1.本发明涉及光振荡器、光振荡器的设计方法和激光装置。
背景技术：2.在本技术领域中，已知有非专利文献1～3所记载的技术。非专利文献1～3所记载的光振荡器是具有构成共振器的一对平面镜、以及配置于一对平面镜之间的陶瓷制的激光介质和陶瓷制的q开关元件的、无源q开关型的微芯片激光器。
3.现有技术文献
4.非专利文献
5.非专利文献1：平等拓范，“基于微域控制的高功率激光材料”，应用物理，2016年，第85卷，第10号，p.863-869
6.非专利文献2：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
7.非专利文献3：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
技术实现要素：8.发明所要解决的技术问题
9.存在利用聚光光学系统(例如透镜)对激光进行聚光，使用聚光位置高的能量的情况。此时，期望聚光位置处的激光中的艾里斑内的能量(以下，也称为“有效能量”)高。激光的能量依赖于激发光的能量。
10.因此，本发明的目的在于提供一种技术，其在对激光进行了聚光的情况下，在聚光位置上，能够实现相对于激发光的能量高的有效能量。
11.解决问题的技术手段
12.本发明的一侧面的光振荡器，包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放上述第1波长的光；第2反射部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，与上述第1反射部一起形成输出具有上述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，随着具有上述第1波长的光的吸收而透过率增加，将上述第2波长的激发光的功率设为p
p
(kw)，将上述环状激光的内径设为di(mm)，将外径设为do(mm)，将do/di设为放大率m时，放大率m满足以下的式(a)：
13.a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1p
p
+b2p
p2
···
(a)
14.其中，
15.a0＝1.421
16.a1＝0.10678
17.b0＝2.8698
18.b1＝0.79408
19.b2＝－0.022536。
20.在上述结构中，由于具有不稳定共振器，因此能够输出脉冲状的上述环状激光。在利用聚光光学系统对环状激光进行了聚光时，将聚光位置处的环状激光的艾里斑(中央部)的能量称为有效能量。上述光振荡器的放大率m满足式(a)。因此，能够实现相对于激发光的能量高的有效能量。
21.也可以为从上述第1反射部观察时，上述第2反射部的大小小于上述第1反射部的大小。
22.本发明的其他侧面的激光装置，包括上述光振荡器和激发光供给部，其输出对上述激光介质供给的上述激发光。在上述结构中，由于具有不稳定共振器，因此能够输出脉冲状的上述环状激光。上述光振荡器的放大率m满足式(a)。因此，能够实现相对于激发光的能量高的有效能量。
23.也可以还包括：聚光光学系统，其对从上述不稳定共振器输出的上述环状激光进行聚光。
24.也可以还包括：非线性光学系统，其对从上述不稳定共振器输出的上述环状激光进行变换。
25.本发明的其他侧面的光振荡器的设计方法，上述光振荡器包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放上述第1波长的光；第2反射部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，与上述第1反射部一起形成输出具有上述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，随着具有上述第1波长的光的吸收而透过率增加，上述光振荡器的设计方法在通过将上述激发光供给到上述激光介质而对从上述不稳定共振器输出的上述环状激光进行了聚光的情况下，将上述环状激光的艾里斑内的能量相对于上述激发光的能量的变换效率设为有效能量变换效率η
eff
(％)，将上述环状激光的内径设为di(mm)，将外径设为do(mm)，将do/di设为放大率m时，获取变换效率分布，上述变换效率分布是上述有效能量变换效率η
eff
相对于上述放大率m的分布，设定放大率m，以使得通过将上述有效能量变换效率η
eff
按上述变换效率分布中的最大有效能量变换效率进行标准化而得的标准化有效能量变换效率为50％以上。
26.通过上述设计方法设定的放大率m能够满足上述的式(a)。因此，在对从如上述那样设计的光振荡器输出的环状激光进行了聚光的情况下，在聚光位置上，能够实现相对于激发光的能量高的有效能量。
27.本发明的光振荡器的其他例子包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放上述第1波长的光；第2反射部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，与上述第1反射部一起形成输出具有上述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于上述激光介质配置于上述第1反射部的相反侧，随着具有上述第1波长的光的吸收而透过率增加，将上述环状激光的内径设为di(mm)，将外径设为do(mm)，将do/di设为放大率m时，放大率m大于2
1/2
。
28.在上述结构中，由于具有不稳定共振器，因此能够输出脉冲状的上述环状激光。上述光振荡器的放大率m大于2
1/2
。因此，能够实现相对于激发光的能量高的有效能量。
29.本发明的激光装置的其他例子包括：作为上述其他例子的光振荡器；和激发光供给部，其输出对上述激光介质供给的上述激发光，在上述激发光的功率为1.5kw以上且12kw以下的情况下，放大率m为1.44以上4.01以下，在上述激发光的功率为3kw以上12kw以下的情况下，放大率m为1.47以上5.1以下，或者，在上述激发光的功率为6kw以上12kw以下的情况下，放大率m为1.50以上6.82以下。
30.发明的效果
31.根据本发明，能够提供可实现高的有效能量的激光装置和光振荡器。
附图说明
32.图1是表示一实施方式的激光装置的概略结构的图。
33.图2是表示从图1所示的激光装置输出的脉冲激光的一个例子的示意图。
34.图3是表示参考实验例中的光束直径的测量结果的图。
35.图4是将参考实验例中的焦点附近处的环形光束(脉冲激光)的光束半径和环形光束的艾里斑的半径绘制而成的坐标图。
36.图5是参考实验例中的焦点位置处的光束图案的图像。
37.图6是表示以图5中所示的白色线为y轴的情况下的y轴方向的强度分布的图。
38.图7是表示数值计算中使用的光振荡器的模型的示意图。
39.图8是表示能量变换效率η和有效能量率e
eff
的放大率依赖性的坐标图。
40.图9是表示有效能量变换效率η
eff
的放大率依赖性的坐标图。
41.图10是表示标准化有效能量变换效率η
eff
的放大率依赖性的坐标图。
42.图11是激光装置的第1应用例的示意图。
43.图12是激光装置的第2应用例的示意图。
44.图13是激光装置的第3应用例的示意图。
45.图14是激光装置的第4应用例的示意图。
46.图15是激光装置的第5应用例的示意图。
47.图16是激光装置的第6应用例的示意图。
