JP4176014B2 - レーザー活性固体の光ポンピング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンピング光を端面で固体へ入力結合させ、反射により分散させる、スタブ状またはスラブ状のレーザー活性固体の光ポンピング装置に関する。

この種の光ポンピング装置はすでに知られており、その例が図５に概略的に示されている。

図５には従来周知の光ポンピング装置５０が概略的に示されている。フォーカシングされたポンピング光５１は端面からスタブ状のＮｄ：ＹＡＧレーザー結晶５２へ入力結合される。レーザー結晶５２の研磨套面５３に入力結合されたポンピング光５４は内側で全反射し、吸収されるまでレーザー結晶５２の内部を伝搬する。結晶ではその全長にわたって光ポンピングが行われるが、結晶の容積が完全に利用されるわけではない。

ここでレーザー結晶内では複数回の全反射により局所的に高いポンピングパワー密度が生じ、レーザー結晶の当該の領域に強い熱障害が発生する。この熱障害は光共振器の大幅な離調を引き起こすことがある。このことは熱障害が利用可能なポンピングパワーを大きく制限しているということを意味する。さらに研磨套面５３を介していわゆるＡＳＥ（増幅誘導放出）および寄生モードが生じ、これによりレーザーの効率およびビーム品質は強い負の影響を受けてしまう。

したがって本発明の課題は、冒頭に言及した形式の光ポンピング装置において、入力結合したポンピング光を固体内でできる限り均一に分散させることである。

この課題は、本発明の第１の特徴により、固体をリフレクタによって包囲し、固体の套面を通過するポンピング光が拡散しながら戻って固体へ入射するようにする構成から解決される。

ポンピング光の拡散とここから得られる均一な固体の発光とにより、ポンピング光の密度の局所的な過上昇は生じず、固体内でほとんど熱障害が発生しない。これにより光共振器の離調はほとんど起こらず、きわめて高いポンピングパワーでないかぎり不安定になることはない。公知のポンピング装置と比べて本発明はいっそう高いポンピングパワーを達成することができ、大きな出力を抽出することができる。また同じレーザーパワーであれば固体の長さが小さくて済み、高濃度のドープひいては良好なレーザービーム品質が得られる。

本発明の有利な実施形態では、套面は通過するポンピング光を拡散させる表面特性を有する。当該の表面は入力結合したポンピング光の全反射を阻止し、ポンピング光を空間的に均一に分散させる。こうした套面の表面特性によりＡＳＥおよび寄生モードの形成が効果的に抑圧される。例えば套面は、端面で入力結合したポンピング光のうち少なくとも３％、有利には少なくとも２０％、特に有利には少なくとも４０％が固体内で拡散されるようにパターニングされ、部分的にまたは完全に粗面化される（マットな套面となっている）。

特にポンピング光が套面で充分に拡散されない場合、拡散反射性のリフレクタが設けられる。

ポンピング光が套面で既に充分に拡散される場合には、拡散反射性のリフレクタでなく、鏡面反射性のリフレクタを設けるだけで充分である。

本発明の別の有利な実施形態では、套面の外側に固体よりも屈折率の高い媒体が設けられている。これにより入力結合したポンピング光の套面内側での全反射は阻止される。例えばこの媒体は套面の層として設けられてもよいし、また套面とリフレクタとのあいだの空隙に充填されてもよい。

有利には固体とリフレクタとのあいだにはリング状の空隙が形成され、この空隙には冷却媒体が貫流され、固体が冷却される。

前述の課題は、本発明の第２の特徴により、套面に反射層を設け、この反射層がポンピング光を拡散させる表面特性を有するようにする構成から解決される。

入力結合したポンピング光のうち套面を通過する光ビームは套面の表面特性によって拡散され、拡散光として反射層で反射されて固体内へ戻ってくる。こうしてポンピング光が均一化されることにより均一な固体発光が達成され、ポンピング光のパワー密度の局所的な過上昇は生じない。これによりレーザー結晶内での熱障害もほとんど発生しない。このことから光共振器の離調も少なくなり、きわめて高いポンピングパワーでないかぎり不安定とならない。また高いポンピングパワーが得られるので、大きな出力を抽出することができる。さらに套面の表面特性によりＡＳＥおよび寄生モードの形成が効果的に抑圧される。

