(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】2024-08-28
(45)【発行日】2024-09-05
(54)【発明の名称】光発振器、光発振器の設計方法およびレーザー装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/08 20230101AFI20240829BHJP
H01S 3/113 20060101ALI20240829BHJP
G02F 1/35 20060101ALN20240829BHJP
【ＦＩ】
H01S3/08
H01S3/113
G02F1/35
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2022506853
(86)(22)【出願日】2021-03-12
(86)【国際出願番号】 JP2021010143
(87)【国際公開番号】W WO2021182619
(87)【国際公開日】2021-09-16
【審査請求日】2024-03-11
(31)【優先権主張番号】P 2020044709
(32)【優先日】2020-03-13
(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）令和元年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「大口径連続接合装置の研究開発、及びＴＩＬＡモジュールの産業展開」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
【早期審査対象出願】
(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
(72)【発明者】
【氏名】平等 拓範
(72)【発明者】
【氏名】林 桓弘
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開平０２－００１１９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０６５２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１６７８８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－２５８４８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－２７０３７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０５６０２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／０８
Ｇ０２Ｆ １／３５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１波長を有する光を反射する第１反射部と、前記第１波長とは異なる第２波長の励起光によって励起され前記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、
前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており、前記第１反射部とともに、前記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、
前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており前記第１波長を有する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、
前記励起光のパワーをＰｐ（ｋＷ）とし、前記環状レーザー光の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、外径をｄｏ（ｍｍ）とし、ｄｏ／ｄｉを拡大率ｍとしたとき、拡大率ｍが以下の式（１）を満たす、
光発振器。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（１）
ただし、
ａ０＝１．４２１
ａ１＝０．１０６７８
ｂ０＝２．８６９８
ｂ１＝０．７９４０８
ｂ２＝－０．０２２５３６
【請求項2】
前記第１反射部からみて、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い、請求項１に記載の光発振器。
【請求項3】
請求項１または２に記載の光発振器と、前記レーザー媒質に供給する前記励起光を出力する励起光供給部と、
を備える、レーザー装置。
【請求項4】
前記不安定共振器から出力された前記環状レーザー光を集光する集光光学系を更に有する、請求項３に記載のレーザー装置。
【請求項5】
第１波長を有する光を反射する第１反射部と、前記第１波長とは異なる第２波長の励起光によって励起され前記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており、前記第１反射部とともに、前記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており前記第１波長を有する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る光発振器の設計方法であって、前記励起光を前記レーザー媒質に供給することによって前記不安定共振器から出力される前記環状レーザー光を集光した場合において、前記環状レーザー光のエアリーディスク内のエネルギーの前記励起光のエネルギーに対する変換効率を有効エネルギー変換効率ηeff（％）とし、前記環状レーザー光の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、外径をｄｏ（ｍｍ）とし、ｄｏ／ｄｉを拡大率ｍとしたとき、
前記有効エネルギー変換効率ηeffの前記拡大率ｍに対する分布である変換効率分布を取得し、
前記有効エネルギー変換効率ηeffを、前記変換効率分布における最大有効エネルギー変換効率で規格化することによって得られた規格化有効エネルギー変換効率が５０％以上であるように、拡大率ｍを設定する、
光発振器の設計方法。
【請求項6】
第１波長を有する光を反射する第１反射部と、前記第１波長とは異なる第２波長の励起光によって励起され前記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており、前記第１反射部とともに、前記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、前記レーザー媒質に対して前記第１反射部と反対側に配置されており前記第１波長を有する光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収部と、を備える光発振器であって、前記環状レーザー光の内径をｄ
ｉ
（ｍｍ）とし、外径をｄ
ｏ
（ｍｍ）とし、ｄ
ｏ
／ｄ
ｉ
を拡大率ｍとしたとき、拡大率ｍが２
１／２
より大きい、前記光発振器と、前記レーザー媒質に供給する前記励起光を出力する励起光供給部と、
を備え、
前記励起光のパワーが１．５ｋＷ以上且つ１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、１．４４以上４．０１以下であり、
前記励起光のパワーが３ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、１．４７以上５．１以下であり、または、
前記励起光のパワーが６ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、１．５０以上６．８２以下である、
レーザー装置。
【請求項7】
前記不安定共振器から出力された前記環状レーザー光を変換するための非線形光学系を更に有する、請求項３に記載のレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光発振器、光発振器の設計方法およびレーザー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
本技術分野では、非特許文献１～３に記載の技術が知られている。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 Tsunekane, et. al.，“High Peak Power, Passively Q-switched Microlaser for Ignition of Engines,”IEEEJOURNAL OF QUANTUM ELCTRONICS, 2010年2月, VOL. 46, NO.2, p. 277-284
【文献】Masaki Tsunekane, et. al.，“High Peak Power, Passively Q-switched Yb:YAG/Cr:YAG Micro-Lasers,”IEEEJOURNALOF 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】
レーザー光を集光光学系（たとえばレンズ）で集光し、集光位置の高いエネルギーを使用する場合がある。この際、集光位置におけるレーザー光におけるエアリーディスク内のエネルギー（以下、「有効エネルギー」とも称す）が高いことが望ましい。レーザー光のエネルギーは、励起光のエネルギーに依存する。
【0005】
そこで、本発明は、レーザー光を集光した場合、集光位置において、励起光のエネルギーに対して高い有効エネルギーを実現可能な技術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は、第１波長を有する光を反射する第１反射部と、第１波長とは異なる２波長の励起光によって励起され上記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており、上記第１反射部とともに、上記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており上記第１波長を有する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２波長の励起光のパワーをＰｐ（ｋＷ）とし、上記環状レーザー光の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、外径をｄｏ（ｍｍ）とし、ｄｏ／ｄｉを拡大率ｍとしたとき、拡大率ｍが以下の式（Ａ）を満たす。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（Ａ）
ただし、
ａ０＝１．４２１
ａ１＝０．１０６７８
ｂ０＝２．８６９８
ｂ１＝０．７９４０８
ｂ２＝－０．０２２５３６
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（Ａ）