48.图17是激光装置的第7应用例的示意图。
49.图18是表示光振荡器的第1变形例的示意图。
50.图19是表示光振荡器的第2变形例的示意图。
51.图20是表示光振荡器的第3变形例的示意图。
52.图21是表示光振荡器的第4变形例的示意图。
53.图22是用于说明第1反射部和第2反射部弯曲的情况下的曲率半径与放大率的关系的图。
具体实施方式
54.以下，参照附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。在附图的说明中，对相同或者等同的要素使用相同的符号，并省略重复的说明。附图的尺寸比率不一定与说明的结
构一致。
55.如图1所示，一实施方式的激光装置1a具有激发光供给部2、光振荡器3a和聚光光学系统4。激光装置1a通过将从激发光供给部2供给的激发光l1入射到光振荡器3a，而输出脉冲激光l2。本实施方式的激光装置1a是无源q开关激光装置。激光装置1a中，将脉冲激光l2进一步由聚光光学系统4聚光。激光装置1a适合用于激光点火、激光诱导击穿分光法、以消融(ablation)为目的的各种激光加工、或者使用激光的手术。在本实施方式中，脉冲激光l2具有第1波长，激发光l1具有第2波长。
56.上述第2波长，例如，如果光振荡器3a所具有的激光介质31为nd：yag，则为波长808nm或波长885nm，如果激光介质31为yb：yag，则为波长940nm或波长968nm。上述第1波长，例如，如果激光介质31为nd：yag，则为波长1064nm，如果激光介质31为yb：yag，则为波长1030nm。
57.激发光供给部2具有能够将激发光l1供给到光振荡器3a的结构。激发光供给部2例如具有光纤21、激光二极管(ld)22和入射光学系统23。激发光供给部2也可以具有多个光纤21的束(bundle)。激发光供给部2也可以是不具有光纤21的结构，即，从ld22经由入射光学系统23对光振荡器3a供给激发光l1的结构。
58.ld22输出激发光l1。激发光l1的功率例如是0.8kw以上。ld22可以被连续波振荡，也可以被准连续波振荡。光纤21的输入端被耦合到ld22。光纤21将从ld22输出的激发光l1输出到入射光学系统23。入射光学系统23将从光纤21输出的激发光l1聚光，并使之入射到光振荡器3a。入射光学系统23例如如图1所例示的那样具有透镜23a和透镜23b。激发光l1例如也可以作为平行光或实质上接近平行光的平缓的聚光光入射到第1反射部33。
59.光振荡器3a具有激光介质31、q开关元件(可饱和吸收部)32、第1反射部33、支撑体34和第2反射部35。第1反射部33、第2反射部35、激光介质31和q开关元件32沿z轴按第1反射部33、激光介质31、q开关元件32和第2反射部35的顺序配置。上述z轴相当于光振荡器3a的光轴。
60.[激光介质]
[0061]
激光介质31在激发状态中形成增幅超过吸收的反转分布，利用感应释放使光增幅。激光介质31也称为增益介质。激光介质31只要是通过被供给具有第2波长的激发光l1而能够释放具有第1波长的光，则能够利用已知的各种激光介质。
[0062]
激光介质31的材料的例子包含从成为发光中心的添加了稀土类离子的氧化物形成的光增益材料、从成为发光中心的添加了过渡金属离子的氧化物形成的光增益材料、从成为色彩中心的氧化物形成的光增益材料等。
[0063]
上述稀土类离子的例子包含ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb。过渡金属离子的例子包含ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu。母体材料的例子包含yag、ysag、ygag、ysgg、ggg、gsgg、luag等的石榴石系、ylf、lisaf、licaf、mgf2、caf2等的氟化系、yvo4、gdvo4、luvo4等的钒酸盐系、fap、sfap、vap、svap等的磷灰石系、al2o3、beal2o3等的氧化铝系、y2o3、sc2o3、lu2o3等的二三氧化物系、kgw、kyw等的钨酸盐系。母体材料可以是单晶也可以是多晶陶瓷材料。母体材料可以是非晶质的各种玻璃。
[0064]
激光介质31的形状的例子包含板状和柱状。在图1所示的实施方式中，激光介质31的中心轴与z轴一致。激光介质31具有第1端面31a和第2端面31b(在z轴方向上第1端面31a
的相反侧的面)。第1端面31a和第2端面31b与z轴正交。沿z轴方向的激光介质31的长度的例子为0.2mm～26mm。
[0065]
从z轴方向观察的激光介质31的形状(俯视形状)的例子包含圆形、矩形或者正方形、多边形。在上述激光介质31的俯视形状为圆形的情况下，直径的例子为1.4mm～100mm。在上述激光介质31的俯视形状为矩形或者正方形的情况下，大致的对角的长度的例子为1.9mm～140mm。
[0066]
以下，将从z轴方向观察某一要素时的该要素的形状如上述那样称为“俯视形状”。
[0067]
q开关元件32是可饱和吸收体，其具有在入射到q开关元件32的第1波长的光的强度增大时吸收能力饱和的特性。q开关元件32的透过率随着具有第2波长的光的吸收而增加。q开关元件32可以与激光介质31同轴地配置。q开关元件32也可以与第2端面31b接合。
[0068]
从z轴方向观察时，q开关元件32的大小，例如，如果是cr：yag且激光介质31为nd：yag，则激光介质31更小。在激光介质31为nd：yvo4或yb：yag时，激光介质31与q开关元件32相比z轴方向的长度更短。q开关元件32的形状的例子包含板状和柱状。q开关元件32具有激光介质31侧的第1端面32a和第2端面32b(在z轴方向上第1端面32a的相反侧的面)。第1端面32a与z轴正交。沿z轴方向的q开关元件32的长度的例子为0.1～10mm。
[0069]
在激光介质31和q开关元件32都为陶瓷制的情况下，激光介质31和q开关元件32可以烧结接合，但优选表面活性化接合。表面活性化接合是将在真空中接合的材料的接合面的氧化膜或者表面附着物通过离子光束照射或者fab(中性原子光束)照射而除去，使构成原子的露出的接合面彼此平坦地接合的方法。上述接合是利用分子间结合的直接接合。若为表面活性接合，则激光介质不限定于陶瓷，不仅可以实现单晶之间的接合、或它们的混合接合，还可以实现实施了激发光反射涂敷等后的接合。通过将激光介质31和q开关元件32接合而形成接合体的情况下，该接合体中的激光介质31与q开关元件32的接合方向的长度(相当于z轴方向的长度)例如比10mm小。
[0070]
在激光介质31的第2端面31b和q开关元件32的第1端面32a的至少一方，也可设置有调整第2端面31b和第1端面32a中的反射特性(例如第2波长的光的反射特性)的涂敷层。在这样的涂敷层设置于第2端面31b和第1端面32a的至少一方的情况下，例如激光介质31和q开关元件32能够经由涂敷层如上述那样被接合。在q开关元件32的第1端面32a和第2端面32b的至少一方，也可设置有相对于第2波长的激发光l1作为hr涂层(coat)发挥功能，相对于第1波长的光作为ar涂层发挥功能的涂敷层。其中，在构成复合共振器的情况下，上述涂敷层也可以是相对于第1波长的光实现部分反射的涂敷层。这样的涂敷层也可以是可饱和吸收部的一部分。即，可饱和吸收部除了可饱和吸收体(图1的q开关元件32)之外，可以具有上述涂敷层，在涂敷层设置于可饱和吸收体的端面的情况下，涂敷层的端面相当于可饱和吸收部的端面。
