JP4927051B2 - 半導体レーザ光出力装置および固体レーザロッド励起モジュール - Google Patents

Description

この発明は、半導体レーザを用いてレーザ光を出力する半導体レーザ光出力装置、および半導体レーザ光にて固体レーザロッドを光励起し、所望のレーザ光を得る固体レーザロッド励起モジュールに関し、特にアレー半導体レーザやスタック型半導体レーザを用いて高密度にパワーを合成した半導体レーザ光を高効率で得ることができる半導体レーザ光出力装置、および半導体レーザ光により固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる固体レーザロッド励起モジュールに関するものである。

半導体レーザ光出力装置は、半導体レーザから出射されたレーザ光（以下、半導体レーザ光という場合もある）を用いて高密度にパワーを合成した半導体レーザ光を得るものである。特にこの半導体レーザ光出力装置を用いて固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得るためには半導体レーザ光をいかなる方法で集光させるかが半導体レーザ光のエネルギー利用効率に大きく影響を与える。

このような半導体レーザ光出力装置を利用した固体レーザロッド励起モジュールとしては、半導体レーザのレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積したアレー半導体レーザを、スロー軸方向と固体レーザロッドの軸方向とが平行になるように配置（半導体レーザはその特性上レーザ光の近視野像が楕円状であるものが一般的であり、レーザ光の光軸を中心とした直交する２軸においてレーザ光の広がり角が異なる。ここで半導体レーザ光の出射端において出力されるレーザ光の広がり角が小さい方向をスロー軸方向、このスロー軸と直交し出力されたレーザ光の広がり角が大きい方向をファスト軸方向と呼ぶ）することにより高出力化を図る側面励起方式の固体レーザロッド励起モジュールにおいては、半導体レーザ光が固体レーザロッドを単一通過する構成では、固体レーザロッドの断面積が小さいため、固体レーザロッドの高効率な励起ができない。このため、従来、半導体レーザ光を固体レーザロッドを取り囲んで配置された反射筒に導入し、この反射筒内に閉じ込めることで、固体レーザロッドを複数回通過させて固体レーザロッドの高効率な励起を行う方法が用いられている。

この方法では、反射筒内での半導体レーザ光の閉じ込め効率が高いとき、固体レーザロッドの励起の効率が高くなるが、反射筒内での半導体レーザ光の閉じ込め効率を高くするためには、反射筒に設けた半導体レーザ光導入口から半導体レーザ光の逃げを少なくすること、すなわち半導体レーザ光導入口をできるだけ小さくすることが必要となる。

一般に、さらに高出力化を図るために半導体レーザとしてスタック型半導体レーザを用いる。スタック型半導体レーザはレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子を、ファスト軸方向に複数積層して構成されるものである。

また、固体レーザロッドを励起して高ビーム品質のレーザ光を得るためには、固体レーザロッドの励起時に固体レーザロッド内に発生する熱による固体レーザロッド自身の波面収差を低く抑える必要がある。このため、固体レーザロッドに半導体レーザ光をできるだけ均一に照射し、固体レーザロッド内での半導体レーザ光の強度分布を軸対称で均一なものとし、固体レーザロッド内の温度分布を２次の軸対称分布とすることで、固体レーザロッドを波面収差のない理想的なグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとすることが望ましい。

しかし、従来の固体レーザロッド励起モジュールでは、半導体レーザ光導入口から導入された半導体レーザ光が最初に固体レーザロッドに入射する部分、すなわち固体レーザロッドの半導体レーザ光導入口の端面と対向する部分に半導体レーザ光が強度の減衰なく入射するため、固体レーザロッド内での半導体レーザ光による励起によって生じる温度分布が２次の軸対称分布となり難かった。このため、従来の固体レーザロッド励起モジュールにおいて、低ビーム品質のレーザ光として平均パワーが１ｋＷ程度のものが実現されているが、高ビーム品質のレーザ光としては平均パワーが１００Ｗ程度のものしか実現されていなかった。

従来例１．
図１９は例えば、文献１「S.Fujikawa et al., in technical digest of Advanced Solid-State Lasers’97, p296, 1997」に示された従来例１の固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図において、１０１は固体レーザロッド励起モジュール、１０２は固体レーザロッド、１０３は半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブであり、固体レーザロッド１０２と略同軸に固体レーザロッド１０２を取り囲んで配置され、固体レーザロッド１０２を冷却するための冷却液が循環している。１０４は半導体レーザ光を拡散反射する筒状の拡散性反射筒であって、固体レーザロッド１０２と略同軸に固体レーザロッド１０２およびクーリングスリーブ１０３を取り囲んで配置され、半導体レーザ光を反射し閉じ込める効果を持つ。１０５はレーザ光の出射端を固体レーザロッド１０２の軸方向と平行に複数集積して構成された半導体レーザである。図示の例では固体レーザロッド１０２の軸方向がこの半導体レーザ１０５のスロー軸方向に平行になるように配置している。この半導体レーザ１０５のみから半導体レーザ光出力装置が構成されている。１０７は半導体レーザ光導入手段で、拡散性反射筒１０４に設けられ、薄板ガラスから形成されている。

次に動作について説明する。
半導体レーザ１０５から出射されたレーザ光は半導体レーザ光導入手段１０７としての薄板ガラスの上下面で全反射しながら、拡散性反射筒１０４内の固体レーザロッド１０２に向けて導入される。この拡散性反射筒１０４内に導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド１０２に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド１０２を透過した残りの半導体レーザ光は、拡散性反射筒１０４により拡散反射され、拡散性反射筒１０４内で均一に分布する。図１９には、この様子が破線で示す矢印により示されている。均一に分布した半導体レーザ光は固体レーザロッド１０２を均一に照射する。固体レーザロッド１０２内で発生した熱は、クーリングスリーブ１０３内を循環する冷却液により固体レーザロッド１０２の外周から排除される。

この従来例１の固体レーザロッド励起モジュール１０１では、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段１０７の、拡散性反射筒１０４の内面に位置する部分の面積が小さいため、半導体レーザ光導入手段１０７からの半導体レーザ光の逃げが小さく、固体レーザロッド１０２の高効率な励起が行われる。

従来例２．
図２０，図２１は、それぞれ文献２「H. Bruesselbach et al., in technical digest of Advanced Solid-State Lasers'97, P285, 1997」に示された従来例２の半導体レーザ光出力装置、および固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す図であり、図２０は半導体レーザ光出力装置のファスト軸方向に沿った断面図、図２１は図２０に示した半導体レーザ光出力装置を使用した固体レーザロッド励起モジュールの固体レーザロッドの軸方向に垂直な方向に切った断面図である。図において、１１１は固体レーザロッド励起モジュール、１１２は固体レーザロッド、１１３はクーリングスリーブで、半導体レーザ光に対して透明な筒状の形状を有しており、固体レーザロッド１１２と略同軸に固体レーザロッド１１２を取り囲んで配置されている。また、その内部には固体レーザロッド１１２を冷却するための冷却液が循環している。１１４は鏡面反射性反射筒であって、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の形状を有し、固体レーザロッド１１２と略同軸に固体レーザロッド１１２およびクーリングスリーブ１１３を取り囲んで配置されている。

１１７は半導体レーザ光導入手段であって、鏡面反射性反射筒１１４に設けられ、スタック型半導体レーザ１２１、シリンドリカルレンズアレー１２２ａおよび集光レンズレット１２２ｂよりなる半導体レーザ光出力装置から出力された半導体レーザ光を鏡面反射性反射筒１１４内に導入する。鏡面反射性反射筒１１４はクーリングスリーブ１１３の外周面に施された高反射コーティング膜により構成され、半導体レーザ光導入手段１１７はクーリングスリーブ１１３の外周面にスリット状に施された減反射コーティング膜により構成されている。即ち、クーリングスリーブ１１３の外周面は鏡面反射性反射筒１１４としての高反射コーティング膜と、半導体レーザ光導入手段１１７としてのスリット状の減反射コーティング膜とで覆われている。

