JP2003218438A - 球面収差を持つ高輝度レーザー発振器 - Google Patents
球面収差を持つ高輝度レーザー発振器Info
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 負の球面収差を持つレーザー発振器を提供す
る。 【解決手段】 レーザー発振器（１０）は反射能ミラー
（１４）及び出力カップラーミラー（２４）を含む。二
つのゲイン媒体（１６、２２）は、反射能ミラー（１
４）と出力カップラーミラー（２４）との間に配置され
ており、これらの媒体の各々にエネルギをポンピング
し、反射能ミラー（１４）と出力カップラーミラー（２
４）との間でレーザー発振を発生する。二つのゲイン媒
体（１６、２２）の各々は、作動中、熱応力及び機械的
応力により形成される合焦強度を有する。レーザー発振
器（１０）は、二つのソリッドステートゲイン媒体（１
６、２２）間に配置されたレンズシステム（１８）を更
に含み、二つの媒体（１６、２２）の合焦強度の積と等
しいか或いはそれ以上の合焦強度を有する。レーザー発
振器には偏光回転子（２０）が更に含まれており、この
回転子は、二つのゲイン媒体（１６、２２）間に配置さ
れている。
る。 【解決手段】 レーザー発振器（１０）は反射能ミラー
（１４）及び出力カップラーミラー（２４）を含む。二
つのゲイン媒体（１６、２２）は、反射能ミラー（１
４）と出力カップラーミラー（２４）との間に配置され
ており、これらの媒体の各々にエネルギをポンピング
し、反射能ミラー（１４）と出力カップラーミラー（２
４）との間でレーザー発振を発生する。二つのゲイン媒
体（１６、２２）の各々は、作動中、熱応力及び機械的
応力により形成される合焦強度を有する。レーザー発振
器（１０）は、二つのソリッドステートゲイン媒体（１
６、２２）間に配置されたレンズシステム（１８）を更
に含み、二つの媒体（１６、２２）の合焦強度の積と等
しいか或いはそれ以上の合焦強度を有する。レーザー発
振器には偏光回転子（２０）が更に含まれており、この
回転子は、二つのゲイン媒体（１６、２２）間に配置さ
れている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全体としてレーザ
ー発振器（ｌａｓｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に関
し、更に詳細には、負の球面収差を持つレーザー発振器
に関する。
ー発振器（ｌａｓｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に関
し、更に詳細には、負の球面収差を持つレーザー発振器
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ロッド形状に基づく高出力ソリッドステ
ートレーザーは、レンズ、ミラー、又はガウシアンアパ
ーチャ等の一連のエレメントを含むレーザー発振器を使
用する。これらの構成要素は、ビームが往復中にこれら
の構成要素を遭遇する度毎にビーム特性（スケールサイ
ズ（ｓｃａｌｅ ｓｉｚｅ）や波面曲線等）を変化させ
る。安定したレーザー発振器は、特定のビームを発生
し、発生したビームを、スケール及び曲線を変えずに、
その最初の位置に戻す発振器である。所与のレーザー発
振器について、一つのこのようなビームを最大にでき
る。
ートレーザーは、レンズ、ミラー、又はガウシアンアパ
ーチャ等の一連のエレメントを含むレーザー発振器を使
用する。これらの構成要素は、ビームが往復中にこれら
の構成要素を遭遇する度毎にビーム特性（スケールサイ
ズ（ｓｃａｌｅ ｓｉｚｅ）や波面曲線等）を変化させ
る。安定したレーザー発振器は、特定のビームを発生
し、発生したビームを、スケール及び曲線を変えずに、
その最初の位置に戻す発振器である。所与のレーザー発
振器について、一つのこのようなビームを最大にでき
る。
【０００３】レーザー発振器が、パワー（焦点距離の逆
数）が可変のレンズを含む場合には、レンズのパワーの
小さな変化により、レーザー発振器によって支持された
ビームのスケールサイズが変化する。この変化は、レン
ズのパワーが上がるにつれてビームスケールを増大させ
る変化である。レンズのパワーに従ってビームスケール
を増大するレーザー発振器は、「正の傾き（ｓｌｏｐ
ｅ）」を持つと呼ばれ、レンズのパワーに従ってビーム
スケールを減少するレーザー発振器は、「負の傾き（ｓ
ｌｏｐｅ）」を持つと呼ばれる。
数）が可変のレンズを含む場合には、レンズのパワーの
小さな変化により、レーザー発振器によって支持された
ビームのスケールサイズが変化する。この変化は、レン
ズのパワーが上がるにつれてビームスケールを増大させ
る変化である。レンズのパワーに従ってビームスケール
を増大するレーザー発振器は、「正の傾き（ｓｌｏｐ
ｅ）」を持つと呼ばれ、レンズのパワーに従ってビーム
スケールを減少するレーザー発振器は、「負の傾き（ｓ
ｌｏｐｅ）」を持つと呼ばれる。
【０００４】高いビーム品質（ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔ
ｙ）及び効率を達成する従来技術のレーザー発振器は、
正の傾きを持つ傾向がある。高いビーム品質及び効率の
ために設計されたそれらのレーザー発振器は、スケール
サイズが無限になる安定性上限近くで作動することによ
って、大きなビームスケールサイズをロッドで達成す
る。上限（ロッドの合焦力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ）
に関する）では、レーザー発振器の傾きは正であり、下
限では負である。上限での作動により、レーザーのポン
ピング出力を減少でき（ロッドの合焦力がポンピング出
力と比例するため）、それでも安定している。これは、
レーザー共振器の整合にとって便利である。更に、正の
傾きを持つこれらのレーザー発振器では、経時変化によ
る劣化がレーザー共振器を不安定にすることはない。し
かしながら、このような高出力ソリッドステートレーザ
ーは、大きな球面収差、レンジング（ｌｅｎｓｉｎ
ｇ）、及び歪複屈折を被る。
ｙ）及び効率を達成する従来技術のレーザー発振器は、
正の傾きを持つ傾向がある。高いビーム品質及び効率の
