JPH02278778A - 横方向のポンピングを用いたモード整合型固体レーザ - Google Patents

横方向のポンピングを用いたモード整合型固体レーザ

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JPH02278778A
JPH02278778A JP2044307A JP4430790A JPH02278778A JP H02278778 A JPH02278778 A JP H02278778A JP 2044307 A JP2044307 A JP 2044307A JP 4430790 A JP4430790 A JP 4430790A JP H02278778 A JPH02278778 A JP H02278778A
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laser diode
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Thomas M Baer
トーマス・マイケル・バエル
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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】 [産業上の利用分野1 本発明は、モード整合型固体レーザに関し、より詳しく
は、横方向のポンピングを用いたモード整合型固体レー
ザに関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題1従来の
光学的にポンピングされた固体レーザは、共振器空洞に
おける固体レーザメディアを縦方向に又は横方向にポン
ピングするために、広帯域のアークランプ又は閃光ラン
プを利用している。ポンピングの方向は、共振器空洞の
長軸に対して横切って又は直交している。全体のレーザ
メディアは、ポンピングの容量とレーザ空洞によって画
成されるTEM、。モードの容量がほとんど一致しない
ようにポンピングされ、ここで、TEM00モードにお
ける動作が所望される。多くのエネルギーがレーザモー
ドによって占有される容量以外の当該メディアの領域に
入力され、それ故、レーザビームの増幅に寄与しない。
従って、ポンピング効率は低く、典型的には数バーセン
]・である。
レーザダイオードは、効率的なポンピング源を形成する
。すなわち、種々の異なったタイプのレーザダイオード
、特に、例えば複数のエミッタがともに位相同期される
、スペクトラ・ダイオード・ラブダ(Spectra 
Diode Labs)製モデル番号2410のGaA
lAsレーザダイオードアレーのようなレーザダイオー
ドアレーや、例えばソニ(Sony)製モデル番号5L
D301,302.303.304  V/Wのような
拡張されたエミッタレーザダイオードが、用いられてき
ており、用いることができる。米国特許第4,653.
056号及び第4,656.635号、並びに1987
年3月24日に出願された米国特許出願第029.83
6及び1987年4月7日に出願された米国特許出願第
035,530号において、ポンピング効率を最適化す
るためにポンピング容量が所望されるTEM、。モード
の容量に整合しているレーザダイオード源によって長手
方向の端部でポンピングされる固体レーザが記述されて
いる。この長手方向の端部におけるポンピングの形状で
は、ポンピングの方向が共振器空洞の長袖に一致し、従
って、レーザモードの容量に整合させることができる。
1987年5月12日に付与された米国特許第4,66
5.529号及び1987年5月12日に出願された米
国特許出願第048.717号において、レーザを長手
方向の端部でポンピングしかつモード整合させるために
、レーザダイオードのポンピング源が光ファイバの手段
によってレーザのロッドに結合された固体レーザが記述
されている。小型でかつ安価であり高性能な固体レーザ
を実現することが所望される。
このように、共振器/ポンピングの形状は、レーザの設
計及び性能に対して重要な要素である。
縦方向のポンピングの方法はモード整合を行うことがで
きないので、非効率的である。レーザダイオードを用い
た端部でのポンピングの方法はモード整合を行うことが
できるので、効率的である。
しかしながら、予め利用できるレーザダイオードの電力
はしばしば、通常1W以下に制限されている。さらに、
高電力のレーザダイオードのポンピング源を用いた場合
であっても、この端部でポンピングされる形状は使用可
能なエネルギー量を制限し、これによって、レーザの電
力を制限する。
なぜならば、利得メディアのポンピング領域における電
力密度が非常に高く、かつ生成された熱を取り除くこと
ができないからである。従って、モード整合がより効率
的にポンピングエネルギーを用いているとき、縦方向の
ポンピングはより太きなエネルギーが上記メディアに入
力することを可能にするので、横方向又は縦方向のポン
ピングの幾何学的構造を、ポンピングの容量のT E 
M o。モードに対するモード整合に結合する共振器の
形状を提供することが所望される。
もう1つのタイプのレーザダイオードは、多エレメント
バー構造にIII成された複数のレーザダイオードアレ
ーである。これらのレーザダイオードアレーバーは典型
的には、1cmのバーに沿って所定の間隔が置かれた1
0個の1Wレーザダイオドアレーを備え、各アレーはと
もに位相同期された多数のエミッタを有する。これらの
アレーバーは、固体レーザを端部でポンピングさせるた
めに適当ではないが、固体レーザを横方向で又は縦方向
