(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側の表面（１８）を有する物質（１０）であって、ＹＡＧ結晶または多結晶のＹＡＧセラミックからなり、第一の方向に延びる物質（１０）と、
前記物質中に分布されているＹｂドーパントであって、前記ドーパントが第一の原子価状態の第一の種と第二の原子価状態の第二の種とを有し、前記第二の種の前記第二の原子価状態は前記第一の種の前記第一の原子価状態から変換されたものであり、前記第一の種及び第二の種が、前記第一の原子価状態から前記第二の原子価状態への原子価変換を抑制するためのマスクの適用に応じて前記第一の方向に沿って前記外側の表面に対し空間的に異なる濃度プロファイルで前記物質内に分布されている、ドーパントと、を有し、
前記物質が延びる前記第一の方向の対向する端部において、前記第二の原子価状態の前記第二の種の濃度が前記第一の原子価状態の前記第一の種の濃度よりも高いこと
を特徴とする媒体。
【請求項２】
前記第一の原子価状態のドーパント種の濃度が前記表面（１８）からの距離とともに増大している、請求項１に記載の媒体。
【請求項３】
前記第二の原子価状態のドーパント種の濃度が前記表面（１８）からの距離とともに減少している、請求項２に記載の媒体。
【請求項４】
前記マスク（２０）がグレーズである、請求項１に記載の媒体。
【請求項５】
前記グレーズが高温セラミックグレーズである、請求項４に記載の媒体。
【請求項６】
前記マスク（２０）がセラミックである、請求項１に記載の媒体。
【請求項７】
前記マスク（２０）がガラスである、請求項１に記載の媒体。
【請求項８】
前記マスク（２０）が、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、８Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2、３４ＣａＯ−３０Ａｌ2Ｏ3−３６ＳｉＯ2、またはＴａ2Ｏ5、またはこれらの混合物、または同様のガラス及びセラミックである、請求項１に記載の媒体。
【請求項９】
ＹＡＧ結晶または多結晶のＹＡＧセラミックからなるレーザ媒体を提供する段階と、
前記レーザ媒体にドーパントとしてＹｂをドーピングする段階と、
所定の空間的に異なる光束密度プロファイルを得るようにマスクで前記レーザ媒体をマスキングする段階と、
高温促進還元のために前記レーザ媒体を熱処理する段階と、
を有し、
前記マスクは、前記高温促進還元の際に、酸素空孔及びイオンの質量移動によって推進される、Ｙｂドーパントの第一の種が第一の原子価状態から第二の原子価状態の第二の種に変換される原子価変換プロセスを抑制することを特徴とする、レーザ媒体を製造する方法。
【請求項１０】
前記マスキングする段階は、前記レーザ媒体上にグレーズを適用する段階を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記グレーズを適用する段階は、前記レーザ媒体上に高温セラミックグレーズを適用する段階を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記マスキングする段階は、前記レーザ媒体上にセラミックマスクを適用する段階を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記マスキングする段階は、前記レーザ媒体上にガラスマスクを適用する段階を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記マスキングする段階は、前記レーザ媒体上に、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、８Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2、３４ＣａＯ−３０Ａｌ2Ｏ3−３６ＳｉＯ2、またはＴａ2Ｏ5、またはこれらの混合物、または同様のガラス及びセラミック、の少なくとも１つを適用する段階を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
真空またはガス環境下で、前記マスクによってマスキングされた前記レーザ媒体を加熱する段階をさらに有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記加熱する段階は、酸化ガス環境で加熱する段階を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化ガス環境は酸化種を含有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸化ガス環境は酸素を含有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記加熱する段階は、還元ガス環境で加熱する段階を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記還元ガス環境は還元種を含有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記還元ガス環境は水素を含有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記マスクを前記レーザ媒体から除去する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
