JP2005506687A - 高パワー高出力固体レーザー増幅システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は高パワー高強度レーザー増幅を達成するシステムおよび方法を提供する。四重パス光学増幅システムにおいて、線形偏光学ビームを種々の光学エレメントによって光学増幅器の中を4回通過させる。光学増幅器はレーザーダイオードアレイを含むポンピングエネルギー源によって横ポンピングされる。ポンピングモジュールその他の光学構成部品は熱レンズ効果、熱誘発複屈折効果を無効にするように備えられ、増幅および効率が増強される。
Description
【技術分野】
【0001】
「高パワー高出力固体レーザー増幅システムおよび方法」と題する、共係属中の米国実用特許出願第09/907,154号を基礎とする優先権主張がなされている。
【0002】
本発明は、概略的に、コヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関し、より詳しくは、レーザーシステムのコヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
高パワー高強度レーザーシステムが非常に望まれている。しかしながら、高い品質のビームおよび短パルス時間を持つそのような高パワー高強度レーザーを得るのは非常に困難である。
レーザー増幅器は、外部レーザー発振器から入力レーザービームを取り出し、この入力レーザービームを増幅する。増幅パワーを増強することによって、次第に、より強力でより高いパワーのレーザービームが達成されている。しかしながら、従来のレーザー増幅器は、到達パワーおよび強度ゲインを制限し、さらには、低下させるような設計性能比を有している。高パワーかつ高強度にて、レーザーポンプ光により発生する熱は、レーザーおよび増幅システムにおいて熱光学効果および熱ストレスを生じて、光ビームを歪めてしまうので、従来のレーザーおよび増幅システムは不充分とされ、さらには作動不可にされてしまう。さらに、高パワー高強度レーザービームに内在するエネルギーは、即座に揮発しなければ、従来のレーザーおよび増幅システムの構成部品を恒久的に損傷してしまう。
【0004】
高パワー高強度レーザー増幅の限界はB積分効果である。このB積分効果は、物質の屈折率と発光強度との間の関係で表される。したがって、ガウス型の強度プロファイルのごとき不均一強度分散の光ビームは、より高い光強度の領域においてより高い屈折率を有する。レーザーポンピング源に由来する不均一なエネルギー強度によって、様々な発光強度、かくして、様々な屈折率が生じる。物質の屈折率は、そこを通る光の位相速度を決定し、かくして、有効光路長を決定する。その結果、高強度の領域では位相遅れが生じ、光ビームの焦点を歪め、強度およびパワーのゲインを制限する。屈折率を変化させてもビームの影響された部分の光路が変化し、ビーム全体またはビームの部分を焦点に消失させてしまう。B積分効果は、高パワー高強度増幅器の下では、発光レベルの変動がより大きくなるため、より顕著になる。
【0005】
光ビームに対するB積分効果や(レーザーパス中の光学欠陥のごとき)他の歪み源の結果として、従来のレーザー増幅器における高パワー高強度増幅は、熱が蓄積した領域(すなわち、ホットスポット)を生じる。ホットスポットはレーザーを崩壊させる欠陥領域に発生し、エネルギーを周辺領域に散逸させる。様々な熱のレベル(例えば、熱勾配)を増幅器内の別の領域に生じる不均一ポンピングの結果としても、ホットスポットは形成されるであろう。ある領域が加熱すると、さらにレーザー増幅器の屈折率をさらに歪めて、より大きな熱蓄積をもたらす。レーザー増幅器が壊れるか、または、例えば、位相遅れによる有害な光学干渉がさらなる強度および出力のゲインを妨害するまで、この熱および歪みを高める循環が続く。
【0006】
少なくとも上記の理由から、従来のレーザー増幅器設計は、ホットスポットを形成しがちであり、達成可能な強度およびパワーゲインが制限される。ホットスポット形成は、ほとんどの増幅レーザー光エネルギーを排熱に変換して損失してしまうため、従来のレーザー増幅器において非能率性も促進される。さらに、従来のレーザー増幅器は、高価な修理および部品の交換を必要とする、高パワー高強度増幅下でのホットスポットや急激な破壊に耐えるようには設計されていない。
【0007】
これらの高温に対処するためには、通常、能動的熱除去手段が有利である。従来、レーザー結晶ロッドの非光学表面は、通常水である液体の強制対流によって冷却される。あるいは、これらの表面を充分量のヒートシンクに熱的接続して、排熱を吸収させる。しかしながら、有効レーザー体積の幾何およびレーザー結晶ロッドの比較的低い熱伝導率のため、高温および大きな温度勾配が残存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、効率的に高出力高強度レーザービームを生じるが、有害なホットスポットの形成を最小限にし、および/または展開するホットスポットに耐えるだけ充分に強固な光を増幅するシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
発明の概要
本発明は、光を増幅する従来のシステムおよび方法の欠点を大きく軽減する。代表的な具体例において、本発明は、外部源から偏光レーザー入力ビームを受容する四重パスレーザー増幅器を提供し、その入力ビームを増幅器の4つの増幅パスを通して、そのように増幅されたビームを所望の出力として出射する。増幅器には、第1の偏光ビームスプリッター(a first polarizing beam splitter; PBS)、第2のPBS、指向性偏光ローテーター(a directional polarization rotator; DPR)、非指向性偏光ローテーター(a non-directional polarization rotator; NPR)、第1のリフレクター、第2のリフレクターおよび/またはポンピングモジュールを備えることができる。さらに、代表的具体例は増幅器を通る4つのパスを用いるが、本発明は他の偶数本または奇数本の増幅パスも意図する。さらに、増幅器を通るレーザービームによって作られたパスは同一直線上になくてもよい。
【0010】
入力ビームは、ビーム経路中であって、2つのPBSおよびDPRの下流に配置されたポンピングモジュール内で増幅される。ポンピングモジュールは、光学エネルギーを入力ビームに与えて、その強度およびパワーを増強する1個以上のポンプ源(例えば、光源)を含む。これらの1個以上のポンプ源は、例えば、フラッシュランプ、別のタイプのランプおよび/またはレーザーダイオードを含むであろう。レーザーダイオードは所望の周波数付近を中心とする比較的狭い周波数バンドで発光するように適合させ得る。したがって、例えば、有効なポンピングを生じないであろう他の周波数において、光エネルギーが実質的に無駄にされないため、効率が向上される。
【0011】
ポンピングモジュールは光路を含み、その光路自体が、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット(YAG)のごとき固体物質であって、例えば、ネオジム(Nd)、イッテルビウム(Yb)、ホルミウム(Ho)、および/またはエルビウム(Er)のごとき活性物質でドープされたものを含む長いレーザー結晶ロッドを含む。例えば、レーザーダイオードからの光を活性物質の上にあてることによって、それらを光学的に励起して、それらの物質の原子内の特定の電子を一時的に励起し得る(すなわち、一時的にエネルギー状態を上昇させ得る)。入力ビームが、例えば、電子が自然にそれらの通常の安定エネルギー状態に戻る前に、当該励起物質に照射されれば、その逆転の契機(すなわち、刺激)となり得、それによって、電子が低エネルギー状態に戻る結果として、大量のフォトンの放出が生じる。換言すれば、レーザー結晶ロッドはレーザーダイオードによってポンピングされ、対応励起原子を生成し、それらが、誘発発光により量子を照射野に引き渡す。刺激されたまたは誘発された発光は、入力ビームについて位相コヒーレント増幅メカニズムを与える。
【0012】
個々のレーザーダイオードをレーザー増幅器に用い、例えば、矩形の光ビームを発光するが、他の形状も本発明により意図される。これらのダイオードはダイオードバーを含む縦軸列に搭載することができる。複数のそのようなバーを(マトリクス中でダイオードが互いに同一方向を向くように)互いに隣接させて搭載して、レーザーダイオードアレイを作製する。次いで、これらのアレイをレーザー結晶ロッドの向かい側に所望の構成で配置し、ダイオード光がそのロッド上にあたって、それをポンピングし得るようにする。各レーザー結晶ロッドは、増幅ステージ内で、少なくとも1組のレーザーダイオードアレイと対になる。多重ステージ増幅器、例えば、並列または直列配列されたプレ増幅ステージおよび増幅ステージを含むものが意図される。
【0013】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド周囲に配置された奇数個のレーザーダイオードアレイを用いてポンピング効率が促進されたものを提供する。例えば、規則的に間隔が開けられ円周状に配列された奇数個のアレイを有する増幅ステージにおいて、どの2つのアレイも、レーザー結晶ロッドの縦軸周りに、互いに向かい合って(すなわち、互いに180°にて)配置されていない。さらに、レーザーダイオードアレイ間に配置されているリフレクターは、レーザー結晶ロッドに吸収されずに活性媒体に戻ってきたポンピングエネルギーを反射し得る。
【0014】
本発明は、レーザー増幅器に実質的に均一なポンピングエネルギーを供給することにおいて有利である。ポンピング均一性は、円周状のレーザー結晶ロッド周りに配置されたレーザーダイオードアレイの個数を増やすことによって向上させることができ、それによって、隣接するレーザーダイオードアレイ間の照射角を小さくすることができる。さらにレーザーダイオードアレイの個数を増やして(入力エネルギー源の個数を増やすことによって)、利用可能なポンピングエネルギー総量を増やし、増幅を促進する。したがって、代表的具体例において、本発明は、例えば、5個以上のレーザーダイオードアレイを備えることができる。
【0015】
本発明は、レーザーダイオードからの発光を方向付ける1個以上の筒状レンズおよび/またはミラーを備えることもできる。その結果、より多くのポンピングエネルギーがレーザー結晶ロッドに到達し、そこで入力ビームを増幅できるため、増幅効率が向上する。ポンピングエネルギーの焦点が、例えば、レーザー結晶ロッドの表面およびその外側から離れたところにくるようにレンズおよび/またはミラーを配置することによって、ポンピング均一性はさらに向上される。このように、ポンピング光がレーザー結晶ロッドに到達したとき、それが集光されず、したがって、レーザー結晶ロッドの直径方向に均等に分散する。本発明は、さらに増幅器性能を向上させるために、非球面レンズを用いることも意図する。
【0016】
代表的具体例において、本発明は、長軸に沿って整列した複数のレーザー結晶ロッドを用いる。この多重ステージ構成は、同一の光ビームを連続して増幅するポンピングエネルギー源の個数を増やすことによって、入力ビーム増幅を向上させる。さらに、多重ステージ構成は、例えば、熱レンズ効果および/または複屈折効果に起因する歪みを調節することによって利益があるであろう。
【0017】
代表的具体例において、本発明は、レーザーダイオードバーおよび/または実質的に同一の特性(例えば、実質的に同じピーク出力強度および波長)を有するように選択された個々のレーザーダイオードを備えることができる。そして、レーザーダイオードバーおよび/またはレーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に組み込み、各レーザーダイオードが実質的に同一の電気入力を受容するように配線する。そのようなレーザーダイオードアレイは、出力パワーおよび平均ピーク出力波長をあまり変化させない。
【0018】
本発明は、レーザーダイオードアレイの出力パワーを非実質的に変化するように制御する点で利点がある。代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器のステージの各々にあるレーザーダイオードアレイの出力パワーが経験上整合するように、個々のレーザーダイオードアレイに電源を備える。電源はパワー制御手段(例えば、加減抵抗器、可変トランジスター等)を含むことができ、手動で、または、一例として、例えば、センサー回路を用いるフィードバックループ回路を用いるコンピュータシステムによるごとく自動的に、それらを観察し制御することができる。もう一つの代表的具体例において、本発明は、各アレイへの電気的入力が最低パワーレーザーダイオードアレイによって用いられるレベルに制限されるものを提供する。この最低パワーレーザーダイオードアレイよりも高いパワーを出すレーザーダイオードアレイは、より高いパワーのアレイと並列に置かれた電気負荷を有し、それによって、これらのより高いパワーのアレイから適正量の電力を取り出す。かくして、全てのレーザーダイオードアレイが実質的に同じ出力パワーを発生する。
【0019】
代表的具体例において、本発明は、各レーザーダイオードの矩形発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と平行に配置されるようにレーザーダイオードアレイを配向させることができるものを提供する。レーザーダイオードの矩形発光面は、短辺および長辺の2組の辺を有する。短辺の長さは、長辺の長さよりも短い。特定の個々のレーザーダイオードの矩形発光面から発光される光の強度パターンを観察すると、矩形発光面の短辺(すなわち、短軸または速軸)に平行な方向に、大きな光学的角度分散がある。反対に、矩形発光面の長辺(すなわち、長軸または遅軸)に平行な方向に、小さな光学的角度分散がある。そのような光学的角度分散は二次元単一スリット回折パターンとしてほぼ解析し得、それによれば、光学的角度分散は発光波長にほぼ比例し、特定次元のスリット幅にほぼ反比例する。個々のレーザーダイオードをレーザー結晶ロッドの縦軸に対して直角に配向させる(すなわち、レーザーダイオードの短軸または速軸をレーザー結晶ロッドの縦軸と平行にする)ことによって、分散はそれらの長軸または遅軸から離れて実質的に互いにオーバーラップし合い、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度を効率的に平滑化する。ポンピング強度の平滑化は、レーザー結晶ロッドをポンピングする均一性を促進する。本発明は、上記したポンピング強度の平滑化および均一性を用いる他のレーザーダイオードアッセンブリーまたは個々のレーザーダイオードを用いることも意図する。さらに、ポンピング均一性はアレイ中のレーザーダイオード間の間隔を狭めることによって達成することができる。かくして、例えば、この代表的具体例は、当然、レーザーダイオード間の間隔を狭め、かくして、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度の均一性を高める。さらに、この代表的具体例は、より多数のレーザーダイオードも用いる。これらの後者の態様は、レーザー増幅器の全増幅および効率を向上させる。
【0020】
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器の耐久性および堅牢性を向上させる。ポンピング源、そしてレーザー増幅器は、孤立したレーザーダイオードまたは孤立したレーザーダイオードバーが故障しても、有効に作動し続ける。これは、ある程度、実質的に隣接する個々のレーザーダイオードおよび/または実質的に隣接する個々のレーザーダイオードバーの間のポンピング強度の実質的なオーバーラップによる。かくして、実質的に隣接するレーザーダイオードおよび/または実質的に隣接するレーザーダイオードバーからの光学角度分散は、無発光(損傷した)バーおよび/またはダイオードの向かい側にあるレーザー結晶の部分を充分に発光させて、損失ポンピングエネルギーを補償する。あるいは、ポンピング強度をモニターし、調節する(例えば、個々のレーザーダイオード、レーザーバーおよび/またはダイオードアレイに供給される電力を調節する)コンピュータに連結させることができる制御回路により、ポンピング強度を選択的に増強して、無発光(損傷した)レーザーバーおよび/またはレーザーダイオードの向い側にあるレーザー結晶の部分の損失ポンピングエネルギーを補償する。
【0021】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの縦軸に沿った複数組のレーザーダイオードアレイを備えることによって、ポンピングエネルギーのより高い均一性を達成する。各々の連続した組のアレイを隣接する組のアレイの配向に対して回転させ、ポンピングエネルギーが異なる放射方向から各増幅ステージ中のレーザー結晶ロッドまたはレーザー結晶ロッドに達するようにする。例えば、横ポンピングに5つのレーザーダイオードアレイの組を用いるレーザー増幅器で、各々の連続した組のレーザーダイオードアレイを隣接するアレイの組に対して36°回転させることができる。かくして、隣接する増幅ステージ中のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド縦軸に沿った放射状交互配向で配置する。しかしながら、そのように交互にずらすことは。360°の円周の周囲の5つのアレイの対称な(それゆえ、最適な)分布をもたらすが、他の非対称交互配列も用い得ることに留意すべきである。
【0022】
代表的具体例において、本発明は、多重ステージ増幅器中の連続したレーザー結晶ロッド間に配置された90°ローテーターのごときローテーターを備える。このローテーターは、レーザー結晶ロッド中の様々な偏光配向に対する屈折率勾配にある程度起因する入力ビームの位相および偏光の変化を補償する。特に、このローテーターは光の偏光を変化させて、一つのレーザー結晶ロッド中の屈折率勾配が他のレーザー結晶ロッド中に生じる偏光変化を無効にする(例えば、実質的に相殺する)。
【0023】
高い平均ポンピング条件下、レーザー結晶ロッドは、その断面を横断する内部熱分布を示し、その軸中心が最も高温である。物質の屈折率は温度の関数なので、レーザー結晶ロッド内部の屈折率は同様の分布を取る。その結果として、定常動作に達した後、レーザー結晶ロッドは正レンズのように振る舞い、ビームの伝播特性を変化させる。しかしながら、それは、そのビームが増幅器を通る多重パス全体でそのビームを横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成するのに有利である。したがって、代表的具体例において、レーザー結晶ロッドを横切る均一ポンピング条件を提供して、例えば、球面レンズにより補償を達成することができる単純球面レンジング(a simple spherical lensing)を達成する。本発明は、例えば、第1の増幅モジュールと第2の増幅モジュールとの間に配置された負レンズまたは、妥当であれば、正レンズを含むことができる補償レンズモジュールも備えることができる。代表的具体例において、増幅モジュールはレーザー結晶ロッドを含み、それは、例えば、高い平均ポンピングパワー下で正レンズ効果を示す物質を含む。この負レンズは、増幅モジュール中の2つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果を補償して、ビームが多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持する。この負レンズは、増幅モジュール中の2つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。
【0024】
レーザー結晶ロッド内部の偏光効果を最小限にするため、所定の増幅器中の連続したレーザー結晶ロッドは、実質的に同じ物理特性を有するべきである。代表的具体例において、本発明は、同一の結晶ブールから所定の多重ステージ増幅器用のレーザー結晶ロッドを作製することを提供する。レーザー結晶ブールは、実質的に結晶に埋め込まれた活性元素を含有するメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配は、結晶ブールの縦方向に沿って形成することができる。例えば、結晶ブールの底部を最高ドーパント濃度とすることができる。同一の結晶ブールから同一の縦領域からのロッド(例えば、結晶ブールの横スライス)の中心を切り出して、実質的に同一のドーパント濃度プロファイルおよび他の同じ物理的特性を有するレーザー結晶ロッドを得、それによって、レーザー結晶ロッド間でより高い類似性を達成する。したがって、レーザー結晶ロッド間の類似性は、例えば、同じストレス複屈折の効果を相殺するのに有利な同じストレス複屈折(例えば、熱ストレス複屈折)を与える。
