(57)【要約】【解決手段】レーザー増幅器システムは、縦軸及び縦軸に実質的に平行な複数の側面を有する利得媒質を含む。レーザー増幅器システムは、複数の内面を有する導波路もまた含む。内面のそれぞれは、利得媒質の複数の側面の１つに光学的に結合される。導波路は、複数の外面もまた含む。レーザー増幅器システムは、導波路の外面に光学的に結合されたクラッドをさらに含む。【選択図】  図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中の第１の温度によって特徴付けられる利得媒質と、動作中の前記第１の温度よりも高い第２の温度によって特徴付けられるクラッドとを備える、レーザー増幅器システム。
【請求項２】
前記第２の温度が、実質的に室温である、請求項１に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項３】
前記利得媒質が、縦軸及び前記縦軸に実質的に平行な複数の側面を有する、請求項１に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項４】
前記利得媒質が、前記縦軸に沿って測定される厚さよりも大きい前記縦軸に直交する幅及び長さを有する長方形スラブを備える、請求項１に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項５】
前記利得媒質が、Ｙｂ：ＹＡＧ又はＹｂ：ＣａＦ２の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項６】
複数の内面であって、前記内面のそれぞれが、前記利得媒質の前記複数の側面の１つに光学的に結合される、複数の内面、及び
複数の外面
を有する導波路と、
前記導波路の前記外面に光学的に結合されたクラッドと、
をさらに備える、請求項１に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項７】
前記利得媒質が、利得波長において光を増幅するように動作可能である、請求項６に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項８】
前記導波路が、前記利得波長において実質的に透明である、請求項７に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項９】
前記クラッドが、前記利得波長において吸収性である、請求項７に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項１０】
前記内面が第１の表面積によって特徴付けられ、前記外面が前記第１の表面積よりも小さい第２の表面積によって特徴付けられるように、前記導波路が次第に細くされる、請求項５に記載のレーザー増幅器システム。
【請求項１１】
入力／出力面及び裏面を有する利得要素であって、
幅、長さ、並びに前記幅及び前記長さよりも小さい厚さを有する利得媒質、
前記利得媒質を部分的に取り囲む導波路、及び
前記導波路を部分的に取り囲むエッジ吸収体
を備える、利得要素と、
前記裏面に隣接して配置された反射要素と、
前記反射要素に隣接して配置された冷却要素と、
を備える、反射型光増幅器。
【請求項１２】
前記利得媒質が、イッテルビウム活性種を含む、請求項１１に記載の反射型光増幅器。
【請求項１３】
前記利得媒質が、ＹＡＧ又はＣａＦ２母体結晶のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の反射型光増幅器。
【請求項１４】
前記利得媒質が、母体結晶に配置された活性種を含み、前記導波路が、前記母体結晶を含む、請求項１１に記載の反射型光増幅器。
【請求項１５】
前記エッジ吸収体が、前記母体結晶に吸収種を含む、請求項１４に記載の反射型光増幅器。
【請求項１６】
前記反射要素が、誘電体スタックミラーを備える、請求項１１に記載の反射型光増幅器。
【請求項１７】
冷却要素が、前記長さの前記幅倍にほぼ等しい空間寸法を有する冷却面を備える、請求項１１に記載の反射型光増幅器。
【請求項１８】
前記利得媒質が、動作中の第１の温度によって特徴付けられ、前記エッジ吸収体が、動作中の前記第１の温度よりも高い第２の温度によって特徴付けられる、請求項１１に記載の反射型光増幅器。
【請求項１９】
前記第２の温度が、実質的に室温である、請求項１８に記載の反射型光増幅器。
【請求項２０】
縦方向に沿って配列された一組の増幅器ユニットであって、前記増幅器ユニットのそれぞれが、
前記縦方向に沿って伝搬する光を増幅し、横断方向及び横方向に沿ってＡＳＥを生じさせるように動作可能な利得スラブであって、前記横断方向が前記縦方向に直交し、前記横方向が前記縦方向及び前記横断方向に直交する、利得スラブ、
前記利得スラブの周辺部分に光学的に結合された導波路、
前記導波路に光学的に結合され、前記横断方向に沿って伝搬するＡＳＥを反射するように動作可能な一組の反射体、
前記反射体のうちの１つにそれぞれ結合され、冷却流体の流れを前記横断方向に沿って向けるように動作可能な一組の冷却翼、並びに
前記導波路に光学的に結合され、前記横方向に沿って伝搬するＡＳＥを吸収するように動作可能な１つ又は複数の吸収エッジクラッド
を備える、一組の増幅器ユニットと、
クーラント流を前記横断方向に沿って供給するように動作可能な冷却システムと、
を備える、光増幅器システム。
【請求項２１】
前記導波路の厚さが、前記利得スラブの厚さに実質的に等しい、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２２】
前記一組の反射体が、前記ＡＳＥの波長における高反射率誘電体ミラーを備える、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２３】
前記利得媒質が、イッテルビウムを含む、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２４】
前記利得媒質が、ＹＡＧ又はＣａＦ２のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の光増幅器システム。
【請求項２５】
前記横方向に沿って伝搬する前記ＡＳＥが、前記一組の反射体から反射されるＡＳＥを含む、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２６】
前記一組の冷却翼が、前記導波路と同じ材料を含む、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２７】
前記増幅器ユニットの間に配置された１つ又は複数の横断する流れ障壁をさらに備える、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２８】
前記導波路が、前記横断方向に次第に細くされる、請求項２０に記載の光増幅器システム。
【請求項２９】
レーザー増幅器を動作させる方法であって、
縦軸、横断軸、及び横方向軸を有する利得媒質を用意するステップと、
前記利得媒質を励起するステップと、
前記利得媒質を通る光を前記縦軸に沿って向けるステップと、
前記光を前記利得媒質内で増幅するステップと、
前記利得媒質が第１の温度によって特徴付けられるように前記利得媒質を冷却するステップと、
ＡＳＥを前記利得媒質内で生じさせるステップであり、前記ＡＳＥが、前記横断軸及び前記横方向軸に沿って伝搬する、ステップと、
前記利得媒質に光学的に結合された導波路を通るように前記ＡＳＥを向けるステップと、
