JP6173572B2 - 大口径均一増幅レーザモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ素子分野に関し、具体的に、大口径均一増幅レーザモジュールに関する。
（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｙｔｔｒｉｕｍ ｇａｒｎｅｔ、ＹＡＧと略称）)の化学式は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12で、又は３Ｙ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ3と書くこともでき、ここで、Ｙ2Ｏ3は５７.０６ｗｔ％で、Ａｌ2Ｏ3は４２.９４ｗｔ％であり、光学、力学、熱学を含めて総合的性能に優れたレーザホストである。パワーが中小レベルであるレーザ素子において、現在、イットリウム・アルミニウム・ガーネットからなるイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶（Ｎｄ:ＹＡＧ）の実用数量は他のレーザ材料を遥かに超えている。実際に製造する際、一定比例のＡｌ2Ｏ2、Ｙ2Ｏ2、及びＮｄ2Ｏ3を単結晶炉で溶融して結晶化させることでイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶を製造する。イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶の成長中に主に、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｉｋ）、ＣＺ法とも呼ばれる引き上げ法が用いられる。成長を経て、クリスタルブランクが得られる。イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶が優れた熱学の性能を有しているため、レーザ材料として製造されることには好適である。
引き上げ法は、溶融体の液流作用、伝動装置の振動及び温度の変動によって、結晶の品質に影響を与えるデメリットを有する。結晶自体の特性によって、結晶成長の長さの増加に伴って、その両端のドーピング濃度はどんどん高まって行く。通常の結晶棒の製造方法によると、クリスタルブランクの成長方向に沿って加工し、結晶棒の長さによって結晶棒におけるドーピング濃度のばらつきの程度が決められ、加工直径が８ｍｍ以上の結晶棒の長さは通常１００ｍｍを超え、１００ｍｍの結晶棒には２０％〜３０％のドーピング濃度差が存在する。
以下の問題が存在する。通常用いられるレーザ増幅モジュールにおいて、ポンプブロックがｂａｒと、冷却ヒートシンクと、冷却水管とからなり、複数のポンプブロックが接続されて板状のポンプｂａｒ構造を構成し、レーザ増幅モジュールにおいて、複数の板状のポンプｂａｒ構造が結晶棒の周りに配列されている。各ポンプｂａｒ構造におけるｂａｒの結晶棒からの距離は同じで且つ固定されており、また、ドーピング濃度と結晶棒のポンプ光に対する吸収係数は正比例をなし、直径が大きく長い結晶棒の場合、その本体上のドーピング濃度勾配がかなり高く、結晶棒の両端の吸収係数と中央部の吸収係数は一致せず、その差が大きいため、結晶棒上のポンプ全体が不均一になり、さらに、最終の利得出力が不均一になってしまう。
本発明は、上記問題を解決できる大口径均一増幅レーザモジュールを提供することをその目的とする。
本発明の実施例に係る大口径均一増幅レーザモジュールは、環状のポンプｂａｒ構造と、電動制御ブロックと、伸縮スクリューと、結晶棒と、ガラススリーブと、構造部材と、を備え、
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックがｂａｒと、冷却ヒートシンクと、冷却水管からなり、前記ｂａｒが前記冷却ヒートシンクに接続され、前記冷却ヒートシンクの内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンクにそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管と水導入管が設けられており、前記水導入管が設けられた前記冷却ヒートシンクから前記水排出管が設けられた前記冷却ヒートシンクまでに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒが環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っており、
前記ガラススリーブ中には、前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブの長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブが覆われ、前記ガラススリーブが前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブの外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒの間に調節隙間が形成されており、
