(57)【要約】  本開示は、レーザシステムに関する。レーザシステムは、少なくとも非平坦利得媒体ディスクを有してもよい。少なくとも１つのポンプ源は、非平坦利得媒体ディスクをポンピングするビームを生成するように構成されてもよい。レーザキャビティは、ポンプ源と非平坦利得媒体ディスクとによって形成されてもよい。出力カプラは出力ビームを受け、外部部品に向けるために含まれてもよい。
2020508562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平坦利得媒体ディスクと、
前記非平坦利得媒体ディスクの凸面をポンピングするビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源と、
少なくとも１つの光学部品および前記非平坦利得媒体ディスクによって形成されるレーザキャビティと、
レーザビームが前記レーザキャビティから出ることを可能にする出力カプラと、を含むレーザシステム。
【請求項２】
前記ポンプ源からの前記ビームを受け、前記少なくとも１つの光学部品に反射して戻すためのミラーをさらに備える、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記非平坦利得媒体ディスクは、半球形の利得媒体ディスク含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光学部品は、前記半球形の利得媒体ディスクの１つの表面に固定された基板を含む、請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光学部品は、前記半球形の利得媒体ディスクが固定される表面とは反対側の前記基板の表面上に高反射コーティングをさらに含む、請求項４に記載のレーザシステム。
【請求項６】
追加のビームを生成するための追加のポンプ源と、
前記少なくとも１つの光学部品に向けて追加のビームを反射するためのミラーと、をさらに含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記非平坦利得媒体ディスクは、固体マトリックス材料を含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記固体マトリックス材料は、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ホルミウム（Ｈｏ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）、クロム（Ｃｒ）、およびチタン（Ｔｉ）から、少なくとも１つのタイプの希土類ドーパント、または少なくとも１つのタイプの遷移金属、または少なくとも１つのタイプの希土類ドーパントと少なくとも１つのタイプの遷移金属との組合せを含む、請求項７に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記非平坦利得媒体ディスクは、一緒に挟持された利得負荷マトリックス材料の複数の層を有する半球形の利得媒体ディスクを含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記半球形の利得媒体ディスクの第１の外面に適用された第１の高反射コーティングをさらに含む、請求項９に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記半球形の利得媒体ディスクの第２の外面に適用された第２の高反射コーティングをさらに含む、請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光学部品は、アクティブミラーを形成する、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの光学部品に結合されたヒートシンクをさらに含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光学部品を冷却するために、前記少なくとも１つの光学部品に供給される冷却剤をさらに含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの光学部品から出力ビームを受け、前記出力ビームを外部部品に結合するための、前記少なくとも１つの光学部品と連絡する出力カプラをさらに備える、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１６】
第１のビームを生成するように構成された第１のポンプ源と、
第２のビームを生成するように構成された第２のポンプ源と、
第１のビームを受けるための第１のミラーと、
第２のビームを受けるための第２のミラーと、
前記第１および第２のミラーから反射された前記第１および第２のビームを、その凸面上に受け、それによって非平坦薄型ディスク利得媒体を励起するための非平坦薄型ディスク利得媒体光学部品と、
