JP2010502029A - 平行六面体形状のレーザ増幅媒質およびランプを備える励起手段を備える増幅装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、平行六面体形状の増幅媒質（２）と、増幅に有用な周波数範囲における第１の放射、および増幅媒質を劣化させる可能性がある第２の放射を放出するランプ（５）を備える励起手段とを備える増幅装置に関する。ランプ（５）が、少なくとも第２の放射の一部を吸収するジャケット（３）内に一体化されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平行六面体形状の増幅媒質を有するレーザ増幅装置の分野であり、とりわけランプ励起のナノ秒レーザ、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザに適用される。

固体レーザ発振媒質を有するレーザ増幅装置の分野では、最近まで大きく分けて２種類の増幅材料が存在していた。
− 第１のものは単結晶材料、例えばイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧともいう）、サファイアまたはルビーである。これらの材料には、一般に例えば希土類イオン、またはチタンもしくクロムをドープする。
− 第２のものは無定形基質、例えばリン酸塩ガラスまたはケイ酸塩ガラスなどである。これらの基質には、主に希土類イオンをドープする。

一般に、単結晶増幅媒質（例えばＹＡＧ基質タイプの）を有する増幅装置では、高い繰り返し率が達成可能であるが、ビームエネルギーは控えめである。このエネルギー制限は、単結晶増幅媒質の断面が制限されているためで、前記制限は、結晶成長プロセスにより設定されたものである。例えば、単結晶のネオジムをドープしたＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧと呼ばれる）を広い断面に成長させることは困難で、その損傷閾値の制限により、レーザパルス幅が数ナノ秒のパルスモードにおいて、２ｃｍ^２の断面で４〜５ジュール程度のエネルギーを得るのがやっとである。

さらに、ガラス増幅媒質を備える増幅装置は、１０ジュール程度〜数キロジュールの高いビームエネルギーを達成することができるが、それぞれの繰り返し率は、１Ｈｚ〜１時間当たり１ショット未満である。このような高エネルギーは、かかる増幅媒質の断面を大きくできることにより可能となる。単結晶の場合と異なり、ガラス基質の場合は断面に関する制限がない。しかし、ガラス基質は熱機械特性が劣るため、レーザ繰り返し率の増加が妨げられ、とりわけ波面歪みの補償に複合手段の使用が時に要求される。

固体増幅媒質を光励起する技法の主なものには、ランプまたはフラッシュランプによる連続励起が一方にあり、連続励起またはパルスレーザダイオード励起が他方にある。

これらの各光励起技法の主な特徴は、次のとおりである。
・連続ランプは、極めて低域の連続体に重畳した多重線スペクトルを放出する。
・フラッシュランプは、低強度スペクトル線を重ねた連続体から本質的になるスペクトルを放出する。放出線のスペクトル位置は、ランプ内で使用されているガスに依存する。
・レーザダイオードは、使用されている半導体に依存する単一のスペクトル線を放出する。

レーザ発振材料は、これらの技法の１つにより励起されると、１つ以上の固有波長に対する増幅器となる。

これらの２つの励起技法の各々には長所および短所がそれぞれあり、それらの主なものは次のとおりである。
・レーザ発振材料をランプ励起した場合、ランプの放出スペクトルのわずかな一部だけが有効に励起を行い、その他の部分はレーザ発振媒質内で部分的に熱散逸してしまう。この熱散逸が大きくなりすぎると、波面の歪みおよび／または複屈折が誘発され、レーザの適用を制限してしまう可能性がある。
・連続ランプおよびフラッシュランプの寿命は、多くの場合、連続ダイオードおよびパルスダイオードの寿命よりもそれぞれ短い。その結果、ランプ励起レーザについては保守作業がより頻繁に行われる。
・同じ性能の場合、ランプ励起増幅器のコストは、ダイオード励起増幅器のコストよりもはるかに低い。
・いくつかのレーザ発振材料については、それらの吸収線の１つと一致する波長で放出する励起ダイオードが存在する。この結果、増幅媒質内の熱散逸が低減され、誘発される有害効果（波面歪み、複屈折の誘発等）が低減される。従って、連続励起の場合は、ランプ励起レーザよりもむしろダイオード励起レーザの方が、より高い平均パワー出力を得ることが可能である。さらに、パルス励起の場合は、励起タイプ（フラッシュランプまたはダイオード）とは無関係に同じ出力のレーザエネルギーを得られるが、ダイオード励起の場合に、より高い繰り返し率を達成することができる。
・ダイオードのコストはランプのコストよりもはるかに高いため、動作条件下でのダイオードの保守コストは、ランプ励起レーザの保守コストよりも高くなる可能性がある。