前記伸縮スクリューが、一端が前記電動制御ブロックに回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンクに接続され、前記電動制御ブロックが外部からの電気信号により前記伸縮スクリューを回転させ、前記ｂａｒから前記結晶棒までの距離を調節し、
各前記電動制御ブロックをそれぞれ固定するための固定ハウジングを更に備える。
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックがｂａｒと、冷却ヒートシンクと、冷却水管からなり、前記ｂａｒが前記冷却ヒートシンクに接続され、前記冷却ヒートシンクの内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンクにそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管と水導入管が設けられており、前記水導入管が設けられた前記冷却ヒートシンクから前記水排出管が設けられた前記冷却ヒートシンクまでに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒが環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っており、
前記ガラススリーブ中には、前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブの長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブが覆われ、前記ガラススリーブが前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブの外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒの間に調節隙間が形成されており、
前記伸縮スクリューが、一端が前記電動制御ブロックに回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンクに接続され、前記電動制御ブロックが外部からの電気信号により前記伸縮スクリューを回転させ、前記ｂａｒから前記結晶棒までの距離を調節し、
各前記電動制御ブロックをそれぞれ固定するための固定ハウジングを更に備える。
本発明に係る大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、ｂａｒと、冷却ヒートシンクと、冷却水管からなる複数のポンプブロックが接続されて環状のポンプｂａｒ構造が形成され、結晶棒が装着されているガラススリーブに直径が同じ又は異なる複数の環状のポンプｂａｒ構造が被せられ、ガラススリーブと各環状のポンプｂａｒ構造中のｂａｒとの間に調節隙間が形成されている。同時に、冷却ヒートシンクに電動制御ブロックが接続され、電動制御ブロックに伸縮スクリューが設けられており、伸縮スクリューは一端が電動制御ブロックに回転可能に接続され、他端が冷却ヒートシンクに接続されており、電動制御ブロックは固定ハウジングを介して固定され、外部からの電気信号により伸縮スクリューを回転させ、ｂａｒから前記結晶棒までの距離を調節する。
つまり、電動制御ブロックによってｂａｒと結晶棒との間の距離を調整及び制御することで結晶の成長中に発生する欠陥を補い、ポンプｂａｒ構造とそれに対応する一区間の結晶棒との間の小範囲での均一ポンプを形成し、さらに、レーザモジュールの均一利得出力を実現する。
大量の光学追跡模擬分析及び実験テストを経て、ｂａｒから結晶棒までの距離とポンプの均一特性の法則を発見し、例えば、直径が１５ｍｍのイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶について、０.８％のドーピング濃度で、ｂａｒから結晶棒までの距離が８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍであるとき、得られた結晶棒の断面におけるエネルギー密度分布は図１に示すように、距離が８ｍｍの場合、中央にはひどいエネルギーの重なりによる突起（ｅｎｅｒｇｙ ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｂｕｍｐ）が明らかにあり、距離が１４ｍｍの場合、中央が凹みすぎる。
本発明において、ｂａｒから結晶棒までの距離を制御することによって、一定の吸収係数範囲での均一ポンプを実現し、結晶棒の成長中に存在する欠陥を補うことができる。また、固定ハウジングを介して固定された電動制御ブロックによってｂａｒから結晶棒までの距離を調節し、異なる注入ポンプパワーに均一性の精確な制御を行って、結晶棒全範囲のポンプ均一性の精確な制御を実現し、最後に、均一な利得増幅を実現できる。従って、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、直径が大きく長さが長い結晶棒を用いてレーザ増幅を行うことができ、また、均一な利得出力の目的を達成できる。
以下、具体的な実施例と図面を結合して本発明を更に詳しく説明する。
実施例１：図２〜図７を参照
大口径均一増幅レーザモジュールは、環状のポンプｂａｒ構造と、電動制御ブロック９と、伸縮スクリュー１０と、結晶棒と、ガラススリーブ２と、構造部材と、を含む。
