JP2020096180A - 固体レーザー - Google Patents

Abstract

【課題】高いパルスエネルギーで動作可能な、Ｑスイッチ固体レーザーを提供する。【解決手段】Ｑスイッチ固体レーザーは、活性レーザー媒質１と、少なくとも第１ミラー４および第２ミラー５と、を備えている。共振器が線形共振器３として構成されている場合、５０ｍｍ未満または２５ｍｍ未満の共振器長ａを有している。共振器がリング共振器として構成されている場合、１００ｍｍ未満または５０ｍｍ未満の共振器長ａを有している。共振器において少なくとも実質的に単一の縦モードのみで発振する。共振器が不安定な共振器として構成されている。第１ミラー４および第２ミラー５のうち一方のミラーが勾配ミラーである。【選択図】図１

Description

本発明は、線形共振器またはリング共振器の形態の共振器を有するＱスイッチ固体レーザーであって、活性レーザー媒質と、少なくとも第１ミラーおよび第２ミラーと、を備え、前記共振器が線形共振器として構成されている場合、５０ｍｍ未満または２５ｍｍ未満の共振器長を有し、前記共振器がリング共振器として構成されている場合、ｍｍ未満または５０ｍｍ未満の共振器長を有し、前記共振器において少なくとも実質的に単一の縦モードのみで発振する固体レーザーに関する。

従来、前記のようなレーザーが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。活性レーザー媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧが使用され、受動Ｑスイッチとして、Ｃｒ：ＹＡＧの形のドープされた固体材料で構成される吸収体が使用される。１０ｍｍの共振器長により「自由スペクトル範囲」、すなわち隣接する縦モードの波長の差異が、複数の縦モードのうち１つの縦モードのみで最大ゲインで発振する程度に大きくなる。このレーザーが用いられた場合、パルス幅２３０ｐｓおよび周波数１００Ｈｚで高いパルスエネルギー３ｍＪが実現される。レーザーの波長は１０６４ｎｍである。特許文献１では、Ｎｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ：ＹＡＧレーザーの高パルスエネルギーに関して言及されている。共振器は光学的に安定するように設計されている「安定共振器」である。共振器はモノリシックに設計され、両方のエンドミラーは平面であり、動作中に活性レーザー媒質によって集光効果を有する熱レンズが形成される。実現可能な最大パルスエネルギーは実動作時のレーザー光の半径によって制限され、モード半径により理論的な損失が生じるが、共振器の光学素子の傾斜感度および熱レンズの変化に対する感度のためにロバスト性がある製品ではなくなる。その結果、コーティングまたは活性レーザー媒質の大部分または吸収体または遷移層に光学的損失が生じる。

「単一縦モード」動作および数１０ｎＪのオーダーのはるかに小さいパルスエネルギーを伴うＱスイッチ固体レーザーは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄を活性レーザー媒質とする非常に小さなモノリシックマイクロチップレーザーの形態で知られている（例えば、特許文献１参照）。ここでの共振器の長さは１５０μｍ未満で、１００ｐｓ未満のパルス長が実現可能である。この共振器は、平面状のエンドミラーによって動作中における熱レンズの形成について安定している。

約２．５ｍＪのパルスエネルギーおよび約５５０ｐｓのパルス持続時間を有し、出力パルスが増幅される安定した共振器を備えたＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ：ＹＡＧレーザーが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。ここで、活性レーザー媒質および吸収体は、レーザー光の偏光選択を実行するために、相互に対向する側に反対方向にブリュースター角をなして配置された表面を有している。

国際公開公報 ＷＯ２０１６／００４４４６Ａ１ 国際公開公報 ＷＯ２０１４／０１９００３Ａ１ 欧州特許公報 ＥＰ３１１７４９４Ａ１ 国際公開公報 ＷＯ２０１５／０２１４８８Ａ１

Ｂｈａｎｄａｒｉ Ｒ．ａｎｄ Ｔａｉｒａ Ｔ．，"ｐａｌｍ−ｔｏｐ ｓｉｚｅ ｍｅｇａｗａｔｔ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｍｉｃｒｉｌａｓｅｒ"，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３年７月／Ｖｏｌ．５２（７）、０７６１０２−１〜０７６１０２−６ Ｌｅｅ Ｈ．Ｃ．ｅｔ ａｌ．，"Ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ，ｓｕｂ−ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＭＯＰＡ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ"，Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ９５（２０１７）８１−８５