従って、とりわけパルスレーザの分野では、下記の製造が現時点で可能である。
・ガラスベースのレーザ発振材料を備えるタイプの固体レーザ増幅器。高エネルギーを供給するが、フラッシュランプ励起によるものは、熱効果のため繰り返し率が非常に低い。
・ガラスベースのレーザ発振材料を備えるタイプの固体レーザ増幅器。高エネルギーを供給するが、ダイオード励起によるものは、熱効果のため繰り返し率が非常に低く、コストが非常に高い。
・フラッシュランプ励起による固体レーザ増幅器。良好な熱機械特性を有する特定の単結晶レーザ発振材料を使用しているため、約１０〜１００Ｈｚの中程度の繰り返し率で動作するが、結晶成長により得られる結晶断面が制限されるため、供給するエネルギーは数ジュールに制限される。
・高価なダイオード励起による固体レーザ増幅器。良好な熱機械特性を有する特定の単結晶レーザ発振材料を使用しているため、５０Ｈｚを超える高い繰り返し率で動作するが、結晶成長により得られる結晶断面が制限されるため、供給するエネルギーは数ジュールに制限される。

広い断面が利用可能なため高エネルギーを達成可能であるというガラス基質の長所を、良好な熱機械特性を有する最良の単結晶材料の長所と組み合わせた新しいレーザ発振材料の出現により、新たな展望が開かれている。

これらの新しいレーザ発振材料は、多結晶固体構造で、レーザセラミックともいう。

フラッシュランプ励起の場合は中程度の繰り返し率、またはダイオード励起の場合は高い繰り返し率で、高エネルギーの供給を同時に達成するレーザ増幅装置の生産が、今や可能である。

このため、励起技法の選択は、購入コストおよび保守コストの検討により主導されている。恐らく（過去における約２０ｃｍ^３と比較して）２００ｃｍ^３を超える量の増幅媒質を励起するためには、ダイオード励起増幅装置の取得コストは高い場合がある。このため、工業的製造者にとっては、ランプ励起が検討する価値のある代替案となっている。

例えば、Ｎｄ^３＋希土類イオンをドープしたＹＡＧセラミックは、その多結晶構造により大きな増幅媒質が得られるためＮｄ：ＹＡＧの単結晶で２０ｃｍ^２を超える断面を有し、高エネルギー増幅装置の生産に用いることができる。このようにして得られるエネルギエネルギーは、数十ジュール程度であり、通常得られる４〜５ジュールを超える。達成される繰り返し率は、１０Ｈｚを大きく超える。

しかし、レーザセラミックをランプ励起する際には、いくつかの問題がある。ランプの放出スペクトルの一部は、紫外領域内にある。この放射は、ソラリゼーション効果を誘発するためレーザセラミックを損傷させ、最終的には、増幅媒質として使用されるレーザセラミックの光学特性を劣化させる可能性がある。このため、レーザセラミックを使用するレーザ増幅装置を設計する際には、ランプの紫外線放射によるレーザセラミックの劣化を防止する技法を用いる必要がある。

これらのレーザセラミックとともに、現在使用されている複合ソリューションよりもはるかに低いワット当たりの平均コストで高い平均パワーレベルを供給可能で、かつレーザ数を増加させた、またはビームを多重化させたタイプの新しいレーザを生み出すことが考えられる。

本発明において提案される装置は、平行六面体ロッドの形態で大きなサイズで生産可能な材料、例えばＮｄ^３＋希土類イオンをドープしたセラミックＹＡＧと、望ましくない放射を遮断するための手段とを組み合わせて使用する。

平行六面体形状の増幅媒質と、増幅に有用な周波数範囲における第１の放射、および増幅媒質を劣化させる可能性がある第２の放射を放出するランプを備える励起手段とを備える増幅装置の目的は、第２の放射の少なくとも一部を吸収するジャケットにランプを一体化することである。

これらの、例えば希土類イオンをドープしたセラミックを備えるタイプの増幅媒質の主な利点は、それらの製造方法により、生産時にサイズ制限が課されないという点である。従って、増幅媒質をより大きくし、光励起をより大きくすることができる。

