JP4521994B2

JP4521994B2 - 多角形底面をもつシリンダ形リフレクタを含むレーザーの光ポンピングモジュール

Info

Publication number: JP4521994B2
Application number: JP2000610100A
Authority: JP
Inventors: ピエール−イヴトロ，; ジルスユゲット，
Original assignee: コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: EP1166402A1; JP2002541670A; FR2791819A1; US6621849B1; WO2000060709A1; FR2791819B1; DE60001064T2; EP1166402B1; DE60001064D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多角形底面をもつシリンダ形リフレクタを含むレーザー光ポンピングモジュールに関する。
【０００２】
本発明に基づくレーザーは、特に切断、溶接、材料表面硬化ならびに物体のマーキングといった分野において工業的に利用される。
【０００３】
このレーザーは同様に、医学的分野においても利用できる。
【０００４】
【従来の技術】
レーザーが基本的に１つの増幅媒体及び共振空洞を形成する２つの鏡を含んで成り、増幅媒体はこれら２つの鏡の間に配置されているということがわかっている。
【０００５】
レーザーの作動に必要なエネルギーは、電気的、化学的又は光学的に増幅媒体に供給され得る。
【０００６】
本発明においては、第３の方法すなわち増幅媒体の光ポンピングと呼ばれるもの、より厳密に言うとこの増幅媒体の横方向光ポンピングに着目したものである。
【０００７】
レーザーの性能を制限する効果を低減させるためには、増幅媒体内のポンピング光の分布を可能なかぎり均質にしなくてはならない。
【０００８】
ところで、この方向で特定的に何もしなかった場合は、このポンピング光の分布は一般に不均質で、往々にしてこの光の光源側で最大になる。
【０００９】
まず、本発明がこの分布を均質にする手段に関するものであり、既存の技術との関係において、実施及び製作が単純であり従ってコストが低減されるという利点を示すということを明記しておきたい。
【００１０】
レーザーの増幅媒体がポンピング出力の全部又は一部を吸収し、刺激された発出の形でその一定量を再度発出し、吸収された出力の残りの部分は熱に変換されるということがわかっている。この刺激された発出は「レーザー効果」と呼ばれている。
【００１１】
ポンピング出力の吸収は、ポンピング源に近い増幅媒体の単数又は複数の部分上でより大きな出力が吸収されるという形で現われる、指数関数的法則（ベールーランベルトの法則）に従っている。こうして、ポンピングの不均質性が生み出される。すなわち、吸収される出力は、増幅媒体のあらゆる箇所で同じではない。
【００１２】
増幅媒体の異なる箇所でのポンピングの変動は、それ自体、発出されたレーザービームの位相の変形という形で現われる屈折率の局所的変動を作り出す。
【００１３】
これらのポンピング不均質性の究極的な結果は、このレーザービームの質の制限である。特に、位相の変形は、抽出される出力を制限し、レーザービームの発散を増大させる。
【００１４】
これらの欠点を補正するため、ポンピング放射線の波長で比較的吸収力の低い増幅媒体及び最初の通過で吸収されなかったポンピング放射線を増幅媒体に再度誘導することのできるリフレクタを選択することが知られている。この増幅媒体の中を何度も通過した後、ポンピング放射線は、完全に吸収されてしまうことになる。
【００１５】
既知のリフレクタは一般に、吸収されなかった出力を増幅媒体に向かって再度集中させるため増幅媒体のものにほぼ等しい長さの曲面を有する。
【００１６】
曲面リフレクタは、以下の文書から知られている：
T. Brand, I, Schmidt, 「マイクロチャネル冷却式積層ダイオードレーザーアレイによってポンピングされたコンパクトな６００ｗｃｗＮｄ：ＹＡＧロッドレーザーシステムの設計及び性能」；
