JP3811184B2 - 横断方向にポンピングされる固体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、共振器と、共振器軸に対して実質的に軸平行に配置された棒状のレーザ結晶を有し、該レーザ結晶は、横断方向に（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌｌｙ）入力結合される少なくとも２つの軸対称のポンピング光ビームにより少なくともそれの長さの一部にて励起されるように構成されている固体レーザに関する。
公知のように固体レーザはレーザ結晶及びポンピング光源から成り、前記レーザ結晶は棒状かつシリンダ状に形成されており、前記ポンピング光源はレーザ結晶に対して半径方向に間隔をおいて配置されている。更に、規則的に光学的ミラーが設置されており、該光学的ミラーは、レーザ結晶の端面上に載置されるか、又は相応のオプトメカニック（光機械系）を介して、レーザ結晶の端面に対して間隔をおいて配置される。それらの両ミラーのうちの１つは完全反射性であり、第２ミラーは部分透過性であり、中性化(neutralizing)ないし出力結合ミラーとして構成されており、該中性化(neutralizing)ないし出力結合ミラーからはレーザビームが出射する。
レーザ結晶は、作動中ポンピング光源より光エネルギの供給を受ける。ここで、レーザ結晶は活性媒質として所定波長のエネルギを吸収する。上述の吸収により、レーザ結晶ないしそれの結晶イオンは比較的に高いレベルに励起される。上記の励起されたエネルギ状態からは結晶イオンはレーザ光エネルギの送出下で比較的に低いエネルギレベルへ戻る。
従来ポンピング光源としては例えばパルスエミッションのためのクリプトン高圧ガス放電ランプが使用される。
更にポンピング光源としてはレーザダイオード装置も使用され、該レーザダイオード装置の利点とするところは、それの放射されたポンピング−光ビームがそれぞれの吸収最大値に適合調整され得る。それにより固体レーザないしレーザ結晶が達成された高い識別的（差別的）吸収度に基づき従来のポンピング光源によるよりも、より一層効率的にポンピングされ得る。ここで、従来のポンピング光源は、遥かにより一層大きなスペクトルを有し、該光スペクトルはレーザ結晶によっては狭い範囲内においてしか吸収され得ない。
ダイオードによりポンピングされるすべての固体レーザに共通なことはレーザビームの生成に必要なレーザ結晶における反転がポンピング光源として１つ又は複数のレーザダイオードの装置構成のポンピングエネルギにより生ぜしめられることである。但し、レーザ結晶内へのポンピング光出力パワーの入力結合は種々の手法で行われ得、ここで、一般的には長手方向（縦方向）（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）及び横断方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ）ポンピングは相互に区別される。
横断方向ポンピングの場合励起光ないしポンピング光ビームのレーザ結晶内への入力結合は外部から半径方向に行われる。レーザ結晶内にてポンピング光ビームは、レーザ結晶の長手方向に伝搬し、それぞれの端面にて、そこに配置されたミラーにより反射される。その結果レーザ結晶にて、ないし共振器内にて定在波のレーザ光波が形成される。ポンピング光によるレーザ結晶の連続的ポンピングにより当該の定在波は絶えず増幅される。両反射器（レフレクタ）のうちの１つは半透明性であり、所謂中性化(neutralizing)ないし出力結合ミラーとして使用される、即ち上記中性化(neutralizing)ないし出力結合ミラーを通るレーザ光ビームの一部が、固体レーザないし共振器からの光ビームの形で出射する。
可及的に高いエネルギ効率を達成するため、反射器ミラーを極めて精確に調整し、それにより生成された光ビームが常に可及的に完全にレーザ結晶を通過し、可及的に散乱損失が生じないようにすることが必要である。更に、レーザ結晶と完全反射性反射器との間にレーザビームの光路中に所謂倍周器（ダブラ）結晶を挿入することが慣用であり、上記倍周器（ダブラ）結晶は、レーザ結晶内に生成された基本波動即ち、レーザビームの基本波（振動）を第１次又は比較的に高い次数の高調波に変換する役割を有する。上記の倍周によっては同様に固体レーザの出力増大が達成される。更に中性化（ｎｅｕｔｒａｌｉｚｉｎｇ）ないし出力結合ミラーとして次のような反射器も使用可能である、即ち、光ビームの相応の高調波にたいしてのみ透光性があり、そして，レーザ結晶にて生成された光ビームの基本波を完全に反射する反射器も使用可能である。それにより高調波のみがレーザビームとして固体レーザの所から出て行く。
そのような信頼性が高く、効率的に動作し、有利なコストで作成さるべき倍周（周波数二倍）されるレーザ系の作製は、一連の困難性を伴う。
オプトメカニック（光機械系）即ち、共振器をそれの共振器ミラーと共に固定ないし配置するのに必要なメカニック（機械系）は極めてコストを要する。オプトメカニック（光機械系）は極めて精確に作製しなければならないので、固体レーザの作製コストは極めて大である。メカニック（機械系）は精確に作製された機械的部分から作成され、該機械的部分は光学的素子、レーザ結晶及び反射器ミラーをレーザの幾何学的特性量（関係）を定める所定位置に保持しなければならない。殊に熱的影響により、換言すれば、固体レーザの使用個所に応じての温度差により、オプトメカニック（光機械系）全体の温度特性安定性に対して高い要求が課せられている。更に上記の公知のオプトメカニック（光機械系）系は振動に対しても極めて影響を受けやすく、それにより、固体レーザないしそれの共振器は再調整されねばならない。
