JPH11511296A

JPH11511296A - 共焦−共心ダイオードポンプレーザ

Info

Publication number: JPH11511296A
Application number: JP9509357A
Authority: JP
Inventors: ウィリアムエルジュニアニーガン; マークエスキアスティード; ディヴィッドアールダドリー
Original assignee: スペクトラ−フィジックスレイザーズインコーポレイテッド
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1999-09-28
Also published as: EP0845165A1; DE69621023D1; WO1997007575A1; EP0845165B1; DE69621023T2; US5638397A

Abstract

(57)【要約】高パワーダイオードポンプ・音響ー光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザが、少なくとも１つの共振器ミラーと、共振器キャビティを構成する出力カプラとを有する。少なくとも１つの音響ー光学Ｑスイッチデバイスと、強熱焦合特性を備える少なくとも１つのレーザ結晶とが、共振器に配置される。１又はそれ以上のダイオードポンプソースは、出力ビームを生成するために、ポンプビームをレーザ結晶に供給する。電源は、パワーをダイオードポンプソースに供給する。

Description

【発明の詳細な説明】共焦−共心ダイオードポンプレーザ関連出願のクロスリファレンスこの出願は、有名な発明者William L．Nighan Jr．及びMark S．Keirstead による「Confocal Diode Pumped Laser 」と名付けられた１９９５年５月２日に発行された来国特許第5,412,683 号（代理人リファレンスNo.SPEC 8053）の一部係属出願である、有名な発明者William L．Nighan Jr．、Mark S．Keirstead 及び David R．Dudley による「Confocal-To-Concentric Diode Pumped Laser 」と名付けられた１９９５年５月１日に出願された米国特許出願第08/432,301号（代理人リファレンスNo.SPEC 8053 CIP1 ）の一部係属出願であり、両出願は、この出願の譲受人に譲受されており、参考としてここに組み込まれている。この出願は、有名な発明者William L．Nighan Jr．及びMark S．Keirstead による「Diode Pumped Laser with Strong Thermal Lens Crystal 」と名付けられた１９９４年２月４日に出願された、米国特許出願第08/191,655号（代理人リファレンスNo.SPEC 8052）の一部係属出願である、有名な発明者William L．Nigha n Jr．及びMark S．Keirstead による「Diode Pumped Laser Using Cristals wi th Strong Thermal Focussing 」と名付けられた１９９５年４月２４日に出願された、米国特許出願第08/427,055号（代理人リファレンスNO.SPEC 8052 CIP1 ）をクロスリファレンスしており、両出願は、この出願の譲受人に譲受されており、参考としてここに組み込まれている。この出願は、有名な発明者Mark S．Keirstead 、William L．Nighan Jr．及び Thomas M．Baerによる「Thermal lens of Controlled Ellipticity」と名付けられた１９９４年２月４日に出願された、米国特許出願第08/191,654号（代理人リファレンスNo.SPEC 8051）をクロスリファレンスしており、この出願の譲受人に譲受されており、参考としてここに組み込まれている。この出願は、有名な発明者Alan B．Petersonによる「Diode Pumped，Fiber Co upled Laser with Depolarized Pump Beam」と名付けられた１９９５年８月１８日に出願された米国特許出願第08/516,586号（代理人リファレンスNo.SPEC 8181 ）をクロスリファレンスしており、この出願の譲受人に譲受されており、参考としてここに組み込まれている。本発明の背景技術分野本発明は、一般的に、高いビームポインティング安定性を備えたミスアライメントに対する低感度を有する、高効率、高パワー、ＴＥＭ₀₀レーザに関し、特に、ほぼ共焦であるか、又は、共焦と共心の間であり、強い熱焦合を有する結晶に有用であるダイオードポンプレーザ、及び、Ｑスイッチであるこのタイプのレーザに関する。関連技術ミスアライメントに対する非敏感性、及び、ビームポインティング安定性が重要であるレーザアプリケーションが多くある。それらの特質は、レーザーのパワー及びモードが、振動、衝撃又は熱循環の際に低下しないことが望ましい。その熱レンズの変化に対するレーザの出力の非敏感性が、大いに望まれているアプリケーションでもあり、例えば、高周波で動的な変化を要求するアプリケーションに使用されるＱスイッチレーザである。共焦、又は、ほぼ共焦の共振器は、ミスアライメント感度及びビームポインティング安定性が重要な考慮であるとき、適当な候補である。共焦共振器では、共振器の全体に亘るモード直径は、約√２以上だけ変化しない。別の記述は、レーザ共振器が、内部キャビティモードのレイリーレンジの約２倍の長さである。「共心共振器」におけるモードプロファイルは幾分異なり、それは、球に見られ得るモードプロファイルに類似している。実際に、あるタイプの完全な共心共振器は、凹型エンドミラーの表面が、球の表面を定める、単一の２ミラー共振器である。このタイプの共心共振器では、モード直径は、共振器のある部分で非常に小さくなり得るが、共振器の別の部分で非常に大きくなりうる。この場合、レーザー共振器は、内部キャビティモードの２レイリーレンジよりもかなり長い。もちろん、これらの間に、若しくは、共焦と共心の間にある類似の共振器がある。例えば、共振器は、共振器の内部キャビティウエストの固有振動モードのレイリーレンジよりおよそ４倍長くてもよい。共焦又はほぼ共焦の共振器のより深い理解は、g₁及びg₂の２つの軸を有する安定ダイアグラムである、図1(a)を参照して確かめることができる。安定パラメータg₁及びg₂の基本的な値は以下のように定義されており：ｇ₁= 1 - L/R₁ ｇ₂= 1 - L/R₂ ここでＬは共振器の長さであり、R₁、R₂は図1(b)に示されている、共振器のミラーM₁及びM₂のそれぞれの曲率半径である。２ミラーレーザー共振器は、０＜(g₁) (g₂)＜１ならば、安定である。共振器のＴＥＭ₀₀モードサイズは、g₁、g₂で表わすことができ、安定パラメータはまた、ミスアライメント感度や他の実用的な特徴を判断するのに用いることができる。この基本的な議論は、W.Koechner著、So lid State Laser Engineering 、第３版、Springer-Verlag 、ＮＹ、２０４頁乃至２０５頁、（１９９２年）に見ることができる。この安定解析は、図1(c)に示されている内部キャビティレンズを備えた共振器に影響を及ぼすことに注意すべきである。内部キャビティレンズは、在来のレンズ、又は、熱レンズでありうる。熱レンズは、ダイオードポンプ光、又は、ランプポンプ光によってレーザー結晶中に生成される。この場合、ｇパラメータは以下のようになり：ｇ₁= 1 - (L₂/ f) - (L₀/ R₁) ｇ₂= 1 - (L₁/ f )- (L₀/ R₂) ここで図1(c)に示されているように、L₀= L₁+ L₂-（L₁L₂/ f）及び、L = L₁+ L₂ であり、R₁及びR₂はレンズがない場合に定義され、熱レンズであり得る内部キャビティレンズの焦点距離であるｆを有する。この背景はまた、W.Koechner著、So lid State Laser Engineering 、第３版、Springer-Verlag,ＮＹ，２０４頁乃至２０５頁、（１９９２年）に表わされている。それゆえ、より複雑な、複数のミラー及びレンズ共振器を考慮するとき、安定パラメータｇ₁及びｇ₂を備えた伝統的な２ミラー安定解析が依然として有用であることに注意すべきである。次に図１（ａ）を参照すると、第１象限では、双曲線１０が、双曲線１０とｇ軸との間に囲まれた領域１２を定める。領域１２の中のg₁及びg₂の値をもつ共振器に関して、ガウスモードが存在し得る。