(57)【要約】本発明は高パワー高強度レーザー増幅を達成するシステムおよび方法を提供する。四重パス光学増幅システムにおいて、線形偏光学ビームを種々の光学エレメントによって光学増幅器の中を４回通過させる。光学増幅器はレーザーダイオードアレイを含むポンピングエネルギー源によって横ポンピングされる。ポンピングモジュールその他の光学構成部品は熱レンズ効果、熱誘発複屈折効果を無効にするように備えられ、増幅および効率が増強される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、レーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する、
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項２】
一組のレーザーダイオードアレイが、奇数個のレーザーダイオードアレイを含む請求項１に記載のポンピングモジュール。
【請求項３】
一組のレーザーダイオードアレイが、少なくとも５個のレーザーダイオードアレイを含む請求項１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４】
前期組が複数の組を含む請求項１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５】
少なくとも２個のレーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、これらのレーザー結晶ロッドの各々は光軸を有し、
第１のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第１の組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、第１のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第１のレーザー結晶ロッドの第１の縦軸に対して実質的に直交する第１の平面内に配置され、第１の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第１の組のレーザーダイオードは第１のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；および
第２のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第２の組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、第２のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第２のレーザー結晶ロッドの第２の縦軸に対して実質的に直交する第２の平面内に配置され、第２の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第２の組のレーザーダイオードは第２のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、第１の縦軸および第２の縦軸は光軸に沿って光学的に整列され、
ここに、第２の組のレーザーダイオードアレイは、第１のレーザーダイオードアレイの光軸周りの配置に対して、光軸周りのある回転角にて配置されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。
【請求項６】
レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは光軸を有し、
光軸に沿って配置された球面レンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱球面レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項７】
球面レンズモジュールが負レンズを含む請求項６に記載のポンピングモジュール。
【請求項８】
球面レンズモジュールが正レンズを含む請求項６に記載のポンピングモジュール。
【請求項９】
２つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、これらの２つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドは光軸上に配置され、
２つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドの間の光路に沿って配置され、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果を実質的に相殺するように適合された９０°ローテーター
を含む、該ポンピングモジュール。
【請求項１０】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；および
前記平面内に配置され、レーザー結晶ロッドに対して各レーザーダイオードアレイの向かい側に配置された反射エレメント、この反射エレメントは、レーザーダイオードのポンピングに寄与することなく、各レーザーダイオードアレイからレーザー結晶ロッドを通過してきた発光光を、レーザー結晶ロッドに向かって、反射し返す
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項１１】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、これらのレーザーダイオードアレイは、この組の中で最も低いパワーレベルのレーザーダイオードアレイのパワーレベルに整合するように適合されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。
【請求項１２】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、これらのレーザーダイオードアレイは、この組の中で最も低いポンピング光強度のレーザーダイオードアレイに整合するように適合されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。
【請求項１３】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、各レーザーダイオードは、長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。
【請求項１４】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；および
レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置され、発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成され、これらのレンズの焦点がレーザー結晶ロッド内に入らないように適合された筒状レンズ
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項１５】
レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；および
レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置され、発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成され、レーザー結晶ロッド周囲に配置されたクラッド層と一体成型された筒状レンズ
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項１６】
光路に沿って伝播する高パワー高強度レーザー光を増幅するシステムであって、
サファイアまたはダイアモンド材料を含む第１のリフレクター；
サファイアまたはダイアモンド材料を含む第２のリフレクター；および
光学的に第１のリフレクターと第２のリフレクターとの間に配置された多重パス増幅モジュール
を含む該システム。
【請求項１７】
光路を有する多重パス光学増幅器であって、
前記光路に整列した縦軸を有するレーザー結晶ロッド；
レーザー結晶ロッドの縦軸周りに配置され、レーザー結晶ロッドの屈折率と実質的に同一の屈折率を有するクラッド層
を含む、該多重パス光学増幅器。
【請求項１８】
光路のある四重パス光学増幅器であって、
実質的に均一にポンピングされる２つの実質的に同じレーザー結晶ロッドを含む増幅モジュール；
増幅モジュールの下流にあるミラー；および
ミラーと増幅器との間に配置され、２つのパス上の増幅モジュールの熱誘発複屈折を実質的に相殺するように適合されたファラデーローテーター
を含む該四重パス光学増幅器。
【請求項１９】
光路のある多重パス光学増幅器であって、
複数のレーザー結晶ロッドであって、各レーザー結晶ロッドは前記光路に整列した縦軸を有し、同一のブール(boule)から作製されたものを含み、
ここに、各レーザー結晶ロッドは、同一のブールの同一横スライスから作製されていることを特徴とする該多重パス光学増幅器。
【請求項２０】
各レーザー結晶ロッドが複屈折効果を低減するように他のレーザー結晶ロッドに向いている請求項１８に記載の多重パス光学増幅器。
【請求項２１】
光路に沿って伝播する光を増幅するポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置される；
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、レーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている；および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果をほぼ相殺するように適合されている
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項２２】
さらに、
冷媒を収容するハウジングを含む冷却システム、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、この冷媒はレーザー結晶ロッドから熱を除去する
を含む請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項２３】
さらに、
各レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置された各筒状レンズ、この筒状レンズは発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成される
を含む請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項２４】
筒状レンズが冷却システムのハウジング上に搭載され、このハウジングが、冷媒を含有し、かつ、レーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに構成されていることを特徴とする請求項２３に記載のポンピングモジュール。
【請求項２５】
筒状レンズが、ハウジングの一部分をレンズに成型することによって、冷却システムのハウジングと一体成型されている請求項２３に記載のポンピングモジュール。
【請求項２６】
筒状レンズが、筒状レンズの焦点がレーザー結晶ロッド内に入らないように配置されている請求項２３に記載のポンピングモジュール。
【請求項２７】
さらに、
各レーザーダイオードアレイに対応するリフレクター
を含み、
ここに、筒状レンズが対応するレーザーダイオードアレイによって発光された光の遅軸を集光し、リフレクターが対応するレーザーダイオードアレイによって発光された光の速軸を集光することを特徴とする請求項２３に記載のポンピングモジュール。
【請求項２８】
各レーザーダイオードが長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項２９】
レーザーダイオードが、略隣接するレーザーダイオードから発光された光がレーザー結晶ロッドのポンピングカバレージに実質的にオーバーラップするように配置され、
このポンピングカバレージが、特定のレーザーダイオードが故障した場合、他のレーザーダイオードが故障したレーザーダイオードを補償することを特徴とする請求項２８に記載のポンピングモジュール。
【請求項３０】
さらに、
この組の対応するレーザーダイオードアレイに連結した制御ユニット、この制御ユニットは、対応するレーザーダイオードアレイの特定のレーザーダイオードが故障したとき、対応するレーザーダイオードアレイの稼働レーザーダイオードのパワー出力を増加させる
を含む請求項２９に記載のポンピングモジュール。
【請求項３１】
他のレーザーダイオードが略隣接するレーザーダイオードを含む請求項２９に記載のポンピングモジュール。
【請求項３２】
さらに、
レーザー結晶ロッド周囲に配置されたクラッド層
を含む請求項２９に記載のポンピングモジュール。
【請求項３３】
クラッド層がレーザー結晶ロッドの材料と同じ特定の材料を含むが、この特定の材料はドープされていないことを特徴とする請求項３２に記載のポンピングモジュール。
【請求項３４】
クラッド層が光路に沿って伝播する光を増幅しない請求項３２に記載のポンピングモジュール。
【請求項３５】
クラッド層がレーザー結晶ロッドの材料と実質的に同一の屈折率を有する特定の材料を含む請求項３２に記載のポンピングモジュール。
【請求項３６】
クラッド層がレーザー結晶ロッド末端から出射する光の回折パターンを減じる手段を含む請求項３２に記載のポンピングモジュール。
【請求項３７】
筒状レンズがレーザー結晶ロッド周囲に配置されクラッド層と一体成形されている請求項２３に記載のポンピングモジュール。
【請求項３８】
各レーザーダイオードが長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項３９】
略隣接するダイオードから発光された光が、レーザーダイオードの短辺に平行は方向の実質的な角度分散により、ポンピングカベレージに実質的にオーバーラップする請求項３８に記載のポンピングモジュール。
【請求項４０】
レーザーダイオードアレイが実質的に同一の光学的および電気的特性を有するように選択される請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４１】
レーザーダイオードアレイが直列で電気的接続されている請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４２】
さらに、
各レーザーダイオードアレイに連結した制御ユニット、ここに、各レーザーダイオードアレイが、最低パワーレーザーダイオードアレイのパワー出力よりも高いパワー出力を有していれば、制御ユニットが、各レーザーダイオードアレイのパワー出力を最低パワーレーザーダイオードアレイのパワー出力に調節する
を含む請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４３】
制御ユニットが各レーザーダイオードアレイと電気的に並列に配置された電気負荷を含み、この電気負荷は各レーザーダイオードアレイから電力の一部を取り出すように適合されていることを特徴とする請求項４２に記載のポンピングモジュール。
【請求項４４】
制御ユニットがフィードバック回路およびコンピュータ制御システムを含み、この制御ユニットは自動的にパワー調節を行う請求項４２に記載のポンピングモジュール。
【請求項４５】
レーザーダイオードが均等なパワー出力およびピーク出力波長につき選択されている請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４６】
特定のアレイ中のレーザーダイオードが直列で電気接続されている請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４７】
さらに、
各レーザーダイオードに連結した制御モジュール、
を含み、
ここに、各レーザーダイオードが、最低パワーレーザーダイオードのパワー出力よりも高いパワー出力を有していれば、制御モジュールが、各レーザーダイオードのパワー出力を最低パワーレーザーダイオードのパワー出力に調節することを特徴とする請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項４８】
制御モジュールが、各レーザーダイオードと電気的に並列に配置された電気負荷を含み、この電気負荷は各レーザーダイオードから電力の一部を取り出すように適合されている請求項４７に記載のポンピングモジュール。
【請求項４９】
制御モジュールが、コンピュータ制御システムを含み、このコンピュータ制御ユニットは各レーザーダイオードのパワー出力を自動的に調節することを特徴とする請求項４８に記載のポンピングモジュール。
【請求項５０】
さらに、
前記平面内に配置され、レーザー結晶ロッドに対して各レーザーダイオードアレイの向かい側に配置された反射エレメント、この反射エレメントは、レーザーダイオードのポンピングに寄与することなく、各レーザーダイオードアレイからレーザー結晶ロッドを通過してきた発光光を、レーザー結晶ロッドに向かって、反射し返す
