JP7660957B2 - 幾何学的集光素子及び断熱素子を備えるレーザポンプ装置及びそのシステム - Google Patents

Description

本発明は、幾何学的集光素子（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）及び断熱素子（Ｈｅａｔ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）としての誘電体ブロック（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｌｏｃｋ）を備えるレーザポンプ装置及びそのシステムに関し、特に、レーザ利得材料のレーザ結晶においてより効率的なかつ少ない熱のポンプを行うように、発光ダイオード又はレーザダイオードからの低強度光を誘導及び収束（集光、Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）して高輝度光を発生させる１つ又は１組の低熱伝導率光誘電体（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）に関する。

レーザは、エネルギー源によってポンプされるレーザ利得材料を含む高エネルギー密度の放射装置であり、レーザには様々なタイプのポンプ源がある。例えば、電源は、電気エネルギーを送って半導体レーザ（レーザダイオードとも呼ばれる）をポンプすることができ、レーザダイオードは、固体レーザをポンプすることができ、フラッシュランプは、高出力パルスレーザをポンプするためによく使われる。より効率的にするためには、ポンプエネルギーが効率よくレーザ利得材料に吸収されなければならない。したがって、高いポンプ効率を実現するには２つの重要な要素があり、１つは、レーザの放射体積に一致する高いポンプ強度を持つこと、もう１つは、ポンプスペクトルをレーザ利得材料の吸収スペクトルに一致させることである。この２つの要素は共にポンプ源の明るさ又は輝度を定義し、単位面積あたり、単位立体角あたり、及び単位帯域幅（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）あたりの光パワーを単位とする。レーザダイオードは、レーザ利得材料の吸収ピークに一致する狭い線状の高強度集光放射を発することができるため、従来のダイオードレーザポンプ（以下、「ダイオードポンプ」と略称する）固体レーザは非常に効率的である。フラッシュランプ源のコストは比較的低いが、その広帯域（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）及び発散光はダイオードポンプレーザのように固体レーザを効果的にポンプすることができない。本分野の従来技術（文献Ｋｏｚｏ Ｋａｍｉｒｙｏ ｅｔ ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５，（１９６６） １２１７）のポンプ効率の幾何学的改善手段は、楕円形のポンプ室の焦点の１つに沿ってフラッシュランプ管を取り付け、他側に沿ってレーザロッド（Ｌａｓｅｒ Ｒｏｄ）を取り付け、フラッシュランプのポンプ光の大部分をレーザ利得材料に到達させることである。

近年、固体レーザのポンプ源として発光ダイオードの技術が登場している（例えば、文献Ｂｒｅｎｄｅｎ Ｖｉｌｌａｒｓ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｓ．４０，（２０１５）３０４９）。発光ダイオードは発散光を発し、そのスペクトル幅はフラッシュランプより遥かに小さく、レーザダイオードよりやや広い。したがって、フラッシュランプに比べて、発光ダイオードのスペクトルエネルギーがレーザ利得材料のスペクトル吸収により一致する。フラッシュランプに比べて、発光ダイオードはより長い耐用年数及び高い安定性を持つ。固体レーザをポンプするためのレーザダイオードに比べて、発光ダイオードの実装及びメンテナンスコストが低く、静電気による損傷を受けにくく、温度変化にも敏感ではない。しかしながら、レーザダイオードとは異なり、発光ダイオードは集束光を発生しない。発光ダイオード又は発光ダイオードアレイは、約１２０度の円錐角で前方放射を放出する。発光ダイオードはフラッシュランプのように強管状発光体を作ることができないため、従来技術においてフラッシュランプに一般的に使用される楕円形のポンプ室は発光ダイオードポンプの固体レーザに適用されない。この問題を解決するために、特許ＵＳ ２０１７／０１４９１９７ Ａ１には、効率が非常に低い光体積とレーザ体積比で発光ダイオードポンプ光を制限する幾つかの幾何学的反射構造が開示されている。発光ダイオードのポンプエネルギーを更に収束させるために、Ａｄｒｉｅｎ Ｂａｒｂｅｔら（文献Ｏｐｔｉｃａ３、（２０１６）４６５）は、まず、薄膜材料において青色光の発光ダイオードを蛍光（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）に変換し、そして蛍光は薄膜内に誘導されて高強度でレーザ結晶に伝達される。残念なことに、前述の技術では大部分の発光ダイオード光はポンプ光に変換されず、ポンプ効率全体が依然として低い。

高いポンプ強度を取得するためには、一般的に、レーザ利得材料にできるだけ近づけて発光ダイオードを実装する（例えば、文献Ｃｈｕｎ Ｙｕ Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｓ．４２，（２０１７）２３９４）。しかしながら、レーザは、レーザ閾値を達成するために原子番号反転に依存するが、レーザ利得材料の基底状態が多くの高温原子で満たされている場合、高エネルギー状態の原子が原子番号反転を達成することは困難となる。他の全てのポンプ源と同様に、発光ダイオードが熱を発生するため、効率的にポンプするために発光ダイオードをレーザ利得材料の近くに取り付けるのを阻止する。ダイオードレーザポンプの固体レーザにおいて、ポンプ利得材料から一定の距離を離れるように、レーザダイオードを光ファイバに結合するのは、ポンプ源の熱をレーザから遮断する一般的な選択である。残念なことに、このような技術は、レーザダイオードを光ファイバに光結合する場合よりも、高度に発散して微弱な発光ダイオードを光ファイバに光結合する効率が低いため、発光ダイオードポンプに適しない。