【0025】
第1および第2のPBSは、レーザー経路中に配置され、元の入力ビームを透過させるが、元の入力ビーム偏光と直交する(正規の)偏光を有する光は屈折させる。第1のPBSは、元の入力ビームをレーザー増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームは出力として出射する。なぜならば、その箇所でのそのビームの偏光は入力ビームのものと直交しているからである。その結果、第1のPBSは、増幅器を通るレーザービームの第1の増幅パスを生じ、増幅器を通る4番目で最後のパスを終了させる。第2のPBSは元の入力ビームおよび充分増幅されたビームを反対方向に透過させるが、増幅器を通る第2のパスの後、第3のパスの前では増幅が不充分なビームを屈折させて、(第4のパスに続く)第3のパスを通してさらに増幅させる。かくして、第2のPBSは第2のパスを屈折させて、第3のパスを開始するが、第1ないし第4のパスに直接影響を与えない。
【0026】
DPRは第1および第2のPBS間のビーム経路中に配置される。このDPRは、第1のPBSから第2のPBSまで進行するビームに対する偏光効果を有しないが、第2のPBSから第1のPBSへと戻る(充分に増幅された)ビームの偏光を回転させる構成部品または一組の構成部品を含む。その結果、第2のPBSは、第1のPBSから受容した光を透過させるが、第1のPBSは、第2のPBSから受容した光を屈折させる。このDPRは元の入力ビームを増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームの偏光を回転させて、第1のPBSがそのビームを屈折して出力ビームとして出射するようにする。このDPRはファラデーローテーター、波長板またはそれらのある組合せを含むことができる。入力方向に進行する光に関して、これらのエレメントは互いに反対偏光になるように選択され、それらが互いに打ち消し合うようにする。反対方向に進行する光に関して、ファラデーローテーターおよび波長板はさらなる偏光効果を有する。
【0027】
NPRは、ビーム経路中、ポンピングモジュールの下流にある。NPRは、2本のパスにつき入力ビームの偏光を90°回転させる。その結果、このビームは、(累積して90°回転して)第2のパスにおいては直角に偏光され、第2のPBSがそれを屈折させて第3のパスが開始する。NPRは、第4のパスにおいてこのビームを(累積して180°回転させて)その最初の偏光に戻して、第2のPBSがこのビームを(屈折させずに)透過するようにする。NPRは、例えば、波長板を含むことができる。代表的具体例において、本発明は、例えば、デュアルレーザーロッドシステムの残留複屈折補償も達成することができるファラデーローテーターを備える。
【0028】
四重パス増幅器は2つのリフレクターを含むことができる。第1のリフレクターはビーム経路中、NPRの下流にあり、第1および第3のパスの後、そのビームを戻して、第2および第4のパスを開始する。第2のリフレクターは第2のPBSの屈折経路中に配置され、第2のパスと第3のパスとの間でそのビームを受容し戻す。リフレクターは、この入力ビームを受容し戻す光学ミラーを含む。高パワー高強度アプリケーションにおけるレーザーリフレクター材料は、光を光学的に反射し、透過するように作用し、熱効率を損失させ、および/または構造的に堅牢物質から作製し得る。メタルバックミラー(metal-backed mirrors)のごとき硬質界面リフレクターはある種のアプリケーションには不利であろう。なぜならば、増幅されたレーザー光がメタルバックミラーで破壊されてしまうかもしれないからである。
【0029】
代表的具体例において、本発明は、これらのリフレクターのうち1つかまたは両方が、ポロプリズム(Porro prism)を含むものを提供する。ポロプリズムは、実質的に透明な物質で作られた45°−90°−45°の固体構造を含む。ポロプリズムは入ってきた光エネルギーを反射性コーティングの必要なく効率的に反射する。さらに、ポロプリズムは、増幅器を通る第1および第3のパスの後、ビームを変換することによってレーザービームの均一性を高める。その結果、そのビームは四重パス増幅器をある配向で2回、変換された配向で2回通過して、レーザー結晶ロッド内部の増幅プロファイルにおける欠陥を均一化(例えば、平滑化、無効化または相殺)する。
【0030】
代表的具体例において、本発明は、第1および第2のPBSが外面に偏光性コーティングを有するものを提供する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、第1および第2のPBSが内面に偏光性コーティングを有する固体PBSであるものを提供する。例えば、PBSは、内部対角面に偏光性コーティングを有する固体立方体形状の光学的に透明デバイスを構成することができる。固体PBSは、特に、高パワーレーザーアプリケーションの分野に適用できる。高出力高強度レーザーシステムは、例えば、平方cmあたり数ギガワット(GW/cm2)強度のビームを生じることができ、それを集光すると、例えば、特定の焦平面にて1015W/cm2を超えることがある。高パワーレーザー増幅器中の偏光性コーティングの位置付けは、空気−コーティング界面にてホットスポットの形成を回避する。なぜならば、もはや実質的に空気に接していないからである。
【0031】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの円周の周囲にクラッド層を備えて、回折効果を低減し、増幅性能を向上させる。クラッド層は実質的に透明な固体物質(例えば、レーザー結晶ロッドのそれと同様であるが、活性元素ドーパントを含まない物質)である。特に、例えば、ビーム径がクラッド層なしのレーザー結晶ロッド径を超える場合、レーザー結晶ロッドから出射するビームの回折効果を低減させることによってビーム品質を向上するように、クラッド層を構成することができる。
【0032】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドを冷却する液体(例えば、水)を備える。この液体は、実質的に透明な物質(例えば、ガラスまたはプラスチックス)を含むハウジング(ケーシング)内部に含有することができる。ケーシングおよび液体は、レーザー結晶ロッドとポンピング源との間に配置される。液体層は強制循環されて、局所的熱蓄積の防止を助ける。もう一つの代表的具体例において、本発明は、ケースがレーザーダイオードからのポンピングエネルギーを集光し、それをレーザー結晶ロッド内の光路に向けて方向付けるレンズ(例えば、正レンズ)を含むかまたは形成するように、ケースが適合されているものを提供する。適合されたケースは、レンズ系やミラーを用いたのと同じ位に効率を高めるが、材料費を削減する。適合されたケースは、レーザー結晶ロッドの長さ分延在し、かつ、レーザーダイオードアレイに囲まれる長いユニタリーレンズであろう。それゆえ、ケーシングの壁構造の形状は、所望のレンジングを達成する基本レンズ原理を用いて構成し得る。そのようなケーシングは、例えば、射出、鋳型または機械加工技術を用いて作製し得る。
【0033】
代表的具体例において、本発明は、第1および第2の反射性光学ミラーの基板が、高熱伝導により特徴付けられる透明物質(例えば、サファイアまたはダイアモンド)を含むものを提供する。人工アナログ(例えば、ジルコニウム)も用い得る。サファイアおよびダイアモンドは局在化した熱を急速に散逸させる物理特性を有する。かくして、サファイアおよびダイアモンド基板は、ホットスポットの蓄積の防止を助ける。さらに、サファイアおよびダイアモンドは両方とも、耐久性のある物質であり、かくして、ミラーの信頼性を向上させる。
【0034】
同じ符号は同じ部品を意味する付随する図面とともに、以下の本発明の詳細な説明を査読すれば、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
発明の詳細な説明
本発明によれば、高品質の高パワー高強度レーザービームを生じるシステムおよび方法が提供される。
【0036】
I.システムおよび方法の概略
図1に例示する代表的具体例において、本発明は、外部レーザー源10(例えば、マスター発振器)およびレーザー増幅器5を備える。外部レーザー源10はレーザー増幅器5によって増幅される入力ビーム20を発生する。レーザー増幅器5は第1の偏光ビームスプリッター(PBS)30、第2のPBS40、指向性偏光ローテーター(DPR)50、非指向性偏光ローテータ(NPR)60、第1のリフレクター70、第2のリフレクター80およびポンピングモジュール90を含む。例示した具体例において、レーザー増幅器5は四重パス光学増幅器として構成される。しかしながら、本発明は、n重パス光学増幅器も意図する。ここで、nは基数である。さらに、本発明は、各構成部品の数量を変更したり、例えば、光路を部分的に、全体的に同一直線上にするか、または全く同一直線上にしないなど、構成部品の向きを別の配置に変えたりすることを含む当業者による変形も意図する。
【0037】
作動中、ビーム20はレーザー増幅器5に入射し、ポンピングモジュール90を4回通過する。各パスで、ポンピングモジュール90はビーム20を増幅して、例えば、より高い強度およびより高いパワーのビームを生じる。4回増幅された後、ビーム20は、出力ビーム15として、レーザー増幅器5から出射する。図1はオーバーラップしない四重パスを例示するが、ビーム20がオーバーラップしても、さらには、いくつかのまたは全てのパスが同一直線上にあってもよいことに留意すべきである。
【0038】
作動中、例えば、パルスレーザー発振器またはレーザーダイオードを含むことができるレーザー源10は、ビーム20を発生する。この実施例において、議論し易くするために、レーザー源10によって発生されるビーム20は水平偏光(P偏光)され、図1の紙上平面に平行な波として発振すると仮定する。第1のPBS30は、P偏光を通すように適合されており、ビーム20を通す。ビーム20は偏光を変えることなくDPR50を通過する。なぜならば、DPR50は第1のPBS30から第2のPBS40へと伝播する方向においてビーム20の偏光に影響しないように適合されているからである。かくして、ビーム20は、DPR50を出射した後もP偏光を保持し、偏光を変化させることなくP偏光を通過するように適合されている第2のPBS40を通過する。次いで、ビーム20はポンピングモジュール90に入射し、そこで、ポンピングモジュール90は、例えば、ビーム20のパワーおよび強度を増強することによって、ビーム2を増幅する。ポンピングモジュール90から出射し、ビーム20の偏光は、NPR60によって、例えば、1パスあたり45°回転する(しかし、より概略的には、NPR60を通過する2パスあたり90°回転する)。ビーム20が第1のリフレクター70によって反射されて、第1のパスが終わる。
【0039】
第2のパスにおいて、NPR60は、次いで、ビーム20の偏光をP偏光から合わせて90°回転させる。その結果、この実施例において、ビーム20は、今や、垂直偏光(すなわち、S偏光)である。次いで、ポンピングモジュール90は、2度目のビーム20増幅を行う。ビーム20は、もはやP偏光でないので、ビーム20は第2のPBS40を通過せず、その代わり、第2のPBS40はビーム20を第2のリフレクター80へ進路変更させる。
【0040】
第3のパスにおいて、ビーム20は第2のリフレクター80によって反射され、引き続いて第2のPBS40によって反射される。次いで、ポンピングモジュール90は、3度目のビーム20増幅を行い、NPR60は、第1のリフレクター70によって反射される前に、ビーム20の偏光を、例えば、さらに45°回転させる。NPR60は、各パスでビームの偏光を45°回転させる必要はない。その代わり、NPR60は、2つのパスにわたってビームの偏光を90°回転させることができる。
【0041】
4番目でかつ最後のパスにおいて、ビーム20の偏光は、例えば、NPR60によってさらに45°または最後の2つのパス(すなわち、第3および第4のパス)にわたって90°回転させられ、それによって、ビーム20の偏光はP偏光に戻る。次いで、ポンピングモジュール90は、4度目のビーム20の増幅を行う。ビーム20は再びP偏光であるので、ビーム20は第2のPBS40を通過する。次いで、ビーム20はDPR50を通過する。DPR50は、第2のPBS40から第1のPBS30へと伝播する方向においてビーム20の偏光に影響するように適合されており、ビーム20の偏光を90°回転させる。
【0042】
かくして、ビーム20はP偏光としてDPR50に入射するが、ビーム20はS偏光としてDPR50から出射する。したがって、第1のPBS30はビーム20を通さないが、その代わり、ビーム20を屈折させて、出力ビーム15としてレーザー増幅器5から出射する。
【0043】
II.マスター発振器
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器5によって実質的に増幅されるビーム20を発生するマスター発振器10を備える。図16に例示するように、マスター発振器10は、第1の光反射性ミラー210、キャビティーダンパー220、ポーラライザー230、第1のエタロン240、第2のエタロン250、第2の高反射性ミラー260、Q−スイッチ270、モードロッカー280、Nd:YAG媒質290、高反射性コーティング300およびレーザーダイオードアレイ310を含むことができる。共振器キャビティーは光路320、2つのミラー210,260、ポーラライザー230およびコーティング300によって定められる。
【0044】
作動中、Nd:YAG媒質290はレーザーダイオードアレイ310によってポンピングされる。レーザーダイオードアレイ310は、発光した光を集光することによってNd:YAG媒質290(例えば、Nd:YAGレーザー結晶ロッド)の縦ポンピングを支援するレンズを含むことができる。ダイオードアレイは、例えば、約1キロヘルツ(kHz)にて約808nmおよび約250ワット(W)(ピーク)にて、約20%デューティーサイクルで作動することができる。近回折限界ビーム品質およびパルスあたり高エネルギーで短パルス持続時間のものを発生するため、Q−スイッチ270、モードロッカー280およびキャビティーダンパー220が用いられる。Q−スイッチ270は、ポンプパルスの終端にて共振器を開き、例えば、約150ピコ秒(ps)レーザーパルスを生じる。モードロッカーは、レーザーモードを強制して、Q−スイッチ時間の間共振器キャビティーを循環する短パルスを生じる。パルスがピーク強度に達した時点でキャビティーダンパー220は光の偏光を90°回転させ、入射パルス(それがビーム20になる)が、ポーラライザー230を通って、共振器キャビティーから出射する。そのような構成は、共振器キャビティー中に保存されたエネルギーのほとんど全てが短パルスとして共振器キャビティーから出射し得る点で有利である。
【0045】
代表的具体例において、本発明は、内部キャビティースペクトルフィルター330を含むマスター発振器10を備える。内部キャビティースペクトルフィルター330は、第1のエタロン240および第2のエタロン250を含むことができる。第1のエタロン240は、例えば、約15ミリメーター(mm)厚のエタロンを含む。第2のエタロン250は、例えば、約10mm厚のエタロンを含むことができる。しかしながら、これらの数値は単に代表的なもので(すなわち、制限するものではなく)、本発明は、エタロン240,250について他の数値も意図する。エタロン240,250は、例えば、窓状に形成された一片のガラスまたは水晶を含むことができ、その窓の両面は互いにほぼ完璧に平行かつ平面である。エタロン240,250の厚は、どの特定組の波長がエタロン240,250を通過するかに関連する。それらの表面の反射率がモジュレーション振幅(modulation depth)を決定する。エタロン240,250はレーザーモードを制御するスペクトルフィルターを形成することができる。適正な組合わせのエタロン240,250は、例えば、平滑パルスを生じる適正モードを与える。平滑パルスは高ピークパワーでの作動において有利である。なぜならば、急峻なスパイクはレーザー結晶ロッドおよび/または光学構成部品を損傷するかもしれないからである。一定のパルス形状を有することで、レーザー結晶ロッドおよび光学構成部品を、損傷閾値を超えることなく、高強度かつ高パワーで作動し得る。
【0046】
実験データは、内部キャビティースペクトルフィルターを用いて、1kHzにてパルスあたり約0.5ミリジュール(mJ)ないし約3mJを達成することができることを示す。2つのエタロン240,250なしに、パルス持続時間は平滑化することができず、例えば、モードビートのために、パルス間で変化するであろう。単一のエタロン240または250は、パルス持続時間を約700〜800ps半値幅(full-width-half-maximum; FWHM)に安定化するが、固定された高めのモジュレーションが依然として残存する。一緒に作動する2つのエタロン240,250により、この固定化された高めのモジュレーションおよび平滑な約700〜800psパルスが得られる。
【0047】
III.偏光ビームスプリッター(PBS)
代表的具体例において、本発明は、第1のPBS30および第2のPBS40が実質的に互いに同じものを提供する。しかしながら、もう一つの実施例において、第1のPBS30および第2のPBS40は、レーザー増幅器5の性能に著しく影響しなければ実質的に異なっていてよい。
【0048】
第1のPBS30および第2のPBS40は、所望の偏光を有する光を実質的に妨害せず、他の偏光を屈折させつつ、通過させるように適合されているデバイスを含むことができる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque, New MexicoのCVI Technology Inc.から多数のモデルで入手可能な偏光ビームスプリッターを用いる
【0049】
本発明によるPBS30,40の代表的具体例を図3に例示する。例示されたPBS30,40は、偏光性コーティング35が実質的に透明な物質45の外面に塗布された薄膜ポーラライザーを含む。特定の条件下、ビーム20は、PBS30,40が空気−コーティング界面にて熱蓄積を被るようにする。この熱蓄積は、例えば、ビーム20をその意図する方向から屈折させ、増幅器5の光路を誤整列させるのに充分であろう熱光学効果を生じる。
【0050】
本発明によるPBS30,40のもうひとつの代表的具体例を図2および4に例示する。この代表的具体例において、本発明は、PBS30,40が内部偏光性コーティング層を有する固体構造を含むものを提供する。特に、図4は、実質的に透明な立方体形状材料45内の内部対角面に沿って配置された偏光性コーティング35を例示する。したがって、この代表的具体例は実質的な空気−コーティング界面を有さず、かくして、空気−コーティング界面にて熱蓄積を被ることがない。かくして、本発明によるPBS30,40のこの代表的具体例は、上記熱光学効果を被ることがなく、信頼性および耐久性を向上させる。
【0051】
IV.指向性偏光ローテーター(DPR)
代表的具体例において、本発明は、図1および2に例示するように、DPR50が、第1のPBS30から第2のPBS40に伝播する方向に進行するビーム20の偏光に実質的に影響しないように適合されているものを提供する。
【0052】
DPR50は、例えば、第2のPBS40から第1のPBS30に伝播する方向に進行するビーム20の偏光を90°回転させるようにも適合されている。その結果、上記の実施例において、第2のPBS40は第1のPBS30から受容した光を透過させ、第1のPBS30は第2のPBS40から受容した光を屈折させる。
【0053】
