JP2009543363A - ポンプ手段へのフィードバックを使用するポンピング型レーザーシステム - Google Patents

Abstract

【要約書】
【課題】個々のレーザーを同期化し、重ね合わせる。
【解決手段】本発明のレーザーシステムは、好ましくは合焦された少なくとも第１および第２ポンプビームを発生するためのポンプ発生手段（ｘ０２、ｘ０３）と、適当にポンピングされることによって放射を発生するためのレーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）とを備えている。前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、前記第１ポンプビームを受信し、第１周波数を有する第１ビーム（ｘ２１）を発生するように、第１共振器内に配置されており、前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、前記第２ポンプビームを受信し、第２周波数を有する第２ビーム（ｘ２２）を発生するように第２共振器内に配置されている。前記第１ビームおよび前記第２ビームの双方がＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）を通過するように、前記第１および前記第２共振器内に、少なくとも１つのＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）が配置されている。前記レーザーシステム（ｘ０１）は、前記第１ビーム（ｘ２１）および前記第２ビーム（ｘ２２）から発生される出力（ｘ１３）を有し、前記出力（ｘ１３）の少なくとも一部は、調節システム（ｘ１４）にフィードバックされ、この調節システム（ｘ１４）は、前記ポンプ発生手段（ｘ０２、ｘ０３）を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、好ましくは合焦された少なくとも第１および第２ポンプビームを発生するためのポンプ発生手段と、適当にポンピングされることによって放射を発生するためのレーザー発生手段とを備え、前記レーザー発生手段は、前記第１ポンプビームを受信し、第１周波数を有する第１ビームを発生するように、第１共振器内に配置されており、前記レーザー発生手段は、前記第２ポンプビームを受信し、第２周波数を有する第２ビームを発生するように第２共振器内に配置されており、前記第１ビームおよび前記第２ビームの双方がＱスイッチを通過するように、前記第１および前記第２共振器内に配置された少なくとも１つのＱスイッチを備えるレーザーシステムであって、前記第１ビームおよび前記第２ビームから発生される出力を有するレーザーシステムに関する。

２つ以上のレーザーまたは利得要素、もしくはこれとは異なり、２つ以上のレーザーライン（すなわち２つ以上の波長）を発生する利得要素を含み、いわゆる周波数和の発生または別の形態の非線形変換が関係するレーザーシステムが、比較的新しい研究分野となっている。より効率的な変換を達成するために、レーザーをパルス動作させることができる。個々のレーザーは、ポンプソース（効率的ではない）をパルス動作することによってパルス化することができ、またはキャビティ内の損失を変調することにより、レーザーのキャビティのいわゆるＱファクターを周期的に変えることにより、個々のレーザーをパルス化することができる。このことは、いわゆるＱスイッチを使用して行うことができる。このＱスイッチは、電気光学的Ｑスイッチまたは音響光学的スイッチのように能動型でもよいし、飽和可能な吸収器を使用する受動型でもよい。

かかるシステムの主な問題の１つは、個々のレーザーは、通常、立ち上がり時間が異なるので、個々のレーザーを同期化することにある。従って、キャビティ内を伝搬するパルスは、時間的に重なることはない。パルスが重なった場合のみにしか、非線形変換が生じないので、このことは問題である。個々のパルスの間の重なりが、どんな方法でも制御または調節されない場合、パルスの間の重なりはランダムとなるので、最適化されない。したがって、いずれにおいても、非線形変換は最適化されない。

この重なりを最適にするための１つの方法は、レーザー要素内のポンプソースから発生される光の焦点を調節することである。当然ながら、この調節は、ポンプソースからの光がレーザー要素内に合焦されるシステムのみでしか可能ではない。したがって、ポンプソースが、ガス放電ランプまたはブリッツ（ｂｌｉｔｚ）ランプである場合、このタイプの調節を行うことはできない。いかなるケースにおいても、レーザーの機能は、正確な焦点に大きく依存しているので、業務用レーザーシステム内で、ポンプソースビームの焦点を変更することは困難である。更に、焦点を変えるための機械的システムは、本来的に不正確であり、更にレーザーシステムの全コストを相当に増す。

パルスの重なりを調節するための別の方法は、レーザー要素内の固有焦点を変更するために、キャビティの１つ以上のミラーを変更または交換することを必要としている。このことは、キャビティモード（例えばレーザー要素内のスポットサイズ）とポンプソース内の重なりを変更するもので、従ってレーザー要素の利得が変更される。更に、キャビティモードの変更自体が利得を変え得る。またこの方法は、機械的な手段に基づいており、従って、システムの全コストを大幅に増加するだけでなく、不整合を生じさせることとなる。

第３の可能性は、ポンプソースの焦点に対して、レーザー要素の位置を変えることである。しかし、このことは、レーザー要素が配置されているキャビティアームよりも、レーザー要素が短い場合にしか可能ではない。更に、レーザー要素を並進できるようにしなければならず、従って、機械的な並進手段が必要となる。したがって、この方法にも、上記方法と同じ欠点がある。

第４の可能性は、キャビティの個々の損失が、静的または可変であり、従って、キャビティ内の損失の差が、レーザー要素のそれぞれの利得の間の差を上回るような方法を採用することである。