したがって、本発明の目的は、例えば発光ダイオードからの光を効果的に収束させて、レーザをポンプし、且つレーザ利得材料に到達するポンプ光源の熱を更に低減することができる新たなレーザポンプ装置及びその実施例を提供することである。本発明のもう１つの目的は、レーザポンプ光の輝度を増加させて、レーザのポンプ効率を向上させることである。

解決するための手段

本発明は、誘電体ブロックがポンプ軸を有し、且つ第１表面、第２表面、及び複数の反射面を含み、誘電体ブロックがポンプ光を受けて第１表面に入射させ、反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿って、ポンプ光を第２表面に向かって伝達するように誘導し、誘電体ブロックをレーザポンプの効率的な幾何学的集光素子及び断熱素子とする、レーザポンプ装置及びシステムを提供する。

本発明の一実施形態によれば、レーザポンプ装置であって、ポンプ光を発するためのポンプ光源と、ポンプ軸を有し、且つ第１表面、第２表面、及び複数の反射面を含み、ポンプ光を受けて第１表面に入射させ、反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿って、ポンプ光を第２表面に向かって伝達するように誘導するための誘電体ブロックと、外部から注入されたレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられ、第２表面から放出されたポンプ光を受けて吸収するために第２表面の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料を含むレーザ発生素子とを備えるレーザポンプ装置を提供する。これにより、誘電体ブロックは、レーザポンプの効率的な幾何学的集光素子及び断熱素子とすることができる。

前記レーザポンプ装置の実施例によれば、ポンプ光源は、発光ダイオードアレイ、又はレーザダイオードアレイ、又は発光ダイオードとレーザダイオードのハイブリッドアレイを含んでよい。

前記レーザポンプ装置の実施例によれば、反射面のうちの対向する２つは、ポンプ軸を取り囲んで互いに平行であってよく、又は対向する２つの反射面は楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなってよい。

前記レーザポンプ装置の実施例によれば、誘電体ブロックの材料は、ポンプ光に対して透明で、且つガラス、石英及び溶融石英のうちの１つであってよい。

前述のレーザポンプ装置の実施例によれば、誘電体ブロックの第１表面及び第２表面のうちの少なくとも一方には、誘電体ブロックを通過するポンプ光の輝度が向上するように、複数の誘電体層が光学的にコーティングされてよい。

前記レーザポンプ装置による実施例において、レーザ利得材料はＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ：ＫＧＷ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｃｒ：ＹＡＧ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ｇｌａｓｓ、Ｔｍ：ｇｌａｓｓ、及びＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶のうちの１つであってよい。

前記レーザポンプ装置の実施例によれば、レーザ利得材料は、ポンプ軸に沿った反射鏡の前に取り付けられてよく、反射鏡は、ポンプ光の吸収されていない部分をレーザ利得材料へ再循環させるために用いられる。

本発明の別の実施形態は、それぞれ複数のポンプ光を発するための複数の前記実施形態におけるポンプ光源と、それぞれ複数のポンプ光を伝達し、且つ複数のポンプ光源の熱を遮断するための複数の前記実施形態における誘電体ブロックと、そのレーザ利得材料は、ポンプ光を受けて吸収するための前記実施形態におけるレーザ発生素子と、ポンプ光源及びレーザ利得材料から発生した熱を除去するための冷却装置とを備えるレーザポンプシステムを提供する。これにより、ポンプの強度を増幅することができる。

前記レーザポンプシステムの実施例によれば、複数の誘電体ブロックはそれぞれ複数のポンプ軸と整列されてよく、複数のポンプ軸は、複数のポンプ光をレーザ利得材料に収束させるように１点で止まる。

前記レーザポンプシステムの実施例によれば、冷却装置は、空冷素子、ペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）熱電冷却器、及び水冷素子のうちの少なくとも１つを含んでよく、少なくとも１つのポンプ光源の裏面に取り付けられるか、又はレーザ利得材料を被覆する。

