JP2009525592A - レーザ媒質の縦ポンピングのための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのレーザビームを放射可能な少なくとも１つのレーザダイオード（３）と、上記レーザビームを上記レーザ増幅媒質（２）の上に焦点を合わせる手段（４、４Ａ、４Ｂ）と、平行になったレーザビームを生成可能な上記レーザビームを平行にする手段と、を有する、レーザ増幅媒質（２）を縦ポンピングするための装置に関する。本発明は、上記焦点を合わせる手段が少なくとも１つのミラー（４、４Ａ、４Ｂ）を有し、上記ミラーは上記平行になったレーザビームが上記増幅媒質（２）に向かって反射されるように配置されていることを特徴とする。

Description

本発明は、レーザ増幅媒質の縦ポンピング（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ）のための装置の分野に関する。

より具体的には、本発明は、レーザ増幅媒質（２）を縦ポンピングするための装置であって、少なくとも１つのレーザビームを放射可能な、少なくとも１つのレーザダイオードと、前記レーザビームを平行にする手段と、前記平行になったレーザビームを前記レーザ増幅媒質の上に焦点を合わせる手段と、を有する装置に関する。

例えば、そのような装置は、それぞれがレーザビームを放射する複数のレーザダイオードを有する装置に関するドイツ国特許出願ＤＥ１０２３５７１３により知られている。これらのダイオードはレーザビームの伝播の向きの周りに軸方向に配置されており、レーザビームの伝播の向きに関して比較的小さな角度でレーザ媒質に向かってビームを向けるレンズのアレイによって平行にされた放射を放つ。

しかしながら、高エネルギーの縦ポンピングを実行し、小さな入射角を有する多数のレーザビームを放射する多数のレーザダイオードを有するためには、上述したドイツ国特許出願において記載された配置は、複数のダイオード及びレンズのアレイによって焦点が合わせられる必要性のために効率的ではない、ということが理解される。

従って、本発明の第１の目的は、改善された簡潔さを備えた縦ポンピング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、高エネルギーレベルで操作可能な縦ポンピング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、多数のポンピングレーザダイオードの存在下において操作可能な縦ポンピング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、その装置に対して、励起ゾーンが励起ロッド（ｐｕｍｐｅｄ ｒｏｄ）の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）から回折の影響を避けるように分かれている、縦ポンピング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、レーザ増幅媒質の実質的に均一なポンピングを許容することにある。

上記目的の少なくとも１つが、レーザ増幅媒質（２）を縦ポンピングするための装置であって、少なくとも１つのレーザビームを放射可能な少なくとも１つのレーザダイオードと、平行になったレーザビームを生成可能な上記レーザビームを平行にする手段と、上記平行になったレーザビームを上記レーザ増幅媒質の上に焦点を合わせる手段と、を有しており、上記焦点を合わせる手段は少なくとも１つのミラーを有しており、上記ミラーは上記平行になったレーザビームが上記増幅媒質に向かって反射されるように配置されていることを特徴とする装置の発明に従って達成される。

レーザロッド構成を採用するために、上記レーザ媒質は円柱であり、上記円柱の回転軸は上記レーザ媒質の放射の軸と一致して位置付けられており、上記装置は上記レーザ媒質を取り囲む複数のダイオードを有している。従って、ミラーがビームを増幅媒質に向かって反射されることを許容するので、本発明に係る装置はコンパクトである。

標準のダイオード構成を用いて、本発明を製造するコストを低減するために、上記複数のダイオードは、上記増幅媒質の縦放射軸と一致して位置付けられた複数のダイオードアレイによって形成されており、上記装置は複数のミラーを有しており、上記ミラーの内の各１つは上記アレイの内の１つと関連している。各ミラーとビームによって関連付けられている各ダイオードアレイとの所定の関連性は、ポンピングされる体積を調整することを可能にする。

ポンピングされる体積を最小にするために、上記アレイは上記増幅媒質の周りに一定の角度をあけて配置されており、上記アレイの内の各１つは、上記アレイ及び上記アレイに関連している上記ミラーの中央の間の直線によって定められる軸と上記レーザ媒質の上記放射の軸とによって形成される角度を定めており、上記ミラーは、上記アレイ及び上記アレイに関連している上記ミラーの中央を通過する上記直線と、上記レーザ媒質の上記放射の軸とに関して、上記角度に従って傾いている。

上記装置が上記媒質を冷却する手段を有する場合、上記冷却手段は上記少なくとも１つのダイオード及び上記増幅媒質の間に位置付けられており、ドープされない物質が上記少なくとも１つのミラーと、上記反射されたビームの軌跡の中にある上記増幅媒質との間に配置されることが好ましい。これは上記冷却する手段によって生成されるサーマルレンズのパワーを低減する。