フリットを製造する段階をさらに有する、請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
前記フリットを水と混合してスラリーを形成する段階をさらに有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記フリットを水と混合する段階は、フリットを脱イオン水と混合する段階を有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記レーザ媒体の表面上にスラリーを堆積させ、前記レーザ媒体上にマスクを形成してマスキングされた媒体を得る段階をさらに有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記マスキングされた媒体を加熱する段階をさらに有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記マスクを前記レーザ媒体から除去する段階をさらに有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記マスクを除去する段階は、前記マスクを研削する段階を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記マスクを研削する段階の後に、前記レーザ媒体を研磨する段階をさらに有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
レーザ利得媒体の表面にマスクを適用してＹＡＧ結晶または多結晶のＹＡＧセラミックからなるマスキングされたレーザ利得媒体を得る段階であって、前記レーザ利得媒体が内部にＹｂドーパントを有し、前記ドーパントが第一の原子価状態の第一の種を含む、段階と、
前記マスキングされたレーザ利得媒体を加熱処理して、前記第一の種を、第二の原子価状態の第二の種に変換する段階と、を有し、
前記マスクは、前記第一の原子価状態から前記第二の原子価状態への原子価変換を抑制するよう構成され、前記第一の種と前記第二の種とが空間的に異なる濃度プロファイルを有するレーザ利得媒体内に分布されるようにすることを特徴とする、空間的に異なる利得プロファイルを有するレーザ利得媒体を製造する方法。
【請求項３２】
前記マスクを適用する段階は、前記利得媒体の表面上にグレーズを適用する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記グレーズを適用する段階は、前記利得媒体上に高温セラミックグレーズを適用する段階を有する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記マスクを適用する段階は、前記利得媒体の表面上にセラミックマスクを適用する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記マスクを適用する段階は、前記利得媒体の表面上にガラスマスクを適用する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記マスクを適用する段階は、前記利得媒体上に、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、８Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2、３４ＣａＯ−３０Ａｌ2Ｏ3−３６ＳｉＯ2、またはＴａ2Ｏ5、またはこれらの混合物、または同様のガラス及びセラミック、の少なくとも１つを適用する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記マスキングされた媒体を加熱処理する段階は、真空またはガス環境下で前記マスキングされた媒体を加熱する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記加熱処理する段階は、酸化ガス環境で加熱する段階を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記酸化ガス環境で加熱する段階は、酸素の存在下で加熱する段階を有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記加熱処理する段階は、還元ガス環境で加熱する段階を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記還元ガス環境で加熱する段階は、水素を含有する環境下で加熱する段階を有する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記マスクを前記利得媒体から除去する段階をさらに有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