前記導波路に光学的に結合されたエッジクラッドで前記ＡＳＥの一部分を吸収するステップであって、前記クラッドが、前記第１の温度よりも高い第２の温度によって特徴付けられる、ステップと、
を含む、方法。
【請求項３０】
前記利得媒質が、イッテルビウムを含む利得スラブを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記導波路が、前記ＡＳＥと関連する波長において９０％よりも大きい透過率によって特徴付けられる光学要素を備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記導波路が、前記横断軸及び前記横方向軸と整合した方向に沿って前記利得媒質を部分的に取り囲む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記利得媒質が、母材を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記導波路が、前記母材を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
母材が、ＹＡＧ又はＣａＦ２のうちの少なくとも１つを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記導波路が、ＹＡＧ又はＣａＦ２のうちの少なくとも１つを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１の温度が、室温より低い、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の温度が、２００Ｋ以下である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の温度が、室温である、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１１年６月１３日に出願された、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と題する、米国特許仮出願第６１／４９６，４８１号の優先権を主張するものであり、その仮出願の開示は、参照により全体としてすべての目的のために本明細書に組み込まれる。
【政府支援の研究又は開発の下でなされた発明の権利に関する声明】
【０００２】
[0002]米国政府は、ローレンスリバモア国立研究所の業務についての、米国エネルギー省とローレンスリバモアナショナルセキュリティ、ＬＬＣとの間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って、この発明の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]イッテルビウム添加ＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）は、高出力ダイオード励起固体レーザーのための固体レーザー利得媒質として使用されている。Ｙｂは、９４０ｎｍで、１８ｎｍ幅の吸収帯を有し、１０３０ｎｍで利得を生じさせる。Ｙｂ：ＹＡＧレーザー及び増幅器は、高出力１０６４ｎｍＮｄ：ＹＡＧレーザー／増幅器が受け持ついくつかの応用で使用でき、５１５ｎｍへの周波数倍増は、５１４ｎｍアルゴンイオンレーザーが以前に受け持ったいくつかの応用での使用を可能にすることができる。
【０００４】
[0004]固体レーザー及び増幅器システムの開発でなされた進歩にもかかわらず、固体レーザーに関係する方法及びシステムの改善の必要性が、当技術分野にはある。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]本発明は、一般にレーザーシステムに関する。より詳細には、本発明は、利得媒質が所定の温度に冷却され、一方利得媒質からの増幅自然放出を吸収するために使用される材料が利得媒質よりも高い温度で動作する、極低温冷却レーザー増幅器のための方法及びシステムに関する。単に例として、本発明は、熱的に分離されたエッジ吸収体を備える極低温冷却増幅器アセンブリに適用された。本方法及びシステムは、様々な他のレーザー増幅器アーキテクチャ及びレーザーシステムに適用できる。
【０００６】
[0006]本発明の実施形態によると、レーザー利得材料は、極低温度で動作し、一方吸収エッジクラッドは、より高い温度で動作して、冷凍要件を低減し、それによってシステム効率を増加させる。いくつかの実施形態では、極低温冷却利得媒質が利用され、その場合ＡＳＥなどの寄生放射を吸収するために使用されるエッジクラッドは、より温かい温度で動作する。熱的分離は、光導波路並びに利得媒質とエッジクラッドとの間を結合する自由空間の形をとることができる。本発明の実施形態は、Ｙｂ並びに他の極低温冷却利得媒質に適用可能であり、反射型及び透過型増幅器配置の両方で実施できる。
【０００７】
[0007]本発明の一実施形態によると、レーザー増幅器システムが提供される。レーザー増幅器システムは、縦軸及び縦軸に実質的に平行な複数の側面を有する利得媒質を含む。レーザー増幅器システムは、複数の内面を有する導波路もまた含む。内面のそれぞれは、利得媒質の複数の側面の１つに光学的に結合される。導波路は、複数の外面もまた有する。レーザー増幅器システムは、導波路の外面に光学的に結合されたクラッドをさらに含む。
【０００８】
[0008]本発明の別の実施形態によると、反射型光増幅器が提供される。反射型光増幅器は、入力／出力面及び裏面を有する利得要素を含む。利得要素は、幅、長さ、並びに幅及び長さよりも小さい厚さを有する利得媒質を含む。利得要素は、利得媒質を部分的に取り囲む導波路及び導波路を部分的に取り囲むエッジ吸収体もまた含む。反射型光増幅器は、裏面に隣接して配置された反射要素及び反射要素に隣接して配置された冷却要素もまた含む。
【０００９】
[0009]本発明の具体的な実施形態によると、光増幅器システムが提供される。光増幅器システムは、縦方向に沿って配列された一組の増幅器ユニットを含む。増幅器ユニットのそれぞれは、縦方向に沿って伝搬する光を増幅し、横断方向及び横方向に沿ってＡＳＥを生じさせるように動作可能な利得スラブを含む。横断方向は、縦方向に直交し、横方向は、縦方向及び横断方向に直交する。増幅器ユニットのそれぞれは、利得スラブの周辺部分に光学的に結合された導波路及び導波路に光学的に結合され、横断方向に沿って伝搬するＡＳＥを反射するように動作可能な一組の反射体もまた含む。増幅器ユニットのそれぞれは、一組の冷却翼をさらに含む。その組の冷却翼のそれぞれは、反射体の１つに結合され、冷却流体の流れを横断方向に沿って向けるように動作可能である。増幅器ユニットのそれぞれは、導波路に光学的に結合され、横方向に沿って伝搬するＡＳＥを吸収するように動作可能な１つ又は複数の吸収エッジクラッドをさらに含む。光増幅器システムは、横断方向に沿ってクーラント流を供給するように動作可能な冷却システムもまた含む。
【００１０】
[0010]本発明の別の具体的な実施形態によると、レーザー増幅器を動作させる方法が提供される。本方法は、縦軸、横断軸、及び横方向軸を有する利得媒質を用意するステップ並びに利得媒質を励起するステップを含む。本方法は、利得媒質を通る光を縦軸に沿って向けるステップ及びその光を利得媒質内で増幅するステップもまた含む。本方法は、利得媒質が第１の温度によって特徴付けられるように利得媒質を冷却するステップ及び利得媒質内でＡＳＥを生じさせるステップをさらに含む。ＡＳＥは、横断軸及び横方向軸に沿って伝搬する。加えて、本方法は、ＡＳＥを利得媒質に光学的に結合された導波路を通るように向けるステップ及びＡＳＥの一部分を導波路に光学的に結合されたエッジクラッドで吸収するステップを含む。クラッドは、第１の温度よりも高い第２の温度によって特徴付けられる。
