JP5135207B2 - チューブ固体レーザ - Google Patents

Description

本発明は一般にレーザに関し、より詳細には、向上したビーム品質およびパワー出力を備えたチューブ固体レーザに関する。

背景
現代の固体レーザ（ＳＳＬ）は、高ウォールプラグ効率を示し、高平均パワー（ＨＡＰ）レベルで作動することができ、高いビーム品質（ＢＱ）を得ることができる。このようなレーザは非常に用途が広く、防空および精密な走向や、自動車産業、航空宇宙産業、造船産業および石油ガス産業における切断、溶接およびドリル加工、ならびに熱処理、切断、および溶接などのダイレクト加工を含む種々の用途に開発されている。

ＳＳＬのレーザ媒質は、透明な結晶性または非晶質の（ガラス）ホスト材料のドーパント原子である。物理的に、ホスト材料は種々の形状であってもよいが、ＳＳＬの５つの主要な構成が重要となる。すなわち、ロッド、スラブ、ディスク、ファイバおよびチューブである。

ＳＳＬによって発生する平均パワーは、主に熱光学的な歪み（熱レンズ効果としても知られている）、および熱応力破壊上の問題によって制限される。ロッドレーザは、これらの領域で実際に制限され、実際には、ロッドレーザの出力は約１ｋＷの平均パワーに制限されている。スラブレーザはいくつかのロッドレーザの制限を克服しているが、開口部の充てん率（長方形の開口部からの楕円形状のビーム取出し）は低い。実際には、良好なビーム品質を備えたスラブレーザの出力は、約１５ｋＷと約２０ｋＷとの間の平均パワーに制限されている。ディスクレーザはそれらが極めて小さい歪みを有するので機能的に極めて有望であるが、ディスクレーザが高平均パワーで測定されることのできる前に多くの課題を克服しなければならない。ファイバに関しては、単一ファイバの出力は約１ｋＷに制限されており、それゆえに、ＨＡＰビームを生成するために多くのファイバの出力が結合されなければならない。しかし、ビームを結合する技術は開発が遅れている。チューブレーザでは、ＳＳＬ利得媒体はチューブの形状であり、レーザは環状ビームを増幅する。

温度プロフィールはレーザ物質の応力につながる。単位長あたりの均一な熱源密度および等しい発熱量の分析によって、スラブの温度プロフィールの高さはロッドの温度プロフィールのほんの３６％であり、チューブではロッドの温度プロフィールの高さの１０％であることがわかる。ロッドレーザおよびチューブレーザでは、熱応力は、方位角、径方向および長手方向にある主要な応力成分と円形の対称性を有する。ロッド表面の最大応力は、ロッドの直径によるものではない。それゆえに、ロッドレーザをパワー測定する唯一の方法は、より長いロッドまたはいくつかのロッドを使用することである。スラブおよびチューブの表面応力は、アスペクト比「ｂ／ａ」と比例している。ただし、「ａ」はスラブまたはチューブの厚さ、「ｂ」は、チューブの外周またはスラブの横断面の長さとする。出力パワーはレーザ媒質量と比例し、ロッド、スラブ、またはチューブの表面応力に依存する熱的破壊によって制限される。チューブレーザについて、出力パワーは等しい長さのロッドレーザの出力パワーよりも約１０〜２０倍大きくなり得る。チューブの幾何学的形状の利点は、かなり大きいなアスペクト比ｂ／ａが、スラブによるよりもチューブによって実現することができることである。それゆえに、チューブＳＳＬは、ロッド、スラブ、およびディスクレーザの多くの魅力的な特性を組み合わせ、上述の多くの欠点を解決するものである。

しかし、以前のチューブＳＳＬは励起、単純な共振器光学部品および／または基本コーティングに閃光ランプを使用していて、熱レンズ効果、ならびに、チューブＳＳＬと関連した複屈折、複焦点およびアライメントの問題につながる。したがって、熱レンズ効果、ならびに、チューブＳＳＬと関連した複屈折、複焦点およびアライメントの問題を低減させるかまたは除去する改良されたチューブＳＳＬが極めて望ましくなる。

概要
本発明の実施形態は、ダイオード励起、マイクロチャンネルクーリング、アキシコン／ワキシコン／リフラキシコン（ｒｅｆｌａｘｉｃｏｎ）光学部品、および／または新規なコーティング処理およびボンディング処理を利用して、改良されたチューブ固体レーザ（ＳＳＬ）を提供する。好都合にも、本発明は、熱レンズ効果を減少させ、チューブＳＳＬと関連した複屈折、複焦点およびアライメントの問題を低減させるかまたは除去しつつ、高ビーム品質および高平均パワーレベルを提供する。

