JP2011517066A - マルチパス光パワー増幅器 - Google Patents

Abstract

異方性結晶、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ及びＮｄ：ＧｄＶＯ_４が多くのレーザ用途のための好適な利得物質になっている。異方性利得媒質では、補助的な補償なしでも、レーザモードが利得媒質を通過する際に劣化することはない。異方性利得媒質を組み込んだ光パワー増幅器は、複数のパスによるパワースケーリングを達成できると共に、各パスの間、レーザと励起光との間の良好なモード整合を維持することもできる。好ましい実施の形態では、シードレーザビーム（１００）が異方性利得媒質（１０２）を複数回通過し、各通過の間、ビーム変位角を実質的にゼロにすることができる。マルチパスシステムは、マイクロマシニング、ビア穴あけ及び高調波変換用途の要求を満たす高パワーＴＥＭ_００を実現する経済的で信頼できる方法を提供する。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、高パワー用途で使用される固体レーザ増幅器（solid state laser amplifier）に関する。

電子デバイス製造の分野におけるレーザマイクロマシニングには、主に、出力パワーが数ワットから数十ワットのファイバレーザ及び半導体レーザ、並びにダイオード励起固体（diode-pumped solid-state：ＤＰＳＳ）パルスレーザが適用されている。マイクロマシニング用途では、高いパルス繰り返し周波数（pulse repetition frequency：ＰＲＦ）が必要であり、この周波数に対応するレーザパルス期間は、数ナノ秒から数ピコ秒の範囲に亘り、場合によっては数フェムト秒であることもある。典型的なレーザ出力波長は、赤外線から紫外線までの範囲に亘る。単純な主発振器に依存する伝統的な固体レーザの性能は、主に、単一の発振器によるパルス繰返し速度及びパワースケーリングが限定されているために、レーザシステム技術の総合的な進歩のペースから遅れている。

当業者に周知の通り、ＴＥＭ_００レーザモードのパワースケーリングの進歩は、アクティブなレーザ媒質内での収差のある熱レンズの形成によって制限されている。熱レンズは、主に、レーザ結晶内の温度勾配によって引き起こされ、この結果、非一様な励起パワーに応じて、屈折率が歪む。「Peng, Xu, and Asundi, "Power Scaling of Diode-Pumped Nd:YVO4 Lasers," IEEE-Quantum Electronics, vol. 38, No. 9, 2002」には、最大励起パワーがドーピング濃度に反比例して変化すること、及びドーピング濃度が０．３％のバナジウム酸塩結晶については、８０８ｎｍの励起波長及び０．８ｍｍの直径の励起スポットサイズを用いて、高めることができる励起パワーは、４０Ｗだけであることが示されている。図１は、８０８ｎｍ励起レーザ（808 nm-pumped laser）について、最大励起パワーを、ドーピング濃度の関数として示すグラフである。熱レンズの形成に加えて最大入射励起パワーは、レーザ結晶の熱破損（thermal fracture）によって制限される。望ましいパワーレベルは、約１００Ｗであるが、これまでのところ、端面励起バナジウム酸塩レーザ（end-pumped vanadate laser）によって生成されるＴＥＭ_００モード狭帯域幅及び直線偏光ビームで達成される最高の出力パワーは、３０Ｗ未満である。現在、ナノ秒パルスファイバレーザは、誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering：ＳＢＳ）及びダメージ問題のために、ＴＥＭ_００モードで１ｋＷを超えるピークパワーを生成することが制限されている。

高パワーレーザ光源の要求を満たす１つの手法は、レーザパワー増幅器を用いることである。レーザパワー増幅器の利点は、異なる用途のそれぞれについて特定の要求を満たすように、最終的なパワー出力を容易にスケーリングできる点である。レーザパワー増幅器は、異なるシードレーザ光源と組み合わせることもでき、これによって、シードレーザの設計及び製造の柔軟性が高まる。但し、レーザパワー増幅器において、高品質のビーム及び安定した出力を維持する技術的課題は、残されたままである。

典型的なレーザパワー増幅器は、シングルパス構成（single-pass configuration）を用い、これは、シードレーザビームが利得媒質を一回通過することを意味する。この一例は、Ｍａｉｋ Ｆｒｅｄｅ他による「Fundamental mode, single-frequency laser amplifier for gravitational wave detectors," Optics Express, vol. 15, No. 2, 2007.」に開示されている。図２に示す、Ｍａｉｋ Ｆｒｅｄｅ他の論文に開示されているシングルパスの４段増幅器が、１Ｗのシードレーザと、４５Ｗの励起パワーとを用いて、増幅器から抽出したのは、３Ｗだけであり、これにより生じる光−光効率は、６．７％である。最先端のシングルパスパワー増幅器であっても、通常は、ダイオードレーザ励起光源からの低い抽出効率又は高い光変換比率（４０％〜６０％）を示す。なお、典型的なダイオード端面励起バナジウム酸塩レーザ発振器（diode end-pumped vanadate laser oscillator）の光−光変換効率は、４０〜６０％である。

