JPH08511377A - サイドポンピング配置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 利得物質の相対する面に接近して配置されるか、又は、取り付けられた二つ以上の円筒レンズを矩形断面の利得物質とともに使用することによって、光学利得素子における利得物質の効果的なポンピングを可能にする。光学利得素子はレーザ装置内で使用され得る。レーザダイオード群がレンズを通して利得物質をポンピングするように配置されている。冷却装置が相対する平坦な側面を通して矩形断面の利得物質を冷却でき、これにより熱的複屈折が起こらない。二つの利得物質を持つ光学利得素子は、二つの利得物質の方向付けを変えることができる。これにより、小信号利得がほぼ円形であり、プロファイルが中心でピーク値で端面に向かってテーパー状に減少し端面で最小値となるような実質的にガウス分布を示す。

Description

【発明の詳細な説明】 サイドポンピング配置 技術分野 本発明は、レーザダイオードによってサイドポンピングされた利得物質を持つ 光学利得素子に関する。 背景技術 光学利得素子は、レーザ装置に使用され得る。レーザ利得媒体をサイドポンピ ングする場合には、高い平均利得値および均一な利得分布の双方を得ることが望 まれる。レーザダイオードからの放射の代表的な分散角は、これらを得ることを 困難にしている。 従来のサイドポンピング配置については、ウェルホード（Welford）他による 論文“サイドポンピングされたＮｄのレーザダイオード：ＹＡＧレーザの効果的 なＴＥＭ00モード動作（Efficient TEM00-mode Operation of A Laser-Diode Si dePumped Nd：YAG Laser）”オプチックス・レターズ，１６巻，２３号（１９９ １年１２月１日），８５０−８５２ページに記載されている。この論文には、図 １に示されたサイドポンピング配置が説明されている。図１は、従来の利得物質 ２０の断面図である。この図は、利得物質２０の光軸を通る断面を示している。 利得物質２０は、ポンピングダイオード２２からの放射を収集し大まかに平行化 するのに使われる半導体曲面部２０ａを有している。ポンピングエネルギーは、 側面２０ｂ上の反射コーティングによって利得物質を通して反射されて戻される 。利得物質２０は、この側面２０ｂに沿って冷却されている。レーザダイオード ２２の５本の束は側面２０ａに沿って利得物質２０から０．５mm離されて配置さ れている。この従来の配置において、ダイオードエネルギーが利得物質２０に入 る部分で、ダイオードエネルギーは効果的にピークに達する。 この物理的配置は、いくつかの欠点を持っている。第一に、ポンピングダイオ ードを平行化するためにロッド曲面が使用されるが、ダイオードに対するレーザ 媒体の厚さが制限される。このため、この技術の柔軟性が制限される。第二は、 この物理的配置ではレーザダイオード束が曲面２０ａに沿って配置することしか できないことである。もし、追加のレーザダイオード束が異なった方向から利得 物質をサイドポンピングするために使用できれば、他のロッドが含まねばならな い。最後は、ロッドの冷却が表面２０ｂに沿って行われるので、冷却は一次元的 であり、非対称であることである。これにより、ロッドが熱的にくさび状に強く ポンピングされ、結果としてレーザ配置は平均ポンピング電力にしたがって変化 する。また、レーザ配置は、ダイオードの使用年数とともに変化する。同じ理由 により、利得中心（利得分布の中心）は、熱的レンズの中心に一致しない。 光学利得素子において利得物質をサイドポンピングする改良された配置を持つ ことが望まれる。 発明の開示 本発明は、矩形の断面形状の利得物質を利得物質の反対側に接近して、あるい は、接触させて配置された二つの円筒型レンズとともに、用いることである。レ ンズは、レーザダイオード群の二つの束からのポンピングエネルギーを収集し大 まかに平行化することができる。ダイオード群は、個々に平行化される必要はな い。このため、安価な非平行型レーザダイオードを使用できる。さらに、円筒型 レンズは利得物質の反対側に光学セメントで接触させることができる。 矩形の断面形状の利得物質は、一方向以上からのポンピングを可能にする。 利得物質、円筒型レンズ、およびレーザダイオードは、光学利得装置を形成す る。この光学利得装置は、レーザ装置で使用できる。また、光学利得装置は、光 学信号増幅器にも使用できる。 本発明の他の形態は、矩形の断面形状の利得物質とともに使用される冷却装置 に関する。この冷却装置は、利得物質の相対する二つの面を冷却する。矩形の断 面形状の利得物質の相対する二つの面を冷却する本発明による冷却装置を使用し て有利なことは、利得物質が二つの他面からポンピングされるとき、温度勾配は 、温度が冷却された側面からの距離に一次的に依存することである。事実、冷却 装置は円筒型熱レンズを形成する。この円筒型熱レンズは、光学利得装置の光軸 上 に配置されたシンプルな円筒レンズによって補正される。本発明の冷却装置の利 点は、熱の複屈折を最少化されることである。熱の複屈折は、レーザ装置におい てレーザビームの極性を乱す。 