(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的単純な固体レーザーであって従来よりも高いレベルの光パワーによってポンピングされ得る固体レーザーが組み込まれたレーザーシステムを提供する。【解決手段】固体レーザーは、半導体レーザーのダイオードアレイによって側面ポンピングされる、Ｎｄ：ＹＶＯ４のような高い吸収係数を有する固体利得媒体を含んでいる。固体レーザーの共鳴キャビティの配置は、レーザーの表面であって該レーザーにポンピング光が供給される表面からＴＥＭ００モードがある距離だけ離れ、その距離が、回折損失を低減させるには十分に長い距離であるが、ポンピング光の利得モードへの結合を可能とするには十分に短い距離となるように行われる。ポンピングレーザーは、該ポンピングレーザーと利得媒体の表面との間に平行光化用あるいは集光用の光学要素を設けずに利得媒体を側面ポンピングするように配置されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を含むレーザーキャビティと、
横断方向に幅を有し、ポンピング波長において前記横断方向の前記幅よりも小さい吸収深さを有する、前記光軸を含む固体利得媒体と、
前記ポンピング波長において出力を有し、側面ポンピングの構成で前記固体利得媒体に向けて光ビームを発射するように配置された少なくとも１つの半導体レーザーを備えた固体レーザーシステムであって、
前記レーザーキャビティが、共鳴キャビティを形成してレーザーモードの組を規定するために前記固体利得媒体の周囲に配された光学要素を備え、
前記レーザーモードの各々が前記固体利得媒体の全ての側面から離れ、かつ前記レーザーモードの各々の幅が前記ポンピング波長における前記固体利得媒体の吸収長の１／２倍から２倍の間のある幅となるようにして、前記レーザーモードの各々を前記固体利得媒体内に位置させるように、前記光学要素が配置されることを特徴とする固体レーザーシステム。
【請求項２】
前記固体利得媒体が、ある特有の励起波長に吸収のピークを有し、
前記ポンピング波長が前記特有の励起波長と異なることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項３】
前記固体利得媒体が、光学的に活性化されるドープ物質の濃度によって特徴付けられ、
該濃度が、前記ポンピング波長下における当該レーザーシステムの出力パワーの相対的最大値を実現する前記固体利得媒体の吸収特性をもたらす濃度であることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項４】
前記固体利得媒体がネオジム‐イットリウム‐バナデートであり、
ネオジムの前記濃度が０．５％から１．５％の間にあることを特徴とする請求項３記載のレーザーシステム。
【請求項５】
ネオジムの前記濃度が０．６％から１．０％の間にあることを特徴とする請求項４記載のレーザーシステム。
【請求項６】
前記固体利得媒体が、光学的に活性化されるドープ物質の濃度によって特徴付けられ、
当該レーザーシステムの出力パワーが、前記濃度によって決まる前記固体利得媒体の吸収特性の下での最大出力パワーもしくは該最大出力パワーの２０％の範囲内にあるような出力パワーとなるように、前記ポンピング波長が選択されることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項７】
前記固体利得媒体が、光学的に活性化されるドープ物質の濃度によって特徴付けられ、
当該レーザーシステムの出力パワーが、前記濃度によって決まる前記固体利得媒体の吸収特性の下での最大出力パワーもしくは該最大出力パワーの１０％の範囲内にあるような出力パワーとなるように、前記ポンピング波長が選択されることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項８】
前記出力の波長が前記特有の励起波長と異なる波長となるように、前記半導体レーザーの動作温度が選択されることを特徴とする請求項２記載のレーザーシステム。
【請求項９】
前記レーザーモードの１／ｅ２点が、少なくとも約２００μｍの距離だけ、前記固体利得媒体の前記半導体レーザーに相対する側面から離れていることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項１０】
前記レーザーモードの１／ｅ２点が、約２００μｍから約３００μｍの間のある距離だけ、前記固体利得媒体の前記半導体レーザーに相対する側面から離れていることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項１１】
前記横断方向の寸法が２ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１０記載のレーザーシステム。
【請求項１２】
前記モードの組が、前記固体利得媒体の各側面から平行に離れていることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項１３】
前記レーザーモードの組のうちの１つあるいは複数の利得を制限するために、前記固体利得媒体と前記光学要素のうちの少なくとも１つとの間において、前記光軸の近くに配置されたブロッキング素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザーシステム。
【請求項１４】
前記レーザーモードの組のうち最も低次のモードがＴＥＭ００モードであり、
前記ブロッキング素子が、最初の高次モードの第一ローブの少なくとも一部を遮断し、
前記ポンピング波長における前記固体利得媒体の吸収により、前記最初の高次モードの第二ローブの利得が、レーザーとして作用することができない程度に低くされることを特徴とする請求項１３記載のレーザーシステム。
【請求項１５】
前記固体レーザーの出力の少なくとも９０％が、前記ＴＥＭ００モードの出力であることを特徴とする請求項１４記載のレーザーシステム。
【請求項１６】
固体レーザーを含むレーザーシステムを組み立てる方法であって、
レーザーモードの組を有する固体レーザーキャビティを規定するための、光学要素および固体利得媒体を提供する工程であって、前記レーザーモードの組が前記固体利得媒体内においてある位置を有しているものであり、前記固体利得媒体がある吸収深さを有しているものである工程と、
あるポンピング波長およびビームサイズを有するポンピングビームを提供する少なくとも１つの半導体レーザーであって、前記固体利得媒体を側面ポンピングして固体レーザー出力を発生させるように配置された半導体レーザーを提供する工程と、
前記固体利得媒体内における前記レーザーモードの組の前記位置および前記半導体レーザーの出力波長を変化させることにより、前記固体レーザーの構成を最適化する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記最適化する工程において、さらに前記ポンピングビームの前記ビームサイズが変化させられることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記最適化する工程が、前記レーザーシステム内におけるパワーレベルの極大値を特定するために前記レーザーモードの組の前記位置を変化させ、かつ前記レーザーシステム内における前記パワーレベルの極大値を特定するために前記半導体レーザーの前記出力波長を変化させることにより行われることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記最適化する工程が、２倍周波数レーザービームのパワーレベルを基準とするものであることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記最適化する工程における前記ポンピングビームの前記ビームサイズの変化が、前記半導体レーザーと前記固体利得媒体との離間間隔を変化させることにより実行されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記最適化する工程が、前記レーザーシステム内におけるパワーレベルの極大値を特定するために前記レーザーモードの組の前記位置を変化させ、前記レーザーシステム内における前記パワーレベルの極大値を特定するために前記半導体レーザーの前記出力波長を変化させ、かつ前記レーザーシステム内における前記パワーレベルの極大値を特定するために前記ポンピングビームのビームサイズを変化させることにより行われることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２２】
ある光軸を含むレーザーキャビティと、
前記光軸に略垂直である第一の横断方向を有し、前記レーザーキャビティ内に配置された、前記光軸を含む固体利得媒体と、
ある出力を有し、前記固体利得媒体をポンピングするために前記固体利得媒体のポンピング表面を通過させて光ビームを発射するように配置され、前記固体利得媒体の前記ポンピング表面からある第一の距離だけ離れて配置された少なくとも１つの半導体レーザーであって、前記光ビームが前記固体利得媒体中において少なくとも前記第一の横断方向に発散するものであり、前記少なくとも１つの半導体レーザーから発射された前記光ビームが固体レーザー出力を発生させるために前記固体利得媒体内のレーザーモードをポンピングするものであるような少なくとも１つの半導体レーザーを備えた固体レーザーシステムであって、
前記レーザーキャビティは、前記レーザーモードが前記固体利得媒体の前記ポンピング表面から離れるように規定され、
前記少なくとも１つの半導体レーザーは、前記少なくとも１つの半導体レーザーから出力された前記光ビームが前記レーザーモードに整合するように、前記固体利得媒体の表面近くに配されることを特徴とするレーザーシステム。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの半導体レーザーと前記固体利得媒体の前記表面との間に、いかなる集光用光学要素も設けられていないことを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項２４】
前記固体利得媒体の表面温度が、前記少なくとも１つの半導体レーザーの表面温度よりも低い、ある温度に保たれていることを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項２５】
当該レーザーシステムの出力パワーが、与えられたレーザー構成および動作パラメターの組の下での最大出力パワーもしくは該最大出力パワーの２０％の範囲内にあるような出力パワーとなるように、前記少なくとも１つの半導体レーザーから出力される前記光ビームが、前記レーザーモードに整合させられていることを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの半導体レーザーから出力される前記光ビームの高さが、前記固体利得媒体内における前記レーザーモードの位置において、前記レーザーモードの鉛直方向の広がり範囲に整合していることを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの半導体レーザーと前記固体利得媒体の前記表面との間に、いかなる集光用光学要素も設けられていないことを特徴とする請求項２６記載のレーザーシステム。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの半導体レーザーのある特定の出力パワーに対して、前記レーザーシステムの最も低次のレーザーモードにおいて最大限の出力パワーを提供するように、前記第一の距離が選択されることを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項２９】
前記固体利得媒体が、前記固体利得媒体の鉛直方向の寸法を規定する上表面および下表面を有しており、前記レーザーモードが、前記上表面および前記下表面から第二の距離および第三の距離だけ離れており、前記第二の距離および前記第三の距離の各々が、前記レーザーモードと前記ポンピング表面との離間距離である第四の距離よりも大きいことを特徴とする請求項２２記載のレーザーシステム。
【請求項３０】
前記レーザーモードの１／ｅ２点が、少なくとも約２００μｍである前記第四の距離だけ、前記固体利得媒体の前記ポンピング表面から離れていることを特徴とする請求項２９記載のレーザーシステム。
【請求項３１】
前記レーザーモードの１／ｅ２点が、約２００μｍから約３００μｍの間にある前記第四の距離だけ、前記固体利得媒体の前記ポンピング表面から離れていることを特徴とする請求項２９記載のレーザーシステム。
【請求項３２】
ある所望の波長のレーザービームを発生させるための、ある光軸を含むレーザー媒体と、
前記レーザー媒体を側面ポンピングして前記レーザー媒体中において反転分布を生じさせるために、あるポンピング光路に沿ってポンピングビームを発射するための、少なくとも１つのダイオードレーザーと、
モードの組を規定して前記レーザービームを発生させるために、前記レーザー媒体の周囲に配された、共鳴キャビティを形成するための光学要素を備えたレーザーシステムであって、
前記光学要素は、前記レーザー媒体内部に前記モードの組を位置させるように配置され、
前記少なくとも１つのダイオードレーザーは、前記レーザー媒体の吸収ピーク波長とは異なるポンピング波長を提供するものであり、
前記少なくとも１つのダイオードレーザーは、前記ポンピングビームが前記レーザーシステムのあるレーザーモードに整合させられるように、前記レーザー媒体の表面の近くに配されており、
光の前記ビームは、前記レーザー媒体内部において、前記光軸に略垂直な第一の横断方向に沿った方向に角度広がりを有し、
光の前記ビームの前記角度広がりを前記レーザーシステムにおける前記モードの組の高さに整合させるために、前記少なくとも１つのダイオードレーザーが、前記レーザー媒体の前記表面から第一の距離だけ離れていることを特徴とするレーザーシステム。
【請求項３３】
前記少なくとも１つのダイオードレーザーと前記レーザー媒体の前記表面との間に、いかなる集光用光学要素も設けられていないことを特徴とする請求項３２記載のレーザーシステム。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのダイオードレーザーのある特定の出力パワーに対して、前記レーザーシステムからの最大限の出力パワーを提供するように、前記第一の距離が選択されることを特徴とする請求項３２記載のレーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、１９９８年４月１６日に米国において出願された２件の特許出願（０６１，７９６および０６１，７９７）の優先権を主張して、１９９９年４月１５日に出願された国際出願PCT/US99/08298の日本国に移行した特許出願（特願２０００−５４４０４０）から分割されたものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、レーザーにおける利得媒体（ｇａｉｎ  ｍｅｄｉｕｍ）に対するポンピング放射の最適な結合、およびそのようなレーザーを含むシステムに関するものである。本発明の特徴は、ネオジム‐イットリウム‐バナデートのような高吸収能かつ高利得の固体利得媒体を側面ポンピングするために、１つあるいは複数の半導体ダイオードアレイを使用することに関する。
【背景技術】
【０００３】
固体レーザーとは、結晶、ガラス、あるいは光により励起されうる材料（たとえばネオジム等の希土類元素のイオン）のホストとしてのその他の固体材料を、利得媒体として用いる一群のレーザーを指す。上記の結晶、ガラスあるいはその他の固体ホスト材料は、光により励起されうる材料を、適当な位置に固定する格子として作用する。説明のために、ネオジムイオンによりドープされたイットリウム‐アルミニウム‐ガーネット（ＹＡＧ）を利得媒体として使用した、一般によく知られた固体レーザーシステムを考えると便利である。このシステムは、通常はＮｄ：ＹＡＧという記載で特定される。Ｎｄ：ＹＡＧの固体利得媒体にポンピング放射を照射すると、ホスト材料ＹＡＧ内において、ドープイオンであるＮＤ３＋が、ライフタイムを有する準安定的状態に励起される。このライフタイムは、励起後の準安定的状態からのドープイオンの光学的遷移によりレーザーの動作が確立されるように、各状態にあるイオン数を反転分布させるものである。固体レーザーシステムの中には、キセノンフラッシュランプあるいはその他の型のフラッシュランプのような広帯域の光放射源を利用して、利得媒体にポンピング放射を供給し、ドープイオンを各々の所望の準安定的状態へと励起するものもある。フラッシュランプは、利用可能なパワーレベルが高いこと、コストが比較的低いことなどの利点を有する。しかしながら、広帯域の、あまり集中させられていないポンピング放射を使用すると、レーザーの共鳴モード内に含まれない利得媒体の各部分においてもポンピング放射が吸収されてしまうため、このようなポンピング放射の使用は好ましくない。レーザーの共鳴モード内に含まれない利得媒体のポンピング部分は、レーザー動作をもたらさず、散逸されなくてはならない熱を発生させるため、使用可能なポンピング強度の範囲に制限を課す可能性がある。
【０００４】
フラッシュランプによる励起の非効率性に関する第二の好ましくない側面は、フラッシュランプの広帯域放射が、共鳴モード内にあるドープイオンを所望の励起準位にポンピングする役割に適さないという側面である。すなわち、フラッシュライトのポンピング放射中には、固体利得媒体のネオジムイオンを所望の準安定的状態に励起するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを有する光子が、多く存在するということである。これらの過度に強いエネルギーを有する光子がドープイオンに吸収されると、ネオジムイオンに吸収された光エネルギーであって、ネオジムイオンを所望の準安定的状態に遷移させるのに必要なエネルギーを超える余剰のエネルギーは、少なくとも部分的には固体利得媒体の熱的励起を通じて散逸させられる。換言すれば、共鳴モードに吸収された放射中の余剰のエネルギーは、利得媒体を熱することになる。より低い程度ではあるが、ネオジムイオンを所望の状態に励起するには不十分なエネルギーしか有さない放射中にある光子についても、同様の減少が起こる。固体利得媒体として適当な材料は、比較的広い吸収帯を有する不完全な結晶構造であって、比較的低いエネルギーの光子に対する空孔媒介吸収の程度が著しい結晶構造を有している傾向がある。吸収されたフラッシュランプ放射の一部であって、ドープイオンを所望の準安定的状態に励起するには不十分なエネルギーしか有していない一部もまた、典型的には、少なくとも部分的には利得媒体の加熱を通じて散逸させられる。
【０００５】
