JP2006179932A - 複数のレーザ活性媒質を有するレーザ増幅器およびレーザ共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ活性媒質がハードな開口をレーザビーム領域に対して形成しない、冒頭に記載した形式のレーザ共振器または増幅器を、共振器ないしは増幅器の効率、ひいては結果として生じるビーム品質へ与えられる静的な波面変形の影響、殊に熱的に誘起される回折損失の影響が、レーザビーム領域内にハードなしぼりを設けることなく、最小化されるように改善すること。
【解決手段】レーザビーム領域内に少なくとも１つの焦点合わせ光学素子が、隣り合う２つのレーザ活性媒質の間に配置されており、焦点合わせ光学素子の焦点距離および、隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面ないし主平面からの距離はそれぞれ、レーザ活性媒質の表面ないし主平面が近似的に光学的に相互に共役であるように選択されている、固体レーザ増幅器または固体レーザ共振器。
【選択図】図１

Description

本発明は、共通のレーザビーム領域内に少なくとも２つのレーザ活性媒質を有する固体レーザ増幅器ないし固体レーザ共振器に関する。ここでレーザ活性媒質は、レーザビーム領域に対してハードな開口（harte Apertur）を構成しない。

ＤＥ１９８３５１０８Ａ１号には、冒頭に記載した形式のレーザ共振器が記載されている。ここでは複数のディスクレーザ結晶が１つの共通の共振器内に配置されている。レーザビーム領域はこれらのレーザ結晶を通る。この共振器は、レーザビーム領域を構成するために、２つの終端ミラーと、ディスクレーザ結晶間に付加的に配置された偏向ミラー（平面鏡）を有している。

高出力固体レーザ用の共振器の設計時には、変化する動作パラメータのもとで、目標、すなわち共振器の高い安定性と一定の放射特性が達成されるべきである。従来の高出力ロッドレーザに対して、高出力ディスクレーザでは、その上に固定されたレーザ活性媒質を安定させるために充分に剛性の高いヒートシンクまたは透明な防御体を使用する場合に、レーザ活性媒質を共振器ビームが通過する時の、共振器ビーム領域の熱的に誘起された球面波面変形（熱レンズ）は、共振器の安定性に対する支配的な要因ではない。従って高出力ディスクレーザは次のように設計されるべきである。すなわち、共振器が全体的なポンピング出力領域において、安定性ダイヤグラム（ｇ−ダイヤグラム）によって記載されているような、動的な安定領域の臨界的な点ないしは境界から離れているように設計されるべきである。これは、レーザ活性媒質（ディスクレーザ結晶）が共振器内に複数個ある場合にもあてはまる。

ディスクレーザ共振器ないしはディスクレーザ増幅器の場合、２つの異なる作用が、レーザビーム領域の特性へ格段に大きい影響を有する。すなわち、一方ではレーザ活性媒質をレーザビーム領域が通過する時に生じる静的な波面変形であり、他方では熱的に誘起された屈折損失である。

レーザビーム領域の静的波面変形は、レーザ活性媒質がその理想形から偏差することによって生じる。これは殊に製造許容誤差が原因で生じる。静的波面変形は、球面成分および不均衡（非球面）成分から成る。球面成分は、所望の半径からレーザ活性媒質が偏差することから結果として生じる。球面成分は、レーザ活性媒質の目標屈折度と実際屈折度との差から生じ、これは（静的な）屈折度エラー（Brechkraftfehler）とも称される。静的な屈折度エラーは、−高出力ディスクレーザの場合にも存在する−、動的な熱レンズに加わり、むしろこれを上回る。ディスクレーザ共振器ないし増幅器内の複数の結晶の屈折度エラーは、共振器または増幅器の設計時に考慮されなければならない。典型的な設計では、−屈折度が同じであると仮定して−、異なる結晶上にレーザビーム領域の同じ直径が設定される。しかし結晶の異なる屈折度によって、多かれ少なかれ、結晶上の異なるビーム直径が生じてしまう。これによって以下に記載する問題が生じる：拡大されたビーム直径を伴う結晶上で、レーザビーム領域の外部領域が増幅されるのではなく、部分的に吸収されてしまう。これに対して、縮小されたビーム直径を有する結晶では、ポンピングスポットの外部領域内で使用可能なパワーがもはや呼び出されない。後者は不利な場合には、局部的な結晶の過度加熱および結晶の破壊につながってしまう。それぞれの場合において、効率の低下が生じる。

