JPH09509010A

JPH09509010A - 熱的に誘起された複屈折によるレーザビームの減偏光を最小化する装置

Info

Publication number: JPH09509010A
Application number: JP7521375A
Authority: JP
Inventors: ビスチェル、ウィリアム・ケイ; リード、マーレイ・ケイ; ニーガス、ダニエル・ケイ; フランジニアス、ジョージ
Original assignee: コヒーレント・インク
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1997-09-09
Also published as: DE69509638D1; US5504763A; WO1995022187A1; DE69509638T2; EP0745282A1; EP0745282B1

Abstract

(57)【要約】励起レベルの広い範囲にわたってロッド形状の利得媒質内の熱的に誘起された複屈折によるレーザビームの減偏光を最小化する。利得媒質(14)を通過した後、ビームの偏光は９０度回転されて(46)、同一のまたは実質的に同一の利得媒質に戻るように指向される。その構成によると、第１通過の間に放射状に偏光されたビームの部分を第２通過の間に正接方向に偏光して元の偏光を回復する。補正を最大化するために、リレーイメージ装置(34)を用いて、第１通過の間にビームが励起されているときに利得媒質にビームのイメージを発生し、そしてそのイメージを第２通過の間に利得媒質に投射する。リレーイメージの倍率は実際のイメージに関して１対１である。単一の倍率のリレーイメージを用いることによって、ビームの寸法及びそのビーム内の光線の角度・位置を変化する熱負荷で保護する。

Description

【発明の詳細な説明】熱的に誘起された複屈折によるレーザビームの減偏光を最小化する装置技術分野本願発明は、ロッド状の利得媒質内の熱的に誘起された複屈折によるレーザビームの減偏光を最小化する装置に関する。この装置は、特に、高出力、高い繰返し率の固体（ソリッドステート）位相共役増幅器の性能を改善するために有効である。技術的背景高出力、高い繰返し率の固体パルスレーザ増幅器を開発することにかなりの関心があった。それらの装置においては、低出力のパルスを発生するために小さな主レーザ発信器を用いている。望ましくは、そのパルスは単一の縦および横モードを持つ。そのパルスは増幅器セルに向けられ、そのセルはＮｄ：ＹＡＧロッドのような、ソリッドステート利得媒質を含む。そのソリッドステート利得媒質は一般的にはフラッシュランプによって励起されるが、最近はダイオードレーザが励起源として用いられている。主レーザからのパルスは利得媒質に蓄積されたエネルギーによって増幅される。高出力増幅器の開発を制限していた１つの問題は、利得媒質がロッドの温度を高めるようなかなりの熱量を発生するという点にある。そのレーザロッドは一般的に外側から冷却されており、それはロッド内の半径方向温度傾きにつながる。ポンプ出力が高まると不均一な温度分布が、熱的に誘起された歪曲を生じさせることがあり、それはビームの波面を歪曲させてレーザの性能を低下させる。そのような波面の歪曲を除きまたは補正するために、さまざまなアプローチが提案された。１または２以上の見込みのありそうなアプローチが、ブルーセルバック(Bruesselbach)に1988年３月２９日に付与された米国特許第4,734,911号に説明されており、また、関連文献の「位相共役、反転レーザ収差」(Phase Conju gation: Reversing Laser Aberrrations)Photonics sepectra、９５頁、1986年８月にも説明されている。そのアプローチにおいては、位相共役ミラーの特性を用いてビームの波面を反転することができるので、それが利得媒質に送られて戻されると、その歪みを補正することができる。（「誘発ブリュアン散乱(S timulated Brillouin Scattering)を介する位相共役を持つＮｄ：ＹＡＧ発振器／増幅器の特性」、カール(Carr)およびハナ(Hanna)、応用物理Ｂ、３６、８３ −９２（１９８５年）も参照のこと）図１は従来の固体増幅器１０の簡略化した概略図を示しており、それは上掲の文献に説明されているようなタイプの位相共役ミラーを用いている。図１に示されているように、低出力ぱるすが小さな主発振器１２によって発生されている。その出力パルスは増幅器利得媒質１４に結合される。その利得媒質はフラッシュランプ１６によって励起される。上述の通り、利得媒質の熱的負荷はビーム内の同位相波面の歪曲を作る。その歪曲波が従来の反射器を用いる利得媒質に反射して戻るとすると、同位相波面の歪曲は結晶中の熱的に誘起された応力によってさらに高められることになる。これに対し、波面が位相共役ミラー１８（ＰＣＭ）によって反射される場合には、その歪曲は反転されることになる。その反転された歪曲を利得媒質を通過させて戻すことによって、その歪曲を補正することができる。１／４波長板２０をミラー１８と媒質１４との間に設けてビームの偏光を回転させ、これにより、偏光スプリッター２２を用いてそれを増幅器の外側に結合させることができる。図１に示す配置に用いることができる位相共役ミラーには様々な種類がある。上掲のブルーセルバック(Bruesselbach)の特許には、誘発ブリュアン散乱(Stimu lated Brillouin Scattering)（ＳＢＳ）または誘発ラマン散乱(Raman Scatteri ng)（ＳＲＳ）のような誘発散乱型の媒質を用いることが示唆されている。フレオン(Freon)が充填された密閉透明チューブは一般的なＳＢＳ素子を形成する。ブルーセルバックにより説明されたアプローチは、減速繰り返し率、その結果増幅器の中庸熱負荷を満足させたようである。