パルスレーザの場合は、数十ジュールのエネルギー、１０Ｈｚを超える繰り返し率でのレーザビーム増幅が可能である。連続レーザの場合は、数十キロワットのパワーレベルでのレーザビーム増幅が達成可能である。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、ジャケットに一体化されたフラッシュランプを使用する。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、セラミックベースの増幅媒質を備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、Ｎｄ^３＋イオンをドープしたＹＡＧセラミックで作製された増幅媒質を備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、Ｎｄ^３＋イオンをドープし、Ｃｒ^３＋イオンを共ドープしたＹＡＧセラミックで作製された増幅媒質を備える。

本発明の一実施形態によれば、励起装置が、増幅媒質により形成される平面に対して対称的である。

本発明の一実施形態によれば、増幅媒質の少なくとも２つの対向する面部が、Ｏｙ軸周周りの回転により数度の角度で互いに傾斜し、この場合、増幅媒質が疑似平行六面体形状を有する。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、サマリウムイオンをドープした石英またはガラスをベースとする材料で作製されたジャケットを備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、ＵＶ領域において第２の放射を放出するランプを収容するジャケットを備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、増幅媒質のレーザ輝線と一致するスペクトルを有する光子を吸収するジャケットを備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、冷却剤の循環を伴い増幅媒質を冷却するための手段を含む。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、ランプを冷却するための手段を備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、ジャケット内の冷却剤の流量を制御するため断面が互いに異なる開口を有するジャケットを備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、ジャケットと増幅媒質との間に配置されたＵＶフィルタを備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、増幅媒質の励起を均一化する機能を有するとともに、ジャケットを覆うか、または囲む光拡散媒質を備える。

本発明の一実施形態によれば、本装置は、容器内に詰められたＭｇＯ粉末、またはドープされていないセラミックで作製された拡散媒質を備える。

本発明の他の特徴および利点は、下記の添付図面とともに後続の説明から明らかになろう。

本発明による増幅装置の一例の分解斜視図を示す。 図１の一断面を示す。 本発明による冷却手段を一体化した増幅装置の一例の全体図を示す。

図１は、１種類以上の希土類または他のイオンをドープしたセラミックで作製された平行六面体形状の増幅媒質２を備える増幅装置の一例の分解斜視図を示す。これらのイオンは、典型的にはネオジムイオンまたはイッテルビウムイオンであってもよい。セラミックには、Ｃｒ^３＋イオンを共ドープしてもよい。増幅媒質は、励起ランプ５に面する２つの大きな面部を有する。励起は、これらの面部に対して垂直に行われる。ビーム６は、増幅媒質の側方の面部を介してランプの軸心に対して垂直に増幅媒質を通過し、装置を通過後は増幅ビーム７を形成する。

ランプ、例えばフラッシュランプ５は、下記の３つの機能を有するジャケット３内に配置される。
・このジャケットは、例えばサマリウムイオンをドープした石英／ガラス材料で作製され、ランプにより放出されるＵＶ放射の全部または一部を吸収可能である。
・増幅媒質のレーザ輝線と一致するスペクトルを有するランプが放出する光子を吸収する。この輝線は、例えばＮｄ^３＋をドープしたＹＡＧセラミックの場合１０６４ｎｍである。この機能により、ランプの誘導放出によるＯｘ軸に沿ったレーザ利得の低下が防止される。
・ランプおよび増幅媒質の冷却を意図する冷却剤を十分な速度で供給する。この冷却剤により、ランプの放射により生じる熱の大部分が除去される。

増幅媒質２の大きな面部のうちのいずれかの側において、ジャケットと増幅媒質との間にＵＶフィルタ４を配置すると有益である。このＵＶフィルタの役割は、ジャケットの役割と重複している。ただし、このフィルタは、ランプが放出するＵＶパワーに応じて設けるオプションである。図１では、このフィルタを一例として示している。

増幅媒質は、均一な励起を達成するための手段を含む。ディフューザと呼ばれる光拡散媒質１を使用して増幅媒質の励起を均一に行うことにより、増幅媒質が受ける放射は、ランプにより放出される直接放射とディフューザの反射による放射との和となる。ディフューザの目的は、増幅媒質における有効な放射を拡散して、ランプ間でできるだけ均一にすることである。光ディフューザの形状寸法は、増幅媒質が受ける放射を均一化するように設計される。例えば、光ディフューザが形成する放物線の焦点に各ランプがくるようにしてもよい。

