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JP3899411B2 - ３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いたスラブ型固体レーザ媒体、またはスラブ型非線形光学媒体 - Google Patents

３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いたスラブ型固体レーザ媒体、またはスラブ型非線形光学媒体 Download PDF

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Description

この発明は、小型で高出力の固体レーザ装置に用いることができる、３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体、あるいは、小型で非線形光学効果による変換効率の高い３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学媒体に関するものである。
固体レーザ装置の電気入力から光出力への変換効率は、レーザの性能のなかでも最も重要な１つである。これまでのランプ励起方式やレーザダイオード（ＬＤ）励起方式では、次のような問題があった。
１） ランプ励起方式では、電気から光へのランプ自体のエネルギー変換効率が低く、励起用ランプの発光スペクトルが広くレーザ動作に有効でないスペクトルが多いため、励起光の利用効率も低い。このため、レーザ装置全体としては、エネルギー利用効率が低く、所定の出力を得るためには、他の励起方式と比較して大電力が必要である。
２） また、レーザダイオード（ＬＤ）励起方式ではＬＤ自体の電気から光への変換効率が高く、その発光スペクトルをレーザロッドの吸収ピークに一致させられるので、励起光の利用効率が、比較的高く、レーザ装置としては、電気エネルギーからレーザ光への、より高い変換効率が得られる。
ＬＤ励起方式では、エネルギー変換効率が比較的高いことは良く知られているが、以下で説明する様に、励起光からレーザ光に変換する際にエネルギー変換のボトルネックとなる部分がある。この部分を改善することにより、レーザ装置の変換効率をさらに改善することが可能である。
上記の様にボトルネックとなる部分が形成される原因には、固体レーザの活性イオンの励起光吸収断面積が小さいためレーザ媒体が励起光を効率的に吸収しきれないことと、誘導放出断面積が小さいためレーザ利得が小さく、レーザロッドに蓄えられたエネルギーを効率的にレーザ光へ変換しきれないことがある。
このため、例えば、レーザ装置の変換効率を高めるためには、レーザ媒体中の光路を折り返して長く設定することにより、レーザ光あるいは励起光とレーザ活性イオンの相互作用回数を増加させ、かつその相互作用長を長くして、レーザ活性イオンの励起光吸収断面積が小さく、誘導放出断面積が小さい特性を補い、レーザ媒体に蓄えたエネルギーを高効率でレーザ光へ変換することが可能になる。
従来の、レーザ装置の効率を上げる方法としては、例えば、固体レーザ媒体のレーザ活性イオンのドープ量を増加させる方法がある。これは、活性イオン濃度を高めて、励起光吸収率とレーザ利得を高める方法である。
さらに、米国特許の特許文献１と特許文献２には、Ｎｄ等の希土類イオンを含むセラミックレーザ媒体の製法と特性について記述がある。また、最近では、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックがレーザ活性イオンのドープ量を単結晶より増加できることが明らかになり、大きなサイズのレーザ媒体を製作する方法として研究されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックレーザの発振特性の向上に関しては、非特許文献１、非特許文献２に記述がある。
しかし、これらのドープ量を増加させることは、レーザ媒体の製作段階においてドーピング濃度と屈折率分布の非一様性や、上準位寿命の減少など、レーザ媒体の品質低下を伴いやすい。これがレーザビームの横モードを劣化させ、レーザ媒質としての性能低下をもたらすのでレーザ活性イオンの増加量には限界がある。さらに、高出力レーザでは、レーザ媒体の発熱によるレーザ媒質の応力ひずみから、熱レンズ効果や熱複屈折が発生し発振横モードを劣化させる。この問題を防止して基本横モード発振を得るには、例えば、発熱密度を下げる目的で活性イオンのレーザ媒体へのドープ量を下げることになり、上記の限界が生じる。
レーザ媒体としての品質を確保できる程度のドープ量のレーザ媒体を用いて、レーザ装置の効率を上げるには、励起光が吸収される割合が大きく、飽和増幅が可能になるレーザ利得が高いレーザ媒体が必要である。励起光が吸収される割合を上げるには、励起光のレーザロッド内伝播長を吸収長より十分長く確保しなければならない。すなわち、単純にみれば、励起されるレーザ媒体のボリュームを大きくする必要がある。一方、レーザ媒体の動作を飽和増幅に近づけ、かつ基本横モード発振を得るには、レーザ媒体の励起密度を大きくするとともに、発振モードの径を小さくして基本横モードを選択しやすくすること、すなわち、モードボリュームを小さくする必要がある。この様に、レーザ装置のエネルギー変換効率を上げるにはこの二つを満足させる必要がある。しかし、励起ボリュームの増大と、モードボリュームの縮小は相反する条件であり、これらを整合させることは従来のレーザ光が直進して単一通過するレーザ媒体では困難である。
レーザ媒体内の光路を多重化することは、この整合をとるひとつの方法である。多重化することでレーザ光の光路をレーザ媒体内で空間的に少しずつ移動させて往復させることができ、励起ボリュームを増大させ励起光吸収率を増大できる。さらに、レーザ媒体内のレーザビーム断面積をレーザ媒体の全断面より小さくでき、モードボリュームを小さく保つことができる。この結果、レーザ媒体内の光路長はレーザロッド長の多重度の数だけ増倍し、レーザ利得を増大できる。さらにレーザロッド内に多方向に光路を配置して励起分布と光学特性の不均一の影響を減少させることができる。レーザ増幅器用のレーザ媒体では飽和増幅利得を得ることが、蓄積されたエネルギーを有効にレーザ光に変換できる条件であるため、多重化の方法が数多く考案されてきた。
特許文献３には図２４に示したような、反射鏡とスラブレーザロッドとで構成した、アイセイフ波長の３重光路固体レーザ増幅器を含むレーザレーダー装置が開示されている。また、特許文献４では直角プリズムと平面鏡とレーザロッドとで構成した、４重光路固体レーザ増幅器が開示されている。また、特許文献５には、固体レーザ、液体レーザ、あるいは気体レーザのいずれにも応用できる共焦点共振器、または、ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）セルとレーザロッドとを用いた多重光路のレーザ増幅器が開示されている。そして、特許文献６には、１８０度折り曲げプリズムとレンズと反射鏡と非線形結晶とによるパラメトリック発振器・増幅器の多重光路が開示されている。また、特許文献７には、波長板と旋光子と６角形スラブレーザ媒体とによる８重光路のレーザ増幅器が記述されている。また、非特許文献３に図２５に示すように、レーザ媒体の両側に平面鏡を置き、レーザ媒体内を５回通過させる方法で総合効率の向上と横基本モードの発振が得られるＮｄ：ＹＬＦレーザが報告されている。これらの方法はいずれも、反射鏡や反射プリズムなどのレーザ媒体以外の反射体を少なくとも光路の一部に用いて多重光路を実現している。
しかし、これらの構成では多重光路を構成する光学部品数が増大し、しかも動作させるためには精密な調整が必要なため、レーザ装置の構成が複雑になり装置も大きくなる欠点があった。さらに、レーザロッド端面には反射防止膜をつけるが、この反射防止膜を通したレーザ光の入射と、反射鏡や反射プリズムなどの反射体の反射には必ず光学損失があり、レーザ光が光路を往復する際にこれらの損失が積み重なって、多重光路によるレーザ利得の増大の効果を減少させていた。さらに、前記の従来の多重光路のレーザ媒体中の直線状の光路区間で、それぞれの光路の方向の変化は僅かであり、レーザ媒体中の異なる励起密度や異なる温度勾配のところを通過することによってもたらされる平均化の効果は小さい。また、レーザロッド内の励起領域を埋め尽くすように光路を配置した多重光路によって高い変換効率と高出力を期待できるが、そのような光路を構成しにくい、という欠点もあった。
また、たとえば、非線形光学結晶を用いた高調波発生や光混合などの波長変換素子や、パラメトリック相互作用を用いたパラメトリック発振やパラメトリック増幅などを行うパラメトリック素子では、非線形光学結晶内にレーザ光を進行させる。通常、非線形光学結晶内では、レーザ光と発生光の伝搬方向と偏波面方向とは、結晶軸に対して、位相整合条件を満足するように決まっている。そのため、基本的に上記の素子は、直進で単一通過の光路か１往復の光路かで動作するように製作されている。このため十分な波長変換効率が得られなかったり、必要な出力を得るためには、強力なレーザ光が必要であったりする。これらの非線形効果を高効率で利用するには、非線形光学係数が大きく、光学的特性が均一で、かつ、大型の結晶が必要とされているが、大型の均一な結晶を製造することは、容易なことではない。
米国特許第3,640,887号明細書 米国特許第3,897,358号明細書 米国特許第4,902,127号明細書 米国特許第5,172,263号明細書 米国特許第5,615,043号明細書 米国特許第5,751,472号明細書 米国特許第5,872,804号明細書 米国特許第3,665,335号明細書
"Optical properties and laser characteristics of highly Nd3+-doped Y3Al5O12 ceramics", Applied Physics Letters, Vol. 77, No. 7, pp. 939-941(2000). "72W Nd: Y3Al5O12 ceramic laser", Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 23, pp. 3586-3588(2001). "Diode-pumped High-power CW and Modelocked Nd:YLF Lasers", Advanced Slid-State Lasers, 2000 TOPS Vol. 34, Optical Society of America, Washington D.C.(2000).