前記マスクを除去する段階は、前記マスクを研削する段階を有する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記マスクを研削する段階の後に、前記利得媒体を研磨する段階をさらに有する、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記加熱処理する段階は、前記第一の種と前記第二の種の分布が前記表面に対して空間的に異なるように、マスキングされた利得媒体を加熱処理する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項４６】
前記利得媒体は第一の方向に延び、前記加熱処理する段階は、前記延びた利得媒体の第一の方向における対向する端部において、前記第二の原子価状態の前記第二の種の濃度が前記第一の原子価状態の前記第一の種の濃度よりも高くなるように、マスキングされた利得媒体を加熱処理する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項４７】
前記加熱処理する段階は、前記第一の原子価状態の前記第一の種の濃度が前記表面からの距離と共に増加し、前記第二の原子価状態の前記第二の種の濃度が前記表面からの距離と共に減少するように、マスキングされた利得媒体を加熱処理する段階を有する、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーレーザに関する。特に、本発明は、非一様な利得プロファイルを有する固体レーザ結晶及びセラミックコンポーネント及び母材の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーレーザ（Ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｌａｓｅｒ，ＨＥＬ）は現在、軍事的及び工業的応用に向けて検討されている。固体レーザはこの応用に向けてかなりの将来性を示してきた。固体レーザは典型的に、レーザ共振器内に取り付けられたレーザ増幅器を含む。共振器は、レーザ内の発振を構築するのに必要なフィードバックを提供する。レーザ増幅器のバルクレーザ活性媒体は、スラブ、ロッドまたはディスクの形状であり得る。ポンピングされると、媒体は増幅を提供する。活性媒体の端部に反射格子を提供することによって、共振器が提供される。
【０００３】
典型的なレーザでは、インコヒーレント光源が、レーザ媒体にエネルギーを提供し、特定の電子遷移にわたって波が同相である光を生成する。レーザ媒体が適切に設計されていると、この“コヒーレント光”がレーザとして放出される。特定の場合には、コヒーレント光の放出ビームがレーザ媒体から自然に生じるものよりも強力であることが望ましい。このために、Ｑスイッチパルスレーザが開発された。
【０００４】
パルスレーザはＱスイッチと称される光制御器を含む。Ｑスイッチは、ある選択値に達するまで（その時点において、内部波の発達が急激に増大し、レーザが作用するための閾値に達する）、レーザ共振器内を前後に反射する光の増強を制御する。増強された光エネルギーをパルスとして放出した後、Ｑスイッチは、他のパルス用に十分に高い強度となるまで光エネルギーを閉じ込めるというその以前の機能を回復する。非常に高いピークパワー及びビームエネルギーがこのようにして達成可能である。当該分野においては、電気的、機械的及びパッシブＱスイッチが知られている。パッシブＱスイッチの動作原理については、特に、有機染料及び放射線誘導された色中心可飽和吸収体に対して非特許文献１に詳細に開示されている。また、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｃ．Ｒａｎｄによる“ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＬＡＳＥＲ  Ｑ−ＳＷＩＴＣＨ  ＨＡＶＩＮＧ  ＲＡＤＩＡＬ  ＣＯＬＯＲ  ＣＥＮＴＥＲ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ”というタイトルの特許文献１（１９８９年５月２３日発行）も参照されたい。
【０００５】
市販のレーザコンポーネントは典型的に、Ｙｂ：ＹＡＧ（イッテルビウムがドーピングされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の単結晶または、ＹＡＧ［Ｙ3Ａｌ5Ｏ12］等の多結晶で透明なセラミックから成る。活性イオンでドーピングされた結晶レーザでは、“ポンプ光”を提供するために一つ以上のフラッシュランプまたはレーザダイオードを使用することが多い。ダイオードのポンプ光は、ドーピングされた結晶またはセラミックの利得媒体中の活性イオンを高エネルギー状態に励起する。このプロセスは“吸収”として知られている。“ポンプキャビティ”は典型的に、一様にドーピングされた利得媒体（ロッド、スラブ、またはディスク形状に製造された結晶、ガラスまたは多結晶素子であり得る）、及び、他の素子（ポンプ光反射器またはリレー光学系等）を含む。ポンプ光は、キャビティの側面から（“サイドポンピング”として知られている）またはキャビティの端部から（“エンドポンピング”として知られている）、典型的には一つ以上のフラッシュランプまたはレーザダイオードで、キャビティ内に結合される。
【０００６】
