JP4006271B2 - レーザー装置、レーザー光発生方法、レーザースラブ及びレーザー装置の製造方法 - Google Patents

レーザー装置、レーザー光発生方法、レーザースラブ及びレーザー装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の分野】
本発明は一般にレーザー媒体に関し、特に、レーザー出力を発生させる複合媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザー放出媒体としてイオンドープのイットリウム/アルミニウムガーネット(YAG)を使用するレーザー装置はその高パワー出力のため大なる人気及びイオンドープYAG組成の幅広い利用性を達成している。いまだに、一層新しく一層有効なレーザー放出媒体を利用する不断の望みが存在する。イッテルビウム:YAG(Yb:YAG)は、ポンプとレーザー放出遷移との間のその小さな量子効果のため、高パワー、高輝度及び高効率のレーザー装置のための将来有望な材料である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Yb:YAGの高透過しきい及び低い比ゲインのため、熱管理はYb:YAG装置においては困難である。更に、良好な熱管理を可能にする一層小さな寸法のYb:YAGレーザー放出媒体はレーザーダイオードでの光学ポンピングに利用できるYb:YAGの面積の量を制限してしまう。
【0004】
高パワー、高輝度及び高効率のレーザー装置を製造するために増大した量の光エネルギでYb:YAGを光学的にポンピングする能力を利用しながら、Yb:YAGにおける熱管理を最適化するレーザー放出媒体形状の要求が存在する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの実施の形態によれば、ノンイオンベース層及びイオン層を取り付けた台形の横断面を有するレーザー装置がレーザー出力を発生させるために光学的にポンピングされる。ノンイオンベース層はYAG層とすることができ、イオン層はYb:YAGの如きイオンドープYAG材料の層とすることができる。台形の横断面はレーザーダイオード列(アレイ)から光エネルギを受け取るための一層大きな面積を提供する。従って、一層大きな出力を達成できる。
【0006】
本発明で使用されるイオン層の長さ及び幅を小さく保つことができ、イオン層からの有効な熱除去を提供する。
本発明の上述の要約は本発明の各実施の形態又はあらゆる態様を示すことを意図するものではない。
【0007】
【実施の形態】
本発明は種々の修正及び変形例を可能にするが、例として特定の実施の形態を図面に示し、ここで詳細に説明する。しかし、本発明は開示された特定の形態に限定される意図のものではないことを理解すべきである。むしろ、特許請求の範囲に規定される本発明の要旨内のすべての修正、等価及び変形をカバーすることを意図するものである。
【0008】
図1は本発明に係るレーザースラブ10の構成を示す。レーザースラブ10は2つの層、即ち、イオン層12及びノンイオン層(非イオン層)14を含み、その間に光学質のインターフェース16が位置する。イオン層12及びノンイオン層14は拡散接着により結合することができる。代わりに、エピタキシァル即ち層成長方法により、イオン層12をノンイオン層14上で成長させることができる。1つの好ましい実施の形態においては、ノンイオン層14はイットリウム/アルミニウムガーネット(YAG)層であり、イオン層12はイッテルビウム・イオンドープYAG(Yb:YAG)の如きイオンドープのYAG層である。代わりに、ネオジム(Nd)、エルビウム(Er)又は他のレーザー活性希土イオンでドープされた材料を使用することができる。Yb:YAG層におけるYbのドープ濃度はイットリウムに対するYbの原子比率で約0%から100%の範囲とすることができ、約15%Ybのドープ濃度がレーザー光出力への光学ポンピングエネルギの有効な変換にとって特に有効である。
【0009】
ノンイオン層14は、光学質のインターフェース16に対して垂直な方向において光学質のインターフェース16及びノンイオン層14を通る任意の横断面(即ち、図1に示すz軸に平行で、光学質のインターフェース16及びレーザースラブ10の底表面18の双方を通る任意の横断面)が台形となるように、形状づけられる。同様に、レーザースラブ10の頂表面20が光学質のインターフェース16に対して平行な場合、z軸に平行で、レーザースラブの頂表面20及び底表面18の双方を通る任意の横断面は台形である。代わりに、ノンイオン層14を通る横断面のみが台形となるように、イオン層12はノンイオン層14に取り付けられた矩形のプリズムとすることができる。
