JP2004503117A

JP2004503117A - 光学ポンピング固体スラブレーザモジュール

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Publication number: JP2004503117A
Application number: JP2002509143A
Authority: JP
Inventors: マック、アルトゥール　アファナシエヴィッチ; マリーニン、ボリス　グリゴリエヴィッチ; ミトキン、ワラリー　ミハイロヴィッチ; パンコフ、ウラジミール　ゲオルギエヴィッチ; セレブリャコフ、ビクター　アナトリエヴィッチ; ウスチュゴフ、ウラジミール　イワノヴィッチ; ブラウン、ベルント; クラウゼ　ウルフ
Original assignee: マック、アルトゥール　アファナシエヴィッチ; マリーニン、ボリス　グリゴリエヴィッチ; ミトキン、ワラリー　ミハイロヴィッチ; パンコフ、ウラジミール　ゲオルギエヴィッチ; セレブリャコフ、ビクター　アナトリエヴィッチ; ウスチュゴフ、ウラジミール　イワノヴィッチ; ブラウン、ベルント; クラウゼ　ウルフ
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US6891877B2; WO2002005393A1; EP1315257A1; US20040052284A1; AU2001280323A1; RU2200361C2; EP1315257A4

Abstract

本発明の光ポンピングレーザのモジュールは、光ポンプ光源；プレートの形で形成され、１組の第１の対向する側面を有する固体能動要素であって、それらの側面間の距離がそれを通ってポンプ光源から能動要素までポンプ光を通過させるための能動要素の幅を規定するものである固体能動要素；１組の第２の対向する側面であって、それらの間の距離が能動要素の厚さを規定するものであり、それらの面が面平行の形で形成されていることで、形成されるレーザ光線が前記１組の第２の側面からの全内反射を受けながら、ジグザグに能動要素の長手方向に進むことができるように、その形成されるレーザ光線の方向が決定される第２の対向側面；１組の端面であって、それらの間の距離が能動要素の長さを規定する端面；ならびに各第２の面との熱的接触を有することで能動要素から熱を除去する熱発散装置を有する。光発散性を低くし、レーザ励起効率を高め、能動要素の耐熱性を高めるため、前記要素を、それの幅が厚さより大きくなるように作製する。ポンプ光に関しては、第１の側面を透明なものとする。能動要素に関する光ポンプ光源の配置とそれの方向は、ポンプ光の少なくとも大半が、第２の側面からの全内反射によってジグザグに能動要素の幅方向にその能動要素内で拡散するようなものとする。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明はレーザ技術の分野に関する。本発明は量子エレクトロニクスおよび光学機械工業で、医学的用途、技術的用途および他の用途としての照射パワーが高いレーザ装置の開発および製造に使用可能である。
【０００２】
（背景技術）
光学ポンピング固体スラブレーザのモジュールは通常、光学ポンピング用光源と、出力レーザの方向決定用の２枚の対向側面を有し平行平面型に作製された長尺スラブの形状をなす利得要素とを有する。このため出力レーザは２つの側面で全内反射されながらジグザグ光路中をスラブの長手方向に伝播される。光学ポンピング用光源からの通常の照射光は、同一側面からレーザスラブ内に導入される。高パワー固体レーザの操作では、レーザスラブからの対応量の熱除去が必要であることから、そのような装置でのスラブの冷却は、ポンプ照射を行うのに用いられる同一側面の液体冷却によって実行可能である。そのようなモジュールでは、レーザダイオードおよびポンプランプの両方をポンプ光源として用いる。
【０００３】
レーザモジュールにおいて、ポンプ照射に使用される同一側面をレーザスラブの冷却に使用する場合、ポンプ照射の光路上には、光学窓、冷却流体の流れ、窓表面の反射防止コーティングおよびレーザスラブの保護コーティングがある。それらのいずれもエネルギー損失につながることから、ポンプ効率の低下およびレーザ出力パワーの低下を生じる。さらに、そのような装置における光学窓およびコーティングに使用される材料には、光学的パラメータ、熱機械的パラメータ、熱物理的パラメータおよびビームパラメータに関して高レベルのものが要求される。それらの必要条件により、材料および技術の選択の可能性がかなり制限され、レーザモジュール作製が複雑になる。
【０００４】
これらの問題は、レーザスラブの側面の異なる役割を有するレーザモジュールによって対処され、そこで熱はレーザ光の導波路伝播に使用される同じ一対の対向側面から除去され、光学ポンピングは別の一対の対向側面によって行われる。この技術的解決法は、冷媒およびコーティングのパラメータに対する必要条件の数を大きく低減するものであり、それによってレーザスラブの伝導冷却を用いて装置全体を小型化することができる。そこで、米国特許第５９４９８０５号に記載の光学ポンピングレーザモジュールは、光学ポンピング用光源ならびにポンピング光源からのポンプ光を通してレーザスラブに送るように作られ、レーザスラブの幅を規定する距離だけ分離されている一対の第１の対向側面および出力レーザ光の方向に対して面平行である一対の第２の対向側面を有する固体レーザスラブを有する。出力レーザ光は第２の側面で全内反射されながらジグザグ光路中をスラブの長手方向に進み、第２の側面はレーザスラブの厚さを規定する距離だけ離間している。同スラブはさらに一対の端面を有し、それらの面間の距離がレーザスラブの長さを規定する。このモジュールはさらに、熱除去手段を有し、その手段は第２の各側面と熱的に接触していることで、レーザスラブから熱を除去する。レーザスラブと熱除去手段の表面との間の熱的接触は米国特許第５９４９８０５号では、レーザスラブ表面に厚さ２μｍで設けられた透明二酸化ケイ素層とそれに続く厚さ２〜６μｍの接着層を有する２層コーティングによって得られる。第１の層は、小さい損失で光の導波路伝播を確保し、さらに第２の層の材料の有害な影響からレーザスラブ表面を保護するものである。第２の層は、スラブユニットを熱除去手段へと確実に付着させる。
