(57)【要約】  本発明は、受動Ｑスイッチ（１２）及び少なくとも１個の共振器ミラーを直接形成しレーザ媒質からなるモノリシック構造を有する共振器（１）を備えるとともに、この共振器（１）内に側面から放射する複数個のレーザダイオード（２２）をポンピング手段として備える固体レーザに関する。モノリシック構造を有する共振器（１）の一端が第１保持板（３１）内に保持され、他端が第２保持板（３２）内に保持され、これら第１・第２保持板（３１、３２）の間に、受動的に波長安定化する複数個のレーザダイオード（２２）を有するキャリアリング（２１）が少なくとも１個配置されることによって、簡素で頑強であると同時に効率も高い構造が得られる。
2009540582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受動Ｑスイッチ（１２）及び少なくとも１個の共振器ミラーを直接形成したレーザ媒質からなるモノリシック構造を有する共振器（１）を備えるとともに、
この共振器（１）内に側面から放射する数個のレーザダイオード（２２）をポンピング手段として備える固体レーザであって、
前記モノリシック構造を有する共振器（１）の一端が第１保持板（３１）内に保持され、他端が第２保持板（３２）内に保持され、
これら第１・第２保持板（３１、３２）の間に、受動的に波長安定化する複数個のレーザダイオード（２２）を有するキャリアリング（２１）が少なくとも１個配置されていることを特徴とする固体レーザ。
【請求項２】
前記レーザダイオード（２２）は、外部の反射素子によって波長安定化が行われることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項３】
前記外部の反射素子は、ホログラフィック格子として配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ。
【請求項４】
前記第１・第２保持板（３１、３２）の間には、複数個のキャリアリング（２１）が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項５】
各キャリアリング（２１）には、奇数個のレーザダイオード（２２）が等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項６】
各キャリアリング（２１）には、少なくとも３個のレーザダイオード（２２）が一定間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項７】
前記第１・第２保持板（３１、３２）を貫通し、かつ少なくとも１個の前記キャリアリング（２１）を貫通する冷却ダクトが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項８】
前記共振器（１）を包囲するジャケット管（４２）が前記第１・第２保持板（３１、３２）に取り付けられ、前記共振器（１）と前記ジャケット管（４２）との間に、液体冷却媒体の流通空間が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項９】
前記ジャケット管（４２）が反射コーティングによって反射可能にコーティングされ、この反射コーティングが前記レーザダイオード（２２）の領域にウインドウを有することを特徴とする請求項８に記載の固体レーザ。
【請求項１０】
前記共振器（１）とキャリアリング（２１）の間の空間が、断熱冷却媒体で充填されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【請求項１１】
異なるキャリアリング（２１）上のレーザダイオード（２２）は、それぞれ独立に起動可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動Ｑスイッチと少なくとも１個の共振器ミラーとが形成されたレーザ媒質からなるモノリシック構造の共振器を備え、共振器内に側面から放射する複数個のレーザダイオードをポンピング手段として備える固体レーザ（Festkorperlaser）に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザで入手可能なもののほとんどは、据え置きで使用するものとして設計されている。その結果、寸法や重量が、消費電力や効率と同様に主要な問題となることは稀である。多くの場合、レーザ光線発生の場所とレーザエネルギー利用の場所は空間的に別々であり、光ファイバー導波路によってのみ互いに連結されている。そのため、用途に拘わらず、レーザの運転に最適となるように制御された周囲条件下で、実際のレーザ光源を運転することができるという利点が得られる。