熱的に誘起された、ディスクレーザ共振器ないし増幅器内の回折損失は、レーザビーム領域の不均衡な波面変形によって、熱的に負荷されたレーザ活性媒質の通過時に呼び起こされる。ディスクレーザの場合には、波面変形がポンピングスポットの縁部領域内で支配的である。すなわち、高温の、ポンピング結晶領域から、低温の非ポンピング外部領域への移行部において波面変形が支配的である。付加的に、変動する、熱的に異なって負荷された領域が原因で生じるポンピング光分布における不均一性並びにレーザビーム領域のひずみがレーザ活性媒質内で作用する。波面のひずみによって、共振器内で共振器モード間のエネルギーが再分配される。これによって、共振器内で十分には増幅されないモード（リークモード）におけるエネルギー伝送も生じる。ディスクレーザは、自身の増幅が僅かであるので、この種の損失に特に敏感に反応する。損失は、共振器の設計およびここでは殊にレーザ出力ビームの必要とされるビーム品質に依存する。ディスクレーザ増幅器内では熱的に誘起された回折力が、増幅段間のフィルタリングが不十分な場合に、放射経過特性において連続的に増大するビーム品質の悪化を生じさせる。その後、ビーム品質がハードな絞り（harte Blenden）によって再び形成される場合には、これは場合によっては甚大な出力損失ないし効率損失を意味する。

ディスクレーザ共振器ないしディスクレーザ増幅器のビーム品質に対する要求が高くなればなるほど、回折作用はより強く効率に作用する。同じように、感度は動的および静的な屈折度エラーに対する特性を有する：ポンピングスポット直径が大きくなればなるほど、要求されるビーム品質が高くなればなるほど、動的な安定領域、すなわちレーザ活性媒質の屈折度の許容範囲が狭くなる。

静的な屈折度エラーの影響も、熱的に誘起された回折損失の影響も、共振器循環間のないしは増幅器ループ内での、レーザビーム領域のレーザ活性媒質通過数とともに増大する。どれくらい強く通過数が作用するかは、実質的に、共振器ないし増幅器の構成に依存する。

静的な屈折度エラーおよび熱誘起回折損失は、共振器または増幅器内に複数のロッドを有する高出力ロッドレーザの場合にも、効率および共振器安定性に影響を与える。この影響は殊に、ビーム品質への要求が高い場合、ビーム断面が大きい場合、レーザ結晶を通過する毎の増幅が低い場合およびハードな絞りが欠如する場合（例えばロッド套面）に顕著になる。強い熱レンズおよび高い増幅で動的に安定してロッドレーザシステムが設計されている場合（例えば１０６４ｎｍでＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ_４）、ビーム品質は熱レンズによって制限され、回折損失は典型的にハードな開口によって支配されるので、熱によって誘起される回折損失はバックグラウンド内に生じる。制限された動的な安定領域（すなわちほぼ一定なポンピングパワー）およびハードな開口の欠如を伴うロッドレーザシステムの場合、並びに有利には僅かな増幅を伴うレーザ活性媒質の場合（例えばＹｂ：ＹＡＧ）、熱的に誘起される回折損失は効率に基本的な影響を及ぼす。

ディスクレーザの場合には、ハードな、直接的にアクティブ容積に接する絞りの欠如はレーザの特徴的な特性である。ディスクレーザの場合、放射パラメータ積を固定するためにハードな開口を使用する必要はなく、一般的に有意義でもない。なぜなら、絞りでの回折損失はディスクレーザ共振器の効率を著しく低減させ、絞りは非常に正確に中心に合わせられ、直径において注意深く共振器モードに整合され、（少なくともレーザ出力が高い場合には）冷却されなければならないからである。ポンピングされないレーザ結晶ディスクの外側領域は、三準位レーザシステムでは、ディスクレーザに対して通常のイッテルビウム・ドウプ・レーザ材料（Ｙｂ：ＹＡＧ等）のように、レーザビームに対する吸収を有しているので、これはポンピング部分領域と結合して、「ソフトな」増幅−／損失−絞り（英語ではgain aperture：ゲインアパーチャ）を形成する：レーザ結晶のポンピング内部領域内ではレーザビームの増幅が行われ、ポンピングされない外部領域ではレーザビームは吸収される。このような「ソフトな」絞りは、同時に回折損失が著しく低減される場合、ハードな絞りの機能を担う。欠点は、増幅−／損失−絞りのポジションが共振器内で、レーザ結晶の軸方向ポジションによって固定的に設定されてしまうことである。

ロッドレーザでは、ロッド套面が開口として作用しない場合、レーザビーム領域内のハードな絞りは回避される。これは例えば軸方向の場合は、中央の部分容積内でのみポンピングされるロッドの場合である。ハードな絞りを回避するための他の方法は、結合されたロッドである。このロッドは集中的にアクティブ容量のまわりで屈折率に整合したパッシブ（透過性または弱吸収性の）容量を有している。両者の場合において、ディスクレーザ結晶と同じように、「ソフトな」増幅−／損失−絞りがポンピング結晶容量から非ポンピング結晶容量への移行部において得られる。
独国特許出願公開第１９８３５１０８号明細書

