加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置
【課題】 簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置を提供すること。
【解決手段】内部にアルカリ金属蒸気Ｇを封入したアルカリ封入セルは、第１及び第２の加熱部材１１、１２を備える。アルカリ封入セル１０は、互いに対向する第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ、並びに両端面１０ａ、１０ｂを連結する側面１０ｃを有する。第１及び第２の加熱部材１１、１２はそれぞれ、被覆部１１Ｂ、１２Ｂ及び延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する。被覆部１１Ｂ、１２Ｂの内部には、アルカリ封入セル１０の一部が挿入されている。一方、延設部１１Ｃ、１２Ｃは、アルカリ封入セル１０から離れる方向に向かって伸びている。第１及び第２の加熱部材１１、１２は、第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。
【解決手段】内部にアルカリ金属蒸気Ｇを封入したアルカリ封入セルは、第１及び第２の加熱部材１１、１２を備える。アルカリ封入セル１０は、互いに対向する第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ、並びに両端面１０ａ、１０ｂを連結する側面１０ｃを有する。第１及び第２の加熱部材１１、１２はそれぞれ、被覆部１１Ｂ、１２Ｂ及び延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する。被覆部１１Ｂ、１２Ｂの内部には、アルカリ封入セル１０の一部が挿入されている。一方、延設部１１Ｃ、１２Ｃは、アルカリ封入セル１０から離れる方向に向かって伸びている。第１及び第２の加熱部材１１、１２は、第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光による溶接や切断などのレーザ加工分野において、高効率で、小型で、且つ安価な高出力、高ビーム品質なレーザが要求されている。そこで、例えば半導体レーザダイオードアレイをスタックして得られる高出力なレーザ光をレンズ等で集光して利用することが知られている。あるいは、例えば半導体レーザによって励起する固体レーザからの高出力レーザ光を利用することも知られている。
【０００３】
しかし、半導体レーザダイオードアレイから出力されるレーザ光は、そのスペクトル幅が広がってしまい、またビーム品質も従来のランプ励起Nd:YAGレーザ及びＣＯ２レーザの何れと比較しても劣るという問題を有している。また、固体レーザでは、レーザ媒質が固体であるため熱あるいは熱の不均一性に起因して、屈折率分布が生じてしまう、あるいは媒質に歪みが生じてしまう等といった問題を発生してしまう。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するために、アルカリ金属蒸気レーザ（以下、単にアルカリレーザという）が検討されている（例えば、特許文献１、非特許文献１〜４を参照）。アルカリレーザでは、アルカリ金属とバッファガスとを封入したアルカリ封入セルを加熱部材で昇温してセル内にアルカリ金属蒸気を発生させ、これをレーザ媒質とする。アルカリ蒸気レーザは、固体レーザと比較して媒質における熱の発生が少ないため、熱に起因する問題を抑制することができる。
【特許文献１】米国特許第６６４３３１１号明細書
【非特許文献１】W. F. Klupke et al., Optics Letters, Vol.28, 2336 (2003)
【非特許文献２】W. F. Klupke et al., Proc. SPIE, 5448 (2004)
【非特許文献３】R. J. Beach et al., Advanced Solid-State Photonics WC4 (2004)
【非特許文献４】R. J. Beach et al., J. Opt. Soc. Am B 21, 2151 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１〜４に記載のアルカリレーザでは、アルカリ封入セルを加熱し内部に封入されたアルカリ金属を昇温するために、アルカリ封入セル全体を覆うオーブンを用意する、あるいはアルカリ金属を貯えておくリザーバーをアルカリ封入セルに対して設置するといったことが必要となる。そのため、装置の構成が非常に複雑になってしまっていた。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ところで、本願発明者は、アルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置について鋭意研究を重ねたところ、以下のような事実を見出すに至った。すなわち、アルカリ金属が封入されたセルの励起光が入射する端面及びレーザ光が出射する端面にアルカリ金属が析出してしまった場合、析出したアルカリ金属は励起光を直接吸収してしまう。これにより、端面は加熱され、破損してしまうおそれがあるという新たな事実を見出した。そこで、本願発明者は、簡便な構成であって、しかも端面にアルカリ金属が析出することが抑制されたアルカリ封入セルについて鋭意研究を重ね、本願発明に想到した。
【０００８】
このような研究結果を踏まえ、本発明によるアルカリレーザ装置用セルは、内部にアルカリ金属蒸気を封入したアルカリ封入セルを加熱する第１及び第２の加熱部材を備えた加熱部材付きアルカリ封入セルであって、アルカリ封入セルは、互いに対向し且つアルカリ金属蒸気を励起する励起光及び励起されたアルカリ金属蒸気から出力されるレーザ光を透過する第１及び第２の端面と、当該両端面を連結する側面とを有し、第１及び第２の加熱部材にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間が形成され、第１の加熱部材は、その一部の貫通空間内にアルカリ封入セルの第１の端面側の一部が挿入され、残りが第１の端面に対し第２の端面とは反対側に向かって伸びるように配置され、第２の加熱部材は、第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で第１の加熱部材とは離間しているとともに、当該第２の加熱部材の一部の貫通空間内にアルカリ封入セルの第２の端面側の一部が挿入され、残りが第２の端面に対し第１の端面とは反対側に向かって伸びるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の加熱部材付きアルカリ封入セルは、貫通空間が形成された加熱部材に対し、当該貫通空間の一部にセルの一部を挿入しただけの構成である。したがって、簡便な構成でアルカリ封入セルを加熱することが可能である。また、上記の加熱部材付きアルカリ封入セルでは、第１及び第２の加熱部材はそれぞれアルカリ封入セルの一部のみを貫通空間内に挿入させ、且つ、セルの第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で離間して配置されている。そのため、セルは端面から離れた部分に、加熱部材に覆われていない部分を有する。したがって、加熱部材に覆われていない部分の温度が端面での温度よりも低くなるようセルに加える熱を容易に制御することができ、上記のアルカリ封入セルでは端面にアルカリ金属が析出することを抑制することが可能となる。また、各加熱部材は、内部の貫通空間にアルカリ封入セルを挿入しておらず且つアルカリ封入セルの端面から離れるように伸びる部分を有する。各端面には、これらの部分から発せられる熱がさらに加えられるため、端面にアルカリ金属が析出することをより一層効果的に抑制することが可能となる。
【００１０】
また、熱伝導性及び弾性を有し、貫通空間を画成する各加熱部材の内壁とアルカリ封入セルの側面との間隙に嵌め込まれるスペーサを一対さらに備えることが好ましい。アルカリ封入セルと加熱部材との間隙に嵌め込まれるスペーサは弾性を有するため、セル、スペーサ、及び加熱部材の間での密着性が向上する。こうして熱伝導性を有するスペーサにより三者間での密着性を高めることで、加熱部材によって効率良くアルカリ封入セルを加熱することが可能となる。
【００１１】
アルカリ封入セルの各端面に対して熱を加える一対の端面加熱部材をさらに備えることが好ましい。この場合、端面において、より一層均一な温度分布が可能となる。
【００１２】
第１及び第２の端面は何れも円形であり、第１の加熱部材の残りの貫通空間が伸びる方向における長さは、第１の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であり、第２の加熱部材の残りの貫通空間が伸びる方向における長さは、第２の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。この場合、アルカリ封入セルのアルカリ金属蒸気に照射する励起光を加熱部材が遮ることが抑制され、各端面を全面に渡って好適に加熱することが可能となる。
【００１３】
また、本発明によるアルカリレーザ装置は、アルカリ封入セル内にアルカリ金属蒸気が封入された上記の加熱部材付きアルカリ封入セルを共振光路上に有する共振器と、アルカリ金属蒸気に照射する励起光を出力する励起光出力装置と、備えることを特徴とする。
【００１４】
上記の加熱部材付きアルカリ封入セルでは、簡便な構成でアルカリ封入セルを加熱することが可能である。また、アルカリレーザ装置は、アルカリ金属蒸気をレーザ媒質とするため、固体レーザに比べて熱の発生が少なく、熱に起因する問題の発生を抑制することができる。したがって、上記アルカリレーザ装置では、熱による問題の発生を抑制しつつ、高出力で小型のレーザ装置を実現することが可能となる。
【００１５】
この場合、励起光出力装置は、半導体レーザからなる光源と、光源から出力された光を集光する集光光学系と、集光光学系で集光された光を回転させる回転光学系と、回転光学系によって回転された光の波長スペクトルの幅を狭くするボリュームブラッググレーティングと、を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１〜図３を参照して、本実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル１０の構成を説明する。図１は、実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セルの斜視図である。図２は、実施形態に係るアルカリ封入セルの斜視図である。図３は、図１の加熱部材付きアルカリ封入セルのIII-III矢印断面図である。
【００１９】
アルカリ封入セル１０は、その内部にアルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等）及びバッファガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ等）Ｂを所定の圧力で封入している。アルカリ封入セル１０には、当該セル１０を加熱する第１及び第２の加熱部材１１、１２、並びにアルカリ封入セル１０と第１及び第２の加熱部材１１、１２との間に嵌め込まれる一対のスペーサ１３、１４が備えつけられてる。これらの加熱部材１１、１２が加熱してセル１０を所定の温度に昇温することにより、アルカリ封入セル１０内の例えば固体のアルカリ金属からアルカリ金属蒸気Ｇを発生する。これにより、アルカリ封入セル１０内にはアルカリ金属蒸気Ｇが封入されることとなる。
【００２０】
アルカリ封入セル１０は、例えばガラス製の密閉容器である。アルカリ封入セル１０は、互いに対向する円形の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ、並びにこれらの両端面１０ａ、１０ｂを連結する側面１０ｃを有する。なお、アルカリ封入セル１０の一部（例えば、側面１０ｃ等）には、アルカリ金属及びバッファガスをセル内に導入するための突起部（図示は省略）が形成されていてもよい。