共振レーザキャビティを形成するための出力カプラと、を含むレーザシステム。
【請求項１７】
前記第１および第２のミラーのうちの少なくとも１つは、半球形の薄型ディスク利得媒体を有するアクティブミラーを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
第１および第２の両方が、各々が半球形の薄型ディスク利得媒体を有するアクティブミラーを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
半球形の少なくとも１つの表面を有する薄型ディスク利得媒体と、
半球形の前記薄型ディスク利得媒体の表面に適用される高反射性コーティングと、を含む、レーザシステムのレーザキャビティを形成するのに使用される光学部品。
【請求項２０】
前記薄型ディスク利得媒体の１つの表面に固定された基板をさらに備える、請求項１９に記載の光学部品。
【請求項２１】
ポンプビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源を使用することと、
追加光学部品及び前記非平坦利得媒体ディスクのポンピングされた凸面領域との間に共振キャビティを形成する少なくとも１つの前記追加光学部品によって形成されるレーザ共振器を使用することと、
出力カプラを用いて、出力ビームを受け、外部部品に向けることと、を含むレーザ発振器システムの形成方法。
【請求項２２】
非平坦利得媒体ディスクに入射するビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源を使用することと、
前記非平坦利得媒体ディスクから１回以上跳ね返り、したがって各パスでエネルギーを獲得することによって前記非平坦利得媒体ディスクと相互作用する抽出ビームまたは信号ビームのうちの少なくとも１つを使用することと、を含むレーザ増幅器システムの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１７年１月２５日に出願された米国仮出願第６２／４５０，２２６号の利益を主張する。上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
［政府の権利に関する声明］
米国政府はＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営のために、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間での契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に基づき、本発明における権利を有する。
【技術分野】
【０００２】
本出願は、非平坦な形で形成されたディスク状の利得媒体を有するレーザシステム及び方法に関し、より詳細には、平均出力電力をスケーリング（scaling）するために横モードエリアのスケーリングを可能にする増幅自然放出の生成を低減するための手段に関する。
【背景技術】
【０００３】
本セクションは、本開示に関連する背景情報を提供する。薄型ディスクレーザは、レーザ発振キャビティの一部を形成する薄型ディスク利得媒体を利用する。薄型ディスク利得媒体は典型的には、平面（すなわち、平坦な）形状を備えている。この形状は、レーザシステムが生成する出力ビームを、熱勾配に起因する歪みが最小化された均一な出力ビームにできるようにする目的のために一般に有効であるが、特定の制限を有する。そのような制限の１つは、横方向の増幅自然放出（amplified spontaneous emission，「ＡＳＥ」）に対する平坦な薄型ディスク媒体の感受性である。横方向ＡＳＥは平坦な薄型ディスク利得媒体を使用して生成され得る出力レーザビームのスポットサイズを制限し、これは、出力レーザビームによって送達され得るパワーを制限する。別の制限は、熱誘起レンズ効果に対する平坦な薄型アクティブディスクの感受性であり、これもまたレーザ性能を制限し得る。薄型ディスクレーザの平均パワーをスケーリングするために、典型的には、ＡＳＥ防止キャップ（アンドープ屈折率整合層）を利用して、ＡＳＥの影響を緩和し、したがって、モード拡大によるパワースケーリングを可能にする。このアプローチはある点まで機能するが、最終的にはＡＳＥの有害な効果がさらなるスケーリングを制限する。したがって、従前に開発されたレーザシステムよりもさらに大きなスポットサイズを有するビームを生成することができるレーザシステムのために、レーザ技術におけるさらなる改善が必要とされている。非平坦な（湾曲した）ディスクを利用することにより、平坦な薄型ディスクレーザアーキテクチャによってサポートされる電力スケーリングを超えてさらに電力スケーリングすることが可能になる。
【発明の概要】
【０００４】
本セクションは、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【０００５】