固体レーザの更なる問題点は所謂“熱レンズ作用（効果）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”である。そのことの意味は通常均質のレーザ結晶材料における光学的レンズ作用の形成である。上記レンズ作用はレーザ結晶における光学軸に対して垂直方向での温度勾配の形成により生じ、即ちレーザ結晶は作動中それの横断面に亘って分布する異なった温度を有する。動作中生じた温度勾配は領域ごとにレーザ結晶の屈折率を変化させ、レーザ結晶におけるレーザビーム偏向を生じさせる。それにより、画像エラーを来す。固体レーザの出力強度に応じて、温度勾配は種々異なった強さで形成される。即ち、固体レーザの出力の強さが大であればある程、生じる温度勾配はそれだけ益々大になる。その結果レーザビーム中で、ないしレーザ結晶のレーザビーム出射の際レーザビームは収束した状態で平行に延びるのではなく、出力の強さに応じて、多かれ少なかれ大きな分散（散乱）を呈する。そのことは同じく所謂共振器の幾何学的特性（関係）に影響を及ぼす、それというのは、レーザ結晶にて生成されたすべてのレーザビームは完全に反射器にて反射されるのではない、つまり、反射器にて反射されたビームの一部が再びレーザ結晶に戻り反射されないからである。これにより、高い出力損失を来たし、そして、ビーム品質は、ポンピング光源のポンプ出力増大と共に益々悪くなる。更に“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”によっては同様に共振器にて循環する光出力の低下を来す。
レーザ結晶の周波数を非直線性の倍周器（ダブラ）結晶により倍周（周波数二倍）しようとする場合、“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”は更に激しい作用を及ぼす。このことはつぎのことに基因する、即ち回折の制限されてないレーザビームの入力結合により倍周器（ダブラ）効果が著しく低減されることに基因する。
倍周（周波数二倍）化される、ダイオードによりポンピングされる固体レーザ、所謂ＤＰＳＳレーザの場合、“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”は特に顕著である、それというのは、小さな活性（能動）容積の場合は、ポンピングエネルギ密度が著しく高いからである。
公知のＤＰＳＳーレーザの場合複雑で、もって、同時にコスト高のコンセプト、例えばスラップ（ｓｌａｐ）ー幾何学的特性（関係）により“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”を縮小しようと試みる。それにより、さらなる重大な欠点、例えば著しくより高いレーザ限界値をも甘受することとなる。
ダイオードによりポンピングされる倍周化される固体レーザの場合における更なる問題は生成されたレーザ光の基本波と第１高調波との間の位相結合である。そのような位相結合は振幅変動を回避するために必要である。そのような振幅変動は、干渉により生じる、換言すれば基本波と第１高調波との重畳により生じる。それにより、殊に変化する位相差の際、レーザビームの振幅変動を生じる。
従来公知の相互作用的倍周器（ダブラ）ー共振器はそれらの振幅変動を回避するためリング共振器として構成されている。それらのリング共振器は極めて高価であるので、それらの共振器の代わりに、屡々線形（リニヤ）共振器も使用される。線形（リニヤ）共振器使用の際は、所謂位相マッチング条件を充足するため、換言すれば基本波と第１高調波との相応の位相結合を達成するため共振器長を一定保持することが必要である。所要の共振器長の安定化（一定保持）は高価な感度性のある制御により達成され、該制御は、相応の操作素子により温度依存性の共振器長の安定化のために必要である。
更に固体レーザの倍周器（ダブラ）系を一定の効率を有する大きな周囲温度領域にて動作させようとする場合、倍周器（ダブラ）結晶の温度を一定に保持しなければならない。倍周器（ダブラ）結晶の一定温度は前述のように位相マッチング条件の充足のために必要である、そのような倍周器（ダブラ）において高いレーザ出力も生じる場合、温度を、４０°〜７０℃の領域に保持して、所謂“グレイトラック ダメージ”（Ｇｒａｙｔｒａｃｋ Ｄａｍａｇｅ）の危険を低減する必要がある。“グレイトラックダメージ”（Ｇｒａｙｔｒａｃｋ Ｄａｍａｇｅ）は基本波の第２高調波より高い次数を有する吸収された高調波の結果としての倍周器（ダブラ）結晶のグレイ（灰色）化である。公知の温度安定化系の場合、温度センサと関連してた加熱ー冷却素子が使用される。そのような加熱ー冷却素子は、概して、電気抵抗又はペルチェ素子である。加熱ー冷却素子の温度制御のためには制御電子回路が必要であり、該制御電子回路は倍周器（ダブラ）結晶上に取り付けられた温度センサを介して倍周器（ダブラ）結晶の温度をセンシングする。そのような温度制御部に対する作製の要求は著しく高い、それというのは、制御時定数、換言すれば倍周器（ダブラ）結晶中の、ないし、そこでの温度検出の時間（場合により必要な温度補正がなされるまでの時間）は、重要性を有し、当該の温度安定化系において比較的に大きいからである。