本発明のさらに他の形態は、二つの利得物質を使用することである。二つの利 得物質は、個々に、サドル型の利得プロファイルを持つ。第一の利得物質のポン ピングとは光軸について異なった方向で第二の利得物質をポンピングすることに よって、二つの利得プロファイルの重畳は、さらに望ましい利得分布をもたらす ことができる。例えば、二つのサドル型利得プロファイル間の９０°回転の場合 は、実質的に円形のベル型利得プロファイルが得られる。この実質的に円形のベ ル型利得プロファイルは、ＴＥＭ00レイジングモードを形成するのを助けること ができる。さらに、二つの利得物質による熱レンズを形成することで、円筒レン ズよりさらにシンプルに補正できる球状の熱レンズを形成することができる。 図面の簡単な説明 本発明についての上述のおよび他の特徴および形態は、添付した図面を参照し た以下の詳細な説明から、明らかになる。図において、 図１は、ダイオードサイドポンピングを示す従来の利得物質の断面図である。 図２は、本発明の利得物質の断面図である。 図３Ａは、円筒型レンズが取り付けられた本発明の利得物質の斜視図である。 図３Ｂは、円筒型レンズが取り付けられた本発明の利得物質の他の例の斜視図 である。 図４Ａは、本発明で使用されるレーザダイオード群とその放射パターンを示す 上面図である。 図４Ｂは、図４Ａに示されたレーザダイオード群とその放射パターンを示す上 面図である。 図５は、本発明で使用される５個のレーザダイオード群の束を示す側面図であ る。 図６は、本発明による冷却装置の断面図である。 図７は、本発明の光学利得装置を示すレーザ装置の側面図である。 図８Ａ〜Ｊは、与えられたポンピング構成におけるポンピングエネルギー密度 でのレンズの曲がりと厚さの効果を示す円筒レンズと利得物質の断面図である。 図９Ａは、放射線を示す相対する二つの面からポンピングされた利得物質の概 略図である。 図９Ｂは、図９Ａの装置の小信号利得を示す三次元イメージである。 図１０Ａは、放射線を示す相対する二つの面からポンピングされた利得物質の 他の例の概略図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの装置の小信号利得を示す三次元イメージである。 図１１Ａは、図９Ａおよび１０Ａの放射線を重畳した場合の概略図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの装置の小信号利得を示す三次元イメージである。 図１２は、二つの利得物質を持つ本発明の光学利得媒体を示すレーザ装置の側 面図である。 図１３Ａは、本発明の光学利得装置を示す他のレーザ装置の例の上面図である 。 図１３Ｂは、図１３Ａに示したレーザ装置の例の側面概要図である。 図１３Ｃは、図１３Ａおよび１３Ｂの装置におけるベクトルを示すグラフであ る。 図１４は、図１２の装置におけるベクトルを示すグラフである。 図１５は、本発明の光学利得物質を示すレーザ装置のさらに他の例の斜視図で ある。 発明を実施するための最良の形態 図２は、本発明による利得物質２４の断面図である。利得物質２４は、側面２ ４ａおよび２４ｂからポンピングされ得る。ポンピング光線は、利得物質中にお ける伝播中に吸収され、その密度は指数関数的に減少する。距離Ｒだけ離れると 、密度はＥＸＰ（−Ｒ／Ｒ０）だけ減少する。なお、Ｒ０は吸収深度であり、固 体 レーザ物質、ポンピング波長、およびポンピング帯域（波長分布）を選択するこ とによって定まる特性の定数である。堆積されたポンピングエネルギーおよび光 学利得は、ポンピング源からの距離に応じて指数関数的に減少する。 利得媒体２４は矩形断面を有し、一側面２４ａまたは相対する二つの側面２４ ａおよび２４ｂを通してポンピングされる。光学深度を考察すれば、ロッド幅は Ｒ０の１〜２倍程度であるべきである。もし、ロッド幅がＲ０より非常に小さけ れば、平均利得値はピーク値に極めて近くなり、堆積されたエネルギーの正味値 およびレーザ変換係数は低くなる。この状態でのポンピングエネルギーの大部分 は、利得物質によって吸収されない。もし、利得物質の幅がＲ０より大きければ 、ほとんどすべてのポンピングエネルギーがレーザ媒体に吸収されるが、利得分 布は非常に不均一となる。 図２に示した配置では、利得物質の高さはこの特性に関与しない。幅だけがレ ーザ媒体の吸収特性によって決まる。本発明では、利得物質２４のポンピング領 域の高さを最小にすることによって、利得を最大にしている。これにより、光軸 に沿った断面域を最小にしている。しかしながら、一方の利得物質が光軸に関し て他方とは９０°異なっている二つの利得物質を持つ図１２に示す本発明の実施 例では、利得領域の高さを抑えていることになる。 再び図２を参照すると、本発明における利得物質２４は好ましくはＮｄ：ＹＡ Ｇである。Ｎｄ：ＹＡＧはよく知られたレーザ物質であり、ＦＷＨＭ（full-wid th half-maximum）で約４mmのポンピング帯域幅の場合、８０８nmのピーク吸収 周波数で、約２．５mmの吸収深度を有している。本発明では、他の利得物質が使 用できる。例えば、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ドープドガラス、お よび他のレーザ物質が使用できる。 