本発明の目的は、特に高いパルスエネルギーで動作可能な、前述のタイプの好適なＱスイッチ固体レーザーを提供することである。

本発明の固体レーザーは、前記共振器が不安定な共振器として構成され、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのうち一方のミラーが勾配ミラーであることを特徴とする。

本発明に係るレーザーによれば、共振器は不安定な共振器（不安定共振器）として構成され、共振器のミラーの１つは勾配ミラーである。ここで、共振器が線形共振器（「定在波共振器」とも呼ばれる）として構成されている場合、共振器長は５０ｍｍ未満、好ましくは２５ｍｍ未満である。共振器がリング共振器として構成されている場合、共振器長は１００ｍｍ未満、好ましくは、５０ｍｍ未満である。共振器が線形共振器として構成されている場合、共振器長は、一方のエンドミラーから他方のエンドミラーまでのレーザー光の軸線に沿って測定される当該レーザー光の軸線の長さである。共振器がリング共振器として構成されている場合、共振器長は、共振器を１周回または１循環する間のレーザー光の軸線に沿って測定される当該レーザー光の軸線の長さである。

非常に短く、かつ、単一の縦モードのみで発振するように長さが調整された共振器が光学的に不安定な共振器とともに用いられた場合、非常に高いパルスエネルギーで「滑らかな」パルス曲線が得られる。その短さにもかかわらず非常に高いパルスエネルギーを実現するために、不安定な共振器は、レーザーモードの大きなビーム半径を得るために、比較的大きな負の屈折力を持つ少なくとも１つの光学要素を有することが好ましい。これにより、当該要素の傾斜および動作パラメータの傾きに対して低い感度で安定した動作が可能になる。共振器は−２ｄｐｔ未満の合計屈折力を有する。すなわち、屈折力は負であり、その大きさは２より大きい。総合屈折力が−４ｄｐｔ未満であることが好ましい。共振器が線形共振器（「定在波共振器」とも呼ばれる）として構成されている場合、当該共振器の総合屈折力は、第１エンドミラーから第２エンドミラーまでの往路（行き経路）、および、第２エンドミラーから第１エンドミラーまでの復路（戻り経路）における途中の個々の光学要素の屈折力の合計である。この場合、エンドミラーの屈折力は１回だけ加算される一方、共振器においてエンドミラーの間に配置された光学素子、すなわち動作中に活性レーザー媒質によって形成される熱レンズの屈折力は２回にわたり加算される。共振器がリング共振器として構成されている場合、光学素子の屈折力は、共振器内の１周回にわたり合計される。すなわち、共振器のすべての光学素子の屈折力が１回だけ加算される。

本発明に係るレーザーは、１ｍＪを超えるパルスエネルギーを有することができる。本発明に係るレーザーは５ｍＪ、好ましくは１０ｍＪを超えるパルスエネルギーを有していてもよい。特に活性レーザー媒質のサイドポンピングにより、５０ｍＪを超えるさらに高いパルスエネルギーが実現可能である。

パルス持続時間は、有利には２０ｎｓよりも短く、好ましくは１０ｎｓよりも短い。 １ｎｓ未満のパルス幅が可能である。

光学的に不安定な共振器を有する既知のＱスイッチ固体レーザーは、複数の縦モードを備えた実質的に大きな共振器長を有している。負の屈折力を有する光学素子の場合、それらのサイズは比較的小さい。このような既知のレーザーでは、安定した共振器を備えたレーザーと比較して、共振器の光学素子の傾斜感度および熱レンズの変化に対する感度が比較的低いため、高いパルスエネルギーが実現可能である。放出されたパルスの強度曲線には、さまざまなモードの重ね合わせによる振動およびスパイクが存在する。不安定な共振器を有する同様のレーザーが提案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。

