JPH0198281A - 改良された冷却システムを有するレーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は活性媒体（ａｃｔｉｖｅｍｅｄｉｕｍ）が板状
体（ｓｌｍｂ）を構成している光ポンプレーザー（ｏｐ
ｔｉｃａｌｐｕｍｐｅｄ　１ａｓｅｒｓ）に関するもの
である。

〔従来の技術〕

この種のタイプのレーザーは、少くとも２枚の注意深く
みがき上げられた平行な表面を有する固体の活性媒体を
もち、その間を光ビームがこれらの表面から全反射され
ることによりジグザグ通路に沿って伝されるものである
。レーザープロセスの間に生ずる熱エネルギーはこの板
状体（ｓｌａｂ）の表面から除去されなければならない
。もし光ポンプエネルギーが均質な方法で分布せしめら
れるか或は該エネルギーのレーザー媒体内における非均
質な分布が適切なレーザービームのガイドにより消滅さ
せられるならば、レーザー効果を生ずるために必要とさ
れる光ポンプエネルギーはこの板状体の中にあらゆる方
向から導入されることが出来る。

該表面からのビームの全反射によって生ずるジグザグ通
路は板状体の光軸（ｏｐｔｉｃａｌａｘｉｓ）及び共振
器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の光軸との関係において該板
状体の端部表面の型式や位置を適切に選択すること−に
よって得られる。

更にこれ等の端部表面はそれ自身が共振器を構成してい
る。このタイプのレーザーの構造は、最も可能性のある
ケースにおいて通常鎖板状体に供給されたエネルギーの
僅か数パーセントがレーザービームから放射されてエネ
ルギーに変換されることから、困難な冷却問題を生じて
いる。この問題は、前に述べた解決方法がレーザー板状
体に蓄積される過剰な熱を除去するために使用される液
体との関連で矛盾を生ずることの故に、なお−層その解
決することを困難にしている。

米国特許第３６７９９９９号には熱伝達液体として全反
射面と直接接触する冷却液が使用される場合に、液体は
高い熱吸収容量を有しているために、効果的な冷却が得
られるということを教示している。

然しなから、この解決法は光学的な見地からすると幾つ
かの欠点を持っている。

もしレーザー媒体（ｌａｓｅｒ　ｍｅｄｉｕｍ）が低い
反射係数を持っているならば、全反射面における損失は
非常に大きくなり又平行な表面上のビームの反射数は低
くなる。更に、冷却液体は平行な表面を場合によっては
汚染してしまう危険性があり、そして損失が更に増大す
る。最終的には、板状体の材料は非常に小さいものであ
るにもかかわらず、液体との関係である程度の溶解性を
有しているので、全反射面の表面品質が長期間に亘り悪
化する。

もし、冷却ガスが用いられるならば、ガスの屈折率（ｒ
ｅｆｒａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘ）が一般的には低いの
で、より良好な光学的結果が得られる可能性がありそれ
により全反射は改良されそしてレーザービームの反射の
数が増加する。それにもかかわらず、ガスは熱伝達に関
しては良好な媒体ではなく、この解決法は全反射面に対
する直角方向に非常に薄い厚さのガス層を要求するとい
う結果をもたらす。

それにもかかわらず、この解決方法は上述の米国特許に
おいて選択されたものであり、それ故ある一定の欠点を
生じていた。

第１は、ガスを内蔵する密閉体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）
はシールされなければならず又その厚さは全反射面の全
体に亘って精密さをもって選択されなければならない。

この厚さはレーザービームの波長のデイメンジョンのオ
ーダーであることから、特に大きなレーザー用板状体の
ケースにおいては、そのような密閉体の構造体に関して
その製作の困難さが容易に想像されうるのである。

更に加えて、ガスは出来るだけ高い熱伝導係数を持って
いなければならず、ヘリウムはこの場合最も適したもの
である。然しなから、その使用には複雑さが存在してい
る。最後には、ガスは又全反射面をいくらか汚すことに
もなる。

