JP2013541859A - 横励起レーザ増幅器構造 - Google Patents

Abstract

光学利得構造は、ポンプ源とポンプアパーチャとを備える。また、構造は、利得領域を備え、利得領域は、レーザ波長の光を増幅するように動作可能な利得素子を備える。利得領域は、光路と交差する第１の側と、第１の側に対向する第２の側と、第１及び第２の側に隣接する第３の側と、第３の側に対向する第４の側とを特徴とする。構造は、ポンプアパーチャと利得領域の第１の側との間に配置された二色性部分を更に備える。二色性部分は、ポンプ波長における低反射率及びレーザ波長における高反射率を特徴とする。構造は、利得領域の第３の側に近接する第１のクラッディング部分と、利得領域の第４の側に近接する第２のクラッディング部分とを更に備える。
【選択図】 図１

Description

政府支援の研究又は開発によりなされた発明の権利に関する説明

[0001]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営について、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間で締結された契約番号第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従い、本発明における権利を有する。

[0002]エネルギー情報局及び現在の気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）のシナリオによれば、２０３０年までに、世界中の電力需要が、現在の約２テラワットの電力（ＴＷｅ）レベルから４ＴＷｅへと２倍になり、２１００年までには８〜１０ＴＷｅに達すると予想される。また、今後３０〜５０年間は、電力生産の需要の大部分が、化石燃料、典型的には石炭及び天然ガスにより提供されると予想される。石炭は現在の世界の電気エネルギーの４１％を提供しており、２０３０年までに４５％を提供すると予想される。加えて、ＩＰＣＣの最新レポートでは、大気中への二酸化炭素排出の人為的な原因が、地球の気候に対して９０％の大きな影響を与えている可能性が提起された。「現状維持」基準のシナリオでは、２０５０年までに二酸化炭素排出が現在のレベルの略２．５倍になり得ることが示される。大気中の二酸化炭素濃度を安定、低下させ、付随する気候変動を軽減するよう努めつつ、先進国及び発展途上国の両方において増加するエネルギー需要を満たすために、新しい技術及び代替エネルギー源がかつてないほどに必須となっている。

[0003]非炭素排出エネルギー源である原子力エネルギーが、１９５０年代から世界のエネルギー生産の重要な要素となっており、現在は世界の電気生産の約１６％を占め、その割合は原理上は、増加し得る。しかし、複数の要因により、原子力エネルギーの長期にわたる持続可能性が困難になっている。このような問題には、核物質の拡散の危険や、核燃料サイクルによる技術、すなわち深地層処分場への埋設を必要とする長寿命放射性核廃棄物の発生、ワンススルー開放核燃料サイクルに対する現在の依存、及び低コストで二酸化炭素排出量の少ないウラン鉱の使用可能性が含まれる。米国のみで、すでに５５０００メートルトン（ＭＴ）を超える使用済み核燃料（ＳＮＦ）が原子炉から発生している。近い将来、使用済み核燃料が、ユッカマウンテン（Ｙｕｃｃａ Ｍｏｕｎｔａｉｎ）の地層廃棄物処分場を７００００ＭＴの規制限度まで満たすことになろう。

[0004]核融合は、将来の発電にとって魅力的なエネルギーの選択肢であり、核融合発電所についての２つの主な手法が現在開発されている。第１の手法では、慣性核融合（ＩＣＦ）が、レーザ、重イオンビーム、又はパルスパワーを使用して、重水素（Ｄ）及びトリチウム（Ｔ）の混合物を含むカプセルを急速に圧縮する。カプセルの半径が減少して、ＤＴガス密度及び温度が上昇すると、圧縮されたカプセル中心の小さな点でＤＴ核融合反応が始まる。このようなＤＴ核融合反応により、アルファ粒子及び１４．１ＭｅＶ中性子が発生する。核融合燃焼がその点から前方へ伝搬し、大型エネルギー利得を生み出す。第２の手法である磁気核融合エネルギー（ＭＦＥ）は、強力な磁場を使用してＤＴプラズマを閉じ込め、燃焼するプラズマを持続させるのに必要な状態を発生させて、エネルギー利得を生み出す。

[0005]ＩＣＦのための重要な技術は、本発明の譲受人である、カリフォルニア州リバーモアのＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＬＬＮＬ）のＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｆａｃｉｌｉｔｙ（ＮＩＦ）で最初に開発された。ここでは、熱核融合点火及び燃焼を達成するように設計されたレーザベース慣性閉じ込め核融合プロジェクトが、１〜１．３ＭＪのレーザエネルギーを使用する。１０〜２０ＭＪの核融合収率が予想される。核融合技術が単独で費用効果の高い発電に使用される場合、中心のホットスポット核融合形状に２００ＭＪを超える核融合収率が必要であると予想される。したがって、純粋な慣性閉じ込め核融合エネルギーによる経済性を達成するという重要な技術的課題が残る。

[0006]ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）は、色素レーザ等に含まれる液体利得媒質や、ガスレーザ等に含まれるガス利得媒質ではなく、固体利得媒質を使用するレーザである。ＤＰＳＳＬは、半導体レーザとも呼ばれる１又は複数のダイオードレーザを使用してポンピングされる。一般に、ＤＰＳＳＬの活性媒質は、ネオジウム、クロム、エルビウム、又は別の適切なイオン等のドーパントでドープされたガラス又は結晶のホスト材料からなる。希土類元素のイオンは、ＤＰＳＳＬに一般的なドーパントである。それは、このようなイオンの励起状態が、結晶格子（フォノン）の熱振動と強く結びついておらず、レージング閾値が比較的低いポンプレベルに到達し得るからである。

[0007]ネオジウムドープガラス（Ｎｄ：ガラス）及びイッテルビウムドープガラス及びセラミックが、非常に高出力（テラワット級）、高エネルギー（メガジュール）の、複数の慣性閉じ込め核融合用ビームシステムにおいて固体レーザで使用される。チタンドープサファイアも、その幅広い可同調性のため広く使用されている。ダイオード励起固体レーザは、フラッシュランプ励起システムよりも効率的になっている傾向があり、高出力半導体レーザポンプの費用が下がるにつれて、より一般的になってきている。

[0008]エネルギースケーリング及び効率が、次世代ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）の設計及び製造における重要な要因である。この数十年の間に、ガス冷却スラブレーザ設計が現れたことにより、大型アパーチャの高平均出力動作が可能になっている。ダイオード励起に関する問題の１つは、ダイオード光を固体増幅器に効率的かつ均一に送る方法である。従来、スラブ増幅器は面励起されており、これは均一なポンププロファイルを生じるが、高価で非効率的なダイオード光輸送光学素子を必要とする。好ましい技術は、ダイオード光伝送システムを、横励起構造の抽出ビーム光学素子に直交させることである。スラブのエッジに伝送されたダイオード光は、インコヒーレントな発散ダイオード光がスラブ内の全内部反射を受けるにつれて、自然に均一化される。しかし、アパーチャスケーリングによって、自然放射増幅光、消耗損失機構が生じ、これらは、スラブ周りの吸収外周部を使用して管理されなければならない。この吸収外周部は、通常、ダイオード光も吸収するため、横励起を無効にする。本発明は、横励起が１軸に沿って可能であるように自然放射増幅光を管理する幾何学的技術を使用する。この技術を幅広いスラブ状レーザ又は増幅器構造において使用することができる。慣性核融合エネルギードライバのための、高エネルギー平均出力レーザシステムに有利な特定の例について説明する。

