JP2006525681A - アイセーフの固体レーザシステム - Google Patents

Abstract

Ｅｒ結晶技術に基づいた本質的に効率的な直接アイセーフレーザは空洞内エネルギ変換を使用する。Ｅｒ結晶レーザは効率の高いイッテルビウムまたはネオジム結晶レーザ64により空洞内ポンプされる空洞内レーザであり、そのポンプするレーザは通常の赤外線ダイオードアレイバー52、54によりポンプされる。レーザは本質的にコンパクトで廉価であり、必要なダイオードポンプソースの数を大幅に減少させて出力エネルギおよびパワーの大きなスケーリングを可能にする。適切なＥｒ結晶のこの空洞内ポンプ方式はこのようなレーザの超短いＱスイッチ切換えパルス動作の効率的な発生を行うことができる。

Description

本発明はレーザ、特に肉眼に対して安全なアイセーフレーザに関する。

固体のレーザはしばしばドープ処理された絶縁体のレージング媒体を使用する。ガラスと結晶媒体の両者が使用されている。レージング媒体への入力パワーソースはポンプ光エネルギであり、これはドープ処理された媒体へ光学的に結合される。ポンプ光エネルギは高パワー発光ダイオードアレイ、フラッシュランプまたはその他の光源から得られる。ポンプ光エネルギはレージング媒体内のドープ剤イオンのエネルギレベルを上昇させる。

従来技術にしたがって使用されるレージング媒体はしばしばホストガラスまたは結晶内に分散されたドープ剤イオンを含んでいる。例えばイッテルビウムをドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ）、ネオジムをドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、またはエルビウムをドープされたイットリウムアルミニウムガーネットまたはガラス（Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ結晶 Ｅｒ：ガラス）である。単一の発振器／出力段または１以上の増幅器段が後続する発振器段から構成されている固体レーザが発明されている。

レーザシステムの各増幅器段では、発振器または前の増幅器段からのレーザビームは利得媒体の入口端部に誘導される。駆動レーザビームは媒体を通って誘導され、これらがその以前の安定な低エネルギ状態に戻るので、ドープ剤イオンがエネルギをビームに解放するとき、レーザ動作が生じる。解放されるエネルギの一部は光に変換され、スラブを横切るレーザビームにエネルギ利得を生じる。単一段の発振器レーザでは、出力ビームは発振器段から直接取られる。

固体レーザは種々の波長で動作するように設計されており、赤外線帯域で特に有用であることが証明されている。任意の所定の波長では、人間の網膜に対する損傷のしきい値を表す流束量またはエネルギの幾つかのレベルが存在する。しかしながら、約１．４ミクロンから１．８ミクロンの波長帯域は目の損傷のしきい値に到達する前に数桁大きいエネルギレベルを必要とすることが示されている。事実、この帯域は米国の政府機関によって“アイセーフ”帯域と見なされている。したがって、人間が存在する動作環境では、非常に高いレーザビーム流が許容されるので、アイセーフレーザが好ましい。

レーザは当然目的とする価格と信頼性の制約を満たしながら、最大の効率に設計されることが望ましい。システム効率の２つの重要な点はポンプ光の電気対光効率とレージング媒体の変換効率である。ダイオードポンプされた固体レーザの重要な変換効率の尺度はシステムの“量子欠陥”である。量子効率はポンプ光エネルギと発生されたレーザビームとの間の波長差により本質的に制御される。基本的に、量子欠陥はエミッタ光の波長をポンプ光の波長から減算することにより決定され、ポンプ光の波長内で正規化される。これによっていわゆる量子欠陥が生じ、割合として、これはシステムから実現可能な理論的に最高の効率である。

明らかに、ポンプ光波長がレーザ波長に近いシステムは効率の観点から好ましい。例えば８００ナノメータのポンプ光ダイオードによりポンプされた１ミクロンのＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、８０％よりも低い量子効率が実現される。従来技術の別の例では、９４０ナノメータのダイオードと１ミクロンのレーザを使用するＹｂ：ＹＡＧのような共振的にポンプされたレーザは９０％を超える量子効率を生む。それ故、他のあらゆるものを等しくすると、ポンプ光波長が実用的であるようにレーザ波長に近いことが好ましい。同様に、この所望性をサポートする他のファクタが存在する。例えば、最終的にポンプ光とレーザとの間のエネルギの差はレージング媒体の熱負荷を決定し、これは最大のビーム出力パワーを限定する。

１．４乃至１．８ミクロンの帯域で放射するように設計されているアイセーフレーザに関して、レーザ波長に近いポンプ光ダイオードを使用することが好ましい。しかしながらＥｒ：結晶レーザのように効率的な直接共振でポンプされるレーザの構造は、入手可能な高いパワーの１５００ナノメータダイオードアレイがないことにより制限を受ける。反対に効率的なダイオードポンプされるＮｄ：ＹＡＧレーザならびにＹｂ：ＹＡＧレーザは市販の既成の高いパワーである８００ナノメータまたは９４０ナノメータのダイオードソースを容易に利用可能である。したがってアイセーフ波長範囲で利用可能な固体のポンプ光ソースの経済性により、従来技術のアイセーフレーザの設計者はシステム設計における代わりの方針を模索している。

