JP4486664B2 - 高いパルス繰返し数のレーザ光を増幅するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に言えばレーザ光増幅のためのシステムと方法に関する。さらに詳細に言えば、本発明は、高いパルス繰返し数と、改良されたポインティグ安定度と、『材料の非破壊レーザ超音波検査を含む種々の利用のための』オプションの可変パルス繰返し数とを提供する、固体レーザから放射されるレーザ・ビームの増幅を得るシステムと方法に関する。

種々の応用において、レーザ光を増幅することが要求される。単一モード光ファイバを用いるような長距離通信に対する応用では、減衰した信号レベルを増強するための光中継器／光増幅器が要求されることがしばしばある。材料を処理する応用では、種々の材料の切断および材料の表面を作成するといった機能を実行するために、非常に高いパワーのレーザ光が要求されることがある。強力なエネルギのレーザ光パルスが要求される応用では、時間的に変化する光増幅またはレーザ光の強度変調のいずれかを得るために、いくつかの構成体が用いられる。

レーザ・ビームを増幅する１つの方法は、その光利得が光ポンピングによって制御することができるレーザ媒体を用いることである。固体レーザ媒体の光ポンピングは、高利得が要求されるレーザ応用に対して、エネルギ状態の反転分布を生ずるのに用いられる普通の方法であり、従来からの方法である。光ポンピングされる時に高利得が得られるレーザ媒体は、モリブデン・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ³⁺：ＹＡＧ）、ネオジウム・ガラス（Ｎｄ³⁺：ガラス）、エルビウムが添加された光ファイバ（Ｅｒ³⁺：シリカ）またはルビー・ロッド（Ｃｒ³⁺：Ａｌ₂Ｏ₃）のような材料で構成することができる。これらの材料は、高利得レーザ媒体の候補のほんのいくつかの例であって、光ポンピングされる時、エネルギ状態の反転分布を保持することができる任意の適切な材料が光増幅器としての役割を果たすことが可能であることは、当業者には理解されるである。Ｎｄ³⁺：ＹＡＧを用いたレーザ媒体がよく利用される。この材料は、1.064 μｍの領域の付近の要求された波長の近くで大きな光利得を与える。それに加えて、当業者には周知であるその４準位遷移システムが与えられるならば、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザ媒体により反転分布に関してポンピング繰返し数の線形性が得られる。

光ポンピングにより反転分布を有するレーザ媒体の全体を飽和させるための従来の方法は、レーザ媒体の表面にわたってレーザ・ダイオードの大きなアレイを分布させて、ポンピング・アレイを形成することである。このポンピング・アレイの個々のレーザ・ダイオードから放射される光がレーザ媒体を励起し、高利得レーザ媒体の中の光ポンピングされて反転した分布のエネルギ遷移準位に対して、例えば、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧに対しては 1.064μｍの付近で、Ｎｄ³⁺：ガラスに対しては1.06μｍの付近で、Ｃｒ³⁺：Ａｌ₂Ｏ₃に対しては0.6943μｍの付近で、Ｅｒ³⁺：シリカに対しては1.55μｍの付近で、非常に高い光利得が得られる。

レーザ光の増幅を実行し、光パルスを発生する総合的な方式は、レーザ媒体の利得スイッチングを利用する。高エネルギのパルス動作をするレーザ・ビームを得るこの方法は、その中をレーザ・ビームが伝搬する高利得レーザ媒体に時間的に変化する利得を生ずるために、高利得レーザ媒体それ自身の光ポンピングがパルス動作をされる。このことにより、時間的に変化する方式で光ポンピングされている高利得レーザ媒体の中をもとのレーザ光源からの光が伝搬した後、パルス動作をする出力レーザ・ビームが得られる。

光ポンピング・サイクルは、おのおの、光ポンピングにより十分なエネルギ状態の分布を本質的に発生させる遷移を起こさせることにより、高利得レーザ媒体に増幅のための閾値に到達させる。光ポンピングが開始する前は、エネルギ状態の分布は、最初は閾値以下にあり、光増幅は起こらない。高利得レーザ媒体がしばらくの間、増幅モードで動作した後、光ポンピングがオフにスイッチされ、エネルギ状態の分布は、その後は消滅する。光ポンピングをオフにすることにより、分布は、閾値以下に降下し、光ポンピングが再び再開されてエネルギ状態の分布が再び閾値に到達するまで、光増幅は、中断される。このような方法により、レーザ光の増幅が起こることができるパルス動作の条件が得られる。このような方法は、高度に増幅されたレーザ・ビームを単に阻止する方法よりも好ましく、この設計の考察では電磁エネルギをシャッタ組立体の中に捨てることによる潜在的な損失エネルギを含む必要がない。この解決方法は、電子的であって、機械的シャッタ・システムに対する機械部品がなんら組み込まれていないという事実により、多くのその他の利点は、固有のものである。

電子的な解決法を得る別の方法は、高利得レーザ媒体の連続した光ポンピングを保持するために、高エネルギ・パルス動作レーザ・ビームを発生することであり、高利得レーザ媒体の損失係数を変調することである。このような損失スイッチングを実行する１つの方法は、高利得レーザ媒体の後に続く光共振器キャビティの中に配置された光吸収体を電子的に変調することである。このような構成体により、光ポンピングが起こる繰返し数を制御するのとは異なって、高利得レーザ媒体を通って進行するレーザ光の損失をユーザが制御することが可能である。当業者は、レーザ・ビームの強度変調を実行するために電気光結晶の電気的な変調を含み、高利得レーザ媒体の中に含まれるレーザ光の損失スイッチングを実行するための種々の方法を思い出すことができる。

