JP2009514236A - オフピークポンピングの高パワー、エンドポンプドレーザー - Google Patents

Abstract

ソリッドステート利得媒体と、利得媒体の最大吸収波長から離調されたポンプエネルギーの源と、利得媒体の端部を経てポンプエネルギーを配送して、利得媒体の長さに沿って伝播させるように構成された光学系とに基づき、数百ワットまでの出力を発生するレーザー構成が提供される。利得媒体の長さ及び利得媒体のドーピング濃度は、吸収長さが数十ミリメーター程度で、利得媒体の長さの１／３より長く、且つポンプエネルギーの９０％以上が利得媒体の２回以下の通過で吸収されるようにするに充分なものである。ポンプエネルギー源は、１００ワットないし１０００ワット又はそれ以上を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーシステムに係り、より詳細には、ソリッドステート利得媒体を伴う高パワー、エンドポンプドレーザーシステムに係る。

広範囲な波長や、科学、産業及び医療分野全体の学問にわたって高いパワーのレーザー出力が望まれている。高いパワーを発生するために多数のシステムが開発されている。しかしながら、数百ワットを越える出力パワーレベルを発生するシステムは、非常に複雑である。又、幾つかのシステムは、ビームの質を犠牲にしなければ、このように高いパワーを発生できない。

ソリッドステートシステムでは、より高い出力パワーを発生するために、利得媒体をポンピングするのに使用されるエネルギーの量が増加される。しかしながら、多くのソリッドステート媒体は、出力ビームに収差を生じさせる熱レンズ作用又は他の問題を示す。ポンプエネルギーは、サイドポンピングとして知られているように利得媒体の側部から付与することもできるし、又はほとんどのシステムにおいてエンドポンピングとして知られているように利得媒体の端部から付与することもできる。他のシステムは、利得媒体をポンプエネルギーで満たすために複雑な光学系を形成する。サイドポンピングは、あまり充分なものではなく、ポンプエネルギーの、レーザー出力への変換が、比較的高いポンプエネルギーにおいて低いものである。エンドポンピングは、より効率的である。しかしながら、エンドポンプド利得媒体の場合に、すぐに上限に到達し、利得媒体の最初の数ミリメーター以内の小さな体積内でのポンプエネルギーの急速な吸収で熱的破断が生じる。ソリッドステート利得媒体への熱的ダメージは、いわゆるディスクレーザーに使用されるような精巧な冷却技術により制御することができる。又、あるソリッドステート利得媒体に生じる熱レンズ作用は、非ドープのエンドキャップを含ませることにより管理できる。利得媒体に接合された非ドープのエンドキャップは、利得媒体の表面における高い吸収及び発熱による表面の変形を防止する。

ポンプエネルギーが吸収され、それにより熱が発生する利得媒体の体積を増加して、熱的ダメージを防止し、熱的レンズ作用を管理する技術が研究されている。利得媒体内の熱発生を分散させるために研究された１つの仕方は、活性材料のドーピング濃度を減少することを含む。低いドーピング濃度では、所与の体積内に吸収されるエネルギーは僅かである。Ｈｏｎｅａ氏等の“Analysis of intracavity-doubled diode-pumped Q-switched Nd: YAG laser producing more than 100W of power at 0.532 μm”OPTICS LETTERS、第２３巻、第１５号、１９９８年８月１日、第１２０３−１２０５ページ、を参照されたい。

Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ氏の米国特許第６，８９８，２３１ Ｂ２号は、ネオジムＮｄドープのイットリウムオーソバナデート（バナデート）を含む利得媒体をベースとするレーザーであって、ピーク吸収波長より実質的に低い効率で吸収される波長にポンプエネルギーをセットし、これにより、より多くのポンプエネルギーを、より大きな体積の利得媒体に貫通させた後に、発生した熱を吸収させ、分散させるようにしたレーザーを説明している。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ氏の特許では、例えば、バナデート結晶が５ｍｍ程度の長さであり、ドーピング濃度は、約０．５原子％と比較的高いものであった。Ｈａｒｄｍａｎ氏等の“Energy-Transfer up Conversion and Thermal Lensing and High-Power End-Pumped Nd: YLF Laser Crystals”IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS、第３５巻、第４号、１９９９年４月、は、ＹＬＦホスト内の吸収長さを約３ｍｍに増加するためにポンプ波長を離調した長手方向ポンプレーザを説明している。Ｐｏｌｌｎａｕ氏等の“Up Conversion-Induced Heat Generation and a Thermal Lensing in Nd: YLF and Nd: YAG”PHYSICAL REVIEW B、第５８巻、第２４号、１９９８年１２月１５日、第１６０７６−１６０９２ページ、は、ＹＬＦホストに対するオフピークポンピングを説明する一方、「ロッドの破断が問題ではない」ために、オフピークポンピングがＹＡＧホストにとって必要でないことを示唆している。（Ｐｏｌｌｎａｕ氏等のページ１６０７７を参照されたい。）又、Ｗｕ氏等の米国特許第６，３４７，１０１ Ｂ１号；及びＣｈａｎｇ氏等の米国特許第６，５０４，８５８ Ｂ２号を参照されたい。Ｗｕ氏等、Ｃｈａｎｇ氏等、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ氏、Ｈａｒｄｍａｎ氏等、及びＰｏｌｌｎａｕ氏等の出版物は、２０又は３０ワット程度のダイオードレーザーからの比較的低いポンプパワーを使用するシステムを説明している。それ故、レーザーから得られる出力パラーは、比較的小さく、多くの用途に適していない。