有利には、本発明の光ポンピング装置により、端面で入力結合したポンピング光のうち少なくとも３％、有利には少なくとも２０％、特に有利には少なくとも４０％が固体内で拡散される。

本発明の光ポンピング装置はレーザー発振器の駆動装置としても後置接続の増幅器としても利用できる。

レーザー発光する固体として例えばほぼ均一にドープされたバルク材料から成るレーザー結晶、種々にドープされたセグメントから成るコンポジット結晶、グラジエントドープされた結晶、およびグラジエントドープされかつシンタリングされた多結晶レーザーセラミックなどが使用される。

本発明の他の利点は以下の説明および図から得られる。本発明の前述の特徴および以下に説明する特徴は単独でも任意に組み合わせても使用可能である。図示の実施例は本発明を限定するものではなく、本発明の特徴を説明するための例示であると解されたい。

図１には、マットな套面のレーザー活性固体と拡散性のリフレクタとを有する本発明の光ポンピング装置の第１の実施例が示されている。図２にはマットな套面のレーザー活性固体と鏡面反射リフレクタと有する本発明の光ポンピング装置の第２の実施例が示されている。図３には固体よりも高い屈折率を有する研磨層の設けられた套面のレーザー活性固体と拡散性のリフレクタとを有する本発明の光ポンピング装置の第３の実施例が示されている。図４にはレーザー活性固体のマットな套面上に反射層を設けた本発明の光ポンピング装置の第４の実施例が示されている。図５には特別な拡散手段が備えられておらず、固体内へ入力結合されるポンピング光が研磨套面の内部で全反射してしまう公知の光ポンピング装置が示されている。

図１に示されている装置１はスラブ状のレーザー活性固体２、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶の光ポンピングに用いられる。このためにフォーカシングされたポンピング光３が１つまたは複数のレーザーダイオードから一方側または両側の端面４を介して固体２へ入力結合される。有利にはポンピング光３は端面４を介して固体２のドープされていない端部領域へフォーカシングされる。固体２はリング状の空間またはリング状空隙６に構成された拡散反射性のリフレクタ５によって包囲されている。固体２の套面はマットであるかまたは粗面化されているので、入力結合したポンピング光の全反射は起こらず、套面へ達した光ビーム８は拡散光９としてリング状空隙６へ入射する。拡散光９の光ビーム１０はリフレクタ５で反射され、拡散光１１として套面７へ戻る。拡散光１１の光ビーム１２はマットな套面を通過する際に拡散し、拡散光１３として再び固体２内へ入射する。こうしたビーム案内はポンピング光１３の光ビーム１４についてもこのビームが固体２内で吸収されてしまうまで繰り返される。固体２でポンピング光が拡散されることにより、固体内のポンピング光は均一に分散され、ポンピング光のパワー密度の局所的な過上昇は生じない。これにより固体２内での熱障害もほとんど発生しない。

リング状空隙６は端部側でリング状パッキン１５により外部に対して密封されており、ここに固体２を冷却する冷却媒体が貫流される。リング状パッキン１５と共働する套面の端部は良好な封止機能を達成するために研磨されている。

図２には光ポンピング装置２０が示されており、この装置はポンピング光を鏡面反射するリフレクタ２１が設けられている点で図１の光ポンピング装置１と異なっている。ポンピング光がマットな套面７を通過して生じた拡散光９の光ビーム１０はリフレクタ２１で鏡面反射され光ビーム２２となり、再びマットな套面７を通過して拡散光１３として固体２内へ入力結合される。こうしたビーム案内はポンピング光２３の光ビーム２４についてもこのビームが固体２内で吸収されてしまうまで繰り返される。

