JP3822636B2 - 縦方向ポンピング配置の多重通路共振器 - Google Patents

Description

この発明は請求の範囲第１項の前段に規定する高出力の縦方向ポンピング固体レーザーに関する。
固体レーザーを、特にポンピング源としてレーザーダイオードで縦方向にポンピングする場合、利用できるポンピング源の出力が制限されているため、あるいは有効媒体中の温度効果により出力が制限されている。
この制限は有効媒体内に多数の反射個所を設けた共振器を利用して回避できる。この種の周知装置の問題は調整すべき部品点数が線型共振器に比べて多いことにあり、このことが取扱を難しくし、設置コストを高くする。それ故、この発明の課題は従来の技術の難点を排除することにある。
上記の課題は、この発明により、請求の範囲第１項の特徴部分の構成により解決されている。この発明の詳細は、請求の範囲の従属請求項および図面に基づき従来の技術およびこの発明の多数の有利な実施態様を説明する明細書により明らかになる。ここに示すのは、
第１図、共振器内に生じるモードの模式図、
第２図、従来の技術による例の模式図、
第３図、従来の技術による他の例の模式図、
第４図、次数ｎ＝６の多重通路モードの模式図、
第５図、次数ｎ＝７の多重通路モードの模式図、
第６図、合成された共振器の構造、
第７図、刻み目でモードを弁別する場合の一体共振器の様子を示す図、
第８図、異なった鏡面位置でモードを弁別する場合の一体共振器の様子を示す図、
である。
第２図と第３図には、従来技術の二つの例が示してある。第２図に示す幾何学関係では、有効媒体３内に多数のポンピングビーム４で縦方向にポンピングできる等間隔の多数の反射個所が生じる。本来のレーザー共振器は高反射（ＨＲ）鏡２と部分反射出射鏡１で形成されている。
第３図の例では、鏡９によりビームが折り返し、穴８を通って鏡に取り出される。この共振器は再び他の二つの鏡、つまりＨＲ鏡２と出射鏡１で構成されている。
この配置の問題は、冒頭で述べたように、調整すべき部品点数が線型共振器より多く、このことが取扱を困難にし、設置コストを大きくしている点にある。
共振器の二つの鏡の曲率半径ρ₁とρ₂が式(1)で与える共振器の長さＬ_Resoに対する比率となる共振器では、以下で説明する「多重通路のモード」が文献により周知のガウス・エルミート多項式（ＧＨＰ）やガウス・ラゲール多項式（ＧＬＰ）の外に静止ビーム電磁場を表す。

この場合、ｎは多重通路モードの次数である。図１には次数ｎ＝３の異なる二つの多重通路モード６が示してある。多重通路モード６はＧＨＰやＧＬＰとは異なり共振器の光軸５に沿って経過しない。第１図の右に示すモードはｍ＝１の式２で説明できる。

