JP4374162B2 - ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのレーザー活性固体媒体を備え、増幅対象であるレーザー光線がレーザー活性固体媒体を透過する際にポンピング光線にモードを整合せしめられ、楕円形状のポンピング光線が入射することにより、レーザー活性固体媒体内にポンピング光線の入射方向と平行で互いに垂直な面内において強さが異なるサーマルレンズが形成される、ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のごとく、固体レーザー分野における基本モード発振器は、使用されるレーザー活性媒体のオプトサーマル特性のために、ある一定の出力値以下にしか構成できない。このため、高出力を生じさせるため、発振器は光路内の下流側に配置されるレーザー増幅器と組み合わされることが多い。レーザー増幅器により発振器光線の高品質のビームを維持することができる。
【０００３】
また、この種の発振器・増幅器装置には、発振器を比較的低電力で作動させることができるという利点もある。このようにして、モードカップリング短パルスレーザーの場合には、共振器内部に配置される可飽和半導体吸収体を過度の負荷から保護することができる。
【０００４】
公知のこの種の装置、たとえば米国特許第５２３７５８４号公報に記載されている装置には、位置調整感度が高いという欠点がある。複数段からなっている増幅器には発振器・出力光線がモードを整合させて供給される。増幅器はダイオードでポンピングされるレーザークリスタルを有し、レーザークリスタルに対向して折畳みミラーが配置されている。レーザークリスタル内に形成される強いサーマルレンズを補償するためには、折畳みミラーの曲率半径と、折畳みミラーとレーザークリスタルの距離とを高精度に整合させる必要がある。もし整合させないと、安定な光学系は保証されない。この種のシリアル構成の重大な欠点は、個々の個体変動(Exemplarschwankung)を常に再調整しなければならないことである。公差幅が非常に小さいので、たとえば疲労等によるダイオードパラメータのわずかな変動やレーザークリスタルの個体変動があっただけで、システムが故障してしまう。
【０００５】
米国特許第５６９６７８６号公報に記載のレーザーシステムの場合、上記の欠点はさらに深刻になる。というのは、このレーザーシステムには中間結像要素が設けられていないので、サーマルレンズに対し光路を整合させることができないからである。この種のレーザー装置はダイオード電流に対し小さなオペレーションウィンドウしか有していないのが通常である。
【０００６】
或いは、上記の構成に代えて、折畳み型式の光路がクリスタル内にも実現されることがある（米国特許第５２７１０３１号公報）。このため、このクリスタルの異なるポンピング領域を何度も相前後してビームを通過させる。この装置にも前記米国特許第５６９６７８６号公報に記載のレーザーシステムと同様の欠点がある。
【０００７】
最後に、DE１９５２１９４３によれば、縦方向にポンピングされる固体レーザー装置に対し、レーザークリスタル内に比較的平らな楕円形の形態の等温場が形成されるので、これに基づき長尺のポンピングスポットを用いてゲート状の凸レンズまたは円筒レンズを自然発生的に、制御せずに生じさせることが知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、入力パラメータの変動に対する増幅装置の公差を著しく増大させることにより、増幅器の安定性を保証するための微細整合を行なわなくて済むようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、少なくとも１つのレーザー活性固体媒体を備え、増幅対象であるレーザー光線がレーザー活性固体媒体を透過する際にポンピング光線にモードを整合せしめられ、楕円形状のポンピング光線が入射することにより、レーザー活性固体媒体内にポンピング光線の入射方向と平行で互いに垂直な面内において強さが異なるサーマルレンズが形成される、ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器において、前記レーザー光線のビームが、強いサーマルレンズをもった面内において合焦するようにレーザー活性固体媒体の中へ指向しており、その際に形成されるビームウェストが前記強いサーマルレンズの領域にあることを特徴とするものである。
【００１１】