倍周器（ダブラ）結晶における僅かな吸収により当該の結晶において局所的自己加熱が生じる。この加熱が温度センサにより遅延されて測定される場合、位相マッチング角度は温度に依存して離調され、そして、高調波における初期出力（パワー）が低下する。高調波の初期出力の低下と共に倍周化結晶の過熱は再び低下し、その結果出力（パワー）は再び上昇し、そして、新たな温度上昇が行われる。それにより、全体として固体レーザの著しく制御困難な出力（パワー）振動を来たし、このことは決して望ましいことではない。
以上述べた如く、本発明の基礎を成す課題とするところは、著しく一層高い効率を有する上位概念による固体レーザを提供することであり、ここで、同時にそれの作製コストを従来装置におけるより僅かなものにするものである。更に、同様に、固体レーザないし共振器の構成サイズを可及的に小さくするものである。
上記課題は本発明によれば次のようにして解決される、即ち、横断方向に延びる、ポンピング光ビームはレーザ結晶の軸方向で強度変調され、ここで、軸方向で相前後して、高いエネルギ密度を有する領域が比較的に小さなエネルギ密度を有する領域と交番するように変調されており、ここで、比較的に小さいエネルギ密度を有する領域の個数が高いエネルギ密度を有する領域の個数より１だけ大きいように構成されているのである。
更に上記課題は次のようにして解決される、即ち、倍周器（ダブラ）結晶はレーザ結晶により生成される光波の基本波と、倍周器（ダブラ）結晶により生成される第１の高調波との受動的位相結合のため、それのレーザ結晶と離隔した方の後方の端面にて完全反射性レーザミラーとして構成されているのである
上記課題の更なる解決手段によれば、請求の範囲１３に従って、倍周器（ダブラ）結晶の温度の安定化のため１つ又は複数の熱的に直列に、そして、電気的に並列に接続されているＰＴＣ加熱セルと直接的熱接触しており、また、前記ＰＴＣ加熱セルの電気抵抗は、所定の温度を超えると低下するように構成されているのである。
更に上記課題の解決に寄与する手段によれば、すべての共振器コンポーネント及びレーザ結晶がＩＣモジュールにまとめられ１つの共通の支持体管内に配置される。
請求の範囲１記載の本発明の発展形態によれば所謂“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”の完全な補償が達成される。レーザ結晶の軸方向での強度変調されるポンピング光ビームにより、被制御熱レンズがレーザ結晶内に形成される。レーザ結晶の軸方向に生じるポンピング強度勾配によっては自動的に交番して繰り返される温度勾配が生ぜしめられ、その結果軸方向で交番して熱レンズは正及び負の焦点を距離をを以て相前後して調整設定される場合、即ち、比較的に小さいエネルギ密度を有する領域（エリヤ）の個数が、高いエネルギ密度を有する領域（エリヤ）の個数より１だけ大である場合、“熱レンズ作用（特性）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”効果の完全補償が行われ、その結果、当該の効果は、もはや共新器の幾何学的特性（関係）ないし固体レーザ及びそれの効率にに対して影響を及ぼし得ない。上記の本発明の構成により、出力増大はレーザビームの回折の制限された発散のもとで係数５〜１０だけ達成可能である。
請求の範囲９記載の本発明の構成によれば、共振器長の安定化のための、コスト高で、且つ高感度の制御電子回路を、それの操作素子（部材）と共に省き得る。上記構成によっては、共振器のアクティブ（能動的）な長さ安定化を要しないコスト上有利な共振器モデルが達成される。殊に、倍周化結晶の温度がいずれにしろ安定化されるべきことにより、当該倍周化結晶は長さ変化を受けず、それにより何らの干渉、以て出力変動も惹起され得ないようになる。
コスト削減に寄与する更なる手段は請求の範囲１３の構成により達成される。ＰＴＣ加熱セルは一定温度を有する（請求の範囲１４により一定の電圧で作動される限り）。そのような一定の電圧がＰＴＣセルに加えられる場合、最短時間内で所定温度、即ち倍周器（ダブラ）結晶における規定温度が、調整設定される。ＰＴＣセルの極めて良好な熱伝導性により、倍周器（ダブラ）結晶にて生じる付加的に伝導される熱が良好に放出される。当該の装置構成によっては温度センサに対する熱的応答時間が省かれ、それにより上述の発振（振動）傾向が著しく除去される。従って、請求の範囲１３の構成要件は同時にレーザビームの安定化にも寄与する。ここで、上記温度制御のコストが、従来のアクティブ（能動）制御のコストの一部にしか過ぎない。
請求の範囲１５による可変動作電圧でのＰＴＣセルの作動により倍周器（ダブラ）結晶の温度の微調整、もって、生成されるレーザビームの波長の付加的安定化が達成される。
請求の範囲１７による新規な本発明のＩＣ構成手法により公知装置におけると同じ機能のもとで著しくコスト節減及びサイズ節減がほぼ係数１０だけ達成される。上記のＩＣ構成手段は次のようにして実現し得た、即ち、すべての共振器コンポーネント及び亦所定のレーザ結晶が請求の範囲１８により、干渉計によるチェックのもとで、熱伝導性の支持管内に、モノコック（応力外皮）構造で、ＵＶ（紫外線）光により硬化する接着剤を用いて接着固定されるのである。
本発明の更なる構成は請求の範囲３〜８、１０〜１２並びに１４，１６，１９，２０に規定されている。
次に図を用いて本発明を詳述する。
図１は本発明の共振器を部分斜視図で示す。
図２は図１の共振器を縦断面図で示す。
図３はレーザ結晶及び所属のレンズー及びプリズム系を有するレーザダイオードの配置構成図である。