でポンピングするために有用である。しかしながら、も
し複数のバーが単にアークランプの代わりに用いられる
ならば、はとんど利点を得ることができないであろう。
従って、レーザダイオードアレーバーの出力を固定レー
ザ材料の中で所望のモードの容量(T E M o。)
にモード整合させることができるレーザ共振器/ポンピ
ングの形状を改善する必要がある。
従って、本発明の目的は、モード整合されレーザダイオ
ードで横方向にポンピングされた固体レーザを提供する
ことにある。
また、本発明の別の目的は、レーザダイオードアレーバ
ーによってポンピングされモード整合された固体レーザ
を提供することにある。
さらに、本発明のさらなる目的は、多エレメントのレー
ザダイオードのポンピング源によって、効率的なモード
整合されたポンピングを提供する固体レーザの共振器の
形状を提供することにある。
またさらに、本発明のもう1つの目的は、利得メディア
の縦方向の側面からポンピングされるモード整合された
レーザダイオードでポンピングされた固体レーザを提供
することにある。
また、本発明の目的は、利得メディアの縦方向の側面に
沿って所定の間隔が置かれた複数のレーザダイオードの
ポンピング源がTEMo。にモード整合された固体レー
ザを提供することにある。
[課題を解決するための手段及び作用1本発明は、共振
器モードの容量にモード整合されたレーザ材料の横方向
又は縦方向の面に沿って延在している複数の分離された
レーザダイオードのポンピング源によってポンピングさ
れる固体レーザである。好ましくは、ポンピング源は、
多エレメントのバー構造に構成された複数のレーザダイ
オードアレーである。固体レーザの効率的な光学的ポン
ピングは、しっかりと折り曲げられたジグザグ状の空洞
形状において、固体レーザ材料の中でアレー出力をT 
E M00モードにモード整合させることによって実現
することができる。共振器を、利得メディアの1対の横
方向又は縦方向の側面の間でしっかりと折り曲げられた
ジグザグ形状きすることによって、ポンピングの放射を
長手方向でモードの容量に方向付けすることができ、す
なわち、横方向であって長手方向のポンピングのスキー
ムを実現することができる。モード整合は、空洞のモー
ドの容量をレーザダイオードの放射の発散に整合させる
ことによって実現できる。円筒形状のコリメートレンズ
、好ましくは所定長の光ファイバが、ダイオードバーレ
ーザの利得メディアの接合面に対して垂直である1方向
で実質的にダイオードの放射をコリメートするために、
精密なスペーサ手段によって、ダイオードバーに対して
平行であってかつ所定の間隔が置かれた関係で設けられ
る。ファイバの直径は、ポンピングされる領域がレーザ
のモードの大きさに整合するように選択される。共振器
平面における他の方向において、レーザダイオードの放
射の発散(しばしば2つのローブパターン)は、固体レ
ーザt[のブロックを通過するTEMo−ビームのジグ
ザグ状のパスの折り曲げ角度に整合される。上記折り曲
げ角度は約5°よりも大きくかつ約20°よりも小さく
、好ましくは10’ よりも小さい。
本発明の第1の代替の実施例において、ダイオードのポ
ンピング源は固体レーザ材料のバーから離れて置かれ、
レンズはダイオードバーの表面においてポンピング放射
を合焦させるようにそれらの間に置かれる。
第2の代替の実施例において、複数のレーザダイオード
のポンピング源は光ファイバによって固体レーザ材料の
バーに光学的に結合される。
[実施例] 本発明に係る一実施例は、複数の高い平均電力のレーザ
ダイオードバーを固体レーザの能動メディアに有効的に
結合させる共振器/ポンピングの幾何学的構造を有する
固体レーザである。この固体レーザは、レーザ材料のブ
ロックの横方向又は縦方向の面lこ沿って置かれたレー
ザダイオードバーをT E M o oモードの容量に
モード整合することができるように、レーザ材料のブロ
ックの中でしっかりと折り曲げられたジグザグ形状を有
するレーザ空洞を利用する。この固体レーザの発振器は
、オプンヨナルであって簡単なコリメート光学装置と共
振器空洞の折り曲げ角度を用いて、レーザのT E M
ooモードとダイオードバーによってポンピングされた
複数の領域との重なりを最適化する。
共振器空洞を折り曲げることによって、両側面に対して
平行とする代わりに、共振器の長軸をレーザ材料のブロ
ックの横方向又は縦方向の側面に対して実質的に垂直で
あるようにすることができ、この結果、共振器空洞を、
単に端部がらポンピングする代わりに、両側面に沿って
所定間隔だけ置かれた多数の間隔で、長手方向でポンピ
ングすることができる。
第1図に示された固体レーザlOは、Nd:YAG又は
他の固体レーザ材料にてなるブロック12で形成される
。レーザの放射光を高い反射率で反射する、例えばミラ
ーI4のようなレーザ空洞形成手段と、レーザの放射光
の一部を透過させる出力力/プラーミラー16が、ブロ
ック12の回りに設けられ、これによって、ブロック1
2内で延在するレーザ空洞を形成する。ブロック12内
の共振器空洞の形状がブロック12のl対の対向する縦
方向の側20.22の間に予め選択された折り曲げ角度
でしっかりと折り曲げられるジグザグ部18であるよう
に、ミラー14.16は、ブロック12に対して所定角
度で置かれる。第1図に示すように、ミラー14.16
はブロック12の同じ側面に位置しているが、また、対
向する両側面に設けることができる。
2つの側面20.22の表面は好適な非反射(AR)被
覆で被覆され、高い反射率を有する(HR)被覆を形成
する別の被覆層が、レーザビームが反射されブロック1
