JPH10510956A - ロングパルス バナジュウムレーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 Ｎｄ：ＹＶＯ₄の高ゲイン及び短い寿命を空胴寿命と組合わせて、高い安定性で長いパルスを発生できるＱスイッチダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄固体レーザーを提供する。ダイオードポンプ固体レーザーは、ゲイン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄を結合し、高い安定性で高繰返し数で長いＱスイッチパルスを発生するように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 ロングパルス バナジュウムレーザー 発明の分野 本発明は、ダイオードポンプ固体レーザーに、そして一層特に高安定性をもっ て高繰返し数で長いパルスを発生するダイオードポンプ固体レーザーに関するも のである。 発明の背景 ダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザーは、高繰返し数（＞10ｋＨｚ）で短 いパルス（＜20ｎｓ）を必要とする応用に用いられてきた。例えば、M.S．Keirs tead，T.M.Bear，S.B.Hutchison，J.Hobbs，共著“High repetition rate，diod e-bar-pumped，Q-switched Nd:YVO4 laser”in Conference on Lasers and Elec tro-Optics 1993年Vol.11 OSA Technical Digest Series（Optical Society of America，Washington，D.C.，1993）p.642 及びS.B.Hutchison，T．M.Bear，K. Cox，P.Gooding，D.Head，J.Hobbs，M.S．Keirstead，G.Kintz，共著“Diode Pu mping of Average-Power Solid State Lasers”Proc SPIE 1865，61（1993 年） 参照。これらのレポートには高繰返し数で短いパルスを発生させる仕方でＮｄ： ＹＶＯ₄を作動することについて開示されており、W.L.Nighan，Jr.，Mark S.Kei rstead，Alan B.Petersen，Jan-Willem Pieterse,共著“Harmonic generation a t high repetition rate with Q-switched Nd:YVO4 lasers”in SPIE 2380-2419 95年にはエンドポンプ音響光学的ＱスイッチレーザーによるＱスイッチパルスの 発生について開示されている。 Nighan等によるものにおいては、７〜20ｎｓのパルス持続時間はＴＥＭ40モー ドにおいて平均出力パワー〜４Ｗで10〜80ｋＨＺの繰返し数で発生された。ポン プソースは米国特許第5,127,068 号明細書、第5,436,990 号明細書に開示されて いるようなファイバー結合型ダイオードバーであった。このファイバー結合型ダ イオードバーのようなポンプソースによるＮｄ：ＹＶＯ₄のエンドポンピングに よって、この材料がＮｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧの励起放出横断面より非常に高 い励起放出横断面をもつているので、非常に高い小さな信号ゲインを発生するこ とができる。これは、低レーザー発振しきい値をもつダイオードポンプレーザー を構成するのに有効であり、そしてまた高繰返し数で短いパルスを発生するレー ザーを構成するのにも有効である。しかしながら、この材料の上方状態寿命が短 いのでＮｄ：ＹＬＦ（500 μｓ）やＮｄ：ＹＡＧ（200 μｓ）で可能であるよう に非常に多くのエネルギーを蓄えることができず、そのため10ｋＨｚ以下の繰返 し数で発生され得るパルスエネルギーの量は制限される。例えば、10Ｗでポンピ ングされるＮｄ：ＹＶＯ₄レーザーは低繰返し数で200 μＪを発生でき、一方、 ＹＬＦレーザー（T.M.Baer，D.F.Head，P.Gooding，G.J.Kintz，S.B.Hutchison, によって“Performance of Diode-Pumped Nd:YAG and Nd:YLF in a Tightly Fol ded Resonator Configuration”IEEE J.Quantum Electron.，vol．