、第２波長の光がレーザー媒質１４を複数回通過する。第２波長の光がレーザー媒質１４を通過する際の誘導放出によって第２波長の光は増幅され、Ｑスイッチ素子１６の作用によってパルスレーザー光Ｌ２として出力される。

【0046】

第２反射部１２は、第２波長の光を反射することから、第２波長の光は実質的に第２反射部１２を透過しない。第２反射部１２は、第１反射部１０側に湾曲していることから、第２反射部１２で反射された第２波長の光は発散する。そのため、Ｚ軸の方向からみて、第２反射部１２の外側からパルスレーザー光Ｌ２が出力される。その結果、パルスレーザー光Ｌ２の形状（強度分布）は、図２に示したようなドーナツ形状である。すなわち、レーザー装置１Ａは、ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２を出力できる。

【0047】

第２反射部１２で反射された第２波長の光は発散する。そのため、第１反射部及び第２反射部がともに平面鏡である場合に比べて、レーザー媒質１４のより広い領域を第２波長の光が通過する。これによって、レーザー媒質１４から多くの誘導放出が生じ易いので、同じ励起面積であれば、第１反射部及び第２反射部がともに平面鏡である場合に比べて、高い出力のパルスレーザー光Ｌ２を得られる。この場合、パルスレーザー光Ｌ２の出力を上げているものの、積極的にドーナツ状のビームを選択し、ドーナツモードより高次のモードへの利得移行を無くすことで、ビーム品質（Ｍ^２）の劣化を抑制しながら、パルスレーザー光Ｌ２の出力向上を図る。すなわち、レーザー装置１Ａでは、ビーム品質の劣化を抑制しながら出力向上を実現可能である。

【0048】

レーザー装置１Ａでは、第１反射部１０は平面鏡として機能することから、第２反射部１２からの第２波長の光は第１反射部１０で反射する際にも発散し易い。しかしながら、レーザー装置１Ａのように端面励起の場合、励起に伴う量子欠損に起因した熱レンズ効果が生じる。そのため、第２反射部１２で反射され、更に第１反射部１０で反射された第２波長の光を、上記熱レンズ効果によって、熱レンズ効果が無い場合より閉じ込め可能である。したがって、第１反射部１０が平面鏡であっても、第１反射部１０と第２反射部１２とで不安定共振器が形成され、レーザー発振が可能である。よって、レーザー装置１Ａにおけるレーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６のＺ軸の方向の長さ並びに第２反射部１２の形状などは、励起光Ｌ１によるレーザー媒質１４内の熱レンズ効果も考慮して設定され得る。

【0049】

第１反射部１０が第１端面１４ａに設けられており且つ第１反射部１０が平面鏡である実施形態では、第１端面１４ａも平面でよいことから、レーザー媒質１４の加工が容易である。更に、上記熱レンズ効果を利用することで、パルスレーザー光Ｌ２の発散を抑制可能であり、例えば、平行光として出力可能である。

【0050】

第２反射部１２が誘電体多層膜であることから、高強度の第２波長の光が第２反射部１２に入射しても第２反射部１２の損傷を防止できる。その結果、安定して、高出力のパルスレーザー光Ｌ２を出力可能である。

【0051】

第１反射部１０はレーザー媒質１４の第１端面１４ａに設けられており、第２反射部１２は、Ｑスイッチ素子１６の第２端面１６ｂに設けられている。そのため、共振器長ｄを短くできるので、レーザー装置１Ａの小型化及び短パルス化を図れている。

【0052】

レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６はセミラック製であり、それらを接合している場合、共振器長ｄを短くできる。その結果、パルス幅がサブナノ秒であるパルスレーザー光Ｌ２を出力可能である。

【0053】

第１反射部１０及び第２反射部１２が形成する不安定共振器は、拡大光学系であることから、レーザー装置１Ａから出力されるパルスレーザー光Ｌ２の拡大率ｍを、図２に示したように、ｂ／ａで定義した場合、拡大率ｍは、例えば、２^１／２以上である。拡大率ｍが大きすぎるとレーザー発振閾値が大きくなり、レーザー発振が生じにくい。よって、レーザー装置１Ａは、拡大率ｍが３以下となるように、例えば、第２反射部１２の大きさ及び曲率半径などが設定されていることが好ましい。拡大率ｍが３以下であれば、第１反射部１０及び第２反射部１２が形成する不安定共振器が拡大光学系であっても、レーザー発振閾値を下げることが可能である。１－ｍ^－２は、共振器における往復損失を示す。例えば、ｍ＝２^１／２である場合、往復損失は５０％である。

【0054】

励起光Ｌ１を出力するＬＤ１８Ａが準連続波発振され、励起光Ｌ１がパルス光である実施形態では、高出力の励起光Ｌ１を利用してパルスレーザー光Ｌ２の高出力化を図りながら、レーザー媒質１４の発熱を抑制できる。

【0055】

次に、レーザー装置１Ａの種々の変形例を説明する。

【0056】

（第１変形例）
第１変形例に係るレーザー装置１Ｂは、図３に示したように、Ｑスイッチ素子１６の周囲にレーザー媒質２０が更に設けられている点で、レーザー装置１Ａと主に相違する。上記相違点を中心にして、レーザー装置１Ａを説明する。

【0057】

レーザー媒質２０は、Ｚ軸の方向からみて、Ｑスイッチ素子１６の周囲を囲んでいる。レーザー媒質２０の材料は、レーザー媒質１４の材料と同じである。よって、レーザー媒質２０は、励起光Ｌ１の入射により第２波長の光を放出する。

【0058】

レーザー媒質２０は、Ｑスイッチ素子１６と接合されていてもよい。この場合、レーザー媒質１４の第２端面１４ｂ側に、レーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６との複合部品が配置されている実施形態に相当する。或いは、レーザー媒質２０がレーザー媒質１４と同じ材料であることから、レーザー媒質２０とレーザー媒質１４とが一つの部材であってもよい。この場合、一つのレーザー媒質において第１反射部１０と反対側の端面に凹部が設けられ、その凹部にＱスイッチ素子１６が収容されている実施形態に相当する。

【0059】

レーザー装置１Ｂは、レーザー装置１Ａと少なくとも同じ作用効果を有する。レーザー装置１Ｂが有するレーザー媒質２０は、Ｚ軸の方向からみて、Ｑスイッチ素子１６の周囲を囲んでいる。そのため、パルスレーザー光Ｌ２は、レーザー媒質２０を更に通過する。励起光Ｌ１を第１反射部１０に入射する際に、レーザー媒質２０にも励起光Ｌ１が入射されるように励起光Ｌ１を第１反射部１０に入射すれば（例えば、第１面１０ａのほぼ全面に励起光Ｌ１を入射すれば）、レーザー媒質２０も励起光Ｌ１で励起されている。そのため、パルスレーザー光Ｌ２がレーザー媒質２０を通過する際に、パルスレーザー光Ｌ２は、更に増幅される。その結果、レーザー装置１Ｂでは、出力が一層向上する。