ただし、
ａ０＝１．４２１
ａ１＝０．１０６７８
ｂ０＝２．８６９８
ｂ１＝０．７９４０８
ｂ２＝－０．０２２５３６
【0007】
上記構成では、不安定共振器を有することから、パルス状の上記環状レーザー光が出力される。環状レーザー光を集光光学系で集光した際、集光位置における環状レーザー光のエアリーディスク（中央部）のエネルギーを有効エネルギーと称す。上記光発振器は、拡大率ｍは式（Ａ）を満たす。そのため、励起光のエネルギーに対して高い有効エネルギーを実現可能である。
【0008】
上記第１反射部からみて、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てもよい。
【0009】
本発明の他の側面に係るレーザー装置は、上記光発振器と、上記レーザー媒質に供給する上記励起光を出力する励起光供給部と、を備える。上記構成では、不安定共振器を有することから、パルス状の上記環状レーザー光が出力される。上記光発振器は、拡大率ｍは式（Ａ）を満たす。そのため、励起光のエネルギーに対して高い有効エネルギーを実現可能である。
【0010】
上記不安定共振器から出力された上記環状レーザー光を集光する集光光学系を更に有してもよい。
【0011】
上記不安定共振器から出力された上記環状レーザー光を変換する非線形光学系を更に有してもよい。
【0012】
本発明の他の側面に係る光発振器の設計方法は、第１波長を有する光を反射する第１反射部と、第１波長とは異なる２波長の励起光によって励起され上記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており、上記第１反射部とともに、上記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており上記第１波長を有する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る光発振器の設計方法であって、上記励起光を上記レーザー媒質に供給することによって上記不安定共振器から出力される上記環状レーザー光を集光した場合において、上記環状レーザー光のエアリーディス内のエネルギーの上記励起光のエネルギーに対する変換効率を有効エネルギー変換効率ηeff（％）とし、上記環状レーザー光の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、外径をｄｏ（ｍｍ）とし、ｄｏ／ｄｉを拡大率ｍとしたとき、上記有効エネルギー変換効率ηeffの上記拡大率ｍに対する分布である変換効率分布を取得し、上記有効エネルギー変換効率ηeffを、上記変換効率分布における最大有効エネルギー変換効率で規格化することによって得られた規格化有効エネルギー変換効率が５０％以上であるように、拡大率ｍを設定する。
【0013】
上記設計方法で設定された拡大率ｍは、上述した式（Ａ）を満たし得る。そのため、上記のように設計された光発振器から出力された環状レーザー光を集光した場合、集光位置において、励起光のエネルギーに対する高い有効エネルギーを実現可能である。
【0014】
本発明に係る光発振器の他の例は、第１波長を有する光を反射する第１反射部と、第１波長とは異なる第２波長の励起光によって励起され上記第１波長の光を放出するレーザー媒質と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており、上記第１反射部とともに、上記第１波長を有する環状レーザー光を出力する不安定共振器を形成する第２反射部と、上記レーザー媒質に対して上記第１反射部と反対側に配置されており上記第１波長を有する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、上記環状レーザー光の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、外径をｄｏ（ｍｍ）とし、ｄｏ／ｄｉを拡大率ｍとしたとき、拡大率ｍが２１／２より大きい。
【0015】
上記構成では、不安定共振器を有することから、パルス状の上記環状レーザー光が出力される。上記光発振器は、拡大率ｍが２１／２より大きい。そのため、励起光のエネルギーに対して高い有効エネルギーを実現可能である。
【0016】
本発明に係るレーザー装置の他の例は、上述した他の例である光発振器と、上記レーザー媒質に供給する上記励起光を出力する励起光供給部と、を備え、上記励起光のパワーが１．５ｋＷ以上且つ１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、拡大率ｍは、１．４４以上４．０１以下であり、上記励起光のパワーが３ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、１．４７以上５．１以下であり、または、上記励起光のパワーが６ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合、拡大率ｍは、１．５０以上６．８２以下である。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、高い有効エネルギーを実現可能なレーザー装置および光発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
図１に示したように、一実施形態に係るレーザー装置１Ａは、励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４とを有する。レーザー装置１Ａは、励起光供給部２から供給される励起光Ｌ１が光発振器３Ａに入射されることによって、パルスレーザー光Ｌ２を出力する。本実施形態に係るレーザー装置１Ａは、受動Ｑスイッチレーザー装置である。レーザー装置１Ａでは、パルスレーザー光Ｌ２を更に集光光学系４で集光する。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、または、レーザー光を用いた手術に好適に用いられる。本実施形態において、パルスレーザー光Ｌ２は、第１波長を有し、励起光Ｌ１は、第２波長を有する。
【0021】
上記第２波長は、たとえば、光発振器３Ａが有するレーザー媒質３１がＮｄ：ＹＡＧであれば波長８０８ｎｍまたは波長８８５ｎｍ、レーザー媒質３１がＹｂ：ＹＡＧであれば波長９４０ｎｍまたは波長９６８ｎｍである。上記第１波長は、例えば、レーザー媒質３１がＮｄ：ＹＡＧであれば波長１０６４ｎｍ、レーザー媒質３１がＹｂ：ＹＡＧであれば波長１０３０ｎｍである。
【0022】
励起光供給部２は、励起光Ｌ１を光発振器３Ａに供給可能な構成を有する。励起光供給部２は、例えば、光ファイバ２１と、レーザーダイオード（ＬＤ）２２および入射光学系２３を有する。励起光供給部２は、複数の光ファイバ２１の束（バンドル）を有してもよい。励起光供給部２は、光ファイバ２１を有しない構成であって、ＬＤ２２から入射光学系２３を介して光発振器３Ａに励起光Ｌ１を供給する構成でもよい。
【0023】
ＬＤ２２は、励起光Ｌ１を出力する。励起光Ｌ１のパワーは、たとえば、０．８ｋＷ以上である。ＬＤ２２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。光ファイバ２１は、入力端がＬＤ２２にカップリングされている。光ファイバ２１は、ＬＤ２２から出力された励起光Ｌ１を入射光学系２３に出力する。入射光学系２３は、光ファイバ２１から出力された励起光Ｌ１を集光して、光発振器３Ａに入射させる。入射光学系２３は、たとえば、図１に例示したようにレンズ２３ａおよびレンズ２３ｂを有する。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３３に入射されてもよい。
【0024】
光発振器３Ａは、レーザー媒質３１と、Ｑスイッチ素子（可飽和吸収部）３２と、第１反射部３３と、支持体３４と、第２反射部３５とを有する。第１反射部３３と、第２反射部３５と、レーザー媒質３１と、Ｑスイッチ素子３２とは、Ｚ軸に沿って、第１反射部３３、レーザー媒質３１、Ｑスイッチ素子３２および第２反射部３５の順に配置されている。上記Ｚ軸は、光発振器３Ａの光軸に相当する。
【0025】
［レーザー媒質］
レーザー媒質３１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。レーザー媒質３１は、利得媒質とも称される。レーザー媒質３１は、第２波長を有する励起光Ｌ１が供給されることによって、第１波長を有する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。
レーザー媒質３１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。レーザー媒質３１は、利得媒質とも称される。レーザー媒質３１は、第２波長を有する励起光Ｌ１が供給されることによって、第１波長を有する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。
【0026】
レーザー媒質３１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。
【0027】
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，ＭｇＦ２，ＣａＦ２などのフッ化系、ＹＶＯ４，ＧｄＶＯ４，ＬｕＶＯ４などのバナデート系、ＦＡＰ，ｓＦＡＰ，ＶＡＰ，ｓＶＡＰなどのアパタイト系、Ａｌ２Ｏ３、ＢｅＡｌ２Ｏ３などのアルミナ系、Ｙ２Ｏ３，Ｓｃ２Ｏ３，Ｌｕ２Ｏ３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。
【0028】
レーザー媒質３１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３１の中心軸はＺ軸に一致する。レーザー媒質３１は、第１端面３１ａと、第２端面３１ｂ（Ｚ軸の方向において第１端面３１ａと反対側の面）とを有する。第１端面３１ａ及び第２端面３１ｂ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３１の長さの例は、０．２ｍｍ～２６ｍｍである。
【0029】
Ｚ軸方向からみたレーザー媒質３１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３１の平面視形状が円形の場合、直径の例は１．４ｍｍ～１００ｍｍである。上記レーザー媒質３１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１．９ｍｍ～１４０ｍｍである。
【0030】
以下では、Ｚ軸方向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。
【0031】