Ｑスイッチングのために、本発明に係るレーザーは、受動Ｑスイッチ、特にドープされた固体材料を有することが好ましい。

その高い増幅のために、Ｎｄ：ＹＡＧは、本発明に係るレーザーの活性レーザー媒質として特に適している。この場合、受動的なＱスイッチングの吸収体として、Ｃｒ：ＹＡＧが用いられることが好ましい。

本発明の一実施形態において、励起光が照射される活性レーザー媒質の側面でレーザー光の内部全反射が起こる。この場合、レーザー光のｓ偏光およびｐ偏光の間に位相差がある。レーザーがその最大ゲインで調整され、相互に位相差があるｓ偏光およびｐ偏光のうち一方の偏光については、一の縦モードのみでレーザーの最大ゲインで発振し、当該偏光のうち他方の偏光については、２番目に大きいゲインの縦モードでの発振が少なくとも実質的に防止される程度に最大ゲインよりも当該ゲインが低く（すなわち、選択された偏光を伴うモードと比較してそのエネルギーが１０％未満、好ましくは１％未満であり）、特に完全に発振が防止されている（すなわち、レーザー発振閾値を超えていない）。これは、付加的な光学要素、放射されたレーザー光の偏光選択の必要がない簡単な方法で実現される。

本発明に係る実施形態によれば、実質的に勾配ミラーを含む共振器の光学設計によってモードが決定されることを可能にする一方、熱レンズの効果は少なくとも実質的に無視されうる。広い励起光範囲または例えばシングルショットから最大周波数（例えば、１００Ｈｚまたは１０００Ｈｚ）までの広い範囲で安定した動作が可能になる。また、「パルスオンデマンド」動作が可能であり、これはさまざまな応用にとって重要である。これに対して、例えば前述の従来技術による非常に短く安定した共振器を備えた従来のレーザーは、熱レンズ、ひいてはパルス周波数に大きく依存している。

本発明のさらなる利点および詳細は、添付の図面を参照して以下に説明される。

本発明の第１実施形態としてのレーザーの概略図。 本発明の第２実施形態としてのレーザーの概略図。 本発明の第３実施形態としてのレーザーの概略図。 本発明の第４実施形態としてのレーザーの概略図。 本発明の第５実施形態としてのレーザーの概略図。 本発明の第６実施形態としてのレーザーの概略図。

本発明の第１実施形態が図１に概略的に示されている。これは、Ｎｄ：ＹＡＧにより構成されている活性レーザー媒質１を有する固体レーザーである。ドーピング量は、例えば１．１％である。

レーザーは受動的にスイッチされる（Ｑスイッチされる）。吸収体２として、特にドープされた固体材料、本実施形態ではＣｒ：ＹＡＧ（より正確にはＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ）が用いられる。図１では、活性レーザー媒質１および吸収体２が、間隙をおいて離間しているように示されている。しかし、活性レーザー媒質１および吸収体２は、それぞれの研磨された表面同士の拡散接合によって一体的に接続されていることが好ましい。セラミックＮｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ：ＹＡＧが使用される場合、焼結前に相互接続されたユニット（サンドイッチ構造）が粉末成形体として作製されてもよい。

活性レーザー媒質１および吸収体２は、共振器３のエンドミラーを形成する第１ミラー４および第２ミラー５の間に配置される。共振器３は、第１ミラー４、第２ミラー５、活性レーザー媒質１および吸収体２を有する。

本実施形態では、第１ミラー４は、図１に矢印で概略的に示されている励起光６とのカップリングのために用いられる。この目的のため、励起光６に対して少なくとも大部分が透明である一方（Ｔ＞９５％）、レーザー光の波長に対して可能な限り強く反射し（Ｒ＞９９．９％）、これに対応する透過性は低くなるように、第１ミラー４が二色コーティングされている。

たとえば、励起光の波長は８０８ｎｍである。

本実施形態におけるレーザー光の波長は１０６４ｎｍである。

ポンピングまたは励起のための装置は図１には示されていない。これは、０〜１００Ｈｚの範囲のパルス周期で動作する、例えば最大で１５０Ｗ（パルス持続時間が２５０μｓである）のＱＣＷ（準連続波）出力を有する従来のファイバーカップリングレーザーダイオードである。励起光のビーム径は、例えば約２．５ｍｍである。