本発明の一実施形態によると、固体レーザの増幅器モジュールが提供され、増幅器モジュールは、内面および外面を有するチューブを含み、チューブはレーザ利得物質と、チューブの内面に隣接し、第１の複数のマイクロチャネルを含む第１の基板と、チューブの外面に隣接し、第２の複数のマイクロチャネルを含む第２の基板と、第２の基板の外部に配置され、光学励起照射をレーザ利得物質に供給するように構成される複数のダイオードバーとを含む。

本発明の別の実施形態によると、チューブ固体レーザが提供され、レーザは、光学利得を光源光に供給するように構成される増幅器モジュールを含み、増幅器モジュールは上述の要素を含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、レイジングの方法が提供され、方法は、内面および外面を有するチューブを含み、チューブはレーザ利得物質を含むチューブと、チューブの内面に隣接し、第１の複数のマイクロチャネルを含む第１の基板と、チューブの外面に隣接し、第２の複数のマイクロチャネルを含む第２の基板と、第２の基板の外部に配置される複数のダイオードバーとを含む、増幅器モジュールを提供することを含む。方法は、複数のダイオードバーからの励起照射を増幅器モジュールのレーザ利得物質に供給することと、第１および第２の複数のマイクロチャネルを通って冷却剤を流すこととをさらに含む。

本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義され、この部分に引用として組み込まれる。本発明の実施形態のより完全な理解ならびにさらなる利点の実現は、１つ以上の実施形態の以下の詳細な説明を考慮することによって、当業者をもたらされるであろう。添付の図面のシートを参照することとし、図面をまず簡単に説明する。

本発明の実施形態およびこれらの利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。同様の参照番号が、１つ以上の図に示される同様の要素を特定するために使用されることを理解されたい。図が尺度通りに描かれる必要がないこともまた、理解されたい。

詳細な説明
本発明は、ダイオード励起、マイクロチャンネルクーリング、アキシコン／ワキシコン
／リフラキシコン光学部品、および／または新規なコーティング処理およびボンディング処理を利用して、改良されたチューブ固体レーザ（ＳＳＬ）を提供し、改良されたビーム品質およびパワー出力を提供する。本発明は、不安定な線形の共振器に固有のビーム品質の利点を、領域の効率的利用の利点（したがって高パワー）および環状の（チューブ）構成に固有の対称性の利点と組み合わせるものである。一実施形態において、本発明はまた、環状ビームを密集した円筒形ビームに変換する光学素子（たとえば、アキシコン、ワキシコンおよび／またはリフラキシコン光学部品）を含む。

以下は、この明細書において用いられる用語の定義である。
「レーザ利得媒質」は、好適なイオンでドープされたホスト格子を有する光学材料のことを指し、主題の発明においてこれはレーザ遷移まで励起される。この発明は特定のレーザ材料または特定の励起源に限定されないが、好ましいホスト格子材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ）、リチウム・イットリウム・フルオリド（ＹＬＦ）、イットリウム・バナデート、リン酸塩レーザガラス、珪酸塩レーザガラスおよびサファイアである。これらのレーザ媒質のための適したドーパントはチタン、銅、コバルト、ニッケル、クロム、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、イッテルビウム、ホルミウム、ジスプロシウムおよびツリウムを含むが、これらに限定されない。レーザ利得媒質はまた、ドーピングされたセクションとドープされていないセクション、または、異なるイオンによってドープされたセクションを備える複合構造を有していてもよい。

「レーザダイオード」は、半導体レーザダイオードを備える光放射光源を指す。ダイオードは基板に取り付けられてもよく、熱交換器の上に配置されてもよい。ダイオードは、レーザ利得媒質をレーザ遷移にまで励起するのに適切であり得る。

「ダイオードアレイ」は、１つ以上のレーザダイオードを備えるアンサンブルを指す。これらのダイオードは、機械的におよび／または電気的に接続されてもよく、端子を備えていてもよく、液冷式熱交換器の上に配置されてもよい。

「マイクロチャネル」は、単位システム体積あたり高接触領域（たとえば薄膜接触など）を得るためにミクロ尺度で設計され、従来のマクロ尺度技術で見られるよりも全体のシステム体積あたり実質的により高スループットで、かなり高速の熱および物質の輸送速度で、均一な流れ分布を確率する装置を指す。

「ドープされていないエンドキャップ」は、レーザチューブのドープされていない部分を指し、レーザチューブのドープされた部分の端部に取り付けられるドープされていないレーザ材料と同一であってもよい。