また、装置の対称性によっても、増幅媒質における励起が均質に行われることが保証される。入射レーザビーム６は、Ｏｘｙ平面に形成された面部を介して増幅媒質に進入する。一方では、レーザビームの伝搬軸Ｏｚはランプ軸Ｏｙに対して垂直であるため、他方では、装置がＯｙｚ平面に対して対称であるため、増幅媒質における励起は、Ｏｙｚ平面において対称となる。このため、励起はＯｙｚ平面において非常に均質なものとなる。

さらに、装置の対称性には、増幅媒質のねじれを防止するという別の利点がある。

図２は、図１の装置のＯｘｚ平面における断面を示す。ランプが放出する放射が強力であると、増幅媒質が熱せられ、その光学特性が劣化してしまうという欠点がある。これを相殺するため、構造内に２つの冷却装置を配置する。冷却剤２０を増幅媒質２の両側に導入し、その最大面積の面部（図１のＯｙｚ平面）に沿って流すことにより、励起装置の熱の一部を制御する。また、冷却装置をジャケット３に一体化させてもよい。ジャケットに異なる断面の開口を設けることにより、ジャケット内の冷却剤２０の流量を制御する。これにより、冷却剤は、ジャケット内におけるランプ５の周囲と、ジャケットの周囲とを流れる。この冷却装置は、ランプの放射により生じる熱の除去、および増幅媒質の加熱の制限を助ける。

ジャケット３は、ディフューザ１内に収められる。ディフューザ１は、ランプの放射を透過する容器で構成され、容器の内部には、例えばＭｇＯ粉末を詰めてもよい。オプションとして、別の状況ではドープされていないセラミックを使用してもよい。この媒質の機能は、ランプが放出する光を反射により拡散することである。ディフューザの形状は最適化してもよく、図２に示すものから変形してもよい。

ディフューザ１、冷却剤２０、ジャケット３およびＵＶフィルタ４は、冷却剤に対して密な筐体２２に挿入される。この目的のため、シール２１により筐体が増幅媒質２に固定される。装置は、増幅媒質の最大中位面により形成されるＯｚｙ主面に対して対称的であるため、上記の各要素を収容する筐体２２は、この媒質の両側に設けられる。

一方では、励起装置の対称性は、増幅媒質を均質的および対称的に冷却し、増幅媒質の熱散逸による機械的変形を制限するために有益である。他方では、励起装置の対称性により、ＯｘおよびＯｙに沿った光軸のそれぞれに対して、増幅媒質にかかる熱機械応力により複屈折が誘発される。従って、それらの光軸の一方に沿って偏光され、増幅媒質において増幅されたレーザビームは、ビームの全断面で偏光したままとなる。この装置は、円筒形のレーザロッドを伴って生産された励起構造に対して、増幅ビームに対して空間に依存した偏光解消効果をもたらさないという利点を有する。

図３は、冷却剤を注入および排出するための流体コネクタ３０を含む増幅装置の一例を示す。冷却剤の流量を制御することにより、励起装置の温度を調整可能である。ランプにより生じる加熱が制御され、増幅媒質の寿命および変形が要件に合致するようになる。

入射レーザビームは、面部Ａを介して増幅媒質に進入し、増幅されて面部Ｂから出射する。イオン（例えば希土類イオン）をドープしたセラミックから増幅媒質を形成することにより、面部ＡおよびＢの面積を、例えばＹＡＧ単結晶で達成可能な最大面積である２ｃｍ^２よりもはるかに大きくすることが可能である。増幅媒質の寸法は、非常に大きくすることができる。これは、その製造プロセスが、結晶成長をもはや伴わず、セラミックの製造に取って代わられたためである。レーザセラミック（例えば希土類イオンをドープしたＹＡＧセラミック）の場合、もはや面積の制限はない。このため、面積を大きくすることにより、パルスモードで数十ジュール、連続モードで数万キロワットのエネルギーで、ビームを増幅することが可能となる。

増幅媒質の側方の面部ＣおよびＤには、前記面部間の横断的な寄生レーザ発振を防止するための装置が装備される。この装置には、数種類のものがある。すなわち、増幅媒質のレーザ波長における反射を防止する反射防止処理を施すこと、または面部ＣおよびＤに溝を形成すること、および／または各面部をつや消し化すること、またはドープされたセラミックのレーザ放出波長で吸収するとともにレーザセラミックと整合する光学指数を提供する１つ以上の吸収材料を各面部に塗布すること、などである。

