(57)【要約】  レーザ光パルスを生成するシステムが開示される。システムは、第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入する偏光手段と、進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を実質的に出力結合する出力結合手段とを有する、利得媒質を組み込む進行波又はリングレーザを含む。システムは、さらに、第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、進行波レーザの光学経路内に組み込まれる偏光変更手段であって、シード用偏光状態を有する放射は、利得媒質をシードする偏光変更手段と、利得媒質への放射のフィードバックを変えるために、進行波レーザの放射強度を変調する放射強度変調手段とを含み、放射強度変調手段はまた、出力結合手段に関して放射を変調する。
2009518829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光パルスを生成するシステムにおいて、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含むシステムであって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を前記進行波レーザ内に導入する偏光手段と、
出力偏光状態を有する放射を前記進行波レーザから実質的に出力結合する出力結合手段と、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる偏光変更手段であって、前記シード用偏光状態を有する放射は、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
前記利得媒質への前記放射のフィードバックを変えるために、前記進行波レーザの放射強度を変調する放射強度変調手段とを含み、前記放射強度変調手段はまた、前記出力結合手段に関して前記放射を変調し、それにより、前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調する、レーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２】
放射強度変調手段が、シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段を含む、請求項１に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項３】
出力偏光状態とシード用偏光状態とが、実質的に同じである請求項２に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項４】
利得媒質が、ブルースター角の付いた入口及び出口面を含み、偏光手段が、マスタレーザからの入力レーザ放射を利得媒質の出口面から反射することを含む請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項５】
利得媒質が、入口及び出口面を含み、偏光手段が、前記出口面と放射強度変調手段との間の光学経路内に組み込まれた偏光子を含む請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項６】
偏光手段と出力結合手段とが、単一偏光子エレメントである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項７】
偏光変更手段が、半波リターデーションプレートを含む請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項８】
可変偏光変更手段が、ポッケルズセルを含む請求項２〜７のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項９】
可変偏光変更手段と偏光変更手段とが、単一デバイスである請求項２に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項１０】
単一デバイスがポッケルズセルである請求項９に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項１１】
利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザからレーザ光パルスを生成する方法であって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を前記進行波レーザ内に導入するステップと、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するステップであって、前記シード用偏光状態を有する放射が、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする、放射の偏光を変更するステップと、
前記利得媒質への前記放射のフィードバックを変えるために前記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップであって、前記変調が前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度も変調するステップ、
とを含む方法。
【請求項１２】
放射強度を変調するステップが、シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調することを含む請求項１１に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１３】
出力偏光状態及びシード用偏光状態が、実質的に同じである請求項１２に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１４】
利得媒質が、ブルースター角の付いた入口及び出口面を含み、第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップが、マスタレーザからの入力レーザ放射を前記利得媒質の出口面から反射することを含む請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１５】
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップが、利得媒質によって提供される利得ステップの後で、且つ、放射強度を変調するステップの前に導入される請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１６】
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップと前記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップとが、単一偏光子エレメントによって遂行される請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１７】
シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更するステップと、第１偏光状態を有する放射の偏光を前記シード用偏光状態に変更するステップとが、単一デバイスによって遂行される請求項１２に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１８】
単一デバイスがポッケルズセルである請求項７に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の方法に従って生成されるレーザ光パルス。
【請求項２０】
レーザ光パルスを生成するシステムにおいて、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含むシステムであって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を前記進行波レーザ内に導入し、前記進行波レーザから実質的に同じ偏光状態を有する放射を出力結合する偏光手段と、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、前記偏光手段と前記利得媒質用の入力との間で前記進行波レーザの光学経路内に位置する(locate)偏光変更手段であって、前記シード用偏光状態を有する放射が、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
前記シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段とを含み、前記可変偏光変更手段が、前記利得媒質の出力と前記偏光手段との間に位置する、レーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２１】
可変偏光変更手段がポッケルズセルを含む請求項２０に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２２】
偏光変更手段が、半波リターデーションプレートを含む請求項２０又は２１に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、継続時間が長く且つ／又はピーク電力が低いレーザパルスを提供することに関する。特定の形態では、本発明は、レーザパルスの継続時間及び電力を動的に調整することが可能なＱスイッチレーザ共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ放射の多くの用途は、継続時間が長く且つ／又はピーク電力が低いパルスを必要とする。たとえば、継続時間約５００ｎｓのフーリエ変換限界（transform-limited）パルスが、アイセイフコヒーレントレーザレーダシステムにおいて約１ｍｓ−１の単一ショット速度分解能を達成するのに必要とされる。別の例では、継続時間１〜３μｓのマクロパルス包絡線が、極端に大きな光顕微鏡上の多共役適応光学部品(multi-conjugate adaptive optics)内の人工ガイドスターレーザ源(artificial guide-star laser source)のために必要とされる。パルス内の高いピーク電力によって引き起こされるイオン化による損傷を防止するために、ピーク電力が低いパルスが、生物学的／医学的用途においても必要とされる。
【０００３】
Ｑスイッチレーザは、エネルギーパルスを必要とする用途のためのパルスを生成するのに使用されることが多い。レーザパルスのピーク電力は、パルスが、単一光学モードからなり、それにより、パルス内でピーク電力が高いスパイクを生成することになるレージングモード間の干渉を防止することを確保することによって、また、パルス継続時間を増加させることによって、所与のパルスエネルギーについて最小にされることができる。しかし、Ｑスイッチレーザから単一モードパルスを生成するための確立された技法が存在するが、これらのレーザは、通常、約５０未満の継続時間を有するパルスを生成する。
【０００４】
パルスの単一モードコンテンツを確保する既存の技法は、共振器内でのエタロンの使用、光注入、及び共振器長のサーボ制御を含む。連続波マスタレーザの単一周波数出力によるＱスイッチレーザの光注入は、マスタレーザの出力もまた、検出システム内の基準発振器として使用されることができるため、リモートセンシングを含む多くの用途において好ましい技法である。同様に、それは、Ｑスイッチレーザ内に付加的なコンポーネントを必要としない。
【０００５】
Ｑスイッチパルスの継続時間が、それにより、増加される、又は、「伸張される(stretch)」ことができるいくつかの技法が存在する。これらは、（１）共振器の光学長を増加させること、（２）共振器の出力結合を増大させること、又は、（３）レーザ共振器の出力結合を動的に増加させるために、Ｑスイッチを調整し、「スロットリングする(throttling)」ことを含む。
【０００６】
先に言及した第１の技法に関して、共振器長を増加させるオプションは、システムについての物理的要件及び環境が与えられた場合に可能でない可能性がある、共振器構成に対するかなりの変更を伴うことになることが明らかである。当業者に明らかになるように、共振器長が変更されるたびに、レーザを再位置合わせする必要があることになり、システムによって生成されるレーザパルスの継続時間及びエネルギーを規定する観点から、柔軟性が必要とされるこうした状況について、この手法が適さなくなる。
【０００７】
ここで、第２の技法を考えると、この手法は、レーザの出力結合を増大させることによって、パルスの継続時間を延ばすことを含む。この作用は、出力結合ミラーの透過率を増加させることによるか、又は、別法として、出力結合が共振器内偏光子によって達成される場合、共振器内のウェーブプレートによって提供されるリターデーションを調整することによって達成されることができる。しかし、出力結合ミラーの透過率を増加させることは、ミラーの交換をもう一度必要とし、共振器の全体の再位置合わせが必要となる。いくつかのミラー間の間隔が調整される調整可能ミラーは、ミラーの透過特性を変更することによって、パルス幅の動的制御を可能にするために、おそらく、出力結合ミラーとして使用されることができる。しかし、この手法は、複雑で、出力結合は、ミラーの間隔に関して線形でない。
【０００８】
偏光制御によって、出力結合、それにより、得られるパルス幅を変更することは、共振器内のウェーブプレートの機械的調整又は共振器内ポッケルズセルの電気的調整を必要とする。後者の手法は、ピーク電力が高いパルスの生成のために最適化され、ピーク電力が低いＱスイッチパルスが必要とされる用途には適さない定常波レーザ及び空洞減衰リングレーザについて実証されたに過ぎない。
【０００９】
