JP3803262B2 - 光増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高出力固体レーザーにおいて使用するための光増幅器に関し、より特別には、固体レーザー材料の細長いスラブ、例えば、希土類元素がドープ処理されたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）結晶及び固体レーザー材料を比較的高エネルギの準安定状態に励起するための複数のダイオードアレイを含み、励起光が、比較的長い吸収長さ、従って、より高い全効率を生じる増幅された光と相互に整列されて、Ｙｂ及びＴｍのような比較的低い吸収長さを有する固体レーザー材料を使用する光増幅器に特に適した形状を作るようになされた光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類元素がドープされたイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）結晶のようなレーザー材料の細長いほぼ矩形又は四角形のスラブを含んでいる光増幅器が知られている。スラブは、一対の対向する端面及び４つの側面を画成しているほぼ矩形又は四角形の断面領域によって形成されている。スラブのための材料は、比較的高い屈折率を有するように選択される。スラブは、比較的低屈折率を有する冷却剤によって冷却される。スラブの冷却剤境界面における屈折率のこの変化によって、ジクザグ状にスラブ内で内部全反射されるスラブの一方の端面に向けられた入射光が生じる。従って、このような形状を有する光増幅器は、ジグザグ増幅器として知られるようになった。このようなジグザグ増幅器を利用している固体レーザーの例が、米国特許第４，７３０，３２４号、第４，８５２，１０９号及び第５，３０５，３４５号に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
固体レーザー材料を比較的高いエネルギ準安定状態まで励起するためには、例えば、米国特許第４，８５２，１０９号、第４，９４９，３４６号、第４，９８４，２４６号、第５，２７１，０３１号、第５，３０５，３４５号、第５，３１７，５８５号及び第５，３５１，２５１号に開示されているダイオードアレイのような種々の励起光源が使用される。多くの公知の光増幅器においては、励起光源は、同励起光源からの光がスラブの長手軸線にほぼ直角の方向にスラブ側面に沿って導かれる。このような構造の光増幅器の例が、米国特許第４，１２７，８２７号、第４，８５２，１０９号、第５，２７１，０３１号、第５，３０５，３４５号、第５，６４６，７７３号及び第５，６５１，０２１号に開示されている。共有にかかる米国特許第５，９００，９６７号は、複数のダイオードアレイがスラブの側面に沿って導かれている形状を開示している。‘４３４号出願に開示されている装置は、スラブ内にほぼ均一なエネルギ分布を提供するために側面に対してほぼ直角に向けられたダイオードアレイを利用している。側方から励起される形状として知られているこのような形状は、励起光の吸収長さを、不幸にも２ないし３ミリメートルに限定する。このような側方励起形状が、Ｙｂ及びＴｍがドープされた材料のような低吸収係数を有する固体レーザー材料を使用する光増幅器と共に使用されるとき、比較的低吸収率、従って、より低い全効率がもたらされる。従って、比較的高い全効率で比較的より長い吸収長さをもたらすことができる光増幅器が必要とされている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
簡単に言うと、本発明は、希土類元素をドープ処理したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）スラブのような固体レーザー材料の細長いスラブを含んでいる光増幅器に関する。比較的高い吸収長さ、従って、より高い全効率を提供するために、本発明による光増幅器は、励起光が、比較的長い吸収長さとより高い全効率を生じる増幅された光と整合される、端部励起を組み入れている。整合された励起光源は、励起波長において反射防止コーティングによって作られた光受容可能領域すなわち窓を含んでいるスラブの側面に導かれる。レーザー軸線に沿った励起ビームの内部反射を生じさせるためには、端面は、長手軸線に対して約４５゜の角度で形成されて、励起された光が長手軸線に沿ってスラブ内で反射されるようにさせる。励起された光の吸収をスラブの中心部分に制限するためには、スラブは、ドープ処理されていない主材料によって作られたスラブの対向する端部を備え、一方、長手軸線に沿ったスラブの中心部分がドープ処理された主材料によって作られている、複合材料によって作ることができる。