従来技術のアイセーフレーザ設計に対する基本的な方法は効率的な共振的にポンプされる１ミクロンレーザと、レーザビーム波長をスペクトルのアイセーフ領域へシフトまたは変換する非線形装置を使用することである。２つの利用可能な非線形変換装置はＲＡＭＡＮセルと光学パラメトリック発振器（“ＯＰＯ”）である。すなわち、従来技術のアイセーフレーザは直接変換とは反対に間接的な変換を使用する。直接変換はＮｄ：ＹＡＧまたはＹｂ：ＹＡＧのようなレージング媒体が存在することを意味し、それにおいてはポンプ光エネルギはレーザ動作によってレージング媒体内のレーザビーム波長に直接変換される。Ｎｂ：ＹＡＧレーザは８４０−９００ナノメータのポンプ光ソースにより１．０６４ミクロンでレーザ光を発生するレーザ転移を使用する。したがってレージング媒体が励起されるとき、これは直接的に１．０６４ミクロンでレーザ光を発する。しかしながらアイセーフ帯域の場合、１．５ミクロンで直接的にＮｄ：ＹＡＧ媒体をレーザ動作させることは可能ではない。それ故、前述の非線形変換媒体がシステムに付加される。従来技術のアイセーフレーザでは、非線形変換媒体は１ミクロンの放射を１．５ミクロンに変換する。この非線形変換プロセスは固体結晶、液体または気体媒体を含んでいる種々の媒体で実現されることができる。例えば、メタンは１．５ミクロンの波長の発生に使用されることができる。

前述の設計と価格の妥協のために、１つの現在の最新技術のアイセーフレーザ設計はモノブロック固体構造として構成されているＯＰＯシフトされたＮｄ：ＹＡＧレーザに基づいており、これはNettletonによる2002年４月16日出願の米国特許第6,373,865号明細書（発明の名称“PSEUDO-MONOLITHIC LASER WITH INTRACAVITY OPTICAL PARAMETRIC RESONATOR”）で開示されており、これは本出願の参考文献とされている。この設計は通常、良好な効率を有するが、評価可能なエネルギ出力で動作することを可能にするため幾つかの高いパワーのダイオードバーを必要とするので、本質的にかさばり、扱いにくい。さらに、ＯＰＯベースのエネルギ変換は本質的に非効率的であり、ビーム品質との妥協が必要である。エルビウムドープ剤をベースとする直接的なアイセーフレーザもまた技術で知られている。エルビウム（Ｅｒ）レーザは燐酸塩ガラスホスト中でイッテルビウム−エルビウムエネルギ転移ポンピング機構を使用する。しかしながら、ガラスホストはその貧弱な熱特性により非常にパワーを限定され、それによって高い平均パワーでこれらのレーザを動作することは禁じられる。この機能的なイッテルビウム−エルビウムエネルギ転移ポンピングプロセスを（ＹＡＧのような）結晶ホストで再生する試みは非常に限定されたレーザ性能を生じる。この限定はT. Schweizer、T. Jensen、E. Heumann、G. Huberによる参考文献“Spectroscopic properties and diode pumped 1.6μm performance in Yb-codoped Er:Y_３Al_５O_１２ and Er:Y_２SiO_５”、Optics Communications 118、557-561頁（1995）に示されている。これは結晶ホスト中のエネルギレベル力学が燐酸塩ガラスのエネルギレベル力学よりも非常に好ましくない事実によるものである。

したがってダイオードポンプ光ソース数を大幅に減少した出力エネルギおよびパワーの大きなスケーリングを可能にする本質的にコンパクトで廉価な空洞内エネルギ変換を使用してアイセーフビームを効率的に発生しながら、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの性能特性を与えるアイセーフレーザを発生するシステムおよび方法が技術的に必要とされている。

技術の必要性は本発明の装置および方法により解決される。ポンプ光駆動の固体アイセーフレーザが提供される。このレーザはポンプ光エネルギの吸収の結果として第１の波長でエネルギをレージングするように動作する第１のレージング媒体を含んでいる。第２のレージング媒体は第１のレージング媒体と結合され、共に第１の波長エネルギを反射的に維持するための第１の共振空洞を規定する。第２のレージング媒体は第１の波長エネルギを吸収した結果としてアイセーフ波長帯域でエネルギをレーザ動作する。透過／反射層は第１のレージング媒体と第２のレージング媒体との間の結合に沿って配置され、その層は第１の波長では透過性であるが第２の波長では反射性である。この配置は第２のレージング媒体内で第２の波長を反射的に維持するための第２の空洞を規定する。出力結合器は透過／反射層と対向する第２のレージング媒体の端部に配置される。出力結合器は透過状態に切換えられるまで第２の波長で反射性であり、したがって第２の波長エネルギがアイセーフレーザビームとして第２の空洞を出ることを可能にする。