【０００３】
可動式のレーザ光源が必要な、あるいは少なくとも有利である、多くの用途が過去数年の間に開発されている。これらの用途は、レーザを使ったマーキングシステムから、レーザによる燃料・空気混合気の点火、レーザ誘起プラズマ分光（ＬＩＰＳ、ＬＩＢＳ（レーザ誘起ブレークダウン分光））等の物理化学分析システム、目標に対するレーザ切断にまでわたる。このような用途には、レーザ光源がコンパクトな設計であること及び／又は必要エネルギーが可能な限り小さいことが、出力が高いことと同時に必要とされる。更に、機械的振動及び／又は温度上昇若しくは温度変動等の、特定の場合にはレーザ運転に最適でない周囲条件下にある現場で、これらのレーザ光源を直接に運転することが可能でなければならない。既存の市販のレーザの設計では、通常、有用な解決手段は提供されていない。
【０００４】
高出力の小型レーザ光源を作製する数多くの方法が、文献に記載されている。しかしこれらの方法には、実用性の面で一部限界がある。重要な項目としては特に効率が挙げられ、これに関連して、運転条件下でのレーザのエネルギー必要量、頑強さ、その結果として得られる実用性が挙げられる。
【０００５】
設計及び運転状態によっては、導入エネルギーのうち９０％或いはそれ以上が固体レーザ内で熱に変換されるが、有用なレーザエネルギーに変換されるのはこのうちの一部分のみにすぎない。さらに、半導体レーザダイオードの発振波長は通常動作温度による影響が大きく、最大発振値が通常０．３ｎｍ／Ｋ以下のドリフトをすることから、レーザダイオードポンピング式固体レーザの作製においては、小型レーザの温度を安定化することが概して重要な問題となっている。これは、ネオジムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）などの狭い吸収帯の固体レーザ媒質を用いるときに、特に問題となる。この場合、効率的なエネルギー注入を行うには、半導体ポンピングダイオードの動作温度を、一般に±２Ｋ未満に安定化させる必要がある。
【０００６】
この問題を解決するために、多くの方法が刊行物に記載されている。例えばＥＰ０４７１７０７Ｂ１は、外部で温度調節される気体又は液体の温度調節媒体を介して、冷却ダクトで温度調節することを提案している。温度調節媒体による温度調節は、ほぼ同一の運転状態が保持される場合にのみ実行可能である。特にレーザの負荷変動の結果として急激に温度が変化する場合には、そのようなシステムは反応が遅く実用には向かない。例えばＷＯ２００３／０３０３１２Ａ２等から公知の一体型熱伝導素子を備えるシステムを使用する場合にも、同じことが当てはまる。従って、例えばＤＥ４２２９５００Ａ又はＥＰ１０３４５８４Ｂ１では、ポンピングレーザダイオード及びレーザ媒質の温度調節の問題を熱電素子によって、特にペルチェ素子を用いて、解決することが提案されている。このような純粋な熱電システムは、狭い温度範囲内の温度調節のみにしか適用できない。周囲温度の顕著な変化が確実に予想される用途においては、そうした温度調節システムは直ぐに過負荷になり、従って好適ではない。
【０００７】
基本的には技術的に実行可能な別の手段としては、例えばＥＰ１５１９０３８Ａ１及びＥＰ１５１９０３９Ａ１に説明されているように、燃料・空気混合気点火用の小型レーザ光源の構成について、上記の２種の方法を組合せることが考えられる。しかし、この温度調節システムはかなり複雑なものとなってしまう。上記各明細書には、「少なくとも２個の、好ましくは３個の異なる冷却システム」からなる多段階温度調節システムによって温度安定化を行うことが開示されている。具体的には、流体温度調節媒体の回路とペルチェ素子との組合せが提案されているが、その作製と制御には相当な労力を必要とする。その上、特に高出力を必要とするレーザの用途の場合、多量の熱量を迅速に転送することが必要であり、従ってそれに対応する大きな熱交換器表面積を必要とする。特に小型の場合には、狭い及び／又は長い流通管が多数必要であり、作製が更に複雑となるだけでなく、温度調節媒体の循環に多量のエネルギー入力を必要とする。その上、温度調節のために熱電部品を使用することによってエネルギーが更に必要となり、レーザ光源の全体的な効率が低下する。
