(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）レーザダイオードアレイのアレイ方向に沿って配置されてビームを放射する複数個のダイオードエミッタであって、前記ビームが、前記レーザダイオードアレイのアレイ方向に垂直な垂直軸方向に発散すると共に、アレイ方向に前記ビームの前記垂直軸方向への発散角より小さい発散角で発散する、複数個のダイオードエミッタと、
（ｂ）前記ビームの垂直軸方向の発散に対してレンズ作用を有しアレイ方向の発散に対してレンズ作用を有しない第１光学素子であって、前記ビームの前記垂直軸方向及びアレイ方向の発散の中、前記垂直軸方向の発散を選択的に前記垂直軸及び光軸を含む第１平面内において平行化させる第１光学素子と、（ｃ）前記第１平面内において平行化されていると共にアレイ方向に発散している前記複数のビームのアレイ方向の発散を選択的に前記アレイ方向及び光軸を含む第２平面内において略平行化させる第２光学素子と、を備えている固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置であって、
（イ）前記第１光学素子が、前記レーザダイオードアレイから前記第１光学素子の前記第１平面内の前記ビームの収束に対応する焦点距離に等しい位置に配置され、
（ロ）前記第２光学素子が、前記レーザダイオードアレイから前記第２光学素子の前記第２平面内の前記ビームの収束に対応する焦点距離に略等しい位置に配置され、
（ハ）前記第１光学素子による前記ビームの平行化方向と前記第２光学素子による前記ビームの平行化方向が直交するように、前記第１光学素子及び前記第２光学素子が配置され、そして、
（ニ）前記第２光学素子を通過した複数のビームが重なって、略楕円形状のポンピングスポットが形成されている
ことを特徴とする固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置。
【請求項２】
前記第１光学素子がマイクロ円柱レンズ、反射素子、ホログラフィ素子、又はフレネルレンズのいずれか一により構成され、さらに前記第２光学素子が円柱レンズ、非点収差レンズ、反射素子、ホログラフィ素子、又はフレネルレンズのいずれか一により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置。
【請求項３】
前記第２光学素子が、前記第１光学素子によって平行化された各ビームを前記第２平面内において発散又は収束させる光学素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置。
【請求項４】
固体レーザ媒体をポンピングするレーザ装置を備えた再生増幅器において、
前記レーザ装置として、請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置を備えていることを特徴とする再生増幅器。
【請求項５】
前記固体レーザ媒体と、
前記固体レーザ媒体をポンピングする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置と
前記固体レーザ媒体が出射するレーザパルスの偏光面を切り換えるポッケルセルと、
前記レーザパルスのうちの前記ポッケルセルで偏光面が切り換えられる前のレーザパルスを増幅器レーザ空洞に向かって導き、偏光面が切り換えられた後のレーザパルスを反射する偏光子と、
前記レーザパルスを反射させる少なくとも一つのミラーと、
を備えていることを特徴とする再生増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型のレーザダイオードによってポンプされた固体レーザ源に関する。特に本発明は、レーザ源で使われる再生増幅器又は他の単光路もしくは多光路増幅器のポンピング光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来、ポンピング（励起ともいう）光源として用いられているポンピング用レーザ装置の説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。図１に示されているように、従来のポンピング用レーザ装置は、レーザダイオードアレイ１、マイクロレンズ２、及び、レンズ３から構成されている。
