(57)【要約】【課題】レーザ装置【解決手段】本発明は第１の実施形態において、２つのミラー（２１４、２１６）によって形成された光共鳴キャビティ（２００）に置かれた、ネオジム添加ＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）ゲイン媒体（２０２）を使用する。パワー抽出は特定のレーザキャビティで極大化される。具体的に、ロッド末端（２０４、２０６）の凹状湾曲は、熱レンズの強度を補正するため、負レンズ成分を与える。本発明は第２の実施形態において、本発明の第１の実施形態で説明されているレーザゲイン媒体及び／又は発振器から放射を集めるためレンズ素子として働く曲面末端（８０２、８０４）を有する、増幅器ロッド媒体（８００）を使用する。熱レンズと曲面ロッド末端の組み合わせによってレンズ効果が生じ、これによりレーザから直接的に光を結合できる。加えて、入力励起パワーの変化は増幅器ロッドの中に形成される熱レンズの制御を可能にする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光軸に沿って第１及び第２の末端を有する固体レーザゲイン媒体であって、少なくとも１つの末端は、所定の動作パワーにて一定レベルの熱レンズを提供するようにプロファイルされ、所定のビーム品質は、所定の動作励起パワーにて最大の実質的に中心に位置付けられる、媒体。
【請求項２】
前記媒体の両末端は、前記のようにプロファイルされている、請求項１に記載の媒体。
【請求項３】
このゲイン媒体は、Ｎｄ：ＹＡＧにより形成されている、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の媒体。
【請求項４】
前記全ての請求項のいずれか１項に記載の媒体を含む、レーザ発振器キャビティ。
【請求項５】
平坦なキャビティ末端リフレクタをさらに具備する、請求項４に記載のキャビティ。
【請求項６】
第１及び第２の音響光学セルとそれぞれの第１及び第２の非平行偏光方向とを有する、Ｑスイッチをさらに具備する、請求項３から５のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項７】
キャビティ末端リフレクタを形成する反射性末端を有する少なくとも１つの音響光学セルを備えるＱスイッチをさらに含む、請求項４から６のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項８】
周波数変換器と、前記レーザゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとをさらに具備する、請求項３から７のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の媒体、又は請求項３から８のいずれか１項に記載のキャビティを含む、レーザ。
【請求項１０】
サイド励起ダイオード素子をさらに具備する、請求項９に記載のレーザ。
【請求項１１】
第１及び第２の音響光学セルをそれぞれの第１及び第２の非平行偏光方向に具備する、レーザのためのＱスイッチ。
【請求項１２】
レーザキャビティミラーを形成するように配置されている反射性表面をさらに具備する、請求項１１に記載のＱスイッチ。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載のＱスイッチを具備する、レーザ。
【請求項１４】
レーザキャビティミラーを形成するように配置されている反射性表面を有する少なくとも１つの音響光学セルを具備する、Ｑスイッチ又はレーザ。
【請求項１５】
ゲイン媒体を有し、且つ所定の動作パワーで実質的に最大のビーム品質にて動作するよう配置されている、光ゲインキャビティ。
【請求項１６】
第１の末端リフレクタと、出力末端リフレクタと、その間に設けられるゲイン媒体とを、レーザキャビティ素子として備えるレーザキャビティであって、前記キャビティは、前記ゲイン媒体と前記出力末端リフレクタとの間に周波数変換器と、前記ゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとを、レーザキャビティ素子としてさらに備え、前記レーザキャビティ素子は共通の物理的軸上に整列されている、レーザキャビティ。
【請求項１７】
第１の末端リフレクタと、出力末端リフレクタと、その間に設けられるゲイン媒体とを、レーザキャビティ素子として備えるレーザキャビティであって、前記キャビティは、前記ゲイン媒体と前記出力末端リフレクタとの間に周波数変換器と、前記ゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとを、レーザキャビティ素子としてさらに備え、且つ所定の動作励起パワーにて最大の中心に位置付けられる所定のビーム品質をもたらすように構成されている、レーザキャビティ。
【請求項１８】
前記周波数選択性リフレクタと前記出力末端リフレクタとは、変換された周波数でワークピースにて使用されるため、周波数変換器によって変換されるレーザ光を出力するように配置されている、請求項１６又は１７に記載のレーザキャビティ。
【請求項１９】
前記周波数変換器は第２高調波発生器である、請求項１６から１８のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項２０】
前記出力末端リフレクタは、前記ゲイン媒体によって生成される基本周波数を反射する、請求項１６から１９のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項２１】
前記周波数変換器は大きい受光角を有する、請求項１６から２０のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項２２】
請求項１６から２１のいずれか１項に記載のレーザキャビティを含む、レーザ。
【請求項２３】
請求項９、１３、又は２２に記載のレーザを具備する、レーザ除去装置。
【請求項２４】
所定の励起パワーにて所定のビーム品質が達成されるよう、所定の励起パワーにて一定レベルの熱レンズを提供することを含む、レーザゲイン媒体末端をプロファイルする方法。
【請求項２５】
励起パワーをレーザパルスのバースト間の休止レベルまで減少させることを含む、Ｑスイッチ式パルスレーザの励起を制御する方法。
【請求項２６】
レーザ増幅器であって、
レーザキャビティと、
前記レーザキャビティの外に増幅モジュールとを有し、前記増幅モジュールは前記レーザキャビティとともに共通の放射軸を共有し、且つ前記放射軸に沿って第１及び第２の末端を有するゲイン媒体を備え、これにより前記第１及び第２の末端のうち少なくとも一方は、前記レーザキャビティから前記増幅モジュールの中へ光を直接的に結合するようにプロファイルされている、レーザ増幅器。
【請求項２７】
前記第１又は第２の末端のうち一方又は両方は、所定の焦点距離を有するレンズを形成するようにプロファイルされている、請求項２６に記載のレーザ増幅器。
【請求項２８】
前記レーザは、プロファイルされた末端を有するゲイン媒体を有する、請求項２６に記載のレーザ増幅器。
【請求項２９】
前記レンズは、屈折性、回折性、又はＧＲＩＮレンズのうち１つである、請求項２７又は２８に記載のレーザ増幅器。
【請求項３０】
前記レーザゲイン媒体末端は、所定の焦点距離を有するレンズを形成するようにプロファイルされている、請求項２７又は２８に記載のレーザ増幅器。
【請求項３１】
前記レーザゲイン媒体の前記レンズと増幅器ゲイン媒体の前記レンズとは、実質的に等しい焦点距離を有する、請求項２７又は２８に記載のレーザ増幅器。
【請求項３２】
前記レーザゲイン媒体レンズと前記増幅器ゲイン媒体レンズとは、凹状にプロファイルされている、前記全ての請求項のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３３】
前記レーザと前記増幅媒体とは同時に励起される、前記全ての請求項のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３４】
前記レーザポンプと前記増幅ポンプとは等しいパワーを有する、請求項３３に記載のレーザ増幅器。
【請求項３５】
前記増幅器の入力表面は傾けられる、前記全ての請求項のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３６】
第１及び第２の末端を有する媒体を備える光増幅器モジュールであって、少なくとも一方の末端は、所定の動作パワーにて一定レベルのレンズを提供するようにプロファイルされ、使用時に前記増幅器を所定のパラメータのレーザへ直接的に結合できるよう配置されている、光増幅器モジュール。
【請求項３７】
直径ＤＲ、長さＬＲ、屈折率ｎａｉｒの空気で屈折率ｎＬ、及び熱焦点距離ｆｔｈのロッドを備え、前記入力ロッド末端からくびれ距離ｄ０を有するレーザから、入力ビームを受け取るように配置されている増幅器媒体の場合に、前記ロッドは、
【数１】
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によってほぼ与えられる曲率半径Ｒによりプロファイルされている、請求項３３に記載のモジュール。
【請求項３８】
レーザ増幅器モジュールゲイン媒体を製造する方法であって、使用時に増幅器を所定のパラメータのレーザへ直接的に結合できるよう配置されている、所定の動作パワーにて一定レベルのレンズを提供するため、これの少なくとも１つの末端をプロファイルすることを具備する、方法。
【請求項３９】
請求項１１又は１２に定めるプロファイルを特定することを具備する、前記全ての請求項のいずれか１項に記載のレーザ増幅器を設計する方法。
【請求項４０】
添付の図面を参照しながら本明細書で実質的に説明された、レーザ増幅器。
【請求項４１】
