(57)【要約】      （修正有）【課題】高エネルギー近回折限界レーザービームを生成するマルチレーザーディスク共振器を提供する。【解決手段】パワー増幅器３００は、第一垂直面２０４に設けられた複数の第一レーザーディスク２３０ａ−ｃ、及び第一垂直面と対向する第二垂直面２０６に設けられた複数の第二レーザーディスク２３０ｄ−ｆとを含み、上記複数のレーザーディスクは、中央水平面２１０に設けられている。パワー増幅器は、第一垂直面に設けられた複数の第一反射ミラー２４０ｅ−ｈ、及び第二垂直面に設けられた複数の第二反射ミラー２４０ｂ−ｄを更に備え、光軸２０２に沿って隣接するレーザーディスクと反射ミラーとの各組は、それぞれが１対１イメージングシステムを形成するように配置されている。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィードバックミラー（２２０）及び主ミラー（２２２）を備え、これらフィードバックミラー及び主ミラーは、それらの間の光軸（２０２）に沿って伝播するレーザー信号に対し、不安定共振を与えるように構成されており、
第一垂直面（２０４）に複数の第一レーザーディスク（２３０ａ〜ｃ）が設けられ、前記第一垂直面（２０４）と対向する第二垂直面（２０６）に複数の第二レーザーディスク（２３０ｄ〜ｆ）が設けられ、前記複数のレーザーディスク（２３０ａ〜ｆ）は、中央水平面（２１０）に設けられており；
前記第一垂直面（２０４）に複数の第一反射ミラー（２４０ｅ〜ｈ）が設けられ、前記第二垂直面（２０６）に複数の第二反射ミラー（２４０ａ〜ｄ）が設けられ、第一組の反射ミラー（２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｅ、２４０ｇ）は下方水平面（２０８）に設けられ、第二組の反射ミラー（２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｆ、２４０ｈ）は上方水平面（２１２）に設けられており；
光軸上で隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、それぞれ両者の間で１対１イメージングシステムを形成するように配置されている、不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項２】
前記第一垂直面（２０４）は、前記複数の第二レーザーディスク（２３０ｄ〜ｆ）及び前記複数の第二反射ミラー（２４０ａ〜ｄ）のイメージング平面に設けられており、
第二垂直面（２０６）は、前記複数の第一レーザーディスク（２３０ａ〜ｃ）及び前記複数の第一反射ミラー（２４０ｅ〜ｈ）のイメージング平面に設けられている、請求項１に記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項３】
前記フィードバックミラー（２２０）は、前記第一垂直面（２０４）に設けられており、
前記主ミラー（２２２）は第二垂直面（２０６）に設けられており、
前記フィードバックミラーと前記主ミラーはどちらも前記中央水平面（２１０）に設けられている、請求項１又は２に記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項４】
前記第一の複数のレーザーディスク（２３０ａ〜ｃ）は、第一曲率半径及び第一焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記第二の複数のレーザーディスク（２３０ｄ〜ｆ）は、前記第一曲率半径及び前記第一焦点距離とそれぞれ等しい第二曲率半径及び第二焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記第一の複数の反射ミラー（２４０ｅ〜ｈ）は、前記第一曲率半径及び第一焦点距離とそれぞれ等しい第三曲率半径及び第三焦点距離とを有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第二反射ミラー（２４０ａ〜２４０ｄ）は、第一曲率半径と第一焦点距離とそれぞれ等しい第四曲率半径及び第四焦点距離とを有する凹型球面を含んでいる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項５】
前記隣接するレーザーディスク（２３０）及び反射ミラー（２４０）は、前記光軸（２０２）に沿って、前記第一曲率半径に対応する距離だけ離れている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項６】
前記上方水平面（２１２）における反射ミラー（２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｆ、２４０ｈ）からレーザーディスク（２３０）に反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記下方水平面（２０８）における反射ミラー（２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｅ、２４０ｇ）に反射し、
前記下方水平面（２０８）における反射ミラー（２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｅ、２４０ｇ）からレーザーディスクに反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記上方水平面（２１２）における反射ミラー（２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｆ、２４０ｈ）に反射する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項７】
前記フィードバックミラー（２２０）を介して前記共振器に入射したレーザー信号は、当該レーザー信号の一部が、前記フィードバックミラーを介して前記共振器外に出射する前に、各レーザーディスク（２３０ａ〜ｆ）に４回衝突する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項８】
レーザー信号は、前記光軸（２０２）上で隣り合うレーザーディスク（２３０ａ〜ｆ）の間で反転する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項９】