エネルギー抽出効率を改善する方法は、レーザビームを、複数回、利得物質（gain material）に戻るように誘導し、これによって、利得を掛け合わせ、所望のパワー増幅率を達成することを伴う。典型的なマルチパス増幅器は、シングルパス増幅器より遙かに高い利得を生成する。マルチパスパワー増幅器の好適な用途には、半導体デバイスリンク処理（赤外線、緑色及びＵＶテーラードパルス（tailored pulse））、レーザマイクロマシニング（ピコ秒パルス増幅）、及びビア穴あけ（高パワーＩＲ、緑色及びＵＶレーザ）が含まれる。Ｐｌａｅｓｓｍａｎｎ他の米国特許番号第５，５４６，２２２号は、マルチパス光増幅器の幾つかの実施の形態を開示しており、これらのうちの４つの実施の形態を図３に示す。Ｐｌａｅｓｓｍａｎｎ他の特許文献は、１０ｋＨｚでＮｄ：ＹＬＦ１２パス増幅器を用いて、増幅器の利得媒質内にフォーカスされた１．６Ｗの励起エネルギーによって、２．５μＪのエネルギーが４５μＪに増幅されたことを示している。従来の多くのマルチパス構成と同様、大きい利得、この場合、２０倍の利得は、ビーム品質を犠牲にして達成される。

多くの特許文献がマルチパス増幅器を開示しているが、これらは、どれも利得媒質内でのレーザビームの変位の問題を共有しており、この変位は、２つの生来的で、重大な短所を有する。第１に、励起される領域は、異なるパスの全てのレーザモードを収容するように、十分に大きい必要があり、これが不十分であると、レーザと励起光との間のモード整合の効率が低くなる。第２に利得媒質内の非一様な励起光分布、例えば、所謂「スーパーガウス（super Gaussian）」モード等は、各パスによってレーザビームパワー分布を歪ませ、最終的に、レーザビーム品質を劣化させる。したがって、熱レンズ効果があるレーザ空胴と同様、より高いビーム品質でレーザ出力を最適化するために、補償光学素子が必要である。更に、これらのマルチパス増幅器は、通常、かなり複雑な光学的セットアップを必要とし、特別に整形された光学素子を必要とすることさえある。より重要な点として、通常、マルチパスレーザビームは、同じ２又は３つの光学素子を共有し、これが熱レンズの影響を制御することを難しくしている。これは、特に高パワー用途において、各パスがレーザビームパラメータを変更するために、問題を引き起こす。

ＭｃＩｎｔｙｒｅの米国特許番号第５，２６８，７８７号は、マルチパスレーザ増幅器のための方法及び装置を開示しているが、熱偏光解消問題（thermal depolarization issue）及び増幅器における望ましくないレージングを考慮していない。また、これは、レーザパワー増幅器の主要な要素である利得物質が、高パワー光源によって励起されたとき、レーザ増幅器の性能にどのように影響するかを考慮していない。ＹＡＧ固体レーザの場合、高パワー励起は、深刻な熱複屈折を誘起し、このようなセットアップにおいて、直交する偏光方向の利得を異ならせてしまう。強い光励起の下で熱的に誘起されるＹＡＧロッドの複屈折は、多くの論文において観察、報告及び分析されている。Ｑ．Ｌｕ他による「"A novel approach for compensation of birefringence in cylindrical Nd:YAG rods," Optical Quantum Electronics, vol. 28, pp. 57-69, 1996」は、熱複屈折によって引き起こされるレーザビームの偏光解消（depolarization）によって、光パワーの２５％が失われることを示している。Ｑ．Ｌｕ他は、緻密に設計した補償方法によって、パワー損失を５％にまで低減できたことを報告している。したがって、レーザ増幅器における熱複屈折を制御し、補償することが必要且つ重要であると考えられる。

Ｄｙｍｏｔｔの米国特許番号第６，３８４，９６６号は、以前のレーザ増幅器設計の光学部品の構成を変更し、レーザビームが複数回、利得媒質を通過するようにしながら、熱複屈折を補償することによって、このパワー損失問題を解決している。例えば、Ｄｙｍｏｔｔ特許公報では、利得媒質と第１の反射鏡との間に４分の１波長板を配置している。Ｄｙｍｏｔｔ特許公報では、ファラデー回転子から出射される直線偏光ビームが、如何なる位相遅延も生じることなく４分の１波長板を通過するように、４分の１波長板の向きを特定している。ここで、一旦、利得物質を通過した光は、熱的に誘起される複屈折のために、一般的に、楕円状に偏光される。４分の１波長板の２回の通過では、楕円偏光の回転方向が逆になり、利得物質内に熱的に誘起された複屈折が補償される。

