(57)【要約】      （修正有）【課題】主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成のさらなる増幅を可能にする高利得媒質を含むレーザを提供する。【解決手段】第１の増幅構造では、シングルパス外部拡散増幅器を使用し、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させる。利得媒質１０３と入射レーザビームとの間の半波長板１０６は、レーザビーム直径の偏光を利得媒質の偏光に最適化する。第２の増幅構造では、ダブルパス外部拡散増幅器を使用し、レーザビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させ、利得媒質を２回通過させる。半波長板および旋光子１０５は、利得媒質を通じて右旋偏光レーザビームを作成し、外部拡散増幅器の後ろに存在する最大「Ｒ」コーティングの反射体が、左旋偏光レーザビームを反射して利得媒質、旋光子、および半波長板を通過させ、水平偏光させる。レーザビームは、偏光感受型ビームスプリッタ１０７により増幅構造から送り出される。【選択図】図１
2015228499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザを備えた内部増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームに揃えられた半波長板と、
偏光と断面積とを有する拡散接合利得媒質を含み、前記半波長板に揃えられ、前記第１増幅出力レーザのレーザビームが拡散接合利得媒質に揃えられ、前記拡散接合利得媒質が側面励起される外部拡散増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームを拡張する調節可能レンズと
を含むレーザ増幅器であって、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームが、該レーザビームを拡張する調節可能レンズを通過し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームが半波長板を通過し、
前記調節可能レンズが、前記第１増幅出力レーザのレーザビームの断面積を拡散接合利得媒質の断面積に一致させ、
前記半波長板が、前記レーザビームの偏光を拡散接合利得媒質の偏光に最適化し、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームが、前記外部拡散増幅器によってさらに増幅され、第２増幅出力レーザビームとして退出するレーザ増幅器。
【請求項２】
前記拡散接合利得媒質が、拡散接合されたＮｄ：ＹＶＯ４である請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項３】
前記拡散接合利得媒質が、拡散接合されたＮｄ：ＹＡＧである請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項４】
前記拡散接合利得媒質が、拡散接合されたＮｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項５】
前記側面励起が、レーザダイオードである請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項６】
前記側面励起が、ランプである請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項７】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザを備えた内部増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームに揃えられた半波長板と、
偏光と断面積とを有する利得媒質を含み、前記半波長板に揃えられ、前記第１増幅出力レーザのレーザビームが、利得媒質に揃えられ、前記利得媒質が、側面励起される外部拡散増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームを拡張する調節可能レンズと
を含むレーザ増幅器であって、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームが、該レーザビームを拡張する調節可能レンズを通過し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームが、半波長板を通過し、
前記調節可能レンズが、前記第１増幅出力レーザのレーザビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させ、
前記半波長板が、前記レーザビームの偏光を利得媒質の偏光に最適化し、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームが、前記外部拡散増幅器によってさらに増幅され、第２増幅出力レーザビームとして退出するレーザ増幅器。
【請求項８】
前記利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項７記載のレーザ増幅器。
【請求項９】
前記利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項７記載のレーザ増幅器。
【請求項１０】
前記利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項７記載のレーザ増幅器。
【請求項１１】
前記側面励起が、レーザダイオードである請求項７記載のレーザ増幅器。
【請求項１２】
前記側面励起が、ランプである請求項７記載のレーザ増幅器。
【請求項１３】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザを備えた内部増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームを拡張する調節可能レンズと、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた偏光感受型ビームスプリッタと、
前記偏光感受型ビームスプリッタの後ろに存在し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた半波長板と、
前記半波長板の後ろに存在し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームおよび半波長板に揃えられた旋光子と、
断面積を有する拡散接合利得媒質を含み、前記拡散接合利得媒質が、半波長板および旋光子に揃えられると共に前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられ、前記調節可能レンズにより第１増幅出力レーザのレーザビームの断面積が、前記拡散接合利得媒質の断面積に一致させられるダブルパス外部拡散増幅器と、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の後ろに存在し、前記ダブルパス外部拡散増幅器に揃えられた鏡と
を含むレーザ増幅器であって、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の拡散接合利得媒質が、側面励起され、
前記半波長板と旋光子とが、前記ダブルパス外部拡散増幅器の拡散接合利得媒質を通過して該拡散接合利得媒質から第２増幅出力レーザビームとして退出する右旋偏光レーザビームを生成し、
前記右旋偏光レーザビームが、前記鏡によって左旋偏光レーザビームとして反射され、
前記左旋偏光レーザビームが、前記ダブルパス外部拡散増幅器の拡散接合利得媒質を再び通過し、該拡散接合利得媒質で再び増幅され、前記旋光子および半波長板を通過することにより水平偏光されて第３増幅出力レーザビームとして退出し、
前記偏光感受型ビームスプリッタが、水平偏光された前記第３増幅出力レーザビームをレーザ増幅器から送り出すレーザ増幅器。
【請求項１４】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項１３記載のレーザ増幅器。
【請求項１５】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項１３記載のレーザ増幅器。
【請求項１６】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項１３記載のレーザ増幅器。
【請求項１７】
前記側面励起が、レーザダイオードである請求項１３記載のレーザ増幅器。
【請求項１８】
前記側面励起が、ランプである請求項１３記載のレーザ増幅器。
【請求項１９】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザを備えた内部増幅器と、
前記第１増幅出力レーザのレーザビームを拡張する調節可能レンズと、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた偏光感受型ビームスプリッタと、
前記偏光感受型ビームスプリッタの後ろに存在し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられ、前記偏光感受型ビームスプリッタに揃えられた半波長板と、
前記半波長板の後ろに存在し、前記半波長板および第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた旋光子と、
断面積を有する利得媒質を含み、前記利得媒質が、旋光子および半波長板に揃えられると共に前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられ、前記調節可能レンズにより第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームの断面積が、利得媒質の断面積に一致させられるダブルパス外部拡散増幅器と、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の後ろに存在し、前記ダブルパス外部拡散増幅器に揃えられた鏡と
を含むレーザ増幅器であって、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質が側面励起され、
前記旋光子と半波長板とが、前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質を通過して該利得媒質から第２増幅出力レーザビームとして退出する右旋偏光レーザビームを生成し、
前記右旋偏光レーザビームが、前記鏡によって左旋偏光レーザビームとして反射され、前記左旋偏光レーザビームが、ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質を再び通過し、該利得媒質で再び増幅され、前記旋光子および半波長板を通過することにより水平偏光されて第３増幅出力レーザビームとして退出し、
前記偏光感受型ビームスプリッタが、水平偏光された前記第３増幅出力レーザビームを前記レーザ増幅器から送り出すレーザ増幅器。
【請求項２０】
前記利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項１９記載のレーザ増幅器。
【請求項２１】
前記利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項１９記載のレーザ増幅器。
【請求項２２】
前記利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項１９記載のレーザ増幅器。
【請求項２３】
前記側面励起が、レーザダイオードである請求項１９記載のレーザ増幅器。
【請求項２４】
前記側面励起が、ランプである請求項１９記載のレーザ増幅器。
【請求項２５】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザビームを作成する手段と、
前記レーザビームを拡張する調節可能手段と、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた半波長板と、
断面積を有する利得媒質を含む外部拡散増幅器と
を含むレーザ増幅器であって、
前記外部拡散増幅器が、前記半波長板に揃えられ、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームが、前記外部拡散増幅器の利得媒質に揃えられ、
前記外部拡散増幅器の利得媒質が、側面励起され、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームが、前記半波長板を通過し、
前記調節可能手段が、前記第１増幅出力レーザのレーザビームを拡張して該ビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させ、
前記第１増幅出力レーザが、前記外部拡散増幅器によってさらに増幅され、第２増幅出力レーザビームとして退出するレーザ増幅器。
【請求項２６】
レーザビームを含むレーザを増幅する方法であって、
前記レーザの断面積を有するレーザビームを調節可能に拡張するステップと、
第１偏光と断面積とを有する第１拡散接合利得媒質を含む第１シングルパス外部拡散増幅器をレーザのレーザビームに揃えて配置するステップと、
前記第１シングルパス外部拡散増幅器とレーザとの間に、前記レーザが、前記第１半波長板と第１シングルパス外部拡散増幅器の第１拡散接合利得媒質とを通過するように前記第１半波長板を配置するステップと、
前記レーザのレーザビームを調節可能に拡張し、前記レーザのレーザビームの断面積を拡大して前記第１拡散接合利得媒質の断面積に一致させるステップと、
前記第１半波長板を調節し、前記レーザのレーザビームを第１拡散接合利得媒質の第１偏光に最適化するステップと、
前記第１シングルパス外部拡散増幅器の第１拡散接合利得媒質を光学的に側面励起するステップと、
前記第１シングルパス外部拡散増幅器を使用して増幅出力レーザビームを生成するステップと
を含む方法。
【請求項２７】
第２偏光と断面積とを有する第２拡散接合利得媒質を含む第２シングルパス外部拡散増幅器を前記レーザのレーザビームに揃えて配置するステップと、
前記第２シングルパス外部拡散増幅器とレーザとの間に、前記レーザが、第２半波長板と第２シングルパス外部拡散増幅器の第２拡散接合利得媒質とを通過するように前記第２半波長板を配置するステップと、
前記第２半波長板を調節し、前記レーザのレーザビームを前記第２拡散接合利得媒質の第２偏光に最適化するステップと、
前記第２シングルパス外部拡散増幅器の第２拡散接合利得媒質を光学的に側面励起するステップと、
前記第２シングルパス外部拡散増幅器を使用して第２増幅レーザ出力を生成するステップと
をさらに含む、請求項２６記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項２８】
前記第１拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項２６記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項２９】
前記第１拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項２６記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３０】
前記第２拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項２７記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３１】
前記第２拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項２７記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３２】
前記第１拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項２６記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３３】
前記第２拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項２７記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３４】
前記側面励起が、レーザダイオードで実行される請求項２６記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３５】
前記側面励起が、ランプで実行される請求項２６記載のビームを含むレーザレーザを増幅する方法。
【請求項３６】
前記第２拡散接合利得媒質の側面励起が、レーザダイオードで実行される請求項２７記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３７】
前記第２拡散接合利得媒質の側面励起が、ランプで実行される請求項２７記載のレーザビームを含むレーザを増幅する方法。
【請求項３８】
レーザビームを含むレーザを増幅する方法であって
前記レーザのレーザビームに揃えて偏光感受型ビームスプリッタを配置するステップと、
前記偏光感受型ビームスプリッタの後ろに、前記レーザのレーザビームに揃えて半波長板を配置するステップと、
前記半波長板の後ろに、前記レーザのレーザビームに揃えて旋光子を配置するステップと、
前記レーザのレーザビームに揃えて断面積を有する拡散接合利得媒質を含むダブルパス外部拡散増幅器を配置するステップと、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の後ろに、前記レーザのレーザビームに揃えて最大反射コーティングＲでコーティングされた鏡を配置するステップと、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の拡散接合利得媒質を光学的に励起するステップと、
前記レーザのレーザビームを調節可能に拡張し、前記レーザのレーザビームの断面積を拡大して前記拡散接合利得媒質の断面積に一致させるステップと、