本発明の課題は、レーザ活性媒質がハードな開口（すなわち、設計に従ったビーム断面を有効にトリミングするないし制限する、シャープな縁部を有している絞り）をレーザビーム領域に対して形成しない、冒頭に記載した形式のレーザ共振器または増幅器を次のように改善することである。すなわち、共振器ないしは増幅器の効率、ひいては結果として生じるビーム品質へ与えられる（静的な屈折度エラーの）静的な波面変形の影響、殊に熱的に誘起される回折損失の影響が、レーザビーム領域内にハードな絞りを設けることなく、最小化されるように改善することである。

上述の課題は、本発明では、固体レーザ増幅器または固体レーザ共振器であって、少なくとも２つのレーザ活性媒質を共通のレーザビーム領域内に有しており、当該レーザ活性媒質は前記レーザビーム領域に対してハードな開口を構成しない形式のものにおいて、前記レーザビーム領域内に少なくとも１つの焦点合わせ光学素子が、隣り合う２つのレーザ活性媒質の間に配置されており、当該焦点合わせ光学素子の焦点距離と、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面ないし主平面からの距離はそれぞれ、前記レーザ活性媒質の表面ないし主平面が近似的に光学的に相互に共役であるように選択されている、ことを特徴とする固体レーザ増幅器または固体レーザ共振器によって解決される。

前述の課題は、本発明と相応に次のことによって解決される。すなわち、レーザビーム領域内で、隣り合う２つのレーザ活性媒質間に、少なくとも１つの焦点合わせ光学素子を配置することによって解決される。この光学素子の焦点距離および、隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面ないし主平面からのその距離は次のように選択される。すなわちレーザ活性媒質の表面ないし主平面が近似的に光学的に相互に共役であるように選択される。すなわち、近視野−遠視野−変換（Nahfeld-Fernfeld-Transformation）（フーリエ変換）によって相互に移行可能であるように選択される。

結合されたレーザ活性媒質間の近視野−遠視野変換によって、レーザビーム領域の熱的に誘起された回折成分のフィルタリング除去が、ハードな絞りなしに実現される。等しくない、ディスクレーザ結晶の表面ないしレーザロッドの主平面によって構成された、レーザ放射経過内の２つの面は、レーザ結晶のポンピング領域の増幅−／損失−絞りによってフィルタリングされる。２つの面は、相互に（近似的に）共役である。すなわち、１つの面は、一方はそれぞれ他方の面の遠視野をあらわしている。増幅されるべきビームの光学路長はレーザロッド内で、ディスクレーザ結晶とは異なり、典型的には無視できるほど短くないので、レーザロッドの結合時には、近視野−遠視野−変換は、ロッド内の選択された点に対してのみ実施可能である。従って相互に属する近視野ないし遠視野はロッドの主平面内に位置する。

本発明のレーザ共振器またはレーザ増幅器の有利な実施形態では、近視野−遠視野−変換のための焦点合わせ光学素子は、ポジティブな焦点距離を有するレンズである。これは約、２つのディスクレーザ結晶の表面から、または２つのレーザロッドの隣接する主平面から焦点距離間隔で配置されている。レンズは、第１の結晶に由来する各回折成分に対する自身の焦点面において、各回折角度に対して比例する、放射軸からの間隔で回折像を形成する。焦点面には、第２の、結合されたディスクレーザ結晶ないしは第２の、結合されたレーザロッドの主平面が存在する。その「ソフトな」増幅−／損失−絞りでは、過度に大きい（すなわち要求された放射質と一致しない回折角）を伴うビーム成分がフィルタリング除去される。レーザ結晶の逆の順序では、レンズが同じように作用する。

別の有利な実施形態では、近視野−遠視野−変換のための焦点合わせ光学素子は、球面凹面鏡である。この凹面鏡は、ほぼ、２つのディスクレーザ結晶の表面ないしは２つのレーザロッドの隣り合う主平面から半分の曲率半径の距離で配置される。２つのレーザ結晶ないしはその隣り合う主平面はそれぞれ近似的に、ミラーの焦点面内に位置する。この配置は、焦点合わせ素子として１つのレンズを使用する場合とは異なって、次のような利点をもたらす。すなわち、凹面鏡がレーザビーム領域によって通過されないという利点をもたらす。従って焦点合わせ素子内での熱的ノイズが回避され、有利には誘電的に高反射性に構成された鏡層が適切に設計されている場合には、焦点合わせ光学系での最小損失が実現される。択一的な構成では、球面凹面鏡の代わりに、パラボラミラーまたは環状鏡が使用される。