従来の構成では多重光路を構成する光学部品数が増大し、しかも動作させるためには精密な調整が必要なため、レーザ装置の構成が複雑になり装置も大きくなる欠点があった。また、レーザロッド端面の反射防止膜を通したレーザ光の導入の際に、あるいは、反射鏡や反射プリズムなどの反射体の反射の際には必ず光学損失があり、この光学損失が、レーザ光が光路を往復するたびにレーザ利得の増大の効果を減少させていた。さらに、従来の構成では、多重化された一つ一つの光路の方向がわずかしか変化しないため、レーザロッド内を広く埋め尽くすように光路を配置した多重光路とすることができない、という欠点もあった。これらの欠点を解決するための提案をすることが本発明の目的である。
また、波長変換素子や、パラメトリック発振や増幅などを行う非線形光学結晶内では、励起光と発生光の伝搬方向と偏波面方向とは、結晶軸に対して、位相整合条件を満足するように決まっているため、基本的に上記の素子は、直進で単一通過の光路か１往復の光路かで動作するように製作されてきた。このため、波長変換素子では十分な波長変換効率が得られなかった、あるいは、必要な出力を得るためには、強力な励起光が必要であった。これらの非線形効果を高効率で利用するには、非線形光学係数が大きく、光学的特性が均一で、かつ、大型の結晶が必要とされてきたが、大型の結晶を用いなくてもこれらの非線形効果を高効率で利用できるようにすることが、本発明のもう一つの目的である。
本発明は、固体レーザ媒体（レーザ媒体）中の同一領域をレーザ光の光路が複数回通過して出射するようにその光路を多方向化して多重化し、またその光路を稠密に設定したものである。その固体レーザ媒体は、三角プリズム型のスラブであり、この固体レーザ媒体では、スラブの上下面の三角形の最長辺(斜辺)以外の２辺にそれぞれ位置する２つの側面での反射を用いて、そのなかの光路を多重化する。さらにその斜辺を含む側面による反射で、この多重光路を２重化することによって多方向の多重光路を構成したものである。これにより、高いレーザ利得が得られ、従来は、誘導放出断面積が小さすぎてレーザ装置には用いることができなかったレーザ活性元素を用いたレーザ媒体でも、レーザ発振させることができる。
この様に、本発明の多重光路のレーザ媒体あるいは非線形光学素子のもつ利点は、レーザ媒体あるいは非線形光学素子の長さよりはるかに長い光路長をレーザ媒体あるいは非線形光学素子内に設定できることにある。これにより、誘導放出断面積が小さくても、大きなレーザ利得あるいは大きな非線形光学効果を有するレーザ媒体あるいは非線形光学素子が得られる。しかも、外部の反射体を用いてレーザ媒体あるいは非線形光学素子の外部で反射させることがないので、光学素子端面を通過するさいの無反射膜の光学損失によりこの大きなレーザ利得あるいは大きな非線形光学効果が目減りすることがない。
また、従来の、外部の反射体を用いてレーザロッド内に多重光路を配置する通常の場合に比較して、本発明のレーザ媒体では、三角形スラブ型のレーザ媒体の側面に反射膜を形成してレーザ媒体内部に多重光路を設けるので、従来のレーザロッド端面に入出力する際に生じる無反射膜による光学損失を、本発明では原理的になくすことができる。
さらに、レーザ媒体内では、励起光源に近い部分と遠い部分で励起分布の差が顕著になるが、レーザロッド内のレーザ光を３つの側面のすべてで反射させ、その光路を多数の異なる方向に密に配置することで、レーザ光にとってはその励起分布が平均化され、より緩和された励起分布となる。
さらに、レーザ媒体内の光路を多重化し稠密に配置することは、従来のレーザ装置で、例えば、レーザ媒体とファブリーペロー（ＦＰ）共振器を組み合わせて構成したレーザ装置で起こる空間ホールバーニングを解消させる効果がある。この空間ホールバーニングにより、単一縦モード発振が困難になることが知られている。本発明におけるレーザ媒体内では、レーザ光の定在波によって生じる空間ホールバーニングが、多方向に重なり合うことで弱められる。従来は、空間ホールバーニングの発生しない単一方向化リング共振器などを用いなければ、高出力の単一周波数固体レーザは製作できなかった。しかし、本発明における光路配置のレーザ媒体とを用いれば、高出力の単一周波数のレーザ発振を、定在波型レーザ共振器を用いても得ることができる。つまり、多重光路を構成する各光路が、空間的に位置と方向を少しずつ変化させながら重複するので、空間ホールバーニングやレーザ媒体内の励起分布や屈折率分布などのさまざまな不均一性が平均化、もしくは、補償される効果がある。
さらに、本発明におけるレーザ媒体の形状は基本的に三角形スラブであり、その３つの側面を光学面として用いる。三角形スラブの特徴として、それらの光学面間の角度だけで形状が決まる。従来のジグザグスラブレーザ媒体を製造するには高い寸法精度と角度精度を必要とするが、上記の様に、本発明におけるレーザ媒体の製造においては、高い寸法精度は要求されない。要求される角度精度は、安価な三角プリズムの製造に必要な精度程度でよい。本発明の素子は、簡単に製造する場合、３面の光学研磨と２面への光学膜形成処理で完成する。また、一般に研磨工程は面の角度精度は容易に到達できるが、高い面間隔精度を達成することは難しい。本発明のレーザ媒体あるいは非線形光学素子は角度精度だけが主に必要である。しかも面の角度誤差は、入射角の調整で修正できるため、高い製造精度は要求されない。このため、製造が容易である、という利点がある。
上記の目的に対する第１の発明の特徴は、３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体に関するものである。３つの反射面をその側面に設けたスラブ型固体レーザ媒体であって、該固体レーザ媒体における光増幅用の光路は、上記の反射面による多重反射で構成される光路であり、該反射面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃとし、入射光が上記の固体レーザ媒体の内部で最初に反射する面を面Ｃとし、面Ｃで反射された光が次に反射される面を面Ｂとし、残りの面を面Ａとし、また、面Ａ，面Ｂの面Ｃについての反射像である仮想面をそれぞれ面Ａｃ、面Ｂｃとし、また、面Ａと面Ｂあるいはこれらの延長面の交差する角を角Ｃとし、面Ｂと面Ｃあるいはこれらの延長面の交差する角を角Ａとし、面Ｃと面Ａあるいはそれらの延長面の交差する角を角Ｂ、とするとき、角Ｃの角度は、角Ａおよび角Ｂの角度よりも大きく、上記の固体レーザ媒体の中に形成される光増幅用の光路が、面Ａと面Ｂｃとの間で反射を繰り返す光路を面Ｃで折り返した光路に等価な光路になるように、上記の固体レーザ媒体にレーザ光を入射することにより、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの順序の反射を単位とし、順次、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、面Ｃ、面Ｂ、・・・と繰り返す多重反射が起こる光路を備えたことが第１の特徴である。
第２の特徴は、上記の面Ａからレーザ光を入射し、上記の面Ｂあるいは面Ａからレーザ光を出射する構成を持つことである。このとき、面Ａ、面 Ｂ、面Ｃの長さをそれぞれの面上でレーザ媒体の底面に平行な方向に沿って測るものとすると、面Ａのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部 分を設けその残りの領域を反射面とし、あるいは、面Ｂのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、上記 の面Ａのレーザ光を透過する部分からレーザ光を入射し、上記の面Ｂのレーザ光を透過する部分からレーザ光を出射する。
第３の特徴は、上記の面Ｃにおける反射は、全反射であり、励起光を、面Ｃから入射する構成を持つことである。
また、第４の特徴は、上記の面Ａ、面Ｂ、あるいは面Ｃには、励起光に対しては、透過膜となる反射防止膜がつけられ、前記の反射防止膜を透過した光で、上記の固体レーザ媒体を励起する構成を持つことである。