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックがｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなり、前記ｂａｒ４が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記冷却ヒートシンク５の内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンク５にそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管８と水導入管７が設けられており、前記水導入管７が設けられた前記冷却ヒートシンク５から前記水排出管８が設けられた前記冷却ヒートシンク５までに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管６を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒ４が環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っている。
前記ガラススリーブ２中には、前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブ２の長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブ２が覆われ、前記ガラススリーブ２が前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブ２の外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。
前記伸縮スクリュー１０は、一端が前記電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記電動制御ブロック９が外部からの電気信号により前記伸縮スクリュー１０を回転させ、前記ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
実施例１：図２〜図７を参照
大口径均一増幅レーザモジュールは、環状のポンプｂａｒ構造と、電動制御ブロック９と、伸縮スクリュー１０と、結晶棒と、ガラススリーブ２と、構造部材と、を含む。
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックがｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなり、前記ｂａｒ４が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記冷却ヒートシンク５の内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンク５にそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管８と水導入管７が設けられており、前記水導入管７が設けられた前記冷却ヒートシンク５から前記水排出管８が設けられた前記冷却ヒートシンク５までに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管６を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒ４が環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っている。
前記ガラススリーブ２中には、前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブ２の長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブ２が覆われ、前記ガラススリーブ２が前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブ２の外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。
前記伸縮スクリュー１０は、一端が前記電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記電動制御ブロック９が外部からの電気信号により前記伸縮スクリュー１０を回転させ、前記ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
本発明に係る大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、ｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなる複数のポンプブロックが接続されて環状のポンプｂａｒ構造が形成され、結晶棒が装着されているガラススリーブ２に直径が同じ又は異なる複数の環状のポンプｂａｒ構造が被せられ、ガラススリーブ２と各環状のポンプｂａｒ構造中のｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。同時に、冷却ヒートシンク５に電動制御ブロック９が接続され、電動制御ブロック９に伸縮スクリュー１０が設けられており、伸縮スクリュー１０は一端が電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が冷却ヒートシンク５に接続されており、電動制御ブロック９は固定ハウジング１１を介して固定され、外部からの電気信号により伸縮スクリュー１０を回転させ、ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