を含む請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５１】
反射エレメントが冷却システムのハウジング上に搭載され、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの熱を除去する冷媒を含有することを特徴とする請求項５０に記載のポンピングモジュール。
【請求項５２】
反射エレメントが冷却システムのハウジングと一体成型され、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの熱を除去する冷媒を含有することを特徴とする請求項５０に記載のポンピングモジュール。
【請求項５３】
反射エレメントが２個の隣接するレーザーダイオードアレイの間に配置されている請求項５０に記載のポンピングモジュール。
【請求項５４】
高パワー高強度固体レーザー増幅システムのプレ増幅ステージの部分であることを特徴とする請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５５】
高パワー高強度固体レーザー増幅システムの増幅ステージの部分であることを特徴とする請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５６】
前記組が奇数個のレーザーダイオードアレイを含む請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５７】
レーザーダイオードアレイが、いずれの２個のレーザーダイオードアレイの間に形成される直線もレーザー結晶ロッドの縦軸と交わらないように配置されている請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５８】
（Ａ）レンズモジュールが負レンズを含み、熱レンズ効果が正熱レンズ効果を含むか、または（Ｂ）レンズモジュールが正レンズを含み、熱レンズ効果が負レンズ効果を含むかのいずれかである請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項５９】
ローテーターが偏光を略９０°回転させる請求項２１に記載のポンピングモジュール。
【請求項６０】
光路に沿って伝播する光を増幅するポンピングモジュールであって、
第１の縦軸を有する第１のレーザー結晶ロッド、この第１の縦軸は光路に沿って配置される；
第１のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第１の組のレーザーダイオードアレイ、第１の組のレーザーダイオードアレイは、第１のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第１のレーザー結晶ロッドの第１の縦軸に対して実質的に直交する第１の平面内に配置され、第１の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第１の組のレーザーダイオードは第１のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；
第２の縦軸を有する第２のレーザー結晶ロッド、この第２の縦軸は光路に沿って配置される；
第２のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第２の組のレーザーダイオードアレイ、第２の組のレーザーダイオードアレイは、第２のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第２のレーザー結晶ロッドの第２の縦軸に対して実質的に直交する第２の平面内に配置され、第２の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第２の組のレーザーダイオードは第２のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する；
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている；
光路に沿って第１のレーザー結晶ロッドと第２のレーザー結晶ロッドとの間に配置されたローテーター、このローテーターは、第２のレーザー結晶ロッドの熱誘発複屈折効果とともに、第１のレーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果をほぼ相殺するように適合されている；および
光路に沿って配置され、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッドの累積複屈折効果をほぼ相殺するように適合されているファラデーローテーター
を含む該ポンピングモジュール。
【請求項６１】
第２の組のレーザーダイオードアレイが、第１の平面における第１の縦軸周りの第１の組のレーザーダイオードアレイの配置に対して、第２の平面における第２の縦軸周りのある回転角にて配置されている請求項６０に記載のポンピングモジュール。
【請求項６２】
回転角が、第１のレーザーダイオードアレイの個数か、または第２のレーザーダイオードアレイの個数のいずれかに対して反比例している請求項６１に記載のポンピングモジュール。
【請求項６３】
第１の組および第２の組の各々が、同じ奇数個のレーザーダイオードアレイを含み、第２の組が、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッドに対してポンピング均一性が最大になるように、第１の組に対するある位置に向かって第２の縦軸周りに回転されている請求項６０に記載のポンピングモジュール。
【請求項６４】
第２の組が、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッド全体に対してポンピング均一性が最大になるように、第１の組に対するある位置に向かって第２の縦軸周りに回転されている請求項６０に記載のポンピングモジュール。
【請求項６５】
ローテーターが、第１のレーザー結晶ロッドから第２のレーザー結晶ロッドに向かって伝播する光を略９０°偏光分だけ回転させるように適合されている請求項６０に記載のポンピングモジュール。
【請求項６６】
高パワー高強度四重パス固体レーザー増幅システムの増幅ステージの部分であって、ファラデーローテーターが第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッドの累積複屈折効果をほぼ相殺するように適合されていることを特徴とする請求項６０に記載のポンピングモジュール。
【請求項６７】
実質的に均一にレーザー結晶ロッドをポンピングする方法であって、
奇数個のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、これらの奇数個のレーザーダイオードアレイはこのレーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内にある；
レーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に収容し、これらのレーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる；
発光面がレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ；および
レーザーダイオードの発光面からレーザー結晶ロッドに向かって光を発光させる
ステップを含む該方法。
【請求項６８】
さらに、
略同一の電気的および光学的特性を有するようにレーザーダイオードを選択するステップを含む請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
さらに、
特定のレーザーダイオードが最低パワー出力のレーザーダイオードのパワー出力に整合するように、特定のレーザーダイオードのパワー出力を調節するステップを含む請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
さらに、
略同一の電気的および光学的特性を有するようにレーザーダイオードアレイを選択するステップを含む請求項６７に記載の方法。
【請求項７１】
さらに、
特定のレーザーダイオードアレイが最低パワー出力のレーザーダイオードアレイのパワー出力に整合するように、特定のレーザーダイオードアレイのパワー出力を調節するステップを含む請求項６７に記載の方法。
【請求項７２】
調節するステップが、特定のレーザーダイオードアレイと電気的に並列に電気負荷を配置し、特定のレーザーダイオードアレイのパワー出力が最低パワー出力のレーザーダイオードアレイのパワー出力に整合するように、前記電気負荷を通して特定のレーザーダイオードアレイから充分な電力を取り出すステップを含む請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
レーザー結晶ロッド中の光を実質的に均一に増幅する方法であって、
奇数個のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、これらの奇数個のレーザーダイオードアレイはこのレーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内にある；
レーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に収容し、これらのレーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる；
発光面がレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ；
レーザーダイオードの発光面から発光された光でレーザー結晶ロッドをポンピングし；
熱レンズ効果を低減するように適合されたレンズモジュールを通してレーザー結晶ロッドから出射する光を方向付けることによって、レーザー結晶ロッド中の熱レンズ効果を低減させ；および
ファラデーローテーター.を通してレーザー結晶ロッドから出射する光を方向付けることによって、レーザー結晶ロッド内の熱誘発複屈折により生じた不均一を均一化することを特徴とする該方法。
【請求項７４】
光路に沿って伝播する光を実質的に均一に増幅する方法であって、
第１の組のレーザーダイオードアレイを第１のレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、この第１の組は第１のレーザー結晶ロッドの第１の縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、第１の縦軸は光路に沿って配置される；
第２の組のレーザーダイオードアレイを第２のレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、この第２の組は第２のレーザー結晶ロッドの第２の縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、第２の縦軸は光路に沿って配置される；
レーザーダイオードを第１の組および第２の組のレーザーダイオードアレイ内に収容し、各レーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる；
第１の組の中の発光面が第１のレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この第１の組の発光面の短辺が第１のレーザー結晶ロッドの第１の縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ；
第２の組の中の発光面が第２のレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この第２の組の発光面の短辺が第２のレーザー結晶ロッドの第２の縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ；
第１の組のレーザーダイオードの発光面から発光された光で第１のレーザー結晶ロッドをポンピングし；
第２の組のレーザーダイオードの発光面から発光された光で第２のレーザー結晶ロッドをポンピングし；
熱レンズ効果を低減するように適合されたレンズモジュールを通して、光路に沿って伝播する光を方向付けることによって、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッド中の累積熱レンズ効果を低減させ、このレンズモジュールは熱レンズ効果を低減するように適合されている；および
偏光を回転させるファラデーローテーター.を通して、光路に沿って伝播する光を方向付けることによって、第１のレーザー結晶ロッドおよび第２のレーザー結晶ロッド内の熱誘発複屈折の累積効果を均一化することを特徴とする該方法。
【請求項７５】
発振器であって、
パルス化ポンピングを生じるポンピング源；
キャビティーダンパー、ポーラライザー、スペクトルフィルター、Ｑ−スイッチ、モードロッカー、およびポンピング源によりポンピングされる固体レーザー結晶ロッドを含む共振器キャビティー
を含み、
ここに、Ｑ−スイッチはポンプパルスサイクルの最後に共振器キャビティーを開放し、モードロッカーは固体レーザー結晶ロッドのモードを固定して、共振器キャビティー内を循環する短光パルスを生じ、
ここに、スペクトルフィルターは実質的に短光パルスを平滑化し、および
ここに、短光パルスがポーラライザーを通ってから出射するように、ピーク強度にて、キャビティーダンパーが短光パルスの偏光を回転させることを特徴とする該発振器。
【請求項７６】
スペクトルフィルターが少なくとも一つのくし型フィルターを含む請求項７５に記載の発振器。
【請求項７７】
スペクトルフィルターが少なくとも第１のエタロンおよび第２のエタロンを含む請求項７５に記載の発振器。
【請求項７８】
第１のエタロンが約１０ｍｍエタロンを含む請求項７７に記載の発振器。
【請求項７９】
第１のエタロンが約１５ｍｍエタロンを含む請求項７７に記載の発振器。
【請求項８０】
第１のエタロンおよび第２のエタロンが、短光パルス中の時間変調(temporal modulations)を実質的に除去することによって、短光パルスを平滑化する請求項７８に記載の発振器。
【請求項８１】
ポーラライザーを通って共振器キャビティーから出射する短光パルスがレーザー増幅器システムに対する入力ビームである請求項７５に記載の発振器。
【請求項８２】
ポーラライザーを通って共振器キャビティーから出射する短光パルスが、約１０００Ｈｚ反復周波数までは、パルスあたり約１ｍＪないし約２ｍＪを含む請求項７５に記載のマスター発振器。
【請求項８３】
同じドーパント濃度プロファイルおよび実質的組成均一性を有するレーザー結晶ロッドの製造方法であって、
ドーパントを含むメルトから結晶ブールを成長させ、
前記結晶ブールを横スライスし；および
横スライスの中心を切り出す
ステップを含む該製造方法。
【請求項８４】
請求項８３に記載の製造方法により製造されたレーザー結晶ロッド。
【請求項８５】
光路を伝播する高出力高強度レーザー光を増幅するシステムであって、
キャビティー内スペクトルフィルターを用いて時間的に平滑化されている(temporally smoothed)短光パルスを発生するように構成され、これらの短光パルスは特定の線形偏光を有するマスター発振器；
第１の増幅ステージであって、
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第１の偏光ビームスプリッター；
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第２の偏光ビームスプリッター；
第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターとの間に配置された指向性偏光ローテーター、この指向性偏光ローテーターは、第１の偏光ビームスプリッターから第２の偏光ビームスプリッターに伝播する光を通過させ、第２の偏光ビームスプリッターから第１の偏光ビームスプリッターに伝播する光の偏光を略９０°回転させるように構成されている；
ポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置されている；
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザー結晶ロッド周囲に略均等に間隔を開けて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドをポンピングする光を発光する；
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている；および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折をほぼ均一化するように適合されている；
を含むポンピングモジュール；
２つのパスにわたって光の偏光を略９０°回転させるファラデーローテーターを含む非指向性偏光ローテーター；
第１のリフレクター；および
第２のリフレクター
を含む第１の増幅ステージ
を含み、
ここに、マスター発振器からの短光パルスは第１の増幅ステージに向けられ、
ここに、短光パルスは、偏光変化することなく、第１の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第２の偏光ビームスプリッターを通過し、