Ｄｙｍｏｔｔ特許公報は、他の問題を解決するために、光パワー増幅器の設計において、更なる光学部品を使用することを開示している。例えば、この増幅器では、入射シード光から増幅された光を分離するために、４５°の偏光回転子又は「ファラデー回転子」が必要である。しかしながら、ファラデー回転子（Ｄｙｍｏｔｔの特許公報の図１〜図５の参照符号２、４、２３、７３）は、レーザビームのスポットサイズを制御することが困難な領域に配置され、高平均パワー及び高ピークパワーの用途でダメージを引き起こす可能性がある。他の具体例は、各レーザ結晶の両側に凹面鏡及び凸面鏡の対を配置し、非安定共振器を構築し、望ましくないレイジング動作を排除することである。

更に、高パワー用途における強い熱レンズは、主要なレンズとして機能し、増幅器内で共振器の非安定性に貢献する。周知のように、熱レンズ効果の度合いは、ＰＲＦ、冷却温度及び励起パワーに応じて変化する。Ｄｙｍｏｔｔ特許公報に開示されている、マルチパスパワー増幅器は、偏光解消作用（depolarization effect）を受けることがある等方性の利得媒質であるＮｄ：ＹＡＧから形成されている。Ｄｙｍｏｔｔ特許公報は、利得物質は、熱的に誘起された複屈折を意図的に補償するために、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＴｉ：サファイアを含んでもよいことを指摘している。

Ｄｙｍｏｔｔ特許公報では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４及びＮｄ：ＹＬＦを含む異方性利得物質が、それら自体、自然に複屈折を生じ、したがって、開示された好ましい実施の形態では、熱複屈折を補償する要素を追加する必要がないという生来的な利点があるという点が認識されていない。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶のｃ軸に沿って偏光されたシードレーザビームがＮｄ：ＹＶＯ_４増幅器結晶を通過する場合、入射した直線偏光の偏光解消の作用は、無視できる程度である。高パワーレーザ増幅器内に付加的な部品を追加すると、コスト及び光ダメージのリスクが高まると共に、増幅されたビームの品質が劣化する。更に、Ｄｙｍｏｔｔ特許公報の図面に示されている構成は、発光波長が全ての方向において同じではないため、異方性の利得物質、例えばＮｄ：ＹＬＦからの利点を享受することができない。ａ軸に沿った発光は、１０４７ｎｍであり、ｃ軸に沿った発光は、１０５３ｎｍである。したがって、２重パス及び４重パス増幅器は、それぞれ、シングルパス及び２重パス増幅器の実効増幅関数（effective amplification function）と等しい実効増幅関数を有する。

レーザパワー増幅器に関する上述した特許文献のいずれも、異方性のレーザ利得媒質の使用を検討していない。過去数十年の間に、異方性結晶、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ及びＮｄ：ＧｄＶＯ_４が多くのレーザ用途のための好適な利得物質になっており、これは、これらが高放出の断面を有し、したがって、誘導放出の速度が速いためである。また、これらの物質は、独立した偏光補償を導入することなく、直線偏光ビームを生成することができる。更に、異方性利得媒質と共に適切な光学素子を設け、熱レンジングを補正し、補助的な補償なしで熱レンズ効果を低減することができ、利得媒質を通過する際のレーザモードの劣化を確実に低減することができる。

これらの利点によって、異方性利得媒質を組み込んだ光パワー増幅器の好ましい実施の形態は、複数のパス（通過）によるパワースケーリングを達成できると共に、各パスの間、レーザと励起光との間の良好なモード整合を維持することもできる。本発明は、励起光モードとシードレーザモードとを適切に整合させて、増幅器の効率及び増幅されたビームの品質を向上させる。好ましい実施の形態は、変位が実質的にゼロになるようにビームを維持でき、これによって、効率が高くなり、マイクロマシニング、ビア穴あけ及び高調波変換用途の要求を満たす高パワーＴＥＭ_００出力を実現する経済的で信頼できるソリューションが提供される。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４又は他の異方性の利得物質を含むレーザ増幅器を構築する場合、マルチパス増幅器内の光学部品の配置及び構成が示すように、熱複屈折の補償も望ましくないレイジングも主な問題とはならない。更に、異方性のレーザ利得媒質を含む増幅器実験からのデータは、この結論を支持している。Ｎｄ：ＹＶＯ_４に関するデータは、異方性のＮｄ：ＹＶＯ_４に入射する強いシードレーザビームは、ａ軸に沿っても増幅されるが、その増幅の規模は、ｃ軸に沿った増幅の３〜４分の１であることを示唆している。