完全パワー励起に先駆け、励起パワーをレーザキャビティレーザ放射閾値より下まで減少させることを具備する、Ｑスイッチ式パルスレーザで励起を制御する方法。
【請求項４２】
前記レーザが非レーザ放射状態にある間に、前記レーザキャビティ内の周波数変換器を最適周波数変換温度より下まで冷やすことを具備する、レーザキャビティにおいてレーザ周波数を変換する方法。
【請求項４３】
請求項１から２２のいずれか１項に記載の媒体キャビティ、レーザ、又はスイッチ、及びそこに結合されている請求項２６から３７のいずれか１項に記載の増幅器又はモジュールを具備する、レーザアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、具体的にはレーザとともに用いる、より具体的にはレーザ発振器キャビティの内部又は外部に用いる、単独固体レーザゲイン媒体及び増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザから発せられる光パワーを増大するため、ロッド等の励起ゲイン媒体を備えるレーザ増幅器の使用はよく知られている。増幅器は、レーザ発振器キャビティの出力のところに置くことができ（キャビティ外）、あるいはこれらは発振器キャビティの内部に置くことができ（キャビティ内）、付加的光パワーを提供する。用途はパルス又は連続波（ＣＷ）レーザを有し、これにより増幅から得られる増大パワー出力は、薄膜除去、表面クリーニング用途、又は高い平均パワーが求められる用途等、数々のレーザ用途に用いることができる。ただし効果的な増幅を提供するには、レーザから増幅器にかけて効率的な光結合を行う必要がある。
【０００３】
公知のレーザゲイン媒体及び増幅器では様々な問題、例えばロッドに堆積された熱により正レンズ成分を与える熱効果が生じ、この熱はロッド胴沿いの冷却リザーバに向けて放射状に拡散する。これは可変の屈折率を、ひいては「熱レンズ」を提供する。
【０００４】
熱レンズはロッド中心から冷やされた縁端にかけての温度勾配の結果として生じ、これは屈折率に半径依存性変化をもたらす。強力な熱レンズは数センチメートルから数１０センチメートルに至る焦点距離を有する。ロッドの熱レンズは主に、ロッド直径、総吸収励起パワー、及びロッドの励起長に依存する。
【０００５】
これまで様々な解決策が、例えばレーザ発振器で熱レンズ効果を補償する曲面ミラーが提案されてきたが、これらには、キャビティ安定性が制約されること、パワー及び抽出効率が低下すること、そしてパワー閾値が増加すること等、様々な欠陥がある。したがって、そのような解決策はすこぶる高い出力パワーにとって適切でない。
【０００６】
米国特許第６１９３７１１号明細書に１つの解決策が説明されており、これはフラッシュランプ電流の時間的制御によりレーザからの低繰り返し率パルスの制御を提供する、フラッシュランプ励起式、ゲイン切り替え式、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに関係する。完全な熱レンズ補償を提供するため凹状ロッド端部が使用され、２つの平面ミラーによって短いキャビティが形成されている。
【０００７】
米国特許第６１９３７１１号によると、異なる幅の電流パルスを用いて異なるエネルギー及び／又は幅のパルスを出力する。加えて、フラッシュランプ制御を用いて熱負荷を一定に保つことによって一定の熱レンズを維持する。その機構は特定のパワーレベルに限り熱レンズを無効にする。したがって説明した機構の問題は、長いキャビティの場合に非常に高いパワーの安定出力を達成することが困難なことにある。
【０００８】
ただし、平らなキャビティミラーと関係するゼロ総合ロッドレンズ強度とは、最終的に安定性の縁端でファブリーペローキャビティに帰結するから、完全な熱補償は幅広い動作出力パワー範囲にとって不適切である。しかも、フラッシュランプの老化は出力安定性の低下を招くことがある。
【０００９】
別の態様において、レーザゲイン媒体又はレーザ発振器と増幅器媒体との間の結合要求では、ビームオーバーラップを、ひいてはレーザゲイン媒体におけるエネルギー抽出を、低下させることができる熱レンズ効果を考慮に入れなければならない。
【００１０】
光を効率的に結合するため、これまで様々な解決策が提案されてきた。米国特許出願公開第２００４／００２８１０８号明細書で説明された１つの例は、リレーイメージング光学部品を用いてレーザ光線を増幅器の中へ結合する方法に関する。図１は、発振器ゲイン媒体から目標増幅器媒体の中へイメージをリレーするため必要とされている、従来技術機構の概略図を示す。この例では、発振器１６の空間における各ポイントを増幅器１８における対応するポイントへイメージするため、レンズ１２、１４を備えるユニット拡大望遠鏡１０が使用されている。望遠鏡１０は、レーザ発振器と比べたゲイン媒体のサイズの違いを計上するため拡大又は縮小してよい。米国特許第５，２３７，５８４号で説明されたさらなる方法では、曲面キャビティミラーを用いて１つの増幅器モジュールから次の増幅器モジュールへイメージする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ただし既存のリレーイメージング技法にはいくつかの問題がある。追加光学部品の使用は部品数を増やし、中間焦点の形成を招くことがあり、これが光学部品を損傷することがある。さらに、追加光学部品は、最大の結合効率を達成するにあたり精密なアラインメントを要する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
別の態様において、レーザのパルス動作を得るためＱスイッチング等の技法を使用することがよく知られている。「音響光学Ｑスイッチ、５０１ページ、固体レーザ工学（Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ  Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｅｓ、ｐａｇｅ５０１、Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ，Ｆｉｆｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  １９９９」で１つの公知の技法が説明されている。そこで説明されている技法によると、ゲイン媒体と２つのキャビティミラーとを備えるキャビティにおけるＱスイッチとして、単一音響光学（ＡＯ）モジュレータの使用が提供される。Ｑスイッチはロスモジュレータとして使用され、損失が高いときにはレーザロッドに蓄積されるエネルギーが高レベルまで増加することを可能にし、そのエネルギーは損失が低いときに短い光パルスとして放出できる。ただしそのような機構は高モジュレータパワーを被り、ここでＱスイッチは偏光依存性となり、つまりこれは光の全偏光にとって効果的でないかもしれない。
【００１３】
さらなる態様において、レーザで基本レーザ周波数から所望の出力周波数を提供するための周波数多重が知られている。例えば米国特許第５９４３３５１号明細書では、３、４、５、及び６次高調波が基本レーザ波長から生成される。その設計では、いずれもキャビティ光軸沿いに置かれたゲイン媒体、Ｑスイッチ、キャビティミラー、及び高調波生成結晶を含む線形構成を使用する。特に、主キャビティはミラーに取り囲まれ、キャビティの中、キャビティミラーとさらなる内部ミラーとの間には第２高調波発生器が設けられる。キャビティの出力はキャビティ外部のさらなる高調波発生器によって受け取られ、これが基本及び第２高調波放射を合同する。基本レーザ放射をより短い波長へ変換するため非線形結晶が使われる（高調波変換）。高調波生成のための特定結晶の有効性はその非線形係数によって決まり、高ければ高いほど良い。結晶が効率的に変換するためには、入力レーザビームの伝搬ベクトルを結晶の軸に念入りに揃えなければならない。最適角度から外れると変換効率は低下する。最大の高調波変換効率は、低Ｍ２ビームを高非線形係数の非線形結晶に揃えることによって達成される。低Ｍ２ビームは明確な伝搬ベクトルを有するから、ビーム全体は結晶軸と良好に揃う。ただし高パワー低Ｍ２ビームの生成は非常に困難であるため、これは必ずしも最も効果的な高パワー緑ビーム生成方法ではない。
【００１４】
本発明は特許請求の範囲で詳述されている。一実施形態においては本発明の結果として、Ｑスイッチ式、ダイオード励起式、Ｎｄ：ＹＡＧ高パワーレーザが提供され、従来技術にともなう問題の少なくともいくつかは回避される。加えて、ゲイン媒体末端のプロファイリングにより、ビームボリュームはレーザ媒体の中でゲインボリュームと良好にオーバーラップするから、ビームはゲイン媒体を通過し高度な抽出効率を達成する。特定のキャビティの場合に最大のパワーが抽出される。これは付加的増幅器モジュールを加えながら簡素で効率的な拡大を可能にする。ゲインモジュールが加わるごとに〜２００Ｗが出力へ加わる。さらに、ビーム品質Ｍ２は増幅器が加わるごとにわずか〜１．５増加する。
【００１５】
これより図面を参照しながら、本発明の実施形態を例を挙げて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
概観し、そして図２を参照し、本発明の第１の実施形態では２つのミラー２１４、２１６によって形成されている光共鳴キャビティ２００の中に置かれたネオジム添加ＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）ゲイン媒体２０２を使用し、２つのミラーのうち一方は不完全に反射性であり（出力カプラー）、内一方は完全に反射性である。ゲイン媒体は、レーザダイオードのバーエミッタ２２０によって光学的にサイド励起される、すなわちゲイン媒体長手方向軸に対し直角の方向に励起される。光キャビティとダイオードバーエミッタの配置は細長い室を形成し、ゲイン媒体はこの配置の中心にて同軸方向に並ぶ。ダイオード励起式構成ではレーザを高い平均パワーで動作させ、これによりレーザを非常に強く励起することができる。