１２１はレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子を、ファスト軸方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザで、上記スロー軸方向を固体レーザロッド１１２の軸方向と平行に配置している。１２１−１〜１２１−５はスタック型半導体レーザ１２１を構成するバー状素子、１２２はスタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段、１２２−１〜１２２−５はシリンドリカルレンズであって、スタック型半導体レーザ１２１を構成するそれぞれ異なるバー状素子１２１−１〜１２１−５と対向し、対向するバー状素子から略焦点距離だけ離れた位置に配置されており、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化する。１２２ａはシリンドリカルレンズ１２２−１〜１２２−５をバー状素子１２１−１〜１２１−５の積層間隔と同じ間隔でバー状素子１２１−１〜１２１−５の積層方向と平行な方向に集積して構成されたシリンドリカルレンズアレー、１２２ｂは各シリンドリカルレンズ１２２−１〜１２２−５により平行化された半導体レーザ光をバー状素子１２１−１〜１２１−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に集光する集光レンズレットである。これらスタック型半導体レーザ１２１、シリンドリカルレンズアレー１２２ａおよび集光レンズレット１２２ｂより半導体レーザ光出力装置が構成されている。

次に動作について説明する。
各バー状素子１２１−１〜１２１−５から出射されたレーザ光はスロー軸方向に１０°程度の広がり角度を持ち、ファスト軸方向に３０°から５０°程度の広がり角度を持っている。各バー状素子１２１−１〜１２１−５から出射されたレーザ光は対向するシリンドリカルレンズ１２２−１〜１２２−５により、ファスト軸方向の成分が主に平行化される。平行化された半導体レーザ光は、集光レンズレット１２２ｂにより線上に集光される。集光された半導体レーザ光は、集光位置近傍に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４内に導入される。導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド１１２に入射して一部吸収される。固体レーザロッド１１２に吸収されなかった残りの半導体レーザ光は、高反射コーティング膜からなる鏡面反射性反射筒１１４により反射され、再び固体レーザロッド１１２に入射して吸収される。

従来例１の半導体レーザ光出力装置および固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成された半導体レーザ１０５を固体レーザロッド１０２の軸方向と上記スロー軸方向が平行となるように配置した半導体レーザよりなる半導体レーザ光出力装置では、固体レーザロッド１０２の半導体レーザ光導入手段１０７側が固体レーザロッド１０２を高いパワーで励起できず、高出力化には不向きであるという課題があった。

また、薄板ガラスからなる半導体レーザ光導入手段１０７により拡散性反射筒１０４内に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド１０２に入射する。このため、固体レーザロッド１０２の半導体レーザ光導入手段１０７の端面に対向した部分に半導体レーザ光が強度の減衰なく入射するので、固体レーザロッド１０２内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段１０７側で高くなってしまう。このため、固体レーザロッド１０２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一ではなくなり、固体レーザロッド１０２内での半導体レーザ光の吸収による温度分布が２次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド１０２は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。

また、従来例２の半導体レーザ光出力装置および固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、固体レーザロッド励起モジュール１１１は半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４内に導入された半導体レーザ光のうち、図２２に示すように、固体レーザロッド１１２に入射しない半導体レーザ光は、鏡面反射性反射筒１１４で複数回反射しても幾何学的に固体レーザロッド１１２に入射しない。図２２は、この様子が実線で示す矢印により示されている。このため、半導体レーザ光出力装置において固体レーザロッド１１２での半導体レーザ光の高効率な吸収を図るために、集光レンズレット１２２ｂでの集光角度が半導体レーザ光導入手段１１７から固体レーザロッド１１２を見込む角度に収まるように集光レンズレット１２２ｂの焦点距離を調整することが必要となる。その結果、集光レンズレット１２２ｂの焦点距離により一意に決定され、集光レンズレット１２２ｂにより線上に集光された半導体レーザ光の、バー状素子１２１−１〜１２１−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド１１２の軸方向に垂直な方向、ファスト軸方向）の大きさ（以下、半導体レーザ光の集光点の大きさという場合もある）は、集光レンズレット１２２ｂを用いて得られる最小の大きさとならず、半導体レーザ光のエネルギー利用効率が低下するという課題があった。これにより、固体レーザ励起モジュール１１１は半導体レーザ光導入手段１１７の大きさを大きくしなければならなかったので、鏡面反射性反射筒１１４内での半導体レーザ光の閉じ込め効率が低下するという課題があった。

なお、半導体レーザ光の集光点の大きさは、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをｄ１として各シリンドリカルレンズ１２２−１〜１２２−５の焦点距離をｆ１とし、集光レンズレット１２２ｂの焦点距離をｆ２としたとき、ｄ１×ｆ２／ｆ１となるが、実際には、バー状素子１２１−１〜１２１−５の積層間隔のばらつき、シリンドリカルレンズアレー１２２ａを構成するシリンドリカルレンズ１２２−１〜１２２−５のピッチ誤差、バー状素子１２１−１〜１２１−５およびシリンドリカルレンズアレー１２２ａの設置誤差などによりさらに大きくなる。

一方、鏡面反射性反射筒１１４内での半導体レーザ光の閉じ込め効率を上げるため、半導体レーザ光導入手段１１７の大きさを小さくすると、半導体レーザ光の集光点の大きさが、半導体レーザ光導入手段１１７の大きさより大きくなる。このため、鏡面反射性反射筒１１４内に導入される半導体レーザ光の割合が低下し、固体レーザロッド１１２での半導体レーザ光の高効率な吸収を図ることができないという課題があった。また、従来例２の場合、シリンドリカルレンズアレー１２２ａを透過した半導体レーザ光のうち、固体レーザロッド１１２に吸収される半導体レーザ光は２６％と非常に低い値であった。

また、半導体レーザ光導入手段１１７から鏡面反射性反射筒１１４内に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド１１２に入射する。この時、固体レーザロッド１１２の吸収率が高い場合は、固体レーザロッド１１２の半導体レーザ光導入手段１１７端面と対向する部分に入射する半導体レーザ光の強度が、鏡面反射性反射筒１１４により反射された半導体レーザ光の強度よりはるかに高くなり、固体レーザロッド１１２内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段１１７側で高く固体レーザロッド１１２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものではなくなるので、固体レーザロッド１１２内での半導体レーザ光の吸収によって発生する温度分布が２次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド１１２は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。

さらに、上記半導体レーザ光出力装置において使用するスタック型半導体レーザ１２１を、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子１２１−１〜１２１−５を、ファスト軸方向に複数積層して構成し、このスロー軸方向が固体レーザロッド１１２の軸方向と平行になるように配置しているので、出力されたレーザ光が固体レーザロッド１１２の軸方向と垂直な方向（ファスト軸方向）に大きな広がり角度をもつが、軸方向と平行な方向（スロー軸方向）では広がり角度が小さい。このため、固体レーザロッド１１２の軸方向と垂直な方向に入射する半導体レーザ光は拡散するが、軸方向と平行な方向では広がり角度が小さい半導体レーザ光が固体レーザロッド１１２の半導体レーザ光導入手段１１７の端面と対向する部分を集中して励起してしまうという課題があった。

さらに、上記半導体レーザ光出力装置において、集光レンズレット１２２ｂのかわりに非球面レンズなどの他の半導体レーザ光集光手段にてレーザ光を集光させる場合、任意の距離だけ離れた半導体レーザ光のスロー軸方向の大きさによっては、非球面レンズの大きさよりレーザ光が広がってしまい全てのレーザ光が入射されないことがあり、これによって半導体レーザ光のエネルギー利用効率が低下するという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を小型で高効率に得ることができる半導体レーザ光出力装置と、半導体レーザ光を用いて固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光が得ることができる固体レーザロッド励起モジュールとを得ることを目的とする。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドおよびクーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、拡散性反射筒に向けてレーザ光を出力し固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、拡散性反射筒に設けられ、半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して拡散性反射筒の固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光出力装置は、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子であるアレー半導体レーザと、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドおよびクーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、拡散性反射筒に向けてレーザ光を出力し固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、拡散性反射筒に設けられ、半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して拡散性反射筒の固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光出力装置は、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子をファスト軸方向に複数積層して構成したスタック型半導体レーザと、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドおよびクーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、鏡面反射性反射筒に向けてレーザ光を出力し、固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、鏡面反射性反射筒に設けられ、半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して鏡面反射性反射筒の固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光出力装置は、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子であるアレー半導体レーザと、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、アレー半導体レーザから出射されたレーザ光をアレー型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、固体レーザロッドと略同軸に固体レーザロッドおよびクーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、鏡面反射性反射筒に向けてレーザ光を出力し、固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、鏡面反射性反射筒に設けられ、半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して鏡面反射性反射筒の固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光出力装置は、レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子をファスト軸方向に複数積層して構成したスタック型半導体レーザと、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光をスタック型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、第２の半導体レーザ光屈折手段を、屋根型プリズムであり、この屋根型プリズムの稜線は半導体レーザのファスト軸方向に平行な方向とし、屋根型プリズムの稜線に対向する面を半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置したものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、第２の半導体レーザ光屈折手段を、屋根型プリズムの稜線部分を屋根型プリズムの稜線に対向する面に平行な面で切り取った横断面が台形の角柱プリズムであり、この角柱プリズムの屋根型プリズムで仮想した稜線はファスト軸方向に平行な方向とし、角柱プリズムの屋根型プリズムで仮想した稜線に対向する面は半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置したものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光導入手段が拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形状のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられ、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備えたことを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光導入手段は、第１の端面の面積より第２の端面の面積が小さく、且つ、第２の端面の固体レーザロッドの軸方向に垂直な方向の長さを固体レーザロッドの径より大きくしたことを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光導入手段が入射した半導体レーザ光が半導体レーザのファスト軸方向と垂直な方向の端面を反射する回数は高々１回であることを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光導入手段と固体レーザロッドとの間に、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段を備えたことを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光拡散手段は、スリガラス状に表面を荒らした、透明な光学材料から構成されることを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光拡散手段が気泡を内包する透明な発泡性ガラス材料から構成されることを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光拡散手段がクーリングスリーブに形成されることを特徴とするものである。