特に、ブルーセルバックは彼の装置が最大約１０Ｈｚまで作動可能であったことを示唆している。装置を１００Ｈｚの繰り返し率またはそれより高い繰り返し率で作動することが望ましい。繰り返し率がそのレベルまで高まる場合には、利得媒質に結合されたポンプ出力の量が十分に大きくなる。その状況においては、熱的に誘起された応力が、ビーム内に強い減偏光を誘起する程度の複屈折を作る。実際には、５０％より大きな減偏光率はキロワット型のフラッシュランプ出力を持つと期待できる。その減偏光率はビームの全エネルギーによって分割された不要な（直交）偏光のエネルギーとして定義される。残念ながら、ビームの同相波面を反転するための位相共役ミラーの性能（位相共役ミラーの忠実度として定義される）は入射ビームの偏光純度に依存する。従って、ビームが少しの大きな程度まで減偏光されると、実の同相波面反転はＳＢＳセルに基づく単純な位相共役ミラーでは達成されない。利得媒質に戻る歪曲された同相波面がその媒質から出てくるものとは同一ではない場合には、その歪曲は十分には補正されず、その結果装置の性能が低下する。従って、本願発明の目的は、熱的に誘起された応力複屈折によって作られた減偏光効果を最小化するアプローチを提供する点にある。本願発明の他の目的は、減偏光効果が最小化されて、同相波面を補正することができるような装置を提供する点にある。本願発明の別の目的は、利得媒質の減偏光効果を最小化する増幅装置を提供する点にある。さらに本願発明の他の目的は、性能を低下させることなく、１００Ｈｚより大きな繰り返し率で作動することができる固体レーザ増幅器を提供する点にある。本願発明のさらに別の目的は、大きな調整を必要とすることなく、繰り返し率および熱負荷の全体の範囲にわたって有効に作動することができる固体レーザ増幅器を提供する点にある。発明の概要それらのおよび他の目的に従い、本願発明は、熱的に誘起された複屈折によって作られた減偏光効果を最小化するためのアプローチを提供する。そのアプローチは特に増幅装置において有効であり、その装置は、最大の忠実度のための強偏光ビームを必要とする位相共役ミラーを含む。本願発明によると、リレーイメージ手段を用いてロッド状の利得媒質内のビームのイメージを同一のまたは実質的に同一の利得媒質に戻す。そのリレーイメージ手段はビーム内の光線の角度および位置を維持するように配置されている。加えて、リレーイメージ手段の全体的な倍率は１対１となるように決められており、それにより、中継されたイメージの寸法は元のイメージと同じである。再びイメージ化される前に、ビームの偏光は９０ど回転される。この構成により、第１通過の間で放射偏光されたビームのモードの一部が第２通過の間に接線方向に偏光されて、最初の偏光状態を実質的に回復することができる。９０度の偏光回転の後にビームをロッドを２度通過させることによって熱的複屈折を補正するという発想は知られている。例えば、ダブル・シー・スコット(W .C.Scot)の「Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける複屈折補正およびＴＥＭ₀₀モード増強」（Birefringence Copensation and TEM₀₀Mode Enhancement in a Nd:YAG Lase )応用物理報告(Applied Physics Letters)、１８巻、Ｎｏ．１、３−４頁（１９７１年）；ダブル・コークナー(W.Koechner)の「固体レーザ・技術」Springer-V erlag、ニューヨーク、１９７６年、２００および３５５乃至３６５頁、並びにカントルスキー(Kantorski)に１９９０年８月１４日に付与され、本願の出願人に譲渡された米国特許第４，９４９，３５８号を参照されたい。しかし、それらの従来の文献のいずれにも、単一の倍率を用いてビームをイメージ化するためにリレーイメージ手段を用い、これにより、そのビームの写像を利得媒質に戻して補正を最大化するということは開示されていない。本願発明の他の観点においては、イメージはさらに利得媒質の第２の通過の前に反転される。空間的に不均一な利得分布の効果が例えばロッドが一方の側からポンピングされるときに生じることがあるが、その構成により、それを補正することができる。本願発明の増幅装置においては、ビームの偏光がリレーイメージ技術を用いて補正された後に、そのビームは位相共役反射器に向けられる。その位相共役反射器はそのビームの位相を反転するように機能する。ビームの減偏光は最小化されているので、位相共役反射器の忠実度を高く、さらに、歪曲の位相反転の質は良好である。ビームが増幅器セルを２度通過するときには、位相歪曲は実質的に取り除かれて、装置の性能を改善することができる。実験によると、ここで説明する減偏光効果は、リレーイメージ装置装置の代わりに、固定負レンズまたは非イメージ化望遠鏡を用いることによって、低から中間までの範囲の繰り返し率および中庸熱負荷で補正することができる。しかし、それらの従来のアプローチを用いる補正は、熱負荷の狭い範囲内のみで有効で、繰り返し率の機敏さを示すことはできない。これに対し、ここで説明するリレーイメージ装置によると、全範囲にわたる繰り返し率および出力負荷において作動することができる。本願発明の別の目的および利点は図面に関連する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は従来の位相共役増幅器の概略図である。図２は本願発明に係る偏光補正方法を用いる位相共役増幅器の概略図である。図３は、本願発明に係る補正方法を実行する４通過位相共役増幅器の望ましい実施例の概略図である。図４は、本願発明に係る補正方法を実行する２通過位相共役増幅器の望ましい実施例の概略図である。図５はリレーイメージ装置の倍率が図４に示す増幅器のために変えられるにつれて発生する減偏光の変化を示すグラフである。図６はビームが図４に示す増幅器内の利得媒質を横切るときのそのビームの移動プロフィールのプロットである。