このポンピング用レーザ装置においては、短焦点距離円柱マイクロレンズ２が、レーザダイオードアレイ１からマイクロレンズ２の焦点距離に等しい距離だけ離れた位置に配置されているので、ダイオードの積層面に垂直な軸に対応するレーザダイオード光の垂直軸及び光軸を含む垂直面内で、レーザダイオード光５aが平行化される（側面図、図１（ｂ）参照）。また、焦点距離ｆのレンズ３がレーザダイオードアレイ１からほぼレンズ３の焦点距離ｆだけ離れて配置されているので、アレイ方向に沿った光軸を含む水平面内において、部分ビーム５ｂが平行化されると共に、部分ビーム５ｂがほぼ同一のスポット４に指向される（平面図、図１（ａ）参照）。
また、レンズ３に垂直面内において平行な部分ビーム５ｂが入射することで、レンズ３の焦点位置において垂直面内で収束されることになり（側面図、図１（ｂ）参照）、従来の前記ポンピング用レーザ装置は、垂直面内の寸法が水平面内の寸法に比べ小さい、糸状の高非対称の形状を有する高強度のポンプスポットを生成することとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の前記ポンピング用レーザ装置では、レーザスポットが小さく収束されているので高強度となり、前記ポンピング用レーザ装置を再生増幅器のポンピングに用いると、レーザスポットが小さく収束されていることによる局部的な温度上昇が生じ、そのために、熱的損傷や光学損傷、及び、ビーム歪みや回折損失により内的効率が低下するという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するために、別のポンピング光学系に基づいた別の発明思想を利用する。すなわち、請求項１に記載の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置は、（ａ）レーザダイオードアレイのアレイ方向に沿って配置されてビームを放射する複数個のダイオードエミッタであって、前記ビームが、前記レーザダイオードアレイのアレイ方向に垂直な垂直軸方向に発散すると共に、アレイ方向に前記ビームの前記垂直軸方向への発散角より小さい発散角で発散する、複数個のダイオードエミッタと、（ｂ）前記ビームの垂直軸方向の発散に対してレンズ作用を有しアレイ方向の発散に対してレンズ作用を有しない第１光学素子であって、前記ビームの前記垂直軸方向及びアレイ方向の発散の中、前記垂直軸方向の発散を選択的に前記垂直軸及び光軸を含む第１平面内において平行化させる第１光学素子と、（ｃ）前記第１平面内において平行化されていると共にアレイ方向に発散している前記複数のビームのアレイ方向の発散を選択的に前記アレイ方向及び光軸を含む第２平面内において略平行化させる第２光学素子と、を備えている固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置であって、
（イ）前記第１光学素子が、前記レーザダイオードアレイから前記第１光学素子の前記第１平面内の前記ビームの収束に対応する焦点距離に等しい位置に配置され、（ロ）前記第２光学素子が、前記レーザダイオードアレイから前記第２光学素子の前記第２平面内の前記ビームの収束に対応する焦点距離に略等しい位置に配置され、（ハ）前記第１光学素子による前記ビームの平行化方向と前記第２光学素子による前記ビームの平行化方向が直交するように、前記第１光学素子及び前記第２光学素子が配置され、そして、（ニ）前記第２光学素子を通過した複数のビームが重なって、略楕円形状のポンピングスポットが形成されていることを特徴としている。
【０００５】
上記構成を有することで本願発明の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置は、再生増幅器のポンピング光源としての特別な条件を実現する強度の低いほぼ円形の又は楕円形のスポットを発生することができる。また、単数または複数のレーザダイオードアレイの各ダイオードエミッタからのビームを収束すること無しにレーザ媒体のほぼ同一のスポットに重ね画きすることによって再生増幅器ポンピング光源用の強弱パターンの少ないプロフィルを有するレーザダイオードポンプスポットが得られる。さらに、本願発明の固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置は、ダイオードアレイの幾つかのダイオードエミッタが劣化しても、全てのダイオードエミッタが同一のスポットに水平に重ね画きされるのでスポットの水平強度パターンはほとんど変化しない。
【０００６】