このような構造は、実質上は二つの屈折率（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）を備えない比較的低い残留熱レンジング（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ）を提供する。一つの実施形態においては、ダイオードアレイからの励起光は、レンズ又はレンズダクト（ｌｅｎｓ ｄｕｃｔｓ）を介してスラブに結合される。更に別の実施形態においては、励起光とレーザービームとが置き換えられて、端部励起構造を備えた低損失の真っ直ぐに貫通するスラブが形成されている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、全体が符号２０によって特定されている光増幅器に関する。本発明の重要な特徴によれば、光増幅器２０は、端部励起（エンドポンピング）を利用している。このような形状においては、励起光は、スラブの長手軸線に沿って増幅された光と整合されて、比較的長い吸収長さをもたらし、このようにして、比較的高い全効率を提供する。本発明は、特に、Ｙｂ及びＴｍドーパントを使用した材料のような比較的低吸収係数を備えた固体レーザー材料を利用する光増幅器に適している。以下においてより詳細に説明されるように、励起された光の吸収は、歪み（ｗａｒｐｉｎｇ）を受けるものとして知られているスラブ両端での熱を低減させるように、スラブの中心領域に閉じ込められても良い。
【０００６】
本発明の種々の実施形態を説明し且つ図示する。１９９８年７月７日に出願された共有にかかる同時継続の米国特許第０９／１１１，０８０号に示されている図１ないし４は、励起がレンズ又はレンズダクトを介して結合されたダイオードアレイによって提供される、端部励起のジグザグ光増幅器構造の第１の実施形態を図示している。図５ないし７は、スラブの励起が、スラブが積み重ねられるのを許容する光ファイバによってスラブに結合されたダイオードアレイからの光によって提供される、本発明のもう一つ別の実施形態を示している。図８は、励起及びレーザービームが図１に対して入れ替えられている、低損失の真っ直ぐに延びた光増幅器を形成している、本発明のもう一つ別の実施形態を図示している。
【０００７】
図１を参照すると、光増幅器２０は、細長いスラブ２２と、一対の励起ビーム発生源２４及び２６と、を含んでいる。細長いスラブ２２は、一対の対向する端面２８及び３０と、４つの側面３２と、を画成しているほぼ矩形又は四角形の断面によって形成されている。ここに使用されているように、長手方向すなわちレーザー光発生軸３４は、対向する端面２８と３０との間の側面３２にほぼ平行な軸として規定されている。主軸は、ジグザグパターンの方向における水平軸として規定され、一方、副軸は、主軸にほぼ直角な垂直軸として規定される。主軸及び副軸は、両方とも長手軸線に直角である。
【０００８】
スラブ２２は、所謂、ジグザグ増幅器を形成している図１に示されたような概してジグザグパターンで入力ビームの内部反射を生じさせる比較的高屈折率の固体レーザー材料によることができる。このようなジグザグ増幅器は、入力ビームが均一な利得媒体を有効に提供するスラブ内の熱勾配を平均化するのを許容することによって、輝度の基準化（ｓｃａｌｉｎｇ）を可能にすることが知られている。スラブ２２の端部の加熱を減らすためには、スラブ２２は、拡散接合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄ）された複合材料として形成してもよい。より特別には、スラブ２２の長手軸線３４に沿って、スラブ２２の両端部３５及び３６は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）（Ｙｂ：ＹＡＧ）のようなドープ処理された主（ｈｏｓｔ）材料によって作られたスラブ２２の中心部分３８に拡散接合することができる。このような拡散接合技術は、例えば、番号を記すことによって本明細書に組み入れられた米国特許第５，４４１，８０３号に詳しく記載されているように、従来技術において公知である。このような形状は、吸収長さをスラブ２２の中心部分３８に限定する。吸収長さをスラブ２２の中心部分３８に限定することによって、光励起によって発生される熱は、中心部分３８内にあり且つ歪みを受け易い端部３５及び３６から逃げる。上記したように、励起された光は、スラブ２２内で反射される。従って、励起ビーム２４及び２６は、図１において全体的に示されているように、各々、端部３５及び３６においてスラブ２２の対向する側面３２に入射することができる。光がスラブ２２内に入るのを可能にするために、一以上の光受容可能領域すなわち窓４１及び４３を、対向する端部３５及び３６上に形成してもよい。窓４１及び４３は、励起ビーム２４及び２６の波長に対して選択された反射防止コーティングのようなコーティングによって形成することができる。図１に示されているように、反射防止コーティングが、対向する端面２８及び３０だけでなく側面３２上にも配設されており、それによって、入力ビーム及び励起ビームの損失を減らしている。励起ビーム２４及び２６は、スラブ３２の対向する端部３５及び３６において対向する側面３２へと導かれる。図１に示されているように、励起ビーム２４及び２６は、全部、対向する端面２８及び３０によって内部反射され、励起ビームが長手軸線３４と整合されるようになされている。上記した複合スラブ２２を利用することによって、スラブ２２の吸収長さは中央部分２８に限定される。