一態様において本開示は、レーザシステムに関する。レーザシステムは、非平坦利得媒体ディスクをポンピングするビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源と、レーザキャビティとを備えることができる。レーザキャビティは、少なくとも１つの光学部品および非平坦利得媒体ディスクによって形成されることができる。これらの光学部品には、出力カプラが含まれていてもよい。
【０００６】
別の一態様において本開示は、レーザシステムに関する。レーザシステムは、第１のビームを生成するように構成された第１のポンプ源と、第２のビームを生成するように構成された第２のポンプ源と、第１のビームを受けるための第１のミラーと、第２のビームを受けるための第２のミラーとを備えることができる。レーザシステムはまた、第１および第２のミラーから反射された第１および第２のビームを受け、それによって非平坦利得媒体ディスクを励起するための非平坦薄型ディスク利得媒体光学部品を含むことができる。共振レーザキャビティを形成するために、出力カプラが含まれてもよい。
【０００７】
別の一態様において本開示は、レーザシステムのレーザキャビティを形成する際に使用するための光学部品に関する。光学部品は、半球形状を有する少なくとも１つの表面を有する薄型ディスク利得媒体を含むことができる。高反射コーティングは、アクティブミラーを構成する、半球形の薄型ディスク利得媒体の表面に適用されてもよい。光学部品はまた、利得媒体に適合した媒体屈折率および熱膨張係数からなるキャップ層を含むことができる。さらに、キャップ層は、反射防止コーティングまたは他の波長依存コーティングを含むこともできる。
【０００８】
別の一態様において本開示は、レーザ発振器システムを形成する方法に関する。この方法は、非平坦利得ミラーに入射するポンプビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源を使用することを含むことができる。この方法は、非平坦利得ミラーによって形成されたレーザキャビティと、共振キャビティを形成する少なくとも１つの追加光学コンポーネントとを使用することをさらに含むことができる。共振キャビティは、１つまたは複数の非平坦利得ミラーを含むことができる。この方法は出力カプラを使用して、出力ビームを受け、外部部品に向けることをさらに含むことができる。
【０００９】
別の一態様において本開示は、レーザ増幅器システムを形成する方法に関する。この方法は、非平坦利得媒体ディスクに入射するビームを生成するように構成された少なくとも１つのポンプ源を使用することを含むことができる。この方法は、前記利得媒体ディスクから１回以上跳ね返り、したがって各パスでエネルギーを獲得することによって、前記利得媒体ディスクと相互作用する抽出または信号ビームをさらに含むことができる。
【００１０】
さらなる適用可能エリアは、本明細書の記載から明らかになるのであろう。この概要における説明および特定の具体例は例示を目的とするものに過ぎず、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本セクションで説明される図面は、すべての可能な実施ではなく、選択された実施形態のみを例示するためのものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、装置、システム、および方法の特定の実施形態を示し、上記で与えられた一般的な説明とともに、特定の実施形態の詳細な説明は、装置、システム、および方法の原理を説明するのに役立つ。
【００１２】
図面において、：
【図１】非平坦利得媒体ディスクを組み込んだ本開示による固体レーザ装置の一例のハイレベル図を示す。
【図２】図１の非平坦利得媒体ディスクの簡略断面図を示す。
【図３】本開示の別の一実施形態によるレーザシステムを示す。
【図４】内側および外面を有する基板を有し、利得媒体を含むコーティングが内面に配置され、ＨＲコーティングが外面に配置される、本開示の薄型ディスク利得媒体の一例の側断面図を示す。
【図５】図１による固体レーザ装置の一例を示し、吸収されなかったポンプ放射をアクティブ非平坦アクティブ利得媒体に戻すように再指向させる反射ミラーを示す。
【図６】様々なドーパント濃度を有する固体マトリックス材料から成ることができ、厚さの関数として屈折率を有することができる、本開示によるアクティブミラーの一例を示す。
【図７】２つの３次元アクティブミラーによって形成された不安定なレーザアーキテクチャを表す、本開示によるレーザシステムの一例を示す。
【図８】２つの３次元アクティブミラー素子と第３出力カプラとから成るマルチアクティブミラー線形光学共振器レーザを形成する、本開示によるレーザシステムの一例を示す。
