(57)【要約】  固体レーザをポンピングする光学装置においては、ポンプビームの全ビーム断面にわたって矩形の強度分布形状を有する強度分布を生成することが目的である。この強度分布は、ビームの伝搬方向において、少なくともレーリー領域に相当する範囲内で均一であり、しかも、均一化によってビームの品質を大きく損なわないことを保証するものである。  ポンプ装置は、ロッド形状のホモジナイザを含み、このホモジナイザは、反対側に位置する２つの研磨された端面と、光軸に平行に配置される平面の側方の境界面と、正多角形を形成する光軸に垂直な断面とを含み、その際、その正多角形は、複数の多角形を平面上に隙間なく並べて配置することを可能にするような頂点数に限定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザをポンピングする光学装置であり、ダイオードレーザのポンプビーム源（５）と、ロッド形状のホモジナイザ（１）と、光路にて上記モノジナイザの下流側に配された合焦光学系（９、１０）とを有し光軸に沿って配される光学装置であって、前記ホモジナイザ（１）が、ビームの入射面および出射面として対向位置する２つの研磨された端面（２、３）と、前記光軸（Ｏ−Ｏ）に平行に配置されている平面の側方境界面（４）と、正多角形を形成する前記光軸（Ｏ−Ｏ）に垂直な断面とを有し、その際、前記多角形は、多くの正多角形を平面上に隙間なく並べて配置することを可能にするような頂点数に限定されている、光学装置。
【請求項２】
前記端面（２、３）の表面法線が、前記光軸（Ｏ−Ｏ）との間で、０°からブルースター角を含む範囲までに及ぶ角度範囲内の角度をなすことを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記ホモジナイザ（１）の横断面が一様な六角形の形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記ホモジナイザ（１）の横断面が三角形の形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
【請求項５】
前記ホモジナイザ（１）の横断面が長方形の形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
前記ホモジナイザ（１）の端面（２、３）が、ポンプビーム（８）を結合および放出するための反射防止被膜で被覆されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記ホモジナイザ（１）が、溶融水晶またはガラスまたは透明なプラスチック材料から製作されることを特徴とする、請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
前記ホモジナイザ（１）が、低屈折率材料からなる側面に取り囲まれていることを特徴とする、請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記ホモジナイザ（１）が、誘電体蒸着で被覆された側面を有することを特徴とする、請求項７に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記側面における屈折率の飛び変化が、前記ダイオードレーザのポンプビーム源（５）により供給されるポンプビーム（８）の角度分布に適合するようになされたことを特徴とする、請求項８または９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記ホモジナイザ（１）が、面部分から組み立てられる中空体であることを特徴とする、請求項６に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記ダイオードレーザのポンプビーム源（５）と前記ホモジナイザ（１）の間に、少なくとも１つのビーム整形素子（６）と合焦レンズ（７）とが配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１３】
ディスク形状のレーザ結晶（１１）をポンピングするために前記ダイオードレーザのポンプビーム源（５）により供給されるポンプビーム（８）が、１０Ｗより大きいポンプビーム出力を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記ホモジナイザ（１）が、円形断面のサブコンポーネントを有することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光学装置を有すると共に、共振器内部にレーザ活性媒体としてディスク形状のレーザ結晶を含む固体レーザであって、前記レーザ結晶は、前記共振器の内部の反対側を向く反射ディスク面を冷却素子上に装着されており、かつ、前記ポンプビームが多数回通過し得るように反射器の反対側に配置されている、固体レーザ。
【請求項１６】