2に戻される側面20.22の部分上で形成される。第
1図に示すように、レーザビームの入射点と出射点の間
の側面20の領域はHR被被覆有しており、一方、側面
22の全面はHR被被覆有することが可能である。これ
らの被覆は詳細後述される。側面22に沿って置かれた
ダイオードバー24は、ポンピング源を形成する。ダイ
オードバー24は、その長さ方向に沿って所定間隔置か
れた複数の分離されたレザーダイオードアレー26を備
える。ファイバーレンズのコリメータ28の手段によっ
て、並びに詳細後述するようにダイオードアレー26の
発散を整合させるように共振器のジグザグ部18の折り
曲げ角度を選択することによって、バー24上のレザー
ダイオードアレー26からの発光をレーザlOのモード
容)に整合させる。オプショナルの内部空洞エレメント
34をまた、後述するように備えてもよい。幾つかの場
合において、コリメータ28は不必要であるかもしれな
い。ダイオードアレー26をブロック12に突き当たる
ように設けてもよい。
上記固体レーザをポンピングするために1対のダイオー
ドバーを用いる基礎的な実施例の変形例を、第2図に示
す。分離したダイオードバー24が、ブロック12内で
共振器のジグザグ部18をポンピングするために、レー
ザ材料のブロック12の各側面20.22に沿って置か
れる。高い反射率を有するミラー14と出力力ップラミ
ラ=16は、共振器空洞を形成するために、ブロック1
2の対向する両側に置かれ、所望の折り曲げ角度が生じ
るように向けられる。上記各ダイオードバーは、ファイ
バレンズ28によってコリメートされる複数の分離され
たダイオードアレー26を有する。
基本的なエレメントについては多くの異なった変形例が
可能であり、レーザ材料のブロックの一方の側面又は両
側面に置かれる複数のバーとともに、1閏、2個、3@
、又はそれ以上のダイオードバーを用いることができる
。空洞を形成するミラーをブロックの同じ側面又は対向
する側面に設けることができる。共振器における各折り
曲げ部をレーザダイオードアレーによってポンピングす
ることができ、もしくは、ただ他の折り曲げ部毎に、又
は第3の折り曲げ部毎に、ポンピングすることができ、
これらの折り曲げ部をただ一方の側面から又は両側面か
らポンピングすることができる。
この共振器形状の大きな利点は、ポンピングの容量を共
振器におけるモード容量に非常に近づけて整合させるこ
とができることである。ミラー14.16の位置及び形
状は、共振器内のモード容量を決定するであろう。TE
M、。モードは、その1つのローブパターンを有するた
めに、非常に所望される。この共振器の形状は、多エレ
メントのダイオ−下バーに沿って所定間隔置かれた複数
の分離されたポンピング源、好ましくは分離したダイオ
ードアレーを、レーザの利得メディアの大部分をポンピ
ングすることができるように、縦方向の側面又は1対の
対向する縦方向の両側面に沿って置くことを可能にする
とともに、すべてのダイオードアレーのポンピング容量
を共振器の所望されるモード容量に整合することによっ
て、効率を最大にすることを可能にする。その結果、非
常に高い効率と非常に高い利得を有する形状を得ること
ができる。
レーザダイオードバーの好ましい実施例は、GaAsに
てなる1crn基板片上に置かれた、10個の1Wダイ
オードアレーを有する。個々のアレーは200ミクロン
の幅を有し、1mmの間隔で離れて置かれている。これ
らのダイオードバーは次の3つの理由のために好適であ
る。
(1)ダイオードレーザがGaAsにてなる同一のモノ
リシック基板片上に形成されるため、バー上におけるす
べてのダイオードレーザの波長が厳密に整合されるであ
ろうこと。
(2)複数のダイオードをそれぞれ1mmだけ離れるよ
うに置くことによって、基板の熱負荷が軽減されること
(3)多くのダイオードを1つのバー上で結合すること
によって、パッケージ工程のコストが軽減され、歩留ま
りが改善されること。
しかしながら、例えば、異なった数の個々のアレーを設
け、又は別々のアレーを所定間隔だけ離れて設けるなど
、ダイオードアレーの異なった配置を利用することがで
きる。とって代わって、多くの分離された複数のアレー
を備えるダイオードアレーの代わりに、複数の分離され
た個々のダイオードアレーを、ブロックの側面に沿って
設けることができる。複数のダイオードアレーはしばし
ば、バーの平面に対して垂直な方向でより大きな発散を
有するとともに、2つのローブパターンを有する。その
発散は典型的には、バーの平面において(ローブからロ
ーブまでの)約7°の全角、又は約0.15の開口角(
N、A、)を有し、もしくはバーに対して垂直な平面に
おいて28°の全角、又は約0.15のN、A、を有す
る。従って、ポンピングのビームをバーの平面に対して
垂直な方向でモード容量を整合することは非常に難しく
、幾つかの付加的な光学装置を必要とする。
ダイオードバーの出力をコリメートするための好ましい
実施例は、円筒レンズのような光ファイバを用いる。典
型的な共振器の形状は、200乃至300ミクロンの幅
のビームを有する。従って、300乃至400ミクロン
の円筒レンズが好適である。典型的なマルチモード光フ
ァイバはこの直径を有し、すべての所定間隔置かれた個
々のアレーをコリメートするという方法で光ファイバを
設けられるならば、良好であって低コストのコリメータ
を形成するであろう。従って、1本のファイバを1個の
アレーをコリメートするために用いることができるが、
全体のバーをコリメートするために、1本のファイバを
用いるための手段を提供する必要がある。
第3図(A)乃至(E)は、固体レーザブロック12に