Ｑスイッチ素子３２は、Ｑスイッチ素子３２に入射する第１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である。Ｑスイッチ素子３２の透過率は、第２波長を有する光の吸収に伴って増加する。Ｑスイッチ素子３２は、レーザー媒質３１と同軸に配置され得る。Ｑスイッチ素子３２は、第２端面３１ｂに接合されてもよい。
【0032】
Ｚ軸方向からみた場合、Ｑスイッチ素子３２の大きさは、例えばＣｒ：ＹＡＧでありレーザー媒質３１がＮｄ：ＹＡＧであればレーザー媒質３１の方がより小さい。レーザー媒質３１がＮｄ：ＹＶＯ４またはＹｂ：ＹＡＧである場合、レーザー媒質３１の方がＱスイッチ素子３２より、Ｚ軸方向の長さが短い。Ｑスイッチ素子３２の形状の例は、板状及び柱状を含む。Ｑスイッチ素子３２は、レーザー媒質３１側の第１端面３２ａと、第２端面３２ｂ（Ｚ軸の方向において第１端面３２ａと反対側の面）とを有する。第１端面３２ａはＺ軸に直交している。Ｚ軸の方向に沿ったＱスイッチ素子３２の長さの例は、０．１～１０ｍｍである。
【0033】
レーザー媒質３１及びＱスイッチ素子３２がともにセラミック製である場合、レーザー媒質３１とＱスイッチ素子３２とは、焼結接合でも良いが表面活性化接合されるとなおよい。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、単結晶同士の接合、またはそれらのハイブリッドな接合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３１とＱスイッチ素子３２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３１とＱスイッチ素子３２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。
【0034】
レーザー媒質３１の第２端面３１ｂ及びＱスイッチ素子３２の第１端面３２ａの少なくとも一方には、第２端面３１ｂ及び第１端面３２ａ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３１ｂ及び第１端面３２ａ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３１及びＱスイッチ素子３２は、コーティング層を介して前述したように接合され得る。Ｑスイッチ素子３２の第１端面３２ａ及び第２端面３２ｂの少なくとも一方には、第２波長の励起光Ｌ１に対してＨＲコートとして機能し、第１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。ただし、複合共振器を構成する場合、上記コーティング層は、第１波長の光に対して部分反射を実現するコーティング層でもよい。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３２）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。
【0035】
［第１反射部］
第１反射部３３は、レーザー媒質３１の第１端面３１ａに設けられている。第１反射部３３は、第２波長の励起光Ｌ１を透過する一方、第１波長の光を反射する。第２波長の励起光Ｌ１に対する第１反射部３３の透過率は８０％以上（望ましくは９５％以上）であり、第１波長の光に対する第１反射部３３の反射率は９０％以上（望ましくは９９％以上）である。第１反射部３３は、たとえば誘電体多層膜である。第１反射部３３は、たとえば、第２波長の励起光Ｌ１に対してＡＲコートとして機能し、第１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３３が誘電体多層膜である場合、第１反射部３３は、薄膜形成技術によって第１端面３１ａに形成され得る。
第１反射部３３は、レーザー媒質３１の第１端面３１ａに設けられている。第１反射部３３は、第２波長の励起光Ｌ１を透過する一方、第１波長の光を反射する。第２波長の励起光Ｌ１に対する第１反射部３３の透過率は８０％以上（望ましくは９５％以上）であり、第１波長の光に対する第１反射部３３の反射率は９０％以上（望ましくは９９％以上）である。第１反射部３３は、たとえば誘電体多層膜である。第１反射部３３は、たとえば、第２波長の励起光Ｌ１に対してＡＲコートとして機能し、第１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３３が誘電体多層膜である場合、第１反射部３３は、薄膜形成技術によって第１端面３１ａに形成され得る。
【0036】
第１反射部３３は、第１面３３ａと、第２面３３ｂを有する。第１面３３ａは、励起光Ｌ１が入射される面である。第２面３３ｂは、Ｚ軸方向において第１面３３ａと反対側の面である。第１面３３ａ及び第２面３３ｂは、Ｚ軸に直交している平面である。よって、第１反射部３３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３３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。
【0037】
［支持体］
支持体３４は、Ｑスイッチ素子３２と離間して配置されている。支持体３４は、第２反射部３５を支持する。支持体３４は、第１波長の光（パルスレーザー光Ｌ２）を透過する。第１波長の光に対する支持体３４の透過率は、９０％以上である。支持体３４の材料の例は、ガラスを含む。本実施形態において、支持体３４の中心軸は、Ｚ軸と一致している。
支持体３４は、Ｑスイッチ素子３２と離間して配置されている。支持体３４は、第２反射部３５を支持する。支持体３４は、第１波長の光（パルスレーザー光Ｌ２）を透過する。第１波長の光に対する支持体３４の透過率は、９０％以上である。支持体３４の材料の例は、ガラスを含む。本実施形態において、支持体３４の中心軸は、Ｚ軸と一致している。
【0038】
支持体３４の第１面３４ａ（Ｑスイッチ素子３２側の面）は、Ｑスイッチ素子３２側に湾曲している。第１面３４ａの曲率半径は、たとえば、第２反射部３５の曲率半径と同様である。支持体３４の第２面３４ｂ（Ｑスイッチ素子３２と反対側の面）は、たとえば平面である。支持体３４の例は、平凸レンズである。第１面３４ａには、第１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３４の一部でもよい。第１面３４ａ上に第２反射部３５が設けられている。
【0039】
［第２反射部］
第２反射部３５は、第１面３４ａ上に形成された第１波長の光を反射する。第２反射部３５は、たとえば誘電体多層膜である。第２反射部３５の光軸はＺ軸と一致している。第１波長の光に対する第２反射部３５の反射率は８０％以上（望ましくは９９％以上）である。第２反射部３５は、例えば第１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３５が誘電体多層膜である場合、第２反射部３５は、薄膜形成技術によって第１面３４ａに形成され得る。
第２反射部３５は、第１面３４ａ上に形成された第１波長の光を反射する。第２反射部３５は、たとえば誘電体多層膜である。第２反射部３５の光軸はＺ軸と一致している。第１波長の光に対する第２反射部３５の反射率は８０％以上（望ましくは９９％以上）である。第２反射部３５は、例えば第１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３５が誘電体多層膜である場合、第２反射部３５は、薄膜形成技術によって第１面３４ａに形成され得る。
【0040】
光発振器３Ａは、図１に示したように、レンズ３６を有してもよい。レンズ３６は、パルスレーザー光Ｌ２を平行化するレンズである。
【0041】
［集光光学系］
集光光学系４は、光発振器３Ａから出力されるパルスレーザー光Ｌ２を集光する光学系である。図１に示した形態では、集光光学系４は、レンズである。集光光学系４の焦点距離の例は、５ｍｍ～５００ｍｍである。
集光光学系４は、光発振器３Ａから出力されるパルスレーザー光Ｌ２を集光する光学系である。図１に示した形態では、集光光学系４は、レンズである。集光光学系４の焦点距離の例は、５ｍｍ～５００ｍｍである。
【0042】
レーザー装置１Ａは、収容部５を更に備えてもよい。収容部５はたとえば筐体である。収容部５は、入射光学系２３、光発振器３Ａおよび集光光学系４を収容する。この場合、たとえば、光ファイバ２１の出力端は、収容部５の第１端壁５ａ（Ｚ軸に直交する一対の壁部の一方の壁部）に取り付けられる。収容部５の第２端壁５ｂ（Ｚ軸に沿って第１端壁５ａと反対の端壁）には、開口５ｃが形成されている。開口５ｃは、窓部材６によって塞がされている。窓部材６は、パルスレーザー光Ｌ２に対して透明な部材である。
【0043】
光発振器３Ａを更に説明する。
【0044】
光発振器３Ａが有する第１反射部３３および第２反射部３５は不安定共振器ＵＲを構成している。図１に示した実施形態において、第１反射部３３及び第２反射部３５によって形成される不安定共振器ＵＲの光軸は、Ｚ軸と一致している。
【0045】
Ｚ軸方向からみた場合、第２反射部３５の大きさは、第１反射部３３の大きさより小さい。更に、第２反射部３５は、第１反射部３３側に向けて湾曲している。第２反射部３５は、たとえば、第１面３４ａと同様に湾曲している。第２反射部３５が上記のように湾曲していることから、第２反射部３５は、第２波長の光を発散させる。よって、第１反射部３３及び第２反射部３５は拡大光学系を形成している。
【0046】
Ｚ軸方向からみた場合、第２反射部３５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、１ｍｍ～２０ｍｍである。第２反射部３５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３５の曲率半径の例は１０ｍｍ～２ｍである。第２反射部３５の曲率半径の例は１０ｍｍ～１００ｍｍであってもよい。
【0047】
第２反射部３５のうち第１反射部３３に最も近い部分（第２反射部３５の頂部）と、第１反射部３３の第２面３３ｂとの間の距離（以下、「共振器長Ｌｃ」とも称す）の例は、約４ｍｍ～５０ｍｍである。共振器長Ｌｃは、１５ｍｍより小さくてもよい。
【0048】
第１反射部３３及び第２反射部３５は、不安定共振器ＵＲを構成する。そのため、Ｑスイッチ素子３２を備える光発振器３Ａ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（環状レーザー光）が出力される。この点を具体的に説明する。
【0049】
励起光供給部２からの励起光Ｌ１が第１反射部３３の第１面３３ａに入射されると、励起光Ｌ１は、第１反射部３３を透過して、レーザー媒質３１に供給される。これにより、レーザー媒質３１が励起され、第１波長の光が放出される。レーザー媒質３１から放出された第１波長の光は、第２反射部３５によって、第１反射部３３側に反射される。第１反射部３３は第１波長の光を反射する。これにより、第１波長の光がレーザー媒質３１を複数回通過する。第１波長の光がレーザー媒質３１を通過する際の誘導放出によって第１波長の光は増幅され、Ｑスイッチ素子３２の作用によってパルスレーザー光Ｌ２として出力される。
