JP2004349701A - ダイオードポンプ固体ディスクレーザおよび均一なレーザ利得を生成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は固体レーザを横切るポンプ放射の分布を改善した固体レーザを生成することを目的としている。
【解決手段】本発明の固体レーザ用の増幅モジュール100 は２つのほぼ平行な表面22, 24と、周縁部34とを備え、光利得材料26を含んでいるディスク24と、ディスク24の周囲に配置され、光利得材料26に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバー68とを備え、それらのダイオードバー68はそれぞれ光利得材料26を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスク24と整列して配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般的に固体レーザに関し、特に、固体レーザ中にダイオードポンプを設けるための装置、システムおよび技術に関する。

レーザは工業的および軍事的応用における使用が増加している。レーザは通常、産業用として例えば金属その他の材料の切断、溶接に、特に自動車産業、宇宙技術、機具、および造船産業で普通に使用されている。レーザはまた鉱山の岩石のドリルおよび、または石油およびガス探査の目的に対して有効である。軍事的応用においてレーザは副次的なダメージを最小にすることが望まれている場合に正確に投射するるのに特に有効である。レーザはまた宇宙船、航空機、船舶、および、ミサイル防衛を含むその他の軍事用地上のビークルに設置される。

固体レーザ（ＳＳＬ）は特に近年特に注目されている。このようなレーザは典型的に適当な希土類イオンでドープされた固体レーザ媒体（結晶またはガラス）を含んでおり、コヒーレントな光を生成するために１以上の半導体ダイオードから放射される光で光学的にポンプされている。ＳＳＬは多くの目的に有効であるが、レーザ媒体中で発生する無駄な熱を処理する問題がある。この熱はレーザ中に種々の形式の熱・機械的および熱・光学的歪を生じさせ、熱レンズ作用、機械的ストレス、偏光の消去その他の望ましくない影響を生じる。極端な場合にはこれらの影響はビーム品質（ＢＱ）を劣化させ、レーザパワーを減少させ、および、またはＳＳＬレーザ媒体を損傷する可能性がある。

高い平均パワー（ＨＡＰ）用で使用される１つの形式のＳＳＬはいわゆるディスクレーザであり、それにおいてはレーザ媒体はレーザビームの応用に対するポンプ放射に曝されることのできるディスク形状に形成される。図１の（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ例示的なレーザ光を透過および反射するディスク増幅モジュールを示している。透過型ディスク増幅器では、レーザビームはレーザ媒体を通過する。熱はディスクの大きい表面上を適当な冷却媒体（ガスまたは液体）を流すことにより除去される。反射型ディスク増幅器（アクチブミラーとも呼ばれる）では、ディスクの一方の表面には反射被覆が設けられて、２つのディスクを通る通路が形成された後にレーザビームは被覆と反対側の表面を通って出る。熱は主として被覆を通って熱交換器等へ伝達される。ディスクレーザでは、温度勾配はレーザビーム通路にほぼ平行であり、それは上述の熱・機械的歪の多くを受けることを遥かに少なくする。しかしながら、改良されたレーザ性能を得てレーザの価格を低下させるにはまだ問題がある。特に、良好なビーム品質を得るためにレーザ媒体の開口を横切って均一な光利得を与えることが望ましい。さらに、パワーおよびレーザ構造内の冷却剤へのアクセスを改善して、カスタムメイドのコンポーネントに対する依存度を減少させることによりレーザのコストと複雑性を減少させることが望ましい。

したがって、レーザ媒体を横切るポンプ放射の分布を改善した固体レーザを生成することが望まれている。さらに、ポンプ放射のソースに対してパワーおよび冷却剤に便利なアクセスを与えるレーザ設計を提供することが望ましい。さらに、容易に利用可能な部品から組立てられることのできる固体レーザを生成することが望ましい。さらに、本発明の望ましい特徴および特性は、添付図面および発明の背景と関連して以下の本発明の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

固体レーザ中のソース光を増幅する方法、システムおよび装置が提供される。適切な固体レーザのための増幅モジュールは、２つの実質上平行な表面と光利得材料を有するディスクを含んでいる。多数のダイオードバーがディスクの周囲を囲んで配置され、ディスク中のレーザ利得材料に光ポンプ放射を与えるように構成されている。複数のダイオードバーのそれぞれは光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスクと整列して配置されている。各ダイオードバーの高速軸は例えばディスクの平行表面に対して平行または垂直である。

添付図面を参照にして、以下本発明を説明する。各図面において同様の符号は同様の素子を示している。

以下の本発明の詳細な説明は単なる例示であり、本発明またはその応用、使用を限定することを意図していない。さらに、本発明の先行する背景技術に存在する理論或いは以下の本発明の詳細な説明により拘束されるものではない。

種々の例示的な実施形態によれば固体レーザが提供され、それは光利得材料の開口を横切って実質上均一な利得を与えることのできる増幅モジュールを含んでいる。さらに、その増幅モジュールは水冷式の熱交換器上に設置された通常のダイオードバーで構成されることができ、それによりレーザ全体のコストを顕著に軽減することができる。