このような方法は、光共振器の閾値エネルギ状態の分布の差が共振器の損失係数に比例するので、利得スイッチング法を延長した１つの方法である。この方法では、高利得レーザ媒体の光損失が発振を保持するのを妨げる程に大きい時、損失係数が変調されて断続する周期が得られる。その結果、発振を保持するための増大したエネルギ状態閾値分布が生じ、高利得レーザ媒体の増大した損失が与えられる。高利得レーザ媒体の損失係数が増大しない発振に対して、エネルギ状態の分布が十分に高くても、損失係数が増大した期間中に、光増幅は、発生できない。

パルス動作サイクルの損失係数の遷移の期間中、損失が突然に減少する時、減少した光損失からの結果、エネルギ状態の分布が減少することを開始する。損失係数が最小である間、エネルギ状態の分布が発振のための閾値条件を越える期間中、高利得レーザ媒体は、レーザ光を増幅する。しかし、分布が減少を続ける時、損失係数が変調サイクルの期間中にその最小値にある時間間隔に対応する発振に対し、分布は、新しく達成されたエネルギ状態閾値以下に最終的に降下する。

高利得レーザ媒体の利得係数または損失係数のいずれかの電子的スイッチングを実行するこれらの方法は、フラッシュ・ランプ光ポンピングを用いることが多い。光ポンピングを実行するために、このような光源を用いることは、レーザ光のパルスを得る際に光ポンピングを実行しなければならないレーザ・ビームの最大パルス繰返し数および強度を含む高利得レーザ媒体の特性を大幅に制限する好ましくない効果をもたらす。このような固有の問題点は、高いパルス繰返し数を必要とし、限定されたパワー供給を受けている応用に対して、重要な問題点をもたらすことがある。

光ポンピングを行うのにフラッシュ・ランプを用いることによってもたらされるまた別の問題点は、フラッシュ・ランプで発生される光のスペクトル幅が大きいくて、フラッシュ・ランプで発生される光の大部分がエネルギ状態の反転分布を発生するのに役立っていなく、非常に非効率的であることが立証されていることである。反転分布を発生するのに要求されるスペクトル密度領域の外側のフラッシュ光は、高利得レーザ媒体の中で加熱という形で単に失われる。高利得レーザ媒体のこの加熱それ自身が、ビーム・ポインティング・エラーおよび自己収束を含む好ましくない効果を生ずることがある。高利得レーザ媒体のこの加熱は、固体結晶の破壊をもたらすようなレベルにまで増大することがあり、それにより最大ピーク・パワーまたは平均パワーが限定される。

レーザ増幅器をスイッチングすることができるパルス繰返し数は、光ポンピングを行うフラッシュランプの物理的性質によって制限される。フラッシュランプの電気的スイッチングは、フラッシュランプそれら自身に付随する加熱の問題点を伴うことが多い。パルス繰返し数のこの上限は、閾値を越えた反転エネルギ状態分布を発生するためにフラッシュランプが動作しなければならない強度レベルによって部分的に決定される。例えば、もし着目しているエネルギ遷移がフラッシュランプのスペクトル密度の周辺の近くにあるならば、反転分布を発生するために非常に高いパワー・レベルでフラッシュランプが動作することが必要である。このような状態は、フラッシュランプそれら自身の過大加熱を避けるために、パルス繰返し数のデューティ・サイクルを少なくとも制限することができる。それに加えて、フラッシュランプが光ポンピングを開始する前に、フラッシュランプは、始動時定数を本来的に有する。フラッシュランプは、フラッシュランプを駆動する電気信号の立上がり遷移には瞬間的には応答しない。その結果、光増幅器の最大パルス繰返し数は、フラッシュランプの始動に対応する時定数によって限定される。フラッシュランプの固有のこの応答限界による別の結果は、このようなレーザ増幅システムを用いて発生することができるパルスの幅に及ぼす下限である。このような問題点は、フラッシュランプをオンおよびオフにスイッチすることができる速度を限定するフラッシュランプの同様な特性から生ずる。発生することができる最小パルス幅は、フラッシュランプの始動時定数とオフになった時にフラッシュランプからの放射の消失減衰との考察を含めて、フラッシュランプがオンになることができおよび、オフになることができる最小時間によって規定されることが多い。

本発明は、『材料の非破壊レーザ超音波検査および種々の他の利用のために、高いパルス繰返し数と、改良されたポインティング安定度と、オプションの可変パルス繰返し数とを生じ、固体レーザからのレーザ・ビームを増幅するシステムと方法を得るために、高速レーザ誘起超音波を検出する従来のシステムおよび方法の問題点および限界を解決および除去する。

（発明の開示）
本発明の１つの特徴に従い、低増幅シード・レーザ光信号を発生する段階を含み、高いパルス繰返し数で増幅されたレーザ・ビームを発生する方法が得られる。この方法は、さらに、低増幅シード・レーザ光信号を増幅部品に伝送する段階を有する。この低増幅シード・レーザ光信号は、ポンピング・ダイオードにより得られる分布反転による誘導放射によって、増幅部品の中で増幅される。この増幅段階により、増幅されたレーザ光信号が得られる。次に、この増幅されたレーザ光信号は、出力行先きに向けて進行する。

本発明により、増幅によって誘起される歪みを最小限にすることによってレーザ光の物理的性質を保持したまま、固体レーザからのレーザ光を増幅するシステムおよび方法が得られる。要求された線幅を有する単一縦モードを備えた要求された物理的性質を有するシード・レーザは、高利得レーザ媒体の中を通る。この高利得レーザ媒体は、この高利得レーザ媒体にわたって分布するレーザ・ダイオードのポンピング・アレイを用いて、光学的にポンピングされる。このポンピング・アレイを駆動する電流は、時間的に変化する信号であることができ、したがって、このレーザ媒体の中で時間的に変化する光利得およびレーザ作用条件が得られる。次に、増幅されたこのレーザ・ビームは、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイを駆動する電流を構成する時間的に変化する信号の周波数に対応するパルス繰返し数でパルス動作をすることができる。

