(57)【要約】【課題】【解決手段】多数ジグザグスラブレーザ増幅器５０が互いに積層され、共通の励起源５２、５４を使用して側面励起され且つ、共通の冷却システムにより冷却される固体レーザ増幅器アーキテクチャである。ジグザグスラブ５０の積層体は、単一の複合的出力ビームとなるようにコヒーレントに組み合わせることのできるサブビーム６２の配列を生じさせる。積層体を通じての励起パワーの吸収の変化は、スラブ５０に対するドーピング濃度を選ぶことにより緩和される。複合的出力ビームは、円形断面の従来の光学素子を通して向けられるよう十分に対称状とされる。多数の積層体を二次元的配列にて配置し、更により高い出力パワーを得ることができる。
2008521257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力パワーに拡張可能な（ｓｃａｌａｂｌｅ）固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
平行な側面を有し且つ、ジグザグレーザ増幅器として機能する形態とされた複数の固相材料スラブであって、積層体内にて互いに配置され、スラブの隣接する側面の間に空隙が存在するようにした、前記複数の固相材料スラブと、
積層体内にて少なくとも１つの最外側スラブの側面に隣接する位置に配設されて、積層体内の全てのスラブに対しレーザ励起パワー（ｌａｓｅｒ  ｐｕｍｐ  ｐｏｗｅｒ）を提供する少なくとも１つの励起パワー源と、
冷却材を保持し且つ、該冷却材をスラブの隣接する側面の間の空隙を通じて循環させ、また、積層体内の最外側スラブの側面に沿って循環させる手段を有する、共通の冷却システムとを備え、
スラブの各々は、入力ビームを受け取る入力端面と、増幅した出力ビームを伝送するときに通る出力端面とを有する、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２】
請求項１に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
共通の冷却システムは、
積層体内の最外側スラブに対して隔てられた関係にて配置され、最外側スラブに隣接する冷却材通路を形成し且つ、少なくとも１つの励起パワー源からの励起パワー放射線に対して透明な材料にて形成された１対の側部窓部と、
隣接するスラブの間にて空隙の端縁の回りを密封すると共に、全ての空隙を通って伸びる冷却材流路を提供する手段とを備える、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項３】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
冷却システムは、端面間の光路に対して全体として平行な方向に向けて、冷却材をスラブの側面を横切って長手方向に循環させる、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項４】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
冷却システムは、端面間の光路に対して全体として垂直な方向に向けて、冷却材をスラブの側面を横切って横断方向に循環させる、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項５】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々は、スラブからの増幅自然放出（ＡＳＥ）放射線を吸収し又は散乱する材料を使用して長手方向端縁を処理することを備える、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項６】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々は、隣接するスラブの間に冷却材の均一な流れを誘起する形状とされた長手方向端縁キャップを更に備える、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項７】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
冷却システムは水を冷却材の少なくとも１つの成分として循環させる、固定レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項８】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々のスラブの側面は、スラブ材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料の膜にて被覆され、
該膜はエバネセント波被覆（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ  ｃｏａｔｉｎｇ）として機能する、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項９】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々の表面には、励起エネルギ及びレーザエネルギの少なくとも一方の放射線の反射を最小にし得るように選ばれた反射防止材料が被覆される、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１０】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々はスラブの端縁付近のスラブの温度プロファイルを制御し得るよう埋め込まれたヒータを有するスラブの端縁キャップを更に備える、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１１】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々は、吸収、回折及び散乱から選ばれた過程によりスラブからの増幅自然放出（ＡＳＥ）放射線の効果を低下させる材料を使用して長手方向端縁を処理した部分を更に備える、固体レーザアーキテクチャ。
【請求項１２】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
冷却材は、増幅自然放出（ＡＳＥ）を吸収するよう選ばれた添加剤を含む、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１３】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
隣接するスラブ間の冷却材通路内に配設された増幅自然放出（ＡＳＥ）を吸収する薄い材料層を更に備える、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１４】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
側部窓部は、吸収、回折及び散乱の１つによって増幅自然放出（ＡＳＥ）を減少させ得るよう選ばれた材料にて出来ている、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１５】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
励起パワー源は、励起パワーをスラブ内に適宜に集束させるコリメート化し且つ整形する光学素子（ｏｐｔｉｃｓ）を有する、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１６】
請求項２に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々の厚さは約３ｍｍ以下である、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１７】
請求項１に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
複数の固相材料スラブは、一部分、励起パワー源から遠方のスラブが受け取る励起パワーの強度の低下を補償すべく選ばれたドーパント濃度（ｌｅｖｅｌ）を有する、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
少なくとも１つの励起パワー源は、積層体の両側部に配設された２つの励起パワー源を備え、
最外側スラブから最も離れた中央スラブは、最外側スラブよりも高いドーパント濃度を有する、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
２つの異なるドーパント濃度のみが使用される、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２０】
請求項１に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々は、入力端面と出力端面との間にて側面に対して平行な方向に向けて伸びる光軸線を有し、