対して光ファイバ28によって行われる、レーザダイオ
ードアレー26の出力のコリメーションを示している。
複数のダイオードアレー26は、約250ミクロンの直
径を有するファイバ28からそれぞれ、l、10,20
,30.及び50ミクロンの距離だけ離れて設けられる
。1.10゜及び50ミクロンの距離だけ離して設けた
場合においては、ビームが十分にコリメートされない。
従って、ダイオードバー上で複数のアレーをコリメート
するために光ファイバを用いるためには、ファイバを全
体のバーに沿って、30±lOミクロン(すなわち、約
20乃至40ミクロン)の距離だけ離してダイオードア
レー26を保持しなければならない。
第4図に示すように、各レーザダイオード26からの出
力が実質的にコリメートされてYAGブロック12の縦
方向の側面22に入射するポンピングビーム30となる
ように、光ファイバ28がダイオードバー24と所定の
間隔だけ離れた関係で設けられる。側面22は、典型的
には約800nmの波長を有するポンピングの放射光に
対して高い透過率を有するが、レーザの放射光を反射す
る被覆を有する。ファイバ28の直径は、レーザビーム
32の直径(よりも少し小さく)実質的に同一である直
径を有するポンピングビーム3oを生成するように選択
され、これによって、ポンピングビームを、共振器の平
面に対して垂直である1つの方向でモード容量をモード
整合する。ファイバ28は、焦点に設けられるダイオー
ドアレー26とともに、例えば複数のステップを有する
銅製のヒートシンクのような精密なスペーサ手段29に
よってダイオードパー24に対して相対的に設けられ、
これによって、放射光がコリメートされるであろう。精
密なスペーサ手段29は、すべてのアレー26を線状の
光にコリメートするために、その全体の長さに沿ってバ
ー24に対して精確に平行でありかつ所定間隔離れた関
係で、ファイバ28を保持している。典型的には、ダイ
オードとファイバとの間のギャップは、約20乃至40
ミクロンであり、ダイオードバーとYAGブロックとの
間の距離は約450ミクロンである。1本の光ファイバ
はビームを広げる球状の収差のためニ完全なコリメータ
ではないが、その広がりを無視することができ、かつ光
ファイバが記述した方法で正確に位置させるときその光
ファイバが非常に有効なコリメータとなるように、ポン
ビングエ不ルギーは、(吸収波長において)レーザメデ
ィア内の比較的短い距離の間で吸収されるであろう。
それ自身にお(するこのコリメートされたレーザダイオ
ードはまた、本発明の一部分であると考えられる。
光ファイバでコリメートされたレーザダイオードパー3
1の好ましい実施例を第4図に示す。スペーサ手段29
は、複数のステップを有し銅又は他の材料にてなるヒー
トシンク38で形成される。
複数のアレー26を備えるダイオードパー24は、1つ
のステップ40に設けられ、一方、ファイバ28はより
低いステップ42に(例えばエポキン樹脂の接着剤をm
mいて)設けられる。ステップ40と42は、中間のス
テップ44によって分離され、この中間のステップ44
に対してファイバ28は、(約1cmの)パー24の長
さ方向に沿つて、(約30ミクロンの)ファイバとダイ
オードの間の正確な動作距離を保持するように設けられ
る。このファイバの直径は典型的には、複数のアレーを
コリメートするために、約250乃至350ミクロンで
あり、もしくはモード容量に依存して他の好適なマルチ
モード型ファイバの直径である。
第5図に示されたコリメートされたレーザダイオードパ
ーの1対の実施例を、第6図及び第7図に示す。第6図
において、ファイバ28を装着するためのステップ42
.44はスペーサ29(ヒートシンク38)の全体の長
さに沿って形成され、一方、第7図において、ステップ
42.44はただスペーサ29の端部46にのみ形成さ
れる。複数のダイオードアレー26はステップ40上に
形成され、又は装着される。複数のアレー26からのポ
ンピングビーム30は1つの方向でコリメートされるが
、まだ他の方向で2つのロープ形状の発散を有している
。ダイオードパーからファイバを精確に所定の間隔だけ
離すための1つの代替方法では、ファイバを所定の間隔
だけ離すためにUV硬化エポキシ樹脂を用い、コリメー
ションが受容できるときUV硬化エポキシ樹脂をつける
。パーの長さ(1cm)に沿う端部から端部までの変動
を、±10ミクロン以内に保持することができる任意の
精密なスペーサ又は調整手段を用いることができる。
ポンピングのビームが上述したように1つの方向でモー
ド整合されれば、ポンピングのビームはまた、共振器の
平面において他の方向で整合するにちがいない。第8図
に示すように、個々のダイオードアレー26は、ダイオ
ードパー24上において、好ましくは1mmの距離dだ
け離れている。
ポンピングビーム30は共振器の平面に対して垂直であ
る方向でファイバ28によってコリメートされ、従って
、その方向でポンピングのビーム幅はレーザビーム32
の幅よりも少し狭くなる。共振器の平面において、共振
器のしっかりと折り曲げられた部分18におけるモード
容量は、ダイオードアレー26の発散に整合される。し
ばしば、ダイオードアレーは2つのロープの出力を生成
し、その結果、1つのローブは折り曲げられたビームに
おけるVの各部分に入射する。モードの整合は、折り曲
げ角度Aを制御することによって実現できる。レーザビ
ーム32の直径は典型的には、約300ミクロンである
。共振器の幾何学的構造及びビームのモード容量は、折
り曲げ部における複数のビームが重ならないように設定
しなければならず、その結果、レーザビームは、ブロッ