本発明の更なる側面及び利点は、添付の図面を参照して進められる好ましい実施の形態の以下の詳細な記述から明らかになる。

８０８ｎｍで励起された従来のバナジウム酸塩レーザについて、ドーピング濃度の関数として、最大励起パワーの計算上の値と測定された値とを比較するグラフ図である。 Ｆｒｅｄｅ他によって開示された従来の４段増幅器設計を示す図である。 Ｐｌａｅｓｓｍａｎｎ他によって開示された従来のマルチパス増幅器設計の４つの実施の形態の光路図をまとめて示す図である。 ２重パス増幅器の具体例を示す図である。 曲面の反射面に入射し、ここから反射するレーザビームに関する反射の法則を示す図である。 ３重パス増幅器の具体例を示す図である。 ４重パス増幅器の具体例を示す図である。 シードレーザパラメータとして、ＰＲＦを１００ｋＨｚ、パルス幅（ＰＷ）を２０ｎｓ及び吸収励起パワーを３Ｗに設定し、シングルパス増幅器構成の利得媒質のｃ軸について、シミュレートされたシードパワー及び出力パワーを時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、ＰＲＦを１００ｋＨｚ、パルス幅（ＰＷ）を２０ｎｓ及び吸収励起パワーを３Ｗに設定し、シングルパス増幅器構成の利得媒質のａ軸について、シミュレートされたシードパワー及び出力パワーを時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、ＰＲＦを１００ｋＨｚ、パルス幅（ＰＷ）を２０ｎｓ及び吸収励起パワーを３Ｗに設定し、ある２重パスａ−ｃ構成について、シミュレートされたシードパワー及び出力パワーを時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、ＰＲＦを１００ｋＨｚ、パルス幅（ＰＷ）を２０ｎｓ及び吸収励起パワーを３Ｗに設定し、ある４重ｃ−ａ−ａ−ｃパス構成について、シミュレートされたシードパワー及び出力パワーを時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 実験的なシングルパス増幅器を用いて、励起パワーを適用して達成された、測定されたシードパワー及び出力パワーレベルをプロットしたグラフ図である。 実験的なシングルパス増幅器を用いて、励起パワーを適用して達成された、測定されたシードパワー及び出力パワーレベルをプロットしたグラフ図である。 シングルパス増幅器及び４重パス増幅器について、図６で用いられたものと同じパラメータを用いてシミュレートされた出力パワー（増加）を励起パワーの関数としてプロットした図である。 シードレーザパラメータとして、パワーを２０Ｗ、パルス幅を４０ｎｓ及び測定される総吸収励起パワーを５０Ｗとして、４重パスパワー増幅器構成を介するシードレーザビームの連続する通過のそれぞれの後に、シミュレートされたパワー出力を時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、パワーを２０Ｗ、パルス幅を４０ｎｓ及び測定される総吸収励起パワーを５０Ｗとして、４重パスパワー増幅器構成を介するシードレーザビームの連続する通過のそれぞれの後に、シミュレートされたパワー出力を時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、パワーを２０Ｗ、パルス幅を４０ｎｓ及び測定される総吸収励起パワーを５０Ｗとして、４重パスパワー増幅器構成を介するシードレーザビームの連続する通過のそれぞれの後に、シミュレートされたパワー出力を時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 シードレーザパラメータとして、パワーを２０Ｗ、パルス幅を４０ｎｓ及び測定される総吸収励起パワーを５０Ｗとして、４重パスパワー増幅器構成を介するシードレーザビームの連続する通過のそれぞれの後に、シミュレートされたパワー出力を時間の関数としてプロットしたグラフ図である。 ８０８ｎｍの波長で３０Ｗで励起された、１００ｋＨｚのシードレーザの測定されたパワー増幅を出力パワーによって示し、バナジウム酸塩結晶のｃ軸及びａ軸に沿ったシードパワーの関数としてプロットしたグラフ図である。 ａ−ａ又はｃ−ｃ２重パスパワー増幅器構成の好ましい実施の形態を示す図である。 ａ−ａ−ｃ−ｃ又はｃ−ｃ−ａ−ａ４重パスパワー増幅器構成の好ましい実施の形態を示す図である。 ｃ−ｃ−ｃ−ａ又はａ−ａ−ａ−ｃ４重パスパワー増幅器構成の好ましい実施の形態を示す図である。 ｃ−ｃ−ｃ−ｃ−ａ−ａ及びａ−ａ−ａ−ａ−ｃ−ｃ６重パスパワー増幅器構成の好ましい実施の形態を示す図である。

