JP2024510418A - 空洞内ホログラフィックレーザモード変換装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、広帯域空洞内レーザモード変換器である。これは、光熱屈折（ＰＴＲ）ガラスに記録された広い分光幅を伴うボリュームブラッグ格子の内側に刻まれた複雑な位相マスクのホログラムである。このホログラムは、ＰＴＲガラスの小さい吸収係数および小さい非線形の屈折率のため、高い瞬間的および平均のパワーにおける幅広い波長にわたって使用することができる広帯域位相変換モノリシックデバイスである。そのため、広帯域光学ビーム変換のために、および、レーザ共振器におけるモードの変換のために使用することができる。

Description

本開示は、位相ビーム変換方法に関する。詳細には、本開示は、空間的な横モード変換を提供するように構成される空洞内色収差ホログラフィック位相マスクが提供されるレーザに関する。

横モード変換方法は、例えば、強度のガウス横プロファイルと、様々なレーザ用途によって必要とされる他のより複雑モードのプロファイルへの平面波面との間で、モード変換を提供するために使用される。これらの変換されたモードには、制限なく、ＴＥＭ_ｍｎ、Ｌａｇｅｒ－Ｇａｕｓｓｉａｎ ＬＧ_ｎｍ、エアリ、ベッセル、および他のものがあり得る。モード成形技術には、振幅変調、位相変調、またはそれら両方の組み合わせがあり、レーザ空洞の外側または内側で実行でき、レーザ空洞の内側がここでは最も関連する。

モードの位相プロファイル変換方法は、モード波面の局所領域に適用される位相補正を含む。結果として、ビーム伝搬特性は、成形されたモードの遠視野における所望の放射プロファイルを提供するために、変更することができる。所望のモード形変換を可能にする位相遅延は、波長の一部において測定される光路差によって決定される。光路差は、ビームが通って進む媒体の厚さ、および媒体の屈折率の副産物である。位相プロファイルを制御する要素は、ここで特に興味のあるものである、回折光学素子（ＤＯＥ）および空間光変調器（ＳＬＭ）である位相マスクを含む。具体的な位相ずれ作用は、特定の波長のためだけに実現させることができるため、すべての位相成形要素は、高度な色収差、つまり、狭い帯域と比較的小さい出力モードとを特徴付ける現象を示す。それでもなお、高出力で広いスペクトル線を伴うモードは、様々なレーザ産業用途にとって不可欠である。

位相マスクは、伝達されたモードの光路が開口にわたって特定の分布を有する光学要素であり、用語として、空間的に依存した位相プロファイルが誘導される従来のレンズを排除する任意の光学要素を定めるために使用される。所定の位相分布を伴う永久的な位相マスクを製作するための２つの方法が知られている。第１の方法は、光学的に透明で均一な材料のプロファイル形成された表面、つまり、表面位相マスクを作成することを含む。この方法は、選択的なエッチングまたは堆積の異なる技術によって実行され得る。これらの方法は、幾何学的な厚さの望ましいプロファイルを作り出し、対応して、伝達されたビームにおける光学位相のプロファイルを作り出す。第２の方法は、ビームの開口にわたり、媒体のボリュームにおいて、材料の局所的な屈折率を変更することを含む。これらの変更は、光路の所望のプロファイルを作り出し、結果として、伝達されたモードに光学位相を作り出す。ＶＢＧを作成するのに適した材料は感光性である。

感光性材料の例は、材料の紫外線放射への露出に続く熱現像の後に屈折率の変更を提供する光熱屈折（ＰＴＲ）ガラスである。この順序によって、レーザ放射によって漂白することのできない、永久的な材料の屈折率の変化と、可視領域および近赤外線スペクトル領域における小さい吸収とを結果的にもたらす。これらの特徴は、レーザ放射、機械的衝撃、および上昇した温度に対する高い効率および大きい公差によって特徴付けられるＶＢＧの作成を可能にする。具体的には、ＶＢＧは、ある角度で集束する２つの平行にされた紫外線ビームの干渉パターンへの均質なＰＴＲガラス板の露出によって製作される。これらの条件のために、干渉パターンは、平行平面の干渉縞の系である。集束角度は干渉パターンの期間を決定する。熱現像の後、変更された屈折率を伴う平行平面の層の系がＰＴＲガラスのボリュームにおいて作り出される。層同士の間の距離が干渉パターンの期間に等しい。ＶＢＧにおける光の回折はブラッグの法則に従う。

ここで、λは波長であり、ｎは感光性媒体の平均屈折率であり、ｄは、均一な屈折率を伴う層同士の間の距離であり、θは、ビーム伝搬の方向と均一な屈折率の平面との間の角度である。この公式は、ＶＢＧが、狭いスペクトルおよび角度の受け入れを伴う狭帯域デバイスであり、従来のＶＢＧの重要な特徴が同調性であることを示している。入射角を変更することは、ＶＢＧを異なる共振波長に同調させることになる。

ボリュームブラッグマスク（ＶＰＭ）は、従来のフォトリソグラフィまたは確率的フォトリソグラフィを用いて作り出される振幅マスクを通じて、紫外線放射にＰＴＲガラス板を露出させることで作られる。この技術は、レーザ放射および光学系の表面汚染への高い耐性を提供する平坦な研磨された表面をそれぞれが有するガラス板同士の中に、複雑な位相マスク（ＰＭ： Ｐｈａｓｅ Ｍａｓｋ）の作成を可能にする。

