JP6246228B2 - 自己配置励起光学系及び高利得を具備する光励起固体レーザ装置 - Google Patents

自己配置励起光学系及び高利得を具備する光励起固体レーザ装置

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Description

本発明は、レーザ共振器内の１又は複数の固体レーザ媒体と、固体レーザ媒体を光励起する１又は複数の励起レーザダイオードと、を有し、前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒体の第１の側に配置された１又は複数の第１の共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体の反対側の第２の側に配置された１又は複数の第２の共振器ミラーと、を有し、前記第１及び第２の共振器ミラーは、前記レーザ媒体を通じて、少なくとも２つの異なる直進路上に前記レーザ共振器のレーザ放射をガイドするために配置されている、光励起固体レーザ装置に関する。この種の光励起固体レーザ装置の一例は、高輝度、狭バンド幅、及び、短レーザパルスを具備する中級レーザパワーのための小型且つ低コストである、光励起垂直延在キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：vertical extended cavity surface emitting laser）、又は、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ：semiconductor disc laser）である。かかるレーザ装置は、レーザダイオードよりも高輝度及び／又は短パルスであることを必要とする多くのアプリケーションのために用いられることができる。
標準的なディスクレーザは、レーザ共振器の光学モードに関して、励起レーザ及び励起レーザ光学系の正確なアラインメントを必要とする。当該アラインメントは、レーザ装置の製造中は困難である。さらに、上記レーザは、しばしば、レーザ装置の低利得につながるレーザ媒体の所与の活性化領域に集中され得る低輝度励起放射のパワーに限定される。また、レーザ媒体における最大限に消散したパワー密度が、しばしば、冷却方法、特に、レーザ媒体がマウントされるヒートシンクによって限定される。
米国特許第５，５５３，００８号明細書は、レーザ共振器内に１又は複数のディスク形状の固体レーザ媒体を有する固体レーザ装置を開示している。少なくとも１つの実施形態におけるレーザ共振器は、固体レーザ媒体の第１端面を形成する第１の共振器ミラーと、固体レーザ媒体の反対の第２の側に配置された幾つかの第２の共振器ミラーと、を有する。当該共振器ミラーは、レーザ媒体を通じて、２つの異なる経路上に、レーザ共振器のレーザ放射をガイドするために配置される。レーザ媒体は、固体レーザ媒体として同一のキャリア要素に配置された側から、幾つかのレーザダイオードによって励起される。本発明の装置は、レーザ媒体を通じた異なる経路上のレーザ放射の伝搬のために、レーザ媒体の高利得化を可能とする。このことは、生成される熱のより良い分配を可能とするとともに、改善された放熱をもたらす。上記文書は、レーザ放射が通過するレーザ媒体の端面の１つを通じた光励起の場合の、励起光学系のより簡単なアラインメントのための任意のソリューションを提供しない。
本発明の目的は、励起光学系の簡単なアラインメントを可能とし、小型化が可能な１又は複数の固体レーザ媒体を具備する光端面励起固体レーザ装置を提供することである。
上記目的は、請求項１に従った光端面励起固体レーザ装置により達成される。上記装置の好適な実施形態が、従属請求項の主題であり、以下の説明部分及び好適な実施形態から推測される。
本発明の光端面励起固体レーザ装置は、好ましくは、レーザ共振器内に、１又は複数のディスク形状又は板形状の固体レーザ媒体を有する。レーザ共振器は、固体レーザ媒体の第１の側に配置された１又は複数の第１の共振器ミラーと、第１の側とは反対側の固体レーザ媒体の第２の側に配置された１又は複数の第２の共振器ミラーと、を有する。第１及び第２の共振器ミラーは、上記レーザ媒体の各々を通じて、少なくとも２つの異なる直線路上にレーザ装置のレーザ放射をガイドするために配置される。上記レーザは、例えば、各レーザ媒体が、第１の共振器ミラーの１つを形成するＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）上に量子井戸構造を有するＶＥＣＳＥＬであるように設計されてもよい。それでもなお、例えば、固体レーザ媒体がレーザ結晶など、他のタイプのレーザが実現されてもよい。