マルチパス構成内の異方性利得媒質として一般的な使用に適する物質としては、固体媒質、例えば、以下に限定されるものではないが、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｈｏ：Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｈｏ：Ｔｍ：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４、 Ｙｂ：ＧｄＶＯ_４を含む希土類イオンドープ結晶性固体物質、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｔｉ：サファイア、アレキサンドライト及び他のＮｄドープ材料、並びにＹＬＦ、ＹＶＯ_４及びＧｄＶＯ_４結晶ホストを含む他の物質がある。利得媒質として何らかの半導体を用いることもでき、また、光学的又は電気的な励起を採用してもよい。上に列記した各物質は、１つ以上の波長において、光ビーム増幅をサポートする能力を有する。利得媒質の変換効率を向上させるために、様々な励起レーザ波長を選択することができ、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４について、８０８ｎｍ、８１９ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ及び９１４．５ｎｍの励起波長を選択することができる。レーザは、端面励起（end pumped）しても、側面励起（side pumped）してもよい。固体増幅器に適するシードレーザ、例えば、ファイバレーザ、レーザダイオード、固体レーザ、モードロックレーザ、又はシングルレーザモード（single laser mode：ＳＬＭ）レーザは、マルチパス増幅器のレーザ源となることができる。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ、２重パス（double-pass）、３重パス（triple-pass）及び４重パス（quadruple-pass）構成のマルチパス光増幅器の実施の形態を示している。これらの実施の形態のそれぞれでは、シードレーザビーム１００は、共通のビーム経路１０１に沿って、異方性利得媒質１０２を複数回通過し、各通過の間、ビーム経路１０１からのビーム変位角（angular beam displacement）１０４（図４Ａ−１）を実質的にゼロにすることができる。図３に示す、非正反射（non-specular reflection）を伴う従来の構成とは異なり、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃのマルチパス構成のそれぞれでは、シードレーザビーム１００は、曲面ＨＲミラー１０６に入射するとき、ミラーの凹面１０７に垂直に入射する。図４Ａ−１を参照して説明すると、反射の法則によれば、一般的に、面法線１１２を基準に測定される入射ビーム１１０の入射角１０８は、反射ビーム１１６の反射角１１４に等しい。反射ビーム１１６と入射ビーム１１０との間の角度は、ビーム変位角（angular beam displacement）１０４を画定する。入射角１０８が０°である垂直入射の場合、反射ビーム１１６は、入射ビーム１１０のビーム経路１０１を逆戻りし、ビーム角変位１０４を実質的に０にし、又は、等価な表現として、入射ビームと反射ビームとを整列させる。ビーム１１０とビーム１１６の整列は、利得媒質１０２内におけるビーム伝播の制御を容易にし、レイジングモード（発振モード）とポンプモード（励起モード）との間の良好なモード整合（good mode match）を確実にする。

異方性利得媒質１０２を使用する図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの２重、３重、及び４重のパス構成のそれぞれは、光軸１１８に対するシードレーザビーム１００のビーム経路１０１の実質的にゼロのビーム角変位１０４を示している。すなわち、シードレーザビーム１００は、一般に光軸１１８に沿って、伝播し、その経路を反対方向に逆戻りし、出力レーザビーム１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃとして、光軸１１８に垂直な方向に、光増幅器システムから出射される。各構成では、シードレーザビーム１００は、まず、ファラデーアイソレータ１２０を通過し、偏光ビームスプリッタ１２２（図４Ａ及び図４Ｃ）又は１３３（図４Ｂ）に入射し、偏光ビームスプリッタ１２２、１３３は、ビームの偏光方向及びビームスプリッタ内の光学素子の向きに応じて、シードレーザビーム１００を通過させ、又はシードレーザビーム１００の向きを９０°偏向する。利得媒質１０２の周囲に配置された様々な光学部品は、レーザビーム１００が、利得媒質１０２を、連続して必要な回数通過するようにレーザビーム１００を方向付けた後、光増幅器システムから出力レーザビーム１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃを出射させる。

図４Ａに示す２重パス構成１２４は、利得媒質１０２と曲面ＨＲミラー１０６との間に配設された４分の１波長板１２６を含む。シードレーザビーム１００は、ファラデーアイソレータ１２０を出て、まず、偏光ビームスプリッタ１２２を通過し、利得媒質１０２を介して、次に４分の１波長板１２６を通過する。曲面ＨＲミラー１０６から反射し、この時点で増幅されているレーザビーム１００は、４分の１波長板１２６を逆方向に通過する。４分の１波長板１２６は、利得媒質１０２から出射される直線偏光の偏光方向に対して４５°の角度に向けられた光軸を有する。４分の１波長板１２６の目的は、増幅されたシードレーザビームの偏光方向を、２回の通過で合計９０°回転させることである。そして、回転された直線偏光は、再び利得媒質１０２を通過し、偏光ビームスプリッタ１２２によって分離された後、出力レーザビーム１１９ａとして光学システムを出る。２重パス構成１２４は、ファラデー回転子を備えておらず、したがって、熱的に誘起された複屈折を補償することを意図する従来の設計と異なっている。２重パス構成１２４では、これは、異方性利得媒質１０２によって実現されるので、このような補償は、不要である。