望ましい実施例の詳細な説明図２に戻ると、そこにはここで目的とする偏光方法を利用する位相共役レーザ増幅器３０の簡略化した概略図を示す。図１の実施例の場合のように、主発振器１２からの出力パルスはロッド形状の増幅器利得媒質１４に結合される。フラッシュランプ１６によってロッド内に発生される熱のために、熱的に誘起された応力が複屈折を作り、それは入力レーザビームを減偏光する。本願発明によると、熱的複屈折の減偏光効果は、リレーイメージ手段つまり望遠鏡３４を用いることによって最小化され、これにより、ビームの実像が発生され、それは次に利得媒質に向けて戻される。特に、イメージ手段の光学的特性は、ビームの実像が寸法、角度および位置において再生成されて利得媒質を２度通過するように選択される。リレーイメージ装置３４は、その結果を達成することができるので、利得媒質内の変化する熱レンズによって生じる焦点の広がりとは無関係に選択される。リレーイメージの概念は従来は他の目的のために用いられていた。例えば、ハント(Hunt)他の「ローパス空間フィルタリングおよびリレーイメージ化を介しての自己集束の抑制」(Suppression of Self-Focusing through Low-Pass Spatial Filtering and Relay Imaging)応用光学、第１７巻、Ｎｏ．１３、２０５３頁、１９７８年７月１日を参照のこと。リレーイメージは、異なる倍率およびスペーシングを持つ様々な多数の光学レンズ素子またはミラーを用いて作ることができる。本願明細書のこの目的のために、項リレーレンズ装置(term relay lens s ystem)は、光を集束するのに適した公知のいずれかの光学素子を含むようにされている。図２示すような最も簡略化した配置は２つの同一のレンズ３６および３８を含む。それらのレンズの各々が焦点距離Ｆを持つと仮定すると、それらは２Ｆの距離だけ離されていることになる。さらに、利得媒質１４内のイメージ（物体平面）と反射器（イメージ面）との間の距離Ｄは１対１の倍率を発生するように４Ｆに等しくなる。その結果、リレーレンズの配置の最も基本的な等式は、Ｄ＝４Ｆ (1) となる。そのレンズ対は利得媒質と反射器４４との間に中心を置く必要はない。ビームはレンズ３６および３８の間の点Ｐで集束される。さらに、ビームの中間イメージが利得媒質１４の長手軸線方向中央に存在するときに、そのイメージは反射器４４に形成される。その中間イメージの倍率は１対１になる必要はない。その中間イメージはそれからリレーレンズ組立体３４と通って戻るように再び向けられ、利得媒質１４に戻されて再生成される。その時点では、その中継されたイメージの寸法は元のイメージと同じでなければならない。上述の通り、そのイメージ面内の光線の角度及び位置は、媒質を通る第１通過の間その媒質を横切る光線のと同一でなければならない。減偏光の補正は、ビームが利得媒質に再び入る前に、９０度そのビームの偏光を回転することによって達成される。このような偏光回転を行うのに用いることができる光学素子は多数存在する。図２に示す配置においては、ファラデー旋光器(Faraday rotator)４６が用いられている。そのファラデー旋光器４６はビームの偏光をそこを通過する第１通過の際に４５度回転するように機能する。旋光器４６はビームを戻り経路上でさらに４５度回転する。上述の通り、偏光を９０度回転することによって、ロッドを通る第１通過の間の放射偏光されたビームの成分が、第２通過の間に接線方向に偏光される。リレーイメージ装置を用いことによって、両方向に進む光線の一致が最大化されて最大の補正を達成することができるようになる。上述の通り、その結果は媒質内の異なる熱レンズ効果を作る変わる熱負荷で達成することができる。ビームが利得媒質を２度通過してしまうと、それは偏光器５０、方向回転ミラー５２によって位相共役反射器１８に向けられる。反射器１８は上述のように機能し、利得媒質内で作られた歪曲を持つビームの同位相波面を反転する。その構成では、ビームの偏光は実質的に残ってしまうので、偏光器は位相共役レグ(pha se conjugate leg)への有効カップラーとして機能する。さらに、高い偏光純度により、反射器１８の忠実度が高い状態に維持され、これにより、ビームが利得媒質に戻るときに位相波面の歪曲がかなり修正されることが確実となる。その構成では、ビームがその後利得媒質１４を２回またはそれ以上通過する。ビームの偏光はファラデー回転子によって２度回転されるので、それは偏光器５０を通過して偏光器５６によって増幅器の外側に反射される。本願発明に係る偏光補正装置は、ロッド形状の光学素子が存在すればどのような状況でも用いることができると思われ、そのロッド形状の光学素子本来的に非複屈折かまたは非複屈折に適応するものであるが、熱負荷の下に置かれると応力複屈折を表すものである。本願発明は特にＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＳＧＧ及びＮｄ：ガラスまたは希土酸化物のドーピングされたＹＡＧもしくはガラスのような利得媒質における偏光補正に適すると思われる。以下に説明するように、リレーイメージ装置を利用する本願発明に係る補正方法は、従来の応力複屈折補正方法と同様に、ビームを、２つの異なるが実質的には同一のロッドを通過させることによっても実行することができる。図３及び図４は、本願発明の減偏光方法を用いる２つの別の位相共役増幅器構造を示す概略図である。図３は図２に似た４通過構成を示す。図４は２通過構成を示しており、そこでは、２つの別々の固体ロッドが用いられ、一方のロッドが他方のロッドによって引き起こされた減偏光効果を補正するために用いられる。最初に図３に示された増幅器１１０に戻ると、主発振器１１２がダイオードポンピングされた固体レーザによって構成されている。その望ましい実施例においては、発振器の共振器はリングの形状である。