[0009]本発明によれば、光学システムに関する技術が提供される。より詳細には、本発明の実施形態は、大型アパーチャ増幅器スラブの横励起に適した増幅器構造に関する。単に例として、本発明は、増幅器からの迷光を吸収クラッディング構成内へ反射しながら、ポンプ光を増幅器スラブへ向けて透過するように動作可能な二色性部分を備えた増幅器構造に適用されている。本明細書に記載の方法及びシステムは、増幅器及びレーザシステムとともに使用するのに適した他の光学システムにも適用可能である。

[0010]本発明の実施形態によれば、光学利得構造が提供される。光学利得構造は、光路に沿ってポンプ波長の光を発生させるように動作可能なポンプ源と、ポンプ波長の光を受けるように動作可能なポンプアパーチャと、光路に沿って配置された利得領域とを備える。利得領域は、レーザ波長の光を増幅するように動作可能な利得素子を備える。利得領域は、光路と交差する第１の側と、第１の側に対向する第２の側と、第１及び第２の側に隣接する第３の側と、第３の側に対向する第４の側とを特徴とする。光学利得構造は、ポンプアパーチャと利得領域の第１の側との間に配置された二色性部分を更に備える。二色性部分は、ポンプ波長における低反射率及びレーザ波長における高反射率を特徴とする。光学利得構造は、利得領域の第３の側に近接する第１のクラッディング部分と、利得領域の第４の側に近接する第２のクラッディング部分とを更に備える。

[0011]本発明の別の実施形態によれば、光学利得モジュールを操作する方法が提供される。方法は、第１の光路に沿ってポンプ光を方向付けるステップと、第１の二色性部分にポンプ光を通すステップと、利得素子内でポンプ光の第１の部分を吸収するステップとを含む。方法は、利得素子と交差する第２の光路に沿って入力光を方向付けるステップと、利得素子を使用して入力光を増幅するステップと、第２の二色性部分を使用して、ポンプ光の第２の部分を利得素子へ向けて反射するステップとを含む。方法は、利得素子から放出された自然放射増幅光を第１の二色性部分から反射するステップと、クラッディング領域で、反射された自然放射増幅光の少なくとも一部を吸収するステップとを含む。

[0012]本発明の代替形態によれば、横励起利得素子を備えたレーザ増幅器システムが提供される。レーザシステムは、第１のキャビティミラーと、光路に沿って第１のキャビティミラーに結合された第２のキャビティミラーとを備える。レーザシステムは、光路に沿って配置された利得モジュールを更に備える。利得モジュールは、ポンプ光を供給するように動作可能なポンプ源と、ポンプ源に光学的に結合され、ポンプ光を吸収してレーザ波長の光を増幅するように動作可能な利得モジュールとを備える。利得モジュールはまた、ポンプ光の少なくとも一部を透過し、レーザ波長の光の少なくとも一部を反射するように動作可能な二色性素子と、利得モジュールを部分的に囲み、レーザ波長の光の少なくとも一部を吸収するように動作可能なクラッディング領域とを備える。レーザシステムは、光路に沿って配置され、出力路に沿ってレーザ波長の光を反射するように動作可能なスイッチと、出力路に沿って配置された周波数変換ステージとを更に備える。

[0013]本発明の実施形態は、原子力システムにおける用途に適している。適切な原子力システムとして、限定されないが、核融合‐核分裂ハイブリッドシステム、レーザ慣性閉じ込め核融合エネルギー（ＬＩＦＥ）エンジン、核融合‐核分裂ハイブリッドＬＩＦＥシステム等のハイブリッドＬＩＦＥシステム、第４世代原子炉、統合高速炉、磁気閉じ込め核融合エネルギー（ＭＦＥ）システム、加速器駆動システム等がある。一部の実施形態では、原子力システムが、ハイブリッド型のレーザ慣性閉じ込め核融合エネルギー（ＬＩＦＥ）エンジンであり、参照により本明細書に組み込まれている、２００８年３月３０日に出願された、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１３３５号、「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｆｕｓｉｏｎ−Ｆｉｓｓｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ」に記載されたような核融合‐核分裂ハイブリッドＬＩＦＥシステムである。

[0014]従来の技術を超える多くの利点が、本発明により達成される。例えば、本発明の実施形態は、迷光を吸収しながら高出力増幅器スラブを横励起するのに適した方法及びシステムを提供する。吸収クラッディング層は、ポンプ光が利得媒質を複数回通過できるようにしながら、増幅器スラブの一部の周縁部に設けられる。本発明の実施形態によれば、ポンプ光機器は、端面励起構造と比べるとレーザビーム経路から分離可能である。横励起により、ダイオードアレイ源の空間的な不均一性が少なくなる。各利得スラブが完全に個々のユニットであり、別個にポンピングされるため、本発明の実施形態により、エネルギー的観点からより柔軟性のある構造が提供される。その結果、任意の数の利得スラブを、システム要件に応じてまとめて積み重ねることができる。以下の文章及び添付図面に関連して、本発明のこれら及びその他の実施形態を、多くのその利点及び特徴とともにより詳細に説明する。

[0015]本発明の実施形態による横励起レーザ構造の簡略概要図である。 [0016]図１に示す横励起レーザ構造の概念的要素を示す簡略概要図である。 [0017]本発明の実施形態による、高平均出力レーザシステムの部品としての横励起増幅器モジュールを示す簡略概要図である。 [0018]本発明の実施形態による、距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0019]本発明の実施形態による利得スラブ構造を示す簡略上面図である。 [0020]本発明の別の実施形態による利得スラブ構造を示す簡略上面図である。 [0021]本発明の実施形態による、図４Ｃに示す設計についての距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0022]本発明の実施形態による偏光合成構造を示す簡略概要図である。 [0022]本発明の実施形態による偏光合成構造を示す簡略概要図である。 [0022]本発明の実施形態による偏光合成構造を示す簡略概要図である。 [0023]本発明の実施形態による代替ポンプ構造の簡略概要図である。 [0024]本発明の実施形態による横励起光学増幅器構造を示す簡略斜視図である。 [0025]本発明の実施形態による横励起レーザ構造を示す簡略平面図である。 [0026]本発明の実施形態によるレーザ増幅器システムを示す図である。 [0027]本発明の実施形態による、光学利得モジュールを操作する方法を示す簡略フローチャートである。 [0028]本発明の実施形態による、距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。 [0029]図１１Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0030]本発明の別の実施形態による距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。 [0031]図１２Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0032]本発明の更に別の実施形態による距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。 [0033]図１３Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0034]本発明の特定の実施形態による距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。 [0035]図１４Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。 [0036]平行面を有する増幅器スラブの簡略概要図である。 [0037]楔形面を有する増幅器スラブの簡略概要図である。 [0038]本発明の特定の実施形態による距離に応じてポンプ吸収プロファイル示す簡略グラフである。

[0039]高出力の大型アパーチャＤＰＳＳＬシステムは、切り離すことのできない、又は反比例するレーザ設計パラメータによりしばしば相反する多くの要件を有する。これらの設計パラメータの１つは、ダイオードポンプ光を利得スラブに注入する技術である。端面励起及び面励起技術により、放射照度を調整することによって利得プロファイルを調整可能であるという利点が得られる。しかし、このような方法は、利得媒質のポンププロファイルにおける意図しない不均一性を「刻み込む」傾向がある。また、このような方法は、波面収差及び低損傷閾値を受ける複雑な二色性コーティングを必要とする。

