(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長縁及び短縁を有する第１のファセットをなす矩形横断面を有する増幅媒質であって、前記長縁がｘ軸に沿い、前記短縁がｙ軸に沿い、ｚ軸が直交座標システム内にポンプ軸を画定する、増幅媒質と、
ポンプモジュールとからなる、レーザビームを増幅するための装置において、
前記ポンプモジュールは、
前記ｘ軸に平行なスロー軸及び前記ｙ軸に平行なファスト軸を有する線形アレイに配置されたエミッタからの光源ビームの合成物であるポンプビームと、
前記エミッタと前記増幅媒質の前記第１のファセットとの間に位置する光学アセンブリとからなり、
前記光学アセンブリは、
前記エミッタに隣接して、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記ファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、スロー軸の第２のレンズのアレイと、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズから離間した第３のレンズとを有し、
前記個々の光源ビームが、前記第１のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、
これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、
レーザビームを増幅するための装置。
【請求項２】
前記第１のレンズが焦点距離ｆ１ｙを有するファスト軸コリメータからなり、前記第３のレンズが焦点距離ｆ２を有するレンズからなり、前記第１のファセットで前記ファスト軸にビームサイズを与えるように組合せが選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のレンズが各々スロー軸コリメータからなり、各コリメータが焦点距離ｆ１ｘを有し、前記スロー軸の前記第３のレンズと共にＭｘ＝ｆ２／ｆ１ｘの倍率を与える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第３のレンズが球面である、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、単一の光学要素として設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第３のレンズが、前記第１のファセットの前に各光源ビームのビームウエストを作るように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記第３のレンズが、周辺光源ビームをある角度で前記増幅媒質内に向けて、前記増幅媒質内に全内部反射を生じさせるように構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記エミッタの線形アレイがレーザダイオードバーである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記ポンプモジュールが、ポンプビームを各々供給する複数のレーザダイオードバーからなり、各レーザダイオードバーが第１のレンズを備え、各エミッタが第２のレンズを備え、前記装置が前記ポンプビームに作用するように構成された単一の第３のレンズを有し、前記個々の光源ビームが前記第１のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿
って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第３のレンズに向ける１つ又は複数のミラーを備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第３のレンズに向ける１つ又は複数の偏光キューブを備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記増幅媒質の反対側に配置された第２のポンプモジュールがあり、前記第２のポンプモジュールが、個々の光源ビームが前記第１のファセットと反対の第２のファセットで重なる第２のポンプビームを供給し、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第２のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも１つのポンプビームの伝搬軸がｚ軸に対して軸外である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記増幅媒質が単結晶スラブである、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記増幅媒質がガラスである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記増幅媒質がセラミックである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記単結晶スラブが、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記増幅媒質が、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたガラススラブである、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記増幅媒質が、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたセラミックスラブである、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記第３のレンズから離間した第４のレンズが、前記ファスト軸で前記ポンプビームに作用するように構成され、前記ポンプビームがドープ領域に結合するようにサイズ決めされる、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第４のレンズが円筒形である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
ａ）線形アレイに配置されたエミッタによって複数の光源ビームを与える工程と、
ｂ）前記エミッタと増幅媒質の第１のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、前記光学アセンブリが、前記エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、前記第１のレンズに隣接する、スロー軸の第２のレンズのアレイと、前記光源ビームに作用するように構成された、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズから離間した第３のレンズとを有する、光学アセンブリを設ける工程と、
ｃ）前記レンズを離間させて、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第１のファセットに重ねる工程であって、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸における前記増幅
媒質の長縁に沿って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記個々の光源ビームが、前記ファスト軸における前記増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、前記増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第１のファセットに重ねる工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングするための方法。
【請求項２３】
