JPS63168063A - ダイオードでポンプされる小型ｑスイッチ固体レーザ - Google Patents

ダイオードでポンプされる小型ｑスイッチ固体レーザ

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JPS63168063A JP62309772A JP30977287A JPS63168063A JP S63168063 A JPS63168063 A JP S63168063A JP 62309772 A JP62309772 A JP 62309772A JP 30977287 A JP30977287 A JP 30977287A JP S63168063 A JPS63168063 A JP S63168063A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般に固体レーザに関するもので、特に高ビー
クパワーのパルスを生成するためのＱスイッチレーザに
関する。
Ｑスイッチングは高ピークパワーレーザのパルスを得る
ために使用される技術である。Ｑスイッチングはレーザ
空洞内の損失を調節することにより達成できる。空洞損
失が高いと、ポンピングエネルギーは反転分布を形成す
ることによりレーザ利得媒体中に蓄積される。高い空洞
損失は蓄積されたエネルギーを使い尽すことになるレー
ザ動作の発生を防止する。次に、蓄積されたエネルギー
は空洞損失を減することにより高ビークパワーのパルス
として引き出される。
Ｑスイッチングのためのレーザ空洞の内側に音響光学調
整器を使用することが、゛音響光学装置及び応用″（著
者：ｃｈａｎｇ、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ
ｓｏｎ　５０ｎｉｃｓ　ａｎｄ　ＶＩＤｉｓｏｎｉｃｓ
、　Ｓ　Ｕ−２３巻、Ｎｏ。
１−１７頁、１９７６年１月）に記載されている。しか
し、ここで述べるように全ての音響光学Ｑスイッチは融
解石英により作られている。ここで注意すべき他の問題
は、実質的なＲＦパワーがレーザ発生を防止するために
Ｑスイッチに印加されなければならない点である。
米国特許出願第７３０，００２号（１９８５年５月１日
出願）、同第８１１，５４６号（１９８５年１２月１９
日）に、縦方向のポンピング構造の中でレーザダイオー
ドによりポンプされ、ＴＥＭ００モードでポンプされ得
る固体レーザについて記載されている。
これら固体レーザは非常にコンパクトに形成できるもの
である。米国特許出願第１６４，９２８号（１９８６年
５月１９日）に、これら固体レーザを更に小型する、フ
ァイバーと連結された縦方向ポンピング装置が記載され
ている。これらのレーザモードにおいて、レーザダイオ
ードポンピング源をレーザ空洞のアクティブモード容積
と適合させると、小さな容積に高い利益が与られる。
これら固体レーザはダイオードレーザに対して効率的な
波長及びモード変換器である。ダイオードでポンプされ
るレーザは冷却水を必要とせず広帯域の励起源を必要と
しない。したがって、それらは、水や７ラツシユランプ
により誘導されるノイズの影響というものがなく、熱的
レーザ発生を非常に減する。これら特徴は、すぐれたビ
ームボインティング（ｐｏｉｎＬｉａｇ）安定１生及び
パルス・ツー・パルス（ｐａｌｓｅ　ｔｏ　ｐａｌｓｅ
）安定性をもたらす。Ｑスイッチレーザにおいてこれら
長所があることは望ましい。
典型的な従来技術のＱスイッチ固体レーザはビークパラ
−と短いパルス幅とを所望に組み会せたちのを生成する
ことができない。長いレーザロッドがタングステン又は
アークランプによってポンプされる。融解石英のＱスイ
ッチもまたレーザ空洞内に配置され、石英基板に取り付
けられたＬ　ｉＮ　ｂｏ　３変換器に接続されたＲＦ源
からパワーが供給される。その空洞は比較的長く、典型
的には約１フイート（３Ｇ、５ｃ＋ｍ）で、そのＱスイ
ッチは大きい。
短いパルスを形成するためには、短い空洞かあるいは空
洞内に増加した利得を必要とする。
それは、パルス幅が利得と空洞の往復時間の積に依存す
るからである。ｌフィート（３０，５ｃ＋ａ）空洞に対
