(57)【要約】固体レーザの性能を向上するための装置および方法。固体レーザ装置は、光学励起照射がディスクの周辺端縁に注入されるディスクの形状であるレーザ利得媒質を使用することが好ましい。この好ましい実施例では、レーザ利得媒質には、アクティブミラー構成での動作のために光学コーティングが設けられる。さらに、レーザ利得媒質は、硬質の冷却された基板に圧力によって取付けられるため、大きな熱負荷が生じた場合でも所定の形状を維持することができる。冷却媒体は、基板内の熱交換器に与えてもよいし、および／または、基板面上の通路の中を流してレーザ利得媒質を直接冷却してもよい。光学励起照射源は、光学励起照射を集中させるため、利得媒質の円周のまわりで作動される。レーザ利得媒質のドーピング、励起源の発散度および幾何学的構造を適切に選ぶことによって、利得媒質の大きな部分で均一なレーザ利得が得られる。
2004521490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射を増幅するための固体レーザモジュールであって、
複数のチャネルが形成された表面を含む基板と、
前面、後面および周辺端縁面を有するレーザ利得媒質とを含み、その前記後面は、前記基板の前記表面と接触し、前記固体レーザモジュールはさらに、
前記周辺端縁に装着されたドープされていない光学媒質と、
光学励起照射源とを含み、前記源は光学励起照射を前記ドープされていない光学媒質に向け、前記ドープされていない光学媒質は、前記光学励起照射を前記レーザ利得媒質に伝え、
前記チャネルは、前記レーザ利得媒質の前記前面と前記レーザ利得媒質の前記後面との間に圧力の差が作られて前記レーザ利得媒質が前記基板に固定され沿うように、低い圧力に維持される、固体レーザモジュール。
【請求項２】
前記レーザ利得媒質は、前記レーザ利得媒質のレーザ波長で反射率が高くなるように、その前記後面に光学コーティングを有する、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記レーザ利得媒質は、前記レーザ利得媒質のレーザ波長で反射率が最低限になるように、その前記前面に光学コーティングを有する、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記基板は冷却される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記チャネルを通って流れ、前記レーザ利得媒質を冷却する冷却媒体をさらに含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記レーザ利得媒質の周辺端縁は、環状、楕円形、長方形、六角形、八角形および多角形からなる形状のグループから選ばれた形状を有する、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記レーザ利得媒質の周辺端縁は、複数の平坦なセクションを含み、対応する複数のドープされていない光学媒質のセクションは、前記光学励起照射の波長および前記レーザ利得媒質のレーザ波長で透過性である結合部を介して前記平坦なセクションに固定される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記ドープされていない光学媒質は、前記光学励起照射の波長および前記レーザ利得媒質のレーザ波長で透過性である結合部を介して前記周辺端縁に固定される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項９】
前記光透過性の結合部は、光学接触の後に熱処理を行なうことによって作られる、請求項８に記載のレーザモジュール。
【請求項１０】
レーザ利得媒質はホスト格子を有し、前記ホスト格子および前記ドープされていない光学媒質は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット、リチウム・イットリウム・フルオリド、イットリウム・バナデート、ホスフェートガラス、シリケートガラスおよびサファイアからなるグループから選択される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１１】
前記ホスト格子は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂのグループから選択された材料をドープされる、請求項１０に記載のレーザモジュール。
【請求項１２】
前記レーザ利得媒質は、Ｙｂ3+をドープされたＹＡＧを含み、前記励起レーザはＩｎＧａＡｓダイオードレーザアレイを含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１３】
光学励起照射源は、少なくとも１つのダイオードレーザアレイを含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１４】
前記ダイオードレーザアレイは、複数のマイクロレンズを含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１５】
複数の前記光学励起源をさらに含み、前記光学励起源は、ほぼ環状のパターンに配置され、前記レーザ利得媒質の幾何学的中心にほぼ向けられている、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１６】
前記光学励起照射を集中するために少なくとも１つのテーパ形状のダクトをさらに含み、前記テーパ形状のダクトは、前記ドープされていない光学媒質と光学照射源との間に挿入されて、光学励起照射を前記ドープされていない光学媒質に向ける、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１７】
前記レーザ利得媒質は平坦でない形状を含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項１８】
固体レーザモジュールであって、
ａ）  支持表面に向って開いたチャネルを形成する複数の内部通路を有する硬質の基板を含み、前記通路は、前記レーザモジュールが浸漬される大気よりも実質的に低い圧力に維持され、前記固体レーザモジュールはさらに、
ｂ）  前記支持表面に対して配置され、かつ第１の寸法を有する表面の対を有し、前記表面の対は、互いに対向し、かつ周辺端縁面によって分離され、前記レーザ利得媒質は、前記第１の寸法より実質的に小さい第２の寸法である厚みを有し、
ｉ）  前記表面の対の第１の表面は、レーザ利得が生成される波長において実質的にすべて照射を透過させる反射防止コーティングを含み、
ii）  前記表面の対の第２の表面は、レーザ利得の波長において実質的にすべて照射を反射するコーティングを含み、
iii）  前記表面の対の前記第２の表面は、前記基板の前記支持表面に対して配置され、前記通路内の圧力と前記レーザモジュールが浸漬される前記大気との圧力の差によってそのように維持され、前記固体レーザモジュールはさらに、
ｃ）  複数の光学励起照射源を含み、前記源は、前記周辺端縁のまわりに配置され、かつそこに光学励起照射を向け、前記源は、前記レーザ利得媒質の体積内にほぼ均一のレーザ利得を生成するようにさらに配置される、固体レーザモジュール。
【請求項１９】
前記圧力の差は、前記レーザ利得媒質が前記支持表面の形状に沿うように十分大きい、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２０】
前記基板は冷却される、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２１】
前記チャネルを通って流れ、前記レーザ利得媒質を冷却する冷却媒体をさらに含む、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２２】
前記励起照射源のうちの少なくとも１つと前記周辺端縁との間に配置される少なくとも１つのレンズ素子をさらに含み、前記レンズ素子は、前記光学励起照射を前記レーザ利得媒質の前記周辺端縁に集中させる、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２３】