設定されるべき、円筒レンズとレーザー活性媒体との間隔は、サーマルレンズの関数ではないので、焦点距離の公称間隔を一度設定すれば十分である。複数の増幅段を備えた増幅器に見られるような個々のサーマルレンズは、安定なシステムを形成する上で考慮する必要はない。ビームウェストの領域にあるサーマルレンズはビーム伝播に影響しないことが明らかとなった。ビーム光路に対するサーマルレンズ効果の影響を高感度位置調整作業により補償しなければならない従来の解決法とは異なり、本発明においては、サーマルレンズの作用はすでに増幅器の構成により実質的に排除される。レーザー光線とポンピング光線とのモード整合は、サーマルレンズの、該サーマルレンズの強さ（屈折力）が異なる互いに独立の複数個の面内で行われる。これにより増幅器の増幅度、ビームクォリティ、ビームパラメータはダイオードパラメータの影響を受けないので、レーザーダイオードセルとして構成されるポンピングダイオードは電気的にシリアルに且つ同じ温度で作動させることができる。また、互いに異なる個々のダイオードレーザー特性とスペクトル特性により生じる異なるサーマルレンズは、従来の技術の解決法とは異なり、その作用を喪失し、面倒な位置調整処置によって補償する必要がない。
【００１２】
本発明によれば、増幅器をコンパクトに低コストに構成でき、厳密にモジュール状である増幅段の数量に拡張性がある。すなわち、各増幅段の出力は、最終段を除いて、次の増幅段の入力を形成している。本発明によれば、増幅器の個体変動が少ないにもかかわらず、必要とする簡単な標準構成要素を製造する際に、大きな製造公差が可能であるような増幅装置が提供される。
【００１３】
本発明による装置によれば、発振器の光線は、発振器によって定義され回折測定係数M^２によって決定されるビームクォリティを維持しながら、低パワーで、特にモードカップリングされる作動モードで増幅されることができる。シリアルな増幅器を、安定性が高く、再現性があるように構成することができた。さらに、本発明によれば、ポンピングダイオードのために高価で、効率を低下させるビーム成形光学系を使用せずに済む。ビーム光学系を使用すると、ダイオードの高速軸と低速軸に対するビームパラメータ積を対称化するために再配列が行なわれる。
【００１４】
ポンピング光線源として少なくとも１つのレーザーダイオードセルを使用し、高速軸をコリメートするための手段と、互いに垂直な面内に異なる強さで形成されるサーマルレンズを生じさせるための楕円形ポンピングフォーカスにダイオード光線を合焦させるための手段とが設けられているのが有利である。
【００１５】
ポンピング光線の偏光を設定もしくは調整するため、ポンピング光線源にλ／２位相遅延プレートを付設してもよい。
【００１６】
ポンピング光線は、レーザー活性固体媒体の、ポンピング光線源側のビーム通過面を介して、レーザー光線は、レーザー活性固体媒体の、前記ビーム通過面に対向しているレーザー光線源側のビーム通過面を介して、それぞれレーザー活性固体媒体の中へ指向されている。ポンピング光線源側のビーム通過面がレーザー光線の波長に対し高反射性があるように構成されているので、レーザー光線は反射後新たにレーザー活性固体媒体と合焦要素とを透過する。
【００１７】
弱いサーマルレンズを備えた面内でレーザー光線を拡大させるために増幅器の入口に設けられる光学要素は、円筒レンズガリレイ型望遠鏡として、或いはアナモルフィックプリズム対として構成されていてよい。
【００１８】
レーザー光線の光路内に、１つの面内にある弱いサーマルレンズを増幅器出口で補償するための少なくとも１つの結像要素が設けられているのが有利である。この結像要素は、折畳みミラーとして構成された円筒鏡であるか、或いは球面鏡であってよく、或いは、レーザー活性固体媒体から放出されるレーザービームの光路内に長焦点距離の凸状円筒レンズまたは長焦点距離の球面レンズを配置してもよい。
【００１９】
レーザー活性固体媒体として、０．５％のドーピングを施したNd：YVO_４結晶を用いてよい。このNd：YVO_４結晶は８０３nmないし８０９nmの範囲の波長でポンピングされる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に図示した増幅器モジュールはレーザー光線、特にコリメートされたレーザー光線１を増幅するために使用する。レーザー光線１は図示していない発振器により生成され、本実施形態では円形の光線横断面Q_ｋｒをもっている。
【００２１】