特別な実施形態では、第１および第２のレージング媒体は固体材料である。第１のレージング媒体はネオジムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであり、約８００ナノメータのポンプ光波長を有する。或いは、第１のレージング媒体は約９４０ナノメータのポンプ光波長を有するイッテルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであってもよい。第２のレージング媒体はイットリウムアルミニウムガーネットのようなエルビウムイオンドープされた結晶であることができる。さらに一般的には第２のレージング媒体はＳｃ_２ＳｉＯ_７、Ｓｃ_２ＳｉＯ_５、Ｙ_２ＳｉＯ_５、Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７、ＹＶＯ_４またはＢｅＡＬ_２Ｏ_４の１つから選択されたホスト材料に対してエルビウムイオンドープされることができる。

システムの光波長に関しては、第１の波長は恐らく約１ミクロンであり、第２の波長は約１．５ミクロンである。通常、アイセーフ動作では、第２の波長は約１．４ミクロン乃至１．８ミクロンの範囲である。特定の実施形態では、ポンプ光エネルギは高パワーのダイオードバーアレイにより与えられる。ポンプ光エネルギはパルスで与えられることができる。レーザはパルス駆動された動作モードで動作することができる。

前述の発明のさらに改善された構造では、出力結合器はＱスイッチであり、これはコバルト結晶Ｑスイッチであってもよい。透過／反射層は特定の実施形態では誘電体被覆である。別の改善では、第１の波長で反射する誘電体被覆は透過／反射層から第１のレージング媒体の反対側の端部に位置される。更に別の改善では、第１の波長で反射性であり、第２の波長で透過性である誘電体被覆は第２のレージング媒体と出力結合器との間に配置される。

例示的な実施形態は特別な固体のアイセーフレーザを教示している。このレーザは約９４０ナノメータの波長でパルスエネルギを放射する高パワー発光ダイオードのポンプ光アレイにより駆動される。固体のイッテルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットから形成される第１のレージング媒体はポンプ光エネルギの吸収の結果として約１ミクロンの第１の波長でレーザエネルギを発生するように動作する。イットリウムアルミニウムガーネットのようなエルビウムイオンドープされた結晶から形成された第２のレージング媒体は第１のレージング媒体と結合される。共に、これらは第１の波長エネルギをそこに反射的に維持するための第１の共振空洞を規定している。第２のレージング媒体は第１の波長のエネルギの吸収の結果として約１．５乃至１．６ミクロンでレーザエネルギを発生するように動作する。第１の誘電体被覆は第１のレージング媒体と第２のレージング媒体との間の結合に沿って配置される。第１の誘電体被覆は第１の波長で透過性であり第２の波長で反射性である。したがって、第２の波長を第２のレージング媒体内で反射的に維持するために第２の空洞を規定する。第１の波長で反射性である第２の誘電体被覆は第１の誘電体被覆から第１のレージング媒体の反対側の端部に位置される。第１の波長で反射性であり、第２の波長で透過性である第３の誘電体被覆は第１の誘電体被覆から第２のレージング媒体の反対側の端部に配置される。最後に、コバルト結晶Ｑスイッチが第３の誘電体被覆を超えて第２のレージング媒体の端部に配置される。Ｑスイッチは漂白動作によって透過状態に切換えられるまで第２の波長で反射性である。一度、漂白されるか切換えられると、Ｑスイッチはレーザ光のパルスとして第２の波長エネルギが第２の空洞を出ることを可能にする。

本発明はまた、ポンプ光駆動されたアイセーフレーザビームを発生する方法を教示している。この方法は間に透過／反射層を有する第１および第２のレージング媒体と、出力結合器とを使用する。その方法はポンプ光エネルギの吸収により第１の波長でエネルギを発生するために第１のレージング媒体をレーザ動作させるステップを含んでいる。そして第１および第２のレージング媒体の範囲により規定される共振空洞中に第１の波長エネルギを反射的に維持する。次に、第２のレージング媒体により第１の波長のエネルギ吸収によりアイセーフ波長帯域内で第２の波長でエネルギを発生するために第２のレージング媒体をレーザ動作させる。また、第２のレージング媒体の１端部の透過／反射層と、第２のレーザ媒体の反対側の端部の出力結合器との間に形成される第２の共振空洞に第２の波長のエネルギを反射的に維持する。透過／反射層は第１の波長で透過性であり、第２の波長で反射性である。最後に、反射状態から透過状態へ出力結合器を切換え、それによって第２の波長のエネルギを放射する。