図３Ａは、円筒レンズ２８および３０を取り付けた本発明の利得物質２６の斜 視図である。光学利得素子３３は、矩形断面のレーザロッドである利得物質２６ を通る光軸を有している。利得物質２６は、四つの側面および二つの端面を有す る。利得物質２６は、利得物質２６の相対する側面２６ａおよび２６ｂに沿って 配置されたレーザダイオード群のスタック３２および３４によってポンピングさ れる。円筒レンズ２８および３０は、利得物質２６の光学および／または物理特 性とは異なる物質で構成される。例えば、円筒レンズ２８および３０は、利得物 質２６とは異なる屈折率または熱伝導率を持つことができる。好ましくは、円筒 レンズ２８および３０は、ポンピングエネルギーに対して非吸収性であり、高屈 折率である。好ましい実施例では、円筒レンズ２８および３０は非ドープ型ＹＡ Ｇが適している。レンズ表面の曲率は異なるポンピングに対する要求に適用でき るようになっており、後述の図８Ａ〜Ｊから明らかなように、ドープ型ポンピン グエネルギーの分布を形成できるようになっている。 図３Ａを参照すると、レンズ２８および３０はまた利得物質２６に光学接着剤 で直接取り付けられ、モノリシックで、コンパクトで強固なロッドアセンブリを 形成している。円筒レンズ２８および３０の平坦な表面は、利得物質２６に取り 付けられている。光学接着剤はポンピングエネルギーに対して非吸収性のものが 選ばれる。 好ましい実施例では、光学接着剤として、米国ニュージャージ州ニューブラウ ンシュヴァイクにあるノーランド・プロダクト・インコーポレイテッド社から発 売されているＵＶ対応の感光性樹脂「ノーランド６１」が使用できる。「ノーラ ンド６１」ＵＶ対応感光性樹脂は、約１．５６の屈折率を持ち、非ドープ型ＹＡ Ｇレンズ２８および３０、ならびにＮｄ：ＹＡＧ利得物質２６は約１．８２の屈 折率を持っている。このため、接着剤と非ドープ型ＹＡＧレンズ２８および３０ とＮｄ：ＹＡＧ利得物質２６とは、屈折率が一部一致しており、これにより光学 的表面の実効的反射率を減らしポンピングエネルギー伝達を改善できる。もっと 重要なことは、光学接着剤はキュアリング前に低粘性であり、アセンブリング中 に薄い接着剤を形成し、このように、薄い接着層は熱的問題を最少にする。 更に、円筒レンズ２８および３０の利得物質２６への取り付けは、非常にクリ ーンな環境で行わねばならない。もし、ちり粒子が接着層にあれば、光学利得素 子が動作するとき、ちり粒子がポンピングエネルギーを吸収する。この吸収は、 ちり粒子を熱し、光学利得素子にダメージを与えることになる。 円筒レンズ２８および３０はポンピング領域の高さを光学的に抑えるのに使用 され得る。さらに、ポンピングビームは有効に集中され、利得物質２６中に伝播 するにつれ、累進的に強くなり、これによりロッドによるポンピング放射の吸収 に基づいて密度損失を補うことになる。このことにより、結果的に得られる利得 が、ロッド幅に渡って実質的に平坦となる。利得物質２６の高さ方向に沿った直 角方向について、小信号利得はポンピング密度プロファイルによく似るようにな り、ガウス分布に似た分布を示し、決められたピーク中心の各端面でゼロになる 。小信号利得は、後述の図９Ｂに関する説明から理解できる。 図３Ａを参照すると、レーザダイオード３４のスタックは、その長軸３５が円 筒レンズ２８の長軸２９と平行になるように配置されている。これにより、円筒 レンズ２８の曲率にしたがって、レーザダイオード群に直角なポンピングビーム を集光させることができる。レーザダイオード群に直角なポンピングビームは、 図４Ａ〜Ｂおよび図５を参照して後述するように良好である。 図３Ａを更に参照すると、利得物質２６の幅は、利得物質の吸収特性によって 決まる。ある環境の下では、この幅は考慮された望ましいものより広い。角度を 持った端面がロッドに形成されると、ロッド内のレーザビームは、ポンピング領 域の望ましくない幅を補正するために、利得物質の幅に沿って拡げることができ る。この屈折拡大は、外部イメージ圧縮と等価である。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ製 の３mm幅×１．６mm高さの利得領域は、もし、その面３７および３９がブリュー スター角（Brewster Angle）だけ傾いていると、外部からは１．６５mm×１．６ mmに見える。ブリュースター角傾いた面３７および３９は、レーザビームの好ま しい特性をもたらす。 利得物質２６は、レーザダイオード群のスタック３２および３４が互いに直面 しないように、しかも、利得物質２６の長さ方向に沿ってずれているように構成 され得る。高反射コーティング３６は、スタック３２からの非吸収ポンピング光 を利得物質２６を通して反射させ、高反射コーティング３８はスタック３４およ び３５の非吸収ポンピング光を利得物質２６を通して反射させる。ポンピング光 が高反射コーティング３６および３８に向かって移動し高反射コーティング３６ および３８から反射されるので、ロッドの光学的厚さが実質的に二倍になる。高 反射コーティング３６および３８の使用は、より狭いロッドの設計、増強された 吸収効率および与えられたロッド寸法での高利得をもたらす。 