第５の可能性は、複数のＱスイッチと、これらのスイッチの間における可変電子遅延回路を利用することである。この方法は、多少複雑ではあるが、個々のＱスイッチに対して、別々の電源が必要であるだけでなく、電子可変遅延ラインも必要である。このシステムが、このシステムの場合に多くなっているナノ秒のレンジ内で作動する場合、電子回路は、比較的高価で、かつ鋭敏となる。更に、システムのどのレーザーラインも、別個のＱスイッチを使用する場合、Ｑスイッチは、比較的高価であるので、システムの全コストが増加する。

特許文献１は、マルチ利得要素のリングレーザーを開示しており、このレーザーは、より高いパルス状の出力パワーにスケーリングできる能力を有する。このリングレーザーは、複数のポンプソースと対応する利得要素を含んでいる。この結果生じる個々の利得要素からのレーザービームは、すべてリングキャビティ内の同じＱスイッチを通過する。

本発明の目的は、システムのうちの２つ以上のレーザーラインの間のパルスの重なりを最適にできる、新規で、かつ改良されたレーザーシステムを提供することにある。

米国特許第5,121,402号

本発明によれば、この目的は、前記出力の少なくとも一部が、調節システムにフィードバックされ、この調節システムが、前記ポンプ発生手段の強度出力を制御することにより、前記第１ビームおよび前記第２ビームの個々のレーザーパルスの立ち上がり時間を調節するようにレーザーシステムによって達成される。

したがって、この調節システムは、ポンピング手段の強度出力を制御するようになっており、次にこの強度出力は、レーザー手段の利得を調節し、よって、前記第１および第２ビームの個々のレーザーパルスの立ち上がり時間を制御する。したがって、個々のパルスの重なりを簡単に最適化できる。

本発明の好ましい実施形態では、前記少なくとも１つのＱスイッチは、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的または音響光学的Ｑスイッチである。この受動型Ｑスイッチは、繰り返し周波数、およびパルス効果に対して、限られた作動インターバルしか有しないので、受動型Ｑスイッチと比較して能動型Ｑスイッチのほうが好ましい。したがって、変化できない作動ポイントを選択しなければならない。

本発明の好ましい実施形態においては、前記少なくとも１つのＱスイッチは、前記第１ビームと第２ビームの双方が、同じＱスイッチを通過するように、前記第１共振器と第２共振器の双方に配置されている。

好ましい実施形態においては、前記ポンプ手段は、単一ポンプソース、例えばレーザーダイオードである。したがって、少なくとも前記第１ポンプビームおよび前記第２ポンプビームを発生するのに、この単一ポンプソースが使用される。この場合、それ自体公知の方法を使用することにより、例えば位相制動器、偏光ビームスプリッタ、または複屈折結晶を使用することにより、個々のポンプビーム効果を調節することができる。

上記とは異なり、前記ポンプ手段は、前記第１ポンプビームを発生するための少なくとも１つの第１ポンプソース、例えば第１レーザーダイオードと、前記第２ポンプビームを発生するための第２ポンプソース、例えば第２レーザーダイオードとを含んでいる。

本発明の好ましい実施形態においては、前記レーザー発生手段は、単一利得要素またはレーザー要素である。したがって、異なる周波数、または波長を有する少なくとも２つのパルス状レーザービームを発生するのに、この単一レーザー要素が使用される。

上記とは異なり、前記レーザー発生手段は、前記第１ビームを発生するための第１利得要素、またはレーザー発生要素と、前記第２ビームを発生するための第２利得要素、またはレーザー要素とを含んでいる。従って、システムの個々のレーザーライン（または波長）を発生するのに、別個のレーザー要素が使用されているレーザー発生手段の特に簡単な様態が得られる。

当然ながら、このレーザーシステムは、３、４またはそれ以上の数のポンプソースだけでなく、３、４またはそれ以上の利得要素も含むことができ、したがって、この結果得られるレーザーシステムは、３、４またはそれ以上の数の周波数を有するビームを発生する。利得要素は、例えばＮｄ：ＹＡＧ、またはＮｄ：ＹＶＯ₄結晶体とすることができる。

本発明の好ましい実施形態においては、第１ビームは、前記第１共振器内の第１経路に従い、第２ビームは、前記第２共振器内の第２経路に従い、少なくとも前記第１経路の一部と第２経路とは一致する。換言すれば、前記第１共振器と第２共振器とは、一致するキャビティ内伝搬光軸を有する。したがって、前記第１レーザー要素と第２レーザー要素とを、一致しない前記第１キャビティの一部と第２共振器の一部内に、それぞれ位置決めすることができる。

本発明のある実施形態では、前記第１共振器および／または第２共振器は、線形共振キャビティである。本発明の別の実施形態では、前記第１共振器および／または第２共振器は、リング共振キャビティである。
これらすべての実施形態に共通することは、キャビティが通常複数のミラーを備え、これらミラーのうちの１つ以上が、すべての共振キャビティに対して共通していることである。このキャビティミラーは、少なくとも前記第１および第２周波数に対して高反射係数を生じるように、反射コーティングしておくことが好ましい。

好ましい実施形態においては、前記第１共振器と第２共振器は、共通出力ミラーを有する。この出力ミラーは、所望の波長を出力するように、通常反射防止コーティングされている。

本発明の特に好ましい実施形態においては、前記システムは、非線形変換要素を更に含んでいる。この非線形変換要素は、特に基本モードと第１ビームおよび第２ビームのそれぞれの高調波の双方を使用して、特に周波数和の混合、または周波数差混合をするために使用できる。変換要素を、例えば周期的極性ＫＴＰ結晶、または他の非線形光学要素とすることができる。

