JPH07221376A - ビーム方向が制御可能なマイクロチップレーザー - Google Patents

ビーム方向が制御可能なマイクロチップレーザー

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JPH07221376A
JPH07221376A JP7007980A JP798095A JPH07221376A JP H07221376 A JPH07221376 A JP H07221376A JP 7007980 A JP7007980 A JP 7007980A JP 798095 A JP798095 A JP 798095A JP H07221376 A JPH07221376 A JP H07221376A
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mirror
microchip laser
laser
pumping
plane
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JP7007980A
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Serge Valette
セルジュ ヴァレット
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストでかつ簡単な構造でビーム方向を自
由に制御できるビーム方向が制御可能なマイクロチップ
レーザーを提供する。 【構成】 ビーム方向が制御可能なマイクロチップレー
ザーは、固体増幅媒体1、7、8、入射ミラー2、9、
10、出射ミラー3、11、12、21を有する共振キ
ャビティ、キャビティ内に配置されて飽和吸収薄膜から
なる増幅媒体からの少なくとも1本のポンピングビーム
を出射する光学手段5、13、16、増幅媒体内でポン
ピングビームの方向を変化させる手段、ポンピングビー
ムの方向に拘らずレーザービームを生成する幾何学的形
状を有するキャビティからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ビーム方向が制御可能
なレーザーに関し、光学、物理学、光通信、光探査、材
料の切削に応用できる。
【0002】
【従来の技術】本発明は、マイクロチップレーザーに限
られるものではないが、その固有の特性に鑑みると、そ
れについて述べられるべきである。
【0003】マイクロレーザー(マイクロチップレーザ
ー)は非常に多数の長所を有する新レーザー族を構成す
る。マイクロチップレーザーは二つのミラーの間に挟ま
れた一般に距離の短い(その範囲は通常100マイクロ
メートルから数ミリメーターである)増幅媒体から形成
されている。この媒体はレーザーダイオードから通常発
生したレーザービームによって光学的にポンプされる。
このダイオードのパワーは通常約100〜数千ミリワッ
トの間にある。
【0004】マイクロチップレーザーの効率は約20%
ないし30%であり、その結果数十〜数百ミリワットの
パワーを連続的に出射する。単一のレーザーダイオード
のみと比較してそれは非常に多数の長所を有する。
【0005】第1に、それらはすぐれた時間的空間的な
コヒーレント変換性(変換器)を有する。
【0006】第2に、明確に規定されたエネルギーレベ
ルがエネルギー放射に必然的に伴いかつ半導体レーザー
ダイオードのような放射帯を伴わないため、固体レーザ
ーの放射特性がレーザーダイオードの放射特性に較べて
環境、特にその環境温度に依存する度合が少ない。
【0007】この種のレーザーの一つの長所は集約的製
造方法にある。実際、増幅材料基板に適当な反射膜を被
覆し、そっくりそのまま切断する。直径数センチメータ
の1個の基板から出発してかつマイクロチップレーザー
を製造するのに十分な長さ1ミリメーターの矩形断面を
得ることが可能なので、数十ないし数千のマイクロチッ
プレーザーが技術的手段の単一サイクルで実現される。
【0008】従って、これらの構成要素の製造コストが
相対的に低くなる。
【0009】そのレーザーは連続的に出射されるポンピ
ングビームで作動し、連続的蛍光ビームを放射する。し
かしながら、レーザーダイオードによってポンプされた
固体レーザーの長所は、放射寿命(100マイクロセカ
ントから100ミリセカント)がレーザーダイオードの
有する寿命(1ナノセカント)と較べて相対的に長い増
幅材料を使用するという点にある。それゆえに、材料の
放射寿命の期間内に光ポンピングによって生成されたエ
ネルギーを蓄積することによってかつ非常に短い期間の
間にこのエネルギーを再蓄積することによって、短波長
の光パルス(1ナノセカント分の1から数十二ナノセカ
ント分の1までの)を放射可能なQ−スイッチレーザー
を製造することが可能である。
【0010】このタイプの短い期間内での衝撃性パルス
は単一のレーザーダイオードによって得られるかも知れ
ないが、半導体で観測されたものでは極端に放射寿命
(数ナノセカント)が短いという点に注意しなければな
らない。これらの短い寿命期間は蓄積可能期間を制限
し、従って、解決の長所を減ずることになる。
【0011】上記理由により、マイクロチップレーザー
がレーザーダイオードに対して補足する光源として現わ
れ、それは本質的である。
【0012】応用目的は、障害探査用のマイクロ光探査
の具体例をその特有の重要性から仮定しようと思う。
【0013】含まれる原理は多重的にあるが、第1に放
射点間の帰還距離に渡るレーザービームが採る時間、第
2に検出器に向かう蛍光ビームのある部分から戻る(一
般に通信によって)障害物、第3に障害物に基づいてい
る。
【0014】これによれば、周波数傾斜(ヘテロダイン
検出)、極短波長レーザーパルスの経過時間に関連する
位相測定に使用することが可能である。第1の場合、使
用するレーザーは連続的に出射し、第2の場合、それは
パルス的に出射する。
【0015】これらの公知の作動方式に関しては、多数
の変形が存在する。
【0016】自動車産業への応用に関しては、例えば、
障害物の検知は、可能なら、自動車の前方に立ちはだか
る障害物の真の像を得るために、一方向のみでなく、同
時にいくつかの方向に行わなければならない。
【0017】これは、システムが搭載される乗り物によ
って行われる加速度運動及び広範囲の運動のために変形