つまり、電動制御ブロック９によってｂａｒ４と結晶棒との間の距離を調整及び制御することで結晶の成長中に発生する欠陥を補い、ポンプｂａｒ構造とそれに対応する一区間の結晶棒との間の小範囲での均一ポンプを形成し、さらに、レーザモジュールの均一利得出力を実現する。
大量の光学追跡模擬分析及び実験テストを経て、ｂａｒ４から結晶棒までの距離とポンプの均一特性の法則を発見し、例えば、直径が１５ｍｍのイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶について、０.８％のドーピング濃度で、ｂａｒ４から結晶棒までの距離が８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍであるとき、得られた結晶棒の断面におけるエネルギー密度分布は図１に示すように、距離が８ｍｍの場合、中央にはひどいエネルギーの重なりによる突起（ｅｎｅｒｇｙ ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｂｕｍｐ）が明らかにあり、距離が１４ｍｍの場合、中央が凹みすぎる。
本発明において、ｂａｒ４から結晶棒までの距離を制御することによって、一定の吸収係数範囲での均一ポンプを実現し、結晶棒の成長中に存在する欠陥を補うことができる。また、固定ハウジング１１を介して固定された電動制御ブロック９によってｂａｒ４から結晶棒までの距離を調節し、異なる注入ポンプパワーに均一性の精確な制御を行って、結晶棒全範囲のポンプ均一性の精確な制御を実現し、最後に、均一な利得増幅を実現できる。従って、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、直径が大きく長さが長い結晶棒を用いてレーザ増幅を行うことができ、また、均一な利得出力の目的を達成できる。
実施例２：
大口径均一増幅レーザモジュールは、環状のポンプｂａｒ構造と、電動制御ブロック９と、伸縮スクリュー１０と、結晶棒と、ガラススリーブ２と、構造部材と、を含む。
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックはｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなり、前記ｂａｒ４が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記冷却ヒートシンク５の内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンク５にそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管８と水導入管７が設けられており、前記水導入管７が設けられた前記冷却ヒートシンク５から前記水排出管８が設けられた前記冷却ヒートシンク５までに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管６を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒ４は環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っている。
前記ガラススリーブ２中には前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブ２の長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブ２が覆われ、前記ガラススリーブ２が前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブ２の外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。
前記伸縮スクリュー１０は、一端が前記電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記電動制御ブロック９は外部からの電気信号により前記伸縮スクリュー１０を回転させ、前記ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
大口径均一増幅レーザモジュールは、環状のポンプｂａｒ構造と、電動制御ブロック９と、伸縮スクリュー１０と、結晶棒と、ガラススリーブ２と、構造部材と、を含む。