本発明のレーザ共振器またはレーザ増幅器の発展形態では、屈折度エラーの影響が、共通の共振器または増幅器内で複数のレーザ結晶が駆動される場合、次のような配置構成によって低減される。この配置構成では、少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子が、（それぞれ）隣り合う２つの、共振器内に配置されたレーザ結晶間に挿入される。この付加的な焦点合わせ光学素子は、結晶ないし結晶主平面の結像、ひいてはポンピングされる部分領域（ポンピングスポット）並びに結晶上ないしは結晶主平面内のレーザビーム領域の重なり合った結像を生じさせる。この結像によって、２つの結晶ないし結晶主平面上でのレーザビーム領域の直径の割合が、その屈折度に依存しないで、結像縮尺のみによって定められる。

本発明のレーザ共振器またはレーザ増幅器の有利な実施形態では、結像のための付加的な焦点合わせ光学素子は次のように構成され、レーザビーム領域内に配置されている。すなわち、２つのディスクレーザ結晶の表面ないしは２つのレーザロッドの隣り合う主平面が１対１の縮尺で重なり合って（aufeinander）結像されるように構成および配置されている。１：１の結像の場合には、場合によって生じうる屈折度差には依存しないで、２つのディスクレーザ結晶上にないしはレーザロッドの隣り合う主平面内にレーザビーム領域の同じ直径が生じる。このような結像縮尺は、次のような場合には常に有意義である。すなわち、−多くの場合において通常であり有利であるように−、２つのレーザ結晶が、同じポンピングスポット直径を有する同一のポンピングビーム装置によってポンピングされる場合には常に有意義である。共振器の場合には、２つのレーザ結晶は、この結像によって近似的に、個々の屈折度の合計に相当する屈折度を伴う個別のレーザ結晶になる。

１つの実施形態では、結像のための付加的な焦点合わせ光学素子はポジティブな焦点距離を有するレンズから成る。このレンズはほぼ、２つのディスクレーザ結晶の表面ないし２つのレーザロッドの隣り合う主平面から、２倍の焦点距離間隔で配置されている。従って、自動的にディスクレーザ結晶ないしは主平面の１：１結像が重なり合って生じる。

別の有利な実施形態では、結像のための付加的な焦点合わせ光学素子は、球面凹面鏡である。この球面鏡はほぼ、２つのディスクレーザ結晶の表面ないしは２つのレーザロッドの隣り合う主平面から自身の半径の距離で配置されている。この様な配置構成は、焦点合わせ素子として１つのレンズを使用する場合とは異なって次のような利点をもたらす。すなわち、凹面鏡がレーザビーム領域によって通過されないという利点をもたらす。これによって光学素子内での熱的ノイズが回避され、適切な、高反射性ミラー層によって損失が最小化される。択一的な構成では球面凹面鏡の代わりに、パラボラミラーまたは環状鏡が使用される。

別の、特に有利な実施形態では、結像のための付加的な焦点合わせ光学素子が、２つの有利には同一の凹面鏡またはレンズから成るテレスコープ装置によって構成される。個々のミラーまたは個々のレンズによる結像は、２つのレーザ結晶および結像素子から成るユニットの余剰屈折度につながる。その値は、レンズの焦点距離ないしはミラーの半径に対して逆比例である。別の共振器構成のために、この余剰屈折度を低く保つことが必要である場合には、レンズの焦点距離ないし鏡の半径は非常に大きく選択されなければならない。このような欠点はテレスコープの使用によって回避可能であり、このテレスコープは、同じ半径を有する２つの凹面鏡または同じ焦点距離を有する２つのレンズから成る。ここでミラーはそれぞれほぼ、半分の半径の距離で配置されており、レンズは同じように、２つのレーザ結晶のうちのそれぞれ１つから焦点距離の間隔で配置されている。余剰屈折度なしに結像が実現されるべき場合には２つの鏡の間の間隔は半径と同じであり、同じようにレンズ間隔は２倍の焦点距離と同じである。ミラーないしレンズ間隔を変えることによって所期のように、ポジティブな余剰屈折度もネガティブな余剰屈折度も生成される。これは例えば、重なり合って結像される２つのレーザ結晶の総屈折度における許容公差の補償を可能にする。