前記ダブルパス外部拡散増幅器を使用して、前記半波長板および旋光子から右旋偏光レーザビームを生成して前記ダブルパス外部拡散増幅器の拡散接合利得媒質を通過させ、前記鏡により左旋偏光レーザビームとして反射して拡散接合利得媒質を再び通過させ、前記半波長板に入り込ませて該半波長板により水平偏光されたレーザビームに変換し、前記水平偏光されたレーザビームを前記偏光感受型ビームスプリッタによりダブルパス外部拡散増幅器から第３増幅出力レーザビームとして送り出すステップと
を含む方法。
【請求項３９】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項３８記載のレーザビームを増幅する方法。
【請求項４０】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧである請求項３８記載のレーザビームを増幅する方法。
【請求項４１】
前記拡散接合利得媒質が、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３である請求項３８記載のレーザビームを増幅する方法。
【請求項４２】
前記側面励起が、レーザダイオードで実行される請求項３８記載のレーザビームを増幅する方法。
【請求項４３】
前記側面励起が、ランプで実行される請求項３８記載のレーザビームを増幅する方法。
【請求項４４】
前記レーザビームを拡張する調節可能手段が、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積をロッド状の円筒形に形成された前記利得媒質の断面積に一致させる鏡である請求項２５記載のレーザ増幅器。
【請求項４５】
前記調節可能手段が、レンズである請求項２５記載のレーザ増幅器。
【請求項４６】
断面積を有するレーザビームを含む第１増幅出力レーザを備えた内部増幅器と、
前記断面積を有する利得媒質を含むダブルパス外部拡散増幅器と、
前記レーザビームの断面積を拡張して、前記利得媒質の実質的に円形である断面積に実質的に一致させる調節可能手段と、
前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた偏光感受型ビームスプリッタと、
前記偏光感受型ビームスプリッタの後ろに存在し、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられ、前記偏光感受型ビームスプリッタに揃えられた半波長板と、
前記半波長板の後ろに存在し、前記半波長板および第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられた旋光子と、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の後ろに存在し、前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質に揃えられた鏡と
を含むレーザ増幅器であって、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質が、前記旋光子および半波長板に揃えられ、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質が、前記第１増幅出力レーザの拡張されたレーザビームに揃えられ、
前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質が、側面励起され、
前記旋光子と半波長板とが、前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質を通過して該利得媒質から第２増幅出力レーザビームとして退出する右旋偏光レーザビーム出力を生成し、
前記右旋偏光レーザビームが、前記鏡によって左旋偏光レーザビームとして反射され、
前記左旋偏光レーザビームが、前記ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質を再び通過し、該利得媒質で再び増幅され、前記旋光子および半波長板を通過することにより水平偏光されて第３増幅出力レーザビームとして退出し、
前記偏光感受型レーザビームスプリッタが、水平偏光された前記第３増幅出力レーザビームを前記レーザ増幅器から送り出すレーザ増幅器。
【請求項４７】
前記レーザビームを拡張する調節可能手段が、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積をロッド状の円筒形に形成された前記利得媒質の断面積に一致させる鏡を含む請求項４６記載のレーザ増幅器。
【請求項４８】
前記調節可能手段が、レンズである請求項４６記載のレーザ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成のさらなる増幅のための外部拡散増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｐｅｎｇらの特許文献１では、その要約書で以下のように述べている。
マイクロマニシング、集積回路のビア穴あけ及び紫外線（ＵＶ）変換等の用途には、高出力のダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）パルスレーザが好ましい。
Ｎｄ：ＹＶＯ４（バナデート）レーザは、広い帯域幅の励起波長に亘って高いエネルギー吸収係数を有するので、高出力用途のための良い候補である。
しかしながら、バナデートは、硬く、熱応力が加わると破損しやすいという点で、熱力学的性質が劣っている。
レーザパラメータを最適化し、励起波長及び利得媒質のドーピング濃度を選択して、吸収係数を２ｃｍ−１未満、例えば、約９１０ｎｍと約９２０ｎｍとの間の励起波長に制御することによって、ドーピングされたバナデートレーザは、熱レンジングを４０％低減しながら、結晶マテリアルを破砕することなく、最大１００Ｗの出力を生成するように改善できる。
【０００３】
Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈの特許文献２では、以下を開示している。
「少なくとも５ｍｍの長さを有するＮｄ：ＹＶＯ４の利得素子を有するレーザ共振器を含むレーザであって、前記利得素子が、端面励起され、励起光が、熱応力と前記利得素子の破損とを減らすために、前記利得素子の最大吸収波長と異なり且つ８１４〜８２５ナノメートルの間に収まるように選択された波長を有し、それによって励起源が、２２ワットを超える出力を利得媒質に提供するように動作可能であるレーザ」。
【０００４】
非特許文献１をここに引用することにより、その全体を援用する。
この記事は、Ｎｄドーピング濃度に関する情報を含み、さらに、利得媒質の断面積のサイズと対処可能な励起出力レベルとに関する情報も含んでいる。
【０００５】
スラブおよびロッドは、近年、拡散接合技術を使用して作成されている。
バナデートにおける主な用途は、非ドープのエンドキャップを高利得のドープ領域に接合して、熱レンズ効果を軽減し、損傷しきい値を向上させることである。
ｗｗｗ．ｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌ．ｃｏｍおよび特許文献３を参照されたい。
バナデートは、長さ約３０ｍｍまでしか伸ばすことができない。
ほとんどは、発振器または増幅器の端面励起利得アセンブリの個別要素として使用される。
これにより、励起源と伝搬ビームとの間でモードを整合させることが、必然的に必要となる。
【０００６】
特許文献３では、以下のように述べられている。
レーザ全般、特に、固体レーザにおける共通の問題は、レーザ発振可能（ｌａｓｅｒａｂｌｅ）媒質の温度上昇である。
この効果は、適用された励起エネルギーの一部しか有益なレーザ放射に変換されず、残りのエネルギーの少なくとも一部が、無放射遷移や母体格子による吸収等の競合機構に変換されることにより生じる。
励起放射により生じる熱効果を打ち消すために、通常は、レーザ発振可能媒質を冷却しなければならない。
固体レーザのレーザ発振可能媒質全体の冷却には、困難な問題が伴う。
第１に、冷却装置は、レーザ発振可能媒質のできるだけ多くの部分を冷却する必要がある。
通常、レーザ発振可能媒質の一部は、冷却装置と媒質との間を漏れなく接合するために、冷却装置の外部に位置していなければならない。
第２に、冷却装置は、レーザ発振可能媒質への励起放射の伝達に干渉しないようにする必要がある。
最後に、レーザ発振可能媒質の長さ全体が冷却される場合でも、冷却されない端面の光学コーティングは、冷却されず、よって、温度効果によって劣化する可能性がある。
この温度効果は、入射する励起放射の高い出力密度によって増大する。
均一でない冷却により生じる上述した効果の一部は、端面励起レーザシステムでは、さらに悪化する。
この種のレーザでは、励起源からの放射を均質化して集束し、レーザロッドに集中させるために、レンズダクトが好んで使用される。
レンズダクトに連結されるレーザロッドの端部は、冷却されない。
残念なことに、高密度の励起放射がレーザロッドの端面を通過し、レーザロッドがレーザイオンで全体的にドープされると仮定すると、レーザロッドの端部は、レーザ照射中に温度が大幅に上昇する可能性がある。
この温度上昇は、光学コーティングの劣化を促進することによりレーザの性能に悪影響を与え、疑似三準位レーザにおける基底状態の再吸収損失を増大させて、最終的には熱的に誘導される応力破壊に起因するレーザの重大障害につながる可能性がある。
【０００７】
短い利得媒質ロッドの非ドープのエンドキャップは、ドープ部分の端面から非ドープのエンドキャップに熱の一部を取り除くことにより、熱効果を低減することができる。 
これにより、利得媒質の温度が低下すると共に、利得媒質が熱破壊しにくくなる。
【０００８】
ピコ秒レーザの設計では、通常、端面励起技術を多様な増幅器方式と共に利用して、必要な利得特性を作り上げる。 
モード整合の問題は、特に、平均出力およびパルスエネルギーを上げたときに、コーティングおよびロッドのバルク材に熱損傷を与える可能性がある。
懸念される領域は、常に、最大の利得およびパルスエネルギーが発生する最終段階である。
リレービームの典型的な要件は、スポットサイズが直径０．５ｍｍ未満であることである。
これは、表面のコーティングおよびバルク材の潜在的な損傷につながる。
利得領域におけるモード整合ビームの直径を増やすことはもちろん可能だが、それによって性能が犠牲となる。
【０００９】
通常、レーザ損傷は、バルク材またはコーティングの点欠陥、含有物、不十分な表面処理、または清浄度の単純な欠如から成る。
それ以外の場合、コーティングまたはバルク材の損傷は、コーティングまたはバルク材の熱損傷のしきい値をレーザが超えることにより生じる。
【００１０】
高出力の超高速技術（ピコ秒技術）は、多様な技術を使用して開発されてきた。
通常、低出力の超高速シードが、複数の段階を通じて増幅される。
例として、ファイバ技術と固体技術の組み合わせが、キャビティダンプや再生増幅器などの方法と共に利用される。
市販の製品は、通常、２００μＪのパルスエネルギーに限定されている。
このパルスエネルギーは、典型的な繰り返し率２００ｋＨｚで平均最大出力４０Ｗを生み出す。
【００１１】
通常は、多段階ピコ秒の出力増幅器の出口が弱点である。
端面励起増幅器は、この領域を通じて最大効率にモード整合される。
問題は、直径が０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲であるスポット寸法をリレーする多様な光学装置の表面のコーティングに損傷を与える可能性があることである。
さらに、バルク装置の損傷も問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，７２０，１２１号
【特許文献２】米国特許第７，２０３，２１４Ａ号
【特許文献３】米国特許第５，９３６，９８４号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｐｏｗｅｒ  Ｓｃａｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ  Ｎｄ：ＹＶＯ４  Ｌａｓｅｒｓ、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＶＯＬ．３８、ＮＯ．９、ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ  ２００２、Ｘｉａｏｙｕａｎ  Ｐｅｎｇ、Ｌｅｉ  Ｘｕ、Ａｎａｎｄ  Ａｓｕｎｄｉ
【発明の概要】
【００１４】
主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）レーザが、開示される。
【００１５】
この増幅器は、より高い光出力を持つ出力信号を生成するシードレーザ形式の入力信号を含む光増幅器である。
増幅は、外部源からエネルギーが提供される利得媒質で発生する。
利得媒質は、外部エネルギー源から「励起」または「活性化」される。
通常、外部エネルギー源は、光である。
励起は、光励起またはその他の適切なエネルギー源でよい。
励起は、ダイオード励起光源でよい。
【００１６】
シードレーザは、発振器と、一定長の光ファイバ（または自由空間キャビティ）と、１つまたは２つの鏡と、反射コーティングを具備する／または具備しないＱスイッチと、光学要素とを含み得る。
シードレーザは、１０６４ｎｍ（１０６４ナノメートル）の波長で動作するのが好ましいが、他の波長も具体的に意図される。
Ｑスイッチは、電気光学変調器または音響光学変調器でよい。
どちらのタイプのＱスイッチも、電子ドライバによって制御および駆動される。
きわめて高いパルスエネルギーを提供する、繰り返し率が高いモード同期レーザの場合は、繰り返しを低減するパルスピッカが必要である。
電気光学パルスピッカを使用する場合、ポッケルスセルおよび偏光オプティクスを利用できる。
ポッケルスセルが、偏光状態を操作し、その後、偏光子が、パルスの偏光に基づいてパルスを伝送またはブロックする。
【００１７】
音響光学パルスピッカを使用する場合、短ＲＦパルスが音響光学変調器に適用され、所望のパルスを使用のために若干変更された方向に偏向しつつ、他の偏向されていないパルスをブロックする。
音響光学変調器（ＡＯＭ）は、レーザビームの出力、周波数、または空間方向を電気的な駆動信号で制御するために使用することができる。
ＡＯＭは、音波の振動機械圧力を適用することにより、結晶の屈折率を変更する音響光学効果に基づいている。
屈折率を変更すると、所望のパルスの方向が変更され、偏向されたパルスが使用可能になる。
【００１８】
光ファイバの長さは、有効なキャビティ寸法を変更するために変更することができる。
モード同期レーザなどのシードレーザは、パルス幅が約５〜３０ピコ秒のパルスを有するレーザパルス出力を、繰り返し率１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚで生成する。
他のパルス幅を使用することも、具体的に意図される。
詳細には、本明細書で開示されるように、さまざまなパルス幅を生成できることが意図される。
すなわち、本明細書で開示されるように、所望の特性を備えた１５ミリ秒から１５フェムト秒までの間のパルス幅を作成することができる。
１５ミリ秒などの長いパルス幅の場合、繰り返し率を適切に減少させることが必要であり、また実現可能である。
繰り返し率は、１０Ｈｚ未満から１００ＭＨｚまでにすることができる。
シードレーザのレーザパルスは、第１偏光を含む。
この第１偏光は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の偏光に一致する偏光に変換される。
シードレーザのレーザパルス出力のパルスは、光励起によって光学的に励起されるＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質によって増幅される。
高反射体を使用して、シードレーザのレーザパルス出力のパルスが、断面がほぼ長方形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を通過する回数（パス）を制御する。
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質は、断面が正方形、円形、またはその他の形状でよい。
利得媒体の第１端は、楔角θ１で傾斜した平坦な楔面である。
【００１９】
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質は、第１端と、第２端とを含む。
利得媒質は、長さが５〜３０ｍｍ、断面積が１ｍｍ２〜３６ｍｍ２でよい。
５〜３０ｍｍの結晶は、Ｎｄドーピング濃度を十分かつ許容可能な高さにした状態で、８０８ｎｍで４０Ｗの励起電力の９９％を吸収するのに十分な長さである。
結晶が長いほど、熱除去の点で好ましい。
また、長方形以外の断面構成を有するＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を使用してもよい。
たとえば、断面が円形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を使用することができる。
小径で長く、吸収係数が低い円形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質は、熱をうまく放散し、結晶を破砕から保護する。
ロッド形状のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を使用してもよい。
【００２０】
各セグメントのＮｄドーピング濃度は、濃度の低い順に光励起の近傍から並べる必要はない。
各セグメントの長さにより、利得のためのＮｄドーピング濃度を調整する吸収長が決まる。
【００２１】
その他の励起波長も使用できる。
たとえば、励起の中心波長は、８０８ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）でよい。
励起は、端面励起でも、１つ以上の側面励起でよい。
複数の側面励起を使用する場合、それらの励起は、出力レベルが異なっていてもよい。
必要に応じて、それぞれに所望のＮｄドーピングを施したセグメントからなるセグメント化された利得媒質の各セグメントに、異なる出力レベルを適用してもよい。
励起は、ダイオード励起光源またはその他の適切な光源でよい。
光励起以外の励起の使用は、ここに開示する本発明によって意図される。
【００２２】
増幅器のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質は、第２偏光を含む。