モードの因子λ_n,in（ｘ₀）の自乗はポアッソン分布に相当する。このモードのパラメータは離散次数ｎと光軸５に対する最外側強度ローブの連続間隔ｘ₀である。関数TEM_i,jはＧＨＰの電磁場分布に相当する。ポアッソン分布の分布パラメータ＜ｎ＞が大きくなれば、それに応じて光軸５に対する最外側強度ローブの間隔ｘ₀も大きくなる。この場合、ｗ₀は共振器の基本モード半径である。周知のＧＨＰあるいはＧＬＰの外に、多重通路モードでは離散的なモード族デナク連続的なモード族がある。この族ではレーザーモードの周波数がモード族のパラメータに連続的に依存する。
多重通路共振器に対する条件は横モードの周波数の縮退に関しても規定できる。次数ｎの多重通路共振器では、横次数がｎほど、また縦次数が１ほど異なる横ガウス・エルミートモードが周波数縮退する。この場合ただ一つの空間方向を考える必要がある。
多重通路モードはポンピングビームを照射して最大強度位置で目的通りに励起させることができる。更に、出射鏡の位置的にパターン構造化された反射率により多重通路モードのただ一つの強度ローブを取り出せる。第４図の実施例では、次数ｎ＝６の多重通路モード６が示してある。この例の場合、出射鏡は有効媒体３の上に直接存在する。多重通路モード６は３ツノポンピングビーム４によりポンピングされる。顕著なビームを取り出すためには、多重通路モードの強度ローブのところのみで出射鏡の反射率が適している。その結果、モードの部分ビーム７のみが共振器を出て往く。第５図には次数ｎ＝７の多重通路モード６が示してある。この共振器は第４図のように半モノリシックに形成されている。ここでは出射は結晶の上に存在しない共振器の鏡で行われる。
今まで示した多重通路モードは特別な場合である。一般には、共振器の鏡に対する反射位置は楕円上に載っている。図示する例では楕円は実線にしてある。
モノリシック共振器を利用すると構造は特に単純になる。この場合、調整スベキ部材を全て省くことができる。第６図には、多数の材料から成るモノリシック共振器が示してある。この実施例では、結晶１１の共振器内で周波数を二倍にしている。周波数が二倍になったビーム１０のみが出射する。
第７図の実施例では、モノリシック共振器は完全に能動材料３で構成されている。ここでは、反射個所はレーザー結晶の両方の端面でポンピングされる。
共振器のＧＨＰやＧＬＰに対してモードを十分弁別するには、多重モードが振動を始める場合、損失に対する増幅率の比がＧＨＰやＧＬＰより大きくなる必要がある。これには、目的通りに埋め合わせされた損失、例えば共振器内に細い線材を利用する。第７図の例では、レーザー結晶でポンピング個所の間に付けてある刻み目により弁別が行われる。この例のモードは１２のポンピングビーム４でポンピングされる。第８図に斜視図にして示す実施例では、モノリシック共振器の場合、弁別は発生させるべき多重通路モードの反射個所のみを適当に鏡面仕上げして達成される。

Claims (10)

1. レーザーの有効媒体（３）の中のレーザーモードを多数の個所でポンピングビーム（４）により縦方向にポンピングする固体レーザーにおいて、
   以下の式で表される共振器の光軸（５）に沿って展開しない多重通路モードが、
   

   

   ここで、
   ＴＥＭ _i,j ガウス・エルミート多項式（ＧＨＰ）の電磁場分布
   ｘ ₀ 共振器の光軸に対する最外側強度ローブの間隔
   ｎ 多重通路モードの離散的な次数
   ＜ｎ＞ ポアッソン分布の分布パラメータ
   ｗ ₀ 共振器の基本モード半径
   最大強度位置にポンピングビームを照射して目的通りに励起可能であり、
   この多重通路モードが、位置的に異なる損失によって、ガウス・エルミートモードあるいはガウス・ラゲールモードに対して弁別可能であり、
   この多重通路モードの強度ローブの一部が、出射鏡（１）の位置的にパターン構造化された反射率又は透過率によって取り出すことが可能であることを特徴とする固体レーザー。
2. 出射鏡（１）はレーザー有効媒体の上に直接存在することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体レーザー。
3. 共振器からの出射は周波数多重部を介して行われることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体レーザー。
4. 周波数を多重化したビームの外に、基本周波数のビームも取り出すことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の固体レーザー。
5. レーザー共振器はモノリシックに形成され、活性材料からのみ、あるいは異なった材料から作製されていることを特徴とする請求の範囲第１〜４項の何れか１項に記載の固体レーザー。
6. 損失は場所的に異なった被膜によることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体レーザー。
7. 共振器はＱ値を切り換えできることを特徴とする請求の範囲第１〜６項の何れか１項に記載の固体レーザー。
8. 多重通路条件は一つまたはそれ以上の屈折面により共振器内で発生することを特徴とする請求の範囲第１〜７項の何れか１項に記載の固体レーザー。
9. 多重通路の次数は二つの横空間方向に対して異なっていることを特徴とする請求の範囲第１〜８項の何れか１項に記載の固体レーザー。
10. 多重通路モードの条件は二つの横空間方向の一方に対してのみ与えられることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の固体レーザー。

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