２つより多いレーザ活性媒質が１つのレーザ共振器またはレーザ増幅器内に配置される場合、有利には、２つの結晶表面ないしは主平面の重なり合った結像も、近視野−遠視野変換もレーザビーム領域に影響を与えるために使用可能である。しかし通常はレーザ結晶の同じ対でではない。しかし次のことも可能である。すなわち、例えば偏向ミラーをビーム路内に取り付けることによって、増幅器または共振器内のビーム領域が幾重にも同じレーザ結晶を介して進むことも可能である。このような実施形態では同一のレーザ結晶対での結像と、近視野−遠視野−変換を組み合わせることも可能である。

ディスクレーザ共振器の殊に有利な実施形態では、少なくとも２つのディスクレーザ結晶対が共振器のビーム領域内に配置され、ここで各対のディスクレーザ結晶の表面はそれぞれ第１の焦点合わせ光学素子によって重なり合って結像され、第２の焦点合わせ光学素子はレーザビーム領域内に、これらの対の間に配置され、一方の対のディスクレーザ結晶の表面と、他方の対のディスクレーザ結晶の表面が光学的に相互に共役である。このような配置構成によって個々のレーザ結晶の屈折度エラーが補償され、さらにレーザビーム領域の不所望な熱的に誘起される回折成分もフィルタリング除去される。このように構成されたレーザ共振器は、一定の放射特性を伴う大きい安定領域を有する。しかも付加的なハードな絞りがレーザビーム領域内に取り付けられることはない。

本発明のさらなる利点を明細書および図面に記載する。同じように上述した特徴およびさらに記載される特徴を、それ自体で、または複数の、任意の組み合わせにおいて使用することが可能である。図示されたおよび記載された実施形態は、単なる列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明を記述するための例示的な特性を有している。

図１に示されたレーザ共振器１は、第１のディスクレーザ結晶２と、第２のディスクレーザ結晶３を有している。これらは終端ミラー５と取り出しミラー６の間に、共通のレーザビーム領域４内のレーザ活性媒質として配置されている。２つのディスクレーザ結晶２，３は以降に記載するポンピングおよび冷却のための装置と同じように、同一の形状を有している。

ディスクレーザ結晶２，３は、２つの平面を有するディスクとして構成されている。ディスクレーザ結晶２，３はその下方平面でヒートシンク７，８に取り付けられている。上方平面（以下ではディスクレーザ結晶２，３の表面９，１０と称される）には、破線で示された２つのポンピングビーム領域１１，１２が入射する。これらのポンピングビーム領域は、２つのポンピングモジュール１３，１４によって生成される。これは、ポンピングビームを生成する図示されていないポンピング装置の一部である。ポンピングビーム領域１１，１２は、パラボラミラー装置１５，１６によって、ディスクレーザ結晶２，３の表面９，１０上に、ポンピング光スポットとして焦点合わせされる。パラボラミラー装置１５，１６はそれぞれ中央の開口部を有している。この開口部を通って、レーザビーム領域４はディスクレーザ結晶２，３に達し、このディスクレーザ結晶内のレーザアクティブ固体容積内に侵入することができる。開口部はここでは充分な大きさに構成されるので、この開口部はレーザビーム領域４に対する絞り作用を有していない。ディスクレーザ結晶２，３は自身の下方平面で、ポンピングビームのために、またレーザビームのために反射性に積層されている。

球面の凹面鏡１７はレーザビーム領域４内に、第１のディスクレーザ結晶２と第２のディスクレーザ結晶３の間で、第１のディスクレーザ結晶２からも、第２のディスクレーザ結晶３の表面１０からも、約自身の半分の半径Ｒ_１の距離で離れて配置されている。球面凹面鏡１７によって、ディスクレーザ結晶３の表面１０およびディスクレーザ結晶２の表面９は光学的に相互に共役になる。すなわち、近視野−遠視野−変換（フーリエ変換）を介して相互に移行可能である。表面９および１０上のポンピング光スポットの縁部領域は、レーザビーム領域４に対するソフトな絞りとして作用する。

図２に示されたレーザ共振器１' は２つのディスクレーザ結晶２，３を有している。これらのディスクレーザ結晶の表面９，１０は焦点距離ｆ_１を有する集光レンズ１８を介して結合されている。集光レンズ１８は、第１の表面９からも第２の表面１０からも距離ｆ_１で離れて配置されている。これによってディスクレーザ結晶３の表面１０およびディスクレーザ結晶２の表面９は光学的に相互に共役になる。すなわち、これらは近視野−遠視野−変換（フーリエ変換）を介して相互に移行可能である。従って、レーザ結晶２および３の表面９および１０上のポンピング光スポットの縁部領域は、レーザビーム領域４に対するソフトな絞りとして作用する。レーザ共振器１' は、その他の点では自身の構成において、図１に記載されたレーザ共振器１に相応しているので、詳細には記載しない。

