(57)【要約】  本発明の目的は、使用可能な励起電力範囲に対する最小限の制約で、単一活性レーザーコンポーネントからの高い出力電力を有するダイオード励起固体レーザーシステム、及び、その使用方法を提供することである。
2005510067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−と、
前記共振器空洞内に置かれたスラブ状利得媒体と、
を備え、前記媒体は、前記光軸に沿って前記スラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させる構成であり、
前記光軸に対し垂直方向に前記スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
前記スラブ状利得媒体に結合され、前記光軸及び前記第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を行う冷却部材と、
が設けられたことを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記冷却部材が、反対側の二つの側面から前記利得媒体を伝導冷却するように置かれた第一及び第二冷却要素を含む、
請求項1記載のシステム。
【請求項３】
前記利得媒体と前記第一及び第二冷却要素との間に置かれた第一および第二熱的インターフェース層、
をさらに備える請求項2記載のシステム。
【請求項４】
前記第一及び第二冷却部材が、前記利得媒体内の前記励起ビームの伝播面と垂直な方向の温度勾配を前記利得媒体に形成するように配置された、
請求項2記載の光学系。
【請求項５】
前記第一のダイオード励起源がダイオードアレイの積層体である、
請求項1記載のシステム。
【請求項６】
前記第一のダイオード励起源と前記スラブ状利得媒体との間に置かれた、少なくとも一つのコリメーション光学要素、
をさらに備える請求項1記載のシステム。
【請求項７】
前記第一の励起ビームを平行光にするために、前記第一のダイオード励起源と前記スラブ状利得媒体との間に置かれた、少なくとも一つの光学要素、
をさらに備える請求項1記載のシステム。
【請求項８】
前記コリメーション光学要素が円柱レンズを含む、
請求項6記載のシステム。
【請求項９】
前記ダイオードアレイの積層体が、前記スラブ状利得媒体上に平行励起入射光を与えるように構成された、
請求項5記載のシステム。
【請求項１０】
前記ダイオードアレイの積層体が、水平に配列された多数のダイオードバーである、
請求項9記載のシステム。
【請求項１１】
前記ダイオードバーの射出波長が個別に調整される、
請求項10記載のシステム。
【請求項１２】
前記積層体の各バーが、円柱光学要素を使用して個々に平行化される、
請求項10記載のシステム。
【請求項１３】
前記第一のダイオード励起源が、前記スラブ状利得媒体の最も長い面に沿って励起を行うように構成されたファイバー連結アレイである、
請求項1記載のシステム。
【請求項１４】
前記第一のダイオード励起源の射出波長が、前記励起ビームの方向に前記スラブ状全体にわたって均一の吸収特性を得るように調整される、
請求項1記載のシステム。
【請求項１５】
前記レーザービームのアスペクト比が、前記スラブ状利得媒体の断面のアスペクト比とおおむね等しい、
請求項1記載のシステム。
【請求項１６】
前記共振器空洞が、第一の方向に安定しかつ第二の直交方向に不安定な複合共振器である、
請求項1記載のシステム。
【請求項１７】
前記複合共振器空洞が、安定方向及び不安定方向の双方に、M2が2より小さい出力ビームを生成する、
請求項16記載のシステム。
【請求項１８】
前記共振器空洞が、100Wより大きい電力を持つ出力ビームを生成する、
請求項1記載のシステム。
【請求項１９】
前記スラブ状利得媒体に結合され、かつ空間的に対称のビームを生成するように構築される少なくとも一つの光学要素、
をさらに備える請求項1記載のシステム。
【請求項２０】
前記スラブ状利得媒体が、活性層を通して信号レーザービームを導くように構築された複合板である、
請求項1記載のシステム。
【請求項２１】
前記スラブ状利得媒体が、吸収活性層を通る多重パスに影響を及ぼすように設計、及び構築された複合体である、
請求項1記載のシステム。
【請求項２２】
前記スラブ状複合体が一又は二の材料から作られ、二つの非吸収層の間にサンドイッチ状に挟まれた中央吸収部分を形成する、
請求項20記載のシステム。
【請求項２３】
前記複合板が、中央活性層と、双方とも前記活性層の屈折率よりも低い屈折率を持つ第一誘電性部材と第二誘電性部材を含み、前記中央活性層が前記第一及び第二誘電性部材との間に置かれた、
請求項20記載のシステム。
【請求項２４】
前記複合板が、平面二重被覆構造として構成される幾つかの層である、
請求項15及び請求項1記載のシステム。
【請求項２５】
前記共振器空洞がQスイッチを含む、請求項1記載のシステム。
【請求項２６】
前記Qスイッチが音響光学変調器である、請求項24記載のシステム。
【請求項２７】
前記Qスイッチが電気光学変調器である、請求項24記載のシステム。
【請求項２８】
前記共振器空洞が、100Wを超える電力を持つパルス出力ビームを生成する、
請求項25記載のシステム。
【請求項２９】
前記複合共振器空洞が変調器を含む、請求項16記載のシステム。
【請求項３０】
前記変調器がQスイッチである、請求項29記載のシステム。
【請求項３１】
前記変調器がモードロッカーである、請求項29記載のシステム。
【請求項３２】
前記第一の励起ビームの背面反射を提供するように選択される、前記スラブ状利得媒体の表面上のコーティング、
をさらに備える請求項1記載のシステム。
【請求項３３】
前記第一の励起ビームの方向と反対方向に、前記スラブ状利得媒体に入射する第二の励起ビームをうみだす第二のダイオード励起源、
をさらに備える請求項1記載のシステム。
【請求項３４】
光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−と、
前記共振器空洞内に置かれ、かつ5より大きいアスペクト比を有するスラブ状利得媒体と、
を備え、前記媒体は、前記光軸に沿って前記スラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させる構成であり、
前記スラブ状利得媒体に結合された冷却部材と、
前記光軸に対し垂直方向に前記スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
が設けられたことを特徴とするレーザー構造。
【請求項３５】
前記スラブ状利得媒体が、上面及び底面、第一及び第二の側面、及び、第一及び第二の端面を含み、前記冷却部材が前記上面及び底面に結合された、
請求項34記載の構造。
【請求項３６】
前記第一の励起ビームが、前記スラブ状利得媒体の前記第一の側面へ入射するようになった、請求項35記載の構造。
【請求項３７】
前記第一の励起ビームが、前記第一及び第二の端面に対し平行な方向に伝播する、請求項35記載の構造。
【請求項３８】
前記共振器空洞が、第一の方向に安定しかつ第二の直交方向に不安定な複合共振器である、
請求項34記載のシステム。
【請求項３９】
前記複合共振器空洞が、M2が2より小さい出力ビームを生成する、請求項38記載のシステム。
【請求項４０】
前記共振器空洞が、100Wより大きい電力を有する出力ビームを生成する、請求項34記載のシステム。
【請求項４１】
前記共振器空洞が、300Wより大きい電力を有する出力ビームを生成する、請求項34記載のシステム。
【請求項４２】
前記第一の励起ビームの方向とは反対方向に、前記スラブ状利得媒体に入射する第二の励起ビームを生成する第二のダイオード励起源、
をさらに備える請求項36記載のシステム。
【請求項４３】
光の背面反射を提供するように選択された、前記スラブ状利得媒体の第二の側面上のコーティング、
をさらに備える請求項36記載のシステム。
【請求項４４】
前記共振器に結合された変調器、
をさらに備える請求項34記載の構造。
【請求項４５】
前記変調器がQスイッチである、請求項44記載の構造。
【請求項４６】
前記Qスイッチが音響光学変調器である、請求項45記載のシステム。
【請求項４７】
前記Qスイッチが電気光学変調器である、請求項46記載のシステム。
【請求項４８】
前記スラブ状利得媒体が約40より小さいアスペクト比を持つ、請求項34記載のシステム。
【請求項４９】
光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−と、
上面及び底面、第一及び第二の側面、及び、第一及び第二の端面を含む、前記共振器空洞内に置かれたスラブ状利得媒体と、
前記上面及び底面に結合された冷却部材と、
前記第一及び第二の側面のうちの少なくとも一つの全面に入射する第一の励起ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
を備え、前記上面及び底面のうちの少なくとも一つに対し平行な面内で、ビームが前記スラブ状利得媒体内を伝播する、ことを特徴とするレーザー構造。
【請求項５０】
前記スラブ状利得媒体が5より大きいアスペクト比を持つ、請求項49記載の構造。
【請求項５１】
前記スラブ状利得媒体が約40より小さいアスペクト比を持つ、請求項49記載の構造。
【請求項５２】
前記冷却部材が、前記光軸、及び前記第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を与えるように構成される、
請求項49記載の構造。
【請求項５３】
前記第一の励起ビームが、前記第一及び第二の端面に対し平行な方向に伝播する、
請求項49記載の構造。
【請求項５４】
前記第一の励起ビームが前記スラブ状利得媒体の前記第一の側面に入射するようになっており、前記スラブ状利得媒体の前記第二の側面に入射する第二の励起ビームを生成する第二のダイオード励起源を、少なくとも備える請求項49記載の構造。
【請求項５５】
前記共振器が複合共振器である、請求項49記載の構造。
【請求項５６】
前記共振器が、任意の二つの直交方向にM2が3以下の高品質のレーザービームを生成する、
請求項55記載の構造。
【請求項５７】
前記共振器の出力ビームを円形にするために、前記共振器の外部に置かれる一又はそれ以上の光学要素、
をさらに備える請求項55の構造。
【請求項５８】
前記レーザービームが少なくとも100Wの電力を持つ、請求項49記載の構造。
【請求項５９】
前記レーザービームが少なくとも300Wの電力を持つ、請求項49記載の構造。
【請求項６０】
前記共振器に結合する変調器、
をさらに備える請求項49記載の構造。
【請求項６１】
前記変調器がQスイッチである、請求項60記載の構造。
【請求項６２】
前記スラブ状利得媒体が長方形形状を有する、請求項49記載の構造。
【請求項６３】