前記エミッタの前記線形アレイがダイオードバーからなる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記個々の光源ビームが、前記第１のファセットにビームウエストを有する、請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記個々の光源ビームがビームウエストを有し、前記エミッタに対する前記第１のレンズの位置を調節することにより、前記第１のファセットに対する前記ビームウエストの位置を変化させる、請求項２２又は２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅媒質を通して均質な合成光源ビームをポンピングすることにより、レーザビームを増幅する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１０ピコ秒未満のパルス幅を有するレーザは、微細機械加工産業の用途において新しい処理工程の可能性をもたらす。しかしながら、大量生産を可能にする処理速度は、１００Ｗを超える平均電力を用いる間に、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのパルス繰り返し周波数で最適な周波数に調節可能であることを必要とする。一般的に、最大パルスエネルギーが非線形効果及びレーザ結晶への損傷による制限を受けるため、大半のレーザ構造では上記のような組合せは達成することができない。薄型の円板レーザ発振器は、必要な電力範囲の下端である１５０Ｗに近づく電力を達成しているが、必要な範囲を上回る３．５０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの一定パルス繰り返し周波数では、平均電力を維持しながら、これらの周波数を特定の工程のために最適な周波数に調節することは容易にはできない。
【０００３】
必要とされる高い平均電力を得るために、現在、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）が使用されている。そのような装置では、低電力レーザ主発振器は、電力増幅器に結合される所定の幅のパルスを発生する。入力パルスは、入力パルスに加えられる増幅器内の放射を刺激して、より高い出力エネルギーパルスを作る。強度及びフルエンスの両方が、同様の出力を有する発振器内で達成されるものよりも有意に低いため、装置は損傷が発生する前に、より高い出力電力及びエネルギーを達成することができる。ＭＯＰＡは、現在、いくつかの代替レーザ構造で実施されている。
【０００４】
これらの配置の各々では、単一の固体状態にある結晶媒質が増幅器の活性領域を形成し、この増幅器は一般的に１つ又は複数のレーザダイオードバーを介してポンピングされる。レーザダイオードバーは、ビームが迅速に発散する垂直軸（半導体ウェーハに垂直）を指すファスト軸と、バーの面に平行なスロー軸とを有するエミッタの線形アレイである。スロー軸（ｘ軸）及びファスト軸（ｙ軸）は互いに垂直で、ポンプ軸（ｚ軸）に直交する。エミッタから固体レーザ媒質への正確なエネルギー結合は、産業用レーザシステムの必要条件である安定したモード及び出力でデバイスを効率的に動作させる場合に極めて重要である。結合技法により、ポンプ軸を横切る方向、及びポンプ軸に沿った方向の両方において略均一な吸収及び加熱を確実にしなければならない。Ｎｄ：ＹＡＧなどの４準位のレーザシステムでは、熱的に発生した屈折率のプロファイルが、ビーム指向、モード歪み、及び減偏光につながるおそれがある。薄スラブ又は平面導波路などの結晶形状の選択によって、これらの影響の一部を減らすことができるが、完全になくすことはできない。加えて、Ｙｂ：ＹＡＧなどの準３準位システムでは、結晶が均一にポンピングされない場合に、室温での有限の低レーザ準位分布が望ましくない吸収領域を生じさせるおそれがある。
【０００５】
ダニエル・コプフの特許文献１は、再生増幅器用のポンピングシステムに係り、このシステムでは、レーザ媒質の略同一のスポットに集束することなく、１つ又は複数のアレイの各単一のエミッタを結像することにより、適した略平滑なレーザダイオードポンプスポットがレーザダイオードアレイ光源又は複数のアレイから得られる。集束しないため、比較的低いアスペクト比のダイオードレーザビームが、スポットの比較的低い強度を有する利得媒質の表面で得られ、これにより、再生増幅器のセットアップにおけるより高い強度によって生じる熱的損傷及び他の問題を防止する。
【０００６】
特許文献１のポンプ機構は、図１に詳細に示される。レーザダイオードバーＡのファス
ト軸に、０．２〜１ｍｍの焦点距離ｆ１を有する円筒レンズの形のファスト軸コリメータＢが、レーザダイオードエミッタＣから距離ｆ１のところに配置される。このコリメータは、ファスト軸で強く発散する光をコリメートするように作用する。スロー軸では、焦点距離ｆ２の円筒レンズＤが、ダイオードエミッタＣから距離約ｆ２のところに配置される。このレンズはスロー軸でのみ作用する。レンズはスロー軸でビームをコリメートするように作用し、アレイ内の個々のエミッタにより作られたビームを実質的に重ねる。あるいは、円筒レンズの位置をわずかにずらすことにより、ビームをスロー軸で互いに隣接して配置することができる。ファスト軸でのビームの集束がないことが重要である。
【０００７】
このポンプ機構の目的は、ＭＯＰＡで用いられる薄スラブ又は平面導波路構造と比べて薄い円板活性領域を有する再生増幅器で使用される場合に、利得媒質の表面に平滑なプロファイルを有する略円形又は低アスペクト比のビームを作ることである。ビームの低アスペクト比及びプロファイルは、望ましくないアパーチャリング及び不均一な加熱効果を防止するために必要である。平滑なプロファイルを作るために、スロー軸の円筒レンズはビームを結像するのではなく、レンズからの焦点距離ｆ２での近視野プロファイルのフーリエ変換である、遠視野プロファイルを作る。この配置の欠点は、活性領域の利得が制限されるため、ＭＯＰＡに複雑な再生増幅器が必要なことである。
【０００８】
ポンプビームは、結晶に入射後、周知のベールの法則Ｉｏｕｔ＝Ｉｉｎｅｘｐ（−αｚ）（ここで、Ｉｏｕｔは吸収係数αを特徴とする吸収媒質を通る伝搬距離ｚ後の、入力ビーム強度Ｉｉｎに対する残りのビーム強度である）に従って吸収されることが知られている。このビームポンプ強度の指数関数的減衰を克服するために、二重ポンピング配置が提案されている。二重ポンピング配置は、例えば、図２に示すドイツのエッジウェーブ社（ＥｄｇｅＷａｖｅ  ＧｍｂＨ）から市販されているＩＮＮＯＳＬＡＢ増幅器に見られる。ポンプ機構は、外形を示した箱の内部にある。
【０００９】
図２は、２つの平面のレーザダイオードバーＥ、Ｆとの対のレイアウトを示し、ポンプ軸が増幅又は発振シードビームの伝搬軸と同一線上にある状態で、各バーが、対向側部を通ってレーザ結晶Ｇに入射する。ファスト軸では、ビームが適切な倍率の望遠鏡を用いて結晶に直接結像されて、一般的に結晶高さの２０％〜５０％のポンプストライプ高さを生じさせる。スロー軸では、ビームが平面導波路Ｈに集束される。その後、複数のエミッタビームが、導波路に沿って進むときに「混合され」、より均質又は均一なプロファイルを有する出力をもたらす。適切な倍率を用いることにより、均質化されたビームがその後、結晶に結像されて、結晶の幅が均一にポンピングされるようになる。
【００１０】
この手法の主な欠点は、部品の複雑さ、及び一般的に５００ｍｍ×５００ｍｍである、デバイスの大きい設置面積である。設置面積は、結晶又はポンプダイオード自体ではなく、ポンプ均質化光学素子及び導波路の大きさ及び複雑さによって主に決定される。加えて、ポンプ軸がシードビームの伝搬軸と同一線上にあり、ポンプビームとシードビームとを、互いに対して向け直すために追加の光学素子が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ヨーロッパ特許出願公開第１３１８５７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくともいくつかを克服する、増幅媒質を通る均質な合成光源ビームを用いたポンピングにより、レーザビームを増幅する装置及び方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる目的は、従来技術よりも簡単でよりコンパクトな配置の、二重ポンピングされ、光学的に励起された単結晶スラブ活性領域を備えるレーザ増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、長縁及び短縁を有する第１のファセットを提供する矩形横断面を有し、長縁がｘ軸に沿い、短縁がｙ軸に沿い、ｚ軸が直交座標システム内にポンプ軸を画定する増幅媒質と、ポンプモジュールとからなり、ポンプモジュールが、ｘ軸に平行なスロー軸及びｙ軸に平行なファスト軸を有する線形アレイに配置されたエミッタからの光源ビームの合成物であるポンプビームと、エミッタと増幅媒質の第１のファセットとの間に位置する光学アセンブリとからなり、光学アセンブリが、エミッタに隣接して、ポンプビームに作用するように構成されたファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、スロー軸の第２のレンズのアレイと、ポンプビームに作用するように構成された、第１のレンズ及び第２のレンズから離間した第３のレンズとを有し、個々の光源ビームが、第１のファセットで重なり、スロー軸の長縁に沿って第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、ファスト軸の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、これにより、増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、ポンプビームに直交する方向に増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、レーザビームを増幅するための装置が提供される。
