JP5474851B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの活性媒質を共振器内に有し、この共振器がそれぞれ１個の共振器ミラーを有する２つの共振器分岐部を備え、この共振器分岐部が光学系を用いて共通の１つのレンズ装置を通って片側からポンピングされ、このレンズ装置が共振器分岐部のＶ字状配置のための折り畳み素子を形成している、レーザ装置、特に固体レーザに関する。

固体レーザの場合には、活性媒質が通過する光について熱誘導される屈折力を有するという問題が生じる。ポンピングプロセスは媒質内の温度を上昇させることになる。というのは、吸収されたポンピングパワーの一部だけが利用可能なビームに変換され、残りが熱の形態で材料に放出されるからである。外面の同時冷却は温度分布を生じることになる。この温度分布は屈折率と熱光学的応力の温度依存性に基づいて屈折率分布を伴うことになる。

基本的には、すべての熱レンズに対して適当な共振器で対処することができる。レーザロッドの一端又は両端の凹形の端面を研磨し、個々の負レンズを共振器に挿入するか又は通常適当な共振器構成を選択することが周知である。特に、レーザ閾値（このレーザ閾値自体は選択された共振器に大きく依存する）から最大ポンピングパワーまでのポンピンビパワー全体範囲に適した共振器を探し求めることは困難である。

ダイオードレーザポンピング式固体レーザの縦方向励起は、横方向ポンピングと比べて重要な利点を生じる。その際、半導体レーザから発振されたビームはレーザモード軸線の方向に入射するか又は増幅器の場合には振動ビームの方向に入射するので、ポンピングビーム容積とモード容積又は増幅器内の増幅すべきビームとの最適なオーバーラップが生じる。ポンピングビーム容積とモード容積との最適なオーバーラップに基づいて、一層高い効率が生じる。さらに、改善されたビーム品質が得られる。というのは、基本的なレーザモードだけが励起されるからである。

特許文献１は、レーザダイオードを備えたレーザ共振器をポンピングするための方法に関する。この場合、共振器の縦方向端面は特別な光学的特性を有する。レーザの波長は端面によって反射せず、ポンピングビームの波長が部分的に反射する。

特許文献２により、熱源に熱的に連結された要素が知られている。この要素は、レーザビームによって引き起こされる、レーザシステムのビーム経路内に配置された素子の変形の補償を行う。

特許文献３は、温度に依存して屈折率と縦方向の膨張を適切に変化させる光学素子を開示している。この光学素子は、固体レーザ媒質内で熱複屈折を補償するために熱レンズと熱複屈折の適切な作用を光学素子内に発生するように熱源に連結されている。

特許文献４は、光学的にポンピングされる固体レーザ媒質内で熱レンズを補償するための光学素子に関する。熱レンズの補償は、活性媒質内で熱レンズを補償する適切な光学素子を作るために、ポンピング光のパワーが変化しても、ポンピング光の一部を利用することによって達成される。この素は、変形された入射ミラーである又は負の（レーザ媒質内の負の熱レンズの場合には正の）焦点距離を有するレンズとして作用する付加的に挿入された素子である。

第１の変形例は特別な入射ミラーに関する。この入射ミラーはポンピングビームを適切に吸収しかつ正又は負の熱膨張係数を有する基板から作られ、ミラー端面の形成される曲率に基づいて共振器モードのための凸形又は凹形のミラーとして作用する。

第２の変形例は好ましくは反射防止膜を有するプレートに関する。このプレートは屈折率の負また正の熱的係数と、ポンピング波長の適切な吸収作用と、レーザ波長の小さな損失を有する。

特許文献５はダイオードポンピングされるレーザに関する。このレーザの場合には、第１線形分極状態を有するポンピングビームがポンピング軸線に沿って増幅器媒質の方に向けられる。レーザ軸線はレーザ空洞の内部軸線であるか又はレーザビームの放出軸線である。ポンピング軸線は、ポンピングビームがレーザ空洞内で受け取られるや否やレーザ軸線に沿って進ませるために折り畳まれている。

さらに、特許文献６は両側からポンピングされる活性媒質を有するレーザに関する。

米国特許出願公開２００５／０１５２４２６Ａ１号明細書 国際公開第９６／０５６３７Ａ１号パンフレット 欧州特許出願公開第０２０２３２２Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９７１４１７５Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２３２９８Ａ１号明細書 米国特許第７，０１６，３８９Ｂ２明細書