本発明は、非常に安定した中心周波数と線幅とを有する単一縦モードを要求することが多い光干渉法を含む応用のように、特別に細いスペクトル密度、すなわち特別に純粋なスペクトル密度を要求する応用に用いることができる。要求された強度レベルとデューティ・サイクルとパルス繰返し数とを有するレーザ光のパルス・ストリームを発生するために、最初のシード・レーザの純粋度が増幅されるような応用に対しては、レーザ光が反射されてシード・レーザ光源の中に戻るのを最小限にするために、光アイソレーション組立体を用いることができる。好ましくない寄生フィードバックは、シード・レーザ光源に悪い影響を及ぼし、その結果、振幅ノイズと多重モード動作とを含むシード・レーザの特性の劣化もたらすことがある。スペクトルが純粋であるレーザ・ビームを要求する応用に対して、このような効果は、大きな損害をもたらすことがある。もとの光源の中に戻ってくる反射を最小限にするレーザ・ビームの光アイソレーションを得るための当業者には周知の１つの従来の方法は、ファラデ旋光器と２つの偏光器とを用いる方法である。この方法では、ファラデ旋光器によって得られる偏光した光波の非相反的回転を用いることにより、光アイソレーション組立体を光が一方向にだけ伝搬することが得られる。

高利得レーザ媒体を１回だけ通過するよりももっと大きな増幅を得るために、増幅されパルス動作するレーザ・ビームを進め、または高利得レーザ媒体を多数回通過させるように、もとのレーザ・ビームのビーム・スプリットを得るための付加的な光アイソレーション組立体を本発明の中に組み込むことができる。

本発明により、超音波検出を実行するために光干渉法の中で用いるために要求される中心周波数と線幅とを含むもとのシード・レーザと同様の物理的性質を有する増幅され、パルス動作するレーザ・ビームが発生される。それに加えて、光干渉システムの中での検出のダイナミック・レンジを拡大するために、パルス動作し、増幅されたレーザ・ビームを変調することができる。レーザ・ビームの強度変調を得るために、当業者には周知であるように、ポッケル・セル結晶またはカー効果結晶で構成される電気光変調器を用いることができる。

本発明により、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイを用いて高利得レーザ媒体の光ポンピングを実行することによって、重要な技術的な利点が得られる。この方法により、レーザ媒体に対する光学的に誘起される加熱を最小限にするために、適切なレーザ・ダイオードを用いることによって選定された非常に狭い波長領域の中で光ポンピングを行うことが可能である。ポンピング・アレイを構成するレーザ・ダイオードを適切に選定することにより特定の波長領域の中で光学的ポンピングが行われるように選択することができるという主として事実により、それによって高利得レーザ媒体が着目しているエネルギ遷移レベルの外側の光ポンピングの放射で照射されることにより大幅な加熱を受けないという主として事実により、この利点が得られる。

本発明により、多数のレーザ・ダイオードで構成されるポンピング・アレイを用いて光ポンピングを実行することによって、結果として得られる増幅されたパルス動作をするレーザ・ビームのパルス繰返し数を最大にすること、およびパルス幅を制御することに対して、別の技術的利点が得られる。本発明に対する最大パルス繰返し数は、レーザ・ダイオードをオンおよびオフにすることができる速度によっておよび許容されるデューティ・サイクルによってほぼ決定される。

本発明により、シード・レーザ・ビームの増幅によって誘起される歪みを最小限にすることによって、別の技術的利点が得られる。光干渉法を含む多くの応用は、均一な波面と良好なポインティング安定度とを備えた高度に増幅されたビームを要求する。

本発明により、出力レーザ・ビームの強度変調を提供することにより、それによって干渉システムの検出のダイナミック・レンジを拡大することにより、また別の技術的利点が得られる。

添付図面を参照しての下記説明により、本発明およびその利点をさらに完全に理解することができる。添付図面において、同様な部品には同一な参照番号が付されている。

（本発明を実施する態様）
本発明の実施例が添付図面に示されている。これらの図面において、同様な部品および対応する部品には同一な参照番号が付されている。

本発明により、レーザ光の物理的性質を保持しおよび増幅により誘起される歪みを最小にしながら、固体レーザからのレーザ光の増幅が得られるシステムと方法が提供される。要求された線幅を有する単一縦モードを備えた要求された物理的性質を処理するシード・レーザは、高利得レーザ媒体を通過する。このシード・レーザ光源の中心周波数は、非常にコヒーレントな光を必要とする光干渉法のような特定の応用の中で実施するために、適切に選定することができる。高利得レーザ媒体は、この高利得レーザ媒体にわたって分布するポンピング・レーザ・ダイオードのアレイを用いて、高利得レーザ媒体が光学的にポンピングされる。このポンピング・アレイを駆動する電流は、時間的に変化する信号であることが可能であり、したがって、その場合には、時間的に変化する光学的利得とレーザ媒体の中で時間的に変化するレーザ作用条件とが得られる。この場合、増幅されたレーザ・ビームは、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイを駆動する電流で構成される時間的に変化する信号の周波数に対応するパルス繰返し数でパルス動作を行うことができる。

図１Ａは、光アイソレータ１０を備えた偏光選択組立体を示した図である。光アイソレータの１つの典型的な構成では、レーザ・ビーム１８は、第１の偏光器１２を通過する。この偏光した光は、次に、ファラディ旋光器１４を通過する。このファラデ旋光器により、非相反的な方式で偏光した光を光学的に回転する。すなわち、ファラデ旋光器を通過した偏光した光は、この材料を通過するレーザ・ビームの伝搬方向にはかかわらず、１つの方向に、かつ、１つの方向にだけに回転する。例えば、ファラデ旋光器１４を通過するレーザ・ビーム１８は、レーザ・ビーム１８の矢印の方向に伝搬する時に時計回りに回転し、次にレーザ・ビーム１８の矢印と反対の方向に伝搬する時に時計回りに回転する。ファラデ旋光器１４は、当業者には周知の部品である。ファラデ旋光器１４は、イットリウム・鉄ガーネット（ＹＩＧ）またはテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）を含む多数の材料で構成することができる。