前記第一の側面が励起側面であって、前記スラブ状利得媒体の前記第二の側面上に、光の背面反射を提供するように選択されるコーティング、
をさらに備える請求項49記載のシステム。
【請求項６４】
前記スラブ状利得媒体が、活性層を通し信号レーザービームを導くように構成された複合板である、
請求項49記載のシステム。
【請求項６５】
前記スラブ状利得媒体が、吸収活性層を通る多重パスに影響を及ぼすように前記励起ビームを導くよう設計及び構成された複合体である、
請求項49記載のシステム。
【請求項６６】
前記スラブ状複合体が一又はそれ以上の材料から構成され、二つの非吸収層にサンドイッチ状に挟まれた中央吸収部分を構成する、
請求項65記載のシステム。
【請求項６７】
前記複合板が、中央活性層と、双方とも前記活性層の屈折率より低い屈折率を有する第一の誘電性部材と第二の誘電性部材とを含み、前記中央活性層が前記第一及び第二の誘電性部材との間に配置された、
請求項65記載のシステム。
【請求項６８】
前記複合板が、平面二重被覆構造として構成される幾つかの層である、
請求項65記載のシステム。
【請求項６９】
光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−と、
前記共振器空洞内に置かれ、かつ50より小さいアスペクト比を有するスラブ状利得媒体と、
を備え、前記媒体は、前記光軸に沿って前記スラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させる構成であり、
前記スラブ状媒体に結合された冷却部材と、
前記光軸に対し垂直方向に、前記スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
が設けられたことを特徴とする光学系。
【請求項７０】
前記スラブ状利得媒体が、低次モードを提供するように、前記利得媒体内で前記レーザービームを導く、
請求項69記載のシステム。
【請求項７１】
前記スラブ状利得媒体が、活性層を通って信号レーザービームを導くように構成された複合板である、
請求項69記載のシステム。
【請求項７２】
前記スラブ状利得媒体が、吸収活性層を通る多重パスに影響を及ぼすように前記励起光を導く設計、及び構成にされた複合体である、
請求項69記載のシステム。
【請求項７３】
前記スラブ状複合体が一又はそれ以上の材料から構成され、二つの非吸収層の間にサンドイッチ状に挟まれる中央吸収部分を構成している、
請求項72記載のシステム。
【請求項７４】
前記複合板が、双方とも前記活性層の屈折率より低い屈折率を持つ第一誘電性部材と第二誘電性部材との間に置かれた中央活性層である、
請求項72記載のシステム。
【請求項７５】
前記複合板が、平面二重被覆構造として構築される幾つかの層を構成する、
請求項72記載のシステム。
【請求項７６】
前記スラブ状利得媒体が、該媒体内の励起吸収波長を増大するように前記第一の励起ビームを導くように構成される、
請求項69記載のシステム。
【請求項７７】
光軸に沿って配置され、かつ5より大きいアスペクト比を持つスラブ状利得媒体、
を備え、前記媒体は、前記光軸に沿って前記スラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させる構成であり、
前記光軸に対し垂直方向に、前記スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
前記スラブ状利得媒体に結合され、前記光軸及び前記第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を与える冷却部材と、
が設けられたことを特徴とする光学系。
【請求項７８】
前記レーザービームを共振させる入力及び出力鏡、
をさらに備える請求項77記載のシステム。
【請求項７９】
前記光学系が、入力信号ビームを増幅するように構成された増幅器である、請求項77記載のシステム。
【請求項８０】
高電力でダイオード励起固体レーザーから高品質のビームを生成するための方法であって、
スラブ状利得媒体を通してビームを伝播させるステップと、
前記スラブ状利得媒体に結合され、互いに直交する軸線に沿ってビームの励起、冷却、及び抽出、を提供する光学系を設けるステップと、
少なくとも80Wの電力を持つ出力ビームを生成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８１】
前記スラブ状利得媒体を伝導冷却するステップ、
をさらに含む請求項80記載の方法。
【請求項８２】
前記光学系がレーザー共振器である、請求項80記載の方法。
【請求項８３】
前記レーザー共振器が変調器を含む、請求項80記載の方法。
【請求項８４】
前記励起がダイオードレーザーアレイによって提供される、請求項80記載の方法。
【請求項８５】
前記レーザーダイオードアレイが、前記スラブ状媒体のより長い面に沿って水平に配列された多数のダイオードバーの層として構成される、
請求項88の方法。
【請求項８６】
前記励起放射が前記スラブ状利得媒体にファイバー結合する、
請求項88記載の方法。
【請求項８７】
前記光学系が増幅器として構成される、請求項80記載の方法。
【請求項８８】
高電力でダイオード励起固体レーザーから高品質のビームを生成するための方法であって、
深さ、長さ、及び幅を持ち、前記幅は励起放射線からの吸収を最大化するように選択され、前記深さは一次元熱特性を提供するように選択されたスラブ状利得媒体を持つ光学系を設けるステップと、
前記スラブ状利得媒体を通してビームを伝播させるステップと、
少なくとも80Wの電力を持つビームを生成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８９】
前記幅対深さのアスペクト比が約5より大きい、とさらに制約される、
請求項88記載の方法。
【請求項９０】
前記スラブ状利得媒体の長さが、前記励起放射電力を最大化するように選択される、
請求項88記載の方法。
【請求項９１】
前記励起放射の波長が、前記スラブ状利得媒体の幅全体にわたって均一の吸収特性を提供するように選択される、
請求項88記載の方法。
【請求項９２】
前記スラブ状利得媒体を伝導冷却するステップ、
をさらに備える請求項88記載の方法。
【請求項９３】
前記光学系がレーザー共振器である、請求項88記載の方法。
【請求項９４】
前記光学系が増幅器である、請求項88記載の方法。
【請求項９５】
前記共振器空洞内に置かれるスラブ状利得媒体、
を備え、前記媒体は、前記光軸に沿って前記スラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させる構成であり、
前記光軸に対し垂直方向に、前記スラブ状利得媒体に入射する第一の入射ビームを生成する第一のダイオード励起源と、
前記スラブ状利得媒体に結合され、前記光軸及び前記第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を行う冷却部材と、
が設けられたことを特徴とする光装置。
【請求項９６】
前記スラブ状利得媒体が、開口数及び前記第一励起ビームの横方向の大きさと適合するように選択された幅を持つ、
請求項1記載のレーザー構造。
【請求項９７】
前記スラブ状利得媒体が、いずれの方向にも単一モード導波管程度の大きさではない材料から成る、
請求項1記載のレーザー構造。
【請求項９８】
前記出力ビームがCWビームである、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項９９】
前記出力ビームがパルス化されている、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項１００】
前記出力ビームが1.5から30の間のM2値を持つ、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項１０１】
前記出力カプラ−が分布反射率特性を持つ、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項１０２】
前記共振器空洞の少なくとも一部分が正分岐共振器である、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項１０３】
前記共振器空洞の少なくとも一部分が負分岐共振器である、請求項1記載のレーザー構造。
【請求項１０４】
前記共振器空洞が軸外共振器である、請求項1記載のレーザー構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオード励起固体状態レーザーに関するものであり、特に、高いビーム品質及び高輝度出力と互換性のある電力拡張可能なダイオード励起スラブ状レーザーに関するものである。
【０００２】
(関連出願の相互引用)
本出願は、2001年11月13日に出願された米国特許仮出願60/332,666号に基づく優先権を主張するものであり、また2001年10月25日に出願された米国特許出願10/035,805号の一部継続出願であり、この双方の出願とも引用により本出願に完全に組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
(関連技術の説明)
過去10年の間、ダイオード励起固体レーザー(DPSSL)は、高出力の電力、及び高いビーム品質を要求するアプリケーションでますます利用されるようになった。標準のレーザー構成では、光共振器は、光軸に対し垂直ないずれの方向にも1〜10mmの規模の大きさの円形、又は長方形のいずれかの断面を持つ伸張されたロッドのように構成される活性材料を含む。これら軸対称の「ロッド」は、ダイオードレーザーによる側面又は端面励起、ファイバー結合のダイオードレーザー、又はダイオードレーザーバーであるとすることができる。ロッド形状に基づくダイオード励起レーザーにおける最先端の技術は、近回折限界(NDL)のビーム品質を有するQスイッチDPSSLにおける50Wから、多重利得媒体及び複雑な励起装置を使った高マルチモード出力における00W強の間である。軸対称ロッドベースのレーザー構成が、出力電力、及びビーム品質双方に関する基本的限界を示すことは周知である。YAGのような典型的な結晶レーザーロッドでは、その出力電力が長さ1cmあたり約60Wを超えるとき、破壊が生じる。YVO4及びYLFのような他の一般的に使用される材質においては、破壊限界はさらに低い。単一モードの動作では、例えば安定共振器のTEM00モードにより提供されるように、ビームサイズ及びモードマッチングの考慮より、出力電力はさらに制限される。それゆえ、Nd:YVO4のような高利得材料においてさえも、励起電力の広い範囲を超えて共振器が安定していることが要求される場合には、TEM00電力は、ロッドあたり約30W未満に制限されることが、この技術分野では一般的に知られている。一般に利用されるNd:YAGのようなより低利得のロッドにおいては、安定したTEM00動作のための電力限界は、約20W未満に減少する。励起電力の範囲を共振器が安定している範囲よりも制限することによってのみ、ロッド形状でのより高いTEM00モードの出力電力を達成することができる。上位レーザーレベルへの直接励起の使用でさえ、前述の限界を約30%しか拡張できない。従って、軸対称のロッド形状は、基本的に、高輝度ビームにおける達成可能な出力電力をせいぜい100Wに制限する。
