JP2007536735A - 偏光制御された反射体を伴うジグザグレーザー増幅器 - Google Patents

Abstract

増幅器スラブの相対する側面での全反射で減偏光が生じる固体ジグザグスラブレーザー増幅器は、減偏光を最小化するように選ばれた位相遅延を提供する、複合エバネッセントコーティングを選択することによって制御される。複合コーティングを用いない場合には、特に、増幅器がより高い出力で動作されたときには、入射角の小さな変化が減偏光を著しく増大させるのに十分な大きさの位相遅延の変化の原因となり得る。複合エバネッセントコーティングの適切な選定は、任意の波長で、入射角の小さな範囲では比較的一定に維持される所望の位相遅延を可能とし、故に、減偏光および複屈折の影響を最小化することを可能とする。

Description

本発明は、概してレーザー増幅器に関し、特に、端部ポンプを有するジグザク固体レーザーに関する。

ジグザク固体レーザーは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のような、希土類ドープトレーザー材料の細長いスラブを含む。マスター発振器によって生成された入力光線は、スラブの内側面で多重内部反射を生じるように選ばれた角度で、スラブの一端の面へ発射される。ポンプ光線もまた、スラブの一端において入力され、入力光線がスラブに沿って行き来し反射されるにつれて、入力光線の増幅が生じる。増幅が生じるスラブのドープト領域は、外部手段によって冷却される。

簡単に上述されたレーザー構造は、特許文献１において詳細に開示され、本明細書においては、Ｉｎｊｅｙａｎ’２９７特許と称されるが、Ｈａｇｏｐ Ｉｎｊｅｙａｎ他に発行され、かつ本発明と同じ譲受人に譲渡された。

Ｉｎｊｅｙａｎ’２９７特許において記述される増幅器は効果的であり、かつ優れた品質および偏光特性の光線を生成するが、より高出力な光線を生成するために、多数のそのような増幅器が結合されるときには改良が求められる。そのような構成に対しては、増幅器出力のそれぞれが直線偏光を有すべきことが強く望ましい。直線偏光は、該出力の周波数変換を活用するアプリケーションによってもまた要請される。このシグザグスラブアーキテクチャが高出力に拡張されたときには、増幅された出力の偏光特性が低下し得、その結果、直線偏光はもはや有効に維持され得ないということが知られている。

従って、著しく改善された直線的出力偏光特性を有する改良されたジグザグスラブレーザー増幅器に対するニーズが存在する。本発明は、この目的に向けられている。
米国特許第６，０９４，２９７号明細書

本発明は、相対する端部面、複数の側面、概ね側面に平行な相対する端部面の間に規定される長軸、を規定する所定の断面を有する固体レーザー材料の細長いスラブを備える光増幅器、概ね長軸に平行な軸に沿って向けられるポンプ光を可能にするための手段、および１つ以上のポンプ光線の光源、に帰する。入力光線は、細長いスラブ内を前進する間に２つの相対する側面の間で繰り返し反射され、かつ増幅される。本発明に従って、スラブは、スラブを通過する光線の伝播中に蓄積された複屈折から生じる減偏光を減らすために、２つの向かい合った側面の上に配置された複合エバネッセントコーティング、を含む。

より具体的には、スラブを通ってジグザグするときに、入力光線の全反射のそれぞれに選ばれた位相遅延を提供するために、複合エバネッセントコーティングは選ばれ、その結果として、選ばれた位相遅延は、全ての蓄積された減偏光の最小化をもたらす。例えば、複合エバネッセントコーティングは、入力光線に対して全反射で、ほぼゼロの位相遅延を提供するように選ばれ得る。理想的には、複合コーティングは、相対する側面に対する入力光線の入射角の角度のある範囲にわたって、ほぼ同じ選択された位相遅延を提供するように選ばれる。

増幅器は、細長いスラブからの増幅された光線出力を受け出力光線の偏光の角度を回転させるために配置された偏光回転子、および、第二の増幅パスを提供する異なった経路に沿って細長いスラブの中へ偏光回転された出力光線を反射して戻すための手段、をも備え得る。開示されるように、本発明の光増幅器においては、固体レーザー材料の細長いスラブは、ポンプ光の吸収を制限するために設計された非ドープト固体レーザー材料の両端部分、および、両端部分へ拡散接合されたドープト固体レーザー材料の中央部分、を備える。

本発明が、固体レーザー増幅器における著しい進歩を示すということが、前述の内容から理解される。特に、ジグザグスラブレーザーの相対する側面の上の複合コーティングの使用は、偏光の制御を提供し、高出力で使用されたときのこのタイプの光増幅器の重大な欠陥を消去する。本発明の他の局面および有用性が、添付図面と共に、以下のより詳細な記述によって明らかとなる。