シードレーザビームの第１偏光を増幅器のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２偏光と一致させる偏光変換手段が、シードレーザの出力レンズと、増幅器のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第１端の入力楔面との間に存在する。
【００２３】
増幅器のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２端は、８０８ｎｍで動作するダイオード励起光源に近接する第２端面を含む。
より詳細には、４０ワットのダイオード励起光源（端面励起）が、８０８ｎｍで動作し、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２端の近傍に存在する。
３０〜６０ワットのその他のダイオード励起も意図される。
【００２４】
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第１端は、反射防止コーティングが施された楔面を含む。
シードレーザのレーザパルス出力のパルスは、第１外部パスに沿って入射角θ２でＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔面の反射防止コーティングに進入する。
入射角θ２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔面に垂直な線に対して計測される。
この楔面が、平坦な面であり、楔角θ１で形成されていることがわかるであろう。
楔角θ１は、楔面の１点を通過する垂直面に対して計測される。
さらに、入力したシードレーザビームが、利得媒質の中心線に平行な線に対して角度θ６で楔面に進入することがわかるであろう。
θ６＝θ２−θ１である。
楔角θ１は、３〜１０°に設計されており、５〜７°であることが好ましい。
シードレーザビームの入射角θ２は、１５°以下である。
入射角θ２は、後述するように、クワッドパスの例におけるパルスの第４パスの屈折角でもある。
５〜７°に設計された楔角θ１は、約０．７８°の好ましい内部反射角θ３を生む。
【００２５】
屈折角θ２’は、第１パス上で楔面に向かうシードレーザビームが成す屈折の角度である。
屈折角θ２’は、楔面に垂直な線に対して計測される。
【００２６】
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質内で内部反射角θ３で反射する。
内部反射角θ３は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の中心線に対して定義される。
上述したように、好ましい内部反射角θ３は、約０．７８°である。
利得媒質内のシードレーザビームの内部反射角θ３を最小化して、シードレーザビームが利得媒質を通る軸の中心線に対して相対的に中央にとどまるようにし、それによって、シードレーザビームが利得媒質を通過するときに、できるだけ多くのエネルギーをシードレーザビームに効率的に伝達できるようにすることが望ましい。
シードレーザビームのパルスのエネルギーは、パルスが利得媒質を通過するときに増加する。
さらに、０．７８°の好ましい内部反射角θ３は、利得媒質の楔面に入力されるシードレーザビームと、利得媒質から出力されるシードレーザビームとが、確実に分離されるだけの大きさでなければならない。
【００２７】
０．７８°の内部反射角θ３は、長さ約２０ｍｍの利得媒質の場合、利得媒質の軸に対して約０．２７ｍｍのシフトを生む。
さらに、利得媒質が長さ約１０ｍｍの場合、０．７８°の好ましい内部反射角θ３は、利得媒質の軸に対して約０．１３５ｍｍのシフトを生む。
【００２８】
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の内部を通過する第１パス上で第１パスに沿って角度θ２’で屈折して、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２端面に向かって移動する。
励起に近接するＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２端面は、波長１０６４ｎｍのシードレーザビームに対して高反射性を有する第２コーティングを含む。
第２コーティングは、端面励起からの波長８０８ｎｍの光に対しては高透過性を有する。
【００２９】
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第２端面の高反射性を有する第２コーディングによって内部反射角θ３で反射し、それによって、波長１０６４ｎｍのレーザパルスがＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の内部を通過する第２パス上でＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔面に向かって移動する。
シードレーザビームのパスは、入射角θ４で楔面に近づく。
シードレーザビームは、第２外部パスに沿って屈折角θ５でＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔面から退出する。
屈折角θ５と入射角θ４は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第１端に直交する（垂直な）線に対して計測される。
【００３０】
パルス幅１０ピコ秒＋／−５ピコ秒、繰り返し率１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚのレーザパルスが、本発明によって開示される。
１００ｋＨｚを超える１００μＪのレーザパルスのエネルギーは、平均出力１０Ｊ／ｓまたは１０Ｗ超を生成する。
出力は、入力するシードレーザの平均出力に依存する。
入力するシードレーザの平均出力は、１ｍＷ未満（たとえば、１ワット未満）から数ワットまでの間であり得る。
入力するシードレーザの平均出力が高いことで、１０Ｗを大幅に上回る平均出力を生成できる。
【００３１】
本発明の他の例は、セグメントごとにＮｄドーピング濃度が異なるセグメント化された利得媒質を含む。
この利得媒質のセグメントは、Ｎｄドーピング濃度に応じて所望の配置にすることができる。
たとえば、Ｎｄドーピング濃度が最も低いセグメントを、励起光源に隣接させることができる。
次に、Ｎｄドーピング濃度が２番目に低いセグメントを、Ｎｄドーピング濃度が最も低いセグメントに隣接させることができる。
最後に、Ｎｄドーピング濃度が最も高い３番目のセグメントを、末尾に配置することができる。
これらのセグメントは、Ｎｄドーピング濃度の任意の順序で配置できる。
１つ以上のセグメントのＮｄドーピング濃度が、ゼロであってもよい。
【００３２】
端面励起される利得媒質を通過するシードレーザパルスの複数のパスにより、きわめて高い利得が実現する。
１つ以上の光励起による利得媒質の側面励起が開示され、特許請求の範囲に記載される。
利得媒質は、拡散接合された３つのセグメントを含む。
これらのセグメントは、長さとＮｄドーピング濃度とが異なり、結果として利得と分布とが異なる。
または、拡散接合の代わりに、セグメント間で反射防止コーティングを使用してセグメントを相互に固定してもよい。
Ｎｄドーピング濃度のパーセンテージを３倍に拡大すると、吸収係数α＝０．１５が得られる。
吸収効率は、次のとおりである。
η＝（１−ｅ−αＬ）
【００３３】
したがって、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の詳細がわからなくても、より長い結晶を使用する、および／または吸収係数を増やすことによって効率を向上させることができる。
ただし、吸収係数αは、それだけでは、熱レンズ効果が存在すること、および、係数αと適用される出力とに物理的な限度があることを示していない。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に適用される出力が増加すると、Ｎｄドーピング濃度が減少し、結晶の断面（長方形、円形、または、その他の形状の断面）が減少する。
Ｎｄドーピング濃度が低いほど、高い励起出力を使用できる。
非特許文献１をここに引用により、その全体を援用する。
この記事は、Ｎｄドーピング濃度に関する情報を含み、さらに利得媒質の断面積と対処可能な出力レベルに関する情報も含んでいる。
【００３４】
セグメントごとのＰａｂｓは、以下の方程式で求められる。
Ｐａｂｓ＝Ｐｉｎｐｕｔ（１−ｅ−αＬ）
【００３５】
後続のセグメントが利用できる、または、後続のセグメントに伝達される出力は、以下の方程式で求められる。
Ｐｉｎｐｕｔ＝Ｐｐｕｍｐ−（ΣＰａｂｓ）
【００３６】
このように、励起出力をセグメントで吸収することによって励起出力を拡大する方法を適用すると、より高い励起出力を使用し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶へのエネルギー伝達を高めることができる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶へのエネルギー伝達が高まると、シードレーザビームが利得媒質内を移動する際の利得が増える。
【００３７】
Ｎｄドーピング濃度が徐々に増加するセグメントを使用すると、セグメントの破砕が防止される。
高出力の光端面励起を使用することが望ましい場合は、セグメントの断面積を減らし、Ｎｄドーピング濃度を下げる。
断面積を減らし、Ｎｄドーピング濃度を下げることで、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に大きなエネルギー／出力を伝達できる高出力の励起を使用し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶からシードレーザビームのレーザパルス出力のパルスにエネルギーを伝達することが可能となる。
各セグメントに適用される出力を計算し、そのセグメントの断面積およびＮｄドーピング濃度で許容される限度内に収めれば、結晶の破砕が防止される。
【００３８】
各セグメントは、特定の利得を備えた増幅器の１つの段階として扱うこともできる。
多段階の増幅によって多重の利得が与えられるため、各セグメントの利得を最適に設計することで、特定の励起出力から最大の抽出効率を実現することが期待できる。
【００３９】
外部拡散増幅器は、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成をさらに増幅する。
主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）は、シードレーザと、シードレーザの出力を増大させて有益な作業をさせる増幅器とを含む。
外部拡散増幅器は、既に増幅されたレーザパルスのピコ秒パルスに追加的なエネルギーを加える（エネルギーおよび出力を増幅する）。
【００４０】
外部拡散増幅器では、連続する利得媒質が円筒形のロッドに拡散接合され、光側面励起を使用してレーザビームが生成される。
既に増幅されたレーザビームの直径が、外部拡散増幅器のロッド直径に一致またはほぼ一致させられる。
たとえば、端面励起方式でモード整合された０．５ｍｍのビームを使用する代わりに、レーザビームのサイズが、ロッドの断面積に拡大される。
たとえば、ロッドの直径は、２〜４ｍｍの範囲であり、断面積は、πｍｍ２〜４πｍｍ２である。
外部拡散増幅器の利得媒質における出力密度は、きわめて低く、外部拡散増幅器のコーティングまたはバルク材を損なうことなく、短パルスレーザで高い出力およびエネルギーを生成することができる。
【００４１】
本発明は、外部拡散増幅器より前での繰り返し率１００ｋＨｚおよび２０Ｗ（２００μＪのレーザパルスエネルギー）まで低下させたレーザビームの動作を開示する。
幅広い繰り返し率にわたるレーザビームの動作が開示される。
言い換えると、ピコ秒パルスのレーザビームは、低出力で動作し、端面励起される内部増幅器のクワッドパス増幅器の利得媒質は、出力レベルが低いことで熱応力を与えられず、よって、利得媒質およびレーザ増幅器の他の光学構成要素のコーティングが保護される。
外部拡散増幅器により提供される保護は、シードレーザから始まる上流側のすべての構成要素を保護する。
【００４２】
（レーザビームおよび／またはレンズの配置／間隔を利用して）レーザビームを拡張し、半波長板を使用してレーザビームの偏光を外部拡散増幅器の円筒形のロッドの偏光に最適化することにより、２０Ｗの平均出力を内部増幅器（クワッドパス増幅器）から取り出し、シングルパスで、外部拡散増幅器において１００ｋＨｚの繰り返し率で５０Ｗの平均出力が５００μＪのレーザパルスエネルギーにより生成される。
言い換えると、シングルパスで、７０Ｗの平均出力が達成される。
【００４３】
５００μＪのレーザパルスエネルギーが、シードレーザビームの過剰運転または小さなスポットサイズを短いレーザパルスでリレーすることによる光学要素の損傷を懸念することなく得られる。
本発明はさらに、１００ｋＨｚの繰り返し率で１００Ｗの平均出力を生成するデュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器を提供する。
言い換えると、デュアルパス（ダブルパス）により、１２０Ｗの平均出力が達成される。
【００４４】
１０００μＪ以上のレーザパルスエネルギーが想定される。
【００４５】
４段階に拡散結合されたロッドが、レーザダイオード側面励起と共に使用される。
これにより、ほとんどの端面励起モード整合方式と異なり、特に低周波数で、外部拡散増幅器を通じてレーザビームサイズを拡大することができる。
これにより、コーティングを損傷するしきい値、または、バルク材のしきい値を超えることなく、通常の方式より高いレーザパルスエネルギーが実現される。
【００４６】
拡散接合されたバナデートのロッドを含む側面励起する外部拡散増幅器を組み込むことで、伝搬レーザビームの寸法をロッドの断面積に調節することができる。
これにより、コーティングでの出力密度が、大幅に減少し、はるかに高い平均出力およびレーザパルスエネルギー容量が、許容される。
たとえば、１００ｋＨｚ未満の繰り返し率、および、５００μＪ以上のレーザパルスエネルギーで、５０Ｗの平均出力が生成される。
【００４７】
外部拡散増幅器の円筒形のロッドは、シングルパスまたはデュアルパス（ダブルパス）である。
外部拡散増幅器の円筒形のロッドは、最適な利得増加を実現し、低周波数での高出力生成による損傷を最小化するために、多様な直径および長さで作成できる。
外部拡散増幅器のロッドは、バルク材またはコーティングを損傷したりレーザパルス特性を最大化したりすることなく、低周波数できわめて高いレーザパルスエネルギーおよび平均出力を得るために、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、Ｙｂ：ＹＡＧ等のさまざまな利得媒質の拡散接合されたロッド材料および固体のロッド材料で作成できる。
【００４８】
第１の増幅方法では、シングルパス外部拡散増幅器を使用する。 
このシングルパス外部拡散増幅器は、ピコ秒パルスのレーザビームをＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３から選択されたいずれかの利得媒質の寸法に一致させるように配置される。
利得媒質を配置することに加えて、レンズを使用して、伝搬レーザビームを利得媒質の寸法（断面積）に一致するように調節することができる。
利得媒質は、たとえば円筒状のロッドのような、円筒形であることが好ましい。
他の利得媒質の形状も使用できる。
シングルパス外部拡散増幅器の円筒形のロッドの利得媒質と入射レーザビームとの間に、半波長板が配置される。
入射レーザビームは、内部増幅器およびその中のクワッドパス増幅器から到達する。
半波長板は、レーザビームの極性をロッドの極性に最適化するために回転させられる。
さらに、複数のシングルパス外部拡散増幅器を直列に配置することができる。
言い換えると、第２のシングルパス外部拡散増幅器が、第１のシングルパス外部拡散増幅器と直列に配置される。
オプションで、第２のシングルパス外部拡散増幅器の前で第２の半波長板を使用してもよい。
【００４９】
第２の増幅方法では、ダブルパス外部拡散増幅器を使用する。
このダブルパス外部拡散増幅器は、ピコ秒パルスのレーザビームをロッド形状の利得媒質の寸法に一致させるように配置される。
利得媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３の各利得媒質から選択される。
レーザビームは、ダブルパス外部拡散増幅器の利得媒質を２回通過する。
半波長板（λ／２）が、旋光子（λ／４）と偏光感受型ビームスプリッタとの間に配置される。
偏光感受型ビームスプリッタは、半波長板（λ／２）と入射レーザビームとの間に配置される。
半波長板（λ／２）および旋光子（λ／４）は、ダブルパス外部拡散増幅器を通じて、右旋偏光レーザビームを作成する。
最大「Ｒ」コーティングの反射体が、ダブルパス外部拡散増幅器（すなわち、レーザヘッド）を越えたところに存在し、左旋偏光レーザビームを反射して、ダブルパス外部拡散増幅器（すなわち、レーザヘッド）、旋光子（λ／４）、および、半波長板（λ／２）を通過させ、水平偏光させる。
偏光感受型ビームスプリッタは、水平偏光レーザビームを装置から送り出す。
【００５０】
第１の増幅構造では、シングルパス外部拡散増幅器を使用し、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させる。
利得媒質と入射レーザビームとの間の半波長板は、利得媒質を通じた利得を最適化する。
第２の増幅構造では、ダブルパス外部拡散増幅器を使用し、レーザビームの断面積を利得媒質の断面積に一致させ、利得媒質を２回通過させる。
半波長板および旋光子は、利得媒質を通じて右旋偏光レーザビームを作成し、ダブルパス外部拡散増幅器の後ろに存在する最大「Ｒ」コーティングの反射体が、左旋偏光レーザビームを反射して利得媒質、旋光子、および、半波長板を通過させ、水平偏光させる。
レーザビームは、偏光感受型ビームスプリッタにより増幅構造から送り出される。
【００５１】
本発明の目的は、高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５２】
本発明の目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質に大量の出力を伝達するレーザを提供することである。
【００５３】