２μｍ波長出力を発生し、そして３００ワットを越えるポンプパワーでのオフピークポンピングを適用するＴｍ：ＹＡＧダイオードポンプドレーザーの場合に、高パワー出力が得られている。Ｔｍドープの媒体は、ポンプ強度が充分に高い限りポンピング効率を改善するツー・フォー・ワン(two-for-one)交差弛緩を示す。Ｈｏｎｅａ氏等は、この構成において、オフピークポンピングで１１５Ｗまでの２μｍ波長出力を報告している。Ｈｏｎｅａ氏等の“115W Tm: YAGダイオードポンプドソリッドステートレーザ”IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS、第３３巻、第９号、１９９９７年９月、第１５９２−１６００ページを参照されたい。

製造可能な構成において高品質、高パワー出力を発生するレーザーシステムを提供することが望まれる。

ここに述べるレーザー構成を使用して、ソリッドステート利得媒体と、利得媒体の最大吸収波長から離調されたポンプエネルギー源と、利得媒体の端部を経てポンプエネルギーを配送して利得媒体の長さに沿って伝播させるように構成された光学系とに基づき、１００ワット以上の出力パワーを容易に発生する高品質レーザーが提供される。

ポンプエネルギーを配送する光学系、利得媒体の長さ、及び利得媒体のドーピング濃度は、ここに述べる構成では、ポンプエネルギーの８０％以上、好ましくは９０％以上が、利得媒体内で吸収されるようにセットされる。ここに述べる構成では、これらパラメータは、ポンプエネルギーの１／ｅが吸収される吸収長さが、数十ｍｍ程度で、ある実施形態では、５０ｍｍより大きく、そして好ましくは、利得媒体の長さの少なくとも１／３で、ある実施形態では、１／２より大きいように設計される。

ここに述べるレーザーシステムの実施形態は、利得媒体及び活性元素の最大吸収効率の約２０％以下である吸収効率を有する波長において５００ワット以上のエネルギーを供給するポンプエネルギー源を備えている。例えば、ここに述べるレーザーシステムの利得媒体は、Ｎｄドーピング濃度が約０．０５から０．５原子％のロッド形状のＹＡＧホストを含み、ドープされたＹＡＧホストの長さは、５０ｍｍより実質的に大きく、例えば、１０ｍｍであり、直径は、１０ｍｍ以下の程度であり、そしてポンプエネルギー源は、７９９から８０３ナノメーターの波長において５００ワット以上を供給する。ここに述べる構成では、１００ワットを越える空洞内倍出力が発生される。この構成では、１．０６４μｍにおいて２００ワットを越える出力パワーが得られる。ここに述べる構成は、例えば、５０ワットの低いパワー、周波数変換された波長における１０００ワットまで又はそれ以上の出力、及びそれに対応する高パワーの一次波長出力を発生するように拡張可能である。出力波長は、ここに述べる実施形態では、約２００から約１１００ｎｍの範囲に入るように構成できる。

ここに述べるレーザーシステムの実施形態では、利得媒体は、ＹＡＧのような結晶ホストの長いロッドを含み、第１端には非ドープのエンドキャップがあり、これを経てポンプ放射が結晶に入り、そして任意であるが、第２端にも非ドープのエンドキャップがある。

ここに述べる実施形態では、利得媒体の一端付近の焦点にポンプエネルギーを収束して利得媒体の長さに沿って伝播させる光学系を使用して、ポンプエネルギーが配送される。焦点におけるポンプエネルギーのスポットサイズとモードマッチングされる共振空洞を設けるように構成された光学的素子が含まれる。この構成の結果として、光ファイバー配送システムに結合されて比較的小さなターゲットに焦点を合わせるのに適した、Ｍ²が３０未満の高質の出力ビームが得られる。

