(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的にポンピングされるレーザー装置において、
ノンイオン層であり、上面と下面とを備え該下面の面積が上記上面の面積より大きいベース層と；
頂表面と底表面とを有し、該底表面が光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層の上記上面に取り付けられたイオン層と；
を有し、上記インターフェースに垂直な方向において上記レーザー装置を通る横断面が台形形状であり、該台形形状の平行の線が上記インターフェースに平行となっており、また上記レーザー装置の出力エネルギは上記イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記下面との間で複数回反射し上記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
上記光学質のインターフェースが拡散接着されたインターフェースであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
上記光学質のインターフェースが層成長型のインターフェースであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項４】
上記ノンイオン層がＹＡＧ層であり、上記イオン層が約１５％のイッテルビウム濃度を有するＹｂ：ＹＡＧ層であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項５】
上記イオン層が絶縁溝を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項６】
レーザー装置がさらに第１及び第２の側表面と第１及び第２の端表面とを有し、該第１及び第２の端表面は上記イオン層の上記頂表面から上記ノンイオン層の上記下面まで延び、またレーザー装置は、出力エネルギが上記イオン層で生じそれが該イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記下面との間で反射され上記第１及び第２の端表面から出て行くように、光学的入力エネルギを上記ノンイオン層の上記下面を介して受けそれを上記イオン層に向けることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項７】
上記インターフェースに垂直な方向において上記光学質のインターフェースを通るすべての横断面が台形形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項８】
上記ノンイオン層及び上記イオン層がレーザースラブを形成し、上記レーザースラブが底表面と２つの側表面とを有し、上記側表面と上記底表面との間の角度が約６０゜であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項９】
光学的にポンピングされるレーザー装置において、
ノンイオン層であるベース層と；
光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層と；
を有し、前記ノンイオン層は下面と上面とを有し、前記下面の面積は前記上面の面積よりも大きく、上記インターフェースに垂直な方向において上記光学質のインターフェースを通るレーザー装置のすべての横断面が台形形状であり、
前記レーザー装置の出力エネルギは、前記イオン層の頂表面と前記ノンイオン層の前記下面との間で複数回反射し前記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
【請求項１０】
光学的にポンピングされるレーザー装置において、
ノンイオン層であるベース層と、光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層とにより形成されたレーザースラブを有し、
上記ノンイオン層により提供される上記レーザー装置の底表面の面積が上記イオン層により提供される上記レーザー装置の頂表面の面積よりも大きく、上記底表面と上記頂表面との間に上記光学質のインターフェースが存在しまた出力エネルギが該インターフェースを複数回通過するよう上記底表面及び頂表面間で複数回反射するようになっており、上記レーザー装置はまた、上記頂表面と底表面との間を延びる２つの側表面を有し、該側表面と上記底表面との間の角度が約６０゜であり、上記光学質のインターフェースに垂直な方向において上記装置を通る横断面が台形形状であることを特徴とするレーザー装置。