第１の偏光器１２は、入力１８からのＰ状態の光だけを透過する。ファラデ旋光器１４を通過した後、レーザ・ビーム１８は、45°回転する。ファラデ旋光器の後に半波長板１６が配置される。半波長板１６により、ファラデ旋光器１４とは反対の方向に偏光面を付加的に45°回転する。矢印の方向に進行するＰ状態に偏光した光の正味の回転は、ゼロである。半波長板とその作用は、当業者には十分に周知である。光アイソレータ１０を通してレーザ・ビーム１８の矢印の方向に進行するＰ状態に偏光した光は、その進行を妨げられることはないが、光アイソレータ１０を通してレーザ・ビーム１８の矢印と反対の方向に進行する光（ランダムな散乱による偏光していない光）は、その進行が阻止される。このことは、ファラデ旋光器が偏光した光ビームの非相反的角度回転を示すという事実により生ずる。レーザ・ビーム１８の矢印の方向と反対の方向に進行する光は、偏光器１２によって偏光され、次に半波長板１６を通り、次にファラデ旋光器１４を通って、正味で90°回転する。ファラデ旋光器１４は、２つの偏光器１２の間で角度差の半分だけ光を回転させる。したがって、レーザ・ビーム１８の矢印の方向と反対の方向に進行する光が偏光器の透過軸に垂直である入射角において、もとの第１の偏光器１２に到達する時、光アイソレータ１０により反射されて戻ることが完全に阻止される。実効的には、光アイソレータ１０は、光ダイオードまたは阻止弁の役割を果たす。

図１Ｂは、偏光選択サーキュラ組立体を示した図である。この偏光選択サーキュラ組立体は、４ポート光デバイス１１で構成され、レーザ・ビームの偏光選択進路指定が得られる。レーザ・ビーム１８は、偏光ビーム・スプリッタ１７に入射する。偏光ビーム・スプリッタ１７では、偏光ビーム・スプリッタ１７の１つの軸に整合した偏光は、透過し、偏光ビーム・スプリッタ１７の１つの軸に整合していない偏光は、拒否される。偏光ビーム・スプリッタ１７を透過するレーザ・ビーム１８の部分は、次にファラデ旋光器１４を通り、次に半波長板１６を通ってレーザ・ビーム１８を進める。別の偏光ビーム・スプリッタ１７を用いて、レーザ・ビーム１８の残りの部分を利得路レーザ・ビーム１３と開口路レーザ・ビーム１５とを有する２つの部分成分に再び進める。４ポート光デバイス１１を用いて、レーザ・ビーム１８の矢印の方向と反対の方向に反射して戻るのを最小にしながら、光回路の中の種々の方向にレーザ・ビーム１８の成分を操縦することを得ることができる。

図２は、レーザ光源２０の第１の構成体を示した図である。この構成体により、光フィードバックを防止し、半波長板を回転することによりレーザ光の強度変化を変えることができる。レーザ光源２２は、連続波動作で動作する単一縦光源で構成することができる。レーザ光源２２から放射されたレーザ・ビーム１８は、本来的に大幅に偏光しており、半波長板１６は、光アイソレータ１０の中に含まれる偏光器１２の予め定められた軸に沿って、その偏光を整合することが可能である。このような構成体を用いて、レーザ光源２２の中にレーザ光が反射して戻ってくる好ましくないすべての寄生する後方反射光を最小限にする。この反射して戻ってくる光は、レーザ光源２２の波長のドリフトおよび線幅の増大のような悪い影響を生ずることがある。半波長板１６は、レーザ光源２２を出て、この光システムの中を進行するレーザ・ビーム１８の強度を変えるために、偏光器１２の種々の入射角に角度的に整合することができる。当業者には容易に分かるように、多数の光アイソレータ１０をカスケードに連結して用いることにより、レーザ光源２２の中に光が反射されて戻ってくる可能性をさらに減少させることができる。

図３は、レーザ光源３０の別の構成体を示した図である。この構成体により、光フィードバックを防止し、電気光変調器を用いてレーザ光の強度変化を変えることができる。光アイソレータ１０を用いて、反射された光がレーザ光源２２の中に入ってくるのが防止し、前記で説明した好ましくない効果を防止することができる。それに加えて、光ビーム１８が次に光回路の残りの部分を光が進行する時、レーザ・ビーム１８の強度を変調するために強度変調器３２を光アイソレータ１０の前または後のいづれかに配置することができる。当業者には容易に分かるように、種々の電気光変調器は、一次の電気光効果を用いたポッケルス効果素子および二次の電気光効果を用いたカー効果素子を含む強度変調器３２の機能を果たす。ポッケルス・セルに対する材料の最も普通の候補の材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）である。

図４は、本発明の１つの可能な実施例を示した図である。この実施例は、４パス・デュアル・ロッド（シングル・ロッドまたは「ｎ」ロッドであることもできる。デュアルは、単に１つの例である）レーザ媒体パルス動作レーザ光源４０で構成される。けれども、他の考察を指示することができるように、光源４０は、１つのロッドまたは多数のロッドで作成することができることに注目される。この実施例に示されているように、レーザ光源２０は、レーザ・ビーム１８を放射し、このレーザ・ビーム１８は、アイソレータ１０を通過し、第１のミラー４２を用いてビーム拡大器４６を通るように進む。ビーム拡大器４６は、レーザ・ビーム１８のビーム幅を拡大する。レーザ・ビーム１８は、自由空間中を本来的にガウス的性質で伝搬するので、レーザ・ビーム１８のビーム幅の拡大によりレーザ・ビーム１８の発散が最小になる。次に、レーザ・ビーム１８は、４ポート光デバイス１１を通る。４ポート光デバイス１１の中で、レーザ・ビーム１８は、利得路レーザ・ビーム１３に進む。この利得路レーザ・ビーム１３は、２つの高利得レーザ媒体４８を通過し、その後、位相補正板およびファラデ旋光器４９を通る。ここでは、レーザ・ビーム１８の直線偏光は、45°回転する。