「アキシコン（ワキシコン、リフラキシコン）」は光学素子を指し、環状ビームを密集した円筒形ビームに変換する２つの同軸の円すい形の鏡を有する。

「２重のリフラキシコン」は光学素子を指し、これは環状ビームを密集した円筒形ビームに変換する４つの同軸の円すい形の鏡を有するとともに、偏光の問題をなくすものである。

本発明の実施形態は、いくつかの利点を提供する。これらの利点は以下を含むが、以下に限定されるものではない。

１．レーザチューブに結合する（たとえば拡散または陽極処理（ａｎｏｄｉｎｇ）によ
って）か、またはＯ−リングによってレーザチューブにシールされる光学的に透明な円環状の内部および外部の基板を使用して、レーザチューブの内面と外面との間の温度勾配を減少させるかまたは最小限に抑えること。それぞれ光学的に透明な基板は、レーザチューブの内面および外面の両方が冷却されるようにマイクロチャネルを備えた一体式の熱交換器を含むので、冷却剤がレーザチューブの利得媒質の外面および内面を直接湿潤させることができる。内部および外部両方の熱交換器のための冷却剤の流量および温度を独立して制御することによって、チューブの表面間の温度勾配を最小限に抑えることができる。この新規な方法は、極めて高い熱移動を提供し、レーザチューブの熱的変形および応力を効果的に最小限に抑える。

２．レーザチューブの軸の屈曲を減少させるかまたは最小化し、それによって、光学的に透明な材料を用いて励起ダイオード波長で外部および内部の冷却基板を極めて堅固にすることで、熱レンズ効果を減少させること。

３．内面のコーティングを励起波長で非反射的または反射的にして、励起ダイオードバーのスタックをレーザチューブの近くに外側の熱交換器の周囲に配置することによって、励起照射の高い輸送効率と励起の均一性とを実現させること。励起ダイオードバーのスタックに対してチューブを回転させることによって、または、チューブまたは外側の基板に対して励起ダイオードバーのスタックを回転させることによって、照射の均一性が改良され得る。熱交換器として働く光学的に透明な外側の基板およびマイクロチャネルを通って、励起ダイオード照射はレーザチューブに注入される。チューブのホスト材料はレーザ材料（ｌａｓａｎｔ）イオンでドープされるので、励起パワーは少なくとも２つの流路に吸収される。

４．破壊のリスクを低減させ、チューブ端面のレンズ効果を減少させ、存在する場合には回旋する（ｓｗｉｒｌｉｎｇ）増幅された自然発生放射（ＡＳＥ）光線の経路の長さを減少させ、レーザチューブのドープされた部分に拡散接合処理によって取り付けられることのできるドープされていない円環のエンドキャップを使用することによって、レーザチューブの端部の光学コーティングを熱的負荷したチューブの部分から分離すること。したがって、エンドキャップのない引張ひずみにあるそれらの表面は、次に圧縮ひずみで保持され、破壊のリスクを減少させ、レーザチューブの端面での放物線状の湾曲を減少させるかまたは最小化する。

５．半径方向モードの振動と、閉じ込められたＡＳＥおよびレーザエネルギの抽出を低減し励起照射の吸収を増加する寄生性モード（ＡＳＥが存在する場合）の負の効果とを軽減すること。レーザチューブの内面は、テーパ、および、艶出し剤あるいはレーザ波長およびポンプ波長で反射性または非反射性のコーティング剤を含んでもよい。この新規な方法は、レーザ波長での反射コーティングまたは外側のチューブの表面の艶出剤コーティングを使用することによって半径方向モード光線の反射角度を変化させること、および内部全反射（ＴＩＲ）の効果を利用して半径方向モードのレーザエネルギを軸モードのレーザエネルギに再生することを提供する。本発明は、励起照射光線の反射角を変化させることによって励起パワーの吸収を増加させつつ、回旋する光線の反射角を変化させる（ＡＳＥが存在する場合）ことによって、ＡＳＥの閉じ込められた光線の経路を減少させることもでき、その結果、励起照射光線の経路数が大幅に増加する。透明な外側の基板は円筒形状に限られず、奇数の側面を有する多角形の形状であってもよく、それによって、多角形の表面に反射した後でＡＳＥを最小限に抑える。

６．９０度円環水晶回転子によって分離される２つの同様に負荷されたチューブレーザ利得素子を用いて、複屈折および複焦点を減少させるかまたは除去すること。回転子の両面は、光学接触または拡散あるいは陽極ボンディング処理によってレーザチューブの円環
エンドキャップ表面に取り付けられ、これらの処理は、外部および内部の冷却基板をレーザチューブに取り付けるのに使用されるそれらの処理と同様である。したがって、外部および内部の冷却基板は、水晶回転子をも冷却するのに使用されることができる。この新規な方法は、回転子と円環チューブ表面との間を密接に接触させるために提供され、負レンズおよびアライメントの問題をなくし、それによって、良好なビーム品質を提供する。