【０００５】
レーザスラブによるポンプ光の吸収がスラブ加熱の原因である。ポンプ光によってレーザスラブ体積が均一に照射され、対応する一対の対向側面からの熱除去が均一であり、しかも縁部加熱効果（この場合および以下の記述において縁部加熱効果とは、少なくとも部分的に熱除去手段と接触していないレーザスラブの対向側面によって生じる効果を指すものとする）がない場合、レーザスラブの厚さ方向での温度分布は、温度最大値がレーザスラブの中央にある放物線形状を有する。レーザスラブ材料の屈折率は温度によって決まることから、スラブの厚さ方向の屈折率分布は、放物線に近い類似の形となる。
【０００６】
しかしながら、米国特許第５９４９８０５号に記載のレーザモジュールは、正方形に近い断面（すなわち、レーザスラブの幅と厚さがほぼ同じ寸法である）を有するレーザスラブを用いる。上記縁部熱効果が起こるレーザスラブの縁部領域の幅は第一近似では、公知のレーザモジュールにおけるスラブ厚さと同程度であることから、縁部熱効果の領域は、レーザスラブの断面の有意部分を占める。第２の成分より高レベルの有意成分を有し、縁部効果の結果と考えられる屈折率の分布は出力レーザ光に影響を及ぼす。この影響は十分に簡単な外部光学系によっては殆ど変化させ得ない。その結果、公知のモジュールによって発生するレーザは、高程度の不均一さを有する。
【０００７】
公知のレーザモジュールでのポンプパワーは、側面に直接対向して設けられたポンプ光源から放出される光線で、第１の側面に対して垂直なレーザスラブに送られる。このポンプ光は、レーザスラブの体積全体に十分均一に分布して、ポンプ効率を高め、最大電力低下とレーザスラブ表面変形による出力レーザビームの発散増加とを生じる局所的熱過負荷を防止するものでなければならない。しかしながら、公知のポンプ光源によって成形された光線は、光強度分布の空間的不均一性がかなり大きいことを特徴とする。そこで、レーザスラブ体積全体にわたってポンプ光分布を均一とするために、公知のレーザモジュールでは、ポンプ光が通過する側面の表面が粗面となっている。しかしながら、そのような粗い光拡散表面は、ポンプ光の対応部分を反射（後方散乱）する。これは、ポンプ効率に悪影響を与える。さらに、側面の表面における凹凸は、操作時のレーザスラブ内部での温度変動の結果であると思われる張力が生じる場合には、レーザスラブ損傷の原因となり得る。それは、レーザスラブ中に消失させることで最大パワーを制限することから、レーザ出力パワーを制限するものとなる。
【０００８】
さらに、側面の表面を横断方向のポンプ光で照射する場合、側面を横断した後のポンプエネルギーの大部分が、粗表面でのポンピング光拡散があったとしても、同一方向またはそれに近い方向に進み続ける。ドーピング材料によって吸収されないこのエネルギーの所定部分はレーザスラブを通過し、不可逆的に損失される。特に不純物濃度が低く、励起発行断面積σが小さいレーザスラブの場合には、これがさらにポンピング効率を低下させる。側面粗度を高めることで、レーザスラブ媒体中でのポンプ光を長くするより広い角度範囲へのポンプ光の拡散が強くなるため、そのような損失をわずかに減らすことができる。しかしながら同時に、側面の粗面での反射によってポンプエネルギー損失増加が生じる。
【０００９】
（発明の開示）
そこで本発明の目的は、出力レーザ光の発散が小さく、ポンプ効率が高く、レーザスラムの熱強度が高いことで、レーザ光出力をより強力かつ明るいものとする光学ポンピングスラブレーザモジュールを提供することにある。
【００１０】
この目的は、光学ポンピング用光源；一対の端面であって、それらの間の距離が前記ポンピング光源からそれらを通ってポンプ光を送るように作られた一対の第１の対向側面を有するスラブの形でのスラブ固体利得要素の長さを規定し、前記スラブの幅を規定する距離だけ離れた端面；一対の第２の対向側面であって、出力されるレーザ光の方向について面平行であることから、その光が前記第２の側面で全内反射を受けながらジグザグ光路中を前記スラブの長手方向に進み、前記第２の側面間の距離が前記スラブの厚さを規定する一対の対向側面；ならびに前記第２の側面のそれぞれと熱的に接触していて、前記スラブから熱除去を行う熱除去手段を有する光学ポンピングレーザモジュールであって、前記スラブの幅がそれの厚さより大きく；前記第１の側面がポンプ光に対して透明であり；前記スラブに対する前記の光学ポンピング用光源の位置および前記光学ポンピング用光源の角度放射特性が、ポンプ光の少なくとも大部分が、前記第２の側面で全内反射を受けながら、ジグザグ光路中で前記スラブの幅方向に前記レーザスラブ内を進むようになっていることを特徴とする光学ポンピングレーザモジュールによって達成される。
【００１１】
スラブの幅がスラブの厚さより大きい場合、公知のレーザモジュールの場合のように粗拡散側面を用いる必要なく、所定の角度で（ポンピング光源の位置およびそれの角度放射特性によって規定）透明な第１の側（端）面を通ってポンプ光を送ることで、そして第２の側面で全内反射させながらジグザグ光路でレーザスラブ内にて全ポンピング光またはそれの少なくとも大部分を進ませることで、スラブ厚さ全体にわたってポンプ光のほぼ均一な分布を、レーザスラブの中央部に与えることが可能となる。レーザスラブの中央部分でのポンプ光のそのようなジグザグ伝播の際、ポンプ光の反射光の効率的な「内部混合」が起こり、その結果、スラブの厚さ方向でポンプ光の分布が十分に均一な領域が形成される。そのような均一分布は、多重反射の結果として得られるものであり、その多重反射はポンプ光が比較的小さい厚さで進む比較的大きいレーザスラブによって可能となる。レーザスラブの第１の側面が、公知のレーザモジュールの場合のように光拡散性ではなくポンプ光に対して透明であれば、レーザスラブ内にエネルギーを蓄積するポンプ光の部分を増加させることができ、それによってポンプ効率を高め、従ってモジュール出力パワーを高めることができる。