レーザは、共振器内にドーピングされた媒体及びポンプキャビティを配置することによって、生成される。共振器は、自発的な放出によって生成された光子（つまり、励起イオンの通常の減衰によって生成され、誘導放出によって増幅された光子）を反射する。例えば、ドーピングされた媒体のいずれの端部にも配置され縦軸に垂直に配列されたミラーが、レーザ共振器を形成する。共振器が適切なサイズにされ、“利得”が“損失”を超えるように十分な数の光子が共振器内で前後に反射されると、レーザ発振が、自発的な誘導放出から構築される。つまり、“レージング”が起こり、レーザ光が生成される。レーザ光は典型的に、縦軸に沿って、ポンプキャビティ内のドーピングされた媒体から抽出される。ポンプキャビティについては、非特許文献２に開示されている。
【０００７】
効率的な吸収（ほぼ全てのポンプ光がドーピングされた媒体によって吸収されること）が、レーザ設計者の主な目標である。効率的な吸収を達成する方法の一つは、高吸収（高濃度ドーピングされた）レーザ物質を使用することである。一度にドーピングされた結晶を通過するポンプ光の光線は、“パス”として知られている。大抵の既存の設計に対して、ポンプ光の光線は、抜け出す前にドーピングされた結晶を介するたった一つまたは二つのパスしか作成しないので、効率的な吸収を達成するためには高吸収物質を使用することが余儀なくされる。吸収は、指数関数によって律側されている。従って、結晶がサイドポンピングされる場合、非一様な吸収また、その結果として非一様な利得が得られることが多く、最も高い利得がレーザ媒体の縁部近傍に存在している。媒体の縁部近傍への利得の集中は、寄生発振、増幅自然放出（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＳＥ）、抽出、効率及びビーム質（モード制御）の問題をもたらす。これは、特にロッド型の媒体に対して問題となる。
【０００８】
空間的なビーム質を対象にした多数の技術的アプローチが過去数年にわたって行われており、特定の出力における最適性能のための特別な共振器点の設計やキャビティ内開口部が挙げられる。しかしながら、キャビティ内開口部は、このようなコンポーネントを共振器内に導入する結果として、損傷の可能性、動的な位置合わせ、損失等の問題に直面している。
【０００９】
特定の出力における最適性能のための特別仕様の共振器点の設計の問題は、このような設計は、その名の通り、一つの出力に対してしか適切でなく、従って、共振器またはポンプキャビティのコンポーネントが変化すると特に性能が劣化し易いという点である。
【００１０】
ロッド自体の内部に分布型空間フィルタを導入することによって、従来技術のキャビティ内開口部を排除可能である。この方法は、Ｒ．Ｗ．ＢｙｒｅｎとＤ．Ｓｕｍｉｄａによる以前の出願（’４６２出願）に開示されている。この出願には、二つの異なる原子価状態のドーパントを有する、空間的にドーピングされたＱスイッチ及びレーザポンプキャビティの設計及び製造が詳述されている。原子価密度は半径方向に依存し、レーザロッドの半径に対して増減する。この方法では、酸化促進熱処理または還元促進熱処理を用いて、第二の原子価状態の所望の半径方向のプロファイルを得ることができる。例えば、還元促進処理は、酸素空孔及びイオンの熱によって活性化された質量移動によって、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンを不活性な二価のＹｂ2+イオンに変換することをもたらす。’４６２出願の時間及び温度プロファイルの教示を用いることによって、所望の座標依存性の原子価密度を備えたレーザコンポーネントを製造することが可能になる。言い換えると、これは、より一様な断面の利得プロファイルを備えた装置をもたらす。
【００１１】
残念なことに、’４６２出願に教示された方向による半径方向に依存する利得プロファイルを有する結晶およびセラミックのロッドは、原子価変換が端面に影響を与えるという事実によって他の問題を引き起こしており、ロッドのバレルの端部がレーザの動作に悪影響を与える可能性がある。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４８３３３３３号明細書
【特許文献２】米国特許第６１５９５５３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／００１３９９３号明細書
【非特許文献１】Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著、“Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”、（ベルリン）、第２版、１９８８年、ｐ．４３７−４４２
【非特許文献２】Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著、“Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”、第３版、１９９２年、第６章
【非特許文献３】Ｍ．Ｋｒｅｙｅ、Ｋ．Ｄ．Ｂｅｃｋｅｒ、“Ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｅ−Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｍｉｘｅｄ  ｖａｌｅｎｔ  Ｙｂ3Ａｌ5Ｏ12”，Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．、２００３年、第５巻、ｐ．２２８３−２２９０