図３Ｂは、利得物質４０、円筒レンズ４２および４４、ならびにレーザダイオ ード群のスタック４６および４８を有する他の実施例の斜視図である。この実施 例においては、レーザダイオード群のスタック４６および４８は、利得物質４０ を介して互いに直接対向するように配置されている。 図４Ａ〜Ｂ及び図５には、代表的なダイオード群によって照射されたビームの 軌跡が示されている。図４Ａは本発明とともに使用されるレーザダイオード群の スタックの上面図である。光線密度は、観測される発射強度に比例して示されて いる。ダイオード群５０は長軸５１を持っている。代表的なダイオード群の開口 幅は、長軸５１に沿って約１cmである。長軸５１に平行な面では、発射された光 はＦＷＨＭで約１０°の比較的狭い拡散角（ビーム発散）を持っている。しかし 、ビームの質は非常に悪い。ビームの質は焦点でのビームサイズとビーム発散と の積で決まる。回折制限ビームの場合、この積はレーザ波長λに正比例する。 サイズ×発散＝０．４４λ ここで、サイズは伝播路に沿った最小スポットサイズの位置におけるビームＦＷ ＨＭであり、発散はラジアン表示でのビーム拡散のＦＷＨＭである。代表的なダ イオード群では、得られる積は、回折制限された、すなわち「完全な」ビームに 対して約４９００倍大きい。発射光は空間的に非常にコヒーレントではない。こ のため、ファスト・フォーカシング・レンズを使って得られる最小ビームサイズ は、約１cm程度である。 図４Ｂは、本発明で使用されるレーザダイオード群５０の側面図である。ダイ オード群５０の長軸５１に直角な平面で見ると、代表的な商用レーザダイオード 群では、発射領域は約１ミクロンまたは厚さ０．００００４０インチである。発 射領域はＦＷＨＭで約３０°〜４５°の比較的大きな発散領域を形成し、ビーム は質的に優れており、ほぼガウス分布強度のプロファイルを有している。この平 面での発射光は空間的に高コヒーレントであり、ファスト・フォーカシング・レ ンズを使用して得られる最小ビームサイズは、１ミクロン程度であり、発射開口 と同じに近い。図３Ａから理解できるように、ダイオード群のスタック３４の長 軸３５を円筒レンズの長軸と並べることによって、円筒レンズ２８の曲率によっ て集中されるスタック３４の長軸３５に直角な平面においてコヒーレント性の高 い光を得ることができる。本発明において使用される円筒レンズは、照射された ポンピングエネルギーを集中し、大まかに平行化する。 図５は、五つのレーザダイオード群のスタック５２の側面図である。代表的な レーザダイオード・サイドポンピング固体レーザは、レーザダイオード群スタッ クと呼ばれるアセンブリ中で数個の群を使用している。好ましい実施例では、非 平行化レーザダイオード群は、米国加州９５１３４，サンホゼのＳＤＬ社から発 売されている。非平行化レーザダイオード群のスタックは、各群に取り付けられ た短焦点レンズによって個々に平行化されないレーザダイオード群のスタックで ある。本発明において、レーザダイオード群のスタック５２はレーザダイオード 群を平行にする必要がない。平行化レーザダイオードは、レーザダイオードスタ ックの各群に取り付けられた非常に短い焦点の平行化レンズを使用する。これら の平行化レーザダイオード群は、非平行化レーザダイオード群より極めて高価で ある。さらに、平行化レンズは非常に短い焦点距離を有しているので、レーザダ イ３オードの開口に関して極めて精密に配置しなければならない。平行化レーザ ダイオード群の例は、スペクトラ・ダイオード研（Spectra Diode Labs.,）の１ ９９３年レーザダイオード製品ガイドの８３ページに記載されている。 図６は本発明の冷却装置の断面図である。この冷却装置は利得物質２６‘の相 対する二つの平坦面に接触している。この相対する二つの平坦面は、（図示され ない）レーザダイオードのスタックによってポンピングされない利得物質２６’ の表面である。冷却装置５４は、メタル支持ブロック５４ａと、変形可能でフレ キシブルで熱的に伝導性物質であるパッド５４ｂと、冷却通路５４ｃとから構成 されている。変形可能でフレキシブルで熱的に伝導性物質であるパッド５４ｂは 、利得物質２６’と、メタル支持ブロック５４ａとの良好な接触を提供し、良好 な熱伝導が得られる。パッド５４ｂはインジウム箔または米国オハイオ州クリー ブランドのサーマゴン社（Thermagon，Inc．）から発売されている。Ｔ−Ｐｌｉ 物質で高熱伝導性エラストマーで構成できる。Ｔ−Ｐｌｉ物質はインジウム箔よ り熱伝導性は低いが、利得物質との良好な熱的接触を得るのに低い圧力で十分で あるという利点を有している。利得物質に強い圧力を与えることは、利得物質中 に望ましくない歪みが生じる。 図６中の矢印は、この断面図中での熱の流れを示す。冷却装置５４は、ポンピ ングの方向に直角な平面で利得物質２６’の矩形断面から熱を効果的に引き出す 。これにより、ロッドの高さに効果的に配置された温度勾配を引き出す。すなわ ち、温度は冷却装置５４と接触する相対する二つの平坦な面からの距離に依存す る。この温度勾配は、軸を有するシンプルな円筒レンズと形成しポンピングパワ ーレベルと無関係（プリズム状歪みが現れない）な一つ以上の円筒レンズをレー ザロッドの一つ以上の端面を越えて配置することによって、補正できる。