【図９】１つの外側表面４０２または４０４上に高反射（high reflection，ＨＲ）コーティングを有し、反対側表面４０４または４０２上に反射防止コーティングを有する３次元アクティブミラーの一例を示す。内部層はアクティブ媒体の少なくとも１つの層と、屈折率および熱膨張係数が整合した少なくとも１つの層とからなり、ＡＳＥ防止キャップとして作用する。
【図１０】それぞれが一定の半径（ｇ１およびｇ２でパラメータ化される）をサポートする２つのミラーを利用することによって確立され得る様々な共振器設計を例示するための安定性図を示す。１つまたは２つのアクティブミラーの利用は、本出願と整合する。
【図１１】従来技術の平坦利得媒体ディスクを示す。
【図１２】本開示の一実施形態による、湾曲利得媒体ディスクを示す。図１１と共に、従来技術の平坦利得媒体ディスクと、本開示の一実施形態による湾曲利得媒体ディスクとの間の比較を示す。
【図１３】平坦ディスクに対するＭＡＳＥ（線７０２）が一定である様子と、非平坦アクティブディスクの利用がＭＡＳＥを低減することとを示すグラフを示す。
【図１４】光子がディスクを通過し得る最長利得経路を効果的に低減することによって、最小曲率のみを有する湾曲したディスクについてＭＡＳＥがどのように減少するかを示すグラフを示す。
【図１５】より大きな曲率を有する湾曲ディスクに対してＭＡＳＥがどのように増加するかを示すグラフを示し、半球状のアクティブディスクに対して最適な半径が保証されることを実証する。
【図１６】平坦な利得媒体ディスク及び（一定の半径の）湾曲した利得媒体ディスクに対するＡＳＥ乗数対ＡＳＥ防止キャップ厚さ（ミリメートル単位）のグラフを示し、また、ＡＳＥ乗数を最小化するための湾曲した利得媒体ディスクに対する最適な半径の一例を示す。
【図１７】従来の平坦利得媒体ディスクのエリアにわたるパワー分布についての分布グラフの例を示す。
【図１８】湾曲した利得媒体ディスクのエリアにわたるパワー分布についての分布グラフの例を示し、平坦ディスクで予測されるＡＳＥパワー密度に対する最適なＡＳＥ防止キャップ厚さを有する半球状ディスクについての下部ＡＳＥパワー密度を示す。
【図１９】所与の湾曲利得媒体ディスクについて、半球状ディスクの半径を減少させることによってＡＳＥ均一性を減少させることができることを示すグラフを示す。
【図２０】湾曲利得媒体ディスクの曲率（負及び正の両方）がＭＡＳＥにどのように影響を及ぼすかを示す一対のグラフを示し、レーザ共振器＋Ｒ値は凸面鏡に対応し、−Ｒ値は凹面鏡に対応する。
【図２１】従来技術の平坦利得媒体ディスクおよび１つの光線の経路長を示す。
【図２２】湾曲利得媒体ディスクを１つの光線の経路長と共に示す。
【図２３】従来の平坦利得媒体ディスクのＡＳＥの分布の、高さに対するグラフを示す。
【図２４】凹面利得媒体ディスクのＡＳＥ乗数の分布の、高さに対するグラフを示す。
【図２５】様々な直径のポンプエリアに対する、従来の平坦利得媒体ディスクのポンプエリアに対するシングルパス利得の例を示す複数の曲線を示すグラフである。
【図２６】湾曲利得媒体ディスクがより大きなポンプエリアをどのように可能にするかの例を示すグラフである。
【図２７】湾曲利得媒体ディスクがより大きなポンプエリアをどのように可能にするかの例を示すグラフである。
【図２８】外側光学コーティング（波長依存反射／反射防止表面として働く）を特徴とする多層基板を有する湾曲（凸状）ミラーを示し、多層は屈折率および熱膨張係数が整合し、ミラーの中央部分内に画定された利得媒体を有する。利得媒体は半径方向とミラーの中央部分との両方に画定され、レーザ共振器によってサポートされるモード構成要素の閉じ込め係数をオフセットすることによって、パワースケーリングのための基本モード動作に有利に働く利得調整を可能にする。
【図２９】レーザ増幅器として動作するように構成された湾曲アクティブディスクミラーを示す。
【００１３】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、添付の図面を参照して、例示的な実施形態をより完全に説明する。
【００１５】
図面、以下の詳細な説明、および組み込まれた材料を参照して、装置、システム、および方法に関する詳細な情報が、特定の実施形態の説明を含んで、提供される。詳細な説明は、本明細書に記載される装置、システム、および方法の原理を説明するのに役立つ。本明細書に記載される装置、システム、および方法は、変更物および代替形態を受け入れることができる。本出願は、開示された特定の形態に限定されない。本出願は、特許請求の範囲によって定義される装置、システム、および方法の精神および範囲内にあるすべての変更物、均等物、および代替物を包含する。
【００１６】
本発明は、利得媒体内の自然放出相互作用長を低減することによってＡＳＥの有害な影響をさらに低減するために、利得および屈折率が調整された多層（複合材料）非平坦（湾曲）ディスクを利用する。これにより、従来のディスクレーザアーキテクチャを利用して達成可能なものを超えて、レーザのパワー出力を実質的にスケーリングすることが可能になる。
