(57)【要約】【課題】本来のレーザ性能特性を著しく低下させることのない受動Ｑスイッチ一体型マイクロレーザからの熱除去装置および方法を提案する。【解決手段】一体型受動Ｑスイッチマイクロレーザは、第２の光透過性熱伝導エレメントに接着され得る過飽和吸収体に接着された利得媒体に接着された、光透過性熱拡散器を含む。利得媒体および過飽和吸収体のみがレーザ共振器内に配置される。【選択図】図５
2008258627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的励起利得媒体層と、
過飽和吸収体層と、
光軸を有する空洞共振器を形成するために利得媒体および過飽和吸収体層を囲んで配置される第１および第２の反射器と、
空洞共振器外側の光軸上の光透過性材料の熱拡散器と、
前記レーザ共振器の縦方向励起のために配置された利得媒体によって吸収される波長の光学的励起光と、
を含む一体型ボディを備えたマイクロレーザ装置。
【請求項２】
利得媒体活性イオンが、Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+、またはそれらの組みあわせである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項３】
利得媒体ホスト材料が、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項４】
利得媒体ホスト材料が、リン酸塩ガラスまたはケイ酸塩ガラスである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項５】
利得媒体ホスト材料が、セラミックYAGのような光学セラミックである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項６】
利得媒体が、Nd:YAGである、請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項７】
利得媒体が、Yb、Er共添加リン酸塩ガラスである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項８】
過飽和吸収体活性イオンが、Cr4+またはCo2+である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項９】
過飽和吸収体ホスト材料が、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１０】
過飽和吸収体ホスト材料が、リン酸塩ガラスまたはケイ酸塩ガラスである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１１】
過飽和吸収体ホスト材料が、セラミックYAGのような光学セラミックである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１２】
過飽和吸収体が、Cr:YAGである、請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１３】
過飽和吸収体が、Co:スピネルである、請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１４】
熱拡散器がサファイアである、請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１５】
熱拡散器が、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１６】
利得媒体、過飽和吸収体、および熱拡散器が、共通のホスト結晶である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１７】
ホスト結晶が、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料である、
請求項１６に記載のマイクロレーザ。
【請求項１８】
熱拡散器が、励起レーザ波長において伝達性であり、マイクロレーザ波長において吸収性である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項１９】
熱拡散器が、Co:スピネルである、
請求項１８に記載のマイクロレーザ。
【請求項２０】
第１および第２の反射器が、それぞれ利得媒体および過飽和吸収体にそれぞれ直接施された誘電コーティングである、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項２１】
第１の反射器が、励起レーザ波長において高伝達性であり、マイクロレーザ波長において高反射性である、
請求項２０に記載のマイクロレーザ。
【請求項２２】
第２の反射器が、励起レーザ波長において低伝達性であり、マイクロレーザ波長において部分伝達性である、
請求項２０に記載のマイクロレーザ。
【請求項２３】
熱拡散器が第１の反射器に接着され、励起レーザ波長において伝達性であり、マイクロレーザ波長において吸収性である、
請求項２０に記載のマイクロレーザ。
【請求項２４】
熱拡散器が光学的励起面から熱を除去する、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項２５】
熱拡散器が第２の反射器に接着され、励起レーザ波長において低伝達性である、
請求項２０に記載のマイクロレーザ。
【請求項２６】
第１の熱拡散器が第１の反射器に接着され、熱拡散器はマイクロレーザ波長において低伝達性であり、第２の熱拡散器が第２の反射器に接着され、第２の熱拡散器は励起レーザ波長において低伝達性である、
請求項１に記載のマイクロレーザ。
【請求項２７】
光学的励起利得媒体層を過飽和吸収体層に接着し、
光軸を有する空洞共振器を形成するために利得媒体および過飽和吸収体層を囲んで配置される第１および第２の反射器を配置し、
さらに光透過性材料の熱拡散器を空洞共振器外側の光軸上に接着し、
利得媒体によって吸収される波長の励起光を用いてレーザ共振器を縦方向に励起する、
マイクロレーザ提供方法。
【請求項２８】
励起レーザ波長において伝達性であり、マイクロレーザ波長において吸収性である熱拡散器が第１の反射器に接着される、
請求項２７に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項２９】
第１の反射器が、励起レーザ波長において高伝達性であり、マイクロレーザ波長において低伝達性である、
請求項２７に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項３０】
第２の反射器が、励起レーザ波長において低伝達性であり、マイクロレーザ波長において部分反射性である、
請求項２７に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項３１】
さらに、第１の熱拡散器により、光学的励起面から熱を除去する、
請求項２８に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項３２】
さらに、光透過性材料の第２の熱拡散器を空洞共振器外側の光軸上に接着し、空洞共振器の反対側に第１の熱拡散器を接着し、第２の熱拡散器によりマイクロレーザの出力面から熱を除去する、
請求項２７に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項３３】
熱拡散器が第の反射器に接着され、励起レーザ波長において低伝達性である、
請求項２７に記載のマイクロレーザ提供方法。
【請求項３４】
熱拡散器が第１の反射器に接着され、熱拡散器はマイクロレーザ波長において低伝達性であり、第２の熱拡散器が第２の反射器に接着され、第２の熱拡散器は励起レーザ波長において低伝達性である、
請求項２７のマイクロレーザ提供方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｑスイッチマイクロレーザ装置と利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｑスイッチのプロセスは、レーザ発信器において、エネルギーが利得媒体に伝達するまでの間レーザ発振を抑制するのに十分な、例えば吸収体またはシャッターによる挿入損失を伴う。損失が除去されると、強力な光子束が、自然放射から指数関数的に高まり、これらの光子の結合は、部分反射共振ミラーを介して、Ｑスイッチレーザパルスを発生するに至る。当時ジャイアントパルスと呼ばれた、短く強いレーザ光パルスの最初の報告は、能動Ｑスイッチルビーレーザ［McClung, F.J. and Hellwarth, R.W. : “Giant Optical Pulsations from Ruby”, Journal of Applied Physics 33 3, 828-829 (1962)］に遡る。その直後、過飽和吸収体として有機色素を用いた受動Ｑスイッチレーザが報告された［P. P. Sorokin, J. J. Luzzi, J. R. Lenkard and G. D. Pettit : “Ruby Laser Q-Swintching Elements using Phthalocyanine Molecules in Solution”, IBM J. , vol.8, pp.182-184, April, 1964 ; P.Kafalas, J. I. Masters and E. M. E. Murray : “Photosensitive Liquid used as a Nondestructive Passive Q-Switch in a Ruby Laser”, J. Appl. Phys. , 35(8), 2349 (1964); and B. H. Soffer : “Giant Pulse Laser Operation by a Passive, Reversibly Bleachable Absorber”, J. Appl. Phys. , 35, 2551 (1964)］。
【０００３】
過去４０年以上にわたり、多数の能動及び受動損失変調技術がＱスイッチレーザパルスを発生するために使用されてきた。これらのＱスイッチレーザパルスは、わずかのジュールからかなりのジュールに及ぶパルスエネルギーを伴う、数十ピコセカンドの短さ、あるいは、数百ナノセカンドの長さであった。
【０００４】
近年、ダイオードレーザ、励起半導体レーザ及び半導体過飽和吸収体の出現が、マイクロレーザを含む受動Qスイッチレーザに関する新たな関心を引き起こしている。受動Ｑスイッチにおいては、レーザ共振器は利得媒体と吸収媒体とを含み、双方とも飽和でき、したがって応答は非線形であって良い。利得媒体が励起された場合、蓄積エネルギーを累積し、光子を放射し得る。レーザ共振器内における何度もの往復により、光子束は吸収体における利得、固定損失、過飽和損失を見込み得る。
【０００５】
利得媒体が吸収体より先に飽和した場合は、光子束は徐々に強くなるが、レーザは強いパルスを励起しない。一方、最初に光子束が吸収体を飽和またはブリーチするレベルにまで高まる場合、共振器は、共振器内損失において劇的な減少を見込み、したがって、レーザＱスイッチは短く強い光パルスを発生する。
【０００６】
図１に、従来の受動Ｑスイッチマイクロレーザ１００を示す。受動Ｑスイッチマイクロレーザ１００は、利得媒体１０１と、それに接着された過飽和吸収体１０２と、それらを囲む一対の誘電コーティング１０５、１０６とを含み、それらが空洞共振器を形成している。利得媒体に接する誘電コーティング１０５は、光源１１４により供給される励起光を伝達し、マイクロレーザ波長において高反射性である（高反射器）。過飽和吸収体１０２に接する誘電コーティング１０６は、マイクロレーザ波長において部分反射性であり（出力カプラー）、マイクロレーザから光出力１０８を出力する。境界面１１２を形成する利得媒体１０１と過飽和吸収体１０２の面は、利得媒体を介して非吸収励起光を反射し、マイクロレーザ波長の光を伝達するように、誘電性コーティングが施されていても良い。