前記光学励起照射源のうちの１つと前記周辺端縁との間に配置される少なくとも１つのテーパ形状の光学ダクトをさらに含み、前記テーパ形状の光学ダクトは、前記光学励起照射を前記レーザ利得媒質の前記周辺端縁に集中させる、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２４】
光透過性の結合部を介して前記レーザ利得媒質の前記周辺端縁に取付けられる少なくとも１つのドープされていない光学媒質をさらに含み、
前記ドープされていない光学媒質は、前記光学励起照射を前記周辺端縁に伝える、請求項１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２５】
前記光透過性の結合部は、光学接触後に熱処理を行なうことによって作られる、請求項２４に記載のレーザモジュール。
【請求項２６】
前記テーパ形状の光学ダクトは、中空のテーパ形状のダクトを含む、請求項２３に記載のレーザモジュール。
【請求項２７】
前記テーパ形状の光学ダクトは、前記光学励起照射に対して透過性の高い光学媒質で作られた固体のテーパ形状のダクトを含む、請求項２３に記載のレーザモジュール。
【請求項２８】
前記テーパ形状の光学ダクトは、液体を充填したテーパ形状のダクトを含み、前記液体は、前記光学励起照射に対して透過性が高い、請求項２３に記載のレーザモジュール。
【請求項２９】
固体レーザモジュールであって、
第１の寸法、間の周辺端縁面、および前記第１の寸法より実質的に小さい第２の寸法を形成する厚みとを有し、互いに対向する表面の対を有するレーザ利得媒質と、
複数の光学励起照射源とを含み、前記源は、前記周辺端縁のまわりに配置され、かつ光学励起照射をそこに向け、前記源の前記配置は、前記レーザ利得媒質の体積内にほぼ均一なレーザ利得が生成されるように選ばれる、固体レーザモジュール。
【請求項３０】
前記光学励起照射源のうちの１つと前記周辺端縁との間に配置される少なくとも１つのレンズ素子をさらに含み、前記レンズ素子は、前記光学励起照射を前記周辺端縁に集中させる、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３１】
前記光学励起照射源のうちの少なくとも１つと前記周辺端縁との間に配置される少なくとも１つのテーパ形状の光学ダクトをさらに含み、前記テーパ形状の光学ダクトは、前記光学励起照射を前記周辺端縁に集中させる、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３２】
光透過性の結合部を介して前記周辺端縁に取付けられた少なくとも１つのドープされていない光学媒質をさらに含み、前記ドープされていない光学媒質は、前記光学励起照を前記周辺端縁に伝える、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３３】
前記光透過性の結合部は、光学接触法によって作られる、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３４】
前記テーパ形状の光学ダクトは、中空のテーパ形状のダクトを含む、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３５】
前記テーパ形状の光学ダクトは、前記光学励起照射に対して透過性の高い光学媒質で作られた固体のテーパ形状のダクトを含む、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３６】
前記テーパ形状の光学ダクトは、液体を充填したテーパ形状のダクトを含み、前記液体は、前記光学励起照射に対して透過性が高い、請求項２９に記載のレーザモジュール。
【請求項３７】
レーザ増幅システムであって、
ａ）  その表面のうちの１つに向って開いたチャネルを形成する複数の内部通路を有する硬質の基板と、
ｂ）  第１の寸法を有し、かつ周辺端縁面によって分離される表面の対を有するレーザ利得媒質とを含み、前記周辺端縁面は、前記第１の寸法より実質的に小さい第２の寸法である厚みを有し、
ｉ）  前記表面の対の第１の表面は、レーザ利得が生成される波長において実質的にすべて照射を透過させる反射防止コーティングを含み、
ii）  前記表面の対の前記第２の表面は、前記レーザ利得の波長において実質的にすべて照射を反射するコーティングを含み、
iii）  前記表面のうちの前記第２の表面は、前記硬質の基板の前記表面に接触し、前記レーザ増幅システムはさらに、
ｃ）  前記レーザ利得媒質の前記周辺端縁面に取付けられたドープされていない光学媒質と、
ｄ）  励起照射を前記ドープされていない光学媒質に与えるためのシステムと、
ｅ）  レーザ照射を前記レーザ利得媒質に与えて増幅するためのシステムと、
ｆ）  前記硬質の基板内の前記内部通路内の液圧を固体の本体が浸漬される液圧よりも実質的に低く維持して、前記内部通路と前記レーザ利得媒質との間に圧力の差を作るためのシステムとを含み、
前記圧力の差は、前記表面の対の前記表面を前記硬質の基板と接触させて維持するのに十分である、レーザ増幅システム。
【請求項３８】
冷却流体は、前記硬質の基板内の前記内部通路を通って流れ、
前記冷却流体は、硬質の基板と接触する前記レーザ利得媒質の前記表面を直接濡らして、前記媒質から熱を除去する、請求項３７に記載のレーザ増幅システム。
【請求項３９】
前記レーザ利得媒質内で生成された熱は、前記第２の表面にわたって前記硬質の基板に導かれ、
前記硬質の基板は、前記内部通路と接続されない複数の冷却チャネルを組込み、
冷却流体は、前記硬質の基板内の前記冷却チャネルを通って流れ、そこから熱を除去する、請求項３７に記載のレーザ増幅システム。
【請求項４０】
前記レーザ利得媒質の前記第１の表面および第２の表面は、前記硬質の基板の前記通路と前記レーザ利得媒質の前記第１の表面の外側との圧力の差にさらされた場合、平坦かつほぼ平行であり、
前記硬質の基板の前記表面は、平坦な前記レーザ利得媒質に面する、請求項３７に記載のレーザ増幅システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固体レーザに関し、特に、積極的に冷却された基板に接触して配置される側面励起された利得媒質を有するアクティブミラー増幅器レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
固体レーザ（Solid-state lasers:ＳＳＬ）では、光学的な励起によってレーザ媒質内に大量の熱が発生し、レーザ媒質の温度が上昇する。このため、連続してレーザを作動させるには、レーザ媒質の選択された表面を冷却して廃熱を除去する必要がある。ＳＳＬ媒質は、通常、熱伝導性が低いため、熱い内面と冷却された外面との間に大きな温度勾配が生まれる。このことによって、屈折率の勾配、機械的応力、偏光解消、離調等の現象が起こり、結果として、ビームの質の低下、レーザ出力の低下およびＳＳＬ媒質の破断などが起こりやすい。このような現象は、ＳＳＬを高出力（high-average power:ＨＡＰ）に拡張する際に大きな課題となる。半導体レーザダイオードは、ここ１０年で登場したものだが、これを使用して励起することで廃熱の量が大きく低減し、ビームの質のよいＨＡＰ−ＳＳＬの開発への道が開けている。そのようなレーザは、深い溶込みの溶接から航空宇宙産業用材料の処理に至るまで、さまざまに応用される高精度レーザ加工など、新しい実用的な産業プロセスを作ると期待されている。
【０００３】
長い間、横方向の温度勾配（すなわちレーザビーム軸に対して垂直）によって起こる光学的な歪みがビームの質を低下させると認識されてきた。アルマザイ（Almasi）らによって、米国特許第３，６３１，３６２号（１９７１年）の中で初めて開示された「アクティブミラー増幅器（active mirror amplifier）」（ＡＭＡ）として知られるＳＳＬの種類は、横方向の温度勾配の効果的な低減、およびビームの質が非常によいレーザ出力の生成を示している。たとえば、Appl. Opt.、２０巻、第２号、３５１頁〜３６１頁（１９８１年）のJ.アバーテ（J.Abate）らの「アクティブミラー：大開口媒体繰返し数Ｎｄ：ガラス増幅器（Active Mirror: A Large-aperture Medium Repetition Rate Nd:Glass Amplifier）」、およびIEEE J. of Quant. Electr.、１７巻、第９号、１７５５頁〜１７６５頁（１９８１年）のD.C.ブラウン（D.C.Brown）らの「アクティブミラー増幅器：進歩と展望（Active-mirror Amplifier: Progress and Prospects）」を参照されたい。