種々の実施形態において、固体レーザはディスク状の利得媒体を含み、光ポンプ放射がディスクの周辺エッジに沿った選択された位置で与えられる。レーザ利得媒体ディスクはドープされていない光媒体、増幅された刺激放射（ＡＳＥ）吸収材料、および、／またはその他の材料をレーザ利得媒体の周辺エッジに取付けることにより形成された複合構造であってもよい。ドープされていない光媒体が設けられるとき、ドープされていない部分はポンプ放射を受取ってその放射をレーザ利得媒体に転送することを助けるように成形または構成されてもよい。

１実施形態において、光ポンプ放射のソース（例えばダイオードバー）は利得媒体の周辺に付近にほぼ円形パターンで位置され、ソースの高速軸はディスクの大きい表面にほぼ平行に向いている。この実施形態では、いわゆる“高速軸”に沿ったソースビームの高い発散はダイオード位置、ディスクのドープ濃度、および、／またはその他の利得媒体の表面を横切るほぼ均一な利得を生成する要因と関連して使用されてもよい。別の実施形態においては、ポンプ放射のソースはほぼ多角形のパターンで配置され、ディスクの大きい表面にほぼ垂直の高速軸を有している。この実施形態においては、多角形のパターンの大きさおよび形状はディスクのドープ濃度、および、／またはその他のディスク中にほぼ均一な利得を生成する要因に関連して使用されることができる。

ここに記載されている種々の固体レーザディスクレーザは、パルス（蓄積）モード、連続波（ＣＷ）モード、および、／または長いパルス（疑似ＣＷ）等で動作するレーザ発振器ならびにレーザ増幅器を構成するために使用されることができる。さらに、種々のレーザは熱容量モードその他で連続的に冷却されたモードで動作されてもよい。１実施形態において、レーザ利得媒体はアクチブミラー形態で動作するために光学被覆を設けられる。別の実施形態において、レーザ利得媒体は“透過”動作等のために反射防止被覆を設けられる。したがって、ここに記載されたレーザおよびレーザ増幅モジュールは、任意の産業的、軍事的、商業的その他の応用で使用されることのできる広範囲の製品で使用されることがとできる。

簡単に上述したように、“ディスクレーザ”はディスクに形成された固体利得媒体を使用し、そのディスクは一般的に互いにほぼ平行な２つの大きな表面を有している。増幅されるレーザビームは表面に対してほぼ垂直、および、／またはブリュースター角度で入射し、少なくとも一方の表面は消費された熱を除去するために使用されることができる。増幅器ディスクは基体その他の構造上に設置されることができ、その基体等は典型的に熱交換器および熱交換器に冷却材料を供給する種々のマイクロチャンネルを含んでいる。１つの形式のディスクレーザは厚さ約２．５ｍｍで直径約５〜１５ｃｍの大きい開口のレーザ利得媒体ディスクを含み、本出願人の米国特許第６３３９６０５号明細書に記載されており、ここで参考文献とされるが、ここに記載された原理と構造は任意の形式のレーザに関連して使用されることができる。

いわゆる“エッジ”ポンプディスクレーザでは、ポンプ放射は増幅器ディスクの周辺エッジに適切に注入されることができる。エッジポンプ（サイドポンプ）は、レーザイオンのドープ濃度を減少させることを可能にするためにディスクの直径に沿って比較的長い吸収路を利用する。高濃度のレーザイオン（すなわちドーブ濃度）は多くの重要なホスト結晶中に不所望な応力を生成する。これは例えばイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）中にＮｄ³⁺イオンをドープした場合に特に顕著である。さらに、長い吸収路は比較的小さい断面を有する吸収ラインの使用を可能にする。さらに、疑似３レベルレーザ（Ｙｂ³⁺）においては、減少されたドーブ濃度は対応する減少されたポンプ放射で基底状態によるレーザ光再吸収を克服し、さらに効率のよいレーザ作用を可能にする。種々の実施形態において、エッジポンプ増幅器ディスクは以下詳しく説明するようにドープされない光学的媒体をレーザ利得媒体ディスクの周辺エッジに取付けることにより形成されることができる。この構造は、光ポンプ放射のソースとレーザ利得媒体との間の改良された結合を可能にし、光ポンプ放射の密度、レーザ利得媒体ディスクの周辺エッジの冷却を可能にし、ＡＳＥをトラップするように設計される。レーザ利得媒体のドープ、ポンプソースの発散および形状の適切な選択により、比較的均一なレーザ利得が利得媒体の大部分にわたって達成される。高平均パワー応用に対するサイドポンプアクチブミラー固体レーザのいくつかの例は米国特許出願２００２／００９７７６９，２００２／０１１０１６４，および２００２／０１７２２５３号明細書に記載されており、ここで参考文献とされる。