S. Fujikawa, T.Kojima 及びK.Yasui,「高出力高効率ダイオードサイドポンピング型Ｎｄ；ＹＡＧレーザー」、C.R.Pollock 及びW.Bodsenberg編、ＯＳＡＴＯＰＳ第１０巻、ｐ２９６〜２９９。
K. Du et al., 「３ダイオードレーザーバーによりサイドポンピングされるネオジミウム；ＹＡＧ３０−Ｗｃｗレーザー」、Appl. Opt., 第３７巻、第１２号、１９９８年４月２０日、ｐ２３６１〜２３６４。
【００１７】
リフレクタは一般に、金属部品から機械加工され、その後に（光学的品質の研磨度が得られるような形で）研磨され、金、銀又はアルミニウムの反射層でコーティングされる。リフレクタの品質は、研磨の質が良ければ良いほど高くなる。
【００１８】
ところで、（ここで考慮されている表面の場合がそうであるように）曲率半径の小さい凹状曲面は、適正に研磨するのがむずかしい。同様にして、反射層を均質に適用することも困難である。
【００１９】
リフレクタは、或る種のセラミクス又は或る種のＰＴＦＥ（テフロン〔登録商標〕）といったような拡散性材料から機械加工することができる。
【００２０】
かかる材料の欠点は、これらの材料の残留吸収が発生させる熱の排出を困難にするその低い熱伝導率にある。これらは同じく多孔質でもあることから、それらが冷却液と直接接する場合、その利用には補足的な処理が時として必要となる（エナメルがけ）。
【００２１】
もう１つのリフレクタ製作技術は、２つの水晶部品間に含まれた空間内に拡散性粉末（例えばＭｇＯ又はＢａＳＯ₄粉末）を圧縮することから成る。
【００２２】
かかるリフレクタは、製作に時間と労力とそして費用がかかるものである可能性がある。
【００２３】
レーザーの増幅媒体は、一般に、ポンピング光源に対する収束レンズとみなすことができる。このことは特に、円形底面をもつ１本のシリンダ形バーを形成する固体増幅媒体というきわめて頻繁に見られる形態の場合に言えることである。
【００２４】
このことは、バーの軸Ｘに対し垂直なこのような増幅媒体の概略的断面図である図１により例示されている。
【００２５】
反射平面２及びポンピング光源４を互いに対向して、ただし増幅媒体６の両側に単純に設置した場合、この増幅媒体上又はその近くでポンピングビーム８の再集束が発生する。
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
このことには、増幅媒体内にポンピングの不均質性を作り出すという欠点がある。
【００２７】
かかる欠点は、光ポンピング光源（レーザーダイオード）が反射平面の正面にある、以下の文書から知られている多角形断面をもつリフレクタについて存在する：
Y.Hirano et al.,「高平均出力誘導冷却式ダイオードポンピング型Ｎｄ；ＹＬＦレーザー」、レーザー及び電子光学会議、第６巻、１９９８，OSA Technical Digest Series（OSA Washington DC,１９９８），ｐ１０３〜ｐ１０４。
【００２８】
本発明は、光ポンピングの不均質性を補正することをその課題としている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザーの光ポンピングモジュールにおいて、ほぼ円形の底面をもつシリンダ形バーを形成する増幅媒体、この媒体の横方向光ポンピング用に設けられた少なくとも１つの光源及びこの媒体をとり囲み、多数の通路に沿って光源の光を増幅媒体に向かって送り返しそのポンピングを均質化するために具備されたリフレクタを含んで成り、このリフレクタが、万華鏡効果による画像を多数の光源点から作り出すべくほぼ規則的な多角形である底面をもつ１つのシリンダを形成し、このシリンダの稜が増幅媒体の軸に対し平行である光ポンピングモジュールであって、光源がこのシリンダの１つの稜と対向して、増幅媒体との関係においてこの稜の反対側に配置されており、この媒体とこの光源の間の距離は光ポンピングの均質化効果を最適化するように選択されていることを特徴とする、レーザーの光ポンピングモジュールにある。