【０００４】
古典的なＡＭＡの概念では、アスペクト比が大きく、端縁が持上げられ、厚みが数ｃｍのＮｄ−ガラスディスク（またはスラブ）をフラッシュランプによって励起し、背面を液体で冷却する。しかしながら、この装置はＨＡＰでの動作には好適ではない。なぜなら熱が除去されにくく、結果として、端縁の持上げられたディスクが機械的な歪みを生じるためである。これらの問題を緩和し、ＡＭＡの平均出力を向上しようとするこれまでの努力の成果には、喜ばしいものもあったが、それは限られていた。近年、ＡＭＡの概念は、米国特許第５，５５３，０８８号の中でブローチ（Brauch）らによって発表された「薄いディスクレーザ」の形で復活している。薄いディスクレーザは、ヒートシンクにはんだ付けされた、直径数ｍｍ、厚み２００〜４００μｍの利得媒質ディスクを使用する。たとえば、Appl. Phys. B、５８巻、３６５頁〜３７２頁（１９９４年）のA.ギーセン（A.Giesen）らの「ダイオード励起された高出力レーザの拡張性のある概念（Scalable concept for diode-pumped high-power lasers）」を参照されたい。ダイオード励起されたＹｂ：ＹＡＧ薄いディスクレーザは、ビームの質が回折限界の約１２倍であり、平均出力が１ｋＷに近いレーザ出力を示した。たとえば、IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electr.、６巻、第４号、６５０頁〜６５７頁（２０００年７月／８月）のC.スチュウェン（C.Stewen）らの「１-ｋＷ  ＣＷ薄いディスクレーザ（1-kW CW Thin Disk Laser）」を参照されたい。薄いディスクレーザの別の変形例は、２０００年６月５日〜８日にニューメキシコ州アルバカーキで開催された、固体レーザおよびダイオードレーザ技術レビュー（Solid-State and Diode Laser Technology Review）のテクニカルダイジェスト（Technical Digest）のL.ザパタ（L.Zapata）らの「平均出力１００ｋＷ以上に拡張可能な複合の薄いディスクレーザ（Composite Thin-Disk Laser Scalable To 100 kW Average Power Output and Beyond）」に見られる。
【０００５】
出願人の、高出力レーザシステム用アクティブミラー増幅器システムおよび方法（Active Mirror Amplifier System and Method for a High-Average Power Laser System）と題される同時係属中の特許出願連続番号第９９／５０５，３９９号は、高出力での動作に好適な新しいＡＭＡの概念を開示しており、この出願をここに引用により援用する。この発明は、冷却された硬質の基板に取付けられた、厚みが約２．５ｍｍ、直径が通常５ｃｍから１５ｃｍの大口径レーザ利得媒質ディスクを使用する。なお、このＡＭＡ概念のディスクの厚みは、古典的なＡＭＡのものの約１０分の１よりも小さく、薄いディスクレーザの約１０倍よりも大きい。基板は、レーザ媒質ディスクに面する表面上に熱交換器および微細通路を含む。ディスクは、周囲の大気と微細通路（チャネル）内のガスまたは液体媒質との静圧の差によって基板に装着される。この新規の方法によって、熱負荷を受けたディスクを平坦な状態に維持しつつ、レーザ媒質ディスクの横方向の熱膨張が可能になる。この同時係属中の特許出願の教示から、先行技術のＳＳＬを上回るさまざまな利点が得られ、比較的小型の装置から非常に高出力の回折限界に近いレーザ出力を生成することができる。
【０００６】
上述の特許出願連続番号第９９／５０５，３９９号は、ＡＭＡディスクに励起照射を与えるための主な２つの方法、すなわち、１）ディスクの大きな（前または後ろの）面を経由した方法、または２）ディスクの側面（端縁）を経由した方法を教示している。前者の方法は、「表面励起」としばしば称され、２０００年１２月４日〜８日にニューメキシコ州アルバカーキで開催されたレーザ２０００会議（Lasers 2000 Conference）の議事録に掲載のJ.ベトロベック（J.Vetrovec）の「高出力用ダイオード励起アクティブミラー増幅器（Diode-pumped Active Mirror Amplifier For High-Average Power）」にさらに詳しく述べられている。この文献は、ダイオードアレイから光透過性の基板を介してレーザ利得媒質に注入された励起照射で表面励起されたＡＭＡを記載している。
【０００７】
表面励起を効率よく行なうには、ＡＭＡディスクは、注入された励起照射の大きな部分を吸収しなくてはならない。この条件は、ディスクの厚みとレーザイオンのドーピング濃度とのある組合せによって実現することができる。しかしながら、多くの場合、ディスクの厚みまたはレーザドーピングのレベルを必要なだけ増加させることは非実用的である（または望ましくない）。たとえば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）結晶に約１．５％の原子濃度より高い濃度のネオジミウム（Ｎｄ3+）イオンをドーピングすると、蛍光時間が低減し、線幅が広がり、Ｎｄ原子とイットリウム原子（後者は結晶格子の中で置換されている）との間のサイズの不整合によって結晶に過度の応力が加わることが知られている。ディスクの厚みを増やすことも望ましくないことが多いが、これも、熱インピーダンスが増加し、高い熱応力に繋がるためである。これらのことを考慮すると、表面励起されたＡＭＡの設計パラメータは比較的狭い範囲に制限される。表面励起は、基底状態によるレーザ照射の再吸収を克服するために非常に高い励起強度を必要とするイッテルビウム（Ｙｂ3+）レーザイオンとともに使用される場合にも非実用的である。たとえば、ＹＡＧ結晶でできた２．５ｍｍの厚みのＡＭＡディスクであれば、２つの経路（pass）で表面注入された励起照射の９０％を吸収するのに１０％の原子ドーピング濃度のＹｂ3+イオンを必要とする。このようにＹｂ濃度が高いと、１．０３μｍの波長で媒体透過性を誘導するには、約３４ｋＷ／ｃｍ2という不合理なほどに高い励起強度が必要となり、効率よくレーザを作動させるには、このレベルの数倍が必要である。この状況では、ディスクの側面（すなわち端縁または外周）へ励起照射を注入することは、魅力的な選択肢である。側面励起は吸収経路が長いこと（利得媒質ディスクの直径とほぼ同じ長さ）を利用しており、これによって、ディスクにドーピングするレーザイオンの濃度は低くて済む。このため、励起照射の強度の必要性も低減する。
【０００８】
側面励起は励起照射を提供するのに好適な方法であり得るが、いくつかの関連する技術的な課題を克服する必要がある。これらには、１）ディスク外周の比較的狭い領域に励起照射を行ない、集中させること、２）励起照射が行なわれているディスクの領域の過熱を防ぐこと、３）ＡＭＡ口径にわたって均一なレーザ利得を生成すること、および４）拡大自然放出（ＡＳＥ）および寄生発信によるレーザ利得の減損を避けることがある。先行技術で開示されたこれらの課題および関連する解決策の重要性は後述する。
【０００９】
１．励起照射の集中