この手法の１例は、米国特許第５，２３７，３３１号に記載される伸張パルス注入シードＱスイッチ定常波レーザを含み、このシステムでは、ポッケルズセル及び偏光子は、Ｑスイッチに対してスレーブ発振器として使用され、出力結合は、共振器内４分の１波リターデーションプレートの向きによって設定される。このレーザシステムは、伸張パルスを効率的に生成することができるが、リアルタイムに調整することができない固定パルス幅をもたらす問題構造(point design)である。さらに、フレネル反射によるエネルギー損失を最小にするために、利得媒質は、最大パルスエネルギーを制限することになる。反射防止コーティングされた入口及び出口面を含む必要があることが予想されることになる。反射防止コーティングされた入口及び出口面は、高いパルスエネルギーで光学的に損傷を受ける可能性があるためである。最後に、定常波レーザは、一般に、空間的ホールバーニングを受けるという欠点を有し、空間的ホールバーニングは、単一モード出力の生成を複雑にし、これらのレーザをコヒーレントなリモートセンシング用途に適さなくさせる。
【００１０】
狭帯域パルスの生成のための注入シードＱスイッチ進行波又はリングレーザは、米国特許第５，３０５，３３４号及び米国特許出願第２００２／０１８５７０１号に記載された。しかし、この特許文書に記載されたシステムは共に、透過型出力結合ミラーを使用し、そのため、ポッケルズセルＱスイッチがスロットリングされる場合にパルスエネルギーが共振器から廃棄されるため、パルス継続時間の効率的な動的制御が達成されることができない。さらに、出力パルスは、混合した偏光状態を有することになり、リモートセンシング用途に適さない。
【００１１】
パルス幅を増加させる第３の技法は、原理上、パルス幅とエネルギーの両方の動的変動を可能にするはずであるＱスイッチスロットリング（たとえば、W.E.Schmid, IEEE J. Quantum Electronics Vol.QE-16(7)pp.790-794(1980)を参照されたい）の使用によっている。この手法は、出力結合ミラーを有する定常波共振器を使用して実証されただけであり、先に述べたように、エネルギー効率が低いシステムをもたらす。
【００１２】
要約すると、従来技術で実証された、継続時間が長いＱスイッチパルスを生成するいくつかの技法が存在している。しかし、これらの手法は、全て、以下の欠点、すなわち、非効率、空間的ホールバーニング、動的制御が可能でないこと、単一点動作、ブルースター角の付いた利得媒質と共に使用されることができないこと、及び混合偏光状態出力のうちの１つ又は複数を受ける。
【特許文献１】米国特許第５，２３７，３３１号
【特許文献２】米国特許第５，３０５，３３４号
【特許文献３】米国特許出願第２００２／０１８５７０１号
【非特許文献１】W.E.Schmid,IEEE J. Quantum Electronics Vol.QE-16(7)pp.790-794(1980)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
継続時間とピーク電力が可変であるパルスを効率的に生成することが可能な、レーザ光パルスを生成するシステムを提供することが本発明の目的である。
【００１４】
実質的に平面偏光状態を有するレーザ光パルスを生成することが可能なシステムを提供することが本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の態様では、本発明は、したがって、レーザ光パルスを生成するシステムを提供し、上記システムは、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含み、上記システムは、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を上記進行波レーザ内に導入する偏光手段と、
出力偏光状態を有する放射を上記進行波レーザから、実質的に出力結合する出力結合手段と、
上記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、上記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる偏光変更手段であって、上記シード用偏光状態を有する放射は、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
上記利得媒質への上記放射のフィードバックを変えるために、上記進行波レーザの放射強度を変調する放射強度変調手段とを含み、上記放射強度変調手段はまた、上記出力結合手段に関して上記放射を変調し、それにより、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調する。
【００１６】
利得媒質へのフィードバックの程度及び進行波レーザの出力結合を同時に変調することができることによって、システムによって生成されるパルスをリアルタイムに動的に成形する能力が提供され、それにより、パルスの継続時間、形状、及びピーク電力が、所与の用途についてカスタマイズされることが可能になる。本発明の別の利点は、進行波アーキテクチャが、ブルースター角の付いた入口及び出口面を有する利得媒質の使用を可能にし、空間的ホールバーニングを防止し、マスタレーザの不安定化を防止するのに必要とされる光学分離量を低減することである。
【００１７】
好ましくは、上記放射強度変調手段が、上記シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、上記出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調するための、上記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段を含む。
【００１８】
好ましくは、上記出力偏光状態及び上記シード用偏光状態が、実質的に同じである。
【００１９】
好ましくは、上記利得媒質が、ブルースター角の付いた入口及び出口面を含み、上記偏光手段が、マスタレーザからの入力レーザ放射を上記利得媒質の上記出口面から反射することを含む。
【００２０】
任意選択で、上記利得媒質が、入口及び出口面を含み、上記偏光手段が、上記出口面と上記放射強度変調手段との間の光学経路内に組み込まれた偏光子を含む。
【００２１】
任意選択で、上記偏光手段及び上記出力結合手段が、単一偏光子エレメントである。
【００２２】
好ましくは、上記偏光変更手段が、半波リターデーションプレートを含む。
【００２３】
好ましくは、上記可変偏光変更手段が、ポッケルズセルを含む。
【００２４】
任意選択で、可変偏光変更手段及び偏光変更手段が、単一デバイスである。
【００２５】
好ましくは、単一デバイスがポッケルズセルである。
【００２６】
第２の態様では、本発明は、したがって、利得媒質を組み込む進行波又はリングレーザからレーザ光パルスを生成する方法を提供し、上記方法は、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を上記進行波レーザ内に導入するステップ、