１又は複数のレーザ励起レーザダイオード及び励起放射反射ミラーが、励起放射反射ミラーにおける励起レーザダイオードの励起放射の反射によって、固体レーザ媒体を光励起するために配置される。励起放射反射ミラーは、第２の共振器ミラーとともに、第２の側に配置され、第２の側上の固体レーザ媒体の端面への励起放射を直接反射するように配置及び設計されている。励起放射ミラー及び第２の共振器ミラーは、固体レーザ媒体の第２の側上の単一ミラー要素において一体的に形成されている。１又は複数の第１の共振器ミラーが、第１の側上にレーザ媒体の端面を有していてもよい。このため、結晶レーザ媒体の端面は、当該端面におけるレーザ放射の高反射を達成するために適切に被覆されていてもよい。ＶＥＣＳＥＬ又は半導体ディスクレーザの場合、第１の共振器ミラーは、レーザ媒体（活性媒体）が配置されるＤＢＲを有していてもよい。また、別個のミラー要素を有する第１の共振器ミラーを供給することも可能である。
本発明の固体レーザ装置は、固体レーザ媒体の中に励起光を反射すると同時に、レーザ共振器の第２の共振器ミラーを形成する適切に設計されたミラー要素を用いる。このミラー要素内に形成された励起放射ミラーは、これらのレーザ媒体を通じて、異なる経路上のレーザ放射のモードをカバーするレーザ媒体の領域を励起するように設計されている。従って、励起光学系を形成するミラー要素の一部が、常に、第２の共振器ミラーを形成しているミラー要素の部分に対して、固定の空間関係にあるため、励起ビーム及びレーザモードは、複雑なアラインメントなしに、常に、重複する。上記のような自分を中心とするミラー要素の場合、励起光学系のアラインメントは、極めて単純化される。本発明の設計は、励起レーザダイオードをレーザ媒体の近くに配置することを可能とし、このことは、固体レーザ装置の極めて小型化されたデザインにつながる。固体レーザ媒体を通じたレーザ放射の異なる経路のために、より多くの量の励起エネルギーが、レーザ放射がレーザ媒体を通じて同じ経路上を常に伝搬する類似のレーザと比較して、レーザ装置の高利得化につながる。また、異なる経路は、より良い熱散逸を可能とし、これにより、固体レーザ装置のより良い冷却を可能とする。この冷却は、好ましくは、レーザ媒体が互いに隣接してマウントされる平面を具備する放熱器を通じて達成される。また、励起レーザダイオードは、固体レーザ媒体に隣接する、及び／又は、固体レーザ媒体の間の、当該放熱器上にマウントされてもよい。その後、励起レーザダイオードは、ミラー要素の方へ向かって、固体レーザ媒体の端面に対して実質的に垂直に、励起放射を放出する。上記放熱器は、バルク材料、特に、金属のヒートシンクであってもよく、空気冷却のための冷却フィンを有していてもよい。また、当該放熱器を、レーザ装置の動作の間、放熱器を通じて励起される、水などの冷却液のためのチャンバとして実現することも可能である。
励起レーザダイオードは、単一のダイオード、あるいは、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ、又は、マイクロチップＶＥＣＳＥＬアレイなどの複数のレーザダイオードのアレイであってもよい。ミラー要素の本体は、好ましくは、被覆されたガラス又は被覆されたプラスティックなどの、光学的に透明な材料で形成される。ミラーのための当該被覆は、当該技術分野において知られているように、金属被覆又は誘電体被覆で形成されてもよい。
本発明のレーザ装置は、適切なキャリア要素、特に放熱器上に互いに隣接してマウントされる少なくとも２つの固体レーザ媒体を有していてもよい。これらのレーザ媒体の各々は、好ましくは、キャリア要素上の幾つかの励起レーザダイオードによって囲まれている。ミラー要素は、上記レーザ媒体の各々のための１つの励起放射反射ミラーを有していてもよく、当該励起放射反射ミラーは、好ましくは、対応するレーザ媒体に関して中心に配置される。ミラー要素上では、これらの励起放射反射ミラーが、レーザ媒体の１つから来るレーザ放射を隣接するレーザ媒体に反射する第２の共振器ミラーの間に配置される。これにより、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間に、レーザ装置を通じたレーザ放射のジグザグ経路がもたらされるとともに、レーザ媒体を通じた異なる直線路がもたらされる。励起レーザダイオード及び励起放射反射ミラーは、これらの経路の各々が必要とされる利得を達成するのに十分に光励起されるように、配置及び設計される。ミラー要素の２つの外側共振器ミラーの１つは、レーザ共振器のアウトカップリングミラーを形成するように設計される。このことは、当該ミラーが、レーザ放射のほんの一部が、ミラーを通じてレーザ共振器の外側へ通過することを可能としている。