DPR50は、例えば、半波長板100(例えば、位相差板)およびファラデーローテーター110を含むことができる。半波長板100は、2つの互いに直交する軸(すなわち、遅軸および速軸)を有する光学エレメントを含む。この光学エレメントは、ビーム20の偏光の互いに直交する成分間の相対位相遅れを導入することによってビーム20の偏光を変換する。作動中、半波長板100は、ビーム20の偏光に対して適宜配向しており、線形偏光ビームを、例えば、45°回転させる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque, New MexicoのCVI Laser Corp.から多数のモデルが入手可能な半波長板100を用いる。特定のモデルの選択は、充分に当業者の理解の範囲にあり、少なくとも、半波長板100の所望のサイズとビーム20の波長に依存する。
【0054】
ファラデーローテーターは、例えば、ビーム20の偏光に影響を及ぼす軸磁場内部に配置される高ベルデ定数を有するガラスロッドを含むことができる。しかしながら、別のタイプのファラデーローテーターを用いることもできる。光は電磁波なので、この強磁場はビーム20の偏光を回転させる。しかしながら、回転の符号はビーム20の伝播方向および磁場の極性の関数である。かくして、例えば、ファラデーローテーター110は、図2に例示された増幅器に組み込まれたとき、増幅器5を通る第1のパスに先立ち、ビーム20の偏光を(例えば、時計回りに)回転させるが;ファラデーローテーター110は、増幅器を通る第4のパスの後、ビーム20の偏光を(例えば、反時計回りに)回転させる。代表的具体例において、本発明は、Traverse City, MichiganのElectro-Optics Technology, Inc.から多数のモデルで入手可能なファラデーローテーターを用いる。
【0055】
作動中、ビーム20が第1のPBS30から第2のPBS40へ伝播するとき、DPR50は、ビーム20の偏光には実質的に影響しない。なぜならば、偏光を半波長板100がある方向に45°回転させ、ファラデーローテーター110が反対方向に45°回転させるからである。かくして、半波長板100およびファラデーローテーター110は効率的に互いを打ち消し合う(すなわち、背反的に作動する)。一方、ビーム20が第2のPBS40から第1のPBS30に伝播するとき、DPRはビーム20の偏光を90°回転させて、例えば、P偏光ビームをS偏光ビームに変換する。この場合、半波長板100およびファラデーローテーター110の各々は、偏光を同一方向に45°回転させる。正味の効果は、半波長板100およびファラデーローテーター110がビーム20の偏光を90°回転させるというものである。換言すれば、半波長板100およびファラデーローテーター110は効率的に協調的に作動する。
【0056】
V.非指向性偏光ローテーター(NPR)
図1および2に例示するように、レーザー増幅器5はNPR60を含む。前記したように、NPR60は、各パスでビーム20の偏光を45°回転させることができるが、より通常は、NPR60は、2つのパスにわたって、ビーム20の偏光を90°回転させる。代表的具体例において、本発明は、NPR60が、一回りで90°回転するようにビーム20の偏光に対して適宜配向している波長板(例えば、1/4波長板)を含むものを提供する。しかしながら、適正に配向した波長板は、入ってくる入力ビーム20の偏光が線形で既知であるときにのみ、適正な偏光回転を達成する。残念ながら、例えば、ポンピング中の複屈折のため、ビーム20の偏光は完全に線形でもないし、必ずしも既知ではない。レーザー増幅器5を慎重に設計することによって、ある程度、複屈折を最小限にし得るが、高出力高強度作動により、複屈折はかなりのものになる。実験データは、NPR60として波長板を用いたとき、レーザー増幅器5の高い平均パワー作動は、成功しないであろうことを確認した。それは、ある程度、レーザー増幅器5がビーム20の偏光を適正に回転させることなく自由発振レーザーとして挙動するからである。
【0057】
もう一つの代表的具体例において、本発明は、NPR60が偏光を、例えば、パスあたり45°、より概略的には、2つのパスにわたり90°回転させるものを提供する。ファラデーローテーターは、ファラデーローテーターを通る第1のパスでは補償されない残留不均一偏光回転を、ファラデーローテーターを通る第2のパスで補償し得るという点で有利である。実験データは、ファラデーローテーターを含むNPR60を有するレーザー増幅器5が約100Wのパワー入力レベルを超えて作動し得ることを示した。
【0058】
VI.リフレクター
代表的具体例において、本発明は、図1および2に示すように、第1のリフレクター70および第2のリフレクター80を含む。リフレクター70および80は、ビーム20のエネルギーおよび強度に耐え、再び方向付けするように適合された光学ミラーであってよい。もう一つの代表的具体例において、本発明は、光学ミラーが、2つの異なるタイプのコーティングからなる反復パターンの交互層が施された基板層を含む。これらの2つの異なるコーティング層は、少なくとも、ビーム20の波長にて透明であり、異なる屈折率を有し、厚さが異なってよい。ビーム20が反復パターンの交互層にあたったとき、協調型および背反型干渉が、各コーティング層境界にての内部反射および透過により生じる。協調型干渉を満足させる特定の波長のみがこのミラーによって反射される。さらに、例えば、交互コーティング層の数を増加することによって、これらのミラーの反射率を増すことができる。
【0059】
代表的具体例において、本発明は、ミラー基板が、金属板のごとく、不透明な物質ではないが、光学的に透明なものであるものを提供する。特定の状況下(例えば、高パワー高強度レーザー作動下)、ビーム20は即時不透明基板を蒸発させる。さらに、光学ミラー内の内部複屈折は、自体を破壊するかこのミラーの光学特性を歪めるのに充分な熱を発生し得る。したがって、もう一つの代表的具体例において、本発明は、透明で優れた熱伝導性を有する基板材料を含む、少なくとも1つのリフレクター70,80を備える。かくして、さらにもう一つの代表的具体例において、本発明は、基板材料がサファイア(Al2O3)またはダイアモンド(C)のごとき材料を含むものを提供する。そのような材料は、充分な熱損失を付与し、構造的安定性および耐久性を与える。さらに、そのような材料は、極端な熱条件下でも破壊されないことによって回復力を付与する。
【0060】
もう一つの代表的具体例において、本発明はポロプリズムを含むリフレクター70,80を備える。図5に例示するように、ポロプリズムは、全部で180°の方向変化を伴って、ビーム20を反射する45°−90°−45°プリズムである。このポロプリズムは、例えば、ガラスまたはプラスチックのごとき実質的に透明な物質からなる。ビーム20は、長面76からポロプリズムに入射し、第1の短面76で反射し、次いで、第2の短面79で反射する。第1の短面76と第2の短面79とは直交している。
【0061】
作動中、このポロプリズムはビーム20の断面を(垂直または水平のいずれかに)変換する。それゆえ、増幅器を通る路を戻ることによって、ビーム20はその配向に関して、以前の増幅器を通る間に変換される。そのような変換は、増幅器を通る連続パスによって、レーザー結晶ロッド内の変換されたポンピングエネルギープロファイルにビームが曝されるようにする。したがって、ポロプリズムは多くのポンピング不整を実質的に打ち消し、それによって、増幅プロセス中のほとんどの不均一性ならびに、ビーム20の断面を横切る複屈折およびパワーレベルを均一化するという利点を有する。
【0062】
VII.ポンピングモジュール
代表的具体例において、本発明は、ポンピングエネルギー源およびレーザー結晶ロッドを通って配置される光路を含むポンピングモジュール90を備える。このポンピングエネルギー源は、レーザー結晶ロッドに吸収され、これによって、励起状態の原子集団を生成する光エネルギーを発生する。ビーム20が光路に沿ってレーザー結晶ロッドを通過するとき、前記集団内に保存されたエネルギーは、例えば、誘導放出に転換され、これによって、ビーム20を増幅する。
【0063】
A.レーザー結晶ロッド
図6〜10に例示するように、光路はレーザー結晶ロッド160を通って配置される。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160が、一例として、例えば、Nd、Yb、Ho、Er等のごとき活性元素でドープされたYAGのごとき固体物質を含むものを提供する。かくして、例えば、レーザー結晶ロッド160は、Nd:YAG固体物質を含むことができる。この固体物質は、レーザー結晶ロッド160が、次いで、高パワーかつ効率的なポンピングを可能とする点で有利である。さらに、Nd:YAG等のレーザー結晶ロッド160は商業的に広く入手可能である。当業者は、組成や物理的大きさのごとき、レーザー結晶ロッド160の特徴の変化がレーザー結晶ロッド160の特性を変化させることを理解している。したがって、当業者は、レーザー結晶ロッド160が所望の性能を付与するように選択されることが分かる。
【0064】
図2に例示する代表的具体例において、本発明は、ポンピングモジュール90が第1の増幅モジュール120、ローテーター150、レンズモジュール140および第2の増幅モジュール130を含むものを提供する。各増幅モジュール120,130は、例えば、それ自体のレーザー結晶ロッド160およびそれ自体のポンピングエネルギー源を含む。2つの増幅モジュール120,130で例示しているが、本発明は、いかなる所望数の増幅モジュールを有するポンピングモジュールも意図する。増幅モジュール120,130は、特定のアプリケーションに対して望まれる増幅パワーレンジおよびプロファイルを達成するように、直列、並列またはそれらのある組合せで光学的に配置することができる。
【0065】
代表的具体例において、本発明は、増幅モジュール120,130内のレーザー結晶ロッド160が実質的に同一であるものを提供する。例えば、レーザー結晶ロッド160は実質的に同じ組成プロファイルを有し、実質的に同じ熱ストレス特性を付与し、これは複屈折を適正に修正するのに有利である。
【0066】
さらに、局所的不整が、例えば、ドーピングおよび/または組成プロファイルにおける変化によって生じ、これらは、熱格差(differential heating)の要因であり、今度はこれが所望しない光学効果を引き起こす。したがって、レーザー結晶ロッド160の結晶組成の実質的に同じ組成プロファイルも高度に均一であることが有利である。
【0067】
代表的具体例において、本発明は、実質的に同じレーザー結晶ロッドを作製する方法を提供する。レーザー結晶ロッド160を作製するための結晶ブールは活性元素を含むメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配が結晶ブールの縦方向に沿って展開する実例において、レーザー結晶ロッドは結晶ロッドの同一縦領域から取り出されるべきである。複数の(たとえば一対の)実質的に同じレーザー結晶ロッドを、例えば、同一ブール、より好ましくは、同一ブールの同一縦領域(例えば、横ブールスライス)の中心を切り出すことによって加工し、これによって、実質的に同じドーパント濃度プロファイルおよび実質的均一性を有する結晶ロッドを得ることができる。
【0068】
ある結晶組成はそれ自体顕著な複屈折を含むであろう。これらのアプリケーションにおいて、多重ステージ増幅器中に整合されたレーザー結晶ロッドを互いに配向して、この複屈折を補償するかまたは少なくとも低減することが必要または有利である。例えば、同一の横ブールスライスから加工された2つのレーザー結晶ロッドを互いに放射状に(例えば、90°)配向させて、レーザー結晶誘発複屈折を補償する。
【0069】
B.レンズモジュール
高平均パワーポンピング条件下、Nd:YAG物質または同様の物質を含むレーザー結晶ロッド160は、その断面を横切る内部熱分布を示し、その軸中心が最も高い温度であろう。それゆえ、光は軸中心を最も遅く伝播し、レーザー結晶ロッドの半径周辺に向かって次第に速くなる。その結果、定常状態作動で、レーザー結晶ロッドは正レンズのように挙動し、ビーム5の伝播特性を変化させる。しかしながら、ビーム20がレーザー増幅器5を通る四重パスを通るビーム20を横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成することが有利である。したがって、代表的具体例において、本発明は、レンズモジュール140およびレーザー結晶ロッドの断面を横切る均一ポンピングを備える。
【0070】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160内の単純球面レンジングのための均一ポンピングおよび負レンズ(例えば、球面レンズ)を含むレンズモジュール140を備える。図2において、負レンズ140は第1の増幅モジュール120と第2の増幅モジュール130との間に配置される。増幅モジュール120,130はレーザー結晶ロッド160を含み、少なくとも高平均ポンピングパワー下、それは正レンズ効果を示す。負レンズ140は、増幅モジュール120,130中に配置された2つのレーザー結晶ロッド160の正熱レンズ効果を補償して、ビーム20が多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持するように適合される。負レンズ140は、増幅モジュール120,130中の2つのレーザー結晶ロッド160の正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。本発明は、他の元素組成のレーザー結晶ロッドが、それらの断面を横切る異なる熱プロファイルを生じ、したがって、特定の熱レンズ効果を補償する異なるタイプのレンズを備えることも意図する。例えば、負ガウス型プロファイルを生じる組成を有するレーザー結晶ロッドの場合、正レンズが有利であろう。
【0071】
C.ローテーター
レーザー結晶ロッド160の高平均ポンピングは熱ストレスを発生し、それはレーザー結晶ロッド160内に複屈折としてそれ自体を顕在化させる。この熱誘発複屈折は、ビーム20の断面内で不均等に偏光を回転させ得る。この不均等偏光回転のプロファイルは、4つの放射状四分円の各々に影響し、4つ葉のクローバーのように見える。代表的具体例において、本発明は、ローテーター150を持つポンピングモジュール90を備え、ビーム20の偏光における不均等回転を補償する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、図2に示すように、ローテーター150が第1の増幅モジュール120と第2の増幅モジュール130との間に配置された90°ローテーターであるものを提供する。ローテーター150を用いて増幅モジュール120,130間でビーム20を90°回転させることによって、一方の増幅モジュールに発生する複屈折に対抗し、他方の増幅モジュール中で中和する。しかしながら、ある状況下、ローテーター150の効率は、レーザー結晶ロッド160の整合の関数であり、それは、整合のため、ビーム20に対して同一配向で配置され、実質的に同一の熱ストレスを示す。90°ローテーター150によって生じる回転の方向はこの検討では明らかな要因ではない。したがって、本発明は、ローテーター150がビーム20の偏光を90°回転させる他のデバイスを含んでよいことを意図する。例えば、ローテーター150は波長板、ファラデーローテーターまたはそれらのある組合せを含むことができる。
【0072】
D.冷却システム
代表的具体例において、本発明は、図6〜10に示すように、レーザー結晶ロッド160が、少なくとも部分的にレーザー結晶ロッド160を取り巻くチューブ170に収容された液体190によって冷却される。液冷は、レーザー結晶ロッド160の高パワー作動特性を向上させる点で有利である。液体190は、実質的に透明な液体(例えば、水)であって、実質的に、レーザーダイオードから照射される光を光学的に吸収も反射もしないか、さもなければ、光学ポンピングを実質的に破壊しないものである。同様に、チューブ170は、実質的に透明な物質(例えば、ガラスまたはプラスチック)であって、これも実質的にポンピングに影響しないものである。代表的具体例において、レーザー結晶ロッド160を取り巻く液体190は、本発明によれば、不活性である。しかしながら、もう一つの代表的具体例において、本発明は、液体190がレーザー結晶ロッド160周囲を流れるようにして、実質的な熱蓄積を防止することによって、より安定な温度を付与する。例えば、レーザー増幅器5は、液体190を輸送するメカニカルポンプを含むことができる。しかしながら、本発明は、液体190の流れを生じる他の手段も意図する。したがって、従来の手段を用いて液体190を冷却することができる。
【0073】
E.クラッド層
代表的具体例において、ビーム20は、例えば、ガウス型プロファイルを示す。ガウス型プロファイルは、例えば、基本モードでのレーザー作動の典型であるが、本発明は、他のプロファイルも同じく意図する。充分な増幅のため、ビーム20は、レーザー結晶ロッド160のアパーチャーを光学的に充満させるべきである。かくして、ガウスプロファイルの低強度周辺領域はレーザー結晶ロッド160内で増幅されない。しかしながら、アパーチャーを充満させると、レーザー結晶ロッド160の円形アパーチャーによる回折に起因する強調された「シルクハット」型プロファイルおよび同心円環状パターンで、ガウス型プロファイルで入射するビーム20を出射させる。そのようなガウス型プロファイルの歪みはビーム20の到達可能なパワーおよび強度を制限する。
【0074】
かくして、代表的具体例において、本発明は、図19に例示するように、レーザー結晶ロッド160周りにクラッド層165を備える。レーザー結晶ロッド160のアパーチャーが光学的に軟化され、それによって、回折環状パターンの効果が低減されれば、ビーム20のガウス型プロファイルがより充分に保存されるので、クラッド層165は有利である。クラッド層165は、ガウス型プロファイルの低強度周辺領域を透過させるが、実質的に増幅および/または、さもなければ、実質的に影響しないように適合された光学的に透明な物質を含む。代表的具体例において、クラッド層165は、例えば、レーザー結晶ロッド160の材料と実質的に同じ屈折率を有する物質を含む。周辺光は増幅光との同心円を維持し、回折効果が低減される。
【0075】
もう一つの代表的具体例において、クラッド層165は、周辺光がレーザー結晶ロッド160に向かって方向付けられるように、レーザー結晶ロッド160の屈折率に対する屈折率を有する物質を含む。かくして、増幅されなかったであろう光が増幅され、それによって、レーザー増幅器5の効率が向上し、ビーム20の強度を高める。
【0076】
クラッド層165は、例えば、レーザー結晶ロッド160と同一の組成で作製することができるが、ドープされていない。レーザー結晶ロッド160を調製した後、光学拡散接合を用いて、クラッド層165を貼り付け得る。あるいは、従来の蒸着および/または従来の成長技術のごとき従来技術を用いて、クラッド層をレーザー結晶ロッド160上に貼り付けることもできる。液体190の温度の変動を緩衝することによって、クラッド層がレーザ冷却の均一性を向上させる点で、クラッド層165はさらに有利である。
【0077】
F.ポンピング源
図6〜12に例示するように、ポンピングモジュール90内のポンピング源は1個以上のレーザーダイオード180を含む。ポンピングエネルギー源としてのレーザーダイオード180からの発光の使用は、レーザーダイオード180が所望の波長の高品質ポンピングエネルギーを効率的に発生する点で有利である。レーザーダイオード180は、(例えば、電気的な)エネルギーを受容し、電磁的(例えば、光)エネルギーを放出するように適合されている半導体デバイスを含むことができる。
【0078】