【0060】

（第２変形例）
第２変形例に係るレーザー装置１Ｃは、図４に示したように、第１反射部１０が外側（レーザー媒質１４と反対側）に向けて湾曲している点で、レーザー装置１Ａと相違する。この相違点を中心にして、レーザー装置１Ｃを説明する。

【0061】

第１反射部１０は、外側に向けて湾曲している。第１反射部１０の曲率半径は、励起光Ｌ１によるレーザー媒質１４内の熱レンズ効果、共振器長ｄ、利得、並びに、第２反射部１２の大きさ及び曲率半径などを考慮して、所望のドーナツ形状が得られるように設定されればよい。例えば、上記拡大率ｍが、２^１／２以上であり且つ３以下であるように、第１反射部１０の曲率半径が設定されていればよい。第１反射部１０の曲率半径の例は、１．４～９ｍｍである。

【0062】

第１反射部１０は、レーザー媒質１４の第１端面１４ａに設けられていることから、レーザー装置１Ｃでは、第１端面１４ａも第１反射部１０と同様に湾曲している。第１端面１４ａの曲率半径は、第１反射部１０の曲率半径と同様である。

【0063】

レーザー装置１Ｃは、レーザー装置１Ａと少なくとも同じ作用効果を有する。レーザー装置１Ｃでは、第１反射部１０が外側に湾曲しているので、第２反射部１２で反射された第２波長の光に対して第１反射部１０は凹面鏡として機能する。すなわち、第１反射部１０は、第２反射部１２で反射された第２波長の光に対して集光機能を有する。よって、第２波長の光を、不安定共振器内に閉じ込めやすい。第１反射部１０が上記のように集光機能を有することから、パルスレーザー光Ｌ２の発散を抑制し易く、例えば、パルスレーザー光Ｌ２を平行光として出力し易い。

【0064】

（第３変形例）
第３変形例に係るレーザー装置１Ｄは、図５に示したように、第１反射部１０が開口１０ｃを有する点で、レーザー装置１Ａと相違する。上記相違点を中心にして、レーザー装置１Ｄを説明する。

【0065】

第１反射部１０は、第２波長を有する注入レーザー光Ｌ３をレーザー媒質１４に注入するための開口１０ｃを有する。開口１０ｃは、Ｚ軸の方向からみた場合に、第２反射部１２と重複する領域の少なくとも一部に形成される。図５に示したように、開口１０ｃは、Ｚ軸上に配置され得る。

【0066】

注入レーザー光Ｌ３は、注入同期するためのレーザー光である。注入レーザー光Ｌ３の進行方向に直交する断面の大きさは、例えば、開口１０ｃの大きさ以下であり得る。この場合、注入レーザー光Ｌ３は、第１反射部１０で反射されずに、開口１０ｃを通過してレーザー媒質１４に入射され得る。

【0067】

レーザー装置１Ｄは、注入レーザー光Ｌ３を供給する注入レーザー光供給部２４を備えてもよい。注入レーザー光供給部２４は、注入レーザー光Ｌ３を、注入同期のための注入タイミングで出力可能であればよい。

【0068】

図５に示したように、Ｚ軸に沿って励起光Ｌ１を伝搬させた後、第１反射部１０に励起光Ｌ１を入射させる実施形態では、注入レーザー光Ｌ３は、励起光Ｌ１の光路上（図５では、Ｚ軸上）に配置されている反射鏡２２によって反射され、開口１０ｃに入射されればよい。反射鏡２２は、励起光Ｌ１の一部の伝搬を阻害することから、反射鏡２２は、小さい方がよい。

【0069】

図５に示した実施形態では、反射鏡２２が、例えば、励起光Ｌ１を透過する一方、注入レーザー光Ｌ３を反射する波長選択性を有する場合、反射鏡２２の大きさは限定されない。

【0070】

図６に示したように、注入レーザー光Ｌ３を、Ｚ軸に沿って伝搬させた後、開口１０ｃに入射させる一方、励起光Ｌ１を反射鏡２２で反射させた後に、第１反射部１０に入射させてもよい。図６に示した実施形態では、反射鏡２２は、励起光Ｌ１を反射するとともに、注入レーザー光Ｌ３を通すための開口２２ａを有する。開口２２ａの大きさの例は、注入レーザー光Ｌ３に直交する断面の大きさとほぼ同じか、若干大きい程度である。これにより、励起光Ｌ１を有効に利用してレーザー媒質１４を励起できる。図６に示した実施形態において、反射鏡２２が、例えば、励起光Ｌ１を反射する一方、注入レーザー光Ｌ３を透過する波長選択性を有する場合、反射鏡２２の大きさは限定されない。

【0071】

レーザー装置１Ｄは、レーザー装置１Ａと少なくとも同様の作用効果を有する。レーザー装置１Ｄでは、注入レーザー光Ｌ３をレーザー媒質１４に注入することで注入同期を図れる。その結果、レーザー装置１Ｄのジッターを制御可能であり、例えば外部機器との同期、複数のＱスイッチ型のレーザー装置との同期を図れる。

【0072】

レーザー装置１Ｄの第２反射部１２は、第２波長の光を反射し、実質的に第２波長の光を透過しない。よって、レーザー装置１Ｄは、図５及び図６に示したように、第１反射部１０に開口１０ｃを設け、注入レーザー光Ｌ３をレーザー媒質１４に注入し易い構成である。レーザー装置１Ｄは、ビーム品質の劣化を抑制しながら、高出力が可能であるとともに、ジッター制御が容易な構成を有する。

【0073】

第３変形例では、反射鏡２２もレーザー装置１Ｄの一部でもよい。

【0074】

（第４変形例）
Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６の大きさは、レーザー媒質１４の大きさと同じであってもよい。この場合、第２端面１６ｂは、その一部（例えば中央部）に、第１反射部１０側に湾曲した湾曲領域を有し、その湾曲領域に第２反射部１２が設けられていればよい。すなわち、第２端面１６ｂに第２反射部１２が部分コーティングされていてもよい。第４変形例に係るレーザー装置もレーザー装置１Ａと少なくとも同様の作用効果を有する。

【0075】

（第２実施形態）
図７を利用して、第２実施形態に係るレーザー装置２Ａを説明する。レーザー装置２Ａは、第２反射部１２が、Ｑスイッチ素子１６の第２端面１６ｂに設けられていない点で、レーザー装置１Ａと相違する。この相違点を中心にして、レーザー装置２Ａを説明する。

