JP2013516057A - 可変周期及び安定化したエネルギーのパルスを放出するレーザー - Google Patents

Abstract

本発明は
−安定化しているゲインＧを示し、波長λでレーザーパルスを放出するのに適した増幅媒質（１１）と、Ｑスイッチ（１２）とを含む共振空洞（１）と、
−増幅媒質の連続ポンピング光源（２）と
を含む、可変周期及び安定化しているエネルギーを有するパルスを放出するのに適した、レーザー装置に関する。
レーザー装置はさらに、ポンピングの持続時間にわたって波長λの光線を増幅材料（１１）内へ照射するのに適した、共振空洞（１）の外側に位置する入射器（３）を含み、また、レーザー装置は増幅媒質のゲインをＧ／ｋに低減するために、この光線の出力を調整する手段を含み、ｋは１よりも大きい実数である。

Description

本発明の分野は、パルス繰り返し周波数が可変であり、そのエネルギーが安定化し、そして連続的な光源によりポンピングされるパルスレーザーに関する。

現在、パルスレーザーが存在するが、そのパルスはＱスイッチとして知られる空洞内スイッチを使用し、ここでＱが共振空洞の線質係数を表す。それらはＱスイッチレーザーとして知られている。

Ｑスイッチレーザーにおいては２つの相が存在する。ポンピング相は、レーザー材料内へポンピングエネルギーを蓄えることを可能にする。閉じられた空洞スイッチは共振を阻む。そのスイッチはパルスを発生させるために開放される。共振が可能である。空洞のモード内に存在する光は、レーザー材料により増幅される。非常に強いパルスが形成される。このパルスのエネルギーは、ポンピングの間にレーザー材料内に蓄えられるエネルギーに比例する。エネルギーの効果的な制御及びパルスの時間的特性を確実にするため、切り替えは速くなければならない。従来、Ｑスイッチの非常に速い開放のみが制御されている。開放のすぐ後の制御された閉鎖は、パルス当たりのエネルギーが減少することを可能にし得る。

各レーザー材料の遷移は存続期間を有する。これはレーザー遷移の励起状態において、母集団の半分が消失するために必要な、ポンピング以外の時間である。それはまた、ポンピング効率を減少させ得る、あらゆる寄生効果がない状態で、非常に長いポンピングの持続時間にわたり励起状態において、母集団の半分に達するために要する時間でもある。

パルス間の周期が、用いられるレーザー遷移の励起状態の存続期間と比較して長い場合、パルス当たりのエネルギーは最大である。周期の如何なる増加も、パルス当たりのエネルギーを変更しない。所与のレーザーに関して、このパルス当たりのエネルギーは、ポンピングの出力及び励起状態の存続期間により制御される。

これは２５０μｓの励起状態の存続期間に対して、時間の関数としてのゲイン曲線の２例を示す図１によって例証され、任意の単位で表わされるこのゲインは、曲線「ａ」に対する連続ポンピングＡ、及び曲線「ｂ」に対する連続ポンピングＡ／５によって、Ｑスイッチレーザーの増幅媒質内に蓄積される。８３０μｓを超える周期に対して、利用できるゲインは１０％未満だけ変化し、パルス当たりのエネルギーは類似の割合で変化する。

曲線の他方の端部において、周期が短縮されるとき、パルス当たりのエネルギーは、もはや励起状態の存続期間によっては制御されない。レーザーは中出力で動作する。固定周期では、パルス当たりのエネルギーは各パルスを隔てている期間に比例する。周期の如何なる変化もパルス当たりのエネルギーを変更する。後者は、その前のパルスのエネルギーとそれらを隔てる期間とに依存する。図１に示す例において、これは２５０μｓ未満の周期の領域である。

最後に、パルス当たりのエネルギーはゲインに類似の割合で変化するため、１５０〜１０００μｓの間で変化するパルス周期に対して、本質的に非常に異なるパルス当たりのエネルギーが得られる。これはそれらが１５０〜５００任意単位の間で変化するためである。

さらに、パルスは性能に関して最小エネルギー要求を満足しなければならず、しかしレーザーの不可逆的低下を避けるために、所与のエネルギーのしきい値を超えてはならない。

可変の繰り返し周波数を有する類似のパルスを得るために、複数の方法が用いられる。

第一の解決策は、Ｑスイッチレーザーの出力において区分けを行う。レーザーは基本周期と呼ばれる固定の繰り返し周期を有する。出力パルスは、拒絶されるか又は伝送される。従って、得られる周期は基本周期の倍数に限られる。各パルス列の出発位置は強制される。