狭帯域の制約は、ホログラフィックボリューム位相マスク（ＨＰＭ）のかなり新しい開発によって、かなり最近に克服されてきている。ＨＰＭは、ＶＢＧにおけるボリューム位相マスクの組み込みによって作り出される光学要素である。この方法は、ＶＢＧによって回折させられるビームに所望のプロファイルを作り出す。具体的には、ＨＰＭは、所望の位相情報を透過ＶＢＧに埋め込み、それをＰＴＲガラスの厚い媒体へとホログラフで記録することで作り出される。結果として、ＨＰＭは、回折したモードの位相プロファイルが、回折した波長に拘わらずＨＰＭの作成の間に使用される記録した紫外線ビームの位相プロファイルと同じとなるように動作する。使用中、このように作成されたＨＰＭは、それ自体の位相プロファイルを回折したモードに埋め込む。これは、使用中であるとき、入射ビームの位相プロファイルでモードを回折させる従来のＶＢＧと対照的である。これは、従来の表面またはボリュームのＰＭに反して、ＨＰＭは感光性媒体の透明窓の中の同調可能なデバイスであることを意味する。ＰＴＲガラスについて、この窓は３５０～２７００ｎｍである。ガウスモードを異なる空間モードへと変換すること、およびその逆の変換をすることの実演は、ＨＰＭの角度同調によって作り出された。

ＨＰＭのビーム成形能力は、２つの表面格子との組み合わせで、ＨＰＭを含む光学的構成において利用されてきた。この構成は、少なくとも３００ｎｍの周波数範囲におけるフェムト秒（ｆｓ）ビームなど、広帯域または多重波長のビームに向けての色収差モード変換を可能にする。さらに、複数のＨＰＭが、異なる空間モードにおいてそれぞれの異なる波長で伝搬するいくつかの広帯域ビームの増幅を許容する同じＰＴＲボリュームに記録させることができる。したがって、ＨＰＭは、複数の広帯域レーザビームの空間変換および空間組み合わせを提供することができる。

ＨＰＭ技術のさらなる開発が、米国特許出願第６２／９７０，００１号において開示されている。この特許出願は、紫外線ビームを記録するパラメータが広いスペクトルの受け入れを提供するときのＰＴＲボリュームにおけるＨＰＭ記録の方法を教示している。このスペクトル受け入れの中で、任意のスペクトル成分についての位相侵入が同一であることが見出されている。したがって、開示されている方法によって作り出されるＨＰＭは、モノリシックで色収差であり、表面格子を必要としない。

上記の開示されているＨＰＭは、モードの所望の空間分布および伝搬特性を得るために、レーザモード成形の典型的な方法であるレーザ空洞の外部の自由空間において伝搬するレーザビームの状況で使用されている。それでもなお、共振器の中でレーザモードを成形することは、ゲインが所定の空間モード分布へと優先的に結合され、それによって損失を最小限にすることを確保する。

米国特許出願第６２／９７０，００１号

したがって、必要とされていることは、様々に成形されるモード同士の間でモード変換を提供するために、広帯域レーザ共振器の中で動作する空洞内ＨＰＭが提供される広帯域レーザである。

この必要性は、広帯域ビームの横モード成形が可能な色収差で同調可能な回折要素であるＨＰＭを組み込んでいる開示されているレーザ構成によって満たされる。いくつかの本発明の態様およびそれらのそれぞれの特徴は、以下に開示されており、以下に開示されている特定の特徴の各々が１つまたは複数の他の特徴と組み合わせることができるように、概念的および構造的に結び付けられている。

本開示の基本となる特徴によれば、所定の横モードで放射を発生させるように構成される共振器が、所定の横モードの一部分を回折させるためにブラッグ角に調節されるＨＰＭを含む。回折している間、ＨＰＭは、所定のモードの位相プロファイルと異なる、回折した横モードにおいてその位相プロファイルを符号化する。結果として、ＨＰＭは、最大でＨＰＭの分光幅と等しい分光幅を伴う回折した横モードを共振器の外部に案内する出力カプラとして動作する。

広帯域共振器は、ガウス位相プロファイルを伴う基本モードを支持するように構成される。典型的には、レーザ源およびそのポンプスキームは、ガウス位相プロファイルを伴う最も可干渉性の光学ビームの空間プロファイルを提供する。したがって、ＨＰＭは、複雑なＴＥＭ_ｍｎ、Ｌａｇｅｒ－Ｇａｕｓｓｉａｎ ＬＧ_ｎｍ、エアリ、ベッセル、および他の複雑モードの形へのガウスモードの変換と、必要とされる場合にはガウスモードへと戻す変換とを提供するように構成される。

しかしながら、開示されている共振器は、ガウスモードだけを支持することに限定されず、複数の高次モードを支持するように構成できる。このようなレーザはマルチモード（ＭＭ）レーザと称される。したがって、この態様のさらなる発展において、ＨＰＭは、非ガウスモードまたは複雑なモードの間に位相変換を提供するために、少なくとも最大で３００ｎｍまでの分光幅で構成される。

他の特徴によれば、広帯域共振器は、平面であり、２つの離間された反射体の間で定められる。共振器は、所望の波長において所定のモードの増幅を提供する様々な材料から選択され得る利得媒体をさらに含む。様々な利得媒体が、本明細書で列記するには多すぎるが、大まかには、イッテルビウム、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、および、ナノ秒未満の高出力パルスを含む、パルスの発生のために使用される他の結晶など、様々な希土類イオンでドープされた結晶成長ＹＡＧが、本開示の状況の中で成功裏に試験されている。