ために設計されたそれらのレーザー発振器は、スケール
サイズが無限になる安定性上限近くで作動することによ
って、大きなビームスケールサイズをロッドで達成す
る。上限（ロッドの合焦力（ｆｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ）
に関する）では、レーザー発振器の傾きは正であり、下
限では負である。上限での作動により、レーザーのポン
ピング出力を減少でき（ロッドの合焦力がポンピング出
力と比例するため）、それでも安定している。これは、
レーザー共振器の整合にとって便利である。更に、正の
傾きを持つこれらのレーザー発振器では、経時変化によ
る劣化がレーザー共振器を不安定にすることはない。し
かしながら、このような高出力ソリッドステートレーザ
ーは、大きな球面収差、レンジング（ｌｅｎｓｉｎ
ｇ）、及び歪複屈折を被る。
【０００５】他方、ビーム安定性の下限近くで作動する
現在のレーザー発振器（即ち負の傾きのレーザー発振
器）は、出力閾値が比較的高い。しかしながら、これら
のレーザー発振器は、低い出力では作動させることがで
きず、経時変化によりレーザー発振器を不安定にしてし
まう。
現在のレーザー発振器（即ち負の傾きのレーザー発振
器）は、出力閾値が比較的高い。しかしながら、これら
のレーザー発振器は、低い出力では作動させることがで
きず、経時変化によりレーザー発振器を不安定にしてし
まう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】かくして、安定性の下
限近くで作動する、高出力で高品質のビームを出力する
ソリッドステートレンズが必要とされている。
限近くで作動する、高出力で高品質のビームを出力する
ソリッドステートレンズが必要とされている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、反射能ミラー
及び出力カップラーミラーを持つレーザー発振器であ
る。二つのゲイン媒体が反射能ミラーと出力カップラー
ミラーとの間に配置されている。ゲイン媒体にエネルギ
をポンピングし、反射能ミラーと出力カップラーミラー
との間でレーザー発振を発生する。ゲイン媒体の各々
は、作動中、熱応力及び機械的応力により形成される合
焦強度（ｆｏｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する。レ
ーザー発振器は、更に、二つのゲイン媒体間に配置され
たレンズシステムを含む。レンズシステムの合焦強度
は、二つのゲイン媒体の合焦強度の積とほぼ等しいか或
いはそれ以上である。二つのゲイン媒体間に偏光回転子
（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ）が更に
配置されている。
及び出力カップラーミラーを持つレーザー発振器であ
る。二つのゲイン媒体が反射能ミラーと出力カップラー
ミラーとの間に配置されている。ゲイン媒体にエネルギ
をポンピングし、反射能ミラーと出力カップラーミラー
との間でレーザー発振を発生する。ゲイン媒体の各々
は、作動中、熱応力及び機械的応力により形成される合
焦強度（ｆｏｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する。レ
ーザー発振器は、更に、二つのゲイン媒体間に配置され
たレンズシステムを含む。レンズシステムの合焦強度
は、二つのゲイン媒体の合焦強度の積とほぼ等しいか或
いはそれ以上である。二つのゲイン媒体間に偏光回転子
（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ）が更に
配置されている。
【０００８】レンズシステムは、レーザー発振器を強制
的に負の傾きにする負の倍率のレンズシステムである。
反射能ミラーは、好ましくは変化する。かくして、レー
ザー発振器は、球面収差を含む高出力を達成できる。
的に負の傾きにする負の倍率のレンズシステムである。
反射能ミラーは、好ましくは変化する。かくして、レー
ザー発振器は、球面収差を含む高出力を達成できる。
【０００９】本発明の以上の概要は、本発明の各実施例
又は全ての特徴を表そうとするものではない。これは、
添付図面及び以下の詳細な説明の目的である。本発明の
以上の及び他の利点は、以下の詳細な説明を読み、添付
図面を参照することにより明らかになるであろう。
又は全ての特徴を表そうとするものではない。これは、
添付図面及び以下の詳細な説明の目的である。本発明の
以上の及び他の利点は、以下の詳細な説明を読み、添付
図面を参照することにより明らかになるであろう。
【００１０】本発明には様々な変形及び変更を行うこと
ができるが、特定の実施例を例として添付図面に示し、
以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明は開示の
特定の形態に限定されないということは理解されるべき
である。というよりはむしろ、本発明は、添付の特許請
求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲内の
全ての変更、等価物、及び変形例を含もうとするもので
ある。
ができるが、特定の実施例を例として添付図面に示し、
以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明は開示の
特定の形態に限定されないということは理解されるべき
である。というよりはむしろ、本発明は、添付の特許請
求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲内の
全ての変更、等価物、及び変形例を含もうとするもので
ある。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、ソリッドステートレーザ
ー発振器１０のブロックダイヤグラムである。レーザー
発振器１０は、反射率が高いミラー１４、第１ゲイン媒
体１６、モード制御レンズ１８、偏光回転子２０、第２
ゲイン媒体２２、及び出力カップラーミラー２４を含
む。
ー発振器１０のブロックダイヤグラムである。レーザー
発振器１０は、反射率が高いミラー１４、第１ゲイン媒
体１６、モード制御レンズ１８、偏光回転子２０、第２
