JP4593273B2 - 光増幅装置 - Google Patents

Description

この発明は、光増幅装置及び／又は光源に関する。

レーザー材料にゲインを生じさせるために光学的放射源がレーザー材料の塊に向けられたダイオードポンプ固体スラブ増幅器（diode-pumped solid-state slab amplifier）の構成は知られている。そのような構成は、増幅のために用いることができるか、又は光源としてレージング（lasing）を生み出すためにレーザー材料に共振フィードバックを付加することで用いることができる。

レーザーの応用の多くは、増加した光パワー出力を要求するか、又はそこから利益を得るが、このパワースケーリング（power scaling）は通常好ましくは、高効率で高空間特性の放射及び稼動を維持することによって達成される。ダイオードポンプ固体レーザーに生じる知られている問題は、ビーム品質の劣化に導くポンピング機構による熱誘導ひずみの存在である。

主にエンドポンピング（end-pumping）及びサイドポンピング（side-pumping）の構成に基づく多くの構造がダイオードポンピングのために開発されてきた。エンドポンピングは、熱レンジング（thermal lensing）によって、及び複数のダイオードバー（diode bar）を用いる時にダイオードを整形及び送付する上での困難によってパワー拡張性が制限される傾向にある。一方で、サイドポンピングは、高品質レーザーモードで効率の悪い重なり合い及びポンピング分布の不均一性を示す。

特許文献１（カナダの学術研究会議：National Research Council of Canada）は、ポンプ放射のために高い吸収を有するサイドポンプレーザースラブのポンプ面からの前記内反射を有する斜入射スラブレーザーを示す。このレーザーは、浅い入射角度と熱誘導屈折率及びゲインの不均一性をかなり平均することとを有する高いゲインを与える。この装置の説明は、６０％以上の光効率を有する２０Ｗ以上の平均出力での稼動を示してきた。しかしながら、バウンス平面における空間ビーム特性は一般に、より高いパワーで劣化する。
米国特許第５，３１５，６１２号明細書

この発明の第１の態様によれば、ゲイン領域を与えるために使用時にサイドポンプされる光増幅装置であって、増幅されるべき光学的放射のためにゲイン領域を通過する経路を画定する経路画定手段を備え、経路画定手段は、前記経路が少なくとも２つの、空間的に隔離された、斜入反射（grazing incidence reflection）をゲイン領域に備えるように、構成されている光増幅装置が提供される。

増幅されるべき光学的放射は一回よりも多くゲイン領域を通過するので、そのような経路は、ゲイン領域を通過するマルチパス経路ということができる。

本明細書中において「斜入射（grazing incidence）」は一般に、１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，又は２０度までの斜入射を用いることでもなお利益を得ることができるが、約１０度までを意味するものとみなすことができる。

好ましくはゲイン領域は、一つよりも多くのゲイン領域を有し、反射は、異なるそれぞれのゲイン領域で起こる。例えば、ゲイン領域の各ゲイン領域は単に、共有ゲイン領域の異なる空間領域とすることができるか、又はゲイン領域は、異なるそれぞれのポンプ源によって与えられ得る。

かくして本発明の実施例は、斜入射バウンス増幅器（grazing-incidence bounce amplifier）を通じてマルチパス経路の光ビームを与えることができ、各経路におけるゲイン領域の異なる部分に到達する。これは、特により高いパワー拡張性（power scalability）を用いて、ビーム品質の特性を改善することができるということがわかった。マルチパスの構成は、光源を与えるためのレーザー発振器としてキャビティ反射体のような適切なフィードバックを付加することで、高いゲイン増幅器装置として作用することができる。

本発明の実施例で通常的に用いられるスラブ増幅器は、結晶によって強く吸収される放射源によって表面のうちの一つでサイドポンプされる結晶を備えることができる。これによりポンプ面の内側の浅い領域に（知られているレーザーの方法で増幅を補助するために）反転分布を生み出す。増幅器結晶を通過する各経路において、レーザービームは、斜入射角でポンプ面において全内反射を受ける。各経路でビームは、ポンプされた面の異なる領域から反射するよう導かれる。マルチパスの技術は、熱誘導ひずみの平均の度合いをより大きくする状況を与え、ゲインが不均一であると増幅された放射に対して空間ビーム特性がより高くなる。特定のポンピング分布に対して、マルチパス増幅器により、増幅器の効率及びゲインを改善することができる。全般に、本発明の実施例は、密接した回折限界ビーム特性（near diffraction limited beam quality）を維持する工程を改善することができる。