スラブの各々の入力端面及び出力端面は、光軸線に対して鋭角な角度にて傾斜し入力ビームをスラブの光軸線に対して全体として平行な方向に向け入力面にて受け取ると共に、出力ビームを同様にスラブの光軸線に対してほぼ平行な方向に向けて提供するのを許容するようにした、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々の入力端面及び出力端面は光軸線に対して約３０°の角度にて傾斜している、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２２】
請求項１に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
スラブの各々は、入力端面と出力端面との間にて側面に対して平行な方向に向けて伸びる光軸線を有し、
スラブの各々の入力端面及び出力端面は、入力ビームをスラブの光軸線に対して整合されない方向に向けて入力面にて受け取ると共に、出力ビームを同様に入力ビームに対してほぼ平行な方向に向けて提供するのを許容するよう選ばれた鋭角な角度にて光軸線に対して傾斜している、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２３】
請求項１の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
複数のスラブと少なくとも１つの励起パワー源との間に配置されたダイクロイックミラー又はその他光学素子を備え、
前記ダイクロイックミラー又はその他光学素子は、励起パワーを選んだ周波数にて伝送し且つ、スラブからの増幅自然放出（ＡＳＥ）放射線を反射し又は効果的に除去する機能を果たす、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２４】
請求項１に記載の固体レーザ増幅器アーキテクチャにおいて、
少なくとも１つの追加的な複数の固相材料スラブを備え、
前記少なくとも１つの追加的な複数の固相材料スラブは、平行な側面を有し且つ、ジグザグ増幅器として機能する形態とされ、また、積層体内に互いに配置され、スラブの隣接する側面の間に空隙が存在し、
複数のスラブ及び少なくとも１つの追加的な複数のスラブは、二次元的配列を形成し得るよう近接して配置され、
共通の冷却システムは、双方の複数のスラブにてスラブ間の全ての空隙を貫通する流路を提供し、
少なくとも１つの励起パワー源は双方の複数のスラブの最外側側面を横切るような配列とされる、固体レーザ増幅器アーキテクチャ。
【請求項２５】
高パワーレーザシステムにおいて、
所望のビーム品質及びその他の性質の基準レーザビームを発生させるマスター発振器と、
基準ビームを多数のサブビームに分割する手段と、
多数のサブビームを入力ビームとして受け取り且つ、多数の増幅した出力サブビームを発生させる位置に配置された多数スラブ利得モジュールとを備え、
前記多数スラブ利得モジュールは、ジグザグ増幅器として機能する少なくとも１つの複数の固相スラブと、利得モジュールの側部に隣接して配設された、少なくとも１つの励起パワー源と、スラブを冷却する共通の液体冷却システムとを有し、
出力サブビームのサンプリング手段と、
サンプリングした出力サブビームの各々を基準ビームと比較する位相比較手段と、
サブビームの位相を調節し出力サブビームが単一の複合的出力ビームとしてコヒーレントに組み合わされるのを許容する位相調節手段とを備える、高パワーレーザシステム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
多数スラブ利得モジュールを通して少なくとも１回の追加的なパスを実行する光学手段を更に備え、
出力サブビームのサンプリング手段は、多数スラブの利得モジュールを通して追加的にパスさせた後、出力サブビームをサンプリングする、高パワーレーザシステム。
【請求項２７】
請求項２６に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
追加的なパスを実行する光学手段は、入力サブビーム内に配置された偏光器と、サブビームを多数スラブ利得モジュール内に反射して戻すミラーと、第二のパスのためサブビームの偏光状態を変更する手段とを備え、
偏光器は、追加的なパスのとき多数スラブ利得モジュールから出力されたサブビームを非連結状態（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅ）にする機能も果たす、高パワーレーザシステム。
【請求項２８】
請求項２６に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
追加的なパスを実行する光学手段は、サブビームを異なる角度にて多数スラブ利得モジュール内に反射して戻すミラーを備え、
多数スラブ利得モジュールの追加的なパスから発する出力サブビームを受け取る位置に配置されたミラー分離器を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項２９】
請求項２６に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
少なくとも１回の追加的なパスを実行する手段は、偏光多重化（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を実行し、入力サブビーム及び出力サブビームを識別し且つ分離する手段と、入力サブビームと出力サブビームとを識別すべく角度多重化を実行する手段とを備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の高パワーレーザシステムにおいて、少なくとも１回の追加的なパスを実行する光学手段は、少なくとも４回のパスを実行し、
サブビームを反射し、異なる角度にて多数スラブ利得モジュールに戻る第一のパスを完了し、第二のパスを実行する傾斜型ミラーと、
第二のパスから発する出力サブビームを受け取る位置に配置されたミラー分離器と、
第二のパスから発する出力サブビームのサブビームを偏光を変更すると共に、第二のパスのときに通ったのと同一の経路に沿ってサブビームを第三のパスにて反射して戻す手段とを備え、
サブビームは、傾斜型ミラーによって再度反射され且つ、第一のパスのときに通ったのと同一の経路に沿って４回目のパスを行い、
第一のパスの前に入力サブビームを偏光し且つ、４回目のパスからの出力サブビームを受け取り、該出力サブビームを非連結状態にする位置に配置された偏光器を備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３１】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３２】
請求項２６に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３３】
請求項２７に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３４】
請求項２８に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３５】
請求項２９に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３６】
請求項３０に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
第一の多数スラブ利得モジュールと同様であり且つ、第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取る位置に配置された少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールを備え、
前記少なくとも１つの追加的な多数スラブ利得モジュールは、合計パワーの大きい更に増幅した出力サブビームを発生させ、
第一及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理し、各々が少なくとも２つの多数サブビームを処理するビーム中継光学素子を更に備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３７】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、位相調節手段は変形可能なミラーを備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３８】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、位相調節手段は位相共役器（ｐｈａｓｅ  ｃｏｎｊｕｇａｔｏｒ）を備える、高パワーレーザシステム。
【請求項３９】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