【００２１】
第１及び第２の加熱部材１１、１２にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間１１Ａ、１２Ａが形成されている。第１及び第２の加熱部材１１、１２は、例えばオーブンであり、それぞれ独立して温度制御をすることができる。第１及び第２の加熱部材１１、１２では、図示していない温度コントローラによって、セル１０を加熱する温度がそれぞれ独立に制御される。なお、第１及び第２の加熱部材１１、１２を駆動するための電源等（図示は省略）には、リード１５、１６を介して接続される。また、加熱部材１１、１２の内壁には、例えば熱電対等（図示は省略）が配置されている。
【００２２】
第１の加熱部材１１は、被覆部１１Ｂ及び延設部１１Ｃを有する。第１の加熱部材１１の一部である被覆部１１Ｂの貫通空間１１Ａ内には、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａ側の一部が挿入されている。第１の加熱部材１１の被覆部１１Ｂ以外の残りの部分である延設部１１Ｃの貫通空間１１Ａは、第２の端面１０ｂとは反対側に向かって、第１の端面１０ａの位置から伸びている。
【００２３】
第１の加熱部材１１の延設部１１Ｃの、貫通空間１１Ａが伸びる方向における長さｈ１は、第１の端面１０ａの直径（外径）ｄ１に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。
【００２４】
第２の加熱部材１２は、被覆部１２Ｂ及び延設部１２Ｃを有する。第２の加熱部材１２の一部である被覆部１２Ｂの貫通空間１２Ａ内には、アルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂ側の一部が挿入されている。第２の加熱部材１２の被覆部１２Ｂ以外の残りの部分である延設部１２Ｃの貫通空間１２Ａは、第１の端面１０ａとは反対側に向かって、第２の端面１０ｂの位置から伸びている。
【００２５】
第２の加熱部材１２の延設部１２Ｃの、貫通空間１２Ａが伸びる方向における長さｈ２は、第２の端面１０ｂの直径（外径）ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。
【００２６】
第１及び第２の加熱部材１２、１３は、アルカリ封入セル１０の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。
【００２７】
スペーサ１３、１４は、熱伝導性及び弾性を有する。スペーサ１３、１４は、アルカリ封入セル１０より熱伝導性が高いことが好ましい。スペーサ１３は、第１の加熱部材１１の貫通空間１１Ａを画成する第１の加熱部材１１の内壁とアルカリ封入セル１０の側面１０ｃとの間隙に嵌め込まれる。スペーサ１４は、第２の加熱部材１２の貫通空間１２Ａを画成する第２の加熱部材１２の内壁とアルカリ封入セル１０の側面１０ｃとの間隙に嵌め込まれる。スペーサ１３、１４は、例えばグラファイトからなる。
【００２８】
なお、加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、各端面１０ａ、１０ｂに対して熱を加える一対の端面加熱部材（図示は省略）をさらに備えていてもよい。この場合、端面加熱部材として、例えばヒートガン等を用いる。
【００２９】
続いて、図４及び図５を参照して、加熱部材付きアルカリ封入セル１０を備えたアルカリレーザ装置１の実施形態を説明する。図４は、アルカリレーザ装置の実施形態の構成図である。図５は、図４に示したアルカリレーザ装置に用いられる励起光出力装置の構成図である。アルカリレーザ装置１では、励起光ｌ１をアルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに照射して、レーザ光ｌ２を出力している。なお、光線については、励起光ｌ１及びレーザ光ｌ２を一点鎖線で示している。
【００３０】
アルカリレーザ装置１は、励起光出力装置２と、１／２波長板３と、集光光学系４と、偏光ビームスプリッタ５と、加熱部材付きアルカリ封入セル１０と、ミラー６と、出力カプラ７とを備える。励起光出力装置２は、アルカリ封入セル１０内に封入されたアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１を出力する。励起光出力装置２から出力される励起光ｌ１として、アルカリ封入セル１０内のアルカリ金属原子の吸収スペクトルと波長が略一致する励起光が用いられる。
【００３１】
１／２波長板３は、励起光ｌ１の偏光を９０°回転する。集光光学系４は、２つの集光レンズ４１、４２を有する。集光レンズ４１は、入射した励起光ｌ１を図４の紙面と垂直な方向に関して収束させる。集光レンズ４２は、入射した励起光ｌ１を図４の紙面と平行な面において励起光ｌ１の光軸と垂直な方向に関してを収束させる。
【００３２】
偏光ビームスプリッタ５は、励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離する。すなわち、偏光ビームスプリッタ５は、励起光ｌ１を透過し、レーザ光ｌ２を反射する。
【００３３】
ミラー６と出力カプラ７とが、共振器を構成する。加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、ミラー６及び出力カプラ７によって構成される共振器の共振光路上に位置する。すなわち、ミラー６は、加熱部材付きアルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂ側に位置する。出力カプラ７は、偏光ビームスプリッタ５によって反射されたレーザ光ｌ２の光路上に位置する。
【００３４】
図５に、励起光出力装置２の詳細な構成が示されている。励起光出力装置２は、図５に示されるように、アルカリレーザ装置１の励起光ｌ１であるレーザ光を出力する半導体レーザアレイ２１と、ＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）レンズ２２と、ビーム回転レンズ（回転光学系）２３と、ボリュームブラッググレーティング（Volume Bragg Grating）２４と、ＳＡＣ（Slow Axis Collimator、速軸用コリメータ）レンズ２５とを備えている。
【００３５】
半導体レーザアレイ２１は、半導体レーザチップを例えば１ｃｍ幅のバー状に一次元に配置したものである。ただし、図５は、半導体レーザアレイ２１のうちの１つの半導体レーザチップのみを代表して図示する。半導体レーザアレイ２１は、光軸Ａｘに沿って、励起光ｌ１であるレーザ光を出力する。ＦＡＣレンズ２２は、上下左右に拡散するレーザ光（励起光ｌ１）を、速軸方向において平行光に変換するものである。速軸方向は、図５においては上下方向、すなわち図５の紙面において光軸Ａｘと直交する方向に相当する。
【００３６】
ビーム回転レンズ２３は、ビームを９０°回転させるものである。ボリュームブラッググレーティング２４は、半導体レーザアレイ２１から出力された光の波長を狭帯域化させる素子である。
【００３７】
ＳＡＣレンズ２５は、ビーム回転レンズ２３によって９０°回転したレーザ光（励起光ｌ１）を遅軸方向において平行光に変換するものである。遅軸方向は、ビームがビーム回転レンズ２３によって９０°回転されているため、図５において上下方向に相当する。したがって、ＦＡＣレンズ２２及びＳＡＣレンズ２５は、集光光学系を構成する。
【００３８】
次に、アルカリレーザ装置１の動作について説明する。まず、アルカリ封入セル１０内にアルカリ金属とバッファガスＢとを封入する。アルカリ封入セル１０を加熱部材１１、１２によって所定の温度に昇温し、セル内にアルカリ金属蒸気Ｇを発生させる。
【００３９】
半導体レーザアレイ２１から出力されたレーザ光である励起光ｌ１は、ＦＡＣレンズ２２、ビーム回転レンズ２３、ボリュームブラッググレーティング２４、及びＳＡＣレンズ２５を通過する。これにより、励起光ｌ１は、励起光出力装置２から略平行光として出力される。
【００４０】
励起光ｌ１はさらに、１／２波長板３及び集光光学系４を通過する。さらに、励起光ｌ１は偏光ビームスプリッタ５を透過する。偏光ビームスプリッタ５は、所定の方向に偏光する励起光ｌ１を透過させる。
【００４１】
偏光ビームスプリッタ５を透過した励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａに入射する。アルカリセ封入セル１０内に入射した励起光ｌ１は、セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに吸収される。アルカリセ封入セル１０内に封入されているバッファガスＢは、アルカリ金属Ｇの励起光の吸収スペクトルの幅を増加させる。励起光ｌ１を吸収することにより、アルカリ金属蒸気Ｇは励起状態になる。
【００４２】
アルカリ金属蒸気Ｇに吸収されなかった励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂから出射し、ミラー６で反射する。ミラー６で反射した励起光ｌ１は、再びアルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂに入射する。アルカリ封入セル１０内に再び入射した励起光ｌ１は、セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに吸収される。アルカリ金属蒸気Ｇに吸収されたなかった励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａから出射する。
【００４３】
励起光ｌ１を吸収することでアルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇはレーザ発振に必要な反転分布状態となり、特定の波長の光を誘導放出する。具体的には、励起光ｌ１をアルカリ金属原子が吸収することで、アルカリ金属原子は基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）から励起状態Ｅ２（２Ｐ３／２）に励起される。励起されたアルカリ金属原子は、続いて励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）に緩和され、最終的には励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）から基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）へと遷移する。遷移の際、誘導放出光が発生し、後述のようにレーザ発振に至る。
【００４４】
こうして誘導放出された光がアルカリ封入セル１０内を伝搬する間、誘導放出が生じ、光が増幅される。増幅された光は、ミラー６及び出力カプラ７によって共振され、レーザ光ｌ２として出力カプラ７から出射する。
【００４５】
加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、貫通空間１１Ａ、１２Ａが形成された加熱部材１１、１２に対し、被覆部１１Ｂ、１１Ｃの貫通空間１１Ａ、１２Ａにセル１０の一部を挿入しただけの構成である。したがって、例えばオーブンによってアルカリ封入セル全体を覆う場合に比べ、簡便な構成でアルカリ封入セル１０を加熱することが可能である。
【００４６】
また、簡便な構成でアルカリ封入セル１０を加熱することができるため、例えばリザーバーを用いる場合のように複雑な形状のセルを用いる場合に比べて、容易に且つ精密にアルカリ封入セル１０の温度制御を行うことが可能となる。
【００４７】
