(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−長辺と短辺とを有する略方形の断面を備えた増幅媒体（１）と、
−前記増幅媒体（１）が間に配置される、反射率が高い少なくとも２つのミラー（２、３）とを有する光増幅器であって、
−前記断面の前記長辺もしくは短辺はｘ軸もしくはｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、かつｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直角座標系を形成しており、
−前記ミラー（２、３）は、発振器から放射され、増幅されるべきビーム（４）がｘｚ面で前記増幅媒体を複数回通過し、かつ増幅されるように構成され、かつ配置されると共に、
−前記増幅されるべきビーム（４）のｘ方向のサイズは通過のたびに拡大し、少なくとも１つの円筒形レンズの作用でｙｚ面で安定である共振器が配置された光増幅器装置。
【請求項２】
前記増幅されるべきビームのｘ方向のサイズは通過のたびに一定の係数で拡大する、請求項１に記載の光増幅器装置。
【請求項３】
前記双方のミラーは、前記入射ビーム（４）の全広がり角αに概ね等しい角度βをなして互いに配置されている平面鏡（２、３）である、請求項１または２に記載の光増幅器装置。
【請求項４】
前記双方のミラー（２、３）は、前記ｘ方向で不安定であり、前記ｙ方向で安定するハイブリッド共振器を形成するように構成され、かつ配置されると共に、前記入射ビーム（４）は前記増幅媒体（１）へと入射される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項５】
前記双方のミラー（２、３）はｘｚ面に湾曲部を有する円筒形ミラーであり、かつ前記共振器はｙｚ面では熱的レンズ作用によりこの面で安定する、請求項４に記載の光増幅器装置。
【請求項６】
前記双方のミラー（２、３）は、前記ｘｚ面では共通の焦点Ｆを有し、共焦点共振器を形成するように構成されている、請求項４または５に記載の光増幅器装置。
【請求項７】
前記共通の焦点は前記共振器の外側に位置する、請求項６に記載の光増幅器装置。
【請求項８】
ビームを形成し、または光路およびモード容積を構成するために、前記共振器内に配置された少なくとも１つのレンズを更に有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項９】
前記共振器内に配置された前記少なくとも１つのレンズは前記ｙｚ面内の円筒形レンズである、請求項８に記載の光増幅器装置。
【請求項１０】
前記増幅されるべきビーム（４）は前記増幅媒体に入射する前に、ビームの焦線が前記ｙｚ面の安定した共振器の横モードに対応するように変形される媒体を有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１１】
前記増幅媒体（１）は気体媒体である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１２】
前記増幅媒体（１）は固体媒体である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１３】
前記固体媒体は、ドーピングされた少なくとも１つの中心領域（７）と、ドーピングされない２つの縁領域（６、８）とを備えるサンドイッチ構造である、請求項１２に記載の光増幅器装置。
【請求項１４】
前記固体媒体は光励起される、請求項１２または１３に記載の光増幅器装置。
【請求項１５】
前記固体媒体はダイオードレーザー（９）によって光励起される、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１６】
前記固体媒体は少なくとも端面を経て、またｚ方向と基本的に平行に光励起される、請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１７】
前記固体媒体は少なくとも側面を経て、またｚ方向に対して基本的に垂直に光励起される、請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１８】