図１を参照すると、本開示による固体レーザ装置１０の一例が示されている。この例の装置１０は、この例ではダイオードポンプレーザ１４および１６として示されている一対のポンプ源によって照射される半球状の薄型ディスク利得媒体１２を使用する。出力カプラ１８は薄型ディスク利得媒体１２と共に、レーザ発振キャビティを形成する。薄型ディスク利得媒体を冷却するために、冷却剤２０を薄型ディスク利得媒体１２に供給することができる。
【００１７】
湾曲した薄型ディスク利得媒体１２は図２にハイレベルの形で示されており、外面２４と、内面２６と、利得媒体２８と、利得媒体コーティング２８を覆う高反射（high reflection，「ＨＲ」）コーティング３０とを有する基板部分２２を含むことができる。ダイオードポンプレーザ１４，１６は、薄型ディスク利得媒体１２の外面２４を通して薄型ディスク利得媒体の頂点３１にスポットを照射するポンプレーザビーム１４ａ，１６ａを提供し、光利得を提供することができる励起状態を生成する。共振レーザキャビティは、頂点３１における励起レーザ利得媒体２８と出力カプラ１８との間に形成され、出力カプラ１８ポートを介してデバイスから出ることができるレーザビームを形成する。基板部分２２および利得媒体２８は、層間の反射および応力を低減するように整合された屈折率および熱膨張係数である。湾曲構成の薄型ディスク利得媒体１２は、横方向ＡＳＥを低減するのに役立ち、任意の所与のレーザシステムでさらに大きなスポットサイズを生成することを可能にすることができる。湾曲構成の薄型ディスク利得媒体１２はまた、より良好なモード選択を可能にすることができ、また、本質的により強くより頑強でありことができ、したがって、熱によって誘発される変形に対してより抵抗性があることができる。
【００１８】
図３は、本開示の別の一実施形態によるレーザシステム５０を示す。この例では、半球状の薄型ディスク利得媒体５２が、この例ではダイオードポンプレーザ５４として示されている第１ポンプ源からのポンプビーム５４ａと、ダイオードポンプレーザ５６として示されている第２ポンプ源からのレーザビーム５６ａとを介してエネルギーを受け取る。レーザビーム５４ａ，５６ａは、薄型ディスク利得媒体５２を励起する。励起された薄型ディスク利得媒体領域と、ＨＲコーティング７２と、出力カプラ６０とを含む共振レーザキャビティ内に出力ビーム５８が形成される。出力ビームの形態の光エネルギーは、出力カプラ６０を通ってキャビティから出る。冷却剤６２を薄型ディスク利得媒体５２に供給して冷却することができる。
【００１９】
図４を参照して、この例の薄型ディスク利得媒体５２は、内面６６および外面６８を有する基板６４を有する。利得媒体を含むコーティング７０が内面６６上に配置され、ＨＲコーティング７２が外面６８上に配置される。以下に説明するように、この構成（すなわち、レーザ共振器の幾何学的形状に対するディスクの曲率方向）は、平坦ディスクの場合よりもＡＳＥを低減する利益を提供しない場合がある。しかし、この構成は、いくつかの特定のレーザ構成のための改善された光学アライメントなど、他の利点を有することができる。この例は非平坦薄型ディスク形状の例の範囲に含まれるが、パワーおよびエネルギーのスケーリングのための曲率の最適な選択ではない場合がある。
【００２０】
図５を参照すると、図１の実施形態による固体レーザ装置１００が示されている。この例では、装置１００が、レーザ共振器を形成する非平坦アクティブミラー１０１と出力カップリングミラー１０２とを備えている。アクティブ半球状ミラー１０１は、外部ポンプ源（１０３）によって光学的にポンピングされる。アクティブ半球状ミラー１０１はポンプエネルギーを吸収し、レーザ共振器内に放射を再放出する。アクティブ半球状ミラー１０１によって反射されたポンプビームは、反射器１０４によってアクティブ半球状ミラーに戻され、ポンプ吸収効率を高める。
【００２１】
図６を参照すると、ある距離だけ分れた、したがって、光学共振器（例えば、安定、不安定、線形、リングなど）を形成する２つの光学ミラー６０１，６０２から構成される固体レーザ装置６００が図示されている。ミラー６０１は、非平坦活性ミラーを備え、少なくとも１つの光学的アクティブ層と、複数の光学コーティング層と、１つのＡＳＥ防止層とを含む複数の層から構成されてもよい。一構成では、これらの層は、図６に示されるように、外側の高反射コーティング６０５と、光学利得を提供することができる光学アクティブ層６０６と、ＡＳＥ防止キャップ層６０７と、反射防止コーティング６０８とを含む。他の構成および数の層も可能である。光学アクティブ媒体６０１を含む非平坦光学ミラー６０１の３次元形状は、半球状または他の３次元湾曲形状、例えば、楕円、放物線などの形態であってもよく、アクティブミラー６０１の凹（−Ｒ）または凸（＋Ｒ）方向いずれかを含むことができる特定の共振器設計に適用可能である。図２０を参照すると、＋Ｒつまり凸曲率を有するアクティブミラーはＡＳＥの有害な影響を軽減するのに有益であり、一方、凹面ミラー（−Ｒ）はＡＳＥ軽減に有益ではない場合があるが、しかし、他の共振器構成（すなわち、凸面アクティブミラーによってサポートされない安定な幾何学的形状）および／またはパラメトリック感度、例えば、ミラーの位置ずれ、または熱変化、または他の要因に有益である場合がある。