【０００９】
入力ビーム４４は、比較的小さい角度、例えば、端面の法線に対して３０゜未満の角度で一つの端面２８に導かれる。入力ビーム４４の入射角度を確立し且つ比較的高い屈折率を有する材料を選択することによって、入力光ビーム４４は、図示されているようなほぼジグザグパターンでスラブ２２に沿って全反射され、対向端面３０から増幅されたビーム４６として外部へ結合される。ガイドされたダイオードの光及び隔離されたスラブの端縁による均一な励起と結合されたスラブの温度勾配を横切るジグザグパターンによって、実質的に２つの屈折率を備えない比較的低い熱レンジング（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ）がもたらされる。
【００１０】
スラブ２２の励起は、励起光が吸収される領域に高い温度をもたらすことが知られている。上記したように、例えば、ダイオードアレイからの励起ビームは、窓又は光受容可能領域４１及び４３を介して側面３２に対してほぼ直角に導かれ且つ対向面２８及び３０から反射されて、励起ビームが長手軸線３４に沿って導かれるようにさせる。スラブ２２を冷却するために、種々の冷却方法を使用することができる。伝導冷却装置及び対流冷却装置の両方が適している。伝導冷却装置の例は、例えば、カリフォルニア州サンディエゴにあるＴｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ又はカリフォルニア州サンホセにあるＳＤＬ，Ｉｎｃ．によって製造されたような高強度衝撃冷却器（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ ｃｏｏｌｅｒ）にスラブ２２を取り付けることである。
【００１１】
スラブ２２と冷却器との間の熱抵抗を最小にするために、図３及び４に図示されたようなインジウム又は金のような軟質金属の熱伝導性材料の薄い層を使用してもよい。組立中に、冷却器／インジウム／スラブのアセンブリは、インジウムを流し且つ接触抵抗を除去するために、約１５０℃の高温において圧力下に保持されてもよい。直接又は対流による冷却のためには、スラブ２２は、参照番号を記すことによって本明細書に組み入れられている米国特許第５，６４６，７７３号において詳細に説明されているように、熱を除去するために、スラブの面上を流れる乱流冷却剤の薄い層によってデッドゾーン（ｄｅａｄ ｚｏｎｅ）内にシールされても良い。例示的な対流冷却装置が、例えば、参照番号を記すことによって組み入れられている共有にかかる米国特許第５，６４６，７７３号に開示されている。
【００１２】
伝導による冷却の場合には、スラブ２２の側面３２は、内部全反射を確保するために、消失波コーティング４８として作用する誘電性材料によってコーティングされている。図１に示されているように、消失波コーティング４８は、一つの端面２８，３０から、反対側の端面に隣接した拡散接合境界面４２を若干越えた領域まで延びることもできる。消失波コーティング４８は、スラブ２２が衝撃冷却器に直接接合されるようにする。ＭｇＦ₂又はＳｉＯ₂の薄い層は、消失波コーティング４８として使用してもよい。
【００１３】
例えば、ダイオードアレイの冷却器５７を備えた高出力ダイオードアレイ５６を、励起ビーム２４及び２６を発生させるために使用してもよい。スラブ２２の効率の良い励起は、図２に示されているように、適当なアナモルフィックレンズアセンブリ５０を使用することによって達成してもよい。アナモルフィックレンズは、ダイオードアレイ５６とスラブ２２上の窓４１及び４３との間に配設された一対のレンズ５２及び５４を含んでいる。ダイオードアレイ５６は、個々のマイクロレンズ６０を備えた複数の積み重ねられたダイオードバー５８を含んでいる。マイクロレンズ６０は、バー５８の高速（ｆａｓｔ）軸の発散角を約１゜まで減らし、一方、低速（ｓｌｏｗ）軸は７゜程度の全発散角を有してもよい。アナモルフィックレンズアセンブリ５０を使用することによって、ダイオードアレイ５６の出力は、スラブ２２の窓４１及び４３上の入力領域上に結像されて、２×１ｃｍのダイオードアレイが２×２ｍｍと同じくらい小さい領域上に結像されるようにすることができる。
【００１４】
別の方法として、レンズダクトが、アナモルフィックレンズアセンブリ５０の代わりに使用されてもよい。適当なレンズダクトは、参照番号を記すことによって本明細書に組み入れられている米国特許第５，３０７，４３０号に開示されている。
