JP3073022B2 - 共焦点ダイオード励起型レーザ装置 - Google Patents
共焦点ダイオード励起型レーザ装置Info
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- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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Description
【発明の詳細な説明】 関連出願との相互参照 “制御された楕円率の熱レンズ（THERMAL LENS OF CO
NTROLLED ELLIPTICITY）”、米国特許出願第08/191,654
号、1994年２月４日出願、発明者:Mark K.Kierstead,Wi
lliam L.Nighan,Jr.およびThomas M.Baer、即時出願の
譲受人に譲渡済み、参考のために本書に添付。
NTROLLED ELLIPTICITY）”、米国特許出願第08/191,654
号、1994年２月４日出願、発明者:Mark K.Kierstead,Wi
lliam L.Nighan,Jr.およびThomas M.Baer、即時出願の
譲受人に譲渡済み、参考のために本書に添付。
“強い熱レンズ結晶を有するダイオードポンプ型レー
ザ（DIODE PUMPED LASER WITH STRONG THERMAL LENS CR
YSTAL）、米国特許出願第08/191,655号、1994年２月４
日出願、発明者:William L.Nighan,Jr.およびMark K.Ki
erstead、即時出願の譲受人に譲渡済み、参考のために
本書に添付。
ザ（DIODE PUMPED LASER WITH STRONG THERMAL LENS CR
YSTAL）、米国特許出願第08/191,655号、1994年２月４
日出願、発明者:William L.Nighan,Jr.およびMark K.Ki
erstead、即時出願の譲受人に譲渡済み、参考のために
本書に添付。
技術分野 本発明は、高いビーム照準安定度を有し、心合わせ不
良に対して低い感度を有する高効率で高仕事率（ハイパ
ワー）のTEM00レーザに関し、特に、近似的に共焦点で
あるダイオード励起型レーザに関する。
良に対して低い感度を有する高効率で高仕事率（ハイパ
ワー）のTEM00レーザに関し、特に、近似的に共焦点で
あるダイオード励起型レーザに関する。
背景技術 心合わせ不良に対する不感度とビーム照準安定度が重
要であるレーザアプリケーションが多い。これらの特性
は、レーザ仕事率とモードが、振動、衝撃、または熱サ
イクルによって劣化しないために望ましい特性である。
要であるレーザアプリケーションが多い。これらの特性
は、レーザ仕事率とモードが、振動、衝撃、または熱サ
イクルによって劣化しないために望ましい特性である。
心合わせ不良に対する感度とビーム照準安定度が重要
な考慮点である場合には、共焦点または近似的共焦点共
振器は、適切な候補である。共焦点共振器により、その
共振器のモード直径は、約２の平方根より大きく変動す
ることはない。別の説明をすると、そのレーザ共振器
は、空洞内モードのレイリー距離の約２倍の長さであ
る。
な考慮点である場合には、共焦点または近似的共焦点共
振器は、適切な候補である。共焦点共振器により、その
共振器のモード直径は、約２の平方根より大きく変動す
ることはない。別の説明をすると、そのレーザ共振器
は、空洞内モードのレイリー距離の約２倍の長さであ
る。
共焦点または近似的共焦点共振器に関するさらに深い
理解は、第１（ａ）図の２軸であるg1とg2の安定度グラ
フを参照すれば、確実になる。安定度パラメータである
g1とg2の値は、下記のように定義される： g1＝１−L/R1 g2＝１−L/R2 ここで、第１（ｂ）図に示すように、Ｌは共振器の長さ
であり、R1とR2は、その共振器のミラーM1とM2の各曲率
半径である。２ミラー型レーザ共振器は、０＜（g1）
（g2）＜１であれば、安定である。共振器のTEM00モー
ド・サイズは、g1とg2の項で表現可能であり、また、安
定度パラメータも、心合わせ不良感度や他の実際の共振
器特性を判断するために使用可能である。この背景説明
は、当分野の専門家にはよく知られていることである
が、文献「W.Koechner,“固体レーザ技術（Solid State
Laser Engineering）”、第３版、Springer−Verlag,N
Y,p.204−205（1992）」で見ることができる。
理解は、第１（ａ）図の２軸であるg1とg2の安定度グラ
フを参照すれば、確実になる。安定度パラメータである
g1とg2の値は、下記のように定義される： g1＝１−L/R1 g2＝１−L/R2 ここで、第１（ｂ）図に示すように、Ｌは共振器の長さ
であり、R1とR2は、その共振器のミラーM1とM2の各曲率
半径である。２ミラー型レーザ共振器は、０＜（g1）
（g2）＜１であれば、安定である。共振器のTEM00モー
ド・サイズは、g1とg2の項で表現可能であり、また、安
定度パラメータも、心合わせ不良感度や他の実際の共振
器特性を判断するために使用可能である。この背景説明
は、当分野の専門家にはよく知られていることである
が、文献「W.Koechner,“固体レーザ技術（Solid State
Laser Engineering）”、第３版、Springer−Verlag,N
Y,p.204−205（1992）」で見ることができる。
この安定度分析は、第１（ｃ）図に示すようなものだ
けでなく、空洞内に単一レンズまたは複数のレンズを有
する共振器に拡張可能であることに注意する必要があ
る。空洞内レンズは、従来のレンズまたは熱レンズでも
よい。熱レンズは、ダイオード励起光またはランプ励起
光によって、レーザ結晶中に生成され得る。この場合、
ｇパラメータは下記のようになる： g1＝１−L2/F−L0/R1 g2＝１−L1/F−L0/R1 ここで、L0＝L1＋L2−（L1、Ｌ2/ｆ）およびＬ＝L1＋L2
は、第１（ｃ）図に示す通りであり、R1とR2はレンズが
無い場合の曲率半径であり、ｆは、熱レンズであること
も可能な空洞内レンズの焦点距離である。この背景説明
に関しても、文献文献「W.Koechner、“固体レーザ技術
（Solid State Laser Engineering）”、第３版、Sprin
ger−Verlag,NY,p.204−205（1992）」に説明されてい
る。
けでなく、空洞内に単一レンズまたは複数のレンズを有
する共振器に拡張可能であることに注意する必要があ
る。空洞内レンズは、従来のレンズまたは熱レンズでも
よい。熱レンズは、ダイオード励起光またはランプ励起
光によって、レーザ結晶中に生成され得る。この場合、
ｇパラメータは下記のようになる： g1＝１−L2/F−L0/R1 g2＝１−L1/F−L0/R1 ここで、L0＝L1＋L2−（L1、Ｌ2/ｆ）およびＬ＝L1＋L2
は、第１（ｃ）図に示す通りであり、R1とR2はレンズが
無い場合の曲率半径であり、ｆは、熱レンズであること
も可能な空洞内レンズの焦点距離である。この背景説明
に関しても、文献文献「W.Koechner、“固体レーザ技術
（Solid State Laser Engineering）”、第３版、Sprin
ger−Verlag,NY,p.204−205（1992）」に説明されてい
る。
安定パラメータg1とg2を使用する従来の２ミラー安定
度分析は、さらに複雑な多重ミラーおよびレンズ共振器
を考慮する際にも有用であることに注意する必要があ
る。
度分析は、さらに複雑な多重ミラーおよびレンズ共振器
を考慮する際にも有用であることに注意する必要があ
る。
第１（ａ）図を参照すると、右上の象限において、双
曲線10は、双曲線10と２つのｇ軸で囲まれた領域12を限
定する。領域12内のg1とg2の値を有する共振器に対し、
ガウスモードが存在しる。双曲線10は、g1×g2＝１の特
性を有する。領域12は、安定状態を表している：ガウス
モードは、共振器を限定している２つのミラー間に存在
し得る。下部の象限において、別の安定状態が見られ
る：ガウスモードは、これらのｇの値に対しても存在し
得る。理想的な共焦点共振器は、点16、つまりg1軸とg2
軸の交点（g1＝g2＝０）に対応する。点16は、理想的な
共焦点共振器を表している。共振器は、g1とg2が大き過
ぎない場合に、近似的に共焦点であるということができ
る。
曲線10は、双曲線10と２つのｇ軸で囲まれた領域12を限
定する。領域12内のg1とg2の値を有する共振器に対し、
ガウスモードが存在しる。双曲線10は、g1×g2＝１の特
性を有する。領域12は、安定状態を表している：ガウス
モードは、共振器を限定している２つのミラー間に存在
し得る。下部の象限において、別の安定状態が見られ
る：ガウスモードは、これらのｇの値に対しても存在し
得る。理想的な共焦点共振器は、点16、つまりg1軸とg2
軸の交点（g1＝g2＝０）に対応する。点16は、理想的な
共焦点共振器を表している。共振器は、g1とg2が大き過
ぎない場合に、近似的に共焦点であるということができ
る。
第２図において、理想的な共焦点共振器18が、それぞ