[0040]エッジ励起は、ＤＰＳＳＬとともに使用するのに適した別の使用可能な技術である。しかし、大型アパーチャレーザシステムは、一般に、レーザ利得スラブの周囲に吸収クラッディングを必要とする。このクラッディングを使用して寄生レージングを避け、レーザ抽出に使用可能な貯蔵エネルギーを消耗させる横方向の自然放射増幅光（ＡＳＥ）を低減させる。このクラッディングを通したポンピング時に、吸収がしばしばポンプ波長域まで延びるため、ポンプ輸送効率が低下し、及び／又はこの方法による効率的なポンピングが妨げられる。

[0041]本発明の実施形態によれば、クラッディング内のポンプ吸収に関する問題を避ける横励起（エッジ励起とも呼ばれる）を可能にすることによって、方法及びシステムが提供される。同時に、本明細書に記載の方法及びシステムにより、ポンピング技術を抽出ビーム構造に対して独立して最適化することができるという利点が得られる。また、本発明の実施形態は、適切な波面を生じさせることによって、種々の構造に適したレーザ抽出効率を生み出すことのできる、横励起構造における利得プロファイル成形の方法を含む。本明細書全体を通して、より完全に説明するように、大型抽出アパーチャを有するガス冷却利得スラブをエッジ励起して、高平均出力用途のために積極的に冷却することができる。

[0042]図１は、本発明の実施形態による横励起レーザ構造１００を示す簡略概要図である。本明細書全体を通して、より完全に説明するように、本発明の実施形態は、利得スラブの一側の周りのクラッディングが展開するか、又は除去される「展開」形状を使用することにより、レーザ（すなわち、抽出波長）波長の光（例えば、ＡＳＥ）がクラッディング内での終端によって吸収され、ポンプレーザの波長（すなわち、ポンプ波長）の光が利得スラブに注入される。増幅レーザ光（すなわち、抽出ビーム）の光路は、図の面に対して垂直である。

[0043]図１を参照すると、利得媒質１１０を使用して、増幅器即ちレーザ構成に利得を与える。利得媒質１１０は、利得スラブ、利得スラブレット等の形状とすることができる。特定の実施に応じて、利得媒質１１０は、特定のスラブ実施において種々の寸法を有し、例えば、２７ｃｍ×２７ｃｍ×１ｃｍである。他の寸法が本発明の範囲に含まれる。利得媒質１１０は、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＣａＦ_２、Ｙｂ：ガラス、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ等を含む種々の利得材料の１又は複数を含むことができる。このような利得材料は、結晶、セラミック、又はガラスを含む１又は複数の形態で存在し得る。

[0044]利得媒質１１０をポンピングするために、ポンプ光、例えば、半導体レーザからのポンプ光（すなわち、ダイオードポンプ光１２０）が光路に沿って注入されて、利得媒質１１０に作用する。レーザ波長における高反射率（例えば、高反射（ＨＲ）コーティング）及びポンプ波長における低反射率（例えば、反射防止（ＡＲ）コーティング）を提供する二色性構成１３０が設けられる。この二色性構成は、二色性構成１３０に隣接するＨＲレーザ及びＡＲポンプインジケータにより示される。したがって、本発明の実施形態は、二色性構成によるスペクトル差を使用する。加えて、本発明の実施形態は、レーザ光と比較してポンプ光の角スペクトル差を使用する。ＨＲ及びＡＲは、１００％及び０％の反射率をそれぞれ示すものではなく、これらを使用して、高反射率及び低反射率をそれぞれ示す。例として、本発明の実施形態により使用されるＡＲコーティングは、特定の実施に応じて、反射率が＜５％、＜４％、＜３％、＜２％、＜１％、＜０．５％、＜０．１％、＜０．０５％、又は＜０．０１％からの所定のスペクトル帯域幅に及ぶ。同様に、本発明の実施形態により使用されるＨＲコーティングは、特定の実施に応じて、反射率が＞９５％、＞９６％、＞９７％、＞９８％、＞９９％、＞９９．５％、＞９９．９％、＞９９．９５％、又は＞９９．９９％からの所定のスペクトル帯域幅に及ぶ。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0045]図１を参照すると、所定の角拡散（例えば、＜１０度の円錐角）により、ポンプ光を利得媒質に伝送することができる。低発散ポンプ光と対照的に、例示的な寄生光線により示される寄生光は、４πステラジアン全体に沿って伝搬する。キャビティを通る一部のレーザ伝搬方向は、キャビティの境界面の１つからの反射時に受ける損失が最小であるか又は全く損失を受けず、光線は最終的にクラッディングに向け直される。他方、ポンプ光は、比較すると小さい円錐角で伝搬して、利得媒質と周りの材料との間の屈折率の差が非常に小さいことによっても利得媒質内のポンプ光の導波が生じるようにする。

[0046]図１を参照すると、ダイオードポンプ光１２０は二色性構成１３０を通過して、利得媒質１１０に作用する。利得媒質に吸収されないポンプ光は、第２の二色性構成１４０により反射されて、２回目に利得媒質に作用する。第２の二色性構成１４０は、二色性ミラーとすることができる。利得媒質の複光路ポンピングを行うことにより、高いポンプ吸収が達成される。逆に、横励起レーザ構造で伝搬するレーザ波長の光は、二色性構成１３０（ＨＲレーザ）によりクラッディングに向けて反射され、直接クラッディングに当たるか、第２の二色性構成１４０を通過してクラッディング１５０に当たる。クラッディング１５０は、レーザ波長の光を吸収する適切な材料から形成される。したがって、クラッディング材料及び構成は、システムで使用されるレーザ利得媒質に応じて決まる。例として、クラッディングは、量子ドット、サマリウム、クロム、コバルト、銅、その他の遷移金属、これらの組合せ等でドープされた材料（例えば、ガラス、ＹＡＧ、ＳＦＡＰ等）を含むことができる。クラッディングに含まれる材料は、レーザ波長の広い吸収域を特徴とすることが好ましい。

[0047]図１に、利得媒質１１０に発生するＡＳＥが、例示的な寄生光線１１１、１１２、１１３、１１４により示される。これらのＡＳＥ光線は、構成がＡＳＥを吸収することによってＡＳＥによる利得低減を制限することを示すために例示されたものに過ぎない。ＡＳＥ光線１１１は、第２の二色性構成１４０（レーザ波長のＡＲ）に向けて伝搬してこれを通過した後、クラッディング１５０により吸収される。ＡＳＥ光線１１２は利得媒質から出て、クラッディングに作用し、ここで吸収される。ＡＳＥ光線１１３は、この寄生光線がクラッディングに当たって、第１の二色性構成１３０に到達する前に吸収されるような角度で、ポンプアパーチャに向けて伝搬する。ＡＳＥ光線１１４もポンプアパーチャに向けて伝搬するが、ＡＳＥ光線１１４がクラッディングに到達する前に第１の二色性構成に当たるような角度で伝搬する。ＡＳＥ光線１１４は、第１の二色性構成（レーザ波長のＨＲ）から反射して、クラッディングに作用し、ここで吸収される。構成の形状により、第１の二色性構成によって反射された後にクラッディングで終端するか、又は第２の二色性構成を通過してクラッディングにより吸収される、多くの異なる角度のＡＳＥが生じる。したがって、ＡＳＥ光線は、利得媒質を通って戻る機会を有する前にクラッディングで終端することができる。本発明の実施形態は、高平均出力で動作する横励起された大面積利得媒質のためのＡＳＥの影響を低減させる多くの設計に適用可能である。