双曲線１０は、(g₁)(g₂)= 1という性質を有する。領域１２は安定性を表し、即ち、ガウスモードは、共振器を構成する２つのミラーの間に存在し得る。第３象限１４では、別の安定性が見られ、即ち、ガウスモードはまた、これらのｇ値関して存在し得る。理想の共焦共振器は、g₁= g₂= 0 であるg₁、g₂軸の交点１６に対応する。共振器は、g₁、g₂が大きすぎないならば、ほぼ共焦と呼ぶことができる。図２では、理想共焦共振器１８は、R₁、R2の曲率半径をそれぞれ有する、２つの対向するミラー２０、２２により構成される。ミラー２０、２２は、距離Ｌだけ離れている。理想共焦共振器１８において、R₁= R₂= Ｌである。レンズがキャビティの中央で使用され、平らなミラーが使用されるならば、ｆ＝L / 2 のとき、共焦共振器が発生する。レンズと湾曲したミラーの組み合わせがまた、共焦共振器を作り出す。再び図1(a)を参照すると、平らな平行共振器は g₁= g₂= 1のとき、２４で示された点に対応する。かかるg₁、g₂の値は、この共振器を安定ダイアグラムの右端に位置決めし、ミスアライメントに対する非敏感性及びポインティング安定性を供給するアプリケーションに関して、平らな平行共振器は典型的には、ベストな選択ではない。図1(a)において、R₁、R₂がL より充分長いとき、大きな半径の共振器が存在し、図１（ａ）における点２６に対応する。大きな半径の共振器はダイオードポンプのために有用である。大きな半径の共振器の実施形態では、Nd:YFL結晶が使用され、ＴＥＭ₀₀のモードサイズは大きく、在来のモード適合を容易にする。しかしながら、この共振器はミスアライメントに対して敏感であり、減少したポインティング安定性を有し得る。例として、R = 10L の長さL の大きな半径の共振器が、長さＬの共焦共振器より5 倍以上ミスアライメントに対して敏感である。これはまた、Koechnerの参考文献によって示されている。Ｒ₁＝Ｒ₂＝Ｌ／２である、共心即ち球状の共振器は、点２４で表される。この場合、g₁= g₂= -1である。それは、モードがその共振器の１つの点で非常に大きく、別の点では非常に小さくなるという特徴を有する。これは、主に、ミラーが球の表面にあるためである。かかる共振器のＴＥＭ₀₀モードは、共振器の中心では非常に小さいがその端では非常に大きい。同等の共振器は１つまたは複数のレンズ、平らなミラー、またレンズの組み合わせや湾曲したミラーを使用して構成されている。半対称共振器３０が、図３に図示されている。それは、距離Ｌだけ離れた湾曲したミラー３２と平らなミラー３４によって構成されている。この例では、Ｒ₁ は湾曲したミラー３２の半径である。ミラー３４は平らなので、無限の曲率半径を有する。ｇ₂= 1 且つg₁〜１／２ならば、半対称共振器は共焦共振器と同等の性能を持つように作ることができる。図1(a)では、半対称共焦共振器は、安定ダイアグラムで点３６に対応する。半対称共振器はまた、大きな半径を持つ共振器となることができ、ここで、１つのミラーが平らで、別のものはR₁≫Ｌの曲率を有する。再び、同等の共振器は１つまたは複数のレンズ、平らなミラー、若しくは、レンズと湾曲したミラーとの組み合わせを使用して構成されうる。共焦共振器はミスアライメントに対して比較的非敏感なので、ミラーはある程度傾けられ、レーザーの出力パワーは他のタイプのレーザーと同じ速さで出力されない。共焦共振器のモードは変化しないか、若しくは、傾いたミラーのように非常によく動く。例えば周囲の変化の関数として、共焦のポインティング安定性及びそのミスアライメント敏感性は非常に良いので、このタイプの共振器はいくつかの有用な特性を有する。共焦共振器の主な不利益は、いかなる長さＬの共振器のＴＥＭ₀₀モードの直径がもっとも小さい平均をもつことである。本質的には、長さＬの共焦共振器のＴＥＭ₀₀モードボリュームは、別の長さＬの共振器のものより短い。これは、在来のモード適合を困難にさせる。これは、A.E．Siegman，Lasers，University Science Book,Mill Valley，CA ，p．750-759，1986 に教示されている。その小さな平均サイズのために、共焦共振器のＴＥＭ₀₀モードが大きな直径利得媒体からパワーを引き出す際に、非常に有効でない。更に、ＴＥＭ₀₀モードの小さい平均サイズのために、共焦共振器が、最低オーダーモードと最高オーダーモードの組み合わせにおいて、非常に振動しそうである。多くのダイオードポンプ固体レーザに関する重要な設計目標は、できるだけ高い効率やパワーでの、ほぼ回折制限ＴＥＭ₀₀出力の生成である。共焦共振器の小さいＴＥＭ₀₀モードサイズ、及び、最低オーダーモードと最高オーダーモードとの組み合わせにおける、振動させる傾向のため、共焦共振器をポンプさせるダイオードエンドは、有用であると考えられなかった。モード適合の効果は、ＴＥＭ₀₀モードと結晶の中の励起ボリュームとの間の結合を最大にすることである。次に、光学勾配やレーザーの光学的効率は両方とも最大にされる。典型的なモード適合幾何学構造では、Nd:YAGポンプレーザーのポンプビームの直径に対するＴＥＭ₀₀モードの直径の割合が約１．３かそれ以上である。小さいTEM00 サイズのため、この割合が、共焦共振器で達成することはより困難である。レーザー結晶の熱レンズは、ほぼ共焦の共振器を設計するために、ミラーの曲率又は在来のレンズとを組み合わせて使用することができる。ある結晶は、強い熱レンズ特性を示し、これらのレーザー結晶は、それらをレーザー共振器の候補に適応させる重要な多の特性を有する。例えば、Nd:YLFと比べると、強い熱レンズ材料Nd:YVO₄は、高利得、及び、短い上状態ライフタイムを有する。こうパルスエネルギー即ち高周波数を備えるＱスイッチレーザ、若しくは、光学フィードバックに対して非敏感であるレーザを設計するとき、これらの特性は、重要な調整パラメータを提供する。更に、Nd:YVO₄は、Nd:YVO₄結晶内にダイオードポンプ光を効率的に結合させる、〜８０９ｎｍのダイオードポンプ波長で、高い吸収係数を有する。多くのレーザー結晶は、Nd:YAGやNd:YVO₄のような強い熱レンズを持つ。強い熱レンズでは、ポンプ誘導レンズの焦合パワーは、レーザ共振器における多のオプティクスのものと少なくとも匹敵する。強い熱レンズは、共振器内のレーザ共振器固有振動モードのサイズ及び発散を著しく変化させる。弱い熱レンズでは、ポンプ誘導レンズの焦合パワーは、ミラー及び典型的なレンズのようなレーザー共振器の他のオプティクスのものより実質的に低い。レーザー共振器の別のオプティクスは、レーザ固有振動モードのサイズや発散を指示している。熱レンズがほぼ共焦の共振器をつくるのに使われることは明らかである。しかしながら、強い熱レンズ材料の大きな収差が、高パワー共振器の効率を制限することは考えられていた。強い熱レンズが、高ＴＥＭ₀₀ビーム品質、高パワー、及び、高効率を備える有効なレーザーの設計及び構成において、障害である。それゆえ、より高いポンプパワーで、強い熱レンズ材料の成功用途は制限される。更に、レーザしきい値が高く、且つ、達成可能変換効率が低いので、典型的なモード適合は、ポンプビーム直径に対するＴＥＭ₀₀モード直径の比が１より小さいことは、ほとんど重要ではないことを教示している。１より小さい比が、低い利得を生じさせ、これらの達成及び１を超えることが、収差による高い損失を生じさせる。ＴＥＭ₀₀モードサイズが小さいので、ほぼ共焦の共振器では１より大きな比を達成することがより困難である。この特徴は、在来のモード適合の教示に反している。共焦共振器に関するポンプソースとしてのダイオードの使用は、コスト、サイズ、壁プラグ効率の理由から望ましい。ある強力熱レンズ材料は、それらをダイオードポンプレーザーに関して役立たしうる所定の特性を有する。別の有用な共振器タイプは、共焦と共心の「間に」あると説明することができる。これを、共焦ー共心共振器と称する。Koechner著、Solid State Laser Engi neering，Vol.3，p.206 では、共振器敏感解析は、(g₁)(g₂)= 0.5を備える共振器が、ｇパラメータ値の変化に対してかなり非敏感であるモードサイズを表わすことを示す。これは、熱レンズ焦合パワーの小さな変化が、このタイプのレーザーにおいて比較的許容されていることを意味する。多くのレーザー共振器は、(g₁)(g₂)= 0.5で作られている。これは図1(a)において、点２５付近のｇ値で表されている。それはコンパクトであり、ミスアライメントに対し敏感でポインティング安定性のある効果的な低コストダイオードポンプレーザーであることが望ましい。