第５の特徴は、上記の角Ａ、角Ｂ、あるいは角Ｃに、上記の面Ａ、面Ｂ、面Ｃとは異なる面Ｄ、あるいは面Ｄと面Ｅを設け、前記面Ｄあるいは面Ｅを通じてレーザ光の入射と出射、あるいは反射を行なう構成を持つことである。このとき、面Ｄまたは面Ｅで切り取られる面Ａあるいは面Ｂの長さはスラブの上下面方向から見て面Ａあるいは面Ｂの半分以下の長さとする。
第６の特徴は、第５の特徴に加えて、上記の面Ｄあるいは面Ｅは、平面、あるいは球面であり、面Ｄには、レーザ共振器の出力鏡となるようにわずかな透過性のある膜、あるいは面Ｅにはエンドミラーとなる高反射膜がつけられた構成を備えるという特徴をもつことである。
第７の特徴は、上記の面Ｄは平面であり、この面にレーザ光の可飽和吸収体であるＣｒ4+：ＹＡＧなどの結晶板を拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトで接合し、この接合面の反対面には、レーザ共振器の出力鏡となるようにわずかな透過性のある膜、あるいはエンドミラーとなる高反射膜を付けることである。
第８の発明の特徴は、従来用いられてきたすべての固体レーザ媒体、とりわけ、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ4、ＫＧＷ、Ａｌ2Ｏ3、ＹＳＧＧ、ＧＳＧＧ，ＬＳＢ、レーザガラスあるいはＬｉＮｂＯ3などの等方性光学媒質あるいは異方性光学結晶に固体レーザ活性元素をドーピングした材料で上記の固体レーザ媒体を製造することである。
また、第９の特徴は、３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子に関するものである。３つの反射面をその表面に設けた非線形光学素子であって、前記非線形光学素子における非線形光学効果用の光路は、上記の反射面による多重反射で構成される光路であり、該反射面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃとし、入射光が上記の固体レーザ媒体の内部から最初に反射する面を面Ｃとし、面Ｃで反射された光が次に反射される面を面Ｂとし、残りの面を面Ａとし、また、面Ａ，面Ｂの面Ｃについての反射像である面をそれぞれ面Ａｃ、面Ｂｃとするとする。上記の固体レーザ媒体の中に形成される非線形光学効果用の光路は、上記の非線形光学素子の中に形成される非線形光学効果用の光路が、面Ａと面Ｂｃとの間で反射を繰り返す光路を面Ｃで折り返した光路に等価な光路になるように上記の固体レーザ媒体にレーザ光を入射することにより、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの順序の反射を単位とし、順次、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、面Ｃ、面Ｂ、・・・と繰り返す多重反射が起こるようにする。この際、角Ｃの角度は、角Ａおよび角Ｂの角度よりも大きい。
第１０の特徴は、第９の特徴に加えて、３つの反射面をその側面に設けたスラブ型非線形光学素子のそれぞれの側面に垂直に交わる面によるレーザ媒体の切断面の外周 を周回する様に面Ａ、面Ｂ、面Ｃの長さを定義するとき、面Ａのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面と し、あるいは、面Ｂのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、上記の面Ａのレーザ光を透過する部分からレーザ光を入射し、上記の面Ｂのレーザ光を透過する部分からレーザ光を出射するようにすることにある。
第１１の特徴は、第９の特徴に加えて、上記の面Ａ、面Ｂ、あるいは面Ｃには、入射レーザ光と波長変換された光の反射膜となる多層誘電体膜がつけられた構成を持つことである。
第１２の特徴は、第９の特徴に加えて、上記の角Ａ、角Ｂ、あるいは角Ｃの近くに、上記の面Ａ、面Ｂ、面Ｃとは異なる面Ｄ、あるいは面Ｄと面Ｅを設け、面Ｄまたは面Ｅで切り取られる面Ａあるいは面Ｂの長さは、スラブ型非線形光学素子の、２つの底面を結ぶ方向に直交する方向に沿った長さが面Ａあるいは面Ｂの半分以下の長さであり、前記面Ｄあるいは面Ｅを通じてレーザ光の入射、出射あるいは反射を行なう構成を持つことである。
第１３の発明の特徴は、第１２の特徴に加えて、上記の面Ｄあるいは面Ｅは平面、あるいは球面であることである。
第１４の発明の特徴は、第９から第１３の特徴のいずれかに加えて、上記の非線形光学素子に用いる非線形光学結晶について、該結晶のＺ軸を、上記の非線形光学素子内に設けられる光路を含む面に垂直に配置し、上記の非線形光学結晶の温度は位相整合温度に保持する温度調整器で調整する構成を持つことである。
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。なお、以下に示すものは、例であって、本発明が以下の例のみに限定されるべき理由はない。
先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。本発明の固体レーザ媒体（レーザロッド）は、図１（ａ）に平面図を図１（ｂ）に鳥瞰図を示すように、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いた三角プリズム型のスラブ１で、そのスラブの三角形の上下面と、それに垂直な４角形の側面Ａ（以下では、面Ａと記載）、側面Ｂ（以下では、面Ｂと記載）および側面Ｃ（以下では、面Ｃと記載）があり、前記の面Ａ、Ｂ、Ｃは、光学研磨面であり、各部位の用途に応じて、反射防止膜や反射膜がその表面に設けられている。また、上記の底面は、冷却用のヒートシンク６に密着している。図１（ａ）に示すように、直角に近い角度αの頂点Ａをはさむ面Ａあるいは面Ｂの少なくともひとつの面には、レーザ光が入射光２として入射、もしくは、出射光３として出射する部分があり、ここにはレーザ光に対して無反射膜がつけられている。この２つの側面のそれ以外の部分には高反射膜がつけられている。また、面Ｃについては、反射膜をつける場合とつけない場合があり、ここでの反射は、反射膜によるか全反射による反射である。このようにすることにより、レーザ光が反射する部位を、三角形スラブの側面にして、その外に出す必要がなくなる。
図１で入出射部の無反射膜４の長さは、円形ビームが通過できるように平板の厚み以上で、反射部分が残るように、その面の長さの半分以下である。面Ｃは面Ａとβの角度をなし、α＝２βである。面Ｃは研磨面のままでも、また必要ならば高反射膜を付けてもよい。三角形のなかでレーザ光が通過しない周辺部分を削っても、内部光路に影響しない部分は、図２のようにその部分を削って、新たな面である面Ｄ、もしくは、面Ｅを付加することができる。このようにしても、レーザ光が反射する部位は、三角形スラブの側面にあるという特徴は変わらない。
本発明の光学素子の内部光路を説明するため、これと類似した光路である特許文献８に開示されているスラブ状の多重光路のレーザ媒体を図３に示す。面３１、３２、３３、３４、３５、３６は紙面に垂直な光学研磨面である。面３５、３６はレーザ光の入出射面で、面３３、３４は高反射膜３８のついた面である。面３３と面３４は互いに小さな角度θをなすように面３１方向に向けて狭まっている。面３５を通してレーザ媒体内部に入射したレーザ光は、面３３と面３４の間で反射を繰り返しながら面３１の方へ光路を移動してゆき、反射のたびにその入射角を一定値（θ）ずつ減少させる。ついには、光路は面３１の方から面３２の方へ反転し、反射ごとの入射角をθずつ増加させ、面３６に垂直に入射する。面３６で反射したレーザ光はいままで来た光路を逆にたどり、再び面３５を通して出射する。このように、レーザロッドに入射した光線がある方向の向きを自動的に反転させて戻ってくるレーザ媒体を、ここでは自動反転型多重光路と呼ぶことにする。図３の光路の特徴として、折り返し点である面３６での反射を除いて、面３３と面３４との間で反射を繰り返しているところに特徴がある。