【請求項１１】
光学的にポンピングされるレーザースラブにおいて、
ＹＡＧ層と；
拡散接着により光学質のインターフェースに沿って上記ＹＡＧ層に取り付けられ、約１５％のイッテルビウム濃度を有するＹｂ：ＹＡＧ層と；
を有し、上記光学質のインターフェースに垂直な任意の面において上記レーザースラブを通る横断面が台形形状を有し、
該レーザースラブはさらに底表面とそれに対向する頂表面とを有し、前記底表面の面積が前記頂表面の面積よりも大きく、該頂表面と底表面の間に上記光学質のインターフェースが存在しまた上記スラブの出力エネルギが該インターフェースを複数回通過するよう上記底表面及び頂表面間で複数回反射されるようになっており、
当該レーザースラブがまた、各々上記底表面と約６０゜の角度をなし該底表面から上記頂表面にまで延びる２つの側表面を有することを特徴とするレーザースラブ。
【請求項１２】
上記Ｙｂ：ＹＡＧ層が上記頂表面を提供し、上記ＹＡＧ層が上記底表面を提供し、さらにレーザースラブは第１及び第２の端表面を有し、出力エネルギがＹｂ：ＹＡＧ層で生じそれが該Ｙｂ：ＹＡＧ層の上記頂表面と上記ＹＡＧ層の上記底表面との間で反射され上記第１及び第２の端表面から出力ビームとして出て行くように、光学的入力エネルギを上記ＹＡＧ層の上記底表面を介して受けそれを上記Ｙｂ：ＹＡＧ層に向けることを特徴とする請求項１１に記載のレーザースラブ。
【請求項１３】
光学的にポンピングされるレーザーに使用するレーザースラブにおいて、
底表面及び側表面を有するノンイオン層と；
インターフェースに沿って上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層と；
を有し、上記ノンイオン層の上記底表面が上記インターフェースのインターフェース表面積よりも大きな底表面積を有し、当該ノンイオン層の上記側表面が該ノンイオン層の上記底表面から上記インターフェースへ光エネルギを集めるようになっており、
該レーザースラブはさらに第１及び第２の側表面を有しこれら側表面が上記ノンイオン層の上記側表面も形成しており、また該レーザースラブは該スラブのこれら側表面の間を延びる端表面も有し、上記ノンイオン層の上記底表面を通って入る光エネルギが上記イオン層により生じるエネルギとなり該エネルギが上記ノンイオン層の上記底表面により少なくとも１回反射され上記端表面から出る出力ビームとなることを特徴とするレーザースラブ。
【請求項１４】
上記底表面の上記表面積が上記インターフェース表面積よりも少なくとも約２倍大きいことを特徴とする請求項１３に記載のレーザースラブ。
【請求項１５】
上記インターフェースに垂直な方向において上記ノンイオン層を通る横断面が台形であることを特徴とする請求項１３に記載のレーザースラブ。
【請求項１６】
上記レーザースラブの側表面が上記インターフェースに垂直な方向の横断面において丸められたプロフィールを提供するように形状づけられることを特徴とする請求項１３に記載のレーザースラブ。
【請求項１７】
上記レーザースラブの側表面が上記インターフェースに垂直な方向の横断面において放物線状のプロフィールを提供するように形状づけられることを特徴とする請求項１３に記載のレーザースラブ。
【請求項１８】
上記イオン層が絶縁溝を有することを特徴とする請求項１３に記載のレーザースラブ。
【請求項１９】
光学的にポンピングされるレーザー装置において、
ノンイオン層であり約３．２５ｍｍの厚さを有し、底表面を有するベース層と；
光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層であって、約０．２５ｍｍの厚さを有し、頂表面を有するイオン層と；
を有し、前記底表面の面積が前記頂表面の面積よりも大きく、上記インターフェースに垂直な方向において上記装置を通る横断面が台形形状であり、
前記レーザー装置の出力エネルギは、前記イオン層の前記頂表面と前記ノンイオン層の前記底表面との間で複数回反射し、前記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
【請求項２０】
光学的にポンピングされるレーザー装置において、
ノンイオン層であり光学的入力エネルギをその底表面で受けるベース層と；
光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられ、上記光学的入力エネルギを受けて光学的出力エネルギを発生するイオン層と；
を有し、上記イオン層が上記ノンイオン層の底表面と対向する頂表面を有し、