レーザーシステム内の一次波長の第１、第２又は第３高調波のような周波数変換されたビームである出力ビームを発生するようにレーザーシステムが構成された実施形態について説明する。このような実施形態では、周波数変換のためのコンポーネントが共振空洞内に含まれる。又、システムの一実施形態は、出力レーザー光線の高エネルギー高周波数パルスを発生するためのＱスイッチを共振空洞内に含む。

ここに述べるレーザー構成は、Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒体及びダイオードレーザーポンピング源を使用して５３２ナノメーターにおいて１００ワット以上の出力を発生するのに適している。この構成は、安定で、製造容易で、且つ低コストである。

要約すれば、安定した出力パワーをもつ低Ｍ²ビームを発生するエンドポンプド高パワーレーザーについて説明する。１００ワットより大きく、又、１０００ワットより大きい出力パワーも、ソリッドステートホスト及びダイオードレーザーポンプ源を使用して発生することができる。このレーザー構成は、効率的な空洞内周波数変換をサポートする。

本発明の他の観点、及び効果は、添付図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

図１ないし６を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、ドープされた結晶ホストを含み、第１の端１１及び第２の端１２を有する利得媒体１０を備えた高パワーレーザーシステムを示す。各実施形態における利得媒体１０は、Ｎｄ：ＹＡＧで構成され、長さが約１００ミリメーターで、直径が約４．５ミリメーターである。利得媒体１０は、ここに示す実施形態では、ホストの側部に沿って水冷される。この例では長さが約１０ミリメーターの非ドープのエンドキャップ１３が利得媒体１０の第１の端１１に接合され、そしてこれもこの例では長さが約１０ミリメーターの非ドープのエンドキャップ１４が利得媒体１０の第２の端１２に接合される。

図示された高パワーエンドポンプド構成では、非ドープのエンドキャップ１３は、拡散接合されるが、少なくとも第１の端１１に成長されるのが好ましい。著しいポンプエネルギーがホスト１０の第２の単に到達する実施形態では、別の非ドープのエンドキャップ１４が拡散接合されるが、第２の端１２に成長されるのが好ましい。非ドープのエンドキャップ１４の出力端は、ポンプエネルギー波長では反射性であるが、共振モードでは透過であるように被覆される。このように、第２の端１２で吸収されないポンプエネルギーは、ロッドへ戻るように向きが変えられて吸収される。おそらくここに述べる構成を使用する非常に高いポンプパワーでは、ロッド端のレンズ作用が共振器の安定性において非常に重要な役割を演じる。利得媒体の表面におけるポンプエネルギーの強力な吸収は、端面に著しい歪を生じさせると共に、高いパワーレベルでは、ロッドの破断を生じさせる。ロッドの歪は、ビームの強力な周囲収差を招き、ビームの質を甚だしく低下させる。非ドープのエンドキャップを、ドープされたロッド端に接合することにより、歪が回避される。というのは、こうすれば、吸収が、表面ではなく、塊において生じるからである。又、破断の限界は、より高く、端部作用が実質的に排除される。

ここに示す実施形態におけるポンプエネルギー源は、ダイオードアレー１５を含む。代表的な実施形態では、ダイオードレーザーの７バー積層体が使用され、各バーが、８０１ナノメーターを中心に１００ワットを発生し、合計７００ワットのポンプエネルギーとなる。バーの波長は、通常の動作条件において±１．５ナノメーター変化し、約７９９ないし約８０３ナノメーターの範囲内でポンプエネルギーを与える。

図５は、Ｎｄ：ＹＡＧの場合に、吸収効率・対・実際の波長範囲にわたるポンプエネルギー波長を示している。図示されたように、この範囲における最大値は、約８０８ナノメーターにおいて生じる。７９９ないし８０３のポンプエネルギー範囲は、最大吸収の２０％未満のレベルで、８０８におけるピークを実質的に外れたところにある。８０１±１．５ナノメーターについては、吸収が、８０８ナノメーター付近のピークにおける最大吸収の約１０％未満である。又、８２５ナノメーター付近の波長又は図示された範囲を越えた波長を含む他のポンプエネルギー範囲も適している。実質的にオフピークである吸収効率を伴う波長においてポンピングを行なう１つの特定の利点は、波長シフトに対する公差である。ここに示す実施形態のＮｄ：ＹＡＧにおいて８０１ナノメーターでポンピングすると、±１．５ナノメーターの波長シフトは、レーザー出力に本質的に何の作用も及ぼさない。

ポンプエネルギーは、高速軸コリメーションレンズ１６、ビームインターリーバー輝度増倍器１７として働く偏光マルチプレクサ、及びポンプエネルギーを利得媒体１０の第１の端１１付近に収束するための望遠鏡として配列された１組のレンズ１８を含む光学系を通して配送される。ポンプエネルギーは、高速アクセスコリメーションレンズ１６の出力において、ビームインターリーバー輝度増倍器１７への経路２０に送られる。ポンプエネルギーは、ビームインターリーバー輝度増倍器１７の出力において経路２１上でその巾の半分に収束され、そしてレンズ１８を通り、経路２２を経て、利得媒体１０の第１の端１１又はその付近の焦点へ配送される。