【０００４】
高電力動作のためのより好ましい形状は、長方形の形のスラブにより提供され、これは軸対称の考慮により制限されない。スラブ状レーザーの破壊限界は、ロッドと比べて、wがスラブの幅、tがスラブの厚さであるアスペクト比w/tの半分ほど高いことが知られている。これは、より大きい表面積対体積比、及び近一次温度勾配を作り上げるより薄い面全体に渡るより小さい温度差の結果である。一般的に、アスペクト比が大きければ大きいほど、熱放散分布はより好ましいものとなる。従って、より薄いスラブは、熱誘導の歪み及び応力複屈折の影響を最小化するとき特に効果的であり、これにより、共振器設計の技術分野で知られる様々な方法を通して、動作電力範囲全体にわたって熱レンズ化を補償することが可能となる。これに対して、薄いスラブは、効率、電力、及び出力ビーム輝度との望ましくない設計の兼ね合いのため、高い励起効率に対しある程度の困難を示す。
【０００５】
例えば、先行技術は、高電力の光発振器及び増幅器におけるジグザグ補償方式を採用する多くの異なる設計を認識している。多くのこのような場合、レーザービームは、スラブ表面での内部全反射(TIR)を介して、かなり小さいアスペクト比のスラブ内のジグザグ経路に沿って動かされる。ジグザグ手法に基づく全ての方法の背後にある重要な前提は、温度勾配がビーム伝播の方向と同じ面に沿う限り、ジグザグ経路が異なる温度領域間で動くので、余熱誘導の屈折率の偏差は、実質的に平均で少なくとも一次元になる。従って、典型的に幅10〜30mm及び厚さ1.5〜8mmで変化するスラブの大きさで明らかにされるように、かなり小さいアスペクト比を持つスラブからでさえも、高電力で良いビーム品質を得るであろうことが見込まれた。最も一般的には、例えば米国特許5,900,967号で開示したように、より広い表面に沿って配置された複数のダイオードレーザーバーにより、スラブを側面励起した。このような構成は、高電力に容易に拡張可能であったが、しかし複雑な冷却及び励起装置を必要とした。あるいはそのかわりに、冷却表面に対し平行な方向に沿ってスラブ内部につながるダイオード励起光を用いれば、端面励起構成を利用することもできるであろう。このような端面励起構成は、例えば米国特許6,134,258で説明したように、励起電力及び吸収の双方の同時最適化を可能にすると同時に、励起表面と冷却表面を別々にするという有利な点を持つ。ジグザグスラブ状レーザーのさらにもう一つの代替は、高い吸収効率という結果となる、励起光がレーザービームに沿う端面励起を利用する。この構成例は、米国特許6,268,956号で教示された。
【０００６】
上で言及したような様々な構成を採用し、過去数年間に、出力電力を拡大すること、及び、ジグザグスラブ状レーザー及び増幅器から得られるビーム品質を高めることにおいてかなりの進展があったが、大きな問題が残っている。特に、ジグザグスラブは、端面効果及びゆがみに影響されやすいことが知られており、全ての励起方式に共通の問題である。この技術分野で言うかなり大きいスラブ形状の活性材料はまた、TIR経路をサポートするための高い平行度を要求し、これは、組み立て及び製造するのにコストがかかる。さらに、モードと典型的にかなり大きい断面を有するスラブとの間の不適合のため、TEM00出力電力は基本的に制限される。この不適合は、原則的には、活性媒体の横の大きさに関係なく回折限界に近いビーム品質を獲得できるという固有の特性を持つ不安定共振器を使用することにより克服できるであろう。しかしながら、不安定共振器を用いても、スラブ状レーザーでの単一モードに近い性能は、失望するものであった。この困難さは、主に、端面効果、及び励起及び冷却誘導の非均一性により引き起こされる熱歪みによる残光収差に帰するものであった。それゆえ、端面効果を避けて、励起光をスラブの中心部に閉じ込めようとする試みは、容易に製造可能ではない注入及び非注入の終端部分を持つ複雑な合成材料の組み立てを、一般的に要求するものであった。
【０００７】
高電力動作と関連する熱レンズ化、及び応力複屈折の問題に対する代替の解決法が、この技術分野で知られている。スラブ状レーザーのビーム品質を高めるための一つの手法は、一次元温度勾配を可能にするのに十分大きく、かつジグザグ経路及び有害な端面効果なしで不要な熱レンズ化効果又は応力複屈折を最小化するのに十分薄いアスペクト比を持つレーザーの使用を含むものであった。先行技術(G.Schnitzler他著  2001年発行  OSA  TOPS  第50版  5〜10ページ  高度固体レーザーについて、を参照)で説明された一手法は、ダイオードレーザーの積層体からの発光をNd:YAGスラブの中に映し出す微小光を使用する線形終端励起を利用する。この手法は、薄い利得断面に、望まれる準一次熱伝導を可能にするのに十分高いアスペクト比を与える。しかしながら、この手法の拡張は、光を形づくるビームの増大する複雑さ、及び、励起吸収、励起対非励起の体積比、及び利得長の製品との兼ね合いのため、制限され得るものであり、特に後者はQスイッチ動作に不可欠である。ドーピング、及び励起の非均一性に対する感度は、獲得可能な電力及びビーム品質に更なる制限を課し得るもので、殆どの終端励起構造に共通な限界である。
【０００８】
スラブをまっすぐ貫く手法を使用する他の代替方法の採用は、循環レーザー光を少なくとも伝播路の一部分で導く平面導波レーザーの励起を行うことに基づくものである。このような導波管の構成は、一般的に自由空間伝播の法則に従うものではなく、かつ、慎重に選択された光学設計を用いて、本質的に空間マルチモードである活性材料構造でさえの低次元、又はNDLモードでの動作を可能にすることができる。スラブ状導波管は、密閉二酸化炭素(CO2)レーザーにうまく採り入れられた。導波スラブ状CO2レーザーは、一般的に、放出量のたった一面に沿ったレーザービームの導波を引き起こすのに十分小さい電極分離で構成されるが、それと同時に、より広い面内で自由に伝播する。この形式のレーザーに共通の大きいアスペクト比は、x方向及びy方向において全く異なるモード特性という結果となるため、この分野の作業の多くは、一方向に安定しかつその垂直方向に不安定な光構成を特徴とする複合共振器設計の開発に集中した。
【０００９】
例えば、Tulipに発表された米国特許4,719,639号が、初めて、導方向に安定導波共振器である以外は、無制限な方向に不安定共振器構造から構成されるCO2スラブ状導波レーザーを開示する。Tulipで説明する不安定な共振器は、一つの凹面鏡及び一つの凸面鏡を含み、かつ、正分岐不安定共振器としてこの技術分野では知られている。もう一つのスラブ状導波共振器の構造が、Opowerに発表された米国特許4,939,738号で説明されており、これもまた非導波方向に正分岐不安定共振器を与えるものであった。それに対して、例えばHobert等に発表された米国特許5,335,242号、及びKoon等に発表された米国特許5,353297号は、非導波方向に負分岐不安定共振器を有するCO2スラブ状導波レーザーを開示する。このような共振器構造は、放出による鏡の劣化を最小化するのと同時に、導路内での循環レーザー光のより最適な連結を与えるのに充分に導路の端から離して、共振器鏡を配置することを可能にする。この技術分野でよく知られているように、負分岐不安定共振器はまた、正分岐不安定共振器よりも配列に影響されにくいことが知られている。正分岐及び負分岐共振器の双方に基づく構造は、電力レベル及びサイズの要求に依って、様々な密閉CO2スラブ状レーザーのための商用パッケージにうまく実装された。良いビーム品質の特徴をもつ高平均電力(最高でも2.5kW)は、カリフォルニア州パロアルトにあるコヒーレントで製造されるダイヤモンドモデルのような商用CO2レーザーから現在利用できる。
【００１０】
より最近では、導波レーザーはまた、固体媒体から高輝度出力ビームを生成する効率的な方法として実証された。特に、導波スラブが活性レーザー材料よりも低屈折率の誘電体の一又はそれ以上の整合スタックの間にサンドイッチ状に挟まれた複合構造が、励起及び信号光のいずれか一方、又は双方を閉じ込めるのに使用された。一般的に、
2005510067.tif 000003
と定義されるフレネル数が1よりもずっと小さい場合には、信号ビームは薄方向に沿って導かれる。1μmに近い放射波長を持つ典型的な固体利得媒体において、導波スラブ形状に必要な厚さは、10μmのCO2レーザーで典型的に利用される1〜2mm程度の長さよりも約一桁小さい。さらに、活性層内に信号を閉じ込めるために採用される殆どの誘電体は、CO2及びその他の気体レーザーに使用される金属又はセラミックスでコーティングされた導波管で利用可能な横モード識別を提供しない。従って、単一モード導波管は、一般的に、固体の平面誘電導波レーザーからの良いビーム品質の抽出のために必要となる。レーザー発振を最低次元モードに強制することは、活性スラブ状レーザー材料の厚さをレーザー射出波長の5〜10倍に制限しなければならないことを意味する、すなわち標準の1μmのNd又はYbのドープされた活性媒体に対して10ミクロンより小さくなる。例えば、8μmの単一モード活性芯は、複合二重被覆拡散接着構造を用いて、Yb:YAG導波管から単一基本モードで12Wの出力を提供できる能力があることが判明し、これはMeissnerに発表された米国特許6,160,824号で説明する原理に従って構成される。しかしながら、このような薄い導波構造が、準三層Yb:YAGのような高スレッショルド、及び/又は低利得システムに有利であるとすることができるのに対して（より低いスレッショルド、及び励起と信号の間の拡大した重なりのため）、それらは、ここでの対象である100Wより大きいレベルまで拡大する電力に対し導電ではないことを認識する。
【００１１】
さらに、このような被覆励起の薄い導波構造での電力拡大は、特に短パルス動作が望まれる場合に、利得制限されることがある。例えば、Nd:YAGのようなより高利得媒体の場合、寄生発振及び増幅された自然放出光(ASE)効果のため、8〜10μmの薄い導波管からの効率的な単一モードレーザー発振を、20Wを超える励起電力入力で容易に持続することはできない。これらの効果による損失は、パルス動作における更に多くの問題を示し、ここでは過度に高い利得はQスイッチホールドオフを妨げることがある。さらに、短パルス動作では、断面積の小さい導波管は、高い内部共振器ピーク電力による光学コーティングのダメージの影響を受けやすいものとすることができる。
【００１２】
