(57)【要約】レーザ媒質として薄い結晶板（２）を含むレーザ素子（１）を備えたレーザビーム源において、レーザ素子（１）を機械的に安定化し、かつ結晶板（２）の冷却要素（３、４）側平面における熱接触を改善するために、結晶板（２）と冷却要素（３、４）との間に冷却板（３０）を配置する。冷却板として、例えばサファイヤが使用可能であり、この場合にはサファイヤの高い熱伝導性と、レーザ素子、特にＹｂ：ＹＡＧレーザ素子とほぼ同じ熱膨張係数とを有効に活用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質として薄い結晶板（２）を含むレーザ素子（１）を備えたレーザビーム源において、
ａ）  結晶板（２）がその平面上において冷却要素（３、４、４０）と少なくとも間接的    に熱接触し、
ｂ）  冷却要素（３、４、４０）と結晶板（２）との間に、冷却板（３０）が配置され、    
ｃ）  結晶板（２）の冷却要素（３、４、４０）側平面上に、光透明支持体（２０）が配    置された
ことを特徴とするレーザビーム源。
【請求項２】
冷却板（３０）が結晶板（２）に少なくとも間接的に物質的結合されたことを特徴とする請求項１記載のレーザビーム源。
【請求項３】
冷却板（３０）が結晶板（２）に少なくとも間接的に接着されたことを特徴とする請求項２記載のレーザビーム源。
【請求項４】
冷却板（３０）がサファイヤから成ることを特徴とする請求項２又は３記載のレーザビーム源。
【請求項５】
冷却板（３０）が光学的に透明であることを特徴とする請求項１から４の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項６】
結晶板（２）と冷却要素（３、４、４０）との間にミラー面が配置され、支持体（２０）の結晶板（２）と反対側の表面とミラー面との間に形成された光学的要素が、湾曲した共振器ミラーとして作用することを特徴とする請求項１から５の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項７】
ミラー面が、結晶板（２）の冷却要素（３、４、４０）側の平面上に配置されたミラー層（１４）によって形成されたことを特徴とする請求項６記載のレーザビーム源。
【請求項８】
ミラー面（１４）が冷却板（３０）の結晶板（２）と反対側の表面上に配置されたことを特徴とする請求項６記載のレーザビーム源。
【請求項９】
冷却板（３０）の結晶板（２）と反対側の表面が、凸状に湾曲されたことを特徴とする請求項８記載のレーザビーム源。
【請求項１０】
支持体（２０）が可飽和吸収体であることを特徴とする請求項１から９の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項１１】
支持体（２０）が周波数倍増結晶から成ることを特徴とする請求項１から９の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項１２】
支持体（２０）が結晶板（２）に接着されたことを特徴とする請求項１から１１の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項１３】
冷却要素が、支持体（２０）に軸方向に締付け固定された金属放熱体（４０）であることを特徴とする請求項１から１２の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項１４】
放熱体（４０）上に延性中間層（４２）が配置されたことを特徴とする請求項１３記載のレーザビーム源。
【請求項１５】
冷却要素として冷却流体（１０）を受け入れる冷却室（４）が設けられ、レーザ素子（１）が前記冷却室（４）の壁要素を形成することを特徴とする請求項１から１２の１つに記載のレーザビーム源。
【請求項１６】
レーザ素子（１）の冷却室（４）側表面に、保護層（１６）が設けらたことを特徴とする請求項１５記載のレーザビーム源。
【請求項１７】
保護層（１６）が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）から成ることを特徴とする請求項１６記載のレーザビーム源。
【請求項１８】