前記フィードバックミラー（２２０）及び前記主ミラー（２２２）、並びに各レーザーディスク（２３０）及び各反射ミラー（２４０）は、負分岐イメージング共振器を構成するように配置される、請求項１〜８のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【請求項１０】
前記フィードバックミラー（２２０）及び前記主ミラー（２２２）、並びに各レーザーディスク（２３０）及び各反射ミラー（２４０）は、正分岐イメージング共振器を構成するように配置される、請求項１〜９のいずれか１つに記載の不安定型イメージング共振器（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明する主題はレーザー共振器システムに関し、特に不安定型イメージング共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザーディスクは、その背面に沿ってヒートシンクに実装された能動的薄型ディスク利得媒体を有している。ディスクの背面は、レーザー波長及びポンピング波長に対して高い反射率を有しており、前面は、レーザ波長及びポンピング波長に対して高い透過率を有している。外部レーザービームは、ディスクに対してその前面又は「面」から入射し、背面に伝播し、その背面から前面へ反射して、ディスクから離れる。ディスク内で伝播している間、レーザービームは当該ディスクからエネルギーを抽出する。
【０００３】
損失したエネルギーは、ポンピングレーザービームにより回復されるが、このポンピングレーザービームもまた同様に、ディスクに対してその前面から入射し、背面に伝播し、その背面から前面へ反射及び伝播して、ディスクから離れる。ディスク内での伝播中、このポンピングビームは、ディスク内にエネルギーを堆積して、上述した媒体を刺激する。能動的媒体の例としては、直径１０〜２０００ミリメータ（ｍｍ）且つ厚さ１００ミクロン（０．２０ｍｍ）の円盤状のＹｂ：ＹＡＧ（イッテルビウム添加イットリウムアルミニウムガーネット）がある。レーザーディスクに能動ミラーとしての機能を与えるために、ポンピング光源は、通常、レーザー波長で単一ゲインを超えるゲインを提供するダイオードレーザーアレイにより提供される。ポンピングビームは、レーザービームとの干渉を避ける入射角で面を照射する。
【０００４】
レーザーディスク出力ビームパワーは、ポンピング光源から供給されるパワーを増加させることにより、及び／又はレーザーディスク共振器内の複数のレーザーディスクを組み合わせることにより増加させることができる。安定型レーザーディスク共振器は、複数のディスク夫々のレーザー出力を、例えば、金属加工用のマルチキロワットのレーザー出力ビームと組み合わせるために使用される。安定型レーザーディスク共振器によって生成されたハイパワー出力ビームは、マルチモードであり、通常、５０倍の回折限界を有している。これは、レーザー溶接等の工業的用途としては適しているが、より正確に焦点を合わせた出力レーザービームを必要とする場合には適していない。したがって、より正確なレーザービームとして使用可能な、高エネルギー近回折限界レーザービームを生成するマルチレーザーディスク共振器を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
一態様において、不安定イメージング共振器は、フィードバックミラー及び主ミラーを備え、これらフィードバックミラー及び主ミラーは、それらの間の光軸に沿って伝播するレーザー信号に対し、不安定共振を与えるように構成されており；第一垂直面に複数の第一レーザーディスクが設けられ、前記第一垂直面と対向する第二垂直面に複数の第二レーザーディスクが設けられ、前記複数のレーザーディスクは、中央水平面に設けられており；前記第一垂直面に複数の第一反射ミラーが設けられ、前記第二垂直面に複数の第二反射ミラーが設けられ、第一組の反射ミラーは下方水平面に設けられ、第二組の反射ミラーは上方水平面に設けられており；光軸上で隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、それぞれ両者の間で１対１イメージングシステムを形成するように配置されている。
【０００６】
別の態様において、パワー増幅器は、第一垂直面に設けられた複数の第一レーザーディスク、及び第一垂直面と対向する第二垂直面に設けられた複数の第二レーザーディスクとを含み、当該複数のレーザーディスクは、中央水平面に設けられ、第一垂直面に設けられた複数の第一反射ミラー、及び第二垂直面に設けられた複数の第二反射ミラーを更に含み、第一組の反射ミラーは、下方水平面に設けられており、第二組の反射ミラーは、上方水平面に設けられており、光軸上で隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、それぞれ両者の間で１対１イメージングシステムを形成するように配置されている。
【０００７】
本明細書で説明する特徴、機能及び利点は、本明細書で説明している様々な実施形態において個々に実現可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。詳細については、以下の説明と図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
詳細な説明は、添付の図面を参照しながら行う。
【図１】例示的な１対１イメージングシステムの概略ブロック図である。
【図２】例示的な汎用共振器の概略図である。
【図３】例示的なイメージングシステム及び共振器を簡略的に示した概略図である。
【図４】図３に示す配置構成を変更したものを示す概略図である。
【図５】例示的な第１タイプの不安定型共振器の概略図である。
【図６】例示的な第２タイプの不安定型共振器の概略図である。
【図７−８】例示的な共振器の動作の原理の概略図である。
【図９−１１】実施例に係る共振器の概略図である。
【図１２】実施例に係るパワー増幅器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下において、様々な実施形態に対する理解を助けるために多くの詳細な説明を行う。しかしながら、当業者であれば、詳細な説明なしに様々な実施形態を実施可能であろう。他の例では、特定の実施形態が曖昧にならないように、周知の方法、手順、構成要素、及び回路については詳細な説明を省く。
【００１０】