本発明の一実施形態においては、前記非線形変換要素は、一致するキャビティ内伝搬光軸内に位置している。したがって、共通出力ミラーを通して出力される前に、第１および第２ビームの変換を行うことができる

別の実施形態においては、前記非線形変換要素は、前記共通出力ミラーの後方に位置している。この場合、共通出力ミラーから、第１ビームと第２ビームの双方が出力されるので、これらビームは、それぞれのキャビティの外部で変換される。しかし、非線形変換要素を、第１キャビティの内部であって、第２キャビティの外側に位置させてもよい。

本発明の特に好ましい実施形態では、前記非線形変換要素からの出力の少なくとも一部は、前記調節システムにフィードバックされる。これにより、調節システムを使用して、ポンプソースを調節するための特に簡単な方法が得られる。その理由は、変換要素からの出力は変換効率を直接示しており、パルス間の重なり度も示しているからである。

前記レーザーシステムは、２つ以上のＱスイッチ（ｘ１７、ｘ１８）を備えている。これらＱスイッチは、一致していないキャビティ内の一部に位置決めされている。この実施形態は、３つ以上のレーザービームを発生するシステム、または個々のレーザーラインが大きい波長差を有するシステムにおいて特に有効である。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記Ｑスイッチの付勢の間の時間差が固定される。これとは異なり、前記Ｑスイッチの付勢の間の時間差を可変とすることもできる。

本発明の好ましい実施形態では、レーザーシステムからの出力は非線形変換されたビームであり、この変換されたビームの周波数は、例えば共振キャビティの個々のビームの周波数の和または差、もしくはそれらの高調波となる。したがって、５９３ｎｍで黄色−オレンジ色レーザービームを発生するために、１０６４ｎｍおよび１３４２ｎｍで、それぞれレーザー発振する個々の共振レーザービームを使用することができる。

本発明の別の好ましい実施例においては、システムからの出力は、多数のレーザーラインまたは周波数を有する。これら個々のレーザーラインは、例えば個々の共振器のレーザービーム、例えば前記第１ビームおよび前記第２ビームとすることができる。更に、非線形変換要素を使用して、多数のレーザーライン出力を得ることも可能である。１０６４ｎｍおよび１３４２ｎｍでレーザー発振する個々の共振レーザービームを使用し、更にこれらビームの高調波を使用するケースでは、５３２ｎｍ、６７１ｎｍおよび５９３ｎｍ、例えば緑色、赤色および黄色出力の個々の出力ラインを得ることが可能である。

このシステムは、広範な用途に使用できる。例えば、このレーザーシステムを、異なる波長のレーザービームを使用することが多い粒子画像速度計（ＰＩＶ）システムで使用できる。同様に、２つ以上の波長を使用するレーザードップラー風速システムに対しても、このレーザーシステムを使用することができる。

このレーザーシステムは、ＲＧＢディスプレイに必要とされる個々のレーザーラインを発生できるので、特にＲＧＢディスプレイに使用することもできる。

このレーザーシステムは、黄色出力を有する固体レーザーを発生するのにも使用できる。黄色レーザーシステムは、今日では、極めて限られた範囲でのみしか、業務上使用されていない。このシステムの用途の最も将来性のある分野の１つは、光医療応用分野、例えば皮膚科学、光力学治療および眼科にある。血液は、黄色光に対する吸収係数が高く、このシステムは、例えば血管に関係する損傷、例えば火炎状母斑、アクネ治療および皮膚若返り治療に使用できる。更にこのレーザーシステムは皮膚ガンの治療に将来性のある光ダイナミック治療に使用できる。上記光医療応用分野は、今日、染料レーザーに基づくことが多い。本発明のレーザーシステムは、例えばナノ秒のレンジ内のパルス長さを有し、キロヘルツのレンジ内の繰り返し周波数を有し、数ワットの平均効果を有する黄色光を発生できる。このレーザーシステムは、レーザーアイソトープ分離にも使用できる。

以下、添付図面を参照し、本発明についてより詳細に説明する。

本発明によるレーザーシステムの第１実施形態を示す。 本発明によるレーザーシステムの第２実施形態を示す。 本発明によるレーザーシステムの第３実施形態を示す。 本発明によるレーザーシステムの第４実施形態を示す。 本発明によるレーザーシステムの第５実施形態を示す。 本発明によるフィードバック調節システムの略図である。 第１ポンプソースおよび第２ポンプソースのポンプパワーを関数とする変換効率を示す。 第1ポンプソースの所定の固定されたポンプパワーに対する第２ポンプソースのポンプパワーを関数とする変換効率を示す。 ポンプの強度とパルスの重なりとの間の依存性を実証する一連の測定値を示す。

図１は、本発明によるレーザーシステムの第１実施形態を示す。このレーザーシステム１０１は、第１ポンプソース１０２と、第２ポンプソース１０３とを備えている。これらのポンプソースは、それぞれ第１レーザーダイオードおよび第２レーザーダイオードの形態となっていることが好ましい。第１ポンプソース１０２から発せられた光は、第１集光レンズ１０４により、第１利得要素またはレーザー要素１０６に合焦される。このレーザー要素１０６がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素１０６から発せられる。この結果発生し、第１周波数を有するレーザービーム１２１は、３つのミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１５を備える第１線形共振キャビティ内で、双方向に発せられる。これら３つのミラーＭ１１、Ｍ１２およびＭ１５は、第１周波数で高い反射率を有するように、反射コーティングされていることが好ましい。