７．偏光および２つのリフラキシコンとレーザチューブとの間の極めて複雑なアライメント問題（チューブレーザ共振器の）を減少させるかまたはなくすことであって、２つのリフラキシコンは、レーザ波長での反射コーティング剤を有する４つの円すい面を備えた光学的に透明な円環の中空のプリズムに含まれている。中空のプリズムは、チューブレーザに使用されるのと同じ材料または異なる材料から作製されることができ、レーザチューブの円環端部に拡散接合処理によって取り付けられてもよい。

８．ボンディング処理によって、２つのレーザチューブと、水晶回転子と、２つのリフラキシコンと、円環エンドキャップと、分配冷却マニホルドを備えた外部および内部の冷却基板とを、１つの一体式のコンパクトなレーザユニットに結合すること。

９．チューブＳＳＬをＨＡＰまで測定する（ＳＳＬを主発振器として使用して）技術的問題を低減させるか最小限に抑えること。

１０．一体式のチューブＳＳＬユニットを増幅器として使用することによって、ＳＳＬをＨＡＰおよびウルトラ高パワーまで測定する技術的問題を低減させるか最小限に抑えること。

次に図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図３を参照する。レーザ増幅器モジュール１２０を含むレーザ増幅器システム１００が示されている。図２Ａは、プリアライメントおよびボンディング処理によって結合されたモジュール１２０の横断面図を示し、図２Ｂは、図２Ａに示される線２Ｂ−２Ｂに沿った、レーザ増幅器モジュールの横断面図を示し、図２Ｃは、本発明の一実施形態によるレーザチューブの部分拡大図を示す。図３は、本発明の一実施形態によるレーザ増幅器システム１００の光学的レイアウトを示す。

レーザ増幅器システム１００はレーザ増幅器モジュール１２０を含み、レーザ増幅器モジュール１２０は、ダイオードアレイ１０１と、光学的に透明な９０度水晶回転子１１８（図２Ｃもまた参照）によって分離されるレーザ利得素子１０８ａを含むチューブ１０８と、ドープされていないチューブエンドキャップ１０６と、高反射性（ＨＲ）フラットミラー１０４と、内部および外部の基板１０７ａおよび１０７ｂ（それぞれ複数のマイクロチャネル１３２（図２Ｃ）を含む）と、プリズム１０３とを備え、一例では、ＨＲコーティングのミラー表面１０９を備えた光学的に透明な基板から成るダブルリフラキシコンを含む。システム１００は、フラットミラー１１０と、出力カプラ（ＯＣ）のフラットミラーまたは中央の孔を備えたスクレーパミラー１１１と、ＨＲフィードバックミラー１１３とをさらに含む。システム１００は、光学ポスト１１６と、調整板１１５と、光学ベンチ１１４と、ハウジング１１７とをさらに含む。

内部の基板１０７ａはレーザチューブ１０８の内面に隣接し、内部の同軸のチューブを形成する。外部の基板１０７ｂはレーザチューブ１０８の外面に隣接し、外部の同軸のチューブを形成する。したがって、基板１０７ａおよび１０７ｂは、レーザチューブ１０８を「挟んで」、１組の同軸のチューブ（図２Ｂ参照）を形成する。第１のマニホルド１０２および第２のマニホルド１０５は、熱交換器と基板１０７ａおよび１０７ｂのマイクロチャネルとを通って冷却剤を供給し、それぞれ放出／再循環するために使用され、一実施形態では、マニホルドはハウジング１１７の一部である。適した冷却剤には、脱イオン水
、アルコール、フレオン（登録商標）族の成分（ｍｅｍｂｅｒｓ）、および液体窒素などの液体が含まれ得るが、これらに限定されない。

次に図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃを特に参照する。基板１０７ａおよび１０７ｂは、励起照射に光学的に透明である材料でできている。一例において、溶融石英が使用されてもよいが、励起照射に透明でマイクロチャネルの製作に適した他の光学材料が使用されてもよい。基板および冷却剤が励起照射波長で光学的に透明であるので、ダイオードアレイ１０１からの励起照射が基板および冷却材を通ってレーザ利得素子１０８ａに至る。