【0050】
第２反射部３５は、第１反射部３３側に湾曲していることから、第２反射部３５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３５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（環状）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。
【0051】
パルスレーザー光Ｌ２の内径をｄｉとし、パルスレーザー光Ｌ２の外径をｄｏとし、拡大率ｍをｄｏ／ｄｉで定義する。
【0052】
上記レーザー装置１Ａでは、光発振器３Ａに励起光Ｌ１が入力されると、ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２が出力される。レーザー装置１Ａは、集光光学系４を有する。そのため、パルスレーザー光Ｌ２は、集光光学系４によって集光される。
【0053】
ここで、参考実験例を参照して、不安定共振器を有するレーザー装置の特性を説明する。以下、参考実験例の説明においてドーナツ状のパルスレーザー光をドーナツビームと称す。
【0054】
参考実験例では、収容部５および窓部材６を有しない点以外は、図１に示したレーザー装置１Ａと同様のレーザー装置を使用した。
【0055】
参考実験例では、光ファイバ２１がカップリングされたＬＤ２２を使用し、入射光学系２３によって、励起光Ｌ１を第１反射部３３に入射させた。入射光学系２３は、レンズ２３ａおよびレンズ２３ｂを用いたテレスコープであった。ＬＤ２２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
・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
【0056】
レーザー媒質３１には、Ｎｄ：ＹＡＧセラミック（Ｎｄ３＋の添加量：１．１ａｔ．％）を用いた。Ｑスイッチ素子３２には、Ｃｒ４＋：ＹＡＧセラミックを用いた。Ｑスイッチ素子３２の初期透過率は３０％であった。レーザー媒質３１及びＱスイッチ素子３２は接合されていた。レーザー媒質３１及びＱスイッチ素子３２の接合体のＺ軸方向の長さは７ｍｍであり、上記接合体の体積は、６×６×７ｍｍ３であった。レーザー媒質３１及びＱスイッチ素子３２の接合体の両端面（すなわち、レーザー媒質３１の第１端面３１ａ及びＱスイッチ素子３２の第２端面３２ｂ）には、波長１０６４ｎｍ及び波長８０８ｎｍそれぞれの光に対するＡＲコートを施した。
【0057】
第１反射部３３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。支持体３４には、第１面３４ａの曲率半径が５２ｍｍの平凸レンズを使用した。支持体３４の第１面３４ａの中央部に、第２反射部３５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。第１面３４ａのうち第２反射部３５以外の領域には、ＡＲコートを施した。Ｚ軸方向からみた場合、第２反射部３５の形状は、直径２ｍｍの円形であった。共振器長Ｌｃは１０ｍｍであった。
上記構成では、不安定共振器における拡大率ｍは２１／２に相当する。
上記構成では、不安定共振器における拡大率ｍは２１／２に相当する。
【0058】
ドーナツビーム（パルスレーザー光Ｌ２）を平行化するためのレンズ３６として凸レンズを使用した。集光光学系４としてレンズ（焦点距離：３００ｍｍ）を使用した。
【0059】
参考実験例では、パルスレーザー光Ｌ２のパルスエネルギーおよびパルス幅を測定した。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。パルスエネルギーおよびパルス幅は、集光光学系４を使用していない状態で測定した。測定によって得られたパルスエネルギーは１０Ｈｚの繰り返し周波数において１３．２ｍＪであり、パルス幅は、半値全幅で４７６ｐｓであった。
【0060】
参考実験例では、集光光学系４の集光位置近傍のビーム品質（Ｍ２）を測定した。ビーム品質の測定には、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。
【0061】
ビーム品質（Ｍ２）は次のように取得した。ドーナツビーム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、Ｍ２を算出した。ビーム径の測定結果は、図３に示したとおりであった。図３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、ドーナツビームの半径（beam radius）を示している。図３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軸方向のドーナツビームの半径を示している。図３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、黒丸のマークは、Ｙ軸方向のビームの半径である。ドーナツビームは、理論的には真円であるが、実際には僅かに楕円形状を有する。上記Ｘ軸は、楕円の長軸方向に対応し、Ｙ軸は楕円の短軸方向に対応する。図３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３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。
【0062】
図３から算出されるＭ２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。参考実験例におけるＭ２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Ｍ２
ＰＣも算出した。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のＭ２
ＰＣは、それぞれ６．５及び５．２であった。ここで、下記式でＸ軸方向及びＹ軸方向のＭ２の平均Ｍ２
ａｖｅを定義する。
【数1】
【0063】
この場合、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して算出されたＭ２の平均Ｍ２
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Ｍ２
ｐｃの平均Ｍ２
ａｖｅは、５．８であった。
【0064】
図４は、焦点近傍におけるドーナツビームのビーム半径と、ドーナツビームのエアリーディスクの半径とをプロットしたグラフである。ドーナツビームのビーム半径は、図３に示したＸ軸方向およびＹ軸方向の半径の平均値である。図４中の曲線α１は、ドーナツビームのビーム半径の測定結果に対するフィティング曲線を示している。図４中の曲線α２はエアリーディスク半径の測定結果に対するフィッティング曲線を示している。更に、図４中の曲線α３は、同様のレンズでガウシアンビームを集光した場合のガウシアンビーム半径を示している。
【0065】
図４に示した結果より、エアリーディスクの半径は、ドーナツビームのビーム半径の約０．２倍であった。ここで、エアリーディスクの幅およびビーム品質をｗAiryおよびＭ２
Airyとし、ドーナツビームの幅およびビーム品質をｗｄおよびＭ２
ｄとする。この場合、以下の関係が成立する。
前述したように、Ｍ２
ｄは６であり、ｗAiry／ｗｄは、約０．２である。したがって、ドーナツビーム全体のビーム品質Ｍ２は６である一方、エアリーディスクでは、約１．２のビーム品質を得られる。換言すれば、エアリーディスクでは、ガウシアンモードに近いビーム品質が得られる。
【数2】
【0066】
【0067】
【0068】
図６は、図５中に示した白色ライン（図６中において縦方向に延びている白色ライン）をｙ軸とした場合のｙ軸方向の強度分布を示す図面である。図６では、図５の中心部におけるｙ軸方向に沿った断面の強度（実験結果）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６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。なお、幅ｗｙは、位置０に対して正（または負）の領域の幅である。図６に示した長さｄａがエアリーディスク直径に相当する。
【0069】
平面波が円形開口レンズを通過すると回折によってエアリーディスクパターンが生じる。そのため、平面波を円形開口レンズで集光した場合の光の集光位置（焦点位置）における強度分布を示す式（１）（たとえば、B. Lu, et al., “The beam quality of annular lasers and related problems,” J. Mod. Opt. 48, 1171 (2001)、参照）によって、ドーナツビームの強度分布をフィティングした。
式（１）中のｍは、ｂ／ａである。式（１）中のｍを定義するｂは、円形開口レンズの外半径（outer radius）であり、ａは、円形開口の内半径（inner radius）である。ｆは、円形開口レンズの焦点距離である。ｒは、焦点位置におけるエアリーディスクの半径方向の位置である。Ｉ（０，ｆ）は、焦点面におけるピーク強度である。Ｉ（０，ｆ）は、Ｓ２／（λ２ｆ２）で表される。Ｓは、円形開口レンズの開口面積である。Ｓは、πａ２（ｍ２－１）で表される。Ｊ１は、１次ベッセル関数である。ｋ（＝２π／λ）は、波数である。
【数3】
【0070】
【0071】
参考実験における不安定共振器の拡大率ｍは、２１／２である。そのため、上記式（１）に基づくフィッティング結果より、式（１）におけるｍを、不安定共振器の拡大率と見なす（換言すれば、ｄｉ＝２ａ、ｄｏ＝２ｂと見なす）ことによって、式（１）に基づいて、ドーナツビーム（パルスレーザー光Ｌ２）の焦点位置におけるエアリーディスクの強度分布を算出できる。
【0072】
図１に戻って、レーザー装置１Ａを更に説明する。
【0073】
本実施形態では、励起光Ｌ１のパワー（以下、「励起パワー」とも称す）をＰｐ（ｋＷ）とした場合、拡大率ｍは、以下の式（２ａ）を満たす。換言すれば、拡大率ｍが、式（２ａ）を満たすように、不安定共振器ＵＲ（具体的には、第１反射部３３および第２反射部３５）が設計されている。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ａ）
ただし、式（２ａ）において、ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１およびｂ２は次のとおりである。
ａ０＝１．４２１
ａ１＝０．１０６７８
ｂ０＝２．８６９８
ｂ１＝０．７９４０８
ｂ２＝－０．０２２５３６
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ａ）