また、第１及び第２の加熱部材１１、１２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の一部のみを貫通空間内に挿入させている。さらに、第１及び第２の加熱部材１１、１２はアルカリ封入セル１０の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。そのため、アルカリ封入セル１０は第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの双方から離れた中央部分に、加熱部材１１、１２に覆われていない部分を有する。したがって、アルカリ封入セル１０において、加熱部材１１、１２に覆われていない部分、すなわちアルカリ封入セル１０の長手方向における中央部分の温度が端面１０ａ、１０ｂ近傍での温度よりも低くなるよう、容易に第１及び第２の加熱部材１１、１２を制御することができる。
【００４８】
アルカリ封入セル１０内の温度分布を図６に示す。図６は、第１及び第２の加熱部材１１、１２を制御することによって得られるアルカリ封入セル１０内の温度分布を、アルカリ封入セル１０と対応させて説明するための図である。図６（ａ）は、アルカリ封入セル１０内の温度分布を表すグラフであり、図６（ｂ）はアルカリ封入セルの断面図である。図６（ａ）のグラフの横軸はアルカリ封入セル１０の長手方向での位置を表し、図６（ａ）のグラフの縦軸は各位置での温度ｔを表す。図６に示されているように、第１及び第２の加熱部材１１、１２付きのアルカリ封入セル１０では、第１及び第２の加熱部材１１、１２が間隔ｄ０だけ離れて配置されているため、端面１０ａ、１０ｂ近傍での温度ｔ２が長手方向の中央部分付近での温度ｔ１よりも高くなるように制御することが可能である。
【００４９】
アルカリ封入セル１０内には、通常、所定の温度でアルカリ金属の飽和蒸気を発生させるために必要な量以上のアルカリ金属が充填されている。したがって、所定の温度で過剰となったアルカリ金属はアルカリ封入セル１０内の温度の低い部分に固体として析出することになる。そのため、第１の端面１０ａ又は第２の端面１０ｂ近傍の温度が中央部分付近の温度よりも低い場合、アルカリ金属は第１の端面１０ａ又は第２の端面１０ｂに固体として析出してしまう。析出したアルカリ金属の固体は、励起光ｌ１を吸収して熱を発生するため、アルカリ金属が析出した端面１０ａ、１０ｂが破損してしまうおそれがある。特に、アルカリ金属は他の金属と比べて蒸気圧が高いため、温度の低いところに固体化したアルカリ金属が集中して付着しやすく、温度制御の問題は重要である。また、アルカリレーザ装置１の出力を大きくすべく、励起光出力装置２の出力を大きくした場合には、析出したアルカリ金属が励起光ｌ１を吸収して発生する熱がより一層増大するため、析出したアルカリ金属が端面を加熱する温度がより一層上昇し、端面破損のおそれが大きくなってしまう。
【００５０】
こうした問題に対し、従来のようにアルカリ封入セル全体をオーブンで覆うことによってセルを加熱する場合、励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂに対応）だけを除いて覆っている。さらに、従来においては、アルカリ封入セル１０の温度分布、すなわち励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ）と中央部分との間の温度差を小さくすることについては何ら検討されていない。そのため、従来のアルカリ封入セル全体をオーブンで覆ったものでは、励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ）にアルカリ金属が析出してしまい、アルカリ封入セル１０が破損してしまうおそれがある。
【００５１】
一方、本実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル１０では、容易に端面１０ａ、１０ｂ近傍で温度が長手方向の中央部分付近での温度よりも高くなるように第１及び第２の加熱部材１１、１２のセル１０への加熱を制御することができるため、アルカリ封入セル１０の破損の発生を抑制することが可能となる。
【００５２】
また、端面１０ａ、１０ｂにアルカリ金属が析出してしまうことが好適に抑制されることにより、アルカリレーザ装置１では安定した動作が可能となる。
【００５３】
また、第１及び第２の加熱部材１１、１２の間隔ｄ０を変えることによってアルカリ封入セル１０の長手方向（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向）の温度分布を制御することが可能となる。
【００５４】
各端面１０ａ、１０ｂ上での温度分布を考えると、加熱部材１１、１２からの距離が遠い中心部と加熱部材１１、１２からの距離が近い周辺部とでは、温度差が存在すると考えられる。特に、第１及び第２の加熱部材１１、１２がそれぞれ被覆部１１Ｂ、１２Ｂしか有さず延設部１１Ｃ、１２Ｃを有さないとすると、距離の差によって生じる温度差がそのまま存在してしまうため、各端面１０ａ、１０ｂの中心部の温度は周辺部の温度に比べ低くなってしまう。通常、励起光ｌ１は各端面１０ａ、１０ｂの中心部付近から入射又は出射される。そのため、各端面１０ａ、１０ｂの中心部にアルカリ金属が析出してしまうと、そこに励起光ｌ１を照射することになってしまう。析出されたアルカリ金属は励起光ｌ１を吸収して発熱するため、この場合端面１０ａ、１０ｂを破損してしまうおそれが増大される。
【００５５】
そこで、本実施形態に係る第１及び第２の加熱部材１１、１２付きのアルカリ封入セル１０を考えると、第１及び第２の加熱部材１１、１２は何れも、内部の貫通空間１１Ａ、１２Ａにアルカリ封入セル１０を挿入しておらず、且つアルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂから離れるように伸びる、すなわちアルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂから突出するように伸びる延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する。アルカリ封入セル１０の各端面１０ａ、１０ｂには、これらの延設部１１Ｃ、１２Ｃから発せられる熱がさらに加えられる。これにより、各端面１０ａ、１０ｂにおいて中心部と周辺部との温度差を小さくすることが可能となる。その結果、第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂにアルカリ金属が析出することをより一層効果的に抑制することが可能となる。
【００５６】
特に、各端面１０ａ、１０ｂに対して熱を加える端面加熱部材（例えばヒートガン等）を用いて各端面１０ａ、１０ｂの中心部を加熱することが好ましい。この場合、各端面１０ａ、１０ｂは、より一層均一に温度分布することが可能となる。
【００５７】
図７は、アルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂにおける温度分布を色の濃淡で表す図である。すなわち、色が濃い（黒い）ほど温度が高いことを表し、薄い（白い）ほど温度が低いことを表す。図７（ａ）は各加熱部材が延設部を有さない場合の温度分布を、図７（ｂ）は加熱部材が延設部を有する場合の温度分布を表す。図７（ａ）に示されるように、各加熱部材１１、１２が延設部１１Ｃ、１２Ｃを有さない場合、端面１０ａ、１０ｂでは周辺部の温度に比べ中心部の温度が低くなってしまう。一方、図７（ｂ）に示されるように、各加熱部材１１、１２が延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する場合、各端面１０ａ、１０ｂでは中心部と周辺部とで温度が均一に分布する。
【００５８】
また、アルカリ封入セル１０と各加熱部材１１、１２との間隙にそれぞれ、熱伝導性を有するスペーサ１３、１４が嵌め込まれている。これらのスペーサ１３、１４は弾性を有するため、セル１０、及び加熱部材１１、１２の間隙に密着して嵌め込まれる。こうして熱伝導性を有するスペーサ１３、１４により、アルカリ封入セル１０、スペーサ１３、１４、及び加熱部材１１、１２間での密着性が高められることにより、加熱部材１１、１２によって効率良くアルカリ封入セル１０を加熱することが可能となる。また、スペーサ１３、１４によって、三者間が密着することにより、各端面１０ａ、１０ｂの温度をより一層均一に分布することが可能となる。
【００５９】
各加熱部材１１、１３の延設部１１Ｃ、１２Ｃの、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向における長さｈ１、ｈ２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。すなわち、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍未満の場合、各端面１０ａ、１０ｂの中心部の温度が周辺部の温度に比べ著しく低くなってしまうおそれがある。一方、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２の１．５倍より大きい場合、アルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１が加熱部材１１、１２によって遮られてしまうおそれがある。したがって、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下である場合、セル内１０のアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１を加熱部材１１、１２が遮ることを抑制しつつ、各端面１０ａ、１０ｂを全面に渡って好適に加熱することが可能となる。
【００６０】
また、アルカリレーザ装置は、アルカリ金属蒸気をレーザ媒質とするため固体レーザに比べて熱の発生が少なく、熱に起因する問題の発生を抑制することが可能である。したがって、本実施形態に係るアルカリレーザ装置１によれば、熱による問題の発生を抑制しつつ、高出力で小型のレーザ装置を実現することが可能となる。
【００６１】
なお、アルカリレーザ装置１において熱の発生が少なく抑えられる原因は以下のように考えられる。すなわち、以下の式（１）で表されるアルカリレーザ装置のレーザ効率ηを検討すると、アルカリレーザ装置は高いレーザ効率を示すことができる。
η＝Ｅ１／Ｅ２ …（１）
Ｅ１、Ｅ２：アルカリ金属の励起状態
【００６２】
例えば、Ｃｓ金属をアルカリ封入セル１０に封入して用いたＣｓレーザ装置の場合、レーザ効率ηは約９５％を示す。あるいは、例えばＲｂ金属をアルカリ封入セル１０に封入して用いたＲｂレーザ装置の場合、レーザ効率ηは約９８％を示す。このように、アルカリレーザ装置１は、一般に非常に高いレーザ効率を示す。また、レーザ効率が高いことから、アルカリレーザ装置１では、熱の発生が抑制されるものと考えられる。
【００６３】
以上述べたように、加熱部材１１、１２付きアルカリ封入セル１０を備えるアルカリレーザ装置１は、小型で且つ安価で且つ高出力且つ高ビーム品質のレーザ装置を実現することが可能である。したがって、アルカリレーザ装置１は、例えばレーザ加工分野を中心とした産業界において広く好適に利用可能である。
【００６４】
また、本実施形態では、励起光出力装置２がボリュームブラッググレーティング２４を備えている。そのため、励起光出力装置２は、スペクトル幅が狭く、またピーク強度が大きい励起光ｌ１を出力することができる。アルカリ金属の吸収スペクトルの幅は非常に狭いため、スペクトル幅の狭い光は励起光として好適である。
【００６５】
図８は、半導体レーザからの出力光のスペクトルを表すグラフである。図８のグラフでは、横軸が波長（ｎｍ）を、縦軸が強度（a.u.）を表す。また、図８のグラフにおいて、実線で表されたグラフＡがボリュームブラッググレーティングを備える場合を、点線で表されたグラフＢがボリュームブラッググレーティングを備えない場合を示す。図８のグラフＡとグラフＢとを比較すると、グラフＡの方がグラフＢよりスペクトル幅が狭く、またピーク強度が高いことが理解される。したがって、ボリュームブラッググレーティングを備えることで、出力光のスペクトル幅を狭くし、さらにピーク強度を増大させることが可能となる。
