JP2010512651A - レーザ - Google Patents

Abstract

共振器内偏光と熱的に誘起される複屈折に対する補償とを実現するための別の光学部品を無くし、それらに付随する損失を無くすことにより、従来技術のデザインに対して効率が向上して複雑さが減少したレーザ装置。

Description

本発明は、レーザ装置に関し、詳細には、可視レーザ・ビームを高効率で発生することが可能なレーザ装置に関する。本発明は、ダイオード・ポンピングされるレーザ装置に対して最適である。

可視波長範囲のレーザ・ビームを発生するために、ダイオード・レーザ・ポンピングされて周波数倍増された固体レーザが長年用いられており、種々の用途において有用である。ポンピング・レーザ・ビーム・エネルギーを所望の可視出力レーザ波長に変換する効率は、構成されるデバイスのコストおよびサイズの点で決定的に重要である。

特許文献１（出願人ブライト・ソリューションズ）には、最少の光学部品を用いて可視レーザ・ビームを発生するためのレーザ装置が記載されている。ブライト・ソリューションズのデザインの効率は、直線偏光放射を伴うアクティブ利得材料を用いる必要があるため制限されている。その結果、利用可能な材料、ひいては波長および出力パワー・レベルの選択が限定されている。

特許文献２（出願人メレス・グリオット社）にも、最少の光学部品を用いてレーザ・ビームを発生するためのレーザ装置が記載されている。しかしながら、このデザインの効率は、アクティブ利得材料内に熱的に誘起される複屈折が原因で生じる共振器内の偏光解消損失によって制限されており、加えて、効率的なタイプ１の周波数倍増を可能にする基本波長の最適な偏光を選択していない。

非特許文献１に報告されているように、ハンブルク大学の研究者が、ダイオード・ポンピングされる固体レーザから青色連続波レーザ・パワーを発生することに対する記録的な効率を、ダイオード・レーザから得られる２１Ｗの８０８ｎｍ放射を用いてポンピングした場合に出力２．８Ｗの４７３ｎｍ光を発生することによって実現した。研究者のデザインでは、レーザ・ロッドとバック・ミラーとの間に４分の１波長プレートを配置して、レーザ・ロッドの熱複屈折によって偏光解消された光がロッドを２回目に通過する際に逆になるようにすることによって、効率が向上される。加えて、周波数倍増に対する最適な直線偏光を選択すべく、ブルースター・プレートがミラー間に配置されている。これらの手段によって効率が向上する一方で、付加的な構成要素によって不必要な損失が生じている。

国際公開第ＷＯ２００４／０９５６６０号 国際公開第ＷＯ２００１／０６７５６２号

オプティクス・レターズ（Optics Letters）、２００３年３月１５日

本発明の目的は、可視レーザ・ビームを高効率で生成することが可能なレーザ装置を提供することである。
さらなる目的が、以下の説明から明らかである。

唯一の形態、或いは実際に最も広い形態である必要はないが、一形態において、本発明は、第１の端部のミラー、第２の端部のミラー、および出力カプラによって規定される曲がり共振器と、共振器内において第１の端部のミラーと出力カプラとの間に設けられた、基本波長において基本的な光放射を発生する光学的に等方なアクティブ利得媒体であって、熱的に誘起される複屈折が最小限になるように切断され、載置され、冷却される光学的に等方なアクティブ利得媒体と、共振器内において第２の端部のミラーと出力カプラとの間に設けられた、基本波長における光放射を出力波長に、タイプ１の位相整合を用いて変換する非線形結晶であって、出力波長の最も効率的な発生が得られるように切断されて配向される非線形結晶とを備え、第１の端部のミラーは、基本波長において高い反射率を有し、第２の端部のミラーは、基本波長において高い反射率を有し、出力波長において高い反射率を有し、出力カプラは、基本放射の特定の偏光において高い反射率を有し、基本放射の直交偏光において低い反射率を有し、出力波長において高い透過率を有するレーザ装置に関する。

好ましくは、レーザ装置は、ポンプ波長においてレーザ放射を発生するレーザ・ダイオード・ポンプをさらに備える。第１の端部のミラーは好適には、ポンプ波長において高い透過率を有している。

利得媒体は最も好適には、１１２３ｎｍの基本波長において基本放射を発生するＮｄ：ＹＡＧである。非線形結晶は最も好適には、タイプ１の位相整合によって５６１．５ｎｍの出力波長を発生する周波数倍増結晶である。

出力カプラが共振器内偏光子として働く結果、別個の偏光光学部品を必要としない。共振器内偏光と熱的に誘起される複屈折に対する補償とを実現するための別個の光学部品を無くし、それらに付随する損失を無くすことにより、従来技術のデザインに対して効率が向上し複雑さが減少する。