さらに 、この一方向熱除去技術は、大電力時に熱的複屈折を減らすのに適している。熱 的複屈折は、利得物質中でレーザビームの極性に影響を及ぼす。 図７は、本発明の光学利得素子５７を示すレーザ装置５６の側面図である。円 筒レンズ２８’および３０’を通してレーザダイオード群のスタック３４’およ び３２’でポンピングされた利得物質２６”が示されている。利得物質２６”は ブリュースター角の端面を有しているので、レーザ装置５６の光軸５９は利得物 質２６”中で曲がる。レーザ装置５６は一つの凹面ミラー５８と一つの凸面ミラ ー６０とを有する。凸面ミラー６０を使用することにより、レーザモード量を拡 大でき、これにより利得物質２６”中のポンピングモード量と同様にできる。円 筒レンズ６２は、利得物質２６”を冷却することによって形成される熱レンズを 補正するのに使われる。円形開口６４がレーザキャビティーの中に配置され、こ れによりレーザ装置５６はＴＥＭ00モードになる。図９Ａおよび９Ｂを参照する と、小信号利得は、二つのローブを持つＴＥＭ01モードをもたらすわずかにサド ル型になりがちである。開口６４はＴＥＭ01モードが形成されるのを防止する。 この代わりに、円形開口６４よりむしろスリットが使用できる。簡単のために冷 却装置は示されていないが、冷却装置はレーザダイオード３２’または３４’の スタックによってポンピングされない相対する二つの平坦な面に取り付けられる 。ミラー、Ｑスイッチ、非線形物質などの他の要素が、レーザ装置５６とともに 使用され得る。 利得物質２６”、円筒レンズ２８’及び３０’、レーザダイオードスタック３ ２’および３４’、ならびに冷却装置（図示せず）を有する光学利得素子５７が 装置中に使用でき光学信号増幅する。 図８Ａ〜Ｊは、与えられたポンピング構成でポンピングエネルギー強度に対す るレンズ曲率の効果とレンズ厚さを示す断面図である。レーザダイオード群の一 組のスタックで相対する面からポンピングされた３mm幅×２．５mm高さの利得物 質に対応する断面図がマトリクス状に示されている。各図の下にはレンズ厚さが 示されている。左側に円筒レンズのレンズ曲率Ｒが示されている。光線軌跡プロ グラムを使用して、媒体中の利得を得ることができる。最良形状の円筒レンズが 数種の基準、例えば、最大利得（レーザ媒体を横切るある大きさのガウス分布を 有するＴＥＭ01モードによって示される）および／または、ＴＥＭ00モードを最 適に選択すること、すなわち、ＴＥＭ01モードに対立するものとして、ＴＥＭ00 モードを高利得にすることによって、定めることができる。 図８Ｈに示された良好な例では、レンズ厚さ０．６７mmおよび曲率Ｒ＝１．５ mmが、３群レーザダイオードスタックの相対する一組の面によってポンピングさ れた３mm幅×２．５mm高さのロッド用にレンズとの距離０．３mmで使用できる。 レーザダイオードスタックとレンズとの距離はできるだけ小さくする方がよい。 上述した実施例の詳細は図３Ａに示した実施例に対応するが、図８Ａ〜Ｊの光線 軌跡は、簡単なために高反射コーティングによる反射を示していない。 レーザダイオード群は、できる限り接近して積み重ねた方が望ましい。熱消散 要求によりレーザダイオード群のデューティ比（オン時間／トータル時間）はレ ーザダイオード群間のスペースによって制限される。現在、デューティ比６％の レーザダイオードスタックが、レーザダイオード群間スペース０．８mmで使用で きる。 ポンピングエネルギーのフォーカシングは、より大きな小信号利得を得る小さ なポンピング断面を作るのに使用される。上述のように、ポンピングビームは、 それが伝播されるにつれ集光される。これにより、利得物質中の吸収による強度 損失を補うことができる。異なったダイオード群からの発射ポンピングエネルギ ーは、伝播するにつれて利得物質の中心線に向かって集まる。 本発明の他の形態は、それぞれがサドル型利得プロファイルを持つ二つの矩形 ロッドを使用する。これらのロッドは、正味利得がほとんど円形に対称であり、 中心でピークになり両端に向かってテーパー状に減少し両端で最小になるベル型 プロファイルが得られるように配置されている。さらに、得られた熱的レンズは 、 円形レンズより補正しやすい球状レンズである。この複合構造は熱的複屈折によ り強く、他の例に対して大きな利点である。図９Ａ〜Ｂ、１０Ａ〜Ｂ、および１ １Ａ〜Ｂはこの概念を示す。 図９Ａは相対する二つの側面６６ａおよび６６ｂからポンピングされた利得物 質を光線軌跡とともに示す概念図である。レーザダイオードスタック６８および ７０も示されている。利得物質６６は、側面６６ｃおよび６６ｄに沿って冷却さ れ得る。 図９Ｂは、図９Ａに示した装置における小信号利得を示す三次元イメージであ る。ライン７２の方向では小信号利得は実質的にガウス分布を示している。ライ ン７４の方向では小信号利得は実質的に平坦である。点７６および７８における ローブは、開口が上述のように使用されなければ、単一利得物質配置でＴＥＭ01 モードを生成することは注意すべきことである。 