[0048]図２は、図１に示す横励起レーザ構造の概念的要素を示す簡略概要図である。図２に示すように、ダイオードレーザ（すなわち、ダイオード）はポンプ源として設けられる。明確にするために、ダイオードレーザ光のコリメーション及びビーム成形と関連する光学素子は示されていない。プリズムと同様の形状を有する一連の非ドープガラス光学素子には、１０５３ｎｍ（レーザ波長）のＨＲ及び８７２ｎｍ（ポンプ波長）のＡＲであるコーティング（例えば、多層誘電体コーティング）が設けられる。ＨＲコーティングは、レーザ波長及びＡＳＥに関連する周辺波長での広い角度帯域幅に備えるように設計される。ポンプ光は、コーティングを通過して、ドープされたガラス利得スラブに作用する。非ドープガラス光学素子を通過する光強度が比較的低いため、非ドープガラス光学素子を被覆した後に、光学接着剤により接着して、単一の光学素子が形成されるようにすることができる。したがって、図２に２つの非ドープガラス光学素子間の間隙が示されるが、これは、構成の部品を示すためのものにすぎず、本発明の実施形態により必要とされるものではない。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0049]第２の非ドープガラス光学素子が、ポンプ源に対向する利得スラブの側に設けられる。１０５３ｎｍのＡＲ及び８７２ｎｍのＨＲのコーティングが、第２の非ドープガラス光学素子に形成されて、レーザ波長の寄生光を吸収エッジクラッディング２２０まで通す。吸収エッジクラッディング２２２、２２４も、利得スラブ（図の面に平行な面を含む）の他の面に隣接して設けられ、寄生光（例えば、自然放射増幅光）を吸収する。ポンプ源に向けて戻るように伝搬する寄生光は、非ドープガラス光学素子間の境界面に位置するコーティングにより反射して、吸収エッジクラッディングに向けられる。実施形態では、ポンプ源に隣接した側に示すように、第２の非ドープガラス光学素子が１組のプリズム状素子に置き換えられる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0050]本発明の実施形態は、慣性核融合エネルギー用のレーザドライバとしての適用を含む種々の適用で有用である。図３は、本発明の実施形態による高平均出力レーザシステムの部品としての横励起増幅器モジュールを示す簡略概要図である。ダイオードアレイ３１０からの放出光は、偏光多重化システム３２０により高められる第１の輝度であり、その後、光ダクト３３０を使用して、光が増幅器導波路３４０に入射される。光ダクト３３０及び増幅器導波路３４０の構成は、全内部反射（ＴＩＲ）を使用して、ポンプビームの均一化を向上させる。ポンプ光を高効率で利得媒質内へ向けるために、ダクト３３０及び他の素子を適宜、１又は複数の方向に楔形にすることができる。偏光多重化に加えて、スペクトル多重化を使用して、ポンプ出力を向上させることができる。図示した実施形態では、ダイオードアレイ３１０と偏光多重化システムの他の素子との間で、半波長板を使用する。一部の実施形態では、光ダクト３３０が、位置に応じた厚さの楔形である小型光ダクトであり、ダイオードアレイから利得スラブへ移る図の面に垂直な方向に薄くなる。

[0051]例としてのみ、光ダクト３３０は、寸法が４×２５ｃｍ^２で、約２ｃｍから約１ｃｍに楔形になった厚さを有する。図３に示す偏光多重化システムでは、８７３ｎｍのＨＲであるコーティング３２２が４５度に向けられて、ポンプ光のＳ偏光を反射し、その後、偏光子３２４を使用して、この光を２回目に増幅器導波路へ向けて反射する。図３では、光ダクト３３０及び増幅器導波路３４０が別個の部品として示されているが、これは本発明が必要とするものではなく、このような素子を、特定の適用に合わせて組み込むことができる。加えて、光ダクト３３０に関連して説明したように、増幅器導波路３４０を先細にするか楔形にすることにより、ポンプ光の強度を高めることができる。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0052]増幅器導波路３４０は、入射ポンプ光について低損失（すなわち、ＡＲ）のレーザ拒否コーティング３４２により分割される。レーザ拒否コーティング３４２は、任意の入射角及び偏光角について１０５３ｎｍのＨＲであり、非偏光について８７３ｎｍのＡＲである。二色性コーティングが角度に応じて変化する反射率を特徴とするため、本明細書に記載のＨＲコーティングは、角度及び波長に応じて一定の反射率を生じさせる必要はなく、反射率が変化することが予想される。したがって、ＨＲという用語は、このようなコーティングを特定の反射率レベルに限定するものではなく、レーザ又はポンプ波長の光が、特定の適用に合わせて反射されることが好ましいことを示す。ポンプ光は、吸収された光の大部分を有する増幅器スラブ３５０にわたる全内部反射を介して伝搬する。その後、ポンプ光は、導波路３６０の短い部分に沿って伝搬して、増幅器スラブを通って２回目に逆反射される。逆反射は、入射及び偏光の任意の角度について１０５３ｎｍのＡＲ、及び非偏光ポンプ光について８７３ｎｍのＨＲである二色性コーティング３７４により行われる。クラッディング層３７０、３７２（及び図の面に平行な、図示しないクラッディング層）が設けられて、寄生光を吸収する。Ｖｏｒａｎｏｌ（登録商標）ポッティング又は他の適切な材料を、増幅器スラブとクラッディング層とを含む光学素子間の空間又は間隙で使用することができる。Ｖｏｒａｎｏｌポッティングは、クラッディング材料を利得媒質に接合することに備え得る材料の例として設けられる。クラッディングにエネルギーが吸収されるため、本発明者は、熱応力を低減するために利得媒質から吸収クラッディングを分離することが有利であると判断した。Ｖｏｒａｎｏｌに加えて、他の可撓性ポッティング材料及び光学性接着剤を含む他の取付機構を使用することができる。

[0053]図３に示す複光路ポンプ構造は、効率的な吸収に備えると同時に、増幅器スラブにわたる利得変化を最小にする。図４Ａは、本発明の実施形態による、距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図４Ａに示すデータについて、増幅器が、均一にドープされた増幅器スラブに結合された非ドープエッジを有するため、吸収係数は位置に応じて均一である。図４Ａに示すように、増幅器スラブ（左ポンプ）の一側からのポンピングについて、ポンプ源（例えば、ダイオードアレイ）から離れた方向のアパーチャにわたる有効利得の単調減少が生じる。増幅器スラブ（左右ポンプ）の両側からのポンピングにより、アパーチャにわたるより均一な有効利得プロファイルが得られる。両側ポンピングに加えて、右及び左ポンピングされた増幅器スラブを組み合わせることにより、位置に応じてポンプの不均一性を低減させることができる。図４Ａに示すデータについて、０．０７５６ｃｍ^−１の吸収係数が使用され、０．９７０の吸収効率が得られる。