前記固体媒体は、ｙ方向でのサイズが前記ドーピングされた固体媒体のサイズよりも小さい方形の断面を有する平坦に励起されるチャネルを備えている、請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項１９】
単数または複数の光励起源（９）は、ｘｙ面に概ね均質の励起効率分布を呈するように配置されている、請求項１２ないし１８のいずれか１項に記載の光増幅器装置。
【請求項２０】
前記ｘｙ面での光度に関して励起ビームを均質化させるためのプレーナ導波管を備えている、請求項１６に記載の光増幅器装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、レーザー発生源もしくは発振器から放射されるレーザービームを高い増幅率で増幅するのに特に適した光増幅器装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
一般に、レーザー、特に固体レーザーが達成可能なパワー出力は、ビームが上質である場合は増幅媒体のレンズの熱作用によって制限される。上質のビームで高いレーザー出力を達成するために、従来は発振器−増幅器装置が使用されている。この場合に発振器は、ビームが上質で、レーザー出力が比較的低いレーザービームを放射するように配置される。そして、ビームの品質を保持したまま高いビーム出力が得られるように、発振器から放射されるレーザービームは直列に増幅器内に入射され、増幅される。
【０００３】
直列につないだ増幅器を有するこのような構成は例えば図６に示されている。図６に示す参照番号１は光増幅器である。参照番号１３は発振器を示し、参照番号１４は光学的投影を行う光学部品を示す。
【０００４】
図６に示す構成は、発振器も増幅器も棒状の固体媒体を備えたレーザー装置である。実現可能な増幅によると、増幅された自発放射および寄生発振によって限定されるが、この種類の増幅器の代表的な増幅率は１循環あたり約１．２から３である。
【０００５】
低出力の発振器の場合、上記増幅率は増幅媒体の効率のよい活用を達成するには低すぎることが多い。
【０００６】
このような問題点を解決する１つの可能性としては、増幅媒体をポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）・セルおよび偏光器（再生共振器）を有する発振器内に一体化する再生増幅器にある。増幅されるべきレーザービームはポッケルス・セルおよび偏光子を経て再生共振器へと入射される。増幅媒体を複数回循環した後、レーザービームは複数回増幅され、最終的には再びポッケルス・セルおよび偏光器を経て再生共振器から離脱される。それによって効率の良い増幅は可能になるものの、前記の実施形態は極めて複雑であり、数１０ｐｓよりも短いレーザーパルスへの利用にのみ制限される。
【０００７】
レーザー出力を更に高めるため、複数の増幅段を使用することができる。このような多段増幅器には高いコストがつきものである。その上、これは極めて嵩張り、大きいスペースを必要とし、しかも信頼性が低い。
【０００８】
増幅率を高めるため、米国特許明細書第４，７０３，４９１号では一部が透過性のデカップリング・ミラーと、能動レーザー媒体の一方の側の全反射性の曲折ミラー、および能動レーザー媒体の他方の側のもう１つの全反射性のミラーとを有するレーザー装置が提案されている。光学系は、レーザービームが能動レーザー媒体を複数回通過することにより、長い有効共振長さが得られるように構成されている。このような装置では、ビームは複数回の曲折、もしくは多重通過の後に元に戻る。
【０００９】
更にドイツ特許出願第１９，６０９，８５１Ａ号には、それぞれが能動レーザー媒体の別の側に配置された、概ね全反射性の端面ミラーと、一部が反射性のデカップリング・ミラー、並びに能動レーザー媒体の両側に、共振器の端面へと傾いた２つの曲折ミラーを有する帯域導波管レーザー（Ｂａｎｄｌｅｉｔｅｒｌａｓｅｒ）が記載されている。このような装置によって、多重通過共振器が実現する。特に図３に示すように、一方の曲折ミラーは凹面に湾曲した鏡面を有することによって、レーザービームのビーム断面積は通過方向に拡張する。しかし逆の通過方向では、レーザービームのビーム断面積は再び小さくなる。これによって共振器内の光学部品の負荷が高まる。従ってデカップリング・ミラーから全反射性の端面ミラーからの通過の際は、ビーム断面積が縮小するので、出力密度は激しく増大し、これは増幅媒体の有効な活用、および光学部品の負荷という観点からは好ましくない。