【０００８】
固体レーザを特にコンパクトかつ頑強に構成する必要がある場合には、例えば内燃エンジン又は航空機タービンの点火源として用いる場合には、更に生じる問題点として、各部品の調整における誤差の原因を無くし、全体を調整する必要性をできる限り最小化する必要があることが挙げられる。同様に、できる限り頑強なものにして、逆境の周囲条件下にあっても運転の信頼性を確実に得られるようにする必要がある。上記した欠点は、例えばＥＰ０７４３７２５Ａ又はＷＯ０２／０７３３２２Ａに説明されている解決手段においても見られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＥＰ０４７１７０７Ｂ１
【特許文献２】ＷＯ２００３／０３０３１２Ａ２
【特許文献３】ＤＥ４２２９５００Ａ
【特許文献４】ＥＰ１０３４５８４Ｂ１
【特許文献５】ＥＰ１５１９０３８Ａ１
【特許文献６】ＥＰ１５１９０３９Ａ１
【特許文献７】ＥＰ０７４３７２５Ａ
【特許文献８】ＷＯ０２／０７３３２２Ａ
【特許文献９】ＷＯ２００４／０３４５２３Ａ２
【特許文献１０】ＷＯ２００５／０１３４３９Ａ
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Volodin他「Volume stabilization and spectrum narrowing of high power multimode laser diodes and arrays by use of volume bragggratings」(Optics Letters 2004,Vol. 29, pages 1891ff)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
必要光学部品の配置のばらつきと、それにより生じる精密な調整の必要性とを最小化するために、分離して構成された通常のレーザ共振器の代わりに、モノリシックなレーザ共振器を使用することが提案される。モノリシックレーザ共振器とは、レーザ共振器の全ての必要部品（すなわち能動的レーザ媒質と、共振器ミラーと、更にオプションとして追加されるＱスイッチ等の追加部品と）が、１個の「モノリシック」部品に一体化された部品として理解されるものとする。そのような部品については、例えばＷＯ２００４／０３４５２３Ａ２に記載がある。レーザ共振器の全構成部品を１個の部品に一体化することによって、モノリシックレーザ共振器には、レーザの作製及び運転の面と、光学部品の耐久性の面との両方で、多くの実用上の利点がある。
【００１２】
１個の部品に一体化して配置のばらつきをなくした結果、レーザ共振器の光学部品に必要な締結部材の個数が構造上の見地から最小化され、調整部品を完全に無くすことができる。これにより更に、外的影響から実質的に影響を受けない小型レーザ光源の構成を実現することができる。同時に、アセンブリの個々の部品の複雑な調整と、メンテナンスとを回避し、これにより離れた位置に設ける従来のシステムと比べて、レーザ光源にかかるコストを大幅に低減させることができる。
【００１３】
別の利点は、レーザ共振器の光路における境界面が減少することにある。特に本発明の構成におけるもののような高エネルギー密度のレーザの場合には、境界面の存在は潜在的な弱点となり、出力が低下する。レーザ媒質と受動Ｑスイッチ（「可飽和吸収体（sattigbarer Absorber）」）と、さらに有利には共振器ミラーも、単一のモノリシックな部品に一体化することによって境界面の個数を最小限に抑え、これにより、個別部品からなるシステムと比較して、レーザの効率と耐用年数とを顕著に改善することができる。
【００１４】
本発明は、そのようなモノリシック固体レーザを想定している。調整作業量と機械的頑強さとに関する問題はほぼ解消されているが、半導体レーザダイオードの発振波長が温度に依存することに関連して、冷却システムを好適なものにするという問題については、解決する必要性が依然存在する。
【００１５】
本発明の目的は、上記した種類の固体レーザをさらに発展させ、簡素でコンパクトかつ頑強な構成を実現すること、特に、簡素な冷却システムであっても外部の熱的条件と固体レーザの負荷とに実質的に左右されないようにすることにある。本発明の別の目的は、要約すれば、効率の高いレーザシステムを確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの目的を達成するために、本発明では、モノリシック共振器の一端を第１保持板で保持し、他端を第２保持板で保持し、これら第１・第２保持板の間に、受動的に波長安定化する複数個のレーザダイオードを有するキャリアリングを少なくとも１個配置する。