低エネルギーポンピングシステムに対して、上記装置は、第１レーザビームを放射可能な第１レーザダイオード及び第２レーザビームを放射可能な第２レーザダイオードを有しており、上記装置は、上記第１レーザダイオードに関連している第１ミラー及び上記第２レーザダイオードに関連している第２ミラーを有しており、上記増幅媒質は第１縦表面及び第２縦表面を有しており、上記第１ミラーは上記第１レーザビームを上記増幅媒質の上記第１縦表面に向かって反射するように配置されており、上記第２ミラーは上記第２レーザビームを上記増幅媒質の上記第２縦表面に向かって反射するように配置されている。

実施例増幅媒質の均一な発光を得るために、上記少なくとも１つのミラーは放物面ミラーである。

本発明は、添付の図面の助けと共により理解されるだろう。

本願の目的のために、”縦ポンピング”という言葉は、ポンピングビーム（又は複数のビーム）が、増幅されたレーザビームの入力又は出力表面と同じ光学的表面によって、増幅媒質の中に挿入されるポンピングモードを言及するために用いられるだろう。

図１に示される発明の第１実施形態によれば、本発明の縦ポンピング装置１は、レーザロッドの形におけるレーザ増幅媒質２、ダイオードのアレイ３、及び１つ又は複数の折り返しミラー４を有する。また、縦ポンピング装置１は、例えばレンズ５のアセンブリの形で、ダイオードによって放射されたビームを平行にする手段を有する。また、縦ポンピング装置１は、例えばダイオード３及びロッド２の間に配置されて、ダイオード３及びロッド２を冷却するための装置６を有する。

レーザダイオードのアレイ３は、円柱形状で固体の増幅媒質２を取り囲む王環状のもの（ｃｒｏｗｎ）を形成し、上記円柱の回転軸はレーザビームの放射Δの方向と一致している。アレイ３によって放射されたビームはレンズ５のアセンブリによって平行にされて、凹型のミラー４によって返される。そして、凹型のミラーは、レーザロッド２の端の１つの上にビームの焦点を合わすように配置されている。ダイオードから放射された複数の平行になったビームは、レーザロッドの端において重ねあわされて、中央において高い強度を有する実質的に均一な染みを形成する。

また、発明によれば、レーザロッド２をその両方の端において輝かせることも可能である。これは、レーザロッド２が設けられており、第１端２ａ及び第２端２ｂ、ダイオードアレイ３Ａの第１の王環状のもの及びダイオードアレイ３Ｂの第２の王環状のものを有している、本発明の第２実施形態の図２に示されている。これらの２つの王環状のものはロッド２を取り囲んでいる。第１の王環状のもの３Ａは、平行になった光ビームを上記端２ａの側にある第１ミラー４Ａに向かって放射する。次に、この光は第１端２ａに向かって反射される。同様にして、アレイ３Ｂによって放射された光ビームは、端２ｂに向かってミラー４Ｂによって反射される。この構成において、ポンピングされるゾーンの断面積及び増幅されるポンピングされるビームの直径を、光学的出力比を最適化するように、同時に適合することが可能である。

円柱状ロッド２がその周辺部において冷却される場合、例えば冷却装置６によって、システムの回転軸の周りを回転するサーマルレンズ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓ）が設置される。サーマルレンズのパワーを低減する１つの方法は、熱勾配に縦成分を与えるように、ロッドをその端によって冷却することからなる。このために、図３に示すように、熱が保持されないドープされないロッド端７がロッドの１つの端に結合されて、ロッドが最大の熱の堆積を有する点において効率的に冷却されることを許容する。このように、増幅媒質２における熱の堆積によって生ずる光学的歪みが比較的低いレベルで保持される。

図１，２及び３のように、ダイオードのアレイ３が増幅ロッド２の周りに王環状に配置されている構成において、王環状のものにおけるダイオードの数及びその直径を増加することによって、高エネルギー装置を形成することは容易である。そして、ミラーの焦点距離及びダイオード３とミラー４との間の距離を増加して、ミラーの配置が調整される。

少ない数のダイオードを有する低エネルギーポンピング装置に対して、図４に示されるような配置が用いられ得る。この装置では、アレイ３Ａ又は少ない数のダイオードアレイのスタックがミラー４Ａに向かって平行になったビームを放射する。次に、ミラー４Ａはビームをレーザ媒質２に向かって反射する。第２のアレイ３Ｂは、第１ビームの焦点に関して第１アレイに対して実質的に対称に配置されている。また、第２ミラー４Ｂが設けられて、媒質２に向かって第２アレイ３Ｂによって放射され平行になったビームを反射する。そのように作り出された増幅率の大きさはドープされたＹＡＧプレートにおける１ｍｍの直径を有するレーザビームを増幅するために適合している。