[0071]
[第1反射部]
[0072]
第1反射部33设置于激光介质31的第1端面31a。第1反射部33透过第2波长的激发光l1，另一方面反射第1波长的光。第1反射部33相对于第2波长的激发光l1的透过率为80％以上(优选为95％以上)，第1反射部33相对于第1波长的光的反射率为90％以上(优选为99％以上)。第1反射部33例如是电介质多层膜。第1反射部33例如是相对于第2波长的激发光l1作为ar涂层发挥功能，相对于第1波长的光作为hr涂层发挥功能的电介质多层膜。在第
1反射部33为电介质多层膜的情况下，第1反射部33能够通过薄膜形成技术形成在第1端面31a。
[0073]
第1反射部33具有第1面33a和第2面33b。第1面33a是供激发光l1入射的面。第2面33b是在z轴方向上与第1面33a相反侧的面。第1面33a和第2面33b是与z轴正交的平面。因此，第1反射部33是具有上述的透过特性和反射特性的平面镜。但是，第1反射部33也可以是具有曲率的镜(弯曲的镜)，例如也可以是凹面镜。
[0074]
[支撑体]
[0075]
支撑体34与q开关元件32分开地配置。支撑体34支撑第2反射部35。支撑体34透过第1波长的光(脉冲激光l2)。支撑体34相对于第1波长的光的透过率为90％以上。支撑体34的材料的例子包含玻璃。在本实施方式中，支撑体34的中心轴与z轴一致。
[0076]
支撑体34的第1面34a(q开关元件32侧的面)向q开关元件32侧弯曲。第1面34a的曲率半径例如与第2反射部35的曲率半径相同。支撑体34的第2面34b(q开关元件32的相反侧的面)例如是平面。支撑体34的例子为平凸透镜。在第1面34a，也可以实施相对于第1波长的光的ar涂层。这样的ar涂层也可以是支撑体34的一部分。在第1面34a上设置有第2反射部35。
[0077]
[第2反射部]
[0078]
第2反射部35反射形成于第1面34a上的第1波长的光。第2反射部35例如是电介质多层膜。第2反射部35的光轴与z轴一致。第2反射部35相对于第1波长的光的反射率为80％以上(优选为99％以上)。第2反射部35例如是相对于第1波长的光作为hr涂层发挥功能的电介质多层膜。在第2反射部35为电介质多层膜的情况下，第2反射部35能够通过薄膜形成技术形成在第1面34a。
[0079]
光振荡器3a如图1所示也可以具有透镜36。透镜36是将脉冲激光l2平行化的透镜。
[0080]
[聚光光学系统]
[0081]
聚光光学系统4是将从光振荡器3a输出的脉冲激光l2聚光的光学系统。在图1所示的方式中，聚光光学系统4是透镜。聚光光学系统4的焦点距离的例子为5mm～500mm。
[0082]
激光装置1a也可以还包括收纳部5。收纳部5例如是壳体。收纳部5收纳入射光学系统23、光振荡器3a和聚光光学系统4。该情况下，例如，光纤21的输出端安装在收纳部5的第1端壁5a(与z轴正交的一对壁部的一个壁部)。在收纳部5的第2端壁5b(沿z轴与第1端壁5a相反的端壁)，形成有开口5c。开口5c被窗部件6封闭。窗部件6是相对于脉冲激光l2透明的部件。
[0083]
进一步说明光振荡器3a。
[0084]
光振荡器3a所具有的第1反射部33和第2反射部35构成不稳定共振器ur。在图1所示的实施方式中，由第1反射部33和第2反射部35形成的不稳定共振器ur的光轴与z轴一致。
[0085]
从z轴方向观察时，第2反射部35的大小小于第1反射部33的大小。再有，第2反射部35朝向第1反射部33侧弯曲。第2反射部35例如与第1面34a同样地弯曲。由于第2反射部35如上述那样弯曲，因此第2反射部35使第2波长的光发散。因此，第1反射部33和第2反射部35形成放大光学系统。
[0086]
从z轴方向观察时，第2反射部35为圆形或多边形，其直径或对角的长度的例子为1mm～20mm。第2反射部35的直径或对角的长度也可以为1mm～3mm。第2反射部35的曲率半径
的例子为10mm～2m。第2反射部35的曲率半径的例子也可以为10mm～100mm。
[0087]
第2反射部35中的最靠近第1反射部33的部分(第2反射部35的顶部)与第1反射部33的第2面33b之间的距离(以下，称为“共振器长度lc”)的例子为大约4mm～50mm。共振器长度lc也可以小于15mm。
[0088]
第1反射部33和第2反射部35构成不稳定共振器ur。因此，从具有q开关元件32的光振荡器3a，如图2所示，输出环形(doughnut)状(环形模式)的脉冲激光l2(环状激光)。对这一点具体地进行说明。
[0089]
当来自激发光供给部2的激发光l1入射到第1反射部33的第1面33a时，激发光l1透过第1反射部33而被供给到激光介质31。由此，激光介质31被激发，第1波长的光被释放。从激光介质31释放的第1波长的光被第2反射部35向第1反射部33侧反射。第1反射部33反射第1波长的光。由此，第1波长的光多次通过激光介质31。由于第1波长的光通过激光介质31时的感应释放而使第1波长的光被增幅，通过q开关元件32的作用作为脉冲激光l2被输出。
[0090]
由于第2反射部35向第1反射部33侧弯曲，因此在第2反射部35被反射的第2波长的光发散。因此，从z轴方向观察时，从第2反射部35的外侧输出脉冲激光l2。其结果，脉冲激光l2的形状(强度分布)为如图2所示的环形形状(环状)。即，激光装置1a能够输出环形状的脉冲激光l2。
[0091]
将脉冲激光l2的内径设为di，将脉冲激光l2的外径设为do，将放大率m用do/di定义。
[0092]
上述激光装置1a中，当对光振荡器3a输入激发光l1时，输出环形状的脉冲激光l2。激光装置1a具有聚光光学系统4。因此，脉冲激光l2被聚光光学系统4聚光。
[0093]
此处，参照参考实验例，对具有不稳定共振器的激光装置的特性进行说明。以下，在参考实验例的说明中将环形状的脉冲激光称为环形光束(doughnutbeam)。
[0094]
在参考实验例中，除了不具有收纳部5和窗部件6这一点以外，使用与图1所示的激光装置1a同样的激光装置。
[0095]
在参考实验例中，使用耦合了光纤21的ld22，利用入射光学系统23，使激发光l1入射到第1反射部33。入射光学系统23是使用透镜23a和透镜23b的望远镜。ld22的激发方法、激发光l1的波长和输出功率如下所述。
[0096]
·
激发方法：准连续波激发
[0097]
·
激发光l1的波长：808nm
[0098]
·
激发光l1的输出功率：700w
[0099]
激光介质31中，使用nd：yag陶瓷(nd
3+
的添加量：1.1at.％)。q开关元件32中，使用cr
4+
：yag陶瓷。q开关元件32的初始透过率为30％。激光介质31和q开关元件32被接合。激光介质31和q开关元件32的接合体的z轴方向的长度为7mm，上述接合体的体积为6
×6×
7mm3。在激光介质31和q开关元件32的接合体的两端面(即，激光介质31的第1端面31a和q开关元件32的第2端面32b)，实施了相对于波长1064nm和波长808nm的各个的光的ar涂层。
[0100]
第1反射部33使用反射波长1064nm的光，透过波长808nm的光的平面镜。支撑体34使用第1面34a的曲率半径为52mm的平凸透镜。在支撑体34的第1面34a的中央部，作为第2反射部35，部分涂敷了相对于波长1064nm的光作为hr涂层发挥功能的电介质多层膜。在第1面34a中的第2反射部35以外的区域实施了ar涂层。从z轴方向观察时，第2反射部35的形状为