一実施形態において、マイクロチャネル１３２は内部の基板１０７ａおよび外部基板１０７ｂの両方に一体的に設けられ、複数のマイクロチャネルはチューブの長さ方向軸Ａに略平行に設けられている（図２Ａ）か、または、レーザチューブ１０８の外面の長さ方向の輪郭に略平行である（図２Ｃのマイクロチャネル１３２参照）。独立した２組のマイクロチャネル１３２（１組は基板１０７ａに一体化され、もう１組は基板１０７ｂに一体化されている）があることによって、マイクロチャネルを通って加えられる冷却剤の流量および／または温度を変化させることで、チューブ１０８の表面間の温度勾配を低減させ、または最小限に抑えることが可能になる。適用可能なマイクロチャネルおよび他の関連する要素の例は、同時出願された米国特許第６，３３９，６０５号、ならびに、米国特許公開第ＵＳ２００２／００９７７６９号（００−１７３）、米国特許公開第ＵＳ２００２／０１１０１６４号（００−２１３、２５３）、および米国特許公開第ＵＳ２００２／０１７２２５３号（００−２４５）に記載され、すべての目的のために本願明細書に引用として組み込む。

一般に、熱応力によるレンズ化の寄与は、応力テンソルの主軸に垂直に偏光した光と比較して、応力テンソルの主軸に平行に偏光した光と異なる。応力が誘導される複屈折および複焦点によって、レーザ光線のパワーおよびビーム品質が著しく低減する。複屈折および複焦点をなくすために、レーザチューブ１０８は、２つの同様に負荷されたレーザ利得素子１０８ａから成り、レーザ利得素子１０８ａは、レーザ要素の両端にドープされていないエンドキャップ１０６を備えた透明な９０度水晶回転子１１８によって分離される。拡散接合およびプリアライメント処理によって、水晶回転子１１８は、両端および両面でエンドキャップ１０６およびレーザ利得素子１０８ａの円環表面に取り付けられる。

あるいは、熱交換器として働く内外部の基板が拡散接合処理によってレーザ利得素子１０８ａに取り付けられる場合に、回転子表面とエンドキャップの円環表面の間の光学接触を使用して、水晶回転子１１８はチューブレーザ要素と結合されてもよい。２つのレーザ利得素子１０８ａが水晶回転子１１８によって集められる前に、一方のレーザ利得素子１０８ａは拡散接合によって各端部で２つのエンドキャップに結合されなければならず、他方のレーザ利得素子１０８ａは、拡散接合によって一端で１つのエンドキャップに他端でプリズム１０３に結合されなければならない。

ドープされていないエンドキャップは、光学コーティングによってレーザチューブの端部を熱負荷から隔離すること、および、利得媒体から離して熱伝導経路を設け、それにより熱応力および関連する歪みを低減させることを含み、多くの利点を提供するが、これらに限定されない。好都合にも、レーザ利得素子を備えたドープされていないエンドキャップを使用することによって、破壊のリスクがなくなるかまたは低減し、チューブ端面のレンズ効果が減少するまたは最小限に抑えられ、引張ひずみが圧縮ひずみに変化する。

半径方向モードの振動と閉じ込められたＡＳＥおよび寄生性モードの負の効果（ＡＳＥが存在する場合）とを軽減するため、また、励起照射の吸収を増加させるために、チューブレーザ利得素子の直径が中心部から増大し、漏斗または円すいの形状と同様に外端部に
向かって延びるように、チューブレーザ利得素子１０８ａの内面および外面は、テーパ１１９を有することができる（図２Ａおよび図２Ｃ参照）。同じ理由から、レーザチューブ要素の内面は、レーザおよび励起波長での反射コーティングを有し、チューブレーザ要素の外面は、レーザ波長での反射コーティングを有することができる。

一実施形態において、プリズム１０３は、チューブレーザ利得素子に使用される材料と同じかまたは異なるドープされていない材料から作製されることができ、また、レーザ波長での反射コーティングを備えた４つの円すい面１０９を含む（図１参照）。この設計によって、環状ビームをコンパクトな円筒形ビームに変換する１つのユニットに、２つの同じリフラキシコンとエンドキャップとを結合することが可能になる。同じタイプの２つのリフラキシコンを使用することによって偏光スクランブルの問題がなくなると同時に、プリズム１０３のチューブ端部がエンドキャップ１０６の機能と同じ機能を実現することができる。

次に図２Ｂ１ａ、図２Ｂ１ｂ、および図２Ｃ１を参照する。本発明の別の実施形態によるレーザ増幅器モジュールの断面が示されている。図２Ｂ１ａおよび図２Ｂ１ｂは、内部の基板１０７ａおよび外部の基板１０７ｂに一体化されて設けられている複数のマイクロチャネル１３２が、レーザチューブの長さ方向軸Ａ（図２Ａ）に対して略垂直に走ることを除き図２Ｂに示されるのと同様である、モジュールの横断面を示す。図２Ｂ１ａは、マニホルド１０２、１０５を備えるがマイクロチャネル１３２を備えない横断面を示す。図２Ｂ１ｂは、マイクロチャネル１３２を含む横断面を示す。図２Ｃ１は、複数のマイクロチャネル１３２がレーザチューブの長さ方向軸Ａに対して略垂直になるように構成されていることを除き、図２Ｃに示されるのと同様である、レーザチューブの断面拡大図を示す。