【0076】

レーザー装置２Ａは、第２反射部１２を支持する支持体２６を有する。支持体２６は、第２波長の光（パルスレーザー光Ｌ２）を透過する。第２波長の光に対する支持体２６の透過率は、９０％以上である。支持体２６の材料の例は、ガラスを含む。

【0077】

支持体２６のＱスイッチ素子１６側の面２６ａは、Ｑスイッチ素子１６側に湾曲している湾曲領域である。支持体２６の面２６ａの曲率半径は、第２反射部１２の曲率半径と同様である。支持体２６のＱスイッチ素子１６と反対側の面２６ｂは平面であり得る。支持体２６の例は、平凸レンズである。湾曲した面２６ａには、第２波長の光に対するＡＲコートが施されていてもよい。このようなＡＲコートも支持体２６の一部でもよい。

【0078】

第２反射部１２は、支持体２６の面２６ａの頂部（Ｚ軸と面２６ａとの交点部分）に設けられている。すなわち、面２６ａに第２反射部１２が部分コーティングされている。第２反射部１２は、薄膜形成技術によって形成され得る。

【0079】

Ｑスイッチ素子１６は、第２端面１６ｂが平面である点以外は、レーザー装置１Ａの場合と同様の構成を有する。第１反射部１０及びレーザー媒質１４は、レーザー装置１Ａの場合と同様の構成を有する。

【0080】

レーザー装置２Ａにおいても、第１反射部１０及び第２反射部１２は、レーザー装置１Ａの場合と同様に、不安定共振器を構成する。よって、レーザー装置２Ａは、レーザー装置１Ａと少なくとも同様の作用効果を有する。

【0081】

第２反射部１２が誘電体多層膜であることから、高強度の第２波長の光が第２反射部１２に入射しても第２反射部１２の損傷を防止できる。その結果、安定して、高出力のパルスレーザー光Ｌ２を出力可能である。

【0082】

支持体２６が平凸レンズである場合、支持体２６は、パルスレーザー光Ｌ２に対して集光機能を有する。よって、支持体２６に入射するパルスレーザー光Ｌ２が発散している場合でも、その発散を抑制でき、例えば、支持体２６の作用によってパルスレーザー光Ｌ２を平行光として出力できる。

【0083】

第２実施形態に係るレーザー装置２Ａに対しても、第１実施形態に係るレーザー装置１Ａに対する第１～第３変形例と同様の変形が可能である。すなわち、第１変形例の場合と同様に、Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６が、レーザー媒質２０（図３参照）で囲まれていてもよい。第２変形例の場合と同様に、第１反射部１０は、Ｑスイッチ素子１６と反対側に湾曲していてもよい（図４参照）。第３変形例の場合と同様に、第１反射部１０は、注入レーザー光Ｌ３をレーザー媒質１４に入射するための開口１０ｃ（図５及び図６参照）を有してもよい。第２実施形態に係るレーザー装置２Ａに対して、第１実施形態の第１～第３変形例と同様の変形を適用した場合、各変形例が適用されたレーザー装置は、第１～第３変形例の場合と同様に、各変形に伴う作用効果を有する。

【0084】

支持体２６は、図７を利用して説明した形状に限定されない。例えば、支持体２６は、第２波長の光を透過可能な平板であり、Ｑスイッチ素子１６側の面の一部にＱスイッチ素子１６側に湾曲した湾曲領域を有していてもよい。この場合、上記湾曲領域に第２反射部１２が設けられる。

【0085】

第２実施形態においても、第１実施形態の第４変形例と同様に、Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６の大きさは、レーザー媒質１４の大きさと同じでもよい。この場合、例えば、レーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６との位置調整が容易である。レーザー媒質１４とＱスイッチ素子１６が接合されることによって一つの部品（以下、説明の便宜のため、「光部品」と称す）を形成している場合、Ｚ軸の方向からみて、Ｑスイッチ素子１６の大きさが、レーザー媒質１４の大きさと同じであれば、複数の光部品を容易に製造し易い。例えば、複数の光部品は、次のようにして製造される。各光部品のサイズより大きなサイズのレーザー媒質とＱスイッチ素子とを接合することによって、レーザー媒質とＱスイッチ素子の積層体を製造する。その後、上記積層体から所望のサイズの光部品を切り出すことによって、複数の光部品が得られる。この場合、上記光部品を大量生産できるので、レーザー装置の製造が容易であるとともに、製造コストの低減を図れる。第２反射部１２とＱスイッチ素子１６とは接していてもよい。

【0086】

次に、レーザー装置の一実施形態を用いた実験例１を説明する。実験例１の説明において、図１～図７を利用して説明した実施形態と同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

【0087】

実験例１では、図８に示したレーザー装置２Ｂを使用した。レーザー装置２Ｂの構成は、Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６の大きさが、レーザー媒質１４の大きさと同じである点以外は、図７に示したレーザー装置２Ａの構成と同じである。以下、実験に使用した材料、各要素のサイズなどを具体的に示すが、本発明は、例示する材料、各要素のサイズ等を適用したものに限定されない。

【0088】

実験例１では、光ファイバ１８ＢがカップリングされたＬＤ１８Ａを使用し、入射光学系１８Ｃによって、励起光Ｌ１を第１反射部１０に入射させた。第１反射部１０における励起光Ｌ１の照射領域は、直径が約２．５ｍｍの円形領域であった。ＬＤ１８Ａの励起方法、繰り返し周波数、励起光Ｌ１の波長及び出力パワーは、次のとおりであった。
・励起方法：準連続波励起
・繰り返し周波数：１０Ｈｚ
・励起光Ｌ１の波長：８０８ｎｍ
・励起光Ｌ１の出力パワー：６００Ｗ

【0089】

レーザー媒質１４には、Ｎｄ：ＹＡＧセラミック（Ｎｄの添加量：１．０ａｔ．％）を用いた。Ｑスイッチ素子１６には、Ｃｒ：ＹＡＧセラミックを用いた。しかし、セラミックスだけで無くどちらか、または両方が単結晶であっても本質的に同じである。Ｑスイッチ素子１６の初期透過率は３０％であった。レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６は接合されていた。レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６のＺ軸の方向の長さは、合わせて７ｍｍであった。しかし、共振器長までの媒質長は許容される。

【0090】

レーザー媒質１４の第１端面１４ａは平面であり、第１端面１４ａには、第１反射部１０として、波長１０６４ｎｍの光に対してＨＲコートとして機能し、波長８０８ｎｍの光に対してＡＲコートとして機能する誘電体多層膜を設けた。Ｑスイッチ素子１６の第２端面１６ｂには、波長１０６４ｎｍの光に対してＡＲコートを施した。