上記第１偏光状態を有するシード用偏光状態に変更するステップであって、上記シード用偏光状態を有する放射が、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードするステップと、
上記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップと、及び
上記利得媒質への上記放射のフィードバックを変えるために、上記進行波レーザの放射強度を変調するステップであって、上記ステップがまた、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調する、放射強度を変調することを含む。
【００２７】
第３の態様では、本発明は、したがって、本発明の第２の態様に従って生成されるレーザ光パルスを提供する。
【００２８】
第４の態様では、本発明は、したがって、レーザ光パルスを生成するシステムを提供し、上記システムは、利得媒質を組み込む進行波又はリングレーザを含み、上記システムは、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を上記進行波レーザ内に導入し、上記進行波レーザから実質的に同じ偏光状態を有する放射を出力結合する偏光手段と、
上記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、上記偏光手段と上記利得媒質用の入力との間で、上記進行波レーザの光学経路内に位置する偏光変更手段であって、上記シード用偏光状態を有する放射は、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
上記シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、上記出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調するための、上記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段とを含み、上記可変偏光変更手段が、上記利得媒質の出力と偏光手段との間に位置する。
【００２９】
本発明の実施形態は、添付図面を参照して説明されるであろう。
【００３０】
以下の説明では、同じ参照文字は、図面のいくつかの図を通して同じか、又は、対応する部品を指定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで図１を参照すると、本発明の第１の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム１０が示される。システム１０は、ブルースター角の付いた入口及び出口面２、３を有する利得媒質１を含む進行波又はリングレーザ共振器として構成される。ブルースター角の付いた出口面は、この実施形態では、第１偏光状態を有する放射、この場合、σ偏光放射を進行波レーザ内に導入する偏光手段として機能する。
【００３２】
システム１０は、利得媒質１の対向面上に位置する強く反射するミラー５、５'の対を含む。第１ミラー５は、利得媒質１の出口面３の方向から放出されたレーザ放射を偏光エレメント６に反射するように指向させ、偏光エレメント６は、π偏光放射を透過し、σ偏光放射を第２ミラー５'の方向へ強く反射するように指向させ、第２ミラー５'は、利得媒質１の入口面２の方向にレーザ放射を反射するようにさらに指向させる。したがって、偏光エレメント６は、この実施形態では、π偏光放射である出力偏光状態を有する放射を出力結合する出力結合手段として機能する。
【００３３】
この目的に適した１つのタイプの利得媒質は、「Optical Amplifier」という名称の、その開示が、参照によりその全体を本明細書に組み込まれる、本出願人のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＡＵ２００５／０００３５４号に記載される。この目的に適した別のタイプの利得媒質は、従来のジグザグNd:YAGスラブである。
【００３４】
第１ミラー５及び利得媒質１の出口面３の中間には、印加電圧に依存して可変リターデーションプレートの役目を果すポッケルズセル４が位置する。こうして、ポッケルズセル４は、進行波レーザの光学経路内に組み込まれた可変偏光変更手段として機能し、可変偏光変更手段は、シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を出力偏光に可変的に変更する。あるいは、当業者に明らかになるように、ポッケルズセル４は、第１ミラー５と偏光エレメント６との間に位置してもよい。第２ミラー５'と利得媒質１の入口面２の中間には、半波リターデーションプレート７、又は、偏光面を９０°回転させて、利得媒質１をシードするためのシード用偏光状態にする偏光変更手段が位置する。同様に、半波リターデーションプレート７は、第２ミラー５'と偏光エレメント６との間に位置してもよい。システム１０は、マスタレーザ９によって光注入される。１つのタイプのマスタレーザは、ドイツのハノーバーのInnolight GmbH社によって製造されるモノリシック非プレーナリング発振器である。
【００３５】
例として、Inrad社製PKC02-FC09/1064ポッケルズセル並びにCVI Laser Corporation社製Y1-1037-17-Sミラー、QWPO-1064-10-2ハーフウェーブプレート及びTFP-1064-RW-28.6-14.3-3.2薄膜偏光子を有する、光注入式で、レーザダイオード面ポンピング式で、端面伝導冷却式の従来のジグザグＮｄ：ＹＡＧスラブは、約２０ｍＪのエネルギーを有するフーリエ変換限界パルスを生成することができ、約１００ｍＪのポンプパルスエネルギーから約８００ｎｓの継続時間を有する。通常、マスタレーザからの約１００μＷの電力だけが、Ｑスイッチレーザに光注入するのに必要とされる。
【００３６】
動作時、マスタレーザ９からのレーザ放射は、ブルースター角の付いた出口面３から反射されて、システム１０内のＴＥＭ００固有モードの経路及び形状に整合するσ偏光レーザビームが生成される。サーボシステムを使用して、必要な周波数整合が提供されてもよい。適したパルス立ち上がり時間サーボ技法(pulse build-up time servo technique)は、L.A.Rahn,Appl.Opt.Vol.24(7),pp.940-942(1985)、及び同様に、米国特許第５，０９９，４８６号においてRahnによって述べられたような技法を含む。一般に、これらの技法は、Ｑスイッチの閉鎖とＱスイッチパルスの生成との間の時間遅延を測定することを含む。この時間は、固有モードのうちの１つの周波数が、マスタレーザからの光の周波数に等しい場合に最小になる。そのため、ディザサーボ制御システムを使用して、周波数整合が確保されることができる。
【００３７】
