(57)【要約】  回転リング利得要素を有するＣＷレーザーが開示される。リングは複数の場所でポンピングされ、レーザーは中赤外出力を生成する。リングの複数のポンピングされた利得部分は、パワースケーリングされた出力を提供する。利得部分は、単一の共振器キャビティ内、複数の共振器キャビティ内、および、関連する集束、折り曲げ、および結合光学素子を有するＭＯＰＡ構造内に配置され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中赤外出力を有する連続波（ＣＷ）レーザーであって、
共振キャビティ；
内周面、外周面、第１の面、及び、第２の面によって画定されるリングに形成されている利得媒質であって、前記第１の面と前記第２の面との間の第１の非定常利得部分を有する前記利得媒質が、中赤外線利得を供給するように前記共振キャビティ内に配置されており、前記第１の面と前記第２の面との間の第２の非定常利得部分は、補完的な中赤外利得を提供するように配置されている、利得媒質；
第１のポンプソース；
第２のポンプソース；
前記リングと熱接触する回転可能な取付構造；および、
軸の周りに前記リングを回転させるために前記回転可能な取付構造に結合されたモータであって、これにより、前記共振キャビティを通過する前記リングの前記第１の非定常利得部分が、中赤外スペクトルのＣＷレーザービームを放出するのに十分なポンプ光を受容し、通過中の前記リングの前記第２の非定常利得部分が、光利得を提供し、中赤外出力を増加させるのに十分であるポンプ光を受容する、モータ；
を備えることを特徴とするＣＷレーザー。
【請求項２】
前記利得媒質は、多結晶遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ材料（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）から選択されることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項３】
前記利得媒質は、Ｃｒ：ＺｎＳｅの媒質として特徴付けられる請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項４】
前記利得媒質はＣｒ：ＺｎＳの媒質として特徴付けられる請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項５】
中赤外出力波長選択のための少なくとも１つの光学キャビティ素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項６】
前記中赤外出力のスペクトル線幅を狭めるための少なくとも１つの光学キャビティ要素をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項７】
前記利得媒質は複合積層リング利得素子であることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項８】
前記第１の非定常利得部分および前記第２の非定常利得部分のそれぞれは、前記共振キャビティ内に利得を提供することを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項９】
前記第１の非定常利得部分は、主発振器としての利得を提供し、前記第２の非定常利得部分は、前記主発振器からの出力に対するシングルパス増幅を提供することを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１０】
前記共振キャビティは、前記リングの前記第１の面に近接するキャビティミラーと、前記リングの前記第１の面に近接した出力カプラと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１１】
光路を前記第１の非定常利得部分から前記第２の非定常利得部分に向け直すための光学素子をさらに備え、前記光学素子は、前記リングの前記第２の面に近接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１２】
前記第１および第２のポンプソースを前記リングのそれぞれの前記第１および第２の非定常利得部分に集束させるための光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１３】