この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光拡散手段がサファイヤから成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。
また、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。
また、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高出力のレーザ光を得ることができる効果がある。
また、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し、高出力のレーザ光を得ることができる効果がある。
また、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を高効率に得ることができ、さらに装置自体を小型化することができる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光導入手段が拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形状のスラブ導波路と、スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面とスリットとの空隙に設けられ、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備えたので、構成を簡略化することができる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光導入手段は、第１の端面の面積より第２の端面の面積が小さく、且つ、第２の端面の固体レーザロッドの軸方向に垂直な方向の長さを固体レーザロッドの径より大きくしたので、固体レーザロッドを偏った方向からのみ励起することがなく、固体レーザロッドを高効率で励起することができる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光導入手段が入射した半導体レーザ光が半導体レーザのファスト軸方向と垂直な方向の端面を反射する回数は高々１回であることを特徴とするので、半導体レーザ光導入手段のレーザ光の閉じ込め効率を向上させることができ、固体レーザロッドを高効率で励起することができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。

この発明によれば、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。

この発明によれば、構成を簡略化できる効果がある。

この発明によれば、半導体レーザ光拡散手段の機械的強度が高くなる効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）中のＢ部分の拡大図である。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）において、１は固体レーザロッド励起モジュール、２は固体レーザロッド、３はクーリングスリーブであって、半導体レーザ光に対して透明で筒状の形状を有しており、固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２を取り囲んで配置されている。また、内部には固体レーザロッド２を冷却するための冷却液が循環している。４は半導体レーザ光に対して拡散性の筒状の拡散性反射筒であり、固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置されている。５−１〜５−５はスタック型半導体レーザ５を構成するバー状素子である。スタック型半導体レーザ５はレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子を、ファスト軸方向に複数積層して構成されている。また、このスタック型半導体レーザ５は固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向とスロー軸方向が平行で、固体レーザロッド２の軸方向とファスト軸方向が平行になるように配置されている。バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向には１０°程度の広がり角度を持つが、平行な方向では３０°程度の大きな広がり角度を持っている。

６はスタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段である。６−１〜６−５はシリンドリカルレンズであり、スタック型半導体レーザ５を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から、その略焦点距離だけ離れた位置に配置されており、対向するバー状素子からの出射レーザ光を平行化している。６ａはシリンドリカルレンズアレーで、シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により構成されている。６ｂは非球面レンズであり、この非球面レンズ６ｂおよびシリンドリカルレンズアレー６ａから半導体レーザ光集光手段６が構成される。また、スタック型半導体レーザ５および半導体レーザ光集光手段６より半導体レーザ光出力装置５ａが構成される。７は拡散性反射筒４に設けられた半導体レーザ光導入手段であって、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を拡散性反射筒４内の固体レーザロッド２に向けて導入する。８はクーリングスリーブ３の表面に設けられた半導体レーザ光拡散手段であり、半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光を拡散させる。図１（Ａ）において、矢印Ｘは固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向を示し、図１（Ｂ）において、矢印Ｙは固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向を示している。図１（Ｂ）には、冷却液が流れる様子が示されている。

なお、図１には、バー状素子およびシリンドリカルレンズをそれぞれ５個備えている場合が示されているが、５個以上備えている場合もある。また、図１には、スタック型半導体レーザ５、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段７をそれぞれ１個備えている場合について説明したが、固体レーザロッド２の軸方向に同一の構成要素を複数備えている場合もある。

以下、半導体レーザ光出力装置５ａ、半導体レーザ光導入手段７、および半導体レーザ光拡散手段８について詳細に説明した後、固体レーザロッド励起モジュール１の動作について説明する。

１．半導体レーザ光出力装置
（ａ）スタック型半導体レーザ
図示の例では上述のように、スタック型半導体レーザ５はレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子を、ファスト軸方向に複数積層して構成されている。また、このスタック型半導体レーザ５は固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向とスロー軸方向が平行で、固体レーザロッド２の軸方向とファスト軸方向が平行になるように配置されている。バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向には１０°程度の広がり角度を持つが、平行な方向では３０°程度の大きな広がり角度を持っている。

（ｂ）半導体レーザ光集光手段
半導体レーザ光集光手段６は、高出力化を図るために、スタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光を集光するものである。また、半導体レーザ光導入手段７の大きさを小さくすることにより拡散性反射筒４内からの半導体レーザ光の逃げが少なくなるので、全ての半導体レーザ光を入射させるためにも、半導体レーザ光の集光点の大きさを小さくすることが必要である。

実施の形態１では半導体レーザ光集光手段６をシリンドリカルレンズアレー６ａと非球面レンズ６ｂとから構成している。シリンドリカルレンズアレー６ａは、シリンドリカルレンズ６−１〜６−５をバー状素子５−１〜５−５の積層間隔と同じ間隔でバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向、ファスト軸方向）に集積して構成している。各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５を、スタック型半導体レーザ５を構成するそれぞれ異なるバー状素子５−１〜５−５と対向させ、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５の略焦点距離だけ離れた位置に配置している。非球面レンズ６ｂを、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に屈折力を有し、シリンドリカルレンズアレー６ａと半導体レーザ光導入手段７との間であって、半導体レーザ光導入手段７から非球面レンズ６ｂの焦点距離だけ離れた位置に配置している。

このように半導体レーザ光集光手段６を構成した場合、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により、対向するバー状素子から出射されたレーザ光は平行化される。各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に線上に集光される。非球面レンズ６ｂにより線上に集光された半導体レーザ光の、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）の大きさ（すなわち、集光点の大きさ）は、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをｄ２とし、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５の焦点距離をｆ３とし、非球面レンズ６ｂの焦点距離をｆとしたとき、ｄ２×ｆ／ｆ３となり、例えば数μｍと非常に小さい。

この場合、シリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）の幅は、例えば１０〜２０ｍｍと大きく、集光レンズでの集光角度が大きくなるため、球面収差が生じ集光点の大きさが大きくぼやけるが、集光レンズとして非球面レンズ６ｂを用いることにより球面収差が低く抑えられ、集光点の大きさが小さく抑えられている。

また、この場合、バー状素子５−１〜５−５のいずれかが所定の設置位置からずれると、所定の設置位置からずれたバー状素子から出射されたレーザ光が対向するシリンドリカルレンズにより平行化されたとき、平行化された半導体レーザ光に所定の方向からの角度ずれが生じる。例えば、図２には、バー状素子５−１が所定の設置位置からΔｐだけずれ（バー状素子５−１〜５−５の所定の積層間隔がｐであるのに、バー状素子５−１と隣接するバー状素子５−２との間隔がｐ＋Δｐであるとき）、対向するシリンドリカルレンズ６−１により平行化された半導体レーザ光が所定の方向から角度ずれθ（単位：ラジアン）を起こしている場合を示している。このとき、角度ずれθ１が生じている平行化された半導体レーザ光の非球面レンズ６ｂによる集光位置は、所定の集光位置Ｏからバー状素子５−１〜５−ｎの積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）にｆ×θ１（１ｆは非球面レンズ６ｂの焦点距離）だけずれる。