好ましくは、ゲイン領域の各斜入反射と結びつけられたゲイン抽出は、比較できる大きさである。これにより、装置のより一様な増幅特性が支持される。

マルチパスのレーザー発振器として作動するようにマルチパス増幅器を構成するためにフィードバックが与えられた場合、レーザー発振器は、増幅器と同様にビーム特性及び効率が改善されて稼動する。

この発明の第２の態様によれば、光学的放射を増幅する方法であって、増幅器のサイドポンプされた面の少なくとも２つの空間的に異なる位置で斜入射に全内反射を与える経路に沿ってサイドポンプされたバウンス増幅器に放射を通過させる段階を含む方法が提供される。

マルチパスバウンス増幅器は、ここで例としてのみ添付の図面を参照することで、この発明の実施例として述べられる。

図１を参照すると、本発明の２パスの実施例が、作動原理を例示するように示されている。

バウンス増幅器は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４のような固体レーザー材料の単結晶として成長されたレーザー媒体１を含む。増幅器は、結晶の平らな面に向けられた放射源（不図示）によって知られている方法でダイオードポンプされる。レーザー媒体１は、源、特にレーザーダイオードにおいて、知られている光反転分布機構を使用することによってポンプされる。レーザー媒体材料は、光反転分布源に対して高い吸収を有するべきである。これにより、ポンプ面２に隣接する浅い領域内で、結晶の内部に高い反転密度が提供される。

図示の目的で、この発明すなわちゲイン領域は、２つのゲイン領域Ｇ１及びＧ２へ分割されるものとみなされ得る。レーザー材料を通過する一つのパス（pass）において、レーザービームは、ポンプ面２に対して浅い入射角θ_１で入射し、ゲイン領域Ｇ１内に集中する。ゲイン領域Ｇ１で、レーザービームは、ポンプ面から全内反射を、領域Ｇ１からゲインを経る。外部フィードバックは、例えば一対のミラーＭ１及びＭ２によって与えられ、これらミラーは、レーザー媒体を通過する第２パスのためのゲイン領域Ｇ２へビームを向け直し、ポンプ面に対して角度θ_２で反射を、領域Ｇ２からゲインを経る。

図１のゲイン領域Ｇ１及びＧ２は、図示の目的で矩形にかつ等しいサイズにされたものとして表されている。実際のゲイン分布は、ポンプ分布によって形状が決定されてしまっている。異なる領域は、ポンプ面２でのポンピングビームの大きさによって決定された異なる大きさを有することができる。

ゲイン領域を通過する経路（パス：pass）で増幅されるビームはまた、隣接するゲイン領域を通過する経路で増幅されるビームと部分的に重なり合うこともできる。しかしながら、好ましい実施例は、ビームの隣接するウィングでの部分的な重なり合いはビームが全ゲイン分布のかなりの割合を抽出するのに必要であるかもしれないが、ビームは実質的には分離されるべきであるということである。

各ゲイン領域を通過するビームの大きさは、入力ビームパラメータ、回折、及びポンプされたレーザー媒体内の熱誘導レンジング及び収差を含むいくつかの要因に依存する。大きさのいくつかの制御は、入力ビーム及び外部フィードバック反射体Ｍ１及びＭ２の適切な選択によって与えられる。

ゲイン領域は等しくする必要はないが、好ましくは、各経路で起こるゲインの抽出が比較できる大きさであり、かつＧ１及びＧ２の全抽出領域が効率的な動作のために実際のポンプ分布のかなりの割合を包含するべきである、ということが好ましい。

図２を参照すると、図１の作動原理は、付加的なフィードバックを用いて第３パスへ拡張され得、これは例としてさらなる対のミラーＭ５及びＭ６によって達成され得る。第３パスにおいてビームは、第３ゲイン領域Ｇ３へ向けられる。第３パスの実施例は勿論、原理的には第４領域Ｇ４に到達するようカスケードされ得、一般的にはより大きな数のゲインサブ領域に到達する整数数の経路とすることができる。マルチパス増幅で到達されるゲイン領域は順次的（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３．．．）にする必要はないが、あらゆる便利な又は有益な順序（例えばＧ１，Ｇ３，Ｇ２．．．）で利用され得る。