【００１０】
従って、本発明の目的は先行技術の欠点を解消する光増幅器装置を製造することにある。
【００１１】
（発明の開示）
上記の目的は、本発明によって請求項１に記載の内容によって達成される。
【００１２】
従って本発明は、長辺と短辺とを有する略方形の断面を備えた増幅媒体と、間に前記増幅媒体が配置される、反射率が高い少なくとも２つのミラーとを有する光増幅器装置であって、前記断面の前記長辺もしくは短辺はｘ軸もしくはｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、かつｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直角座標系を形成しており、前記ミラーは、発振器から放射され、増幅されるべきビームがｘｚ面で前記増幅媒体を複数回通過し、かつ増幅されるように構成され、かつ配置されると共に、前記増幅されるべきビームのｘ方向のサイズは前記通過のたびに拡大する、光増幅器装置を製造するものである。
【００１３】
好適な実施形態は従属クレームに記載されている。
【００１４】
（発明を実施する最良の形態）
本発明を好適な実施形態に基づいて以下に詳しく説明する。
【００１５】
本発明による光増幅器装置の要素は、棒状の増幅媒体、並びに、間に増幅媒体が配置されている、特別に設計され、配置された、反射率の良い２つのミラーとがあり、その間に増幅媒体が配されている。棒状の増幅媒体の利点は、準一次元の熱伝導、および一次元のレンズ作用にあり、これは固体媒体の場合、偏光解消損が最小限になることを意味している。
【００１６】
図１に示す参照番号１は略方形の断面を有する増幅媒体である。この増幅媒体は反射率が高い少なくとも２つのミラー２、３の間に配置されている。図面を簡潔にするため、直角座標系が導入されている。ここではｘ軸もしくはｙ軸は断面の長辺もしくは短辺と平行であり、ｚ軸は光軸と平行である。発振器（図示せず）はビームが上質であり、出力が比較的低いレーザービームを放射する。発振器からの増幅されるべきビーム４（入射ビーム）は光軸と概ね平行に増幅媒体に入射する。双方のミラーを適切に設計することによって、ビームは概ねミラーの間のｘｚ面で増幅媒体を複数回往復する。それによってビームは多重に増幅される。
【００１７】
このような構成によって、一方では増幅された上質のビームが損なわれず、他方では高い増幅率の実現が保証される。
【００１８】
本発明に基づき、光増幅器装置の構成、好適には双方のミラーは、Ｘ方向での出射ビームのサイズが入射ビームのサイズよりも大きくなるように設計されている。これによって、通過するビームを増幅する際に概ね均質な出力密度が達成される。
【００１９】
これは増幅の飽和状態、および光学部品、特に増幅媒体での光度の低下に関して好適である。
【００２０】
すなわち、増幅器の効率よい動作には、レーザー強度がレーザー媒体の飽和度に匹敵することが前提である。これは、レーザー出力が増大した場合に、レーザービームの断面積が対応して拡大しなければならないことを意味している。増幅器の効率よい活用は、ｘ方向でのビームのサイズが通過の度に好適には一定の係数Ｍだけ拡大することによって達成される。
【００２１】
係数Ｍは小信号増幅と、飽和度に関する入射ビームの光度との関数である。ｃｗレーザーもしくはｑｃｗレーザーを増幅する場合、係数Ｍは下記によって得られる。
【００２２】
Ｍ＝１＋（Ｉｓ／Ｉｉｎ）・ｇ０ｌ
但し、Ｉｉｎは入射ビームの光度であり、Ｉｓは増幅媒体の飽和度であり、ｇ０ｌは１循環ごとの全体的な小信号増幅を示している。
【００２３】
パルスレーザーの場合は、最適な係数Ｍは下記によって得られる。
【００２４】
Ｍ＝１＋（Ｅｓ／Ｅｉｎ）・ｇ０ｌ
但し、Ｅｉｎは入射ビームのエネルギ流密度であり、Ｅｓは増幅媒体の飽和エネルギ流密度であり、ｇ０ｌは１循環ごとの全体的な小信号増幅を示している。
【００２５】