【００１２】
好ましくは、レーザスラブの幅は、スラブ厚さの少なくとも４倍を超える。
上記のように、レーザスラブでの温度分布に影響する縁部熱効果は、スラブの厚さを超えない大きさを有するレーザスラブの縁部領域にのみ存在することから、縁部効果がほぼ正方形のスラブ断面の結果としてレーザスラブの断面のほとんどの部分で存在する公知のレーザモジュールの場合とは異なり、スラブの厚さが幅の少なくとも４倍小さい場合には、上記の縁部効果はレーザスラブの断面のほとんどの部分で（それの中央部分）、実際には無視することができる。
【００１３】
ポンプ光が、本発明で提案されているような形でレーザスラブに進入する時、ポンプ光が第２の側面で全内反射によって十分に「内部混合」されていない第１の側面近くのレーザスラブの縁部では、レーザスラブの厚さ全体で光照射が不均一な領域がいくつか生じ得る。米国特許第５９４９８０５号に記載のレーザモジュールでは、レーザスラブの断面がほぼ正方形であるために、本発明で提案のように、すなわち透明な第１の側面を通って所定の角度でポンプ光が進入すると、通常使用されるレーザスラブでの全内反射の臨界角度が約４０〜５０°であることから（正確な値は、レーザスラブ材料の屈折率とそれの第２の側面でスラブに接触する媒体の屈折率の間の関係によって決まる）、光照射が不均一である領域がスラブ断面のほとんどの部分を占めることになるものと考えられる。しかしながら提案のモジュールでは、レーザスラブの幅とレーザスラブの厚さの間の比が好ましくは４：１以上であるために、光照射が不均一である領域は第１の側面に近いスラブの断面の比較的小さい部分を占め、レーザスラブの中央部での断面のほとんど、すなわち、幅と厚さの比が上記の通りであって縁部効果がない部分では、レーザスラブにおけるポンプ光の分布は、厚さ方向でかなり均一である。ポンプ光の均一分布は、出力レーザ光の角度発散を突然低下させるレーザスラブ表面の変形を生じ得る局所的熱過負荷の発生を防止する。
【００１４】
縁部熱効果がなく、スラブ厚さ方向でのポンプ光の分布が均一であるため、レーザスラブの厚さ方向でのレーザスラブ中央部分における温度分布は、第２の側面から熱を除去する際に、放物線に近い鐘型の形を有する。上記のように、高次の成分を持たない放物線に近いそのような温度分布曲線によって、角度発散が小さいレーザ光を出力することができる。
【００１５】
さらに、レーザスラブ内のポンプ光のほとんどの部分のジグザグ伝播は、直接通過での光路と比較して、レーザスラブ中の光のほとんどの部分で光路長さが大きくする。そのため、レーザスラブを通る直接通過に関連するポンプ光の損失が低下する。それによってさらに、ポンプ効率が高まり、不純物濃度が低く、刺激放射の断面が小さい利得媒体を用いることができる。
【００１６】
光学ポンピング用光源は、第１および第２の側面に対して垂直な平面で収束または発散することで、その光の少なくとも大部分が第１の横（端）面を通過し、スラブ内にて全内反射に十分な角度で（すなわち、表面に対する法線から数える臨界角度を超える角度）第２の側面に入射するようにする光線を提供するように製造することができる。
【００１７】
光学ポンピング用光源は、スラブ内のポンピング光源によって形成された光線の軸平面が、全内反射の角度で対応する第２の側面に向かうような向きに配置することができる。それによって、レーザスラブ内の全ポンプ光のジグザグ伝播が可能となり、さらには各第１の側面の近くに置くことができる光学ポンピング光源の数を増やすことができる。全ポンプ光のジグザグ伝播は、レーザスラブの直接通過に関連するポンプ光の損失を低下させ、レーザスラブの厚さ方向でのポンプ光分布の完全な均一性およびレーザ光出力パワーを上昇させる総ポンプパワーの上昇を可能とするポンプ光源数を増加させる。
【００１８】
レーザスラブの第１の側面は、母線がレーザスラブの長手方向に走る回転円柱の部分によって形成された凸表面の形で作られていても良く、あるいは互いに対して傾斜しており、第２の側面の平面の放線に対して好ましくは４５°未満の角度で傾斜している平坦表面の形で作られていても良い。第１の横縁面をそのように作ることで、レーザスラブの断面における光線軌跡の近接が現れることで生じると考えられ、レーザモジュール出力パワーの突然の減少を生じるものと考えられる寄生モードの励起が防止される。
【００１９】
寄生モードの励起を防止する別法として、ポンプ光に対して透明であって、各光学ポンピング光源とレーザスラブの適切な第１の側面との間の液浸を介して対応する第１の側面の表面と接触している光学要素を設ける。そのような光学要素または延長部ならびに液浸要素は、特定のレーザ光の波長で吸収性であることからレーザスラブにおける寄生モード抑制に十分である材料で構成することができる。
【００２０】
光学ポンピング光源は、レーザダイオードポンプ光源とすることが好ましい。
レーザダイオードポンプ光源は、レーザスラブの長手方向に向いた少なくとも１個のレーザダイオードバー、あるいはレーザスラブの長手方向に対して垂直に向いた少なくとも１列のレーザダイオードバーを有することができる。
【００２１】
さらに、各レーザダイオードポンプ光源には、レーザダイオードポンプ光源の発光開口を対応する第１の横縁面の大きさに一致させ、ポンプ光の必要な角度特性を形成する光学系を設けることができる。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、均一かつレーザ光とポンプ光の両方に対して透明であって、さらに可塑性および熱伝導性である中間層材料を、レーザスラブの第２の側面と対応する熱除去手段との間に配置し、その材料の屈折率はレーザスラブ材料の屈折率より小さくし、その材料の厚さは０．２５（Ｋ_１／Ｋ）ｄを超えないものとする。この式中Ｋ_１およびＫは、それぞれ中間層材料とレーザスラブの材料の熱伝導率であり、ｄはスラブの厚さである。そのような中間層厚さでは、層内での温度低下はレーザスラブ内での温度変化を超えず、そのような条件は十分かつ効果的な熱除去を特徴づけるものである。中間層は、ヘテロ有機化合物および複合エーテルに基づく熱可塑性ポリマー製とすることができる。２層ではなく１層の中間層を用いることで、米国特許第５９４９８０５から公知のモジュールと比較して、レーザモジュール作製が簡素化される。
