(57)【要約】  内部領域および利得媒体を有するチャンバ（２２）を備える、発振器または増幅器として使用可能なレーザデバイス（１０）は、内部領域内に分布された活性レーザイオンを含む固体要素（１４）を備える。デバイスからのレーザ発光が利得媒体（１４）および流体（１６）を通過するように、冷却流体（１６）が固体要素のまわりを流れ、さらに半導体レーザダイオード（１８）がレーザチャンバ（１２）の内部領域中に光励起放射を供給する。レーザデバイス（１０）は、固体利得媒体レーザの利点（例えば、ダイオード励起、高パワー密度）を実現するが、純粋な固体媒体で達成できるかもしれないものに比べてより高い平均パワーおよびビーム品質での動作を可能にする。
2005510887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザデバイスであって、
所定の内部領域を有するレーザチャンバと、
前記内部領域内にあり、かつ該内部領域内に分布された活性レーザイオンを含む固体要素を有する利得媒体と、
前記固体要素の周囲を流れる流体と、
前記レーザチャンバの前記内部領域中に光励起放射を供給する半導体レーザダイオードと、
前記利得媒体および前記流体を通過する前記固体要素からのレーザ発光と
を具えたことを特徴とするレーザデバイス。
【請求項２】
各固体要素の寸法Ｌは、次式で定義され、
【数１】
2005510887.tif 000014
ここで、ΔＴは各固体要素の中心と表面との間の最大温度差であり、ｋｓは前記固体要素の熱伝導率であり、ｃは幾何学的な定数であってｃは４から８までの値であり、ｑ'''
はダイオード励起に起因し各固体要素内の単位体積当たりに生成される熱であることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項３】
前記固体要素は、シートを備え、ｃが８に等しいことを特徴とする請求項２記載のレーザデバイス。
【請求項４】
各固体要素の寸法は、少なくとも１００Ｗのパワーレベルでの動作において、前記寸法を横切った前記固体要素の中心と表面との間の温度差がせいぜい１００℃であるように十分に薄いことを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項５】
前記固体要素の各々の寸法は、約１０ミクロンから２ｍｍまでであることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項６】
前記利得媒体は、少なくとも１００Ｗの平均パワーで前記レーザ発光を生成することを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項７】
レーザチャンバは、入口および出口をさらに具え、
前記流体は、前記入口から前記レーザチャンバを通って前記出口に流れることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項８】
前記入口および前記出口に結合された熱交換器をさらに具え、
前記出口を出る前記流体は、前記熱交換器を通過して冷却され、その後前記入口を通って流れることを特徴とする請求項７記載のレーザデバイス。
【請求項９】
前記流体は、レーザ発光の方向に対して横向きの方向に前記レーザチャンバを流れることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１０】
前記固体要素は、前記内部領域全体にわたって分布された平らなシートを備え、前記流体は前記平らなシートの各々の間を流れることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１１】
前記平らなシートの各々は、レーザ発光の方向に対してある角度の方向で、かつ前記光励起放射に対してある角度の方向に向いていることを特徴とする請求項１０記載のレーザデバイス。
【請求項１２】
前記平らなシートの各々の間の間隔は、前記平らなシートの各々が前記半導体レーザダイオードから実質的に同じ量の光励起放射を受け取るようなものであることを特徴とする請求項１１記載のレーザデバイス。
【請求項１３】
前記平らなシートの各々の間の間隔は、前記光励起放射の方向に関して各平らなシートの一部が隣り合う平らなシートの一部と重なり合うことを特徴とする請求項１１記載のレーザデバイス。
【請求項１４】
前記平らなシートの各々の間の間隔は、前記光励起放射の方向に関して隣り合う平らなシートが互いに重なり合わないことを特徴とする請求項１１記載のレーザデバイス。
【請求項１５】
前記レーザ発光の波長での前記流体の屈折率は、前記固体要素の屈折率と実質的に整合していることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１６】
前記流体は、炭素をベースにした材料を具えたことを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１７】
前記流体は、前記固体要素間を流れることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１８】
前記半導体レーザダイオードは、１秒よりも長い間の連続レーザ発光を供給するために、連続した光励起放射を供給することを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項１９】
前記半導体レーザダイオードは、パルスレーザ発光を供給するために、パルス光励起放射を供給することを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項２０】
前記固体要素の個々のものは、前記レーザ発光の経路に対してブルスター角の方向に、またはブルスター角近い方向に向いていることを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項２１】
前記レーザチャンバの入口に結合された多岐管をさらに具え、
前記多岐管は、前記固体要素のまわりに前記流体の実質的に一様な流れを実現することを特徴とする請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項２２】
レイジングの方法であって、
所定の内部領域を有しかつ利得媒体を含むレーザチャンバを設けるステップであって、該利得媒体は、前記内部領域内に分布された活性レーザイオンを含む固体要素を有し、
前記内部領域を通してかつ前記固体要素のまわりに冷却流体を流すステップと、
半導体レーザダイオードで生成された光励起放射を前記チャンバを通して前記内部領域中に導くステップと、
前記レーザ発光が前記固体要素および前記流体を通過するように、前記固体要素で生成されたレーザ発光を前記チャンバを通して導くステップと
を具えたことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記チャンバから流れ出る前記冷却流体の一部を冷却し、かつ前記一部を前記チャンバに戻すように流すステップをさらに具えたことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記設けるステップは、前記利得媒体を含んだ前記レーザチャンバを設けることを含み、各固体要素の寸法Ｌは、次式で定義され、
【数２】