【0091】

支持体２６には、面２６ａの曲率半径が５２ｍｍの平凸レンズを使用した。支持体２６の面２６ａの中央部に、第２反射部１２として、波長１０６４ｎｍの光に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜を部分コーティングした。面２６ａのうち第２反射部１２以外の領域には、ＡＲコートを施した。Ｚ軸の方向（一方向）からみた場合、第２反射部１２の形状は、直径２ｍｍの円形であった。共振器長ｄは、１０ｍｍであった。

【0092】

レーザー装置２Ｂの第１反射部１０に励起光Ｌ１を上記条件で照射し、出力されるパルスレーザー光Ｌ２のビームパターン、パルス幅、ビーム品質、偏光状態及び出力安定性を確認した。

【0093】

［ビームパターン］
出力されたパルスレーザー光Ｌ２のビームパターンを、ＣＭＯＳカメラで取得した。得られたビームパターンは、図９に示したようにドーナツ形状を有していた。

【0094】

［パルス幅］
パルス幅を、パルスレーザー光Ｌ２をフォトディテクターで検出することによって測定した。測定結果は、図１０に示したとおりであった。図１０中の横軸は時間（ｎｓ）を示しており、横軸の時間０は、パルスレーザー光Ｌ２のフォトディテクターへの入射時である。図中の縦軸は、パルスレーザー光Ｌ２の１パルスにおける最大強度で、パルスレーザー光Ｌ２の強度を規格化した規格化強度を示している。図１０より、半値全幅（ＦＷＨＭ）で５７０ｐｓのパルス幅を実現できていた。

【0095】

［ビーム品質］
ビーム品質をＭ^２で評価した。具体的には、パルスレーザー光Ｌ２を、レンズ（焦点距離：３００ｍｍ）によって集光し、パルスレーザー光Ｌ２の伝搬方向に沿って、ビーム径を、集光位置の前後における複数の位置で測定し、その結果から、Ｍ^２を算出した。ビーム径の測定結果は、図１１に示したとおりであった。横軸は、ビーム径の測定位置（ｍｍ）を示しており、縦軸は、ビームの半径を示している。ビームの半径は、光電力の８６．５％及び光強度がピークの１／ｅ^２に低下する半径とした。ビーム径は、上記Ｚ軸に対して設定する３次元座標系のＸ軸方向及びＹ軸方向の長さをそれぞれ取得した。図１１から算出されるＭ^２は、Ｘ軸方向に対して２．３であり、Ｙ軸方向に対して２．０であった。

【0096】

［偏光状態］
フォトディタクターの前に直線偏光子（以下、単に「偏光子」と称す）を配置して、その偏光子を回転させながらパルスレーザー光Ｌ２の強度を測定した。測定結果は、図１２に示したとおりであった。図１２の横軸は、偏光子の回転角度（°）を示しており、縦軸は、測定結果を最大強度で規格化した規格化強度を示している。図１２には、測定結果をフィッティングしたフィッティング曲線も示している。図１２に示した結果より、直線偏光のパルスレーザー光Ｌ２が出力できていたことが理解され得る。

【0097】

［出力安定性］
パルスレーザー光Ｌ２をフォトディテクターで５分間検出した。測定結果は、図１３に示したとおりであった。横軸は、時間（分）を示しており、縦軸は、パルスエネルギーを示している。図１３より、約８．３ｍＪの光出力が得られていることがわかった。更に、二乗平均平方根（ＲＭＳ）は、１．０％であった。

【0098】

上記実験の結果より、レーザー装置２Ｂのように、第１反射部１０及び第２反射部１２で不安定共振器を構成することによって、ビーム品質の低減を抑制しながら、高出力のパルスレーザー光Ｌ２を得ることができることが理解され得る。更に、第１反射部１０として平面鏡を使用しても、不安定共振器が成立しており、パルスレーザー光Ｌ２が得られることが確認された。

【0099】

以上、本発明の実施形態、実験例及び変形例を説明したが、本発明は上記実施形態、実験例及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示される範囲が含まれるとともに、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。すなわち、本発明は上記実施形態、実験例及び変形例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0100】

例えば、レーザー装置は、複数のレーザー媒質を備えてもよい。この場合、レーザー装置は、複数のヒートシンクも備える。レーザー装置が、複数のレーザー媒質及び複数のヒートシンクを備える場合、複数のレーザー媒質及び複数のヒートシンクは、一方向に沿って交互に積層され得る。レーザー媒質及びヒートシンクの積層方向は、図１におけるＺ軸の方向である。ヒートシンクは、第１及び第２波長に対して９５％以上、好ましくは９７％以上の透過率を有する。ヒートシンクの材料は、レーザー媒質に比較し熱伝導率が同程度か又は高い物質である。ヒートシンクの材料の例は、サファイア、ダイアモンド及び無添加ＹＡＧを含む。ヒートシンクは酸化物を含んでいてもよい。レーザー媒質及びヒートシンクは、接合（例えば上記表面活性接合）されていてもよい。レーザー媒質及びヒートシンクの互いに対向する面には、反射特性（例えば第２波長の光の反射特性）を調整するコーティング層が設けられてもよい。レーザー媒質とヒートシンクの積層体において、Ｑスイッチ素子と反対側の端（Ｑスイッチ素子から最も離れた位置）にヒートシンクがある場合、第１反射部はヒートシンクの端面に設けられ得る。第１実施形態及び第２実施形態並びにそれらの種々の変形例のように、レーザー媒質が１つの場合においても、レーザー媒質の第１反射部側の端面に上記ヒートシンクが設けられてもよい。

【0101】

励起光自体が、図１４に示したようにドーナツ形状を有してもよい。図１４に示した励起光Ｌ４は、強度分布が連続的に円環を形成している場合を示している。このような励起光Ｌ４は、例えば、図１に示したように、光ファイバ１８Ｂを利用して励起光Ｌ４を伝搬する際、光ファイバ１８Ｂの中心軸を外して光ファイバ１８Ｂに励起光Ｌ４を入射させたり、励起光Ｌ４の光軸上に遮蔽板を配置したりすることによって実現され得る。

【0102】

励起光は、図１５に示した励起光Ｌ５のように、複数の小励起光Ｌ５ａを有してもよい。小励起光Ｌ５ａの数は、図１５に示したように８個に限らない。小励起光Ｌ５ａの数は、例えば４個以上である。このような励起光Ｌ５は、例えば、各小励起光Ｌ５ａを出力するＬＤを円環状に配置したり、各小励起光Ｌ５ａをそれぞれ出力する光ファイバを円環状に配置したりすることで実現され得る。図１５では、複数の小励起光Ｌ５ａが円環を為すように配置されているが、複数の小励起光Ｌ５ａの配置関係は、図１５に示したものに限定されない。図１５に示したように、複数の小励起光Ｌ５ａをそれぞれ別のＬＤから出力する場合、一つの大きな出力のＬＤを使用する場合より、コストを低減できる。