【００１１】
[0011]多数の便益が、従来の技術に優る本発明を通じて達成される。例えば、本発明の実施形態は、大きなパルスエネルギーを生じさせ、高い繰り返し率（すなわち、高い平均出力）で動作するパルス状レーザーシステムを提供する。いくつかの実施形態では、利得媒質の冷却は、従来の技術と比べて固有のレーザー効率及び保管寿命を改善する。増幅自然放出吸収体を冷却するために使用される電力量を低減することによって、本発明の実施形態は、従来のシステムよりも高いシステム効率を提供する。いくつかの実施形態は、利得媒質のすぐ近くから吸収エッジクラッドを取り除き、それによってシステム効率を著しく改善する。本発明のこれらの実施形態及び他の実施形態は、その利点及び特徴の多くと一緒に、以下の本文及び添付された図と併せてより詳細に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による温度の関数として性能係数の逆数を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成でのＮｄ添加ガラス利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での２００ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での１５０ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での２００Ｋ及び１５０ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ並びにＮｄ：ガラス利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による極低温冷却を備える増幅器スラブ構成の端面図を例示する簡略化した概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａで例示する増幅器スラブ構成を通る横断面を例示する簡略化した概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による様々な構成について導波路を通る伝導性熱負荷を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるテーパー状導波路を例示する簡略化した横断面概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による能動的に冷却されたミラーと統合された導波路構成の簡略化した横断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａで例示する能動的に冷却されたミラーと統合された導波路構成の簡略化した端面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による極低温冷却を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。
【図７Ｂ】図７Ａで例示する増幅器スラブ配置の簡略化した平面図である。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態による極低温冷却及びガス成形を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による流れ障壁を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。
【図８Ｂ】図８Ａで例示する増幅器スラブ配置の簡略化した平面図である。
【図９】本発明の代替実施形態による導波路構成の簡略化した平面図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成で２００Ｋにおいて動作するＹｂ：ＹＡＧ利得媒質を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成で１５０Ｋにおいて動作するＹｂ：ＹＡＧ利得媒質を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の一実施形態によるいくつかのシステム構成についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による光増幅器を動作させる方法を例示する簡略化した流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0033]高出力固体レーザーは、光学利得を提供するために励起される固体利得媒質を用いる。そのようなレーザーをより高い出力に、特にパルスシステムでより高いパルスエネルギーに拡大することは、レーザー材料の光損傷しきいによって課せられる限界を回避するためにより大きな開口利得媒質（すなわち、光学軸を横断するより大きな面積）の使用を含む。開口サイズＸが増加するにつれて、光学軸を横断して伝搬するフォトンについての光増幅利得Ｇ＝ｅｇＸもまた、増加する。結果として生じる横断増幅自然放射（ＡＳＥ）は、利得媒質に蓄えられるエネルギーの損失を生じさせ、システムを横断方向での寄生レーザー発振により影響されやすくする。
【００１４】
[0034]本発明の実施形態によると、寄生光を抑制し、利得媒質内での寄生レーザー発振を回避するために、横断方向に伝搬するＡＳＥは、例えばクラッド又はエッジクラッドともまた呼ばれる、ＡＳＥ波長で高い光学的損失を持つエッジ吸収体の使用を通じて、利得媒質を通って多重パスを作ることを妨げられる。いくつかの実施形態は、利得媒質のエッジ表面の処理を含む構造（例えば、ＡＲコーティング、面取りした若しくは研磨した表面、又は同様のもの）を利用する。本明細書全体にわたってより完全に述べられるように、エッジ吸収体の屈折率は典型的には、後方反射を防止するために利得媒質の屈折率と厳密に一致する。
【００１５】
[0035]本発明者らは、極低温冷却Ｙｂ添加利得媒質を利用する従来の高エネルギーパルス状レーザー増幅器が、もしＡＳＥ吸収エッジクラッドもまた極低温冷却されるならば、室温で動作するＮｄ添加利得媒質に優る重要な利点をもたらさないことを解明した。効率−励起パワーのトレードオフは、低い温度での冷却と関連する効率の悪さのために極低温冷却媒質にとってさらに悪い。本発明の実施形態によると、利得媒質からのエッジクラッドの熱的分離は、効率−励起パワーのトレードオフの著しい改善を可能にする。所望の熱的分離を達成し、従来のシステムに優る性能改善をもたらす、本発明の実施形態によって提供されるいくつかの設計が、本明細書で述べられる。
【００１６】
[0036]レーザーが高い平均出力で動作するときは、かなりの熱負荷が、エッジ吸収体に蓄積される。本発明のいくつかの実施形態は、１０５３ｎｍの波長で動作し、Ｎｄ添加ガラス利得媒質を使用するレーザー増幅器ビームラインに関係する。レーザー動作及びエッジ吸収体での熱負荷の例として、２５×２５ｃｍ２開口から６．３３ｋＪのパルスを生じさせるために、１Ｊの光シードパルスが、一対の増幅器として配置された一連の３２個のガラススラブを通る４つのパスを作る。各スラブは、１ｃｍ厚さで、１．０５の光学利得を持つ。この利得レベルにおいて、スラブは、８７２ｎｍで０．５Ｊ／ｃｍ２／スラブの励起エネルギーを利用し、ＡＳＥは、約２９４Ｊのエネルギーが各増幅器スラブのエッジクラッドで吸収されるという結果になる。１５Ｈｚのパルス繰り返し率で動作するときは、これは、各スラブのエッジ吸収体への４．４ｋＷの熱負荷に対応する。そのような高い熱負荷は、一般にエッジ吸収体の能動的冷却を必要とすることになり、その能動的冷却は、例えば、熱を引き出すために吸収体のそばを冷たい流体を流すことによって達成できる。