前記ポンプｂａｒ構造は複数のポンプブロックを含み、各前記ポンプブロックはｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなり、前記ｂａｒ４が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記冷却ヒートシンク５の内部には冷却水通路が設けられ、その中の二つの前記冷却ヒートシンク５にそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管８と水導入管７が設けられており、前記水導入管７が設けられた前記冷却ヒートシンク５から前記水排出管８が設けられた前記冷却ヒートシンク５までに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管６を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒ４は環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っている。
前記ガラススリーブ２中には前記結晶棒が設けられており、前記ガラススリーブ２の長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブ２が覆われ、前記ガラススリーブ２が前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブ２の外壁と各ポンプｂａｒ構造における各前記ｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。
前記伸縮スクリュー１０は、一端が前記電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が前記冷却ヒートシンク５に接続され、前記電動制御ブロック９は外部からの電気信号により前記伸縮スクリュー１０を回転させ、前記ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
本発明に係る大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、ｂａｒ４と、冷却ヒートシンク５と、冷却水管６からなる複数のポンプブロックが接続されて環状のポンプｂａｒ構造が形成され、結晶棒が装着されているガラススリーブ２に直径が同じ又は異なる複数の環状のポンプｂａｒ構造が被せられ、ガラススリーブ２と各環状のポンプｂａｒ構造中のｂａｒ４との間に調節隙間が形成されている。同時に、冷却ヒートシンク５に電動制御ブロック９が接続され、電動制御ブロック９に伸縮スクリュー１０が設けられており、伸縮スクリュー１０は一端が電動制御ブロック９に回転可能に接続され、他端が冷却ヒートシンク５に接続されており、電動制御ブロック９は固定ハウジング１１を介して固定され、外部からの電気信号により伸縮スクリュー１０を回転させ、ｂａｒ４から前記結晶棒までの距離を調節する。
つまり、電動制御ブロック９によってｂａｒ４と結晶棒との間の距離を調整及び制御することで結晶の成長中に発生する欠陥を補い、ポンプｂａｒ構造とそれに対応する一区間の結晶棒との間の小範囲での均一ポンプを形成し、さらに、レーザモジュールの均一利得出力を実現する。
大量の光学追跡模擬分析及び実験テストを経て、ｂａｒ４から結晶棒までの距離とポンプの均一特性の法則を発見し、例えば、直径が１５ｍｍのイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶について、０.８％のドーピング濃度で、ｂａｒ４から結晶棒までの距離が８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍであるとき、得られた結晶棒の断面におけるエネルギー密度分布は図１に示すように、距離が８ｍｍの場合、中央にはひどいエネルギーの重なりによる突起（ｅｎｅｒｇｙ ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｂｕｍｐ）が明らかにあり、距離が１４ｍｍの場合、中央が凹みすぎる。
本発明において、ｂａｒ４から結晶棒までの距離を制御することによって、一定の吸収係数範囲での均一ポンプを実現し、結晶棒の成長中に存在する欠陥を補うことができる。また、固定ハウジング１１を介して固定された電動制御ブロック９によってｂａｒ４から結晶棒までの距離を調節し、異なる注入ポンプパワーに均一性の精確な制御を行って、結晶棒全範囲のポンプ均一性の精確な制御を実現し、最後に、均一な利得増幅を実現できる。従って、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールにおいて、直径が大きく長さが長い結晶棒を用いてレーザ増幅を行うことができ、また、均一な利得出力の目的を達成できる。
ここで、電動制御ブロック９に印加される電気信号は、測定された結晶の断面内部のスポット均一性により近似した曲線であることができるため、外部からの電気信号によってモジュールのポンプ均一性を調節できる。また、直接の電圧による調節であってもよい。
加工及び使用の便宜を図るため、前記ガラススリーブ２は円柱形の管であることが好ましい。
前記ガラススリーブ２の内壁には結晶棒を固定するための複数の固定突起３が設けられ、結晶棒と前記ガラススリーブ２の内壁との間に冷却水を通過させるための通路が形成されている。