同じように、第２ポンプソース１０３から発せられた光は、第２集光レンズ１０５により第２利得要素またはレーザー要素１０７に合焦される。このレーザー要素１０７がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素１０７からレーザーパルスが発せられる。この結果発生するレーザービーム１２２は、３つのミラーＭ１３、Ｍ１４、Ｍ１５を備える第２線形共振キャビティ内で、双方向に発せられる。

第１共振器の経路および第２共振器の経路は、ミラーＭ１４とＭ１５との間にビーム一致経路部分を有する。この経路一致キャビティ内伝搬経路内には、Ｑスイッチ１０８と非線形変換要素１０９とが位置している。Ｑスイッチ１０８は、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的Ｑスイッチまたは音響光学的Ｑスイッチであることが好ましい。非線形変換要素１０９は、第１周波数と第２周波数の和または差であるか、または第１周波数および第２周波数の高調波である周波数を有する変換されたビームを発生することにより、第１ビーム１２１と第２ビーム１２２とを変換する。非線形変換要素１０９の出力は、いくつかのレーザーライン、例えば異なる波長／周波数のいくつかのビームも含むことができる。

変換された光ビーム、および所望の場合には第１ビーム１２１および第２ビーム１２２も、共通出力ミラーＭ１５を通して出力される。この出力ミラーＭ１５は、所望する波長の変換されたビームを出力するように、反射防止コーティングされていることが好ましい。ビームスプリッター１１０を介して、例えば光ダイオードまたはパワーメータ１１１に出力１１３のフィードバック部分１１２が、フィードバックされる。検出された信号は、調節システムまたはマイクロプロセッサ１１４により処理され、このプロセッサは、第１ポンプソース１０２および／または第２ポンプソース１０３を制御する。ポンプソース１０２、１０３は、次に、レーザー要素１０６および１０７のためのパルス立ち上がり時間を調節する。このパルス立ち上がり時間は、ポンプビームの強度に応じて決まるからである。変換された信号は、第１ビーム１２１のパルスと第２ビーム１２２のパルスとの間のパルスの重なりの効率に対する直接的な尺度であるので、第１ポンプソース１０２および／または第２ポンプソース１０３の強度出力、従って個々のレーザーパルスの対応する立ち上がり時間を調節するのに、光ダイオード１１１が検出した信号を使用できる。従って、ポンプ強度を変え、フィードバック信号１１２の最大出力を探すことにより、第１ビーム１２１のパルスと第２ビーム１２２のパルスとの間のパルスの重なりを最適にすることができる。

共通出力ミラーＭ１５の後には、非線形変換要素１０９を配置することもできる。例えば、レーザーシステムが第１周波数および第２周波数のレーザービームだけを発生するマルチラインレーザーシステムである場合、フィードバックビーム１１２の経路内に非線形変換要素１０９を位置させ、フィードバック調節のために、非線形変換要素１０９だけを使用する。

第１実施形態において、２つのＱスイッチを含むように変更することができる。この場合、ミラーＭ１１とＭ１４との間の経路内の第１共振器内に第１Ｑスイッチを位置させ、ミラーＭ１３とＭ１４との間の経路内の第２共振器内に、第２Ｑスイッチを位置させる。この場合、例えば第１ビームと第２ビームの間の波長の差が比較的大きい時に、Ｑスイッチを時間的に同期化することができる。

図２は、本発明に係わるレーザーシステムの第２実施形態を示す。この第２実施形態では、第１実施形態におけるのと同様の符号は、同様の部材を示す。レーザーシステム２０１は、第１ポンプソース２０２と第２ポンプソース２０３とを含む。これらのポンプソースは、それぞれ、第１レーザーダイオードと第２レーザーダイオードの形態をしていることが好ましい。第１ポンプソース２０２から発せられた光は、第１集光レンズ２０４により、第１利得要素またはレーザー要素２０６に合焦される。このレーザー要素２０６がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素２０６から、レーザーパルスが発せられる。この結果発生する第１レーザービーム２２１は、第１周波数を有し、４つのミラーＭ２１、Ｍ２２、Ｍ２５およびＭ２６を備える第１線形共振キャビティ内で、双方向に発生される。これら４つのミラーＭ２１、Ｍ２２、Ｍ２５およびＭ２６は、第１周波数で高い反射率を有するように、反射コーティングされていることが好ましい。

同じように、第２ポンプソース２０３から発せられた光は、第２集光レンズ２０５により、第２利得要素またはレーザー要素２０７に合焦される。このレーザー要素２０７がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素２０７からレーザーパルスが発せられる。この結果発生するレーザービーム２２２は、４のミラーＭ２１、Ｍ２２、Ｍ２５およびＭ２６を備える第２線形共振キャビティ内で双方向に発せられる。

第１共振器の経路および第２共振器の経路は、ミラーＭ２４〜Ｍ２５から、次にミラーＭ２５〜Ｍ２６から、更にＭ２３へのビーム一致経路部分を有する。この経路一致キャビティ内伝搬経路内には、Ｑスイッチ２０８と非線形変換要素２０９とが位置している。Ｑスイッチ２０８は、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的Ｑスイッチまたは音響光学的Ｑスイッチであることが好ましい。非線形変換要素２０９は、第１周波数と第２周波数の和または差であるか、または第１周波数および第２周波数の高調波である周波数を有する変換されたビームを発生することにより、第１ビーム２２１と第２ビーム２２２とを変換する。非線形変換要素２０９の出力は、いくつかのレーザーライン、例えば異なる波長／周波数のいくつかのビームも含むことができる。