【００１５】
本発明による光増幅器２０は、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）を形成するために使用されてもよい。図３に示された実施形態においては、主発振器７２は、スラブ２２の入力端面２８へと向けられている。主発振器７２は、例えば、以下において図４に関して説明され且つ図示されているようなものであってもよい。上記したように、端面への入力ビームは、スラブの側面からの内部全反射を提供するのに適した角度でなければならない。
【００１６】
図４に図示されているように、主発振器７４を形成するために光増幅器２０を使用してもよい。この実施形態においては、ビームは、全反射器７６と出力ビームを提供するために部分的に伝導する出口カプラー（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅｒ）８４との間で振動する。Ｑスイッチ７８は、キャビティ内に含まれてもよい。
【００１７】
代替的な実施形態が図５に図示され且つ参照番号１００によって特定されている。この実施形態は、励起光がファイバ束１０６を形成している一以上の光ファイバ１０４によってスラブ１０２に結合されている点以外は、図１に示された実施形態と基本的に同じである。簡潔さのために、スラブ１０２の一部分のみが示されている。図１に示された実施形態と同様に、スラブ１０２は、図１に示されているように、ほぼジグザグパターンで入力ビームの内部反射を生じさせるために、比較的高い屈折率を有する固体レーザー材料によって作ることができる。スラブ１０２の端部の加熱を減らすために、スラブ１０２の両端部は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）のようなドープ処理されていない主材料によって作られ、上記したように、種々の結合境界面を形成するＹｂをドープ処理したＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）のようなドープ処理された主材料によって作られたスラブ１０２の中心部分に拡散接合されている。
【００１８】
図１に示した実施形態と同様に、対向端部に窓が形成されて光がスラブ内に入るのを可能にしても良い。簡潔のために、一つの端部のみが示されている。上記したように、窓は、励起ビームの波長に対して選択された反射防止コーティングのようなコーティングによって形成してもよい。ファイバ束１０６（図５）からの励起力は、端部１０８内の窓へと導かれる。図５に示されているように、励起光は、同励起光がスラブ１０２の長手軸線と整合されるように端面１１０から全反射される。図６に示されているように、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＹｂ：ＹＡＧ（１．８２の屈折率）のような材料のためのＹＡＧ−空気境界面のための、スラブ１０２内での内部全反射のための最小角度αは±３０゜である。この最小角度αは、図６に全体的に示されているように、４５゜端面１１０からの全反射角度に基づいている。これは、ダイオードからの高出力光を分配するために使用される典型的なファイバのための比較的大きなＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）を表す０．５の最大ファイバ開口数に変換する。
【００１９】
励起光は、上記したダイオードアレイによって発生させることができる。このダイオード光は、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．，、Ｓｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｉｎｃ．，及びＳＤＬ Ｉｎｃ．から入手可能な装置のような適当な光学系によってファイバに結合されてもよい。
【００２０】
図５に示した構造の重要な点は、図７に図示されたように、たくさんのスラブが積み重ねられるのを可能にする点である。特に、図５に示した構造は、励起光のためのダイオードアレイをスラブに対して遠くに配置することを可能にする。従って、これは、高出力増幅器アレイを形成するために図７に示されたように積み重ねられると、ファイバは、通常は、レンズ又はレンズダクトによってはアクセスできないスラブ励起窓へのアクチュエータを提供する。
【００２１】
特に、たくさんのスラブ１１２、１１４、１１６、１１８及び１２０を積み重ねても良い。スラブ１１２、１１４、１１６、１１８及び１２０は、冷却器１２２、１２４、１２６、１２８及び１３０の間にサンドイッチされても良い。冷却器は上記したとおりである。図示したように、スラブ１１２、１１４、１１６、１１８及び１２０は、各々の対向端部がそこから外方へ延びるように、冷却器１２２、１２４、１２６、１２８、１３０及び１３２よりも若干長くなされている。このような形状によって、励起光は、図７に示されたように、複数の光ファイバ１３４ないし１５２によってスラブ内の窓に導かれるのが可能になる。