本発明は、Ｎ個のレーザーディスクからなるディスクアレイから、マルチキロワット(multikilowatt)で且つ単一横モード(single transverse mode)である単一の近回折限界出力ビーム(near diffraction limited output beam)を生成するための方法及び装置を提供する。単一横モードのマルチキロワット出力パワービームを提供するためには、フィードバックミラー(feedback mirror)の縁部からレーザーを出力する不安定型共振器(unstable resonator)を用いる必要がある。単一モード安定型共振器は、例えば１ｃｍ等の大きな直径を有するハイパワーディスクと共に用いることができない。これは、実際の安定型共振器の基本モードの直径がほんの１ｍｍ又は２ｍｍであることを理由とする。
【００１１】
近回折限界の単一横モードレーザーを提供するためには、複数のレーザーディスクと、それに関連する複数の反射ミラーとを、不安定型共振器内に共に配する。この時、レーザーディスクと反射ミラーとから成る各組は、１対１イメージングシステム(1:1 imaging system)として機能する。これにより、各レーザーディスクから隣接する各レーザーディスクへの出力が完全にイメージングされる。その結果、単一横モード共振器を提供することができ、また、効率的なディスクパワー抽出を行うことができる。これは、レーザーディスク及び反射ミラーを、これら夫々の球状ミラー面が、レーザーディスク及び反射ミラー夫々のイメージング平面に位置するように配することで実現可能である。これらのイメージング平面は、光軸に沿ったレーザーディスク及び反射ミラーの配置範囲内で、互いに所定のイメージング距離をあけて配置されている。以下で更に詳しく述べるが、レーザーディスクと反射ミラーの各組は、１対１イメージングシステムを構成している。
【００１２】
光学共振器内にイメージングシステムを配置する際の原理について、図１〜１０を参照しながら説明する。図１は、同一の正レンズＬ１及び正レンズＬ２を有する１対１イメージングシステム２０を示す。これらのレンズは、焦点距離ｆを有しており、夫々が光軸２２上に配されており、共焦点Ｆ２を有する。１対１イメージングシステム２０は、単一倍率で全ての対象物をイメージングするため、対物平面Ｆ１における複素振幅ｕ（ｘ，ｙ）の電磁界２４ａ及び２４ｂが単純にシステム２０によって複素振幅ｕ（−ｘ，−ｙ）のイメージング平面Ｆ３に中継される。上記中継は、基本的には光学的距離がゼロで伝播し、１８０度回転である。１対１イメージングシステム２０の物理長は４ｆであるが、その光路長はゼロである。  
【００１３】
図２は間隔Ｌをあけて配置された凹状エンドミラーＭ１及びＭ２を有する２ミラー共振器２６を示す。図３に示すように、共振器２６は、イメージングシステム２０の光軸２２上に配されてもよい。次に、図４に示すように、ミラーＭ１を距離４ｆだけ左側に移動させて、当該ミラーを移動イメージング位置２７に配置する。これにより、内部に１対１イメージングシステム２０が挿入されてなる光学共振器２６が提供され、結果としてイメージング光学共振器２８が形成される。このイメージング光学共振器２８は、ベアキャビティ性能(bear cavity performance)の点で、共振器２６（図２）と基本的に同じであるが、ハードウェアの点では異なる。すなわち、ミラーＭ１及びＭ２でのベアキャビティ電場は、共振器２６とイメージング共振器２８とでは実質的に同じであり、ベアキャビティ固定値の大きさについても同じである。１対１イメージングシステム２０を挿入しても、共振器の出力レーザービームの本質的な特徴は変わらない。共振器２６（図２）が、例えば、良好な横モード弁別特性(good transverse mode discrimination)等の所望の共振器性能を有するように設計されていると仮定すると、イメージング共振器２８も同様に所望の性能を有することになる。この性能を得るためには、レンズＬ１とＬ２が、１対１イメージングシステム中を伝播するキャビティ内ビームの口径をあまりに大きく設定しないように注意しなければならない。
【００１４】
したがって、共振器内に１対１イメージングシステムを挿入する処理は、当該共振器の光軸上の一点を選択することであるといえる。共振器用の全ての光学的要素をこの点の左側に配置し、距離４ｆだけ、これらの要素を左方向へ移動させることにより形成される空間に物理長４ｆの１対１イメージングシステムを挿入する。形成されたイメージング共振器は、元の共振器の全てのベアキャビティ性能の属性を有することになる。この処理を繰り返してＮ４ｆに等しい空間を形成することにより、カスケード配置されたＮ個の１対１イメージングシステムを有するイメージング共振器システムを形成することができる。このようにして形成された新たな共振器は元の共振器のベアキャビティ性能の属性を有することになる。
【００１５】
図５と図６は、本発明で使用可能な２種類の不安定型共振器を概略的に示している。図５は、球面凸形フィードバックミラー(ＦＢ)３２と球面凹型主ミラー（ＰＲＩ）３４とを有する正分岐不安定型共振器(positive branch unstable resonator)３０を示している。フィードバックミラー３２に反射する光３６は、焦点Ｆから差し込むと考えると、光３６は主ミラー３４に反射して平行光となり、フィードバックミラー３２の周りで平行環状出力レーザービーム３８となる。フィードバックミラー３２及び主ミラー３４は、共振器３０が共焦点不安定共振器になるように、共焦点Ｆを有している。
【００１６】
フィードバックミラー３２の直径は２ａであり、主ミラーの直径は２Ｍａ以上であり、Ｍ＞１は共振器の倍率である。主ミラー３４の焦点距離はｆである。これは、フィードバックミラー３２の焦点距離であるｆ／ＭのＭ倍である。ミラー３２及び３４の間の距離は、Ｌ＝ｆ（Ｍ−１）／Ｍである。
【００１７】
図６は、球面凹型フィードバックミラー(ＦＢ)４２と球面凹型主ミラー（ＰＲＩ）４４とを有する負分岐不安定型共振器(negative branch unstable resonator)４０を示している。光４６は、フィードバックミラー４２に反射して、焦点Ｆで集光され、主ミラー４４にて反射すると、フィードバックミラー４２の周りで平行環状出力レーザービーム４８となる。フィードバックミラー４２及び主ミラー４４は、共振器４０が共焦点不安定共振器になるように、共焦点Ｆを有している。主ミラー４４は焦点距離ｆを有しており、フィードバックミラー４２は焦点距離ｆ／Ｍを有しており、Ｍ＞１は不安定共振器の倍率である。これらのミラーの間の距離は、Ｌ＝ｆ（Ｍ＋１）／Ｍである。