第２ミラー５は、勾配ミラー（「勾配反射率ミラー」または「可変反射率ミラー」とも呼ばれる）である。勾配ミラーは既知のものである。勾配ミラーの中心反射率は、４０％など、３０％〜６０％の範囲に含まれていることが好ましい。勾配ミラーの反射率がｅ^-2まで低下する半径は、１．５ｍｍなど、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲に含まれていることが好ましい。

勾配ミラーの反射率曲線（＝半径の関数としての反射率）は、特にガウス曲線またはスーパーガウス曲線の形状であってもよい。

共振器３は、線形共振器または定在波共振器である。「線形共振器」という用語には、共振器内のビーム経路が、共振器のキャビティにおける少なくとも１回の反射によって曲げられるもの、すなわち折り畳み共振器も含まれている。一方、他の機能原理はビームが循環されるリング共振器により担われる。本実施形態における第１ミラー４から第２ミラー５までの共振器の全長は、一方のミラー４から他方のミラー５までの共振器３のレーザー光の軸線７に沿って測定された長さ（＝共振器長ａ）に対応している。共振器長ａは５０ｍｍ未満であり、好ましくは２５ｍｍ未満であり、本実施形態では１０ｍｍである。（図３〜５に示されている実施形態のように）レーザー光が共振器で反射される場合、共振器長ａは共振器の「展開された」長さ、すなわち１つのレーザー光の軸線に沿って測定される一方のミラーから他方のミラーまでの共振器の長さである必要がある。

第１ミラー４は、負の屈折力を有する光学素子として構成されている。したがって、焦点距離は負の値を有し、焦点距離は５００ｍｍ未満、好ましくは２５０ｍｍ未満、より好ましくは１５０ｍｍ未満である。本実施形態では、焦点距離は−５０ｍｍである。したがって、第１ミラー４に衝突する光は、高い発散をもって反射される。

共振器３は光学的に不安定である。共振器の倍率は１．２より高く、本実施形態では約２である。倍率は、不安定な共振器における周回ビームの幾何学的な広がりの尺度である。Ｍ＝２では、不安定な共振器の固有モードにおける幾何学的光線は、軸線からさらに２倍離れている。

本実施形態では、共振器の総合屈折力（＝第１ミラー４および第２ミラー５のそれぞれを一度だけ通過する共振器３の往路（行き経路）および往路（戻り経路）における光学素子について合計された屈折力）は、動作中に活性レーザー媒質１によって形成される熱レンズの屈折力が極めて低いため、第１ミラー４の屈折力に実質的に対応している。本実施形態では、共振器３の総合屈折力は約−２０ｄｐｔである。

共振器３は、レーザー光の縦モードが活性レーザー媒質１の最大ゲインになるように、その長さが調整され、本実施形態では１０６４ｎｍに調整される。この目的のために、レーザーの温度が安定化されることが便利である。共振器３の短さに由来して「自由スペクトル範囲」は非常に広いため、隣接する縦モードは最大ゲインからはるかに乖離しており、少なくとも実質的に発振せず（すなわち、エネルギーが基本モードのエネルギーの１０％未満である）、特にまったく発振しない（すなわち、レーザー発振閾値を超えない）。活性レーザー媒質１の最大ゲインの幅はそれに対応して狭い。レーザーは、動作中に少なくとも実質的に単一の縦モードのみを有する。また、レーザーは、動作中に少なくとも実質的に単一の横モードのみを有する。不安定な共振器としての構成は、高次の横モードが少なくとも実質的に発振しないことを補助する。レーザーは、横モードおよび縦モードの両方に関して「シングルモード」レーザーである。

大きなパワーを有する負の屈折力を伴う構成により、レーザーの短さにも関わらず、大きなモードサイズが実現可能である。活性レーザー媒質１におけるレーザー光のビーム径は５００μｍを超えていることが好ましい。それは、光学的損失を引き起こすことなく、高パルスエネルギーによって実現される。パルスエネルギーは、好ましくは１０ｍＪ以上である。

Ｃｒ：ＹＡＧが可飽和吸収体として使用された場合、安定化効果が奏される。吸収体は、最初はメインモードの振動の腹の位置において飽和する（＝「ホールバーニング」）。これにより、付随するモードの振動ノードが非飽和領域において多くなるため、当該付随するモードの吸収が大きくなる。