直径2mm的圆形。共振器长度lc为10mm。
[0101]
在上述结构中，不稳定共振器中的放大率m相当于2
1/2
。
[0102]
作为用于将环形光束(脉冲激光l2)平行化的透镜36，使用凸透镜。作为聚光光学系统4使用透镜(焦点距离：300mm)。
[0103]
在参考实验例中，测量了脉冲激光l2的脉冲能量和脉冲宽度。脉冲能量使用集电元件(pyroelectric energy sensor)(ophir optronics solutions ltd.制)进行了测量。脉冲宽度使用上升时间(rise time)为30ps的光电探测器和13ghz示波器进行了测量。脉冲能量和脉冲宽度在不使用聚光光学系统4的状态下进行了测量。通过测量得到的脉冲能量在10hz的反复频率下为13.2mj，脉冲宽度在半值全宽处为476ps。
[0104]
在参考实验例中，测量了聚光光学系统4的聚光位置附近的光束品质(m2)。光束品质的测量中，使用依据iso11146的光束品质测量器(beam quality m
2 tool)(cinogy technologies制)和解析软件(rayci)。
[0105]
光束品质(m2)如下述那样获取。在沿环形光束的传播方向的聚光位置的前后处的多个位置测量了光束直径。根据该测量结果，计算m2。光束直径的测量结果如图3所示。图3中的横轴表示测量了光束直径的位置(position)(mm)，纵轴表示环形光束的半径(beam radius)。在图3中，示出了相对于上述z轴设定的三维坐标系的x轴方向和y轴方向的环形光束的半径。图3中的四方形的标记是x轴方向的光束的半径，黑圆的标记是y轴方向的光束的半径。环形光束理论上是正圆，但实际上稍微具有椭圆形状。上述x轴对应于椭圆的长轴方向，y轴对应于椭圆的短轴方向。图3中也示出了各测量位置处的光束图案。如图3所示，焦点位置处的远场图案是艾里斑和艾里图案。
[0106]
根据图3计算的m2相对于x轴方向为6.8，相对于y轴方向为5.3。参考实验例中的m2的数值是基于二次矩的光束直径的值。再有，也计算了基于光电力的86.5％的光束直径的m
2pc
。x轴方向和y轴方向的m
2pc
分别为6.5和5.2。此处，利用下述式定义x轴方向和y轴方向的m2的平均m
2ave
。
[0107]
[数1]
[0108][0109]
该情况下，相对于x轴方向和y轴方向计算出的m2的平均m
2ave
为6。同样地，相对于x轴方向和y轴方向计算出的m
2pc
的平均m
2ave
为5.8。
[0110]
图4是将焦点附近处的环形光束的光束半径和环形光束的艾里斑的半径绘制而成的坐标图。环形光束的光束半径是图3所示的x轴方向和y轴方向的半径的平均值。图4中的曲线α1表示相对于环形光束的光束半径的测量结果的拟合曲线。图4中的曲线α2表示相对于艾里斑半径的测量结果的拟合曲线。再有，图4中的曲线α3表示用同样的透镜对高斯光束进行了聚光时的高斯光束半径。
[0111]
根据图4所示的结果，艾里斑的半径为环形光束的光束半径的大约0.2倍。此处，将艾里斑的宽度和光束品质设为w
airy
和m
2airy
，将环形光束的宽度和光束品质设为wd和m
2d
。该情况下，以下的关系成立。
[0112]
[数2]
[0113][0114]
如上所述，m
2d
为6，w
airy
/wd为大约0.2。因此，环形光束整体的光束品质m2为6，另一方面，在艾里斑中，得到大约1.2的光束品质。换言之，在艾里斑中，得到接近高斯模式的光束品质。
[0115]
再有，根据图4，当着眼于相当于环形光束的艾里斑的区域时，能够实现长的瑞利长度(在图4中，为高斯光束的大约4倍)。
[0116]
图5是焦点位置处的光束图案的图像。根据图5也能够理解到在焦点位置处形成有艾里斑和艾里图案。
[0117]
图6是表示以图5中所示的白色线(在图6中沿纵向延伸的白色线)为y轴时的y轴方向的强度分布的图。在图6中，图5的中心部处的沿y轴方向的截面的强度(实验结果)用白圆绘制。图中的横轴表示y轴方向上的位置，纵轴表示标准化强度。艾里斑和艾里图案的二次矩光束直径(2wy)为0.29mm。在图6中，用实线表示具有相同光束直径(0.29mm)的高斯分布，并且用虚线表示直径为0.2wy的高斯分布。此外，宽度wy是相对于位置0为正(或负)的区域的宽度。图6所示的长度da相当于艾里斑直径。
[0118]
平面波通过圆形开口透镜时由于衍射而产生艾里斑图案。因此，利用表示将平面波用圆形开口透镜进行了聚光时的光的聚光位置(焦点位置)处的强度分布的式(1)(例如，参照b.lu,et al.,“the beam quality of annular lasers and related problems,”j.mod.opt.48,1171(2001))，对环形光束的强度分布进行了拟合。
[0119]
[数3]
[0120][0121]
式(1)中的m是b/a。对式(1)中的m进行定义的b是圆形开口透镜的外半径(outer radius)，a是圆形开口的内半径(inner radius)。f是圆形开口透镜的焦点距离。r是焦点位置处的艾里斑的半径方向的位置。i(0，f)是焦点面中的峰强度。i(0，f)由s2/(λ2f2)表示。s是圆形开口透镜的开口面积。s由πa2(m2－1)表示。j1是一次贝塞尔函数。k(＝2π/λ)是波数。
[0122]
在图6所示的拟合曲线中，m、2b和f如以下所述。
[0123]
m＝1.48
[0124]
2b＝7.5mm
[0125]
f＝315mm
[0126]
参考实验中的不稳定共振器的放大率m为2
1/2
。因此，相较于基于上述式(1)的拟合结果，将式(1)中的m视为不稳定共振器的放大率(换言之，视为di＝2a，do＝2b)，由此能够基于式(1)计算环形光束(脉冲激光l2)的焦点位置处的艾里斑的强度分布。
[0127]
返回图1，对激光装置1a进一步进行说明。
[0128]
在本实施方式中，将激发光l1的功率(以下，称为“激发功率”)设为p
p
(kw)时，放大率m满足以下的式(2a)。换言之，以放大率m满足式(2a)的方式，设计不稳定共振器ur(具体而言，第1反射部33和第2反射部35)。
[0129]
a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1p
p
+b2p
p2
···
(2a)
[0130]
其中，在式(2a)中，a0、a1、b0、b1和b2如下所述。
[0131]
a0＝1.421
[0132]
a1＝0.10678
[0133]
b0＝2.8698
[0134]
b1＝0.79408
[0135]
b2＝－0.022536
[0136]
放大率m也可以满足以下的式(2b)。换言之，也可以以放大率m满足式(2b)的方式，设计不稳定共振器ur(具体而言，第1反射部33和第2反射部35)。
[0137]
a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1p
p
+b2p
p2
···
(2b)
[0138]
其中，在式(2b)中，a0、a1、b0、b1和b2如下所述。
[0139]
a0＝1.613
[0140]
a1＝0.16827
[0141]