を受けやすいため、機械的手段の複合搭載を必要とする
マイクロリーダのネットワークの使用を必要とする。
【0018】従って、簡潔なタイプのシステムは機械的
部分の存在を避けることが必要とされる。
【0019】さらに、マイクロチップレーザーのコンパ
クトな構造を保持させることが可能なようにしてかつ光
学的接着剤を極力避けることが可能なかつ使用中に光学
的調整を行わなければならないことを避けることが可能
なようにしてQ−スイッチ手段を組み込むことが可能な
システムが必要とされると共に、レーザー材料の特性及
び飽和吸収を調節することが不可能な標準的な不純物添
加溶相の使用を避けるようにして組み込むことが必要と
される。
【0020】我々の知る限り、レーザーの一般的な背景
のみならずマイクロチップレーザーの一般的な背景に関
しても、このタイプのシステムは未だ提案されていな
い。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、低コストで
かつ簡単な構造でビーム方向を自由に制御できるマイク
ロチップレーザーが望まれており、本発明の目的はこの
要求を満足させることにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
のビーム方向が制御可能なマイクロチップレーザーは、
固体増幅媒体、入射ミラー、出射ミラーを有する共振キ
ャビティ(Q−スイッチキャビティ)、キャビティ内に
配置されて飽和吸収薄膜からなる増幅媒体からの少なく
とも1本のポンピングビームを出射する光学手段、増幅
媒体内でポンピングビームの方向を変更する手段、ポン
ピングビームの方向に拘らずレーザービームを生成する
幾何学的形状を有するキャビティからなる。
【0023】請求項2に記載のマイクロチップレーザー
はポンピング手段がそれぞれ又はひとまとめに制御され
得るマトリックス光源から形成されている。このポンピ
ング手段は少なくとも1個の光源と、該光源を物理的に
移動させる手段とから形成されてもよい。
【0024】請求項4に記載のマイクロチップレーザー
は、入射ミラーが少なくとも球面ミラーであり、前記ポ
ンピングビームの方向を変更する手段は後焦点が前記球
面ミラーの曲率中心にほぼ一致するようにポンピングビ
ームの光路内に配置された合焦レンズから形成されてい
る。
【0025】請求項5に記載のマイクロチップレーザー
は、第2ミラーが球面であり、2つのミラーの曲率中心
がほぼ一致している。変形例によれば、出射ミラーは平
坦又はわずかに凹又はわずかに凸であることを特徴とす
る。更に、ポンピング手段は各個に又はまとめて制御す
ることが可能な光源の小片から形成されていてもよい。
【0026】請求項8に記載のマイクロチップレーザー
は、少なくとも入射ミラーがシリンドリカルミラーであ
り、ポンピングビームの方向を変更する手段は、各入射
ミラーとレンズとの2つのシリンドリカル対称軸が所定
の方向に沿って配置されるようにしてポンピングビーム
の光路内に置かれたシリンドリカル合焦レンズからな
り、シリンドリカル合焦レンズはこの所定方向に対して
垂直な任意の平面内に置かれ、そのレンズの像焦点は前
記同一平面内でミラーの曲率中心とほぼ一致しているこ
とを特徴とする。更に詳細には、出射ミラーはシリンド
リカル対称性を有しかつ各入射ミラーとレンズとの2つ
の対称軸の方向に垂直な任意の面内にあり、レンズの像
焦点距離がほぼこの同一平面内で各ミラーの曲率中心に
ほぼ一致していることを特徴とする。又、出射ミラーは
平面又はわずかに凹又はわずかに凸であり、凹又は凸は
入射ミラーのシリンドリカル対称軸に平行な軸とシリン
ドリカル対称性を有していてもよい。
【0027】
【作用】本発明によれば、キャビティの幾何学的形状に
より、増幅されたレーザービームの方向を制御できる。
【0028】
【実施例】本発明の好ましい第1実施例の斜視図が図1
に示され、断面図が図2として示され、符号1は固体等
のレーザー増幅媒体である。
【0029】増幅媒体1を構成する材料は波長が約1.
6ミクロンのレーザー光を放射するためのネオジウム
(Nd)が通常不純物として添加されている。この材料
は、以下に説明する物質から選定される。
【0030】YAG(Y3Al512)、LMA(LaM
gAl1119)、YVO4、YSO(Y2SiO5)、Y
LF(YLiF4)、GdVO4等。
【0031】他の波長のレーザー光放射のため、異なる
材料及び不純物添加材料が選定され、一般的には、活性
イオンが選定される。
【0032】約1.06ミクロン放射のために添加され
たNd 約1.5ミクロン放射のために協働添加されたエルビニ
ウム−イッテリウムEr+Yb又はEr 2ミクロン放射のために協働添加されたタリウム−ホリ
ウムTm+Ho又はTm 更なる決定パラメータは、活性媒体の厚さeである。厚
さeが大きいとき、キャビティのモードのスペクトル分
布を必要条件とするから、かつ、ポンプレーザーの吸収
がより大きくなるので、マイクロチップレーザーの特性
を必要条件とする。実際、厚さeは100ミクロンから
15ミリメートルの間に渡って変化する。
【0033】マイクロチップレーザーの場合には、レー
ザー増幅媒体の製造は三工程からなる。
【0034】クリスタルガラスを構成する基本材料の選
択及び活性イオンの選択選択されたレーザークリスタル
ガラスの調整:それは0.1ミリメートルないし15ミ
リメートルの厚さを有する基板にカットされる。
【0035】第1にカットのために表面の緊張し堅くな
った膜を和らげるように、第2にマイクロチップレーザ
ーの仕様書よりもわずかに大きい厚さの基板となるよう
に基板のホーニング及びポリッシュイング(研磨)す
る。
【0036】最終厚さに近い状態にまでホーンされた基
板は光学的品質を有する両面に研磨される。切断、ホー
ニング、研磨は公知の機械を使用して既知の方法で為さ
れる。
【0037】述べられた方法はローコストの製造方法を
許容している。
【0038】図1、図2において、増幅媒体は2個のミ
ラー2、3によって挟まれ、ミラー2は増幅媒体1のポ
ンピングビーム4用の入射ミラーとして用いられる。
【0039】第1実施例によれば、キャビティは軸zに
ついて回転対称を有する。軸z上に任意に原点0を選
び、同一長を有する基本ベクトルの座標系軸0xyzを
選ぶと、増幅媒体内でのビーム4の傾きは、座標系軸0