2005510887.tif 000015
ここで、ΔＴは各固体要素の中心と表面との間の最大温度差であり、ｋｓは前記固体要素の熱伝導率であり、ｃは幾何学的な定数であってｃは４から８までの値であり、ｑ'''は各固体要素内の単位体積当たりに生成される熱であることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記レーザデバイスを少なくとも１００Ｗのパワーレベルで動作させるのに十分な前記光励起放射を供給するステップをさらに具え、
前記固体要素の両端間の寸法を横切った前記固体要素の中心と表面との間の温度差がせいぜい１００℃であることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
前記導くステップは、半導体レーザダイオードで生成されたパルス光励起放射を、前記チャンバを通して前記内部領域中に導くことを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記導くステップは、半導体レーザダイオードで生成された連続光励起放射を、前記チャンバを通して前記内部領域中に導くことを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザシステムの分野に関し、より詳細には、利得媒体がダイオードで励起されるレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、様々な材料で、かつすべての相すなわち液体、気体、プラズマおよび固体で製造されている。液体レーザは、最も一般的には、ローダミンまたはフルオレセインの誘導体のような有機染料塩の利得媒体から成り、これらの誘導体はメタノールまたは水のような溶媒に溶ける。利得媒体は、一般にフラッシュランプまたは他のレーザで生成される光によって励起される。これらの色素レーザは、可視から近赤外までのスペクトラムの広い領域にわたって利得を示す。高い利得断面積および広い同調可能性によって、これらのレーザはいくつかの用途で魅力のあるものになっている。他方で、これらの色素レーザは、非常に短い上位状態（ｕｐｐｅｒ  ｓｔａｔｅ）寿命および低飽和フルエンスを示し、このためにこれらの色素レーザは高エネルギー用途に適さないものになっている。さらに、これらの染料の吸収帯は、大パワー半導体ダイオードレーザの発光帯（一般に、７８０から９８０ｎｍ）と重なっていないので、現在使用可能なレーザダイオードを用いた励起に適していない。
【０００３】
様々な溶剤に溶解された希土類塩で構成された無機液体レーザを実現しようとする様々な試みがなされた。このシステムでの問題は、大抵の液体溶液において、レイジングイオン（例えば、Ｎｄ３＋）が上のレーザレベルから無放射減衰する傾向があることであった。この脱励起は、水素のような軽い原子を含んだ結合の高エネルギー振動による。軽い原子の存在を無くすることで、この発光抑制は、レイジングが達成できる点まで減少させることができる。例えば、この発光抑制は、ネオジムセレン酸塩化物でのレイジングを実現するために使用された。
【０００４】
そのような液体レーザの重要な問題は溶媒の腐食性であり、この腐食性のために、レーザ媒体の準備と使用の両方に特別に対処することが必要になる。最初に開発されたとき、このシステムは最初フラッシュランプで励起された。最近開発されたレーザダイオードアレイを励起源として使用することで、励起光は吸収スペクトルと整合することができるようになり、それによって、この種の液体レーザへの関心をよみがえらせている。
【０００５】
固体レーザは、結晶または非晶質のマトリックスに含まれたレイジングイオンで構成された利得媒体を含む。最も一般的なレイジング種は、ネオジム、エルビウム、イッテルビウム、その他のような希土類元素に基づいている。利得媒体のレーザ特性（例えば、吸収断面積および発光断面積、上位状態寿命、その他）は、局部結晶場とイオン自体の場との相互作用で決定される。この相互作用で、イオンの特定のエネルギーレベルおよびそのエネルギーレベルの幅が決定される。例えば、ネオジムイオンは、一般的な結晶マトリックスであるイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）中に結合されたとき、８０８ｎｍを中心にした一連の狭い吸収線、および１０６４ｎｍを中心にした一連の強い発光線を示す。少量のネオジムがガーネット結晶マトリックス中のイットリウムイオンと置き換わり、結果としてネオジムドープＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）となるときに、このレーザ媒体が形成される。ネオジムを他の結晶母体に入れることで、非常に違ったレーザ特性を得ることができる。例えば、リン酸塩ガラスに溶解されたネオジムは、５００から９００ｎｍ以上まで広がり幅が数十ナノメートルの一連の広い吸収帯を示す。１０５４ｎｍを中心にした広い帯域にわたって利得を示す。色素レーザと違って、この固体レーザは、長い上位状態寿命および高い飽和フルエンスを示し、このことで高エネルギー出力が可能になる。その上、８００ｎｍから９５０ｎｍを超える範囲に吸収帯を持つために、この固体レーザは、ガリウム砒素に基づいた半導体レーザダイオード（例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ）からの発光で励起するのに理想的である。
【０００６】
結晶を成長し（または、ガラスを溶融し）、それから結晶を所望の形状に切断しかつ研磨して、固体レーザは形成される。ディスクの形をした固体媒体を有する大規模な単一パルスシステムは、直径が４０ｃｍを超えるディスクを用いてレーザ駆動慣性閉じ込め式核融合研究のために開発された。このシステムは非常に高いパルスエネルギー（ほぼ１５ｋＪ）を生成するが、不都合なことに、平均パワーが低い（１Ｗ未満）。利得媒体としてＮｄ：ＹＡＧかＹｂ：ＹＡＧかどちらかを含み、かつレーザダイオードで励起される高平均パワーシステムが、キロワットレベルで開発された。一般的なダイオード励起固体レーザを図２に示す。固体レーザ２００は、流管２０４（シース）で囲繞されたレーザロッド２０２を含み、この流管２０４は、レーザロッド２０２を横切って冷媒流体の流れ２０６を導き、かつレーザロッド２０２がダイオード励起源２０８と接触するのを防ぐ。励起放射は、ダイオードアレイ２０８で生成され、屈折手段２１０（例えば、レンズ）または他の反射手段によってレーザロッド２０２に結合されるかもしれない。レーザロッド２０２の表面一面に流体２０６を流すことで、冷媒流体が対流によりレーザロッド２０２から熱を除去する。熱はレーザロッドを通して表面に伝導される。この伝導によって、大きな温度勾配がレーザロッドの中心と表面の間に生じる。この勾配で材料内に応力が起こり、この応力は、ビームのひずみおよび最終的には結晶の壊損をもたらす。このために、固体レーザから得られる平均パワーは、媒体から熱を除去する能力によって制限される。
【０００７】