前記レーザ活性媒体が、ディスク形状のＹｂ：ＹＡＧレーザ結晶である、請求項１５に記載の固体レーザ。
【請求項１７】
前記レーザ活性媒体が、ディスク形状のＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザ結晶またはＹｂ：ＫＹＷレーザ結晶である、請求項１５に記載の固体レーザ。
【請求項１８】
前記共振器の内部に、第２調波を発生させるための非線形の光学結晶（１７）が、光路にて前記ディスク形状のレーザ結晶（１１）の下流側に配されている、請求項１６または１７に記載の固体レーザ。
【請求項１９】
前記共振器がＱスイッチを有する、請求項１６または１７に記載の固体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体レーザをポンピングする光学装置に関する。この装置は、光軸に沿って配備される、ダイオードレーザのポンプビーム源と、ロッド形状のホモジナイザと、光路においてホモジナイザの下流側に配備される合焦光学系とを含む。
【背景技術】
【０００２】
レーザ活性媒体としてディスク形状のレーザ結晶を含む固体レーザは、レーザ活性媒体内の温度勾配の実質的に軸方向の成分によって特徴付けられる。しかし、温度勾配の半径方向成分はサーマルレンズ形成の原因になる。結晶がディスク形状であるためにこの半径方向成分は小さいので、このようなディスクレーザは、高い出力レベルにおいてビームの品質を大きく制限するサーマルレンズを実際上無視し得る程度にしか有しない。従って、ディスクレーザは、高い出力レベルにおいてもほぼ回折限界の放射を出射できる。
【０００３】
ディスクレーザは、連続波（ＣＷ）ビーム発生用として、かつパルス操作用として適切に使用でき、共振器内部において周波数２倍をまたは３倍にする場合に特に有用である。
【０００４】
使用されるレーザ活性媒体は、種々のレーザ結晶を含み、特にＣＷ操作用としては、光学的にポンピングされる半導体レーザを含む。
【０００５】
ディスクレーザはダイオードレーザによってポンピングすることが望ましい。ダイオードレーザは、ＰＮ接合に垂直には回折限界に近いビーム品質を有し、ＰＮ接合に平行には、回折限界倍数係数（times-diffraction-limit factor）Ｍ２が例えば５００という低いビーム品質を有することができる、非常に非対称のビーム形状という特徴を有する。ビームの全断面にわたる強度分布は一般的に不均一であり、高度に構造化されている。
【０００６】
従って、ポンプビームの非常に均一かつ矩形の強度分布がディスク形状のレーザ結晶上に形成されるように、１つ以上のダイオードレーザまたは水平のダイオードレーザ列のビームを、結合し、変形し、均一化しかつ焦点を合わせることが必要である。手段の目的は、例えば、ビームの全断面にわたって矩形の強度分布を有する近似的に丸い、直径２ｗｐのポンプビームのフォーカスであって、この強度分布は、例えばスーパーガウス係数が１０に相当し、ビームの全断面における残留不均一性が±５％以下であるようなフォーカスを実現することであった。この目的は、また、できる限り構造性を含まない強度分布を得ること、および、局所的な強度のピーク（「ホットスポット」）を避けることである。後者は、結晶における光学的損傷または局所ひずみの原因となり、これは、波面の歪みまたは結晶における亀裂の形成をもたらす可能性がある。相対的に低い平均強度においても、局所的には結晶の損傷限界値を超える可能性がある。この問題は、１０Ｗより高いポンプ出力レベルを使用する場合に特に生起する。
【０００７】
矩形の強度分布を用いることによって、半径方向の温度勾配を避けることができる。このタイプの強度分布は、特にガウス型の強度分布よりも好ましいと言える。ガウス型の強度分布は、波面の曲線化をもたらし、また多くの場合、補正することが難しい非球面の波面の歪みをもたらす。さらに、ガウス型の強度分布は、矩形の分布とは対照的に、軸近傍の領域においてポンプの出力密度を大きく超過する結果を招く。
【０００８】
他の要件は、均一化がポンプビームのビーム品質を大きく損なうべきでないこと、および、例えば８０％の高い伝達効率を達成するべきことである。
【０００９】
ダイオードレーザのビーム品質に関するディスクレーザの要求が低いことは、安価なダイオードレーザを使用することによって、あるいはポンプ出力を増大させるために徹底的に利用するべきであった。
【００１０】
光学的にポンピングされる半導体レーザまたは縦方向にポンピングされるロッド型レーザのポンピング要件は、非常によく似ており、本発明が同等によく対応し得ることは当業者には明らかであろう。
【００１１】
光学的ポンプ装置用のビームホモジナイザは先行技術から十分によく知られるところである（例えば特許文献１）。
【００１２】
特許文献２はビームホモジナイザとして機能する光カプラーを開示している。この光カプラーは、ダイオードポンプビーム源と薄いディスク形状の利得媒体（gain medium/増幅媒体）との間に配備され、大きな開口数を有する光ビームを生成する。