【0103】

本発明は、光パラメトリック発振器といった光共振器にも適用できる。この場合、レーザー媒質の材料の例は、非線形光学材料を含む。非線形光学材料の例は、ＬＮ，ＬＴ，ＫＴＰ，ＫＴＡ，ＲＴＰ，ＲＴＡ，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＣＢＯ，ＢＢＯ，ＢｉＢＯ，ＫＢＢＦ，ＢＡＢＦ，水晶，ＣＯＢ，ＹＣＯＢ，ＧｄＣＯＢ，ＧｄＹＣＯＢ，ＹＡＢ，ＫＤＰ，ＫＤ^＊Ｐ，ＺＧＰなどを含む。

【0104】

次に、上記実施形態で説明したレーザー装置の一実施形態を用いた実験例２を説明する。実験例２の説明において、図１～図７を利用して説明した実施形態と同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

【0105】

実験例２では、図１６に示したレーザー装置２Ｃを使用した。レーザー装置２Ｃの構成は、Ｚ軸の方向からみた場合、Ｑスイッチ素子１６の大きさが、レーザー媒質１４の大きさと同じである点以外は、図７に示したレーザー装置２Ａの構成と同じである。以下、実験に使用した材料、各要素のサイズなどを具体的に示すが、本発明は、例示する材料、各要素のサイズ等を適用したものに限定されない。

【0106】

実験例２では、光ファイバ１８ＢがカップリングされたＬＤ１８Ａ（Dilas diodenlaser GmbH製）を使用し、入射光学系１８Ｃによって、励起光Ｌ１を第１反射部１０に入射させた。光ファイバ１８Ｂの直径は０．８ｍｍであった。入射光学系１８Ｃは、２枚のレンズを用いたテレスコープであった。ＬＤ１８Ａの励起方法、励起光Ｌ１の波長及び出力パワーは、次のとおりであった。
・励起方法：準連続波励起
・励起光Ｌ１の波長：８０８ｎｍ
・励起光Ｌ１の出力パワー：７００Ｗ
実験例２で使用したＬＤ１８Ａの動作可能な最大パルス幅は５００μｓであった。実験例２では、実験に応じてより短いパルス幅を使用した。

【0107】

レーザー媒質１４には、Ｎｄ：ＹＡＧセラミック（Ｎｄ^３＋の添加量：１．１ａｔ．％）を用いた。Ｑスイッチ素子１６には、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧセラミックを用いた。Ｑスイッチ素子１６の初期透過率は３０％であった。レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６は接合されていた。レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６の接合体のＺ軸方向の長さｌは７ｍｍであり、上記接合体の体積は、６×６×７ｍｍ^３であった。

【0108】

第１反射部１０には、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長８０８ｎｍの光を透過する平面鏡を用いた。レーザー媒質１４及びＱスイッチ素子１６の接合体の両端面（すなわち、レーザー媒質１４の第１端面１４ａ及びＱスイッチ素子１６の第２端面１６ｂ）には、波長１０６４ｎｍ及び波長８０８それぞれの光に対するＡＲコートを施した。

【0109】

支持体２６には、面２６ａの曲率半径が５０ｍｍの平凸レンズを使用した。支持体２６の面２６ａの中央部に、第２反射部１２として、波長１０６４ｎｍの光に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜を部分コーティングした。面２６ａのうち第２反射部１２以外の領域には、ＡＲコートを施した。Ｚ軸の方向（一方向）からみた場合、第２反射部１２の形状は、直径２ｍｍの円形であった。共振器長ｄは１０ｍｍであった。

【0110】

レーザー装置２Ｃでは、不安定共振器から出力された光を平行化するために一枚のレンズ２８を配置した。レンズ２８には、凸レンズを使用した。レンズ２８の焦点距離は、１００ｍｍ～１５０ｍｍであり、レンズ２８の位置に合わせて選択した。

【0111】

レーザー装置２Ｃの第１反射部１０に励起光Ｌ１を上記条件で照射し、出力されるパルスレーザー光Ｌ２のパルスエネルギー、パルス幅及びビーム品質（Ｍ^２）を測定した。

【0112】

パルスエネルギーは、集電素子（pyroelectric energy sensor）（Ophir Optronics Solutions Ltd.製）を用いて測定した。パルス幅は、立ち上がり時間(rise time)が３０ｐｓのフォトディテクター及び１３ＧＨｚオシロスコープを用いて測定した。２次モーメント又は光電力の８６．５％のビームサイズと、Ｍ^２を決定するために、ＩＳＯ１１１４６に応じたビーム品質測定器(beam quality M² tool)（Cinogy technologies製）と解析ソフトウエア（ＲａｙＣｉ）を使用した。

【0113】

図１７は、出力されたパルスレーザー光Ｌ２のビームパターンを示した図面である。出力されたパルスレーザー光Ｌ２のビームパターンは、図１７に示したように、ほぼシンメトリックであるドーナツ形状を有していた。ドーナツ形状のパルスレーザー光Ｌ２の中心に現れているポアソンの輝点(Poisson Spot)は、出力側の共振器ミラーである第２反射部１２の縁による回折の影響と考えられる。

【0114】

図１８は、実験例２におけるパルス幅の測定結果を示す図面である。図中の横軸は時間（ｎｓ）を示しており、横軸の時間０は、パルスレーザー光Ｌ２のフォトディテクターへの入射時である。図中の縦軸は、パルスレーザー光Ｌ２の１パルスにおける最大強度で、パルスレーザー光Ｌ２の強度を規格化した規格化強度（normalized intensity）を示している。パルス幅は、４７６ｐｓであった。パルス幅は、断らない限り、半値全幅の値である。

【0115】

図１９は、５分間のパルスエネルギーの安定性を示す図面である。横軸は、時間（分）を示しており、縦軸は、パルスエネルギーを示している。図１９より、１０Ｈｚの繰り返し周波数において、二乗平均平方根（ＲＭＳ）が１．０％である１３．２ｍＪの平均エネルギー（光出力）が得られていた。

【0116】

実験例２では、１０Ｈｚの繰り返し周波数におけるパルスレーザー光Ｌ２の偏光状態を確認した。具体的には、集電素子の前に直線偏光子（以下、「偏光子」と称す）を配置して、その偏光子を回転させながらパルスレーザー光Ｌ２の強度を測定した。測定結果は、図２０に示したとおりであった。図２０の横軸は、偏光子の回転角度(angle of polarizer)（°）を示しており、縦軸は、測定結果を最大強度で規格化した規格化強度（normalized intensity）を示している。図２０には、測定結果をフィッティングしたフィッティング曲線も示している。最大透過強度（maximum transmitted intensity）及び最小透過強度（minimum transmitted intensity）をそれぞれＩｍａｘ及びｉｍｉｎとしたとき、｛（Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）｝で表される偏光比（polarization ratio）は、０．９９７であった。