所定の集光位置Ｏからのずれを小さくし、集光点の大きさを小さくするためには、非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆを小さくすればよいが、焦点距離ｆを小さくするに従い、非球面レンズ６ｂの中心位置から離れた位置を通過する半導体レーザ光にコマ収差が生じて集光点の大きさが大きくぼやける。図３はシリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向、ファスト軸方向）の幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆを横軸とし、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に±θの広がり角度を持つシリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光が非球面レンズ６ｂにより線上に集光されたときの集光点の大きさを縦軸として示したグラフ図である。図３に示した値は非球面レンズ６ｂの非球面形状を各焦点距離における集光点の大きさが最小になるように計算した結果である。図３において、曲線ａはコマ収差が生じる場合であり、直線ｂはコマ収差が生じない場合である。図３に示すように、コマ収差が生じない場合には、焦点距離が小さくなると共に、集光点の大きさは小さくなる。一方、コマ収差が生じる場合には幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆが０．７のとき最小となり、０．５より小さくなると極端に大きくなる。従って、幅Ｌで規格化した非球面レンズ６ｂの焦点距離ｆが０．５以上であるとき、すなわち、非球面レンズの焦点距離ｆは０．５×Ｌ以上であるとき、集光点の大きさが小さくなるために望ましい。

なお、図１（Ａ）に示したＡ−Ａ線を回転軸としてシリンドリカルレンズアレー６ａと非球面レンズ６ｂとが平行に配置された所定の設置位置から角度ずれを起こした場合、固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向に所定の間隔だけ離れた２点において、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に、半導体レーザ光の非球面レンズ６ｂによる集光位置のずれが生じ、半導体レーザ光導入手段７に焦点がぼやけて入射されてしまう。例えば、１°の角度ずれが生じた場合、１０ｍｍ離れた２点において、集光位置のずれが１７０μｍとなる。従って、図４に示すように、シリンドリカルレンズアレーと非球面レンズとを一体的に形成した非球面合成レンズ６ｃを用いた場合、角度ずれを０．１°以下に抑えることができ、集光位置のずれが小さくなるために望ましい。

また、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と垂直な方向（スロー軸方向）にも屈折力を有する非球面レンズを用いた場合には、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向に線上に集光されるとともに、垂直な方向にも集光される。従って、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と垂直な方向にも屈折力を有する非球面レンズ６ｂを用いる場合には、半導体レーザ光導入手段７の大きさをより小さくすることで、拡散性反射筒４からの半導体レーザ光の逃げが少なくなるため固体レーザロッド２の高効率な励起をより図ることができるために望ましい。

２．半導体レーザ光導入手段
半導体レーザ光導入手段７は、固体レーザロッド２の高効率な励起を図るために、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を、バー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）の大きさを略保持して拡散性反射筒４内の固体レーザロッド２に向けて導入するものである。

非球面レンズ６ｂにより線上に集光される半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）の大きさ、すなわち固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向の大きさは非球面レンズ６ｂによる集光位置で最小となるが、その前後で発散的に大きくなる。また、拡散性反射筒４を形成する材料として一般的に用いられるセラミックス材料やポリマー材料により拡散性反射筒４を形成する場合には、反射率が拡散性反射筒４の厚さに大きく依存し、例えば、セラミックス材料により、反射率９８％以上の拡散性反射筒４を形成する場合には、拡散性反射筒４の厚さを１０ｍｍ程度にする必要がある。

このため、図５に示すように、半導体レーザ光導入手段７を、拡散性反射筒４に形成されたスリット１１のみで構成する場合には、スリット１１のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向、ファスト軸方向）の大きさを大きくしなければならない。例えば、拡散性反射筒４の厚さが１０ｍｍ、シリンドリカルレンズアレー６ａを通過した半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な幅Ｌが１０ｍｍ、非球面レンズ６ｂの焦点距離が７ｍｍのとき、非球面レンズ６ｂによる集光位置の前後での半導体レーザ光の広がり角度が７０°程度となり、スリット１１両端での半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の大きさは７ｍｍにもなってしまう。従って、拡散性反射筒４内での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下する。これより、半導体レーザ光のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向の集光点における大きさを保持して拡散性反射筒４内に導入する半導体レーザ光導入手段７が必要となる。

図６に示すように、実施の形態１では半導体レーザ光導入手段７を拡散性反射筒４に形成されたスリット１１と、スリット１１内に配置された六面体形のスラブ導波路１２と、スラブ導波路１２の６端面のうち半導体レーザ光が入射する第１の端面１２ａおよび半導体レーザ光が出射する第２の端面１２ｂ以外の４端面とスリット１１との空隙に設けられた、スラブ導波路１２より屈折率の小さい光学接着材から成る接着剤層１３とから構成している。図６（Ｂ）は図６（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

このように半導体レーザ光導入手段７を構成した場合、集光位置Ｏにおいて線上に集光された半導体レーザ光は、第１の端面１２ａからスラブ導波路１２に入射する。スラブ導波路１２に入射した半導体レーザ光は、スラブ導波路１２より屈折率の小さい接着剤層１３とスラブ導波路１２との界面で全反射を繰り返し、第２の端面１２ｂから出射し、拡散性反射筒４内に導入される。

ここで、本発明におけるスタック型半導体レーザ５はレーザ光の出射端を固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向（ファスト軸方向）に複数積層して構成しているので、固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向の半導体レーザ光は大きな広がり角度をもっている。このため、スタック型半導体レーザ５を固体レーザロッド２の軸方向とファスト軸方向が平行で、固体レーザロッド２の軸方向とスロー軸方向が垂直に配置した場合と異なり、固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向から入射する半導体レーザ光の内で、固体レーザロッド２の第２の端面１２ｂに対向した部分へ最初に入射する光量の比率は遙かに小さい。さらに、図６（Ａ）に示すように第２の端面１２ｂの固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向の長さＷを、固体レーザロッド２の径Ｒより大きくなるように構成することによっても、図６（Ａ）の断面平面に平行な方向から固体レーザロッド２に入射する半導体レーザ光の最初に固体レーザロッド２に入射する光量の比率を小さくすることができる。図６には、この様子が矢印により示されている。

スラブ導波路１２の形状としては上記の図６のような直方体形状でもよいが、図７に示すようにスラブ導波路１２の第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積が小さければ、半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド２の高効率な励起を図ることができるため望ましい。この時、上記と同様にスラブ導波路１２の第２の端面１２ｂの固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向の長さＷを固体レーザロッド２の径Ｒより大きくなるように構成すると、第２の端面１２ｂを出射した半導体レーザ光の最初に固体レーザロッド２に入射する光量の比率を小さくすることができる。これにより、固体レーザロッド２の励起強度の不均一な分布を解消することができ、固体レーザロッド２を高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。また、スラブ導波路１２の屈折率をできるだけ大きくして、全反射条件の臨界角をできるだけ小さくすることが望ましい。なお、図７（Ｂ）は図７（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

ただし、第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積を小さくし過ぎると、スラブ導波路１２の端面への半導体レーザ光の入射角度が小さくなり、全反射条件を満たさなくなる恐れがあるため、これを考慮して第１、第２の端面１２ａ，１２ｂの大きさを設定する必要がある。ここで、図８に示すように、スラブ導波路１２において、半導体レーザ光が入射する第１の端面１２aにおけるスロー軸方向の大きさをａ、半導体レーザ光が出射する第２の端面１２ｂにおけるスロー軸方向の大きさをｂ、スロー軸方向およびファスト軸方向に垂直な方向であるスラブ導波路１２の長手軸方向の長さをｃ、第３、第４の端面１２ｃ，１２ｄのスラブ導波路１２の長手軸方向からの傾斜角度をα（＝ｔａｎ［（ａ−ｂ）／２ｃ］とする。スラブ導波路１２に入射する半導体レーザ光において、スポットサイズをｋａ、広がり半角をｉと定義する。半導体レーザ光の光線のスラブ導波路１２内での第３、第４の端面１２ｃ，１２ｄに対する反射回数ｎを仮定すると、各反射における入射角度ｉ_n（ｎ＝１，２，．．．）および各反射光線におけるスラブ導波路１２の長手軸方向との角度β_n（ｎ＝１，２，．．．）には、次の式（１）、式（２）の関係が成り立つ。

ただし、ｎ₁は接着材層１３の屈折率、ｎ₂はスラブ導波路１２の屈折率、γは半導体レーザ光のスラブ導波路１２内への出射角度である。上記式（１）、式（２）から、半導体レーザ光がスラブ導波路１２内で全反射する条件および半導体レーザ光がスラブ導波路１２から全透過する条件におけるスラブ導波路１２内において制限される反射回数の関係が次の式（３）、式（４）のように得られる。