【０００７】
【非特許文献１】McClung, F.J. and Hellwarth, R.W. : “Giant Optical Pulsations from Ruby”, Journal of Applied Physics 33 3, 828-829 (1962)
【非特許文献２】P.P. Sorokin, J.J. Luzzi, J.R. Lenkard and G.D. Pettit : “Ruby Laser Q-Swintching Elements using Phthalocyanine Molecules in Solution”, IBM J. , vol.8, pp.182-184, April, 1964
【非特許文献３】P.Kafalas, J.I. Masters and E. M. E. Murray : “Photosensitive Liquid used as a Nondestructive Passive Q-Switch in a Ruby Laser”, J. Appl. Phys. , 35(8), 2349 (1964)
【非特許文献４】B.H. Soffer : “Giant Pulse Laser Operation by a Passive, Reversibly Bleachable Absorber”, J. Appl. Phys. , 35, 2551 (1964)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
単結晶材料を用いて製造された受動Ｑスイッチマイクロレーザは定評がある。単結晶材料マイクロレーザは、数ワット以上のパワーで光学的に励起され得、光学的損傷を生じるかも知れない。光学的損傷は、バルク結晶破砕または、コーティング損傷閾値を低下させる熱誘発ストレスの結果としての光学的コーティング障害の形で生じ得る。しかしながら、あるアプリケーションでは、改良された熱除去のないシンプルな装置において、より高い励起パワーで動作する受動Ｑスイッチマイクロレーザを要している。
【０００９】
従来の受動Ｑスイッチマイクロレーザの利得媒体および過飽和吸収体における熱負荷は、一般に、光学的に活性でない装置の一つまたは一つ以上の側面を介して伝導により除去される。利得媒体の光学的非活性励起面からの、および、それほどではないとしても、過飽和吸収体のマイクロレーザ出力面からの、より直接的な熱除去の不足は、最大平均励起パワーを制限し、装置の出力レベルをアプリケーションの所望レベル以下に制限し得る。パワー制限メカニズムは、過度の熱誘発ストレスによる、レーザを構成する材料の壊滅的な熱破壊である。
【００１０】
熱誘発破壊の問題は、利得媒体または過飽和吸収体にガラス材料を用いた場合により悪化する。最近になって、Yb2+とEr2+の共添加（codoped）リン酸塩ガラスベースの目に安全なＱスイッチレーザが実証された。この目に安全なＱスイッチレーザは、利得媒体の破壊の前に、励起パワーが数百ミリワットに制限される［Karlsson et al. : “Diode-pumped Er-Yb : glass laser passively Q-switched by use of Co2+: MgAl2O4  as a saturable absorber”, Appl. Optics., vol.39, pp. 6188-6192, (2000)］。励起パワー制限は、YAG13Wm-1K-1のような、一般的な結晶ホストの低熱伝導率に比べて非常に低い、リン酸塩ガラスホストの熱伝導率0.85Wm-1K-1に起因する。
【００１１】
マイクロレーザの励起および出力面に対する、光透過性熱伝導要素、または熱拡散器の追加は、利得媒体の励起面から、また、要求があれば、過飽和吸収体のマイクロレーザ出力面から、直接熱を除去するための熱拡散器として機能する。この方法の効力は、Zayhowski等により実証されており、図２に示す装置に従い、“Pump-induced bleaching of the saturable absorber in short-pulse Nd : YAG/Cr4+ : YAG passively Q-switched microchip lasers”, IEEE J.Quant. Electron., vol.39, pp.1588-1593(2003)で報告されている。Zayhowski等は、Nd : YAGに接着された非ドープYAG片を使った、25Wの励起パワーで信頼性高く作動する受動ＱスイッチNd : YAG/Cr4+レーザを示している。Zayhowski等のシステムは、吸収励起放射の最高密度部分における表面からの熱と、関連する熱負荷の除去を可能とする。非ドープYAGは、Cr : YAGと同様に、Nd : YAGに接着され、それはOnyx Optics, Inc.のMeissnerにより実現された拡散接合である［US Patent 5,846,638］。先行技術装置の大部分の場合は、マイクロレーザの非ドープYAG層は、レーザ共振器の中に含まれ、したがって、光路長が増加する。
【００１２】
Zayhowski等のシステムは、Nd : YAG利得媒体２０１の一体型アセンブリ、Cr : YAG過飽和吸収体２０２、および２つの非ドープYAG終端キャップ２０３、２０４を含むマイクロレーザ２００を含み、すべてUS Patent 5,846,638に従う拡散接合により接着される。２つの非ドープYAG終端キャップ２０３、２０４は、前述した高反射器と出力カプラーミラー作用を提供し、したがって光学的空洞共振器を形成するように、それぞれコーティング２０５、２０６により誘電性のコーティングがなされている。したがって、誘電コーティング２０５は、励起光２０７を伝達するとともにマイクロレーザ波長の光を反射する一方、誘電コーティング２０６は、励起光を反射するとともに出力ビーム２０８を作り出すマイクロレーザ波長の光を部分反射する。
【００１３】
非ドープYAG終端キャップは、熱拡散器として作用し、マイクロレーザ共振器内に含まれ、総光路長に寄与することに留意することが重要である。光路長は、マイクロレーザパルス持続期間を決定する。非ドープYAG終端キャップの追加により、総光路長が顕著に増加し、ピークパワーと総合的なマイクロレーザ性能の低下につながる。
【００１４】
Karlsson等は、740mW程度の低い平均励起パワーにおけるリン酸ガラスレーザホストの熱破壊を経験している。Karlsson等は、まず、高熱伝導率のリン酸塩レーザガラスを開発することで、この問題の解決を試みている［Karlsson et al. : “Development and characterization of Yb-Er laser glass for hih average power laser diode pumping”, Appl. Phys. B, vol75, pp.41-46(2002)］。しかし、最終的には、Laurell等のUS Patent 6,778,563（図３）の解決策に落ち着いた。
【００１５】
Laurell等に論じられるように、幾つかのユニークな例において、過飽和吸収体は励起光を吸収せず、最も高い熱負荷領域、すなわち、利得媒体の励起面に対する効果的な熱拡散器として機能する。図３に、過飽和吸収体３０２に接着され、一対の誘電コーティング３０５、３０６に囲まれ、空洞共振器を形成する、利得媒体３０１を含む受動ＱスイッチYb, Er : ガラスマイクロレーザ３００を示す。過飽和吸収体３０２に接する誘電コーティング３０５は、ダイオードレーザ３１４から放出される励起光３０７を伝達し、マイクロレーザ波長において高反射性である（高反射器）。利得媒体３０１に接する誘電コーティング３０６は、マイクロレーザ波長において部分反射性であり（出力カプラー）、マイクロレーザから光出力３０８を出力する。出力カプラーコーティング３０６は、利得媒体３０１を介して非吸収励起光３０７をも反射する。したがって、過飽和吸収体３０２は励起光３０７を吸収せず、代わりに伝達するので、吸収体は、高励起パワー利用を可能とするための熱拡散器として作用する。
【００１６】
過飽和吸収体３０２は熱拡散器として作用するが、本手法は、励起光を伝達する過飽和吸収体、このケースではCo : spinel、の利用を要するため、この一つのケースについてのみ適用されたことに留意することが重要である。同じ方法は、過飽和吸収体Cr : YAGが、利得媒体Nd : YAGと同等の強さで励起光を吸収するため、広く使われるNd : YAG / Cr : YAG受動Ｑスイッチマイクロレーザシステムに適用することはできない。
【００１７】
受動Ｑスイッチマイクロレーザを使う主な理由は、短い持続期間の高ピークパワーパルスを発生するためである。これらのパルスは、利得媒体と、過飽和吸収体と、共振器の物理特性とに依存し、数百ピコセカンドから２〜３ナノセカンド長にわたる。受動Ｑスイッチマイクロレーザの共振器の長さを、光透過性エレメント（すなわち、どのようなタイプの利得または損失も提供しない）の形で増やすことは、Ｑスイッチパルス持続期間を増やすことにつながる。Ｑスイッチパルス持続期間のこの増加は、共振器の長さの増加に直接的に比例する。例えば、Zayhowski等は、非ドープYAG終端キャップなしで200ps〜300psレンジであり、0.5mm厚非ドープYAG終端キャップが付加された場合に300ps〜400psに増加するパルス持続期間を備えた、幾つかの受動ＱスイッチNd : YAG / Cr : YAGマイクロレーザを実証している。
【００１８】
大部分の受動Ｑスイッチマイクロレーザは、励起光の吸収に関して、１吸収長オーダーの利得媒体長を使用している。これは、過飽和吸収体と利得媒体との間の境界面における熱負荷が、利得媒体の反側励起面における熱負荷のおよそ３６％であり、それゆえ重要であることを意味する。さらに、過飽和吸収体は、ブリーチングプロセスの間レーザ放射を吸収するため、熱を散らす。過飽和吸収体は、例えば、808nm励起Nd : YAG利得媒体におけるCr : YAG過飽和吸収体の場合のように、利得媒体から出る残存励起光の一部をも吸収し得る。したがって、マイクロレーザの過飽和吸収体終端から除去する必要のある顕著な熱負荷も存在し得る。
【００１９】
レーザ性能を低下させずに、受動Ｑスイッチマイクロレーザからの熱除去の改善が必要である。特に、物理的特性と、利得媒体と過飽和吸収体との配置に干渉しない熱除去の方法が必要である。熱除去の方法は、所望のレーザ性能を得るために、独立して設定されるべきである。
【００２０】
受動Ｑスイッチマイクロレーザは、レーザの壊滅的な故障につながる、利得媒体または過飽和吸収体の破壊を誘発する熱的ストレスをもたらさず、一般に高いパルス繰り返し率を意味する高い平均パワーで信頼性高く作動可能とするために、改善された熱除去を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本来のレーザ性能特性を顕著に低下させることのない、受動Ｑスイッチ一体型マイクロレーザからの熱除去用の信頼性のある手法を提案する。実施形態では、受動Ｑスイッチレーザ装置は、過飽和吸収体に接着され得る利得媒体に接着され得る、光透過性熱伝導エレメントを含んでいる。過飽和吸収体も、第二の光透過性熱伝導エレメントに接着され得る。利得媒体と過飽和吸収体のみが、接着境界面に位置する光学的コーティングにより形成される空洞共振器内に配置される。利得媒体、過飽和吸収体、およびレーザ共振器光学コーティング、またはミラーが、適切な光源により縦方向に励起された場合に、高ピークパワー光学パルスを放射する、受動Ｑスイッチマイクロレーザを形成する。光透過性熱伝導エレメント、または複数のエレメントは、励起光またはマイクロレーザ光路に干渉することなく、マイクロレーザ共振器の光路から効果的に熱を伝導する働きをする。特に、光透過性熱伝導エレメントは、マイクロレーザ空洞共振器外にあるため、共振器の光路長を増やすことがない。