近視野−遠視野−変換によって、共振器の残りの部分には依存しないで、レーザビームの最大の放射パラメータ積ｗ・θが定められる：焦点合わせ光学素子として凹面鏡１７を有する装置の場合には、
ｗ・θ≦２（ｗ_１・ｗ_２）／R_１
が生じる（ｗ_１，ｗ_２：２つのディスクレーザ結晶上のレーザビーム領域の直径；θ：ビームの開き，R_１：凹面鏡１７の半径）。

なぜならこの条件を満たすレーザビーム領域の一部しか、ディスクレーザ結晶２，３の「ソフトな」増幅−／損失−絞りでフィルタリングされない。凹面鏡１７が、焦点距離ｆ_１を有するレンズ１８によって置き換えられる同様の装置に対しては、最大の放射パラメータ積：ｗ・θ≦（ｗ_１・ｗ_２）／ｆ_１が生じる。

レーザ共振器１，１' は有利には、少なくともこの放射パラメータ積を許容するように設計されている。レーザ共振器のエンドアームの設計によって定められたビーム品質が、近視野−遠視野−変換によって定められた上限にちょうど一致する場合、有利な特別のケースが存在する。第１のエンドアームの長さは、終端ミラー５からディスクレーザ結晶２の表面９の距離によってあらわされ、第２のエンドアームの長さは、取り出しミラー６からディスクレーザ結晶３の表面１０の距離によってあらわされる。

図３には、レーザ共振器１'''が示されている。このレーザ共振器は２つのロッド型レーザ結晶２'，３'をレーザビーム領域４内に有している。これらのレーザ結晶は近視野−遠視野−変換を介して結合されている。レーザ結晶２'，３'は、それぞれ第１の主平面H_１，H_１'と第２の主平面H_２，H_２'を有している。レーザ結晶２'，３'は軸方向で、中央の部分容積内でのみポンピングされる。これらのレーザ結晶は低い増幅度を有する材料から成る。これは例えばYｂ：YAGである。図示された実施例では、レーザ活性媒質内でのハードな開口の出現は、ポンピングモジュール１３，１４としての（ファイバー結合された）レーザダイオードによる中央の軸方向部分領域のポンピングによって実現される。ポンピング光ビーム１１，１２は、終端ミラー５ないし取り出しミラー６としての２つのダイクロック共振器ミラー並びに別の、共振器外のダイクロック分割ミラー２２を介して、軸方向でロッド型レーザ結晶２'，３'内に放射される。ここでこの分割ミラーは発生したレーザビームをポンピング光と分ける。近視野−遠視野−変換の最適な機能のために、熱レンズの動的な領域はレーザ共振器１'''の動作条件が変化する場合、ｇ−ダイヤグラムの安定領域の境界まで延在するべきではない。有利には、ロッドレーザは（実質的に）一定のポンピング出力で作動される。これによって熱レンズの影響が僅かに保たれ、高いビーム品質が可能になる。場合によっては、付加的に、例えば中心に配置された９０°ローターによる熱的に誘起される複屈折の補償が必要である。ビーム断面が大きく、かつビーム品質が高い場合にのみ、ソフトな開口による近視野および遠視野におけるフィルタリングが有意義にレーザ作用角度に作用する。ロッド型レーザ結晶２'，３'間にはポジティブな焦点距離ｆ_１を有するレンズ１８が配置されている。２つのレーザロッドの隣り合う主平面Ｈ_２およびＨ_１' からのその距離は、それぞれほぼその焦点距離ｆ_１に相当する。従って左側のロッドの主平面Ｈ_２に属する遠視野は、焦点距離ｆ_１の距離で、レンズの右側に位置する；ここには、右側のロッドの主平面Ｈ_１'が配置されている。近視野−遠視野−変換は近似的にレーザロッドの軸方向領域内で有効である。ここでは、フレネル数Ｆ＝ａ^２／（λ・Ｌ）は１より格段に大きい（Ｆ＞＞１）。ここでａは回折構造体の横断方向伸張であり、λはレーザビームの波長であり、Ｌは精密な変換面からの軸方向間隔である。回折構造体が充分に大きく、レーザロッドが長すぎない場合には、近視野−遠視野−変換によって回折損失が著しく低減される。