次に図３を特に参照する。ダイオードアレイ１０１のスタックは光学的に透明な基板１０７ｂ（図１、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃ）の外面の周囲に配置され、一実施形態では、励起照射の分配における改良された均一性のために、このスタックは基板１０７ｂと関連して任意選択的に回転することができる。冷却剤システムは、ダイオードの過熱を防ぐために設計されている。というのは、半導体ダイオードレーザは一般的に、電気エネルギのレーザ励起に適した光放射への変換効率が３０〜５０％になるからである。ダイオードアレイ１０１のスタックは、光放射１１４をレーザ利得素子１０８ａに供給する。レーザ利得素子１０８ａは、入射する光放射１１４の有意な部分を吸収する、適したレーザイオンでドープされ、上位のレーザ遷移まで励起される。したがって、レーザチューブ利得素子は、共振器レーザ光線１１２ａ、１１２ｂを増幅する。

環状ビーム１１２ａはプリズム１０３に入射し、プリズム１０３によって円筒形ビーム１１２ｂに変換される。ビーム１１２ｂはフラットミラー１１０によって反射され、ついで、中央の孔を備えたＯＣミラーまたはスクレーパミラー１１１によって反射される。この孔を通って、レーザビームはＨＲフィードバックミラー１１３に入射する。ミラー１１１に入射したレーザビームは、ビーム１１２としての出力である。

戻りビームは、ＨＲフィードバックミラー１１３およびフラットミラー１１０からダブルリフラキシコンを含むプリズム１０３まで反射する。円筒形ビームがプリズム１０３によって環状ビームに変換されたあと、ビームはレーザ利得素子１０８を貫通し、ＨＲフラットミラー１０４から反射する。共振器のＨＲフラットミラー１０４は、エンドキャップ１０６のフラット円環表面をコーティングすることによって達成される。

次に図４および図５を参照する。本発明の別の実施形態による、システム２００のレーザ増幅器モジュール２２０の横断面図およびその光学的レイアウトが示されている。図１
から図３に関して上述された増幅器モジュール１２０と同様に、増幅器モジュール２２０は、プリアライメントおよびボンディング処理によって結合される一体式のコンパクトなレーザユニットである。この実施形態によると、ＨＡＰレーザは、円環水晶回転子２１８およびエンドキャップ２０６によって分離される２つのチューブレーザ利得素子２０８ａを備える一体式のユニットを含む。モジュール２２０は、チューブレーザ要素の両端にドープされていないエンドキャップ２０６と、プリズム２０３にダブルリフラキシコンとをさらに含む。光学的に透明な基板２０７は、同様に図１から図３に関して上述されたのと同様に、流路および複数のマイクロチャネルをそれぞれ含み、それによって熱交換器として働く。モジュール２２０は、ダイオードアレイのスタック２０１をさらに含む。これらのレイアウトの問題点は、冷却剤の出力オリフィスおよび入力オリフィス（マニホルド２０２および２０５）が、モジュール２２０のプリズム２０３のドープされていない環状チューブの端部に貫入する可能性があり、このことによって、いくつかの（有意でないが）レーザビームの歪みが生じ得ることである。この問題を軽減するために、冷却剤はレーザチューブ材料の屈折率とほぼ同じ屈折率を有することが望ましい。

システム２００（図５参照）は、フラットミラー２１０、中央の孔を備えたＯＣミラーまたはスクレーパミラー２１１、ＨＲフィードバックミラー２１３、およびＨＲフラットミラー２０４を含む光学部品をさらに含む。戻りビームは、ＨＲフィードバックミラー２１３およびフラットミラー２１０からダブルリフラキシコン２０３に反射する。円筒形ビームがダブルリフラキシコン２０３によって環状ビームに変換されたあと、このビームはレーザ利得素子２０８ａおよびダブルリフラキシコン２０３を貫通し、このダブルリフラキシコン２０３は環状ビームを円筒形ビームに変換して、ビームは最終的にＨＲミラー２０４に至る。