ク表面上の高い反射率を有する被覆のエツジにおいてレ
ーザ材料のブロックに出射することができる。この折り
曲げ角度Aは非常に急勾配である。この折り曲げ角度A
は5°よりも大きくかつ20°よりも小さく、好ましく
はlOoよりも小さく、典型的には5°である。形状は
、ジグザグ部がビームの全体の内部反射(TIR)によ
って生成される従来のジグザグ・スラブレーザとはまっ
たく異なっており、本実施例において、この折り曲げ角
度はTIRに対して非常に急勾配である。レーザダイオ
ードのビームは、例えばソニー製の拡張されたエミッタ
レーザダイオードによって生成されるような、1本のロ
ーブであってもよい。従って、ビーム32がVの間にお
いて重ならない(すなわち、■の2つの部分が完全に分
離している)部分の距離りが特定のレーザメディアにお
いてポンピングビームの放射の吸収に等しいか又は長く
なるような折り曲げられたジグザグ形状を生成する。従
って、この折り曲げ角度は、ダイオードアレーのスペー
シング及び共振器のジグザグ部からビームを取り除くた
めの能力に依存するであろう。ダイオードは、1つの折
り曲げ部毎にポンピングする必要はないが、他の折り曲
げ部毎にポンピングするようにしてもよい。特に1本の
ローブのポンピングビームの場合においては、この折り
曲げ部を非常に急勾配にすることができ、その結果、ポ
ンピングビームの方向は、ポンピングの放射光が利得メ
ディアによって吸収されるレーザビームの領域において
レーザビームの長袖に厳密に一致する。
ポンピング源の強度分布をTEM、。モードで最後まで
実行し、重なりを最大にするために、折り曲げ角度が空
洞形成手段によって調整される。
次の好ましい実施例によって図示されるように、空洞を
設計するために、多くの異なった7アクタを考慮しなけ
ればならない。第1のファクタは、レーザ材料のブロッ
クである。5 m m X 5 m m X20mmの
YAGバーを生成することができ、全体の長さにわたっ
て波長の半分となるように平坦に形成することができる
。従って、折り曲げ部の長さ(2つの縦方向の側面の間
の距離)は典型的には、約5mmとなるであろう。第2
の7アクタは、レーザビームのモード容量である。ミラ
ーを形成する空洞の半径は典型的には100cmであり
、複数のミラーがレーザブロックから約2cmだけ離れ
て置かれる。10個の折り曲げ部(ブロックを横切る2
0本のパス)に対して、全体の空洞の長さは約15cm
であり、約300ミクロンの1 / e ”ビームの直
径を有する。複数のダイオードアレーは200ミクロン
であり、そのダイオードアレーを最大のポンピング効率
に対するモード容量に整合させることができるので、3
00ミクロンのビームが所望される。しかしながら、例
えばもし0.5cmのダイオードバーが、100ミクロ
ンの直径を有する10個の0.5Wアレーとともに(ま
た好適なより狭いファイバコリメータとともに)用いら
れるならば、空洞(ミラーの半径)を変化することによ
って、他の実施例において好適である他のビームサイズ
を生成することができる。
ブロックからビームを取り除くために、そのビームを反
射しない(すなわち、ただAR被被覆みが被覆された)
領域を通過させ、高い反射率を有する(HR被被覆被覆
された)領域の近傍をかすって通過させる必要がある。
−射的なルールとして、重要な回折損失を回避するため
に、その開口は、およそl / e ’ビームの直径の
3@である必要がある。従って、300ミクロンのTE
M、。モードのビームの直径に対して、最も近いエツジ
は約500ミクロンである必要がある。第8図に示すよ
うに、ビーム32は、点48において側面20を出射す
る。隣接する折り曲げ部の間の距離は約1mmである。
従って、第1のダイオードアレー26から直接に横切る
点50は、出射点48から500ミクロンである。これ
により、HR被被覆、点50において鋭く終端する必要
があり、従って、そのビームは大きな回折損失なしに出
射することができる。
被覆方法はバーの端部から端部までの長さを整合させる
ために、精密なマスクを用いる。このマスクは、鋭いカ
ットオフ又は急勾配のエツジに対して、例えば2ミル(
0,002インチ)のように非常に薄く、従って、ビー
ムは大きな回折損失なしに出射する。これらの被覆は、
従来の光学的な被覆である。両側面は最初にAR被被覆
被覆され、例えばHR被被覆第1の2つの層をまた形成
する2つの層である。出射点が存在しない任意の側面を
、(例えば20の層の)多重層のHR被被覆完全に被覆
することができる。次いで、他の側面の中心部分はマス
クを用いてHR層で被覆されス 高利得のためのポテンシャルの問題は、ダイオードアレ
ーからレーザメディアのブロックの間において、すなわ
ちジグザグの折り曲げ部の間において、垂直な方向で寄
生振動が生じることである。
1つの解は、一連のHRストライプにおいてブロック表
面を被覆することであり、これにより、ジグザグ状の折
り曲げ部が表面に接触しているところの表面被覆は高い
反射率を有するが、ダイオードアレーから直接に横切る
表面は、共振を生じない窓を形成するために、AR被被
覆みで被覆される。
アレー26から直接に横切る第8図に示された点52(
及び各折り曲げ部における同様の点)はHR被被覆被覆
すべきでないが、AR被被覆みで被覆すべきである。こ
のことは、ビームが点52のHR被被覆すなわち、ただ
単にAR被被覆におけるギャップを反射し離れるところ
のみにおいて、ストライプ形状のHR被被覆形成する被
覆マスクを用いることによって達成することができる。
(HR被被覆また出射点における点50から少し動かせ