図９に、半導体レーザ光におけるスロー軸方向の広がり角度を１０°とし、ＢＫ７（ｎ₂ ＝１．５１６）あるいはＹＡＧ（ｎ₂ ＝１．８２）によりスラブ導波路１２を形成した場合における、式（３）および式（４）より得られるスラブ導波路１２の長手軸方向からの傾斜角度αとスラブ導波路１２内において制限される反射回数の関係をそれぞれ示す。

図９に示すように、式（３）および式（４）より得られる条件からできるだけスラブ導波路１２の長手軸方向からの傾斜角度αを大きくしてスロー軸方向およびファスト軸方向に垂直な方向であるスラブ導波路１２の長手軸方向の長さｃを短くするためには、スラブ導波路１２内における半導体レーザ光のファスト軸方向と垂直な方向における反射回数は高々１回（つまり、図７中に示したスラブ導波路１２内の第３、第４の端面１２ｃ，１２ｄに対する反射回数を高々１回とする）として、スラブ導波路１２から出射することが必要である。さらに、スラブ導波路１２の屈折率ｎ2 を大きくすることにより、スラブ導波路１２の長手軸方向からの傾斜角度αを大きくすることができるので、スラブ導波路１２の第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積が小さければ、半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド２の高効率な励起を図ることができる。

３．半導体レーザ光拡散手段
拡散性反射筒４内へ入射する半導体レーザ光の内で固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向（ファスト軸方向）の成分は拡散するので、固体レーザロッド２に最初に入射する半導体レーザ光の割合は小さい。一方、固体レーザロッド２の軸方向に垂直な方向（スロー軸方向）の成分の半導体レーザ光は広がり角が小さいので、上述のようにスラブ導波路１２における第１の端面１２ａの面積を第２の端面１２ｂより大きくし、且つ、第２の端面１２ｂの固体レーザロッド２軸方向に垂直な方向の長さＷを固体レーザロッド２の径Ｒより大きくとることによって、固体レーザロッド２に最初に入射する半導体レーザ光の割合を小さくすることができるが、固体レーザロッド２の励起強度の不均一な分布を完全に解消できるものではない。

図１０に拡散性反射筒４内の半導体レーザ光の伝搬を模式的に示す。図のように、半導体レーザ光導入手段７から出射される半導体レーザ光は指向性を有しているため、透明なクーリングスリーブ３を通過して固体レーザロッド２の半導体レーザ光導入手段７側に強い光強度で入射する。この後、固体レーザロッド２で吸収された残りの弱い強度の半導体レーザ光が拡散性反射筒４で拡散反射して指向性を落としつつ、さらに強度を弱くして固体レーザロッド２に再入射する。一旦拡散反射された半導体レーザ光は拡散性反射筒４内に均一に分布するようになり、略円筒状の拡散性反射筒４から固体レーザロッド２に半導体レーザ光を均一に照射するようになる。しかし、この照射光強度は小さいために、固体レーザロッド２内では、半導体レーザ光導入手段７の端面と対向した部分が高い強度分布を示し、均一な分布が得られない。

この問題を回避するためには、半導体レーザ光導入手段７から出射した光が固体レーザロッド２に入射するまでの間に、半導体レーザ光の指向性を落すことが有効である。そこで、図１１に示すように半導体レーザ光導入手段７と固体レーザロッド２との間で半導体レーザ光導入手段７により導入された半導体レーザ光を拡散するために半導体レーザ光拡散手段８を設けた。

半導体レーザ光拡散手段８は、スリガラス状の透明な光学材料を固体レーザロッド２を囲んで配置することにより構成することができるが、実施の形態１ではクーリングスリーブ３の内周面をグランドラフとしてスリガラス状に荒らすことにより、半導体レーザ光拡散手段８を構成している。この場合、グランドラフの表面粗度はクーリングスリーブ３の屈折率にもよるが、半導体レーザ光の波長の数倍から１０倍程度、すなわち数μｍから１０μｍ程度とするのが良い。また、グランドラフとする方法には機械的研磨、化学処理などの方法があるが、クラックなどの発生を抑止できることから化学処理を用いることが望ましい。同じ表面粗度でも、境界の屈折率差が大きい程、拡散性が高くなるため、半導体レーザ光拡散手段８の材料は屈折率の高いものであることが望ましい。クーリングスリーブ３として薄くて機械強度が高いことが望まれるため、半導体レーザ光拡散手段８をクーリングスリーブ３に形成した場合、これをサファイヤにより形成することが適している。

このようにクーリングスリーブ３の内周面に形成された半導体レーザ光拡散手段８によって拡散性反射筒４内に導入された指向性のある高強度の半導体レーザ光が拡散される。図１１には、この様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４内で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射し吸収される。このため、固体レーザロッド２内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものとなり固体レーザロッド２内での温度分布が２次の軸対称分布となり固体レーザロッド２は波面収差を持たないグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。

なお、クーリングスリーブ３を半導体レーザ光拡散手段８とする場合、半導体レーザ光の波長の数倍から１０倍程度、すなわち数μｍから１０μｍ程度の直径の気泡を内包する発砲性ガラスにより構成することもできる。この場合、拡散性はクーリングスリーブ３の内周面をグランドラフとする場合より高い。

次に動作について説明する。
各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化される。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向、ファスト軸方向）に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、第１の端面１２ａからスラブ導波路１２に入射する。スラブ導波路１２に入射した半導体レーザ光はスラブ導波路１２の端面で全反射を繰り返し、第２の端面１２ｂから出射し、拡散性反射筒４内に導入される。

このとき、スタック型半導体レーザ５の各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向（スロー軸方向）に１０°程度の広がり角度を持ち、固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向（ファスト軸方向）に３０°程度の広がり角度を持っている。このため、固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向に入射した半導体レーザ光は拡散し、固体レーザロッド２の半導体レーザ光導入手段７の端面に対向する部分に入射する半導体レーザ光の光量の比率は小さな値となる。また、スラブ導波路１２における第１の端面１２ａの面積を第２の端面１２ｂより大きくし、且つ、第２の端面１２ｂの固体レーザロッド２軸方向に垂直な方向の長さＷを固体レーザロッド２の径Ｒより大きくとることによって、図１（Ａ）に示すように広がり角の小さい固体レーザロッド２の軸方向に垂直な方向に入射した半導体レーザ光の内で、固体レーザロッド２に最初に入射する光量の割合を小さくしている。さらに、図１（Ｃ）に示すように、クーリングスリーブ３の内周面に設けた半導体レーザ光拡散手段８によって、入射した半導体レーザ光は拡散される。上記のようにして半導体レーザ光は拡散性反射筒４内で均一に分布する。

以上のように、この実施の形態１によれば、固体レーザロッド励起モジュール１を、上述した固体レーザロッド２と、クーリングスリーブ３と、拡散性反射筒４と、スタック型半導体レーザ５および半導体レーザ光集光手段６からなる半導体レーザ光出力装置５ａと、半導体レーザ光導入手段７と、半導体レーザ光拡散手段８とで構成したので、固体レーザロッド２を高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。

実施の形態２．
図１２はこの発明の実施の形態２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す図であり、（Ａ）は固体レーザロッド２の軸方向に垂直な方向に切った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ線に沿った断面図、（Ｃ）は（Ａ）中のＣ部分の拡大図である。（Ａ）〜（Ｃ）において、３１は固体レーザロッド励起モジュール、３４は鏡面反射性反射筒であり、固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置されており、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の形状をしている。３７は鏡面反射性反射筒３４に設けた半導体レーザ光導入手段であり、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を鏡面反射性反射筒３４内に導入する。その他の構成要素は図１において同一の符号を付して示したものと同一あるいは同等であるため、その詳細な説明は省略する。図１２（Ａ）において矢印Ｘは固体レーザロッド２の軸方向と垂直な方向（スロー軸方向）を示し、図１２（Ｂ）において矢印Ｙは固体レーザロッド２の軸方向と平行な方向（ファスト軸方向）を示している。図１２（Ｂ）には、冷却液が流れる様子が示されている。