b0＝2.6961
[0142]
b1＝0.71522
[0143]
b2＝－0.023234
[0144]
放大率m也可以满足以下的式(2c)。换言之，也可以以放大率m满足式(2c)的方式，设计不稳定共振器ur(具体而言，第1反射部33和第2反射部35)。
[0145]
a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1p
p
+b2p
p2
···
(2c)
[0146]
其中，在式(2c)中，a0、a1、b0和b1如下所述。
[0147]
a0＝1.886
[0148]
a1＝0.28888
[0149]
b0＝2.6771
[0150]
b1＝0.51375
[0151]
b2＝－0.021411
[0152]
放大率m也可以满足以下的式(2d)。换言之，也可以以放大率m满足式(2d)的方式，设计不稳定共振器ur(具体而言，第1反射部33和第2反射部35)。
[0153]
a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1log(p
p
)
···
(2d)
[0154]
其中，在式(2d)中，a0、a1、b0和b1如下所述。
[0155]
a0＝1.9308
[0156]
a1＝0.37083
[0157]
b0＝2.9116
[0158]
b1＝2.3422
[0159]
具体而言，放大率m比2
1/2
大。放大率m例如为10以下。放大率可以为7以下，也可以为6以下、5以下或4以下。
[0160]
[激发功率p
p
为1.5kw以上12kw以下(或者，3kw以下或6kw以下)的情况(尤其是1.5kw的情况)]
[0161]
放大率m可以为1.44以上4.01以下。
[0162]
放大率m可以为1.64以上3.72以下。
[0163]
放大率m可以为1.93以上3.40以下。
[0164]
放大率m可以为1.99以上3.32以下。
[0165]
[激发功率p
p
为3kw以上12kw以下(或6kw以下)的情况(尤其是3kw的情况)]
[0166]
放大率m可以为1.47以上5.1以下。
[0167]
放大率m可以为1.69以上4.64以下。
[0168]
放大率m可以为2.02以上4.03以下。
[0169]
放大率m可以为2.10以上4.03以下。
[0170]
[激发功率p
p
为6kw以上12kw以下的情况(尤其是6kw的情况)]
[0171]
放大率m可以为1.50以上6.82以下。
[0172]
放大率m可以为1.74以上6.20以下。
[0173]
放大率m可以为2.11以上4.99以下。
[0174]
放大率m可以为2.22以上4.74以下。
[0175]
[激发功率p
p
为12kw的情况]
[0176]
放大率m可以为1.53以上9.16以下。
[0177]
放大率m可以为1.79以上7.94以下。
[0178]
放大率m可以为2.19以上5.76以下。
[0179]
放大率m可以为2.33以上5.44以下。
[0180]
上述激光装置1a中，当对光振荡器3a输入激发光l1时，环形状的脉冲激光l2被输出。激光装置1a具有聚光光学系统4。因此，脉冲激光l2被聚光光学系统4聚光。
[0181]
将在聚光光学系统4的聚光位置(焦点位置)处作为艾里斑包含于脉冲激光l2的中心的能量称为“有效能量”。上述激光装置1a中，放大率m满足式(2)。因此，能够实现相对于激发光l1的能量高的有效能量。因此，在将激光聚光而使用的激光应用领域中，激光装置1a和光振荡器3a是有效的。
[0182]
艾里斑的大小小于脉冲激光l2的大小。由于能够在该艾里斑的区域实现高的有效能量，因此也能够实现例如微小加工、微小的区域中的手术等。在聚光位置上，脉冲激光l2的能量由于艾里斑而较多地包含，此外由于相当于瑞利长度的焦点深度也变长，因此能够期望稳定的击穿(breakdown)。
[0183]
接下来，参照数值计算结果，说明能够实现相对于激发光l1的能量高的有效能量的情况。
[0184]
图7是表示数值计算中使用的光振荡器的模型的示意图。如图7所示，作为数值计算模型的光振荡器具有第1反射部33、激光介质31、q开关元件32和第2反射部35。在数值计算中，假定了将激发光l1输入至光振荡器，输出放大率m(＝do/di)的脉冲激光l2的情况。
[0185]
对激发光l1的形状和尺寸、第2反射部35的直径和反射率如下述那样进行了假定。
[0186]
·
激发光l1的形状(从z轴方向观察的形状)：圆形
[0187]
·
激发光l1的尺寸(直径)：设为输出的脉冲激光l2的直径do。
[0188]
·
第2反射部35的直径di：1mm
[0189]
·
第2反射部35的反射率(或耦合效率)：1/m2[0190]
此外，激光介质31的有效模式面积(ag)和q开关元件32的有效模式面积(a
sa
)设定为相同。
[0191]
在数值计算中，在对所输出的脉冲激光l2用透镜进行了聚光的情况下，计算了有
效能量e
airy disk
相对于激发光l1的能量e
pump
的比例(以下称为“有效能量变换效率η
eff”)。有效能量e
airy disk
如上所述是脉冲激光l2的聚光位置处的艾里斑内的能量。
[0192]
使用以下的式(3)和式(4)(例如，参照下述的参考文献1～3)以用于上述计算。由式(4)表示的e
pulse
是脉冲激光l2的能量。
[0193]
[数4]
[0194][0195]
[数5]
[0196][0197]
其中，式(3)和式(4)中的n
gi
是式(5)表示的激光介质31的初始反转分布密度(initial population inversion density of gain medium)。
[0198]
[数6]
[0199][0200]
式(3)至式(5)中的各参数如以下所述。
[0201]
t0：q开关元件的初始透过率
[0202]
r：相当于第2反射部35的衍射损失的反射率
[0203]
l：不稳定共振器ur中的往返损失
[0204]
σg(m2)：感应释放截面积
[0205]
lg(mm)：激光介质31的长度
[0206]ag
(＝π(do/2)2)：激光介质31中的模式面积
[0207]
γg：激光介质31的反转分布减少因子
[0208]ngf
：激光介质31的最终反转分布
[0209]
p
p
：激发光l1的峰功率
[0210]
τg(ms)：上准位寿命
[0211]wp
：激发率
[0212]
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).
[0213]
参考文献2：h sakai,h kan,t taira,“1mw peak powersingle-mode high-brightness passively q-switched nd
3+
:yag microchiplaser optics express；vol.16,issue 24,pp.19891-19899,(2008).
[0214]
参考文献3：a.kausas and t.taira,“giant-pulse nd:yvo4microchip laserwithmw-level peak power by emission cross-sectional control,”opt.express 24(4),3137－3149(2016).