変換された光ビーム、および所望する場合には、第１ビーム２２１および第２ビーム２２２も、共通出力ミラーＭ２５およびＭ２６を通して出力される。これら出力ミラーは、所望する波長の変換されたビームを出力するように、反射防止コーティングされていることが好ましい。ビームスプリッター２１０を介して、例えば光ダイオードまたはパワーメータ２１１に、第１出力２１３のフィードバック部分２１２が、フィードバックされる。検出された信号は、調節システムまたはマイクロプロセッサ２１４により処理され、このプロセッサは、第１ポンプソース２０２および／または第２ポンプソース２０３を制御する。次にポンプソース２０２、２０３は、レーザー要素２０６および２０７のためのパルス立ち上がり時間を調節する。このパルス立ち上がり時間は、ポンプビームの強度に応じて決まるからである。変換された信号は、第１ビーム２２１のパルスと第２ビーム２２２のパルスとの間のパルスの重なりの効率に対する直接的な尺度であるので、第１ポンプソース２０２および／または第２ポンプソース２０３の強度出力、よって個々のレーザーパルスの対応する立ち上がり時間を調節するのに、光ダイオード２１１が検出した信号を使用できる。したがって、ポンプ強度を変え、フィードバック信号２１２の最大出力を探すことにより、第１ビーム２２１のパルスと第２ビーム２２２のパルスとの間のパルスの重なりを最適にすることができる。

共通出力ミラーＭ２５の後に、非線形変換要素２０９を位置させることができる。例えばレーザーシステムが、第１周波数および第２周波数のレーザービームだけを発生するマルチラインレーザーシステムである場合、フィードバックビーム２１２の経路内に非線形変換要素２０９が位置し、フィードバック調節のために、非線形変換要素２０９だけを使用する。

第１実施形態を、２つのＱスイッチを含むように変更することができる。この場合、ミラーＭ２１とＭ２２との間の経路内の第１共振器内に第１Ｑスイッチが位置し、ミラーＭ２３とＭ２４との間の経路内の第２共振器内に第２Ｑスイッチが位置する。この場合、例えば第１ビームと第２ビームの間の波長の差が比較的大きい場合、Ｑスイッチを時間的に同期化することができる。

図示の実施形態では、ミラーＭ２１の後方に第１ポンプソース２０２が位置し、ミラーＭ２４の後方に第２ポンプソースが位置している。しかし、上記の替わりに、ミラーＭ２２の後方に、第１ポンプソース２０２を位置させ、および／またはミラーＭ２３の後方に、第２ポンプソース２０３を位置させもよい。更に、リング共振キャビティは、第１ビーム２２１および第２ビーム２２２が、リング共振器のキャビティ内を一方向にのみ伝搬するように、光ダイオードを含むことができる。これとは異なり、レーザーシステム２０１は、例えばミラーＭ２６を通過する第２出力２１５を含むこともできる。

図３は、本発明に係わるレーザーシステムの第３実施形態を示す。この第３実施形態では、同様の符号は、第１実施形態および第２実施形態におけるのと同様の部材を示す。レーザーシステム３０１は、第１ポンプソース３０２と第２ポンプソース３０３とを含み、これらのポンプソースは、それぞれ、第１レーザーダイオードと第２レーザーダイオードの形態をしていることが好ましい。第１ポンプソース３０２から発せられた光は、第１集光レンズ３０４により、第１利得要素またはレーザー要素３０６に合焦される。このレーザー要素３０６がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素３０６からレーザーパルスが発せられる。この結果発生させられる第１レーザービーム３２１は、第１周波数を有し、４つのミラーＭ３１、Ｍ３２、Ｍ３５およびＭ３６を備える第１線形共振キャビティ内で、双方向に発生される。これら４つのミラーＭ３１、Ｍ３２、Ｍ３５およびＭ３６は、第１周波数で高い反射率を有するように、反射コーティングされていることが好ましい。

同じように、第２ポンプソース３０３から発せられた光は、第２集光レンズ３０５により、第２利得要素またはレーザー要素３０７に合焦される。このレーザー要素３０７がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素３０７からレーザーパルスが発せられる。この結果発生するレーザービーム３２２は、４のミラーＭ３１、Ｍ３２、Ｍ３５およびＭ３６を備える第２線形共振キャビティ内で、双方向に発せられる。

第１共振器の経路および第２共振器の経路は、ミラーＭ３４〜Ｍ３５から、次にミラーＭ３５〜Ｍ３６から、更にＭ３３へのビーム一致経路部分を有する。この経路一致キャビティ内伝搬経路内には、Ｑスイッチ３０８と非線形変換要素３０９とが位置している。Ｑスイッチ３０８は、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的Ｑスイッチまたは音響光学的Ｑスイッチであることが好ましい。非線形変換要素３０９は、第１周波数と第２周波数の和または差であるか、または第１周波数および第２周波数の高調波である周波数を有する変換されたビームを発生することにより、第１ビーム３２１と第２ビーム３２２とを変換する。非線形変換要素３０９の出力は、いくつかのレーザーライン、例えば異なる波長／周波数のいくつかのビームを含むことがある。