図３には光ポンピング装置３０が示されており、この装置は固体２よりも屈折率の高い全反射阻止層３１の設けられた研磨套面７が固体２に設けられている点で前述の光ポンピング装置と異なっている。したがって入力結合したポンピング光の光ビーム８は研磨套面７およびリング状空隙６の層３１を通過して光ビーム３２となり、拡散反射性のリフレクタ５で反射され、拡散光３３として套面７へ戻る。拡散光３３の光ビーム３４は層３１および套面７を通過して光ビーム３５として再び固体２内へ入射する。こうしたビーム案内は光ビーム３５についてもこのビームが固体２内で吸収されてしまうまで繰り返される。

図４には反射層４１を備えたマットな套面または粗面化された套面７の固体２を有する光ポンピング装置４０が示されている。入力結合したポンピング光の光ビーム８は套面７に達してマットな套面７で拡散され、拡散光４２として反射層４１で反射され、固体２内へ戻る。こうしたビーム案内は光ビーム４３についてもこのビームが固体２内で吸収されてしまうまで繰り返される。

光ポンピング装置の第１の実施例を示す図である。 光ポンピング装置の第２の実施例を示す図である。 光ポンピング装置の第３の実施例を示す図である。 光ポンピング装置の第４の実施例を示す図である。 公知の光ポンピング装置を示す図である。

Claims (10)

1. ポンピング光（３）を端面で固体（２）へ入力結合させ、反射により分散させるスタブ状またはスラブ状のレーザー活性固体（２）の光ポンピング装置（１）において、
   固体（２）はリフレクタ（５）によって包囲されており、
   固体（２）と当該リフレクタ（５）との間にリング状空隙（６）が設けられており、
   固体（２）の套面（７）は、当該套面（７）を通過するポンピング光（８）を拡散させるように構成されており、リフレクタ（５）は入射するポンピング光（１０）を拡散反射するように構成されている、
   ことを特徴とするレーザー活性固体の光ポンピング装置。
2. ポンピング光（３）を端面で固体（２）へ入力結合させ、反射により分散させるスタブ状またはスラブ状のレーザー活性固体（２）の光ポンピング装置（２０）において、
   固体（２）はリフレクタ（２１）によって包囲されており、
   固体（２）と当該リフレクタ（２１）との間にリング状空隙（６）が設けられており、
   固体（２）の套面（７）は、当該套面（７）を通過するポンピング光（８）を拡散させるように構成されており、リフレクタ（２１）は入射するポンピング光（１０）を拡散せずに反射するように構成されている、
   ことを特徴とするレーザー活性固体の光ポンピング装置。
3. 前記套面（７）は前記通過するポンピング光（８）を拡散させる表面特性を有する、請求項１または２記載の装置。
4. ポンピング光（３）を端面で固体（２）へ入力結合させ、反射により分散させるスタブ状またはスラブ状のレーザー活性固体（２）の光ポンピング装置（３０）において、
   固体（２）はリフレクタ（５）によって包囲されており、
   固体（２）と当該リフレクタ（５）との間にリング状空隙（６）が設けられており、
   固体（２）の套面（７）は、通過するポンピング光（３２）を拡散させないように構成されており、リフレクタ（５）は、前記套面（７）を通過し、入射するポンピング光（３２）を拡散反射するように構成されている、
   ことを特徴とするレーザー活性固体の光ポンピング装置。
5. 前記固体（２）の套面（７）の外側に固体（２）よりも屈折率の高い媒体が設けられている、請求項４記載の装置。
6. 前記媒体は套面（７）の外側に層（３１）として設けられている、請求項５記載の装置。
7. リング状空隙（６）には冷却媒体、例えば水が貫流している、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 端面で入力結合したポンピング光（８）のうち少なくとも３％が固体（２）内で拡散される、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 端面で入力結合したポンピング光（８）のうち少なくとも２０％が固体（２）内で拡散される、請求項８記載の装置。
10. 端面で入力結合したポンピング光（８）のうち少なくとも４０％が固体（２）内で拡散される、請求項９記載の装置。

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