xyzに関して二つの角度φj、θj(図1、図2参
照)によって定義される。θjはポンピングビームの伝
播角度と平面x0zとの間の為す角度に対応し、φjは
平面x0z内のこの伝播軸の投影と軸zとの間の為す角
度に対応する。
【0040】符号5は個別に又はひとまとめにして系列
的に番地付けが可能なマトリックス光源である。これら
の光源は、公知のレーザーダイオード、電子蛍光ダイオ
ード(極端に低いしきい値で作動可能なマイクロチップ
レーザー用の)、垂直キャビティ半導体マイクロチップ
レーザー(VCSML)のような、通常レーザーの光学
的ポンピング光源又はマイクロチップレーザー媒質から
選択され得る。
【0041】公知のレーザーダイオードが用いられる場
合、このタイプのダイオードのマトリックスは商業的に
既に存在しており、一般に”スタッカ”として知られて
いる。それにもかかわらず、マトリックスの全ダイオー
ドが同時にQ−スイッチされるこれらの表現様式がなお
宣伝されているので、このマトリックスが適用される。
【0042】光源マトリックス5は好ましくは合焦レン
ズ6の第1焦点Foに置かれ、その第2焦点Fiは増幅
媒体1の中央又は可能ならばキャビィテイをQ−スイッ
チするための手段が増幅媒体に組み込まれるときにこれ
らの手段の内部に後述するようにして置かれる。
【0043】第2に、本発明の好ましい第1実施例によ
れば、その曲率中心が第2焦点Fiと一致又は略一致し
た2個の球面ミラーによって形成されたキャビティを選
択することが可能である。なお、その曲率半径は必ずし
も等しい必要はない。
【0044】従って、光源のアドレスの選択は、マトリ
ックス5の座標平面(Fo、X、Y)内のその座標(X
j、Yj)によって定義され、ビームLjを得ることを
可能にし、そのビームLjはレンズ6によって増幅媒体
の方向に偏向され、第2焦点Fiを通過する。加えて、
第2焦点Fiが各ミラーと共通の曲率中心と一致するな
ら、そのビームはキャビティ内で往復し、角φj及び角
θjによって定義される方向に共振し、角φj及び角θ
jの値にに無関係に、この方向に沿ってレーザービーム
が生成され得る。
【0045】角φj、θjはマトリックス板5内で選択
された光源の位置(Xj、Yj)及びレンズ6の焦点距
離に依存する。
【0046】tan θj=Yj/f tan φj=Xj/f 例えば、点(X1、Y1)を選択することによって(図
2を参照せよ)、ビームは角度φ1、θ1によって定義
される。
【0047】tan θ1=Y1/f tan φ1=X1/f レーザーはこの第2方向(φ1、θ1)に沿って放出さ
れる。
【0048】システムの動的力学は下記の式によって定
義される。
【0049】tan θjmax=Yjmax/f tan φjmax=Xjmax/f Yjmax及びXjmaxは座標平面(Fo、X、Y)
内にある光源の最大座標である。
【0050】例えば、垂直キャビティマイクロチップレ
ーザーセットを形成するマトリックスは30ミクロン×
30ミクロンの大きさのピクセルを定義することによっ
て実現される。単位ピクセル当りから放出されるパワー
は約10ミリワットであり、300ミクロン×300ミ
クロンの領域は約1ワットのパワーを放出する。このパ
ワーは通常マイクロチップレーザーをポンピングするの
に十分である。Xjmax=1ミリ及びYjmax=1
ミリ及び焦点長さ4ミリを取ることによって、 θjmax=12° φjmax=12° 本発明の好ましい第1実施例の変形例が図3に示されて
いる。符号8はここでは増幅媒体であり、符号10、符
号12はそれぞれポンピングビーム14用の入射ミラ
ー、反射ミラーであり、符号16はマトリックス光源
(ここでは再び通常のレーザーダイオード)、電子蛍光
又は垂直キャビティ半導体マイクロチップレーザーであ
り、符号18は集束レンズである。キャビティは軸Oz
の回りに回転対称である。それは例えば入射側が球面で
かつ出射側がわずかに凹又はわずかに凸を有するあるい
は平面の湾曲ミラーから形成されている。入射ミラーの
曲率中心Cは出射ミラーに正接する軸Ozに垂直な平面
と同じ位置に位置され、レンズ18の第2焦点Fiは、
前述したように、曲率中心Cと一致又はほぼ一致してい
る。
【0051】この変形によれば、ポンピングビームは点
Mでミラー10を横切り、活性レーザー媒体8を貫通
し、球面ミラーに向かって反射される点Fiの方向に広
がるだけではなく回転対称軸Ozの軸に関する点Mと対
称な点Nの方向にも広がる。すなわち、この点Nで、ビ
ームは点Fiに向けて反射され、それから点Mに向かう
こと及びその逆が繰り返されるからである。従って、こ
こで、再び、内部キャビィティ振動は各φj、θjに拘
らず得られる。しかし、最終的には、一般に軸Ozに関
して対称なレーザービーム17、19の放射が得られ
る。ここで、再び、座標面(Oxyz)内の2つのビー
ムの傾斜角(θj、φj)(Oxは図3の面に垂直であ
る)はマトリックス板16内で選択された点光源及び座
標成分の幾何光学的特性に依存する。
【0052】障害物を検知しようとするとき、この変形
例を用いて、このシステムの光学軸に関して互いに対称
な2つの異なる方向からの方位情報を得ることが可能で
ある。
【0053】上記2つの場合には、マトリックス板
(5、16)内の各光源のアドレスは、通常のこの専門
分野で公知の電子的手段によって実行される。このアド
レスはマイクロプロセッサにより制御される。
【0054】このように、レーザービームは楕円錐内で
方位決めされる。その楕円錐の開口面はマトリックスの
大きさ及び光学要素(焦点距離に垂直な)の特性によっ
て定義される。
【0055】マトリックス(5、16)は、マイクロプ
ロセッサにより制御される電子モータによって駆動され
るアームのような電機機械制御システムによって可動さ
れる単一光源に置換され得る。
【0056】本発明の好ましい第2実施例によれば、各
ミラーは平面yoz内で有限湾曲を有し、平面Xoz内
で有限湾曲を有しないシステムを実現することが可能で
ある。そのユニットはもはや軸Ozの回りに回転対称性
を保有せず、平面Xoz(点oは対称平面内で任意に選
択される)に関して面対称を有する。これは、シリンド
リカルミラーの場合であり、特にそれらは円弧形状又は
円断面形状を有している。合焦レンズも同様にシリンド
リカルであり、特にそれらは円弧形状又は円断面形状を