最初に、マスタレーザからのσ偏光シード用ビームは、π偏光放射について大きな損失を確保するように構成されたポッケルズセル４を通って進行する。マスタレーザ９に対する、システムを通る１回目のパス内での初期シード用ビームの偏光は、一般に、図において添え字１で示される。ポッケルズセル４を透過した後、注入ビームは、主にσ偏光されたままになるであろう。このσ偏光成分は、その後、偏光子６によって反射され、さらに、第２ミラー５'によって反射されて、リターダ７を通過し、リターダ７は、偏光面を９０°回転させ、それにより、注入レーザビームがπ偏光に変換される。
【００３８】
得られるπ偏光光は、その後、利得媒質１を通過するときに、また、利得媒質１を光学的にシードするプロセスにおいて、増幅され、その後再び、ポッケルズセル４の方に伝播する。ポッケルズセル４を通る２回目のパス（一般に、添え字２で示される）後に、ビームは、主にπ偏光されたままになり、したがって、そのほとんどが、偏光子６を透過する。
【００３９】
レーザパルスを生成するために、ポッケルズセル４に印加される電位差が変更されるため、ポッケルズセル４は、高損失状態から低損失状態へ変化し、結果得られる共振器のＱファクタの変化によって、利得媒質１内のπ偏光放射が、ジャイアントパルスをシードする。ポッケルズセル４に印加される電圧の変化速度を変えることによって、得られるパルスの形状及び継続時間が修正されることができる。たとえば、ポッケルズセル４に印加される電圧によって、ポッケルズセル４がほぼ半波回転を提供する場合、利得媒質からのπ偏光ビームのほとんどは、σ偏光に変換され、そのため、利得媒質内に戻るように反射されることになり、継続時間が短いパルスが生成される。より小さい電圧が印加される場合、出力結合が大きくなり、そのため、パルスは、より長い継続時間を有することになる。こうして、この例示的な実施形態では、システム１０においてポッケルズセル４に印加される電圧を変更することは、利得媒質１への放射のフィードバックと偏光エレメント６に対する放射の出力結合量の両方を変える放射強度変調手段を提供する。
【００４０】
ここで図２を参照すると、本発明の第２の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム２０が示される。この実施形態では、光学表面か偏光子１１のいずれかが、利得媒質１の出口面３とポッケルズセル４との間で、図１に示す共振器内に挿入される。光学表面が使用される例では、光学部品１１は、出口面３から出るπ偏光ビームが反射されないように指向させる。同様に、偏光子が使用される例では、偏光子１１は、出口面３から出るπ偏光ビームが反射されないように指向させる。こうして、マスタレーザ９からのσ偏光シードビームは、光学部品又は偏光子１１の表面からの反射によってＱスイッチ共振器内に結合されることができ、それは、状況によっては、実際に容易である場合がある。
【００４１】
ここで図３を参照すると、本発明の第３の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム３０が示される。この実施形態では、マスタレーザ９からのシードビームは、偏光子６を通過し、共振器に入るπ偏光ビームをもたらし、π偏光ビームは、ミラー５'からの反射後に、リターダ７を通る１回目のパスによってσ偏光に変換される。このσ偏光ビームは、入口面２で部分的に反射され、その後、利得媒質１を通って伝播するときに増幅され、その後、出口面３において部分的に反射される。面３から出るσ偏光ビームは、その後、π偏光について高損失状態にあるように構成されたポッケルズセル４を通過し、その後、ほとんどσ偏光したままになる。σ偏光成分は、偏光子６において反射され、リターダ７を通過し、リターダ７は、ビームをπ偏光に変換し、その後、利得媒質１を通過するときに増幅される。面３を通って出るπ偏光ビームは、ポッケルズセル４を通過し、その後、ほとんどπ偏光したままになり、そのほとんどが、偏光子６を透過する。Ｑスイッチが低損失状態に切換えられると、利得媒質内のπ偏光放射は、ジャイアントパルスをシードする。本発明のこの実施形態は、コンポーネント数が最小であるという利点を有する。さらに、偏光子の透過損失が、システム３０の外部であり、それにより、共振器のエネルギー効率が改善される。
【００４２】
１つの例では、システム３０を使用して、約１ｍｓ−１の単一ショット速度分解能を有する、広い分野のコヒーレントリモートセンシングに適した光注入Ｑスイッチレーザが製造された。この用途では、継続時間約５００ｎｓのフーリエ変換限界光注入パルスが必要とされる。エーロゾル濃度が低い雰囲気における良好な信号対雑音比性能及び約１０ｋｍの範囲を得るために、ほぼ回折限界のビーム品質を持った状態で、約１０ｍＪのパルスエネルギーが必要とされる。システム３０は、部品数が少なく、偏光子６を通してマスタレーザビームを注入することが、共振器のアライメントを大幅に簡略化するため、この用途についてかなりの利点を有することがわかった。
【００４３】
さらに、出力面３とポッケルズセル４との間に設置されたブルースター角の付いた窓を使用して、空洞内レーザビームの一部がサンプリングされ、マスタ電力の共振発生(resonant build-up of the master power)があるかがチェックされる。「ランプアンドファイア(ramp-and-fire)」光注入制御システム（たとえば、S.W.Henderson et al, Optics Letters 11(11),p.715(1986)におけるこの技法の説明を参照されたい）を使用して、Ｑスイッチレーザの確実な光注入が確保された。
【００４４】
この用途では、利得媒質１は、Thales Laser Diodes社製quasi-CW TH-Q5401-A1ダイオードによってポンピングされるEr,Yg：リン酸ガラスCPFSジグザグスラブ（J.Richards and A.Mclnnes,Optics Letteres 20(4),p.371(1995)による）であり、ポッケルズセル４はInrad社製PBC06-DC04/1535であり、偏光子６はCVI社製TFP-1550薄膜偏光子である。システム３０は、この用途では、フーリエ変換限界４５０ｎｓ継続時間パルスを生成する。
【００４５】
ここで図４を参照すると、本発明の第４の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム４０が示される。システム４０は、この実施形態では、利得媒質１が、図１〜３に示すように、利得媒質１のブルースター角の付いた入口面と出口面ではなく、反射防止コーティングされた入口面１５と出口面１６を有する新しい利得媒質１４で置換えられたことを除いて、図３に示すシステムと本質的に同じである。さらなる変形（図示せず）では、リターデーションプレート７は、利得媒質１４とポッケルズセル４との間に位置してもよく、利得媒質１４内で偏光放射をもたらし、ジャイアントパルスをシードする。これは、Nd:YLFなどの利得媒質において使用されて、π偏光放射によるシードに起因する波長と対照的に、σ偏光放射による利得媒質１のシードに起因する異なるレーザ波長が得られてもよい。なおさらなる変形（図示せず）では、ポッケルズセル４は、偏光子６と利得媒質４との間に位置してもよく、利得媒質４内でσ偏光放射をもたらし、ジャイアントパルスをシードする。なおさらなる変形（図示せず）では、リターデーションプレート７は、必要とされず、代わりに、高い損失を生じるために、半波電圧に近い電圧又は電位差が、ポッケルズセル４に印加される。印加された電位差は、その後、ほぼ０ボルトに切換えられて、ジャイアントパルスが生成される。