図４はレーザ結晶に対して対称的に配置されたポンピングダイオード列の場合におけるポンピング光ビームの進行軌跡経路を示す。
図５は図４のポンピング光ビーム進行軌跡経路を側面図で示す。
図６は図５のセクションＶＩの所を拡大して示す。
図７はポンピングダイオードの強度分布を、
ａ）垂直方向
ｂ）水平方向
で示す。
図８は、図４〜図６のポンピングビームの変調特性カーブを示す。
図９は温度制御素子付きの倍周器（ダブラ）結晶の収容のためのケーシングを示す。
図１１は図９の倍周器（ダブラ）結晶及び温度制御素子と共に図１０のケーシングを平面図及び側面図で示す。
以下本発明を、倍周（周波数二倍）された、ダイオードによりポンピングされる固体レーザ即ちＹｂ；ＹＡＧの１例について説明する。
図１は本発明の構成手法による共振器１の部分斜視図である。ＩＣ構成部分としてすべての共振器コンポーネントを収容する支持体管２が設けられている。支持体管２は熱伝導性及び透光性材料、例えばＳｉ０２又はゼロドウア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）から成る。支持体管の前方領域においてはＹｂ：ＹＡＧレーザ結晶３が配されており、該レーザ結晶３は中間管４を介して同軸的に支持体管内に保持されている。実施例では支持体管の外径は，ほぼ１０ｍｍであり、中間管の外径ないし支持体管の内径は，ほぼ６ｍｍである。レーザ結晶３は１５ｍｍの長さ及び２．５ｍｍの直径を有する。支持体管２の全長は４０ｍｍである。
支持体管２の後方端部領域においては倍周器（ダブラ）結晶５の収容のためシリンダ状の結晶支持体６が設けられている。結晶支持体６はほぼ５ｍｍの長さおよび６ｍｍの直径を有する。レーザ結晶３と結晶支持体６との間に、支持体管２内に偏光フィルタ７が設けられており、該偏光フィルタには結晶支持体側にフォーカシング（収束）両凸レンズ８が結合されている。フォーカシングレンズ８及び偏光フィルタ７はそれぞれ共振器１の長手方向に少なくとも領域ごとに延在するシリンダ外套面９ないし１０を有し、該シリンダ外套面はそれぞれ６ｍｍの外径を有し、その結果偏光フィルタ７及びフォーカシングレンズ８は遊びなしで支持体管２内に収容されている。フォーカシングレンズ８、偏光フィルタ７、結晶支持体６及び中間管４を支持体管２の軸方向で移動不能に取り付けるため、それぞれ接着接合部（継手）が設けられている。ここで、偏光フィルタ７は、ほぼ４５°の偏光角度を成して支持体管２内に斜方に延在して配置されている。
支持体管２上には外被管１が嵌着されており、外被管１１は支持体管２を閉鎖する底板１２を有し、そして、同様に、接着接合部（継手）により支持体管２上に固定されている。支持体管２、外被管１１及び外被管１１の底板１２の肉厚はそれぞれ２ｍｍであり、その結果共振器全体に対して４２ｍｍの全長が得られる。
接着材料としてはＵＶ（紫外）−光により硬化する接着剤が設けられており、その結果すべての共振器コンポーネント及びレーザ結晶が干渉計によるチェック下で精密に調整可能であり、それに引き続いて、接着材料は硬化され、従って、共振器コンポーネント及びレーザ結晶３は永続的に支持体管２内に固定される。
図２は図１の共振器を縦断面図で示し、ここで、レーザビーム軌跡経路１３は破線で示す。レーザ結晶３及び中間管４はそれのそれぞれの端面１４ないし１３を以て支持体管２の端面１６を以て密に閉端している。図２から明らかなように、支持体管２内に、偏光フィルタないし、偏光フィルタ７の支持体部材１７、及び結晶支持体６の領域にて半径方向孔１８、１９が設けられており、該孔は相応の構成部材間のそれぞれの接着間瞭（スリット）内へ接着材料を導入するために用いられる。
レーザ結晶３の領域にて共振器１は支持体管２に半径方向に照射される２つの対称的光ビーム２０、２１の照射を受ける（矢印で示す）。Ｙｂ：ＹＡＧレーザの本実施例ではポンピングレーザビームの波長は９４１ｎｍである。ポンピングビーム２０、２１は支持体管２及び充填管１１の双方を貫通し、そして、レーザ結晶３を活性化する。ポンピング光ビーム２０、２１によりレーザ結晶３内に誘起されたレーザビーム１３は、レーザ結晶３の前方端面１５と倍周器（ダブラ）結晶５の後方端面２２との間で振動する。レーザ結晶３内に誘起されるレーザ光は、１０３１ｎｍの波長を有する。共振器１内でレーザビームの可及的に完全な反射の確保のため、レーザ結晶３の前方端面１４は部分的に鏡面（金属）化されており、５００ｎｍの凸のふくらみ半径（ｃｏｎｖｅｘｉｔｙ ｒａｄｉｕｓ）を有する。レーザビーム１３の反射のため倍周器（ダブラ）結晶の後方端面２２は凸のふくらみ状態にて構成されていて、２．５ｎｍのふくらみ半径を有し、ここで上記端面２２は完全に鏡面（金属）化されて構成されている。
倍周器（ダブラ）結晶５中ではレーザビーム１３は５１５ｎｍの波長に倍周（周波数二倍）され、そして、レーザ結晶へ戻り反射される。端面１４の鏡面（金属）化部は次のように設計、設定されている、即ち、５１５ｎｍの波長に対してだけ透過性であるように設計、設定されており、その結果、レーザビーム１３′（矢印、破線）は当該の波長を以て端面１４から出力結合される。即ち、レーザ結晶３から収束されたレーザビームとなって、レーザ結晶3から脱出（出射）する。倍周器（ダブラ）結晶５と、レーザ結晶３との間に配置された偏光フィルタ７により、レーザビーム１３は偏光フィルタを通過の際偏光された回転波に偏光せしめられ、フォーカシングレンズ８を通過の際、倍周器（ダブラ）結晶５内にフォーカシングされる。レンズ８と倍周器（ダブラ）結晶５との間の間隔は次のように選定されている、即ちフォーカシングレンズ８の焦点がセンタリングされて倍周器（ダブラ）結晶５の長手方向中央の所に位置するように選定されており、その結果レーザビーム１３は倍周器（ダブラ）結晶５内にて倍周（周波数二倍）せしめられ、それ自体の入射経路と同じ経路のところへ反射される。