れ曲線半径R1とR2を有している２つの相対しているミラ
ー20と22によって限定されている。ミラー20と22は、距
離Ｌだけ離れている。理想的な共焦点共振器18について
は、R1＝R2＝Ｌである。レンズが、空洞の中心で使用さ
れ、平面鏡が使用される場合、ｆ＝L/2の場合に、共焦
点共振器が出現する。レンズと曲線鏡の組み合わせも、
共焦点共振器を生成できる。
れ曲線半径R1とR2を有している２つの相対しているミラ
ー20と22によって限定されている。ミラー20と22は、距
離Ｌだけ離れている。理想的な共焦点共振器18について
は、R1＝R2＝Ｌである。レンズが、空洞の中心で使用さ
れ、平面鏡が使用される場合、ｆ＝L/2の場合に、共焦
点共振器が出現する。レンズと曲線鏡の組み合わせも、
共焦点共振器を生成できる。
第１（ａ）図を再度参照すると、平行平面共振器が、
24で示された点（g1＝g2＝１）に対応する。g1とg2の値
は、この共振器を安定度グラフの端部の右側に配置する
ので、心合わせ不良と照準安定製に対する不感性を要求
するアプリケーションにとっては、平行平面共振器は、
通常、最良の選択ではない。
24で示された点（g1＝g2＝１）に対応する。g1とg2の値
は、この共振器を安定度グラフの端部の右側に配置する
ので、心合わせ不良と照準安定製に対する不感性を要求
するアプリケーションにとっては、平行平面共振器は、
通常、最良の選択ではない。
大きな半径の共振器は、R1とR2がＬより非常に大きい
場合に存在して、第１（ａ）図の点26に対応する。大き
な半径の共振器は、ダイオード励起用に有用である。大
きな半径の共振器の実施例において、Nd:YLF結晶が使用
され、TEM00のモードサイズは大きく、そのために、従
来のモード・マッチングが容易である。しかし、この共
振器は、心合わせ不良と照準に敏感である。例えば、距
離Ｌで、Ｒ＝10Lの大きな半径の共振器は、距離Ｌの共
焦点共振器より心合わせ不良に対して５倍敏感である。
これも、参考文献のW.Koechnerの著書に示されている。
場合に存在して、第１（ａ）図の点26に対応する。大き
な半径の共振器は、ダイオード励起用に有用である。大
きな半径の共振器の実施例において、Nd:YLF結晶が使用
され、TEM00のモードサイズは大きく、そのために、従
来のモード・マッチングが容易である。しかし、この共
振器は、心合わせ不良と照準に敏感である。例えば、距
離Ｌで、Ｒ＝10Lの大きな半径の共振器は、距離Ｌの共
焦点共振器より心合わせ不良に対して５倍敏感である。
これも、参考文献のW.Koechnerの著書に示されている。
R1＝R2＝L/2である共焦点または球形共振器は、24で
表されている。この場合、g1＝g2＝１である。モードは
その共振器のある点では非常に大きく、一方、別の点で
は非常に小さい。これは、主にミラーが球面上にあるこ
とが原因である。そのような共振器のTEM00モードは、
その共振器の中心で非常に小さく、しかし端部では非常
に大きい。等価な共振器は、１個のレンズまたは複数の
レンズと複数の平面鏡、または複数のレンズと複数の曲
面鏡で構成できる。
表されている。この場合、g1＝g2＝１である。モードは
その共振器のある点では非常に大きく、一方、別の点で
は非常に小さい。これは、主にミラーが球面上にあるこ
とが原因である。そのような共振器のTEM00モードは、
その共振器の中心で非常に小さく、しかし端部では非常
に大きい。等価な共振器は、１個のレンズまたは複数の
レンズと複数の平面鏡、または複数のレンズと複数の曲
面鏡で構成できる。
半対称共振器30は、第３図に図示されている。この共
振器は、曲面鏡32と、距離Ｌだけ離れた平面鏡34によっ
て限定される。この例で、R1は、ミラー32の曲率半径で
ある。ミラー34は平面であるので、無限大の曲率半径を
有している。g2＝１でg1〜1/2であれば、半対称共振器
に、共焦点共振器と等価な特性を持たせることが可能で
ある。第１（ａ）図において、半対称共焦点共振器は、
安定度グラフの点36に対応する。半対称共振器は、１つ
のミラーは平面で、他のミラーは曲率R1≫Ｌを有してい
る、大きな半径の共振器であっても良い。繰り返すと、
等価な共振器は、１個のレンズまたは複数のレンズと複
数の平面鏡、または複数のレンズと複数の曲面鏡で構成
できる。
振器は、曲面鏡32と、距離Ｌだけ離れた平面鏡34によっ
て限定される。この例で、R1は、ミラー32の曲率半径で
ある。ミラー34は平面であるので、無限大の曲率半径を
有している。g2＝１でg1〜1/2であれば、半対称共振器
に、共焦点共振器と等価な特性を持たせることが可能で
ある。第１（ａ）図において、半対称共焦点共振器は、
安定度グラフの点36に対応する。半対称共振器は、１つ
のミラーは平面で、他のミラーは曲率R1≫Ｌを有してい
る、大きな半径の共振器であっても良い。繰り返すと、
等価な共振器は、１個のレンズまたは複数のレンズと複
数の平面鏡、または複数のレンズと複数の曲面鏡で構成
できる。
共焦点共振器は、心合わせ不良に対して相対的に不感
的であるので、ミラーはある程度傾けることが可能で、
仕事率は、他の形式のレーザ程には早く低下しない。共
焦点共振器のモードはミラーが傾けられるのに応じて、
それ程大きくは変化しないか、または移動しない。共焦
点の照準安定度とその心合わせ不良に対する感度は非常
に良いので、例えば、環境変化の関数として、この形式
の共振器は、数点の有用な特性を有している。
的であるので、ミラーはある程度傾けることが可能で、
仕事率は、他の形式のレーザ程には早く低下しない。共
焦点共振器のモードはミラーが傾けられるのに応じて、
それ程大きくは変化しないか、または移動しない。共焦
点の照準安定度とその心合わせ不良に対する感度は非常
に良いので、例えば、環境変化の関数として、この形式
の共振器は、数点の有用な特性を有している。
共焦点共振器の主な欠点は、任意の長さＬの任意の共
振器の平均TEM00モード直径が、最も小さいことであ
る。本質的に、長さＬの共焦点共振器のTEM00モードボ
リュームは、長さＬの他の共振器よりもさらに小さい。
このことが、従来のモード・マッチングを難しくする。
振器の平均TEM00モード直径が、最も小さいことであ
る。本質的に、長さＬの共焦点共振器のTEM00モードボ
リュームは、長さＬの他の共振器よりもさらに小さい。
このことが、従来のモード・マッチングを難しくする。
このことは、文献「A.E.Siegman,“レーザ（Laser
s）,University Sceience Book,Mill Valley,CA,p.750
−759,1986」に説明されている。その小さな平均サイズ
のために、共焦点共振器のTEM00モードは、大きな直径
の利得媒体から出力を抽出する際に、それ程効果的では
ない。さらに、そのTEM00モードの小さな平均サイズの
ために、共焦点共振器は、最低次と最高次のモードの組
合わさった状態で発振する可能性が高い。多数のダイオ
ード励起固体レーザに対する設計目標は、可能な限り高
い効率と仕事率で、殆ど回折が制限されたTEM00出力の
生成である。共焦点共振器の小さなTEM00モードサイズ
と、最低次と最高次のモードの組合わさった状態で発振
する傾向により、共焦点共振器を励起するダイオード終
端は、有用であるとは考えられていなかった。
s）,University Sceience Book,Mill Valley,CA,p.750
−759,1986」に説明されている。その小さな平均サイズ
のために、共焦点共振器のTEM00モードは、大きな直径
の利得媒体から出力を抽出する際に、それ程効果的では
ない。さらに、そのTEM00モードの小さな平均サイズの
ために、共焦点共振器は、最低次と最高次のモードの組
合わさった状態で発振する可能性が高い。多数のダイオ
ード励起固体レーザに対する設計目標は、可能な限り高
い効率と仕事率で、殆ど回折が制限されたTEM00出力の
生成である。共焦点共振器の小さなTEM00モードサイズ
と、最低次と最高次のモードの組合わさった状態で発振
する傾向により、共焦点共振器を励起するダイオード終
端は、有用であるとは考えられていなかった。
モード・マッチングの効果は、結晶中のTEM00モード
と励起量との結合を最大にすることである。つまり、そ
のレーザの光学的勾配と総合的光学効率の両方が、最大
になる。古典的なモード・マッチングされた配置におい
て、TEM00モードの直径のNd:YAG励起レーザにおける励
起ビームの直径に対する比率は、約1.3以上である。TEM
00サイズが小さいので、この比率を、共焦点共振器で達
成することはさらに難しい。
と励起量との結合を最大にすることである。つまり、そ
のレーザの光学的勾配と総合的光学効率の両方が、最大
になる。古典的なモード・マッチングされた配置におい
て、TEM00モードの直径のNd:YAG励起レーザにおける励
起ビームの直径に対する比率は、約1.3以上である。TEM
00サイズが小さいので、この比率を、共焦点共振器で達
成することはさらに難しい。
レーザ結晶中の熱レンズは、近似的共焦点共振器を設
計するために、複数の曲面ミラーまたは複数の従来型レ
ンズと組み合わせて使用され得る。ある種の結晶は強い
熱レンズ特性を表し、これらの結晶は、レーザ共振器に