図１０Ａは、図９Ａに示された利得物質６６から光軸に関して９０°回転して いる他の利得物質８０の概念図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示した装置にお ける小信号利得を示す三次元イメージである。 図１１Ａは、図９Ａおよび図１０Ａの光線軌跡を重畳したものの概念図である 。図１１Ｂは、図１１Ａの装置を通した複合小信号利得を示す三次元イメージで ある。この図は、ほとんど円対称でガウス分布的なプロファイルを持つ複合小信 号利得を示す。複合の場合、小信号利得分布は、円形よりむしろ矩形になる。す なわち、小信号利得は、二つの直交するラインについて対称である。図１１Ｂに 示された複合小信号利得は、優先的にＴＥＭ00モードをサポートする。 付随的に図９Ａおよび９Ｂを再度参照すると、利得物質６６は側面６６ｃおよ び６６ｄで冷却される。このため、利得物質６６内の温度は、円筒熱レンズに対 応する図９Ｂの小信号利得のグラフによく似ている。同様に、図１０Ａおよび１ ０Ｂの利得物質８０は、図９Ａおよび９Ｂの円筒熱レンズとは光軸について９０ °回転している円筒熱レンズに対応する。このため、複合システムにおける熱レ ンズは、円筒熱レンズより補正しやすい実質的に球形の熱レンズを形成する。 図１２は、二つの利得物質６６’および８０’を含む光学利得素子８３を示す 、レーザ装置８２の側面図である。二つの利得物質６６’および８０’はブリュ ー スター角端面を有していない。二つの利得物質６６’および８０’の端面は、光 学利得素子８３を通して光軸９０に関してほぼ垂直である。利得物質６６’は、 円筒レンズ８４および他側面の円筒レンズ（図示せず）を通してポンピングされ る。利得物質８０’は、円筒レンズ８６および８８を通してポンピングされる。 利得物質８０’は、利得物質６６’がポンピングされる側面６６ｂ’と光軸９０ に関して実質的に９０°回転している側面８０ａを通してポンピングされる。レ ーザ装置は、両利得物質６６’および８０’の複合球形熱レンズを補正する球形 レンズ９２を有している。光軸９０に関して９０°回転させることは、光軸９０ に沿って移動するスクリューを想像することによって、視覚的に表現することが できる。 光学利得素子８３において、側面６６ｂ’は図示されていないレーザダイオー ドによってポンピングされる側面８０ａおよび８０ｂに実質的に直角である。 利得物質６６’および８０’によって形成された熱レンズを補正する球形レン ズは、利得物質６６’または８０’は、ブリュースター角の端部を持たないので 、利得物質の一方の端部上で負の輪郭に研磨することによって形成できる。 図１３Ａは本発明の光学利得素子１０７を示すレーザ装置１０４の概念図であ る。光学利得素子１０７は利得物質１０６および利得物質１０８を有している。 図１３Ｂは図１３Ａに示したレーザ装置の側面概念図である。これらの図では、 利得物質１０６を通る光軸１０５がＹ軸に平行になるように回転されている。図 １３Ｃは、図１３Ａおよび１３Ｂのベクトルを示すグラフである。 これらの図は、レーザダイオード群（図示せず）のスタックによってポンピン グされた面１０６ａに対する法線Ｎ１および他のレーザダイオード群（図示せず ）のスタックによってポンピングされ、利得物質１０８の面１０８ａに対する法 線Ｎ２を示す。法線Ｎ１はＸ軸方向に延びている。 光軸１０５は第一の利得物質１０６および第二の利得物質１０８を通る。利得 物質１０６および１０８はブリュースター角の端面を有しているので、光軸１０ ５はレーザキャビティー内で方向を変える。レーザ装置１０４は、ブリュースタ ー角の端面の異なった方向を補正する為に使われる半波長板、すなわち９０°水 晶回転体１１４を有している。 Ｏ１は、第一の利得物質１０６中の光軸１０５の方向を決定するベクトルであ る。Ｏ２は、第二の利得物質１０８中の光軸１０５の方向を決定するベクトルで ある。ベクトルＮ１およびＯ１は平面を決め、これはＸＹ平面として図１３中に 示されている。この平面（ＸＹ平面）に対するベクトルＯ２の投影はベクトルＰ ２として示されている。平面（ＸＹ平面）内にベクトルＶ１はベクトルＰ２に対 して垂直である。第二の物質の第一の側面を通る法線Ｎ２は、第二の利得物質中 で、光軸Ｏ２に関して第一のベクトルＶ１から約９０°回転されている。上述の ベクトルの長さおよび方向は上記解析に影響しない。 第一の利得物質１０６と第二の利得物質１０８は上述のように方向付けられて いるので、全小信号利得はほとんど円対称であり、中心で大きいピークを有しテ ーパー状に両端で最小になるガウス分布的なプロファイルを示す。 上述の方向付けは、普通の方法で行われ、このことを図１２のレーザ装置８２ を参照して説明する。図１４は、図１２のベクトルを示すのに使われるグラフで ある。光軸９０はレーザ装置８２における方向性を変えない。それにより、利得 物質６６’の光軸の方向付けを与えるベクトルＯ１’および利得物質８０’の光 軸の方向付けを与えるベクトルＯ２’はＹ軸に沿う。法線Ｎ１’はＸ軸方向に沿 って延びている。ベクトルＯ１’およびＮ１’はＸＹ平面を決める。ＸＹ平面内 へのベクトルＯ２’の投影Ｐ２’はベクトルＯ２’である。Ｖ１’はＸＹ平面で Ｐ２’に垂直である。ベクトルＯ２’に対して実質的に９０°の回転Ｖ１’は法 線Ｎ２’を与える。