図11に例示するように、レーザーダイオード180は、レーザーダイオードバー182を含むモノリシック縦列状に作製することができる。このレーザーダイオードバー182は複数のレーザーダイオード180を含み、これらの全てのダイオードは、これら全てから発光される光が実質的に同一の全面的な方向に伝播するように、同一の方向を向いて末端−末端配置されている。図11では、3つのレーザーダイオード180を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオード180を含むレーザーダイオードバー182を包含する。図12に例示するように、複数のレーザーダイオードバー182は、(例えば、一つのレーザーダイオードバー182が別のレーザーダイオードバー182上に配置されるように)連続して組み立てて、レーザーダイオードアレイ184を形成し得る。図12では、レーザーダイオードアレイ184が3つのレーザーダイオードバー182を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードバー182を包含する。代表的具体例において、本発明によるレーザーダイオードアレイ184は、例えば、約1cm×約2.5cm×約6cmの大きさである。各レーザーダイオード180の発光面は、例えば、約100μm×約1μmである。そのような寸法は、単に代表的なものであり、決して、本発明の範囲を限定する意図はない。
【0079】
レーザーダイオードアレイ184は、その中に組み立てられたレーザーダイオードバー182、個々のレーザーダイオードバー182および/または個々のレーザーダイオード180のいずれかが搭載されるハウジング186を含む。ハウジング186はレーザーダイオード180に電力を供給するのに必要な回路および配線を含む。ハウジング186は、例えば、作動中、その中を適当な冷媒が循環して、レーザーダイオード180から熱を散逸させる冷媒導管のごとき冷却システムも内包し得る。レーザーダイオード180の波長は、例えば、約5nmより狭いバンド幅の約805.5ナノメーター(nm)である。レーザーダイオード180によって発生する他の波長およびバンド幅も本発明に包含される。
【0080】
光学的にレーザー結晶ロッド160を有効にかつ効率的にポンピングするために、1個以上のレーザーダイオードアレイ184を配置して、レーザーダイオード180から発光した光をレーザー結晶ロッド160にあてる。図8〜10に例示するように、増幅モジュール120,130は、レーザー結晶ロッド160周りを中心とする複数のレーザーダイオードアレイ184を含み、各レーザーダイオードアレイ184は、レーザーダイオード180の発光面がレーザー結晶ロッド160を向くように配置されている。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列された偶数個のレーザーダイオードアレイ184を備える。もう一つの代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列された奇数個のレーザーダイオードアレイ184を備え、それによって、レーザー結晶ロッド160を通過し、または周辺を通るポンピング光が直接別のレーザーダイオードアレイ184にあたる可能性を最小限にする。レーザーダイオードアレイ184が偶数個であるか奇数個であるかにかかわらず、例えば、図8〜10に例示するように、それらは、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列されるべきである。そのような構成は、レーザー結晶ロッド160にポンピングエネルギーをより均一に供給することによって、ホットスポットの形成を防止する。しかしながら、本発明は、アプリケーションに応じて、レーザーダイオードアレイ180がレーザー結晶ロッド160周囲にいかなる他の適当な構成で配置されているものも意図する。
【0081】
代表的具体例において、本発明は、対応するレーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160の反対側に配置された光学的またはメタルバックミラーのごとき反射エレメント188を備える。図13は、対応するレーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160の反対側に配置された代表的な反射エレメント188を例示する。レーザーダイオードアレイ184は、ほとんどがレーザー結晶ロッドに吸収されるが、そのうちのいくらかはレーザー結晶ロッド160を通過する光192を発光する。その後、レーザー結晶ロッド160を通過する光192は、対応する反射エレメント188によって反射されるであろう。反射された光192は、再びレーザー結晶ロッド160にあたって、そこでこの反射光192は吸収され、それによって、レーザー結晶ロッド160の反転分布を増進する。図13は、単に、一つの反射エレメント186およびそれに対応するレーザーダイオードアレイ184を示したに過ぎず、複数のレーザーダイオードアレイ184に対応する複数の反射エレメント188を備えることができることに留意すべきである。さらにもうひとつの代表的具体例において、隣接するレーザーダイオードアレイ184間に反射エレメントを配置する。なおさらにもうひとつの代表的具体例において、図20に例示するように、反射エレメント188は、冷媒190を収容する配管170上に搭載するか、またはそれと一体化される。反射エレメント186を適正な向きに配置すれば、レーザーダイオードアレイ184のポンピング効率が向上する。なぜならば、レーザー結晶ロッド160により用いられなかったであろう発光光が、実際には、レーザー結晶ロッド160のポンピングを支援するからである。
【0082】
図8〜10に、本発明の増幅モジュール120,130の代表的具体例を例示する。増幅モジュール120,130は各々、少なくとも1個のレーザー結晶ロッド160を含み、そこで、レーザー結晶ロッド160の各々は、例えば、5個のレーザーダイオードアレイ184の対応する組によってポンピングされる。5個のレーザーダイオードアレイ184を図8〜10に例示するが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードアレイ184も意図する。各々が5個のレーザーダイオードアレイ184の組を有する増幅モジュール120,130の構成は、1組あたりより少ない個数のレーザーダイオードアレイ184、例えば、1組あたり3個のレーザーダイオードアレイ184の構成よりも高い平均パワーを送達する。さらに、各レーザー結晶ロッド160を取り巻くレーザーダイオードアレイ184の個数を1組あたり最適化された個数に増加させて、ポンピング均一性を向上させることができる。
【0083】
図9に、本発明による増幅モジュール120,130の代表的具体例を例示する。増幅モジュール120,130において、さらに、レーザーダイオードアレイ184の各組をレーザーダイオードアレイ184の別の組の角度配置に対して、レーザー結晶ロッド160の縦軸周りのある角度にて、搭載することによって、ポンピング均一性を向上させることができる。例えば、第1の組の5個のレーザーダイオードアレイ184を第1の増幅モジュール120内の第1のレーザー結晶ロッド160周囲に配置し、第2の組の5個のレーザーダイオードアレイ184を第2の増幅モジュール120内の第2のレーザー結晶ロッド160周囲に配置し、第2の組に対してレーザー結晶ロッド160の縦軸周りに360にて、第1の組を設置することができる。
【0084】
レーザー結晶ロッド160周りの適正なレーザーダイオードアレイ184の配置だけでは、均等なポンピングエネルギー付与を保障しない。不均一ポンピングのもう一つの原因は、レーザーダイオード180の変動である。例えば、レーザーダイオード180は、しばしば、パワー、ピーク波長およびバンド幅(例えば(おおよその発光波長範囲)において変化する。商業的なレーザーダイオードバーおよびアレイのサプライヤーから、実質的に同じ性能スペックのレーザーダイオードアレイ184を手ごろな値段で入手することは非常に困難である。
【0085】
レーザーダイオードアレイ184の出力エネルギーにおける不均一性は、特に、高パワー高強度増幅において、レーザー増幅器5の性能を劣化させる。例えば、レーザー結晶ロッド160のピーク吸収に近い中心波長を有するレーザーダイオードアレイ184の使用は、ロッド中心よりもロッド半径周辺にて、より多くのポンピングエネルギー吸収を生じる。ピーク吸収波長からかなり離れた中心波長を有する別のレーザーダイオードアレイ184は、レーザー結晶ロッド全体により均一なポンピングエネルギー分布を生じる。同様に、レーザーダイオードアレイ184の出力エネルギー強度における変動は望ましくない。なぜならば、より高いパワー出力を有するレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160の隣接部分により強いエネルギー吸収を生じて、増幅ビームを歪め、レーザー結晶ロッド160にホットスポットを生じる可能性があるからである。さらに、そのような不均一ポンピングまたは加熱は、非球面レンズ効果を生じ、非球面レンズによる補償はコストがかかることが証明されている。
【0086】
代表的具体例において、本発明は、パワー、波長およびバンド幅において非常によく一致するレーザーダイオードアレイ184を選択することによって、増幅器性能均一性を向上する。レーザーダイオードアレイ184は、最低パワーレーザーダイオードアレイ184のパワーに整合するように適合し得る。最低パワーレーザーダイオードアレイ184のパワーよりも高いパワーを発生するそれらのレーザーダイオードアレイ184について、電気負荷をより高いパワーのレーザーダイオードアレイ184と並列に置くことができる。並列負荷は、より高いパワーのアレイ184から適量の電力を取り出し、全てのアレイ184が実質的に同一の電力(すなわち、全てのアレイ184が最低パワーアレイ184とパワーにおいて整合する)を用いるようにする。並行電気負荷は、適量の電力を取り出すように適合された加減抵抗器またはトランジスターまたは他の回路を含むことができる。レーザーダイオードアレイ184は、直列、並列またはそれらのいずれかの組み合わせで連結することができる。さらに、レーザーダイオードアレイ184は、一つの電源を共有するか、または個々の電源を有することができる。本発明は、そのようなシステムが手動で調節されるか、または(例えば、コンピュータを用いて)自動制御し得るものおよび、そのようなシステムが、例えば、実測出力レベルを測定し、次いで、各レーザーダイオードアレイ184に送達される実測出力のレベルを自動的に調節して、作動レーザーダイオードアレイ184の中でポンピング光発光のバランスをもたらすフィードバックループ回路を含むものも意図する。本発明は、レーザーダイオードアレイ184のパワー、波長およびバンド幅を整合させるための上記スキームもレーザーダイオードバー182および/またはレーザーダイオード180のパワー、波長およびバンド幅を整合させるのに等しく利用可能であるものも意図する。
【0087】
もう一つの代表的具体例において、高パワー高強度レーザーシステムの設定の間、レーザー結晶ロッド(または、複数のレーザー結晶ロッド)160は、入力ビーム20なしに、レーザーダイオードアレイ184または一組のレーザーダイオードアレイ184によってポンピングされ得る。レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光を解析および/または観察して、均一ポンピングが達成されたかどうかを決定する。例えば、レーザー結晶ロッドから出射する光を可視ディスプレイ上に表示して、ユーザーが、均一ポンピングが達成されているかどうかを視認できるようにする。次いで、ユーザーは、例えば、均一光パターンが可視ディスプレイに現れるまで個々のレーザーダイオードアレイ184によって受容されるパワーレベルを変え得る。ひとつの具体例において、各レーザーダイオードアレイ184を試験して、どのレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160から最も弱い光を出射しているかを決定する。かくして、例えば、一つのレーザーダイオードアレイ184が入力ビームなしにレーザー結晶ロッド160をポンピングし、レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光を、ユーザーによって測定および/または観察し、および/または、例えば、コンピュータによって解析する。各々のレーザーダイオードアレイまたはレーザーダイオードアレイに到達するパワー量を制御する回路(例えば、電力ドレイン回路(power draining circuitry)))に電力を供給する電源を調節して、レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光が各レーザーダイオードアレイ184につき同一の強度を有するようにする。さらに、レーザー結晶ロッド160の縦軸周りのレーザーダイオードアレイ184および一組のレーザーダイオードアレイ184の向きを最適化し得る。例えば、一組のレーザーダイオードアレイ184は、入力ビーム20なしにレーザー結晶ロッドをポンピングし得、レーザー結晶ロッド160から出射する光を観察および/または解析して、一組のレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160に対して最適に配置されているかどうかを決定し得る。さらに、レーザーダイオードアレイ184は、入力ビーム20なしにレーザー結晶ロッド160をポンピングし得、レーザー結晶ロッド160から出射する光を観察および/または解析して、各レーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド160の縦軸周りに特定の半径方向の角度および/または半径方向の距離の光学配置によって、均一ポンピングが達成されているかどうかを決定し得る。したがって、高パワー高強度レーザーシステム全体が充分に始動する前でも、レーザー結晶ロッド160の均一ポンピングを設定し得る。
【0088】
ポンピング性能は、レーザーダイオードアレイ184の温度を調節することによってさらに向上させ得る。この調節は、例えば、液体190を制御温度にまで冷却する冷却装置を備えることによって達成する。レーザーダイオード180により放出されるポンピングエネルギーの波長は、レーザーダイオードアレイ184の温度の関数で変化する。例えば、実験データは、1つのタイプのレーザーダイオード180から作製されたアレイ184のポンピング出力についてのピーク波長は、約3.5℃の平均ダイオード温度の変化につき約1nmシフトすることを示す。かくして、アレイ中のダイオードの平均温度に対する調節は、レーザーダイオードアレイ184の出力のピーク波長の調整が特定のレーザー結晶ロッド160をポンピングするための最適波長に対応するようにする。ポンピングエネルギーのピーク波長がレーザー結晶ロッド160の所望の吸収波長に対応するとき、ポンピング効率および均一性が向上する。
【0089】
レーザーダイオードの向きも、実質的に増幅器5の性能に影響する。前記したように、図6は、レーザーダイオードアレイ184におけるダイオードの配置を例示し、ここでは、レーザーダイオード180の長辺がレーザーダイオードアレイ184の面の長辺と実質的に平行に向けられ、アレイ184がレーザー結晶ロッド160の縦軸に平行に配置されている。図6は、レーザーダイオード180の長辺がレーザー結晶ロッド160の縦軸に実質的に平行な構成としても説明できる。
【0090】
図14に例示するように、各レーザーダイオード180の発光面194の形状は、典型的には、長い矩形である。レーザーダイオードの矩形発光面は短辺および長辺の2組の辺を有する。短辺の長さは長辺の長さより短い。矩形アパーチャーは、単色光の波長におおよそ比例し、矩形アパーチャーのそれぞれの辺の長さにおおよそ反比例する少なくとも2つの回折角で単色光を回折する。発光面194の「フットプリント」からはみ出した矩形面中の光分散は、長軸198に平行な(すなわち、レーザーダイオード180の長辺に平行な)方向に沿うよりも、短軸196に平行な(すなわち、レーザーダイオード180の短辺に平行な)方向に沿った方がより大きい。事実、発光面194から充分に離れたところでは、回折による分散は、レーザー結晶ロッド160上の発光フットプリントを決定するのに最も重要な要因となる。代表的具体例において、レーザーダイオード180は、光分散が、例えば、短軸196に平行な方向に沿って約20°ないし約60°の間であって、長軸198に平行な方向に沿って約5°ないし約15°の間であるように、レーザー結晶ロッド160に対して配置される。
【0091】
図6に例示するレーザーダイオードアレイ184は、各レーザーダイオードがレーザー結晶ロッド160の縦軸に平行な長辺を有するように、レーザー結晶ロッド160に対面させて搭載する。この構成は、上記のように、矩形発光面194からの光分散を被る。かくして、短軸に平行な方向に沿って分散する光の実質的な部分は、有効にはレーザー結晶ロッド160に到達しない。さらに、レーザーダイオードバー182上の隣接するダイオードレーザー180由来の長軸に平行な方向に沿った発光フットプリントの非実質的なオーバーラップのため、不均一性が発生し、レーザー結晶ロッド160に局所的なホットスポットを生じ、レーザー増幅器5の性能や、可能性として操作性を崩壊する。したがって、この構成は、レンズシステム200の使用により(図8および9に例示するように)、レーザー結晶ロッド160のより均一なポンピングを達成することができる。レンズシステム200なしで増幅モジュール120,130が作動するようにデザインすることが有利である。なぜならば、レンズシステム200は増幅モジュール120,130のコストおよび複雑性を増大するからである。さらに、この構成はポンピング出力の無駄を生じない。したがって、レーザーダイオードアレイ184のいずれかの個々のレーザーダイオード180の故障がレーザー結晶ロッド160の不均一ポンピングをもたらすであろう。そのような状況では、唯一の可能な修理はアレイ184.全体の取替えであり、それは最もコストがかかる。
【0092】
図7に、本発明によるレーザーダイオードアレイ184の代表的具体例を例示する。レーザーダイオードアレイ184のレーザーダイオード180は、それらの短軸(すなわち、レーザーダイオード180の短辺に平行な方向)がレーザー結晶ロッド160の縦軸と平行であるように、配向している。図7に例示した構成は、レーザーダイオード180が図6に例示した構成に比べてより近い間隔で配置され、かくして、レーザー結晶ロッド160の縦軸に平行な短軸に平行な方向のポンピング発光の広い分散により、より実質的に均一なポンピング発光を生じる点で、有利である。さらに、より近い間隔配置はレーザーアレイ184中により多くのレーザーダイオード180を置くことができ、かくして、より多くのポンピングエネルギーをレーザー結晶ロッド160に送達することができる。上記したように、レーザー結晶ロッド160により均一なポンピング発光を照射することは、ホットスポットを最小限にし、熱ストレス、不均一ゲインその他の所望しない熱光学効果を低減する。さらに、ポンピング発光の実質的な均一性のため、図7に例示するようにレーザーダイオードアレイ184の配置にレンズシステム200を用いる必要性を減らす。レーザーダイオードアレイ184についてのこの構成は、分散した光の実質的なオーバーラップのため、図6に例示した構成と比べてより耐久性がある。したがって、いずれかの個々のレーザーダイオード180の故障は、例えば、残りのレーザーダイオード180、レーザーダイオードアレイ184または複数組のレーザーダイオードアレイ184へのパワー調節によって、埋め合わせることができる。
【0093】
実験データにより、図7に例示される代表的具体例は、図6に例示される代表的具体例から得られる同一レベルのポンピングエネルギーから、より高い出力ポンピングおよびより大きなゲインを可能とすることが示された。例えば、実験データによれば、フリーランニングレーザー作動は、レーザーダイオードの出力パワーからレーザー出力パワーへの約35%を超える変換率を生じ、非常に効率的なポンピングであることを示している。さらに、高い平均パワーの実験データは、図7に例示した構成の水冷パッケージは約20%を超えるデューティーサイクルを扱える(すなわち、レーザーダイオードは約20%の時間発光していられる)。本出願人による試験において、そのような構成のレーザーダイオード180は、約200psの間、約1000Hzまでの反復速度で作動した。
【0094】
E.レンズシステム