本発明の根底をなす課題は、最適な光学的ビーム品質及び大きいパワーを簡単に実現できるようにすることである。

この課題は本発明に従い、請求項１の特徴を有するレーザ装置によって解決され、このレーザ装置は、共振器内に活性媒質を有し、この共振器はそれぞれ１個の共振器ミラーを有する２つの共振器分岐部を備え、この共振器分岐部は光学系を用いて共通の１個のレンズ装置を通って片側からポンピングされ、レンズ装置は共振器分岐部のＶ字状配置のための折り畳み素子を備えている。その際、本発明は、共振器の折り畳みがわずか１個の素子、すなわちレンズ装置によって実現され、このレンズ装置内にポンピングエネルギーが一緒に入射し、各共振器分岐部内に活性容積が配置されていると、パワーが簡単に高められ、レーザのビーム品質が改善されるという認識から出発している。これにより、簡単に実現することができかつ比較的に少数の構成要素で十分である構造が作られる。その際、ポンピングエネルギーは複数の光ファイバを用いて共通の一方の側から供給され、そのためにこれらの光ファイバを強く曲げる必要はない。折り畳み素子はその際ポンピングエネルギーの波長に関して高透過性であり、かつ基本波長に関して高反射性である。折り畳み素子はさらに、例えば、平面ミラーとして形成可能である。光学的構成要素の数が最少であることにより、同時に実際に発生する損失も最小限に抑えることができる。各共振器分岐部に付設された活性容積はその際好ましくは、当該の共振器分岐部の光学軸線に対して同軸にかつ同心的に位置決めされて配向されている。特に、活性容積は空間的に分離されている。その際、共振器分岐部の活性容積のオーバーラップ又はオーバーラップ領域が回避される。活性容積と、形成される共振器モードとの最大のオーバーラップによって、高い効率が達成される。

特に有利な実施形態は、共振器が球面状に湾曲した表面を有することによって実現される。入射素子を形成しポンピングパワーを入射するレンズ装置の、凸形の折り畳みミラーとして作用する外側表面により、熱レンズの共通の光学的力が低減される。

きわめて有利な本発明の他の実施形態は、少なくとも１つの活性媒質が球面状の端面を有することによって実現される。これにより、ポンピングパワーのパワー密度に基づいて発生する強い正の熱レンズが、発生する熱レンズの領域において相殺される。そのために、例えば、凹形に湾曲した、負レンズとして作用する活性媒質の端面によって、熱レンズが補償される。

きわめて実際に近い、本発明の変形例に従って、共振器がレンズ装置の焦点合わせレンズの外面によって形成されていると、共振器分岐部の方に向いた焦点合わせレンズの面によって共振器を形成することにより、必要な光学的構成要素の数をさらに減らすことができる。

さらに、共振器が別個の折り畳みミラーとして、特にメニスカス折り畳みミラーとして形成されていると有利である。それによって、例えば、一方ではポンピングパワーを結像するシステムと、他方では凸形の折り畳み素子の独立した調整のために、機能を分離することができる。

その際、折り畳み角度をできるだけ小さくし、非点収差を回避すると有利である。その際、共振器分岐部は、その間に挟まれる折り畳み角度が特に約４°になるように配置されている。

ポンピングパワーはそれ自体公知のごとく、各光ファイバによって供給される。この場合、各光ファイバには、光学式ポンピング結像システムの追加の固有の焦点合わせレンズ又はコリメータレンズを付設することができる。

さらに、レーザが焦点合わせレンズとレンズ装置との間に配置された少なくとも１個の偏向要素、特に偏向ミラー及び／又はプリズムを含む偏向要素を備えていると、特別な成果が得られる。これにより、非点収差を回避するために、共振器分岐部の小さな折り畳み角度を実現することができる。これによって同時に、ポンピングパワー供給の際、光学系の配置が構造的に複雑になるか又は不利になることがない。この光学系は他方では、ファイバコリメータ又はファイバ結像レンズの大きな直径に相応して、レンズ装置によって形成された入射素子から大きく離して配置しなければならない。好ましくは共振器分岐部によって決まる対称軸線に隣接して位置決め可能である、偏向要素、好ましくは偏向ミラー又はプリズムにおける偏向は、コンパクトな実施形態を可能にする。

同様に、所望な偏向を達成するために、偏向要素が透過性に、特に少なくとも１個の折り畳みウェッジとして形成されていることによっても所望な成果が得られる。

小さな折り畳み角度を可能にするために、中間像を結像する際の結像平面は好ましくは対称軸線の近くに配置される。そのために、偏向は、ポンピングビームが空間的に分離されている領域で行うことができる。