して往復時間は約２ナノ秒である。長い空洞の長さを補
償すべく空洞内に高い利得を得るために、利得媒体は非
常に高くポンプされなければならない。典型的には、レ
ーザロッドをポンプするために使用されるアークランプ
に（ポンピング効率が約５％なので）数キロワットのパ
ワーが供給される。しかし、所望のパルス幅を得るため
に必要なより高い利得はパルスの強度を非常に高いもの
とする。なぜならば、パルスにおける全エネルギー（パ
ワーとパルス幅の積）がほぼ一定であり、パルス幅が減
少するとピークパワーが増加するからである。したがっ
て、所望のパルス幅−エネルギーを得るときに一つの釣
合がある。故に、正しいピークパワーのときはパルスは
非常に長く、非常に高いピークパワーのときは十分に短
いパルスとなる。
非常に高利得となるより長い空洞の代りに利得が調節可
能な短い空洞内を使用することにより低エネルギーの短
いパルスを与える、より効率的で短いパルスとなるＱス
イッチ固体レーザを作ることが望ましい。前記特許出願
に記載された固体レーザは共振器を小さく、典型的には
その長さを１インチ（１５４ｃｍ）のものにすることが
できる一方で、効率的な縦方向の、ダイオードダイビン
グ配列（約３０％の効率）は合理的な利得を与える。多
くの応用例に対して有用なＴＥＭ００モードの出力もま
た容易に生成することができる。したがって、所望の低
いエネルギーレベルをもつが比較的高いピークパワーを
もつ非常に短いパルスが生成できるようにＱスイッチを
このタイプの固体レーザに組み込むことが望まれる。ま
た、低いパワーポンピングを備えた短い空洞に適合する
小型のＱスイッチを作るために、Ｑスイッチに対して標
準外の材料を利用することが望ましい。
発明の概要 したがって、本発明の目的は、コンパクトな空洞の、縦
方向にダイオードによりポンプされるスイッチ固体レー
ザを提供することである。
また、本発明の目的は、比較的短い空洞内に比較的高い
利得を有するＱスイッチ固体レーザを提供することであ
る。
本発明の他の目的は、５０ナノ秒又はそれ以下のパルス
幅をもつＱスイッチ固体レーザを提供することである。
更に、本発明の目的はコンパクトな固体レーザ用のＱス
イッチのための多数の材料を提供することである。
本発明は、非常に短い高ピークパワーのパルスを生成す
るだめの短い空洞長をもっレーザダイオードでポンプさ
れるＱスイッチ固体レーザである。レーザダイオードは
、小さな高利得空洞が形成されるようにＮｄ：ＹＡＧ又
はＮｄ：ＹＬＦ又は他の固体材料から作られるロッドを
縦方向からエンドポンプするために使用される。その空
洞はＴ　Ｅ　Ｍ　ｏ。モードをなすようにポンプされ得
る。空洞内に蓄積されたエネルギーが短いパルスとして
引き出し得るように、高い音響光学性能係数を有するＴ
ｅＯ□、ＳＦ００又はＬ　ｉＮ　ｂＯ、又は他の材料か
ら作られた小さな音響光学Ｑスイッチもまたコンパクト
な空洞内に配置されている。Ｑスイッチ出力は、材料処
理、半導体メモリーにおけるリンクブローイング（ｌｉ
ｎｋ　ｂｌｏｖｉｎＯマスキング及びスクライビング（
ｓｃｒｉｂｉｏｇ）　、又は光学時間領域の反射測定に
対して応用される。
実施例 第１図に、ダイオードでポンピングされるＱスイッチ固
体レーザ発信器１０が示されている。
固体レーザロッドＩ２が共振空洞１５を形成するために
一対の整列したミラー口、１６の間に取り付けられてい
る。ミラー１６はレーザ輻射を部分的に透過する出力結
合ミラーである。ミラー１４はレーザ輻射に対しては高
反射性をもつが、ポンピング輻射撃に対して透過性をも
つ。他の実施例として、ミラー１４はレーザロッドＨの
端面Ｉ８上に形成してもよい。ミラー口をレーザロッド
１２から数ミリメートルだけ離すことにより、レーザ出
力は、ロッド内で輝く空間的な穴を除去して２０％増大
する。レーザダイオードポンピング源２０がレーザロッ
ド１２にポンピング輻射を行わしめるために設けられて
いる。ポンピング源２０はレーザダイオード又はレーザ
ダイオード列である。ポンピング源２０の出力は、レー
ザロッドＩ２を縦方向にポンプする集束レンズ２４がそ