ゲイン媒体２２、及び出力カップラーミラー２４を含
む。
【００１２】第１及び第２のゲイン媒体１６、２２は、
軸線Ａ１上に実質的に中心を持つ円筒形ロッドであり、
このロッドは、二つの端面２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２
８ｂ及び円筒形外面３０ａ、３０ｂを有する。第１及び
第２のゲイン媒体１６、２２は、ネオジムをドーピング
したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎｄ：
ＹＡＧ）等の様々な種類の一般的に使用されている媒体
のうちの一つでよい。第１及び第２のポンプチャンバ３
２、３４の夫々によってエネルギを第１及び第２のゲイ
ン媒体１６、２２内にポンピングする。第１及び第２の
ポンプチャンバ３２、３４の各々は、第１及び第２のゲ
イン媒体１６、２２の各々に吸収されるべき光学エネル
ギを発生する光学エネルギ源を含む。光学エネルギ源
は、二つのゲイン媒体１６、２２の円筒形外面３０ａ、
３０ｂ内に光学的エネルギを放出するように形成されて
いる。
軸線Ａ１上に実質的に中心を持つ円筒形ロッドであり、
このロッドは、二つの端面２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２
８ｂ及び円筒形外面３０ａ、３０ｂを有する。第１及び
第２のゲイン媒体１６、２２は、ネオジムをドーピング
したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎｄ：
ＹＡＧ）等の様々な種類の一般的に使用されている媒体
のうちの一つでよい。第１及び第２のポンプチャンバ３
２、３４の夫々によってエネルギを第１及び第２のゲイ
ン媒体１６、２２内にポンピングする。第１及び第２の
ポンプチャンバ３２、３４の各々は、第１及び第２のゲ
イン媒体１６、２２の各々に吸収されるべき光学エネル
ギを発生する光学エネルギ源を含む。光学エネルギ源
は、二つのゲイン媒体１６、２２の円筒形外面３０ａ、
３０ｂ内に光学的エネルギを放出するように形成されて
いる。
【００１３】作動中、第１及び第２のゲイン媒体１６、
２２は、熱応力及び機械的応力によって生じる焦点距離
を有する。第１及び第２のゲイン媒体１６、２２は、モ
ードと呼ばれる様々な強さ分布（プロフィル）の別個の
ビームからなる群を発生する。これらのモードは、一般
的にはビーム品質及び合焦性が異なる。高次のモード
は、横方向の拡がりが大きい（即ち広幅である）ため、
ビーム品質が低下している。高次のモードをフィルタ除
去するため、第１及び第２のゲイン媒体１６、２２は、
それ自体が、低次の高品質のビームを発振できるように
する制限アパーチャとして作用する。高次のモードは、
全ての発振毎に減損し、最終的には消滅に至る。
２２は、熱応力及び機械的応力によって生じる焦点距離
を有する。第１及び第２のゲイン媒体１６、２２は、モ
ードと呼ばれる様々な強さ分布（プロフィル）の別個の
ビームからなる群を発生する。これらのモードは、一般
的にはビーム品質及び合焦性が異なる。高次のモード
は、横方向の拡がりが大きい（即ち広幅である）ため、
ビーム品質が低下している。高次のモードをフィルタ除
去するため、第１及び第２のゲイン媒体１６、２２は、
それ自体が、低次の高品質のビームを発振できるように
する制限アパーチャとして作用する。高次のモードは、
全ての発振毎に減損し、最終的には消滅に至る。
【００１４】第１及び第２のゲイン媒体１６、２２がＮ
ｄ：ＹＡＧでできている場合、光学エネルギを約８０８
ｎｍの波長で第１及び第２のゲイン媒体１６、２２にポ
ンピングする。これは、代表的には、ポンプチャンバ３
２及び３４でのエネルギ源としてＡｌＧａＡｓレーザー
ダイオードを使用することによって行われる。
ｄ：ＹＡＧでできている場合、光学エネルギを約８０８
ｎｍの波長で第１及び第２のゲイン媒体１６、２２にポ
ンピングする。これは、代表的には、ポンプチャンバ３
２及び３４でのエネルギ源としてＡｌＧａＡｓレーザー
ダイオードを使用することによって行われる。
【００１５】Ｎｄ：ＹＡＧゲイン媒体１６、２２は、負
の球面収差を有し、これは特に、ポンピングされたエネ
ルギの強さが、中央軸線Ａのところで、この軸線から離
れたところよりも大きい場合に顕著であるダル。かくし
て、ゲイン媒体１６、２２の合焦強度（ｆｏｃａｌ ｓ
ｔｒｅｎｇｔｈ）は、中央軸線Ａからの距離が大きくな
るにつれて減少する。レーザー発振器１０が負の球面収
差を有する場合には、レーザー発振器１０は、負又は正
の傾き（スロープ）を有し得る。レーザー発振器の傾き
が正である場合には、負の収差によりレンズの有効パワ
ーが減少するため、高次のモードのスケールサイズが小
さくなる。しかしながら、共振器の傾きが負である場合
には、高次のモードはスケールサイズが大きくなる。高
次のモードについてのスケールサイズを小さくすること
によって、これらのモードの多くが所与のアパーチャ内
に存在することを許容することができる。高次のモード
のスケールサイズを大きくすることにより、これらの低
品質のモードをなくしてビームの全体としての品質を改
善する上でアパーチャを更に効果的にする。かくして、
「負の傾き」を持つことによって、「正の傾き」を持つ
場合よりも良好な結果をもたらす。
の球面収差を有し、これは特に、ポンピングされたエネ
ルギの強さが、中央軸線Ａのところで、この軸線から離
れたところよりも大きい場合に顕著であるダル。かくし
て、ゲイン媒体１６、２２の合焦強度（ｆｏｃａｌ ｓ
ｔｒｅｎｇｔｈ）は、中央軸線Ａからの距離が大きくな
るにつれて減少する。レーザー発振器１０が負の球面収
差を有する場合には、レーザー発振器１０は、負又は正
の傾き（スロープ）を有し得る。レーザー発振器の傾き
が正である場合には、負の収差によりレンズの有効パワ
ーが減少するため、高次のモードのスケールサイズが小
さくなる。しかしながら、共振器の傾きが負である場合
には、高次のモードはスケールサイズが大きくなる。高
次のモードについてのスケールサイズを小さくすること
によって、これらのモードの多くが所与のアパーチャ内
に存在することを許容することができる。高次のモード
のスケールサイズを大きくすることにより、これらの低