ポンピングパワーの供給が平行な複数の光ファイバを用いて、特に一平面内に配置されたこれらの光ファイバの端面によって行われ、そして光学系がテレセントリック結像レンズを備えているときわめて有利である。というのは、それによって、光学系のきわめてコンパクトな構造とさらなる簡単化が達成可能であるからである。

本発明に係るレーザ装置はもちろん、各共振器分岐部内にそれぞれ１つの活性媒質を有することによって実現可能である。これに対して、各光ファイバによって供給されるポンピングエネルギーが共通の１つの活性媒質内で合流することによっても、簡単な他の実施形態が達成される。１つだけの共通の活性媒質を使用することにより、折り畳みミラーとしての働きをする共振器からの活性媒質の間隔と、光学系の大きさをさらに小さくすることができる。

きわめて実際に近い他の変形例では、代替的に、光学系は、光ファイバによって供給されるポンピングエネルギーを２つの部分ビームに分割するように形成可能である。

本発明はいろいろな実施形態を許容する。本発明の基本原理をさらに明確にするために、この実施形態のうちの１つが図に示してある。次に、この実施形態について説明する。図はそれぞれ、折り畳み式共振器を備えるレーザ装置の原理図である。

共振器分岐部に付設された活性媒質と、焦点合わせレンズと、平らな外面を有する折り畳みミラーを示す。 共振器分岐部に付設された活性媒質と、焦点合わせレンズと、レンズの湾曲した折り畳みミラーを示す。 共振器が分離したメニスカス折り畳みミラーとして形成されている変形例を示す。 各焦点合わせレンズとレンズ装置との間における偏向要素の配置を示す。 各光ファイバとレンズ装置との間における折り畳みウェッジの配置を示す。 ２つの光ファイバによって供給されるポンピングエネルギーが共通の１つの活性媒質に入射する変形例を示す。 １つの光ファイバによって供給されるポンピングエネルギーが共通の１つの活性媒質に入射する変形例を示す。 図５に示した原理に従って構成された、共通の平面内に配置された２つのＶ字状の配置を示し、当該Ｖ字状の配置体は、全部で４つの共振器分岐部を備えている変形例を示す。 ポンピングエネルギーを共通の１個のレンズ装置に入射する４つの光ファイバを有する変形例を示す。 共振器分岐部に非線形モジュールを有する変形例を示す。

図１は、特に固体レーザで使用可能であるようなレーザ装置を示している。このレーザ装置は共振器分岐部１ａ、１ｂ間に折り畳み角度αを有する折り畳み式共振器を備えている。この共振器分岐部はそれぞれ活性媒質２ａ、２ｂと共振器ミラー３ａ、３ｂを備えている。分離された光ファイバ４ａ、４ｂによって供給されるポンピングパワーは、それぞれのコリメータレンズ５ａ、５ｂを用いてレンズ装置１１によって片側からポンピングされる。このレンズ装置は平らな外面を有する折り畳み素子７を備えている。両コリメータレンズ５ａ、５ｂはレンズ装置１１と共にポンピング結像システム２５を形成している。両活性媒質２ａ、２ｂはそれぞれ、活性媒質内で発生する熱レンズを必要に応じて補償するために、付設の共振器ミラー３ａ、３ｂの方に向いた球面状の端面８ａ、８ｂを備えている。

これに対して、図２に示した変形例では、折り畳み素子がレンズ装置１１のレンズ１０の球状に湾曲した折り畳み素子９として形成されている。共振器分岐部１ａ、１ｂは分離した両コリメータレンズ５ａ、５ｂを用いて、折り畳み素子によって片側からポンピングされる。両コリメータレンズ５ａ、５ｂはレンズ装置１１と共にポンピング結像システム２５を形成している。レンズ１０の湾曲した外面９はその際ポンピング波長に関して高透過性であり、レーザの基本波長に関して高反射性であり、そして、例えば、レンズ１０の適当なコーティングによって実現可能である。図１に示した変形例と比較して湾曲した折り畳み素子９によって実現可能な熱レンズの補償に基づいて、端面の単なる平らな状態が有利になるように、両活性媒質の端面の凹形の形成を省略することができる。その際、約４°の小さな折り畳み角度βによって、非点収差が実際に認められないようにすることができる。しかしながら、この変形例の場合には、レンズ装置１１からのコリメータレンズ５ａ、５ｂの距離が構造に起因して比較的に大きくなる。

図３には、折り畳み素子が別個のメニスカスミラー１８として形成され、レンズ装置１７と共に１個のポンピング結像システム２５内に配置されている変形例が示してある。ポンピングパワーを供給するための光ファイバ４ａ、４ｂは、レンズ装置１７の手前に平行に配置されている。