本発明の実施形態では、高速軸コリメーションレンズ１６は、利得媒体１０の焦点におけるポンプビームの均質化を容易にするために故意に若干焦点ずれさせることができる。ビームインターリーバー輝度増倍器１７は、ポンプエネルギー出力の巾を半分に減少し、比較的小直径のロッド形状の利得媒体１０へ長い作用距離でポンプエネルギーを収束させるのを容易にする。レンズ１８は、特定の実施状態に見合うある範囲の動作パラメータにわたり利得媒体１０の映像平面においてスポットサイズを調整するように変更することができる。例えば、焦点におけるスポットサイズは、ロッド形状の利得媒体１０の直径の約１０％ないし約９０％の範囲にわたり変更することができる。

ポンプエネルギーは、共振空洞を画成する光学系へ共振エネルギーを方向転換するのに使用されるビームスプリッター１９に通される。システムは、１０６４ナノメーターの共振エネルギーにおいて高い反射性である凹面ミラー２５と、１０６４ナノメーターにおいて反射性でありそしてほぼ８０１ナノメーターのポンプエネルギー源の波長において透過性であるビームスプリッター１９と、１０６４ナノメーターにおいて高い反射性でありそして５３２ナノメーターの出力波長において透過性である凹面ミラー２６と、１０６４及び５３２ナノメーターの両方において高い反射性である凹面ミラー２７と、１０６４及び５３２ナノメーターの両方において高い反射性である凹面ミラー２８と、を含む光学素子を備えている。これらの光学素子２５、１９、２６、２７、２８は、本質的にＺ形状である共振経路３２を画成し、その末尾は、ビームスプリッター１９と高反射性の凹面ミラー２５との間にある。

ここに示す実施形態では、ミラー２６と２７との間の共振空洞にＱスイッチ２９が配置される。又、ＬＢＯのような非直線的結晶３０がミラー２７と２８との間に配置される。Ｚ形状の共振空洞は、Ｋｕｉｚｅｎｇａによる米国特許第５，０２５，４４６号に説明されたように、利得媒体１０の一端における共振モードを非直線的結晶３０に像形成するように構成できる。ここに述べる構成は、周波数変換に対して安定で且つ非常に効率的である。図１に示す構成は、１００ワットより大きな周波数変換された出力（ここに示す実施形態では５３２ナノメーターの波長）を発生する。

利得媒体１０の第１の端１１付近の映像平面におけるポンプスポットサイズは、レーザーシステムのモードの質に影響を及ぼし、利得を制御し、そして熱レンズ作用の強度を制御する。図２及び３は、焦点におけるポンプスポットサイズの特徴を示す。図２は、利得媒体１０と、利得媒体１０の第１の端１１における非ドープのエンドキャップ１３とを示す。ポンプエネルギーは、経路２２に沿って第１の端１１付近の焦点に収束される。これは、空洞における共振モードのためのアパーチャーを第１端の付近に確立する。利得は、ロッドのドープ／非ドープ界面において利得媒体１０の第１の端１１付近の焦点におけるポンプビームの面積及び広がりに逆比例する。スポットサイズが小さいほど、所与のロッドの利得が高い。又、熱レンズも、映像平面におけるポンプスポットサイズに逆比例する。ポンプスポットが小さくなるほど、熱レンズが大きくなる。又、ポンプスポットにわたる光の分布は、熱レンズに強い影響を及ぼす。図３は、ロッドの第１の端１１におけるポンプエネルギー源からの分布光を示し、これは、ロッドの第１の端１１にレーザーダイオード源の出力を像形成することから得られる。図３に示すように、行５０のような７行のダイオードレーザー出力がある。その結果、図４に示すような実質的に均一の強度プロフィールが、レーザーダイオードスポットの行５０に平行な軸に存在する図４の水平次元に沿って生じる。これらの行は、高速軸コリメーションレンズ１６が収束される実施形態では、垂直方向に僅かな距離だけ分離される。高速軸コリメーションレンズ１６を若干焦点ずれさせることにより、第２の垂直次元においてエネルギーの分布をより均一にすることができる。それ故、システムは、ポンププロフィールを均質化及び平坦化して、熱レンズ作用を減少させる。