特別な実施形態では、第１および第２の媒体のレージングステップは固体材料で行われる。特に第１のレージングステップはネオジムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであり、約８００ナノメータのポンプ光波長を有する。代わりに、第１のレージングステップは約９４０ナノメータのポンプ光波長を有するイッテルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットである媒体中で行われることができる。第２のレージングステップはイットリウムアルミニウムガーネットのようなエルビウムイオンドープされた結晶である媒体中で行われることができる。第１の波長は恐らく約１ミクロンであり、第２の波長は約１．５ミクロンであることができる。通常第２の波長は約１．４ミクロン乃至１．８ミクロンのアイセーフ範囲である。

前述の方法の特別な実施形態では、ポンプ光エネルギは高パワーのダイオードバーアレイから結合される。この方法はまたポンプ光エネルギをパルスで供給するステップを含むことができる。切換えステップはＱスイッチを使用して行われることができる。透過／反射層は誘電体被覆であることができる。この方法はさらに切換えステップの複数の反復によってレーザをパルス駆動するステップを含んでいてもよい。

本発明の有効な教示を説明するために、添付図面を参照にして図示の実施形態と例示的な応用を説明する。

本発明を特定の応用の例示的な実施形態を参照にしてここで説明するが、本発明はそれに限定されるものと理解すべきである。当業者はその技術的範囲内および本発明が非常に有用である付加的な分野で付加的な変形、応用、実施形態を認識するであろう。

従来技術は直接的または間接的な固体アイセーフレーザ技術を含んでいる。直接変換アイセーフレーザはエルビウムのみまたはエルビウムおよびイッテルビウムドープされた燐酸塩ガラス技術を用いて使用されている。エルビウムのみのレーザは約１５００ナノメータで動作するポンプ光ダイオードを必要とし、これは８００乃至９４０ナノメータ範囲でＧａＡｓダイオードと競合する効率、パワーおよび性能特性で利用可能ではない。エルビウム−イッテルビウムドープされたガラスレーザは８００乃至９４０ナノメータの帯域で廉価のＧａＡｓ技術のダイオードアレイを合理的に利用するが、それらのスケーリングおよび応用を制限する幾つかの基本的な問題を受けており、これを以下説明する。従来技術の間接的な変換アイセーフレーザはネオジムまたはイッテルビウムドープされたイットリウムアルミニウムガーネットレーザ媒体を使用し、それは８００乃至９４０ナノメータのダイオードアレイで励起するとき１ミクロンのレーザエネルギを出力する。１ミクロンから１．４ミクロン乃至１．８ミクロンのアイセーフ波長へエネルギをシフトするためにＲＡＭＥＮセルまたはＯＰＯのような非線形変換装置が付加される。

種々の戦略的な大きく隔った応用のためのアイセーフレーザにおける現在の最新技術はＯＰＯシフトされたＮｄ：ＹＡＧレーザである。しかしながら、これらのレーザの優秀な効率にかかわらず、これらは認識可能なエネルギ出力レベルで動作するために典型的に多数のダイオードアレイバーを必要とするので、本質的に大型となり、厄介である。さらに、ＯＰＯに基づくエネルギ変換は本質的に不十分であり、妥協されたビーム品質となる。図１は前述のNettletonの参考文献で教示されたような、従来技術のモノブロック固体アイセーフレーザを示している。Ｎｄ：ＹＡＧレージング媒体４は複数のダイオードポンプ光アレイまたはバー６、８により駆動される。ダイオードバーは６のようにエッジでポンプされるか、８のように端部でポンプされ、或いはその両者でポンプされる。Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ Ｑスイッチ10はＱスイッチのＣｒ^４＋イオンが漂白されるまでレージング媒体のエネルギレベルを共振させ、増加することを可能にするために使用され、レーザビームエネルギを利得媒体４から放射する。Ｑスイッチの理論と動作は当業者に知られている。光学的パラメトリック発振器（“ＯＰＯ”）12は１ミクロンから１．５ミクロンへビームエネルギを変換するために使用される。ＯＰＯ装置は当業者に知られている。

図１に示されているようにモノブロックレーザ２の特別な動作特性に関して、ネオジムは８４０乃至９００ナノメータのポンプ光で励起されるとき１．０６４ミクロンでレーザ光を発するレーザ転移を有している。しかしながらアイセーフ帯域でネオジムを直接的にレーザ発振させることは非常に非効率的である。１ミクロンの放射を１．５ミクロンに変換することのできる外部の非線形媒体が存在しなければならない。図１ではＯＰＯ12がこの機能を行っている。通常、これは非線形プロセスであり、固体結晶、液体または気体の媒体中で生じる。例えば、メタンは１．５ミクロンの波長を発生することに使用されることができる。対照的に、エルビウムレーザはアイセーフ領域で本質的（直接的）にレージングすることができる。例えばＥｒ：ＹＡＧ結晶では、レーザビームは赤色に僅かにシフトされ、約１．６ミクロンでレーザ光を発生する。ガラス媒体では、１．５ミクロンのビームが発生される。