【００１７】
レーザから高パワー出力を達成するため、ゲイン媒体は、高パワーレーザダイオードバーエミッタによって励起され、ゲイン媒体において熱膨張効果を引き起こす。そのような効果は熱レンズを招くことがあり、これがレーザの出力特性に悪影響を及ぼす。ただし本発明は、末端が曲面を形成するゲイン媒体を提供することによって、熱レンズ効果に対する感受性を軽減する。他方、特定のレーザキャビティの場合にパワー抽出を極大化する。特にロッド末端の凹状湾曲は、正熱レンズの強さを補正する負レンズ成分を与える。
【００１８】
ロッド末端の厳密な曲率半径は、励起ダイオードのパワー、ロッドの直径、ロッドの長さ、そしてゲインモジュールに求められる性能及び／又は用途次第で決まる。熱レンズ補正は次にレーザのパルス繰り返し率範囲を改善し、ロッドにおけるゲインプロファイルとキャビティモードとの最大量のオーバーラップを可能にし、可能な限り最高の抽出効率（すなわち最大のパワー出力）を与える。これらの改善は普通、以下に述べるとおりＱスイッチをはじめとするキャビティ部品を組み込むため長いキャビティの使用が余儀なくされる場合に、達成することが特に困難である。
【００１９】
したがって一般的な設計基準と違って本発明のキャビティは、システムがサポートする最大のＭ２で動作するように設計される。これは、ゲインモジュール間の必然的差異のため生じる熱レンズの変化に、あるいは励起ダイオードの老化による変化に対し、（ロッド末端の適切なプロファイリングにより）堅牢さの点で、ある程度の安定性をレーザに与える。システムのＭ２はさらに、ロッドの直径（又は他の制限アパーチャ）とキャビティの長さとに関係するキャビティのフレネル数によって、そして熱レンズによって決まる（励起パワーとゲイン媒体のタイプによって究極的に決まる）。システムのＭ２は、パワー抽出効率と出力ビームの合焦性能との間で最良の妥協点を与えるように選ばれる。キャビティはまた、例えば出力パワーの点で、性能の安定性を与えるように設計される。
【００２０】
キャビティの安定性は、「レーザビームと共鳴器（Ｌａｓｅｒ  Ｂｅａｍｓ  ａｎｄ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）」ｂｙ  Ｋｏｇｅｌｎｉｋ  ａｎｄ  Ｌｉ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．５  Ｎｏ．１０  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９６６で説明された方法を用いて定量化できる。平坦なミラーを有するキャビティにおける安定性パラメータは以下の式、式１及び式２によって与えられる。
【００２１】
ここで、
Ｇ１、Ｇ２は、各キャビティの安定性パラメータである。
【００２２】
ｆ１及びｆ２は、レーザロッド末端の等価の焦点距離である。
【００２３】
Ｌ１及びＬ２及びＬ３は、第１のミラーと第１のロッド末端との間の長さ、ロッドの長さ、そして第２のロッド末端と第２のミラーとの間の長さである。
【数２】
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【００２４】
図３は、２つのゲインモジュール平坦キャビティミラーを含むキャビティの、キャビティ安定性図を示す。網掛けされた領域はキャビティが安定とみなされるエリアを示す。安定なキャビティとは、往復を重ねてキャビティを去らないモードを維持するキャビティである。図３の斜線Ａは、２つのゲインモジュールでレンズ強度がゼロジオプターから増加する過程で、キャビティ安定性の経路を示す。キャビティは、選択されたキャビティ入力パワーで、安定性図の安定領域の中央に位置するよう設計することが大切である。こうすることでパワーやパルス幅等レーザの出力パラメータは安定に保たれる。励起パワーが増加する過程で、キャビティが不安定動作体制（図３の白エリアにより指摘）に入らないよう配慮することも大切である。これはレーザの性能に不安定性を招く。図３に見られるとおり、斜線は励起パワーの増加にともない暫時白領域内に入る。これは、２つのゲインモジュールとその他の部品（Ｑスイッチ等）を有するキャビティにおいて不可避である。この不安定性の幅はキャビティの非対称によって決まる。これは、ゲインモジュールとキャビティミラーとの間の光路長における僅かな非対称、そしてゲインモジュール間の熱レンズ強度又はロッド末端曲率半径の違いによって生じる。設計ポイントを、安定動作体制の中にとどめつつ、この不安定性からできるだけ遠ざけるように配慮することが大切である。
【００２５】
図４は、レーザキャビティの出力パワーと総合ロッドレンズ強度（熱レンズとロッド末端湾曲との合同）との関係を示す。曲線の真ん中の下降は、安定性図の中央における不安定性（上述）に一致する。実際には、ロッドにおける収差の作用がＭ２曲線の２つの安定領域間のギャップを埋める。レーザロッドは、ギャップがすこぶる大きく（約１ジオプターより大きく）ならない限り、（急峻な下降が示唆するとおり）レーザ放射を停止しない。曲線Ｘ（最上位の曲線）の右端における滑らかな部分は、キャビティが不安定になりパワーがゼロまで落ちる直前に、ロッドにおける収差によってパワー曲線が補正される様子を示している。図５に見られるとおり、キャビティはＭ２のピークで動作するように設計される。これは、キャビティを確実に安定領域の真ん中で動作させるため（〜２．５ジオプター）、そしてロッドにおける熱レンズの変化に対する、そしてゲインモジュール間の必然的差異に対する堅牢さを、レーザに与えるためである。既述のとおり、熱レンズの変化は励起ダイオードが老化するときに、そして例えば動作繰り返し率の変化のためキャビティのパワーレベルが変化するときに生じる。ゲインモジュール間の差異は、ロッドの添加濃度やロッド末端曲率半径等、それらを構成する部品における僅かな許容範囲の違いのため生じる。このようにして、本発明によると、ロッドレンズ強度が何らかの理由で変化する場合に、Ｍ２を含むレーザの出力パラメータは堅牢に保たれることがわかる。システムのＭ２が励起パワー（そして究極的にロッドレンズ強度）によって決まる場合、キャビティは曲線の急峻な部分で動作し（例えば図５における１ジオプターにて）、励起レベルにおける小さな変化は、Ｍ２や出力パワー等の出力パラメータの大きな変化につながる。キャビティが既述のとおり安定領域内で動作しているとき、図５に見られる安定性曲線の勾配は実質的にゼロであり、つまり曲線は大部分平らであって変化しない。キャビティのＭ２はキャビティのフレネル数を変えることによって変えることができる。これはキャビティの中に（一般的にはゲインモジュールの近くに）アパーチャを導入することにより、レーザの安定性に影響を及ぼすことなく果たすことができる。
【００２６】
加えて、当業者が察するとおりフレネル数は、ゲイン媒体末端の曲率を、及び／又はキャビティの幾何学的形状を、例えばその長さ及び／又は幅を、又はゲイン媒体の寸法を、例えば直径及び／又は長さを変えることにより、これによりＭ２を変えることにより、変えることができる。さらにＭ２は、例えばゲイン媒体に添加することによってゲイン媒体の吸収を変えることによって、例えばロッドにおける温度勾配の変化によりゲイン媒体における屈折率を、又はその分布を変えることによって、変えることができる。
【００２７】
特に本発明は、非常に限られた動作条件下でのみ満足な動作を提供し、且つそれらの条件の外で不安定な動作を提供する熱レンズを無効にするのではなく、むしろ熱レンズを利用する。これは、所望の熱レンズ強度を好適な動作条件の範囲内で達成するようキャビティを設計することによって達成される。特にゲイン媒体は、キャビティ内の他の光学素子とともに動作し、所望の動作励起パワーの中央で適切なビーム品質Ｍ２を提供するようにプロファイルされている。これは、所与のキャビティ設計で励起パワーに対するＭ２の変化を示す図６を参照することにより、さらに理解できる。見てとれるように、Ｍ２は励起パワーとともにほぼ放物線状に変化し、特定の中心値でピークに達する。その中心値のあたりでの励起パワー（したがって熱レンズ強度）の変化は、Ｍ２の値に専ら軽微な変化を、ひいては専ら軽微なビーム品質変化を、もたらす。よってゲイン媒体は、熱レンズに関連し、Ｍ２がレーザの所望の動作パワーの中心に位置するようプロファイルされている。このようにして、特定の励起パワーで動作する特定のキャビティの場合に、最大のパワー抽出が起こる。キャビティは、励起パワーと出力パワーとの関係がほぼ線形となるよう光学的に対称にするべきである。キャビティはまた、Ｑスイッチやその他の必要キャビティ部品を組み込むにあたって十分に長くすべきである。
【００２８】
加えて、上述したとおり光キャビティを形成するミラーは平らでよく、したがってファブリーペロー（Ｆ−Ｐ）タイプのキャビティを形成する。Ｆ−Ｐキャビティの中で同軸方向に載置された曲面ゲイン媒体末端の組み合わせは、熱レンズ効果とそれらの効果における変化とに対する鈍感性をさらに増し、出力特性のさらなる改善をもたらす。これは、キロヘルツ体制での高パワー共鳴Ｑスイッチ式キャビティの好適な実施形態において、パルス繰り返し率の変化が熱レンズ条件の変化を引き起こし、キャビティはこの変化に対し堅牢だから、特に有利である。
【００２９】