増幅媒質の面部ＡおよびＢには、前記面部間の事前の寄生レーザ発振を防止するための装置が設けられる。この装置には、数種類のものがある。すなわち、増幅媒質のレーザ波長のおける反射を防止する反射防止処理を施すこと、および／または対向する面部ＡおよびＢをＯｙ軸周りの回転により数度の角度で傾斜させること、などである。この場合、増幅媒質は準平行六面体形となる。

ランプ５の数、ランプの配置およびランプ間の距離は、レーザ発振媒質内への励起堆積を最大限に均質化するため最適化されるパラメータである。従って、ランプ（数、距離、配置）の調整とともに光学ディフューザおよびその形状を選択することにより、増幅媒質内への励起堆積の均質な分散に加え、最大の利得を達成可能になる。

これらの新規な増幅装置の高い平均パワー性能を生かした、網羅的ではないいくつかの適用例を示す。
・フェムト秒レーザの分野では、チタン−サファイア（Ｔｉ：Ｓａと表記される）またはＯＰＣＰＡ（光パラメトリックチャープパルス増幅器）などの増幅媒質を使用してもよい。短期的な目的は、１０Ｈｚ程度で約１ペタワット、すなわち約１０^１５ワットのピークパワーレベルを発生できるようにすることである。このため、励起レーザは、緑色に対応する可視スペクトル帯において１０Ｈｚで、パルス当たり約１００ジュールのエネルギーを供給しなければならない。通常、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶を含む装置を用いてペタワットレーザと呼ばれるレーザシステムを励起するのに、１２０個のフラッシュランプ励起増幅媒質が必要とされる。本発明の装置によれば、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックを有する増幅装置の必要数は、２５個未満となる。取得および保守コストは大幅に低減され、レーザシステムは相当コンパクトになり、ソフトウェア制御は大幅に簡素化される。
・例えば１０Ｈｚを超える繰り返し率で１０Ｊを超えるパルスを供給可能なＮｄ：ＹＡＧセラミック増幅器を備えるレーザシステムを使用してレーザ衝撃処理を施すことにより、特定の金属の表面の機械的強度を向上させることができる。この適用の将来性は、とりわけ航空分野において見出されている。
・本発明の増幅装置の可能性のある使用法のさらなる例には、例えば現在よりも高い繰り返し率での塗装除去、レーザアブレーション、材料の微細加工、切断または溶接などの適用がある。

Claims (13)

1. 平行六面体形状の増幅媒質（２）と、冷却剤（２０）の循環を伴い前記増幅媒質およびランプを冷却するための冷却手段と、増幅に有用な周波数範囲における第１の放射、および前記増幅媒質を劣化させる可能性がある第２の放射を放出するランプ（５）を備える励起手段とを備える増幅装置であって、ランプが、少なくとも前記第２の放射の一部を吸収するとともに冷却剤（２０）の循環を意図した断面が異なる開口を有するジャケット（３）内に一体化されていることを特徴とする、装置。
2. 前記ランプがフラッシュランプであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記増幅媒質がレーザセラミックベースであることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記増幅媒質が、Ｎｄ^３＋イオンをドープしたＹＡＧセラミックであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記増幅媒質が、Ｃｒ^３＋イオンを共ドープしたＹＡＧセラミックであることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記装置が、前記増幅媒質（２）により形成される（Ｏｙｚ）平面に対して対称的であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記増幅媒質（２）の少なくとも２つの対向する面部が、Ｏｙ軸周りの回転により数度の角度で互いに傾斜し、この場合、前記増幅媒質が準平行六面体形状を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記ジャケットが、サマリウムイオンをドープした石英またはガラスをベースとする材料で作製されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ランプが、ＵＶ領域において前記第２の放射を放出することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ジャケットが、前記増幅媒質のレーザ輝線と一致するスペクトルを有する光子を吸収することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記ジャケット（３）と前記増幅媒質（２）との間にＵＶフィルタ（４）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記増幅媒質の励起を均一化する機能を有する光拡散媒質（１）が、前記ジャケットを覆うことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記拡散媒質が、容器内に詰められたＭｇＯ粉末、またはドープされていないセラミックであることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。

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