【００１５】
このようにして、ファスト軸及びスロー軸の光学システムが、エミッタの線形アレイから合成ポンプビームを形成する。合成ポンプビームでは、すべての個々の光源ビームが増幅媒質のファセットで重なって、ｙ軸に沿ってガウス状の利得プロファイルを作り、ｘ軸に沿ってトップハット状のプロファイルを作り、近視野の高アスペクト比ポンプビーム内にあるので改善された均質なポンピングを行う。加えて、光学配置は、比較的長さが短く、コンパクトなポンプ機構を提供することができる。
【００１６】
好適には、第１のレンズは焦点距離ｆ１ｙを有するファスト軸コリメータからなり、第３のレンズは焦点距離ｆ２を有するレンズからなり、第１のファセットでファスト軸に必要なビームサイズを与えるように組合せが選択される。このビームサイズは、短縁の長さよりも短い。ファスト軸コリメータは短い焦点距離を有することができ、コリメータの出力時のビーム高さは、一般的に、ファセットへの入射時の所望のビーム高さよりも高い。ファセットのビーム高さを、エミッタとファスト軸コリメータとの間の距離を変化させることにより調節してもよい。より好適には、第３のレンズは、第１のファセットに、又は第１のファセット近くに各光源ビームのガウスビームウエストを作るように構成される。これは、ビームウエスト位置を第３のレンズから距離ｆ２のところになるように選択することによって達成される。加えて、ファスト軸ビームが第３のレンズを通ることにより、ｙ方向への小さい変位によってポンプビームを方向付けするための手段を提供することができる。
【００１７】
第２のレンズは好適には各々スロー軸コリメータからなり、各コリメータが焦点距離ｆ１ｘを有し、スロー軸の第３のレンズと共にＭｘ＝ｆ２／ｆ１ｘの倍率を与える。このようにして、第１のファセットが第３のレンズからｆ２に等しい距離のところに位置する状態で、すべての光源ビームが第１のファセットで重なり、第１のファセットに略均質化されたビームを与える。好適には、第２のレンズと第３のレンズとの間の距離が合計ｆ２＋ｆ１ｘよりも短い。これにより、光源ビームが増幅媒質に入射するときに発散特性を有することが有利である。第３のレンズは好適には、周辺光源ビームをある角度で増幅媒質内に向けて、増幅媒質内に全内部反射を生じさせるように構成される。この特徴の組合せは、増幅媒質全体が確実に略均一にポンピングされるように作用する。
【００１８】
第３のレンズは好適には球面レンズである。このようにして、光学アセンブリは、標準部品を使用して、費用を削減し、設計を簡素化することができる。第３のレンズは、同等の非球面又はＧｒａｄｉｕｍ（商標）レンズであってもよい。そのようなレンズを使用して、起こり得る収差を減らすことができる。
【００１９】
第１のレンズ及び第２のレンズが、単一の光学要素として設けられてもよい。そのような要素は、現在容易に入手可能であり、単一の光学要素を使用することによっても、設計が簡単になり、組み立てが容易になる。この単一の光学要素及び第３のレンズによって、コンパクトな光学アセンブリが提供されることが有利である。
【００２０】
第１のファセット上のポンプビームの部分は好適には、長縁の長さに略等しい長さと、短縁の長さの５０％未満の幅とを有する。より好適には、幅が、短縁の長さの２０％〜３０％である。このようにして、増幅媒質は、矩形横断面を持つ薄いポンプシートを有し、その横断面のｙ方向の寸法が増幅媒質の寸法よりも小さい。
【００２１】
エミッタの線形アレイは好適にはレーザダイオードバーである。より好適には、第１のファセットの部分内に単一のポンプビームを供給する複数のレーザダイオードバーがあり、対応する複数の光学アセンブリが共通の第３のレンズを有する。このようにして、ポンプビームのエネルギーを増大させることができる。したがって、好適には、ポンプモジュールが、ポンプビームを供給する複数のレーザダイオードバーからなり、各バーが第１のレンズを備え、各エミッタが第２のレンズを備え、装置がポンプビームに作用するように構成された単一の第３のレンズを有し、個々の光源ビームが第１のファセットで略重なり、第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされる。
【００２２】
この複数のレーザダイオードバーが可能なのは、第２のレンズと第３のレンズとの間の距離が、ミラーを使用して光源ビームを各レーザダイオードバーから第３のレンズのアパーチャに向けるのに十分なものであり得るからである。偏光キューブなどの他の要素を使用してもよい。
【００２３】
好適には、ポンプモジュールが第１のレーザダイオードバー及び第２のレーザダイオードバーからなってもよく、第２のレーザダイオードバーは、スロー軸がｚ軸に平行な状態で第１のレーザダイオードバーに直交して配置されたエミッタの線形アレイを備え、ビームを共通の第３のレンズ側に向けるミラーを備える第２の光学アセンブリをさらに備える。このようにして、二重ダイオードバーのコンパクトなポンプモジュールが提供される。
【００２４】
第３のレーザダイオードバーがあってもよく、第３のレーザダイオードバーは、スロー軸がｚ軸に平行な状態で第２のレーザダイオードバーに面して配置されたエミッタの線形アレイを備え、ビームを共通の第３のレンズ側に向けるミラーを備える第３の光学アセンブリをさらに備える。このようにして、三重ダイオードバーのコンパクトなポンプモジュールが提供される。
【００２５】
好適には、さらなるレーザダイオードバーがあり、さらなるレーザダイオードバーは、スロー軸がｘ軸に平行な状態で第１のレーザダイオードバーに対して線形に配置されたエミッタの線形アレイを備える。
【００２６】
ポンプモジュールは、第１のレーザダイオードバーと第２のレーザダイオードバーとからなってもよく、第２のレーザダイオードバーは、スロー軸がｚ軸に平行な状態で配置されたエミッタの線形アレイを備え、ビームを共通の第３のレンズ側に向ける偏光キューブを備える第２の光学アセンブリをさらに備える。このようにして、二重ダイオードバーの
コンパクトなポンプモジュールが提供される。
【００２７】
ポンプモジュールは、異なる波長の第１のレーザダイオードバー及び第２のレーザダイオードバーからなってもよく、第２のレーザダイオードバーは、スロー軸がｚ軸に平行な状態で配置されたエミッタの線形アレイを備え、ビームを共通の第３のレンズ側に向けるダイクロイックミラーを備える第２の光学アセンブリをさらに備える。このようにして、二重ダイオードバーのコンパクトなポンプモジュールが提供される。
【００２８】
複数のレーザダイオードバーを、ｙ軸で積み重ねてもよい。複数のレーザダイオードバーをｚ軸で交互に配置してもよい。
好適には、レーザビームの伝搬軸がポンプ軸を横切る。このようにして、増幅媒質をサイドポンピングすることができ、ポンプ及びレーザビームの両方に作用することを要する光学素子は必要ない。
【００２９】
増幅媒質の反対側に配置された第２のポンプモジュールがあってもよく、第２の側は、第１のファセットの反対にあって、ポンプ軸に直交する第２のファセットを提供する。このようにして、増幅媒質は均質にポンピングされる。
【００３０】
少なくとも１つのポンプビームの伝搬軸がｚ軸に対して軸外であることが有利である。この軸外配置により、対向するポンプビームが光学アセンブリに干渉することを防止する。
【００３１】