このように、より高電力への固体導波管技術の拡張は、許容可能な利得レベルでの動作に備えるのと同時に、更なる二、三のダイオードバーを用いた効率的な励起を可能にするために、より厚い活性芯の利用を要求する。そうすることにより、導波管はマルチモードとなり、高輝度を得る複合共振器設計の使用を要求する。このようなマルチモードスラブ状導波の一つへの興味深い設計手法が、Baker及びその他により報告されたが(2001年発行  光通信  第9版  125〜131ページのH.J.Baker及びその他、を参照)、ここでは、複合共振器において、200μmのNd:YAG二重被覆導波管を活性材料として使用し、M2＜3.5×6で270Wを提供する。しかしながら、Baker等は、CO2レーザーにおいて前に達成されたものとほぼ同等の横モード識別を利用することができたけれども、彼らの手法は、幾つかの重大な欠陥に苦しむ。特に、彼らは、励起吸収長と希望する熱放散特性との望ましくない兼ね合いを課している間でさえ、効率的な吸収を確実なものとするため、励起放射のマルチパッシングを必要とする修正された表面励起手法を実装し、これは、より低い効率、及び、励起チャンバー及び冷却ループの増大した構造の複雑さを招く。結局、200μmの厚さでさえも、ASE損失のため、Nd:YAGのような材質における利得は、拡大された電力での効率的なパルス動作にはまだ高すぎる。
【００１３】
現在に至るまで、平面固体導波管、又は、有効電力出力を生成するQスイッチモード又はモードロックされたモードで動作する薄いスラブでの短パルス動作は実証されていない。特に高いビーム品質、及び効率的で低コストの製造可能な固体構造からの信頼性の高い長期動作が要求される場合には、CWモードでさえも、広範囲にわたる高反復率での100Wより上への電力拡大の実現性は、まだ実証されていない。
【００１４】
(要約)
従って、本発明の目的は、使用可能な励起電力範囲に対する最小限の制約で、単一活性レーザーコンポーネントからの高い出力電力を有するダイオード励起固体レーザーシステム、及び、その使用方法を提供することである。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することであり、これは、熱誘導収差及び応力複屈折の影響を最小化することにより、拡大電力レベルでの改善されたビーム輝度を提供することである。
【００１６】
本発明の更なる目的は、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することであり、これは、高いアスペクト比の平面利得要素の形状を利用して、拡大電力レベルでの改善されたビーム輝度を提供することである。
【００１７】
本発明の更なる目的は、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することであり、これは、活動領域幅全体にわたってビーム伝播方向に対し垂直な一次元熱流と一貫して、拡大電力レベルでの改善されたビーム輝度を提供することである。
【００１８】
本発明の更にもう一つの目的は、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することであり、これは、励起、冷却、及びビーム伝播において互いに直交する方向を選択する。
【００１９】
本発明のもう一つの目的は、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することであり、これは、平面のスラブ状利得媒体の使用により、励起、冷却、及びビーム伝播において互いに直交する方向を使用する。
【００２０】
本発明の更なる目的は、端面励起であり、かつ励起方向及びビーム伝播方向と直交する向かい合わせの最も大きい二つの面に沿って冷却されるスラブ状レーザーを使って、ダイオード励起固体レーザーシステム、及びその使用方法を提供することである。
【００２１】
従って、本発明の目的は、共振器空洞及び光軸を定める高反射の反射器、及び出力カプラ−を持つ光学系を提供することである。スラブ状利得媒体は、共振器空洞内に配置される。スラブ状利得媒体は、光軸に沿ってそのスラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させるように構築される。第一のダイオード励起源は、光軸に対し垂直方向に、スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する。冷却部材は、スラブ状利得媒体に結合され、かつ、光軸及び第一の励起ビームの方向に対し垂直な方向の冷却を行う。
【００２２】
本発明のもう一つの実施形態では、レーザー構造は、光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器、及び出力カプラ−を含む。スラブ状利得媒体は共振器空洞内に配置され、かつ5より大きいアスペクト比を持つ。スラブ状媒体は、光軸に沿ってそのスラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させるように構築される。冷却部材は、スラブ状利得媒体に結合される。第一のダイオード励起源は、光軸に対し垂直方向に、スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する。
【００２３】
本発明のもう一つの実施形態では、レーザー構造は、光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−を含む。スラブ状利得媒体は、共振器空洞内に配置される。スラブ状利得媒体は、上面及び底面、第一及び第二の側面、及び第一及び第二の端面を含む。冷却部材は、上面及び底面に結合される。第一のダイオード励起源は、第一及び第二の側面のうちの少なくとも一方の全面に入射する第一の励起ビームを生成する。ビームは、上面及び底面のうちの少なくとも一方に対し平行な面で、スラブ状利得媒体内で伝播する。
【００２４】
本発明のもう一つの実施形態では、光学系が、光軸を有する共振器空洞を定める高反射の反射器及び出力カプラ−を含む。スラブ状利得媒体は共振器空洞内に配置され、かつ50より小さいアスペクト比を持つ。スラブ状媒体は、光軸に沿ってそのスラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させるように構築される。冷却部材は、スラブ状利得媒体に結合される。第一のダイオード励起源は、光軸に対し垂直方向に、スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する。
【００２５】
本発明のもう一つの実施形態では、光学系が、光軸に沿って配置されたスラブ状利得媒体を含み、かつ5より大きいアスペクト比を持つ。スラブ状利得媒体は、光軸に沿ってそのスラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させるように構築される。第一のダイオード励起源は、光軸に対し垂直方向にスラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する。冷却部材は、スラブ状利得媒体に結合され、かつ、光軸及び第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を行う。
【００２６】
本発明のもう一つの実施形態では、高電力で、ダイオード励起固体レーザーから高品質のビームを生成するための方法を提供する。高品質のビームは、スラブ状利得媒体を通して、ビームを伝播させる。互いに直交する軸に沿ってビームの励起、冷却、及び抽出を提供するスラブ状利得媒体に結合されるように、光学系を設ける。少なくとも80Wの電力を有する出力ビームを生成する。
【００２７】
本発明のもう一つの実施形態では、高電力でダイオード励起固体レーザーから高品質のビームを生成するための方法を提供する。光学系は、深さ、長さ、及び幅を持つスラブ状利得媒体と共に与えられる。励起放射からの吸収を最大化するように幅を選択し、一次元熱分布を提供するように深さを選択する。ビームは、スラブ状利得媒体を通って伝播する。少なくとも80Wの電力を有するビームを生成する。
【００２８】
本発明のもう一つの実施形態では、光学系は、共振器空洞内に配置されたスラブ状利得媒体を含む。スラブ状利得媒体は、光軸に沿ってそのスラブ状媒体を通り抜けるようにレーザービームを伝播させるように構築される。第一のダイオード励起源は、光軸に対し垂直方向に、スラブ状利得媒体に入射する第一の励起ビームを生成する。冷却部材はスラブ状利得媒体に結合し、かつ、光軸及び第一の励起ビームの方向に対し垂直方向の冷却を行う。
【００２９】
(より好ましい実施形態の詳細な説明)
様々な実施形態において、本発明は、励起方向及びビーム伝播方向と直交する反対側の最も大きい2つの面に沿って冷却され、ダイオードアレイからの発光により端面励起されるスラブ状レーザーとして構成される活性利得媒体を提供する。図１は、それぞれ直交座標x、y、及びz軸に沿って全て互いに直交するように指定された励起、冷却、及びビーム伝播の方向を持つ、幅w、厚さt、及び長さlのスラブ1として、本発明の原理に従って構成される基本的なスラブ状形態を示している。スラブの断面は、向かい合わせの終端面11及び11Aのペアにより定められ、レーザービームがそれらを通って伝播する。それは、むしろ、細く伸びた端面12及び12Aを通して励起され、かつより広い上底面13及び13Aを通して冷却される。むしろ、熱伝導率の高い材質から成る固体冷却ブロックとの接触により、スラブが、横向きの上底面13及び13Aを通りぬけるようにy方向に沿った効率的な熱放散を可能にするのに十分なほど厚さtが小さいのと同程度の高いアスペクト比(w/tと定義される)を有するということが、本発明の重要な面である。励起発光は、むしろ、バーの積層体として構成される、又はスラブに直接ファイバー結合されることのできるダイオードアレイにより提供される。このスラブは、共振器内に置くことができる、又は単ビームのための増幅器として働くことができる。いずれの場合でも、システムの光軸は、図１に示すビーム伝播方向のz軸と一致する。この斬新な構造で、スラブの様々な大きさは、個別に、効率的で電力拡大可能な高輝度の性能を提供するように最適化することができる。例えば、スラブの幅wは励起吸収を最大化するように選ぶことができ、それと同時に、厚さtは利得制限と整合性のある最適なアスペクト比w/tを提供するように選択される。下で詳しく説明するように、スラブ状構造における利得は、寄生損失及びASE損失のために増大した電位のため、短パルス動作における特に重要な検討事項である。このように幅及び厚さを選択すると、この面に沿って積層しているダイオードバー(ファイバー結合されることができる、又はできない)により望まれる電力レベルを提供するように、レーザー設計者は、スラブの長さlを自由に選択する。それゆえ、所定のスラブのアスペクト比及び励起吸収パラメーターにおいて、スラブの長さlと共に電力は変わる。