典型的な場合には、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧのような半導体材料は、レーザ・ビームがそれらを通る時レーザ・ビームの偏光状態を劣化させる可能性があるが、Ｎｄ³⁺：ガラスのようなガラス材料で構成される高利得レーザ媒体４８は、本来的にアモルファスであり、非複屈折性の媒体である。光学的に複屈折性の高利得レーザ媒体の場合には、位相補正のために調節可能な波長板を用いることにより、システムの特性を改良することができる。位相補正板は、熱的に誘起されることのあるロッドのすべての複屈折を補正する。高利得レーザ媒体４８は、光学的にポンピングされる時、エネルギ状態の反転分布を保持する任意の材料で構成することができる。次に端ミラー４４で反射され、次にファラデ旋光器４９を通り、そこで再び付加的に45°回転し、もとのレーザ・ビーム１８の偏光に対して直交する。

次に、この反射されたレーザ・ビームは、高利得レーザ媒体４８を２回目の通過を行い、４ポート光デバイス１１の中に入る。４ポート光デバイス１１の中では、レーザ・ビームは、開口路レーザ・ビーム１５の方向に進み、次にミラー４２で反射されて開口部４３を通る。開口部４３は、利得媒体からの増幅された自然放射が原因となって生ずる自己発振を最小限にするのに役立つ。レーザ・ビーム１５は、端ミラー４４で反射されて、その経路を戻り、４ポート光デバイス１１に向かって進む。４ポート光デバイス１１では、第３のパスのために高利得レーザ媒体４８を再び通るように進む。その後、レーザ・ビームは、ファラデ旋光器４９を通り、端ミラー４４に進む。レーザ・ビームは、端ミラー４４で再び反射されてファラディ旋光器４９を通って進み、高利得レーザ媒体４８を通るその第１のパスにおけるもとの利得経路レーザ・ビーム１３と同じ直線偏光に変換される。次に、利得経路レーザ・ビーム１３は、高利得レーザ媒体４８を４回目にとおり、４ポート光デバイス１１の中に進む。４ポート光デバイス１１では、出力レーザ・ビーム１９の方向に進んで出力する。

高利得光媒体４８のおのおのは、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイ５１を用いて光学的にポンピングされ、それによりエネルギ状態の反転分布を生ずる。レーザ・ダイオードのポンピング・アレイ５１は、ポンピング・アレイ５１のレーザ・ダイオードを動作させるための電流を供給するダイオード駆動装置５２によって駆動される。増幅されたレーザ光のパルスを発生するために、トリガ信号５４が用いられてダイオード駆動装置５２が駆動され、それによりポンピング・アレイ５１が動作する。出力レーザ・ビーム１９がパルス動作をするパルス繰返し数は、ダイオード駆動装置５２をパルス動作させるのに用いられるトリガ信号５４の周波数によって主として直接的に支配される。光ポンピングをスイッチングすることにより高利得レーザ媒体４８の利得スイッチングが得られ、それはレーザ光の増幅が起こる条件のパルス動作を得るのに役立つ。その結果、増幅されたパルス動作をする出力レーザ・ビーム１９が得られる。

図５は、本発明の別の可能な実施例を示した図である。この実施例は、例えば、デュアル・パス・デュアル・ロッドのレーザ媒体のパルス動作レーザ光源５０を有する。この実施例は、４パス・デュアル・ロッド・レーザ媒体パルス動作レーザ光源４０に非常によく似ている。その主要な相違点は、４ポート光デバイス１１が存在せず、それが１つの偏光ビーム・スプリッタ１７で置き換えられていることである。

図６は、本発明の別の可能な実施例を示した図である。この実施例は、例えば、４パス・単一スラブ・レーザ媒体パルス動作レーザ光源６０を有する。この実施例は、レーザ・ビーム１８を放射するレーザ光源２０を有する。レーザ・ビーム１８は、アイソレータ１０でもってフィードバックすることから隔離され、ビーム拡大器４６によってレーザ・ビーム１８のビーム幅が拡大される。このレーザ・ビーム１８のビーム幅が拡大することにより、与えられた本来的なガウス型の性質で自由空間を伝搬する時のレーザ・ビーム１８の発散が最小限になる。次に、レーザ・ビーム１８は、偏光ビーム・スプリッタ１７を通る。偏光ビーム・スプリッタ１７の中では、偏光ビーム・スプリッタ１７の１つの軸に整合した偏光は、通過し、偏光ビーム・スプリッタ１７の１つの軸に整合していない偏光は、方向を変えて出力レーザ・ビーム１９の方向に進む。偏光ビーム・スプリッタ１７を通過するレーザ・ビーム１８の部分は、次にファラデ旋光器１４を通り、その後、半波長板１６および第２の偏光器１７を通って、レーザ・ビーム１８は、高利得レーザ媒体４８に向かって進む。表面がほぼブリュースタ角度にあるために、高い効率でＰ状態光が通過するようにスラブが設計される。高利得レーザ媒体４８は、光学的にポンプされた時にエネルギの反転分布を保持する任意の材料で構成することができる。次に、レーザ・ビームは、反射ミラー４２で反射される。この反射されたレーザ・ビームは、次に、第２の反射ミラー４２で反射され、高利得レーザ媒体４８を２回目に通過し、レーザ・ビーム１５の方向に進み、次に端ミラー４４で反射されてから高利得レーザ媒体４８に戻るように進んで３回目の通過を行う。次に、ミラー４４で再び反射されて高利得レーザ媒体４８を通過する経路を再び進み、４回目の通過を行う。予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合するために偏光器１７および半波長板を通る。次に、レーザ・ビーム１８はファラデ旋光器１４を２回目に通る。ファラデ旋光器１４を通って進行した後、レーザ・ビーム１８は、もとのレーザ・ビームに直交するように回転されている。レーザ・ビーム１８は、偏光ビーム・スプリッタ１７に入り、そこで出力レーザ・ビーム１９の方向に進んで外部に出力される。