そのリングは２つの端部ミラーによって構成されるとともに、利得媒体、この場合にはＮｄ：ＹＡＧ、の端部の角度付けされた反射表面を提供することによって画定される。この構成は、本願の出願人に譲渡され、ここに参考として組み入れる１９９１年１０月１日付けの米国特許第５，０５２，８１５号に非常に詳細に明確にされている。音響光学変調器（ＡＯ変調器）がＱスイッチパルスを形成するために用いられる。そのＡＯ変調器は優先的損失を１方向に与えて、発振器１１２が単一方向に作動するような光学的ダイオードとして作動する。単一周波数動作は、そのリング幾何学的形状と通じて、さらに、Ｑスイッチを開く前のわずかなしきい値を越えて発振器を作動することによって達成される。後者の予励特徴は、低出力の単一周波数ビームを用いてＱスイッチレーザを促進する点にある。このように単一周波数動作を生じさせる方法は、ブロムリー(Bromley)及びハンナ(Hanna)の「音響光学変調器を用いるダイオードレーザのポンピングされたＮｄ：ＹＡＧリングレーザの単一周波数Ｑスイッチング作動」(Single Frequency Q-switched Operation of a Diod e-Laser Pumped Nd:YAG Ring Laser Using an Acousto-Optic Modulator)光学通信、１６、３７８−３８０頁、１９９１年、に説明されている。単一方向作動の理論はリード(Reed)及びバイスケル(Bischel)の「リングレーザにおける単一方向装置としての音響光学変調器」光学通信、１７、６９１−６９３頁、１９９２年、に説明されている。小さなリング構造により、発振器は約１０ナノ秒の長さのＱスイッチパルス出力を発生することができる。そのパルスは１．０６ミクロンの波長の２５マイクロジュールのエネルギーを持つ。出力ビーム１１４は水平方向に直線偏光され、約０．１mmのビーム直径を持つガウス形状である。出力ビーム１１４はレンズ１１６及び１１８を用いて０．１mmのビーム直径から拡大される。そのビームは次に８mmの開口１２２を持つプレー１２０を通過して１／ｅ²の直径で切り取られる。その８mmの直径のビームは偏光ビームスプリッター１２６を通過してファラデー旋光器１３０に入り、そこでは、ビームの偏光状態を４５度回転させる。ファラデー旋光器１３０及び偏光器１２６の組合せは光アイソレータとして機能して、反射光が再び発振器１１２に入ること及び単一周波数作動を妨げることを排除し、また、以下に説明するように、戻り増幅器ビームをレーザ増幅器連鎖から外れるように結合する手段を提供する。前進するビームは１／２波長板１３２を通過して偏光状態を水平面まで戻るように回転する。そのビームは次に真空空間フィルター組立体１３６を通過し、その組立体はレンズ１３８及び１４０（それぞれ１４.５cm及び１０cmの焦点距離のもの）と開口１４４（約３８０−４００ミクロンの直径）を持つプレート１４２とを備える。空間フィルター１３６は多数の機能を実行する。第１に、そのフィルターは、ビームの直径を８mmから５.５mmに減少させるように機能する。上流では直径８m mのビームはファラデー旋光器のような光学素子への損傷を最小化することが望ましい。小さな下流での５.５mm直径によると、ビームは切り取られることなくＮｄ：ＹＡＧロッド１５０の６.３５mm（１／４インチ）の開口に結合することができる。空間フィルター１３６は開口１２２のイメージをＮｄ：ＹＡＧロッド１５０の前表面１５２に中継するようにも機能し、これにより、増幅プロセスにとって可能な限り「トップハット」(tophat)に近いようなビームプロフィールを提供する。さらに、空間フィルター１３６は、出力ビームの軸線の近くまたは軸線上の疑似逆反射から生じる光学的ダメージから高利得増幅器を保護する。その空間フィルターは、開口１２２によって作られたビームのハードエッジも取り除いて、高利得増幅器内の構成素子への光学的ダメージの可能性を減少させる。最後に、空間フィルターは、増幅器の光学的ビーム経路内の開口でのわずかな切り取りの結果存在する出力ビームの近視野ビームプロフィールから回折リングを除去する。その空間フィルターを出た後、ビーム１１４はミラー１６０及び１６２によって向きが変えられ、増幅器セル１６４に向けられる。セル１６４はＮｄ：ＹＡＧロッド１５０を含み、それは単一フラッシュランプ１６６によってポンピングされる。別な例としては、ダイオードレーザを光学ポンピング源としてフラッシュランプの代わりに用いることができる。Ｎｄ：ＹＡＧまたは同様な材料のため、フラッシュランプのパルスは３００マイクロ秒の長さである。フラッシュランプがトリガされると、ロッドの利得が確立される。１５０を越える単一通過の利得がその増幅器セルに対し示された。フラッシュランプパルスの終りには主発振器１１２からのパルスがトリガされ、増幅器に蓄積されたエネルギー(最大５００m J)を、以下に説明するように、それの４通過の間に取り出すことができる。主発振器パルスの先端は優先的に増幅されるので、また、ＳＢＳの反射力の力学のために、パルス幅は約４ナノ秒まで短縮される。上述の通り、１００Ｈｚを越える繰り返し率でこのレーザを作動させることが望ましい。このレベルでは、平均出力の約４キロワットがフラッシュランプ１６６によって消費される。この量の出力ではロッド１５０内にかなりの熱応力複屈折を発生させ、それは波面を歪曲するとともにビームを減偏光する。図２に示すのと同様な方法において、ロッドを出る減偏光ビームはリレーレンズ組立体１７０を通過する。このリレーレンズ組立体は２つの同一のレンズ１７２、１７４を備える。それらのレンズの典型的な焦点距離は１５cmで３０cm離されている。それらのレンズは真空にされているセル１７６の端部に密閉的に取り付けられている。ビームはセル内に焦点を結ぶので、その焦点を真空内に配置して空気が分解しないようにすることが望ましい。リレーレンズ組立体１７０は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１５０の中央の平面の中間イメージをポロプリズム１８０の平面に出力する。