適した候補に挙げられる原因となっている他の重要な特
性を有している。例えば、Nd:YLFとの組み合わせで、強
い熱レンズ物質Nd:YVO4は高いゲインと短い上位状態寿
命を有している。高パルス・エネルギーまたは高繰返し
数を有するＱスイッチレーザ、または光学的なフィード
バックに不感的なレーザを設計するときに、これらの特
性は重要で適切なパラメータを提供する。また、Nd:YVO
4は、809nm迄のダイオード励起波長で高い吸収係数を有
するので、Nd:YVO4結晶へのダイオード励起光の結合を
効率的にする。
計するために、複数の曲面ミラーまたは複数の従来型レ
ンズと組み合わせて使用され得る。ある種の結晶は強い
熱レンズ特性を表し、これらの結晶は、レーザ共振器に
適した候補に挙げられる原因となっている他の重要な特
性を有している。例えば、Nd:YLFとの組み合わせで、強
い熱レンズ物質Nd:YVO4は高いゲインと短い上位状態寿
命を有している。高パルス・エネルギーまたは高繰返し
数を有するＱスイッチレーザ、または光学的なフィード
バックに不感的なレーザを設計するときに、これらの特
性は重要で適切なパラメータを提供する。また、Nd:YVO
4は、809nm迄のダイオード励起波長で高い吸収係数を有
するので、Nd:YVO4結晶へのダイオード励起光の結合を
効率的にする。
多数のレーザ結晶が、強い熱レンズを有している。強
い熱レンズにより、励起されたレンズのピント合わせ能
力は、レーザ共振器中の他の光学系と少なくとも同等で
ある。強い熱レンズは、その共振器内のレーザ共振器の
固有モードのサイズとダイバージェンスを大幅に変更す
る。
い熱レンズにより、励起されたレンズのピント合わせ能
力は、レーザ共振器中の他の光学系と少なくとも同等で
ある。強い熱レンズは、その共振器内のレーザ共振器の
固有モードのサイズとダイバージェンスを大幅に変更す
る。
弱い熱レンズでは、励起されたレンズのピント合わせ
能力は、レーザ共振器中の他の光学系、例えば、複数の
ミラーや複数の従来型レンズ等より本質的に低い。レー
ザ共振器中の他の光学系が、その共振器の固有モードの
サイズとダイバージェンスを表す。
能力は、レーザ共振器中の他の光学系、例えば、複数の
ミラーや複数の従来型レンズ等より本質的に低い。レー
ザ共振器中の他の光学系が、その共振器の固有モードの
サイズとダイバージェンスを表す。
熱レンズが、近似的共焦点共振器の製作に使用できる
ことは明白である。しかし、強い熱レンズ物質の大きな
収差が高仕事率共振器の効率を制限していると考えられ
てきた。強い熱レンズ化は、高いTEM00ビーム品質、高
仕事率、および高効率を有する効率的なレーザの設計と
製造の障害となっていると、一般に思われていた。従っ
て、さらに高い励起仕事率における、強い熱レンズ物質
の使用の成功は、限られていた。
ことは明白である。しかし、強い熱レンズ物質の大きな
収差が高仕事率共振器の効率を制限していると考えられ
てきた。強い熱レンズ化は、高いTEM00ビーム品質、高
仕事率、および高効率を有する効率的なレーザの設計と
製造の障害となっていると、一般に思われていた。従っ
て、さらに高い励起仕事率における、強い熱レンズ物質
の使用の成功は、限られていた。
また、古典的なモード・マッチングによれば、レーザ
のしきい値が高く、達成可能な変換効率が非常に低いの
で、TEM00モード直径の励起ビーム直径との、１より小
さい比率は、殆ど利益がないと言われてきた。１未満の
比率は、さらに低いゲインを生み、一方、１に近いかそ
れ以上の比率は、収差のために、より高い損失を生む。
TEM00モードサイズが小さいので、近似的共焦点共振器
で１を超える比率を達成することはさらに難しい。この
特徴は、従来のモード・マッチングの教えるところと逆
である。
のしきい値が高く、達成可能な変換効率が非常に低いの
で、TEM00モード直径の励起ビーム直径との、１より小
さい比率は、殆ど利益がないと言われてきた。１未満の
比率は、さらに低いゲインを生み、一方、１に近いかそ
れ以上の比率は、収差のために、より高い損失を生む。
TEM00モードサイズが小さいので、近似的共焦点共振器
で１を超える比率を達成することはさらに難しい。この
特徴は、従来のモード・マッチングの教えるところと逆
である。
共焦点共振器用に励起源としてのダイオードの使用
は、コスト、サイズ、および埋込コンセント効率に対し
て、望ましいことである。ある種の強い熱レンズ物質
は、それらをダイオードポンプ型レーザ用に有用である
ようにする特性を有している。
は、コスト、サイズ、および埋込コンセント効率に対し
て、望ましいことである。ある種の強い熱レンズ物質
は、それらをダイオードポンプ型レーザ用に有用である
ようにする特性を有している。
心合せ不良に不感的で、高い照準安定度を有してい
る、小型で、効率的で、低コストのダイオードポンプ型
レーザを有することは、望ましいことである。また、こ
れらの特性を有し、ダイオード励起で、高仕事率で、高
効率で、励起ビームの直径よりも小さいレーザ結晶にお
けるTEM00モード直径を有する、近似的共焦点共振器を
提供することも、望ましいことである。
る、小型で、効率的で、低コストのダイオードポンプ型
レーザを有することは、望ましいことである。また、こ
れらの特性を有し、ダイオード励起で、高仕事率で、高
効率で、励起ビームの直径よりも小さいレーザ結晶にお
けるTEM00モード直径を有する、近似的共焦点共振器を
提供することも、望ましいことである。
発明の開示 本発明の目的は、ダイオード励起式の近似的共焦点共
振器を提供することである。
振器を提供することである。
本発明の別の目的は、高効率、高仕事率、およびダイ
オード励起の近似的共焦点共振器を提供することであ
る。
オード励起の近似的共焦点共振器を提供することであ
る。
本発明のさらに別の目的は、回折が制限された、高効
率、およびダイオード励起の近似的共焦点共振器を提供
することである。
率、およびダイオード励起の近似的共焦点共振器を提供
することである。
本発明の別の目的は、強い熱レンズレーザ結晶を使用
する近似的共焦点共振器を提供することである。
する近似的共焦点共振器を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、ダイオード励起の、多重
ポート型近似的共焦点共振器を提供することである。
ポート型近似的共焦点共振器を提供することである。
本発明の別の目的は、高効率で、高出力仕事率を有す
る、多重ポートダイオードポンプ型近似的共焦点共振器
を提供することである。
る、多重ポートダイオードポンプ型近似的共焦点共振器
を提供することである。
本発明のこれらおよび他の目的は、共振器ミラーまた
は複数のミラー、出力カプラ、および熱レンズとしても
動作する１個以上の結晶を具備し、これらの全てが、近
似的共焦点共振器を限定しているという特徴を有する高
効率ダイオードポンプ型レーザによって、達成される。
レーザ結晶または複数の結晶は、共振器の光学軸に沿っ
て、共振器中に配置されている。ダイオード励起源は、
レーザ結晶に励起ビームを供給して、出力ビームを生成
する。電源は、ダイオード励起源に電力を供給する。
は複数のミラー、出力カプラ、および熱レンズとしても
動作する１個以上の結晶を具備し、これらの全てが、近
似的共焦点共振器を限定しているという特徴を有する高
効率ダイオードポンプ型レーザによって、達成される。
レーザ結晶または複数の結晶は、共振器の光学軸に沿っ
て、共振器中に配置されている。ダイオード励起源は、
レーザ結晶に励起ビームを供給して、出力ビームを生成
する。電源は、ダイオード励起源に電力を供給する。
近似的に回折が制限された出力が、生成される。これ
は、レーザ結晶におけるTEM00モードとほぼ同じサイズ
の励起源直径により、またはTEM00モードよりさらに大
きい励起源直径により、達成され得る。強い熱レンズレ
ーザ結晶または複数の結晶が使用可能で、また望ましい
共焦点特性である。心合わせ不良に対する不感性と改善
されたビーム照準安定度は、共焦点または近似的共焦点
である共振器において達成される。強い熱レンズレーザ
結晶の熱レンズ化効果は、近似的共焦点共振器を製作す
るために、複数の平面または曲面鏡を有する共振器に使
用され得る。そのピント合わせ能力は、その共振器の安
定度を変更し、またそのレーザを、「冷えた」非励起共
振器よりも、安定度グラフ上の別の点に移動させる。TE
M00モードでの共焦点または近似的共焦点共振器の高効
率ダイオード励起動作は、以前の研究者によって予言さ
れたことはなかった。
は、レーザ結晶におけるTEM00モードとほぼ同じサイズ
の励起源直径により、またはTEM00モードよりさらに大
きい励起源直径により、達成され得る。強い熱レンズレ
ーザ結晶または複数の結晶が使用可能で、また望ましい
共焦点特性である。心合わせ不良に対する不感性と改善
されたビーム照準安定度は、共焦点または近似的共焦点
である共振器において達成される。強い熱レンズレーザ
結晶の熱レンズ化効果は、近似的共焦点共振器を製作す
るために、複数の平面または曲面鏡を有する共振器に使
用され得る。そのピント合わせ能力は、その共振器の安
定度を変更し、またそのレーザを、「冷えた」非励起共