不飽和吸収体の透過率は非常に広い範囲、例えば１０％〜８５％の範囲に含まれていてもよい。

活性レーザー媒質１および吸収体２の入射面および出射面には、レーザー光の波長に対して反射防止のためのコーティングが施されていることが好ましい。

図２には本発明の第２実施形態が示されている。以下に説明する相違点を除いて、第２実施形態は第１実施形態の構成に対応し、第１実施形態の説明は同様に援用されうる。

第２実施形態では、活性レーザー媒質１および吸収体２のそれぞれは、いわゆる「フラットブリュースター」構成で切断かつ研磨される。したがって、活性レーザー媒質１および吸収体２のそれぞれは、相互に向き合った側面にブリュースター角を有し、これらの側面は少なくとも実質的に互いに平行に配置され、反対側の側面はレーザー光の軸線７に対して垂直である。レーザー波長（同様に励起光の波長）に対して反射防止のコーティングが平坦な側面に施されていることが好ましい。ブリュースター表面はコーティングされている必要はない。２つのブリュースター表面はｐ偏光の通過を妨げない一方、ｓ偏光に損失を与える。これにより、共振器が強制的にｐ偏光において動作し、少なくとも実質的に共振することはなく（すなわち、エネルギーはｐ偏光の基本モードのエネルギーの１０％未満、好ましくは１％未満である）、特にまったく発振しない（すなわち、レーザー発振閾値を超えない）。

ｓ偏光の損失を低減または解消可能なｓ偏光のエタロン効果を回避するためには、それぞれのｓ偏光モードの波長について、活性レーザー媒質１の最大ゲインに近い値にｓ偏光の高い透過率が実現されるように、２つのブリュースター表面の間の距離が正確に選択される必要がある。代替的または付加的に、ブリュースター表面が相互にわずかに傾斜していてもよい。

活性レーザー媒質１および吸収体２は、本実施形態ではモノリシックに設計され、ブリュースター表面の間に誘電体コーティングが設けられてもよい（既知の「偏光キューブ」と同様である）。

図３には、本発明の第３実施形態が示されている。以下に説明する相違点を除き、第３実施形態は第２実施形態の構成に対応し、第２実施形態に関する説明は同様に援用されうる。

第１および第２実施形態に関連してポンプ源として使用されるファイバーにカップリングされたレーザーダイオードモジュールは、電力が制限されており、利用可能な電力に対して比較的高価である。低コストかつ簡素でありながら性能を向上させるため、本実施形態では、ＱＣＷレーザーダイオードスタックが励起光源として使用される。例えば幅１ｃｍの複数のレーザーダイオードバーが、ＱＣＷ（「準連続波」）で動作する高性能のレーザーダイオードモジュールに組み合わされている構成が知られている。複数のバーの間に例えば１４０μｍの小さな隙間があるようにバーが相互に直接的に結合されることも知られている。１０個のバーのスタックは、１０ｍｍ×１．４ｍｍの面において光放射が可能である。ここで、ｘ方向の放射角は約＋／−５°、光学系を使用しない場合、ｙ方向の放射角は約＋／−２５°である。

前述の実施形態との本質的な相違点は、本実施形態では、活性レーザー媒質がサイドポンピングされることである（すなわち、レーザー光の軸線に対してある角度をなす平面を通じて）。この目的のため、図３に概略的に示されている、励起光６が活性レーザー媒質１に直接照射される前述のスタック１０が用いられてもよい。

この場合、活性レーザー媒質１の内部におけるレーザー光は、励起光６が入射される側面８における内部全反射によって反射される。

レーザー光の入射角が４５°であり、レーザー光の軸線７が９０°の角度であることが特に好ましい。このような入射角およびｐ偏光により、電界ベクトルが互いに垂直であるため、入射ビームと出射ビームとが相互に干渉しないという効果が奏される。その結果、入射ビームおよび出射ビームは、励起された活性レーザー媒質１において空間的ホールバーニングを生成させることがなく、モード安定性および効率が向上される。そうしないと、いわゆるＳＨＢ（「空間的ホールバーニング」）が２次モードのゲインを大幅に増加させる可能性がある。

