JP5155560B2 - 内部赤外誘導損傷への耐性を有するレーザ - Google Patents
内部赤外誘導損傷への耐性を有するレーザ Download PDFInfo
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Description
本発明は一般にレーザに関し、より詳細には、強度内部赤外放射による損傷への耐性を有するＹＡＧレーザの作成に関する。
イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）レーザなどの固体レーザは、種々のモードの故障を起こしやすい。故障モードの１つは、長期の使用期間を通じてのレーザの劣化である。この故障モードは全てのレーザに関連しているが、特に関連しているのは、長時間、例えば何十万時間以上にも渡って、連続的またはほぼ連続的に使用されるレーザである。例えば、１００〜１０００時間の寿命では、レーザはおそらく定期的な点検を必要とすることになるが、これは幾つかの用途では許容できる。５０００〜１０，０００時間の寿命は、製造業の環境で用いられるレーザとして、典型的には許容できる。幾つかのレーザ用途では、さらに長い寿命が必要とされる。そのような故障モードの存在は従来技術において周知であるが、その性質は、レーザの複雑な性質に関する多様な潜在的問題のため、不明瞭かつ変動的である。これらの問題の幾つかは機械的な性質に関するものであり、幾つかは光学素子の劣化に関する。より長期の劣化の問題の性質が不明であるため、その問題の解決法も不明である。実施が容易であり、低コストで、および従来のレーザシステムの完全な再設計を必要としない、問題の解決法が好適であろう。
ダイオード励起Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザは、ダイオードレーザから、例えば約８０８ｎｍ、時には８８０ｎｍの励起光を受取る。励起光は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ利得媒質で１０６４ｎｍの光の放出を誘導する。誘導された１０６４ｎｍ光は、強く明瞭なビームとして、２枚のミラーの間を往復する。レーザは、短く強いパルスを生成するための、Ｑスイッチレーザであってもよい。レーザの長期劣化は、経時での緩やかな出力パワーの減少として現れる。初期において利得媒質供給業者は、問題が利得媒質に起因するとは考えていなかった点を明らかにしていた。しかしながら、Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒質における長期劣化についての発明者らの研究によって、バルクな利得媒質の劣化が明らかになった。さらに発明者らは、利得媒質への損傷がほぼ完全に光路に限定されていることを見出した。損傷の量はＮｄ：ＹＡＧ内での１０６４ｎｍ（赤外）光の強度に強く依存することを、発明者らは見出した。
ある種の損傷は、色中心発生として公知である。色中心はＮｄ：ＹＡＧ内で１０６４ｎｍの誘導放射を吸収することによって、出力を減少させる。宇宙線などのイオン化放射による強度の衝撃もまた色中心発生を引起こし得ることを、発明者らは特に言及しておく。Ｃｒ３＋などのクロムイオン、またはＣｅ３＋などのセリウムイオンを用いるＮｄ：ＹＡＧの共ドーピングは、ダイオード励起レーザを宇宙線から保護するために、実験において用いられている。例えば、非特許文献１では、ガンマ線照射によるレーザ性能の劣化は、専ら色中心形成によって引起こされた１０６４ｎｍ吸収のためであることが示されている。ローズ（Rose）らの発表では、０．０５％のＣｒ３＋イオンによってガンマ線耐性に測定可能な改良がなされ、１％のＣｒ３＋イオンでははるかに優れた改良がなされたことが示されている。ローズらは、Ｎｄ：ＹＡＧを放射耐性化する代替の方法を挙げており、それには１０６４ｎｍでの光学損失の小さな変化に敏感ではないレーザキャビティを設計する詳細な方法（例えば、高出力結合を用いる、短いＮｄ：ＹＡＧ長さを用いるなど）が含まれている。残念なことに、これはイントラキャビティ３倍波レーザを設計するための制約とは相反する。そこでは、レーザキャビティの損失を低くすることが好適であり、そのため光学損失の小さな変化に非常に敏感である。参照文献ではまた、幾つかの機能しない共ドーパントが説明されている。さらに、これらの従来技術の実験では、利得媒質におけ
る赤外放射の強度は、発明者らがＮｄ：ＹＡＧにおいて見出した長期劣化の強度より実質的に低い。
る赤外放射の強度は、発明者らがＮｄ：ＹＡＧにおいて見出した長期劣化の強度より実質的に低い。
さらに、非特許文献２では、Ｃｒ３＋共ドーピングによって、ガンマ線に曝露されたＮｄ：ＹＡＧで色中心損傷の発生が防止されることが示されている。この文献ではまた、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ、ＹＳＧＧを含む多くのガーネット型結晶において、Ｃｒ３＋が同様の効果を有することが示されている。また、セリウムの添加は、イオン化放射への耐性を有する材料を作成する周知の方法であることも、この文献で延べられている。
Ｃｒ３＋およびＮｄ３＋イオンの両方を用いるＹＡＧのドーピングは、典型的には放射耐性化以外の理由で行われる。例えば、非特許文献３では、Ｃｒ３＋、Ｎｄ３＋、およびＣｒ３＋／Ｎｄ３＋が共ドープされたＹＡＧの吸収および放出特性、詳細には、フラッシュランプ放射の吸収の増大およびＣｒ３＋からＮｄ３＋へのエネルギー移動が説明されている。このことが、Ｃｒ３＋／Ｎｄ３＋が共ドープされたＹＡＧを用いる従来の理由であり、放射耐性化とは無関係である。フラッシュランプ励起放射は必然的に広帯域であり、典型的には、ダイオード励起放射より充分な短波長に、有意なパワーを含んでいる。
学術論文である非特許文献４では、Ｎｄ：ＹＡＧにおけるガンマ線に誘導される色中心形成と結晶欠陥密度との間の相関が説明されている。この文献ではまた、５００℃で２時間のアニーリングによって、色中心が除去され得ることが示されている。またＮｄ：ＹＡＧにおいて、如何にしてＣｅ３＋ドーピングが色中心発生を劇的に減少するのかも説明されている。
色中心発生はまたフラッシュランプ励起レーザでも問題であり、「ソラリゼーション」として周知である。ソラリゼーションは、２光子の紫外（ＵＶ）過程によって引起こされると考えられている。従来技術では、フラッシュランプと利得媒質との間にフィルタを配置することによって、フラッシュランプ励起レーザはソラリゼーションから保護されている。ソラリゼーションによる色中心発生とイオン化放射による色中心発生とに、何らかの関連がある旨を示唆する従来技術を、発明者らは全く認識していない。
例えば、非特許文献５では、ＵＶ光照射によってＹＡＧ中に誘導された「周知の」色中心吸収の過渡的性質が説明されている。色中心は結晶欠陥が原因であるとされている。
早期の学術論文である非特許文献６では、高強度のＵＶおよび可視光、特に５００ｎｍより短波長での照射によって引起こされる、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの効率の減少が報告されている。この問題は吸収性の色中心発生によるとされていた。
早期の学術論文である非特許文献６では、高強度のＵＶおよび可視光、特に５００ｎｍより短波長での照射によって引起こされる、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの効率の減少が報告されている。この問題は吸収性の色中心発生によるとされていた。