【非特許文献４】Ｓ．Ｆｕｉｊｉｔｓｕ外、“Ｊｏｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｔｏ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓｅｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ、２００３年、第１１１巻、第７号、ｐ．４４８−４５１
【非特許文献５】Ｓ．Ａｈｍａｎｉｅｍｉ外、“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｔｈｉｃｋ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｐｒａｙ”、Ａｄｖａｎｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ａｐｐｌｙｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＡＳＭ  Ｉｎｔ．、２００３年、ｐ．１４７７−１４８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、当該分野においては、その外面に関して空間的に形成された非一様な断面の利得プロファイルを備えた高エネルギーレーザ用の利得媒体を製造するためのシステムまたは方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の媒体及びその製造方法によって当該分野における必要性が解決される。この進歩的な媒体は、表面を有する物質と、物質が空間的に異なる光束密度プロファイルを有するように物質中に分布させたドーパントとを含む。
【００１５】
例示的な実施形態において、空間的に異なるプロファイルは、空間依存性のマスクに影響を受ける。ドーパントは、第一の原子価状態の第一の種と第二の原子価状態の第二の種とを有する。第一の原子価状態のこのドーパント種の濃度は、表面からの距離とともに増大し、第二の原子価状態のこのドーパント種の濃度は、表面からの距離とともに減少する。
【００１６】
例示的な実施形態において、座標依存性の利得プロファイルは、空間的にマスキングされたＹｂ：ＹＡＧ結晶またはＹｂがドーピングされたＹ3Ａｌ5Ｏ12セラミックを還元環境下で熱処理することによって得られる。この処理は、マスキングされていない領域における酸素空孔及びイオンの熱的に活性化された質量移動によって、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンを不活性な二価のＹｂ2+イオンに原子価変換することをもたらす。マスクは高温ガラス及び酸化セラミックの厚いコーティングであり得る。
【００１７】
本発明によると、Ｙｂ：ＹＡＧレーザコンポーネント（ロッド、スラブ、ディスク等）内部の調整された非一様な利得プロファイルは、空間的にマスキングされた母材における空間的な物質の変更によって得られる。高温促進還元は、座標依存性の利得プロファイルをもたらす。座標依存性の利得プロファイルは、堆積させた固体マスクのトポロジーによって制御される。利得プロファイルは、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンの荷電状態を不活性な二価のＹｂ2+イオンに還元することによって得られる。この原子価変換プロセスは、酸素空孔及びイオンの質量移動によって推進される。言い換えると、このプロセスは表面及びバルクのレーザ結晶全体にわたるドーパントの分布に影響を与える。レーザコンポーネントのマスキングされた領域よりもマスキングされていない領域においてより多くのＹｂ3+イオンを比例的に還元することによって、座標依存性つまり空間的に制御された利得プロファイルが得られる。
【００１８】
好ましいマスキング物質は高温セラミックグレーズ及びガラスである。マスキングは、フリットを製造する段階と、フリットを脱イオン水と混合してスラリーを形成する段階と、レーザコンポーネントまたは母材の表面上にスラリーを堆積させる段階と、堆積層を熱処理する（焼く）段階とを含む。本発明は、ドーパントの様々な濃度及び空間的局在性を備えたレーザロッド、スラブ等の製造に使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の有利な教示を開示するために、例示的な実施形態及び例示的な応用について、添付図面を参照してこれから説明する。
【００２０】
特定の応用に対する例示的な実施形態を参照して本発明を説明するが、本発明がそれらに限定されるものではないことは理解されたい。当業者であれば、本発明の範囲内の追加的な変形、応用及び実施形態、また、本発明が特に役立つ追加的な分野を認識するものである。
【００２１】