明細書の全体にわたって、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、用語「備える」および「備えている」は、記載した整数または整数の群を含むことを意味するが、他の任意の整数または整数の群を排除することを意味するものではないと理解される。

レーザ共振器の第１の実施形態を示すブロック図。 温度制御装置とダイオード・レーザ源とを備えるレーザ共振器を示すブロック図。 好ましい実施形態のレーザ・デザインの測定された性能特性のグラフであり、入力パワーに対して得られる出力パワーを示す図。

次に、本発明の理解を助けるために、好ましい実施形態について添付の図を参照して説明する。
本発明の異なる実施形態を記載する際に、共通の参照数字を用いて同様の特徴を記載する。

図１を参照して、第１の端部のミラー１１、出力カプラ１２、および第２の端部のミラー１３によって規定される曲がりレーザ共振器１０を示す。第１の端部のミラー１１と出力カプラ１２との間に、アクティブ利得媒体１４が配置されている。典型的なアクティブ利得媒体はＮｄ：ＹＡＧであり、同Ｎｄ：ＹＡＧは１１２３ｎｍの基本波長において光放射を発生する。Ｎｄ：ＹＡＧは、共振器モードに対して熱収差が小さい光学的に等方な利得媒体である。同様の特性を伴う他の等方性の利得媒体、例えば、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、およびＴｍ：ＹＡＧも好適であろう。

アクティブ利得媒体１４は、第１の端部のミラー１１と第２の端部のミラー１３とによって規定される共振器内で循環するコヒーレントな基本ビーム１６を生成する。アクティブ利得媒体１４は、熱的に誘起される複屈折が最小限になるように切断され、載置され、および任意に冷却される。その結果、複屈折を補償するための付加的な光学部品を必要としない。例えば、アクティブ利得媒体１４は、配向＜１００＞の方向に切断されてもよい。拡散接合された不純物添加のないキャップをアクティブ利得媒体１４の端部において、ヒートシンクとして作用するように用いることにより、冷却を向上させることができる。

出力カプラ１２と第２の端部のミラー１３との間に、非線形結晶１５が配置されている。非線形結晶１５は通常、タイプ１の位相整合によって周波数変換を行なう周波数倍増結晶（第２高調波発生器）であり、例えばＬＢＯである。タイプ１の位相整合を可能にする他の好適な材料（例えば、ＢＩＢＯ）を用いても良い。

非線形結晶１５は、基本波長からの基本ビーム１６を周波数倍増して、第２高調波波長における変換されたビーム１７を形成する。出力カプラ１２は、変換されたビーム１７がレーザ・ビーム１８として共振器から出射することを許容とするが、出力カプラ１２は基本ビーム１６を反射する結果、曲がり共振器が形成される。共振器内で循環する偏光に対して基本波長が最も効率的に波長変換されるように、非線形結晶は、切断されて配向される。

図２に示すように、レーザ装置１０は、ダイオード・ポンピングされる固体レーザとして最も好適に構成される。ダイオード・ポンプ源２０は、第１の端部のミラー１１を通してアクティブ利得媒体１４をポンピングする。第１の端部のミラー１１は、ポンプ波長において高い透過率を有するが、基本波長において高い反射率を有する。好適なポンプ源は、８００〜８１０ｎｍにおいて発光するファイバ結合レーザ・ダイオード・アレイである。

タイプ１の位相整合に対して熱安定性を提供するために、周波数倍増結晶１５は、温度固定デバイス２１によって熱的に安定化されても良い。好適なデバイスは、結晶台における熱電対によって駆動されるフィードバック・ループを伴うペルチエ効果冷却器である。

レーザ装置１０の安定的な性能を提供するために、熱安定性を確保する必要がある。図２に示すように、すべての光学素子の熱的等価性を維持すべく、冷却手段２２が共振器に関連付けられても良い。好適な１つのアプローチは、構成要素を水冷式の銅ブロック上に載置することである。他のアプローチが当該技術分野で知られている。

本発明の利点を実証するために、図３にレーザ効率のグラフを示す。そのグラフは、図２に示すように構成された周波数倍増固体レーザに対して、入力パワーの関数として出力パワーを示す。ポンプ源は、２０Ｗのパワーまで送出するファイバ結合レーザ・ダイオード・アレイである。アクティブ利得媒体はＮｄ：ＹＡＧであり、非線形結晶はＬＢＯである。第１の端部のミラーは、８０８ｎｍにおいて高い透過率を有し、１１２３ｎｍにおいて高い反射率を有する。第２の端部のミラーは、１１２３ｎｍにおいて高い反射率を有し、５６１．５ｎｍにおいて高い反射率を有する。出力カプラは５６１．５ｎｍにおいて高い透過率を有し、そのため周波数倍増放射がレーザ・ビームとして共振器を出る。出力カプラは、光放射の特定の直線偏光に対して１１２３ｎｍにおいて高い反射率を有し、直交偏光の抑制を確実にするのに十分に低い反射率を直交面内に有する。反射率が偏光に依存することは、直線偏光を伴うレーザ光をアクティブ利得媒体が発生する非線形の損失メカニズムとして作用する。