他のレーザ設計に対しては他の寸法を選定しなければならないことは明らかである。而して、レーザ結晶３の端面１４の凸のふくらみは必須ではない。固体レーザにとって規定的であるのは生成されるレーザビームのそれぞれの波長により定まる相応の安定した共振器の幾何学的特性（関係）を選定することである。
ポンピング光ビーム２０、２１はそれぞれ８つのレーザダイオード２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０ないし３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８により発生され、該レーザダイオードはレーザ結晶の長手軸線に関して直径方向に、そして、対称的に対向して配置されている（図４、図５）。
図３においてはレーザ結晶３に関してレーザダイオード２３〜３０の基本的配置構成を斜視図で示す。分かり易さのため、第２のダイオード列（これはレーザ結晶３に対して対称的にレーザダイオード２３〜３０に対向する）を示していない。レーザダイオード２３〜３０は支持体ブロック３９上に、相互に等間隔をおいて配置されている。図３は例えばレーザダイオード２３、２６ないし３０のポンピングビーム４０〜４２の軌跡経路を示す。ポンピングビーム成形のためレンズ系４３が設けられており、該レンズ系は各レーザダイオード２３〜３０に対して３つの要素から成る。レンズ系４３は、支持体ブロック３９の全長に亘って延在する平凸レンズ４４と、フレネルレンズの形式で構成されたプリズム系４５と、それに続く凸平の回折レンズ４６から成る。レーザダイオード２３，２６のポンピング光ビーム４０〜４２及びそれの所属の経路を図３に例示してある。レンズ４４及び回折レンズ４６により、垂直方向で発散するポンピング光ビームはレーザ結晶３の表面内に垂直方向に入射するように屈折される。ここで、レンズ４４の屈折率は次のように選定されている。回折レンズ４６の有する焦点距離は次のように選定されている、即ち、ポンピング光ビーム４０〜４２が夫夫ほぼ入射側と反対側に位置する、外套面５０の領域において公差し（重なり）合うように選定されている。レンズ４４と回折レンズ４４との間にプリズム系４５が配置されている。プリズム系４５によってはそれぞれのポンピング光ビーム４０〜４２は水平方向で次のように偏向される、即ち、ポンピング光ビーム４０〜４２がレーザ結晶３にて加算的に重なり合うように偏向される。
図４はレーザ結晶３レーザダイオード２３〜３０及びレーザダイオード３１〜３８がレーザ結晶３に対して対称的に配置構成されている様子を平面図に示す。レーザダイオード３１〜３８は支持体ブロック５２上に配置されている。レーザダイオード２３〜３０間にはレンズ系４５が配置されており、そして、レーザダイオード３１〜３８間には第２のレンズ系５３が配置されており、該レンズ系は同様に平凸レンズ６７と、プリズム系４５／１と凸平回折レンズから成る。水平平面内では破線で示すレーザダイオード２３〜３０のポンピング光ビーム ４０，４１，４２，５４，５５，５７及び５８及びレーザダイオード３１〜３８のポンピング光ビーム５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５及び６６は、ほぼ１０°の発散角度で発散し、そしてレーザダイオード２３〜３０のレンズ４４を通って、ないし、レーザダイオード３１〜３８のレンズ６７を通って、レーザダイオード２３〜３０のそれぞれの回折プリズム６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，及び７５まで、ないしレーザダイオード３１〜３８のそれぞれの回折プリズム７６〜８１及び８３まで伝搬進行する。回析レンズ６８〜７５ないし７６〜８２によっては、所属のポンピング光ビーム４０，４１，４２，５５〜５８ないし５９〜６６は、次のように屈折される、即ち、レーザ結晶１３内で重なり合うように屈折される、即ち、レーザ結晶３内で重なり合うように屈折される。具体的実施例ではポンピング光ビーム４０，４１，４２，５５〜５８ないし５９〜６６は、ほぼ６．２５ｎｍの長さでレーザ結晶３内に入射し、相互に重なり合う。
図５にはレーザダイオード２３〜３０のポンピングビームないしレーザダイオード３１〜３８のポンピングビームの軌跡経路を垂直方向で示してあり、それら軌跡経路はほぼ同じである。当該の軌跡経路はレーザダイオード２３の光ビーム４０ないしレーザダイオード３１の光ビーム５９について例示してある。
ポンピング光ビーム４０はレーザダイオード２３から発して、ほぼ６０°の発散角度で発散してレンズ４４へ達する。レンズ４４を通ってポンピング光ビームは次のように屈折される、即ちそれの制限ビーム４７、４８が相互に平行に延びて、水平方向に相応のプリズム６８を通過するように屈折される。回折レンズ４０によってはポンピング光ビーム４０は次のように屈折される、即ちレンズ結晶３内にほぼ垂直方向に入射するように屈折される。回折レンズ４６の焦点距離は次のように選定されている、即ちレーザダイオード２３のポンピング光ビーム４０が入射８４に対向する外套面５０の領域にてほぼ、レーザ結晶３の水平方向５１内にて交差し合う（図６）ように選定されている。ポンピング光ビーム４７の当該の軌跡経路に対して鏡対称的にポンピング光ビーム５９が延びており、該光ビーム５９は同様にレンズ６７、プログラム７６及び回折レンズ８５を通過する。具体的実施例（ここではレーザダイオード２３〜３０ないし３１〜３８からレーザ結晶３の長手中心軸線８６までの間隔が３３７．５ｍｍである）では選定された配置構成により１５０μｍの平均ポンピング厚さＰｄが達成される。レーザ結晶３は、２ｍｍの直径を有し、その結果全体として、平均ポンピング厚さＰｄ及びポンピングビームの照射されるポンピング長６．２５ｍｍを以てレーザ結晶３のポンピング容積ないし活性容積１．８８ｍｍ³が得られる。