ＹｂがドーピングされたＹＡＧ結晶、または、Ｙｂがドーピングされて焼結した多結晶のＹＡＧセラミックにおいては、Ｙｂの活性イオンは、Ｙｂ2+とＹｂ3+との二つの原子価状態で存在することができる。２００から１２００ｎｍの範囲におけるＹｂがドーピングされたＹＡＧ結晶及びセラミックの光スペクトルは、Ｙｂ2+及びＹｂ3+イオンによる吸収バンドを示し、Ｙｂ3+バンド上の４ｆから４ｆへの遷移、並びに、Ｙｂ2+バンド上の４ｆから５ｄへの遷移が挙げられる。これらのバンドに加えて、Ｙｂ2+からＹｂ3+への原子価間の電荷移動による一つ以上のバンドが観測可能である。Ｙｂ2+吸収バンドは、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶の青色の原因である。略８５０℃を超える高温及び酸化は、青色のＹｂ：ＹＡＧの白色化をもたらす。内部酸化は、酸素欠損の移動及び還元された原子価のＹｂ2+イオンの拡散の両方に関連している。酸化速度論は放物線の速度則に従うことが分かっている。８６１から１０６５℃の温度間隔に対する酸化速度論のメカニズムについては、非特許文献３を参照されたい。
【００２２】
本発明によると、Ｙｂ：ＹＡＧレーザコンポーネント（ロッド、ディスク等）等の物質内の調整された非一様な利得プロファイルが、空間的にマスキングされた母材内の空間的な物質の変更によって、得られる。高温促進還元は、座標依存性の利得プロファイルをもたらす。座標依存性の利得プロファイルは、堆積させたガラス、グレーズまたはセラミックマスクのトポロジーによって予測及び制御が可能である。利得プロファイルは、レーザコンポーネントまたは母材のマスキングされていない領域において、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンの荷電状態を不活性な二価のＹｂ2+イオンに還元することによって得ることができる。原子価変換プロセスは、酸素空孔及びイオンの質量移動によって推進される。言い換えると、このプロセスは、表面及びバルクのレーザ結晶全体にわたるドーパントの分布に影響を与える。マスキングされていない領域では、光束密度のプロファイルはフィックの法則に従う。マスキングされた領域では、ガラスまたはセラミックコーティングにわたる酸素の質量移動はほぼ防止されて、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンが不活性な二価のＹｂ2+イオンに変換することがない。コンポーネントのマスキングされた領域よりもマスキングされていない領域においてより多くのＹｂ3+イオンを比例的に還元することによって、座標依存系つまり空間的に制御された利得プロファイルを得ることができる。本方法を用いて、レーザコンポーネントの設計において、従来技術の半径方向に依存する原子価変換法では利用することのできなかった複数の追加的な自由度を利用することができるようになり、単一のレーザ結晶内の低イオン濃度を備えた“エンドキャップ”を製造することが挙げられる。
【００２３】
本発明により、Ｙｂ：ＹＡＧレーザコンポーネント（ロッド、スラブ、ディスク等）内部に正確に調整された非一様な利得プロファイルが、空間的にマスキングされた母材の空間的な物質の変更を用いて得られる。高温促進還元は、座標依存性の利得プロファイルをもたらす。座標依存性の利得プロファイルは、堆積させたガラス、グレーズまたはセラミックマスクのトポロジーによって予測及び制御が可能である。利得プロファイルは、レーザコンポーネントまたは母材のマスキングされていない領域において、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンの荷電状態を不活性な二価のＹｂ2+イオンに還元することによって得られる。
【００２４】
図１は、Ｙｂ2+及びＹｂ3+という二つの原子価状態のＹｂ：ＹＡＧ結晶母材を示す斜視図である。Ｙｂ3+がドーピングされたＹＡＧ母材は透明であり、Ｙｂ2+がドーピングされたＹＡＧは青色である。Ｙｂ2+がドーピングされた結晶を８５０℃よりも高く加熱すると、酸化により、青色のＹｂ：ＹＡＧが白色化する。
【００２５】
図２は、１４００℃で７２時間処理された１０％ドーピングのＹｂ：ＹＡＧ結晶に対する吸収スペクトルの違いを示すグラフである。原子価変換プロセスは、酸素空孔及びイオンの質量移動によって推進される。言い換えると、このプロセスは、表面及びバルクのレーザ結晶全体にわたる原子価の分布に影響を与える。マスキングされていない領域では、光束密度のプロファイルはフィックの法則に従う。マスキングされた領域では、ガラスまたはセラミックコーティングにわたる酸素の質量移動はほぼ防止されて、レーザ活性な三価のＹｂ3+イオンが不活性な二価のＹｂ2+イオンに変換することがない。コンポーネントのマスキングされた領域よりもマスキングされていない領域においてより多くのＹｂ3+イオンを比例的に還元することによって、座標依存系つまり空間的に制御された利得プロファイルが得られる。
【００２６】
図３ａ〜３ｃは、本発明の教示の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた端面を備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す。
【００２７】
図３ａは、端面１２及び１４（図示せず）を有する製造された母材１０の斜視図を示す。
【００２８】
図３ｂは、端面１２及び１４上にグレージング１６を備えた母材１０の斜視図である。
【００２９】