【0010】
レーザースラブ10の端表面22及び側表面24は底表面18に関して角度をなして傾斜する。第1の角度θ1はレーザースラブ10の底表面18と端表面22との間の角度であり、第2の角度θ2はレーザースラブ10の底表面18と側表面24との間の角度である。
【0011】
レーザースラブ10は総厚tを有し、この総厚はイオン層12の厚さt1とノンイオン層14の厚さt2との合計である。1つの好ましい実施の形態によれば、スラブ10をYAG及びYb:YAGで作った場合、レーザースラブ10の総厚tは約3.5mmであり、イオン層12の厚さt1は約0.25mmであり、ノンイオン層14の厚さt2は約3.25mmである。その底表面18に沿って、レーザースラブ10は次の式により計算された長さl1を有する。
【0012】
【数1】
Figure 0004006271
例えば、tが3.5mmで、θ1が30.96゜である場合、長さは次式のようになる。
【0013】
【数2】
Figure 0004006271
頂表面20に沿って、レーザースラブ10は次の式により計算された長さl2を有する。
【0014】
【数3】
Figure 0004006271
例えば、tが3.5mmで、θ1が30.96゜である場合、長さは次式のようになる。
【0015】
【数4】
Figure 0004006271
ここで、図2に戻ると、図1のA−A線に沿った垂直横断面は伝導性の吸熱源26及びダイオード列(アレイ)28を示す。1つの実施の形態においては、ダイオード列28は約940nmの出力波長を発生させ、これは、Yb:YAGのピーク吸収が生じる波長とほぼ同じである。他のイオン層を使用した場合は、ダイオード列28はイオン層12内で最大吸収を達成する出力波長を発生するように選択される。作動において、ダイオード列28は光エネルギを底表面18からレーザースラブ10内へポンピングする。入力光はイオン層12で吸収され、イオン層12からエネルギを放出させ、このエネルギはレーザースラブ10の頂表面及び底表面で反射し、端表面22から流出する。ダイオード列28が約940nmの入力波長を有し、イオン層12がYb:YAGであるような実施の形態においては、出力ビーム30は約1030nmの波長を有する。
【0016】
イオン層12は絶縁溝25を具備することができ、この溝はイオン層12を通る光学経路長さを減少させて、イオン層12内での寄生発振を減少させる役目を果たす。
【0017】
上述の寸法を有するレーザースラブ10においては、出力ビーム30となるレーザー光はレーザースラブ10内で5回の全反射(TIR)跳ね返りを行う。これらの跳ね返りのうちの2つはイオン層12内で生じ、3つはノンイオン層14内で生じる。
【0018】
レーザースラブ10の端表面22は好ましくはレーザー等級磨きに研磨され、開口の中央80%にわたる約0.1波の平坦度、約10−5のかき傷深さ及び約2ア−ク分の平行度となる。レーザースラブ10の底表面18及び頂表面20は100mm長さ当り約1波の平坦度に研磨され、約20−10のかき傷深さ及び約10ア−ク分の平行度となる。
【0019】
ここで、図3に戻ると、図1のB−B線に沿ったレーザースラブ10の横断面図を示す。この図において、図1のx軸に沿って見ると、B−B線に沿った横断面内でレーザースラブ10の台形形状を見ることができる。台形形状はイオン層12内への光学ポンピングエネルギ入力を増大させ、一方、イオン層12の厚さは、熱がレーザースラブ10の頂表面20から有効に除去されるのを可能にする。更に、この構成は、出力光がレーザースラブ10の両方の端表面22から射出されるのを可能にする。第2の角度θ2はイオン層12に比べてノンイオン層14内に一層大きな底表面面積を提供し、光エネルギがイオン層12上で合焦されるように、一層多くの光がレーザースラブ10内へ入るのを許容する。
【0020】