【００４６】
ここで図５を参照すると、本発明の第５の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム５０が示される。共振器の動作は、この実施形態では、利得媒質１が、利得媒質１のブルースター角の付いた入口面と出口面ではなく、反射防止コーティングされた入口面１５と出口面１６を有する新しい利得媒質１４で置換えられたことを除いて、図２に示す共振器の動作と同じである。さらなる変形（図示せず）では、図６のリターデーションプレート７は、利得媒質１４と光学部品又は偏光子１１との間に位置してもよい。この変形では、利得媒質１４内でのσ偏光放射が、ジャイアントパルスをシードする。
【００４７】
ここで図６を参照すると、本発明の第６の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム６０が示される。図１に示すシステムと同様に、システム６０は、進行波レーザ共振器内に閉囲される、ブルースター角の付いた入口面２と出口面３を有する利得媒質１を含む。共振器は、ポッケルズセル４、それぞれ強く反射し、進行波共振器を形成するように指向させたミラー５、５'、及び５''、偏光面を９０°回転するように指向させた半波リターデーションプレート７、及び偏光子２３を含む。出力ビームは、数字８で識別される。
【００４８】
ゼロに近い電位差がポッケルズセル４に印加され、それにより、共振器内で高損失状態が作られる。高損失状態で、ポッケルズセル４に印加される電位差は、偏光子２３における出力結合が、ラウンドトリップ利得より大きいようなものである。選択された時刻にて、ポッケルズセル４に印加される電位差の大きさが増加し、薄膜偏光子２３における出力結合が減少し、Ｑスイッチジャイアントパルスが生成することが可能になる。ジャイアントパルスの開始時に起こる場合がある弛緩発振スパイクは、高損失状態で非ゼロ電位差を使用して生成されるように、プリレーズを使用することによって、又は、光注入によって抑制されることができる。
【００４９】
システム６０は、マスタレーザ９によって生成されたσ偏光レーザビームを出口面３から反射することによって光注入して、Ｑスイッチ共振器内でレージングモードの経路及び形状を整合させる。リターデーションプレート７とポッケルズセル４を通過した後に、ビームは、多くはπ偏光している。π偏光成分は、偏光子２３を透過し、その後、利得媒質１を通過する。リターデーションプレート７とポッケルズセル４の２回目のパス後に、ビームは、多くはσ偏光しており、そのため、そのほとんどは、偏光子２３から反射される。図４で示した実施形態を参照して説明した最終的な変形と同様の、なおさらなる変形（図示せず）では、リターデーションプレート７は、図６に示す共振器から取り除かれ、ポッケルズセル４に印加される電位差は、半波電圧にほぼ等しく、それにより、高損失状態が生じる。先に説明したように、印加電圧を減少させることは、損失を低減し、ジャイアントパルスが生成することを可能にする。
【００５０】
ここで図７を参照すると、本発明の第７の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム７０が示される。この実施形態では、図６に示すシステム６０は、マスタレーザ９からの光を（図２に示すのと同様な）共振器内に反射する光学表面又は偏光子１１を挿入することによって修正される。光学部品又は偏光子１１は、出口面３から出るπ偏光ビームが、反射しないように指向させる。マスタレーザ９からのσ偏光シードビームは、光学部品又は偏光子１１の表面からの反射によってＱスイッチ共振器内に結合される。
【００５１】
ここで図８を参照すると、本発明の第８の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム８０が示される。システム８０の動作は、この実施形態では、利得媒質１が、利得媒質１のブルースター角の付いた入口面と出口面ではなく、反射防止コーティングされた入口面１５と出口面１６を有する新しい利得媒質１４（図４及び５も参照されたい）で置換えられたことを除いて、図７のシステム７０について示す動作と同じである。
【００５２】
ここで図９を参照すると、本発明の第９の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム９０が示される。共振器の動作は、この実施形態では、図８に示す動作と実質的に同じである。しかし、この実施形態では、マスタレーザ９からのσ偏光シードビームは、偏光子２３から反射され、利得媒質１を通る１回目のパスの場合、σ偏光され、利得媒質１を通る２回目のパスの場合、π偏光される。利得媒質１内のπ偏光放射は、ジャイアントパルスをシードする。
【００５３】
ここで図１０を参照すると、本発明の第１０の例示的な実施形態による、レーザパルスを生成するシステム１００が示される。共振器の動作は、この実施形態では、利得媒質１が、利得媒質１のブルースター角の付いた入口面と出口面ではなく、反射防止コーティングされた入口面１５と出口面１６を有する新しい利得媒質１４（図４、５、及び８も参照されたい）で置換えられたことを除いて、図９に示す動作と同じである。さらなる実施形態（図示せず）では、図１０のリターデーションプレートは、偏光子２３と利得媒質１との間のロケーションに移動し、利得媒質１４内でσ偏光放射をもたらし、ジャイアントパルスをシードする。
【００５４】
本発明の方法及びシステムのいくつかの実施形態が、先の詳細な説明において述べられたが、本発明は、開示される実施形態に限定されるのではなく、添付特許請求の範囲によって述べられ、規定される本発明の範囲から逸脱することなく、多数の再配置、変更、及び置換が可能であることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図２】本発明の第２の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図３】本発明の第３の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図４】本発明の第４の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図５】本発明の第５の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図６】本発明の第６の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図７】本発明の第７の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図８】本発明の第８の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図９】本発明の第９の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図１０】本発明の第１０の例示的な実施形態によるレーザパルスを生成するシステムの略図である。