ポンピングされた側面８０ａに対する法線Ｎ２’は、図１２ に示すように、Ｚ軸に沿って延びている。 図１５は本発明の光学利得素子９５を示すレーザ装置９４の他の斜視図である 。この例は二つの利得物質９６および９８を使用し、図７に示した光学利得素子 ５７の利得の２倍であるサドル型小信号利得を得る。図１５を参照すると、利得 物質９６は側面９６ａから、そして、利得物質９８は側面９８ａを通してポンピ ングされる。この方向付けは、光軸が平面内に存在するという利点を有する。任 意の数の利得物質ロッドがこの方向でキャビティー内に配置でき、希望の小信号 利得が得られる。 本発明について、装置および方法が詳細に説明されたが、種々の変形が特許請 求の範囲内で可能であることは、自明である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リー，エドワード シー．，ジュニア アメリカ合衆国，カリフォルニア 94306, パロ アルト，ウィルトン アヴェニュー 230

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．四つの側面と二つの端面とを持つ矩形断面の利得物質と、 前記利得物質の相対する面に平面が取り付けられた二つの円筒レンズと、 前記レンズを通して前記利得物質をポンピングするように配置された少なくと も一つのレーザダイオード群によって構成された二つのスタックとを有する光学 利得素子。 ２．請求項１において、前記円筒レンズが、光学セメントを介して、前記利得 物質の相対する面に取り付けられていることを特徴とする光学利得素子。 ３．請求項１において、少なくとも一つのダイオード群の各スタックの中心軸 が、前記円筒レンズの長軸に対して実質的に平行であることを特徴とする光学利 得素子。 ４．請求項１において、前記相対する二つの面が第一および第二の面を有し、 前記利得物質が前記利得物質の第二の面の部分上に反射コーティングを有し、前 記スタックの一つからのポンピングビームが前記反射コーティングによって反射 され利得媒体に戻され、さらに前記第一の部分上に第二の反射コーティングを有 し、前記二つのスタックの他方からのポンピングビームが前記第二の反射コーテ ィングで反射されて前記利得物質に戻されることを特徴とする光学利得素子。 ５．請求項１において、前記利得物質がＮｄ：ＹＡＧであることを特徴とする 光学利得素子。 ６．請求項１において、前記利得物質がブリュースター角の端面を有する矩形 ロッドであることを特徴とする光学利得素子。 ７．請求項１において、前記相対する面に直角な利得物質の二つの面に接続さ れた二つの冷却手段を含む冷却装置をさらに有することを特徴とする光学利得素 子。 ８．請求項７において、前記光学利得素子がオンであるとき、前記利得物質が 前記二つの冷却手段に接続された利得物質の二つの面からの距離によって決まる 温度をもつように、前記冷却装置が構成されていることを特徴とする光学利得素 子。 ９．請求項８において、前記利得物質と前記冷却装置とが円筒の熱レンズを形 成することを特徴とする光学利得素子。 １０．請求項９において、前記利得物質の光軸に補正レンズをさらに有するこ とを特徴とする光学利得素子。 １１．請求項７において、前記冷却手段が、前記二つの面とよく接触した熱的 伝導性の物質を有することを特徴とする光学利得素子。 １２．請求項１１において、前記熱的伝送性の物質がインジューム箔を有する ことを特徴とする光学利得素子。 １３．請求項１において、前記利得物質がサドル型利得プロファイルを持つよ うにポンピングされるように配置されていることを特徴とうる光学利得素子。 １４．請求項１において、四つの側面と二つの端面とを持ち矩形断面を持つ第 二の利得物質と、前記第二の利得物質の相対する二つの面に接触した追加の二つ の円筒レンズと、少なくとも一つの利得物質の追加の二つのスタックとをさらに 有し、前記追加のレンズを通して前記第二の利得物質をポンピングすることを特 徴とする光学利得素子。 １５．請求項１４において、前記第一および第二の利得物質がブリュースター 角の端面を有することを特徴とする光学利得素子。 １６．請求項１４において、前記第一および第二の利得物質が、前記光学利得 素子を通して、光軸にほぼ垂直である端面を有することを特徴とする光学利得素 子。 １７．請求項１４において、複合された利得プロファイルが二つの利得物質の どちらか一つだけによる利得プロファイルより改良されるように、前記第二の利 得物質が前記第一の利得物質とは光学利得の光軸について異なった方向付けられ たことを特徴とする光学利得素子。 １８．請求項１７において、前記第一および第二の利得物質の各々が、サドル 型利得プロファイルを持つようにポンピングされることを特徴とする光学利得素 子。 １９．請求項１８において、前記第一および第二の利得物質によるレーザのト ータル利得プロファイルが実質的に円形であり、プロファイルが中心でピーク値 で端面に向かってテーパー状に減少し端面で最小値となる実質的にガウス分布を 示すことを特徴とする光学利得素子。 ２０．