制御される熱レンズの形成のため、そして、“熱レンズ作用（効果）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”の補償のため、強度変調されたポンピングビームが必要とされ、該ポンピングビームではレーザ結晶３の長手（垂直）方向で１００％ポンピングビームエネルギを有する領域が、８０％ポンピングビームエネルギと交番する。
上記の％の強度関係（比）は勿論他のレーザ設計に対しては異なったものとなり得る。而して、例えば、熱レンズを完全に補償し得るため、５０％又は３０％までポンピングエネルギを変調しなければならない。
当該のポンピングビーム変調をおこなわせ得るためレーザダイオードが使用され、該レーザダイオードは、水平方向にて、図７ｂにその強度特性経過を示すポンピングビームを有する。図７ｂ）はポンピングビームの発散角度に依存してのそのようなポンピングダイオードの強度分布を示す。所属の特性カーブ８７は急峻に立ち上がる側縁８８、２つの強度最大値８９、９０、強度最大値８９、８０内に位置する強度最大値９１を有する。当該の強度分布によっては、図４に示すような相応のビーム偏向の場合、所望の強度変調の成されるようなレーザ結晶３の作動がおこなわれ得る。レーザ結晶長さＬに依存する強度特性経過を有する。レーザ結晶３における高い及び低いエネルギ密度の相応の領域は図８に示されており、そのようなレーザダイオードの図７ｂ）における強度分布と同じ特性経過を有する。レーザダイオードの当該の強度分布のほかにレーザダイオードは垂直方向に図７ａ）に示すような強度分布を有する。この強度分布は、同様に、図５に示されているレーザダイオードの発散角度に関連して示してある。立ち上がる側縁８８ないし立ち下がる側縁８９により当該の領域にてないし所属のレーザダイオードセクションにて８０％のエネルギ密度が達成され、一方、レーザ結晶にて強度最大値８９、９０領域内にて１００％密度の領域が達成される。従って、強度最大値間に８０％エネルギ密度を有する領域が存在する。図４には当該の領域が示されており、最大エネルギ密度の領域９３、９４は斜め方向にハッチングで示してあり、一方、小さいエネルギ密度の中央領域９５は垂直方向ー水平方向にハッチングで示してある。両領域９３、９４にはそれぞれ８０％のエネルギ密度の領域９６ないし９７がつづいている。
異なった強度ないしエネルギ密度の当該領域９３、９４ないし９５、９６ないし９７によってはレーザ結晶３なにて繰り返される複数の温度勾配が自動的に生ぜしめられ、該温度勾配によっては正及び負の焦点距離を有する熱レンズが生ぜしめられる。その結果当該熱レンズによりたんに１方向でのみ偏向され、ないし、屈折された光ビームが、相互に逆の異なる方向に多重に偏向され、従って、光学軸（これはレーザ結晶３の長手方向中心軸線８６に相応する）に対して平行な方向に、レーザ結晶から両側で直線的に脱出（出射）する。
当該の作用を達成するのに必要なことは、比較的に小さいエネルギ密度を有する領域１１１〜１１４の数が、高いエネルギ密度を有する領域１１５〜１１７の数より１だけ大であるようにして、実際熱レンズ効果の完全な補償を行わせ得ることである。高いエネルギ密度の領域及びそれに続く比較的小さいエネルギ密度の領域の数はもっと大きなものに選定することもできる。更に、重要なことなポンピング光ビームの光路内に位置する活性化されたレーザ結晶容積全体が、区別的（差分的）限界値を越えると絶え間なくレーザ結晶の長手方向に励起される。換言すればば、比較的に小さな％の密度を有する領域にポンピングビームを照射すると当該領域も差分的（区別的）の完全な補償の場合におけるレーザ結晶ビーム１３の軌跡経路を例示する。レーザ結晶３におけるレーザビーム１３は多重に逆方向に偏向され、そして、レーザ結晶３の長手軸線８６に対して水平な方向に延びてレーザ結晶から離脱する。それにより、熱レンズ効果により惹起される散乱ないし回折によるレーザの損失電力が、著しく低減ないし阻止され、その結果レーザの出力は５と１０との間で係数分だけ高められ得る。
ポンピング光源、例えば放電ランプ又はそのポンピング光ビームの相応の強度分布を有しないレーザダイオード使用の場合は変調グリッドの中間接続により強度変調を行わせ得る。変調グリッドはポンピング光源とレーザ結晶との間に配置され、そして、順次連続して、レーザ結晶を各領域に亘ってカバーする。変調グリッドは当該の領域において、ポンピングビームエネルギを部分的に吸収する部分透光性の材料になり得、その結果種々の強度変調が達成可能である。
変調グリッドは、全く透光性の材料から成り得、以て、種々の強度変調が変調グリッドのシェーディング幅に対する通過幅の比の選定により達成可能である。
図１及び図２に示すように、前述の共振器において、倍周器（ダブラ）結晶５を設け得、該倍周器（ダブラ）結晶はレーザ光の波長を低減ないしその周波数を倍周（周波数二倍）するために使用される。図９〜図１１にはそのような倍周器（ダブラ）結晶が示してあり、該倍周器（ダブラ）結晶は図１、図２にはたんに基本的な点しか示されていないが、上記結晶の結晶支持体は詳しく示してある。