有している。Yozに平行な各平面内で、焦点Fi及び
各ミラーの曲率中心が一致又はほぼ一致しているという
ことは本質的である。これは、シリンドリカル対称の3
軸が互いに平行で、平面Xoz内に置かれることを意味
し、2個のミラーの湾曲は互いに異なっていてもよいこ
とを意味する。
【0057】この第2実施例は図4の斜視図に示され、
符号7はレーザーの活性媒体を示し、符号9、11は、
円断面又は円弧断面形状の入射ミラー、出射ミラーをそ
れぞれ示し、符号13はマトリックス光源、符号15は
円断面又は円弧断面形状の集束レンズである。これによ
り、垂直面内で方位決めされることが可能な各θjと可
変軸Xjとを有するレーザービームが得られる。マトリ
ックス13の選択成分用のレーザービームとの合成ポン
ピングビームは垂直平面内に全て含まれる(Yozに平
行な平面)。仮にマトリックスの二つの成分(Xj、Y
j)及び(Xj、Yj´)がマトリックス13の平面内
で同一軸Xjを有するこれらの2つの成分と同時に番地
付けされるなら、全ビームは再びYozに平行な垂直面
を定義し、各レーザービームの傾き角はそれぞれθj、
θj´である。
【0058】tan θj=Yi/f tan θj´=Yj´/f 仮に、二つの互いに異なる軸Xo、X1を有する成分が
番地付けされるなら、図4に示すように、二つのポンピ
ングビーム・レーザービームユニットは差分Xo−X1
だけずれた二つの垂直平面を定義することによって得ら
れる。
【0059】図示を略す一変形例によれば、マトリック
スダイオードをFoyに平行な軸に沿って配列されかつ
個々に又はまとめて制御可能な光源の小片に置換するこ
とが可能である。これにより、得られたレーザービーム
はYozに平行な平面に含まれ、その方位θjは変動さ
れ得る唯一のものである。
【0060】図5に示された第2実施例の一変形例によ
れば、キャビティはなお面対称(対称面は面XOzと一
致する)であり、ミラー9は平面Yoz内で有限湾曲を
有し、平面Xoz内で湾曲していない。
【0061】入射ミラー9は合焦レンズ15と同様にシ
リンドリカルであり、各シリンダーの軸は軸Ox(図5
参照)と平行である。
【0062】出射ミラー21は平坦であり、又は、わず
かに凹又はわずかに凸を有しているが、この場合には、
平面Xozに関してのみ面対称を観察できるように、平
面Yoz内及びそれに平行な任意の垂直面内での凹又は
凸のみを有する。このように、ミラー21は前述のもの
と平行な軸を有するミラーであり、平面Xoz内に置か
れる。
【0063】もしも、面Yozに平行な任意の面内で、
入射ミラー9の曲率中心Cとレンズ15の第2焦点Fi
とが一致又はほぼ一致されかつ出射ミラーに接する平面
と同じ位置に位置されるなら、2つのレーザービーム2
3、25はマトリックス13で番地付けされた各成分
(Xj、Yj)によって得られ、そのビームは平面Xo
zに関して対称であり、座標面(Oxyz)内の等式x
=xjを有する面内に含まれ、角度2θj(図5参照)
は軸Ox上の軸Xjと同様に変更可能である。
【0064】ここでまた、マトリックスを、面Foyに
平行に配置されたかつ軸Xiを有ししかも各個に又はま
とめて制御可能な光源の小片に置換することが可能であ
る。
【0065】従って、小片に番地付けされかつ等式X=
Xiを有する面内に含まれる各成分(Xi、Yj)に対
して面Xozに関して対称な2つのレーザービームを得
ることが可能であり、各θjは軸Foyの座標Yjの作
用として変化する。
【0066】第1実施例と同様に、光源マトリックス1
3(光源の小片)を空間的位置が機械的又は電気的手段
によって制御される単一光源に置換することが可能であ
る。
【0067】通常のレーザー(マイクロチップレーザー
対して)の場合には、実施方法は、この特有の分野の専
門家に知られているミラーを実施する通常の一方法で良
い。
【0068】マイクロチップレーザーにおけるミラーを
形成するために、クリープ−フロー(流動)技術を使用
することが可能である。図6aに示すように、シリカか
らなるレジンのような変形可能な感光物質がレーザー光
を透過可能な壁部70上でフィルムブロック68のよう
な形態にエッチングされて配置される。これらのブロッ
クは任意の特有の形状、例えば、矩形、円形、楕円形を
有する。これらのブロックは加熱され、クリーピングに
よって図6bに示すようなレンズ形状とされ、マスクと
して使用される。
【0069】厚さhを有する壁部70は(乾燥又は湿潤
法)によってマスク72を介してエッチングされ、一
旦、そのマスクは除去され、厚さhを有するマイクロレ
ンズ74が残る(図6c参照)。1ミリないし10ミリ
の湾曲を有するビームのために、100ミクロンないし
500ミクロンの間のレンズ直径に対して、高さhは約
0.1ミクロンないし30ミクロンの間にある。
【0070】これらのマイクロレンズは、レーザー光を
反射する一層又は数層のフィルム76(図6d参照)、
例えば誘電体多層膜によって被覆される。
【0071】上述したように、この方法は、球面”マイ
クロミラー”を製造することを可能にする。また、同様
に、シリンドリカルミラーの製造にも使用される。しか
し、この場合には、変形可能な感光物質を最初に図6a
に示すブロックの形でなく、縞の形に置くことを保証す
ることが本質的となる。クリーピング中に縞の端部で不
可避的に生じる端部の影響による損傷(その損傷はシリ
ンドリカル対称に悪影響を及ぼす)を避けるようにする
ため、十分な長さを有する縞を敷設することが本質的で
ある。
【0072】これらの全ての場合には、この”クリーピ
ング又はフローイング”法は”マイクロレンズ”の製造
方法を広範囲に許容しかつ更に製造コストを低減させ
る。
【0073】他の形成方法は、図1、図2に示すミラー
2、3のように、凹面形状のミラーを得ることを可能に
する。これを実施するために、まず、クリープ手段によ
って凸面鏡の形を作り、それから反射膜が得られたモー
ルド型に置かれてモールドされる。そして、その方法は
広範囲の製造に適用可能である。
【0074】上述した実施例及び変形例は、飽和吸収物
質又は電気光学的又は音響光学手段をキャビティ内に組
み込むことによって、Qスイッチ作動されることが可能
である。これらの全ての手段は、通常のレーザー又はマ
イクロチップレーザーと用いられることが可能である。
【0075】通常のレーザーの使用が公知である。W.