【００２２】
図７は、２つの３次元アクティブミラー２０２，２０４によって形成される不安定なレーザアーキテクチャを表すレーザシステム２００を示す。この例では、３次元アクティブミラー２０２、２０４は各々、半球形状に形成されており、ミラーとしても利得媒体としても動作する。
【００２３】
図８は、２つの３次元アクティブミラー素子３０２，３０４からなるマルチアクティブミラー線形光共振器レーザを形成するレーザシステム３００を示す。冷却剤３１２，３１４は、アクティブミラー素子３０２，３０４の両方に供給することができる。この場合も、アクティブミラー素子３０２，３０４の各々は、ミラーおよび利得媒体の両方として動作する。素子３０６は、この構成においてレーザ共振器の出力カプラを形成する。
【００２４】
三次元アクティブミラー２０２、２０４、３０２、３０４または薄型ディスク利得媒体１２、５２、１０６を作製するために使用される固体マトリックスは、それぞれ、均一な利得負荷マトリックス、または様々な希土類添加物濃度および屈折率の別個の層からなる多層マトリックスを含み得る。希土類添加物はエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ホルミウム（Ｈｏ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびルテチウム（Ｌｕ）のうちの１つまたは複数を含むことができるが、これらに限定されない。クロム（Ｃｒ）およびチタン（Ｔｉ）等の遷移金属もまた、含まれ得る。
【００２５】
図９が示す一例の３次元アクティブミラー４００は、その内面または外面にＨＲ／ＡＲコーティング４０２，４０４（この光学コーティングは共振器性能のために均一または調整されている）を有し、少なくとも１つの光学的なアクティブ層および少なくとも１つの屈折率整合ＡＳＥ防止キャップ層からなる利得負荷マトリックスの３つの別個の層４０６〜４１０を有する。より多くのまたはより少ない数のマトリックス層が含まれてもよく、したがって、図９に示される３つのマトリックス層４０６〜４１０の使用は、ゲイン負荷マトリックスがどのように実施され得るかの単なる一例であることが理解されるのであろう。添加物濃度は、ＡＳＥを低減し、利得およびモード閉じ込めを調整するように調整することができ、一方、層４０６〜４１０の厚さおよび屈折率は、モード構成要素、熱放散、ポンプ効率、構造剛性、および他の設計または動作上の考慮事項に合わせて調整することができる。
【００２６】
［追加設計の考慮事項］
図１０を参照すると、安定性ダイアグラム５００は、距離Ｌだけ離れた半径Ｒ１，Ｒ２の２つの球面ミラーからなるレーザ共振器に対して生成され得る様々なビームパターンを示すために示されている。安定性基準は、ｇ１＝１−Ｌ／Ｒ１およびｇ２＝１−Ｌ／Ｒ２として、ｇ１＊ｇ２の積が０と１との間になると定義される。本発明は、半径Ｒ２の第２ミラーに結合されたときの半径Ｒ１の非平坦アクティブミラーに関して、単一または二重アクティブミラーを特徴とする安定および不安定レーザ共振器アーキテクチャの両方に適用可能である。図１０の斜線領域内に入るミラー構成は、安定したレーザ共振器アーキテクチャに関係する。この領域外のものは不安定であると考えられる。
【００２７】
図１１および図１２を参照すると、周知の平坦利得媒体ディスク６００（図１１）と本開示の一実施形態による湾曲利得媒体ディスク６０２との比較が示されている。
【００２８】
図１３〜１５を参照すると、ＡＳＥをパラメータ化するための考察が示されている。ＡＳＥ乗数（ASE multiplier，「ＭＡＳＥ」）は、自然放出された光子のパワーを、図１４のディスク８００または図１５のディスク９００などの非平坦ディスクの利得領域によって増幅する係数であることが理解されるであろう。ＭＡＳＥは多数の光線をランダムな位置からランダムな方向に発射し、利得媒体から出てくる全パワーを合計することによって計算され、利得媒体を光線が通過するたびに、ＡＳＥパワーはｅｇＬだけ増加する。ローカルＭＡＳＥは、利得媒体のいくつかのサブ領域を出る総正味電力を見つけることによっても計算することができる。必要であれば、空間利得変動を組み込むことができる。図１３は、非平坦な場合との単純な比較を提供するためにプロットにおいて一定の線として示される、平坦なディスクのＭＡＳＥ（線７０２）の様子を図示するグラフ７００を示す。非平坦形状（この特定の場合には半球形）では、ＭＡＳＥはディスク７０４の曲率半径の関数である。グラフ７００はさらに、最適な非平坦利得媒体半径がこの減少を最大にし（部分７０４ａ）、湾曲半径のさらなる増加が効果を減少させる（部分７０４ｂ）ことを示す。