の後に続くコリメータレンズ２２により集められる。
非点収差となって集光する他のレンズをレンズ２２．２
４の間に配置してもよい。他の実施として、ダイオード
ポンピング源２０は、共振空洞１５に直接に取り付ける
のではなく、離して配置してもよく、そのときはレーザ
ロッドを縦方向にエンドポンプするために共振空洞１５
に結合した光学ファイバー（第２Ａ図に図示）を介して
ポンピング輻射が伝えられる。これら固体レーザの形状
、配置は米国特許出願（出願番号第７３０，００２号（
１９８５年５月１日出願）、第８１１，５４６号（１９
８５年１２月１９日出願）、第０４，９２１１号（１９
０年５月１９日出願）に開示された原理及び設計により
行なわれる。
音響光学Ｑスイッチ２８もまた、空洞１５に配置されて
いる。Ｑスイッチ２８は空洞内で時間依存損失を与える
。基板に取り付けられた圧電変換器にＲＦ波を供給する
ことにより、音波がＱスイッチに生成される。その基板
は空洞内に損失を導入する回折格子を作り、そのためロ
ッド１２はレーザを発生することなくポンプされ得る。
ＲＦ波が切られると、音響回折格子はもはや存在せず、
そのため空洞内のレーザ発生が蓄積エネルギーをもって
生じる。そのエネルギーは短い高ピークパワーのパルス
に至る。音響光学素子のほか、Ｑスイッチ２８は、時間
依存空洞損失を与えるために空洞内の偏向子に関して偏
向された状態を変える電気光学素子から作ることもでき
る。
本発明の原理及び教示に従い、固体レーザ空洞は小さく
作ることもでき、音響光学Ｑスイ・ノチは、短い空洞内
に適合するように小さく作ることもできる材料で作って
もよい。更に、縦方向のエンドポンピングをなすことか
ら、短い空洞の利得は比較的高くでき、そのため非常に
短いパルスを所望のピークパワーレベルで生成すること
ができる。
レーザロッドはまた、１．０６ミクロンの出力を生成す
るＮｄ：ＹＡＧから作ることができる。ほかに、レーザ
ロッドは、よりエネルギーを蓄積することができるよう
にＮｄ：ＹＡＧよりも長い蛍光寿命（２３０マイクロ秒
に対し００マイクロ秒）を有するＮｄ：Ｙ　Ｌ　Ｆから
作ることができる。一般的に利得材料の励起状態の寿命
が長くなればなるほど、反転分布をより多く蓄積するこ
とができる一方で、Ｑスイッチはレーザ発生を防止し、
より高いエネルギー出力を得ることができる。したがっ
て、より長い寿命の希土類イオンをＮｄのかわりに使用
してもよい。例えば、エルビウム（Ｅ「）又はホルミウ
ム（ＩＩｓ）を使用することができる。
小さなＱスイッチを形成するためには、標準外材材を使
用しなればならない。前記のチャンの文献の表Ｉには、
多くの音響光学材料がその性能指数とともにリストアツ
ブされている。小さなＱスイッチはより短いパルスのた
めのより短い空洞を可能にし、低いＲＦパワーでもよい
ものとする。その音響光学性能指数とはある電気エネル
ギーで回折が生ずる範囲の測定値をいう。性能指数が高
くなればなるほど、材料の長さは短くすることを要求さ
れる。本発明のＱスイッチのために好適な材料はＴｅａ
１０ＳＦ００及びＬ　ｉＮ　ｂＯ、を含むが、融解石英
よりも実質的に大きな音響光学性能指数を有するどの材
料も使用し得る。ほかに、電気光学材料のＱスイッチを
使用することもできる。
小型Ｑスイッチの固体レーザ空洞３０の実施例が第２Ａ
、第２Ｃ図に示されている。Ｑスイッチ空洞３０は実質
的に管状の共振ハウジング３２の中に含まれている。共
振ハウジング３２は狭い首部分３３．４０から伸張した
一対の端部分３４．３６を有する。出力結合ミラ４２は
ハウジング３２の端部分３６内に取り付けられているが
、固体レーザロッド４４及び空洞端ミラー４６は端部分
３４内に取り付けられている。ミラー４２及び４６は光
学空洞を画成する。ハウジング３２の狭い首部分Ｈ１４
０を曲げることにより、ミラー４２．４６の光学的整合
が達成できる、上述したように、ミラー４６はレーザロ
ッド４４から離しても、ロッド４４の表面上に形成して
もよい。共振ハウジング３２はファイバーコネクタ５０
を含む外側レーザハウジング４８内に取り付けてもよい
。そのハウジング４８は、１まなれｌ二ところ（こある