中赤外光を集束するための１つ以上のレンズ要素をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１４】
少なくとも１つのビームコンバイナの光学素子をさらに備え、前記第１の非定常利得部分は、第１の共振キャビティに利得を提供し、前記第２の非定常利得部分は、第２の共振キャビティに利得を提供することを特徴とする請求項１に記載のＣＷレーザー。
【請求項１５】
前記第１の非定常利得部分は第１の出力を提供し、前記第２の非定常利得部分は第２の出力を提供し、前記ビームコンバイナは、前記第１および第２の出力を前記中赤外出力に結合することを特徴とする請求項１４に記載のＣＷレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連アプリケーションへの相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年２月１２日に出願された米国仮出願第６２／２９４，７４７号の利益を主張する。本出願は、２０１６年３月２３日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０２３７７８、２０１６年９月２９日の国際公開第２０１６／１５４３０９号に関連しており、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、連続波（ＣＷ）中赤外固体レーザーに関する。より詳細には、回転リング利得媒質および改善された出力特性を有する固体レーザーに関する。
【背景技術】
【０００３】
２μｍ〜１０μｍのスペクトル範囲で作動する中赤外線（ｍｉｄ−ＩＲ）レーザー源には、自由空間通信、レーザーモジュール、リモートセンシング、および、産業プロセス制御、並びに、医療を含む様々な防衛関連アプリケーションに対する大きな需要がある。アプリケーションの。ＣｒおよびＦｅでドープしたＩＩ−ＶＩワイドバンド半導体に基づく光学ポンピングレーザーの最近の進歩により、１．９μｍ〜５μｍのスペクトル範囲の高出力へのアクセスが可能になった。
【０００４】
本明細書では「‘３０９」と称する特許文献１には、導電冷却された回転リング利得媒質を用いて出力をスケーリングするこのようなレーザーシステムが記載されている。ポンプ放射スポットは、リングが回転するとリングの周りの経路をたどる。ポンピングは連続的であるが、リングが回転し、リングがポンプビームの内外に移動すると、リングの面積が間欠的にポンピングされる。この媒体の間欠的なポンピングは、間欠的な準連続発振（ＱＣＷ）ポンピングと同様の出力利益をもたらすが、連続的な高出力を伴う。その結果、このレーザーは、２４５０ｎｍで最大出力２７．５Ｗ、２９４０ｎｍで１３．９Ｗの純粋なＣＷ出力を示し、平均スロープ効率はそれぞれ６３．７％および３７．４％であった。
【０００５】
Ｃｒ２  ＋：ＺｎＳ／Ｓｅレーザーのパワースケーリングは、工業、医療、材料加工、および防衛用途における多くの用途にとって非常に重要である。これらの中赤外レーザーをうまく応用するためには、医療アプリケーションのほとんどが利用する２９４０ｎｍ出力波長の近くで数十ワットおよび数百ワットの出力に達することが特に重要です。これらの材料の利得最大値（２．４μｍ）に近い出力波長は、ポリマーの処理のように高いスループットが特に重要な材料加工用途にとっても非常に重要である。
【０００６】
中赤外線スペクトルにおける医療アプリケーションおよび材料加工のニーズを満たすためには、パワースケーリングと波長選択性の向上が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開２０１６／１５４３０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の明確な必要性は、回転リング利得媒質を備え、リング上の複数の位置をポンピングしてポンプ出力を増加させ、利得を分配し、パワースケーリングするように構成された開示された中赤外線ＣＷレーザーによって満たされる。
【０００９】