典型的に、利得媒体（すなわち“ディスク開口”）の全アクチブ表面を横切って比較的均一な増幅度を与えることが望ましい。一般にポンプソースに最も近い利得媒体の部分は遠い部分よりも高い強度でポンプされ続けられ易く、それにより不均一なポンプエネルギ分布および不均一な利得を生じる。この状態は増幅されたレーザ光の前の光位相を擾乱して結果的にビーム品質の望ましくない損失を生じる。さらに、利得媒体中の信号により誘起された飽和における相違によりレーザ信号の弱い部分は強い部分よりも多く増幅される。このような影響を緩和するためにポンプダイオードの自然発散、および／またはダイオードの配置が利用され、利得媒体の内側で重なった多数のダイオードによってビームが生成され、それにより重なった領域のポンプ放射の強度が合算される。吸収されたポンプパワーの容積密度分布は主としてパワー出力および個々のダイオードのビーム発散に依存し、また、ディスクの中心からのダイオード素子の距離および利得媒体の基底状態イオンの密度に依存している。したがって、多数のダイオードにより生成されたビームの重なりおよび吸収イオンによるディスクのドープを平衡させることにより、開口を横切る吸収されたポンプパワーの変化は適切に減少されることができ、それにより増幅器における利得の均一性を改善することができる。

種々の形式のポンプダイオードが多数の供給源から入手可能である。典型的にＳＳＬポンプソースとして使用されるダイオードは約１〜２μｍの高さと約１００〜２００μｍの幅の表面から放射する。狭いディメンション（例えば高さ）は“高速軸”と呼ばれ、広いディメンション（例えば幅）は“低速軸”と呼ばれる。この表面から放射される放射ビームは典型的に形状が高度に非対称である。実際に通常のダイオードにより生成されるビームは高速軸に平行な方向で高度に発散し（例えば全体の幅が約６０〜３０度であり、その半分の位置で最大）、低速軸に平行な方向で中程度に発散（例えば全体の幅が約８〜１２度であり、その半分の位置で最大）する。それ故、このようなビームの空間形状は楕円断面を有するほぼバイ・ガウスである。

ＳＳＬをポンプするための通常のレーザダイオード素子は約１ワットの光出力を発生する。例示的な１０キロワットの固体レーザに対して、約２０〜４０キロワットの光ポンプパワーが必要とされ、それは２〜４万個のダイオードに対応する。しばしばダイオードは１０以上のダイオードの一次元アレイ（ダイオードバーと呼ばれる）で設けられ、それは典型的に１０〜１００ワット程度の平均パワーを与えられる。ダイオードバーは適当に電気端子を設けられ、熱交換器上に取付けられることができる。さらに、多数のダイオードバーが積層されて二次元アレイ（すなわち“ダイオードスタック”）が形成されることができ、それは１キロワット以上の平均出力を与え、一方、冷却体および電源に対する接続に都合がよい。しかしながら、高速軸方向の比較的高い発散のために、多くの応用に対してダイオードアレイ出力を管理することが試みられている。このために、あるダイオードアレイは出力放射を成形するマイクロレンズを含んでいるが、これらのレンズはアレイのコストを大きく増加させる一方で、出力パワーを減少させる。レーザダイオード、ダイオードバーおよびダイオードスタックは、カリホルニアのサンタクララのコヒーレント社、モンタナのセントチャールスのインダストリアル・マイクロフォトニツク社、フランスのトムソン・オルセー社等の多くの会社から市販されている。

以下図面を参照にして説明する。最初に図２および３を参照すると、固体レーザで使用するのに適した増幅モジュールの100 の例示的な実施例は、周囲に多数のポンプソースが配置されているディスク12を備えている。種々の光ポンプソースが以下説明するようなレーザ利得媒体材料26を含むディスク12の中心方向に光ポンプ放射を行なう。実施例では各光ポンプソースはダイオードバー68であり、その高速軸15はディスク12の大きい表面22, 24にほぼ平行な方向に指向される。この構造でダイオードバー68の高速軸の方向の各ビームは74の発散は、以下詳しく説明するようにディスク12の開口を横切る比較的均一なポンプ放射を行なうのを助けている。ここで使用されている用語“開口”は増幅モジュール100 により受信され、増幅され、および、または転送されることができるレーザビームの最大伝送ディメンションを言う。

ディスク12は一般的に比較的平坦な構造であり、２つのほぼ平行な平面22および24を含んでいる（図３）。２つの平面22および24はそれぞれ平らに研磨され、品質光学的に研磨される。ディスク12の特定の寸法および形状は実施例によって変化できるが、例示的な実施例ではほぼ円形で約１〜１０ｍｍ程度の厚さと約１０〜３００ｍｍの直径を有しており、横断寸法“Ｄ_c ”は典型的にディスク12の厚さ“Ｔ”の数倍以上である。別の実施例では、ディスク12は多角形、円、、楕円、或いは直線および、または曲線の組合わせにより規定された任意の形状に形成されることができる。したがって、ここで使用されている用語“ディスク”は寸法、形状または組成に関係なく任意の範囲の等価な構造を含む広い意味で使用されている。

種々の実施例では、ディスク12はレーザ利得媒体26と、ポンプソースからレーザ利得媒体26に光放射を転送することのできるドープされていない光学媒体28の両者を含んでいる複合ディスクである。ドープされていない光学媒体28は適切に形成されてレーザ利得媒体26の外周に接合されている。例示的な実施例では、ディスク12は任意の寸法または組成で形成されてもよいが、レーザ利得媒体26の直径Ｄ_L に対するディスク全体の直径Ｄ_c の比は約１．５乃至３の範囲である。