なおさらに、曲面ゲイン媒体末端の使用は、レーザ増幅器の中、レーザ発振器の外で使用することもできる。発振器と増幅器との間ではリレーイメージングを通じて最適な結合を達成できる。その典型的技法が「アパーチャビームのリレーイメージング、７３９ページ、レーザ（Ｒｅｌａｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ａｐｅｒｔｕｒｅｄ  ｂｅａｍｓ，ｐａｇｅ  ７３９，Ｌａｓｅｒｓ），Ａ．Ｓｉｅｇｍａｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｂｏｏｋｓ  １９８６」で説明されており、ここで発振器内のアパーチャビームの増幅器への最適結合による移動は、２者間における望遠鏡の使用によって達成される。この方法では、増幅器への入力ビームをゲインプロファイルへ最適にモード整合できる。ただし本発明によると、増幅器の熱レンズと起源となるレーザゲイン媒体との整合がそれぞれの媒体間のモード整合を保証し、ゲインプロファイルのオーバーラップをもたらす。増幅されるシードビームは、増幅器ゲインモジュールで誘起された熱レンズのため正レンズを被る。熱レンズ補正は熱レンズの効果を緩和でき、したがってゲインオーバーラップを最適化できる。これに加えて、ゲインモジュール増幅器が同じゲインモジュールを使用するレーザ発振器とともに使用される場合には、中間望遠鏡を使用せずにリレーイメージングを達成できる。このシステムにともなうさらなる利点として、シードビームの空間プロファイルは増幅器のゲインプロファイルに整合する（モード整合）。発振器キャビティにおけるゲインモジュール構成を反映する、さらなるゲインモジュールを加えてよい。
【００３０】
加えて好ましくは、Ｑスイッチを提供するため、発振器キャビティの中、レーザ媒体とキャビティを形成する２つのミラーのうち一方との間に、２つの直角に交わる音響光学（ＡＯ）モジュレータが導入される。一般的に、Ｑスイッチはロスモジュレータとして使用され、損失が高いときにはキャビティでエネルギーが高レベルまで蓄積することを可能にし、そのエネルギーは損失が低いときに短い光パルスとして放出できる。ＡＯモジュレータは透明の光材料からなり、これは圧電変換器を通じて強い高周波（ＲＦ）信号が印加されるときに回折格子になる。回折格子はキャビティの外に光を出し、したがって損失を提供する。特定の偏光が経験する変調の度合いは、数ある中でも特に供給されるＲＦパワー次第で決まる。ほとんどのＲＦパワーで、セルが圧縮モードで使用される場合には、１つの偏光が他の偏光より大きい変調を経験する。このため、単一の偏光をともなうキャビティではＡＯ  Ｑスイッチがしばしば使われる。通常は、変調が２つの直交する偏光で同じ場合に特定の（低）ＲＦパワーを適用できる。この動作体制で、低パワー、非偏光レーザのため単一のセルを使用できる。ただし、非常に高いレーザパワー（例えば数１００ワット）では、したがって非常に高いゲインでは、キャビティをＱスイッチするため大きな変調が要求されている。したがって、損失変調を極大化するため、ＡＯモジュレータへ印加されるパワーは非常に高くなる（最大１００Ｗ）。このため変調は非常に偏光依存性となるから、本発明によると２つの直交セルを用いることで所要の変調を達成する。最適性能のため、セルはブラッグ又は近ブラッグ体制に従って並べられる。
【００３１】
レーザキャビティの光軸に対し直交する交差ＡＯセルの使用は非偏光感受性ホールドオフをさらに提供し、これはたとえ個々のセルが高ＲＦパワー動作の結果として偏光感受性となる場合でも、非偏光マルチモード動作をサポートできる。
【００３２】
加えて、Ｑスイッチを形成する最寄のＡＯモジュレータの外面を高反射（ＨＲ）材料で塗装することによって、上述した反射性平面ミラーを置き換えることが可能である。よってＦ−Ｐキャビティは、１つの平面不完全反射性ミラー（出力カプラー）と、ゲインモジュールから最遠のＡＯモジュレータの後部ＨＲ塗装表面とからなり、よってキャビティミラーの必要性を解消する。切り替え時間はモジュレータにおけるビームサイズに依拠するため、これはまたより速い切り替え速度を提供する。ビームサイズはキャビティミラーのところで最小だから、最速の切り替え速度はキャビティの極端で達成される。
【００３３】
ここで説明するレーザは、短いパルスのバーストを生成するためしばしば使用される。ゲインの過度の蓄積のため、バーストの第１のパルスは残りのパルスと異なる（通常はより強くなる）ことがある。これを補償するため、パルスのバースト間で励起レーザダイオードのパワーを変えることによってゲインを制御するパルス制御方法が提供される。パルスのバースト間の時間が長い場合（数１００ミリ秒）、キャビティ内パワーの不在のため熱レンズ強度は増す。これを制御するため、ダイオードパワーを若干減らすことにより、レンズの強度を、レーザがなお発射している場合と同じレベルまで変える。第１のパルスの直前に過度のゲイン蓄積を補償するため、ダイオードパワーは暫時キャビティレーザ放射閾値より下に落とされ、ゲインモジュールからゲインを枯渇させる。そして第１のパルスはパルス列の残余と同じゲインを経験する。この方法（任意のＱスイッチ式ダイオード励起レーザに適用）は、他のＡＯパルス制御方法（例えば、米国特許第４６７５８７２号明細書で説明された第１パルス抑制）とともに、あらゆる負荷サイクル及び繰り返し率で、レーザによって放射されるパルスの完全制御を提供する。
【００３４】
加えて、光キャビティは周波数倍増部品を、又は第２高調波生成のため適切な任意の高調波発生器を、含むことができる。周波数倍増部品は、非共鳴サブキャビティと周波数倍増結晶とにより形成されている。非共鳴サブキャビティはＦ−Ｐ光キャビティの不完全反射性平面ミラー（出力カプラー）に取って代わり、ゲイン媒体と周波数倍増結晶との間に置かれた追加の２色性平面ミラー（インラインミラー）を含む。キャビティミラーは、適切な塗装のおかげでキャビティの基本周波数に対しすこぶる反射性である。さらに、追加のインラインミラーは倍増された周波数を反射するが、基本周波数にて光を通過させ、他方非共鳴内部キャビティの他端を形成するキャビティミラーは、倍増された周波数を通過させる。周波数倍増結晶は、サブキャビティの中に置かれたＬＢＯ等、任意の適切な材料でよい。そのような機構の利点として、高パワーマルチモード動作（ならびに基本ＴＥＭ００モード動作）で第２高調波生成がサポートされ、出力は全て同じ周波数の同じ方向であり、例えばワークピースで直接的に使用される。
【００３５】
次に図２を参照し、熱レンズ補正を伴うレーザロッド２０２を含むレーザキャビティ２００をより詳しく見ることができる。簡潔を図るため、付加的光学部品等、他の部品は図示されていない。レーザロッド２０２は好ましくはＮｄ：ＹＡＧにより形成され、キャビティ２００の中に任意の仕様で載置されている。好適な実施形態において、レーザは非常に高い励起パワー（最大１５００Ｗ）を持つ高パワーレーザ（１５０Ｗから５００Ｗ）であり、その結果レーザロッドにおける熱効果は非常に大きくなり、具体的には「熱レンズ」が生じる。熱レンズは様々な物理的機構（例えばゲイン媒体の量子欠損）の結果として生じるが、いずれもレーザロッド２０２の断面にわたって温度勾配の発生をもたらし、可変屈折率を、ひいてはレンズ効果を、提供する。図２から見てとれるように、熱レンズの強度を補正するため、レーザロッドの末端２０４、２０６はレーザ軸２０８に対し凹状に湾曲している。末端湾曲の結果として生じる任意の増大バイフォーカシング効果を補償するため、デュアルゲインモジュールキャビティにおける石英回転器、又はシングルゲインモジュールキャビティにおけるファラデー回転器等、適切な光学部品を導入できる。
【００３６】
レーザキャビティ２００はミラー末端２１４、２１６をさらに有し、周知のとおり、レーザ放射を可能にするため共鳴キャビティを提供する。好適な実施形態においてミラーは平坦であり、ファブリーペローキャビティを提供する。その結果キャビティ２００は、平坦なキャビティミラー２１４、２１６とプロファイルされたレーザロッド末端２０４、２０６のおかげで、一定範囲の熱レンズ強度にわたってマルチモードキャビティモードをサポートできる。加えて、キャビティのフレネル数を変え、これによりキャビティのＭ２を変えられるようにするため、キャビティの中、ゲインモジュールの近くに、アパーチャを含めることができる。
【００３７】
アパーチャは任意の適切な仕様で任意の適切な材料により形成できる。ただしこれは好ましくはセラミック材料により形成され、その結果これはキャビティにおいて高レーザパワーに耐えることができる。アパーチャはまた可変でよく、キャビティＭ２の連続変化を可能にする。
【００３８】
レーザの構成部品とレーザ自体の材料及び製造は当業者である読者にとって周知であり、ここでは説明しない。例えば、励起アレイはゲイン媒体を励起するにあたり相応しい放射波長を有する、任意の高パワーレーザダイオードアレイであってよく、レーザロッドは任意の適切な材料のものであってよく、例えばネオジム添加ＹＡＧ単一結晶又はセラミック又は任意の他の相応しいレーザ媒体であってよく、レーザキャビティはＣＶＩ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｃ．から入手できるもの等、任意の相応しい高パワーレーザミラーによって規定できる。
【００３９】
図２を参照し説明した機構の結果、高パワー、非偏光、マルチモードレーザ出力が、高励起パワーと熱レンズ補正とともに得られる。特に、そして下でより詳しく述べるとおり、非偏光、ナノセカンドパルス出力を、最大のパワー効率とともに得ることができる。
【００４０】
本発明は第２の実施形態において、レンズ素子として働き、本発明の第１の実施形態で説明したレーザゲイン媒体及び／又は発振器からの放射を集める、曲面末端を有する増幅器ロッド媒体を使用する。熱レンズと曲面ロッド末端の組み合わせは合同レンズ効果をもたらし、これにより光はレーザから直接的に結合され、付加的光学部品を必要としない。加えて、励起パワーの変化は、増幅器ロッドの中に形成される熱レンズの制御を可能にする。
【００４１】
