JPH09507724A

JPH09507724A - ダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ

Info

Publication number: JPH09507724A
Application number: JP7520780A
Authority: JP
Inventors: ウィリアムエルジュニアナイアン; ジョンコール; トーマスエムベア
Original assignee: スペクトラ−フィジックスレイザーズインコーポレイテッド
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1997-08-05
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: DE69519794T2; DE69519794D1; EP0742966B1; EP0742966A1; US5446749A; JP3187431B2; WO1995021480A1

Abstract

(57)【要約】ダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザ共振器は高振幅安定性をもつ。これは、倍加出力ビームパワーのパーセント二乗平均平方根(%RMS)が低いことを意味する。ダイオードポンプ光源(28)は、共振器空洞内に配置されたレーザ結晶(22)へポンプビームを供給し、共振器内に配置された倍加結晶(36)に入射する多軸モード赤外線ビームを生成する。周波数倍加出力ビームはRMSが3%未満になるように生成される。レーザは非常に効率がよく高出力パワーを提供する。その出力ビームは高空間光質のものである。

Description

【発明の詳細な説明】ダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ発明の分野本発明は広義にはダイオードポンプ型空洞内周波数倍加式レーザに係わる。より具体的には、多軸モードレーザであり高振幅安定性を示すダイオードポンプ型空洞内周波数倍加式レーザに係わる。発明の背景イオンレーザは、低振幅ノイズを含んだ連続波の緑のレーザ光の比較的信頼のおける光源であり、多数のワットレベルで出力パワーを供給する。しかし、これらの装置は、1%の何分の１かの効率で電気パワーを光パワーへ変換するだけである。多数のワットレベルで振幅安定性をもった高効率低経費のダイオードポンプ型で連続波の緑光の固体レーザ光源の開発で利益を得る応用分野は数多い。空洞内周波数倍加式レーザの基本的な問題点は、Baerによって発見され初期の研究で数値的にモデル化された。例えば、T．BaerによるJ．Opt．Soc．Am ．B．第３巻第９号の1175〜1180頁（1986年版）と米国特許第4,656,635号と4,70 1,929号とを参照する。KTPのような周波数倍加結晶が通常は振幅の安定した多軸モードダイオードポンプ型ネオジムYAGレーザに導入されると、大きな振幅変動が緑の出力ビームと空洞内レーザビームで観察されることが報告され開示された。また、単軸モードの振動を引き起こすレーザ空洞内に適宜のエタロンを設置すると、緑の出力ビームの大きな振幅ノイズは消滅することも報告された。多軸モードの場合、２〜４つのモードが振動するが、緑出力のパワーが最高100%の変調深度で変動するのが観察された。Baerの実験的研究と理論上のモデルとから、多軸モードレーザに周波数倍加結晶を挿入すると、和周波数の発生を通して軸モードの損失が非線形的に伝達されることが分かった。一つの軸モードの高ピークパワーは、他の軸モードの高い非線形損失を引き起こし予期せぬ望ましくないパルス効果の原因となった。 Baerによって説明された効果の一つの例としては、二つの赤外線軸モードをもつレーザが三つの異なる周波数の緑光を発生させた例が挙げられる。その内二つは倍加モードであり、残りの一つは和周波数モードである。和周波数プロセスは、二つの赤外線軸モードをそれらが連続的にオンとオフを繰り返すように結合する。このモード結合の期間は普通非線形変換の度合の関数であることが判明した。弱い変換の場合、期間は短くモードは最小限変調された。強い変換の場合、モード結合期間は長くなり、モードは完全に位相のずれた高ピークパワーパルスでオンとオフを繰り返した。このようなレーザのノイズスペクトルは、概ね、緑光に対しても赤外線に対しても10〜数100キロヘルツで実質的にピークを示し、かなり振幅変動に合致した。この種の振幅変調を行う光源は普通低振幅ノイズのものほど有用ではない。例えば、眼科に応用する場合、治療効果を正確に制御するために、照射期間の時間目盛り毎に振幅の安定性が要求される。別の例は、色素レーザすなわちTi Al203レーザなどの第二レーザ用のポンプとして緑光レーザを使用する場合である。一定の周波数での深い振幅変調は、第二レーザの出力に望ましくない振幅変調を施してしまうことになる。ダイオードポンプ型固体レーザの空洞内周波数倍加出力を安定させるための方法が多数説明され明らかにされた。最も一般的な物質はレーザ媒体としてのネオジムYAGと非線形（倍加性）媒体としてのKTPである。このため、最も一般的な位相整合の種類は第二種である。このようなシステムからの周波数倍加出力を安定させるために用いられた手法には、空洞内四分の一波板の挿入法（M.Oka とS．KubotaによるOpt．