【００１３】
特許文献３は、モードの均一化を得るための水晶ロッド、水晶ファイバまたはサファイアロッドを提案する。得られる強度分布はほぼガウス型である。
【００１４】
特許文献４は、ビームが全反射によって中継されるビームガイドロッドであって、ビーム均一化のための微細構造の光入射面を有するロッドを含む医療用のハンドピースを記述している。微細構造の入射面の製作に時間およびコストが掛かる点が欠点である。さらに、使用する媒体によっては、結合されるビーム（incoupled beam）の発散角度が必然的に増大するためにビームの品質が大きく損なわれる。
【００１５】
特許文献５は、ガラスファイバまたは他の回転対称の光学素子内に向けられた円柱光学レンズ系を利用してディスクレーザのポンピング用として用いられるレーザダイオードの積層体を記述している。この素子も均一化の効果を有すると言われているが、あらゆる回転対称の素子はガウス型の強度分布を生成するという欠点を必ず有する。
【００１６】
特許文献６は、円筒形のロッド形状のホモジナイザの入力部に円錐形状の光学系を差し込むことによって、ガウス態様の強度分布に対処しようとしている。このような光学系は製作が難しく、発散角度の増大によってビームの品質が必然的に損なわれるという欠点を有する。
【００１７】
この欠点とは別に、ロッド形状のホモジナイザの円筒状の側面は、ある種の再合焦特性または導波特性のために、軸近傍の領域に好ましからざる極端な出力超過を常時もたらす。この出力超過は、例えば１つ以上の小さい面を側面に切り込んで対称性を破壊しても除去できない。入射ビームの特定の強度分布の場合には、円筒状のホモジナイザを短縮すると、複数の顕著な強度のピーク（「ホットスポット」）が生じる可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】ＵＳ ４，８２０，０１０
【特許文献２】ＤＥ １０３９３１９０Ｔ５
【特許文献３】ＥＰ ０７７６４９２Ｂ１
【特許文献４】ＤＥ １９８３６６４９Ｃ２
【特許文献５】ＤＥ １９７５５６４１Ａ１
【特許文献６】ＤＥ １０２００４０１５１４８Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、本発明が解決するべき課題は、ポンプビームの全ビーム断面にわたって均一な出力密度と矩形の強度分布形状とを有する強度分布を生成することにある。この強度分布は、断面内のビームの伝搬方向において、少なくともレーリー領域（Rayleigh range）に相当する範囲内で均一であり、しかも、均一化によってポンプビームのビーム品質が大きく損なわれることは確実にないものとする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この課題は、固体レーザをポンピングする冒頭に述べた型式の光学装置において、ホモジナイザが、ビームの入射面および出射面として反対側に位置する２つの研磨された端面と、光軸に平行に配置される平面の側方の境界面と、正多角形を形成する光軸に垂直な断面とを含み、その際、その正多角形は、複数の正多角形を平面上に隙間なく並べて配置することを可能にするような頂点数に限定されることによって解決される。
【００２１】
本発明による光学装置の特に有用かつ有利な実施形態および改良形態が従属請求項に記載される。
【００２２】
ホモジナイザの断面は一様な六角形あるいは正六角形であることが望ましい。ホモジナイザの断面は三角形または長方形とすることもできる。ホモジナイザの端面は、その表面の法線が、０°からブルースター角（Brewster's angle；偏光角）を含む範囲に及ぶ角度範囲内の角度を光軸との間に閉じ込める。また、ホモジナイザの端面は、ポンプビームを結合および放出する（incoupling and outcoupling）ために反射防止被膜で被覆することができる。
【００２３】
側方の境界面が光軸に平行であることによって、出射ビームの角度分布が、結合されるビームの角度分布に実質的に等しい効果が得られる。断面が、フォーカスにおけるダイオードビームの強度分布によく適合していれば、ビームの品質を、例えば９２％より高い伝達効率において良好な限界値内に維持することが可能になる。
【００２４】
均一化は、ビーム伝搬方向の狭く局限された領域内でのみ実現しなければならないことに留意することが肝要である。この領域の範囲内に、ディスク形状のレーザ結晶が配置されることになる。この領域の外側では、ランダムな不均一性が存在することができる。すなわち、成分ビームの遠視野角度分布は任意に不均一であることができる。本発明が有利に充足し得るのはまさにこの要件である。
【００２５】
本発明は、ポンプビームのガウス型の強度分布と、強度分布における「ホットスポット」とを同様に回避し、それによって、波面の歪みを確実に最小にし、従って優れたビームの品質と、同時に最大の損傷限界とを確保する。