非特許文献７では、ＹＡＧにおける色中心に関する吸収スペクトル（近紫外にピークを有し、可視および弱くは赤外まで延びる広い裾を有する）が説明されている。この文献ではまた、色中心発生を引起こすのはＵＶ光であること、および、フラッシュランプとＹＡＧとの間へのフィルタの配置によって、その発生が防止（または減少／遅延）され得ることが示唆されている。例えば特許文献１では、改良された性能が得られるように、５００ｎｍより短波長の光がＹＡＧ結晶に入射するのを遮るフィルタを有する、ＹＡＧレーザが説明されている。さらに、学術論文である非特許文献８では、ＵＶ光を吸収してＮｄ：ＹＡＧ結晶が損傷することを防止するための、フラッシュランプとＮｄ：ＹＡＧロッドとの間に配置されるスペクトルフィルタの使用について説明されている。データでは、フラッシュランプの放射に１０分間曝露すると劣化を引起こし得ることが示されている。
幾つかの従来技術ではまた、色中心発生が不純物に関連することが示唆されており、共ドーピングでは問題は解決されないと示唆される傾向にあるであろう。例えば、別の非特許文献９では、Ｎｄ：ＹＡＧの「ソラリゼーション」についての多くの知識が概説されて
いるが、ソラリゼーションがＵＶ照射によって引起こされることは周知であると、この論文でも指摘されている。この文献ではまた、安定（長期）および不安定（短い寿命）な色中心が区別され、１０ｐｐｍレベルの多くの不純物は色中心の原因に関係していることが示され、Ｎｄ：ＹＡＧのＵＶ照射によって形成され得る典型的な１０６４ｎｍ吸収の大きさが定量されてもいる。彼らのデータでは、特定のフラッシュランプ励起条件における約０．００４ｃｍ−１の吸収の飽和が示されている。典型的なＮｄ：ＹＡＧレーザにおいては、これは概算で１％のラウンドトリップ損失に相当する。この文献では、（ａ）ＵＶ照射による安定および不安定な色中心の形成と、（ｂ）ＵＶ照射による不安定な色中心の消滅との相対的な有意性の定量が試みられている。
いるが、ソラリゼーションがＵＶ照射によって引起こされることは周知であると、この論文でも指摘されている。この文献ではまた、安定（長期）および不安定（短い寿命）な色中心が区別され、１０ｐｐｍレベルの多くの不純物は色中心の原因に関係していることが示され、Ｎｄ：ＹＡＧのＵＶ照射によって形成され得る典型的な１０６４ｎｍ吸収の大きさが定量されてもいる。彼らのデータでは、特定のフラッシュランプ励起条件における約０．００４ｃｍ−１の吸収の飽和が示されている。典型的なＮｄ：ＹＡＧレーザにおいては、これは概算で１％のラウンドトリップ損失に相当する。この文献では、（ａ）ＵＶ照射による安定および不安定な色中心の形成と、（ｂ）ＵＶ照射による不安定な色中心の消滅との相対的な有意性の定量が試みられている。
全ての従来技術では、色中心発生によって利得媒質の劣化を引起こすのは、例えばＵＶなどの短波長放射、またはガンマ線などのイオン化放射などであることが示唆されている。ソラリゼーションに関連する参照文献には、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋を用いる共ドーピングによってソラリゼーションの問題が解決されることが示唆されているものはない。ＹＡＧレーザにおける内部赤外放射は充分に長波長であり、したがって、エネルギー的には低い。この理由のため、赤外放射は一般にはイオン化放射として考えられていない。さらに、Ｃｒ４＋でＹＡＧをドーピングすると、赤外放射の強い吸収が引起こされることは周知であり、これによって、赤外レーザの計画は阻止されている。意図されないＣｒ４＋を導入する恐れから、発明者ら自身、Ｃｒ３＋が共ドープされたＮｄ３＋：ＹＡＧを試みることに消極的であった。
米国特許第４，０３９，９７０号明細書。
ティー．エス．ローズ（T. S. Rose）、アール．エル．ハッチェンソン（R. L. Hutchenson）、およびアール．エイ．フィールズ（R. A. Fields）、「遷移金属イオン共ドーパントによるＮｄ：ＹＡＧの放射耐性化（Radiation Hardening of Nd:YAG by Transition Metal Ion Codopants ）」、プロシーディングスオブアドバンスドソリッドステートレーザ１９９４（Proceedings of Advanced Solid State Lasers 1994 ）、米国光学会（Optical Society of America）、１９９４年、ペーパエイキュービー２−１（Paper AQB2-1）、ｐ．２０９。
エム．ハー．アシュロフ（M. Kh. Ashurov）ら、「ガーネット構造を有する結晶中での色中心形成におけるクロムイオンの影響（Effect of chromium ions on the formation of color centers in crystals with the garnet structure ）」、ソビエトフィジクスドクレディ（Soviet Physics Doklady）、１９８５年、第３０巻、第６号、ｐ．４９０。
ピー．ホン（P. Hong ）、エクス．エクス．チャン（X. X. Zhang ）、シー．ダブリュ．シュトルック（C. W. Struck）、およびビー．ディバートロ（B. Di Bartolo ）、「イットリウムアルミニウムガーネットにおける、Ｃｒ３＋冷光およびＣｒ３＋とＮｄ３＋との間のエネルギー移動（Luminescence of Cr3+ and energy transfer between Cr3+ and Nd3+ ions in yttrium aluminum garnet）」、ジャーナルオブアプライドフィジクス（Journal of Applied Physics）、１９９５年、第７８巻、第７号、ｐ．４６５９。
エヌ．エス．コバレェバ（N. S. Kovaleva）、エイ．オー．イワノフ（A. O. Ivanov）、およびイー．ピー．ドゥブロービナ（E. P. Dubrovina ）、「Ｎｄ：ＹＡＧ結晶における、放射色中心の形成と成長欠陥との間の関係（Relationship between formation of radiation color centers and growth defects in Nd:YAG crystals ）」、ソビエトジャーナルオブクォンタムエレクトロニクス（Soviet Journal of Quantum Electronics ）、１９８１年、第１１巻、ｐ．１４８５。
ケー．モリ（K. Mori ）「イットリウムアルミニウムガーネット結晶においてＵＶ光照射によって引起こされる過渡的な色中心（Transient Colour Centres Caused by UV Light Irradiation in Yttrium Aluminium Garnet Crystals）」、フィジカスタツスソリディエイ（Physica Status Solidi (a) ）、１９７７年、第４２巻、ｐ．３７５。
ジー．ツァイドラー（G. Zeidler）、アイトリプルイージャーナルオブクォンタムエレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum Electronics ）、１９６８年、第７巻、ｐ．１５３。
エム．バス（M. Bass ）およびエイ．イー．パラディーノ（A. E. Paladino）、「イットリウムガリウムガーネットおよびイットリウムアルミニウムガーネットにおける色中心（Color Centers in Yttrium Gallium Garnet and Yttrium Aluminum Garnet ）」、１９６０年代後半。
ブイ．チャルニフスキ（V. Czarniewski）、「Ｎｄ：ＹＡＬＧ励起キャビティ用のスペクトルフィルタ（Spectral Filter for a Nd : YAlG Pumping Cavity）」、アプライドオプティクス（Applied Optics）、１９７１年、第１０巻、第６号、ｐ．１４６０。
ゲルト フィリプス（Gerd Phillipps）およびヨアヒム ファーター（Joachim Vater ）、「フラッシュランプ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッドにおいて安定な色中心によって引起される１．０６ｕｍ吸収（1.06-um absorption caused by stable color centers in flash-lamp- pumped Nd:YAG laser rods ）」、アプライドオプティクス（Applied Optics）、１９９３年、第３２巻、第１８号、ｐ．３２１０。