【００２９】
図１６は、平坦な利得媒体ディスクおよび最適な曲率半径の湾曲利得媒体ディスクに対する、ＡＳＥ乗数対ＡＳＥ防止キャップ厚さ（ミリメートル単位）のグラフ１０００を示す。最適な曲率半径の湾曲利得媒体ディスクについては、所与のＡＳＥキャップ厚さに対して、最適な半径が計算され、その値を右側の垂直軸との比較によって決定できる緑色三角形としてプロットされている。図１６はまた、湾曲した利得媒体ディスクに対するＡＳＥキャップ厚さを増加させることが、ＡＳＥ乗数（その値を左側の垂直軸から決定できる赤色正方形）を最小化し続けるのに対して、平坦な場合、ＡＳＥキャップの利益はＡＳＥキャップ厚さの増加に伴って増加しない（その値を左側の垂直軸から決定できる青色菱形）ことを示す。グラフ１０００は、より厚いＡＳＥ防止キャップを有する平坦なディスクと比較して、湾曲した所与の利得媒体ディスクのためのより厚いキャップがＡＳＥを大幅に低減できる様子を示す。
【００３０】
図１７および図１８は、図１７に示されるような従来の平坦利得媒体ディスク１１００対図１８に示される湾曲利得媒体ディスク１２００の、領域にわたるパワー分布についてグラフ分布を示す。この例で図１８は、利得媒体ディスク１２００が７９．１ｍｍの最適半径および１ｍｍのキャップ厚さを有する場合に、ＡＳＥが湾曲利得媒体ディスク１２００の表面の約７０％〜８０％にわたって均一であることを示す。湾曲ディスクのＡＳＥ強度の均一性は、同等の幾何学的形状を有する平坦ディスクの均一性よりも３〜４倍改善される。図１９は、所与の湾曲した利得媒体ディスクについて、図１３および図１６に関して上述した限界によって制約されて、所与のＡＳＥ防止キャップに対するディスクの半径を減少させることによって、ＡＳＥをさらに減少させることができることを示すグラフ１３００を示す。
【００３１】
図２０は、湾曲利得媒体ディスクの曲率（負および正の両方）がＭＡＳＥにどのように影響し得るかを示すための一対のグラフ１４００および１４０２を示す。曲線１４００は、１ｍｍの厚さを有する湾曲利得媒体ディスクのキャップに対するＡＳＥ乗数を表し、曲線１４０２は４ｍｍの厚さを有する湾曲利得媒体ディスクのキャップに対するＡＳＥ乗数を表す。図２０は、この構成の利益が、ゼロより大きい曲率半径の薄いディスクに対してのみ生じることを示し、ここで、正および負の曲率は上記で定義される通りである。
【００３２】
図２１は、従来技術の平坦利得媒体ディスク１５００と、該ディスクを通る１つの光線の経路長１５００ａとを示し、これに対して、図２２は、湾曲利得媒体１５０２を、該ディスクを通る１つの光線１５０２ａの経路長と共に示す。この例では、経路ＡＳＥ乗数が、湾曲利得媒体ディスク１５０２に対して著しく大きい。
【００３３】
図２３は、高さに対する従来の平坦利得媒体ディスクのＡＳＥの分布のグラフ１６００を示し、これに対し、図２４は、高さに対する凹面利得媒体ディスクのＡＳＥ乗数の分布のグラフ１６０２を示す。
【００３４】
図２５は、異なる直径のポンプ領域について、従来の平坦利得媒体ディスクのポンプ領域に対するシングルパス利得の例を示す複数の曲線を図示したグラフ１７００を示す。図２６および図２７は、それぞれグラフ１８００および１９００を示し、これらのグラフは、湾曲利得媒体ディスクがより大きなポンプ領域をどのように可能にするかの例を示す。
【００３５】
本開示の別の一実施形態による湾曲ディスク２０００が、図２８に示されている。この例における湾曲ディスク２０００は、基板部分２００２と、利得調整部分２００４を形成する層とを含む、屈折率および利得調整された多層複合アクティブミラーを含む。利得調整部分を形成する層、すなわち利得調整部分２００４は、部分２００４ａおよび部分２００４ｂによって集合的に形成され得、任意選択的に、３つ以上の別個の部分が設けられてもよい。光学コーティングはまた、それぞれ、内側表面２００５および外側表面２００１の上に使用され得る。部分２００４ａ，２００４ｂのうちの１つまたは複数は、湾曲ディスク２０００を形成する湾曲シェルの中央部分内に画定されたアクティブ媒体を含むことができる。複合ミラー層２００２、２００４ａ、２００４ｂは、層間の光反射を最小限に抑え、熱的効果に関連する応力を軽減するために、熱膨張係数および屈折率に関して整合させることができる層を形成する。アクティブ媒体（すなわち、光ポンピングによって活性化される光増幅が可能な媒体の層）を湾曲円板２０００の中央部分に制限することにより、パワースケーリングのための基本モード（またはモードのサブセット）動作に有利なように、より高次のモードの閉じ込め係数をオフセットすることによるモード調整が可能になる。
【００３６】