【００１７】
本発明の第１の特徴構成は、受動的に波長安定化するレーザダイオードを使用することにある。これによってまずレーザダイオード温度の許容域が確実に高くなり、よって冷却システムを確実に単純化することができる。このような単純化の可能性を特定の構造設計に利用することによって、特にジェットエンジン、内燃エンジンにおける点火源として、あるいはモバイル式のレーザ励起ブレークダウン分光（ＬＩＢＳ）分析装置において好適な、非常に簡素で頑強な構成を得ることができる。
【００１８】
受動的に波長安定化するレーザダイオードは、例えばVolodin他「Volume stabilization and spectrum narrowing of high power multimode laser diodes and arrays by use of volume bragggratings」(Optics Letters 2004,Vol. 29, pages 1891ff)、又はＷＯ２００５／０１３４３９Ａ等から周知である。
【００１９】
小型レーザ光源のレーザ媒質の励起において、受動的に波長安定化するレーザダイオードをポンピング光源として用いると、多くの利点が得られる。第１に、受動的に波長安定化するポンピング源を用いると、励起光源の最大発振値の熱ドリフトの問題が減少する。発振面に置かれる「立体ブラッグ格子（Volume Bragg Grating）」等のホログラフィック格子を有する、半導体レーザダイオードのドリフトは通常０．０１ｎｍ／Ｋである。従って実作業には、そのようなレーザダイオードの温度を通常±１５Ｋに安定化させれば十分である。その結果、能動的に波長安定化するレーザダイオードにおいて通常行われ、また必要でもある、温度及び／又はダイオード電流に対する正確な能動的自動制御を行わなくとも、ポンピングレーザの効率的な運転が可能になる。従って公知のシステムと比較して、特に必要制御精度に関して、温度調節の実質的な簡素化が確保される。
【００２０】
動作温度範囲が広くなると、負荷変動時のレーザ挙動において更に利点が得られる。レーザパルス数の変動等の負荷変動は、主に電力損失の変動を引き起こし、従ってポンピングダイオード温度を、少なくとも一時的に変動させる。公知のシステムでは、その結果ポンピングダイオードの発振波長が変動し、さらにレーザ効率が変動する。温度調節による迅速な補償が不十分な場合には、固体レーザによるレーザ発振の中断にもなりかねない不安定な運転状態を見込まねばならない。これと同様に、公知のレーザダイオードポンピング式固体レーザでは通常、安定した運転状態に達するまでの準備期間が必要である。これに対し、受動的に波長安定化するポンピング源を備える固体レーザポンピング式では、負荷変動の下でも運転安定性がかなり高く、温度調節の動的な制御挙動に関する必要条件が顕著に低いため、通常、準備期間を置かずに即時に使用することができる。
【００２１】
従って、受動的に波長安定化するポンピングダイオードを用いることによって、複雑で電力を浪費しコスト高で急激に反応し易い、温度制御の使用を回避することが可能である。温度の影響が顕著に低減した結果、定常負荷の恒常運転と変動負荷運転の両方において、簡素で頑強かつコスト効果が高く比較的ゆっくりとした、かつ公知のシステムよりも要求精度がかなり低い温度調節でも十分となる。放散するレーザの電力損失によって能動的又は受動的空冷を用いることができ、より高い出力向けには、外部の温度調節装置による液体温度調節を用いることができる。上述した原則によって構成した固体レーザを、同様の出力で、よりコンパクトに作製することが可能であり、類似の公知のシステムよりも頑強で信頼性があり故障が少なく、生産及び運転コスト効果の高いものとすることができる。
【００２２】
受動的に波長安定化するポンピングダイオードを使用すると、固体レーザのレーザ媒質へのポンピングエネルギーの発射効率が増加する、という利点が更に得られる。外部格子を用いると、半導体レーザダイオードの発振の半値幅が３ｎｍ（ＦＷＨＭ）から、通常１ｎｍ（ＦＷＨＭ）に減少する。特に狭い吸収プロファイルのレーザ媒質（例えば吸収プロファイルの半値幅が約１．５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧなど）の場合、発射効率の顕著な改善が達成される。