以下余白 〔発明が解決しようとする課題〕 本発明の目的は上述した公知技術における欠点をなくし
た、上記タイプの光学ポンプレーザーを提供しようとす
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するため次に示すような構成
を採用するものである。即ち、本発明は少くとも２枚の
対向する表面を有し、かつ発生された（ｄｅｖｅｌｏｐ
ｅｄ）レーザービームが、その間において、それ等の表
面からの全反射によりジグザグ通路に沿って伝達される
ものである板状体によってレーザー媒体が形成されてい
る光学ポンプレーザーであって、該レーザーは該平行な
表面を冷却するための手段が設けられており、又該レー
ザーは又これ等の各平行表面のそれぞれに適用されてい
る固体材料からなる層を有しかつ該固体材料は該板状体
の材料よりも低い屈折率を有しており更に少くとも冷却
液体を用いて間接的な熱交換関係にあることによって特
徴付けられている光学ポンプレーザーを提供するもので
ある。

この方法におけるレーザー板状体の装置のための冷却シ
ステムは以前使用されていた２つの方法における利点を
結合し一方それ等の欠点を除くものである。

一定の厚さと非常に高い光学的均質性を持つ固体の層を
、全反射条件が、全反射゛がそこから発生する板状体表
面の全領域に亘って精密に同一であるように製造するこ
とは比較的簡単なことである。

加えるに、該固定層は優れた熱伝達係数を持つような方
法で形成されることが出来、このようにして板状体の冷
却を改善するための重要な貢献がなされるのである。

固定の層は冷却液体と直接的に接触することが出来又、
液体の有害的な効果に対する自己的保護を形成すること
が出来る。該固定層の上に他の保護層或は予め決められ
た光学的特性（例えば反射防止等）を有する層を重ね合
せることも又可能である。

他の層は物理的或は化学的手段によって積層せしめられ
るものであり或は第１の固定層に対して機械的に支持さ
れたものであってもよい。

加えて、全ての層は、もし全反射面が又板状体の面であ
りその面を通してポンプエネルギーが板状体内に導入さ
れるものであれば、ポンプエネルギーの伝達にとっては
好ましいものとなる。本発明は以下に示す好ましい本発
明の具体例に関する説明からより理解されるであろう。

添付の図面は、説明の目的のためのみに提供されるもの
であって限定されるものとして解釈されてはならない。

〔実施例〕

本発明の主な特徴を示している第１図と第１Ａ図をまず
第１に参照する。

板状体はレーザー効果が発生する媒体を構成している。

示されている具体例において、板状体（ｓｌａｂ）　　
１は２つの主な面２ａ及び２ｂをもつ矩形断面を有して
おり、この場合において、該層はポンピング面であり又
、発生されたビーム下に対するジグザグ通路を提供する
ための全反射面である。　　　　Ｉ 該板状体は又２つの側方面３ａ及び３ｂと又２個の端部
面４ａ及び４ｂ（第２図）とを有している。

示されている線形の共振器に関する実施例においては、
後者（端部面）は損失を減少するため多かれ少かれブル
ースター角（（２）　（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ　ａｎｇｌｅ
）で板状体１を切断したものである。然しながら端面は
又直線状か或はレーザーの光軸に関して１８０゜−２α
で傾斜せしめられていても良い。

本発明に従えば、各主面２ａ及び２ｂの各々は少くとも
１つの固体層（ｓｏｌｉｄ　１ａｙｅｒ）　５　（特に
第１図）が設けられており、該固体層の屈折率は板状体
１のそれよりも低くなっている。

この層はポンプされた光（ｐｕｍｐｅｄ　ｌｉｇｈｔ）
に対して透過性であり又良好な熱２伝達係数を有してい
る。更に、後で明らかになるようにそれは冷却液から板
状体を保護している。

以下に示されている表は板状体１がそれから作られてい
る従来の材料との組合せにおいて層５を形成するために
使用されうる材料のリストを示している。それ等の後者
の材料は、主に２つのカテゴリーに分割されることが出
来る。その１つは低い屈折率を有するものであり他は高
い屈折率をもつものである。前者のケースではドープさ
れたもの或は金属ハロゲン化物結晶体（＋ｙ＋ｅｔａｌ
　ｈａｌｉｄｅｃｒｙｓｔａｌｓ）でも良い化学量的ガ
ラス質、材料（ｓｔｏｉｃｈｉｏ　ｍｅｔｒｉｃ　ｖｉ
ｔｒ、ｅｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ）が使用されうる
。第２のケースにおいては例えば板状体１の材料はざく
ろ石（ｇａｒｎｅｔ）或は金属酸化結晶（ｍｅｔａｌ　
ｏｘｉｄｅ　ｃｒｙｓｔａｌ）であることが出来る。