[0215]
在数值计算中，将t0、r、l、σg、lg(mm)、γg、τg设为以下的值。
[0216]
t0＝0.3
[0217]
r＝0.5
[0218]
l＝0.06
[0219]
σg＝2.63
×
10
―23
(m2)
[0220]
lg＝4mm，
[0221]
γg＝2
[0222]
τg＝0.23ms
[0223]
在数值计算过程中依次计算了n
gf
。此外，w
p
由激发功率pp及其激发面积决定。
[0224]
另外，基于根据式(1)计算的强度分布，计算了艾里斑内的能量e
airy disk
。使用式(1)的情况下，将式(1)中的m设为放大率m。具体而言，将式(1)中的a设为di/2，将式(1)中的b设为do/2。
[0225]
将脉冲激光l2的能量e
pulse
相对于激发光l1的能量e
pump
的比例称为能量变换效率η。
[0226]
将脉冲激光l2的能量e
pulse
中的有效能量e
airy disk
的比例称为有效能量率e
eff
。
[0227]
将脉冲激光l2的能量e
pulse
相对于激发光l1的能量e
pump
的比例称为有效能量变换效率η
eff
。
[0228]
能量变换效率η、有效能量率e
eff
和有效能量变换效率η
eff
分别由下式表示。
[0229]
[数7]
[0230][0231][0232][0233]
在激发功率pp为1.5kw、3kw、6kw和12kw的各情况下，对于各种放大率m，计算了上述能量变换效率η、有效能量率e
eff
和有效能量变换效率η
eff
。放大率m通过固定di(相当于脉冲激光l2的内径)并使do(相当于脉冲激光l2的外径)变化来进行了调整。计算结果如图8和图9。
[0234]
图8是表示能量变换效率η和有效能量率e
eff
的放大率依赖性的坐标图。图8的横轴表示放大率。在图8中右侧的纵轴表示能量变换效率η，左侧的纵轴表示能量变换效率η。图9是表示有效能量变换效率η
eff
的放大率依赖性(变换效率分布)的坐标图。图9的横轴表示放大率。图9的纵轴表示有效能量变换效率η
eff
。图9如根据式(6c)理解的那样，是图8所示的有效能量率e
eff
与能量变换效率η之积。
[0235]
另外，计算了将图9所示的有效能量变换效率η
eff
的放大率依赖性按有效能量变换效率η
eff
的最大有效能量变换效率(最大值)进行了标准化的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。相对于各激发光l1的激发功率p
p
的有效能量变换效率η
eff
的放大率依赖性，计算了标准化有效能量变换效率η
n_eff
。其结果如图10所示。图10的横轴是放大率m，纵轴是标准化有效能量变换效率η
n_ef
。
[0236]
图10中的阴影区域表示标准化有效能量变换效率η
n_eff
为50％以上的区域。相对于该阴影区域的放大率m与激发功率p
p
的关系由式(2a)表示。
[0237]
因此，放大率m满足式(2a)的情况下，能够得到50％以上的标准化有效能量变换效
率η
n_eff
。即，能够将激发光l1的能量高效地变换为有效能量。其结果，能够实现高的有效能量。
[0238]
表示标准化有效能量变换效率η
n_eff
为63.21％以上的区域的式为式(2b)。因此，放大率m满足式(2b)的情况下，能够得到63.21％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。即，能够将激发光l1的能量更高效地变换为有效能量。其结果，能够实现更高的有效能量。
[0239]
表示标准化有效能量变换效率η
n_eff
为86.47％以上的区域的式为式(2c)。因此，放大率m满足式(2c)的情况下，能够得到86.47％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。即，能够将激发光l1的能量更高效地变换为有效能量。其结果，能够实现更高的有效能量。
[0240]
表示标准化有效能量变换效率η
n_eff
为90％以上的区域的式为式(2d)。因此，放大率m满足式(2d)的情况下，能够得到90％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。即，能够将激发光l1的能量更高效地变换为有效能量。其结果，能够实现更高的有效能量。
[0241]
根据图10，也能够理解以下的点。
[0242]
[激发功率p
p
为1.5kw以上12kw以下(或者，3kw以下或6kw以下)的情况(尤其是1.5kw的情况)]
[0243]
当放大率m为1.44以上4.01以下时，能够实现50％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0244]
当放大率m为1.64以上3.72以下时，能够实现63.21％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0245]
当放大率m为1.93以上3.40以下时，能够实现86.47％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0246]
当放大率m为1.99以上3.32以下时，能够实现90％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0247]
根据图10，也能够理解以下的点。
[0248]
[激发功率p
p
为3kw以上12kw以下(或6kw以下)的情况(尤其是3kw的情况)]
[0249]
当放大率m为1.47以上5.1以下时，能够实现50％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0250]
当放大率m为1.69以上4.64以下时，能够实现63.21％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0251]
当放大率m为2.02以上4.03以下时，能够实现86.47％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0252]
当放大率m为2.10以上4.03以下时，能够实现90％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0253]
根据图10，也能够理解以下的点。
[0254]
[激发功率p
p
为6kw以上12kw以下的情况(尤其是6kw的情况)]
[0255]
当放大率m为1.50以上6.82以下时，能够实现50％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0256]
当放大率m为1.74以上6.20以下时，能够实现63.21％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0257]
当放大率m为2.11以上4.99以下时，能够实现86.47％以上的标准化有效能量变换
效率η
n_eff
。
[0258]
当放大率m为2.22以上4.74以下时，能够实现90％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0259]
根据图10，也能够理解以下的点。
[0260]
[激发功率p
p
为12kw的情况]
[0261]
当放大率m为1.53以上9.16以下时，能够实现50％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0262]
当放大率m为1.79以上7.94以下时，能够实现63.21％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0263]
当放大率m为2.19以上5.76以下时，能够实现86.47％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0264]
当放大率m为2.33以上5.44以下时，能够实现90％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