【００２３】
中間熱伝導層と熱除去手段の間にさらに、面平行対向表面を有するプレートを設けることができる。それらの表面のうちの第１の表面は中間熱伝導層と接触しており、第２の表面は熱除去手段と接触している別の中間熱伝導層でコーティングされている。そのようなプレートを用いることで、レーザスラブの表面に沿った温度分布の微小な不均一性が低減され、それによって出力レーザ光の角度放射特性が完全なものとなる。
【００２４】
（発明を実施するための最良の形態）
図１について説明すると、光学ポンピングを有するレーザモジュールは、２つの面の間の距離がレーザスラブの幅ｈを規定する一対の第１の対向横（または端）面１ａ；２つの面間の距離がレーザスラブの厚さｄを規定する一対の第２の対向側面１ｂ；ならびに２つの面の間の距離がレーザスラブの長さｌを規定する一対の第３の対向端面１ｃを有する固体レーザスラブ１を有する。公知のスラブレーザの場合と同様に、出力されるレーザ光（不図示）が第２の側面１ｂで全内反射されながら、ジグザグ光路をスラブの長手方向に伝播するようにするため、第２の側面は平坦であって、互いに対して平行となるように作られている。第１の側面１ａはポンプ光に対して透明である。すなわちポンプ光は、それらの面を通過してレーザスラブに進入する際に、回折や反射をほとんど受けない。例えば、端面１ａを平滑に研磨することができ、ポンピング光の反射をさらに低減するために、それらの面を反射防止コーティングで覆うことができる。
【００２５】
図１に示したレーザモジュールにおけるレーザスラブ１の幅ｈは、スラブ１の長手方向で一定であり、厚さｄより大きい。スラブ１の幅は厚さに対して、例えば少なくとも２倍、より好ましくは少なくとも３倍、最も好ましくは少なくとも４倍とすることができる。
【００２６】
レーザモジュールはさらに、熱除去手段２を有し、その手段はレーザスラブ１から熱を除去するために、各第２の側面１ｂと熱的に接触している。熱除去手段２は例えば、冷媒流体を流れさせるための内部流路を設けることができる熱伝導性金属のプレートとすることができる。
【００２７】
図１に示した配置では、スラブ１の第２の側面１ｂと対応する熱除去手段２の間に配置された熱伝導性材料の中間層３がある。出力されるレーザ光とポンプ光の全内反射を行うため、層３の材料は、スラブ１の材料の屈折率より低い屈折率を有するものでなければならない。全内反射が起こると、両方の光はそれぞれの波長（２μｍ以下）程度の深さまで、必ず層に侵入する。従って損失を低減するためには中間層３は、出力されるレーザ光ならびにポンプ光に対して透明でなければならない（すなわち、中間層３の材料は、ポンプ光の波長だけでなくレーザ光の波長でも低い吸収率を有するものでなければならない）。侵入の深さは、中間層３の最小厚さを規定する。
【００２８】
中間層３の最大厚さは、熱伝達路における熱抵抗の相対分布によって制限され、その分布はレーザスラブの断面方向での温度変動の大きさおよび層３の厚さを決定するものである。熱除去を有効に行うには、層３の厚さ全体における温度低下がスラブ１内部での温度変化を超えないようにすることが妥当である。そこで、層の最大厚さは、ｔ≦０．２５（Ｋ_１／Ｋ）ｄの関係によって規定される。この式中、Ｋ_１およびＫはそれぞれ、中間層材料とレーザスラブ材料の熱伝導度である。例えば、ｄ＝１ｍｍ、Ｋ_１＝０．３Ｗ／（ｍ／Ｋ）およびＫ＝１０Ｗ（ｍＫ）という代表的な値では、層３の最大許容厚さは７．５μｍである。
【００２９】
反射レーザ光で生じる位相歪みを低減するため、中間層３の材料はその厚さ全体にわたって光学的に均一でなければならない。層３の材料は、光照射下での焼けおよび劣化を防止するだけの十分な光線安定性を有するものでなければならない。この材料はまた可塑性であって、構成要素に熱膨張差がある場合に温度変動によって生じる構成要素の全ての相対的位置ズレをなくすものでなければならない。さらに層３の材料は、スラブ１および熱除去手段２の表面に対して良好な接着性を有するものでなければならない。例えば中間層３を作製するための材料として、ヘテロ有機化合物および複合エーテルに基づく熱可塑性ポリマーを用いることができる。
【００３０】
図２ａおよび２ｂに示したように、光学ポンピング用光源４は、第１の側面１ａを介してスラブ１へポンプ光を送るため、各第１の側面１ａの近くに配置することができる。ポンプ光源４は、スラブ１の両側に対称に配置する。ポンプ光源４の位置（すなわち、スラブ１に関するそれらの方向ならびに光源４と第１の側面１ａの間の距離）ならびにそれらの角度放射特性を選択して、スラブ１に進入したポンプ光の少なくとも大半が、第２の側面１ｂで全内反射を受けながら、ジグザグ光路をスラブの幅方向に、スラブ内を伝播するようにする（ポンプ光線の伝播を図面において矢印で示してある）。
【００３１】
例えば、図２ａおよび２ｂに示した実施形態では、光学ポンピング用光源４は、第１の側面から所定の距離の位置に配置され、光線を成形して、スラブ１の断面の平面、すなわち所定角度下で側面１ａおよび１ｂに対して垂直である面で収束させる。それによって所定の距離および角度を選択して、光源４によって成形されるポンプ光の大部分が第１の側面１ａを通過し、全内反射が起こる角度（両方の媒体の境界表面に対する法線から数えた臨界角度を超える角度）で、第２の側面でスラブ内に入射する。
【００３２】
図３ａおよび３ｂに示した別の実施形態では、光学ポンピング用光源４は発散光性の光線を成形するものである。そこで図２のユニットのように、光源４によって成形されたポンプ光の大部分がスラブ１の第１の側面を通過し、全内反射を起こす角度で側面１ｂでスラブ内に入射する。