誘電体スラブ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｌａｂ）の角度受け入れ（Ａｎｇｕｌａｒ Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）の模式図を示し、ここで光が２つの平行な壁の間で内部全反射するように誘導される。 誘電体スラブの光強度の増加と角度受け入れの減少の模式図を示し、ここで光が２つの楔形の壁の間で内部全反射するように誘導される。 本発明の第１実施例のレーザポンプ装置の模式図を示し、ここで単一楔形光誘電体は、ポンプ光をレーザ増幅器内のレーザ利得材料に収束させるために用いられる。 本発明の第２実施例のレーザポンプ装置の模式図を示し、ここで単一楔形光誘電体は、ポンプ光をレーザ発振器内のレーザ利得材料に収束させるために用いられる。 本発明の第３実施例のレーザポンプ装置の模式図を示し、ここで二重楔形光誘電体は、ポンプ光をレーザ増幅器内のレーザ利得材料に収束させるために用いられる。 本発明の第４実施例のレーザポンプ装置の模式図を示し、ここで二重楔形光誘電体は、ポンプ光をレーザ発振器内のレーザ利得材料に収束させるために用いられる。 本発明の第５実施例のレーザポンプ装置の側面図を示し、ここで集光素子及び断熱素子はレーザ利得材料をポンプし、且つ吸収されていないポンプ光を反射鏡でレーザ利得材料に回収する。 本発明の第６実施例のレーザポンプシステムの側面図を示し、ここで集光素子及び断熱素子をそれぞれ含む２つのモジュールはレーザ利得材料をポンプする。 本発明の第７実施例のレーザポンプシステムの側面図を示し、ここで集光素子及び断熱素子をそれぞれ含む複数のモジュールはレーザ利得材料をポンプし、光源及びレーザロッドに冷却装置が配置される。

１０００、１１００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７１００、７２００、８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００ 誘電体ブロック
１００５、１１０５ 入力光
１０１０、１１１０ ポンプ軸
１０２０、１１２０、２７００、３７００、４７００、５７００、６７００、７７００、７７２０ 第１表面
１０３０、１１３０、２８００、３８００、４８００、５８００、６８００、７８００、７８２０ 第２表面
１０４０、１１４０ 屈折光
１０５０ 上側壁
１０６０、１１６０ 反射光
１０７０、１１７０、２０４０、３０４０、４０４０、５０４０、６０４０、７０４０、８０４０ レーザ利得材料
１１５０、１１５５ 側壁
２０１０、３０１０、４０１０、５０１０、６０１０、７０１０、７０１２ ポンプ光源
２０２０、４０２０ 入力レーザ
２０３０、３０５０、４０３０、５０５０ 出力レーザ
３０２０、５０２０ レーザキャビティミラー
３０３０、５０３０ 出力カプラ
６０３０、７１３０、７２３０、８１３０、８２３０、８３３０、８４３０、８５３０、８６３０ ポンプ光
６０７０ 反射鏡
８０１０、８０２０ 冷却装置
Ｄ、ｄ、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３ 幅
ｘ_１、ｘ_２ 長さ部分
α くさび角
β トップくさび角
θ、θ_１、θ_２ 角度
Φ 入射角

以下、本開示の実施例について図面を参照して説明する。説明を明確にするために、数多くの実務上の細部を下記叙述で合わせて説明する。しかしながら、これらの実務上の細部が本発明を限定するためのものではないことを理解されたい。即ち、本発明の実施例において、これらの実務上の細部は必要ではない。また、図面を簡略化するために、ある従来慣用の構造や素子は、図面において簡単で模式的に示され、且つ重複する素子は、同じ番号又は類似する番号で示される可能性がある。

図１は、ポンプ軸１０１０に沿った２つの平行な壁（具体的には、上側壁１０５０及びそれに平行な壁）を有する誘電体ブロック（即ち、光学誘電体スラグ）１０００を示し、ここで各平行な壁は反射面である。ポンプ光の入力光１００５は、入射角Φで第１表面（即ち、前面、入力表面）１０２０に入射し、ポンプ光の入力光１００５の屈折光１０４０は、角度θで上側壁１０５０に入射する。誘電体ブロック１０００においてポンプ光の反射光１０６０をエネルギー損失を抑えるように誘導するためには、角度θは、内部全反射の臨界角θ_ｃより大きくなければならない。ここで、θ_ｃ＝ｓｉｎ^－１（ｎ_ａ／ｎ）、ｎは誘電体ブロック１０００の屈折率、ｎ_ａは環境の屈折率である。θ＞θ_ｃに達するためには、スネルの法則（Ｓｎｅｌｌ’ｓ Ｌａｗ）により、入射角（即ち、入力角又は受光角）Φは、以下の式（１）の条件を満たさなければならない。

入射角（受光角）Φを最大化するためには、屈折率ｎ_ａを最小化する必要がある。説明を簡単にするために、以下の屈折率ｎ_ａは空気環境の屈折率であり、その数値が１である。平行な壁を含む誘電体ブロック１０００の開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）ＮＡ_ｐを、最大受光角Φ_ｍａｘの正弦値として定義し、それは以下の式（２）を満たす。