リレーレンズ組立体の出力は波長板１８２を通過して、ポロプリズム１８０によって反射される。別の例では、等価な光学的構成のミラー及びファラデー旋光器を用いることができる。ポロプリズム／波長板（またはファラデー旋光器／ミラー）の主な機能はビームを逆反射するとともにそのビームの任意の偏光状態を９０度回転することにある。波長板と組合せてポロプリズムを用いて偏光状態を９０度回転させることは当業者に知られている技術である（ジェイ・リチャーズ (J.Richards)の「偏光結合レーザにおける複屈折補正」(Birefringence compens ation in polarization coupled lasers)応用光学、第２６巻、Ｎｏ．１３、２５１４−２５１７頁及びそこでの参考文献を参照のこと）。反射されたビームは、レンズ組立体１７０によって再びポロプリズム１８０の平面からロッド１５０の中央に向けて中継イメージ化される。第１通過の際のロッドのイメージとその中継されたイメージとの間の倍率は１対１である。中継されたイメージのその単一の倍率により、ロッド内での第１及び第２通過光線の最大の一致が確実になる。我々はそのロッドが良好な減偏光補正を得るための重要な素子であることを発見した。反射ビームの偏光状態が、９０度回転されてリレーイメージ化することなく同一の（または等しくポンピングされた）利得媒質を戻って通過する場合には、第２の通過の出力ビームは、我々の研究所で確認したように、３．５kwポンピングレベルで１５％の減偏光率を持つことができる。しかし、リレーイメージ化の技術を用いて、我々は、３．５kwポンピングレベルで１．３％より小さな出力ビームの減偏光率を確認することができた。その減偏光率は平均的ポンピング出力の２kwでは０．４％より小さな値になる。偏光率のこれくらいの大きさの改善は、われわれが、リレーイメージ化技術を用いて第１及び第２通過の光線をできる限り接近するように整合したという事実によるものである。偏光比率が１％程度またはそれより小さいという事実は位相共役レーザ装置の良好な作動のためには重要なことである。ポロプリズム反射器の二次的な機能は、ロッドを通る第１及び第２通過と第３及び第４通過との間でビームのイメージを反転することにある。イメージ反転を用いると、いくつかの追加的な及び驚くべき結果を得る。より詳しく述べると、多くの増幅器構造においては、単一のフラッシュランプは利得媒質の片側に配置されている。この構成では、利得媒質の一方の側が他方の側より過酷にポンピングされる傾向があり、これは、ビーム内に強度の不均一または非対象分布を作る。ビームのイメージが媒質を通過する第２通過時に反転されると、より小さい程度に増幅されたビームの部分が、より大きな利得の領域を通過するので、２重通過ビームの放射強度は均一になる。後者に至る及び後者自体の結果は予測できたが、ビームがロッドの本質的に同一の領域を通過し、これにより、第１通過の際に複屈折により生じた減偏光が第２の通過の際に補正されることは重要であるので、そのような幾何学的構成を現在の構成に利用することができる、ということは明らかではなかった。媒質の一方の側が他方よりも過酷にポンピングされていることがわかっていたので、熱的に誘起された複屈折が媒質の両側において似ているであろうということは明らかではなかった。実際、エネルギーをビームに移動するための利得分布には不均一さが存在するが、それにもかかわらず、熱的に誘起された応力複屈折の分布には実質的に放射状の均一性が存在する。その応力複屈折の放射状均一性は、その応力複屈折は最初から最後までずっと作られ、ポンピング構造よりも冷却構造に依存する定常状態現象であるという事実によると考えられる。これに対し、非均一のポンピングエネルギー分布は、媒質が励起状態にあるときの短い間だけに存在する。従って、イメージを反転することにより、確実に、望ましい高レベルの偏光補正を維持する間にビームの強度をより放射状に均一にすることが可能になる。ビーム経路の他の部分は図２に示すものと似ている。特に、ビーム１１４はスプリッター１８６及び反射器１８８によって向きを変えられてレンズ１８９によって位相共役ミラー１９０（ＰＣＭ）に集束される。位相共役ミラー１９０はＳＢＳセルからなる。その望ましい実施例においては、ＳＢＳセルは二硫化炭素(c arbon disulfide)が充填された透明の長いチューブによって形成される。上述の通り、ＰＣＭ１９０はビームの波面を反転して、ビームがロッド１５０に戻るように通過したときにその波面歪曲が補正される用に機能する。そのビームはロッド１５０、リレーレンズ組立体１７０及び反射戻しプリズム１８０を通過して戻る。ロッドの４番目の通過は、ロッドの３番目の通過により誘起された減偏光を補正する。上述の通り、ポロプリズムはビームのイメージを反転して放射状強度をより均一にする。ビームが４度ロッドを通過すると、それは偏光器１８６を通過して反射器１６２および１６０によって向きを変えられ、空間フィルター１３６、波長板１３２およびファラデー旋光器１３０を通過する。波長板１３２およびファラデー旋光器１３０の組合せは、偏光を９０度回転させ、そしてビームが偏光器１２６によって４通過増幅器ビームラインの外側に結合される。偏光器１２６、ファラデー旋光器１３０および波長板１３２の組合せは、１０００：１より大きな減衰率を持つアイソレータとして機能して発振器１１２へのフィードバックを最小化する。上述の装置を用いて、我々は、近回折限界フラットトップビームプロフィール (near diffraction-limited flat-topped beam profile)において１００Ｈｚの繰り返し率で平均出力の４０ワットより大きなものを達成した。レーザライン幅の詳細な測定は実行しなかったが、そのライン幅は変換限界であったと信ずる。