【００１７】
[0037]本発明のいくつかの実施形態は、Ｙｂイオンの光学遷移に基づく極低温に冷却された利得媒質の使用を可能にする。そのような材料は、改善された光学効率をもたらすことができ（例えば、極低温に冷却された利得媒質の低い量子欠損に起因して）、極低温に冷却された利得媒質の長い励起状態寿命（≧１ｍｓ）がパルス化されたシステムでのより長い励起継続時間と両立し、そのことがピーク励起パワー要件を、それ故にダイオード励起のためのコストを低減するので、より低いシステムコストを可能にすることができる。いくつかの研究が、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶又はセラミック母材でのＹｂの使用に関係してなされており、他の研究は、ＣａＦ２又は三二酸化物母材の使用に関係している。これらの母材のいくつかは、これらの母材の魅力的な熱機械特性と関連する追加のレーザー利点をもたらす。
【００１８】
[0038]本発明者らは、大部分のＹｂ添加利得媒質と関連する基本的不都合が、極低温冷却の要求であることを解明した。室温では、Ｙｂでのレーザー発振遷移の準３準位の性質が、より低いレーザー発振準位の熱的占有数（ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）に起因して光学効率を低減させる。この理由のため、非常に高い励起強度が、室温で大部分のＹｂ添加媒質を使って効率的動作を達成するために必要とされる。実際には、そのような励起強度を達成することは、一般に困難である。しかしながら、十分に低い温度では、本発明者らは、より低いレーザー発振準位の熱的占有数が大きく減少し、その結果Ｙｂが４準位システムとして振る舞い、光学効率が著しく改善することを解明した。
【００１９】
[0039]システムの視点からすれば、全レーザー壁コンセント効率（ｗａｌｌｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、冷却に必要とされるパワー並びに光学的励起に必要とされるパワーを含むべきである。冷凍効率は、温度の低下とともに減少するので、極低温冷却Ｙｂ媒質の光学効率の改善は、エッジ吸収体冷却の効率の減少によって相殺される。冷却効率は、「性能係数」（ＣＯＰ）によって特徴付けられ、冷却システムを動作させるのに必要とされる電力で除去される熱を割った比である。図１は、本発明の一実施形態による温度の関数としてＣＯＰの逆数を例示する簡略化したプロットを示す。図１で例示するように、ＣＯＰは、冷却温度の低下とともに急速に悪化する。図１で例示する曲線は、いくつかの情報源からの測定データ及び計算データ並びに理想的カルノー冷凍機性能（実線）、経験的データへの対数適合（Ｅｍｍｅｔ他）、及びデータ点への別の対数適合（Ｄｅｒｉ  Ｌｏｇ  Ｆｉｔ）を含む。グラフの右部分での円で囲まれたデータ点は、適合に含まれなかった。図１で例示する冷却ＣＯＰの大きな減少は、エッジ吸収体もまた冷却される極低温冷却レーザーシステムの全体の壁コンセント効率を著しく悪化させる可能性がある。
【００２０】
[0040]ディスクレーザーのための従来の配置は、エッジクラッドを利得媒質にごく接近して置く。接着剤の薄層（ｍｍ程度）が、これらの媒質を結合するために用いられることもあり、これらの媒質が、一緒に拡散接合されることもある。いずれの場合も、エッジクラッドと利得媒質がごく接近していることで、両方の材料が非常に似た温度で動作することになり、その結果エッジクラッドと利得媒質のための冷却サブシステム（例えば、スラブ面のためのヘリウム及びエッジクラッドのための液体）もまた、非常に似た温度で動作する。
【００２１】
[0041]本明細書で述べるデバイスの効率及び励起パワー要件は、レーザー性能を分析するために計算できる。例として、計算は、６．３３ｋＪ／パルスで動作し、２５×２５ｃｍ２開口を使用し、４パスを利用する増幅器構成について行うことができる。室温で動作するＮｄ：ガラス利得媒質（例えば、Ｓｃｈｏｔｔから入手できるＡＰＧ−１）又は１５０か若しくは２００Ｋの温度で動作する極低温冷却Ｙｂ添加ＹＡＧ利得媒質が、比較されてもよい。ガラススラブは、熱衝撃問題を回避するためにいくつかの実施形態では１ｃｍ厚さで製作され、一方ＹＡＧ厚さは、その改善された熱機械特性の利点を活かすためにいくつかの実施形態では２ｃｍに至るまでの値に及ぶ。どちらの場合も、増幅器スラブの数、１スラブ当たりの利得係数、及び励起継続時間は、性能の最適領域を確立するように変えられた。システムは、固定励起エネルギーについて効率に基づいて比較される。本明細書で述べる計算では、１．０５μｍ波長の４．９ＭＪの１パルス当たりの全レーザーエネルギーを生み出す、それぞれが２つの増幅器サブモジュールを含む、７６８増幅器ビームラインのシステムへの励起パワーが、言及される。
【００２２】
[0042]レーザー性能は、実験的に報告された温度依存吸収及び発光スペクトルから決定された断面積を使用する、Ｆｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋの式を使用して計算された。計算での励起状態寿命パラメーターは、文献で報告された実験結果から得られ、ＡＳＥ挙動は、文献で報告された方法に似た方法を使用して計算された。
【００２３】
[0043]増幅器スラブのバルク内に発生した熱（例えば、量子欠損に起因して発生した熱）を除去するために、冷たいヘリウムガスなどのガスが、５気圧で流される。エッジ吸収体での熱は、ガス又は液体（例えば、冷たいフッ化炭素液体）をエッジ吸収体に熱的に結合される含有領域（例えば、管類）を通って流すことによって除去される。両方のクーラント（例えば、ヘリウムガス及びフッ化炭素液体）のための冷却サブシステムは、熱交換器を介してポンプ又は圧縮器及び冷却されている構成部品を含む二次ループの冷却を行う冷凍ループとして提供される。冷却するための電力は、ポンプ／圧縮器パワー（理想値の７５％であると仮定される）及び冷凍電力の両方を含み、図１で示すＣＯＰデータへの曲線適合を使用して一次温度（熱交換器での）の関数として決定された。他のシミュレーションパラメーターは、様々な利得媒質についてパルス状レーザー増幅器設計の比較を提供する表１に要約される。本発明の実施形態は、これらの特定の利得媒質に限定されず、例となる目的のためにだけ例示される。表１で例示するＮｄ：ガラスレーザーシステムは、７６８ビームライン（１５３６増幅器）を含み、１．０５μｍの波長で４．９ＭＪのエネルギーを供給する。
【表１】
2014519721.tif 000003
【００２４】
[0044]図２Ａは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成でのＮｄ添加ガラス利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す。図２Ｂは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での２００ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す。図２Ａ及び２Ｂでは、各データ点は、異なるレーザー設計を表す。
【００２５】