振器よりも、安定度グラフ上の別の点に移動させる。TE
M00モードでの共焦点または近似的共焦点共振器の高効
率ダイオード励起動作は、以前の研究者によって予言さ
れたことはなかった。
その共振器の出力仕事率を増加さするために、複数の
レーザ結晶を使用することができる。レーザ結晶の数を
増やすために、単純な直線設計だけでなく、“W"、
“V"、“Z"、および多重“Z"等の折り返しのある配置を
することが可能である。共振器の出力仕事率を増加する
ために、レーザ結晶を複数のダイオード源で励起するこ
とが可能である。複数のレーザ結晶または１個の結晶の
複数の面を励起することは、レーザ結晶を破壊または破
損することなく、仕事率を増大するために有用であり、
また仕事率のスケーリングを可能にする。
レーザ結晶を使用することができる。レーザ結晶の数を
増やすために、単純な直線設計だけでなく、“W"、
“V"、“Z"、および多重“Z"等の折り返しのある配置を
することが可能である。共振器の出力仕事率を増加する
ために、レーザ結晶を複数のダイオード源で励起するこ
とが可能である。複数のレーザ結晶または１個の結晶の
複数の面を励起することは、レーザ結晶を破壊または破
損することなく、仕事率を増大するために有用であり、
また仕事率のスケーリングを可能にする。
回析が制限されたビーム品質を有する高仕事率で、高
効率のダイオードポンプ型レーザが提供される。そのビ
ームは、心合わせ不良に対して不感性があり、さらに高
いとビーム照準安定度を示す。
効率のダイオードポンプ型レーザが提供される。そのビ
ームは、心合わせ不良に対して不感性があり、さらに高
いとビーム照準安定度を示す。
図面の簡単な説明 第１（ａ）図は、２ミラー型共振器の安定度グラフで
ある。本グラフは、レンズを有する共振器も含めた種々
の形式の共振器用に対する安定度パラメータを示してい
る。理想的な共焦点共振器は、g1とg2が０の場所であ
る。
ある。本グラフは、レンズを有する共振器も含めた種々
の形式の共振器用に対する安定度パラメータを示してい
る。理想的な共焦点共振器は、g1とg2が０の場所であ
る。
第１（ｂ）図は、距離Ｌだけ離れて、それぞれ曲率半
径R1とR2を有するミラーM1とM2を有する単純な２ミラー
型共振器の概略図であるが、図面には、レーザ結晶は含
まれていない。
径R1とR2を有するミラーM1とM2を有する単純な２ミラー
型共振器の概略図であるが、図面には、レーザ結晶は含
まれていない。
第１（ｃ）図は、空洞内レンズ付き２ミラー型共振器
の概略図である。
の概略図である。
第２図は、単純な２ミラー型共焦点共振器の概略図で
ある。ミラーはそれぞれ曲率半径R1とR2を有し、距離Ｌ
だけ離れている。
ある。ミラーはそれぞれ曲率半径R1とR2を有し、距離Ｌ
だけ離れている。
第３図は、２ミラー型半対称共焦点共振器の概略図で
ある。１つの鏡間は、平面である。曲面鏡は、2Lに等し
い曲率半径R1を有し、ここで、Ｌは、その２つの鏡の距
離である。平面鏡は無限大の曲率半径を有している。
ある。１つの鏡間は、平面である。曲面鏡は、2Lに等し
い曲率半径R1を有し、ここで、Ｌは、その２つの鏡の距
離である。平面鏡は無限大の曲率半径を有している。
第４図は、Nd:YLFレーザ結晶を使用した大きな半径の
共振器の概略図であり、さらに比較のために、Nd:YVO4
結晶を使用したレーザのモードサイズを示している。
共振器の概略図であり、さらに比較のために、Nd:YVO4
結晶を使用したレーザのモードサイズを示している。
第５図は、非対称型共振器の概略図である。
第６図は、折り返され、単一ポートを有する対称型共
振器の概略図である。
振器の概略図である。
第７図は、２ポート型共振器の概略図である。
第８図は、L1、L2およびL3の関係を示すために、折り
返し部分を無くすために引き離した図７の共振器の概略
図である。
返し部分を無くすために引き離した図７の共振器の概略
図である。
第９図は、２重“Z"型に折り返した共振器の概略図で
ある。
ある。
発明を実施するための最良の形態 本発明の高効率で、高仕事率のダイオードポンプ型レ
ーザは、近似的共焦点共振器を限定している共振器ミラ
ーまたは複数のミラーおよび出力カプラを有している。
レーザ結晶は、共振器の光学軸に沿って、共振器の中に
配置されている。ダイオード励起源は、レーザ結晶に励
起ビームを供給して、出力ビームを生成する。電源は、
ダイオード励起源に電力を供給する。開口絞りが、TEM
00動作の改善のために具備されることがある。
ーザは、近似的共焦点共振器を限定している共振器ミラ
ーまたは複数のミラーおよび出力カプラを有している。
レーザ結晶は、共振器の光学軸に沿って、共振器の中に
配置されている。ダイオード励起源は、レーザ結晶に励
起ビームを供給して、出力ビームを生成する。電源は、
ダイオード励起源に電力を供給する。開口絞りが、TEM
00動作の改善のために具備されることがある。
本発明のために、近似的共焦点共振器は、正確に共焦
点であることを意味し、また下記のものも含んでいる。
点であることを意味し、また下記のものも含んでいる。
対称型共振器。ここで、g1＝g2で、g1、g2＜0.5また
は空洞長Ｌは、共振器固有モードの胴部のレイリー距離
の約２倍であり、そのレイリー距離は、 Ｒ＝πwo2/λ ここで、wo＝胴部の半径、およびλ＝波長である。
は空洞長Ｌは、共振器固有モードの胴部のレイリー距離
の約２倍であり、そのレイリー距離は、 Ｒ＝πwo2/λ ここで、wo＝胴部の半径、およびλ＝波長である。
完全な対称型共焦点共振器は、g1＝g2＝０か、または
正確にＬ＝2Rである。
正確にＬ＝2Rである。
共振器が、半対称である場合、g1またはg2〜１であ
り、他のｇパラメータは、0.5であるか、または空洞長
Ｌが、共振器固有モードの胴部のレイリー距離にほぼ等
しい。
り、他のｇパラメータは、0.5であるか、または空洞長
Ｌが、共振器固有モードの胴部のレイリー距離にほぼ等
しい。
さらに、近似的共焦点は、近似的共焦点共振器と半対
称共振器の特性を共有している長さＬの非対称共振器も
含んでいる。パラメータは、上記の定義とは違う場合が
あるが、共振器の長さは、上記のようにレイリー距離の
１倍と２倍の間にある。
称共振器の特性を共有している長さＬの非対称共振器も
含んでいる。パラメータは、上記の定義とは違う場合が
あるが、共振器の長さは、上記のようにレイリー距離の
１倍と２倍の間にある。
本発明のために、下記の定義を適用する： 強い熱レンズ：励起により誘導されたレンズのピント
合わせは能力は、レーザ共振器にある他の光学系と少な
くとも同等である。強い熱レンズは、その共振器内のレ
ーザ共振器の固有値のサイズとダイバージェンスを大幅
に変更する。
合わせは能力は、レーザ共振器にある他の光学系と少な
くとも同等である。強い熱レンズは、その共振器内のレ
ーザ共振器の固有値のサイズとダイバージェンスを大幅
に変更する。
弱い熱レンズ：励起により誘導されたレンズのピント
合わせ能力は、レーザ共振器にある他の光学系より本質
的に低い。レーザ共振器の他の光学系が、その共振器の
固有値のサイズとダーバージェンスを表す。
合わせ能力は、レーザ共振器にある他の光学系より本質
的に低い。レーザ共振器の他の光学系が、その共振器の
固有値のサイズとダーバージェンスを表す。
本発明のレーザは、25％を超える光学的効率を有して
いる。好ましい実施例におおいては、光学的効率は、40
％を超えている。レーザの高仕事率であって、偏光され
たTEM00動作は、TEM00モードで4Wを超える出力ビームと
なる。出力ビームの仕事率の少なくとも95％が、1.2未
満のM2の値であるという測定結果である場合（ここで、
M2は、空洞外の胴部のサイズにより予測されるように、
ビームの理論的な共焦点パラメータの、実際に測定され
た共焦点パラメータに対する比率として定義されてい
る）、その出力は、本質的にTEM00であるか、またはほ
ぼ回折が制限されている。好ましい実施例においては、
M2＜1.05である。出力ビームの断面は、10％未満の理想
的なガウス断面からの最小２乗偏差を有している。好ま
しい実施例においては、この偏差は、１％未満である。
さらに、ある実施例では、レーザは、結晶中のダイオー
ド励起により誘導された熱レンズが、双曲線で表現され
ない半径の関数として、光学的経路差を与えるレーザ結
晶を使用する場合がある。
いる。好ましい実施例におおいては、光学的効率は、40
％を超えている。レーザの高仕事率であって、偏光され
たTEM00動作は、TEM00モードで4Wを超える出力ビームと
なる。出力ビームの仕事率の少なくとも95％が、1.2未
満のM2の値であるという測定結果である場合（ここで、
M2は、空洞外の胴部のサイズにより予測されるように、
ビームの理論的な共焦点パラメータの、実際に測定され
た共焦点パラメータに対する比率として定義されてい
る）、その出力は、本質的にTEM00であるか、またはほ
ぼ回折が制限されている。好ましい実施例においては、
M2＜1.05である。出力ビームの断面は、10％未満の理想
的なガウス断面からの最小２乗偏差を有している。好ま
しい実施例においては、この偏差は、１％未満である。
さらに、ある実施例では、レーザは、結晶中のダイオー
ド励起により誘導された熱レンズが、双曲線で表現され