【0117】

ビーム品質を、Ｍ^２で評価した。具体的には、パルスレーザー光Ｌ２を、レンズ（焦点距離：３００ｍｍ）によって集光した。パルスレーザー光Ｌ２の伝搬方向に沿った集光位置の前後における複数の位置でビーム径を測定した。その測定結果から、Ｍ^２を算出した。ビーム径の測定結果は、図２１に示したとおりであった。図中の横軸は、ビーム径を測定した位置(position)（ｍｍ）を示しており、縦軸は、ビームの半径（beam radius）を示している。図２１では、上記Ｚ軸に対して設定する３次元座標系のＸ軸方向及びＹ軸方向のビームの半径を示している。図２１における四角のマークは、Ｘ軸方向のビームの半径であり、白丸のマークは、Ｙ軸方向のビームの半径である。図２１には、各測定位置におけるビームパターンも示している。図２１に示したように、焦点位置におけるファーフィールドパターンは、エアリーディスク及びエアリーパターンであった。

【0118】

図２１から算出されるＭ^２は、Ｘ軸方向に対して６．８であり、Ｙ軸方向に対して５．３であった。実験例２におけるＭ^２の数値は、２次モーメントのビーム径に基づいた値である。更に、光電力の８６．５％のビーム径に基づいたＭ^２ _ＰＣも算出した。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のＭ^２ _ＰＣは、それぞれ６．５及び５．２であった。ここで、下記式（１）でＸ軸方向及びＹ軸方向のＭ^２の平均Ｍ^２ _ａｖｅを定義する。

【数1】

【0119】

この場合、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して算出されたＭ^２の平均Ｍ^２ _ａｖｅは６であった。同様に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して算出されたＭ^２ _ｐｃの平均Ｍ^２ _ａｖｅは、５．８であった。以下、実験例２におけるビーム品質を示すＭ^２は上記平均Ｍ^２ _ａｖｅを意味する。Ｍ^２ _ＰＣについても同様である。

【0120】

更に、実験例２では、不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃを、安定共振器を有するレーザー装置（以下、「比較用レーザー装置」と称す）と比較した。この比較のための実験例を、実験例２ａと称する。

【0121】

比較用レーザー装置の構成は、レーザー装置２Ｃにおいて、第２反射部１２の代わりに、第１反射部１１とともに安定共振器を形成するための平面鏡を配置した点以外の構成は同じであった。平面鏡の反射率は、波長１０６４ｎｍの光に対して５０％であった。

【0122】

実験例２ａは、上記装置の構成以外の点は、レーザー装置２Ｃ及び比較用レーザー装置を用いた実験を同じ条件で行った。

【0123】

レーザー装置２Ｃと比較用レーザー装置との比較は、異なるレーザーエネルギーレベルで行った。具体的には、テレスコープである入射光学系１８Ｃに対してレーザー媒質１４の位置を数ｍｍの範囲で変化させることによって、３つの異なる励起サイズで、レーザー媒質１４を励起した。レーザー媒質１４の第１端面１４ａ（図１６参照）における励起光Ｌ１の直径は、１０％程度の違いで約２．６ｍｍであった。入射光学系１８Ｃとレーザー媒質１４とが５ｍｍのように近く、励起光Ｌ１のエネルギーが高い場合、励起光Ｌ１のイメージングは難しい。そのため、次のようにして上記励起光Ｌ１の直径を推定した。

【0124】

０．１ｍｍ厚のＮｄ：ＹＡＧセラミックを別途用意し、入射光学系１８Ｃを、レーザー装置２Ｃと比較用レーザー装置とを比較する場合と同じ距離に配置して、励起光Ｌ１をＮｄ：ＹＡＧセラミックに照射して生じる蛍光を撮像した。その撮像結果から上記励起光Ｌ１の直径を推定した。

【0125】

図２２は、励起光のサイズが異なる場合に対する図１６に示したレーザー装置２Ｃ及び比較用レーザー装置から出力されるパルスレーザー光のビームパターンの測定結果を示す図面である。図中の数値は、出力されたパルスレーザー光のエネルギーを示している。図中の数値のうち、８．８ｍＪ、１１．５ｍＪ及び１３．２ｍＪのビームパターンは、上述した３つの異なる直径に対する励起光Ｌ１に対して（すなわち、３つの異なる励起条件において）レーザー装置２Ｃから出力されたパルスレーザー光Ｌ２のビームパターンである。図中の数値のうち、１０．２ｍＪ、１４．３ｍＪ及び１８ｍＪのビームパターンは、励起光Ｌ１の関係において、８．８ｍＪ、１１．５ｍＪ及び１３．２ｍＪと対をなしている。すなわち、８．８ｍＪのビームパターンを取得した際に使用した励起光Ｌ１の条件と、１０．２ｍＪのビームパターンを取得した際に使用した励起光Ｌ１の条件は同じである。

【0126】

図２２に示したように、不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃの場合、上記３つの異なる励起条件でもほぼ同様のパターンが得られた。一方、安定共振器を有する比較用レーザー装置の場合、高次モードの発振により、互いに異なり且つ劣化したパターンであった。その結果、安定共振器による上記高次モードの発振により、図２３に示したように、安定共振器を有する比較用レーザー装置から出力されたパルスレーザー光のパルス幅は、不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃから出力されたパルスレーザー光Ｌ２のパルス幅より広がっていた。図２３は、図２２に示した各ビームパターンを有するパルスレーザー光のパルス幅の測定結果である。図中の横軸は、時間（ｎｓ）を示しており、縦軸は、規格化強度を示している。図中の“unstable”及び“stable”で示される結果は、それぞれ不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃ及び安定共振器を有する比較用レーザー装置の結果を意味しており、図中に示されたエネルギー値は、図２２に示されたエネルギー値に対応する。

【0127】

図２４は、図２３に示した結果から算出されたパルス幅をプロットした図面である。図２４の横軸は、パルスエネルギー（ｍＪ）を示しており、縦軸は、パルス幅（ｎｓ）を示している。図２４に示したように、レーザー装置２Ｃから出力されたパルスレーザー光Ｌ２のパルス幅は約０．５ｎｓであった。一方、比較用レーザー装置から出力されたパルスレーザー光のパルス幅は約１．２５ｎｓであり、レーザー装置２Ｃから出力されたパルスレーザー光Ｌ２の約２．５倍であった。