現代のＳＳＬは、一般に、レーザダイオードとして知られる半導体レーザによって光学的に励起される。各レーザダイオードが発生する光出力は比較的小さいため（数ワットまで）、ＨＡＰ用のＳＳＬの励起には非常に多数のレーザダイオード（一般的に数百個から数百万個）の出力を組合せる必要がある。このため、ダイオードは、約１０個から２０個のダイオードを含む「バー（bar）」と呼ばれる１次元アレイ、および数百個のダイオードを含む「スタック（stack）」と呼ばれる２次元アレイに配置される。スタックは、約１０〜２０個のバーを積み重ねて熱交換器に取付けて作るのが一般的である。市販されているスタックのよい例は、カリフォルニア州サンホゼのSDL, Inc.から入手可能なModel SDL-3233-MDであり、これは、最大２０％の衝撃係数で、合計出力９６０ワットの２００Ｔｓの長さの光パルスを生成することができる。ＨＡＰ用のＳＳＬがレーザ利得媒質内に所望の励起効果を生成するには、この種の複数のユニットの出力を合わせたものが必要となり得る。集団構成であっても、個々のレーザダイオードは表面から光学照射を放出し、これは高さが約１Ｔｍで、幅がおよそ１００Ｔｍである。結果として、この表面から放出される照射の単位線束は非常に非対称的であり、１Ｔｍの長さの方向（いわゆる「高速軸」）では大きく発散し、横方向（いわゆる「低速軸」）では緩やかに発散している。この状態は図２に示される。典型的な高速軸発散角度（半値全幅）は３０度から６０度で、低速軸発散角度は、通常８度から１２度である。ダイオードアレイからの光学照射も同様の特性を有する。高速軸での発散が大きいため、放出されたダイオードアレイの出力を実用的な用途に利用することがさらに難しくなる。製造業者の中には、レーザダイオードアレイにマイクロレンズを組込んで、高速軸の発散を数度に低減している製造業者もある。そのような製品の例としては、ミズーリ州セントチャールズのインダストリアル・マイクロフォトニクス・カンパニー（Industrial Microphotonics Company）から入手可能なレンズ付きダイオードアレイModel LAR23P500があり、これはマイクロレンズを組込んで、高速軸の発散を３度未満に低減している。
【００１０】
ダイオードアレイ（レンズ付きまたはレンズなし）の光学出力の強度は、ＳＳＬ利得媒質を反転まで励起するには不十分であることが多いため、照射をさらに集中させなければならない。以前に開発されたシステムでは、複数の反射素子および／または屈折素子を備えた光学縦列が使用されてきた。たとえば、１９９８年のＳＰＩＥ、３６８２巻、１３頁から２３頁のF.ダイミンガー（F.Daiminger）らの「高出力レーザダイオード、レーザダイオードモジュールおよびその応用（High-power Laser Diodes, Laser Diode Modules And Their Applications）」を参照されたい。米国特許第５，３０７，４３０号の中でビーチ（Beach）らによって開示される別の方法は、レーザ励起の波長で光透過性である材料で作られ、断面が長方形のテーパ形状のロッドとしてほぼ構成されたレンズダクトを使用する。この装置の動作は、湾曲した入力面でのレンズ現象と内部での全反射によるチャネリングとの組合さった効果によって異なる。光は、ダクトの広い方の領域の入力端から、狭い方の出口端へ進むにつれて集中される。米国特許第６，１６０，９３９号の中でビーチ（Beach）らによって開示される励起照射を集中させるための別の方法は、内面の反射率が高い中空のテーパ形状のダクトとレンズとの組合せを使用する。
【００１１】
２．ディスク外周の熱制御
励起照射を受取るレーザ利得媒質の表面は過熱しやすく、結果として、熱応力を受けやすい。端部が励起されるロッドレーザでの経験から、ドープされたレーザ材料とドープされていないレーザ材料のセクションを有する複合材料のロッドによって熱制御が向上し、これに付随して熱応力も低減することがわかっている。たとえば、米国エネルギ省、ローレンスリバモア国立研究所の技術情報部（Technical Information Department of the Lawrence Livermore National Laboratory）から入手可能なＵＣＲＬ−ＪＣ−１３３８４８に掲載のR.J.ビーチ（R.J.Beach）らの「高出力ダイオード励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザ（High-Average Power Diode-pumped Yb:YAG Lasers）」を参照されたい。さまざまな構成の複合光学材料を作るのに好適な方法は、米国特許第５，８４６，６３４号の中でマイスナー（Meissner）によって開示されている。
【００１２】
３．開口部にわたる均一なレーザ利得
励起照射が指数関数的に吸収されるため、励起源に近いレーザ利得媒質の部分は、遠くにある部分よりも強く励起されやすい。励起のエネルギが不均一に蓄積されると、不均一な利得に繋がる。レーザビームの口径（レーザビーム軸に対して垂直）での利得の不均一性は、ビームの質の低下に繋がるため、非常に望ましくない。先行技術の装置では、励起吸収の不均一性は、ドーピングのレベルが照射状に異なるように作られた利得媒質によって側面励起されたロッドレーザ内で補償されていた。「ブリーチウェーブ励起（bleach-wave pumping）」として知られる代替の方法は、Opt. and Quant. Electronics、２２巻、Ｓ１〜Ｓ２２（１９９０年）の「基底状態減損固体レーザ：原則、特徴およびスケーリング（Ground-state Depleted Solid-state Lasers: Principles, Characteristics and Scaling）」の中で、W.クルプケ（W.Krupke）によって提案されている。ブリーチウェーブ励起は、基底状態にある原子を大きく減らし、より高いエネルギ状態に励起する。入射レーザビームによって、利得の空間的な分散に飽和による変化が起こるため、利得の均一性を高めることはさらに難しくなる。したがって信号の弱い部分は、強い部分よりも比較的強く増幅される。なぜなら、それらが媒質を飽和させる程度は低いためである。
【００１３】
４．拡大自然放出（ＡＳＥ）
拡大自然放出（ＡＳＥ）は、自然放出された光子がレーザ利得媒質を横切り、利得媒質を出る前に増幅される現象である。ＡＳＥにとって好都合な条件は、高い利得と自然放出された光子のための長い経路とが組合さった場合である。ＡＳＥは、励起されたレーザ利得媒質内の高い方のエネルギレベルを減らし、レーザから出力を奪う。さらに、利得媒質の境界でのＡＳＥ光子の反射はフィードバックを与え、寄生発振が起こり、レーザ出力の損失を悪化させることがある。抑制されていない場合、ＡＳＥは高利得レーザ増幅器でのより高いレベルの反転を減少させるのに十分なほどに大きくなり得る。実験データから、ｑ−スイッチされたロッド増幅器では、利得と長さとの積が２．２５より大きくなった場合にＡＳＥ損失が重大になり、この積が３．６９より大きくなった場合に寄生発信損失が重大になることがわかっている。たとえば、IEEE J. of Quant. Electr.、３５巻、第１号（２０００年１月）のN.P.バーンズ（N.P.Barnes）らの「Ｎｄ：ＹＡＧレーザへの拡大自然放出応用（Amplified Spontaneous Emisssion-Appication to Nd:YAG Lasers）」を参照されたい。連続波（ＣＷ）または準ＣＷレーザは、ＡＳＥ損失の影響を受けにくい。なぜなら、高い方のレベルの分布（すなわち利得）が強く固定されているためである。
【００１４】
ＡＳＥ損失を受容可能なレベルに制御するための従来の方法は、たとえば、米国特許第４，８４９，０３６号の中でパウエル（Powell）らよって開示されている。この方法は、効率よくＡＳＥ照射を吸収することのできる材料でレーザ利得媒質の選択された表面をクラッディングすることを伴う。クラッディング接合でのＡＳＥ光線の反射を低減するため、クラッディング材料のレーザ波長での屈折率はレーザ利得媒質の屈折率とほぼ整合しなければならない。最近、ＡＳＥ損失の制御のために別の方法が取入れられた。この方法では、ＡＳＥ光線は、選択されたレーザ利得媒質表面からトラップへ向けられ、そこから戻ることはできない。たとえば、上述のR.J.ビーチらの「高出力ダイオード励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザ（High-Average Power Diode-pumped Yb:YAG Lasers）」を参照されたい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明の概要