特に単純な増幅器装置が図２に示されている。この装置は、２つの平面ミラーを使用することによって実現される。双方の平面ミラーは互いに、入射ビームの全広がり角αに概ね等しい角度βをなして配置されている。角度αは効率のよい増幅のために概ね小信号増幅、飽和度、入射ビームの出力、および双方のミラー間の間隔によって規定される。
【００２６】
別の好適な実施形態は図３ａに示されている。この実施形態において、双方のミラー２、３は、ｘｚ面で不安定であり、ｙｚ面で安定するハイブリッド共振器を形成するように構成され、かつ配置されている。入射ビーム４は軸を外れて共振器へと結合される。
【００２７】
ｙｚ面で光共振器を安定化させるために、単数または複数の円筒形レンズを使用することができる。
【００２８】
その他の点では請求項１に記載の一般的な光増幅器装置でも実施可能であるが、ｘ方向での増幅されるべきビームのサイズが通過ごとに拡大しないこの実施例では、双方のミラー２、３はｘｙ面で湾曲部を有する円筒形に形成されている。ｙｚ面では、共振器はこの面におけるレンズの熱作用によって安定する。
【００２９】
この実施形態の利点は、使用しなければならない光学部品の数が少なく、光増幅器装置のための調整コストが節減されることにある。
【００３０】
更に、増幅媒体を少なくともｙ方向では導波機能を有するように製造することが好ましい。
【００３１】
共焦点の不安定な共振器の場合、特に簡単な光路が実現可能である。この共振器の場合、図３ａに示すように、双方のミラー２、３の焦点は共通して点Ｐにある。光学部品を破壊する可能性を避けるために、共通の焦点を共振器の外側の位置に配置することが好ましい。
【００３２】
増幅媒体内のビームのｙ方向でのサイズが一定であることは、効率とビームの質の点で好適である。これは、入射ビーム４をビームのくびれ部分の半径と位置に関して、安定した共振器の横モードに適応させることによって達成可能である。双方のミラーがｙ方向で直線である場合は、入射ビーム４のビームのくびれ部分は発振器側のミラー２の位置になければならない。ｙｚ面でのビームのくびれ部分の半径は増幅媒体１のレンズ作用を考慮に入れて、ｙｚ面の増幅媒体を通過した後に、別のビームのくびれ部分が発振器とは反対側のミラー３の位置に生ずるように規定される。これは図３ｂに示されている。
【００３３】
ｘｚ面では、この面での入射ビームのくびれ部分を双方のミラー２、３の共通の焦点Ｆ上に配することによって、一定の拡大を伴う一種のレンズ導波を実現可能である。
【００３４】
全体として、本発明による光増幅器装置によって、１０ないし約１０００の間の増幅率が達成される。
【００３５】
増幅媒体としては、そのつどの気体放電、電流印加、または光励起によって占有反転（Ｂｅｓｅｔｚｕｎｇｓｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）が行われる、例えば気体媒体、またはエキシマー（Ｅｘｃｉｍｅｒ）媒体、半導体媒体、または固体媒体のような全てのレーザー能力がある媒体が可能である。
【００３６】
本発明による光増幅器装置用の増幅媒体として固体を使用する場合は、熱作用に関して、ｙ方向および／またはｚ方向でのサンドイッチ構造を使用することが好ましい。この場合、図４に示すように、ｙ方向および／またはｚ方向にある固体はドーピングされた少なくとも１つの中心領域７、並びにドーピングされない２つの縁部領域６、８を有している。
【００３７】
固体は、例えばダイオード・レーザービームによって光励起することが可能である。光励起の際には、ｘｙ面での均質な励起効率が達成されるように励起装置を形成することが決定的に重要である。
【００３８】
図５は、固体の増幅媒体がダイオード・レーザー装置９によって光励起される、本発明の別の実施形態を示している。図５では、簡略化するために反射率が高いミラー２、３並びに発振器から放射される、増幅されるべきレーザービーム４は図示していない。しかし、これらは図１ａ、図２、および図３ａのように配置することができる。
【００３９】
図５が示すように、ダイオード・レーザー装置９から放射された光励起ビームは少なくとも端面の１つを通過し、かつ、ｚ方向に基本的には平行に増幅媒体１へと結合される。その際に、ダイオード・レーザー装置９は、ｙ方向でのサイズが増幅媒体のサイズよりも小さい方形の断面を有する、平坦で励起されるチャネルが増幅媒体１内に生成されるように形成される。この光励起装置は熱作用が改良されるので好ましく、また、寄生発振の可能性は少なくなる。
