JP2003524872A - 多数の異なるゲイン媒体を備える共振器を持つ反復パルス固体レーザー - Google Patents

多数の異なるゲイン媒体を備える共振器を持つ反復パルス固体レーザー

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Abstract

(57)【要約】 連続的にポンピングされ、繰り返しパルス出力されるＱスイッチレーザー共振器が、ほぼ同一の波長でレーザーとして機能する２つの異なるゲイン媒体を含む。異なるゲイン媒体を別々にかつ可変的にポンピングすると、レーザー共振器は、ゲイン媒体のどれかを単独で共振器内に配置したときに可能であると思われる場合と比べて、より広範囲のパルス繰返し周波数にわたって一定となるパラメータを持つ出力放射を効率的に発生することができる。レーザー共振器は、ポンプ−パワー又はパルス−繰返し周波数の変化から生じるゲイン媒体の変化をほぼリアルタイムで補償する構成を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は概略反復パルス固体レーザーに関する。特に、本願発明は、連続ポ
ンピングのＱスイッチ共振器が赤外線レーザー放射パルスの流れを出力するよう
なレーザーシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
いくつかのレーザーの用途のためのレーザー放射パルスの流れを提供する望ま
しい従来のレーザー共振器は、連続的にポンピングの繰り返しパルス出力される
Ｑスイッチ共振器である。そのような従来の共振器のような種類の特に望ましい
実施例では、一般的には、複数のレーザーダイオードによって、連続的なポンピ
ングがNd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF等のような固体ゲイン媒体に供給される。そ
のようなゲイン媒体を含む共振器は赤外線（ＩＲ）の波長で基本レーザー放射を
提供し、その波長は特定の用途に応じて、便宜的に、光学的に非線型の媒体（ク
リスタル）において１又は２以上の周波数倍増又は混合工程によって短い波長で
放射線に変換することができる。そのような共振器のタイプは効率的でコンパク
トである。例えば、共振器の長さは約０．５メートル又はそれより短い。その共
振器はその全体的な物理的な寸法を短くするため又はポンピングを容易にするた
め折り返すことができる。
【０００３】 効率、寸法及び波長の柔軟性の上記の一般的な利点に関わらず、従来の反復パ
ルスレーザー共振器のいずれの構造も、効率的に収集されるパルスパラメータ又
はパルス繰返し頻度（パルス周波数）の範囲に制限される。それらの範囲は特定
のゲイン媒体の特徴的な性質、特に、励起状態、寿命（τ）及びゲイン断面（σ
）によって決定される。可能性のあるレーザー応用が、既知のゲイン媒体によっ
て効率よく提供されるパルス及び周波数パラメータを持つパルス状レーザー放射
を必要とするとすると、その応用はせいぜい効率の悪い状態で達成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
どのような特定のパルスパラメータ又は周波数範囲の場合でも、利用できる効
率的なパワー−出力の範囲は、ゲイン媒体がどのようなものに選択されたとして
も熱レンズによって制限されるかもしれない。熱レンズはゲイン媒体に引き起こ
される屈折率であるが、それは屈折率は吸収されたポンプ−パワーから生じる温
度の増加とともに変化するからである。熱レンズは、吸収パワーの変化とともに
、また、パルス−周波数の変化と友にもかなり変化することがある。共振器の光
学素子は、特別なレベルの熱レンズを補償するように選択することができるが、
一般的に、その構造は、ポンプ−パワー及びパルス−周波数の制限された範囲の
みに対して効果的である。
【０００５】 ゲイン媒体の特性によって決まるレーザーの性能に関する上記の制限を解消す
るレーザー共振器構造に対する要望が存在する。望ましくは、そのような構造は
、ゲイン媒体内の熱レンズの変化を実際に補償する手段も含むべきである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、連続的にポンピングされ、繰り返しパルス出力されたレーザーに
関する。そのレーザーはレーザー共振器を含む。共振器のキャビティーには、第
１及び第２の固体ゲイン媒体を含み、これらの固体ゲイン−媒体はそれぞれ異な
り、一方が他方を形成する。
【０００７】 １つの観点では、本願発明は、単一の共振器内に、１又は２以上の異なるゲイ
ン物質を含ませ、さらに、それらのゲイン物質を個別にかつ可変的にポンピング