実施例中で説明したＹｂ；ＹＡＧレーザでは倍周器（ダブラ）のためＫＴＰ結晶が使用される。図９から明らかなようにＫＴＰ結晶５／１は２ｍｍの稜長及び５ｍｍの全長を有する矩形横断面を有する。ＫＴＳ結晶の下側には電気的に並列に接続されたＰＴＣ加熱セル９８、９９が設けられている。上記加熱セル９８、９９はその電気抵抗が所定の温度から低下する電気素子である。ＰＴＣ加熱が９８、９９はＫＴＰ結晶５／１と熱的に接続されており、ここで、上方のＰＴＣ加熱セル９８はＫＴＰ結晶５／１の下方の平面上に配置されている。ＫＴＰ結晶５／１の一方の端面２２／１は凸に形成されており、（図２も参照）、そして、相応の光ディングにより、図１の共振器における反射器として用いられる。それによりＫＴＰ結晶において反射されたレーザビームの基本波と、第１高調波との間の受動的な位相結合が達成される。従って、直接的共振器ミラーとして安定化のための相応の機械的操作部材に対しての能動的制御電子回路が必要でなくなる、それというのは殊にいずれにしろ、ＫＴＰ結晶５／１の温度を安定化しなれなならなからである。
ＫＴＰ結晶５／１の温度の安定化はそれの下方平面に設けられたＰＴＣ加熱センサ９８、９９により行われる。この目的のため、ＰＴＣ加熱セルは、それの相応の接続線路１００〜１０２を介して、相応の電源網よりほぼ１０Ｖの作動電圧の供給をうける。この作動電圧のもとで最短時間内にほぼ５０℃の、ＫＴＰ結晶における所定の規定温度が調整設定される。ＰＴＣ加熱セル９８、９９の相当良好な熱伝導性によりＫＴＰ結晶５／１内にて生じる付加的熱は極めて良好に導出され、その結果、ＫＴＰ結晶５／１の温度は安定化される。従って、ＫＴＰ結晶５／１単に一定電圧を印加するだけで、ＫＴＰ結晶5/1の最適の作動温度画帳性設定され得、相応に安定化され得る。
倍周化されたレーザビームの波長の付加的安定化のため、ＰＴＣ加熱センサは、可変の電圧でも作動され得、該可変電圧は、実際のＫＴＰ温度に依存して相応の制御電子回路を介して調整設定される。ＫＴＰ結晶５／１の温度制御のためにセンサを例えばホトセルの形態で設け得る。ＫＴＰ結晶５／１の温度の付加的微調整が可能にされ、そして、ＫＴＣセル５／１の付加的安定化及び波長の安定化が可能にされる。
図１０は倍周器（ダブラ）ケーシング１０３を示し、該ケーシングは、図１の共振器１内への完全なＫＴＰ結晶5/1及び加熱素子ーユニットの組み込みのために設けられている。倍周器（ダブラ）ケーシング１０３は貫通する長手方向孔１０４を有し、該孔１０４は相応の収容孔１０５ないし丸い切欠部１０６及びそれの後方端面１０８にて収容孔１０５内に設けられた孔１０７をＰＴＣ加熱セル９９の接続ワイヤ１０１に対して備える。図１１から明らかなように倍周（周波数二倍）器ケーシング１０３内にはその両ＰＴＣ加熱セル９８、９９を有するＫＴＦ結晶５／１が挿入されている。換言すれば倍周器（ダブラ）ケーシング１０３は段を付けて構成されており、即ち、直径の点で先細になった結合シャフト１０９を有し、該結合シャフトと共に上記ケーシングは例えばそれの後側から共振器２の支持管２内に差込可能であり、そして、支持管２内で同様にＵＶ（紫外線）ー光ビームにより硬化する接着剤を用いて固着されて取り付け可能である。倍周器（ダブラ）ケーシング１０３は有利にＭＡＣＣＯＲーセラミックから作製される。
更にＫＴＰ結晶５／１に測定ーＮＴＣ１１０が、倍周器（ダブラ）結晶の温度を監視するスタート遅延センサが設けられており、該センサは相応のスタート電子回路（図示せず）を介してレーザダイオード２３〜３０ないし３１〜３８、ひいてはレーザ動作を次にような際はじめてトリガする、即ち、倍周器（ダブラ）結晶５／１内にて４０°〜７０°の範囲におけるそれの所要温度に到達する際はじめてトリガする。それにより、レーザ結晶の破壊が有効に阻止される。
本発明によるレーザ設計により、極めて有利なコストで作製可能な固体レーザが可用にされる。それと同時に、上記固体レーザないし当該コンセプトにより作製される固体レーザは、すべての公知の固体レーザより著しく高い効率を有する。使用分野に応じて個々の、本発明の本質的構成要件の場合より現存の装置にて別個に使用されるのに好適である、即ち、“熱レンズ作用（効果）ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ”の補償のためのポンピング強度勾配、例えば、一方では倍周器（ダブラ）結晶ないしレーザ結晶の直接的鏡面（金属）化、並びに、亦、倍周器（ダブラ）結晶の温度安定化の様態、技法も個々に場合により現存の装置に使用するのに適する。その結果可用にされる技術思想により、現存のレーザ装置も、相応に有利なコストで補充装備し得る。

Claims (20)

1. 共振器と、共振器軸に対して実質的に軸平行に配置された棒状のレーザ結晶を有し、該レーザ結晶は少なくとも２つの横断方向に入力結合された軸対称のポンピング光ビームにより少なくともそれの長さの一部にて励起されるように構成されている固体レーザにおいて、
   横断方向に延びる、ポンピング光ビームはレーザ結晶の軸方向で強度変調され、ここで、軸方向で相前後して、高いエネルギ密度を有する領域が比較的に小さなエネルギ密度を有する領域と交番するように変調されており、ここで、比較的に小さいエネルギ密度を有する領域の個数が、高いエネルギ密度を有する領域の個数より１だけ大きいように構成されていることを特徴とする横断方向にポンピングされる固体レーザ。
