JP5439688B2 - 光ポンピング構造 - Google Patents

Description

本発明の分野は、レーザのための光ポンピングの分野であり、より具体的にはダイオードポンピングの分野である。

光ポンピング構造は、レーザの性能を左右するサブアセンブリである。

発射シーケンス中の、およびパルス状レーザの場合は２つの連続するパルスの間の異なる速度におけるレーザの利得の均一な分布を保証するために、活性媒体に放散される熱パワーを良好に抽出しながらも、用いるポンピングダイオードの温度が良好に均一であることが要求される。パルス状レーザについては、構造により放散される平均パワーＰ_ａｖｇは、次の関係により与えられることが想起されよう：
Ｐ_ａｖｇ＝Ｐ_{ｄｉｏｄｅｓ}×ｎｂダイオード×ポンピング時間×ポンピング速度
Ｐ_{ｄｉｏｄｅｓ}は各組のポンピングダイオードのパワーである。

このため、発射シーケンスの持続時間にリンクしたポンピングの速度および持続時間により、放散されるパワーが変化し、光学性能に影響を及ぼす。

現在、矩形構成を有するポンピング構造が存在し、その断面図を図２ａに示す。かかる構造は、活性媒体として用いられる正方形の断面を有する長手方向ロッド１を備える。ロッド１は、ロッドに沿って２つの平行な面に対向して編成された２組のダイオード２によりポンピングされ、ロッドのその他の２つの面は、伝導により熱を抽出するための要素３に接触している。かかる構成は、熱放散のためには効果的であるものの、出力において得られるビームの品質に対してはさほど効果的ではない。断面のジオメトリにより定められる図２ｂに断面を示す出力ビーム１０の形は、円形ではない。

別の解決策は、円形構成を有する、すなわち、円形の断面を有するロッド１を備えるポンピング構造を用いる。断面図を図１ａに示す。断面のジオメトリにより定められ図１ｂに示す出力ビーム１０の形は、円形であり、良好な品質のビームが保証される。組をなす、例えば３組のポンピングダイオード２は、ロッド１の周囲に星の形態に編成される。アルミニウムリング４の形態の熱放散要素は、図１ｃにおいて見られるように、ロッド１をその両端において把持している。また、熱放散は、図１ａにおいて断面で見られるように、組をなすダイオード２をリンクさせる液体の循環を用いる冷却装置３によっても提供される。液冷機構を有するとともに星の形態に編成された４組のダイオードを備えるかかるポンピング構造の例が米国特許第６１０１２０８号明細書に提示され、当該明細書は、また、伝導による冷却では十分でないことを示している。この場合、著しい体積および冷却剤の使用と引き換えにビームの良好な品質が得られる。

最小の体積で、液体に代わり気体（例えば空気）を用いて効果的に冷却を行うことが、重要な課題である。

そのため、上記要件のすべて、すなわち、気体による冷却、活性媒体に放散される熱パワーの良好な抽出（温度ならびに軸方向および長手方向の内部温度勾配の低下）、用いるポンピングダイオードの温度の良好な均一性、最小の体積、および光ビームの良好な性能を同時に満足させるポンピング構造についてのニーズが、今日依然として存在する。

より具体的には、本発明の主題は、円形断面を有する円筒状ロッドの形態の活性媒体であって、前記ロッドは、その両端において、熱伝導性材料で作製された２つのリングに挿入されている、活性媒体と、ロッドの周囲に星の形態に編成されたポンピングダイオードストリップの少なくとも３つのスタックと、ペルチェ効果モジュールにより温度規制された支持体とを備える、レーザのための光ポンピング構造である。構造は、リングが支持体に接触し、底部スタックと呼ばれるダイオードのスタックが、ロッドと支持体との間に配置され、構造は、他の各スタックについて、前記スタックのための支持体を形成する熱伝導性ブロックを備え、これらのブロックは、冷却された支持体上に搭載されるとともに、互いにもリングにも接触していないことを特徴とする。