流体中に浸漬された固体材料を含む固体レーザの部類は、１９７０年代および１９８０年代に開発された。このいわゆる「浸漬型レーザ」は、フラッシュランプで励起され、様々な形に作られた固体レーザ材料を有した。例えば、Ｇａｎｓに発行された特許文献１に記載されているように、発光波長で指数が整合している液体に浸漬されたセグメント化Ｎｄ：ガラスロッドで構成されたパルスレーザが記載されている。液体は、非環式アルコールと混合された臭素化非環式炭化水素から成る。キセノンまたはクリプトンを含む螺旋状アークランプで囲繞されたサーモスタット制御ハウジング中に、セグメント化ロッドが浸漬された。Ｇａｎｓは、指数整合流体の紫外線加水分解を防ぐために、ＯＨ基および臭素基を含んだ特定の型の指数整合流体を重点的に取り扱っている。
【０００８】
同様なレーザアーキテクチャは、Ｙｏｕｎｇに発行された特許文献２に見出すことができる。この特許は、冷媒流体に浸漬されたセグメント化レーザロッドを使用することを教示している。Ｙｏｕｎｇは、十分な冷媒の自由な通過を可能にするように十分な距離の間隔を空けて配置されたレンズ倍率ゼロのメニスカス状セグメントを重点的に取り扱っている。Ｙｏｕｎｇに発行された特許文献３には、反射表面を含む平行ディスクを使用することが記載されている。Ｇｕｄｍｕｎｄｓｅｎに発行された特許文献４に、フラッシュランプがセグメント化レーザ材料で囲まれたレーザ構成が記載されている。そのようなシステムでは、冷媒流はセグメント化レーザ材料を横切って内側に向けて導かれ、その結果加熱されていない冷媒は最初にレーザ材料を横切り、それからランプを冷却するようになるかもしれない。その上、Ｇｕｄｍｕｎｄｓｅｎは、フラッシュランプをセグメントレーザ材料に近接して配置することも記載している。Ｇｕｄｍｕｎｄｓｅｎは、レーザ媒体およびフラッシュランプを冷却するための様々な冷媒流の幾何学的構成を主に取り扱っている。
【０００９】
固体ガラスレイジング要素で構成された充填層型レーザが、Ｒｙａｎ他に発行された特許文献５に記載されている。Ｒｙａｎ他は、互いに隣接接触するようにレーザキャビティ内に詰められたレイジングビーズを使用することを教示している。ガラスのレイジングビーズをレーザ増幅キャビティ中に接触して詰めることを容易にするように、レーザビーズは体積が１立方ミリメートル程度であるべきである。冷却流体は、レイジングビーズを通ってレイジングビーズの間にポンプで押し込まれ、一方で、ビーズは空間に固定されている。また、レイジング媒体と関連した光学的ひずみを打ち消すために位相共役ミラーが必要になる。
【００１０】
いわゆる浸漬型レーザを含んだこれらの固体レーザシステムのすべては、平均パワー出力が利得媒体からの熱除去で制限されている。励起光子と放出光子のエネルギー差は、量子欠陥と呼ばれ、結晶中に熱として残される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧは８０８ｎｍ（光子エネルギー＝１．５３ｅＶ）のレーザダイオード放射で励起され、１０６４ｎｍ（１．１７ｅＶ）のレーザ放射を放出し、レイジング後に媒体内に０．３６ｅＶの量子欠陥が熱として発生する。この熱は除去しなければならない。さもないと、この熱は、下のレーザレベル（例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ）を熱的に満たしてレイジングを終わらせるか、または最終的には、結晶を横切る温度勾配に関連した熱応力によってレーザ結晶の壊損をもたらす。屈折率および応力複屈折の温度依存性に起因するひどいビームひずみおよび減偏光が、熱応力誘起破断の限界より遥かに下で起こる。レーザ材料を横切って冷媒を流すことで、熱は一般に除去される。熱応力およびビームひずみの問題に対処するように設計された他の熱除去方法は、薄いディスク固体レーザおよびジグザク状平板固体レーザのような様々なレーザ設計をもたらした。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３，７３５，２８２号
【特許文献２】米国特許第３，６０２，８３６号
【特許文献３】米国特許第３，６２１，４５６号
【特許文献４】米国特許第３，４８７，３３０号
【特許文献５】米国特許第４，８０３，４３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
必要とされるものは、固体利得媒体の利点（例えば、ダイオード励起、高パワー密度、その他）を実現することができるが、熱応力によって平均パワー出力が制限されないレーザデバイスである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、固体レーザの熱的限界に対処しかつ高平均パワーを実現するレーザデバイスを提供して、上記の要求並びに他の要求に効果的に対処する。そのようなレーザは、一般に、固体利得媒体中の熱応力または他の熱効果によって制限されない。
【００１４】
一実施例では、本発明は、その中に形成された内部領域（ｖｏｌｕｍｅ）およびこの内部領域内の利得媒体を有するレーザチャンバを備えるレーザデバイスとして特徴づけることができる。利得媒体は、内部領域内に分布された活性レーザイオンを含む固体要素を備える。流体が固体要素のまわりを流れ、さらに半導体レーザダイオードが光励起放射をレーザチャンバの内部領域中に供給し、その結果、固体材料からのレーザ発光が利得媒体および流体を通過するようになる。
【００１５】
他の実施例では、本発明は、その中に形成された内部領域を有しかつ利得媒体を含むレーザチャンバを設けるステップであって、利得媒体は、内部領域内に分布された活性レーザイオンを含む固体要素を備えるものであるステップと、内部領域を通してかつ固体要素のまわりに冷却流体を流すステップと、半導体レーザダイオードで生成された光励起放射をチャンバを通して内部領域中に導くステップと、固体要素で生成されたレーザ発光を、レーザ発光が固体要素および流体を通過するように、チャンバを通して導くステップとを備えるレイジングの方法として特徴づけることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のいくつかの実施例の目的は、レーザの平均パワーが現在の固体システムで達成することができるよりも遥かに大きなダイオード励起レーザを提供することであり、現在の固体システムは固体利得媒体での熱応力または他の熱効果で制限されている。
【００１７】
本発明のいくつかの実施例の目的は、連続的に動作することができるまたはパルス動作することができるダイオード励起レーザを提供することである。
【００１８】
また、本発明のいくつかの実施例の目的は、固体利得媒体が、流れる冷媒全体にわたって、かつ流れる冷媒に密着して分布しているレーザを提供することである。
【００１９】
本発明のいくつかの実施例に従ったレーザは、レーザ発振器の利得媒体としてか増幅器としてかどちらかで使用することができる。
【００２０】
前に述べたように、ダイオード励起固体レーザには多数の幾何学的形状がある。これらの形状はすべて、ロッド、平板、またはディスクとして形成された固体利得媒体を使用し、熱は、伝導によって熱溜めか、または対流によって表面を流れる冷媒かどちらかに利得媒体から除去される。我々の知る限りでは、レーザ発光軸が冷媒を貫通するダイオード励起大パワー固体レーザの構成はない。大パワー動作は、本明細書では１００Ｗを超えるレーザ平均パワーを意味すると考える。従来の構成では、温度勾配によって利得媒体内に応力が生じて、平均パワーが制限されなければ、ビームひずみをもたらし、さらに最終的にはレーザの壊損をもたらす。本発明のいくつかの実施例の目的は、両側面励起アーキテクチャまたは端面励起アーキテクチャを可能にし、かつ高取出し効率および現在最先端技術の側面励起または端面励起レーザロッドまたは平板で達成できるよりも高い平均パワー動作を達成する、大きな利得開口を有するダイオード励起レーザアーキテクチャを提供することである。