ディスク12は，以下説明するような望ましくない増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）を吸収することのできる被覆またはクラッドを含むこともでき、および／または反射性の被覆、または反射防止被覆、および、またはレーザ放射の増幅器として動作するために適切なダイクロイック被覆を含むこともできる。ディスク12の外周の外面34は例えば反射防止被覆38で被覆されてもよい。反射防止被覆38は誘電体被覆またはその他の光ポンプおよびレーザ波長における反射を実質的に阻止する材料で形成されることができる。さらに、外面34は寄生振動に対するＡＳＥフィードバックをさらに減少させるために表面22, 24に対する垂線に対して１〜１０％ずれた角度に機械加工等により形成されてもよい。

ディスク12はレーザ利得媒体26を含み、それは光ポンプ放射36に応答してレーザビームを増幅することのできる材料である。レーザ利得媒体26は、レーザ転移に対してポンプできる適当なイオンでドープされたホスト格子を有する適当な光学材料で構成されることができる。種々の実施例で使用されるホスト格子材料の例には、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）、ガドリニウムスカンジュウムガリウムガーネット（ＧＳＧＧ）、イットリウムリチウムフロライド（ＹＬＦ）、イットリウムバナジウム、リンレーザガラス、シリケートレーザガラス、サファイア等が含まれている。レーザ媒体の例示的なドープ材料には、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ等が含まれるが、別の例ではその他の材料も使用可能である。レーザビーム64がほぼ垂直のディスク12に対する入射角度を有している場合には、利得媒体の周辺部は良好なモードを与えるために円形またはほぼ円形であってもよい。レーザビーム64が垂直からかなり離れている入射角度を有している場合には、利得媒体の周辺部は形状がより楕円である可能性がある。例えば、ブリュースター角度でディスク12に入射する偏光されたレーザビームは、ビームがそれを通って入射するおよび、または出力するディスク表面が反射防止被覆を有していない場合でも効率よく増幅されることができる。

種々の実施例で、ドープされていない光学媒体28（すなわち光ポンプ放射を吸収することができる物質の実質上の濃度がない）はレーザ利得媒体26に対して使用される材料と類似した材料である。いくつかの変形では、ドープされていない光学媒体28は光ポンプおよび、またはレーザ利得転移の波長における光放射を吸収することができるイオンで低濃度でドープされていてもよいが、ポピュレーションを反転するようにはポンプされない。このような材料はＡＳＥ放射を吸収するために使用されることができる。ドープされていない光学媒体28は、融着結合、拡散結合、光学的接触とそれに続く熱処理、鋳造等を含む任意の技術でレーザ利得媒体26の種々の表面に取付けられることができる。結合部30はレーザ波長およびポンプ波長に対して非常に透明であり、母材とほぼ同じ熱伝導度を有している。ドープされていない光学媒体28はレーザ増幅モジュール100 に対して多くの利点を与える。ダイオードバー68から利得媒体26へのポンプ放射の転送に加えて、ドープされていない光学媒体28は利得媒体26から離れる熱伝導通路を与え、それによってディスク12中の熱応力を減少させ、ビーム64中の関連する歪を減少させる。さらに、ドープされていない光学媒体28は利得媒体26の屈折率によく整合する屈折率を有するように選択されることができ、それによりＡＳＥ放射線が顕著な反射を生じることなく２つの材料間の境界を横切ることを可能にする。

簡単に上述したように、ポンプ放射ソースは市販のダイオードバー68であってもよく、それはディスク12の周囲に配置され、適切に利得媒体26のほぼ中心に向かってポンプ放射36を与えるように方向を定められている。ここで使用されている用語“ダイオードバー”は任意のタイプのダイオードバー、ダイオードスタック等を含む任意のダイオードアレイを広く含むことを意図している。各ダイオードバー68はダイオードバーの長い寸法と短い寸法に対応している低速軸13および高速軸15を有している。ダイオードバー68は複合ディスク12の周辺エッジの表面34に比較的近接して配置されており、そのためダイオード出力は効率よくディスク12に結合される。ダイオードバー68はディスク12を横切る横断距離Ｄ_s で位置しており、Ｄ_s はディスク12を横切る横断寸法Ｄ_c よりも少し大きい。

各ダイオードバー68は利得媒体26のドープイオンにレーザ転移を誘起させるのに適切な波長でビーム74の形態でポンプ放射36を与える。ダイオードバー68が表面22および24の平面にほぼ平行な高速軸15の方向を有するとき、ビーム発散は、各ダイオードバー68が利得媒体26の比較的大きい部分を横切って放射を与えるように行われる。したがって、各ダイオードバー68により発生された出力ビーム74は発散してレーザ利得媒体26の比較的大きい部分を照射する。そのような実施例では、ダイオードバー68は典型的に高速軸発散を減少させるマイクロレンズを含まない。

動作中、各ダイオードバー68は光学被覆38と外面34を通してドープされていない光学媒体28中へ光放射36を注入し、光学媒体28は受取った放射36を利得媒体26へ転送する。ドープされていない光学媒体28による転送は表面22, 24からの適切な多重内部反射によって助けられる。