図３ｃは、所望の空間的に異なる利得プロファイルを得るために原子価変換に影響を与える熱処理の結果を示す母材１０の斜視図である。マスキングされたロッドの中心よりもマスキングされていないロッドの周辺においてより多くのＹｂ3+イオンを還元することによって、共振器モード軸に沿った利得が最大化され、ロッド周辺に向けて着実に減少される。従って、Ｙｂ：ＹＡＧレーザロッドの場合、このプロセスは、空間依存性の活性イオン濃度を有する変更された物質をもたらし、中心においてより高い光学利得を有するレーザロッドを製造することができる。
【００３０】
ロッド自体の中心まわりに対称的に製造されるので、空間的な利得プロファイルは共振器内部で自動的に位置合わせされている。横モード制御のためにレーザキャビティ内にシャープな開口部が必要とされない。従って、光損傷の可能性が顕著に減少する。
【００３１】
他の実施形態では、Ｙｂ：ＹＡＧスラブをマスキング及び熱処理して、ＹｂがドーピングされたＹＡＧ平板状利得媒体コンポーネント内の利得プロファイルを空間的に変更すること（主に横及び縦方向において）ができる。熱処理によって、マスキングされていない領域のみにおいてＹｂ3+が二価のＹｂ2+に原子価変換される。図４ａ〜４ｃを参照されたい。
【００３２】
図４ａ〜４ｃは、本発明の教示によるグレーズマスキングされた側面及び開かれた端面を備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す図面である。
【００３３】
図４ａは、バレル１８を備えた製造された母材１０の斜視図を示す。
【００３４】
図４ｂは、バレル１８に沿ったグレージング２０を備えた母材１０の斜視図である。
【００３５】
図４ｃは、所望の空間的に異なる利得プロファイルを得るために原子価変換に影響を与える熱処理の結果を示す母材１０の斜視図である。本発明の教示により、ほぼ一様にＹｂ3+がドーピングされた中心部と原子価が還元されたＹｂ2+がドーピングされた端部とを有するＹＡＧコンポーネントを製造することが可能になる。
【００３６】
図５ａ〜５ｃは、本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブの原子価変換を示す媒体の概略的な上面図である。
【００３７】
図６ａ〜６ｃは、本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブの原子価変換を示す媒体の概略的な側面図である。まず、本発明の教示によると、図５ａ及び６ａに示されるように、マスク２０を、媒体１０の上面及び下面に適用する。次に、グレーズを熱処理する（焼く）。その後、原子価変換プロセスに影響を与えるように、真空またはガス環境下で、媒体１０を加熱する。これによって、図５ｂ及び６ｂに示されるように、ドーパント種の変化がもたらされる。最後に、図５ｃ及び６ｃに示されるように、グレーズを除去する。結果として得られるコンポーネントは、結晶クラッディング中に封入可能なまたはグレージング可能な理想的なコア層である。
【００３８】
ガス環境は、酸化環境（例えば、酸素や他の酸化種を含有する）または還元環境（例えば、水素や他の還元種を含有する）であり得る。
【００３９】
例えば、高温セラミックグレーズ、セラミック、ガラス等の適切なマスキング物質が使用可能である。このグループとして、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2ガラス、ＺｒＯ2、８Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2、及びいくつかの同様のセラミックが挙げられる。非特許文献４及び非特許文献５を参照されたい。
【００４０】
例えば、３４ＣａＯ−３０Ａｌ2Ｏ3−３６ＳｉＯ2及びいくつかの同様のガラスは、高温（８５０から１１５０℃）処理に耐えることができる。また、マスキング物質として、Ｔａ2Ｏ5及びいくつかの他のＴａ2Ｏ5ベースの高温セラミック酸化物が挙げられる。Ｃｈ．ＬｉとＴ．Ｅ．Ｓｔｒａｎｇｍａｎによる“ＴＨＥＲＭＡＬ  ＢＡＲＲＩＥＲ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＦＯＲ  ＳＩＬＩＣＯＮ  ＮＩＴＲＩＤＥ”というタイトルの特許文献２（２０００年１２月２０日発行）（本願に参照として組み込まれる）に示されるように、２から５００マイクロメートルの厚さのタンタルコーティングは、基板表面を酸化から効果的に保護することができる。１３５０℃までに限定された処理の場合、五酸化タンタルは、その初期の低ベータ相のままである。略１３５０℃で、高温のアルファ相へ相転移する。この転移は体積の変化を伴い、コーティングのひび割れをもたらす。
【００４１】
ジルコニア処理の分野においても同じ様な効果が知られており、略１０００℃で相転移が生じる。特許文献３には、ＡｌＴａＯ4を５０％含み、その残りとして、低濃度の希土類元素（Ｙ）及びＴａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｓｉから成る群から選択された少なくとも一つの金属酸化物を含むセラミック化合物が示されている。例えば、このコーティングは、ＡｌＴａＯ4を略５０％含み、その残りは本質的にはＴａ2Ｏ5またはＡｌ2Ｏ3から成る。このコーティングは、略４ｐｐｍから６ｐｐｍの範囲内のＣＴＥ（熱膨張係数，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を示し、従って、マスキング物質として非常に適切である。