前記ガラススリーブ２の内壁には結晶棒を固定するための複数の固定突起３が設けられ、結晶棒と前記ガラススリーブ２の内壁との間に冷却水を通過させるための通路が形成されている。
結晶棒とガラススリーブとの間に発生する熱を高速に放熱するために、ガラススリーブ２の内部に冷却水を注入することができる。冷却水はガラススリーブ２と結晶棒との間の通路に沿って流れ、その中に発生する熱を取り除く。
前記ガラススリーブ２の内壁には、複数組の前記固定突起３が設けられており、各組の前記固定突起３はガラススリーブの径方向に沿って前記ガラススリーブ２の内壁に均一に分布している。
結晶棒を安定的に固定しつつ、ガラススリーブ２の内壁と分離させるため、各組ごとに固定突起３を三つ設けることができ、三つの固定突起３は前記ガラススリーブ２の断面に沿ってその内壁に均一に分布されている。各前記ガラススリーブ２の内壁には少なくとも２組の前記固定突起３が設けられている。
ガラススリーブ２と結晶棒をしっかり接続するために、固定突起３とガラススリーブ２の内壁とを接続して固定した後、固定突起３とガラス棒とを接続して固定することができる。
結晶棒は、複数の結晶短棒１が接続されてなる結晶長棒であり、
複数の結晶短棒１はいずれも、クリスタルブランク（ｃｒｙｓｔａｌ ｂｌａｎｋ）においてクリスタルブランクの成長方向に垂直な方向に沿って加工して得られるものである。
複数の結晶短棒１はいずれも、クリスタルブランク（ｃｒｙｓｔａｌ ｂｌａｎｋ）においてクリスタルブランクの成長方向に垂直な方向に沿って加工して得られるものである。
既存技術において用いられる結晶棒はクリスタルブランクの成長方向に沿って加工して得られる結晶長棒であるが、クリスタルブランクの成長中に、長さが増加するに伴って、両端のドーピング濃度がますます高まって行くので、クリスタルブランクの成長方向に沿って結晶棒を加工する場合、結晶棒の両端のドーピング濃度が高い。
結晶棒のドーピング濃度勾配を低減するため、クリスタルブランクにおいてその成長方向に垂直する方向に沿って結晶棒を加工することができ、つまり、クリスタルブランクの横断面方向に沿って結晶棒を加工し、この時、加工された各短い結晶棒上のドーピング濃度勾配が小さく、加工された複数の結晶短棒１の端部が互いに接続されて結晶長棒が形成される。当該結晶長棒を本発明の上述の大口径均一増幅レーザモジュールに適用し、各ポンプｂａｒ構造の半径サイズと結晶短棒１間の吸収係数の関係を精確に整合し、各結晶短棒１の周部にそれぞれ、直径の異なるポンプｂａｒ構造を設けることで、小範囲での均一ポンプを実現する。さらに、結晶長棒全体の均一なポンプ利得出力を実現する。
複数の結晶短棒１を接続する際、隣り合う二つの結晶短棒１の接続面に反射防止膜を設けるか、又は隣り合う二つの結晶短棒をボンディングによって接続することもできる。
また、前記の大口径均一増幅レーザモジュールにスポット出力信号を収集する収集システムを増設し、当該収集システムと前記結晶棒とを電気的に接続することもできる。
さらに、結晶棒から出力されるスポット信号の収集システムを含み、当該収集システムとレーザモジュールが電気信号によって情報の送受信を行う。
増設された収集システムは、結晶棒の断面上のエネルギー信号をリアルタイムに収集し、最終的にテストスクリーンに表示し、テストスクリーンにリアルタイムに表示される結晶棒の断面上のエネルギー密度分布図に基づいて、電動制御ブロック９と螺旋スクリューによって結晶棒とｂａｒ４との間の距離を更に調節し、結晶棒とｂａｒ４との間の距離を最適な状態に調節する。電動調節システムの導入によって、増幅モジュールは固定した入力信号光について均一度２０％以内の増幅を実現できる共に、増幅された光ビーム自体のエネルギー密度の変化に順応することもでき、異なる注入信号光の条件下で、増幅された光ビームの出力均一の一致性を保証できる。
実験例１
図２〜図６を参照して、本発明による大口径均一増幅レーザモジュールを製造した。
まず、当該モジュールの複合構造の結晶棒を製造した。複合構造の結晶棒として、Ｘ軸方向に沿って、引き上げ法で成長されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット棒材を加工して得られた、長さが９０ｍｍで、直径が１０ｍｍである八つの結晶短棒を用いた。
その中から、ドーピング濃度が類似した二つの結晶短棒を選択し、第１本のドーピング濃度は、一端が０.６％で、他端が０.７４％であり、第２本のドーピング濃度は、一端が０.６３％で、他端が０.７９％である。
図２〜図６を参照して、本発明による大口径均一増幅レーザモジュールを製造した。
まず、当該モジュールの複合構造の結晶棒を製造した。複合構造の結晶棒として、Ｘ軸方向に沿って、引き上げ法で成長されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット棒材を加工して得られた、長さが９０ｍｍで、直径が１０ｍｍである八つの結晶短棒を用いた。
その中から、ドーピング濃度が類似した二つの結晶短棒を選択し、第１本のドーピング濃度は、一端が０.６％で、他端が０.７４％であり、第２本のドーピング濃度は、一端が０.６３％で、他端が０.７９％である。
その後、ポンプｂａｒ構造を製造した。各ポンプｂａｒ構造は八つのポンプブロックからなり、各結晶短棒の周囲に８組のポンプｂａｒ構造を配置した。