【００２２】
実施形態の利点は、より大きなパルス繰り返し率レンジへアクセスできるように、高光学励起パワーの使用を可能とすることにある。これは、多数の個別単一パルスデータの収集を要するアプリケーション、例えば、測距または撮像アプリケーションにおいて、特に便利である。単一Ｑスイッチマイクロレーザパルスを発生するために要求される励起エネルギーは、本質的に一定であり、したがって、高励起パワーでより短時間で解放されるため、高励起パワーは、高パルス繰り返し率の発生を可能とする。
【００２３】
実施形態の他の利点は、熱拡散器配置の利用は、利得媒体と過飽和吸収体エレメントにおける熱的レンズ効果と光学的歪みを著しく減少させ、それにより、特に高励起パワーにおいて、マイクロレーザの出力ビーム品質を向上させることにつながることである。この特性は、ガラスホスト媒体を使用した場合に、それらが相対的に低い熱伝導率のため、とりわけ重要である。
【００２４】
実施形態の他の利点は、光透過性熱伝導エレメントが、励起光波長またはマイクロレーザ出力波長を特に伝達するように、他方、非所望の励起光が出力光路に達するのを防ぐ手段、またはマイクロレーザパスルエネルギーが、一般的に半導体ダイオードレーザである励起光源に達して損傷するのを防ぐ手段として、他の波長を吸収するように、選択され得ることである。
【００２５】
受動Ｑスイッチマイクロレーザとその使用方法が提案されている。受動Ｑスイッチマイクロレーザ装置は、光学的励起利得媒体層、過飽和吸収体層、光軸を有する空洞共振器を形成するため利得媒体と過飽和吸収体とを囲んで配置される第１および第２反射器、空洞共振器の外側の光軸上の光透過性材料の熱拡散器、およびレーザ共振器の縦方向励起のために配置された利得媒体によって吸収される波長の光学的励起ビームを含む一体型ボディである。
【００２６】
利得媒体の活性イオンは、Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+、またはそれらの組みあわせであり得る。利得媒体は、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶ホスト材料を含んでも良い。利得媒体ホスト材料は、リン酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラス、またはセラミックYAGのような光学セラミックであっても良い。利得媒体は、Nd : YAGまたはYb、Er共添加（co-doped）リン酸塩ガラスであっても良い。
【００２７】
過飽和吸収体の活性イオンは、Cr4+またはCo2+であり得る。過飽和吸収体は、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材ホスト材料を含んでも良い。過飽和吸収体ホスト材料は、リン酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラス、またはセラミックYAGのような光学セラミックであっても良い。過飽和吸収体は、Cr : YAGまたはCo : spinelであっても良い。
【００２８】
熱拡散器は、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料であり得る。熱拡散器は、サファイアまたはCo : spinelであっても良い。熱拡散器は、励起レーザ波長において光を伝達し、マイクロレーザ波長において光を吸収する、またはその逆であるように設定され得る。熱拡散器は、光学的励起面から熱を除去するように設定され得る。マイクロレーザは、２つの熱拡散器を含んでも良く、第２熱拡散器は空洞共振器の外側の光軸上に配置され、熱拡散器と第２熱拡散器は空洞共振器の反対側端に位置する。
【００２９】
第１および第２反射器は、それぞれ利得媒体と過飽和吸収体に直接適用された誘電コーティングであり得る。第１および第２反射器は、接着剤またはボンディング技術により利得媒体と過飽和吸収体に取り付けられたミラーであっても良い。第１反射器は、励起レーザ波長において光を伝達し、マイクロレーザ波長において光を吸収するように設定され得る。第２反射器は、励起レーザ波長において光を反射し、マイクロレーザ波長において部分的に光を伝達するように設定され得る。
【００３０】
利得媒体、過飽和吸収体、および熱拡散器材料は、共通のホスト結晶を利用し得る。共通のホスト結晶は、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料であっても良い。
【００３１】
本実施形態の、これらの、および他の性質および利点は、好ましい実施形態の、例えば本発明の原理を示す図面を併用した以下のより詳細な記述で、明確にされる。
＜発明の効果＞
本来のレーザ性能特性を顕著に低下させることのない、受動Ｑスイッチ一体型マイクロレーザからの熱除去用の信頼性のある手法を提案することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の実施形態の説明は、以下のとおりである。本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、先行技術と本発明装置の添付図面とともに読んだ場合に、最もよく理解される。好ましい実施形態の図面において、類似した引用符号は、同じ部分を言及している。図面は実寸である必要はなく、本発明の原理を説明するために強調されている。
前述した内容は、類似した引用符号が異なる視点を通じて同じ部分を言及している添付図面で説明されるように、以下に示す本発明の実施形態のより詳細な説明により明確である。図面は実寸である必要はなく、本発明を説明するために強調されている。
本来のレーザ性能特性の顕著な低下を伴わない受動Qスイッチ一体型マイクロレーザからの熱除去のための装置および方法が開示される。装置は、過飽和吸収体に接着され得る利得媒体に接着され得る光透過性熱伝導エレメントを含み得る。過飽和吸収体は、第２の光透過性熱伝導エレメントに接着され得る。利得媒体と過飽和吸収体のみが、接着境界面に位置する光学的コーティングにより形成される空洞共振器内に配置される。
【００３３】
光透過性熱伝導エレメント、または複数のエレメントは、励起光またはマイクロレーザ光路に干渉せずに、マイクロレーザ共振器の光路から効果的に熱を伝導する働きをする。特に、光透過性熱伝導エレメントは、マイクロレーザ空洞共振器の外側にあるので、空洞共振器の光路長を増加しない。ここに開示される方法と装置は、受動Qスイッチマイクロレーザにおいて。低コストで簡単な熱除去の解決策を提供する。ここに開示される方法と装置は、パルスの持続時間の増加なしに、より高いパルス繰り返し率につながる、より高い励起パワーを可能とする。
【００３４】
開示される実施形態の文脈において、「光透過性」との表現は、光学的利得が極小またはなく、意図的に伝達される光の波長において顕著な損失のない光学エレメントを表す。伝達される光は、励起光波長またはマイクロレーザ出力波長のいずれか、または双方において、エレメントの位置に依存する。エレメントは、他の重要でない波長においては、必ずしも光透過性である必要はない。「拡散器」および「光透過性熱伝導エレメント」との表現は、本発明の説明文脈中において、ほとんど同じ意味で用いられ得る。
【００３５】
本発明の実施形態に従う受動Qスイッチマイクロレーザ４００を図４に示す。受動Qスイッチマイクロレーザ４００は、利得媒体４０１と、それに接着された過飽和吸収体４０２と、それらを囲む一対の誘電コーティング４０５、４０６とを含み、長さ４１０で規定される空洞共振器を形成する。利得媒体４０１に接する誘電コーティング４０５は、励起光４０７を伝達し、マイクロレーザ波長において高反射である（高反射器）。過飽和吸収体４０２に接する誘電コーティング４０６は、マイクロレーザ波長において部分反射性であり（出力カプラー）、マイクロレーザ４００から光出力４０８を出力する。出力カプラーコーティング４０６は、利得媒体４０１を介して、非吸収励起光４０７をも反射し得る。光透過性熱伝導エレメント４０３は利得媒体４０１に接着されており、その露出面は誘電コーティング４０９されている。光透過性熱伝導エレメント４０３に接する誘電コーティング４０９は、マイクロレーザ光学空洞共振器の形態に関与せず、共振器光路長４１０を増やさないことに留意することが重要である。したがって、光透過性熱伝導エレメント４０３は、例えば、パルス持続時間の変更によっても、マイクロレーザの性能に影響を与えない。
【００３６】
光透過性熱伝導エレメント４０３を通じて励起光が伝達されると、伝達された励起光は利得媒体４０１を通過し、イオン励起を引き起こし、利得媒体４０１内部にエネルギーが蓄えられる。利得媒体４０１内部に蓄えられたエネルギーが増加し、マイクロレーザ波長の空胴内密度も増加すると、吸収体４０２は、共振器損失の低減と、密度の急速な増加と、マイクロレーザ出力パルスとしての蓄積エネルギーのかなりの割合の抽出を生じながら、飽和する。パルス放出後、吸収体４０２は、利得媒体４０１内部の蓄積エネルギーが完全に補充されるまで次のパルスが遅れるように、利得媒体が復帰する前に高損失状態に復帰し得る。したがって、過飽和吸収体と利得媒体の物理特性は、励起光が連続的である場合は、Qスイッチパルス発生の反復性を大きく決定する。
【００３７】
光透過性熱伝導エレメント４０３は、マイクロレーザ４００に多数の長所をもたらす。その一つは、熱拡散器としての作用である。熱拡散器を介した直接伝導による利得媒体からの熱除去は、利得媒体４０１におけるピーク温度、温度勾配、熱誘発ストレスを顕著に低下させる。例えば、図５に示す装置５００の有限エレメント熱モデルが、0.15mm厚のCo : spinel過飽和吸収体５０２と、0.5mm厚のCo : spinel熱拡散器５０３とに挟まれた、1mm厚Yb, Er : ガラス利得媒体５０１における１W熱負に対して、利得媒体５０１の励起面において、熱拡散器５０３なしで560℃から、熱拡散器５０３ありで120℃までピーク温度の低減を示したことを考慮する。図４のマイクロレーザと同様に、マイクロレーザ５００は、共振器光路長５１０の限度を規定する誘電コーティング５０５、５０６を含んでいる。光透過性熱伝導エレメント５０３も、誘電コーティング５０９を含んでいる。マイクロレーザ５００は、励起光５０７を受け、出力光ビーム５０８を放射する。
【００３８】
利得媒体５０１での励起光５０７の吸収は、励起面５２０の顕著な温度上昇をもたらす。熱拡散器５０３は、励起面５２０からこの熱を除去するために利用され得、これにより、熱束線５１３で示されるように、温度を低下する。熱束線５１３が熱拡散器５０３に到達すると、熱束線５１３は熱拡散による温度低下を示しながら発散する。25℃に保たれたアルミニウム板５１１がヒートシンクとして用いられ、すべての分散した熱５１３はアルミニウム板５１１に伝達する。利得媒体５０１の熱負荷は、縦方向励起マイクロレーザの励起領域断面エリアの典型である直径100mmの領域に制限された。
【００３９】