様々な理由から、熱の散逸と不必要な熱の発生の回避とは、固体利得媒体に関する重要な検討事項である。固体レーザーは、一般的には高パワーの用途に使用され、その際には、対応する高レベルのポンピングパワー入力が使用され、利得媒体の高レベルの加熱が生じる。一般的に固体利得媒体は熱伝導性が低く、したがって固体利得媒体の内部と冷却が行われる表面との熱交換性が低いため、固体利得媒体の冷却は、冷媒を用いた冷却器と固体冷却器のどちらを使用しても、完全に十分な冷却とはならない。したがって、冷却によって固体利得媒体のポンピングされた部分から熱が除去される際の除去速度には限界がある。そのため、固体利得媒体および固体レーザーの固有の特性として、当該レーザーの利得媒体中に熱が蓄積されるという特性がある。さらに悪いことには、固体利得媒体は、過度に加熱された状態への適合性が極めて低い傾向がある。固体利得媒体は、典型的には、高熱のストレスの下では機械的損傷を受けやすい。したがって、固体利得媒体への加熱が、システムの性能を制限することが度々ある。
【０００６】
フラッシュライトによる固体利得媒体のポンピングに付随する様々な問題は、従来から、固体レーザーが適当だと思われる用途における応用を制限してきた。固体利得媒体をポンピングするための励起源としての半導体ダイオードレーザーの成熟により、固体レーザーの実用的な応用のための大きな前進がなされた。洗練された製造技術の利用を通じて、現在では、多くの固体レーザーシステムに最適な励起エネルギーに極めて近いエネルギーに対応する波長で動作する半導体レーザーが入手可能である。こうした半導体レーザーは、好ましい質の動作モードを示し、かつ固体利得媒体のポンピングに役立つような十分に高いエネルギーで動作する。２０ワット以上の出力パワーを有する市販の半導体レーザーは、一般的には、複数の別個のレーザーダイオード発光子の直鎖状アレイが、単一のチップ上に形成されて成る。こうしたバー状の半導体レーザーは、様々な所望の出力波長のうちいずれかを有するように製造されることが可能で、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧのような固体レーザーシステムをポンピングするのに便利な波長である８０８ｎｍに近い出力波長を有することが可能である。さらには、こうしたダイオードレーザーは、使用中において、当該ダイオードレーザーのバーを特定の固体利得媒体に適合させるのに十分な範囲（±３ｎｍ）に亘って波長調整され得る。半導体レーザーの波長調整は、該半導体レーザーの動作温度の調節により達成される。ポンピングされるエネルギーレベルに整合させられた半導体レーザー出力波長は、利得媒体中において熱を直接発生するようなポンピング放射をほとんど生じさせないようにして効率的に固体利得媒体のポンピングを行うことを可能とするので、そのような半導体レーザー出力波長が使用可能であることは重要である。エネルギーレベルの面で効率的な利得媒体のポンピングは、精密でないポンピングに起因して固体利得媒体中で発生させられる熱の量を大幅に減少させる。
【０００７】
半導体レーザーは固体利得媒体を効率的にポンピングすることができるが、半導体レーザーの最大出力パワーは、多くの固体レーザーの用途において好ましい値よりも低い。したがって、実用に足る程度の量の半導体レーザー出力強度を利用するためには、固体利得媒体の利得領域中において、半導体レーザーからのポンピング光を可能な限り多く集めることが重要である。一般に使用されるＮｄ：ＹＡＧ利得媒体は、ＹＡＧの格子中のネオジムイオンをポンピングするのに最適な光の波長を強く吸収するものではない。Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒体を側面ポンピングするのに半導体レーザーが使用される際において、ポンピング光の相当部分は、Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒体の比較的短い長さを、吸収されずに完全に通過することができる。したがって、利得媒体の共鳴モード中において吸収される半導体レーザーのポンピング光の量を増加させるために、半導体レーザーによるポンピング光の出力が、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体利得媒体の最長軸に沿って発射され、かつその最長軸に対して平行に近い方向に沿って、共鳴キャビティの光軸が延ばされていることが非常に望ましい。このため、半導体レーザーによりポンピングされる固体レーザーの多くは、いわゆる「端面ポンピング」構成を使用してきた。典型的な固体レーザーは、前端および後端に設けられたミラーにより規定される共鳴キャビティを含んでいる。ここで、一般的には円筒状あるいは直方形プリズム状である利得媒体は上記の共鳴キャビティ内に配置されており、該利得媒体の各端面は、上記の前端および後端に設けられたミラーのそれぞれに直面あるいは対面するような光軸沿いに位置させられるように配置されている。場合によっては，上記のミラーのうち少なくとも１つが、利得媒体の２端面のうち１つに接して形成される。端面ポンピングレーザーとは、高レベルのポンピング光を利得媒体へと透過させるがレーザー波長においては反射率の高いミラーとして機能するよう特別に設計された後端のミラーを介して、ポンピング放射が利得媒体に供給されるようなレーザーをいう。半導体レーザーにより発生させられるポンピング光のビームのビームサイズおよび形状を、固体レーザーの利得媒体中の少なくとも一部において、モード領域（ｍｏｄｅ  ｖｏｌｕｍｅ）に近似あるいは一致させるための努力が度々なされる。ポンピングビームのビームサイズおよび形状をモード領域に一致させようとする試みは、半導体レーザーの出力と、利得媒体中の共鳴モードとの結合を最良のものとすることを最終的な目標としており、それにより一般的には、熱の発生を減少させつつ固体レーザーからの出力を最大化することが可能となる。
【０００８】
端面ポンピングの構成は、半導体レーザーからのポンピング放射を固体レーザーの利得媒体に効率的に結合させるためには非常に役立つものではあるが、ビームの形状調整、および半導体レーザーの利得媒体への端面結合を達成するにあたっては、実際上困難な点がいくつかある。Ｎｄ：ＹＡＧの典型的な結晶は、短軸に沿って１‐２ｍｍ、最長軸に沿って約１ｃｍの寸法を有する。利得媒体内で規定される利得モード（ｇａｉｎ  ｍｏｄｅ）の直径は、典型的には上記よりずっと小さく、２００から５００μｍ程度である。高出力半導体レーザーは、一般的には、０．５ｃｍから１ｃｍあるいはそれより長い距離に亘って等間隔に配された複数の発光子から成るアレイによる空間的に分布した出力を有する。したがって、高出力半導体レーザーからの光出力は、長軸に沿って１ｃｍ程度の幅を有する、長い断面形状のビームとなる。半導体レーザーを使用して固体レーザーの端面ポンピングを実施するには、利得媒体の小さな端面を介して半導体レーザーのポンピング光を利得領域に効率的に結合させるために、横方向に伸長された半導体レーザーの出力が、再び形状調整され小さなスポットサイズ（約１ｍｍ×約１ｍｍ）に集束されることが必要である。たとえばレンズの精巧なアセンブリによって、こうした形状再調整および集光が達成され得る。
【０００９】
半導体ダイオードアレイからの伸長された出力を固体利得媒体の端面に効率的に結合させるビーム形状調整用の光学系として機能する、適当かつ精巧なレンズのアセンブリを安価で提供するのは困難である。したがって、端面ポンピングレーザーは、半導体レーザーアレイの個々の発光子からの出力を、各々独立に利得媒体の端面に伝達する、複数の光ファイバーを使用することが度々ある。独立した複数のファイバーを使用することにより、半導体レーザーアレイからの伸長された出力を、レーザーのモードを端面ポンピングするのに適当である全体的に円形の形状へと、容易に再形状調整することが可能となる。個々の発光子を利得媒体のポンピング表面に効率よく結合させるには、光ファイバーの個々の発光子に対するアラインメントを正確にとる必要がある。半導体レーザーのバーを成す個々の発光子に対し、個々のファイバーのアラインメントをとることは、困難かつコストのかかる作業である。半導体レーザーの出力を固体利得媒体に結合させるのに、レンズの精巧なアセンブリとファイバー束による結合とのいずれを使用したとしても、端面ポンピング型の構成を使用することは、アラインメントが難しくしたがって高いコストを要する光学系、あるいはすぐに使用可能であるが高いコストを要する光学系のいずれかの使用を必要とする。端面ポンピング型の構成はまた、ポンピング放射を利得媒体へと透過させながら、なおキャビティ用ミラーとして許容されうる程度に機能するような特殊なキャビティ用ミラーを、少なくとも１個必要とする。
【００１０】
端面ポンピングレーザーは、拡張され得る範囲に関しても制限を受ける。このような拡張は、たとえば、追加のポンピング源あるいはより強いポンピング強度を利得媒体に結合させることにより、固体レーザーから、より高いレベルのパワー出力を得る場合に望まれる。端面ポンピング型のレーザーは、あらゆるポンピング放射を、利得媒体の狭い端面のうちの１つの面における一部分を介して固体利得媒体に結合させる。このことは、個別の２組の問題を孕んでいる。第一に、複数の半導体ポンピングレーザーを、端面ポンピング型の構成で１個の固体レーザーに結合させるに際しては、乗り越えなくてはならない問題がある。前述のように、空間的な広がりを有する半導体レーザーの発光子領域と利得領域との間のサイズ面における不一致により、特殊な光学系が必要となる。そのような光学系は、単一の半導体レーザーアレイにしか対応できないかもしれず、容易な変形により複数の半導体レーザーアレイに対応させることはできない。したがって、物理的な空間的制限の問題が生じるかもしれず、その場合には、複数のポンピング源を使用して端面ポンピング型のレーザーにおいてより高いポンピング強度を作り出すことは実用的でなくなる。第二の問題は、ポンピングパワーの全部が固体利得媒体の１端面上における単一の限られた一部分を通過するため、ポンピングされる固体レーザーの拡張可能性が本質的に制限されることである。利得媒体に印加され得る合計の入射パワーは、利得媒体の破壊エネルギー密度により制限される。利得媒体の端面により強いポンピング強度を印加することは、利得媒体の破壊をもたらしかねない。さらに、固体利得媒体に加わる熱的ストレスの多くは、利得媒体の端面上の限られた領域中において加えられる。Ｎｄ：ＹＡＧの場合のように、利得媒体がポンピング光を強く吸収するものでない場合においてさえ、極めて高いレベルの蓄熱が利得媒体の入射面近くにおいて生じる。著しい熱レンズ効果を示す利得媒体においては、そうした熱入力の局在化は特に好ましくなく、ビームの質を害するものである。局在化された熱入力が端面ポンピングと組み合わされるということは、固体利得媒体に信頼性の高い方法で結合され得る光学的ポンピングパワーのレベルという点において、端面ポンピング型のレーザーがより厳しい制限を受けることを意味する。
【００１１】
上記のことから、より容易に拡張を行うことが可能で、かつ光学的により単純な固体レーザーシステムを提供する必要性が、従来から存在していた。側面ポンピング型のレーザーは、いくつかの有望な点を有するが、先に少し触れたように、側面ポンピング型の固体レーザーは、入力されたポンピング放射を効率的に利用しない傾向にある。この問題に対する１つの選択肢は、Ａ．Ｊ．アルコック氏（Ａ．Ｊ．Ａｌｃｏｃｋ）およびＪ．Ｅ．バーナード氏（Ｊ．Ｅ．Ｂｅｒｎａｒｄ）による文書において提案されており、その内容は、特許文献１「横方向においてポンピングされる高効率の固体平板レーザー（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｌａｂ  Ｌａｓｅｒ）」、およびバーナード氏らによる非特許文献１に記載されている通りである（以下、両者を合わせて「アルコック氏特許」と呼ぶ）。アルコック氏特許には、非常に高い吸収係数を有する利得媒体であるネオジム‐イットリウム‐バナデート、すなわちＮｄ：ＹＶＯ４を使用して、入力されたポンピング放射の実質的に全部が利得媒体の表面から２５０μｍ以内において吸収されるようにした、側面ポンピング型の固体レーザーが記載されている。Ｎｄ：ＹＶＯ４型の利得媒体の吸収能は非常に高いため、アルコック氏特許は、利得媒体内の光路についてグレージング角の幾何学特性を利用することが必要であることを教示している。アルコック氏特許のレーザーにおけるキャビティ用ミラーは、利得媒体の１つの側面から共鳴レーザーモードがグレージング入射角でもって内部反射されるように配置されている。ポンピングは、レーザーのモードが内部反射される利得媒体の側面上の一部分を通過するように発射された、発散する出力を有する半導体レーザーを利用して達成される。利得モード領域（ｇａｉｎ  ｍｏｄｅ  ｖｏｌｕｍｅ）と利得媒体の上記の側面との間の角度が小さいことは、ポンピング表面が、利得媒体の拡大されたモード断面と交わることを意味するため、高レベルのポンピング放射が共鳴レーザーモードに結合する。
【００１２】
アルコック氏特許に記載されている固体レーザーは、入射されるポンピングエネルギーの密度を減少させ、ポンピングに付随する熱入力を、端面ポンピング型のレーザーにおいて典型的である表面積よりも大きい利得媒体表面積に亘って分散させるような、側面ポンピングを利用している。この方法により、アルコック氏特許のレーザーは、端面ポンピングされる固体レーザーに付随する前述の問題のいくつかを解決している。しかし一方では、アルコック氏特許のレーザーの幾何学特性は、別の多くの問題を新たに生み出す。アルコック氏特許のレーザーの幾何学特性に関する第一の問題は、アルコック氏のレーザーは、Ｑ−スイッチ型固体レーザーに典型的な型の高反復率パルス型レーザー動作に対し、適合性が低い点である。アルコック氏のレーザーの利得媒体は、半導体レーザーからのポンピング放射に熱せられ、ポンピングが起こるべき利得媒体の表面において、強い熱レンズ効果を生じさせる。アルコック氏のレーザーの利得媒体のポンピング表面において形成された熱レンズの変化は、パルス動作状態下におけるアルコック氏のレーザーの性能に、許容不可能な水準の変化をもたらしうる。１ｋＨｚ未満の低いパルス反復率では、ポンピング放射によるアルコック氏のレーザーの利得媒体の加熱に付随する熱レンズ効果の変化は、許容不可能な水準の変化まではもたらさない。しかし一方で、１ｋＨｚよりも速い反復率では、アルコック氏のレーザーの表面における熱レンズの時間変化は、アルコック氏のレーザーの出力に変化をもたらし、出力ビームの質を回折限界時の質に比べて約１．５倍悪化させてしまう。より高い反復率では、出力ビームの質はさらに著しく悪化する。したがって、アルコック氏特許のレーザーは、高反復率パルス型の動作にはあまり適していない。
【００１３】
アルコック氏特許に記載されているレーザーの幾何学特性に関する第二の問題は、アルコック氏特許のレーザーの幾何学特性は、固体レーザーシステムに対し、高レベルの回折損失を必然的にもたらすものであるという点である。アルコック氏特許により教示されたグレージング角の幾何学特性が、入手可能な大きさの固体利得媒体に適用されると、媒体内におけるレーザーの利得モードの経路は、利得媒体の側面の端部に極めて近い箇所において該利得媒体に出入りすることになる。そのため、レーザーの利得モードは、利得媒体の側面を介して著しい回折損失を被ることになる。アルコック氏特許の設計を採用しようと試みた実際のレーザーに関し経験により導かれた回折損失のレベルは、そうしたレーザーの光出力パワーを制限してしまう程に高い。
【特許文献１】米国特許第５３１５６１２号明細書
【非特許文献１】「高効率のダイオードポンピングＮｄ：ＹＶＯ４平板レーザー（Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｎｄ：ＹＶＯ４  Ｓｌａｂ  Ｌａｓｅｒ）」（１８  オプティックス・レターズ（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、９６８−９７０、１９９３年６月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、比較的単純な固体レーザーであって従来よりも高いレベルの光パワーによってポンピングされ得る固体レーザーが組み込まれたレーザーシステムを提供することにある。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、利得媒体のポンピング表面から隔てられた利得領域への、ポンピング放射の効率的な結合を有する、側面ポンピング型の固体レーザーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの目的およびその他の目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ４等の高吸収係数を有する固体利得媒体を含み、半導体レーザーのダイオードアレイによって側面ポンピングされる固体レーザーにおいて達成され得る。本発明のいくつかの特定の態様によると、ポンピングレーザーは、該ポンピングレーザーと利得媒体の表面との間に平行光化用あるいは集光用の光学要素を設けずに利得媒体を側面ポンピングするように配置されている。ポンピングレーザーと利得媒体との間の距離は、結合および回折損失を最適化するべく固定された利得モード位置において、上記のポンピングレーザーの出力が有する出射角度の角度広がりを該利得モードの高さに整合させることにより、経験的に選択され得る。このようにすると、利得モードと、レーザーがポンピングされるところのレーザー表面とが、回折損失を低減させるのには十分大きいがポンピング光の利得モードへの結合を可能とするには十分小さい距離だけ離れるように、固体レーザーの共鳴キャビティが好ましく配置される。本発明のいくつかの実施形態においては、利得媒体、利得媒体のドープレベル、およびポンピングレーザーの動作温度が、ポンピング光を利得モードに効率よく結合させるように選択される。
【００１７】
本発明のある態様によると、レーザーシステムはレーザーキャビティを含んでおり、このレーザーキャビティは該レーザーキャビティを貫くような光軸を含んでいる。このレーザーシステムは横断方向に幅を有する固体利得媒体を含んでおり、ここで該固体利得媒体のポンピング波長における吸収の深さは、上記の横断方向の幅および該固体利得媒体に含まれる上記の光軸の長さよりも小さい。特徴的な出力波長を有する少なくとも１つの半導体レーザーが、側面ポンピングの構成にある上記の固体利得媒体に向けて光ビームを発射するように配置されている。上記のレーザーキャビティは、固体レーザーのレーザーモードを規定するものであり、このレーザーモードは、該レーザーモードが上記の利得媒体の表面から離れるようにするため、あるモード深さに位置させられている。
【００１８】