[0054]一部の実施形態によれば、位置に応じてドーピング濃度が変化して、図４Ａに示す利得変化を更に低減させる。変化するドーピング濃度に関連する更なる説明を図１１Ａ〜１４Ｂに示す。或いは、ポンプ光の強度プロファイルを、（例えば、ポンプ注入に使用される導波路の設計により）トップハットから不均一設計に修正して、利得媒質のポンプ光吸収が位置に応じて変化して、利得変化を更に低減させるようにする。更に、利得媒質を位置に応じて楔形にして（例えば、ポンプ源に対向する縁部でより薄く、又はポンプ源に対向する縁部でより厚く）、特定の適用に合わせた位置に応じて断面を減少又は増加させることにより、位置に応じて残りのポンプ強度を高めて、図４Ａに示す吸収の単調減少に対抗する。

[0055]図４Ｂは、本発明の実施形態による利得スラブ構造を示す簡略上面図である。図４Ｂに示す利得スラブでは、抽出レーザが、位置に応じて均一な利得材料を受ける。図４Ｃは、本発明の別の実施形態による利得スラブ構造を示す簡略上面図である。図４Ｃに示すように、抽出レーザは、利得スラブに入射する均一な強度を有するが、利得プロファイルは縁部（斜線部分により示す）で減少し、図４Ａ（左右ポンプ）に示す減少した中心利得を有する利得プロファイルに部分的又は完全に対抗する。図４Ｃに示す構造では、成形された利得プロファイルによりフラッタ抽出プロファイルが得られ、抽出ビームが、低い回折損失又は回折損失なしで利得領域に完全に重なることができる。図４Ｃに示す構成を提供する例示的な実施形態では、作成が容易となり得る、均一にドープされた複数の部片を結合して、平面のドーピング濃度の変化に等しくなり得る有効ドーピング勾配を有するアセンブリを形成する。

[0056]システム性能及び効率を高めるために、図４Ｃに示す設計により、抽出レーザビームアパーチャがスラブの物理的縁部に接触することを防止し、これにより、レーザシステムの下流光学素子に影響する回折効果を防止する。同様に、利得プロファイルに段階的な遷移が設けられて、同様の回折効果を防止する。その結果、抽出ビームは、ポンピングされたアパーチャを封止する大きさとなる。本発明の一実施形態は、増幅器スラブの縁部に傾斜をつけ、非ドープ材料を縁部に結合する。この設計は、開口の縁部に、より柔軟な傾斜利得プロファイルを設ける。したがって、この構造により抽出ビームが増幅器を完全に覆うことができるため、アパーチャを封止することによる損失をなくす。

[0057]本発明の実施形態を使用して、前述したように寄生レーザ光がクラッディング内で閉じ込められて終端される。これにより、増幅器は効率的にポンピングされ、抽出用エネルギーを効率的に貯蔵する。高平均出力下でレーザの十分な波面を維持するために、一部の実施形態では、抽出レーザと同じ方向に沿って熱を除去することにより、システム内の熱レンズ化を最小にする。図３に示すように、増幅器スラブ３５０の表面上のガスを加速させるための翼を含むことにより、熱除去が達成される。複数の増幅器スラブのポンピング方向を左から右へ交互にすることにより、特定のレーザ動作要件に応じたスラブの数で、利得プロファイル及び熱波面を更に均一化し対称にすることができる。２５ｃｍ程度のレーザ増幅器アパーチャを有する慣性核融合エネルギードライバの特定のレーザ設計では、単一のガス冷却ブロックにまとめられた約２２の増幅器スラブが使用される（左右交互）。

[0058]本発明の一部の実施形態によれば、端面励起を、本明細書に開示した横励起構造と組み合わせる。例として、図４Ａに示すように、端面励起を使用して、位置に応じて利得変化を低減させるか、又はなくすことができる。利得変化の修正を横励起の数パーセントのレベルで行うことにより、端面励起に使用されるポンプ源の強度を、エッジ励起に使用されるポンプ源よりも１桁小さくすることができる。したがって、一般に端面励起設計に関連するシステムの複雑性を大幅に低減させることができる。したがって、端面励起及びエッジ励起の組合せは、本発明の範囲に含まれる。

[0059]図４Ｄは、本発明の実施形態による、図４Ｃに示す設計のための距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図４Ｄに示す値を計算するために、抽出ビームの大きさがポンプ領域に設定された。ビームハードクリップは、８７％のモードフィルを有する２５ｃｍ、又は２３．３ｃｍのビームＦＷＨＭであった。したがって、これらの入力に基づき、２６ｃｍ横スラブの非ドープ境界は完全に明らかに０．５ｃｍであり、直線勾配領域は、０〜１００％のドーピングにより１．７ｃｍ幅である。このような条件について、５０％のドーピング点が２３．３ｃｍ幅である。図４Ｄに示すデータに関し、０．０７５６ｃｍ^−１の吸収係数が使用され、０．９７０の吸収効率が得られた。

[0060]利得が実際には非直線であるため、本発明の一部の実施形態は、本例よりも幅広（すなわち、より急勾配）になる利得プロファイルを使用するが、本発明の実施形態の基本的特徴は図４Ｄにより示される。（名目上利得に等しいと考えられる）スラブ内の同一の吸収電力に到達するために、〜１２％のより大きいエネルギーをポンプ源から供給する。同一の正味ポンプ吸収が９７％の場合、ポンプのコントラストは２２％〜２７％となる。

[0061]図５Ａ〜５Ｃは、本発明の実施形態による偏光合成構造を示す簡略概要図である。図３に関連して説明したように、偏光合成を使用して利得媒質のポンピング効率を高めることができる。考えられる３つの異なる偏光合成構造が図５Ａ〜５Ｃに示される。本発明の実施形態は、これらの３つの構造に限定されず、可能性のある偏光合成構造の例として例示し記載されたものである。

[0062]図５Ａに示す第１の構造は、ダイオードアレイ５０５を備える。ダイオードアレイからの光は、略単一の所定の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を有するビームで放出される。第１の構造は、大型波長板５１０（例えば、〜２５×２５ｃｍ^２）、大型偏光子５１２（例えば、〜２５×３５ｃｍ^２）、及び大型ミラー５１４（例えば、〜２５×３５ｃｍ^２）を使用する。波長板５１０（すなわち、半波長板）は、ダイオードアレイの下半分からの光の偏光を第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）から第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）に変換する。

[0063]ミラー５１４は、ダイオードアレイの上半分から偏光子５１２へ向けて光を反射する。この偏光子５１２は、第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を反射し第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）を通過させるように位置合わせされる。したがって、ダイオードアレイの下半分からの変換された光は偏光子５１２を通過し、ダイオードアレイの上半分からの光は偏光子５１２から図の右側へ向けて反射される。図５Ａに示す実施形態では、偏光合成構造の長さが４７ｃｍである。他の寸法が本発明の範囲に含まれる。

[0064]図５Ｂに示す第２の構造は、ダイオードアレイ５０５を備える。第１の構造は、大型波長板５２０（例えば、〜２５×２５ｃｍ^２）、２つの偏光子５２２ａ、５２２ｂ（例えば、〜２５×１７．６ｃｍ^２）、及び２つのミラー５２４ａ、５２４ｂ（例えば、〜２５×１７．６ｃｍ^２）を使用する。図示した実施形態では、ダイオードアレイからの光は、略単一の所定の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を有するビームで放出される。波長板５２０（すなわち、半波長板）は、ダイオードアレイの下半分からの光の偏光を第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）から第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）に変換する。