[0045]図２Ａを参照すると、ピーク励起パワーの関数としての効率は、２９５Ｋ（室温近く）で動作する２５ｃｍ×２５ｃｍＮｄ：ＡＰＧ−１増幅器スラブについて示される。冷却パワーのない場合及び直列に１〜８増幅器スラブについての動作が、例示される。図２Ｂを参照すると、ピーク励起パワーの関数としての効率は、２００Ｋで動作するエッジクラッドを備え、２００Ｋで動作するＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブ（複数可）について示される。冷却パワーのない場合及び直列に１〜８増幅器スラブについての動作が、例示される。それ故に、図は、全システム効率（冷却サブシステムを含む）及びレーザー単独（冷却のない場合）の両方についての結果を示す。図２Ａ及び２Ｂは、システム効率と必要とされる励起パワーとの間の基本的なトレードオフを例示し、必要とされる励起パワーは、ダイオード励起構成部品の必要とされるコストを表す。そのトレードオフは、励起パルスの継続時間を変えることによって調整される。これらの図は、冷却Ｙｂ利得媒質の使用が、必要とされる励起パワーを著しく低減することを示し、そのことは、ある程度は、Ｎｄイオンと比べてＹｂイオンの実質的により長い励起状態寿命（Ｙｂについての約１ｍｓ対Ｎｄについての約２５０μｓ）に起因する。いくつかの実施形態では、励起パワーの低減は、全体的システム効率の減少を伴う。表１で示すように、２００Ｋでの極低温冷却Ｙｂ：ＹＡＧシステムについて必要とされる励起パワーは、約８９ＧＷであり、Ｎｄ：ガラスシステムの効率に匹敵する効率、例えば１０％を達成する。
【００２６】
[0046]図２Ｃは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での１５０ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す。エッジクラッドもまた、図２Ｃで例示する実施形態では１５０Ｋで動作する。上記の図は、レーザーが高エネルギーパルス状動作モードで動作するとき、極低温冷却システムのいくつかの実施形態が、１０％未満の効率で動作することを実証する。例示する実施形態では、極低温冷却利得媒質を備えるシステムは、冷却が考慮されないときは室温のガラスに基づく設計よりも良好な性能を示すが、極低温冷却に必要とされる電力の増加は、全体的システム効率の正味の減少をもたらす。
【００２７】
[0047]図２Ｄは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成での２００Ｋ及び１５０ＫにおけるＹｂ：ＹＡＧ並びにＮｄ：ガラス利得媒質についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す。利得媒質及びエッジ吸収体は、同じ温度（すなわち、２００Ｋ／２００Ｋ又は１５０Ｋ／１５０Ｋ）に維持される。冷却を含む全レーザーシステム効率だけが、図示される。図２Ｄで示す極低温冷却Ｙｂ：ＹＡＧレーザーシステムと室温Ｎｄ：ガラスシステムとの間の比較は、極低温冷却システムのいくつかの実施形態が、低励起パワーでの性能及びシステム効率の改善をもたらすけれども、システム効率＞９％が必要とされるときは、これらの実施形態で極低温冷却媒質を用いることによる利点が、少ししか又は全く達成されないことを例示する。
【００２８】
[0048]それ故に、効率＞１０％を達成することができないことは、１０％以上の効率を持つ高エネルギーパルス状レーザーを利用できる、慣性核融合エネルギーパワープラントを含む、ある応用でのＹｂ添加利得媒質に基づく従来の極低温冷却システムの使用を制限する。
【００２９】
[0049]上で論じたように、極低温冷却Ｙｂ添加利得媒質に基づく高エネルギーパルス状レーザーシステムの全体的効率は、冷却要件によって著しく影響を受ける。表１を再び参照すると、極低温熱負荷が、量子欠損及び非放射減衰に起因するバルク（容積）スラブ加熱よりも著しく大きい、増幅器スラブでの横断ＡＳＥに起因するエッジクラッドの加熱によって支配されることは、明らかである。この熱をクラッドから除去するために必要とされる電力は、冷却システムの動作温度に強く依存するので、全体的システム効率は、エッジクラッド吸収体を室温近くで動作させることによって改善されることもあり得る。いくつかの実施形態では、エッジクラッド吸収体は、水冷又は他の適切な冷却システムを使用する特定の応用に応じて室温を上回って、室温で、又は室温を下回って動作させることができる。このことは、スラブへの熱応力及び寄生熱漏えいと関連する制限のために、エッジクラッドが冷たい利得媒質にごく接近している従来のデバイスについては実際的でない。それ故に、本発明の実施形態は、エッジクラッドを利得媒質から熱的に分離して、クラッドが利得媒質よりも高い温度で動作することを可能にするデバイス配置を利用する。
【００３０】
[0050]本明細書全体にわたってより完全に述べるように、本発明のいくつかの実施形態は、熱的分離も提供し且つＡＳＥを利得媒質からエッジクラッドに向ける導波路としての役割も果たすための透明材料の領域を利得媒質とエッジクラッドとの間に挿入する。
【００３１】
[0051]図３Ａは、本発明の一実施形態による極低温冷却を備える増幅器スラブ構成の端面図を例示する簡略化した概略図である。図３Ｂは、図３Ａで例示する増幅器スラブ構成を通る横断面を例示する簡略化した概略図である。図３Ａで例示するように、利得媒質３１０は、ｔＧＵＩＤＥに等しい幅を持つ透明導波路３２０によって部分的に取り囲まれる。エッジクラッド３３０は、透明導波路３２０を部分的に取り囲む。導波路３２０の屈折率は、図３Ａについて図の面にあるスラブの平面での寄生レーザー発振を防止するためにクラッド３３０及び利得媒質３１０の両方の屈折率と厳密に一致する。透明導波路３２０の表面（例えば、図３Ｂで示す上面）は、いくらかのＡＳＥが全内部反射によって導波路材料に閉じ込められるように磨かれてもよい。十分に大きな導波路幅ｔＧＵＩＤＥを選択することによって、導波路は、利得媒質及びクラッドが非常に異なる温度で動作できるように熱的分離を提供する。
【００３２】
[0052]いくつかの実施形態では、導波路構造の特徴は、以下のことを含む。
１．レーザー発振波長（例えば、いくつかの実施形態では典型的には約１０５０ｎｍ及びＹｂに基づく利得媒質を使用する実施形態などの他の実施形態では約１０３０ｎｍ）での高い透明性。本明細書で使用する場合、透明は、１００％未満の透過率のこともある低い吸収を含む。従って、透明は、１００％透過率を意味することを意図せず、関心のある波長での高透過及び低吸収、例えば、１０％未満、９％未満、８％未満、７％未満、６％未満、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満、０．２５％未満、０．１％未満、０．０５％未満、０．０２５％未満、又は０．０１％未満の吸収係数（すなわち、パワー吸収）を意味することを意図している。それ故に、説明での用語「透明な」の使用は、関心のある波長の１００％透過率を必要とせず、関心のある波長の大部分又は実質的にすべてを通す材料を含むと理解すべきである。
２．クラッド及び利得媒質の両方に、典型的には０．０５内に又はより良好に一致する屈折率（増幅器スラブの利得係数及び寸法に応じて）。
３．増幅器スラブへの他の熱負荷と比較して、クラッドから利得媒質への伝導性熱流に起因する増幅器スラブへの熱負荷が小さくなるように十分に広いｔＧＵＩＤＥ。この熱負荷は、式、４ｔＸＫΔＴ／ｔＧＵＩＤＥ＜＜ＱＳＬＡＢによって表すことができ、ここで、Ｘ及びｔは、利得媒質の開口幅及び厚さであり、Ｋは、導波路材料の熱伝導率であり、ΔＴは、クラッドと利得媒質との間の温度差であり、ＱＳＬＡＢは、量子欠損及び非放射減衰に起因する増幅器スラブの容積加熱である。
４．アセンブリを破壊する又は反らせることもあり得る熱応力を回避するのに十分な導波路幅ｔＧＵＩＤＥ。