例えば、ダイオードポンプが、高出力パワーを提供し、高効率であり、強熱レンズ材料を使用するというこれらの特徴を有する、共焦ー共心共振器を提供するのがまた望ましいであろう。そのレーザーはまた、ポンプビームの直径より小さいレーザー結晶におけるＴＥＭ₀₀モード直径を有し得る。それはまた、同様の特徴を備えるＱスイッチレーザを提供するのに有用であり、特に、Ｑスイッチレーザの周波数の動的な変化を要求するアプリケーションに関して有用である。高周波数で、高パワー及び短いパルスを提供するＱスイッチ・ダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを提供するのにもまた有用であろう。発明の概要本発明の目的は、ダイオードポンプされ、且つ、音響−光学Ｑスイッチされた共焦乃至共心共振器を提供することである。本発明の他の目的は、高効率・高パワー・ダイオードポンプ・共焦−共心又は面平行−共焦共振器を提供することである。本発明の更に別の目的は、ほとんど回折制限された出力を備える、高効率・ダイオードポンプ・Ｑスイッチ・共焦−共心共振器を提供することである。本発明の別の目的は、強熱焦合を示すレーザ結晶を使用する、Ｑスイッチされた共焦−共心共振器を提供することである。本発明の目的は、繰り返しＱスイッチされる、共焦−共心ダイオードポンプ固体レーザを提供することである。偏光されたビームを提供する、Ｑスイッチされた共焦−共心ダイオードポンプ固体レーザを提供することである。本発明の更に別の目的は、強熱焦合を示すレーザ結晶を利用するダイオードポンプ固体レーザを提供することであり、該レーザ共振器は、長さが１乃至数レイリーレンジのオーダーである。本発明の目的は、高周波数・音響ー光学Ｑスイッチ・高パワー・ダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを提供することである。本発明のこれら及び他の目的は、少なくとも１つの共振器ミラーと、共振器キャビティを構成する出力カプラとを含む、高パワーダイオードポンプ・音響ー光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザで達成される。少なくとも１つの音響ー光学Ｑスイッチデバイス及び、強熱焦合特性を備える少なくとも１つのレーザ結晶は、共振器キャビティに配置される。１又はそれ以上のダイオードポンプソースは、出力ビームを生成するために、ポンプビームをレーザ結晶に供給する。別の実施形態では、本発明は、高パワー・ダイオードポンプレーザである。少なくとも１つの共振器ミラーと出力カプラが含まれている。また、強熱焦合特性を備える少なくとも１つのレーザ結晶を提供する。少なくとも１つのダイオードポンプソースが、ポンプビームをレーザ結晶に供給する。少なくとも１つの音響ー光学Ｑスイッチは、パルス出力を提供するのに使用される。このことは、レーザ結晶に熱レンズを作り出す。レーザ結晶と、熱レンズと、共振器ミラーと、出力カプラとの組み合わせは、長さが０．５レイリーレンジより大きい共振器を作る。更に、ほぼ回折制限された、高効率・ダイオードポンプレーザが、共焦ー共心共振器を含む。強熱レンズレーザ結晶が共振器に配置されている。ダイオードポンプソースは、出力ビームを作り出すため、及び、レーザ結晶にＴＥＭ₀₀モード直径より大きなポンプビーム直径を作るために、ポンプビームを、共振器のレーザ結晶に供給する。音響ー光学Ｑスイッチが、パルス出力を提供するために使用される。更なる実施形態では、レーザは、マルチポートであって良く、１又はそれ以上の折り畳みアームを含んでも良い。共振器は、多数のレイリーレンジと、ＴＥＭ₀₀モードにおける約４０％以上の光学スロープ効率とを有することができる。レーザは、約２５％以上の光学効率を有しても良く、結晶のポンプビーム直径に対する、レーザ結晶のＴＥＭ₀₀モード直径の比は、約１．０乃至０．８３より小さい。出力ビーム直径がＴＥＭ₀₀モード直径より大きいので、熱複屈折を減少させることができる。ある例では、レーザはＱスイッチを含む。重要な実施形態は、音響ー光学Ｑスイッチ・高パワーダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザである。別の重要な実施形態は、レジスタトリミングするための、音響ー光学Ｑスイッチ・エンドポンプＮｄ：ＹＡＧレーザである。様々な異なるレーザ結晶材料は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄及びＮｄ：ＹＡＧに限定されないが、それらを含んで使用し得る。図面の簡単な説明図１（ａ）は、２ミラー共振器の安定ダイアグラムである。該ダイアグラムは、レンズを備えたそれらを含む、異なるタイプの共振器の安定パラメータを示す。理想的な共焦共振器は、ｇ₁及びｇ₂が０に等しい場合である。図１（ｂ）は、長さがＬであり、それぞれＲ₁，Ｒ₂の曲率半径を各々有する、ミラーＭ₁，Ｍ₂を備えた単一の２ミラー共振器の概略図を示すが、図は、レーザ結晶は含んでいない。図１（ｃ）は、内部キャビティレンズを備えた２ミラー共振器を図示する。図２は、単一の２ミラー共焦共振器の概略図である。かかるミラーは、それぞれ、曲率半径Ｒ₁，Ｒ₂を各々有し、距離Ｌだけ離れている。図３は、２つのミラーを備えた、半対称共焦共振器の概略図である。ミラーのうちの１つは平らである。湾曲したミラーは、２Ｌに等しいＲ１という曲率半径を有し、ここでＬは２つのミラーの間の距離である。平らなミラーは無限に等しい曲率半径を有する。図４は、Ｎｄ：ＹＦＬレーザ結晶を使用する長半径ミラー共振器の概略図であり、比較のためにＮｄ：ＹＶＯ₄結晶を使用するレーザのモードサイズを示す。図５は、比対称共振器の概略図である。図６は、折りたたまれており、且つ、単一のポートを有する、対称共振器の概略図である。図７は、２ポート共振器の概略図である。図８は、Ｌ１，Ｌ２とＬ３との間の関係を示すために、折り畳みを除去するために引き離された図７の共振器の概略図である。図９は、ダブル「Ｚ」折り畳み共振器の概略図である。図１０は、Ｎｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ4を利用する、共焦ー共心「Ｚ」共振器の概略図である。この共振器は、光学的Ｑスイッチと任意の偏光デバイスを含む。図１１は、強熱レンズを含む共焦ー共心共振器におけるＴＥＭ₀₀モードサイズの概略図である。詳細な説明本発明の高効率、高パワーダイオードポンプレーザは、共振器ミラーと、ほぼ共焦の共振器を構成する出力カプラとを有する。レーザ結晶は、共振器光軸に沿って共振器に位置決めされている。ダイオードポンプソースは、ポンプビームをレーザ結晶に供給し、出力ビームを作り出す。パワーソースはパワーをダイオードポンプソースに供給する。アパーチャストップは改良されたＴＥＭ₀₀オペレーションに包含され得る。本発明の目的に関して、ほぼ共焦の共振器は、正確な共焦を意味し、また以下のことを含む：対称共振器は、ここでｇ₁＝ｇ₂、及び、ｇ₁、ｇ₂＜０．５、若しくは、キャビティ長Ｌが、共振器固有振動モードのウエストのレイリーレンジの約２倍であり、ここでレイリーレンジはＲ＝ｗｏ²／λであり、ここで、ｗｏはウエスト半径サイズであり、λは波長である。完全な対称共焦共振器は、ｇ₁＝ｇ₂＝０、若しくは、正確にＬ＝２Ｒである。共振器が半対称ならば、次いで、ｇ₁又はｇ₂は〜１、及び、他のｇパラメータは０．５付近であり、若しくは、キャビティ長Ｌは共振器固有振動モードのウエストの約１レイリーレンジである。更に、ほぼ共焦はまた、ほぼ共焦対称及び半対称共振器で性質を分ける長さＬのこれらの非対称共振器を含む。ｇパラメータは上記定義と異なるかもしれないが、共振器の長さは、上で定義された１乃至２レイリーレンジのオーダーである。共焦乃至共心共振器は、（ｇ₁）（ｇ₂）がおおよそ０．５に等しい場合として定義されている。これらの共振器は、周知のように、ｇパラメータの小さな変化に対して比較的鈍感であるモードサイズを特徴づける。このことは、たとえ該共振器が完全な対称でないとしても、当てはまり得る。これらの共振器の設計は、それらが完全な対称でなくても、好ましい性質を示す。更に、これらのタイプの共振器は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄又はＮｄ：ＹＡＧのような、強い熱焦合を示す材料でよく働き、これらのレーザが繰り返しＱスイッチ手段で使用されるとき、よく働く。例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの周波数が２０ｋＨｚから１ｋＨｚに変化するとき、レーザから抽出される平均パワーは、ポンピングパワーが一定に保たれるならば、典型的には一定ではない。