所望のｐ偏光を実現するために、活性レーザー媒質１および吸収体２のそれぞれは、前述の実施形態と同様に、ブリュースター表面を有することができる。

共振器３の第１ミラー４から第２ミラー５までの（＝展開されたまたは折り畳まれていない共振器の長さ）、レーザー光の軸線７に沿って測定された長さ（＝共振器長ａ）は、本実施形態では１５ｍｍであってもよい。共振器長ａは、図３に角度間隔の寸法線および矢印により示されている。

前述のレーザーダイオードスタックは、例えば２５０μｓで５００ｍＪのポンピングエネルギーに相当する２０００Ｗを出力する。したがって、１００ｍＪ程度の範囲のレーザーパルスのエネルギーが実現可能である。

ｙ方向への励起光の十分な拡大を達成するために、レーザーダイオードスタックと活性レーザー媒質１への入射面との間の空隙は、例えば２〜３ｍｍの範囲に含まれていてもよい。

共振器３の全負屈折力は、レーザー光のモード半径が十分に大きくなるように設計されている。第１ミラー４の焦点距離は−７５ｍｍ程度の範囲に含まれていることが好ましい。これにより、倍率は約２になる。レーザー光のモード半径は、３．５ｍｍ程度の範囲において第２ミラー５と干渉する可能性がある。勾配ミラーはそれに応じて設計されている。勾配ミラーの反射率がｅ^-2に低下する半径は、１．７５ｍｍ程度の範囲に含まれている。

偏光選択は、活性レーザー媒質１の表面での内部全反射におけるｓ偏光とｐ偏光との間の位相差によってさらに補助または促進される。２つの偏光の一方の偏光についてのみ一の縦モードで活性レーザー媒質１の最大ゲインが得られる一方、他方の偏光については縦モードで少なくとも実質的に発振せず（すなわち、エネルギーが最大ゲインの状態をもたらす偏光を伴う基本モードのエネルギーの１０％未満、好ましくは１％未満であり）、特にまったく発振しない（すなわち、レーザー発振閾値を超えない）ように、共振器３の展開された長さが微調整される。共振器長のこのような微調整は、例えば、レーザーが取り付けられているベースプレートの温度調整により行われてもよい。

ｓ偏光とｐ偏光との間の内部全反射による位相差は、入射角４５°である場合に約１１６°である。また９０°などの特定の位相差を実現するため、側面８がコーティングされてもよい。このコーティングは、励起光の波長に対して透過性がある必要がある。

図４には、本発明の第４実施形態が示されている。第４実施形態は、以下に説明する相違点を除いて、第３実施形態の構成に対応している。第３実施形態の説明は、同様に援用されうる。

第３実施形態との相違点は、活性レーザー媒質１および吸収体２のブリュースター表面が省略されていることである。ここでは、内部全反射によって生じるレーザー光のｓ偏光とｐ偏光との間の位相差のみに基づいて偏光選択が行われる。

第４実施形態では、活性レーザー媒質１と吸収体２とのカップリングは、これらの間に介在する誘電層がなくても可能である。

図５には、本発明の第５実施形態が示されている。第５実施形態は、以下に説明する相違点を除いて、第４実施形態の構成に対応している。第４実施形態に関する説明が援用されうる。

第５実施形態では、活性レーザー媒質１は、第４実施形態とは異なる形状を有し、２つの内部全反射があるように長く形成されている。レーザー光が第１ミラー４から（吸収体２を通過した後で）活性レーザー媒質１に入射された場合、励起光が入射される側面８で全反射が起きる。さらに、反対側の側面９において全反射が起きる。その結果、レーザー光は、好ましくはブリュースター角で活性レーザー媒質１の端面から出射し、そこから第２ミラー５に向かう。内部全反射を起こした２つのレーザー光の軸線７の角度はそれぞれ９０°であることが好ましい。しかし、当該角度は９０°とは異なる角度であってもよい。

このようにして形成された活性レーザー媒質は、ベースプレートに簡単な方法で取り付け可能である。「寄生レーザー」の観点から当該構成には利点がある。活性レーザー媒質１の長さが大きいことが欠点である。