レーザースラブ10の1つの試験された形状においては、レーザースラブ10の底表面18に沿って、レーザースラブ10は約7.5mmの幅w1を有し、レーザースラブ10の頂表面20に沿って、レーザースラブ10は約3.5mmの幅w2を有する。w1がほぼ7.5mmで、w2がほぼ3.5mmである場合、レーザースラブ10の底表面18と側表面24との間の角度θ2は約60.25゜となる。この形状においては、レーザースラブ10の底表面18は約263mmの表面積を有し、レーザースラブ10の頂表面20は約81.69mmの表面積を有し、光学質のインターフェース16は頂表面20の表面積よりも若干大きな表面積を有する。このような寸法のレーザースラブ10における光学質のインターフェース16の表面積に対する底表面18の表面積の比率は約3:1である。この試験された形状においては、イオン層12の厚さt1が約0.25mmで、イオン層12におけるYbのドープ濃度が約15%である場合、1.3ms(ミリ秒)のポンピングの後に少なくとも1.37のピーク単パスゲインが達成された。この形状においては、イオン層12におけるYbの濃度が一層大きいか又は一層小さかったり、イオン層の厚さt1が一層大きいか又は一層小さかったりした場合は、ゲインが劣化することが判明した。
【0021】
ここで、図4に戻ると、ダクト集中器32を使用するレーザースラブ10及びダイオード列28の横断面図を示す。ダクト集中器32はダイオード列28からの入力光エネルギをレーザースラブ10内へ集中させる。ダクト集中器32はダイヤモンド機械加工され、金メッキされ、研磨された内壁を備えた図4に示すような不等辺四辺形(略台形)の横断面を具備することができる。
【0022】
本発明の1つの実施の形態においては、吸熱源26は、高熱伝導性の室温で加硫された(RTV)ゴム材料でイオン層12に接着された高強度ピン/フィン熱交換器である。この実施の形態においては、約15℃の冷却剤温度にて毎分0.85ガロンの流量で吸熱源を通る冷却剤の流れが、作動中にレーザースラブ10からの十分な熱除去を達成する。イオン層12の薄さは、高質の出力ビーム30を提供しながら、イオン層からの容易な熱除去に寄与する。別の実施の形態においては、吸熱源26はイオン層12に低温溶接できる。更に、衝突式クーラー、マイクロチャンネル式クーラー及び他の型式のコンパクトな高強度クーラーの如き別の熱除去手段を本発明に使用することができる。
【0023】
上述の台形形状と同様にイオン層12へ光エネルギを集めるのに役立つレーザースラブ10のための別の構成も可能である。例えば、レーザースラブ10は図1のB−B線に沿って半円形又は放物線状の横断面を有するように構成することができる。このような横断面を有するノンイオン層14の側壁24での内面全反射はポンピングエネルギをイオン層12内へ案内する傾向を有する。
【0024】
1又はそれ以上の特定の実施の形態について本発明を説明したが、当業者なら、本発明の要旨を逸脱することなく多くの変更が可能であることを認識できよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施の形態に係るレーザースラブの斜視図である。
【図2】光エネルギ源及び熱除去手段を更に示す、図1のA−A線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【図3】光エネルギ源及び熱除去手段を更に示す、図1のB−B線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【図4】光エネルギ源、熱除去手段及び先細りダクトを更に示す、図1のB−B線に沿った本発明に係るレーザースラブの横断面図である。
【符号の説明】
10 レーザースラブ
12 イオン層
14 ノンイオン層
16 インターフェース
18 底表面
20 頂表面
22 端表面
24 側表面
26 吸熱源
28 ダイオード列
30 出力ビーム

Claims (20)

  1. 光学的にポンピングされるレーザー装置において、
    ノンイオン層であり、上面と下面とを備え該下面の面積が上記上面の面積より大きいベース層と;
    頂表面と底表面とを有し、該底表面が光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層の上記上面に取り付けられたイオン層と;
    を有し、上記インターフェースに垂直な方向において上記レーザー装置を通る横断面が台形形状であり、該台形形状の平行の線が上記インターフェースに平行となっており、また上記レーザー装置の出力エネルギは上記イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記下面との間で複数回反射し上記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