図４Ｂに示す３重パス構成１３０は、２重パス構成１２４で使用されている４分の１波長板１２６の代わりとしての半波長板１３２と、偏光ビームスプリッタ１２２の代わりとしての偏光ビームスプリッタ１３３と、追加された部品としての第２の曲面ＨＲミラー１３４、第２の偏光ビームスプリッタ１３６及びファラデー回転子１３８とを備える。シードレーザビーム１００は、ファラデーアイソレータ１２０を出て、まず、偏光ビームスプリッタ１３３及び利得媒質１０２を通過する。次に、レーザビーム１００は、ファラデー回転子１３８、半波長板１３２及び第２の偏光ビームスプリッタ１３６を通過し、曲面ＨＲミラー１０６から反射して、システムの各光学部品を介して逆戻りし、レーザビーム１００は、第１の偏光ビームスプリッタ１３３に入射し、第１の偏光ビームスプリッタ１３３は、レーザビーム１００の向きを９０°偏向し、これにより、レーザビーム１００は、曲面ＨＲミラー１３４から反射する。そして、レーザビーム１００は、第１の偏光ビームスプリッタ１３３に戻り、第１の偏光ビームスプリッタ１３３は、レーザビーム１００を反射して利得媒質１０２に戻し、そして、ファラデー回転子１３８及び半波長板１３２への３回目の通過が行われる。そして、レーザビーム１００は、第２の偏光ビームスプリッタ１３６によって９０°偏向され、出力レーザビーム１１９ｂとして出射される。

図４Ｃに示す４重パス構成１４０は、４分の１波長板１２６の追加によって配置が変更された３重パス構成１３０の部品を含む。シードレーザビーム１００は、ファラデーアイソレータ１２０を出て、まず、偏光ビームスプリッタ１２２、ファラデー回転子１３８及び半波長板１３２を通過する。レーザビーム１００は、偏光ビームスプリッタ１３３を介して伝播した後に、曲面ＨＲミラー１０６と、曲面ＨＲミラー１３４との間を往復し、この結果、利得媒質１０２、４分の１波長板１２６を４回通過する。利得媒質１０２を介する４回目の通過の後、レーザビーム１００は、偏光ビームスプリッタ１３３を逆方向に通過し、半波長板１３２及びファラデー回転子１３８を経由して、偏光ビームスプリッタ１２２に入射し、出力レーザビーム１１９ｃとして出射される。

シードレーザと励起ビームとの間の良好なモード整合によって、抽出の効率が高い高品質のビームを実現できる可能性が高まる。更に、利得媒質１０２は、端面励起設計で構成しても、側面励起設計で構成してもよい。シングルレーザモード（single laser mode：ＳＬＭ）動作の場合、曲面ＨＲミラー１０６、１３４を位相共役セル（phase conjugate cell）に置き換えてもよく、位相共役は、増幅器における歪みを除去するので、レンズを不要にすることができる。更に、開示した増幅器では、望ましくないレイジング動作がない。これに代えて、曲面ＨＲミラー１０６、１３４は、良好なモード整合を達成し、増幅されたビーム品質を向上させるように設計されている。

マルチパス構成の好ましい実施の形態は、レーザダイオード励起バナジウム酸塩（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）パワー増幅器に類似している。Ｎｄ：ＹＶＯ_４は、異方性利得（anisotropic gain）を有するが、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶は、レーザビーム１００の偏光方向がａ軸及びｃ軸の何れかに整列すると、レーザ光を発することができるので、このマルチパススキームにも使用することができる。レーザビーム１００の偏光方向がｃ軸に整列している場合、利得は、レーザビーム１００の偏光方向がａ軸に整列している場合の利得の約３倍になる（このため、従来の技術では、レイジングのために主にｃ軸を用いる。）１％のＮｄドーピング濃度のＮｄ：ＹＶＯ_４のａ軸及びｃ軸に沿ったレーザ関連のパラメータは、以下の通りである。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶のａ軸及びｃ軸に沿った増幅をシミュレートする数値モデルが設計及び開発されている。シングルパス増幅器について、ｃ軸及びａ軸に沿った増幅を比較するシミュレーション結果をそれぞれ図５Ａ及び図５Ｂに示す。シミュレーション及び実験（後述する）の両方は、１００ｋＨｚのＰＲＦ、２０ｎｓのＰＷ及び３Ｗの吸収励起パワー（absorbed pump power）の共通のパラメータ設定を含む。ピークパワーレベルは、ｋＷの桁にあり、平均パワー値は、１Ｗ〜１０Ｗの桁にある。図５Ａは、５０ｎｓの時間間隔１５４に亘る、シングルパスｃ軸パワー出力の時間的な変化を表す曲線１５０ｃと、シードレーザパワーを表す曲線１５２とを示している。曲線１５０ｃと曲線１５２との比較によって、１．４ｋＷのシングルパスｃ軸ピークパワー出力１５６は、１．１ｋＷのピークシードレーザパワー１５８に対応することがわかる。１００ｋＨｚの完全なサイクル（１０μｓ又は１０，０００ｎｓに等しい）に亘る平均パワーは、２．８６Ｗと算出され、これは、５０ｎｓの非常に短い時間間隔１５４内で放出されたシングルパスｃ軸エネルギーを表している。図５Ｂは、５０ｎｓの時間間隔１５４に亘る、シングルパスａ軸パワー出力の対応する時間的な変化を表す曲線１５０ａと、曲線１５２とを示している。曲線１５０ａと曲線１５０ｃとの比較によって、１．３ｋＷのピークシングルパスａ軸パワー出力１６２及び２．６Ｗの平均シングルパスａ軸パワー出力が明らかとなる。対応する抽出効率は、ｃ方向の増幅がａ方向の増幅の３倍大きいことを示している。