他の実施形態では、本発明の固体レーザ装置は、適切なキャリア要素上に配置される単一の固体レーザ媒体を有する。また、当該実施形態では、固体レーザ媒体は、好ましくは、上記キャリア要素上の幾つかの励起レーザダイオードによって囲まれている。当該実施形態では、ミラー要素は、第２の共振器ミラーを形成する中央領域と、励起放射を固体レーザ媒体に反射するように設計され、励起放射反射ミラーを形成する外側領域とを有していてもよい。第２の共振器ミラーの数に依存して、レーザ放射は、レーザ媒体を通じて、実質的に２つより多くの異なる経路上にガイドされてもよく、これにより、前述の実施形態と同様に、レーザ装置を通じて、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間におけるレーザ放射のジグザグ経路がもたらされる。ミラー要素の外側領域は、このレーザ媒体を通じたレーザ放射の異なる経路の全てのモードをカバーする固体レーザ媒体の端面において励起放射の強度分布を生成するように設計される。また、当該実施形態では、第２の共振器ミラーの１つは、レーザ共振器のアウトカップリングミラーを形成するように設計される。
本発明のこれらの態様及び他の態様が、以下で説明される実施形態を参照して、明らか且つ明確になるであろう。
本発明の固体レーザ装置が、以下、例示的に、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
本発明のレーザ装置の第１の例の側面断面図である。 図１のレーザ装置の固体レーザ媒体の上面図である。 図１のレーザ装置のミラー要素の上面図である。 本発明の固体レーザ装置の第２の例の側面断面図である。 図４のレーザ装置の固体レーザ媒体の上面図である。 図４のレーザ装置のミラー要素の上面図である。 図６に示される環状経路Ａに沿った断面図である。
図１は、本発明の固体レーザ装置の第１の例の側面断面図を示している。当該レーザ装置は、ヒートシンク４００の平面上に隣接してマウントされた３つの板状固体レーザ媒体１００を有する。これらのレーザ媒体１００の各々は、ＶＣＳＥＬの活性領域で形成されてもよく、図２に示されるレーザ媒体及びヒートシンクについての上面図から理解できるように、幾つかの励起レーザダイオード２００によって囲まれている。本例におけるレーザ共振器は、レーザ媒体の両側に配置された７つの共振器ミラーで形成されている。第１の共振器ミラーは、レーザ媒体１００を供給するＶＣＳＥＬのＤＢＲで形成されている。端部ミラー３２０、アウトカップリングミラー３３０、及び、２つの折り畳みミラー３１０が、レーザ媒体１００の反対の第２の側に配置されている。共振器ミラーの図示される配置の場合、レーザ放射５００は、レーザ装置を通じたジグザグ経路上を伝搬する。レーザ媒体１００の各々は、２つの異なる経路上を通過される。また、当該配置は、励起放射５１０をレーザ媒体１００の端面に向けて方向付けるように配置及び設計された３つの励起放射反射ミラー３００を有する。第２の共振器ミラー３１０，３２０，３３０は、励起放射反射ミラー３００とともに、単一の光学素子６００において一体的に形成されている。当該光学素子は、高精度に製造されることができるため、励起放射反射ミラー３００、即ち、励起光学系と、第２の共振器ミラー３１０，３２０，３３０との間の相対的な向き及び配置は、更なるアラインメントを全く必要とせずに、完全に保証されることができる。従って、レーザ共振器に関する励起光学系のアラインメントは、本発明のレーザ装置をマウントする際、極めて簡単に達成される。励起放射反射ミラーは、図１に示されるように、３つのパラボラ表面で形成されている。励起レーザダイオード２００の放射は、このため、活性媒体（レーザ媒体１００）上に反射及び焦点合わせされ、これらの媒体における共振器の光学モードと重複する。
図３は、励起放射反射ミラー３００と、第２のレーザミラー、即ち、端部ミラー３２０、折り畳みミラー３１０、及び、アウトカップリングミラー３３０とが隣接配置された光学素子６００についての上面図を示している。
勿論、３つのレーザ媒体１００は、図１の２つの外側レーザ媒体１００の間に延在する単一の矩形状活性媒体によって置き換えられてもよい。そのとき、励起レーザダイオード２００は、矩形状レーザ媒体の長辺端部に沿って配置されるであろう。ミラー要素６００は、両側に励起ミラー３００を具備するとともに、互いに直接的に隣接する折り畳みミラー３１０を供給するであろう。勿論、これは、本発明に従った配置の幾つかの他の可能性の１つに過ぎない。
図４は、本発明の固体レーザ装置の第２の例の側面図を示している。この例では、唯１つの固体レーザ媒体１００が、ヒートシンク４００の平面上に配置されている。当該固体レーザ媒体は、ヒートシンク４００の同一平面上にある幾つかの励起レーザダイオードによって囲まれている。励起レーザダイオード２００のかかる配置の例が、図５において、固体レーザ媒体の上面図に示されている。