この実施例では、高利得光媒体４８は、おのおの、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイ５１を用いて光学的にポンプされ、それによりエネルギ状態の反転分布が生成される。レーザ・ダイオードのポンピング・アレイ５１は、２つのポンピング・アレイ５１のレーザ・ダイオードを動作させるために電流を供給するダイオード駆動装置５２によって駆動される。増幅されたレーザ光のパルスを発生するために、トリガ信号５４が用いられてダイオード駆動装置５２を駆動する。ダイオード駆動装置５２は、レーザ・ダイオードのポンピング・アレイ５１を動作させる。出力レーザ・ビーム１９がパルス動作を行うことができるパルス繰返し数は、ダイオード駆動装置５２をパルス動作させるのに用いられるトリガ信号５４の周波数によって主として直接的に支配される。光ポンピングのスイッチングにより高利得レーザ媒体４８の利得スイッチングが得られ、このことは、レーザ光増幅が起こることができる状態のパルス動作を得るのに役立つ。その結果、増幅されそしてパルス動作をする出力レーザ・ビーム１９が得られる。

図７は、本発明の別の可能な実施例を示した図である。この実施例は、４パス・デュアル・スラブ・レーザ媒体のパルス動作レーザ光源７０を有する。この実施例は、図６の実施例におけるのと同じ数のダイオードを用いた４パス・単一スラブ・レーザ媒体のパルス動作レーザ光源６０と非常によく似ている。その主要な相違点は、第２のスラブ・レーザ媒体４８が存在し、ミラー組立体７２（ミラーまたは被覆体のいづれか）が両方の高利得レーザ媒体４８の上に配置されている点である。この結果、図６のシステムよりも（１つのダイオード当たりの）効率がさらによく、第２のスラブという小さなコストが付加されるシステムが得られる。

図８は、本発明の別の可能な実施例を示した図である。この実施例は、８パス・単一スラブ・レーザ媒体のパルス動作レーザ光源８０を有する。この実施例は、４パス・単一スラブ・レーザ媒体のパルス動作レーザ光源６０に非常によく似ている。その主要な相違点は、高利得レーザ媒体４８を通してレーザ・ビームを進める複数の反射ミラー４２が存在し、ミラー組立体７２（ミラーまたは被覆体のいづれか）が高利得レーザ媒体４８の上に配置されている点である。

図９Ａは、本発明の別の可能な実施例を示した図である。図９Ａは、光ファイバ接続路を備えた増幅器５４のリモート・シーディングを有する。レーザ光源２０は、レーザ・ビーム１８を放射する。レーザ・ビーム１８は、光アイソレータ１０でもってフィードバックすることから隔離され、入力結合光学装置および偏光保持単一モード・ファイバ光学装置の中に進む。偏光保持単一モード光ファイバは、出力結合光学装置を備えた増幅器５４に結合される。（出力結合光学装置を備えない）増幅器５４は、図６に示された増幅器部分と同じである。図４、図５、図７または図８に示された増幅器の方法も用いることができる。レーザ・ビーム１８が結合されないことにより、増幅器５４の長期間の安定度が改良される。レーザ・ビーム１８が「ウオーク」するレーザであるが、なお光の一部分が偏光保持単一モード光ファイバの中に結合されるならば、その場合には増幅器５４の出力は、わずかな量だけ降下する。

図９Ｂは、本発明の別の可能な実施例を示した図である。図９Ｂは、内部変調器を備えたリモート・シーディングを表す。レーザ光源２０は、レーザ・ビーム１８を放射する。レーザ・ビーム１８は、光アイソレータ１０でもってフィードバックすることから隔離される。レーザ・ビーム１８は、振幅変調器、位相変調器および他のビーム／レーザ調節部品に入力される。偏光保持単一モード・ファイバ光学装置の中に入力される前に、レーザ・ビーム１８は、入力結合光学装置に入力される。レーザ・ビーム１８は、偏光保持単一モード・ファイバ光学装置から出力結合光学装置に出力される。レーザ・ビーム１８は、図６に示されたのと同様の方式で増幅される。図４、図５、図７または図８に示された増幅方法を用いることができる。

本発明により、光ポンピングを実行するためにレーザ・ダイオードを用いることによって、高利得レーザ媒体の加熱を最小限にすることを含むいくつかの利点が得られる。非常に狭い波長領域の中で動作するレーザ・ダイオードを用いることにより、必要なスペクトルの外側の電磁波は、従来の方法のように高利得レーザ媒体をほとんど照射しないので、光学的に誘起されるレーザ媒体の加熱は、最小限になる。

高利得レーザ媒体を光ポンピングするためにレーザ・ダイオードを用いることにより、高速パルス繰返し数および可変パルス繰返し数を可能にすることを含む付加的な利点が得られる。前に説明した方式で光増幅を実行することにより、本発明は、シード・レーザ・ビームの増幅によって誘起される歪みを最小限にする。したがって、もとのシード・レーザ・ビームの物理的性質は、増幅された出力ビームの中に結果として保持される。光干渉法を含む多くの応用は、高度に増幅されおよび純粋なスペクトルのレーザ・ビームを要求し、このようなレーザ・ビームは、本発明により得られる。本発明を用いた光干渉法の検出のダイナミック・レンジを大きくするために、出力レーザ・ビームの強度を変調することができる。