ここに、第２の偏光ビームスプリッター、第１のリフレクター、第２のリフレクターおよび非指向性偏光ローテーターは、短パルスがポンピングモジュールによって４回反射され増幅されるように、ポンピングモジュールに対して位置付けられ；
ここに、第１のリフレクターおよび第２のリフレクターは、ポンピングモジュールを通過する各パス上の短光パルスを転換することによって、ポンピングモジュールに存在する不均一を均一化し、および
ここに、第２の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第１の偏光ビームスプリッターは、ポンピングモジュールを通って少なくとも２回増幅されている短光パルスが第２の偏光ビームスプリッターおよび指向性偏光ローテーターを通過し、かつ、第１の偏光ビームスプリッターによって第１の増幅ステージから反射され、指向性偏光ローテーターは増幅された短光パルスの偏光を略９０°回転させることを特徴とする該システム。
【請求項８６】
第１のリフレクターおよび第２のリフレクターが効率的な熱散逸物質である請求項８５に記載のシステム。
【請求項８７】
第１のリフレクターおよび第２のリフレクターのうちの少なくとも一つがサファイア物質を含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項８８】
第１のリフレクターおよび第２のリフレクターのうちの少なくとも一つがダイア材料を含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項８９】
第１のリフレクターおよび第２のリフレクターのうちの少なくとも一つがポロプリズムを含む請求項８６に記載のシステム。
【請求項９０】
第１の偏光ビームスプリッターおよび第２の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、その上に偏光性コーティングが塗布されたハウジングを含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項９１】
第１の偏光ビームスプリッターおよび第２の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、内部偏光性コーティング層を有するハウジングを含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項９２】
第１の偏光ビームスプリッターおよび第２の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、実質的な空気−コーティング界面(を有さない偏光性コーティング層を有するハウジングを含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項９３】
第１の偏光ビームスプリッターによって第１の増幅ステージから反射された短光パルスをマイクロ機械加工に用いる請求項８５に記載のシステム。
【請求項９４】
第１の偏光ビームスプリッターによって第１の増幅ステージから反射された短光パルスを切断または穿孔に用いる請求項８５に記載のシステム。
【請求項９５】
さらに、
第１の増幅ステージに連結した第２の増幅ステージ、第２の増幅ステージは、第１の増幅ステージの第１の偏光ビームスプリッターによって第１の増幅ステージから反射された短光パルスを受容し、増幅する
を含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項９６】
第２の増幅ステージによって増幅される短光パルスを切断または穿孔に用いる請求項９５に記載のシステム。
【請求項９７】
第２の増幅ステージが実質的に第１の増幅ステージと同一である請求項９５に記載のシステム。
【請求項９８】
第２の増幅ステージが第１の増幅ステージと同様に構成され、少なくとも一つの第２の増幅ステージが複数のレーザー結晶ロッドおよび複数組のレーザーダイオードアレイを含む請求項９５に記載のシステム。
【請求項９９】
レーザーダイオードアレイの各組が光路に対して実質的に直交する平面内に配置され、各組はそれぞれの隣接する組に対してある回転角にて配置されている請求項９８に記載のシステム。
【請求項１００】
サブミクロンリソグラフィーシステムであって、
キャビティー内スペクトルフィルターを用いて時間的に平滑化されている(temporally smoothed)短光パルスを発生するように構成され、これらの短光パルスは特定の線形偏光を有するマスター発振器；
第１の増幅ステージであって、
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第１の偏光ビームスプリッター；
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第２の偏光ビームスプリッター；
第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターとの間に配置された指向性偏光ローテーター、この指向性偏光ローテーターは、第１の偏光ビームスプリッターから第２の偏光ビームスプリッターに伝播する光を通過させ、第２の偏光ビームスプリッターから第１の偏光ビームスプリッターに伝播する光の偏光を略９０°回転させるように構成されている；
ポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置されている；
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザー結晶ロッド周囲に略均等に間隔を開けて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドをポンピングする光を発光する；
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている；および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折をほぼ均一化するように適合されている；
を含むポンピングモジュール；
２つのパスにわたって光の偏光を略９０°回転させるファラデーローテーターを含む非指向性偏光ローテーター；
第１のリフレクター；および
第２のリフレクター
を含む第１の増幅ステージを含み、
ここに、マスター発振器からの短光パルスは第１の増幅ステージに向けられ、
ここに、短光パルスは、偏光変化することなく、第１の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第２の偏光ビームスプリッターを通過し、
ここに、第２の偏光ビームスプリッター、第１のリフレクター、第２のリフレクターおよび非指向性偏光ローテーターは、短パルスがポンピングモジュールによって４回反射され増幅されるように、ポンピングモジュールに対して位置付けられ；
ここに、第１のリフレクターおよび第２のリフレクターは、ポンピングモジュールを通過する各パス上の短光パルスを転換することによって、ポンピングモジュールに存在する不均一を均一化し、
ここに、第２の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第１の偏光ビームスプリッターは、ポンピングモジュールを通って少なくとも２回増幅されている短光パルスが第２の偏光ビームスプリッターおよび指向性偏光ローテーターを通過し、かつ、第１の偏光ビームスプリッターによって第１の増幅ステージから反射され、指向性偏光ローテーターは増幅された短光パルスの偏光を略９０°回転させ、
ここに、第１の増幅ステージの出力光が、第２の増幅ステージの中で出力光が分離される一組の第２の増幅ステージを含む特定のモジュールに入射し、
ここに、各第２の増幅ステージが出力光の部分を増幅し、
ここに、放射線発生器が、標的物質上の特定のモジュールによる少なくとも一つの光出力を集光し、軟Ｘ線または超紫外線を発生するプラズマを生成し、および
ここに、コリメーターが、軟Ｘ線または超紫外線の少なくとも一部を平行にするように適合されていることを特徴とする該サブミクロンリソグラフィーシステム。
【請求項１０１】
さらに、
ステッパー；
を含み、
ここに、コリメーターが、ステッパーに対して軟Ｘ線または超紫外線の少なくとも一部をコリメートするように適合されている請求項１００に記載のサブミクロンリソグラフィーシステム。
【請求項１０２】
特定のモジュールが、第１の増幅ステージの出力光の部分が第２の増幅ステージによって増幅された後、ハーモニック発生器が第２の増幅ステージによる光出力からハーモニック光を発生するように、第２の増幅ステージの各々に連結されたハーモニック発生器を含む請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０３】
放射線発生器が、標的物質上の特定のモジュールによる少なくとも一つのハーモニック光出力を集光し、軟Ｘ線または超紫外線を発生するプラズマを生成する請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０４】
第２の増幅ステージが第１の増幅ステージと実質的に同一である請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０５】
第２の増幅ステージが第１の増幅ステージと同様に構成され、少なくとも一つの第２の増幅ステージが複数のレーザー結晶ロッドおよび複数組のレーザーダイオードアレイを含む請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０６】
レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする方法であって、
１個以上のレーザーダイオードアレイを介して、入力ビームなしで、レーザー結晶ロッドをポンピングし；
可視ディスプレイ上で、レーザー結晶ロッドの縦軸から発光された光出力を観察し；
観察した光出力に基づき、前記１個以上のレーザーダイオードアレイの向きを調節し；および
観察した光出力に基づき、個々のレーザーダイオードアレイによって受容されたパワーを調節するステップを含む該方法。
【請求項１０７】
さらに、
個々のレーザーダイオードアレイの観察光を分析するステップを含む請求項１０６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
「高パワー高出力固体レーザー増幅システムおよび方法」と題する、共係属中の米国実用特許出願第０９／９０７,１５４号を基礎とする優先権主張がなされている。
【０００２】
本発明は、概略的に、コヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関し、より詳しくは、レーザーシステムのコヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
高パワー高強度レーザーシステムが非常に望まれている。しかしながら、高い品質のビームおよび短パルス時間を持つそのような高パワー高強度レーザーを得るのは非常に困難である。
レーザー増幅器は、外部レーザー発振器から入力レーザービームを取り出し、この入力レーザービームを増幅する。増幅パワーを増強することによって、次第に、より強力でより高いパワーのレーザービームが達成されている。しかしながら、従来のレーザー増幅器は、到達パワーおよび強度ゲインを制限し、さらには、低下させるような設計性能比を有している。高パワーかつ高強度にて、レーザーポンプ光により発生する熱は、レーザーおよび増幅システムにおいて熱光学効果および熱ストレスを生じて、光ビームを歪めてしまうので、従来のレーザーおよび増幅システムは不充分とされ、さらには作動不可にされてしまう。さらに、高パワー高強度レーザービームに内在するエネルギーは、即座に揮発しなければ、従来のレーザーおよび増幅システムの構成部品を恒久的に損傷してしまう。
【０００４】
高パワー高強度レーザー増幅の限界はＢ積分効果である。このＢ積分効果は、物質の屈折率と発光強度との間の関係で表される。したがって、ガウス型の強度プロファイルのごとき不均一強度分散の光ビームは、より高い光強度の領域においてより高い屈折率を有する。レーザーポンピング源に由来する不均一なエネルギー強度によって、様々な発光強度、かくして、様々な屈折率が生じる。物質の屈折率は、そこを通る光の位相速度を決定し、かくして、有効光路長を決定する。その結果、高強度の領域では位相遅れが生じ、光ビームの焦点を歪め、強度およびパワーのゲインを制限する。屈折率を変化させてもビームの影響された部分の光路が変化し、ビーム全体またはビームの部分を焦点に消失させてしまう。Ｂ積分効果は、高パワー高強度増幅器の下では、発光レベルの変動がより大きくなるため、より顕著になる。
【０００５】
光ビームに対するＢ積分効果や（レーザーパス中の光学欠陥のごとき）他の歪み源の結果として、従来のレーザー増幅器における高パワー高強度増幅は、熱が蓄積した領域（すなわち、ホットスポット）を生じる。ホットスポットはレーザーを崩壊させる欠陥領域に発生し、エネルギーを周辺領域に散逸させる。様々な熱のレベル（例えば、熱勾配）を増幅器内の別の領域に生じる不均一ポンピングの結果としても、ホットスポットは形成されるであろう。ある領域が加熱すると、さらにレーザー増幅器の屈折率をさらに歪めて、より大きな熱蓄積をもたらす。レーザー増幅器が壊れるか、または、例えば、位相遅れによる有害な光学干渉がさらなる強度および出力のゲインを妨害するまで、この熱および歪みを高める循環が続く。
【０００６】
少なくとも上記の理由から、従来のレーザー増幅器設計は、ホットスポットを形成しがちであり、達成可能な強度およびパワーゲインが制限される。ホットスポット形成は、ほとんどの増幅レーザー光エネルギーを排熱に変換して損失してしまうため、従来のレーザー増幅器において非能率性も促進される。さらに、従来のレーザー増幅器は、高価な修理および部品の交換を必要とする、高パワー高強度増幅下でのホットスポットや急激な破壊に耐えるようには設計されていない。
【０００７】
これらの高温に対処するためには、通常、能動的熱除去手段が有利である。従来、レーザー結晶ロッドの非光学表面は、通常水である液体の強制対流によって冷却される。あるいは、これらの表面を充分量のヒートシンクに熱的接続して、排熱を吸収させる。しかしながら、有効レーザー体積の幾何およびレーザー結晶ロッドの比較的低い熱伝導率のため、高温および大きな温度勾配が残存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、効率的に高出力高強度レーザービームを生じるが、有害なホットスポットの形成を最小限にし、および／または展開するホットスポットに耐えるだけ充分に強固な光を増幅するシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明は、光を増幅する従来のシステムおよび方法の欠点を大きく軽減する。代表的な具体例において、本発明は、外部源から偏光レーザー入力ビームを受容する四重パスレーザー増幅器を提供し、その入力ビームを増幅器の４つの増幅パスを通して、そのように増幅されたビームを所望の出力として出射する。増幅器には、第１の偏光ビームスプリッター(a  first  polarizing  beam  splitter;  PBS)、第２のＰＢＳ、指向性偏光ローテーター(a  directional  polarization  rotator;  DPR)、非指向性偏光ローテーター(a  non-directional  polarization  rotator;  NPR)、第１のリフレクター、第２のリフレクターおよび／またはポンピングモジュールを備えることができる。さらに、代表的具体例は増幅器を通る４つのパスを用いるが、本発明は他の偶数本または奇数本の増幅パスも意図する。さらに、増幅器を通るレーザービームによって作られたパスは同一直線上になくてもよい。
【００１０】
入力ビームは、ビーム経路中であって、２つのＰＢＳおよびＤＰＲの下流に配置されたポンピングモジュール内で増幅される。ポンピングモジュールは、光学エネルギーを入力ビームに与えて、その強度およびパワーを増強する１個以上のポンプ源（例えば、光源）を含む。これらの１個以上のポンプ源は、例えば、フラッシュランプ、別のタイプのランプおよび／またはレーザーダイオードを含むであろう。レーザーダイオードは所望の周波数付近を中心とする比較的狭い周波数バンドで発光するように適合させ得る。したがって、例えば、有効なポンピングを生じないであろう他の周波数において、光エネルギーが実質的に無駄にされないため、効率が向上される。
【００１１】
ポンピングモジュールは光路を含み、その光路自体が、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）のごとき固体物質であって、例えば、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、および／またはエルビウム（Ｅｒ）のごとき活性物質でドープされたものを含む長いレーザー結晶ロッドを含む。例えば、レーザーダイオードからの光を活性物質の上にあてることによって、それらを光学的に励起して、それらの物質の原子内の特定の電子を一時的に励起し得る（すなわち、一時的にエネルギー状態を上昇させ得る）。入力ビームが、例えば、電子が自然にそれらの通常の安定エネルギー状態に戻る前に、当該励起物質に照射されれば、その逆転の契機（すなわち、刺激）となり得、それによって、電子が低エネルギー状態に戻る結果として、大量のフォトンの放出が生じる。換言すれば、レーザー結晶ロッドはレーザーダイオードによってポンピングされ、対応励起原子を生成し、それらが、誘発発光により量子を照射野に引き渡す。刺激されたまたは誘発された発光は、入力ビームについて位相コヒーレント増幅メカニズムを与える。