図８は、本発明による固体ネオジム添加ＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）ゲイン媒体８００を備える増幅器モジュールを示す。ゲイン媒体は、レーザダイオードのバーエミッタ８０６によって、ゲイン媒体の長手方向軸に対し直角の励起方向で、光学的にサイド励起される。励起ソースとゲイン媒体は、余分な熱を取り除くため冷やされる。水冷が一般的であるが、当技術分野で公知の任意の適切な方法を使用してよい。ゲインモジュール内のレーザロッド８００は凹状の末端８０２、８０４を有する。これは、レーザロッドの内部で誘起された正熱レンズを補正する負レンズ成分を加える。高出力パワーを生成するため要求されている高励起パワーの結果として強い熱レンズが発生する。上述したのと同様の仕様で、又は下でさらに説明するとおり、熱レンズとロッド末端湾曲との総合効果は弱収斂レンズを提供し、これが安定構成でのレーザキャビティ動作を保証する。
【００４２】
図９に見られるとおり、増幅器ゲインモジュール９１２はレーザ発振器９００の後ろに加えられ、レーザ発振器は好ましくはここで説明するレーザゲインモジュールの鏡像である。具体的に増幅器モジュール９１２は、ファブリーペロー式キャビティ（２つの平坦ミラー９０２、９０４によって形成）を、間に挟まれたゲインモジュール９０６及び２つの音響光学（ＡＯ）Ｑスイッチ９０８、９１０とともに備えるシステムのレーザ発振器９００部分から、入力レーザビームを受け取る。ファブリーペローキャビティは、高リフレクタミラー９０２と出力カプラーミラー９０４とによって形成されている。ゲインモジュール９０６はキャビティのためゲインを提供し、１対の直交する音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）によって損失変調が提供される。ＡＯＭが完全にオンであるとき（高パワーＲＦ信号印加）、ＡＯＭはキャビティから光を排出して損失を提供する。これによりキャビティではエネルギーを高レベルまで蓄積できる。ＡＯＭがオフに切り替わるとキャビティのレーザ放射が可能となり、蓄積されたエネルギーは短い光パルスとして放出される。このプロセスは１秒間に何千回も繰り返され、高ピークパワーと高平均パワーの両方を有するパルスを生成する。この構成は、３ｋＨｚから１００ｋＨｚの繰り返し率と３０ｎｓから３００ｎｓのパルス幅で４００Ｗを上回る出力パワーを送り出すことができる。システムのビーム品質（Ｍ２）は約２２である。
【００４３】
レーザー発振器によって発せられる光は、光子が事実上出力カプラーミラーを見ないから、必然的に増幅器ゲインモジュールの中へ結合され、光子は、下でより詳しく論述するとおり、そして複数の繰り返されているキャビティ１０００、１００２を示す図１０に示すとおり、別途のゲインモジュールを、これがあたかももうひとつのキャビティ内モジュールであるかのごとく、通過する。発振器の内部で２つのゲインモジュールが使われる場合のゲインオーバーラップは、ただひとつのゲインモジュールを使用する場合ほどには最適でない。ただしこれは、コンパクトなキャビティ設計を、すなわち短いゲインモジュール間距離を、考慮したときに最適である。
【００４４】
図７を参照し、ゲインロッド７０２を含むゲインモジュール７００が見られる。上で述べたとおり、そのような増幅器モジュールはレーザ発振器の出力へ結合でき、増幅器として機能する。この場合、ゲインロッドの熱レンズ強度をレーザロッドのそれに確実に整合させることで、ゲインオーバーラップを、よって効率性と出力パワーとを最適化するモード整合構成が保証されている。ゲインモジュール７００からレーザ発振器２００への後方反射を防ぐため、ロッド末端にくさびを差し込むか、又はロッドの長手方向軸に対し中心からそらすことにより、レーザビームの後方反射を発振器キャビティ２００から遠ざけることができる。
【００４５】
上で述べたとおり、増幅器媒体の末端８０２、８０４は、レンズ成分を提供するため凹状に作られる（このプロファイルはほとんどの場合、数１０センチメートル程度の凹状曲率半径となる）。図示された実施形態において、レーザ及び増幅器モジュールは同じ寸法を有し、所与の励起パワーで同じ等価のレンズ強度を提供する。正熱レンズと負ロッド末端レンズの組み合わせは、必要励起パワーで、ロッドの過大又は過小充填をともなうことなく、最大量の光を増幅器の中へ結合するにあたり十分な、全体的に弱収斂のレンズをもたらす。ロッドにおけるレーザ光の存在が熱レンズの強度を緩和し、その結果、発振器及び増幅器ゲインモジュールで熱レンズを整合させるため別の励起パワーが要求される場合を除き、増幅器は理想的にはレーザゲイン媒体の鏡像である。
【００４６】
一方、レーザキャビティが上述のとおりに構成される場合に、増幅器モジュールは全く同様に設計でき、増幅器モジュールは任意の入力レーザビームと共働するように調整できることがわかるだろう。この場合、ロッド末端の曲率は最適な結合を提供するように設計され、いくつかの入力パラメータを用いて出力を予測する、典型的レーザ増幅器のための単純なモデルの以下の論述から理解できる。以下の式３はそのようなモデルをフルエンスの点で規定するものであり（平方センチメートル当たりのジュール数で表されるビーム面積で割ったパルスエネルギーとして規定）、
【数３】
2007523499.tif 000004
【００４７】
ここでΓｏｕｔは増幅器の出力ビームフルエンスであり、Γｓはゲイン媒体の飽和フルエンスであり、Γｉｎは入力ビームフルエンスであり、Ｇ０は小さい信号ゲインである。小さい信号ゲインは以下に依存し、
【数４】
2007523499.tif 000005
【００４８】
ここでＰＰは総入力励起パワーであり、ηＴは励起パワーからロッド内の蓄積エネルギーへの伝達効率であり、ηＥは抽出効率である。
【００４９】
小さい信号ゲインは、所与の入力パワー、ビームサイズ、及び繰り返し率で増幅器の出力パワーを決定する。繰り返し率が高ければ高いほど総出力パワーは高くなるが、１パルス当たりに得られるゲインは低くなる。伝達効率（ηＴ）はゲイン媒体の量子欠損の、そしてロッドを取り囲むポンプ室の設計の結果である。抽出効率（ηＥ）は、入力ビームがレーザロッドにおいてゲインボリュームとどの程度良好にオーバーラップするかによって決まる。Ｍ２として知られる入力ビームの品質もまた抽出効率に影響を及ぼす。
【００５０】
増幅器の抽出効率におけるＭ２の影響を説明するため、図１１には一様分布を有するレーザロッドにおけるゲインボリュームが示されている。ゲインプロファイルは、実線の曲線によって示されており、破線の曲線は、ビームプロファイルをロッド（ｒ）の中心からの距離の関数として表している。左側の曲線は、低Ｍ２のビームが、増幅器を通過した後に多くの不使用ゲインを残しながら、ゲインプロファイルといかに拙劣にオーバーラップするかを示している。右側の曲線は、高Ｍ２のビームが、使用可能なゲインをより効率的に抽出しながら、ゲインプロファイルといかに良好にオーバーラップするかを示している。この図から、Ｍ２が高ければ高いほどより効率的にエネルギーが抽出されることが容易に理解できる。
【００５１】
ビームオーバーラップの重要性と熱レンズの効果を説明するため、ゼロ熱レンズを有するゲインモジュール２０の中へ平行入力ビームが送り込まれる場合に（図１２の（ａ）参照）、ビームボリュームはロッド内のゲインボリュームと良好にオーバーラップするから、ビームはゲイン媒体の中を通過し、高抽出効率を達成することがわかるだろう。この場合の最大抽出効率は、上述のとおり入力ビームのＭ２によって制限されている。
【００５２】
しかし、出力パワーに所望の増大をもたらすため増幅器を強く励起すると（１つの追加増幅器につき約２００Ｗ）、増幅器ゲイン媒体で正熱レンズ効果が発生する。
【００５３】
図１２の（ｂ）で破線の曲線により示された強い熱レンズが存在する場合には、ロッドを通過する過程でビームの直径が直ちに減少するから、平行（コリメートされた）入力ビームはゲインボリュームと拙劣にオーバーラップする。
【００５４】
入力ビームがゲイン媒体の中を対称的に通過するとき、（所与のＭ２を有するビームで）最大のオーバーラップが達成される。これは特にロッドの中心軸の周辺に、縁端の周辺よりも多くのゲインがある場合に当てはまり、ほとんどの場合はこれに該当する。
【００５５】
したがって、ゲインモジュールの中でビームを対称的に通過させるには、追加のビーム調整光学部品が必要となる。ビーム調整光学部品が入力ビームの発散を補正することにより、増幅器モジュール２４の近く、図１２の（ｃ）の「Ｗ」で印された位置にはビームのくびれが現れる。熱レンズが強ければ強いほど、くびれは、これを増幅器モジュールで対称的に通過させるため、増幅器モジュールに近づける必要がある。
【００５６】
増幅器媒体又はレーザゲイン媒体８００のレンズ面８０２、８０４は、ロッドの末端に曲率半径（ＲｏＣ）を置くことによって達成される。ゲイン媒体にゼロ熱レンズ効果がある特別な場合のＲｏＣは、ロッドを介して発散ビームを平行にするため凸状（正レンズ）でよい。一般的にロッドの末端には、正熱レンズの釣り合いをとる負レンズ成分を提供するため凹状ＲｏＣが使われる。図１３は、レーザロッドの入力側で凹状ＲｏＣ５３を使用することによって、強い熱レンズ５２を呈するゲイン媒体５１が最適に結合されている様子を示している。ビームはロッドの入力側で正確な直径を有さなければならず、ロッド湾曲は非最適入力ビーム発散を補正する。ロッドの出口側のＲｏＣは、以降の出力ビームの使用にとって相応しい任意の曲率でよい。図１３で、出口ＲｏＣは入力と同じである。
【００５７】
したがって、所望の動作条件のため適切なＲｏＣを決定しなければならない。明らかにするため、以降の論述は増幅器媒体ロッド末端のため、適切なＲｏＣを決定することに関する。ただし、同様の方法を用いて発振器ゲイン媒体のＲｏＣを決定できることは、当業者によって理解されよう。
【００５８】