【００６６】
続いて、実施形態に係るアルカリレーザ装置の実施例について説明する。アルカリ封入セル１０として、各端面１０ａ、１０ｂの直径（外径）が２０ｍｍのガラス製セルを用意した。第１及び第２の加熱部材１１、１２として、リングヒータを用いた。第１及び第２の加熱部材１１、１２を、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向での延設部１１C、１２Cの長さがそれぞれ２０ｍｍ（各端面１０ａ、１０ｂの直径に対して１．０倍）となるようにアルカリ封入セル１０に配置した。ここで、図９に実施例として使用した加熱部材１１、１２であるリングヒータの斜視図を示す。図９では、リングヒータの外表面の一部を切り欠いて示す。リングヒータ１１（１２）には、非発熱部１５Ａ（１６Ａ）及びアダプタ部１５Ｂ、（１６Ｂ）を有するリード１５、１６が形成されている。リングヒータ１１（１２）は、真鍮からなる円筒であり、さらに外表面はステンレススチールのカバーで覆われている。また、貫通空間１１Ａ（１２Ａ）の伸びる方向における両端部には、約１ｍｍの非発熱部１１Ｄ、１１Ｅがそれぞれ設けられている。また、リングヒータ１１（１２）として、ワット密度の分割可能なヒータを用いた。リングヒータ１１（１２）内部には、電熱線ＥＬが内壁に沿って配置されている。
【００６７】
アルカリ封入セル１０内に、Ｈｅ及びエタンの混合ガスとＣｓ金属とを６００Ｔｏｒｒの圧力で封入した。Ｈｅ及びエタンの混合ガスは、バッファガスである。Ｈｅ及びエタンの混合ガスとＣｓ金属とが封入されたアルカリ封入セル１０を約１２０℃に加熱し、セル内にＣｓ蒸気を発生させた。
【００６８】
Ｃｓ原子の吸収スペクトルに合わせて、励起光出力装置２の半導体レーザアレイ２１として波長８５２ｎｍのレーザ光を出力する半導体レーザを用いた。半導体レーザアレイ２１は、擬似ＣＷ動作で動作させた。
【００６９】
こうして実施されたアルカリレーザ装置から出力されたレーザ光のスペクトルを図１０に示す。図１０のグラフにおいて、横軸が波長（ｎｍ）を表し、縦軸が強度（a.u.）を表す。また、図１０のグラフは、半導体レーザアレイに流す電流を１００Ａとし、温度を３０℃とし、１ｋＨｚでのＤｕｔｙ比を５％とした場合に得られるスペクトルである。レーザ光のスペクトルのピーク波長は８９５ｎｍであり、Ｃｓ原子の励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）と基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）との間のエネルギー差に対応している。また、スペクトル幅Δλは、測定に用いたスペクトルアナライザーの分解能（０．１０ｎｍ）以下と非常に狭い。
【００７０】
図１１に、半導体レーザアレイ２１に流す電流とＣｓレーザのピークパワーとの関係を示すグラフである。図１１のグラフより、半導体レーザアレイ２１に流す電流が約９０Ａ以上において、１Ｗ以上のピークパワーを実現していることがわかる。ただし、光学系の最適化、励起光の狭スペクトル化、励起用半導体レーザの高出力化（例えば、半導体レーザアレイのスタック化等）、アルカリ封入セル内に封入するバッファガスの圧力の増大等により、アルカリレーザ装置のさらなる高出力化が可能になると考えられる。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用いたが、本発明はＣｓに限らず他のアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ）を用いたアルカリレーザ装置に適用することも可能である。ただし、アルカリ金属の吸収スペクトルの波長と一致する波長の励起光を用いることが望ましい。
【００７２】
また、アルカリ封入セル１０内に封入するバッファガスＢは、Ｈｅ及びエタンの混合ガスに限らず、例えばＨｅに代えて、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、あるいはＸｅを用いてもよい。また、アルカリ封入セル１０内のガス封入圧も６００Ｔｏｒｒに限らず、例えば６００Ｔｏｒｒ未満であっても、あるいは６００Ｔｏｒｒより大きくてもよい。特に、高圧でガスを封入する場合、アルカリ金属原子と励起光との吸収スペクトル幅が増大するので、吸収効率が増大される。
【００７３】
アルカリ封入セル１０の形状は、上記実施形態で示した形状に限らず、例えば三角柱状、あるいは四角柱状等であってもよい。したがって、アルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂの形状も円形に限らず、楕円状、三角形状、あるいは四角形状等であってもよい。また、第１及び第２の加熱部材１１、１２の形状も、上記実施形態で示した形状に限らず、例えば内部に貫通空間を有する三角柱状、あるいは内部に貫通空間を有する四角柱状等であってもよい。また、加熱部材１１、１２の形状は、上記実施形態及び実施例に記載された形状に限られない。
【００７４】
また、アルカリ封入セル１０及び加熱部材１１、１２の大きさは、上記実施例に記載された大きさに限られない。
【００７５】
また、アルカリ封入セル１０は、励起光が入射する面及び出射する面が励起光を透過し且つレーザ光が入射する面及び出射する面がレーザ光を透過すれば、ガラス製に限らず、例えば金属等からなっていてもよい。特に、アルカリ封入セル１０内の圧力が大気圧よりも高い場合には、金属等の堅牢な材料からなるセルを用いることが好適である。
【００７６】
また、実施形態では偏光ビームスプリッタ５により励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離してレーザ光ｌ２を取り出しているが、レーザ光ｌ２の出射方向はこれに限らず、様々な方向が考えられる。
【００７７】
また、励起光出力装置２の構成は実施形態の構成に限定されず、例えば半導体レーザアレイ２１、ＦＡＣレンズ２２、ビーム回転レンズ２３、ボリュームブラッググレーティング２４、及びＳＡＣレンズ２５をすべて備えていなくてもよい。また、半導体レーザはアレイに限らず、例えば１つの半導体レーザを搭載した半導体レーザチップ、あるいは半導体レーザチップを一列に配置した半導体レーザバー、あるいは半導体レーザバーを複数積層させた半導体レーザスタック等であってもよい。
【００７８】
あるいは、アルカリレーザ装置１は、半導体レーザからの出力光ではなく、例えばチタンサファイアレーザからの出力光を励起光として用いてもよい。チタンサファイアレーザは、波長可変可能で且つスペクトル幅の非常に狭いレーザ光を出力することができるため、励起光の波長とアルカリ金属原子の吸収スペクトルの波長とを一致させるのが容易である点で好適である。一方、半導体レーザは、チタンサファイアレーザに比べて装置を小型化でき、また安価である点で好適である。
【００７９】
また、アルカリレーザ装置１には、アルカリ封入セル１０と第１及び第２の加熱部材１１、１２との間に嵌め込まれるスペーサ１３、１４が備えられていなくてもよい。
【００８０】
また、各加熱部材１１、１３の延設部１１Ｃ、１２Ｃの、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向における長さｈ１、ｈ２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍未満、あるいは１．５倍より大きくてもよい。
【００８１】
また、アルカリレーザ装置１は、λ／２波長板３を有していなくてもよい。ただし、偏光ビームスプリッタ５を用いて励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離する場合には、λ／２波長板３は励起光ｌ１の偏光性を高めるため有効である。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セルの斜視図である。
【図２】実施形態に係るアルカリ封入セルの斜視図である。
【図３】図１の加熱部材付きアルカリ封入セルのIII-III矢印断面図である。
【図４】実施形態に係るアルカリレーザ装置の構成図である。
【図５】図４に示したアルカリレーザ装置に用いられる励起光出力装置の構成図である。
【図６】実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル内の温度分布を説明するための図である。
【図７】アルカリ封入セルの端面における温度分布を表す図である。
【図８】半導体レーザからの出力光のスペクトルを表すグラフである。
【図９】実施例として使用したリングヒータの斜視図である。
【図１０】実施例のアルカリレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを表すグラフである。
【図１１】励起用半導体レーザアレイに流す電流とＣｓレーザのピークパワーとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１…アルカリレーザ装置、２…励起光出力装置、３…１／２波長板、４…集光光学系、５…偏光ビームスプリッタ、６…ミラー、７…出力カプラ、２１…半導体レーザアレイ、２２…ＦＡＣレンズ、２３…ビーム回転レンズ、２４…ボリュームブラッググレーティング、２５…ＳＡＣレンズ、１０…アルカリ封入セル、１１…第１の加熱部材、１２…第２の加熱部材、１３、１４…スペーサ、１５、１６…リード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光による溶接や切断などのレーザ加工分野において、高効率で、小型で、且つ安価な高出力、高ビーム品質なレーザが要求されている。そこで、例えば半導体レーザダイオードアレイをスタックして得られる高出力なレーザ光をレンズ等で集光して利用することが知られている。あるいは、例えば半導体レーザによって励起する固体レーザからの高出力レーザ光を利用することも知られている。
【０００３】
しかし、半導体レーザダイオードアレイから出力されるレーザ光は、そのスペクトル幅が広がってしまい、またビーム品質も従来のランプ励起Nd:YAGレーザ及びＣＯ２レーザの何れと比較しても劣るという問題を有している。また、固体レーザでは、レーザ媒質が固体であるため熱あるいは熱の不均一性に起因して、屈折率分布が生じてしまう、あるいは媒質に歪みが生じてしまう等といった問題を発生してしまう。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するために、アルカリ金属蒸気レーザ（以下、単にアルカリレーザという）が検討されている（例えば、特許文献１、非特許文献１〜４を参照）。アルカリレーザでは、アルカリ金属とバッファガスとを封入したアルカリ封入セルを加熱部材で昇温してセル内にアルカリ金属蒸気を発生させ、これをレーザ媒質とする。アルカリ蒸気レーザは、固体レーザと比較して媒質における熱の発生が少ないため、熱に起因する問題を抑制することができる。
【特許文献１】米国特許第６６４３３１１号明細書
【非特許文献１】W. F. Klupke et al., Optics Letters, Vol.28, 2336 (2003)
【非特許文献２】W. F. Klupke et al., Proc. SPIE, 5448 (2004)
【非特許文献３】R. J. Beach et al., Advanced Solid-State Photonics WC4 (2004)