図４は、本発明の図１の光学素子内部の光路を明示するために、面Ｃでの反射を展開した光路展開図である。展開図でレーザロッドは菱形の４角形をしていて、図３のレーザロッドのシールド面より下側と同一の自動反転型多重光路である。ここで、多重度は、面Ａと面Ｂｃとの間にある線分状の光路数とする。面Ａｃと面Ｂｃは、それぞれ面Ａと面Ｂの像で、面Ａと面Ｂｃが図３の面３３と面３４に相当し、互いにθの角度をなす。すなわち、αとβから次式でθが決まる。
Figure 0003899411
さらに、α＝２βにすれば、面Ａｃに対して反射面である面Ａと面Ｂｃのなす角度が等しくなる。
レーザ光のレーザロッド入射部への入射角を調節して多重光路が左右対称になったとして、内部光路を説明する。面Ａの入射部を通して光学素子に入射したレーザ光は、図３のレーザ光の面５と面６の間での反射と同様に、展開図の面Ａと面Ｂｃの間で反射を繰り返す。これらの反射ごとに、反射面に対する入射角はθづつ減少しながら光路は下方へ移動し、ついには光路は上方への移動に反転し、入射角は反射ごとにθづつ増大する。片面での反射点を下から数えて、ｎ番目の反射点から上方へ向かう光路と面Ａｃのなす角度はｎθである。レーザ光が面Ｂｃの上方右端の出射部に到達すると、無反射膜を通して光学素子の外部へ出射する。
本発明では、この４角形のレーザ媒体を対向する頂点を結ぶ線上（Ｍ−Ｍ’）で２分割する。これにより発生した面Ｃで多重光路は反射されるので、本レーザ媒体は２つの自動反転型多重光路をほぼ直角の角度で重ねあわせたものである。各光路のなす角度は、０度から９０度の範囲の多方向に重なり合うことができる。レーザ媒体の形状は４角プリズム型から三角プリズム型になり、レーザ媒体体積も半分になる。
図４から判るように、図１の光路を、面Ｃでの反射を展開した光路展開図でみる場合は、上記の光路は、面Ａと面Ｂｃとの間で多重反射を繰り返す光路で、面Ａから面Ｂｃに向かう光路あるいはその逆の光路で面Ｃを必ず通過している。また、面Ｂｃは、面Ｂの面Ｃによる鏡像に対応するので、図１の光路は、
面Ａ、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、・・・
と、３面を用いた多重反射による光路であり、面Ａあるいは面Ｂでの反射の後には、他の複数の面で反射した後、再び面Ａあるいは面Ｂで反射しており、このような点で上記の特許文献８とはあきらかに異なっている。
面Ａの長さＨに制限がないとすれば、角度θと面Ｂの長さＷとレーザ光のビーム半径ｒが決まると、最小の多重度が決定される。ここで、α＝２β、とし、面Ａと面Ｂｃでの反射点はｎ個ずつあるとする。レーザロッド内の最初の光路と入出射点を結ぶ直線とのなす角度はｎθである。また、レーザロッドに入射した最初の光路は出射部にはみ出てはならないので、この角度はほぼ、ａｒｃｔａｎ（２ｒ／Ｗ）、より大きくなくてはならない。従って反射点の数ｎは、
Figure 0003899411
 でなければならない。多重度は２ｎ＋１になる。
最大の多重度はＨとＷとθとビーム半径ｒから求められる。片面での反射点がｎ個あるとして、幾何学的に多重光路のある反射点から次の反射点までの高さ変化を求め、これから入射点から最下段の反射点までの距離を求められる。図４で最下段の光路の左右の反射点を反射点ＰR、ＰLとしてその距離をＬB（＝｜ＰR−ＰL｜）とし上方に反射点２、反射点３と数えることにする。左右の反射点ＰR、ＰLの中間に原点を置き、紙面上で原点から右方向にｘ軸と上方にｙ軸を取る。反射点ＰKのｘ、ｙ座標を（Ｘk，Ｙk）とすると、結果として次式で与えられる。
Figure 0003899411
 ここでＦiはｉを１以上の整数として、
Figure 0003899411
である。正確な三角形スラブの形状と光路は数３で決定される。逆に言えば、製作した三角形スラブのθの値から必ず数３の反射点の数が決まることになる。レーザ光の入射点から反射点１までの距離はＨからビーム径２ｒを引いたものより小さくなければならないので、結果として次式が成り立つ。
Figure 0003899411
 α＝２βで多重度が高い場合は角度θは小さくなり、三角形スラブの上下面は直角２等辺３角形に近づくので、ほぼ、Ｈ≒Ｗ、とみなせる。この場合、数３左辺は最大でも１程度であり、右辺がこれより小さく、かつ、最大のｎが多重光路の展開図における光路の最大多重度２ｎ＋１を与える。また、入射部の長さ２ｒとＡ面の長さＨの比は数３から求められ、反射点が片面あたり１個の場合は、当然２ｒ／Ｈは０．５であり、反射点数が２以上の場合は次式で与えられるように、θとｎの値のみで決まる。
Figure 0003899411
 図５は、反射点数ｎに対する数５右辺と数６の（２ｒ／Ｈ）の値を、θの値の０.５度、１度および２度に対して示したグラフである。θ＝０．５度のレーザ媒体では、Ａ面、あるいはＢｃ面の反射点数は最大１３で多重度２７までの多重光路が可能であり、（２ｒ／Ｈ）の値は反射点数が増加するにつれて０．５から０．１３まで減少する。
面Ｃでの反射に反射膜が必要かどうかは、多重光路の配置により決まる。入射光が最初に面Ｃで反射されるとき、この面に対する入射角は、β−（ｎ＋１／２）θ、であるので、この角度がレーザロッドの材質の臨界角より小さければ、面Ｃに反射膜が必要である。偏光方向がスラブの上下面に垂直なレーザ光を増幅するには、この反射膜を、Ｓ偏光を高い反射率で反射する偏光反射膜とすればよい。この角度がそれより大きければ、反射はすべて全反射になるので、反射膜を施す必要はない。多重度が大きくなるにつれて、面Ｃで反射される光の入射角が小さくなるので、面Ｃには部分的に反射膜が必要になるが、反射膜を面Ｃ全面につけた場合でも、全反射条件を満たす反射点では全反射が発生して、そこでの反射膜の光学損失はない。
具体的な設計では、ビーム径とレーザロッドサイズが決まっているので、上記の多重度の範囲内で実用的な多重度を設定してθを決定すればよい。多重光路の配置はαとβの組合せで決まるθのみで決まり、α＝２βである必要はない。
図１に示すレーザ媒体の多方向の光路の重なりを示すために、図６はこのレーザ媒体の光線追跡図を示したものである。多重度は１３光路である。自動反転型多重光路が二重に重ね合わされて、光路がレーザロッド内のほとんどの部分を埋め尽くし、レーザ光の不通過領域がほとんど無い。
これに対し、単一の自動反転型多重光路の図３のレーザ媒体では、光線追跡図は図７に示すようになる。レーザロッド内の入射部と出射部に挟まれた領域で光路が通過しない部分がある。入射部からレーザロッド内に入射した第１光路は出射部にはみ出てはならないので、レーザロッドの面の角度を変え光路数を増加させても、不通過領域は必ず発生する。光路の重なりはスラブの上半分では２光路以下しか光路が重ならない。最下段の光路反転部で光路の重複数は上がるが、それらがほとんど平行になり、空間ホールバーニングの解消は困難である。また、最下部の光路に平行して隣接するレーザロッド側面の間には、製造誤差と共振器の光路調節のために必ずレーザビームの通らない不通過領域が必要であるので、この側面を通して励起すると不通過領域に吸収されたエネルギーが無駄になる。レーザロッドの励起を左右のレーザ光反射面を通すと、入出射光が励起光源に遮られる恐れもある。
さらに、通常の外部反射体を用いた自動反転型でない多重光路の例として、スラブ状で平行四辺形型のレーザロッドに入射部と出射部を設け、それ以外の部分に反射膜を施した場合の光線追跡図を図８に示す。多重度は９光路である。この光路配置では、レーザロッド内の各部分で光路の重複数は２以下であり、空間ホールバーニングの解消は期待できない。
自動反転型の特徴は、レーザロッド内の各部の光路の重複数を、容易に２以上にできることである。本発明はこれをさらに２重にかさねることで、多方向の光路の重なりとレーザビームのスラブ内不通過域を大幅に減少させることを可能にした。