まずは熱レンズの度合いを特定する。特定増幅器モジュールの熱レンズは、平坦な末端を有するロッドを介して、これが励起ソースによって完全に励起されるときに、ＨｅＮｅレーザを照射することによって判定できる。ＨｅＮｅは、６３３ｎｍにてロッドの熱焦点距離に等しい地点で合焦される。次に増幅器モジュールのレーザ放射波長のため等価のレンズ焦点距離を計算できる。次にこの熱焦点距離をキャビティモデリングソフトウェアパッケージ（Ｐａｒａｘｉａ等）で使用し、キャビティの挙動を励起パワーの関数としてモデル化できる。第２の方法では、熱拡散及び屈折率補正式を使ってロッドの焦点距離を計算し、所要キャビティ安定性を与える適切なロッド末端曲率半径を提供する。そのような方法は「第７章。熱光学効果と熱除去、４０６ページ、固体レーザ工学（Ｃｈａｐｔｅｒ  ７．Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ａｎｄ  Ｈｅａｔ  Ｒｅｍｏｖａｌ，ｐａｇｅ  ４０６，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ，Ｆｉｆｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  １９９９」で説明されている。算出した熱焦点距離は上記のキャビティモデリングパッケージで使用できる。キャビティは、レーザ放射閾値が低く（高パワー動作で）、キャビティモードのＭ２が所望の動作励起パワーでピークに達するよう設計すべきである。これは、最大のキャビティ安定性と、繰り返し率の変化による熱レンズ変化に対する鈍感性を保証する。
【００５９】
増幅器モジュールレーザロッドの熱焦点距離がわかったら（ｆｔｈ）、薄レンズモデルを用いて所与の入力ビームパラメータで、ロッド末端の曲率半径を計算できる。図１４は、理想的入力ビーム６０２が、ロッドの中でゲインボリューム６００といかに最適にオーバーラップするかを示している（実線ビーム）。理想的入力ビーム６０２は、平坦な末端を有するロッドの場合に、入力ロッド末端６０４にて理想的直径を、そしてこれに伴い理想的発散（Ｄｉ）を有する。任意入力ビーム６０６（破線ビーム）のビーム直径と発散は、最適な抽出効率を達成するため一致させなければならない。ロッド入力におけるビーム直径は以下の式によって概算でき、
【数５】
2007523499.tif 000006
【００６０】
ここでＤＲはロッド直径であり、ＬＲはロッドの長さであり、ｆｔｈはロッド熱焦点距離である。任意入力ビームのくびれは、その直径が入力ロッド末端にてＤｉに等しくなるようにするため、増幅器モジュールから距離ｄ０のところに置かなければならない。ｄ０は以下のとおりに規定され、
【数６】
2007523499.tif 000007
【００６１】
ここでθ０は任意入力ビーム発散半角である。任意入力ビームの発散を、これが増幅器モジュールの内部で理想的入力ビームの発散に一致するよう補正するには、以下の式によって与えられる負曲率半径をロッドの末端に置く必要があり、
【数７】
2007523499.tif 000008
【００６２】
ここでｎＬは増幅器ゲイン媒体の屈折率であり、ｎａｉｒは空気の屈折率であり、いずれもレーザ波長におけるそれである。上の式は、強い熱レンズ成分を有する増幅器モジュールの中へ最適に結合するため求められる、ロッド末端曲率半径の近似計算方法を与える。例えば上で用いた薄レンズモデルではなく、熱レンズの分布屈折率（ＧＲＩＮ）レンズモデルを使用する等、より複雑なモデルを使用できる。
【００６３】
非常に高いゲインのシステムでは、増幅器の入力面からの僅かな後方反射が発振器の性能を損なうことがある。この場合には、後方反射を発振器へ戻さないようにするため入力面を若干傾けることができる。出力面は、曲面レンズ成分を傾けることによって導入される非点収差の作用を相殺するため、逆平行に傾けることができる。
【００６４】
もしも増幅器モジュールが完全に励起され、ただし入力ビームが存在しなければ、熱レンズは若干強くなる。これは、高パワー入力ビームが存在するときの熱レンズに相当するレベルまで励起パワーを減らすことによって相殺できる。これらの効果は熱的であって、したがって、増幅器が励起され、ただしゲイン媒体の熱平衡時間（熱伝導率と寸法によって決定）に匹敵する期間にわたって使われない場合に、当てはまる。好ましくはレーザと増幅器とは同時に励起される。
【００６５】
増幅器モジュールは対称的で、且つ上で説明した実施形態のレーザモジュールと同じであってよいが、ロッドの出口末端の曲率半径は、任意の要求されている出口イメージ位置のために、非対称や他の変化に対応できるようにするため、上の方法と同様の方法で選ばれてよい。
【００６６】
本発明は数々の利点をもたらす。各増幅器モジュールは出力パワーをそれぞれ約２００Ｗずつ増加する。レーザ発振器ソース１５１４から非常に高い平均パワー（数１００ワットから数キロワット）を生成し、搬送光学部品１５１６を介してレーザアプリケーション１５１８へ送り届けるため、図１５に見られるとおり、複数の増幅器１５１０、１５１２をともに縦列してよい。唯一の制限は、使用するレーザゲイン媒体又は塗装の損傷閾値、又は入力ビームフルエンスと使用するゲイン媒体の飽和フルエンスによって規定される効率性への自主制限である。増幅器ゲインモジュールの追加にともない放射の出力パルス幅は名目上変わらない。ゲインモジュールが加わるたびに出力ビーム品質（Ｍ２）はわずか約１．５ずつ上昇する。
【００６７】
増幅器は、高パワー（＞１００Ｗ）パルス式（Ｑスイッチ式又はモードロック式）発振器を含む数々の異なるソースへ、例えば既述のパワー発振器パワー増幅器（ＰＯＰＡ）構成で、適用できる。これらはまた、連続波（ＣＷ）発振器（高及び低パワー）、低パワー（＜１００Ｗ）Ｑスイッチ式、モードロック式、又はＣＷ発振器、ファイバ発振器、ピコセカンド、ナノセカンド、マイクロセカンド、又はミリセカンド発振器のために、そして薄膜除去及び表面クリーニング用途等、一連の用途で使用できる。
【００６８】
次に図１６を参照すると、レーザゲイン媒体１６０６と、ミラー１６０２、１６０４によって規定されている光キャビティ１６００とを具備する、本発明のさらなる実施形態が見られ、ミラーのうち一方は上で説明したとおり不完全に反射性である。ゲイン媒体とミラーのうち一方との間にはＱスイッチ１６１２もまた提供され、Ｑスイッチは、ブラッグ、近ブラッグ、ラマン−ナス、又は近ラマン−ナス配列にて溶融シリカ又はその他の適切な材料により形成された、１対の隣接する音響光学（ＡＯ）モジュレータ１６０８、１６１０を備える。周知のとおりＡＯモジュレータ１６０８、１６１０は、光キャビティ１６００における振動の蓄積を防ぐことによってレーザ放射の切り替えを提供する。ＡＯモジュレータ１６０８、１６１０は他方に対し直交する偏光軸を有し、非動作のときには全極性の光を通過させる。交差ＡＯモジュレータ１６０８、１６１０がＲＦ信号によって動作すると、ゲイン媒体１６０６とミラーのうち一方１６０４との間の光路が遮断されることによって、あらゆる極性の光振動が阻止され、ゲイン媒体１６０６で反転分布が増大する。好ましくは、キャビティをＱスイッチするため、１対の圧縮（縦方向）音響光学（ＡＯ）モジュレータが提供される。圧縮セルは、既述の高ゲイン、高速蓄積時間レーザにとって重要な素早い切り替えが可能であるから使用される。
【００６９】
そのような機構の結果、パルス非偏光レーザ光のためのＱスイッチを達成でき、パワー供給の増大がもたらされる。この増大パワーは、偏光解消損失に対するキャビティの感受性の欠如に起因する。ゲイン媒体における熱的収差から生じる偏光解消損失を阻止するため、偏光器がしばしば使われる。あらゆる偏光状態でレーザ放射を可能にすることによって、偏光解消のため光は失われない。
【００７０】
加えて、図１６の実施形態は図１７に見られるとおりに修正でき、ここで上述のＱスイッチを形成する単一ＡＯモジュレータ又は１対の隣接する交差ＡＯモジュレータは、完全反射性又は出力結合キャビティミラーに取って代わることができる。キャビティ１７００の極端にあるＡＯモジュレータ１７０８はゲイン媒体１７０６に対し遠位の側に高反射塗装１７０９を有し、その結果これはキャビティミラーとして働き、キャビティの中で光を反射するか、又はキャビティの外へ光を結合する。ＡＯモジュレータは切断、研磨、及び塗装されなければならず、その結果これは適切な動作モード（すなわち、ブラッグ、近ブラッグ、ラマン−ナス、又は近ラマン−ナス）に従ってプリアラインされ、ミラー表面はキャビティの中へ光を逆反射しなければならない。これによりＡＯモジュレータは、最速の切り替え時間のため、キャビティの末端にできるだけ近づけて置くことができる。先に説明したとおり、速い切り替え時間は、高パワー、高ゲインレーザにとって重要である。
【００７１】
ここで説明する高パワーＱスイッチ式レーザへの追加は、これがパルスのバーストを提供するために使われる場合に使用されてよい。パルスのバーストが生成される場合には、バーストの始めに近いパルスが異常に高い又は低いエネルギー（及び／又は強度）を有することがあり、且つ不安定になることがある。この問題には２つの原因、すなわち熱変化（より長いタイムスケール、〜１００ｍｓ−〜１ｓ）とゲイン変化（より短いタイムスケール、〜１０μｓ−〜１ｍｓ）とがある。問題の解決策は励起ダイオードパワーの変調から到来する。これは、ゲインモジュール（発振器内又は増幅器内）に給電するために用いるダイオード電源の適切な時間変調によって達成できる。より長いタイムスケールの問題を修正するには、パルスのバースト間でダイオードパワーを（平常動作パワーより５％程度低い）休止レベルまで減らすことによって、熱レンズの変化を補償する。ゲイン変化を補償するため、ダイオードパワーはさらに暫時（〜１ｍｓ）減らされる（キャビティのレーザ放射に要求される限界パワーより下）。この方法（任意のＱスイッチ式ダイオード励起レーザに適用）は、他のＡＯパルス制御方法（例えば第１パルス抑制）とともに、あらゆる負荷サイクル及び繰り返し率で、レーザによって放射されるバーストのパルスの完全制御を提供する。
【００７２】