構造長を短くするために、図４に示した変形例では、焦点合わせレンズ６ａ、６ｂとレンズ装置１１との間で、偏向素子１２によってそれぞれ２回の偏向が行われる。この偏向素子は一方では焦点合わせレンズに付設されたそれぞれ１つの別個の偏向ミラー１３ａ、１３ｂを備え、他方では直角三角形の直角を挟む辺に取付けられた２個のミラーの支持体としての共通の１個のプリズム１４を備えている。これによって、レンズ装置１１からの、それぞれの焦点合わせレンズ６ａ、６ｂの光ファイバ４ａ、４ｂのファイバ端部の間隔を短くすると同時に、共振器分岐部の折り畳み角度βを小さくすることができる。この場合、ファイバ端部の結像平面１５ａ、１５ｂはビーム経路において方向変換ミラー１３ａ、１３ｂの後方に、そしてプリズム１４上の他の方向変換部の手前に配置することができる。ポンピング結像システム２５は両焦点合わせレンズ６ａ、６ｂと、偏向素子１２と、レンズ装置１１とを収容している。

構造長の同様の短縮は図５に示した変形例に従って達成される。これは、折り畳みウェッジ１６ａ、１６ｂとして形成した透過性の方向変換素子を、各光ファイバ４ａ、４ｂとレンズ装置１１との間に１個ずつ配置することによって行われる。それによって、ファイバの間に挟まれる角度Ｙを大きくすることができる。この角度Ｙはレンズ装置１１に近接した位置決めを可能にする。

これと比べてさらに簡単化した変形例が図６と図７に示してある。その際、共振器分岐部１ａ、１ｂの折り畳み角度βはそれ自体変更されないか又は少しだけ変更され、２つの活性容積２６ａ、２６ｂを有する１つだけの共通の活性媒質１９が使用される。この活性容積２６ａ、２６ｂでは、光ファイバ４、４ａ、４ｂによって供給されたポンピングパワーは、メニスカス折り畳みミラー１８として形成された折り畳み素子によって、当該の共振器分岐部１ａ、１ｂの光学軸線２７ａ、２７ｂと同軸にかつ同心的に入射する。その際、光ファイバ４ａ、４ｂは共通の１個のレンズ装置１７に開口している。このレンズ装置はメニスカス折り畳みミラー１８と共にポンピング結像システム２５を形成している。わかるように、レーザ装置の構造長がさらに短縮され、同時にそのために必要な部品の数が低減される。

図７では、レンズ装置１７とメニスカス折り畳みミラー１８との間に、分割プリズム２４が補足的に配置されている。従って、１個の光ファイバ４によってポンピングエネルギーを供給することができる。

図８には、図５に示した原理に従って構成された変形例が示してある。この場合、素子が二重に設けられている。共通の平面内に延在する分離された４個の光ファイバ４ａ、４ｂ、４ａ′、４ｂ′によって供給されるポンピングエネルギーは、２個のポンピング結像システム２５、２５′に供給される。このポンピング結像システムはそれぞれレンズ装置１１、１１′を含んでいる。共通の平面内に配置された４個の共振器分岐部１ａ、１ａ′、１ｂ、１ｂ′内にそれぞれ１個の活性媒質２ａ、２ｂ、２ａ′、２ｂ′が配置されている。この場合、共振器分岐部１ａ、１ｂ′にはそれぞれ共振器ミラー３ａ、３ｂが付設され、共振器分岐部１ｂと共振器分岐部１ａ′には追加の折り畳みミラー３′が付設されている。

図９には、ポンピングエネルギーが４個の光ファイバ４から、図示した上記変形例と同様に共通の１個のレンズ装置１１に入射する変形例が補足的に示してある。ポンピングエネルギーは４つの活性容積を有する１つの共通の活性物質に入る。この変形例の場合、共振器分岐部は互いに垂直に延在する２つの平面Ｘ、Ｙ（Ｚは共振器対称軸線である）内に配置されている。この場合、各共振器分岐部には、共振器ミラー３ａ、３ｂ又は追加の折り畳みミラー３′、３″が付設されている。

図１０には、図３に示した実施形態の変形例が示してある。第１共振器分岐部１ａには光学的なＱスイッチ２１が設けられ、第２共振器分岐部１ｂには、高次高調波を共振器内で発生するための少なくとも１個の非線形素子２３を有する少なくとも１個のモジュール２２が設けられている。