本発明の目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質によって大量の出力を吸収することを可能にする適切なＮｄドーピング濃度と適切な断面積とを備えたセグメントで構成される高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５４】
本発明の目的は、きわめて低い（小さい）シードレーザビームの信号でも、励起からレーザビームへの抽出効率が高いレーザを提供することである。
【００５５】
本発明の目的は、自己レーザビーム放射を防ぐため、一端に楔面を備えた高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５６】
本発明の目的は、入射レーザパルスと出射レーザパルスとを十分に分離するため、一端に楔面を備えた高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５７】
本発明の目的は、シードレーザビーム出力の利得を増やすため、内部を通過する複数のパスを備えた高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５８】
本発明の目的は、シードレーザビーム出力の利得を増やすため、内部を通過する複数のパスを備えた、セグメント化された高利得媒質を含むレーザを提供することである。
【００５９】
本発明の目的は、楔面を備えた高利得媒質を含むレーザであって、シードレーザビームのレーザパルス出力の入射レーザパルスの入射角が、該レーザパルスが楔面に当たり、高利得媒質内の第１内部パス上で角度をなして屈折し、利得媒質内を移動する際に励起スポットサイズ内に存在することで最大限のレーザビームエネルギーがレーザパルスに伝達されるように選択されているレーザを提供することである。
【００６０】
本発明の目的は、利得媒質の励起スポットサイズ内にシードレーザビームを維持することである。
【００６１】
本発明の目的は、ロッドに拡散接合された連続する固体利得媒質を含み、光側面励起を使用して、より強力なレーザビームを生成する外部拡散増幅器を提供することである。
【００６２】
本発明の目的は、円筒形のロッドの形状の固体利得媒質を含む外部拡散増幅器を提供することである。
【００６３】
本発明の目的は、外部拡散増幅器で光側面励起を使用して生成された高出力ピコ秒パルスのレーザビームを提供することである。
【００６４】
本発明の目的は、レーザダイオードまたはランプである外部拡散増幅器の側面励起を提供することである。
【００６５】
本発明の目的は、伝搬レーザビームの断面積をロッドの断面積に一致させる外部拡散増幅器を提供することである。
【００６６】
本発明の目的は、外部拡散増幅器のロッドに適用されるコーティングを損傷せずに、高利得を提供する外部拡散増幅器を提供することである。
【００６７】
本発明の目的は、外部拡散増幅器のロッドのバルク材を損傷せずに、高利得を提供する外部拡散増幅器を提供することである。
【００６８】
本発明の目的は、レーザビーム出力の制御および分解能を向上させるために、平均出力および高レーザパルスエネルギーを低周波数で増幅する外部拡散増幅器を提供することである。
【００６９】
本発明の目的は、複数の拡散接合されたセグメントを含み、直径が２ｍｍ〜４ｍｍである、外部拡散増幅器のロッドを提供することである。
【００７０】
本発明の目的は、複数の拡散接合されたセグメントを含み、断面積が３．１４ｍｍ２〜１２．５６ｍｍ２である、外部拡散増幅器のロッドを提供することである。
【００７１】
本発明の目的は、外部拡散増幅器の利得媒質として使用するための、任意の適切な断面を有する任意の適切なロッドを提供することである。
【００７２】
本発明の目的は、利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、およびＹｂ：ＹＡＧのいずれか１つから作成された、外部拡散増幅器のロッドを提供することである。
【００７３】
以上の目的とその他の目的は、図面および以下の説明を参照することで、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】シードレーザビーム入力と、偏光子と、２つの半波長板と、旋光子と、クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質とを含み、第１増幅器が光端面励起と、該クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質と、高反射体とを含むレーザの概略図。
【図１Ａ】シードレーザビーム入力と、偏光子と、２つの半波長板と、旋光子と、デュアルパス（ダブルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質とを含み、第２増幅器が光端面励起と、該デュアルパス（ダブルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質とを含むレーザの概略図。
【図１Ｂ】図１の概略図の斜視図。
【図１Ｃ】光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含むレーザの概略図。
【図１Ｄ】光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含むレーザの他の例の概略図。
【図１Ｅ】光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含むレーザの他の例の概略図。
【図２】クワドルプルパス（クワッドパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含む第１増幅器と、デュアルパス（ダブルパス）利得媒質を含む第２増幅器との組み合わせであって、第１増幅器が光端面励起を含み、第２増幅器が光端面励起を含み、４つの鏡を利用する組み合わせたレーザ概略図。
【図３】図１のクワッドパス構成でのさまざまなｍＷの平均シード出力の入力信号の増幅された出力を示すグラフ。
【図４】図１Ａのデュアルパス（ダブルパス）構成でのさまざまなｍＷの平均シード出力の入力信号の増幅された出力を示すグラフ。
【図５】第１端に楔面を備え、第２端に第２端面を備えるＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を、シードレーザビームの第１外部パス、増幅されたシードレーザビームの第１内部パス、増幅されたシードレーザビームの第２内部パス、および、増幅されたシードレーザビームの第２外部パスとともに示す概略図。
【図５Ａ】図５の５Ａ−５Ａ線に沿った端面図。
【図５Ｂ】断面円形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質の端面図。
【図６】Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔角とシードレーザビームの入射角との関係、および、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の楔角と該利得媒質内でのシードレーザビームの内部反射角との関係を示すグラフ。
【図７】楔角に応じた利得媒質の第１端面におけるレーザビームの入力パスのレーザビームの出力パスからの分離距離と、鏡Ｍ１から入射シードレーザビームまでの間の距離とを示すグラフ。
【図８】利得媒質と、第１鏡と、第２鏡とを含むクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器の使用の概略図。
【図８Ａ】図８の構成の移動距離に応じたスポットサイズのグラフであって、第１パスと、第２パスと、第３パスと、第４パスと、第１鏡および第２鏡の位置とを示すグラフ。
【図９】波長１０６４ｍｎ、繰り返し率１００ｋＨｚのシードレーザビームの概略図。
【図９Ａ】利得媒質の第２端の近傍に存在する光励起とシードレーザビームのレーザパルス出力との概略図。
【図１０】波長１０６４ｍｎ、繰り返し率１００ｋＨｚのシードレーザビームの概略図。
【図１０Ａ】長さとＮｄドーピング濃度とがそれぞれ異なり、結果として、利得と励起出力吸収とがそれぞれ異なる３つの拡散接合されたセグメントを含む利得媒質の第２端の近傍に存在する光励起とシードレーザビームのレーザパルス出力との概略図。
【図１０Ｂ】Ｎｄドーピング濃度（Ｃ％ａｔ．）、セグメント長（Ｌ）、アルファ（α：拡大されたＮｄドーピング濃度）、および、セグメントごとのＰａｂｓ（吸収される出力）を示す表。
【図１１】Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質がセグメントごとにＮｄドーピング濃度が異なる３つのセグメントを含む、図５に類似する概略図。
【図１２】クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含む第１増幅器と、第１増幅器に連結されクワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含む第２増幅器と、レンズと、複数の鏡Ｍ１およびＭ２２−Ｍ３０とを含み、第１増幅器が光端面励起を含み、第２増幅器が光端面励起を含む内部増幅器を示す概略図。
【図１２Ａ】シングルパス外部拡散増幅器および光側面励起のシングルパスの例を示す拡大概略図。
【図１２Ｂ】デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器および光側面励起のデュアルパス（ダブルパス）の例を示す拡大概略図。
【図１２Ｃ】外部拡散増幅器のロッドの拡散接合例を示す拡大概略図。
【図１２Ｄ】ロッドの利得媒質内でのピコ秒パルスのレーザビームのスポットサイズを破線で示す、円筒形ロッドの形状をした利得媒質の断面の拡大概略図。
【図１２Ｅ】ワンピースのロッド（利得媒質）を示す拡大概略図。
【図１３】図１２および図１２Ａの概略図で使用されている構成要素、すなわち第１および第２のクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器とシングルパス外部拡散増幅器とを示す概略上面図。
【図１３Ａ】シングルパス外部拡散増幅器のシングルパス構成を示す、図１３の一部拡大図。
【図１３Ｂ】直列の２つのシングルパス外部拡散増幅器を示す、図１３に類似する概略上面図。
【図１３Ｃ】図１３Ｂの一部の拡大概略図。
【図１４】図１２および図１２Ｂで使用されているデュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器の構成要素を示す概略上面図。
【図１４Ａ】デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器を示す、図１４の一部拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図１は、シードレーザ１１１と、シードレンズ１１０と、偏光子１０７と、２つの半波長板１０６、１１２と、旋光子１０５と、クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３との概略図１００である。
この増幅器は、光端面励起１０１と、利得媒質１０３と、高反射性鏡１１４とを含む。
シードレーザビームのスポットサイズは、シードレンズ１１０の選択によって実質的に決まる。
利得媒質内で必要なシードレーザビームのスポットサイズは、所望の利得に基づいて決定される。
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３内の利得量は、光端面励起１０１のスポットサイズと、Ｎｄドーピング濃度とに依存する。
シードレーザビームのスポットサイズを適切に設定し、光端面励起１０１のスポットサイズを適切に設定するのが望ましい。
【００７６】
光端面励起１０１は、好ましくはダイオード端面励起である。
利得媒質１０３は、反射防止コーティングが施された楔形の端面１０３Ａを備える。
楔型の端面１０３Ａは、利得媒質１０３の第１端にある。
利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃは、平坦であり、８０８ｎｍの波長に対して高透過性を有するコーティングが施されている。
このコーティングは、１０６４ｎｍの波長に対して高反射性を有する。
【００７７】
シードレーザ１１１は、パルス幅が約１０ピコ秒（＋／−５ピコ秒）のパルスを有するレーザパルス出力１１１Ａを繰り返し率１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ、波長１０６４ｎｍで生成する。
これらのレーザパルスは、波長１０６４ｎｍの光を含む。
利得媒質１０３に進入して通過したレーザパルスは、第２端面１０１Ｃに当たり、その高反射コーティングによって反射する。
【００７８】
図１を参照すると、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３は、波長８０８ｎｍで動作するレーザダイオードによって端面励起される。
その他の励起波長も使用できる。
たとえば、励起の中心波長は、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または、９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）でよい。
励起は、端面励起でも、１つ以上の側面励起でもよい。
図１Ｃ、図１Ｄ、および図１Ｅを参照されたい。
励起は、ダイオード励起光源またはその他の適切な光源でよい。
矢印１０２は、利得媒質１０３への出力の流れを示す。
利得媒質１０３の結晶の楔面１０３Ａは、１０６４ｎｍの波長に対するＡＲコーティング（反射防止コーティング）が施されている。
利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃは、１０６４ｎｍの波長に対するＨＲコーティング（高反射コーティング）が施されており、励起面に８０８ｎｍの波長に対するＨＴコーティング（高透過コーティング）が施されている。
高透過コーティングが、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、９１５ｎｍなどのその他の波長での励起に対しても使用される。
つまり、第２端面１０１Ｃは、旋光子１０５から送られる増幅されたシードレーザビーム１０４を反射する。
波長１０６４ｎｍの偏光されたシードレーザビーム１０４は、偏光子１０７、半波長板１０６、および、旋光子１０５を通過して利得媒質１０３に至る。
符号１０４／１０４Ａは、レーザパルス／レーザビームの異なるタイミングでの双方向の流れを示す。
【００７９】
引き続き図１を参照すると、シードレーザビーム１０４は、利得媒質１０３内を４回移動する。
増幅されたレーザビーム出力１０４Ａは、シードレーザ１１１の出力レーザパルス１１１Ａの偏光に対して偏光を９０°シフトする偏光子１０７によって分離される。
【００８０】
利得媒質１０３は、円形、長方形、正方形、またはその他の断面形状を持ち得る。
利得媒質１０３は、任意の断面形状でよい。
断面形状が長方形の場合、長方形の辺は、長さがほぼ等しく、断面が正方形になる。
長方形の各辺は、１〜６ｍｍであり、利得媒質１０３の長さは、５〜３０ｍｍである。
通常は、長方形の利得媒質１０３が使用される。
断面が、円筒形のロッドを使用してもよい。
直径が小さいロッドは、熱伝達に優れている。
【００８１】
引き続き図１を参照すると、シードレーザ１１１は、パスに沿って出力レーザパルス１１１Ａを放射して偏光子１０７、半波長板１０６、および旋光子１０５を通過させる。
旋光子１０５において、偏光が、利得媒質１０３の偏光に変換される。
図１Ａは、鏡Ｍ１を削除することにより作成されたデュアルパス増幅器の例の概略図１００Ａである。
図１Ｂは、図１の概略図の斜視図１００Ｂであって、シードレーザ１１１と、レンズ１１０と、偏光子１０７と、旋光子１０５と、冷却室に収容された利得媒質１０３と、光端面励起１０１とを示している。
【００８２】
図１Ｃは、光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３を含むレーザの概略図１００Ｃである。
側面励起１９９は、必要に応じて利得媒質１０３を部分的または完全に囲むものとして図示されている。
図１Ｄは、光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３を含むレーザの別の例を示す概略図１００Ｄである。
この別の例のレーザは、必要に応じて利得媒質１０３を部分的または完全に囲む第１光側面励起１９９Ａと第２光側面励起１９９Ｂとを含む。
図１Ｅは、光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３Ｒを含むレーザの別の例を示す概略図１００Ｅである。
この別の例のレーザは、必要に応じて利得媒質１０３Ｒを部分的または完全に囲む３つの光側面励起１９９Ｃ、１９９Ｄ、１９９Ｅを含む。
【００８３】
図２は、クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３を含む第１増幅器と、デュアルパス（ダブルパス）利得媒質２０３を含む第２増幅器との組み合わせの概略図２００である。
第１増幅器は、光端面励起１０１を含み、第２増幅器は、光端面励起２０１を含む。
図２の例では、鏡Ｍ１（１１４）、Ｍ２（２２１）、Ｍ３（２１４）、Ｍ４（２１７）を利用している。
また、図２に示す例では、アイソレータ２１９を利用している。
偏光子１０７は、高い偏光消光比を備え、クワッドパス利得媒質１０３を含む第１増幅器とシードレーザ１１１との間の自然な分離を実現する。
旋光子１０５は、デュアルパス利得媒質２０３を含む第２増幅器からのフィードバック出力をブロックする働きをする。
【００８４】
図３は、図１のクワッドパス（クワドルプルパス）で増幅された出力３０２でのさまざまなｍＷの平均シード出力とレーザパルスの増幅された出力を示すグラフ３００である。
クワッドパスで増幅された出力３０２は、図４に示すデュアルパス（ダブルパス）で増幅された出力３０１よりも増幅利得に優れる。
１〜２ｍＷのシードレーザビーム出力を、３０Ｗの励起で約１．５Ｗに増幅できる。
励起出力を３５Ｗ、シードレーザビームの平均出力を２０ｍＷに上げると、単段階のクワッドパス増幅器で５Ｗを超えるシードレーザビーム出力が得られる。
【００８５】
図４は、図１Ａのデュアルパス（ダブルパス）構成でのさまざまなｍＷの平均シード出力の入力信号の増幅された出力を示すグラフ４００である。