本発明において、平行化（コリメート）の意味は、全く平行である別々の光線によって形成されるビームに限定されない。従って、「平行化」は、装置の寸法に対してわずかな発散や収束を持ったビームをも含む。装置の要素は、ポンプスポットの強度が閾値以下に維持されるように設計、調整されなければならない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図２は、例として、特に単光路または多光路増幅器（例えば、再生増幅器）を含むレーザ源をポンピングする装置を示す。ＰＣＴ／ＥＰ００／０５３３６号に記載された図１の装置との差違は、ポンプスポットに各ダイオードエミッタによって出射される部分ビームの収束化がないことである。
【０００８】
図２は、本発明によるポンピング用レーザ装置の平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。該ポンピング用レーザ装置は、レーザダイオードアレイ１のダイオードビーム９aをほぼ平滑なスポットに収束し、該スポットはレーザ媒体の表面上に重ね画きされる。レーザ媒体が、該ポンピング用レーザ装置から得られた平滑スポットの近傍に配置される場合、吸収パワーから生じる温度分布もまた平滑になり、結果として、基本モード動作がより簡単、より効率的に行われる。
【０００９】
各ダイオードエミッタ（部分ビーム９a）によって出射したビームは、複数本の光線によって形成されるので、ダイオードレーザの出射表面にある対応する複数個の出射点からの光線として示すことができる。
【００１０】
図２に示されたレーザダイオードアレイ１は、単一チップに配置された１３個のダイオードエミッタからなる５ｍｍ幅のレーザダイオードアレイでよい。各ダイオードエミッタは２００μｍ幅で４００μｍのピッチで配置されている。垂直軸では、出射領域の高さは１μｍ程度である。各ダイオードエミッタの垂直位置は、水平面から＋／−０．５μｍ以上逸れず、＋／−０．５μｍのレーザダイオードアレイ“ｓｍｉｌｅ”に対応している。この高アスペクト（縦横）比を有する出射部からのレーザダイオード光は、図２に示されるように伝播する。
【００１１】
水平面（平面図）では、各ダイオードエミッタのレーザダイオード光（部分ビーム９ａ）は、＋／−０．５°程度の発散角で伝播する。垂直面（側面図）では、発散角は、＋／−４５°程度と大きくなることがある。０．２−１ｍｍ程度の焦点距離を持った短焦点距離円柱マイクロレンズ６は、レーザダイオードアレイ１から焦点距離に等しい距離だけ離れた位置に位置しており、レーザダイオード光（部分ビーム９ａ）の垂直軸においてダイオードエミッタから強く発散する発光をコリメートする。
【００１２】
焦点距離ｆをもつ円柱レンズ７は、レーザダイオードアレイ１からほぼ１焦点距離だけ離れている。その場合、レンズ７は、水平面において各部分ビーム９ｂをコリメートし、垂直面においてレーザダイオード光を収束することなしに（側面図）、ほぼ同一のスポットに指向する（平面図）。収束がないので、比較的低い強度をもったスポット８において比較的低アスペクト比のダイオードレーザビームが生じる。それによって、再生増幅器において高強度によって引き起こされる熱的損傷その他の問題が防止される。レーザダイオードアレイ１の幾つかのダイオードエミッタが劣化しても、全てのダイオードエミッタが同一のスポットに重ね画きされるのでスポットの水平／垂直強度パターンはほとんど変化しないという意味において、該スポット８は平滑である。
【００１３】
代替的には、円柱レンズ７は、各部分ビーム９ｂを水平面においてコリメートせずに、各ダイオードエミッタによって射出された部分ビームを、水平面内において発散又は収束して部分ビーム９ｃを成形する。ここで、部分ビーム９ｃが収束ビームの場合は、焦点は、スポット８の面内には存在せず、その面のかなり前か後に存在することに注意されたい。もし、焦点がスポット８の近傍にある場合は、スポット８において、比較的低いアスペクト比のダイオードレーザビームは生ぜず、比較的高強度のポンピングスポットとなる。
【００１４】
代替的には、上記円柱マイクロレンズ６および上記円柱レンズ７は、前記レンズとほぼ同じ機能を有する光学素子、例えば、反射素子や、ホログラフィ素子、フレネルレンズのような回折構造によって置きかえてもよい。
【００１５】