ポンプ放射36は利得媒体26が入射レーザビーム64を増幅することを可能にするレーザ転移を行なわせるためにレーザ利得媒体26中のドーパントスペシーをポンプする。ポンプ放射36はレーザ利得媒体26を通って通過中にら徐々に吸収される。指数関数的な吸収媒体に対して、この吸収プロセスはビーア(Beer)の法則：Ｉ（ｘ）＝Ｉ_o ｅｘｐ（−ａｘ）にしたがい、ここで“ｘ”は吸収媒体中への距離であり、“ａ”は媒体の吸収係数であり、“Ｉ_o ”はポンプ放射の初期強度であり、“Ｉ（ｘ）”は吸収媒体中への距離“ｘ”の移動後のポンプ放射強度である。利得媒体26は入射ポンプ放射36の約９０％以上が媒体中の１回の通過で吸収されるように適切にドープされることができる。しかし、他の実施例において吸収パラメータを広く変化させることができる。

上述した概念は任意の数の等価の実施例に到達するために多くの方法で強化され、および、／または変更されることができる。例えば複合ディスク12は多くの別の形態をとることが可能であり、および、／またはダイオードバー68からディスク12へ与えられる放射に対する結合効率を改善するためにさらに強化されることができる。

図４の（Ａ）および（Ｂ）は例示的な複合ディスク12の側面図および平面図である。図４の（Ａ）および（Ｂ）を参照すると，複合ディスク12は適切に成形された利得媒体26に結合された多数のセグメント28A から適切に形成されることができる。ドープされない光媒体28各セグメント28A は利得媒体26に類似した材料から形成され、融着結合、拡散結合、または上述したその他の結合方法により利得媒体26に取付けられることができる。各セグメント28A はギャップ32により各隣接するセグメント28A から分離されているが、それはディスク12の熱応力を軽減させることができる。さらに、セグメント28A はＡＳＥ光子に対する熱トラップとして作用してディスク12の性能を改善している。さらに、線形のセグメント30に対する結合は別の実施例による湾曲されている結合よりも実際に容易でありさらに信頼性が高められる。図４の（Ｂ）は八角形の形状の利得媒体26を示しているが、利得媒体26および、／またはディスク12は用途に応じて広く種々の形状をとることができる。

前述のようにダイオードバー68の多くの商業的実施例は長さが約１ｃｍである。しかしながらレーザ利得媒体26は多くの実施例で厚さが数ｍｍに過ぎない。ダイオードバー68からのポンプ放射を効率よくレーザ利得媒体26に結合させるためにある実施例では集束装置および／またはレンズをダイオードバー68とディスク12との間に設けるか、またはダイオードバー68からの光ポンプ放射を効率よく受取るようにディスク12を設計することが有効である。

図５を参照すると、ディスク増幅モジュール100aはダイオードバー68からディスク12ポンプ放射36を集束、コリメート、或いは誘導することのできる集束装置20および／またはレンズ18を備えている。集束装置20は任意のタイプのものでよく、例えば環状円錐体等の形状に形成されることができる。その代わりに集束装置20はディスク12の周囲を囲む２以上のセグメントとして設けられてもよい。種々のタイプの非イメージ用集束装置20が、例えば固体（中実）の光学材料で作られた、或いはここで参考文献とされている本出願人の米国特許出願２００２／００９７７６９号明細書に記載されているような中空のダクトとして形成される。固体の光学材料が使用される場合には、入力表面（すなわちダイオードバー68に最も接近した表面）が随意的に機械加工等によりレンズ効果を与えるように形成される。その代わりに別のレンズ素子18が設けられて光ポンプ放射36を集束装置20の入力またはディスク12に向けて集束させてもよい。

各部品はダイオードバー68とディスク12との間の光路中に配置される。しかしながら、増幅モジュール100aの効率に影響する可能性のある若干の光損失を生じる可能性がある。したがって別の実施例ではディスク12の一部は各ダイオードバー68からの光放射を集めるのを助けるように形成されることもできる。図６を参照すると、例えばディスク増幅モジュール100aは複合ディスク12で構成され、それにおいてはドープされていない部分28a はテーパー部分48を形成され、さらに、ディスクの入力表面は彎曲した表面34a として形成されている。このような実施例では傾斜した部分48は集束装置の作用を適切に行い、彎曲した表面34a は適切にレンズの作用を行なう。テーパー部分48および彎曲した表面34a は機械加工等の任意の方法でディスク12のドープされていない部分28a に形成されることができる。ディスク12の入力端面はにはさらに前述のように誘電体その他の反射防止被覆38が設けられてもよい。ディスク12の端縁部の種々の構造は図７の（ａ）乃至（ｆ）に示されている。