【非特許文献４】R. J. Beach et al., J. Opt. Soc. Am B 21, 2151 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１〜４に記載のアルカリレーザでは、アルカリ封入セルを加熱し内部に封入されたアルカリ金属を昇温するために、アルカリ封入セル全体を覆うオーブンを用意する、あるいはアルカリ金属を貯えておくリザーバーをアルカリ封入セルに対して設置するといったことが必要となる。そのため、装置の構成が非常に複雑になってしまっていた。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ところで、本願発明者は、アルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置について鋭意研究を重ねたところ、以下のような事実を見出すに至った。すなわち、アルカリ金属が封入されたセルの励起光が入射する端面及びレーザ光が出射する端面にアルカリ金属が析出してしまった場合、析出したアルカリ金属は励起光を直接吸収してしまう。これにより、端面は加熱され、破損してしまうおそれがあるという新たな事実を見出した。そこで、本願発明者は、簡便な構成であって、しかも端面にアルカリ金属が析出することが抑制されたアルカリ封入セルについて鋭意研究を重ね、本願発明に想到した。
【０００８】
このような研究結果を踏まえ、本発明によるアルカリレーザ装置用セルは、内部にアルカリ金属蒸気を封入したアルカリ封入セルを加熱する第１及び第２の加熱部材を備えた加熱部材付きアルカリ封入セルであって、アルカリ封入セルは、互いに対向し且つアルカリ金属蒸気を励起する励起光及び励起されたアルカリ金属蒸気から出力されるレーザ光を透過する第１及び第２の端面と、当該両端面を連結する側面とを有し、第１及び第２の加熱部材にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間が形成され、第１の加熱部材は、その一部の貫通空間内にアルカリ封入セルの第１の端面側の一部が挿入され、残りが第１の端面に対し第２の端面とは反対側に向かって伸びるように配置され、第２の加熱部材は、第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で第１の加熱部材とは離間しているとともに、当該第２の加熱部材の一部の貫通空間内にアルカリ封入セルの第２の端面側の一部が挿入され、残りが第２の端面に対し第１の端面とは反対側に向かって伸びるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の加熱部材付きアルカリ封入セルは、貫通空間が形成された加熱部材に対し、当該貫通空間の一部にセルの一部を挿入しただけの構成である。したがって、簡便な構成でアルカリ封入セルを加熱することが可能である。また、上記の加熱部材付きアルカリ封入セルでは、第１及び第２の加熱部材はそれぞれアルカリ封入セルの一部のみを貫通空間内に挿入させ、且つ、セルの第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で離間して配置されている。そのため、セルは端面から離れた部分に、加熱部材に覆われていない部分を有する。したがって、加熱部材に覆われていない部分の温度が端面での温度よりも低くなるようセルに加える熱を容易に制御することができ、上記のアルカリ封入セルでは端面にアルカリ金属が析出することを抑制することが可能となる。また、各加熱部材は、内部の貫通空間にアルカリ封入セルを挿入しておらず且つアルカリ封入セルの端面から離れるように伸びる部分を有する。各端面には、これらの部分から発せられる熱がさらに加えられるため、端面にアルカリ金属が析出することをより一層効果的に抑制することが可能となる。
【００１０】
また、熱伝導性及び弾性を有し、貫通空間を画成する各加熱部材の内壁とアルカリ封入セルの側面との間隙に嵌め込まれるスペーサを一対さらに備えることが好ましい。アルカリ封入セルと加熱部材との間隙に嵌め込まれるスペーサは弾性を有するため、セル、スペーサ、及び加熱部材の間での密着性が向上する。こうして熱伝導性を有するスペーサにより三者間での密着性を高めることで、加熱部材によって効率良くアルカリ封入セルを加熱することが可能となる。
【００１１】
アルカリ封入セルの各端面に対して熱を加える一対の端面加熱部材をさらに備えることが好ましい。この場合、端面において、より一層均一な温度分布が可能となる。
【００１２】
第１及び第２の端面は何れも円形であり、第１の加熱部材の残りの貫通空間が伸びる方向における長さは、第１の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であり、第２の加熱部材の残りの貫通空間が伸びる方向における長さは、第２の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。この場合、アルカリ封入セルのアルカリ金属蒸気に照射する励起光を加熱部材が遮ることが抑制され、各端面を全面に渡って好適に加熱することが可能となる。
【００１３】
また、本発明によるアルカリレーザ装置は、アルカリ封入セル内にアルカリ金属蒸気が封入された上記の加熱部材付きアルカリ封入セルを共振光路上に有する共振器と、アルカリ金属蒸気に照射する励起光を出力する励起光出力装置と、備えることを特徴とする。
【００１４】
上記の加熱部材付きアルカリ封入セルでは、簡便な構成でアルカリ封入セルを加熱することが可能である。また、アルカリレーザ装置は、アルカリ金属蒸気をレーザ媒質とするため、固体レーザに比べて熱の発生が少なく、熱に起因する問題の発生を抑制することができる。したがって、上記アルカリレーザ装置では、熱による問題の発生を抑制しつつ、高出力で小型のレーザ装置を実現することが可能となる。
【００１５】
この場合、励起光出力装置は、半導体レーザからなる光源と、光源から出力された光を集光する集光光学系と、集光光学系で集光された光を回転させる回転光学系と、回転光学系によって回転された光の波長スペクトルの幅を狭くするボリュームブラッググレーティングと、を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１〜図３を参照して、本実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル１０の構成を説明する。図１は、実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セルの斜視図である。図２は、実施形態に係るアルカリ封入セルの斜視図である。図３は、図１の加熱部材付きアルカリ封入セルのIII-III矢印断面図である。
【００１９】
アルカリ封入セル１０は、その内部にアルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等）及びバッファガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ等）Ｂを所定の圧力で封入している。アルカリ封入セル１０には、当該セル１０を加熱する第１及び第２の加熱部材１１、１２、並びにアルカリ封入セル１０と第１及び第２の加熱部材１１、１２との間に嵌め込まれる一対のスペーサ１３、１４が備えつけられてる。これらの加熱部材１１、１２が加熱してセル１０を所定の温度に昇温することにより、アルカリ封入セル１０内の例えば固体のアルカリ金属からアルカリ金属蒸気Ｇを発生する。これにより、アルカリ封入セル１０内にはアルカリ金属蒸気Ｇが封入されることとなる。
【００２０】
アルカリ封入セル１０は、例えばガラス製の密閉容器である。アルカリ封入セル１０は、互いに対向する円形の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ、並びにこれらの両端面１０ａ、１０ｂを連結する側面１０ｃを有する。なお、アルカリ封入セル１０の一部（例えば、側面１０ｃ等）には、アルカリ金属及びバッファガスをセル内に導入するための突起部（図示は省略）が形成されていてもよい。
【００２１】
第１及び第２の加熱部材１１、１２にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間１１Ａ、１２Ａが形成されている。第１及び第２の加熱部材１１、１２は、例えばオーブンであり、それぞれ独立して温度制御をすることができる。第１及び第２の加熱部材１１、１２では、図示していない温度コントローラによって、セル１０を加熱する温度がそれぞれ独立に制御される。なお、第１及び第２の加熱部材１１、１２を駆動するための電源等（図示は省略）には、リード１５、１６を介して接続される。また、加熱部材１１、１２の内壁には、例えば熱電対等（図示は省略）が配置されている。
【００２２】
第１の加熱部材１１は、被覆部１１Ｂ及び延設部１１Ｃを有する。第１の加熱部材１１の一部である被覆部１１Ｂの貫通空間１１Ａ内には、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａ側の一部が挿入されている。第１の加熱部材１１の被覆部１１Ｂ以外の残りの部分である延設部１１Ｃの貫通空間１１Ａは、第２の端面１０ｂとは反対側に向かって、第１の端面１０ａの位置から伸びている。
【００２３】
第１の加熱部材１１の延設部１１Ｃの、貫通空間１１Ａが伸びる方向における長さｈ１は、第１の端面１０ａの直径（外径）ｄ１に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。
【００２４】
第２の加熱部材１２は、被覆部１２Ｂ及び延設部１２Ｃを有する。第２の加熱部材１２の一部である被覆部１２Ｂの貫通空間１２Ａ内には、アルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂ側の一部が挿入されている。第２の加熱部材１２の被覆部１２Ｂ以外の残りの部分である延設部１２Ｃの貫通空間１２Ａは、第１の端面１０ａとは反対側に向かって、第２の端面１０ｂの位置から伸びている。
【００２５】
第２の加熱部材１２の延設部１２Ｃの、貫通空間１２Ａが伸びる方向における長さｈ２は、第２の端面１０ｂの直径（外径）ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。
【００２６】
第１及び第２の加熱部材１２、１３は、アルカリ封入セル１０の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。
【００２７】
スペーサ１３、１４は、熱伝導性及び弾性を有する。スペーサ１３、１４は、アルカリ封入セル１０より熱伝導性が高いことが好ましい。スペーサ１３は、第１の加熱部材１１の貫通空間１１Ａを画成する第１の加熱部材１１の内壁とアルカリ封入セル１０の側面１０ｃとの間隙に嵌め込まれる。スペーサ１４は、第２の加熱部材１２の貫通空間１２Ａを画成する第２の加熱部材１２の内壁とアルカリ封入セル１０の側面１０ｃとの間隙に嵌め込まれる。スペーサ１３、１４は、例えばグラファイトからなる。
【００２８】
なお、加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、各端面１０ａ、１０ｂに対して熱を加える一対の端面加熱部材（図示は省略）をさらに備えていてもよい。この場合、端面加熱部材として、例えばヒートガン等を用いる。
【００２９】
続いて、図４及び図５を参照して、加熱部材付きアルカリ封入セル１０を備えたアルカリレーザ装置１の実施形態を説明する。図４は、アルカリレーザ装置の実施形態の構成図である。図５は、図４に示したアルカリレーザ装置に用いられる励起光出力装置の構成図である。アルカリレーザ装置１では、励起光ｌ１をアルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに照射して、レーザ光ｌ２を出力している。なお、光線については、励起光ｌ１及びレーザ光ｌ２を一点鎖線で示している。
【００３０】