【0128】

すなわち、不安定共振器を有しており均一なドーナツパターンを実現可能なレーザー装置２Ｃでは、より短いパルス幅の実現によって、高ピークパワーを実現できる。図２５は、ピークパワーの測定結果を示している。図２５の横軸は、パルスエネルギー（ｍＪ）を示しており、縦軸は、ピークパワー（ＭＷ）を示している。図２５には、図２２～図２４の場合と同様に、不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃ及び安定共振器を有する比較用レーザー装置から出力された異なるエネルギーレベルのパルスレーザー光の結果が示されている。安定共振器を用いた場合、パルス幅が広がっているため、最大ピークパワーである２７．７ＭＷは、不安定共振器を用いた場合に実現されていた。

【0129】

上記ビームパターンの劣化は、ビーム品質Ｍ^２にも影響を与えていた。図２６は、実験例２ａにおいて得られたＭ^２を示す図面である。図２６の横軸は、パルスエネルギー（ｍＪ）を示しており、縦軸は、Ｍ^２を示している。図２６には、図２２～図２５の場合と同様に、不安定共振器を有するレーザー装置２Ｃ及び安定共振器を有する比較用レーザー装置から出力された異なるエネルギーレベルのパルスレーザー光の結果が示されている。図２６では、Ｍ^２ _ｐｃの結果も示している。

【0130】

図２６より、不安定共振器を用いた場合、Ｍ^２（Ｍ^２ _ｐｃ）の値は、５．７（５．２）と６．７（６．１）の間で変動しているが、エネルギーの増加に伴って増加はしなかった。一方、安定共振器を用いた場合のＭ^２の値は、１０ｍＪより大きいエネルギーで、不安定共振器を用いた場合のＭ^２の値より高く、更に、エネルギーの増加に伴いＭ^２の値も増加していた。従って、均一なドーナツパターンを実現可能なレーザー装置２Ｃでは、エネルギーの大きさに対して安定したビーム品質Ｍ^２を実現可能である。

【0131】

パルスレーザー光のピークエネルギーをＰ_０とし、波長をλとした場合、輝度（brightness）Ｂは、Ｐ_０／（λＭ^２）^２で表される。輝度Ｂの計算式中の「Ｍ^２」は、ビーム品質を示すＭ^２である。その結果、均一なドーナツパターンを実現可能なレーザー装置２Ｃでは、高輝度を実現可能である。

【0132】

図２７は、実験例２ａの結果から得られた輝度を示す図面である。図中の横軸は、パルスエネルギー（ｍＪ）を示しており、縦軸は、輝度（ＴＷ・ｓｒ^－１・ｃｍ^－２）を示している。

【0133】

例えば、レーザー装置２Ｃから出力されるパルスレーザー光Ｌ２のエネルギーが２０ｍＪ程度であった場合、安定共振器を用いた場合に対して１桁程度大きい輝度を実現可能である。これは、安定共振器を用いた場合、エネルギーが２０ｍＪ程度のパルスレーザー光においては、パルス幅及びＭ^２はともに増加しているからである。

【0134】

更に、実験例２では、レーザー装置２Ｃから出力されるドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２（ドーナツビーム）のレーザー誘起ブレークダウンに対する有効性を、近ガウシアン（near-Gaussian）ビームの場合と比較した。具体的には、ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２（ドーナツビーム）及び近ガウシアンビームそれぞれの場合における空気中でのレーザー誘起ブレークダウンの閾値を測定した。以下、実験例２におけるレーザー誘起ブレークダウンに対する有効性に関する実験を実験例２ｂと称す。

【0135】

上記近ガウシアンビームは、パルス幅可変レーザー（pulse width tunable laser）
と増幅器を用いて形成した。パルス幅可変レーザーは、下記参考文献１に記載のレーザーを用いた。増幅器には、下記参考文献２，３に記載の増幅器を用いた。
参考文献１：H. H. Lim and T. Taira, “Sub-nanosecond laser induced air-breakdown with giant-pulse duration tuned Nd: YAG ceramic micro-laser by cavity-length control,” Opt. Express 25(6), 6320-6310 (2017).
参考文献２：V. Yahia and T. Taira, “High brightness energetic pulses delivered by compact microchip-MOPA system,” Opt. Express 26(7), 8609-8618 (2018).
参考文献３：T. Kawasaki, V. Yahia, and T. Taira, “100 Hz operation in 10 PW/sr・cm2 class Nd:YAG micro-MOPA,” Opt. Express 27(14) 19555-19561 (2019).

【0136】

以下の説明では、ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２をドーナツビームと称す。

【0137】

実験例２ｂのレーザー誘起ブレークダウンの実験は、参考文献１に記載の方法で行った。具体的には、ドーナツビーム及び近ガウシアンビームとして直線偏光のビームを用いた。ドーナツビーム及び近ガウシアンビームそれぞれを、実験室の空気中に、集束レンズ（focusing lens）を用いて集光し、エアブレークダウン（air-breakdown）を観測した。実験は、８～６２ｍｍの範囲で焦点距離が異なる７つの集束レンズに対してそれぞれ行った。白い火花（white spark）を、集光レンズ及びシリコン光検出器（Si-photodetector）を用いて、ビームの進行方向に対して９０°方向から検出することによって、エアブレークダウンを確認した。散乱されたレーザービームをブロックするためにローパスフィルターを用いた。ブレークダウン閾値は、レーザーパルス列（laser pulse train）に関してブレークダウンが１００％成功する際における最小エネルギーと定義した。

【0138】

ドーナツビームの場合と近ガウシアンビームの場合とにおいて、Ｍ^２以外の実験条件は同じとした。具体的には、集束レンズ上の平行ビームのサイズ（collimated beam size）、波長、Ｍ^２、及びパルス幅は、フォーカルフルエンス（focal fluence）及び強度を決定するので、ドーナツビームの場合と近ガウシアンビームの場合とにおいて平行ビームのサイズ、波長及びパルス幅を同じとした。近ガウシアンビームを使用する場合のパルス幅及び集束レンズ上の平行ビームのサイズは、共振器長を調整するとともにテレスコープを使用して、ドーナツビームの場合と一致させた。集束レンズ上の平行ビームのサイズは、レーザー装置（具体的には、レーザー装置２Ｃ及び近ガウシアンビームを出力するレーザー装置）から集束レンズと同じ距離にカメラを配置して計測した。実験では、Ｍ^２が６のドーナツビームを使用するとともに、Ｍ^２が１．３の近ガウシアンビームを使用した。ドーナツビーム及び近ガウシアンビームの集束ビームウエスト（focal beam waist）をそれぞれｗ_ｄ及びｗ_Ｇとし、ドーナツビーム及び近ガウシアンビームのＭ２をそれぞれＭ^２ _ｄ及びＭ^２ _Ｇとしたとき、それらの比（ｗ_ｄ／ｗ_Ｇ）は、（Ｍ^２ _ｄ／Ｍ^２ _Ｇ）である。上記のように、Ｍ^２ _ｄは６であり、Ｍ^２ _Ｇが１．３であることから、ｗ_ｄ／ｗ_Ｇは、６／１．３（約４．６）であった。