2. ポンピングー光ビームはレーザダイオードにより生成され、該レーザダイオードは、レーザ結晶の軸に関して直径方向で対向して、且つ、対称的に配置されており、ここでレーザ結晶の各側に少なくとも１つのレーザダイオードが設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ。
3. レーザ結晶の各側にて８つのレーザダイオードが設けられていることを特徴とする請求項２記載の固体レーザ。
4. ポンピングレーザはそれぞれ、光学的レンズー及び／又はプリズム系によって集束（フォーカシング）され、ここでレーザ結晶の表面内に垂直に入射するように集束（フォーカシング）構成されており、そして、レンズー及び／又はプリズム系の焦点は近似的に入射側と反対側に位置するレーザ結晶の外套面の領域内に位置していることを特徴とする請求の範囲１から３までのうち１項記載の固体レーザ。
5. ポンピング光ビームはアクティブ活性（能動）容積としてレーザ結晶の全容積の一部にのみ供給されるように構成されていることを特徴とする請求の範囲１から４までのうち１項記載の固体レーザ。
6. レーザ結晶横断面部の一部のみが、ポンピングー光ビームの照射を受け、そして、活性化されることを特徴とする請求の範囲５記載の固体レーザ。
7. ポンピングー光ビームの光路中に存在する活性化された総合レーザ結晶容積がそれぞれ所要の差別的（識別）的吸収限界値を上回ると途切れなく励振されるように構成されている請求の範囲１から６までのうち１項記載の固体レーザ。
8. ポンピングー光ビームはキセノンパルスランプ、クリプトンー高圧放電ランプ等々により、生成され、そして、ポンピングー光ビームの強度変調のためレーザ結晶とランプとの間に変調グリッドが設けられており、該変調グリッドはレーザ結晶の軸方向に順次連続して比較的に小さい及び比較的に強い透光性の領域を有することを特徴とする請求項１記載の固体レーザ。
9. 請求の範囲１から８までのうち１項記載の固体レーザにおいて、
   棒状レーザ結晶を有し、該レーザ結晶は軸平行に相互作用する線形（リニヤ）共振器内に配置されており、そして、少なくとも１つの横断方向に入力結合されたポンピングー光ビームにより少なくともそれの長さの一部にて励起されるように構成され、また、倍周器（ダブラ）結晶を有し、倍周器（ダブラ）結晶はレーザ結晶により生成される光波の基本波と倍周器（ダブラ）結晶により生成される第１の高調波との受動的位相結合のため、それのレーザ結晶と離隔した方の後方の端面にて完全反射性レーザミラーとして構成されていることを特徴とする固体レーザ。
10. 後方の端面は、鏡面（金属）化された凸面として構成されていることを特徴とする請求の範囲９記載の固体レーザ。
11. 倍周器（ダブラ）から離隔したほうのレーザ結晶の端面は、中性化（neutralizing）ないし出力結合ミラーとして構成されていることを特徴とする請求の範囲９又は１０記載の固体レーザ。
12. 中性化（neutralizing）ないし出力結合ミラーとして構成されたレーザ結晶の端面は僅かに凸の形状を有することを特徴とする請求の範囲１１記載の固体レーザ。
13. 請求の範囲９から１２までのうち１項記載の固体レーザにおいて、
    倍周器（ダブラ）結晶の温度の安定化のため１つ又は複数の熱的に直列に、そして、電気的に並列に接続されているＰＴＣ加熱セルと直接的熱接触しており、また、前記ＰＴＣ加熱セルの電気抵抗は、所定の温度を超えると低下するように構成されていることを特徴とする固体レーザ。
14. ＰＴＣ加熱セルは、一定の電圧で作動されるように構成されていることを特徴とする請求項１３記載の固体レーザ。
15. ＰＴＣー加熱セルは倍周器（ダブラ）結晶をセンシングするセンサ及び相応の制御電子回路を介して可変の電圧で作動され、それにより、温度の微調整、ひいては倍周器（ダブラ）結晶の安定化が行われ得るように構成されていることを特徴とする請求の範囲１３記載の固体レーザ。
16. 倍周器（ダブラ）結晶にて、倍周器（ダブラ）結晶の温度を監視するスタート遅延センサが設けられており、該センサによっては次のような際はじめて相応のスタート電子回路を介してレーザダイオード、ひいてはレーザ作動がトリガされる、即ち、倍周器（ダブラ）結晶が所要の作動温度に達するとはじめてトリガされるように構成されていることを特徴とする請求の範囲１３から１５までのうち１項記載の固体レーザ。
17. 固体レーザ、例えば、請求の範囲１から１６までのうち１項記載の固体レーザであって、共振器と、共振器軸に対して実質的に軸平行に配置されたレーザ結晶を有している固体レーザにおいて、
    すべての共振器コンポーネント及びレーザ結晶は、１つの集積化モジュールにまとめられて１つの共通の支持体管内に配置されていることを特徴とする固体レーザ。
18. 共振器コンポーネント及びレーザ結晶支持管内にてＵＶ（紫外線）光により硬化する接着剤を用いて固定されていることを特徴とする請求の範囲１７記載の固体レーザ。
19. 支持体管は熱伝導性及び透光性材料から成る請求の範囲１７又は１８記載の固体レーザ。
20. 共振器コンポーネント及びレーザ結晶の精確な調節が支持体管内にて干渉計によるチェックのもとで行われるように構成されていることを特徴とする請求項１７から１９までのいずれか１項記載の固体レーザ。

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