Koechnerの作業によりこれに関して文献”固体レーザー
技術”が作成され、それはスピングナー ベルラーグ
(Spinger Verlag)から発行され、特に”Q−スイッチ
及び外部スイッチ”という表題の章(P402−44
8)を参照されたい。
【0076】マイクロスイッチの場合には、近年、電子
手段を使用したマイクロチップQ−レーザーが出現し
た。USAで1992年5月に保管されたCLEO会議
の報告書では、J.J ZAYHOWSKI等は、90
4ミクロンの長さのLiTaO3マイクロバーに並んで
連結された532ミクロンの長さのNd:YAGマイク
ロバーからなるQ−スイッチマイクロレーザー(ダイオ
ードでポンピングされる電子光学的Q−スイッチマイク
ロチップレーザー”という表題のCM17 通信)を述
べている。電極はLiTaO3の軸Cに垂直な二つの面
に置かれ、軸Cはレーザーの主軸に垂直である。周期1
00ナノ秒で電圧600Vのパルスが電極に印加され、
Qスイッチ発光パルスが2ナノ秒よりも短い時間持続し
て得られる。マイクロチップレーザーの場合にこのタイ
プの電子光学セルを実現するために、文献としてZAY
HOWSKI等による論文が参照される。
【0077】一つの公知のマイクロチップレーザーは、
電子音響装置により1個Q−スイッチされる。このマイ
クロチップレーザー及びその電子音響装置の製造方法
は、1993年4月14日に出願された特許出願FR−
93 04375号に開示されている。このマイクロチ
ップレーザーの一部は、音響光学Qスイッチングセルと
共に組み立てられたレーザー増幅ブロック40と共に図
7に示されている。このマイクロセルは、後述するエッ
チング面に関して共に方位された前面46と後面48と
同様に結晶生成面である1個のエッチング面44を有す
るブロック42を含んでいる。最後に、音響波を生成す
るピエゾ電気手段がエッチング面に置かれる。
【0078】ブロック42を構成する物質に関して、後
に続く特性を満足する物質から、選択されるのが望まし
い。すばらしい表面品質を確保する適切な方法を用いて
切削することが可能な(数百ミクロン)の厚さを有する
材料、これは特に異方性侵襲技術に関する。
【0079】これらの物質は、高周波で小さな音響損失
を示す(50dB/(cm.Ghz)が上限のように見
える):これは音響周波数が用いられる次数の大きさで
ある500MHzで1ミリ当りの伝播で約1dBの損失
に対応する);透過性はマイクロチップレーザーの波長
放射に対して適当であり、理想的には0.9ミクロン以
上で1ミクロンまでの波長透過性が求められる。しかし
ながら、1.5ミクロンから2ミクロンないし3ミクロ
ンへの多くの応用が現在達成目標として示されている。
【0080】これらの条件を満足する材料は、特に、シ
リコンSi、ゲルマニウムGe、ガリウム砒素GaA
s、インジウム燐化合物InP、ガリウム燐化合物Ga
Pである。それらは全て自然環境のもとで好ましい品質
で手に入り、それらは公知の腐食溶相でかつ結晶面の腐
食速度(侵襲速度)に非常に依存して化学的に切削され
る。
【0081】好都合なことに、音響光学Qスイッチング
マイクロセル42を実現する方法は差別的化学腐食によ
って得られるもののような異方性エッチング特性を利用
している。これは、ある腐食剤用の所定物質の各結晶生
成面間のエッチング速度差に基づくエッチング法に関す
る。
【0082】一般的に言えば、腐食速度は、結晶面の一
方向に沿って非常に遅く(基準面(111))、他の方
向に沿って非常に早い。
【0083】従って、特有のエッチング幾何面はこの特
性から得られ、その形状は結晶の初期方位と遅い腐食面
との角配置によって決まる。
【0084】また、これに関して特性が公知であるシリ
コンを用いてこの方法を行うことも可能である。しかし
ながら、非常に類似性の高い配置はゲルマニウム又はG
aAs、InPその他等のような組み込み半導体を用い
て得られる。後者の場合には、2個のタイプの原子面が
存在することに注意しなければならない。
【0085】非常に深くこのエッチングを実施するため
には、腐食剤に十分に坑するマスキング材料を有するこ
とが必要である。
【0086】より詳細には、音響光学セルを実現するた
めに(むしろこれらのセルは多数である。というのは非
常に広範囲の製造方法を許容するからである)、図8に
示されるように、適当に選択されかつ1つの前面54と
1つの後面56とを有する適当な方位を有する結晶材料
(上述の規準を参照)からなる基板52がまず用いられ
る。この材料は結晶生成面を有する。これらの面の一つ
はある方向に沿って前面54にカットされる。それか
ら、選択された結晶生成面が前面54をカットする方向
に沿って平行な少なくとも1個の端縁60を有するマト
リックスパターン58からなるマスク(幅aを有し距離
rだけ間隔を開けた矩形状縞)が前面54に置かれる。
【0087】図9a−9dは、この基板52が結晶生成
面(100)に沿って方位された前面54を有するシリ
コンからなる場合の基板52のエッチング中の数工程の
断面を示す。この場合には、マスク58はシリカSiO
2又はシリコンチッ化物SiN4からなる。
【0088】図9aはマスクパターン58を有する基板
の断面である。
【0089】ある腐食時間の経過後(図9b)(例え
ば、ベース剤とアルコール(KOH−methanol又は同様
の物質)の混合物を用いる差別的化学腐食のようなも
の)、水平面(又は表面又は表層面)(100)は基準
面(111)よりも深くエッチングされる。基準面(1
11)は表層面(100)に対する法線の両側の任意の
配列に置かれる面(111)と面(111)によって定
義される(電子出願方式では1の頭に横線を引くことが
難しいのでアンダーラインを使用した。1は、以下結晶
物理学でいう1回回転後反転を意味する。)。これらの
面は斜めに方位され、符号62が付される。これらの各