られる。)とって代わって、マスクの下の全体の表面を
HR被被覆被覆し、次いで、ストライプ形状のHR被被
覆、例えばレーザによって、点52において取り除くこ
とができる。もう1つの解は、1つのレーザのブロック
の通常平行であって対向している両側面を軽くクサビで
留めることである。しかしながら、このことは、補償す
るために、ダイオードの不均一なスペーシングを必要と
するかもしれない。
本発明に係るレーザは、所望のT E M 1++1モ
ードの容量にモード整合させることによって、高電力の
ダイオードパーのポンピングを用いて固体レーザを有効
的にポンピングするための能力において大きな改善を有
している。これらのレーザを極めてコンパクトにするこ
とができ、また、非常に高い性能特性を有することがで
きる。任意の広範囲な種々の固体レーザ材料を用いるこ
とができる。
特に、Nd:YAG及びNdニガラスは、他のアプリケ
ーションのために広く用いられている2つの公知の材料
である。一般に、能動メディアは高いスロープ効率、広
いポンピング帯域、並びに良好な熱伝導性を有する必要
がある。Nd:YAGレーザは、IRにおけるすべてに
おいて、1000ミクロンで非常に強いラインスペクト
ラムを有し、また0、946及び1.3ミクロンでより
弱いラインスペクトラムを有する。可視波長領域におけ
る動作に対して、周波数2逓倍器を、それぞれ波長53
2nm、473nm、及び651nmのスペクトラムを
生成し、第1図における内部空洞エレメント34によっ
て表されたレーザ空洞に付加することが可能である。1
.06ミクロンにおいてIOWの電力レベルは、3つの
パーのポンピングとともに、達成できる(波長532n
mにおいて5Wである)。レーザは非常に高い搬送波(
CW)利得を有する。例えば、もし各折り曲げ部におけ
る利得がlO乃至20%であれば、約7乃至8の全体の
利得を達成することができる。第1図における内部空洞
エレメント34によってまた表される内部空洞Qスイッ
チを付加することによって、このレーザはCW(搬送波
モード)又はパルスモードで動作する。もし必要であれ
ばブロック12の上面及び下面上に第5図において図示
されたヒートシンク又は他の熱除去手段36を設けるこ
とによって、熱の消失を制御することができる。高い利
得は、吸収線がNd : YAGよりもより広くなると
いう利点を有する、例えばNdニガラスのようなより低
い吸収レーザ材料を用いることを可能にしており、これ
によって、ペルチェ冷却器なしでレーザダイオードのポ
ンピング源を用いることができる。これらの非常に有効
な結果は、横方向であって長手方向のポンピング、すな
わちレーザのブロックに対して横方向でかつレーザ共振
器に対して長手方向で行うポンピングを適当に行うこと
によって、本発明により得ることができる。
本発明の代替の実施例において、ダイオードバー24と
コリメートを行う光ファイバ28は固体レーザ材料のブ
ロック12から離れて置かれ、レンズ60は上記ブロッ
ク12とダイオードバー24との間に置かれる。現在の
好ましい実施例において、固体レーザの材料のブロック
12とダイオ−ドパ−24はレンズ60の焦点距離の4
倍の距離だけ離れて置かれ、レンズ60は固体バー12
とダイオードバー24との間の途中に置かれる。
レンズ60は50mmの焦点距離を有する平凸レンズで
あってもよい。このレンズとして、カリフォルニア、カ
ールスパッド(Carlsbad)のメルズ・グリオツ
ド・カンパニー (Melles Griot Co、
)から販売されている016PXlll型レンズを満足
するものとして見つけた。
本発明のもう1つの代替の実施例において、固体レーザ
のブロック12は複数の光フアイバ54a乃至54fを
介して、複数のレーザダイオード52a乃至52fに結
合される。第1O図に図示されるように、光フアイバ5
4a乃至54fのそれぞれは、1個のレーザダイオード
を、しっかりと折り曲げられた光学的空洞の個々の頂点
に結合する。第1O図において開示された実施例におい
て、個々のレーザダイオードのポンピング源は、カリフ
ォルニア、サンホセのスペクトラ・ダイオード・レンズ
(Spectra Diode Labs)によって製
造されているモデルナンバー5DL2460Wのような
レーザダイオードであってもよく、上記複数の光ファイ
バはカリフォルニア、7アウンテン・バレー(Foun
tain Valley)のニューポート・リサーチ・
コーポレーション(Newport Re5earch
Corporat 1on)から入手できる200ミク
ロンの直径を有するFC−2uV型光フアイバであって
もよい。
具体的に記述された実施例における変更及び変形を、添
付した特許請求の範囲の範囲によってのみに限定される
ことが意図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。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である横方向のダイオードバ
ーでポンピングされモード整合された固体レーザの平面
図、 第2図は1対のレーザダイオードバーによって横方向で
ポンピングされ、モード整合された固体レーザの平面図
、 第3図(A)乃至(E)は光ファイバのコリメータから
種々の距離で置かれたレーザダイオードバーにおけるコ
リメートされた光線の軌跡を示す図、 第4図は光フアイバコリメータを有するレーザダイオー
ドバーの端部を示す図、 第5図は光ファイバでコリメートされるレーザダイオー
ドバーの端部を示す側面図、 第6図及び第7図は光ファイバでコリメートされるレー