本発明の別の態様は、所望の波長のレーザービームを発生させるためのレーザー媒体を有するレーザーシステムを提供する。少なくとも１つのダイオードレーザーが、上記のレーザー媒体を側面ポンピングして該レーザー媒体内において反転分布を生じさせるためのポンピング光路に沿って、ポンピングビームを発射する。モードの組を規定してレーザービームを発生させるために、共鳴キャビティを形成するための光学要素が、上記のレーザー媒体の周囲に配されている。上記の各光学要素は、上記の光学的なモードの組を上記のレーザー媒体内部に位置させるように配されており、また上記の少なくとも１つのダイオードレーザーは、上記のレーザー媒体の吸収ピーク波長とは異なるポンピング波長を提供するものである。
【００１９】
本発明のさらに別の態様は、所望の波長のレーザービームを発生させるためのレーザー媒体を有するレーザーシステムを提供する。少なくとも１つのダイオードレーザーが、上記のレーザー媒体を側面ポンピングして該レーザー媒体内において反転分布を生じさせるためのポンピング光路に沿って、ポンピングビームを発射する。モードの組を規定してレーザービームを発生させるために、共鳴キャビティを形成するための光学要素が、上記のレーザー媒体の周囲に配されている。上記の各光学要素は、上記のモードの組を、上記のレーザー媒体のあらゆる側面から離して、上記のレーザー媒体中に位置させるように配されており、また上記のモードの組の幅は、ポンピング波長におけるレーザー媒体の吸収長の約１／２から約２倍の幅である。
【００２０】
本発明の別の態様は、少なくとも２個の光学要素で規定されるレーザーキャビティであって、少なくとも第一の光学要素を貫くような光軸を含んだレーザーキャビティを含むレーザーシステムを提供するものであって、ここで上記の各光学要素はレーザーモードの組を規定するものである。このレーザーシステムは、ある横断寸法と吸収能を有する固体利得媒体を含んでおり、ここで上記の光軸は該固体利得媒体を貫いている。ブロッキング素子が、上記の固体利得媒体と上記の第一の光学要素との間において、上記の光軸近くに配されている。ある出力波長を有する少なくとも１つの半導体レーザーが、側面ポンピングの構成にある上記の固体利得媒体に向けて光ビームを発射するように配置されている。上記のブロッキング素子は、上記のレーザーモードの組のうちの１つあるいは複数の利得を制限するように配置されている。
【００２１】
本発明はまた、固体レーザーを含むレーザーシステムを組み立てる方法をも提供するものである。レーザーモードの組を有する固体レーザーのキャビティを規定するために、光学要素および固体利得媒体が提供され、ここで上記のレーザーモードの組は上記の利得媒体内部に位置しており、上記の利得媒体はある吸収深さを有している。上記の利得媒体を側面ポンピングして固体レーザーの出力を発生させるために、ある出力波長を有する少なくとも１つの半導体レーザーが配置されている。ポンピングビームを提供する上記の半導体レーザーは、あるビームサイズを有している。この方法は、（１）上記の利得媒体内部における、上記のレーザーモードの組の位置を変化させること、（２）上記の半導体レーザーの出力波長を変化させること、および（３）上記のポンピングビームのビームサイズを変化させることのうち、少なくとも１つを行うことにより、固体レーザーの構成を最適化する工程を含んでいる。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、レーザーシステムはレーザーキャビティを含んでおり、このレーザーキャビティは該レーザーキャビティを貫くような光軸を含んでいる。横断方向および鉛直方向を有する固体利得媒体が、上記のレーザーキャビティ内に設置されており、ここで上記の光軸は、該固体利得媒体を貫いている。ある出力波長を有する少なくとも１つの半導体レーザーが、上記の利得媒体をポンピングするために該利得媒体のポンピング表面を通過させて光ビームを発射するように配置され、ここで上記の光ビームは、上記の利得媒体中において上記の鉛直方向に発散する光ビームである。上記の少なくとも１つの半導体レーザーからの上記の光ビームは、上記の利得媒体内においてあるレーザーモードをポンピングし、固体レーザーの出力を発生させる。上記の利得媒体のポンピング表面から離れたある深さに上記のレーザーモードが位置させられるように、上記のレーザーキャビティが規定される。上記の少なくとも１つの半導体レーザーによる上記の光ビーム出力が上記のレーザーモードに整合するようにするため、該少なくとも１つの半導体レーザーは、上記の固体利得媒体の表面近くに配される。
【００２３】
本発明の別の態様は、レーザーキャビティを有するレーザーシステムを提供するものであり、このレーザーキャビティは該レーザーキャビティを貫くような光軸を含んでいる。固体利得媒体が上記のレーザーキャビティ内に設置されており、ここで上記の光軸が該固体利得媒体を貫いている。このレーザーシステムは、光ビームを発射する少なくとも１つの半導体レーザーを含んでおり、この光ビームは、該少なくとも１つの半導体レーザーの出力時において高さよりも幅の方が広くなっている。上記の半導体レーザーは、上記の利得媒体をポンピングするために該利得媒体のポンピング表面を通過させて光ビームを発射するように配置され、ここで上記の光ビームは、上記の利得媒体中において鉛直方向に発散する光ビームである。上記の半導体レーザーからの上記の光ビームは、上記の利得媒体内においてあるレーザーモードをポンピングし、固体レーザーの出力を発生させる。上記の光軸が上記のレーザーモードと上記の利得媒体の両端面とを貫くように、かつ、上記の利得媒体のポンピング表面に平行な方向に延びる上記の光軸に沿ってのみ、上記のレーザーキャビティが上記のレーザーモードを方向付けるように、上記のレーザーキャビティが規定される。上記の少なくとも１つの半導体レーザーによる上記の光ビーム出力が上記のレーザーモードに整合するようにするため、該少なくとも１つの半導体レーザーは、上記の固体利得媒体のある面に隣接して設置される。
【００２４】
本発明の別の態様は、所望の波長のレーザービームを発生させるためのレーザー媒体と、上記のレーザー媒体を側面ポンピングして該レーザー媒体内において反転分布を生じさせるためのポンピング光路に沿ってポンピングビームを発射する、少なくとも１つのダイオードレーザーとを有するレーザーシステムを提供する。モードの組を規定してレーザービームを発生させるために、共鳴キャビティを形成するための光学要素が、上記のレーザー媒体の周囲に配される。上記の各光学要素は、上記のモードの組を上記のレーザー媒体内部に位置させるように配されており、また上記の少なくとも１つのダイオードレーザーは、上記のレーザー媒体の吸収ピーク波長とは異なるポンピング波長を提供する。上記のポンピングビームが上記のレーザーシステムのレーザーモードに整合するようにするため、上記の少なくとも１つの半導体レーザーは、上記のレーザー媒体の表面近くに配される。
【００２５】
本発明のさらに別の態様は、所望の波長のレーザービームを発生させるためのレーザー媒体と、上記のレーザー媒体を側面ポンピングして該レーザー媒体内において反転分布を生じさせるためのポンピング光路に沿ってポンピングビームを発射する、少なくとも１つのダイオードレーザーとを有するレーザーシステムを提供する。モードの組を規定してレーザービームを発生させるために、光学要素が、上記のレーザー媒体の周囲に共鳴キャビティを形成する。上記の各光学要素は、上記のモードの組を、上記のレーザー媒体のあらゆる側面から離して、上記のレーザー媒体内部に位置させるように配されている。上記のポンピング光路は、上記の少なくとも１つのダイオードレーザーと上記のレーザー媒体との間において、集光用の光学要素を含んでいない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の特に好ましい実施形態は、半導体レーザーのダイオードアレイによって側面ポンピングされる固体利得媒体を含む、固体レーザーを提供する。側面ポンピング型の構成を利用することは、半導体レーザーの発散する出力を、固体利得媒体内部の拡大された利得領域に結合させることを可能とし、固体レーザーにおける端面ポンピング型の構成の場合に比して、固体利得媒体に対する熱入力が良好に分散されるようにする。半導体レーザーからの高レベルのポンピング光を利得媒体に結合することを容易にするためには、固体利得媒体が、ポンピング光の波長において比較的高いレベルの吸収能を有していることが好ましい。高い吸収能を有する利得媒体を選択すれば、Ｎｄ：ＹＡＧ等のより低い吸収係数を有する利得媒体を使用する場合よりも効率的に、ポンピング放射を固体レーザーに結合することが容易になる。最も好ましくは、本発明による固体レーザーは、利得媒体中を通る比較的単純なビーム経路を提供し、これにより、前述のアルコック氏特許において用いられたグレージング角の入射幾何学特性に付随する、高い回折損失を回避する。たとえば、本発明の特に好ましい実施形態は、利得媒体中を貫いてまっすぐに延びるビーム経路であって、ポンピング光が入射するところの利得媒体の表面から離れているが該表面に近いビーム経路を提供する。
【００２７】
固体レーザーの好ましい構成は、レーザーの動作において、最も低次の共鳴モードであり空間的に最も良好に閉じ込められた共鳴モードであるＴＥＭ００共鳴モードが選択されるように固体レーザーの共鳴モードの領域を規定する、ミラーや熱レンズ等の構成要素を設ける構成である。さらに、こうした固体レーザーの好ましい構成は、ＴＥＭ００モードからの回折損失を受容可能な低いレベルまで低減させるべく、当該モードの１／ｅ２強度レベルにより規定されるＴＥＭ００モードの端点が利得媒体の表面から十分な距離だけ離れるように、レーザーキャビティのＴＥＭ００モードを位置させる構成である。このようにして高い吸収能を有する利得媒体内においてＴＥＭ００モードを選択および位置決定することは、利得媒体中においてＴＥＭ００利得領域（ＴＥＭ００  ｇａｉｎ  ｖｏｌｕｍｅ）を効率よくポンピングすることに対して難題を突きつけるものである。なぜならば、高い吸収能を有する利得媒体の効率的なポンピングは、そうした高い吸収能を有する利得媒体の表面でのみ起こることが予期されるし、また従来からそのように教示されてきたからである。この点に関しては、キンツ氏（Ｋｉｎｔｚ）らに付与された米国特許第４，９４２，５８２号「単一周波数固体レーザー（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ）」、およびアルコック氏らに付与された米国特許第５，３１５，６１２号「横方向においてポンピングされる高効率の固体平板レーザー」を参照されたい。高い吸収係数を有する固体レーザーの利得媒体の具体的な特定および特性に関するこれらの特許の教示事項は、参照により本明細書に記載されているものとする。
【００２８】
本発明の特に好ましい実施形態は、利得媒体の吸収特性を選択することにより、高い吸収係数を有する利得媒体に対して、レーザーの利得モードを内部的に位置させている。この利得媒体の吸収特性は、部分的には利得媒体のドープレベルを選択することによって調節可能である。利得媒体の吸収に関する第二の調節手段として、ポンピング光の波長が利得媒体の吸収ピーク波長から僅かにずらされるように、すなわち「離調される」ように、該ポンピング光を選択することも望ましい。このようにしてポンピング光の波長を選択することは、利得媒体の表面近くで吸収されるポンピング光の割合を減少させ、レーザーの利得領域内において吸収されるポンピング光の割合を増加させる。ポンピング光の波長を選択することは、半導体レーザーダイオードの設計により達成され得るし、より実用的には適当な出力波長を有する市販の半導体レーザーを購入することにより達成され得る。さらには、市販の半導体レーザーからの光出力波長は、該半導体レーザーの動作温度を調節することによって、約６ｎｍあるいはそれより広い範囲に亘って波長調整され得る。このようにしてポンピング光の波長を選択することにより、半導体レーザーからの光が利得媒体中において吸収される位置の深さを調節し、所望のレベルのポンピング光を利得媒体中の利得領域に結合させることが可能となる。このようにして、本発明による固体レーザーシステムは、半導体レーザーからの高レベルのポンピング光を、高い吸収係数を有する利得媒体の表面から離れた利得領域に結合させる。
【００２９】
本発明のいくつかの態様によれば、固体レーザーは高い吸収係数を有する利得媒体を利用しており、該利得媒体を半導体ダイオードレーザーアレイで側面ポンピングする。本発明の特に好ましい実施形態においては、高い吸収係数を有する利得媒体内部にあるレーザーの利得領域は、利得媒体のポンピング表面を介しての回折損失が低い回折損失となることを保証するのに十分な距離だけ、該利得媒体の表面から離れている。最も好ましくは、ポンピングレーザーは、利得媒体から離れているが近い位置に配置され、その離間間隔は、固体レーザーからのＴＥＭ００出力を最適化するように好適に選択される。本発明の発明者らによる観察は、このポンピングレーザーと利得媒体との間の最適化された離間間隔が、固体レーザーからの多重モード出力パワーを最大化するのに最適な離間間隔とは一致しないことを示唆するものであった。
【００３０】
本発明のこの態様の特に好ましい実施形態は、変形された突合せ結合の構成にある利得媒体を側面ポンピングする。換言すれば、ポンピングレーザーからの出力は、レンズを通過することなく利得媒体に向けられるが、ポンピングレーザーと利得媒体との間の離間間隔は、典型的な突合せ結合の離間間隔ではなく、ポンピングレーザーと利得媒体との間には従来の離間間隔よりも広い離間間隔が存在する。最も好ましくは、該離間間隔の選択は、該離間間隔の選択に先だってかつ該離間間隔の選択とは独立に利得媒体内部において固定された位置を有する、ＴＥＭ００モードへの結合を最適化するように行われる。ＴＥＭ００モードあるいはその他の所望のレーザーモードは、利得媒体に対するレーザーキャビティの構成および相対位置によって、利得媒体中において規定される。利得媒体中において固定された位置にレーザー利得モードが保持された状態で、続いて、主としてポンピング放射のレーザー利得モードへの結合を最適化するために、半導体レーザーが利得媒体に対して相対的に位置決めされる。これらの実施形態のさらに別の一態様として、実用性の面から、ポンピングレーザーと利得媒体との間の離間間隔が経験に基づいて最適化され、最適水準の結合が得られる態様がある。また代わりに、利得媒体への半導体レーザーのポンピング放射の結合は、半導体ポンピングレーザーと利得媒体との間において適当な光学系を用いることにより、経験的に選択された利得領域と高さ方向の長さが整合された、平行光化されたビームを用いても達成され得る。この代替構成は、製造の容易さという点で利点を有するかもしれないが、突合せ結合の構成を利用した本発明の最も好ましい実施形態ほどには、良好に最適化されないと考えられる。
【００３１】
本発明の特に好ましい実施形態においては、側面ポンピングされる利得媒体と側面ポンピングを行う半導体レーザーとの間にいかなる光学要素も介在しないような側面ポンピング型の構成をもって、該半導体ポンピングレーザーが該利得媒体に対して設置される。集光用光学要素あるいは平行光化用光学要素が存在しないので、半導体ポンピング光は鉛直方向に発散する。半導体ポンピング光と利得媒体との間の離間間隔が大きくされると、利得媒体中におけるポンピング光のビームの高さ（鉛直方向の広がり）が変化させられる。したがって、この単純化された構成は、半導体レーザーからの発散する出力の高さ調整の容易化を、難なく実現する。さらには、半導体レーザーと利得媒体との間の離間間隔の調節は、ポンピング放射のレーザー利得モードへの結合の水準を調節し、ポンピング放射のレーザー利得モードへの最適な結合を選択することを可能にする。加えて、上記の好ましい固体レーザーシステムの好ましい構成は、従来型の側面ポンピングされる固体レーザーの実施態様に比べて、より効率的であり、かつ、より安定性が高い。
【００３２】
本発明のさらに別の態様では、本発明は、高出力パワーの固体レーザーシステムを使用した光学系に関して、単純化された光学系を提供する。本発明によるレーザーシステムは、好ましくは、約２５ｋＨｚかそれより大きいパルス反復周波数（ＰＲＦ）を有するパルス動作で動作し、このことは、パルス状のレーザー出力が最適な形で提供されるシステムの中で該レーザーを使用することを容易にする。レーザービームは、周波数調波発生（たとえば周波数２倍あるいは３倍）結晶を有効に利用するのに十分なほどに、良好な質のビームとして発生させられる。このことは、周波数が２倍、３倍あるいは４倍された光の発生において上記の固体レーザーを使用することを可能にし、それにより、紫外領域の波長を含めた特に有用な波長を有する光出力が発生させられる。
【００３３】
以下、本発明の上述およびその他の態様を、図を参照しながらより詳細に説明する。以下に説明される固体レーザーは、周波数が２倍、３倍あるいは４倍され、波長が短くされたレーザー光を光出力として発生させる光学系の一部として、特に有用な応用用途を見出される。そのような光学系は、紫外域の波長において干渉性のレーザー放射を出力する能力を有し、高速試作および製造（Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；  ＲＰＭ）技術の分野を含む種々の重要な応用用途において有用であるかもしれず、なかでもとりわけステレオリソグラフィの分野において有用であるかもしれない。本発明は、本明細書に記載された光学系、および１９９７年１月３１日出願の継続中の米国特許出願第０８／７９２，３７４号（続き番号）「ダイオードによりポンピングされる４倍周波数固体レーザーを有するレーザー露出システムを利用したステレオリソグラフィにおいて、３次元物体を形成する装置および方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｔｈｒｅｅ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｑｕａｄｒｕｐｌｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ）」に記載されているような手法で本発明の各態様による固体レーザーを組み込んだステレオリソグラフィ装置内の光学系の使用を意図したものである。この出願は、参照によりその全内容が本明細書に記載されているものとする。上記の参照出願において特に注目されたい点は、ステレオリソグラフィ装置においてパルス型の固体レーザーを有効に利用するのに好ましい反復周波数、およびそのような応用用途におけるその他の設計上の考察である。本光学系に関して意図される別の応用用途は、１９９７年８月２８日出願の継続中の米国特許出願第０８／８４７，８５５号（続き番号）「ステレオリソグラフィを使用した３次元物体の造形においてパルス放射源を用いて、硬化可能な媒体の露出を制御する装置および方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｏｆ  ａ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉａｂｌｅ  Ｍｅｄｉｕｍ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｉｎ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）」に記載のステレオリソグラフィ装置内における用途である。この出願は、参照によりその全内容が本明細書に記載されているものとする。ステレオリソグラフィの方法および装置は、その他にも様々な米国特許に記載されており、それらの中には、（１）ハル氏（Ｈｕｌｌ）に付与された米国特許第４，５７５，３３０号；（２）ボーギッチ氏（Ｖｏｒｇｉｔｃｈ）に付与された米国特許第５，１８２，７１５号；および（３）ハル氏に付与された米国特許第５，１８４，３０７号が含まれる。上記の各特許は、参照によりその全内容が本明細書に記載されているものとする。上記の特許出願および特許に記載されているようなステレオ��ソグラフィシステムにおける用途において特に有用である、以下に説明される実施形態においては、ステレオリソグラフィ装置へのレーザービーム入力として、真円形状から僅かにずれた離心率を有するレーザービーム入力が提供されることが望ましい。たとえば、レーザーシステムへの入力は、１．３未満の離心率を有していることが望ましく、さらにその離心率は、１．１未満あるいはおよそ１．１に等しいことがより好ましい。最も典型的には、ステレオリソグラフィ装置への入力は、周波数が３倍あるいは４倍されたレーザービームである。