【００８６】
図５は、第１端５２０Ｆに楔面１０３Ａを備え、第２端５３０Ｓに第２端面１０１Ｃを備えるＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３を示す概略図５００である。
図５は、シードレーザビームの第１外部パス１１１Ｅと、１回増幅されたシードレーザビームの第１内部パス１１１Ｉと、２回増幅されたシードレーザビームの第２内部パス１１５Ｉと、２回増幅されたシードレーザビームの第２外部パス１１５Ｅとを示している。
【００８７】
図１Ａのデュアルパス増幅器の場合、入射されたシードレーザビームは、利得媒質１０３を２回通過する。
入射レーザパルスは、第１外部パス１１１Ｅに沿って入射角θ２で楔面１０３Ａに当たり、第１内部パス１１１Ｉに沿って屈折角θ２’で屈折して第２端面１０１Ｃに当たる。
ここでは、第１内部パス１１１Ｉに沿ったシードレーザビームを、１回増幅されたシードレーザビームとも呼ぶ。
その後、１回増幅されたシードレーザビームは、２回目の通過で第２内部パス１１５Ｉに沿って反射角θ３で反射して楔面１０３Ａに向かう。
ここでは、第２内部パス１１５Ｉに沿った１回増幅されたシードレーザビームを、２回増幅されたシードレーザビームとも呼ぶ。
その後、２回増幅されたシードレーザビームは、入射角θ４で楔面１０３Ａに到達し、第２外部パス１１５Ｅに沿って屈折角θ５で屈折する。
図１Ａに示すデュアルパス増幅器の例では、Ｍ１は示されていない。
【００８８】
図４は、図１Ａのデュアルパス増幅器の概略図でのさまざまなｍＷの平均シード出力の入力信号の増幅された出力を示すグラフである。
【００８９】
図１および図５を参照すると、クワッドパス増幅器では、鏡１１４（Ｍ１）を使用して２回増幅されたシードレーザビームを利得媒質１０３に戻している。
図５を参照すると、図１および図２に示すクワッドパス増幅器の考え方では、高反射する鏡１１４によって２回増幅されたシードレーザビームを第２外部パス１１５Ｅに沿って楔面１０３Ａの位置５０２に対して入射角θ５で反射させる。
この位置で、２回増幅されたシードレーザビームは、３回増幅されたシードレーザビームとして第２内部パス１１５Ｉに沿って屈折角θ４で屈折する。
ここでは、この第２内部パス１１５Ｉに沿って屈折角θ４で屈折する２回増幅されたシードレーザビームを、３回増幅されたシードレーザビームと呼ぶ。
３回増幅されたシードレーザビームは、第２内部パス１１５Ｉに沿って進み、高反射性の第２端面１０１Ｃに当たる。
そして、４回増幅されたシードレーザビームとして第１内部パス１１１Ｉに沿って内部反射角θ３で楔面１０３Ａに向けて反射する。
ここでは、第１内部パス１１１Ｉに沿って入射角θ２’で移動する３回増幅されたシードレーザビームを、４回増幅されたシードレーザビームとも呼ぶ。
第１内部パス１１１Ｉは、楔面１０３Ａに垂直な線に対して入射角θ２’で位置する。
４回増幅されたシードレーザビームが楔面１０３Ａに当たると、第１外部パス１１１Ｅに沿って屈折角θ２で屈折し、旋光子１０５、半波長板１０６、偏光子１０７、半波長板１１２を通って矢印１１３の方向で進む。
【００９０】
図１は、４段階の増幅を含むクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器を示している。
シードレーザビームは、利得媒質１０３を通過するたびに増幅され、さらなるエネルギーを得る。
図１Ａは、２段階の増幅を含むデュアルパス増幅器を示している。
図２は、クワッドパス（クワドルプルパス）（クワッド増幅、図１）とデュアルパス（ダブルパス）（ダブル増幅、図１Ａ）とを組み合わせた６段階の増幅を示している。
【００９１】
図５Ａは、図５の５Ａ−５Ａ線に沿った端面図５００Ａである。
図５Ａは、第１外部パス１１１Ｅに沿った入射レーザパルスの楔面１０３Ａにおける進入位置５０１を示している。
また、図５Ａは、第２外部パス１１５Ｅに沿った出力レーザパルスの楔面１０３Ａにおける退出位置５０２を示している。
利得媒質をクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器として使用した例では、位置５０２が第３パスの進入位置（すなわち、第２外部パス１１５Ｅに沿った入射レーザパルスの楔面１０３Ａにおける進入位置）となり、位置５０１が第４パスの退出位置（すなわち、第１外部パス１１１Ｅに沿った出力レーザパルスの楔面１０３Ａにおける退出位置）となる。
【００９２】
引き続き図５および図５Ａを参照すると、ダイオード励起１０１が第２端面１０１Ｃの近傍に図示されている。
第２端面１０１Ｃは、波長８０８ｎｍで高透過性を有し、波長１０６４ｎｍで高反射性を有する。
その他の励起波長（８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、９１５ｎｍ）を使用した場合、面１０５Ｃは、それらの波長で高透過性を有する。
面１０１Ｃは、コーティングされており、そのコーティングがそれぞれの波長で上述した特性を有する。
符号１０３Ｂ、１０３Ｃ、１０３Ｄ、１０３Ｅは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の領域を示す。
領域１０３Ｂは、比較的高いエネルギー／出力が伝達される第２端面１０１Ｃの近傍に位置する。
点（ドット）の密度／量は、利得媒質１０３に伝達されるエネルギー／出力の相対的な量を表している。
また、図５からわかるように、伝達されるエネルギーは、利得媒質１０３の円筒状コアに伝達され、エネルギー伝達は、利得媒質１０３に進入する励起エネルギーのスポットサイズによって画定される。
領域１０３Ｃは、ドットの数／量が少ない。
これは、伝達されるエネルギー／出力の相対的な量が、領域１０３Ｂよりも少ないことを示している。
同様に、領域１０３Ｄと領域１０３Ｅとでは、ドットの数／量が徐々に少なくなる。
これは、８０８ｎｍの励起からの距離に応じて、利得媒質１０３に伝達されるエネルギー／出力の相対的な量が減ることを示している。
符号５９９は、ダイオード端面励起の波長８０８ｎｍでの放射出力の径方向範囲を概略的に表している。
その他の励起波長も使用可能である。
たとえば、励起の中心波長は、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または、９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）でよい。
励起は、端面励起または１つ以上の側面励起でよい。
励起は、ダイオード励起光源またはその他の適切な光源でよい。
その他の種類の励起も使用できる。
【００９３】
引き続き図５および図５Ａを参照すると、クワッドパス増幅器およびデュアルパス増幅器の構造の重要な部分は、利得媒質１０３である。
利得媒質１０３は、利得物質、ドーピング濃度、断面領域、長さ、構造、および、コーティングを有する。
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、利得媒質１０３の物質である。
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、高放射断面と、１０ピコ秒のパルス幅を許容するだけの十分な帯域幅とを備える。
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、自然偏光された結晶であり、ａ軸カットである。
生成されたシードレーザビームの偏光は、結晶のｃ軸に沿って行われる。
図５に示すＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３は、均一にドーピングされている。
均一なドーピングは、均等ドーピングとも呼ばれる。
自然偏光されたＮｄ：ＹＶＯ４結晶で、０．０５〜３．０％ａｔ．（原子重量パーセント）のドーピング濃度が使用されている。
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の例は、０．０５〜３．０％ａｔ．の濃度で均一にドーピングされている。
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ｖａｎａｄａｔｅ（ネオジウムをドーピングしたイットリウムバナデード）の略であり、これを意味する。
【００９４】
適切なドーピング濃度の設計は、多くの要因に依存する。
利得効果および熱レンズ効果のほかに重要な要因は、適用される最大励起出力（通常は３０〜６０Ｗ）と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の断面の寸法である。
最適な励起スポットサイズは、通常は直径０．３〜２ｍｍである。
励起出力が増大すると、ドーピング濃度は、低くなると予想される。
ドーピング濃度が低いほど、高い励起出力を使用できる。
端面励起によってＮｄ：ＹＶＯ４結晶に適用される出力は、結晶自体の構造によって制限される。
特定のドーピング濃度の結晶に過剰な出力を適用すると、熱的に誘発された引張応力に起因して結晶が破損する。
断面が１ｍｍ２等の小さいＮｄ：ＹＶＯ４結晶の利得媒質には、断面が３６ｍｍ２等の大きい利得媒質に比べて、相対的に多くの出力を適用できる。
さらに、Ｎｄドーピング濃度が０．０５％ａｔ．等の低いＮｄ：ＹＶＯ４結晶には、相対的に多くの励起出力を適用できる。
さらに、励起スポットの半径を大きくすると、相対的に多くの励起出力を適用できる。
したがって、均一ドーピングされた結晶のサイズは、上述したすべての事項を考慮して決定する必要がある。
図１０〜図１１は、セグメント分けされた利得媒質を図示および開示している。
励起スポットのサイズは、利得媒質を通過するシードレーザビームを完全に包含するだけの大きさを備えている必要がある。
したがって、セグメント分けしてドーピングされた結晶のサイズは、上述したすべての事項を考慮して決定する必要がある。
【００９５】
Ｎｄ：ＹＶＯ４は、自然偏光された結晶であり、適切なドーピング濃度で、８０８ｎｍおよび３ｎｍの帯域幅（ＦＷＨＭ）の励起出力の９９％以上を吸収できる５〜３３ｍｍの長さであることが好ましい。
さらに、結晶が長くなるほど、熱除去のための表面積が大きくなる。
励起スポットサイズは、通常は、直径０．３〜２ｍｍである。
結晶の断面は、結晶内でのシードレーザビームのスポットサイズが直径０．４〜０．６ｍｍなので、４ｍｍ２あればよい。
したがって、結晶の好ましいサイズは、シードレーザビームに十分な口径を提供する断面４ｍｍ２を有する。
【００９６】
Ｎｄ：ＹＶＯ４の断面寸法は、１〜３６ｍｍ２でよい。
０．０５〜３．００％ａｔ．のドーピング濃度は、適用される最大励起出力（通常３０〜５０Ｗ）と、励起レーザビームのスポットサイズとから決定できる。
【００９７】
上述したように、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の第１端面１０３Ａは、図５に示す平坦な楔面である。
利得媒質１０３の楔面１０３Ａの設計は、増幅器の重要な側面である。
この楔面１０３Ａにより、２つの平行する面によって引き起こされるエタロン効果が除去される。
利得媒質１０３の２つの平行な面は、光キャビティを実質的に形成する。
エタロン効果は、レーザパルス幅を広げ、励起された利得媒質１０３内に自己レーザビーム放射を形成する。
自己レーザビーム放射は、レーザの出力の制御を損なうため、望ましくない。
楔面１０３Ａは、利得媒質１０３の面１０３Ａ、１０１Ｃの間の自己レーザビーム放射を除去する。
ＡＲ（反射防止）コーティングが結晶の両側に施されていたとしても、利得媒質の平行な第１端面と第２端面との間で、潜在的なレーザビーム放射が起こる可能性がある。
楔面の使用は、利得媒質の面と増幅器で使用されている他の光学面との間で、自己レーザビーム放射を減少させるのにも役立つ。
【００９８】
引き続き図５を参照すると、利得媒質１０３の楔面１０３Ａは、レーザパルス出力の第１外部パス１１１Ｅに沿った入射レーザパルスと、第２外部パス１１５Ｅに沿った出射レーザパルスとの間の分離角を広げる。
楔面１０３Ａは、Ｎｄ：ＹＶＯ４のａ−ｃ面に対して垂直である。
ここで、増幅されたシードレーザビームの偏光は、ａ−ｃ面に含まれる。
楔面１０３Ａは、波長１０６４ｎｍでＡＲコーティングされている。
第２面１０１Ｃは、波長８０８ｎｍでＨＴコーティングされ、波長１０６４ｎｍでＨＲコーティングされている。
動作波長に関連して適切なコーティングが使用される。
【００９９】
引き続き図５を参照すると、略長方形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の第１端は、反射防止コーディングが施された楔面１０３Ａを含む。
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔面１０３Ａの反射防止コーディングに、入射角θ２で進入する。
入射角θ２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔面１０３Ａに垂直な線５０５Ｐに対して計測される。
楔面１０３Ａが平坦な面であり、楔角θ１で形成されていることがわかる。
楔角θ１は、楔面１０３Ａの１点を通過する垂直面に対して計測される。
さらに、入力シードレーザビームが、利得媒質１０３の中心線に平行な線に対して、角度θ６で線１１１Ｅに沿って楔面１０３Ａに進入することがわかる。
図５を参照すると、θ６＝θ２−θ１であることがわかる。
楔角θ１は、５〜７°の範囲でよい。
これは、シードレーザビームの入射角θ２を１５°以下に維持するのが望ましく、また、好ましいからである。
５〜７°の楔角θ１は、約０．７８°の好ましい内部反射角θ３を生む。
【０１００】
目的は、楔面１０３Ａを備えた高利得媒質１０３を含むレーザを提供することである。
図５から、利得媒質１０３の中心線５０５Ｃと一直線ではないパス１１１Ｅ上でシードレーザビームが到達することがわかる。
入射角θ２は、シードレーザビームが楔面に当たり、高利得媒質１０３内の第１内部パス１１１Ｉ上で屈折角θ２’をなして屈折し、利得媒質１０３内を移動する際に励起スポットサイズ内に存在することでシードレーザビームへのエネルギー伝達が最大化されるように選択される。
符号５９９は、励起スポットサイズの径方向の範囲を表している。
シードレーザビームを利得媒質１０３内で励起スポットサイズの内部に合わせることが望ましい。
励起のエネルギーのほとんどは、利得媒質１０３の中心線５０５Ｃに沿って集中する傾向がある。
【０１０１】
シードレーザビームは、楔面１０３Ａに当たると屈折角θ２’で屈折する。
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３内の第２パス１１５Ｉに沿って、面１０１Ｃから内部反射角θ３で反射する。
内部反射角θ３は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の中心線５０５Ｃに対して定義される。
さらに、好ましい内部反射角θ３は、約０．７８°である。
利得媒質１０３内のシードレーザビームの内部反射角θ３を最小化して、シードレーザビームが、利得媒質１０３を通る軸の中心線に対して相対的に中央にとどまるようにし、それによって、シードレーザビームが利得媒質１０３内を通過するときに励起エネルギーを効果的に抽出できることが望ましい。
利得媒質１０３に励起されるエネルギーは、端面励起のスポットサイズ内に集中する。
シードレーザビームの入射レーザパルスがＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質内の励起スポットサイズの内部に合わせられている場合、励起スポットサイズは、第１内部パス１１１Ｉおよび第２内部パス１１５Ｉ上でシードレーザビームと重複し、励起エネルギーがシードレーザビームに効率的に伝達される。
【０１０２】
さらに、０．７８°の好ましい内部反射角θ３は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔面１０３Ａを形成する平坦面に進入するシードレーザビームと、利得媒質１０３の平坦面から退出する増幅レーザビームとが、確実に分離されるだけの大きさでなければならない。
【０１０３】
０．７８°の内部反射角θ３は、長さ約２０ｍｍの利得媒質１０３の場合、利得媒質１０３の軸に対して約０．２７ｍｍのシフトを生む。
さらに、利得媒質１０３が長さ約１０ｍｍの場合、０．７８°の好ましい内部反射角θ３は、利得媒質１０３の軸に対して約０．１３５ｍｍのシフトを生む。
【０１０４】
シードレーザビームは、第１パス（１回目の増幅）上でＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の内部を通過する第１内部パス１１１Ｉに沿って屈折して、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃに向かって移動する。
励起に近接するＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃは、波長１０６４ｎｍのシードレーザビームに対して、高反射性を有する第２コーティングを含む。
第２コーティングは、端面励起からの波長８０８ｎｍの光に対しては高透過性を有する。
【０１０５】
シードレーザビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃの高反射性を有する第２コーティングによって、内部反射角θ３で反射し、それによって、波長１０６４ｎｍのレーザが、第２パス（２回目の増幅）上でＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の内部を通過する第２内部パス１１５Ｉに沿って、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔面１０３Ａに向かって移動する。
レーザパルスは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔面１０３Ａから、屈折角θ５で退出する。
屈折角θ５は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質の第１端の楔面１０３Ａに直交する（垂直な）線に対して計測される。
【０１０６】
図５Ａは、図５の５Ａ−５Ａ線に沿った端面図５００Ａであり、断面正方形の利得媒質１０３を示している。
符号５９９は、利得媒質１０３内の励起スポットサイズの径方向範囲である。
符号５０１、５０２は、それぞれシードレーザビームの進入位置と退出位置とを示す。