モジュール１２０とモジュール２２０との違いは、チューブレーザ要素１０４のＨＲコーティング表面（図１から図３）を含む代わりに、一体式レーザユニットは、２つのダブルリフラキシコン２０３を組み合わせ、ＨＲフラットミラー２０４を追加していることである。好都合にも、この実施形態に記載される設計によって、空洞設計における自由度を増大させることが可能となり、レーザ一体式ユニットは、レーザ空洞内およびＯＣミラーとＨＲミラーとの間の中の任意の位置に配置されることができる。

また、この概念によって、チューブレーザモジュール２２０を増幅器として容易に使用することが可能になる。図６および図７を参照する。ミラーを備えた複数のレーザモジュール２２０を利用した、システム６００および７００の光学的レイアウトが示されている。システム６００は、ＨＲミラー６２１、フラットミラー６２２、スクレーパミラー６２３、およびフィードバックミラー６２４を含む。システム７００は、ＨＲミラー７０４、フラットミラー７１０、スクレーパミラー７３０、およびフィードバックミラー７４０を含む。

次に図８および図９を参照する。本発明の別の実施形態による、レーザ増幅器モジュール３２０を含むレーザ増幅器システム３００およびそのための光学的レイアウトが示されている。増幅器モジュール３２０は、ダイオードアレイのスタック３０１と、光学的に透明な９０度水晶回転子によって分離される、同様に負荷された２つのチューブレーザ利得素子３０８ａ（図２Ａの利得素子１０８ａに同じ）とを備え、レーザチューブ３０８の両端に２つのドープされていないエンドキャップ３０６（図２Ａのエンドキャップ１０６に同じ）を備えている。モジュール３２０は、光学的に透明な基板３０７とマニホルド３０２および３０５との中に、冷却剤を流すための流路および複数のマイクロチャネルをさらに含む。システム３００は、ＨＲフラットミラー３０４、ワキシコンミラー取付け台３２５を備えた２つのワキシコンミラー３２６ａおよび３２６ｂ、フラットミラー３１０、偏心した孔を備えたＯＣフラットミラーまたはスクレーパミラー３１１、ＨＲフィードバッ
クミラー３１３、光学ポスト３１６、調整板３１５、光学ベンチ３１４、およびハウジング３１７、をさらに含む。

ダイオードアレイ３０１のスタックは、光放射３１４をチューブ３０８の２つのレーザ利得素子３０８ａに供給する。レーザ利得媒質は、入射する光放射３１４の有意な部分を吸収する、適したレーザイオンでドープされ、上位のレーザ遷移まで励起される。したがって、チューブレーザ利得素子は共振器レーザビームおよびアウトビーム３１２を増幅する。環状ビームがワキシコンミラー３２６ｂによって円筒形ビームに変換されたあと、このビームは、フラットミラー３１０から偏心した孔を備えたＯＣミラーまたはスクレーパミラー３１１に反射する。この孔を通って、レーザビームは、ＨＲフィードバックミラー３１３に入射する。戻りビームの流路のための中心の外れた開口部を有するＯＣミラーまたはスクレーパミラーを使用することによって、共振器の光軸がワキシコンミラー３２６ｂの頂部に心合わせされることがもはやできなくなり、モード制御を有意に損失することなく頂部が切捨てられることができる。

戻りビームは、ＨＲフィードバックミラー３１３およびフラットミラー３１０からワキシコンミラー３２６ｂに反射する。円筒形ビームがワキシコンミラー３２６ｂによって環状ビームに変換されたあと、このビームはレーザ利得素子３０８ａを貫通し、ワキシコンミラー３２６ａ（環状ビームを円筒形ビームに変換する）からＨＲフラットミラー３０４に反射する。

種々の光学素子が本発明で使用されてもよく、その光学素子の例は、同時出願された米国特許第４，５１４，８５０号、第４，５１６，２４４号および第４，５９８，４０８号に記載されており、これらをすべての目的のために引用として本願明細書に組み込むことに注意されたい。

上述の実施形態は本発明を例示するものであるが、本発明を限定するものではない。本発明の原理にしたがって数多くの改変および変更が可能であることもまた、理解されたい。したがって、本発明の範囲は、後続の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本発明の一実施形態によるレーザ増幅器モジュールアセンブリを示す。 本発明の一実施形態による図１に示すレーザ増幅器モジュールの横断面図を示す。 本発明の一実施形態による図２Ａに示す線２Ｂ−２Ｂに沿ったレーザ増幅器モジュールの横断面図を示す。 本発明の別の実施形態による図２Ａにおけるレーザ増幅器モジュールの横断面図を示す。 本発明の別の実施形態による図２Ａにおけるレーザ増幅器モジュールのさらに別の横断面図を示す。 本発明の一実施形態によるレーザチューブの部分拡大図を示す。 本発明の別の実施形態によるレーザチューブの部分拡大図を示す。 本発明の実施形態による図１に示されるレーザ増幅器モジュールアセンブリの光学的レイアウトを示す。 本発明の別の実施形態によるレーザ増幅器モジュールの横断面図を示す。 本発明の実施形態による図４に示されるレーザ増幅器モジュールの光学的レイアウトを示す。 複数のレーザ増幅器モジュールの使用を示す。 複数のレーザ増幅器モジュールの使用を示す。 本発明の別の実施形態によるレーザ増幅器モジュールアセンブリを示す。 本発明の一実施形態による図８に示されるレーザ増幅器モジュールアセンブリの光学的レイアウトを示す。