Lett第13版の805頁（1988年）を参照する）、光学空洞温度制御法（1989年11月28日にAnthonらに発効された米国特許第4,884,277号を参照する）および強制単一周波数操作法（1992年11月17日にG．J．Lukasらに発効された米国特許第5,164,947号を参照する）がある。これらの手法は全部、周波数倍加出力を測定して低振幅ノイズを持つようにするという操作様式について説明したにすぎないのであって、どの場合にも、温度などの環境状態の変化からの立ち直りの速い信頼のおける低経費のものとして実現するのは困難である。一般的に用いられる手法は、本質的に振幅が不安定なシステムをそのシステムが安定する狭い範囲のパラメータ空間内に維持できなければならない。積極的な安定化や単軸モード操作を必要としない振幅の安定した空洞内周波数倍加式レーザの提供が望まれる。加えて、周囲温度の変化などの環境条件のもとでも安定状態を維持できる種類のレーザが求められている。発明の概要本発明の目的は、高振幅安定性をもつダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の別の目的は、パーセントの二乗平均平方根ノイズ(%RMS)が広範囲の動作パラメータに対しておよそ3%未満であるダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の別の目的は、非常に効率のよいダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の別の目的は、高出力パワーを提供するダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の別の目的は、少なくとも10軸モード程度で多くとも100軸モード程度で動作し高振幅安定性をもつダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の更に別の目的は、緑光出力を生成し高振幅安定性をもつダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザを提供することである。本発明の上記の目的および他の目的は、高振幅安定性をもつダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザで達成される。レーザ結晶と倍加結晶とはレーザ共振器内に設置される。ダイオードポンプ光源は、結晶へポンプビームを供給し倍加結晶に入射する赤外線レーザビームを生成する。複数の赤外線ビーム軸モードが、軸モード間隔c/2Lの倍数だけ周波数が分離された状態で振動する。ここで、cは光の速さでLは共振器の光学的長さである。普通赤外線ビームの光学的周波数の二倍の周波数で周波数倍加出力ビームが発生する。倍加出力ビームも、周波数間隔が接近した多数のモードで構成され、倍加出力ビーム全体はパーセントRMSノイズが10Hz〜10MHzで測定した場合およそ3%未満である。緑光モードの総数は、普通、和周波数発生があるので赤外線軸モード数よりも大きい。にもかかわらず、緑ビームは、普通、緑光の波長は全部大きさが近接しているので、先行例では「周波数倍加和周波数」ビームではなく「周波数倍加」ビームと呼ばれる。同じ用語を本開示でも用いる。ネオジム添加親鉱物の場合、赤外線レーザビームの波長は普通1.04〜1.064μm程度なので、周波数倍加ビームの波長は普通緑光のものとなる。当業者ならば、ネオジムの親鉱物は、波長がほぼ0.95μ m、1.3μmおよび1.45μmの赤外線ビームを生成することが立証されたのだから、開示の手法は青光や赤光や近赤外線の波長である周波数倍加波長にも適用されることが理解されるであろう。多数の軸モードは、少ない場合は10個程度多い場合は200個程度振動する。このような構成によって、各軸モードの相対パワーは２〜４軸モードの場合のより小さい。このため、軸モードの非線形結合の相対的な度合は低下する。しかし、モード数が増加するので、和周波数生成を伴う一つのモードの他のモードへの結合の統計的確率は増加する。本実施例では、特徴的なスパイク形成（Baer によって初期の研究で観察された）は、多数の振動している軸モードのどれにも観察されない。これは、本実施例では、どの軸モードも高ピークパワーに達して他の軸モードの高い非線形損失を引き起こすことができないことを意味する。Ba erによって検討された初期の２〜４個の軸モード装置における大きな振幅変動の原因となったのがこの効果であった。本実施例では、先行例とは異なり、多数の軸モードの振動によって高振幅安定出力ビームを実現させる。一つの実施例においては、ファイバ束連結型ダイオード棒を使用して最高結晶一つにつき9Wの効率でネオジムYLF結晶へ縦に光をポンピングする。このポンプ光源については、1992年６月30日にBaerらに発効された米国特許第5,127, 068号に記載されている。出力パワーは、空洞内周波数倍加処理によってレーザ共振器から抽出される。非線形結晶はリチウムトリボレート(lithium triborate ）かLBOでもよく、第一種非臨界位相整合(NCPM)を用いてもよい。出力パワーは普通単一の20W連続波ダイオードレーザ棒からの入射ポンプ光が16Wのとき2W以上程度である。これは約12.5%の光学効率(Pout/Pincident)に対応する。ファイバ束伝達効率が85%でダイオード電気パワーー光変換効率が40%の場合、空洞内周波数倍加式レーザのダイオード電気パワーー光変換効率は4.25%程度である。これは、緑光イオンレーザ光源に特有の１パーセントの何分の一に匹敵する値である。