本発明のレーザ媒体で三角形の頂点の角度を、α＝２β≒π、として、θ≒０、になるようにすると、図８に示した通常の多重光路も２重化できる。その例を、図９と図１０に示す。これらは図８の平行４辺形の対向する頂点を結ぶ２つの線（Ｍ−Ｍ’、あるいはＮ−Ｎ’）に沿って、それぞれ半分に分割した三角形である。これらの光線追跡図を図１１、あるいは図１２に示す。本発明の多重光路の２重化により、レーザ媒体内部を光路が埋め尽くし、さらにほとんどの部分で光路が４方向から４重に重なるように多重光路が改善される。これにより空間ホールバーニングが抑制されることになる。完全にθ＝０になるように頂点の角度を決めると、面Ａと面Ｂの間で不要な共振器が構成されるので、これを避けるためには、ごくわずかにθをゼロからずらせばよい。この角度は通常１分角以上あれば十分である。
本発明のレーザ媒体の入出射部の位置を変更することにより、光路の配置を変更できる。この例として、図１３に示すように、図１と同一形状の素子でも、面Ａだけに入出射部をおくことも、図１４に示すように面Ｂだけに入出射部をおくこともできる。
さらに、他の入射角を選択することにより、光路の配置を変更することもできる。例として、図１５に示すように面Ａ、あるいは、面Ｂにある入射光路と出射光路を完全に一致させることもできる。このようにするためには、入射角φを調整して、ω＝９０°、になるようにする。
光路展開図の図４において、面Ａから面Ｂｃにいたる光路を光路数１、次に面Ａにいたる光路を光路数２、さらに面Ｂｃにいたる光路を光路数３、・・・、という具合に光路数を表現するものとするとき、面Ａと面Ｂの長さが決められて、本発明のレーザ媒体の多重度、２ｎ+１、を変更するには、基本的に、数１で表されるθを変更するか入射角φを変更すればよい。これは、多重度はθを大きくしてゆけば減少し、逆にθを小さくすると多重度は増大するためである。しかし、レーザ媒体内で光線の非通過部分が増加することを許容すれば、入射角の変更だけで多重度を変更することもできる。また、レーザ媒体の底面形状の頂点の角度誤差は、入射角を増減して修正することにより調整できる。
多重度の最小値は、図１の素子で３であり、図１３と図１４のレーザ媒体で４である。このとき、これらの入射光と出射光の内部入射角は、それぞれ、３θ／２と５θ／２の値になる。内部入射角の範囲は、ゼロ度からブリュースター角までの任意の角度を取りうるので、θの値はゼロ以上で、材質の屈折率で決まるブリュ−スター角の２／３倍までの値である。例えば、ＹＡＧ結晶を用いた場合の波長１０６４ｎｍでは屈折率１．８２から内部ブリュースター角は２８．８度であり、ＹＡＧ結晶を用いたレーザ媒体の角度θの値はゼロ以上１９．２度以下になる。さらにα＝２βならば、αは８０．４度以上９９．６度以下になる。また、１軸性光学結晶のＹＬＦの異常光の波長１０４７ｎｍでは、伝搬方向のC軸からの角度に従って屈折率は１．４７から１．４４８の値をとるので、θの角度は同様にしてゼロから２３．１度の範囲の角度になる。この場合も同様にα＝２βならば、αは７８．５度以上１０１．６度以下になる。スラブ内部で光路の不通過域が発生することを許容すれば、一般に、αの角度は７５度から１０５度までの範囲であれば本発明のスラブを製作するのに十分である。
本発明のレーザ媒体は、三角形スラブの側面につけた反射膜によってレーザ媒体内部に反射され、それ以外の外部反射体を用いないで多重光路を生成できるため、レーザ媒体への入出射部以外に無反射膜を必要とせず、また、入出射時のみレーザ媒体を入出するので、この場合にのみ無反射膜を通過するようにする。このため、この無反射膜の損失を殆どうけることなしにレーザ光とレーザ媒体との相互作用に関する長い相互作用長を確保できる。さらに、面Ａの近傍で光路が空間的に高密度に分布するので、この部分でのレーザ光とレーザ媒体との相互作用を有効に利用することができる。
本発明のレーザ媒体の励起は、三角形スラブの側面、あるいは上下面を通して、あるいは、それらの組み合わせからなる励起面を通して、外部の光源からの光を励起光７として励起するものである。光源は、放電ランプ、レーザダイオード、あるいは太陽などである。励起光の入射面（以下では励起面）には、これらの励起光に対して透過率が高くなるようにするために、励起波長に対する無反射膜８を付けておくことが望ましい。望ましい励起面は、図１６に示すように入出射光線と光源との干渉がない面Ｃである。この面Ｃを通過した励起光は、面Ａと面Ｂで反射されるので、面Ｃの任意の点を通過した励起光はほぼ面Ｃの紙面に沿った長さの距離を通過できる。また、このレーザ媒体は、入射光に沿って、あるいは、図１６に示した出射光の方向とは逆向きに励起光を入射するエンドポンピングにも利用できる。
図１６に示すようにレーザ媒体を光励起すれば、素子内の光路の重複数の高い領域を重点的に励起することができる。例えば図１６では、面Ａに近い面Ｃの位置を重点的に励起する。これにより、このレーザ媒体をファブリーペロー共振器と組み合わせてレーザ発振器を構成する場合でも、レーザ媒体（ロッド）内の空間ホールバーニングを解消することが可能である。これは、光路の重複数の高い領域ではレーザ光が各々異なる方向へ進行しているため、１対の共振器ミラー間を光が往復してできる電界の定在波が、異なる方向に多数重なり合って消失してしまうことによる。従来は固体レーザで高出力の単一縦モード発振を得るには、単一方向化リングレーザ共振器やツイストモード共振器などの特別な共振器と縦モード選択素子のエタロンなどを組み合わせる必要があった。本発明によれば、ファブリーペロ共振器とエタロンなどを使用した単純な共振器構成で、高出力の単一縦モード発振の固体レーザが実現できる利点がある。
さらに、単一通過の固体レーザ媒体中では、励起強度が高くなると、レーザ媒体内の温度分布の不均一性が顕著になり、レーザ媒体の屈折率分布の不均一性や複屈折などの光学的な非一様性が発生し、発振横モードの劣化をもたらしていた。本発明のレーザ媒体内では、光路が異なる方向に位置を変えて重複するので、これらの光学的非一様性が発生しても空間ホールバーニングと同様に平均化され、横モードが劣化しにくい、という利点がある。
発振効率の増大の例として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の長さ１．２５ｃｍで直径４．５ｍｍの単一通過のレーザ媒体を用いた場合と、これと同体積で面Ａの長さが１．２５ｃｍの本発明の直角三角形スラブの形状の多重光路レーザ媒体を用いた場合を、図１７に示すような共振器長３０ｃｍのファブリーペロー型共振器とＬＤなどの励起光源９に組み合わせて連続発振レーザを構成したときの発振特性を比較した。共振器内の高反射膜の反射率はすべて９９．９％で、無反射膜の透過率は９９．８５％に仮定した。レーザ媒体の吸収する励起エネルギーを、すべて３５Ｗとすると、Ｎｄイオンを上準位に励起する電力は約２６Ｗである。光路数１，４，８，１２，１６，２０に対する出力と出力ミラーの最適反射率、共振器内光損失、共振器内フルーエンスの計算値のプロットを図１８に示す。
単一通過のレーザ媒体では９Ｗしかレーザ出力が得られない。これはレーザ媒体の小さなレーザ利得と共振器の光学損失のためフルーエンスが増大できず、上準位エネルギーの大半が自然放出光か、無放射遷移で失われるためである。出力鏡反射率も９８％が必要で、モード制御素子などを共振器に挿入して、共振器損失が増えるとさらに出力は低下する。
従来の外部反射体による多重光路のレーザ媒体では、多重度はたかだか４である。この場合は、出力が１４．６Ｗに増加し、多重化の効果が得られている。しかし、出力鏡反射率は９０％が必要で、共振器損失が増えると出力は低下する。
これに対して、本発明のレーザ媒体を用いて多重度が１６以上の場合は、１８Ｗ以上のレーザ光出力が得られ、発振効率が大きく改善される。しかも、レーザ媒体の高い利得から最適出力鏡反射率は７８％以下になるので、共振器損失が増えても、出力は下がらない。これはレーザ光がレーザロッドを一回通過するたびに、各Ｎｄイオンは理想的には多重度の回数だけレーザ光と相互作用するので、高い共振器内フルーエンスは必要ないことによる。また、フルーエンスを低くできるのでレーザ媒体がレーザ光で損傷する危険性が下がる効果もある。