より詳細には、少なくとも１つの実施形態では、本発明は、連続キャビティ（「ＣＷ」）中赤外レーザーであって、共振キャビティ；内周面、外周面、第１の面、及び、第２の面によって画定されるリングに形成されている利得媒質であって、第１の面と第２の面との間の第１の非定常利得部分を有する利得媒質が、中赤外線利得を供給するように共振キャビティ内に配置されており、第１の面と第２の面との間の第２の非定常利得部分は、補完的な中赤外利得を提供するように配置されている、利得媒質；第１のポンプソース；第２のポンプソース；リングと熱接触する回転可能な取付構造；および、軸の周りにリングを回転させるために回転可能な取付構造に結合されたモータ、を備えるＣＷレーザーを提供する。共振キャビティを通過するリングの第１の非定常利得部分が、中赤外スペクトルのＣＷレーザービームを放出するのに十分なポンプ光を受容し、通過中のリングの第２の非定常利得部分が、光利得を提供し、中赤外出力を増加させるのに十分であるポンプ光を受容する。
【００１０】
好ましい実施形態では、利得媒質は、Ｃｒ：ＺｎＳまたはＣｒ：ＺｎＳｅなどのＴＭ：ＩＩ−ＶＩである。
【００１１】
他の実施形態では、本発明のＣＷレーザーは、中赤外出力のスペクトル線幅を狭くし、中赤外出力波長選択を狭めるための１つまたは光キャビティ要素を有する。
【００１２】
他の実施形態では、利得媒質は複合積層リング利得要素である。
【００１３】
他の実施形態では、第１の非定常利得部分および第２の非定常利得部分はそれぞれ、共振キャビティに利得を提供する。
【００１４】
他の実施形態では、第１の非定常利得部分は、主発振器として利得を提供し、第２の非定常利得部分は、主発振器からの出力に対するシングルパス増幅を提供する。
【００１５】
好ましい実施形態では、共振キャビティは、リングの第１の面に近接するキャビティミラーと、リングの第１の面に近接する出力カプラと、を含む。
【００１６】
他の実施形態では、リングの第２の面に近接して配置された光学素子が、第１の利得部分から第２の利得部分への光路の方向を変えるために含まれる。
【００１７】
他の実施形態では、第１および第２のポンプソースをリングのそれぞれの第１および第２の利得部分に集束させるための光学素子が含まれる。
【００１８】
他の実施形態では、中赤外線光を集束させるために１つ以上のレンズ要素が含まれる。
【００１９】
他の実施形態では、第１の非定常利得部分は、第１の共振キャビティで利得を提供し、第２の非定常利得部分は、第２の共振キャビティで利得を提供する。
【００２０】
他の実施形態では、第１の非定常利得部分は第１の出力を提供し、第２の非定常利得部分は第２の出力を提供し、ビームコンバイナは第１および第２の出力を中赤外線出力に結合する。
【００２１】
本開示の上記および他の態様、特徴および利点は、以下の図面からより容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】利得媒質の斜視図である。
【図１Ｂ】利得媒質リングの平面図である。
【図１Ｃ】本発明の中赤外線ＣＷレーザーの４−レンズレーザーキャビティの実施形態の１つの例示的光学概略図である。
【図２】本発明の中赤外線ＣＷレーザーの４−レンズレーザーキャビティの実施形態を示す。
【図３】本発明の中赤外線ＣＷレーザーの主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）の実施形態の１つの例示的な光学概略図である。
【図４】本発明の中赤外ＣＷレーザーのＭＯＰＡ実施形態の図である。
【図５】本発明のデュアルキャビティの実施形態の中赤外線ＣＷレーザーの１つの例示的な光学概略図である。
【図６】本発明の中赤外線ＣＷレーザーの波長セレクタの実施形態を示す図である。
【図７】図２のレーザーによって生成された入出力曲線である。
【図８】図２のレーザーによって生成された測定出力スペクトルを示す図である。
【図９】図４の主発振器によって生成された入出力曲線である。
【図１０】図４の主発振器によって生成される測定出力スペクトルを提供する。
【図１１】図９のＭＯＰＡによって生成された入出力曲線である。
【図１２】図４の出力増幅器の計算された利得曲線を提供する。
【図１３】図６の波長選択オシレータによって生成される入出力曲線である。
【図１４】図１３の波長選択オシレータによって生成された測定出力スペクトルを示す図である。
【図１５】全ポンプの異なるレベルにおける熱減衰のプロットである。
【図１６】本発明の一実施形態のリング冷却システムの様々な図である。
【図１７】本発明の実施形態の改良されたリング冷却システムの様々な図である。