出力緑ビームは、第一種非臨界位相整合(NCPM)が用いられるので略円形である。従って、当業者には認識されるであろうが、良好な大きな角度が確保され立消えが低減される。位相整合倍加効率は結晶の温度を160〜175°Cの当りに最適化することによって最適化される。ある実施例においては、緑ビームと赤外線ビームとはほぼ回折限界のものであり、高周波ノイズスペクトルにはおよそ14 0Mhzで一次c/2Lピーク以外のヘテロダインピークは現れない。これは、レーザは最低次の空間モードで振動することを意味する。本発明のレーザは%RMSノイズが3%以下好適には2%以下更に好適には1%未満である。図面の詳細な説明図１は、高振幅安定性をもつ多ポートダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ共振器の概略図である。図２は、図１に示されたレーザ共振器の入射光入力パワーの関数としての周波数倍加出力パワーを示すグラフである。図３は、高振幅安定性をもつ単一ポートダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザの概略図である。図４は、発生した周波数倍加光の一部が失われている高振幅安定性をもつ単一ポートダイオードポンプ型多軸モード空洞内周波数倍加式レーザの概略図である。実施例の詳細な説明本発明の説明に際して次の定義を使用する。 ‐「高パワー」周波数倍加出力は300mWより大きいパワーである。 ‐「高光学効率」は5%より大きい光学効率(Pout/Pincident,diode)である。 ‐ダイオードポンプ型空洞内周波数倍加式レーザの「高電気パワー‐光変換効率」は、1%より大きい効率(Pout/Pelectrical，diode)である。 ‐「多軸」モード空洞内周波数倍加式レーザは、10次以上で軸モードがレーザ共振器内の基本赤外線波長で振動するレーザのことである。 ‐「高度に振幅が安定した」空洞内周波数倍加式レーザあるいは「高振幅安定性」空洞内周波数倍加式レーザは、パーセント二乗平均平方根(%RMS)ノイズが10Hz〜10MHzで3%未満のものである。本発明のダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザは、共振器の空洞内に配置されたレーザ結晶と倍加結晶とから成る。このレーザは高度に振幅が安定していて、周波数倍加出力ビームは高パワービームである。ダイオードポンプ型光源は、レーザ結晶へポンプビームを供給し倍加結晶に入射する複数の軸モードで赤外線レーザ結晶ビームを生成し、複数の光周波数で周波数倍加出力ビームを生成する。出力ビームは高度に振幅が安定している。これは、%RMSが3% 未満好適には2%未満更に好適に1%未満であることを意味する。レーザは高度に光学的に効率がよく、光学効率は5%より大きく好適には12%より大きい。レーザは高度に電気的に効率がよく、電気効率は1%より大きく好適には4%より大きい。周波数倍加ビームは光質が高い。これは、そのパワーの略何分の一かがほぼ回折限界にあることを意味する。図１において、1053nm用有界定在波共振器10が図示されている。共振器 10は、多ポートダイオードポンプ型のもので腕部が四つある。各腕部には独自の光軸がある。第一腕部は、1053nmの波長で高い反射率を示し797nmのポンプ波長で高い透過率を示す高度反射器12と、1053nmで高い反射率を示し797nmで高い透過率を示す高度反射器14とで構成される。反射器12と14の間の距離をL1で示す。共振器10の第二腕部は、1053nmで高い反射率を示し527nmで高い透過率を示す高度反射器16と、1053nmで高い反射率を示し527nmで高い透過率を示す出力カップラ18とで構成される。この長さをL2で示す。第三の腕部は、長さがL3で、高度反射器14と1053nmで高い反射率を示す高度反射器20とで構成される。高度反射器20 は元来折畳み式の鏡である。第四腕部は、長さがL4で、高度反射器20と出力カップラ18とで構成される。オプションでブリュースタ板34をこの腕部に設置してもよい。本実施例の光学素子は1053nmと797nmと527nmとに限定されるが、光学素子は、ポンプ光源とレーザ結晶と倍加結晶とによって異なる別の透過特性と反射特性を持ち合わせていてもよいことは認識されるであろう。共振器10の長さは、Lで四つの腕部全部の長さに等しい。一つ以上のレーザ結晶22が光軸に沿って第一腕部に設置される。最適な結晶は、ネオジムYLF 、ネオジムYGA、ネオジムYVO4、ネオジムGVO4、ネオジムYPO4、ネオジムBEL、ネオジムYALOおよびネオジムLSBであるがこれらに限定されるものではない。好適な結晶物質はネオジムYLFである。反射器12と14に隣接して一対のレンズ24と26 が望遠鏡構成で配置される。ダイオードポンプ光源28は、レンズ24と26によって所望の大きさに集束されるポンプビーム30を生成する。望遠鏡構成は、ダイオード光源28からのポンプビーム30を集束させるために設けられる。ポンプビームの大きさはレンズ24と26によって最適化されるので、有用なポンプパワーを増大させながらも結晶22の入射面の破砕を回避できる。レーザ結晶内の赤外線ビームの TEM00モードの大きさの直径はおよそ1ミリメータである。ダイオードポンプ光源28は単一のダイオードか空間エミッタかダイオード棒か複数のダイオードか複数のダイオード棒かのどれかである。