ランプ・パルスシステムでは、典型的には、パワー抽出におけるこの変化が、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶のランプポンプ誘導熱レンズに最小の影響を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶における多量の熱損失がある。しかしながら、ダイオードポンプシステムでは、パワー抽出におけるこの変化は、ダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧ結晶の熱レンズに対して著しく且つ問題が多い影響を有するかもしれない。レーザが２０ｋＨｚ（例えば、６乃至１０Ｗ出力）で最大出力となるように最適化されているとき、この影響は、高パワーダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザの安定した１ｋＨｚＱスイッチ作動（例えば、１乃至２Ｗ出力）を妨げるのにちようど十分であり得る。周波数の調整及びパワー抽出は、ダイオードポンプ誘導熱レンズの有効焦点距離の過度の変更をもたらし得る。この問題は、レーザキャビティにおいて変化する焦合要素としてＮｄ：ＹＡＧ結晶の熱レンズを利用して、共焦乃至共心共振器を作ることによって本発明で解決される。周波数の大きな変化が、ダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザの出力空間特性の最小の変化で、とても良好なパルスの安定を有して、５０ｋＨｚからとても低い周波数まで可能である。このレーザは、抵抗トリミングアプリケーションに関して有用であり、周波数は、特定のレジスタ材料に関する処理要求によって変化する。面平行と共焦との間である共振器は、（ｇ₁）（ｇ₂）＝０．５を有することができ、共焦乃至共心共振器に対して同様の好ましい特徴を有することができる。それゆえ、共焦乃至共心共振器の議論は、共焦共振器に対する面平行にまで及ぶ。長さが少々のレイリーレンジ（例えば、１乃至５レイリーレンジ）である共振器長は、熱レンズ収差に対して比較的鈍感であると見受けられ、この発明の一部分であるとみなされる。レイリーレンジは、周知のようにＷ₀ ²／として定義され、ここでこの場合では、ビーム半径サイズＷ₀はキャビティ内側ウエスト、すぐ近くのキャビティ外側ウエスト、若しくは、すぐ近くの仮想の又は明白な共振器のウエストの半径である。このタイプの固有ビーム伝達を有する共振器は、モードサイズ／ポンプサイズ比が１に近い又は１より大きく、対称でない共振器でさえ、熱レンズの収差のための損失に対してより小さな感度である。本発明の目的のために、以下の定義を適用する：強熱レンズ：ポンプ誘導レンズの焦合パワーは、レーザ共振器の他のオプティクスのものに対して少なくとも匹敵するものである。強熱レンズは、共振器内のレーザ共振器固有振動モードのサイズ及び発散を著しく変更させる。弱熱レンズ：ポンプ誘導レンズの焦合パワーは、ミラー及び典型的なレンズのようなレーザ共振器の他のオプティクスのものよりも実質的に低い。レーザ共振器の他のオプティクスは、共振器固有振動モードのサイズ及び発散を指示する。本発明のレーザは、２５％より大きな光学的効率を有する。好ましい実施形態では、その光学的効率は４０％より大きい。レーザの高パワー偏光ＴＥＭ₀₀オペレーションは、ＴＥＭ₀₀モードで４Ｗよりも大きな出力ビームである。出力ビームのパワーの少なくとも９５％が、1.2 より小さいＭ²値として測定されるならば、その出力は実質的にＴＥＭ₀₀、又は、近くの回折限界であり、ここで、Ｍ² は、実際に測定された共焦パラメータに対して、キャビティ外側ウエストサイズによって予測された、ビームの理論的な共焦パラメータの比として定義される。好ましい実施形態では、Ｍ²は1.05より小さい。出力ビームプロファイルは、少なくとも理想的なガウスプロファイルの１０％以下の最小二乗の偏差を有する。好ましい実施形態では、この逸脱は１％より小さく、出力ビームは実質的には偏光されている。更に、ある実施形態では、結晶のダイオードポンプ誘導熱レンズが、放物線プロファイルによって定義されない半径の関数として光路差を与えるとき、レーザはレーザ結晶を使用し得る。図４では、長半径ミラー共振器３８は高反射ミラー４０は、出力カプラ４２、レーザ結晶４３、及び、ダイオードポンプソース４４を有する。レーザ結晶４３が、Ｎｄ：ＹＬＦであり、結晶４３に約０．７ｍｍの直径を有する入射のポンプビーム４６を有しているならば、ＴＥＭ₀₀モード直径４８は約１ｍｍであり、共振器３８に適切な定数を保持する。Ｎｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ₄のような強熱収差を有する強熱レンズ材料では、同じポンプ直径は約０．５６ｍｍのＴＥＭ₀₀ モード直径５０を作り出すことができる（熱レンズのため、このことにより、共振器の他のオプティクスとの組み合わせでポンプビームは生成させられる）。ＴＥＭ₀₀モードサイズはポンプ直径よりも僅かに小さい。レーザは、在来のモード適合からのこの逸脱にもかかわらず、高効率である。ポンプスポットのエッジの収差からの回折損失のために、この構成は最適である。ダイオードポンプソース４４は、単一ダイオード、空間的なエミッタ、ダイオードバー又は複数のダイオード、ダイオードアレイ、若しくは、ダイオードバーであってよい。適切なダイオードソース４４は、カリフオルニア州インダストリイ市のＯｐｔｏＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なモデルNo.O PC-A020-810-CSである。同様のモデルは、B020である。２つ、又は、必要ならばそれ以上のような、複数のダイオードが典型的には使用される。しかしながら、入手可能なパワーが十分であるならば、１つでも使用することができる。ダイオードソース４４の好ましい波長は、７９５乃至８１５ｎｍの範囲である。特定の結晶のピーク吸収波長は、おおよそ以下に示す通りである：Ｔｍ：ＹＡＧは７８５ｎｍ、Ｎｄ：ＹＬＦは７９７ｎｍ、Ｎｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＶＯ₄は８０９ｎｍである。ダイオードソース４４は、１又はそれ以上の光ファイバー５２に結合される。結合は、米国特許第5,127,068 号に説明されているように達成されることができる。適当なファイバー５２は、シリカクラッディングを備えたシリカコアを有するそれらに限定されないが包含する。本発明はまた、ファイバー結合でないダイオードを利用することができる。ダイオードソース４４からの出力ビームを焦合するための望遠鏡配置が設けられているので、レーザ結晶４３に入射光がある。ある実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ₄では、望遠鏡配置は第１レンズ５４と第２レンズ５６とを含み、結晶４３の裂け目を避けるためにポンプビーム４６のサイズを最適化するが、ポンプビーム直径に対するＴＥＭ₀₀モード直径の比が１より小さく（例えば、〜0.85）なるようにポンプビームを作り出す。他の実施形態では、ＱスイッチレーザのＮｄ：ＹＡＧでは、この比は（〜０．８５のように）１より小さいか又は１に近いが、共振器は長さが２、３レイリーレンジであり、また、（ｇ₁）（ｇ₂）が0.5 付近である。レンズを有しない共焦共振器では、２つの対向ミラーが使用され、曲率半径Ｒ₁ 及びＲ₂をそれぞれ有し、２つのミラーが距離Ｌによって分けられており、ここでＲ₁＝Ｒ₂＝Ｌである。これはまた、完全な共焦共振器である。熱レンズが共振器のモード伝達に強い影響を有するので、強い熱レンズは理想的な距離及び曲率を変化させる。強熱レンズ材料は本発明でレーザ結晶として使用することができる。適当な強熱レンズ材料は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＰＯ₄、Ｎｄ：ＢＥＬ、Ｎｄ：ＹＡＬＯ及びＮｄ：ＬＳＢに限定されないが、これらを含む。好ましい材料はＮｄ：ＹＶＯ₄であり、ノースカロライナ州Charlotte のLitton-Airtron から入手可能である。Ｎｄの原子パーセントは0.5 乃至3.0 ％の範囲であり、好ましくは、約0.6 乃至0.9 ％であり、最も好ましくは、0.8 ％である。1.064 μ ｍでの高連続波パワーで構成された実施形態が、ドーパントレベル約0.5 ％のＮｄ：ＹＶＯ₄で利用されている。