本発明のレーザ媒体の母材としては、従来用いられてきたすべてのレーザ母材の材料を用いることができる。たとえば、等方性レーザ媒体では、立方晶系に属するＹＡＧ、ＹＳＧＧなどの結晶や、レーザガラスなどやセラミックＹＡＧなどがある。非等方性レーザ結晶では、レーザ光が入射面で２つの偏光に分離しないようにすればよく、光学的１軸性レーザ結晶ではＹＬＦやＹＶＯ4やＡｌ2Ｏ3結晶などがあり、光学的２軸性結晶ではＫＧＷやＬＳＢなどがある。１軸性レーザ結晶の場合は、光学軸を三角形スラブレーザ素子のスラブ面に垂直か、あるいは平行にすれば、常光、あるいは異常光のレーザ光を利用できる。光学的２軸性結晶の場合も、屈折率楕円体の３つの主座標軸のうちのいずれかひとつを、スラブ面に垂直か、あるいは平行にすればよい。これらのレーザ母材の材料にレーザ活性イオンとしてドープできる元素は、従来から固体レーザ媒質に利用されてきたすべての活性元素であり、たとえば、希土類元素のＮｄ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒなどや、鉄族元素のＣｒなどや、Ｔｉなどである。
上記の説明においては、特にレーザ媒体に限定して説明したが、レーザ媒体の代わりに非線形光学材料で三角形スラブを作り、これを非線形光学素子として用いることもできる。この非線形光学効果を利用して、例えば波長変換を行なうことができる。非線形光学効果を利用した波長変換は、高調波発生、光混合、あるいはパラメトリック相互作用やラマン相互作用を用いた波長変換などがある。本発明の上記で説明した光路を、これらの非線形光学結晶とともに用いることにより、その結晶の非線形光学係数が小さい場合でも長い相互作用長を利用して、大きな非線形光学効果が得られる。適用できる非線形光学結晶は９０度位相整合のできる１軸性非線形結晶とラマン相互作用媒質である。これには、例えば、ＬｉＮｂＯ3とこれにレーザ光損傷閾値を上昇させるために他の元素をドープしたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3などがある。この際、面Ａと面Ｂと、また、必要ならば面Ｃとには、入射レーザ光と波長変換された光用の反射膜があり、入射部には入射光の無反射膜があり、出射部には波長変換された光の無反射膜があるようにすることが望ましい。
図１９に示すように、これらの非線形光学効果を示す結晶のＺ軸を本発明の非線形光学素子２１の上下面に垂直に向け、位相整合温度に素子を保持するようにマウントすればよい。このマウントには、ヒータ付マウント２６で非線形光学素子２１を挟むようにすることが望ましい。Ｘ軸の向きは任意である。例えば、ＬｉＮｂＯ3結晶の波長１０６４ｎｍの第２高調波発生素子では、入力光を平板面内に偏光させ図１の光路に沿って素子に入射させれば波長５３２ｎｍの第２高調波がこれに垂直に偏光して光路に沿って発生する。図２０に非線形結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いた第２高調波発生器の例を示す。結晶はZ軸が紙面に垂直で、位相整合温度を保つようにマウントされているものとする。これに入力としてレーザ光基本波２２を、例えば図２０のように入射部に入射すると、入射したレーザ光基本波２２に対するレーザ光第２高調波２３が出射部から得られる。出射部からの光を高調波セパレータ２７に通して、レーザ光基本波を抑制する。
次に、上記した固体のレーザ媒体（レーザロッド）をレーザ装置に適用した場合の特徴を以下に述べる。
１）レーザ媒体の利得の増大
多重化によって長い光路長が利用できるようになることにより、レーザ利得を大きくできる。これは、レーザ活性イオンの誘導放出断面積を、多重度に応じて増倍させることと等価である。従来の、外部反射体を用いてレーザ媒体内の光路を多重化する場合と比較しても、本発明は、レーザ媒体の入出射部の無反射膜による光学損失が少ないという利点がある。これにより、本発明のレーザ媒体を用いたレーザ装置の動作を飽和増幅に近づけることができて、レーザ媒体に蓄積されたエネルギーをより効率的にレーザ光へ変換できる。本発明によれば、他の光学素子を用いずに、６回以上レーザロッド内を通過させることもでき、増幅器の光学部をレーザ媒体と励起光源だけで構成できる。これにより、装置の小型化、高性能化、高信頼性化が容易にできる。
２）励起光吸収率の増大と励起分布の平均化
多重反射による多重光路が空間的に重複する部分が多いが少しずつずれて重複しまた、この多重光路は、レーザ媒体の大部分に広く分布するので、従来の配置に比べて励起光を吸収する体積（励起ボリューム）が大きい。このため、励起光吸収率が上昇する。仮に、本発明のレーザ媒体を側面励起した場合で、励起光吸収率が１００％に近い場合には、励起光の入射点から遠方の地点では、励起光の強度が低下し励起分布に強い不均一が生じる。このような場合においても、レーザ光の伝搬方向は励起分布の勾配に対しさまざまな角度をなすので、不均一励起分布やこれに起因する屈折率変動などの光学的不均一性がレーザ光に及ぼす効果が、その長い光路について平均化され、良好な横モードのレーザ光を得ることが容易になる。
３）レーザ媒体内の不通過領域の減少と、ビーム重複数の増大と平均化
レーザロッド内でレーザビームの不通過領域が小さく、従来の多重光路のレーザロッドに比べてレーザロッド内の各部でビームの重複数が高く、かつ、空間的に重複数の変化が少なく、重複数の分布が平均化されている。
４）空間ホールバーニングの解消
従来の定在波型共振器を用いた固体レーザ発振器では、レーザ光の定在波のためレーザロッドに空間ホールバーニングを発生していた。これにより高出力では単一縦モードの発振が阻害されるので、単一縦モード発振を得るにはリングレーザやツイストモードレーザなどのレーザ共振器が必要であった。しかし、定在波型レーザ共振器でも、本発明の多重光路をもつレーザ媒体を用いると、レーザロッド内では多方向からの定在波が重なり合うので、空間ホールバーニングが弱められる。これにより定在波型共振器でも、縦モード選択素子を挿入するだけで、容易に高出力の単一周波数発振が得られる。
５）レーザ発振器内のフルーエンスの減少
レーザ媒体の利得が上昇することにより、最適出力を得る共振器のＱ値を低減させることができ、この結果、規定の出力を得るために必要な、共振器内レーザ光強度（フルーエンス）も減少させることができる。これは、共振器の光学損失により失われるレーザ光のエネルギーを減少させることができることとともに、上記の共振器内の光学素子がレーザ光により損傷を受け劣化する危険性を減少できることを示している。
次に、本発明を非線形光学素子に適用した場合の特徴を述べる。
非線形光学結晶は一般に、大きな結晶を光学的に均一な状態で得ることが困難であることが知られている。光学的不均一性が僅かしかない非線形光学結晶の場合でも、その結晶の非線形光学効果に大きな影響を与えるので、その非線形光学結晶を用いて発生あるいは変換された光のモードが乱れやすいことも知られている。また、非線形光学結晶を用いた非線形光学素子は、その非線形光学系数そのものが一般に小さいので、非線形光学効果による十分な出力を得るためには、高いエネルギー密度の入力光を必要とする。このため、非線形光学結晶に光吸収が僅かにある場合でも、これが大きな不均一温度分布を生じる。この温度分布により、その結晶の屈折率などの光学的特性が変化して不均一になり、位相整合条件を乱して、発生する光のモードを劣化させる。一方、本発明の非線形光学素子では、レーザ媒体に関する場合と同じく、長い相互作用長から大きな非線形光学効果が得られ、温度分布などの不均一性がレーザ光に与える影響がその長い光路について平均化される効果があり、良好な横モードの変換光を得ることが容易になる。
また、図２１に示すように、固体レーザ媒体の入射光と出射光が一致する光路配置で、面Ａの入出射部を半透過膜４を付けた球面に変更すれば、モノリシック固体レーザができる。面Ａではなく、面Ｂに球面出力部を設けても、同様にモノリシック固体レーザができる。図２の面Ａと面Ｂの入射部と出射部として新たにスラブの側面に追加した面Ｄあるいは面Ｅに相当する面を、平面、あるいは、球面にして、それぞれ半透過膜と高反射膜をつけた面に変更しても、同様にモノリシック固体レーザができることは明らかである。