最適なダイオード光源28は、オプトパワー社(OptoPower Corporation)（カリフォルニア州産業都市(City of Industry)）製の型式OPC-A020-797-CSである。好適なダイオードポンプ光源28の波長は795〜815nmである。特定のレーザ結晶の波長は、ツリウムYAGが785nm、ネオジムYLFが797nm、ネオジムYAGとネオジムYVO4とが809nmである。図１の実施例では、二つのレーザ結晶22が端面から光をポンピングされる。結晶を一つだけ設けてその両端面から光をポンピングすることも可能であり、あるいは、単一の結晶22の一方の側からだけ光をポンピングすることも可能である。図１に示すように、単一のダイオードポンプ光源28が使用されている。別々のポンプ光源を共振器10の第一腕部の各々の端面に対して使用することもできる。ダイオードポンプ光源28は一本以上の光ファイバ32に連結される。好適には、光ファイバ32の束を利用する。最適なファイバは、けい石きせ金法でけい石の芯が形成されたものであるがこれに限定されるものではない。光ファイバ32 のダイオードポンプ光源28への連結は米国特許第5,127,068号で教示されている通りである。共振器10にはオプションでブリュースタ板34が装着される。これは特定の偏光角での動作を保証するために使用される。ブリュースタ板34は第三腕部か第四腕部かの光軸上に配置される。倍加結晶36は第二腕部に配置される。一つの実施例においては、倍加結晶36はLBOである。他の最適な倍加結晶は、KTP、KDP 、BBO、LIO、LiNbO3およびKNbO3である。LBOを使用する場合、加熱素子38を設ける。最適は加熱素子38は、メルコール(Melcor)社（08648ニュウジャージー州トレントン(Trenton)市）製の抵抗力のあるヒーターか熱電装置である。 LBO倍加結晶36は第一種非臨界位相整合(NCPM)形態で使用される。この場合、位相整合は普通およそ160°〜175°Cの温度に基づいて制御される。LBO倍加結晶36内での非臨界位相整合(NCPM)で非常に良好な角度が得られれば、高いビーム質とほぼTEM00動作とを実現するように共振器10を調整できる。その他の位相整合法では、きつく集束するとビームの質を維持できなくなる。この結果、レーザは多空間モード動作を行う。高振幅安定性は、LBO結晶を法線のどちらかの側へ傾斜させる際、LBO倍加結晶36および／あるいは高度反射器16のZ軸位置を変換する際、およびLBOの温度を最適温度の±3°Cに調整する際に維持される。これらの調整は、共振器10の有用な出力パワーを幾分犠牲にする。ポンプビーム30はレーザ結晶22を通過する。そして赤外線レーザ結晶ビームが作成される。レーザ結晶ビームはその後LBO 結晶36の表面に入射する。しかし、好適には、直径がおよそ50μm以下程度の細いくびれ部がLBO倍加結晶36内で作り出されて、LBO結晶36内に高強度の赤外線ビームを生成する。高強度は、赤外線の緑光への変換で赤外線強度の非線形（方形）性が増加するので必要である。赤外線レーザ結晶ビームは、出力カップラ18とLBO倍加結晶36との間にレンズ40を設置し、集束力のある高度反射器16を使用することによって、くびれ部の直径がずっと小さくなるように集束される。最適なレンズ40は、赤外線の倍加された波長で反射防止膜でコートされる。また、焦点距離は30〜50mmである。高度反射器16は曲率半径R1がおよそ100mmである。赤外線レーザ結晶ビームは、ネオジムYLFの場合、波長が1053nmであって共振器10の第四腕部内を二方向に伝搬する。出力カップラ18からレンズ40とLB O倍加結晶36とを介して高度反射器16へ伝搬する。そして、高度反射器16によって反射され倍加結晶36を通過して元に戻る。527nmの出力ビームが発生する。出力カップラ18は527nmで高い透過率を示すので、527nmの出力ビーム42が共振器 10によって発生させられる。波長が527nmの光は、LBO倍加結晶36に対して二方向に第四腕部内で発生する。すなわち、右方向の527nm光と左方向の527nm光とが発生する。527nm光が両方向に発生するので、出力カップラ18と高度反射器16との間の第四腕部にLBO倍加結晶36を配置することで、二重パス形態が実現する。また、出力ビーム42はそれら二つのビームの和である。図１の共振器10を使用する一つの実施例では、ファイバ束連結型ダイオード棒をダイオード光源28として使用して、最高ネオジムYLF結晶一つにつき8W の効率でネオジムYLFレーザ結晶22に縦に光をポンピングする。有用な出力パワーが空洞内周波数倍加処理によって抽出される。この結果、単一の20W連続波ダイオードレーザ棒からの入射ポンプ光が16Wのときに527nmの出力パワーは20Wより大きくなる。出力ビーム42は略円形で高質のものである。倍加効率は、LBO倍加結晶36の温度をおよそ160°〜175°の好適な温度から変化させることによって微調整される。527nmの出力ビーム42と赤外線レーザ結晶ビームの両方はほぼ回折限界のものである。高周波スペクトルは、一定の条件のもとではほぼ140MHzではc/2Lピーク以外のヘテロダインピークは現れないことを示している。すなわち、共振器10はその最低次空間モードで振動することを意味する。本実施例では、共振器10は長さLがおよそ1mである。LはL1とL2とL3とL4 との総和に等しい。更に、共振器10では、共振器位置合わせ時すなわちLBO倍加結晶36の角度とLBO倍加結晶36の温度とが高周波スペクトルのc/2L周波数で単一のピークが現れるように調整される時に、最低振幅ノイズが発生する。