レーザダイオードポンプ発生源によりレーザロッド４を
縦方向にエンドポンプするために、光学ファイバー５２
ヲハウジング４８に結合する。結合コネクタ５０は、ロ
ッド４４を効率的にポンプするために、ハウジング内に
取り付けられた集束光学素子５４と適切な関係を保つよ
うにファイバーを維持している。他の例として、レーザ
ダイオードポンピング発生源をハウジンク１８内に直接
設けることもできる。
小型Ｑスイッチ５Ｇがコンパクトレーザ共振ハウジング
３２の中に取り付けられている。Ｑスイッチ５６は典型
的にはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓから作られた小さい（ダイ
ヤモンド形）圧力電性変換器６ｏが取り付けられる基板
５８により作られている。ストリングライン６ｚは同軸
ケーブル６４と変換器６ｏとを接続子６６を介して電気
的に接続する。同軸ケーブルはインピーダンスマツチン
グネットワーク６８を介してＲＦ電力源７１に接続され
た電気コネクタ７０に接続されている。マツチングネッ
トワーク６８は負荷での反射を防止し、圧ＴＬ性変換器
６０を電気的に駆動する。第２Ｂ図及び第２Ｃ図に側面
図、端面図として示されているＱスイッチは、基板５８
を通過して伝わる音波がそれ自身後方に反射しないよう
に傾けられたり、あるいはくさび型に成形されている。
基板５８はまた、ハウジング３２と接触するＬ字形の熱
シンク７２によって囲まれている。動作中、ＲＦ倍信号
音波を生成するために同軸ケーブル６４を変換器６０に
入力される。その音波は、固体レーザ共振空洞の光軸５
８にそって回折格子を作るために基板を通過して伝わる
。回折格子が存在すると、その損失はレーザの放射を防
げ、レーザロッド４４へのエネルギーの蓄積を可能にす
る。回折格子が除去されると、レーザは短い高ビークパ
ワーのパルスを生成する。
Ｑスイッチをなすこれら小さなダイオードによりポンプ
される固体発信器により、高ピークの短いパルス幅をも
つ出力パルスが得られる。
Ｎｄ：ＹＡＧに対して１０マイクロジユールのエネルギ
ーのパルスが得られるが、Ｎｄ：ＹＬＦは、１ｌＩ２か
ら２０ＫＨ２の繰り返し率をもち、１０−５０ナノ秒の
パルス幅をもつ２０マイクロジユールのパルスを生成る
。このレーザはすぐれたビームボインティング安定性及
びパルスエネルギー安定性、すなわち１０分間の間にわ
たって回折により限定されたスポットサイズが±１％の
オーダとなるビームボインティング安定性、及び波高値
（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋ）が±３％のパルス・ツー
・パルス安定性をもつ・より安定な性能は、一つのモー
ドがその空洞を開放する前にスイッチ動作することを可
能にするＱスイッチ制御に基づくモード選択技術により
成し遂げられる。ＱスイッチＲＦ駆動レベルを減するこ
と、及び一つのＣＷモードで発信させることにより、±
１．５％のパルス安定性が成し遂げられる。ＲＦレベル
におけるドリフトを考慮するために内空洞エタロン（ｉ
ｏｔｒａ−ｃｓｖｉＬｙ　ｅｊｘｌｏｎ）を加えると、
±１％の安定性が得られる（しかし、長期間にわたって
使用するときには空洞の安定化が要求される）。
Ｑスイッチされるダイオードでポンプされた固体レーザ
はいろいろな応用ができるパルス幅及びパワーレベルを
与える。高い効率、長寿命Ｃ−２゜。Ｃでダイオードを
動作させると１０，０００時間）、すぐれたビームポイ
ンティング安定ｔｔ及びパルスエネルギー安定性はその
レーザを有用なものとする。ＴＥＭｏ。モードを生成す
る能力もまた、モード構造物を必要とせずに小さなスポ
ットに集束するために特に特筆すべきモノマある。一つ
の応用例に材料処理、特に半導体メモリーのリンクブロ
ーイング（ｌｉｎｋ　ｂＬｏｖｉＢ）がある。ＴＥＭ０
０モードが特に適切である間、ビームを１ミクロンのス
ポットに集束させる必要がある。ケイ酸アルミニウム又
はタングステンリンクを焼き尽すために、パルス・ツー
・パルス安定性が要求される。他の応用例は個々の半導
体要素、プリント回路板、シルクスクリーン及びいろい