Ｎｄ：ＹＡＧモノブロックレーザの応用では、図１に示されているように、効率的な高パワーの８００ナノメータのダイオードバーでさえも、ネオジムイオンの短い上部状態寿命はレーザの全体的に不十分なエネルギの蓄積を生じる。それ故、単一の８００ナノメータのダイオードポンプ光バーにより、１ミリジュール程度のパルスエネルギ出力が得られれば最良である。さらに多くのパルスエネルギが必要とされるならば、ダイオードバーの数が増加されなければならない。これはこれらのエネルギレベルを実現するために高価なアレイを必要にする。より大きいパルスエネルギを得るための他の方法はフラッシュランプ光ポンピングを使用することである。しかしながらフラッシュランプポンプされたモノブロックレーザは適用されることのできる反復率に限界を有する。ダイオードアレイポンプ光は数１０Ｈｚから１００Ｈｚにわたる範囲で反復率を実現できる。

Ｎｄ：ＹＡＧ、ＯＰＯシフトされたレーザはその構造のためにモノブロックレーザと呼ばれている。これは共にモノリシックユニットに接着または融着されるためにモノブロックと呼ばれている。構造は全ての他のドープ結晶が結合されるドープされていないＹＡＧのモノリシックレールで開始する。モノブロックは比較的頑丈なユニットである。Ｑスイッチ動作の特性と動作環境の可変性のために、パルスの間のパルス幅と出力エネルギに大きな不一致が存在する。モノブロックレーザビームのダイバージェンスはまた他の技術程、狭くはない。過剰なビームダイバージェンスはＯＰＯのような非線形変換器の使用から生じる。これは、設計者はできれば非線形装置を使用することを好まない理由である。実際に、非線形装置は高品質で、単一モードで、回折が限定されたレーザビームの実現に関してはしばしば“代表的なもの”である。これは、さらに回折が限定されたビームと少ないエネルギがシステムのターゲットおよび距離測定の要求を満たすために必要であるために重要である。

直接変換レーザがビーム品質および他の設計および製造理由の見解から好ましいので、アイセーフ帯域の直接レーザ動作を可能にするポンプ光源の問題を考慮することが合理的である。例えばエルビウムイオンレーザは１５００ナノメータのソースでポンプされるならば、アイセーフ帯域で直接的にレーザ光を発生できる。しかしながら、利用可能なポンプ光波長は半導体物理学および製造能力の問題である。発光ダイオードはスペクトルおよび帯域の広い選択肢で利用可能である。ＧａＡｓおよびＧａＡｌＡｓダイオードは７５０乃至９８０ナノメータの範囲で利用可能である。これらは廉価の市場の既製の装置として入手可能であり、高いパワーレベルで動作する。例えば８０８ナノメータのダイオードは典型的にネオジムレーザで使用される。または９４０ナノメータのダイオードは典型的にイッテルビウムレーザで使用される。直接変換アイセーフレーザに適切なダイオードを生成するために、設計業者は約１５００ナノメータで動作するダイオードを必要とする。異なる半導体材料はこの波長を発生するために必要とされる。ある材料が知られており、それはインジウム−ガリウム−アルミニウムおよび、インジウム燐酸塩ダイオードを含んでいる。しかしながらこれらの材料はＧａＡＳ技術と同じ程度に容易に入手可能ではない。このような材料が容易に入手可能であっても、それらの使用を取巻く他の緩和問題が存在する。通常、これらの材料はＧａＡｓ材料とほぼ同様に作用しない。例えばダイオード対ダイオードまたはバー対バーの１対１の比較では、パワーにおいて４倍の係数が存在する。固定した量の駆動電流が与えられると、９４０ナノメータのダイオードは１５００ナノメータのダイオードよりも４倍の光を発生する。また頑丈さの視点から、ＧａＡｓ製品は優秀である。価格は同様に９４０ｎｍのダイオードでは低い。