さらなる特徴において、開示されている反射体は、それらの間に共振空洞を定め、共振器の中で発生させられるすべてのエネルギーをその内側に保存するそれぞれの平面高反射鏡（ＨＲ）として構成される。空洞のアーキテクチャは、共振器の軸に沿ってＨＲ同士の間で進む所定の横モードの形を提供する。共振器の内側のＨＲから離間されて、ＨＰＭは、共振器の軸平面に対して横断する回折平面において２つの出力を提供する双方向の出力カプラとして機能するように備え付けられる。別の言い方をすれば、２つの回折した横モードの各々の出力方向は、所定のモードの伝搬の軸方向に特有である。したがって、ＨＰＭモード変換器は、所定の横モードが共振器の中に留まる一方で、ＨＰＭの位相プロファイルを有する回折した横モードが、共振器から分断されるように構成される。

なおも他の構造の特徴は、回折した横モードの対向する方向のうちの一方に沿って、回折平面に備え付けられる追加のＨＲ鏡を備える。この特徴は、共振器の出力の意図されている標的が、回折した横モードの２つの出力を伴うアーキテクチャにおけるよりも実質的に高い出力パワーを受け入れることを可能にする。

先に検討されている特徴のさらなる構造的な変更は、追加のＨＲ鏡から反射する回折した横モードが、反対の回折方向に伝搬する回折した横モードの位相侵入と異なる位相侵入を有し得るという事実から生じる。結果として、回折した横モード同士は互いに破壊的に干渉して出力信号を減衰する。それを防止するために、追加のＨＲ鏡が回折平面において変位可能であり、それによって、干渉パターンを調整するために、反射する回折した横モードの経路を変える。

なおも他の特徴によれば、ＨＰＭは出力カプラとして機能せず、空洞内モード変換器としてのみ機能する。共振器の構成は、空洞を定める端反射体を、端反射体のうちの一方だけがＨＲ鏡である状態で備える。他方の出力鏡（ＰＲ）は、入射光を部分的にのみ反射する。ＨＰＭは、高い変換効率で構成され、所定の横モードを、９０°の角度でＰＲに入射する回折した横モードへと変換するように備え付けられる。回折したビームの一部が空洞へと戻るように反射させられるとき、ＨＰＭは、回折した横モードを所定の横モードへと戻すように変換する。したがって、この態様の共振器は単一の出力を有し、その空洞はそれぞれの所定の回折した横モードを支持し、ＨＰＭによって互いに分離される領域へと分割される。別の言い方をすれば、先の態様と対照的に、この態様のレーザは、同じ空洞において進む異なる横モードを有するように構成される。

さらなる特徴はレーザ構成要素の異なる構成を含む。具体的には、ＨＰＭおよびＰＲ鏡は、先の態様の構造的な特徴と同様である２つの離間された構成要素として構成され得る。代替で、ＨＰＭとＰＲ鏡とは、一体品またはモノリシック構成要素として構成することができる。

なおも他の特徴は、ＨＰＭが設けられるモノリシックレーザに関する。構造的に、この態様の共振器は、希土類イオンのうちのいずれかでドープされるＰＴＲガラスの平板で構成される。したがって、利得媒体が個別の空洞内構成要素のうちの１つだけであるそれぞれの先の態様の構造的な特徴と対照的に、平板全体が持ち運びできてモノリシックな固体レーザを表す利得媒体である。２つのＨＲ被覆が、それらの間に共振空洞を定めるために、利得要素のそれぞれの反対の側に堆積させられる。

先に開示されている特徴のうちの１つと同様に、先に開示されている構成のモノリシックレーザは、回折したモードの２つの出力を有する。この態様の特徴によれば、利得要素は、この構造に単一の出力を提供する出力された回折したモードの一方の経路に位置する要素の側に堆積させられる追加のＨＲ被覆を含む。

本開示のなおも他の特徴は、それぞれのＨＰＭを伴うＶＢＧが物理的に互いに空間的に重なる一方で光学的に独立している感光性ガラスの同じボリュームに記録されるいくつかのＶＢＧを備える。異なる入射角度で異なる波長を伴うビームを発射することで、異なるＨＰＭによる回折を提供する。構造的に、この態様は、異なるＨＰＭの間での切り替えを可能にし、そのため異なって成形された出力された横モードを可能にする傾斜可能なガラスを備える。

上記および他の構造的および概念的に補完する特徴は、一定の縮尺で描かれていない添付の図を参照してより明らかになるであろう。図は、図示と、様々な結び付けられた態様および概略のさらなる理解とを提供し、本明細書の一部を構成するが、任意の具体的な概略または態様の限度を描写していない。図面において、様々な図において現れる各々の同一またはほとんど同一の構成要素は、同様の符号によって指示されている。明確性の目的のために、必ずしもすべての構成要素が同じ符号を有していない可能性がある。

本開示の本発明の概念により動作する記録するＨＰＭのための光学的レイアウトの図である。 測定と、ガウスのＴＥＭ_００モードからＴＥＭ_１１モードへの光学ビーム変換とを提供する例示の光学的概要の線図である。 測定と、ガウスのＴＥＭ_００モードからＴＥＭ_１１モードへの光学ビーム変換とを提供する例示の光学的概要の線図である。 双方向出力カプラとして動作するＨＰＭ空洞内モード変換器で構成された本発明の広帯域レーザの１つの例示の光学的概要の図である。 単一出力カプラとして動作するＨＰＭ空洞内モード変換器を伴う本発明の広帯域レーザの他の例示の概要の図である。 ＨＰＭモード変換器が設けられた本発明の広帯域レーザのなおも他の光学的概要の図である。 ＨＰＭ空洞内モード変換器が設けられ、モノリシック光学発生器として構成された本発明のレーザの図である。 図３の本発明の広帯域レーザの動作中の試作品の光学的概要の図である。 図７の光学的概要により回折させられた広帯域レーザ出力ビームを捕獲するところの概要の線図である。 図８Ａの概要により回折させられた横モードの遠視野において捕獲されるレーザ出力の異なる空間モードの図である。 図５の本発明の広帯域レーザの動作中の試作品の光学的概要の図である。 図９の光学的概要により回折させられた広帯域レーザ出力ビームを捕獲するところの概要の線図である。 図１０Ａの概要により捕獲された広帯域レーザ出力の異なる空間モードの図である。 図３、図４、および図５により本発明の概念を実行する多重ＨＰＭの動作の図である。