これまでに開発されたＡＭＡの上述の限界を考慮して、この発明の目的は、高出力で作動することのできるアクティブミラー増幅器（ＡＭＡ）および良好なビームの質（ＢＱ）を提供することである。特に、この発明のＡＭＡは次のような重要なニーズを満たす。
【００１６】
Ｘ  ＨＡＰ用の側面励起されたＡＭＡ
Ｘ  ＡＳＥおよび寄生発信による過度の損失を避けるための手段
Ｘ  ＡＳＥ光線を捕捉し、寄生発信へのフィードバックを大きく低減するための手段
Ｘ  励起照射を集中させてＡＭＡディスク側面に注入するための手段
Ｘ  励起源の環状の配置によって励起照射を集中させる手段
Ｘ  励起照射が注入されるレーザ利得媒質の表面近くの熱応力を緩和し、温度を下げるための手段
Ｘ  ＡＭＡ口径での利得プロファイルを制御するための手段
Ｘ  Ｙｂ3+などの準３レベルレーザ媒質を用いてＡＭＡ−ＨＡＰを効率よく作動させるための手段
Ｘ  励起飽和強度が高いレーザ媒質を用いてＡＭＡ−ＨＡＰを効率よく作動させるための手段
Ｘ  固体レーザ媒質への廃熱の負荷を低減するレーザダイオード励起手段を備えたＡＭＡ
Ｘ  廃熱の効率のよい誘導を可能にする比較的薄い固体媒質
Ｘ  レーザ利得媒質から効率よく廃熱を除去するための支持基板の微細通路冷却
Ｘ  固体レーザ媒質に硬質の機械的な支持を与える基板
Ｘ  励起の出力をＡＭＡレーザ利得媒質の側面（端縁）に与えるための集線ダクトの使用
Ｘ  励起照射を運び、熱による歪みを低減し、かつＡＳＥ／寄生損失を低減するための複合利得媒質アセンブリ
Ｘ  前記基板上で固体利得媒質を光学的に平坦な状態に維持するための静圧手段
Ｘ  固体利得媒質での熱による歪みを低減する装着手段
Ｘ  熱による応力を低減するためのレーザ利得媒質の事前成形
Ｘ  レーザ利得媒質ドーピングの必要性を低減し、および３レベルレーザ（たとえばＹｂ：ＹＡＧ）の利得媒質に付随する再吸収損失を低減する、励起照射用のより長い吸収経路
Ｘ  レーザ利得媒質を冷却するための圧力バランス式冷却流体転送のための手段。
【００１７】
この発明のＡＭＡは、レーザ発振器およびレーザ増幅器の構築のための構成単位として使用することができる。好ましい一実施例では、この発明は、前面、後面および周辺端縁を有するレーザ利得媒質を含む。後面は、冷却された支持基板に装着される。光学励起照射を利得媒質の周辺端縁の１つまたは複数のセクションに注入するため、１つまたは複数の光学励起照射源が配置される。任意で、レーザ利得媒質の周辺端縁と光学励起照射源のうちの１つとの間で周辺端縁にドープされていない光学媒質を装着してもよい。またはこれに代えて、ドープされていない光学媒質でレーザ利得媒質の周辺端縁全体を覆ってもよい。
【００１８】
好ましい一実施例では、複数の中空でテーパ形状のダクトがレーザ利得媒質と光学励起照射源との間に配置される。中空でテーパ形状のダクトは、光学励起照射をレーザ利得媒質の周辺端縁に向ける、または「チャネルする（channel）」。光学励起照射源は、中空でテーパ形状のダクトを経由して光学励起照射を向けるように配置された複数のレーザダイオードアレイを含む。
【００１９】
レーザ利得媒質の正確な形状は実にさまざまに変化し、環状、楕円、長方形、六角形、八角形および多角形の形状がすべて可能である。ドープされていない光学媒質は、レーザ利得媒質の周辺端縁に外接する１つまたは複数のセクションを形成し得る。このセクションは、光透過性の圧力によってを介して周辺端縁に固定してもよい。光学励起源およびレーザ利得媒質の配置のさまざまな好ましい実施例が開示されている。
【００２０】
この発明のさまざまな利点は、以下の説明および請求の範囲を読み、添付の図面を参照することによって、当業者には明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
好ましい実施例の詳細な説明
ここで使用される「レーザ利得媒質」は、好適なイオンをドープされたホスト格子を有する光学材料のことを指し、この発明ではこれがレーザ遷移まで励起される。この発明は、特定のレーザ材料または特定の光学励起源に限定されないが、好ましいホスト格子材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ）、リチウム・イットリウム・フルオリド（ＹＬＦ）、イットリウム・バナデート、ホスフェート、レーザガラス、シリケートレーザガラスおよびサファイアである。このレーザ媒質に好適なドーパントは、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂが含まれる。光学励起源は、選択されたレーザ利得媒質の吸収特性に基づいて選択される。半導体ダイオードレーザが光学励起源に使用されることが好ましい。ＩｎＧａＡｓダイオードは、Ｙｂ3+イオンを励起するのに好適である。「ドープされていない光学媒質」は、光学励起照射を吸収できる物質が実質的に含まれていないことが好ましい光学材料をいう。ドープされていない媒質は、レーザ利得媒質と同じホスト材料であって、ドープされていないものであることが好ましい。しかしながら、この発明のいくつかの変形例では、ドープされていない光学媒質は、光学励起の波長および／またはレーザ利得遷移の波長において光学照射を吸収し得るイオンを少量ドープされることがあるが、反転分布までは励起されない。ドープされていない光学媒質は、融着、または拡散接合、またはその他の好適な手段によってレーザ利得媒質の選択された表面に結合してもよい。そのような結合剤（結合部）は、レーザ波長および励起波長において透過性が高くなければならない。ドープされていない光学媒質および接合の屈折率は、レーザ利得媒質の屈折率にほぼ整合することが好ましい。好適な結合剤は、融着、拡散接合、または光学接触後に熱処理を行なうことによって作ることができる。続いて熱処理が行われる好ましい光学接触は、米国特許第５，４４１，８０３号、第５，５６３，８９９号、および第５，８４６，６３８号の中でマイスナー（Meissner）によって開示されており、カリフォルニア州ダブリンのオニックス・オプティクス（Onyx Optics）から市販されている。
【００２２】
図３および図４を参照すると、この発明の好ましい実施例による固体のアクティブミラー増幅器モジュール１０の好ましい実施例が示される。モジュール１０は、複合利得媒質アセンブリ１２、基板４６、光学励起源６８、レンズ１８およびテーパ形状の中空のダクト２０を含む。複合利得媒質アセンブリ１２および基板４６が、アクティブミラーアセンブリ２１を形成する。
【００２３】
図５ａを参照すると、複合利得媒質アセンブリ１２は、互いに平行な２つの平坦な表面、前面２２および後面２４を有し、これらはともに平坦でかつ光学品質まで研摩されている。複合利得媒質アセンブリ１２の形状はさまざまに変わり得るが、１つの好ましい形は、図５ａに示されるように、横方向の寸法「Ｄ」が厚み「Ｔ」の数倍大きい八角形のディスクを含む。通常、複合利得媒質アセンブリ１２の厚みは、約１ミリメートルから１０ミリメートルであり、横方向の寸法は、約１０ミリメートルから３００ミリメートルである。複合利得媒質アセンブリ１２は、（これらに限らないが）多角形、環状または楕円形の形状など他のさまざまな形状に容易に形成することができる。さらに、「ディスク」という用語は、ここではこの構成要素を指すために使用されており、複合利得媒質アセンブリ１２は、厳密に言えば「ディスク」に見えないような他の形もとり得ることが理解されるであろう。
【００２４】