実施の形態２では、鏡面反射性反射筒３４をクーリングスリーブ３の外周面に施した高反射コーティング膜により構成し、半導体レーザ光導入手段３７をクーリングスリーブ３の外周面にスリット状に施した減反射コーティング膜により構成している。この場合、スリット状に施した減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段３７の大きさを非球面レンズ６ｂにより線上に集光される半導体レーザ光の大きさと同じ程度として鏡面反射性反射筒３４内での半導体レーザ光の閉じ込め効率を高くしている。また、クーリングスリーブ３の内周面をスリガラス状に荒らして、半導体レーザ光拡散手段８を構成している。

このように固体レーザロッド励起モジュール３１を構成した場合、半導体レーザ光出力装置５ａ内で各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化される。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ６ｂにより５個のバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（固体レーザロッド２の軸方向に平行な方向、ファスト軸方向）に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、集光位置に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段３７から鏡面反射性反射筒３４内に導入される。鏡面反射性反射筒３４内に導入された半導体レーザ光は、クーリングスリーブ３の内周面で拡散される。図１２（Ｃ）には、半導体レーザ光がクーリングスリーブ３の内周面に形成された半導体レーザ光拡散手段８で拡散される様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒４内で均一に分布され、固体レーザロッド２に入射して吸収される。

以上のように、この実施の形態２によれば、固体レーザロッド励起モジュール３１を、上述した固体レーザロッド２と、クーリングスリーブ３と、鏡面反射性反射筒３４と、スタック型半導体レーザ５および半導体レーザ光集光手段６よりなる半導体レーザ光出力装置５ａと、半導体レーザ光導入手段３７と、半導体レーザ光拡散手段８とで構成したので、固体レーザロッド２を高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。

なお、半導体レーザ光拡散手段８を設けなかった場合には、非球面レンズ６ｂでの集光角度が半導体レーザ光導入手段３７から固体レーザロッド２を見込む角度に収まるように非球面レンズ６ｂの焦点距離を調整することが必要となり、その結果、半導体レーザ光導入手段３７の大きさが大きくなり、鏡面反射性反射筒３４内での半導体レーザ光の閉じ込め効率が低下する。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、スタック型半導体レーザ５、半導体レーザ光集光手段６、半導体レーザ光導入手段３７および半導体レーザ光拡散手段８から構成される半導体レーザ光照射手段を１個用いる系について説明したが、図１３に示すように実施の形態１もしくは実施の形態２で説明した系において、半導体レーザ光照射手段２２を固体レーザロッド２の周囲に複数配置して固体レーザロッド励起モジュール２１を構成したものが実施の形態３である。この実施の形態３によれば固体レーザロッド２内で半導体レーザ光の強度が高くなり、強度分布もより軸対称で均一なものとなるので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。

実施の形態４．
図１４はこの発明の実施の形態４による半導体レーザ光出力装置の構成を示す図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１（Ａ），図１（Ｂ）において、５’はレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子のアレー半導体レーザである。このアレー半導体レーザ５’から出射されたレーザ光は、スロー軸方向には１０°程度の広がり角度を持つが、ファスト軸方向では３０°程度の大きな広がり角度を持っている。

６はアレー半導体レーザ５’から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段である。６−１はシリンドリカルレンズであり、アレー半導体レーザ５’のバー状素子と対向し、対向するバー状素子から、その略焦点距離だけ離れた位置に配置されており、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化している。６ｂはシリンドリカルレンズ６−１により平行化された半導体レーザ光をアレー半導体レーザ５’のファスト軸方向に集光する非球面レンズである。１５はアレー半導体レーザ５’から出射されたレーザ光を屈折する半導体レーザ光屈折手段としての屋根型プリズムであり、屋根型プリズム１５の稜線はファスト軸方向に平行な方向とし、屋根型プリズム１５の稜線に対向する面は半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置して、シリンドリカルレンズ６−１から出射された半導体レーザ光をスロー軸方向に屈折している。

上記半導体レーザ光集光手段６は実施の形態１において説明したものと同様であるので重複する説明を省略する。以下、屋根型プリズム１５について詳細に説明した後、実施の形態４の半導体レーザ光出力装置の動作について説明する。

屋根型プリズム１５は、アレー半導体レーザ５’から出射されたレーザ光を屈折するものである。また、任意の大きさで限られた範囲に、全ての半導体レーザ光のエネルギーを集中させるためには、半導体レーザ光のスロー軸方向の大きさを小さく抑えることが必要である。

屋根型プリズム１５は、シリンドリカルレンズ６−１と非球面レンズ６ｂとの間にあって、屋根型プリズム１５の稜線を含んだカット面が半導体レーザ光の進行方向に対してスロー軸方向に傾いており、半導体レーザ光に対してスロー軸方向に屈折力を与えている。これにより、屋根型プリズム１５に入射した半導体レーザ光はスロー軸方向に屈折されて中心に向けて任意の角度傾いた方向に出射する（図１４中のＡ−Ａ線側に任意の角度に屈折する）。従って、任意の距離だけ離れた位置において広がった半導体レーザ光の進行方向を前もって屈折させ、半導体レーザ光のスロー軸方向の大きさを小さく抑えることができる。

次に動作について説明する。
アレー半導体レーザ５’から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズ６−１により、ファスト軸方向に平行化される。シリンドリカルレンズ６−１を出射した半導体レーザ光は、屋根型プリズム１５によってスロー軸方向に屈折されて出射する。屋根型プリズム１５を出射したレーザ光は、スロー軸方向の大きさを非球面レンズ６ｂのスロー軸方向の大きさより小さくなるように抑えられて非球面レンズ６ｂに入射し、非球面レンズ６ｂによりアレー半導体レーザ５’のファスト軸方向に線上に集光される。その結果、任意の位置から非球面レンズ６ｂの焦点距離だけ離れた位置にて限られた範囲の大きさに全ての半導体レーザ光を出力させて、エネルギー利用効率を高くすることができる。これにより、半導体レーザ光出力装置５ｂ全体の小型化を図ることもできる。

なお、図１４には、屋根型プリズム１５をシリンドリカルレンズ６−１と非球面レンズ６ｂとの間に設置している場合が示されているが、スロー軸方向のレーザ光の広がりを抑えて半導体レーザ光導入手段へレーザ光を入射させることができる配置であれば、上記の配置に限ることなくそれ以外の半導体レーザ光の光軸上の位置に設置してもよい。

以上のように、この実施の形態４によれば、半導体レーザ光出力装置５ｂを、上述したアレー型半導体レーザ５’と、半導体レーザ光集光手段６と、屋根型プリズム（半導体レーザ光屈折手段）１５とで構成したので、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を小型で高効率に得ることができる。

実施の形態５．
図１５はこの発明の実施の形態５による半導体レーザ光出力装置の構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１５（Ａ），図１５（Ｂ）において、５−１〜５−５はスタック型半導体レーザ５を構成するバー状素子である。スタック型半導体レーザ５はレーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成されたバー状素子５−１〜５−５を、ファスト軸方向に複数積層して構成されている。このバー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、スロー軸方向には１０°程度の広がり角度を持つが、ファスト軸方向では３０°程度の大きな広がり角度を持っている。

６はスタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段である。６−１〜６−５はシリンドリカルレンズであり、スタック型半導体レーザ５を構成するそれぞれ異なるバー状素子５−１〜５−５と対向し、対向するバー状素子５−１〜５−５から、その略焦点距離だけ離れた位置に配置されており、対向するバー状素子５−１〜５−５からの出射レーザ光を平行化している。６ａはシリンドリカルレンズアレーで、シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により構成されている。６ｂは各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５により平行化された半導体レーザ光をバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に集光する非球面レンズである。

１５ａはスタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光を屈折する半導体レーザ光屈折手段である角柱プリズムであり、屋根型プリズムの稜線部分を屋根型プリズムの稜線に対向する面に平行な面で切り取った横断面が台形の角柱プリズムである。半導体レーザ光出力装置５ｃ内での配置は、この角柱プリズム１５ａの屋根型プリズムで仮想した稜線をファスト軸方向に平行な方向とし、この屋根型プリズムで仮想した稜線に対向する面をスタック型半導体レーザ５から出力される半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置して、各シリンドリカルレンズ６−１〜６−５から出射された半導体レーザ光をスロー軸方向に一部屈折している。

なお、図１５には、バー状素子５−１〜５−５およびシリンドリカルレンズ６−１〜６−５をそれぞれ５個備えている場合が示されているが、５個以外の複数備えている場合もある。

半導体レーザ光集光装置６については上記実施の形態１と同様であるので重複する説明を省略する。以下、角柱プリズム１５ａについて詳細に説明した後、半導体レーザ光出力装置の動作について説明する。