【００３０】
本発明のモジュールの好ましい一実施形態によれば、増幅媒体とリフレクタはほぼ同軸である。かくして、このモジュールの製造が容易になる。
【００３１】
好ましくは、リフレクタは増幅媒体とほぼ同じ長さを有する。こうしてユーザーは、光ポンピングのためにこの増幅媒体の長さ全体を利用できるようになる。
【００３２】
本発明のモジュールの第１の特定の実施形態によれば、リフレクタ（１５）の面の数ｇは奇数であり、光源は、ほぼこのリフレクタの１つの面のレベルでその中央に配置されている。
【００３３】
第２の特定の実施形態によれば、リフレクタの面の数は偶数であり光源はほぼこのリフレクタの１つの稜上に配置されている。
【００３４】
本発明のモジュールは、さらに複数のブロックを含み、各ブロックは、光源の光を反射することのできる少なくとも１つの平坦な面を含み、リフレクタの各面はブロックのそれぞれの平面のうちの少なくとも１つによって形成されている。
【００３５】
モジュールの特定の１実施形態によれば、光源は、２つのブロックのそれぞれの平面の間に形成された空間から光が出現するような形でこれら２つのブロックの間に形成された間隔の中に配置されている。
【００３６】
本発明の特定の第１の実施形態によれば、光源は発光体である。
【００３７】
この発光体は、レーザーダイオード又はレーザーダイオードロッド又はレーザーダイオードロッド列又はレーザーダイオードロッドの積層又はこれら２つの幾何形状の組合せを含んで成り、この単数又は複数のロッドは、リフレクタが形成するシリンダの軸（Ｘ）に対し平行である。発光体が、積層された複数のダイオードロッドを含む場合、２本のロッド間の離隔距離は小さい方が好ましい。
【００３８】
発光体が１つのレーザーダイオード又は単数又は複数のレーザーダイオードロッドを含む場合、光源が２つのブロック間に形成された間隔内に設置された時点で、これらのブロックは導電性を有していてもよく、このときレーザーダイオード又は単数又は複数のレーザーダイオードロッドは、これら２つのブロックを介して給電されている。
【００３９】
モジュールの第２の特定の実施形態によれば、光源は、増幅媒体を照明するための第１の端部及び発光体の光を受理するための第２の端部をもつ光伝播用手段である。
【００４０】
本発明は、純粋に例示を目的とし制限的意味を全くもたない以下に示された実施例の説明を添付図面を参考にしながら読むことによって、より良く理解できるであろう。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明に従った光ポンピングモジュールは、図２に概略的かつ部分的に表わされており、円形又はほぼ円形の底面及びＸと記された軸をもつシリンダ形バーを形成する増幅媒体１０を含んで成る。
【００４２】
このモジュールは同様に、媒体１０の横方向光ポンピングを目的とする光源１２をも含んで成る。
【００４３】
その上、このモジュールは、正多角形又はほぼ正多角形の底面をもつシリンダを形成するリフレクタ１４を含んで成る。
【００４４】
このシリンダは、研磨され場合によっては反射層又は拡散層がコーティングされた複数の平面の集合体である。図２には、隣接する２つの面１６及び１８のみが表わされている。
【００４５】
シリンダ面の交差平面は、このシリンダの稜を構成し、図２には、面１６及び１８に対応する稜２０が見える。
【００４６】
シリンダの稜は、バー形状の媒体の軸Ｘに対して平行である。ここで図２は、この軸Ｘに対し垂直なモジュールの横断面図であるということを明記しておく。
【００４７】
本発明によれば、ポンピング光源１２は、シリンダの稜２０に対向して、バー１０の形をした媒体との関係においてこの稜の反対側に設置されている。
【００４８】
このような形態により、多数の光源点から万華鏡効果により光源１２の画像を作り出すことが可能となる。
【００４９】
図２の参照番号２２は、この光源１２によって発出される光ビームを表わしている。
【００５０】