【００２３】
固体レーザのポンピング源として、受動的に波長安定化する半導体レーザダイオードを用いることによって、好ましくは外部の反射素子を用いることによって、より好ましくはホログラフィック格子をベースにすることによって、固体レーザの運転安定性を顕著に向上させ、全体効率を増加させ、かつ冷却の必要性を最小化することが全て可能である。
【００２４】
本発明に従って連結した上記構成要素を用い、すなわち一体化された受動Ｑスイッチを備えるモノリシックレーザ共振器と、受動的に波長安定化するレーザダイオードをポンピング光源として環状に配置した放射状ポンピングとを用い、そしてこれらの構成要素を、モノリシックレーザ共振器を保持しレーザ全体（ポンピング光源とレーザ媒質の両方）の主要な温度調節装置を構成する小型ハウジング内に設置することによって、部品の相互作用によって特に有利な特性を有するレーザ光源が構成される。
【００２５】
受動的に波長安定化するレーザダイオードを提案通りにポンピング光源として用いることによって、まずレーザ機能に対する周囲温度の影響を低減することができる。これにより、広い温度範囲にわたって単純な冷却でレーザを運転できるようになる。更にこれにより、類似のシステムよりも全体寸法が顕著に小さいシステムを実現させることができ、従ってこのようなレーザ光源の実用化が興味深いものとなる。
【００２６】
このようにしてコンパクトな全体寸法を達成することによって、レーザ媒質中で得られる「利得（Gain）」が、同程度の出力の固体レーザにより通常達成される数値を遥かに超えるものとなる。このような全体寸法によって高い利得係数（Gain-Faktor）が得られるので、本発明で使用する一体化された可飽和吸収体（受動Ｑスイッチ）を備える、モノリシックレーザ共振器の効率的な運転が可能となる。
【００２７】
本発明に従ってモノリシックに構成されたレーザ共振器を使用することによって、従来の分離した構成よりも、レーザ媒質の損失が顕著に低くなる。このことは、利得が高くなり、その結果能動的レーザ媒質で得られる出力密度が高くなることを考えると非常に重要である。なぜなら、レーザ媒質の温度調節も簡単に実現できるということが、高い利得係数を有する小型レーザ光源の作製と、受動的に波長安定化するポンピングレーザダイオードの効率的な使用とのための前提条件になるからである。
【００２８】
当業技術水準によると、このようなレーザの各部品の具体的な相互作用を考慮しなければ、少なくとも低いポンピング速度においてはレーザ発振が不安定となることが予想されるという事実からも、高出力小型レーザ光源を構成するために上記で提案した構成の有利さが分かる。上記で説明した、本発明による上記各特徴の組合せによって起こる相互作用によってのみ、低パルス周波数であっても、高パルス出力における安定した運転を確保することができる。このようにして、本発明による構成によって初めて、高い且つ／又は可変のパルス周波数及び出力を有し、負荷変動又は周囲条件変動においても良好な運転安定性を示し、コンパクトでコスト効率の高い寸法で、高い故障耐性を備えた固体レーザが実現される。
【００２９】
特に、複数個のキャリアリングを直列に配置することによって、レーザ出力の出力密度を高くすること、及び／又は、簡単に規模変更をすることができる。このようにして、共振器の周方向の全表面積が照射の注入に使用可能となる。
【００３０】
よって、複数個のキャリアリングを用いることの更なる利点は、一個のレーザダイオードで最大可能な量以上に、ポンピングパルス周波数を単純な方法で増加できることにある。この目的のために、複数のキャリアリングの間でレーザダイオードのパルスタイミングを互いにずらすことによって、低いパルス周波数であっても全体のポンピングパルス周波数が高くなり、その結果各ポンピングレーザダイオードへの負荷が低減される。
【００３１】
活性化レーザ媒質に対する均等な照明と、これによるエネルギーの最適な注入とを実現するために、各キャリアリングには、好ましくは奇数個のレーザダイオードを等間隔で配置する。レーザダイオードの個数は、少なくとも３個必要である。補助手段として、ミラーリングその他の好適な光学手段によって、注入した光パワーが共振器内に残る率を高くし、レーザのポンピングに使用可能にすることが確保できる。