【００３３】
図２ａ、２ｂおよび図３ａ、３ｂに示した実施形態では、ポンプ光源４によって成形されたポンプ光線の主軸の軸方向は、対応する第１の側面１ａに対して法線方向であり、第２の側面１ｂに対して平行である。そのようなポンプ光源４の方向では、ポンプ光源４によって成形された光の発散または収束角度が十分に大きいために、ポンプ光の主要部分のジグザグ光路が提供される。この角度の最大値は、スラブ１の側面１ｂでのポンピング光の全内反射に必要な条件によって制限されることは明らかである。
【００３４】
図４に示したモジュールでは、複数のポンプ光源を各第１の側面１ａの近くに配置し、図３ａのユニットのように各ポンプ光源は発散光線を形成している。それによって、面１ｂでのポンプ光の反射が、やはりレーザスラブ１の断面平面におけるポンプ光の大きい発散角度によって生じる。
【００３５】
図２ａ、２ｂおよび図３ａ、３ｂに示した設計形態とは異なり、図５および図６ａに示した実施形態では、光学ポンピング用光源４は、光源によって成形されるポンプ光線の主軸が全内反射角度でスラブ内の対応する第２の側面１ｂに向かうように配置する。これによって、収束光線または発散光線を生じる光学ポンピング用光源だけでなく、平行光線を発生させる光学ポンピング用光源もそのようなモジュールで使用することができる。そこで例えば、図５および６ａのポンプ光源４は、平行またはほぼ平行な光線を形成し、少なくとも２個のポンプ光源４が、スラブ１の厚さ方向で互いに分離して、各第１の側面１ａ近くに配置されている。
【００３６】
図１〜３および５に示したモジュールでは、スラブ１の第１の側面１ａは、回転円柱の扇形によって形成された凸表面の形に形成され、スラブ１の長手方向に母線を有して寄生モードを抑制するようになっている。図１に示したように、スラブ幅ｈは、最小幅値などの形でスラブについて測定されるものと仮定される。
【００３７】
寄生振動を抑制するため、図４に示したモジュールでのスラブ１の第１の側面１ａは、互いに対して、そして第２の側面１ｂの平面の法線に対して傾斜していることで、スラブ１が台形断面を有するようになっている平坦表面の形で形成される。側面１ｂの平面の法線に対する第１の側面１ａの傾斜は好ましくは、４５°未満である。図４に示したように、そのような形のスラブについての幅ｈは、それの最小幅値を意味するとも仮定される。
【００３８】
光学ポンピング用光源４は好ましくは、レーザダイオードポンプ光源である。　レーザダイオードポンプ光源は、代表的には個々のレーザダイオード列（バー）の形で、あるいはレーザダイオード積層物の形で工業的に製造される。レーザダイオードバーは、細線形状の放射領域を有するレーザダイオードである（放射領域の幅ｄ_１は、放射領域の長さＬよりかなり小さい）。個々のレーザダイオードバーの出力光発散は、放射ラインに対して直交している面で最大値（５０〜８０°以下）を有し、直線発光体を含む面（レーザダイオード面）で最小値（約１０°以下）を有する。
【００３９】
発散光を形成する図３ａ、３ｂに示したポンプ光源４は、スラブ１の長手方向に延びる放射領域を有するレーザダイオードバーによって形成することができる。レーザダイオードバーのこの方向では、最小出力ビーム発散を有する平面がスラブ１の長手方向であることから、端面１ｃ付近でのポンピング照射損失が小さい長手方向での非常に均一な光照射が行われる。図３ａに示したような第１の側面１ａおよび１ｂに対して垂直な平面で、大きい光発散（５０〜８０°）のため、追加の光学系を用いずに、この状況における側面１ｂでのポンピング光の主要部分の反射を行うことができる。
【００４０】
図５に示したポンプ光源４には、やはりスラブ１の長手方向に延びる放射領域を有するレーザダイオードバー５がある。しかしながらこの場合、ポンプ光源には、レーザダイオードバー放射開口を対応する第１の側面１ａの大きさと合わせ、一致させ、しかもポンプ光源４の要求される角度放射特性を形成するための光学系がある。図５に示したように、高開口円柱形レンズ６の形での光学系によって、最大発散の面におけるポンプ光が準平行光線に効果的に変換される。ほぼ矩形断面の準平行出力光を与える組込形円柱光学系を有するレーザダイオード光源が工業的に製造されている。
【００４１】
レーザダイオード積層物は、面が互いに隣接した１組のレーザダイオードバーである。積層物の角度放射特性は、各個々のレーザダイオードバーの角度放射特性によって決まるが、近視野構造は、個々のバーの光の重ね合わせの結果であり、従って直線放射領域のモザイクの結果である。図６ｂに示したように、積層物７の放射領域の幅ｄ_１は通常、構成要素である個々のレーザダイオードバー８の厚さの合計に等しいと仮定され、長さＬは各個々のダイオードバー８の放射領域の長さである。積層物において十分に多い数のレーザダイオードバーを用いると、積層物の放射領域の幅ｄ_１を、それの長さＬより大きくすることができる。
【００４２】
レーザスラブ１の第１の側面１ａの幅より小さい放射領域幅を有する積層物７を組み込んで、構成要素であるレーザダイオードバー８が、例えば図４に示したように、スラブ１の長手方向に向くようにすることができる。
【００４３】
他方、構成要素のレーザダイオードバー８がスラブ１の長手方向を横切る方向に向いている積層物７の方向によって、図６ａおよび６ｂに示したように、追加の光学的手段を用いずに、スラブの厚さ方向にポンプ光の弱く発散した光線が形成される。この場合、積層物７の放射領域の長さＬはレーザスラブ１の厚さに応じて選択すべきであることは明らかである。
【００４４】
図２ａ〜ｃに示したポンピング用光源４では、スラブ１の長手方向を横切る方向を向いているレーザダイオードバー８を有するレーザダイオード積層物７による準平行光線出力を、レンズ６の形での光学系によって、スラブ１の断面の面で収束する光線に変換する。そのような構成におけるポンプ放射領域を大きくするため、スラブ１の厚さ方向において互いに隣接して配置された個々のレーザダイオードバーが同じ方向を向いているいくつかの積層物、例えば図２ｃに示した３つの積層物７を用いることができる。