結晶板（２）が軸方向に光ポンピングされることを特徴とする請求項１から１７の１つに記載のレーザビーム源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ媒質として薄い結晶板を含むレーザ素子を備えたレーザビーム源に関する。
【０００２】
この種レーザビーム源は、例えば米国特許第５５５３０８８号明細書で知られている。文献で板レーザとも呼ばれているこのレーザビーム源は、レーザ媒質として、厚さが僅か１０分の数ｍｍから数ｍｍで、直径が代表的には約１０ｍｍの大きさである薄い結晶板を有している。該結晶板は、片側平面に反射層、反対側平面に非反射層を備える。このように形成された板状レーザ素子は、銅から成る中実の放熱体上に配置され、その反射層付き表面が放熱体の側に向けられる。
【０００３】
反転分布を発生するのに必要な励起光（ポンピング光）が、結晶板に、その幅狭面（側面）或いは放熱体と反対側の端面から入射する。横に入射する励起光を効果的に利用すべく、特開２０００−７７７５０号公報では、結晶板を２つの透明層の間に配置することを提案している。該透明層の計算指数は、境界面における総反射によって励起光の効果的な利用を達成すべく、結晶板の計算指数より幾分小さくされている。
【０００４】
レーザ素子を放熱体に結合すべく、レーザ運転中に結晶の熱的変形を吸収する軟らかい中間層、例えばインジウム（Ｉｎ）が設けられる。結晶板で生ずる熱は、延性中間層を経て中実の放熱体に流入する。放熱体を冷却流体、通常水が貫流し、熱を排出する。
【０００５】
しかし、この公知の構造は、一連の欠点を有している。放熱体とレーザ素子との間に設けた延性中間層により、理想的な大きな面接触の場合でも、熱伝達抵抗が増大する。更に該抵抗は、レーザ素子と放熱体との接触の質に敏感に左右され、従って、その熱接触の十分な再現性を得るには、高い製造費が必要となる。しかし、結晶板および該結晶板と薄い機能層とから形成されたレーザ素子は、非常に薄く、壊れ易く、場合によっては周縁部が中程度の力で固定されるために、その熱接触の十分な再現性の達成は困難である。この結果高熱負荷時にかなり大きな問題を生ずる。レーザ素子を半径方向に過度に大きな隙間をおいて固定すると、レーザ素子が延性中間層上で滑りはじめる。隙間が小さ過ぎると、レーザ素子や結晶板の熱的に引き起こされる変形が避けられず、その結果結晶板の湾曲により熱接触部が部分的に引き離され、その領域での熱の排出がかなり悪化してしまう。
【０００６】
独国特許第１９９３９７７４号明細書で、結晶板が冷却流体を受け入れる冷却室の壁を形成する板レーザが公知である。それによって、結晶板の片側平面は、冷却流体と直に熱接触するか、薄い機能層（ミラー層、保護層）だけを介して熱接触する。即ち、なによりもまず、熱は、それ自体冷却流体で冷却される中実の放熱体に排出されず、冷却流体への直接的な熱伝達が行われる。この結果最小の熱伝達抵抗と効果的な冷却が保証される。安定性を高めるべく、結晶板の冷却室と反対側の面に、光に対し透明な支持体を配置している。この処置により、冷却流体で与えられる圧力に基づいて冷却室と外側室との間に生ずる差圧に基づき、支持体が存在しない場合に引き起こされる結晶板の変形を防止できる。また、結晶板の振動も抑えられ、特に冷却材が結晶板に直接衝突し、過度に大きな動圧がかかる場合も、結晶板の破損を防止できる。支持体の利用は、特に高出力レーザで採用されているような、例えば３００μｍ以下の非常に薄い結晶板の場合に有利である。
【０００７】
高出力板レーザは、できるだけ高い出力を得るべく、運転中に大きく負荷せねばならない。その結果支持体が存在するにも係わらず、大きな機械的応力時に、理論的に可能な機械的荷重限界にまだ達していないときでも破損が生ずる。
【０００８】
本発明の課題は、公知の構造に比べ機械的負荷容量が大で良好な冷却性を持つ、レーザ媒質として薄い結晶板を含むレーザ素子を備えたレーザビーム源を提供することにある。
【０００９】
この課題は、本発明に基づき、請求項１に記載の特徴を持つレーザビーム源により解決される。
【００１０】
結晶板と面接触する光に透明な支持体を設け、特に拡散接着法で結晶板と物質的に結合することで、構造全体の安定性が高まり冷却要素との良好な熱接触が可能となる。
【００１１】