このため、LBO倍加結晶36を空洞モードでの垂直入射の場合よりややずらして配置することも可能である。この場合、%RMSノイズは、10Hz〜10MHzでRMS計を使って測定したときに、3%未満好適には2%未満更に好適にはおよそ1%未満になる。更に、本実施例では、527nmの出力ビームと1053nmのレーザ結晶ビームの両方での共振器の光スペクトルは、少なくとも10個の軸モードが任意の同一時点に振動し、最高100個以上の軸モードが振動する可能性があることを示している。空洞内赤外線レーザビームの帯域幅は、527nmの光が生成されている間はおよそ35GHzである。これは100〜200個の軸モードが振動できることを意味する。また、一定の位置合わせ構成では、光スペクトルは、LBO倍加結晶36がエタロンのような働きをする可能性のある構造となる。LBO倍加結晶36を除外した場合、赤外線軸モードスペクトルはおよそ10個の軸モードを振動させた状態でおよそ30 GHzの帯域で安定する。c/2Lのモード間隔は、共振器空洞10が1mのときおよそ150 MHzである。527nm出力ビーム42は帯域幅がおよそ70GHzより大きい。レーザ結晶22から発生する赤外線パワーが大きくなるにつれて、得られる周波数倍加出力パワーも大きくなる。別のポンピングポートとポンプ光源あるいはネオジムYVO4などのレーザ結晶を追加することで、スケーリングが容易になる。高振幅安定性を達成するためには、多数の赤外線軸モードが振動しなければならないことが分かった。ネオジムYLFを活性媒体とすると、長さが最大1メートルの空洞で達成できる。先行例の空洞内倍加用ダイオードポンプ型共振器の空洞の長さ（共振器の長さ）は普通非常に短く10cm未満である。短いとc 2Lの軸モード間隔が増加し、レーザ結晶の使用可能な帯域幅以内で振動できる軸モード数が減少する。別の帯域幅を拡大するための手法はネオジムLMAなどの広帯域幅の物質を利用するものである。共振器44は、図３に示すように、図１の共振器10よりも単純な形態をしている。共振器44は、高度反射器44と出力カップラ46とによって構成される第一腕部を備えている。第一腕部の光学軸上にはレーザ結晶22が配置されている。ダイオードポンプ光源28は光ファイバ32あるいはファイバの束を通してポンプビーム30を伝送する。レーザ24と26はポンプビーム30を集束してそれがレーザ結晶22 に入射するようにする。そしてレーザ結晶ビームが生成される。共振器44の第二腕部は出力カップラ46と高度反射器48とによって構成される。共振器44は長さL が第一と第二の腕部の長さの総和に等しい。第二腕部の光学軸上には倍加結晶36 が配置される。ブリュースタ板34が、オプションで共振器44内に配置され内蔵され第一腕部に配置される。レーザ結晶ビームは出力カップラ46から反射して倍加結晶36に入射する。第二腕部は、周波数倍加出力ビーム42を発生させるための二重パス形態を実現する。LBOが倍加結晶36として使用される場合、図示しない加熱素子が必要である。更に、図２には図示されていないレンズが倍加結晶36と出力カップラ46との間に配置される。レンズの追加は、使用される倍加結晶36の種類および高度反射器48 と出力カップラ46との曲率半径と集束能に依存する。共振器52は、図４に示すように、折畳み式の腕を備えてはいない。共振器52は、倍加結晶36を経由する赤外線ビームの二重パス形態を提供しない。また、周波数倍加出力ビーム42の一部は共振器52内で失われる。また、倍加結晶36を通して周波数倍加出力ビーム42が両方向に発生する。しかし、共振器52の場合、周波数倍加出力ビーム42の倍加結晶36の左側を伝搬する部分は失われる。本発明は、低振幅ノイズをもつダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザである。これは、10個そして場合によっては最高100個という複数の軸モードを振動させることによって形成される。一つの実施例では、長い共振器構造で多数の軸モードを形成する。共振器の長さは0.3m〜2mである。別の手法を用いて多軸モード動作を保証することもできる。例えば、レーザ結晶22を共振器の一方の端面にできるだけ近接させて配置して、レーザ結晶22を端面に近付けるにつれて最大限に増大する空間穴あき効果を利用することもできる。更に、高反射コートをレーザ結晶22上に施すことも可能である。帯域幅が200、300GU2程度と広いレーザ結晶22物質を使用して多くの軸モードを発生させることも可能である。緑光出力ビームについて陳述してきたが、青光や赤光や近赤外線などの他の波長のビームでも、レーザと倍加結晶との選択の仕方次第で可能である。本発明の範囲から逸脱することなく具体的に述べてきた実施例を様々に変更し修正することは可能である。本発明は添付の請求の範囲によってのみ制限される。