【図１８】本発明の一実施形態の複合積層リング利得素子の１つの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。可能な限り、同一または同様の部品またはステップを参照するために、図面および説明に同一または類似する符号を使用する。図面は簡略化された形態であり、正確な縮尺ではない。特に言及しない限り、本明細書および特許請求の範囲における用語および表現は、ダイオードおよびリバーレーザー技術における当業者にとって通常の慣れた意味を与えられることが意図される。「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」との用語および同様の用語は、必ずしも直接的でじかの連結を意味するものではなく、自由空間または中間要素を介した機械的かつ光学的な連結も含む。
【００２４】
本発明は、Ｃｒ：ＺｎＳおよびＣｒ：ＺｎＳｅレーザーシステムのパワースケーリングの著しい進歩を示す。非常にシンプルで信頼性の高いレーザー設計により、前例のないサブｋＷ出力がＣＷ方式で達成されている。この前例のない出力により、本発明は、クロムベースのクリスタルレーザー（「ＣＬ」）システムが材料加工の分野における広範な産業用途に適用される広範な機会をもたらす。
【００２５】
以下の表１は、本発明のいくつかの実施形態の結果をまとめたものである。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
パワースケーリングは、リングの各利得部分に複数のポンプソースを提供する柔軟な光学システムアーキテクチャで実現されている。図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照すると、回転リング利得媒質１０は、利得リング上の異なる位置でポンプソース１１Ａ、１１Ｂからポンプされる。ポンプビームは、ダイクロイックミラー１２Ａ、１２Ｂを通過して伝送され、それぞれのコリメートレンズ１３Ａ、１３Ｂによってコリメートされて、利得部分１５Ａ、１５Ｂで効率的にポンプスポット１４Ａ、１４Ｂを利得媒質上に形成し得る。少なくとも１つの実施形態では、ポンプビームは利得媒質の第１の側１６に入射する。ポンプビームは、異なる方法で、例えば、レンズに加えて、またはレンズの代わりにミラーを用いて、ダイクロイックミラーの前に集束レンズを通って伝搬して、かつ、エンドポンピングレーザーと整合する代替のポンピングシナリオを用いて、様々な方法でリングに伝搬され得ることが理解されるだろう。
【００２８】
リングはリングマウント１７に取り付けられ、マウントはモータ１８によって回転されて利得部分トラック１９を形成する。概略的に示されるように、ポンプスポットは、リングの周りに約１８０度の間隔で等間隔に配置されたパターンで配置される。しかしながら、リング軸に対するポンプスポットの異なる方位配向が使用されてもよい。例えば、リング軸が光路と同一平面上にない場合、方位角ポンプスポット間隔が１８０度より小さく、レーザー経路間隔はリング周囲のポンプスポットトラックの全直径よりも小さくなり得る。ポンプスポットの半径方向の整列は、単一のトラック上に複数のポンプスポットと重なり得るが、代替の整列を使用し得る。
【００２９】
少なくとも１つの実施形態では、利得部分は、１つ以上の折り曲げミラー２１を含む折り曲げられた光路に沿った複数の位置で一致し得る。折り曲げミラーは、リングの第１の利得部分から光を受け、光学伝搬経路を反射して、これにより、第２の利得部分で二度目にリングをインターセプトする。ビーム集束等のためにリングと折り曲げミラーとの間に追加のレンズ２２を使用し得る。
【００３０】
レーザー共振器は、キャビティミラー２３および出力カプラ２４の位置に応じて、有利にかつ柔軟に異なる方法で形成される。少なくとも１つの実施形態において、再び図１Ｃを参照すると、ダイクロイックミラー１２Ａ、１２Ｂは、ビーム経路を共振器の一端を形成するキャビティミラーに向けて、また、共振器の出力端を形成するリングの同じ側に近接して配置された出力カプラに向けて曲げる。このようにして、利得媒質は、キャビティミラーと出力カプラとの間で光路を２度インターセプトする。各利得部分は、それぞれのポンプソース１１Ａ、１１Ｂによってポンピングされる。これにより、効果的にリングの２つのアクティブな利得部分が並んで配置される。デュアルポンプ構成は、例えば、１つの利得部分から別の利得部分への１つのポンプスポット領域を画像化するため、または１つの利得部分から別の利得部分へビームウエストを中継するために、光学放射を伝播するレンズ２２などの光学要素を含み得る。各ポンプは、レーザー出力を変更し、レーザー共振器の性能特性を調整するように制御され得る。共振器全体をモデル化し、出力するビーム出力、ビーム品質およびビーム安定性について最適化し得る。