又、映像平面におけるスポットサイズは、レーザーの横モードに影響を及ぼす。レーザーの横モードは、ほとんどのポンプエネルギーが吸収されるロッド長さの最初の約３０％内のエネルギーの分布及びポンプスポットサイズによって制御される。映像平面におけるスポットサイズが減少されるときには、モードの質が改善される。共振空洞を画成する光学的素子２５、１９、２６、２７、２８は、焦点においてポンプエネルギースポットサイズで画成されるアパーチャーとモードマッチングするように構成される。

利得媒体１０におけるドープ濃度は、必要とされるモードの質及び出力パワーに基づいて選択される。ドーピングレベルは、比較的低く、利得媒体１０の光学軸に沿って熱負荷を分布することができ（例えば、直径が１０ミリメーター未満のロッドにおいて、１／ｅ吸収長さが５０ミリメーター以上）、これにより、利得媒体への入力に誘起される熱応力を減少することができる。ここに示す実施形態では、ドーピング濃度が、図１に示すロッドに対して約０．２７原子％であり、このロッドは、第１の端１１と第２の端１２との間の長さが約１００ミリメーターで、約８０１ナノメーターにおいて実質的にオフピークでポンピングされ、吸収効率は、Ｎｄ：ＹＡＧの場合に８０８ナノメーター付近のピークにおける最大吸収効率の１０％未満である。この実施形態の１／ｅ吸収長さは、約６６ミリメーターで、１００ミリメーターロッドの長さの半分より大きい。

Ｎｄ：ＹＡＧロッドを備えた本発明の実施形態の場合のドーピング濃度は、約０．０５ないし約０．５原子％の範囲内に入り、そしてより好ましくは、容易に且つ一貫して製造可能な商業的用途にために約０．２ないし０．４原子％の範囲内に入ることができる。ポンプエネルギー波長、ドーピング濃度、及びロッドの長さは、好ましい実施形態では、吸収長さがロッド長さの１／３より長く、且つロッドの第２の端１２に到達する未吸収のポンプエネルギーが第１の端１１に向かって反射されて戻されるときに、ポンプエネルギーの９０％より多くが、ロッドの長さに沿った２回の通過で吸収されるように適応される。第１の端１１に到達する未吸収のポンプエネルギーの量は、非常に少なく、焦点におけるポンプエネルギーの特性にあまり影響を及ぼさない。

利得媒体の長さ、ドーピング濃度、映像平面におけるポンプエネルギープロフィール、及びポンプエネルギー波長を含むパラメータの適当な組み合せを確立することにより、５３２ナノメーターの周波数変換された出力の１００ワットより大きな出力パワーが、約１００ミリメーターの長さ及び約４．５ミリメーターの直径のＮｄ：ＹＡＧロッドにより、適度に高質のビームで、容易に発生される。この技術は、レーザーの一次及び高調波の波長における数百ワットの出力パワーに対してキロワット範囲のポンプエネルギーをサポートする構成へと拡張することができる。

ビームの質は、パラメータＭ²で特徴付けることができる。Ｍ²が高いほど、ビームの質が低くなり、ビームを小さなスポットに収束し、そしてビームを小開口数の配送装置、例えば、光ファイバーへ結合するのをより困難にする。３０未満のＭ²は、直径が約１００ミクロン以上の光ファイバーへの結合を許すここに述べる技術を使用して容易に達成され、これは、医療用途を含む多数の高パワーのレーザー光線用途に適した低発散性をビームに与える。

ここに述べる技術は、周波数変換を伴ったり伴わなかったり、又、Ｑスイッチングを伴ったり伴わなかったりして、共振空洞の他の構成に適用することができると共に、ここに述べるパラメータ内で他の利得媒体及びポンプエネルギー源に適用することができる。

図６は、より高い出力パワーのために利得媒体の両端にポンプエネルギーが与えられる別のレーザーシステム構成を示す。ここに示すシステムでは、第１の端１０１と第２の端１０２との間の長さが約５０ないし１００ミリメーター又はそれ以上の利得媒体１００が設けられる。第１の端１０１及び第２の端１０２には、非ドープのエンドキャップ１０３、１０４が各々成長される。第１のポンプエネルギー源１０５は、利得媒体に対する最大吸収波長から離調した波長において、１００ワットを越えるポンプエネルギーを、ビームスプリッター１０７を経て、第１の端１０１付近の映像平面へ向ける。第２のポンプエネルギー源１０６は、最大吸収波長から離調した波長において、１００ワットを越えるポンプエネルギーを、ビームスプリッター１０８を経て、第２の端１０２付近の映像平面へ向ける。光学的コンポーネント１０９及び１１０は、一次波長のための共振空洞を与えるように構成される。利得媒体の長さ、ドーピング濃度、利得媒体の両端の焦点におけるポンプエネルギープロフィール、及び最大吸収波長から実質的に離調されたポンプエネルギー波長を含むパラメータの組み合せが、ロッド長さの少なくとも１／３の吸収長さに対して確立され、高い出力パワー及び高質のビームが発生されるようにする。ブロック１１０で表わされた共振器コンポーネントは、レーザーシステムの特定用途に適応されるもので、ミラー、偏光器、Ｑスイッチ、非直線的結晶、アパーチャー、フィルター、エタロン、半波プレート、及び他の装置を含む。