１ａ、１ｂ 共振器分岐部
２ａ、２ｂ 活性媒質
３、３′、３″ 折り畳みミラー
４、４ａ、４ｂ、４ａ′、４ｂ′ 光ファイバ
５ａ、５ｂ コリメータレンズ
６ａ、６ｂ 焦点合わせレンズ
７ 折り畳み素子
８ 凹形端面
９ 折り畳み素子
１１ レンズ装置
１２ 偏向素子
１３ａ、１３ｂ 偏向ミラー
１４ プリズム
１６ａ、１６ｂ 光学ウェッジ
１７ レンズ装置
１８ 折り畳み素子
１９、２０ 活性媒質
２１ Ｑスイッチ変調器
２２ モジュール
２３ 非線形素子
２４ 分割プリズム
２５ 結像システム
２６ａ、２６ｂ 活性容積
２７ａ、２７ｂ 光学軸線

Claims (17)

1. 少なくとも１つの活性媒質（２ａ、２ｂ、１９、２０）を有し、光学式共振器内の、基本波長に対して高反射性である折り畳み素子（７、９、１８）を介して接続される２つの共振器分岐部（１ａ、１ｂ）の少なくとも１つのＶ字状の配置を成し、光学式ポンピング結像システム（２５）を有する、縦方向ダイオードポンピング式固体レーザのレーザ装置において、
   活性容積（２６ａ、２６ｂ）が、両前記共振器分岐部（１ａ、１ｂ）に１つずつ付設されていて、当該両共振器分岐部（１ａ、１ｂ）が、前記ポンピング結像システム（２５）の共通の１つのレンズ装置（１１、１７）を用いてポンピング波長に対して透過性の前記折り畳み素子（７、９、１８）によって片側でポンピングされていること、
   前記活性媒質（２ａ、２ｂ、１９、２０）が、平らな端面を有し、前記折り畳み素子（９、１８）が、球状に形成されていること、及び
   ポンピングエネルギーが、複数の光ファイバを用いて共通の一方の側から供給されることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記各共振器分岐部（１ａ、１ｂ）はそれぞれ、１つの活性媒質（２ａ、２ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. それぞれの前記活性媒質（２ａ、２ｂ）は、少なくとも１つの凹形端面（８）を有し、前記折り畳み素子（７）は、平らに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記折り畳み素子（９）は、前記レンズ装置（１１）の外側の高反射性の面として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 前記折り畳み素子（１８）は、ミラー又はメニスカスミラーとして形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
6. 前記ポンピング結像システム（２５）は、少なくとも１つのコリメータレンズ（５ａ、５ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記ポンピング結像システム（２５）は、中間結像を生成するための少なくとも１つの焦点合わせレンズ（６ａ、６ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. ポンピングパワーが、個々の複数の光ファイバ（４ａ、４ｂ、４ａ′、４ｂ′）によって供給されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 前記ポンピング結像システム（２５）は、少なくとも１つの偏向素子（１２）、偏向ミラー（１３ａ、１３ｂ）、プリズム（１４）又は光学ウェッジ（１６ａ、１６ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ装置。
10. 前記ポンピングパワーは、平行な複数の光ファイバを用いて、一平面内に配置されたこれらの光ファイバ（４）の端面で供給され、前記レンズ装置（１１）が、対物側テレセントリック結像レンズとして形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ装置。
11. 共通の１つの活性媒質（１９、２０）が、両共振器分岐部（１ａ、１ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
12. 前記ポンピング結像システム（２５）は、１つの光ファイバ（４）によって供給されたポンピングビームを２つの部分ビームに分割するための１つの分割プリズム（２４）によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
13. 前記レーザ装置は、追加の折り畳みミラー（３′）によって光学結合されている少なくとも２つのＶ字状の配置を成すことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
14. 前記レーザ装置は、互いに垂直にある平面Ｘ及び平面Ｙ内で配向されていて、かつ追加の折り畳みミラー（３′、３″）によって光学結合されている２つのＶ字状の配置を成し、当該両Ｖ字状の配置に対して共通の１つのレンズ装置（１１）を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
15. 少なくとも１個のＱスイッチ変調器（２１）が、パルスレーザビームを発生させるために前記共振器の１つの共振器分岐部（１ａ）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
16. 少なくとも１つの非線形素子（２３）を有する少なくとも１つのモジュール（２２）が、少なくとも１つの高次高調波を発生させるために前記共振器の１つの共振器分岐部（１ｂ）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
17. それぞれの共振器分岐部（１ａ、１ｂ）に付設された活性容積（２６ａ、２６ｂ）が、該当する共振器分岐部（１ａ、１ｂ）の光学軸線（２７ａ、２７ｂ）に対して同心に且つ同軸に位置決めされていて且つ配向されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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