別の解決策は、各パルスの放出に必要な時間の関数としての、連続ポンピング光源出力を変調することにある。ポンピング出力の変調は、ポンピングの持続時間を用いて、パルスのエネルギー増加の影響を補償する。しかしこの変調は、とりわけポンピング光源がレーザーの場合、ポンピング光源の応答時定数が許す限りにおいて可能である。必ずしもポンピングを常に十分速く変調できるわけではなく、あるいは次のパルスが放出される必要があるであろうとき、前もって十分に予測できない。ポンピングの可変出力は、繰り返し周波数が変化するとき共振空洞の熱的均衡点を変更し、Ｑスイッチレーザー内の熱的不安定性を生じる。

別の解決策は、Ｑスイッチの開放時間及び持続時間の制御を含む。開放の持続時間は、その前のパルスのエネルギー及び経過時間に依存する。従って、開放の持続時間は、その前のパルスから経過した時間とそのエネルギーの関数として制御される。開放及び閉鎖スイッチの持続時間もまた制御されなければならない。高度な電子制御が、Ｑスイッチを正確に開き、そして閉じるために必要である。この二重制御は通常的でなく複雑であり、その調整は難しい。各パルスと共に変わる周期に対して、その制御法則は調整が難しく、レーザーの存続期間中に再調整が必要である。複雑さは動作の安全性及び信頼性を低下させる。

本発明の目的は、図２に示すような、連続ポンピングを伴い、パルスの放出が可変周期とパルス当たりの安定したエネルギーを有する、パルスレーザーを得ることである。

本発明はレーザーの波長と同じ波長を有する、照射された光線が増幅されるためにレーザー材料内へ照射される、入射器の追加に基づく。ゲインを消費するこの増幅の効果は、レーザー材料の時定数の減少をシミュレーションすることである。入射器の出力調整は、レーザー材料の見掛けの時定数を変更する。見掛けの時定数は、（一般に時定数よりも３〜４倍のオーダーで大きい）長いポンピングの持続時間に対して得られたであろう分の半分の母数と、一定の入射器出力とを得るために必要とされるものである。

より正確には、本発明の対象は：
−共振空洞であって、
−安定化しているゲインＧを示し、波長λでレーザーパルスを放出するのに適した増幅媒質と、
−Ｑスイッチと
を含む共振空洞と、
−増幅媒質の連続ポンピング光源と
を含む、可変周期及び安定化しているエネルギーを有するパルスを放出するのに適した、レーザー装置である。

レーザー装置はさらに、ポンピングの持続時間にわたって波長λの光線を増幅材料内へ照射するのに適した、共振空洞の外側に位置する入射器を含むこと、そして増幅媒質のゲインをＧ／ｋに低減するために、この光線の出力を調整する手段を含み、ここでｋが１．７よりも大きい実数であることを主に特徴とする。

入射器及び安定した連続ポンピングのおかげで、各パルスは安定化しているパルス当たりのエネルギーで、時間的に正確に制御され得る。

パルスレーザーの熱負荷は、ポンピングが一定のレベルにおいて連続的であるため、安定でありパルスの要求に依存しない。

Ｑスイッチは幾らかの制約を有する。

入射器はレーザー自体と同じポンピング手段を共有することが望ましい。従って入射器はレーザーのポンピングの開始時から動作し、外部の制御無しにパルス当たりのエネルギーを安定化させる。

一変形形態において、入射器はポンピング光源の増幅媒質軸の外側に配置される。

入射器は、レーザーダイオード又はマイクロチップ・レーザー、あるいは電界発光ダイオードであってもよい。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図に関連して非限定的な例として与えられる、以下に続く詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。

曲線「ａ」に対する出力Ａの連続ポンピング、及び曲線「ｂ」に対する出力Ａ／５の連続ポンピングに関して、時間の関数として、任意の単位で表される、ゲイン曲線の２つの例を図式的に示す。 可変周期で、エネルギー的に安定したパルスを図式的に示す。 本発明によるパルスレーザー装置の一例を図式的に示す。 図１における例１と等価な条件下での、本発明によるレーザー装置で得られたゲイン曲線を図式的に示す。

同じ要素は、１つの図から別の図へと同じ参照番号により識別される。

図１における曲線は次のように説明される：
−ポンピング出力はレーザー材料（増幅媒質）の蛍光に競合する。ポンピングは、レーザー材料の励起状態の母数を増加させる。ゲインは励起状態における母数の割合と共に増加する。蛍光はゲインに比例する。蛍光は、レーザーと同じ波長における非干渉性の照射である。蛍光はゲインを消費する。ポンピングの開始時においては、多数の励起状態は存在せず、ゲインは無く、蛍光は存在しない。ゲインはポンピングと共に増加する。ゲインが小さい間は、蛍光はゲインを少ししか消費しない。ゲインの増加と共に、蛍光はこの増加を制限する。最後に、ポンピングにより供給されるゲインは完全にその蛍光によって消費される。ゲインのレベルは最大である。このレベルはポンピング出力の関数である。
−注記：高いポンピング出力に対して、蛍光はゲインを制限する第一の特性ではない。ゲインを増加させるこのプロセスは、レーザー材料内で作り出され得る励起状態の総数によっても制限され得る。
−時定数はポンピング無しにおいて定義され、それは蛍光を通じて励起状態の半分が消失するのに必要な持続時間である。それはレーザー材料の固有の特性である。
−十分に時定数の範囲内であれば、パルス当たりのエネルギーはポンピングの持続時間に比例する。
−時定数を遥かに超える場合、パルス当たりのエネルギーは固定である。
−パルス当たりのエネルギーはポンピング出力に比例する（曲線「ａ」は曲線「ｂ」に「相似」である）。