【００２６】
フォーカスを最適に調整すると、均一化によるポンプビームのビームパラメータ生成物（beam parameter product）の劣化は２０％より低い。
【００２７】
本発明によって可能になる別の改善は、ポンプビームがディスク形状のレーザ結晶を多数回通過する光学ポンプ装置に見られる。多数回通過を生成するパラボラミラーもしくは逆反射鏡（retro-reflecting mirror）またはプリズムが、光学ポンプ系におけるビームの変位を惹起し、この変位が、ポンプのフォーカスを、ディスク形状のレーザ結晶をそれぞれ２重通過する間に回転させる。その結果、例えば六角形のポンプビームの断面形状は、例えば、それぞれ個々の２重通過の間に４５°だけ回転し、そのため、例えば８回の２重通過用として設計される光学ポンプ系においては、当初六角形のポンプ断面（pump cross section）は重ね合わせにおいて丸くなる。
【００２８】
透明なホモジナイザに適する材料は、溶融水晶、ガラスまたは透明なプラスチック材料を含む。また、屈折率が低い材料または誘電体蒸着からなる側面も有用である。これによって、結合される放射の全角度範囲にわたって内部の全反射が生起するように、側面における屈折率の飛び変化（refractive index jump）をポンプビームの角度分布に適合させることができる。
【００２９】
本発明のさらに別の実施形態においては、ロッド形状のホモジナイザを、個々の面セグメントから組み立てられる中空体とすることができる。
【００３０】
本発明は、また、円形断面の付加的なサブコンポーネントを含むホモジナイザにも関する。
【００３１】
ディスク形状のレーザ結晶をポンピングするためにダイオードレーザのポンプビーム源が供給するポンプビームは、１０Ｗより大きいポンプ出力を有することが望ましい。
【００３２】
本発明においては、さらに、少なくとも１つのビーム整形素子（beam-shaping element）と合焦レンズとをダイオードレーザのポンプビーム源およびホモジナイザの間に配置するような構成、あるいは、ホモジナイザを、光路において、ポンプビームを直接結合するためにダイオードレーザのポンプビーム源の直ぐ下流側に配置するような構成が可能である。
【００３３】
本発明の別の主題事項は、本発明が記述する光学装置を有すると共に、共振器内部にレーザ活性媒体としてディスク形状のレーザ結晶を含む固体レーザであって、その結晶は、共振器の内部の反対側を向く反射ディスク面をもって冷却素子上に装着され、かつ、ポンプビームが多数回通過し得るように反射器の反対側に配置される固体レーザに関する。
【００３４】
使用するレーザ活性媒体は、ディスク形状のＹｂ：ＹＡＧレーザ結晶、あるいは、他のＮｄ注入またはＹｂ注入レーザ結晶とすることが望ましい。
【００３５】
固体レーザは、共振器の内部に、第２高調波を発生させるための非線形の光学結晶を含むことができる。この結晶は、光路において、ディスク形状のレーザ結晶の下流側に配備される。
【００３６】
しかし、共振器はＱスイッチをも含むことができる。
【００３７】
次に本発明を概略図に基づいてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１ａ】隙間なく配置できる正六角形を示す。
【図１ｂ】隙間なく配置できる正三角形を示す。
【図１ｃ】隙間なく配置できる正方形を示す。
【図２】六角形断面の好ましいロッド形状のホモジナイザを示す。
【図３】図２に示すホモジナイザを備えたポンプ装置を示す。
【図４】ビーム整形素子としての階段状ミラー装置を備えたポンプ装置を示す。
【図５】ポンプビームをホモジナイザ内に直接結合するポンプ装置を示す。
【図６】第２高調波発生用として共振器内部に配置される非線形光学結晶を含む共振器アレイ（配列）であって、その第２高調波は、ポンプビームをホモジナイザ内に直接結合するポンプ装置によってポンピングされる共振器アレイを示す。
【図７】ポンプビームをホモジナイザ内に直接結合するポンプ装置によってポンピングされるＱスイッチを備えた共振器アレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１ａ〜１ｃは隙間なく配置できる正多角形を示す。このため、個々の多角形の間に間隙は残らない。これらの多角形は、三角形、四角形および六角形である。
【００４０】
図２に示すロッド形状のホモジナイザ１は、反対側に位置する２つの研磨された端面２、３を含む。これらの端面２、３は、入射面および出射面として機能するように、反射防止被膜で付加的に被覆することが望ましい。これによってポンプビームを効率的に結合および放出できる。端面２、３はホモジナイザ１の縦軸Ｌ−Ｌに垂直の方位にあり、側面４はその縦軸Ｌ−Ｌに平行である。この縦軸は、このホモジナイザを適用する場合、本発明による光学装置の光軸Ｏ−Ｏと合致する。
【００４１】