考慮対象の形態により、増幅媒体１０内の最初の通過の際に吸収されなかったポンピング光は、光源１２に面するリフレクタのコーナーで反射し、（すなわち稜２０の付近で反射し）、従って増幅媒体１０に向かって再度集束されない。
【００５１】
好ましくは、図２が示しているように、光源１２は、この増幅媒体の軸Ｘ及びリフレクタの稜２０を含む平面内にある。このことにより、本発明に従ったモジュールの製造が単純化される。
【００５２】
ここで、曲面リフレクタを含むポンピングモジュールと比較して、本発明は、曲面よりも機械加工、適正な研磨及び処理が容易である平坦面を有するという利点を示す。
【００５３】
本発明に従ったモジュールでは、増幅媒体から適切な距離のところに単数又は複数のポンピング光源を配置するように注意することによって、きわめて均質なポンピング分布を得ることが可能である。
【００５４】
この距離は主として、この単数又は複数の光源によって供給された単数又は複数のポンピングビームの発散に左右される。
【００５５】
単数又は複数の光源は、増幅媒体をできるかぎり広く照明するべくこの増幅媒体に近すぎてはならず、又、ポンピング光の最初の通過の際に吸収されたポンピング出力を低減させることによりレーザーの合計効率を損なうことがないようにこの増幅媒体から離れすぎてもいけない。
【００５６】
ここで、その各々において、多角形底面をもつシリンダ形リフレクタ１５及び円形底面を持つシリンダ形バーの形をした増幅媒体１１が同軸であり、同じ長さを有している、図３及び４の例を考慮する。
【００５７】
これらの例の各々において、ポンピングモジュールは、増幅媒体及びリフレクタに共通である軸Ｘに垂直な横断面として示されている。
【００５８】
図３の例においては、リフレクタは、奇数の数の面、より厳密には５つの面を含んでおり、ポンピング光源として、軸Ｘに平行であるレーザーダイオードロッド２４で構成された発光体が利用されている。
【００５９】
レーザーの空洞の２つの鏡が図３には（又その他の図にも）表わされていないということを明記しておく。この空洞を限定するこれらの鏡は、軸Ｘに垂直であり、それぞれ増幅媒体の両側に配置されている。
【００６０】
図３の例においては、この増幅媒体１１は中実である。これはポンピング光に対し透過性ある１本の管２６の内部に配置されている。
【００６１】
この管２６と増幅媒体１１の間に含まれる間隔２８の中には、増幅媒体を冷却するため、図示されていない手段を用いて例えば水といった冷却液を循環させる。
【００６２】
図３には、同一平面上にあってその統合が図３のモジュールの五角形底面をもつリフレクタ１５の１つの面を構成しひいては、このリフレクタの５つの面を構成することになるそれぞれ２つの平坦面３４及び３６をもつ２つの金属ブロック３０及び３２の５つグループが見られる。
【００６３】
各々のレーザーダイオードロッド２４は、同一グループの２つの金属ブロックの間に含まれており、これら２つのブロックのそれぞれの面３４及び３６の近くでこれら２つの面を分離するライン上にある。
【００６４】
こうして、図３でそれぞれブロック３０及び３２に結びつけられた正負符号−及び＋で象徴されている手段によって適切な形で２つのブロックを分極させることにより、このロッド２４のレーザーダイオードの給電が可能となる。
【００６５】
図３では、対応するロッド２４によって部分的に占有されている空間であるこれら２つのブロック３０及び３２の間に存在する空間が見られる。この空間の残りの部分には、電気的に絶縁性ある材料３８が充てんされている。
【００６６】
同様にして、電気的に絶縁性ある材料で作られた要素４０が、１定のブロックグループに属する各ブロック３０を隣接するグループから分離し、これら２つのブロック間の電気的接触を回避している。
【００６７】
その上、全ての面３４及び３６は研磨され（光学品質の研磨）、例えば金層から成る反射性金属被着物（図示せず）でコーティングされている。
【００６８】
各レーザーダイオードに由来し考慮対象の例ではその発散αが約９０°に等しいポンピング光ビーム４２は、増幅媒体１１に向かって送られ、このビームの一部分はこの増幅媒体１１内に進入しここで一部吸収される。