【００１８】
図７及び図８に示すように、共振器５０及び共振器７０は、夫々内部に、図５に示す１対１イメージングシステム２０が挿入されてなる。例示的であるに過ぎず、また、何の限定を意味するものではないが、図７及び図８のイメージング共振器は、夫々フィードバックミラーと、共焦点Ｆ１を有するレンズＬ１と、主ミラーと、共焦点Ｆ３を有するレンズＬ２とを有している。また、便宜上、主ミラーの焦点距離はｆであり、フィードバックミラーの焦点距離はｆ／Ｍとする。従って、Ｌ１、Ｌ２、及び主ミラーにおけるキャビティ内ビームサイズは、全て直径が２Ｍａ（ここでもＭは倍率を示し、ａはフィードバックミラーの直径を示す）となる。これは、フィードバック経路及び出力経路の両方について言えることである。仮に、図５及び図６の共振器が良好な横モード弁別性能を有しており、近回折限界出力ビームを生成するのであれば、図７及び図８のイメージング共振器もまた同様である。
【００１９】
図７は、不安定型正分岐イメージング共振器（positive branch imaging resonator:ＰＢＩＲ）５０を示している。レンズＬ１、Ｌ２及び球面凹型主ミラー５２は、夫々焦点距離ｆを有しており、互いに２ｆの間隔をおいて配置されている。球面凸形フィードバックミラー５４は、焦点距離ｆ／Ｍを有しており、Ｌ１から距離Ｌだけ離れた位置に配置されている。ここでも、Ｌ＝ｆ（Ｍ−１）／Ｍであり、Ｍ＞１は、共振器５０の倍率である。平行出力ビームが、フィードバックミラーＦＢで反射されると、その反射光は、Ｆ１を起点と見做すことができる発散ビーム５６ａ、５６ｂとなる。
【００２０】
このビームが往復する様子を、点線で示す反射ビームと、実線で示す戻り或いは前方ビームとを用いて辿っていく。ビーム５６ａ、５６ｂがＬ１に達すると、平行ビーム５８ａ、５８ｂになる。次に、レンズＬ２により、当該平行ビームがＦ３に集束され、当該ビームは、主ミラー５２に達する際に発散ビーム６０ａ、６０ｂとなる。主ミラーは、これらの光を、平行ビーム６２ａ、６２ｂとして反射する。これらのビームは、レンズＬ２によりＦ２に集束され、レンズＬ１に入射する際に発散ビーム６４ａ、６４ｂとなり、その後平行な出力ビーム６６ａ、６６ｂとなる。この平行ビームが、フィードバックミラー５４に達した時点で一往復が完結する。往復時に、このビームは二回焦点を通っており（Ｆ３とＦ２）、この偶数のキャビティ内焦点が、共振器５０を、不安定型正分岐イメージング共振器（ＰＢＩＲ）として特徴付けている。ＰＢＩＲは、常に偶数のキャビティ内焦点を有する。
【００２１】
図８は、球面凹型フィードバックミラー７２と球面凹型主ミラー７４とを用いた負分岐イメージング共振器（nagative branch imaging resonator:ＮＢＩＲ）７０を示している。上述したように、レンズＬ１、Ｌ２及び主ミラー７４は、夫々焦点距離ｆを有しており２ｆの間隔を置いて配置されている。フィードバックミラー７２は、焦点距離ｆ／Ｍを有しており、Ｌ１から距離Ｌだけ離れた位置に配置されている。ここでも、Ｌ＝ｆ（Ｍ＋１）／Ｍであり、Ｍ＞１は、不安定共振器の倍率である。平行ビームは、フィードバックミラー７２に入射して反射する。このビームは、焦点Ｆ１を通る際に集束ビーム７６ａ、７６ｂとなり、レンズＬ１に入射する際に発散ビーム７８ａ、７８ｂとなる。
【００２２】
このビームが往復する様子を辿っていく。ビーム７８ａ、７８ｂがＬ１に達すると、平行ビーム８０ａ、８０ｂになる。次に、レンズＬ２により、当該平行ビームがＦ３に集束する。これにより、当該ビームは、主ミラー７４に達する際に発散ビーム８２ａ、８２ｂとなる。以上がフィードバック経路であり、主ミラーは、平行ビーム８４ａ、８４ｂとして、当該ビームを反射させる。これらのビームは、レンズＬ２によりＦ２に集束され、レンズＬ１に入射する際に発散ビーム８６ａ、８６ｂとなり、その後平行な出力ビーム８８ａ、８８ｂとなる。この平行ビームが、フィードバックミラーに達した時点で、出力経路が完成し、全体の往復動作も完結する。往復時に、このビームは三回焦点を通っており（Ｆ１、Ｆ３、及びＦ２）、この奇数のキャビティ内焦点が、共振器７０を、不安定型負分岐イメージング共振器（ＮＢＩＲ）として特徴付けている。ＮＢＩＲは、常に奇数のキャビティ内焦点を有する。
【００２３】
図１〜図８に関する上記説明は、１対１イメージングシステムを不安定共振器に組み込み、ＮＢＩＲ型とＰＢＩＲ型の不安定型共振器を夫々提供するための原理を示すものであるが、これら共振器はいずれも本発明に適用可能である。以下に、図１〜図４及び図７〜図８のイメージングシステムレンズＬ１とＬ２のいずれか又は両方の代替としてレーザーディスクを用いた１対１イメージングシステムについて詳細に説明する。ここでは、不安定型ＮＢＩＲに適用した場合について教示しているが、不安定型ＰＢＩＲであっても同様に適用可能であり、当該ＰＢＩＲについて、同等な実施形態も提供可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図９は、エンドミラーとして、球面凹型フィードバックミラー９２と球面凹型主ミラー９４を有する不安定型ＮＢＩＲ９０を示す。エンドミラーは、共振器キャビティ内の、共振器光軸９６の両端に設けられている。１対１イメージングシステムは、光軸に沿って順に配された凹型ミラーＤ１（９８）及び凹型ミラーＲ１（１００）からなり、エンドミラー９２と９４の間に組み込まれている。ミラーＤ１、Ｒ１は１対１イメージングシステムを形成し、図７、８を用いて説明した先のイメージングシステムのレンズＬ１、Ｌ２の代替となるものである。図９に示すように、これらのミラーは、夫々、焦点距離ｆを有しており、互いに２ｆの間隔をおいて配置されている。本実施形態では、主ミラー９４もまた焦点距離ｆを有しており、フィードバックミラー９２は焦点距離ｆ／Ｍを有しており、Ｍ＞１は共振器倍率である。したがって、この不安定型イメージング共振器は焦点を共有している。
【００２５】
本実施形態では、凹型ミラーＤ１（９８）は、レーザーディスクであり、Ｒ１はリレーミラーである。例えば、ドイツのディツィンゲン(Ditzingen)を拠点とするトルンプ株式会社(TRUMPF GMBH & CO.)から入手可能な、ドープされたＹｂ：ＹＡＧ薄型レーザーディスク等のレーザーディスクは、光学的ゲインを有する球面凹型ミラー、すなわち「アクティブミラー」として機能する。これらのレーザーディスクの厚さは、通常０．２２ｍｍ未満であり、ディスクの直径は通常１センチメータである。ディスクの凹型前面は、標準的な曲率半径（ＲＯＣ）である２メータであってもよく、この凹型前面は、メインＹｂ：ＹＡＧレーザービームを遮断しない入射角で、ダイオードレーザー群からディスクの前面に入射するポンピング光により光励起される。反対面、すなわちディスクの背面は、ヒートシンクに装着される。