シングルパスから２重パス及び４重パスのパワー増幅器への進歩によって、同じ値の励起パワー及びシードパワーについて、抽出効率が次第に高くなり、及び対応するｃ軸出力パワーが次第に大きくなる。図５Ａのシングルパス増幅器の結果に対応するｃ軸に沿った１２．４％のシングルパス抽出効率から外挿すると、シミュレーションは、ａ−ｃ２重パス増幅器１２４が、１．４５ｋＷピーク出力パワー１６４（図５Ｃ）に対応する１５．５％の抽出効率及び３．０Ｗの平均出力パワーを有し、ｃ−ａ−ａ−ｃ４重パス増幅器１４０が、１．６ｋＷピーク出力パワー１６５（図５Ｄ）に対応する２３．０％の抽出効率及び３．２Ｗの平均出力パワーを有することを予測する。

シングルパス増幅器のシミュレーション結果は、図６Ａ及び図６Ｂに示すｃ軸に沿ったシングルパス増幅の実験結果に適合する。図６Ａ及び図６Ｂは、数値モデルを較正するための、２０ｎｓのＰＷで、１００ｋＨｚのＰＲＦでパルスされた１０６４ｎｍの２．５Ｗ平均パワーシードレーザを用いて行われたパワー増幅器の実験の結果を示している。レーザビームのスポットサイズは、２５０μｍであり、ビームウエストにおける励起ビームのスポットサイズは、２８０μｍであった。８０８ｎｍの励起源は、直径が１００μｍ、開口数（ＮＡ）が０．２２のファイバ結合レーザダイオード（fiber-coupled laser diode）であった。この実験の結果、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶によって、８０８ｎｍにおいて、３Ｗの励起パワーが吸収された。このパワー増幅器実験に基づくシングルパス増幅器構成を用いて、ｃ軸に整列するレーザ偏光方向に２．８Ｗの平均出力パワーが生成され、ａ軸に整列するレーザ偏光方向に２．６Ｗの平均出力パワーが生成された。開示したパワー増幅器モデルに基づく２重パス構成からは、３Ｗの平均出力パワーを予測できる。

２０ｎｓのＰＷ、３５０μｍのレーザビームスポット直径及び３８０μｍの励起ビームスポット直径で、１００ｋＨｚでパルスされた０．７Ｗシードレーザを用いて、シングルパス増幅器及び４重パス増幅器の両方について出力パワー及び利得をそれぞれ励起パワーの関数として示すシミュレーションを行った。図７に示す結果は、両方の構成について概ね線形の関係１６６を示しており、４重パス増幅器の場合の方が、励起パワーによって、より急峻な増加１６８を示している。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃの実施の形態において実現されるマルチパスパワー増幅器設計は、数十ワットの桁の高パワー用途にも適合する。１００ｋＨｚのＰＲＦ、４０ナノ秒のＰＷで２０Ｗ平均パワーを有するシードレーザビーム１００は、８０８ｎｍの励起波長において合計５０Ｗの励起パワーを吸収する利得媒質を通過する。レーザビームのスポットサイズは、５５０μｍであり、励起ビームのスポットサイズは、５８０μｍである。図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄは、高パワー用途のシミュレーション結果１７０を示している。ｃ軸に沿ったシングルパス構成の抽出効率は、２２．９％であり、３１．４Ｗの平均パワー出力を生成し、これは、構成１４０と同様のｃ−ａ−ａ−ｃ４重パス増幅器を用いると、効率が４４．４％に向上し、平均出力パワーが４２．２Ｗになる。図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄの高パワー増幅器は、シードレーザピークパワー１７８より約２〜３倍大きいピークパワーレベル１７６ａ、１７６ｂ、１７６ｃ、１７６ｄを生成する（約４．５ｋＷから約７ｋＷ〜１０ｋＷを生成する）。

図９は、出力パワーをシードパワーの関数として示しており、ここで、ａ軸増幅１８２とｃ軸増幅１８３との間の違いは明らかである。シードレーザパワー１５２が増加すると、パワー出力１６０は、特に４重パス構成の場合、及び特にシードレーザビーム１００がバナジウム酸塩結晶のｃ軸に沿って方向付けられている場合に、劇的に増加する。

従来のシステムと同様に熱的に誘起された複屈折を補償する必要がある場合、マルチパス増幅器構成は、偶数のパスに限定され、ここで、利得媒質内を往復する光ビームの偏光状態は、直交している必要がある。したがって、第１のパスにおいて、ビームがｃ軸に沿って偏光される場合、ビームは、第２のパスでは、ａ軸に沿って偏光されている必要がある。２重パス増幅器では、ａ−ｃ構成又はｃ−ａ構成のみが許容され、４重パス増幅器では、ａ−ｃ−ｃ−ａ構成又はｃ−ａ−ａ−ｃ構成のみが許容される。但し、異方性媒質、例えば、バナジウム酸塩では、熱的に誘起された複屈折のための補助的な補償は不要であり、増幅器設計における自由度が高まる。