光伝達系としてのホモジナイザ１は、溶融水晶、ガラス、プラスチック材料または他の光学材料から製作できる。あるいは、ホモジナイザ１を、面セグメントから構成される中空の伝導体とすることもできる。このようなホモジナイザの側面用として使用し得る適切な材料は、ダイアモンド切削された銅またはガラス、プラスチック材料または他の光学材料を含む。
【００４２】
図３に示すポンプ装置はダイオードレーザのポンプビーム源５を備えており、このポンプビーム源５は、ヒートシンクに装着される、１つのダイオードレーザ、水平のダイオードレーザ列または複数のダイオードレーザを含む。ダイオードレーザのポンプビーム源５の下流側には、光軸Ｏ−Ｏに沿って、当該技術分野から知られるビーム組合せ光学系および／またはビーム整形光学系６、並びに合焦レンズ７が配置される。この合焦レンズ７によって、供給されるポンプビーム８が、好ましくはホモジナイザ１の入射面に合致するビーム断面で、ロッド形状のホモジナイザ１に結合される。目的は、基本的に結合効率によって決定される伝達効率を、利用可能なポンプビーム出力の８０％より多くが利用されるように最大化することである。ホモジナイザ１は図２の実施形態に示すように構成するのが望ましい。すなわち、ホモジナイザ１は、光軸Ｏ−Ｏに垂直な断面が正多角形の断面を有する。
【００４３】
理想的な場合には、ロッド形状のホモジナイザ１は、入射面に結合されるポンプビーム８を、出射面上においてポンプビーム８の全ビーム断面にわたって矩形の形状を有する強度分布になるように混合する。再視準レンズ９および再合焦レンズ１０を含み、かつビームの経路においてホモジナイザ１の下流側に配置される合焦光学系によって、この強度分布形状は、好ましくは光軸Ｏ−Ｏに対して斜めの角度に配置されるディスク形状のレーザ結晶１１上に結像される。このディスク形状のレーザ結晶１１は、１つの反射ディスク面がヒートシンク１２に装着されており、ディスクレーザまたはディスクレーザ利得装置（gain assembly）の一体的な部分とすることができる。
【００４４】
ホモジナイザの１つの実施形態（図示なし）は、２つのサブコンポーネントから組み立てられるホモジナイザを想定している。この場合、第１サブコンポーネントは図１に示す断面のいずれかを有し、第２サブコンポーネントは円形断面を有する。円形断面は、一般的には均一性を損なうが、通常は円形である目標ビーム断面の充填を改善する結果をもたらす。
【００４５】
図４に示す実施形態では、ダイオードレーザのポンプビーム源５が水平に並べて配置されるレーザダイオードのバーから構成される。用いられるビーム整形素子は、例えば独国特許出願公開第１００６１２６５Ａ１号明細書に記載されているような、ダイオードレーザのポンプビーム源５と合焦レンズ７との間に配備される階段状のミラー装置１３である。
【００４６】
図５に示す実施形態は、ダイオードレーザのポンプビーム源５を構成するのに低い開口数を有するレーザダイオードが用いられるので、ビーム組合せ光学系および／またはビーム整形光学系、あるいは合焦レンズを含んでいない。このようなレーザダイオードは、例えば約２０°のビーム角度を有することができるので、ポンプビーム８をホモジナイザ１に直接結合することができる。
【００４７】
本発明が開示するポンプ装置によってポンピングされる図６の共振器アレイは、ポンプビーム８がディスク形状のレーザ結晶１１を多数回通過することを可能にする逆反射器１４と、レーザ出力ビーム１８として共振器から出射する第２高調波を発生させるための非線形光学結晶１７としてのＬＢＯ結晶とを含んでいる。このＬＢＯ結晶は、ダイクロイック折り込みミラー（dichroic folding mirror）１５と共振器端部ミラー１６との間に配置される。
【００４８】
図６に示す共振器アレイと同様に、図７に示す共振器アレイは、ビームがディスク形状のレーザ結晶１１を多数回通過することを可能にすることによって作動し、音響光学的Ｑスイッチ１９と、安全ロック２０と、部分透過性の放出ミラー２１とを含み、このミラー２１を通してレーザ出力ビーム１８が共振器から出射する。
【００４９】
本発明によるポンプ装置は、例えば、８００μｍのダイオード放出器の幅と、直径１ｍｍで長さ２５ｍｍの均一化素子とを有する。
【図１ａ】
2010500743.tif 000003
【図１ｂ】
2010500743.tif 000004
【図１ｃ】
2010500743.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010500743.tif 000011
【国際調査報告】
2010500743.tif 000012
2010500743.tif 000013
2010500743.tif 000014
2010500743.tif 000015
2010500743.tif 000016
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