説明の目的のための図において示されるように、本発明は、ジグザグスラブのレーザー増幅器における偏光を制御するための技術に関する。図１は、従来技術のジグザグスラブレーザー増幅器の断面図であり、米国特許第６，０９４，２９７号において図示されるものであり、該特許は、本明細書においてはＩｎｊｅｙａｎ’２９７特許と呼び、本明細書において参考として援用される。

Ｉｎｊｅｙａｎ’２９７の装置においては、および本発明においては、一般的に参照番号２０によって識別される光増幅器は、端部ポンピングを使用する。そのような構成の場合には、一般的に、ポンプ光はスラブ２２の長軸に沿う増幅された光と整列され、その結果として、比較的長い吸収長となり、かつ比較的高い全体的効率を提供する。この構成は、ドーパントとしてイッテルビウム（Ｙｂ）およびテルル（Ｔｍ）を使用するそれら材料のような、比較的低い吸収効率を有する固体レーザー材料を使用する光増幅器に対して、特に適合する。ポンプ光の吸収は、スラブ２２の中央部分に制限され得、スラブの相対する端部でのヒーティングを減らすが、それは、そりを生じ易いということが知られている。

光増幅器２０は、細長いスラブ２２、および１対のポンプ光線源２１および２６を含む。細長いスラブ２２は、１対の相対する端部面２８および３０、および４つの側面３２を規定する概ね長方形または正方形の断面で形成される。本記述において使用されるときは、長軸すなわちレーザー軸３３は、相対する端部面２８および３０の間で、側面３２に概ね平行な軸として規定される。主軸はジグザグパターンの方向で水平な軸として規定され、一方で、副軸は一般的に主軸に垂直な鉛直軸であると規定される。主軸および副軸の両方は長軸に対して垂直である。

図１において図示されるような概ねジグザグパターンで入力光線の内部反射を生じさせるためには、スラブ２２は、比較的高い屈折率をもつ固体レーザー材によって形成され、それは、いわゆるジグザグ増幅器を形成する。そのようなジグザグ増幅器は、スラブ内の温度勾配を入力光線が平均化するのを許すことによって、均一ゲイン媒体を提供することによって、輝度目盛をもたらすことが知られている。スラブ２２の端部の加熱を減らすために、スラブ２２は拡散接合された複合材料として形成され得る。さらに詳細には、スラブ２２の長軸３３に沿って、スラブ２２の相対する端部分３４および３６は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のような非ドープト母材から形成され得る。ＹｂドープトＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）のような、ドープト母材から生成されるスラブ２２の中央部分３８に、これらの端部分３４および３６は拡散接合され得、２つの拡散接合界面４０および４２を形成する。そのような拡散接合は、当該分野において公知であり、例えば、本明細書において参考として援用される米国特許第５，４４１，８０３号において詳細に記述されている。そのような構成は、吸収長をスラブ２２の中央部分３８に限定する。吸収長をスラブ２２の中央部分３８に限定することによって、光ポンピングによって生じる熱は、主として中央部分３８に限定され、端部分３４および３６から逃げるが、それはそりを生じやすい。上述したように、ポンプ光線２１および２６は、それぞれ、相対される端部面３０および２８からスラブ２２を通って反射される。一般的には図１において示されるように、ポンプ光線２１および２６は、それぞれ、相対する端部分３４および３６でスラブ２２の相対する側面３２に入り得る。スラブ２２の中へのポンプ光線の発射を可能とするために、１つ以上のフットプリントまたはウィンドウ４１および４３が、それぞれ相対する端部分３６および３４に形成され得る。ポンプ光線２１および２６の波長に対して選ばれた反射防止コーティングのようなコーティングの方法によって、ウィンドウ４１および４３は、形成され得る。図１においてまた示されるように、反射防止コーティングは、側面３２と共に相対する端部面２８および３０にも配置され、それによって、入力光線およびポンプ光線両方の損失を減らす。ポンプ光線２１および２６は、スラブ２２の相対する端部分３４および３６で相対する側面３２へ向けられる。ポンプ光線２１および２６は、相対する端部面２８および３０から全反射されるので、それらは長軸３３に沿って整列される。先に検討されたように、複合スラブ２２を使用することによって、スラブ２２の吸収は、中央部分３８に限定される。