ろな他の材料上にマスキングすること又は書付をするこ
と（ｓｃｒｉｌｉｎｇ）である。
約２０ナノ秒のパルスが光学時間領域の反射率計測定（
ｏＴｐＲ）を達成するために使用できる。
そこではパルスが欠陥を検出するために長い光学ファイ
バーケーブルを通って伝わる。
上記した実施例のは、特許請求の範囲にのみ限定される
本発明の範囲から逸脱することなく変形、変更し得るも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、レーザダイオードでポンピングされＱスイッ
チ固体レーザ発信器の略示図である。 第２Δ図から第２Ｃ図は、固体レーザ空洞内の小型Ｑス
イッチの略示図である。
【主要符号の説明】
１２・・・・・・・・・固体レーザロッド　！５・・・
・・・・・・共振空洞２０・・・・・・・・・ポンピン
グ発生源　２８・・・・・・・・・Ｑスイッチ３０・・
・・・・・・・小型Ｑスイッチ固体レーザ空洞３２・・
・・・・・・・ハウジング　　　　４４・・・・・・・
・・ロッド５０・・・・・・・・・コネクタ　　　　　
５２・・・・・・・・恍ファイバー５８・・・・・・・
・・基板　　　　　　　６０・・・・・・・・・圧力性
変換器７０・・・・・・・・・コネクタ　　　　　７１
・・・・・・・・・ＲＦ電力源特許出願人　　　スペク
トラ−フィジックス・インコーホレイテッド 代　理　人　　弁理士　　性向　澄夫 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、１ 手続補正書 昭和６３年１月１４日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １、　事件の表示　　　昭和６２年特許願第３０９７７
２号２、　発明の名称　　　ダイオードでポンプされる
小型Ｑスイッチ固体レーザ ３、　補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　　　　スペク１〜ラーフィジックス・インコー
ホレイテッド ４、代理人 住　所　　　　東京都港区西新橋１丁目６番２１号大和
銀行虎ノ門ビルディング 電話　５０３−５４６０

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、短い高ピークパワーのパルスを生成するためのコン
    パクトなＱスイッチ固体レーザであって、 小型固体レーザロッドと、 出力結合手段を含む、レーザロッドを包含するコンパク
    トな共振空洞を画成する空洞手段と、 レーザロッドを縦方向にエンドポンプし、 ポンピング容積をレーザロッド内のモード容積に適合す
    るように配置されたレーザダイオードポンピング手段と
    、 共振空洞内に設けられた小型Ｑスイッチとから成る固体
    レーザ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 レーザロッドがＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＬＦから作ら
    れる、ところのレーザ。 ３、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 レーザロッドがエルビウム又はホルミウムでドープされ
    た固体レーザ材料で作られる、ところのレーザ。 ４、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 ポンピング容積がＴＥＭ＿０＿０出力を生成するために
    モード容積に適合する、ところのレーザ。 ５、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 レーザダイオードポンピング手段に結合された光学ファ
    イバー、及び レーザロッドをポンピングするため光学ファイバーを共
    振空洞に固定した関係で結合する結合手段を、 更に含む、ところのレーザ。 ６、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 Ｑスイッチが小型音響光学Ｑスイッチである、ところの