【００６９】
この媒体内に進入しないか又はこの媒体内を最初に通過した時点で吸収されなかった光は、金属により反射される。
【００７０】
多数の反射の後、ポンピング光は増幅媒体か又は金層により完全に吸収される。
【００７１】
図４のモジュールは、そのリフレクタ１５の面数に関して図３のものと異なっている。この数は偶数であり、図示された例において６に等しく、ここから六角形の底面をもつシリンダ形リフレクタがもたらされる。
【００７２】
図４の例においては、２つのブロック３０及び３２の３つのグループひいては３系列のレーザーダイオードロッド２４が利用され、ロッドの各々は、同じグループの２つの平坦面に共通の稜上に位置づけされている。
【００７３】
六角形の底面をもつリフレクタの各面は、１つのブロックの１つの平坦面から成り、隣接する２つのブロックのそれぞれ平坦面は互いに１２０°の角度を成している。
【００７４】
図３の例に戻ると、レーザーダイオードロッドの数は、５未満であってよく、さらには１であってもよい。この数は対応するレーザーのために必要とされる出力によって左右される。
【００７５】
このとき、１本のロッドに結びつけられていない同じグループのブロック３０及び３２はひと続きになっていてよく（間に空間がない）、１本のロッドに結びつけられている各ブロックグループのみが、電気的に絶縁性ある材料でできた要素４０により隣接するグループから分離されていなくてはならない。
【００７６】
同様にして、図４のモジュールは、１本又は２本のレーザーダイオードロッドしか有していなくても良い。
【００７７】
この図４の場合、軸Ｘとの関係において既存のロッドとは反対側の各絶縁性要素４０のレベルでレーザーダイオードロッドを付加することさえ可能であり、こうして３本の補足的ロッドを追加することができる。
【００７８】
さらに、図３及び４を参照して示された例の各々のレーザーダイオードロッドは、高出力レーザーが必要でない場合唯一のレーザーダイオードで置換されてもよく、又反対に、積重ねられた又は１本の列に沿って整列された複数のロッド又はこれら２つの幾何形状の組合せにより置換されてもよい。
【００７９】
図３及び４に例においては、リフレクタによって限定された空間内に光を直接導入するためポンピング光の発光体が利用される。
【００８０】
この代りに、以下のような光伝播手段を介してこの光を導入することが可能である：
− 光屈折系（レンズの組合せ）、
− 増幅媒体の軸Ｘに平行なポンピングビームを受理するためのリフレクタにより限定された空間内の（増幅媒体に向かって軸Ｘに対し垂直にこれらのビームを送るような形で方向づけされた鏡を用いた）反射光学系、
− 反射屈折系（レンズと鏡の組合せ）、及び
− 光導体。
【００８１】
このことは、図３の１変形形態が概略的かつ部分的に斜視図で示されている図５によって例示されている。
【００８２】
ガラスブレード４４が間にある２つのブロック３０及び３２から成るグループの１つが見える。
【００８３】
このブレード４４の第１の端部が、これらのブロック３０及び３２のそれぞれの面３４及び３６のレベルにある。
【００８４】
このブレード４４の第２の端部は、図示されていない手段によって制御される１本のレーザーダイオードロッド４６に光学的にカップリングされている。
【００８５】
このロッドは、ポンピング光４２を発出し、この光はブレード４４を通して搬送され、このブレードの第１の端部から出て増幅媒体（図示せず）を照明する。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知の光ポンピングモジュールの原理を概略的に例示しており、この図についてはすでに記述されている。
【図２】発明の原理を概略的に例示している。
【図３】奇数の数の面を含む多角形底面をもつシリンダ形リフレクタを利用した。本発明の目的である光ポンピングモジュールの特定の一実施形態の概略的横断面図である。