本発明による方法の効果は、レーザー材料の等価な時定数を減少させることである。これは、レーザー材料により照射された光線と同じ波長λの光線を、レーザー材料内へ照射することによって得られる。この材料内で、入射器により照射された光線は、ゲインの量に比例して増幅されるであろう。ポンピングは連続的であるため、ポンピングにより供給されるゲインと、照射の増幅によるこのゲインの消費との間には競合が存在する。この照射は、一定のレベルを超える空洞において利用できるゲインＧを制限するであろう。所与のポンピング・レベルに関して、これはレーザー材料の励起状態の存続期間における減少と等価である。等価な存続期間は、照射の出力レベルにより調整される。増幅された照射は、パルスの生成を回避するため、Ｑスイッチによって拒絶されなければならない。光線は、Ｑスイッチが閉じた位置にあるとき、入射器により照射される。入射器の役割は、ポンピングの持続時間中は有効である。Ｑスイッチが開放位置にあるとき、それは照射され得るか、あるいは照射され得ない。

レーザー材料内に蓄えられるエネルギーは、入射器のこのゲイン消費により制限される。このゲインの制限は、パルス以前の経過時間に関係なく、あらゆる過大なエネルギーを有するパルスの生成を防止する。

この照射された光線は、そのゲイン及び従ってエネルギーがそのとき制限される、レーザー媒体によって増幅される。この入射器は、それゆえ過大なエネルギーを有するパルスに対する静的な防御を提供する。

入射器は通常、レーザーの照射の品質、すなわちスペクトルの純度と精度、横モードの品質又は時間的なパルス精度を向上させるために用いられる。このために、入射器は照射モードでレーザーの方向に照射する。レーザーにおける非常に低い入射器の出力で十分である。入射器により照射される光線は、レーザー空洞内において共振状態でなければならない。入射器は、必要とされる照射を容易にするため、スイッチの開放時に照射する。入射器はまた、連続的レーザーにおいて用いられ得る。本発明による使用は、それゆえ通常の使用法とは異なる。

図３は本発明によるＱスイッチレーザーの一例を示す。Ｑスイッチレーザーは第１の出力ミラー１１及び第２のミラー１２を備えた共振空洞１を含む。それはＬ形に曲がって示されているが、直線又は環状でもあり得る。

それは、波長λの光線を照射するのに適したレーザー材料１０を含む。そのような材料の一例は、λ＝１．０６４μｍのＮｄ：ＹＡＧ又はλ＝２．１μｍのＨｏ：ＹＡＧである。

空洞１は、要求に応じてパルスの放出を可能にする、制御されるＱスイッチ１５もまた含む。このＱスイッチは、例えば図に示すように、光線を共振（又は同調）空洞の経路から、第２のミラー１２がそのとき部分的な出力ミラーとして作用する、非共振（又は離調）空洞の経路に向けて、及びその逆方向に迂回させる、音響光学スイッチであり得る。空洞が離調したとき、ポンピング出力はレーザー材料内に蓄えられる。空洞が同調したとき、ゲインが十分であればパルスが形成され得る。要求に応じて偏光の向きを変える電気光学スイッチは、光の偏光を選択する構造においても使用され得る。そのとき偏光子が共振空洞内に追加される。

空洞１は、例えばポンピング光源の波長に対して透明であり、そしてレーザー材料１０により照射される光線に対して反射するが、しかしレーザーの波長において僅かに透明のままである、結合ミラー２２によって連続ポンピング光源２に結合される。

同じ波長λの光線３１の発光体３は、前記光線をこの材料内に照射するようなやり方で、レーザー材料１０と結合される。この発光体３は、より一般的には、そこでＱスイッチレーザーが照射しなければならない、スペクトル放射帯域を発光スペクトルがカバーする、任意の連続的に照射する光源であり得る。光線３１は、レーザーのポンピングの全持続時間にわたって、連続照射の状態にある。この発光体は入射器とも呼ばれる。それは、共振空洞１により放出されるパルスによって妨害されないように、共振空洞１の外側に位置する。