増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）は、自然発生放射された光子がレーザ利得媒体260 を横切り、利得媒体26を離れる前に増幅される現象である。ＡＳＥは、光利得と自然発生放射された光子に対する長い通路との組合わせから生じる状態のときに最も普通に発生する。ＡＳＥは励起されたレーザ利得媒体中の上部エネルギレベルの集団を分解してレーザのパワーを奪うように作用する。さらに、利得媒体の境界部におけるＡＳＥ光子の反射はフィードバックとして寄生振動を生成し、レーザのパワーり損失を増加させる。チェックされなければ、ＡＳＥは高利得のレーザ増幅器の上部エネルギレベルの反転を消去するような十分大きいものとなる可能性がある。

図８に示された実施例ではＡＳＥ影響を減少させるディスク増幅モジュール100'は多角形の周縁に沿って配置されたＡＳＥ吸収材料64を有する複合ディスク12を備えている。ダイオードバー68はディスク12の周囲に分散してグループ66で配置されている。図８の実施例では、各ダイオードバー68のグループ66はディスク12の周縁の１つに隣接して配置されている。ある実施例では、各ダイオードグループ66は上述したダイオードスタックにより構成されていてもよい。各ダイオードバー68はディスク12の大きい表面の平面にほぼ平行な高速軸を有するような方向で配置され、図示されたように各発散ビーム74に対して大きいレーザ利得媒体26の広いカバー範囲を与えている。

ディスク放射により照射されていないディスク12の外周面の部分にはＡＳＥ吸収材料64が適当な被覆またはクラッドとして設けられている。ＡＳＥ吸収材料64はディスクの選択された表面に取付けられることができる任意の材料でよく、それはレーザ利得媒体26中の１以上の転移波長で光放射を吸収する能力を有している。ＡＳＥ吸収材料被覆の例にはレーザ利得媒体の屈折率より大きい屈折率を有する材料の組合わせである種々の薄膜が含まれている。例示的な被覆材料にはゲルマニウム、シリコン、金、銀、シリカ、ダイヤモンド、グラファイト、乾かしたグラファイトのインク、およびその他の半導体およびハロゲン化物が含まれる。ＡＳＥ吸収クラッドの例としては、ガラス（リン酸塩ガラス、シリケートガラス、フッ素ガラス）、結晶、セラミック、ＲＴＶ（Ｒ）ゴム、エポキシポリマー、またはこれらの材料の積層体が含まれる。これらの材料はまた適切に吸収イオンでドープされることもできる。例えば、１．０６マイクロメータの波長の放射を吸収するイオンにはＣｕ²⁺，Ｓｍ³⁺，Ｄｙ³⁺，Ｃｒ⁴⁺，Ｖ³⁺が含まれる。ＡＳＥ吸収クラッドはまたエッジとクラッドとの境界面からの反射を阻止するためにレーザ媒体の屈折率に密接に整合する屈折率を有する必要がある。さらに、ＡＳＥ吸収クラッドはまた熱応力を減少させるためにレーザ利得媒体に密接に整合する熱膨脹係数を有するとよい。ＡＳＥ吸収クラッドはまた、接着剤、溶融結合、拡散結合、熱処理が後続する光学的接触その他の任意の適当な技術によりレーザ利得媒体の選択された表面に結合されることができる。そのような結合はレーザ波長で高度に透明であり、レーザ利得媒体の屈折率に密接に整合する屈折率を有する必要がある。

上述のようにダイオードバー68は実施例ではダイオードスタックに結合されることができる。ダイオードスタックは多くの用途で便利であるが、実際にはスタック中の各ダイオードバーは高速軸をレーザディスクの大きい表面に平行に配置することは困難である。さらに、スタックを構成しているダイオードバーが熱交換器上に取付けられる場合には、隣接する熱交換器の冷却剤ポートとの間の接続および熱交換器と供給ラインとの間の接続は各ダイオードバーの高速軸がディスク12の大きい表面に平行である場合には複雑になる。したがって、全ての実施例でディスク12に関してそのような方向でダイオードバーを配置することは実際的ではないこともある。

図９に示されている別の実施例の固体ディスク増幅モジュール200 は複合ディスク12の周囲に位置する多数のダイオードバー68を含んでいるが、ダイオードバーの高速軸はディスク12の大きい表面にほぼ垂直である。このような実施例ではポンプ放射ビーム76は利得媒体26を横切る発散が少ないが、幅の広いビームが与えられ、それによって減少した発散を補償している。

さらに、低速軸13がレーザディスクの大きい表面に平行なダイオードバー68の方向によって、冷却剤および電源に対するダイオードバー68の接続は非常に簡単になる。被覆またはクラッドのようなＡＳＥ吸収材料64はまた適切にディスク12の縁部に沿って設けられることができる。

図９ではディスク12は八角形として示されているが、ディスク12は多角形（任意の数の辺）、円形、楕円形、等であってもよい。特に奇数の辺の多角形は寄生振動のフィードバックを減少させるのに有効である。同様にダイオードバー68は任意の方法でディスク12の周囲で位置を変更することができる。例示的な実施例（および図９に示されたような実施例）では、多角形はダイオードバーの放射表面をディスク12の外周面34に近接して配置することを可能にしている。このギャップの大きさを適切に減少させてダイオードバー68とディスク12との間の結合効率を改善することはダイオードバーがマイクロレンズを使用しなときには特に重要である。例示的な実施例ではダイオードバー68とディスク12との間のギャップは１ｍｍ程度であり、他の寸法もまた使用可能である。