アルカリレーザ装置１は、励起光出力装置２と、１／２波長板３と、集光光学系４と、偏光ビームスプリッタ５と、加熱部材付きアルカリ封入セル１０と、ミラー６と、出力カプラ７とを備える。励起光出力装置２は、アルカリ封入セル１０内に封入されたアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１を出力する。励起光出力装置２から出力される励起光ｌ１として、アルカリ封入セル１０内のアルカリ金属原子の吸収スペクトルと波長が略一致する励起光が用いられる。
【００３１】
１／２波長板３は、励起光ｌ１の偏光を９０°回転する。集光光学系４は、２つの集光レンズ４１、４２を有する。集光レンズ４１は、入射した励起光ｌ１を図４の紙面と垂直な方向に関して収束させる。集光レンズ４２は、入射した励起光ｌ１を図４の紙面と平行な面において励起光ｌ１の光軸と垂直な方向に関してを収束させる。
【００３２】
偏光ビームスプリッタ５は、励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離する。すなわち、偏光ビームスプリッタ５は、励起光ｌ１を透過し、レーザ光ｌ２を反射する。
【００３３】
ミラー６と出力カプラ７とが、共振器を構成する。加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、ミラー６及び出力カプラ７によって構成される共振器の共振光路上に位置する。すなわち、ミラー６は、加熱部材付きアルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂ側に位置する。出力カプラ７は、偏光ビームスプリッタ５によって反射されたレーザ光ｌ２の光路上に位置する。
【００３４】
図５に、励起光出力装置２の詳細な構成が示されている。励起光出力装置２は、図５に示されるように、アルカリレーザ装置１の励起光ｌ１であるレーザ光を出力する半導体レーザアレイ２１と、ＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）レンズ２２と、ビーム回転レンズ（回転光学系）２３と、ボリュームブラッググレーティング（Volume Bragg Grating）２４と、ＳＡＣ（Slow Axis Collimator、速軸用コリメータ）レンズ２５とを備えている。
【００３５】
半導体レーザアレイ２１は、半導体レーザチップを例えば１ｃｍ幅のバー状に一次元に配置したものである。ただし、図５は、半導体レーザアレイ２１のうちの１つの半導体レーザチップのみを代表して図示する。半導体レーザアレイ２１は、光軸Ａｘに沿って、励起光ｌ１であるレーザ光を出力する。ＦＡＣレンズ２２は、上下左右に拡散するレーザ光（励起光ｌ１）を、速軸方向において平行光に変換するものである。速軸方向は、図５においては上下方向、すなわち図５の紙面において光軸Ａｘと直交する方向に相当する。
【００３６】
ビーム回転レンズ２３は、ビームを９０°回転させるものである。ボリュームブラッググレーティング２４は、半導体レーザアレイ２１から出力された光の波長を狭帯域化させる素子である。
【００３７】
ＳＡＣレンズ２５は、ビーム回転レンズ２３によって９０°回転したレーザ光（励起光ｌ１）を遅軸方向において平行光に変換するものである。遅軸方向は、ビームがビーム回転レンズ２３によって９０°回転されているため、図５において上下方向に相当する。したがって、ＦＡＣレンズ２２及びＳＡＣレンズ２５は、集光光学系を構成する。
【００３８】
次に、アルカリレーザ装置１の動作について説明する。まず、アルカリ封入セル１０内にアルカリ金属とバッファガスＢとを封入する。アルカリ封入セル１０を加熱部材１１、１２によって所定の温度に昇温し、セル内にアルカリ金属蒸気Ｇを発生させる。
【００３９】
半導体レーザアレイ２１から出力されたレーザ光である励起光ｌ１は、ＦＡＣレンズ２２、ビーム回転レンズ２３、ボリュームブラッググレーティング２４、及びＳＡＣレンズ２５を通過する。これにより、励起光ｌ１は、励起光出力装置２から略平行光として出力される。
【００４０】
励起光ｌ１はさらに、１／２波長板３及び集光光学系４を通過する。さらに、励起光ｌ１は偏光ビームスプリッタ５を透過する。偏光ビームスプリッタ５は、所定の方向に偏光する励起光ｌ１を透過させる。
【００４１】
偏光ビームスプリッタ５を透過した励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａに入射する。アルカリセ封入セル１０内に入射した励起光ｌ１は、セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに吸収される。アルカリセ封入セル１０内に封入されているバッファガスＢは、アルカリ金属Ｇの励起光の吸収スペクトルの幅を増加させる。励起光ｌ１を吸収することにより、アルカリ金属蒸気Ｇは励起状態になる。
【００４２】
アルカリ金属蒸気Ｇに吸収されなかった励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂから出射し、ミラー６で反射する。ミラー６で反射した励起光ｌ１は、再びアルカリ封入セル１０の第２の端面１０ｂに入射する。アルカリ封入セル１０内に再び入射した励起光ｌ１は、セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに吸収される。アルカリ金属蒸気Ｇに吸収されたなかった励起光ｌ１は、アルカリ封入セル１０の第１の端面１０ａから出射する。
【００４３】
励起光ｌ１を吸収することでアルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇはレーザ発振に必要な反転分布状態となり、特定の波長の光を誘導放出する。具体的には、励起光ｌ１をアルカリ金属原子が吸収することで、アルカリ金属原子は基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）から励起状態Ｅ２（２Ｐ３／２）に励起される。励起されたアルカリ金属原子は、続いて励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）に緩和され、最終的には励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）から基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）へと遷移する。遷移の際、誘導放出光が発生し、後述のようにレーザ発振に至る。
【００４４】
こうして誘導放出された光がアルカリ封入セル１０内を伝搬する間、誘導放出が生じ、光が増幅される。増幅された光は、ミラー６及び出力カプラ７によって共振され、レーザ光ｌ２として出力カプラ７から出射する。
【００４５】
加熱部材付きアルカリ封入セル１０は、貫通空間１１Ａ、１２Ａが形成された加熱部材１１、１２に対し、被覆部１１Ｂ、１１Ｃの貫通空間１１Ａ、１２Ａにセル１０の一部を挿入しただけの構成である。したがって、例えばオーブンによってアルカリ封入セル全体を覆う場合に比べ、簡便な構成でアルカリ封入セル１０を加熱することが可能である。
【００４６】
また、簡便な構成でアルカリ封入セル１０を加熱することができるため、例えばリザーバーを用いる場合のように複雑な形状のセルを用いる場合に比べて、容易に且つ精密にアルカリ封入セル１０の温度制御を行うことが可能となる。
【００４７】
また、第１及び第２の加熱部材１１、１２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の一部のみを貫通空間内に挿入させている。さらに、第１及び第２の加熱部材１１、１２はアルカリ封入セル１０の第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向に間隔ｄ０で離間して配置されている。そのため、アルカリ封入セル１０は第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの双方から離れた中央部分に、加熱部材１１、１２に覆われていない部分を有する。したがって、アルカリ封入セル１０において、加熱部材１１、１２に覆われていない部分、すなわちアルカリ封入セル１０の長手方向における中央部分の温度が端面１０ａ、１０ｂ近傍での温度よりも低くなるよう、容易に第１及び第２の加熱部材１１、１２を制御することができる。
【００４８】
アルカリ封入セル１０内の温度分布を図６に示す。図６は、第１及び第２の加熱部材１１、１２を制御することによって得られるアルカリ封入セル１０内の温度分布を、アルカリ封入セル１０と対応させて説明するための図である。図６（ａ）は、アルカリ封入セル１０内の温度分布を表すグラフであり、図６（ｂ）はアルカリ封入セルの断面図である。図６（ａ）のグラフの横軸はアルカリ封入セル１０の長手方向での位置を表し、図６（ａ）のグラフの縦軸は各位置での温度ｔを表す。図６に示されているように、第１及び第２の加熱部材１１、１２付きのアルカリ封入セル１０では、第１及び第２の加熱部材１１、１２が間隔ｄ０だけ離れて配置されているため、端面１０ａ、１０ｂ近傍での温度ｔ２が長手方向の中央部分付近での温度ｔ１よりも高くなるように制御することが可能である。
【００４９】
アルカリ封入セル１０内には、通常、所定の温度でアルカリ金属の飽和蒸気を発生させるために必要な量以上のアルカリ金属が充填されている。したがって、所定の温度で過剰となったアルカリ金属はアルカリ封入セル１０内の温度の低い部分に固体として析出することになる。そのため、第１の端面１０ａ又は第２の端面１０ｂ近傍の温度が中央部分付近の温度よりも低い場合、アルカリ金属は第１の端面１０ａ又は第２の端面１０ｂに固体として析出してしまう。析出したアルカリ金属の固体は、励起光ｌ１を吸収して熱を発生するため、アルカリ金属が析出した端面１０ａ、１０ｂが破損してしまうおそれがある。特に、アルカリ金属は他の金属と比べて蒸気圧が高いため、温度の低いところに固体化したアルカリ金属が集中して付着しやすく、温度制御の問題は重要である。また、アルカリレーザ装置１の出力を大きくすべく、励起光出力装置２の出力を大きくした場合には、析出したアルカリ金属が励起光ｌ１を吸収して発生する熱がより一層増大するため、析出したアルカリ金属が端面を加熱する温度がより一層上昇し、端面破損のおそれが大きくなってしまう。
【００５０】
こうした問題に対し、従来のようにアルカリ封入セル全体をオーブンで覆うことによってセルを加熱する場合、励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂに対応）だけを除いて覆っている。さらに、従来においては、アルカリ封入セル１０の温度分布、すなわち励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ）と中央部分との間の温度差を小さくすることについては何ら検討されていない。そのため、従来のアルカリ封入セル全体をオーブンで覆ったものでは、励起光の入射面及び出射面（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂ）にアルカリ金属が析出してしまい、アルカリ封入セル１０が破損してしまうおそれがある。
【００５１】
一方、本実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル１０では、容易に端面１０ａ、１０ｂ近傍で温度が長手方向の中央部分付近での温度よりも高くなるように第１及び第２の加熱部材１１、１２のセル１０への加熱を制御することができるため、アルカリ封入セル１０の破損の発生を抑制することが可能となる。
【００５２】
また、端面１０ａ、１０ｂにアルカリ金属が析出してしまうことが好適に抑制されることにより、アルカリレーザ装置１では安定した動作が可能となる。
【００５３】