前記し、図8および9に例示するように、レーザーダイオード180の発光面194と並置されたレンズシステム200を含む増幅モジュール120,130を用いることによって、レーザー増幅器5の性能をさらに向上させ得る。レンズシステム200は、レーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160に向けてポンピング発光を導くように適合されている。代表的具体例において、レンズシステム200は、筒状レンズ(例えば、正筒状レンズ)および(例えば、平面リフレクター)を含む。この正筒状レンズはレーザーダイオードアレイ184の発光面194の前面に延在するように配置される。この正筒状レンズはアレイ184の遅軸を集光し、一方、この平面リフレクターは速軸を反射する。この組合せが、アレイからの全ての発光がレーザー結晶ロッド160に達することを保障する。かくして、ポンピング効率が向上し、同一のポンピングパワーでより高い強度およびパワーを可能にする。レンズシステム200は、例えば、球面レンズまたは非球面レンズを含む。
【0095】
レンズシステム200を適正に配置することは、所望のポンピング性能ゲインを達成するのに有利である。例えば、レーザー結晶ロッド160がレンズシステム200の焦点にあるとき、ポンピングエネルギーは、レーザー結晶ロッド160の中心に強く集約される。レーザー結晶ロッド160の中心でのこの強いポンピング強度の結果、中心のポンピングは最大化されるが、レーザー結晶ロッド160を損傷し、約20W強の弱いビーム特性となるであろう。レーザーダイオード180からのポンピングエネルギーの焦点がレーザー結晶ロッド160の内部ではなくその前になるように、レーザーダイオード180およびレンズシステム200を設定することによって、レーザー結晶ロッド160に入射するときに、ポンピングエネルギーは発散する。この発散の結果、ポンピングエネルギーのレーザー結晶ロッド160への照射は、実質的により均一になる。例えば、試験は、この構成のレーザー増幅器5が、レーザー結晶ロッド160を損傷することなく、約100Wを超える出力パワーを達成し得ることを示す。ポンピングエネルギーの発散がさらに増大すると、特定の状況下、総合ポンピングパワーがさらに制限されるという犠牲の下、増加的に均一照射を生じる。垂直レーザーダイオード配向で(すなわち、個々のレーザーダイオードの短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸に平行である。)、レーザー増幅器は、特定の状況下、レンズおよび/またはミラーを用いることなく、充分に一様に機能するのに充分に均一なポンピングエネルギーを与える。
【0096】
図10は、レンズシステム200が冷媒190を保持する配管170の全長と一体化され、そこに広がるユニタリーレンズ(a unitary lense)を含む本発明の代表的具体例を例示する。そのようなレンズは、ポンピング光がレーザー結晶ロッド160を通過する配管壁の部分を成型することによって作製し得る。したがって、配管170の幾何(例えば、形状および/または厚)および材料は、所望のレンズ(すなわち、ダイオードから発光される光の分散を無効にする正レンズ)を形成するように適合される。そのようなユニタリーレンズを備えれば、より堅牢なシステムが提供され、デザインおよび加工がより経済的になるであろう。
【0097】
レンズシステム200が配管170上に搭載される本発明のもう一つの代表的具体例を図15に例示する。そのような配置において、ダイオードアレイ184はレンズシステム200と直接接触することもあるし、しないこともある。さらに、図15は、各レーザーダイオードアレイ184に対応する一つのレンズシステム200を例示するが、1個以上のレンズシステム200を各レーザーダイオードアレイ184に用いることができる。さらに、図16は、唯一つのレーザーダイオードアレイ184を例示するが、本発明によれば、1個以上のレーザーダイオードアレイ184を用いることができる。
【0098】
VIII.アプリケーション
図17に、ブロック図で例示された代表的具体例において、本発明は、高パワー高強度コヒーレント光のモジュール開発(the modular development)を与える。本発明は、マスター発振器10がプレ増幅器340に連結され、続いて、これが増幅器350または複数の増幅器に、並列、直列またはそれらのいくつかの組合せで連結しているものを提供する。
【0099】
作動中、マスター発振器10は、例えば、約1kHzまで、パルスあたり約1mJを生じる。ビームプロファイルは、例えば、約1.2倍の回折限界(diffraction limited; DL)ビーム品質のガウス型である。パルス持続時間範囲は約150psないし約数ナノ秒である。安定かつ持続性のパルス持続時間のため、マスター発振器10は、図16に示すように、内部キャビティースペクトルフィルター330を含む。
【0100】
したがって、例えば、変動が約5%未満の平滑な約800psパルスをマスター発振器10によって発生させることができる。プレ増幅器340は、例えば、1個のレーザー結晶ロッド160を備える上記のレーザー増幅器5として配置される。プレ増幅器は、ビーム品質(例えば、約1.3倍未満のDLビーム品質)の崩壊は無視し得る程度で、パルスあたり約100mJを超えるまでビーム20を増幅することができる。妥当であれば、次いで、例えば、約10mJないし約15mJの複数のビームにビーム20を分割することができる。増幅器350は、例えば、2個のレーザー結晶ロッド160を備えた上記のレーザー増幅器5として配置される。増幅器350は、例えば、約10mJないし約15mJの入力ビームから、約2倍のDLビーム品質で、例えば、パルスあたり約250mJにまでプレ増幅されたビーム20を増幅する。図17は、唯一つの増幅器350を備える代表的具体例を例示するが、本発明は、妥当であれば、増幅器350に連結したさらなる増幅ステージも包含する。例えば、代表的具体例において、4個の並列増幅器を連結して、たとえば、リソグラフィーに用いる軟X線および/または超紫外線を発生する。本発明によるそのような高パワー高強度レーザーは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析のごとき多くの分野でのアプリケーションが見出されるであろう。
【0101】
代表的具体例において、本発明は、軟X線および/または超紫外線(EUV)(例えば約0.5nmないし約50nmの波長を有する放射線)を発生する高エネルギー点源光を提供する。図18に例示するように、約1014W/cm2を超えるパワー密度を有する増幅器350からの増幅されたビーム20は放射線発生器360に導かれる。放射線発生器360はX線および/またはEUVを発生する。放射線発生器360は、常に充填される金属製ターゲット(例えば、移動銅テープ)を含み、増幅されたビーム20がその上にあたる。次いで、得られたプラズマは軟X線および/またはEUVを出射する。このような軟X線および/またはEUVは、多くの分野でのアプリケーションが見出される。本発明により発生した軟X線および/またはEUVは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析に用い得る。
【0102】
代表的具体例において、本発明は、サブミクロンリソグラフィーに軟X線および/またはEUVを用いる。図18に例示するように、放射線発生器360が軟X線および/またはEUVを発生した後、それをリソグラフィーシステム370に用いる。リソグラフィーシステム370は、例えば、マスクおよび光学構成部品を含むことができるであろう。放射線はマスク上、またはその放射線をマスクに向ける光学構成部品にあたる。さらなる光学構成部品を用いて、得られた像を、ターゲット380、例えば、準備された半導体ウエハーに導くことができる。軟X線および/またはEUV範囲内の波長で、約0.1ミクロン(μm)サイズの構造体のリソグラフィー機械加工が実現可能である。さらに、短パルス持続時間および高反復速度で、このレーザーを作動させることによって、例えば、放射線発生器360内部のヘリウムガスによって容易に制御し得る銅の塊を生じることのみによってデブリ(debris)を制御しつつ、軟X線および/またはEUVに対する良好な線量制御および変換効率を達成することができる。
【0103】
図21に例示されるように、もう一つの代表的具体例において、プレ増幅器340から出射するビーム20は、並列に配置される複数の増幅器350に分割される。増幅された後、各ビームは、ハーモニックビーム(例えば、別のハーモニックビーム)を発生する対応するハーモニック発生器390に入射する。次いで、ハーモニックビームは放射線発生器360に入射し、ターゲット(例えば、金属製ターゲット)にあたる。その後、得られたプラズマは軟X線および/またはEUVを出射し、次いで、それは、コリメーター400によって単一ビームにコリメートされる。例えば、コリメーター400は、大きな立体角の軟X線および/またはEUVを集め、放射線をコリメートされたビームに反射させる。次いで、コリメートされたビームを、例えば、リソグラフィーシステムのステッパー410に用いる。
【0104】
本発明による高パワー高強度レーザーは、多くの他の分野でもアプリケーションが見出される。例えば、そのような高パワー高強度レーザーは、マイクロ機械加工、標的レンジングおよび、金属を含む広範な金属類の大規模な切断、穿孔および機械加工のごとき工業的アプリケーションにおけるアプリケーションが見出される。代表的具体例において、本発明は、高パワー高出力レーザーが、工業的設置に用いるためのコンピュータ制御ロボットアームと一体化または搭載されたものを提供する。
【0105】
かくして、コヒーレント光を増幅するためのシステムおよび方法が提供されることが理解される。当業者は、本発明は非限定的に単に例示する目的で本明細書に表された好ましい具体例以外で実施し得、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解するであろう。この明細書で議論された特定の具体例に相当するものを用いて、同様に本発明を実施することができることを特記する。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図2】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図3】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図4】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図5】本発明によるポロプリズムの斜視図。
【図6】レーザーダイオードが従来の配向にある本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図7】本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図8】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図9】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図10】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図11】本発明によるレーザーダイオードバーを例示する概略図。
【図12】本発明によるレーザーダイオードアレイを例示する概略図。
【図13】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図14】本発明によるレーザーダイオードを例示する概略図。
【図15】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図16】本発明によるマスター発振器を例示する概略図。
【図17】本発明による増幅システムを例示するブロック図。
【図18】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
【図19】本発明によるクラッド層およびレーザー結晶ロッドを例示する概略図。
【図20】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図21】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
【0001】
「高パワー高出力固体レーザー増幅システムおよび方法」と題する、共係属中の米国実用特許出願第09/907,154号を基礎とする優先権主張がなされている。
【0002】
本発明は、概略的に、コヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関し、より詳しくは、レーザーシステムのコヒーレント光を増幅するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
高パワー高強度レーザーシステムが非常に望まれている。しかしながら、高い品質のビームおよび短パルス時間を持つそのような高パワー高強度レーザーを得るのは非常に困難である。
レーザー増幅器は、外部レーザー発振器から入力レーザービームを取り出し、この入力レーザービームを増幅する。増幅パワーを増強することによって、次第に、より強力でより高いパワーのレーザービームが達成されている。しかしながら、従来のレーザー増幅器は、到達パワーおよび強度ゲインを制限し、さらには、低下させるような設計性能比を有している。高パワーかつ高強度にて、レーザーポンプ光により発生する熱は、レーザーおよび増幅システムにおいて熱光学効果および熱ストレスを生じて、光ビームを歪めてしまうので、従来のレーザーおよび増幅システムは不充分とされ、さらには作動不可にされてしまう。さらに、高パワー高強度レーザービームに内在するエネルギーは、即座に揮発しなければ、従来のレーザーおよび増幅システムの構成部品を恒久的に損傷してしまう。
【0004】
高パワー高強度レーザー増幅の限界はB積分効果である。このB積分効果は、物質の屈折率と発光強度との間の関係で表される。したがって、ガウス型の強度プロファイルのごとき不均一強度分散の光ビームは、より高い光強度の領域においてより高い屈折率を有する。レーザーポンピング源に由来する不均一なエネルギー強度によって、様々な発光強度、かくして、様々な屈折率が生じる。物質の屈折率は、そこを通る光の位相速度を決定し、かくして、有効光路長を決定する。その結果、高強度の領域では位相遅れが生じ、光ビームの焦点を歪め、強度およびパワーのゲインを制限する。屈折率を変化させてもビームの影響された部分の光路が変化し、ビーム全体またはビームの部分を焦点に消失させてしまう。B積分効果は、高パワー高強度増幅器の下では、発光レベルの変動がより大きくなるため、より顕著になる。
【0005】
光ビームに対するB積分効果や(レーザーパス中の光学欠陥のごとき)他の歪み源の結果として、従来のレーザー増幅器における高パワー高強度増幅は、熱が蓄積した領域(すなわち、ホットスポット)を生じる。ホットスポットはレーザーを崩壊させる欠陥領域に発生し、エネルギーを周辺領域に散逸させる。様々な熱のレベル(例えば、熱勾配)を増幅器内の別の領域に生じる不均一ポンピングの結果としても、ホットスポットは形成されるであろう。ある領域が加熱すると、さらにレーザー増幅器の屈折率をさらに歪めて、より大きな熱蓄積をもたらす。レーザー増幅器が壊れるか、または、例えば、位相遅れによる有害な光学干渉がさらなる強度および出力のゲインを妨害するまで、この熱および歪みを高める循環が続く。
【0006】
少なくとも上記の理由から、従来のレーザー増幅器設計は、ホットスポットを形成しがちであり、達成可能な強度およびパワーゲインが制限される。ホットスポット形成は、ほとんどの増幅レーザー光エネルギーを排熱に変換して損失してしまうため、従来のレーザー増幅器において非能率性も促進される。さらに、従来のレーザー増幅器は、高価な修理および部品の交換を必要とする、高パワー高強度増幅下でのホットスポットや急激な破壊に耐えるようには設計されていない。
【0007】
これらの高温に対処するためには、通常、能動的熱除去手段が有利である。従来、レーザー結晶ロッドの非光学表面は、通常水である液体の強制対流によって冷却される。あるいは、これらの表面を充分量のヒートシンクに熱的接続して、排熱を吸収させる。しかしながら、有効レーザー体積の幾何およびレーザー結晶ロッドの比較的低い熱伝導率のため、高温および大きな温度勾配が残存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、効率的に高出力高強度レーザービームを生じるが、有害なホットスポットの形成を最小限にし、および/または展開するホットスポットに耐えるだけ充分に強固な光を増幅するシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
発明の概要
本発明は、光を増幅する従来のシステムおよび方法の欠点を大きく軽減する。代表的な具体例において、本発明は、外部源から偏光レーザー入力ビームを受容する四重パスレーザー増幅器を提供し、その入力ビームを増幅器の4つの増幅パスを通して、そのように増幅されたビームを所望の出力として出射する。増幅器には、第1の偏光ビームスプリッター(a first polarizing beam splitter; PBS)、第2のPBS、指向性偏光ローテーター(a directional polarization rotator; DPR)、非指向性偏光ローテーター(a non-directional polarization rotator; NPR)、第1のリフレクター、第2のリフレクターおよび/またはポンピングモジュールを備えることができる。さらに、代表的具体例は増幅器を通る4つのパスを用いるが、本発明は他の偶数本または奇数本の増幅パスも意図する。さらに、増幅器を通るレーザービームによって作られたパスは同一直線上になくてもよい。
【0010】
入力ビームは、ビーム経路中であって、2つのPBSおよびDPRの下流に配置されたポンピングモジュール内で増幅される。ポンピングモジュールは、光学エネルギーを入力ビームに与えて、その強度およびパワーを増強する1個以上のポンプ源(例えば、光源)を含む。これらの1個以上のポンプ源は、例えば、フラッシュランプ、別のタイプのランプおよび/またはレーザーダイオードを含むであろう。レーザーダイオードは所望の周波数付近を中心とする比較的狭い周波数バンドで発光するように適合させ得る。したがって、例えば、有効なポンピングを生じないであろう他の周波数において、光エネルギーが実質的に無駄にされないため、効率が向上される。
【0011】
ポンピングモジュールは光路を含み、その光路自体が、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット(YAG)のごとき固体物質であって、例えば、ネオジム(Nd)、イッテルビウム(Yb)、ホルミウム(Ho)、および/またはエルビウム(Er)のごとき活性物質でドープされたものを含む長いレーザー結晶ロッドを含む。例えば、レーザーダイオードからの光を活性物質の上にあてることによって、それらを光学的に励起して、それらの物質の原子内の特定の電子を一時的に励起し得る(すなわち、一時的にエネルギー状態を上昇させ得る)。入力ビームが、例えば、電子が自然にそれらの通常の安定エネルギー状態に戻る前に、当該励起物質に照射されれば、その逆転の契機(すなわち、刺激)となり得、それによって、電子が低エネルギー状態に戻る結果として、大量のフォトンの放出が生じる。換言すれば、レーザー結晶ロッドはレーザーダイオードによってポンピングされ、対応励起原子を生成し、それらが、誘発発光により量子を照射野に引き渡す。刺激されたまたは誘発された発光は、入力ビームについて位相コヒーレント増幅メカニズムを与える。
【0012】
個々のレーザーダイオードをレーザー増幅器に用い、例えば、矩形の光ビームを発光するが、他の形状も本発明により意図される。これらのダイオードはダイオードバーを含む縦軸列に搭載することができる。複数のそのようなバーを(マトリクス中でダイオードが互いに同一方向を向くように)互いに隣接させて搭載して、レーザーダイオードアレイを作製する。次いで、これらのアレイをレーザー結晶ロッドの向かい側に所望の構成で配置し、ダイオード光がそのロッド上にあたって、それをポンピングし得るようにする。各レーザー結晶ロッドは、増幅ステージ内で、少なくとも1組のレーザーダイオードアレイと対になる。多重ステージ増幅器、例えば、並列または直列配列されたプレ増幅ステージおよび増幅ステージを含むものが意図される。