上述した本発明の様々な実施形態において、構成は、例として、出力エネルギー及び用いられるレーザ物質の特性に従って見積もられる例えばその直径ｄによって定められるポンピングされる体積の断面積、ポンピングパルス又はポンピングパワーに含まれるエネルギーのような、所定の既知のパラメータに基づいて寸法が定められる。後者のこのエネルギーから必要とされるレーザロッドの数Ｎを見積もることが可能である。ポンピングヘッドをコンパクトにするために、ダイオードアレイ３の王環状のものの直径Ｄは、アレイがお互いにすぐ隣り合うように調整される。

レーザロッド２の位置で焦点が合わされ実質的に均一なビームを得るために、ミラー４、４Ａ、４Ｂは焦点距離ｆを有する放物面を有することが好ましい。

ダイオード３は、円柱レンズを用いて、ある１つの軸、いわゆる”ラピッド（ｒａｐｉｄ）”軸、に従って視準が合わされることを理解すべきである。従って、第１次においてミラー４はダイオードの２つの画像を形成する。第１の画像は、円柱レンズによって平行にされミラー４の主焦点に位置付けられた結合の画像であり、第２の画像はミラー上のアレイの直接の画像である。アレイの第２の画像の位置において、ビームは最小の寸法であり、これは、ポンピングされる体積の直径ｄと一致されていなければならない寸法である。なおかつ、この画像はミラーに位置合わせされておらず、従って、王環状のものの様々なアレイによって供給される画像は結合されていない。

できるだけ最小のポンピングされる体積を得るために、一実施形態に従って、これらの画像を軸の上に結合することが可能である。そのようにするために、ミラー４は、ダイオードアレイ３の数に従って、複数の同一のサブミラーに分けられることが可能である。そして、各ミラーの軸は、もし２αが軸（アレイ ー ミラーの中央）及びシステムの軸Δによって範囲が定められる角度である場合、角度αだけシステムの軸に関して傾いている。近似によって角度αを計算するために用いられる式は、
α＝１／２＊Ａｒｃｔａｎ（Ｄ／（２＊（ｘ＋ｆ））
である。ここで、ｘはアレイからミラーの焦点までの軸に沿った距離であり、Ｄはアレイの王環状のものの直径であり、ｆはミラーの焦点距離である。

下記の記載は、一方においては、ほとんど連続なモードにおけるＹｂ：ＹＡＧ結晶を低エネルギーポンピングすることによる寸法決定の例であり、他方においては、１００ｍＪのオーダのエネルギーレベルと共にＮｄ：ＹＡＧ結晶をポンピングすることによる寸法決定の例である。

例えば、Ｙｂ：ＹＡＧプレートが、プレート内においてブリュースタ入射で循環し１ｍｍの直径を有するレーザビームに対応して約１ｍｍから１．８ｍｍの断面積を有する体積をポンピングするように、図４の構成に従ってポンピングされる。この構成によれば、２つの合焦システムは独立して調整され得るので、上述した角度条件はない。適当なミラー寸法に関しては、ポンピングレーザアレイが１０ｍｍの標準長さを有し、１５ｍｍの焦点距離が選択される。１．８ｍｍの長さのポンピングされる体積を得るために、０．１８のミラー拡大が必要とされる。ｘをアレイからミラーの焦点までの軸に従った距離とすると、拡大ｇ＝ｆ／ｘを提供するニュートン式は、８３ｍｍの距離ｘを与える。そして、アレイの直接の画像は、焦点面から距離ｘ’＝ｆ²／ｘ又は２．７ｍｍに位置付けられる。

前に定義済みのダイオードはダイオードの遅軸、つまり平行でない軸、と共に１０°のトータル発散を有する。従って、ミラーは全てのビームを捕まえるために少なくとも３４ｍｍの直径を有しなければならない。この直径を有する金属ミラーはダイヤモンド加工によって十分に実現可能である。

更に、図４におけるように、３つのダイオードからなる２つのスタック３Ａ、３Ｂと共に、必要なパワーが達成され得る。ダイオード間の間隔が１．４ｍｍであるので、プレートにおけるダイオードの画像は０．２５ｍｍだけ分離される。画像が互い違いの行になるようにミラーを調整することによって、面における画像の厚みを考慮する望ましいセクションを実質的に占有することが可能である。

下記は、図５及び６を参照して中間エネルギー構成を述べる。１００ｍＪのオーダのエネルギーレベルに対して、例えば、レーザダイオードの４０個のアレイ３が用いられる。これらの４０個のアレイは、端から端までに配置されて２つのロッド２Ａ、２Ｂをポンピングする５個のアレイからなる８個のスタックに分配される。２つのロッドは熱負荷を分配する長所を有する。４つのサブミラーが装置の各側部に配置されている。図５にはその内の２つだけが示されている。スタックの対角線の寸法が励起される直径を定める。１．２ｍｍだけ分離されたアレイと共に、０．３６のミラー拡大が要求される。３０ｍｍの焦点距離を有する放物面ミラーと共に、アレイからミラーの焦点までの距離ｘが８３ｍｍであり、第２の画像から焦点面までの距離ｘ’が１１ｍｍである。システムの軸に関してサブミラーの傾き角αの角度は４０ｍｍの王環状のもの直径に対して約５°である。