QE-28 pp.113 1-1138 1992年）に開示されているSpectra-Physics Lasersによる“TFR”と呼ば れる）は〜800 μＪを発生する。 短い（＜20ｎｓ）エネルギーパルスは典型的には、特に高繰返し数（＞10ｋＨ ｚ）で多くの応用に望ましいが、ある応用では50ｎｓ台のパルスのよな長いＱス イッチパルスが要求される。従来技術においては、材料Ｎｄ：ＹＶＯ₄は、典型 的に短いパルスを発生するのに適しているので、高繰返し数での長いパルス動作 には適用されていない。周知のように、ＣＷポンプ繰返しＱスイッチレーザーは 、レーザーの繰返し数が漸進的に増大される場合に、漸進的に長いパルスを発生 する。これについては、Siegman の“Lasers”26章に開示されている。この効果 の理由は簡単である。繰返し数が（上方状態寿命の逆数より高い繰返し数で）増 加するにつれて、Ｑスイッチパルス間のゲイン媒体に蓄えられるエネルギーの最 大量は減少され、この蓄えられるエネルギーは、Ｑスイッチングの直前の上方状 態におけるイオン密度に比例する。このことは、小さな信号ゲインが上方状態に おけるイオン密度に依存するので、小さな信号ゲインが減少されることを意味し ている。小さな信号ゲインが減少されると、繰返し数を増加することによって、 Ｑスイッチレーザーパルスは低繰返し数の場合のように急速にはレーザー空洞に 発生されない。その結果、パルスは比較長くなる。 Spectra-Physics からＲシリーズとして入手できる多数のダイオードポンプＮ ｄ：ＹＬＦレーザーは１ｋＨｚ（低繰返し数）で＜10ｎｓの持続時間（短い）の パルスを発生する。繰返し数が10ｋＨｚ（高繰返し数）以上に増加されると、 50ｎｓ台のパルス持続時間（長い）が達成され得る。点家て的には短いパルスが 望ましいが、特に高繰返し数である応用には長いパルス（例えば＞20ｎｓ）が有 用あり得る。しかしながら、高繰返し数でのＮｄ：ＹＬＦレーザーのパルス対パ ルス安定性は十分でなく、例えば、10ｋＨｚ以上の高繰返し数でのＮｄ：ＹＬＦ レーザーのピーク対ピークゆらぎは容易に50％になり得、これは〜８％のＲＭＳ ノイズに相当し得、ある応用ではノイズが大きくすぎる。不安定性のこのような 増加は、繰返し数の増大されるレーザーに共通しており、蓄えられるエネルギー が少ないので、レーザー発振は繰返し数の各増加でしきい値に近くなり、従って ノイズが大きくなる。高繰返し数で比較的高い安定性が要求されしかも比較的長 いパルスを必要とする応用では、比較的高い繰返し数で作動する繰返し数の低い レーザーを直接適用するには問題があり、すなわち安定性が低下する。ある応用 においては、高い安定性、長いパルス及び高繰返し数が要求される。従来技術で 得られてない重要な範囲は、25ｋＨｚ以上の繰返し数、35ｎｓ以上のパルス持続 時間及び５％以下のＲＭＳ安定性てである。 Baumgat 等の“A new laser texturing technique for high performance mag netic disk drives”（IEEE Transactions on Magnetics，Vol．31，No.6，1995 年11月）には、50ｎｓパルスのＮｄ：ＹＬＦレーザーがコンピュータハードウエ アドライブに使用するディスクのような磁気ディスクに非常に望ましい組織を設 けるのに使用されることが開示されている。Baumgat の論文に掲示されている参 考資料及び特許は本明細書に参考文献として結合され、それらにはレーザーによ る従来の多くの組織形成技術が掲載されている。Baumgat の論文に記載されてい るように、パルスエネルギーのわずかに変化すると、単一レーザーパルスがディ スクに残る“バンプ”の形状は変化し得る。Baumgat が記載しているように多バ ンプは典型的にはディスクに残される。ある場合には、Baumgat によって開示さ れているように、許容できる変動範囲が存在する。このため、レーザーパルス対 パルス変動には許容できる限界がある。また当業者には明らかなように、高い繰 返し数はレーザーよる組織化作業を完了するのに掛かる時間を比較的短くできる 。 高安定性で高繰返し数でパルスを発生できる長いパルスＱスイッチレーザーが 要望されている。また高安定性の調和して変換される出力をもつレーザーが要望 されている。 発明の要約 本発明の目的は、高安定性で高繰返し数の長いＱスイッチパルスを発生するダ イオードポンプ固体レーザーを提供することにある。 本発明の目的は、高安定性で高繰返し数の長いＱスイッチパルスを発生し、ゲ イン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と共動するダイオードポンプ固体レーザーを提供 することにある。 