冷却要素と結晶板との間に冷却板を配置したので、結晶板を、その冷却要素側面における機械的荷重から有効に保護できる。更に、特に冷却板の熱伝導率が結晶板の熱伝導率より大きいとき、半径方向の温度分布が平坦になり、結晶板中央部の温度が低下する。
【００１２】
特に有利な実施態様では、冷却板はサファイヤから成る。この材料は、高い熱伝導率を有すると共に、通常利用されているＹｂ：ＹＡＧから成る結晶板とほぼ同じ熱膨張係数を有するという利点を持つ。
【００１３】
冷却板を結晶板に、特に接着によって少なくとも間接的に物質的結合するとよい。これによって、良好な熱接触を保証できる。更に、結晶板の研磨時にやむを得ずに生ずるミクロクラック（微小亀裂）が塞がり、結晶板に機械的応力が作用するときも、そのクラックの成長が少なくとも減少する故、結晶板の機械的および熱的負荷容量が高まる。前記応力は、レーザ素子の冷却要素上への組立によって生じ、結晶板に与えられる外力並びにレーザ運転中に結晶板の熱的負荷によって発生する内部応力によって生ずる。本発明において少なくとも間接的な物質的結合とは、冷却板と結晶板が、互いに直接隣接しているか、場合によっては、厚さ僅か数μｍの中間層、例えば複数の誘電層に蒸着されたミラー層によって互いに分離されているような冷却板と結晶板との結合を意味する。
【００１４】
他の有利な実施態様では、支持体の結晶板と反対側の表面と、結晶板と冷却要素との間に配置されたミラー面とによって形成された光学的要素が、湾曲した共振器ミラーとして作用する。この結果小形構造で、各々の要件に合わせて最良の形式の共振器が実現できる利点がある。この効果は、支持体の結晶板と反対側の表面の曲率又はミラー面の曲率によって、或いはそれらの両処置の組合せによって引き起こされる。更に、レーザ素子自体が湾曲した共振器ミラーとして作用するので、レーザ素子の外側に平らな出力ミラーを有する形式の共振器が利用できる。これは、共振器から出るレーザビームが、共振器外部の光学系によって補償せねばならない追加的なビーム成形を被らないという利点を有する。またレーザビームは、平らな出力ミラーにおける場所固定のビーム縮径部（Strahltaille）を有している。この結果、そのビーム特性は、共振器の設計だけで、即ち共振器の内部におけるレーザビームに対する伝播条件のみで定まる。
【００１５】
ミラー面は、結晶板の支持体と反対側の表面に直接設けられたミラー層で形成される。その表面の相応した曲率は、結晶板と支持体を接着した後の研磨により製造できる。
【００１６】
他の有利な実施態様では、冷却板は光学的に透明であり、ミラー面は冷却板の結晶板と反対側の表面に配置されたミラー層によって形成される。このため、冷却板と結晶板との熱接触は中間層によって害されない。
【００１７】
有利な実施態様では、冷却板の結晶板と反対側の表面は凸状、即ち外側に向いて湾曲している。この表面上に設けたミラー層で形成され、共振器ミラーとして使われるミラー面は、凸状に湾曲し、共振器特性を改善する。
【００１８】
有利な実施態様では、支持体は光学的機能要素、特に可飽和吸収体又は周波数倍増体である。このため、別の光学的構成要素を用いることなく、レーザビーム源の追加的な運転様式を実現できる。
【００１９】
本発明の一実施態様において、冷却要素は、支持体に軸方向に締付け固定され、好適には冷却流体が貫流する金属放熱体である。放熱体と結晶板との間には延性中間層が配置される。放熱体上に構造物を締付け固定する際に生ずる力は支持体の周縁で受けられ、大きな面で結晶板に伝達されるので、結晶板がその全平面において常に放熱体と摩擦結合的に接することが保証される。その場合、熱的に誘起される変形は十分に防止できる。
【００２０】
その代わりに、冷却要素として冷却流体を受容する冷却室が設けられ、レーザ素子がその冷却室の壁要素を形成する。これに伴い、特に効果的な冷却が保証される。
【００２１】
レーザ素子の冷却室側表面に、保護層、例えば金（Ａｕ）或いは二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、特に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が設けられる。この結果、冷却流体の化学的および機械的作用に対するレーザ素子の安定性が向上する。
【００２２】