したがって、長期劣化への耐性を有する固体レーザ、およびそのようなレーザを提供するための方法の技術的な要求がある。
本発明の実施態様は、利得媒質にイオン化放射への耐性を付与するようにイオンで共ドープされた利得媒質の、ダイオード励起赤外レーザの使用を通じて、従来技術に関する不利を克服する。利得媒質内では、内部赤外放射のピーク強度は、約０．０１ＧＷ／ｃｍ２を超える。
本発明の内容は、添付の図面と関連する以下の詳細な説明を考慮することによって、速やかに理解され得る。
以下の詳細な説明には、図示の目的で多くの詳細な項目が含まれているが、しかしながら、本発明の範囲内で以下の項目に対する多くの変更および代替があることを、当業者は認識するであろう。したがって、以下で説明される本発明の例示的な実施態様は、請求される本発明に対して何ら一般性を喪失することなく、および制限を課することなく示される。
以下の詳細な説明には、図示の目的で多くの詳細な項目が含まれているが、しかしながら、本発明の範囲内で以下の項目に対する多くの変更および代替があることを、当業者は認識するであろう。したがって、以下で説明される本発明の例示的な実施態様は、請求される本発明に対して何ら一般性を喪失することなく、および制限を課することなく示される。
本明細書中では以下の用語が用いられる。
冠詞「ａ」または「ａｎ」は、他に明示的に延べられる箇所を除いて、その冠詞に続く項目の１以上の量を指す。
冠詞「ａ」または「ａｎ」は、他に明示的に延べられる箇所を除いて、その冠詞に続く項目の１以上の量を指す。
「キャビティ」は、それに沿って光が往復または循環することが可能な、２以上の反射面によって画定される光路を指す。光路を横切る物体は、キャビティ内にある、と称される。
「共ドーピング」とは、利得媒質を２以上のドーパント、例えば、レーザ発振用のドーパントおよび共ドーパントと呼ばれる追加のドーパントでドープすることをいう。
「連続波（ＣＷ）レーザ」とは、パルスレーザにおけるような短いバーストではなく、連続的に放射を放出するレーザをいう。
「連続波（ＣＷ）レーザ」とは、パルスレーザにおけるような短いバーストではなく、連続的に放射を放出するレーザをいう。
「宇宙線」は、ガンマ線、高エネルギー荷電粒子、および、外宇宙で発生する他の高エネルギー放射を指す。
「ダイオードレーザ」は、誘導放出を用いてコヒーレント光出力を発生するように設計された発光ダイオードを指す。ダイオードレーザは、レーザダイオードまたは半導体レーザとしても周知である。
「ダイオードレーザ」は、誘導放出を用いてコヒーレント光出力を発生するように設計された発光ダイオードを指す。ダイオードレーザは、レーザダイオードまたは半導体レーザとしても周知である。
「ダイオード励起レーザ」は、ダイオードレーザによって励起される利得媒質を有するレーザを指す。
「利得媒質」は、「レーザ」に関する以下の説明にある、レーザ発振可能な材料を指す。
「利得媒質」は、「レーザ」に関する以下の説明にある、レーザ発振可能な材料を指す。
「ガーネット」は、例えば、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）、イットリウムスカンジウムガリウムガーネット（ＹＳＧＧ）などを含む、特定の種類の酸化物結晶を指す。
「含む（include ）、含んでいる（including ）、例えば（e.g.）、そのような（such
as ）、例えば（for example ）、など（etc.）、など（and the like）、してもよい（may ）、可能である（can ）、し得る（could ）」および、特定の範疇のある項目または一連の項目に関して用いられる他の修飾語句は、その項目または一連の項目がその範疇に含まれるが、それらの項目に限定されないことを意味する。
as ）、例えば（for example ）、など（etc.）、など（and the like）、してもよい（may ）、可能である（can ）、し得る（could ）」および、特定の範疇のある項目または一連の項目に関して用いられる他の修飾語句は、その項目または一連の項目がその範疇に含まれるが、それらの項目に限定されないことを意味する。
「赤外放射」は、約７００ナノメートル（ｎｍ）〜約５０００ｎｍの真空波長を特徴とする電磁放射を指す。
「内部放射」は、そこで発生すべき過程の原因としてレーザキャビティ内に導入される放射、または、そのような過程の意図されるまたは意図されない結果としてレーザキャビティ内で発生される放射、を指す。利得媒質が励起されない限り、内部放射は発生されない。内部放射の例には、レーザ発振過程自身によって発生される誘導放射、および誘導放射を伴う幾つかの周波数変換過程によって発生される放射が含まれる。
「内部放射」は、そこで発生すべき過程の原因としてレーザキャビティ内に導入される放射、または、そのような過程の意図されるまたは意図されない結果としてレーザキャビティ内で発生される放射、を指す。利得媒質が励起されない限り、内部放射は発生されない。内部放射の例には、レーザ発振過程自身によって発生される誘導放射、および誘導放射を伴う幾つかの周波数変換過程によって発生される放射が含まれる。
「イオン化放射」は、紫外線、ガンマ線放射、高エネルギー荷電粒子、および他の高エネルギー放射を指す。
「レーザ」は、放射の誘導放出による光増幅（light amplification by stimulated emission of radiation ）の頭字語である。レーザは、レーザ発振可能な材料で満たされているキャビティである。これは任意の材料、結晶、ガラス、液体、色素、またはガス、であって、その原子は、例えば光または電気放電によってなど、励起によって準安定状態に励起されることが可能である。原子が基底状態に戻り誘導放出で光を放出することによって、光が放出される。光（ここでは誘導放射を指す）は、キャビティを通じて複数のラウンドトリップをなすに従って、強度が継続的に増加される。利得媒質として光ファイバを用いて、レーザが構成されてもよい。ファイバは、典型的にはガラス型材料であるが、結晶またはガラスナノ結晶複合材料であってもよい。
「レーザ」は、放射の誘導放出による光増幅（light amplification by stimulated emission of radiation ）の頭字語である。レーザは、レーザ発振可能な材料で満たされているキャビティである。これは任意の材料、結晶、ガラス、液体、色素、またはガス、であって、その原子は、例えば光または電気放電によってなど、励起によって準安定状態に励起されることが可能である。原子が基底状態に戻り誘導放出で光を放出することによって、光が放出される。光（ここでは誘導放射を指す）は、キャビティを通じて複数のラウンドトリップをなすに従って、強度が継続的に増加される。利得媒質として光ファイバを用いて、レーザが構成されてもよい。ファイバは、典型的にはガラス型材料であるが、結晶またはガラスナノ結晶複合材料であってもよい。
「光」：本明細書中では、用語「光」は一般に、約１ナノメートル（１０−９メートル）〜約１００ミクロンの範囲の真空波長におおよそ相当する、赤外から紫外に渡る周波数範囲の電磁放射を指す。
「モード同期レーザ」は、高ピークパワーおよび短い持続時間、例えばピコ秒（１０−１２秒）領域の、エネルギーバーストを選択的に発生させるために、内部的に各モードの相対位相を（時には時間に関する変調を通じて）制御することによって機能するレーザを
指す。
指す。
「非線形効果」は、レーザによって生成される光など、ほぼ単色の指向性ビームの光でのみ典型的には視認され得る、ある種の光学現象を指す。高調波発生（例えば、第２、第３、第４高調波発生）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、および誘導ラマン効果が例である。