この入射器３は、例えば受動的である。入射器はポンピング光線２１の経路上に位置し、このポンピング光線によって制御される。入射器は、それゆえポンピング光線２１の一部分を使用する。これはそのとき受動的保護を含む。その組立品は、保護を提供するために、能動制御を持たず静的である。入射器の照射は、必ずしもレーザー空洞の共振モードにある必要はない。

それは、図に示すように共振空洞１の前の、ポンピング光線２１の経路上に位置し得る。照射は、ポンピング光線の経路と同じ経路を経由して行われる。一変形形態によれば、ポンピング光線は２つに分割され、１つの部分はレーザー材料１０へと直接的に向けられ、もう一方はポンピング材料の経路の外側に位置する入射器３へと向けられる。

受動的入射器の場合、照射される光線の出力は設計において固定される。

別の動作モードによれば、入射器３は能動的であり、それ自体の制御手段を含む。それは、とりわけポンピング光線２１の外側で均一の効果を持つために、レーザー材料の分配された照度を可能にする任意の位置に置かれ得る。

入射器によって照射される光線３１の出力は、１．７よりも大きい実数である、係数ｋによりレーザー材料のゲインＧを低減するような方法で、結合ミラーからの伝送を考慮して調整される。

この入射器は、電界発光ダイオードか、又はそれ自体が平行な表面が片側において反射し、そしてレーザーの波長で出力側に部分反射する、レーザー自体と同じ材料で構成された、レーザーダイオード又はマイクロチップのようなレーザーであり得る。放出波長がレーザーの空洞内で共振する必要はない。

例えば、電界発光ダイオード又はレーザーダイオードの場合、照射される光線の出力を制御する手段、及び調整する手段は電流である。

既に述べた利点に加えて、パルスの期間及び前のパルスのエネルギーをもはや考慮する必要がないため、Ｑスイッチの制御は単純であることが注目され得る。

さらに、連続ポンピングがリスク無しで維持され得るため、熱的安定性はパルスの放出が無くても保たれる。

図４は、安定化しているゲインＧを有する、図１に記述されているようなＱスイッチレーザーを伴う１つの「ａ」と、Ｇ／５（ｋ＝５）の安定化しているゲインレベルを可能にする出力レベルに調整された、本発明による入射器を備えるＱスイッチレーザーを伴うもう１つの「ａ」である、連続ポンピングＡを用いて得られたゲイン曲線の２つの例を示す。

パルス当たりのエネルギーはゲインに類似の割合で変化するため、パルス当たりのエネルギーは、１５０μｓよりも長い任意の周期に対して、１０％よりも良く（９０〜１００任意単位の範囲で）安定である。一方で、入射器が無い場合、パルス当たりのエネルギーは３００％も（１７０〜５００の範囲で）変動するであろう。

可変周期及び制御されたパルス当たりのエネルギーを有するパルスの放出は、このようにして得られた。

Claims (5)

1. 可変周期のパルスを放出するのに適したレーザー装置を使用する方法であって、前記レーザー装置が：
   −安定化しているゲインＧを示し、波長λでレーザーパルスを放出するのに適した増幅媒質（１０）と、Ｑスイッチ（１５）とを含む共振空洞（１）と、
   −前記増幅媒質の連続ポンピング光源（２）と、
   −波長λの光線を前記増幅材料（１０）内へと照射するのに適した、前記共振空洞（１）の外側に位置する入射器（３）と、
   −前記照射された光線の出力を調整する手段と
   を含み、
   前記方法が、ポンピングの持続時間にわたり、及び前記Ｑスイッチが閉じた位置にあるとき、前記入射器による光線の照射ステップを含むことと、照射された光線の出力が、前記増幅媒質のゲインをＧ／ｋに低減するために調整され、ｋが１．７よりも大きい実数であることと、を特徴とする方法。
2. 前記入射器が前記ポンピング光源により制御されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置を使用する方法。
3. −安定化しているゲインＧを示し、波長λでレーザーパルスを放出するのに適した増幅媒質（１０）と、Ｑスイッチ（１５）とを含む共振空洞（１）と、
   −前記増幅媒質の連続ポンピング光源（２）と、
   −波長λの光線を前記増幅材料（１０）内へと照射するのに適した、前記共振空洞（１）の外側に位置する入射器（３）と
   を含む、可変周期のパルスを放出するのに適したレーザー装置であって、
   前記増幅媒質のゲインをＧ／ｋに低減するように構成された、前記照射された光線の出力を調整する手段を含み、ｋが１．７よりも大きい実数であることを特徴とする、レーザー装置。
4. 前記入射器（３）が、前記ポンピング光源（２）と前記増幅媒質（１０）との間の軸の外側に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のレーザー装置。
5. 前記入射器（３）が、レーザーダイオード又はマイクロチップ・レーザー、あるいは電界発光ダイオードであることを特徴とする、請求項３又は４に記載のレーザー装置。

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