光透過性熱伝導エレメント４０３は、励起光源の保護もし得る。受動Qスイッチマイクロレーザで使用される半導体ダイオードレーザ励起光源は、マイクロレーザ共振器高反射器を介して伝達されるマイクロレーザパルスエネルギーにより、ある場合には光学的に損傷を受ける。例えば、図７に、受動QスイッチYb, Er : ガラスマイクロレーザを光学的に励起するために使用された後に放射を止めた975nmシングルエミッタダイオードレーザの顕微鏡写真を示す。矩形で縁取りされたデバイス面の中心は、放射領域に位置する、円形穴、または損傷箇所を有している。この損傷箇所は、1.5mm、1mJ〜2mJの数千回のレーザパルスによる材料切除の結果である。通常は、マイクロレーザの高反射器を介してどのようなレーザパルスエネルギーが放出されても、それはほとんどないものと期待する。しかしながら、出力カプラー伝達は、Yb, Er : ガラス受動Qスイッチマイクロレーザに対しては、概してわずか1%であり、99.9%反射率の高反射器により10mJから20mJの出力パルスエネルギーを生じるそのようなマイクロレーザは、十分な量のパルスエネルギーを漏らして問題となる。
【００４０】
光透過性熱伝導エレメント４０３は、２つの方法のうちの一つ、または２つの方法の組み合わせにより、高反射器を介したマイクロレーザパルスエネルギー漏れ防止に用いられ得る。第１の方法は、熱拡散器４０３の露出面における誘電コーティングを、マイクロレーザ波長において高反射となるように設計することによる。この方法は、熱拡散器の割り込みにより除去され得る、熱拡散器４０３の誘電コーティングと、利得媒体４０１との間の光学エタロンの形成の可能性を有する。
【００４１】
例えば、紫外線硬化接着剤の薄層により、サファイア熱拡散器が、図７に示す損傷を生じた受動Ｑスイッチの励起面に接着された。サファイア熱拡散器の露出面は、マイクロレーザ波長において高反射となるように誘電コーティングされた。そして、このレーザは、励起光源としての交換用半導体レーザダイオードと共に、ダイオードレーザの後続故障、または損傷なしに、数週間の期間を越える長時間稼動された。
【００４２】
第２の方法は、マイクロレーザ波長において吸収性であり、励起波長において伝導性であり、Yb, Er : ガラスの場合はCo : spinel過飽和吸収体であり得る、熱拡散器４０３の利用による。マイクロレーザの異なるエレメントを互いに取り付けるボンディング方法は、使用される材料に適合する必要がある。強力な低光学損失とストレスフリーインターフェースを確かにするために、熱膨張および溶解点の係数におけるミスマッチに対しては、特に注意が必要である。使用され得るボンディング方法は、光学的接合、接着、拡散接合、溶解接合、リンギング、ガラス接合、および化学的補助直接接合を含むが、限定されるものではない。多数のボンディング方法は、結合される要素間に、材料を必要としないか、わずかの材料しか必要とせず、したがって、熱抵抗の顕著な一因とはならない。
【００４３】
熱拡散器の材料、ボンディング方法、および誘電コーティング特性の適切な選択を行う場合、多数の要因を考慮すべきである。
一般に、熱拡散器は、マイクロレーザの利得媒体面と同等の、またはより大きい断面積を有しており、通常は0.1mmと10.0mmの間の厚みである。より薄い熱拡散器は加工が難しく、熱を効果的に除去しない一方、より厚い熱拡散器は、規定の厚みのもの以上の効果がない。
【００４４】
単結晶材料は、熱拡散器としての利用を考えた場合、ガラスまたはプラスティックに比べて高い熱伝導率を提供する。励起およびマイクロレーザ波長が含まれる可能性の高い可視〜近赤外スペクトル領域では、表１に示される通常使用される光透過性材料とその熱伝導率は、熱拡散器としての利用に対する単結晶材料の優位性を示している。まれに、加工上の理由から、ガラス材料の利用が要求され得るが、熱拡散器なしよりはましである。プラスティックと有機材料は、一般に熱拡散器としては使用されないが、ボンディング接着剤としての極薄層ではうまく使用され得る。
【００４５】
表1  レーザ利得媒体ホスト結晶とガラスとを含む、通常使用される光透過性材料の熱伝導率。
【００４６】
【表１】
2008258627.tif 000003
【００４７】
好ましい熱拡散器材料は、広範囲に及ぶ有効性により、サファイアと非ドープYAGである。YAGは、レーザ利得媒体（Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Ho,Tm:YAG）用のホスト材料、および最も広く使用される１ミクロン過飽和吸収体Cr:YAGとして広く使用されているため、特に熱拡散器材料として便利である。しかしながら、他の適切な材料が利用可能である場合は、その利用を妨げるものではない。
【００４８】
図６に、本発明の実施形態に従う受動Ｑスイッチマイクロレーザのもう一つのデザインを示す。マイクロレーザ６００は、利得媒体６００と、それに接着された過飽和吸収体６０２と、それらを囲む一対の誘電コーティング６０５、６０６とを含み、光路長６１０で規定される空洞共振器を形成している。利得媒体６０１に接する誘電コーティング６０５は、励起光６０７を伝達し、マイクロレーザ波長において高反射である（高反射器）。過飽和吸収体６０２に接する誘電コーティング６０６は、マイクロレーザ波長において部分反射性であり（出力カプラー）、マイクロレーザ６００から光出力６０８を出力する。出力カプラーコーティング６０６は、利得媒体６０１を介して、非吸収励起光を反射し得る。
【００４９】
第１の光透過性熱伝導エレメント６０３は、図４のマイクロレーザ４００と同様の方法により、利得媒体６０１と誘電コーティング６０９された露出面に接着されている。図４に示す光透過性熱伝導エレメント４０３と同様に、光透過性熱伝導エレメント６０３は、熱拡散器として機能し、したがって、励起面６２０の温度を下げ、利得媒体６０１の破壊または誘電コーティング６０５の損傷を誘発し、マイクロレーザ６００の壊滅的な破壊につながる、熱的ストレスを防ぐ。
【００５０】
第１の光透過性熱伝導エレメント６０３は、励起光波長において高い伝導性を示し、マイクロレーザ波長を吸収し得るため、マイクロレーザパルスエネルギーが励起光源に到達し、潜在的に損傷を引き起こすのを防ぐ。マイクロレーザ波長を高反射する誘電コーティング６０９を施すことにより、励起光源に対する付加的防御が提供され得る。
【００５１】
第２の光透過性熱伝導エレメント６０４は、過飽和吸収体６０２と誘電コーティング６１５された露出面に接着されている。第２の光透過性熱伝導エレメント６０４は、熱拡散器として機能し、過飽和吸収体６０２の面６２２の温度を下げる。第２の拡散器を介した直接的伝導による過飽和吸収体からの熱除去の第１の方法は、第１の熱拡散器の記述と同様であり、ピーク温度、温度勾配、および熱的誘発ストレスを下げるのに同様に効果的でる。
【００５２】
第２の光透過性熱伝導エレメント６０４は、マイクロレーザパルスエネルギーが励起光源に到達するのを防ぐための方法として前述された反射および吸収と同様の技術により、好ましくない、非吸収励起光６０７が、目的の出力ビーム６０８と共に、出力カプラー６０６を介してマイクロレーザから放出されるのを防ぐためにも用いられ得る。第２熱拡散器６０４の露出面の誘電コーティング６１５は、励起光波長において高反射であり、復路であるが故により多くの励起光が利得媒体６０１に蓄積されるという利点と共に、マイクロレーザの出力ビーム６０８から励起光６０７を除去する。非吸収励起光は、励起光波長において吸収性であるとともにマイクロレーザ波長において伝達性であり、Yb, Er：ガラスレーザの場合にYb：YAGであり得る熱拡散器６０４の使用により減衰もされ得る。
【００５３】
光透過性熱伝導エレメントに接する誘電コーティング６０９、６１５は、マイクロレーザ光学空洞共振器の形態に関与せず、光路長６１０を増やさないことに留意することが重要である。
【００５４】
第２の熱拡散器６０４は、第１の熱拡散器６０３と同じ材料であっても良く、または、効果的に熱を除去する大きさと構成である限り、異なる材料であっても良い。一般に、第２の熱拡散器６０４は、マイクロレーザ６００の過飽和吸収体面６２２と同等の、またはより大きい断面積を有しており、通常は0.1mmと10.0mmの間の厚みである。より薄い熱拡散器は加工が難しく、熱を効果的に除去しない一方、より厚い熱拡散器は、規定の厚みのもの以上の効果がない。
【００５５】
図４および図６に示す受動Ｑスイッチマイクロレーザは、ミリメータ以下の直径のビームの高ビーム密度と、利得媒体の吸収特性に匹敵し重複する数ナノメータのスペクトル幅を要求する縦方向光学的励起を利用する。これらの要求は、半導体ダイオードレーザに最も適合する。半導体ダイオードレーザからの光は、直接付き合わせ結合、レンズイメージング、および光ファイバー結合送出方法を含む、しかしながら限定されない、様々な方法により、マイクロレーザ利得媒体に結合され得る。
【００５６】
本発明は、好ましい実施形態を参照して詳しく示されまた説明されてきたが、請求項に記載の発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態や詳細の変更がなされ得ることは当業者自明である。例えば、利得媒体および過飽和吸収体は、どのような順序で構成されていても良い（すなわち、過飽和吸収体が励起レーザに最も近い等）。加えて、単一熱拡散器がマイクロレーザの出力端に作られていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来技術に従うＱスイッチレーザの概略図である。
【図２】従来技術に従う熱拡散器を有するＱスイッチレーザの概略図である。
【図３】従来技術に従う熱拡散器を有するＱスイッチレーザの他の概略図である。
【図４】本発明の実施形態に従う受動Ｑスイッチマイクロレーザの略図である。
【図５】本発明の実施形態に従うアルミニウムヒートシンクを備えたマイクロレーザの図である。
【図６】本発明の実施形態に従う受動Ｑスイッチマイクロレーザの略図である。
【図７】マイクロレーザ共振器高反射により放射されたマイクロレーザパスルエネルギーにより引き起こされた、受動ＱスイッチYb、Er：YAGガラスマイクロレーザを光学的に励起するために利用される半導体ダイオードレーザへの光学的損傷の例である。
【符号の説明】
【００５８】
４００  受動Qスイッチマイクロレーザ
４０１  利得媒体
４０２  過飽和吸収体
４０３  光透過性熱伝導エレメント
４０５  誘電コーティング
４０６  誘電コーティング
４０７  励起光
４０８  光出力
４０９  誘電コーティング
４１０  共振器光路長
５００  マイクロレーザ
５０１  利得媒体
５０２  過飽和吸収体
５０３  熱拡散器
５０５  誘電コーティング
５０６  誘電コーティング
５０７  励起光
５０８  出力光ビーム
５０９  誘電コーティング
５１０  共振器光路長
５１１  アルミニウム板
５１３  熱束線
６００  マイクロレーザ
６０１  利得媒体
６０２  過飽和吸収体
６０３  光透過性熱伝導エレメント
６０４  光透過性熱伝導エレメント
６０５  誘電コーティング
６０６  誘電コーティング
６０７  励起光
６０８  光出力
６０９  誘電コーティング
６１０  光路長
６１５  誘電コーティング
６２０  励起面
６２２  過飽和吸収体面
【図１】
2008258627.tif 000004
【図２】
2008258627.tif 000005
【図３】
2008258627.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2008258627.tif 000009
【図７】
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【外国語明細書】
[TITLE OF THE INVENTION] 
Q-switched Microlaser Apparatus and method for use
[TECHNICAL FIELD]
[0001]
The present invention relates to a Q-switched microlaser apparatus and a method for use.