増幅媒質は好適には単結晶スラブである。増幅媒質はガラスであってもよい。増幅媒質はセラミックであってもよい。増幅媒質は好適には、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質間にあるサンドイッチ構造に形成されたスラブである。
【００３２】
第３のレンズから離間して第４のレンズがあってもよく、第４のレンズは、ファスト軸でポンプビームに作用するように構成されて、ビームがドープ領域に結合するようにサイズ決めされる。第４のレンズは好適には円筒形である。このようにして、ポンプビームを導波路に結合することができる。
【００３３】
本発明の第２の態様によれば、
ａ）線形アレイに配置されたエミッタから複数の光源ビームを与える工程と、
ｂ）エミッタと増幅媒質の第１のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、光学アセンブリが、エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、第１のレンズに隣接する、スロー軸の第２のレンズのアレイと、光源ビームに作用するように構成された、第１のレンズ及び第２のレンズから離間した第３のレンズとを有する工程と、
ｃ）レンズを離間させて、個々の光源ビームを増幅媒質の第１のファセットに重ねる工程であって、個々の光源ビームが、スロー軸における増幅媒質の長縁に沿って第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、個々の光源ビームが、ファスト軸における増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングする方法が提供される。
【００３４】
エミッタの線形アレイは好適にはダイオードバーからなる。
個々の光源ビームは好適には、第１のファセットにビームウエストを有する。第１のファセットに対する第１のレンズの位置を調節することにより、第１のファセットに対するビームウエストの位置を変化させることができる。
【００３５】
以下で、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術によるダイオードポンピング機構の光学配置を示す図。
【図２】従来技術による、レーザビームを増幅する装置を示す図。
【図３ａ】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置のスロー軸における概略図。
【図３ｂ】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置のファスト軸における概略図。
【図４ａ】光学アセンブリのない状態の、第１のファセットでの図３の装置のビーム・ポンプ・プロファイルを示す図。
【図４ｂ】光学アセンブリのある状態の、第１のファセットでの図３の装置のビーム・ポンプ・プロファイルを示す図。
【図５】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図６】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図７】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図８】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図９】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図１０】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図１１】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図１２】本発明の実施形態による、レーザビームを増幅する装置の（ａ）ファスト軸及び（ｂ）スロー軸における概略図。
【図１３】本発明の実施形態による、２つのポンプモジュールを備える、レーザビームを増幅する装置の概略図。
【図１４】本発明のさらなる実施形態による、傾斜ポンピング形状を有する図１３の装置の図。
【図１５】図１４の装置のポンピング条件下の、増幅媒質にわたる小信号利得係数の均一性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
一般にレーザ増幅器と呼ばれ、参照符号１０で示される、レーザビームを増幅する装置を示す図３を最初に参照する。本発明の実施形態によるこの装置は、結晶１４である増幅媒質を通してレーザビーム１２を増幅するためのものであり、結晶１４がポンプモジュール１６によりポンピングされる。図３は、上面図である図３（ａ）と側面図である図３（ｂ）との２つに分かれている。
【００３８】
結晶１４は、当技術で公知のように部分的にドープされ得る単結晶構造として形成された固体媒質である。結晶１４は矩形横断面を有し、短縁２６及び長縁２８を与える。これを単結晶スラブと呼ぶことができる。結晶について説明するが、増幅媒質はガラス又はセラミックであってもよい。加えて、スラブは、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されてもよい。
【００３９】
レーザビーム１２は、一般的に、主発振器と考えられるレーザ光源から発生される。低
出力レーザ主発振器は、レーザ増幅器１０に結合されるパルスのレーザビームを発生させる。各入力パルスは、入力パルスに加えられる結晶１４内での放射を刺激して、より高い出力エネルギーパルスを生じさせる。このようにして、レーザ増幅器１０を電力増幅器と考えることができ、レーザビームをシードビームと考えることができる。
【００４０】
結晶１４は、レーザ媒質として作用するために、二次光源からポンピングされる必要がある。エミッタの線形アレイは、この二次光源を提供する。本実施形態では、二次光源は、ダイオードレーザ、又はより好適には、レーザダイオードバー１８である。レーザダイオードバー１８は、ｘ軸に沿って配置された半導体レーザダイオードのエミッタ２０の線形アレイであり、ｙ軸において単一の列高さを有し、各エミッタ２０がｚ軸に光源ビーム２２を出力するように方向付けされる。エミッタ２０は、好適には、マルチモードのレーザエミッタである。図では、明確にするために、最も外側のダイオードエミッタからのビームのみが示される。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、各軸が他の軸に直交する標準の直交座標システムを定義する。ｙ軸はファスト軸と呼ばれる。図３（ｂ）を参照されたい。ファスト軸は、一般的に、半導体ウェーハに垂直な垂直軸である。ファスト軸では、各エミッタが急速に発散するガウス状モードを発生させる。図３（ａ）に示す、バー１８に平行なｘ軸であるスロー軸では、各エミッタ２０からの放射が組み合わさって、ゆっくりした発散を伴うトップハットの近似をもたらす。これにより、光源ビーム２２が組み合わさって、結晶１４の第１のファセット２４に結像される合成ポンプビームを供給する。
【００４１】
ビーム２２を結晶１４に結像するために、光学アセンブリ３０が、エミッタ２０と結晶１４の矩形側又は第１のファセット２４との間に位置する。図３の実施形態では、レーザダイオードバー１８に１９個のエミッタ２０がある。光学アセンブリ３０は、第１のレンズ３４、第２のレンズ４０のアレイ、及び第３のレンズ３６からなる。光学アセンブリ３０を、ファスト軸及びスロー軸で独立して考えることができる。
【００４２】
図３（ａ）を参照すると、スロー軸において、光学アセンブリ３０は第２のレンズ４０のアレイと第３のレンズ３６とを示す。第２のレンズ４０は、焦点距離ｆ１ｘのスロー軸コリメーションレンズ４２のアレイであり、各エミッタ２０の後にｆ１ｘに等しい距離で配置される。個々のレンズ４２は各々、一般的に単一のエミッタ光源ビーム２２に作用する円筒レンズとなる。
【００４３】
第３のレンズ３６は、第２のレンズ４０から距離Ｌ１だけ離間している。この距離Ｌ１は重要ではなく、設計の他のパラメータに合わせて変更することができる。実際に、Ｌ１は、他の光学部品をアセンブリ内に位置させるために十分なものとすることができる。例えば図７を参照されたい。Ｌ１の一般的な距離は約２５ｍｍである。第３のレンズ３６と第１のファセット２４との間の距離は、ポンプ投射距離であり、第３のレンズの焦点距離ｆ２として選択される。レンズ３６、４０は倍率Ｍｘ≒ｆ２／ｆ１ｘをもたらす。これにより、各エミッタ２０から第１のファセット２４の全長にわたって、各光源ビーム２２の像が提供される。したがって、光源ビーム２２は、スロー軸において、第１のファセット２４上で全体的に重なる。この技法により、増幅媒質の全長が略均質化されたスロー軸ビームに確実に晒される。