入力光線４４は、比較的小さな角度で端部面２８に向けられ、それは、例えば、端部面に直角（垂直）な方向に対して１０度より小さい。入力光線４４の入射角を限定し、かつ比較的高い屈折率を有する材料を選ぶことによって、入力光線は図示されるように概ねジグザグパターンでスラブ２２に沿って全反射され、相対する端部面３０から増幅された光線４６として結合され外へ出てゆく。導入ダイオード光による均一なポンピングおよび絶縁されたスラブ端部と組み合わされたスラブの温度勾配を横切るジグザグパターンは、複屈折が限られて比較的低い熱レンズ効果となる。

スラブ２２のポンピングがポンプ光が吸収される領域における上昇温度の原因となることは当該分野において公知である。上述したように、ポンプ光線、例えば、ダイオードアレイからのは、ウィンドウまたはフットプリント４１および４３を通して側面３２にほぼ直角に向けられ、そして相対する端部面２８および３０で反射し、長軸３３に沿って導かれるポンプ光線を生じる。スラブ２２を冷却するために、様々な冷却方法が使用され得る。伝導式および対流式の両方の冷却システムが適切である。伝導式冷却システムの例は、スラブ２２を、例えば、カリフォルニア州サンディエゴの、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、またはカリフォルニア州サンノゼの、ＳＤＬ，Ｉｎｃ．によって製造されるような高強度インピンジメント冷却器に取り付けることである。

スラブ２２と冷却器との間の熱抵抗を最小化するために、インジウムまたは金などの軟質金属などの熱伝導性金属の薄い層が使用され得る。組み立ての間、冷却器／インジウム／スラブは、インジウムを流動し、かつ接触抵抗を無くすために、約１５０℃の高温の圧力下に維持され得る。直接式または対流式の冷却に対して、本明細書において参考として援用される米国特許第５，６４６，７７３号において詳細に検討されているように、熱を除去するためにスラブ面上を流れる冷却乱流の薄い層による不感帯の中に、スラブ２２はシールされ得る。一つの例示的な対流式冷却システムは、例えば、本明細書において参考として援用される、共有に係る米国特許第５，６４６，７７３号において開示されている。

対流式および伝導式冷却のケースにおいては、スラブ２２の側面３２は、全反射を維持するために、エバネッセントウェーブコーティング４８としての機能を果たす誘電性材料によってコーティングされる。図１において示されるように、エバネッセントウェーブコーティング４８は、１つの端部面２８、３０から、相対する端部面付近の、拡散接着界面４２をわずかに越えた領域まで広がり得る。エバネッセントウェーブコーティング４８は、スラブ２２がインピンジメント冷却器に直接接着されることを可能にする。ＭｇＦ_２またはＳｉＯ_２の厚い層（２〜４μｍ）がエバネッセントウェーブコーティング４８として使用され得る。

コーティング４８は、スラブ表面に堆積されスラブ材料のそれよりも低い屈折率を有する均一なフィルムである。増幅された光線のフィールドは、エバネッセントコーティング４８の中で指数的に減衰するので、それは、コーティング表面では無視できる程のフィールドとなる。スラブ２２のコーティングされた表面に与えられた冷却は、光学的特性に影響を与えることなくスラブから余分な熱を取り除く。スラブ内の温度勾配は屈折率不均一および複屈折を生じ得る。しかしながら、光線の交互する横断線（ジグザグ）は、これらの影響を平均化し、良好な光線品質および偏光純度の両方を維持する傾向にある。特に、せん断応力がスラブ２２内に発生し偏光回転につながり得るが、これらの偏光影響は、少なくとも低および通常の光学パワーに対しては、スラブ幅に沿う反対方向のほぼ同一の隣り合う横断線（ジグおよびザグ）によって相殺される。

高出力では、この一般的なタイプの装置は激しい減偏光を示し得ることが、近年、観察されるようになった。さらなる発見は、伝播する光線の偏光状態に対する全反射（ＴＩＲ）の影響が、観察される増幅器の出力偏光の量の中で非常に大きな役割を果たし得るということである。増幅された光線の２つの偏光成分は、スラブ表面の平面内のＳフィールド、および、表面に垂直な面内のＰフィールドである。これらの成分は、全反射に際して位相遅延を経験し、増幅された光線がスラブ内を行き来して跳ねる間に、２つの偏光の間の望ましくない干渉を生じ得、それは、生じた複屈折の相殺を妨げ得る。特に、増幅器出力の偏光純度はＴＩＲ位相遅延の値に依存して５〜１０倍違い得るということが知られている。この現象は、図２において示されている。