王環状のものの直径は、ビームの軌跡が各サブミラー内に完全に含まれるように計算される。

本発明の第１実施形態の縦ポンピング装置を示す。 本発明の第２実施形態の縦ポンピング装置を示す。 本発明のミラーと増幅媒質との間のドープされていない部分の使用を示す。 低エネルギーレベルに対して採用される縦ポンピング装置を示す。 中エネルギーレベルに対して採用される縦ポンピング装置を示す。 図５の上面図である。

Claims (11)

1. レーザ増幅媒質（２）を縦ポンピングするための装置であって、
   少なくとも１つのレーザビームを放射可能な、少なくとも１つのダイオードのアレイによって形成された少なくとも１つのレーザダイオード（３、３Ａ、３Ｂ）と、
   平行になったレーザビームを生成可能な前記レーザビームを平行にする手段と、
   前記レーザビームを前記レーザ増幅媒質（２）の上に焦点を合わせる手段（４、４Ａ、４Ｂ）であって、前記焦点を合わせる手段は少なくとも１つのミラーを有しており、前記ミラーは前記平行になったレーザビームが前記増幅媒質に向かって反射されるように配置されている、手段と、
   を有しており、
   前記ミラーは、それぞれが前記ダイオードのアレイに関連している、複数の同一のサブミラーに分かれていることを特徴とする装置。
2. 前記ダイオードが複数のアレイを有しており、前記複数の同一のサブミラーの内の前記サブミラーの各１つが前記複数のアレイの内の1つのアレイと協同することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記アレイ及び前記ミラーの中央の間の直線によって定められる軸と、放射の軸（Δ）とによって形成される角度が２αである場合、前記サブミラーの各１つが前記放射の軸（Δ）に関して角度αだけ傾いている請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記サブミラーの各１つが、前記複数のアレイの内の1つのアレイから来るレーザビームを受け取るように配置されている請求項３に記載の装置。
5. 前記レーザ媒質は円柱であり、前記円柱の回転軸（Δ）は前記レーザ媒質の放射の軸（Δ）と一致して位置付けられており、前記装置は前記レーザ媒質を取り囲む複数のダイオードを有している請求項１に記載の装置。
6. 前記ダイオードのアレイは前記増幅媒質の前記放射の軸と一致して方向付けられており、前記装置は複数のミラーを有しており、前記ミラーの内の各１つは前記アレイの内の１つと関連している請求項２記載の装置。
7. 前記アレイは前記増幅媒質の周りに一定の角度をあけて配置されており、前記アレイの内の各１つは、前記アレイ及び前記アレイに関連している前記ミラーの中央の間の直線によって定められる軸と前記レーザ媒質の前記放射の軸とによって形成される角度を定めており、前記ミラーは、前記アレイ及び前記アレイに関連している前記ミラーの中央を通過する前記直線と、前記レーザ媒質の前記放射の軸とに関して、前記角度に従って傾いている請求項３に記載の装置。
8. また、前記増幅媒質を冷却する冷却手段（６）を有しており、前記冷却手段は前記少なくとも１つのダイオード及び前記増幅媒質の間に位置付けられており、前記装置は、前記少なくとも１つのミラーと、前記反射されたビームの軌跡の中にある前記増幅媒質との間に配置されるドープされない物質（７）を有している請求項１から７の何れか一項に記載の装置。
9. 前記増幅媒質が少なくとも１つの縦表面を有しており、前記ミラーは、前記平行になったビームが前記増幅媒質の前記縦表面に向かって反射されるように配置されている請求項１から８の何れか一項に記載の装置。
10. 前記装置は、第１レーザビームを放射可能な第１レーザダイオード（３Ａ）及び第２レーザビームを放射可能な第２レーザダイオード（３Ｂ）を有しており、前記装置は、前記第１レーザダイオードに関連している第１ミラー及び前記第２レーザダイオードに関連している第２ミラーを有しており、前記増幅媒質（２）は第１縦表面及び第２縦表面を有しており、前記第１ミラーは前記第１レーザビームを前記増幅媒質の前記第１縦表面に向かって反射するように配置されており、前記第２ミラーは前記第２レーザビームを前記増幅媒質の前記第２縦表面に向かって反射するように配置されている請求項１から９の何れか一項に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのミラーは放物面ミラーである請求項１から１０の何れか一項に記載の装置。

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