図９はさらにダイオードバー68のいくつかのグループ67を示されており、各グループ67はディスク12の多角形の外周面34の側面に沿って配置されて。ダイオードバー68はさらに任意の方法でディスク12の周囲でグループされることができる。各グループ67中のダイオードの数は、ダイオードバーとそれらの間のギャップの組合わされた長さ“ｗ”が利得媒体26の横断方向の横の長さＤ_L （図３）よりも幾分短く、それにより各ダイオードグループ67により生成された多少発散されたビーム76が利得媒体26の実質的な部分を照射するようにすると有効である。各グループ67のダイオードバー68の間の間隔はダイオードバーの長さに比較して比較的小さい。この場合にも再び、ダイオードバー68とダイオードバー68のグループ67の特定の配置は多くの方法で変更可能であり、任意の数の等価な実施例が可能である。特に、ディスク12の大部分にわたって実質上均等な利得を生成するために特定の利得媒体26のドープと組合わせが選択されることができる。

図１０にはレーザディスク増幅モジュールの別の実施例200aが示されており、複合ディスク12にポンプ放射を与える任意の数のダイオードスタック構造67を含んでいる。複合ディスク12はさらに随意的にテーパー部分48と随意的に湾曲した表面34a を備えて、上述したようにダイオードバー68とディスク12との間の結合効率を改善している。ダイオードスタック構造67はスタック66に形成された任意の数のダイオードバー68を含んでいる。種々の実施例において、各ダイオードバー68は上述のように熱交換器を設けられている。多数のダイオードバーが積層されるときには冷却剤を導く容器52が適切に形成される必要がある。図示の実施例ではダイオードスタック66は入口マニホルド54と出口マニホルド56とを設けられ、水その他の冷却剤をスタック66中の各ダイオードバー68に与えることができる。各スタック66は入口マニホルド54から冷却剤52を受取り、出口マニホルド56へ冷却剤を排出する。各マニホルド54と56はまたスタック66に対する電力を与えるための端子を有している。各ダイオードスタック66はダイオードバー68の高速軸が図９に関連して説明したように動作に対してディスク12の大きい表面に対して垂直であるように方向を規定されてもよい。

図１１は例示的なディスク増幅モジュールの実施例200aの斜視図であり、レーザ装置で使用するためにディスク12と、複数のダイオード構造67と、冷却マニホルド202aと202bとの間に配置されたコリメータ205 とを有している。この明細書で説明した種々のレーザ増幅モジュール100/200 は任意の形式のレーザ装置で実施するように透過型ディスク（図１のａ）または反射型ディスク（図１のｂ）のいずれとしても使用されることができる。透過型の装置では、ディスク12の表面22および24（図３および図１０参照）は適当に反射防止被覆を設けられて入射レーザビームの反射損失を減少させている。そのような被覆は入射ビームが偏光であれば必要はなく、ディスクは入射のブリュースタ角度またはその付近に配置される。廃熱は複合ディスク12の両表面22および24上に適当な冷却剤（例えばガス）を流すことによって透過ディスクから除去される。

図１２を参照すると、例示的な反射型ディスク構造の装置300 は基体303 上に取付けられ、熱交換器307 により冷却される複合ディスク12を備えている。ディスク12は背面に高反射性の被覆308 を設けられている。コリメータ305 もまた設けられて、利得媒体26の開口をさらに規定している。動作において、レーザビーム64は利得媒体26に入射し、増幅され、ビーム64が反射される。増幅は前述のようにダイオード装置67（任意の配置の任意の数のダイオードバー68を含むことができる）からポンプ放射を与えることによって行われる。例示的な反射型ディスクは本出願人の米国特許出願第２００２／００９７７６９号明細書に記載されている。

最後に図１３の（ａ）および（ｂ）を参照すると、例示的なレーザ装置400 は、ハウジングその他の容器406 内の光学ベンチ404 により支持された１以上の増幅モジュール200aを含んでいる。図１３の（ａ）に示されているように、増幅モジュール200aはこの増幅モジュール200aをレーザ光が通過することができるようにシュラウド等の支持体410 により位置を保持されている。パワー変換器408 はレーザ400 のダイオードバー68を含む種々の部品に対する電力を調整する。特に図１３の（ｂ）で示されているように各増幅モジュール200aは前述したように基体303 および熱交換器307 に取付けられている。これらの概念および構造は、等価な種々の実施形態において任意の形式の固体レーザに適合されることができる。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明されたが、等価な種々の形態が容易に認識されるであろう。例えばここで使用されている用語“実質上”は、説明したものからある程度ずれたものを含むことを意図している。このようなずれは例えば製造や設計の不完全により、或いは発明の一般的概念から外れることなく、ここで使用される用語からずれた（例えば１０％以上）結果によるものである。示された実施例は単なる例示であり、こで説明した概念および構造は範囲を限定することを意図するものではない。むしろ前述の説明は本発明の例示的な実施例を構成するための便宜的なロードマップを当業者に与えるものである。特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱することなく、説明された実施例の素子の機能や構造に種々の偏向が行われることが可能である。