ない半径の関数として、光学的経路差を与えるレーザ結
晶を使用する場合がある。
第４図において、大きな半径のミラー共振器38は、高
反射鏡40、出力カプラ42、レーザ結晶43、及びダイオー
ド励起源44を具備している。レーザ結晶43が、Nd:YLFで
あり、直径約0.7mmの励起ビーム46がレーザ結晶43に入
射する場合、TEM00モード直径48は、約1mmであり、共振
器38の中で、ほぼ一定値を維持する。Nd:YVO2等の強い
熱収差を有する強い熱レンズ物質を使用すると、同じ励
起直径が、励起直径より小さい0.56mmのTEM00モード直
径50を生成できる。そのレーザは、従来のモード・マッ
チングからのこの偏差にも関わらず、非常に効率的であ
る。
反射鏡40、出力カプラ42、レーザ結晶43、及びダイオー
ド励起源44を具備している。レーザ結晶43が、Nd:YLFで
あり、直径約0.7mmの励起ビーム46がレーザ結晶43に入
射する場合、TEM00モード直径48は、約1mmであり、共振
器38の中で、ほぼ一定値を維持する。Nd:YVO2等の強い
熱収差を有する強い熱レンズ物質を使用すると、同じ励
起直径が、励起直径より小さい0.56mmのTEM00モード直
径50を生成できる。そのレーザは、従来のモード・マッ
チングからのこの偏差にも関わらず、非常に効率的であ
る。
ダイオード励起源44は、単一ダイオード、空間エミッ
タ、ダイオード・バー、または複数のダイオードまたは
ダイオード・バーでよい。適切なダイオード源44として
は、カリフォルニア州City of IndustryのOpto Power C
orporation社から入手可能なモデル番号OPC−A020−810
−CS.がある。ダイオード源44の好ましい波長は、795か
ら815nmの範囲である。特定の結晶の波長は、下記の通
りである:Tm:YAG−785nm:Nd:YLF−797;およびNd:YAG,N
d:YVO4−809nm。
タ、ダイオード・バー、または複数のダイオードまたは
ダイオード・バーでよい。適切なダイオード源44として
は、カリフォルニア州City of IndustryのOpto Power C
orporation社から入手可能なモデル番号OPC−A020−810
−CS.がある。ダイオード源44の好ましい波長は、795か
ら815nmの範囲である。特定の結晶の波長は、下記の通
りである:Tm:YAG−785nm:Nd:YLF−797;およびNd:YAG,N
d:YVO4−809nm。
ダイオード源44は、１本以上の光ファイバ52の連結さ
れている。一束なった光ファイバ52が使用されているこ
とが好ましい。連結は、米国特許第5,127,068に記述さ
れているようにして、完了され得る。適合するファイバ
52は、シリカ被覆のシリカ心線を有するものを含むが、
しかしそれらに限定はされない。
れている。一束なった光ファイバ52が使用されているこ
とが好ましい。連結は、米国特許第5,127,068に記述さ
れているようにして、完了され得る。適合するファイバ
52は、シリカ被覆のシリカ心線を有するものを含むが、
しかしそれらに限定はされない。
望遠鏡装置は、出力ビームがレーザ結晶43に入射する
ように、ダイオード源44から出力ビームのピント合わせ
に設けられている。ある実施例では、望遠鏡配置は、レ
ーザ結晶43の割れを防ぐために励起ビーム46のサイズを
最適化するが、TEM00モード直径の励起ビーム直径に対
する比率が、１より小さくなるように励起ビームを生成
する第１と第２のレンズ54と56を具備している。
ように、ダイオード源44から出力ビームのピント合わせ
に設けられている。ある実施例では、望遠鏡配置は、レ
ーザ結晶43の割れを防ぐために励起ビーム46のサイズを
最適化するが、TEM00モード直径の励起ビーム直径に対
する比率が、１より小さくなるように励起ビームを生成
する第１と第２のレンズ54と56を具備している。
レンズの無い共焦点共振器において、それぞれ曲率R1
とR2の２個の相対するミラーが、使用され、その２つの
ミラーは、距離Ｌだけ離れているが、ここでR1＝R2＝Ｌ
である。繰り返すが、これが完全な共焦点共振器であ
る。
とR2の２個の相対するミラーが、使用され、その２つの
ミラーは、距離Ｌだけ離れているが、ここでR1＝R2＝Ｌ
である。繰り返すが、これが完全な共焦点共振器であ
る。
強い熱レンズ物質は、本発明に関わるレーザ結晶用に
使用され得る。適切な強い熱レンズ物質は、Nd:YAG、N
d:YO4、Nd:GV4、Nd:YVO4、Nd:BEL、Nd:YALO、およびNd:
LSBを含むが、これらに限定されない。好ましい物質
は、Nd:YVO4であり、北カロライナ州CharlotteのLitoon
−Airtoon社から入手可能である。Ndの原子百分率は、
0.5から3.0％であり、好ましいのは0.6から0.9％であ
り、最も好ましいのは0.8％である。Nd:YVO4は、Nd:YLF
と比べて、高ゲインで、短い上位状態寿命を示すので、
ある種のアプリケーションに対しては、魅力的な物質で
ある。Nd:YAGは、中間的なゲインと中間的な上位状態寿
命を有する。Nd:YVO4も、809nmまでのダイオード励起波
長での吸収係数が非常に高く、ダイオード励起ビーム46
の結合を効率的にするので、ダイオード励起用に適して
いる。
使用され得る。適切な強い熱レンズ物質は、Nd:YAG、N
d:YO4、Nd:GV4、Nd:YVO4、Nd:BEL、Nd:YALO、およびNd:
LSBを含むが、これらに限定されない。好ましい物質
は、Nd:YVO4であり、北カロライナ州CharlotteのLitoon
−Airtoon社から入手可能である。Ndの原子百分率は、
0.5から3.0％であり、好ましいのは0.6から0.9％であ
り、最も好ましいのは0.8％である。Nd:YVO4は、Nd:YLF
と比べて、高ゲインで、短い上位状態寿命を示すので、
ある種のアプリケーションに対しては、魅力的な物質で
ある。Nd:YAGは、中間的なゲインと中間的な上位状態寿
命を有する。Nd:YVO4も、809nmまでのダイオード励起波
長での吸収係数が非常に高く、ダイオード励起ビーム46
の結合を効率的にするので、ダイオード励起用に適して
いる。
Nd:YVO4の光学的、熱的、および機械的特性は、その
“a"軸と“c"軸では異なっている。“a"軸に平行な方向
での熱膨脹係数は、“c"軸に平行な場合より約2.5倍小
さい。温度の関数として、屈折率の変化は、“a"軸と
“c"軸では2.8倍の差がある。Nd:YVO4は、強く複屈折す
るので、２つの結晶軸に対する屈折率間の差は、10％を
超えている。
“a"軸と“c"軸では異なっている。“a"軸に平行な方向
での熱膨脹係数は、“c"軸に平行な場合より約2.5倍小
さい。温度の関数として、屈折率の変化は、“a"軸と
“c"軸では2.8倍の差がある。Nd:YVO4は、強く複屈折す
るので、２つの結晶軸に対する屈折率間の差は、10％を
超えている。
強い熱レンズ特性を有するNd:YVO4と他の結晶は、米
国特許出願第08/191,654号に記述されているように、結
晶中の熱伝導の適切な制御により、環状等の制御された
楕円率の熱レンズを有することができる。
国特許出願第08/191,654号に記述されているように、結
晶中の熱伝導の適切な制御により、環状等の制御された
楕円率の熱レンズを有することができる。
第５図において、半対称共振器58は、レーザ結晶60を
有している。共振器ミラー62と出力カプラ64は、長さＬ
の共振空洞を限定している。第５図において、本書おけ
る全ての図面に付いても同様であるが、同じ参照番号
は、同じ要素を示している。共振器ミラー62とレーザ結
晶60との間の距離は、L1であり、出力カプラ64とレーザ
結晶60との間の距離はL2である。L1≪L2、Ｆ＝Ｌ、およ
びR2≫Ｌであれば、共振器58は、殆ど完全な共焦点共振
器となり得る。R1は、共振器ミラー62の曲率半径であ
り、またＦは、レーザ結晶60の焦点距離である。
有している。共振器ミラー62と出力カプラ64は、長さＬ
の共振空洞を限定している。第５図において、本書おけ
る全ての図面に付いても同様であるが、同じ参照番号
は、同じ要素を示している。共振器ミラー62とレーザ結
晶60との間の距離は、L1であり、出力カプラ64とレーザ
結晶60との間の距離はL2である。L1≪L2、Ｆ＝Ｌ、およ
びR2≫Ｌであれば、共振器58は、殆ど完全な共焦点共振
器となり得る。R1は、共振器ミラー62の曲率半径であ
り、またＦは、レーザ結晶60の焦点距離である。
また、Nd:YVO4等の強い熱レンズ物質は、そのピント
合わせ能力が共振器とその安定度を変更するために、レ
ーザ結晶60として使用され得る。本質的に、第１（ａ）
図の安定度グラフ上のこのレーザのｇパラメータの位置
は、完全な共焦点共振器の位置の方に、さらに移動され
る。強い熱レンズの効果は、平面鏡と共に使用する場合
でさえも、共焦点共振器を作成するのに十分である。し
かも、曲面鏡が採用される場合は、それが好ましい。
合わせ能力が共振器とその安定度を変更するために、レ
ーザ結晶60として使用され得る。本質的に、第１（ａ）
図の安定度グラフ上のこのレーザのｇパラメータの位置