構造は、底部スタックとその支持体との間の熱抵抗を適合させるようにこのスタックの下部に配置された、熱伝導性材料で作製されたシムをさらに備えると有益である。

本発明の特徴によれば、シムは、少なくとも１つの穴を含み、この穴には、シムの熱伝導性材料以外の熱伝導性材料を充填し得る。

本発明の別の特徴によれば、リングは、ロッドとその支持体、すなわちリングとの間の熱膨張差を吸収することを可能にする柔軟なフランジにより、支持体に固定される。

本発明の他の特長および利点は、下記の添付図面を参照して、非限定的例として与えられる後続の詳細な説明を読むことで明らかになろう。

既に説明したように、従来技術による円形断面を有する円筒状ロッドを有する光ポンピング構造の断面を概略的に示し、前方（図１ａ）および側方（図１ｃ）から見た状態ならびに得られるビームの形状（図１ｂ）を示す。 既に説明したように、従来技術による正方形断面を有する円筒状ロッドを有する光ポンピング構造の断面を概略的に示し、前方（図２ａ）から見た状態および得られるビームの形状（図２ｂ）を示す。 本発明による円形断面を有する円筒状ロッドを有する光ポンピング構造の組み立てにおける連続するステップを示す。

各図面において、同じ要素は同じ参照符号により識別する。

本発明による例示的光ポンピング構造の様々な要素を、この構造の組み立てとともに図３に関連して説明する。

光ポンピング構造は、熱分散器として供されるとともに、その上にベースプレート２１１上に搭載された底部スタック２１と呼ばれるポンピングダイオードのスタックが配置された支持体５を備える。この支持体５は、銅またはアルミニウム合金などの熱伝導性材料で作製される。

活性媒体は、円形断面を有する円筒状ロッド１の形態である。ロッド１は、その両端において、ロッドに放散された熱パワーを伝導によりおよび対称的にそれらの端部において抽出することを可能にするように銅またはアルミニウム合金で作製された２つのリング１１に挿入される。２つのリングが設けられたこのロッドは、支持体５上に、リング１１が前記支持体５に接触した状態で設置される。ロッドは、例えば、ロッド１とその支持体、すなわちリング１１との間の熱膨張差を吸収することを可能にしながらロッドを保持するために十分に柔軟なフランジ６により、支持体５に固定される。ロッドは、スタック２１がリングにより自由な状態のロッドの中央部に沿ってリングから少し離れて編成されるように、ダイオードのスタック２１の上方に搭載される。

やはりベースプレート２１１上に搭載された、側方スタック２２と呼ばれるポンピングダイオードの第２のスタックが、このスタック２２のための支持体を形成する熱伝導性ブロック７に固定される。この支持体ブロック７は、スタックが前述のようにリングにより自由な状態のロッド１の中央部に沿って編成されるように、支持体５上に搭載される。支持体ブロック７は、銅またはアルミニウム合金で作製され、支持体５に部分的に接触している。

第２のスタックと同様に、支持体を形成する熱伝導性ブロック７に固定された、やはり側方スタック２２と呼ばれるポンピングダイオードの第３のスタックが、支持体５上に搭載される。このブロック７も、銅またはアルミニウム合金で作製される。ダイオードの３つのスタック２１、２２は、星の形態に、または互いに約１２０°となるように、ロッド１の周囲に対称的に編成される。図３ｄおよび図３ｅに見られるように、これらのスタックは、ロッドの長手方向軸心に対して同じ配置を有し、ダイオードの底部スタック２１については熱伝導性ブロック７が存在しない。

支持体ブロック７は、互いに、またはロッドのリング１１に、直接接触していない。これにより、ダイオードの温度の管理は、ロッドのそれとの干渉が最小限となる。このような熱的および機械的設計により、ダイオードの３つのスタックの最適な温度の均一性を保証することが可能になる。

ダイオードのスタックの温度を規制するとともに放散されたパワーを排除するために、支持体５の下部にペルチェ効果モジュール８が追加され、アセンブリは、冷却剤として液体に代わり気体（例えば空気）の循環を用いる金属製熱交換器上に搭載され、この交換器は、ペルチェ効果モジュールの加熱面に接触する。また、モジュール８とこの交換器との間のインタフェースを追加してもよい。