【図４】偶数の数の面を含む多角形底面をもつシリンダ形リフレクタを利用した、本発明の目的である光ポンピングモジュールのもう１つの特定の実施形態の概略的横断面図である。
【図５】図３のモジュールの一変形実施形態の概略的及び部分的斜視図である。

Claims

レーザーの光ポンピングモジュールにおいて、ほぼ円形の底面をもつシリンダ形バーを形成する増幅媒体（１０，１１），この媒体の横方向光ポンピング用に設けられた少なくとも１つの光源（１２，２４，４４）及びこの媒体をとり囲み、多数の通路に沿って光源の光を増幅媒体に向かって送り返し、そのポンピングを均質化するために具備されたリフレクタ（１４，１５）を含んで成り、このリフレクタが、万華鏡効果による画像を多数の光源点から作り出すようにほぼ正多角形である底面をもつ１つのシリンダを形成し、このシリンダの稜が増幅媒体の軸（Ｘ）に対し平行である光ポンピングモジュールであって、
光源（１２，２４，４４）がこのシリンダの１つの稜と対向して増幅媒体（１０，１１）に対してこの稜と反対側に配置されて光源の光が稜の方に向かうようにされており、この媒体とこの光源の間の距離は光ポンピングの均質化効果を最適化するように選択されていることを特徴とする、レーザーの光ポンピングモジュール。
前記増幅媒体（１１）と前記リフレクタ（１５）がほぼ同軸であることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
前記リフレクタ（１５）は増幅媒体（１１）とほぼ同じ長さを有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
前記リフレクタ（１５）の面の数が奇数であり、光源（２４，４４）がほぼこのリフレクタの１つの面（３４，３６）のレベルでその中央に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
リフレクタの面の数が偶数であり光源（２４）がほぼこのリフレクタ（１５）の１つの稜上に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
さらに複数のブロック（３０，３２）を含み、各ブロックが、光源（２４）の光を反射することのできる少なくとも１つの平坦な面（３４，３６）を含み、リフレクタの各面がブロックのそれぞれの平面のうちの少なくとも１つによって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
光源が、２つのブロック（３０，３２）のそれぞれの平面（３４，３６）の間に形成された空間から光が出現するような形でこれら２つのブロック（３０，３２）の間に形成された間隔の中に配置されたことを特徴とする、請求項６に記載のモジュール。
光源が発光体（２４）であることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
この発光体が、レーザーダイオード又はレーザーダイオードロッド（２４）又はレーザーダイオードロッド列又はレーザーダイオードロッドの積層又はこれら２つの幾何形状の組合せを含んで成り、この単数又は複数のロッドは、リフレクタが形成するシリンダの軸（Ｘ）に対し平行であることを特徴とする請求項８に記載のモジュール。
前記光源が発光体（２４）であり、この発光体が、レーザーダイオード又はレーザーダイオードロッド（２４）又はレーザーダイオードロッド列又はレーザーダイオードロッドの積層又はこれら２つの幾何形状の組合せを含んで成り、この単数又は複数のロッドは、リフレクタが形成するシリンダの軸（Ｘ）に対し平行であり、
２つのブロック（３０，３２）が導電性をもち、レーザーダイオード又は単数又は複数のレーザーダイオードロッド（２４）がこれら２つのブロックを介して給電されていることを特徴とする、請求項７に記載のモジュール。
光源が、発光体（４６）と、増幅媒体を照明するための第１の端部及び前記発光体（４６）の光を受理するための第２の端部をもつ光伝播用手段（４４）と、を有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。