【００４５】
理解すべき点として、図面に示したレーザモジュールは例としてのみ示したものであって、それはレーザスラブ１およびポンピング光源４の設計を限定するものではない。
【００４６】
図７ａ、７ｂおよび図８ａ、８ｂに示したレーザユニットでは、液浸要素１０を通って対応する第１の側面１ａの表面と接触し、光学ポンプ光源（不図示）と矩形断面を有するスラブ１の対応する第１の側面１ａとの間に配置されたポンプ光に関して透明である延長部の形での光学部品が提供される。ここに示した光学延長部９および／または液浸要素１０は、レーザモジュールで発生または増幅される光のレーザ波長で寄生モードを抑制するだけの吸収を有する材料製である。光学延長部９は例えば、円錐形（図７ａ、ｂ）または矩形（図８ａ、ｂ）の断面を有することができる。延長部９は好ましくは、スラブ１の材料の屈折率に近い屈折率を有する。例えばそれらは、スラブ１と同じ材料製とすることができるが、ドーピングされていない。そのような簡単な光学部品を用いて開口の突き合わせを行うことは、ポンピング光源の放射領域の幅とスラブ１の厚さとの間の差が小さい場合（２倍以下）に有利である。液浸要素１０は例えば、中間層３の材料と類似のプラスチックポリマー製とすることができるが、スラブ１の材料の屈折率に近い相対的に高い屈折率を有する。光学延長部９および／または液浸要素１０におけるレーザ光の選択的吸収は、例えば組成物中に希土元素のドーピングイオンを含有させることで行われる。
【００４７】
図９に示した実施形態では、平坦（光学的性質の平坦さ）かつ平行な対向表面を有するプレート１１があり、その表面のうちの第１の表面は中間熱伝導層３と接触しており、第２の表面は熱除去手段２と接触する別の中間熱伝導層１２でコーティングされている。そのプレート１１は、中間熱伝導層３と熱除去手段２の間に配置されている。
【００４８】
レーザモジュールを動作させると、ポンプ光がポンプ光源４から第１の側面１ａを通ってスラブ１に伝わる。スラブ１に送られたポンプ光の少なくとも大半が、第２の側面１ｂで全内反射され、通常は対向する第２の側面１ｂから数回反射されながら、ジグザグ光路でスラブ幅方向にスラブ内を伝わる。ポンプ光は、レーザエネルギーレベルの反転分布を提供するスラブ１で活性イオンによって吸収される。レーザモジュールが増幅モードで動作すると、公知の固体スラブレーザの場合のように、面１ｂでの全内反射を受けながらジグザグ光路でスラブの長手方向にレーザ光を進ませるような面１ｂに対する角度で、端面１ｃの一方において、増幅されるレーザ光がスラブに進入する。励起イオンによって刺激された発光が、スラブ１を通過するレーザ光の増幅を行う。レーザモジュールが発生モードで動作する場合、当業者には公知の正帰還を提供する対応する光共振器（不図示）内にそれを設置する。
【００４９】
レーザスラブ１の厚さがスラブ幅より小さいため、厚さ方向でのスラブ１における温度変動に対する第１の側面１ａの影響が減少する。好ましい場合には、スラブ１の厚さが幅の４倍小さい場合、中央部分のレーザスラブ１の断面のほとんどにおいて、温度効果は実務上無視できるものである。同時に、スラブ１の所定の厚さ／幅比では、所定角度での透明な第１の側面１ａを通るポンプ光の伝播ならびに側面１ｂでの全内反射によるレーザスラブ内での全ポンプ光のさらなるジグザグ光路またはそれの少なくとも大部分によって、スラブ１の中央部のポンプ光分布を、スラブの厚さ方向で均一に近いものとすることができる。局所熱過負荷の出現とスラブ１の表面のそれに関連する変形は、この均一分布によって防止される。
【００５０】
縁部熱効果がなく、しかもスラブ１の所定の中央部分でスラブ１の厚さ方向においてポンプ光の分布が均一であるため、その方向での温度分布は、側面１ｂからの効果的かつ均一な熱除去の結果として、鐘形の形状を有し、それは角度発散性が低いレーザ光の出力を可能とする放物線分布に近い理想的な状況である。
【００５１】
モジュールの第１の側面１ａはポンプ光に対して透明であり、光拡散性ではないことから、第１の側面を通ってレーザスラブに進入するポンプ光の割合が増加し、それによってモジュールのポンプ効率および出力パワーが高くなる。
【００５２】
スラブ１内のポンプ光の主要部分のジグザグ光路は、レーザ媒体を通る光路長さを大きくするものである。それによって、スラブ１の通過に関係するポンプ光損失は、図５および６ａの実施形態で特に低下し、スラブ１内に進入する全てのポンプ光にジグザグ光路が提供される。これによってポンプ効率が高くなり、比較的に低い不純物濃度および比較的小さい刺激放射断面σを有する利得媒体が可能となり、その利得媒体は通常、高パワーパルスレーザにおいて好ましい。
【００５３】
それぞれが第１の側面１ａ付近に配置されたいくつかのポンプ光源４を用いることで、総ポンプパワーを増加させ、スラブ容積全体でのポンプ光分布の均一性を向上させることができ、そうしてレーザ光の出力パワーが増加し、角度光発散性が低下する。
【００５４】
図１、２ａ、３ａ、５、６ａに示したモジュールにおける第１の側面１ａの円柱形状は、やはり全内反射の条件を満足しながら、ポンプ光の入射角度範囲を広げるものである。それ以外に円柱形表面は、レーザスラブ部分での近接した光軌跡の出現を防止するものであり、それによって寄生モードの励起が防止される。
【００５５】
図４に示したユニットでは、寄生モード抑制は、第１の側面の互いに対する傾斜ならびに第２の側面１ｂの平面に対する法線に対する傾斜によって得られる。
図７ａ、７ｂおよび８ａ、８ｂに示したモジュールでは寄生モード抑制は、光学延長部９および／または液浸要素１０が出力レーザ光の波長で十分な吸収を有する材料製であることで得られる。
【００５６】
ヘテロ有機化合物および複合エーテルに基づく熱可塑性ポリマーの中間層３は、スラブ１と熱除去手段２との間の信頼性の高い熱的接触を確保するものであり、しかも良好な接着によってそれらの物理的連結を高めるものである。同時に、そのようなポリマーの高い透明性およびそれの低い屈折率が、出力されるレーザ光ならびにスラブ１内のポンプ光のジグザグ光路を小さい損失で提供する上で役立つ。