「垂直」および「水平」という用語は、レーザダイオードアレイの特定の構成によって定義される。これらの例では、ダイオードエミッタは、線形アレイ状に水平に配置されている。従って、生成ビームは、本質的に水平の範囲内の断面を有する。これらの例は、ダイオードエミッタの配置又はビームの断面を水平の構成に限定するものではない。ダイオードエミッタの異なった配向、例えば垂直線形アレイにおいては、用語はそれに応じて適切に用いられなければならない。
【００１６】
この形式の装置に対しては、１往復に対して数パーセントから最大４（すなわち４００％）までの最小の増幅で十分である。この特徴は、出射断面としてのシグマΣと上方水準の寿命としてのタウτとの積にある。この積は、小さな信号ゲイン係数に等しい。適当な値は、レーザ媒体としてのNd:YLFに対しては、8・10-24sec/cm2, Nd:YAGに対しては6・10-23sec/cm2で、Nd:バナジン酸塩の場合はほぼこれの４倍となる。信号ゲイン係数が小さいと、図２のポンピングが用いられるとき、数パーセントから最大４の因子までの範囲内で小さな信号ゲインが生じる。
【００１７】
図３（ａ）乃至（ｃ）は、光学素子の他の例と垂直面（側面図）におけるビーム形状の修正を示している。
【００１８】
図３（ａ）では、ビーム発散は、光学素子７'、例えばホログラムによって増大され、従ってスポット８'は図２のスポットに比較して垂直面において増大している。
【００１９】
図３（ｂ）では、光学素子７''、例えばフレネルレンズによって、ビームは、上記光学素子７''と上記スポット８''との距離よりかなり短い距離にある焦点に収束される。この例では、上記光学素子７''と上記スポット８''との距離は、垂直面において光学素子７''の焦点距離の２倍である。この特定の装置によれば、スポット８''は、図２のスポット８と垂直面において同一の直径を有している。
【００２０】
図３（ｃ）では、光学素子７'''、例えば垂直面と水平面とにおいて異なった焦点距離を有する非点収差レンズによって、ビームは、上記光学素子７'''と上記スポット８'''との距離よりかなり長い距離にある焦点に収束される。この例では、スポット８'''は、図２のスポットに比較して垂直面において、より小さい直径を有している。
【００２１】
図４は、適当なポンプ光ビームを発生するレーザ手段とともに用いた再生増幅器の概略図である。種レーザ源からの偏光レーザパルスは、偏光子１３によって装置に結合され、ポッケルセル１０および４分の一波長板１４を通過した後で、ミラー１１'によって反射される。ポッケルセル１０に印加された電圧に応じて、レーザビームの偏光は、偏光子１３を通過しかつ空洞に入るか、装置を離れるように回転する。パルスが共振器によって捕捉されるとき、４個のミラー１１による複数回の反射の後で、各往復の間にレーザ媒体１２において増幅される。最大のエネルギに達するのに必要なそれに続く往復の後で、レーザビームは、ポッケルセル１０による偏光の別の回転の後で偏光子１３によって装置との結合が解かれる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によって、低いアスペクト比の強度の低いレーザビームスポットが得られるので従来の再生増幅器ポンピング光源が高強度であることによって生じる熱的損傷その他の問題を解決する固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のポンピング用レーザ装置の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】  本発明によるポンピング用レーザ装置の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】  （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明による垂直面内におけるレーザ光の収束・発散の態様を示す。
【図４】  本発明のポンピング用レーザ装置を用いた再生増幅器の概略図である。
【符号の説明】
１  レーザダイオードアレイ
６  第１光学素子
７、７'、７''、７'''  第２光学素子
８、８'、８''、８'''  スポット
９ａ,９ｂ、９ｃ  部分ビーム
１０  ポッケルセル
１１  ミラー
１２  レーザ媒体
１３  偏光子
【図１】
0004053871.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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