図２は、４０回内部反射（跳ね返り）の２×２０×１２５ｍｍのジグザグスラブ増幅器に対する減偏光の変動（縦軸に沿ってプロットされている）を、横軸に沿ってプロットされ、かつラジアンで測定されたＴＩＲ位相遅延に対して示す。６３３ｎｍ（カーブＡ）および１０６４ｎｍ（カーブＢ）の、示される２つの波長のそれぞれに対して、減偏光における周期的変動がある。特に、図は、離れた減偏光のピークの間に約１０°の位相遅延の間隔があることを示す。故に、減偏光の値は、ＴＩＲ位相遅延の約５°だけのスパンで最小値から最大値まで変化し得る。

図３において示されるように、従来のエバネッセントコーティングを伴うスラブに対しては、内部光線の角度（入射角）の変化がわずか１°以下である場合において、ＴＩＲ位相遅れは５°以上変動し得る。例えば、５４°から５５°の内角における変化は、約１０°から１５°よりも大きな値までの位相遅延における変化の原因となる。従来技術の増幅器技術は、図４に示されるように、スラブ２２を通る２つのパスの使用を含む。５０で表される第一のパスからの出力光線は、クオーツ偏光回転子５２によって反射され、その後、第二の入力光線５４としてスラブ２２の中へ反射し戻される。第二のパスにおいて、第一のパスの光線からわずかにはずれた経路を横断し、出力光線５６として端部面２８から出現する。この技術の実装は、第一と第二との光線の間にかなりの角度の違いを要求する。明らかに、この角度の違いが違った内角の原因となる場合は、ひいては、図３に関係して先に検討したように、内角における小さな変化であっても数度の位相遅延の変化の原因となり得る。さらに、図２から理解されるように、位相遅延にけるこの変化は重大な減偏光効果の原因となり得る。

本発明に従って、図５に示されるように、複合エバネッセントコーティング４８’がスラブアーキテクチャに含まれ、それは、ＴＩＲ位相遅延が、増幅器の減偏光を最小化するために有利なように選ばれた特定の値を有する。例えば、図２に示されるように、ほぼゼロまたは０．２３ラジアン（１３°）のＳ−Ｐ位相遅延は、最小の増幅器の減偏光をもたらす。

そのような複合コーティングの設計は、過去において、例えば、「Ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｒｅｔａｒｄｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、第２３巻、頁１１７８〜１１８３（１９８４）の中で、Ｊ．Ｈ．Ａｐｆｅｌによって述べられている。この特別なアプリケーションのために、厚いシリカ（または他の材料）層の上塗りを伴う多層コーティングが、所望の位相シフトを実現するために大きな柔軟性を伴い設計され得、その上、厚い上塗りの表面でのフィールドは無視し得るということを保証する。加えて、増幅された光は厚い層を貫通しないので、追加の（多層）コーティングは、増幅された光に悪影響を与えることなく厚い層のトップに追加され得る。これらの追加のコーティング層は、ＴＩＲの臨界角より小さい入射角のために特性を調整するために、すなわち、ポンプ光がほぼ垂直な入射角でスラブ２２の端部近くに入射するときに、ポンプ光の高透過を提供するために、使用され得る。

さらに、設計は、ＴＩＲ位相遅延が入射角の適度の範囲にわたってほぼ一定であるように最適化され得る。この特徴には２つの付加的な有利な点がある。第一には、それは、スラブ寸法、並びに、スラブおよびコーティング材料の両方の反射率における小さな変動のような、スラブ設計の他の要素におけるより大きな許容誤差を可能とする。第二には、図４において示されるように、スラブがダブルパスされることを可能とし、そこでは、第一のパスの出力光線は、クオーツ結晶またはファラデー回転子のような適切な装置によって偏光を９０°回転した後に、スラブを通って戻される。入力光線からこの戻りの伝播の第二のパスを分離するために、第一のパスの光線からわずかに違った角度でそれを発射する（および、おそらくは違った数の跳ね返りを使用する）ことが要求され得る。これら２つのパスがほぼ等しい減偏光効果を有する場合には、その結果、挿入された９０°の偏光回転を伴うデュアルパスの組み合わせは、シングルパスにおいて存在する任意の残余の減偏光を効果的に相殺し得る。入射角に比較的敏感でないＴＩＲコーティング４８’を設計することは、減偏光を減らすためのこの機能強化されたデュアルパスアーキテクチャの使用を可能とする。