従来技術の直接変換エルビウムアイセーフレーザのレーザポンプ方式の図である図２を参照する。レーザはＹＡＧ媒体に分散されるエルビウムイオン24を使用する。１５４０ナノメータレーザポンプソース16は^４Ｉ_１３／２エルビウムエネルギレベル18を励起することにより^４Ｉ_１５／２エルビウムエネルギレベル22をポピュレートする。結果的なレーザ動作20は１６４０ナノメータでエネルギを発生する。これは共振的にＥｒ：ＹＡＧをポンプされ、標準で５０％程度の高さの勾配効率と空洞内ポンプ構造を発生できる。一般的にK. Spariosu、M. Birnbaum、B. Vianaの参考文献（“Er^３＋:Y_３Al_５O_１２ laser dynamics:effects of upconversion”、Opt. Soc. Am. B、11(5)、894-900、(1994)）および、K. Spariosu、M. Birnbaumの参考文献（“Intracavity 1.549μm pumped 1.634 μm Er:YAG Lasers at 300K”、IEEE J.Quantum Electron.30(4)、1044-1049、(1994)）を参照されたい。ポンプエネルギは効率的にＥｒ：結晶ホストにより変換される。このポンピング方式は量子欠陥が非常に小さいために高い効率と優秀な熱放散を誇る。しかしながら、これらの波長において効率的な高いパワーのダイオードソースがないことはしたがってこのタイプのレーザの実行を著しく限定する。さらに、低いエネルギレベルのマニホルドにおけるシュタルクのエネルギレベル構造に依存する共振ポンピング方法のために、実現されることのできる反転密度はこの共振の漂白により限定される。全体的なイオン密度に関して説明すると、このタイプのポンピングで実現されることのできる最大の分布反転は以下の式１に示される。
Ｎ＝（ｆ_１ｆ_３−ｆ_２ｆ_４）／（ｆ_１＋ｆ_２） （式１）
Ｅｒ：ＹＡＧにおけるこの最大の反転密度は例えば１５４０ｎｍのポンプ波長で約０．１Ｎ_Ｔであることがわかった。

代わりのポンピング方法は^４Ｉ_１１／２エルビウムエネルギレベルを励起することであり、これは１６００ナノメータのレーザ動作のためにさらに高い反転分布密度を潜在的に実現する^４Ｉ_１３／２エルビウムエネルギレベルをポピュレートする。１つのこのような励起方法はイッテルビウム−エルビウムエネルギ転移であり、これはＹｂ、Ｅｒ：ガラスレーザをポンプするための良好に設定された技術である。この方法は図３に示されている。

従来技術のイッテルビウム−エルビウムイオン間エネルギ転移アイセーフレーザのレーザポンプ方式を示す図である図３では、９４０ナノメータのポンプソース28はイッテルビウムイオン26中に^２Ｆ_５／２エネルギレベルを分布させるために使用される。非放射性のイオン間エネルギ転送30が生じ、それは^４Ｉ_１１／２エルビウムイオン36エネルギレベルを励起する。高速度の緩和が生じ、したがって^４Ｉ_１３／２エルビウムレベルをポピュレートする。結果的なレーザ動作34は１６００ナノメータのアイセーフビームを発生する。このポンピング方法についての問題はエネルギ転移の効率が低いことである。ＹＡＧのような結晶ホストでは、大きな逆転転移によって変換効率をガラスよりも低いレベルまで減少する。この効率減少に対する１つの重要な影響ファクタは例えば文献［２］のように燐酸塩ガラスと比較して、結晶において^４Ｉ_１１／２レベルがかなり長い寿命であることである。このイオン間エネルギ転移の非効率はホスト材料の大きな加熱を生じ、高い動作パワーに対するスケーリングを阻止する。

図４は、エルビウムアイセーフレーザにおける^４Ｉ_１１／２と^４Ｉ_１３／２エネルギレベル励起による従来技術の直接変換のレーザポンプ方式の概略図を示している。図４の方法は９８０ナノメータのポンピング40により直接的にエルビウムイオン38の^４Ｉ_１１／２レベルを励起するさらに好ましいポンピング方式を表している。この方法により、損失のあるイオン間エネルギ転移機構は避けられる。^４Ｉ_１１／２から^４Ｉ_１３／２レベルの緩和42が生じる。結果的なレーザ動作は１６００ナノメータのビームを発生する。しかしながら、このポンピング方式に関する問題は^４Ｉ_１５／２と^４Ｉ_１１／２転移での非常に低い吸収断面である。

エルビウムドーピング濃度は過酷な上方変換と濃度消滅損失のために、１％程を超えて増加されることができないので、唯一の緩和方法は９８０ナノメータのポンプ40をエルビウムレージングエネルギレベルへ効率的に付着するための非常に長い吸収長を使用することである。これは吸収長が数メートルである場合、エルビウムドープされた光ファイバ中で適切に行われている。多数の電気通信グレードのエルビウムドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）と、１０ワットよりも大きい出力容量を有する市場で入手可能なＥｒ：ファイバレーザはこの技術に基づいている。

ＹＡＧのようなさらに普通のホストは燐酸塩ガラスと比較して非常に長い^４Ｉ_１１／２寿命を有するが、他の有望なホストが存在する。これらのホストにはＹ_２ＳｉＯ_５（ＹＳＯ）、Ｓｃ_２ＳｉＯ_７、Ｓｃ_２ＳｉＯ_５、Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７（ＣＡＳ）、Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７（ＣＧＳ）、ＹＶＯ_４およびＢｅＡＬ_２Ｏ_４が含まれており、ここで^４Ｉ_１１／２寿命は非常に短く、したがって潜在的に改良された効率をこのポンプ方式に提供する。以下の表１はこれらの潜在的なホストおよびそれらの対応するエネルギレベル寿命を列挙している。