このレーザは、２６Ｗのポンプパワーに関してＴＥＭ₀₀モードにおいて１３Ｗ以上生成する。Ｎｄ：ＹＶＯ₄は、Ｎｄ：ＹＬＦと比較して、高利得及び短い上位状態ライフタイムを示すので、ある応用に関して魅力的な材料である。Ｎｄ：ＹＡＧは中間の利得、及び、中間の上位状態ライフタイムを有する。Ｎｄ：ＹＶＯ₄はまた、〜８０９ｎｍのダイオードポンプ波長でその吸収係数が非常に高く、ダイオードポンプビーム４６の効果的な結合を許すので、ダイオードポンプに適している。Ｎｄ：ＹＶＯ₄の光学的、熱的及び機械的な特徴は、その「ａ」軸及び「ｃ」軸によって異なる。「ａ」軸に平行な方向の熱膨張係数は、「ｃ」軸に平行なものより約２．５倍小さい。温度の関数としての屈折率の変化は、「ｃ」軸と「ａ」軸に沿って約２．８倍だけ異なる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄が非常に強複屈折であるので、２つの結晶光学軸の屈折率の間で１０％より大きく異なる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄及び、強い熱レンズ特性を有する他の結晶は、１９９４年２月４日に出願された、米国特許出願第08/191,654号に記載されているように、結晶の熱伝導の適当な制御によって、円状のような、制御された楕円状の熱レンズを有することができる。図５では、半対称共振器５８はレーザ結晶６０を有する。共振器ミラー６２及び出力カプラ６４は共振器キャビティの長さＬを定義する。図５では、この開示における全ての図を通じた、同じ参照番号を同じ要素に表示する。共振器ミラー６２とレーザ結晶６０との間の距離がＬ１であり、出力カプラ６４とレーザ結晶６０との間の距離がＬ２である。共振器５８は、Ｌ１≪Ｌ２、Ｆ＝Ｌ、及び、Ｒ１，Ｒ２≫Ｌのとき、ほとんど完全な共焦共振器になるように作られ得る。Ｒ１は共振器ミラー６２の曲率の半径であり、Ｒ２は出力カプラ６４の曲率半径であり、Ｆはレーザ結晶６０の焦点距離である。更に、Ｎｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ₄のような強い熱レンズ材料が、その焦合パワーが共振器及びその安定性を修正するのが望ましいレーザ結晶６０として使用することができる。本当は、図１（ａ）の安定ダイアグラムにおいて、このレーザのｇパラメータの位置は、完全な共焦共振器の方へより移動される。強い熱レンズの効果は、平らなミラーと同一の共焦共振器を作るのに十分であり得る。しかしながら、湾曲したミラーが採用されるならば望ましい。このことは、ミスアライメントに対するレーザの感度を改良することができる。別の有用な構成は、共焦乃至共心であり、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザに関して特に有用である。図６は、折りたたまれた幾何学構造を有する対称付近共焦共振器６６を示す。共振器は、曲率半径Ｒ１をもった出力カプラ６８、及び、曲率半径Ｒ２をもった共振器ミラー７０によって構成される。Ｌ１は、出力カプラ６８とレーザ結晶７２との間の距離であり、Ｌ２は、共振器ミラー７０とレーザ結晶７２との間の距離である。折りたたまれたミラー７４は典型的には平らであり、それゆえ、無限に等しい曲率半径Ｒ３を有する。対称共振器に関して、Ｌ１＝Ｌ２、及び、Ｒ１＝Ｒ２である。レーザ結晶７２は、制御された楕円の熱レンズを持ったＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ₄のような、強い熱レンズ材料である。図７に示したような、「２ポート」共振器７６は、Ｒ１の曲率半径を有する出力カプラ７８と、曲率半径Ｒ２をもった共振器ミラー８０と、共振器７６の折り畳みアームを構成する２つの折り畳みミラー８２及び８４とによって構成される。用語「ポート」は、ダイオードポンプ光が入力であるポイントを言う。２つのレーザ結晶８６及び８８は、折り畳みアーム光軸９０に沿って位置決めされる。２つの結晶が示されているが、１つを使用することは可能である。２つのダイオードポンプソース４４と、２つの光ファイバー５２のセットと、レンズ５４及び５６の望遠鏡配置の２つのセットとが含まれる。１つのダイオードポンプソースと二股のファイバー束とを使用するのが可能である。２つのポンプソースが共振器７６の出力パワーを増加するのに使用される。レーザ結晶に対する損傷を最小限にするために、２つの結晶８６及び８８が使用される。結晶８６及び８８は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄に限定されないが、それを含む強い熱レンズ材料から作ることができる。単一のＮｄ：ＹＶＯ₄結晶が使用されるとき、１つの結晶だけを使用することがまた可能であり、２６Ｗの入射ポンプ光に関してＴＥＭ₀₀出力の１３Ｗ以上を生成するのが可能である。折り畳みミラー８２及び８４は二色性である。オプティクスはレーザ波長でＨＲであり、ポンプ波長でＨＥである。それらは「ポンプウィンドウ」と呼ばれる。ダイオードポンプソース４４から各々来る２つのポンプビームは、全てのポンプパワーの半分を各々提供する。また、このことは、レーザ結晶の入射面の裂け目制限を越えないように、マージンを与える。２つのポンプビームは、レーザ結晶のそれらの逆平行と、共振器７６のＴＥＭ₀₀モードに関するそれらの同軸伝達とを保証するような仕方で構成される。このことは、円筒形状のポンプの体積と、通常の放射状の対称合成熱レンズとを作り出す。ポンプ光をレンズ５４及び５６を介して結晶８６及び８８に結像する、２つの望遠鏡デバイスの最適横断アライメントは、１つのファイバー５２、又は、ファイバーの束を介してダイオードソース４４からのポンプ光が、レーザ結晶８６及び８８がないときに、他のファイバー５２、又は、ファイバーの束に適当に結合されることを保証することによって達成することができる。結晶８６及び８８を挿入したとき、望遠鏡の横断アライメントの更なる調整を著しくさせる必要が無いが、全体的な望遠鏡システムが適所にロックされているので、いくらかの調整が望まれるであろう。２つの望遠鏡の長て方向の位置の単なる最適化が、結晶８６及び８８の挿入後に必要とされるであろう。出力カプラ７８と共振器ミラー８０がまた、ポンプされた円筒形体積の同心と、共振器７６のＴＥＭ₀₀モードとを確実に適応し得る。アパーチャ９２は、最も低いオーダーのモードで振動を保証するように含まれ得る。このことは典型的に要求され得る。Ｎｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ₄のような強い熱レンズ結晶が使用されたとき、結晶８６及び８８における熱レンズの重要性は、共振器７６キャビティが共焦付近であるような場合である。共振器７６がその中心に関して幾何学的に対称であれば、結晶８６及び８８の両方のモードサイズはほとんど同一であり、熱レンズの収差部分が最小になるような損失にさせる。２つの高い収差ポンプボリュームにおけるＴＥＭ₀₀モードサイズは、ほとんど同一である。更に、結晶８６及び８８の２つのポンプボリュームはほとんど同一である。結晶８６と８８の近位端によって、それらがほぼ単一の複合レンズとして作用することを可能にし、それらと共振器７６の空間モードとの間の望まないダイナミックな振る舞いを最小にすることができる。共振器７６の中心点への結晶８６及び８８の近位端は、その対称を確実にする。単結晶をまた使用することができる。特に、共振器の特徴が、共焦乃至共心、又は、面平行乃至共焦共振器に関するそれらの記載と似ているとき、良い結果がまた、幾分非対称の共振器でも得られることができることに注意すべきである。例えば、非対称共振器が、周知のように、積（ｇ₁）（ｇ₂）＝０．５をまだ有することができる。ある実施形態では、共振器はおおよそ２０ｃｍの全長を有し、複合熱レンズ結晶８６及び８８は、約９ｃｍに等しいおおよその複合焦点距離Ｆのキャビティの中心である。単結晶をまた、使用することができる。これは、１３Ｗ入射パワー／ポートを達成する。アパーチャ９２が、ＴＥＭ₀₀オペレーションを保証するのに使用される。この実施形態では、２色性折り畳みミラー８２及び８４は平らである。更に、この実施形態では、出力カプラ７８及び共振器ミラー８０は平らであるか、若しくは、長い曲率半径のものである。別の実施形態では、共振器７６は、同じ熱レンズパワーを備え、約２３ｃｍの長さを有し、平らな折り畳みミラー８２及び８４を含む。しかしながら、出力カプラ７８及び共振器ミラー８０は６０ｃｍの曲率のものである。この実施形態の共振器は、ミラー曲率のために低いパワーで合わせるのが容易であり、すばらしいポインティング安定性及びミスアライメントに対する鈍感さを示す。