【００２１】
一実施例に従って、固体レーザ利得媒体は、その中に形成された内部領域を有するレーザチャンバ内に位置が固定された複数の固体要素を備える。複数の固体要素は、固体要素のまわりを流れる液体冷媒または流体中に浸漬されている。いくつかの実施例では、流体は固体要素と実質的に指数が整合しており、一方で、他の実施例では、流体は実質的に指数が整合している必要はない。電磁波すなわちレーザ発光は固体要素および流体を通過する。このことは、図２に示すような従来の大パワー固体レーザと異なっている。図２では、冷媒流体は固体利得媒体のまわりを流れるが、レーザ発光は冷媒を通過しない。本発明のいくつかの実施例に従って、利得媒体および冷媒流体は、電磁波に対して均質であり、さらに、熱が固体要素から液体冷媒中に急速に伝導するように各固体要素が十分に小さな寸法を有する固体レーザ利得媒体の使用を可能にする。したがって、そのようなレーザデバイスは、固体利得媒体レーザの利点（例えば、ダイオード励起、高パワー密度、その他）を実現することができるが、純粋な固体媒体から得られるかもしれないものよりも高い平均パワーおよびビーム品質での動作を可能にする。
【００２２】
図１を参照すると、レーザデバイス１０の一実施例を示す。レーザデバイス１０は、その中に形成された内部領域（レイジング領域とも呼ばれる）を有するレーザチャンバ１２（レーザヘッドとも呼ばれる）を含む。複数の固体要素１４で構成された利得媒体が内部領域内に分布している。例えば、要素１４は、レーザチャンバ１２の内部領域内に分布されたまたは間隔を空けて配置された、固体材料の平らなシートまたは板として具現される。一実施例に従って、希土類（例えば、ネオジム）ドープガラス、すなわちフッ化イットリウムリチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）または他のレーザ母体のような固体利得媒体の要素１４が内部領域内に分布し、さらに冷媒流体１６が要素１４のまわりを流れる。流体１６はレーザ媒体または要素１４の冷媒として作用する。要素１４は、固体媒体から出た熱を冷媒流体１６に容易に伝導するために、ある方向の寸法も小さくしてある。いくつかの実施例では、流体は、固体要素１４の指数にほぼ整合した指数である屈折率を有する。本明細書で使用されるように、流体は、選ばれた固体材料の屈折率のほぼ２０％以内にその屈折率があるとき、利得媒体材料の屈折率にほぼまたは実施的に指数が整合している。留意されたことであるが、要素は本明細書で主に平らなシートまたは板として説明するが、要素は、本発明のいくつかの実施例に従って他の幾何学的形状（例えば、湾曲した、細長い、丸い、その他）になることができる。
【００２３】
流体１６は、一般に、（レーザチャンバ１２の上面に示す）入口２０を介してレーザチャンバ１２に流れ込み、（図１に示さない）出口を介してレーザチャンバ１２を出る。この実施例では、流体は、内部領域を貫通するレーザ発光軸を横切って（例えば、図１のｚ軸に沿って）、上から下に垂直に流れる。要素１４は、（図示しない）構造で内部領域内にしっかりと固定され、また冷媒流体は要素間を通過する。例えば、要素１４は、チャンバ１２の内側部分に結合されたスリーブまたは他の構造で位置が固定されているか、または、例えばチャンバ壁の内側部分に形成された溝の中に固定されている。要素１４は、好ましくは、大きな寸法がレーザ開口を満たし、かつ要素内の温度勾配が材料の熱応力限界で課せられる勾配より遥かに下であるように小さな寸法が十分に薄いような大きさで作られる。以下でより詳細に述べるが、小さな寸法は好ましくは１センチメートル未満であり、一般に数ミクロンから数ミリメートルの範囲にあり、例えば０．０１ｍｍから１０ｍｍまでである。要素１４は、半導体レーザダイード１８のアレイからの励起放射で励起される。図１に示す実施例では、ダイオード励起放射は、側面を通して（例えば、ｙ軸に沿って）レーザチャンバ１２に導入される。
【００２４】
一実施例に従って、レーザチャンバ１２は、溶融シリカ、ホウ珪酸ガラスまたはサファイアのような透明な光学材料で構成された窓２４または壁を有し、また不透明部分２６または壁部も有する。しかし、留意されたいことであるが、チャンバ１２は透明な光学材料で全体的に作ることができる。チャンバ１２は、図示のような直線で囲まれた平行六面体または円筒形状のような様々な幾何学的形状になることができる。例えば、レーザチャンバ１２は、厚さを有しかつその中に内部領域のあるレーザチャンバを形成する壁を含む。半導体レーザダイオード１８からのダイオード生成励起放射は、レーザチャンバ１２の側壁に形成された窓２４を通過する。レーザチャンバ１２の端面は、レーザ波長に対して透明な光学材料で構成され、レーザ発光がレーザ発光軸に沿ってレーザチャンバ１２に入ったり出たりする開口窓２８を形成する。実施例に依存して、本発明をレーザ発振器か増幅器かどちらかとして使用することができる。本発明をレーザ発振器として構成するとき、利得媒体を含むチャンバは、高反射鏡３０および出力結合器３２（部分透過ミラーともよばれる）で構成されたキャビティ内に配置する。
【００２５】
本発明の他の実施例を図３の外側面システム図に示す。
この実施例は、図１の実施例とよく似ているが、多岐管アセンブリを使用してレーザチャンバ１２を通して冷媒流体１６を流している。例えば、レーザチャンバの上にある入口多岐管３８は、レーザチャンバ１２に至るいくつかの入口２０に結合され、一方で、チャンバ１２の下にある出口多岐管４０はレーザチャンバ１２のいくつかの出口２２に結合されている。留意されたいことであるが、入口多岐管３８および出口多岐管４０は、図４により適切に示されている。この図４は、以下でより詳細に説明する。多岐管の目的は、レーザチャンバすなわちヘッド全体にわたって一様に流体を分配し、かつ一様な流速および圧力を維持することである。留意されたいことであるが、図４および図５は図３の実施例のレーザチャンバ１２をより適切に示す。
【００２６】
図１と図３の両方を参照して、冷媒流体１６は、チャンバ１２の１つまたは複数の入口２０に結合されたパイプ３４を通してレーザチャンバ１２の内部領域中にポンプで押し出される。例えば、図１では、パイプ３４は入口２０に直接結合され、一方で、図３では、多数の入口２０に結合された入口多岐管３８にパイプが結合されている。流体ポンプ３６は、指数整合流体１６と適合可能なように設計された封止材を有する一般的な遠心ポンプである。流体１６は、ポンプ３６からパイプ３４を介してレーザチャンバ１２に流れ込む。この実施例では、配管３４／入口多岐管３８は、冷媒１６を要素１４に対して浅い角度でレーザチャンバ１２に導入して、固体要素１４に衝突する大規模な乱れた渦を生じないようにする。ポンプ３６で設定される最小流速は、要素１４の適切な冷却を実現するのに必要とされる流速である。図５に最もよく示すように、冷媒流体１６はレーザ発光軸を横切って（すなわち、レーザ発光が流体１６を通過する）、かつ要素１４のまわり（例えば、隣り合う要素１４の間）を流れ、そして、レーザチャンバ１２の反対側にあるパイプ４２に直接結合された、または出口多岐管４０に結合された１つまたは複数の出口２２を通ってレーザチャンバ１２から流れ出る。