[0065]ミラー５２４ａ、５２４ｂは、ダイオードアレイの上４分の一及び下４分の一から偏光子５２２ａ、５２２ｂへ向けて光を反射し、これらの偏光子５２２ａ、５２２ｂは、第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を反射し第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）を通過させるように位置合わせされる。したがって、ダイオードアレイの中央半分からの変換された光は、偏光子５２２、５２２ｂを通過し、ダイオードアレイの上４分の一及び下４分の一からの光は、偏光子５２２ａ、５２２ｂから図の右側へ向けて反射される。図５Ａに示す実施形態では、偏光合成構造の長さは、より小型のミラー及び偏光子の使用により３５ｃｍまで短くなる。他の寸法が本発明の範囲に含まれる。

[0066]図５Ｃに示す第３の構造は、２つのダイオードアレイ５３０、５３２を備える。第３の構造は、大型波長板５３４（例えば、〜２５×２５ｃｍ^２）及び大型偏光子５３６（例えば、〜２５×３５ｃｍ^２）を使用する。図示した実施形態では、２つのダイオードアレイからの光は、略単一の所定の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を有するビームで放出される。波長板５３４（すなわち、半波長板）は、ダイオードアレイ５３０からの光の偏光を第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）から第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）に変換する。

[0067]偏光子５３６は、第１の偏光状態（例えば、ｓ偏光）を反射し第２の偏光状態（例えば、ｐ偏光）を通過させるように位置合わせされる。したがって、ダイオードアレイ５３０からの変換された光は偏光子５３６を通過し、ダイオードアレイ５３２からの光は偏光子５３６から図の右側へ向けて反射される。図５Ａに示す実施形態では、偏光合成構造の長さが４７ｃｍである。他の寸法が本発明の範囲に含まれる。

[0068]図６は、本発明の実施形態による代替ポンプ構造を示す簡略概要図である。図６に示すように、図３に関連して説明した横励起増幅器モジュールは、レーザ／増幅器システムの利得経路に沿って交互になっているため、有効利得プロファイルの不均一性を低減させる。図６に示すように、奇数の羽根が左からポンピングされ、偶数の羽根が右からポンピングされる。他の適切な構成が、本発明の範囲に含まれる。一般に、スラブの幅及び高さよりもはるかに小さい伝搬方向厚さを有する増幅器スラブが使用される。したがって、図６に示すモジュールは、図の面に垂直な増幅レーザ光の光路とともに示される。

[0069]図７は、本発明の実施形態による横励起光学増幅器構造を示す簡略斜視図である。この等角図は、半導体レーザポンプアレイ、ポンプ光伝送システム、及びヘリウムインタクーラを含む増幅器コラムを示す。図７を参照すると、複数のポンプモジュールが、対向面からポンピングされた隣接するポンプモジュールと組み合わされる。第１のダイオードアレイ７１０はポンプ光を第１の二色性部分７１２に注入し、第２のダイオードアレイ７２０はポンプ光を第２の二色性部分７２２に注入する。図７に示すように、偏光合成を使用してポンプ光注入効率を高める。第２の二色性部分７２２を参照すると、ポンプ光は、増幅器スラブに向けて導波されるときに、この部分を通過する。２つのプリズム状光学素子が接合される領域を、ポンプ波長の光（ＡＲ）を透過しレーザ波長の光（ＨＲ）を反射する二色性コーティングで覆うことができる。ポンプ光は増幅器スラブ７３０に入射し、ポンプ波長の光（ＨＲ）を反射しレーザ波長の光（ＡＲ）を透過する第２の二色性コーティング（図示せず）により、増幅器スラブへ向けて戻すように反射され得る。したがって、本明細書全体を通して説明されたように、導波及びＡＳＥ拒否が行われる。冷却流体（例えば、ヘリウム）を増幅器スラブを通り過ぎて排出し、動作中にスラブを冷却するマニホルドを備えたインタクーラ７４０が設けられる。

[0070]端面励起設計を有するシステムについて、増幅器システムで使用される１組の増幅器スラブを通してポンプ光が伝搬すると、ポンプ光強度が低下する。結果として、増幅器スラブは、システム内の位置に応じてドーピング濃度プロファイルを調整しているため、大型部品の在庫が必要になる。本発明の実施形態は、横励起構造によって各組の対の増幅器を同一の設計で使用できるようにするため、このような在庫の問題を解決する。大型の高平均出力システムについて、本発明の実施形態は、これにより在庫及び供給の観点から大きな利点をもたらす。一部の実施形態では、ポンピングを複数の方向から、例えば、図７に示すような右／左、同様の上／下、端面励起、及び／又はこれらの組合せの１又は複数から行うことができる。

[0071]図８は、本発明の実施形態による横励起レーザ構造を示す簡略平面図である。図８に示すように、増幅レーザ光の伝搬方向に直交する方向に沿った図が示される。図７を参照すると、図８は、インタクーラ７４０から下方を見た図である。例示的な実施形態について与えられる種々の部品の一般的な寸法は、半導体レーザポンプアレイの２０ｃｍ、偏光合成部の１５ｃｍ、増幅器モジュールにつながる光ダクトの４ｃｍ、光ダクトを含む増幅器モジュールの長さの７９ｃｍ、及び増幅器モジュールの交互の組の長さの１０６．６ｃｍである。この例示的な実施形態では、システム全長が１７６．７ｃｍである。図８に示す寸法は例として提示されたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0072]図９は、本発明の実施形態によるレーザ増幅器システムを示す。図９に示すレーザ増幅器システム９００は、画像リレーを用いるキャビティ内の二重増幅器構造を使用することにより、システム効率を向上させる。注入ミラー９０７を使用して、入力で、ビーム９０５をキャビティに注入する。実施形態では、入力ビームが、０．９Ｊのエネルギーを有するレーザパルスである。入力ビームはミラー９６２から反射する。入力ビームの偏光は所定の偏光（例えば、ｓ偏光）であるため、入力ビーム９０５の偏光状態を反映するように位置合わせされた偏光子９３０から入力ビームが反射する。入力ビームは、４分の１波長板９５０を通過し、増幅器９１６、増幅器９１４を通る第１のパスを形成する。当業者に明らかなように、増幅器９１６、９１４は、図７、８に示すような１組の増幅器スラブとすることができる。

[0073]増幅器９１６と増幅器９１４との間には、テレスコープ及びピンホール（図示せず）の形の空間フィルタ９４２が配置される。本発明の実施形態により他の空間フィルタを使用することができ、図示したピンホールフィルタは例としてのみ示される。増幅器９１６を通る第１の増幅パスの後、増幅器９１４を通る第１の増幅パスの前に、ビームが石英回転子９３０を通過する。リレーテレスコープ９２４が設けられて、増幅器９１４の中心に形成された画像をミラー９２０の反射面にリレーする。画像リレーは、増幅器９１４の中心、ミラー９２０の表面、及びシステムの他の位置に示された整列正方形の群によって示される。