図２２、あるいは図２３に示すように、上記した固体レーザ媒体を直列接続して、さらに高いレーザ利得と高出力のレーザ光を得ることができる。図２２、あるいは図２３の構成に、光路が循環するように反射体を追加することにより、容易にリングレーザを構成することができることは明らかである。
図２６に示すように、図２１の面Ｄに相当する面を平面とし、この面にＣｒ4+：ＹＡＧなどの可飽和吸収結晶板１４を拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトにより接合する。結晶板の接合面の反対面を球面にして、出力鏡になるように半透過膜１３を付けることにより、受動型Ｑスイッチ発振のモノリシック固体レーザができる。面Ｄではなく、面Ａまたは面Ｂに図２の面Ｅと同様の結晶板と半透過膜を設けても、同様にＱスイッチ発振ができる。または、図２の面Ａに追加した面Ｄに相当する面を平面にして、同様の結晶板出力部を設け、この結晶板の反対面と面Ｂの追加面に相当する面を、平面、あるいは球面にして、半透過膜か高反射膜を付けても、同様にＱスイッチ発振ができる。逆に結晶板をつける面を、面Ａと面Ｂで入れ替えても、かまわない。
また、図２７に示すように、図２１の面Ｄに相当する面を平面あるいは球面としてレーザ発振器に出力鏡となる半透過膜１３をつける。あるいは、その面Ｄに相当する面を平面として、半透過膜のついた平面反射体または球面反射体を、上記の場合と同様に、拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトにより接合する。このようにして、上記の面Ｄにレーザ発振器の出力鏡を形成する。また、面Ａの反射膜５部分では、反射膜５とレーザ媒体１との間に可飽和吸収結晶板１６を設ける。これは、例えば、高反射膜５のついた可飽和吸収結晶板１６を、上記の場合と同様に、拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトにより接合する。
このような構造のレーザ発振器においても、Ｑスイッチ発振ができる。また、面Ａの代わりに面Ｂに高反射膜のついた可飽和吸収結晶板１６を設けても同様な動作をすることは明らかである。
また、図２８に示すように、図２１の面Ｄに相当する面を平面として、レーザ発振波長で高反射であり第２高調波に光を透過するダイクロイックミラー１８のついた非線形光学結晶板１７を、上記の場合と同様に、拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトにより接合する。このようにして、上記の面Ｄにレーザ発振器の出力鏡を形成する。また、面Ａの反射膜部分では、高反射膜５とレーザ媒体との間に可飽和吸収結晶板１６を設ける。これは、例えば、高反射膜５のついた可飽和吸収結晶板を、上記の場合と同様に、拡散接合法、あるいはオプティカルコンタクトにより接合する。このような構造のレーザ発振器を用いることにより、受動型Ｑスイッチ発振でができ、これにより得られるピーク強度の大きいレーザパルスを得ると同時に、非線形光学結晶板１７により発振波長の高調波を得ることができる。この場合も、面Ａの代わりに面Ｂに相当する面に高反射膜のついた可飽和吸収結晶板を設けても同様な動作をすることは明らかである。
本発明の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体の利点は、第１にレーザ媒体（レーザレーザロッド）の長さよりはるかに長い光路長を素子内に設定できることにある。これにより誘導放出形断面積が小さくても、大きなレーザ利得を有するレーザ媒体が得られる。しかも、レーザ媒体への入出射部以外に無反射膜を必要とせず、入出射時のみこの無反射膜を通過する。外部の反射体を用いた場合のように、光学素子端面の無反射膜の光学損失により上記のレーザ利得が減少する、ということがない。
また、本発明の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学媒体の利点は、その非線形光学素子用の結晶の非線形光学係数が小さい場合でも長い相互作用長を利用して、大きな非線形光学効果が得られることにある。
第２に多重光路を構成する各光路が、空間的に位置と方向を少しずつ変化させながら重複するので、レーザ媒体内の励起分布やレーザ利得分布や屈折率分布や空間ホールバーニングなどのさまざまな不均一性が平均化、もしくは、補償される効果がある。
第３に製造の容易さがある。本発明の素子は、少なくとも３面の光学研磨と２面への光学膜の処理で完成する。また、一般に研磨工程は面の角度精度は容易に到達できるが、高い寸法精度を達成することは難しい。本発明のレーザ媒体は角度精度だけが必要であり、しかも高い精度は要求しない。寸法精度は必要としないので製造が容易である。
本発明の固体レーザ媒体を示す模式図である。 本発明の固体レーザ媒体を示す模式図である。 従来の固体レーザ媒体を示す模式図である。 図１の面Ｃでの反射を展開した光路展開図である。 反射点数ｎに対する数３右辺の値を示した図である。 図１のレーザ媒体の光線追跡図である。 図３のレーザ媒体の光線追跡図である。 スラブ状で平行四辺形型のレーザロッドに入射部と出射部を設け、それ以外の部分に反射膜を施した場合の光線追跡図である。 図８の多重光路を２重化した例を示す図である。 図８の多重光路を２重化した例を示す図である。 図９レーザ媒体の光線追跡図である。 図１０レーザ媒体の光線追跡図である。 入出射部の位置を変更した、本発明の固体レーザ媒体を示す模式図である。 入出射部の位置を変更した、本発明の固体レーザ媒体を示す模式図である。 入出射部の位置を変更した、本発明の固体レーザ媒体を示す模式図である。 本発明のレーザ媒体の望ましい励起面を示す図である。 本発明のレーザ媒体を用いて構成した連続発振レーザの模式図である。 出力ミラーの最適反射率、共振器内光損失、共振器内フルーエンスの計算値のプロットを示す図である。 本発明の非線形光学媒体を用いた第２高調波発生素子を示す模式図である。 非線形結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いた第２高調波発生器の例を示す図である。 本発明の、面Ａに球面出力部を設けた固体レーザ媒体を示す模式図である。 本発明の固体レーザ媒体を直列接続した例を示す模式図である。 本発明の固体レーザ媒体を直列接続した例を示す模式図である。 従来の技術を示す図である。 従来の技術を示す図である。 本発明の固体レーザ媒体と可飽和吸収結晶を用いた受動型Ｑスイッチレーザを示す図である。 本発明の固体レーザ媒体と可飽和吸収結晶を用いた受動型Ｑスイッチレーザを示す図である。 本発明の固体レーザ媒体と可飽和吸収結晶と非線形光学結晶を用いた受動型Ｑスイッチレーザを示す図である。
符号の説明
１ 固体レーザ媒体
２ 入射光
３ 出射光
４ 無反射膜
５ 反射膜
６ ヒートシンク
７ 励起光
８ 無反射膜
９ 励起光源
１０ エンドミラー
１１ 出力ミラー
１２ 球面鏡出力部
１３ 半透過膜
１４ 可飽和吸収結晶板
１５ レンズ
１６ 可飽和吸収結晶板
１７ 非線形光学結晶板
１８ ダイクロイックミラー
２１ 非線形光学素子
２２ 入射光
２３ 出射光
２４ 無反射膜
２５ 高反射膜
２６ マウント
２７ 高調波セパレータ

Claims (14)

  1. ３つの反射面をその側面に設けたスラブ型固体レーザ媒体であって、該固体レーザ媒体における光増幅用の光路は、上記の反射面による多重反射で構成される光路であり、該反射面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃとし、入射光が上記の固体レーザ媒体の内部で最初に反射する面を面Ｃとし、面Ｃで反射された光が次に反射される面を面Ｂとし、残りの面を面Ａとし、また、面Ａ，面Ｂの面Ｃについての反射像である仮想面をそれぞれ面Ａｃ、面Ｂｃとし、また、面Ａと面Ｂあるいはこれらの延長面の交差する角を角Ｃとし、面Ｂと面Ｃあるいはこれらの延長面の交差する角を角Ａとし、面Ｃと面Ａあるいはそれらの延長面の交差する角を角Ｂ、とするとき、