【００１２】
個々のレーザーダイオードをレーザー増幅器に用い、例えば、矩形の光ビームを発光するが、他の形状も本発明により意図される。これらのダイオードはダイオードバーを含む縦軸列に搭載することができる。複数のそのようなバーを（マトリクス中でダイオードが互いに同一方向を向くように）互いに隣接させて搭載して、レーザーダイオードアレイを作製する。次いで、これらのアレイをレーザー結晶ロッドの向かい側に所望の構成で配置し、ダイオード光がそのロッド上にあたって、それをポンピングし得るようにする。各レーザー結晶ロッドは、増幅ステージ内で、少なくとも１組のレーザーダイオードアレイと対になる。多重ステージ増幅器、例えば、並列または直列配列されたプレ増幅ステージおよび増幅ステージを含むものが意図される。
【００１３】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド周囲に配置された奇数個のレーザーダイオードアレイを用いてポンピング効率が促進されたものを提供する。例えば、規則的に間隔が開けられ円周状に配列された奇数個のアレイを有する増幅ステージにおいて、どの２つのアレイも、レーザー結晶ロッドの縦軸周りに、互いに向かい合って（すなわち、互いに１８０°にて）配置されていない。さらに、レーザーダイオードアレイ間に配置されているリフレクターは、レーザー結晶ロッドに吸収されずに活性媒体に戻ってきたポンピングエネルギーを反射し得る。
【００１４】
本発明は、レーザー増幅器に実質的に均一なポンピングエネルギーを供給することにおいて有利である。ポンピング均一性は、円周状のレーザー結晶ロッド周りに配置されたレーザーダイオードアレイの個数を増やすことによって向上させることができ、それによって、隣接するレーザーダイオードアレイ間の照射角を小さくすることができる。さらにレーザーダイオードアレイの個数を増やして（入力エネルギー源の個数を増やすことによって）、利用可能なポンピングエネルギー総量を増やし、増幅を促進する。したがって、代表的具体例において、本発明は、例えば、５個以上のレーザーダイオードアレイを備えることができる。
【００１５】
本発明は、レーザーダイオードからの発光を方向付ける１個以上の筒状レンズおよび／またはミラーを備えることもできる。その結果、より多くのポンピングエネルギーがレーザー結晶ロッドに到達し、そこで入力ビームを増幅できるため、増幅効率が向上する。ポンピングエネルギーの焦点が、例えば、レーザー結晶ロッドの表面およびその外側から離れたところにくるようにレンズおよび／またはミラーを配置することによって、ポンピング均一性はさらに向上される。このように、ポンピング光がレーザー結晶ロッドに到達したとき、それが集光されず、したがって、レーザー結晶ロッドの直径方向に均等に分散する。本発明は、さらに増幅器性能を向上させるために、非球面レンズを用いることも意図する。
【００１６】
代表的具体例において、本発明は、長軸に沿って整列した複数のレーザー結晶ロッドを用いる。この多重ステージ構成は、同一の光ビームを連続して増幅するポンピングエネルギー源の個数を増やすことによって、入力ビーム増幅を向上させる。さらに、多重ステージ構成は、例えば、熱レンズ効果および／または複屈折効果に起因する歪みを調節することによって利益があるであろう。
【００１７】
代表的具体例において、本発明は、レーザーダイオードバーおよび／または実質的に同一の特性（例えば、実質的に同じピーク出力強度および波長）を有するように選択された個々のレーザーダイオードを備えることができる。そして、レーザーダイオードバーおよび／またはレーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に組み込み、各レーザーダイオードが実質的に同一の電気入力を受容するように配線する。そのようなレーザーダイオードアレイは、出力パワーおよび平均ピーク出力波長をあまり変化させない。
【００１８】
本発明は、レーザーダイオードアレイの出力パワーを非実質的に変化するように制御する点で利点がある。代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器のステージの各々にあるレーザーダイオードアレイの出力パワーが経験上整合するように、個々のレーザーダイオードアレイに電源を備える。電源はパワー制御手段（例えば、加減抵抗器、可変トランジスター等）を含むことができ、手動で、または、一例として、例えば、センサー回路を用いるフィードバックループ回路を用いるコンピュータシステムによるごとく自動的に、それらを観察し制御することができる。もう一つの代表的具体例において、本発明は、各アレイへの電気的入力が最低パワーレーザーダイオードアレイによって用いられるレベルに制限されるものを提供する。この最低パワーレーザーダイオードアレイよりも高いパワーを出すレーザーダイオードアレイは、より高いパワーのアレイと並列に置かれた電気負荷を有し、それによって、これらのより高いパワーのアレイから適正量の電力を取り出す。かくして、全てのレーザーダイオードアレイが実質的に同じ出力パワーを発生する。
【００１９】
代表的具体例において、本発明は、各レーザーダイオードの矩形発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と平行に配置されるようにレーザーダイオードアレイを配向させることができるものを提供する。レーザーダイオードの矩形発光面は、短辺および長辺の２組の辺を有する。短辺の長さは、長辺の長さよりも短い。特定の個々のレーザーダイオードの矩形発光面から発光される光の強度パターンを観察すると、矩形発光面の短辺（すなわち、短軸または速軸）に平行な方向に、大きな光学的角度分散がある。反対に、矩形発光面の長辺（すなわち、長軸または遅軸）に平行な方向に、小さな光学的角度分散がある。そのような光学的角度分散は二次元単一スリット回折パターンとしてほぼ解析し得、それによれば、光学的角度分散は発光波長にほぼ比例し、特定次元のスリット幅にほぼ反比例する。個々のレーザーダイオードをレーザー結晶ロッドの縦軸に対して直角に配向させる（すなわち、レーザーダイオードの短軸または速軸をレーザー結晶ロッドの縦軸と平行にする）ことによって、分散はそれらの長軸または遅軸から離れて実質的に互いにオーバーラップし合い、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度を効率的に平滑化する。ポンピング強度の平滑化は、レーザー結晶ロッドをポンピングする均一性を促進する。本発明は、上記したポンピング強度の平滑化および均一性を用いる他のレーザーダイオードアッセンブリーまたは個々のレーザーダイオードを用いることも意図する。さらに、ポンピング均一性はアレイ中のレーザーダイオード間の間隔を狭めることによって達成することができる。かくして、例えば、この代表的具体例は、当然、レーザーダイオード間の間隔を狭め、かくして、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度の均一性を高める。さらに、この代表的具体例は、より多数のレーザーダイオードも用いる。これらの後者の態様は、レーザー増幅器の全増幅および効率を向上させる。
【００２０】
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器の耐久性および堅牢性を向上させる。ポンピング源、そしてレーザー増幅器は、孤立したレーザーダイオードまたは孤立したレーザーダイオードバーが故障しても、有効に作動し続ける。これは、ある程度、実質的に隣接する個々のレーザーダイオードおよび／または実質的に隣接する個々のレーザーダイオードバーの間のポンピング強度の実質的なオーバーラップによる。かくして、実質的に隣接するレーザーダイオードおよび／または実質的に隣接するレーザーダイオードバーからの光学角度分散は、無発光（損傷した）バーおよび／またはダイオードの向かい側にあるレーザー結晶の部分を充分に発光させて、損失ポンピングエネルギーを補償する。あるいは、ポンピング強度をモニターし、調節する（例えば、個々のレーザーダイオード、レーザーバーおよび／またはダイオードアレイに供給される電力を調節する）コンピュータに連結させることができる制御回路により、ポンピング強度を選択的に増強して、無発光（損傷した）レーザーバーおよび／またはレーザーダイオードの向い側にあるレーザー結晶の部分の損失ポンピングエネルギーを補償する。
【００２１】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの縦軸に沿った複数組のレーザーダイオードアレイを備えることによって、ポンピングエネルギーのより高い均一性を達成する。各々の連続した組のアレイを隣接する組のアレイの配向に対して回転させ、ポンピングエネルギーが異なる放射方向から各増幅ステージ中のレーザー結晶ロッドまたはレーザー結晶ロッドに達するようにする。例えば、横ポンピングに５つのレーザーダイオードアレイの組を用いるレーザー増幅器で、各々の連続した組のレーザーダイオードアレイを隣接するアレイの組に対して３６°回転させることができる。かくして、隣接する増幅ステージ中のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド縦軸に沿った放射状交互配向で配置する。しかしながら、そのように交互にずらすことは。３６０°の円周の周囲の５つのアレイの対称な（それゆえ、最適な）分布をもたらすが、他の非対称交互配列も用い得ることに留意すべきである。
【００２２】
代表的具体例において、本発明は、多重ステージ増幅器中の連続したレーザー結晶ロッド間に配置された９０°ローテーターのごときローテーターを備える。このローテーターは、レーザー結晶ロッド中の様々な偏光配向に対する屈折率勾配にある程度起因する入力ビームの位相および偏光の変化を補償する。特に、このローテーターは光の偏光を変化させて、一つのレーザー結晶ロッド中の屈折率勾配が他のレーザー結晶ロッド中に生じる偏光変化を無効にする（例えば、実質的に相殺する）。
【００２３】
高い平均ポンピング条件下、レーザー結晶ロッドは、その断面を横断する内部熱分布を示し、その軸中心が最も高温である。物質の屈折率は温度の関数なので、レーザー結晶ロッド内部の屈折率は同様の分布を取る。その結果として、定常動作に達した後、レーザー結晶ロッドは正レンズのように振る舞い、ビームの伝播特性を変化させる。しかしながら、それは、そのビームが増幅器を通る多重パス全体でそのビームを横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成するのに有利である。したがって、代表的具体例において、レーザー結晶ロッドを横切る均一ポンピング条件を提供して、例えば、球面レンズにより補償を達成することができる単純球面レンジング(a  simple  spherical  lensing)を達成する。本発明は、例えば、第１の増幅モジュールと第２の増幅モジュールとの間に配置された負レンズまたは、妥当であれば、正レンズを含むことができる補償レンズモジュールも備えることができる。代表的具体例において、増幅モジュールはレーザー結晶ロッドを含み、それは、例えば、高い平均ポンピングパワー下で正レンズ効果を示す物質を含む。この負レンズは、増幅モジュール中の２つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果を補償して、ビームが多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持する。この負レンズは、増幅モジュール中の２つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。
【００２４】
レーザー結晶ロッド内部の偏光効果を最小限にするため、所定の増幅器中の連続したレーザー結晶ロッドは、実質的に同じ物理特性を有するべきである。代表的具体例において、本発明は、同一の結晶ブールから所定の多重ステージ増幅器用のレーザー結晶ロッドを作製することを提供する。レーザー結晶ブールは、実質的に結晶に埋め込まれた活性元素を含有するメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配は、結晶ブールの縦方向に沿って形成することができる。例えば、結晶ブールの底部を最高ドーパント濃度とすることができる。同一の結晶ブールから同一の縦領域からのロッド（例えば、結晶ブールの横スライス）の中心を切り出して、実質的に同一のドーパント濃度プロファイルおよび他の同じ物理的特性を有するレーザー結晶ロッドを得、それによって、レーザー結晶ロッド間でより高い類似性を達成する。したがって、レーザー結晶ロッド間の類似性は、例えば、同じストレス複屈折の効果を相殺するのに有利な同じストレス複屈折（例えば、熱ストレス複屈折）を与える。
【００２５】
第１および第２のＰＢＳは、レーザー経路中に配置され、元の入力ビームを透過させるが、元の入力ビーム偏光と直交する（正規の）偏光を有する光は屈折させる。第１のＰＢＳは、元の入力ビームをレーザー増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームは出力として出射する。なぜならば、その箇所でのそのビームの偏光は入力ビームのものと直交しているからである。その結果、第１のＰＢＳは、増幅器を通るレーザービームの第１の増幅パスを生じ、増幅器を通る４番目で最後のパスを終了させる。第２のＰＢＳは元の入力ビームおよび充分増幅されたビームを反対方向に透過させるが、増幅器を通る第２のパスの後、第３のパスの前では増幅が不充分なビームを屈折させて、（第４のパスに続く）第３のパスを通してさらに増幅させる。かくして、第２のＰＢＳは第２のパスを屈折させて、第３のパスを開始するが、第１ないし第４のパスに直接影響を与えない。
【００２６】
ＤＰＲは第１および第２のＰＢＳ間のビーム経路中に配置される。このＤＰＲは、第１のＰＢＳから第２のＰＢＳまで進行するビームに対する偏光効果を有しないが、第２のＰＢＳから第１のＰＢＳへと戻る（充分に増幅された）ビームの偏光を回転させる構成部品または一組の構成部品を含む。その結果、第２のＰＢＳは、第１のＰＢＳから受容した光を透過させるが、第１のＰＢＳは、第２のＰＢＳから受容した光を屈折させる。このＤＰＲは元の入力ビームを増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームの偏光を回転させて、第１のＰＢＳがそのビームを屈折して出力ビームとして出射するようにする。このＤＰＲはファラデーローテーター、波長板またはそれらのある組合せを含むことができる。入力方向に進行する光に関して、これらのエレメントは互いに反対偏光になるように選択され、それらが互いに打ち消し合うようにする。反対方向に進行する光に関して、ファラデーローテーターおよび波長板はさらなる偏光効果を有する。
【００２７】
ＮＰＲは、ビーム経路中、ポンピングモジュールの下流にある。ＮＰＲは、２本のパスにつき入力ビームの偏光を９０°回転させる。その結果、このビームは、（累積して９０°回転して）第２のパスにおいては直角に偏光され、第２のＰＢＳがそれを屈折させて第３のパスが開始する。ＮＰＲは、第４のパスにおいてこのビームを（累積して１８０°回転させて）その最初の偏光に戻して、第２のＰＢＳがこのビームを（屈折させずに）透過するようにする。ＮＰＲは、例えば、波長板を含むことができる。代表的具体例において、本発明は、例えば、デュアルレーザーロッドシステムの残留複屈折補償も達成することができるファラデーローテーターを備える。
【００２８】
四重パス増幅器は２つのリフレクターを含むことができる。第１のリフレクターはビーム経路中、ＮＰＲの下流にあり、第１および第３のパスの後、そのビームを戻して、第２および第４のパスを開始する。第２のリフレクターは第２のＰＢＳの屈折経路中に配置され、第２のパスと第３のパスとの間でそのビームを受容し戻す。リフレクターは、この入力ビームを受容し戻す光学ミラーを含む。高パワー高強度アプリケーションにおけるレーザーリフレクター材料は、光を光学的に反射し、透過するように作用し、熱効率を損失させ、および／または構造的に堅牢物質から作製し得る。メタルバックミラー(metal-backed  mirrors)のごとき硬質界面リフレクターはある種のアプリケーションには不利であろう。なぜならば、増幅されたレーザー光がメタルバックミラーで破壊されてしまうかもしれないからである。
【００２９】
代表的具体例において、本発明は、これらのリフレクターのうち１つかまたは両方が、ポロプリズム(Porro  prism)を含むものを提供する。ポロプリズムは、実質的に透明な物質で作られた４５°−９０°−４５°の固体構造を含む。ポロプリズムは入ってきた光エネルギーを反射性コーティングの必要なく効率的に反射する。さらに、ポロプリズムは、増幅器を通る第１および第３のパスの後、ビームを変換することによってレーザービームの均一性を高める。その結果、そのビームは四重パス増幅器をある配向で２回、変換された配向で２回通過して、レーザー結晶ロッド内部の増幅プロファイルにおける欠陥を均一化（例えば、平滑化、無効化または相殺）する。