【００２６】
反射ミラーＲ１（１００）及びディスクＤ１（９８）は、その直径が２Ｍａよりも大きく、また、同じ曲率半径を有している。ディスクＤ１のポンピング直径は、約２Ｍａである。焦点距離がｆ＝１／２  ＲＯＣと仮定すると、ミラー間の間隔はＲＯＣであり、ＮＢＩＲ９０は焦点を共有している。ＮＢＩＲ９０の全ての要素について言えることだが、Ｒ１のミラーとＤ１のディスクは、光軸に沿って互いに斜めになるように順に配置されている。傾斜の角度は、Ｄ１の表面における入射角が、レーザーディスクポンピング光とは異なるように決定されるか、又は、光学素子の連続配置で許される範囲において、できる限り直角に近くなるように決定される。これは、レーザービームの非点収差を抑制し、１対１イメージングシステムを通して、レーザー光による完全なイメージングを提供するためである。
【００２７】
再びＮＢＩＲ９０においてレーザービームが往復する様子を辿る。ここで、フィードバックミラー９２から反射される戻り光は点線で、前方経路光は実線で示されている。フィードバックミラー９２から反射される光１０２ａ及び１０２ｂは焦点Ｆ１で集束し、Ｄ１に入射する際に発散する。Ｄ１は、入射光を平行にして、Ｒ１に入射する光ビーム１０４ａ及び１０４ｂにする。Ｒ１はビームをＦ３に集束させる。このビームは、Ｆ３で発散して、主ミラー９４に入射する。主ミラーは、ビーム１０８ａ及び１０８ｂを平行にして、Ｒ１に入射させる。Ｒ１は、これらのビームのＦ２に集束させる。このビームは、Ｄ１に入射する際に発散ビーム１１０ａ及び１１０ｂとなる。Ｄ１は光を平行にして出力ビーム１１２とする。往復ビームは、Ｆ１、Ｆ３、及びＦ２で順に焦点が合わされる。この奇数のキャビティ内焦点が、共振器を、負分岐イメージング共振器として特徴付けている。
【００２８】
上述したように、１対１イメージングシステムは、ＰＢＩＲ構成にも同様に組み込み可能であるが、ＮＢＩＲ構成は、そのアライメント要件が比較的厳しくないという付加的利点がある。同様に、図９に示す実施形態及び以下に示す各実施形態において、各レーザーディスクと各反射ミラーの位置は入れ替え可能である。また、反射ミラーをレーザーディスクと入れ替えて、１対１イメージングシステムの光学素子を両方レーザーディスクとしてもよい。
【００２９】
図１０は、内部にカスケード配置された二つの１対１イメージングシステムを有するＮＢＩＲ１１４を示している。これは、Ｄ１（１１６）及びＲ１（１１８）、並びに、Ｄ２（１２０）及びＲ２（１２２）を含んでおり、これらは全て焦点距離ｆを有しており、互いに２ｆの間隔をおいて配置されている。フィードバックミラー１２６及び主ミラー１２８の間で、各イメージングシステムは、ＮＢＩＲ光軸１２４に沿って、順に斜めになるように配置されている。主ミラー１２８は、焦点距離ｆを有しており、フィードバックミラーは焦点距離ｆ／Ｍを有しており、Ｍ＞１は共振器倍率であり、ＮＢＩＲ１１４は焦点を共有している。
【００３０】
図面を簡易化するために、この六つの要素を有するＮＢＩＲ１１４のビーム伝播は一本の線（共振器の光軸）で示されている。当然のことながら、ＮＢＩＲ出力ビーム１３０は平行光であり、フィードバックミラーからの反射光はＦ１で焦点が合わされる集束ビームである。反射光は、その後、逆（フィードバック）経路上のＦ３とＦ５、前方（出力）経路上のＦ４とＦ２の計５つの焦点に集束する。
【００３１】
図９及び図１０の実施形態から分かるように、出力レーザービームの本質的特徴は、共振器内にカスケード状に組み込まれる１対１イメージングシステムの数に依存しない。従って、本発明はスケーリングが可能であり、これにより、サイズや重量に物理的制限がかかる機能的要件、例えば出力パワー等の要件を満たすために必要な数のレーザーディスクの組み込みが可能である。
【００３２】
このようなスケーリングにおいて、全てのディスクは相互にイメージングされ、また、全てのリレーミラーも相互にイメージングされる。焦点距離ｆと間隔２ｆは、キャビティ内ビームの直径が、フィードバック経路と出力経路における各レーザーディスクにおいて同じになるように決定される。これは、レーザーディスクから効率的にパワーを抽出する目的において好適である。
【００３３】
背景例は、Ｄａｌｅ  Ａ．Ｈｏｌｍｅｓ及び譲受人である米国イリノイ州シカゴを拠点とするボーイング社の米国特許第７，９７８，７４６号に記載されている。当該特許は、共振器内において隣接する光学素子からなる１対１イメージングシステムを提供するために構成された不安定レーザー共振器に関するものである。
【００３４】
米国特許第７，９７８，７４６号に例示されている共振器では、複数のレーザーディスクが、第１平面の中心軸に沿って配置されており、複数の反射ミラーが、第一平面に対して平行且つ対向する第二平面に配置されている。本明細書に記載の共振器構造は、米国特許第７，９７８，７４６号に記載の構造と同程度の光学的特性を、より小型化して提供するものであり、共振器システムサイズに物理的制限がかかる場合であっても高い出力倍率を実現可能である。
【００３５】
図１１に示す例を参照すると、不安定型イメージング共振器２００は、二つの対向する平面に配置された光学素子を含んでいる。図１１では、当該平面は、垂直面であり、夫々第一垂直面２０４及び第二垂直面２０６として示されている。さらに、共振器２００の光学素子は三つの平行平面に配置されている。図１１では、当該平面は、水平面であり、夫々下方水平面２０８、中央水平面２１０、及び上方水平面２１２として示されている。当然のことながら、本明細書における「水平」及び「垂直」との表現は、説明を明確にする目的のみに用いており、外部方位システムを基準にした方向を意味するものではない。共振器の向きによっては、外部方位システムを基準にすると、水平面と垂直面の向きが変わることもある。
【００３６】
共振器２００は、フィードバックミラー２２０と主ミラー２２２を備えており、これらは、フィードバックミラー２２０及び主ミラー２２２の間を光軸２０２に沿って伝播するレーザー信号を、不安定型共振させる。フィードバックミラー２２０は、第一垂直面２０４に設けられている。主ミラー２２２は第二垂直面２０６に設けられている。フィードバックミラー２２０と主ミラー２２２はどちらも中央水平面２１０に設けられている。