さらに図５ａおよび５ｂを参照すると、複合利得媒質アセンブリ１２は、レーザ利得媒質２６およびドープされていない光学材料２８の８つのセグメント２８ａを含む。レーザ利得媒質ディスク２６の材料は、これらに限らないが、ネオジミウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、イッテルビウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ）、ネオジミウム・ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（Ｎｄ：ＧＧＧ）、またはネオジミウムをドープしたガラス（Ｎｄ：Glass）のような好適な固体レーザ利得媒質を含む。ドープされていない光学媒質２８は、光学結合剤（結合部）３０を介してレーザ利得媒質２６の外周に装着される。ドープされていない光学媒質２８は、レーザ利得媒質２６で使用されるホスト媒質と同じであるが、ドーパントレーザイオンを含まないのが好ましい。光学結合剤３０は、光学励起照射およびレーザ照射に対して透過性が高く、かつ熱伝導性がよくなければならない。結合剤３０を作るのに好適な方法は、既に述べた光学接触後に熱処理を行なう方法である。ドープされていない光学媒質２８の隣接するセグメントは、必ずしも接合されている必要はない。たとえば、図５ｂは隣接するドープされていない光学媒質２８ａの間に存在している間隙３２を示す。またはこれに代えて、ドープされていない媒質のセグメントの一部またはすべてを接合して、光学的および機械的にモノリシックなユニットを作ってもよい。光学励起照射３６（図３）を受取る表面３４は、誘電性コーティング３８を有し、これは光学励起照射の波長で反射を防止する。さらに、寄生発振に対する直接的なＡＳＥフィードバックの可能性を低減するため、光学結合剤３０の面（図５ａ）を機械加工して、面２２の垂線から１度〜５度ずれた角度にすることができる。
【００２５】
図４を参照すると、平坦な後面２４は、レーザ波長で反射率の高い光学コーティング４０を有する。そのようなコーティングは、誘電性のものでも金属でもよいし、または、金属コーティングおよび誘電性コーティングのいくつかの層を組合せたものであってもよい。前面２２は、レーザ波長で反射を防止する光学コーティング４２を有する。任意で、コーティング４０および４２は、レーザ波長に関して既に述べた特性に加え、光学励起の波長で個々に反射するようにすることもできる。後面２４は、冷却された硬質の基板４６の表面４４に接触する。表面４４は、相互に接続された微細通路４８のアレイを含み、これは複合利得媒質１２の平坦な部分と基板４６との間の接触領域にわたってほぼ延在するが、これを超えない。
【００２６】
図３および図４を参照すると、基板４６は、熱交換器５０を含み、これは表面４４の下にあり、微細通路４８には接続されない。冷却媒体５２が入り口ヘッダ５４によって熱交換器５０に与えられ、出口ヘッダ５６によって排出される。熱交換器５０内の冷却媒体５２は、複合利得媒質アセンブリ１２の背面２４の大きな部分に均一な冷却効果を与えるように内部で分散される。好適な冷却媒体には、水、アルコール、フレオン（Freon）（Ｒ）族および液体窒素などの液体が含まれ得る。冷却媒体液の入り口ヘッダ５４および出口ヘッダ５６への接続は、米国特許第４，０２９，４００号の中でエイテル（Eitel）によって開示されるような圧力バランス式の、軸方向に可動な液体転送チューブによって行なわれるのが好ましく、この開示を引用により援用する。そのような液体転送チューブは、基板４６の整列が影響を受けないように、基板４６および冷却媒体供給から液圧負荷を分離する。さらに、流体転送チューブは、冷却媒体圧によって起こる液圧力を均衡させて、基板の動作を妨げるような大きな負荷が基板にかからないようにする。また、そのような流体転送チューブによって、流体転送チューブの動作に影響することなく、または基板からチューブに力をかけることなく、レーザ利得媒質１２を光学的に整列させるために必要な基板４６の軸方向の小幅な調整および横方向の調整が可能になる。
【００２７】
冷却された基板４６は、熱伝導性のよい材料、好ましくは、銅、タングステン、モリブデン、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコンで作られるが、熱伝導性がよく、微細通路および熱交換器の製作に好適な他の材料も使用可能である。基板４６の材料は、レーザ利得媒質２６の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するように選ばれる。基板４６の表面４４は、微細通路４８によって作られる貫通部分を除いて、光学的平面度になるように機械加工される。微細通路４８の典型的な寸法は、幅が約０．００５インチから０．０４０インチ（０．１３ｍｍ〜１ｍｍ）で、断面積が約０．００００２５インチ2〜０．００１６インチ2（０．０００１６１２５ｃｍ2〜０．０１０３２ｃｍ2）である。微細通路４８は、基板４６の表面４４と複合利得媒質１の後面２４との間の接触領域の５０％を占めることが好ましい。微細通路４８の断面の形状はさまざまに形成することができるが、ほぼ四角形の断面の形状を有するのが好ましい。基板４６の厚みは、表面４４が動作状態で光学的に平坦であるのに必要な機械的剛性を与えるように選ばれる。
【００２８】
光学的に平坦な表面が接触すると、結合剤がなくても結合することがある。このような結合は、対向する接触点および表面で作用するファンデルワースの引力によるものであり得る。不均一な熱膨張を引起こし、結果としてこの結合力を超える応力を引起こす温度勾配に複合材料の成分がさらされない限り、そのような結合は安定している。しかしながら、この結合は、たとえば、剃刀の刃などの硬く薄い物体を光学的に接触した表面の間に挿入することによっても壊れる。結合線を構成する端縁からインターフェイスに液体が拡散した場合にも、結合の剥がれが起こる。
【００２９】
この発明では、複合利得媒質アセンブリ１２の後面２４と基板４６の表面４４との間の正の接触は、増幅器モジュール１０の周辺の大気５８の高い圧力と微細通路４８内の低い圧力との圧力の差によって維持される。微細通路４８は、水（液体金属を含む）または気体によって充填してもよく、大気５８の圧力よりもかなり低い圧力に維持される。微細通路４８を充填するのに液体を使用する場合の１つの利点は、熱伝導率が上昇することによって熱交換が向上することである。表面２４および４４をその領域の大きな部分で接触した状態に維持するのに必要な圧力の差は、典型的に数十ＰＳＩである。そのような連続的な接触によって、複合利得媒質アセンブリ１２が大きな熱負荷を受けている場合でも、後面２４は光学的に平坦なままである。表面２４と表面４４との連続的な接触によって、利得媒質アセンブリ１２から基板４６への熱の伝導転送が容易になる。基盤４６は、位置決めおよび整列が容易になるように、光学取付台６０に取付けてもよい。
【００３０】
光学的に平坦な表面２４と４４の接触は、これ自身、良好な封止であるが、これとは別に、複合利得媒質アセンブリ１２の接触面の外周と表面４４の間のエラストマー系封止６２によって、微細通路４８から大気５８をさらに封止してもよい。封止６２は、レーザ処理中でない状態など、圧力の差がない状態でも複合利得媒質アセンブリ１２を基板４６に保持し得る。準拠した封止をこの領域に使用することによって、レーザ処理中に複合利得媒質アセンブリ１２に熱膨張が起こるのが防止され、熱応力が低減する。エラストマー系封止６２に好適な材料は、ＲＴＶ（Ｒ）シリコンゴムを含む。Ｏリングなど他の形の準拠した封止も使用可能である。入射レーザビーム６４（図３）の整列の狂いによって起きる可能性のある封止６２の損傷は、コリメータ６６によって防止され、これはレーザ利得媒質２６の端縁に入射するレーザ照射を吸収することが好ましい。コリメータ６６は、吸収した熱を放散するために好適な冷却手段を組込んでもよい。
【００３１】
さらに、図３および図４を参照すると、光学励起源６８は、レーザダイオードアレイを含むことが好ましく、これは、レーザ処理中、光学励起照射３６を生成し、円筒形のレンズ１８に向ける。円筒形のレンズ１８は、この照射を中空の集束ダクト２０に集束させる。ダクト２０の内面７２は、光学励起照射に対する反射率が高くなるように作られている。面７２からの反射によって、光学励起照射３６は、ダクト２０のテーパ形状の端部に向かって進むにつれ、強度が徐々に強まる。ダクト２０のテーパ形状の端部を出た光学励起照射３６は、ドープされていない光学媒質２８に入り、そこを通ってレーザ利得媒質２６に運ばれる。ドープされていない光学媒質２８のテーパ形状の部分２８ｂ（図５ｂ）は、ダクト２０の延長として機能し、さらに、励起照射をレーザ利得媒質２６に向け、集中させる。レーザ利得媒質２６に入ると、励起照射は表面２２と２４からの内部での複数の反射によって、表面２２と２４に対してほぼ平行の方向に進む。レーザ利得媒質２６を通過中、光学励起照射３６は徐々に吸収される。この吸収プロセスは、ベールの法則：Ｉ（ｘ）＝Ｉ0ｅｘｐ（−ａｘ）に従い、ここで「ｘ」は吸収媒質への距離であり、「ａ」は吸収係数であり、「Ｉ0」は励起照射の最初の強度であり、「Ｉ（ｘ）」は吸収媒質内を距離「ｘ」進んだ後の励起照射の強度である。レーザ利得媒質２６の材料は、入射励起照射３６の９０％以上がレーザ利得媒質２６で吸収されるように、吸収種をドープされることが好ましい。