Ｎｄ：ＹＶＯ₄が使用されるとき、１３Ｗ以上の出力パワーが、２６Ｗの入射ダイオードポンプパワーに関するＴＥＭ₀₀モードの回りで生成することができ、それゆえ、光学系ー光学系効率＞５０％である。両方の実施形態で、共振器はほぼ共焦であり、共振器の一端から他端へのモードサイズは、√２倍よりも大きくない値まで変化する。ある場合では、これらの共振器は共焦乃至共心である。この場合では、モードサイズは共振器の一端から他端まで約２倍だけ変化し、共焦共振器の場合に類似している。図１（ａ）の安定ダイアグラムに関して、両方の共振器は、共焦と面平行との間にある、上半分と比較して、共焦と共心との間に、ダイアグラムの下半分にある。ポンプビーム直径に対する結晶８６及び８８のＴＥＭ₀₀モード直径の比は、１．２から下は０．６である。ある実施形態では、それは０．８３である。結晶８６及び８８のＴＥＭ₀₀モード直径の比は、ある実施形態の１より小さい。ファイバー束が利用されているとき、ほとんど頂上位置形状ポンプビームの直径に対する、各結晶８６及び８８のＴＥＭ₀₀モード直径の比は、約０．８３の単位元よりも小さい。結晶８６及び８８のＴＥＭ₀₀モード直径は、モード強度がそのピーク強度の１／ｅ²（〜１３．５％）である直径として、伝統的に定義されている。結晶のポンプビーム直径は、結晶のポンプビームの像の直径として定義されている。ポンプビームの強度分布は頂上位置プロファイルに近い。以前に調査した人が、強い又は弱い熱レンズ材料のいずれに関しても、比が１よりも小さいならば効果的でないレーザとなることを指摘しているけれども、本発明は異なる結果を与える。ある実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、結晶面「ｃ」を介する熱伝導の管理、及び、ファイバー結合ダイオードポンプソースの使用のような、強い熱レンズレーザ結晶８６，８８の組み合わせは、ポンプパワーの広いレンジに亘ってＴＥＭ₀₀モードにおいて作動する高効率レーザとなる。Ｎｄ：ＹＡＧは同様の結果で使用することができる。ブリュースタープレートのような内部キャビティ偏光子が、良好な偏光出力を保証するのに要求される。Ｎｄ：ＹＡＧでは、熱レンズ及び熱収差が問題が多いだけでなく、熱複屈折が同様に問題が多い。本発明では、結晶のＴＥＭ₀₀モード直径が結晶のポンプビーム直径より僅かに小さいとき、両方の影響のための損失が著しく減少することを見出した。最も大きい複屈折を提供するＮｄ：ＹＡＧ結晶の面積は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶におけるポンプビーム直径のエッジである。それゆえ、最も強い減偏光効果は、在来のモード適合に関する典型的なモードサイズが使用されるときに、見られる。ＴＥＭ₀₀モードサイズが高パワーポンプビームより大きいならば、次いで、ＴＥＭ₀₀ビームの部分は、熱的複屈折領域を通過し、回転に直面し、次いで、内部キャビティ偏光子によって拒絶又は失われる。本発明において、結晶のＴＥＭ₀₀モード直径より僅かに大きいポンプビームサイズが複屈折による損失を最小にする。図８は、展開された幾何学構造における共振器７６の概略図を図示する。共振器７６におけるコンポーネントの夫々の長さを示すべきである。対称共振器に関しては、Ｌ１＝Ｌ２、Ｆ１＝Ｆ２、Ｒ１＝Ｒ２、及び、Ｌ３≪Ｌ１，Ｌ２である。ダブル「Ｚ」折り畳み共焦共振器９２が図９に図示されている。共振器９２は出力カプラ９４と共振器ミラー９６とによって構成されている。単一レーザ結晶９８、又は、２つの結晶は、第１の折り畳みアーム光軸１００に沿って位置決めされている。単一レーザ結晶１０２、又は、２つの結晶は、第２の折り畳みアーム光軸１０２に沿って位置決めされている。アパーチャ１０６が使用されている。Ｌ１〜Ｌ２、及び、Ｌ３≪Ｌ１，Ｌ２ならば、共振器９２は対称である。２ポートレーザのある実施形態は以下のような特徴を有する： (i)約１乃至１２Ｗの範囲の出力パワー、(ii)約２５％より大きな、好ましくは４０％より大きな総光学効率、(iii)４０％より大きなＴＥＭ₀₀モードにおける光学的スロープ効率、(iv)約1.2 乃至0.8 の範囲、好ましくは1.0 乃至0.83よりも小さい（Ｍ²が1.2 よりも小さく、好ましくは1.05よりも小さい）、結晶におけるポンプビーム直径に対するＴＥＭ₀₀モード直径の比、(v)約１０％、好ましくは約１％より小さいガウス分布からのビームプロファイルの最小二乗の逸脱である。Ｎｄ：ＹＶＯ₄が使用されるとき、出力ビームは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶の「ｃ」軸に平行に当然偏光される。Ｎｄ：ＹＡＧを使用したとき、システムは、偏光されていないレーザとして最適化されるか、１又はそれ以上のブリュースタープレートのような内部キャビティ偏光要素の挿入によって変更されるかのいずれかである。図１０は、任意のＱスイッチ１０４と偏光要素１０６とを含む「Ｚ」構造共振器を示す。適当なＱスイッチデバイスは、フロリダ州Melbourne のＮＥＯＳから入手可能である。音響−光学デバイス又は電子−光学デバイスのいずれも使用することができる。好ましい実施形態は、音響−光学Ｑスイッチを含む。Ｎｄ：ＹＡＧがレーザ結晶であり、偏光出力ビームが要求されているときに使用されるので、偏光要素１０６は１又はそれ以上のブリュースタープレートでありうる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄が使用されるとき、共振器の寸法は、図７の共振器７６に関して記載されたそれらに類似している。Ｎｄ：ＹＡＧが使用されるとき、同様の寸法を使用することができるが、好ましい実施形態は全長がより大きなものである。Ｎｄ：ＹＡＧの好ましい実施形態の全キャビティ長は、より大きなモードサイズとポンプビームサイズ（例えば、それぞれ０．８５ｍｍ及び１．０５ｍｍ）に対応して、およそ６５乃至７０ｃｍである。Ｎｄ：ＹＡＧシステムはおおよそ共焦乃至共心であり、ほぼ対称である。図１１は、図１０の共振器における位置の関数としてのモードサイズを示す。このモードサイズプロットは、図７の共振器のプロットに非常に似ている。ＴＥＭ₀₀モードサイズは、一端から他端に約２倍だけ変化する。レーザは、長さが約４レイリーレンジである。周波数を動的に変化させ、モードサイズと、このレンジに亘る超高Ｑスイッチ安定性との最小の変化では、０から５０ｋＨｚのＱスイッチであってよい。反対に、Ｑスイッチ周波数が変化するとき、共焦乃至共心設計でない共振器設計は不安定性を示し得る。熱複屈折は、Ｎｄ：ＹＡＧが使用されるとき、問題が多いかもしれない。更に、強い熱複屈折はＹＡＧに見られる。これらの材料の複屈折が温度の強い関数であり（ｄｎ／ｄＴが大きい）、ポンプビームによって熱のデポジションが大きな熱勾配を含むので、このことが第１である。これらの勾配はまた、屈折率の不均一な変化をももたらすストレスを有する。強い熱焦合及び熱複屈折が、設計と、高ビーム品質を備える効果的なレーザの構成とにおいて障害となり、それゆえ、高効率、高パワーダイオードバーポンプレーザにおいて、強い熱焦合及び熱複屈折を備えた材料の使用は大きな成功を収めてこなかった。レーザ媒体としてＮｄ：ＹＡＧが使用されるとき、高パワー、エンドポンプ構造における熱複屈折が更なる問題である。熱複屈折の影響は、ランプポンプＮｄ：ＹＡＧレーザにおいて良く知られている（Koechner、Solid-State Laser Engi neering 、第３巻、３９３頁参照）。多くのレーザアプリケーションは偏光ビームを要求し；熱複屈折は、レーザ結晶内のキャビティ固有振動モードの部分の空間依存偏光回転をもたらし、従って、固有振動モードが内部キャビティ偏光子を通過するときの損失をもたらす。この損失は著しいかもしれず、偏光レーザの出力パワーを激しく制限することができる。本発明では、特に、Ｎｄ：ＹＡＧを使用したとき、ポンプビームサイズより僅かに小さいＴＥＭ₀₀モードサイズが、熱複屈折のための損失を最小にすることを見出した。例えば、〜０．８５のモードサイズーポンプビームサイズの比が、高パワー・ダイオードエンドポンプ・偏光・Ｎｄ：ＹＡＧレーザを最適にし得るのを見出した。Ｎｄ：ＹＶＯ₄が使用されるとき、利得は、Ｎｄ：ＹＡＧを備えるそれらよりもより高くなり得る。このことは、ＹＡＧのものより何倍も大きい、誘導放出された放出断面積のためである。例として、各端で１３Ｗ（トータル２６Ｗ）によってポンプされた１つのＮｄ：ＹＶＯ₄結晶を備えた共焦乃至共心共振器では、３０以上のラウンドトリップ小信号利得が達成される。