【００３０】
代表的具体例において、本発明は、第１および第２のＰＢＳが外面に偏光性コーティングを有するものを提供する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、第１および第２のＰＢＳが内面に偏光性コーティングを有する固体ＰＢＳであるものを提供する。例えば、ＰＢＳは、内部対角面に偏光性コーティングを有する固体立方体形状の光学的に透明デバイスを構成することができる。固体ＰＢＳは、特に、高パワーレーザーアプリケーションの分野に適用できる。高出力高強度レーザーシステムは、例えば、平方ｃｍあたり数ギガワット（ＧＷ／ｃｍ２）強度のビームを生じることができ、それを集光すると、例えば、特定の焦平面にて１０１５Ｗ／ｃｍ２を超えることがある。高パワーレーザー増幅器中の偏光性コーティングの位置付けは、空気−コーティング界面にてホットスポットの形成を回避する。なぜならば、もはや実質的に空気に接していないからである。
【００３１】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの円周の周囲にクラッド層を備えて、回折効果を低減し、増幅性能を向上させる。クラッド層は実質的に透明な固体物質（例えば、レーザー結晶ロッドのそれと同様であるが、活性元素ドーパントを含まない物質）である。特に、例えば、ビーム径がクラッド層なしのレーザー結晶ロッド径を超える場合、レーザー結晶ロッドから出射するビームの回折効果を低減させることによってビーム品質を向上するように、クラッド層を構成することができる。
【００３２】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドを冷却する液体（例えば、水）を備える。この液体は、実質的に透明な物質（例えば、ガラスまたはプラスチックス）を含むハウジング（ケーシング）内部に含有することができる。ケーシングおよび液体は、レーザー結晶ロッドとポンピング源との間に配置される。液体層は強制循環されて、局所的熱蓄積の防止を助ける。もう一つの代表的具体例において、本発明は、ケースがレーザーダイオードからのポンピングエネルギーを集光し、それをレーザー結晶ロッド内の光路に向けて方向付けるレンズ（例えば、正レンズ）を含むかまたは形成するように、ケースが適合されているものを提供する。適合されたケースは、レンズ系やミラーを用いたのと同じ位に効率を高めるが、材料費を削減する。適合されたケースは、レーザー結晶ロッドの長さ分延在し、かつ、レーザーダイオードアレイに囲まれる長いユニタリーレンズであろう。それゆえ、ケーシングの壁構造の形状は、所望のレンジングを達成する基本レンズ原理を用いて構成し得る。そのようなケーシングは、例えば、射出、鋳型または機械加工技術を用いて作製し得る。
【００３３】
代表的具体例において、本発明は、第１および第２の反射性光学ミラーの基板が、高熱伝導により特徴付けられる透明物質（例えば、サファイアまたはダイアモンド）を含むものを提供する。人工アナログ（例えば、ジルコニウム）も用い得る。サファイアおよびダイアモンドは局在化した熱を急速に散逸させる物理特性を有する。かくして、サファイアおよびダイアモンド基板は、ホットスポットの蓄積の防止を助ける。さらに、サファイアおよびダイアモンドは両方とも、耐久性のある物質であり、かくして、ミラーの信頼性を向上させる。
【００３４】
同じ符号は同じ部品を意味する付随する図面とともに、以下の本発明の詳細な説明を査読すれば、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
発明の詳細な説明
本発明によれば、高品質の高パワー高強度レーザービームを生じるシステムおよび方法が提供される。
【００３６】
Ｉ．システムおよび方法の概略
図１に例示する代表的具体例において、本発明は、外部レーザー源１０（例えば、マスター発振器）およびレーザー増幅器５を備える。外部レーザー源１０はレーザー増幅器５によって増幅される入力ビーム２０を発生する。レーザー増幅器５は第１の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）３０、第２のＰＢＳ４０、指向性偏光ローテーター（ＤＰＲ）５０、非指向性偏光ローテータ（ＮＰＲ）６０、第１のリフレクター７０、第２のリフレクター８０およびポンピングモジュール９０を含む。例示した具体例において、レーザー増幅器５は四重パス光学増幅器として構成される。しかしながら、本発明は、ｎ重パス光学増幅器も意図する。ここで、ｎは基数である。さらに、本発明は、各構成部品の数量を変更したり、例えば、光路を部分的に、全体的に同一直線上にするか、または全く同一直線上にしないなど、構成部品の向きを別の配置に変えたりすることを含む当業者による変形も意図する。
【００３７】
作動中、ビーム２０はレーザー増幅器５に入射し、ポンピングモジュール９０を４回通過する。各パスで、ポンピングモジュール９０はビーム２０を増幅して、例えば、より高い強度およびより高いパワーのビームを生じる。４回増幅された後、ビーム２０は、出力ビーム１５として、レーザー増幅器５から出射する。図１はオーバーラップしない四重パスを例示するが、ビーム２０がオーバーラップしても、さらには、いくつかのまたは全てのパスが同一直線上にあってもよいことに留意すべきである。
【００３８】
作動中、例えば、パルスレーザー発振器またはレーザーダイオードを含むことができるレーザー源１０は、ビーム２０を発生する。この実施例において、議論し易くするために、レーザー源１０によって発生されるビーム２０は水平偏光（Ｐ偏光）され、図１の紙上平面に平行な波として発振すると仮定する。第１のＰＢＳ３０は、Ｐ偏光を通すように適合されており、ビーム２０を通す。ビーム２０は偏光を変えることなくＤＰＲ５０を通過する。なぜならば、ＤＰＲ５０は第１のＰＢＳ３０から第２のＰＢＳ４０へと伝播する方向においてビーム２０の偏光に影響しないように適合されているからである。かくして、ビーム２０は、ＤＰＲ５０を出射した後もＰ偏光を保持し、偏光を変化させることなくＰ偏光を通過するように適合されている第２のＰＢＳ４０を通過する。次いで、ビーム２０はポンピングモジュール９０に入射し、そこで、ポンピングモジュール９０は、例えば、ビーム２０のパワーおよび強度を増強することによって、ビーム２を増幅する。ポンピングモジュール９０から出射し、ビーム２０の偏光は、ＮＰＲ６０によって、例えば、１パスあたり４５°回転する（しかし、より概略的には、ＮＰＲ６０を通過する２パスあたり９０°回転する）。ビーム２０が第１のリフレクター７０によって反射されて、第１のパスが終わる。
【００３９】
第２のパスにおいて、ＮＰＲ６０は、次いで、ビーム２０の偏光をＰ偏光から合わせて９０°回転させる。その結果、この実施例において、ビーム２０は、今や、垂直偏光（すなわち、Ｓ偏光）である。次いで、ポンピングモジュール９０は、２度目のビーム２０増幅を行う。ビーム２０は、もはやＰ偏光でないので、ビーム２０は第２のＰＢＳ４０を通過せず、その代わり、第２のＰＢＳ４０はビーム２０を第２のリフレクター８０へ進路変更させる。
【００４０】
第３のパスにおいて、ビーム２０は第２のリフレクター８０によって反射され、引き続いて第２のＰＢＳ４０によって反射される。次いで、ポンピングモジュール９０は、３度目のビーム２０増幅を行い、ＮＰＲ６０は、第１のリフレクター７０によって反射される前に、ビーム２０の偏光を、例えば、さらに４５°回転させる。ＮＰＲ６０は、各パスでビームの偏光を４５°回転させる必要はない。その代わり、ＮＰＲ６０は、２つのパスにわたってビームの偏光を９０°回転させることができる。
【００４１】
４番目でかつ最後のパスにおいて、ビーム２０の偏光は、例えば、ＮＰＲ６０によってさらに４５°または最後の２つのパス（すなわち、第３および第４のパス）にわたって９０°回転させられ、それによって、ビーム２０の偏光はＰ偏光に戻る。次いで、ポンピングモジュール９０は、４度目のビーム２０の増幅を行う。ビーム２０は再びＰ偏光であるので、ビーム２０は第２のＰＢＳ４０を通過する。次いで、ビーム２０はＤＰＲ５０を通過する。ＤＰＲ５０は、第２のＰＢＳ４０から第１のＰＢＳ３０へと伝播する方向においてビーム２０の偏光に影響するように適合されており、ビーム２０の偏光を９０°回転させる。
【００４２】
かくして、ビーム２０はＰ偏光としてＤＰＲ５０に入射するが、ビーム２０はＳ偏光としてＤＰＲ５０から出射する。したがって、第１のＰＢＳ３０はビーム２０を通さないが、その代わり、ビーム２０を屈折させて、出力ビーム１５としてレーザー増幅器５から出射する。
【００４３】
ＩＩ．マスター発振器
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器５によって実質的に増幅されるビーム２０を発生するマスター発振器１０を備える。図１６に例示するように、マスター発振器１０は、第１の光反射性ミラー２１０、キャビティーダンパー２２０、ポーラライザー２３０、第１のエタロン２４０、第２のエタロン２５０、第２の高反射性ミラー２６０、Ｑ−スイッチ２７０、モードロッカー２８０、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質２９０、高反射性コーティング３００およびレーザーダイオードアレイ３１０を含むことができる。共振器キャビティーは光路３２０、２つのミラー２１０,２６０、ポーラライザー２３０およびコーティング３００によって定められる。
【００４４】
作動中、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質２９０はレーザーダイオードアレイ３１０によってポンピングされる。レーザーダイオードアレイ３１０は、発光した光を集光することによってＮｄ：ＹＡＧ媒質２９０（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー結晶ロッド）の縦ポンピングを支援するレンズを含むことができる。ダイオードアレイは、例えば、約１キロヘルツ（ｋＨｚ）にて約８０８ｎｍおよび約２５０ワット（Ｗ）（ピーク）にて、約２０％デューティーサイクルで作動することができる。近回折限界ビーム品質およびパルスあたり高エネルギーで短パルス持続時間のものを発生するため、Ｑ−スイッチ２７０、モードロッカー２８０およびキャビティーダンパー２２０が用いられる。Ｑ−スイッチ２７０は、ポンプパルスの終端にて共振器を開き、例えば、約１５０ピコ秒（ｐｓ）レーザーパルスを生じる。モードロッカーは、レーザーモードを強制して、Ｑ−スイッチ時間の間共振器キャビティーを循環する短パルスを生じる。パルスがピーク強度に達した時点でキャビティーダンパー２２０は光の偏光を９０°回転させ、入射パルス（それがビーム２０になる）が、ポーラライザー２３０を通って、共振器キャビティーから出射する。そのような構成は、共振器キャビティー中に保存されたエネルギーのほとんど全てが短パルスとして共振器キャビティーから出射し得る点で有利である。
【００４５】
代表的具体例において、本発明は、内部キャビティースペクトルフィルター３３０を含むマスター発振器１０を備える。内部キャビティースペクトルフィルター３３０は、第１のエタロン２４０および第２のエタロン２５０を含むことができる。第１のエタロン２４０は、例えば、約１５ミリメーター（ｍｍ）厚のエタロンを含む。第２のエタロン２５０は、例えば、約１０ｍｍ厚のエタロンを含むことができる。しかしながら、これらの数値は単に代表的なもので（すなわち、制限するものではなく）、本発明は、エタロン２４０,２５０について他の数値も意図する。エタロン２４０,２５０は、例えば、窓状に形成された一片のガラスまたは水晶を含むことができ、その窓の両面は互いにほぼ完璧に平行かつ平面である。エタロン２４０,２５０の厚は、どの特定組の波長がエタロン２４０,２５０を通過するかに関連する。それらの表面の反射率がモジュレーション振幅(modulation  depth)を決定する。エタロン２４０,２５０はレーザーモードを制御するスペクトルフィルターを形成することができる。適正な組合わせのエタロン２４０,２５０は、例えば、平滑パルスを生じる適正モードを与える。平滑パルスは高ピークパワーでの作動において有利である。なぜならば、急峻なスパイクはレーザー結晶ロッドおよび／または光学構成部品を損傷するかもしれないからである。一定のパルス形状を有することで、レーザー結晶ロッドおよび光学構成部品を、損傷閾値を超えることなく、高強度かつ高パワーで作動し得る。
【００４６】
実験データは、内部キャビティースペクトルフィルターを用いて、１ｋＨｚにてパルスあたり約０．５ミリジュール（ｍＪ）ないし約３ｍＪを達成することができることを示す。２つのエタロン２４０,２５０なしに、パルス持続時間は平滑化することができず、例えば、モードビートのために、パルス間で変化するであろう。単一のエタロン２４０または２５０は、パルス持続時間を約７００〜８００ｐｓ半値幅(full-width-half-maximum;  FWHM)に安定化するが、固定された高めのモジュレーションが依然として残存する。一緒に作動する２つのエタロン２４０,２５０により、この固定化された高めのモジュレーションおよび平滑な約７００〜８００ｐｓパルスが得られる。
【００４７】
ＩＩＩ．偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
代表的具体例において、本発明は、第１のＰＢＳ３０および第２のＰＢＳ４０が実質的に互いに同じものを提供する。しかしながら、もう一つの実施例において、第１のＰＢＳ３０および第２のＰＢＳ４０は、レーザー増幅器５の性能に著しく影響しなければ実質的に異なっていてよい。
【００４８】
第１のＰＢＳ３０および第２のＰＢＳ４０は、所望の偏光を有する光を実質的に妨害せず、他の偏光を屈折させつつ、通過させるように適合されているデバイスを含むことができる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque,  New  MexicoのCVI  Technology  Inc.から多数のモデルで入手可能な偏光ビームスプリッターを用いる
【００４９】
本発明によるＰＢＳ３０,４０の代表的具体例を図３に例示する。例示されたＰＢＳ３０,４０は、偏光性コーティング３５が実質的に透明な物質４５の外面に塗布された薄膜ポーラライザーを含む。特定の条件下、ビーム２０は、ＰＢＳ３０,４０が空気−コーティング界面にて熱蓄積を被るようにする。この熱蓄積は、例えば、ビーム２０をその意図する方向から屈折させ、増幅器５の光路を誤整列させるのに充分であろう熱光学効果を生じる。
【００５０】
本発明によるＰＢＳ３０,４０のもうひとつの代表的具体例を図２および４に例示する。この代表的具体例において、本発明は、ＰＢＳ３０,４０が内部偏光性コーティング層を有する固体構造を含むものを提供する。特に、図４は、実質的に透明な立方体形状材料４５内の内部対角面に沿って配置された偏光性コーティング３５を例示する。したがって、この代表的具体例は実質的な空気−コーティング界面を有さず、かくして、空気−コーティング界面にて熱蓄積を被ることがない。かくして、本発明によるＰＢＳ３０,４０のこの代表的具体例は、上記熱光学効果を被ることがなく、信頼性および耐久性を向上させる。
【００５１】
ＩＶ．指向性偏光ローテーター（ＤＰＲ）
代表的具体例において、本発明は、図１および２に例示するように、ＤＰＲ５０が、第１のＰＢＳ３０から第２のＰＢＳ４０に伝播する方向に進行するビーム２０の偏光に実質的に影響しないように適合されているものを提供する。
【００５２】
ＤＰＲ５０は、例えば、第２のＰＢＳ４０から第１のＰＢＳ３０に伝播する方向に進行するビーム２０の偏光を９０°回転させるようにも適合されている。その結果、上記の実施例において、第２のＰＢＳ４０は第１のＰＢＳ３０から受容した光を透過させ、第１のＰＢＳ３０は第２のＰＢＳ４０から受容した光を屈折させる。
【００５３】
ＤＰＲ５０は、例えば、半波長板１００（例えば、位相差板）およびファラデーローテーター１１０を含むことができる。半波長板１００は、２つの互いに直交する軸（すなわち、遅軸および速軸）を有する光学エレメントを含む。この光学エレメントは、ビーム２０の偏光の互いに直交する成分間の相対位相遅れを導入することによってビーム２０の偏光を変換する。作動中、半波長板１００は、ビーム２０の偏光に対して適宜配向しており、線形偏光ビームを、例えば、４５°回転させる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque,  New  MexicoのCVI  Laser  Corp.から多数のモデルが入手可能な半波長板１００を用いる。特定のモデルの選択は、充分に当業者の理解の範囲にあり、少なくとも、半波長板１００の所望のサイズとビーム２０の波長に依存する。
【００５４】