変換された光ビーム、および所望の場合には第１ビーム３２１および第２ビーム３２２も、共通出力ミラーＭ３５およびＭ３６を通して出力される。これら出力ミラーは、所望する波長の変換されたビームを出力するように、反射防止コーティングされていることが好ましい。ビームスプリッター３１０を介して、例えば光ダイオードまたはパワーメータ３１１に、第１出力３１３のフィードバック部分３１２がフィードバックされる。検出された信号は、調節システムまたはマイクロプロセッサ３１４により処理され、このプロセッサは、第１ポンプソース３０２および／または第２ポンプソース３０３を制御する。次にポンプソース３０２、３０３は、レーザー要素３０６および３０７のためのパルス立ち上がり時間を調節する。このパルス立ち上がり時間は、ポンプビームの強度に応じて決まるからである。変換された信号は、第１ビーム３２１のパルスと第２ビーム３２２のパルスとの間のパルスの重なりの効率に対する直接的な尺度であるので、第１ポンプソース３０２および／または第２ポンプソース３０３の強度出力、よって個々のレーザーパルスの対応する立ち上がり時間を調節するのに、光ダイオード３１１が検出した信号を使用できる。したがって、ポンプ強度を変え、フィードバック信号３１２の最大出力を探すことにより、第１ビーム３２１のパルスと第２ビーム３２２のパルスとの間のパルスの重なりを最適にすることが可能となる。

共通出力ミラーＭ３５の後には、非線形変換要素３０９を位置させることもできる。例えばレーザーシステムが、第１周波数および第２周波数のレーザービームだけを発生するマルチラインレーザーシステムである場合、フィードバックビーム３１２の経路内に非線形変換要素３０９が位置し、フィードバック調節のために、非線形変換要素３０９だけを使用する。

図４は、本発明に係わるレーザーシステムの第４実施形態を示す。レーザーシステム４０１は、第１ポンプソース４０２と第２ポンプソース４０３とを有し、これらポンプソースは、それぞれ第１レーザーダイオードと第２レーザーダイオードの形態をしていることが好ましい。第１ポンプソース４０２から発せられた光は、第１集光レンズ４０４により、第１利得要素またはレーザー要素４０６に合焦される。このレーザー要素４０６がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素４０６からレーザーパルスが発せられる。この結果発生する第１レーザービーム４２１は、第１周波数を有し、４つのミラーＭ４１、Ｍ４２およびビーム組み合わせ手段４１６を備える第１線形共振キャビティ内で、双方向に発生される。これら２つのミラーＭ４１およびＭ４３は、第１周波数で高い反射率を有するように、反射コーティングされていることが好ましい。

同じように、第２ポンプソース４０３から発せられた光は、第２集光レンズ４０５により、第２利得要素またはレーザー要素４０７に合焦される。このレーザー要素４０７がポンピングされると、レーザーパルスは立ち上がりを開始し、レーザー要素４０７からレーザーパルスが発せられる。この結果発生するレーザービーム４２２は、２つのミラーＭ４２およびＭ４３ならびにレーザー組み合わせ４１６を備える第２線形共振キャビティ内で双方向に発せられる。ビーム組み合わせ手段４１６は、例えば複屈折結晶体とすることができ、異なる波長を有する２つのビーム４２１、４２２が、２つの異なる経路に従うことを保証する。

第１共振器の経路および第２共振器の経路は、ミラーＭ４３とビーム組み合わせ手段４１６との間のビーム一致経路部分を有している。この経路一致キャビティ内伝搬経路内には、非線形変換要素４０９が位置している。第１ビーム経路４２１および第２ビーム経路４２２の双方に重なるよう、２つのレーザー要素４０６、４０７に共通Ｑスイッチが隣接している。Ｑスイッチ４０８は、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的Ｑスイッチまたは音響光学的Ｑスイッチであることが好ましい。非線形変換要素４０９は、第１周波数と第２周波数の和または差であるか、または第１周波数および第２周波数の高調波である周波数を有する変換されたビームを発生することにより、第１ビーム４２１と第２ビーム４２２とを変換する。非線形変換要素の出力は、いくつかのレーザーライン、例えば異なる波長／周波数のいくつかのビームを含むことがある。

変換された光ビームおよび所望する場合には、第１ビームおよび第２ビームも、共通出力ミラーＭ４３を通して出力され、この出力ミラーは、所望する波長の変換されたビームを出力するように、反射防止コーティングされていることが好ましい。ビームスプリッター４１０を介して、例えば光ダイオードまたはパワーメータ４１１に出力４１３のフィードバック部分４１２が、フィードバックされる。検出された信号は、調節システムまたはマイクロプロセッサ４１４により処理され、このプロセッサは、第１ポンプソース４０２および／または第２ポンプソース４０３を制御する。次に、ポンプソース４０２、４０３は、レーザー要素４０６および４０７のためのパルス立ち上がり時間を調節する。このパルス立ち上がり時間は、ポンプビームの強度に応じて決まるからである。変換された信号は、第１ビーム４２１のパルスと第２ビーム４２２のパルスとの間のパルスの重なりの効率に対する直接的な尺度であるので、第１ポンプソース４０２および／または第２ポンプソース４０３の強度出力、よって個々のレーザーパルスの対応する立ち上がり時間を調節するのに、光ダイオード４１１が検出した信号を使用できる。したがって、ポンプの強度を変え、フィードバック信号４１２の最大出力を探すことにより、第１ビーム４２１のパルスと第２ビーム４２２のパルスとの間のパルスの重なりを最適にすることが可能となる。