レーザークリスタル２として実施されたレーザー活性固体媒体は互いに対向する２つの光線通過面３,４を有し、そのうち一方の光線通過面はポンピングミラー５にすぐ隣接する位置に配置されている。ポンピングミラー５（光線通過面４の表面膜として構成してもよい）はポンピング波長に対し透過性があり、レーザー光線の波長に対しては高反射性がある。光学的に活性な光線通過面３は、標準断面ではポンピング波長に対してもレーザー波長に対しても非反射性があるようにコーティングされていてよい。必要とするポンピング波長は、有利にはたとえば０．５％のドーピングを施したNd：YVO_４結晶として構成されたレーザークリスタル２に対しては、８０３nmと８０９nmの間にある。本実施形態に対しては、１×４×４mm^３のサイズのクリスタルが適している。Nd：YVO_４結晶以外では、希土類をドープした他のクリスタルを使用してもよい。
【００２２】
入射したレーザー光線１は、まず第１の面（接平面E_ｔａｎ）において、円筒レンズガリレイ型望遠鏡６により、この望遠鏡６の倍率に応じて、半軸比が小さな楕円形の光線横断面Q_ｅｌに拡大される（２倍ないし３倍の拡大）。或いはこれに代えて、アナモルフィックプリズム対を使用してもよい。なお、発振器がすでに楕円形のレーザー光線を提供する場合には、もちろんこのような入口側の光線成形部を設けなくてもよい。光路内で下流側に配置される最初の折畳みミラー７は、レーザー光線１を偏向させて円筒レンズ８を通過させる。円筒レンズ８は、コリメートされたレーザー光線１を第２の面（サジタル面E_ｓａｇ）でレーザークリスタル２に合焦させる。接平面E_ｔａｎにおいて以前コリメートされた状態にあるレーザー光線１（図３）はレーザークリスタル２を透過し、その際ポンピング光線にモードを整合せしめられて、かなり楕円形のフォーカスQ_ｓｔｅｌをもっている。円筒レンズ８は、レーザークリスタル２内に形成されるサーマルレンズTLから、自らの焦点距離f_ｚｙｌだけ離れて配置されているので、生じたビームウェストはその領域内にある（図２）。
【００２３】
ポンピングミラー５で反射したレーザー光線１は、円筒レンズ２の２回目の通過後、サジタル面E_ｓａｇでも再びコリメートされて、円筒レンズ８を最初に通過したときと同じ楕円形の横断面をもっている。
【００２４】
ポンピング光線を生成させるため、ダイオードレーザーモジュール９が設けられている。ダイオードレーザーモジュール９は、図示していない密封ケース内に、高速軸用のコリメーション光学系１１を備えた少なくとも１つのレーザーダイオードセル１０と、偏光を生じさせるための、オプショナルなλ／２位相遅延プレート１２と、レーザークリスタル２にポンピング光線をフォーカシングするための非球面体１３とを含んでいる。図示していないが、レーザーダイオードセル１０の光線クオリティを改善するため、低速軸のオプショナルなコリメーション部も設けられている。さらに、非球面体１３の代わりに、球面のレンズまたはレンズ装置を使用してもよい。
【００２５】
ケースはモジュール構成要素を埃、湿気、化学性の蒸気、静電放電、機械的な損傷から保護する。レーザーダイオードセル１０は、適当な取り付け技術により、ヒートシンクとして用いられる銅体１４に固定されている。
【００２６】
このような手段により生成されたポンピング光線は、レーザー光線１と同様にかなり楕円形の形状であり、ほぼ縦方向にポンピングされるレーザークリスタル２内部での光線横断面は、たとえば１μmないし５０0μmのサジタル面内での膨張、およびたとえば０．５mmないし３mmの接平面内での膨張により特徴づけられる。このように楕円形に形成されたポンピング光線は、レーザークリスタル２内でサーマルレンズを生じさせ、サーマルレンズは、方向に応じて温度勾配が異なっているために、互いに垂直である前記面E_ｓａｇと面E_ｔａｎにおいて異なる強さのものが形成される。たとえば、サジタル面E_ｓａｇ内でのサーマルレンズの焦点距離は（サジタル面内にはレーザーダイオードセル１０の高速軸も延在している）４０mmないし２０mmの範囲であり、接平面E_ｔａｎでは１０００mmないし４０００mmの範囲である。接平面E_ｔａｎ内のサーマルレンズは、その焦点距離が長いため、増幅対象であるレーザー光線１に対し不具合な結像機能をほとんど持っていない。焦点距離が長くなるにつれて、このような作用を実質的に阻止することができる。
【００２７】