  2. 上記光学質のインターフェースが拡散接着されたインターフェースであることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  3. 上記光学質のインターフェースが層成長型のインターフェースであることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  4. 上記ノンイオン層がYAG層であり、上記イオン層が約15%のイッテルビウム濃度を有するYb:YAG層であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  5. 上記イオン層が絶縁溝を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  6. レーザー装置がさらに第1及び第2の側表面と第1及び第2の端表面とを有し、該第1及び第2の端表面は上記イオン層の上記頂表面から上記ノンイオン層の上記下面まで延び、またレーザー装置は、出力エネルギが上記イオン層で生じそれが該イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記下面との間で反射され上記第1及び第2の端表面から出て行くように、光学的入力エネルギを上記ノンイオン層の上記下面を介して受けそれを上記イオン層に向けることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  7. 上記インターフェースに垂直な方向において上記光学質のインターフェースを通るすべての横断面が台形形状であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  8. 上記ノンイオン層及び上記イオン層がレーザースラブを形成し、上記レーザースラブが底表面と2つの側表面とを有し、上記側表面と上記底表面との間の角度が約60゜であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。
  9. 光学的にポンピングされるレーザー装置において、
    ノンイオン層であるベース層と;
    光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層と;
    を有し、前記ノンイオン層は下面と上面とを有し、前記下面の面積は前記上面の面積よりも大きく、上記インターフェースに垂直な方向において上記光学質のインターフェースを通るレーザー装置のすべての横断面が台形形状であり、
    前記レーザー装置の出力エネルギは、前記イオン層の頂表面と前記ノンイオン層の前記下面との間で複数回反射し前記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
  10. 光学的にポンピングされるレーザー装置において、
    ノンイオン層であるベース層と、光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層とにより形成されたレーザースラブを有し、
    上記ノンイオン層により提供される上記レーザー装置の底表面の面積が上記イオン層により提供される上記レーザー装置の頂表面の面積よりも大きく、上記底表面と上記頂表面との間に上記光学質のインターフェースが存在しまた出力エネルギが該インターフェースを複数回通過するよう上記底表面及び頂表面間で複数回反射するようになっており、上記レーザー装置はまた、上記頂表面と底表面との間を延びる2つの側表面を有し、該側表面と上記底表面との間の角度が約60゜であり、上記光学質のインターフェースに垂直な方向において上記装置を通る横断面が台形形状であることを特徴とするレーザー装置。
  11. 光学的にポンピングされるレーザースラブにおいて、
    YAG層と;
    拡散接着により光学質のインターフェースに沿って上記YAG層に取り付けられ、約15%のイッテルビウム濃度を有するYb:YAG層と;
    を有し、上記光学質のインターフェースに垂直な任意の面において上記レーザースラブを通る横断面が台形形状を有し、
    該レーザースラブはさらに底表面とそれに対向する頂表面とを有し、前記底表面の面積が前記頂表面の面積よりも大きく、該頂表面と底表面の間に上記光学質のインターフェースが存在しまた上記スラブの出力エネルギが該インターフェースを複数回通過するよう上記底表面及び頂表面間で複数回反射されるようになっており、
    当該レーザースラブがまた、各々上記底表面と約60゜の角度をなし該底表面から上記頂表面にまで延びる2つの側表面を有することを特徴とするレーザースラブ。