[BACKGROUND ART]
[0002]
The process of Q-switching involves the introduction of loss, for example with the use of an absorber or shutter, in a laser oscillator sufficient to prevent lasing while energy is being transferred to a gain medium.  When the loss is removed, an intense photon flux builds exponentially from spontaneous emission and the coupling of these photons through a partially reflecting resonator mirror leads to the generation of a Q-switched laser pulse.  The first report of short intense pulses of laser light, called giant pulses at the time, was from an actively Q-switched ruby laser [McClung, F.J. and Hellwarth, R.W.: "Giant Optical Pulsations from Ruby," Journal of Applied Physics 33 3, 828-829 (1962)].  Shortly thereafter, passive Q-switching using an organic dye as a saturable absorber was reported [P. P. Sorokin, J. J. Luzzi, J. R. Lenkard and G. D. Pettit: "Ruby Laser Q-Switching Elements using Phthalocyanine Molecules in Solution," IBM J., vol. 8, pp. 182-184, April, 1964; P. Kafalas, J.I. Masters and E.M.E. Murray: “Photosensitive Liquid used as a Nondestructive Passive Q-Switch in a Ruby Laser,” J. Appl. Phys., 35(8), 2349 (1964); and B.H. Soffer: “Giant Pulse Laser Operation by a Passive, Reversibly Bleachable Absorber,” J. Appl. Phys., 35, 2551 (1964)].
[0003]
Over the past forty years a variety of active and passive loss modulation techniques have been used to generate Q-switched laser pulses.  These Q-switched laser pulses have been as short as several tens of picoseconds or as long as several hundred nanoseconds, with pulse energies that may range from a small fraction of a micro joule to a significant fraction of a Joule.
[0004]
In recent years the advent of diode laser pumped solid-state lasers and solid-state saturable absorbers has generated renewed interest in passively Q-switched lasers, including microlasers.  In passive Q-switching the laser resonator contains a gain medium and an absorbing medium, both may be saturable and therefore nonlinear in response.  As the gain medium is pumped, it may both accumulate stored energy and emit photons.  Over many round trips within the laser resonator the photon flux may see gain, fixed loss, and saturable loss in the absorber.  
[0005]
If the gain medium saturates before the absorber, the photon flux may build but the laser will not emit intense pulses.  On the other hand if the photon flux builds up to a level that saturates or bleaches the absorber first, the resonator sees a dramatic reduction in intracavity loss and the laser Q-switches, thereby generating a short intense pulse of light.
[0006]
A conventional passively Q-switched microlaser 100 is illustrated in Figure 1.  The passively Q-switched microlaser 100 includes a gain medium 101bonded to a saturable absorber 102enclosed by a pair of dielectric coatings, 105 and 106, that form a resonant cavity.  The dielectric coating 105 on the gain medium transmits the pump light, provided by a light source 114, and is highly reflecting (the high reflector) at the microlaser wavelength.  The dielectric coating 106 on the saturable absorber is partially reflecting (the output coupler) at the microlaser wavelength and provides the optical output 108from the microlaser.  The faces of the gain medium 101 and the saturable absorber 102 that form the interface 112 may be coated dielectrically so as to reflect unabsorbed pump light back through the gain medium and transmit light at the microlaser wavelength.
[0007]
[Reference document 1] McClung, F.J. and Hellwarth, R.W.: "Giant Optical Pulsations from Ruby," Journal of Applied Physics 333, 828-829 (1962)
[Reference document 2] P. P. Sorokin, J. J. Luzzi, J. R. Lenkard and G. D. Pettit: "Ruby Laser Q-Switching Elements using Phthalocyanine Molecules in Solution," IBM J., vol. 8, pp. 182-184, April, 1964
[Reference document 3] P. Kafalas, J.I. Masters and E.M.E. Murray: “Photosensitive Liquid used as a Nondestructive Passive Q-Switch in a Ruby Laser,” J. Appl. Phys., 35(8), 2349 (1964)
[Reference document 4] B.H. Soffer: “Giant Pulse Laser Operation by a Passive, Reversibly Bleachable Absorber,” J. Appl. Phys., 35, 2551 (1964)
[Disclosure of Invention]
[Problem to be solved by the Invention]
[0008]
Passively Q-switched microlasers fabricated using single crystal materials are well established.  The single crystal material microlasers may be optically pumped at powers up to several Watts, which may result in the occurrence of optical damage.  The optical damage may be in the form of either bulk crystal fracture or optical coating failure as a result of thermally induced stress lowering the coating damage threshold.  However, some applications require passively Q-switched microlasers to operate with higher pump powers than is possible in a simple device without improved heat removal.
[0009]
Heat loads in the gain medium and saturable absorber of the conventional passively Q-switched microlaser are generally removed via conduction through one, or more, of the sides of the device that are not optically active.  The lack of more direct heat removal from the optically active pumped face of the gain medium, and to a lesser extent the microlaser output face of the saturable absorber, can limit the maximum average pump power and output power of the device to levels below those desired for some applications.  The power limiting mechanism is catastrophic thermal fracture of the materials that constitute the laser because of excessive thermally induced stress.
[0010]
The problem of thermally induced fracture is worse when using glass materials for the gain medium or saturable absorber.  More recently, eye-safe passively Q-switched lasers based on Yb3+ and Er3+ co-doped phosphate glass have been demonstrated.  These eye-safe passively Q-switched lasers are limited to pump powers of only several hundred milliwatts before the gain medium fractures [Karlsson et al.: “Diode-pumped Er-Yb:glass laser passively Q-switched by use of Co2+:MgAl2O4as a saturable absorber,” Appl. Optics, vol. 39, pp. 6188-6192, (2000)].  The pump power limitation is due to the much lower thermal conductivity of the phosphate glass host, 0.85 Wm-1K-1, compared to a typical crystalline host, such as YAG, 13 Wm-1K-1.
[0011]
The addition of optically transparent heat conductive elements, or heat spreaders, to the pump and output faces of the microlaser can serve as heat spreaders to directly remove heat from the pumped face of the gain medium and, if required, the microlaser output face of the saturable absorber.  The effectiveness of this method has been demonstrated by Zayhowski et al., and reported in “Pump-induced bleaching of the saturable absorber in short-pulse Nd:YAG/Cr4+:YAG passively Q-switched microchip lasers,” IEEE J. Quant. Electron., vol. 39, pp. 1588-1593 (2003) according to the arrangement shown in Figure 2.  Zayhowski et al. shows passively Q-switched Nd:YAG/Cr:YAG lasers that reliably operate with pump powers as high as 25 W with the use of pieces of undoped YAG bonded to the Nd:YAG.  The systems of Zayhowski et al. allows for the removal of heat from the surface in the region of highest density of absorbed pump radiation and its associated heat load.  The undoped YAG is bonded to the Nd:YAG in the same manner as the Cr:YAG, which is diffusion bonding as practiced by Meissner at Onyx Optics, Inc. [US Patent 5,846,638].  In the case of a majority of prior art devices, the undoped YAG layer of the microlaser is contained within the laser resonator and therefore adds to its optical length.