しかし、接平面E_ｔａｎ内のサーマルレンズの残留作用が弱ければ、増幅器モジュール内に補助的に配置される結像要素、たとえば長焦点距離の、凸に湾曲した円筒レンズ、または球面レンズによってこの残留作用を補償することができ、或いは既存の構成要素を特別に構成することによって補償することもできる。このため、光路内において増幅器モジュールの出口に配置される第２の折畳みミラー１５を利用することができる。折畳みミラー１５により、レーザー光線１を反射により次の増幅段（他の増幅器モジュール）に提供することができる。この目的のため、図面に破線で示した折畳みミラー１５は筒状に構成され、或いは球面凸状に構成され、必要な場合は適宜傾斜して配置される。球面鏡を使用する場合、サジタル面E_ｓａｇでの光線の影響は、曲率半径が大きいためにわずかである。これは図５から明らかである。同様のことは長焦点距離の球面レンズに対しても当てはまる。というのは、サジタル面E_ｓａｇでは、短焦点距離のレンズだけが結像を決定するからである。いずれにしろ、接平面E_ｔａｎ内でのモードの整合は、円筒レンズ望遠鏡６内でのレンズ間隔を設定することにより可能である。接平面E_ｔａｎ内でのサーマルレンズTLの残留作用の補正が必要でない場合は、或いは補正レンズによって行う場合は、第２の折畳みミラー１５を平面鏡として構成してもよい。
【００２８】
図４に図示した多段増幅器は、増幅段の数量に整合した数量の増幅器モジュールを有している。これらの増幅器モジュールの構成要素には図１の構成要素と同じ符号を付した。レーザークリスタル２に付設されているダイオードレーザーモジュール９は、増幅器のためのポンピング装置を形成している。個々のレーザーダイオードセル１０は電気的に有利にはシリアルに接続され、同じダイオード温度で作動する。
【００２９】
本実施形態では１個の増幅段ごとに設けられているレーザークリスタルに、複数個のレーザーダイオードセルを付設してもよい。他方、１個のレーザーダイオードセルにつき複数個のレーザークリスタルを備えた構成でもよい。結像要素のために設けられる位置調整手段１６ないし２２は、増幅器の位置調整状態を設定するために用いる。この位置調整状態は、焦点距離f_ｚｙｌによって決定される円筒レンズ８とサーマルレンズとの距離と同様に、サジタル面E_ｓａｇ内の強力なサーマルレンズの大きさに依存しないので、更なる整合、特にダイオード電流変化時の整合は必要ない。
【００３０】
図１のモード整合は円筒レンズを用いて増幅器モジュールに対し入口側しか行われていないが、装置の対称性に基づき、出口にも円筒レンズ望遠鏡２３の形態で適当なモード整合部を設けて、入口と出口で互いに対称な光線を生じさせてもよい。レーザークリスタル２はその破壊限界よりもかなり下の値で作動するが、適当な取り付け技術、たとえば蝋付け、インジウムプレス、または接着でヒートシンク２４上に固定されている。
【００３１】
図４の多段増幅器は、図５ないし図８に図示したビーム特性を有している。図示していない発振器からの距離に依存して、サジタル面E_ｓａｇ内でのレーザー光線１のビーム径は主に円筒レンズ８の作用によって決定される（図５）。円筒レンズ８の作用が強ければ強いほど、システムの揺らぎは小さい。球面凸状に構成された折畳みミラー１５の影響は、接平面E_ｔａｎ内の長いミラー焦点距離とサジタル面E_ｓａｇ内の円筒レンズ８の短い焦点距離との大きな焦点距離比により十分に補正されている。サジタル面E_ｓａｇ内の強力なサーマルレンズTL_ｓａｇは、レーザークリスタル２内でのビーム伝播（図６）および増幅器の出口におけるビーム伝播（図７）に悪影響を及ぼさない。両ケースとも、強力なサーマルレンズTL_ｓａｇの焦点距離の変化により、ビーム径の変動はわずかである。
【００３２】
図８によれば、接平面E_ｔａｎ内で円筒レンズ望遠鏡６によって拡大したレーザー光線１は弱いサーマルレンズTL_ｔａｎを透過し、その際球面凸状に構成された折畳みミラー１５により修正が行なわれる。増幅器出口では、円筒レンズ望遠鏡２３により対称化が行なわれる。なお接平面E_ｔａｎ内では、低速軸のポンピング光線のクオリティは著しく悪化している。
【図面の簡単な説明】
【図１】増幅器モジュールの構成図である。
【図２】増幅器モジュール内の光路をサジタル面で示した図である。
【図３】増幅器モジュール内の光路を接平面で示した図である。
【図４】４個の増幅器モジュールからなる４段増幅器を示す図である。
【図５】図４の増幅器におけるサジタル面内でのビーム径の変化を示すグラフである。
【図６】図４の増幅器のレーザークリスタル内でのビーム径とサジタル面内でのサーマルレンズの強さとの関係を示すグラフである。
【図７】図４の増幅器の増幅器出口におけるビーム径とサジタル面内でのサーマルレンズの強さとの関係を示すグラフである。
【図８】図４の増幅器の接平面内でのビーム径の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ レーザー光線
２ レーザークリスタル
３,４ 光線通過面
５ ポンピングミラー
６ 円筒レンズガリレイ型望遠鏡
７ 折畳みミラー
８ 円筒レンズ