【００３４】
本発明の実施形態による全体的な光学系の設計は、固体レーザーの好ましい態様および利点に関する説明のための重要な背景知識を提供するものであるので、まずその光学系全体の、より関連性が深く特徴的な側面を説明する。この光学系全体の概要を説明した後に、その光学系全体に関する説明において提供された骨子の範囲内で、固体レーザーの設計に関するその他のより詳細な側面を説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態による、固体レーザーを含む光学系全体を図示した図である。まず留意すべきことは、図１に図示された全体的な光学系は、該光学系内の光路沿いの異なる点において、３種類の異なる波長を発生させるということであり、ここで第二番目および第三番目の波長は、第一番目の波長の調波波長である。固体レーザー１０は、レーザー光の基本波長を出力し、この基本波長は、当該光学系内において、第二番目および第三番目の波長（すなわち、周波数が２倍、３倍あるいは４倍されたレーザービーム）を規定する。この固体レーザー１０は、近赤外領域において約１０６４ｎｍの波長を有する基本波長レーザービームを出力することが多い。この１０６４ｎｍのレーザー線は、当該技術分野においてはよく知られている様々な理由から有用なものであり、それらの理由には、固体利得媒体中においてドープされたネオジムイオンを励起することによりこのレーザー線が発生させられることや、このレーザー線と半導体レーザーダイオードによるポンピングとの互換性などが含まれる。当該光学系内における調波発生結晶の作用により、周波数が２倍された５３２ｎｍのレーザービームが第二調波発生結晶を用いて発生させされ、さらに、全体的な光学系からの所望の最終出力として周波数が３倍された３５５ｎｍのレーザービームが発生させられる。この３５５ｎｍのレーザービームは基本レーザービームの３倍周波数に相当するため、周波数３倍結晶を指して第三調波発生結晶と呼ぶことにする。本発明の別の実施形態においては、レーザーシステムの出力として周波数が４倍されたレーザービームを発生させるために、第一の周波数２倍結晶の後に第二の周波数２倍結晶が配されてもよい。
【００３５】
基本波長のレーザービームは、固体レーザー１０により出力された後、まず半波長板１２を通過させられる。この半波長板１２は、基本となる出力ビームの偏光方向を９０°回転させる。光路上のこの箇所に半波長板１２を組み込むのは、主として、全体的な光学系内における周波数変換要素の配置において便利だからであり、とりわけ、第二調波発生結晶に向かう光の適当な偏光方向を得るために便利だからである。ここで、他の調波結晶には他の偏光方向が充てられ得る。本発明の特に好ましい実施形態においては、基本波長のレーザービームは水平方向に直線偏光されている（図１中の各要素が水平面上に配置されていて、紙面に垂直な方向が鉛直方向であると想定している）。半波長板１２は、偏光方向を鉛直方向に回転させる。この偏光方向が回転されたビームは、次に一連の方向変換ミラー１４および１６によって反射される。これらの方向変換ミラー１４および１６は、光学系全体の占めるフットプリントをよりコンパクトにし、基本となるレーザービームの位置および方向の調節を可能とするために、光路を方向変換する（すなわち折り曲げる）ものである。第二番目の方向変換ミラー１６により反射されたレーザービームは、続いて、周波数を２倍にする操作を実行する一連の光学要素に向かう。これらの一連の光学要素には、第一レンズ１８、第二調波発生結晶２０および第二レンズ２２が含まれる。第一レンズ１８は、固体レーザー１０の出力カプラーから約２５ｃｍの距離だけ離れており、第一レンズの位置における基本レーザービームのビーム径（ビームウエストの半径の２倍、すなわち２ｗ０）は、約２．５ｍｍである。
【００３６】
第一レンズ１８は、基本波長のレーザービームを第二調波発生結晶２０上に集光させる。この第二調波発生結晶２０は、簡単に言えば、基本波長光の２個の光子のエネルギーを加算して、基本波長のレーザービームを構成する各光子に比して２倍のエネルギーを有する１個の光子を発生させるものである。基本波長のレーザービーム中の２個の光子を結合することにより発生させられた１個の光子は、基本の光子に比して２倍のエネルギーを有し、基本の光子に比して２倍の周波数を有し、また基本のレーザービームの光子に比して１／２倍の波長を有する。この周波数を２倍にする処理は、第二調波発生結晶２０内において大規模に行われ、２倍された周波数、すなわち約５３２ｎｍの波長を有する第二のレーザービーム（すなわち第二調波）が発生させられる。このような調波発生の処理は、入射レーザービームが適当に強い瞬時パワーを有している限りにおいて、様々な異なる非線形結晶を使用したものが既知であり可能である。
【００３７】
本発明の特に好ましい実施形態は、図１の光学系内において、最初の周波数２倍操作およびその後の周波数３倍操作（あるいは周波数４倍操作）の双方に関し、リチウムトリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５；以下、「ＬＢＯ」）を調波発生結晶として用いる実施形態である。周波数２倍結晶としてのＬＢＯの製造および特徴については、米国特許第４，８２６，２８３号「ＬｉＢ３Ｏ５結晶およびその非線形型光学装置（ＬｉＢ３Ｏ５  Ｃｒｙｓｔａｌ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）」に記載されている。この特許は、参照によりその全内容が本明細書に記載されているものとする。今日、ＬＢＯ調波発生結晶は市販されており、その周波数２倍、３倍および４倍操作における応用法は、当業者にはよく理解されている。連続して配された同一の複数の結晶を、第二調波発生さらには第三調波発生に使用することに関する議論は、米国特許第４，３４６，３１４号「非線形光学要素を用いた、高パワーに有効な、干渉性放射の周波数変換（Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）」、および米国特許第４，５１０，４０２号「光学的調波発生器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」に記載されている。２個の結晶を用いた第三調波発生に関する幾何学特性および位相整合についての、上記の各特許の教示事項は、参照により本明細書に記載されているものとする。上記の２つの参照特許に記載されている周波数３倍処理の応用手法と、図１に図示されている系との主たる相違点は、図１に図示された本発明の特に好ましい実施形態では、第二調波発生結晶について軽負担型の位相整合を利用している点である。軽負担型の位相整合とは、第一のＬＢＯ結晶中における第二調波発生での位相整合条件を満たすために、主として温度を利用する位相整合のことをいう。図１の実施形態のこの特徴は、周波数２倍結晶の結晶軸と入力の基本波長レーザービームの伝播方向との間において慎重な角度アラインメントをとらなくてはならない、より従来型の処理とは、対照的なものである。
【００３８】
第二のＬＢＯ結晶中において基本波長と２倍波長とが高水準で重複することを助けるために、軽負担型の位相整合条件は、第一のＬＢＯ結晶への基本波長レーザービームの入力に対して好適に採用される。軽負担型の位相整合条件の利用はまた、実際の光学系内の第二のＬＢＯ結晶中において、基本周波数と２倍周波数との間におけるずれの度合を最小限に留める。図示された実施形態においては、第二調波発生結晶２０を約１４８℃の温度に保つことで、軽負担型の位相整合条件が満たされている。鉛直方向に偏光された基本レーザービームが第二調波発生結晶に供給されるような好ましい実施形態においては、第二調波発生結晶２０からの２倍周波数の光出力は水平方向に偏光されている。第二調波発生結晶を通過した基本波長のレーザービームの一部は、鉛直方向に偏光されたままの状態にある。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態においては、基本波長のレーザービームの一部のみが２倍周波数のレーザービームに変換される。これは、第三調波発生結晶により達成される周波数加算操作は、周波数が３倍された光子を発生させるに際し、基本波長レーザービームの光子と周波数が２倍されたレーザービームの光子との両方を必要とするためである。たとえば、第三調波発生結晶により行われる混合操作へ入力するために、基本波長の光子と２倍周波数の光子とを、ほぼ等しい割合で取得することが望ましいかもしれない。単純に説明すると、上記の割合は、第二調波発生結晶２０に入力された基本波長レーザービームのエネルギーの約２／３が、２倍周波数の光に変換されることを要する。そのため、基本波長のレーザービームは、第一レンズ１８により第二調波発生結晶２０上に集光させられる。基本波長（１０６４ｎｍ）のレーザービームの一部は、２倍周波数（波長５３２ｎｍ）のレーザービームに変換され、その上で基本のレーザービームと２倍周波数のレーザービームとの双方が、第二調波発生結晶から出力される。この２つの出力ビームは、第二レンズ２２によって平行光化され、共に第三調波発生結晶へと導かれる。レーザービームの平行光化を実行する便宜のため、第一レンズ１８と第二レンズ２２とは、同一の焦点距離（たとえばｆ＝２５ｍｍ）を有するように選択されることが望ましい。これらのレンズの各々は、第一レンズおよび第二レンズ各々の焦点距離に等しい距離だけ、第二調波発生結晶の中心から離れて配される。図示されている系においては、このようなレンズのアセンブリは、実際には第一レンズに入射させられたレーザービームの僅かな発散を再生するが、それでも平行光化は可能であり、また状況によってはこうした状態が望ましい場合もある。続いて、基本波長のレーザービームの残部、および２倍周波数のレーザービームは、第三レンズ２４、第三調波発生結晶２６として機能する第二のＬＢＯ結晶、および第四レンズ２８から成る系に導かれる。第三調波発生結晶２６は、周波数加算操作により、基本波長光と、先に周波数が２倍された光とを結合する。基本波長と第二調波の波長との周波数加算処理は、固体レーザー１０により出力された基本波長の第三調波にあたる波長を有する、３倍周波数光を発生させる。本発明の特に好ましい実施形態においては、第三調波発生結晶２６により発生させられた、紫外光にあたる３３５ｎｍの光は、鉛直方向に直線偏光されている。いくつかの好ましい実施形態においては、第二のＬＢＯ結晶は、周囲温度よりも高い温度（たとえば５０℃）に保たれるべく設計されていてもよい。
【００４０】
一般的に、第三調波発生結晶からの光出力は、３種類の波長の光、すなわち、約１０６４ｎｍの波長を有する基本周波数の光、約５３２ｎｍの波長を有する２倍周波数の光、および約３５５ｎｍの波長を有する３倍周波数の光を、全て含んでいる。３種類の出力ビームは全て、第四レンズ２８により平行光化され、出力ビームスプリッター（調波分離素子ともいう）３０に導かれる。レーザービームの平行光化を実行する便宜のため、第三レンズ２４と第四レンズ２８とは、同一の焦点距離（たとえばｆ＝５０ｍｍ）を有するように選択されることが望ましい。これらのレンズの各々は、第三レンズおよび第四レンズ各々の焦点距離に等しい距離だけ、第三調波発生結晶の中心から離れて配される。ここでも、図示されている実施形態においては、第四レンズからの出力は、完全に平行光化されたビームの組ではなく、僅かに発散するレーザービームの組である。出力ビームスプリッター３０は、周波数が３倍された波長３５５ｎｍの光３２を本光学系の最も望ましい出力として選択してその方向を変え、基本周波数および２倍周波数のビームを光学系外に排出するものである。適当な出力ビームスプリッター（調波分離素子ともいう）は、市販されており入手可能である。
【００４１】
別の実施形態においては、図１の実施形態中の第二のＬＢＯ結晶は、周波数が４倍された第四調波のレーザービームを発生させるために使用されてもよい。一般的に、図１のシステムに提供される光の基本波長によっては、このような系が、さらに短い波長の光を発生させるのに役立つ。３倍出力と４倍出力のどちらが望ましいかに関係なく、図１に図示された光学系には、本発明の特に好ましい態様による固体レーザーが好適に組み込まれ得る。以下の議論は本発明のそのような態様を特に強調して説明するものであり、本発明による固体レーザーの特徴をより詳しく説明するもである。
【００４２】
好ましいレーザーシステムの性能上の特徴は、好ましい固体利得媒体としてＮｄ：ＹＶＯ４（ネオジム‐イットリウム‐バナデート）を選択することと密接に関連している。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、ポンピング光を効率よく出力レーザー光に変換する能力を有する、高利得の材料である。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、高い吸収係数を有しており、したがって、Ｎｄ：ＹＡＧを利得媒体として使用したもの等の固体レーザーにおいて典型的である大きさに比べて遥かに小さな大きさの部分中において、レーザーダイオードからのポンピング放射を吸収する。この利得媒体およびその他の高吸収係数材料が有する特に重要な利点は、参照により内容が本明細書に記載されている前出の１９９７年１月３１日出願の米国特許出願第０８／７９２，３７４号（続き番号）、および参照により内容が本明細書に記載されている高吸収係数利得媒体に関する前出の各参照物件に記載されている。比較的高い吸収係数を有する他の利得媒体も使用可能であるが、Ｎｄ：ＹＶＯ４は、高い誘導放射係数を有し、かついくつかの特定の重要な励起状態において短いライフタイムを有するという利点を持つ。利得媒体としてＮｄ：ＹＶＯ４を使用することは、本固体レーザーの好ましい実施形態を用いたレーザーシステムのような、２５ｋＨｚより大、あるいはより大きい周波数より大であるパルス反復周波数を有するパルス型のレーザーシステムに対しては、即効的かつ実用的な利点を有する。本発明の特に好ましい実施形態は、全体としては直方形プリズム状の形状である利得媒体であって、比較的小さい断面寸法（約１．８ｍｍ×２ｍｍ）を有する利得媒体を備えた、側面ポンピング型の固体レーザーを提供する。
【００４３】
本発明の各態様の議論のために、ポンピング波長において、主に側面ポンピングされた固体利得媒体の横断寸法よりも短い距離に亘って吸収が起こるような吸収係数を有する固体利得媒体を考慮して、ある高い吸収係数が規定される。好ましくは、利得媒体の吸収係数は、該利得媒体中におけるポンピング放射の強度分布の１／ｅ点を、約８００μｍよりも小さくするような吸収係数である。本発明のさらに別の態様では、Ｎｄ：ＹＶＯ４等の材料を利得媒体として使用し、ネオジムのドープ濃度を変化させて所望の吸収特性および励起特性を得ることにより、該Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体の吸収特性を調整する。本発明による固体レーザーの好ましい実施形態は、典型的には、およそ０．５−１．５％の範囲内にあるネオジムドープ濃度を使用しており、より好ましくはおよそ０．６−１．２％の範囲内、最も好ましくはおよそ０．９−１．１％の範囲内にあるネオジムドープ濃度を使用している。
【００４４】
ドープ濃度は、好ましくは、ピーク波長における吸収を所望の値よりも高い値に設定するものである。この値、およびポンピング波長の調整により、所望の波長範囲内における吸収が設定され、この所望の波長範囲とは２００−２０００μｍの範囲であり、より好ましくは４００−１０００μｍの範囲内であり、最も好ましくは６００−８００μｍの範囲内である（１／ｅ点において）。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態による固体利得媒体中における適当なドープ濃度の選択は、所望のレベルのポンピング光を所望のレーザー利得モードに結合させることを容易にするようなやり方で、該利得媒体の吸収特性を調整する。この固体利得媒体は、バナデートあるいはその他のホスト材料中に存在するネオジムあるいはその他のドープ材料を最も効率よくポンピングする光の波長に相当する特定波長近くの、ある波長範囲に亘って、本質的に高い吸収係数を有するＮｄ：ＹＶＯ４のような材料であることが望ましい。そのような高い吸収係数を有する利得媒体を選択することは、効率的な側面ポンピングを容易にする。実際のレーザーシステムにおいて効率的な側面ポンピングを達成するためには、利得領域に達するのに十分な深さまで浸透し、かつ該利得領域中において強く吸収されるようなポンピング放射をもって、利得媒体をポンピングすることが極めて望ましい。本発明の好ましい実施形態においては、半導体ポンピングレーザーから出力されるポンピング光の波長の変化に対して極めて敏感な吸収係数を有するような利得媒体を選択することによって、上記の要請が達成される。そのような実施形態においては、ポンピングレーザーの出力波長の調整は、ポンピング放射が主として吸収される位置の深さを変化させるものである。
【００４６】