また、第１及び第２の加熱部材１１、１２の間隔ｄ０を変えることによってアルカリ封入セル１０の長手方向（第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂの対向方向）の温度分布を制御することが可能となる。
【００５４】
各端面１０ａ、１０ｂ上での温度分布を考えると、加熱部材１１、１２からの距離が遠い中心部と加熱部材１１、１２からの距離が近い周辺部とでは、温度差が存在すると考えられる。特に、第１及び第２の加熱部材１１、１２がそれぞれ被覆部１１Ｂ、１２Ｂしか有さず延設部１１Ｃ、１２Ｃを有さないとすると、距離の差によって生じる温度差がそのまま存在してしまうため、各端面１０ａ、１０ｂの中心部の温度は周辺部の温度に比べ低くなってしまう。通常、励起光ｌ１は各端面１０ａ、１０ｂの中心部付近から入射又は出射される。そのため、各端面１０ａ、１０ｂの中心部にアルカリ金属が析出してしまうと、そこに励起光ｌ１を照射することになってしまう。析出されたアルカリ金属は励起光ｌ１を吸収して発熱するため、この場合端面１０ａ、１０ｂを破損してしまうおそれが増大される。
【００５５】
そこで、本実施形態に係る第１及び第２の加熱部材１１、１２付きのアルカリ封入セル１０を考えると、第１及び第２の加熱部材１１、１２は何れも、内部の貫通空間１１Ａ、１２Ａにアルカリ封入セル１０を挿入しておらず、且つアルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂから離れるように伸びる、すなわちアルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂから突出するように伸びる延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する。アルカリ封入セル１０の各端面１０ａ、１０ｂには、これらの延設部１１Ｃ、１２Ｃから発せられる熱がさらに加えられる。これにより、各端面１０ａ、１０ｂにおいて中心部と周辺部との温度差を小さくすることが可能となる。その結果、第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂにアルカリ金属が析出することをより一層効果的に抑制することが可能となる。
【００５６】
特に、各端面１０ａ、１０ｂに対して熱を加える端面加熱部材（例えばヒートガン等）を用いて各端面１０ａ、１０ｂの中心部を加熱することが好ましい。この場合、各端面１０ａ、１０ｂは、より一層均一に温度分布することが可能となる。
【００５７】
図７は、アルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂにおける温度分布を色の濃淡で表す図である。すなわち、色が濃い（黒い）ほど温度が高いことを表し、薄い（白い）ほど温度が低いことを表す。図７（ａ）は各加熱部材が延設部を有さない場合の温度分布を、図７（ｂ）は加熱部材が延設部を有する場合の温度分布を表す。図７（ａ）に示されるように、各加熱部材１１、１２が延設部１１Ｃ、１２Ｃを有さない場合、端面１０ａ、１０ｂでは周辺部の温度に比べ中心部の温度が低くなってしまう。一方、図７（ｂ）に示されるように、各加熱部材１１、１２が延設部１１Ｃ、１２Ｃを有する場合、各端面１０ａ、１０ｂでは中心部と周辺部とで温度が均一に分布する。
【００５８】
また、アルカリ封入セル１０と各加熱部材１１、１２との間隙にそれぞれ、熱伝導性を有するスペーサ１３、１４が嵌め込まれている。これらのスペーサ１３、１４は弾性を有するため、セル１０、及び加熱部材１１、１２の間隙に密着して嵌め込まれる。こうして熱伝導性を有するスペーサ１３、１４により、アルカリ封入セル１０、スペーサ１３、１４、及び加熱部材１１、１２間での密着性が高められることにより、加熱部材１１、１２によって効率良くアルカリ封入セル１０を加熱することが可能となる。また、スペーサ１３、１４によって、三者間が密着することにより、各端面１０ａ、１０ｂの温度をより一層均一に分布することが可能となる。
【００５９】
各加熱部材１１、１３の延設部１１Ｃ、１２Ｃの、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向における長さｈ１、ｈ２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることが好ましい。すなわち、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍未満の場合、各端面１０ａ、１０ｂの中心部の温度が周辺部の温度に比べ著しく低くなってしまうおそれがある。一方、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２の１．５倍より大きい場合、アルカリ封入セル１０内のアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１が加熱部材１１、１２によって遮られてしまうおそれがある。したがって、延設部１１Ｃ、１２Ｃの長さｈ１、ｈ２がそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下である場合、セル内１０のアルカリ金属蒸気Ｇに照射する励起光ｌ１を加熱部材１１、１２が遮ることを抑制しつつ、各端面１０ａ、１０ｂを全面に渡って好適に加熱することが可能となる。
【００６０】
また、アルカリレーザ装置は、アルカリ金属蒸気をレーザ媒質とするため固体レーザに比べて熱の発生が少なく、熱に起因する問題の発生を抑制することが可能である。したがって、本実施形態に係るアルカリレーザ装置１によれば、熱による問題の発生を抑制しつつ、高出力で小型のレーザ装置を実現することが可能となる。
【００６１】
なお、アルカリレーザ装置１において熱の発生が少なく抑えられる原因は以下のように考えられる。すなわち、以下の式（１）で表されるアルカリレーザ装置のレーザ効率ηを検討すると、アルカリレーザ装置は高いレーザ効率を示すことができる。
η＝Ｅ１／Ｅ２ …（１）
Ｅ１、Ｅ２：アルカリ金属の励起状態
【００６２】
例えば、Ｃｓ金属をアルカリ封入セル１０に封入して用いたＣｓレーザ装置の場合、レーザ効率ηは約９５％を示す。あるいは、例えばＲｂ金属をアルカリ封入セル１０に封入して用いたＲｂレーザ装置の場合、レーザ効率ηは約９８％を示す。このように、アルカリレーザ装置１は、一般に非常に高いレーザ効率を示す。また、レーザ効率が高いことから、アルカリレーザ装置１では、熱の発生が抑制されるものと考えられる。
【００６３】
以上述べたように、加熱部材１１、１２付きアルカリ封入セル１０を備えるアルカリレーザ装置１は、小型で且つ安価で且つ高出力且つ高ビーム品質のレーザ装置を実現することが可能である。したがって、アルカリレーザ装置１は、例えばレーザ加工分野を中心とした産業界において広く好適に利用可能である。
【００６４】
また、本実施形態では、励起光出力装置２がボリュームブラッググレーティング２４を備えている。そのため、励起光出力装置２は、スペクトル幅が狭く、またピーク強度が大きい励起光ｌ１を出力することができる。アルカリ金属の吸収スペクトルの幅は非常に狭いため、スペクトル幅の狭い光は励起光として好適である。
【００６５】
図８は、半導体レーザからの出力光のスペクトルを表すグラフである。図８のグラフでは、横軸が波長（ｎｍ）を、縦軸が強度（a.u.）を表す。また、図８のグラフにおいて、実線で表されたグラフＡがボリュームブラッググレーティングを備える場合を、点線で表されたグラフＢがボリュームブラッググレーティングを備えない場合を示す。図８のグラフＡとグラフＢとを比較すると、グラフＡの方がグラフＢよりスペクトル幅が狭く、またピーク強度が高いことが理解される。したがって、ボリュームブラッググレーティングを備えることで、出力光のスペクトル幅を狭くし、さらにピーク強度を増大させることが可能となる。
【００６６】
続いて、実施形態に係るアルカリレーザ装置の実施例について説明する。アルカリ封入セル１０として、各端面１０ａ、１０ｂの直径（外径）が２０ｍｍのガラス製セルを用意した。第１及び第２の加熱部材１１、１２として、リングヒータを用いた。第１及び第２の加熱部材１１、１２を、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向での延設部１１C、１２Cの長さがそれぞれ２０ｍｍ（各端面１０ａ、１０ｂの直径に対して１．０倍）となるようにアルカリ封入セル１０に配置した。ここで、図９に実施例として使用した加熱部材１１、１２であるリングヒータの斜視図を示す。図９では、リングヒータの外表面の一部を切り欠いて示す。リングヒータ１１（１２）には、非発熱部１５Ａ（１６Ａ）及びアダプタ部１５Ｂ、（１６Ｂ）を有するリード１５、１６が形成されている。リングヒータ１１（１２）は、真鍮からなる円筒であり、さらに外表面はステンレススチールのカバーで覆われている。また、貫通空間１１Ａ（１２Ａ）の伸びる方向における両端部には、約１ｍｍの非発熱部１１Ｄ、１１Ｅがそれぞれ設けられている。また、リングヒータ１１（１２）として、ワット密度の分割可能なヒータを用いた。リングヒータ１１（１２）内部には、電熱線ＥＬが内壁に沿って配置されている。
【００６７】
アルカリ封入セル１０内に、Ｈｅ及びエタンの混合ガスとＣｓ金属とを６００Ｔｏｒｒの圧力で封入した。Ｈｅ及びエタンの混合ガスは、バッファガスである。Ｈｅ及びエタンの混合ガスとＣｓ金属とが封入されたアルカリ封入セル１０を約１２０℃に加熱し、セル内にＣｓ蒸気を発生させた。
【００６８】
Ｃｓ原子の吸収スペクトルに合わせて、励起光出力装置２の半導体レーザアレイ２１として波長８５２ｎｍのレーザ光を出力する半導体レーザを用いた。半導体レーザアレイ２１は、擬似ＣＷ動作で動作させた。
【００６９】
こうして実施されたアルカリレーザ装置から出力されたレーザ光のスペクトルを図１０に示す。図１０のグラフにおいて、横軸が波長（ｎｍ）を表し、縦軸が強度（a.u.）を表す。また、図１０のグラフは、半導体レーザアレイに流す電流を１００Ａとし、温度を３０℃とし、１ｋＨｚでのＤｕｔｙ比を５％とした場合に得られるスペクトルである。レーザ光のスペクトルのピーク波長は８９５ｎｍであり、Ｃｓ原子の励起状態Ｅ１（２Ｐ１／２）と基底状態Ｅ０（２Ｓ１／２）との間のエネルギー差に対応している。また、スペクトル幅Δλは、測定に用いたスペクトルアナライザーの分解能（０．１０ｎｍ）以下と非常に狭い。
【００７０】
図１１に、半導体レーザアレイ２１に流す電流とＣｓレーザのピークパワーとの関係を示すグラフである。図１１のグラフより、半導体レーザアレイ２１に流す電流が約９０Ａ以上において、１Ｗ以上のピークパワーを実現していることがわかる。ただし、光学系の最適化、励起光の狭スペクトル化、励起用半導体レーザの高出力化（例えば、半導体レーザアレイのスタック化等）、アルカリ封入セル内に封入するバッファガスの圧力の増大等により、アルカリレーザ装置のさらなる高出力化が可能になると考えられる。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用いたが、本発明はＣｓに限らず他のアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ）を用いたアルカリレーザ装置に適用することも可能である。ただし、アルカリ金属の吸収スペクトルの波長と一致する波長の励起光を用いることが望ましい。
【００７２】
また、アルカリ封入セル１０内に封入するバッファガスＢは、Ｈｅ及びエタンの混合ガスに限らず、例えばＨｅに代えて、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、あるいはＸｅを用いてもよい。また、アルカリ封入セル１０内のガス封入圧も６００Ｔｏｒｒに限らず、例えば６００Ｔｏｒｒ未満であっても、あるいは６００Ｔｏｒｒより大きくてもよい。特に、高圧でガスを封入する場合、アルカリ金属原子と励起光との吸収スペクトル幅が増大するので、吸収効率が増大される。
【００７３】