多数スラブ利得モジュールは、二次元的配列にて配置された多数の複数の固相スラブを備え、
多数スラブ利得モジュールの各々に入力し且つ該利得モジュールから出力される多数サブビームは、また二次元的配列にて配置される、高パワーレーザシステム。
【請求項４０】
請求項２５に記載の高パワーレーザシステムにおいて、
共通の液体冷却システムは、冷却材を固相スラブの側面の間の空隙を通って横断方向に循環させる、高パワーレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］  本発明は、全体として、高パワー固体レーザ、より具体的には、光ビームがドープした材料の固体スラブ内にて側方向に封じ込められ且つ、スラブの平行な面からの反復的な内反射を受けるジグザグ型式の固体レーザ増幅器に関する。先行技術のジグザグレーザ増幅器は、「端面励起したジグザグレーザスラブ利得媒質（Ｅｎｄ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｚｉｇ−Ｚａｇ  Ｓｌａｂ  Ｌａｓｅｒ  Ｇａｉｎ  Ｍｅｄｉｕｍ）」という名称のインジョヤン（Ｉｎｊｅｙａｎ）その他の者に対して発行された米国特許明細書６，０９４，２９７号に開示されたものがその一例である。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  米国明細書６，０９４，２９７号に記載された形態において、固体レーザ発生材料のスラブは、端面励起を採用する、すなわち、励起ビームは、スラブに対する一端又は両端内に送り込まれ、増幅した光をジグザグの態様にてスラブを通すことにより相対的に高い全体的な効率が実現される。励起エネルギは、スラブの平行な面の１つを通る狭小なビームとしてスラブ内に進められ且つ、平行な面に対して４５°にて端面から反射する。増幅すべき光は、端面の１つを通してスラブ内に進められ且つ、スラブに沿って進み且つ、励起ビームからエネルギを吸収するとき、平行な面から内反射されて戻る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
［０００３］  図１により詳細に説明するように、先行技術のジグザグ光増幅器は、全体として、参照番号２０にて表示されている。光増幅器２０は、端面励起型を利用し、このことは、励起された光は、スラブの長手方向軸線に沿って増幅した光と全体として共整合され、その結果、相対的に長い吸収長さとなり、このため、相対的に高い全体的な効率を提供することを意味する。典型的に、この形態は、ドーパントとして、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びツリウム（Ｔｍ）を使用する材料のような、相対的に低い吸収係数を有する固体レーザ発生材料を利用する光増幅器に特に適している。励起された光の吸収は、スラブの両端における加熱及び起こり得る光学的歪みを減少させるべく中央領域に限定することができる。
［０００４］  より具体的には、先行技術の光増幅器２０は、細長いスラブ２２と、１対の励起したビーム源２１、２６とを有している。細長いスラブ２２は、１対の対向した端面２８、３０と、４つの側面３２とを画成する全体として矩形の又は四角形の断面にて形成される。長手方向又はレーザ発生軸線３４は、側面３２に対して全体として平行で且つ、対向する端面２８、３０の間を伸びる軸線として画成される。長軸線は、ジグザグパターンの方向に向けて水平方向軸線として画成される一方、短軸線は、長軸線に対して全体として垂直な垂直軸線として画成される。長軸線及び短軸線の双方は、長手方向軸線に対して垂直である。図１の図は、全体として、短軸線の方向に向けた頂面図とみなされる。
［０００５］  スラブ２２は、いわゆるジグザグ増幅器を形成する、図１に示したような、全体としてジグザグのパターンにて入力ビームを内反射させる相対的に高反射率を有する固体レーザ発生材料として形成することができる。かかるジグザグ増幅器は、入力ビームがスラブ内の熱勾配を平均化し、均質な利得媒質を効果的に提供することを許容することにより、輝度を拡張することを許容することが知られている。スラブ２２の端部の加熱を少なくするため、スラブは、拡散接合した複合材料として形成することができる。より具体的には、スラブ２２の長手方向軸線３４に沿って、スラブ２２の両端部分３４、３６は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）のような、非ドープ母材料にて形成することができる。これらの端部分３４、３６は、Ｎｄ又はＹｂドープしたＹＡＧ（Ｎｂ：ＹＡＧ又はＹｂ：ＹＡＧ）のような、ドープした母材料にて形成されたスラブ２２の中央領域３８に拡散接合されて、２つの拡散接合境界面４０、４２を形成することができる。かかる形態は、吸収長さをスラブ２２の中央部分３８に制限することになる。吸収長さをスラブ２２の中央部分３８に制限することにより、光学的励起により発生された熱は、全体として、中央部分に限定され且つ、端部分３４、３６から離れており、このことは、冷却効果がなく、従って、熱的歪みを受け易い。上述したように、励起された光は、スラブ２２を通して反射される。励起ビーム２１、２６は、図１に全体として、示すように、両端部分３４、３６にてそれぞれスラブ２２の両側面３２に入ることができる。光がスラブ２２に入るのを可能にするため、１つ又はより多くの足跡又は窓部４１、４３を両端部分３４、３６上に形成することができる。窓部４１、４３は、励起ビーム２１、２６の波長に対して選ばれた反射防止被覆のような、被覆を介して形成することができる。図１にも示すように、反射防止被覆は、側面３２に、及び両端面２８、３０上に配設され、これにより入力ビーム及び励起ビームの損失を減少させる。励起ビーム２１、２６は、スラブ３２の両端部分３４、３６にて両側面３２に向けられる。励起ビーム２１、２６は、両端面２８、３０から全反射され、このため、励起ビームは長手方向軸線３４に対して共整合される。上述したように、複合スラブ２２を利用することにより、スラブ２２の吸収長さは中央部分２８に制限される。
［０００６］  入射光ビーム４４は、端面の法線に対して、例えば、２０°以下の相対的に小さい角度にて一端面２８に向けられる。入力ビーム４４の入射角度を適宜に選び且つ、相対的に高屈折率を有する材料を選ぶことにより、入力ビームは、図示するように、全体としてジグザグのパターンにてスラブ２２に沿って全反射され且つ、両端面３０を通じて増幅したビーム４６として非連結状態とされる。スラブの温度勾配を亙るジグザグのパターンは、案内されたダイオード光及び絶縁されたスラブの端縁による均一な励起作用と組み合わさって、実質的に複屈折無しにて相対的に低い熱的レンズ効果となる。
［０００７］  図１のレーザ増幅器は、スラブ２２の光軸線と共整合させた励起ビームを利用する点にて相対的に効率的であり、また、優れたビーム品質及び偏光性質を有する出力を提供する。しかし、この装置の全出力パワーは、その小さい断面積によって制限される一方、その小さい断面積は、スラブの厚さを薄く（数ミリ）に保ってスラブ内に蓄積した残留熱を十分に除去する必要性のため制限される。この型式の多数の増幅器のコヒーレントな拡張は、かかるスラブの多くが極めて高パワーに達することを必要とするであろう。その結果、かかるシステムの寸法、重量、複雑さ及びコストは、多くの適用例にとって過剰なものとなろう。
［０００８］  図１の端面励起したジグザグ増幅器において、増幅し且つ一端から射出すべきビームは、スラブの面にて交互に全内射（ＴＩＲ）を経験する。先行技術において、スラブの面は、米国特許明細書４，８８１，２３３号に記載されたように、「エバネセント波被覆」にて被覆される。これは、スラブ材料よりも小さい屈折率を有するスラブ表面に堆積させた均一な膜である。増幅したビームの界は、エバネセント被覆内にて指数関数的に崩壊し、このため、被覆表面に存在する界は無視し得る程度となる。次に、光学的性能に影響を与えずに、スラブから余剰な熱を除去するため、導電性、液体、又はその他の冷却材を被覆したスラブの表面に施すことができる。スラブ内にて形成される温度勾配は、屈折率の不均一性及び複屈折を誘発する可能性がある。しかし、ビームを交番的（ジグザグ）に移動させることは、これらの効果を平均化し且つ、双方の優れたビームの品質、すなわち、均一な光路の差（ＯＰＤと称される）と、偏光純度とを維持する傾向となる。スラブ内の温度変化、従って、ＯＰＤ及び複屈折の量は、スラブの厚さを薄く保つことにより最小にすることができる。図１に示したような、米国特許明細書６，０９４，２９７号の装置において、薄いスラブを通じて側面励起することに代えて、端面励起を利用して、十分な光路長さ及び励起光の吸収を実現しており、また、側面は、不透明な固体の導電性冷却材にて冷却することができる。かかるスラブ増幅器がＭＯＰＡ（マスター発振器パワー増幅器）アーキテクチャの一部として作用するとき、多くの増幅したビームは、コヒーレントな相とされ、且つ、例えば、米国特許明細書６，４０４,７８４号及び米国特許明細書６，２１９，３６０号に記載されたような先行技術を使用することにより、組み合わせることができる。しかし、この方策は、多くのスラブを有するように拡張させたとき、体積及び重量の必要量が大きくなるという欠点がある。