品質のモードをなくしてビームの全体としての品質を改
善する上でアパーチャを更に効果的にする。かくして、
「負の傾き」を持つことによって、「正の傾き」を持つ
場合よりも良好な結果をもたらす。
【００１６】レーザー発振器を強制的に負の傾きにする
ため、負のパワーを持つモード制御レンズ１８を第１及
び第２のゲイン媒体１６、２２間に置く。モード制御レ
ンズ１８の合焦強度は、第１及び第２のゲイン媒体１
６、２２が作動している場合のこれらの第１及び第２の
ゲイン媒体１６、２２の複合合焦強度とほぼ等しいか或
いはそれよりも大きい。負の傾きを与えることにより、
レーザー発振器１０の高次のモードはスケールサイズが
大きくなる。モードの次数に従ってスケールサイズを大
きくすることにより、これらの低品質のモードをなく
し、ビームの全体としての品質を改良する上で第１及び
第２のゲイン媒体１６、２２の制限アパーチャを更に効
果的にする。しかしながら、レーザー発振器１０を強制
的に負の傾きにすることによって、レーザー発振器１０
は安定性の下限近くで作動する。このことは、レーザー
発振器１０が経時変化に従って不安定になる傾向がある
ということを意味する。
ため、負のパワーを持つモード制御レンズ１８を第１及
び第２のゲイン媒体１６、２２間に置く。モード制御レ
ンズ１８の合焦強度は、第１及び第２のゲイン媒体１
６、２２が作動している場合のこれらの第１及び第２の
ゲイン媒体１６、２２の複合合焦強度とほぼ等しいか或
いはそれよりも大きい。負の傾きを与えることにより、
レーザー発振器１０の高次のモードはスケールサイズが
大きくなる。モードの次数に従ってスケールサイズを大
きくすることにより、これらの低品質のモードをなく
し、ビームの全体としての品質を改良する上で第１及び
第２のゲイン媒体１６、２２の制限アパーチャを更に効
果的にする。しかしながら、レーザー発振器１０を強制
的に負の傾きにすることによって、レーザー発振器１０
は安定性の下限近くで作動する。このことは、レーザー
発振器１０が経時変化に従って不安定になる傾向がある
ということを意味する。
【００１７】大スケールのレーザー発振器の安定性の問
題点をなくすため、出力カップラーミラー２４が第２制
限アパーチャとして含まれる。出力カップラーミラー２
４は、反射能力が半径方向で変化する出力カップラーミ
ラー２４であり、ガウス反射能力分布（プロフィル）を
有し、そのため、比較的多くのエネルギが軸線Ａに沿っ
て伝達されるが軸線Ａから離間したところで伝達される
エネルギは少ない。半径の関数としての反射の漸減は、
ガウス形状を有する。一実施例で、ロッドの直径が５ｍ
ｍの場合、出力カップラーミラー２４のピーク反射能力
が中央で約６０％乃至約８０％、好ましくは約７５％で
あり、反射能力が出力カップラーミラー２４の周囲と隣
接して約０％まで低下する。出力カップラーミラー２４
は、有限の安定したビームスケールをもたらし、これが
ない場合には無限の又は不安定なビームスケールがもた
らされる。一実施例では、出力カップラーミラー２４は
直径が約３ｍｍであり、別の実施例では、出力カップラ
ーミラー２４は直径が約５ｍｍであるが、この値は共振
器によって変化する。
題点をなくすため、出力カップラーミラー２４が第２制
限アパーチャとして含まれる。出力カップラーミラー２
４は、反射能力が半径方向で変化する出力カップラーミ
ラー２４であり、ガウス反射能力分布（プロフィル）を
有し、そのため、比較的多くのエネルギが軸線Ａに沿っ
て伝達されるが軸線Ａから離間したところで伝達される
エネルギは少ない。半径の関数としての反射の漸減は、
ガウス形状を有する。一実施例で、ロッドの直径が５ｍ
ｍの場合、出力カップラーミラー２４のピーク反射能力
が中央で約６０％乃至約８０％、好ましくは約７５％で
あり、反射能力が出力カップラーミラー２４の周囲と隣
接して約０％まで低下する。出力カップラーミラー２４
は、有限の安定したビームスケールをもたらし、これが
ない場合には無限の又は不安定なビームスケールがもた
らされる。一実施例では、出力カップラーミラー２４は
直径が約３ｍｍであり、別の実施例では、出力カップラ
ーミラー２４は直径が約５ｍｍであるが、この値は共振
器によって変化する。
【００１８】歪み誘起バイレンジング（ｓｔｒａｉｎ−
ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｉ−ｌｅｎｓｉｎｇ）もまた、レー
ザー発振器の問題点である。歪み誘起バイレンジング
は、ポンピングされたレーザーロッドの焦点距離が偏光
で変わる場合に起こる。異なるビーム品質は、出力カッ
プラーミラー２４の効果を制限する。これは、一つの偏
光状態のスケールが、典型的には、他の偏光状態のそれ
よりも小さく、及びかくして出力カップラーミラー２４
の効果を妨げるためである。ガウスのアパーチャは、偏
光が異なるビームには全く影響しない。偏光回転子２０
は、偏光を９０°回転するために含まれている。これに
より、バイレンジングによるビームの分離を最小にす
る。偏光回転子２０は、偏光が異なるモード間のスケー
ルの相違を最小にし、及びかくしてビーム品質を最大に
するのを助ける。一実施例では、偏光回転子２０は、第
１及び第２のゲイン媒体１６、２２間に配置された水晶
（ｃｒｙｓｔａｌ ｑｕａｒｔｚ）偏光回転子である。
一実施例で、ゲイン媒体１６を一つしか使用しない場
合、４５°ファラデー回転子をロッドと高反射能ミラー
１４との間に置き、同じ効果を発生する。
ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｉ−ｌｅｎｓｉｎｇ）もまた、レー
ザー発振器の問題点である。歪み誘起バイレンジング
は、ポンピングされたレーザーロッドの焦点距離が偏光
で変わる場合に起こる。異なるビーム品質は、出力カッ
プラーミラー２４の効果を制限する。これは、一つの偏
光状態のスケールが、典型的には、他の偏光状態のそれ
よりも小さく、及びかくして出力カップラーミラー２４
の効果を妨げるためである。ガウスのアパーチャは、偏
光が異なるビームには全く影響しない。偏光回転子２０
は、偏光を９０°回転するために含まれている。これに
より、バイレンジングによるビームの分離を最小にす
る。偏光回転子２０は、偏光が異なるモード間のスケー