高利得が短いパルス生成を与えるが、当業者は典型的には、音響−光学Ｑスイッチよりも大きな損失及び速いターンオフ時間を典型的に提供する、電子−光学Ｑスイッチを選択する。例えば、カリフォルニア州マウンテンヴューのSpectra-Physics Lasersから入手可能なＴＦＲ製品では、電子−光学Ｑスイッチが、超高利得ダイオードポンプレーザに使用されている。しかしながら、電子−光学デバイスを使用することの欠点がある。それは、Ｑスイッチデバイスの適当な性能を維持しながら、２０乃至５０ｋＨｚのような高周波数でそれらのデバイスを駆動させることがより困難なことである。更に、これらのデバイスは典型的には、提供するのに時々不都合である高電圧パルスを必要とする。一方、音響−光学Ｑスイッチを高周波で変調することは簡単である。Ｍ．Ｓ．Ｋｅｉｒｓｔｅａｄ等による諭文ＣＦＭ４（ＣＬＥＯ Technical Dig est 、１９９３年、第１１巻、Optical Society of America）で、エンドポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザが、２．５Ｗの出力パワーレベル、Ｍ²〜１．５のビーム品質で音響−光学的にＱスイッチされることができると報告されてきた。この報告に基づけば、エンドポンプ・Ｑスイッチ設計のままで、そのパワーをはげ落とすことができるならば、このビーム品質がＭ²＝１．１に近づくように改善することができることは明らかではない。熱収差は、ＴＥＭ₀₀モードレーザの規模を制限すると報告されており、より高い利得は、音響−光学Ｑスイッチを困難にする、ある高パワーエンドポンプ構造から得られることができる。Ｍ²〜１．１のビーム品質及び〜４Ｗのパワーが、同様のＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザで生成することができることがまた、報告されている（Nighan等、ＯＥ／ＬＡＳＥＲ１９９５、ＳＰＩＥ２３８０）。高パワー（＞４Ｗ）連続波（ＣＷ）エンドポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを作ることができると（Nighan Jr.等による論文ＣＭＤ５、ＣＬＥＯ Technical Digest 、１９９５年、第１５巻、Optical Societ y of America、この発明の発明者によって）報告されているが、Ｑスイッチの結果は、その当時発明者によって報告されていない。従来技術は、高パワー（＞４Ｗ平均出力パワー）、ダイオードポンプ高周波（＞１０ｋＨｚ）、音響−光学Ｑスイッチ、良好なビーム品質（Ｍ²〜１．５）Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザエンドポンプを構成することを示していない。共焦乃至共心・高パワーＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの好ましい実施形態は、音響− 光学Ｑスイッチを含むことができ、およそ２０ｎｓｅｃのパルス継続時間と、Ｍ² 〜１．１のビーム品質を備えた、５０ｋＨｚの周波数で１０Ｗの平均出力パワーまで提供する。このレーザはまた、〜１４ｎｓｅｃのパルス継続時間を備え、２０ｋＨｚで８Ｗの出力を提供する。このレーザのＣＷ型では、２６Ｗの総ポンプパワーが使用される。出力カプラ反射率は約６５％である。レーザ共振器パス長は約２５ｃｍである。結果として生じる熱焦合パワーは、好ましい実施形態で共焦乃至共心であるレーザとなる。完全な対称キャビティは要求されていないが、好ましい実施形態はほぼ対称である。Ｑスイッチは、ＲＦパワーが印加されるとき、レーザ発振を抑制するために、適当な損失変調を提供する必要がある。完全な抑制が望まれている一方で、ある低レベルＣＷレーザ発振即ち漏出が許容され得る（例えば、５０ｋＨｚでＱスイッチされているとき、１０Ｗを提供し得るレーザから５００ｍＷの漏出がある）。ある低レベルの漏出は、例えば、１０ｋＨｚ以上の周波数で、高周波Ｑスイッチには逆に影響しない。フロリダ州Melbourne のＮＥＯＳから入手可能なＳＦ１０デバイスは、おおよそ５ＷのＲＦパワーが印加されたとき、適当である。単一パス損失変調は７０％より大きく、即ち、スループットは＜３０％である。より高い損失変調は、レーザ発振の完全な抑制を保証するために好ましい。他の音響 −光学Ｑスイッチデバイスはまた、十分な損失が提供されるならば、適当である。いかなるＱスイッチの別の重要なパラメータは、そのオープニング時間、即ち立ち上がり時間である。レーザ性能に対するこの影響の結果は、良く知られており、１９８６年、Siegman によるＬａｓｅｒｓの第２６章に記載されている。典型的には、音響−光学Ｑスイッチに関して、この時間は、１ｍｍアパーチャに関しておおよそ１００ｎｓｅｃであり、それゆえ、０．５ｍｍアパーチャに関しては〜５０ｎｓｅｃである。Ｑスイッチは、キャビティで早いシャッタのように作用し、この時間を、そのオープニング時間と呼ぶ。それは典型的には、音響−光学材料の音響速度によって制限される。高エネルギ・フラッシュランプポンプＮｄ：ＹＡＧレーザのような、超高利得レーザに関して、この立ち上がり時間は、キャビティ内のレーザパルスのビルドアップ時間に対して非常に遅く、それゆえ、効率の悪いオペレーションにつながる、とても損失の大きいＱスイッチとなりうる。高パワー（４Ｗ出力以上）ダイオードエンドポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザはまた、高利得レーザであるが、音響−光学Ｑスイッチングは、この型における所定の状況下で使用することができる。第１に、デバイスは、適当な損失を提供する必要があり、第２に、それは、Ｑスイッチレーザキャビティ内のレーザパルスのビルドアップ時間に関して許容可能な早さであるオープニング時間を有しなければならない。損失変調がおおよそ７０％またはそれ以上であり、且つ、レーザの周波数が１０ｋＨｚより高いとき、高パワー（＞４Ｗ）・ダイオードポンプ・音響−光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの実施形態は、これらの要求を満たす。高周波数要求は、レーザキャビティ内のレーザパルスのビルドアップ時間を制限する。このビルドアップ時間は、レーザの周波数が増加するにつれて増加することが良く知られている。この実施形態では、１０ｋＨｚ以上のオペレーションは、十分長いビルドアップ時間を保証する。音響−光学Ｑスイッチによって提供される損失変調を増加させるために、複数のＱスイッチデバイスを単一のダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ内で使用することができる。更に、複数のレーザ結晶を単一のダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ内で使用することができる。図９に示すように、もし必要ならば、レーザ共振器の別々のアームに各結晶を配置することができる。高パワー・ダイオードポンプ・高周波数・音響−光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄ レーザの実施形態を図１０に示す。それは好ましい実施形態におけるエンドポンプであるが、適切なケアが行われるならば、サイドポンプを採用することができる。好ましい実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶のドーパント濃度は約０．５％である。ファイバー束の出力とレーザ結晶との間の減偏光要素が、示されていないが、更に含まれる。これは、ファイバー状態の関数として、レーザ結晶のポンプ光の均一な吸収を保証する。その実施形態は、４Ｗ以上１０Ｗまでの出力パワーを提供する。それはまた、１０ｋＨｚ以上の周波数で、短いパルスを与える。高周波数で、その生成されたパルスは、他の媒体で生成されたそれらよりも著しく短い。これは、こう誘導放出断面積と、結果として生じる高利得のためである。完全な対称が望まれていないといえども、キャビティの設計は名目上対称である。Ｑスイッチデバイスのいかなる熱レンズ生成も、キャビティが最適化されたとき、考慮されるべきである。好ましい実施形態はまた、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶のＴＥＭ₀₀モードサイズより幾分大きいポンプビームサイズを有する。モード制御アパーチャは典型的には、ＴＥＭ₀₀オペレーションを保証するのに要求される。特に記載された実施形態を変更及び修正することは、添付した請求の範囲によってだけ制限される本発明の範囲から逸脱することなく、行うことができる。本発明の好ましい実施形態の先の記載は、例示及び説明の目的で示されている。それは、本発明を正確な形態で開示するのを制限したり、消耗させたりするものではない。言うまでもなく、多くの修正及び変更が当業者には明らかである。本発明の範囲は、以下の請求の範囲及びそれらの均等の範囲によって定義される。