「非線形材料」は、非線形効果を生じ得る光放射に対して、ゼロでない非線形誘電応答を有する材料を指す。非線形材料の例には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リチウムトリボレート（ＬＢＯ）、ベータ−バリウムボレート（ＢＢＯ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）、ケイディーピー（ＫＤＰ）およびその同形体、ＬｉＩＯ３の各結晶、および擬似位相整合材料が含まれる。
「位相整合」は、波間でエネルギーのコヒーレントな移動が可能である距離を増すために、多波の非線形光学過程において用いられる技術を指す。例えば、３波の過程では、ｋ１＋ｋ２＝ｋ３である時、位相整合されていると称される。ここで、ｋｉは過程に現れる第ｉ番目の波のベクトル波である。例えば、周波数２逓倍では、基本および第２高調波の位相速度が同期される時、過程は最も効率的である。
「Ｑ」は、共振器（キャビティ）の性能指数を指し、（２π）×（共振器に蓄積される平均エネルギー）÷（サイクルあたりのエネルギー散逸）で定義される。光学共振器の面の反射率が高く、吸収損失が低いほど、Ｑは高く、所望のモードからのエネルギー損失は低くなる。
「Ｑスイッチ」は、光学共振器のＱを急速に変化させるために用いられる装置を指す。
「Ｑスイッチレーザ」は、レーザ発振媒質中で高レベルの反転（光利得およびエネルギー蓄積）が達成されるまでレーザ発振作用を防止するために、レーザキャビティ中でＱスイッチを用いるレーザを指す。例えば、音響光学または電気光学変調器、または可飽和吸収体などを用いて、スイッチがキャビティのＱを急速に増加させる時、ジャイアントパルスが発生される。
「Ｑスイッチレーザ」は、レーザ発振媒質中で高レベルの反転（光利得およびエネルギー蓄積）が達成されるまでレーザ発振作用を防止するために、レーザキャビティ中でＱスイッチを用いるレーザを指す。例えば、音響光学または電気光学変調器、または可飽和吸収体などを用いて、スイッチがキャビティのＱを急速に増加させる時、ジャイアントパルスが発生される。
「擬似位相整合（ＱＰＭ）材料」：擬似位相整合材料においては、基本および高調波放射は位相整合されないが、ＱＰＭ格子によって補償が行われる。ＱＰＭ材料においては、基本および高調波は同一偏光を有し得て、多くの場合において効率を改良する。擬似位相整合材料の例には、周期分極反転リチウムタンタレート、周期分極反転リチウムニオベート（ＰＰＬＮ）、またはピーピーケーティピー（ＰＰＫＴＰ）が含まれる。
「真空波長」：一般に電磁放射の波長は、その波が進行する媒質の関数である。真空波長は、所定の周波数の電磁放射が真空を伝搬するとした場合の波長であり、その周波数で真空での光速度を割ることによって与えられる。
総体的に延べると、本発明の実施態様は損傷耐性を有するダイオード励起レーザを作成する。発明者らは、ネオジムがドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を利得媒質として用いるレーザにおける、この種の故障モードの体系的な研究を行ってきた。詳細には本研究は、利得媒質としてＮｄ３＋がドープされたＹＡＧを用いる、ダイオード励起レーザに関する。本発明は他の種類のガーネットレーザおよび他の固体レーザでもまた実施されることが可能であると、発明者らは考える。
内部１０６４ｎｍ光での色中心発生による損傷の量は、Ｎｄ：ＹＡＧ内の１０６４ｎｍ（赤外）光の強度に強く依存する、と発明者らが見出したことに従って、長期劣化の原因
およびその問題の解決法は以下のように仮定される。
（１）比較的低損失であるレーザキャビティは、例えば数百ワットの高い平均循環パワー（high average circulating powers ）を有し得る。ある低損失キャビティの例では、例えば低非線形性ＬＢＯ結晶を用いる、第２および第３高調波波長への非線形光学変換以外には、意図的な出力結合はない。
（２）レーザがＱスイッチレーザである場合には、イントラキャビティピークパワーはさらに増大する。例えば、５０マイクロ秒（２０ｋＨｚ）ずつ離れた５０ナノ秒のパルスは、ピークパワーと平均パワーとの間に１０００：１の強化を生じることによって、数百ｋＷのイントラキャビティピークパワーを発生する。
（３）レーザモードはＮｄ：ＹＡＧロッド内に密に（＜＜１平方ミリメートル）集束されて、およそ０．０１〜１ギガワット／平方センチメートルのピークＩＲ（赤外）強度を生じる。
（４）これらの高いＩＲ強度によって、ＹＡＧ価電子帯からＹＡＧ伝導帯への、緩やかではあるがゼロでない速さでの多光子（おそらく６または７光子）吸収が可能にされていると、発明者らは推論した。
（５）さらに発明者らは、吸収される光（およびそれによる遊離電子／ホール）が、より容易に吸収されるＵＶ光と（ＹＡＧに関する限りは）同等であることを推論した。したがって、吸収されるＵＶ光が引起こし得る任意の種類の結晶損傷（「ソラリゼーション」）はまた、多光子吸収されるＩＲ光によっても引起こされ得るであろう。
（６）したがって、ＩＲ光の多光子吸収の確率が低いために非常に遅いものの、ＹＡＧは高強度ＩＲ光によって「ソラリゼーション」されると、発明者らは結論を下した。これによって、１０６４ｎｍに小さな量の（線形の）吸収を示す色中心が発生する。
（７）この１０６４ｎｍ吸収は大きさでは小さいものの、数千時間の間、無調整で動作しなくてはならない低損失キャビティ内部の長いＮｄ：ＹＡＧロッド（またはスラブ）にとっては、より重要である。
（８）ＹＡＧにおける類似または同様の色中心はまた、ガンマ線照射によっても引起こされる。類似点は、（ａ）両方とも放射誘起であること、および（ｂ）両方とも、近紫外にピークを有し、ＩＲへ延びる長い裾を持つ吸収スペクトルを有することである。
（９）文献には、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋の共ドーピングによって、ガンマ線照射されたＹＡＧにおける色中心発生が効果的に減少することが示されている。
（１０）Ｃｒ３＋の共ドーピングがＮｄ：ＹＡＧ結晶のバックグラウンド損失に有意には影響しないことは周知である。
およびその問題の解決法は以下のように仮定される。
（１）比較的低損失であるレーザキャビティは、例えば数百ワットの高い平均循環パワー（high average circulating powers ）を有し得る。ある低損失キャビティの例では、例えば低非線形性ＬＢＯ結晶を用いる、第２および第３高調波波長への非線形光学変換以外には、意図的な出力結合はない。
（２）レーザがＱスイッチレーザである場合には、イントラキャビティピークパワーはさらに増大する。例えば、５０マイクロ秒（２０ｋＨｚ）ずつ離れた５０ナノ秒のパルスは、ピークパワーと平均パワーとの間に１０００：１の強化を生じることによって、数百ｋＷのイントラキャビティピークパワーを発生する。
（３）レーザモードはＮｄ：ＹＡＧロッド内に密に（＜＜１平方ミリメートル）集束されて、およそ０．０１〜１ギガワット／平方センチメートルのピークＩＲ（赤外）強度を生じる。
（４）これらの高いＩＲ強度によって、ＹＡＧ価電子帯からＹＡＧ伝導帯への、緩やかではあるがゼロでない速さでの多光子（おそらく６または７光子）吸収が可能にされていると、発明者らは推論した。
（５）さらに発明者らは、吸収される光（およびそれによる遊離電子／ホール）が、より容易に吸収されるＵＶ光と（ＹＡＧに関する限りは）同等であることを推論した。したがって、吸収されるＵＶ光が引起こし得る任意の種類の結晶損傷（「ソラリゼーション」）はまた、多光子吸収されるＩＲ光によっても引起こされ得るであろう。
（６）したがって、ＩＲ光の多光子吸収の確率が低いために非常に遅いものの、ＹＡＧは高強度ＩＲ光によって「ソラリゼーション」されると、発明者らは結論を下した。これによって、１０６４ｎｍに小さな量の（線形の）吸収を示す色中心が発生する。