ダイオードのスタック２１または２２とその支持体５または７との間の熱抵抗は、３つのダイオードのスタックの温度が均一になるように適合され、それにより、発射シーケンス中または異なる速度における波長の変化を最小化することが可能になり、従って、ロッドにもたらされる利得の均一な分布が保証される。

この目的のために、構造は、底部スタック２１とその支持体５との間の熱抵抗を適合させるようにこのスタックの下部に配置された、銅またはアルミニウム合金などの熱伝導性材料で作製されたシム９を含むと有益である。このシム９に、穴９１またはいくつかの穴を形成し、これらの穴に、例えばインジウムまたはアルミナ充填シリコーンなどのシムの熱伝導性材料以外の熱伝導性材料を充填することにより、スタックとその支持体との間の熱抵抗を適合させてもよい。

本発明によるポンピング構造により、ダイオードのスタック間の温度差を少なくし、ロッドに放散されたパワーを対称的に抽出することが可能になる。

また、冷却剤として液体に変わり気体（例えば空気）を用いることにより、装置の重量を削減し、その信頼性（特に、従来技術の装置についての液体の漏洩のリスクに関連する）を増加させ、物流上および保守上の制約を減少させることが可能になる。

その総体積は、光学ジオメトリと比較して小さい。

最後に、この構造を組み立てるための手順が最適化される。

本発明による光ポンピング構造は、以下の特徴を伴って生産されている：
−ロッド径が約４ｍｍ
−Ｎｄ：Ｙａｇロッドにもたらされる熱パワーが平均約２ワット
−出射波長が約１μｍに等しい
−１２０°で分布しロッドから約１．５ｍｍ離れたダイオードの約１０個のストリップの３つのスタック
−スタックのパワーが約３ワット
−ダイオードの波長が約８０８ｎｍ
−底部スタックのベースと気体の循環を用いる金属製交換器との間の温度差が３℃未満
−側方スタックのベースの上部とベースの底部との間の温度差が３℃未満
−底部スタックと側方スタックとの間の温度差が１℃未満
−体積が約０．０７ｌ
−１〜２０Ｈｚの間で変動する速度についての性能レベルが一定

Claims (6)

1. レーザのための光ポンピング構造であって：
   −円形断面を有する円筒状ロッド（１）の形態の活性媒体であって、前記ロッドは、その両端において、熱伝導性材料で作製された２つのリング（１１）に挿入されている、活性媒体と；
   −前記ロッドの周囲に星の形態に編成されたポンピングダイオードストリップの少なくとも３つのスタック（２１、２２）と；
   −ペルチェ効果モジュール（８）により温度規制された支持体（５）と；を備え、
   前記リング（１１）は、前記支持体（５）に接触し、底部スタック（２１）と呼ばれるダイオードのスタックが、前記ロッド（１）と前記支持体（５）との間に配置され、前記構造は、他の各スタック（２２）について、前記スタック（２２）のための支持体を形成する熱伝導性ブロック（７）を備え、これらのブロック（７）は、前記冷却された支持体（５）上に搭載されるとともに、互いにもリング（１１）にも接触していないことを特徴とする、レーザのための光ポンピング構造。
2. 気体を冷却剤として用いるとともに支持体（５）に近いペルチェ効果モジュール（８）の面上に搭載された熱交換器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザのための光ポンピング構造。
3. 底部スタック（２１）とその支持体（５）との間の熱抵抗を適合させるようにこのスタックの下部に配置された、熱伝導性材料で作製されたシム（９）をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザのための光ポンピング構造。
4. 前記シム（９）は、少なくとも１つの穴（９１）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザのための光ポンピング構造。
5. 前記穴（９１）には、前記シムの熱伝導性材料以外の熱伝導性材料が充填されていることを特徴とする、請求項４に記載のレーザのための光ポンピング構造。
6. リング（１１）を保持する柔軟なフランジ（６）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザのための光ポンピング構造。

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