角柱プリズム１５ａの屋根型プリズムで仮想した稜線を含んだカット面に入射した半導体レーザ光は屈折されて中心（図１５（Ａ）中のＡ−Ａ線）に向けて任意の角度傾いた方向に出射する。従って、任意の距離だけ離れた位置にて広がった半導体レーザ光の進行方向を前もって屈折させ、半導体レーザ光のスロー軸方向の大きさを小さく抑えることができる。

次に動作について説明する。
各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズ６−１〜６−５により、ファスト軸方向に平行化される。シリンドリカルレンズ６−１〜６−５を出射した半導体レーザ光は、角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向に一部屈折されて、スロー軸方向の大きさが非球面レンズ６ｂのスロー軸方向の大きさに抑えられて非球面レンズ６ｂに入射する。この後、非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に線上に集光される。その結果、任意の位置から非球面レンズ６ｂの焦点距離だけ離れた位置にて限られた範囲の大きさに全ての半導体レーザ光を出力させて、エネルギー利用効率を高くすることができる。これにより、半導体レーザ光出力装置５ｃ自体の小型化も図ることができる。

なお、図１５には、角柱プリズム１５ａをシリンドリカルレンズアレー６ａと非球面レンズ６ｂとの間に設置している場合が示されているが、スロー軸方向のレーザ光の広がりを抑えて半導体レーザ光導入手段へレーザ光を入射させることができる位置であれば、上記の配置に限ることなくそれ以外の半導体レーザ光の光軸上の位置に設置してもよい。

なお、実施の形態５では、半導体レーザ光屈折手段を角柱プリズム１５ａとしているが、屋根型プリズム１５においても同様の効果が得られる場合もある。また、実施の形態４では、半導体レーザ光屈折手段を屋根型プリズム１５としているが角柱プリズム１５ａにおいても同様の効果が得られる場合もある。

以上のように、この実施の形態５によれば、半導体レーザ光出力装置５ｃをスタック型半導体レーザ５と、半導体レーザ光集光手段６と、角柱プリズム（半導体レーザ光屈折手段）１５ａとで構成したので、半導体レーザ光を用いて高密度にパワーを合成したレーザ光を小型で高効率に得ることができる。

実施の形態６．
実施の形態６は上記実施の形態５で説明した半導体レーザ光出力装置５ｃを実施の形態１の固体レーザロッド励起モジュールに使用したものである。

図１６はこの発明の実施の形態６による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図において、３００は固体レーザロッド励起モジュール、５ｃは固体レーザロッド励起モジュール３００に使用する半導体レーザ光出力装置、２は軸方向がスタック型半導体レーザ５のファスト軸方向と平行な固体レーザロッドである。なお、この他に図１と同一の符号を付したものは同一構成要素であり重複する説明を省略する。

次に動作について実施の形態１と異なる部分を主に説明する。
スタック型半導体レーザ５から出射されたレーザ光はシリンドリカルレンズアレー６ａによってファスト軸方向に集光され、その後、半導体レーザ光屈折手段である角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向に一部屈折される。これにより、半導体レーザ光のスロー軸方向の大きさが非球面レンズ６ｂのスロー軸方向の大きさ内に抑えられて非球面レンズ６ｂに入射する。非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に線上に集光された半導体レーザ光は半導体レーザ光導入手段７を介して固体レーザロッド２へ照射される。上記実施の形態１では、シリンドリカルレンズアレー６ａを出射したレーザ光のスロー軸方向の大きさが非球面レンズ６ｂのスロー軸方向の大きさ内に納まる位置（シリンドリカルレンズアレー６ａよりの位置）にしか非球面レンズ６ｂを配置することができなかったため、図１（Ｂ）に示すように半導体レーザ光導入手段７は拡散性反射筒４から飛び出すような大きさになることがあるため半導体レーザ光導入手段７のレーザ光閉じ込め効率を上げることができなかったが、この実施の形態６では図１６（Ｂ）に示すように半導体レーザ光導入手段７を拡散性反射筒４から飛び出すことなく設置しても角柱プリズム１５ａによってシリンドリカルレンズアレー６ａを出射した全てのレーザ光を非球面レンズ６ｂに入射することができるので、半導体レーザ光導入手段７のレーザ光閉じ込め効率を向上させることができる。この後の動作は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

以上のように、この実施の形態６によれば、半導体レーザ光が半導体レーザ光集光手段６によってファスト軸方向の広がりが抑えられ、角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向の広がりが抑えられ、任意の距離だけ離れた位置にて高密度にパワーを合成した半導体レーザ光を高効率に得ることができる。特に、角柱プリズム１５ａによってレーザ光のスロー軸方向の広がりが抑えられるので、上記実施の形態１の場合と異なり半導体レーザ光導入手段７のスロー軸方向の大きさを小さくすることができ、半導体レーザ光導入手段７のレーザ光の閉じ込め効率が向上するので、固体レーザロッド２を高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。さらに、半導体レーザ光出力装置５ｃの小型化も可能であるので、ひいては、固体レーザロッド励起モジュール３００全体を小型化することができる。

実施の形態７．
上記実施の形態６では、軸方向をファスト軸方向と平行とした固体レーザロッド、クーリングスリーブ、拡散性反射筒、半導体レーザ光出力装置および半導体レーザ光導入手段から構成される固体レーザロッド励起モジュールについて説明したが、軸方向をスロー軸方向と平行とした固体レーザロッド、クーリングスリーブ、拡散性反射筒、半導体レーザ光出力装置および半導体レーザ光導入手段から固体レーザロッド励起モジュールを構成したものが実施の形態７である。

図１７はこの発明の実施の形態７による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図において、３１０は固体レーザロッド励起モジュール、５ｃは固体レーザロッド励起モジュール３１０に使用する半導体レーザ光出力装置、２は軸方向がスタック型半導体レーザのスロー軸方向と平行な固体レーザロッドである。その他の構成要素は図１において同一の符号を付して示したものと同一あるいは同等であるため、その詳細な説明は省略する。

この実施に形態７によれば、実施の形態１で説明したスラブ導波路１２の第１の端面１２ａの面積より第２の端面１２ｂの面積が小さければ半導体レーザ光導入手段７からの半導体レーザ光の逃げが少なくなり、固体レーザロッド２の高効率な励起を図ることができるので、任意の距離だけ離れた位置にて高密度にパワーを合成したレーザ光を小型で高効率に得ることができる。

実施の形態８．
実施の形態８は上記実施の形態５で説明した半導体レーザ光出力装置５ｃを実施の形態２の固体レーザロッド励起モジュールに使用したものである。

図１８はこの発明の実施の形態８による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図において、３２０は固体レーザロッド励起モジュール、３４は鏡面反射性反射筒であり、固体レーザロッド３２０と略同軸に固体レーザロッド２を取り囲んで配置されており、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の形状をしている。３７は鏡面反射性反射筒３４に設けた半導体レーザ光導入手段であり、半導体レーザ光集光手段６により集光された半導体レーザ光を鏡面反射性反射筒３４内に導入する。その他の構成要素は図１２において同一の符号を付して示したものと同一あるいは同等であるため、その詳細な説明は省略する。

次に動作について説明する。
各バー状素子５−１〜５−５から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズアレー６ａにより、ファスト軸方向に平行化される。シリンドリカルレンズアレー６ａを出射した半導体レーザ光は、角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向に一部屈折されて出射する。角柱プリズム１５ａを出射した半導体レーザ光は、スロー軸方向の大きさを非球面レンズ６ｂのスロー軸方向の大きさに抑えられて非球面レンズ６ｂに入射し、非球面レンズ６ｂによりバー状素子５−１〜５−５の積層方向と平行な方向（ファスト軸方向）に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、スロー軸方向の大きさを半導体レーザ光導入手段３７におけるスロー軸方向の大きさに抑えられ、集光位置に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段３７から鏡面反射性反射筒３４内に導入される。

この実施に形態８によれば、半導体レーザ光が半導体レーザ光集光手段６によってファスト軸方向の広がりが抑えられ、角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向の広がりが抑えられ、任意の距離だけ離れた位置にて高密度にパワーを合成した半導体レーザ光を高効率に得ることができる。これにより、固体レーザロッド２を高パワーで高効率に励起し、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。さらに、半導体レーザ光出力装置５ｃの小型化も可能であるので、ひいては、固体レーザロッド励起モジュール３２０全体を小型化することができる。