【図１】
2009518829.tif 000003
【図２】
2009518829.tif 000004
【図３】
2009518829.tif 000005
【図４】
2009518829.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2009518829.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009518829.tif 000011
【図１０】
2009518829.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月5日(2007.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長のレーザ光パルスを生成するシステムにおいて、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含むシステムであって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を前記進行波レーザ内に導入する偏光手段と、
出力偏光状態を有する放射を前記進行波レーザから実質的に出力結合する出力結合手段と、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる偏光変更手段であって、前記シード用偏光状態を有する放射は、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
前記利得媒質への前記放射のフィードバックを変えるために、前記進行波レーザの放射強度を変調する放射強度変調手段とを含み、前記放射強度変調手段はまた、前記出力結合手段に関して前記放射を変調し、それにより、前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更する、レーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２】
放射強度変調手段が、シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段を含む、請求項１に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項３】
出力偏光状態とシード用偏光状態とが、実質的に同じである請求項２に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項４】
利得媒質が、ブルースター角の付いた入口及び出口面を含み、偏光手段が、マスタレーザからの入力レーザ放射を利得媒質の出口面から反射することを含む請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項５】
利得媒質が、入口及び出口面を含み、偏光手段が、前記出口面と放射強度変調手段との間の光学経路内に組み込まれた偏光子を含む請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項６】
偏光手段と出力結合手段とが、単一偏光子エレメントである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項７】
偏光変更手段が、半波リターデーションプレートを含む請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項８】
可変偏光変更手段が、ポッケルズセルを含む請求項２〜７のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項９】
可変偏光変更手段と偏光変更手段とが、単一デバイスである請求項２に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項１０】
単一デバイスがポッケルズセルである請求項９に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項１１】
利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザから所定の波長のレーザ光パルスを生成する方法であって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を前記進行波レーザ内に導入するステップと、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するステップであって、前記シード用偏光状態を有する放射が、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする、放射の偏光を変更するステップと、
前記利得媒質への前記放射のフィードバックを変えるために前記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップであって、前記変調が前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度も変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更するステップ、
とを含む方法。
【請求項１２】
放射強度を変調するステップが、シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調することを含む請求項１１に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１３】
出力偏光状態及びシード用偏光状態が、実質的に同じである請求項１２に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１４】
利得媒質が、ブルースター角の付いた入口及び出口面を含み、第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップが、マスタレーザからの入力レーザ放射を前記利得媒質の出口面から反射することを含む請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１５】