本発明の技術的特徴の１つは、発散性の高いポンプ光を、屈折率が十分に大きい１つ以上の平行な壁を有する誘電体ブロックに結合することにより、大きな開口数ＮＡ_ｐを持ち、第１表面１０２０から第２表面（即ち、端面、出力表面）１０３０に光を誘導して収束させ、レーザ利得材料１０７０をポンプすることである。好ましくは、平行な壁を有する誘電体ブロック１０００は、レーザ利得材料１０７０にポンプ光源からの熱を遮断するために、熱伝導率が低い。好ましくは、誘電体ブロック１０００を通過するポンプ光のレーザ利得材料１０７０への伝達を向上させるために、第１表面１０２０及び第２表面１０３０にはいずれも反射防止誘電体層がコーティングされる。

ポンプ光源は、発光ダイオード、レーザダイオード、又はそれら２つの組み合わせを含んでもよいし、発光ダイオード、レーザダイオード、又はそれら２つの組み合わせであってもよい。前述のように、ポンプ波長をレーザ利得材料１０７０の吸収波長と一致させることにより、レーザのポンプ効率を大幅に向上させることができる。発光ダイオードの発光スペクトルはフラッシュランプの発光スペクトルよりも比較的狭いが、レーザダイオードのスペクトル輝度はレーザポンプにより適している。レーザポンプの発光ダイオードのスペクトル輝度を向上させるために、１つの好ましい実施例において、発光ダイオードをレーザ利得材料１０７０の吸収波長と一致する波長を発するように励起するために、第１表面１０２０に誘電体ブロック１０００の材料と異なる誘電体層が光学的にコーティングされる。

図２は、本発明の別の技術的特徴を示し、楔形誘電体ブロック１１００は、第１表面１１２０からのポンプ光の入力光１１０５を第２表面１１３０に結合する。第１表面１１２０は幅Ｄを有し、第２表面１１３０は幅ｄを有し、くさび角αがα≧０を満たすため、幅Ｄ、ｄはＤ≧ｄを満たす。理想的には、誘電体ブロック１１００は、ポンプ光に対して透明性が高く、且つ第１表面１１２０に入射したポンプ光を第２表面１１３０に収束させることができる。好ましくは、誘電体ブロック１１００は、ポンプ光源の熱をレーザ利得材料１１７０から遮断するために、熱伝導率が低い。第１表面１１２０に入射する全てのポンプ光が第２表面１１３０に伝達されて到達できる場合、ポンプ光の強度は、幾何学的スケーリング係数Ｄ／ｄに従って増加する。しかしながら、光学系の角度受け入れは、システムの開口数ＮＡによって決まる。有限のくさび角αの場合、開口数ＮＡは、くさび角αが条件α＝０を満たす時の数値から減少し、ポンプ光の屈折光１１４０、反射光１１６０の（反射面としての）側壁１１５０、１１５５での入射角が徐々に小さくなり、最終的に光誘導の内部全反射条件に違反する可能性がある。最後の跳ね返りが第２表面１１３０に到達する入射角は角度θであると仮定する。図２の幾何学的構造によれば、Ｎ回目の前回の反射時の光の入射角θ_Ｎは、以下の式（３）を満たす。
θ_Ｎ＝θ＋２Ｎα、Ｎ＝１、２、３．．．（３）

屈折光１１４０がＮ回の反射を経て第２表面１１３０に到達すると仮定すると、入力光１１０５が誘電体ブロック１１００の内部において誘導される条件は、最後の角度θが内部全反射の臨界角θ_ｃよりも大きいままである条件、又は条件θ＞θ_ｃである。スネルの法則より、前述の条件は以下の式（４）を満たす。
ｓｉｎΦ＝ｎ×ｓｉｎ（９０°－θ_Ｎ）＝ｎ×ｃｏｓ（θ＋２Ｎα） （４）

式（４）において、Φは、入射光１１０５の第１表面１１２０への入射角であり、楔形誘電体の開口数ＮＡ_ｗは、それによって以下の式（５）で記述される。
ＮＡ_ｗ＝ｓｉｎΦ_ｍａｘ＝ｎ×ｃｏｓ（θ_ｃ＋２Ｎα） （５）

式（２）及び式（５）を比較すると、有限のパラメータＮαの場合、開口数ＮＡ_ｗは開口数ＮＡ_ｐよりも常に小さい。そこで、本発明の目的は、式（５）によって制約される開口数ＮＡ_ｗの慎重な設計に基づいて、楔形誘電体を利用することでポンプ光を収束させ、ポンプ光源の熱を遮断することである。

幾何学的形状によれば、楔形誘電体のポンプ軸１１１０に沿った全長Ｌは、長さ部分ｘ_ｉの合計から計算されてよく、それは以下の式（６）を満たす。

ｄ _０ ＝ｄ， ｄ _Ｎ ＝Ｄ， θ≧θ _ｃ

式（６）においても、幅ｄ_ｉを定義し、第２表面１１３０の境界条件ｄ _０ ＝ｄ及び第１表面１１２０の幅Ｄを設定してよく、それはポンプ光エミッタのサイズによって決定してよい。Ｎは、第１表面１１２０での最大ｉ番目の幅セクションｄ _ｉ ＝Ｄを条件とするｉの最大整数、である。更に、式（５）及び式（６）は、固体レーザ利得材料１１７０をポンプするための有効なポンプ集光素子及び断熱素子を設計するために、正確な仕様を提供する。