[0012]
The Zayhowski et al. system includes a microlaser 200 comprising a monolithic assembly of a Nd:YAG gain medium 201, a Cr:YAG saturable absorber 202, and two undoped YAG end caps, 203 and 204, all bonded together using diffusion bonding according to US Patent 5,846,638.  The two undoped YAG end caps, 203 and 204, were coated dielectrically, with coatings 205 and 206 respectively, to provide the same high reflector and output coupler mirror actions described above and thereby form a resonant optical cavity.  Thus, the dielectric coating 205 will transmit the pump light 207 and reflect light at the microlaser wavelength, while the dielectric coating 206 will reflect the pump light and partially reflect light at the microlaser wavelength producing an output beam 208.
[0013]
It is important to note that the undoped YAG end caps act as heat spreaders and are contained within the microlaser resonator and contribute to its total optical path length.  The optical path length determines the microlaser pulse duration.  With the addition of the undoped YAG end caps, a significant increase in the total optical path length is achieved, resulting in degradation of the peak power and overall microlaser performance.
[0014]
Karlsson et al. experienced thermal fracture of a phosphate glass laser host at average pump powers as low as 740 mW.  Initially Karlsson et al. attempted to resolve this problem by developing a phosphate laser glass with higher thermal conductivity [Karlsson et al.: “Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping,” Appl. Phys. B, vol 75, pp. 41-46 (2002)], but eventually settled on the solution disclosed in Laurell et al., US Patent 6,778,563 (Fig. 3).
[0015]
As discussed in Laurell et al., in a few unique instances the saturable absorber does not absorb pump light and can serve as an effective heat spreader for the region of highest heat load, namely the pumped surface of the gain medium.  Figure 3 illustrates a passively Q-switched Yb,Er:glass microlaser 300 that includes a gain medium 301 bonded to a saturable absorber 302 enclosed by a pair of dielectric coatings 305 and 306, that form a resonant cavity.  The dielectric coating 305 on the saturable absorber 302transmits the pump light 307 emitted from a diode laser 314 and is highly reflecting (the high reflector) at the microlaser wavelength.  The dielectric coating 306 on the gain medium 301 is partially reflecting (the output coupler) at the microlaser wavelength and provides the optical output 308 from the microlaser.  The output coupler coating 306 also reflects unabsorbed pump light 307 back through the gain medium 301.  Thus, since the saturable absorber 302 does not absorb the pump light 307 but instead transmits the pump light, the absorber acts as a heat spreader to allow for the use of higher pump powers. 
[0016]
It is important to note that, although the saturable absorber 302 acts as a heat spreader, this method has only been applied to this one case because it requires the use of a saturable absorber, in this case Co:spinel, that transmits the pump light.  The same method cannot be applied to the widely used Nd:YAG/Cr:YAG passively Q-switched microlaser system because the saturable absorber, Cr:YAG, absorbs pump light as strongly as the gain medium, Nd:YAG.
[0017]
One of the primary reasons to use a passively Q-switched microlaser is to generate short duration, high-peak power pulses.  These pulses may range from several hundred picoseconds to two or three nanoseconds long depending on the choice of gain medium, saturable absorber and resonator physical characteristics.  Adding additional length to the resonator of a passively Q-switched microlaser, in the form of an optically transparent element (i.e. providing neither gain nor loss of any type), will always lead to an increase in the Q-switched pulse durations.  This increase in Q-switched pulse durations is in direct proportion to the increase in resonator length.  For example, Zayhowski et al. have demonstrated several passively Q-switched Nd:YAG/Cr:YAG microlasers with pulse durations in the 200 ps to 300 ps range without undoped YAG end caps that increased to 300 ps to 400 ps when 0.5 mm thick undoped YAG end caps were added.
[0018]
Most passively Q-switched microlasers employ a gain medium length on the order of one absorption length with regard to the absorption of the pump light.  This means that the thermal load at the interface between the saturable absorber and the gain medium is typically 36% of that at the opposite pumped face of the gain medium and is therefore significant.  Furthermore, the saturable absorber dissipates heat because of the absorption of laser radiation during the bleaching process.  The saturable absorber may also absorb a fraction of the residual pump light exiting the gain medium, for example such is the case of a Cr:YAG saturable absorber in an 808-nm pumped Nd:YAG gain medium.  Hence, there may also be significant heat loads that need to be removed from the saturable absorber end of the microlaser.
[0019]
There is a need for improved removal of heat from passively Q-switched microlasers, without degrading the laser performance.  In particular, there is a need for a method of heat removal that does not interfere with the physical properties and arrangement of the gain medium and saturable absorber.  The method of heat removal should also be independently configured to obtain the desired laser performance.
[0020]
Passively Q-switched microlasers require improved heat removal to allow them to be reliably operated at higher average powers, which generally means higher pulse repetition rates, without causing thermal stress induced fracture of the laser gain medium or saturable absorber, which would result in catastrophic failure of the laser. 
[Means for solving the problem]
[0021]
A reliable method for heat removal from a passively Q-switched monolithic microlaser without significantly impairing its inherent laser performance characteristics is presented.  In an embodiment, a passively Q-switched laser apparatus comprises an optically transparent heat conductive element that may be bonded to a gain medium, which in turn may be bonded to a saturable absorber.  The saturable absorber may also be bonded to a second optically transparent heat conductive element.  Only the gain medium and saturable absorber are disposed within a resonant cavity formed by optical coatings located in the bond interfaces.  The gain medium, saturable absorber and laser resonator optical coatings, or mirrors, form a passively Q-switched microlaser, which when longitudinally optically pumped with a suitable source of light will emit high peak power optical pulses.  The optically transparent heat conductive element, or elements, serve to efficiently conduct heat from the optical beam path of the microlaser resonator without interfering with the pump light or the microlaser beam paths.  In particular, because the optically transparent heat conductive elements lie outside the microlaser resonator they do not add to the resonator optical path length.
[0022]
An advantage of the embodiment is to allow higher optical pump powers to be used to provide access to a larger range of pulse repetition rates, which is particularly useful in applications that require the collection of many individual single pulse data.  For example, in ranging or range imaging applications. Higher pump powers enable the generation of higher pulse repetition rates because the pump energy required to generate a single Q-switched microlaser pulse is essentially fixed and is therefore delivered in a shorter time at higher pump powers.
[0023]
Another advantage of the embodiment is that the use of a heat spreader arrangement leads to significantly reduced thermal lensing and optical distortion in the gain medium and saturable absorber elements thereby improving the output beam quality of the microlaser, especially at higher pump powers.  This characteristic is particularly important when using glass host media because of their relatively poor thermal conductivity.
[0024]
Another advantage of the embodiment is that the optically transparent heat conductive element may be chosen to specifically transmit either the pump light wavelength or the microlaser output wavelength, while absorbing the other as a means to prevent unwanted pump light from reaching the output beam path or to prevent microlaser pulse energy from reaching and possibly damaging the pump light source, which is typically a semiconductor diode laser.
[0025]
A passively Q-switched microlaser and method of use is presented.  The passively Q-switched microlaser arrangement may comprise a monolithic body including a layer of optically pumped gain medium, a layer of saturable absorber, first and second reflectors arranged to enclose the gain medium and the saturable absorber in order to form a resonant cavity having an optical axis, a heat spreader of optically transparent material on the optic axis outside of the resonate cavity, and an optical pump beam at a wavelength absorbed by the gain medium arranged for longitudinal pumping of said laser resonator.
[0026]
The gain medium active ion may be Nd3+,Er3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, or a combination thereof.  The gain medium may also be comprised of a single crystal host material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate, or oxyborate families.  The gain medium host material may also be a phosphate glass, a silicate glass, or an optical ceramic, such as ceramic YAG.  The gain medium may be Nd:YAG or Yb,Er co-doped phosphate glass.
[0027]
The saturable absorber active ion may be Cr4+or Co2+.  The saturable absorber may comprise a host material which is a single crystal material that may be a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate, or oxyborate families.  The saturable absorber host material may also be a phosphate glass, a silicate glass, or an optical ceramic, such as ceramic YAG.  The saturable absorber may also be Cr:YAG or Co:spinel.
[0028]
The heat spreader may be a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate, or oxyborate families.  The heat spreader may also be sapphire or Co:spinel.  The heat spreader may be configured to transmit light at the pump laser wavelength and absorb light at the microlaser wavelength or vice-versa.  The heat spreader may also be configured to remove heat from an optically pumped surface.  The microlaser may also comprise two heat spreaders, the second heat spreader being located on the optical axis and outside of the resonant cavity, with the heat spreader and second heat spreader being on opposite ends of the resonant cavity.
[0029]
The first and second reflectors may be dielectric coatings applied directly to the gain medium and saturable absorber, respectively.  The first and second reflectors may also be mirrors attached to the gain medium and saturable absorber by adhesives or bonding techniques.  The first reflector may be configured to transmit light at the pump laser wavelength and reflect light at the microlaser wavelength.  The second reflector may be configured to reflect light at the pump laser wavelength and partially transmit light at the microlaser wavelength.
[0030]
The gain medium, saturable absorber and heat spreader material may use a common host crystal.  The common host crystal may be a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate or oxyborate families.
[0031]
These and other features and advantages of the embodiments presented will be apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate by way of example, the principles of the invention.
[Best Mode for Carrying Out the Invention]
[0032]
A description of example embodiments of the invention follows.
The following description of preferred embodiments of the present invention are best understood when read in conjunction with the accompanying drawings of prior art and arrangements of the present invention. In the preferred embodiment drawings like reference characters refer to the same parts throughout. The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon illustrating the principles of the invention.