することによって、パルス−周波数依存レーザー出力パラメータを、いずれかの
単独のゲイン媒体の制限範囲特性の間の本質的にどの範囲にも提供することがで
きる点を提供する。
【０００８】 本願発明が適用できる１つの応用は、基本ＩＲ波長でパルス状放射を紫外線（
ＵＶ）に変換するための周波数増加である。光学的に非線形の媒体における周波
数の増加の効率は、周波数倍増されるパルス状放射におけるピークパワー（Ｐピ
ーク）及び平均パワー（Ｐ平均）との積に比例する。実施例によると、Nd：YAG
共振器では、そのピーク−平均の積は約７kHzのパルス−周波数で鋭いピークと
なり。Nd：YVO4共振器では、そのピーク−平均の積は約２５kHzのパルス−周波
数で鋭いピークとなる。これはパルス−周波数の広い範囲を残し、その範囲にお
いては効率的な周波数変換は実際には可能ではない。実験により、共振器内に直
列に配置された両方のゲイン−媒体を用いると、パルス状放射が提供され、それ
に関しては、ピークパワー及び平均パワーの積は、より高い及びより低いパルス
周波数の間の中間パルス周波数でピークとなる。ゲイン媒体を別々にかつ差を設
けてポンピングすると、個々のゲイン−媒体に関するピークの間のどこにでもピ
ーク平均パワーの積を配置することができる。
【０００９】 本願発明の別の観点では、ポンプ−パワー又はパルス−周波数の変化による熱
レンズの変化を補償するための手段を設ける。レーザー共振器は第１及び第２の
ミラーから構成される。その補償手段はそれらの共振器ミラーの１つをミラー及
び正レンズのシステムと置き換える手段を備える。そのミラー及び正レンズはそ
れらの間に可変距離を持つ。ミラーと正レンズとの間の距離を変えると、そのシ
ステムが可変の反射度を持つ単一の共振器ミラーとして作動する。
【００１０】 ミラー−レンズシステムは、共振器内を循環するビームのスポット寸法の変化
（熱レンズの変化によるもの）を検出して、その検出したスポット寸法から、平
面ミラー及び正レンズの距離を代える信号を発生し、それによってその変化を補
償するための構成を提供することによって、能動的に制御することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、そこでは、同様な構成要素は同様な符号によって示してお
り、図１は、本願発明に係る連続的にポンピングされたリピートパルスＱスイッ
チレーザーシステム３０の望ましい一実施例を示す。レーザーシステム３０はミ
ラー３４と３６との間に形成された３アーム又はＸ折返し共振器３２を備える。
レーザー放射は、光線３３によって概略が示されているように共振器内で循環す
る。ミラー３６は部分的に透過性を有していて、共振器３２の出力カップリング
ミラーとして機能する。共振器３２内には第１及び第２のゲイン媒体（ロッド）
３８及び４０が配置されている。ロッド３８及び４０は、異なる特性（励起状態
の）寿命又は異なるゲイン断面を持つが、ほぼ同一の波長でレーザーとして機能
する異なる物質で形成されている。
【００１２】 レーザーシステム３０の作動の間、ポンプ放射線３９が第１及び第２のダイオ
ードレーザーアレー又はバー（図示せず）によって連続的に供給され、その集合
出力は、ファイバー４２及び４４と集束レンズ４６及び４８とのそれぞれによっ
て、共振器折返しミラー５０及び５２を通ってロッド３８及び４０のそれぞれま
で達するように指向される。折返しミラー５０及び５２には当然であるがレーザ
ー放射３３を反射するコーティングがされており、また折返しミラー５０及び５
２はポンプ光３９を通過させる。無線周波数（ＲＦ）駆動音響光学Ｑスイッチ５
４が、出力カップリングミラー３６の近くの共振器３２内に設けられている。Ｒ
ＦパワーがＱスイッチ５４供給される間、共振器３２内のレーザー機能は阻止さ
れる。特定の頻度で繰返しＲＦパワーがＯＮ及びＯＦＦにされると、共振器３２
が同一の（パルス）頻度でレーザーパルスを発生する。折返しミラー５５は出力
ＩＲ放射を（基本放射周波数ωで）第１非線形クリスタルに指向して周波数の倍
増を行う（ωから２ωまで）。その倍増された周波数は次に第２非線形クリスタ
ル５９内で基本周波数と混合されて、３倍された周波数放射（３ω）を提供する
。
【００１３】 共振器３０の望ましい例では、ミラー３６は平面ミラーで、ミラー３４は約２
０．０cmの曲率半径を持つ凸状ミラーである。ロッド４０は、約３．０mm×３．
０mmの断面と約７．０mmの長さを持つ０．６％のドープ処理されたNd：ＹＶＯ4
ロッドである。ロッド３８は、約３．０mm×３．０mmの断面と約１０．０mmの長
さを持つ１．０％のドープ処理されたNd：ＹＡＧロッドである。ミラー３４は可