（Ａ）および（Ｂ）は従来技術の例示的な透過型および反射型増幅ディスクの斜視図。 固体レーザに対する例示的な増幅モジュールの斜視図。 図２に示された例示的な増幅モジュールの断面図。 （Ａ）および（Ｂ）は複合ディスクの例示的な別の実施形態の断面図および上面図。 コンセントレータおよびレンズ構造を有する例示的な増幅モジュールの断面図。 湾曲した外周面とテーパー部分を有している例示的な増幅モジュールの斜視図。 （ａ）〜（ｆ）は複合ディスクの例示的な別の実施形態の断面図。 ダイオードバーのグループ化およびＡＳＥ吸収材料を有する例示的な増幅モジュールの斜視図。 ダイオードバーのグループ化およびＡＳＥ吸収材料を有する別の例示的な増幅モジュールの斜視図。 ダイオード積層構造を有する例示的な増幅モジュールの断面図。 図１０に示された例示的な増幅モジュールの斜視図。 基体上に設置された例示的な増幅モジュールの断面図。 （ａ）および（ｂ）はレーザダイオードにより増幅される例示的なレーザの分解された切断された斜視図。

Claims (10)

1. 固体レーザ用の増幅モジュールにおいて、
   ２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備え、光利得材料を含んでいるディスクと、
   前記ディスクの周縁部を囲んで配置され、前記光利得材料に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバーとを具備し、
   前記複数のダイオードバーはそれぞれ前記光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスクと整列して配置されている増幅モジュール。
2. 前記複数のダイオードバーはディスクの周縁部に近接して配置され、前記各ダイオードバーは高速軸および低速軸を有し、
   その高速軸はディスクの２つの実質上平行な表面に実質上平行である請求項１記載の増幅モジュール。
3. 前記複数のダイオードバーはディスクの周囲に近接して配置され、前記各ダイオードバーは高速軸および低速軸を有し、
   その高速軸はディスクの２つの実質上平行な表面に実質上垂直である請求項１記載の増幅モジュール。
4. 前記複数のダイオードバーのそれぞれの間のディスクの周縁部に配置された増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）の吸収層材料を備えている請求項１記載の増幅モジュール。
5. 前記ディスクは光利得材料の中心部分と中心部分と外周面との間の環状の非利得部分とを含む複合ディスクとして構成されている請求項１記載の増幅モジュール。
6. ソース光に対して光利得を与えるように構成された増幅モジュールを有する固体レーザにおいて、前記増幅モジュールは、
   ２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備え、光利得材料を含んでいるディスクと、
   それぞれ高速軸を有し、前記ディスクの周縁部を囲んで配置され、前記光利得材料に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバーとを具備し、
   前記複数のダイオードバーはそれぞれ前記光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスクと整列して配置されている固体レーザ。
7. 増幅モジュールを有する固体レーザにおいて、前記増幅モジュールは、
   ２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備え、光利得材料を含んでいるディスクと、
   それぞれ高速軸を有し、前記ディスクの周縁部を囲んで配置され、前記光利得材料に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバーとを具備し、
   前記複数のダイオードバーはそれぞれ前記光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように前記ディスクの２つの実質上平行な表面に実質上垂直な方向に前記ダイオードバーの前記高速軸が空間的に整列して配置され、
   さらに、前記複数のダイオードバーの間のディスクの周縁部に配置された増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）を吸収する材料を備えている固体レーザ。
8. 増幅モジュールを有する固体レーザにおいて、前記増幅モジュールは、
   ２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備え、光利得材料を含んでいる増幅器ディスクと、
   それぞれ高速軸を有し、前記増幅器ディスクの周縁部を囲んで配置され、前記光利得材料に光学的ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバーとを具備し、
   前記複数のダイオードバーはそれぞれ前記光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように前記増幅ディスクの２つの実質上平行な表面に実質上平行な方向にダイオードバーの前記高速軸が空間的に整列して配置され、
   さらに、前記複数のダイオードバーの間の増幅ディスクの周縁部を囲んで配置された増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）を吸収する材料を備えている固体レーザ。
9. 増幅モジュールを有し、レーザビームを生成するように構成されている固体レーザにおいて、前記増幅モジュールは、
   ２つの実質上平行な表面と、周縁部とを備えているレーザビームの増幅手段と、
   前記増幅手段の周縁部を囲んで配置され、前記増幅手段を横切って実質上均一な利得を生成する光ポンプ放射を与えるように構成された複数の光ポンプ放射生成手段と、
   前記増幅手段からの自然発生放射（ＡＳＥ）の吸収材料とを備えている固体レーザ。
10. 固体レーザにおいて実質上均一な利得を生成する方法において、
    レーザビームを生成し、
    光利得材料を含むディスク増幅器に複数のダイオードバーからポンプ放射を与え、
    各ダイオードバーはディスク増幅器の周囲に沿って配置され、前記光利得材料を横切って実質上均一な利得を生成するように前記ディスク増幅器と空間的に整列され、
    前記ディスク増幅器によってレーザビームを増幅するステップを有している方法。

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