（７）この１０６４ｎｍ吸収は大きさでは小さいものの、数千時間の間、無調整で動作しなくてはならない低損失キャビティ内部の長いＮｄ：ＹＡＧロッド（またはスラブ）にとっては、より重要である。
（８）ＹＡＧにおける類似または同様の色中心はまた、ガンマ線照射によっても引起こされる。類似点は、（ａ）両方とも放射誘起であること、および（ｂ）両方とも、近紫外にピークを有し、ＩＲへ延びる長い裾を持つ吸収スペクトルを有することである。
（９）文献には、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋の共ドーピングによって、ガンマ線照射されたＹＡＧにおける色中心発生が効果的に減少することが示されている。
（１０）Ｃｒ３＋の共ドーピングがＮｄ：ＹＡＧ結晶のバックグラウンド損失に有意には影響しないことは周知である。
ゆえに、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋の共ドーピングによって、高強度（例えば、０．０１ギガワット／平方センチメートル（ＧＷ／ｃｍ２）以上）内部放射によるＹＡＧの多ＩＲ光子吸収誘起劣化を減少し得ると、発明者らは推論した。
比較すると、ローズらは、９００ＭＷ／ｃｍ２に達するまでの強度で放射損傷Ｎｄ：ＹＡＧの１．０６ｕｍ吸収係数を測定した、と延べている。しかしながら、彼らはこれらの強度を経験するＮｄ：ＹＡＧを用いてレーザを作成していない。彼らは、非線形吸収（即ち、強度に依存する吸収を与える、多光子吸収または飽和吸収）を探していたが、何も見出しておらず、照射を受けて色中心吸収箇所を有した結晶さえも見出していない。彼らの実験の結果から、ローズらは、１．０６ｕｍでの多光子吸収は発生していない、と結論を下すであろう。さらに、ローズらは、０．０１ギガワット／平方センチメートル以上の範囲の赤外強度を得ることを目的とする、共ドープＣｒ：Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒質を用いたレーザを説明していない（おそらくは作成していない）。
Ｃｒ３＋イオンでドープされたＹＡＧレーザを用いた実験によって、発明者らは、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋の共ドーピングが、高強度（例えば、０．０１ＧＷ／ｃｍ２以上）内部放射によるＹＡＧの多ＩＲ光子吸収誘起劣化を、実際に、効果的に減少することを見出
した。第１に、〜１００ＭＷ／ｃｍ２の強度の、イントラキャビティからレーザへの１０６４ｎｍパルス光への曝露の前後で、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の１０６４ｎｍ吸収を測定した。曝露前、Ｎｄ：ＹＡＧには３５ｐｐｍ／ｃｍの吸収があった。およそ１０１１パルスのレーザ動作への曝露後、結晶のＩＲビームが存在した領域において、Ｎｄ：ＹＡＧには６００ｐｐｍ／ｃｍの吸収があった。
した。第１に、〜１００ＭＷ／ｃｍ２の強度の、イントラキャビティからレーザへの１０６４ｎｍパルス光への曝露の前後で、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の１０６４ｎｍ吸収を測定した。曝露前、Ｎｄ：ＹＡＧには３５ｐｐｍ／ｃｍの吸収があった。およそ１０１１パルスのレーザ動作への曝露後、結晶のＩＲビームが存在した領域において、Ｎｄ：ＹＡＧには６００ｐｐｍ／ｃｍの吸収があった。
第２の実験では、曝露されていないＮｄ：ＹＡＧおよびＣｒ：Ｎｄ：ＹＡＧの１０６４ｎｍ吸収を比較した。前述の通り、Ｎｄ：ＹＡＧには３５ｐｐｍ／ｃｍの吸収があったが、これに対して、Ｃｒ：Ｎｄ：ＹＡＧには１００ｐｐｍ／ｃｍの吸収があった。とりわけ、低損失、低騒音なイントラキャビティ周波数変換レーザにおいては、より大きな吸収のために、レーザにおける当業者は、共ドープされたＣｒ：Ｎｄ：ＹＡＧの使用を回避して設計を行うように動機付けられるであろう。
初期吸収係数の増大にもかかわらず、レーザ内部での長時間の動作後に、Ｃｒ：Ｎｄ：ＹＡＧは通常のＮｄ：ＹＡＧより優れた性能を有する、ということを実証するため、ほぼ同一の２つのレーザが作成された。これらのレーザは、一方が共ドーパントとしてＣｒを含んでおり、他方は含んでいない点でのみ異なる。Ｃｒ：Ｎｄ：ＹＡＧレーザは以下に説明される。
内部的に発生される放射に対して影響を受けないことを実証するために、イントラキャビティ３逓倍側面励起Ｃｒ：Ｎｄ：ＹＡＧロッドレーザもまた作成された。ＹＡＧロッドは、１％のＮｄ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザでの典型）および０．５％のＣｒ３＋（適当量）でドープされる。ロッドは、ブリュースタ角に研磨された面を両端に有することによって、偏光出力を保証し、および反射損失を最小化している（この構造が説明されている、米国特許第５，８６７，３２４号明細書および米国特許第５，７７４，４８８号明細書を参照。これらを引用によって本願に援用する）。ロッドは、各々約２５ワットのパワーで動作する３つの８０８ｎｍダイオードレーザを用いて、側面励起される。キャビティには、能動Ｑスイッチ用の音響光学変調器、２個のＬＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶内部に小さなスポットを作成するための集束ミラー、および１対の端面ミラーが含まれる。ＬＢＯ結晶の一方は（配向および偏光を選択することによって）第２高調波発生（ＳＨＧ）（１０６４ｎｍ＋１０６４ｎｍ＝５３２ｎｍ）用に設定され、他方は第３高調波発生（ＴＨＧ）（１０６４ｎｍ＋５３２ｎｍ＝３５５ｎｍ）用に設定される。ＴＨＧの結晶はコートなし、分散型の、ブリュースタ角の出力ファセットを有している。（米国特許第５，８５０，４０７号明細書を参照。引用によって本願に援用する。）ＳＨＧ結晶に近い方の端面ミラーは、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍ波長の両方を反射する。
キャビティは定在波キャビティであり、（端面ミラー以外の）各光学素子は、ラウンドトリップあたり２度通過される。このことによって、レーザ媒質からの不飽和利得は２逓倍され、Ｑスイッチのホールドオフは２逓倍され、および、ＳＨＧ用に設定されたＬＢＯ結晶の実効長は２逓倍される。ＴＨＧ結晶は、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍ光が存在する時、３５５ｎｍ光を発生することのみが可能であるため、実効長の２逓倍を経験しない。
レーザは、高ビーム品質を維持するのと同時に、最高の潜在平均ＵＶパワーを生成するように調整される。調整条件は、最小の全損失、最適な位相整合などに対応する。レーザ性能（ＵＶ平均パワー、パルス幅など）は、レーザが任意の有意な時間の間動作する前に測定された。多光子ＩＲ吸収による急速な劣化を観察するために、レーザは、レーザキャビティ内部での循環ピークＩＲ出力にして約２００ＭＷ／ｃｍ２で動作した。レーザ性能は、約１０１０パルスのレーザ動作後に再測定された。
第２のレーザ（Ｃｒ共ドーパントを欠くことを除いては第１のレーザと同一）は、同一条件下で作成、動作、および測定された。これらの実験結果は、以下の表１に要約される。
図１，２Ａ，２Ｂには、本発明の実施態様によるレーザの例が示されている。図１には、キャビティ１０１内に配置される利得媒質１０２を有するレーザ１００が示されている。キャビティ１０１は、反射面１０４，１０６によって画定されている。利得媒質１０２は、レーザ発振用の準安定状態を提供するドーパントイオン１０７でドープされていてもよい。利得媒質１０２は、利得媒質１０２に宇宙線への耐性を付与する共ドーパントイオン１０８で共ドープされている。発明者らが見出したように、このことによって、利得媒質１０２自身によってキャビティ１０１内で発生される赤外放射などの高強度内部放射への耐性が、利得媒質１０２に付与される。利得媒質１０２中の共ドーパントイオン１０８の濃度は、赤外放射に起因する利得媒質１０２の劣化の割合を、共ドーパントイオンを有さない同一のまたは実質的に類似の利得媒質と比較して、好適には２倍以上（より好適には１０倍以上、さらに好適には１００倍以上）減少するために充分である。