好ましくは、第１表面１１２０及び第２表面１１３０の少なくとも一方の表面には、誘電体ブロック１１００を通過するポンプ光のレーザ利得材料１１７０への伝達を向上させるために、反射防止誘電体層がコーティングされる。

ポンプ光源は、発光ダイオード、レーザダイオード、又はそれら２つの組み合わせを含んでもよいし、発光ダイオード、レーザダイオード、又はそれら２つの組み合わせであってもよい。レーザポンプの発光ダイオードのスペクトル輝度を向上させるために、１つの好ましい実施例において、発光ダイオードをレーザ利得材料１０７０の吸収波長と一致する波長を発するように励起するために、第１表面１０２０に誘電体ブロック１０００の材料と異なる誘電体層が光学的にコーティングされる。

図１及び図２にそれぞれ示す誘電体ブロック１０００及び１１００は、ポンプ光をレーザ利得材料１０７０及び１１７０に収束させ、ポンプ光源の熱をレーザ利得材料１０７０及び１１７０から遮断するための構築ブロックであってよい。楔形誘電体ブロックの場合、図３及び図４における単一楔形誘電体ブロックのポンプ強度の幾何学的スケーリング係数Ｄ／ｄの数値は、図５及び図６に示すように、二重楔形誘電体ブロックを用いることにより、その数値の二乗に増加することができる。図７において、ポンプ効率を向上させるために、本発明の一実施例では、吸収されていないポンプ光が再度ポンプレーザ利得材料６０４０に戻されるように、レーザ利得材料（例えば、レーザロッド）６０４０の後に反射鏡（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ）６０７０を取り付ける。図８及び図９に示すように、レーザ利得材料（例えば、図８におけるレーザ利得材料７０４０）の周囲に複数の楔形誘電体ブロック（例えば、図８における誘電体ブロック７１００、７２００）を取り付けることにより、幾何学的スケーリング係数を更に倍数で大きくすることができる。したがって、本発明は、固体レーザをポンプするためのポンプ光の強度を増幅することができ、且つポンプとレーザ利得材料との間に効果的な熱遮断を提供することができる革新的な光学装置及びその実施例を提供する。

第１実施例～第７実施例の図３～図９をそれぞれ参照されたい。ポンプ光源は、発光ダイオードダイアレイ、レーザダイオードダイアレイ、又は前述の２つの組み合わせを含んでよい。誘電体ブロックの材料は、ポンプ光に対して透明で、例えば、ガラス、石英及び溶融石英のうちの１つであってよい。これにより、誘電体ブロックは、ポンプ光をレーザ利得材料に伝達させるために透光性が高く、ポンプ光源の熱がレーザ利得材料に到達しないように遮断するために熱伝導性が低い。誘電体ブロックの第１表面及び第２表面の少なくとも一方には、誘電体ブロックを通過するポンプ光の輝度が向上するように、複数の誘電体層（例えば、反射防止誘電体層であるが、これに限定されない）が光学的にコーティングされてよい。発光ダイオードのポンプ光のスペクトル輝度を増加させるために、誘電体ブロックの第１表面に複数の誘電体層が光学的にコーティングされてよい。レーザ利得材料での吸収波長の発光ダイオードの発光を励起して、発光ダイオードのレーザをポンプする効率を向上させるために、誘電体層の材料は誘電体ブロックの材料と異なる。第１実施例～第７実施例のいずれかにおけるレーザ利得材料は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ：ＫＧＷ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｃｒ：ＹＡＧ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ｇｌａｓｓ、Ｔｍ：ｇｌａｓｓ、及びＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶のいずれかであってよい。これにより、収束されたポンプ光がポンプされると、レーザ利得材料は、レーザの発光又はレーザ放射の増幅に有利である。

第１実施例の図３を参照されたい。レーザポンプ装置は、ポンプ光源（即ち、ポンプ光照明器）２０１０、誘電体ブロック２０００、及びレーザ発生素子を含む。ポンプ光源２０１０は、ポンプ光を発するために用いられ、ポンプ光源２０１０は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック２０００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面２７００、第２表面２８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面２７００と第２表面２８００との間に設けられる。誘電体ブロック２０００は、ポンプ光を受けて第１表面２７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光を第２表面２８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、レーザ利得材料（レーザ利得材料ユニット、例えばレーザロッド）２０４０を含む。レーザ利得材料２０４０は、第２表面２８００から放出されたポンプ光を受けて吸収するために、第２表面２８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられる。これにより、誘電体ブロック２０００は、レーザポンプの効率的な幾何学的集光素子及び断熱素子とすることができる。