テスト分析し、ドーピング濃度と距離との精確関係を整合して得られたデータは、以下の通りである。
第１組ポンプｂａｒ構造は、第１本の結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１４.０ｍｍ、１４.６ｍｍ、１４.６ｍｍ、１５.９ｍｍ、１５.９ｍｍ、１７.１ｍｍ、１７.１ｍｍ、１７.１ｍｍである。
第２組ポンプｂａｒ構造は、第２本の結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１４.３ｍｍ、１４.９ｍｍ、１４.９ｍｍ、１６.３ｍｍ、１６.３ｍｍ、１８.０ｍｍ、１８.０ｍｍ、１８.０ｍｍである。
第１組ポンプｂａｒ構造は、第１本の結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１４.０ｍｍ、１４.６ｍｍ、１４.６ｍｍ、１５.９ｍｍ、１５.９ｍｍ、１７.１ｍｍ、１７.１ｍｍ、１７.１ｍｍである。
第２組ポンプｂａｒ構造は、第２本の結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１４.３ｍｍ、１４.９ｍｍ、１４.９ｍｍ、１６.３ｍｍ、１６.３ｍｍ、１８.０ｍｍ、１８.０ｍｍ、１８.０ｍｍである。
上記の各組の八つのポンプｂａｒ構造をそれぞれ、対応する１本の結晶短棒に接続して固定し、ここで、交差配置し、一区間の結晶短棒にポンプを行った。
本実験では、２区間の結晶短棒があり、同軸配置の方式で、各区間の両側に１０６４ｎｍの反射防止膜をめっきし、これにより、ポンプ距離の調節によって均一ポンプを実現した。
２本の結晶短棒からなる複合構造の結晶棒の外側には、冷却水を通過させるためのガラススリーブが装着されている。ガラススリーブは、外径が１６ｍｍで、内径が１４ｍｍであり、内側に焼結によって追加された４組の支持突起が設けられ、各組には三つの支持突起がある。当該１２個の支持突起は接続された結晶長棒をガラススリーブの内壁から分離させ、結晶棒を冷却する水通路を構成した。
上記構造の複合構造の結晶棒と、ガラススリーブと、ポンプｂａｒ構造とを構造部材で固定し、冷却水通路を接続することによって、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールを構成することができる。
本実験例の大口径均一増幅レーザモジュールによれば、結晶棒の径方向断面におけるエネルギー密度の変動が２０％未満になり、既存のレーザモジュールは本発明のような補償がないので、エネルギー密度の変動が通常１００％以上である。
実験例２
図２〜図６を参照して、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールを製造した。
先ず、当該モジュールの複合構造の結晶棒を製造した。Ｙ軸方向に沿って、引き上げ法で成長された５本のイットリウム・アルミニウム・ガーネット棒材を加工して得られた、長さが２５ｍｍで、直径が１３ｍｍである３０個の結晶短棒を用いた。
その中から、ドーピング濃度が類似した六つの結晶短棒を選択し、ドーピング濃度は一端が０.５±０.０５％で、他端が０.７±０.０５％であり、ボンディングによって複合構造の結晶棒を構成した。
図２〜図６を参照して、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールを製造した。
先ず、当該モジュールの複合構造の結晶棒を製造した。Ｙ軸方向に沿って、引き上げ法で成長された５本のイットリウム・アルミニウム・ガーネット棒材を加工して得られた、長さが２５ｍｍで、直径が１３ｍｍである３０個の結晶短棒を用いた。
その中から、ドーピング濃度が類似した六つの結晶短棒を選択し、ドーピング濃度は一端が０.５±０.０５％で、他端が０.７±０.０５％であり、ボンディングによって複合構造の結晶棒を構成した。
ポンプｂａｒ構造を製造する際、各ポンプｂａｒ構造は五つのポンプブロックからなり、各結晶短棒の周囲には３組のポンプｂａｒ構造を配置した。
テスト分析を経て、ドーピング濃度と距離との精確関係を整合して得られたデータは以下の通りである：
ポンプｂａｒ構造は、結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１２.０ｍｍ、１２.３ｍｍ、１２.６ｍｍ、１３.１ｍｍである。上記四つのポンプｂａｒ構造を１循環とし、６回の周期的な配置を行った。本実施例の複合構造の結晶棒の両側に１０６４ｎｍの反射防止膜をめっきした。
ポンプｂａｒ構造は、結晶短棒に沿って円状に配列された直径がそれぞれ、１２.０ｍｍ、１２.３ｍｍ、１２.６ｍｍ、１３.１ｍｍである。上記四つのポンプｂａｒ構造を１循環とし、６回の周期的な配置を行った。本実施例の複合構造の結晶棒の両側に１０６４ｎｍの反射防止膜をめっきした。
複合構造の結晶棒の外側には、冷却水を通過させるためのガラススリーブが装着されている。ガラススリーブは外径が１９ｍｍで、内径が１５ｍｍである。複合構造の結晶棒の外壁とガラススリーブの内壁との間に結晶棒を冷却するための水通路が形成されている。複合構造の結晶棒は２段のゴム環によって固定された。