図３を参照すると、マルチパス技術は、より多くの部分からなるポンピング分布によって作られるより多くの部分からなるゲイン領域のアレイからゲインに到達するよう拡張され得る。図３は、レーザー媒体のポンプ面２に見られるような分布の例を示す。図３Ａは、簡単なポンプ分布３を包含する、２つのゲイン領域Ｇ１及びＧ２を有する２パス増幅器の構成を示す。図３Ｂは、ダイオードレーザーバーの品質の不完全性によって生み出されるより多くの部分からなる（曲がった）ポンプ分布３を示す。この実施例では、３つのゲイン領域Ｇ１，Ｇ２，及びＧ３が、高い空間特性レーザービームによって効果的な重なり合いを与えられるよう選択されている。

図３Ｂに示された実施例は、単一パスの実施例に対してマルチパスの増幅器の改良への洞察を与える。増幅を試みると、単一のはね返り（バウンス）では、全体のゲイン領域を覆う大きなサイズのビームは、ゲイン分布を有する高品質ガウシアンレーザーモードの空間的な重なりが乏しいために増幅されたビームのビーム品質が劣化しており、熱誘導屈折率の変化による不均一性が位相の収差へとつながっている。この発明の実施例のマルチパス増幅器では、高品質ビームは、ゲインのより優れた均一性とより小さな位相変化とを有するより小さな領域で増幅され得る。さらに、フィードバックを適切に調整することによって、領域は、各領域間のゲイン及び位相の変化を平均することをある程度可能にするよう最適化され得る。マルチパスビームとの高品質の重なり合いはまた、増幅器の効率を増加させることができるという結果をもたらす。

図３Ｃは、２つのダイオードレーザーバーを用いてポンピングすることによって与えられ、かつ領域Ｇ１及びＧ２における２つのバウンスによって到達されるようなゲイン分布が、２つの分離領域３にある場合のさらなる実施例を示す。

図３Ｄは、複数のゲインサブ領域Ｇ１〜Ｇ８におけるマルチパスビーム伝播によってそれぞれ別々に到達される、図３Ｃの２つの分離領域を示す。

図４を参照すると、２パス増幅器の代わりの実施例において、第２パスに対するフィードバックが、レーザー媒体の反射表面４からの反射によって与えられている。この表面４は、高い反射率に対して特別にコーティングされ得るとともに、ポンプ面２の適切な領域で起こるようにはね返りを与えるために入射ビームの角度の選択に加えて適切な角度で切断され得る。

図５，図６，及び図７を参照すると、図１〜図４を参照して上述されたマルチパス増幅器をマルチパスレーザー発振器に、かくして光源に転用することが可能である。

図５は、図１の２パス増幅器の実施例に対して線形レーザーキャビティを形成するようレーザー媒体１の外にある２つのミラーＭ３，Ｍ４の組み込みを示す。同様の実施例（図示せず）が、図４の増幅器装置をレーザー発振器に転換するために含まれ得る。図６は、環状レーザー発振器を形成するためにミラーＭ３及びＭ４の組み込みを示す。このレーザーからの出力は、これらのうちの一つを部分的に伝播させることによってミラーＭ１からＭ４のいずれかからとすることができる。レーザーは、両方の周方向で発振することができる。ファラデーアイソレータをリングに組み入れると、知られている方法で一方向リング発振（unidirectional ring oscillation）を強いることができる。図７は、３パス増幅器装置からレーザー発振器を形成するための反射体Ｍ３，Ｍ４の組み込みを示す。高パスレーザー発振器の構成に対する拡張は、容易に組み入れられる。

マルチパスレーザー発振器におけるレーザーモードは、ゲイン分布を有する改善されたモードオーバーラップと、ゲイン分布を横断するゲイン及び位相の変化を平均することが増加することによる増幅の空間特性における改善と、を含む、マルチパス増幅器の同一の利点を経る。マルチパス増幅器は、キャビティの基本的なモードの選択に対してより小さく効果的な開口を与える。

本発明のさらなる実施例は、マルチパスレーザー発振器を形成するために一つのゲイン領域と、付加的な単一又はマルチパスの増幅領域として作用するための分離領域と、を用いることである。

図５を参照して上述されたこの発明の実施例の例では、２倍パスバウンス増幅器に基づくレーザー発振器において、レーザー媒体１は、波長８０８ｎｍでダイオードバーを放射することによってポンプされるＮｄ：ＹＶＯ４スラブを含む。ポンプ面２におけるゲイン領域Ｇ１，Ｇ２の全長は、バウンス平面で、約１４ｍｍである。