【００３１】
ユニバーサルデュアルポンプ、４−レンズレーザーキャビティの実施形態の図を図２に示す。図２は、スピン利得素子をベースとした高出力波長調整Ｃｒ：ＺｎＳ／ＳｅＣＷレーザーシステムの一般的な光学スキームである。このレーザー方式は、柔軟で構成可能なＣＬシステム設計を表し、最小の内部再構成でＣｒレーザー出力特性の最も広い選択をカバーする。多結晶質利得材料が製造の容易さのために使用されたが、本発明はこれに限定されない。すべての構成が示されるわけではない。ＣＬ固定波長レーザーシステムでは、ステッピングモータ２５の波長調整機構２６および波長調整素子２７（例えば、回折格子）は、高反射率（ＨＲ）のエンドミラーで置き換えられる。出力２４は、要素２８、出力カプラまたはボリュームブラッググレーティング（ＶＢＧ）から出る。ポンプコリメータ２９は、コリメータＴＬＭ−１００であり得る。ポンプ構成と利得要素の選択は、必要な出力および他のパラメータに依存する。高出力システム（＞１５Ｗ）から低出力システム（＜１５Ｗ）への変換は、スピンリング利得要素を従来のスラブＣｒ：ＺｎＳ／Ｓｅ利得結晶のペアで置き換えることによって実行される。レーザーヘッドエンクロージャのおおよそのフットプリントは、破線で示されている（寸法はｍｍ単位）。識別された利得要素は、回転リングの形態であり、マンドレル上への利得要素の取り付けを可能にし、また熱管理構造および材料上にこのようなリングを並置する表面積をもたらす。
【００３２】
４−レンズレーザー設計の利点には、波長調整レーザー、固定波長レーザー、高出力および低出力レーザー、および単一周波数レーザー（未テスト）を含む広範囲のＣｒ：ＺｎＳ／ＳｅＣＷレーザーシステムを含む。さらなる利点は、シングルキャビティ（デュアルＴＬＭ−１００−１９０８レーザーからの全ポンプの２２６Ｗがテスト済み）の複数のポンプソース、スピンリングＣｒ：ＺｎＳ、および、Ｃｒ：ＺｎＳｅ素子、一対の従来のスラブ利得結晶（低出力レーザー用）から作られたデュアル利得素子などの利得媒質の柔軟な構成を含む。これらの利点は、レーザーキャビティの複雑さを相殺する。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態では、図３に示すように、ダイクロイック３０は、利得リングの第１の側３４のキャビティミラーとして使用され、出力カプラ３１は、リングの反対側３５の光路内に配置され、共振器を形成し、これにより、リング上の単一のポンプスポットは共振器内にある。したがって、共振器には、主発振器として第１の利得部分が形成される。主発振器からの出力は、シングルパス増幅器としての第２の利得部分を通過し、出力３２はダイクロイックミラー３３で抽出される。
【００３４】
シンプルなシングルレンズの主発振器およびシングルパス出力増幅器の実施形態が、本発明によって提供される。図４には、シングルレンズ、シングルポンプチャネルキャビティ設計の図が示されている。符号４０で示される主発振器の設計は、レーザービームのランダム偏光が許容される固定出力波長を有する実用的な工業用レーザーモデルを表す。２つの位置で同時に回転する利得材料を使用することにより、レーザー光の極めて効率的な生成が可能になる。
【００３５】
ポンプコリメータ４２は、コリメータＴＬＭ−１００−１０９８であり得る。主発振器ポンプはポンプレンズ１３Ａによって集束され、次に固定入力ミラー４３で共振器に入り得る。主発振器のレンズ４４はキャビティレンズであり、共振器キャビティ出力はＯＣまたはＶＢＧであり得る要素４５から出る。主発振器出力は、集束レンズ４６によって出力増幅器４１に集束される。レンズ１３Ｂはポンプ／コリメートレンズとして機能し、ダイクロイックミラー１２はＭＯＰＡ出力４７を抽出する。
【００３６】
さらに、図４に示す（単一共振器）ＭＯＰＡシステムの代わりに、総出力を２倍にする偏光ビーム結合を有する一対の主発振器を構築することができる。図４に示すようなＣＬレーザープラットフォームのＭＯＰＡ構成は、ＣＬ−２３００−６０−Ｄ主発振器でテストされた。
【００３７】