【００３２】
レーザ利得媒質２６内でドーパント種によって吸収される光学照射３６は、ドーパント種をレーザ遷移に励起する。このことによって、レーザ利得媒質２６はコヒーレントな光学照射の増幅器として機能することができる。入射レーザビーム６４は、コリメータ６６の口径とほぼ同じフットプリントを有するが、前面２２を通ってほぼ垂直の入射角でレーザ利得媒質２６に向けられ、増幅されて反射コーティング４０に達する。コーティング４０で反射されると、レーザビームは再びレーザ利得媒質２６を通過するが、ほぼ反対の方向で通過する。増幅されたレーザビーム６４′は、前面２２に対してほぼ垂直の方向でレーザ利得媒質２６を出る。レーザ利得媒質２６に拡散された廃熱は、光学コーティング４０を経由して後面２４に導かれ、基板４６の面４４に転送され、そこから熱交換器５０に導かれる。
【００３３】
ドープされていない光学材料２８は、いくつかの役割を果たす。
１） 励起照射の伝達：ドープされていない光学媒質２８は、ダクト２０のテーパ形状の端部から集中した光学照射３６を受取り、これをレーザ利得媒質２６に向ける。この点において、ドープされていない光学材料２８はダクト２０の延長として機能する。材料２８の面３４を湾曲させると、さらなるレンズ効果が得られる。
【００３４】
２） レーザ利得媒質２６の外周の熱の管理：ドープされていない光学材料２８は、レーザ利得媒質２６と良好に熱接触しており、基板４６に熱を導く経路を提供する。このことによって、レーザ利得媒質２６の外周から熱が排出され、熱応力および歪みが低減する。
【００３５】
３） 寄生発振の抑制：ドープされていない光学媒質２８は、レーザ利得媒質２６の屈折率とほぼ整合する屈折率を有するように選ばれるのが好ましい。このことによって、ＡＳＥ光線は、回復することなく２つの材料の間の境界を交差する。ドープされていない光学媒質２８の形状は、そのようなＡＳＥ光線を捕捉し、および／またはそれらを複合利得媒質アセンブリ１２の外に向かわせるように選んでもよい。複合利得媒質アセンブリ１２の境界からのＡＳＥ光線のフィードバックをこのように低減することで、寄生発振を起こすフィードバック機構がほぼ解消され、発振を抑制することができる。この発明のいくつかの形では、ドープされていない光学媒質２８には、レーザ利得波長では吸収し、光学励起の波長では吸収しないイオンをわずかにドープしてもよい。ドープされていない光学媒質２８でＡＳＥ光線を吸収することで、ＡＳＥ光線の減衰が加速する。
【００３６】
図６は、この発明で実現可能なドープされていない光学材料２８のいくつかの代替の形の例を示す。
【００３７】
図７は、増幅器モジュール１０の正面図であり、光学励起源６８、レンズ１８および光学励起照射３６を八角形の複合レーザ利得媒質アセンブリ１２に与えるテーパ形状の中空のダクト２０を示す。レーザダイオードアレイ６８ａがレーザ利得媒質２６のほぼ中心を向くように配置することで、励起源６８の環状の配置が作られる。このような励起源の配置によって、レーザ利得媒質２６の大きな部分にわたって均一なレーザ利得が得られる。光学励起源６８の個々のレーザダイオード素子によって生成された（たとえば図２に示されるような）単位線束は、レーザ利得媒質２６内で重なり、その強度が合計される。重なり合った単位線束の結果的な強度は、各ダイオードアレイ６８ａの個々のダイオード素子の出力および単位線束発散度、レーザ利得媒質２６の中心からのダイオード素子の距離、レンズ１８およびダクト２０の変数、レーザ利得媒質２６のドーピング濃度および強度が測定される場所の半径方向の位置（レーザ利得媒質２６の中心に対して）によって異なる。この発明の主な利点は、コリメータ６６によって規定される開口部にわたってレーザ利得媒質２６内に均一な利得プロファイルが生成されることである。これは、光学源６８の個々のダイオード素子の単位線束発散度の適切な組合せの選択、レーザ利得媒質２６の中心からの各ダイオードアレイ６８ａのダイオード素子の距離、レンズ１８およびダクト２０の変数、およびレーザ利得媒質２６のドーピング濃度によって達成される。
【００３８】
図８は、小信号利得の半径方向の変化が、（面２２に対して平行な面での）ダイオードの発散度の選択およびレーザ利得媒質２６の中心からのダイオードの距離によって、どのように影響されるかの例を示す。開口部にわたって均一な小信号利得を生成することに加え、この発明は、媒質が飽和されている場合にほぼ均一な利得を提供するために使用することもできる。たとえば、ビームの中心部分の強度が非常に強いレーザビームを増幅するためにこの発明が使用されている場合、ビームの中心近くの利得飽和効果には、レーザ利得媒質２６の中心の近くの励起強度（すなわち小信号利得）を適切に増加させることで対処できる。
【００３９】
この発明のアクティブミラー増幅器の代替の好ましい実施例は、高い光学出力濃度での動作に好適である。再び図３および図４を参照すると、この代替の実施例では、基板４６内の内部熱交換器５０を省略し、冷却媒体５２を微細通路４８に与え、複合利得媒質アセンブリ１２の後面２４の大きな部分を直接濡らすようにすることができる。この態様では、レーザ利得媒質２６で発生した熱は、表面２４および光学コーティング４０を経由して、直接冷却媒体５２に導かれる。冷却媒体５２は、利得媒質アセンブリ１２の後面２４の大きな部分に均一な冷却効果をもたらすように微細通路４８に導入される。冷却媒体５２の圧力は、上述のように、複合利得媒質アセンブリ１２が基板４６に確実に装着されるように、大気５８の圧力よりも低く維持される。
【００４０】
この発明のアクティブミラー増幅器のさらに別の好ましい実施例は、密集した実装に好適である。図９は、アクティブミラー増幅器モジュール１０′を示し、ここでは光学励起源６８およびテーパ形状の中空のダクト２０は、基板４６および光学取付台６０のさらに近くに取付けられている。複合利得媒質アセンブリ１２′は、利得媒質アセンブリ１２′の表面２４（図５ａ）に対してほぼ４５°の角度の面７０′を有するドープされていない光学媒質２８′を組込む。面７０′はコーティング７４を有し、これは光学励起照射の波長での反射率が高い。ドープされていない光学媒質の表面３４′はコーティング７６を有し、これは光学励起照射の波長で反射を防止する。光学励起照射３６は面３４′に注入され、コーティング７４からレーザ利得媒質２６に反射される。
【００４１】
ダクト２０内での励起照射集中の効率は、レーザダイオードアレイ６８ａを励起源６８の面に積み重ね、複合レーザ利得媒質アセンブリ１２の表面３４に直接向くようにすることで、さらに向上することができる。励起源６８をこのように構成することで、レンズ７２の必要性が低減するため、レンズはこのシステムから省略してもよい。さらに、この発明は、米国特許第５，３０７，４３０号の中でビーチ（Beach）らによって開示されるように、中空ダクト２０の代わりに固体材料のレンズダクトを用いて実現することも可能である。屈折率が高いため、固体材料のレンズダクトは励起照射の集中をより効果的に行ない得ることが経験からわかっている。しかしながら、高出力の用途での固体のレンズダクトの欠点の１つは、固体のダクト材料（典型的には光学ガラス）の熱伝導性が低いため、励起照射によって発生した熱を除去するのが難しいことである。
【００４２】