面と表層面との間の角度は54.74°である。基板の
法線に関して面62の為す角度は35.26°である。
【0090】更に腐食時間が経過すると、底部64が更
に小さくなる(図9c)。
【0091】ある時間の経過後、底部が消失する。二つ
の面(111)及び(111)が会合し、符号66で示
すV形を形成し、そのV形の角度は70.52°である
(図9dを参照)。
【0092】基準面(111)の腐食速度が非常に遅い
ので(0に近いが0ではない)、深さdは遅く進行す
る。
【0093】遅い腐食面(111)又は(111)は、
2個の電極の間に配置されたピエゾ電極フィルムを含む
ピエゾ電気手段用の基礎として用いられるべきである。
【0094】マトリックス58(図8及び図9aを参
照)の2つの隣接パターンの間の距離r及び腐食時間の
面と前面が作る角度に従って、各エッチング幾何形状を
得ることが可能である。
【0095】この分野の専門家は、音響光学セル(ブラ
ッグ過程、ラマン−Nath過程)に対して選択された
操作条件に従って、角度を知ることができる。
【0096】フランス特許出願FR−93 13564
は、飽和吸収によって能動型のQ−スイッチレーザーと
なることが可能なマイクロチップレーザー及びこの飽和
吸収を形成するための方法を開示する。この方法によれ
ば、薄膜の形での飽和吸収は、直接にレーザー増幅媒体
内に置かれる。設置方法によって、薄膜の構成が異な
る。
【0097】第1の設置方法によれば、薄膜はポリマー
溶剤に溶解されるオーガニックコロラント(有機染料、
有機顔料、着色剤のいずれかをいう)からなる。
【0098】更に、詳しくは、オーガニックコロラント
は、bis(4-diethylaminoditiobenzyl)nickel、bis(4-di
metylaminodithiobenzyl)nickelから選択され、溶剤はp
oly(methmethacrylate)(PMMA)、poly(vinylalcohol)、p
oly(vinyl acetate)、又はpoly(styrene)の溶液であ
る。
【0099】厳密に言えば、波長1.06ミクロンで機
能するマイクロチップレーザーに対して、bis(4-diethy
laminoditiobenzyl)nickel(BND、Kodak、poly
(methmethacrylate)(PMMA)の溶剤に関するケースナンバ
ー 51449−18−4)のオーガニックコロラント
を使用することが可能である。
【0100】すなわち、クロロベンゼン(Prolabo)内
に重量比6%のpoly(methmethacrylate)(PMMA、Pplysci
ence 手段 masses?)を含む溶液が24時間の撹拌によ
って準備される。これに重量比2%のBDNが追加さ
れ、再び2時間撹拌される。その溶液は濾過され、(ダ
イクロイックミラーからなる入射面と反対側の)出射面
の基質に一滴づつ滴下されて、円形遠心運動によりプレ
ースされる。
【0101】この遠心運動に対しては、リソエッチング
として使用されるレジンをプレースするマイクロ電子工
学で使用されるもののような標準の機械を使用すること
が可能である。基質は研磨により生じる異物の痕跡を全
部除去するために洗浄される。それから、1分間に20
00回転で20秒間回転又は旋回され、それから、1分
間に5000回転で30秒間回転される。そして、恒温
槽(高温槽、オーブン)内で約70度Cで2時間乾燥さ
れる。
【0102】このように、1ミクロンの厚さのフィルム
は、その光学密度が飽和に達する前の0.13ミクロン
ないし1.06ミクロン(透過率74%)の間にある活
性分子(BND)3%を含むことによって得られる。こ
の飽和吸収はおよそ10ナノ秒の緩和時間を有し、約1
ミリワット/cm2の強度で飽和する。
【0103】ポリマーの濃度パラメータ、その分子量及
びその溶媒、着色剤比及び遠心力装置の回転速度を変化
させることによって、飽和吸収反応を調整することが可
能である。代表的な仕様書は以下のものである。
【0104】 フィルム厚さ…1ミクロンないし5ミクロン 分子密度 …5ないし10重量% 着色剤 …BDN、mm=685グラム ビトラウス遷移…Tg=78°C 波長1.06ミクロンにおける吸収…10ないし70% 飽和パーセント…90% 有効断面 …10-16 cm2 緩和時間 …2ないし15ナノ秒 飽和強度 …0.1ないし1MW/cm2 フィルムの非一様性…<5%(1cm2当り) 減極比(depolarization)…<10-5 800ナノメーターにおける損失…<1% 繰り返し周波数…10−10000Hz 光安定性(Photostability)…108ストローク プレーシング技術…遠心力装置 ポリビニールアルコール(Poly(vinylalchol))、ポリ
ビニールアセテート(Poly(vynylacetate))又はむらの
ないポリスチレン(Poly(styrene))のような別のポリ
マーがPMMAの代わりに各溶媒に用いられてもよい。
またコロラントとしてbis(4-diethylaminoditiobenzyl)
nickel(BND、Kodak、ケースナンバー3846
5−55−3)を使用することも可能である。コローラ
ントは同様にシリカゲルに組み込まれ、高分子鎖に移植
される。
【0105】その技術は、1.06ミクロンとは別の波
長で機能するQ−スイッチングレーザー用に用いられ
る。例えば、レーザーはtetraetyloctahydrotetraazape
ntaphene-dithiolato-nickelで、約1.5ミクロンで放
射するEr、Er+Yb(活性イオンがドープされたE
r、Er+Yb)でQ−スイッチされる。
【0106】このタイプのプレーシングでは、非常に短
い減衰時間がコローラントに対して得られる(1ナノ秒
の下降)。
【0107】第2のプレーシング方法によれば、薄膜は
液相結晶析出(LPE)によって得られる。LPE調合