【００４４】
第２のレンズ４０の円筒レンズアレイの焦点距離ｆ１ｘは、この倍率をもたらすように選択される。ファスト軸コリメーションが含まれるとき、条件はまた、第２のレンズ４０を、ｆ１ｘよりもやや大きい、エミッタ２０からの物理的距離のところに位置決めして、ファスト軸レンズ３４によって導入されるスロー軸の屈折を補償する必要がある。第２のレンズ及び第３のレンズの光学アセンブリ３０の組合せを、２レンズ伸縮式拡大鏡３８と考えることができる。そのような拡大鏡３８は、かなりの屈折力、例えば×７０を有することができ、ある範囲のファセットのサイズ及び形状に合うように構成されてもよい。
【００４５】
したがって、個々の光源ビーム２２に適切な拡張を与えるようにレンズ３６、４０の焦点距離が選択されて、個々の光源ビーム２２が結晶１４に重なり、ポンピングされずに残る領域がスロー軸にないようにする。一般的に、エミッタ２０の幅は約１５０μｍ、結晶長さは約４７倍の倍率を必要とする約７ｍｍであり、一般的に、ｆ１ｘ＝１．８ｍｍ及びｆ２＝８０ｍｍで得られる。重要なのは、エミッタの拡大された像が第３のレンズ３６の焦点距離のところに形成されて、空間的な重なりを確保することである。したがって、結晶周りのビームの漏出を最小限にし、エミッタ出力の空間的変化を拡大像にわたって平均化して、結晶１４の均質なポンピングを生じさせる。
【００４６】
ビームを重ねる際に、レンズ３６、４０は一般的に、距離Ｌ１が合計（ｆ１ｘ＋ｆ２）よりも小さくなり得るように選択されて、結晶１４に入射する光源ビーム２２がスロー軸の発散特性を有する。この発散特性は、ある角度で結晶１４に入射する周辺光源ビームの全内部反射からの追加の効果により、結晶１４全体が確実に略均一にポンピングされるように作用する。
【００４７】
また、この重なりにより、個々のレーザダイオード又はレーザダイオードのエミッタ２０の故障がいくらか免れる。単一のエミッタの故障によって、ポンピング出力が低下するが、スロー軸に沿った部分がポンピングされずに残ることはない。これは、個々のレーザダイオード又はレーザダイオードのエミッタの故障によってポンピングされない領域が生じる従来技術とは対照的である。４準位レーザ結晶では、これにより、望ましくない熱的影響が生じるおそれがある。加えて、準３準位レーザシステムでは、ポンピングされない領域が吸収することにより、損失を生じさせ、デバイス効率を低下させる。
【００４８】
次に、ファスト軸の光学アセンブリ３０を考慮して、図３（ｂ）を参照する。エミッタ２０から出た光源ビーム２２は高い発散を有する。したがって、第１のレンズ３４は、当技術で発散を遅くするものとして知られるファスト軸コリメータである。一般的に、ファスト軸コリメーションは、０．６ｍｍ〜０．９ｍｍの焦点距離ｆ１ｙを有する。ファスト軸コリメータ３４は、エミッタ２０から焦点距離ｆ１ｙのところに位置して、各エミッタ光源ビーム２２が光学アセンブリ３０の第１のレンズ３４に直接入射するようになっている。結果として生じるコリメートされたファスト軸ビームは、通常、ガウスビームにかなり近似し、レンズ３４であるコリメータから出射するときに所望のビーム高さ２ｗ０をもたらすように、焦点距離ｆ１ｙが選択される。標準のＡＢＣＤ行列を用いて、光学配置と、光学軸に沿った点でビームサイズを計算するために用いるＡＢＣＤ則とを説明することができる。収差があり得るため、当業者に公知のように、第１のレンズ３４後のビームには、Ｍ２の適切な値、一般的に１．３が割り当てられる。
【００４９】
また、ファスト軸の光学アセンブリは、第３のレンズ３６を備える。これは球面レンズであり、その焦点距離ｆ２及び位置もスロー軸の要件により制御される。
結晶１４内に薄い利得シートを作ることが目的であることに留意して、第１のファセットで所望のビーム高さ２ｗ１が選択される。ビーム高さ２ｗ１は、通常、２ｗ０未満である。加えて、第１のファセット２４に、又は第１のファセット２４近くにガウスウエストがあることが有利であり、すなわち、第３のレンズとビームウエストとの間のウエスト距離Ｌ２は、ｆ２として選択されたポンプ投射距離に等しくすべきである。
【００５０】
ビームウエスト位置及びそのサイズの必要な制御を得るために、ＡＢＣＤ計算工程は、実際的な限界内で変化させることのできるパラメータｗ０及びＬ１を、予め選択されたｆ２と組み合わせて使用する。結合された計算により、最も適切な設計を得るための相互的な解がもたらされる。
【００５１】
ビームウエストのサイズ又は位置が満足なものでない場合、ファスト軸の追加の円筒集束力が必要となり得る。追加の光学部品を導入することなくこれを得る１つの方法は、第１のレンズ３４の位置をエミッタ２０に対して調節することによるものである。これにより、修正されたＡＢＣＤ計算の追加の自由度を与える正又は負の波面曲率半径を導入することができる。
【００５２】
説明した実施形態について、第３のレンズ３６は一般的に約８０ｍｍの焦点距離ｆ２を有し、第１のレンズ３４であるファスト軸コリメータから約２５ｍｍのところに配置される。結晶１４は、第３のレンズ３６から距離ｆ２のところに配置される。したがって、エミッタ光源ビーム２２の約１μｍの半径が、結晶１４の第１のファセット２４に形成された、約１００μｍのポンプストライプの半分の高さを与える。ポンプ領域は、結晶１４の第１のファセット２４の部分である。短縁２６上の結晶高さの一般的な値は、０．７５ｍｍ〜１ｍｍである。ポンプ領域の部分の高さは、短縁２６上の全結晶高さの約２０％〜３０％であり、薄い利得シートをもたらす。
【００５３】
図１の従来技術とは異なり、一般的なアスペクト比＞１０：１を有する近視野の高アスペクト比ビームが結晶１４上に作られる。これは、ポンプ結晶の薄スラブ又は平面導波路構造の形状に一致するため重要である。図４は、前述した光学アセンブリ３０を用いる効果を示す。図４（ａ）を参照すると、ポンプビームプロファイルは、結像せずに、中心から縁部へ向かってゆっくりと減少する。実際には、このプロファイルを矩形レーザ結晶に合わせることにより、ポンピングされていないゾーンもしくはポンピング中のゾーンが生じて、結晶の縁部に向かって領域を吸収し、又は結晶の縁部を越えるポンプ力のかなりの漏出を生じさせる。いずれの状況によっても、非効率的なデバイスとなる。しかしながら、個々のエミッタ光源ビームを結像し、エミッタ光源ビームを空間的に重ねると、ポンプビームプロファイルは、はるかに鋭い縁部を有する。これは図４（ｂ）に示される。これにより、ポンプビームプロファイルとレーザ結晶とがより密に一致することが可能になり、ポンプ出力の最少の損失で、レーザ結晶の効率的かつ略均一なポンピングが行われる。
【００５４】
単一のレーザダイオードバー１８を用いるポンプモジュール１６を備えたレーザ増幅器１０ａの代替実施形態が、図５に示される。明確さの助けとなるように、図３のレーザ増幅器の部品と同一の部品には同一の参照符号を付し、ファスト軸及びスロー軸の図を示す。
【００５５】
図５では、レーザダイオードバー１８のマウント４３を示して、レーザ増幅器１０ａのレーザダイオードバー１８に必要な空間を示す。本実施形態では、ファスト軸コリメータ３４及びスロー軸コリメータ４０が、エミッタ２０の出力光源ビーム２２でエミッタ２０の前に取り付けられた単一の光学要素４４として設けられる。第３のレンズ３６は平凸である。したがって、スロー軸コリメータ４０は、個々に位置合わせされて、各エミッタ光源ビーム２２を凸面４６上の所望の位置に向け、各エミッタ光源ビーム２２が結晶１４のポンピング領域の部分に結像されるようにする。
【００５６】
結晶１４への入力ポンプ出力、したがって増幅器１０、１０ａの有能利得は、ダイオードバー１８ごとの有能利得によって制限される。出力をさらにスケーリングするために、いくつかのダイオードバー１８を単一のポンプモジュール１６内で組み合わせてもよい。距離Ｌ１は、各レーザダイオードバー１８からの光源ビーム２２の各アレイが第３のレンズ３６のアパーチャを共有する状態で、この組合せを可能にするのに十分なものであってよい。
【００５７】
図６は、ポンプモジュール１６の潜在力を２倍にするために２つのバー１８ａ、１８ｂが隣り合わせに配置されたレーザ増幅器１０ｂを示す。光学アセンブリ３０では、各バー