この出口多岐管４０はパイプ４２に結合されている。流体の流れの方向は、図１、図３および図５に矢印Ｆで示す。レーザチャンバ１２内で、要素１４はダイオード１８のアレイからの光励起放射で励起される。この励起の結果として、要素内の温度が上昇する。この熱は、個々の要素１４の表面で対流によって流れる冷媒流体１６に移される。レーザチャンバ１２を出る冷媒流体は、その間に結合された配管４２を介して熱交換器４４に向けられる。熱交換器４４は、流体１６を始めの温度に戻すように冷却し、それから流体を元のポンプ３６に送り返す。熱交換器４４は、最も一般的には、管型交換器であり、この交換器では、高温流体は１つまたは一連の管を介して伝導で冷却され、そして次に、この管が二次流体で冷却される。二次冷却流体は、最も一般的には、水または空気である。熱交換器の後で、冷媒はポンプ３６に流れて戻り、流れサイクルを完成する。留意されたいことであるが、実施形態に依存して、流体は、ポンプ３６または熱交換器４４のどちらかを、もう一方を流れる前に流れることができる。
【００２７】
留意されたいことであるが、図１および図３の実施例を参照するとき、図４および図５を同時に参照する。図４は、図３の（または図１の）レーザデバイスのレーザチャンバの拡大断面図であり、固体要素１４および半導体ダイオード励起源１８の向きをさらに示す。図５は、図４の線５−５に沿った図３のレーザデバイスの側面断面図であり、レーザチャンバを通って流体を流す流体流用多岐管システムをさらに示す。
【００２８】
図４で理解することができるように、他の実施例では、要素１４は、レーザ発光（図４および５で、レーザ発光は矢印４６で示す）の経路に対してある角度の方向を、好ましくはブルースター角の方向を向いている。この向きでは、流体は、固体要素１４の指数に指数が実質的に整合している必要はない。しかし、留意されたいことであるが、そのような向きは必要でなく、要素１４は、レーザ発光の経路に対して任意の角度（垂直を含む）の方向を向けることができる。図５は、レーザチャンバ１２内および固体要素１４のまわりの上から下への流体の流れ経路（矢印Ｆ）をはっきりと示す。好ましくは、流体は入口２０から出口２２にチャンバを真っ直ぐに通って流れる。留意されたいことであるが、一般に、要素１４は流体の流れの方向に対して平行な方向を向いているので、流体は内部領域全体にわたって要素１４の長さおよび幅の全表面積のまわりを流れるようになる。さらに留意されたいことであるが、図５は図４の線５−５に沿った断面であるので、レーザ発光経路に対する要素１４の角度の方向を示していない。しかし、要素１４は、実際は図５のｙ軸の方向に斜めに伸びている。再び、図２に示すような、知られている固体レーザと異なって、レーザデバイス１０からのレーザ発光は冷媒流体１６を直接通過するように意図されている。
【００２９】
レーザチャンバ１２の拡大を図４および５に示す。レーザキャビティは一方の端面が高反射鏡３０で形成され、この高反射鏡３０は、レーザ波長で高反射鏡であるように設計された多層誘電体被覆ミラーである。他の実施例では、このミラーは、誘電体被膜を含むかもしれないまたは含まないかもしれない金属または半導体反射鏡で構成することができる。利得媒体は、冷却流体１６中の固体要素１４（例えば、板またはシート）で構成され、この冷却流体１６は、キャビティの両端面で光学窓２８（開口とも呼ばれる）に接している。一実施例では、窓２８のフレネル損は、レーザ発光に対してブルースター角の方向に窓２８を向けることで最小限にすることができる。この角度で、窓２８の面内で偏向した光は、表面が被覆されていないときでも、窓の表面で反射することなしに通過する。好ましい実施例では、窓２８はレーザ級の品質で作られ、さらに溶融シリカか、サファイアか、ホウ珪酸ガラスかのどれかで作られる。キャビティの他方の端面に、出力結合器３２がある。出力結合器３２は、入射レーザ放射のいくらかを透過する部分反射ミラーである。好ましい実施例では、このミラーは、溶融シリカ基板に堆積されかつ入射レーザ放射の１０から８０％を透過するように設計された多層誘電体被膜で構成される。この出力結合器３２の最適透過率および幾何学的形状は、ダイオード１８から得られる励起パワー、レイジングイオン（例えば、ネオジム）の濃度および利得領域の長さの関数であるキャビティ内の単一通過（ｓｉｎｇｌｅ  ｐａｓｓ）利得、および当技術分野ではよく知られている全体的なキャビティ設計要件で決定される。利得媒体は、利得領域の側面に配列されたダイオード１８のアレイからの励起放射（図４で矢印Ｐとして示す）で励起される。ダイオードアレイは、固体要素１４の吸収帯（例えば、ネオジムでほぼ８００ｎｍ）で放射するように設計される。ダイオードアレイからの励起放射は、利得領域の側面の窓２４を通過する。この窓２４は、溶融シリカか、ホウ珪酸ガラスか、または当技術分野で知られている他の光学材料かのどれかで形成される。
【００３０】
先に説明したように、冷媒１６は固体要素と密着し、かつ、いくつかの実施例では、固体要素と指数がほぼ整合しているので、利得媒体（すなわち、固体要素１４）および流体１６は、電磁波に対してほぼ均質なように見える。レーザ発振は、高反射鏡３０と出力結合器３２の間で起こる。出力結合器３２は、一般に屈折率が交互になる誘電体層で構成された部分透過性ミラーである。高反射鏡３０は、また、当技術分野でよく知られており、一般に、多層誘電体被覆ミラーである。金属ミラーも使用することができる。その上、変形可能なミラーを高反射鏡の位置で使用することができる。そのようなミラーは、波面センサと結合したとき、流体の流れまたは温度勾配に起因するレーザヘッドのひずみを補償するように使用することができる。
【００３１】
図５に示すように、冷媒は、レーザ発光のレーザ軸の方向に対して横向きであるように流れる（発光は、図４および５で矢印４６で示す）。固体媒体の吸収帯に合わされた波長でのレーザダイオード１８のアレイからの放射は、要素１４を含むレーザチャンバの側面にある窓２４を通って入る。いくつかの実施例では、ほぼ指数が整合した冷媒は、固体利得媒体の吸収と発光の両方の波長（例えば、Ｎｄ：ガラスでは、λａ８０３ｎｍでありλｅｍ１０５４ｎｍ）で無視できる吸収を示すように選ばれる。励起ダイオード１８からの放射は、レーザチャンバ内に位置が固定された固体要素１４の中で吸収される。図示の実施例では、要素１４は互いに平行に方向づけされている。しかし、要素１４が互いに平行に方向づけされることは必要でない。唯一の要求条件は、冷媒流体１６が隣り合う要素１４の間を容易に通過することができる程度に、要素１４が十分に互いに離れまたは方向づけされていることである。
【００３２】
無視できる吸収を示すことに加えて、一実施例では、２つの異なる媒体間の屈折率の差に起因する損失がレーザの効率すなわち正味の単一通過利得を著しく達成しないように十分に小さくなるようにするために、流体１６は固体媒体すなわち要素１４の指数とほぼ指数が整合している。この損失は界面での反射により、当技術分野ではフレネル損として知られている。レーザ業界内には入手可能な指数整合流体１６がある。市販の指数整合流体を使用することができるが、混和性流体の単なる混合、すなわち利得媒体の指数より上の指数を有するものと下のものの混合を使用することができる。一実施例では、流体は、次式で決定される比で混合される。