アルカリ封入セル１０の形状は、上記実施形態で示した形状に限らず、例えば三角柱状、あるいは四角柱状等であってもよい。したがって、アルカリ封入セル１０の端面１０ａ、１０ｂの形状も円形に限らず、楕円状、三角形状、あるいは四角形状等であってもよい。また、第１及び第２の加熱部材１１、１２の形状も、上記実施形態で示した形状に限らず、例えば内部に貫通空間を有する三角柱状、あるいは内部に貫通空間を有する四角柱状等であってもよい。また、加熱部材１１、１２の形状は、上記実施形態及び実施例に記載された形状に限られない。
【００７４】
また、アルカリ封入セル１０及び加熱部材１１、１２の大きさは、上記実施例に記載された大きさに限られない。
【００７５】
また、アルカリ封入セル１０は、励起光が入射する面及び出射する面が励起光を透過し且つレーザ光が入射する面及び出射する面がレーザ光を透過すれば、ガラス製に限らず、例えば金属等からなっていてもよい。特に、アルカリ封入セル１０内の圧力が大気圧よりも高い場合には、金属等の堅牢な材料からなるセルを用いることが好適である。
【００７６】
また、実施形態では偏光ビームスプリッタ５により励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離してレーザ光ｌ２を取り出しているが、レーザ光ｌ２の出射方向はこれに限らず、様々な方向が考えられる。
【００７７】
また、励起光出力装置２の構成は実施形態の構成に限定されず、例えば半導体レーザアレイ２１、ＦＡＣレンズ２２、ビーム回転レンズ２３、ボリュームブラッググレーティング２４、及びＳＡＣレンズ２５をすべて備えていなくてもよい。また、半導体レーザはアレイに限らず、例えば１つの半導体レーザを搭載した半導体レーザチップ、あるいは半導体レーザチップを一列に配置した半導体レーザバー、あるいは半導体レーザバーを複数積層させた半導体レーザスタック等であってもよい。
【００７８】
あるいは、アルカリレーザ装置１は、半導体レーザからの出力光ではなく、例えばチタンサファイアレーザからの出力光を励起光として用いてもよい。チタンサファイアレーザは、波長可変可能で且つスペクトル幅の非常に狭いレーザ光を出力することができるため、励起光の波長とアルカリ金属原子の吸収スペクトルの波長とを一致させるのが容易である点で好適である。一方、半導体レーザは、チタンサファイアレーザに比べて装置を小型化でき、また安価である点で好適である。
【００７９】
また、アルカリレーザ装置１には、アルカリ封入セル１０と第１及び第２の加熱部材１１、１２との間に嵌め込まれるスペーサ１３、１４が備えられていなくてもよい。
【００８０】
また、各加熱部材１１、１３の延設部１１Ｃ、１２Ｃの、貫通空間１１Ａ、１２Ａが伸びる方向における長さｈ１、ｈ２はそれぞれ、アルカリ封入セル１０の対応する端面１０ａ、１０ｂの直径ｄ１、ｄ２に対して０．５倍未満、あるいは１．５倍より大きくてもよい。
【００８１】
また、アルカリレーザ装置１は、λ／２波長板３を有していなくてもよい。ただし、偏光ビームスプリッタ５を用いて励起光ｌ１とレーザ光ｌ２とを分離する場合には、λ／２波長板３は励起光ｌ１の偏光性を高めるため有効である。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、簡便な構成によりアルカリ封入セルを加熱することができる加熱部材付きアルカリ封入セル及びアルカリレーザ装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セルの斜視図である。
【図２】実施形態に係るアルカリ封入セルの斜視図である。
【図３】図１の加熱部材付きアルカリ封入セルのIII-III矢印断面図である。
【図４】実施形態に係るアルカリレーザ装置の構成図である。
【図５】図４に示したアルカリレーザ装置に用いられる励起光出力装置の構成図である。
【図６】実施形態に係る加熱部材付きアルカリ封入セル内の温度分布を説明するための図である。
【図７】アルカリ封入セルの端面における温度分布を表す図である。
【図８】半導体レーザからの出力光のスペクトルを表すグラフである。
【図９】実施例として使用したリングヒータの斜視図である。
【図１０】実施例のアルカリレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを表すグラフである。
【図１１】励起用半導体レーザアレイに流す電流とＣｓレーザのピークパワーとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１…アルカリレーザ装置、２…励起光出力装置、３…１／２波長板、４…集光光学系、５…偏光ビームスプリッタ、６…ミラー、７…出力カプラ、２１…半導体レーザアレイ、２２…ＦＡＣレンズ、２３…ビーム回転レンズ、２４…ボリュームブラッググレーティング、２５…ＳＡＣレンズ、１０…アルカリ封入セル、１１…第１の加熱部材、１２…第２の加熱部材、１３、１４…スペーサ、１５、１６…リード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にアルカリ金属蒸気を封入したアルカリ封入セルを加熱する第１及び第２の加熱部材を備えた加熱部材付きアルカリ封入セルであって、
前記アルカリ封入セルは、互いに対向し且つ前記アルカリ金属蒸気を励起する励起光及び励起された前記アルカリ金属蒸気から出力されるレーザ光を透過する第１及び第２の端面と、当該両端面を連結する側面とを有し、
前記第１及び第２の加熱部材にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間が形成され、
前記第１の加熱部材は、その一部の前記貫通空間内に前記アルカリ封入セルの前記第１の端面側の一部が挿入され、残りが前記第１の端面に対し前記第２の端面とは反対側に向かって伸びるように配置され、
前記第２の加熱部材は、前記第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で前記第１の加熱部材とは離間しているとともに、当該第２の加熱部材の一部の前記貫通空間内に前記アルカリ封入セルの前記第２の端面側の一部が挿入され、残りが前記第２の端面に対し前記第１の端面とは反対側に向かって伸びるように配置されていることを特徴とする加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項２】
熱伝導性及び弾性を有し、前記貫通空間を画成する前記各加熱部材の内壁と前記アルカリ封入セルの前記側面との間隙に嵌め込まれるスペーサを一対さらに備えることを特徴とする請求項１記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項３】
前記アルカリ封入セルの前記各端面に対して熱を加える一対の端面加熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項４】
前記第１及び第２の端面は何れも円形であり、
前記第１の加熱部材の前記残りの前記貫通空間が伸びる方向における長さは、前記第１の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であり、
前記第２の加熱部材の前記残りの前記貫通空間が伸びる方向における長さは、前記第２の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項５】
前記アルカリ封入セル内にアルカリ金属蒸気が封入された請求項１〜４の何れか１項記載の加熱部材付きアルカリ封入セルを共振光路上に有する共振器と、
前記アルカリ金属蒸気に照射する励起光を出力する励起光出力装置と、
を備えることを特徴とするアルカリレーザ装置。
【請求項６】
前記励起光出力装置は、
半導体レーザからなる光源と、
前記光源から出力された光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系で集光された光を回転させる回転光学系と、
前記回転光学系によって回転された光の波長スペクトルの幅を狭くするボリュームブラッググレーティングと、を有することを特徴とする請求項５に記載のアルカリレーザ装置。
【請求項１】
内部にアルカリ金属蒸気を封入したアルカリ封入セルを加熱する第１及び第２の加熱部材を備えた加熱部材付きアルカリ封入セルであって、
前記アルカリ封入セルは、互いに対向し且つ前記アルカリ金属蒸気を励起する励起光及び励起された前記アルカリ金属蒸気から出力されるレーザ光を透過する第１及び第２の端面と、当該両端面を連結する側面とを有し、
前記第１及び第２の加熱部材にはそれぞれ、一方の端部から他方の端部まで伸びる貫通空間が形成され、
前記第１の加熱部材は、その一部の前記貫通空間内に前記アルカリ封入セルの前記第１の端面側の一部が挿入され、残りが前記第１の端面に対し前記第２の端面とは反対側に向かって伸びるように配置され、
前記第２の加熱部材は、前記第１及び第２の端面の対向方向に所定の間隔で前記第１の加熱部材とは離間しているとともに、当該第２の加熱部材の一部の前記貫通空間内に前記アルカリ封入セルの前記第２の端面側の一部が挿入され、残りが前記第２の端面に対し前記第１の端面とは反対側に向かって伸びるように配置されていることを特徴とする加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項２】
熱伝導性及び弾性を有し、前記貫通空間を画成する前記各加熱部材の内壁と前記アルカリ封入セルの前記側面との間隙に嵌め込まれるスペーサを一対さらに備えることを特徴とする請求項１記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項３】
前記アルカリ封入セルの前記各端面に対して熱を加える一対の端面加熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項４】
前記第１及び第２の端面は何れも円形であり、
前記第１の加熱部材の前記残りの前記貫通空間が伸びる方向における長さは、前記第１の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であり、
前記第２の加熱部材の前記残りの前記貫通空間が伸びる方向における長さは、前記第２の端面の直径に対して０．５倍以上且つ１．５倍以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の加熱部材付きアルカリ封入セル。
【請求項５】
前記アルカリ封入セル内にアルカリ金属蒸気が封入された請求項１〜４の何れか１項記載の加熱部材付きアルカリ封入セルを共振光路上に有する共振器と、
前記アルカリ金属蒸気に照射する励起光を出力する励起光出力装置と、
を備えることを特徴とするアルカリレーザ装置。
【請求項６】
前記励起光出力装置は、
半導体レーザからなる光源と、
前記光源から出力された光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系で集光された光を回転させる回転光学系と、
前記回転光学系によって回転された光の波長スペクトルの幅を狭くするボリュームブラッググレーティングと、を有することを特徴とする請求項５に記載のアルカリレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−４１６９７（Ｐ２００８−４１６９７Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０９８８６（Ｐ２００６−２０９８８６）
【出願日】平成１８年８月１日（２００６．８．１）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１日（２００６．８．１）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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