図２は、好ましい半導体ダイオードポンピングレーザーの動作温度を変えることによって発生される光の異なる波長をもってポンピングを行うことにより、Ｎｄ：ＹＶＯ４の利得媒体において可能となる吸収係数調整の範囲を示した図である。図２は、グレッグ・ミゼル氏（Ｇｒｅｇ  Ｍｉｚｅｌｌ）らの論文「希土類元素をドープされたＹＶＯ４単結晶の成長、処理および試験における近年の発展（Ｒｅｃｅｎｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｄｏｐｅｄ  ＹＶＯ４  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ）」（ＳＰＩＥ  ２１１５巻、可視および紫外レーザー（Ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ＵＶ  Ｌａｓｅｒｓ）、ｐｐ．５２−５９、１９９４年）から抜粋したものである。詳細には、図２は、ある１つの濃度でネオジムをドープされたＮｄ：ＹＶＯ４の吸収係数の実験による変化を、７９０から８５０ｎｍに亘るポンピング光の波長に対して概略的に図示したものである。Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体のｃ軸に平行に向けられた光と、Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体のｃ軸に垂直に向けられた光とでは、吸収係数とポンピング光の波長との間の関係として、異なる関係が観測されている。異なるネオジム濃度に対しては、異なる関係が知られている。ポンピング光の波長範囲（±３ｎｍ）は、典型的には市販の半導体レーザーを使用して選択することが可能であり、その選択は、単に該半導体レーザーが搭載されたペルティエ冷却器の冷却パワーの調節を通じて該レーザーの動作温度を変化させることによってなされる。ここで、Ｎｄ：ＹＡＧを含む他の利得媒体もまた、ポンピング光の波長の変化に対して、吸収係数の変化を示すことに注意されたい。
【００４７】
Ｎｄ：ＹＶＯ４の吸収係数はより広いポンピング光波長範囲に亘らないと変化しないため、上記の他の利得媒体のほとんどと比較しても、Ｎｄ：ＹＶＯ４は利得媒体として特に好ましい。Ｎｄ：ＹＶＯ４の吸収係数の、ポンピング光の波長に対する依存性が比較的低いことは、利得媒体としてのＮｄ：ＹＶＯ４において、Ｎｄ：ＹＡＧ等の場合よりも精密な所望吸収係数の選択を可能とするものであり、また、通常の動作において予期される半導体レーザーの温度における微小変化の下での、より安定な固体レーザー出力を可能とするものである。ここで、好ましいＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体中のネオジム濃度が変化させられると、ポンピング波長対吸収係数の曲線の形状と、該曲線のピークとの双方が変化することに注意されたい。所望の量丁度のドープ量をもって、繰返しＮｄ：ＹＶＯ４結晶を作製することは、極めて困難である。したがって、本発明の好ましい実施形態は、ある特定の固体レーザーのための動作条件を確立するに際し、ある特定のＮｄ：ＹＶＯ４結晶中においてポンピング光の所望の分布を実現させるために、ある特定の半導体ポンピングレーザーの動作温度を変化させることにより調整を行う。勿論、レーザーに対して最大限のパワー出力あるいは光変換効率が要求されていない場合には、この最適化は不必要であるかもしれず、また、利得媒体の組成に関し精密な制御および選択が可能となれば、該最適化は必要なくなるかもしれない。
【００４８】
Ｎｄ：ＹＶＯ４を固体レーザーの利得媒体として使用する際には、Ｎｄ：ＹＶＯ４およびその他の利得媒体の熱レンズ効果特性が、ポンピング光分布の選択およびレーザーキャビティの設計に組み入れられなくてはならない。米国特許第５，５７７，０６０号「ダイオードによりポンピングされる、強い熱集光を示す結晶を使用したレーザー（Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｔｒｏｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ）」、および米国特許第５，６５１，０２０号「ダイオードによりポンピングされる共焦点対共焦点レーザー（Ｃｏｎｆｏｃａｌ−ｔｏ−Ｃｏｎｆｏｃａｌ  Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｌａｓｅｒ）」に記載されているように、典型的な高ポンピング強度の動作条件の下では、Ｎｄ：ＹＶＯ４は強い熱レンズ効果を示す。上記の各特許は、参照によりその内容が本明細書に記載されているものとする。「熱レンズ効果」という用語は、固体レーザーの技術分野において使用されている用語であり、固体利得媒体の光学的特性が有する強い温度依存性により、該固体利得媒体中に強力なレンズが形成される現象を表す用語である。熱レンズは、伝統的なレンズと同様の特性を有するが、温度依存性の点、および熱レンズは一般的により分布的な性質を有している点が異なっている。本発明の好ましい実施形態においては、高いポンピング強度の下でＮｄ：ＹＶＯ４内に形成される熱レンズの効果は、共鳴キャビティ中にある他の集光用光学要素（すなわちミラーあるいはレンズ）のどれよりも強い。たとえば、今議論されているレーザーシステムの実施形態においては、熱レンズは、最適動作温度およびパワーの下において、約４から５ｃｍ程度の焦点距離を有するのが典型である。この熱レンズの集光力は、該熱レンズを、光学的キャビティ中の他のいかなる要素よりも強力な集光要素とならしめるものである。以下の説明においてさらに明らかとされるように、本発明の好ましい実施形態は、通常の動作状態下でＮｄ：ＹＶＯ４中において形成される強力な熱レンズを利用して、固体レーザーのキャビティを安定化させるものである。したがって、Ｎｄ：ＹＶＯ４の熱レンズは、固体レーザーの共鳴キャビティの設計において支配的な要素である。
【００４９】
Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体の最適な吸収係数の確立、したがってＮｄ：ＹＶＯ４中の最適なポンピング放射分布の確立においても、熱レンズは検討事項となり得る。本発明の好ましい実施形態は、典型的には、ポンピング光がＮｄ：ＹＶＯ４結晶のａ軸に平行な方向に沿ってＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体に向かうように該Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を配置し、またＮｄ：ＹＶＯ４結晶の反対側のａ軸面に接する少なくとも１個の固体冷却器（たとえばペルティエ冷却器あるいは熱電冷却器）を設けるものである。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を通常の動作温度に熱することによりその結晶中に強い複屈折性が確立されるような、温度に依存した複屈折性を示す。この温度に依存した複屈折性は、ｃ軸に平行な方向よりもａ軸に平行な方向により強く集束を行うような、大きく変形した（歪んだ）熱レンズを生じさせることが報告されている。したがって、最適な吸収係数およびＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体中におけるポンピング光の最適な分布は、この変形した熱レンズの効果を考慮に入れたものでなくてはならない。
【００５０】
熱レンズの形状および集光力は、算出が非常に難しい。その理由は、少なくとも特に、システム中の支配的な効果の１つとして、レーザー光そのものが利得媒体からエネルギーを除去する有効な手段となっていることが挙げられるからである。したがって、全体的なエネルギー平衡の式は、非線形の式となる。好ましい固体レーザーシステムのこうした特徴は、実用においては、ある特定のＮｄ：ＹＶＯ４結晶、ある特定の半導体レーザー、ある好ましい共鳴キャビティの幾何学特性および熱浴等を有する、ある特定のレーザーシステムに対し、該特定のレーザーシステムについて最適化された動作条件が経験的に決定されなくてはならないことを示唆するものである。この最適化のいくつかの特定の特徴は、当業者においては明らかかつ既知である。本発明による固体レーザーシステムの最適化に関する他のいくつかの特徴は、従来的な事項とは全く異なるものであり、そうした特徴については以下に詳細に説明される。各々の特定のレーザーについての最適化された動作条件は、同様の構造であり本質的には同一の構造である他の固体レーザーとは異なるものになると推定される。
【００５１】
本発明の固体レーザーの好ましい実施形態の構成および最適化に関しては、図３に一部が図示されているような現在において好ましい構成についての、以下の説明によってよりよく理解されよう。既に述べた理由によりＮｄ：ＹＶＯ４結晶であることが好ましい固体利得媒体４０が、高反射能ミラー４２および出力カップリングミラー４４により規定される共鳴キャビティ内に設置されている。好ましくは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を所望の動作温度に保つため、該Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶は、大容量の熱電（ペルティエ）冷却器と熱接触した状態で搭載される。半導体レーザーがＮｄ：ＹＶＯ４結晶を側面ポンピングするために配置されるが、この半導体レーザーは、好ましくは、ポンピングレーザーについて選択された動作温度を維持するために、独立した熱電冷却器上に配置される。こうした構成の半導体ダイオードレーザーアレイは、多くの業者により市販されており入手可能である。半導体レーザーの動作温度を調節することは、本発明による固体レーザーの最適化において望ましいようなやり方で、レーザーの出力波長を変化させる。上記のキャビティ内にはさらに、Ｑスイッチ４８が図示されている。このＱスイッチ４８は、レーザーからの高レベルの瞬時出力パワーを達成するために好ましい技術である固体レーザーのパルス型動作において、特に好ましい要素である。
【００５２】
様々なタイプの半導体レーザーが入手可能であり、かつ本発明の特定の態様に従って使用され得る。固体レーザーから最も高いレベルの出力を得るためには、ポンピングレーザーとして高出力パワーの半導体レーザーを使用することが好ましい。本発明によると、現在において最高の出力を有する半導体レーザーを有利に活かすためには、側面ポンピング型の構成がとりわけ好ましい。ここで、好ましい半導体ポンピングレーザーは、弱く結合された独立複数のレーザーダイオード発光子が半導体レーザー装置の長さ方向に沿って配されて成るアレイから、高い出力パワーを供給する。図示されている実施形態は、ポンピングレーザー４６としてＳＤＬ３４７０を使用している。このＳＤＬ３４７０は、カリフォルニア州サンホセのスペクトラ・ダイオード・ラボラトリーズ（Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）から市販されている製品であり、全体で２０ワットのＣＷ（連続波）出力パワーを有する、１ｃｍの長板形状の上に一様に分布させられた６０個の発光子を提供するものである。各発光子は独立したダイオードであって、約４μｍの幅と約１００μｍの高さを有し、アレイ内において、当該各発光子の幅方向に延びる直線上に沿って離れて配されている。各発光子は、約１５°の角度をもって広がる（ＦＷＨＭ）ようにして水平方向に（幅方向に）発散し、かつ約３５°の角度をもって広がる（ＦＷＨＭ）ようにして鉛直方向に（高さ方向に）大きく発散する出力を発生させる。発光子のアレイは、固体レーザー結晶に面しており、個々の発光子からの水平方向に発散する出力は結合して、水平方向に沿って略一様の強度を有するバー状の光を発生させる。固体レーザー結晶は、約２ｍｍである高さと、約１．８ｍｍである幅４１（すなわち、ポンピングレーザーの方向から見れば「深さ」）を有している。固体レーザー結晶の端面４３および４５を介した回折損失により著しい量のポンピング放射が失われることがないように、固体レーザー結晶は、半導体ダイオードレーザーアレイの長さよりも十分に長くされることが好ましい。たとえば、好ましいＳＤＬ３４７０ダイオードレーザーアレイによって発生させられる１ｃｍの長板状のポンピング放射と組み合わせて使用される場合には、利得媒体４０は、約１．１から１．４ｃｍの長さ４７を有するように選択され得る。半導体レーザーに近い方の固体利得媒体表面に、半導体ポンピングレーザーの出力波長に対して有効であるような反射防止コーティングを施して、半導体ポンピング光の利得媒体への結合を改善することが望ましいかもしれない。
【００５３】
固体レーザー結晶は、共同で共鳴キャビティの範囲を規定する２つのミラー４２および４４の間に配置されていることが好ましい。動作中における固体レーザー結晶の熱レンズ効果の方が、レーザー利得モードの形状および領域を決定する遥かに決定的な要素ではあるが、典型的には共鳴キャビティを範囲規定するために用いられるこれらのミラーも、部分的には共鳴モードの形状を決定する。共鳴キャビティの１つの端面は、略平坦な高反射能ミラー４２により規定される。高反射能ミラーの背面の曲がりは典型的には重要な検討事項ではないが、原始的な形態のモード形状分析を可能とする本発明の態様のためには、平坦／平坦型の高反射能ミラー、すなわち鏡面側と背面側の双方において平坦である高反射能ミラーを選択することが好ましい。キャビティに面している側の高反射能ミラー４２の表面が平坦である場合、すなわち該ミラーが無限大の曲率半径を有している場合もあり、あるいは、高反射能ミラー４２が約１ｍ（Ｒ＝１）かそれより大であるような非常に大きい曲率半径（キャビティの長さに比して非常に大きい）を有している場合もある。一般的に、高反射能ミラーは、約１０６４ｎｍの基本レーザー利得波長において、表面に入射する光の９９％以上を反射するようなものが選択される。ほとんどの状況において、高反射能ミラー４２は、１０６４ｎｍの波長において極めて高い反射能を示すように設計された多層絶縁コーティングを有している。図示されている実施形態においては、高反射能ミラー４２は無限大の曲率半径を有しており、該高反射能ミラー４２の内側表面はレーザー結晶４０の中心から約３．０ｃｍ離れている。出力カプラーは、上記の共鳴キャビティのもう一方の端面を規定する。出力カプラー４４は、レーザー光を共鳴キャビティから出射させるポートであり、したがって高反射能ミラーよりも低い反射率を有するように作製されている。出力カプラー４４の反射率は、所望の最低次モード（ＴＥＭ００モード）におけるレーザーのパワー出力を最適化するように選択されることが好ましい。図示されている構造を変形した構造においては、より高いあるいはより低い反射率が好ましいかもしれないが、図示されている実施形態においては、出力カプラーは約７０−７５％の反射率を有するように選択されている。図３のレーザーの実施形態においては、市販されている絶縁コーティング付きの高パワーレーザー用ミラーであって、所望の反射特性を提供するようなミラーが、高反射能ミラーおよび出力カプラーの双方に使用されている。一般的には、出力カプラーもまた、その内側表面（すなわち共鳴キャビティに面する表面）において、約１から５ｍ、あるいはそれより大である大きな曲率半径を有している。本発明の現在において好ましい実施形態では、出力カプラーの外側表面は、無限大の曲率半径を有するように選択されている（すなわち、平坦な外側表面）。平坦な外側表面を使用することにより、僅かに発散する出力ビームが固体レーザーから発生させられる。この僅かに発散する出力ビームは、一般的には図１に示すシステムの全体構成において有用なものであり、ここで基本レーザービームは、基本ビームである赤外ビームを最初の調波発生結晶の表面上に集光させる第一レンズの表面において、約２．５ｍｍの直径（２ｗ０）を有している。本発明の別の特定の実施形態においては、上記の出力カプラーは、同様の透過率を有するような平坦／平坦型の出力カプラーであってもよい。そのようなシステムのある特定の例を、以下に説明する。
【００５４】
レーザーキャビティ内の共鳴レーザーモードがレーザー結晶に対して対称形となるように、出力カプラー４４の反射能を有する内側表面は、レーザー結晶から約６ｃｍの距離だけ離れている。図示されている離間間隔は、１個あるいはそれより多くの追加の光学要素を設置するのに十分な空間を、キャビティ内に残すような間隔である。最も好ましくは、Ｑスイッチ４８が、出力カプラー４４と利得媒体４０との間に設置される。高レベルの利得を有する好ましいＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体においては、該利得媒体中に所望レベルのポンピングエネルギーが蓄積される前に、レーザーの発射が起こる。低レベルのポンピング放射に対してレーザーの発射を行う上記の利得媒体の傾向は、固体レーザーから高レベルの出力強度を得るという最終的な目標に逆行するものである。そのため、Ｑスイッチが固体レーザーの共鳴キャビティ内に配置され、該キャビティ内においてスイッチ可能な損失として作用する。このＱスイッチは、各周期的な期間中のある所望箇所において該Ｑスイッチをキャビティ内で損失素子として作用させ、レーザー作用を妨害させるようなデューティ周期により動作する。Ｑスイッチが共鳴キャビティ内の損失素子として活性化されている期間中においては、レーザー作用は生じない。Ｑスイッチが損失素子として活性化されている間は、利得媒体中の反転分布数が、ポンピングダイオードのポンピング作用によってより急速に増加し、また、共鳴キャビティ中にＱスイッチあるいはその他の損失源が存在していない場合に比してより高い水準まで増加する。Ｑスイッチが損失素子として活性化されていない時には、利得媒体中に蓄積されたエネルギーを放出すべくレーザー発射動作が高速で行われ、持続時間が短く瞬時強度が強いレーザーパルスが発生させられる。
【００５５】
Ｑスイッチを含むレーザーにおいては、Ｑスイッチが損失素子として動作しない状態、あるいは少なくともＱスイッチが利得キャビティ中に比較的低いレベルの損失しかもたらさないような状態に、Ｑスイッチを切り換えることにより、レーザーの動作が開始される。比較的低損失の状態にＱスイッチが切り換えられると、共鳴キャビティ中の損失レベルは、レーザーの利得およびレーザーの動作が高速に進むような損失レベルにまで、好適に低減させられる。このキャビティ内の損失が低減させられている期間中は、利得媒体中の反転準位からエネルギーが急速に引き出され、レーザー動作が開始され、高レベルの瞬時パワーおよび強い強度を特徴とする出力光が発生させられる。Ｑスイッチの使用によって得られたより高いレベルのエネルギー蓄積は、レーザーの利得および出力強度を減少させながら急速に消費される。そのため、Ｑスイッチはごく短い期間しか低損失状態に置かれず、その後は、該Ｑスイッチが再び高損失素子として活性化され、利得媒体中において再びポンピングエネルギーの蓄積が開始される。図示されている実施形態においては、Ｑスイッチは、結晶上に搭載された圧電素子により駆動されるＴｅＯ２等の音響光学素子であることが望ましい。そのような装置は市販されており入手可能である。Ｑスイッチ自体は、約１．０ｃｍの長さを有しており、該Ｑスイッチの中心は、約１ｃｍの距離だけ出力カプラーの前表面から離れている。