    角Ｃの角度は、角Ａおよび角Ｂの角度よりも大きく、
    上記の固体レーザ媒体の中に形成される光増幅用の光路が、面Ａと面Ｂｃとの間で反射を繰り返す光路を面Ｃで折り返した光路に等価な光路になるように、上記の固体レーザ媒体にレーザ光を入射することにより、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの順序の反射を単位とし、順次、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、(以降、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの繰返し)、と繰り返す多重反射が起こる光路を備えたことを特徴とする３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  2. ３つの反射面をその側面に設けたスラブ型固体レーザ媒体のそれぞれの側面に垂直に交わる面によるレーザ媒体の切断面の外周を周回する様に面Ａ、面Ｂ、面Ｃの長さを定義するとき、
    面Ａのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、あるいは、面Ｂのその長さの半分以下の長さの領域に レーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、上記の面Ａのレーザ光を透過する部分からレーザ光を入射し、上記の面Ｂのレーザ光を透過する部分からレーザ光を出射する構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体 レーザ媒体。
  3. 上記の面Ｃにおける反射は全反射であり、励起光を面Ｃから入射する構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  4. 上記の面Ａ、面Ｂ、あるいは面Ｃには、励起光に対しては、透過膜となる反射防止膜がつけられ、前記の反射防止膜を透過した光で、上記の固体レーザ媒体を励起する構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  5. 上記の角Ａ、角Ｂ、あるいは角Ｃの近くに、上記の面Ａ、面Ｂ、面Ｃとは異なる面Ｄ、あるいは面Ｄと面Ｅを設け、面Ｄまたは面Ｅで切り取られる面Ａあるいは面Ｂの長さはスラブの上下面方向から見て面Ａあるいは面Ｂの半分以下の長さであり、前記面Ｄあるいは面Ｅを通じてレーザ光の入射、出射、あるいは反射を行なう構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  6. 上記の面Ｄあるいは面Ｅは、平面、あるいは球面であり、面Ｄには、レーザ共振器の出力鏡となるようにわずかな透過性のある膜、あるいは面Ｅがエンドミラーとなる高反射膜がつけられた構成を持つことを特徴とする請求項５に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  7. 上記の面Ｄが平面であって、この面にレーザ光の可飽和吸収結晶板が接合され、この結晶板の接合面の反対面は、平面、あるいは球面であり、この面にレーザ共振器の出力鏡となるようにわずかな透過性のある膜、あるいはエンドミラーとなる高反射膜がつけられた構成を持つことを特徴とする請求項５に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  8. ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４、ＫＧＷ、Ａｌ2Ｏ3、ＹＳＧＧ、ＧＳＧＧ，ＬＳＢ、レーザガラスあるいはＬｉＮｂＯ３に固体レーザ活性元素をドーピングした材料で製造したことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた固体レーザ媒体。
  9. ３つの反射面をその側面に設けたスラブ型非線形光学素子であって、該非線形光学素子における非線形光学効果用の光路は、上記の反射面による多重反射で構成される光路であり、該反射面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃとし、入射光が上記の非線形光学素子の内部で最初に反射する面を面Ｃとし、面Ｃで反射された光が次に反射される面を面Ｂとし、残りの面を面Ａとし、また、面Ａ，面Ｂの面Ｃについての反射像である仮想面をそれぞれ面Ａｃ、面Ｂｃとするとき、
    角Ｃの角度は、角Ａおよび角Ｂの角度よりも大きく、
    上記の非線形光学素子の中に形成される非線形光学効果用の光路が、面Ａと面Ｂｃとの間で反射を繰り返す光路を面Ｃで折り返した光路に等価な光路になるように上記の固体レーザ媒体にレーザ光を入射することにより、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの順序の反射を単位とし、順次、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａ、(以降、面Ｃ、面Ｂ、面Ｃ、面Ａの繰返し)、と繰り返す多重反射が起こる光路を備えたことを特徴とする３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子。
  10. ３つの反射面をその側面に設けたスラブ型非線形光学素子のそれぞれの側面に垂直に交わる面によるレーザ媒体の切断面の外周を周回する様に面Ａ、面Ｂ、面Ｃの長さを定義するとき、
    面Ａのその長さの半分以下の長さの領域にレーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、あるいは、面Ｂのその長さの半分以下の長さの領域に レーザ光を透過する部分を設けその残りの領域を反射面とし、上記の面Ａのレーザ光を透過する部分からレーザ光を入射し、上記の面Ｂのレーザ光を透過する部分からレーザ光を出射する構成を持つことを特徴とする請求項９に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線 形光学素子。
  11. 上記の面Ａ、面Ｂ、あるいは面Ｃには、入射レーザ光と波長変換された光の反射膜となる誘電体多層膜がつけられた構成を持つことを特徴とする請求項９に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子。
  12. 上記の角Ａ、角Ｂ、あるいは角Ｃの近くに、上記の面Ａ、面Ｂ、面Ｃとは異なる面Ｄ、あるいは面Ｄと面Ｅを設け、面Ｄまたは面Ｅで切り取られる面Ａあるいは面Ｂの長さは、スラブ型非線形光学素子の、２つの底面を結ぶ方向に直交する方向に沿った長さが面Ａあるいは面Ｂの半分以下の長さであり、前記面Ｄあるいは面Ｅを通じてレーザ光の入射、出射あるいは反射を行なう構成を持つことを特徴とする請求項９に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子。
  13. 上記の面Ｄあるいは面Ｅは、平面、あるいは球面であることを特徴とする請求項１２に記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子。
  14. 上記の非線形光学素子に用いる非線形光学結晶は、結晶のＺ軸を、上記の非線形光学素子内に設けられる光路を含む面に垂直に配置し、上記の非線形光学結晶の温度は位相整合温度に保持する温度調整器で調整される構成を持つことを特徴とする請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載の３つの反射面による多重反射で構成される光路を用いた非線形光学素子。
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