【００４２】
上述のマスクは全て、典型的には高密度膜形成を示す。また、そのマスキングコーティングはＹＡＧと熱的に相性が良く、ＹＡＧとのＣＴＥの不一致の見積もりは１×１０-6℃-1未満である。マスクコーティングプロセスは、フリットを製造する段階と、このフリットを脱イオン水と混合してスラリーを形成する段階と、レーザコンポーネントまたは母材の表面上にスラリーを堆積させる段階と、堆積層を熱処理する（焼く）段階とを含む。原子価変換に影響を与える熱処理後に、堆積させたマスクを研削及び研磨を用いて剥がすことができる。結晶形状の適合性のおかげで、グレージング法は、活性イオンの様々な濃度及び空間的局在性を備えた多様な構成（ロッド、スラブ、ディスク等）を有するレーザコンポーネントの製造に対して使用することができる。
【００４３】
反射素子及びポンプ源を追加すると、このロッドを用いて、レーザを実現することができる。これについて図７に示す。
【００４４】
図７は、本発明の教示によって製造された媒体を備えたレーザの簡略化した側面図である。レーザ３０は、全反射面２２と部分反射面２４との間に配置された、空間的に異なる利得プロファイルを備えた媒体１０を含み、ポンプキャビティを形成している。第一及び第二のポンプ源２６及び２８が、当該分野において周知なように、媒体内にエネルギーをポンピングするために配置されている。ポンピングプロセスによってもたらされる反転分布の結果として、誘導放出が得られる。
【００４５】
以上のように、本願発明について、特定の応用のための特定の実施形態を参照して説明してきた。当業者であれば、本発明の範囲内の追加的な変更、応用及び実施形態を認識するものである。これらのコンポーネントは、Ｑスイッチ、発振器、レーザポンプキャビティ装置として使用可能であり、また、当業者が認識するような他の応用及び目的のために使用可能である。
【００４６】
従って、本発明の範囲内のこのような全ての応用、変更及び実施形態が特許請求の範囲によって保護されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】’４６２出願の教示によるＹｂ2+及びＹｂ3+という二つの原子価状態のＹｂ：ＹＡＧ結晶母材を示す斜視図である。
【図２】’４６２出願による１４００℃で７２時間処理した１０％ドーピングのＹｂ：ＹＡＧ結晶に対する吸収スペクトルの違いを詳細に示すグラフである。
【図３ａ】本発明の教示によるグレーズマスキングされた端面を備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す図面である。製造された母材の斜視図を示す。
【図３ｂ】本発明の教示によるグレーズマスキングされた端面を備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す図面である。端面のグレージングを備えた母材の斜視図である。
【図３ｃ】本発明の教示によるグレーズマスキングされた端面を備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す図面である。所望の空間的に異なる利得プロファイルを得るために原子価変換に影響を与える熱処理の結果を示す母材の斜視図である。
【図４ａ】本発明の教示によるグレーズマスキングされた側面と開かれた端面とを備えたＹｂ：ＹＡＧロッドに対する原子価変換プロセスを概略的に示す図面である。製造された母材の斜視図を示す。
【図４ｂ】バレルに沿ったグレージングを備えた母材の斜視図である。
【図４ｃ】所望の空間的に異なる利得プロファイルを得るために原子価変換に影響を与える熱処理の結果を示す母材の斜視図である。
【図５ａ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な上面図である。
【図５ｂ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な上面図である。
【図５ｃ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な上面図である。
【図６ａ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な側面図である。
【図６ｂ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な側面図である。
【図６ｃ】本発明の例示的な実施形態によるグレーズマスキングされた上面及び下面を含む処理されたＹｂ：ＹＡＧスラブにおける原子価変換を示す媒体の概略的な側面図である。
【図７】本発明の教示により製造された媒体を備えたレーザの簡略化した側面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  媒体
１２  端面
１６、２０  マスク
１８  バレル
２２  全反射面
２４  部分反射面
２６、２８  ポンプ源
３０  レーザ
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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