【００５６】
適当なパルス反復周波数（ＰＲＦ）の設定は、固体レーザーの所望の出力強度と、特に好ましい利得媒体中における関連する励起状態のライフタイム等の、利得媒体の特性とを、考慮に入れたものとされ得る。本発明による固体レーザーの特に好ましい実施形態は、約２５ｋＨｚのパルス反復周波数（ＰＲＦ）を使用したものである。２５ｋＨｚのＰＲＦは、２５ｋＨｚの速度で高損失状態と低損失状態の間で切換えを行い、固体レーザーの出力パルスを発生させる。この２５ｋＨｚという速度は、レーザーの性能および特性から見て、ほぼ最適に近い速度である。一方、ある特定の特性および関連性を有する全体的なシステム中において図３の固体レーザーが使用される場合には、パルス型レーザーシステムの所望の動作特性を確立するに際し、該全体的なシステムの特性および関連性の方が重要視されることもある。たとえば、図３のレーザーが図１に図示されたような調波発生システムに組み込まれ、そのシステム全体がステレオリソグラフィ装置内で使用される場合には、該ステレオリソグラフィ装置の性能に関する要請が、実動のパルス反復周波数を確立する際における最も重要な検討事項となり得る。本発明のいくつかの実施形態においては、図３の固体レーザーが約２２．２ｋＨｚのＰＲＦで動作させられることが好ましく、別の特に好ましいいくつかの実施形態においては、約４０ｋＨｚのＰＲＦで動作させられることが好ましい。これらの周波数は、本発明の好ましい実施形態が標的とする応用用途である、いくつかのステレオリソグラフィ装置によく適した周波数である。
【００５７】
半導体ポンピングレーザー４６と利得媒体４０との間における好ましい位置関係は、本発明のいくつかの態様にとっては重要な検討事項である。しかしながら、この関係に関する議論を始めるにあたっては、まず固体利得媒体中におけるレーザー利得モードの位置決めを議論する必要がある。図４を参照すると、利得媒体４０と半導体レーザー４６の双方が、立面断面図で示されている。この図においては、最も低次のレーザーＴＥＭ００モード５０が概略的に断面で示されており、ここで図４に示されているのは、該モード中の強度分布における１／ｅ２レベルの線を表す水準線５０である。Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体４０の熱レンズ効果により発生させられる熱的複屈折効果のために、モード５０は水平方向軸に沿って圧縮されるであろうと主張する研究者もいる。本発明の発明者らは、報告にかかるようなレーザーモードの楕円性を観測してはいないが、レーザーモードが真円形状を有するであろうと結論付ける根拠はほとんど存在しないことを示唆するために、レーザーモード５０は、真円形ではない水準線を有するように描かれている。高レベルのポンピング放射を好ましい高吸収能Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体に結合させるためには、利得媒体４０の表面であってポンピング放射が供給される表面上、あるいは該表面の近くに共鳴モード５０が位置させられるように、キャビティ用ミラー４２および４４（図３）の利得媒体に対する相対的配置を行うことが望ましい。
【００５８】
しかし一方では、共鳴モード５０の位置を利得結晶の各表面（利得媒体にポンピング放射が供給される表面を含む）に近すぎる位置とさせるようなキャビティ用ミラー４２および４４の配置は、行わないことが望ましい。図示されているＴＥＭ００モード５０は、一般的にはガウス分布の形状を有しており、該モードの強度分布の一部は、図示されている１／ｅ２レベルの水準線を超えて広がっている。Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体４０のポンピング表面に近すぎる位置にモード領域（ｍｏｄｅ  ｖｏｌｕｍｅ）５０が位置させられると、結晶の表面を介した回折損失が受容できないほど大きくなりかねず、図３に示すレーザーの高パワー動作特性を制限しかねない。モード分布の外側部分（「裾」）中にはほとんどエネルギーが含まれないが、そうとは言え、そのエネルギーはレーザーの回折特性に影響する。したがって、ここで説明されているシステムおよび幾何学特性においては、回折損失を受容できるレベルに制限するべく、レーザーモードの水準線が利得媒体の端面から少なくとも約２００μｍ離れるように、該レーザーモードの位置決めを行うことが好ましい。回折損失の受容可能なレベルは、利得媒体の端面を介した回折損失によってモードにもたらされる歪みのレベルに応じて、決定され得る。ある与えられたミラーおよび熱レンズ効果の組み合わせにおいて、モードが利得媒体の全表面から離れて配置された場合、該レーザーモードは完全なサイズおよび強度分布を有することになる。レーザーキャビティが、利得媒体のある表面を介して著しい回折損失を体現するのに十分な程度に該利得媒体の該表面に近い位置に配された場合、レーザーモードには、形状、エネルギー分布あるいはその他の特性のいずれかの点において歪みが生じる。少なくともいくつかの実施形態においては、レーザーモードが完全なモードサイズおよび強度分布に比して著しくは歪んでいない場合にも、受容できないレベルの回折損失が実在する。実際的な例として言えば、アルコック氏特許において報告された回折損失と、アルコック氏特許において報告された高い回折損失を有する幾何学特性は、固体レーザーが高利得で動作することを困難にさせるものであり、したがって受容できないレベルの回折損失を代表するものである。したがって、本発明の好ましい実施形態は、利得媒体４０に対するキャビティ用ミラー４２および４４の相対的配置を通じて、モード領域にポンピング光が供給される結晶面５４からレーザーモードが離れるように、利得キャビティを配置するものである。モード領域５０の１／ｅ２水準線と利得媒体の表面５４との間における離間間隔５２は、該表面５４を介した回折損失を小さくするのに十分な離間間隔であることが好ましく、一往復についての該回折損失を、利得媒体中のその他の損失に比して少なくとも２０％以下、より好ましくは１０％以下とするような離間間隔であることが好ましい。加えて、この離間間隔は、レーザーモード領域に到達するポンピング放射の量が少なくなり過ぎる程には大きくされるべきではない。この要請は、２００−３００μｍ程度の離間間隔５２を設けることによって達成され得るが、この距離は、モード領域がどれだけ良好に閉じ込められているかという点や、当該システムのその他の特定の特徴に依存していくらか変わり得る。レーザーの構成が異なる場合には、該構成が示す好ましい離間特性も異なるかもしれない。好ましくは、上記のモードは、入射させられるポンピング放射の少なくとも５０％を該モードの深さに到達させるような距離だけ、ポンピング表面から離れている。利得媒体中におけるドープ材料の濃度の違いによっても、回折損失、および離間間隔を制限して高吸収係数材料中におけるレーザーモードの位置を最適化するのに適当な離間間隔の選択は左右される。
【００５９】
利得媒体５０と該利得媒体の表面５４との間において所望の離間間隔が与えられた後、続いてポンピングレーザー４６とレーザー結晶４０との間の離間間隔が、ポンピング放射の鉛直方向の広がり範囲をモード領域の高さ５６に整合させるように設けられる。利得媒体内にポンピング放射を提供する従来型の技術は、ポンピングされるべき利得媒体の表面から離れているが近くに、あるいは該表面に接して半導体レーザーが配置される、突合せ結合を含むものである。単純な突合せ結合の幾何学特性は、利得媒体中においてより深い位置に利得モードを移動させることを必然的に伴う場合があり、それによって、該利得媒体が有する高い吸収能のためにポンピング効率が低くなるかもしれないので、本発明の実施形態においては好ましくない。その代わりに、本発明の好ましい実施形態は、レーザーシステムの複雑な光学的環境および熱的環境を考慮に入れた上で、利得媒体中のある深さに固定されたモード領域の高さにポンピングレーザーを整合させるものである。
【００６０】
側面ポンピングレーザーにおいて従来から実践されているある別の幾何学配置は、円柱レンズ（ファイバーレンズであることが多い）を用いて、ポンピング放射を利得媒体に供給するのに先立って半導体ポンピングレーザーの出力を平行光化するものである。しかしながら、そのような構成は、平行光化用光学要素およびビーム形状調整用光学要素の各表面において損失を生じさせる傾向があり、また、最適化された動作条件を達成および維持するべく光学系のアラインメントをとることの困難性を増加させる。加えて、固定された位置を有するレーザーモードと発散しながら伝播するポンピングビームとの間の離間間隔を変化させる調節が可能でない場合には、完全ではないが個々のレーザーに対して適度に最適化されたポンピング環境に近づくことすらも極めて困難になりかねない。前述のように、各レーザーは各々異なる動作特性を有していると予想され、したがって個々別々の最適化を必要とすると予想される。ファイバーレンズ型の構成は、単一の高さを有するポンピングビームしか発生させないように設計されているものであり、したがって典型的には、レーザーシステムの最適化のためには有効性の低い手段である。
【００６１】
本発明の好ましい実施形態は、半導体ポンピングレーザー４６を、ポンピング放射が利得媒体４０に供給される表面である表面５４から距離５８だけ離したものであり、この距離５８は、ポンピングレーザー４６の出力の鉛直方向における角度広がり６０と、利得媒体の屈折率（好ましいＮｄ：ＹＶＯ４においてはｎ＝１．９）と、モード領域の位置におけるポンピングレーザーの出力光の鉛直方向の広がり範囲をモード領域の高さ５６に整合させるためのスネルの法則の単純な適用に従って選択される。しかし一方、スネルの法則の単純な適用から導出された所望配置では、材料中における熱レンズ効果のためにモードの大きさが正確に計算できないので、該所望配置は実用的でない。既に述べたように、利得媒体中の熱レンズ効果は、ポンピング効率と全ポンピングパワーとに関わる要素である。したがって実際のところは、ポンピングレーザー４６と利得媒体４０の表面５４との間における最も望ましい離間間隔５８は、典型的には経験的に決定されなくてはならない。そのため、本発明の好ましい実施形態は、該離間間隔の経験に基づく調節を行って所望の出力特性を達成するものであり、出力特性の実例となる結果は以下の表に示されている。表１は、ダイオードレーザーとＮｄ：ＹＶＯ４レーザー利得媒体との間の離間間隔の関数として、レーザーシステムの出力パワーを示した表である。
【表１】
2005260265.tif 000002
【００６２】
表１の第二列に列挙されている多重モードについての測定値を得るにあたっては、モードの質を考慮せずに、赤外領域において最大の合計エネルギー出力が得られるように図３のレーザーの共鳴キャビティが調整された。一方、表１の第三列に列挙されている単一モードＴＥＭ００出力値を得るにあたっては、図１のシステム中に配された赤外レーザーから最大の２倍周波数出力（図１の第四列）が得られるように、キャビティが調整された。換言すれば、図１中の第二調波発生結晶２０から出射する点において最大量の５３２ｎｍ緑色光を発生させるように、図３のレーザーを最適化したものである。以下に述べるように、２倍周波数光の出力値を最大化する作業は、レーザーのＴＥＭ００出力を最大化するために使用され得るレーザーのモードの質を極めて精密に測定する作業である。図４のレーザーにおける最適な離間間隔５８は、必ずしも固体レーザーからの合計出力パワーを最大化することによって決定されるものではない点を、理解することが重要である。その代わりに、固体レーザーが使用される特定の用途によっては、ＴＥＭ００モード等のある特定のモードに関して最大のパワー出力を選択することが好ましい場合もある。特に、図３のレーザーが図１のシステム中において使用される際には、ＴＥＭ００モードによる出力パワーを最大化するように、離間間隔５８が選択されることが好ましい。
【００６３】
いくつかの好ましい実施形態においては、上述のような物理的な高さの整合ということで整合が規定されるのではなく、その代わりに、ポンピング源と利得媒体との間の離間間隔のみを変化させることにより、与えられた光学系構成のレーザーシステム出力を最大化するということで整合が規定される。いくつかの実施形態においては、出力パワーが、最適化された離間間隔において測定される出力パワーの最大値の約５０％以内の範囲にあるときに、整合が成立することとされる場合もある。より好ましくは、出力パワーが最大値の約２０％以内の範囲にあるときに整合が成立することとされ、さらに好ましくは、出力パワーが最大出力パワーの約１０％以内の範囲にあるときに整合が成立することとされる。最も好ましい実施形態においては、離間間隔あるいは動作特性の組が、パワー測定処理の測定誤差特性、および機械的な製造誤差許容量を考慮した測定誤差特性の範囲内である最大出力パワーを提供する特定のものであることによって、整合が規定される。ここで、最適な動作条件に極めて近いシステムにおいてさえ、出力パワーの変化は劇的である可能性があることに注意するべきである。したがって、最適な構成からの比較的小さなずれでも、レーザーの出力光は半分にまで減少され得る。ここで、産業的な環境下におけるレーザーシステムの通常の使用状態は、最適な動作特性から該レーザーをずれされてしまうものであるであると考えられる。
【００６４】
図３に図示した固体レーザーを含む図１に示したシステムの実施形態の、最適な性能を得るためには、図３の固体レーザーは、周波数２倍結晶２６への入力として単一ＴＥＭ００モードを提供するべきであり、これは、該ＴＥＭ００モードのコンパクトな大きさのためである。該固体レーザーにより発生させられ得るより高次のあらゆる出力モードは、より大きい横断方向の（断面の）広がりを有しており、したがって最低次のＴＥＭ００モードのスポットサイズほどには集光させられることができない。ＴＥＭ００モードは、小さなスポットサイズにまで集光させられることができ、また他のより高次のモードに比してより遠い距離までに亘ってその小さなスポット径を保持することができる。したがって、ＴＥＭ００モードは、周波数２倍結晶の小さな領域に、エネルギーを最も効率的に結合させる。周波数２倍操作からの出力は、おおよそ光強度の二乗をレイリー長に亘って線積分した値に等しく、変化する値である。したがって、入力ビームが質の高い単一ＴＥＭ００モードである場合に得られるような、より遠い距離にまで亘って小さな径を保持する細く集光された光ビームは、周波数２倍結晶からの出力を増大させるという顕著な利点を提供するものである。一方、周波数２倍結晶からのパワー出力は、該周波数２倍結晶に入力されたレーザービームのモードの質を、感度よく測定する値としても役立つ。ビームの質の測定値としての２倍周波数パワー出力の感度の良好さは、図３の固体レーザーの最適化された構成について表１の第三列および第四列に記載された測定値により示される。勿論、与えられた応用用途において、より緩い最適化が許容される場合には、より高次のモードの使用も受容され得る。
【００６５】
図４に関する説明は、固体レーザーシステムの最適化に関する、第一の一連の考察を提供するものである。固体レーザーシステムの最適化に関する別の一連の考察は、図５に図示されている。前述のように、利得媒体４０内における利得モード５０の位置は、回折損失を制限するという最終目標と、利得媒体内で深さが増大するにつれて生じるポンピングビーム強度の減少との均衡を図るように選択されることが望ましい。ある与えられたポンピング源の位置と、それに対して相対的に位置させられたある利得媒体の位置とに対し、他のキャビティ構成要素の位置は、システムから最大の出力が得られるまで調整されることが可能であり、それにより、回折損失とポンピングビーム強度の損失とを均衡させるような最適な位置を設定することが可能である。この位置は、上述したやり方で選択されることが望ましい。レーザーモードに結合されるレーザー放射の量を調整することによって、さらなる別個の最適化を達成することもできる。
【００６６】
利得モードに結合されるポンピング光の量の最適化は、多くの異なる要素を考慮に入れるものであり、それらの要素の中には、利得媒体として用いられる特定の高吸収係数材料や、利得媒体中における励起物質のドープレベルが含まれる。本発明の現在において好ましい実施形態においては、利得媒体はＮｄ：ＹＶＯ４であり、ネオジムのドープレベルは約１％になるよう選択される。Ｎｄ：ＹＶＯ４のドープ状態を精度良く再現することは困難である。したがって、一般的には、各特定のＮｄ：ＹＶＯ４結晶ごとに、含まれるネオジムの量は変化する。こうした変化を組み込んだ上で、図２に図示され対応の本文中において既に述べられたように、ポンピングによる励起の利得媒体への整合が、半導体レーザーの動作温度を選択することにより達成され得る。半導体レーザー４６は、典型的には熱電冷却器あるいはペルティエ冷却器である温度制御装置６４上に搭載されている。制御装置６６は、図１のシステムのようなレーザーシステムのために設けられた制御システム全体の一部であることが多く、温度制御装置６４を使用して半導体レーザー４６の温度を設定および維持するためにいる。ここで、結晶は、ポンピング放射について所望されるよりも大きいピーク吸収係数をもたらすドープレベルを有していることが望ましい。そのような場合には、半導体ポンピングレーザーの温度は、典型的には利得媒体の吸収ピーク波長とは異なる波長においてポンピングレーザーが光を出力するように選択されることが好ましい。そのような離調された動作は、利得媒体中におけるより深い深さまでポンピング光が浸透することを保証するものであって、それにより、ＴＥＭ００利得モードへの、より高い水準での光の結合をもたらすことが可能になる。
【００６７】
図中においてＬｈで示されている利得モード５０の幅は、ポンピングビームの強度、およびＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体４０の熱レンズ効果に強く依存する関数である。したがって、ポンピング光の利得モードへの結合は、ここでも、現在のところ実用では経験的に達成される必要のある作業である。図示されているレーザービームの最適化に関する別の側面から言えば、最適化の作業がどの程度まで必要であるかは、特定の応用用途、およびそれらの応用用途が必要とする出力強度に依存する。図６は、利得媒体内における深さの関数として、ポンピング光の吸収の様子を概略的に示した図である。図示されているように、エネルギー吸収の１／ｅ点は、吸収係数αの逆数に対応する。本発明の発明者らは、好ましいレーザーモードの幅Ｌｈが一般的には吸収係数の逆数に比例して変化することを観測しており、最終的なレーザーシステムは、図示されている比例定数「ｃ」が０．５から２．０の範囲内に収まるように選択される。
【００６８】