共通出力ミラーＭ４３の後には、非線形変換要素４０９を位置させることもある。例えばレーザーシステムが、第１周波数および第２周波数のレーザービームだけを発生するマルチラインレーザーシステムである場合、フィードバックビーム４１２の経路内に非線形変換要素４０９が位置し、フィードバック調節のために、この非線形変換要素だけを使用する。

図５は、本発明に係わるレーザーシステムの第５実施形態を示す。この実施形態において、同様の符号は、第４実施形態の同様の部分を示す。したがって、２つの実施形態の差異についてのみ説明する。第５実施形態は、２つの別個のＱスイッチを含むという点でのみ、第４実施形態と異なっている。第１レーザー要素５０６に隣接する第１ビーム経路５２１内に、第１Ｑスイッチ５１７が配置されており、第１レーザー要素５０７に隣接する第１ビーム経路５２２内に、第２Ｑスイッチ５１８が配置されている。

図６は、フィードバック調節システム５の機能の略図である。前の５つの実施形態に記載されているように、第１周波数ｆ₁を有する第１ビームを発生するために、第１ポンプソース６０２が使用されており、第２周波数ｆ₂を有する第２ビームを発生するように、第２ポンプソース６０３が使用されている。また第３周波数ｆ₃を有する変換されたビームを発生するために、非線形変換要素６０９が使用されている。このビームの少なくとも一部は、光ダイオードまたはパワーメータ６１１により検出される。

フィードバック調節システム６１４は、この結果生じる変換されたビームの出力効果を、第１ポンプソース６０２に調整させることにより機能し、第２ポンプソース６０３は、第１ポンプソース６０２の選択された効果に対し、変換ビームの出力効果を最大にするように、最適化ルーチンを実行しなければならない。システムの調節は、検出された信号と基準信号６３３とを比較すること（６３４）により機能する。この結果生じる、検出された信号と基準信号６３３との間の差であるエラー信号６３５は、制御システム６３１へ送られ、制御システム６３１はエラー信号６３５に基づき、制御信号６３６を発生し、次にこの制御信号は、第１ポンプソース６０２の出力パワーを調節する。第１ポンプソース６０２に対する選択された設定ポイントに基づき、フィードバックシステムは、最適化システム６３２を使って最適化を実行するように、検出された信号を使用し、制御信号６３７を発生し、次にこの制御信号６３７は、第２ポンプソース６０３の出力パワーを調節する。

最適化ルーチンに起因し、調節システム６１４が不安定とならないように、調節ルーチンは、頻繁に最適化ルーチンを実行しなければならない。したがって、最適化からの寄与分を平均化することも可能である。

図７は、第１ポンプソース６０２のポンプパワーＰ₁および第２ポンプソース６０３のポンプパワーＰ₂を関数として、２つのレーザービームからのパルスの重なりから、変換効率ηが自らどのように支配できるかの一例を示す。図７に示すように、ポンプソース６０２、６０３のポンプパワーに対し、長いインターバルにわたって変換されたビームの出力パワーの調節は、線形関数となる。

図８は、所定の設定ポイント、例えば調節ルーチンにより設定された第１ポンプソース６０２の固定された固定パワーＰ₁に対する第２ポンプソース６０３のポンプパワーＰ₂の機能としての変換効率ηを示す。このグラフは、変換効率が第２ポンプソースのポンプパワーＰ２に対して、ガウス状またはベル状の依存性を有することを示している。システムを最適化するために、グラフの頂点を探すよう、換言すれば、第２ポンプソース６０３のポンプパワーＰ２を調節することにより、変換効率ηを最大にするよう、最適化システム６３２を使って最適化ルーチンを作動させる。

図９ａ〜図９ｆは、ポンプ強度とパルスの重なりとの間の関係を実証する多数の測定を示す。この測定中に、第１ポンプソース（１３１９ｎｍレーザーに対しては第１レーザーダイオード）を一定電流で駆動し、他方、第２ポンプソース（１０６４ｎｍレーザー用の第２レーザーダイオード）の電流を変化させた。図９ａは、第２ポンプソース電流を関数とする、任意の単位の周波数和の出力パワーを示す。ポンプパワーは、電流に対して線形に比例しており、測定値および示されている曲線のはめ込みから分かるように、周波数和の出力パワーは、ポンプ電流（またはパワー）と、ほぼガウス状の関係を示している。図９ｂ〜図９ｆは、ｘ軸（任意の単位）上に示された周波数を有する測定からの発振器のカーブおよびｙ軸上の（参照番号５０で表示された）１０６４ｎｍからのパワー出力および（参照番号６０で表示された）１３１９ｎｍからのパワー出力を示している。個々の図面の頂部右側コーナーには、対応する周波数和の出力パワーが示されている。測定は、非線形関係を有するポンプソースの電流によって、周波数和の出力パワーが大きく影響されることを明らかに示している。図９ｃは、更に１３１９ｎｍパルスから１０６４ｎｍパルスまでのスピルオーバー効果を示している。これらスピルオーバー効果は、見ることができる検出上のアーティファクトであり、これらアーティファクトは周波数和の出力パワーには影響しない。

以上で、好ましい実施形態を参照して、本発明について説明した。しかし、本発明の範囲は、これまでに説明した実施形態だけに実施されるものでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、変形および変更を実行できる。例えば個々のレーザー共振器は位置するキャビティ内伝搬軸を有する必要はなく、その代わりに、共振器の外側、または個々の共振器が互いに交差するポイントにおいて、個々のビームを変換してもよい。