【0013】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド周囲に配置された奇数個のレーザーダイオードアレイを用いてポンピング効率が促進されたものを提供する。例えば、規則的に間隔が開けられ円周状に配列された奇数個のアレイを有する増幅ステージにおいて、どの2つのアレイも、レーザー結晶ロッドの縦軸周りに、互いに向かい合って(すなわち、互いに180°にて)配置されていない。さらに、レーザーダイオードアレイ間に配置されているリフレクターは、レーザー結晶ロッドに吸収されずに活性媒体に戻ってきたポンピングエネルギーを反射し得る。
【0014】
本発明は、レーザー増幅器に実質的に均一なポンピングエネルギーを供給することにおいて有利である。ポンピング均一性は、円周状のレーザー結晶ロッド周りに配置されたレーザーダイオードアレイの個数を増やすことによって向上させることができ、それによって、隣接するレーザーダイオードアレイ間の照射角を小さくすることができる。さらにレーザーダイオードアレイの個数を増やして(入力エネルギー源の個数を増やすことによって)、利用可能なポンピングエネルギー総量を増やし、増幅を促進する。したがって、代表的具体例において、本発明は、例えば、5個以上のレーザーダイオードアレイを備えることができる。
【0015】
本発明は、レーザーダイオードからの発光を方向付ける1個以上の筒状レンズおよび/またはミラーを備えることもできる。その結果、より多くのポンピングエネルギーがレーザー結晶ロッドに到達し、そこで入力ビームを増幅できるため、増幅効率が向上する。ポンピングエネルギーの焦点が、例えば、レーザー結晶ロッドの表面およびその外側から離れたところにくるようにレンズおよび/またはミラーを配置することによって、ポンピング均一性はさらに向上される。このように、ポンピング光がレーザー結晶ロッドに到達したとき、それが集光されず、したがって、レーザー結晶ロッドの直径方向に均等に分散する。本発明は、さらに増幅器性能を向上させるために、非球面レンズを用いることも意図する。
【0016】
代表的具体例において、本発明は、長軸に沿って整列した複数のレーザー結晶ロッドを用いる。この多重ステージ構成は、同一の光ビームを連続して増幅するポンピングエネルギー源の個数を増やすことによって、入力ビーム増幅を向上させる。さらに、多重ステージ構成は、例えば、熱レンズ効果および/または複屈折効果に起因する歪みを調節することによって利益があるであろう。
【0017】
代表的具体例において、本発明は、レーザーダイオードバーおよび/または実質的に同一の特性(例えば、実質的に同じピーク出力強度および波長)を有するように選択された個々のレーザーダイオードを備えることができる。そして、レーザーダイオードバーおよび/またはレーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に組み込み、各レーザーダイオードが実質的に同一の電気入力を受容するように配線する。そのようなレーザーダイオードアレイは、出力パワーおよび平均ピーク出力波長をあまり変化させない。
【0018】
本発明は、レーザーダイオードアレイの出力パワーを非実質的に変化するように制御する点で利点がある。代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器のステージの各々にあるレーザーダイオードアレイの出力パワーが経験上整合するように、個々のレーザーダイオードアレイに電源を備える。電源はパワー制御手段(例えば、加減抵抗器、可変トランジスター等)を含むことができ、手動で、または、一例として、例えば、センサー回路を用いるフィードバックループ回路を用いるコンピュータシステムによるごとく自動的に、それらを観察し制御することができる。もう一つの代表的具体例において、本発明は、各アレイへの電気的入力が最低パワーレーザーダイオードアレイによって用いられるレベルに制限されるものを提供する。この最低パワーレーザーダイオードアレイよりも高いパワーを出すレーザーダイオードアレイは、より高いパワーのアレイと並列に置かれた電気負荷を有し、それによって、これらのより高いパワーのアレイから適正量の電力を取り出す。かくして、全てのレーザーダイオードアレイが実質的に同じ出力パワーを発生する。
【0019】
代表的具体例において、本発明は、各レーザーダイオードの矩形発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と平行に配置されるようにレーザーダイオードアレイを配向させることができるものを提供する。レーザーダイオードの矩形発光面は、短辺および長辺の2組の辺を有する。短辺の長さは、長辺の長さよりも短い。特定の個々のレーザーダイオードの矩形発光面から発光される光の強度パターンを観察すると、矩形発光面の短辺(すなわち、短軸または速軸)に平行な方向に、大きな光学的角度分散がある。反対に、矩形発光面の長辺(すなわち、長軸または遅軸)に平行な方向に、小さな光学的角度分散がある。そのような光学的角度分散は二次元単一スリット回折パターンとしてほぼ解析し得、それによれば、光学的角度分散は発光波長にほぼ比例し、特定次元のスリット幅にほぼ反比例する。個々のレーザーダイオードをレーザー結晶ロッドの縦軸に対して直角に配向させる(すなわち、レーザーダイオードの短軸または速軸をレーザー結晶ロッドの縦軸と平行にする)ことによって、分散はそれらの長軸または遅軸から離れて実質的に互いにオーバーラップし合い、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度を効率的に平滑化する。ポンピング強度の平滑化は、レーザー結晶ロッドをポンピングする均一性を促進する。本発明は、上記したポンピング強度の平滑化および均一性を用いる他のレーザーダイオードアッセンブリーまたは個々のレーザーダイオードを用いることも意図する。さらに、ポンピング均一性はアレイ中のレーザーダイオード間の間隔を狭めることによって達成することができる。かくして、例えば、この代表的具体例は、当然、レーザーダイオード間の間隔を狭め、かくして、レーザー結晶ロッド上に照射するポンピング強度の均一性を高める。さらに、この代表的具体例は、より多数のレーザーダイオードも用いる。これらの後者の態様は、レーザー増幅器の全増幅および効率を向上させる。
【0020】
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器の耐久性および堅牢性を向上させる。ポンピング源、そしてレーザー増幅器は、孤立したレーザーダイオードまたは孤立したレーザーダイオードバーが故障しても、有効に作動し続ける。これは、ある程度、実質的に隣接する個々のレーザーダイオードおよび/または実質的に隣接する個々のレーザーダイオードバーの間のポンピング強度の実質的なオーバーラップによる。かくして、実質的に隣接するレーザーダイオードおよび/または実質的に隣接するレーザーダイオードバーからの光学角度分散は、無発光(損傷した)バーおよび/またはダイオードの向かい側にあるレーザー結晶の部分を充分に発光させて、損失ポンピングエネルギーを補償する。あるいは、ポンピング強度をモニターし、調節する(例えば、個々のレーザーダイオード、レーザーバーおよび/またはダイオードアレイに供給される電力を調節する)コンピュータに連結させることができる制御回路により、ポンピング強度を選択的に増強して、無発光(損傷した)レーザーバーおよび/またはレーザーダイオードの向い側にあるレーザー結晶の部分の損失ポンピングエネルギーを補償する。
【0021】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの縦軸に沿った複数組のレーザーダイオードアレイを備えることによって、ポンピングエネルギーのより高い均一性を達成する。各々の連続した組のアレイを隣接する組のアレイの配向に対して回転させ、ポンピングエネルギーが異なる放射方向から各増幅ステージ中のレーザー結晶ロッドまたはレーザー結晶ロッドに達するようにする。例えば、横ポンピングに5つのレーザーダイオードアレイの組を用いるレーザー増幅器で、各々の連続した組のレーザーダイオードアレイを隣接するアレイの組に対して36°回転させることができる。かくして、隣接する増幅ステージ中のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド縦軸に沿った放射状交互配向で配置する。しかしながら、そのように交互にずらすことは。360°の円周の周囲の5つのアレイの対称な(それゆえ、最適な)分布をもたらすが、他の非対称交互配列も用い得ることに留意すべきである。
【0022】
代表的具体例において、本発明は、多重ステージ増幅器中の連続したレーザー結晶ロッド間に配置された90°ローテーターのごときローテーターを備える。このローテーターは、レーザー結晶ロッド中の様々な偏光配向に対する屈折率勾配にある程度起因する入力ビームの位相および偏光の変化を補償する。特に、このローテーターは光の偏光を変化させて、一つのレーザー結晶ロッド中の屈折率勾配が他のレーザー結晶ロッド中に生じる偏光変化を無効にする(例えば、実質的に相殺する)。
【0023】
高い平均ポンピング条件下、レーザー結晶ロッドは、その断面を横断する内部熱分布を示し、その軸中心が最も高温である。物質の屈折率は温度の関数なので、レーザー結晶ロッド内部の屈折率は同様の分布を取る。その結果として、定常動作に達した後、レーザー結晶ロッドは正レンズのように振る舞い、ビームの伝播特性を変化させる。しかしながら、それは、そのビームが増幅器を通る多重パス全体でそのビームを横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成するのに有利である。したがって、代表的具体例において、レーザー結晶ロッドを横切る均一ポンピング条件を提供して、例えば、球面レンズにより補償を達成することができる単純球面レンジング(a simple spherical lensing)を達成する。本発明は、例えば、第1の増幅モジュールと第2の増幅モジュールとの間に配置された負レンズまたは、妥当であれば、正レンズを含むことができる補償レンズモジュールも備えることができる。代表的具体例において、増幅モジュールはレーザー結晶ロッドを含み、それは、例えば、高い平均ポンピングパワー下で正レンズ効果を示す物質を含む。この負レンズは、増幅モジュール中の2つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果を補償して、ビームが多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持する。この負レンズは、増幅モジュール中の2つのレーザー結晶ロッドの正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。
【0024】
レーザー結晶ロッド内部の偏光効果を最小限にするため、所定の増幅器中の連続したレーザー結晶ロッドは、実質的に同じ物理特性を有するべきである。代表的具体例において、本発明は、同一の結晶ブールから所定の多重ステージ増幅器用のレーザー結晶ロッドを作製することを提供する。レーザー結晶ブールは、実質的に結晶に埋め込まれた活性元素を含有するメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配は、結晶ブールの縦方向に沿って形成することができる。例えば、結晶ブールの底部を最高ドーパント濃度とすることができる。同一の結晶ブールから同一の縦領域からのロッド(例えば、結晶ブールの横スライス)の中心を切り出して、実質的に同一のドーパント濃度プロファイルおよび他の同じ物理的特性を有するレーザー結晶ロッドを得、それによって、レーザー結晶ロッド間でより高い類似性を達成する。したがって、レーザー結晶ロッド間の類似性は、例えば、同じストレス複屈折の効果を相殺するのに有利な同じストレス複屈折(例えば、熱ストレス複屈折)を与える。
【0025】
第1および第2のPBSは、レーザー経路中に配置され、元の入力ビームを透過させるが、元の入力ビーム偏光と直交する(正規の)偏光を有する光は屈折させる。第1のPBSは、元の入力ビームをレーザー増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームは出力として出射する。なぜならば、その箇所でのそのビームの偏光は入力ビームのものと直交しているからである。その結果、第1のPBSは、増幅器を通るレーザービームの第1の増幅パスを生じ、増幅器を通る4番目で最後のパスを終了させる。第2のPBSは元の入力ビームおよび充分増幅されたビームを反対方向に透過させるが、増幅器を通る第2のパスの後、第3のパスの前では増幅が不充分なビームを屈折させて、(第4のパスに続く)第3のパスを通してさらに増幅させる。かくして、第2のPBSは第2のパスを屈折させて、第3のパスを開始するが、第1ないし第4のパスに直接影響を与えない。
【0026】
DPRは第1および第2のPBS間のビーム経路中に配置される。このDPRは、第1のPBSから第2のPBSまで進行するビームに対する偏光効果を有しないが、第2のPBSから第1のPBSへと戻る(充分に増幅された)ビームの偏光を回転させる構成部品または一組の構成部品を含む。その結果、第2のPBSは、第1のPBSから受容した光を透過させるが、第1のPBSは、第2のPBSから受容した光を屈折させる。このDPRは元の入力ビームを増幅器に進入させるが、充分に増幅されたビームの偏光を回転させて、第1のPBSがそのビームを屈折して出力ビームとして出射するようにする。このDPRはファラデーローテーター、波長板またはそれらのある組合せを含むことができる。入力方向に進行する光に関して、これらのエレメントは互いに反対偏光になるように選択され、それらが互いに打ち消し合うようにする。反対方向に進行する光に関して、ファラデーローテーターおよび波長板はさらなる偏光効果を有する。
【0027】
NPRは、ビーム経路中、ポンピングモジュールの下流にある。NPRは、2本のパスにつき入力ビームの偏光を90°回転させる。その結果、このビームは、(累積して90°回転して)第2のパスにおいては直角に偏光され、第2のPBSがそれを屈折させて第3のパスが開始する。NPRは、第4のパスにおいてこのビームを(累積して180°回転させて)その最初の偏光に戻して、第2のPBSがこのビームを(屈折させずに)透過するようにする。NPRは、例えば、波長板を含むことができる。代表的具体例において、本発明は、例えば、デュアルレーザーロッドシステムの残留複屈折補償も達成することができるファラデーローテーターを備える。
【0028】
四重パス増幅器は2つのリフレクターを含むことができる。第1のリフレクターはビーム経路中、NPRの下流にあり、第1および第3のパスの後、そのビームを戻して、第2および第4のパスを開始する。第2のリフレクターは第2のPBSの屈折経路中に配置され、第2のパスと第3のパスとの間でそのビームを受容し戻す。リフレクターは、この入力ビームを受容し戻す光学ミラーを含む。高パワー高強度アプリケーションにおけるレーザーリフレクター材料は、光を光学的に反射し、透過するように作用し、熱効率を損失させ、および/または構造的に堅牢物質から作製し得る。メタルバックミラー(metal-backed mirrors)のごとき硬質界面リフレクターはある種のアプリケーションには不利であろう。なぜならば、増幅されたレーザー光がメタルバックミラーで破壊されてしまうかもしれないからである。
【0029】
代表的具体例において、本発明は、これらのリフレクターのうち1つかまたは両方が、ポロプリズム(Porro prism)を含むものを提供する。ポロプリズムは、実質的に透明な物質で作られた45°−90°−45°の固体構造を含む。ポロプリズムは入ってきた光エネルギーを反射性コーティングの必要なく効率的に反射する。さらに、ポロプリズムは、増幅器を通る第1および第3のパスの後、ビームを変換することによってレーザービームの均一性を高める。その結果、そのビームは四重パス増幅器をある配向で2回、変換された配向で2回通過して、レーザー結晶ロッド内部の増幅プロファイルにおける欠陥を均一化(例えば、平滑化、無効化または相殺)する。
【0030】
代表的具体例において、本発明は、第1および第2のPBSが外面に偏光性コーティングを有するものを提供する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、第1および第2のPBSが内面に偏光性コーティングを有する固体PBSであるものを提供する。例えば、PBSは、内部対角面に偏光性コーティングを有する固体立方体形状の光学的に透明デバイスを構成することができる。固体PBSは、特に、高パワーレーザーアプリケーションの分野に適用できる。高出力高強度レーザーシステムは、例えば、平方cmあたり数ギガワット(GW/cm2)強度のビームを生じることができ、それを集光すると、例えば、特定の焦平面にて1015W/cm2を超えることがある。高パワーレーザー増幅器中の偏光性コーティングの位置付けは、空気−コーティング界面にてホットスポットの形成を回避する。なぜならば、もはや実質的に空気に接していないからである。
【0031】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドの円周の周囲にクラッド層を備えて、回折効果を低減し、増幅性能を向上させる。クラッド層は実質的に透明な固体物質(例えば、レーザー結晶ロッドのそれと同様であるが、活性元素ドーパントを含まない物質)である。特に、例えば、ビーム径がクラッド層なしのレーザー結晶ロッド径を超える場合、レーザー結晶ロッドから出射するビームの回折効果を低減させることによってビーム品質を向上するように、クラッド層を構成することができる。
【0032】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッドを冷却する液体(例えば、水)を備える。この液体は、実質的に透明な物質(例えば、ガラスまたはプラスチックス)を含むハウジング(ケーシング)内部に含有することができる。ケーシングおよび液体は、レーザー結晶ロッドとポンピング源との間に配置される。液体層は強制循環されて、局所的熱蓄積の防止を助ける。もう一つの代表的具体例において、本発明は、ケースがレーザーダイオードからのポンピングエネルギーを集光し、それをレーザー結晶ロッド内の光路に向けて方向付けるレンズ(例えば、正レンズ)を含むかまたは形成するように、ケースが適合されているものを提供する。適合されたケースは、レンズ系やミラーを用いたのと同じ位に効率を高めるが、材料費を削減する。適合されたケースは、レーザー結晶ロッドの長さ分延在し、かつ、レーザーダイオードアレイに囲まれる長いユニタリーレンズであろう。それゆえ、ケーシングの壁構造の形状は、所望のレンジングを達成する基本レンズ原理を用いて構成し得る。そのようなケーシングは、例えば、射出、鋳型または機械加工技術を用いて作製し得る。
【0033】
代表的具体例において、本発明は、第1および第2の反射性光学ミラーの基板が、高熱伝導により特徴付けられる透明物質(例えば、サファイアまたはダイアモンド)を含むものを提供する。人工アナログ(例えば、ジルコニウム)も用い得る。サファイアおよびダイアモンドは局在化した熱を急速に散逸させる物理特性を有する。かくして、サファイアおよびダイアモンド基板は、ホットスポットの蓄積の防止を助ける。さらに、サファイアおよびダイアモンドは両方とも、耐久性のある物質であり、かくして、ミラーの信頼性を向上させる。
【0034】
同じ符号は同じ部品を意味する付随する図面とともに、以下の本発明の詳細な説明を査読すれば、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
発明の詳細な説明
本発明によれば、高品質の高パワー高強度レーザービームを生じるシステムおよび方法が提供される。
【0036】
I.システムおよび方法の概略