以下余白 これ等のそれぞれのケースにおいて板状体の材料と層５
の材料に対する好ましい組合せは表に示されているもの
から選択しうる。

層５の厚さは好ま１くは３ｍｍと０．１　ｗの間から選
ばれ、それは又レーザーに・より使用される操作波邑で
ある。核層は対応する面２ａ、２ｂに対して、当業者に
知られた全ての適切な物理的或は化学的方法により適用
される。

更に加えてドーピングのない場合に失われるであろう全
ての分散光を有効なポンプエネルギーに変換するため、
層５は例えばチタン（Ｔｉ）或はクローム（Ｃｒ）等の
ような遷移金属及び／又はエルビウム（Ｂｖ、ｅｒｂｉ
ｕｍ）或はツリウム（Ｔｍ、　ｔｈｕｌｉｕｍ）のよう
な希土類等の金属イオンによりドーピングされたもので
あってもよい。　　□ 第２の属５ａ（第１Ａ図にのみ示されている）は上述し
たばかりの層５の上に特に冷却液体により影響を受ける
可能性がある場合に設けられる。

この付加的な層５ａはＳｉｎ、　、　１．０３　、　Ｃ
ａｂ、５ｉｎ２゜ＢｅＡ　１２２０４及びその特性が良
好な熱伝達と両立しろることを必要としており、このケ
ースにおいてはポンプエネルギーの優れた伝達と両立し
ろる他の類似の材料により構成されてもよい。層５ａは
図示のように第１の層５の上に物理的或は化学的手段を
用いて積層せしめられてもよく或は層５ａが薄いシート
の場合には機械的に保持されることも出来る。第１の層
５と共通に、第２の層５ａは層５のために使用されたも
のと同じものでありうる遷移金属或は希土類からなるイ
オンがドーピングされたものであってもよい。

第１Ａ図に示すように、抗反射タイプ（ａｎｔｉ　−ｒ
ｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｔｙｐｅ）の第３の層５ｂはポン
ピング効率を改善するためそれが第１の層に設けられて
いないとすれば第２の層５ａ上に設けられることが出来
る。図面に示されているケースにおいて、層５ａと抗反
射層５ｂは層５上に積層される。各々の例えばサファイ
ア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）或はアレクサンドル石（ａｌｅ
ｘａｎｄｒｉｔｅ）からなる透明な箔（ｆｏｉｌ）６ａ
、６ｂはこれ等の層に対して機械的に適用される。各箔
５ａ、５ｂは好ましくは板状体１の両側におい、て、該
板状体の厚さと同等かそれよりも大きい距離で重なり合
っている。

第１Ａ図に示されている組立体は実質的にレーザーの全
長に対して延展されており又それぞれは通常板状体１の
長さに対応している矩形の開口部９ａ、９ｂであって、
一方その幅は該板状体の幅を僅かに超えるものである開
口部を有する２個の保持プレー）８ａ、８ｂの間に置か
れている。２個の保持プレー）８ａ及び８ｂはその間に
ある板状体１又層５，５ａ及び５ｂ、箔６ａ及び６ｂ更
に該開口部９ａ、９ｂの周辺の近傍におけるシールを確
実にする一組のシール材１０ａ、１０ｂとから形成され
る積層体を適切な圧力で押圧するような方法で互にはめ
合されている。

板状体１の側面外側を形成している空間１１ａ及びｌｌ
ｂは窒素或は空気のような低い熱伝導係数を有するガス
により充満されている。

ダクトの形をした長い延びた部材１２ａ、１２ｂは保持
プレー）８ａ、８ｂの矩形の開口部９ａ。

９ｂのそれぞれに嵌合せしめられている。それ等のダク
トは水のような冷却液のための循環空間１３ａ、１３ｂ
を形成しており又レーザーの外部装着板１４ａ、１４ｂ
に対して外側から固定されている。

（特に第２図参照）各ダク）１２ａと１２ｂの基礎及び
側面壁（ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　１ａｔｅ
ｒａｌ　ｗａｌｌｓ）は好ましくは金の層１６ａ、１６
ｂにより仕上げられた反射面１５ａ、１５ｂを提供する
ように形成されている。