ザダイオードバーの2つの実施例の斜視図、 第8図はしっかりと折り曲げられたジグザグ形状を有す
る固体レーザ空洞においてモード容量に整合された複数
のダイオードアレーの平面図、第9図はダイオードがレ
ーザ材料のブロックから離れて置かれレンズを用いてダ
イオード上に合焦させる本発明の実施例の斜視図、 第10図は複数のダイオードが複数の光ファイバによっ
てレンズ材料のバー内の空洞のジグザグ部の複数の頂点
に光学的に結合される本発明の実施例の斜視図である。 lO・・・固体レーザ、 12・・・レーザ材料のブロック、 14・・・ミラー 16・・・出力力ップラーミラー 18・・・共振器のジグザグ部、 20.22・・・縦方向の側面、 24・・・ダイオードバー 26・・・ダイオードアレー 28・・・光ファイバのコリメータ、 29・・・精密なスペーサ手段、 30・・・ポンピングビーム、 31・・・光ファイバでコリメートされたレーザダイオ
ードバー 32・・・レーザビーム、 34・・・光学的な内部空洞エレメント、38・・・ヒ
ートシンク、 40.42.44・・・ステップ、 46・・・スペーサの端部、 5−2a、52b、52c、52d、52e、52f・
・・レーザダイオード、 54a。 54b。 54c。 54d。 54e。 4f・・・光ファイバ、 60・・・レンズ。

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)1対の対向する側面を有するレーザ材料のブロッ
    クと、 予め選択された折り曲げ角度で複数の頂点を有する上記
    対向する両側面の間のブロック内にしっかりと折り曲げ
    られたジグザグ状の共振器部を有するレーザ空洞を画成
    するために上記ブロックの回りに位置する空洞形成手段
    と、 レーザ材料の上記ブロックから離れて置かれた複数のレ
    ーザダイオードのポンピング源と、上記レーザダイオー
    ドのポンピング源からの放射を上記共振器のジグザグ部
    の複数の頂点に対して実質的に一直線に配列させるよう
    に、上記レーザダイオードのポンピング源からの放射を
    レーザ材料の上記ブロックの上記対向する両側面の少な
    くとも1つに合焦させるためのレンズとを備え、上記折
    り曲げ角度は約5°よりも大きくかつ約20°よりも小
    さく、モードの容量を上記レーザダイオードのポンピン
    グ源からのポンピング放射に実質的に整合させるように
    選択されることを特徴とするモード整合されたダイオー
    ドでポンピングされた固体レーザ。
  2. (2)上記空洞形成手段は、高い反射率を有するミラー
    と、放射の一部を透過させる出力カップラミラーと、上
    記対向する両側面の一部分に沿って被覆され高い反射率
    を有する被覆とを備えたことを特徴とする請求項1記載
    のレーザ。
  3. (3)上記レーザダイオードのポンピング源は複数の分
    離されたレーザダイオードアレーを備えるレーザダイオ
    ードバーを備えたことを特徴とする請求項1記載のレー
    ザ。
  4. (4)上記レーザはさらに、上記レーザダイオードのポ
    ンピング源の出力をコリメートするためのコリメート手
    段を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザ。
  5. (5)上記コリメート手段は、光ファイバであることを
    特徴とする請求項4記載のレーザ。
  6. (6)上記モード容量はTEM_0_0であることを特
    徴とする請求項1記載のレーザ。
  7. (7)上記レーザ材料はNd:YAGであることを特徴
    とする請求項1記載のレーザ。
  8. (8)上記レーザはさらに、上記空洞において設けられ
    る周波数2逓倍器を備えたことを特徴とする請求項1記
    載のレーザ。
  9. (9)上記レーザはさらに、上記空洞内に設けられるQ
    スイッチを備えたことを特徴とする請求項1記載のレー
    ザ。
  10. (10)上記レーザはさらに、上記ポンピング源に対し
    て精密に所定間隔離れた関係で上記ファイバを保持する
    ための精密なスペーサ手段を備えたことを特徴とする請
    求項1記載のレーザ。
  11. (11)上記ブロックは約5mmの幅を有し、上記モー
    ド容量の直径は約300ミクロンであることを特徴とす
    る請求項1記載のレーザ。
  12. (12)上記ポンピング源は、それぞれ200ミクロン
    の幅を有する10個の1Wダイオードアレーを備えた、
    1cmの長さを有するレーザダイオードバーであること
    を特徴とする請求項10記載のレーザ。
  13. (13)1対の対向する側面を有するレーザ材料のブロ
    ックと、 予め選択された折り曲げ角度で複数の頂点を有する上記
    対向する両側面の間のブロック内にしっかりと折り曲げ
    られたジグザグ状の共振器部を有するレーザ空洞を画成
    するために上記ブロックの回りに位置する空洞形成手段
    と、 複数のレーザダイオードのポンピング源と、複数の光フ
    ァイバとを備え、上記各光ファイバは、その一端におい
    て上記レーザダイオードのポンピング源の1つに光学的
    に結合され、その他端においてレーザ材料の上記ブロッ
    クの上記対向する両側面の少なくとも1つに光学的に結
    合され、かつ上記共振器のジグザグ部の複数の頂点の1
    つに対して実質的に一直線に配列させ、 上記折り曲げ角度は約5°よりも大きくかつ約20°よ
