JP5994033B2 - 増幅媒質の均質なポンピングによるレーザビームの増幅 - Google Patents
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Description
ト軸に、0.2〜1mmの焦点距離f1を有する円筒レンズの形のファスト軸コリメータBが、レーザダイオードエミッタCから距離f1のところに配置される。このコリメータは、ファスト軸で強く発散する光をコリメートするように作用する。スロー軸では、焦点距離f2の円筒レンズDが、ダイオードエミッタCから距離約f2のところに配置される。このレンズはスロー軸でのみ作用する。レンズはスロー軸でビームをコリメートするように作用し、アレイ内の個々のエミッタにより作られたビームを実質的に重ねる。あるいは、円筒レンズの位置をわずかにずらすことにより、ビームをスロー軸で互いに隣接して配置することができる。ファスト軸でのビームの集束がないことが重要である。
コンパクトなポンプモジュールが提供される。
好適には、レーザビームの伝搬軸がポンプ軸を横切る。このようにして、増幅媒質をサイドポンピングすることができ、ポンプ及びレーザビームの両方に作用することを要する光学素子は必要ない。
a)線形アレイに配置されたエミッタから複数の光源ビームを与える工程と、
b)エミッタと増幅媒質の第1のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、光学アセンブリが、エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第1のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、第1のレンズに隣接する、スロー軸の第2のレンズのアレイと、光源ビームに作用するように構成された、第1のレンズ及び第2のレンズから離間した第3のレンズとを有する工程と、
c)レンズを離間させて、個々の光源ビームを増幅媒質の第1のファセットに重ねる工程であって、個々の光源ビームが、スロー軸における増幅媒質の長縁に沿って第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、個々の光源ビームが、ファスト軸における増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングする方法が提供される。
個々の光源ビームは好適には、第1のファセットにビームウエストを有する。第1のファセットに対する第1のレンズの位置を調節することにより、第1のファセットに対するビームウエストの位置を変化させることができる。
出力レーザ主発振器は、レーザ増幅器10に結合されるパルスのレーザビームを発生させる。各入力パルスは、入力パルスに加えられる結晶14内での放射を刺激して、より高い出力エネルギーパルスを生じさせる。このようにして、レーザ増幅器10を電力増幅器と考えることができ、レーザビームをシードビームと考えることができる。
結晶14内に薄い利得シートを作ることが目的であることに留意して、第1のファセットで所望のビーム高さ2w1が選択される。ビーム高さ2w1は、通常、2w0未満である。加えて、第1のファセット24に、又は第1のファセット24近くにガウスウエストがあることが有利であり、すなわち、第3のレンズとビームウエストとの間のウエスト距離L2は、f2として選択されたポンプ投射距離に等しくすべきである。
18a、18bが、第1のレンズとしてファスト軸コリメータ34a、34bを有し、第2のレンズとしてスロー軸コリメータ40a、40bのアレイを有する。エミッタ光源ビーム22a、22bは、第3のレンズ36の作用により結晶14でスロー軸において重なる。この技法により、必要な出力のスケーリングが行われるが、設置面積が大きくなる。
aは偏光キューブ52を透過し、横方向ダイオードバー18bのエミッタ光源ビーム22bはエミッタ光源ビーム22aと同一線上になるように反射される。偏光キューブ52後のエミッタ光源ビーム22a、22bは正確に重なって、ポンプモジュール16の必要設置面積及び第3のレンズ36のアパーチャを小さくする。これは、いくつかのダイオードバーに容易に拡張することができる。
プロファイルをもたらす。ポンプモジュール16a、16bは図7に示すレーザ増幅器10cのものであるが、本発明のいずれかの実施形態のポンプモジュールを使用してもよい。両側ポンピングにより、2つのポンププロファイルがインコヒーレントに加算され、指数関数的減衰の影響を少なくする。結晶媒質の吸収を最適化することにより適切なレーザ効率を確保して、ポンプビームの約70%〜80%が各ポンプモジュール16a、16bから吸収されるようにしながら、影響をさらに少なくすることができる。
形活性媒質に組み込んで、低出力の超短パルスを最適な出力レベルに増幅できるようにする光学増幅器について記載している。レーザビームは、第1の前置増幅経路に沿って増幅媒質を通過し、媒質の複数の横断線を作る。レーザビームは、第1の経路に沿って戻って結像されて、媒質の二重パスを前置増幅器として作る。その後、ビームが第2の電力増幅経路上で再び媒質に再結像され、単一パスに媒質の複数の横断線を作る。経路は独立しているが、効率的な出力抽出が達成されるように重なる。本発明のレーザ増幅器を用いると、単一の矩形活性媒質は、本発明の実施形態による、1つ又は複数のレーザダイオードバーを備えるポンプモジュールからポンピングされる本願明細書に記載のレーザ結晶であり、そのレーザダイオードバーのエミッタは、ポンプ軸がレーザビームの伝搬方向を横切る状態で、光学アセンブリを介して結晶の一方の面又は対向面に結像される。
ポンプモジュールとからなる、レーザビームを増幅するための装置において、
前記ポンプモジュールは、
前記x軸に平行なスロー軸及び前記y軸に平行なファスト軸を有する線形アレイに配置されたエミッタからの光源ビームの合成物であるポンプビームと、
前記エミッタと前記増幅媒質の前記第1のファセットとの間に位置する光学アセンブリとからなり、
前記光学アセンブリは、