約７．５度及び５度のバウンス角θ_１，θ_２が、２つのパスに対して用いられる。ゲイン領域は、２つのバウンスのそれぞれにおいて２つのほぼ等しい半分（Ｇ１及びＧ２）で抽出された。レーザー共振器は、部分反射ミラーＭ３から取られる出力を用いて形成された。レーザー発振器は、５７ワットのダイオードパワーを用いてポンプされるときに２６ワットの出力パワーを有した。出力は、バウンス平面で１．２、垂直な平面で１．０５のビーム特性パラメータＭ^２を有する空間的なＴＥＭ００だった。

第２パス用のビームの外部フィードバックを用いる２つのパスの場合を示すバウンス増幅器の概略図である。 ３つ及びそれ以上の数のパスへの拡張を示すバウンス増幅器の概略図である。 増幅器のマルチパスによって到達され得るポンプ領域の異なる構成の実施例を示すバウンス増幅器のポンプ面の概略図である。 増幅器のマルチパスによって到達され得るポンプ領域の異なる構成の実施例を示すバウンス増幅器のポンプ面の概略図である。 増幅器のマルチパスによって到達され得るポンプ領域の異なる構成の実施例を示すバウンス増幅器のポンプ面の概略図である。 増幅器のマルチパスによって到達され得るポンプ領域の異なる構成の実施例を示すバウンス増幅器のポンプ面の概略図である。 増幅器の表面切り口からの反射によって与えられた第２パスに対するフィードバックを用いる２つのパスの場合を示すバウンス増幅器の概略図である。 線形レーザー発振器を形成するフィードバックミラーを有する図１の２パスバウンス増幅器の概略図である。 環状レーザー発振器を形成するフィードバックミラーを有する図１の２パスバウンス増幅器の概略図である。 線形レーザー発振器を形成するフィードバックミラーを有する図２の２パスバウンス増幅器の概略図である。

符号の説明

２ ポンプ面
Ｇ１，Ｇ２ ゲイン領域
Ｍ１，Ｍ２ ミラー

Claims (11)

1. スラブ材料を含む光増幅装置であって、前記材料に吸収される周波数のポンプ放射を用いて前記スラブ材料はその一の側面を介してポンプされて、前記一の側面に隣接してゲイン領域を与える光増幅装置において、
   該装置は、増幅されるべき光学的放射のための前記ゲイン領域を通過する経路を画定するものであり、
   前記経路は、前記一の側面に隣接した前記ゲイン領域において少なくとも２つの、空間的に異なると共に互いに異なる反射角を有する斜入反射を含むことを特徴とする光増幅装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記斜入反射は、２０度よりも大きくない反射を含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１記載の装置において、
   前記斜入反射は、１０度よりも大きくない反射を含むことを特徴とする装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、
   前記ゲイン領域は第１及び第２の空間的に分離した領域を備え、前記第１の領域は第１のゲイン領域を有し、前記第２の領域は第２のゲイン領域を有し、前記反射は、第１及び第２のゲイン領域で起こることを特徴とする装置。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、
   共通のゲイン領域に、第１及び第２の空間的に分離したゲイン領域を含み、前記反射は、第１及び第２のゲイン領域で起こることを特徴とする装置。
6. 請求項４又は５記載の装置において、
   少なくとも２つのゲイン領域はそれぞれ、異なるそれぞれのポンプ源によって与えられることを特徴とする装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の装置において、
   光源を与えるように使用時に前記装置がレーザーとして使えるようにするフィードバックが前記ゲイン領域に設けられていることを特徴とする装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の装置において、
   前記経路は、少なくとも一つのミラーを含むことを特徴とする装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の装置において、
   前記経は、前記スラブ材料の少なくとも一つの面を含むことを特徴とする装置。
10. 請求項７記載の装置において、
    前記光源による放射出力を受け取りかつ増幅するために請求項１記載の装置と組み合わせて、共通のスラブ材料を共有することを特徴とする装置。
11. 光学的放射を増幅する方法であって、
    スラブ材料を、該材料に吸収される周波数のポンプ放射を用いて前記スラブ材料の一の側面を介してサイドポンプして、前記一の側面に隣接してゲイン領域を与える段階と、
    前記一の側面に隣接した前記ゲイン領域において少なくとも２つの、空間的に異なると共に互いに異なる反射角を有する斜入反射を含む経路に沿って前記光学的放射をガイドする段階と、を備えた方法。

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