共振器の展開された全体的な長さが十分に短く維持されうる場合、活性レーザー媒質においてレーザー光がさらに内部全反射されてもよい。

図６には、本発明の第６実施形態が示されている。本実施形態では、共振器３０はリング共振器として構成されている。リング共振器では、可能なモードが共振器で周回する。この場合、第１ミラー４および第２ミラー５は「エンドミラー」を構成しない。リング共振器の一実施形態において、活性レーザー媒質１の内部全反射とともに第１ミラー４および第２ミラー５によりリング構造が形成されている。リング構造は本質的に「三角形」である。例えば、実質的に「正方形」のリング構造を形成するため、ミラー要素のさらなる反射が可能である。第２ミラー５はここでも勾配ミラーである。これは、前記実施形態と同様の方法で設計されてもよい。

第１ミラー４は、ここでも負の屈折力を有する光学素子として設計されている。たとえば、焦点距離は−１００ｍｍ程度の範囲である。

共振器３０は光学的に不安定であり、倍率は１．２より大きく、例えば約２であってもよい。

活性レーザー媒質は、ここでもＮｄ：ＹＡＧであることが好ましい。

受動Ｑスイッチングの場合、ドープされた固体材料、特にＣｒ：ＹＡＧである吸収体２が用いられる。

前述の第２実施形態と同様に、活性レーザー媒質１および吸収体２は、「フラットブリュースター」構成により構築されている。第２実施形態の対応する説明は、ここでも同様に用いられる。

共振器３０はリング共振器であるため、共振器の総合屈折力は、共振器における１周回にわたるすべての光学要素の屈折力の合計である。共振器３０の各光学要素はその屈折力が１回だけ加算される。

熱レンズの屈折力は実質的に低いため、本実施形態では、共振器の総合屈折力は、第１ミラー４の屈折力に実質的に対応している。例えば、共振器の総合屈折力は−５Ｄ〜−１０Ｄの範囲に含まれていてもよい。

共振器長は、共振器の１周回または１循環にわたって共振器３０におけるレーザー光の軸線７に沿って測定された長さである。例えば本実施形態では、第１ミラー４から活性レーザー媒質１の側面８における全反射を経て第２ミラー５に至り、そこから第１ミラー４に戻るのが共振器における１周回である。当該共振器長は１００ｍｍ未満、好ましくは５０ｍｍ未満である。共振器長は、少なくとも実質的に単一の縦モードのみ（すなわち、他の縦モードのエネルギーは最大ゲインのモードのエネルギーの１０％未満、好ましくは１％未満である）が発振するように調整され、特に他の縦モードでは発振しない（すなわち、これらのレーザー閾値を超えない）。

レーザーは、動作中に少なくとも実質的に単一の横モードのみを有する。

活性レーザー媒質１のサイドポンピングは、第３実施形態と同様の方法で実行され、その説明が援用されうる。

活性レーザー媒質１の側面８での内部全反射におけるｓ偏光とｐ偏光との間の位相差または位相シフトによる偏光選択は、第３実施形態と同様の方法で実行されてもよい。

リング共振器の場合も、活性レーザー媒質１および吸収体２のブリュースター表面が省略され、内部全反射の位相ジャンプのみによって偏光選択が実行されてもよい。原則として、偏光選択も省略されてもよい。

本発明の範囲から逸脱することなく、前記実施形態の様々なさらなる変更が可能である。

例えば、第２ミラー５が励起光を十分に透過するように設計されている場合、第２ミラー５によってポンピングが実行されてもよい。

第１ミラー４および第２ミラー５が逆に配置されてもよい。

レーザー光の偏光選択に対して、ブリュースター角の代わりに、４５°等の他の角度が用いられてもよい。この場合、異なる部品がそれらの間に介在する誘電体層によりカップリングされてもよい。

例えば共振器の光学素子のコーティングに適用または応用された格子構造など、前記方法とは異なる方法によって偏光選択が実行されてもよい。レーザー光の偏光選択方法としてはさまざまな方法が知られている。偏光選択が完全に省略されてもよい。