本開示は、所定の空洞内横モードを条件付ける共振空洞形状を有するレーザと、最大でＨＰＭの分光幅までの分光幅を有する回折したモードにおける所望の位相プロファイルを埋め込む一方で、所定のモードの一部分を回折させるために空洞に備え付けられるＨＰＭとを教示している。

ＶＢＧが、初期のビームプロファイルがブラッグ条件を満たす限り、そのビームプロファイルを歪めることなく異なる波長を回折することができる最も単純なボリュームホログラムであることを留意することは、重要である。ＶＢＧと対照的に、ＨＰＭは入射したビーム波面を変更する。また、これは、ＨＰＭが記録のものと異なる波長または同じ波長で試験できるという事実をもたらす。

図１および図２Ａ～図２Ｂを参照すると、伝達ブラッグ格子（ＴＢＧ）１２への所望の位相プロファイルの符号化は、アームのうちの１つに備え付けられる標準的な２進位相マスク（ＰＭ）２０を含むホログラフィック二光記録システム１０によって、すなわち、色収差紫外線ビーム１４によって、行われる。ＰＭ２０は、再生波長についてではなく、記録ビーム１４’のホログラム波長についての所望の位相プロファイルを有する。ＰＭ２０によって成形され、ビーム１４のガウス形をそれ以上有していない記録ビーム１４’と、ビームスプリッタによってビーム１４から分割される紫外線色収差ビーム１６とは、干渉縞パターンを作り出すために、ＴＢＧ１２の法線に対してある角度で干渉する。システム１０によって作成されるＨＰＭ２２は２進位相プロファイルを有する。上記のことに基づいて、図２ＢのＨＰＭ２２が使用中であるとき、ブラッグ条件に対応する任意の波長で伝搬し、図２ＡのＣＣＤ２６によって波長の一部において測定される回折したビーム２４の位相プロファイルは、紫外線ビーム１４’についての位相プロファイルと同じである。

具体的には、図２Ａおよび図２Ｂは、ガウスＴＥＭ_００モードからガウスＴＥＭ_１１モードへの例示のビーム変換を示している。４つの区域のＨＰＭ２２が図１のＴＢＧ１２において符号化される。図２Ｂの回折したビーム２４と伝達したビーム２８との両方の空間プロファイルが、フーリエレンズを介して遠視野において記録される。回折したビームの分光幅は、ＨＰＭ２２の分光幅と同じ広さであり得る。ＨＰＭ２２は最大で３００ｎｍ以上までであり得、これは、最大で１ｎｍまでの細い線幅と、最大でＨＰＭ２２の幅の広いスペクトル線との間の範囲を伴うビームを、本発明の概念に応じて成形させることができる。

図１に戻ると、ＨＰＭ２２は、ガウスモードを有する入射ビームの変換に限定されない。ビーム成形要素として、ＨＰＭ２２は、任意の複雑モードを異なる複雑モードへと変換するために作成できる。図１の記録の概要は、ＰＭ２０の位相プロファイルと異なる位相プロファイルを伴う追加のＰＭ２０’とガウスビーム１６とを組み込むことで、複雑モードで動作するＨＰＭ２２を作成するために使用できる。複雑な回折した横型記録モード１４’および１６’の間の干渉は、したがって、そのボリュームにおいて記録された２つの複雑モードを有するＨＰＭ２２をもたらす。

図３を参照すると、本発明のレーザの共振空洞３０に備え付けられたＨＰＭ２２は、出力カプラとして動作する。ここでは平面の共振器が簡潔性のために示されている。実際には、異なる種類の共振器が、本発明のレーザのために検討され得る。利得要素Ｇ３６に加えて、共振器３０は、２つの高い反射率の平面の鏡（ＨＲ）３２および３４でそれぞれ構成される。このような共振器は、フレネル数（Ｆ）が次式の１未満である場合、単一の横モードを提供する。

ここで、ｒは基本モードの半径であり、Ｌは共振器の長さであり、λは波長である。このモードは強度のガウス横プロファイルを有する。ＨＲ鏡３２、３４は、共振器３０の内側の発生したパワーをすべてそれぞれ維持する。所望のブラッグ角に調節されるＨＰＭ２２を共振器３０に配置することは、回折平面３５の中の反対方向において、所定の発生した空洞内モード４２の回折をもたらす。結果として、ＨＰＭ２２は双方向出力カプラとして機能する。第２の出力は、ＨＰＭ２２に入射するとき、最初に回折した横モードと同じ回折平面３６においてであるが、反対方向に回折するＨＲ３４からの所定の空洞内横モード４２の後方反射の結果である。カップリングの効率は、ＨＰＭ２２の変化する回折効率によって、または、任意の適切なアクチュエータ３８によってＨＰＭ２２をその軸の周りで回転させることで達成され得るブラッグ角からのＨＰＭの漸進的な離調によって、変化させることができる。ＨＰＭ２２の効率は、顧客によって指定された要件を満たすように選択される。図３（および図４）の構成では、マスクの効率は、非常に高くなる必要がなく、２０～３０％の範囲に限られてもよい。所定の空洞内横モード４２は、例えばＴＭｏｏであり得、所望のモードは高次横モードＴＭｍｎであり得る。ＨＰＭ２２を共振器３０に配置することで、回折したビーム２４に位相侵入をもたらす。これは、ＨＲ鏡３２、３４の間の空洞内の所定のモードが例えばガウスである一方で、２つの出力された横モード２４は、ＨＰＭ２２によって決定され、ガウスモードと異なる同一のプロファイルを有することを意味する。ＨＰＭは、モード変換と収差修正との両方についてほとんど無作為の波面を提供することができる。