【００４０】
固体を増幅媒体１として使用する場合は、図５に示すように、エネルギ放散熱を効率よく排熱するために、ｘｚ面と平行な２つの大きな平面による接触冷却１２が行われる。
【００４１】
ダイオード・レーザー励起ビームの均質化は、平坦な導波管内で焦点合せされ、かつ導波管の出口端が投影光学系を経て増幅媒体へと投影されることによって実現可能である。その際に平坦な導波管の断面は、その長寸がｘ方向に沿うものであるように配向される。
【００４２】
本発明は別の実施形態によると、長辺と短辺とを有する略方形の断面を備えた増幅媒体と、双方の間に前記増幅媒体が配置される、反射率が高い少なくとも２つのミラーとを有する光増幅器装置であって、前記断面の前記長辺もしくは短辺はｘ軸もしくはｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、かつｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直角座標系を形成しており、前記ミラーは、発振器から放射され、増幅されるべきビームがｘｚ面で前記増幅媒体を複数回通過し、かつ増幅され、かつ前記ｘ方向で不安定であり、前記ｙ方向で安定するハイブリッド共振器を形成するように構成され、かつ配置されると共に、前記入射ビームは軸を外れて前記増幅媒体へと結合され、高反射率の前記双方のミラーは、ｙｚ面の共振器がこの面でのレンズの熱作用との共同で安定するようなサイズにされている、光増幅器装置に関するものである。
【００４３】
更に、本発明は長辺と短辺とを有する略方形の断面を備えた増幅媒体と、間に前記増幅媒体が配置される、反射率が高い少なくとも２つのミラーとを有する光増幅器装置であって、前記断面の前記長辺もしくは短辺はｘ軸もしくはｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、かつｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直角座標系を形成しており、前記ミラーは、多重通過共振器が形成され、かつ前記ｘ方向で不安定であり、前記ｙ方向で安定するハイブリッド共振器を形成するように構成され、かつ配置され、高反射率の前記双方のミラーは、ｙｚ面の共振器がこの面でのレンズの熱作用との共同で安定するようなサイズにされている、光増幅器装置に関するものである。その際に共振器はレーザー振動が生ずるように形成される。より正確には、双方のミラーの湾曲部の中心を結ぶ線は、反射するミラー領域によって囲まれた増幅ゾーン内にある。
【００４４】
好適には、前述の光増幅器装置、もしくはレーザー発振器では、共振器はレンズの熱作用によってのみｙｚ面で安定する。
【００４５】
その際に前述の光増幅器装置、もしくはレーザー発振器は従属クレームに記載の特徴を備えることができる。
【００４６】
本発明を好適な実施形態に基づいて記載してきたが、特許権保護の範囲が添付の特許請求の範囲によって規定されることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  本発明の第１実施形態のｘｚ面での断面図である。
【図１ｂ】  本発明の第１実施形態のｙｚ面での断面図である。
【図２】  第２実施形態に基づき増幅されるべきビームの概略拡大図である。
【図３ａ】  本発明の第３実施形態のｘｚ面での断面図である。
【図３ｂ】  本発明の第３実施形態のｙｚ面での断面図である。
【図４】  ｙ方向に沿ってドーピングされた中心領域と、ドーピングされない２つの縁部領域とを有する固体増幅媒体を示す図である。
【図５】  本発明の別の実施形態に基づく増幅器装置の図である。
【図６】  従来形の増幅器装置の図である。
【図１ａ】
0004584513.tif 000002
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
0004584513.tif 000009
【図６】
0004584513.tif 000010