JPH11514797A - レーザ増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ポンピング光源によってポンピングされるレーザ活性の固定材料を備えたレーザ増幅装置において、個々のポンピング光線がそれぞれ、固体材料の異なる個所で何度も集束されるように、１本または複数本のポンピング光線がミラーまたは他の光学的補助手段によって案内され、固体材料がつながった固体または分離された固体の形をし、ポンピング光線が焦点範囲においてのみ吸収されて焦点範囲が光学的にポンピングされ、そしてレーザ光線が方向変換および案内されてレーザ光線がこのすべての焦点個所を照射し、それによって増幅されるようように、固体が形成されている。それによって、装置特性が同時に最適化され、コンパクトな構造を可能にし、低コスト大量生産に適した形に形成されるレーザ増幅装置が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ増幅装置 本発明は、光線の場に設けられポンピング光源によってポンピングされる、レ ーザ活性材料からなる１個または複数の固体を備えたレーザ増幅装置に関する。 この場合、好ましくはレーザダイオードがポンピング光源として役立つ。 一般的に、光学的共振器への挿入によってレーザとして形成されたこのような レーザ増幅装置は、技術水準でいろいろな実施形が知られている。その際、提示 された要求、すなわちポンピング光線とレーザー光線のオーバーップ、レーザ活 性材料の効率的な冷却およびいろいろな構造体による高い光線安定性を満足する ように試みられる。しかし、このような装置にとって重要な、すべての装置特性 の同時最適化はたいていの場合達成されない。例えば米国特許４，７８５，４５ ９号明細書と同第４，８３７，７７１号明細書により、結晶ブロックの画成面の 間で光線をジグザグ状に往復するよう反射させるレーザが知られている。この場 合それぞれ、光線の衝突個所にレーザダイオードアレーが配置されている。この レーザーダイオードアレーによって、材料が光学的にポンピングされる。それに よって、ポンピング光線とレーザー光線のオーバーラップが達成されるがしかし 、ポンピングされた個所の最適な冷却は達成されない。 ヨーロッパ特許出願公開第０６３２５５１号公報により、レーザ増幅装置が知 られている。このレーザ増幅装置の場合には、ポンピング光線がレーザ活性材料 から小板の中心に何度も案内される。この材料は、発生する熱をできるだけ迅速 に排出し、それによって小板の温度を低く保つために、直径に比べて小さな厚さ を有する。これにより、小板の温度は制限された範囲内で達成される。というの は、この構造の場合、ポンピング出力全部が非常に小さな容積範囲内で吸収され 、この容積範囲が焦点場所の面積と小板の厚さの積に相応して、代表的な場合０ ．１〜０．５ｍｍ³の大きさを有するからでる。 本発明の根底をなす課題は、上述の問題を除去し、上記の装置特性が同時に最 適化され、コンパクトな構造を可能にし、低コストでの大量生産に適している、 冒頭の述べた種類のレーザ増幅装置を提供することである。 この課題は請求項１記載の特徴によって解決される。従属請求項には、有利な 実施形と発展形態が記載されている。 次に、実施の形態に基づいて本発明を説明する。図はこの説明を補足する。 図１は請求項１，２，１６記載のレーザ増幅装置の実施の形態の概略図、 図２は請求項１，２，１７記載のレーザ増幅装置の実施の形態の概略図、 図３は請求項１，２，１０記載のレーザ増幅装置の実施の形態の概略図、 図４は請求項１，２，１１記載のレーザ増幅装置の実施の形態の概略図、 図５は図１に従って形成された２個のレーザ増幅装置を連結した構造を示す図 、 図６は図１に従って形成された６個のレーザ増幅装置を連結した構造を示す図 であり、この場合第１のレーザ増幅装置だけがレーザとして形成され、残りのレ ーザ増幅装置は第１のレーザ増幅装置から出る光線を増幅する。 次に、図１に示した実施の形態に基づいて本発明の基本思想を説明する。平行 平面の板１は、例えば３レベルまたは４レベルのレーザのために適していて、ド ーピングや熱伝導率に応じて約０．１〜１ｍｍの厚さと１〜５ｍｍの幅と５〜２ ０ｍｍの長さを有するレーザ活性材料からなっている。この板はその下面３が流 動媒体２によって冷却される。板の下面３は、レーザ光線とポンピング光線を強 く反射するようにコーティングされ、これに対して上面は両光線を反射しないよ うにコーティングされている。この板の上方に約１〜３０ｍｍだけ離して、光学 要素４が設けられている。この光学要素はポンピング光線を透過し、周囲の媒体 （本実施の形態では空気）の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料からなって いる。この光学要素の下側の画成面５は平らであり、ポンピング光線をよく通す ようにコーティングされている。一方、光学要素の上側の画成面は直列に並べて 配置された非点収差−球面状の面６からなっている。