ファラデーローテーターは、例えば、ビーム２０の偏光に影響を及ぼす軸磁場内部に配置される高ベルデ定数を有するガラスロッドを含むことができる。しかしながら、別のタイプのファラデーローテーターを用いることもできる。光は電磁波なので、この強磁場はビーム２０の偏光を回転させる。しかしながら、回転の符号はビーム２０の伝播方向および磁場の極性の関数である。かくして、例えば、ファラデーローテーター１１０は、図２に例示された増幅器に組み込まれたとき、増幅器５を通る第１のパスに先立ち、ビーム２０の偏光を（例えば、時計回りに）回転させるが；ファラデーローテーター１１０は、増幅器を通る第４のパスの後、ビーム２０の偏光を（例えば、反時計回りに）回転させる。代表的具体例において、本発明は、Traverse  City,  MichiganのElectro-Optics  Technology,  Inc.から多数のモデルで入手可能なファラデーローテーターを用いる。
【００５５】
作動中、ビーム２０が第１のＰＢＳ３０から第２のＰＢＳ４０へ伝播するとき、ＤＰＲ５０は、ビーム２０の偏光には実質的に影響しない。なぜならば、偏光を半波長板１００がある方向に４５°回転させ、ファラデーローテーター１１０が反対方向に４５°回転させるからである。かくして、半波長板１００およびファラデーローテーター１１０は効率的に互いを打ち消し合う（すなわち、背反的に作動する）。一方、ビーム２０が第２のＰＢＳ４０から第１のＰＢＳ３０に伝播するとき、ＤＰＲはビーム２０の偏光を９０°回転させて、例えば、Ｐ偏光ビームをＳ偏光ビームに変換する。この場合、半波長板１００およびファラデーローテーター１１０の各々は、偏光を同一方向に４５°回転させる。正味の効果は、半波長板１００およびファラデーローテーター１１０がビーム２０の偏光を９０°回転させるというものである。換言すれば、半波長板１００およびファラデーローテーター１１０は効率的に協調的に作動する。
【００５６】
Ｖ．非指向性偏光ローテーター（ＮＰＲ）
図１および２に例示するように、レーザー増幅器５はＮＰＲ６０を含む。前記したように、ＮＰＲ６０は、各パスでビーム２０の偏光を４５°回転させることができるが、より通常は、ＮＰＲ６０は、２つのパスにわたって、ビーム２０の偏光を９０°回転させる。代表的具体例において、本発明は、ＮＰＲ６０が、一回りで９０°回転するようにビーム２０の偏光に対して適宜配向している波長板（例えば、１／４波長板）を含むものを提供する。しかしながら、適正に配向した波長板は、入ってくる入力ビーム２０の偏光が線形で既知であるときにのみ、適正な偏光回転を達成する。残念ながら、例えば、ポンピング中の複屈折のため、ビーム２０の偏光は完全に線形でもないし、必ずしも既知ではない。レーザー増幅器５を慎重に設計することによって、ある程度、複屈折を最小限にし得るが、高出力高強度作動により、複屈折はかなりのものになる。実験データは、ＮＰＲ６０として波長板を用いたとき、レーザー増幅器５の高い平均パワー作動は、成功しないであろうことを確認した。それは、ある程度、レーザー増幅器５がビーム２０の偏光を適正に回転させることなく自由発振レーザーとして挙動するからである。
【００５７】
もう一つの代表的具体例において、本発明は、ＮＰＲ６０が偏光を、例えば、パスあたり４５°、より概略的には、２つのパスにわたり９０°回転させるものを提供する。ファラデーローテーターは、ファラデーローテーターを通る第１のパスでは補償されない残留不均一偏光回転を、ファラデーローテーターを通る第２のパスで補償し得るという点で有利である。実験データは、ファラデーローテーターを含むＮＰＲ６０を有するレーザー増幅器５が約１００Ｗのパワー入力レベルを超えて作動し得ることを示した。
【００５８】
ＶＩ．リフレクター
代表的具体例において、本発明は、図１および２に示すように、第１のリフレクター７０および第２のリフレクター８０を含む。リフレクター７０および８０は、ビーム２０のエネルギーおよび強度に耐え、再び方向付けするように適合された光学ミラーであってよい。もう一つの代表的具体例において、本発明は、光学ミラーが、２つの異なるタイプのコーティングからなる反復パターンの交互層が施された基板層を含む。これらの２つの異なるコーティング層は、少なくとも、ビーム２０の波長にて透明であり、異なる屈折率を有し、厚さが異なってよい。ビーム２０が反復パターンの交互層にあたったとき、協調型および背反型干渉が、各コーティング層境界にての内部反射および透過により生じる。協調型干渉を満足させる特定の波長のみがこのミラーによって反射される。さらに、例えば、交互コーティング層の数を増加することによって、これらのミラーの反射率を増すことができる。
【００５９】
代表的具体例において、本発明は、ミラー基板が、金属板のごとく、不透明な物質ではないが、光学的に透明なものであるものを提供する。特定の状況下（例えば、高パワー高強度レーザー作動下）、ビーム２０は即時不透明基板を蒸発させる。さらに、光学ミラー内の内部複屈折は、自体を破壊するかこのミラーの光学特性を歪めるのに充分な熱を発生し得る。したがって、もう一つの代表的具体例において、本発明は、透明で優れた熱伝導性を有する基板材料を含む、少なくとも１つのリフレクター７０,８０を備える。かくして、さらにもう一つの代表的具体例において、本発明は、基板材料がサファイア（Ａｌ２Ｏ３）またはダイアモンド（Ｃ）のごとき材料を含むものを提供する。そのような材料は、充分な熱損失を付与し、構造的安定性および耐久性を与える。さらに、そのような材料は、極端な熱条件下でも破壊されないことによって回復力を付与する。
【００６０】
もう一つの代表的具体例において、本発明はポロプリズムを含むリフレクター７０,８０を備える。図５に例示するように、ポロプリズムは、全部で１８０°の方向変化を伴って、ビーム２０を反射する４５°−９０°−４５°プリズムである。このポロプリズムは、例えば、ガラスまたはプラスチックのごとき実質的に透明な物質からなる。ビーム２０は、長面７６からポロプリズムに入射し、第１の短面７６で反射し、次いで、第２の短面７９で反射する。第１の短面７６と第２の短面７９とは直交している。
【００６１】
作動中、このポロプリズムはビーム２０の断面を（垂直または水平のいずれかに）変換する。それゆえ、増幅器を通る路を戻ることによって、ビーム２０はその配向に関して、以前の増幅器を通る間に変換される。そのような変換は、増幅器を通る連続パスによって、レーザー結晶ロッド内の変換されたポンピングエネルギープロファイルにビームが曝されるようにする。したがって、ポロプリズムは多くのポンピング不整を実質的に打ち消し、それによって、増幅プロセス中のほとんどの不均一性ならびに、ビーム２０の断面を横切る複屈折およびパワーレベルを均一化するという利点を有する。
【００６２】
ＶＩＩ．ポンピングモジュール
代表的具体例において、本発明は、ポンピングエネルギー源およびレーザー結晶ロッドを通って配置される光路を含むポンピングモジュール９０を備える。このポンピングエネルギー源は、レーザー結晶ロッドに吸収され、これによって、励起状態の原子集団を生成する光エネルギーを発生する。ビーム２０が光路に沿ってレーザー結晶ロッドを通過するとき、前記集団内に保存されたエネルギーは、例えば、誘導放出に転換され、これによって、ビーム２０を増幅する。
【００６３】
Ａ．レーザー結晶ロッド
図６〜１０に例示するように、光路はレーザー結晶ロッド１６０を通って配置される。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド１６０が、一例として、例えば、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ等のごとき活性元素でドープされたＹＡＧのごとき固体物質を含むものを提供する。かくして、例えば、レーザー結晶ロッド１６０は、Ｎｄ：ＹＡＧ固体物質を含むことができる。この固体物質は、レーザー結晶ロッド１６０が、次いで、高パワーかつ効率的なポンピングを可能とする点で有利である。さらに、Ｎｄ：ＹＡＧ等のレーザー結晶ロッド１６０は商業的に広く入手可能である。当業者は、組成や物理的大きさのごとき、レーザー結晶ロッド１６０の特徴の変化がレーザー結晶ロッド１６０の特性を変化させることを理解している。したがって、当業者は、レーザー結晶ロッド１６０が所望の性能を付与するように選択されることが分かる。
【００６４】
図２に例示する代表的具体例において、本発明は、ポンピングモジュール９０が第１の増幅モジュール１２０、ローテーター１５０、レンズモジュール１４０および第２の増幅モジュール１３０を含むものを提供する。各増幅モジュール１２０,１３０は、例えば、それ自体のレーザー結晶ロッド１６０およびそれ自体のポンピングエネルギー源を含む。２つの増幅モジュール１２０,１３０で例示しているが、本発明は、いかなる所望数の増幅モジュールを有するポンピングモジュールも意図する。増幅モジュール１２０,１３０は、特定のアプリケーションに対して望まれる増幅パワーレンジおよびプロファイルを達成するように、直列、並列またはそれらのある組合せで光学的に配置することができる。
【００６５】
代表的具体例において、本発明は、増幅モジュール１２０,１３０内のレーザー結晶ロッド１６０が実質的に同一であるものを提供する。例えば、レーザー結晶ロッド１６０は実質的に同じ組成プロファイルを有し、実質的に同じ熱ストレス特性を付与し、これは複屈折を適正に修正するのに有利である。
【００６６】
さらに、局所的不整が、例えば、ドーピングおよび／または組成プロファイルにおける変化によって生じ、これらは、熱格差(differential  heating)の要因であり、今度はこれが所望しない光学効果を引き起こす。したがって、レーザー結晶ロッド１６０の結晶組成の実質的に同じ組成プロファイルも高度に均一であることが有利である。
【００６７】
代表的具体例において、本発明は、実質的に同じレーザー結晶ロッドを作製する方法を提供する。レーザー結晶ロッド１６０を作製するための結晶ブールは活性元素を含むメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配が結晶ブールの縦方向に沿って展開する実例において、レーザー結晶ロッドは結晶ロッドの同一縦領域から取り出されるべきである。複数の（たとえば一対の）実質的に同じレーザー結晶ロッドを、例えば、同一ブール、より好ましくは、同一ブールの同一縦領域（例えば、横ブールスライス）の中心を切り出すことによって加工し、これによって、実質的に同じドーパント濃度プロファイルおよび実質的均一性を有する結晶ロッドを得ることができる。
【００６８】
ある結晶組成はそれ自体顕著な複屈折を含むであろう。これらのアプリケーションにおいて、多重ステージ増幅器中に整合されたレーザー結晶ロッドを互いに配向して、この複屈折を補償するかまたは少なくとも低減することが必要または有利である。例えば、同一の横ブールスライスから加工された２つのレーザー結晶ロッドを互いに放射状に（例えば、９０°）配向させて、レーザー結晶誘発複屈折を補償する。
【００６９】
Ｂ．レンズモジュール
高平均パワーポンピング条件下、Ｎｄ：ＹＡＧ物質または同様の物質を含むレーザー結晶ロッド１６０は、その断面を横切る内部熱分布を示し、その軸中心が最も高い温度であろう。それゆえ、光は軸中心を最も遅く伝播し、レーザー結晶ロッドの半径周辺に向かって次第に速くなる。その結果、定常状態作動で、レーザー結晶ロッドは正レンズのように挙動し、ビーム５の伝播特性を変化させる。しかしながら、ビーム２０がレーザー増幅器５を通る四重パスを通るビーム２０を横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成することが有利である。したがって、代表的具体例において、本発明は、レンズモジュール１４０およびレーザー結晶ロッドの断面を横切る均一ポンピングを備える。
【００７０】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド１６０内の単純球面レンジングのための均一ポンピングおよび負レンズ（例えば、球面レンズ）を含むレンズモジュール１４０を備える。図２において、負レンズ１４０は第１の増幅モジュール１２０と第２の増幅モジュール１３０との間に配置される。増幅モジュール１２０,１３０はレーザー結晶ロッド１６０を含み、少なくとも高平均ポンピングパワー下、それは正レンズ効果を示す。負レンズ１４０は、増幅モジュール１２０,１３０中に配置された２つのレーザー結晶ロッド１６０の正熱レンズ効果を補償して、ビーム２０が多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持するように適合される。負レンズ１４０は、増幅モジュール１２０,１３０中の２つのレーザー結晶ロッド１６０の正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。本発明は、他の元素組成のレーザー結晶ロッドが、それらの断面を横切る異なる熱プロファイルを生じ、したがって、特定の熱レンズ効果を補償する異なるタイプのレンズを備えることも意図する。例えば、負ガウス型プロファイルを生じる組成を有するレーザー結晶ロッドの場合、正レンズが有利であろう。
【００７１】
Ｃ．ローテーター
レーザー結晶ロッド１６０の高平均ポンピングは熱ストレスを発生し、それはレーザー結晶ロッド１６０内に複屈折としてそれ自体を顕在化させる。この熱誘発複屈折は、ビーム２０の断面内で不均等に偏光を回転させ得る。この不均等偏光回転のプロファイルは、４つの放射状四分円の各々に影響し、４つ葉のクローバーのように見える。代表的具体例において、本発明は、ローテーター１５０を持つポンピングモジュール９０を備え、ビーム２０の偏光における不均等回転を補償する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、図２に示すように、ローテーター１５０が第１の増幅モジュール１２０と第２の増幅モジュール１３０との間に配置された９０°ローテーターであるものを提供する。ローテーター１５０を用いて増幅モジュール１２０,１３０間でビーム２０を９０°回転させることによって、一方の増幅モジュールに発生する複屈折に対抗し、他方の増幅モジュール中で中和する。しかしながら、ある状況下、ローテーター１５０の効率は、レーザー結晶ロッド１６０の整合の関数であり、それは、整合のため、ビーム２０に対して同一配向で配置され、実質的に同一の熱ストレスを示す。９０°ローテーター１５０によって生じる回転の方向はこの検討では明らかな要因ではない。したがって、本発明は、ローテーター１５０がビーム２０の偏光を９０°回転させる他のデバイスを含んでよいことを意図する。例えば、ローテーター１５０は波長板、ファラデーローテーターまたはそれらのある組合せを含むことができる。
【００７２】
Ｄ．冷却システム
代表的具体例において、本発明は、図６〜１０に示すように、レーザー結晶ロッド１６０が、少なくとも部分的にレーザー結晶ロッド１６０を取り巻くチューブ１７０に収容された液体１９０によって冷却される。液冷は、レーザー結晶ロッド１６０の高パワー作動特性を向上させる点で有利である。液体１９０は、実質的に透明な液体（例えば、水）であって、実質的に、レーザーダイオードから照射される光を光学的に吸収も反射もしないか、さもなければ、光学ポンピングを実質的に破壊しないものである。同様に、チューブ１７０は、実質的に透明な物質（例えば、ガラスまたはプラスチック）であって、これも実質的にポンピングに影響しないものである。代表的具体例において、レーザー結晶ロッド１６０を取り巻く液体１９０は、本発明によれば、不活性である。しかしながら、もう一つの代表的具体例において、本発明は、液体１９０がレーザー結晶ロッド１６０周囲を流れるようにして、実質的な熱蓄積を防止することによって、より安定な温度を付与する。例えば、レーザー増幅器５は、液体１９０を輸送するメカニカルポンプを含むことができる。しかしながら、本発明は、液体１９０の流れを生じる他の手段も意図する。したがって、従来の手段を用いて液体１９０を冷却することができる。
【００７３】
Ｅ．クラッド層
代表的具体例において、ビーム２０は、例えば、ガウス型プロファイルを示す。ガウス型プロファイルは、例えば、基本モードでのレーザー作動の典型であるが、本発明は、他のプロファイルも同じく意図する。充分な増幅のため、ビーム２０は、レーザー結晶ロッド１６０のアパーチャーを光学的に充満させるべきである。かくして、ガウスプロファイルの低強度周辺領域はレーザー結晶ロッド１６０内で増幅されない。しかしながら、アパーチャーを充満させると、レーザー結晶ロッド１６０の円形アパーチャーによる回折に起因する強調された「シルクハット」型プロファイルおよび同心円環状パターンで、ガウス型プロファイルで入射するビーム２０を出射させる。そのようなガウス型プロファイルの歪みはビーム２０の到達可能なパワーおよび強度を制限する。
【００７４】
かくして、代表的具体例において、本発明は、図１９に例示するように、レーザー結晶ロッド１６０周りにクラッド層１６５を備える。レーザー結晶ロッド１６０のアパーチャーが光学的に軟化され、それによって、回折環状パターンの効果が低減されれば、ビーム２０のガウス型プロファイルがより充分に保存されるので、クラッド層１６５は有利である。クラッド層１６５は、ガウス型プロファイルの低強度周辺領域を透過させるが、実質的に増幅および／または、さもなければ、実質的に影響しないように適合された光学的に透明な物質を含む。代表的具体例において、クラッド層１６５は、例えば、レーザー結晶ロッド１６０の材料と実質的に同じ屈折率を有する物質を含む。周辺光は増幅光との同心円を維持し、回折効果が低減される。