［０００９］  寸法及び重量を最小にするため、約６．５ｃｍ２（１．０平方インチ）の単一の小さい光学開口内にて理想的には１００ｋＷ又はより多くの出力を発生させることを好むであろう。「液体レーザ」と称される別の先行技術の方策は、国際公開明細書０３／０４７０５２号に記載されており、この方策は、介入して流れる液体冷却材の通路を有する多数の細い利得板から成る増幅器を使用し、この場合、増幅されたビームは、板及び液体の双方を通って流れる。この方法は、板内のＯＰＤを緩和するのに効果的であるが、流れる液体内の温度勾配により発生されたＯＰＤから大きな困難性に遭遇する。
［００１０］  要するに、図１の装置をより高出力パワーとなるように拡張しようとする全ての試みは、この型式の多数の装置と関係した絶対的な大きさにより極めて困難とされ、これら装置の各々は、冷却し且つ、その出力ビームを他方のビームと組み合わせて高パワーの複合的出力を発生させなければならない。固体レーザから高出力パワーを実現するその他の方策にも重大な欠点がある。
［００１１］  上述したジグザグレーザは、ジグザグスラブレーザの側面励起型を採用する別の先行技術の技術に優る顕著な進歩であった。側面励起において、励起レーザダイオードは、スラブの１方又は双方の平行な側面を横切るような配列とされ、スラブ内にて増幅される光ビームの主要方向に対し垂直に励起エネルギを向ける。この方策による１つの重大な問題点は、励起ビームの効果的な光路長さがスラブの厚さによって制限される点である。極めて薄いスラブの場合、励起エネルギの極く僅かな割合のみを吸収することができる。スラブの厚さを増せば、より多くの励起エネルギを吸収することを許容するが、より薄いスラブは、顕著な熱勾配上の問題がある。先行技術の側面励起型の方策は、「改良された冷却システムを有するレーザ（Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）」という名称のフォン・アルブ（ｖｏｎ  Ａｒｂ）その他の者に対する米国特許明細書４，８８１，２３３号の開示によって例示されている。米国特許明細書６，０９４，２９７号の端面励起型の方策は、励起ビームに対しより長い経路を提供し、その結果、より効果的な装置を提供する。
［００１２］  端面励起型のジグザグの形態は、励起パワーを相対的に効率的に利用するが、この形態は、１００ｋｗ又はより高い程度の遥かに高パワーに拡張される固体レーザアーキテクチャの必要性を満足させない。米国特許明細書６，０９４，２９７号に記載された型式の多数のジグザグレーザを組み合わせる結果、極めて大きい構造体となる。かかるレーザの各々は、その平行な面に沿って冷却し、また、励起光を各スラブの小さい端面内に集束させなければならず、このことは、これらスラブを互いに近接する位置に配置することをほぼ不可能にする。多数のレーザの出力ビームを組み合わせることは、また、個々の装置の大きさ及び必要な間隔のため困難とされる。更に、形成される構造体は、所望のパワーに対して非実用的な程度に大型化するであろう。理想的には、軍事又は商業上の適用例に対する高パワーレーザは、便宜に持ち運び可能であり、又は従来の車にて少なくとも移動可能でなければならない。
［００１３］  このため、これらの必要条件に適合する高パワー固体レーザ増幅器構造体が依然として必要とされることが理解されよう。すなわち、極めて高パワーに拡張可能であるが、装置の輸送を容易にし、また、その多数の出力ビームを組み合わせて単一の高パワー複合ビームにすることを容易にする、極めて且つ便宜に小型である固体レーザが必要とされている。本発明は、以下の概要及び詳細な説明から明らかになるように、これらの目的を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
［００１４］  本発明は、共通の液体冷却システムを有する多数の側面励起式スラブ増幅器を組み合わせることにより、高出力パワーに直ちに拡張可能であるジグザグスラブレーザ増幅器の形態である。簡単に説明すれば、また、一般的な用語にて、本発明のジグザグスラブレーザ増幅器の形態は、平行な側面を有し且つ、ジグザグレーザ増幅器として機能する形態とされた複数の固相材料のスラブを備え、これらスラブは、積層体内にて互いに配置され、スラブの隣接する側面の間に空隙が存在するようにする。レーザ増幅器は、積層体内にて少なくとも１つの最外側スラブの側面に隣接する位置に配設されて、積層体内の全てのスラブに対しレーザ励起パワーを提供する少なくとも１つの励起パワー源と、冷却材を保持し且つ、該冷却材をスラブの隣接する側面の間の空隙を通じて循環させ、また、積層体内の最外側スラブの側面に沿って循環させる手段を有する、共通の冷却システムとを更に備えている。スラブの各々は、入力ビームを受け取る入力端面と、増幅した出力ビームを伝送するときに通る出力端面とを有している。
［００１５］  より具体的には、共通の冷却システムは、積層体内の最外側スラブに対して隔てられた関係にて配置され、最外側スラブに隣接する冷却材通路を形成し且つ、少なくとも１つの励起パワー源からの励起パワーの放射線に対して透明な材料にて形成された１対の側部窓部と、隣接するスラブの間にて空隙の端縁の回りを密封すると共に、全ての空隙を通って伸びる冷却材流路を提供する手段とを備えている。冷却システムは、端面間の光路に対して全体として平行な方向に向けて、冷却材をスラブの側面を横切って長手方向に循環させる形態とすることができる。これと代替的に、冷却システムは、端面間の光路に対して全体として垂直な方向に向けて、冷却材をスラブの側面を横切って横断方向に循環させ得る形態としてもよい。
［００１６］  本発明の１つの形態に従い、スラブの各々は、スラブからの増幅自然放出（ＡＳＥ）放射線を吸収し又は散乱する材料を使用して長手方向端縁を処理することを含むことができる。横方向への冷却材の流れ形態において、スラブの各々は、隣接するスラブの間に冷却材の望ましい均一な流れを形成する形状とされた長手方向端縁キャップを更に備えることができる。更に、端縁キャップは、スラブの端縁付近の温度プロファイルを制御することを可能にする埋め込んだ電気ヒータを備えることができる。水は、導電率が大きく且つ熱容量が大きいため好ましい冷却材であるが、その他の液体又は混合体を使用することもできる。例えば、システムが低温度にて保存されるとき、凍結防止のため、エチレングリコールを水に添加することができる。
［００１７］  本発明の別の形態に従い、複数の固相材料のスラブは、一部分、励起パワー源からより離れたスラブが受け取る励起パワーの強度の低下を補償し得るよう選ばれたドーパント濃度を有することができる。任意の数のドーパント濃度を使用することができるが、２つの濃度のみを使用することで多くの場合、十分な補償効果が得られる。
［００１８］  本発明の別の形態に従い、スラブの各々の入力端面及び出力端面はスラブの光軸線に対して鋭角度にて傾斜しており、光軸線に対して全体として平行な方向に向けて入力面にて入力ビームを受け取ると共に、スラブの光軸線に対してほぼ平行な方向に向けて出力ビームを提供することも許容する。これと代替的に、端面は、ビームを偏軸方向に向けて入力し且つ出力することを許容し得るよう角度を付けてもよい。
［００１９］  本発明の別の形態に従い、増幅器アーキテクチャは、複数のスラブと励起パワー源との間に配置されたダイクロイックミラー又はその他の光学素子を更に備えている。ミラーは、励起パワーを選んだ周波数にて伝送するが、スラブからの増幅自然放出（ＡＳＥ）放射線を反射し且つ効果的に除去する機能を果たす。
［００２０］  本発明の別の実施の形態において、固相スラブの多数の積層体がパワー出力を更に高パワーに拡張し且つ、より対称な出力サブビームの配列を提供し得るよう二元的配列にて配置されている。多数の積層体は、同一の共通の冷却システムを採用し、励起源は、固相スラブの積層体の全てを横切って伸びている。