ただし、式（２ａ）において、ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１およびｂ２は次のとおりである。
ａ０＝１．４２１
ａ１＝０．１０６７８
ｂ０＝２．８６９８
ｂ１＝０．７９４０８
ｂ２＝－０．０２２５３６
【0074】
拡大率ｍは、以下の式（２ｂ）を満たしてもよい。換言すれば、拡大率ｍが、式（２ｂ）を満たすように、不安定共振器ＵＲ（具体的には、第１反射部３３および第２反射部３５）が設計されていてもよい。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ｂ）
ただし、式（２ｂ）において、ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１およびｂ２は次のとおりである。
ａ０＝１．６１３
ａ１＝０．１６８２７
ｂ０＝２．６９６１
ｂ１＝０．７１５２２
ｂ２＝－０．０２３２３４
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ｂ）
ただし、式（２ｂ）において、ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１およびｂ２は次のとおりである。
ａ０＝１．６１３
ａ１＝０．１６８２７
ｂ０＝２．６９６１
ｂ１＝０．７１５２２
ｂ２＝－０．０２３２３４
【0075】
拡大率ｍは、以下の式（２ｃ）を満たしてもよい。換言すれば、拡大率ｍが、式（２ｃ）を満たすように、不安定共振器ＵＲ（具体的には、第１反射部３３および第２反射部３５）が設計されていてもよい。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ｃ）
ただし、式（２ｃ）において、ａ０、ａ１、ｂ０およびｂ１は次のとおりである。
ａ０＝１．８８６
ａ１＝０．２８８８８
ｂ０＝２．６７７１
ｂ１＝０．５１３７５
ｂ２＝－０．０２１４１１
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｐｐ＋ｂ２Ｐｐ 2・・・（２ｃ）
ただし、式（２ｃ）において、ａ０、ａ１、ｂ０およびｂ１は次のとおりである。
ａ０＝１．８８６
ａ１＝０．２８８８８
ｂ０＝２．６７７１
ｂ１＝０．５１３７５
ｂ２＝－０．０２１４１１
【0076】
拡大率ｍは、以下の式（２ｄ）を満たしてもよい。換言すれば、拡大率ｍが、式（２ｄ）を満たすように、不安定共振器ＵＲ（具体的には、第１反射部３３および第２反射部３５）が設計されていてもよい。
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）・・・（２ｄ）
ただし、式（２ｄ）において、ａ０、ａ１、ｂ０およびｂ１は次のとおりである。
ａ０＝１．９３０８
ａ１＝０．３７０８３
ｂ０＝２．９１１６
ｂ１＝２．３４２２
ａ０＋ａ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）≦ｍ≦ｂ０＋ｂ１Ｌｏｇ（Ｐｐ）・・・（２ｄ）
ただし、式（２ｄ）において、ａ０、ａ１、ｂ０およびｂ１は次のとおりである。
ａ０＝１．９３０８
ａ１＝０．３７０８３
ｂ０＝２．９１１６
ｂ１＝２．３４２２
【0077】
具体的には、拡大率ｍは、２１／２より大きい。拡大率ｍは、たとえば、１０以下である。拡大率は、７以下であってもよいし、６以下、５以下、または４以下であってもよい。
【0078】
［励起パワーＰｐが１．５ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または、３ｋＷ以下若しくは６ｋＷ以下）である場合（特に、１．５ｋＷの場合）］
拡大率ｍは、１．４４以上４．０１以下でもよい。
拡大率ｍは、１．６４以上３．７２以下でもよい。
拡大率ｍは、１．９３以上３．４０以下でもよい。
拡大率ｍは、１．９９以上３．３２以下でもよい。
拡大率ｍは、１．４４以上４．０１以下でもよい。
拡大率ｍは、１．６４以上３．７２以下でもよい。
拡大率ｍは、１．９３以上３．４０以下でもよい。
拡大率ｍは、１．９９以上３．３２以下でもよい。
【0079】
［励起パワーＰｐが３ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または６ｋＷ以下）である場合（特に、３ｋＷである場合）］
拡大率ｍは、１．４７以上５．１以下でもよい。
拡大率ｍは、１．６９以上４．６４以下でもよい。
拡大率ｍは、２．０２以上４．０３以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１０以上４．０３以下でもよい。
拡大率ｍは、１．４７以上５．１以下でもよい。
拡大率ｍは、１．６９以上４．６４以下でもよい。
拡大率ｍは、２．０２以上４．０３以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１０以上４．０３以下でもよい。
【0080】
［励起パワーＰｐが６ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合（特に、６ｋＷである場合）］
拡大率ｍは、１．５０以上６．８２以下でもよい。
拡大率ｍは、１．７４以上６．２０以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１１以上４．９９以下ででもよい。
拡大率ｍは、２．２２以上４．７４以下であってよい。
拡大率ｍは、１．５０以上６．８２以下でもよい。
拡大率ｍは、１．７４以上６．２０以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１１以上４．９９以下ででもよい。
拡大率ｍは、２．２２以上４．７４以下であってよい。
【0081】
［励起パワーＰＰが１２ｋＷである場合］
拡大率ｍは、１．５３以上９．１６以下でもよい。
拡大率ｍは、１．７９以上７．９４以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１９以上５．７６以下でもよい。
拡大率ｍは、２．３３以上５．４４以下でもよい。
拡大率ｍは、１．５３以上９．１６以下でもよい。
拡大率ｍは、１．７９以上７．９４以下でもよい。
拡大率ｍは、２．１９以上５．７６以下でもよい。
拡大率ｍは、２．３３以上５．４４以下でもよい。
【0082】
上記レーザー装置１Ａでは、光発振器３Ａに励起光Ｌ１が入力されると、ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２が出力される。レーザー装置１Ａは、集光光学系４を有する。そのため、パルスレーザー光Ｌ２は、集光光学系４によって集光される。
【0083】
集光光学系４の集光位置（焦点位置）でエアリーディスクとしてパルスレーザー光Ｌ２の中心に含まれるエネルギーを「有効エネルギー」と称す。上記レーザー装置１Ａでは、拡大率ｍが、式（２）を満たす。そのため、励起光Ｌ１のエネルギーに対して、高い有効エネルギーを実現可能である。そのため、レーザー光を集光して使用するレーザー応用分野において、レーザー装置１Ａおよび光発振器３Ａは有効である。
【0084】
エアリーディスクの大きさは、パルスレーザー光Ｌ２の大きさより小さい。そのエアリーディスクの領域で高い有効エネルギーを実現可能であるためたとえば微細加工、微細な領域での手術なども可能である。集光位置において、パルスレーザー光Ｌ２のエネルギーがエアリーディスクにより多く含まれ、またレイリー長に相当する焦点深度も長くなるため安定なブレイクダウンが望める。
【0085】
次に、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを実現可能なことを、数値計算結果を参照して更に説明する。
【0086】
図７は、数値計算に使用した光発振器のモデルを示す模式図である。図７に示したように、数値計算モデルとしての光発振器は、第１反射部３３、レーザー媒質３１、Ｑスイッチ素子３２および第２反射部３５を有していた。数値計算では、励起光Ｌ１を光発振器に入力して、拡大率ｍ（＝ｄｏ／ｄｉ）のパルスレーザー光Ｌ２が出力される場合を想定した。
【0087】
励起光Ｌ１の形状およびサイズ、第２反射部３５の直径および反射率は次のように仮定した。
・励起光Ｌ１の形状（Ｚ軸方向からみた形状）：円形
・励起光Ｌ１のサイズ（直径）：出力するパルスレーザー光Ｌ２の直径ｄｏとした。
・第２反射部３５の直径ｄｉ：１ｍｍ
・第２反射部３５の反射率（またはカップリング効率）：１／ｍ２
また、レーザー媒質３１の有効モード面積（Ａｇ）およびＱスイッチ素子３２の有効モード面積（ＡＳＡ）は同じと設定した。
・励起光Ｌ１の形状（Ｚ軸方向からみた形状）：円形
・励起光Ｌ１のサイズ（直径）：出力するパルスレーザー光Ｌ２の直径ｄｏとした。
・第２反射部３５の直径ｄｉ：１ｍｍ
・第２反射部３５の反射率（またはカップリング効率）：１／ｍ２
また、レーザー媒質３１の有効モード面積（Ａｇ）およびＱスイッチ素子３２の有効モード面積（ＡＳＡ）は同じと設定した。
【0088】
数値計算では、出力されたパルスレーザー光Ｌ２をレンズで集光した場合において、励起光Ｌ１のエネルギーＥpumpに対する有効エネルギーＥAiry diskの割合（以下「有効エネルギー変換効率ηeff」と称す）を計算した。有効エネルギーＥAiry diskは、前述したように、パルスレーザー光Ｌ２の集光位置におけるエアリーディスク内のエネルギーである。
【0089】
上記計算のために以下の式（３）および式（４）を使用した（たとえば、後述する参考文献１～３を参照）。式（４）で表されるＥpulseは、パルスレーザー光Ｌ２のエネルギーである。
ただし、式（３）および式（４）中のｎｇｉは、式（５）表されるレーザー媒質３１の初期反転分布密度（Initial population inversion density of gain medium）である。
式（３）から式（５）中の各パラメータは以下のとおりである。
Ｔ０：Ｑスイッチ素子の初期透過率
Ｒ：第２反射部３５の回折損失に相当の反射率
Ｌ：不安定共振器ＵＲにおける往復損失
σｇ(ｍ２)：誘導放出断面積
ｌｇ（ｍｍ）：レーザー媒質３１の長さ
Ａｇ（＝π（ｄｏ／２）２）：レーザー媒質３１におけるモード面積
γｇ：レーザー媒質３１の反転分布減少因子
ｎｇｆ：レーザー媒質３１の最終反転分布
Ｐｐ：励起光Ｌ１のピークパワー
τｇ（ｍｓ）：上準位寿命
Ｗｐ：励起率
参考文献１：N. Pavel, J. Saikawa, S. Kurimura, and T. Taira, “High average powerdiode end-pumped composite Nd:YAG laserpassively Q-switched by Cr4+:YAGsaturable absorber,” Jpn. J. Appl. Phys. 40(Part 1, No. 3A), 1253－1259 (2001).