図４は、１つの追加的な構造の特徴を伴う図３と同じ構成を示している。具体的には、この図のレーザ５０は、レーザ処理される標的に入射する可能性として５０％の出力のパワーロスのある回折したモードをもたらす双方向の出力放出である図３の欠点を修正している。構造的に、共振器３０には、（紙面に対して）上向きに回折したモード２４’を空洞へと戻すように反射する回折平面におけるＨＰＭ２２と並べられる追加のＨＲ鏡４０が設けられている。反射した横モード２４’は、ＨＰＭ２２を通じて進み、「下向き」に回折したモード２４”と同じ位相プロファイルを有する。

回折したビーム２４’および２４”は、異なる位相遅延をそれぞれ有することができ、したがって、共振空洞３０の外への道筋において互いに建設的または破壊的に干渉する。出力パワーを最適化するように、破壊的干渉を防止するために、または単に制御するために、ＨＲ４０および空洞３０は、例えば図３に示されているアクチュエータ３８によって、回折平面において互いに対して変位させられる。そうした後方反射した所定の横ビーム２４’は、ＨＰＭ２２の位相プロファイルを有する。すべての出力された回折したモード２４はさらに、複雑な位相プロファイルまたは単純な複雑モードを有するものとして称される。

図５は、本発明の概念の他の機能的態様を伴う概要を示している。ここで、ＨＰＭ２２は、出力カプラとして構成されておらず、空洞３０に備え付けられる空洞内モード変換器としてのみ構成されている。図３および図４それぞれに示されている構成と同様に、ＨＰＭ２２は、マスクに任意の所与の仕様の要件を満足させる広い範囲で変化する所望の効率を有する。先に開示されている構成とは対照的に、図５の構成で利用されるＨＰＭ２２の効率は、好ましくは９０％を上回る。図３および図４の概要からの図５の概要のさらなる差異は、出力鏡４４が、所望の反射係数を伴う部分的に反射する鏡（ＰＲ）であり、図３のＨＲ鏡のようになっていないということである。

ＨＰＭ２２は、所望の位相プロファイルを伴う回折したビーム２４が通常の入射角で出力カプラＰＲ４４へと発射されるような手法で備え付けられる。先の構成と同様に、所定の横モード４２は利得要素Ｇ３６の助けで発生させられることになる。フレネル数が１未満である場合、所定のモード４２はガウスである。所定の横モード４２は、ＨＰＭ２２によって所望の横モード２４の複雑な位相プロファイルへと変換される。そのため、２つの異なる横モード、すなわち、ＨＰＭ２２から左への所定のもの４２と、ＨＰＭから右への所望のもの２４とが、この共振器において共存する。

図６は、ＰＴＲガラスなどの感光性利得媒体ＰＳＧ４６を一体品の共振器として含む代替の構成を伴う本発明のレーザを示している。ＰＳＧ４６は、希土類イオンでドープされ、高い感光性と高い発光の量子収量との両方を持つ。ＰＴＲの使用は、本発明のモノリシックな固体レーザ５０がほとんど無作為の位相プロファイルを伴う放射を発する以下の設計を可能にする。効率の要件を満たすために、ＨＰＭ２２は、広い角度範囲内で変化する所定の角度でＰＳＧ４６に記録される。示されている例では、ＨＰＭ２２は４５°で記録されている。

３つの高反射被覆ＨＲが、利得要素４６のそれぞれの反対の側に堆積させられ、それらの間に共振空洞５６を定める２つの端ＨＲ４８、５２と、ＨＰＭ２２の隣の回折平面におけるＰＳＧ４６側の他方に被覆される第３のＨＲ５４とを備える。端ＨＲ４８と５２との間で共振器５６において発生させられる所定のモード４２は、ＨＰＭ２２によって埋め込まれる同じ位相プロファイルを有する所望の横モード６０および６０’としてＨＰＭ２２を通じて往来して伝搬する間に部分的に回折させられる。したがって、ＨＰＭ２２は双方向出力カプラにおいて機能する。所望の横モード６０の不必要な２つの出力を防止するために、上向きに回折した所望のモードが、図４の手法と同様の手法でＨＲ５４によって戻るように反射させられる。そのため、所望のモード６０’は、所定のモード４２へと戻るように変換させられる間、所定のモード４２の伝搬平面において部分的に回折させられる。伝達された回折したモード６０’は、下向きに回折したモード６０と干渉する。回折したモードについての位相侵入における差は、所定のモード４２の軸と上方の鏡ＨＲ５４との間の差を変化させることで調節できる。位相侵入の差の相殺の実現は、レーザ５０を多軸ステージ８２に配置すること、または、共振器へと結合されるポンプビームを出力するポンプ（図示されていない）を変位させることのいずれかによって達成される。図６に示されているレーザ５０は、コンパクトであり、様々な環境ストレスに対して高い耐性がある。