    りも小さく、モードの容量を上記レーザダイオードのポ
    ンピング源からのポンピング放射に実質的に整合させる
    ように選択されることを特徴とするモード整合されたダ
    イオードでポンピングされた固体レーザ。
  14. (14)上記空洞形成手段は、高い反射率を有するミラ
    ーと、放射の一部を透過させる出力カップラミラーと、
    上記対向する両側面の一部分に沿って被覆され高い反射
    率を有する被覆とを備えたことを特徴とする請求項13
    記載のレーザ。
  15. (15)上記レーザダイオードのポンピング源は複数の
    分離されたレーザダイオードアレーを備えるレーザダイ
    オードバーを備えたことを特徴とする請求項13記載の
    レーザ。
  16. (16)上記レーザはさらに、上記レーザダイオードの
    ポンピング源の出力をコリメートするためのコリメート
    手段を備えたことを特徴とする請求項13記載のレーザ
  17. (17)上記コリメート手段は、光ファイバであること
    を特徴とする請求項16記載のレーザ。
  18. (18)上記モード容量はTEM_0_0であることを
    特徴とする請求項13記載のレーザ。
  19. (19)上記レーザ材料はNd:YAGであることを特
    徴とする請求項13記載のレーザ。
  20. (20)上記レーザはさらに、上記空洞において設けら
    れる周波数2逓倍器を備えたことを特徴とする請求項1
    3記載のレーザ。
  21. (21)上記レーザはさらに、上記空洞内に設けられる
    Qスイッチを備えたことを特徴とする請求項13記載の
    レーザ。
  22. (22)上記レーザはさらに、上記ポンピング源に対し
    て精密に所定間隔離れた関係で上記ファイバを保持する
    ための精密なスペーサ手段を備えたことを特徴とする請
    求項13記載のレーザ。
  23. (23)上記ブロックは約5mmの幅を有し、上記モー
    ド容量の直径は約300ミクロンであることを特徴とす
    る請求項13記載のレーザ。
  24. (24)上記ポンピング源は、それぞれ200ミクロン
    の幅を有する10個の1Wダイオードアレーを備えた、
    1cmの長さを有するレーザダイオードバーであること
    を特徴とする請求項13記載のレーザ。
  25. (25)1対の対向する側面を有するレーザ材料のブロ
    ックと、 予め選択された折り曲げ角度で複数の頂点を有する上記
    対向する両側面の間のブロック内にしっかりと折り曲げ
    られたジグザグ状の共振器部を有するレーザ空洞を画成
    するために上記ブロックの回りに位置する空洞形成手段
    と、 上記ポンピング源からの放射が上記頂点の1個又はそれ
    以上に放射されるように、上記ブロックの上記対向する
    両側面の少なくとも1つに光学的に結合されかつ上記共
    振器のジグザグ部の上記複数の頂点に対して実質的に一
    直線に配列される複数のレーザダイオードのポンピング
    源とを備え、上記折り曲げ角度は約5°よりも大きくか
    つ約20°よりも小さく、モードの容量を上記レーザダ
    イオードのポンピング源からのポンピング放射に実質的
    に整合させるように選択されることを特徴とするモード
    整合されたダイオードでポンピングされた固体レーザ。
  26. (26)上記空洞形成手段は、高い反射率を有するミラ
    ーと、放射の一部を透過させる出力カップラミラーと、
    上記対向する両側面の一部分に沿って被覆され高い反射
    率を有する被覆とを備えたことを特徴とする請求項25
    記載のレーザ。
  27. (27)上記レーザダイオードのポンピング源は複数の
    分離されたレーザダイオードアレーを備えるレーザダイ
    オードバーを備えたことを特徴とする請求項25記載の
    レーザ。
  28. (28)上記レーザはさらに、上記レーザダイオードの
    ポンピング源の出力をコリメートするためのコリメート
    手段を備えたことを特徴とする請求項25記載のレーザ
  29. (29)上記コリメート手段は、光ファイバであること
    を特徴とする請求項28記載のレーザ。
  30. (30)上記モード容量はTEM_0_0であることを
    特徴とする請求項25記載のレーザ。
  31. (31)上記レーザ材料はNd:YAGであることを特
    徴とする請求項25記載のレーザ。
  32. (32)上記レーザはさらに、上記空洞において設けら
    れる周波数2逓倍器を備えたことを特徴とする請求項2
    5記載のレーザ。
  33. (33)上記レーザはさらに、上記空洞内に設けられる
    Qスイッチを備えたことを特徴とする請求項25記載の
    レーザ。
  34. (34)上記レーザはさらに、上記ポンピング源に対し
    て精密に所定間隔離れた関係、で上記ファイバを保持す
    るための精密なスペーサ手段を備えたことを特徴とする
    請求項25記載のレーザ。
  35. (35)上記ブロックは約5mmの幅を有し、上記モー
    ド容量の直径は約300ミクロンであることを特徴とす
    る請求項25記載のレーザ。
JP2044307A 1989-02-23 1990-02-23 横方向のポンピングを用いたモード整合型固体レーザ Pending JPH02278778A (ja)

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