【００２２】
上記したように、図７に示した構造は、高出力の増幅器アレイを形成する。入力レーザービームは、矢印１５４、１５６、１６０及び１６２によって表されている。出力光ビームは、矢印１６４、１６６、１６８、１７０及び１７２によって表されている。
【００２３】
もう一つの代替的な実施形態が、図８に示され且つ参照番号１７４によって特定されている。増幅器１７４は、スラブ１７６を含んでおり且つ基本的には励起ビームとレーザービームとが置換されている以外は、図１に示された増幅器２０と同じである。特に、スラブ１７６は、対向する端面１７８、１８０と、窓１８２、１８４とを含んでいる。この実施形態においては、励起光は、対向端部１７８及び１８０へ導かれ、図示されているように、ジグザグパターンでスラブ１７６内を全反射され、スラブ１７６の比較的均一な励起を提供する。この実施形態においては、レーザービームは、窓１８２、１８４内へと導かれ且つスラブ１７６を真っ直ぐ貫通し対向する窓１８２、１８４から射出される。図８に図示された形状は、必要とされる出力要件が高くないが低損失が要求される用途において有用である。励起光は、上記したように、レンズ、レンズダクト又はファイバ束を介してスラブ１７６に結合されてもよい。
【００２４】
明らかに、本発明の多くの変形及び変更が上記の教示を参考にすれば可能である。従って、特許請求の範囲内で本発明は、特に上記した方法以外の方法で実施することができることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光増幅器の平面図である。
【図２】本発明と共に使用するためのアナモルフィックレンズアセンブリとダイオードアレイとの構成図である。
【図３】共振器構造の本発明による端部励起の光増幅器の構成図である。
【図４】本発明による光増幅器が主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構造として使用されている、図３と類似の構成図である。
【図５】ファイバ結合された励起光によって端部励起される構造を図示している本発明の代替的な実施形態の平面図である。
【図６】ファイバ結合された端部励起構造のための角度の許容基準の幾何学を示している図５に示した実施形態の部分平面図である。
【図７】図５に示した複数の積み重ねられたファイバ励起の増幅器を示している正面図である。
【図８】端部励起構造の低損失の真っ直ぐに延びるスラブを示している別の代替的な実施形態の平面図である。
【符号の説明】
２０ 光増幅器、 ２２ スラブ、 ２４、２６ 励起ビーム発生源、
２８、３０ 端面、 ３２ 側面、 ３４ レーザー光発生軸、
３５、３６ スラブの端部、 ３８ スラブの中心部分、
４０、４２ 拡散接合境界面、 ４１、４３ 窓、
４４ 入力ビーム、 ４６ 増幅器ビーム、 ４８ コーティング、
５０ レンズアセンブリ、 ５２、５４ レンズ、
５６ ダイオードアレイ、 ５７ 冷却器、
５８ ダイオードバー、 ６０ マイクロレンズ

Claims (3)

1. 入射光源から入射光を受け入れ且つ増幅された光を伝搬するための光増幅器であって、
   対向する端面と、複数の側面と、を有する固体レーザー材料の細長いスラブであって、前記側面が当該スラブの長手軸線にほぼ平行であり、前記端面は、前記スラブに設けられた対向した窓から導入された前記入射光が反射された後に当該スラブ内を前記長手軸線に沿って真っ直ぐ貫通するように前記長手軸線に対して垂直ではない角度を付けられて切断されており、前記窓は、前記入射光源から入射光を受け入れ且つ前記増幅された光を伝搬するために、前記細長いスラブの前記側面の両端部に設けられている、前記細長いスラブと、
   前記端面から離れて配置され、前記スラブの対向した端面に励起光を導入する励起光源であって、前記励起光は、対向する端面に導入された後に、前記スラブ内をジクザグパターンで全反射しながら伝搬するようになされた、前記励起光源と、
   前記励起光源を前記スラブ内の前記端面に光学的に結合するための一以上の光ファイバとを含み、
   前記窓は、前記入射光の波長に対して選択された反射防止コーティングが適用されている、光増幅器。
2. 請求項１に記載の光増幅器であって、
   前記スラブが、励起光を吸収しない２つの非吸収部分の間にサンドイッチされた励起光を吸収する中央吸収部分を形成している２以上の材料によって形成された複合スラブである、光増幅器。
3. 請求項２に記載の光増幅器であって、
   前記２以上の材料が互いに接合されて１以上の拡散接合境界面を形成している、光増幅器。

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