Claims (15)

1. 固体レーザのための増幅器モジュールであって、
   前記増幅器モジュールは、
   内面および外面を有し、レーザ利得物質を含むチューブと、
   前記チューブの前記内面に隣接し、第１の複数のマイクロチャネルを含む第１の基板と、
   前記チューブの前記外面に隣接し、第２の複数のマイクロチャネルを含む第２の基板と、
   前記第２の基板の外部に配置され、光学励起照射を前記レーザ利得物質に供給するように構成される、複数のダイオードバーと、
   を備える、増幅器モジュール。
2. ９０度円環水晶回転子および光学的に透明なエンドキャップが前記チューブを分離し、前記チューブは同一の負荷を有する２つのレーザ利得素子を含む、請求項１に記載の増幅器モジュール。
3. 前記第１および第２の基板が光学的に透明である、請求項１に記載の増幅器モジュール。
4. 直径が中心部から増大し、外端部に向かって延びるテーパを、前記チューブの前記内面および外面が含む、請求項１に記載の増幅器モジュール。
5. 前記第１および第２の複数のマイクロチャネルが前記チューブに隣接する、請求項１に記載の増幅器モジュール。
6. 前記第１および第２の複数のマイクロチャネルが、前記チューブの長さ方向軸に略平行に設けられているか、または、前記チューブの長さ方向軸に略垂直に設けられている、請求項１に記載の増幅器モジュール。
7. 前記チューブの少なくとも一端に動作可能に結合される光学部品をさらに備え、前記光学部品は、アキシコン、ワキシコン、およびリフラキシコン光学部品からなる群から選択される、請求項１に記載の増幅器モジュール。
8. 前記複数のダイオードバーが前記チューブに対して回転してもよい、請求項１に記載の増幅器モジュール。
9. 前記チューブの一端に動作可能に結合されるドープされていないエンドキャップをさらに備える、請求項１に記載の増幅器モジュール。
10. 前記チューブ、前記第１の基板、前記第２の基板、および前記複数のダイオードバーを収容するためのハウジングをさらに備え、前記ハウジングは、前記第１および第２の複数のマイクロチャネルを通って冷却剤を循環させるための冷却マニホルドを含む、請求項１に記載の増幅器モジュール。
11. 光源光のための光学利得を供給するように構成される増幅器モジュールを有する固体レーザであって、
    前記増幅器モジュールは、
    内面および外面を有し、レーザ利得物質を含むチューブと、
    前記チューブの前記内面に隣接し、第１の複数のマイクロチャネルを含む第１の基板と、
    前記チューブの前記外面に隣接し、第２の複数のマイクロチャネルを含む第２の基板と、
    前記第２の基板の外部に配置され、光学励起照射を前記レーザ利得物質に供給するように構成される、複数のダイオードバーと、
    を備える、固体レーザ。
12. レーザビームの増幅のために互いに動作可能に結合される複数の増幅器モジュールをさらに備える、請求項１１に記載のレーザ。
13. レイジング方法であって、
    内面および外面を有し、レーザ利得物質を含むチューブと、
    前記チューブの前記内面に隣接し、第１の複数のマイクロチャネルを含む第１の基板と、
    前記チューブの前記外面に隣接し、第２の複数のマイクロチャネルを含む、第２の基板と、
    前記第２の基板の外部に配置される複数のダイオードバーと、
    を含む増幅器モジュールを提供することと、
    前記複数のダイオードバーからの励起照射を前記増幅器モジュールの前記レーザ利得物質に供給することと、
    マイクロチャネルと、
    を備える、レイジング方法。
14. 第１および第２の複数のマイクロチャネルを通って冷却剤を流すことが独立して制御される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記増幅器モジュールの少なくとも一端に、アキシコン、ワキシコン、およびリフラキシコン光学部品からなる前記群から選択される光学部品を動作可能に結合することと、
    レーザビームの増幅のために、複数の増幅器モジュールを互いに動作可能に結合することと、
    をさらに備える、請求項１３に記載の方法。

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