能な限りロッド３８に近づけて配置することが望ましく、約２．０から３．０cm
の（折返し経路の）距離を置くと、折返しミラー５０を配置にするのには十分で
ある。共振器（折返し経路）の全体の長さは約２２．０cmである。非線形クリス
タル５７及び５９はリチウムボラート（ＬＢＯ）クリスタルである。
【００１４】 共振器３２の構成及び例示の構成要素の明細は限定するものと考えるべきでは
ない。以下に述べる本願発明の基本原理の詳細な説明から、当業者は、ゲイン媒
体の同一又は異なる組み合わせ、端部ポンピング又は横ポンピング、及び異なる
Ｑスイッチを用いて、折り返された又は折り返されない、広範な共振器の構成を
発明することができるであろう。また、当業者は、本願発明の応用が周波数倍増
を含むものに限定されないということを認識するであろう。さらに、本願発明は
共振器内に２つだけののゲイン媒体を配置することに限定されない。３又はそれ
以上の異なる媒体がほぼ同一の波長でレーザーとして機能するのであれば、それ
らを含ませることができる。
【００１５】 基本的に「ハイブリッドゲイン媒体」を提供するために異なるゲイン物質のロ
ッド３８及び４０を提供することは、同一のゲイン物質の２つのロッドが熱的に
誘発された複屈折を補償するように提供されているような従来の偏光Ｑスイッチ
共振器の構成と矛盾しない。そのような従来の構成では、ゲイン媒体によって制
限されるそれらの共振器のパラメータは、１つのロッドを用いるか又は２つのロ
ッドを用いるかにかかわらず本質的に同一である。本願発明により、異なるゲイ
ン物質の特性を、２つのロッド共振器内で補足的な意味で組み合わせることがで
きる方法を、図２乃至図８を参照しながら以下に説明する。
【００１６】 まず図２を参照すると、曲線Ａが、連続的にポンピングされた任意のゲイン媒
体又はゲイン物質（ｍ）における蓄積エネルギーが時間とともに増加する概略を
示す。蓄積されたエネルギーは最初は時間とともにほぼ線形かつ比較的鋭く増加
し、次に、その物質のポンプ出力及び特性寿命τmの積である極限値に向かって
明りょうに増加が減少する。τmは曲線Ａの線形部分の延長（ラインＢ）と蓄積
エネルギーの極限値との工程にほぼ相当する。
【００１７】 図３を参照すると、曲線Ｃがパルス周波数（ｆ）の関数としてパルスごとのエ
ネルギーの変化の概略を示す。これは、約１／τmの周波数まで本質的に一定で
、その後パルス−周波数で減少することを述べている。パルスごとのエネルギー
及びパルス−周波数の積である平均出力パワーは、パルス周波数とともに最初は
パルス周波数領域を通じて０から１／τmまで（曲線Ｃのほぼ一定の部分に相当
する）線形的に増加し、次に、パルス周波数が増加するにつれて減少傾向で増加
する。
【００１８】 図４を参照すると、周波数の関数としての相対的なパルスごとのエネルギーが
、Nd：YLF（曲線Ｄ）、Nd：YAG（曲線Ｅ）及びNd：YVO4（曲線Ｆ）に関して描か
れている。以下に説明する他の比較のグラフに示されているように図４のグラフ
において、物質が、本質的に同一の共振器の構成において同一の出力でポンピン
グされるということが推定される。Nd：YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4はそれぞれ約
５００、２３０、及び９０μｓの特性寿命を持つ。任意のユニット内のそれらの
３つの物質の相対的なゲイン断面は、それぞれ約２、３及び１５である。Nd：YL
Fはパルスごとの最高のエネルギーを提供することができるが、それは約１KHzを
越えるパルス−周波数で鋭く落下する。Nd：YVO4は最も低いパルスごとの最大の
エネルギーを提供し、これは維持することができるが、約１０．０KHzのパルス
−周波数までで、その後のパルス−周波数では徐々に降下するだけである。Nd：
YAGはパルス−周波数に対するパルスごとのエネルギー特性を持ち、それはNd：Y
LFとNd：YVO4との中間となる。
【００１９】 図５からは、Nd：YLF（曲線Ｇ）が約１kHzを越えるパルス−周波数でほぼ一定
の最大平均パワーを提供することができるが、Nd：YAG（曲線Ｈ）及びNd：YVO4
（曲線Ｉ）はより大きく増加した周波数のときに最大平均パワーまで上昇する。
【００２０】 図６を参照すると、周波数の積としてのピーク−パワーに関して、Nd：YLF、N
d：YAG及びNd：YVO4の特性が図３のパルスごとのエネルギーと同様な方法で比較
され、Nd：YLF（曲線Ｊ）が最高のピークパワーを提供し、Nd：YAG（曲線Ｋ）及
びNd：YVO4（曲線Ｌ）が小さなピークパワーを提供するが、ピークパワーは周波
数とともに減少傾向で鋭く降下しているということがわかる。