中空のテーパ形状のダクトおよび固体のテーパ形状のダクト集中器の利点を組合せた代替の方法は、図１１に示される、液体を充填したテーパ形状のダクトコンセントレータである。ダクト壁７２′は、形状が中空ダクト２０とほぼ同一であり、励起照射の波長で反射率が高くなるようにコーティングされている。大きな入口端部７８および小さな出口端部８０は、それぞれ窓８２および８４を有し、これらの窓は励起照射の波長で透過率が高い光学材料で作られ、適切な反射防止コーティングを有する。ダクト壁７２′および窓８２ならびに８４によって囲まれる体積は、励起照射の波長で透過性の高い液体８６で充填される。液体は実質的に１よりも高い屈折率を有するため、液体を充填したテーパ形状のダクトは、上述の固体のテーパ形状のダクトと光学的に類似である。さらに、１次元または２次元のレンズ効果が得られるように、窓８２、８４の各々を１つまたは２つの面で湾曲させてもよい。液体８６の過熱は、内部で液体を再循環させて、一定の温度に維持することのできる壁７２′に熱を対流させることで防止できる。またはこれに代えて、ダクト２０と、熱を排出することができる外部の熱交換器（図示せず）との間で液体８６を再循環させてもよい。
【００４３】
図１２ａ〜１２ｇを参照すると、通常動作中、複合利得媒質アセンブリ１２の前面２２は比較的に熱く、後面２４は比較的冷たい。結果として、アセンブリ１２の前面２２の近くでは非常に大きな圧縮が起こり、後面２４の近くでは非常に強い引張りが起こる。アセンブリ１２が制約を受けていない場合、図１２ｂに示されるように、結果的な熱応力によって媒質アセンブリは冷たい方の面に向かって歪む（へこむ）。図１２ｃに示される制約を受けている状態では、媒質アセンブリ１２は平坦ではあるが、高い熱応力を受けている。
【００４４】
動作条件での熱応力を低減する１つの方法は、図１２ｄに示されるように、複合利得媒質アセンブリ１２を事前成形することである。レーザ動作の前は、複合利得媒質アセンブリ１２の温度は均一である。制約を受けている状態では、前面２２に近い材料には引張りが起こり、後面２４に近い材料には圧縮が起こる。しかしながら、レーザ動作中、前面２２は加熱し、後面２４は比較的冷たいままである。このことによって、前面２２の近くの引張りおよび後面２４の近くの圧縮は、ほぼ解消される。この方法によって、レーザ媒質内の応力が約５０％低減され、対応して出力が向上することが示される。制約を受けている場合、および制約を受けていない場合のレーザ利得媒質アセンブリ１２に起こる引張り応力および圧縮応力が図１２ｂ、１２ｃ、１２ｅ、１２ｆおよび１２ｇに示される。図１２ｂは、アセンブリ１２が制約を受けていない場合の引張り応力および圧縮応力の増加を示し、図１２ｃは、動作温度で平坦な状態にされている場合を示す。図１２ｆおよび１２ｇは、事前成形された複合利得媒質アセンブリ１２が動作状態で平坦な状態にされている場合の引張り応力および圧縮応力の軽減および逆転の可能性を示す。
【００４５】
この発明は、平坦な面を備えたレーザ利得媒質に限定されない。基板４６の表面４４は、上述の実施例では、名目上平坦として仮定されているが、球面の一部として、または楕円、放物面、回転双曲線またはその他の好適な表面の一部として形成することもできる。そのような場合、複合利得媒質アセンブリ１２の後面２４は、レーザ利得媒質２６の均一な厚みを保ちながら、表面４４の外形に沿うように形成される。
【００４６】
この発明のアクティブミラー増幅器は、レーザ利得媒質２６に蓄積された熱がリアルタイムで除去される熱連続モード、またはある予め定められた限界の温度までレーザ利得媒質２６が徐々に加熱する半連続熱容量モードで動作することができる。後者のモードでは、レーザ利得媒質２６が限界の温度に達すると、レーザ動作は中断され、媒質は熱エネルギを冷却媒質５２に転送することで冷却される。レーザ利得媒質２６の温度が大きく下がると、レーザ動作を再開することができる。レーザ動作中、レーザ利得媒質２６内に蓄積された熱の一部は平行して除去することが可能なため、レーザ動作を延長することができる。半連続熱容量モードで動作している場合、この発明は、基板４６なしで実現可能である。この場合、表面２２および表面２４は、ともにレーザ利得の波長で反射を防止する光学コーティングを有し、複合利得媒質アセンブリ１２は、ドープされていない光学媒質２８によって支えることができる。レーザパルス間に、表面２２および２４の上にガスを流すことによって、複合利得媒質１から熱を除去することが可能である。
【００４７】
アクティブミラー増幅器モジュール１０および１０′のいずれか、またはその変形例を使用して、レーザ増幅器およびレーザ発振器を作ることができる。
【００４８】
上述の説明から、当業者には、この発明の幅広い教示がさまざまな形で実現可能であることが理解されるであろう。したがって、この発明はその具体的な例に関して説明されているが、この発明の真の範囲はそのように限定されない。図面、明細書および特許請求の範囲を検討すれば、他の変形例が当業者には明らかであるためである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】高出力用の先行技術のアクティブミラー増幅器（ＡＭＡ）の透視図である。
【図２】先行技術のレーザダイオードの透視図であり、そこから生成される単位線束の発散を示す。
【図３】この発明の好ましい実施例によるアクティブミラー増幅器の側面断面図である。
【図４】図３の増幅器の部分４を大きく拡大した図である。
【図５ａ】複合利得媒質アセンブリの側面断面図である。
【図５ｂ】複合利得媒質アセンブリの正面図である。
【図６ａ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図６ｂ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図６ｃ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図６ｄ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図６ｅ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図６ｆ】この発明で実現可能なドープされていない光学材料の代替の形の断面図である。
【図７】この発明のアクティブミラー増幅器モジュールの正面図である。
【図８ａ】小信号利得の半径方向の変化が、ダイオードの発散度およびレーザ利得媒質の軸方向の中心からのダイオードの距離の選択によってどのように影響されるかを示すグラフである。
【図８ｂ】小信号利得の半径方向の変化が、ダイオードの発散度およびレーザ利得媒質の軸方向の中心からのダイオードの距離の選択によってどのように影響されるかを示すグラフである。
【図９】特に密集した実装に好適な、この発明のアクティブミラー増幅器モジュールの代替の好ましい実施例の断面図である。
【図１０】光学励起照射を複合利得媒質によりよく伝達するために複数のレーザダイオードアレイを積み重ねたものを示す断面図である。
【図１１】励起照射を利得媒質に向けるために液体が充填されたテーパ形状のダクト集中器の断面図である。
【図１２】図１２ａは、制約を受けていない状態の複合利得媒質ディスクの動作温度に達する前の側面図であり、図１２ｂは、制約を受けていない状態の図１２ａの複合利得媒質ディスクの図であるが、動作温度に達した場合を想定し、制約を受けていない場合で、かつ動作温度である場合のディスクの引張り応力および圧縮応力を示し、図１２ｃは、動作温度で平坦な状態にされている図１２ｂの複合利得媒質ディスクの図であり、引張り力および圧縮力が増加しているのを示し、図１２ｄは、事前成形され、制約を受けていない複合利得媒質ディスクの加熱前の側面図であり、図１２ｅは、図１２ｄの事前成形された複合利得媒質ディスクの加熱後の図であり、そこで生じた引張り力および圧縮力の程度を示し、図１２ｆは、制約を受けた状態の複合利得媒質ディスクの加熱前の側面図であり、ディスクに生じた引張り力および圧縮力を示し、図１２ｇは、制約を受けた配向にある複合利得媒質ディスクの加熱後の側面図であり、動作温度で制約を受けた場合にディスクに生じる引張り力および圧縮力の低減および逆転を示す。
【図１】
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【図２】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図１２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004521490.tif 000059
【国際調査報告】
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