[0074]増幅光がミラー９２０から反射され、リレーテレスコープ９２４を通って戻り、１組の増幅器９１４、９１６を通る第２のパスを形成する。石英回転子９３２及び４分の１波長板９５０を２度通過した後、増幅ビームの偏光が回転して、ビームが偏光子９３０を通過できるようにする。ビームはリレーテレスコープ９２６、第２の４分の１波長板９５２、及びポッケルスセル９６０を通過する。リレーテレスコープ９２６は、増幅器９１６の中心の画像をミラー９２２の反射面にリレーする。ポッケルスセル９６０の増幅ビームの強度は、１組の増幅器を通る２つの増幅パスにより生じる。入力ビームは各増幅器９１４、９１６の複数の増幅器スラブを通過しているかもしれないが、ポッケルスセル９６０のビームは２回増幅ビームとも呼ばれる。ポッケルスセルを作動させて、２回増幅ビームの偏光を回転させ、ビームが偏光子９３０を通過するようにする。増幅器を通る更に２つのパスの後、ビームが偏光子９３０及びミラー９６２から最終光学素子９７２へ向けて反射する。ビームは、４つの増幅パスの後、空間フィルタ９４０及び周波数変換器９７０を通って伝送される。リレーテレスコープ９４６は、周波数変換器９７０でビームの画像を最終光学素子９７２へリレーする。一部の実施形態では、中性子のピンホールを使用して、核融合事象により放出された中性子により増幅器システムを保護する。

[0075]本発明の実施形態は、１ωで６．３ｋＪ及び３ωで３．５ｋＪの出力エネルギーを有するレーザ増幅器システム９００を提供する。システムにより、１ωの波長で２５ｃｍ×２５ｃｍのハードアパーチャが可能になる。他の実施形態により、特定の適用に合わせて異なる大きさのアパーチャが提供される。

[0076]図１０は、本発明の実施形態による、光学利得モジュールを操作する方法を示す簡略フローチャートである。方法１０００は、ポンプ光を第１の光路に沿って方向付けるステップ（１０１０）と、第１の二色性部分にポンプ光を通すステップ（１０１２）とを含む。また、方法は、利得素子内のポンプ光の第１の部分を吸収するステップ（１０１４）と、利得素子と交差する第２の光路に沿って入力光を方向付ける（１０１６）ステップと、利得素子を使用して入力光を増幅するステップ（１０１８）とを含む。本発明の実施形態では、利得素子が増幅器スラブを備える。図７を参照すると、第２の光路は第１の光路に略直交している。したがって、抽出方向に対して横方向にポンピングが行われる。

[0077]方法は、第２の二色性部分を使用して、ポンプ光の第２の部分を利得素子へ向けて反射するステップと（１０２０）、利得素子から放出された自然放射増幅光を第１の二色性部分から反射するステップと（１０２２）、クラッディング領域において、反射された自然放射増幅光の少なくとも一部を吸収するステップ（１０２４）とを含む。

[0078]本発明の実施形態によれば、ポンプ光は、第１の二色性部分を通過する前に光ダクトに通される。前述したように、方法は、利得素子（例えば、増幅器スラブ）に隣接した領域に冷却ガスを流すステップを更に含む。図９に示すように、光学利得モジュールを、レーザシステムの一部又はレーザ増幅器システムの光学増幅器に組み込むことができる。

[0079]図１０に示す特定のステップにより、本発明の実施形態による、光学利得モジュールを操作する特定の方法が提供されることを理解すべきである。代替形態により、他の順序のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替形態は、前述したステップを異なる順で行うことができる。更に、図１０に示す個々のステップが、個々のステップに応じた種々の順序で実行され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。更に、特定の用途に応じて、更なるステップを追加又は除去してもよい。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。

[0080]図１１Ａは、本発明の実施形態による、距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。例として、ドーパントプロファイルをｅｘｐ（α_ｇｒ＊ｘ）に等しいものと概算することができ、ここでα_ｇｒはドーパント勾配係数（例えば、０．０５４ｃｍ^−１）、ｘは利得スラブ内へ延びる距離（ｃｍ）である。

[0081]図１１Ｂは、図１１Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図１１Ｂに示すグラフでは、ドーパントプロファイルにより、わずかに凹の利得プロファイルが得られる。図１１Ｂに示す吸収効率は０．９９９である。

[0082]図１２Ａは、本発明の別の実施形態による、距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。例として、ドーパントプロファイルをｅｘｐ（α_ｇｒ＊ｘ）に等しいものと概算することができ、ここでα_ｇｒはドーパント勾配係数（例えば、０．０５８ｃｍ^−１）、ｘは利得スラブ内へ延びる距離（ｃｍ）である。

[0083]図１２Ｂは、図１２Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図１２Ｂに示すグラフでは、ドーパントプロファイルにより、略平らな利得プロファイルが得られる。図１１Ｂに示す吸収効率は０．９９９である。

[0084]図１３Ａは、本発明の更に別の実施形態による、距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。例として、ドーパントプロファイルをｅｘｐ（α_ｇｒ＊ｘ）に等しいものと概算することができ、ここでα_ｇｒはドーパント勾配係数（例えば、０．０７ｃｍ^−１）、ｘは利得スラブ内へ延びる距離（ｃｍ）である。

[0085]図１３Ｂは、図１３Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図１３Ｂに示すグラフでは、ドーパントプロファイルにより、わずかに凸の利得プロファイルが得られる。図１１Ｂに示す吸収効率は１．０００である。

[0086]図１４Ａは、本発明の特定の実施形態による、距離に応じてドーピングレベルを示す簡略グラフである。例として、ドーパントプロファイルをｅｘｐ（α_ｇｒ＊ｘ）に等しいものと概算することができ、ここでα_ｇｒはドーパント勾配係数（例えば、０．１ｃｍ^−１）、ｘは利得スラブ内へ延びる距離（ｃｍ）である。

[0087]図１４Ｂは、図１４Ａに示すドーピングレベルに関連した距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図１４Ｂに示すグラフでは、ドーパントプロファイルにより、非常に凸の利得プロファイルが得られる。図１１Ｂに示す吸収効率は１．０００である。

[0088]図１１Ａ〜１４Ａに示すドーパントプロファイルと、これにより生じる図１１Ｂ〜１４Ｂに示す吸収プロファイルとは、例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。他のドーパントプロファイルが、本発明の範囲に含まれる。

[0089]本発明の実施形態によれば、楔形増幅器を使用して、例えば、図４Ａに示す均一にドープされたスラブ及び吸収プロファイルと関連した均一性よりも低い吸収効率を補償することができる。また楔形増幅器は、図４Ａに示すものと比べて吸収プロファイル全体を平らにすることができる。

[0090]図１５Ａは、平行面を有する増幅器スラブの簡略概要図である。均一なスラブにわたる光線路が図１５Ａに示され、光線がスラブを通って伝搬すると、スラブ表面から約１１の反射が生じる。

[0091]図１５Ｂは、楔形面を有する増幅器スラブを示す簡略概要図である。図１５Ｂに示すように、楔形面を有する楔形スラブにわたって進む同一の光線は、約２２の反射を有し、均一なスラブと比べて約１．５倍の光路長さを有する。したがって、図１５Ｂに示すように、横方向に沿った距離が増加するにつれて、光線が連続的により多くのはね返りを生じるため、横方向距離に応じて有効吸収が増加する。したがって、楔形スラブを使用する実施形態により、面が平行な均一スラブを使用した横方向距離に応じてドーピングの増加と同様の機能性が得られる。

[0092]利得プロファイルが平らで、楔形スラブの表面から冷却が生じる場合、熱プロファイルは、通常、楔形スラブの熱伝導率の結果として、より高温の側をスラブのより厚い部分に関連させた楔形になる。加えて、楔形スラブの使用により、全内部反射（ＴＩＲ）の維持に関連する問題を呈するおそれのある比較的大きな楔角が生じる得る。図１５Ｂに示すように、ＴＩＲ角で光線がガラスに注入されると、光路長さが約１．５倍に増加する。スラブ面に近いか、又はスラブ面に平行な方向に沿って光線が注入されると、光路長さの増加が少なくなる。楔形スラブの表面への入射角は、横方向距離に応じて着実に増加するが、表面の反射率は、角度が標準に近づくと、特に角度がＴＩＲ臨界角よりも小さくなると低下する。