レーザーシステムの実施形態は、１つ以上のダイオードスタック又は他のポンプエネルギー源を配備することができ、１つ以上の利得媒体を含むことができ、そして種々の共振空洞構成を含むことができる。ここに述べる技術を使用するレーザーシステムは、好ましい出力特性に基づいて、連続波ＣＷモード、Ｑスイッチモード及びモードロックモードで動作するように実施することができる。

低いＭ²及び安定した出力パワーをもつ出力を発生するエンドポンプド高パワーレーザーについて説明した。利得媒体のドーピングレベルが調整され、ポンプ波長が主ポンプ帯域から離調され、そして利得媒体の長さは、低い熱応力及び熱レンズ作用を維持しながら非常に高いパワーのポンピングを許すように選択される。このシステムの利得アパーチャーは、利得媒体の端に像形成されるポンプエネルギーのスポットサイズにより決定することができる。レーザーシステムは、第２、第３及びそれより高い調波周波数へ非常に効率的に空洞内周波数変換することができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を以上に説明したが、これらの例は、例示に過ぎず、これに限定されるものではない。当業者であれば、変更や組み合せが容易に行われるであろうが、これらの変更や組み合せは、本発明の精神及び特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

１００ワット以上の周波数変換された出力パワーを発生するダイオードポンプ型ソリッドステートレーザーシステムの簡単な図である。 図１を参照して説明するシステムにおける利得媒体の一端を示す図である。 図１を参照して説明するシステムのための利得媒体の一端におけるポンプエネルギーの分布を示す図である。 図１を参照して説明するシステムのための利得媒体の一端に配送されるポンプエネルギーの少なくとも１つの次元における強度プロフィールを示す図である。 Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒体における吸収効率・対・ポンプエネルギー源の波長を示すグラフである。 高出力パワーを発生するための別のダイオードポンプ型ソリッドステートレーザーシステムの簡単な図である。

Claims (50)