は、完全な共焦点共振器の位置の方に、さらに移動され
る。強い熱レンズの効果は、平面鏡と共に使用する場合
でさえも、共焦点共振器を作成するのに十分である。し
かも、曲面鏡が採用される場合は、それが好ましい。
第６図は、折り返しのある配置を有する対称型近似的
共焦点共振器66を示している。本共振器は、曲率半径R1
の出力カプラ68と、曲率半径R2の共振器ミラー70によっ
て限定される。L1は、出力カプラ68とレーザ結晶72との
間の距離であり、L2は、共振器ミラー70とレーザ結晶72
との間の距離である。折り返しミラー74は、通常は平面
なので、無限大の曲率半径R3を持つ。対称型共振器に対
しては、L1＝L2でR1＝R2である。レーザ結晶72は、制御
された楕円率を持つNd:YVO4等の強い熱レンズ物質であ
る。
共焦点共振器66を示している。本共振器は、曲率半径R1
の出力カプラ68と、曲率半径R2の共振器ミラー70によっ
て限定される。L1は、出力カプラ68とレーザ結晶72との
間の距離であり、L2は、共振器ミラー70とレーザ結晶72
との間の距離である。折り返しミラー74は、通常は平面
なので、無限大の曲率半径R3を持つ。対称型共振器に対
しては、L1＝L2でR1＝R2である。レーザ結晶72は、制御
された楕円率を持つNd:YVO4等の強い熱レンズ物質であ
る。
「２ポート」共振器76は、第７図に示すように、曲率
半径R1の出力カプラ78、曲率半径R2の共振器ミラー80、
および共振器76の折り返しアームを限定する２枚の折り
返しミラー82と84によって限定される。用語「ポート」
は、ダイオード励起光が入射する点を言う。２個のレー
ザ結晶86と88は、折り返し光学軸90に沿って配置され
る。２個の結晶が示されているが、１個でも可能であ
る。２台のダイオード励起源44、２組の光ファイバ52、
およびレンズ54と56による２組の望遠鏡装置が、含まれ
る。１台のダイオード励起源と１本の２叉ファイバ束を
使用することも可能である。共振器76の出力仕事率を増
加するために、２台の励起源が使用される。レーザ結晶
への損傷を最小にするために、２個の結晶86と88が使用
される。結晶86と88は、強い熱レンズ物質であってもよ
く、Nd:YVO4から製作されたものであってもよい。
半径R1の出力カプラ78、曲率半径R2の共振器ミラー80、
および共振器76の折り返しアームを限定する２枚の折り
返しミラー82と84によって限定される。用語「ポート」
は、ダイオード励起光が入射する点を言う。２個のレー
ザ結晶86と88は、折り返し光学軸90に沿って配置され
る。２個の結晶が示されているが、１個でも可能であ
る。２台のダイオード励起源44、２組の光ファイバ52、
およびレンズ54と56による２組の望遠鏡装置が、含まれ
る。１台のダイオード励起源と１本の２叉ファイバ束を
使用することも可能である。共振器76の出力仕事率を増
加するために、２台の励起源が使用される。レーザ結晶
への損傷を最小にするために、２個の結晶86と88が使用
される。結晶86と88は、強い熱レンズ物質であってもよ
く、Nd:YVO4から製作されたものであってもよい。
折り返しミラー82と84は、ダイクロイックである。光
学系は、レーザ波長で高い反射率であり、励起波長でも
高い反射率である。これらは、「励起窓」と呼ばれる２
本の励起ビームは、それぞれダイオード励起源44から来
たものであるが、それぞれが、全励起仕事率の半分を供
給する。繰り返しになるが、これは、そのレーザ結晶の
入射面の破損限界を超えることに対する余裕を与える。
２本の励起ビームは、レーザ結晶中でのそれらの逆並列
性と共振器76のTEM00モードに関する同軸伝搬を保証す
るように構成される。これは、円筒状で、対称的な励起
体と、放射状に対称的な混成の熱レンズを生成する。
学系は、レーザ波長で高い反射率であり、励起波長でも
高い反射率である。これらは、「励起窓」と呼ばれる２
本の励起ビームは、それぞれダイオード励起源44から来
たものであるが、それぞれが、全励起仕事率の半分を供
給する。繰り返しになるが、これは、そのレーザ結晶の
入射面の破損限界を超えることに対する余裕を与える。
２本の励起ビームは、レーザ結晶中でのそれらの逆並列
性と共振器76のTEM00モードに関する同軸伝搬を保証す
るように構成される。これは、円筒状で、対称的な励起
体と、放射状に対称的な混成の熱レンズを生成する。
ダイオード源44から出て、１本のファイバ52またはフ
ァイバ束を通過する励起光が、レーザ結晶86と88が無い
状態で、他のファイバ52またはファイバ束に最適な状態
で連結されることを保証することにより、レーザ54と56
を通過して、結晶86と88に入射する励起光の結像をする
２台の望遠鏡装置の最適の横方向配置が、実現される。
結晶86と88の挿入に関して、その望遠鏡の横方向の配置
を再調整する必要はない。２台の望遠鏡の長手方向の位
置の単純な最適化は、結晶86と88の挿入後に必要になる
場合がある。出力カプラ78と共振器ミラー80も、励起さ
れた円筒体と共振器76のTEM00モードの同心性を確保す
るために、調整されることがある。開口絞り92は、最低
次のモードでの発振を確保するために具備されることが
ある。
ァイバ束を通過する励起光が、レーザ結晶86と88が無い
状態で、他のファイバ52またはファイバ束に最適な状態
で連結されることを保証することにより、レーザ54と56
を通過して、結晶86と88に入射する励起光の結像をする
２台の望遠鏡装置の最適の横方向配置が、実現される。
結晶86と88の挿入に関して、その望遠鏡の横方向の配置
を再調整する必要はない。２台の望遠鏡の長手方向の位
置の単純な最適化は、結晶86と88の挿入後に必要になる
場合がある。出力カプラ78と共振器ミラー80も、励起さ
れた円筒体と共振器76のTEM00モードの同心性を確保す
るために、調整されることがある。開口絞り92は、最低
次のモードでの発振を確保するために具備されることが
ある。
Nd:YVO4等の強い熱レンズ結晶が使用される場合、結
晶86と88におけるその熱レンズの倍率によって、共振器
76の空洞が、近似的共焦点になる。共振器76は、その中
心に対して、配置的に対称であるので、両方の結晶86と
88におけるモードサイズが、ほぼ同じになることと、そ
れ等の熱レンズの収差部分による損失が最低になること
を確実にする。２つの大きな収差のある励起体における
TEM00モードサイズは、殆ど同一である。また、結晶86
と88の２つの励起体は、殆ど同一である。結晶86と88の
近接で、ほぼ単一の複合レンズとして動作できるように
なり、これらの間の望ましくない動特性が最小になる。
共振器76の中間点への結晶86と88の近接で、その対称性
が確保される。
晶86と88におけるその熱レンズの倍率によって、共振器
76の空洞が、近似的共焦点になる。共振器76は、その中
心に対して、配置的に対称であるので、両方の結晶86と
88におけるモードサイズが、ほぼ同じになることと、そ
れ等の熱レンズの収差部分による損失が最低になること
を確実にする。２つの大きな収差のある励起体における
TEM00モードサイズは、殆ど同一である。また、結晶86
と88の２つの励起体は、殆ど同一である。結晶86と88の
近接で、ほぼ単一の複合レンズとして動作できるように
なり、これらの間の望ましくない動特性が最小になる。
共振器76の中間点への結晶86と88の近接で、その対称性
が確保される。
ある実施例で、共振器が、約20cmの総合長を有してい
て、複合熱レンズ結晶86と88は、約9cmの複合焦点距離
Ｆの空洞の中心にある。単一結晶の使用も可能である。
これは、ポート当たり13Wの入射仕事率のために実行さ
れる。開口絞り92が、TEM00動作を確実にするために使
用される。この実施例では、ダイクロイック折り返しミ
ラー82と84は、平面である。また、この実施例では、出
力カプラ78と共振器ミラー80は平面か、または大きな曲
率半径である。他の実施例では、共振器76は23cmの長さ
で、同じ熱レンズ能力を有し、平面折り返しミラー82と
84を具備している。しかし、出力カプラ78と共振器ミラ
ー80の曲率は60cmである。この実施例の共振器は、ミラ
ーの曲率のために、低仕事率でさらに容易に位置決めさ
れ、また高い照準安定度と心合わせ不良に対する不感性
を示す。両方の実施例において、共振器は、近似共焦点
であり；その共振器の一端から他端までのモードサイズ
は、２の平方根を超えない程度の倍数の変化をする。第
１（ａ）図の安定度グラフに関して、共焦点と面平行と
の間にある上半分に比べると、両共振器は、そのグラフ
の下半分にあり、共焦点と、同心との間にある。励起ビ
ーム直径に対する結晶86と88におけるTEM00モード直径
の比率は、1.2から0.6である。ある実施例では、それは
0.83である。
て、複合熱レンズ結晶86と88は、約9cmの複合焦点距離
Ｆの空洞の中心にある。単一結晶の使用も可能である。
これは、ポート当たり13Wの入射仕事率のために実行さ
れる。開口絞り92が、TEM00動作を確実にするために使
用される。この実施例では、ダイクロイック折り返しミ
ラー82と84は、平面である。また、この実施例では、出
力カプラ78と共振器ミラー80は平面か、または大きな曲