当該実施形態におけるミラー要素６００は、励起放射を固体レーザ媒体１００の端面に反射する外側部分３０１を有する。ミラー要素６００の中央部分３１１は、第２の共振器ミラーを形成している。この場合、励起レーザダイオード２００の放射は、ミラー要素６００の外側部分３０１における励起放射反射ミラーによって、共振器の典型的なモードサイズよりも大きい単一スポット１１０上に焦点合わせされる（図５参照）。当該技術分野のディスクレーザの状態のために、モードサイズよりも極めて大きい励起領域は、低減された明るさのマルチモード動作につながるであろう。しかしながら、当該実施形態では、幾つかの折り畳みミラー３１０の円形配置が、励起領域１１０を通じて、幾つかの異なる部分において、レーザモードを反射する。折り畳みミラー３１０の上記配置は、図６に示されるミラー要素６００の反射側面上の上面図で示されている。
図７は、図６において示される円状の線Ａに沿った断面図で、レーザ放射の光学経路を示している。当該断面図において、レーザ共振器の端部ミラー３２０及びアウトカップリングミラー３３０が示されている。図７は、円状の線に沿った断面を示しているため、共振器端部ミラー３２０及びアウトカップリングミラー３３０は、ミラー要素６００上で、互いに隣接して配置されている。励起領域の中央部分が、折り畳みミラー３１０の適切な配置によって、光学モードで満たされることができることは、当業者にとって明確である。
本発明が、図面及び上記説明において、詳細に図示及び説明されてきたが、かかる図示及び説明は、例示であって、限定するものでないと考えられるべきであり、即ち、本発明は、開示の実施形態に限定されない。例えば、図面は、３つの異なるレーザ媒体のみを示しているが、例えば、２又は３以上の他の数の上記媒体が供給され得る。レーザ媒体を通じた、又は、装置全体を通じた異なる経路、特に、ジグザグ経路を形成する経路の数、並びに、対応する折り畳みミラー３１０の数は、開示の数に限定されない。さらに、エタロン、非線形結晶、半導体過飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ：Semiconductor Saturable Absorber Mirror）、過飽和吸収体、偏光子、ポッケルスセル、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optical Modulator）などの、固体レーザのための機能性レーザ要素が、レーザ装置に組み込まれることができる。開示の実施形態の他の変形が、図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、本発明を実施する際、当該技術分野における当業者によって、理解及び実施されることができる。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形は、複数あることを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。特に、装置の全ての請求項は、道理にかなっている場合、自由に組み合わせられてもよい。請求項中の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
１００ レーザ媒体
１１０ 励起領域
２００ 励起レーザダイオード
３００ 励起放射反射ミラー
３０１ ミラー要素の外側部分
３１０ 共振器折り畳みミラー
３１１ ミラー要素の中央部分
３２０ 共振器端部ミラー
３３０ 共振器アウトカップリングミラー
４００ ヒートシンク
５００ レーザ放射
５１０ 励起放射
６００ ミラー要素

Claims (8)

  1. レーザ共振器内の１又は複数の固体レーザ媒体と、
    １又は複数の励起レーザダイオード及び励起放射反射ミラーと、
    を有し、
    前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒体の第１の側に配置された１又は複数の第１の共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された１又は複数の第２の共振器ミラーと、を有し、
    前記第１及び第２の共振器ミラーは、前記レーザ共振器のレーザ放射を、前記レーザ媒体の各側を通じて、少なくとも２つの異なる直進路上にガイドするために設けられ、
    前記励起レーザダイオードは、前記励起放射反射ミラーにおける励起放射の反射によって、前記固体レーザ媒体を光学的に励起するために設けられ、