この面のうち、最も右側の 面７と最も左側の面７はポンピング光線をよく通し、これに対して残りの面はよ く反射する。従って、非点収差−球面状の面７は面５と共に２個のレンズを形成 する。このレンズによって、導波管８から出るポンピング光線が板１上で集束さ れる。この場合、中央光線は板１に対して、導波管から出る光線の開放角度の半 分にほぼ一致する角度をなしている。そして、ポンピング光線は板１の下面３で 反射し、右側または左側から最も近いところにある球面状の面へ案内される。こ の面は中空ミラーとして作用し、右側と左側から更に内側にある板の個所に、ポ ンピング光線を新たに集束する。この個所と第１の両焦点範囲との間の距離は、 衝突角度と面３，５の距離によって決まる。この個所から、ポンピング光線が新 たに、更に内側にある面６の方へ案内され、これが繰り返される。これにより、 ポンピング光線は中空ミラー６と面３の間で反射してジグザグ状に往復する。こ の場合、ポンピング光線は次第に板１に吸収される。この板の厚さは、この吸収 がポンピング光線の焦点範囲でのみ行われるように選択される。この焦点範囲を 通ってレーザー光線を案内するために、このレーザー光線は同様に反射してジグ ザグ状に往復するがしかし、面３と５の間で行われる。これを達成するために、 面５はレーザ光線の衝突の範囲においてレーザ光線を強く反射するようにコーテ ィングされている。しかし、面５はポンピング光線の焦点範囲に対向する範囲に おいてレーザ光線を透過する。それによって寄生モードの振動励起が回避される 。 数値的なアパーチュアＮＡひいてはは導波管から出るポンピング光線の開放角 度が大きく、その結果レーザモードの合目的でない偏平なジグザグ延長が生じた 場合には、板１と面５の間の範囲にブロックを充填することが提案される。この ブロックは板と同じ材料からなっているが、ドーピングされていないのでレーザ ーに対して活性でない。それによって、上記の範囲のポンピング光線のＮＡがア ッベの正弦条件に従って、材料の屈折率に一致する係数だけ小さくなる。それに よって、Ｎｄ：ＹＡＧの場合には、例えばポンピング光線の開放角度が係数１． ８２だけ小さくなる。これはジグザグモードの急勾配の延長を可能にする。この 手段によって更に、構造がモノリスになり、従って調整不良に対して非常に鈍感 になる。 上記のレーザ増幅装置の他の構成は、このレーザ増幅装置がレーザに共振器端 部ミラー９，１０を加えることによって完全に揃うことにある。 この装置の付加的な他の構成は、周波数を２倍または３倍にするために、１個 または複数の非線形の光学要素１１または他の光学的機能要素を、光線路内に挿 入することにある。 図２はリング共振器を生じるように、ミラー１２，１３によってレーザ増幅装 置を補足する実施の形態を示している。この構造の利点は、端部ミラーを備え共 振器の場合に発生するいわゆる“空間穴あき効果”が回避されることにある。要 素２１は光学的なダイオードを示している。 図３は、板１が個々の小さな小板１４に分割されている実施の形態を示してい る。この小板は支持板１５によって保持されている。この保持板は好ましくは、 熱伝導性の高い材料で作られ、それによって、小板の側面を冷却することができ る。この構造の利点は、高価なレーザ活性材料の必要量が少なくて済むことにあ る。更に、小板を製作する際に、高い光学的均質性が保証される。 付加的な他の実施形として、図３に示すように、レーザ活性材料をその熱伝導 性に依存して上面も冷却することが提案される。 更に、レーザ活性材料の直接的な液体冷却を省略することにより、材料特性に 依存して装置を簡単化することが提案される。図４は下側の小板１４が支持板１ ６に熱伝導的に接触させられる実施の形態を示している。この支持体１６を冷却 通路１７が貫通している。 本発明の構造により、レーザ活性材料を薄くすることができ、ポンピング光線 の吸収個所で直接的にかつ板１または小板１４の表面のほとんど全部にわたって 熱導出を行うことができる。同時に、従来の正面ポンピング式レーザ装置の場合 のように、ポンピング出力全体の吸収が関連する容積範囲で行われ、従って容積 範囲の冷却が困難であることが回避される。この従来の欠点は既に述べたヨーロ ッパ特許出願公開第０６３２５５１号公報にも当てはまり、ここでも吸収が非常 に狭い容積範囲で行われる。本発明による装置の場合には実際に、小板内での温 度勾配ひいては温度が、ヨーロッパ特許出願公開第０６３２５５１号公報と比べ て、光線が通過する焦点範囲の数に一致する係数だけ低下する。これは、特に３ レベルまたはほとんど３レベルのレーザの場合に、出力変換の効率にとってきわ めて重要である。というのは、下側のレーザレベルが熱的に満たされているから である。更に、反射ミラーを直列に配置することは技術的に容易に実現可能であ り、例えばヨーロッパ特許出願公開第０６３２５５１号公報の図２８で用いられ ているように空間的に配置して調節することができる。レーザ活性材料の熱的な レンズ作用はわざと除去されない。