【００３０】
活性スラブ材料は、冷却ブロックとの接触よりも前に、そのより大きい面に沿ってコーティングされ、異なる材質に接着又は蝋付けすることのできるNd:YAGのような利得媒体から成る。本発明で扱う実施形態は、高いアスペクト比のストレート挿入の薄いスラブ、又は、低利得材質の場合には弱導マルチモードスラブ構造を含む。
【００３１】
本発明の様々な実施形態において、5より大きいアスペクト比の薄いスラブ状は、均一な機械的応力、複屈折、及び活性要素の熱レンズ化特性を維持するのに最も適していることがわかっている。スラブの厚さの選択は、必要によって動かされ、一方では、周辺の冷却構造への効率的な一方向の熱移動に充分なほど小さくされ、他方では、励起との効率的な結合、及び/又は、望ましくないASE損失及び寄生損失を避けるための利得の制限を提供するのに充分なほど大きくされる。従って、5より大きく約20より小さいアスペクト比のスラブは、Nd:YAGのような、より高利得、高伝導な媒体において最も有益に利用される。Nd:YVO4のような非常に高利得な媒体においては、ASE損失を避けるために、より大きい厚さ−できれば1mm以上−が必要であるとすることができ、この場合、アスペクト比を約10より小さく制限することができる。あるいはそのかわりに、Yb:YAGのようなより低利得の結晶材質では、より薄いスラブ及びより高いアスペクト比(できれば10-20より大きい)をなるべく選択し、これは信号発光を弱く導くのに充分なほど薄いスラブを含む。上記実施形態のいずれにおいても、スラブはコーティングされないとすることができる、或いは、コーティングされ、又は励起光のいくらかの反射を提供するのに適した誘電性部材料の間にサンドイッチ状に挟まれるとすることができる。
【００３２】
図２は、対象発明の概念に従って作られるダイオード励起スラブ状レーザー共振器11を、図で示している。この共振器は、少なくとも、高反射の反射器5及び出力カプラ−6により定められる。さらに、変調器8は、共振器内に組み込むことができ、これはQスイッチ又はモードロッカーであるとすることができる。偏波器、開口等のような他の光学部品は、要求どおりに空洞内に含めることができ、かつ一般的に光学要素9として表される。複合体4として集合的に示されるビームを形成する要素は、共振器の外側に置くことができる。利得媒体10は、図１で示すように、長く伸びた長方形形状で全て構成される、光学的に活性及び非活性の固体材料を含む、一又はそれ以上のスラブ部分を含む。ここで説明するように、スラブを構成する活性利得材料の励起により、共振器11の縦軸又は光軸15は、発振鏡5と6の間で形作られるレーザー発光16の面に対し平行である。共振器により定められるレーザービーム16は、一般的に、そのアスペクト比をスラブの断面のアスペクト比であると見積もった長方形形状である。特別なビーム変換光学部品110は、共振器の外側でビームを対称化するのに利用することができ、ビームを円に近い形の出力ビーム18に変換する。
【００３３】
40及び40Aとして集合的に示される半導体ダイオードレーザーアレイの輝線からの励起発光は、図1でそれぞれ12及び12Aと示されるスラブ状の端面を通ってスラブの中に入ることが可能である。より望ましい実施形態では、励起は、スラブ状の端の近傍に位置する、複数の積層ダイオードバーとして配列される。各アレイは、多重ダイオードレーザーを構成する。図2に描かれる配置では、両側に6つの層が示されているが、しかし、出力電力要求によって、より多数の又はより少数の層を使用することができる。ダイオード積層体は、Spectra-PhysicsSemiconductorLasers(SPSL)のような商用ベンダーにより供給されることができ、かつバーあたり50WのCW電力出力は、Nd:YAGのようなネオジウムのドープされた材料において一般に利用される802nmと810nmの間の帯域の任意の場所を中心とする発光波長で、容易にすぐ入手可能である。下でさらに説明するように、中心励起波長の選択は、スラブの所定の幅における均一利得特性を確立するのに非常に重要である。いくつかの場合では、利得材料励起帯域パラメータに依っては、準CWダイオード源を利用することができる。図2の実施形態で示すように、高電力アプリケーションでは、スラブの長さ方向に配列したダイオードアレイ層の2つのセットを使用して、両側からの励起を利用する。あるいはそのかわりに、励起光背面反射のためにスラブの反対端に付着した反射性コーティングを用いて、或いは用いることなく、片側のみからの励起を採用することができる。このような片側励起は、強吸収レーザー材料、より幅の短いスラブ状、及び/又はより低電力のアプリケーションに、うまく適応させることができる。
【００３４】
図3は、端面励起スラブ状レーザーのより好ましい実施形態の断面図を示している。ダイオードレーザー41は、バー42の上に搭載するように示されている。スラブ状構造及び所望の実行パラメータによって、レンズ化されたバー或いはレンズ化されていないバーのいずれかを使用した実施形態(すなわち、レンズ44を用いた及び用いない)が、本発明の技術的範囲内に入る。より好ましい実施形態では、44として集合的に示す円柱マイクロレンズを使って、ダイオード光は高速方向に沿って平行化される。レンズ化されないバーは、高拡散光−典型的には85%の輝度ポイントで10x60度を超える−を提供することが知られている。レンズ化されたアレイは、標準製品の汎用オプションとして、半導体レーザーベンダーによって提供されることができる。この技術分野で知られているように、マイクロレンズは、一般的に、バーの高速軸の拡散を約2度未満まで減らすが、その一方で緩速軸はほぼ10度の最高角拡散を保持する(すべて、85%輝度ポイントで)。活性スラブの厚さが、平行化されたダイオード光の対応する空間的広がりよりも大きい限り、スラブをまっすぐ貫通して横切る励起光において、高い結合効率が達成される。この場合、励起発光の導きは全く必要なく、何の特別な被覆を用いることなく、レーザーの効率的な動作には曇った面又は光沢面のみを有する活性材料のスラブで充分であり、これは、本実施形態を容易に製造可能な低コストのオプションにする。
【００３５】
代替の実施形態では、スラブの励起を行うのに、レンズ化されていないダイオードバーからの発光を利用する。この場合、高い励起効率を確かなものとするために、ある条件下で、例えば図７及び図８に絡めて下でさらに説明するような様々な接着構造に基づく合成板を使用することは、有利であるとすることができる。このような構造は、一般的に、励起発光を提供できるかなり薄い剥き出しの活性スラブよりも高い開口数を有し、さらに部分的に又は完全に励起発光を導くことができ、従って、活性材料への拡散励起発光の結合効率が高まる。例証の目的のため、このような合成板を図3に示すが、ここでは、スラブの全厚さtcにおいて、厚さtの活性材料50が、より低屈折率のドープされていない材料から成るスラブ51及び51Aと接している。スラブ10の代替の実施形態は、コーティングされていない、コーティングされている、又は他の如何なる種類の合成板からも構成することができ、それら全ては、高いアスペクト比の特性、及びスラブの活性材料部分における高い励起光の結合効率を共有する。
【００３６】
さらにもう一つの代替の実施形態では、ダイオード端面励起レーザーの技術分野で知られているように、光ファイバーバンドルを使って、光をスラブ10に繋ぐことができる(例えば、多重発光体レーザーダイオードバーを光ファイバーに繋ぐ方法を教示する米国特許5,436,990号を参照せよ)。スラブの場合、光ファイババンドルは、ファイバーの各終端で、線形ファイバーアレイ終端装置から成るとすることができる。ダイオード光入力の終端では、線形アレイ内のファイバーは、レーザーダイオード発光体の間隔と対応した横間隔を持つであろう、従って、各発光体を、その対応するファイバー内に直接つなぐことが可能になる。ファイバーバンドル出力の終端では、レーザーダイオード光は、スラブ状利得媒体内にその長さ方向に繋がり、励起光分散要求によってファイバーの横間隔を選択することができ、かつ、これらは、ファイバーバンドルの入力の終端でのファイバー間隔とは異なるものとすることができる、又はできない。
【００３７】
スラブ10(上で言及したような、コーティングされた、或いは多部分の複合体とすることができる)は、図3に示す薄いインターフェース層22及び22Aを使って、その上面及び底面を冷却ブロック20及び20Aと接触させることにより熱制御される。冷却ブロックは、熱シンクとして働き、既知の直接伝導冷却の原理に従って、表面から熱を取り去ることにより、スラブの冷却を行う。励起媒体から熱シンクへの効率的な熱移動は、レーザー発振媒体内での望ましい一次元温度勾配を確立するために、極めて重要である。スラブ表面(コーティングされるとすることができる、又はできない)と熱シンクとの間に置かれる熱インターフェース層は、インターフェースでの熱抵抗を最小化することに役立ち、また、例えば脱ガスによる光面の可能性のある汚染による複雑化を取り除く。インターフェース層において、スラブ表面と冷却ブロックとの間の効率的な熱接触を提供することは、一般的に、層が薄く、かつ効率的に熱を伝えることができることを要求する。熱接触層22及び22Aは、搭載している熱シンク又はスラブ表面における如何なる変則にも順応することが可能となるように、冷却ブロックとくらべてかなり柔らかいことがさらに望ましい。
【００３８】
これは、スラブと熱シンクとの間の熱応力を吸収するのを助けるために、熱接触層22及び22Aを、柔軟なバッファ層として働かせる。熱接触層に適した材料は、金、インジウム、及び銅を含む。これらの材料は、薄い箔として利用可能であり、充分に適合しており、かつスラブ(又は、スラブ状複合体の上面及び底面を構成する材料)と冷却ブロックとの間の熱伝導率の格差を補償することのできる熱コンダクタンスを有する。金は、殆どの任意の波長での効率的な反射という付加的特徴を有するので、熱接触層もまた特に薄い及び/又は高い励起光反射を提供することが要求される実施形態では、金はより望ましい材料であるとすることができる。これに対し、インジウムは、より低い溶解温度(金の1000度強の融解温度にくらべて約157度低い)を含む幾つかの他の利点を持ち、優れたバッファ層として働くのに充分柔らかい。
【００３９】
インジウムは、冷接触層としても、又はスラブを熱シンクに接着するための半田としても使用することができ、その処理は通常組み立ての間に実行されるが、ここで冷却ブロック/インジウム/スラブの集合は、インジウムを流しかつ接触抵抗を取り除くため、高温圧力下で保たれる。このような接着又は「蝋付け」の処理は、結晶又はガラスレーザー材料と、それが半田付けされる材料との間の熱膨張差を補償するための効率的な手段として、この技術分野で知られている。
【００４０】