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者ダドリーディヴィッドアールアメリカ合衆国カリフォルニア州 94018 エルグラナーダアベニューバルボア 254

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも１つの共振器ミラーと、共振器を構成する出力カプラと、少なくとも１つの音響−光学Ｑスイッチデバイスと、強熱焦合特性を備え、共振器に位置決めさる、少なくとも１つのレーザ結晶と、パワーをダイオードポンプソースに供給する電源と、を有する、高パワーダイオードポンプ・音響−光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ。２．少なくとも１つの共振器ミラーと、共振器キャビティを構成する出力カプラと、少なくとも１つの音響−光学Ｑスイッチデバイスと、共振器キャビティに位置決めされ、強熱焦合特性を備えた、少なくとも１つのレーザ結晶と、ポンプビームがレーザ結晶又は結晶に熱レンズ又はレンズを作り、レーザ結晶又は結晶、熱レンズ又はレンズ、共振器ミラー、及び、出力カプラの組み合わせが出力ビームを生成する共焦乃至共心共振器を作り出し、ポンプビームをレーザ結晶又は結晶に供給する、少なくとも１つのダイオードポンプソースと、パワーをダイオードポンプソースに供給する電源と、を有する、高パワーダイオードポンプ・音響−光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ。３．少なくとも１つの共振器ミラーと、共振器キャビティを構成する出力カプラと、少なくとも１つの音響−光学Ｑスイッチデバイスと、共振器キャビティに配置され、強熱焦合特性を有する、少なくとも１つのレーザ結晶と、結晶をエンドポンピングするポンプビームが、出力ビームを生成し、ポンプビームをレーザ結晶に供給する少なくとも１つのダイオードポンプソースと、パワーをダイオードポンプソースに供給する電源と、を有する、高パワーダイオードポンプ・音響−光学ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄ レーザ。４．ポンプビームが、レーザ結晶をエンドポンプする、請求の範囲第２項に記載のレーザ。５．Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ結晶が０．５％のドーピングを有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。６．Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ結晶が０．５％のドーピングを有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。７．Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ結晶が０．５％のドーピングを有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。８．結晶のポンプビーム直径に対する、レーザ結晶のＴＥＭ₀₀モード直径の比が、約１．０乃至約０．８３以下である、請求の範囲第２項に記載のレーザ。９．結晶のポンプビーム直径に対する、レーザ結晶のＴＥＭ₀₀モード直径の比が、約１．０乃至約０．８３以下である、請求の範囲第３項に記載のレーザ。１０．レーザが、約４０％以上のＴＥＭ₀₀モードにおける光学スロープ効率を有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。１１．レーザが、約４０％以上のＴＥＭ₀₀モードにおける光学スロープ効率を有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。１２．レーザが、約４０％以上のＴＥＭ₀₀モードにおける光学スロープ効率を有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。１３．レーザが、約２０％以上の光学効率を有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。１４．レーザが、約２０％以上の光学効率を有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。１５．レーザが、約２０％以上の光学効率を有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。１６．出力ビームが、約４Ｗより大きなパワーを有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。１７．出力ビームが、約４Ｗより大きなパワーを有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。１８．出力ビームが、約４Ｗより大きなパワーを有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。１９．ダイオードポンプソースが、ダイオードバーである、請求の範囲第１項に記載のレーザ。２０．ダイオードポンプソースが、ダイオードバーである、請求の範囲第２項に記載のレーザ。２１．ダイオードポンプソースが、ダイオードバーである、請求の範囲第３項に記載のレーザ。２２．ダイオードポンプソースがファイバー結合ダイオードバーである、請求の範囲第１項に記載のレーザ。２３．ダイオードポンプソースがファイバー結合ダイオードバーである、請求の範囲第２項に記載のレーザ。２４．ダイオードポンプソースがファイバー結合ダイオードバーである、請求の範囲第３項に記載のレーザ。２５．アパーチャを更に有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。２６．アパーチャを更に有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。２７．アパーチャを更に有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。２８．Ｍ²＜１．５の出力ビームを更に提供する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。２９．Ｍ²＜１．５の出力ビームを更に提供する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。３０．Ｍ²＜１．５の出力ビームを更に提供する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。３１．１０ｋＨｚ以上の周波数で、Ｑスイッチされたパルスの列を有する出力ビームを提供するように変調されたＱスイッチデバイスを有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。３２．１０ｋＨｚ以上の周波数で、Ｑスイッチされたパルスの列を有する出力ビームを提供するように変調されたＱスイッチデバイスを有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。３３．１０ｋＨｚ以上の周波数で、Ｑスイッチされたパルスの列を有する出力ビームを提供するように変調されたＱスイッチデバイスを有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。３４．少なくとも１つのダイオードポンプソースと少なくとも１つのレーザ結晶との間に、少なくとも１つの減偏光デバイスを更に有する、請求の範囲第１項に記載のレーザ。３５．少なくとも１つのダイオードポンプソースと少なくとも１つのレーザ結晶との間に、少なくとも１つの減偏光デバイスを更に有する、請求の範囲第２項に記載のレーザ。３６．少なくとも１つのダイオードポンプソースと少なくとも１つのレーザ結晶との間に、少なくとも１つの減偏光デバイスを更に有する、請求の範囲第３項に記載のレーザ。