本発明の目的は、25ｋＨｚより高い繰返し数でしかもパルス出力のＲＭＳノイ ズ５％以下で、35ｎｓより長いＱスイッチパルスを発生するダイオードポンプ固 体レーザーを提供することにある。 本発明の目的は、25ｋＨｚより高い繰返し 数でしかもパルス出力のＲＭＳノイズ５％以下で、35ｎｓより長いＱスイッチパ ルスを発生し、ゲイン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と結合したするダイオードポン プ固体レーザーを提供することにある。 本発明の目的は、高安定性で高繰返し数の長いＱスイッチパルスを発生し、ゲ イン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と結合し、出力を調波変換するために調波発生器 を備えているダイオードポンプ固体レーザーを提供することにある。 本発明の目的は、高安定性で高繰返し数の長いＱスイッチパルスを発生し、ゲ イン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と協働し、レーザー表面加工に応用されるダイオ ードポンプ固体レーザーを提供することにある。 本発明のこれら及び他の目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー結晶体をレーザー共 振器内に配置し、レーザー共振器が少なくとも二つのミラーと協働し、Ｑスイッ チ装置をレーザー共振器に配置し、高安定性で高繰返し数の長いＱスイッチパル スを発生するようにポンプパワー密度及び空胴寿命を平衡化したダイオードポン プ固体レーザーで達成される。 一つの実施例では、レーザー共振器形態は相対的に対称であり、レーザー結晶 体はレーザー共振器の中心近くに配置される。 本発明では、Ｎｄ：ＹＶＯ₄は、最初に長いパルス（＞35ｎｓ）、高安定性（ ＜５％ＲＭＳ）、高繰返し数（＞25ｋＨｚ）のダイオードポンプ固体レーザーに 結合される。好ましい実施例では、本ダイオードポンプ固体レーザーは平均出 力パワーで１Ｗ以上発生する。 図面の詳細な説明 図１は、高繰返し数（＞25ｋＨｚ）で、高安定性（＜５％ＲＭＳ）で長いパル ス（＞35ｎｓ）を発生し、ある実施例では平均出力１Ｗ以上発生するＱスイッチ ダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄固体レーザーを示す線図である。 図２は、出力パルス持続時間を繰返し数の関数として、平均出力を繰返し数の 関数として表し、ポンプ出力が５Ｗであるグラフである。 好ましい実施態様の詳細な説明 図１には、高繰返し数（＞25ｋＨｚ）でもパルス対パルスで高安定性（＜５％ ＲＭＳ）である長いパルス（＞35ｎｓ）を発生するダイオードポンプＮｄ：ＹＶ Ｏ₄レーザーを示す。好ましい実施例においては、このダイオードポンプＮｄ： ＹＶＯ₄レーザーは、約70ｋＨｚの繰返し数で約70ｎｓの持続時間のパルスを発 生する。 図１に示すように、レーザーは、典型的には２ｍ〜無限大の曲率半径をもつ出 力カプラー１（典型的な反射率は1.064 μｍの基本波長で95％である）を有して いる。すべての光学系は、Oroville,CA に在るSpectra-Physics Laser Componen ts and Accessories Groupから入手できる。 レーザーはまた、長いパルスを発生するのに適切な空胴寿命をもたらすように 長さを出力カプラー１と最適化したビーム通路３を有している。好ましい実施例 ではビーム通路３の長さは18ｃｍである。本発明において使用される得るビーム 通路３の他の実施例の例は米国特許第5,412,683 号明細書及び米国特許出願第08 /432,301号（これらの各々は参照文献として本明細書に結合される）に開示され ている。 レーザーはまたホールドミラー５を備え、このホールドミラー５は1.064 μｍ の波長で高反射性（Ｒ＞99.5％）を示し、そしてダイオードポンプ波長で高い透 過性（Ｔ＞90％）を示す。このミラー５は平らな光学系である。 レーザーはまたＮｄ：ＹＶＯ₄レーザー結晶体７を備え、このレーザー結晶体 ７はCharlotte North Carolinaに在るLitton Airtronから入手でき、大きさはほ ぼ４×４×４ｍｍ2 であり、そしてドーパントは約0.7 ％である。レーザー結晶 体７は、米国特許第5,412,683 号明細書、米国特許出願第08/191,654号及び同第 08/427,055号（これらの各々は参照文献として本明細書に組み込まれる）に開示 されているように取付けられ得る。 レーザーはまた音響光学Ｑスイッチ９を備え、この音響光学Ｑスイッチ９はＳ Ｆ10ガラスまたは溶融シリカのような任意の他のガラスから成り、Ｑスイッチン グに対して適切な損失を示す。