図５Ｂは、断面円形のＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の端面図５００Ｂである。
【０１０７】
図６は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔角θ１とシードレーザビームのレーザパルス出力のレーザパルスの入射角θ２との関係６０１、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔角θ１と利得媒質１０３の内部反射角θ３との関係６０２、および、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３の楔角θ１と垂直入射コーティング限度との関係６０３を示すグラフ６００である。
したがって、垂直入射ＡＲコーティングを基準とした場合、５〜７°の楔角θ１は、約１５°の入射角に対応し、内部反射角θ３は、約０．７８°である。
【０１０８】
図７は、楔角θ１に応じた第１端の楔面１０３Ａにおける入射レーザビームの入力パス１１１Ｅの退出レーザパルスの出力パス１１５Ｅからの分離距離のプロット７０１と、楔角θ１に応じた入射シードレーザビーム１１１Ｅのプロット７０２とを示すグラフである。
【０１０９】
図８は、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質８０５と、第１鏡８０６と、第２鏡８０７とを含むクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器との概略図８００である。
図８Ａは、図８の構成の移動距離に応じたシードレーザビームのスポットサイズを示すグラフ８００Ａである。
このグラフは、第１パス８０１、第２パス８０２、第３パス８０３、第４パス８０４、平坦な鏡８０６および第２の湾曲した鏡８０７の位置とを示している。
第１パス８０１は、長さ約６４ｍｍ、第２パス８０２は、長さ約１６１ｍｍ、第３パス８０３は、長さ約１６１ｍｍ、第４パス８０４は、長さ約６４ｍｍである。
符号８１０は、利得媒質８１０における第１パス８０１の開始点を表す。
符号８１１は、シードビームウエストである。
シードビームウエストは、光励起のウエスト（図８では図示なし）と一致するように位置決めするのが望ましい。
シードビームウエストは、利得媒質の内部に励起面（図８では図示なし）から約２ｍｍ離れて位置している。
【０１１０】
クワッドパス増幅器では、レーザビームと励起モードとのモード整合が各パスにとってきわめて重要である。
通常、レーザビームと励起スポットとの間のモード整合率、すなわち（レーザビームのスポット直径）／（励起のスポット直径）は、０．６〜１．２である。
図８Ａは、クワッドパス増幅器のレーザビームの伝搬を示している。
高出力の励起における利得媒質の熱レンズ効果を考慮して、図８Ａに示す鏡Ｍ１およびＭ２の適切な設計では、第２、第３、および第４のパスのレーザモードのスポットサイズを励起モードに一致するように制御する。
【０１１１】
図９は、波長１０６４ｎｍ、繰り返し率１００ｋＭｚ、パルス幅１０ピコ秒のシードレーザビームの概略図９００である。
図９に示すパルスストリームについて、平均出力は、指定されていない。
図９Ａは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質９０３の第２端９０４の近傍に存在する光励起９０２およびシードレーザビーム入力９０１の概略図９００Ａである。
この例で、シードレーザビーム入力９０１は、励起９０２と一致しており、シードレーザビーム入力９０１は、利得媒質９０３の第２端９３０Ｓの第２端面９０４に進入する。
第２端面９０４は、８０８ｎｍのダイオード励起放射と、１０６４ｎｍのシードレーザビーム入力９０１との伝達を許可する。
増幅されたシードレーザビーム入力は、矢印９３０が示すように、利得媒質の第１端９２０Ｆの第１端面９０５から退出する。
【０１１２】
引き続き図９Ａを参照すると、矢印９３０Ｓは、利得媒質９０３の第２端を示し、矢印９２０Ｆは、利得媒質９０３の第１端を示している。
符号９０３Ｂ、９０３Ｃ、９０３Ｄ、９０３Ｅは、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質９０３の領域を図示している。
領域９０３Ｂは、比較的高いエネルギー／出力が吸収される第２端面９０４の近傍にある。
点（ドット）の密度／量は、利得媒質９０３で吸収されるエネルギー／出力の相対的な量を示す。
また図９Ａから、出力が利得媒質９０３で吸収されることがわかる。
抽出効率は、シードレーザビームの出力９３０と、利得とに関連する。
領域９０３Ｂから９０３Ｅにかけて、各セグメントで吸収されるシードレーザビームの出力９３０は、励起軸に沿って急激に低下する。
【０１１３】
図１０は、シードレーザビームの波長１０６４ｎｍ、繰り返し率１００ｋＨｚ、パルス幅１０ピコ秒、平均出力約１ｍＷのシード入力１００１のパルスの概略図１０００である。
【０１１４】
図１０Ａは、波長８０８ｎｍで動作する光励起１００２の概略図１０００Ａである。
シードレーザビーム入力１００１は、利得媒質１００３の第２端の近傍に存在している。
利得媒質１００３は、３つの拡散接合セグメント１０１０、１０１１、１０１２を含んでいる。
これらのセグメントは、長さとドーピング濃度（ドーパント濃度）とが異なり、結果として各セグメントで利得分布が異なる。
より詳細には、図１０Ａは、端面励起型のセグメント化された媒質の概略図１０００Ａであり、３つのセグメント１０１０、１０１１、１０１２を含む拡散接合された利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４を示している。
セグメントごとに、原子重量パーセント（％ａｔ．）単位のＮｄドーピング濃度、吸収される出力（Ｐａｂｓ）、伝達される出力ＰＴ、光学利得Ｇ、および吸収係数αが決まっている。
図１０Ｂは、セグメントごとのＮｄドーピング濃度（ドーパント濃度）Ｃ％ａｔ．、ｍｍ単位のセグメント長、α（拡大されたＮｄドーピング濃度）、およびＰａｂｓ（吸収された出力）を表す表１００Ｂである。
セグメント１０１０、１０１１、１０１２は、拡散接続する代わりに、セグメント間で反射防止コーティングを使用して相互に固定してもよい。
【０１１５】
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、第１セグメント１０１０は、Ｎｄドーピング濃度が最低の０．０５％であり、長さが２ｍｍである。
Ｎｄドーピング濃度のパーセントを３倍に拡大すると、吸収係数α＝０．１５が得られる。
吸収効率は、以下のとおりである。
η＝（１−ｅ−αＬ）
【０１１６】
したがって、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の詳細がわからなくても、より長い結晶を使用する、および／または、吸収係数を増やすことによって効率を向上させることができる。
ただし、吸収係数αは、それだけでは、係数αと適用される出力とに物理的な限度があることを示していない。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に適用される出力が増加すると、Ｎｄドーピング濃度が減少し、結晶の断面が減少する。
Ｎｄドーピング濃度が低いほど、高い励起出力を使用できる。
【０１１７】
再び図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、ｍＷの範囲のシードレーザビームが、断面積４ｍｍ２のセグメント化された利得媒質に適用される。
この例では、励起出力は、４０Ｗであり、励起スポットサイズは、直径０．５ｍｍである。
セグメントごとのＰａｂｓは、以下の方程式で求められる。
Ｐａｂｓ＝Ｐｉｎｐｕｔ（１−ｅ−αＬ）
【０１１８】
４０Ｗの端面励起出力を第１セグメント１０１０に適用するので、Ｐａｂｓ＝４０（１−ｅ（−（０．１５）（２）））Ｗ＝１０．３６ワットとなり、２９．６４Ｗが第２セグメント１０１１用に残る。
後続のセグメントが利用できる、または、後続のセグメントに伝達される出力は、以下の方程式で求められる。
Ｐｉｎｐｕｔ＝Ｐｐｕｍｐ−（ΣＰａｂｓ）
【０１１９】
第２セグメント１０１１へのＰｉｎｐｕｔは、４０Ｗ−（１０．３６Ｗ）＝２９．６４Ｗである。
【０１２０】
したがって、２９．６４Ｗが、第２セグメント１０１１に伝達され、または使用可能となる。
Ｎｄドーピング濃度が、０．０５％と小さいため、破砕のリスクを冒さずに、第１セグメント１０１０に４０Ｗを安全に適用できることに注目されたい。
【０１２１】
次に、残りの吸収されていない２９．６４Ｗが、第２セグメント１０１１に適用される。
第２セグメント１０１１は、Ｎｄドーピング濃度が０．１３％ａｔ．、長さが１ｍｍであり、Ｐａｂｓ＝２９．６４（１−ｅ（−（０．３９）（１）））Ｗ＝９．５７Ｗである。
第３セグメント１０１２に対して利用可能となる／転送される出力は、以下のとおりである。
第３セグメント１０１２へのＰｉｎｐｕｔ＝４０Ｗ−（１０．３６＋９．５７）Ｗ
＝２０．０７Ｗ
【０１２２】
第３セグメント１０１２に対して利用可能となる／転送される出力は、２０．０７Ｗである。
第３セグメントは、Ｎｄドーピング濃度が０．２５％、長さが１２ｍｍなので、以下のようになる。
Ｐａｂｓ＝２０．０７（１−ｅ（−（０．７５）（１２）））Ｗ
＝２０．０７Ｗ
【０１２３】
このように、励起出力をセグメントで吸収することによって、励起出力を拡大する方法を適用すると、より高い励起出力を使用し、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶へのエネルギー伝達を高めることができる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶へのエネルギー伝達が高まると、シードレーザビームが利得媒質内を移動する際の利得が増える。
【０１２４】
各セグメントは、増幅の１段階として扱うことができる。
この概念を、例を用いて示す。
第１セグメント１０１０は、１０．９ｄＢの利得を生成する。
したがって、たとえば約１ｍＷが入力される小信号シードレーザで約１０Ｗの励起出力が吸収される場合、第１セグメント１０１０で増幅される平均出力は、１２．５ｍＷである。
利得は、以下のように計算する。
2015228499.tif 000003
【０１２５】
第２セグメント１０１１は、８．２ｄＢの利得を生成する。
したがって、シード入力の平均出力が１２．５ｍＷ、吸収される励起出力が１０Ｗの場合、第２セグメント１０１１から退出する増幅された平均出力は、８３ｍＷである。
同様に、第３セグメント１０１２は、１０．８ｄＢの利得を生成する。
したがって、シードレーザの出力が８３ｍＷ、吸収される励起出力が約２０Ｗの場合、第３セグメントから退出する増幅された平均出力は、１Ｗである。
３つのセグメントの総合利得（全体の利得）は、３０ｄＢである。
【０１２６】
単一結晶設計の場合、１ｍＷのシードレーザと４０Ｗの励起出力とで利得は、２８．７ｄＢとなる。
出力は、７４３ｍＷである。
１０００ｍＷ／７４３ｍＷ＝１．３４なので、マルチセグメントの利得は、３４％以上向上している。
【０１２７】
Ｎｄドーピング濃度を徐々に増加させたセグメントを使用すると、セグメントの破砕を防ぐことができる。
これは、各セグメントに入力される出力が、液晶が破砕せずに吸収できる許容レベルに抑えられるためである。
【０１２８】
Ｎｄドーピング濃度の異なるセグメントを使用すると、利得分布を最適化して高い抽出効率を実現できる。
【０１２９】
非特許文献１をここに引用することにより、その全体を援用する。
【０１３０】
図１１は、図５に似た概略図１１００であるが、ここで、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質は、セグメントごとにＮｄドーピング濃度が異なる３つのセグメント１０１０、１０１１、１０１２を含んでいる。
図１１は、図１０Ａの例に似た例である。
ただし、図１１は、デュアルパス増幅器を示している。
シードレーザは、第１内部パス１１１Ｉと第２内部パス１１５Ｉの両方を移動する際に増幅される。
したがって、利得は、デュアルパス構成で向上し、クワッドパス構成では、さらに向上する。
【０１３１】
図１２は、クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３を含む第１増幅器と、第１増幅器に連結されクワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１２０３を含む第２増幅器とを含む内部増幅器を示す概略図１２００である。
第１増幅器は、光端面励起１０１を含み、第２増幅器は、第３光端面励起１２０１を含む。内部増幅器は、さらに、複数の鏡Ｍ１およびＭ２２−Ｍ３０を含む。
図１２に示されている鏡Ｍ２６〜Ｍ３０と鏡Ｍ３１とは、第１増幅出力レーザ１２１７を、外部拡散増幅器１２７０または１２７１によって、さらに増幅できるように配置する。
図１２の上方に示されている第１クワッドパス増幅器は、図１、図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｅ、および、図２に関連する上記説明と同じ構造を備え、同じように動作する。
図１２は、２つのクワッドパス段階からなる増幅、すなわち、合計８段階の増幅を示している。
第１クワッド増幅器の出力は、第２クワッド増幅器に供給される。
第１増幅出力レーザ１２１７は、外部拡散増幅器に供給される。
【０１３２】
既に実質的に説明したが、わかりやすくするために、以下を図１２に関連して説明する。
図１は、シードレーザ１１１と、シードレンズ１１０と、偏光子１０７と、２つの半波長板１０６、１１２と、旋光子１０５と、クワッドパス（クワドルプルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３との概略図１００である。
この増幅器は、光端面励起１０１と、利得媒質１０３と、高反射性鏡１１４とを含む。
シードレーザビームのスポットサイズは、シードレンズ１１０の選択によって実質的に決まる。
利得媒質内で必要なシードレーザビームのスポットサイズは、所望の利得に基づいて決定される。
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３内の利得量は、光端面励起のスポットサイズと、Ｎｄドーピング濃度とに依存する。
シードレーザビームのスポットサイズを適切に設定し、光端面励起のスポットサイズを適切に設定することが望ましい。
【０１３３】
光端面励起１０１は、好ましくはダイオード端面励起である。
利得媒質１０３は、反射防止コーティングが施された楔形の端面１０３Ａを備える。
楔型の端面１０３Ａは、利得媒質１０３の第１端にある。
利得媒質１０３の第２端面１０１Ｃは、平坦であり、８０８ｎｍの波長に対して高透過性を有するコーティングが施されている。
このコーティングは、１０６４ｎｍの波長に対して高反射性を有する。
【０１３４】
シードレーザ１１１は、パルス幅が約１０ピコ秒（＋／−５ピコ秒）のパルスを有するレーザパルス出力１１１Ａを繰り返し率１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ、波長１０６４ｎｍで生成する。
これらのレーザパルスは、波長１０６４ｎｍの光を含む。
利得媒質１０３に進入して通過したレーザパルスは、第２端面１０１Ｃに当たり、その高反射コーティングによって反射する。
【０１３５】
図１２を参照すると、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質１０３、１２０３は、波長８０８ｎｍで動作するレーザダイオードによって端面励起される（１０１、１２０３）。
その他の励起波長も使用できる。
たとえば、励起の中心波長は、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または、９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）でよい。
励起は、端面励起でも、１つ以上の側面励起でもよい。
図１Ｃ、図１Ｄ、および、図１Ｅを参照されたい。
励起は、ダイオード励起光源またはその他の適切な光源でよい。
矢印１０２、１２０２は、それぞれの利得媒質１０３、１２０３への出力の流れを示す。
利得媒質１０３、１２０３の楔面１０３Ａ、１２０３Ａは、１０６４ｎｍの波長に対するＡＲコーティング（反射防止コーティング）が施されている。
利得媒質１０３、１２０３の第２端面１０１Ｃ、１２０１Ｃは、１０６４ｎｍの波長に対するＨＲコーティング（高反射コーティング）が施されており、励起面に８０８ｎｍの波長に対するＨＴコーティング（高透過コーティング）が施されている。
８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、９１５ｎｍなどのその他の波長での励起に対しても、高透過コーティングが使用される。
つまり、第２端面１０１Ｃ、１２０１Ｃは、旋光子１０５、１２１４から送られる増幅されたシードレーザビーム１０４、１２０４を反射する。
波長１０６４ｎｍの偏光されたシードレーザビームは、偏光子１０７、半波長板１０６、および、旋光子１０５を通過して利得媒質１０３に至る。
符号１０４／１０４Ａは、パルス／レーザの異なるタイミングでの双方向の流れを示す。
同様に、波長１０６４ｎｍの偏光されたシードレーザビームは、偏光子１２１３、半波長板１２１１、および、旋光子１２１４を通過して利得媒質１２０３に至る。
符号１２０４／１２０４Ａは、パルス／レーザの異なるタイミングでの双方向の流れを示す。
【０１３６】
引き続き図１２を参照すると、符号１２１０は、アイソレータであり、オプションで使用できる。
これは、偏光子１０７が、シードレーザ１１１を効果的に隔離および保護する高消光比を提供するからである。
同様に、偏光子１２１３は、第２クワッドパス増幅器により生成された高出力レーザから、第１クワッドパス増幅器を効果的に隔離および保護する高消光比を提供する。
【０１３７】
引き続き図１２を参照すると、シードレーザビーム（伝搬レーザビーム）は、利得媒質１０３内を４回移動する。
増幅されたレーザビーム出力１０４Ａは、シードレーザビームの出力レーザパルス１１１Ａの偏光に対して、偏光をシフトする偏光子１０７によって分離される。
シードレーザビーム（伝搬レーザビーム）は、利得媒質１２０３内を４回移動する。
増幅されたレーザビーム出力１２０４Ａは、第１クワッドパス増幅器の出力レーザパルスの偏光に対して、偏光をシフトする偏光子１２１３によって分離される。