シングルレンズレーザー設計の利点は、簡単なアライメントアルゴリズム、低いミスアライメント感度、および、高い信頼性を備えた非常にシンプルで高効率の主発振器設計である。入力ミラーは、偏光ビーム結合を有するデュアル主発振器システムの場合、利得要素の適切なＨＲ／ＡＲダイクロイックコーティングで置き換えられ得る。主発振器レーザーモードおよびポンプビームの独立したビーム整形はさらなる効率改善を可能にする。出力カプラとして機能する単一のＶＢＧ格子により、極狭い線幅が達成可能である。このシングルレンズキャビティの設計では、広く波長調整可能なレーザーは実現不可能である。
【００３８】
少なくとも１つの実施形態では、図５を参照すると、リングの異なる利得部分の周りに別個の共振器５０Ａおよび５０Ｂが形成されている。各共振器は、５１Ａおよび５１Ｂで別個のレーザー出力を提供し得る。共振器は偏光され、これにより、各共振器からの出力が結合出力５３における電力スケーリングのために偏光ビームカプラ５２と結合され得る。複数の共振器は、出力、波長、およびスペクトル幅を含む異なる特性を有する。異なる共振器特性は、非偏光ビームの組み合わせを提供し得る。
【００３９】
本発明の実施形態が広域スペクトルの利得媒質を含む場合、当分野で既知のように、キャビティミラーとして波長調整素子を使用することによって波長調整を達成し得る。例えば、出力カプラの代わりに波長調整ブラッググレーティング（ＶＢＧ）が使用され得、エンドミラーの代わりに回折格子が使用され得る。波長調整要素を変更し、共鳴波長を選択するために調整機構を使用し得る。
【００４０】
少なくとも１つの実施形態では、図６を参照すると、キャビティレンズ６４およびマルチミラー波長セレクタを有するＣＬ−２９４０−２５主発振器用のシングルレンズレーザーキャビティ６０の図を示す。波長固有の高反射器６３（ＨＲ）および出力カプラ６２（ＯＣ）に加えて、セレクタミラー６１が共振器キャビティ内で使用される。例えば、セレクタミラーは、ＨＲと同様にコーティングされて、波長選択を補助するために追加的なキャビティ損失をもたらし得る。ＨＲミラーおよびセレクタミラーと協働して、ＯＣは、ＨＲミラーおよびセレクタミラーとは異なる範囲において透過性であり得る。例えば、ＨＲおよびセレクタは、２９４０ｎｍから３２００ｎｍにおける高い反射率と、１５６７ｎｍから２７００ｎｍにおける高い透過率と、を有し得る。ＯＣは、２９４０ｎｍで８０％の反射率と、２０００ｎｍから２８００ｎｍにおいて高い透過率を有し得る。この組み合わせは、シンプルな設計、高効率、および少ないキャビティ内損失を有する２７６０ｎｍから２９４０ｎｍの操作をシフトするために使用され得る。主発振器レーザーモードおよびポンプビームの独立したビーム整形は、さらなる効率改善を可能にする。
【００４１】
セレクタミラー構成は、パワースケーリングのためのデュアルポンプ並列共振器アーキテクチャおよび偏光ビーム結合と共に使用され得る。これにより、出力が倍にされ得、たとえば、スピンリング利得素子の改善された温度管理を有する２００Ｗの総ポンプ出力で最大６０Ｗが期待される。
【００４２】
このスペクトル範囲内の将来のＶＢＧの利用可能性は、狭いスペクトル線幅を広げ、波長制御を改善するために適用できると予想される。別のシステムでは、帯域幅拡張戦略の一部としてカットオフフィルタが使用され得る。波長選択および波長調整の態様の適用および機能は、デュアルポンプ並列共振器回転リングレーザーの異なる実施形態に対応し得る。
【００４３】
図７は、２種類の出力カプラ：（１）５０％誘電体ブロードバンドＯＣ、（２）ＹＡＧエタロンプレートを備えたＣＬ−２５００−１３０−Ｄレーザーシステムの入出力特性をプロットしたものである。レーザーは、２つのＴＬＭ−１００−１９０８−ＷＣファイバレーザーモジュールでポンピングされる。出力レベルがポンプレベルに完全にリニアに比例することは、活性素子の利得が飽和から大きく離れており、より高いポンプ出力レベルが（適切な温度管理を用いて）許容可能であることを示している。
【００４４】
図８は、最大ポンプ出力レベルでのＣＬ−２５００−１３０−Ｄレーザーシステムの測定された出力スペクトルを示す。レーザーキャビティは非分散性であり、スペクトル制御光学素子を含まない。これにより、約４０ｎｍの広い線幅が得られる。
【００４５】
図９は、２種類の出力カプラと波長がＶＢＧ格子によって設定されたＣＬ−２３００−６０−ＤによるＣＬ−２５００−７０−Ｄレーザーの入出力特性をプロットしたものである。レーザーは、単一のＴＬＭ−１００−１９０８−ＷＣファイバレーザーモジュールでポンピングされる。レーザーキャビティは、図４に示す最もシンプルに可能なシングルレンズキャビティである。出力レベルがポンプレベルに完全にリニアに比例することは、活性素子の利得が飽和から大きく離れており、より高いポンプ出力レベルが（適切な温度管理を用いて）許容可能であることを示している。