図４にはレーザ共振器１''''が示されている。このレーザ共振器はディスクレーザ結晶２ａ，２ｂの第１の対１９とディスクレーザ結晶３ａ，３ｂの第２の対２０を有している。第１の対１９の２つのレーザ結晶２ａ，２ｂの表面９ａ，９ｂは重なり合って、結像光学素子として用いられる球面凹面鏡２１ａによって縮尺１：１で結像される。この球面凹面鏡は、ディスクレーザ結晶２ａ，２ｂの表面９ａ，９ｂに対して自身の半径Ｒ_２の距離で配置されている。同じように、第２の対２０の２つのディスクレーザ結晶３ａ，３ｂの表面１０ａ，１０ｂは重なり合って、球面凹面鏡２１ｂによって結像される。凹面鏡１７は、第１の対１９のディスクレーザ結晶２ｂの表面９ｂと、第２の対２０のディスクレーザ結晶３ａの表面１０ａとの間に、自身の半径Ｒ_１の距離で配置されている。球面凹面鏡１７は、２つの対１９，２０を次のように結合させる。すなわち、２つの共通のレーザビーム領域４が生じるように結合させる。これによって、第１の対１９のディスクレーザ結晶２ｂの表面９ｂと、第２の対２０のディスクレーザ結晶３ａの表面１０ａは光学的に相互に共役になる。すなわち、近視野−遠視野−変換（フーリエ変換）を介して相互に移行可能である。表面９ｂおよび１０ａ上のポンピング光スポットの縁部領域は、レーザビーム領域４に対するソフトな絞りとして作用する。

図５には、レーザ共振器またはレーザ増幅器１'''''の部分が示されている。ここでは２つのディスクレーザ結晶２，３の間に、レーザ結晶の相互結像のための焦点合わせ光学素子としての２つの球面凹面鏡２３ａ，２３ｂから成るテレスコープが配置されている。凹面鏡２３ａ，２３ｂは同一の曲率半径Ｒ_２を有しており、隣り合うレーザ結晶２，３から、自身の半分の半径Ｒ_２で配置されている。結像が屈折度余剰分なしで得られるべき場合、２つの凹面鏡２３ａ，２３ｂ間の間隔は、ミラー半径Ｒ_２と同じである。凹面鏡２３ａ，２３ｂの相互の間隔を、Ｒ_２からＲ_２+ｄへ変えることによって、所期のようにポジティブ（ｄ＞０）な余剰屈折度もネガティブ（ｄ＜０）な余剰屈折度も形成される。

図６には、レーザビーム領域４内に２つのディスクレーザ結晶２，３を有するレーザ共振器１''''''が示されている。ここでは近視野−遠視野−変換も、ディスクレーザ結晶２，３の重なり合った結像も、ディスクレーザ結晶２，３の同じ対で使用される。レーザビーム領域４の経路は共振器内で、終端ミラー５からレーザ結晶３へ延在し、レーザ結晶３から、球面凹面鏡１７を介してレーザ結晶２へ延在し、引き続き２つの平坦な偏向ミラー２４ａ，２４ｂを介してレーザ結晶２へ戻り、レーザ結晶２から別の球面凹面鏡２１を介して再びレーザ結晶３まで延在し、最終的に取り出しミラーへ延在する。球面凹面鏡１７によって、ディスクレーザ結晶３の表面１０とディスクレーザ結晶２の表面９が光学的に相互に共役になる。すなわち、近視野−遠視野−変換（フーリエ変換）を介して相互に移行可能である。このために凹面鏡１７はそれぞれ近似的に、自身の半分の半径Ｒ_１の距離で、ディスクレーザ結晶２，３に対して配置されている。別の球面凹面鏡２１によって、ディスクレーザ結晶２および３の表面９および１０は重なり合って、有利には縮尺１：１で結像される。このために、別の凹面鏡２１はそれぞれ近似して、自身の半径Ｒ_２の距離で、ディスクレーザ結晶２，３に対して配置されている。

２つのディスクレーザ結晶と、近視野−遠視野−変換用の焦点合わせ光学素子としての１つの球面凹面鏡とを有する本発明によるレーザ共振器の第１の実施形態を概略的に示した図。 ２つのディスクレーザ結晶と、近視野−遠視野−変換用の焦点合わせ光学素子としての１つの集光レンズとを有する本発明によるレーザ共振器の第２の実施形態を概略的に示した図。 ２つのレーザロッドと、近視野−遠視野−変換用の焦点合わせ光学素子としての１つの集光レンズとを有する本発明によるレーザ共振器の第３の実施形態を概略的に示した図。 ディスクレーザの２つの結晶対と、近視野−遠視野−変換および結像用の焦点合わせ光学素子としての球面凹面鏡とを有する本発明によるレーザ共振器の第４の実施形態を概略的に示した図。 ２つのディスクレーザ結晶と、レーザ結晶の重なり合った結像用の焦点合わせ光学素子としての２つの球面凹面鏡から成るテレスコープを有する本発明によるレーザ共振器またはレーザ増幅器の第５の実施形態の細部を概略的に示した図。 ２つのディスクレーザ結晶と、近視野−遠視野−変換および結像用の焦点合わせ光学素子としての球面凹面鏡とを有する本発明によるレーザ共振器の第６の実施形態を概略的に示した図。