前記エミッタに隣接して、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記ファスト軸の第1のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、スロー軸の第2のレンズのアレイと、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記第1のレンズ及び前記第2のレンズから離間した第3のレンズとを有し、
前記個々の光源ビームが、前記第1のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、
これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、
レーザビームを増幅するための装置を要旨とする。
本発明の第5の態様によると、第1〜4の態様のいずれかにおいて、前記第1のレンズ及び前記第2のレンズが、単一の光学要素として設けられることを要旨とする。
本発明の第9の態様によると、第8の態様において、前記ポンプモジュールが、ポンプビームを各々供給する複数のレーザダイオードバーからなり、各レーザダイオードバーが第1のレンズを備え、各エミッタが第2のレンズを備え、前記装置が前記ポンプビームに作用するように構成された単一の第3のレンズを有し、前記個々の光源ビームが前記第1のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束されることを要旨とする。
本発明の第14の態様によると、第1〜13の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質が単結晶スラブであることを要旨とする。
本発明の第16の態様によると、第1〜15の態様のいずれかにおいて、前記増幅媒質がセラミックであることを要旨とする。
本発明の第18の態様によると、第15の態様において、前記増幅媒質が、ドープ媒質が2つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたガラススラブであることを要旨とする。
本発明の第22の態様によると、a)線形アレイに配置されたエミッタによって複数の光源ビームを与える工程と、
b)前記エミッタと増幅媒質の第1のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、前記光学アセンブリが、前記エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第1のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、前記第1のレンズに隣接する、スロー軸の第2のレンズのアレイと、前記光源ビームに作用するように構成された、前記第1のレンズ及び前記第2のレンズから離間した第3のレンズとを有する、光学アセンブリを設ける工程と、
c)前記レンズを離間させて、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第1のファセットに重ねる工程であって、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸における前記増幅媒質の長縁に沿って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記個々の光源ビームが、前記ファスト軸における前記増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、前記増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第1のファセットに重ねる工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングするための方法を要旨とする。
本発明の第24の態様によると、第22〜23の態様のいずれかにおいて、前記個々の光源ビームが、前記第1のファセットにビームウエストを有することを要旨とする。
節することにより、前記第1のファセットに対する前記ビームウエストの位置を変化させることを要旨とする。
Claims (25)
- 長縁及び短縁を有する第1のファセットをなす矩形横断面を有する増幅媒質であって、前記長縁がx軸に沿い、前記短縁がy軸に沿い、z軸が直交座標システム内にポンプ軸を画定する、増幅媒質と、
ポンプモジュールとからなる、レーザビームを増幅するための装置において、
前記ポンプモジュールは、
前記x軸に平行なスロー軸及び前記y軸に平行なファスト軸を有する線形アレイに配置されたエミッタからの光源ビームの合成物であるポンプビームと、
前記エミッタと前記増幅媒質の前記第1のファセットとの間に位置する光学アセンブリとからなり、
前記光学アセンブリは、
前記エミッタに隣接して、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記ファスト軸の第1のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、スロー軸の第2のレンズのアレイと、前記ポンプビームに作用するように構成された、前記第1のレンズ及び前記第2のレンズから離間した第3のレンズとを有し、
前記個々の光源ビームが、前記第1のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、
これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、
レーザビームを増幅するための装置。 - 前記第1のレンズが焦点距離f1yを有するファスト軸コリメータからなり、前記第3のレンズが焦点距離f2を有するレンズからなり、前記第1のファセットで前記ファスト軸にビームサイズを与えるように組合せが選択される、請求項1に記載の装置。
- 前記第2のレンズが各々スロー軸コリメータからなり、各コリメータが焦点距離f1xを有し、前記スロー軸の前記第3のレンズと共にMx=f2/f1xの倍率を与える、請求項2に記載の装置。
- 前記第3のレンズが球面である、請求項2又は3に記載の装置。