図1に例示する代表的具体例において、本発明は、外部レーザー源10(例えば、マスター発振器)およびレーザー増幅器5を備える。外部レーザー源10はレーザー増幅器5によって増幅される入力ビーム20を発生する。レーザー増幅器5は第1の偏光ビームスプリッター(PBS)30、第2のPBS40、指向性偏光ローテーター(DPR)50、非指向性偏光ローテータ(NPR)60、第1のリフレクター70、第2のリフレクター80およびポンピングモジュール90を含む。例示した具体例において、レーザー増幅器5は四重パス光学増幅器として構成される。しかしながら、本発明は、n重パス光学増幅器も意図する。ここで、nは基数である。さらに、本発明は、各構成部品の数量を変更したり、例えば、光路を部分的に、全体的に同一直線上にするか、または全く同一直線上にしないなど、構成部品の向きを別の配置に変えたりすることを含む当業者による変形も意図する。
【0037】
作動中、ビーム20はレーザー増幅器5に入射し、ポンピングモジュール90を4回通過する。各パスで、ポンピングモジュール90はビーム20を増幅して、例えば、より高い強度およびより高いパワーのビームを生じる。4回増幅された後、ビーム20は、出力ビーム15として、レーザー増幅器5から出射する。図1はオーバーラップしない四重パスを例示するが、ビーム20がオーバーラップしても、さらには、いくつかのまたは全てのパスが同一直線上にあってもよいことに留意すべきである。
【0038】
作動中、例えば、パルスレーザー発振器またはレーザーダイオードを含むことができるレーザー源10は、ビーム20を発生する。この実施例において、議論し易くするために、レーザー源10によって発生されるビーム20は水平偏光(P偏光)され、図1の紙上平面に平行な波として発振すると仮定する。第1のPBS30は、P偏光を通すように適合されており、ビーム20を通す。ビーム20は偏光を変えることなくDPR50を通過する。なぜならば、DPR50は第1のPBS30から第2のPBS40へと伝播する方向においてビーム20の偏光に影響しないように適合されているからである。かくして、ビーム20は、DPR50を出射した後もP偏光を保持し、偏光を変化させることなくP偏光を通過するように適合されている第2のPBS40を通過する。次いで、ビーム20はポンピングモジュール90に入射し、そこで、ポンピングモジュール90は、例えば、ビーム20のパワーおよび強度を増強することによって、ビーム2を増幅する。ポンピングモジュール90から出射し、ビーム20の偏光は、NPR60によって、例えば、1パスあたり45°回転する(しかし、より概略的には、NPR60を通過する2パスあたり90°回転する)。ビーム20が第1のリフレクター70によって反射されて、第1のパスが終わる。
【0039】
第2のパスにおいて、NPR60は、次いで、ビーム20の偏光をP偏光から合わせて90°回転させる。その結果、この実施例において、ビーム20は、今や、垂直偏光(すなわち、S偏光)である。次いで、ポンピングモジュール90は、2度目のビーム20増幅を行う。ビーム20は、もはやP偏光でないので、ビーム20は第2のPBS40を通過せず、その代わり、第2のPBS40はビーム20を第2のリフレクター80へ進路変更させる。
【0040】
第3のパスにおいて、ビーム20は第2のリフレクター80によって反射され、引き続いて第2のPBS40によって反射される。次いで、ポンピングモジュール90は、3度目のビーム20増幅を行い、NPR60は、第1のリフレクター70によって反射される前に、ビーム20の偏光を、例えば、さらに45°回転させる。NPR60は、各パスでビームの偏光を45°回転させる必要はない。その代わり、NPR60は、2つのパスにわたってビームの偏光を90°回転させることができる。
【0041】
4番目でかつ最後のパスにおいて、ビーム20の偏光は、例えば、NPR60によってさらに45°または最後の2つのパス(すなわち、第3および第4のパス)にわたって90°回転させられ、それによって、ビーム20の偏光はP偏光に戻る。次いで、ポンピングモジュール90は、4度目のビーム20の増幅を行う。ビーム20は再びP偏光であるので、ビーム20は第2のPBS40を通過する。次いで、ビーム20はDPR50を通過する。DPR50は、第2のPBS40から第1のPBS30へと伝播する方向においてビーム20の偏光に影響するように適合されており、ビーム20の偏光を90°回転させる。
【0042】
かくして、ビーム20はP偏光としてDPR50に入射するが、ビーム20はS偏光としてDPR50から出射する。したがって、第1のPBS30はビーム20を通さないが、その代わり、ビーム20を屈折させて、出力ビーム15としてレーザー増幅器5から出射する。
【0043】
II.マスター発振器
代表的具体例において、本発明は、レーザー増幅器5によって実質的に増幅されるビーム20を発生するマスター発振器10を備える。図16に例示するように、マスター発振器10は、第1の光反射性ミラー210、キャビティーダンパー220、ポーラライザー230、第1のエタロン240、第2のエタロン250、第2の高反射性ミラー260、Q−スイッチ270、モードロッカー280、Nd:YAG媒質290、高反射性コーティング300およびレーザーダイオードアレイ310を含むことができる。共振器キャビティーは光路320、2つのミラー210,260、ポーラライザー230およびコーティング300によって定められる。
【0044】
作動中、Nd:YAG媒質290はレーザーダイオードアレイ310によってポンピングされる。レーザーダイオードアレイ310は、発光した光を集光することによってNd:YAG媒質290(例えば、Nd:YAGレーザー結晶ロッド)の縦ポンピングを支援するレンズを含むことができる。ダイオードアレイは、例えば、約1キロヘルツ(kHz)にて約808nmおよび約250ワット(W)(ピーク)にて、約20%デューティーサイクルで作動することができる。近回折限界ビーム品質およびパルスあたり高エネルギーで短パルス持続時間のものを発生するため、Q−スイッチ270、モードロッカー280およびキャビティーダンパー220が用いられる。Q−スイッチ270は、ポンプパルスの終端にて共振器を開き、例えば、約150ピコ秒(ps)レーザーパルスを生じる。モードロッカーは、レーザーモードを強制して、Q−スイッチ時間の間共振器キャビティーを循環する短パルスを生じる。パルスがピーク強度に達した時点でキャビティーダンパー220は光の偏光を90°回転させ、入射パルス(それがビーム20になる)が、ポーラライザー230を通って、共振器キャビティーから出射する。そのような構成は、共振器キャビティー中に保存されたエネルギーのほとんど全てが短パルスとして共振器キャビティーから出射し得る点で有利である。
【0045】
代表的具体例において、本発明は、内部キャビティースペクトルフィルター330を含むマスター発振器10を備える。内部キャビティースペクトルフィルター330は、第1のエタロン240および第2のエタロン250を含むことができる。第1のエタロン240は、例えば、約15ミリメーター(mm)厚のエタロンを含む。第2のエタロン250は、例えば、約10mm厚のエタロンを含むことができる。しかしながら、これらの数値は単に代表的なもので(すなわち、制限するものではなく)、本発明は、エタロン240,250について他の数値も意図する。エタロン240,250は、例えば、窓状に形成された一片のガラスまたは水晶を含むことができ、その窓の両面は互いにほぼ完璧に平行かつ平面である。エタロン240,250の厚は、どの特定組の波長がエタロン240,250を通過するかに関連する。それらの表面の反射率がモジュレーション振幅(modulation depth)を決定する。エタロン240,250はレーザーモードを制御するスペクトルフィルターを形成することができる。適正な組合わせのエタロン240,250は、例えば、平滑パルスを生じる適正モードを与える。平滑パルスは高ピークパワーでの作動において有利である。なぜならば、急峻なスパイクはレーザー結晶ロッドおよび/または光学構成部品を損傷するかもしれないからである。一定のパルス形状を有することで、レーザー結晶ロッドおよび光学構成部品を、損傷閾値を超えることなく、高強度かつ高パワーで作動し得る。
【0046】
実験データは、内部キャビティースペクトルフィルターを用いて、1kHzにてパルスあたり約0.5ミリジュール(mJ)ないし約3mJを達成することができることを示す。2つのエタロン240,250なしに、パルス持続時間は平滑化することができず、例えば、モードビートのために、パルス間で変化するであろう。単一のエタロン240または250は、パルス持続時間を約700〜800ps半値幅(full-width-half-maximum; FWHM)に安定化するが、固定された高めのモジュレーションが依然として残存する。一緒に作動する2つのエタロン240,250により、この固定化された高めのモジュレーションおよび平滑な約700〜800psパルスが得られる。
【0047】
III.偏光ビームスプリッター(PBS)
代表的具体例において、本発明は、第1のPBS30および第2のPBS40が実質的に互いに同じものを提供する。しかしながら、もう一つの実施例において、第1のPBS30および第2のPBS40は、レーザー増幅器5の性能に著しく影響しなければ実質的に異なっていてよい。
【0048】
第1のPBS30および第2のPBS40は、所望の偏光を有する光を実質的に妨害せず、他の偏光を屈折させつつ、通過させるように適合されているデバイスを含むことができる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque, New MexicoのCVI Technology Inc.から多数のモデルで入手可能な偏光ビームスプリッターを用いる
【0049】
本発明によるPBS30,40の代表的具体例を図3に例示する。例示されたPBS30,40は、偏光性コーティング35が実質的に透明な物質45の外面に塗布された薄膜ポーラライザーを含む。特定の条件下、ビーム20は、PBS30,40が空気−コーティング界面にて熱蓄積を被るようにする。この熱蓄積は、例えば、ビーム20をその意図する方向から屈折させ、増幅器5の光路を誤整列させるのに充分であろう熱光学効果を生じる。
【0050】
本発明によるPBS30,40のもうひとつの代表的具体例を図2および4に例示する。この代表的具体例において、本発明は、PBS30,40が内部偏光性コーティング層を有する固体構造を含むものを提供する。特に、図4は、実質的に透明な立方体形状材料45内の内部対角面に沿って配置された偏光性コーティング35を例示する。したがって、この代表的具体例は実質的な空気−コーティング界面を有さず、かくして、空気−コーティング界面にて熱蓄積を被ることがない。かくして、本発明によるPBS30,40のこの代表的具体例は、上記熱光学効果を被ることがなく、信頼性および耐久性を向上させる。
【0051】
IV.指向性偏光ローテーター(DPR)
代表的具体例において、本発明は、図1および2に例示するように、DPR50が、第1のPBS30から第2のPBS40に伝播する方向に進行するビーム20の偏光に実質的に影響しないように適合されているものを提供する。
【0052】
DPR50は、例えば、第2のPBS40から第1のPBS30に伝播する方向に進行するビーム20の偏光を90°回転させるようにも適合されている。その結果、上記の実施例において、第2のPBS40は第1のPBS30から受容した光を透過させ、第1のPBS30は第2のPBS40から受容した光を屈折させる。
【0053】
DPR50は、例えば、半波長板100(例えば、位相差板)およびファラデーローテーター110を含むことができる。半波長板100は、2つの互いに直交する軸(すなわち、遅軸および速軸)を有する光学エレメントを含む。この光学エレメントは、ビーム20の偏光の互いに直交する成分間の相対位相遅れを導入することによってビーム20の偏光を変換する。作動中、半波長板100は、ビーム20の偏光に対して適宜配向しており、線形偏光ビームを、例えば、45°回転させる。代表的具体例において、本発明は、Albuquerque, New MexicoのCVI Laser Corp.から多数のモデルが入手可能な半波長板100を用いる。特定のモデルの選択は、充分に当業者の理解の範囲にあり、少なくとも、半波長板100の所望のサイズとビーム20の波長に依存する。
【0054】
ファラデーローテーターは、例えば、ビーム20の偏光に影響を及ぼす軸磁場内部に配置される高ベルデ定数を有するガラスロッドを含むことができる。しかしながら、別のタイプのファラデーローテーターを用いることもできる。光は電磁波なので、この強磁場はビーム20の偏光を回転させる。しかしながら、回転の符号はビーム20の伝播方向および磁場の極性の関数である。かくして、例えば、ファラデーローテーター110は、図2に例示された増幅器に組み込まれたとき、増幅器5を通る第1のパスに先立ち、ビーム20の偏光を(例えば、時計回りに)回転させるが;ファラデーローテーター110は、増幅器を通る第4のパスの後、ビーム20の偏光を(例えば、反時計回りに)回転させる。代表的具体例において、本発明は、Traverse City, MichiganのElectro-Optics Technology, Inc.から多数のモデルで入手可能なファラデーローテーターを用いる。
【0055】
作動中、ビーム20が第1のPBS30から第2のPBS40へ伝播するとき、DPR50は、ビーム20の偏光には実質的に影響しない。なぜならば、偏光を半波長板100がある方向に45°回転させ、ファラデーローテーター110が反対方向に45°回転させるからである。かくして、半波長板100およびファラデーローテーター110は効率的に互いを打ち消し合う(すなわち、背反的に作動する)。一方、ビーム20が第2のPBS40から第1のPBS30に伝播するとき、DPRはビーム20の偏光を90°回転させて、例えば、P偏光ビームをS偏光ビームに変換する。この場合、半波長板100およびファラデーローテーター110の各々は、偏光を同一方向に45°回転させる。正味の効果は、半波長板100およびファラデーローテーター110がビーム20の偏光を90°回転させるというものである。換言すれば、半波長板100およびファラデーローテーター110は効率的に協調的に作動する。
【0056】
V.非指向性偏光ローテーター(NPR)
図1および2に例示するように、レーザー増幅器5はNPR60を含む。前記したように、NPR60は、各パスでビーム20の偏光を45°回転させることができるが、より通常は、NPR60は、2つのパスにわたって、ビーム20の偏光を90°回転させる。代表的具体例において、本発明は、NPR60が、一回りで90°回転するようにビーム20の偏光に対して適宜配向している波長板(例えば、1/4波長板)を含むものを提供する。しかしながら、適正に配向した波長板は、入ってくる入力ビーム20の偏光が線形で既知であるときにのみ、適正な偏光回転を達成する。残念ながら、例えば、ポンピング中の複屈折のため、ビーム20の偏光は完全に線形でもないし、必ずしも既知ではない。レーザー増幅器5を慎重に設計することによって、ある程度、複屈折を最小限にし得るが、高出力高強度作動により、複屈折はかなりのものになる。実験データは、NPR60として波長板を用いたとき、レーザー増幅器5の高い平均パワー作動は、成功しないであろうことを確認した。それは、ある程度、レーザー増幅器5がビーム20の偏光を適正に回転させることなく自由発振レーザーとして挙動するからである。
【0057】
もう一つの代表的具体例において、本発明は、NPR60が偏光を、例えば、パスあたり45°、より概略的には、2つのパスにわたり90°回転させるものを提供する。ファラデーローテーターは、ファラデーローテーターを通る第1のパスでは補償されない残留不均一偏光回転を、ファラデーローテーターを通る第2のパスで補償し得るという点で有利である。実験データは、ファラデーローテーターを含むNPR60を有するレーザー増幅器5が約100Wのパワー入力レベルを超えて作動し得ることを示した。
【0058】
VI.リフレクター
代表的具体例において、本発明は、図1および2に示すように、第1のリフレクター70および第2のリフレクター80を含む。リフレクター70および80は、ビーム20のエネルギーおよび強度に耐え、再び方向付けするように適合された光学ミラーであってよい。もう一つの代表的具体例において、本発明は、光学ミラーが、2つの異なるタイプのコーティングからなる反復パターンの交互層が施された基板層を含む。これらの2つの異なるコーティング層は、少なくとも、ビーム20の波長にて透明であり、異なる屈折率を有し、厚さが異なってよい。ビーム20が反復パターンの交互層にあたったとき、協調型および背反型干渉が、各コーティング層境界にての内部反射および透過により生じる。協調型干渉を満足させる特定の波長のみがこのミラーによって反射される。さらに、例えば、交互コーティング層の数を増加することによって、これらのミラーの反射率を増すことができる。
【0059】
代表的具体例において、本発明は、ミラー基板が、金属板のごとく、不透明な物質ではないが、光学的に透明なものであるものを提供する。特定の状況下(例えば、高パワー高強度レーザー作動下)、ビーム20は即時不透明基板を蒸発させる。さらに、光学ミラー内の内部複屈折は、自体を破壊するかこのミラーの光学特性を歪めるのに充分な熱を発生し得る。したがって、もう一つの代表的具体例において、本発明は、透明で優れた熱伝導性を有する基板材料を含む、少なくとも1つのリフレクター70,80を備える。かくして、さらにもう一つの代表的具体例において、本発明は、基板材料がサファイア(Al2O3)またはダイアモンド(C)のごとき材料を含むものを提供する。そのような材料は、充分な熱損失を付与し、構造的安定性および耐久性を与える。さらに、そのような材料は、極端な熱条件下でも破壊されないことによって回復力を付与する。
【0060】
もう一つの代表的具体例において、本発明はポロプリズムを含むリフレクター70,80を備える。図5に例示するように、ポロプリズムは、全部で180°の方向変化を伴って、ビーム20を反射する45°−90°−45°プリズムである。このポロプリズムは、例えば、ガラスまたはプラスチックのごとき実質的に透明な物質からなる。ビーム20は、長面76からポロプリズムに入射し、第1の短面76で反射し、次いで、第2の短面79で反射する。第1の短面76と第2の短面79とは直交している。
【0061】
作動中、このポロプリズムはビーム20の断面を(垂直または水平のいずれかに)変換する。それゆえ、増幅器を通る路を戻ることによって、ビーム20はその配向に関して、以前の増幅器を通る間に変換される。そのような変換は、増幅器を通る連続パスによって、レーザー結晶ロッド内の変換されたポンピングエネルギープロファイルにビームが曝されるようにする。したがって、ポロプリズムは多くのポンピング不整を実質的に打ち消し、それによって、増幅プロセス中のほとんどの不均一性ならびに、ビーム20の断面を横切る複屈折およびパワーレベルを均一化するという利点を有する。
【0062】
VII.ポンピングモジュール
代表的具体例において、本発明は、ポンピングエネルギー源およびレーザー結晶ロッドを通って配置される光路を含むポンピングモジュール90を備える。このポンピングエネルギー源は、レーザー結晶ロッドに吸収され、これによって、励起状態の原子集団を生成する光エネルギーを発生する。ビーム20が光路に沿ってレーザー結晶ロッドを通過するとき、前記集団内に保存されたエネルギーは、例えば、誘導放出に転換され、これによって、ビーム20を増幅する。
【0063】
A.レーザー結晶ロッド
図6〜10に例示するように、光路はレーザー結晶ロッド160を通って配置される。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160が、一例として、例えば、Nd、Yb、Ho、Er等のごとき活性元素でドープされたYAGのごとき固体物質を含むものを提供する。かくして、例えば、レーザー結晶ロッド160は、Nd:YAG固体物質を含むことができる。この固体物質は、レーザー結晶ロッド160が、次いで、高パワーかつ効率的なポンピングを可能とする点で有利である。さらに、Nd:YAG等のレーザー結晶ロッド160は商業的に広く入手可能である。当業者は、組成や物理的大きさのごとき、レーザー結晶ロッド160の特徴の変化がレーザー結晶ロッド160の特性を変化させることを理解している。したがって、当業者は、レーザー結晶ロッド160が所望の性能を付与するように選択されることが分かる。
【0064】