[0093]図１６は、本発明の特定の実施形態による、距離に応じてポンプ吸収プロファイルを示す簡略グラフである。図１６に示すように、平らな利得プロファイルを有する正規化吸収プロファイルが示される。この利得プロファイルは、平行面を有する均一なスラブの横励起と、空間的に造形された端面励起プロファイルを加えた均一なドーピングプロファイルとにより生じる。したがって、増幅器スラブの端面励起又は面励起を横励起と組み合わせて、距離に応じて空間利得プロファイルの変化を低減させる。図１６に示す吸収プロファイルを達成すると、各ポンピング機構についてフルサイズのポンプ光学素子を使用できることに注目されたい。加えて、図１６に示す放物線ポンププロファイル形状の形成は、ダイオードアレイ上で調整される特殊な放射照度又は端面励起に使用される他のレーザの使用を含むことができる。

[0094]また、本明細書に記載した例及び実施形態は例示のためのものに過ぎず、これに照らした種々の修正又は変更が、当業者に提示され、本出願の精神及び範囲、並びに添付の特許請求の範囲に含まれるものであることを理解されたい。

Claims (23)

1. 光路に沿ってポンプ波長の光を発生させるように動作可能なポンプ源と、
   前記ポンプ波長の前記光を受けるように動作可能なポンプアパーチャと、
   前記光路に沿って配置され、レーザ波長の光を増幅するように動作可能な利得素子を備えた利得領域であって、前記光路と交差する第１の側と、前記第１の側に対向する第２の側と、前記第１及び第２の側に隣接する第３の側と、前記第３の側に対向する第４の側とを特徴とする利得領域と、
   前記ポンプアパーチャと前記利得領域の前記の第１の側との間に配置された二色性部分であって、前記ポンプ波長における低反射率及び前記レーザ波長における高反射率を特徴とする二色性部分と、
   前記利得領域の前記第３の側に近接する第１のクラッディング部分と、
   前記利得領域の前記第４の側に近接する第２のクラッディング部分と、
   を備えた光学利得構造。
2. 前記利得領域の前記第２の側に近接した前記光路に沿って配置された第２の二色性部分であって、前記ポンプ波長における高反射率及び前記レーザ波長における低反射率を特徴とする第２の二色性部分と、
   前記第２の二色性部分に近接した第３のクラッディング部分と、
   を更に備えた、請求項１に記載の光学利得構造。
3. 前記第２の二色性部分が二色性コーティングを備える、請求項２に記載の光学利得構造。
4. 前記ポンプ源が半導体レーザのアレイを備える、請求項１に記載の光学利得構造。
5. 前記二色性部分が１組のプリズム及び二色性コーティングを備える、請求項１に記載の光学利得構造。
6. 前記二色性コーティングが前記光路に対して約４５°で配置される、請求項５に記載の光学利得構造。
7. 前記第１のクラッディング部分及び前記第２のクラッディング部分が、前記レーザ波長の光を吸収するように動作可能である、請求項１に記載の光学利得構造。
8. 前記ポンプ源と前記二色性部分との間に配置された光ダクトを更に備えた、請求項１に記載の光学利得構造。
9. 前記利得素子が増幅器スラブを備える、請求項１に記載の光学利得構造。
10. 偏光結合器又はスペクトル結合器の少なくとも一方を更に備えた、請求項１に記載の光学利得構造。
11. 第１の光路に沿ってポンプ光を方向付けるステップと、
    第１の二色性部分に前記ポンプ光を通すステップと、
    利得素子内で前記ポンプ光の第１の部分を吸収するステップと、
    前記利得素子と交差する第２の光路に沿って入力光を方向付けるステップと、
    前記利得素子を使用して前記入力光を増幅するステップと、
    第２の二色性部分を使用して、前記ポンプ光の第２の部分を前記利得素子へ向けて反射するステップと、
    前記利得素子から放出された自然放射増幅光を前記第１の二色性部分から反射するステップと、
    クラッディング領域で、前記反射された自然放射増幅光の少なくとも一部を吸収するステップと、
    を含む、光学利得モジュールを操作する方法。
12. 前記第１の二色性部分に前記ポンプ光を通す前に、前記ポンプ光を光ダクトに通すステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記利得素子が増幅器スラブを備える、請求項１１に記載の方法。
14. 前記増幅器スラブに隣接した領域に冷却ガスを流すステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第２の光路が前記第１の光路に略直交する、請求項１１に記載の方法。
16. 前記光学利得モジュールがレーザの一部を備える、請求項１１に記載の方法。
17. 前記光学利得モジュールが光学増幅器の一部を備える、請求項１１に記載の方法。
18. 横励起利得素子を備えたレーザ増幅器システムであって、
    第１のキャビティミラーと、
    光路に沿って前記第１のキャビティミラーに結合された第２のキャビティミラーと、
    前記光路に沿って配置された利得モジュールであって、ポンプ光を供給するように動作可能なポンプ源と、前記ポンプ源に光学的に結合され、前記ポンプ光を吸収してレーザ波長の光を増幅するように動作可能な利得モジュールと、前記ポンプ光の少なくとも一部を透過し、前記レーザ波長の前記光の少なくとも一部を反射するように動作可能な二色性素子と、前記利得モジュールを部分的に囲み、前記レーザ波長の前記光の少なくとも一部を吸収するように動作可能なクラッディング領域と、を備えた利得モジュールと、
    前記光路に沿って配置され、出力路に沿って前記レーザ波長の光を反射するように動作可能なスイッチと、
    前記出力路に沿って配置された周波数変換ステージと、
    を備えたレーザ増幅器システム。
19. 前記利得モジュールに配置された面にある画像を前記第１のキャビティミラーにリレーするように動作可能な第１の画像リレーシステムを更に備えた、請求項１８に記載のレーザ増幅器システム。
20. 前記利得モジュールが、前記光路に沿って配置された複数の利得素子を備える、請求項１８に記載のレーザ増幅器システム。
21. 前記光路に沿って配置された第２の利得モジュールであって、ポンプ光を供給するように動作可能な第２のポンプ源と、前記第２のポンプ源に光学的に結合され、前記ポンプ光を吸収してレーザ波長の光を増幅するように動作可能な第２の利得モジュールと、前記ポンプ光の少なくとも一部を透過し、前記レーザ波長の前記光の少なくとも一部を反射するように動作可能な第２の二色性素子と、前記第２の利得モジュールを部分的に囲み、前記レーザ波長の前記光の少なくとも一部を吸収するように動作可能なクラッディング領域と、を備えた第２の利得モジュールと、
    前記第２の利得モジュールに配置された面にある画像を前記第２のキャビティミラーにリレーするように動作可能な第２の画像リレーシステムと、
    を更に備えた、請求項１８に記載のレーザ増幅器システム。
22. 前記スイッチが、１組の４分の１波長板及び偏光スイッチを備える、請求項１８に記載のレーザ増幅器システム。
23. 前記偏光スイッチがポッケルスセルを備える、請求項２２に記載のレーザ増幅器システム。

Images