- 前記第1のレンズ及び前記第2のレンズが、単一の光学要素として設けられる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第3のレンズが、前記第1のファセットの前に各光源ビームのビームウエストを作るように構成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第3のレンズが、周辺光源ビームをある角度で前記増幅媒質内に向けて、前記増幅媒質内に全内部反射を生じさせるように構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記エミッタの線形アレイがレーザダイオードバーである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ポンプモジュールが、ポンプビームを各々供給する複数のレーザダイオードバーからなり、各レーザダイオードバーが第1のレンズを備え、各エミッタが第2のレンズを備え、前記装置が前記ポンプビームに作用するように構成された単一の第3のレンズを有し、前記個々の光源ビームが前記第1のファセットで重なり、前記スロー軸の前記長縁に沿
って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束される、請求項8に記載の装置。 - 前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第3のレンズに向ける1つ又は複数のミラーを備える、請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記光学アセンブリが、前記光源ビームを前記第3のレンズに向ける1つ又は複数の偏光キューブを備える、請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
- 前記増幅媒質の反対側に配置された第2のポンプモジュールがあり、前記第2のポンプモジュールが、個々の光源ビームが前記第1のファセットと反対の第2のファセットで重なる第2のポンプビームを供給し、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸の前記長縁に沿って前記第2のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記ファスト軸の前記短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、これにより、前記増幅媒質の均質なポンピングをもたらし、前記ポンプビームに直交する方向に前記増幅媒質を通るレーザビームが均一に増幅される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の装置。
- 少なくとも1つのポンプビームの伝搬軸がz軸に対して軸外である、請求項12に記載の装置。
- 前記増幅媒質が単結晶スラブである、請求項1〜13のいずれか1項に記載の装置。
- 前記増幅媒質がガラスである、請求項1〜14のいずれか1項に記載の装置。
- 前記増幅媒質がセラミックである、請求項1〜15のいずれか1項に記載の装置。
- 前記単結晶スラブが、ドープ媒質が2つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成される、請求項14に記載の装置。
- 前記増幅媒質が、ドープ媒質が2つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたガラススラブである、請求項15に記載の装置。
- 前記増幅媒質が、ドープ媒質が2つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されたセラミックスラブである、請求項16に記載の装置。
- 前記第3のレンズから離間した第4のレンズが、前記ファスト軸で前記ポンプビームに作用するように構成され、前記ポンプビームがドープ領域に結合するようにサイズ決めされる、請求項17〜19のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第4のレンズが円筒形である、請求項20に記載の装置。
- a)線形アレイに配置されたエミッタによって複数の光源ビームを与える工程と、
b)前記エミッタと増幅媒質の第1のファセットとの間に光学アセンブリを設ける工程であって、前記光学アセンブリが、前記エミッタに隣接して、光源ビームに作用するファスト軸の第1のレンズと、個々の光源ビームに作用するように各々構成された、前記第1のレンズに隣接する、スロー軸の第2のレンズのアレイと、前記光源ビームに作用するように構成された、前記第1のレンズ及び前記第2のレンズから離間した第3のレンズとを有する、光学アセンブリを設ける工程と、
c)前記レンズを離間させて、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第1のファセットに重ねる工程であって、前記個々の光源ビームが、前記スロー軸における前記増幅
媒質の長縁に沿って前記第1のファセットを満たすように結像されサイズ決めされ、前記個々の光源ビームが、前記ファスト軸における前記増幅媒質の短縁の長さよりも短いビームサイズに集束され、周辺光源ビームが、前記増幅媒質への入射時に全内部反射を受ける、前記個々の光源ビームを前記増幅媒質の前記第1のファセットに重ねる工程とからなる、増幅媒質を通して均質な合成ビームをポンピングするための方法。 - 前記エミッタの前記線形アレイがダイオードバーからなる、請求項22に記載の方法。
- 前記個々の光源ビームが、前記第1のファセットにビームウエストを有する、請求項22又は23に記載の方法。
- 前記個々の光源ビームがビームウエストを有し、前記エミッタに対する前記第1のレンズの位置を調節することにより、前記第1のファセットに対する前記ビームウエストの位置を変化させる、請求項22又は23に記載の方法。
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