図３より、レーザ装置の効率が１５％に近いことが分かる。
レーザ装置は最少の光学部品を有する。従って、共振器内損失が最小である。また、レーザは、熱的に安定させるべき要素が少ないため、従来技術において公知のものよりも安定している。簡素なデザインであるために、非常にコンパクトなデバイスを構成することができ、ミラー１１とミラー１３との間の４０ｍｍのビーム経路長が容易に実現可能である。

明細書の全体にわたって、その目的は、本発明をいずれか１つの実施形態または特徴を特定的に集めたものに限定することなく、本発明の好ましい実施形態を説明することであった。本発明の幅広い範囲に含まれる種々の変更および変形が、当業者には明らかである。

Claims (19)

1. 第１の端部のミラー、第２の端部のミラー、および出力カプラによって規定される曲がり共振器と、
   前記共振器内において前記第１の端部のミラーと前記出力カプラとの間に設けられた、基本波長において基本的な光放射を発生する光学的に等方なアクティブ利得媒体と、
   前記共振器内において前記第２の端部のミラーと前記出力カプラとの間に設けられた、前記基本波長における光放射を出力波長に、タイプ１の位相整合を用いて変換する非線形結晶と、を備え、
   前記第１の端部のミラーは、前記基本波長において高い反射率を有し、
   前記第２の端部のミラーは、前記基本波長において高い反射率を有し、かつ、前記出力波長において高い反射率を有し、
   前記出力カプラは、前記基本放射の特定の偏光において高い反射率を有し、前記基本放射の直交偏光において低い反射率を有し、かつ、前記出力波長において高い透過率を有するレーザ装置。
2. ポンプ波長においてレーザ放射を発生するレーザ・ダイオード・ポンプをさらに備える請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記第１の端部のミラーが前記ポンプ波長において高い透過率を有する請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記レーザ・ダイオード・ポンプが、８００ｎｍ〜８１０ｎｍのポンプ波長範囲においてレーザ放射を発生するファイバ結合レーザ・ダイオード・アレイである請求項２に記載のレーザ装置。
5. 前記利得媒体が、１１２３ｎｍの基本波長において基本放射を発生するＮｄ：Ａｇである請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記利得媒体が、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、およびＴｍ：ＹＡＧから選択される請求項１に記載の装置。
7. 前記非線形結晶は、タイプ１の位相整合によって５６１．５ｎｍの出力波長を発生する周波数倍増結晶である請求項１に記載のレーザ装置。
8. 前記周波数倍増結晶が、温度固定デバイスによって熱的に安定化されている請求項７に記載のレーザ装置。
9. 前記温度固定デバイスが、前記周波数倍増結晶に隣接して配置される熱電対によって駆動されるフィードバック・ループを伴うペルチエ効果冷却器である請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記出力カプラが共振器内偏光子として機能することにより、別の偏光光学部品を必要としない請求項１に記載のレーザ装置。
11. 前記光学的に等方なアクティブ利得媒体は、熱的に誘起される複屈折が最小限になるように切断され、載置され、かつ冷却される請求項１に記載のレーザ装置。
12. 前記光学的に等方なアクティブ利得媒体が、配向＜１００＞の方向に切断されている請求項１１に記載のレーザ装置。
13. 前記光学的に等方なアクティブ利得媒体がヒートシンクによって冷却される請求項１１に記載のレーザ装置。
14. 前記ヒートシンクは、前記光学的に等方なアクティブ利得媒体の端部に配置される拡散接合された不純物添加のないキャップを含む請求項１３に記載のレーザ装置。
15. 前記非線形結晶は、前記出力波長の最も効率的な発生が得られるように切断されて配向される請求項１に記載のレーザ装置。
16. 前記非線形結晶が周波数倍増ＬＢＯ結晶である請求項１に記載のレーザ装置。
17. 前記非線形結晶が周波数倍増ＢＩＢＯ結晶である請求項１に記載のレーザ装置。
18. 前記共振器のすべての光学素子を同じ温度に維持するための冷却手段をさらに備える請求項１に記載のレーザ装置。
19. 前記共振器が水冷式の銅ブロック上に載置される請求項１８に記載のレーザ装置。

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