【００５７】
処理を行い、中間層３の厚さと同等となった場合に得られる熱除去手段の金属表面の不規則性は、この層３の厚さにおける局所的不均一を引き起こし、スラブの第２の横表面１ｂ全体において局所的な温度の微小不均一性を生じる。その微小不均一性が出力レーザ光における反射パラメータおよび横方向の強度分布に影響を与えることが分かる。中間熱伝導層３と熱除去手段２の間に別の光学的に平滑なプレートを用いることで、前記の温度における微小不均一性を低下させ、それによって出力レーザ光のプロファイルを向上させることができる。
【００５８】
提案のモジュールについての実験的研究を、レーザ発振（発生）および増幅の動作モードで行った。
ある実験的に得たモジュールでは、寸法が１×５×４８ｍｍ^３であるＮｄ：ＹＡＧレーザスラブを用いた。表面を研磨し、狭い第１の側面を図４に示したように互いに対してそれぞれわずかに傾斜させて、寄生モードを抑制するようにした。熱除去手段を設けるため、レーザスラブの広い第２の横平坦面を、屈折率１．４２を有する中間ポリマー層を介してアルミニウム合金の金属プレートの表面と接触させた。これらの層の厚さは約５〜１０μｍとした。ポリマー層は、パワー密度が２ｋＷ／ｃｍ^２以下のポンプ光に対して安定であった。
【００５９】
ポンピングは、スラブの第１の横平坦面を介して、図６に示した模式図のように、波長８０８で平均総出力パワー６０Ｗ以下の４レーザダイオードモデル（ＪＯＬＤ−２００−ＱＡＮＣ−２１，ＪＥＮＯＰＴＩＫＬａｓｅｒｄｉｏｄｅＧｍｂＨ，Ｇｅｒｍａｎｙ）によって行った。スラブの長手方向２０ｍｍの領域を照射した。
【００６０】
安定な共振器の長さは１２０ｍｍであった。
平均ポンプパワー４５Ｗ、ポンプパルス幅３００μｓおよび繰返し速さ６００Ｈｚを用いることで、平均レーザ出力パワー約７．５Ｗを得た。すなわち、ポンプ光の光変換効率は約１７％であった。スラブ厚さ方向での光発散性は回折限界に近いように思われ（約２．５ｍｒａｄ）、実際にはパルス繰り返し速さに依存せず、ポリマー層を介したレーザスラブからの熱除去の効率が高く、均一であることが示された。
【００６１】
増幅モードでのこのモジュールの性能に関して、パワー５ｍＷのＣＷ入力レーザ光を、中央部でレーザスラブの端面に送った。入力光の直径は０．８ｍｍであった。ポンピングは、パルス繰り返し速さ５０Ｈｚおよびパルス幅１．３ｍｓｅｃのパルス繰り返し法（ＱＣＷ）で行った。ピークポンプパワー約３００Ｗでは、増幅指数は約０．４ｃｍ^−１であった。同様であるが寄生モードを抑制する手段を持たないモジュール（スラブが矩形断面を有する）では、同じ条件下でその指数は、寄生モードの振動による蓄積エネルギー減少のため０．１ｃｍ^−１を超えなかった。
【００６２】
さらに別の実験的に作ったモジュールでは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザスラブは１×５×１２ｍｍ^３の寸法を有するものとした。寄生モードを抑制するため、図７ａ、７ｂによる液浸光学系を用いた。ポンプ光源は、発光領域幅１．２ｍｍを有する組込型円柱形視準レンズを有するレーザダイオードバーとした。そのレーザスラブを、図５による光源４個によってポンピングした。平均総ポンプパワーは１２０Ｗであった。冷媒を流すための内部流路を有する熱除去手段は、アルミニウム合金製とした。中間ポリマー層の厚さは、約５〜１０μｍであった。外部のミラー系によって、スラブの幅方向に光路間で光軸をずらしたスラブ長手方向の増幅光の複数の光路を提供した。得られた増幅器モジュールは、入力パワー２Ｗで光パワーを約２０倍に増幅することができた。
【００６３】
このモジュールでの中間ポリマー層を通る伝熱は約４０Ｗ／ｃｍ^２であった。この熱を除去するには、流量約１０ｍＬ／秒で内部流路に水を流すことで十分である。この実験では、水が約２０℃だけ昇温し、レーザスラブにおける断面温度変動は１４℃であり、ポリマー層における温度低下は６．５〜１３℃であった。
【００６４】
熱伝導材料で製造され、図９に示したように中間熱伝送層３と熱除去手段２の間に配置された別の平滑に研磨されたプレート１１を用いることで、実験的に調べたモジュールでのレーザスラブの広い第２の側面全体における温度分布の均一性向上が達成された。プレート１１の熱除去手段２の表面との熱的接触は、中間層３の特性と同様の特性を有する別の熱伝導層１２によって得られた。この場合に達成されたレーザ光の遠視野分布の改善は、それぞれ追加プレート１１を持たないレーザモジュールおよびそれを有するレーザモジュールについて遠視野像を示した図１０ａおよび１０ｂを比較することで明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンプ光源を有しない本発明のレーザモジュールを示す斜視図。
【図２ａ】レーザスラブの端部から見たレーザスラブ用の成形光学系を有するレーザダイオードポンプ光源の配置を示す概念図。
【図２ｂ】レーザスラブの広い側面から見た図２ａの装置を示す概念図。
【図２ｃ】レーザダイオード積層物を示す概念図（図２ａのＡ方向から見た図）。
【図３ａ】成形光学系を有しないさらに別のレーザダイオードポンプ光源の構造をレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図３ｂ】図３ａに示した装置をレーザスラブの広い側面から観察した概念図。
【図４】成形光学系を有しないレーザダイオードポンプ光源のさらに別の構造をレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図５】成形光学系を有しないレーザダイオードポンプ光源のさらに別の構造をレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図６ａ】成形光学系を有しないレーザダイオードポンプ光源の位置のさらに別の形態をレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図６ｂ】レーザダイオード積層物を示す概念図（図６ａのＡ方向から観察した図）。