ルの相違を最小にし、及びかくしてビーム品質を最大に
するのを助ける。一実施例では、偏光回転子２０は、第
１及び第２のゲイン媒体１６、２２間に配置された水晶
（ｃｒｙｓｔａｌ ｑｕａｒｔｚ）偏光回転子である。
一実施例で、ゲイン媒体１６を一つしか使用しない場
合、４５°ファラデー回転子をロッドと高反射能ミラー
１４との間に置き、同じ効果を発生する。
【００１９】図１のレーザー発振器１０の作動を以下に
詳細に説明する。上文中に説明したように、第１及び第
２のゲイン媒体１６、２２をポンプチャンバ３２、３４
によってポンピングし、これらのゲイン媒体１６、２２
からビームを発生する。これらのビームは、反射能ミラ
ー１４と出力カップラーミラー２４との間で発振し、最
終的には、約１０６４ｎｍの波長を持つビームとして出
力される。発振中、ビームは偏光回転子２０及びモード
制御レンズ１８を通過する。上文中に説明したように、
モード制御レンズ１８は負のパワーのレンズであり、合
焦強度は、二つのゲイン媒体１６、２２の作動誘起複合
合焦強度と等しいか或いはこれよりも大きい。複合合焦
強度は、個々の合焦強度を乗じることによって決定され
る。結果的に得られた積がシステムの複合合焦強度であ
る。
詳細に説明する。上文中に説明したように、第１及び第
２のゲイン媒体１６、２２をポンプチャンバ３２、３４
によってポンピングし、これらのゲイン媒体１６、２２
からビームを発生する。これらのビームは、反射能ミラ
ー１４と出力カップラーミラー２４との間で発振し、最
終的には、約１０６４ｎｍの波長を持つビームとして出
力される。発振中、ビームは偏光回転子２０及びモード
制御レンズ１８を通過する。上文中に説明したように、
モード制御レンズ１８は負のパワーのレンズであり、合
焦強度は、二つのゲイン媒体１６、２２の作動誘起複合
合焦強度と等しいか或いはこれよりも大きい。複合合焦
強度は、個々の合焦強度を乗じることによって決定され
る。結果的に得られた積がシステムの複合合焦強度であ
る。
【００２０】高輝度レーザービームが出力カップラーミ
ラー２４から放射される。出力ビームは高輝度レーザー
ビームである。これは、低輝度レベルの高次のビーム
が、第１及び第２のゲイン媒体１６、２２の制限アパー
チャ及び出力カップラー２４により、上文中に説明した
理由で出力されないためである。
ラー２４から放射される。出力ビームは高輝度レーザー
ビームである。これは、低輝度レベルの高次のビーム
が、第１及び第２のゲイン媒体１６、２２の制限アパー
チャ及び出力カップラー２４により、上文中に説明した
理由で出力されないためである。
【００２１】次に図２を参照すると、本発明によるレー
ザー発振器１１０の別の実施例が示してある。レーザー
発振器１１０は、反射能ミラー１１４、第１ゲイン媒体
１１６、第１モード制御レンズ１１８ａ、偏光回転子１
２０、第２モード制御レンズ１１８ｂ、第２ゲイン媒体
１２２、及び出力カップラーミラー１２４を含む。第１
及び第２のゲイン媒体１１６、１２２は、第１及び第２
のポンプチャンバ１３２、１３４によってポンピングさ
れる。全ての構成要素は、図１に関して上文中に説明し
たのと同様に作動する。
ザー発振器１１０の別の実施例が示してある。レーザー
発振器１１０は、反射能ミラー１１４、第１ゲイン媒体
１１６、第１モード制御レンズ１１８ａ、偏光回転子１
２０、第２モード制御レンズ１１８ｂ、第２ゲイン媒体
１２２、及び出力カップラーミラー１２４を含む。第１
及び第２のゲイン媒体１１６、１２２は、第１及び第２
のポンプチャンバ１３２、１３４によってポンピングさ
れる。全ての構成要素は、図１に関して上文中に説明し
たのと同様に作動する。
【００２２】この実施例では、第１及び第２のモード制
御レンズ１１８ａ、１１８ｂは、両方とも、負のパワー
のモード制御レンズである。第１及び第２のモード制御
レンズ１１８ａ、１１８ｂは、合焦強度が同じであって
もよいし異なっていてもよい。第１及び第２のモード制
御レンズ１１８ａ、１１８ｂの個々の合焦強度は、複合
合焦強度が第１及び第２のゲイン媒体１１６、１２２の
複合合焦強度とほぼ同じであるか或いはこれよりも大き
い限り、制限されない。第１及び第２のモード制御レン
ズ１１８ａ、１１８ｂは、偏光回転子１２０の両側で第
１及び第２のゲイン媒体１１６、１２２との間に配置さ
れていてもよい。変形例では、第１及び第２のモード制
御レンズ１１８ａ、１１８ｂは、偏光回転子１２０のい
ずれかの側で互いに隣接していてもよい。
御レンズ１１８ａ、１１８ｂは、両方とも、負のパワー
のモード制御レンズである。第１及び第２のモード制御
レンズ１１８ａ、１１８ｂは、合焦強度が同じであって
もよいし異なっていてもよい。第１及び第２のモード制
御レンズ１１８ａ、１１８ｂの個々の合焦強度は、複合
合焦強度が第１及び第２のゲイン媒体１１６、１２２の
複合合焦強度とほぼ同じであるか或いはこれよりも大き
い限り、制限されない。第１及び第２のモード制御レン
ズ１１８ａ、１１８ｂは、偏光回転子１２０の両側で第
１及び第２のゲイン媒体１１６、１２２との間に配置さ
れていてもよい。変形例では、第１及び第２のモード制
御レンズ１１８ａ、１１８ｂは、偏光回転子１２０のい
ずれかの側で互いに隣接していてもよい。
【００２３】例
以下の例は、図２を参照して説明したレーザー発振器１
１０の実施例のビーム品質（Ｍ2 ）を示す。反射能ミラ
ー１１４は、レーザービームのほぼ全てを反射するよう
に設計された高反射能平面鏡である。第１及び第２のゲ
イン媒体１１６、１２２は、反射能ミラー１１４及び出
力カップラー１２４の夫々から約３５ｍｍ乃至約４０ｍ
ｍのところに設けられている。第１及び第２のゲイン媒
体１１６、１２２の各々は、長さが約１４６ｍｍで直径
が約５ｍｍの０．６％Ｎｄ：ＹＡＧロッドである。第１
及び第２のゲイン媒体１１６、１２２は、作動によって
発生した約７ジオプターの合焦強度を有し、４９ジオプ
ターの複合合焦強度をもたらす。ポンプチャンバ１３
２、１３４は、約８０８ｎｍの波長のエネルギを発生す
る８０のＡｌＧａＡｓ半導体ダイオードバーを有する。
これらの半導体ダイオードバーが第１及び第２のゲイン
媒体１１６、１２２を取り囲む。モード制御レンズ１１
８ａ、１１８ｂは、合焦強度が約７ジオプターのキャビ