５．熱的破壊又は反りを回避するために利得媒質に十分によく一致した熱膨張係数。
６．導波路材料は、放射熱輸送を防止するために、遠赤外線で不透明であるべきである。室温近くのエッジクラッド温度については、クラッド熱スペクトルは、約９．７μｍで最大になる。それ故に、いくつかの実施形態は、約４μｍの透明性遮断波長を持つ導波路材料を利用する。
【００３３】
[0053]導波路及びエッジクラッドのために選択される材料は、レーザー利得を提供するために選択される材料に依存する。次に来る例となる実施形態では、ＹＡＧセラミック及びＣａＦ２結晶という２つの利得媒質母材のための材料オプションが提示される。
【００３４】
[0054]Ｙｂ：ＹＡＧ利得材料
【００３５】
[0055]約１．８２の屈折率を持つＹｂ：ＹＡＧ利得材料については、導波路材料は、非添加のＹＡＧセラミック、高屈折率ガラス（例えば、Ｓｃｈｏｔｔ  ＬａＳＦ）、又は同様の熱膨張係数を持つ他の適切な屈折率一致材料から製作できる。エッジクラッドは、銅、コバルト、又は同様のものなどの吸収金属イオンを添加した同じ母材を使用して製作できる。導波路及びクラッドの両方にＹＡＧを使用する利点は、熱膨張係数の完璧に近い一致であり、そのことは、アセンブリでの熱応力を回避することになる。ＹＡＧ導波路及びクラッド材料によってもたらされる別の利点は、これらの材料が、接着剤のない共焼結プロセスを使用して増幅器スラブに直接接合できることである。導波路へのガラス材料の使用は、屈折率約１．８２を持つ光学接着剤の使用を含むこともある。そのような接着剤のための１つのオプションは、接着剤に高屈折率ナノ粒子を詰め込むことを含み、このオプションは、屈折率＞１．８４を達成した。ガラス導波路によってもたらされる利点は、熱伝導率の実質的減少であり、このことが、導波路を通って流れる寄生熱を低減する。ＹＡＧ及びガラスの赤外線透過遮断波長（虚の屈折率＞１×１０−４）は、それぞれ約４μｍ及び約２μｍであり、それで両方の材料は、直接放射輸送を抑制することになる。
【００３６】
[0056]Ｙｂ：ＣａＦ２利得材料
【００３７】
[0057]約１．４２の屈折率を持つＹｂ：ＣａＦ２利得材料については、導波路及びクラッドは、ＣａＦ２、ガラス、ポリマー材料、又は同様のものから製作できる。エッジクラッドは、上で論じたように、吸収金属イオンを添加したガラスから製作できる。ＣａＦ２は、１８ｐｐｍ／Ｋの比較的高い熱膨張係数によって特徴付けられる。それに応じて、いくつかの実施形態は、極低温冷却によって誘起される導波路／増幅器スラブアセンブリでの熱応力に取り組む。例えば、妥当な屈折率一致を持つガラス（例えば、Ｓｃｈｏｔｔから入手できるＮ−ＦＫＳ）は、かなりの膨張係数不一致（１２．７ｐｐｍ／Ｋ）を示す。ＣａＦ２から製作される導波路は、この問題を回避するが、他の材料に基づく解決策は、ＣａＦ２の相対的な機械的脆弱性に起因して依然として魅力的である。本発明のいくつかの実施形態は、柔軟な光学接着剤の適度に薄い層（例えば、約１ｍｍ）によって分離されたガラス（例えば、Ｎ−ＦＫＳ）を含む、入れ子状に連なった導波路層を利用することによって熱膨張不一致問題を緩和する。不一致歪みの大部分は、その低い弾性率に起因して挟み込まれた接着剤に加えられることになる。十分な接着剤固有弾性コンプライアンス及び界面での十分な接合強度があれば、この設計は、大きな応力を受け入れることができる。
【００３８】
[0058]図３Ａで例示する配置は、導波路にごく接近した（すなわち、付着した）吸収材料（すなわち、エッジクラッド）を利用するけれども、このことは、本発明によって必要とされない。他の実施形態では、光が増幅器スラブの外部に遠隔設置されたビーム吸収ダンプの方へ伝搬するように、反射防止（ＡＲ）コーティングが、導波路端面に適用される。
【００３９】
[0059]吸収エッジクラッド３３０の幅は、エッジクラッドの外面からの有効反射率が十分に低くなるように選択される。この反射率は、クラッド吸収係数α’及び厚さＬについてｅ−２α’Ｌである、クラッドを通る単一パス吸収の二倍だけ低減される。同時に、エッジクラッドと液体冷却システム（多重増幅器スラブが互いに密に積層される実施形態ではエッジクラッドの外側エッジだけに熱的に接続できるシステム）との間の熱輸送は、より薄いエッジクラッドによって促進される。いくつかの実施形態では、エッジクラッド厚さは、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍに及ぶことになる。特定の実施形態では、エッジクラッド厚さは、Ｌ≒１ｍｍである。
【００４０】
[0060]表１をもう一度参照すると、十分な熱的分離を提供する導波路幅ｔＧＵＩＤＥは、温度依存熱伝導率を使用して２５ｃｍ開口、２ｃｍ厚さ増幅器スラブの配置について計算された。セラミックＹＡＧについての温度依存熱伝導率は、４μｍのセラミック粒径を仮定する。ＬａＳＦガラスの温度依存熱伝導率が、ガラスの熱伝導率に使用された（３５℃で１．０６Ｗ／ｍ−Ｋ）。
【００４１】
[0061]Ｙｂ：ＹＡＧ及びＹｂ：ＣａＦ２利得材料が上で論じられているけれども、本発明の実施形態は、これらの材料に限定されず、ガラス、ストロンチウムフルオロアパタイト（ＳＦＡＰ）、又は同様のものを含む、他の適切な母材が、使用されてもよい。当業者は、多くの変形、変更、及び代替案を認識するであろう。加えて、Ｙｂが、適切な希土類利得媒質として本明細書で論じられたけれども、極低温冷却温度での動作に適した他の利得媒質が、高効率をもたらす熱的に分離されたエッジクラッドを備えたレーザーシステムを提供するために利用されてもよい。
【００４２】
[0062]図４は、本発明の一実施形態による様々な構成について導波路を通る伝導性熱負荷を例示する簡略化したプロットを示す。図４で示す熱負荷は、一次元有限要素シミュレーションから計算された２５ｃｍ×２ｃｍ導波路横断面（２ｃｍ厚さの２５ｃｍ×２５ｃｍ増幅器スラブ）を横切る熱流束の４倍を使用して計算された。量子欠損及び非放射プロセスに起因する増幅器スラブへの典型的なバルク熱負荷は、約９００Ｗであるので（表１を参照）、本発明の実施形態は、ＹＡＧについては約１０ｃｍ〜１５ｃｍ、ガラスについては約３ｃｍ〜５ｃｍに及ぶ導波路幅を利用する。
【００４３】
[0063]いくつかの実施形態では、導波路幅ｔＧＵＩＤＥの最小化は、レーザーシステムの全体サイズを低減するために望ましい。サイズ低減は、以下のいくつかの手法を通じて達成できる。
１．導波層の寸法を熱伝搬方向に沿って次第に細くし、それによって熱移動のための有効断面積を低減し、より小さい導波路又は伝導性熱負荷の低減を可能にすること。図５は、本発明の一実施形態によるテーパー状導波路を例示する簡略化した横断面概略図である。図５で例示するように、利得媒質５１０（すなわち、増幅器スラブ）との接合部における導波路５２０の横断面は、利得媒質と一致するが、しかし伝搬方向に直交する軸に沿った導波路寸法は、エッジクラッド５３０の方へ次第に小さくできる。例えば、利得媒質内での２ｃｍ×２５ｃｍ横断面からエッジクラッドでの１ｃｍ×２５ｃｍ横断面への先細りは、熱負荷を約２５％低減する。例として、テーパー状セラミックＹＡＧ導波路は、利得媒質への熱伝導を低減するために使用できる。
２．エッジクラッドをわずかに低下した温度（例えば、２８０Ｋ）で動作させることによって。
３．導波路をより低い熱伝導率を持つ材料から構築することによって。例えば、セラミックＹＡＧ導波路については、より小さな粒径を持つ材料を使用することが、熱伝導率を低減するので、わずかな利点がある。母材と著しく異なる原子質量又は結合強度を有する種を導波路材料に添加すること（フォノン散乱中心を誘起するために）は、特に低温における熱伝導率を低減するためにもまた使用できる。