詳細には、誘電体ブロック２０００の対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャ（Ａｐｅｒｔｕｒｅ、又は断面積とも言える）が徐々に小さくなり、各対向する反射面は、図３に示すようなくさび角αを有する。言い換えれば、誘電体ブロック２０００の入力アパーチャ（即ち、第１表面２７００）は、その出力アパーチャ（即ち、第２表面２８００）よりも大きく、ポンプ光は、大きい入力アパーチャから入射し、小さい出力アパーチャにレーザ利得材料２０４０に向かって収束される。レーザ利得材料２０４０はレーザ増幅器に取り付けられ、レーザ利得材料２０４０の入力端の弱い入力レーザ２０２０を増幅して、出力端の強い出力レーザ２０３０を生成する。

第２実施例の図４を参照されたい。レーザポンプ装置は、ポンプ光源３０１０、誘電体ブロック３０００、及びレーザ発生素子を含む。ポンプ光源３０１０は、ポンプ光を発するために用いられ、ポンプ光源３０１０は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック３０００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面３７００、第２表面３８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面３７００と第２表面３８００との間に設けられる。誘電体ブロック３０００は、ポンプ光を受けて第１表面３７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光を第２表面３８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、第２表面３８００から放出されたポンプ光を受けて吸収するために第２表面３８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料３０４０を含む。

詳細には、誘電体ブロック３０００の対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、各対向する反射面は、図４に示すようなくさび角αを有する。レーザ利得材料３０４０は、レーザキャビティに取り付けられ、具体的には、レーザキャビティミラー（Ｌａｓｅｒ Ｃａｖｉｔｙ Ｍｉｒｒｏｒ）３０２０は、レーザ利得材料３０４０の入力端に設けられ、出力カプラ３０３０は、レーザ利得材料３０４０の出力端に設けられ、これにより、レーザ利得材料３０４０から発せられる出力レーザ３０５０を確立する。

第３実施例の図５を参照されたい。レーザポンプ装置は、ポンプ光源４０１０、誘電体ブロック４０００、及びレーザ発生素子を含む。ポンプ光源４０１０は、ポンプ光を発するために用いられ、ポンプ光源４０１０は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック４０００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面４７００、第２表面４８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面４７００と第２表面４８００との間に設けられる。誘電体ブロック４０００は、ポンプ光を受けて第１表面４７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光を第２表面４８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、第２表面４８００から放出されたポンプ光を受けて吸収するために第２表面４８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料４０４０を含む。

詳細には、図５に示すように、誘電体ブロック４０００の対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、前述の２つの対向する反射面のそれぞれはくさび角（サイドくさび角）αを有する。誘電体ブロック４０００の反射面のうちの対向する他の２つは、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、前述の他の２つの対向する反射面のそれぞれはトップくさび角βを有する。レーザ利得材料４０４０はレーザ増幅器に取り付けられ、レーザ利得材料４０４０の入力端に注入された弱い入力レーザ４０２０を増幅して、出力端の強い出力レーザ４０３０を生成する。

第４実施例の図６を参照されたい。レーザポンプ装置は、ポンプ光源５０１０、誘電体ブロック５０００、及びレーザ発生素子を含む。ポンプ光源５０１０は、ポンプ光を発するために用いられ、ポンプ光源５０１０は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック５０００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面５７００、第２表面５８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面５７００と第２表面５８００との間に設けられる。誘電体ブロック５０００は、ポンプ光を受けて第１表面５７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光を第２表面５８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、第２表面５８００から放出されたポンプ光を受けて吸収するために第２表面５８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料５０４０を含む。

詳細には、図６に示すように、誘電体ブロック５０００の対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸のアパーチャに垂直な方向に沿って縮み、前述の２つの対向する反射面のそれぞれはくさび角（サイドくさび角）αを有する。誘電体ブロック５０００の対向する他の２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、前述の他の２つの対向する反射面のそれぞれはトップくさび角βを有する。レーザ利得材料５０４０は、レーザキャビティに取り付けられ、具体的には、レーザキャビティミラー５０２０は、レーザ利得材料５０４０の入力端に設けられ、出力カプラ５０３０は、レーザ利得材料５０４０の出力端に設けられ、これにより、レーザ利得材料５０４０から発せられる出力レーザ５０５０を確立する。

第５実施例の図７を参照されたい。レーザポンプ装置は、ポンプ光源６０１０、誘電体ブロック６０００、及びレーザ発生素子を含む。ポンプ光源６０１０は、ポンプ光６０３０を発するために用いられ、ポンプ光源６０１０は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック６０００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面６７００、第２表面６８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面６７００と第２表面６８００との間に設けられる。誘電体ブロック６０００は、ポンプ光６０３０を受けて第１表面６７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光６０３０を第２表面６８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、第２表面６８００から放出されたポンプ光６０３０を受けて吸収するために第２表面６８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料６０４０を含む。

詳細には、誘電体ブロック６０００の対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、各対向する反射面は、図７に示すようなくさび角αを有する。レーザ利得材料６０４０は、ポンプ光６０３０を伝達するためにポンプ軸に沿った反射鏡６０７０の前に取り付けられる。反射鏡６０７０は、ポンプ光６０３０の吸収されていない部分をレーザ利得材料６０４０に反射することによってレーザ利得材料６０４０のポンプ吸収を向上させる。反射鏡６０７０は、反射光をレーザ利得材料６０４０に収束させるために曲率半径を有する。