［００２１］  本発明は、所望のビーム品質及びその他の特性の基準レーザビームを発生させるマスター発振装置と、基準ビームを多数のサブビームに分割する手段と、多数のサブビームを入力ビームとして受け取る位置に配置された多数スラブ利得モジュールと、出力サブビームを単一の複合的出力ビームとしてコヒーレントに組み合わせることを許容し得るようサブビームの位相を調節する手段とを備える、高パワーレーザシステムとして画成することもできる。選択随意的に、第一の多数スラブ利得モジュールと同様の追加的な多数スラブ利得モジュールが第一の多数スラブ利得モジュールから増幅した出力サブビームを入力として受け取り得るよう配置されている。１つ又は複数の追加的な多数スラブ利得モジュールは、高合計パワーの更に増幅された出力サブビームを発生させる。多数スラブ利得モジュールの各々は、ジグザグ増幅器として機能する少なくとも１つの複数の固相スラブと、利得モジュールの側部に隣接して配設された少なくとも１つの励起パワー源と、スラブを冷却する共通の液体冷却システムとを備えている。レーザシステムはまた、偏光多重化、角度多重化又はその双方の組み合わせの何れかによって１つ又はより多くの多数スラブモジュールを通じて第二のパスを実行する手段を備えることもできる。このように、システムは、入力サブビームを偏光させる偏光器と、第一の及び追加的な多数スラブ利得モジュールからの出力サブビームを光学的に処理するビーム中継光学素子と、追加的な多数スラブ利得モジュールの最後のものから出力サブビームの偏光状態を変化させる手段と、多数スラブ利得モジュール列からの出力サブビームを多数スラブ利得モジュールを通して第二の増幅パスさせるために戻すミラーとを更に備えることができる。偏光器は、第二の増幅パスの完了時、増幅したサブビームを非連結状態にする作用を果たす。利得モジュールの多数回のパスは、角度多重化により実現することもでき、この場合、ビームは僅かに異なる入射角度にて１つ又はより多くの多数スラブ利得モジュールを通じて方向変更される。好ましくは、システムはまた、増幅パスの完了時、最終的な出力サブビームをサンプリングする手段と、サンプリング手段から得られたサブビームのサンプルした出力の位相と、基準ビームの位相との間の位相差を検知する手段と、高パワーの複合的出力ビームに直ちに組み合わせることのできるコヒーレントな１組の出力サブビームを提供するよう、出力サブビームの位相を調節する手段とを更に備えるものとする。
［００２２］  レーザシステム内の多数スラブ利得モジュールの各々は、二次元的配列に配置された多数の複数の固相スラブを備え、多数スラブ利得モジュールの各々は、上述した特徴以外の特徴を備えることができる。
［００２３］  上記の概説から、本発明は、高パワーレーザ増幅器及びレーザシステムの分野にて顕著な進歩を実現するものであることが理解されよう。特に、本発明は、多数の固相材料のスラブが互いに積層され、共通の励起源から側面励起され且つ、共通の冷却システムにより冷却される固相増幅器構造体を提供するものである。本発明のその他の特徴及び有利な効果は、添付図面と共に参照して、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
［００４１］  本発明は、開示の目的のため図面に示すように、極めて高出力パワーに直ちに拡張可能である固相ジグザグ増幅器の形態に関する。上述したように、先行技術のジグザグレーザ増幅器は、極めて大きい構造体を使用せずに、高パワーに容易に拡張することはできず、また、拡張可能な場合であっても、形成される多数のビームを、単一の小さいビーム開口内に容易に組み合わせることはできない。
［００４２］  本発明に従い、また、図２に全体として示したように、ジグザグ増幅器の高パワーへの拡張は、積層したスラブの側面励起及び共通の冷却システムを採用することにより便宜に実現される。図面に示したように、多数の固相スラブレーザ５０は近接して積層され、励起レーザの配列５２、５４は、最外側スラブの側部から向けられる。励起レーザの配列５２、５４からの励起パワーは、励起ビームをコリメートし且つ整形する適宜な光学構成要素により集束される。スラブ５０の各々の端面５６、５８は、励起ビームの端部発射を容易にし得るよう図１の先行技術の形態にて使用した４５°の角度よりもより急峻な角度にて角度が付けられる。本発明において、入力ビーム６０は、スラブ５０の長手方向軸線に対して平行に近い方向に向けて、端面５６を通して平行に発射させることができる。入力ビーム６０は、端面５６から屈折され且つ、スラブ５０を通るそのジグザグ経路に沿って伸び、端面５８から１組の平行な出力ビーム６２として出る。
［００４３］  スラブ５０の液体冷却は、隣接するスラブ５０の間の空間６４、また、最外側スラブとそれぞれの平行な窓部６８との間の追加的な空間６６を通じて実行される。水であることが好ましい冷却材は、空間６４、６６を通って入力ビーム６０及び出力ビーム６２に対して平行な長手方向に又は図２を示した紙の面に対して垂直な横断方向に向けて流れる。長手方向への流れは、構造体のそれぞれの端部にて入力ビーム６０及び出力ビーム６２を回避すると共に、スラブ面を亙って必要とされる、均一な流れを提供するような態様にて水の流れを配給するとき、本来的な「配管」上の困難性を有することを理由として、機械的に横断方向への冷却材の流れであることが好ましい。しかし、本来的な温度勾配となる横断方向への流れは、僅かであるが、増幅したレーザビームの高さに沿って横断方向へのＯＰＤ歪みを生じさせる。液体冷却の１つの重要な利点は、スラブ５０からの増幅自然放出（ＡＳＥ）を吸収するため、適宜な添加剤と共に液体を使用することが可能な点である。
［００４４］  単一スラブレーザの側面励起は、高パワーにとって実用的ではないと考えられる先行技術の方策であり、それは、この結果、励起ビームの光路長さが極めて短くなり、その結果、励起エネルギは増幅器内にて効率的に吸収され且つ利用されることがないからである。励起エネルギの吸収を向上させるため、スラブの厚さを増せば、スラブ内にて望ましくない温度勾配となる。しかし、本発明において、側面励起は、多数の相対的に薄いスラブ５０の積層体と関係してより効率的に使用することができる。励起ビームに対するこの相対的に長い光路長さであることから考えられる不利益な点は、励起エネルギがスラブ５０の積層体の中間に向けて低下する点である。隣接するスラブ５０の境界の間にて出会う本来的な損失もこの低下に寄与する。しかし、以下に更に説明するように、この難点は、スラブ５０のドーピング濃度を変化させることにより直ちに解決することができる。簡単に説明すれば、より中央のスラブ５０におけるドーピング濃度を高くすれば、エネルギの吸収が増し、また、積層体の中間における励起エネルギの低下を補償し、これにより、スラブの間にて吸収されるパワーを均等にする。更に、スラブ表面に反射防止（ＡＲ）被覆を施せば、冷却材−スラブの境界面における損失を最小限にすることができる。
［００４５］  スラブ５０の各々の側方向温度勾配を最小にするため、スラブは、相対的に薄く形成することができる。スラブを薄く形成することによるスラブのパワー出力の低下は、積層体に対しより多くのスラブを追加することにより補償される。スラブ５０の薄厚化の実際的な限界は、第一に、スラブの厚さが減少するに伴い増す製造上の困難さ、また、第二に、スラブの各々内にて回折が生じる程にスラブが極めて薄く形成されたならば、実現される光学的限界及び増幅したビームの強度が悪影響を受けることである。こうした理由のため、スラブの厚さが約１ないし２ｍｍ以下であることは、実際的でない、すなわち推奨できない。
［００４６］  本発明の形態は、先行技術のジグザグレーザ技術に基づくものであるが、遥かにより小型の構成を許容し、また、全パワー出力は、１００ｋｗ又はそれ以上に拡張することができる。エバネセント被覆したジグザグスラブが使用されるが、多くのかかるスラブの積層体の配列に液体冷却材の細い通路が介在し、また、図２の増幅器モジュールにて示したように側面励起を採用する。
［００４７］  この形態は、先行技術の側面励起型で且つ、拡張可能な高平均パワーレーザシステムにて出会う、多くの問題点を同時に解決する多数の特徴を提供する。
［００４８］  １）本発明の側面励起型の構成において、スラブ５０は、その薄いスラブの制限された吸収率を懸念することなく随意に薄く（上述した製造及び回折限界の範囲内にて）することができる。多くのかかる薄いスラブの積層体は、容易に形成し、励起ビームを十分に吸収することを可能にするのに十分な合計厚さであるようにすることができる。更に、レーザ発生物質のドーピング濃度は、スラブ配列の全体に亙って励起パワーの均一な配分を保証し得るようスラブ毎に調節することができる。
［００４９］  ２）スラブ５０間に介入する冷却通路は、薄い表面の冷却したスラブの十分に理解された振舞いに従って、ＯＰＤを減少させるようスラブの優れた熱管理を行う。非ドープ端部領域は不要であり、また、端部領域内の熱勾配の効果を最小にするため、励起領域の端部付近にて側面励起強度にテーパーを付けることもできる。
［００５０］３）スラブの各々は、複合的出力ビームと区別するため、「ビームレット」と称されるであろう別個のビームを増幅する。配列が小型であるため、ビームレットは、単一の光開口内を同一方向に伝搬するビームグループとして集合的に管理することができる。例えば、スラブ５０の各々が１．５×２５ｍｍの断面積を有し、かかるスラブの１５が各々厚さ０．５ｍｍの冷却通路によって分離されるならば、合計配列開口は、３０×２５ｍｍとなり、これは、標準的な５ｃｍ（２インチ）の直径の光学素子に容易に適合する。その結果、全体的なシステムの寸法及びコストは、例えば、端部励起型で且つ伝導により冷却される形態にて使用される同様の数のスラブと比較したとき、劇的に減少する。隣接するスラブの間のＡＳＥ連結は、励起透過率に影響を与えずに、スラブから放出されたＡＳＥを好ましいように吸収すべく添加剤を冷却材に含めることにより緩和することができる。