四つの側面と二つの端面とを持つ矩形断面の利得物質と、 前記利得物質の相対する二つの側面にポンピングエネルギーを発射するように 配置された非平行化レーザダイオード群の二つのスタックと、 前記ポンピングエネルギーの通路に配置され、前記ポンピングエネルギーを前 記利得物質の相対する二つの側面に大略平行化させる二つの円筒レンズとを有す ることを特徴とする光学利得素子。 ２１．請求項２０において、前記円筒レンズが前記利得物質の相対する二つの 側面に接近して配置されていることを特徴とする光学利得素子。 ２２．請求項２０において、前記非平行化レーザダイオード群の二つのスタッ クの中心軸が、前記円筒レンズの長軸に平行に配置されていることを特徴とする 光学利得素子。 ２３．請求項２０において、前記相対する二つの面が第一および第二の面を有 し、前記利得物質が前記利得物質の第二の面の部分上に反射コーティングを有し 、前記スタックの一つからのポンピングビームが前記反射コーティングによって 反射され利得媒体に戻され、さらに前記第一の部分上に第二の反射コーティング を有し、前記二つのスタックの他方からのポンピングビームが前記第二の反射コ ーティングで反射されて前記利得物質に戻される光学利得素子。 ２４．請求項２０において、前記相対する面に直角な利得物質の二つの面に接 続された二つの冷却手段を含む冷却装置をさらに有することを特徴とする光学利 得素子。 ２５．請求項２４において、前記利得物質と前記冷却装置とが円筒の熱レンズ を形成することを特徴とする光学利得素子。 ２６．請求項２５において、前記利得物質の光軸に補正レンズをさらに有する ことを特徴とする光学利得素子。 ２７．請求項２０において、前記利得物質がサドル型利得プロファイルを持つ ようにポンピングされるように配置されている光学利得素子。 ２８．請求項２０において、四つの側面と二つの端面とを持ち矩形断面を持つ 第二の利得物質と、前記第二の利得物質の相対する二つの側面にポンピングエネ ルギーを発射するように配置された少なくとも一つのレーザダイオード群の二つ の追加スタックと、前記追加スタックからの前記ポンピングエネルギーの通路に 配置され、前記ポンピングエネルギーを前記利得物質の相対する二つの側面に大 まかに平行化させる二つの追加の円筒レンズとをさらに有する光学利得素子。 ２９．請求項２８において、複合された利得プロファイルが二つの利得物質の どちらか一つだけによる利得プロファイルより改良されるように、前記第二の利 得物質が前記第一の利得物質とは光学利得の光軸について異なった方向付けられ ていることを特徴とする光学利得素子。 ３０．請求項２９において、前記第一および第二の利得物質による前記光学利 得素子のトータル利得プロファイルが実質的に円形であり、プロファイルが中心 でピーク値で端面に向かってテーパー状に減少し端面で最小値となる実質的にガ ウス分布を示すことを特徴とする光学利得素子。 ３１．矩形の断面と、四つの側面と、二つの端面とを持つ利得物質を用意する ステップと、 少なくとも一つのレーザダイオード群の二つのスタックで相対する二つの側面 から二つの円筒レンズを通して前記利得物質をポンピングして、前記利得物質が サドル型利得プロファイルを持つようにするステップとを有するレーザビームを 生成する方法。 ３２．請求項３１において、前記二つの円筒レンズを第一の利得物質に取り付 けるステップをさらに有する方法。 ３３．請求項３１において、少なくとも一つのダイオード群の二つのスタック の一方の長軸を二つの円筒レンズの一方の長軸と一線に並べるステップと、少な くとも一つのダイオード群の二つのスタックの他方の長軸を二つの円筒レンズの 他方の長軸と一線に並べるステップとをさらに有する方法。 ３４．請求項３１において、矩形の断面と、四つの側面と、二つの端面とを持 つ第二の利得物質を用意するステップと、少なくとも一つのレーザダイオード群 の二つのスタックで前記第一の利得物質の相対する二つの側面から前記第二の利 得物質をポンピングして、前記第二の利得物質がサドル型利得プロファイルを持 つようにするステップとをさらに有する方法。 ３５．請求項３４において、前記光学利得素子が光軸を形成し、前記光軸にお いて前記第一および第二の利得物質を方向付けるステップを有し、前記二つの利 得物質の合成されたトータル利得プロファイルが実質的に円形であり、プロファ イルが中心でピーク値で端面に向かってテーパー状に減少し端面で最小値となる 実質的にガウス分布を示すことを特徴とする方法。 ３６．請求項３１において、相対する前記二つの側面に直角な利得物質の側面 に熱的伝導性物質を置くことにより前記利得物質を冷却し、前記利得物質が熱的 伝導性物質に接続された利得物質の二つの面からの距離によって決まる温度をも つようにした方法。 ３７．請求項３６において、矩形の断面と、四つの側面と、二つの端面とを持 つ第二の利得物質を用意し、少なくとも一つのレーザダイオード群の他の二つの スタックで前記第二の利得物質の相対する二つの側面から前記第二の利得物質を ポンピングして、前記利得物質がサドル型利得プロファイルを持つようにし、前 記第二の利得物質の相対する二つの側面に直角な第二の利得物質の二つの側面に 熱的伝導性物質を置くことにより前記第二の利得物質を冷却し、前記第二の利得 物質が前記第二の利得物質の二つの冷却された側面からの距離によって決まる温 度をもつようにした方法。