図２９には、レーザ増幅器として動作するように構成された湾曲アクティブディスクミラー２９００が示されている。ポンプ源２９０１を介した光励起の下で、ポンプ放射は、湾曲ディスクによって反射されたポンプ放射（反射されたポンプビーム）の部分を再指向する一連の反射器２９０２を介して、アクティブ湾曲ディスク２９０３に反射して戻され、それによって、湾曲ディスクのポンプ吸収効率を増大させる。ポンプビームは、アクティブポンプディスク２９０３（すなわち、アクティブ素子）によって吸収され、誘導放出によって再放出されて、入射レーザ放射を増幅し、より高い光パワーの出力レーザビーム２９０４を形成する。
【００３７】
様々な実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提供された。これは、網羅的であること、または本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は一般に、その特定の実施形態に限定されず、適用可能な場合、特に図示または説明されていなくても、交換可能であり、選択された実施形態で使用することができる。同じことは、多くの方法で変形されることもできる。そのような変形は本開示からの逸脱とみなされるべきではなく、すべてのそのような修飾は本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【００３８】
上記の説明は多くの詳細および詳述を含むが、これらは本出願の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、装置、システム、および方法の現在好ましい実施形態のいくつかの例示を提供するものとして解釈されるべきである。本特許文献に記載および例示されているものに基づいて、他の実施例、拡張例、および変形例を行うことができる。本明細書で説明される実施形態の特徴は、方法、装置、モジュール、システム、およびコンピュータプログラム製品のすべての可能な組合せで組み合わせることができる。別個の実施形態の文脈で本特許文献に記載されている特定の特徴を、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で説明される様々な特徴を、複数の実施形態で別々に、または任意の適切なサブコンビネーションで実施することもできる。さらに、特徴は、特定の組合せで動作するものとして上述され、そのようなものとして最初に請求されてもよいが、請求された組合せからの１つまたは複数の特徴を場合によっては、組合せから切り出すことができ、請求された組合せをサブコンビネーションまたはサブコンビネーションの変形を対象とすることができる。同様に、動作は特定の順序で図面に描かれているが、これは望ましい結果を達成するために、そのような動作が示されている特定の順序で、または連続した順序で実行されること、あるいは図示されているすべての動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきでは無い。さらに、上述の実施形態における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実施形態においてそのような分離を必要とすると理解されるべきではない。
【００３９】
したがって、本出願の範囲は、当業者に明らかになり得る他の実施形態を完全に包含することが理解されるのであろう。特許請求の範囲において、単数形の要素への言及は明示的にそのように述べられていない限り、「１つおよび１つのみ」を意味することを意図しておらず、むしろ「１つ以上」を意味することを意図している。当業者に知られている上述の実施形態の要素に対するすべての構造的および機能的等価物は、参照によって本明細書に明確に組み込まれ、本特許請求の範囲によって包含されることが意図される。さらに、デバイスが、本発明の装置、システム、および方法によって解決されることが求められるすべての各問題に対処する必要はなく、本発明の特許請求の範囲によって包含される必要もない。さらに、本開示におけるどの素子または構成素子も、その素子または構成素子が特許請求の範囲に明示的に列挙されているかどうかにかかわらず、公衆に専用であることが意図されていない。ここでの請求項の要素は、その要素が「のための手段」の句を使用して明確に列挙されていない限り、合衆国法典第３５巻の第１１２条の第６段落の規定に基づいて解釈されるべきではない。
【００４０】
装置、システム、および方法は、様々な修正および代替形態を受け入れることができるが、一方、特定の実施形態が例として図面に示されており、本明細書で詳細に説明されている。
しかし、本出願は、開示された特定の形態に限定されることを意図されるものではないことを理解されたい。むしろ、本出願は、以下の添付の特許請求の範囲によって定義される本出願の精神および範囲内に入るすべての修正、均等物、および代替物を包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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