【００２１】 上記の周波数依存特性のどれが特に重要であるかは個々の用途によって決まる
。従来のレーザーでは、それは個々のゲイン媒体を選択する際の重要な考慮の対
象である。しかし、例示のレーザー物質の特性の図示からは、個々のゲイン物質
の特性は大きく変化することがあり、それらの間には際立ったギャップが残って
いることがわかる。このため、個々のゲイン物質が特性の理想的な組を提供しな
い応用があるかもしれない。
【００２２】 本願発明に係るレーザーシステムにおいては、単一の共振器、特に、図１の共
振器３０のようにゲイン媒体が個別にかつ選択的にポンピングできるような共振
器内に２つの異なるゲイン物質を含めることによって、いずれかのゲイン媒体を
単独で用いることによって発生されるレーザー放射のパラメータ間の本質的にど
こかに存在するパラメータを持つレーザー放射を発生することが可能である。本
願発明の方法を用いるレーザーシステムの特性の「設計」の一例を以下に説明す
る。この例は、特に、ＵＶレーザー放射を用いるプリント回路基板を加工するた
めのレーザー放射の要求を満たすことに関する。
【００２３】 最初に、光学的に非線形物質において周波数変換によってＩＲ放射線からＵＶ
放射を発生する際に重要なそれらのレーザーパラメータを考慮することは有益で
ある。周波数の倍増の際に、倍増された周波数（２ω）で得られる平均パワーは
ほぼ定数に基本周波数（ω）でのピーク及び平均パワーの積を掛けたものに等し
い。同様に、基本周波数でのピーク及び平均パワーの積は、基本及び倍増された
周波数を混合することによる倍増周波数から３倍周波数（３ω）への最適な変換
も決定する。
【００２４】 図７を参照すると、パルス−周波数の関数としてのピーク及び平均パワーの積
の一般的な形状（曲線Ｍ）の概略が示されている。概略の形状が図５及び図６に
表わされている、対応平均（破線曲線Ｎ）及びピーク（破線曲線Ｏ）関数は、ピ
ーク−平均パワーの積がゼロからピークに上昇して、ゼロ又はほぼゼロに降下す
る理由を示す。図８を参照すると、破線曲線Ｐ、Ｑ及びＲは、それぞれ、Nd：YL
F、Nd：YAG及びNd：YVO4のパルス−周波数の関数として正規化されたピーク−平
均パワーの積の概略を表す。それらの曲線は、それぞれ１kHz、７kHz及び２５kH
zのパルス−周波数で鋭くピークを形成し、それらの間に空間が残されていると
いうことがわかる。
【００２５】 銅、エポキシ樹脂及びエポキシ含浸ファイバーグラスのようなプリント回路基
板材料のＵＶレーザー加工は、約０．３５５μmの波長で７kHzのパルス周波数で
実行することができるが、高いパルス周波数でその加工を実行することが望まし
い。しかし、図８に示すように、Nd：YVO4放射の変換効率は約２５kHzのパルス
−周波数でピークとなるが、利用できるパルスごとのエネルギーは加工される材
料に関するアブレーションしきい値に近い値かそれより低い値である。加工を実
行するためにはそのしきい値を越えなければならない。
【００２６】 共振器３０にNd：YAG及びNd：YVO4の両方のゲイン物質を含ませることによっ
て、ピーク平均パワーの積（周波数−変換ピーク効率）を持ち、それが個々のゲ
イン物質のパルス−周波数の間にあるパルス−周波数でピークとなる１．０６４
μmの基本レーザー放射線を発生することは可能であるということはわかってい
る。異なるゲイン媒体に対するファイバー４２及び４４によって伝達されるポン
プ−パワーの比率を変えることによって、周波数−変換効率のピークを、Nd：YV
O4又はNd：YAGのゲイン−媒体がより高い出力でポンピングされるか否かに応じ
て、より高い又はより低いパルス−周波数まで動かすことができることもわかっ
ている。驚くべきことに、さらに、少なくとも約１５kHzの周波数で、同一のゲ
イン−媒体の２つのロッドを用いる場合よりも、２つの異なるゲイン−媒体のロ
ッドを用いる場合の方がより高いピーク変換効率が得られるということが確認さ
れている。一つの実施例では、約１０ワットでNd：YAG及びNd：YVO4をポンピン
グすると、各々は約１５kHzの３５５nmで約２．５ワットの平均パワーを提供す
る。その１５kHzの周波数は０．３５５μmの放射線を用いるレーザー加工には理
想的であるということがわかっている。
【００２７】 上記の説明から、「ハイブリッド」レーザー共振器と呼ぶことのできるものに
異なるゲイン−媒体を配置することによって、共振器出力パラメータがもはや特
定のゲイン−媒体の特性によって限定されないということがわかる。その異なる
ゲイン−媒体に伝達するポンプ−パワーを変えることによって、「ハイブリッド
」共振器出力パラメータを変更する手段が提供される。しかし、すべてのゲイン