キャビティ１０１は、例えば、周波数ωによって示される利得媒質１０２からの誘導放射である、電磁放射１０３を持続するように設定される。周波数ωは、放射１０３が電磁スペクトルの赤外部分内にあるように選択される。好適な実施態様では、基本周波数ωは約１０６４ｎｍの真空波長に相当する。代替の実施態様では、基本周波数ωは、約９４６ｎｍまたは１３１９ｎｍの真空波長に相当することが可能である。キャビティ１０１は、例えば、寸法（例えば半径）、反射率、および反射体１０４，１０６の間隔などを選択することによって、基本周波数ωの放射を持続することが可能な共振器であるように設定され得る。図１には、２つの反射面を有する線形キャビティ１０１が示されているが、当業者は、例えば、安定型、不安定型、３ミラー型、４ミラー型、Ｚ型、５ミラー型、Ｗ型、より多くの肢を有するキャビティ、リング型、またはボウタイ型など、他のキャビティを考案できるであろう。しかし、それらは多くの可能な例のうちの少数である。
利得媒質１０２は、好適には、結晶性材料またはガラスなどの固体材料である。利得媒質１０２は、結晶性またはバルクガラスの性質を有する場合には、約１ｍｍ〜約２００ｍｍの長さを有し得る。利得媒質がファイバの場合には、典型的にはこれより相当長く、約０．１メートル〜数百メートルである。好適な結晶性材料には、酸化物またはイットリウ
ムリチウムフルオライド（ＹＬＦ）などのフッ化物の結晶が含まれる。酸化物結晶には、ＹＡＬＯ（ＹＡｌＯ３）、イットリウムオルトバナデート（ＹＶＯ４）およびガーネットが含まれる。適切なガーネットには、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）、およびイットリウムスカンジウムガリウムガーネット（ＹＳＧＧ）が含まれる。好適なガーネットはＹＡＧであり、別のイオンでドープされることができる。好適なドープされたＹＡＧ結晶には、Ｔｍ：Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４およびＮｄ：ＹＡＬＯが含まれる。適する共ドーパントイオンを含有する結晶性利得媒質は、結晶が成長する際、溶融状態に共ドーパントを導入することによって作成されることができる。これは多くの場合においては、周知のチョクラルスキー（Czochralski ）成長法を用いて実施される。
ムリチウムフルオライド（ＹＬＦ）などのフッ化物の結晶が含まれる。酸化物結晶には、ＹＡＬＯ（ＹＡｌＯ３）、イットリウムオルトバナデート（ＹＶＯ４）およびガーネットが含まれる。適切なガーネットには、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）、およびイットリウムスカンジウムガリウムガーネット（ＹＳＧＧ）が含まれる。好適なガーネットはＹＡＧであり、別のイオンでドープされることができる。好適なドープされたＹＡＧ結晶には、Ｔｍ：Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４およびＮｄ：ＹＡＬＯが含まれる。適する共ドーパントイオンを含有する結晶性利得媒質は、結晶が成長する際、溶融状態に共ドーパントを導入することによって作成されることができる。これは多くの場合においては、周知のチョクラルスキー（Czochralski ）成長法を用いて実施される。
利得媒質１０２には、Ｎｄ３＋ドーパントイオン１０７でドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ３＋：ＹＡＧ）が最適であり、共ドーパントイオン１０８には、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋イオンが好適である。上述のように、Ｃｒ３＋イオンは、Ｎｄ３＋：ＹＡＧにイオン化放射への耐性を付与し、また上記で実証されたように、高強度内部赤外放射への耐性も付与する。これに代えて、Ｃｒ３＋イオンの代わりにＣｅ３＋イオンが用いられてもよい。Ｎｄ３＋ドーピングレベルは、約０．０５％〜約１．５％、典型的には約０．５％〜約１％の間であり得る。Ｃｒ３＋共ドーピングレベルは、約０．０１％〜約５％の間、例えば、約０．５％〜約１％の間であり得る。発明者らの実験では、０．５％のＣｒ３＋イオンによって劇的な改良がなされている。したがって、Ｃｒ３＋イオンの最も好適な濃度範囲は、約０．５％〜約１％である。しかしながら、０．０５％未満の濃度のＣｒ３＋イオンでも幾らかの利益は得られることが期待されるため、何らかの用途には適当であり得る。例えば、０．０１％以上のＣｒ３＋イオン濃度では、内部赤外放射への耐性に関して幾らかの利益が得られることが期待される。
例として挙げると、利得媒質１０２は１％のＮｄドーパントレベルおよび０．５％のＣｒ３＋ドーパントレベルを有するＮｄ−ＹＡＧブリュースタロッドであってもよい。Ｃｒ３＋での共ドーピングの時は、赤外を吸収するＣｒ４＋イオンの利得媒質１０２中への導入を回避することが好適である。Ｎｄ３＋：ＹＡＧは、とりわけ、約９４６ｎｍ、約１０６４ｎｍ、および約１３１９ｎｍの真空波長の誘導放出を生成する。他の適する利得媒質には、上記で挙げられたものが含まれるが、それらが異なる形状および寸法であってもよく、より高いまたはより低い共ドーパントレベルであってもよい。Ｃｒ３＋：Ｎｄ：ＹＡＧおよび他の利得媒質は商業的に利用可能であり、例えばモンタナ州ボーズマンのサイエンティフィックマテリアルズコーポレーション（Scientific Materials Corporation）製などがある。
利得媒質１０２は、基本放射１０３を通過する２つの端面を有し得る。図１に示されるように、利得媒質１０２の端面は、基本放射１０３の伝搬方向に対して垂直またはほぼ垂直であり得る。これに代えて、基本放射１０３が端面に関してｐ偏光されるように、すなわち基本放射１０３の入射面平面内に偏光されるように、端面が基本放射１０３に対してブリュースタ角θＢに配置されていてもよい。これに代えて、端面が何か他の角度に研磨されていてもよい
利得媒質１０２は、励起エネルギー１１２を有する外部光源１１０によって励起され得る（例えば、端面励起または側面励起）。励起エネルギー１１２と利得媒質１０２との間の相互作用は、放射１０３を生成する。そのため、少なくとも初期には、放射１０３は内部放射である。励起エネルギー１１２は、利得媒質１０２の１以上の側面および／または１以上の端面を通じて導入される形態であってもよい。好適な実施態様では、外部光源１１０はダイオードレーザであり、その場合、レーザ１００はダイオード励起レーザとなる。励起放射１１２は、約６５０ｎｍ〜約１５５０ｎｍの範囲に渡る真空波長を持ち得る。
Ｎｄ：ＹＡＧでは、励起放射の真空波長は、典型的には約８０８ｎｍまたは約８８０ｎｍである。
利得媒質１０２は、励起エネルギー１１２を有する外部光源１１０によって励起され得る（例えば、端面励起または側面励起）。励起エネルギー１１２と利得媒質１０２との間の相互作用は、放射１０３を生成する。そのため、少なくとも初期には、放射１０３は内部放射である。励起エネルギー１１２は、利得媒質１０２の１以上の側面および／または１以上の端面を通じて導入される形態であってもよい。好適な実施態様では、外部光源１１０はダイオードレーザであり、その場合、レーザ１００はダイオード励起レーザとなる。励起放射１１２は、約６５０ｎｍ〜約１５５０ｎｍの範囲に渡る真空波長を持ち得る。
Ｎｄ：ＹＡＧでは、励起放射の真空波長は、典型的には約８０８ｎｍまたは約８８０ｎｍである。