第６実施例の図８を参照されたい。レーザポンプシステムは、ポンプ光源７０１０、７０１２、誘電体ブロック７１００、７２００、レーザ発生素子、及びそのレーザ利得材料７０４０を含む。ポンプ光源７０１０及び誘電体ブロック７１００と、ポンプ光源７０１２及び誘電体ブロック７２００とは、それぞれレーザ利得材料７０４０の両側に設けられる。

ポンプ光源７０１０は、ポンプ光７１３０を発するために用いられ、ポンプ光源７０１０、７０１２は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。誘電体ブロック７１００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面７７００、第２表面７８００、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面７７００と第２表面７８００との間に設けられる。誘電体ブロック７１００は、ポンプ光７１３０を受けて第１表面７７００に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光７１３０を第２表面７８００に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ発生素子は、外部から注入された微弱なレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられる。レーザ発生素子は、第２表面７８００から放出されたポンプ光７１３０を受けて吸収するために第２表面７８００の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料７０４０を含む。ポンプ光源７０１２は、ポンプ光７２３０を発するために用いられる。誘電体ブロック７２００は、ポンプ軸を有し、且つ第１表面７７２０、第２表面７８２０、及び複数の反射面を含み、複数の反射面は、ポンプ軸に沿って第１表面７７２０と第２表面７８２０との間に設けられる。誘電体ブロック７２００は、ポンプ光７２３０を受けて第１表面７７２０に入射させ、且つ反射面に取り囲まれたポンプ軸に沿ってポンプ光７２３０を第２表面７８２０に向かって伝達するように誘導するために用いられる。レーザ利得材料７０４０は、第２表面７８２０から放出されたポンプ光７２３０を受けて吸収するために、第２表面７８２０の近傍且つポンプ軸に近い位置に取り付けられる。

詳細には、誘電体ブロック７１００、７２００のそれぞれの対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、各対向する反射面は、図８に示すようなくさび角αを有する。誘電体ブロック７１００、７２００は、それぞれのポンプ軸と整列され、誘電体ブロック７１００、７２００のポンプ軸は、ポンプ光７１３０、７２３０を収束させるように１点で止まる（Ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）。レーザ利得材料７０４０は、ポンプ光７１３０、７２３０の最大ポンプを受けるように、ポンプ光７１３０、７２３０の収束位置に取り付けられる。

第７実施例の図９を参照されたい。レーザポンプシステムは、冷却装置８０１０、８０２０、レーザ発生素子及びそのレーザ利得材料８０４０、誘電体ブロック８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００及びそれぞれ対応するポンプ光源を含む。ポンプ光源はそれぞれ誘電体ブロック８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００に対応し、ポンプ光８１３０、８２３０、８３３０、８４３０、８５３０、８６３０をそれぞれ発するために用いられ、ポンプ光源のそれぞれは、発光ダイオード、レーザダイオード、又は前述の２つの組み合わせであってよい。冷却装置８０１０は、水冷装置であってよく、ポンプ光源で発生した熱を除去するために、全てのポンプ光源の裏面に取り付けられる。冷却装置８０２０は、具体的には水冷装置であり、レーザ利得材料８０４０で発生した熱を除去するために、レーザ利得材料８０４０を被覆する。又は、冷却装置８０１０、８０２０のそれぞれは、空気循環又はペルチェ熱電冷却器（Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）によって補助されてよい。これによって、ポンプ光源及びレーザ利得材料８０４０から発生した熱の除去に寄与する。

具体的には、図９に示すように、誘電体ブロック８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００のそれぞれの対向する２つの反射面は、楔形で、且つポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなる。誘電体ブロック８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００は、それぞれのポンプ軸と整列され、誘電体ブロック８１００、８２００、８３００、８４００、８５００、８６００のポンプ軸は、ポンプ光８１３０、８２３０、８３３０、８４３０、８５３０、８６３０をレーザ利得材料８０４０に収束させるように１点で止まる。レーザ利得材料８０４０は、ポンプ光８１３０、８２３０、８３３０、８４３０、８５３０、８６３０の最大ポンプを受けるように、ポンプ光８１３０、８２３０、８３３０、８４３０、８５３０、８６３０の収束位置に取り付けられる。第７実施例及びその図９のレーザポンプシステムの内容については、前述の第６実施例及びその図８のレーザポンプシステムを参照してよい。よって、第７実施例のレーザポンプシステムの他の詳細は、ここで詳しく説明しない。

本発明は、実施形態に基づいて以上のように開示されたが、それは本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更や修正を行うことができ、よって、本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲に定義される範囲を基準とする。

Claims (9)