    レーザ。 ７、特許請求の範囲第６項に記載されたレーザであって
    、 音響光学Ｑスイッチが、 共振空洞の光軸上に配置された融解石英よりも実質的に
    高い音響光学性能係数を有する基板材料と、 該基板材料に設けられた圧電性変換器と、 該変換器を駆動し、基板材料に音響回折格子を作るため
    に圧電性変換器をＲＦ発生源に結合する手段と、 から成る、ところのレーザ。 ８、特許請求の範囲第７項に記載されたレーザであって
    、 基板材料がＴｅＯ＿２、ＳＦ＿１＿０及びＬｉＮｂＯ＿
    ３から選択される、ところのレーザ。 ９、特許請求の範囲第１項に記載されたレーザであって
    、 約１０−５０ナノ秒の範囲にあるパルス幅のパルスを生
    成する、ところのレーザ。 １０、短い高ピークパワーのパルスを生成する方法であ
    って、 小型の固体レーザロッドを有するコンパクトなレーザ共
    振器を形成する工程と、 レーザロッドをレーザダイオードポンピング発生源でポ
    ンピングする工程と、 ポンピング容積をレーザロッドのモード容積に適合させ
    る工程と、 レーザ発生を防止し、エネルギーをレーザロッドに蓄積
    するために共振空洞内の小型Ｑスイッチに音響回折格子
    を生じさせる工程と、レーザロッドに蓄積されたエネル
    ギーを短 い高ピークパワーのパルスにして引き出すために音響回
    折格子を消滅させる工程と、 から成る方法。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
    て、 レーザロッドをＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＬＦにより形
    成される、ところの方法。 １２、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
    て、 融解石英よりも実質的に高い音響光学性能係数を有する
    材料で小型Ｑスイッチを形成することを含む、ところの
    方法。 １３、特許請求の範囲第１２項に記載された方法であっ
    て、 ＱスイッチをＴｅＯ＿２、ＳＦ＿１＿０又はＬｉＮｂＯ
    ＿３より形成されることを含む、ところの方法。 １４、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
    て、 約１０−５０ナノ秒の範囲にあるパルス幅のパルスを生
    成することを含む、ところの方法。 １５、特許請求の範囲第１４項に記載された方法であっ
    て、 複数のパルスを形成し、リンクブローイングを達成する
    ためにそのパルスを半導体メモリー上に収束させること
    を含む、ところの方法。 １６、特許請求の範囲第１４項に記載された方法であっ
    て、 複数のパルスを形成し、材料にマスクをすること又は書
    付けをすることのためにパルスをその材料に収束させる
    ことを含む、ところの方法。 １７、特許請求の範囲第１４項に記載された方法であっ
    て、 光学時間領域の反射測定を達成するためパルスを長い光
    学ファイバーに伝えることを含む、ところ方法。 １８、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
    て、 ＴＥＭ＿０＿０出力を生成するためにポンピング容積を
    モード容積に適合させることを含む、ところ方法。 １９、コンパクトな固体レーザのための小型音響光学Ｑ
    スイッチであって、 融解石英よりも実質的に高い音響光学性能係数を有する
    基板材料と、 その基板材料に設けられた圧電性変換器と、その基板材
    料をＲＦ電力源に連結する手段 と、 から成る方法。 ２０、特許請求の範囲第１９項に記載されたＱスイッチ
    であって、 基板材料がＴｅＯ＿２、ＳＦ＿１＿０及びＬｉＮｂＯ＿
    ３から選択される、ところのＱスイッチ。
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