【００３２】
第１・第２保持板を貫通し、かつ少なくとも１個のキャリアリングを貫通する冷却ダクトを設けると、特に効率的な冷却を達成することができる。
【００３３】
本発明の第１の特に好適な実施形態においては、モノリシック共振器を包囲するジャケット管が、第１・第２保持板間に挟持される。液体冷却媒体の流通空間が、共振器とジャケット管との間に設けられる。このようにして、共振器とジャケット管との間に、液体冷却媒体の流通する環状空間が形成される。この冷却は、一方では強制循環路の形態で実現することができる。ただし負荷の低いシステムでは、ヒートパイプの形態で対流冷却のみを使用してもよい。共振器の照射から発生し得る損失を回避するためには、ジャケット管を反射コーティングによって反射可能にコーティングするとともに、この反射コーティングの、レーザダイオードに対応する領域にウインドウを設けることが特に好ましい。反射コーティングには、レーザダイオードが共振器内に照射する位置においてのみ開口が設けられる。
【００３４】
本発明の別の実施形態では、モノリシック共振器とキャリアリングとの間の空間が断熱冷却媒体で充填されていることを特徴とする。この場合にはジャケット管を必要としないので、この実施形態は特に簡素である。レーザダイオードとの接触による短絡を防ぐためには、液体ペルフルオロポリエーテル等の断熱冷却媒体を用いる。
【００３５】
ここからは、図面に示す各実施形態を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態を示す一部断面不等角投影図である。
【図２】図１の実施形態を示す縦断面図である。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。
【図４】本発明に従って構成したモノリシック構造レーザ共振器の詳細図である。
【図５】本発明の一好適実施形態に係るジャケット管を示す図である。
【図６】別実施形態を図２に対応して示した図である。
【図７】前記別実施形態を図３に対応して示した図であって、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
参照符号１で全体を示すモノリシックレーザ共振器は、その一端が第１保持板３１において、他端が第２保持板３２において、締結部材３３、３４によって保持される。２個のキャリアリング２１が保持板３１、３２の間に配置され、各リング２１の内周にはそれぞれ、複数個のレーザダイオード２２が設けられる。冷却媒体の流通空間を形成するように、流通管としても知られるジャケット管４２がモノリシック共振器１を包囲する。第１保持板３１からキャリアリング２１を介して第２保持板３２まで延在する複数の冷却ダクト４１は、流通空間と連通して閉鎖冷却システムを形成する。
【００３８】
本発明により、受動的に波長安定化する高出力のレーザダイオード２２とモノリシックレーザ共振器１とを組合せて使用することによって、集積電子制御システムがない場合には標準全体寸法が直径４０ｍｍかつ長さが７０ｍｍのレーザ光源を使用して、又は集積電子制御システムがある場合には標準全体寸法が直径５０ｍｍかつ長さが１２０ｍｍのレーザ光源を使用して、標準パルス電力３０ｍＪかつ標準パルス長範囲２〜１０ｎｓの（mit einer typischer Pulsleistung von 30mJ und einer typischen Pulsdauer im Bereich von 2 - 10 ns）レーザ光パルスを発生させることが初めてかつ唯一可能となった。レーザは、通常０〜１５０Ｈｚの範囲の可変制御パルス数で（mit variablen, regelbaren Pulsraten）温度調節労力を最小限にして、かつパルス数約１ｋＨｚ以下の低減パルス電力で運転可能である。
【００３９】
これによりレーザは、１００ワット（電気）の標準総消費電力（制御手段を含むが外部温度調節手段を含まない）で、平均出力約５ワット（光学）のレーザ光線を発振する。発振されたレーザビームは、レーザ媒質の直径にもよるが一般に３ｍｍ以下のビーム直径では、標準ビーム広がりが５ｍｒａｄ未満である。
【００４０】