今度は図１８を参照し、ミラー１８０２、１８０４によって囲まれたレーザキャビティ１８００を備え、且つその中にレーザロッド１８０６を有する、本発明のさらなる実施形態が見られる。示されている実施形態において、レーザーロッドは一般的には平坦な末端を有し、ただしこれは、上で詳述したとおり、任意の適切な代替の仕様でプロファイルできる。
【００７３】
さらにキャビティには、周波数２倍器（frequency doubler）１８０８が設けられる。この構成品は、ＬＢＯ等の非線形水晶上の任意の適切な高調波発生器であってよい。周知のとおり、周波数２倍器１８０８は、レーザロッド１８０６からの入力に対し倍増された周波数を有する、出力レーザビームを提供する。レーザロッド１８０６と周波数倍増素子１８０８との間には、インラインミラー１８１０が置かれる。インラインミラーは、例えば周波数倍増素子１８０８に近接するこれの側面１８１２で、倍増周波数で倍増周波数の光を反射する高反射性塗装と、基本周波数で光を通過させる反射防止塗装とで、被覆されている。この光学部品の他方の側面１８１３もまた、基本周波数で光を通過させる反射防止塗装で被覆されてよい。その結果、ミラー１８１０はキャビティ末端ミラー１８０４とともに非共鳴サブキャビティを形成し、これによりキャビティから不必要な光学部品を取り去る。キャビティから、基本周波数の高反射性塗装と倍増周波数の反射防止塗装とを担う末端ミラー１８０４を通じて、倍増周波数レーザ光が出力される。
【００７４】
第２高調波生成によって最大の周波数倍増パワーをもたらす効果的方法は、中位Ｍ２ビームを、大きい受光角と適度の線形係数とを有する非線形結晶に揃えることによる。倍増素子における大きい受光角は、より高いＭ２のビームが伝搬ベクトルの分布を含むという事実のため必要とされる。大きい受光角を有する非線形結晶は一般的に、高い非線形係数を有さない。波長１０６４ｎｍと２０から３０のＭ２とを有する基本ビームの、５３２ｎｍの第２高調波への変換に適した非線形結晶はＬＢＯである。ただし、適切な変換器、又は他の任意の変換周波数を使用し、３５５ｎｍ及び２６６ｎｍの波長へ変換することもまた可能である。
【００７５】
図１８に見られる機構のため、任意の適切な部品を使用できることは理解されよう。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ等の適切なレーザロッドを採用でき、周波数変換素子は、例えばマルチモードのためのＬＢＯ、又はシングルモード（ＴＥＭ００）変換のためのＢＢＯ等、任意の適切な材料の形をとる、任意の適切な高調波発生結晶を得ることができる。同様に、中間ミラー１８１０とキャビティ末端ミラーとは、任意の適切なタイプのものでよく、例えば適切な周波数選択を保証する多層薄膜誘電性塗装等の塗装を担うことができる。ゲインモジュールに最も近い非線形結晶の面上の表面１８１２上のそれに類似する、適切な薄膜塗装を置くことによって、キャビティ内ミラーもまた放棄されてよい。
【００７６】
この方法を用いる変換効率は、標準のキャビティ外倍増技法に対し３通りに改善されている。第１に、キャビティ内倍増は高いキャビティ内強度を利用し、プロセスの非線形性により変換効率を増大する。第２に、中間ミラーは倍増結晶の中を双方向に通過することによって生成される倍増光を、レーザから共線的に、そして同じ方向に出すことを可能にする。第３に、基本放射は周波数倍増を経由しない限りキャビティから逃げることができない。その結果、純粋で直ちに使用できる出力が倍増周波数にて提供される。さらに共線機構は、例えば折り畳まれたキャビティに勝る簡素さの利点を提供する。
【００７７】
変換効率の増大は、レーザキャビティの内部に非線形結晶を置くことによって得られる。非線形変換プロセスは、結晶を非線形体制の中へ追い込むにあたり十分な強度を有する基本ビームを必要とする。変換効率の改善は、ビームのサイズを減少させ、ひいては強度を増すビーム合焦によってキャビティの外で達成できる。これはビームにおける伝搬ベクトルの分布を増大させる働きをし、より上位のモードの変換効率の減少を招く。ビームが合焦されようがされまいが、キャビティ外変換はＭ２フィルタリングを（上位モードは効率的に変換されない）、したがって総合変換効率の減少を招く。レーザキャビティの中での強度は一般的に、出力ビームにおけるそれより格段に高い。格段に高い変換効率は、レーザキャビティの内部に非線形結晶を置くことによって達成できる。
【００７８】
非線形結晶をレーザキャビティの内部に置くことにより（キャビティ内）、周波数変換は出力カプラーとして作用し、キャビティにおける基本放射は、これが別の波長へ変換される場合に限り放出できる。基本放射は、もしもそれが非線形結晶での１回目の通過で変換されないなら、２回目、３回目の通過等で変換され、往復のたびにレーザゲイン媒体で増幅されるため、これは総出力効率をさらに改善する。
【００７９】
キャビティ内変換はＭ２フィルタリングの点で利点を提供する。キャビティ外変換では、上位モードは非効率的に変換されビームから剥ぎ取られる。（つまり、より上位のモードの変換の確率はより低い）。キャビティの内部では、上位モードはそれらが周波数変換されるときに限り外へ結合でき、変換されるまではキャビティ内で振動し続けるから、低変換確率は問題とならない。これはＭ２フィルタリングがさほど問題とならないことを意味する。
【００８０】
キャビティが高Ｍ２のビームを発する理由の一部は、（一般的には、熱効果に起因するゲイン媒体における）収差に起因する。収差は横キャビティモード間にクロストークを提供し、これは上位モードからより下位のモードへの、及びその逆の、エネルギーの流れを可能にする。クロストークは、キャビティの総合変換効率の改善に役立てることができる。上位モードにおけるエネルギーは、それがより上位のモードの中へ散乱する場合より、収差によってより下位のモードの中へ散乱する場合により高い変換確率を持つことになり、これは、モードが変換されるまで振動を続けるキャビティ内結晶を使用して可能である。これはＭ２の総合的低減と変換効率の改善をもたらすだろう。
【００８１】
レーザキャビティは、キャビティの内部に置かれた大きい受光角を有する非線形結晶とともに（キャビティ内）、システムがサポートする最大Ｍ２で動作するように設計されている。これは、熱レンズの変化（ゲインモジュール間の必然的差異による、又は励起ダイオードの老化による変化）に対する堅牢さの点で、ある程度の安定性をレーザに与える。
【００８２】
周波数倍増プロセスにおいては、倍増結晶の温度が変換効率とレーザの安定性にとって重要である。レーザのウォームアップ時間は、結晶予備冷却法を用いることによって劇的に改善できる。レーザが、非レーザ放射状態からレーザ放射状態への移行を果たすときには、周波数倍増結晶への熱負荷が突如増加する。その結果、結晶の温度が増加し、倍増効率は低下する。そこで結晶温度制御システムは時間をかけて、結晶の温度を最適変換ポイントまで下げる。レーザが非レーザ放射状態にある間に結晶温度を、最適倍増温度より低い値に設定することによって、ウォームアップ時間は短縮する。その後レーザがオンに切り替わると、熱負荷の急増が、結晶の温度を最適変換ポイントに向けて上昇させる。結晶温度が増すにつれ、冷却システムの設定ポイントは最適変換温度に向けて増し、このようにして温度の行き過ぎとウォームアップ時間とを低減する。
【００８３】
倍増結晶冷却システムは、熱伝導性結晶マウント（例えば銅製）、伝熱ポンプ（熱電クーラー等）、ヒートシンク（水冷式ブロック等）、及び結晶の近くに置かれた温度センサを備える。結晶は、結晶マウントからヒートシンクにかけて熱を励起することによって冷やされ、シンクから結晶マウントにかけて熱を励起することによって熱せられる。結晶の温度は、任意の適切な比例積分微分温度コントローラ（ＰＩＤコントローラ）によって設定され且つ制御される。温度設定ポイントの一例は２５℃である。
【００８４】
説明したタイプのレーザが、一連の可能な用途のため、例えばレーザ除去、切断、穿孔のため、採用できることは理解されよう。
【００８５】
上で説明した各種実施形態の部品と素子とが、適宜に交換且つ並置できることは理解されよう。論述はＮｄ：ＹＡＧレーザに向けたものだが、任意の適切なレーザ材料を採用できる。加えて、任意の適切なゲイン媒体、励起方式又はソース、及び冷却方式を採用できること、そしてロッド末端を任意の適切な仕様でプロファイルすることにより、屈折又は回折（例えばフレネル）レンズを、又は末端の上に事実上載置されるＧＲＩＮレンズを、提供できることが理解されよう。同様に、任意の適切なパルス又は連続動作モードはもとより、任意の適切な光ゲインキャビティ構成及び励起方式を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来技術を実施するリレーイメージシステムの概略図である。
【図２】本発明による熱補正レーザキャビティの概略側面図である。
【図３】キャビティ安定性図である。
【図４】総ロッドレンズ強度に対する出力パワーのグラフである。
【図５】ロッドレンズ強度に対するレーザビーム品質（Ｍ２）のグラフである。
【図６】レーザ励起パワーに対するレーザビーム品質（Ｍ２）のグラフである。
【図７】本発明による増幅器モジュールの概略側面図である。
【図８】励起式増幅器モジュールの図である。
【図９】本発明との関連で使用されるレーザモジュールを示す図である。
【図１０】鏡像構成における複数増幅器モジュールの動作を示す図である。
【図１１】低Ｍ２及び高Ｍ２ビーム間のゲインオーバーラップの比較図である。
【図１２】（ａ）は、ゼロ熱レンズによる良好なゲインオーバーラップの概略図であり、（ｂ）は、強い熱レンズによる拙劣なゲインオーバーラップの概略図であり、（ｃ）は、ビームがゲイン媒体の中を対称的に通過する、熱レンズにより極大化されるゲインオーバーラップの概略図である。
【図１３】熱レンズ補償を示す概略図である。