【００３７】
共振器２００は、複数のレーザーディスク２３０ａ〜２３０ｆを備えているが、本明細書では、これらのディスクを、参照符号２３０を用いて総称することもある。複数の第一レーザーディスク２３０（ａ〜ｃ）は、第一の垂直面２０４に設けられており、複数の第二レーザーディスク２３０（ｄ〜ｆ）は、第一垂直面２０４に対向する第二垂直面２０６に設けられている。更に、複数のレーザーディスク２３０ａ〜２３０ｆは、中央水平面２１０に設けられている。上述したように、レーザーディスク２３０は、ドイツのディツィンゲンを拠点とするトルンプ株式会社で入手可能な薄型レーザーディスクを用いて実現可能であり、当該薄型レーザーディスクは、光学的ゲインを有する球面凹型ミラー、すなわち「アクティブミラー」として機能する。
【００３８】
複数の第一反射ミラー２４０ｅ〜２４０ｈは、第一垂直面２０４に設けられており、複数の第二反射ミラー２４０ａ〜２４０ｄは、第二垂直面２０６に設けられている。第一組の反射ミラー２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｅ、及び２４０ｇは、下方水平面２０８に設けられており、第二組の反射ミラー２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｆ、及び２４０ｈは、上方水平面２１２に設けられている。
【００３９】
以下でより詳しく説明するが、光軸上で隣接するレーザーディスク２３０と反射ミラー２４０との各組は、その配置位置とサイズを決定することにより、１対１イメージングシステムとして提供される。図１１に示す例では、第一垂直面２０４は、第二垂直面２０６に設けられている複数の第二レーザーディスク２３０と複数の第二反射ミラー２４０とのイメージング平面に設けられている。同様に、第二垂直面は、第一垂直面２０４に設けられている複数の第一レーザーディスク２３０と複数の第一反射ミラー２４０とのイメージング平面に設けられている。
【００４０】
更に、レーザーディスク２３０と反射ミラー２４０は、夫々の面に入射する電磁放射が、対向する光学素子に確実にイメージングされるように、同じ曲率半径（ＲＯＣ）と同じ焦点距離（ｆ）を有するように形成される。従って、第一垂直面２０４に設けられた複数の第一レーザーディスク２３０ａ、２３０ｂ、及び２３０ｃは、第一曲率半径と第一焦点距離を有する凹型球面を含んでいる。複数の第二レーザーディスク２３０ｄ、２３０ｅ、及び２３０ｆもまた第一曲率半径と第一焦点距離と等しい第二曲率半径と第二焦点距離とを有する凹型球面を含んでいる。
【００４１】
第一垂直面に設けられた複数の第一反射ミラー２４０ｅ、２４０ｆ、２４０ｇ、及び２４０ｈは、第一曲率半径と第一焦点距離と等しい第三曲率半径と第三焦点距離とを有する凹型球面を含んでいる。第二垂直面２０６に設けられた複数の第二反射ミラー２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、及び２４０ｄは、第一曲率半径と第一焦点距離と等しい第四曲率半径と第四焦点距離とを有する凹型球面を含んでいる。隣接するレーザーディスク２３０と反射ミラー２４０とは、光軸２０２に沿って、第一曲率半径に対応する距離だけ離れている。
【００４２】
共振器２００の構成要素について説明してきたが、以下では共振器２００の動作に着眼する。動作中、放射線ビームが、中央水平面２１０に位置するフィードバックミラー２２０を介して共振器２００に入射される。放射線ビームは、フィードバックミラー２２０から、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ａに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ａから、中央水平面２１０に位置するレーザーディスク２３０ａに反射する。レーザーディスク２３０ａは、当該ビームを増幅し、増幅されたビームは下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｂに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｂからレーザーディスク２３０ｂに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｃに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｃからレーザーディスク２３０ｃに反射し、当該ディスクで増幅されてから、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｄに反射する。
【００４３】
当該ビームは、反射ミラー２４０ｄから、同様に下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｅに反射する。当該ビームは、レーザーディスク２３０ｄに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｆに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｆからレーザーディスク２３０ｅに反射し、当該ディスクで増幅されてから、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｇに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｇからレーザーディスク２３０ｆに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｈに反射する。
【００４４】
反射ミラー２４０ｈは、当該ビームを、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｉに反射させる。当該ビームは、反射ミラー２４０ｉからレーザーディスク２３０ａに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｊに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｊからレーザーディスク２３０ｂに反射し、当該ディスクで増幅されてから、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｋに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｋからレーザーディスク２３０ｃに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｌに反射する。