受動的に波長安定化するレーザダイオード２２は、適切なキャリアリング２１の中央凹部に、公知構成と同様に本発明でも環状に配置され、協働してポンピングリング２を形成する。使用するレーザダイオードの個数はその都度、レーザ光源の全体寸法とレーザダイオード２２と必要ポンピング出力とに応じて設定される。図示のポンピングリング構成では各ポンピングリング毎にレーザダイオードを３〜８個とするのが好適であり、例えば各ポンピングリング２毎に、受動的に波長安定化するレーザダイオード２２を６個使用する。
【００４１】
より高い出力が必要な場合には、より長い固体レーザ媒質１１を有するモノリシックレーザ共振器１を使用することによって、図１に例示した２個のポンピングリング構成のように、直列配置した複数個のポンピングリング２を切換えて使用することが可能であり、かつ有利でもある。これにより、より多くのレーザダイオードを備えたポンピングリングを１個のみ使用する場合に比べ、効率が良くなり、全体寸法が小さくなり、かつ温度調節が容易になる。上記構成においては、ポンピングリングに連続的に沿う複数のレーザダイオードを、ギャップを形成するように位置合わせするのが好適である。図１及び図２に示すように、６個のレーザダイオードを用いる例では、これらポンピングリングがレーザ光源主軸を基準に３０°、互いに捩じれて配置されている。
【００４２】
レーザ光源を温度調節するために、受動的に波長安定化するレーザダイオード２２のキャリアリング２１には温度調節ダクト４１が内装されている。これら温度調節ダクトの形状及び個数は、レーザ光源の、最大限に移転させることが必要な熱出力に応じて選択される。これにより、レーザ光源の前端キャップ３１及び後端キャップ３２内に設けられた各ダクト、並びに、温度調節剤が流れるとともにモノリシックレーザ共振器を包囲する流通管４２との協働で、温度調節剤循環路が形成される。
【００４３】
平均出力が高いレーザ用途では、温度調節剤循環路４を外部の温度調節ユニットに連結するのが好適であり、その際にはレーザ光源の流れを外部から内部に向けることが好適であり、すなわち温度調節剤をまずキャリアリング２１の温度調節ダクト４１を流通させ、次にモノリシックレーザ共振器１と流通管４２との間の領域を流通させることが好適である。本実施形態においては、入口と出口とは別個に、好ましくは後端キャップ３２に配置される。
【００４４】
他方、低出力用途では、外部の温度調節ユニットが省略可能なことが多い。別個の入口部と出口部とを設けず、両端のキャップ３１、３２によって外部と内側回路とを連通させるように構成するとともに、適切な温度調節媒体を温度調節剤循環路４に充填してこれを密封する。発生する熱損失は、温度調節剤循環路における熱の伝導及び対流によって内側から外側に伝達され、レーザ光源の表面を介して周囲環境へ分散する。用途によってはレーザ光源の外表面に、伝熱面積拡大のための冷却リブ及び／又はファン等を設けて伝熱向上を図ることが有利かもしれない。
【００４５】
いずれの運転モードの場合にも、受動的に波長安定化するレーザダイオードをポンピング光源として用いると、温度調節の必要性が最小限になるとともに、運転がより安定したものになる。たとえ顕著な負荷変動が起こっても、例えばパルス数の変動又は他の熱状態変動に起因した負荷変動の間も、レーザ発振の信頼性は十分に保証される。
【００４６】
本発明において使用するモノリシックレーザ共振器１は、内部でポンピングエネルギーをレーザエネルギーに変換するための純製の（eigentlich）レーザ媒質１１と、このレーザ媒質１１と好ましくは分子レベル面（界面Ｉ）において堅く連結した可飽和吸収体（sattigbaren Absorber）（受動Ｑスイッチ、１２）と、２個の共振器ミラー１３、１４とから構成される。各々のレーザ発振波長に対する共振器ミラーとして、誘電体反射鏡、特に好ましくは多層誘電体反射鏡を使用するのが好適である。ミラーは、レーザ媒質又はこれに結合する可飽和吸収体の端面に、直接適用される。発振側のミラー１３は、例えば反射率５０％として、部分的に反射するように配置される。第２のミラーの反射性は高く、固体レーザの発振波長において９９％を超える標準反射率を有する。
【００４７】
さらに、モノリシックレーザ共振器の２個のミラー端面１３、１４は、レーザ運転向けに幾何学的に調節可能であり、このことは有利でもある。特定の用途には平坦な端面の他、特に軸方向に対称な湾曲面、凸面又は凹面も、温度勾配の発生及びこれに因るレンズの発熱に対する補償をするため、レーザにおけるモード分布を操作するため、あるいは、外部のビームレンズシステムへの移送のために発振ビームをコンディショニングするためには有利である。