【図７ａ】突合せ液浸光学系を有するレーザスラブポンピングをレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図７ｂ】図７ａに示した装置をレーザスラブの広い側面から観察した概念図。
【図８ａ】突合せ液浸光学系を有するレーザスラブポンピングのさらに別の構造をレーザスラブの端面から観察した概念図。
【図８ｂ】図８ａに示した装置をレーザスラブの広い側面から観察した概念図。
【図９】レーザスラブ表面全体での温度分布における微小な不均一を均一化するための別のプレートを用いるモジュール設計の別形態を示す斜視図。
【図１０ａ】追加のプレートを有しない設計の形態におけるスラブレーザ出力を示す図。
【図１０ｂ】追加のプレートを有する設計の形態におけるスラブレーザ出力を示す図。

Claims

光学ポンピングのための複数の光源と、
スラブの形態をなす固体利得要素と、同利得要素は前記スラブの長さを規定する距離をもった一対の端面を有することと、
一対の第１の対向側面と、同第１の対向側面は前記ポンピング光源からのポンプ光をその内部を通ってレーザ媒体内へと伝達することに適合し、前記スラブの幅を規定する距離だけ離間していることと、
一対の第２の対向側面と、同第２の対向側面は、前記ビームが前記第２の側面で全内反射を受けながらジグザグ光路中を前記スラブの長手方向に進み、前記第２の側面間の距離が前記スラブの厚さを規定すべく出力されるレーザ光の方向において面平行であることと、
前記スラブから熱を除去するために前記第２の側面のそれぞれと熱的に接触している熱除去手段とからなり、
前記スラブの幅はその厚さより大きく、
前記第１の側面は前記ポンプ光を透過し、
前記スラブに対する前記の光学ポンピング用光源の相対位置と、前記光学ポンピング用光源の角度放射特性とは、前記ポンプ光の少なくとも大部分が前記第２の側面で全内反射を受ける間に、前記スラブの幅方向においてはジグザグの光路で前記レーザスラブ内を伝搬されるべく配置されている、光学ポンピングレーザモジュール。
レーザスラブの前記幅は、同レーザスラブの厚さの少なくとも４倍である請求項１に記載のレーザモジュール。
前記光学ポンピング用光源は、前記第１および第２の側面に対して垂直な面内で収束または発散するように光線を成形することで、前記第１の側面を通過するその光線の少なくとも大部分が、全内反射に十分な角度で前記スラブ内で前記第２の側面に入射する請求項１または２に記載のレーザモジュール。
前記光学ポンピング用光源は、同ポンプ光源によって成形された光線の主軸を対応する前記第２の側面の内側へと全内反射に十分な角度をもって向けるために配向されている、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記レーザスラブの前記第１の側面が、レーザスラブの長手方向に沿った母線を有する回転円柱の部分によって形成された凸状表面をなす請求項１〜４のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記レーザスラブの前記第１の側面が、互いに相対して傾斜し、前記第２の側面の平面の法線に対して傾斜している平坦表面である、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記レーザスラブの前記第１の側面が、前記第２の側面の平面の法線に対して４５°未満の角度だけ互いに相対して傾斜している請求項６に記載のレーザモジュール。
前記各光学ポンプ光源と前記レーザスラブの適切な第１の側面との間に、ポンピング光に対して透明であり、液浸要素を介して対応する第１の側面の表面と接触している光学延長部が設けられるとともに、前記光学延長部または前記液浸要素は前記レーザスラブでの寄生モードを抑制するのに十分な形で前記レーザ光の波長で吸収を有する材料からなる、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記光学ポンピング用光源が、レーザダイオードポンプ光源である請求項１〜８のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記レーザダイオードポンプ光源は前記レーザスラブの長手方向を指向した少なくとも１個のレーザダイオードバーを有する請求項９に記載のレーザモジュール。
前記レーザダイオードポンプ光源は、前記レーザスラブの長手方向を横切る方向に並んだ少なくとも１列のレーザダイオードバーを有する請求項９に記載のレーザモジュール。
前記各レーザダイオードポンプ光源に、前記レーザダイオードポンプ光源の放射開口を前記対応する第１の側面の大きさに適合し、前記ポンプ光源の必要な角度放射特性を成形することに適した光学系が設けられている請求項９〜１１のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記レーザスラブの第２の側面と対応する熱除去手段との間に、光学的に均一であり、レーザ光とポンプ光の両方に対して透明であり、前記レーザスラブ材料の屈折率より小さい屈折率と０．２５（Ｋ_１／Ｋ）ｄを超えない厚さを有する可塑性熱伝導材料からなる中間層材料が設けられ、Ｋ_１およびＫがそれぞれ前記中間層材料とレーザスラブの材料の熱伝導率である請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記中間層が、ヘテロ有機化合物および複合エーテルに基づく熱可塑性ポリマー製である請求項１３に記載のレーザモジュール。
前記中間熱伝導層と熱除去手段との間にさらに、面平行な対向表面を有するプレートが設けられ、それらの表面のうちの第１の表面が前記中間熱伝導層と接触し、第２の表面が別の中間熱伝導層でコーティングされており、前記熱除去手段と接触している請求項１３または１４のいずれかに記載のレーザモジュール。