率半径である。他の実施例では、共振器76は23cmの長さ
で、同じ熱レンズ能力を有し、平面折り返しミラー82と
84を具備している。しかし、出力カプラ78と共振器ミラ
ー80の曲率は60cmである。この実施例の共振器は、ミラ
ーの曲率のために、低仕事率でさらに容易に位置決めさ
れ、また高い照準安定度と心合わせ不良に対する不感性
を示す。両方の実施例において、共振器は、近似共焦点
であり；その共振器の一端から他端までのモードサイズ
は、２の平方根を超えない程度の倍数の変化をする。第
１（ａ）図の安定度グラフに関して、共焦点と面平行と
の間にある上半分に比べると、両共振器は、そのグラフ
の下半分にあり、共焦点と、同心との間にある。励起ビ
ーム直径に対する結晶86と88におけるTEM00モード直径
の比率は、1.2から0.6である。ある実施例では、それは
0.83である。
結晶86と88におけるTEM00モード直径の比率は、ある
実施例では１未満である。ファイバ束が使用されると、
シルクハット状の励起ビームの直径に対する、それぞれ
の結晶86と88のTEM00モード直径の比率は、１より小さ
く、約0.83である。これは、１より小さい比率は非効率
であるという以前の教えとは、対照的である。結晶86と
88におけるTEM00モード直径は、モード輝度が、その最
大輝度の1/e2（〜13.5％）になる位置の直径として、伝
統的に定義されている。結晶中の励起ビーム直径は、結
晶中の励起ビームの画像の直径として定義されている；
その励起ビームの輝度分布は、シルクハット形状に似て
いる。
実施例では１未満である。ファイバ束が使用されると、
シルクハット状の励起ビームの直径に対する、それぞれ
の結晶86と88のTEM00モード直径の比率は、１より小さ
く、約0.83である。これは、１より小さい比率は非効率
であるという以前の教えとは、対照的である。結晶86と
88におけるTEM00モード直径は、モード輝度が、その最
大輝度の1/e2（〜13.5％）になる位置の直径として、伝
統的に定義されている。結晶中の励起ビーム直径は、結
晶中の励起ビームの画像の直径として定義されている；
その励起ビームの輝度分布は、シルクハット形状に似て
いる。
以前の研究者達が１未満の比率は、強い熱レンズまた
は弱い熱レンズ物質のどちらであっても、効率的でない
レーザしか生まないと言ってきたが、本発明は、別の結
果を生みだした。ある実施例では、Nd:YVO4等の強い熱
レンズレーザ結晶86と88、“c"結晶面を通過する熱伝導
の管理、およびファイバ結合ダイオード励起源の組み合
わせで、励起仕事率の広い範囲にわたって、TEM00モー
ドで動作する高効率のレーザが作製された。
は弱い熱レンズ物質のどちらであっても、効率的でない
レーザしか生まないと言ってきたが、本発明は、別の結
果を生みだした。ある実施例では、Nd:YVO4等の強い熱
レンズレーザ結晶86と88、“c"結晶面を通過する熱伝導
の管理、およびファイバ結合ダイオード励起源の組み合
わせで、励起仕事率の広い範囲にわたって、TEM00モー
ドで動作する高効率のレーザが作製された。
第８図は、折り返しを戻した配置の共振器76の概略図
である。これは、共振器76の構成部品の相対的な長さを
示すことを意図している。対称型共振器に対しては、L1
＝L2、F1＝F2、R1＝R2、およびL3≪L1、L2である。
である。これは、共振器76の構成部品の相対的な長さを
示すことを意図している。対称型共振器に対しては、L1
＝L2、F1＝F2、R1＝R2、およびL3≪L1、L2である。
２重“Z"折り返し共焦点共振器92は、第９図に描かれ
ている。共振器92は、出力カプラ94と共振器ミラー96に
より限定されている。単一レーザ結晶98または２個の結
晶は、第１の折り返しアーム光軸100に沿って配置され
ている。単一レーザ結晶102または２個の結晶は、第２
の折り返しアーム光軸102に沿って配置されている。開
口絞り106が使用されている。L1〜L2でL3≪L1、L2であ
れば、共振器92は、対称である。
ている。共振器92は、出力カプラ94と共振器ミラー96に
より限定されている。単一レーザ結晶98または２個の結
晶は、第１の折り返しアーム光軸100に沿って配置され
ている。単一レーザ結晶102または２個の結晶は、第２
の折り返しアーム光軸102に沿って配置されている。開
口絞り106が使用されている。L1〜L2でL3≪L1、L2であ
れば、共振器92は、対称である。
本発明の２ポート型のレーザは、ある実施例において
は、下記の特性を得られる：約１−12Wの範囲の出力仕
事率；約25％であり、好ましくは40％を超える総合光学
的効率;40％を超えるTEM00モードでの光学的勾配効率；
約1.2から0.8であり、好ましくは1.0より小さく0.83迄
の範囲にある結晶中の励起ビーム直径に対するTEM00モ
ード直径の比率;1.2より小さく、好ましくは約1.05であ
るM2;および10％より少なく、好ましくは約１％のガウ
ス断面からのビーム断面の最小２乗偏差。
は、下記の特性を得られる：約１−12Wの範囲の出力仕
事率；約25％であり、好ましくは40％を超える総合光学
的効率;40％を超えるTEM00モードでの光学的勾配効率；
約1.2から0.8であり、好ましくは1.0より小さく0.83迄
の範囲にある結晶中の励起ビーム直径に対するTEM00モ
ード直径の比率;1.2より小さく、好ましくは約1.05であ
るM2;および10％より少なく、好ましくは約１％のガウ
ス断面からのビーム断面の最小２乗偏差。
特定して記述された実施例の変更は、添付の請求の範
囲によってのみ限定されることが意図されている本発明
の範囲から離れることなく実施可能である。
囲によってのみ限定されることが意図されている本発明
の範囲から離れることなく実施可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キアスティード マーク エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95148 サン ホセ スティーヴンス コート 3133 (56)参考文献 特開 平５−75184（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−13847（ＪＰ，Ａ) 米国特許4710940（ＵＳ，Ａ) 米国特許4951294（ＵＳ，Ａ) ＫＯＥＣＨＮＥＲ Ｗ，”Ｓｏｌｉｄ −ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｅｎｇｉｎ ｅｅｒｉｎｇ”（２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏ ｎ），Ｇｅｒｍａｎｙ，ＳＰＲＩＮＧＥ Ｒ−ＶＥＲＬＡＧ，1998，ｐｐ．174− 191 ＨＵＴＣＨＩＮＳＯＮ Ｓ Ｂ ｅｔ ａｌ．，”Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ ３−10 Ｗａｔｔ ａｖｅｒａｇｅ ｐ ｏｗｅｒ ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ ｌａｓｅｒｓ，”ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧ Ｓ ＯＦ ＴＨＥ ＳＰＩＥ，21−22 Ｊａｎ．1993，Ｖｏｌ．1865，ｐｐ．61 −72 ＫＡＮＥＤＡ Ｙ ｅｔ ａｌ．，" ７．６Ｗ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ −ｗａｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ＴＥＭ00 ｍｏｄｅ ｆｒｏｍ ａ ｌａｓｅｒ−ｄｉｏｄｅ ｅｎｄ− ｐｕｍｐｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅ ｒ，”ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ, 15 Ｊｕｌ．，1992，Ｖｏｌ．17，Ｎ ｏ．14，ｐｐ．1003−1005 ＴＩＮＤＷＥＬＬ Ｓ Ｃ ｅｔ ａ ｌ．，”60−Ｗ，ｎｅａｒ−ＴＥＭ00, ＣＷ ｄｉｏｄｅ−ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅ ｄ，Ｎｄ；ＹＡＧ ｌａｓｅｒ，”ＰＲ ＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ Ｓ ＰＩＥ，21−22 Ｊａｎ．1993，Ｖｏ ｌ．1865，ｐｐ．85−93 ＦＥＵＧＥＴ Ｇ ｅｙ ａｌ．，" ＴＥＭ00 ｓｕｒ１ｆａｃｅ−ｅｍｉｔ ｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ−ｄｉｏｄｅ ｌ ｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙ ｐｕｍｐ ｅｄ Ｎｄ：ＹＶ04 ｌａｓｅｒ，”Ｏ ＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，15 Ｄｅ ｃ，1993，Ｖｏｌ．18，Ｎｏ．24，ｐ ｐ．2114−2116 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/0933 H01S 3/08 H01S 3/0941