図７は、図３の本発明のレーザ５０に基づいた実験デバイスを示している。具体的には、複屈折の単結晶Ｙｂ^３＋：ＫＹＷが、２％のドーパントの濃度で３ｍｍの厚さを伴ってそのＮ_ｐ軸に沿って切断された活性（ドープされた）利得媒体３６として用いられる。１０４０ｎｍの近傍においてその最大を伴う結晶の知られている広い放出線幅は、レーザ５０の波長同調性を可能にする。利得媒体３６は、９８１ｎｍにおいて最大で４０Ｗまでの平均パワーを出力するファイバ結合された連続波（ＣＷ）レーザダイオード（図示されていない）によって光学的にポンプされる。４ｆ検出構成で配置され、おおよそ２５０μｍの点の大きさへと出力されるダイオードを撮像するために使用される２つの非球面レンズのセットが、利得媒体３６の中に位置付けられる。０°の入射角のために最適化された二色性端鏡３２が、利得媒体３６が鏡３２の隣に配置されている状態で、ポンプと利得媒体３６との間に配置されている。利得媒体３６は、９８１ｎｍの波長における高い伝達効率と、１０４０ｎｍの波長における高い反射とを有する。

焦点距離ｆ_１＝１００ｍｍを伴う非球面レンズ５８が、Ｙｂ^３＋：ＫＹＷ利得媒体３６の端面からある焦点距離Ｌ_１だけ離れて挿入され、他の非球面レンズ６６が、長さＬ_３に対応する２５０ｍｍの焦点距離で構成される。レンズ５８は、利得要素３６によって発生させられ、ＨＰＭ２２に入射する所定の横モード４２を平行にし、ＨＰＭ２２は、所定のモード４２の光路へと備え付けられ、そのブラッグ条件を満たすために角度的に調節される。ＨＰＭ２２を通じて伝達された所定の横モード４２は、ＨＲ鏡３４と空洞３０を形成する高反射鏡３２へと発射される。所望のモード２４’、２４”は、レンズ６６によってビームプロファイラ６８に焦点の合わせられた所望のモード２４”と、スペクトロメータまたはフォトダイオード６２によって測定される所望のモード２４’とレーザ出力を形成するために、ＨＰＭ２２によって回折させられる。各々の空洞の往復について２つの所望のモード出力２４’および２４”を有することについての理由は、図３に関連して先に説明されていることと同じである。出力の結合されたエネルギーの百分率は、ＨＰＭ２２の回折効率によって決定される。レージング波長において５％の回折効率を伴うＨＰＭについて、往復の出力カップリング損失は９．７５％（１～０．９^２）である。

ＨＰＭのブラッグ条件が満たされるため、回折したビームはＨＰＭ２２の位相プロファイルで符号化される。出力ビーム２４”は、遠視野において照らされる標的において所望の空間分布へとその後に変換され、これは、これらのビームを２ｆ構成におけるフーリエレンズ６６（ｆ＝２５０ｍｍ）を通じて送り、レンズの焦点距離（Ｌ～ｆ＝２５０ｍｍ）にあるＣＣＤカメラにおいてビームプロファイルを観察することで、容易に行うことができる。両方の回折したビームが同じ位相プロファイルを受けることは、強調されるべきである。したがって、このレーザは、２つの高反射鏡によって制限される共振器を有する一方で、ＨＰＭは、出力カプラを変換するモードの役目を演じる。出力カップリングの効率は、ＨＰＭの回折効率と、ＨＰＭのブラッグ条件からの離調とによって制御できる。

図８Ａおよび図８Ｂ_１～図８Ｂ_３を参照すると、ＨＰＭ２２は、４つの区域の位相マスクの情報を、レーザ空洞へのその挿入において符号化し、これは、図３の二方向出力カプラとして用いられる。所望のモード２４であるレーザ出力は、フーリエレンズ７０によってＣＣＤカメラに撮像され、ＣＣＤカメラは、遠視野空間分布を捕獲するために、焦点距離ｆに等しい距離Ｌでレンズ７０から離間されている。それぞれの図８Ｂ_１～図８Ｂ_３の異なる遠視野空間プロファイルは、図３のアクチュエータ３８によって、所定の空洞内レージングビームに対して変位可能であるＨＰＭの位置に依存して記録される。

図９は、図５の構成に基づいた他の実験レーザ５０の光学レイアウトを示している。このデバイスと図７のデバイスとの間の主な違いは、ＨＰＭ２２の性質および役目にある。図７のレーザでは、ＨＰＭ２２の回折効率は最適な出力カップリングを提供するにはどちらかというと低い可能性があるが、ここでは、ＨＰＭ２２は非常に効率的となるように構成される。そのため、伝達されたビームの強度が非常に小さく、放射の主要な部分はＨＰＭ２２によって回折される。回折したビーム２４は、出力カプラとして機能する再帰反射体またはＰＲ端鏡４４へと発射される。回折したビームの反射した一部分２４ｒは、ＨＰＭ２２へと戻され、所定のモード４２へと変換され、利得媒体３６に戻るように方向付けられる。この共振器の重要な特徴は、所定のモード４２がＨＰＭ２２から左側へと伝搬する一方で、ＨＰＭ２２の位相プロファイルを伴う所望のモード２４がＨＰＭから右へと伝搬することである。したがって、ＨＰＭ２２は空洞内モード変換器として機能する。