ティ内平凹レンズである。モード制御レンズ１１８ａ、
１１８ｂは、熔融シリカ製であり、約６４．４ｍｍの曲
率半径及び約１４３．２ｍｍの焦点距離を各々有する。
偏光回転子１２０は、ビームを９０°回転する水晶偏光
回転子であり、モード制御レンズ１１８ａ、１１８ｂ間
に配置される。出力カップラーミラー１２４は、５ｍｍ
以下のｌ／ｅ2 半径を有する。幾つかの実施例では、ｌ
／ｅ2 半径は約０．５ｍｍ乃至約２．５ｍｍであり、好
ましくは約１．５ｍｍであり、平らな基部及び凸方向で
約２ｍ乃至約３ｍ、好ましくは２．５ｍの有効曲率半径
を有する。
１０の実施例のビーム品質（Ｍ2 ）を示す。反射能ミラ
ー１１４は、レーザービームのほぼ全てを反射するよう
に設計された高反射能平面鏡である。第１及び第２のゲ
イン媒体１１６、１２２は、反射能ミラー１１４及び出
力カップラー１２４の夫々から約３５ｍｍ乃至約４０ｍ
ｍのところに設けられている。第１及び第２のゲイン媒
体１１６、１２２の各々は、長さが約１４６ｍｍで直径
が約５ｍｍの０．６％Ｎｄ：ＹＡＧロッドである。第１
及び第２のゲイン媒体１１６、１２２は、作動によって
発生した約７ジオプターの合焦強度を有し、４９ジオプ
ターの複合合焦強度をもたらす。ポンプチャンバ１３
２、１３４は、約８０８ｎｍの波長のエネルギを発生す
る８０のＡｌＧａＡｓ半導体ダイオードバーを有する。
これらの半導体ダイオードバーが第１及び第２のゲイン
媒体１１６、１２２を取り囲む。モード制御レンズ１１
８ａ、１１８ｂは、合焦強度が約７ジオプターのキャビ
ティ内平凹レンズである。モード制御レンズ１１８ａ、
１１８ｂは、熔融シリカ製であり、約６４．４ｍｍの曲
率半径及び約１４３．２ｍｍの焦点距離を各々有する。
偏光回転子１２０は、ビームを９０°回転する水晶偏光
回転子であり、モード制御レンズ１１８ａ、１１８ｂ間
に配置される。出力カップラーミラー１２４は、５ｍｍ
以下のｌ／ｅ2 半径を有する。幾つかの実施例では、ｌ
／ｅ2 半径は約０．５ｍｍ乃至約２．５ｍｍであり、好
ましくは約１．５ｍｍであり、平らな基部及び凸方向で
約２ｍ乃至約３ｍ、好ましくは２．５ｍの有効曲率半径
を有する。
【００２４】図３は、これらの特定の構成要素を使用し
た場合の、レーザー発振器１１０の出力に対してビーム
品質を示すグラフである。ビーム品質は、合焦レンズを
通してビームを送出し、第２モーメント直径を距離の関
数として計測することによって計測される。異なるシン
ボルは、出力カップラーミラー１２４の直径及びモード
制御レンズ１１８ａ、１１８ｂの曲率半径の変化をミリ
メーター単位で示す。グラフでわかるように、出力カッ
プラーミラー１２４の直径が５ｍｍである場合、ビーム
品質が最高である。更に、出力カップラーミラー１２４
の直径が３ｍｍである場合に７１ｍｍのモード制御レン
ズ１１８ａ、１１８ｂが最良のビーム品質を出力する。
かくして、出力カップラーミラー１２４の直径はビーム
品質に影響を及ぼし、特定の発振器について最良の出力
及びビーム品質を得るために注意深く選択する必要があ
る。
た場合の、レーザー発振器１１０の出力に対してビーム
品質を示すグラフである。ビーム品質は、合焦レンズを
通してビームを送出し、第２モーメント直径を距離の関
数として計測することによって計測される。異なるシン
ボルは、出力カップラーミラー１２４の直径及びモード
制御レンズ１１８ａ、１１８ｂの曲率半径の変化をミリ
メーター単位で示す。グラフでわかるように、出力カッ
プラーミラー１２４の直径が５ｍｍである場合、ビーム
品質が最高である。更に、出力カップラーミラー１２４
の直径が３ｍｍである場合に７１ｍｍのモード制御レン
ズ１１８ａ、１１８ｂが最良のビーム品質を出力する。
かくして、出力カップラーミラー１２４の直径はビーム
品質に影響を及ぼし、特定の発振器について最良の出力
及びビーム品質を得るために注意深く選択する必要があ
る。
【００２５】本発明を一つ又はそれ以上の特定の実施例
を参照して説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱
することなく、多くの変更を行うことができるというこ
とは当業者には理解されよう。これらの実施例の各々及
びその明らかな変更は、以下の特許請求の範囲に記載さ
れた本発明の精神及び範囲内に含まれるものと考えられ
る。
を参照して説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱
することなく、多くの変更を行うことができるというこ
とは当業者には理解されよう。これらの実施例の各々及
びその明らかな変更は、以下の特許請求の範囲に記載さ
れた本発明の精神及び範囲内に含まれるものと考えられ
る。
【図１】本発明の一実施例によるレーザー発振器のブロ
ックダイヤグラムである。
ックダイヤグラムである。
【図２】本発明の別の実施例によるレーザー発振器のブ
ロックダイヤグラムである。
ロックダイヤグラムである。
【図３】本発明の様々な実施例によるレーザー発振器の
出力に対するビーム品質のグラフである。
出力に対するビーム品質のグラフである。
１０ ソリッドステートレーザー発振器
１４ ミラー
１６ 第１ゲイン媒体
１８ モード制御レンズ
２０ 偏光回転子
２２ 第２ゲイン媒体
２４ 出力カップラーミラー
２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ 端面
３０ａ、３０ｂ 円筒形外面
３２ 第１ポンプチャンバ
３４ 第２ポンプチャンバ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5F072 AB02 AK01 JJ05 KK06 KK14
KK18 KK30 PP07
Claims (29)
- 【請求項１】 レーザー発振器において、 反射能ミラー、 反射能が半径方向で変化する出力カップラーミラー、 前記反射能ミラーと前記出力カップラーミラーとの間に
配置されており、エネルギがポンピングされて前記反射
能ミラーと前記出力カップラーミラーとの間でレーザー
発振を発生し、作動中、熱応力及び機械的応力によって
合焦強度を各々有するようになる二つのゲイン媒体、 前記二つのゲイン媒体間に配置されており、前記二つの
媒体の前記合焦強度の積とほぼ等しいか或いはそれ以上