The foregoing will be apparent from the following more particular description of example embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings in which like reference characters refer to the same parts throughout the different views.  The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon illustrating embodiments of the present invention.
An apparatus and method for heat removal from a passively Q-switched monolithic microlaser without significantly impairing its inherent laser performance characteristics is presented.  The apparatus may comprise an optically transparent heat conductive element that may be bonded to a gain medium, which in turn may be bonded to a saturable absorber.  The saturable absorber may also be bonded to a second optically transparent heat conductive element.  Only the gain medium and saturable absorber are disposed within a resonant cavity formed by optical coatings located in the bond interfaces.
[0033]
The optically transparent heat conductive element, or elements, serve to efficiently conduct heat from the optical beam path of the microlaser resonator without interfering with the pump light or the microlaser beam paths.  In particular, because the optically transparent heat conductive elements lie outside the microlaser resonator they do not add to the resonator optical path length.  The methods and apparatus presented herein provide a low cost and easily manufactured solution to heat removal in passively Q-switched microlasers.  The methods and apparatus presented herein also allow for higher pumping powers resulting in higher pulse repetition rates without increasing the duration of the pulse.
[0034]
In the context of the embodiments presented the expression “optically transparent” refers to an optical element that provides minimal or no optical gain and no significant loss at the wavelength of the light being intentionally transmitted.  The light being transmitted will be at either the pump light wavelength or microlaser output wavelength, or both, depending on the location of the element. The element does not need to be optically transparent at other less significant wavelengths. The expressions “heat spreader” and “optically transparent heat conductive element” may be used interchangeably within the context of describing the present invention.
[0035]
Figure 4 schematically illustrates a passively Q-switched microlaser 400 according to an embodiment of the present invention.   The passively Q-switched microlaser 400 comprises a gain medium 401bonded to a saturable absorber 402enclosed by a pair of dielectric coatings, 405 and 406, that form a resonant cavity defined by a length 410.  The dielectric coating 405 on the gain medium 401 transmits the pump light 407 and is highly reflecting (the high reflector) at the microlaser wavelength.  The dielectric coating 406 on the saturable absorber 402 is partially reflecting (the output coupler) at the microlaser wavelength and provides an optical output 408 from the microlaser 400.  The output coupler coating 406 may also reflect unabsorbed pump light 407 back through the gain medium 401.  An optically transparent heat conductive element 403 is bonded to the gain medium 401 and its exposed face dielectrically coated 409.  It is important to note that the dielectric coating 409 on the optically transparent heat conductive element 403 plays no role in formation of the microlaser resonant optical cavity, and does not add to the resonator optical length 410.  Therefore, the optically transparent heat conductive element 403 does not influence the performance of the microlaser 400, for example, by altering the duration of the pulses.
[0036]
Once the pump light has been transmitted through the optically transparent heat conductive element 403, the transmitted light will then pass through the gain medium 401, thus causing an excitation of ions and energy to be stored within the gain medium 401.  As the energy stored within the gain medium 401 increases and the intracavity intensity at the microlaser wavelength also increases, the absorber 402 will become saturated causing a reduction in resonator loss and a rapid further increase in intensity and the extraction of a significant fraction of the stored energy as the microlaser output pulse.  After the pulse is emitted, the absorber 402 may recover to its high-loss state before the gain medium 401 recovers, so that the next pulse is delayed until the stored energy in the gain medium 401 is fully replenished.  Thus, the physical properties of the saturable absorber and gain medium largely determine the repetitive nature of the Q-switched pulse generation when the pump light is continuous.
[0037]
The optically transparent heat conductive element 403 brings many advantageous features to the microlaser 400, one of which is to act as a heat spreader.  Heat removal from the gain medium via direct conduction through the heat spreader significantly reduces the peak temperature, temperature gradients and thermally induced stress in the gain medium 401.  For example, consider that a finite element thermal model of the arrangement 500 shown in Figure 5 for a 1 W heat load in a 1-mm thick Yb,Er:glass gain medium 501, sandwiched between a 0.15-mm thick Co:spinel saturable absorber 502, and a 0.5-mm thick Co:spinel heat spreader 503; showed a reduction in the peak temperature at the pumped surface 520 of the gain medium 501 from 560°C without the heat spreader 503 to 120°C with the heat spreader 503.  Similar to the microlaser of Figure 4, the microlaser 500 also comprises dielectric coatings 505 and 506 defining the limits of the resonator optical length 510.  The optically transparent heat conductive element 503 also comprises a dielectric coating 509.  The microlaser 500 is adapted to receive a pump light 507 and emit an output light beam 508. 
[0038]
The absorption of pump light 507 in the gain medium 501 may result in a significant rise in temperature of the pumped surface 520.  The heat spreader 503 may be used to remove the heat from the pumped surface 520, thereby reducing its temperature as represented by heat flux lines 513.  Once the flux lines 513 reach the heat spreader 503, they diverge representing a decrease in temperature due to a spreading of heat.  An aluminum plate 511 held at 25°C is used as a heat sink, thus all the dispersed heat 513 will be transferred to the aluminum plate 511.  The heat load in the gain medium 501 was confined to a 100 mm diameter region typical of the pumped region cross-sectional area of a longitudinally pumped microlaser.
[0039]
The optically transparent heat conductive element 403 may also, protect the source of the pump light.  The semiconductor diode laser pump source used with a passively Q-switched microlaser may in some instances be optically damaged by microlaser pulse energy that is transmitted via the microlaser resonator high reflector.  For example Figure 7 shows a microscope photograph of a 975 nm single emitter diode laser that ceased to emit after being used to optically pump a passively Q-switched Yb,Er:glass microlaser.  The center of the device facet that is outlined by a rectangle has a circular pit, or damage site, located in the emitting region.  This damage site is a result of material ablation by several thousand 1.5 mm, 1 mJ to 2 mJ laser pulses.  Normally one expects that very little if any laser pulse energy would be emitted via the high reflector of the microlaser.  However, the output coupler transmission is typically only 1% for a Yb,Er:glass passively Q-switched microlaser and such a microlaser generating 10 mJ to 20 mJ output pulse energies with even a 99.9% reflectivity high reflector would leak sufficient pulsed energy to be problematic.
[0040]
The optically transparent heat conductive element 403 may be used to prevent microlaser pulse energy leakage via the high reflector by one of two methods or a combination of the two.  The first method is by designing the dielectric coating 409 on the exposed surface of the heat spreader 403 to be highly reflective at the microlaser wavelength.  This method has the potential for the formation of an optical etalon between the dielectric coatings on the heat spreader 403 and the gain medium 401, which can be eliminated by wedging the heat spreader.
[0041]
For example, a sapphire heat spreader was bonded with a thin layer of UV-cure optical adhesive to the pumped face of the passively Q-switched microlaser that caused the damage shown in the Figure 7.  The exposed surface of the sapphire heat spreader was dielectrically coated to be highly reflective at the microlaser wavelength.  This laser was then operated for many hours over a period of several weeks with a replacement semiconductor diode laser as the pump source without subsequent failure of, or damage to, the diode laser.
[0042]
The second method is by use of a heat spreader 403 that is absorbing at the microlaser wavelength and transmitting at the pump wavelength, which in the case of the Yb,Er:glass laser example could be the saturable absorber, Co:spinel.  The bonding method used to attach the different elements of the microlaser to one another need to be compatible with the materials used.  Particular attention should be paid to mismatches in the coefficient of thermal expansion and melting point to ensure the formation of strong, low optical loss and stress free interfaces.  Bonding methods that may be used include, but are not limited to, optical contacting, adhesive bonding, diffusion bonding, fusion bonding, wringing, frit bonding, and chemically assisted direct bonding.  Many bonding methods introduce no material, or very little material, between the components being bonded and therefore do not significantly contribute to thermal resistance.
[0043]
Many factors should be considered when making an appropriate selection of material for the heat spreader, bonding method and dielectric coating characteristics.  In general the heat spreader will have the same, or larger, cross-sectional area as the gain medium surface of the microlaser and will typically be between 0.1 mm and 10.0 mm thick.  Thinner heat spreaders are difficult to fabricate and do not effectively remove heat, while thicker heat spreaders are no more effective than those that fall in the stated thickness range.
[0044]
Single crystal materials offer higher thermal conductivities than glasses or plastics when considered for use as a heat spreader.  Considering the visible through near-infrared spectral regions, that are most likely to contain the pump and microlaser wavelengths, the commonly used optically transparent materials and their thermal conductivities given in Table 1 illustrate the superiority of single crystal materials for use as heat spreaders.  In rare cases the use of a glass material may be required for fabrication reasons and would be better than no heat spreader.  Plastics and organic materials are generally of no use as heat spreaders, but may be successfully used in very thin layers as bonding adhesives.
[0045]
Table 1.    Thermal conductivities of commonly used optically transparent materials including laser gain media host crystals and glasses.
[0046]
【表１】
2008258627.tif 000011
[0047]
Preferred heat spreader materials are sapphire and undoped YAG because of their widespread availability.  YAG is particularly useful as a heat spreading material because it is also widely used as the host material for many laser gain media (Nd:YAG, Yb:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Er:YAG, Ho,Tm:YAG) and the most widely used 1-micron saturable absorber, Cr:YAG.  However, this preference does not preclude the use of any other suitable materials should they become available.
[0048]
Figure 6 schematically illustrates an alternative design for a passively Q-switched microlaser 600 according to an embodiment of the present invention.  The microlaser 600 comprises a gain medium 601 bonded to a saturable absorber 602 enclosed by a pair of dielectric coatings, 605and 606, that form a resonant cavity defined by an optical length 610.  The dielectric coating 605, on the gain medium 601, transmits the pump light 607 and is highly reflecting (the high reflector) at the microlaser wavelength.  The dielectric coating 606 on the saturable absorber 602 is partially reflecting (the output coupler) at the microlaser wavelength and provides the optical output beam 608 from the microlaser 600.  The output coupler coating 606 may also reflect unabsorbed pump light back through the gain medium 601. 