上記構造の複合構造の結晶棒と、ガラススリーブと、ポンプｂａｒ構造とを構造部材によって固定し、冷却水通路を接続することによって、本発明の大口径均一増幅レーザモジュールを構成することができる。複合構造の結晶棒を製造し、当該複合構造の結晶棒を本発明の大口径レーザ方法モジュールに適用することによって、結晶棒中の吸収係数のドリフトをさらに低減することができ、ポンプ後のエネルギー密度の変動を８％未満にすることができる。
以上は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者であれば本発明に様々な修正や変形が可能である。本発明の精神や原則内での如何なる修正、置換、改良などは本発明の保護範囲内に含まれる。
１ 結晶短棒 ２ ガラススリーブ
３ 固定突起 ４ ｂａｒ
５ 冷却ヒートシンク ６ 冷却水管
７ 水導入管 ８ 水排出管
９ 電動制御ブロック １０ 伸縮スクリュー
１１ 固定ハウジング
３ 固定突起 ４ ｂａｒ
５ 冷却ヒートシンク ６ 冷却水管
７ 水導入管 ８ 水排出管
９ 電動制御ブロック １０ 伸縮スクリュー
１１ 固定ハウジング
Claims (10)
- 環状のポンプｂａｒ構造と、結晶棒と、ガラススリーブと、構造部材と、を備え、
前記ポンプｂａｒ構造は、ｂａｒと、冷却ヒートシンクと、冷却水管とからなる複数のポンプブロックを含み、前記ｂａｒが前記冷却ヒートシンクに接続され、前記冷却ヒートシンクの内部に冷却水通路が設けられており、その中の二つの前記冷却ヒートシンクにはそれぞれ、前記冷却水通路に連通する水排出管と水導入管が設けられており、前記水導入管が設けられた前記冷却ヒートシンクから前記水排出管が設けられた前記冷却ヒートシンクまでに、複数の前記冷却水通路が複数の前記冷却水管を介して順次直列に接続されて環状を形成し、前記ｂａｒが環状の前記ポンプｂａｒ構造の中心軸に近寄っており、
前記結晶棒が前記ガラススリーブ中に設けられており、前記ガラススリーブの長さ方向に沿って、直径が同じ又は異なる複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造で前記ガラススリーブが覆われ、前記ガラススリーブが前記構造部材を介して、複数の環状の前記ポンプｂａｒ構造からなる中空部に固定され、前記ガラススリーブの外壁と各ポンプｂａｒ構造中の各前記ｂａｒとの間に調節隙間が形成されており、
各前記ポンプブロックごとに１つの電動制御ブロックと１つの伸縮スクリューが設けられており、前記ポンプブロック中の前記冷却ヒートシンクが前記伸縮スクリューを介して前記電動制御ブロックに接続され、前記電動制御ブロックが外部からの電気信号によって前記伸縮スクリューの回転を制御し、前記ｂａｒから前記結晶棒までの距離を調節し、
各前記電動制御ブロックをそれぞれ固定するための固定ハウジングを更に備えることを特徴とする大口径均一増幅レーザモジュール。 - 前記ガラススリーブが、円柱形の管であることを特徴とする請求項１に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 前記ガラススリーブの内壁には、前記結晶棒を固定するための複数の固定突起が設けられており、前記結晶棒と前記ガラススリーブの内壁との間には、冷却水を通過させるための通路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 前記ガラススリーブの内壁には、複数組の前記固定突起が設けられており、
各組が三つの前記固定突起を含み、各組の前記固定突起が前記ガラススリーブの径方向に沿って前記ガラススリーブの内壁に均一分布していることを特徴とする請求項３に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。 - 各前記固定突起が前記ガラススリーブの内壁に接続されて固定されていることを特徴とする請求項３に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 前記結晶棒が、複数の結晶短棒が互いに接続されてなる結晶長棒であり、
複数の前記結晶短棒がいずれも、クリスタルブランクにおいてクリスタルブランクの成長方向に垂直な方向に沿って加工して得られるものであることを特徴とする請求項１に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。 - 隣り合う二つの前記結晶短棒の接続面には反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 隣り合う二つの結晶短棒がボンディングによって接続されることを特徴とする請求項６に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 前記結晶棒から出力されるスポット信号を収集する収集システムを更に備え、前記収集システムとレーザモジュールが電気信号によって情報の送受信を行うことを特徴とする請求項６に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
- 複数の前記固定ハウジングが互いに接続されて閉環形状を形成することを特徴とする請求項１に記載の大口径均一増幅レーザモジュール。
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