フレオン(Freon)113をＳＢＳ媒質として用いたときに、約５００ピコ秒の立上がり時間の鋭利な先端を持った約３−４ナノ秒ＦＷＨＭのパルス長さが観察された。システム減偏光はフラッシュランプへの平均出力の必要な２．８ｋｗに対する１％より小さかった。平均出力作動はファラデー旋光器１３０の表面上の光学コーティングの損傷によって限定された。図３に示す構成はシステムの繰り返し率を最大化する一方、８mmのビーム直径内に４００ｍＪより小さなパルスエネルギーを維持するためには最適である。パルスごとに高エネルギーが望まれる場合には、図４に示す装置２１０、つまり、２つの別々のロッドを利用する装置が望ましい。図４に戻ると、主発振器１１２がパルス化出力ビーム２１４を発生するために提供されている。ビーム２１４はレンズ２１６、半波長板２１８およびファラデー旋光器２２０を通過する。ビームは次にレンズ２２２および開口２２６を持つプレーと２２４を通過する。図３の素子のように、レンズ２１６、２２２および開口２２６は組立体としてビーム直径を拡大して次に１／ｅ²直径でビームを切り取るように機能する。半波長板２１８およびファラデー旋光器２２０は図３に示す実施例と同様な方法により光学アイソレータとして機能する。ビームはそれから反射器２２８および２３０によって向きが変えられ、偏光器２３２を通過して真空空間フィルター組立体２３６に入る。図３の実施例と同様に、空間フィルター組立体は一対のレンズ２３８および２４０と開口２４４を持つ内部板２４２とを通過する。その空間フィルターは上述と同様に機能する。図４の実施例においては、増幅器ヘッド２４６が一対のレーザロッド２４８及び２５０を備えている。両方のロッドとも同一のフラッシュランプ２５２によって励起される。各ロッド２４８または２５０の両端部は約２．３度の角度でくさびにされている。ロッドは、それらのくさびが反対になっていて入射面が水平方向になるようにセル２４６に取り付けられている。光線が各ロッドの中心を通るように導かれて反射器２６に向かって伝達されると、それはロッド表面で屈折してセル２４６から約２５cmの点で交差する。その交差点は反射器２６０用の位置を形成する。ロッド２４８及び２５０は概略同一で、単一のロッドの場合に対し上述したように、適当な減偏光補正を保証しなければならない。その要求は、ロッドは実質的に同一の寸法を持つとともに実質的に同一の不純物濃度を持つということを保証することに限定されると思われる。同一結晶ボウル(boule)の同一の領域から２つのロッドを取り出すこと、または同一のボウルからロッドを選択することのような同一性を保証するためにより長いものにする必要はないと思われる。ビームが第１ロッド２４８を通過して出た後、それは曲面反射器２６０によって第２のロッド２５０に戻るように向けられる。レンズ対２６２及び２６４並びに曲面反射器２６０は本願発明のリレーイメージング組立体を構成する。前述の実施例の場合と同様に、リレーレンズ組立体または望遠鏡は、ビームがロッド２４８の長手軸線方向中心に存在するときに、そのビームのロッド２５０内のイメージを作るように機能する。ロッド２４８の中心にある面はレンズ２６２によって拡大されて反射器２６０に中間イメージを形成する。反射器２６０での面はその後再びイメージ化されて（そして正確に元の寸法まで縮小されて）、レンズ２６４及び反射器２６０を用いてロッド２５０の中心の面に入る。レンズ２６２及び２６４の典型的な焦点距離は７cmで、ミラー２６０の典型的な曲率半径は１０ cmである。それらのレンズとミラーとの間の空間は約１７cmである。その空間は、ビームがポンピングされていないロッドの条件でのロッド２５０に入る場合にそのビームに約１ｍ（膨脹の）曲率半径を与えるように構成されている。これにより、部分的に補正されるポンピング条件でのロッドによる熱レンズ化が可能になる。リレーイメージングによって、ビームがロッド２４８及び２５０の間で２度焦点に達することができる。それらの２つの焦点は真空セル２７０内に形成されて空気の分解を防ぐ。そのリレーイメージング組立体は図３に示すポロプリズムに関連して説明したように、空間利得プロフィールの合成平滑化されたイメージ反転も作る。ロッド２５０に入る前に、ビームの偏光状態は旋光器（光回転子）２７２を用いて９０度回転される。それらのロッドが上記の通り実質的に同一である場合には、ロッド２４８によって誘起されたビームの偏光はロッド２５０のビームの通過によって補正される。この構成のため、我々は、ロッド２５０の出口の減偏光率はランプへの４.０ｋｗの出力の０.４％より小さいことを確認した。そのポンピング出力では、単一ロッドの減偏光は本願発明に係るリレーイメージング技術を用いない限り５０％を越えないであろう。ロッド２５０を出るビームは１／４波長板２７４を通過し、次にレンズ２７６によって位相共役反射器２７８に集束される。ＰＣＭ２７８は上述のように二硫化炭素(carbon disulfide)から作ることができる。図４に示す構成においては、減偏光補正は、１／４波長板２７６を用いて増幅装置を通過する第２通過に対し９０度偏光状態を回転することができ、さらに、偏光器２３２がビームを戻りビーム経路の外側に結合することができる程度完全である。上述の実施例と同様に、位相共役反射器２７８はビームの波面を反転する。そのビームは次に増幅器セル２４６に戻され、そこでは、それはロッド２５０、旋光器２７２及びリレーレンズ２６４、２６２を通過する。それからそのビームはロッド２４８を通過し、そこでは、ロッド２５０の通過により誘起されたビームの偏光が補正される。ビームは次に偏光器２３２に向けられ、そこで、それは増幅器の外側に反射される。増幅された出力パルスは直接用いられるかまたは二倍器２９０または三倍器２９２のような様々な非線形素子を通過する。上述の通り、リレーイメージ装置は、１対１の倍率を持つように構成されることが重要であり、それにより、リレーされたイメージが最初の通過に関するロッド内のビームの寸法と同一となる。