【００４４】
[0064]膨張が一致する導波路／利得媒質対についての最悪の場合の熱機械応力は、
σＭＡＸ＝ＥαΔＴ／（１−ν）
から推定でき、ここで、Ｅは、ヤング率であり、αは、熱膨張係数であり、νは、ポアソン比であり、ΔＴは、温度差である。セラミックＹＡＧについての材料係数を使用すると、推定最大応力は、２００Ｋでの増幅器スラブについて１５０ＭＰａを下回る。この推定値は、剛体的に拘束されたアセンブリ及び温度に依存しない膨張係数を仮定するので、最悪の場合の値である。実際のアセンブリは、熱機械的問題を回避するためにゆるく保持されることになり、αは、温度の低下ととともに減少することが周知であり、その結果有効膨張歪み∫αｄＴ＜αΔＴとなる。σＭＡＸ＝１５０ＭＰａの最悪の場合の推定値は、セラミックＹＡＧの破壊強度（３４０〜３６０ＭＰａ）及び結晶ＹＡＧの弾性限界（２８０ＭＰａ）を十分に下回り、σＭＡＸ推定値の控えめな性質を所与とすると、導波路を横切る温度勾配は、重要な問題であると思われない。
【００４５】
[0065]エッジクラッドをより高い温度で動作させる追加の利点は、液体クーラントの性能の改善である。１３５Ｋほどの低い流動点を持つ冷却液体が利用できるが、しかしそれらの粘度は、流動点を数十度ケルビン上回る範囲内の温度で動作させるときに重要である。より高い粘度は、流体をポンプで送るのに必要とされる電力を増加させる。対照的に、室温近くでの動作は、低粘度、優れた熱容量、及び低コストを示す非常に効果的なクーラント（例えば、水、水／グリコールブライン、及び同様のもの）の使用を可能にする。
【００４６】
[0066]図６Ａは、本発明の一実施形態による能動的に冷却されたミラーと統合された導波路構成の簡略化した横断面図である。図６Ｂは、図６Ａで例示する能動的に冷却されたミラーと統合された導波路構成の簡略化した端面図である。図６Ａ及び６Ｂで例示する導波路構成は、レーザービームが同じ面を通って増幅器スラブに出入りする設計に適している。それ故に、増幅器スラブの一面は、図６Ａで示すように冷却に使用できる。
【００４７】
[0067]液体クーラント又は固体熱伝導性ブロックとすることができる冷却媒体６１０は、増幅器スラブ面にごく接近して置かれる。例示する実施形態では、冷却媒体６１０は、高反射率（ＨＲ）多層誘電体スタックとすることができる反射コーティング６２０によって利得媒質から分離される。図６Ａで示すように、冷却ブロックの横断寸法（図６Ｂの面と並んだｘ−ｙ面で）は、低温冷却媒体が導波路を横切って熱的「短絡回路」を形成しないように、増幅器スラブ／透明導波路／エッジクラッドアセンブリよりも小さい。利得媒質とエッジクラッドとの間の熱的分離のために、利得媒質は、利得媒質よりも高い温度で動作できるエッジクラッドとは別に必要に応じて冷却できる。
【００４８】
[0068]増幅器スラブの面が、流体を使った直接冷却に利用できるときは、利得媒質は、その面の上に高圧ガスを流すことによって冷却できる。この手法のいくつかの実施詳細は、以下のことを含む。
１．ヘリウムガスは、散乱損失を最小限にするために使用できる。
２．増幅器スラブ及び増幅器のカバー窓、又は図６Ａなどの反射配置のための増幅器の反射体は典型的には、ガス速度を増加させて流路の真上の熱移動を改善する狭いガス流路を形成するように配列される。
３．利得媒質流路へのガス入口及び出口は、最適流動パターンを達成するための「翼」を成形される。
【００４９】
[0069]この冷却手法については、ガスクーラントが、より高温のエッジクラッドの上を通ると加熱されることもあるので、いくつかの導波路構成は、準最適である。このことは、冷凍システムへの熱負荷を増加させ、従ってシステム効率を低下させることになる。
【００５０】
[0070]図７Ａは、本発明の一実施形態による極低温冷却を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。図７Ｂは、図７Ａで例示する増幅器スラブ配置の簡略化した平面図である。図７で例示する導波路構成は、増幅器スラブアセンブリの２つのエッジ上だけに位置する吸収エッジクラッド７３０の方へＡＳＥをそらすために反射体７４０を利用する。反射体７４０は、ＨＲコーティングを導波路材料７２０の角度の付いたエッジ上に堆積させることによって製作できる。例示するように、反射体７４０は、ＡＳＥを吸収エッジクラッド中に向けるために角度θに傾斜している。これらのエッジは、適切なガス流を確保するために図７Ａ及び７Ｂでのガス成形翼７５０に接続され、その翼は、光学的に透明でない材料で作ることができる。ガス成形翼７５０の接合は、屈折率の一致又は透明性の要求がないので、エポキシを含む様々な材料を使用して行うことができる。利得スラブ７１０、導波路材料７２０、反射体７４０、ガス成形翼７５０、及び吸収エッジクラッド７３０は、増幅器ユニットと呼ぶことができる。例示する実施形態では、増幅器ユニットは、縦方向に配列され、レーザー光は、その縦方向に沿ってその組の増幅器ユニットを通って伝搬する間に増幅される。吸収エッジクラッドと利得媒質との間の熱的分離は、利得媒質が第１の温度（例えば、極低温度）で動作し、一方吸収エッジクラッドが第１の温度よりも高い第２の温度（例えば、室温）で動作することを可能にする。
【００５１】
[0071]図７Ａで例示するように、クーラント流は、クーラント流のいくらか又は大部分がエッジクラッドと相互作用しない方法でクーラントの流れを利得媒質に供給する。クーラント流の中央部分は、利得媒質に達する前はエッジクラッドの上を流れずに、エッジクラッドに平行に流れる。従って、この実施形態では、エッジクラッドは、クーラント流に平行なアセンブリの周辺部分に置かれるので、エッジ吸収体と利得媒質との間の付加的レベルの熱的分離が、提供される。
【００５２】
[0072]図７Ｃは、本発明の一実施形態による極低温冷却及びガス成形を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。図７Ｃで例示するように、追加の導波路材料７２０’が、図７Ｃの面に平行な導波路エッジを形成するために使用される。追加の導波路材料７２０’の使用は、接合を簡略化し、熱応力を低減することができる。
【００５３】
[0073]図７Ａを参照すると、反射面及びエッジクラッドは、横断面（図７Ａの面）での寄生レーザー発振を防止し且つ利得媒質内での励起状態エネルギーのＡＳＥ誘起損失を最小限にするために配置される。例示するように、ＨＲ被覆エッジは、レーザー発振空洞の形成を回避するために互いに平行に配向されない。いくつかの実施形態では、利得媒質から図７Ａの面での大部分の角度に放出されるＡＳＥが、ＨＲコーティングから反射されて利得媒質中に戻らないように、距離ｔ’ＧＵＩＤＥは、十分に大きい距離に設定され、角度θは、十分に小さい角度に設定される。
【００５４】
[0074]アセンブリ温度は、ガス流に対して横断する方向で感知できるほどに変わることになるので、冷却性能の改善は、冷却ガスがアセンブリを横断するときに冷却ガスの横方向輸送を防止することによって達成できる。５０〜１００ｍ／ｓの典型的なガス速度については、ガスが導波路及びスラブを横切って流れる間の約１０ｍｓの間に適度な横方向拡散だけがあるべきである。図８Ａは、本発明の一実施形態による流れ障壁を備える増幅器スラブ配置の簡略化した端面図である。図８Ｂは、図８Ａで例示する増幅器スラブ配置の簡略化した平面図である。図８Ａで例示する流れ障壁８１０は、残留輸送を低減する。いくつかの実施形態では、流れ障壁は、高い圧力差を支持する又は漏れ止めシールを作る必要がないことに留意すべきである。障壁の両側に同様のガス圧力を維持することによって、障壁は、幾何学的障害物を横方向の流れに提供する。