の合焦強度を持つモード制御レンズシステム、及び前記
二つのゲイン媒体間に配置された偏光回転子を含む、レ
ーザー発振器。 - 【請求項２】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記半径方向に変化する反射能はガウス分布を有す
る、レーザー発振器。 - 【請求項３】 請求項２に記載のレーザー発振器におい
て、前記出力カップラーミラーは、約６０％乃至約８０
％のピーク反射能を有する、レーザー発振器。 - 【請求項４】 請求項２に記載のレーザー発振器におい
て、前記出力カップラーミラーの反射能は、前記出力カ
ップラーミラーの周囲と隣接した最小値まで漸減する、
レーザー発振器。 - 【請求項５】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記出力カップラーミラーは、約０．５ｍｍ乃至約
２．５ｍｍのｌ／ｅ2 半径を有する、レーザー発振器。 - 【請求項６】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記出力カップラーミラーは、２ｍ乃至約３ｍの凸
状の曲率半径を有する、レーザー発振器。 - 【請求項７】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記レーザー発振器は負の傾きで作動する、レーザ
ー発振器。 - 【請求項８】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記二つのゲイン媒体間に配置された前記レンズシ
ステムは、二枚の負のパワーのレンズを含み、これらの
二枚の負のパワーのレンズは、前記二つの媒体の複合合
焦強度とほぼ等しいか或いはそれ以上の複合合焦強度を
有する、レーザー発振器。 - 【請求項９】 請求項１に記載のレーザー発振器におい
て、前記二つのゲイン媒体間に配置された前記制御レン
ズシステムは、一つの負のパワーのモード制御レンズを
含む、レーザー発振器。 - 【請求項１０】 請求項１に記載のレーザー発振器にお
いて、前記二つのゲイン媒体は円筒形形状である、レー
ザー発振器。 - 【請求項１１】 請求項１に記載のレーザー発振器にお
いて、前記二つのゲイン媒体は、ネオジムをドーピング
したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎｄ：
ＹＡＧ）である、レーザー発振器。 - 【請求項１２】 請求項１に記載のレーザー発振器にお
いて、前記偏光回転子は水晶偏光回転子である、レーザ
ー発振器。 - 【請求項１３】 レーザー発振器において、 高反射能ミラー、 ５ｍｍ以下のｌ／ｅ2 半径を有する、反射能が変化する
出力カップラーミラー、 光学的にポンピングされる二つのソリッドステートゲイ
ン媒体であって、前記高反射能ミラーと前記反射能が変
化する出力カップラーミラーとの間に配置されており、
各々が合焦強度を有する、ソリッドステートゲイン媒
体、 前記二つのソリッドステートゲイン媒体間に配置され
た、これらのソリッドステートゲイン媒体に負の傾きを
生じるモード制御レンズシステム、及び前記二つのソリ
ッドステートゲイン媒体間に配置された偏光回転子を含
む、レーザー発振器。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載のレーザー発振器に
おいて、前記偏光回転子は、水晶偏光回転子である、レ
ーザー発振器。 - 【請求項１５】 請求項１３に記載のレーザー発振器に
おいて、前記出力制御ミラーは、約６０％乃至約８０％
のピーク反射能を有し、この反射能は約０％にまで漸減
する、レーザー発振器。 - 【請求項１６】 請求項１３に記載のレーザー発振器に
おいて、前記二つのゲイン媒体はネオジムをドーピング
したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎｄ：
ＹＡＧ）である、レーザー発振器。 - 【請求項１７】 請求項１３に記載のレーザー発振器に
おいて、前記二つのゲイン媒体間に配置された前記レン
ズシステムは、二つの負のパワーのモード制御レンズを
含み、これらの二つの負のパワーのモード制御レンズ
は、前記二つの媒体の複合合焦強度とほぼ等しいか或い
はそれ以上の複合合焦強度を有する、レーザー発振器。 - 【請求項１８】 請求項１３に記載のレーザー発振器に
おいて、前記二つのゲイン媒体間に配置された前記制御
レンズシステムは、一つの負のパワーのモード制御レン
ズを含む、レーザー発振器。 - 【請求項１９】 レーザーシステムにおいて、 高反射能ミラー、 出力カップラーミラー、 二つの端面及びこれらの端面間の円筒形外面を各々有
し、前記高反射能ミラーと前記出力カップラーミラーと
の間に配置されており、作動時に合焦強度を各々有す
る、二つのソリッドステートゲイン媒体、 前記二つのゲイン媒体の各々に吸収されるべき光学エネ
ルギを発生する複数の光学エネルギ源であって、前記二
つのゲイン媒体の各々の前記円筒形外面内に前記光学エ
ネルギを放出するように配置された、光学エネルギ源、 前記二つのゲイン媒体間に配置された、合焦強度が前記
二つの媒体の前記合焦強度の積とほぼ等しいか或いはそ
れ以上の負のパワーのモード制御レンズシステム、及び
前記二つの媒体間に配置された水晶偏光回転子を含むレ
ーザーシステム。 - 【請求項２０】 請求項１９に記載のレーザーシステム
において、前記出力カップラーミラーは、反射能が半径
方向で変化し、ピーク反射能が約６０％乃至約８０％の
出力カップラーミラーである、レーザーシステム。 - 【請求項２１】 請求項１９に記載のレーザーシステム
において、前記出力カップラーミラーは、約０．５ｍｍ
乃至約２．５ｍｍのｌ／ｅ2 半径を有する、レーザーシ
ステム。 - 【請求項２２】 請求項１９に記載のレーザーシステム
において、前記二つのゲイン媒体は、ネオジムをドーピ
ングしたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎ
ｄ：ＹＡＧ）である、レーザーシステム。 - 【請求項２３】 請求項１９に記載のレーザーシステム
において、前記二つのゲイン媒体間に配置された前記レ
ンズシステムは、二つの負のパワーのモード制御レンズ