１８ａ、１８ｂが、第１のレンズとしてファスト軸コリメータ３４ａ、３４ｂを有し、第２のレンズとしてスロー軸コリメータ４０ａ、４０ｂのアレイを有する。エミッタ光源ビーム２２ａ、２２ｂは、第３のレンズ３６の作用により結晶１４でスロー軸において重なる。この技法により、必要な出力のスケーリングが行われるが、設置面積が大きくなる。
【００５８】
図７を参照すると、図６の２バーポンプモジュール１６を単一バーポンプモジュールの設置面積近くまで小さくする手法を示すレーザ増幅器１０ｃが示される。ダイオードバー１８ａ、１８ｂはここでも同一面にあるが、一方のダイオードバー１８ｂが第２のダイオードバー１８ａに対して横方向に回転する。ダイオードバー１８ｂ上のスロー軸に対して４５度のところにミラー４８が位置して、第２のダイオードバー１８ａのエミッタ光源ビーム２２ａに平行な経路に沿って横方向のエミッタ光源ビーム２２ｂを反射する。ミラー４８はマウント４３ａの前に位置するが、エミッタ光源ビーム２２ａからは離れている。これにより、レーザ増幅器１０ｃの設置面積、及びまた第３のレンズ３６の必要な直径が小さくなる。
【００５９】
この手法を、図８，９に示すように、３つ及び４つのダイオードバーに容易に拡張することができる。図８では、レーザ増幅器１０ｄが、第２のダイオードバー１８ａに対して横方向で、図７の配置の第１のダイオードバー１８ｂと反対に位置する第３のダイオードバー１８ｃを有する。第３のダイオードバー１８ｃ上のスロー軸に対して４５度のところに第２のミラー４８ｂが位置して、第２のダイオードバー１８ａのエミッタ光源ビーム２２ａに平行な経路に沿って横方向のエミッタ光源ビーム２２ｃを反射する。ミラー４８ｂはマウント４３ａの前に位置するが、エミッタ光源ビーム２２ａからは離れている。
【００６０】
図９では、レーザ増幅器１０ｅは、光学アセンブリ３０の共通の第３のレンズ３６を引き続き使用しながら、図７のレーザ増幅器１０ｃを二重にしたものと考えられる。第３のレンズ３６は球面であり、結晶１４のファセット２４上に各レーザダイオードバーのエミッタを結像するために、ファスト軸及びスロー軸に同一の焦点距離を与える。第４のレーザダイオードバー１８ｄは、図６のレーザ増幅器１０ｂに関して第２のレーザダイオードバー１８ａと隣り合わせに配置される。第１のダイオードバー１８ａは第２のレーザダイオードバー１８ｂに対して横方向であり、第３のレーザダイオードバー１８ｃは第４のレーザダイオードバー１８ｄに対して横方向であり、第２のレーザダイオードバー１８ｂと第３のレーザダイオードバー１８ｃとは互いに対向する。ダイオードバー１８ｂ上のスロー軸に対して４５度のところに第１のミラー４８ａが位置して、第２のダイオードバー１８ａ及び第４のダイオードバー１８ｄのエミッタ光源ビーム２２ａ、２２ｄに平行な経路に沿って横方向のエミッタ光源ビーム２２ｂを反射する。第１のミラー４８ａはマウント４３ａの前に位置するが、エミッタ光源ビーム２２ａからは離れている。第３のダイオードバー１８ｃ上のスロー軸に対して４５度のところに第２のミラー４８ｂが位置して、第２のダイオードバー１８ａ及び第４のダイオードバー１８ｄのエミッタ光源ビーム２２ａ、２２ｄに平行な経路に沿って横方向のエミッタ光源ビーム２２ｃを反射する。第２のミラー４８ｂは第４のレーザダイオードバー１８ｄのマウント４３ｄの前に位置するが、エミッタ光源ビーム２２ｄからは離れている。
【００６１】
最後に、この手法を用いたスケーリングは、第３のレンズ３６の実際のアパーチャによってのみ制限される。２つのレーザダイオードバーが互いに対して横方向に配置される場合、ミラー４８の代わりに偏光合成機構を用いることによって、よりコンパクトなポンプモジュール１６が可能である。次に図１０を参照すると、光学アセンブリ３０が半波長板５０を用いて、横方向ダイオードバー１８ｂのエミッタ光源ビーム２２ｂの偏光を、第２のダイオードバー１８ａのエミッタ光源ビーム２２ａと比べて９０度回転させる、レーザ増幅器１０ｆが示される。偏光キューブ５２は、光学要素４０ａと第３のレンズ３６との間でビーム経路に位置する。第２のダイオードバー１８ａからのエミッタ光源ビーム２２
ａは偏光キューブ５２を透過し、横方向ダイオードバー１８ｂのエミッタ光源ビーム２２ｂはエミッタ光源ビーム２２ａと同一線上になるように反射される。偏光キューブ５２後のエミッタ光源ビーム２２ａ、２２ｂは正確に重なって、ポンプモジュール１６の必要設置面積及び第３のレンズ３６のアパーチャを小さくする。これは、いくつかのダイオードバーに容易に拡張することができる。
【００６２】
あるいは、偏光キューブ５２をダイクロイックミラーに置き換えて、半波長板５０を取り外す。ダイオードバー１８ａは、ダイクロイックミラーの高い透過により第１の波長で動作する。ダイオードバー１８ｂは、ダイクロイックミラーからの高い反射により第２の波長で動作する。ダイオードバー１８ａ及びダイオードバー１８ｂの両方の動作波長は、結晶１４において高い吸収を有し、効率的なポンピングを確実にする。ポンプモジュール１６の必要設置面積及び第３のレンズ３６のアパーチャが小さくなる。これは、いくつかのダイオードバーに容易に拡張することができる。
【００６３】
レーザ増幅器１０ａ〜１０ｆは単一面に配置されたレーザダイオードバーを有するが、非平面のスケーリング技法も可能である。図１１を参照すると、２つのレーザダイオードバー１８ａ、１８ｂが互いに対して横方向に配置されたレーザ増幅器１０ｇが示される。下側のファスト軸の側面図からわかるように、横方向ダイオードバー１８ｂは、第２のレーザダイオードバー１８ａよりわずかに下方又は下にある面に位置する。ダイオードバー１８ｂ上のスロー軸に対して４５度のところにミラー４８ａが位置して、第２のダイオードバー１８ａのエミッタ光源ビーム２２ａに略平行な経路に沿って横方向エミッタ光源ビーム２２ｂを反射する。ミラー４８ａは、横方向ダイオードバー１８ｂからのエミッタ光源ビーム２２ｂがミラー４８ａから反射され、第２のダイオードバー１８ａからのエミッタ光源ビーム２２ａがミラー４８ａの上部５４をかすめるような高さを有する。第２のレンズ３６は、２組のエミッタ光源ビーム２２ａ、２２ｂをファスト軸において結晶１４で一列に集束させるように作用する。レーザダイオードバー１８ｅ〜１８ｈを均一に積み重ねた配置を使用してもよい。これは図１２に示される。前述した実施形態の個々のダイオードバー１８ｅ〜１８ｈのエミッタの線形アレイの代わりに使用可能な、エミッタ２０の２次元アレイが設けられる。
【００６４】
図３及び図５〜図１２では、ポンプモジュール１６が結晶１４の１つのファセット２４にポンプビームを供給している、レーザ増幅器１０、１０ａ〜１０ｇが示される。好ましい実施形態では、レーザビーム１２が、ポンプ軸（ｚ軸）を横切る伝搬軸上で結晶１４を通って伝播される。これは、従来技術のＩＮＮＯＳＬＡＢ配置とは対照的であり、ポンプビームとレーザビームとを分離させるために結晶１４のいずれかの側に光学要素、一般的に偏光キューブを設ける必要を有利になくすものである。
【００６５】
ポンプビームは結晶に入射した後、ベールの法則に従って吸収される。この吸収工程を注意深く管理しないと、結晶内の指数関数的利得及び温度プロファイルが生じ得る。増幅又は発振レーザビーム１２の伝搬軸を横切って結晶がポンピングされると、激しいビーム指向又はモード歪みが生じ得る。このような影響を緩和するために、ビームを両側ポンピングし、ドーパント濃度及びポンプ方向（ｚ軸）の結晶長さを注意深く選択する。両側ポンピングされたレーザ増幅器１０ｊが図１３に示される。図７を参照して前述したように、第１のポンプモジュール１６ａが結晶１４の第１のファセット２４に位置する。第２のポンプモジュール１６ｂは、結晶１４の反対側５６に位置する。ポンプモジュール１６ａ、１６ｂのレーザダイオードバー１８は、エミッタ光源ビーム２２が、同一面内にある結晶１４にポンプビーム５８ａ、５８ｂを各々形成するように、かつ各ポンプビーム５８ａ、５８ｂがそれぞれの光学アセンブリ３０ａ、３０ｂを通った後に結晶内部の細いストライプ内で重なるように配置される。第１のポンプモジュール１６ａ及び第２のポンプモジュール１６ｂは同一であり、結晶の両側２４、５６に同一のポンプ出力及びポンプビーム
プロファイルをもたらす。ポンプモジュール１６ａ、１６ｂは図７に示すレーザ増幅器１０ｃのものであるが、本発明のいずれかの実施形態のポンプモジュールを使用してもよい。両側ポンピングにより、２つのポンププロファイルがインコヒーレントに加算され、指数関数的減衰の影響を少なくする。結晶媒質の吸収を最適化することにより適切なレーザ効率を確保して、ポンプビームの約７０％〜８０％が各ポンプモジュール１６ａ、１６ｂから吸収されるようにしながら、影響をさらに少なくすることができる。