。
[0265]
设计激光装置1a所具有的光振荡器3a的情况下，例如，能够为如下那样的设计方法。
[0266]
首先，通过与上述数值计算同样的方法，计算标准化有效能量变换效率η
n_eff
。以标准化有效能量变换效率为50％以上的方式，设定放大率m。决定第1反射部和第2反射部的形状和大小，以实现这样设定的放大率m。由此，能够设计可实现激光装置1a的光振荡器3a，其结果，能够设计可实现50％以上的标准化有效能量变换效率η
n_eff
的激光装置1a。
[0267]
接下来，说明使用本实施方式中公开的激光装置的各种应用例。
[0268]
图11是激光装置的第1应用例的示意图。图11是将激光装置1a用于汽车、废热发电等中的内燃机100的激光点火的例子。该情况下，以从激光装置1a输出的脉冲激光l2的聚光位置在内燃机100的燃烧室101内的方式，将激光装置1a安装于内燃机。激光装置1a如上所述具有高的有效能量，因此能够高效地进行激光点火。
[0269]
图12是激光装置的第2应用例的示意图。图12是将激光装置1a用于喷气发动机200的激光点火的例子。该情况下，以从激光装置1a输出的脉冲激光l2的聚光位置在喷气发动机200的燃烧室201内的方式，将激光装置1a安装于喷气发动机200。激光装置1a如上所述具有高的有效能量，因此能够高效地进行激光点火。
[0270]
图13是激光装置的第3应用例的示意图。在图13中，示出了在打标和微小加工等的激光加工中用于激光装置1a的情况。在图13所示的例子中，激光装置1a(具体而言，收纳部5)安装于机械人臂300。通过操作机械人臂300，对加工对象物301的加工位置照射脉冲激光l2。因此，能够实施上述的打标和微小加工等的激光加工。激光装置1a具有相对于激发光l1的能量高的有效能量，因此能够高效地进行激光加工。此外，有效能量为艾里斑中的能量，因此也能够进行微小加工。
[0271]
图14是第4应用例的示意图。图14中，示出了对加工对象物302进行激光喷丸处理和激光成型处理等的激光加工的情况。图11所示的例子，除了激光喷丸处理和激光成型处理等中使用的液体喷射部303安装于收纳部5这一点以外，实质上与图13所示的第3应用例相同。在图14所示的例子中，一边对加工对象物302的加工位置从液体喷射部303供给液体304(例如水)，一边对加工位置照射脉冲激光l2，由此实施上述的激光喷丸处理和激光成型
处理等。激光装置1a具有相对于激发光l1的能量高的有效能量，因此能够高效地进行激光喷丸处理和激光成型处理等。此外，有效能量为艾里斑中的能量，因此也能够进行微小加工。
[0272]
图15是第5应用例的示意图。在图15中，使用作为激光装置的变形例的激光装置1b。在图15中，示出了将激光装置1b应用于试样400的激光诱导击穿(libs)分光法的情况的例子。将从激光装置1b照射而在试样400产生的发光称为检查光l3。
[0273]
激光装置1b具有激发光供给部2、光振荡器3a和聚光光学系统4。激发光供给部2、光振荡器3a和聚光光学系统4与激光装置1a的情况相同，因此省略说明。在第5应用例中，聚光光学系统4例如是透镜。激光装置1b具有激发光供给部2、光振荡器3a和聚光光学系统4，因此与激光装置1a同样地，能够输出脉冲激光l2。激光装置1a以脉冲激光l2的聚光位置位于试样400的检查区域的方式相对于试样400配置。
[0274]
为了分析通过脉冲激光l2的照射而产生的来自试样400的光(以下，称为“检查光”)，将分光器401经由光纤402安装于激光装置1b。激光装置1b还具有光分支滤波器7、反射部8和收纳部5b。
[0275]
光分支滤波器7配置于透镜36与聚光光学系统4之间。光分支滤波器7透过脉冲激光l2，另一方面反射来自试样400的检查光l3、即被聚光光学系统4聚光的检查光l3。光分支滤波器7例如是波长选择滤波器。
[0276]
反射部8将被光分支滤波器7反射的光以使之入射到安装于收纳部5b的光纤402的一端的方式反射。
[0277]
收纳部5b收纳激发光供给部2所具有的入射光学系统23、光振荡器3a、聚光光学系统4、光分支滤波器7和反射部8。在收纳部5b的第1端壁5a安装有光纤21，在第3端壁5d安装有光纤402。再有，在收纳部5b的第2端壁5b，形成有用于输出脉冲激光l2的开口5c。开口5c被聚光光学系统4封闭。由此，与激光装置1a的情况同样地，脉冲激光l2能够从收纳部5b输出。
[0278]
从激光装置1b输出的脉冲激光l2被照射到配置于脉冲激光l2的聚光位置的检查区域。由此，在检查区域中产生激光诱导击穿，其结果，发生等离子体发光。通过等离子体发光产生的检查光l3再次入射到聚光光学系统4，被光分支滤波器7向反射部8侧反射。这样被反射的检查光l3被反射部8反射，入射到光纤21。光纤21与分光器401连接，因此能够用分光器401将检查光l3分光。
[0279]
激光装置1b能够输出与激光装置1a同样的脉冲激光l2。聚光位置处的脉冲激光l2具有相对于激发光l1的能量高的有效能量。因此，能够高效地产生激光诱导击穿。
[0280]
图16是第6应用例的示意图。在图16中，使用作为激光装置的变形例的激光装置1c。激光装置1c的结构除了不具有窗部件6这一点和用聚光光学系统4封闭开口5c这一点以外，与激光装置1a的结构相同。因此，激光装置1c输出与激光装置1a同样的脉冲激光l2。
[0281]
在图16中，示出了将激光装置1c应用于光声成像的情况的例子。具体而言，将激光装置1c照射于生物体组织等的检查对象500。此时，激光装置1c以在检查对象500内的检查区域将脉冲激光l2聚光的方式相对于检查对象500配置。
[0282]
当对检查区域照射脉冲激光l2时，检查区域热膨胀。通过该热膨胀而产生超声波us。利用检测器501(例如，高灵敏度微小振动检测器)检测该超声波us。
[0283]
聚光位置处的脉冲激光l2具有相对于激发光l1的能量高的有效能量。因此，能够高效地产生热膨胀和随之而来的超声波us。
[0284]
图17是第7应用例的示意图。在图17中，使用作为激光装置1a的变形例的激光装置1d。激光装置1d主要在还包括激光操作部10这一点上与激光装置1a的结构不同。以该不同点为中心对激光装置1d进行说明。在图17中，示出了将激光装置1d应用于眼600的手术(例如青光眼、白内障等手术)的例子。
[0285]
激光装置1d具有激发光供给部2、光振荡器3a、聚光光学系统4、收纳部5和激光操作部10。激发光供给部2、光振荡器3a和聚光光学系统4与激光装置1a的情况相同，因此省略说明。
[0286]
收纳部5收纳激发光供给部所具有的入射光学系统23和光振荡器3a。收纳部5除了不收纳聚光光学系统4这一点以外，与第6应用例的收纳部相同。收纳部5的开口5c被透镜36封闭。
[0287]
激光操作部10具有光传播光学系统11、扫描部12和聚光光学系统4。光传播光学系统11是使脉冲激光l2朝向作为治疗对象的眼600传播的光学系统。光传播光学系统11例如能够由多个透镜、镜等构成。扫描部12和聚光光学系统4的一部分也作为光传播光学系统的一部分发挥功能。扫描部12是为了治疗而使脉冲激光l2进行扫描的部分，例如，具有镜和扫描镜的驱动部。聚光光学系统4与激光装置1a的情况同样地，对脉冲激光l2进行聚光。
[0288]
激光装置1d具有光振荡器3a。因此，输出与激光装置1a所具有的光振荡器3a同样的脉冲激光l2。激光操作部10具有聚光光学系统4，对脉冲激光l2进行聚光。因此，激光装置1d具有与激光装置1a同样的作用效果。因此，聚光位置处的脉冲激光l2具有相对于激发光l1的能量高的有效能量。因此，能够高效地治疗眼600。
[0289]
以上说明的各种方式是本发明的例示。本发明不限定于例示的各种方式，其意图在于包含由权利要求书给出的范围并且包含与权利要求书的范围等同的含义和范围内的所有变更。
[0290]
图18是表示光振荡器的第1变形例的示意图。如图18所示的光振荡器3b那样，第1反射部33也可以与激光介质31分离。该情况下，例如，第1反射部33由相对于激发光l1透明的支撑体37a支撑即可。
[0291]