負の屈折力を有する第１ミラー４を形成する代わりにまたはそれに加えて、負の屈折力を有する別の光学素子が設けられてもよい。

Ｎｄ：ＹＡＧの代わりの活性レーザー媒質として、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧなどが採用されてもよい。Ｎｄ：ＹＡＧは１０６４ｎｍの主波長以外の波長、例えば１４４０ｎｍで動作させてもよい。

他の可飽和吸収体材料、例えば、１４４０ｎｍのローカルラインで動作するＮｄ：ＹＡＧと組み合わせられるＣｏ：ＭＡＬＯ（１、２μｍより長い波長の場合）が吸収体に用いられてもよい。

１‥活性レーザー媒質、２‥吸収体、３‥共振器、４‥第１ミラー、５‥第２ミラー、６‥励起光、７‥軸線、８‥側面、９‥側面、１０‥レーザーダイオードスタック、３０‥共振器。

Claims (12)

1. 線形共振器またはリング共振器の形態の共振器（３、３０）を有するＱスイッチ固体レーザーであって、
   活性レーザー媒質（１）と、少なくとも第１ミラー（４）および第２ミラー（５）と、を備え、
   前記共振器が線形共振器として構成されている場合、５０ｍｍ未満または２５ｍｍ未満の共振器長（ａ）を有し、前記共振器がリング共振器として構成されている場合、１００ｍｍ未満または５０ｍｍ未満の共振器長（ａ）を有し、前記共振器（３）において少なくとも実質的に単一の縦モードのみで発振し、
   前記共振器（３、３０）が不安定な共振器として構成され、前記第１ミラー（４）および前記第２ミラー（５）のうち一方のミラーが勾配ミラーであることを特徴とする固体レーザー。
2. 請求項１に記載の固体レーザーにおいて、
   前記共振器（３、３０）が線形共振器（３）として構成されている場合、前記共振器（３）の行き経路および戻り経路にわたる前記共振器（３）の光学要素の屈折力の合計により定まる前記共振器（３、３０）の総合屈折力が−２ｄｐｔ未満または−４ｄｐｔ未満であり、
   前記共振器（３、３０）がリング共振器（３０）として構成されている場合、前記共振器（３０）の循環経路にわたる前記共振器（３０）の光学要素の屈折力の合計により定まる前記共振器（３、３０）の総合屈折力が−２ｄｐｔ未満または−４ｄｐｔ未満であることを特徴とする固体レーザー。
3. 請求項２に記載の固体レーザーにおいて、
   活性レーザー媒質により動作中に形成される熱レンズの屈折力が、前記共振器（３、３０）の総合屈折力の１０％未満であることを特徴とする固体レーザー。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
   前記共振器（３、３０）が１．２を超える倍率を有することを特徴とする固体レーザー。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
   前記活性レーザー媒質（１）がサイドポンピングされることを特徴とする固体レーザー。
6. 請求項５に記載の固体レーザーにおいて、
   励起光（６）が入射される前記活性レーザー媒質（１）のそれぞれの側面（８）においてレーザー光の全反射が実現され、前記レーザー光のｓ偏光およびｐ偏光の間での位相シフトが実現されることを特徴とする固体レーザー。
7. 請求項６に記載の固体レーザーにおいて、
   位相シフトされたｓ偏光およびｐ偏光のうち一方の偏光が前記活性レーザー媒質（１）の最大ゲインで実現され、かつ、他方の偏光が発振が防止される程度に当該最大ゲインに対してゲインが低くなるように、共振器長（ａ）が調整されていることを特徴とする固体レーザー。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
   前記活性レーザー媒質（１）がＮｄ：ＹＡＧであることを特徴とする固体レーザー。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
   吸収体（２）としてのレーザーが、ドープされた固体材料を含むことを特徴とする固体レーザー。
10. 請求項９に記載の固体レーザーにおいて、
    前記ドープされた固体材料がＣｒ：ＹＡＧであることを特徴とする固体レーザー。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
    前記パルスエネルギーが１ｍＪ以上または５ｍＪ以上であることを特徴とする固体レーザー。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の固体レーザーにおいて、
    パルス持続時間が２０ｎｓまたは１０ｎｓよりも短いことを特徴とする固体レーザー。