あるいはそのかわりに、長くて薄いスラブと金属製冷却ブロックとの間の熱膨張差によって引き起こされる応力をさらに減らすために、もっと複雑な複合構造を実装することができる。一つの好ましい実施形態では、2つのインジウムの薄い層の間にサンドイッチ状に挟むことのできるスラブと同じ表面積の薄いアルミナ細片が、一方の側ではスラブとの緩衝熱接触として使用され、反対側では冷却熱ブロックとして使用される。アルミナ及び結晶材料(Nd:YAGのような)から成るスラブ状は、同等の熱膨張係数を持つので、この臨界インターフェース方向に増大する極めてわずかな応力しか存在しない。他形式のセラミックス、又は遷移金属物質で満たされる銅メッシュのようなさらなる他の代替も考えられ、これらは全て、本発明の技術的範囲内に入る。
【００４１】
むしろ冷却ブロック20及び20Aは、銅又はアルミニウム合金のような高い熱伝導性を持つ金属で作られ、かつ対称熱分散を維持するのを助けるように、一般的には同一構造である。本発明の一面より、冷却ブロックは、スラブの広い表面上に搭載され、かつ活性領域からの熱流を制御するのに十分な幅のものである。熱モデル化は、スラブの厚さ全体にわたる一次元熱流を実現するために、冷金属板の幅はスラブの幅と等しくなるべきであることを示している。動作中の適切な熱移動率を確実なものとするため、そこを通して水又は他の液体を汲み上げることが可能であるように、冷却水流通路25及び25Aを冷金属板構造内に与える。各冷却水ブロックにつき、少なくとも一つのそのような流通路を与えることができる。
【００４２】
スラブにおける機械的な搭載構造の三次元表現を図4に示す。スラブ10の長さよりもいくらか伸びたようにここで示されている冷却ブロック20及び20A、並びに、かすがい30、支柱構造32、及び土台33も示されている。環状の水の入口26及び26A、及び出口27及び27Aは、水の流通路25及び25Aへのパイプを提供する。
【００４３】
図5は、搭載されたダイオード積層体40及び40A、ダイオード積層体の支柱構造46及び46A、及びダイオードアレイの冷却口48及び48Aと共に、機械的な支柱構造のさらなる詳細を示している。
【００４４】
図3、4、及び4Aでは各冷却ブロックに対してたった一つの冷却路を示しているが、二又はそれ以上の冷却路を含むより高度な設計が、本発明の技術的範囲内に入るということを理解すべきである。図5は、ブロックにつき2つの入り口を使う向流に基づく冷却手法の例を示している。図5に示す流れの方向は直列であるが、しかし並列な流れもまた実現可能である。このような付加的な冷却路は、ブロック全体に渡るより良い温度の平均化を提供するという利点があるが、より良くより対称的な冷却を与え、かつスラブを曲げないようにすることにより、高電力時に特に役立つものとすることができる。さらにもう一つの代替として、さらに優れた熱冷却の均一性のため、マイクロチャネルインターフェースを実装することができる。
【００４５】
本発明の原理に従って励起、及び冷却が行われる端面励起スラブ状レーザーの形式が、従来技術のスラブ状レーザーより優れた多数の重要な点を有することに注目する。例えば、励起面は冷却面とは別々であるので、励起システムと分けて、効率的な受動冷却システムを容易に設計することができる。上で説明するような2つの冷えた固体熱シンクから構成される受動伝導冷却は、許容できるコストで設計することが容易である。米国特許6,134,258号を参照して、前にこの面を検討したけれども、本発明は、多数の重大な面で、この従来技術とは異なる。特に、本発明は、スラブを通してレーザービームをストレートスルー伝播させ、かつジグザグ経路に依存しない。温度誘導の屈折率の格差によって引き起こされる有害な熱レンズ化及び応力複屈折の影響は、より複雑なビーム経路に必要な高い度合いの面研磨を要求することなく、スラブの高いアスペクト比によって提供される好ましい熱放散特性のおかげで、最小化される。本発明に含まれる設計の斬新さは、スラブ状の表面の平行度及び光沢の質を全く厳密にすることなく、熱流の方向−−従って温度勾配−−をレーザービームの伝播面に対し垂直にすることを可能にする。ビーム経路は熱流に対し直交するので、薄く、高いアスペクト比のスラブ状レーザーは、従来技術の他のスラブのみならず、上で参照した特許のデバイスと比較しても、冷却不均一性に対してずっと少ない感度を示し、機械的応力をうまく分散させ、かつ歪みに影響されにくい。
【００４６】
端面励起のスラブでの効率的な動作を提供するときの重要な問題は、励起光の結合を含む。図6は、上面13及び13Aが、これらコーティングされた面から周期的な反射を通して、スラブ内部で励起光を導くことができるように、適切な反射層18及び18Aで覆われている、スラブ10の実施形態110を示している。この技術分野では慣例であるように、励起入力面12及び12Aは、励起波長で抗反射(AR)コーティングされ、その一方で端面11及び11Aは、レーザー発振波長において抗反射(AR)コーティングされる。11及び11A、12及び12A、13及び13Aの面のペアは一般的には平行であるが、しかし、望ましくない寄生損失を抑えるため、わずかなウェッジを含むことができる。この実施形態では、スラブの終端面のみを高い光級(典型的には約λ/10)に磨かなければならない。
【００４７】
図6に示す一般的なスラブは、既知の固体利得媒体のうちの任意の一つで構成することができ、これは、ガーネット、フッ化物、及びNd、Tm、Er、Ho、Pr、及びTmのような希土イオンをドープした酸化結晶を含むがそれらに限られるわけではない。前記のコーティングされたスラブの作製は、スラブの大きい上側及び下側の側面を磨くステップと、次に励起波長で高反射である材質(誘電性又は金属性)でそれらをコーティングするステップを通じて進行する。コーティングは、イオンスパッタリングのような標準技術で塗布することができ、かつコーティング素材は、レーザー発振波長でのその反射特性と関わりなく選ぶことができる。これは、スラブの厚さが、従来技術の他のスラブに比べると薄いけれども、一般的に信号を導くのに必要な大きさをまだ超えているためである。しかしながら、ダイオードからの光の所定の発散における励起吸収の均一性を確かなものにすることは、コーティング素材の選択及び表面加工に影響を与える重要な条件である。ランダムな非指向性励起光拡散は、例えばスラブの中央での不十分な吸収を引き起こすことがあり、これは高い損失につながる。さらに、重大なレベルの寄生及び増幅された自然放射光(ASE)を避けるために増幅されたレーザービームのスプリアス反射を避けるよう注意を払わなければならない。熱シンクと接続するのに接触熱層として使用されるインジウム箔が、それ自身で適切な反射層として働くことができ、さらにこれは寄生損の一因となることなく、充分な励起光反射を提供する。従って、本実施形態の一面より、コーティング18及び18aは、図3で示す熱接触層22及び22Aと同一である。この場合、スラブの表面13及び13Aを標準の20/10光級まで磨くことがただ必要なだけであり、言い換えれば、選択されたコーティングのより良い付着が可能となるようにそれらを艶消しすることができる。
【００４８】
既に上で言及したように、ダイオード積層体からの発散光がスラブ内に直接つながる場合には、いくらかの励起光の導きは望ましいとすることができるが、レンズ化されたダイオードアレイからのダイオード光を、表面で反射することなくスラブの幅をまっすぐ通って伝播させることができるとき、これは必要ではないとすることができる。従って、本発明のもう一つの重要な面より、全吸収長を通して経路上での最小の拡散で、励起光が利得媒体内部に空間的に閉じ込められたままとなるように、開口数及び励起ビームの横方向の大きさが整合するよう、スラブの最小の厚さを選択することができる。
【００４９】
スラブの幅の大きさは、一般的に、励起光吸収の考慮の求めるところに従うものであるので、非導構造は、考慮する必要のあるアスペクト比に幾つかの制約を課し得る。従って、均一の励起吸収は熱考慮との兼ね合いを要求することがあり、これは、所定の望まれる電力レベルのための最小のアスペクト比を要求する。スラブの厚さと同様に、最小のアスペクト比を、固体媒体における熱損失を定める既知のスケーリング則に従って、一般的に引き出すことができる。高い熱伝導性を持つNd:YAGのような媒体では、むしろ、約5より大きいアスペクト比が近一次元熱勾配と整合性がある。熱モデル化は、YAGと同じくらいの熱伝導率および拡張係数を持つ固体利得媒体において、スラブのアスペクト比が約5より大きい限り、スラブの厚さ全体に渡って温度はたった2、3℃しか増加しないことを示している。ガラスのようなより低い熱伝導性を持つ他の物質においては、より大きいアスペクト比が要求され得る(すなわち、より薄く、より幅広いスラブ)、及び/又は熱シンクへの熱移動率を促進するために、より多くの冷却経路を提供しなければならない。
【００５０】
励起吸収特性の均一性は、本発明の薄いスラブを含むレーザーの最適な動作のための、もう一つの重要な考慮事項である。特に、励起波長及び活性材料のドーピング濃度は、スラブの端での多すぎる反転及び中央での不十分な反転を避けるように、選択しなければならない。従って、ある条件下では、利得媒体の吸収ピークから少し離れたところで、最適な励起波長を選ぶことができる。この場合、励起光の完全な吸収を確実にするために、スラブの幅も同様に増やす必要があるとすることができる。しかしながら、熱除去特性が向上するだけであるので、その結果として生じるアスペクト比の増加が、スラブ状レーザーの動作全体にとって好ましくないものとなることは予想されない。
【００５１】
励起光を導く手段を提供することのできる多くの他の構成が考えられ、それらの多くは既に首尾よく試された。一つの魅力的な代替は、屈折率の変化を含むインターフェースからの拡散励起光の内部全反射(TIR)を含む。一つのこのような実施形態では、図7で図示するように、ドープされた活性材料50より低い屈折率を持つ2つの誘電板51の間に活性スラブ材料50を置くことにより、複合板120が構成される。これは、上述の図3で例として示した被覆構造と似ている。
【００５２】
外側の2つの誘電板に適した一つの材料は、高い熱伝導性という有利な付加的特徴を持ち、従ってスラブにおける中間熱シンクとしても働くことができるサファイアである。外側のスラブ51は、接着剤、インジウムのような粘着性の熱接触層を使って活性スラブ50に接着することができる、又は接着剤を用いることなく光学的に接着することができる。広範な種類の固体材料で実証された後者の方法の特に成功した応用例は、米国特許5,846,638号でMeissnerにより開示しれたような接着剤なし結合(AFB)の手段を含む。ドープされた及びドープされていない固体媒体の多数の複合構造を実証するのに、この技術をうまく使用した。この方法により用意される様々な接合材料のスラブは、Onyx,Incで市販されている。
【００５３】