法は、50ミクロン、100ミクロン、200ミクロ
ン、300ミクロン、400ミクロンのように1ミクロ
ンから500ミクロンの厚さを有するフィルム、すなわ
ち活性固体媒体から構成される基質を得ることを可能に
する。
【0108】活性固体媒体(例えば、YAG)の基本物
質と同一の基本物質が形成されるが、飽和吸収特性をそ
れに与えるイオン、例えば1.06ミクロンでのレーザ
ー放射のためにCr4+イオン、約1.06ミクロンでの
レーザー放射のためEr3+イオン、が不純物として加え
られる。
【0109】実際、この不純物が加えられたこのタイプ
のレーザーでは、Q−スイッチが望まれ、結晶成長フィ
ルムはこのレーザー波長で、飽和吸収を示す。
【0110】従って、活性レーザー媒体及び飽和吸収フ
ィルムは同一の結晶構造を有し、これら2つの媒体の結
晶光学的特性に影響を及ぼす各不純物が異なるのみであ
る。
【0111】S.A(飽和吸収)フィルムは適当に選択
された過飽和溶液に置かれた基質を硬化させることによ
って得られる。溶液又は結晶成長浴槽は目的物質を形成
する各成分からなる溶媒と溶質との混合物である。
【0112】この方法は、単一結晶(基質の実施例のた
めに)の形態で存在する任意の物質に適用可能であり、
液相成長法によって準備される。これは、活性レーザー
媒体(Y31512(YAG)、Y2SiO5(YS
O)、YVO4、YLiF4(YLF)、GdVO4)の
基本物質に対して上述した基質の場合である。浴槽の構
成(溶媒と置換基の選択)、各オキサイドの溶質内の濃
度、実験的成長条件(結晶成長条件)(例えば、温度範
囲、操作モード等)が各物質に対して調整され、最良の
結晶品質を示すフィルムが得られる。
【0113】ガーネット(YAG)の場合には、選択さ
れる溶剤はPbO/B23混合物であり、かつ溶質はガ
ーネットを安定化させるために過度のAl23を含む。
溶質/溶剤比は1000度C近傍での成長を得るために
計算されている。
【0114】浴槽の構成、温度及びプレーシング時間に
依存して、厚さ(1<e<200ミクロン)とフィルム
内の不純物の濃度とを調整することが可能である。フィ
ルムの成長は、フィルムの厚さに関して一様な不純物濃
度を得ることを可能にする一定温度で起こる。基質は一
様又は交互回転により運転され、その一様又は交互回転
は良好な厚さの一様性を与える。
【0115】このタイプのプレーシングを用いて、不純
物(Cr4+、Er3+)は非常に短い1マイクロ秒の減衰
時間を有する。
【0116】上述した二つの方法は、また、増幅媒体に
接触して置かれた基質に飽和吸収薄膜を置くことを可能
にする。例えば、もし後者がYAG:Ndの場合、基質
は不純物が注入されていないYAG基質でも良い。
【0117】図10は、電子光学又は音響光学セル20
を使用した場合の同心キャビティ(例えば2個の球面ミ
ラーを備えた)を有する本発明の実施例を示す。符号2
4、26はそれぞれマトリックス光源及び合焦レンズを
示す。セル20は好ましくは同心キャビティの幾何中心
Cに接近して置かれる。増幅媒体22は図10に示すよ
うにQ−スイッチングセルの両側に置かれるか又はただ
一方側に置かれる。これに反して、飽和吸収薄膜を用い
て能動Q−スイッチングレーザーが行われる場合には、
後者の位置はマイクロチップレーザー内の任意の位置で
良い。
【0118】薄膜形態での飽和吸収の使用は、各成分を
光学的に揃える必要性を避けること、接着剤をキャビテ
ィに導入すること、活性レーザーイオンと飽和吸収イオ
ンとが共に不純物として加えられた構造と結合するいか
なる問題をも避けることを可能にする。
【0119】図11は本発明の実施例の変形例(出射ミ
ラーが平坦又はわずかに凹又はわずかに凸である)を示
し、音響光学又は電子光学セル30はここでは好ましく
は球面ミラーの光学中心Cに接近して位置され、すなわ
ち、ミラー32の直前にある。符号34、36、38は
それぞれマトリックス光源、合焦レンズ、増幅媒体であ
る。飽和吸収セルに関して、これはキャビティ内の任意
の位置に配設されるけれども、この配置によれば、平坦
ミラーの近傍の位置がマイクロチップレーザー製造用の
集積モードを考慮して自然であるように見える。
【0120】マイクロチップレーザーの場合には、各成
分を具現化しかつ後者(増幅媒体、ミラー、Q−スイッ
チングセル)を組み立てることを可能にする上述の方法
は、全て集積法であり、各方法は高品質でかつ低コスト
で対応する成分を実現することを可能にする。
【0121】増幅媒体(78)を有するマイクロチップ
レーザー、Qスイッチセル(80)、球面ミラー(8
2、84)、ポンピングダイオードマトリックス86、
コリメーションレンズ88を集積化する一例は図12に
示されている。
【0122】上述の全てはハウジング90に組み込まれ
ている。この図はポンピングダイオードマトリックスの
番地及びQ−スイッチング素子を制御するための電子手
段が示されていないが、もしも後者が音響光学セル又は
電子光学セルであるなら、この分野の専門家は各特有の
場合にこれらの手段を適宜選択することが可能である。
【0123】もしもこの構造を乗用車に応用(障害物の
検知)する場合には、これらの構造を低コストで現実化
する可能性が非常に高いように思える。また、低コスト
で小構成要素を必要とする他の分野への応用、例えば、
(小型装置の方位用の)”ドモテイック”又は(スモー
クゾーン又は汚染(polluants)検出のために局所的に
置かれた)環境に対して、有利である。
【0124】
【効果】本発明に係わるマイクロチップレーザーは、以
上説明したように構成したので、低コストでかつ簡単な
構造でビーム方向を自由に制御できるという効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係わる好ましい第1実施例を示す斜
視図である。