レーザー装置はさらに第１及び第２の側表面と第１及び第２の端表面とを有しこれらは各々上記ノンイオン層の上記底表面と上記イオン層の上記頂表面との間で延び、これら第１及び第２の側表面と第１及び第２の端表面とは、上記光学質のインターフェースの表面積が上記ノンイオン層の上記底表面の表面積より小さくまた上記光学質のインターフェースに垂直な方向において上記ノンイオン層を通る横断面が台形形状であるように、上記ノンイオン層の上記底表面に対し傾斜しており、
上記光学的出力エネルギは上記イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記底表面により複数回反射され上記端表面から出ることを特徴とする
レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般にレーザー媒体に関し、特に、レーザー出力を発生させる複合媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー放出媒体としてイオンドープのイットリウム／アルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を使用するレーザー装置はその高パワー出力のため大なる人気及びイオンドープＹＡＧ組成の幅広い利用性を達成している。いまだに、一層新しく一層有効なレーザー放出媒体を利用する不断の望みが存在する。イッテルビウム：ＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）は、ポンプとレーザー放出遷移との間のその小さな量子効果のため、高パワー、高輝度及び高効率のレーザー装置のための将来有望な材料である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｙｂ：ＹＡＧの高透過しきい及び低い比ゲインのため、熱管理はＹｂ：ＹＡＧ装置においては困難である。更に、良好な熱管理を可能にする一層小さな寸法のＹｂ：ＹＡＧレーザー放出媒体はレーザーダイオードでの光学ポンピングに利用できるＹｂ：ＹＡＧの面積の量を制限してしまう。
【０００４】
高パワー、高輝度及び高効率のレーザー装置を製造するために増大した量の光エネルギでＹｂ：ＹＡＧを光学的にポンピングする能力を利用しながら、Ｙｂ：ＹＡＧにおける熱管理を最適化するレーザー放出媒体形状の要求が存在する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施の形態によれば、ノンイオンベース層及びイオン層を取り付けた台形の横断面を有するレーザー装置がレーザー出力を発生させるために光学的にポンピングされる。ノンイオンベース層はＹＡＧ層とすることができ、イオン層はＹｂ：ＹＡＧの如きイオンドープＹＡＧ材料の層とすることができる。台形の横断面はレーザーダイオード列（アレイ）から光エネルギを受け取るための一層大きな面積を提供する。従って、一層大きな出力を達成できる。
【０００６】
本発明で使用されるイオン層の長さ及び幅を小さく保つことができ、イオン層からの有効な熱除去を提供する。
本発明の上述の要約は本発明の各実施の形態又はあらゆる態様を示すことを意図するものではない。
【０００７】
【実施の形態】
本発明は種々の修正及び変形例を可能にするが、例として特定の実施の形態を図面に示し、ここで詳細に説明する。しかし、本発明は開示された特定の形態に限定される意図のものではないことを理解すべきである。むしろ、特許請求の範囲に規定される本発明の要旨内のすべての修正、等価及び変形をカバーすることを意図するものである。
【０００８】
図１は本発明に係るレーザースラブ１０の構成を示す。レーザースラブ１０は２つの層、即ち、イオン層１２及びノンイオン層（非イオン層）１４を含み、その間に光学質のインターフェース１６が位置する。イオン層１２及びノンイオン層１４は拡散接着により結合することができる。代わりに、エピタキシァル即ち層成長方法により、イオン層１２をノンイオン層１４上で成長させることができる。１つの好ましい実施の形態においては、ノンイオン層１４はイットリウム／アルミニウムガーネット（ＹＡＧ）層であり、イオン層１２はイッテルビウム・イオンドープＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）の如きイオンドープのＹＡＧ層である。代わりに、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）又は他のレーザー活性希土イオンでドープされた材料を使用することができる。Ｙｂ：ＹＡＧ層におけるＹｂのドープ濃度はイットリウムに対するＹｂの原子比率で約０％から１００％の範囲とすることができ、約１５％Ｙｂのドープ濃度がレーザー光出力への光学ポンピングエネルギの有効な変換にとって特に有効である。