【手続補正書】【提出日】１９９７年１月１０日【補正内容】請求の範囲１．共振器空洞を構成する少なくとも二つの共振器鏡と、前記共振器空洞に配置されたレーザ結晶と、前記共振器空洞に配置された倍加結晶と、レーザ結晶へポンプビームを供給し、前記倍加結晶に入射して周波数倍加出力ビームを生成する複数の軸モードをもつレーザ結晶ビームを生成するダイオードポンプ源と、前記共振器空洞は、充分な個数の軸モードが振動するように設けられて、前記倍加出力ビームは、３％未満の％ＲＭＳノイズを有するようにし、且つダイオードポンプ源へ電力を供給する電源と、を具備することを特徴とするダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ装置。２．前記共振器空洞は、３％未満の％ＲＭＳノイズを有する倍加出力ビームを生成するのに充分な長さＬを有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。３．前記共振器空洞は、共振器空洞内で少なくとも１０個の軸モードを生成するのに充分な長さＬを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。４．前記共振器空洞は、共振器空洞内で少なくとも１００個以上の軸モードを生成するのに充分な長さＬを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。５．長さＬの共振器を構成する第１共振器鏡と第２共振器鏡と、前記共振器は出力カップラを有し、前記出力カップラは、前記１共振器鏡と第１光軸をもつ出力カップラとの間に長さＬ１の共振器の第１腕部を、及び前記出力カップラと第２光軸をもつ第２共振器鏡との間に長さＬ２の共振器の第２腕部を構成するように配置され、前記第１光軸に沿って前記共振器の第１腕部内に配置された倍加結晶と、前記レーザ結晶へポンプビームを供給し、周波数倍加出力ビームを生成するために前記倍加結晶に入射する、複数の軸モードをもつレーザ結晶ビームを生成するダイオードポンプ源と、前記共振器空洞の長さＬは、充分な個数の軸モードが振動するように選択されて、前記倍加出力ビームが３％未満のＲＭＳを有するようにし、且つ前記ダイオードポンプ源へ電力を供給する電源と、を具備することを特徴とするダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ装置。６．前記共振器空洞の長さＬは、３％未満のＲＭＳを有する倍加出力ビームを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。７．前記共振器空洞の長さＬは、共振器空洞内で少なくとも１００個以上の軸モードを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。８．前記レーザ結晶は、ネオジムＹＬＦ、ネオジムＹＶＯ₄、ネオジムＹＡＧ及びネオジムＬＭＡとから成るグループの中から選択されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。９．前記倍加結晶は、ＬＢＯであることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。１０．前記倍加出力ビームは、２％未満の％ＲＭＳノイズを有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載のレーザ装置。１１．長さＬの共振器を構成する第１共振器鏡と第２共振器鏡と、前記共振器は、前記１共振器鏡と第１光軸をもつ第３共振器との間に長さＬ１の共振器の第１腕部を構成するように配置された第３共振器と、出力カップラと第２光軸をもつ第２共振器鏡との間に長さＬ２の共振器の第２腕部を構成するように配置された出力カップラと、前記第３共振器鏡と第３光軸をもつ折り畳み式の鏡との間に長さＬ３の共振器の第３腕部を構成するように配置された折り畳み式鏡と、前記折り畳み式の鏡と第４光軸をもつ出力カップラとの間に位置する長さＬ４の共振器の第４腕部から成り、前記第１光軸に沿って前記共振器の第１腕部内に配置されたレーザ結晶と、前記第２光軸に沿って前記共振器の第２腕部内に配置された倍加結晶と、前記第１共振器鏡に隣接して配置され、前記レーザ結晶へ第１ポンプビームを供給する第１ポンプ源と、前記第３共振器鏡に隣接して配置され、前記レーザ結晶へ第２ポンプビームを供給する第２ダイオードポンプ源と、前記第１と第２ポンプビームは、前記レーザ結晶に光をポンピングして、前記倍加結晶に入射して複数の軸モードをもつ周波数倍加出力ビームを生成するレーザ結晶ビームを形成し、前記共振器空洞は、共振器空洞内に少なくとも１０個の軸モードを生成するのに充分な長さを有していて、前記倍加出力ビームは３％より小さなＲＭＳを有し、前記ダイオードポンプ源へ電力を供給する電源と、を有することを特徴とするダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ装置。１２．前記レーザ結晶は、ネオジムＹＬＦ、ネオジムＹＶＯ₄、ネオジムＹＡＧ及びネオジムＬＭＡとから成るグループの中から選択されることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のレーザ装置。１３．前記レーザ結晶は、ネオジムＹＬＦであることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のレーザ装置。１４．前記倍加結晶は、ＬＢＯであることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のレーザ装置。１５．二重パス形態が第２腕部内に形成されて、前記倍加結晶と第２共振器鏡との間の第１方向、及び前記倍加結晶と出力カップラとの間の第２方向に前記倍加出力ビームを発生させることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のレーザ装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者コールジョンアメリカ合衆国カリフォルニア州 94089 サニーヴェイルオーティスコート 1258 (72)発明者ベアトーマスエムアメリカ合衆国カリフォルニア州 94040 マウンテンヴィュードルシーラドライヴ 537