−媒体はある程度の熱レンズを示し、それはポンプ−パワー及びパルス−周波数
とともにある程度まで変わる。従来の共振器では、熱レンズは、熱レンズによる
光屈折度を予測するとともに共振器ミラーの適当な光学パラメータを選択するこ
とによって、又は、そのゲイン−媒体（ロッド）に曲線状の入口又は出口面（端
部）を提供することによって確定的に補償される。従って、従来の共振器は一定
の最適なビーム品質又はせいぜいよくて限界で利用できるポンプ−パワー及びそ
の結果の出力−パワーを操作できるだけである。
【００２８】 本願発明の原理の最大の利点を得るため、パワー及びパルス−周波数を含む出
力パラメータは本質的に一定のビーム品質で本質的に無限にかつ別々に変わるこ
とができる（別々のゲイン−媒体によって負わされた限界の間で）ような共振器
を提供することが望ましい。これに関して、ゲイン−媒体における熱レンズ効果
の変化を積極的に補償する手段を提供することは有利であろう。そのような手段
を図９を参照しながら以下に説明する。
【００２９】 図９に、本願発明に係るレーザーシステムの他の望ましい実施例３１の概略を
示す。レーザーシステム３１は共振器３２Ａを備えており、それは、共振器３２
（図１参照）の凸状ミラー３４が、その元の位置を図９に仮想線で示すが、折返
し光学リレー構成５８と置き換えられている点を除いてその共振器３２に似てい
る。リレー構成５８は焦点距離ｆ1を持つ正レンズ６０とレンズ６０から距離ｆ1
±ｈだけ離れた平面ミラー３４Ａとを備える。ミラー３４Ａは実際は共振器キャ
ビティー３２Ａの一方の端部を構成する。ミラー３４Ａは線形並進ステージに取
り付けられていて、矢印Ｕで示すように、ｈが連続的に変化することができる。
【００３０】 リレーシステム５８が、そのレンズ６０がミラー３４の元の位置から距離ｆ1
にあるように配置されると、そのシステムは、ミラー３４の元の位置に設けられ
ていて以下の式によって与えられる曲率Ｒ’の半径を持つ単一のミラーと等価な
ものを提供する。その式は、 Ｒ’＝ｆ12／ｈ （1） それは、その「等価の単一ミラー」が凹状（ｈ＞０のとき）から凸状（ｈ＜０の
とき）までの曲率において変わることができるということを意味する。リレーシ
ステム５８の一実施例（共振器３２の上記の例示的な明細と両立するもの）では
、レンズ６０が約８．９cmの焦点距離を持ち、ｆ1±ｈがポンピングの両端の間
で約３．０cmから８．０cmまで変わる。ただし、これを限定とは考えるべきでは
ない。
【００３１】 図１に示す種類の共振器構造では、共振器ミラー及び予測されるどのような熱
レンズをも選択して、ゲイン−媒体ロッドのポンピングされた端部のレーザービ
ームのスポット（モード）寸法が、同じ位置におけるポンプビームの寸法と特別
な関係を持つようにするということは通常のことである。そのスポット寸法は、
所望のスポット寸法を経由してゲイン−媒体の熱レンズの変化とともに単調にか
つ周期的に変化する。したがって、システム３１においては、レーザービームス
ポット寸法の変化を検出することによって、熱レンズの変化を検出し、次に、そ
れをミラー３４を適当な方向に動かすことによって補償することができる。
【００３２】 システム３１では、すぽっと寸法の変化は、部分的反射ミラー６４を用いて出
力ビーム（ＩＲ）の一部６３をサンプリングすることによって検出される。レン
ズ６６が、ミラー３６の位置における共振ビーム３３の直径を１：１の比率でフ
ォトダイオード６８に再結像し、さらに、部分反射ミラー７２によってフォトダ
イオード７０に再結像する。ミラー７２は、望ましくは基本周波数ωでレーザー
をほぼ等しく反射し及び透過させる。
【００３３】 フォトダイオード７０では、熱レンズの変化とともに寸法が変わるような完全
な等価像を見る。それにもかかわらず、フォトダイオード７０によって発生され
た信号はそのイメージ内の全パワーを表す。ピンホール孔７４がフォトダイオー
ド６８の前に配置されていて、それへの入射像の一部が固定される。そのピンホ
ール孔への等価像の一部が拡大又は縮小するにつれて、フォトダイオード６８で
はその像のパワーのより少ない又はより大きな部分を見ることになる。従って、
フォトダイオードによって提供された信号の比率はスポット寸法の測定値を提供
する。処理電子機器７６が、サンプルされて入射ビームの応答してフォトダイオ
ード６８及び７０によって発生された信号の比率を検出する。ピンホール孔７４
の選択によって予め決定される設定目標比率は、望ましいレーザービームスポッ
ト寸法を表す。その比率の増加又は減少は、熱レンズの光屈折力の減少又は増加
のそれぞれと同様に、処理電子機器７６によって分担される。処理電子機器７６