【００４５】
反射ミラー２４０ｌは、当該ビームを、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｍに反射させる。当該ビームは、反射ミラー２４０ｍからレーザーディスク２３０ｄに反射し、当該ディスクで増幅されてから、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｎに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｎからレーザーディスク２３０ｅに反射し、当該ディスクで増幅されてから、上方水平面２１２に位置する反射ミラー２４０ｏに反射する。当該ビームは、反射ミラー２４０ｏからレーザーディスク２３０ｆに反射し、当該ディスクで増幅されてから、下方水平面２０８に位置する反射ミラー２４０ｐに反射する。
【００４６】
当該ビームは、反射ミラー２４０ｐから主ミラー２２２に反射し、当該ミラーで当該ビーム自体に反射した後、共振器２００を通り、戻り経路を辿ってフィードバックミラー２２０へ向かい、このミラーにおいて当該ビームの一部が、出力ビームとして共振器外に出射される。
【００４７】
従って、フィードバックミラー２２０から共振器２００に入射したビームは、主ミラー２２２に衝突する前に共振器を四回横切る光路を辿り、次に、フィードバックミラー２２０に衝突する前に共振器を四回横切る戻り経路を辿り、このミラーにおいて当該ビームの一部が、出力ビームとして共振器外に出射される。従って、フィードバックミラー２２０を介して共振器２００に入射したレーザー信号は、当該レーザー信号の一部が、フィードバックミラー２４０を介して共振器外に出射する前に、各レーザーディスク２３０に二回ずつ衝突する。
【００４８】
共振器２００を横断する度に、レーザーディスク２３０から反射したレーザー信号は、上方水平面２１２と下方水平面２０８に交互に配置された複数の反射ミラーに反射する。より具体的には、上方水平面における反射ミラー２４０からレーザーディスク２３０に反射したレーザー信号は、そのレーザーディスク２３０から下方水平面における反射ミラーに反射し、また、下方水平面における反射ミラー２４０からレーザーディスク２３０に反射したレーザー信号は、そのレーザーディスク２３０から上方水平面２１２における反射ミラー２４０に反射する。レーザー信号が、光軸上で隣り合うレーザーディスク２３０の間で反転するため、上方水平面２１２と下方水平面２０８における複数の反射ミラーの間を交互する光路を辿ることにより、幾何収差（例えば、非点収差）を相殺して、反射における歪みを軽減する。
【００４９】
いくつかの例においては、フィードバックミラー２２０及び主ミラー２２２、並びに各レーザーディスク２３０及び各反射ミラー２４０は、負分岐イメージング共振器を構成するように配置されるが、他の例においては、フィードバックミラー２２０及び主ミラー２２２、並びに各レーザーディスク２３０及び各反射ミラー２４０は、正分岐イメージング共振器を構成するように配置される。
【００５０】
図１１に例示する共振器２００は、六つのレーザーディスク２３０を備えているが、当然のことながら、共振器２００はそれよりも多い又は少ない数のレーザーディスク２３０を備えていてもよい。レーザーディスク２３０の具体的な数は、所定の用途に必要な倍率及び／又は共振器２００のサイズに対する物理的制限等の要因に基づき決定される。
【００５１】
共振器２００は、フィードバックミラー２２０及び主ミラー２２２を取り除くことにより、レーザーパワー増幅器として用いられてもよい。図１２は、実施例によるパワー増幅器３００の概略図である。図１２を参照すると、レーザービームは、光軸２０２に沿って入射し、レーザーディスク２３０ａに向かって出射してもよい。レーザービームは、図１１を用いた説明における共振器２００の横断時と同様に、光路に沿ってパワー増幅器を横切る。しかしながら、主ミラーを取り除いているため、ビームは主ミラーから反射する訳ではなく、パワー増幅器３００から出射される。
【００５２】
本明細書における「一実施形態」又は「いくつかの実施形態」に関する記載は、その実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも実装例に含まれていることを意味する。本明細書の随所に見られる「一実施形態において」という表現は、それに関する記載が当該実施形態のみに限っている場合といない場合の両方がありうる。
【００５３】
更に、本開示は、以下の付記による実施形態も含むものとする。
【００５４】
付記１    フィードバックミラー及び主ミラーを備え、これらフィードバックミラー及び主ミラーは、それらの間の光軸に沿って伝播するレーザー信号に対し、不安定共振を与えるように構成されており、
第一垂直面に複数の第一レーザーディスクが設けられ、前記第一垂直面と対向する第二垂直面に複数の第二レーザーディスクが設けられ、前記複数のレーザーディスクは、中央水平面に設けられており；
前記第一垂直面に複数の第一反射ミラーが設けられ、前記第二垂直面に複数の第二反射ミラーが設けられ、第一組の反射ミラーは下方水平面に設けられ、第二組の反射ミラーは上方水平面に設けられており；
光軸上で隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、それぞれ両者の間で１対１イメージングシステムを形成するように配置されている、不安定型イメージング共振器。
【００５５】
付記２    前記第一垂直面は、前記複数の第二レーザーディスク及び前記複数の第二反射ミラーのイメージング平面に設けられており、
第二垂直面は、前記複数の第一レーザーディスク及び前記複数の第一反射ミラーのイメージング平面に設けられている、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００５６】
付記３    前記フィードバックミラーは、前記第一垂直面に設けられており、
前記主ミラーは第二垂直面に設けられており、