Claims

【特許請求の範囲】１．共振器空洞を構成する少なくとも二つの共振器鏡と、共振器空洞に配置されたレーザ結晶と、共振器空洞に配置された倍加結晶と、レーザ結晶へポンプビームを供給し、前記倍加結晶に入射して周波数倍加出力ビームを生成する複数の軸モードをもつレーザ結晶ビームを生成するダイオードポンプ光源と、前記共振器空洞は充分の個数の軸モードが振動するように設けられて、前記倍加出力ビームの%RMSノイズが3%未満になるようにし、ダイオードポンプ光源へ電力を供給する電源とで構成されるダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ。２．前記共振器空洞は長さLが%RMSノイズが3%未満の倍加出力ビームを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。３．前記共振器空洞は長さLが共振器空洞内で少なくとも10個の軸モードを生成するのに充分は長さであること特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。４．前記共振器空洞は長さLが共振器空洞内で100個以上の軸モードを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。５．前記共振器空洞は長さがおよそ1mであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。６．前記レーザ結晶は%RMSノイズが3%未満の倍加出力ビームを生成するのに充分な広い帯域幅をもっていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。７．前記レーザ結晶はネオジムYLFとネオジムYVO4とネオジムYGAとネオジムLMAとから成る組の中から選択されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。８．前記レーザ結晶はネオジムYLFであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。９．前記倍加結晶はLBOであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。 10．更に、共振器内のLBO 結晶を加熱するための装置で構成されることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のレーザ。 11．前記LBO結晶を加熱して位相整合を行うことを特徴とする請求の範囲第９項に記載のレーザ。 12．前記レーザ結晶ビームはLBO結晶の直径の半分より小さい直径に集束されてLBO結晶に入射することを特徴とする請求の範囲第９項に記載のレーザ。 13．前記倍加出力ビームは%RMSノイズが2%未満であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。 14．前記倍加出力ビームは%RMSノイズが1%未満であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。 15．前記倍加出力ビームは波長がおよそ527nmであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ。 16．長さLの共振器を構成する第一共振器鏡と第二共振器鏡と、前記共振器は出力カップラを有し、前記出力カップラは、前記第一共振器鏡と第一光軸をもつ出力カップラとの間に長さL1の共振器の第一腕部を構成し、前記出力カップラと第二の光軸をもつ第二共振器鏡との間に長さL2の共振器の第二腕部を構成するように配置され、前記第一光軸に沿って前記共振器の第一腕部内に配置されたレーザ結晶と、前記第二光軸に沿って前記共振器の第二腕部内に配置された倍加結晶と、前記レーザ結晶へポンプビームを供給し、前記倍加結晶に入射して周波数倍加出力ビームを生成するための複数の軸モードをもつレーザ結晶ビームを生成するダイオードポンプ光源と、前記共振器空洞の長さLは充分な個数の軸モードが振動できるように選択され、前記倍加出力ビームはRMSが3%未満であり、前記ダイオードポンプ光源へ電力を供給するための電源と、で構成されるダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ。 17．前記共振器空洞の長さLはRMSが3%未満の倍加出力ビームを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 18．前記共振器空洞の長さLは共振器空洞内に100個以上の軸モードを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 19．Lはおよそ1mであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 20．前記レーザ結晶はネオジムYLFとネオジムYVO4とネオジムYAGとネオジムLMAとから成る組の中から選択されることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 21．