本発明は２つの技術的方法を統合することにより従来技術の問題を解決する。例示的な実施形態では、ポンプソースは非常に効率的なネオジムまたはイッテルビウムレーザであり、エネルギ変換は空洞内ポンプされたエルビウムレーザである第２のレーザによって行われ、これはエネルギ蓄積／増強能力を提供し、それと共にアイセーフ出力を直接的に発生する。このようにして、２つのレーザ技術は相乗的に組合わされ、それによって減少されたダイオードポンプソース数で所望のエネルギの増強と、本質的に良好なビーム品質を有する直接的なアイセーフレージングの両者が実現される。

図示の実施形態では、本発明は、非線形周波数変換器を使用する必要なく、既に非常に効率的であるダイオードポンプされた１ミクロンのＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、またはＹｂ：ＹＡＧレーザの効率的なエネルギ変換を行う空洞内ポンプされたＥｒ結晶レーザが開示されている。さらに重要なことは、Ｅｒ：結晶は高いパワー出力レベルを依然として提供しながら、ダイオードまたはダイオードバー数の大きな減少が使用されることができるように効率的なエネルギ蓄積媒体であることである。これは低パワーで廉価のアイセーフレーザソースから便宜性を得られる種々のプラットフォームで構成されることのできる実用的で、廉価な装置に変形される。さらに、本発明は本質的にコンパクトで廉価である空洞内エネルギ変換を使用するので、非常に減少された数のダイオードポンプソースで出力エネルギおよびパワーの大きなスケーリングを可能にする。適切なＥｒ：結晶により、空洞内ポンプ方式はまたこれらのレーザの超短いＱスイッチパルス動作の効率的な生成を行う。

本発明の例示的な実施形態は、媒体を通してポンプ光が反復して往復通過するために、Ｅｒ：結晶媒体の吸収長が基本的に多数倍増加される空洞内ポンプ方式を実行する。透過／反射被覆が異なるスペクトルの透過および反射を処理するために空洞の端部に設けられる。この方法により、効率的な直接ポンプされたＥｒ：結晶アイセーフレーザが可能である。本発明の例示的な実施形態にしたがったアイセーフレーザの機能ブロック図である図５を参照する。疑似モノブロック構造は単一の構造に組立てられているＹｂ：ＹＡＧレーザ54、Ｅｒ：結晶レーザ50、Ｃｏ：結晶Ｑスイッチ58から構成されている。誘電体被覆（図示せず）とＱスイッチ58の機能により、２つの共振レーザ空洞が規定される。第１の空洞はＹｂ：ＹＡＧ空洞64である。第２の空洞はＥｒ：結晶レーザ空洞62である。ダイオードバー52、54はエッジポンプ52または端部ポンプ54としてＹｂ：ＹＡＧレーザ空洞に対して位置されている。ポンプ光波長（９４０ナノメータ）で透過性であり、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ波長（１ミクロン）で反射性である第１の誘電体被覆はダイオードバー54に隣接したＹｂ：ＹＡＧ媒体の端部に配置されている。Ｙｂ：ＹＡＧレーザ波長（１ミクロン）で反射性であり、Ｅｒ：結晶レーザ波長（１．６ミクロン）で透過性である第２の誘電体被覆はＥｒ：結晶媒体と共通結晶のＱスイッチとの間に配置されている。これらの２つの被覆はＹｂ：ＹＡＧレーザ空洞64の範囲を規定する。同様に、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ波長（１ミクロン）で透過性であり、Ｅｒ：結晶波長（１．６ミクロン）で反射性である第３の誘電体被覆はＹｂ：ＹＡＧ媒体50とＥｒ：結晶媒体56との間に配置されている。漂白されるまでＥｒ：結晶波長（１．６ミクロン）で反射性である第３の被覆とＱスイッチはＥｒ：結晶レーザ空洞62の範囲を規定する。

動作において、ダイオードバー52、54はポンプ光エネルギをＹｂ：ＹＡＧ媒体50に注入するために数十ヘルツ程度の反復率で容量性放電電源によりパルス駆動される。Ｙｂ：ＹＡＧ媒体50はそれによって励起され、１ミクロンでレーザを発生する。１ミクロンのレーザエネルギはＥｒ：結晶媒体56を励起し、これは１．６ミクロンでレージングする。１．６ミクロンのエネルギはＥｒ：結晶レーザ空洞62内で共振的に反射する。エネルギが成長されるとき、共通の結晶のＱスイッチ60は漂白され、これが行われるとき、１．６ミクロンのエネルギはパルスのレーザ光60としてＱスイッチ58を経て放射される。