【００６６】
両側ポンピング配置のさらなる実施形態が図１４に示される。明確さの助けとなるように、図１３の配置の部品と同一の部品には同一の参照符号を付す。ポンプモジュール１６ｂのビーム伝搬軸が、レーザ結晶ポンプ軸に対して角度ａで傾斜している。好適には、角度αが０度〜２０度である。ポンプモジュール１６ａのビーム軸は、レーザ結晶ポンプ軸と同一線上にある。ポンプモジュール１６ａ、１６ｂの相対傾斜により、均一なポンピングを維持しながら、ポンプビームがポンプモジュールのエミッタファセットに当たって、早期故障を生じさせることを防止する。さらなる実施形態では、ポンプモジュール１６ａのビーム伝搬軸も、レーザ結晶ポンプ軸に対して傾斜していてよい。
【００６７】
レーザダイオードバーが光学アセンブリによって結晶から物理的に分離されるため、これにより、ポンプファセットに対してある角度で結晶のポンピングが可能になる。両側ポンピング時に、吸収されない出力を、反対側のレーザダイオードファセットから空間的に分離することができるため、これは特に有用である。レーザダイオードの出力が切り離されない場合、関連する耐用年数の低下により、エミッタの信頼性が損なわれるおそれがある。
【００６８】
ポンプモジュール１６ａ、１６ｂを傾斜させる代わりとして、ポンプビームをｙ方向へ小さく変位するように方向付けすることができる。ファスト軸ビームが第３のレンズを通ることにより、ビームを方向付けする手段をもたらす。
【００６９】
結晶１４がファセット２４、５６をわずかに傾斜させることによって、結晶１４を増幅器として使用するときに、望ましくない内部レーザ発振を防止することも有利となり得る。
【００７０】
図１４の配置を用いた両側ポンピング時にレーザ結晶から生じる傾向を分析することにより、結晶の中心ポンプ領域は、ｘ軸に沿って非常に均一であり、ｙ軸に沿って略ガウスである。図１５は、３つの異なるポンプ構成についての正規化したスラブ位置６４、すなわち中心からの距離のスラブ幅による割り算として与えられた、増幅ビームの伝搬方向に対する小信号利得係数測定値６２のグラフである。点６６は、単一モジュールからのポンピングを表し、ベールの法則から予測されるように、モジュールの１つのみが結晶をポンピングする状態で、小信号利得係数が結晶の入力ポンプエッジから離れて減少することを示す。点６８も単一モジュールからのポンピングを表すが、これは結晶の反対側に位置するものであり、ここでも小信号利得係数が結晶の入力ポンプエッジから離れて減少することを示す。これにより、ポンプ依存のビーム指向、熱応力、及び低ポンプ出力で吸収可能な低反転分布のゾーンが生じる。グラフの点７０は、両方のポンプモジュールが動作し、結晶が両側ポンピングされる場合を表す。点７０は、蛍光プロファイルから予測されるように、小信号利得係数がレーザ結晶の幅にわたって略不変であることを示す。高い均一性により、最小の熱的影響及び均一な反転が確実になる。
【００７１】
本願明細書に記載のレーザ増幅器を単一光路のレーザビームに使用してもよい。あるいは、レーザビームが、本出願人の英国特許出願公開第２５０５３１５号に記載された前置増幅器及び電力増幅器などのマルチパス増幅器の配置内にあってもよい。英国特許出願公開第２５０５３１５号は、本願明細書に援用され、前置増幅器及び電力増幅器を単一の矩
形活性媒質に組み込んで、低出力の超短パルスを最適な出力レベルに増幅できるようにする光学増幅器について記載している。レーザビームは、第１の前置増幅経路に沿って増幅媒質を通過し、媒質の複数の横断線を作る。レーザビームは、第１の経路に沿って戻って結像されて、媒質の二重パスを前置増幅器として作る。その後、ビームが第２の電力増幅経路上で再び媒質に再結像され、単一パスに媒質の複数の横断線を作る。経路は独立しているが、効率的な出力抽出が達成されるように重なる。本発明のレーザ増幅器を用いると、単一の矩形活性媒質は、本発明の実施形態による、１つ又は複数のレーザダイオードバーを備えるポンプモジュールからポンピングされる本願明細書に記載のレーザ結晶であり、そのレーザダイオードバーのエミッタは、ポンプ軸がレーザビームの伝搬方向を横切る状態で、光学アセンブリを介して結晶の一方の面又は対向面に結像される。
【００７２】
本発明の原理の利点は、単一の光学アセンブリを介して増幅媒質を満たすようにサイズ決めされた光源ビームの重なりにより、ＭＯＰＡの結晶などの増幅媒質の均質なポンピングについての近視野の高アスペクト比ポンプビームをもたらす、レーザビームを増幅する装置及び方法を提供することである。
【００７３】
本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる利点は、同一の光学システムを通して複数のエミッタを結合することによってのみ出力スケーリング可能な、レーザビームを増幅する装置及び方法を提供することである。
【００７４】
本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる利点は、故障したエミッタによって増幅媒質の領域がポンピングされないことがなく、装置はすべて容易に交換可能な少数の部品を有する点で便利であることにおいて冗長性をもたらす、レーザビームを増幅する装置及び方法を提供することである。
【００７５】
本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる利点は、従来技術よりも簡単でよりコンパクトな配置の、二重ポンピングされ、光学的に励起された単結晶スラブ活性領域を備えるレーザ増幅器を提供する、レーザビームを増幅する装置及び方法を提供することである。
【００７６】
本発明の第１の態様によると、長縁及び短縁を有する第１のファセットを提供する矩形横断面を有する増幅媒質であって、前記長縁がｘ軸に沿い、前記短縁がｙ軸に沿い、ｚ軸が直交座標システム内にポンプ軸を画定する、増幅媒質と、
ポンプモジュールとからなる、レーザビームを増幅するための装置において、
前記ポンプモジュールは、
前記ｘ軸に平行なスロー軸及び前記ｙ軸に平行なファスト軸を有する線形アレイに配置されたエミッタからの光源ビームの合成物であるポンプビームと、
前記エミッタと前記増幅媒質の前記第１のファセットとの間に位置する光学アセンブリとからなり、
前記光学アセンブリは、
前記エミッタに隣接して、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記ファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、スロー軸の第２のレンズのアレイと、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズから離間した第３のレンズとを有し、
前記個々の光源ビームが、前記第１のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、
これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、
レーザビームを増幅するための装置を要旨とする。
【００７７】
本発明の第２の態様によると、第１の態様において、前記第１のレンズが焦点距離ｆ１ｙを有するファスト軸コリメータからなり、前記第３のレンズが焦点距離ｆ２を有するレンズからなり、前記第１のファセットで前記ファスト軸にビームサイズを与えるように組合せが選択されることを要旨とする。
【００７８】
本発明の第３の態様によると、第２の態様において、前記第２のレンズが各々スロー軸コリメータからなり、各コリメータが焦点距離ｆ１ｘを有し、前記スロー軸の前記第３のレンズと共にＭｘ＝ｆ２／ｆ１ｘの倍率を与えることを要旨とする。
【００７９】
本発明の第４の態様によると、第２又は３の態様において、前記第３のレンズが球面であることを要旨とする。
本発明の第５の態様によると、第１〜４の態様のいずれかにおいて、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、単一の光学要素として設けられることを要旨とする。
【００８０】
本発明の第６の態様によると、第１〜５の態様のいずれかにおいて、前記第３のレンズが、前記第１のファセットの前に各光源ビームのビームウエストを作るように構成されることを要旨とする。
【００８１】
本発明の第７の態様によると、第１〜６の態様のいずれかにおいて、前記第３のレンズが、周辺光源ビームをある角度で前記増幅媒質内に向けて、前記増幅媒質内に全内部反射を生じさせるように構成されることを要旨とする。