【００３３】
ｎ１ｘ＋ｎ２（１−ｘ）＝ｎｐ
ここで、ｎ１＝流体１の屈折率
ｎ２＝流体２の屈折率
ｎｐ＝固体要素の屈折率
ｘ＝混合率
【００３４】
１つの例は、四塩化炭素と二硫化炭素を混合してネオジムドープ燐酸ガラス要素のための指数整合流体を実現することである。二硫化炭素は、１０５４ｎｍで１．６２の屈折率を有し、四塩化炭素は１．４５の指数を有し、一方で、Ｎｄドープ燐酸ガラスＬＨＧ−５は１．５３１の屈折率を有する。二硫化炭素と四塩化炭素を４７．６５％のＣＳ２を使用して混合することで、指数整合冷媒を得ることができる。したがって、好ましい実施例に従って、炭素をベースにした冷媒流体１６が使用される。
【００３５】
いくつかの材料では、純粋な流体が固体要素の屈折率に十分近い屈折率を示すことができるので、それらの流体を直接使用することができる。特定の例は、Ｎｄ：ＹＬＦ（正常軸に沿った指数＝１．４４８１）に関して四塩化炭素（屈折率＝１．４５）を使用することかもしれない。冷媒流体１６と固体媒体（例えば、要素１４）の間の界面での反射損（フレネル損）は、入射面に対して垂直に偏向した光に対して次式で与えられ、
【００３６】
【数１】
2005510887.tif 000003
【００３７】
また、入射面に対して平行に偏向した光に対して次式で与えられる。
【００３８】
【数２】
2005510887.tif 000004
【００３９】
ここで、ｎｉは、光が入射する媒体の屈折率であり、ｎｔは、光が透過する媒体の屈折率であり、θｉは、入射角であり、θｔは、表面に対する垂線と透過媒体中の光の伝搬ベクトルとの間の角度である。これらの角度は、スネルの法則ｎｉｓｉｎθｉ＝ｎｔｓｉｎθｔで関係付けられる。シートに垂直に入射する光では、θｉ＝θｔ＝０であり、四塩化炭素に浸漬されたＮｄ：ＹＬＦの場合、表面で１０，０００分の１よりも遥かに小さい損失になる。たとえ１００個の個々の要素１４がレーザチャンバ１２内に実装されたとしても、合計のフレネル損は例えば数パーセント未満であろう。
【００４０】
留意されたいことであるが、レーザ発光軸に対してある角度の方向に要素１４をただ単に向けるだけで、冷媒流体１６と固体利得要素１４の屈折率の遥かに大きな差を許容することができるようになる。レーザ発光軸に対する要素１４の向きは、図１および４に最もよく示されている。ブルースター角として知られている特定の角度で、入射面に平行に偏向した光の反射はゼロになる。この角度θＢは、θＢ＝ａｒｃｔａｎ（ｎｔ／ｎｉ）で与えられる。したがって、要素１４をブルースター角の方向に向けることで、固体レーザ媒体との非常に大きな屈折率差を示す冷媒を使用できるかもしれない。
【００４１】
いくつかの実施例に従った設計を完成するために、固体要素１４中のレイジングイオンの濃度、要素の数、開口サイズ、要素厚さ、および要素１４間の間隔は指定されるべきである。第１に、図１および図２〜図５に示す側面励起の実施例では、レイジングイオンの濃度は、ダイオード１８からの励起放射の大部分を吸収するように要素１４中で十分に高くなければならない。ダイオード光のほぼ９０％が要素１４で吸収されるように、一般に利得領域の開口を調整する（例えば、窓２８の大きさおよびレーザチャンバ１２の内部容積を調整する）。一実施例に従って、この要件はｅｘｐ［−αａＬｓｉｎφ］０．０８と書くことができる。ここで、Ｌは、与えられた要素１４の厚さであり、αａは、励起放射の有効吸収係数である。この角度φは、ダイオードアレイからの励起放射に対して要素が方向付けされている角度である。有効吸収係数αａは、次式で与えられる。
【００４２】
αａ＝Ｎ０σ
ここで、Ｎ０＝要素中の吸収イオンの濃度
σａ＝吸収断面積。
【００４３】
例えば、５重量％ドープされたＬＧ−７６０Ｎｄ：燐酸レーザ用ガラスは、４．６５×１０２０イオン／ｃｍ３のネオジム濃度、および８０３ｎｍ帯で２．４×１０−２０ｃｍ２の有効吸収断面積を有し、１１ｃｍ−１の吸収係数をもたらす。
【００４４】
要素１４の間隔は調整することができる。図６の拡大図に最適に示すような好ましい実施例では、入射励起放射Ｐの視点から見たとき、要素１４が互いに一度重なり合うように、要素１４は位置付けされる。この実施例で、要素１４の最も一様な励起が可能になり、レーザシステムの高取出し効率および材料の低応力が可能になる。留意されたいことであるが、要素１４の重なり量は、特定の実施に依存して調整することができる。しかし、その場合には、重なり距離はｒ／ｍであるべきである。ただし、ｒは要素全体の垂直投影であり、ｍは整数である。これによって、励起光は利得長さに沿ってすべて同じ吸収長さを常に見るようになることが保証される。要素１４間の他の間隔が、材料の関連した損失およびより高い応力で使用されるかもしれない。留意されたいことであるが、好ましい実施例では、要素は入射励起放射の視点から互いに重なるように作られるが、他の実施例では、要素１４は互いに全然重ならないかもしれない。また、図５に示すが、要素１４は、レーザ発光軸に対して角度θ（好ましくは、ブルースター角）の方向に向けられ、かつ入射ダイオード励起放射に対して角度φの方向に向けられ、要素は長さｌおよび厚さＬを有する。先に述べたように、レイジング作用中に要素１４から有効に熱を除去することができるようにするために、厚さＬは注意深く設計すべきである。
【００４５】
レーザ発光軸に沿った実効小信号利得係数αｅＬは、次式で与えられる。
【００４６】
αｅＬ＝Ｎσｅ（ＮｓｈｅｅｔｓＬ／ｃｏｓφ）
ここで、σｅは発光断面積、Ｎは、励起放射で励起された固体要素１４内のイオンの濃度、Ｎｓｈｅｅｔｓは、ダイオード放射で励起されたレーザチャンバ内の要素１４の数、およびＬ／ｃｏｓφは、厚さＬの要素のレーザ発光軸に沿った投影である。励起されるイオン濃度は、ほぼＮ＝αａφｐ（ｘ、ｙ、ｚ）τｐである。ここで、φｐ（ｘ、ｙ、ｚ）は、レーザチャンバ１２内の点（ｘ、ｙ、ｚ）での励起ダイオードからの局部光束であり、τｐは、励起光の持続時間である。Ｎ＝αａφｐ（ｘ、ｙ、ｚ）τｐというこの近似は、パルスダイオード励起に適用することができ、励起持続時間中の自然放出または誘導放出を無視する。励起イオン密度は、連続励起の場合、自然放出を考慮する必要があるために、計算するのがより困難である。
【００４７】
現在のダイオードバー（例えば、半導体ダイオード１８）は、長さ１ｃｍから最高で８０Ｗの連続出力パワーを生成することができる。幅２ｃｍ長さ２０ｃｍの利得領域では、現在最先端技術のダイオード励起アレイで、１５〜２０キロワットの範囲の励起パワーが生成されるかもしれない。表１および表２は、１０ｃｍおよび２０ｃｍのレーザチャンバの全長にわたって互いにかろうじて重なるように間隔を空けて配置されたネオジムドープガラスとＮｄ：ＹＬＦ要素１４の予測利得を、それぞれ、連続ダイオード励起（バー当たりの出力パワー）の関数として示す。上位状態の寿命が長く、かつ誘導放出断面積が大きいため、ＹＬＦについて利得ははるかに高くなる。
【００４８】
【表１】
2005510887.tif 000005
【００４９】
【表２】
2005510887.tif 000006
【００５０】