1. ドーピング濃度、及びある範囲のポンプエネルギー波長にわたる吸収効率の吸収プロフィールを有すると共に、前記範囲内の最大吸収効率を有する利得媒体であって、第１端、第２端を有し、それら第１端と第２端との間の長さが５０ミリメーター以上であるような利得媒体と、
   吸収効率が最大値未満である波長を有するポンプエネルギーの源と、
   前記ポンプエネルギーを前記利得媒体の前記第１端を経て配送して、前記利得媒体の長さに沿って伝播するように構成された光学系と、
   を備え、前記光学系、ポンプエネルギー波長、前記利得媒体の長さ、及び前記利得媒体のドーピング濃度は、前記利得媒体へ配送されるポンプエネルギーの８０％より高い吸収度と、前記利得媒体の長さの１／３より長い１／ｅ吸収長さとを確立するようにした、レーザーシステム。
2. 前記利得媒体へ配送されたポンプエネルギーの９０％より多くが、前記利得媒体において吸収される、請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記利得媒体へ配送されたポンプエネルギーの９５％より多くが、前記利得媒体において吸収される、請求項１に記載のレーザーシステム。
4. ポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、前記第２端を出るポンプエネルギーを、前記利得媒体を経て戻るように向け直すコンポーネントを備え、ポンプエネルギーの９０％より多くが、前記利得媒体を２回通過することで吸収される、請求項１に記載のレーザーシステム。
5. 前記出力波長は、約２００から約１１００ｎｍの範囲である、請求項１に記載のレーザーシステム。
6. 前記１／ｅ吸収長さは、前記利得媒体の長さより短い、請求項１に記載のレーザーシステム。
7. 前記利得媒体は、Ｎｄドーピングを伴うソリッドステートホストを含み、そしてポンプエネルギーの吸収効率は、プロフィールにおける８０８ｎｍ付近のピークの吸収効率の約２０％以下である、請求項１に記載のレーザーシステム。
8. 前記利得媒体は、Ｎｄドーピングを伴うソリッドステートホストを含み、そしてポンプエネルギーは、約７９９ないし８０３ｎｍの範囲の波長を有する、請求項１に記載のレーザーシステム。
9. 前記利得媒体は、約０．２ないし約０．４原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを含む、請求項１に記載のレーザーシステム。
10. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そして前記第１端に非ドープのエンドキャップを含む、請求項１に記載のレーザーシステム。
11. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そして前記第１端に非ドープのエンドキャップを、且つ前記第２端に非ドープのエンドキャップを含む、請求項１に記載のレーザーシステム。
12. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そしてポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、前記利得媒体の第１端付近の焦点にポンプエネルギーを収束するように適応される、請求項１に記載のレーザーシステム。
13. ポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、前記利得媒体の第１端付近の映像平面にポンプエネルギーをスポットサイズで像形成するようにされ、又、レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を含み、前記共振空洞は、映像平面におけるポンプエネルギーのスポットサイズとモードマッチングされる、請求項１に記載のレーザーシステム。
14. 前記ポンプエネルギー源は、レーザーダイオードのアレーを含む、請求項１に記載のレーザーシステム。
15. 前記ポンプエネルギー源は、約１００ワット以上を供給する、請求項１に記載のレーザーシステム。
16. 前記ポンプエネルギー源は、約５００ワット以上を供給する、請求項１に記載のレーザーシステム。
17. レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項１に記載のレーザーシステム。
18. 共振空洞を設けるように構成された光学素子を、周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントと共に備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項１に記載のレーザーシステム。
19. 共振空洞を設けるように構成された光学素子を、Ｑスイッチ、及び周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントと共に備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項１に記載のレーザーシステム。
20. レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を備え、ポンプエネルギーは、Ｍ²が３０未満で、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項１に記載のレーザーシステム。
21. 第２のポンプエネルギー源と、この第２源から前記利得媒体の第２端を経てポンプエネルギーを配送して前記利得媒体の長さに沿って伝播させるように構成された光学系とを備えた、請求項１に記載のレーザーシステム。
22. ドーピング濃度を有すると共に、約８０８ｎｍ付近のピーク吸収効率を有するＮｄドープの結晶ホストを含む利得媒体であって、第１端、第２端、及びそれら第１端と第２端との間の長さを有する利得媒体と、
    吸収効率がピークの２０％未満である波長で１００ワット以上を配送するポンプエネルギーの源と、
    前記ポンプエネルギーを前記利得媒体の前記第１端を経て配送して、前記利得媒体の長さに沿って伝播するように構成された光学系と、
    を備えたレーザーシステム。
23. 前記ポンプエネルギーの吸収効率は、ピークにおける吸収効率の約１０％以下である、請求項２２に記載のレーザーシステム。
24. 前記利得媒体は、約０．０５ないし約０．５原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを備えた、請求項２２に記載のレーザーシステム。
25. 前記利得媒体は、約０．２ないし約０．４原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを備えた、請求項２２に記載のレーザーシステム。
26. 前記利得媒体の長さ及び前記利得媒体のドーピング濃度は、５０ミリメーター以上の１／ｅ吸収長さを確立する、請求項２２に記載のレーザーシステム。
27. 前記第１端に非ドープのエンドキャップを含む、請求項２２に記載のレーザーシステム。
28. 前記第１端に非ドープのエンドキャップを、そして前記第２端に非ドープのエンドキャップを含む、請求項２２に記載のレーザーシステム。
29. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そしてポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、前記利得媒体の第１端付近の焦点にポンプエネルギーを収束する、請求項２２に記載のレーザーシステム。
30. ポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、前記利得媒体の第１端付近の映像平面にポンプエネルギーをスポットサイズで像形成するようにされ、又、レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を含み、前記共振空洞は、映像平面におけるポンプエネルギーのスポットサイズとモードマッチングされる、請求項２２に記載のレーザーシステム。
31. 前記ポンプエネルギー源は、レーザーダイオードのアレーを含む、請求項２２に記載のレーザーシステム。
32. 前記ポンプエネルギー源は、約５００ワット以上を供給する、請求項２２に記載のレーザーシステム。
33. レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項２２に記載のレーザーシステム。
34. 共振空洞を設けるように構成された光学素子を、周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントと共に備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項２２に記載のレーザーシステム。
35. 共振空洞を設けるように構成された光学素子を、Ｑスイッチ、及び周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントと共に備え、ポンプエネルギーは、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項２２に記載のレーザーシステム。
36. レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子を備え、ポンプエネルギーは、Ｍ²が３０未満で、１００ワットより大きなレーザー出力を発生するに充分なものである、請求項２２に記載のレーザーシステム。
37. 第２のポンプエネルギー源と、この第２源から前記利得媒体の第２端を経てポンプエネルギーを配送して前記利得媒体の長さに沿って伝播させるように構成された光学系とを備えた、請求項２２に記載のレーザーシステム。
38. ドーピング濃度、及びある範囲のポンプエネルギー波長にわたる吸収効率の吸収プロフィールを有すると共に、前記範囲内の最大吸収効率を有する利得媒体であって、第１端、第２端、及びそれら第１端と第２端との間の長さを有する利得媒体と、
    吸収効率が最大値より実質的に低い波長を有するポンプエネルギーの源と、
    前記ポンプエネルギーを前記利得媒体の前記第１端を経て配送して、前記利得媒体の長さに沿って伝播するように構成され、且つ前記利得媒体の前記第１端又はその付近の映像平面にポンプエネルギーをスポットサイズで像形成するようにされた光学系と、
    レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子であって、前記共振空洞が前記映像平面におけるポンプエネルギーのスポットサイズとモードマッチングされ、そしてＱスイッチ、及び周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントを含んでいる光学素子と、
    を備え、ポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系、前記利得媒体の長さ、及び前記利得媒体のドーピング濃度は、前記利得媒体の長さの１／３より長い１／ｅ吸収長さを確立し、ポンプエネルギーの９０％以上が、前記利得媒体の２回以下の通過で吸収され、そして前記ポンプエネルギーは、５０ワットより高い周波数変換されたレーザー出力を発生するに充分である、レーザーシステム。
39. 前記ポンプエネルギーは、１００ワットより高い周波数変換されたレーザー出力を発生するに充分である、請求項３８に記載のレーザーシステム。
40. 前記ポンプエネルギー源は、約５００ワット以上を供給する、請求項３８に記載のレーザーシステム。
41. 前記ポンプエネルギー源は、約５００ワット以上を配送するレーザーダイオードのアレーを備え、そしてポンプエネルギーを配送するように構成された前記光学系は、少なくとも１つの次元においてスポットサイズにわたり実質的に均一な強度を確立し、そして第２の次元において焦点の強度プロフィールの均一性を改善するために若干焦点ずれされた高速軸コリメーションレンズを備えた、請求項３８に記載のレーザーシステム。
42. 前記利得媒体は、Ｎｄドーピングを伴うソリッドステートホストを含み、そしてポンプエネルギーの吸収効率は、プロフィールにおける８０８ｎｍ付近のピークの吸収効率の約１０％以下である、請求項３８に記載のレーザーシステム。
43. 前記利得媒体は、０．０５ないし０．５原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを含む、請求項３８に記載のレーザーシステム。
44. 前記利得媒体は、約０．２ないし約０．４原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを含む、請求項３８に記載のレーザーシステム。
45. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そして前記第１端に非ドープのエンドキャップを含み、前記第１端は、ドープされたソリッドステートホストと非ドープのエンドキャップとの間の界面にある、請求項３８に記載のレーザーシステム。
46. 前記利得媒体は、ドープされたソリッドステートホストを備え、そして前記第１端に非ドープのエンドキャップを、且つ前記第２端に非ドープのエンドキャップを含む、請求項３８に記載のレーザーシステム。
47. 約０．０５ないし０．５原子％の濃度のＮｄドーピングを伴い、８０８ｎｍ付近に最大吸収効率を有する結晶ホストを含む利得媒体であって、第１端、第２端、及びそれら第１端と第２端との間に５０ミリメーター以上の長さを有し、そして前記第１端に非ドープのエンドキャップを含み、前記第１端は、ドープされたソリッドステートホストと非ドープのエンドキャップとの間の界面にあるような利得媒体と、
    ５００ワットより高いポンプエネルギーを供給し、吸収効率が最大値より実質的に低いところの波長を有するレーザーダイオードのアレーと、
    前記ポンプエネルギーを前記利得媒体の前記第１端を経て配送して、前記利得媒体の長さに沿って伝播するように構成され、且つ前記利得媒体の前記第１端又はその付近の映像平面にポンプエネルギーをスポットサイズで像形成し、少なくとも１つの次元でスポットサイズにわたり実質的に均一の強度をもつようにされた光学系と、
    レーザー出力を発生する共振空洞を設けるように構成された光学素子であって、前記共振空洞が前記映像平面におけるポンプエネルギーのスポットサイズとモードマッチングされ、そしてＱスイッチ、及び周波数変換されたレーザー出力を与えるように周波数変換を行なうコンポーネントを含み、前記周波数変換された出力が１００ワットより大きいような光学素子と、
    を備えたレーザーシステム。
48. 前記第２端に第１表面を有すると共に、前記ポンプエネルギーの波長において少なくとも部分的に反射性であって未吸収のポンプエネルギーを前記第１端に向けて前記ホストへ向け直す第２表面を有している非ドープのエンドキャップを備えた、請求項４７に記載のレーザーシステム。
49. 前記結晶ホストはＹＡＧを含む、請求項４７に記載のレーザーシステム。
50. 前記利得媒体は、約０．２ないし約０．４原子％の範囲内でＮｄドーピングを伴うＹＡＧホストを含む、請求項４７に記載のレーザーシステム。

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