【００７５】
もう一つの代表的具体例において、クラッド層１６５は、周辺光がレーザー結晶ロッド１６０に向かって方向付けられるように、レーザー結晶ロッド１６０の屈折率に対する屈折率を有する物質を含む。かくして、増幅されなかったであろう光が増幅され、それによって、レーザー増幅器５の効率が向上し、ビーム２０の強度を高める。
【００７６】
クラッド層１６５は、例えば、レーザー結晶ロッド１６０と同一の組成で作製することができるが、ドープされていない。レーザー結晶ロッド１６０を調製した後、光学拡散接合を用いて、クラッド層１６５を貼り付け得る。あるいは、従来の蒸着および／または従来の成長技術のごとき従来技術を用いて、クラッド層をレーザー結晶ロッド１６０上に貼り付けることもできる。液体１９０の温度の変動を緩衝することによって、クラッド層がレーザ冷却の均一性を向上させる点で、クラッド層１６５はさらに有利である。
【００７７】
Ｆ．ポンピング源
図６〜１２に例示するように、ポンピングモジュール９０内のポンピング源は１個以上のレーザーダイオード１８０を含む。ポンピングエネルギー源としてのレーザーダイオード１８０からの発光の使用は、レーザーダイオード１８０が所望の波長の高品質ポンピングエネルギーを効率的に発生する点で有利である。レーザーダイオード１８０は、（例えば、電気的な）エネルギーを受容し、電磁的（例えば、光）エネルギーを放出するように適合されている半導体デバイスを含むことができる。
【００７８】
図１１に例示するように、レーザーダイオード１８０は、レーザーダイオードバー１８２を含むモノリシック縦列状に作製することができる。このレーザーダイオードバー１８２は複数のレーザーダイオード１８０を含み、これらの全てのダイオードは、これら全てから発光される光が実質的に同一の全面的な方向に伝播するように、同一の方向を向いて末端−末端配置されている。図１１では、３つのレーザーダイオード１８０を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオード１８０を含むレーザーダイオードバー１８２を包含する。図１２に例示するように、複数のレーザーダイオードバー１８２は、（例えば、一つのレーザーダイオードバー１８２が別のレーザーダイオードバー１８２上に配置されるように）連続して組み立てて、レーザーダイオードアレイ１８４を形成し得る。図１２では、レーザーダイオードアレイ１８４が３つのレーザーダイオードバー１８２を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードバー１８２を包含する。代表的具体例において、本発明によるレーザーダイオードアレイ１８４は、例えば、約１ｃｍ×約２．５ｃｍ×約６ｃｍの大きさである。各レーザーダイオード１８０の発光面は、例えば、約１００μｍ×約１μｍである。そのような寸法は、単に代表的なものであり、決して、本発明の範囲を限定する意図はない。
【００７９】
レーザーダイオードアレイ１８４は、その中に組み立てられたレーザーダイオードバー１８２、個々のレーザーダイオードバー１８２および／または個々のレーザーダイオード１８０のいずれかが搭載されるハウジング１８６を含む。ハウジング１８６はレーザーダイオード１８０に電力を供給するのに必要な回路および配線を含む。ハウジング１８６は、例えば、作動中、その中を適当な冷媒が循環して、レーザーダイオード１８０から熱を散逸させる冷媒導管のごとき冷却システムも内包し得る。レーザーダイオード１８０の波長は、例えば、約５ｎｍより狭いバンド幅の約８０５.５ナノメーター（ｎｍ）である。レーザーダイオード１８０によって発生する他の波長およびバンド幅も本発明に包含される。
【００８０】
光学的にレーザー結晶ロッド１６０を有効にかつ効率的にポンピングするために、１個以上のレーザーダイオードアレイ１８４を配置して、レーザーダイオード１８０から発光した光をレーザー結晶ロッド１６０にあてる。図８〜１０に例示するように、増幅モジュール１２０,１３０は、レーザー結晶ロッド１６０周りを中心とする複数のレーザーダイオードアレイ１８４を含み、各レーザーダイオードアレイ１８４は、レーザーダイオード１８０の発光面がレーザー結晶ロッド１６０を向くように配置されている。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド１６０の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド１６０周囲に均等に間隔を開けて配列された偶数個のレーザーダイオードアレイ１８４を備える。もう一つの代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド１６０の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド１６０周囲に均等に間隔を開けて配列された奇数個のレーザーダイオードアレイ１８４を備え、それによって、レーザー結晶ロッド１６０を通過し、または周辺を通るポンピング光が直接別のレーザーダイオードアレイ１８４にあたる可能性を最小限にする。レーザーダイオードアレイ１８４が偶数個であるか奇数個であるかにかかわらず、例えば、図８〜１０に例示するように、それらは、レーザー結晶ロッド１６０周囲に均等に間隔を開けて配列されるべきである。そのような構成は、レーザー結晶ロッド１６０にポンピングエネルギーをより均一に供給することによって、ホットスポットの形成を防止する。しかしながら、本発明は、アプリケーションに応じて、レーザーダイオードアレイ１８０がレーザー結晶ロッド１６０周囲にいかなる他の適当な構成で配置されているものも意図する。
【００８１】
代表的具体例において、本発明は、対応するレーザーダイオードアレイ１８４からレーザー結晶ロッド１６０の反対側に配置された光学的またはメタルバックミラーのごとき反射エレメント１８８を備える。図１３は、対応するレーザーダイオードアレイ１８４からレーザー結晶ロッド１６０の反対側に配置された代表的な反射エレメント１８８を例示する。レーザーダイオードアレイ１８４は、ほとんどがレーザー結晶ロッドに吸収されるが、そのうちのいくらかはレーザー結晶ロッド１６０を通過する光１９２を発光する。その後、レーザー結晶ロッド１６０を通過する光１９２は、対応する反射エレメント１８８によって反射されるであろう。反射された光１９２は、再びレーザー結晶ロッド１６０にあたって、そこでこの反射光１９２は吸収され、それによって、レーザー結晶ロッド１６０の反転分布を増進する。図１３は、単に、一つの反射エレメント１８６およびそれに対応するレーザーダイオードアレイ１８４を示したに過ぎず、複数のレーザーダイオードアレイ１８４に対応する複数の反射エレメント１８８を備えることができることに留意すべきである。さらにもうひとつの代表的具体例において、隣接するレーザーダイオードアレイ１８４間に反射エレメントを配置する。なおさらにもうひとつの代表的具体例において、図２０に例示するように、反射エレメント１８８は、冷媒１９０を収容する配管１７０上に搭載するか、またはそれと一体化される。反射エレメント１８６を適正な向きに配置すれば、レーザーダイオードアレイ１８４のポンピング効率が向上する。なぜならば、レーザー結晶ロッド１６０により用いられなかったであろう発光光が、実際には、レーザー結晶ロッド１６０のポンピングを支援するからである。
【００８２】
図８〜１０に、本発明の増幅モジュール１２０,１３０の代表的具体例を例示する。増幅モジュール１２０,１３０は各々、少なくとも１個のレーザー結晶ロッド１６０を含み、そこで、レーザー結晶ロッド１６０の各々は、例えば、５個のレーザーダイオードアレイ１８４の対応する組によってポンピングされる。５個のレーザーダイオードアレイ１８４を図８〜１０に例示するが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードアレイ１８４も意図する。各々が５個のレーザーダイオードアレイ１８４の組を有する増幅モジュール１２０,１３０の構成は、１組あたりより少ない個数のレーザーダイオードアレイ１８４、例えば、１組あたり３個のレーザーダイオードアレイ１８４の構成よりも高い平均パワーを送達する。さらに、各レーザー結晶ロッド１６０を取り巻くレーザーダイオードアレイ１８４の個数を１組あたり最適化された個数に増加させて、ポンピング均一性を向上させることができる。
【００８３】
図９に、本発明による増幅モジュール１２０,１３０の代表的具体例を例示する。増幅モジュール１２０,１３０において、さらに、レーザーダイオードアレイ１８４の各組をレーザーダイオードアレイ１８４の別の組の角度配置に対して、レーザー結晶ロッド１６０の縦軸周りのある角度にて、搭載することによって、ポンピング均一性を向上させることができる。例えば、第１の組の５個のレーザーダイオードアレイ１８４を第１の増幅モジュール１２０内の第１のレーザー結晶ロッド１６０周囲に配置し、第２の組の５個のレーザーダイオードアレイ１８４を第２の増幅モジュール１２０内の第２のレーザー結晶ロッド１６０周囲に配置し、第２の組に対してレーザー結晶ロッド１６０の縦軸周りに３６０にて、第１の組を設置することができる。
【００８４】
レーザー結晶ロッド１６０周りの適正なレーザーダイオードアレイ１８４の配置だけでは、均等なポンピングエネルギー付与を保障しない。不均一ポンピングのもう一つの原因は、レーザーダイオード１８０の変動である。例えば、レーザーダイオード１８０は、しばしば、パワー、ピーク波長およびバンド幅（例えば（おおよその発光波長範囲）において変化する。商業的なレーザーダイオードバーおよびアレイのサプライヤーから、実質的に同じ性能スペックのレーザーダイオードアレイ１８４を手ごろな値段で入手することは非常に困難である。
【００８５】
レーザーダイオードアレイ１８４の出力エネルギーにおける不均一性は、特に、高パワー高強度増幅において、レーザー増幅器５の性能を劣化させる。例えば、レーザー結晶ロッド１６０のピーク吸収に近い中心波長を有するレーザーダイオードアレイ１８４の使用は、ロッド中心よりもロッド半径周辺にて、より多くのポンピングエネルギー吸収を生じる。ピーク吸収波長からかなり離れた中心波長を有する別のレーザーダイオードアレイ１８４は、レーザー結晶ロッド全体により均一なポンピングエネルギー分布を生じる。同様に、レーザーダイオードアレイ１８４の出力エネルギー強度における変動は望ましくない。なぜならば、より高いパワー出力を有するレーザーダイオードアレイ１８４がレーザー結晶ロッド１６０の隣接部分により強いエネルギー吸収を生じて、増幅ビームを歪め、レーザー結晶ロッド１６０にホットスポットを生じる可能性があるからである。さらに、そのような不均一ポンピングまたは加熱は、非球面レンズ効果を生じ、非球面レンズによる補償はコストがかかることが証明されている。
【００８６】
代表的具体例において、本発明は、パワー、波長およびバンド幅において非常によく一致するレーザーダイオードアレイ１８４を選択することによって、増幅器性能均一性を向上する。レーザーダイオードアレイ１８４は、最低パワーレーザーダイオードアレイ１８４のパワーに整合するように適合し得る。最低パワーレーザーダイオードアレイ１８４のパワーよりも高いパワーを発生するそれらのレーザーダイオードアレイ１８４について、電気負荷をより高いパワーのレーザーダイオードアレイ１８４と並列に置くことができる。並列負荷は、より高いパワーのアレイ１８４から適量の電力を取り出し、全てのアレイ１８４が実質的に同一の電力（すなわち、全てのアレイ１８４が最低パワーアレイ１８４とパワーにおいて整合する）を用いるようにする。並行電気負荷は、適量の電力を取り出すように適合された加減抵抗器またはトランジスターまたは他の回路を含むことができる。レーザーダイオードアレイ１８４は、直列、並列またはそれらのいずれかの組み合わせで連結することができる。さらに、レーザーダイオードアレイ１８４は、一つの電源を共有するか、または個々の電源を有することができる。本発明は、そのようなシステムが手動で調節されるか、または（例えば、コンピュータを用いて）自動制御し得るものおよび、そのようなシステムが、例えば、実測出力レベルを測定し、次いで、各レーザーダイオードアレイ１８４に送達される実測出力のレベルを自動的に調節して、作動レーザーダイオードアレイ１８４の中でポンピング光発光のバランスをもたらすフィードバックループ回路を含むものも意図する。本発明は、レーザーダイオードアレイ１８４のパワー、波長およびバンド幅を整合させるための上記スキームもレーザーダイオードバー１８２および／またはレーザーダイオード１８０のパワー、波長およびバンド幅を整合させるのに等しく利用可能であるものも意図する。
【００８７】
もう一つの代表的具体例において、高パワー高強度レーザーシステムの設定の間、レーザー結晶ロッド（または、複数のレーザー結晶ロッド）１６０は、入力ビーム２０なしに、レーザーダイオードアレイ１８４または一組のレーザーダイオードアレイ１８４によってポンピングされ得る。レーザー結晶ロッド１６０からその縦軸に沿って出射する光を解析および／または観察して、均一ポンピングが達成されたかどうかを決定する。例えば、レーザー結晶ロッドから出射する光を可視ディスプレイ上に表示して、ユーザーが、均一ポンピングが達成されているかどうかを視認できるようにする。次いで、ユーザーは、例えば、均一光パターンが可視ディスプレイに現れるまで個々のレーザーダイオードアレイ１８４によって受容されるパワーレベルを変え得る。ひとつの具体例において、各レーザーダイオードアレイ１８４を試験して、どのレーザーダイオードアレイ１８４がレーザー結晶ロッド１６０から最も弱い光を出射しているかを決定する。かくして、例えば、一つのレーザーダイオードアレイ１８４が入力ビームなしにレーザー結晶ロッド１６０をポンピングし、レーザー結晶ロッド１６０からその縦軸に沿って出射する光を、ユーザーによって測定および／または観察し、および／または、例えば、コンピュータによって解析する。各々のレーザーダイオードアレイまたはレーザーダイオードアレイに到達するパワー量を制御する回路（例えば、電力ドレイン回路(power  draining  circuitry))）に電力を供給する電源を調節して、レーザー結晶ロッド１６０からその縦軸に沿って出射する光が各レーザーダイオードアレイ１８４につき同一の強度を有するようにする。さらに、レーザー結晶ロッド１６０の縦軸周りのレーザーダイオードアレイ１８４および一組のレーザーダイオードアレイ１８４の向きを最適化し得る。例えば、一組のレーザーダイオードアレイ１８４は、入力ビーム２０なしにレーザー結晶ロッドをポンピングし得、レーザー結晶ロッド１６０から出射する光を観察および／または解析して、一組のレーザーダイオードアレイ１８４がレーザー結晶ロッド１６０に対して最適に配置されているかどうかを決定し得る。さらに、レーザーダイオードアレイ１８４は、入力ビーム２０なしにレーザー結晶ロッド１６０をポンピングし得、レーザー結晶ロッド１６０から出射する光を観察および／または解析して、各レーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド１６０の縦軸周りに特定の半径方向の角度および／または半径方向の距離の光学配置によって、均一ポンピングが達成されているかどうかを決定し得る。したがって、高パワー高強度レーザーシステム全体が充分に始動する前でも、レーザー結晶ロッド１６０の均一ポンピングを設定し得る。
【００８８】
ポンピング性能は、レーザーダイオードアレイ１８４の温度を調節することによってさらに向上させ得る。この調節は、例えば、液体１９０を制御温度にまで冷却する冷却装置を備えることによって達成する。レーザーダイオード１８０により放出されるポンピングエネルギーの波長は、レーザーダイオードアレイ１８４の温度の関数で変化する。例えば、実験データは、１つのタイプのレーザーダイオード１８０から作製されたアレイ１８４のポンピング出力についてのピーク波長は、約３.５℃の平均ダイオード温度の変化につき約１ｎｍシフトすることを示す。かくして、アレイ中のダイオードの平均温度に対する調節は、レーザーダイオードアレイ１８４の出力のピーク波長の調整が特定のレーザー結晶ロッド１６０をポンピングするための最適波長に対応するようにする。ポンピングエネルギーのピーク波長がレーザー結晶ロッド１６０の所望の吸収波長に対応するとき、ポンピング効率および均一性が向上する。
【００８９】
レーザーダイオードの向きも、実質的に増幅器５の性能に影響する。前記したように、図６は、レーザーダイオードアレイ１８４におけるダイオードの配置を例示し、ここでは、レーザーダイオード１８０の長辺がレーザーダイオードアレイ１８４の面の長辺と実質的に平行に向けられ、アレイ１８４がレーザー結晶ロッド１６０の縦軸に平行に配置されている。図６は、レーザーダイオード１８０の長辺がレーザー結晶ロッド１６０の縦軸に実質的に平行な構成としても説明できる。
【００９０】