［００５１］  ４）エバネセント被覆は、スラブの側面励起にて出会う従来の難点、すなわち気泡、汚染物質及び冷却材内のその他の不均一性によるエバネセント場の混乱、また、増幅したレーザビームの強力なエバネセント場によってスラブと接触した冷却材シールが損傷されるのを解消するであろう。エバネセント被覆は、このエバネセント被覆に侵入する増幅したビームの強度をほぼ零に低下させるため、こうした問題点は大幅に緩和される。更に、スラブの被覆は、励起における反射防止（ＡＲ）能力と組み合わせ（励起の損失を最小にするため）、また、レーザ波長と組み合わせる（寄生的発振を回避するため）ことができる。
［００５２］  ５）最後に、ビームレットのグループは、単一のビームシステム内で利用される先行技術の多くを利用することができる。このように、ビームレット配列の利得モジュール（ＢＡＧＭ）は、先行技術にて単一のビームに対し使用された多数の方法にて、増幅器の連鎖体の形態とすることができる。増幅器は、角度を付けた多重化、偏光多重化又はその２つの組み合わせによって通常の仕方にてカスケードし且つ、多数回パス型とすることができる。単一パス型、２重パス型、４回パス型、偏光多重化及び角度付き多重化のような色々な形態を利用する一例としての増幅器システムの構成が図３Ａないし図３Ｅに示されている。
［００５３］  図３Ａの一例としてのシステムは、多数スラブ利得モジュール７６に入力される、多数入力ビームレット７２を発生させる、マスター発振器７０を有しており、該多数スラブ利得モジュールの出力は、多数のビームレットをビーム中継映像化光学素子８２及び部分反射ミラー９０を通し、また、該ミラーは、増幅したビームレットを複合的出力ビーム８８として非連結状態にする。出力ビームレットの試料は、ミラー９０によって反射され、その後、追加的なミラー９１又はその他の光学素子により位相センサ／コントローラ９２に反射され、該コントローラは、ピストン位相調節器９６に対し制御信号を提供する。
［００５４］  図３Ｂには、図３Ａと同様であるが、利得モジュール７６を２回パスすることを可能にする１つの形態が示されている。この形態において、偏光器７４は、入力ビームレット７２の光路内に配設され、ファラデー回転子８４及びミラー８６は、ビーム中継光学素子８２から出力ビームレットを受け取るよう配置される。ファラデー回転子８４及びミラー８６は、共に、出力ビームレットの偏光角度を変化させる効果を生じさせ、その後、この出力ビームレットは、ビーム中継光学素子８２及び利得モジュール７６を通して反射されて戻る。この第二の増幅パスの後、ビームレットは、図３Ａに示すように、偏光器７４により反射され且つ、部分反射ミラー９０を通して非連結状態とされる。
［００５５］  図３Ｃの形態は、追加的なビーム中継映像化光学素子８３の後に、追加的なビームレット配列利得モジュール７８が含められる点を除いて、図３Ｂの形態と同様である。
［００５６］  図３Ｄにおいて、多数ビームレットの配列利得モジュール７６、７８が再度、採用されているが、この形態においては、角度付き多重化が使用されて利得モジュールの第二のパスを実現する。傾斜型ミラー８６´は出力ビームレットを第二のパスのため、第一のパスの光路から僅かに角度を付けて変位させた光路に沿って反射して戻す。ミラー分離器モジュール７５は、これらの角度付きの変位光路に沿ってのみビームレットを受け取り且つ、そのビームレットを部分反射型ミラー９０に反射するよう配置されている。
［００５７］  最後に、図３Ｅの形態は、利得モジュール７６、７８を通して４回のパスを実現するため、偏光多重化及び角度付き多重化の双方を組み合わせること可能にする。この形態は、偏光器７４と、ミラー分離器モジュール７５との双方を含む。最初の２回のパスは、図３Ｄの形態におけるものと同様である。傾斜型ミラー８６´はビームレットを第二のパスのため、角度を付けた変位した光路に沿って方向変更して戻す。第二のパスの後、ミラー分離機７５は、第二のパスビームレットを非連結状態にするが、その代わり、そのビームレットをミラー９０に伝達し、そのビームレットをファラデー回転子８４に通し且つ、ミラー８６まで通す。このようにして、ビームレットは、ミラー分離器モジュール７５に反射して戻し、また、第二のパスのときに通ったものと同一の光路に沿って反射して戻す。この第三のパスの終了時、ビームレットは再度、傾斜型ミラー８６´によって反射され、第一のパスのときに通ったものと同一の光路に従って利得モジュール７６、７８を通る第四のパスを開始する。ミラー分離器モジュール７５は、第四のパスの後に表れるビームレットに対し効果的に透明であり、このため、ビームレットは、偏光器７４に出会い且つ、最終的に部分反射型ミラー９０を通して非連結状態とされる。
［００５８］  図３Ａないし図３Ｅの上述した形態の各々において、位相センサ／コントローラ９２及びピストン位相調節装置９６によって実行されたビームの位相形成は、基本的に、「位相フロント制御による高平均パワー固体レーザシステム（Ｈｉｇｈ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｒｏｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）」という名称にてコミン（Ｋｏｍｉｎｅ）に対して発行された米国特許明細書６，４０４，７８４号に記載されたものである。
［００５９］  上述した形態の全てにおけるビームレットのグループの小型の構成はまた、単一の開口内にてビームを補正し、システムの寸法及び重量を軽減することに更に寄与することも許容する。このように、当該技術にて十分に理解された、変形可能なミラー及び位相共役（例えば、「ジグザグ増幅器を備える高輝度固体レーザ（Ｈｉｇｈ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｚｉｇ−Ｚａｇ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）」という名称にてインジョヤンその他の者に対して発行された米国特許明細書５，５５５，２５４号及び「複屈折補償型レーザアーキテクチャ（Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）」という名称にてインジョヤンその他の者に対して発行された米国特許明細書５，６４０，４０６号に記載されたような）の如き多数の先行技術の位相及び複屈折補正の方法を利用することもできる。全てのビームレットは、単一の容積内に集束することもできるから、連続的な全パワーレベルは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）位相共役にとってさえ十分である。このように、例えば、図３Ｂ及び図３Ｅにおいて、従来の端部ミラー８６又は８６´は、変形可能なミラー又はＳＢＳセルにて置換することができる。その結果、全ての光ビームレット内のＯＰＤの変化は、この単一の補正光学素子によって緩和することができる。更に、ビームレット間の相対的位相は、同様にこの光学素子によって補正し、増幅器の出力にて位相を検知し且つ補正する必要性を解消し又は減少させることが可能である。ＯＰＤの変化を減少させるため、スラブ端縁キャップ内にヒータを使用することを通じてスラブの端縁を熱制御することも、単一スラブシステム内にて使用されるものと同様の態様にて採用することが可能である。例えば、「光学パスの差制御システム及び固体レーザ方法（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｔｈ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒｓ）」という名称にてセントピエール（Ｓｔ．Ｐｉｒｒｅ）その他の者に対して発行された米国特許明細書６，０３４，９７７号を参照。
［００６０］  図２のシステムにおいて、介入する冷却材にてスラブからＡＳＥをできるだけ多く吸収し、更なる偽増幅及び寄生的作用を更に緩和することが望ましい。このことは、冷却材に添加した化学剤によって直接吸収することで実現することができるが、この化学剤は、励起波長にて最小の吸収率を有しなければならない。これと代替的に、薄い固体吸収スラブを利得スラブの間に及び冷却材通路内に導入してもよい。この場合にも、励起波長における損失を最小にするため、これらの吸収性スラブを必要とするであろうし、このため、ＡＲ被覆を施すことができる。同様に、スラブの積層体の端部にて、冷却材を封じ込める窓６８（励起波長にて透明である）を利用してＡＳＥを吸収し、散乱させ又は回折させることができ、このため、追加的な放射線及び熱荷重がダイオード励起に入射することはない。これと代替的に、また、図４に示すように、窓部６８の各々の外側に配置された薄膜二色性又はその他の光学素子１００を使用して、励起光５２をスラブ５０の積層体内に透過させつつ、矢印１０２にて示すように、ＡＳＥを熱溜め内に多量に反射させることにより励起ダイオードを保護することができる。