以下の符号の説明において、Ｘは、番号を示し、ｘは、特定の実施形態を示す。したがて、例えば４０３は、第４実施形態の第２ポンプソースを示す。

ｘ０１ レーザーシステム
ｘ０２ 第１ポンプソース
ｘ０３ 第２ポンプソース
ｘ０４ 第１合焦レンズ
ｘ０５ 第２合焦レンズ
ｘ０６ 第１利得要素／レーザー結晶体
ｘ０７ 第２利得要素／レーザー結晶体
ｘ０８ Ｑスイッチ
ｘ０９ 非線形変換要素／非線形結晶体
ｘ１０ 部分反射ミラー
ｘ１１ 光検出器／パワーメータ
ｘ１２ フィードバック
ｘ１３ 出力
ｘ１４ フィードバック調節回路／マイクロプロセッサ
ｘ１５ 出力
ｘ１６ ビーム組み合わせ手段
ｘ１７ 第１Ｑスイッチ
ｘ１８ 第２Ｑスイッチ
ｘ２１ 第１ビーム
ｘ２２ 第２ビーム
ｘ３１ 制御システム
ｘ３２ 最適化システム
ｘ３３ 基準信号
ｘ３４ 比較手段
ｘ３５ エラー信号
ｘ３６ 制御信号
ｘ３７ 制御信号
ＭＸ ミラー
ＦＸ 周波数

Claims (19)

1. 合焦された少なくとも第１および第２ポンプビームを発生するためのポンプ発生手段（ｘ０２、ｘ０３）と、
   適当にポンピングされることによって、放射を発生するためのレーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）とを備え、
   前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、前記第１ポンプビームを受信し、第１周波数を有する第１ビーム（ｘ２１）を発生するように、第１共振器内に配置されており、
   前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、前記第２ポンプビームを受信し、第２周波数を有する第２ビーム（ｘ２２）を発生するように、第２共振器内に配置されており、
   前記第１ビームおよび前記第２ビームの双方がＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）を通過するように、前記第１および前記第２共振器内に配置された少なくとも１つのＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）を更に備え、
   前記レーザーシステム（ｘ０１）は、前記第１ビーム（ｘ２１）および前記第２ビーム（ｘ２２）から発生される出力（ｘ１３）を有し、
   前記出力（ｘ１３）の少なくとも一部は、調節システム（ｘ１４）にフィードバックされ、この調節システム（ｘ１４）は、前記ポンプ発生手段（ｘ０２、ｘ０３）の強度出力を制御することにより、前記第１ビーム（ｘ２１）および前記第２ビーム（ｘ２２）の個々のレーザーパルスの立ち上がり時間を調節するようになっているレーザーシステム（ｘ０１）。
2. 前記少なくとも１つのＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）は、能動型Ｑスイッチ、例えば電気光学的または音響光学的Ｑスイッチである、請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記少なくとも１つのＱスイッチ（ｘ０８；ｘ１７、ｘ１８）は、前記第１ビーム（ｘ２１）と前記第２ビーム（ｘ２２）の双方が、同じＱスイッチを通過するように、前記第１共振器と前記第２共振器の双方に配置されている、請求項１または２に記載のレーザーシステム。
4. 前記ポンプ手段（ｘ０２、ｘ０３）は、単一ポンプソース、例えばレーザーダイオードである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
5. 前記ポンプ手段（ｘ０２、ｘ０８）は、前記第１ポンプビームを発生するための少なくとも１つの第１ポンプソース（ｘ０２）、例えば第１レーザーダイオードと、前記第２ポンプビームを発生するための第２ポンプソース（ｘ０３）、例えば第２レーザーダイオードとを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
6. 前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、単一利得要素またはレーザー要素である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
7. 前記レーザー発生手段（ｘ０６、ｘ０７）は、前記第１ビーム（ｘ２１）を発生するための第１利得要素またはレーザー発生要素（ｘ０６）と、前記第２ビーム（ｘ２２）を発生するための第２利得要素、またはレーザー要素（ｘ０７）とを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
8. 前記第１共振器と前記第２共振器は、一致するキャビティ内伝搬光軸を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
9. 前記第１共振器と前記第２共振器は、線形共振キャビティおよび／またはリング共振キャビティである、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
10. 前記第１共振器と前記第２共振器は、リング共振キャビティである、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
11. 前記第１共振器と前記第２共振器は、共通出力ミラーを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
12. 前記システムは、非線形変換要素（ｘ０９）を更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
13. 前記非線形変換要素（ｘ０９）は、一致するキャビティ内伝搬光軸内に位置する、請求項８または１２、または請求項９〜１１のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
14. 前記非線形変換要素（ｘ０９）は、前記共通出力ミラーの後方に位置している、請求項１１または１２に記載のレーザーシステム。
15. 前記非線形変換要素（ｘ０９）は、第１キャビティ内であって、かつ第２キャビティの外側に位置している、請求項１２に記載のレーザーシステム。
16. 前記非線形変換要素（ｘ０９）からの出力の少なくとも一部は、前記調節システム（ｘ１４）にフィードバックされるようになっている、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
17. 前記レーザーシステムは、２つ以上のＱスイッチ（ｘ１７、ｘ１８）を備えている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
18. 前記レーザーシステムからの前記出力（ｘ１３）は、非線形変換されたビームである、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
19. 前記レーザーシステムからの前記出力（ｘ１３）は、多数のレーザーラインまたは周波数を有する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のレーザーシステム。

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