图19是表示光振荡器的第2变形例的示意图。如图19所示的光振荡器3c那样，在第1反射部33弯曲这一点上，与图18所示的光振荡器3a不同。该情况下，例如，第1反射部33被相对于激发光l1是透明的，且支撑第1反射部33的支撑面弯曲的支撑体37b支撑即可。如果得到环形状的脉冲激光l2，则第1反射部33的弯曲方向也可以是图19所示的方向的相反侧。
[0292]
图20是表示光振荡器的第3变形例的示意图。如图20所示的光振荡器3d那样，第2反射部35也可以设置于q开关元件32的第2端面32b。该情况下，第2端面32b以第2反射部35弯曲为所希望的形状的方式弯曲即可。
[0293]
图21是表示光振荡器的第4变形例的示意图。图21所示的光振荡器3e在第1反射部33弯曲这一点上，与图20所示的光振荡器3d不同。该情况下，激光介质31的第1端面31a以第1反射部33弯曲成所希望的形状的方式弯曲即可。如果得到环形状的脉冲激光l2，则第1反射部33的弯曲方向也可以是图21所示的方向的相反侧。
[0294]
如图22所示，第1反射部33和第2反射部35弯曲的情况下，第1反射部33和第2反射
部35也可以是具有能够由下式表示的r1和r2的反射部。r1是第1反射部33的曲率半径，r2是第2反射部35的曲率半径。
[0295]
r1＝－2lc/(m－1)
[0296]
r2＝2mlc/(m－1)
[0297]
在上述r1和r2的式中，m是利用图2说明的放大率m(＝do/di)，lc是利用图1说明的共振器长度lc。
[0298]
放大率m中的di对应于第2反射部35的大小(直径等)，do对应于输出的脉冲激光(环形光束)的直径。因此，激光装置能够被设计成使用上述r1和r2的式，得到具有所希望的放大率m的环形状的脉冲激光。
[0299]
作为q开关元件例示的可饱和吸收体与激光介质也可以分离。从光振荡器的光轴方向观察时，可饱和吸收体的大小也可以大于第2反射部且小于激光介质。
[0300]
激光装置还包括用于对从不稳定共振器输出的环状激光(例如上述实施方式的上述环形光束状的脉冲激光l2)进行变换的双折射相位匹配(bpm,birefringent phase matching)、准相位匹配(qpm，quasi phase matching)或组合了该两者的非线性光学系统(例如非线性光学元件)。该情况下，例如，从波长1μm的基波(激光振荡波长依赖于成为发光中心的添加元素)向高频或和频、进一步包含参数化过程或差频的它们的组合所得到的可见区域、紫外线区域等的短波长的变换、进一步从参数化过程或差频、进一步包含高频或和频的它们的组合中的中红外区域向太赫兹波的变换，也能够高效地进行，因此对加工及测量是有效的。此外，上述非线性光学系统(例如非线性光学元件)对包含利用光谱的啁啾的脉冲的压缩、伸长的脉冲成形也是有用的。
[0301]
以上说明的各种实施方式、变形例等在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当组合。
[0302]
符号的说明
[0303]
1a、1b、1c、1d
…
激光装置、2
…
激发光供给部、3a、3b、3c、3d、3e
…
光振荡器、4
…
聚光光学系统、31
…
激光介质、32
…
q开关元件、33
…
第1反射部、34
…
支撑体、35
…
第2反射部、36
…
透镜、l1
…
激发光、l2
…
脉冲激光(环状激光)、ur
…
不稳定共振器。
技术特征：1.一种光振荡器，其中，包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与所述第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放所述第1波长的光；第2反射部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，与所述第1反射部一起形成输出具有所述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，随着具有所述第1波长的光的吸收而透过率增加，将所述激发光的功率设为p
p
，将所述环状激光的内径设为d
i
，将外径设为d
o
，将d
o
/d
i
设为放大率m时，放大率m满足以下的式(1)：a0+a1log(p
p
)≤m≤b0+b1p
p
+b2p
p2
···
(1)其中，a0＝1.421a1＝0.10678b0＝2.8698b1＝0.79408b2＝－0.022536，p
p
的单位为kw，d
i
的单位为mm，d
o
的单位为mm。2.根据权利要求1所述的光振荡器，其中，从所述第1反射部观察，所述第2反射部的大小小于所述第1反射部的大小。3.一种激光装置，其中，包括：权利要求1或2所述的光振荡器；和激发光供给部，其输出对所述激光介质供给的所述激发光。4.根据权利要求3所述的激光装置，其中，还包括：聚光光学系统，其对从所述不稳定共振器输出的所述环状激光进行聚光。5.一种光振荡器的设计方法，其中，所述光振荡器包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与所述第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放所述第1波长的光；第2反射部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，与所述第1反射部一起形成输出具有所述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，随着具有所述第1波长的光的吸收而透过率增加，所述光振荡器的设计方法在通过将所述激发光供给到所述激光介质而对从所述不稳定共振器输出的所述环状激光进行了聚光的情况下，将所述环状激光的艾里斑内的能量相对于所述激发光的能量的变换效率设为有效能量变换效率η
eff
，将所述环状激光的内径设为d
i
，将外径设为d
o
，将d
o
/d
i
设为放大率m时，获取变换效率分布，所述变换效率分布是所述有效能量变换效率η
eff
相对于所述放大率m的分布，设定放大率m，以使得通过将所述有效能量变换效率η
eff
按所述变换效率分布中的最大
有效能量变换效率进行标准化而得到的标准化有效能量变换效率为50％以上，其中，η
eff
的单位为％，d
i
的单位为mm，d
o
的单位为mm。6.一种光振荡器，其中，包括：第1反射部，其反射具有第1波长的光；激光介质，其被与所述第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放所述第1波长的光；第2反射部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，与所述第1反射部一起形成输出具有所述第1波长的环状激光的不稳定共振器；和可饱和吸收部，其相对于所述激光介质配置于所述第1反射部的相反侧，随着具有所述第1波长的光的吸收而透过率增加，将所述环状激光的内径设为d
i
，将外径设为d
o
，将d
o
/d
i
设为放大率m时，放大率m大于2
1/2
，其中，d
i
的单位为mm，d
o
的单位为mm。7.一种激光装置，其中，包括：权利要求6所述的光振荡器；和激发光供给部，其输出对所述激光介质供给的所述激发光，在所述激发光的功率为1.5kw以上且12kw以下的情况下，放大率m为1.44以上4.01以下，在所述激发光的功率为3kw以上12kw以下的情况下，放大率m为1.47以上5.1以下，或者，在所述激发光的功率为6kw以上12kw以下的情况下，放大率m为1.50以上6.82以下。8.根据权利要求3所述的激光装置，其中，还包括：非线性光学系统，其用于对从所述不稳定共振器输出的所述环状激光进行变换。
技术总结一实施方式的光振荡器包括：反射第1波长的光的第1反射部；被与第1波长不同的第2波长的激发光激发而释放第1波长的光的激光介质；第2反射部，其与第1反射部一起形成输出第1波长的环状激光的不稳定共振器；以及可饱和吸收部，其配置于激光介质与第2反射部之间，伴随第1波长的光的吸收而透过率增加，将激发光的功率设为P
技术研发人员：平等拓范 林桓弘
受保护的技术使用者：大学共同利用机关法人自然科学研究机构
技术研发日：2021.03.12
技术公布日：2022/11/1