【図１４】本発明の主な設計基準を示す図である。
【図１５】複数の増幅器モジュールを示す図である。
【図１６】本発明によるＱスイッチ式キャビティの概略側面図である。
【図１７】本発明の別の実施形態によるＱスイッチを採用するキャビティの概略側面図である。
【図１８】本発明の実施形態による周波数２倍器を含むレーザキャビティの概略側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月6日(2006.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光軸に沿って第１及び第２の末端を有する固体レーザゲイン媒体であって、少なくとも１つの末端は、所定の動作パワーにて一定レベルの熱レンズを提供するようにプロファイルされ、所定のビーム品質は、所定の動作励起パワーにて最大の実質的に中心に位置付けられる、媒体。
【請求項２】
前記媒体の両末端は、前記のようにプロファイルされている、請求項１に記載の媒体。
【請求項３】
このゲイン媒体は、Ｎｄ：ＹＡＧにより形成されている、請求項１又は２に記載の媒体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の媒体を含む、レーザ発振器キャビティ。
【請求項５】
平坦なキャビティ末端リフレクタをさらに具備する、請求項４に記載のキャビティ。
【請求項６】
第１及び第２の音響光学セルとそれぞれの第１及び第２の非平行偏光方向とを有する、Ｑスイッチをさらに具備する、請求項３ないし５のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項７】
キャビティ末端リフレクタを形成する反射性末端を有する少なくとも１つの音響光学セルを備えるＱスイッチをさらに具備する、請求項４ないし６のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項８】
周波数変換器と、前記レーザゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとをさらに具備する、請求項３ないし７のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の媒体、又は請求項３ないし８のいずれか１項に記載のキャビティを具備する、レーザ。
【請求項１０】
サイド励起ダイオード素子をさらに具備する、請求項９に記載のレーザ。
【請求項１１】
第１及び第２の音響光学セルをそれぞれの第１及び第２の非平行偏光方向に具備する、レーザのためのＱスイッチ。
【請求項１２】
レーザキャビティミラーを形成するように配置されている反射性表面をさらに具備する、請求項１１に記載のＱスイッチ。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載のＱスイッチを具備する、レーザ。
【請求項１４】
ゲイン媒体を有し、且つ所定の動作パワーに対して実質的に最大のビーム品質にて動作するよう配置されている、光ゲインキャビティ。
【請求項１５】
第１の末端リフレクタと、出力末端リフレクタと、これらの間に設けられたゲイン媒体とを、レーザキャビティ素子として備えるレーザキャビティであって、このキャビティは、前記ゲイン媒体と前記出力末端リフレクタとの間に周波数変換器と、前記ゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとを、レーザキャビティ素子としてさらに備え、前記レーザキャビティ素子は共通の物理的軸上に整列されている、レーザキャビティ。
【請求項１６】
第１の末端リフレクタと、出力末端リフレクタと、これらの間に設けられたゲイン媒体とを、レーザキャビティ素子として備えるレーザキャビティであって、このキャビティは、前記ゲイン媒体と前記出力末端リフレクタとの間に周波数変換器と、前記ゲイン媒体と前記周波数変換器との間に周波数選択性リフレクタとを、レーザキャビティ素子としてさらに備え、且つ所定の動作励起パワーに対して最大の中心に位置付けられる所定のビーム品質をもたらすように構成されている、レーザキャビティ。
【請求項１７】
前記周波数選択性リフレクタと前記出力末端リフレクタとは、変換された周波数でワークピースにて使用されるため、周波数変換器によって変換されたレーザ光を出力するように配置されている、請求項１５又は１６に記載のレーザキャビティ。
【請求項１８】
前記周波数変換器は、第２高調波発生器である、請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項１９】
前記出力末端リフレクタは、前記ゲイン媒体によって生成された基本周波数を反射する、請求項１５ないし１８のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項２０】
前記周波数変換器は、大きい受光角を有する、請求項１５ないし１９のいずれか１項に記載のキャビティ。
【請求項２１】
請求項１５ないし２０のいずれか１項に記載のレーザキャビティを有する、レーザ。
【請求項２２】
請求項９、１３、又は２１に記載のレーザを具備する、レーザ除去装置。
【請求項２３】
所定の励起パワーで所定のビーム品質が達成されるよう、所定の励起パワーにて一定レベルの熱レンズを提供することを含む、レーザゲイン媒体末端をプロファイルする方法。
【請求項２４】
励起パワーをレーザパルスのバースト間の休止レベルまで減少させることを含む、Ｑスイッチ式パルスレーザの励起を制御する方法。
【請求項２５】
レーザ増幅器であって、
レーザキャビティと、
このレーザキャビティの外に増幅モジュールとを具備し、この増幅モジュールは、前記レーザキャビティとともに共通の放射軸を共有し、且つこの放射軸に沿って第１及び第２の末端を有するゲイン媒体を備え、前記第１及び第２の末端のうち少なくとも一方は、前記レーザキャビティから前記増幅モジュールの中へ光を直接的に結合するようにプロファイルされている、レーザ増幅器。
【請求項２６】
前記第１又は第２の末端のうち一方又は両方は、所定の焦点距離を有するレンズを形成するようにプロファイルされている、請求項２５に記載のレーザ増幅器。
【請求項２７】
前記レーザは、プロファイルされた末端を備えたゲイン媒体を有する、請求項２５に記載のレーザ増幅器。
【請求項２８】
前記レンズは、屈折性、回折性、又はＧＲＩＮレンズのうち１つである、請求項２６に記載のレーザ増幅器。
【請求項２９】
前記レーザゲイン媒体末端は、所定の焦点距離を有するレンズを形成するようにプロファイルされている、請求項２６に記載のレーザ増幅器。
【請求項３０】
前記レーザゲイン媒体の前記レンズと増幅器ゲイン媒体の前記レンズとは、実質的に等しい焦点距離を有する、請求項２９に記載のレーザ増幅器。
【請求項３１】
前記レーザゲイン媒体レンズと前記増幅器ゲイン媒体レンズとは、凹状にプロファイルされている、請求項２５ないし３０のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３２】
前記レーザと前記増幅媒体とは、同時に励起される、請求項２５ないし３１のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３３】
前記レーザポンプと前記増幅ポンプとは等しいパワーを有する、請求項３２に記載のレーザ増幅器。
【請求項３４】
前記増幅器の入力表面は傾けられる、請求項２５ないし３３のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項３５】
第１及び第２の末端を有する媒体を備えた光増幅器モジュールであって、少なくとも一方の末端は、所定の動作パワーにて一定レベルのレンズを提供するようにプロファイルされ、また、使用時に増幅器を所定のパラメータのレーザへ直接的に結合できるよう配置されている、光増幅器モジュール。
【請求項３６】
直径ＤＲ、長さＬＲ、屈折率ｎａｉｒの空気で屈折率ｎＬ、及び熱焦点距離ｆｔｈのロッドを備え、前記入力ロッド末端からくびれ距離ｄ０を有するレーザから、入力ビームを受け取るように配置されている増幅器媒体の場合に、前記ロッドは、
【数１】
2007523499.tif 000028
によって近似される曲率半径Ｒによりプロファイルされている、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項３７】
レーザ増幅器モジュールゲイン媒体を製造する方法であって、使用時に増幅器を所定のパラメータのレーザへ直接的に結合できるよう配置されている、所定の動作パワーにて一定レベルのレンズを提供するため、これの少なくとも１つの末端をプロファイルすることを具備する、方法。
【請求項３８】
請求項３５又は３７に定めるプロファイルを特定することを備えるレーザ増幅器を設計する方法。
【請求項３９】
完全パワー励起に先駆け、励起パワーをレーザキャビティレーザ放射閾値より下まで減少させることを具備する、Ｑスイッチ式パルスレーザで励起を制御する方法。
【請求項４０】
前記レーザが非レーザ放射状態にある間に、前記レーザキャビティ内の周波数変換器を最適周波数変換温度より下まで冷やすことを具備する、レーザキャビティにおいてレーザ周波数を変換する方法。
【請求項４１】
請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の媒体キャビティ、レーザ、又はスイッチ、及びそこに結合されている請求項２５ないし３６のいずれか１項に記載の増幅器又はモジュールを具備する、レーザアセンブリ。
【国際調査報告】
2007523499.tif 000029
2007523499.tif 000030
2007523499.tif 000031
2007523499.tif 000032
2007523499.tif 000033