【０００９】
ノンイオン層１４は、光学質のインターフェース１６に対して垂直な方向において光学質のインターフェース１６及びノンイオン層１４を通る任意の横断面（即ち、図１に示すｚ軸に平行で、光学質のインターフェース１６及びレーザースラブ１０の底表面１８の双方を通る任意の横断面）が台形となるように、形状づけられる。同様に、レーザースラブ１０の頂表面２０が光学質のインターフェース１６に対して平行な場合、ｚ軸に平行で、レーザースラブの頂表面２０及び底表面１８の双方を通る任意の横断面は台形である。代わりに、ノンイオン層１４を通る横断面のみが台形となるように、イオン層１２はノンイオン層１４に取り付けられた矩形のプリズムとすることができる。
【００１０】
レーザースラブ１０の端表面２２及び側表面２４は底表面１８に関して角度をなして傾斜する。第１の角度θ１はレーザースラブ１０の底表面１８と端表面２２との間の角度であり、第２の角度θ２はレーザースラブ１０の底表面１８と側表面２４との間の角度である。
【００１１】
レーザースラブ１０は総厚ｔを有し、この総厚はイオン層１２の厚さｔ１とノンイオン層１４の厚さｔ２との合計である。１つの好ましい実施の形態によれば、スラブ１０をＹＡＧ及びＹｂ：ＹＡＧで作った場合、レーザースラブ１０の総厚ｔは約３．５ｍｍであり、イオン層１２の厚さｔ１は約０．２５ｍｍであり、ノンイオン層１４の厚さｔ２は約３．２５ｍｍである。その底表面１８に沿って、レーザースラブ１０は次の式により計算された長さｌ１を有する。
【００１２】
【数１】
0004006271.tif 000002
例えば、ｔが３．５ｍｍで、θ１が３０．９６゜である場合、長さは次式のようになる。
【００１３】
【数２】
0004006271.tif 000003
頂表面２０に沿って、レーザースラブ１０は次の式により計算された長さｌ２を有する。
【００１４】
【数３】
0004006271.tif 000004
例えば、ｔが３．５ｍｍで、θ１が３０．９６゜である場合、長さは次式のようになる。
【００１５】
【数４】
0004006271.tif 000005
ここで、図２に戻ると、図１のＡ−Ａ線に沿った垂直横断面は伝導性の吸熱源２６及びダイオード列（アレイ）２８を示す。１つの実施の形態においては、ダイオード列２８は約９４０ｎｍの出力波長を発生させ、これは、Ｙｂ：ＹＡＧのピーク吸収が生じる波長とほぼ同じである。他のイオン層を使用した場合は、ダイオード列２８はイオン層１２内で最大吸収を達成する出力波長を発生するように選択される。作動において、ダイオード列２８は光エネルギを底表面１８からレーザースラブ１０内へポンピングする。入力光はイオン層１２で吸収され、イオン層１２からエネルギを放出させ、このエネルギはレーザースラブ１０の頂表面及び底表面で反射し、端表面２２から流出する。ダイオード列２８が約９４０ｎｍの入力波長を有し、イオン層１２がＹｂ：ＹＡＧであるような実施の形態においては、出力ビーム３０は約１０３０ｎｍの波長を有する。
【００１６】
イオン層１２は絶縁溝２５を具備することができ、この溝はイオン層１２を通る光学経路長さを減少させて、イオン層１２内での寄生発振を減少させる役目を果たす。
【００１７】
上述の寸法を有するレーザースラブ１０においては、出力ビーム３０となるレーザー光はレーザースラブ１０内で５回の全反射（ＴＩＲ）跳ね返りを行う。これらの跳ね返りのうちの２つはイオン層１２内で生じ、３つはノンイオン層１４内で生じる。
【００１８】
レーザースラブ１０の端表面２２は好ましくはレーザー等級磨きに研磨され、開口の中央８０％にわたる約０．１波の平坦度、約１０−５のかき傷深さ及び約２ア−ク分の平行度となる。レーザースラブ１０の底表面１８及び頂表面２０は１００ｍｍ長さ当り約１波の平坦度に研磨され、約２０−１０のかき傷深さ及び約１０ア−ク分の平行度となる。
【００１９】
ここで、図３に戻ると、図１のＢ−Ｂ線に沿ったレーザースラブ１０の横断面図を示す。この図において、図１のｘ軸に沿って見ると、Ｂ−Ｂ線に沿った横断面内でレーザースラブ１０の台形形状を見ることができる。台形形状はイオン層１２内への光学ポンピングエネルギ入力を増大させ、一方、イオン層１２の厚さは、熱がレーザースラブ１０の頂表面２０から有効に除去されるのを可能にする。更に、この構成は、出力光がレーザースラブ１０の両方の端表面２２から射出されるのを可能にする。第２の角度θ２はイオン層１２に比べてノンイオン層１４内に一層大きな底表面面積を提供し、光エネルギがイオン層１２上で合焦されるように、一層多くの光がレーザースラブ１０内へ入るのを許容する。