［００６１］  上記に簡単に説明したように、冷却材の流れ方向は、ジグザグ方向（スラブの長い長さ）に沿って又は該ジグザグ方向に対して横断方向の何れかを選ぶことができる。横断方向への流れは、図５の端面図に示したように機械的に実現することがより簡単であろう。流路は、参照番号１０４で示したように、適正な形状の側壁により完全に発生された乱流となるよう調節することができる。これらの側壁内にて、スラブの端縁と接触し且つ、熱の調節を可能にすべくヒータ１０６を含めることができる。更に、スラブの端縁は、従来のジグザグシステムにて利用されているように、ＡＳＥの後方反射を最小にするため、参照番号１０８で示すように、処理することができる。シーラント及び絶縁体は必要であるならば、端縁キャップの側壁とスラブ端縁との間の境界面に施して、冷却材の汚れを防止し且つ、ヒータ及びスラブの端縁の十分な熱的振舞いを実現することができる。
［００６２］  横断方向への冷却材の流れの結果、ジグザグの伝搬によって補正されない流れに沿って（従って、スラブＯＰＤに対する）温度勾配が生ずる。流れ方向における冷却材の温度変化は、次式によって与えられる。
【０００６】
ΔＴ流れ＝Ｑ・ｔ・Ｈ／（Ｃｐρ）・Δｘ・Ｕ
［００６３］  ここで、Ｑは、スラブ内の蓄積した熱密度、ｔはスラブの厚さ、Ｈはスラブの高さ、Ｃｐρは冷却材の単位容積当たりの熱容量、Δｘは冷却材通路の幅、Ｕは冷却材の速度である（図６参照）。本発明の１つの実施の形態にて見られる状態に対し、Ｑ＝６７０Ｗ／ｃｃ、ｔ＝２．５ｍｍ、Ｈ＝２５ｍｍであり、また、Δｘ＝１ｍｍの水冷却通路（Ｃｐρ＝４．２Ｊ／ｃｃ  °Ｋ）の速度が１０ｍ／秒である場合、この温度勾配は、僅かに約１℃である。この結果、長さ１０ｃｍの均一に励起したスラブに対し、〜１．５波のほぼ直線状の横断方向へのＯＰＤの変化となる。この穏当な程度のＯＰＤの変化は、流れ方向を横切ってほぼ直線状であるから、交番的な流れ方向を有するかかる増幅器モジュールの対のカスケード型を使用することにより、その流れ方向を効果的に補正することができる。このように、直線状のＯＰＤ勾配は、１対の２つの増幅器モジュール内にて反対方向となり、このため、勾配は解消され、正味ＯＰＤはほぼ均一となるであろう。
［００６４］  これと代替的に、流れはスラブの長さに沿って向けることもできる。この場合、ジグザグ状の伝搬は、スラブの長さに沿って形成される緩慢な温度勾配を効果的に補償するはずである。機械的配置は、この形態にて多少より複雑であり、それは、冷却材はスラブの端部の前の光路付近にて方向変更しなければならないからである。端面励起方法と相違して、側面励起は、スラブ端部にて非ドープ部分を不要にし、励起領域の端部付近にて励起の強度にテーパーを付け、かかるテーパー付けは、誘発される複屈折を最小にすることが知られているから、形成される温度勾配を最小にすることができる。冷却材の流れは、スラブ端部付近の非励起領域に隣接して方向変更することができる。かかる形態の一例は、図７に示されている。流れ方向に関係なく、冷却材を封じ込めるため、スラブ端部付近にてシールが必要とされる。しかし、エバネセント被覆が存在することは、内反射した増幅したレーザビームによってシールが損傷される可能性を最小にする。
［００６５］  側面励起は、励起領域の全体に亙って均一に励起するという有利な効果を有する。先行技術の端面励起型増幅器において、端面励起されたスラブは、僅か６つのみの１０ｃｍのドープ領域を利用する（各端部からの指数関数的吸収長さは３ｃｍであるから）。このように、１０ｃｍの長さ範囲に亙って側面励起されたスラブは、同一の最高励起密度にて端面励起したスラブの貯蔵エネルギの約１０／６＝１．７倍を利用する。このため、抽出効率が同様であると想定すれば、端面励起されたスラブと比較したとき、抽出されるパワーを同様に増大させることが許容されよう。
［００６６］  側面励起は、端面励起よりも遥かに大きい励起入口開口を許容し、このため、スラブ表面にて要求される側面励起の強度は同様の全パワーに対する端面励起よりも著しく低い。一例として、先行技術の端面励起装置において、励起強度は１０ｋｗの全励起パワーに対し、０．２５×２．５ｃｍの断面積の１０ｃｍスラブの各端部にて約８ｋＷ／ｃｍ２である。比較として、スラブの各々が同一の寸法を有し、全励起パワーは先行技術の例におけるものであるが、配列内に１０個のスラブを有する側面励起型システムについて検討する。このように、全励起パワーは、各スラブの側面の２５ｃｍ２に入射する約１０×１０ｋＷ＝１００ｋＷである。このため、先行技術の実施の形態の１０倍のパワー容量を有するシステムが必要とする励起強度は、僅か約２ｋＷ／ｃｍ２である、すなわち１／４の励起強度で足りる。
［００６７］  上記に説明したように、この方策の主要な利点は、励起吸収効率を犠牲にせずに、スラブの厚さｔを減少させる能力である。スラブの厚さが減少する結果、ＯＰＤの程度が極めて顕著に減少すると共に、残留複屈折を改善することができる。ジグザグ光路に亙って平均化されたスラブの温度上昇は、次式によって与えられる。
【０００７】
ΔＴＡｖｇ＝Ｑ［ｔ２／１２ｋ＋ｔ／２ｈ］
ここで、ｋは、スラブの伝熱率、ｈは冷却材の対流冷却率である。このことは、スラブの計算温度上昇及びＹＡＧスラブ（ｋ＝０.１Ｗ／ｃｍ  °Ｋ、ｈ＝５Ｗ／ｃｍ２  °Ｋ）のとき、６ｃｍの有効長さに亙って最大の熱荷重６７０Ｗ／ｃｃの値に起因する全ＯＰＤを示す、表１に示されている。有効屈折率の変化（ＯＰＤ≡ΔＴ・ｄｎθｆｆ／ｄｔ・Ｌによって規定）は、ｄｎθｆｆ／ｄｔ＝ｄｎ／ｄＴ＋（ｎ−１）α＝１３×１０−６  °Ｋ−１によって与えられ、ここで、ｎは、ＹＡＧの屈折率（１．８１８）、αは熱膨張率（７×１０−１  °Ｋ−１）である。これらの関係から、厚さ２ｍｍ以下のスラブを使用して顕著なＯＰＤの減少を実現することが可能であると推定することができる。
【０００８】
表１
温度上昇
ｔ（ｍｍ）    伝熱        対流      合計温度      ＯＰＤ（波）
２．５      ３４．７    １６．７    ５１．４      ４６．０
２        ２２．２    １３．３    ３５．６      ３１．９
１．５      １２．５    １０．０    ２２．５      ２０．２
１          ５．６      ６．７    １２．２      １１．０
０．５        １．４      ３．３      ４．７        ４．２
［００６８］  乱流が完全に発生した水の流れを計算する結果、ある通路の厚さ及び流速の範囲に亙って熱を効果的に除去することが可能であることが実証される。例えば、長さ１０ｃｍ、高さ２５ｍｍ及び厚さ２．５ｍｍのスラブにて、冷却材の流れがスラブの長さに対して横断方向である場合、均一な熱蓄積（Ｑ＝６７０Ｗ／ｃｃ）を使用し、２ないし１０ｍ／秒の範囲の流速、０．２５ないし１ｍｍ範囲の通路厚さを使用すれば、形成される冷却材の温度勾配ΔＴ流れ（図６参照）は、０．５ないし５°Ｋの許容可能な範囲となる。
［００６９］  図２の配置は、軸線にてスラブ５０に入る入力ビーム及び増幅したビームを示す。これは、スラブの入口面を法線に対して約６０°（光軸線に対して３０°）にて切断した場合に実現可能である。このことは、増幅したビームが全内反射（ＴＩＲ）付近にてほぼ伝搬することを保証することになろう。付随的に、空気中のＹＡＧに対するブルースター角度は、約６１°であり、これは、入力及び出力におけるＰ偏光に対する全ての偽反射を解消することになろう。しかし、多くの状況において、双方の偏光を増幅することが望ましく、このため、入口面にてＳ波に対する適正なＡＲ被覆が必要とされる。増幅器はまた、図８に示すように、偏軸入力及び出力ビームを有し、また、変化した入口面角度を有する形態とすることもできる。この配置のとき、入力及び出力ビームの入射角度に依存して、スラブ５０は、隣接するビームを除去することを保証し得るように変位させる必要があろう。その場合、励起方向は、変位した幾何学的形態に一致するよう傾動させることができる。
［００７０］  スラブ５０の全てが同一であるならば（同一の厚さ及び同一のドーピング濃度）、この場合、励起ビームを完全に吸収することができるが、蓄積したパワーは、スラブ毎に大幅に相違するであろう。例えば、特定の設計の想定下にて、０．１４％のＮｄドーピング濃度であれば、励起吸収深さは約３ｃｍとなるであろう。例えば、各々の厚さが２．５ｍｍの１１個のスラブの積層体について考える。４ネーパー（ｅ−折り畳み）の全スラブ容量に対し０．６２％のドーピングを必要とし、又は＞９８％の励起吸収率を必要とするであろう（この計算の場合、冷却材及びスラブ表面の反射による励起損失は無視する）。