参考文献２：H Sakai, H Kan, T Taira, “1 MW peak powersingle-mode high-brightness passively Q-switched Nd3+:YAG microchiplaser Optics Express; Vol. 16, Issue 24,pp.19891-19899, (2008).
参考文献３：A. Kausas and T. Taira, “Giant-pulse Nd:YVO4 microchip laserwithMW-level peak power by emission cross-sectional
control,” Opt. Express 24(4), 3137－3149(2016).
【数4】
【数5】
【数6】
Ｔ０：Ｑスイッチ素子の初期透過率
Ｒ：第２反射部３５の回折損失に相当の反射率
Ｌ：不安定共振器ＵＲにおける往復損失
σｇ(ｍ２)：誘導放出断面積
ｌｇ（ｍｍ）：レーザー媒質３１の長さ
Ａｇ（＝π（ｄｏ／２）２）：レーザー媒質３１におけるモード面積
γｇ：レーザー媒質３１の反転分布減少因子
ｎｇｆ：レーザー媒質３１の最終反転分布
Ｐｐ：励起光Ｌ１のピークパワー
τｇ（ｍｓ）：上準位寿命
Ｗｐ：励起率
参考文献１：N. Pavel, J. Saikawa, S. Kurimura, and T. Taira, “High average powerdiode end-pumped composite Nd:YAG laserpassively Q-switched by Cr4+:YAGsaturable absorber,” Jpn. J. Appl. Phys. 40(Part 1, No. 3A), 1253－1259 (2001).
参考文献２：H Sakai, H Kan, T Taira, “1 MW peak powersingle-mode high-brightness passively Q-switched Nd3+:YAG microchiplaser Optics Express; Vol. 16, Issue 24,pp.19891-19899, (2008).
参考文献３：A. Kausas and T. Taira, “Giant-pulse Nd:YVO4 microchip laserwithMW-level peak power by emission cross-sectional
control,” Opt. Express 24(4), 3137－3149(2016).
【0090】
数値計算では、Ｔ０、Ｒ、Ｌ、σｇ、ｌｇ（ｍｍ）、γｇ、τｇを以下の値とした。
Ｔ０＝０．３
Ｒ＝０．５
Ｌ＝０．０６
σｇ＝２．６３×１０―２３（ｍ２）
ｌｇ＝４ｍｍ、
γｇ＝２
τｇ＝０．２３ｍｓ
ｎｇｆは、数値計算過程で順次算出した。また、Ｗｐは励起パワーＰｐとその励起面積で決定した。
Ｔ０＝０．３
Ｒ＝０．５
Ｌ＝０．０６
σｇ＝２．６３×１０―２３（ｍ２）
ｌｇ＝４ｍｍ、
γｇ＝２
τｇ＝０．２３ｍｓ
ｎｇｆは、数値計算過程で順次算出した。また、Ｗｐは励起パワーＰｐとその励起面積で決定した。
【0091】
更に、エアリーディスク内のエネルギーＥAiry diskは、式（１）に基づいて算出される強度分布に基づいて算出した。式（１）を使用する場合、式（１）中のｍを、拡大率ｍとした。具体的には、式（１）中のａをｄｉ／２とし、式（１）中のｂをｄｏ／２とした。
【0092】
励起光Ｌ１のエネルギーＥPUMPに対するパルスレーザー光Ｌ２のエネルギーＥｐｕｌｓｅの有合をエネルギー変換効率ηと称す。
パルスレーザー光Ｌ２のエネルギーＥｐｕｌｓｅにおける有効エネルギーＥAiry diskの割合を、有効エネルギー率Ｅeffと称す。
励起光Ｌ１のエネルギーＥPUMPに対するパルスレーザー光Ｌ２のエネルギーＥｐｕｌｓｅの割合を、有効エネルギー変換効率ηeffと称す。
パルスレーザー光Ｌ２のエネルギーＥｐｕｌｓｅにおける有効エネルギーＥAiry diskの割合を、有効エネルギー率Ｅeffと称す。
励起光Ｌ１のエネルギーＥPUMPに対するパルスレーザー光Ｌ２のエネルギーＥｐｕｌｓｅの割合を、有効エネルギー変換効率ηeffと称す。
【0093】
エネルギー変換効率η、有効エネルギー率Ｅeffおよび有効エネルギー変換効率ηeffは、それぞれ次の式で表される。
【数7】
【0094】
励起パワーＰｐが、１．５ｋＷ、３ｋＷ、６ｋＷおよび１２ｋＷの場合それぞれにおいて種々の拡大率ｍについて、上記エネルギー変換効率η、有効エネルギー率Ｅeffおよび有効エネルギー変換効率ηeffを算出した。拡大率ｍは、ｄｉ（パルスレーザー光Ｌ２の内径に相当）を固定し、ｄｏ（パルスレーザー光Ｌ２の外径に相当）を変化させることで調整した。計算結果は、図８および図９のとおりであった。
【0095】
図８は、エネルギー変換効率ηおよび有効エネルギー率Ｅeffの拡大率依存性を示すグラフである。図８の横軸は拡大率を示している。図８において右側の縦軸はエネルギー変換効率ηを示しており、左側の縦軸は、エネルギー変換効率ηを示している。図９は、有効エネルギー変換効率ηeffの拡大率依存性（変換効率分布）を示すグラフである。図９の横軸は拡大率を示している。図９の縦軸は有効エネルギー変換効率ηeffを示している。図９は、式(６ｃ)から理解されるように、図８に示した有効エネルギー率Ｅeffとエネルギー変換効率ηとの積である。
【0096】
更に、図９に示した有効エネルギー変換効率ηeffの拡大率依存性を、有効エネルギー変換効率ηeffの最大有効エネルギー変換効率（最大値）で規格化した規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを算出した。規格化有効エネルギー変換効率ηn_effは、各励起光Ｌ１の励起パワーＰｐの有効エネルギー変換効率ηｅｆｆの拡大率依存性に対して算出した。その結果は、図１０のとおりであった。図１０の横軸は拡大率ｍであり、縦軸は、規格化有効エネルギー変換効率ηn_efである。
【0097】
図１０中のハッチング領域は、規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが５０％以上の領域を示している。このハッチング領域に対する拡大率ｍと、励起パワーＰｐとの関係は式（２ａ）で表される。
【0098】
したがって、拡大率ｍが式（２ａ）を満たす場合、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが得られる。すなわち、励起光Ｌ１のエネルギーを、有効エネルギーに効率よく変換可能である。その結果、高い有効エネルギーを実現できる。
【0099】
規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが６３．２１％以上の領域を示す式が式（２ｂ）である。したがって、拡大率ｍが式（２ｂ）を満たす場合、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが得られる。すなわち、励起光Ｌ１のエネルギーを、有効エネルギーに更に効率よく変換可能である。その結果、一層高い有効エネルギーを実現できる。
【0100】
規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが８６．４７％以上の領域を示す式が式（２ｃ）である。したがって、拡大率ｍが式（２ｃ）を満たす場合、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが得られる。すなわち、励起光Ｌ１のエネルギーを、有効エネルギーに更に効率よく変換可能である。その結果、一層高い有効エネルギーを実現できる。
【0101】
規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが９０％以上の領域を示す式が式（２ｄ）である。したがって、拡大率ｍが式（２ｄ）を満たす場合、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effが得られる。すなわち、励起光Ｌ１のエネルギーを、有効エネルギーに更に効率よく変換可能である。その結果、一層高い有効エネルギーを実現できる。
【0102】
図１０より、以下の点も理解し得る。
［励起パワーＰｐが１．５ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または、３ｋＷ以下若しくは６ｋＷ以下）である場合（特に、１．５ｋＷの場合）］
拡大率ｍが１．４４以上４．０１以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．６４以上３．７２以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．９３以上３．４０以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．９９以上３．３２以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
［励起パワーＰｐが１．５ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または、３ｋＷ以下若しくは６ｋＷ以下）である場合（特に、１．５ｋＷの場合）］
拡大率ｍが１．４４以上４．０１以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．６４以上３．７２以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．９３以上３．４０以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．９９以上３．３２以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
【0103】
図１０より、以下の点も理解し得る。