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップが、利得媒質によって提供される利得ステップの後で、且つ、放射強度を変調するステップの前に導入される請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１６】
第１偏光状態を有する実質的に偏光した放射を進行波レーザ内に導入するステップと前記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップとが、単一偏光子エレメントによって遂行される請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１７】
シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更するステップと、第１偏光状態を有する放射の偏光を前記シード用偏光状態に変更するステップとが、単一デバイスによって遂行される請求項１２に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１８】
単一デバイスがポッケルズセルである請求項７に記載のレーザ光パルスを生成する方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の方法に従って生成されるレーザ光パルス。
【請求項２０】
所定の波長のレーザ光パルスを生成するシステムにおいて、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含むシステムであって、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を前記進行波レーザ内に導入し、前記進行波レーザから実質的に同じ偏光状態を有する放射を出力結合する偏光手段と、
前記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、前記偏光手段と前記利得媒質用の入力との間で前記進行波レーザの光学経路内に位置する(locate)偏光変更手段であって、前記シード用偏光状態を有する放射が、前記レーザ光パルスを生成するように前記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
前記シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、前記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更するための、前記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段とを含み、前記可変偏光変更手段が、前記利得媒質の出力と前記偏光手段との間に位置する、レーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２１】
可変偏光変更手段がポッケルズセルを含む請求項２０に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【請求項２２】
偏光変更手段が、半波リターデーションプレートを含む請求項２０又は２１に記載のレーザ光パルスを生成するシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
第１の態様では、本発明は、したがって、所定の波長のレーザ光パルスを生成するシステムを提供し、上記システムは、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含み、上記システムは、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を上記進行波レーザ内に導入する偏光手段と、
出力偏光状態を有する放射を上記進行波レーザから、実質的に出力結合する出力結合手段と、
上記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、上記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる偏光変更手段であって、上記シード用偏光状態を有する放射は、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
上記利得媒質への上記放射のフィードバックを変えるために、上記進行波レーザの放射強度を変調する放射強度変調手段とを含み、上記放射強度変調手段はまた、上記出力結合手段に関して上記放射を変調し、それにより、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
第２の態様では、本発明は、したがって、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザから所定の波長のレーザ光パルスを生成する方法を提供し、上記方法は、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を上記進行波レーザ内に導入するステップ、
上記第１偏光状態を有するシード用偏光状態に変更するステップであって、上記シード用偏光状態を有する放射が、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードするステップと、
上記進行波レーザから出力偏光状態を有する放射を出力結合するステップと、及び
上記利得媒質への上記放射のフィードバックを変えるために、上記進行波レーザの放射強度を変調するステップであって、上記ステップがまた、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
第４の態様では、本発明は、したがって、所定の波長のレーザ光パルスを生成するシステムを提供し、上記システムは、利得媒質を備えた、進行波又はリングレーザを含み、上記システムは、
第１偏光状態を有する実質的に偏光した所定の波長の放射を上記進行波レーザ内に導入し、上記進行波レーザから実質的に同じ偏光状態を有する放射を出力結合する偏光手段と、
上記第１偏光状態を有する放射の偏光をシード用偏光状態に変更するための、上記偏光手段と上記利得媒質用の入力との間で、上記進行波レーザの光学経路内に位置する偏光変更手段であって、上記シード用偏光状態を有する放射は、上記レーザ光パルスを生成するように上記利得媒質をシードする偏光変更手段と、
上記シード用偏光状態を有する放射の一部分の偏光を、上記出力偏光状態に可変的に変更し、それにより、上記進行波レーザからの放射の出力結合の程度を変調し、出力結合手段より放射されるレーザ光パルスの出力特性を動的に変更するための、上記進行波レーザの光学経路内に組み込まれる可変偏光変更手段とを含み、上記可変偏光変更手段が、上記利得媒質の出力と偏光手段との間に位置する。
【国際調査報告】
2009518829.tif 000013
2009518829.tif 000014
2009518829.tif 000015