本発明が詳細に説明されたけれども、請求項に記載された本発明の範囲内において種々の変更、置換および代替が可能であることが理解される。

光アイソレータを備えた偏光選択組立体を示した図。 レーザ・ビームの偏光選択的進路指示を提供する４ポート光デバイスを備えた偏光選択的組立体を示した図。 半波長板を回転することによりレーザ光の光フィードバックを防止し、強度変化を変えることができるレーザ光源の構成体を示した図。 電気光変調器を用いてレーザ光の光フィードバックおよび強度変化を防止することができるレーザ光源の別の構成体を示した図。 ４パス・デュアル・ロッド・レーザ媒体パルス動作レーザ光源を備えた本発明の１つの可能な実施例を示した図。 ４パス・デュアル・ロッド・レーザ媒体パルス動作レーザ光源を備えた本発明の別の可能な実施例を示した図。 ４パス・単一スラブ・レーザ媒体パルス動作レーザ光源を備えた本発明の別の可能な実施例を示した図。 ４パス・デュアル・スラブ・レーザ媒体パルス動作レーザ光源を備えた本発明の別の可能な実施例を示した図。 ８パス・単一スラブ・レーザ媒体パルス動作レーザ光源を備えた本発明の別の可能な実施例を示した図。 本発明の別の実施例を示した図。 本発明のさらに別の実施例を示した図。

Claims (24)