これらの装置の販売者はMelbourne Florida に在 るNEOSである。 レーザーはまた、1.064 μｍの波長で高反射性を示し、２ｍ〜無限大の曲率半 径をもつ端部ミラー11を有している。 レーザーはまたＱスイッチ駆動装置13を有し、このＱスイッチ駆動装置13は２ 〜４Ｗのような適当なパワーで80ＭＨｚのような適当な周波数のＲＦを音響光学 Ｑスイッチ９に供給し、空胴のＱスイッチングに対して制御可能な損失を示す。 レーザーはまたイメージング光学系21を有し、このイメージング光学系21はダ イオードポンプソースからレーザー結晶体７へ光を伝導する。これらの単純レン ズはMelles Griot，Irvine,CA 及びその他の提供者から入手できる。代表的なポ ンプスポットサイズはレーザー結晶体７において0.5 〜0.6 ｍｍである。 レーザーはまた、ダイオード光をイメージング光学系21へ送るファイバー束23 を有している。これらのファイバー束の提供者の一つとしてはOroville,CA に在 るSpectra-Physics Laser Components and Accessories Groupがある。 レーザーはまた、ＴＥＭ00動作を保証する適当な大きさの開口絞り25を備える ことができる。 レーザーはまた、固体レーザーにポンプ光を供給するダイオー ド15を備えている。共通の装置はOptoPower Corporation，Tucson，AZ で入手で きるOPC-B020-808-CS である。このダイオードの出力は典型的には６〜８Ｗであ り、ファイバー束23から出る際には５〜６Ｗとなる。 レーザーはまた、ダイオード15に電力を供給してダイオード温度を維持する電 源17を備えている。Ｑスイッチ駆動装置13は典型的には電源17に収納される。 レーザーはまた、典型的には高安定性で長いＱスイッチパルスで平均出力１Ｗ 以上である出力ビーム19を備えている。 適当な長さ及び空胴寿命の空胴にダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄を結合する ことによって、高安定性（＜５％ＲＭＳ）で、高繰返し数（＞25ｋＨｚ好ましく は＞50ｋＨｚ）の長いパルス（＞35ｎｓ好まし実施例では＞50ｎｓ）が発生され る。Ｎｄ：ＹＶＯ₄の高ゲイン及び短い寿命は空胴寿命と組合わされて、このす ばらい性能を発揮する。このゲイン材料は従来技術ではそのような高い安定性で 長いパルスを発生するのには決して使用されてなく、この性能はある応用におい て要求される。この材料を用いた従来技術では単に、80ｋＨｚ程度の高い繰返し 数でも短いパルス（20ｎｓ）の発生が開示されている。比較的長いパルスを必要 とする応用例は磁気ディスクの表面加工である。 図２には、図１のレーザーの性能を示す。高安定性のビームを用いてほぼ70ｋ Ｈｚでほぼ70ｎｓの持続時間のパルスが得られた。好ましい実施例では、レーザ ー出力は収束性を高めるＴＥＭ00である。 例示説明してきた実施例の変形及び変更は、単に特許請求の範囲でのみ限定さ れる本発明の範囲から逸脱せずになされ得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キアスティード マーク エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95148 サン ホセ スティーヴンス コ ート 3133 (72)発明者 ヴァーター トレイシー ダブリュー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94553 マーティネス スウィートウォー ター ドライヴ 2373

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高安定性をもって高繰返し数をもつ長いＱスイッチパルスを発生し、ゲイン 媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と結合することを特徴とするダイオードポンプ固体レ ーザー。 ２．25ｋＨｚ以上の繰返し数をもち、パルス出力のＲＭＳノイズが５％以下で35 ｎｓより長いＱスイッチパルスを発生し、ゲイン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と結 合することを特徴とするダイオードポンプ固体レーザー。 ３．25ｋＨｚ以上の繰返し数をもち、パルス出力のＲＭＳノイズが５％以下で35 ｎｓより長いＱスイッチパルスを発生し、ゲイン媒体としてＮｄ：ＹＶＯ₄と結 合し、コンピュータハードドライブ用のハードディスクの表面に表面加工を施す のに使用されることを特徴とするダイオードポンプ固体レーザー。