図５は、その関係が観察されない場合に減偏光レベルがどのように劇的に増加することができるのかを示す。そのデータは図４に示す構成を持つ増幅器から得た。図５は、水平軸線が倍率（１対１を表す１．００を持つ）のレベルに対応する。垂直軸線は倍率が変化した場合に生じる減偏光のパーセンテージに対応する。曲線Ａは利得媒質の単一の通過の後の減偏光の測定値である。曲線Ｂは、利得媒質を２度通過した後に生じる装置の減偏光のより重要なパラメータを示す。明らかであるが、装置の減偏光は、倍率が実質的に１対１の場合に最小になる。１対１倍率レベルが約６パーセントだけ変化すると（例えば、０.９４）、装置の減偏光は約１パーセントから４パーセントまで上がる。従って、倍率の１０パーセントより小さな変化は減偏光を４倍することができる。減偏光を最小化する際の最も重要な要因は倍率レベルのこの１対１制御であることがわかっている。増幅器が一定の出力レベルで作動したとすると、リレーイメージ装置を用いることなくこの１対１の倍率を作ることは可能である。しかし、リレーイメージ装置は、入力パワーの広いダイナミックレンジにわたって望ましい１対１の倍率レベルを維持するためには理想的である。この目標を達成するためにリレーイメージ装置の素子の設計には十分な融通性が存在する。しかし、性能を最適化するためには、ある基準を考慮すべきである。例えば、低い繰り返し率及び出力レベルでは、ロッドに形成された正熱レンズは小さい。リレーイメージ装置は十分な負の集光力を追加して、ビーム出力のいずれも低負荷条件のロッドの開口によって切り取られないようにすべきである。図６は図４の実施例の２つのロッド２４８及び２５０の横断ビームプロフィールの図である。明らかに、低出力では、ビーム２１４はロッドを出た後に直ぐに広がる。これに対し、最大出力負荷ではビームは狭まる。しかし、ロッド内では、ビームプロフィールはいずれの負荷条件でも非常に似ている点に注意すべきである。ビーム発散はロッドの異なる外側であるという事実は位相共役反射器によって修正することができる。その構造は１００Ｈｚの繰り返し率での４．０kwのランプの平均ポンピング出力の０．５％より小さな増幅出力ビームの減偏光率を達成できることが確認できている。そのポンピングレベルでは、平均出力の約４５ワットを増幅器から取り出すことができる。レーザの平均出力は、ランプへの平均出力を増加することによって、１００Ｈｚで約４０Ｗまで増加することができる。現時点では、１００Ｈｚでのその装置の平均出力は、高出力レベルでのロッド２４８の出力表面のコーティングの破滅的な光学的ダメージのために、約６５ワットまでに制限される。この光学的ダメージは、１０Ｈｚの繰り返し率では、または同一のなめらかさレベルを経験するレンズ２４０上では観察されない。しかし、コーティング技術の改善はその限界を取り除くであろう。出力ビームは非常に副次的な回折特徴だけを持つ近回折限界のトップハットプロフィールを有する。そのビームプロフィールは、繰り返し率（ランプへの平均出力負荷）の変化とともにかなり変化するというわけではない。二硫化炭素を用いると、時間の経過のパルス幅は約５− ６ナノ秒の持続時間で、平滑プロフィールを持ち、さらに、約１ナノ秒の立上がり時間の急峻な端部を持つ。パルス線幅はそのパルス形状の変換限界となると思われる。その実施例を用いると、低繰り返し率で増幅器から取り出された最大の単一パルスエネルギーは、約５５ジュールのフラッシュランプ入力エネルギーに対し１ジュールであった。一度装置を高出力繰り返し率で最適化すると、その結果を得るために光学素子への調節は不要であった。他のすべての光学パラメータは上述のものと実質的に同じままである。リレーイメージ装置の光学素子の選択には融通がきくが、リレーイメージを作るのに用いた光学素子の間の空間は補正ビームの減変更の最小化の重要な基準となる。図３及び図４に示されたより複雑な配置においては、リレーイメージ化を達成するために２つのことなる構造が用いられている。図３の４通過増幅器の例では、図２に示されたものと同様な２レンズ構造が用いられている。しかし、ポロプリズム１８０でのロッド１５２の中心の中間イメージは約２の係数倍拡大されており、これにより、ポロプリズムへの光学的損傷が最小化される。（上述のように、中間イメージは、イメージがロッドに戻る前に縮小される限り１より大きな倍率を持つことができる。）Ｍ倍拡大された中間イメージを配置する一般的な問題に関し、物体平面（ロッドの中心）とイメージ面（ポロプリズム１８０の位置）との間の空間Ｄは、以下の式から算出することができる。Ｄ＝（Ｍ＋１）［（Ｍ＋１）ｆ−（Ｍ−１）Ｄ₁］ (2) ここで、ｆはレンズ１７２の焦点距離、（Ｍ×ｆ）はレンズ１７４の焦点距離、Ｄ₁は物体平面からレンズ１７２までの距離、（Ｍ＋１）ｆはレンズ１７２及び１７４の空間である。中間イメージの倍率が１対１である場合には、中間イメージの位置は式（１）で上述したのと同じである。式（２）は空気（約１の屈折率を持つ）内のイメージ面の位置を修正するものである。図３に示す実施例においては、ロッド１５２の中心は、約１．７２の屈折率を持つＮｄ：ＹＡＧ結晶の約６.４cmを通過してポロプリズム１８０にイメージ化される。イメージ面の正確な位置は当業者に公知のＡＢＣＤマトリクスを用いて容易に計算することができる。図４に示す２通過増幅器の実施例は、異なるリレーイメージか構造を利用する。一般的に、無数のレンズまたは曲面ミラーを用いてどのような距離でもイメージをリレーすることができる。図４の２レンズ、１ミラーの構成は３レンズ構成と等価である。式（３）は物体平面と３レンズを含むリレーレンズ組立体に関するイメージ面との間の距離Ｄを与え、３レンズの内の２つは同一で、イメージの倍率は単一である。Ｄ＝４ｆ₀＋４ｆ₁＋（ｆ₁ ²／ｆ₀） (3) ここで、ｆ₁は同一レンズ（図４の２６２及び２６４のようなもの）の焦点距離、ｆ₀は第３のレンズつまりミラー（例えば、図４のミラー２６０）の焦点距離であり、そのミラーは各レンズからのｆ₁＋２ｆ₀の距離で、２つの同一レンズ（レンズ２６２及び２６４）の間に配置されている。