レーザ１００は、高強度放射パルスの発生を促進するパルス機構１１４（例えば、Ｑスイッチ、モード同期装置、受動可飽和吸収体、利得制御装置、またはそれらの組合せ）を任意で有してよい。詳細な実施態様では、パルス機構はＱスイッチである。Ｑスイッチは、能動Ｑスイッチ（例えば、電気光学または音響光学変調器を用いる）、または受動Ｑスイッチ（例えば、可飽和吸収体を用いる）であってよい。そのようなパルス機構の使用は、非常に高いピーク強度の放射１０３を提供することが可能であり、上述の種類の色中心発生を引起こし得る。好適な実施態様では、レーザ１００は、放射１０３が利得媒質１０２において約０．０１ＧＷ／ｃｍ２より高く、およびレーザ１００に破滅的な損傷を引起こすほど高くはないピーク強度を有するように、例えば、約０．０１〜約１０ＧＷ／ｃｍ２のピーク強度を有するように設定される。利得媒質中の共ドーパントイオン１０８のレベルは、レーザの予想実用寿命を通じて赤外基本放射１０３による色中心発生を抑制するために、充分であるべきである。色発生の抑制が充分であることの実用的な基準は、所定の実用寿命を通じて、放射１０３におけるパワーの減少が１０％より少ないことである。寿命は例えば、約１００時間より長く、好適には約１０００時間より長く、より好適には約５０００時間より長く、最適には約１０，０００時間より長い。代替の基準は、レーザ１００の出力パワーが１０％減少するまでに、利得媒質１０２が耐えることのできる高強度放射パルスの数である。
本発明の実施態様の幾つかは、例えば、パルス間変動のアールエムエス（ｒｍｓ）が約１０％未満である、低騒音を有するように設定されるレーザなど、損失に特に敏感なレーザにおいて、特に有用である。詳細には、低騒音であるレーザ１００では、誘導放出の閾値をはるかに超えて利得媒質１０２を励起することが好適である。レーザ１００内の低損失（例えば、ラウンドトリップ約１０％未満）は、閾値を低く保持する。そのような低損失には、キャビティ１０１の低出力結合が含まれる。例えば、反射面１０４，１０６のうちの１つは、キャビティ１０１内部からその面に入射する放射の一部を透過させる。こうして透過される放射のパーセンテージは、キャビティ１０１の出力結合のある基準であり得る。低損失および低出力結合（例えば約１０％未満）は、キャビティ１０１および利得媒質１０２内に高い循環強度を引起し、上述の長期劣化を引起すことが可能である。レーザ１００の利得が充分に高い場合（Ｎｄ：ＹＡＧでの低パルス繰返し速度の場合、およびＮｄ：ＹＶＯ４など特定の他の利得材料の場合）には、１０％より高い出力結合もなお「低出力結合」と見なし得る。これらの場合、「低出力結合」のより実用的な定義は、レーザの動作パラメータ範囲内のある条件において、閾値励起強度の５倍より大きな強度でレーザを動作できることである。したがって、この長期劣化を抑制するために、Ｃｒ３＋またはＣｅ３＋イオンを用いて、低損失または低騒音レーザの利得媒質をドープすることが好適である。
図１のレーザに関する他の変形には、１より多い利得媒質部分を有するもの、１より多い種類の利得媒質を有するもの、非線形材料を用いるもの、が含まれる。非線形材料は、周波数変換に関して用いられてよく、例えば、利得媒質によって生成される基本放射の、より高いまたはより低い高調波の発生などに用いられ得る。特に関心のある実施例には、周波数３逓倍レーザが含まれる。
図２には、本発明の実施態様による、イントラキャビティ周波数３逓倍レーザ２００の模式図が示されている。レーザ２００には、利得媒質２０２と、キャビティ２０１内に配置されるパルス機構２１４とが含まれる。キャビティ２０１は、反射面２０４，２０６によって画定される。利得媒質２０２には、準安定状態を提供するドーパントイオン２０７が含まれ、利得媒質にイオン化放射への耐性を付与する共ドーパントイオン２０８で共ド
ープされている。発明者らが見出したように、このことによって、キャビティ２０１内で発生される高強度内部放射への耐性が、利得媒質２０２に付与される。キャビティ２０１、利得媒質２０２、反射面２０４，２０６、イオン２０８、およびパルス機構２１４は、図１のレーザ１００における相当する素子と関連して、上述の通り説明され得る。上述の通り、レーザ２００は励起放射２１２の光源２１０をさらに有してもよい。
ープされている。発明者らが見出したように、このことによって、キャビティ２０１内で発生される高強度内部放射への耐性が、利得媒質２０２に付与される。キャビティ２０１、利得媒質２０２、反射面２０４，２０６、イオン２０８、およびパルス機構２１４は、図１のレーザ１００における相当する素子と関連して、上述の通り説明され得る。上述の通り、レーザ２００は励起放射２１２の光源２１０をさらに有してもよい。
励起放射２１２は、例えば波長約１０６４ｎｍに相当する、周波数ωの基本放射２０３を有する利得媒質２０２による放出を誘導する。レーザ２００は、キャビティ２０１内に配置される、例えばＬＢＯなどの非線形結晶のような、第１および第２の非線形素子２１６，２１８をさらに有する。第１の非線形素子２１６は、第２高調波発生のために位相同期されて、例えば波長約５３２ｎｍに相当する、周波数２ωの放射を生成する。第２の非線形素子２１８は、基本放射と第２高調波放射との間で和周波発生のために位相同期されて、例えば波長約３５５ｎｍに相当する、周波数３ωの第３高調波放射ティーエッチ（ＴＨ）を生成する。第２の非線形素子２１８は、ブリュースタカット面２１７を有してもよい。ブリュースタカット面２１７を通じて第２の非線形素子から放出する第３高調波放射ＴＨは、レーザからの出力放射としてキャビティ２０１の外へ屈折する。基本放射２０３は、キャビティ２０１内に留まる。
図２に示される型の周波数３逓倍レーザは、例えば、譲受けられた米国特許第５，８５０，４０７号明細書に詳細に説明されている。引用によって本願に援用する。
図２のレーザでは、周波数３逓倍はレーザ内部で発生する。これに代えて、図１に示される型のレーザを用いて、周波数３逓倍がレーザキャビティの外部で発生する、周波数３逓倍レーザが作成されてもよい。そのようなレーザの例は、図３Ａ、図３Ｂに示される。
図２のレーザでは、周波数３逓倍はレーザ内部で発生する。これに代えて、図１に示される型のレーザを用いて、周波数３逓倍がレーザキャビティの外部で発生する、周波数３逓倍レーザが作成されてもよい。そのようなレーザの例は、図３Ａ、図３Ｂに示される。
図３Ａには、キャビティ３０１Ａ内に配置される、利得媒質３０２Ａおよびパルス機構３１４を有する、外部型の周波数３逓倍レーザ３００Ａが示される。キャビティ３０１Ａは、反射面３０４Ａ、３０６Ｂによって画定されている。上述のように、利得媒質３０２Ａは、ドーパントイオン３０７を含有しており、利得媒質にイオン化放射への耐性を付与する共ドーパントイオン３０８で共ドープされている。キャビティ３０１、利得媒質３０２、反射面３０４Ａ、３０６Ｂ、イオン３０８、およびパルス機構３１４は、図１のレーザ１００における相当する素子と関連して、上述の通り説明され得る。レーザ３００Ａは励起放射３１２の光源３１０Ａをさらに有してもよく、上述の通り、それがダイオードレーザであってもよい。
反射面のうちの１つ、例えば反射面３０６Ｂは、出力結合器に対して部分的（約５０％〜約９９％）に反射し、および出力結合器として働く。レーザ３００Ａは、キャビティ外に配置される第１および第２の非線形素子３１６，３１８をさらに有する。第１および第２の非線形素子は上述のように位相同期され、出力結合器３０６Ａから放出する、利得媒質３０２Ａからの誘導放射から、第３高調波ＴＨを生成する。非線形結晶３１６，３１８は、外部に配置されるため、ブリュースタカット面を有する必要がない。ブリュースタ面は超低損失であるため、波長分離に関しては重大でないが、それでも幾らかの値は有する。例えばＬＢＯにおけるより高い強度には、より高い変換効率（例えば、約２０％を超える）が必要とされる。したがって、ＬＢＯ内へ集束すること、または高いイントラキャビティ強度の短いパルスが必要とされ得る。