【００４８】
上記構成にとっては、円筒状のレーザ共振器１を使用することが、コンパクトになる点からも、設置、固定及び調整に必要な作業を最小化する点からも特に有利である。特定の用途には、四角形、正方形その他の多角形断面を有する立方体構成を採用することも可能であり、実施可能である。このような実施形態では、多角形立方体の各面の形状、個数及び位置関係、並びに、使用するポンピングリング内のレーザダイオードの個数及び配置を、互いに調節すると有利である。
【００４９】
レーザ共振器１がモノリシック構成のため、特に円筒状に構成されたモノリシックレーザ共振器１を用いる場合には、レーザ光源の設置と固定とが最小の作製労力で可能である。好ましくは、モノリシックレーザ共振器１は、２個の締結部材３３、３４（例えばクランプネジ）によって保持板３１、３２内に固定される。この目的のためには調節部品が不要であり、機械的負荷及び／又は熱負荷に因りレーザ共振器１が調節不良となるおそれもない。受動的に波長安定化するレーザポンピングダイオード２２との組合せによって、過酷な使用条件下であっても信頼性のある運転が確保される。
【００５０】
レーザ共振器１の締結部材３３、３４は、各用途に応じて構成可能である。図１及び図２に示す、光学的アクセスが可能な高反射性の端部ミラー１４を備えた実施形態では、ミラー１４によって伝達される残留レーザエネルギーを例えば光ファイバーに注入可能であり、この信号は、レーザの有効光路に光学部品を追加設置せずとも、例えばレーザの監視、起動その他のための信号に用いることが可能である。
【００５１】
本発明の構成要件である、ポンピング光源としての受動的に波長安定化するレーザダイオードとモノリシックレーザ共振器との使用に加えて、効率を上げるためには、ポンピング光のレーザ媒質への注入効率を最適化する手段を更に実装することが推奨されることが多い。本発明によれば、特に、小径でありそのため注入効率が低い固体レーザ媒質を使用する場合には、エネルギー集積流通管を使用することが提案される。
【００５２】
公知の流通管は、ガラス、石英ガラス、サファイア等の、励起波長を透過する材料から構成されている。これらを配置すると、レーザ媒質に吸収されないポンピング放射は、流通管の反対側の壁を通り、使用されずに熱に変換される。
【００５３】
これに対処するために、本発明では、励起放射を反射して流通管内部に戻すコーティング４２ａを、流通管４２の外表面に設けるのが好適であると提案される。このコーティングは、例えば金又はアルミニウム製のミラーコーティングであってもよく、あるいは、拡散反射性材料、好ましくは酸化チタン及び／又は炭酸カルシウム及び／又は硫酸バリウムその他の、励起波長においては高反射性を有するが使用条件下では光分解に対して不感な材料、をベースとしたコーティングであってもよい。ポンピング放射を注入するために、このコーティングのうち透明領域４２ｂは開口状態のままにされる。これらの透明領域は、レーザ光源におけるポンピングダイオード２２の発振特性及び配置に対して幾何学的に調節されている。
【００５４】
このような配置によって確実に、流通管４２内部に放射された光が集光され、放射損失が最小となり、レーザ効率が最適化される。その結果、小径の固体レーザ媒質を用いた場合には低くなってしまう幾何学的な吸収プロファイルを、少なくとも部分的に補償することができ、高パルス出力で好適なビーム品質の小型レーザ光源を作製することができる。
【００５５】
図６及び図７は、図２及び図３に実質的に対応するが、流通管を設けていない本発明の別実施形態を示す。この別実施形態では、循環路４内の断熱冷却剤は、レーザ共振器１及びレーザダイオード２２の周りを直接通過する。
【００５６】
以上を要約すると、本発明によって実施される構成によって、公知のシステムと比較し、きわめてコンパクトで信頼性が高く、メンテナンスの必要性が低い、高出力のパルス状レーザ光源を作製し、きわめて高品質のビームを提供することとが可能になる。これらは本発明によれば、モノリシックレーザ共振器１を、受動的に波長安定化するレーザポンピングダイオード２２と組合せて使用し、更にオプションとして、エネルギー集積流通管４２も使用することによって可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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