上述のように、物体平面が屈折率が互いに異なる光学的物質（例えばＮｄ：ＹＡＧロッド）を通過してイメージ化されると、イメージ面の正確な位置を当業者は容易に計算することができる。また、レンズまたはミラーの任意の数に関する式（３）の一般化も当業者によって計算することができる。リレーイメージ組立体内の素子の注意深い調整及び配置は減偏光率を最小化するためには重要である。実際には、反復整合工程を用いて位相共役ミラー２７８に入る増幅器発振器ビームの減偏光率を最小化する。図４を参照すると、減偏光率はロッド２５０の後で計測される。最小値はレンズ２６２ごとのロッドからの軸線距離が変化するときにわかるが、レンズ２６４の水平及び垂直位置は反復される。減偏光率におけるその最小値は典型的には１００Ｈｚの繰り返し率での３．５ｋｗのフラッシュポンプのポンピング出力の０．５％より小さい。１％より小さな減偏光率を達成することは、図３及び４に示す増幅器システムに対して観察されるように、位相共役ミラーによる反射に続いて良好な位相前面再構成を得るためには重要である。本願発明を望ましい実施例に関連して説明したが、請求の範囲で画定される本願発明の範囲及び意図を逸脱することなく当業者によって様々な変更及び修正を行うことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ニーガス、ダニエル・ケイアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94020、ラ・ホンダ、ルート３、ボックス 20 (72)発明者フランジニアス、ジョージアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94544、ヘイワード、オカーラ・ストリート 2571

Claims

【特許請求の範囲】１レーザビームがロッド形状の光学素子を通過する際に、該光学素子で熱的に誘起された複屈折によって引き起こされるレーザビームの減偏光効果を最小にするための装置であって、前記光学素子を通過するビームをイメージ化するリレーイメージ手段であって、前記イメージが該光学素子にまたは実質的に同一の光学素子である他の光学素子に戻るように向けられ、その間、前記ビームの位相及び前記イメージ内の前記ビームの光線の角度・位置を維持し、該リレーイメージ手段の倍率が実質的に１対１であるリレーイメージ手段と、前記ビームが前記光学素子または前記他の光学素子に戻るように向けられる前に、前記ビームの偏光を９０度回転し、これにより、熱的に誘起された複屈折を補正し、前記ビームの減偏光を最小化する回転手段とを備える装置。２請求項１の装置において、さらに、前記ビームが前記光学素子または前記他の光学素子に戻るように向けられる前に、前記ビームを反転する手段を備える装置。３レーザビームがロッド形状の光学素子を通過する際に、該光学素子で熱的に誘起された複屈折によって引き起こされるレーザビームの減偏光効果を最小にするための装置であって、前記光学素子からでたビームを前記光学素子に戻るように反射するために配置された反射手段と、前記光学素子と前記反射手段との間に配置されたリレーイメージ手段であって、前記ビームの位相及び前記イメージ内の前記ビームの光線の角度・位置を維持する間に、光学素子への戻りビームを再イメージ化し、該リレーイメージ手段の倍率が実質的に１対１であるリレーイメージ手段と、前記反射手段と前記光学素子との間に配置されて前記ビームの偏光を９０度回転し、これにより、前記ビームが前記光学素子を通過するときに作られるビームの減偏光を、前記ビームが前記光学素子を通過して戻るように反射されたときに補正する回転手段とを備える装置。４レーザビームが第１及び第２の実質的に同一のロッド形状の光学素子を通過する際に、該光学素子に熱的に誘起された複屈折によって引き起こされるレーザビームの減偏光効果を最小にするための装置であって、前記光学素子の間に配置されていて前記第１光学素子を通過したビームを前記第２光学素子に再イメージ化し、その間、前記ビームの位相及び前記イメージ内の前記ビームの光線の角度・位置を維持するリレーイメージ手段であって、該リレーイメージ手段の倍率が実質的に１対１であるリレーイメージ手段と、前記光学素子の間に配置されて前記ビームの偏光を９０度回転し、これにより、前記ビームが前記第１光学素子を通過するときに作られるビームの減偏光を、前記ビームが前記第２光学素子を通過するときに補正する回転手段とを備える装置。５少なくとも１つのロッド形状の利得媒質を含む増幅手段と、励起パラメータの範囲にわたって前記利得媒質を励起する手段であって、前記励起が前記利得媒質の熱的複屈折効果の範囲も生成する励起手段と、パルスレーザビームを発生する手段と、反射ビームの波面を反転する位相共役反射手段と、前記増幅器手段を通過するように前記パルスレーザビームを指向して前記パルスを増幅する指向手段であって、前記増幅されたパルスが前記位相共役反射器に指向され、前記位相共役反射パルスが前記利得媒質を通って戻るように指向され、これにより、前記パルスがさらに増幅され、さらに収差が修正される指向手段と、前記利得媒質の熱的な複屈折効果が変わるために前記増幅手段に発生するビームの減偏光を最小化する補正手段であって、前記利得媒質を通過するビームをイメージ化するリレーイメージ手段を含み、前記イメージが前記利得媒質にまたは他の実質的同一の利得媒質に戻るように指向され、その間、前記ビームの位相及び前記イメージ内の前記ビームの光線の角度・位置を維持し、前記リレーイメージ手段の倍率が実質的に１対１であり、該補正手段がさらに前記ビームの偏光を９０度回転する手段を有し、これにより、熱的に誘起された複屈折を補正し、さらに、前記ビームの減偏光を最小化して励起レベルの範囲にわたって前記位相共役反射器の忠実度を最大化する補正手段とを備えるレーザ増幅装置。