【0139】

図２８は、実験例２ｂにおけるドーナツビーム及び近ガウシアンビームの集束レンズ上のビームパターンの測定結果を示す図面である。図中の上側がドーナツビームのビームパターンであり、下側が近ガウシアンビームのビームパターンである。図２９は、実験例２ｂにおけるドーナツビーム及び近ガウシアンビームのパルス波形を示した図面である。図中の横軸は時間（ｎｓ）であり、縦軸は、規格化強度を示している。図中の “Doughnut”及び “Gaussian”で示される結果は、それぞれドーナツビーム及び近ガウシアンビームの結果を意味している。

【0140】

ドーナツビーム及び近ガウシアンビームのパルス幅（τ）はそれぞれ５７０ｐｓであった。ドーナツビーム及び近ガウシアンビームの直径は、それぞれ７．５ｍｍであった。

【0141】

ブレークダウンの閾値エネルギーＥ_ｔｈの測定結果は、図３０に示したとおりであった。ドーナツビームの場合及び近ガウシアンビームの場合の閾値エネルギーＥ_ｔｈをそれぞれＥ_ｔｈ，ｄ及びＥ_ｔｈ，Ｇと称す。図中の横軸は、焦点距離（ｍｍ）を示している。図中の左側の縦軸は、閾値エネルギーＥ_ｔｈ（ｍＪ）を示しており、右側の縦軸は、Ｅ_ｔｈ，ｄとＥ_ｔｈ，Ｇの比（Ｅ_ｔｈ，ｄ／Ｅ_ｔｈ，Ｇ）を示している。

【0142】

図３０中の“Doughnut”及び“near-Gaussian”で示される結果（すなわち、白丸のマーク及び黒塗りの四角のマークで示される結果）は、それぞれドーナツビーム及び近ガウシアンビームの結果を示している。図中の黒塗りの四角のマークは、比（Ｅ_ｔｈ，ｄ／Ｅ_ｔｈ，Ｇ）を示している。

【0143】

焦点距離の変化範囲における比（Ｅ_ｔｈ，ｄ／Ｅ_ｔｈ，Ｇ）の平均値は１．０８であり、標準偏差は０．２２であった。すなわち、ドーナツビームは、焦点位置におけるビームサイズが近ガウシアンビームと４．６倍違う（すなわち、フルエンス又は強度では２１倍違う）一方、エアブレークダウン（air-breakdown）に対して、近ガウシアンビームと同等の性能を有していた。

【0144】

これは、焦点位置におけるドーナツビームのエアリーディスクによるものと考えられる。

【0145】

図３１は、Ｍ^２の算出のために計測された焦点位置でのドーナツビームのビームパターンを示している。図３１において、ビームの中心を原点としてｘ軸及びｙ軸を設定する。図３１に示したように、焦点位置において、ドーナツビームは、エアリーディスク及びエアリーパターンを示している。

【0146】

図３２は、図３１に示したドーナツビームの断面方向の強度分布を示す図面であり、中心部におけるｙ軸方向に沿った断面の強度が白丸でプロットされている。図中の横軸はｙ軸方向における位置を示しており、縦軸は、規格化強度を示している。エアリーディスク及びエアリーパターンの２次モーメントビーム直径（２Ｗｙ）は、０．２９ｍｍであった。図３２中には、同じビーム直径（０．２９ｍｍ）を有するガウシアン分布を実線で示すとともに、０．２Ｗｙを直径とするガウシアン分布を破線で示している。一方、エアリーディスクのみのサイズは、全サイズである０．２９ｍｍの約０．２倍と推定される。この約０．２倍の小さな有効ビームサイズが、Ｍ^２が６であるドーナツビームをＭ^２が１．３である近ガウシアンビームと同等の性能を実現させていると考えられる。よって、本発明の一実施形態に係るレーザー装置２Ｃが出力されるドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２（ドーナツビーム）を用いたガス（空気）中におけるレーザー誘起ブレークダウンは、Ｍ^２が１．３である近ガウシアンビームと同等の性能を有し得ることが理解され得る。

【0147】

本発明は、上述した実施形態、変形例及び実験例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で更に種々の変形が可能である。

【0148】

レーザー媒質と可飽和吸収部とは接合されていてもよい。この場合、レーザー媒質及び可飽和吸収部の接合体におけるレーザー媒質及び可飽和吸収部の接合方向の長さ（図１６の例では、長さｌ）は１０ｍｍより小さくてもよいし、または第１反射部と第２反射部との間の距離より小さくてもよい。

【0149】

図１６に示したように、レーザー装置が、第２反射部からみて第１反射部と反対側に不安定共振器から出力されるレンズをレーザー装置が有する場合、レンズの焦点距離の例は、３０ｍｍ～２００ｍｍであり、１００ｍｍ～１５０ｍｍでもよい。

【0150】

不安定共振器を形成する第１反射部及び第２反射部は、例示した形態に限定されない。第２反射部を支持する支持体の形状も例示した形態に限定されない。

【0151】

第１反射部及び第２反射部が曲率を有する場合、第１反射部の曲率半径をＲｂ及び第２反射部の曲率半径をＲｏとしたとき、一実施形態において、第１反射部及び第２反射部は、例えば、次の式で表され得るＲｂ及びＲｏを有する反射部であってもよい。
Ｒｏ＝－２ｄ／（ｍ－１）
Ｒｂ＝２ｍｄ／（ｍ－１）
上記Ｒｂ及びＲｏの式において、ｍは、図２を利用して説明した拡大率ｍ（＝ｂ／ａ）であり、ｄは、図１を利用して説明した共振器長ｄである。

【0152】

拡大率ｍにおけるａは、第２反射部の大きさ（直径など）に対応し、ｂは、出力されるパルスレーザー光（ドーナツビーム）の径に対応する。よって、レーザー装置は、上記Ｒｂ及びＲｏの式を用いて、所望の拡大率ｍを有するドーナツ状のパルスレーザー光を得るように設計され得る。

【0153】

以上説明した種々の実施形態、変形例などは、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0154】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…レーザー装置（光発振器）、１０…第１反射部、１０ａ…第１面（入射面）、１２…第２反射部、１４…レーザー媒質、１４ａ…第１端面、１４ｂ…第２端面、１６…Ｑスイッチ素子（可飽和吸収部）、２６…支持体、２６ａ…面（湾曲領域）、２８…レンズ、Ｌ１，Ｌ４，Ｌ５…励起光、Ｌ２…パルスレーザー光、Ｌ３…注入レーザー光。

【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】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】