例えば、活性材料であるNd:YAGは、この方法を使って、外側のスラブであるサファイアに接着することができる。これは0.45より大きい開口数を提供するが、それは、適度な連結効率を持つレンズ化されていないダイオードからの拡散励起光を遮るのに充分である。そのため、スラブの厚さが殆どのダイオード光を遮るのに充分なほど厚い限り、レンズ化された又はレンズ化されていないダイオードバーにより、この3スラブのサンドイッチの端面励起を効率的に行うことができる。レンズ化されていないバーにおいて、励起光は、外側のスラブ状インターフェースからの内部全反射を通じて導かれたため、長い吸収経路及び高い吸収効率を実現することができる。それに対して、効率的な励起連結は、スラブの至近距離にレンズ化されていないダイオード積層体を配置することを要求することがあり、これは常に機械的に実現可能なわけではない。あるいはそのかわりに、入射励起光の空間的寸法によく適合するように選択されたスラブの厚さを持つこの構成で有利となるように、レンズ化されたバーを使用することができる。複合板が、励起光のより均一な分散−−高いビーム品質の出力を確実にするために望まれる特性を提供するのに、まだ貢献できることを認識するけれども、材料及び外側のスラブとのインターフェースについての要求を、この場合緩和することができる。
【００５４】
さらにもう一つの実施形態では、図8に示すように、双方とも異なる誘電体の2つのスラブから成る2つの積層体の間に、活性スラブ材料60を置く。複合板130は、内側のスラブ61と接着又は接続した活性材料60から成り、この内側のスラブ状61は、例えば活性スラブ60と比べてより低い屈折率の誘電体から構成されることができるが、一方、外側のスラブ62は、励起波長で内側のスラブと比べてより低い屈折率を有する。この「二重被覆」構造は、ダイオード積層体からの励起光の位置のばらつきに対する感度を減らすのに有利である。そのうえ、活性材料と第一の層との間の屈折率の差異は信号を導くように選ぶことができ、それと同時に、第二の層が励起ビームを導くであろう。より好ましい実施形態では、中央スラブと接触している2つのスラブの材料もまた、中央スラブと同じ材料であるが、しかしドーピング濃度が異なる、又はドープされない。接着剤なし結合の方法による「二重被覆」構造で作られた複数の様々な材料の複合板が、Onyx,Incで市販されている。これらの構造は、既に、米国特許6,160,824号でMeissnerにより教示するように、単一モード導波路として構成されるスラブからレーザー出力を提供するのに、うまく使用された。
【００５５】
スラブの厚さは、一般的に、要求される単一モードの大きさ(Nd及びYbのドープされた結晶において、典型的にたった10〜20μm)を一桁以上超えるものであるので、Meissnerの従来技術の教示とは対照的に、本発明の活性スラブが、単一モード動作の場合の大きさにはならないことを認識するであろう。例えば、Nd:YAGのような高利得材料の場合、本発明の原理に従って選択されるスラブの厚さは、特定材料の性能指数パラメーター、入射励起電力及び要求される出力電力及び動作モードに依って、数十μmから1000μm強までの範囲とすることができる。
【００５６】
従って、パルス動作におけるASEの開始よりも前に、破壊限界及び実現可能な小信号利得を充分考慮して、適切な性能指数が選ばれる。100Wを超える励起電力では、小信号利得要素がむしろ約5より小さい限りは、ASE及び寄生の影響による損失と関わりなく、共振器構成を最適化できることを、我々の解析は示している。Nd:YAGでは、これはスラブの厚さが0.5mmより大きいことを示しており、これは米国特許6,160,824号で説明する導波管構成よりも約2桁大きいものである。一般的には、Yb:YAG、Er:YAG Tm、Er又はPrのドープされたフッ化物結晶又はドープされたガラスのようなより低利得材料では、外側のスラブの被覆又は接着層を用いて、あるいは用いることなく、より薄いスラブを使用することができるが、しかしあらゆる場合においてその厚さは、まだ単一モードの大きさを超えている。
【００５７】
より好ましい実施形態において、上の図7及び8で示した「被覆」構造に従って作製された複合板でさえも、あらゆる方向への導信号伝播ではなく、自由空間に依存することがさらに注目される。活性中央スラブが信号の弱導を提供するのに充分薄い代替の実施形態では、このような導波は、本質的に高マルチモードであり、マルチモードレーザー出力に繋がるであろう。このような場合に、マルチモード導波管は、図6に従ったコーティングされたスラブを使って、単一モード動作をまだ実現することができ、それにより、より高次導波モードに対する最大識別を可能にするように金属性又は誘電性のコーティングが選択される。
【００５８】
このようなマルチモード導波動作の原理はよく解析され、その性能は、CO2レーザーでは実証されたが、しかし固体レーザーでは実証されていない。モード識別は、λが射出波長、tが導波管の厚さである係数λ2/t3に比例するので、コーティングされた導波管は、より長い波長で射出する活性媒体において特に有利であるとすることができる。この場合、過度に薄くない、従って容易に製造可能である導波管から単一横モードを引き出すことができる。例えば、3μmに近い射出光を持つエルビウム(Er)のドープされた結晶の場合、厚さ500〜700μmの導波スラブは、同様な複合共振器構造を使って、適切に既定された厚さ1.5mmのCO2導波スラブ状レーザーから得られるのと同等の、近単一モードの性能を提供することができる。この横断面は、多くの低利得のエルビウム(Er)又はホルミウム(Ho)のドープされた材料での性能を高めるはずであり、それは、標準技術を用いた適切な金属性、又は誘電性のコーティングの応用例を可能にするのにまだ充分大きい。Yb:YAGのような1μmの射出材料の場合でさえも、厚さ300〜400μmのコーティングされた導波管は、CO2導波板レーザーから再び類推して、より低次のモード動作を促進するのに充分薄いはずであることに注目せよ。このような導波スラブの厚さの選択は、利得(Qスイッチ動作を制限する)と要求される空間モード特性との兼ね合いに依存するであろう。
【００５９】
図2に示したように、活性レーザーコンポーネントは共振器の内側に置かれ、前記共振器は少なくとも2つの鏡を実装している。このレーザーは、CWモード、あるいはまたAO又はEO  Qスイッチのような変調デバイスを使ったパルスモードで動作することができる。1.5から50の間のM2値を持つ空間マルチモード出力ビーム、又はM2が1.5より小さい近回折限定出力ビームのいずれかを提供するように、様々な共振器を設計することができる。
【００６０】
例えば、安定方向に低次モードで動作している間の、不安定方向のビーム発散を減らすために、活性スラブを複合共振器内に配置することができる。このような複合共振器は、CO2スラブ状導波レーザーの技術分野で知られており、最近、固体レーザーでも同様にうまく実装された。従って、この技術分野で利用可能であるような、より広い面内の不安定共振器、及びその直交薄方向に導かれる安定又は不安定共振器から構成されるこのような複合共振器構造が、ここに参照により全て組み入れられる。
【００６１】
本発明の薄い端面励起スラブ構造で構成される高電力のダイオード励起レーザーは、むしろ近単一横モードでは100Wを超える出力電力、及びCW又はQスイッチモードいずれかでのマルチモード動作では200Wを超える出力電力を提供し、それらは全て長時間にわたる高度な安定性を有している。レーザー共振器内部に、適切な光学デバイス及び要素と共に適当な大きさの薄いスラブ形状の利得材料を置くことにより、動作モードが選択される。
【００６２】
活性スラブの高アスペクト比の一つの結論は、スラブ状共振器から生じるレーザービームが、高い非点収差の長方形の断面を一般的に持つということである。しかしながら、特別に設計された光学部品を用いて、非点収差レーザービームを回転対称ビームに変換できることが、光学設計の技術分野でよく知られている。一つの好ましい実施形態では、図1で共振器の外部に示す要素6は、モード変換器と組み合わせて二焦点望遠鏡から構成される。この望遠鏡は、元の非点収差レーザービームのx及びy方向のレイリー波長及びウエストの位置を等化する。より好ましい実施形態では、光学設計の既知の原理に従って選択された幾つかの円柱レンズから構成される変換光学部品にビームを通すことにより、対称化を実現する。図1でビーム18で示す対称ビーム出力は、x及びy方向に等しいビーム半径、ファーフィールド発散、及びウェスト位置を持つ。安定及び不安定方向の双方に高いビーム品質を有する空間的に丸い出力ビームを提供するため、ビーム対称化又は円形化のための光学技術と組み合わせて複合共振器を実装することができる。
【００６３】
以下は、本発明の原理に従って構築されたレーザーの動作を試すために設計、及び製造された共振器のいくつかの例である。
【００６４】
図9に示す一実施形態では、活性スラブ、凸面高反射率(HR)鏡55、及び凸形外部カプラ−56から構成される安定共振機を提供する。様々な励起結合技術の効果、及び図9のシンプルな共振器のスラブ製造方法を試すために設計された実験で、スラブ状構造の幾つかの形式を使用した。第一の例では、図7に示す構成と構造的に似ている複合板を利用した。選択された活性材料は、次のような大きさ、すなわちt=0.7mm、w=10mm、及びl=90mmの0.8%NdのドープされたYAGであった。このスラブ状レーザーは、片側はサファイアスラブと接着し、かつ他方の側はもう一つのサファイアブロックとインジウムで半田付けされる接点であった。双方のサファイアブロックは、Nd:YAGに適合するように指定された幅及び長さの厚さ1mmのものであった。スラブは、全て幅10mm、長さ90mmに指定された。図3及び4に示す実施形態に従って、サファイアブロックの外側の表面を、熱シンクとして使用する銅ブロックと接触させるのに、薄いインジウム層を使用した。図9に示すように、両側から6つの50Wダイオードバーの2つの積層体が、活性材料を励起した。
【００６５】
複合板の大きさは0.46の開口数を提供したが、これはダイオードバーからの励起射出のかなりの部分を結合するのに充分であった。実験の第一のセットでは、ダイオードバーがレンズ化され、直径0.8mmの平行光を提供する−−これは、スラブの厚さ2より20%大きい。図10は、50%の出力カプラ−で、曲率4mのHR鏡及び曲率2mのHR鏡の場合の、出力電力対吸収された入力電力を示している。これらの実験における空洞長は、135mmに設定される。図10に示すように、この空洞から60％を超える傾き効率が得られ、これは、使用した基本の励起及び冷却手法の強固さを示している。
【００６６】