なお、上記実施の形態８では、固体レーザロッド２の軸方向をスタック型半導体レーザ５のファスト軸方向と平行な方向とし、クーリングスリーブ３は固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２を取り囲んで配置され、鏡面反射性反射筒３４は、固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置されているが、固体レーザロッド２の軸方向をスタック型半導体レーザ５のスロー軸方向と平行な方向とし、クーリングスリーブ３は固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２を取り囲んで配置され、鏡面反射性反射筒３４は、固体レーザロッド２と略同軸に固体レーザロッド２およびクーリングスリーブ３を取り囲んで配置されていても、同様の効果が得られる。また、上記実施の形態２では鏡面反射性反射筒３４内に半導体レーザ光拡散手段８を設けたが、この実施の形態８では角柱プリズム１５ａによってスロー軸方向のレーザ光の広がりが抑えられるので、非球面レンズ６ｂの集光角度が半導体レーザ光導入手段３７から固体レーザロッド２を見込む角度に収まるように非球面レンズ６ｂの焦点距離を調整する必要がなく、半導体レーザ光拡散手段８を設けなくても半導体レーザ光導入手段３７の大きさを大きくすることがない（図１２（Ａ）と図１８（Ａ）に示すように半導体レーザ光導入手段３７の大きさをこの実施の形態８では格段に小さくすることができる）。これにより、鏡面反射性反射筒３４内での半導体レーザ光の閉じ込め効率を下げることがない。

なお、上記実施の形態６から実施の形態８では半導体レーザ光屈折手段を角柱プリズム１５ａとしているが、屋根型プリズムにおいても同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段の説明に供する断面図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面レンズの説明に供するグラフ図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面合成レンズの構成を示す断面図である。 半導体レーザ光導入手段を、スリットのみで構成した場合の問題点の説明に供する断面図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる別の半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。 半導体レーザ光の光線のスラブ導波路内での反射を説明する説明図である。 半導体レーザ光におけるスロー軸方向の広がり角度を１０°とし、ＢＫ７（ｎ₂＝１．５１６）あるいはＹＡＧ（ｎ₂＝１．８２）によりスラブ導波路を形成した場合における、スラブ導波路の長手軸方向からの傾斜角度αとスラブ導波路内において制限される反射回数の関係を示すグラフ図である。 半導体レーザ光拡散手段を設けなかった場合の問題点の説明に供する断面図である。 この発明の実施の形態１による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光拡散手段の動作の説明に供する断面図である。 この発明の実施の形態２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による半導体レーザ光出力装置の構成を示す図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態５による半導体レーザ光出力装置の構成を示す図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態６による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態７による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態８による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図であり、（Ａ）はスロー軸方向に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 従来例１による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。 従来例２による固体レーザロッド励起モジュールに使用する半導体レーザ光出力装置の構成を示す断面図である。 従来例２による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。 従来例２による固体レーザロッド励起モジュールの問題点の説明に供する断面図である。

符号の説明

１，２１，３１，３００，３１０，３２０ 固体レーザロッド励起モジュール、２ 固体レーザロッド、３ クーリングスリーブ、４ 拡散性反射筒、５ スタック型半導体レーザ、５’ アレー半導体レーザ、５ａ，５ｂ，５ｃ 半導体レーザ光出力装置、５−１〜５−５ バー状素子、６ 半導体レーザ光集光手段、６ａ シリンドリカルレンズアレー、６ｂ 非球面レンズ、６ｃ 非球面合成レンズ、６−１〜６−５ シリンドリカルレンズ、７，３７ 半導体レーザ光導入手段、８ 半導体レーザ光拡散手段、１１ スリット、１２ スラブ導波路、１２ａ 第１の端面、１２ｂ 第２の端面、１２ｃ 第３の端面、１２ｄ 第４の端面、１２ｅ 第５の端面、１２ｆ 第６の端面、１３ 接着材層、１５ 屋根型プリズム（半導体レーザ光屈折手段）、１５ａ 角柱プリズム（半導体レーザ光屈折手段）、２２ 半導体レーザ光照射手段、３４ 鏡面反射性反射筒。

Claims (14)

1. 固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
   上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
   この拡散性反射筒に向けてレーザ光を出力し上記固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、
   上記拡散性反射筒に設けられ、上記半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して上記拡散性反射筒の上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、
   上記半導体レーザ光出力装置は、
   レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子であるアレー半導体レーザと、
   上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって上記第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
2. 固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
   上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
   この拡散性反射筒に向けてレーザ光を出力し上記固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、
   上記拡散性反射筒に設けられ、上記半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して上記拡散性反射筒の上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、
   上記半導体レーザ光出力装置は、
   レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子をファスト軸方向に複数積層して構成したスタック型半導体レーザと、
   上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって上記第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
3. 固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
   上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
   この鏡面反射性反射筒に向けてレーザ光を出力し、上記固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、
   上記鏡面反射性反射筒に設けられ、上記半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して上記鏡面反射性反射筒の上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、
   上記半導体レーザ光出力装置は、
   レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子であるアレー半導体レーザと、
   上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって上記第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記アレー半導体レーザから出射されたレーザ光を上記アレー型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
4. 固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
   上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
   この鏡面反射性反射筒に向けてレーザ光を出力し、上記固体レーザロッドの軸方向と半導体レーザのファスト軸方向とが平行になるように配置した半導体レーザ光出力装置と、
   上記鏡面反射性反射筒に設けられ、上記半導体レーザ出力装置から出射されたレーザ光をファスト軸方向の大きさを略保持して上記鏡面反射性反射筒の上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、
   上記半導体レーザ光出力装置は、
   レーザ光の出射端をスロー軸方向に複数集積して構成したバー状素子をファスト軸方向に複数積層して構成したスタック型半導体レーザと、
   上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのファスト軸方向に屈折する第１の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのスロー軸方向に屈折する第２の半導体レーザ光屈折手段と、
   上記第１の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段であって上記第２の半導体レーザ光屈折手段の前段または後段に設けられ、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を上記スタック型半導体レーザのファスト軸方向に集光すると共にスロー軸方向に集光する半導体レーザ光集光手段とを備えたことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
5. 第２の半導体レーザ光屈折手段は、
   屋根型プリズムであり、この屋根型プリズムの稜線は半導体レーザのファスト軸方向に平行な方向とし、上記屋根型プリズムの稜線に対向する面を半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の半導体レーザ光出力装置。
6. 第２の半導体レーザ光屈折手段は、
   屋根型プリズムの稜線部分を上記屋根型プリズムの稜線に対向する面に平行な面で切り取った横断面が台形の角柱プリズムであり、この角柱プリズムの上記屋根型プリズムで仮想した稜線はファスト軸方向に平行な方向とし、上記角柱プリズムの上記屋根型プリズムで仮想した稜線に対向する面は半導体レーザ光の進行方向に対して略垂直に設置していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の半導体レーザ光出力装置。
7. 半導体レーザ光導入手段は、
   拡散性反射筒に形成されたスリットと、
   上記スリット内に配置された六面体形状のスラブ導波路と、
   上記スラブ導波路の６端面のうちレーザ光が入射する第１の端面およびレーザ光が出射する第２の端面以外の４端面と上記スリットとの空隙に設けられ、上記スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の固体レーザロッド励起モジュール。
8. 半導体レーザ光導入手段は、
   第１の端面の面積より第２の端面の面積が小さく、且つ、上記第２の端面の固体レーザロッドの軸方向に垂直な方向の長さを上記固体レーザロッドの径より大きくしたことを特徴とする請求項７記載の固体レーザロッド励起モジュール。
9. 半導体レーザ光導入手段は、
   入射した半導体レーザ光が半導体レーザのファスト軸方向と垂直な方向の端面を反射する回数は高々１回であることを特徴とする請求項７記載の固体レーザロッド励起モジュール。
10. 半導体レーザ光導入手段と固体レーザロッドとの間に、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の固体レーザロッド励起モジュール。
11. 半導体レーザ光拡散手段は、スリガラス状に表面を荒らした、透明な光学材料から構成されることを特徴とする請求項１０記載の固体レーザロッド励起モジュール。
12. 半導体レーザ光拡散手段は、気泡を内包する透明な発泡性ガラス材料から構成されることを特徴とする請求項１０記載の固体レーザロッド励起モジュール。
13. 半導体レーザ光拡散手段は、クーリングスリーブに形成されることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の固体レーザロッド励起モジュール。
14. 半導体レーザ光拡散手段は、サファイヤから成ることを特徴とする請求項１１記載の固体レーザロッド励起モジュール。

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