[0049]
A first optically transparent heat conductive element 603 is bonded to the gain medium 601 and the exposed face dielectrically coated 609, in a similar manner to that of the microlaser 400 of Figure 4.  In a similar manner to the optically transparent heat conductive element 403 of Figure 4, the optically transparent heat conductive element 603 also acts as a heat spreader, thus reducing the temperature at the pump surface 620 and preventing thermal stress induced fracture of the gain medium 601 or optical damage to the dielectric coating 605, which would result in catastrophic failure of the microlaser 600.
[0050]
The first optically transparent heat conductive element 603 may be highly transmissive at the pump light wavelength and absorbing at the microlaser wavelength, thus preventing the microlaser pulse energy from reaching the pump light source and potentially causing damage.  Additional protection may be provided for the pump source by making the dielectric coating 609 highly reflecting at the microlaser wavelength.
[0051]
A second optically transparent heat conductive element 604 may be bonded to the saturable absorber 602 and the exposed face dielectrically coated 615.  The second optically transparent heat conductive element 604 may also act as a heat spreader and reduce the temperature at the surface 622 of the saturable absorber 602.  The primary method of heat removal from the saturable absorber via direct conduction through the second heat spreader 604 is the same as described for the first heat spreader and is equally effective in reducing the peak temperature, temperature gradients and thermally induced stress.
[0052]
The second optically transparent heat conductive element 604 may also be used to prevent unabsorbed pump light 607 exiting the microlaser via the output coupler 606 with the intended output beam 608, which is undesirable, by the same techniques of reflection and absorption described as a means to prevent microlaser pulse energy from reaching the pump source 607.  The dielectric coating 615 on the exposed surface of the second heat spreader 604 may be highly reflecting at the pump light wavelength, which removes the pump light 607 from the output beam 608 of the microlaser with the advantage that more pump light 607 is deposited in the gain medium 601 because of the second pass.  Unabsorbed pump light may be also be attenuated by use of a heat spreader 604 that is absorbing at the pump light wavelength and transmitting at the microlaser wavelength, which in the case of the Yb,Er:glass laser example could be Yb:YAG.
[0053]
It is important to note that the dielectric coatings on the optically transparent heat conductive elements, 609 and 615, play no role in the formation of the microlaser resonant optical cavity and do not add to its optical length 610.
[0054]
The second heat spreader 604 may be the same material as the first heat spreader 603 or may be a different material so long as it is sized and configured to effectively remove heat.  In general the second heat spreader 604 will have the same or larger cross-sectional area as the saturable absorber face 622 of the microlaser and will typically be between 0.1 mm and 10.0 mm thick.  Thinner heat spreaders are difficult to fabricate and do not effectively remove heat, while thicker heat spreaders are no more effective than those that fall in the stated thickness range.
[0055]
The passively Q-switched microlasers, shown in Figures 4 and 6, may use longitudinal optical pumping that may require high beam intensities in sub-millimeter diameter beams and spectral widths of several nanometers that are comparable to and overlap the absorption features of the gain medium.  These requirements may be best met with a semiconductor diode laser, or lasers.  The light from said semiconductor diode laser, or lasers, may be coupled to the microlaser gain medium in a variety of ways that may include, but are not limited to, direct butt-coupling, lens imaging and optical fiber-coupled delivery methods.
[0056]
While this invention has been particularly shown and described with references to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.  For example the gain medium and saturable absorber may be configured in any order (i.e., the saturable absorber may be closest to the pump laser).  In addition, a single heat spreader may be fabricated on the output end of the microlaser.
[BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS]
[0057]
Figure 1 is a schematic illustrating a Q-switched laser according to the prior art;
Figure 2 is a schematic depicting a Q-switched laser with a heat spreader according to the prior art;
Figure 3 is another schematic depicting a Q-switched laser with a heat spreader according to the prior art;
Figure 4 shows a schematic representation of a passively Q-switched microlaser according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 shows an illustration of a microlaser, according to an embodiment of the present invention, attached to an aluminum heat sink;
Figure 6 shows a schematic representation of a passively Q-switched microlaser according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 shows an example of optical damage to a semiconductor diode laser used to optically pump a passively Q-switched Yb,Er:glass microlaser that was caused by microlaser pulse energy emitted via the microlaser resonator high reflector.
1.  A microlaser arrangement comprising a monolithic body including:
a layer of optically pumped gain medium; 
a layer of saturable absorber;
first and second reflectors arranged to enclose the gain medium and the saturable absorber in order to form a resonant cavity having an optical axis;
a heat spreader of optically transparent material on the optic axis outside of the resonant cavity; and
an optical pump beam at a wavelength absorbed by the gain medium arranged for longitudinal pumping of said laser resonator.
2.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium active ion is Nd3+,Er3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+, or a combination thereof.
3.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium host material is a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate, or oxyborate families.
4.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium host material is a phosphate glass or a silicate glass.
5.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium host material is an optical ceramic, such as ceramic YAG.
6.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium is Nd:YAG.
7.  The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium is Yb,Er co-doped phosphate glass.
8.  The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber active ion is Cr4+or Co2+.
9.  The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber host material is a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate or oxyborate families.
10. The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber host material is a phosphate glass or a silicate glass.
11. The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber host material is an optical ceramic, such as ceramic YAG.
12. The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber is Cr:YAG.
13. The microlaser of Claim 1 wherein the saturable absorber is Co:spinel.
14. The microlaser of Claim 1 wherein the heat spreader is sapphire.
15. The microlaser of Claim 1 wherein the heat spreader is a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate or oxyborate families.
16. The microlaser of Claim 1 wherein the gain medium, saturable absorber and heat spreader use a common host crystal.
17. The microlaser of Claim 16 wherein the host crystal is a single crystal material that is a member of the garnet, fluoride, orthovanadate, tungstate or oxyborate families.
18. The microlaser of Claim 1 wherein the heat spreader is transmitting at a pump laser wavelength and absorbing at a microlaser wavelength.
19. The microlaser of Claim 18 wherein the heat spreader is Co:spinel.
20. The microlaser of Claim 1 wherein the first and second reflectors are dielectric coatings applied directly to the gain medium and saturable absorber, respectively.
21. The microlaser of Claim 20 wherein the first reflector is highly transmitting at a pump laser wavelength and highly reflecting at a microlaser wavelength.
22. The microlaser of Claim 20 wherein the second reflector comprises low transmission at pump laser wavelength and partial transmission at a microlaser wavelength.
23. The microlaser of Claim 20 wherein the heat spreader is bonded to the first reflector and is transmitting at a pump laser wavelength and absorbing at a microlaser wavelength.
24. The microlaser of Claim 1 wherein the heat spreader removes heat from an optically pumped surface.
25. The microlaser of Claim 20 wherein the heat spreader is bonded to the second reflector, and comprises low transmission at a pump laser wavelength.
26. The microlaser of Claim 1 wherein the first heat spreader is bonded to the first reflector, the heat spreader comprising low transmission at a microlaser wavelength, and a second heat spreader is bonded to the second reflector, the second heat spreader comprising low transmission at a pump laser wavelength. 
27. A method for providing a microlaser comprising:
bonding a layer of optically pumped gain medium to a layer of saturable absorber;
depositing first and second reflectors arranged to enclose the gain medium and the saturable absorber in order to form a resonant cavity having an optic axis;
further bonding a heat spreader of optically transparent material on the optic axis outside of the resonant cavity; and
longitudinally pumping the laser resonator with a pump beam at a wavelength absorbed by the gain medium.
28. The method of Claim 27 wherein the heat spreader is bonded to the first reflector with the heat spreader transmitting at a pump laser wavelength and absorbing at a microlaser wavelength.
29. The method of Claim 27 wherein the first reflector comprises high transmission at a pump laser wavelength and low transmission at a microlaser wavelength.
30. The method of Claim 27 wherein the second reflector comprises low transmission at a pump laser wavelength and partial transmission at a microlaser wavelength.
31. The method of Claim 28 further comprising removing heat from an optically pumped surface with the first heat spreader.
32. The method of Claim 27 further comprises bonding a second heat spreader of optically transparent material on the optical axis outside of the resonant cavity and on an opposite end of the resonant cavity than the first heat spreader with the second heat spreader removing heat from an output surface of the microlaser.
33. The method of Claim 27 wherein the heat spreader is bonded to the second reflector, and comprises low transmission at a pump laser wavelength.
34. The method of Claim 27 wherein the heat spreader is bonded to the first reflector, the heat spreader comprising low transmission at a microlaser wavelength, and a second heat spreader is bonded to the second reflector, the second heat spreader being low transmission at a pump laser wavelength.
[PROBLEM]
An apparatus and method for heat removal from a passively Q-switched monolithic microlaser without significantly impairing its inherent laser performance characteristics is presented.
[COUNTERMEANS FOR SOLVING THE PROBLEM] 
A monolithic passively Q switched microlaser includes an optically transparent heat conductive element bonded to a gain medium, which is in turn bonded to a saturable absorber, which may also be bonded to a second optically transparent heat conductive element.  Only the gain medium and saturable absorber are disposed within the laser resonator.
[SELECTED DRAWING] FIGURE 5
【FIG.1】
2008258627.tif 000012
【FIG.2】
2008258627.tif 000013
【FIG.3】
2008258627.tif 000014
【FIG.4】
2008258627.tif 000015
【FIG.5】
2008258627.tif 000016
【FIG.6】
2008258627.tif 000017
【FIG.7】
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