図１および図３〜図５および表１および表２に示す実施例では、レーザチャンバ１２を２側面から４００Ｗ／ｃｍ２で励起した。レーザチャンバ１２の幅および長さはそれぞれ吸収および利得で設定されるので、この実施例で唯一の可変寸法は高さである。原則的に、２側面から励起するとき、任意の高さを使用することができるかもしれない。しかし、開口（内部領域）のアスペクト比がほぼ１：１のときに、ビームの回折が最小限になる。したがって、好ましい実施例では、高さがほぼ幅に等しいときに、発散が最小の良好なレーザ性能が得られる。したがって、現在の例では、高さはほぼ２ｃｍである。そのとき、全ダイオードパワーは、各側面からほぼ１６ｋＷである。現在最先端技術のダイオードアレイは、１．７ｍｍピッチで配置された長さ１ｃｍのバーで構成されている。バー間が２ｍｍである場合、２ブロックのダイオードアレイがあり、各ブロックは、レーザチャンバの各側面で高さ１２バー長さ１７バーである。そのとき、各側面のバーの総数は２０４である。１６ｋＷ励起を達成するために各バーは、励起パルスの持続時間中ほぼ８０Ｗで動作する必要がある。
【００５１】
下の表３は、利得媒体用のいくつかの異なる可能な材料およびその特性を示す。表３に示すレーザ材料に加えて、本発明のいくつかの実施例で使用するためにエルビウムおよびイッテルビウムがドープされたレーザ材料の性能を評価した。前に述べた設計概念によって、当業者はだれでも、冷媒中に利得媒体として分布された薄い固体レーザ要素を使用してレーザを製造することができるようになる。
【００５２】
【表３】
2005510887.tif 000007
【００５３】
本発明のいくつかの実施例は、ほぼ１平方センチメートルよりも大きな開口で効率のよい高平均パワーレーザ動作を行う必要に対処するように、特に設計される。効率のよい動作は、レーザを飽和強度Ｉｓａｔ＝ｈν／σｃτの近くで動作させることによる連続波レーザで実現される。表３に記載される材料の場合、平均パワーは、２．９（Ｎｄ：ＹＡＧ）から１２ｋＷ／ｃｍ２（Ｎｄ：ガラス）以上まで広がる。このように、本発明の一実施例に従って、１ｃｍ２より大きな開口および少なくとも１ｋＷ／ｃｍ２の平均パワーを有するレーザデバイスが提供される。ただし、理解されることであるが、相当に少ない出力パワーのレーザデバイスを本発明に従って作ることができる。このレベルの平均励起パワーおよび大きさで動作することができる従来の固体レーザはなかった。そのような従来の固体レーザのレーザ動作は、冷却の無い状態で温度が上昇するにつれて急に停止するものだった。レーザ材料は、その表面の上を流れる流体で冷却しなければならなかった。温度勾配は、レーザの中心領域と、ほぼ１ｃｍよりも大きくかつこのレベルの平均ダイオードパワーで励起される開口の冷却された表面との間に生じる結果、すべての知られている固体レーザ材料は熱応力によって割れるか、または大きな温度勾配のためにビームをひどくひずませていた。本発明は、この問題を解決するために、要素の中心と表面との間に生じる温度勾配が小さくなる程度に、固体レーザ要素の１つの寸法を十分に小さくする。さらに、当技術分野で知られている従来の熱交換器技術によって流体の温度をただ単に制御するだけで、利得媒体要素の温度は容易に制御される。薄いシート要素内部の温度分布を計算することで、これらの特徴を定量化することができる。要素１４の厚さがその幅か高さかどちらかに比べて遥かに小さいという制限で、要素を横切る温度分布を一次元の熱の流れで記述されるものとして、次式で近似することができる。
【００５４】
【数３】
2005510887.tif 000008
【００５５】
ここで、ｋｓは固体レーザ媒体の熱伝導率であり、ｘは要素１４の中心から要素の薄い寸法の方の表面に向かって測定された距離であり（図６参照）、ｑ”’は内部領域内の局部的な熱発生である。熱は要素１４全体にわたって伝導され、さらに表面で対流によって流体に移される。このことは表面の境界条件によって次式で記述される。
【００５６】
【数４】
2005510887.tif 000009
【００５７】
ここで、ｈは表面熱伝達係数であり、Ｔｓは要素１４の表面の温度を表し、Ｔｆは要素の表面から遠く離れた流体１６の温度を表す。これらの式は容易に解くことができ、要素１４の薄い寸法を横切る定常状態温度分布は、要素１４の中心とその表面との間の最大温度差ΔＴを有する放物線状となる。
【００５８】
【数５】
2005510887.tif 000010
【００５９】
ここで、ｃは要素１４の幾何学的形状に依存する幾何学的な定数である。例えば、ｃは、ほぼ４から８までの数であることができ、シートまたは板の要素ではｃ≒８である。したがって、シート要素では、ΔＴは次式で与えられる。
【００６０】
【数６】
2005510887.tif 000011
【００６１】
固体媒体中の活性レーザイオンの低部分励起（すなわち、不飽和励起）の範囲内で、体積熱発生ｑ'''（Ｗ／ｃｍ３）は、次式で与えられる割合で要素１４全体に渡って起こる。
【００６２】
ｑ'''＝Ｉｐｕｍｐαａδ
ここで、Ｉｐｕｍｐは、ダイオード励起放射の放射束密度であり、αａは、先に述べた吸収係数であり、さらにδは、量子欠陥として知られている。量子欠陥は、レーザ媒体の吸収帯と発光帯の間のエネルギー差である。ネオジムの場合には、８０３ｎｍ近くで吸収された光子は１．５４ｅＶのエネルギーを有し、１０６０ｎｍ近くの発光は１．１７ｅＶのエネルギーを有し、量子欠陥δは（１．５４ｅＶ−１．１７ｅＶ）／１．５４ｅＶ＝２４％である。言い換えると、励起から吸収される光子ごとに、少なくとも０．３７ｅＶが熱として固体材料中に残される。Ｉｐｕｍｐ＝４００Ｗ／ｃｍ２の励起束および９ｃｍ−１の吸収係数の場合、ｑ'''＝８６４Ｗ／ｃｍ３の割合で要素１４の内部で熱が発生する。励起されたイオンの部分が大きいとき、体積熱発生率のより適切な推定は、次式で与えられる。
【００６３】
ｑ'''＝ＮｅｘδＥｐｕｍｐ／τ
ここで、Ｎｅｘは、上位状態励起イオン密度であり、Ｅｐｕｍｐは、吸収された励起光子のエネルギーであり、さらにτは、固体材料の上の上位レーザレベルの寿命である。
【００６４】
本発明のいくつかの実施例に従って、表面への伝導そして次に流れる流体１６への対流を介して要素１４から熱を除去することを可能にするように、要素１４は、他の寸法よりも十分に小さな少なくとも１つの寸法を持つように設計される。例えば、固体内の最大到達温度および勾配が効率のよいレイジングおよび優れたビーム品質を可能にするように十分に低いままであるような割合で、発生した熱を除去することができるように、シート状要素は十分に薄く設計すべきである。留意されたいことであるが、十分に小さいように設計された寸法は、例えば、シートの厚さまたは円柱の直径であることができる。要素の小さな寸法（例えば、図６に示す厚さ）であるＬについての上記の式を解くと、適切な熱除去を保証するための要素１４の最大厚さが次式で与えられる。
【００６５】
【数７】
2005510887.tif 000012
【００６６】
この式によって、当業者は、固体レーザ材料の基本的な熱光学特性（例えば、熱伝導率ｋｓ、吸収断面積σａ、イオン密度Ｎ、および量子欠陥δ）およびダイオードアレイの放射束密度Ｉｐｕｍｐをただ単に知るだけで、本発明に基づいてレーザ発振器または増幅器を設計することができるようになる。前に述べたように、体積熱発生率すなわち材料のｑ”’を決定するのは、励起放射束密度、材料の吸収係数、および量子欠陥である。最大許容ΔＴは、レーザ材料が異なると変化するが、一般に１００℃より低い。
【００６７】