は並進ステージ６２に信号を供給してレンズ６０から離れるように又はそれに向
かうように動かし、それにより、熱レンズの変化を補償して所望のビームスポッ
ト寸法に戻す。
【００３４】 ここで、図１０を参照すると、ゲイン媒体の熱レンズ変化を補償する手段を備
える、本願発明に係るレーザーシステムの他の望ましい実施例３５を示す。シス
テム３５は共振器３２Ｂを備えており、それは、図１の共振器３２と似ているが
、共振器３２の凸状ミラー３４が正レンズ６０と凹状ミラー３４Ｂとを含むシス
テム６１と置き換えられている点が異なる。出力結合平面ミラー３６は、折返し
ミラー５２及びＱスイッチ５４が許すときには可能な限りロッド４０に近づくよ
うに動かされている。光学システム６１のレンズ６０はレンズのほぼ１焦点距離
（ｆ1）の距離（折返された経路）で配置されている。凹状ミラー３４Ｂとレン
ズ６０との間の空間は矢印Ｕで示すように変えることができる。光学システム６
１の凹状ミラー３４Ｂは、共振器３２Ｂの所定のモードの作動のために、レンズ
６０から距離ｆ1＋Ｘ−ｈの位置に置かれており、ただし、ｈ1が０から変化する
ことができ（ｈ1≧０）、また、Ｘは凹状ミラー３４Ｂの曲率の半径の半分であ
る。共振器３２Ｂの動作のどの時点においても、ゲイン−媒体（ロッド）３８及
び４０による熱レンズが１／ｆ(熱)と等しい組合わせ屈折力を提供するときには
（ここで、ｆ(熱)は、単一のレンズと考えることができるゲイン−媒体の等価な
焦点距離である）、距離ｈは以下の式によって与えられる。 ｈ1＝ｆ12／ｆ(熱) （2） それからは、距離Ｘ及びその結果のミラー３４Ｂの曲率の半径が、望ましくは
、共振器３２Ｂの動作の際に予想される少なくとも最大の熱レンズに相当するよ
うに選択されるということがわかる。例として、レンズ６０が１０．０cmの焦点
距離を持ち、約１０．０cmのｆ(熱)の最大値が予測されるときには、ミラー３４
Ｂは望ましくは約２０cmの曲率の半径を持つ。
【００３５】 いずれにしても、焦点距離ｆ1はわかっており、さらに、ｆ(熱)は最初に予測
できかついつの時点でもレーザービームスポット寸法の決定から上記のように決
定できるので、設定熱レンズに対するｈ1の適切な値の決定及び熱レンズの変化
を補償するために必要なｈ1における変化のその後の決定は比較的に簡単なこと
である。しかし、光学システム６１の熱レンズ補償構造は図９の光学システム５
８と同様に熱レンズ変化を補償する際に効果的であるが、光学システム６１はミ
ラー３４Ｂの正確な整列が並進の間に維持されること要求し、そのため、実際に
実行することはますます困難である点に注目すべきである。上記の熱レンズ補償
構造は、２又はそれ以上の異なるゲイン媒体を含む本願発明に係るレーザーシス
テムに関連して説明したが、その補償構造は１つだけのゲイン媒体、同一のゲイ
ン−媒体の２又はそれ以上のロッド及びゲイン媒体の熱レンズがレーザーの動作
の柔軟性を制限するようなレーザー動作のどのようなモードをも含む共振器にも
等しく適用できるという点にさらに注目すべきである。
【００３６】 結論として、ほぼ同一の波長でレーザーとして機能する２又は３以上の異なる
ゲイン媒体を含む連続的にポンピングされて、繰り返しポンピングされるＱスイ
ッチレーザー共振器を上で説明した。異なるゲイン媒体を別々にかつ調節可能に
ポンピングすることによって、レーザー共振器は、いずれかのゲイン媒体が共振
器内に単独で配置されたとすると可能となる場合よりも、パルス反復周波数のよ
り広範な範囲にわたって一定状態にあるパラメータを持つ出力放射線を効果的に
発生することができる。２つの望ましい実施例では、レーザー共振器は、ポンプ
−出力又はパルス反復周波数の変化から生じるゲイン媒体の熱レンズの変化をほ
ぼリアルタイムで補償することを提供する構成を含む。
【００３７】 本願発明は望ましくかつ他の実施例の観点から説明及び描写した。しかし、こ
の適用はそれらの説明かつ描写した実施例に限定されない。むしろ、その適用は
特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
明細書の一部を構成し、そこに組み込まれる添付図面は、本願発明の望ましい
実施例の概略を示し、さらに、明細書の本願発明に関する概略の説明及び詳細な
説明ととも本願発明の原理の説明のために用いられる。
【図１】２つの異なるゲイン媒体を含む共振キャビティーを備える、本願発明
に係るリピートパルスＱスイッチレーザーシステムの望ましい一実施例の概略を
示す。
【図２】ポンピングの起動後に続く時間に対する連続的にポンピングされたゲ
イン媒体の蓄積されたエネルギーの増加の概略を示すグラフである。
【図３】図２のゲイン媒体におけるパルス周波数に対するパルスごとのエネル