【００４６】
図１０は、出力カプラとしてＶＢＧ素子（Ｏｐｔｉｇｒａｔｅ、ＶＢＧ  ２３００，５０％回折効率、１ｎｍ帯域幅）を使用して得られた最大出力（〜６２Ｗ）におけるＣＬ−２３００−６０−Ｄレーザーシステムの超狭い出力スペクトルを示す。ＦＷＨＭにおけるレーザー線幅の上限推定値は、実際にＢｒｉｓｔｏｌ７２１レーザースペクトルアナライザの装置機能である＜０．２５ｎｍである。
【００４７】
図１１は、ＣＬ−２３００−６０−Ｄ主発振器でテストされたＭＯＰＡ構成の性能をプロットしたものである。最大出力でのロールオーバは、４−レンズレーザーキャビティに匹敵する非常に高い出力と絶対値およびスロープ効率にもかかわらず、熱除去がシングルパス出力増幅器では比較的非効率的であることを示している。出力増幅器の利得チャネルが過度に加熱されると、歪んだガウスビーム形状になる（詳細は表１を参照）。従って、シングルパスＭＯＰＡシステムに有利に４−レンズ光学キャビティを使用することは、おおいに実用的なようである。
【００４８】
図１２は、ＣＬ−２３００−６０−Ｄレーザーシステムのシングルパス出力増幅器の計算された利得を示す。増幅器チャネルポンプは１１７Ｗの最大値に設定されており、主発振器の出力は可変である。これらの結果は、スピンリング利得要素が低出力ＣＬＴレーザーシステム（周波数安定性理由のためにスピンリング利得素子構成を直接使用することができない単一周波数可変レーザー源など）の増幅に非常にうまく使用できることを示しているが、スピンリング増幅器から利益を得ることができるレーザー源のうちの１つは、モードロックされたＣＬＰＦシステムである）。このプロットは、デュアルステージ出力増幅器として４−レンズキャビティを使用することで、２までの利得を有するさらなる出力増幅が達成されることを明確に示している。
【００４９】
図１３は、マルチミラー波長選択器を有するシングルレンズキャビティに基づくＣＬ−２９４０−２５−Ｄ主発振器の入出力特性をプロットしたものである。出力ロールオーバは、スピンリング利得の非効率的な冷却によって引き起こされる。
【００５０】
図１４は、最大ポンプ出力レベルでのＣＬ−２９４０−２５−Ｄ主発振器の測定された出力スペクトルを示す。レーザーキャビティは、一般的に非分散性であり、スペクトルを狭める光学素子を一切含まない。この結果、（ＦＷＨＭで）約２０ｎｍの広い線幅が得られる。
【００５１】
２９４０ｎｍの出力波長（図１３）での、かつ、シングルパスＭＯＰＡ（図１１）の場合における、出力の観察されたロールオーバは、これらのプロトタイプで使用されるスピンリング冷却の簡単なアプローチでは不十分であり得ることを示している。ＣＬ−ＸＸＸＸ−ＸＸ−Ｄレーザーシステムの熱的性能を調べるために、以下の測定を行った。
【００５２】
ポンプシステムは、１００％ポンプ出力レベル（２２６Ｗの合計最大値）で瞬間的にスイッチオンされ、ＣＬ−２５００−１３０−Ｄレーザーシステムの出力が、最大１０％の低下が観察されるまで時間の関数として記録された。次に、ポンプを数分間オフにした。その後、サーマルロールオーバが無視できる程度になるまで、同じレベルの測定を１０％デクリメントしながら、より小さなポンプ出力レベルで繰り返した。
【００５３】
図２を参照する。図１５において、グラフは、異なるレベルの全ポンプにおけるＣＬ−２５００−１３０−Ｄレーザー出力の熱減衰を示す。パーセンテージラベルは、各オン／オフサイクルのポンプ出力レベルを示す。
【００５４】
図１５から分かるように、最大ポンプ出力が減少するにつれて、熱減衰は減速し、総ポンプ（１１３Ｗ）の５０％で無視できる値まで低下するまで小さくなる。熱減衰は、２９４０ｎｍの出力波長およびシングルパス増幅器（より多くのポンプ出力が熱に変換される）の場合、低いレーザー発振効率条件下でより顕著になる。また、出力が低下してもビーム品質は劣化しないことに気付いた。この観察はさらに、出力減衰の主な理由は、スピンリングの比較的効率の悪い冷却のための熱消滅であることを示している。テストされたリング冷却装置を改良するための変形例を以下に説明する。
【００５５】
図１６に示す取り付け／冷却フランジを有するスピンリングのテストされた設計は、水晶のヒートシンクへの接触面積：１２９６ｍｍ２；を含む。ヒートシンクの空気への接触面積：４２１３ｍｍ２；ヒートシンクとレーザービームトレースとの間のＺｎＳｅ層の厚さ：５．５ｍｍ；を含む。