大パワーレーザ動作例えば１００Ｗ以上のパワーを実現するための一般的な面では、要素１４の中心と表面との間の温度差（上記の式ΔＴ）は、大抵の固体レーザ材料でほぼ１００℃よりも少なくなければならない。したがって、上記のΔＴの式を解くと、要素１４が熱除去のために十分に薄くなるように要素１４の小さな寸法の最大量が与えられる。例えば、シート状要素１４の場合、１００℃の最大温度差ΔＴに関して、適切な温度除去を保証するための要素１４の厚さは次式で与えられる。
【００６８】
【数８】
2005510887.tif 000013
【００６９】
本発明のいくつかの実施例の重要性は、固体レーザ媒体例えば要素１４の寸法の二乗に温度が依存することにある。特定の例として、固体レーザ材料としてＮｄ：ＹＬＦを使用することを考える。Ｎｄ：ＹＬＦの熱伝導率は、ｋｓ＝６．０Ｗ／ｍ℃である。上記の式から、要素の中心と表面の間の温度差ΔＴ＝Ｔ（０）−Ｔｓ＝ｑ'''Ｌ２／８ｋｓは、４００Ｗ／ｃｍ３で励起された厚さ１ミリメートルの要素１４および９ｃｍ−１の吸収係数の場合、２０℃より少ない。留意されたいことであるが、同じ条件の下で励起された１ｃｍ程度の直径を有する従来のロッドは、中心部と縁部の間の数千度の特有の温度差を示し、壊損は遥かに早く起こる。さらに、熱は大部分が要素からレーザ軸の方向に沿って伝えられるので、レーザビームの波面の品質に及ぼす温度勾配の影響は、熱がレーザ軸に対して横方向に伝えられる従来のロッドまたは平板をベースにしたシステムよりも遥かに少ない。
【００７０】
そのようなものとして、いくつかの実施例に従って、高平均パワーで動作するように構成することができ、かつ現在最先端技術のダイオード励起固体レーザで実現可能であるよりも遥かに低い最大温度を示すレーザデバイスを提供する。これは、一部には、レーザチャンバ１２全体にわたって分布するように固体要素１４を相対的に寸法調整すること、およびレーザ発光が要素１４および流体１６を通過するように要素１４のまわりを流れる冷却流体１６によっている。いくつかの実施例では、流体は、関連したレーザ発光波長および関連した光励起源波長で要素１４と実質的に指数が整合している。したがって、励起放射の大部分は固体要素１４で吸収される。レーザデバイスは一般に固体材料の温度上昇で制限されないので、レーザデバイスをパルス的な方法またはより連続的な方法で動作させることができる。例えば、本発明のいくつかの実施例に従ったレーザデバイスは、例えば完全に連続する１秒より長いような非常に長い期間の間ずっと連続的に動作させることができる。すなわち、半導体ダイオードアレイからの光励起放射は、少なくともレーザ出力を要求される時間の間中ずっと利得媒体に注入される。この出力時間は、励起パワーを利得媒体に供給しかつ熱交換器で流体から熱を除去する能力によってのみ制限される。
【００７１】
次に図７を参照して、本発明に従ったレーザデバイスの実施例を４回通過（ｆｏｕｒ  ｐａｓｓ）増幅器で使用することができる方法の例を示す。ここで、パルス出力を生成する発振器１０２からビームが出て来る。ビームは拡大望遠鏡１０４を通過して、ビームの大きさがおおよそ利得媒体の開口の大きさになるように調整される。それから、パルスは、Ｐ偏光を通過させるように方向付けされた薄膜偏子１０６を通過する。次に、パルスは、偏光を４５度回転させるファラデー回転子１０８を通過する。半波長板または４５度石英回転子１１０は、ファラデー回転子１０８の回転を相殺し、第２の薄膜偏光子１１２を通過するようにビームを元のＰ偏光に方向付けする。それから、ビームは、出力に円偏光を与えるように方向付けされた４分の１波長板１１４を通過する。それから、ビームは、本発明の実施例に従ったレーザデバイス１０のレーザチャンバ１２の方に向けられ（例えば、ミラー１１６および１１８によって）、それからこのレーザチャンバ１２を通過し、これによってビームは増幅される。増幅の１回目の通過の後で、ビームはミラー１２０に当たり、このミラー１２０は、２回目の通過のために利得媒体（例えば、本明細書で述べた固体要素１４）を逆に通過するようにビームを向ける。４分の１波長板１１４の２度目の通過で、円偏光ビームはＳ面（垂直）での直線偏光ビームに変換される。現在Ｓ偏光ビームは、薄膜偏光子１１２で別のミラー１２２の方に向かって反射する。このミラーは、波長板と増幅器の組合せを逆に通過するようにビームを反射する。ビームは第１のミラー１２０に２度目に当たり、増幅器を４度目に通過する。この回の４分の１波長板１１４の通過でＰ（水平）面での直線偏光ビームが生成され、このビームは薄膜偏光子１１２を通過する。それから、ビームは２分の１波長板１１０に当たり、この２分の１波長板が偏光面を４５度回転する。ファラデー回転子を逆方向に通過することで、偏光は、波長板１１０で生じた方向にさらに４５度回転する。ビームが逆方向に発振器に向かって進んでいるとき、ファラデー回転子／波長板の組合せは、偏光面を９０度回転するように働く。それから、現在Ｓ偏光ビームは薄膜偏光子１０６で反射し、レーザシステムの外に向けられる。これは、多重通過（ｍｕｌｔｉｐａｓｓ）増幅器における本発明の実施例の多くの可能な用途の１つである。再生増幅器設計の中での単一通過増幅器としての、または発振器キャビティ中の利得媒体としての本発明の他の実施例の同様な用途を、この例で除外するつもりはない。
【００７２】
具体的に説明した実施例の変化物および修正物は、本発明の範囲から逸脱すること無しに実施することができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ制限される意図である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施例に従ったレーザデバイスを示すシステム図であり、利得媒体は希土類ドープ固体要素を含み、この固体要素は、平らなシートとして具現され、レーザチャンバ内に位置が固定され、さらに冷却流体全体にわたって分布されており、この冷却流体は、固体利得材料の屈折率とよく似た屈折率を示す。レーザチャンバを通り抜ける冷却流体の流れは固体要素を横切る。
【図２】現在技術を代表するダイオード励起固体レーザ利得アセンブリを示す図であり、冷媒流をレーザロッドを横切って導きかつダイオード励起源と接触させないようにする流管で囲繞されたレーザロッドを含む。励起放射は、ダイオードアレイで生成され、屈折手段（例えば、レンズ）または反射手段によってレーザロッドに結合させることができる。
【図３】本発明の他の実施例に従った他のレーザデバイスを示す外側面システム図であり、冷媒流体は多岐管アセンブリによってレーザチャンバを通って流れる。
【図４】図３のレーザデバイスのレーザチャンバを示す拡大断面図であり、固体要素および半導体ダイオード励起源をさらに図示する。
【図５】図４の線５−５に沿った図４のレーザデバイスを示す側面断面図であり、レーザチャンバを通して流体を流すための流体流用の多岐管をさらに図示する。
【図６】本発明の実施例に従ってシートとして具現された固体要素の向きを示す図である。
【図７】４回通過増幅器として使用された本発明の一実施例に従ったレーザデバイスの一実施例の例を示す図である。
【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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