符号の説明

１ レーザ増幅器、 ２，３ ディスクレーザ結晶、 ２'，３' ロッド型レーザ結晶、 ４ レーザビーム領域、 ５ 終端ミラー、 ６ 取り出しミラー、 ７，８ ヒートシンク、 ９，１０ ディスクレーザ結晶の表面、 １１，１２ ポンピングビーム領域、 １３，１４ ポンピングモジュール、 １５，１６ パラボラミラー装置、 １７，２１，２３ 球面凹面鏡、 １８ 集光レンズ、 １９，２０ ディスクレーザ結晶の対、 ２２ ダイクロック分割ミラー、 ２４ 偏向ミラー

Claims (9)

1. 固体レーザ増幅器または固体レーザ共振器（１；１'；１'''；１''''；１'''''；１''''''）であって、
   少なくとも２つのレーザ活性媒質を共通のレーザビーム領域（４）内に有しており、
   当該レーザ活性媒質は前記レーザビーム領域（４）に対してハードな開口を構成しない形式のものにおいて、
   前記レーザビーム領域（４）内に少なくとも１つの焦点合わせ光学素子（１７，１８）が、隣り合う２つのレーザ活性媒質の間に配置されており、
   当該焦点合わせ光学素子の焦点距離および、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面（９，１０；９ｂ，１０ａ）ないし主平面（Ｈ_２，Ｈ_１'）からの距離はそれぞれ、前記レーザ活性媒質の表面（９，１０；９ｂ，１０ａ）ないし主平面（Ｈ_２，Ｈ_１'）が近似的に光学的に相互に共役であるように選択されている、
   ことを特徴とする固体レーザ増幅器または固体レーザ共振器。
2. 前記少なくとも１つの焦点合わせ光学素子はポジティブな焦点距離（ｆ_１）を有するレンズ（１８）であって、
   当該レンズはおおよそ、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面（９，１０）ないし主平面から焦点距離間隔でレーザビーム領域（４）内に配置されている、請求項１記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
3. 前記少なくとも１つの焦点合わせ光学素子は球面凹面鏡（１７）であって、
   当該球面凹面鏡はおおよそ、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面（９，１０；９ｂ，１０ａ）ないし主平面から半分の曲率半径（Ｒ_１）の間隔でレーザビーム領域（４）内に配置されている、請求項１または２記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
4. 少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子がレーザビーム領域（４）内に配置されており、
   当該焦点合わせ光学素子の焦点距離および、隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面（９ａ，９ｂ，１０ａ；１０ｂ）ないし主平面への距離は、当該表面ないし主平面が近似的に重なり合って結像されるように選択されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
5. 前記少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子は結像素子であり、
   当該結像素子は、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面（９，１０；９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ）ないし主平面を縮尺１対１で重なり合って結像する、請求項４記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
6. 前記少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子はポジティブな焦点距離を有するレンズであって、
   当該レンズはおおよそ、前記隣り合う２つのレーザ活性媒質の表面ないし主平面から２倍の焦点距離間隔で配置されている、請求項４または５記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
7. 前記少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子は球面凹面鏡（２１；２１ａ，２１ｂ）であって、
   当該球面凹面鏡はおおよそ、２つのレーザ活性媒質（２，３；２ａ，２ｂ；３ａ，３ｂ）の隣り合う表面（９，１０；９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ）から自身の半径（Ｒ_２）の間隔で配置されている、請求項４から６までのいずれか１項記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
8. 前記少なくとも１つの付加的な焦点合わせ光学素子は、２つの有利には同一の凹面鏡（２３ａ，２３ｂ）またはレンズから成るテレスコープ装置によって構成されている、請求項４から７までのいずれか１項記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。
9. ディスクレーザ結晶（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）の少なくとも２つの対（１９，２０）がレーザビーム領域（４）内に配置されており、
   当該各対（１９，２０）のディスクレーザ結晶（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）の表面（９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ）はそれぞれ第１の焦点合わせ光学素子（２１ａ，２１ｂ）によって重なり合って結像され、
   レーザビーム領域（４）内に、前記対（１９，２０）の間に、第２の焦点合わせ光学素子（１７）が配置されており、
   当該焦点合わせ光学素子は１つの対（１９）のディスクレーザ結晶（２ｂ）の表面（９）および別の対（２０）のディスクレーザ結晶（３ａ）の表面（１０ａ）を光学的に相互に共役にする、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ増幅器またはレーザ共振器。

Images