チューブ１７ａ、１７ｂは各々の循環空間１３ａ。

１３ｂの中に延びており、その中に放電ランプ１８ａ。

１８ｂを配置しており、一方これ等のランプのための冷
却液のためにその周囲に循環管１９ａ、１９ｂを形成し
ている。

各保持プレー）８ａ、８ｂと各外方装着プレー）１４ａ
、１４ｂの間に、ダクト１２ａ、１２ｂの周囲に該プレ
ートと共に水のような冷却液を循環させるためのチャネ
ル２１ａ、２１ｂを形成する側面横方向ハウジング２０
ａ、２０ｂが設けられている。側面接続プレート２２（
第３図）は、冷却の目的のためにレーザーに備えつけら
れる三種の循環系に対し冷却液を供給することを可能な
らしめるためにレーザーの全長に沿って延びている。

第１の循環系は側面プレート２２内に設けられている入
口チャネル２８（第５図）と同一プレートを通して設け
られている出口チャネル（図上では見えない）とに接続
されている空間部２１ａと２１ｂとを含んでいる。

入口チャネル２８は横方向ハウジング２０ａ１及び２Ｏ
ｂ内に設けられている対応した通路２６と連結されてお
り一方出ロチャネルは又同じハウジング（第２図の右側
）を通して設けられている通路２７に接続されている。

第２の循環系はハウジング２０ａと２０ｂ（第６図）内
に個々に設けられている通路２４と２５とによって、双
方とも側面接続プレート２２を通過している人口管２３
と出口管（図上では見えない）と接続している空間１３
ａと１３ｂを有している。