1. レーザ・ビームを増幅し、高い最大パルス繰返し数を有するレーザ光の出力パルスを発生するシステムであって、
   所望のライン幅を有する連続レーザ・ビーム（１８）を提供するシード・レーザ光源（２０）と、
   レーザ・ビームの伝搬路に整列され、反射されたレーザ光がシード・レーザ光源にフィードバックすることを防止する少なくとも１つの光アイソレーション組立体（１０）と、
   レーザ・ビームの伝搬路に整列され、レーザ・ビームの第１の偏光状態を第１の伝搬方向におよびレーザ・ビームの少なくとも１つの別の偏光状態を少なくとも１つの別の伝搬方向に方向付け、レーザ・ビームの第１の偏光状態または少なくとも１つの別の偏光状態のいずれか１つの後方反射を最小限にする偏光選択組立体（１１）と、
   レーザ・ビームの第１の偏光状態または少なくとも１つの別の偏光状態のいずれかの伝搬路に整列された少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）を横断して分布した多数のレーザ・ダイオードを含み、少なくとも１つの高利得レーザ媒体を制御可能なパルス繰返し数で光学的にポンピングし、少なくとも１つの高利得レーザ媒体にエネルギ状態の反転分布を発生し、レーザ・ビームを増幅してレーザ光（１９）の出力パルスを発生する少なくとも１つのポンピング・アレイ（５１）であって、レーザ光の出力パルスの発生の繰り返し数は、高い最大パルス繰返し数を有するようなポンピング・アレイと、
   を含む前記システム。
2. 請求項１記載のシステムであって、さらに、
   多数のレーザ・ダイオード（５１）に電流を供給し、少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）を光学的にポンピングするダイオード駆動装置（５２）と、
   ダイオード駆動装置（５２）に制御可能な周波数でトリガ信号（５４）を供給し少なくとも１つのポンピング・アレイ（５１）に供給される電流をスイッチングする手段であって、トリガ信号の周波数は、電流をスイッチングする繰り返し数を制御することによって、少なくとも１つのポンピング・アレイのパルス繰返し数を制御して前記レーザ光の出力パルスの発生の繰り返し数を制御する前記手段と、
   を含む前記システム。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のシステムであって、
   少なくとも１つの光アイソレーション組立体（１０）は、
   レーザ・ビームを偏光する第１の偏光器（１２）と、
   レーザ・ビームの非相反角回転を提供するファラデ旋光器（１４）と、
   第２の偏光器の予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合させる半波長板（１６）と、
   を含む前記システム。
4. 請求項１−３のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）を経てレーザ・ビームを反射して偏光選択組立体（１１）に戻す端部ミラー（４４）を含み、前記偏光選択組立体は、
   レーザ・ビームの伝搬路の偏光ビーム・スプリッタ（１７）と、
   レーザ・ビームの伝搬路に沿って偏光ビーム・スプリッタ（１７）と端部ミラーとの間に配置されたファラデ旋光器（１４）と、
   を含む前記システム。
5. 請求項１−３のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   少なくとも１つの高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームを反射して偏光選択組立体に戻す端部ミラーを含み、前記偏光選択組立体は、
   レーザ・ビームの伝搬路の偏光ビーム・スプリッタと、
   レーザ・ビームの伝搬路に沿って偏光ビーム・スプリッタと端部反射ミラーとの間に配置された四分の一波長板と、
   を含む前記システム。
6. 請求項１−３のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   少なくとも１つの高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームを反射して偏光選択組立体に戻す少なくとも１つの端部ミラーを含み、前記偏光選択組立体は、
   レーザ・ビームの伝搬路の第１の偏光ビーム・スプリッタと、
   第１の偏光ビーム・スプリッタに続くレーザの伝搬路にレーザ・ビームの非相反角回転を提供するファラデ旋光器と、
   第２の偏光ビーム・スプリッタの予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合させるレーザ・ビームの伝搬路の半波長板と、
   レーザ・ビームの伝搬路に沿って第２の偏光ビーム・スプリッタと少なくとも１つの端部反射ミラーとの間に配置された四分の一波長板と、
   を含む前記システム。
7. 請求項１−３のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   少なくとも１つの高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームを反射して偏光選択組立体に戻す少なくとも１つの端部ミラーを含み、前記偏光選択組立体は、
   レーザ・ビームの伝搬路の第１の偏光ビーム・スプリッタ（１７）と、
   第１の偏光ビーム・スプリッタに続くレーザの伝搬路にレーザ・ビームの非相反角回転を提供するファラデ旋光器（１４）と、
   第２の偏光ビーム・スプリッタ（１７）の予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合させるレーザ・ビームの伝搬路の半波長板（１６）と、
   レーザ・ビームの伝搬路に沿って第２の偏光ビーム・スプリッタと少なくとも１つの端部反射ミラーとの間に配置された少なくとも少なくとも１つの別のファラデ旋光器と、
   を含む前記システム。
8. 請求項１−７のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   レーザ・ビームの発散を最小限にするビーム拡大器（４６）を含む前記システム。
9. 請求項１−８のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
   レーザ光増幅システムを通してレーザ・ビームを方向付けおよび反射する複数のミラーを含む前記システム。
10. 請求項１−９のいずれかに記載のシステムであって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、光ポンピングを最大にする反射組立体（７２）を有する固体レーザ媒体を含む前記システム。
11. 請求項１−９のいずれかに記載のシステムであって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、レーザ・ビームの少なくとも１つの予め定められた入射角および少なくとも１つの予め定められた出射角を提供する入口表面および出口表面を有する固体レーザ媒体を含み、レーザ・ビームの単一縦モードを保持しながら高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームの多数回通過を提供する前記システム。
12. 請求項１−９のいずれかに記載のシステムであって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、光ポンピングによりエネルギ状態の反転分布を発生することができるガラス・ロッド・レーザ媒体を含む前記システム。
13. 請求項１−９のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
    信号処理装置（３２）によって駆動され、レーザ・ビームの強度を変調する電気光結晶を含む前記システム。
14. 請求項１−１３のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
    偏光器の少なくとも１つの予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合させ、レーザ・ビームの強度を変える半波長板を含む前記システム。
15. 請求項１−１４のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体の温度を監視し、光ポンピングの効率を最大化してシード・レーザ光源によって発生されたレーザ・ビームの少なくとも１つの所望の光学的性質を保持するための温度信号を提供する温度センサを含むシステム。
16. 請求項１−９のいずれかに記載のシステムであって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、光学的に等方的であるレーザ媒体を含むシステム。
17. 請求項３に記載のシステムであって、さらに、
    レーザ・ビームの伝搬路に整列され、第１の偏光器の少なくとも１つの予め定められた入射角に沿ってレーザ・ビームを整合させる別の半波長板と、
    レーザ・ビームの伝搬路に整列され、レーザ・ビームの発散を最小限にするビーム拡大器と、
    レーザ光増幅システムを経てレーザ・ビームを方向付けおよび反射する複数のミラーと、
    レーザ・ビームの伝搬路に整列され、少なくとも１つの偏光状態のレーザ・ビームが偏光選択組立体に反射されて戻ってくるのを最小限にする四分の一波長板または第２のファラデ旋光器のいずれかの少なくとも１つと、
    レーザ・ビームの伝搬路に整列され、少なくとも１つの高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームを反射して戻す端部ミラーと、
    を含む前記システム。
18. レーザ・ビームを増幅し、高い最大パルス繰返し数を有するレーザ光の出力パルスを発生する方法であって、
    反射されたレーザ光がシード・レーザ光源（２０）にフィードバックすることを防止する段階であって、シード・レーザ光源は、レーザ・ビームの伝搬路に整列された少なくとも１つの光アイソレーション組立体（１０）を使用して、所望のライン幅を有する連続レーザ・ビームを提供する前記段階と、
    レーザ・ビームの伝搬路に整列された偏光選択組立体（１１）を用いてレーザ・ビームの第１の偏光状態を第１の伝搬方向におよびレーザ・ビームの少なくとも１つの別の偏光状態を少なくとも１つの別の伝搬方向に方向付ける段階であって、偏光選択組立体は、レーザ・ビームの第１の偏光状態または少なくとも１つの別の偏光状態のいずれかの１つの後方反射を最小限にする前記段階と、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体を横断して分布する多数のレーザ・ダイオードを含む少なくとも１つのポンピング・アレイ（５１）を用いてレーザ・ビームの第１の偏光状態または少なくとも１つの別の偏光状態のいずれかの伝搬路に整列された少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）を制御可能なパルス繰返し数で光学的にポンピングし、少なくとも１つの高利得レーザ媒体にエネルギ状態の反転分布を発生し、レーザ・ビームを増幅してレーザ光の出力パルスを発生する段階であって、前記レーザ光の出力パルスの発生の繰り返し数は、高い最大パルス繰返し数を有するような前記段階と、
    を含む前記方法。
19. 請求項１８記載の方法であって、
    ダイオード駆動装置（５２）を用いて多数のレーザ・ダイオードに電流を供給し、少なくとも１つの高利得レーザ媒体を光学的にポンピングする段階と、
    ダイオード駆動装置に制御可能な周波数でトリガ信号（５４）を供給し、少なくとも１つのポンピング・アレイに供給される電流をスイッチングすることによって、高利得レーザ媒体の光学的ポンピングをパルス動作させる段階と、
    を含み、
    トリガ信号の周波数が電流をスイッチングする繰り返し数を制御することによって、少なくとも１つのポンピング・アレイのパルス繰返し数を制御して前記レーザ光の出力パルスの発生の繰り返し数を制御する前記方法。
20. 請求項１８または１９のいずれかに記載の方法であって、さらに、
    ビーム拡大器（４６）を用いてレーザ・ビームの発散を最小限にする段階を含む前記方法。
21. 請求項１８−２０のいずれかに記載の方法であって、さらに、
    複数のミラーを用いてレーザ光増幅システムを通してレーザ・ビームを方向付けおよび反射する段階を含む方法。
22. 請求項１８−２１のいずれかに記載の方法であって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、光ポンピングを最大にする反射組立体（７２）を有する固体レーザ媒体を含む前記方法。
23. 請求項１８−２１のいずれかに記載の方法であって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、レーザ・ビームの少なくとも１つの予め定められた入射角および少なくとも１つの予め定められた出射角を提供する入口表面および出口表面を有する固体レーザ媒体を含み、レーザ・ビームの単一縦モードを保持したまま高利得レーザ媒体を経てレーザ・ビームの多数回通過を提供する前記方法。
24. 請求項１８−２１のいずれかに記載の方法であって、
    少なくとも１つの高利得レーザ媒体（４８）は、光ポンピングによりエネルギ状態の反転分布を発生することができるガラス・ロッド・レーザ媒体を含む前記方法。

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