これは、ヨーロッパ特許出願公開第０６３２ ５５１号公報の請求項１と明細書第３欄に表現され、レーザ光線の場が温度勾配 に対してほとんど平行に広がるという要求によって行われる。これとは逆に、ポ ンピング光線、屈折率の熱的な拡散および熱的な変形によって板１または小板１ ４内に導入される熱的なレンズ作用と、その集束作用が、レーザ光線とその直径 に適合させられ、それによって焦点範囲内で、ポンピング光線とレーザ光線また は共振器の横方向の基本モードの最適なオーバーラップが達成される。この適合 は板または小板の厚さと吸収率の選択によって達成される。これは本装置の場合 には、非常に微細な調和を可能にする。熱的なレンズ作用の利用は、レーザ光線 を反射させる面３，５を正確に平らに形成することができ、それによって調整コ ストが大幅に低減されるという利点がある。或るレーザ材料によって、熱的なレ ンズ集束作用が充分でないときには、平らな共振器ミラー９，１０または１２， １３の代わりに、湾曲した共振器ミラーを使用することによって、この熱的なレ ンズ集束作用を強めることが提案される。レーザ光線を更に束ねる必要があると きには、レーザ光線の衝突個所の範囲において反射面３，５を適切に湾曲させる ことが提案される。これにより、付加的な集束作用がレーザ光線に加えられる。 図５は、図１に対応して形成された２個のレーザ増幅装置が、周波数２倍のレ ーザのためにつなぎ合わせられた構造体を示している。この構造体は、現在供さ れるレーザダイオードによって、約４０〜５０ワットの出力を供給することを可 能にする。 図６に示した構造体の場合には、上記の装置が６個接続されている。この装置 のうち、左上の装置がミラー１８，１９によってレーザとして形成されている。 残りの装置は、ミラー１９によって放出された光線を増幅することによってレー ザ増幅器として作動する。これは、構造体の調整コストが低減されるという利点 がある。なぜなら、光線が、共振器構造体の場合のように、何度も構造体全体を 通過するからである。レーザとして作動する部分装置から出る光線の案内は、固 体要素１４内で、導入される熱的レンズ作用と増幅による光線案内効果（利得案 内効果）によって達成される。これにより、後続配置の増幅装置は、公知の光線 案内特性を有する折り畳まれたレンズ導波管のように作動する。後続配置の増幅 装置の数は実際には制限されない。図６で選択した増幅装置の鏡像対称的な配置 により、レーザ活性の固体の共通の冷却２が可能となる。上側の増幅装置と下側 の増幅装置は、方向変換ミラー２０によって互いに接続されている。その代わり に、導波管によって接続することができる。この導波管による接続は、下位の装 置をまとめた複数のユニットが互いに接続されるときに推奨される。このような 構造体によってダイオード出力の６０〜９０％をレーザ出力に変換することがで きる。ダイオードを１００個接続すると、基本モード運転で、１ｋＷの出力が可 能である。このような装置はダイオードレーザなしに１０〜２０ｃｍ³の容積に 収納可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルトマン・コンラート ドイツ連邦共和国、Ｄ−80639 ミュンヘ ン、ブルンヒルデンストラーセ、９ (72)発明者 ハルドールソン・トールシュタイン ドイツ連邦共和国、Ｄ−81925 ミュンヘ ン、ダフネストラーセ、15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ポンピング光源によってポンピングされるレーザ活性固定材料を備えたレー ザ増幅装置において、個々のポンピング光線がそれぞれ、固体材料の異なる個所 で何度も集束されるように、１本または複数本のポンピング光線がミラーまたは 他の光学的補助手段によって案内され、固体材料がつながった固体または分離さ れた固体の形をし、ポンピング光線が焦点範囲においてのみ吸収されて、焦点範 囲が光学的にポンピングされ、レーザ光線が方向変換および案内されてレーザ光 線がこのすべての焦点範囲を照射し、それによって増幅されるようように、固体 が形成されている特徴とするレーザ増幅装置。 ２．各々のレーザ光線が、光学的軸線を一平面内で並べて配置した中空ミラー６ またはレンズ７によって、光学的軸線に対して垂直に配置した反射面３上に集束 され、ポンピング光線が中空ミラーと前記反射面との間でジグザグ状に往復する よう反射され、焦点範囲にあるレーザ活性材料によって吸収されるように、衝突 角度が選定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。 ３．レーザ活性材料の一つの画成面が反射面３と一致していることを特徴とする 請求項２記載のレーザ増幅装置。 ４．レーザ光線が平行に設けられた２つの反射面の間でジグザグ状に往復するよ う反射されることを特徴とする請求項１，２または３に記載のレーザ増幅装置。 ５．レーザ光線用の反射面の一つがポンピング光線用の反射面３と同一であるこ とを特徴とする請求項４記載のレーザ増幅装置。 ６．レーザ光線用の第２の反射面５が、第１の反射面３と集束する要素６との間 にあり、このポンピング光のための第２の反射面が高い透明度であることを特徴 とする請求項４，５記載のレーザ増幅装置。 ７．中空ミラー６と反射面５が、光学的構成要素４の画成面を形成することによ ってこの光学的構成要素と一体化されていることを特徴とする請求項４または５ および６記載のレーザ増幅装置。 ８．ファイバ８から出るポンピング光線がレンズ７を通って面３に集束され、こ の面を照射し、そして中空ミラー６によって何度も面３に戻されて集束させられ ることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅 装置。 ９．固体が異なる複数の材料からなっていることを特徴とする請求項１〜８のい ずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 10．個々の固体が小板として共通の支持板内または支持板上に位置決めされてい ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅 装置。 11．ドーピングされたレーザ活性材料からなる小板または固体が、ドーピングさ れていないレーザ材料からなるブロック上に形成され、このブロックがこの小板 または固体と集束する要素（６），（７）との間に設けられていることを特徴と する請求項１〜１０のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 12．固体が一つまたは複数の画成面で流動媒体によって冷却されるかあるいは冷 却が熱伝導性の高い他の固体との接触によって行われることを特徴とする請求項 １〜１１のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 13．ポンピング光の焦点範囲が冷却される画成面に直接接していることを特徴と する請求項１２記載のレーザ増幅装置。 14．ポンピング光線によって照射される順序と関係なく、固体が同じ量のポンピ ング光線を吸収するようにするために、個々の固体が異なる厚さを有しているか あるいは異なるようにドーピングされていることを特徴とする請求項１〜１３の いずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 15．レーザ光線用の反射面５が、レーザ光線の衝突個所を直接取り囲む範囲にお いてのみレーザ光線を反射し、特に焦点範囲または反射面５に対して垂直に対向 する範囲が、レーザ光線を透過するかあるいは寄生モードの振動開始を阻止する ためにレーザ光線を吸収することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つま たは複数に記載のレーザ増幅装置。 16．ポンピング光が集束される範囲において生じる熱的なレンズが、光線案内の ために適するように採寸され、これが固体材料の厚さの選定、到達するポンピ ング光の強さの選定、ポンピング光のための吸収率の選定によってあるいは冷却 装置の適当な形成によって行われることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか 一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 17．レーザ増幅装置が最適な共振器を生じるように端部ミラーによって補われて いることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ 増幅装置。 18．レーザ増幅装置がリング共振器を生じるようにミラーによって補われている ことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅 装置。 19．発生する熱的なレンズが、共振器の横方向の基本モードでのみ振動を開始す するように採寸されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つまた は複数に記載のレーザ増幅装置。 20．光線路内に、振動数を２倍または３倍にするための材料が入れられているこ とを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装 置。 21．ポンピング光の供給がガラスファイバを経て行われることを特徴とする請求 項１〜２０のいずれか一つまたは複数に記載のレーザ増幅装置。 22．複数のレーザ増幅装置がミラーまたは他の補助手段によって光学的に接続さ れていることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一つまたは複数に記載のレ ーザ増幅装置。 23．接続された増幅装置の１つだけがレーザとして形成され、残りの増幅装置が このレーザから出る光線を増幅することを特徴とする請求項１７または１８，２ ２に記載のレーザ増幅装置。