【００５６】
テストされた設計では、スピンリング７０は、モータシャフト７２に結合された２つのアルミニウムフランジ７１の間に取り付けられている。リングの外径は５０ｍｍであり、２０ｍｍの内側取り付け穴を有する。リングは最高回転数５０００ｒｐｍで回転する。フランジは、６５ｐｓｉまでの供給ノズルでの気圧で、室温で２つの圧縮空気ジェット７３で冷却される。
【００５７】
レーザー実験から以下のように、このリング冷却方法は、中心波長（２３００〜２６００ｎｍ）で１００Ｗまでのレーザービームトレース７４に沿った総ポンプ出力に十分であり、Ｃｒ：ＺｎＳｅ発光スペクトルの尾部で最大５０Ｗに落ちる。
【００５８】
現在のアプローチの欠点は、リング利得要素とヒートシンク（冷却フランジ）との間に比較的小さな接触領域を含む。接触面積の推定値は〜１２９６ｍｍ２であり、レーザービームトレースとヒートシンク間の距離（５．５ｍｍ）が比較的大きい（ＺｎＳｅの熱伝導率は金属よりもはるかに小さいため、熱抵抗が増加する）。少数の取り付け／冷却フランジの冷却フィンにより、ヒートシンクと冷却空気（〜４２１３ｍｍ２）との間の接触面積が比較的小さくなり、冷却空気の流れが不十分になり得る。
【００５９】
熱問題を緩和し、許容可能な最大ポンプ出力を増加させるために、冷却システムに対する一連のシンプルな変更が、図１７の改善されたリング冷却システムに示されている。これらの変更には、２６９３ｍｍ２のクリスタルのヒートシンクへの接触面積；２９０５３ｍｍ２のヒートシンクの空気への接触面積；２．０ｍｍのヒートシンクとレーザービームトレースとの間のＺｎＳｅ層の厚さ；が含まれる。改良された内部フランジ７５に加えて、リングの外側リム上の追加の外部ヒートシンク７６は、熱除去をさらに改善する。考慮された冷却空気流ジェットは、スピンフランジの全てのフィンの間に流れを分配する。
【００６０】
利得要素からの熱除去をさらに改善し、ｋＷレベルの出力に達するために、より高度な熱管理が必要とされる。最も有望なアプローチの１つは、高導電性材料（例えば、銅または炭素繊維またはそれらの複合材料）からなる外側フランジ８１と内側フランジ８２との間に積層されたＣｒ：ＺｎＳｅリング８０を使用することである。図１８は、積層リング利得素子の概念設計を示す。
【００６１】
レーザーシステム要素、利得材料、リング機構、ポンプ、冷却、およびリング回転の追加的な態様は、組み込まれた‘３０９の特許文献１に見出される。特に、‘３０９の添付の図面を参照に段落〔０２９〕〜〔０３８〕に記載されている。
【００６２】
開示された構造の様々な変更が、その精神および本質的な特徴から逸脱することなくなされ得る。したがって、上記の説明に含まれるすべての事項は、例示のみとして解釈されるべきであり、限定的な意味では、開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されることを意図する。
【符号の説明】
【００６３】
１０  回転リング利得媒質
１１  ポンプソース
１２  ダイクロイックミラー
１４  ポンプスポット
１５  利得部分
１６  第１の側
１７  リングマウント
１８  モータ
１９  利得部分トラック
２１  ミラー
２２  レンズ
２３  キャビティミラー
２４  出力カプラ
２５  ステッピングモータ
２６  波長調整機構
２７  波長調整素子
２８  要素
２９  ポンプコリメータ
３０  ダイクロイック
３１  出力カプラ
３２  出力
３３  ダイクロイックミラー
３４  第１の側
３５  反対側
４１  出力増幅器
４２  ポンプコリメータ
４３  固定入力ミラー
４４  レンズ
４５  要素
４６  集束レンズ
４７  ＭＯＰＡ出力
５２  偏光ビームカプラ
５３  結合出力
６０  シングルレンズレーザーキャビティ
６１  セレクタミラー
６２  出力カプラ
６３  高反射器
６４  キャビティレンズ
７０  スピンリング
７１  アルミニウムフランジ
７２  モータシャフト
７３  圧縮空気ジェット
７４  レーザービームトレース
７５  内部フランジ
７６  外部ヒートシンク
８０  ＺｎＳｅリング
８１  外側フランジ
８２  内側フランジ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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