第３の循環系は光学的ポンプ源１８ａと１８ｂから冷却
液体を運ぶものである。

この系は横方向ハウジング２０ａと２０ｂ（第２゜７及
び８図）内に設けられた人口通路３１と出口通路３２の
みならず側方接続プレート２２内に設けられた入口チャ
ネル２９　（第７面）と出口チャネル３０（第８図）を
有している。接続プラグ３４のみならず電気的接続プラ
グ３３が横方向ハウジング２０ａと２０ｂに挿入されて
いる。（第２図及び第８図を個々に参照） 上述した三つの冷却循環系の配列は冷却されるべき対応
する要素に対して冷却材が密接して適用されうるように
各県の各々に対して異る液体及び異なる液流速度を選定
することを可能とする。又、板状体２とレーザー取り付
は部の外方部分との間の規則的な温度匂配を達成するこ
とを可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により製造されたレーザーの縦方向断面
の部分拡大図である。 第１Ａ図は本発明のレーザーの概略斜視図であり、レー
ザー板状体の全反射面上における幾つかの層の積層を示
している。 第２図は同一レーザーにおける長手方向の断面を縮少寸
法で示したものである。 第３図〜第８図は第２図における線Ｉ−Ｉから■−■の
それぞれに沿って見た部分的或は完全なレーザーの断面
図であり第２図とは異なる寸法で描かれている。 １・・・板状体、　　　　　２ａ、２ｂ・・・主体面、
３ａ、３ｂ・・・側方面、　４ａ、４ｂ−・・端面、５
・・・固体層（第１の層）、 ５ａ・・・第２の層、　　　　５ｂ・・・第３の層、５
ａ、６ｂ・・・透過性箔、 ８ａ、８ｂ・・・保持プレート、 ９ａ、９ｂ−・・矩形の窓、１０ａ、１０ｂ・・・シー
ル、１１ａ、ｌｌｂ・・・スペース、空間、１２ａ、１
２ｂ・・・ダクト型部材、 １３ａ、　１３ｂ−・・循環空間、 １４ａ、１４ｂ・・・外方装着板、 １５ａ、　１５ｂ・・・反射面、　１６ａ、　１６ｂ・
・・金の層、１７ａ、１７ｂ・・・チューブ、 １８ａ、４８ｂ・・・放電ランプ、 １９ａ、　１９ｂ−・・循環管、 ２０ａ、２０ｂ・・・ハウジング、 ２１ａ、２１ｂ−・・チャネル、 ２２・・・側方接続プレート、 ２３・・・入口管、　　　　２４．２５・・・通路、２
６・・・通路、　　　　　２７・・・通路、２８・・・
人口チャネル、　　２９・・・入口チャネル、３０・・
・出口チャネル、　　３１・・・入口、３２・・・出口
、　　　　　３３．３４・・・接続プラグ。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．　板状体の形におけるレーザー媒体を有しており、
   該板状体は少くとも２つの対向する面を持ち、その間で
   レーザービームが、該対向する面の間における全反射手
   段によって、ジグザグ通路に沿って伝達されることによ
   って、発生するものであり、更に固体材料の層が該対向
   する平行な面の各々に適用されるとともに該固体材料は
   板状体の屈折率よりも低い屈折率を有するものでありか
   つ少くとも間接的に冷却液体と熱交換開係を持っている
   ことを特徴とする冷却された光ポンプレーザー。
2. ２．　該平行な面は板状体のポンプ面であり、該板状体
   の層の材料は該板状体の媒体を励起するために使用され
   る光エネルギーに対して透過性であることを特徴とする
   請求項１記載のレーザー。
3. ３．　固体材料の各々の層は物理的或は化学的堆積方法
   によって板状体の対応する面に適用されていることを特
   徴とする請求項１記載のレーザー。
4. ４．　固体材料の層の厚さは少くともレーザーの作動波
   長の３倍であることを特徴とする請求項１記載のレーザ
   ー。
5. ５．　該固体材料の層は金属酸化物或は複合金属酸化物
   で形成されていることを特徴とする請求項１記載のレー
   ザー。
6. ６．　該金属酸化物或は複合金属酸化物は Ａｌ＿２Ｏ＿３，ＳｉＯ＿２或はＣａＯ，ＳｉＯ＿２で
   構成されるグループから選ばれるものであることを特徴
   とする請求項５記載のレーザー。
7. ７．　該層はハロゲン化物で形成されていることを特徴
   とする請求項１記載のレーザー。
8. ８．　固体材料からなる層はＭｇＦ＿２，ＢａＦ＿２，
   ＡｌＦ＿３，ＣａＦ＿２，ＬａＦ＿３或はＮｄＦ＿３か
   ら構成されるグループから選択された１つのハロゲン化
   物で形成されることを特徴とする請求項７記載のレーザ
   ー。
9. ９．　固体材料からなる該層は遷移金属イオン或は希土
   類を用いてドープされていることを特徴とする請求項１
   記載のレーザー。
10. １０．　遷移金属イオン或は希土類はチタニウム（Ｔｉ
    ）、クローム（Ｃｒ）、エルビウム（Ｅｖ）或はツリウ
    ム（Ｔｍ）より構成されるグループから選択されるもの
    であることを特徴とする請求項９記載のレーザー。
11. １１．　板状体の平行な面に適用される固体材料の各層
    は少くとも１つの、良好な熱伝導体である材料からなる
    、第２の層により被覆されていることを特徴とする請求
    項１記載のレーザー。
12. １２．　該第２の層は該板状体の媒体を励起するために
    使用される光エネルギーに対して透過性を有しているこ
    とを特徴とする請求項１１記載のレーザー。
13. １３．　該第２の層は物理的或は化学的堆積方法によっ
    て第１の層に対して適用されることを特徴とする請求項
    １２記載のレーザー。
14. １４．　該第２の層はシートの形状であり又該第１の層
    に添着せしめられていることを特徴とする請求項１１記
    載のレーザー。
15. １５．　該第２の層はＳｉＯ＿２，Ａｌ＿２Ｏ＿３，Ｃ
    ａＯ，ＳｉＯ＿２或はＢｅＡｌ＿２Ｏ＿４からなるグル
    ープから選ばれた１つの金属酸化物で形成されているこ
    とを特徴とする請求項１１記載のレーザー。
16. １６．　該第２の層は金属ハロゲン化物で形成されてい
    ることを特徴とする請求項１１記載のレーザ。
17. １７．該第２の層を形成している金属ハロゲン化物はＭ
    ｇＦ＿２，ＡｌＦ＿３，ＣａＦ＿２，ＬｉＦ或はＫＭｇ
    Ｆ＿３からなるグループから選ばれるものであることを
    特徴とする請求項１６記載のレーザー。
18. １８．　第３の抗反射層は該第１或は第２の層の上に適
    用されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー
    。
19. １９．　該第２の層は該第２の層の領域を越えて延びて
    いる透過性材料からなる箔によって適切な場所に保持さ
    れていることを特徴とする請求項１１記載のレーザー。
20. ２０．　該第１の層がそれと接触している面とは異なる
    板状体の面は空気或は窒素のような熱遮断媒体に露出せ
    しめられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ
    ー。