図１４に例示するように、各レーザーダイオード１８０の発光面１９４の形状は、典型的には、長い矩形である。レーザーダイオードの矩形発光面は短辺および長辺の２組の辺を有する。短辺の長さは長辺の長さより短い。矩形アパーチャーは、単色光の波長におおよそ比例し、矩形アパーチャーのそれぞれの辺の長さにおおよそ反比例する少なくとも２つの回折角で単色光を回折する。発光面１９４の「フットプリント」からはみ出した矩形面中の光分散は、長軸１９８に平行な（すなわち、レーザーダイオード１８０の長辺に平行な）方向に沿うよりも、短軸１９６に平行な（すなわち、レーザーダイオード１８０の短辺に平行な）方向に沿った方がより大きい。事実、発光面１９４から充分に離れたところでは、回折による分散は、レーザー結晶ロッド１６０上の発光フットプリントを決定するのに最も重要な要因となる。代表的具体例において、レーザーダイオード１８０は、光分散が、例えば、短軸１９６に平行な方向に沿って約２０°ないし約６０°の間であって、長軸１９８に平行な方向に沿って約５°ないし約１５°の間であるように、レーザー結晶ロッド１６０に対して配置される。
【００９１】
図６に例示するレーザーダイオードアレイ１８４は、各レーザーダイオードがレーザー結晶ロッド１６０の縦軸に平行な長辺を有するように、レーザー結晶ロッド１６０に対面させて搭載する。この構成は、上記のように、矩形発光面１９４からの光分散を被る。かくして、短軸に平行な方向に沿って分散する光の実質的な部分は、有効にはレーザー結晶ロッド１６０に到達しない。さらに、レーザーダイオードバー１８２上の隣接するダイオードレーザー１８０由来の長軸に平行な方向に沿った発光フットプリントの非実質的なオーバーラップのため、不均一性が発生し、レーザー結晶ロッド１６０に局所的なホットスポットを生じ、レーザー増幅器５の性能や、可能性として操作性を崩壊する。したがって、この構成は、レンズシステム２００の使用により（図８および９に例示するように）、レーザー結晶ロッド１６０のより均一なポンピングを達成することができる。レンズシステム２００なしで増幅モジュール１２０,１３０が作動するようにデザインすることが有利である。なぜならば、レンズシステム２００は増幅モジュール１２０,１３０のコストおよび複雑性を増大するからである。さらに、この構成はポンピング出力の無駄を生じない。したがって、レーザーダイオードアレイ１８４のいずれかの個々のレーザーダイオード１８０の故障がレーザー結晶ロッド１６０の不均一ポンピングをもたらすであろう。そのような状況では、唯一の可能な修理はアレイ１８４.全体の取替えであり、それは最もコストがかかる。
【００９２】
図７に、本発明によるレーザーダイオードアレイ１８４の代表的具体例を例示する。レーザーダイオードアレイ１８４のレーザーダイオード１８０は、それらの短軸（すなわち、レーザーダイオード１８０の短辺に平行な方向）がレーザー結晶ロッド１６０の縦軸と平行であるように、配向している。図７に例示した構成は、レーザーダイオード１８０が図６に例示した構成に比べてより近い間隔で配置され、かくして、レーザー結晶ロッド１６０の縦軸に平行な短軸に平行な方向のポンピング発光の広い分散により、より実質的に均一なポンピング発光を生じる点で、有利である。さらに、より近い間隔配置はレーザーアレイ１８４中により多くのレーザーダイオード１８０を置くことができ、かくして、より多くのポンピングエネルギーをレーザー結晶ロッド１６０に送達することができる。上記したように、レーザー結晶ロッド１６０により均一なポンピング発光を照射することは、ホットスポットを最小限にし、熱ストレス、不均一ゲインその他の所望しない熱光学効果を低減する。さらに、ポンピング発光の実質的な均一性のため、図７に例示するようにレーザーダイオードアレイ１８４の配置にレンズシステム２００を用いる必要性を減らす。レーザーダイオードアレイ１８４についてのこの構成は、分散した光の実質的なオーバーラップのため、図６に例示した構成と比べてより耐久性がある。したがって、いずれかの個々のレーザーダイオード１８０の故障は、例えば、残りのレーザーダイオード１８０、レーザーダイオードアレイ１８４または複数組のレーザーダイオードアレイ１８４へのパワー調節によって、埋め合わせることができる。
【００９３】
実験データにより、図７に例示される代表的具体例は、図６に例示される代表的具体例から得られる同一レベルのポンピングエネルギーから、より高い出力ポンピングおよびより大きなゲインを可能とすることが示された。例えば、実験データによれば、フリーランニングレーザー作動は、レーザーダイオードの出力パワーからレーザー出力パワーへの約３５％を超える変換率を生じ、非常に効率的なポンピングであることを示している。さらに、高い平均パワーの実験データは、図７に例示した構成の水冷パッケージは約２０％を超えるデューティーサイクルを扱える（すなわち、レーザーダイオードは約２０％の時間発光していられる）。本出願人による試験において、そのような構成のレーザーダイオード１８０は、約２００ｐｓの間、約１０００Ｈｚまでの反復速度で作動した。
【００９４】
Ｅ．レンズシステム
前記し、図８および９に例示するように、レーザーダイオード１８０の発光面１９４と並置されたレンズシステム２００を含む増幅モジュール１２０,１３０を用いることによって、レーザー増幅器５の性能をさらに向上させ得る。レンズシステム２００は、レーザーダイオードアレイ１８４からレーザー結晶ロッド１６０に向けてポンピング発光を導くように適合されている。代表的具体例において、レンズシステム２００は、筒状レンズ（例えば、正筒状レンズ）および（例えば、平面リフレクター）を含む。この正筒状レンズはレーザーダイオードアレイ１８４の発光面１９４の前面に延在するように配置される。この正筒状レンズはアレイ１８４の遅軸を集光し、一方、この平面リフレクターは速軸を反射する。この組合せが、アレイからの全ての発光がレーザー結晶ロッド１６０に達することを保障する。かくして、ポンピング効率が向上し、同一のポンピングパワーでより高い強度およびパワーを可能にする。レンズシステム２００は、例えば、球面レンズまたは非球面レンズを含む。
【００９５】
レンズシステム２００を適正に配置することは、所望のポンピング性能ゲインを達成するのに有利である。例えば、レーザー結晶ロッド１６０がレンズシステム２００の焦点にあるとき、ポンピングエネルギーは、レーザー結晶ロッド１６０の中心に強く集約される。レーザー結晶ロッド１６０の中心でのこの強いポンピング強度の結果、中心のポンピングは最大化されるが、レーザー結晶ロッド１６０を損傷し、約２０Ｗ強の弱いビーム特性となるであろう。レーザーダイオード１８０からのポンピングエネルギーの焦点がレーザー結晶ロッド１６０の内部ではなくその前になるように、レーザーダイオード１８０およびレンズシステム２００を設定することによって、レーザー結晶ロッド１６０に入射するときに、ポンピングエネルギーは発散する。この発散の結果、ポンピングエネルギーのレーザー結晶ロッド１６０への照射は、実質的により均一になる。例えば、試験は、この構成のレーザー増幅器５が、レーザー結晶ロッド１６０を損傷することなく、約１００Ｗを超える出力パワーを達成し得ることを示す。ポンピングエネルギーの発散がさらに増大すると、特定の状況下、総合ポンピングパワーがさらに制限されるという犠牲の下、増加的に均一照射を生じる。垂直レーザーダイオード配向で（すなわち、個々のレーザーダイオードの短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸に平行である。）、レーザー増幅器は、特定の状況下、レンズおよび／またはミラーを用いることなく、充分に一様に機能するのに充分に均一なポンピングエネルギーを与える。
【００９６】
図１０は、レンズシステム２００が冷媒１９０を保持する配管１７０の全長と一体化され、そこに広がるユニタリーレンズ(a  unitary  lense)を含む本発明の代表的具体例を例示する。そのようなレンズは、ポンピング光がレーザー結晶ロッド１６０を通過する配管壁の部分を成型することによって作製し得る。したがって、配管１７０の幾何（例えば、形状および／または厚）および材料は、所望のレンズ（すなわち、ダイオードから発光される光の分散を無効にする正レンズ）を形成するように適合される。そのようなユニタリーレンズを備えれば、より堅牢なシステムが提供され、デザインおよび加工がより経済的になるであろう。
【００９７】
レンズシステム２００が配管１７０上に搭載される本発明のもう一つの代表的具体例を図１５に例示する。そのような配置において、ダイオードアレイ１８４はレンズシステム２００と直接接触することもあるし、しないこともある。さらに、図１５は、各レーザーダイオードアレイ１８４に対応する一つのレンズシステム２００を例示するが、１個以上のレンズシステム２００を各レーザーダイオードアレイ１８４に用いることができる。さらに、図１６は、唯一つのレーザーダイオードアレイ１８４を例示するが、本発明によれば、１個以上のレーザーダイオードアレイ１８４を用いることができる。
【００９８】
ＶＩＩＩ．アプリケーション
図１７に、ブロック図で例示された代表的具体例において、本発明は、高パワー高強度コヒーレント光のモジュール開発(the  modular  development)を与える。本発明は、マスター発振器１０がプレ増幅器３４０に連結され、続いて、これが増幅器３５０または複数の増幅器に、並列、直列またはそれらのいくつかの組合せで連結しているものを提供する。
【００９９】
作動中、マスター発振器１０は、例えば、約１ｋＨｚまで、パルスあたり約１ｍＪを生じる。ビームプロファイルは、例えば、約１．２倍の回折限界(diffraction  limited;  DL)ビーム品質のガウス型である。パルス持続時間範囲は約１５０ｐｓないし約数ナノ秒である。安定かつ持続性のパルス持続時間のため、マスター発振器１０は、図１６に示すように、内部キャビティースペクトルフィルター３３０を含む。
【０１００】
したがって、例えば、変動が約５％未満の平滑な約８００ｐｓパルスをマスター発振器１０によって発生させることができる。プレ増幅器３４０は、例えば、１個のレーザー結晶ロッド１６０を備える上記のレーザー増幅器５として配置される。プレ増幅器は、ビーム品質（例えば、約１．３倍未満のＤＬビーム品質）の崩壊は無視し得る程度で、パルスあたり約１００ｍＪを超えるまでビーム２０を増幅することができる。妥当であれば、次いで、例えば、約１０ｍＪないし約１５ｍＪの複数のビームにビーム２０を分割することができる。増幅器３５０は、例えば、２個のレーザー結晶ロッド１６０を備えた上記のレーザー増幅器５として配置される。増幅器３５０は、例えば、約１０ｍＪないし約１５ｍＪの入力ビームから、約２倍のＤＬビーム品質で、例えば、パルスあたり約２５０ｍＪにまでプレ増幅されたビーム２０を増幅する。図１７は、唯一つの増幅器３５０を備える代表的具体例を例示するが、本発明は、妥当であれば、増幅器３５０に連結したさらなる増幅ステージも包含する。例えば、代表的具体例において、４個の並列増幅器を連結して、たとえば、リソグラフィーに用いる軟Ｘ線および／または超紫外線を発生する。本発明によるそのような高パワー高強度レーザーは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析のごとき多くの分野でのアプリケーションが見出されるであろう。
【０１０１】
代表的具体例において、本発明は、軟Ｘ線および／または超紫外線（ＥＵＶ）（例えば約０．５ｎｍないし約５０ｎｍの波長を有する放射線）を発生する高エネルギー点源光を提供する。図１８に例示するように、約１０１４Ｗ／ｃｍ２を超えるパワー密度を有する増幅器３５０からの増幅されたビーム２０は放射線発生器３６０に導かれる。放射線発生器３６０はＸ線および／またはＥＵＶを発生する。放射線発生器３６０は、常に充填される金属製ターゲット（例えば、移動銅テープ）を含み、増幅されたビーム２０がその上にあたる。次いで、得られたプラズマは軟Ｘ線および／またはＥＵＶを出射する。このような軟Ｘ線および／またはＥＵＶは、多くの分野でのアプリケーションが見出される。本発明により発生した軟Ｘ線および／またはＥＵＶは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析に用い得る。
【０１０２】
代表的具体例において、本発明は、サブミクロンリソグラフィーに軟Ｘ線および／またはＥＵＶを用いる。図１８に例示するように、放射線発生器３６０が軟Ｘ線および／またはＥＵＶを発生した後、それをリソグラフィーシステム３７０に用いる。リソグラフィーシステム３７０は、例えば、マスクおよび光学構成部品を含むことができるであろう。放射線はマスク上、またはその放射線をマスクに向ける光学構成部品にあたる。さらなる光学構成部品を用いて、得られた像を、ターゲット３８０、例えば、準備された半導体ウエハーに導くことができる。軟Ｘ線および／またはＥＵＶ範囲内の波長で、約０．１ミクロン（μｍ）サイズの構造体のリソグラフィー機械加工が実現可能である。さらに、短パルス持続時間および高反復速度で、このレーザーを作動させることによって、例えば、放射線発生器３６０内部のヘリウムガスによって容易に制御し得る銅の塊を生じることのみによってデブリ(debris)を制御しつつ、軟Ｘ線および／またはＥＵＶに対する良好な線量制御および変換効率を達成することができる。
【０１０３】
図２１に例示されるように、もう一つの代表的具体例において、プレ増幅器３４０から出射するビーム２０は、並列に配置される複数の増幅器３５０に分割される。増幅された後、各ビームは、ハーモニックビーム（例えば、別のハーモニックビーム）を発生する対応するハーモニック発生器３９０に入射する。次いで、ハーモニックビームは放射線発生器３６０に入射し、ターゲット（例えば、金属製ターゲット）にあたる。その後、得られたプラズマは軟Ｘ線および／またはＥＵＶを出射し、次いで、それは、コリメーター４００によって単一ビームにコリメートされる。例えば、コリメーター４００は、大きな立体角の軟Ｘ線および／またはＥＵＶを集め、放射線をコリメートされたビームに反射させる。次いで、コリメートされたビームを、例えば、リソグラフィーシステムのステッパー４１０に用いる。
【０１０４】
本発明による高パワー高強度レーザーは、多くの他の分野でもアプリケーションが見出される。例えば、そのような高パワー高強度レーザーは、マイクロ機械加工、標的レンジングおよび、金属を含む広範な金属類の大規模な切断、穿孔および機械加工のごとき工業的アプリケーションにおけるアプリケーションが見出される。代表的具体例において、本発明は、高パワー高出力レーザーが、工業的設置に用いるためのコンピュータ制御ロボットアームと一体化または搭載されたものを提供する。
【０１０５】
かくして、コヒーレント光を増幅するためのシステムおよび方法が提供されることが理解される。当業者は、本発明は非限定的に単に例示する目的で本明細書に表された好ましい具体例以外で実施し得、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解するであろう。この明細書で議論された特定の具体例に相当するものを用いて、同様に本発明を実施することができることを特記する。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図２】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図３】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図４】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図５】本発明によるポロプリズムの斜視図。
【図６】レーザーダイオードが従来の配向にある本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図７】本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図８】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図９】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図１０】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図１１】本発明によるレーザーダイオードバーを例示する概略図。
【図１２】本発明によるレーザーダイオードアレイを例示する概略図。
【図１３】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図１４】本発明によるレーザーダイオードを例示する概略図。
【図１５】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図１６】本発明によるマスター発振器を例示する概略図。
【図１７】本発明による増幅システムを例示するブロック図。
【図１８】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
【図１９】本発明によるクラッド層およびレーザー結晶ロッドを例示する概略図。
【図２０】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図２１】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
【図６】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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