【０１３８】
引き続き図１２を参照すると、鏡Ｍ２２、Ｍ２３、およびＭ２４は、シードレーザビーム（伝搬レーザビーム）を案内して半波長板１２１１を通過させ、さらに偏光子１２１３を通過させる。
その後、シードレーザビーム（伝搬レーザビーム）は、旋光子１２１４を通過し、第２クワッドパス増幅器によってさらに増幅される。
引き続き図１２を参照すると、シードレーザビーム（伝搬レーザビーム）は利得媒質１２０３内を４回通過する。
このとき、鏡Ｍ２５が、第１クワッドパス増幅器で使用される鏡Ｍ１のように使用される。
増幅されたレーザ出力１２０４Ａは、偏光子１２１３によって分離される。
偏光子１２１３は、第１クワッドパス増幅器の出力の偏光に対して、偏光をシフトする。
第２クワッドパス増幅器の増幅されたレーザビーム出力１２０４Ａは、偏光子１２１３を退出し、鏡Ｍ２６、Ｍ２７、２８、Ｍ２９、Ｍ３０により案内され、符号１２１７で示されているように、内部増幅器を第１増幅出力レーザビームとして退出する。
鏡の間隔および配置により、第１増幅出力レーザビーム１２１７のレーザビームサイズが調節される。
代替および／または追加で、レンズ１２１５を使用して第１増幅出力レーザビーム１２１７の断面積および形状を調節してもよい。
【０１３９】
内部増幅器とは、図１３および図１４で符号１３０１により示されている本体収容部の内部に取り付けられた第１および第２のクワッドパス（クワドルプルパス）増幅器の利得媒質１０３、１２０３に起因して増幅が発生することを意味する。
【０１４０】
外部拡散増幅器は、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成をさらに増幅する。
主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）は、シードレーザと、シードレーザの出力（伝搬レーザビーム）を増大させて有益な作業をさせる増幅器段階とを含む。
外部拡散増幅器は、シードレーザビームをさらに増幅する。
【０１４１】
図１２Ｃを参照すると、拡大概略図により、外部拡散増幅器１２７０、１２７１の利得媒質１２１８の拡散接合例が示されている。
外部拡散増幅器１２７０では、連続する利得媒質１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃ、１２１８Ｄが利得媒質１２１８に拡散接合され、増幅されたレーザビーム出力１２２０、１２２１が３つの光側面励起１２９９と第１増幅出力レーザビーム（伝搬レーザビーム）１２１７とを使用して生成される。
また、図１２Ａを参照すると、拡大概略図１２００Ａにより、図１２Ａおよび図１３に示されている外部拡散増幅器１２７０および光側面励起１２９９のシングルパス例が示されている。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、拡散接合された円筒形の利得媒質１２１８を示している。
【０１４２】
図１３および図１４等に示されるように、内部クワッドパス増幅器である利得媒質１０３、１２０３により増幅されたシードレーザビーム（伝搬レーザビーム）の直径が、外部拡散増幅器１２７０、１２７１の利得媒質１２１８の直径に一致またはほぼ一致させられる。
図１２Ｄは、利得媒質１２１８の断面を示す拡大概略図１２００Ｄであり、利得媒質１２１８の利得媒質内でのピコ秒パルスの第１増幅出力レーザビーム１２１７のスポットサイズを破線で示している。
【０１４３】
本発明では、第１増幅出力レーザビーム１２１７の直径を拡大するレンズ１２１５によって拡大して、利得媒質１２１８の断面積に近づけることができる。
図１２および図１２Ｄを参照されたい。
拡大手段は、レンズ１２１５を含み得る。
レンズ１２１５は、内部増幅器の第２クワッドパス（クワドルプルパス）増幅器の第１増幅出力レーザビーム１２１７を調節可能に拡大する。
代替で、第１増幅出力レーザビーム１２１７は、偏光子１２１３から半波長板１２１６までの距離に対してレーザビームを適切に配置することにより拡大することができる。
利得媒質１２１８の直径は、たとえば、２〜４ｍｍであり、断面積がπｍｍ２〜４πｍｍ２となる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、Ｙｂ：ＹＡＧを含む多様な材料を、外部拡散増幅器１２７０、１２７１の利得媒質１２１８に使用できる。
符号１２７０は、シングルパス外部拡散増幅器を示し、符号１２７１は、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器を示す。
【０１４４】
外部拡散増幅器の利得媒質１２１８の出力密度は、きわめて低く、外部拡散増幅器のコーティングまたはバルク材を損なうことなく、短パルスのレーザビームで高い出力およびエネルギーを生成することができる。
さらに、利得媒質１２１８の利得が高いため、内部増幅器の出力レベルを、内部増幅器で使用されるコーティングおよびバルク材の損傷しきい値限界より低く維持することができる。
たとえば、利得媒質１０３、１２０３で使用されるコーティングは、損傷しきい値限界より低い内部増幅器の動作により保護される。
【０１４５】
本発明は、外部拡散増幅より前の内部増幅器で、繰り返し率１００ｋＨｚおよび２０Ｗ（２００μＪ）まで下げたレーザ動作を可能にする。
言い換えると、ピコ秒パルスのレーザビームは、低出力で動作し、端面励起される利得媒質１０３、１２０３は、出力レベルが低いことで熱応力を与えられず、よって、利得媒質のコーティングおよび内部増幅器のクワッドパス増幅器の他の光学構成要素が保護される。
外部拡散増幅器１２７０、１２７１により提供される保護は、シードレーザ１１１から始まる上流側のすべての構成要素を保護する。
【０１４６】
図１２に示されるようにレーザビームを拡大するレンズ１２１５を採用し、この拡大するレンズを適切に配置し、半波長板（λ／２）１２１６を使用してレーザビームの偏光を外部拡散増幅器の利得媒質１２１８の偏光に最適化することで、ピコ秒パルスのレーザビームへの出力伝達が最大化される。
たとえば、第１増幅出力レーザビーム１２１７の２０Ｗの平均出力を内部増幅器から取り出し、シングルパスの外部拡散増幅器で、５００μＪのパルスエネルギーにより、繰り返し率１００ｋＨｚで５０Ｗの追加の平均出力を生成できる。
言い換えると、外部拡散増幅器を通過するシングルパスで、７０Ｗの平均出力が達成され、第２増幅出力レーザビーム１２２０として出力される。
【０１４７】
限定なしの例として、５００μＪのパルスエネルギーが、シードレーザ１１１の過剰運転または小さなスポットサイズを短いレーザパルスでリレーすることによる光学要素の損傷を懸念することなく得られる。
さらに、本発明は、図１２Ｂ、図１４、および図１４Ａに示すように、１００ｋＨｚの繰り返し率で１００Ｗの追加平均出力を生成するデュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅１２７１を提供する。
言い換えると、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１により、１２０Ｗの平均出力が達成される。
１０００μＪ以上のパルスエネルギーを実現することができる。
【０１４８】
図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃ、１２１８Ｄの４段階を含む拡散接合された利得媒質１２１８が、レーザダイオード１２９９の側面励起と共に、シングルパス外部拡散増幅器１２７０およびデュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１で使用されている。
本発明は、関連技術で使用されているほとんどの端面励起モード整合方式と異なり、外部拡散増幅器１２７０、１２７１の利得媒質を通じてレーザビームサイズを増やして、特に、底周波数（低繰り返し率）で高い出力を生成する。
これにより、コーティング損傷しきい値またはバルク材しきい値を超えることなく、関連技術の方式よりも高いパルスエネルギーが実現される。
【０１４９】
拡散接合された利得媒質１２１８を含む外部側面励起増幅器を組み込むことで、第１増幅出力レーザビーム（伝搬レーザビーム）の断面寸法を調節して利得媒質１２１８の断面積に合わせることができる。
第１増幅出力レーザ（伝搬レーザビーム）１２１７（第１増幅出力レーザビーム）の調節は、レンズ１２１５の使用を通じて、および／または利得媒質１２１８に対する第１増幅出力レーザビーム（伝搬レーザビーム）１２１７の配置を通じて、生じる。
第１増幅出力レーザビーム（伝搬レーザビーム）１２１７を図１２Ｄに示されているように拡大すると、内部クワッドパス増幅器１０３、１２０３および外部拡散増幅器１２７０、１２７１のコーティングにおける出力密度が大幅に減少する。
第１増幅出力レーザビーム（伝搬レーザビーム）１２１７を拡大することで、はるかに高い平均出力およびエネルギー容量が許容される。
たとえば、１００ｋＨｚ未満の繰り返し率および５００μＪ以上のパルスエネルギーで、上述したように、５０Ｗの平均出力が生成される。
【０１５０】
外部拡散増幅器の利得媒質１２１８は、シングルパス１２７０またはダブルパス１２７１である。
外部拡散増幅器１２７０、１２７１の利得媒質１２１８は、最適な利得増加を実現し、低周波数での高出力生成による損傷を最小化するために、多様な直径および長さで作成できる。
利得媒質１２１８は、バルク材またはコーティングを損傷したり、内部クワッドパス増幅器１０３、１２０３および外部拡散増幅器１２７０、１２７１を含むシステム全体でパルス特性を最大化したりすることなく、低周波数できわめて高いエネルギーおよび平均出力を得るために、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、Ｙｂ：ＹＡＧ等のさまざまな利得媒質の拡散接合されたロッド材料１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃ、１２１８Ｄまたはワンピースの固体ロッド材料１２１８Ｐで作成できる。
【０１５１】
第１の増幅方法では、図１２Ａに示すように、シングルパス外部拡散増幅器１２７０を使用する。
図１３は、図１２および図１２Ａの概略図の構成要素、すなわち第１および第２のクワッドパス（クワドルプルパス）利得媒質１０３、１２０３とシングルパス外部拡散増幅器１２７０とを示す概略上面図１３００である。
図１３Ａは、シングルパス外部拡散増幅器を示す、図１３の一部拡大図１３００Ａである。
伝搬レーザビーム（第１増幅出力レーザビーム）１２１７は、鏡Ｍ３１によって半波長板１２１６に案内され、偏光がＮｄ：ＹＡＧの利得媒質１２１８に最適化される。
伝搬レーザビームが利得媒質１２１８を通過すると、外部増幅器から伝達されるレーザビームのピコ秒パルスの利得レーザパルスエネルギーおよび平均出力が増加する。
第２増幅出力レーザビーム１２２０は、レンズ１２１９を通って退出する。
【０１５２】
外部拡散増幅器１２７０（およびその構成要素）は、鏡Ｍ２６乃至Ｍ３１の使用を通じて、利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３から選択されたいずれかの利得媒質の断面積にピコ秒パルスのレーザビームを一致させるように配置される。
あくまでも例として、Ｎｄ：ＹＡＧは、Ｎｏｒｔｈｒｕｐ  Ｇｒｕｍｍａｎから入手可能な直径２ｍｍ、長さ６５ｍｍ、Ｎｄドーピング濃度０．６〜０．７％ａｔ、反射防止コーティングＡＲ１０６４を有する利得媒質として採用される。
反射防止コーティングは、当業者によって、図１２Ｃおよび図１２Ｅにそれぞれ示された利得媒質１２１８、１２１８Ｐを覆うものと理解される。
反射防止コーティングは、パルス幅１０ピコ秒（＋／−５ピコ秒）、波長１０６４ｎｍのピコ秒パルスのレーザビームが、円筒形の利得媒質１２１８の端部を通過することを許容する。
代替および／または追加で、レンズ１２１５を使用して、ピコ秒パルスのレーザビームを利得媒質１２１８の断面積に一致させてもよい。
図１２を参照されたい。
利得媒質は、円筒形ロッド１２１８、１２１８Ｐの形状をしていることが好ましい。
図１２Ｅは、ワンピースの円筒形ロッド（利得媒質１２１８Ｐ）を示す拡大概略図１２００Ｅである。
ワンピースの利得媒質１２１８Ｐは、製造上の制限により、拡散接合された利得媒質１２１８より短い。
円筒形ロッド以外の形状も使用できるが、効率は低下する。
これは、入射する伝搬レーザビームは、通常、断面が円形だからである。
半波長板１２１６は、外部拡散増幅器１２７０の円筒形の利得媒質１２１８と、内部クワッドパス増幅器１０３、１２０３からの入射レーザビーム（第１増幅出力レーザビーム）１２１７との間に配置される。
入射レーザビーム１２１７は、第２クワッドパス増幅器１２０３から到達する。
半波長板１２１６は、入射レーザビーム１２１７の偏光を拡散接合された利得媒質１２１８の偏光に最適化して出力を最大化するために回転させられる。
可能な程度まで、入射レーザビーム１２１７の偏光を利得媒質１２１８の偏光に一致させる。
拡散接合された利得媒質１２１８の一例として、Ｇｒｕｍｍａｎから入手可能な直径２ｍｍ、長さ６５ｍｍ、Ｎｄドーピング濃度０．６〜０．７％ａｔ、反射防止コーティングＡＲ１０６４を有する円筒形ロッドがある。
他のロッド寸法、長さ、および形状も考えられる。
【０１５３】
さらに、図１３Ｂおよび図１３Ｃに示すように、シングルパス外部拡散増幅器１２７０、１２７０を直列で配置することもできる。
図１３Ｂは、直列に配置された２つのシングルパス外部拡散増幅器１２７０を示す、図１３に類似する概略上面図１３００Ｂである。
図１３Ｃは、直列に配置された第１および第２の外部拡散増幅器を示す、図１３Ｂの一部拡大図１３００Ｃである。
第２増幅出力レーザビーム１２２０は、第１シングルパス外部拡散増幅器１２７０から、第２シングルパス外部拡散増幅器の鏡Ｍ３５に伝達される。
第１外部拡散増幅器１２７０の出力レーザビーム１２２０は、図１３Ｂに示すように、さらなる出力増幅のために、鏡Ｍ３５を使用して第２シングルパス外部拡散増幅器１２７０に案内される。
第２シングルパス外部拡散増幅器１２７０の第２利得媒質１２１８内での偏光最適化のために、第２半波長板１２１６が図１３Ｂで示されている。
伝搬レーザビーム１２２０が第２利得媒質１２１８を通過する際に、そのエネルギーがさらに増大し、第３増幅出力レーザビーム１２２７として伝達される。
詳細には、伝搬レーザビームのピコ秒パルスのレーザパルスエネルギーがさらに増大する。
【０１５４】
第２の増幅方法では、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１を使用する。
外部拡散増幅器１２７１は、鏡Ｍ２６乃至Ｍ３１を使用して、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積をロッド状の円筒形に形成された利得媒質１２１８の断面積に一致させるように配置される。
代替および／または追加で、レンズ１２１５を使用して、ピコ秒パルスのレーザビームを利得媒質１２１８の断面積に一致させてもよい。
利得媒質１２１８は、利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３から選択される。
レーザビームは、図１２Ｂの相反する方向を指す符号なし矢印で示されているように、外部拡散増幅器１２７１の利得媒質１２１８を２回通過する。
【０１５５】
図１４は、図１２および図１２Ｂの概略図で使用されている構成要素を示す、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１の概略上面図１４００である。
図１４Ａは、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１を示す、図１４の一部拡大図１４００Ａである。
【０１５６】
偏光感受型ビームスプリッタ１２２２は、半波長板（λ／２）１２３２と入射レーザビーム１２１７（第１増幅出力レーザビーム）との間に配置される。
半波長板（λ／２）１２３２は、旋光子（λ／４）１２３１と入射する伝搬レーザビーム１２１７（第１増幅出力レーザビーム）との間に配置される。
旋光子（λ／４）１２３１は、到達した伝搬レーザビームの偏光を維持しつつ、伝搬レーザビームの偏光を前方に４５°旋回し、さらに非相反性回転で逆方向に４５°旋回する。
半波長板（λ／２）１２３２および旋光子（λ／４）１２３１は、外部拡散増幅器の利得媒質１２１８を通じて右旋偏光レーザビームを作成する。
最大「Ｒ」コーティングの反射体Ｍ３４は、外部拡散増幅器１２７１の利得媒質１２１８（すなわち、レーザヘッド）を越えたところに存在し、左旋偏光レーザビームを反射する。
この左旋偏光レーザビームは、外部拡散増幅器１２７１の利得媒質１２１８（すなわち、レーザヘッド）、旋光子（λ／４）１２３１、および半波長板（λ／２）１２３２を通過して水平偏光される。
偏光感受型ビームスプリッタ１２２２は、水平偏光されたレーザビーム１２２１を外部拡散増幅器１２７１から送り出す。図１２Ｂを参照されたい。
【０１５７】
第１の増幅構造では、シングルパス外部拡散増幅器１２７０を使用し、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積１２１７を利得媒質１２１８の断面積に一致または実質的に一致させる。
外部拡散増幅器１２７１は、鏡Ｍ２６乃至Ｍ３１を使用して、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積をロッド状の円筒形に形成された利得媒質１２１８の断面積に一致させるように配置される。
代替および／または追加で、レンズ１２１５を使用して、ピコ秒パルスのレーザビームの断面積を利得媒質１２１８の断面積に一致させてもよい。
図１２Ｄの破線１２１７は、円筒形の利得媒質１２１８の断面積を実質的に埋める、拡大されたレーザビームの境界を示す。
利得媒質１２１８と入射レーザビーム１２１７との間の半波長板１２１６は、利得媒質１２１８を通過させるために、入射レーザビーム１２１７の偏光を、利得媒質１２１８の偏光に最適化する。
【０１５８】
３つの光側面励起１２９９が、外部拡散増幅器１２７０、１２７１で使用される。
これらの励起は、レーザダイオードであることが好ましい。
ランプを含む、任意の種類の光側面励起を使用できる。
側面励起の中心波長は、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または、９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）でよく、また、３バーアレイの構成をとり得る。