【００５５】
[0075]図９は、本発明の代替実施形態による導波路構成の簡略化した平面図である。図９で例示する横断面は、図８Ｂで例示する横断面に似ている。クーラント流路に沿った導波路材料の長さの増加は、アセンブリを横切る圧力低下を増加させることになる。この圧力低下の増加は、増幅器を通ってガスクーラントを送る圧縮器によって消費される電力を増加させるので、望ましくない。図９で例示する構成は、流れ方向に沿って導波路を次第に細くすることによって圧力低下を緩和する。利得媒質から離れたクーラント流路の幅を増加させることによって、この領域での流体速度及び摩擦は、低減される。加えて、図９で例示する構成は、透明導波路の熱伝導性を低減し、それによってエッジクラッドと利得媒質との間の熱伝導を減少させる。
【００５６】
[0076]本発明者らは、室温吸収体を備える、極低温冷却レーザー／増幅器が、室温Ｎｄ：ガラスレーザー／増幅器に優る魅力的な性能向上を提供することを実証するためにシステムシミュレーションを開発した。エッジクラッド冷却システムの性能係数の改善は、冷却電力を低減し、システム効率の正味の改善をもたらす。
【００５７】
[0077]図１０Ａは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成で２００Ｋにおいて動作するＹｂ：ＹＡＧ利得媒質を例示する簡略化したプロットを示す。図１０Ａは、２９５Ｋで動作するエッジクラッドを備え、２００Ｋで動作するＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブに基づくレーザーについて効率−励起パワーのトレードオフを例示する。図１０Ｂは、本発明の一実施形態によるいくつかの冷却構成で１５０Ｋにおいて動作するＹｂ：ＹＡＧ利得媒質を例示する簡略化したプロットを示す。図１０Ｂは、２９５Ｋで動作するエッジクラッドを備え、１５０Ｋで動作するＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブに基づくレーザーについて効率−励起パワーのトレードオフを例示する。
【００５８】
[0078]図１０Ａ及び１０Ｂでのプロットを計算するために使用されたレーザーパラメーターは、表１に記載されているレーザーパラメーターと同一である。前の結果との唯一の差は、エッジクラッドが極低温度の代わりに２９５Ｋ（すなわち、ほぼ室温）で動作することである。＞８０ＧＷ範囲での励起パワーにおいては、２００ＫのＹｂ：ＹＡＧシステム効率は、同じ励起パワーでのＮｄ：ガラスシステムについての約１０％と比べて、１３％を上回る（表１を参照）。１０％効率を達成することは、約２５Ｗの励起パワーを必要とするだけである（Ｎｄ：ガラスでの８２ＧＷと比べて）。従って、本発明の実施形態は、レーザー効率を約３％改善できる（固定励起パワーで）又は励起パワーをほぼ１／３に低減できる（１０％の固定効率で）２００Ｋ極低温冷却Ｙｂ：ＹＡＧレーザーを可能にするためにＡＳＥ吸収体の室温動作を利用する。
【００５９】
[0079]図１０Ｃは、本発明の一実施形態によるいくつかのシステム構成（すなわち、２９５Ｋで動作するエッジ吸収体を備え、２００Ｋで動作するＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブ及び２９５Ｋで動作するエッジ吸収体を備え、１５０Ｋで動作するＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブ）についてピーク励起パワーの関数としてレーザーシステム効率を例示する簡略化したプロットを示す。図１０Ｃで例示するように、より高い温度（例えば、室温）で動作するエッジ吸収体を備える極低温冷却利得媒質は、室温Ｎｄ：ガラスレーザーに優る著しい改善をもたらすことができる。図１０Ｃで示すデータは、１５０Ｋ及び２００ＫでのＹｂ：ＹＡＧ増幅器スラブの動作が同様のシステム性能をもたらすことを実証する。従って、より低温での動作が典型的には、追加のシステムコスト及び複雑さを必要とすることを所与とすると、いくつかの実施形態は好ましくは、２００Ｋの温度で動作する。当業者は、多くの変形、変更、及び代替案を認識するであろう。
【００６０】
[0080]図１１は、本発明の一実施形態による光増幅器を動作させる方法を例示する簡略化した流れ図である。方法１１００は、縦軸、横断軸、及び横方向軸を有する利得媒質（例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ又はＹｂ：ＣａＦ２などのＹｂに基づく増幅器媒質）を用意するステップ（１１１０）を含む。一実施形態では、利得媒質は、幅及び長さ（横断軸及び横方向軸に沿ってそれぞれ測定される）よりも小さい厚さ（縦軸に沿って測定される）を有する利得スラブ（増幅器スラブともまた呼ばれる）である。本方法は、利得媒質を励起するステップ（１１１２）及び利得媒質を通る光を縦軸に沿って向けるステップ（１１１４）もまた含む。光は、利得媒質内で増幅され（１１１６）、利得媒質は、第１の温度によって特徴付けられるように冷却される（１１１８）。一実施形態では、第１の温度は、１５０Ｋ、２００Ｋ、又は同様のものなどの、室温よりも低い極低温度である。
【００６１】
[0081]本方法は、利得媒質内でＡＳＥを生じさせるステップ（１１２０）もまた含む。ＡＳＥは、横断軸及び横方向軸に沿って伝搬する。本方法は、ＡＳＥを利得媒質に光学的に結合された導波路を通るように向けるステップ（１１２２）をさらに含む。導波路は、いくつかの実施形態では透明であり、ＡＳＥの９０％よりも多くが、導波路を透過する。導波路は、横断軸及び横方向軸と並んだ方向に沿って利得媒質を部分的に取り囲むことができ、縦軸に垂直な利得媒質の面への光学的アクセスを可能にする。いくつかの実施形態では、導波路は、利得媒質と同じ母材から作られるが、しかし活性種（例えば、Ｙｂ）はない。
【００６２】
[0082]加えて、本方法は、ＡＳＥの一部分を導波路に光学的に結合されたエッジクラッドで吸収するステップ（１１２４）を含む。クラッドは、第１の温度よりも高い第２の温度によって特徴付けられる。第２の温度は、室温とすることができる。クラッドは、導波路によって利得媒質から熱的に絶縁されるので、クラッドの温度は、動作中は利得媒質よりも高い温度に維持できる。
【００６３】
[0083]図１１で例示する具体的なステップは、本発明の一実施形態による光増幅器を動作させる特定の方法を提供することを理解すべきである。他の連続したステップが、代替実施形態に従ってまた行われてもよい。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概説したステップを異なる順序で行ってもよい。その上、図１１で例示する個々のステップは、個々のステップに応じて様々な連続で行われてもよい多重サブステップを含んでもよい。さらに、追加のステップが、特定の応用に応じて加えられ又は取り除かれてもよい。当業者は、多くの変形、変更、及び代替案を認識するであろう。
【００６４】
[0084]本明細書で述べる例及び実施形態は、例示目的だけのためであり、それを考慮した様々な変更又は変化が、当業者に示唆されることになり、本出願の趣旨及び範囲並びに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることもまた理解される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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