1. ポンプ光を発するためのポンプ光源と、
   ポンプ軸を有し、且つ第１表面、第２表面、及び複数の反射面を含む誘電体ブロックであって、前記第１表面は、平面であり、前記誘電体ブロックは、前記ポンプ光を受けて前記第１表面に入射させ、前記複数の反射面に取り囲まれた前記ポンプ軸に沿って前記ポンプ光を誘導し、前記ポンプ光を前記第２表面に向かって伝達するように構成され、前記対向する２つの反射面は、楔形であり、前記ポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなる、誘電体ブロックと、
   外部から注入されたレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられ、前記第２表面から放出された前記ポンプ光を受けて吸収するために前記第２表面の近傍且つ前記ポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料を含むレーザ発生素子と、
   を備え、
   ポンプ軸に沿った全長Ｌは、以下の式（６）から計算される、
   

   

   ｄ _０ ＝ｄ， ｄ _Ｎ ＝Ｄ， θ≧θ _ｃ
   
   ここで、α くさび角、θ 対向する２つの反射面へのポンプ光の最後の入射角、θ _ｃ 誘電体ブロックの内部全反射の臨界角、Ｄ 第１表面の幅、ｄ 第２表面の幅、Ｎ 第１表面での最大ｉ番目の幅セクションｄ _ｉ ＝Ｄを条件とするｉの最大整数、である、
   レーザポンプ装置。
2. 前記ポンプ光源は、発光ダイオードアレイ、又はレーザダイオードアレイ、又は発光ダイオードとレーザダイオードのハイブリッドアレイを含む請求項１に記載のレーザポンプ装置。
3. 前記誘電体ブロックの材料は、前記ポンプ光に対して透明で、且つガラス、石英及び溶融石英のうちの１つである請求項１に記載のレーザポンプ装置。
4. 前記誘電体ブロックの前記第１表面及び前記第２表面のうちの少なくとも一方には、前記誘電体ブロックを通過する前記ポンプ光の輝度が向上するように、複数の誘電体層が光学的にコーティングされる請求項１に記載のレーザポンプ装置。
5. 前記レーザ利得材料は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ：ＫＧＷ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｃｒ：ＹＡＧ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ｇｌａｓｓ、Ｔｍ：ｇｌａｓｓ、及びＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶のうちの１つである請求項１に記載のレーザポンプ装置。
6. 前記レーザ利得材料は、前記ポンプ軸に沿った反射鏡の前に取り付けられ、前記反射鏡は、前記ポンプ光の吸収されていない部分を前記レーザ利得材料へ再循環させるために用いられる請求項１に記載のレーザポンプ装置。
7. それぞれ複数のポンプ光を発するように構成された複数のポンプ光源と、
   複数の誘電体ブロックであって、前記複数の誘電体ブロックのそれぞれは、ポンプ軸を有し、第１表面、第２表面、及び複数の反射面を含み、前記第１表面のそれぞれは、平面であり、前記誘電体ブロックのそれぞれは、前記ポンプ光を受けて前記第１表面に入射させ、前記複数の反射面に取り囲まれた前記ポンプ軸に沿って前記ポンプ光を誘導し、前記ポンプ光を前記第２表面に向かって伝達するように構成され、前記対向する２つの反射面は、楔形であり、前記ポンプ軸に垂直なアパーチャが徐々に小さくなり、前記複数の誘電体ブロックのそれぞれは、対応する前記複数のポンプ光を伝達し、且つ対応する前記複数のポンプ光源の熱を遮断するように構成される、誘電体ブロックと、
   
   外部から注入されたレーザ信号を増幅したり、共振キャビティの自発振動によるレーザを発生させたりするために用いられ、前記第２表面から放出された前記ポンプ光を受けて吸収するために前記第２表面の近傍且つ前記ポンプ軸に近い位置に取り付けられるレーザ利得材料を含むレーザ発生素子であって、前記レーザ利得材料が前記複数のポンプ光を受け、吸収するように構成される、レーザ発生素子と、
   前記複数のポンプ光源及び前記レーザ利得材料から発生した熱を除去するための冷却装置と、
   を備え、
   ポンプ軸に沿った全長Ｌは、以下の式（６）から計算される、
   

   

   ｄ _０ ＝ｄ， ｄ _Ｎ ＝Ｄ， θ≧θ _ｃ
   
   ここで、α くさび角、θ 対向する２つの反射面へのポンプ光の最後の入射角、θ _ｃ 誘電体ブロックの内部全反射の臨界角、Ｄ 第１表面の幅、ｄ 第２表面の幅、Ｎ 第１表面での最大ｉ番目の幅セクションｄ _ｉ ＝Ｄを条件とするｉの最大整数、である、
   レーザポンプシステム。
8. 前記複数の誘電体ブロックはそれぞれ前記複数のポンプ軸と整列され、前記複数のポンプ軸は、前記複数のポンプ光を前記レーザ利得材料に収束させるように１点で止まる請求項７に記載のレーザポンプシステム。
9. 前記冷却装置は、空冷素子、ペルチェ熱電冷却器、及び水冷素子のうちの少なくとも１つを含み、少なくとも１つの前記ポンプ光源の裏面に取り付けられるか、又は前記レーザ利得材料を被覆する請求項７に記載のレーザポンプシステム。
   

Images