外部拡散増幅器１２７０、１２７１の要件に応じて、異なる出力レベルを励起によって供給してもよい。
本明細書で開示される発明では、光励起以外の励起を使用することも考えられる。
【０１５９】
第２の増幅構造では、デュアルパス（ダブルパス）外部拡散増幅器１２７１を使用し、レーザビーム１２７１の断面積を利得媒質１２１８の断面積に一致させ、図１２Ｂに示すように、利得媒質１２１８を２回通過させる。
図１２Ｂは、外部拡散増幅器１２７１および光側面励起１２９９のダブルパス例を示す拡大概略図１２００Ｂである。
半波長板１２３２および旋光子（λ／４）１２３１は、利得媒質１２１８の１回目の通過時に利得媒質１２１８を通じて右旋偏光レーザビームを作成する。
最大「Ｒ」コーティングの反射体Ｍ３４は、外部拡散増幅器１２７１の利得媒質１２１８を越えたところに存在し、左旋偏光レーザビームを反射して利得媒質１２１８を再び通過させる。
この左旋偏光レーザビームは、旋光子（λ／４）１２３１および半波長板１２３２を通過して水平偏光され、偏光感受型ビームスプリッタ１２２２により第３増幅出力レーザビーム１２２１として増幅構造から送り出される。
【０１６０】
利得媒質１２１８は、相互に拡散接合されたセグメントからなる拡散接合利得媒質でよい。
Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４等の円筒形ロッドの形状をした拡散接合利得媒質のセグメントは、側面励起から各セグメント１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃ、１２１８Ｄへの出力伝達を可能にする。
拡散接合された利得セグメントは、ワンピースのロッド１２１８Ｐよりも長く、よって、より多くのエネルギーがパルスに伝達され、結果として、利得および平均出力が高まる。
言い換えると、ピコ秒パルスのレーザビームがセグメント間を通過する際に、各セグメントでピコ秒パルスのレーザビームにエネルギーが伝達され、それによってピコ秒パルスのレーザビームへの効率的かつ実質的なエネルギー伝達が実現し、ピコ秒パルスのレーザビームの平均出力が向上する。
実質的な利得は、拡散接合された利得媒質セグメントをピコ秒パルスのレーザビームが通過する際に達成される。
【０１６１】
本発明は、例を用いて示されている。
当業者には、添付する特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、これらの例に変更を加え得ることがわかるであろう。
【符号の説明】
【０１６２】
１００    ・・・  クワッドパス増幅器の概略図
１００Ａ  ・・・  デュアルパス増幅器の概略図
１００Ｂ  ・・・  図１の例の概略斜視図
１００Ｃ  ・・・  光側面励起配置の概略図
１００Ｄ  ・・・  光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含むレーザの他の例の概略図
１００Ｅ  ・・・  光側面励起されたＮｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含むレーザの他の例の概略図
１０１、１２０１  ・・・  ８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または、９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）の端面励起
１０１Ｃ、１２０１Ｃ  ・・・  端面励起１０１からの８０８ｎｍの励起に対して高透過性を有し、ピコ秒パルスに埋め込まれた１０６４ｎｍの入射シードレーザビーム信号に対して高反射性を有するコーティングが施された、結晶の端面
１０２、１２０２  ・・・  ８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、９１５ｎｍの端面励起の方向を示す矢印
１０３、１２０３  ・・・  Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、利得媒質
１０３Ａ、１２０３Ａ  ・・・  反射防止コーティングが施された、結晶の平坦な楔面
１０３Ｂ、１０３Ｃ、１０３Ｄ、１０３Ｅ  ・・・  利得媒質内の励起の強度変化
１０３Ｒ  ・・・  Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、利得媒質
１０４    ・・・  シードレーザビーム入力の方向を示す矢印
１０４Ａ  ・・・  結晶１０３から旋光子１０５への増幅された出力信号の方向を示す矢印
１０５、１２１４、１２３１  ・・・  旋光子（λ／４）
１０６、１１２、１２１１、１２１６、１２３２  ・・・  半波長板（λ／２）
１０７、１２１３、１２２２  ・・・  消光比の高い偏光子
１０８    ・・・  半波長板（λ／２）１１２の方向の偏光子の出力
１０９    ・・・  シードレーザビームの方向を示す矢印
１１０、１２１５、１２１９  ・・・  シードレンズ（レンズ）
１１１    ・・・  シードレーザ
１１１Ａ  ・・・  レンズ出力、レーザパルス出力
１１１Ｅ  ・・・  レーザビームの第１外部パス
１１１Ｉ  ・・・  利得媒質１０３内のレーザビームの第１内部パス
１１３    ・・・  増幅されたレーザビーム信号の出力を示す矢印
１１４    ・・・  増幅された信号をさらに増幅するためにクワッドパス増幅器に反射する鏡
１１５Ｅ  ・・・  レーザビームの第２外部パス
１１５Ｉ  ・・・  利得媒質１０３内のレーザビームの第２内部パス
１９９    ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
１９９Ａ  ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
１９９Ｂ  ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
１９９Ｃ  ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
１９９Ｄ  ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
１９９Ｅ  ・・・  光側面励起、８０８ｎｍ、８２０ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、または９１５ｎｍ（＋／−１０ｎｍ）
２００    ・・・  デュアルパス増幅器とクワッドパス増幅器の組み合わせ
２０１    ・・・  第２のＮｄ：ＹＶＯ４結晶（利得媒質）を励起する第２の８０８ｎｍ励起
２０３    ・・・  第２のＮｄ：ＹＶＯ４結晶、利得媒質
２１４    ・・・  鏡Ｍ３
２１５Ｅ  ・・・  利得媒質２０３から鏡Ｍ３（符号２１４）への信号
２１６    ・・・  鏡２１４と鏡２１７との間の信号
２１７    ・・・  鏡Ｍ４
２１８    ・・・  アイソレータ２１９に向かうレーザビーム信号のパス
２１９、１２１０、１２１２  ・・・  アイソレータ
２２１    ・・・  光をデュアルパス増幅器に案内する第２鏡
２２２    ・・・  レンズ
２２３    ・・・  デュアルパス増幅器への増幅されたレーザビーム信号のパス
２２４    ・・・  デュアルパス増幅器への増幅されたレーザビーム信号の方向を示す矢印
３００    ・・・  低シード出力（１〜２５ｍＷ）と増幅された出力（ワット単位）を示すグラフ
３０１    ・・・  デュアルパスで増幅された出力
３０２    ・・・  クワッドパスで増幅された出力
４００    ・・・  図１Ａのデュアルパス概略図のさまざまなｍＷの平均シード出力の入力信号と増幅された出力を示すグラフ
５００    ・・・  利得媒質１０３の概略図
５００Ａ  ・・・  利得媒質１０３の端面図
５００Ｂ  ・・・  断面円形の利得媒質の端面図
５０１    ・・・  利得媒質への入射レーザパルスの進入位置
５０２    ・・・  利得媒質からのレーザパルスの退出位置
５０３    ・・・  断面円形の利得媒質
５０５Ｃ  ・・・  利得媒質１０３の中心線
５０５Ｐ、５０５Ｘ  ・・・  楔面１０３Ａに対する垂直線
５２０Ｆ  ・・・  利得媒質１０３の第１端を示す矢印
５３０Ｓ  ・・・  利得媒質１０３の第２端を示す矢印
５９９    ・・・  利得媒質における励起スポットサイズの径方向範囲
６００    ・・・  楔角θ１と入射角θ２との関係、および楔角θ１と反射角θ３との関係とを示すグラフ
６０１    ・・・  楔角θ１と入射角θ２との関係を示すプロット
６０２    ・・・  楔角θ１と反射角θ３との関係を示すプロット
７００    ・・・  楔角θ１に応じた鏡Ｍ１から中心線までの間の距離７０２と、楔角θ１に応じた入力レーザビームの出力レーザビームからの分離距離７０１とを示すグラフ
７０１    ・・・  楔角θ１に応じた第１端面１０３Ａにおける入力レーザビームの出力レーザビームからの分離距離のプロット
７０２    ・・・  楔角θ１に応じた鏡Ｍ１から入射シードレーザビームの第１外部パス１１１Ｅまでの間の距離のプロット
８００    ・・・  Ｍ１（鏡８０６）と、Ｍ２（鏡８０７）と、利得媒質８０５とを使用したクワッドパス増幅器の設計
８０１    ・・・  第１パス、長さ約６４ｍｍ
８０２    ・・・  第２パス、長さ約１６１ｍｍ
８０３    ・・・  第３パス、長さ約１６１ｍｍ
８０４    ・・・  第４パス、長さ約６４ｍｍ
８０５    ・・・  利得媒質、Ｎｄ：ＹＶＯ４
８０６    ・・・  鏡、Ｍ１
８０７    ・・・  鏡、Ｍ２
８１０    ・・・  利得媒質内での第１パスの開始
９００    ・・・  波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し率１００ｋＨｚ、平均出力約１ｍＷのシードレーザビーム入力のパルス列／信号
９００Ａ  ・・・  端面励起利得媒質９０３の概略図
９０１    ・・・  シードレーザビーム入力
９０２    ・・・  ８０８ｎｍの励起
９０３    ・・・  利得媒質、Ｎｄ：ＹＶＯ４
９０３Ｂ、９０３Ｃ、９０３Ｄ、９０３Ｅ  ・・・  利得媒質内での励起の強度変化
９０４    ・・・  ８０８ｎｍと１０６４ｎｍの両方で高透過性を有するコーティングが施された第２端面
９２０Ｆ  ・・・  利得媒質の第１端
９３０    ・・・  シードレーザビーム出力を示す矢印
９３０Ｓ  ・・・  利得媒質の第２端
１０００    ・・・  波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し率１００ｋＨｚ、平均出力約１ｍＷのシードレーザビーム入力の概略図
１０００Ａ  ・・・  それぞれにＮｄドーピング濃度（原子重量パーセント単位）と、吸収される出力Ｐａｂｓと、伝達される出力ＰＴと、セグメント利得Ｇと、吸収係数αとを有する３つのセグメントからなる拡散接合された利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４を示す、端面励起型のセグメント化された媒質の概略図
１０００Ｂ  ・・・  ３つのセグメントからなる利得媒質Ｎｄ：ＹＶＯ４についての、ドーピング濃度と、長さと、吸収係数αと、吸収される出力Ｐａｂｓとを、吸収される出力の方程式と共に示す表
１００１    ・・・  波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し率１００ｋＨｚ、平均出力約１ｍＷのシードレーザビーム入力
１００２    ・・・  ８０８ｎｍの励起
１００３    ・・・  利得媒質、Ｎｄ：ＹＶＯ４
１００４    ・・・  利得媒質１００３からのレーザビーム出力を示す矢印
１００５    ・・・  ８０８ｎｍおよび１０６４ｎｍの波長に対して高透過性を有するコーティングが施された、利得媒質１００３の第２端の第２端面
１００６    ・・・  ８０８ｎｍおよび１０６４ｎｍの波長に対して高透過性を有する反射防止コーティングが施された、利得媒質１００３の第１端面
１０１０    ・・・  長さ２ｍｍ、Ｎｄ濃度０．０５％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝１０．４Ｗ、Ｇａｉｎ＝１０．９ｄＢ、Ｐｔ＝２９．６Ｗ、α＝０．１５の第１セグメント
１０１１    ・・・  長さ１ｍｍ、Ｎｄ濃度０．１３％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝９．６Ｗ、Ｇａｉｎ＝８．２ｄＢ、Ｐｔ＝２０．１Ｗ、α＝０．３０の第２セグメント
１０１２    ・・・  長さ１２ｍｍ、Ｎｄ濃度０．２５％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝２０．１Ｗ、Ｇａｉｎ＝１０．８ｄＢ、Ｐｔ＝０．１Ｗ、α＝０．７５の第３セグメント
１０２０Ｆ  ・・・  利得媒質１００３の第１端を示す矢印
１０３０Ｓ  ・・・  利得媒質１００３の第２端を示す矢印
１１００    ・・・  シードレーザビーム入力信号と組み合わせて使用するセグメント化された利得媒質の概略図
１１１０    ・・・  長さ２ｍｍ、Ｎｄ濃度０．０５％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝１０．４Ｗ、Ｇａｉｎ＝１０．９ｄＢ、Ｐｔ＝２９．６Ｗ、α＝０．１５の第１セグメント
１１１１    ・・・  長さ１ｍｍ、Ｎｄ濃度０．１３％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝９．６Ｗ、Ｇａｉｎ＝８．２ｄＢ、Ｐｔ＝２０．１Ｗ、α＝０．３０の第２セグメント
１１１２    ・・・  長さ１２ｍｍ、Ｎｄ濃度０．２５％ａｔ．、Ｐａｂｓ＝２０．１Ｗ、Ｇａｉｎ＝１０．８ｄＢ、Ｐｔ＝０Ｗ、α＝０．７５の第３セグメント
１２００    ・・・  クワッドパス（クワドブルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含む第１増幅器と、クワッドパス（クワドブルパス）Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒質を含み第１増幅器と連結された第２増幅器とを示す概略図。第１増幅器は光端面励起を含み、第２増幅器は、光端面励起と、第１増幅出力レーザビームの断面積を調節するための複数の鏡および／またはレンズとを含む
１２００Ａ  ・・・  外部拡散増幅器および光側面励起のシングルパス例を示す拡大概略図
１２００Ｂ  ・・・  外部拡散増幅器および光側面励起のダブルパス例を示す拡大概略図
１２００Ｃ  ・・・  外部拡散増幅器のロッドの拡散接合例を示す拡大概略図
１２００Ｄ  ・・・  利得媒質ロッド内でのピコ秒パルスのレーザビームのサイズを破線で示す、ロッドの断面の拡大概略図 
１２００Ｅ  ・・・  ワンピースのバナデートロッド（利得媒質）を示す拡大概略図
１２１７    ・・・  第１増幅出力レーザビーム。矢印は、外部拡散増幅器に入るピコ秒パルスのレーザビーム出力を示す
１２１８    ・・・  Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、またはＹｂ：ＹＡＧからなる円形ロッドの形状をした接合型または単一セグメントの利得媒質
１２１８Ａ、１２１８Ｂ、１２１８Ｃ、１２１８Ｄ  ・・・  Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、またはＹｂ：ＹＡＧの拡散接合されたセグメント
１２１８Ｐ  ・・・  Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ａｌ２Ｏ３、またはＹｂ：ＹＡＧからなる単一ロッド
１２２０    ・・・  シングルパス構成の外部拡散増幅器から出力される第２増幅出力レーザビーム
１２２１    ・・・  ダブルパス構成の外部拡散増幅器から出力される第３増幅出力レーザビーム
１２２２    ・・・  偏光感受型ビームスプリッタ
１２２７    ・・・  直列に配置された外部拡散増幅器の出力、第３増幅出力レーザビーム
１２３０    ・・・  ファイバポート
１２７０    ・・・  シングルパス外部拡散増幅器
１２７１    ・・・  デュアルパス外部拡散増幅器
１２９９    ・・・  側面励起、レーザダイオード励起、またはランプ励起
１３００    ・・・  図１２および図１２Ａの概略図で使用されている構成要素、すなわち第１および第２のクワッドパス（クワドブルパス）利得段階と外部拡散増幅器とを示す概略上面図
１３００Ａ  ・・・  外部拡散増幅器のシングルパス構成を示す、図１３の一部拡大図
１３００Ｂ  ・・・  ２つのシングルパス外部拡散増幅器を示す、図１３に類似する概略上面図
１３００Ｃ  ・・・  図１３Ｂの一部の拡大概略図
１４００Ａ  ・・・  図１２および図１２Ｂの概略図で使用されている装置を示す概略上面図
１４００Ｂ  ・・・  外部拡散増幅器のデュアルパス（ダブルパス）構成を示す、図１４の一部拡大図
Ｍ１乃至Ｍ４、Ｍ２１乃至Ｍ３６  鏡
θ１    ・・・  楔角
θ２    ・・・  パス１１１Ｅに沿ったシードレーザビームの第１パスの入射角（最大１５°）、パス１１１Ｅに沿ったシードレーザビームの第４パスの屈折角
θ２’  ・・・  パス１１１Ｉに沿ったシードレーザビームの第１パスの屈折角、クワッドパスの例のパス１１１Ｉに沿ったシードレーザビームの第４パスの入射角 
θ３    ・・・  １０６４ｎｍで高反射性を有する面１０１Ｃに当たる内部反射角（０．７８°）
θ４    ・・・  パス１１５Ｉに沿ったシードレーザビームの第２パスの入射角、クワッドパスの例のパス１１５Ｉに沿った第３パスの屈折角
θ５    ・・・  パス１１５Ｅに沿ったシードレーザビームの第２パスの屈折角、クワッドパスのパス１１５Ｅに沿った第３パスの入射角
Ｐａｂｓ＝Ｐｉｎｐｕｔ（１−ｅ−αＬ）
Ｐｉｎｐｕｔ＝Ｐｐｕｍｐ−（ΣＰａｂｓ）
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【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【外国語明細書】
2015228499000001.pdf