  12. 上記Yb:YAG層が上記頂表面を提供し、上記YAG層が上記底表面を提供し、さらにレーザースラブは第1及び第2の端表面を有し、出力エネルギがYb:YAG層で生じそれが該Yb:YAG層の上記頂表面と上記YAG層の上記底表面との間で反射され上記第1及び第2の端表面から出力ビームとして出て行くように、光学的入力エネルギを上記YAG層の上記底表面を介して受けそれを上記Yb:YAG層に向けることを特徴とする請求項11に記載のレーザースラブ。
  13. 光学的にポンピングされるレーザーに使用するレーザースラブにおいて、
    底表面及び側表面を有するノンイオン層と;
    インターフェースに沿って上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層と;
    を有し、上記ノンイオン層の上記底表面が上記インターフェースのインターフェース表面積よりも大きな底表面積を有し、当該ノンイオン層の上記側表面が該ノンイオン層の上記底表面から上記インターフェースへ光エネルギを集めるようになっており、
    該レーザースラブはさらに第1及び第2の側表面を有しこれら側表面が上記ノンイオン層の上記側表面も形成しており、また該レーザースラブは該スラブのこれら側表面の間を延びる端表面も有し、上記ノンイオン層の上記底表面を通って入る光エネルギが上記イオン層により生じるエネルギとなり該エネルギが上記ノンイオン層の上記底表面により少なくとも1回反射され上記端表面から出る出力ビームとなることを特徴とするレーザースラブ。
  14. 上記底表面の上記表面積が上記インターフェース表面積よりも少なくとも約2倍大きいことを特徴とする請求項13に記載のレーザースラブ。
  15. 上記インターフェースに垂直な方向において上記ノンイオン層を通る横断面が台形であることを特徴とする請求項13に記載のレーザースラブ。
  16. 上記レーザースラブの側表面が上記インターフェースに垂直な方向の横断面において丸められたプロフィールを提供するように形状づけられることを特徴とする請求項13に記載のレーザースラブ。
  17. 上記レーザースラブの側表面が上記インターフェースに垂直な方向の横断面において放物線状のプロフィールを提供するように形状づけられることを特徴とする請求項13に記載のレーザースラブ。
  18. 上記イオン層が絶縁溝を有することを特徴とする請求項13に記載のレーザースラブ。
  19. 光学的にポンピングされるレーザー装置において、
    ノンイオン層であり約3.25mmの厚さを有し、底表面を有するベース層と;
    光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられたイオン層であって、約0.25mmの厚さを有し、頂表面を有するイオン層と;
    を有し、前記底表面の面積が前記頂表面の面積よりも大きく、上記インターフェースに垂直な方向において上記装置を通る横断面が台形形状であり、
    前記レーザー装置の出力エネルギは、前記イオン層の前記頂表面と前記ノンイオン層の前記底表面との間で複数回反射し、前記インターフェースを複数回通過することを特徴とするレーザー装置。
  20. 光学的にポンピングされるレーザー装置において、
    ノンイオン層であり光学的入力エネルギをその底表面で受けるベース層と;
    光学質のインターフェースを介して上記ノンイオン層に取り付けられ、上記光学的入力エネルギを受けて光学的出力エネルギを発生するイオン層と;
    を有し、上記イオン層が上記ノンイオン層の底表面と対向する頂表面を有し、
    レーザー装置はさらに第1及び第2の側表面と第1及び第2の端表面とを有しこれらは各々上記ノンイオン層の上記底表面と上記イオン層の上記頂表面との間で延び、これら第1及び第2の側表面と第1及び第2の端表面とは、上記光学質のインターフェースの表面積が上記ノンイオン層の上記底表面の表面積より小さくまた上記光学質のインターフェースに垂直な方向において上記ノンイオン層を通る横断面が台形形状であるように、上記ノンイオン層の上記底表面に対し傾斜しており、
    上記光学的出力エネルギは上記イオン層の上記頂表面と上記ノンイオン層の上記底表面により複数回反射され上記端表面から出ることを特徴とする
    レーザー装置。
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