図１０、図１１、図１２及び図１３は、異方性利得媒質で実現され、この結果、ｃ軸及びａ軸に沿ったパスの順序の変化が許容される図４Ａ、図４Ｂ及び４Ｃに示すマルチパス増幅器の変形例を示している。これらの実施の形態の光学部品は、異方性利得媒質の特性の利益を享受できるように配設されている。具体的には、最初の２回の通過では、シードレーザビームの偏光方向は、放出断面積を最大にするバナジウム酸塩利得物質の結晶軸（ｃ軸）に整列された後、ａ軸にアラインされる。更なる２重パス構成、例えば、ａ−ａ又はｃ−ｃ（図１０）及び４重パス構成ａ−ａ−ｃ−ｃ又はｃ−ｃ−ａ−ａ（図１１）が可能になる。図１０は、図４Ａと同様の２重パス構成を示しているが、利得媒質１０２のアップストリーム側の第１の破線ボックス１８４ａ内にファラデー回転子１３８及び半波長板１３２が追加されており、図４Ａの曲面ＨＲミラー１０６に隣り合う４分の１波長板１２６が削除されている。図４Ｃに示す４重パス構成に同様の偏光を加えると図１１の構成となる。

図１２に示す４重パス構成は、図１０に示す２重パス構成に基づいており、第２の破線ボックス１８４ｂ内に示す光学部品が追加されている。第２の利得媒質１８５は、第２の４分の１波長板１８６と共に、偏光スプリッタ１３３と、第２の曲面ＨＲミラー１３４との間に挿入されている。したがって、ビームは、合計で４回の通過のために、利得媒質１０２及び利得媒質１８５をそれぞれ２回通過する。

図１３は、より効率的な構成である６パスの増幅器を示しており、これは、第３の破線ボックス１８８内に含まれている３個の光学部品の更なるブロック以外は、第２の利得媒質１８５を含む図１２の４重パス構成と同じである。更なる光学部品は、ファラデーアイソレータ１２０の直後のビーム経路に挿入された第２の偏光ビームスプリッタ１２２と、第２のファラデー回転子１９０と、第２の半波長板１９２とを含み、第２の４分の１波長板１８６は、削除されている。

ここに開示した上述の実施の形態の詳細は、その基底にある原理から逸脱することなく、様々に変形できることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって判断される。

Claims (9)

1. レーザエネルギの偏光に依存する増幅を行い、ビーム歪みが低減されたレーザ出力を生成するマルチパス光パワー増幅器を構成する方法において、
   生来的な特異な軸利得及び関連する生来的な特異な熱複屈折によって特徴付けられる、互いに直交するように関係づけられた第１及び第２の利得軸をする異方性利得媒質を準備するステップと、
   偏光されたシードレーザビームを誘導して、前記異方性利得媒質を複数回通過させるステップであって、前記複数回の通過のそれぞれのためのシードレーザビームは、共通ビーム経路に沿って伝播し、前記共通ビーム経路から実質的に変位せず、前記シードレーザビームは、前記共通ビーム経路を横断する偏光方向を有するステップと、
   前記利得媒質の第１及び第２の利得軸に対して、前記偏光されたシードレーザビームの偏光方向の整列を調整し、前記複数の通過の回数を確定し、レーザ出力ビームを生成するステップとを有し、
   前記ビーム経路から実質的に変位しない前記シードレーザビームは、レーザ出力ビーム歪みを低減し、前記生来的な特異な熱複屈折は、レーザ出力エネルギー抽出効率を高める方法。
2. 前記異方性利得媒質は、希土類イオンドープ結晶性固体材料を含む請求項１記載の方法。
3. 前記希土類イオンドープ結晶性固体材料は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｈｏ：Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｈｏ：Ｔｍ：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４又はＹｂ：ＧｄＶＯ_４を含む請求項２記載の方法。
4. 前記異方性利得媒質は、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｔｉ：サファイア又はアレキサンドライトを含む請求項１記載の方法。
5. 前記異方性利得媒質は、断面が円形の筒状ロッドの形状の結晶性固体材料である請求項１記載の方法。
6. 前記異方性利得媒質は、断面が多角形状の筒状ロッドの形状の結晶性固体材料である請求項１記載の方法。
7. 前記筒状ロッドの多角形状の断面は、正方形である請求項６記載の方法。
8. 前記筒状ロッドの多角形状の断面は、六角形である請求項６記載の方法。
9. 前記偏光されたシードレーザビームの偏光方向の整列を調整するステップは、ビームスプリッタに前記偏光されたシードレーザビームを複数回通過させ、前記ビームスプリッタから前記レーザ出力ビームを出射させるステップを含む請求項１記載の方法。

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