図３Ｂには、図３Ａのレーザの変形である、別の周波数３逓倍レーザ３００Ｂが示される。レーザ３００Ａのように、レーザ３００Ｂは、反射面３０４Ｂ、３０６Ｂによって画定されるキャビティ３０１Ｂ内に配置された、利得媒質３０２Ｂおよびパルス機構３１４を有する。上述のように、利得媒質３０２Ｂは、ドーパントイオン３０７および共ドーパントイオン３０８を含有する。レーザ３００Ｂは励起放射３１２の光源３１０Ｂをさらに
有してもよく、上述の通り、それがダイオードレーザであってもよい。レーザ３００Ｂはまた、出力結合器３０６Ｂから放出する、利得媒質３０２Ｂからの誘導放射の周波数を３逓倍するように設定された、第１および第２の非線形素子を有する。レーザ３００Ａのように、反射面のうちの１つ（３０６Ｂ）は、出力結合器として働く。レーザ３００Ａとは異なり、他の反射面３０４Ｂもまた、励起放射３１２用の入力結合器として働く。入力結合器として用いられる時には、反射面３０４Ｂは、励起放射３１２に対しては透過性、および利得媒質３０２Ｂからの誘導放出に対しては反射性である。反射面／入力結合器３０４Ｂはまた、利得媒質３０２Ｂの端面のうちの１つと合致してもよい。
有してもよく、上述の通り、それがダイオードレーザであってもよい。レーザ３００Ｂはまた、出力結合器３０６Ｂから放出する、利得媒質３０２Ｂからの誘導放射の周波数を３逓倍するように設定された、第１および第２の非線形素子を有する。レーザ３００Ａのように、反射面のうちの１つ（３０６Ｂ）は、出力結合器として働く。レーザ３００Ａとは異なり、他の反射面３０４Ｂもまた、励起放射３１２用の入力結合器として働く。入力結合器として用いられる時には、反射面３０４Ｂは、励起放射３１２に対しては透過性、および利得媒質３０２Ｂからの誘導放出に対しては反射性である。反射面／入力結合器３０４Ｂはまた、利得媒質３０２Ｂの端面のうちの１つと合致してもよい。
本発明の実施態様はまた、レーザ以外の光学装置で用いられる利得媒質における共ドーパントイオンの使用に拡張され得る。例えば、光学増幅器において用いられる利得媒質は、利得媒質にイオン化放射への耐性を付与するイオンを用いて共ドープすることから利益を受けることができる。励起放射によって駆動される利得媒質を用いる点においては、光学増幅器はレーザと類似している。光増幅器は一般にフィードバック（すなわちキャビティ）を欠くため、利得は発生するが、発振は得られない。
本発明の実施態様は、従来の設計を完全に再設計することなく、一般的に利用可能な高強度レーザの実用寿命をより長くすることが可能である。したがって、他の性能パラメータにおいて妥協することなく、新しい種類の長寿命レーザが、商業的に使用可能とされ得る。
上述は、本発明の好適な実施態様の完全な説明であるが、種々の代替、修正、および均等が可能である。したがって、本発明の範囲は、上述の説明に関連して決定されるべきではなく、添付の請求の範囲の、その完全な範囲の均等に沿って決定されるべきである。添付の請求の範囲は、「ための手段」の句を用いる所定の請求項で明示的に引用されるものを除いては、ミーンズプラスファンクションの限定を有するものとして解釈されるべきではない。
Claims (18)
- ダイオード励起レーザにおいて、
２以上の反射面によって画定されたキャビティと、
前記キャビティ内に配置された利得媒質とを有し、
前記利得媒質内の内部赤外放射のピーク強度は動作において０．０１ＧＷ／ｃｍ２より高く、かつ
前記利得媒質は前記利得媒質にイオン化放射への耐性を付与する共ドーパントイオンを含有することによって、前記利得媒質は前記内部赤外放射による損傷への耐性を有する、ダイオード励起レーザ。 - 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、
前記利得媒質中の前記共ドーパントイオンの濃度は、赤外放射による前記利得媒質の劣化の割合を、共ドーパントイオンを有さない前記利得媒質と同一または実質的に類似の利得媒質と比較して、２倍以上減少させるために充分である、ダイオード励起レーザ。 - 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質は固体材料、光ファイバ、および結晶性材料からなる群から選択される、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質はフッ化物結晶、酸化物結晶、およびガーネットからなる群から選択される、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質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）、およびイットリウムスカンジウムガリウムガーネット（ＹＳＧＧ）からなる群から選択される、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質はＹＡＧ、Ｔｍ：Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ ４ 、およびＮｄ：ＹＡＬＯからなる群から選択される、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質はＮｄ：ＹＡＧを備え、前記共ドーパントイオンは、Ｃｒ ３＋ イオンまたはＣｅ ３＋ イオンを備える、ダイオード励起レーザ。
- 請求項７に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記共ドーパントイオンは０．０１％〜５％のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、ダイオード励起レーザ。
- 請求項７に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記共ドーパントイオンは０．５％〜１％のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有するダイオード励起レーザ。
- 請求項１０に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記ダイオード励起レーザは１０％未満のパルス間変動を有するＱスイッチレーザである、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１０に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記ダイオード励起レーザは能動Ｑスイッチレーザである、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記キャビティ内に配置された、前記利得媒質からの誘導放射の周波数変換のための手段をさらに有するダイオード励起レーザ。
- 請求項１３に記載のダイオード励起レーザにおいて、周波数変換のための前記手段は、前記誘導放射のより高い高調波を発生する、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１３に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記ダイオード励起レーザは周波数３逓倍レーザであるダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記ダイオード励起レーザは１０％未満のパルス間変動を有するように設定される、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記ダイオード励起レーザは、閾値励起強度の約５倍より大きい強度で動作できる、ダイオード励起レーザ。
- 請求項１に記載のダイオード励起レーザにおいて、前記利得媒質内の内部赤外放射の前記ピーク強度は０．１ＧＷ／ｃｍ２より高い、ダイオード励起レーザ。
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