図１０Ａおよび図１０Ｂ_１～図１０Ｂ_３を参照すると、４つの区域の位相マスクの情報を符号化するサンプルＨＰＭ２２がレーザ空洞へと挿入され、これは、空洞内モード変換器として用いられる。図５および図９の所望のモード２４であるレーザ出力は、その遠視野空間分布を捕獲するために、フーリエレンズ７０によってＣＣＤカメラに撮像される。異なる遠視野空間プロファイルが、図１０Ｂ_１～図１０Ｂ_３に示されているような所定のモードに対するＨＰＭの位置に依存して記録される。

図１１を参照すると、ＰＴＲガラスにおけるＶＢＧの重要な特徴のうちの１つは、同じＰＴＲボリュームにおけるいくつかのＶＢＧを記録する可能性である。いくつかのＶＢＧは、空間において物理的に重ねられるが、光学的に独立している。異なる入射角度でそれぞれの異なる波長を伴うビームを発射することで、異なるＶＢＧによる回折を提供する。この概念は、図３、図４、および図５の先に開示されている構成の本発明のレーザ５０に多重ＨＰＭ８０を配置することで試験された。したがって、多重ＨＰＭ８０は、記録されている複数のＨＰＭをホストし、互いに異なるそれぞれの位相プロファイルを有する単一のＰＴＲボリュームで構成される。多重ＨＰＭ８０を伴うレーザ５０は、多重ＨＰＭ８０の一部である対応するＨＰＭによって埋め込まれた各々の特定の所望のモードの位相プロファイルの効率が、個々のＨＰＭが使用されているかのように同じであることが試験されて証明された。任意の従来のアクチュエータによってその軸Ａの周りで多重ＨＰＭ８０を傾斜または回転させることで、レーザ５０にその出力を記録された所望のモード同士の間で切り替えさせることができる。

本発明により本明細書で開示されている態様は、その用途において、以下の記載において述べられている、または添付の図面に示されている構成要素の構造および配置の詳細に限定されない。明確には、最大で３００～４００ｎｍまでの線幅を伴う広帯域モードが、開示されている構成において成功裏に成形され得る場合、０．０２ｎｍ程の小さい線幅を伴う狭帯域モードもそうであり得る。これらの態様は、他の実施形態を取ることができ、様々な方法で実施または実行させることができる。例えば、開示されているＨＰＭは、例えば、広帯域放出スペクトルを有する超短パルスレーザおよび高パワーＣＷレーザと関連付けられる高パワー広帯域ビームによって、共振器の中に形成される熱レンズを相殺するために使用できる。他の商業的な用途では、本発明は、位相変換が異なるガウス状モードの間で実施されるとき、広いスペクトルを伴う近回折限界高パワーレーザビームを作り出すために使用される。

特定の実施の例が、例示の目的だけのために本明細書で提供されており、限定になるように意図されていない。具体的には、任意の１つまたは複数の実施形態との関連で検討されている行為、構成要素、要素、および特徴は、任意の他の実施形態における同様の役目から排除されるようには意図されていない。

また、本明細書で使用されている文言および用語は、記載の目的のためであり、限定として解釈されるべきではない。単数形または複数形での参照は、現在開示されているシステムもしくは方法と、それらの構成要素、行為、または要素とを限定するように意図されていない。また、本文書と、参照により本明細書に組み込まれている文献との間に用語の不一致の使用がある場合、組み込まれている参考文献における用語の使用は、本文書の用語の使用にとっての補足であり、相容れない不一致については、本文書における用語の使用が支配する。

少なくとも１つの例のいくつかの態様をこのように記載してきたが、様々な修正、変更、および改善が当業者には容易に思い付くことを、当業者は理解するものである。したがって、前述の記載および図面は、単なる例として用いられる。

１０ ホログラフィック二光記録システム
１２ 伝達ブラッグ格子、ＴＢＧ
１４ 色収差紫外線ビーム
１４’ 記録ビーム、紫外線ビーム、横型記録モード
１６ 紫外線色収差ビーム、ガウスビーム
１６’ 横型記録モード
２０ ２進位相マスク、ＰＭ
２２ ＨＰＭ
２４ 回折したビーム、横モード、回折したモード
２４ｒ 反射した一部分
２４’ 上向きに回折したモード、反射した横モード、回折したビーム、反射した横ビーム
２４” 下向きに回折したモード、回折したビーム、出力ビーム
２６ ＣＣＤ
２８ 伝達したビーム
３０ 共振空洞、共振器
３２ 二色性端鏡、平面の鏡、ＨＲ、高反射鏡
３４ 平面の鏡、ＨＲ
３５ 回折平面
３６ 回折平面、利得媒体
Ｇ３６ 利得要素
３８ アクチュエータ
４０ 追加のＨＲ鏡
４２ 空洞内横モード、所定の横モード
４４ 出力鏡、出力カプラＰＲ、ＰＲ端鏡
４６ 利得要素、感光性利得媒体、ＰＳＧ
４８ 端ＨＲ
５０ レーザ
５２ 端ＨＲ
５４ 第３のＨＲ
５６ 共振空洞、共振器
５８ 非球面レンズ
６０ 所望の横モード、下向きに回折したモード
６０’ 所望の横モード、回折したモード
６２ フォトダイオード
６６ 非球面レンズ、フーリエレンズ
６８ ビームプロファイラ
７０ フーリエレンズ
８０ 多重ＨＰＭ
８２ 多軸ステージ

Claims (20)