前記フィードバックミラー及び前記主ミラーはどちらも前記中央水平面に設けられている、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００５７】
付記４    前記複数の第一レーザーディスクは、第一曲率半径及び第一焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第二レーザーディスクは、前記第一曲率半径及び前記第一焦点距離とそれぞれ等しい第二曲率半径及び第二焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第一反射ミラーは、第一曲率半径及び第一焦点距離とそれぞれ等しい第三曲率半径及び第三焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第二反射ミラーは、第一曲率半径及び第一焦点距離とそれぞれ等しい第四曲率半径及び第四焦点距離を有する凹型球面を含んでいる、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００５８】
付記５    前記隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、前記光軸に沿って、前記第一曲率半径に対応する距離だけ離れている、付記４に記載の不安定型イメージング共振器。
【００５９】
付記６    前記上方水平面における反射ミラーからレーザーディスクに反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記下方水平面における反射ミラーに反射し、
前記下方水平面における反射ミラーからレーザーディスクに反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記上方水平面における反射ミラーに反射する、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００６０】
付記７    前記フィードバックミラーを介して前記共振器に入射したレーザー信号は、当該レーザー信号の一部が、前記フィードバックミラーを介して前記共振器外に出射する前に、各レーザーディスクに４回衝突する、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００６１】
付記８    レーザー信号は、前記光軸上で隣り合うレーザーディスクの間で反転する、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００６２】
付記９    前記フィードバックミラー及び前記主ミラー、並びに各レーザーディスク及び各反射ミラーは、負分岐イメージング共振器を構成するように配置される、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００６３】
付記１０    前記フィードバックミラー及び前記主ミラー、並びに各レーザーディスク及び各反射ミラーは、正分岐イメージング共振器を構成するように配置される、付記１に記載の不安定型イメージング共振器。
【００６４】
付記１１    第一垂直面に設けられた複数の第一レーザーディスク、及び前記第一垂直面と対向する第二垂直面に設けられた複数の第二レーザーディスクとを含み、前記複数のレーザーディスクは、中央水平面に設けられ、
前記第一垂直面に設けられた複数の第一反射ミラー、及び第二垂直面に設けられた複数の第二反射ミラーを更に含み、第一組の反射ミラーは、下方水平面に設けられており、第二組の反射ミラーは、上方水平面に設けられており、
光軸に沿って隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、それぞれ両者の間で１対１イメージングシステムを形成するように配置されている、パワー増幅器。
【００６５】
付記１２    前記第一垂直面は、前記複数の第二レーザーディスク及び前記複数の第二反射ミラーのイメージング平面に設けられており、
第二垂直面は、前記複数の第一レーザーディスクと前記複数の第一反射ミラーとのイメージング平面に設けられている、付記１１に記載のパワー増幅器。
【００６６】
付記１３    前記複数の第一レーザーディスクは、第一曲率半径及び第一焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第二レーザーディスクは、前記第一曲率半径及び前記第一焦点距離とそれぞれ等しい第二曲率半径及び第二焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第一反射ミラーは、前記第一曲率半径及び前記第一焦点距離とそれぞれ等しい第三曲率半径及び第三焦点距離を有する凹型球面を含んでおり、
前記複数の第二反射ミラーは、前記第一曲率半径及び前記第一焦点距離とそれぞれ等しい第四曲率半径及び第四焦点距離を有する凹型球面を含んでいる、付記１１に記載のパワー増幅器。
【００６７】
付記１４    前記隣接するレーザーディスク及び反射ミラーは、前記光軸に沿って、前記第一曲率半径に対応する距離だけ離れている、付記１３に記載のパワー増幅器。
【００６８】
付記１５    前記上方水平面における反射ミラーからレーザーディスクに反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記下方水平面における反射ミラーに反射し、
前記下方水平面における反射ミラーからレーザーディスクに反射したレーザー信号は、当該レーザーディスクから前記上方水平面における反射ミラーに反射する、付記１１に記載のパワー増幅器。
【００６９】
付記１６    レーザー信号は、前記光軸上で隣り合うレーザーディスクの間で反転する、付記１１に記載のパワー増幅器。
【００７０】
以上、構造的特徴及び／又は方法的行為に特有の文言で実施形態を説明してきたが、請求する主題は、記載されている具体的な特徴や行為に制限されないことは言うまでもない。むしろ、具体的な特徴や行為は、請求する主題を実施する形態の一例として開示されているものである。
【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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【外国語明細書】
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