を有し、前記二つの負のパワーのモード制御レンズの複
合合焦強度は、前記二つの媒体の複合合焦強度とほぼ等
しいか或いはそれ以上である、レーザーシステム。 - 【請求項２４】 請求項１９に記載のレーザーシステム
において、前記二つのゲイン媒体は、ネオジムをドーピ
ングしたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（Ｎ
ｄ：ＹＡＧ）であり、前記エネルギ源は半導体レーザー
ダイオードである、レーザーシステム。 - 【請求項２５】 高輝度レーザービームの発生方法にお
いて、 二つのレーザーロッドをポンピングし、前記レーザーロ
ッドから複合出力を発生する工程、 高反射能ミラーと、反射能が変化する出力カップラーミ
ラーとの間で前記出力を発振する工程、 前記二つのレーザーロッド間に位置決めされた偏光回転
子に前記出力を通す工程、 前記二つのレーザーロッドの作動誘起複合合焦強度より
も合焦強度が大きい負のパワーのレンズシステムに前記
出力を通す工程、及び前記出力カップラーミラーから前
記高輝度レーザービームを放射する工程を含む、方法。 - 【請求項２６】 レーザー発振器から高輝度レーザービ
ームを発生する方法において、 負の球面収差を持つ二つのゲイン媒体を提供する工程、 前記二つのゲイン媒体を負のパワーのレンズシステムで
強制的に負の傾きの状態にする工程、及び高輝度レーザ
ービームを前記レーザー発振器から出力する工程を含
む、方法。 - 【請求項２７】 請求項２６に記載の方法において、前
記二つのゲイン媒体を強制的に負の傾きを持つようにす
る工程は、前記二つのゲイン媒体の作動誘起複合合焦強
度とほぼ等しいか或いはそれ以上の複合合焦強度を持つ
二つの負の倍率のレンズを含む負のパワーのレンズシス
テムを提供する工程を含む、方法。 - 【請求項２８】 請求項２６に記載の方法において、前
記出力工程は、前記二つのゲイン媒体からの出力を、制
限アパーチャとして作用する反射能が変化する出力カッ
プラーミラーに通し、安定したビームにし、前記高輝度
レーザービームのビーム安定性を向上させる、方法。 - 【請求項２９】 請求項２６に記載の方法において、前
記二つのゲイン媒体の出力を、前記二つのゲイン媒体間
に配置された偏光回転子に通す工程を更に含む、方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/052963 | 2002-01-17 | ||
| US10/052,963 US6744803B2 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | High brightness laser oscillator with spherical aberration |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003218438A true JP2003218438A (ja) | 2003-07-31 |
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ID=21981049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003008093A Abandoned JP2003218438A (ja) | 2002-01-17 | 2003-01-16 | 球面収差を持つ高輝度レーザー発振器 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6744803B2 (ja) |
| EP (1) | EP1329994A3 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| CN100337373C (zh) * | 2004-12-01 | 2007-09-12 | 郑州大学 | 激光二极管泵浦的内腔倍频激光器 |
| US7460566B2 (en) * | 2006-05-02 | 2008-12-02 | Northrop Grumman Corporation | Laser power reduction without mode change |
| US7586958B2 (en) | 2006-09-29 | 2009-09-08 | Northrop Grumman Corporation | Electro-opto switching of unpolarized lasers |
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|---|---|---|---|---|
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| US4710940A (en) | 1985-10-01 | 1987-12-01 | California Institute Of Technology | Method and apparatus for efficient operation of optically pumped laser |
| US5148445A (en) | 1989-04-24 | 1992-09-15 | Quantronix Corp. | High power Nd:YLF solid state lasers |
| US5283692A (en) * | 1989-07-21 | 1994-02-01 | Spectra Physics Lasers, Inc. | Multi-layer graded reflectivity mirror |
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| US5434875A (en) | 1994-08-24 | 1995-07-18 | Tamar Technology Co. | Low cost, high average power, high brightness solid state laser |
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