【００２０】
レーザースラブ１０の１つの試験された形状においては、レーザースラブ１０の底表面１８に沿って、レーザースラブ１０は約７．５ｍｍの幅ｗ１を有し、レーザースラブ１０の頂表面２０に沿って、レーザースラブ１０は約３．５ｍｍの幅ｗ２を有する。ｗ１がほぼ７．５ｍｍで、ｗ２がほぼ３．５ｍｍである場合、レーザースラブ１０の底表面１８と側表面２４との間の角度θ２は約６０．２５゜となる。この形状においては、レーザースラブ１０の底表面１８は約２６３ｍｍ２の表面積を有し、レーザースラブ１０の頂表面２０は約８１．６９ｍｍ２の表面積を有し、光学質のインターフェース１６は頂表面２０の表面積よりも若干大きな表面積を有する。このような寸法のレーザースラブ１０における光学質のインターフェース１６の表面積に対する底表面１８の表面積の比率は約３：１である。この試験された形状においては、イオン層１２の厚さｔ１が約０．２５ｍｍで、イオン層１２におけるＹｂのドープ濃度が約１５％である場合、１．３ｍｓ（ミリ秒）のポンピングの後に少なくとも１．３７のピーク単パスゲインが達成された。この形状においては、イオン層１２におけるＹｂの濃度が一層大きいか又は一層小さかったり、イオン層の厚さｔ１が一層大きいか又は一層小さかったりした場合は、ゲインが劣化することが判明した。
【００２１】
ここで、図４に戻ると、ダクト集中器３２を使用するレーザースラブ１０及びダイオード列２８の横断面図を示す。ダクト集中器３２はダイオード列２８からの入力光エネルギをレーザースラブ１０内へ集中させる。ダクト集中器３２はダイヤモンド機械加工され、金メッキされ、研磨された内壁を備えた図４に示すような不等辺四辺形（略台形）の横断面を具備することができる。
【００２２】
本発明の１つの実施の形態においては、吸熱源２６は、高熱伝導性の室温で加硫された（ＲＴＶ）ゴム材料でイオン層１２に接着された高強度ピン／フィン熱交換器である。この実施の形態においては、約１５℃の冷却剤温度にて毎分０．８５ガロンの流量で吸熱源を通る冷却剤の流れが、作動中にレーザースラブ１０からの十分な熱除去を達成する。イオン層１２の薄さは、高質の出力ビーム３０を提供しながら、イオン層からの容易な熱除去に寄与する。別の実施の形態においては、吸熱源２６はイオン層１２に低温溶接できる。更に、衝突式クーラー、マイクロチャンネル式クーラー及び他の型式のコンパクトな高強度クーラーの如き別の熱除去手段を本発明に使用することができる。
【００２３】
上述の台形形状と同様にイオン層１２へ光エネルギを集めるのに役立つレーザースラブ１０のための別の構成も可能である。例えば、レーザースラブ１０は図１のＢ−Ｂ線に沿って半円形又は放物線状の横断面を有するように構成することができる。このような横断面を有するノンイオン層１４の側壁２４での内面全反射はポンピングエネルギをイオン層１２内へ案内する傾向を有する。
【００２４】
１又はそれ以上の特定の実施の形態について本発明を説明したが、当業者なら、本発明の要旨を逸脱することなく多くの変更が可能であることを認識できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係るレーザースラブの斜視図である。
【図２】光エネルギ源及び熱除去手段を更に示す、図１のＡ−Ａ線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【図３】光エネルギ源及び熱除去手段を更に示す、図１のＢ−Ｂ線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【図４】光エネルギ源、熱除去手段及び先細りダクトを更に示す、図１のＢ−Ｂ線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【符号の説明】
１０  レーザースラブ
１２  イオン層
１４  ノンイオン層
１６  インターフェース
１８  底表面
２０  頂表面
２２  端表面
２４  側表面
２６  吸熱源
２８  ダイオード列
３０  出力ビーム
【図１】
0004006271.tif 000006
【図２】
0004006271.tif 000007
【図３】
0004006271.tif 000008
【図４】
0004006271.tif 000009