［００７１］  図９Ａには、各々が厚さ２．５ｍｍの１１個のスラブの積層体に対し、ドーピングの変化（破線は、全てのスラブを亙って一定のパーセントを示す）、また、一側部及び両側部型の励起に対するスラブの積層体を亙って吸収されたパワー密度の変化が示されている。図９Ｂには、同様に、一側部及び両側部型励起の場合における、スラブの積層体を通って伝搬するパワーの変化が示されている。図９Ｃには、両側部型励起の場合のみの１１個のスラブの各々に対する計算した吸収パワー（アステリック）が示されている。破線は、吸収した平均パワーを示し、実線は励起の１００％が吸収された場合の平均パワーを示す。１１個のスラブにて吸収された励起パワーは、平均値に対して約±６０％だけ変化する。
［００７２］  図１０Ａないし図１０Ｃに示すように、３ネーパー（９５％吸収）の全吸収に対し２つのドーピング濃度（０．３５％及び０．６０％）を使用する結果、このパワーの変化は約±１７％に減少する。図１１Ａないし図１１Ｃに示すように、１１個のスラブの全てのドーピング濃度を対称に変化させることにより（６つのドーピング濃度を使用して）、パワーの変化を解消し且つ９８％の全吸収を実現することができる。この設計の場合、Ｎｄドーピング濃度は、外側スラブにおける０．３２％から中央スラブにおける１．０６％に変化する。
［００７３］  各ビームから抽出されたパワーは、吸収された励起パワーに比例して変化するものと想定して、励起パワーの変化が非近接場（ｆａｒ  ｆｉｅｌｄ）のパワーの分布に与える影響を計算することができる。充填ファクタが１００％である理想的なビームの場合、非近接場における１つの寸法に沿って主回折ローブ内に集束する全パワーの比率（すなわち、Ｄが全近接場ビーム幅である場合、非近接場の角度±λ／Ｄの範囲に属するパワー）の約９０．５％である。図９Ａないし図９Ｃに示すように、単一のドーピング濃度により与えられたパワーの分布（±６０％）であると想定するならば、主ローブ内のパワー比率は７９％に低下することが分かる。しかし、２つのドーピング濃度（図１０Ａないし図１０Ｃに示すように）により与えられた±１７％の変化の場合、理想的な回折制限された結果（主ローブにて８９．５％）から僅か約１％だけ低下することが分かる。換言すれば、２つのドーピング濃度のみを使用すれば、理想値の１％の範囲内にて非近接場ビームの分布パターンが得られる。このため、使用する多数のドーピング濃度が２以上であれば、殆ど改良されず、従って保証することができない。
［００７４］  ビームレットのグループの充填ファクタはまた、同一の近接場幅及び１００％充填のビームと比較したとき、主たる非近接場ローブ内のパワーは低下する。全ビームの充填ファクタは、冷却通路に起因する空隙により減少するが、これらの空隙は最終的なビーム導光器の前にて可能な限り減少するように、ビームレットのグループを改変することが望ましい。この目標を実現する簡単な方法は、１対の密に充填したセグメント化ミラーであり、セグメントの各々が傾き／傾動調節機能を有し且つ、単一のビームレットに相応するようにすることである。図１２に示すように、第一のセグメント化したミラー１２０は、個別のビームレットを傾動させ、ビームレットは、より小型の配列を形成するように伝搬し、また、第二のセグメント化したミラー１２２において、ビームレットは、より密な間隔とされた複合的出力ビームとなるように再度コリメートされる。
［００７５］  上述したように、本発明の増幅器構造体内のスラブ５０の熱性能は、スラブの厚さが減少するに伴い、顕著に向上する。極めて細いビームの場合、回折効果の結果、強度の変調の損失が生じる。回折計算の結果、ビームの強度への効果は、１．２５ないし１．５ｍｍの範囲の矩形のビームに対して許容可能である（１％以下の回折損失）であることが分かる。このため、回折効果は最小であるが、薄いスラブを使用することにより得られる熱的性能の利点を活用し得るように、スラブの厚さをこの範囲付近に維持することが最良である。
［００７６］  本発明のスラブの配列の着想は、二次元的配列のスラブ（及びビームレット）に拡張することができる。かかる利得モジュールの端面図の一例は、図１３に示されている。一元的ビームレット配列の利得モジュール（ＢＡＧＭ）におけるように、ヒータ及び端縁処理は、スラブ５０の各々に同様に適用することができる。単に一例としてのみ、図１３には、一方が他方の頂部にあるスラブの２つの積層体が示されている。各積層体の深さ（スラブの数）及び積層体の数を適宜に選ぶことにより、ほぼ対称の全体的な断面積の複合的出力ビームを得ることができる。図１２に示したものと同様のセグメント化した傾き／傾動ミラーの２つの直交する向きの対のミラーのカスケードを使用することにより、この二次元的配列に対する充填ファクタの改良を実現することができる。二次元的配列のスラブは、単一の小さい開口内のスラブの数を更に増し、システム全体の寸法及び装置の重量を最小にしつつ、更に大型の全配列のパワーに拡張することを可能にする。
［００７７］  上記の説明から、本発明は、高パワー固体レーザの分野にて顕著な進歩をもたらすものであることが理解されよう。特に、本発明は、極めて高パワーに直ちに拡張可能である固体レーザ増幅器アーキテクチャを提供する。また、本発明の特定の実施の形態を示し且つ単に一例として示したが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、色々な改変例を為すことが可能であることも理解されよう。従って、本発明は、特許請求の範囲以外に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】先行技術のジグザグレーザ増幅器の線図的な頂面図である。
【図２】本発明に従ったジグザグレーザ増幅器の拡張可能な積層体の線図的な頂面図である。
【図３Ａ】本発明に従った拡張可能な多数スラブ増幅器モジュールを利用するレーザシステムの概略図的な線図である。
【図３Ｂ】偏光多重化により多数スラブ増幅器モジュールを通って２回パスする状態を示す、図３Ａと同様の概略図的な線図である。
【図３Ｃ】偏光多重化によって２回パスした多数の多数スラブ増幅器モジュールを示す、図３Ｂと同様の概略図的な線図である。
【図３Ｄ】角度多重化により２回パスした多数の多数スラブ増幅器モジュールを示す、図３Ｃと同様の概略図的な線図である。
【図３Ｅ】偏光多重化と角度多重化との組み合わせを使用して４回パスした多数の多数スラブ増幅器モジュールを示す、図３Ｄと同様の概略図的な線図である。
【図４】増幅自然放出（ＡＳＥ）を除去するためダイクロイックミラー使用する状態を示す、図２と同様の頂面図である。
【図５】横断方向への冷却剤の流れを示す、本発明のジグザグレーザ増幅器の拡張可能な積層体の端面図である。
【図６】温度勾配の計算に関係する術語を示す、図５と同様の部分図である。
【図７】長手方向への冷却剤の流れを示す、本発明のジグザグレーザ増幅器の積層体の側面斜視図である。
【図８】入力ビーム及び出力ビームが光軸線に対して角度が付けられた、代替的な実施の形態を示す、図２と同様の頂面図である。
【図９】９Ａないし９Ｃは、１１個の同一のスラブの積層体について吸収された励起パワーの変化を示すグラフである。
【図１０】１０Ａないし１０Ｃは、積層体の５つの中央スラブ内にて異なるドーパント濃度が使用される、図９Ａないし図９Ｃと同様のグラフである。
【図１１】１１Ａないし１１Ｃは、１１個のスラブ内にて６つの異なるドーパント濃度が使用される、図９Ａないし図９Ｃと同様のグラフである。
【図１２】出力サブビームを小型化し且つ再コリメートする形態とされたセグメント化したミラーの配置を示す図である。
【図１３】固相スラブの２つの積層体を含む、二次元的配列を示す端面図である。
【図１０−２】１０Ａないし１０Ｃは、積層体の５つの中央スラブ内にて異なるドーパント濃度が使用される、図９Ａないし図９Ｃと同様のグラフである。
【図１１−２】１１Ａないし１１Ｃは、１１個のスラブ内にて６つの異なるドーパント濃度が使用される、図９Ａないし図９Ｃと同様のグラフである。
【図１２−２】出力サブビームを小型化し且つ再コリメートする形態とされたセグメント化したミラーの配置を示す図である。
【図１３−２】固相スラブの２つの積層体を含む、二次元的配列を示す端面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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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１０−２】
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【図１１−２】
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【図１２−２】
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【図１３−２】
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【国際調査報告】
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