1. 伝搬平面において振動する所定の横モードで放射を発生させるように構成される共振空洞と、
   前記共振空洞に備え付けられ、前記所定の横モードの位相プロファイルと異なる位相プロファイルで作成される広帯域ホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ）であって、最大で前記ＨＰＭの帯域幅までの分光幅を有し、前記伝搬平面に対して横に延びる回折平面において前記ＨＰＭの前記位相プロファイルを伴って所望の横モードで伝搬する前記発生させられた放射の一部分を回折させるようにブラッグ角に調節される、広帯域ホログラフィック位相マスク（ＨＰＭ）と、
   を備えることを特徴とするレーザ。
2. 前記共振空洞は、
   前記共振空洞を画定する複数の離間された反射体であって、少なくとも１つの反射体は高反射率（ＨＲ）鏡である、反射体と、
   前記反射体から内方へ離間された利得要素と、
   をさらに備える、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記離間された反射体は、前記共振空洞の外側で前記回折平面において伝搬する前記所望の横モードを回折させる出力カプラとして動作するＨＰＭの側方にある２つのＨＲ鏡を備える、請求項２に記載のレーザ。
4. 前記所望の横モードにおける前記回折した放射は、前記２つのＨＲ鏡の間での前記伝搬平面における前記所定の横モードの前記伝搬の方向に各々が依存して、対向する方向で前記回折平面において前記共振空洞から出力される、請求項３に記載のレーザ。
5. 両方の回折した横モードが、前記共振空洞から、前記回折平面における前記対向する方向のうちの一方の方向の反対である方向に分断されるように、前記回折平面における前記ＨＰＭから離間され、前記一方の方向に伝搬する前記出力された横モードを反射するために備え付けられる追加のＨＲ鏡をさらに備える、請求項４に記載のレーザ。
6. 前記追加のＨＲ鏡は、前記所望の横モードが互いに建設的に干渉する一方で、前記反対の方向において前記共振空洞から分断されるように、所望の横モードを出力するための位相侵入における差を制御するために、前記回折平面において変位可能である、請求項５に記載のレーザ。
7. 前記ＨＰＭは、最適な出力カップリングを可能にするように選択された回折効率を有する、請求項３に記載のレーザ。
8. 前記離間された反射体のうちの１つは、前記ＨＲ鏡から離間された部分的に反射する（ＰＲ）鏡であり、前記ＨＰＭは、前記所望の横モードの一部分を前記共振空洞へと反射し、前記所望の横モードの残りの部分を前記共振空洞から分断するように構成される前記ＰＲ鏡に通常は入射する前記所望の横モードを回折させるために備え付けられる、請求項２に記載のレーザ。
9. 前記ＰＲ鏡は、前記所望の横モードでの前記回折した放射に所望の出力を提供するように選択される反射係数で構成される、請求項８に記載のレーザ。
10. 前記ＰＲ鏡と前記ＨＰＭとは互いに離間される、請求項８に記載のレーザ。
11. 前記ＰＲ鏡と前記ＨＰＭとはモノリシック要素として構成される、請求項８に記載のレーザ。
12. 前記ＨＰＭは、前記所望の横モードの制御可能な出力カップリングを提供するために、前記所定の横モードの前記伝搬平面と、所定のモードの前記伝搬平面とに対して垂直に延びる軸の周りで枢動可能に備え付けられる、請求項２に記載のレーザ。
13. 前記ＨＰＭは複数の区域を有し、前記ＨＰＭは、互いに異なる前記所望の横モードにおけるそれぞれの位相プロファイルを符号化する前記ＨＰＭの異なる場所に前記所定のモードが入射するように、前記回折平面において制御可能に変位可能である、請求項２に記載のレーザ。
14. 前記ＨＰＭは、０．０２ｎｍから３００ｎｍの間の範囲にある分光幅で構成される、請求項２に記載のレーザ。
15. 前記利得要素は、希土類イオンの１つまたは組み合わせでドープされたＰＴＲガラスのボリュームであり、少なくとも２つのＨＲ反射体が、それらの間に前記所定の横モードの前記伝搬平面を定めるように、前記ＰＴＲガラスの周辺のそれぞれの離間された場所に被覆され、前記ＨＰＭは前記利得要素の内側に記録され、前記被覆されたＨＲ被覆および前記ＰＴＲガラスを伴う前記利得要素はモノリシックレーザとして構成される、請求項３に記載のレーザ。
16. 前記ＨＰＭは、前記回折平面におけるそれぞれの対向する方向において、前記所望の横モードの出力を提供する双方向出力カプラとして構成される、請求項１５に記載のレーザ。
17. 前記回折平面において前記ＨＰＭと並べられ、前記利得要素の追加の場所に被覆される追加のＨＲ被覆であって、前記所望の横モードにおける前記回折した放射の出力を前記反対の方向の１つだけの出力に規制する追加のＨＲ被覆をさらに備える、請求項１５に記載のレーザ。
18. 前記１つだけの出力において、回折した横モードがそれらの間に建設的干渉を提供するように、前記回折した横モードについての位相侵入における差を制御するために、前記回折平面における前記利得要素を所望の距離で支持および変位させる多軸ステージをさらに備える、請求項１７に記載のレーザ。
19. 複数のＨＰＭが、１つだけのＰＴＲガラスにおいて記録され、それぞれの異なる位相プロファイルを有し、前記ＰＴＲガラスは、出力された前記所望の横モードの前記位相プロファイルを制御可能に変更するように、伝搬と回折平面との両方に対して垂直に延びる軸の周りで回転するために、前記共振空洞に備え付けられる、請求項１に記載のレーザ。
20. 前記ＨＰＭは、発生させられた前記放射によって前記共振空洞に形成される熱レンズを相殺するように構成される、請求項１に記載のレーザ。

Images