小さな角度範囲でのほぼゼロの位相遅延に対し設計された多層ＴＩＲコーティングの性能の一例が、図６において示される。約１．０７μｍの波長付近で、正方形６０の範囲内で複数のカーブによって示されるように、位相遅延は入射角５５°から５８°の範囲にわたってほぼゼロである。この範囲は、近接する偶数の跳ね返り数を有する２つのパスを収容する上で適している。例えば、問題のジグザグスラブの設計（スラブ厚２ｍｍおよび長さ１２５ｍｍ、および名目上４０回の跳ね返り）においては、連続する遇数回跳ね返りを伴うモードの内角の間での違いは、約１．３°だけである。この多層コーティングは、両パスがほぼゼロのＴＩＲ位相遅延を経験する一方で、２つのパスが、内角において約３°の違いまでで、スラブを通って伝播することを（図４のアーキテクチャを使用して）可能にする。

本発明が、高出力固体レーザーの分野において著しい進歩を示すことがこれまでの内容から理解される。特に、本発明は、ジグザグスラブレーザーにおける減偏光および結果として生じる複屈折を最小化するための技術を提供する。本発明は、より高い出力および光線品質を伴うジグザグレーザー増幅器の拡大された配列に有効に使用され得る。そのような装置は、指向性エネルギー兵器システム、リモートセンシング、および材料加工におけるような軍事および商用の両方のアプリケーションを有する。非常に高いレーザー出力を要求する任意のアプリケーションは、本発明がスラブレーザー構造において提供する増大した出力から大きな利益を得る。本発明の特定の実施形態が説明の目的のために記述されて来たが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正が為され得ることもまた理解される。故に、本発明は、特許請求の範囲による場合を除き、限定されるべきではない。

図１は、従来技術の固体ジグザグレーザーの断面図である。 図２は、全反射（ＴＩＲ）の位相遅延に対するジグザグスラブの全ての蓄積された減偏光の変化を示すグラフである。 図３は、従来の厚いシリカエバネッセントコーティングを使用したスラブに対する、入射光の内角に関するＴＩＲ位相遅延の変化を示すグラフである。 図４は、図１に似た図であるが、増幅器のスラブを通過する第一と第二の経路の間に９０°の偏光回転および角度分離を伴う、デュアルパスアーキテクチャを示す場合である。 図５は、図１に似た図であるが、本発明に従って複合エバネッセントコーティングを含む。 図６は、本発明に従った、波長および入射角に対する位相遅延を示すグラフであり、所与の波長で入射角の狭い角度範囲における比較的一定な大きさの位相遅延を示す。

Claims (7)

1. 相対する端部面、複数の側面、概ね該側面に平行で、該相対する端部面の間に規定される長軸、を規定する所定の断面を有する固体レーザー材料の細長いスラブと、
   概ね該長軸に平行な軸に沿って向けられるポンプ光を可能にするための手段と、
   ポンプ光線の１つ以上の光源と、を備え、
   入力光線は、該細長いスラブ内を進行する間に、２つの相対する側面の間で繰り返し反射され、かつ増幅され、
   該スラブは、該スラブを通って伝播した該入力光線の蓄積された減偏光を減少させるために、該２つの相対される側面の上に配置された複合エバネッセントコーティングを含む、
   光増幅器。
2. 前記複合エバネッセントコーティングは、前記入力光線の全反射における選ばれた位相遅延を提供するように選ばれ、該選ばれた位相遅延は前記スラブを通って伝播した該入力光線の蓄積された減偏光を最小化する、請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記複合エバネッセントコーティングは、前記入力光線に対する全反射にほぼゼロの位相遅延を提供するように選ばれる、請求項２に記載の光増幅器。
4. 前記複合コーティングは、前記相対する側面に対する前期入力光線の入射角のある角度の範囲にわたりほぼ同一の選ばれた位相遅延を提供するように選ばれる、請求項２に記載の光増幅器。
5. 前記複合エバネッセントコーティングは、前記入力光線に対する全反射にほぼゼロの位相遅延を提供するように選ばれる、請求項４に記載の光増幅器。
6. 前記細長いスラブからの増幅された光線出力を受け、かつ該出力光線の偏光の角度を回転するために配置された偏光回転子と、
   第二の増幅パスを提供するために異なる経路に沿って該細長いスラブの中へ、該偏光回転された出力光線を反射して戻すための光学手段と、をさらに備える、
   請求項４に記載の増幅器。
7. 固体レーザー材料の前記細長いスラブは、ポンプ光の吸収を制限するために設計された非ドープト固体レーザー材料の２つの端部分、および、該２つの端部分へ接着されたドープト固体レーザー材料の中央部分を備え、
   前記複合エバネッセントコーティングは、温度または該端部分の存在に起因する歪の勾配の複屈折効果の和から生じる前記入力光線の全ての減偏光を最小化するように選ばれた位相遅延を提供するように選ばれる、
   請求項１に記載の光増幅器。

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