固体レーザーの性能の最適化は、レーザーの構成の種々の異なる側面および種々の異なる動作パラメターの調節を含み得る。最適化は、典型的には経験的に、すなわち、固体レーザーの構成あるいは動作パラメターを調節しながら出力パワーあるいはその他のレーザーの性能特性を監視することにより、極大値的な最適状態を連続的に特定する経験的な手法によって行われる。各変数は、典型的には個別に調節され、他のパラメターを最適化するためにさらなる調節が行われる。レーザーの全ての特性は、利得媒体中の熱レンズと相互に影響を及ぼしあうため、高水準の最適化は、反復的な最適化プロセスを必要とし得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態においては、利得媒体中におけるレーザーモードの位置は、該利得媒体に対するミラーの位置を調節することによって選択され得る（たとえば、極大値あるいはそれに近い値を実現するために）。レーザーモードの高さと、該レーザーモードにおけるレーザービームの高さとの整合が、好ましくは半導体レーザーと利得媒体との間の離間間隔を調節することにより達成される（たとえば、極大値あるいはそれに近い値を実現するために）。最も好ましくは、固体レーザーが図１に示されたレーザーシステム内に組み込まれる際において、２倍周波数のレーザービームの出力パワーを監視することが、最適な離間間隔を特定する手段を提供する。その後、最適化プロセスの第三番目の工程において、半導体レーザーの動作温度を調節することにより、レーザーモードに結合される光のレベルを設定することができる（たとえば、極大値あるいはそれに近い値を実現するために）。その後、一連のレーザー最適化工程のいくつかあるいは全てが繰り返され得る。たとえば、利得媒体に対するミラーの位置を再調節し、それにより、利得媒体のポンピング表面に対してレーザーモードを移動させ、より良好な出力パワーレベルを得ることが望ましいかもしれない。
【００６９】
所望の最適化レベルが取得されるまで、一連の最適化工程全体が繰り返され得る。性能改善に関する最低閾値による制限が、最適化の完了時を特定するために使用され得る。たとえば、レーザー構成およびパラメターは、出力パワーを１０％以下しか向上させないようになった一連の最適化工程全体によって特定されるかもしれないし、あるいは状況によっては、５％以下しか向上させないようになった一連の最適化工程全体によって特定されるかもしれない。この最適化の評価は、たとえば、基本波長のレーザービームあるいは２倍周波数のレーザービーム中の出力パワーに基づいて行われ得る。レーザーシステムの最適化プロセス全体の中の種々の最適化工程のうち、いくつかの工程のみしか繰り返さなくてよい場合もある。各特定のレーザーの応用用途に対する最も好ましい最適化のレベルは、おそらくは、（１）利得媒体中におけるレーザーモードの位置を最適化する工程、（２）ポンピング放射の物理的な広がりをレーザーモードに整合させる工程、および（３）ポンピング放射の分布をレーザーモードに整合させる工程を必要とするレベルである。いくつかの特定の状況においては、上記に列挙した３つの特定の特性のそれぞれについて、極大値に近い出力パワーレベルによって測定されるような整合性を得ることのみが必要とされ得る。
【００７０】
図７は、レーザーシステムのさらに追加の特性を最適化するのに使用され得るモード形状アナライザーを提供するための、図３のレーザーシステムの変形例を図示したものである。図７に図示されているシステムは、高反射能ミラー４２に入射するレーザー放射のうち少量の一部がその高反射能ミラーを透過するという事実を、利用したものである。高反射能ミラー４２は平坦／平坦型であるため、高反射能ミラー４２の外側表面上におけるレーザービームの像は、キャビティ内の該高反射能ミラーにおけるビーム形状を再生した像である。したがって、このビームの像は、キャビティ内におけるモードの形状を分析するために観察され得る。高反射能ミラーを透過するレーザービームの強度は検出器を破損させるのに十分足るほど強いので、より扱い易いビーム強度を発生させるべく、高反射能ミラー４２の近くには１個あるいは複数個のＮＤフィルターが配置され得る。その後、所望の分解能を有する検出器、あるいはレーザービームの近赤外光に対して感度を有するメルズ・グリオット・ビームアナライザー７２等のプロファイルアナライザーを使用して、ビームが撮像される。アナライザー７２は、高反射能ミラー４２に対して比較的近く（約１．５ｃｍ）に配置され得る。この撮像能力は、ビーム形状を観察するため、したがってレーザーがＴＥＭ００モードあるいはそれに近いモードで動作しているか否かを特定するために、容易に用いられることが可能である。この観察方法は、図１のシステム中における周波数２倍結晶２０からの２倍周波数出力を最大化する上述の最適化技術に比べれば、遥かに精度が劣るものである。
【００７１】
図７のアナライザーは、レーザーシステム中の異なる位置におけるモードの大きさを測定する、大雑把かつ概して定性的な測定手段として用いられ得る。マイクロマニピュレーターあるいは微小移動ステージ７４が、ナイフエッジあるいはレザーエッジ７６を利得媒体に対して精度良く配置するために使用される。該ステージは、キャビティの長さ方向に沿ったある位置に配置され、該レザーエッジは、該エッジ７６がアナライザー７２における像を最初に歪ませ始めるまで（典型的にはモードの像が縮小され始めることにより観測される）、横断方向に移動させられる。アナライザー７２における像が消滅して、該エッジ７６がモード断面に到達している光全体を遮断していることが示唆されるまで、該エッジ７６は移動させられる。利得媒体の、最初にビームが歪んだ点から消滅点までの距離は、一般的にその点におけるモードの幅に関連している。図７に示されたレーザーシステムのレーザーは、該レーザーシステムの使用時においては高パワーの動作状態にあり、したがってレザーエッジがレーザー結晶４０から安全に離されて保持されることが重要である点に注意されたい。図７のシステムを使用して、ＴＥＭ００モードでの動作のために最適化されたレーザーシステム中における近似的なモード幅が、上述の実施形態の約９ｃｍ長のレーザーキャビティ中における異なる複数の点において測定された。高反射能ミラー４２の近傍においてはモード幅は約４００μｍであり、高反射能ミラーから１ｃｍの距離においてはモード幅は約５６０μｍであり、Ｑスイッチ４８のキャビティ中における通常位置に対応する７．５ｃｍの距離においてはモード幅は約２３０μｍであり、出力カプラー４４の表面近くにおいてはモード幅は約１３０μｍである。したがって、利得モードの大きさが、利得媒体４０において最大であり。出力カプラーにおいて最小であることは明らかである。図７のシステムは、ＴＥＭ００モードで動作する最適化されたレーザーにおけるモードの形状および大きさを分析するのに有用であるだけでなく、より高次のモードの存在を特定するため、およびより高次のモードの存在を制限する構造を工夫するためにも使用され得る。
【００７２】
共鳴キャビティの光路上において適当な横方向にＱスイッチ４８を配置することは、固体レーザーを単一モード動作で動作させる際において、開口部として作用し得る。より高次のキャビティモードは、基本となるＴＥＭ００モードが占める領域の中心線周りに対称的に配置されたローブを示すものである。最初の高次モードは、共鳴キャビティ全体に亘って断面的に観察すると、基本となるモード領域の両側に位置させられた水平方向に離れた１組のローブを有しており、このうち第一ローブはポンピング光に近い方に離れて配されており、第二ローブはポンピング光から遠い方に離れて配されている。第一ローブと第二ローブとの間においては、ポンピング放射は距離に対して指数関数的な分布をしているので、第一ローブはキャビティの高利得領域に位置しており、第二ローブは該キャビティの低利得領域に位置していることになる。
【００７３】
利得プロファイルの調節は、第二ローブがレーザー動作を保ち続けるために十分な利得を有することを、防止し得るものである。この調節と併せて、基本となるＴＥＭ００モード領域が全てＱスイッチの表面と重なるが、共鳴キャビティの最初の高次モードにおける第一ローブが該Ｑスイッチの表面にかからないようにして、該Ｑスイッチが配置されることが好ましい。そのようにすると、最初の高次モードの第一ローブはＱスイッチを透過させられず、それにより該第一のローブの高程度の損失あるいは物理的な遮断がもたらされ、該第一ローブはレーザー動作を保ち続けるために十分な利得を有さないようになる。したがって、固体レーザーにおける最初の高次モードの振動は、利得プロファイルを調節すること、および該最初の高次モードを抑制するようにＱスイッチを配置することにより、抑制され得る。２番目のおよびさらに高次の高次振動は、通常は実際に振動に到達する度合がより低く、したがって、利得プロファイルの選択とＱスイッチの配置との組合わせは、固体レーザーのいくつかの実施形態において効果的に単一ＴＥＭ００モードでの動作を選択するものである。キャビティを慎重に調整することによっても同様の結果が得られるが、レーザーの調節を要さずに、より強力かつより確実に単一モード動作を保持するという点で、いくつかの応用用途においては、上記の利得プロファイルの選択とＱスイッチの配置との組合わせの方が好ましい。そのようなメンテナンスの必要性が低い動作特性は、産業的用途における使用およびステレオリソグラフィ等の応用用途において使用される固体レーザーの、設計の実用性という点で非常に重要である。
【００７４】
さらにより強力な物理的開口部と利得開口部（ｇａｉｎ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）との組合わせを、同様のやり方で使用することも可能である。物理的開口部としてＱスイッチを使用する代わりに、該Ｑスイッチの近傍に位置させられた別個の開口部を使用して、レーザーの最初の高次モードにおけるローブのうちの１つを遮断することも可能である。この代替手段においては、上記の物理的開口部は、ナイフエッジでもよく、あるいはその他の好適な遮断材であってもよい。上述のＱスイッチに関する説明と同様のやり方で、該物理的な開口部が配置され、最初の高次モードのポンピング源に最も近いローブが遮断されるべきである。レーザーシステムの好適な設計においては、最初の高次モードの第二ローブにおける利得は、レーザーとしての作用を保ち続けることができない程度に低くされ得る。最初の高次モードにおける往復の利得が、レーザーの往復の損失よりも少ない場合には、第二ローブにおける利得は十分に低いと言える。この低利得条件を保証するために、ポンピングビームの波長、利得媒体の吸収係数、あるいはその他の損失機構は、必要なように調節されることが可能である。物理的な開口部と利得の選択との組合わせは、利得の選択を開口部としてのＱスイッチと組み合わせるよりも、レーザーシステムの構成により柔軟性を持たせるものである。
【００７５】
図８は、本発明の教示にしたがって構成され最適化された図３のレーザーシステムの、上述した実施形態の性能を図示し、さらに、最適化された図３のレーザーを組み込んだ図１のシステムの性能を図示したものである。図８は、２５ｋＨｚのＰＲＦ（パルス反復周波数）を使用して得られた、基本レーザー出力、２倍周波数レーザー出力（５３２ｎｍ）、および３倍周波数レーザー出力（３５５ｎｍ）のグラフを提供するものである。基本レーザー出力パワーのグラフは、約１２％の光‐光ポンピング効率と、２０％を超える（２３．５％）傾き効率とを有しており、これらは共に側面ポンピングレーザーとしては高い値である。レーザー動作の閾値は、ミラーを含むキャビティが２０Ｗの入力ポンピングパワー用に最適化されている場合においては、約９．５Ｗの入力パワーである。この構成におけるレーザー動作の閾値は、熱レンズを確立および安定化するために必要とされる、熱的パワーの入力量を反映したものである。この安定状態の動作条件が確立される前においては、熱レンズは十分に発達しておらず、キャビティ内を伝播する光はキャビティ内部に留まらない傾向を有する。このレーザーシステムにおいては、著しいレベルの３倍周波数出力光が得られ、そのことは、本システムを、上述のステレオリソグラフィの応用用途に適したものとさせる特徴である。
【００７６】
図１のシステムからの高レベルのパワー出力に関しては、第三調波発生結晶２６の出力面におけるエネルギー密度が、該第三調波発生結晶２６の出力面を破損させるほどに大きくなることもあり得る。本発明の発明者らは、該第三調波発生結晶の出力面への破損を観測したが、破損は結晶の出力面においてのみ生じており、また該破損はレーザービームが該結晶から出射する位置の近傍に強く局在化されていた。そのことから、上記の結晶の出力面において、上記の破損は高密度の３５５ｎｍ光子（３倍周波数、紫外領域）の存在に付随している可能性が極めて高い。仮に上記の破損が単純に合計のエネルギー密度に起因するものだとすれば、図１のシステム中の、周波数２倍結晶においても、あるいは周波数３倍結晶の入力面においても、破損が生じるはずである。観測された破損は、実質的に結晶から出射するビームのスポットサイズ（スポット径にして１００μｍ程度）の範囲内に限られているが、その破損位置は、３倍周波数ビームの質および強度に必然的に影響する。周波数３倍結晶の出力面の破損は、図１に図示されるようなレーザーシステムの寿命を著しく短縮させるものである。
【００７７】
図９は、高レベルの紫外出力光を発生させるための周波数３倍結晶を使用しながらレーザーの寿命を延ばすために図１のレーザーシステムに代替的に組み込まれ得る、単純な要素群を図示したものである。図９は、図１の実施形態の周波数３倍結晶２６に代替し得る変更されたアセンブリを示すものであり、該図９のアセンブリは、機能的には図１に図示された前述の周波数３倍結晶２６と等価であるＬＢＯ結晶を含んでいる。ここでの議論および説明の便宜のために、説明をより分かり易くするべく、周波数３倍結晶が必要とする温度制御機構等のいくつかの特定の周辺構成要素は図示されていない。周波数３倍結晶９０は、手動制御により移動させることも可能であるが、好ましくはコンピュータ制御される移動機構上に搭載されており、また横方向および縦方向への移動能力を双方とも有していることが好ましい。ｘ軸移動ステージ９２は、ＬＢＯ結晶の支持部として設けられてもよく、ＬＢＯ結晶９０の横方向への移動をもたらすものである。Ｚ軸移動ステージ９４あるいは昇降機が、たとえばｘ軸移動ステージの下に、レーザーキャビティに対して垂直な方向に沿ったＬＢＯ結晶の移動をもたらすべく設けられる。このことは、二次元的に移動する系を提供するものであり、したがって、調波発生結晶に関して最長の寿命を提供するものである。勿論、一次元の移動が満足な結果をもたらす場合には、単一の移動機構のみが設けられ、単一方向に沿ってのみ移動が行われる場合もある。上記の移動機構は、制御システムあるいはコンピュータ９６により制御され、この制御システムあるいはコンピュータ９６は、図１に図示されたレーザーサブシステムの制御に専用のものでもよく、あるいはステレオリソグラフィ装置のための全体的な制御コンピュータシステムの一部であってもよい。好ましくは、コンピュータ９６に紫外領域における出力強度を特定させるか、あるいは周波数３倍結晶からの出力強度に関する他の測定基準を導出させるために、コンピュータ９６は、図１に示した全体的なレーザーシステム内に配置されたセンサーあるいは光学的サンプリングシステムに接続されている。また、コンピュータ９６は、データ制御ライン９８を介してｘ軸移動ステージ９２に接続されており、さらにコンピュータ９６は、データ制御ライン１００を介してｚ軸移動ステージ９４に接続されている。
【００７８】
図９に図示されたサブシステムは、周波数３倍結晶９０の出力面におけるレーザー位置に対しての、該周波数３倍結晶９０の自動的な再配置を可能にするものである。たとえば、最初の組込状態中においては、周波数３倍結晶９０は、ビームが初期スポット１０２を通過するように、レーザーキャビティに対して相対配置させられ得る。一定期間の経過後に、該周波数３倍結晶は、レーザービームが新たなスポット１０４を通過するように、レーザーキャビティに対して移動させられる。以前の占有位置から離れた位置においてレーザービームが周波数３倍結晶から出射するので、以前の占有位置に存在するいかなる破損も、再配置されたビームに影響を及ぼさない。周波数３倍結晶（〜２−５ｍｍ）は、周波数３倍結晶の出力面におけるビーム径（〜１００μｍ）に比して大きいので、与えられたいかなる結晶においても、多数回の上記のような移動が安全に行われ得る。したがって、周波数３倍結晶の有用な寿命、あるいは出射する放射によって破損され得る他の同様な結晶の有用な寿命は、著しく延ばされ得る。さらには、この変更例は紫外光を発生させる調波発生結晶がレーザーキャビティ外に配置されている図１のシステムを前提として説明されたが、レーザーキャビティ内に配された調波発生結晶の寿命を延ばすべく、該レーザーキャビティ内に配された調波発生結晶が再配置されるレーザーシステムに対しても、同様の手法が適用され得る。少なくともいくつかのレーザーシステムは、レーザーキャビティ内において２倍周波数あるいはより高次の調波発生を使用するものであり、そのようなレーザーシステムは、紫外放射あるいはその他の破損をもたらす放射を発生し得ることに注意されたい。そのようなシステムは、調波発生結晶の移動による恩恵を受けることができる。
【００７９】
レーザーシステムあるいはその他のより大系的なシステムに関する検討事項における各特定のニーズに応じて、入力レーザービームに対する周波数３倍結晶の再配置は、多くの異なる方法によって始動され得る。最も簡単な手法では、性能低下に気づいたユーザーが再配置動作を始動させ、以前は使用されておらず破損されていない部分をレーザービームが通過するように、周波数３倍結晶を移動させることが可能である。この手法は簡単ではあるが、ユーザーは、性能に関するあらゆる問題を周波数３倍結晶の劣化と絡めて考え、周波数３倍結晶の位置に関して非生産的な調節を行う傾向を有するかもしれないので、該手法は実用においては逆効果となり得るものである。したがって、図９の実施形態は、周波数３倍結晶の、最も最近の１つあるいは２つあるいはより多くの占有位置を記憶しておくための、メモリを含んでいることが望ましい。再配置動作後においてもレーザーの性能がほとんどあるいは全く改善しない場合（すなわち、１０％あるいは２０％程度の改善しか見られない場合）には、周波数３倍結晶が元の位置を占有するように、該再配置動作が元に戻され得る。以前の占有位置の再取得が可能であることは、図９に示した周波数３倍結晶を含むアセンブリの、この比較的手動に近い構成においてのみでなく、以下に議論されるより自動化された構成においても望ましいことである。ある変更例においては、性能改善を確認するために２回以上の前進工程が行われることが可能であり、その２回以上の前進工程の後に改善が見られない場合には、当該システムは、自動的あるいは手動により、以前の各位置を通りながら段階的に元に戻される。
【００８０】