本発明の他の有利な実施態様では、結晶板は軸方向に光ポンピングされる。軸方向への光ポンプ配列により、一方で励起光が結晶板の平面に入射するので、励起光の入射が容易になる。他方でこれに伴い、結晶板を冷却要素内に埋設可能となる。その際、結晶板は側縁が完全に包囲され、従って熱排出が補助的に改善される。
【００２３】
以下、図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００２４】
図１において、レーザビーム源のレーザ媒質は薄い結晶板２である。この実施例では、厚さが３００μｍ以下、特に１００〜２００μｍであるレーザ素子１を備える。該素子１は、冷却要素として作用する冷却室の壁４にはめ込まれ、該冷却室を境界づける壁要素を形成している。そのため、この実施例の場合に円筒状を成す冷却室４は、内周面に凹所６を備える。この結果、その上にレーザ素子１が載せられる環状支持面ないし段部８が生じている。本実施例では、凹所６は、壁３が結晶板２を越えて突出し、結晶板２の側縁を完全に包囲するように、寸法づけられている。冷却室４内を冷却流体１０が流れ、冷却室４に面するレーザ素子１の背面１１を冷却する。冷却流体１０は、冷却室４の内部に延びる供給路１０ａから出て、レーザ素子１の背面１１に直に衝突し、背面１１にて転向され、供給路１０ａを包囲する環状通路１０ｂに導かれて排出される。
【００２５】
冷却室４を外部に対し確実に漏れ止めすべく、段部８に周溝１２が設けられ、その周溝１２内にパッキンリング１３がはめ込まれている。
【００２６】
結晶板２の冷却室４と反対側の平面に、光に対し透明な支持体２０がある。該支持体２０は、冷却室４と反対側の露出表面２８に、少なくともレーザビームの波長に対し非反射性の層２２を持つ。支持体２０は結晶板２より厚く、この実施例では約１ｍｍである。
【００２７】
支持体２０の結晶板２と反対側の露出表面２８は、中央部が凸状に、外側に向けて湾曲し、この結果結晶板２と冷却要素の間に存在するミラー面、本実施例では平らなミラー層１４と支持体２０の間に形成された光学的素子は、凹面共振器ミラーの如く作用する。
【００２８】
表面２８の凸面状中央部は、締付けリング２６が接する平らな肩部２４により環状に包囲されている。締付けリング２６は壁３の端面に締付け固定され、このためレーザ素子１は段部８に固く押し付けられている。締付けリング２６の利用に伴い、締付け力は支持体２０の全周にわたり一様に分布している。
【００２９】
本発明を明瞭にすべく、支持体２０の露出表面の曲率は誇張して示している。実例で用いるメートル範囲の大きな曲率半径では、平らな肩部２４は、断面Ｌ形の締付けリング２６に対する接触支持面として必要不可欠ではない。締付けリング２６の縁における切欠き作用は、弾性Ｏリングの介在や、締付けリング２６の適当な形成によって防止される。
【００３０】
支持体２０はノンドープのＹＡＧから成る。この場合、支持体２０は光学的に「受動的」である。特に有利な実施例では、支持体２０が補助的な機能を負い、例えば可飽和吸収体であり、例えば受動的なＱスイッチの運転を可能にすべく、クロムがドープされた（Ｃｒ４＋）ＹＡＧ結晶である。その代わりに、支持体２０は周波数倍増結晶でもよい。
【００３１】
結晶板２は、支持体２０と反対側の平面に冷却板３０を備える。該冷却板３０の熱伝導率が、結晶板２のそれより大きいとよい。冷却板３０は、実際に支持体２０と反対側の全表面が冷却流体１０に接触し、結晶板２の半径方向における温度分布を均一化する。効果的な横への熱放出と冷却流体１０による良好な冷却を保証すべく、冷却板３０の厚さは結晶板２の厚さにほぼ相当する。結晶板２と冷却板３０は、支持体２０と結晶板の如く、相互に物質的結合するとよい。これは例えば接着法で行える。代替的に、冷却板３０は、被覆法によっても、例えば結晶板２上に気相から炭素Ｃを直接付着する（ＣＶＤ＝化学蒸着法）ことによっても製造できる。基本的には、冷却板３０、結晶板２および支持板２０を適当に制御される結晶成長過程で順に成長させてもよい。
【００３２】
本実施例では、冷却板３０が光に対し透明なサファイヤから成るとよい。ミラー層１４は、冷却板３０の結晶板２と反対側の背面、即ち冷却流体１０側の平面に配置され、例えば金（Ａｕ）又は二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、特に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）から成る保護層１６で、冷却流体１０の化学的・機械的作用から保護されている。従って、この実施例では、冷却板３０は共振器内部に配置されている。ミラー層１４と保護層１６の厚さは、図では誇張して示しており、実際には数μｍでしかない。
