JPH11514797A - レーザ増幅装置 - Google Patents
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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。
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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)
- 【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。
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