９ ダイオードレーザーモジュール
１０ レーザーダイオードセル
１１ コリメーション光学系
１２ λ／２位相遅延プレート
１３ 非球面体
１４ 銅体
１５ 折畳みミラー
１６ないし２２ 位置調整手段
２３ 円筒レンズ望遠鏡
２４ ヒートシンク

Claims (14)

1. 少なくとも１つのレーザー活性固体媒体を備え、
   増幅対象であるレーザー光線がレーザー活性固体媒体を透過する際にポンピング光線にモードを整合せしめられ、
   楕円形状のポンピング光線が入射することにより、レーザー活性固体媒体内にポンピング光線の入射方向と平行で互いに垂直な面内において強さが異なるサーマルレンズが形成される、
   ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器において、
   前記レーザー光線のビーム（１）が、強いサーマルレンズ（TL）をもった面内において合焦するようにレーザー活性固体媒体の中へ指向しており、その際に形成されるビームウェストが前記強いサーマルレンズの領域にあることを特徴とするレーザー増幅器。
2. ポンピング光線源として少なくとも１つのレーザーダイオードセル（１０）を使用し、高速軸をコリメートするための手段と、互いに垂直な面内に異なる強さで形成されるサーマルレンズ（TL）を生じさせるために楕円形状にダイオード光線を合焦させるための手段とが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー増幅器。
3. ポンピング光線の偏光を調整するため、ポンピング光線源がλ／２位相遅延プレート（１２）を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載のレーザー増幅器。
4. ポンピング光線が、レーザー活性固体媒体の、ポンピング光線源側のビーム通過面（４）を介して、レーザー光線が、レーザー活性固体媒体の、前記ビーム通過面（４）に対向しているレーザー光線源側のビーム通過面（３）を介して、それぞれレーザー活性固体媒体の中へ指向され、ポンピング光線源側のビーム通過面（４）がレーザー光線の波長に対し高反射性があるように構成され、これによりレーザー光線は反射後新たにレーザー活性固体媒体と合焦要素とを透過することを特徴とする、請求項３に記載のレーザー増幅器。
5. 増幅器の入口に、弱いサーマルレンズを備えた面内でレーザー光線を拡大させるための光学要素が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載のレーザー増幅器。
6. 前記光学要素として円筒レンズガリレイ型望遠鏡（６）を用いることを特徴とする、請求項５に記載のレーザー増幅器。
7. 前記光学要素としてアナモルフィックプリズム対を用いることを特徴とする、請求項５に記載のレーザー増幅器。
8. レーザー光線の光路内に、１つの面内にある弱いサーマルレンズを増幅器出口で補償するための少なくとも１つの結像要素が設けられていることを特徴とする、請求項６または７に記載のレーザー増幅器。
9. 前記結像要素が、増幅器出口に配置され折畳みミラー（１５）として構成された円筒鏡であることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー増幅器。
10. 前記結像要素が、増幅器出口に配置され折畳みミラー（１５）として構成された球面鏡であることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー増幅器。
11. 前記結像要素が、レーザー活性固体媒体から放出されるレーザービームの光路内に配置される長焦点距離の凸状円筒レンズであることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー増幅器。
12. 前記結像要素が、レーザー活性固体媒体から放出されるレーザービームの光路内に配置される長焦点距離の球面レンズであることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー増幅器。
13. レーザー活性固体媒体が、０．５％のドーピングを施したNd：YVO_４結晶であることを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか一つに記載のレーザー増幅器。
14. ポンピング波長が８０３nmないし８０９nmの範囲にあることを特徴とする、請求項１３に記載のレーザー増幅器。

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