    前記励起放射反射ミラーは、前記第２の側に設けられるとともに、前記固体レーザ媒体に前記励起放射を直接反射し、
    前記励起放射反射ミラー及び前記第２の共振器ミラーは、単一のミラー要素において、一体的に形成され、
    前記固体レーザ媒体は、放熱器に並んでマウントされ、
    前記装置は、少なくとも２つの前記固体レーザ媒体を有し、前記固体レーザ媒体の各々は、前記放熱器上の前記励起レーザダイオードの幾つかによって囲まれる、光励起固体レーザ装置。
  2. レーザ共振器内の１又は複数の固体レーザ媒体と、
    １又は複数の励起レーザダイオード及び励起放射反射ミラーと、
    を有し、
    前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒体の第１の側に配置された１又は複数の第１の共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された１又は複数の第２の共振器ミラーと、を有し、
    前記第１及び第２の共振器ミラーは、前記レーザ共振器のレーザ放射を、前記レーザ媒体の各側を通じて、少なくとも２つの異なる直進路上にガイドするために設けられ、
    前記励起レーザダイオードは、前記励起放射反射ミラーにおける励起放射の反射によって、前記固体レーザ媒体を光学的に励起するために設けられ、
    前記励起放射反射ミラーは、前記第２の側に設けられるとともに、前記固体レーザ媒体に前記励起放射を直接反射し、
    前記励起放射反射ミラー及び前記第２の共振器ミラーは、単一のミラー要素において、一体的に形成され、
    前記固体レーザ媒体は、放熱器に並んでマウントされ、
    前記装置は、前記放熱器上の前記励起レーザダイオードの幾つかによって囲まれた前記固体レーザ媒体の１つを有する、光励起固体レーザ装置。
  3. レーザ共振器内の１又は複数の固体レーザ媒体と、
    １又は複数の励起レーザダイオード及び励起放射反射ミラーと、
    を有し、
    前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒体の第１の側に配置された１又は複数の第１の共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体の前記第１の側とは反対側の第２の側に配置された１又は複数の第２の共振器ミラーと、を有し、
    前記第１及び第２の共振器ミラーは、前記レーザ共振器のレーザ放射を、前記レーザ媒体の各側を通じて、少なくとも２つの異なる直進路上にガイドするために設けられ、
    前記励起レーザダイオードは、前記励起放射反射ミラーにおける励起放射の反射によって、前記固体レーザ媒体を光学的に励起するために設けられ、
    前記励起放射反射ミラーは、前記第２の側に設けられるとともに、前記固体レーザ媒体に前記励起放射を直接反射し、
    前記励起放射反射ミラー及び前記第２の共振器ミラーは、単一のミラー要素において、一体的に形成され、
    前記固体レーザ媒体は、放熱器に並んでマウントされ、
    前記励起レーザダイオードは、前記固体レーザ媒体の各々を囲むために、前記放熱器上に配置される、光励起固体レーザ装置。
  4. 前記固体レーザ媒体は、分布ブラッグ反射器上の量子井戸構造を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 前記ミラー要素は、前記励起レーザ媒体の各々のための１つの励起放射反射ミラーを有し、前記励起放射反射ミラーは、前記第２の共振器ミラーとアウトカップリングミラーを形成する前記第２の共振器ミラーの外側の１つとの間に設けられる、請求項１記載の装置。
  6. 前記ミラー要素は、前記第２の共振器ミラーを形成する中央領域と、前記励起放射を前記固体レーザ媒体に反射するとともに、前記励起放射反射ミラーを形成する外側領域と、を有し、前記第２の共振器ミラーは、アウトカップリングミラーを形成する、請求項２記載の装置。
  7. 前記ミラー要素の前記外側領域は、前記固体レーザ媒体において前記励起放射の強度分布を生成し、前記強度分布は、前記固体レーザ媒体を通じた前記レーザ放射の前記異なる経路の全てをカバーする、請求項６記載の装置。
  8. 前記励起レーザダイオードは、垂直キャビティ面発光レーザ、又は、電気励起垂直延在キャビティ面発光レーザである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
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