［励起パワーＰｐが３ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または６ｋＷ以下）である場合（特に、３ｋＷである場合）］
拡大率ｍが１．４７以上５．１以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．６９以上４．６４以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．０２以上４．０３以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１０以上４．０３以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
［励起パワーＰｐが３ｋＷ以上１２ｋＷ以下（または６ｋＷ以下）である場合（特に、３ｋＷである場合）］
拡大率ｍが１．４７以上５．１以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．６９以上４．６４以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．０２以上４．０３以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１０以上４．０３以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
【0104】
図１０より、以下の点も理解し得る。
［励起パワーＰｐが６ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合（特に、６ｋＷである場合）］
拡大率ｍが１．５０以上６．８２以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．７４以上６．２０以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１１以上４．９９以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．２２以上４．７４以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
［励起パワーＰｐが６ｋＷ以上１２ｋＷ以下である場合（特に、６ｋＷである場合）］
拡大率ｍが１．５０以上６．８２以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．７４以上６．２０以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１１以上４．９９以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．２２以上４．７４以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
【0105】
図１０より、以下の点も理解し得る。
［励起パワーＰＰが１２ｋＷである場合］
拡大率ｍが１．５３以上９．１６以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．７９以上７．９４以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１９以上５．７６以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．３３以上５．４４以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
［励起パワーＰＰが１２ｋＷである場合］
拡大率ｍが１．５３以上９．１６以下であれば、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが１．７９以上７．９４以下であれば、６３．２１％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．１９以上５．７６以下であれば、８６．４７％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
拡大率ｍが２．３３以上５．４４以下であれば、９０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現できる。
【0106】
レーザー装置１Ａが有する光発振器３Ａを設計する場合、たとえば、次のような設計方法が可能である。
【0107】
まず、上記数値計算と同様の手法で、規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを算出する。規格化有効エネルギー変換効率が５０％以上であるように、拡大率ｍを設定する。このように設定した拡大率ｍを実現するように、第１反射部および第２反射部の形状および大きさを決定する。これにより、レーザー装置１Ａを実現可能な光発振器３Ａを設計可能であり、その結果、５０％以上の規格化有効エネルギー変換効率ηn_effを実現可能なレーザー装置１Ａを設計できる。
【0108】
次に、本実施形態で開示したレーザー装置を用いた種々の応用例を説明する。
【0109】
図１１は、レーザー装置の第１応用例の模式図である。図１１は、レーザー装置１Ａを、自動車、コジェネなどにおける内燃機関１００のレーザー点火に用いた例である。この場合、レーザー装置１Ａから出力されるパルスレーザー光Ｌ２の集光位置が内燃機関１００の燃焼室１０１内であるように、レーザー装置１Ａが内燃機関に取り付けられている。レーザー装置１Ａが、上記のように高い有効エネルギーを有するため、効率的にレーザー点火を行える。
【0110】
図１２は、レーザー装置の第２応用例の模式図である。図１２は、レーザー装置１Ａを、ジェットエンジン２００のレーザー点火に用いた例である。この場合、レーザー装置１Ａから出力されるパルスレーザー光Ｌ２の集光位置がジェットエンジン２００の燃焼室２０１内であるように、レーザー装置１Ａがジェットエンジン２００に取り付けられている。レーザー装置１Ａが、上記のように高い有効エネルギーを有するため、効率的にレーザー点火を行える。
【0111】
図１３は、レーザー装置の第３応用例の模式図である。図１３では、マーキングおよび微細加工等のレーザー加工にレーザー装置１Ａを応用した場合を示している。図１３に示した例では、レーザー装置１Ａ（具体的には、収容部５）がロボットアーム３００に取り付けられている。ロボットアーム３００を操作することによって、加工対象物３０１の加工位置に、パルスレーザー光Ｌ２を照射できる。そのため、上述したマーキングおよび微細加工等のレーザー加工が施され得る。レーザー装置１Ａが、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを有するため、効率的にレーザー加工を行える。また、有効エネルギーは、エアリーディスクにおけるエネルギーであるため、微細加工も可能である。
【0112】
図１４は、第４応用例の模式図である。図１４では、加工対象物３０２にレーザピーニング処理およびレーザーフォーミング処理などのレーザー加工を行う場合を示している。図１１に示した例は、レーザピーニング処理およびレーザーフォーミング処理などに使用される液体噴射部３０３を収容部５に取り付けている点以外は、実質的に図１３に示した第３応用例と同様である。図１４に示した例では、加工対象物３０２の加工位置に、液体噴射部３０３から液体３０４（たとえば水）を供給しながら、加工位置に、パルスレーザー光Ｌ２を照射することによって、上述したレーザピーニング処理およびレーザーフォーミング処理などを施す。レーザー装置１Ａが、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを有するため、効率的にレーザピーニング処理およびレーザーフォーミング処理などを行える。また、有効エネルギーは、エアリーディスクにおけるエネルギーであるため、微細加工も可能である。
【0113】
図１５は、第５応用例の模式図である。図１５では、レーザー装置の変形例であるレーザー装置１Ｂを使用している。図１５では、レーザー装置１Ｂを、試料４００のレーザー誘起ブレークダウン（ＬＩＢＳ）分光法に適用した場合の例を示している。レーザー装置１Ｂから照射され試料４００で生じた発光を検査光Ｌ３と称す。
【0114】
レーザー装置１Ｂは、励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４とを有する。 励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４は、レーザー装置１Ａの場合と同様であるため、説明を省略する。第５応用例においても、集光光学系４は、たとえばレンズである。レーザー装置１Ｂは、励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４を有するため、レーザー装置１Ａと同様に、パルスレーザー光Ｌ２を出力可能である。レーザー装置１Ａは、パルスレーザー光Ｌ２の集光位置が、試料４００の検査領域に位置するように、試料４００に対して配置されている。
【0115】
パルスレーザー光Ｌ２の照射により生じた試料４００からの光（以下、「検査光」と称す）を分析するために、レーザー装置１Ｂには、分光器４０１が光ファイバ４０２を介して取り付けられている。更に、レーザー装置１Ｂは、光分岐フィルタ７と、反射部８と、収容部５Ｂとを有する。
【0116】
光分岐フィルタ７は、レンズ３６と、集光光学系４との間に配置されている。光分岐フィルタ７は、パルスレーザー光Ｌ２を透過する一方、試料４００からの検査光Ｌ３であって集光光学系４で集光される検査光Ｌ３を反射する。光分岐フィルタ７は、たとえば波長選択フィルタである。
【0117】
反射部８は、光分岐フィルタ７で反射された光を、収容部５Ｂに取り付られた光ファイバ４０２の一端に入射させるように反射する。