ギーの変化の概略を示すグラフである。
【図４】YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4のパルス周波数に対するパルスごとのエネ
ルギーの相対的変化の概略を示すグラフである。
【図５】YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4のパルス周波数に対する平均パワーの相対
的変化の概略を示すグラフである。
【図６】YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4のパルス周波数に対するピークパワーの相
対的変化の概略を示すグラフである。
【図７】任意のゲイン材料のパルス周波数に対するピークパワー、平均パワー
並びにピーク及び平均パワーの積の相対的変化を示すグラフである。
【図８】YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4のパルス周波数に対するピーク及び平均パ
ワーの積の相対的変化の概略を示すグラフであり、YLF、Nd：YAG及びNd：YVO4の
すべてが、Nd：YAG及びNd：YVO4の両方のゲイン媒体を含む共振器のピーク及び
平均パワーの変化と比較されている。
【図９】ゲイン媒体内の熱レンズの変化を補償するためのアクティブ手段の望
ましい実施例を含む共振器を持つ本願発明に係るレーザーシステムの他の望まし
い実施例の概略を示す。
【図１０】ゲイン媒体内の熱レンズの変化を補償するためのアクティブ手段の
他の望ましい実施例を含む共振器を持つ本願発明に係るレーザーシステムのさら
に別の望ましい実施例の概略を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K002 AB12 BA01 BA12 GA10 HA19 HA20 5F072 AB02 AB20 AK01 JJ07 KK12 KK18 KK30 MM03 PP07 QQ02 QQ04 RR01 RR05 SS06 YY06

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】連続的にポンピングされ、繰り返しパルス出力されたレーザー
    であって、 レーザー共振器を含み、 該レーザー共振器が、第１及び第２のミラーによって両端部で終わり、かつ、
    第１及び第２の固体ゲイン物質を含み、該第１及び第２のゲイン物質がそれぞれ
    第１及び第２のポンプ光源によって別々にポンピングされ、 前記第１及び第２ゲイン物質は、各々ほぼ選択された波長と等しいレーザー波
    長を持ち、さらに、それぞれ第１及び第２の特性寿命と第１及び第２のゲイン断
    面とを持ち、前記特性寿命及び前記ゲイン断面の少なくとも一方が他方と異なり
    、 前記共振器の設計特徴と前記第１及び第２ポンプ光源からの出力とが、前記共
    振器がパルス繰返し周波数依存出力パラメータの前記選択された波長でレーザー
    として機能するように選択され、前記パルス繰返し周波数依存出力パラメータが
    、前記共振器が個別に前記第１及び第２ゲイン物質の１つのみを備えていたとす
    ると得られるであろう中間の第１及び第２対応出力パラメータであるレーザー。
  2. 【請求項２】請求項１のレーザーにおいて、前記周波数依存パラメータはパ
    ルスごとのエネルギー、ピークパワー及び平均パワーの少なくとも１つであるレ
    ーザー。
  3. 【請求項３】請求項１のレーザーにおいて、前記周波数依存パラメータはピ
    ーク及び平均パワーの積であるレーザー。
  4. 【請求項４】請求項１のレーザーにおいて、前記第１及び第２のゲイン物質
    はそれぞれNd：YAG及びNd：YVO4であるレーザー。
  5. 【請求項５】請求項４のレーザーにおいて、前記周波数依存パラメータはパ
    ルスごとのエネルギー、ピークパワー及び平均パワーの少なくとも１つであるレ
    ーザー。
  6. 【請求項６】請求項５のレーザーにおいて、前記周波数依存パラメータはピ
    ーク及び平均パワーの積であるレーザー。
  7. 【請求項７】請求項１のレーザーにおいて、前記第１及び第２のポンプ光源
    の出力は別々に得ることができるレーザー。
  8. 【請求項８】請求項１のレーザーにおいて、前記第１及び第２のゲイン物質
    はポンプ−パワー−依存熱レンズ特性を持ち、また、前記レーザー共振器は、さ
    らに、前記第１ミラーと前記ゲイン物質との間に配置された正レンズを含み、前
    記第１ミラーと前記レンズとの間の離隔距離は前記熱レンズ特性の変化を補償す