【００８２】
本発明の第８の態様によると、第１〜７の態様のいずれかにおいて、前記エミッタの線形アレイがレーザダイオードバーであることを要旨とする。
本発明の第９の態様によると、第８の態様において、前記ポンプモジュールが、ポンプビームを各々供給する複数のレーザダイオードバーからなり、各レーザダイオードバーが第１のレンズを備え、各エミッタが第２のレンズを備え、前記装置が前記ポンプビームに作用するように構成された単一の第３のレンズを有し、前記個々の光源ビームが前記第１のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束されることを要旨とする。
【００８３】
本発明の第１０の態様によると、第１〜９の態様のいずれかにおいて、前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第３のレンズに向ける１つ又は複数のミラーを備えることを要旨とする。
【００８４】
本発明の第１１の態様によると、第１〜１０の態様のいずれかにおいて、前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第３のレンズに向ける１つ又は複数の偏光キューブを備えることを要旨とする。
【００８５】
本発明の第１２の態様によると、第１〜１１の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質の反対側に配置された第２のポンプモジュールがあり、前記第２のポンプモジュールが、個々の光源ビームが前記第１のファセットと反対の第２のファセットで重なる第２のポンプビームを供給し、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第２のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅されることを要旨とする。
【００８６】
本発明の第１３の態様によると、第１２の態様において、少なくとも１つのポンプビームの伝搬軸がｚ軸に対して軸外であることを要旨とする。
本発明の第１４の態様によると、第１〜１３の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質が単結晶スラブであることを要旨とする。
【００８７】
本発明の第１５の態様によると、第１〜１４の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質がガラスであることを要旨とする。
本発明の第１６の態様によると、第１〜１５の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質がセラミックであることを要旨とする。
【００８８】
本発明の第１７の態様によると、第１４の態様において、前記単結晶スラブが、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されることを要旨とする。
本発明の第１８の態様によると、第１５の態様において、前記増幅媒質が、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたガラススラブであることを要旨とする。
【００８９】
本発明の第１９の態様によると、第１６の態様において、前記増幅媒質が、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたセラミックスラブであることを要旨とする。
【００９０】
本発明の第２０の態様によると、第１７〜１９の態様のいずれかにおいて、前記第３のレンズから離間した第４のレンズが、前記ファスト軸で前記ポンプビームに作用するように構成され、前記ポンプビームがドープ領域に結合するようにサイズ決めされることを要旨とする。
【００９１】
本発明の第２１の態様によると、第２０の態様において、前記第４のレンズが円筒形であることを要旨とする。
本発明の第２２の態様によると、ａ）線形アレイに配置されたエミッタによって複数の光源ビームを与える工程と、
ｂ）前記エミッタと増幅媒質の第１のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、前記光学アセンブリが、前記エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第１のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、前記第１のレンズに隣接する、スロー軸の第２のレンズのアレイと、前記光源ビームに作用するように構成された、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズから離間した第３のレンズとを有する、光学アセンブリを設ける工程と、
ｃ）前記レンズを離間させて、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第１のファセットに重ねる工程であって、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸における前記増幅媒質の長縁に沿って前記第１のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記個々の光源ビームが、前記ファスト軸における前記増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、前記増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第１のファセットに重ねる工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングするための方法を要旨とする。
【００９２】
本発明の第２３の態様によると、第２２の態様において、前記エミッタの前記線形アレイがダイオードバーからなることを要旨とする。
本発明の第２４の態様によると、第２２〜２３の態様のいずれかにおいて、前記個々の光源ビームが、前記第１のファセットにビームウエストを有することを要旨とする。
【００９３】
本発明の第２５の態様によると、第２２〜２３の態様のいずれかにおいて、前記個々の光源ビームがビームウエストを有し、前記エミッタに対する前記第１のレンズの位置を調
節することにより、前記第１のファセットに対する前記ビームウエストの位置を変化させることを要旨とする。
【００９４】
特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本願明細書に記載された本発明に修正を行ってもよいことを当業者は理解するだろう。例えば、出力スケーリング技法は光学アセンブリによって使用可能な技法の典型であり、当業者は、他の配置が可能であることを認識するだろう。第３のレンズとして単一レンズが示されるが、対のレンズに置き換えてもよいことが理解されるだろう。増幅媒質のファセットについて説明したが、レンズ対を必要とする導波路への最適な結合をもたらすように、技法を適用してもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１２…レーザビーム、１４…増幅媒質、２０…エミッタ、２４…第１のファセット、３０…光学アセンブリ、３４…第１のレンズ、３６…第３のレンズ、４０…第２のレンズ。
【図１】
0005994033.tif 000002
【図２】
0005994033.tif 000003
【図３ａ】
0005994033.tif 000004
【図３ｂ】
0005994033.tif 000005
【図４ａ】
0005994033.tif 000006
【図４ｂ】
0005994033.tif 000007
【図５】
0005994033.tif 000008
【図６】
0005994033.tif 000009
【図７】
0005994033.tif 000010
【図８】
0005994033.tif 000011
【図９】
0005994033.tif 000012
【図１０】
0005994033.tif 000013
【図１１】
0005994033.tif 000014
【図１２】
0005994033.tif 000015
【図１３】
0005994033.tif 000016
【図１４】
0005994033.tif 000017
【図１５】
0005994033.tif 000018