この空洞内ポンプされたＥｒ：結晶レーザのエネルギ出力は、同一のパワーダイオードポンプソースを使用して空洞内ポンプされたＯＰＯを有するＮｄ：ＹＡＧレーザと比較するとき１０倍増加されることができることが非常に注目される。これは以下の表２に示されている。

この表２では、空洞内（Ｉ／Ｃ）Ｅｒ：結晶レーザに対する仮定された３％の光−光効率でさえも、投射されたダイオードバーの要求は１０分の１に減少されることに注目すべきである。

本発明の例示的な実施形態にしたがったエルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットレーザ媒体の吸収グラフである図６を参照する。注目されるように、主な吸収ピークは９６０ナノメータと９９０ナノメータとの間にあり、これはイッテルビウムレーザによりアクセスされることができる。しかしながら、他の吸収ピークが１ミクロン以上で存在し、それによってネオジムおよび／またはイッテルビウムレーザが使用されることができる。結局、エルビウムに対するより好ましいホストは、ここで注目するように最も好ましい１ミクロンの空洞内ポンプ構造を確実にするためにスペクトルについて評価されることができる。

したがって、本発明を特定の応用に対する特別な実施形態を参照にしてここで説明した。当業者はその技術的範囲内で付加的な変形、応用、実施形態を認識するであろう。

それ故、特許請求の範囲によって、本発明の技術的範囲内で任意および／または全てのこのような応用、変形、実施形態がカバーされることを意図している。

従来技術のモノブロック固体アイセーフレーザの機能ブロック図。 従来技術の直接変換エルビウムアイセーフレーザのレーザポンプ方式の概略図。 従来技術のイオン間エネルギ転送アイセーフレーザのレーザポンプ方式の概略図。 状態転移による従来技術の直接変換エルビウムアイセーフレーザのレーザポンプ方式図。 本発明の例示的な実施形態にしたがったアイセーフレーザの機能ブロック図。 本発明の例示的な実施形態にしたがったエルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットレーザ媒体の吸収グラフ。

Claims (10)

1. ポンプ光駆動される固体アイセーフレーザにおいて、
   第１の波長でレーザエネルギを発生するように動作する第１のレージング媒体（50）と、
   前記第１のレージング媒体（50）と整列され、それによって前記第１の波長のエネルギをそこで反射的に維持するために第１の共振空洞（64）を規定し、第２の波長でレーザエネルギを発生するように動作する第２のレージング媒体（56）と、
   前記第１のレージング媒体（50）と前記第２のレージング媒体（56）との間に配置され、前記第１の波長で透過性であり、前記第２の波長で反射性であり、それによって前記第２のレージング媒体（56）内で前記第２の波長を反射的に維持するための第２の空洞（62）を規定している透過／反射層と、
   前記透過／反射層と反対側の前記第２のレージング媒体（56）の端部に配置され、前記第２の波長のエネルギが前記第２の空洞（62）を出ることを可能にする出力結合器（58）とを具備しているレーザ。
2. 前記第１のレージング媒体（50）はネオジムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであり、ポンプ光波長は約８００ナノメータである請求項１記載のレーザ。
3. 前記第１のレージング媒体（50）はイッテルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであり、ポンプ光波長は約９４０ナノメータである請求項１記載のレーザ。
4. 前記第２のレージング媒体（56）はエルビウムイオンドープされた結晶またはエルビウムイオンドープされたイットリウムアルミニウムガーネットである請求項１記載のレーザ。
5. 前記第２のレージング媒体（56）は次の材料、Ｓｃ_２ＳｉＯ_７、Ｓｃ_２ＳｉＯ_５、Ｙ_２ＳｉＯ_５、Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７、ＹＶＯ_４またはＢｅＡＬ_２Ｏ_４またはガラスのようなアモルファス材料を含む類似の材料の１つから選択されたエルビウムイオンドープされたホスト材料である請求項１記載のレーザ。
6. 前記第２の波長は約１．４ミクロン乃至１．８ミクロンの範囲である請求項１記載のレーザ。
7. ポンプ光エネルギはパルスで与えられる請求項１記載のレーザ。
8. 前記Ｑスイッチ（58）はコバルト結晶Ｑスイッチまたは類似の飽和可能な吸収性Ｑスイッチである請求項１２記載のレーザ。
9. さらに、前記透過／反射層から前記第１のレージング媒体（50）の反対側の端部に位置する前記第１の波長で反射性である誘電体被覆を具備している請求項１記載のレーザ。
10. さらに、前記第１の波長で反射性であり、前記第２の波長で透過性であり、前記第２のレージング媒体（56）と前記出力結合器（58）との間に配置されている誘電体被覆を具備している請求項１記載のレーザ。

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