【００３３】
更に、冷却板３０の材料として、ダイヤモンドやノンドープのＹＡＧが使用され、前者は高い熱伝導率、後者は通常Ｙｂ：ＹＡＧから成る結晶板２と同じ熱膨張係数を示す。
【００３４】
基本的には、結晶板２と冷却要素の間に存在するミラー層１４を、冷却板３０と結晶板２の間に配置することもできる。この場合、もはや特別な保護層１６は不要である。
【００３５】
更に、結晶板２が冷却板３０と支持体２０に物質的に結合している場合、結晶板２の平面の研磨に伴い発生するミクロクラック（微小亀裂）が塞がり、その結果機械的応力の作用時にその成長が阻止されるので、結晶板２の機械的負荷が増大する。
【００３６】
冷却板３０も同様に非常に薄く、更に熱伝導性が良いので、冷却流体による効果的な冷却を更に保証できる。
【００３７】
図示の実施例では、励起光Ｐが支持体２０の結晶板２と反対側表面２８でレーザ素子１に入射する軸方向光ポンプ配列を示している。基本的には、励起光Ｐが結晶板２に横に入射する半径方向光ポンプ配列となし得る。この際、励起光Ｐを結晶板２の幅狭面（側面）に直接入射可能とすべく、冷却室４の壁３に、窓又は開口を設ける必要がある。
【００３８】
図２の実施例では、冷却板３０の冷却要素側の平面は、凸状に、外側に向けて湾曲し、この結果その平面上に配置されたミラー層１４は、衝突するレーザ光に対し、凹面のミラー面を形成している。この図で、冷却要素（この実施例では、壁３と冷却室４）の側における冷却板３０の平面の曲率も同様に誇張して示している。実際には、冷却板３０の縁から中心迄の厚さの変化は数μｍに過ぎず、Ｏリング１３を相応して寸法づけた場合、図１において支持体２０に示すような環状の平らな肩部は不要である。
【００３９】
基本的には、支持体２０の結晶板２と反対側平面並びに冷却板３０の支持体２０と反対側の平面に、凸状の曲率を設けてもよい。
【００４０】
図３において、レーザ素子１は締付けリング２６と共に、中実の金属体４０上に固定され、該金属体４０は冷却要素として用いられる。この金属体４０は銅（Ｃｕ）から成るとよく、同様に冷却流体が貫流する。結晶板２は支持体２０を経て、締付けリング２６により放熱体４０に固く締付け固定されている。結晶板２と放熱体４０の間に冷却板３０が配置され、該冷却板３０は、好ましくはインジウム（Ｉｎ）から成る延性中間層４２を経て放熱体４０上に置かれている。中間層４２は、良好な面圧着並びに良好な熱接触を可能とする。それに代えて、冷却板３０を放熱体４０に直接ろう付けしてもよい。放熱体４０として、原理的には、ペエルチェ素子も使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に基づくレーザビーム源の概略縦断面図。
【図２】本発明に基づくレーザビーム源の異なった実施例の縦断面図。
【図３】本発明に基づくレーザビーム源の更に異なった実施例の縦断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１  レーザ素子、２  結晶板、３  壁、４  冷却室、６  凹所、８  段部、１０  冷却流体、１０ａ、ｂ  供給路、１１  背面、１２  周溝、１３  パッキンリング、１４  ミラー層、１６  保護層、２０  支持体、２２  非反射層、２４  肩部、２６  締付けリング、２８  表面、３０  冷却板、４０  放熱体、４２  中間層、Ｐ  励起光
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005524245.tif 000005
【国際調査報告】
2005524245.tif 000006
2005524245.tif 000007
2005524245.tif 000008
2005524245.tif 000009
2005524245.tif 000010
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