    るために変わることができるレーザー。
  9. 【請求項９】請求項１のレーザーにおいて、さらに、前記共振器の外側に配
    置されていて、かつ、レーザー駆動周波数を倍増するために前記抽出されたレー
    ザー放射線を受け取る非線形光学クリスタルを含むレーザー。
  10. 【請求項１０】請求項１のレーザーにおいて、前記第１及び第２のポンプ光
    源の出力は独立して可変であり、それにより、前記第１及び第２のゲイン物質を
    それぞれに伝達されたポンプ光のパワーを変え、さらに、それにより、前記パル
    ス繰返し周波数を選択的に変えるレーザー。
  11. 【請求項１１】請求項１０のレーザーにおいて、前記第１及び第２のゲイン
    物質はポンプ−パワー−依存熱レンズ特性を持ち、また、前記レーザー共振器は
    、さらに、前記第１ミラーと前記ゲイン物質との間に配置された正レンズを含み
    、前記第１ミラーと前記レンズとの間の離隔距離は前記熱レンズ特性の変化を補
    償するために変わることができるレーザー。
  12. 【請求項１２】レーザー共振器キャビティーを構成する第１及び第２ミラー
    と、 前記共振器キャビティー内に配置された少なくとも第１及び第２の光学要素で
    あって、該第１及び第２の光学要素が作動中の間に前記共振器キャビティー内に
    おける熱レンズ効果の一因となり、該熱レンズ効果が前記共振器キャビティーの
    １又は２以上の作動パラメータの変化とともに変わる第１及び第２の光学要素と
    を含み、 前記第２の光学要素が正レンズを持ち、さらに、前記第１ミラーから離隔され
    ており、前記第２光学要素と前記第１ミラーとの間の離隔距離が、熱レンズ効果
    の前記変化を補償するために変わることができるレーザー。
  13. 【請求項１３】請求項１２のレーザーにおいて、前記第１ミラーは平面ミラ
    ーであるレーザー。
  14. 【請求項１４】請求項１３のレーザーにおいて、前記第２光学要素はレンズ
    であるレーザー。
  15. 【請求項１５】請求項１３のレーザーにおいて、前記第２光学要素は一定位
    置にあり、前記第２光学要素と前記第１ミラーとの間の離隔距離は、前記第１ミ
    ラーの位置を変えることによって変えられるレーザー。
  16. 【請求項１６】請求項１２のレーザーにおいて、前記第１ミラーは凹状ミラ
    ーであるレーザー。
  17. 【請求項１７】請求項１６のレーザーにおいて、前記第２光学要素はレンズ
    であるレーザー。
  18. 【請求項１８】請求項１６のレーザーにおいて、前記第２光学要素は一定位
    置にあり、前記第２光学要素と前記第１ミラーとの間の離隔距離は、前記第１ミ
    ラーの位置を変えることによって変えられるレーザー。
  19. 【請求項１９】請求項１２のレーザーにおいて、さらに、熱レンズ効果の前
    記変化を検出する手段と、それと共働して熱レンズ効果の検出された変化にした
    がって、前記第２光学要素と前記第１ミラーとの間の前記離隔距離を変える手段
    とを備えるレーザー。
  20. 【請求項２０】請求項１９のレーザーにおいて、熱レンズ効果の前記変化を
    検出する前記手段は、前記共振器キャビティーの作動中に発生されたレーザー放
    射線の選択されたパラメータを検出し、さらに、前記検出されたパラメータ内の
    変化を熱レンズ効果の変化の測定値として判断する手段を備えるレーザー。
  21. 【請求項２１】請求項２０のレーザーにおいて、前記選択されたパラメータ
    は前記レーザー放射線のビーム上の選択された位置における該ビームのスポット
    寸法であるレーザー。
  22. 【請求項２２】請求項２１のレーザーにおいて、前記第２ミラーは前記レー
    ザーキャビティーの出力ミラーであり、前記選択された位置は前記第２ミラーの
    上であるレーザー。
  23. 【請求項２３】請求項１２のレーザーにおいて、前記第１光学要素は固体ゲ
    イン媒体のロッドであるレーザー。
  24. 【請求項２４】請求項２３のレーザーにおいて、前記固体ゲイン媒体は、Nd
    ：YAG、Nd：YVO4、Nd：GVO4、Nd：YPO4、Nd：BEL、Nd：YALO及びNd：LSBから成
    る強い熱レンズ物質のグループから選択された強い 熱レンズ物質であるレーザー。
  25. 【請求項２５】請求項１２のレーザーにおいて、前記第１ミラーは凹状ミラ
    ーであり、前記第２ミラーは平面ミラーであるレーザー。
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