実験のもう一つのセットでは、同じ空洞内で厚さ0.85mmのNd:YAGスラブが試された。ドーピング、スラブの幅、及び長さは、上で説明した実験と同じであったが、しかし、サファイア被覆又は外側のスラブを全く利用しなかった。レンズ化されたダイオード積層体でスラブの励起を行うことにより、図11に示すように、700W最大励起電力入力(70アンペアのダイオード電流に対応する)に対し、飽和することなく、340Wを超える電力を獲得した。これは、40%を超える効率に相当する。明らかにこれは、市販のダイオードバーアレイを使った薄いスラブの効率的な端面励起の実現性の実証として、受け取られる。
【００６７】
同じ1mmのスラブを持つ複合板構造もまた、セラミック内部層、及び、スラブ及び銅冷却ブロックと接触するためのインジウム半田を使って構築された。この「蝋付け」構造を用いて、660Wの入力電力の入力対し、350Wを超えるマルチモード出力電力を実現した。この増大した電力は、複合板構造によって提供される均一応力の結果である。
【００６８】
一実施形態では、スラブ状利得媒体が、光軸に対し垂直な2つのスラブのより大きい側面に沿った不安定共振器、及びスラブの2つのより小さい側面に沿った安定共振器から構成される複合共振器内に置かれる。これらに沿ったモードサイズをスラブの大きさに適応させるために、円柱共振器鏡を使用することができる。ビーム品質を高めるために、分布反射特性を持つ出力カプラ−をさらに使用することができる。典型的には5より小さい低フレネル数を生成するように、媒体の厚さtを選択するならば、直交方向において、良いビーム品質を実現するのに、安定又は平面−平面共振器は充分であるとすることができる。単一横モード動作では、スラブ内のガウスビームの直径2aは、t/2<2a<3t/2の関係に従って、スラブの厚さを基準にしてむしろ調整される。対象発明によると、要求される出力連結、ビーム全体の品質、及び要求される安定性、及び物理サイズの制約に基づいて、従来の共振器設計の選択基準[1,2]を使って、導波管近くでの鏡の分離、及び湾曲の半径を選択する。利得材料及び共振器パラメーターに依って、正分岐共振器又は負分岐共振器のいずれかを実装することができる。
【００６９】
出力カプラ−は、不安定共振器設計の技術分野で知られている分布反射率鏡(VRM)を定める。VRMは、
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と慣例的に表現される超ガウス反射特性を示す。ここで、R0は中央反射率、wは断面の半径、nは超ガウス指数、及びxはスラブの広い面に沿った座標である。
【００７０】
正分岐共振器を持つ複合共振器を図12に示す。この共振器は、凸面VRM出力カプラ− (OC)鏡、及び、凹面又は平らな高反射(HR)鏡から構成され、これらはレーザー設計の標準原理による熱レンズ化を補償するように選ぶことができる。光学部品は、複合共振器の非対称特性を吸収するために、円柱である。従ってその小さい方向に、鏡は、安定共振器を定める湾曲の長半径を持つ。この曲率、及びスラブからの鏡の距離は、低次モードのみが効率的にスラブ内に繋がるように、既知のガウスビームモードマッチングの原理に従って選択され、かつスラブの熱レンズ効果を含んでいる。この例で使用するスラブの大きさについては、長さ14cmの共振器、及び、HR鏡及びOC鏡においてそれぞれ曲率2m及び1.5mの鏡が、高次モードに対して良いモード識別を提供することがわかった。そのVRM出力カプラ−におけるパラメーターは、n=4、w=4mm、及びR0=67%である。
【００７１】
前で使用した厚さ0.7mmのサファイア接着のスラブの場合の、この複合共振器を用いた結果を図13に示す。そこに示すように、比較的最適化されていない共振器構造の場合に高々160Wの電力であっても、3.5x2.2のビーム品質を得る。空洞長をより長くすることで、さらにより良いビーム品質を得ることができるが、しかし、図14に示すように出力電力が犠牲となる。空洞長の関数としてのビーム品質のばらつき及び出力電力は、熱レンズ化補償と共振器の安定性への考慮との兼ね合いの結果である。従って、共振器が共焦点に近ければ近いほど、ビーム品質は高くなるが、しかしこれは、補償されない熱レンズのため、出力電力を犠牲にして実現される。しかしながら、これらは共振器設計の技術分野における標準の考察であり、本発明の手法の拡張性があることを示している。
【００７２】
レンズ化されたバーの励起を使って、コーティングされず被覆されていない厚さ1mmのスラブの場合に得られる結果はまた、複合共振器を実装することにより得ることのできるビーム品質の改善も示した。この場合、高々190W出力電力レベルであっても、1.9x2.2のM2値を持つことを示した。長さ138mmの空洞長及び50%の出力連結を、これら最後の実験で使用した。端面励起の薄いスラブの手法を使って、図15に示すようなより最適化された共振器を用いて、更により良いビーム品質を得ることができることが予想され、ここで図15は励起電力の関数としてM2の予想偏差を示している。理論的には、熱低下による収差が殆どない又は全くないのであれば、400Wを超える電力レベルの場合でさえも、M2はごくわずかしか増加しないであろう。このグラフで使用されたパラメーターは、R0=0.7、n=6、倍率1.33倍、及び52.5%の出力連結であった。パラメーターのこの選択であれば、双方の軸において1.35より小さいビーム伝播パラメーターM2に対応して、ファーフィールド電力の実質の90%が最大となるであろうことが推定される。
【００７３】
上述の複合共振器構造は正分岐不安定共振器を利用したけれども、幾つかの場合では、負分岐設計に基づく代替の構造を取り入れることができることに注目せよ。負分岐共振器は、より良い安定性の特徴を提供することが知られている一方で、いくつかの困難な設計問題を提起し得る。他の問題としては、空洞内焦点は、低下した空間ビーム特性のみならず、過度に長い共振器につながり得るということである。しかしながら、共振器設計の技術分野で知られているように、光学的複雑さにおけるある程度の追加コストで、物理サイズを減らすために折り畳み空洞を実装することができる。負分岐複合共振器はCO2スラブ状導波レーザーでうまく使用された一方で、固形スラブ状材料での実装は本発明より前に開示されていなかったことは、さらに注目される。レーザー設計の技術分野で知られているこれら、及び他の同様な、及び代替の共振器及び空洞の構造は、本発明の技術的範囲内である。これらは、固体スラブ状レーザーの場合に図16にその例が示される軸外共振器を含むものである。
【００７４】
図16は、本発明の一部として実装できる軸外複合共振器構造を示している。
【００７５】
本発明のもう一つの実施形態では、図1に示す変調器8が電気−光学スイッチ又は音響−光学スイッチのクラスから選択される、Qスイッチ及びモードロックされた動作を提供する。上で説明した薄いNd:YAGスラブパラメーターの場合、600Wの入力電力に対し、40kHzの反復率で、200Wを超えるQスイッチ電力を得ることができるであろうことが推定される。長さ20cmの複合空洞内でAO  Qスイッチを使用した予備実験では、最高50kHzの反復率で、ほぼ100WのQスイッチパルスが得られた。パルスは、10kHzで長さ30nm未満であった。
【００７６】
もう一つの実施形態では、ダイオード励起スラブ状レーザー共振器1は、典型的にはEr及びHoのドープされた材料で、3μmで動作することができる。これらは比較的低利得及び高いスレッショルドを持つことが知られているので、非常に小さい面を持つスラブ状構造が有利に利用される。一例として、厚さ約0.6mm未満のEr:YAGスラブは、金属又はセラミックスでコーティングされた長方形スラブとして構築される。この波長で、信号のマルチモード導が薄い面に沿って実現する。しかしながら、前にCO2導波レーザーで実装したのと同様な安定共振器設計を使ってモード識別特性を活用することにより、単一モード動作を獲得することができる。モード識別のこのような原理の応用は、ガスレーザーのための複合共振器の従来技術で知られているけれども、本発明で提供する導波構造は、固体導波構造の従来技術の教示に従うものではなく、従って本発明で開示した技術及び構造の斬新な応用例を示すものである。
【００７７】
例証及び説明の目的のため、本発明の好ましい実施形態の前述の説明を提示した。これは網羅的、或いは本発明を開示した厳密な形態に限定することを意図したものではない。明らかに、多くの修正及び変形が当業者には明白であろう。本発明の技術的範囲は、次の特許請求の範囲及びそれらの均等技術により定められることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】互いに直交する冷却、励起、及びビーム伝播の方向を持つスラブ状の形態を示している。
【図２】ダイオード励起のスラブを含む本発明のレーザー発振器の一実施形態の概略図である。
【図３】本発明の端面励起、表面冷却のスラブ状レーザーの一実施形態の断面図である。
【図４】本発明において利用することのできる、スラブ状の機械的搭載構造の三次元描写である。
【図５】図4の機械的サポート構造をより詳細に示している。
【図６】本発明で利用することのできる、表面被覆のスラブ状の拡大図である。
【図７】本発明で利用することのできる、異なる材質から成る二つの他のスラブ状形状の層の間にサンドイッチ状にはさまれた活性材料を持つ複合板の一実施形態の説明図である。
【図８】本発明で利用することのできる、より複雑な5層複合板を示す図である。
【図９】本発明で利用することのできるスラブを組み込んだ安定共振器の一実施形態の概略図である。
【図１０】厚さ0.7mmの0.8%Nd:YAGスラブのマルチモード電力出力のグラフを示している。
【図１１】厚さ1.0mmの0.8%Nd:YAGスラブのマルチモード性能のグラフを示している。
【図１２】本発明のスラブを有する複合共振器の一実施形態を示している。
【図１３】図12の複合共振器内の厚さ0.7mmのスラブの出力電力の性能を示している。
【図１４】図13の厚さ0.7mmのスラブからの出力電力を、複合空洞長の関数として示している。
【図１５】最適化された複合共振器設計における励起電力の関数としての、本発明の一実施形態の投射ビーム伝播パラメータのグラフである。
【図１６】本発明のスラブ形状のレーザー材料を含む、軸外複合共振器の二つの形式を示す概略図である。
【図１７】厚さ1mmのスラブを有する本発明のQスイッチ複合共振器の実施形態からのQスイッチ出力を示している。
【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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【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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【国際調査報告】
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