Claims (11)
- 【請求項１】共振器光学軸を有する共振器ミラーと出力
カプラと、 前記共振器光学軸に沿って、前記共振器内に配置され
る、強い熱的に誘起された屈折特性を有するレーザ結晶
と、 出力ビームを生成し、かつ前記共振器を実質的に共焦点
共振器に変換する、前記レーザ共振器の前記レーザ結晶
に励起ビームを供給するダイオード励起源と、 前記ダイオード励起源に電力を供給する電源とを具備
し、 前記出力ビームが約4Wより大きなパワーを有し、且つ 前記レーザ結晶内の励起ビーム直径に対する前記レーザ
結晶内のTEM00モード直径の比率が、0.1より小さく、0.
83より大きいことを特徴とする高効率ダイオード励起型
レーザ装置。 - 【請求項２】前記レーザ装置が、約40％より大きな、TE
M00モードにおける光学的傾斜効率を有することを特徴
とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 - 【請求項３】前記レーザ装置が、約25％より大きな光学
的効率を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記
載のレーザ装置。 - 【請求項４】共振器光学軸を有する近似的共焦点共振器
を構成する共振器ミラーと出力カプラと、 強い熱レンズレーザ結晶を備え、前記強い熱レンズレー
ザ結晶は、制御された楕円率を有し、前記共振器光学軸
に沿って、前記共振器の中に配置され、かつ前記共振器
を実質的に共焦点共振器に変換し、 出力ビームを生成し、さらにレーザ結晶内のTEM00モー
ド直径より大きい前記レーザ結晶内の励起ビーム直径を
形成するために、前記レーザ共振器の前記レーザ結晶に
励起ビームを供給するダイオード励起源と、 前記ダイオード励起源に電力を供給すると電源と、 を具備することを特徴とする近似的に回析を制限された
高効率ダイオード励起型レーザ装置。 - 【請求項５】前記レーザ装置が、約40％より大きな、TE
M00モードにおける光学的傾斜効率を有することを特徴
とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 - 【請求項６】前記レーザ装置が、約25％より大きな光学
的効率を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記
載のレーザ装置。 - 【請求項７】前記レーザ結晶が、Nd:YVO4であることを
特徴とする請求の範囲第４項に記載のレーザ装置。 - 【請求項８】共振器を構成する共振器ミラー及び出力カ
プラであって、前記共振器は、前記共振器の第１の折り
返しアームを限定する第１と第２の励起窓を有し、前記
第１の折り返しアームは、第１の折り返しアームの光学
軸を規定している共振器ミラー及び出力カプラと、 前記第１の折り返しアーム光学軸に沿って前記共振器に
配置された、強い熱的誘起された屈折特性を有する第１
のレーザ結晶と、 出力ビームを生成する前記レーザ共振器の前記レーザ結
晶に第１の励起ビームを供給し、前記第１の励起窓に隣
接して配置された第１のダイオード励起源と、 出力ビームを生成する前記レーザ共振器の前記レーザ結
晶に第２の励起ビームを供給し、前記第２の励起窓に隣
接して配置された第２のダイオード励起源とを有し、前
記第１と第２の励起ビームは、レーザ結晶内の強い熱レ
ンズを形成し、かつ前記共振器を実質的に共焦点共振器
に変換し、且つ 前記第１と第２のダイオード励起源に電力を供給する少
なくとも１つの電源とを具備することを特徴とする多重
ポート高効率ダイオード励起型レーザ装置。 - 【請求項９】前記レーザ装置が、約40％より大きな、TE
M00モードにおける光学的傾斜率を有することを特徴と
する請求の範囲第８項に記載のレーザ装置。 - 【請求項１０】前記レーザ装置が、約25％より大きな光
学的効率を有することを特徴とする請求の範囲第９項に
記載のレーザ装置。 - 【請求項１１】前記結晶中の励起ビーム直径に対する前
記レーザ結晶のTEM00モード直径の比率が、1.0より小さ
く、0.83迄の範囲にあることを特徴とする請求の範囲第
10項に記載のレーザ装置。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/191,772 | 1994-02-04 | ||
| US08/191,772 US5412683A (en) | 1994-02-04 | 1994-02-04 | Confocal diode pumped laser |
| US191,772 | 1994-02-04 | ||
| PCT/US1995/001260 WO1995021478A1 (en) | 1994-02-04 | 1995-01-31 | Confocal diode pumped laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09508500A JPH09508500A (ja) | 1997-08-26 |
| JP3073022B2 true JP3073022B2 (ja) | 2000-08-07 |
Family
ID=22706879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07520695A Expired - Lifetime JP3073022B2 (ja) | 1994-02-04 | 1995-01-31 | 共焦点ダイオード励起型レーザ装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5412683A (ja) |
| EP (1) | EP0742964B1 (ja) |
| JP (1) | JP3073022B2 (ja) |
| DE (1) | DE69531665T2 (ja) |
| WO (1) | WO1995021478A1 (ja) |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5638397A (en) * | 1994-02-04 | 1997-06-10 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Confocal-to-concentric diode pumped laser |
| US5999544A (en) * | 1995-08-18 | 1999-12-07 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Diode pumped, fiber coupled laser with depolarized pump beam |
| US5608742A (en) * | 1995-08-18 | 1997-03-04 | Spectra Physics Lasers, Inc. | Diode pumped, fiber coupled laser with depolarized pump beam |
| US5812308A (en) * | 1995-12-20 | 1998-09-22 | Spectra Physics Lasers, Inc. | Mode locked laser and amplifier |
| US5840239A (en) * | 1997-01-31 | 1998-11-24 | 3D Systems, Inc. | Apparatus and method for forming three-dimensional objects in stereolithography utilizing a laser exposure system having a diode pumped frequency quadrupled solid state laser |
| US5912912A (en) * | 1997-09-05 | 1999-06-15 | Coherent, Inc. | Repetitively-pulsed solid-state laser having resonator including multiple different gain-media |
| US5907570A (en) * | 1997-10-22 | 1999-05-25 | Spectra-Physics, Inc. | Diode pumped laser using gain mediums with strong thermal focussing |
| US6157663A (en) * | 1998-04-16 | 2000-12-05 | 3D Systems, Inc. | Laser with optimized coupling of pump light to a gain medium in a side-pumped geometry |
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