上述の比較的手動に近い再配置動作に対する変更例として、図１のレーザーシステムの合計動作時間を記憶するメモリが、コンピュータ９６内あるいはコンピュータ９６からアクセス可能な場所に設置されてもよい。配置動作を実行するための期間が、性能特性および寿命特性に関する製造者の知識に基づいて、予め設定された様式でコンピュータ９６内に記憶され得る。あるいは、再配置のための時間は、ユーザーが目的とする応用用途におけるレーザーシステムに関する該ユーザーの経験に基づいて、該ユーザー自身が設定できるようにされてもよい。これらおよびその他の実施形態においては、特定の周波数３倍結晶に関し、レーザービームが通過してきた全ての位置の履歴を記憶しておくことが望ましい。そのようなシステムは、以前に占有された各位置を避けるために、まず以前に占有された各位置の履歴を確認した上で、再配置を実行する。
【００８１】
図９に示した周波数３倍結晶を含むアセンブリのさらに別の自動化された構成の下では、再配置を実行するか否かの決定は、出力強度あるいはビームの質に関する外部からの測定値に基づいて行われ得る。そのような構成においては、図１のシステムに対し、出力パワーセンサーが設けられる。そのような出力パワーセンサーは、周波数３倍結晶からの合計パワー出力、あるいは周波数が３倍（あるいは４倍）された紫外出力パワーをサンプリングすることができる。場合によっては、基本周波数および２倍周波数のビームの出力強度を、図１の光路３４上で測定することも認容可能である。周波数３倍結晶が破損されているか否かの判定は、光路３２および３４の双方に関してなされるビームパワーの測定に基づいて行われてもよい。ベースラインとなる出力パワーレベルは、周波数３倍結晶の組込みおよび最適化の後に、測定および記憶される。レーザーシステムの出力パワーが規則的な時間間隔で測定され、コンピュータ９６は、現在の出力パワーレベルを、以前の履歴に基づくベースラインのパワーレベルと比較する。現在の出力パワーレベルが、ベースラインのレベルに対してある所定の割合未満に落ちた場合には、上記のコンピュータが再配置動作を始動させる。再配置動作の後に、出力パワーレベルが再測定される。出力パワーレベルが以前のレベルに戻った場合、あるいは以前のレベルに十分近いレベルに戻った場合には、その新たな出力パワーレベルが新たなベースラインレベルとしてメモリ内に蓄積され、新たな位置が受け入れられる。新たな位置における出力パワーが受容不可能なものである場合には、周波数３倍結晶が以前の位置に戻される。その後、コンピュータ９６が、システム診断あるいはその他のサービスの実行の必要性を示す信号を発する場合もある。
【００８２】
基礎となるレーザーシステムの別の変更例が、図１０に図示されている。この図１０は、半導体ダイオードポンピングレーザー４６および利得媒体４０について、前出の図５に図示されたよりも詳細な断面図を示したものである。半導体レーザー４６と利得媒体４０を含むアセンブリのいくつかの実施形態においては、該半導体レーザーおよび該利得媒体の双方が同一のブロック（たとえば銅製）上に搭載され、共に冷却されてもよい。そのようなシステムにおいては、半導体レーザーおよび利得媒体は、同一の温度で動作する。しかし、本発明の発明者らは、半導体ダイオードレーザーと利得媒体を異なる温度に保つことが有利であるかもしれないことを観測した。図１０は、半導体レーザー４６とＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体４０を含むアセンブリであって、動作中において半導体レーザーと利得媒体を異なる温度に保つことを可能とするようなアセンブリを概略的に示した図である。
【００８３】
図１０のアセンブリにおいては、半導体ダイオードレーザーは銅製ブロック１１０の上に搭載されており、該銅製ブロック１１０は、ダイオードレーザー内部において発生させられた熱を、熱電（ペルティエ）冷却器１１２を介して効率的に除去するものである。熱電冷却器１１２から排出された熱は、上記よりも顕著に大きい銅製ブロック１１４に送られるか、あるいは、図示されたアセンブリ内にある熱電冷却器の冷却作用を妨害することなくシステムから効率的に熱を除去するような他の形式の蓄熱部に送られる。半導体レーザー４６の温度の測定手段を提供するために、温度感知ダイオードあるいは抵抗器１１６が銅製ブロック１１０上に搭載されてもよい。制御装置１１８が温度感知器１１６および熱電冷却器１１０に接続されており、該制御装置１１８は、熱電冷却器を流れる電流を制御して、半導体レーザー４６の温度を所望の水準に保つためのものである。利得媒体４０は、インジウム箔あるいはその他の軟性金属箔等の、展性を有する熱伝導体１２４を用いて、銅製冷却ブロック１２０と１２２との間に搭載されている。銅製ブロック１２０は、放射冷却のためのフィン状の構造を有していてもよく、あるいは、該銅製ブロックは、利得媒体４０中で発生させられた熱を熱電冷却器（図示せず）を介して排出してもよい。銅製ブロック１２２は熱電冷却器１２６上に搭載されており、該熱電冷却器１２６は、利得媒体４０から熱を引き出し、その熱を蓄熱部１１４中へと発散させるものである。温度感知器１２８は、利得媒体の温度測定手段を提供するものであり、ダイオードあるいは抵抗器であってもよい。制御装置１３０は、銅製ブロック１２２の温度を示す信号を受信し、熱電冷却器１２６を流れる電流を制御して、利得媒体の温度を制御するものである。
【００８４】
制御装置１１８および１３０に接続された全体的システム用コンピュータが、半導体レーザーおよび利得媒体が動作させられるべき特定の動作温度の入力を可能とする。最も好ましくは、半導体レーザーの動作温度は、ポンピング光のレーザーモードへの結合を最適化するように設定される。続いて、利得媒体の動作温度が、出力パワーを最適化するように選択される。既に説明したダイオードアレイと利得媒体を使用したここでの望ましいシステムにおいては、ある有利な構成は、約４０ｋＨｚのパルス反復周波数で動作するレーザーに関して、半導体ポンピングレーザーの温度を２５℃に設定し、利得媒体の温度を約１８℃に設定する構成である。利得媒体をさらに冷却することが好ましい場合もあるが、利得媒体の温度が過度に低く保たれると、望ましくない結露が形成される怖れがある。図示され説明されたような、独立した温度制御を有する半導体ダイオードアレイポンピングレーザーと利得媒体とを含むアセンブリが、上記において図３に図示されたようなレーザー内に組み込まれた。この実施において使用された上記の特定のレーザーは、平坦型の高反射能ミラー４２であって、そのキャビティに面した側の表面が利得媒体の中心から約２．８６ｃｍの距離だけ離れている高反射能ミラー４２を設けたものであった。出力カプラー４４は、平坦／平坦型であって、約７０％から７５％の間の透過率を有しており、そのキャビティに面した側の表面が利得媒体４０の中心から約４．３ｃｍの距離だけ離れている出力カプラーである。このレーザーは、４０ｋＨｚのパルス反復周波数（ＰＲＦ）で動作させられた。この独立温度制御型のレーザーは、先に説明された実施形態に比して、ほぼ２倍の出力パワーレベルおよび効率を示す。
【００８５】
他の側面においては、上記の独立温度制御型のレーザーは、先に説明された最初のレーザーシステムと本質的には同様である。先に説明された最初の実施形態と同様に、この独立温度制御型のレーザーも、半導体ポンピングレーザーと利得媒体との間にいかなる光学要素も配されないような、変更された突合せ結合の構成を使用する。半導体レーザーと利得媒体との間には、ある離間間隔が設けられている。キャビティ用ミラーは、利得媒体の表面であって該利得媒体にポンピング光が供給される側の表面の近くにレーザーモードを位置させるようにして、利得媒体に対して相対配置される。レーザーモードは、ポンピング表面を介した該レーザーモードの回折損失を制限するのに適当な距離だけ該ポンピング表面から離れているが、該レーザーモードに到達するポンピング光の量を不必要に制限する程には、高い吸収係数を有する該利得媒体中に深く配されない。典型的には利得媒体の吸収ピーク波長と異なるポンピングレーザーの出力波長を選択することにより、半導体レーザーの動作温度が、ポンピング光のレーザーへの結合を最適化するように選択される。
【００８６】
半導体レーザーと利得媒体との間の最適な離間間隔は、上述したやり方で決定される。すなわち、最も低次であるＴＥＭ００基本波長（１０６４ｎｍ）の出力パワーを、好ましくは経験的な方法によって最適化することにより、該離間間隔が選択される。好ましくは、この最適化は、２倍周波数（５３２ｎｍ）レーザービームの出力パワーを最適化することにより実行される。既に述べたように、この２倍周波数レーザービームの出力パワーは、レーザービームのＴＥＭ００モードの質を測定する極めて感度のよい測定手段である。図１１は、半導体レーザーと結晶の間の離間間隔と、基本周波数レーザービームおよび２倍周波数レーザービームの出力パワーとの間の、関係を図示したものである。図示されているように、離間間隔の関数としての２倍周波数出力パワーにおけるピークは、比較対象となる基本周波数レーザービームの出力光に関する関係におけるピークに比して、より強いピークとなっている。このことは、２倍周波数出力パワーが、基本周波数レーザービームの出力パワーに比して、離間間隔を最適化するためのより感度のよい測定値であることを実証するものである。
【００８７】
以下の表２は、半導体レーザーが２５℃に保たれ、利得媒体が１８℃に保たれた図１０のレーザーについて、該半導体レーザーと該利得媒体との間の離間間隔の関数として、基本周波数（ＴＥＭ００）のレーザービームの出力パワーを列挙した表である。表２はまた、独立型の冷却を行う図１０のレーザーが図１に示したレーザーシステムの実施形態中に配された際における、基本周波数（ＴＥＭ００）レーザービームおよび２倍周波数レーザービームの出力パワーと、該基本周波数レーザービームと該２倍周波数レーザービームの間の変換効率との間の関係も示している。以下の表で、基本波長（ＴＥＭ００、１０６４ｎｍ）のレーザービームについて列挙されている出力パワーは、予め定められた２０Ｗというポンピングレーザーのパワーにおいて、各離間間隔値に対してキャビティを最適化することにより得られた出力パワー値を表すものである。
【００８８】
図１２と図１３は、このレーザーシステムの性能についてさらなる説明を提供するものである。このレーザーの性能特性は図１２および図１３に図示されており、図８に図示された最初に説明されたレーザーの性能と比較することができる。これら２つのレーザーの比較は、半導体レーザーと利得媒体の温度をそれぞれ独立に設定することに伴う性能向上を説明するものである。
【表２】
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【００８９】
好ましい実施形態についての以上の説明は、典型的には、レーザー媒体が固体媒体である場合に言及するものであった。いくつかの変更実施形態においては、たとえば気体、染料、およびそれらに類似のもののような、他のレーザー媒体も使用可能であろうと考えられる。
【００９０】
好ましい実施形態についての以上の説明は、典型的には、ポンピング源が半導体レーザーあるいはダイオードレーザーである場合に言及するものであった。いくつかの変更実施形態においては、放電ランプ、フラッシュランプ、他の種類のレーザー、およびそれらに類似のもののような、他のポンピング源も使用可能であろうと考えられる。
【００９１】
好ましい実施形態についての以上の説明は、典型的には、レーザーキャビティ用ミラーが、レーザー媒体、Ｑスイッチ、あるいは該キャビティ内に配置され得る他の変調装置から離れている場合に言及するものであった。いくつかの変更実施形態においては、上記のキャビティ用ミラーが、レーザー媒体の両端面を直接被覆しているか、あるいは該レーザー媒体の両端面上に搭載されているような形態も可能である。さらに別のいくつかの変更実施形態においては、レーザー媒体と変調装置が結合されており、一方のキャビティ用ミラーが該変調装置とは反対側の該レーザー媒体の一端面を被覆しているか、あるいは該一方のキャビティ用ミラーが該一端面上またはその近傍に搭載されており、さらにもう一方のキャビティ用ミラーが上記の変調装置を被覆しているか、あるいは該もう一方のキャビティ用ミラーが該変調装置上またはその近傍に搭載されているような形態も可能である。
【００９２】
好ましい実施形態についての以上の説明は、典型的には、全体的なレーザーシステムについてある特定の方向設定を想定したものであったが、該システムにおいては他の方向設定も可能である。とりわけ、本明細書は、レーザーが水平方向に延びる光軸を有するものであるとして説明したものである。この光軸が水平方向に延びていると考える代わりに、他の方向に延びていると考えることも可能であり、その方向はいかなる方向であってもよい。この光軸は、所望のいかなる方向であってもよい第一方向に沿って延びていると考えることもできる。この第一方向はまた、該第一方向に垂直な方向から成る様々な方向対を規定するためにも利用され得る。これらの垂直な方向から成る各方向対は、各対を成すそれぞれの方向が上記の第一方向に垂直であるばかりでなく、典型的には該各対を成すそれぞれの方向同士も互いに垂直であると考えられる。
【００９３】
さらに、好ましい実施形態についての以上の説明は、典型的には、水平平面内に位置していると想定された第一の横断方向に沿って、レーザーシステムがポンピングされると考えるものであった。前述の通り、ポンピング放射が側面ポンピングの構成でレーザー媒体に照射されるように、該ポンピング放射はこの第一の横断方向に沿って伝播する。しかしながら、実際には、ポンピング放射は、光軸方向と第二の横断方向の双方に沿って発散する（光軸方向への発散の方が程度が小さく、第二の横断方向への発散の方が程度が大きい）ので、該ポンピング放射は、上記の第一の横断方向への伝播に限定されないのが典型である。しかしながら、典型的な応用用途においては、ポンピング放射は、実質的に第一の横断方向に平行な平均伝播方向を有するものとみなされ得る。より一般的に言えば、ポンピング放射の平均伝播方向は、上記の第一の横断方向に平行な成分を有する第二の方向に沿って方向付けられると考えることもできる。最も好ましい実施形態においては、この第二の方向は、上記の第一の横断方向に平行であるか、上記の第一の横断方向から約５°から１０°の範囲内にある。さらに、ポンピング放射は、レーザー媒体の変化し得る浸透深さまで浸透しながらこの第二の方向に沿って吸収されるものであると捉えることができるため、この第二の方向を深さ方向とみなすことも可能である。上記の説明より、第一の横断方向と第二の方向はいずれも、水平平面内において方向付けられなくてもよい点に注意されたい。
【００９４】
さらに、好ましい実施形態についての以上の説明においては、ポンピングレーザーは典型的には鉛直方向に沿って発散するものとみなされていた。これらの実施形態においては、この鉛直方向は、第一の横断方向と光軸方向との双方に垂直な第二の横断方向に沿って方向付けられるのが典型である。該第二の横断方向は、第三の方向とも呼ばれ得る。この第三の方向は、必ずしも鉛直方向に方向付けられなくてもよい点を理解されたい。
【００９５】
本発明は、いくつかの特定の実施形態の形式で説明されてきた。本明細書中で説明された特定のシステムに対する複数の変形形態が、本発明の教示事項を変更することなく可能であることは、当業者には理解できることであろう。これらの変形形態の中には、本明細書中に明示的に記載されているものもあれば、本発明に関する簡明な説明を提供するという観点から、明示的に記載されていないものもある。たとえば、以上の説明は、利得結晶（ｇａｉｎ  ｃｒｙｓｔａｌ）の一側面に沿って配置された単一のダイオードアレイ半導体ポンピングレーザーを想定して行われたが、本発明の教示事項は、一対の半導体ポンピングレーザーが利得媒体の両側に配置されるような変更例にも適用され得る。そのような変更例においては、両側のポンピング源からの光を利得媒体に効率的に結合させるべく、十分に細い利得媒体が選択されるべきである。したがって、本発明は前述された特定の実施形態のいずれにも制限されるべきものではなく、本発明の範囲は、各請求項を参照して決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、ある基本周波数すなわちある基本波長の光を発する固体レーザーから、３倍周波数の出力光を発生させる能力を有する、本発明によるあるレーザーシステムの全体像を示す図である。
【図２】図２は、ポンピング放射の異なる波長における、好ましいＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体の吸収係数を、該Ｎｄ：ＹＶＯ４利得媒体の異なる方向沿いについて概略的に示した図である。
【図３】図３は、半導体ポンピングレーザーと、共鳴キャビティ中の固体利得媒体とを概略的に示した図である。
【図４】図４は、利得媒体中におけるレーザーモード領域の配置、および該モード領域に対するポンピングレーザーの配置に関する考察を、概略的に示した断面図である。
【図５】図５は、高い吸収係数を有する利得媒体内のレーザーモード領域と、上記のレーザーモード領域の位置に対する、該利得媒体の吸収係数およびポンピングレーザーの波長の選択の考察とを、概略的に示した断面図である。
【図６】図６は、好ましい半導体ダイオードレーザー源から出力された光の、好ましいＮｄ：ＹＶＯ４利得媒体内における吸収特性を示した図である。
【図７】図７は、図３のレーザー中においてモード領域のプロファイルを測るために変更された、図３のレーザーの変更例を示した図である。
【図８】図８は、基本となる１０６４ｎｍのレーザー光の発生に関する図３のレーザーの性能特性、および図１のレーザーシステムを用いて行われる２倍出力光と３倍出力光との発生に関する図１のレーザーシステムの性能特性を示した図である。
【図９】図９は、改良された寿命特性を有する、変形された調波発生結晶を示した図である。
【図１０】図１０は、固体利得媒体の近くに配置された半導体レーザーアレイのアセンブリを、より詳細に示した図である。
【図１１】図１１は、図３と同様の側面ポンピング型の構成にあるレーザーダイオードアレイと利得媒体との間における、離間間隔の最適化を説明した図である。
【図１２】図１２は、基本となる１０６４ｎｍのレーザー光の発生に関する、差分冷却特性を有する固体レーザーの性能特性、および、そのような固体レーザーシステムを使用した２倍出力光の発生に関する、図１のレーザーシステムの性能特性を示した図である。
【図１３】図１３は、基本となる１０６４ｎｍのレーザー光の発生に関する、差分冷却特性を有する固体レーザーの性能特性、および、そのような固体レーザーシステムを使用した３倍出力光の発生に関する、図１のレーザーシステムの性能特性を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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