【図2】 図1に示す第1実施例の断面図である。
【図3】 第1実施例の一変形例を示す断面図である。
【図4】 本発明に係わる好ましい第2実施例を示す斜
視図である。
【図5】 第2実施例の一変形例を示す断面図である。
【図6】 図6は、本発明に従うマイクロチップレーザ
ー用の球面ミラーの製造方法の各工程を示し、図6のa
はフィルムの壁部に形成されたブロックの断面を示し、
図6のbはクリーピングにより形成されたレンズ形状を
示し、図6のcはフィルムの壁部に形成されたマイクロ
レンズを示し、図6のdはマイクロレンズにレーザビー
ム反射膜がコートされたフィルムの壁部を示す。
【図7】 音響光学Qスイッチセルを備えた活性媒体を
示す。
【図8】 音響光学基板を製造するための第1工程を示
す。
【図9】 音響光学基板を形成するために、表面の方位
(100)の基板に異方性エッチングを施すことによっ
て得られることが可能な斜構造の実施例を示し、図9の
aはマスクパターンを有する基板の断面を示し、図9の
b、図9のcはエッチングの進行過程の断面を示し、図
9のdはエッチングの最終段階の断面を示している。
【図10】 音響光学Qスイッチセル又は電子工学Qス
イッチセルと基準同心キャビティとを有する本発明の一
の実施例を示す。
【図11】 音響光学Qスイッチセル又は電子工学Qス
イッチセルと基準同心キャビティとを有する本発明の他
の実施例を示す。
【図12】 本発明に従ってマイクロチップレーザーを
一体化した例を示す。
【符号の説明】
1、7、8…固体増幅媒体 2、9、10…入射ミラー 3、11、12、21…出射ミラー 5、13、16…光学手段

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体増幅媒体、入射ミラー、出射ミラー
    を有する共振キャビティ、キャビティ内に配置されて飽
    和吸収薄膜からなる増幅媒体からの少なくとも1本のポ
    ンピングビームを出射する光学手段、増幅媒体内でポン
    ピングビームの方向を変更する手段、ポンピングビーム
    の方向に拘らずレーザービームを生成する幾何学的形状
    を有するキャビティからなるビーム方向が制御可能なマ
    イクロチップレーザー。
  2. 【請求項2】 クレーム1に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、ポンピング手段はそれぞれ又はひとまと
    めに制御され得るマトリックス光源から形成されている
    ことを特徴とする。
  3. 【請求項3】 クレーム1に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、ポンピング手段は少なくとも1個の光源
    と、該光源を物理的に移動させる手段とから形成されて
    いることを特徴とする。
  4. 【請求項4】 クレーム1ないしクレーム3のいずれか
    1項に記載のマイクロチップレーザーにおいて、入射ミ
    ラーは少なくとも球面ミラーであり、前記ポンピングビ
    ームの方向を変更する手段は手段は第2焦点が前記球面
    ミラーの曲率中心にほぼ一致するようにポンピングビー
    ムの光路内に配置された合焦レンズから形成されている
    ことを特徴とする。
  5. 【請求項5】 クレーム4に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、第2ミラーは球面であり、2つのミラー
    の曲率中心がほぼ一致していることを特徴とする。
  6. 【請求項6】 クレーム4に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、出射ミラーは平坦又はわずかに凹又はわ
    ずかに凸であることを特徴とする。
  7. 【請求項7】 クレーム1に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、ポンピング手段は各個に又はまとめて制
    御することが可能な光源の小片から形成されていること
    を特徴とする。
  8. 【請求項8】 クレーム1、3、7のいずれか1項に記
    載のマイクロチップレーザーにおいて、少なくとも入射
    ミラーはシリンドリカルミラーであり、ポンピングビー
    ムの方向を変更する手段は、各入射ミラーとレンズとの
    2つのシリンドリカル対称軸が所定の方向に沿って配置
    されるようにしてポンピングビームの光路内に置かれた
    シリンドリカル合焦レンズからなり、シリンドリカル合
    焦レンズはこの所定方向に対して垂直な任意の平面内に
    置かれ、そのレンズの像焦点は前記同一平面内でミラー
    の曲率中心とほぼ一致していることを特徴とする。
  9. 【請求項9】 クレーム8に記載のマイクロチップレー
    ザーにおいて、出射ミラーはシリンドリカル対称性を有
    しかつ各入射ミラーとレンズとの2つの対称軸の方向に
    垂直な任意の面内にあり、レンズの像焦点距離がほぼこ
    の同一平面内で各ミラーの曲率中心にほぼ一致している
    ことを特徴とする。
  10. 【請求項10】 クレーム8に記載のマイクロチップレ
    ーザーにおいて、出射ミラーは平面又はわずかに凹又は
    わずかに凸であり、凹又は凸は入射ミラーのシリンドリ
    カル対称軸に平行な軸とシリンドリカル対称性を有する
    ことを特徴とする。
JP7007980A 1994-01-21 1995-01-23 ビーム方向が制御可能なマイクロチップレーザー Pending JPH07221376A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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