前記レーザ結晶はネオジムYLFであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 22．前記倍加結晶はLBOであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 23．更に、共振器内のLBO結晶を加熱するための装置で構成されることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 24．前記LBO結晶を加熱して位相整合を行うことを特徴とする請求の範囲第23項に記載のレーザ。 25．前記レーザ結晶ビームはLBO結晶の直径の半分より小さい直径に集束されてLBO結晶に入射することを特徴とする請求の範囲第23項に記載のレーザ。 26．前記倍加出力ビームは%RMSノイズが2%未満であることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 27．前記倍加出力ビームは%RMSノイズが1%未満であることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 28．前記倍加出力ビームは波長がおよそ527nmであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のレーザ。 29．長さLの共振器を構成する第一共振器鏡と第二共振器鏡と、前記共振器は、前記第一共振器鏡と第一光軸をもつ第三共振器鏡との間に長さL1の共振器の第一腕部を構成するように配置された第三共振器鏡と、出力カップラと第二光軸をもつ第二共振器鏡との間に長さL2の共振器の第二腕部を構成するように配置された出力カップラと、前記第三共振器鏡と第三光軸を持つ折畳み式の鏡との間に長さL3の共振器の第三腕部を構成するように配置された折畳み式の鏡と、前記折畳み式の鏡と第四光軸を持つ出力カップラとの間に位置する長さL4の共振器の第四腕部とから成り、前記第一光軸に沿って前記共振器の第一腕部内に配置されたレーザ結晶と、前記第二光軸に沿って前記共振器の第二腕部内に配置された倍加結晶と、前記第一共振器鏡に隣接して配置され、前記レーザ結晶へ第一ポンプビームを供給する第一ポンプ光源と、前記第三共振器鏡に隣接して配置され前記レーザ結晶へ第二ポンプビームを供給する第二ダイオードポンプ光源と、前記第一と第二のポンプビームは前記レーザ結晶に光をポンピングして、前記倍加結晶に入射して複数の軸モードをもつ周波数倍加出力ビームを生成するレーザ結晶ビームを形成し、前記共振器空洞は共振器空洞内に少なくとも10個の軸モードを生成するのに充分な長さをしていて、前記倍加出力ビームはRMSが3%未満であり、前記ダイオードポンプ光源へ電力を供給する電源と、で構成される多ポートダイオードポンプ型多軸モード空洞内倍加式レーザ。 30．前記共振器空洞の長さLは%RMSノイズが3%未満の倍加出力ビームを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 31．前記共振器空洞の長さLは共振器空洞内に100個以上の軸モードを生成するのに充分な長さであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 32．Lはおよそ1mであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 33．前記レーザ結晶はネオジムYLFとネオジムYVO4とネオジムYAGとネオジムLMAとから成る組の中から選択されることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 34．前記レーザ結晶はネオジムYLFであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 35．前記倍加結晶はLBOであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 36．更に、共振器内のLBO結晶を加熱するための装置で構成されることを特徴とする請求の範囲第35項に記載のレーザ。 37．前記LBO結晶を加熱して位相整合を行うことを特徴とする請求の範囲第35項に記載のレーザ。 38．前記レーザ結晶ビームはLBO結晶の直径の半分より小さい直径に集束されてLBO結晶に入射することを特徴とする請求の範囲第35項に記載のレーザ。 39．前記倍加出力ビームは%RMSノイズが2%未満であることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 40．前記倍加出力ビームは波長がおよそ527nmであることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 41．更に、前記第三か第四の光軸に沿って共振器の第三か第四の腕部内に配置されたブリュースタ角板で構成されることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 42．二重パス形態を第二腕部内に実現して、前記倍加結晶と第二共振器鏡との間の第一方向と前記倍加結晶と出力カップラとの間の第二方向とへ前記倍加出力ビームを発生させることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。 43．更に、前記第一レーザ結晶と第一共振器鏡との間の第一光軸に沿って第一腕部内に配置された第二レーザ結晶で構成されることを特徴とする請求の範囲第29項に記載のレーザ。