【0118】
収容部５Ｂは、励起光供給部２が有する入射光学系２３、光発振器３Ａ、集光光学系４、光分岐フィルタ７および反射部８を収容する。収容部５Ｂの第１端壁５ａには、光ファイバ２１が取り付けられており、第３端壁５ｄには、光ファイバ４０２が取り付けられている。更に、収容部５Ｂの第２端壁５ｂには、パルスレーザー光Ｌ２を出力するための開口５ｃが形成されている。開口５ｃは、集光光学系４によって塞がれている。これにより、レーザー装置１Ａの場合と同様に、パルスレーザー光Ｌ２が、収容部５Ｂから出力され得る。
【0119】
レーザー装置１Ｂから出力されたパルスレーザー光Ｌ２は、パルスレーザー光Ｌ２の集光位置に配置された検査領域に照射される。これにより、検査領域においてレーザー誘起ブレークダウンが生じ、その結果、プラズマ発光が生じる。プラズマ発光で生じた検査光Ｌ３は、集光光学系４に再度入射し、光分岐フィルタ７で反射部８側に反射される。そのように反射された検査光Ｌ３は、反射部８で反射され、光ファイバ２１に入射される。光ファイバ２１は、分光器４０１に接続されているため、検査光Ｌ３を分光器４０１で分光できる。
【0120】
レーザー装置１Ｂは、レーザー装置１Ａと同様のパルスレーザー光Ｌ２を出力できる。集光位置におけるパルスレーザー光Ｌ２は、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを有する。よって、効率的にレーザー誘起ブレークダウンを生じさせることが可能である。
【0121】
図１６は、第６応用例の模式図である。図１６では、レーザー装置の変形例であるレーザー装置１Ｃを使用している。レーザー装置１Ｃの構成は、窓部材６を有しない点および集光光学系４で開口５ｃを塞いでいる点以外は、レーザー装置１Ａの構成と同様である。したがって、レーザー装置１Ｃは、レーザー装置１Ａと同様のパルスレーザー光Ｌ２を出力する。
【0122】
図１６では、レーザー装置１Ｃを、光音響イメージングに適用した場合の例を示している。具体的には、レーザー装置１Ｃを、生体組織といった検査対象５００に照射する。この際、レーザー装置１Ｃは、検査対象５００内の検査領域でパルスレーザー光Ｌ２が集光されるように、検査対象５００に対して配置される。
【0123】
検査領域にパルスレーザー光Ｌ２が照射されると、検査領域が熱膨張する。この熱膨張によって超音波ＵＳが生じる。この超音波ＵＳを、検出器５０１（たとえば、高感度微小振動検出器）によって検出する。
【0124】
集光位置におけるパルスレーザー光Ｌ２は、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを有する。そのため、効率的に熱膨張およびそれに伴う超音波ＵＳを生じさせることが可能である。
【0125】
図１７は、第７応用例の模式図である。図１７では、レーザー装置１Ａの変形例であるレーザー装置１Ｄを使用している。レーザー装置１Ｄは、レーザー操作部１０を更に備える点で主にレーザー装置１Ａの構成と相違する。この相違点を中心にしてレーザー装置１Ｄを説明する。図１７では、レーザー装置１Ｄを、眼６００の手術（たとえば緑内障、白内障などの手術）に応用した例を示している。
【0126】
レーザー装置１Ｄは、励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４と、収容部５と、レーザー操作部１０と、を有する。励起光供給部２と、光発振器３Ａと、集光光学系４は、レーザー装置１Ａの場合と同様であるため説明を省略する。
【0127】
収容部５は、励起光供給部が有する入射光学系２３と、光発振器３Ａを収容する。収容部５は、集光光学系４を収容していない点以外は、第６応用例の収容部と同様である。収容部５の開口５ｃは、レンズ３６によって塞がれている。
【0128】
レーザー操作部１０は、光伝播光学系１１と、走査部１２と、集光光学系４とを有する。光伝播光学系１１は、パルスレーザー光Ｌ２を、治療対象である眼６００に向けて伝播する光学系である。光伝播光学系１１は、たとえば、複数のレンズ、ミラーなどで構成され得る。走査部１２および集光光学系４の一部も光伝播光学系の一部として機能する。走査部１２は、治療のためにパルスレーザー光Ｌ２を走査する部分であり、たとえば、ミラーと、ミラーを走査する駆動部とを有する。集光光学系４は、レーザー装置１Ａの場合と同様に、パルスレーザー光Ｌ２を集光する。
【0129】
レーザー装置１Ｄは、光発振器３Ａを有する。そのため、レーザー装置１Ａが有する光発振器３Ａと同様のパルスレーザー光Ｌ２が出力される。レーザー操作部１０は、集光光学系４を有し、パルスレーザー光Ｌ２を集光する。したがって、レーザー装置１Ｄは、レーザー装置１Ａと同様の作用効果を有する。そのため、集光位置におけるパルスレーザー光Ｌ２は、励起光Ｌ１のエネルギーに対して高い有効エネルギーを有する。したがって、眼６００を効率的に治療できる。
【0130】
以上説明した種々の形態は、本発明の例示である。本発明は例示した種々の形態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を含むとともに、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。
【0131】
図１８は、光発振器の第１変形例を示す模式図である。図１８に示した光発振器３Ｂのように、第１反射部３３は、レーザー媒質３１から離れていてもよい。この場合、たとえば、第１反射部３３は、励起光Ｌ１に対して透明な支持体３７Ａに支持されていればよい。
【0132】
図１９は、光発振器の第２変形例を示す模式図である。図１９に示した光発振器３Ｃのように、第１反射部３３が湾曲している点で、図１８に示した光発振器３Ａと相違する。この場合、たとえば、第１反射部３３は、励起光Ｌ１に対して透明であり、第１反射部３３を支持する支持面が湾曲している支持体３７Ｂに支持されていればよい。ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２が得られれば、第１反射部３３の湾曲方向は、図１９に示した方向と反対側でもよい。
【0133】
図２０は、光発振器の第３変形例を示す模式図である。図２０に示した光発振器３Ｄのように、第２反射部３５は、Ｑスイッチ素子３２の第２端面３２ｂに設けられてもよい。この場合、第２端面３２ｂは、第２反射部３５が、所望の形状に湾曲するように湾曲していればよい。
【0134】
図２１は、光発振器の第４変形例を示す模式図である。図２１に示した光発振器３Ｅは、第１反射部３３が湾曲している点で、図２０に示した光発振器３Ｄと相違する。この場合、レーザー媒質３１の第１端面３１ａは、第１反射部３３が、所望の形状に湾曲するように湾曲していればよい。ドーナツ状のパルスレーザー光Ｌ２が得られれば、第１反射部３３の湾曲方向は、図２１に示した方向と反対側でもよい。
【0135】
図２２に示したように、第１反射部３３および第２反射部３５が湾曲している場合、第１反射部３３および第２反射部３５は、次の式で表され得るＲ１及びＲ２を有する反射部であってもよい。Ｒ１は、第１反射部３３の曲率半径であり、Ｒ２は、第２反射部３５の曲率半径である。
Ｒ１＝－２Ｌｃ／（ｍ－１）
Ｒ２＝２ｍＬｃ／（ｍ－１）
上記Ｒ１及びＲ２の式において、ｍは、図２を利用して説明した拡大率ｍ（＝ｄｏ／ｄｉ）であり、Ｌｃは、図１を利用して説明した共振器長Ｌｃである。
Ｒ１＝－２Ｌｃ／（ｍ－１）
Ｒ２＝２ｍＬｃ／（ｍ－１）
上記Ｒ１及びＲ２の式において、ｍは、図２を利用して説明した拡大率ｍ（＝ｄｏ／ｄｉ）であり、Ｌｃは、図１を利用して説明した共振器長Ｌｃである。
【0136】
拡大率ｍにおけるｄｉは、第２反射部３５の大きさ（直径など）に対応し、ｄｏ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Ｒ１及びＲ２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。
【0137】
Ｑスイッチ素子として例示した可飽和吸収体と、レーザー媒質とは、離れていてもよい。光発振器の光軸方向からみた場合、可飽和吸収体の大きさは、第２反射部より大きくレーザー媒質より小さくでもよい。
【0138】
レーザー装置は、不安定共振器から出力された環状レーザー光（たとえば上記実施形態の上記ドーナツビーム状のパルスレーザー光Ｌ２）を変換するための複屈折位相整合（BPM, birefringent phase matching）や擬似位相整合（QPM,quasi phase matching）またはその両者を組み合わせた非線形光学系（例えば非線形光学素子）を更に備えてもよい。この場合、たとえば、波長１μｍの基本波（レーザー発振波長は発光中心となる添加元素に依存）から、高調波や和周波、さらにはパラメトリック過程や差周波も含めたそれらとの組合せによる可視域、紫外線域などの短波長への変換、さらにパラメトリック過程や差周波、さらには高調波や和周波も含めたそれらの組合せでの中赤外域からテラヘルツ波までの変換も効率良くおこなえるため、加工や計測に有効である。また、上記非線形光学系（例えば非線形光学素子）はスペクトルのチャープを利用したパルスの圧縮、伸張を含めたパルス成形にも有用である。
【0139】
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】
【0140】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…レーザー装置，２…励起光供給部，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ…光発振器、４…集光光学系、３１…レーザー媒質、３２…Ｑスイッチ素子、３３…第１反射部、３４…支持体、３５…第２反射部、３６…レンズ、Ｌ１…励起光、Ｌ２…パルスレーザー光（環状レーザー光）、ＵＲ…不安定共振器。
【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】