図2に例示する代表的具体例において、本発明は、ポンピングモジュール90が第1の増幅モジュール120、ローテーター150、レンズモジュール140および第2の増幅モジュール130を含むものを提供する。各増幅モジュール120,130は、例えば、それ自体のレーザー結晶ロッド160およびそれ自体のポンピングエネルギー源を含む。2つの増幅モジュール120,130で例示しているが、本発明は、いかなる所望数の増幅モジュールを有するポンピングモジュールも意図する。増幅モジュール120,130は、特定のアプリケーションに対して望まれる増幅パワーレンジおよびプロファイルを達成するように、直列、並列またはそれらのある組合せで光学的に配置することができる。
【0065】
代表的具体例において、本発明は、増幅モジュール120,130内のレーザー結晶ロッド160が実質的に同一であるものを提供する。例えば、レーザー結晶ロッド160は実質的に同じ組成プロファイルを有し、実質的に同じ熱ストレス特性を付与し、これは複屈折を適正に修正するのに有利である。
【0066】
さらに、局所的不整が、例えば、ドーピングおよび/または組成プロファイルにおける変化によって生じ、これらは、熱格差(differential heating)の要因であり、今度はこれが所望しない光学効果を引き起こす。したがって、レーザー結晶ロッド160の結晶組成の実質的に同じ組成プロファイルも高度に均一であることが有利である。
【0067】
代表的具体例において、本発明は、実質的に同じレーザー結晶ロッドを作製する方法を提供する。レーザー結晶ロッド160を作製するための結晶ブールは活性元素を含むメルトから成長させることができる。ドーパント濃度勾配が結晶ブールの縦方向に沿って展開する実例において、レーザー結晶ロッドは結晶ロッドの同一縦領域から取り出されるべきである。複数の(たとえば一対の)実質的に同じレーザー結晶ロッドを、例えば、同一ブール、より好ましくは、同一ブールの同一縦領域(例えば、横ブールスライス)の中心を切り出すことによって加工し、これによって、実質的に同じドーパント濃度プロファイルおよび実質的均一性を有する結晶ロッドを得ることができる。
【0068】
ある結晶組成はそれ自体顕著な複屈折を含むであろう。これらのアプリケーションにおいて、多重ステージ増幅器中に整合されたレーザー結晶ロッドを互いに配向して、この複屈折を補償するかまたは少なくとも低減することが必要または有利である。例えば、同一の横ブールスライスから加工された2つのレーザー結晶ロッドを互いに放射状に(例えば、90°)配向させて、レーザー結晶誘発複屈折を補償する。
【0069】
B.レンズモジュール
高平均パワーポンピング条件下、Nd:YAG物質または同様の物質を含むレーザー結晶ロッド160は、その断面を横切る内部熱分布を示し、その軸中心が最も高い温度であろう。それゆえ、光は軸中心を最も遅く伝播し、レーザー結晶ロッドの半径周辺に向かって次第に速くなる。その結果、定常状態作動で、レーザー結晶ロッドは正レンズのように挙動し、ビーム5の伝播特性を変化させる。しかしながら、ビーム20がレーザー増幅器5を通る四重パスを通るビーム20を横切る平行プロファイルを維持して、均一なパワーおよび強度ゲインを有する増幅ビームを達成することが有利である。したがって、代表的具体例において、本発明は、レンズモジュール140およびレーザー結晶ロッドの断面を横切る均一ポンピングを備える。
【0070】
代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160内の単純球面レンジングのための均一ポンピングおよび負レンズ(例えば、球面レンズ)を含むレンズモジュール140を備える。図2において、負レンズ140は第1の増幅モジュール120と第2の増幅モジュール130との間に配置される。増幅モジュール120,130はレーザー結晶ロッド160を含み、少なくとも高平均ポンピングパワー下、それは正レンズ効果を示す。負レンズ140は、増幅モジュール120,130中に配置された2つのレーザー結晶ロッド160の正熱レンズ効果を補償して、ビーム20が多重パスを通り実質的に平行かつコリメートされていることを維持するように適合される。負レンズ140は、増幅モジュール120,130中の2つのレーザー結晶ロッド160の正熱レンズ効果と逆整合するだけではなく、レーザー増幅の精密さに耐えるように選択される。本発明は、他の元素組成のレーザー結晶ロッドが、それらの断面を横切る異なる熱プロファイルを生じ、したがって、特定の熱レンズ効果を補償する異なるタイプのレンズを備えることも意図する。例えば、負ガウス型プロファイルを生じる組成を有するレーザー結晶ロッドの場合、正レンズが有利であろう。
【0071】
C.ローテーター
レーザー結晶ロッド160の高平均ポンピングは熱ストレスを発生し、それはレーザー結晶ロッド160内に複屈折としてそれ自体を顕在化させる。この熱誘発複屈折は、ビーム20の断面内で不均等に偏光を回転させ得る。この不均等偏光回転のプロファイルは、4つの放射状四分円の各々に影響し、4つ葉のクローバーのように見える。代表的具体例において、本発明は、ローテーター150を持つポンピングモジュール90を備え、ビーム20の偏光における不均等回転を補償する。もう一つの代表的具体例において、本発明は、図2に示すように、ローテーター150が第1の増幅モジュール120と第2の増幅モジュール130との間に配置された90°ローテーターであるものを提供する。ローテーター150を用いて増幅モジュール120,130間でビーム20を90°回転させることによって、一方の増幅モジュールに発生する複屈折に対抗し、他方の増幅モジュール中で中和する。しかしながら、ある状況下、ローテーター150の効率は、レーザー結晶ロッド160の整合の関数であり、それは、整合のため、ビーム20に対して同一配向で配置され、実質的に同一の熱ストレスを示す。90°ローテーター150によって生じる回転の方向はこの検討では明らかな要因ではない。したがって、本発明は、ローテーター150がビーム20の偏光を90°回転させる他のデバイスを含んでよいことを意図する。例えば、ローテーター150は波長板、ファラデーローテーターまたはそれらのある組合せを含むことができる。
【0072】
D.冷却システム
代表的具体例において、本発明は、図6〜10に示すように、レーザー結晶ロッド160が、少なくとも部分的にレーザー結晶ロッド160を取り巻くチューブ170に収容された液体190によって冷却される。液冷は、レーザー結晶ロッド160の高パワー作動特性を向上させる点で有利である。液体190は、実質的に透明な液体(例えば、水)であって、実質的に、レーザーダイオードから照射される光を光学的に吸収も反射もしないか、さもなければ、光学ポンピングを実質的に破壊しないものである。同様に、チューブ170は、実質的に透明な物質(例えば、ガラスまたはプラスチック)であって、これも実質的にポンピングに影響しないものである。代表的具体例において、レーザー結晶ロッド160を取り巻く液体190は、本発明によれば、不活性である。しかしながら、もう一つの代表的具体例において、本発明は、液体190がレーザー結晶ロッド160周囲を流れるようにして、実質的な熱蓄積を防止することによって、より安定な温度を付与する。例えば、レーザー増幅器5は、液体190を輸送するメカニカルポンプを含むことができる。しかしながら、本発明は、液体190の流れを生じる他の手段も意図する。したがって、従来の手段を用いて液体190を冷却することができる。
【0073】
E.クラッド層
代表的具体例において、ビーム20は、例えば、ガウス型プロファイルを示す。ガウス型プロファイルは、例えば、基本モードでのレーザー作動の典型であるが、本発明は、他のプロファイルも同じく意図する。充分な増幅のため、ビーム20は、レーザー結晶ロッド160のアパーチャーを光学的に充満させるべきである。かくして、ガウスプロファイルの低強度周辺領域はレーザー結晶ロッド160内で増幅されない。しかしながら、アパーチャーを充満させると、レーザー結晶ロッド160の円形アパーチャーによる回折に起因する強調された「シルクハット」型プロファイルおよび同心円環状パターンで、ガウス型プロファイルで入射するビーム20を出射させる。そのようなガウス型プロファイルの歪みはビーム20の到達可能なパワーおよび強度を制限する。
【0074】
かくして、代表的具体例において、本発明は、図19に例示するように、レーザー結晶ロッド160周りにクラッド層165を備える。レーザー結晶ロッド160のアパーチャーが光学的に軟化され、それによって、回折環状パターンの効果が低減されれば、ビーム20のガウス型プロファイルがより充分に保存されるので、クラッド層165は有利である。クラッド層165は、ガウス型プロファイルの低強度周辺領域を透過させるが、実質的に増幅および/または、さもなければ、実質的に影響しないように適合された光学的に透明な物質を含む。代表的具体例において、クラッド層165は、例えば、レーザー結晶ロッド160の材料と実質的に同じ屈折率を有する物質を含む。周辺光は増幅光との同心円を維持し、回折効果が低減される。
【0075】
もう一つの代表的具体例において、クラッド層165は、周辺光がレーザー結晶ロッド160に向かって方向付けられるように、レーザー結晶ロッド160の屈折率に対する屈折率を有する物質を含む。かくして、増幅されなかったであろう光が増幅され、それによって、レーザー増幅器5の効率が向上し、ビーム20の強度を高める。
【0076】
クラッド層165は、例えば、レーザー結晶ロッド160と同一の組成で作製することができるが、ドープされていない。レーザー結晶ロッド160を調製した後、光学拡散接合を用いて、クラッド層165を貼り付け得る。あるいは、従来の蒸着および/または従来の成長技術のごとき従来技術を用いて、クラッド層をレーザー結晶ロッド160上に貼り付けることもできる。液体190の温度の変動を緩衝することによって、クラッド層がレーザ冷却の均一性を向上させる点で、クラッド層165はさらに有利である。
【0077】
F.ポンピング源
図6〜12に例示するように、ポンピングモジュール90内のポンピング源は1個以上のレーザーダイオード180を含む。ポンピングエネルギー源としてのレーザーダイオード180からの発光の使用は、レーザーダイオード180が所望の波長の高品質ポンピングエネルギーを効率的に発生する点で有利である。レーザーダイオード180は、(例えば、電気的な)エネルギーを受容し、電磁的(例えば、光)エネルギーを放出するように適合されている半導体デバイスを含むことができる。
【0078】
図11に例示するように、レーザーダイオード180は、レーザーダイオードバー182を含むモノリシック縦列状に作製することができる。このレーザーダイオードバー182は複数のレーザーダイオード180を含み、これらの全てのダイオードは、これら全てから発光される光が実質的に同一の全面的な方向に伝播するように、同一の方向を向いて末端−末端配置されている。図11では、3つのレーザーダイオード180を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオード180を含むレーザーダイオードバー182を包含する。図12に例示するように、複数のレーザーダイオードバー182は、(例えば、一つのレーザーダイオードバー182が別のレーザーダイオードバー182上に配置されるように)連続して組み立てて、レーザーダイオードアレイ184を形成し得る。図12では、レーザーダイオードアレイ184が3つのレーザーダイオードバー182を含むように例示されているが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードバー182を包含する。代表的具体例において、本発明によるレーザーダイオードアレイ184は、例えば、約1cm×約2.5cm×約6cmの大きさである。各レーザーダイオード180の発光面は、例えば、約100μm×約1μmである。そのような寸法は、単に代表的なものであり、決して、本発明の範囲を限定する意図はない。
【0079】
レーザーダイオードアレイ184は、その中に組み立てられたレーザーダイオードバー182、個々のレーザーダイオードバー182および/または個々のレーザーダイオード180のいずれかが搭載されるハウジング186を含む。ハウジング186はレーザーダイオード180に電力を供給するのに必要な回路および配線を含む。ハウジング186は、例えば、作動中、その中を適当な冷媒が循環して、レーザーダイオード180から熱を散逸させる冷媒導管のごとき冷却システムも内包し得る。レーザーダイオード180の波長は、例えば、約5nmより狭いバンド幅の約805.5ナノメーター(nm)である。レーザーダイオード180によって発生する他の波長およびバンド幅も本発明に包含される。
【0080】
光学的にレーザー結晶ロッド160を有効にかつ効率的にポンピングするために、1個以上のレーザーダイオードアレイ184を配置して、レーザーダイオード180から発光した光をレーザー結晶ロッド160にあてる。図8〜10に例示するように、増幅モジュール120,130は、レーザー結晶ロッド160周りを中心とする複数のレーザーダイオードアレイ184を含み、各レーザーダイオードアレイ184は、レーザーダイオード180の発光面がレーザー結晶ロッド160を向くように配置されている。代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列された偶数個のレーザーダイオードアレイ184を備える。もう一つの代表的具体例において、本発明は、レーザー結晶ロッド160の縦軸に直交する特定の平面内に、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列された奇数個のレーザーダイオードアレイ184を備え、それによって、レーザー結晶ロッド160を通過し、または周辺を通るポンピング光が直接別のレーザーダイオードアレイ184にあたる可能性を最小限にする。レーザーダイオードアレイ184が偶数個であるか奇数個であるかにかかわらず、例えば、図8〜10に例示するように、それらは、レーザー結晶ロッド160周囲に均等に間隔を開けて配列されるべきである。そのような構成は、レーザー結晶ロッド160にポンピングエネルギーをより均一に供給することによって、ホットスポットの形成を防止する。しかしながら、本発明は、アプリケーションに応じて、レーザーダイオードアレイ180がレーザー結晶ロッド160周囲にいかなる他の適当な構成で配置されているものも意図する。
【0081】
代表的具体例において、本発明は、対応するレーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160の反対側に配置された光学的またはメタルバックミラーのごとき反射エレメント188を備える。図13は、対応するレーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160の反対側に配置された代表的な反射エレメント188を例示する。レーザーダイオードアレイ184は、ほとんどがレーザー結晶ロッドに吸収されるが、そのうちのいくらかはレーザー結晶ロッド160を通過する光192を発光する。その後、レーザー結晶ロッド160を通過する光192は、対応する反射エレメント188によって反射されるであろう。反射された光192は、再びレーザー結晶ロッド160にあたって、そこでこの反射光192は吸収され、それによって、レーザー結晶ロッド160の反転分布を増進する。図13は、単に、一つの反射エレメント186およびそれに対応するレーザーダイオードアレイ184を示したに過ぎず、複数のレーザーダイオードアレイ184に対応する複数の反射エレメント188を備えることができることに留意すべきである。さらにもうひとつの代表的具体例において、隣接するレーザーダイオードアレイ184間に反射エレメントを配置する。なおさらにもうひとつの代表的具体例において、図20に例示するように、反射エレメント188は、冷媒190を収容する配管170上に搭載するか、またはそれと一体化される。反射エレメント186を適正な向きに配置すれば、レーザーダイオードアレイ184のポンピング効率が向上する。なぜならば、レーザー結晶ロッド160により用いられなかったであろう発光光が、実際には、レーザー結晶ロッド160のポンピングを支援するからである。
【0082】
図8〜10に、本発明の増幅モジュール120,130の代表的具体例を例示する。増幅モジュール120,130は各々、少なくとも1個のレーザー結晶ロッド160を含み、そこで、レーザー結晶ロッド160の各々は、例えば、5個のレーザーダイオードアレイ184の対応する組によってポンピングされる。5個のレーザーダイオードアレイ184を図8〜10に例示するが、本発明は、それ以外の個数のレーザーダイオードアレイ184も意図する。各々が5個のレーザーダイオードアレイ184の組を有する増幅モジュール120,130の構成は、1組あたりより少ない個数のレーザーダイオードアレイ184、例えば、1組あたり3個のレーザーダイオードアレイ184の構成よりも高い平均パワーを送達する。さらに、各レーザー結晶ロッド160を取り巻くレーザーダイオードアレイ184の個数を1組あたり最適化された個数に増加させて、ポンピング均一性を向上させることができる。
【0083】
図9に、本発明による増幅モジュール120,130の代表的具体例を例示する。増幅モジュール120,130において、さらに、レーザーダイオードアレイ184の各組をレーザーダイオードアレイ184の別の組の角度配置に対して、レーザー結晶ロッド160の縦軸周りのある角度にて、搭載することによって、ポンピング均一性を向上させることができる。例えば、第1の組の5個のレーザーダイオードアレイ184を第1の増幅モジュール120内の第1のレーザー結晶ロッド160周囲に配置し、第2の組の5個のレーザーダイオードアレイ184を第2の増幅モジュール120内の第2のレーザー結晶ロッド160周囲に配置し、第2の組に対してレーザー結晶ロッド160の縦軸周りに360にて、第1の組を設置することができる。
【0084】
レーザー結晶ロッド160周りの適正なレーザーダイオードアレイ184の配置だけでは、均等なポンピングエネルギー付与を保障しない。不均一ポンピングのもう一つの原因は、レーザーダイオード180の変動である。例えば、レーザーダイオード180は、しばしば、パワー、ピーク波長およびバンド幅(例えば(おおよその発光波長範囲)において変化する。商業的なレーザーダイオードバーおよびアレイのサプライヤーから、実質的に同じ性能スペックのレーザーダイオードアレイ184を手ごろな値段で入手することは非常に困難である。
【0085】
レーザーダイオードアレイ184の出力エネルギーにおける不均一性は、特に、高パワー高強度増幅において、レーザー増幅器5の性能を劣化させる。例えば、レーザー結晶ロッド160のピーク吸収に近い中心波長を有するレーザーダイオードアレイ184の使用は、ロッド中心よりもロッド半径周辺にて、より多くのポンピングエネルギー吸収を生じる。ピーク吸収波長からかなり離れた中心波長を有する別のレーザーダイオードアレイ184は、レーザー結晶ロッド全体により均一なポンピングエネルギー分布を生じる。同様に、レーザーダイオードアレイ184の出力エネルギー強度における変動は望ましくない。なぜならば、より高いパワー出力を有するレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160の隣接部分により強いエネルギー吸収を生じて、増幅ビームを歪め、レーザー結晶ロッド160にホットスポットを生じる可能性があるからである。さらに、そのような不均一ポンピングまたは加熱は、非球面レンズ効果を生じ、非球面レンズによる補償はコストがかかることが証明されている。
【0086】
代表的具体例において、本発明は、パワー、波長およびバンド幅において非常によく一致するレーザーダイオードアレイ184を選択することによって、増幅器性能均一性を向上する。レーザーダイオードアレイ184は、最低パワーレーザーダイオードアレイ184のパワーに整合するように適合し得る。最低パワーレーザーダイオードアレイ184のパワーよりも高いパワーを発生するそれらのレーザーダイオードアレイ184について、電気負荷をより高いパワーのレーザーダイオードアレイ184と並列に置くことができる。並列負荷は、より高いパワーのアレイ184から適量の電力を取り出し、全てのアレイ184が実質的に同一の電力(すなわち、全てのアレイ184が最低パワーアレイ184とパワーにおいて整合する)を用いるようにする。並行電気負荷は、適量の電力を取り出すように適合された加減抵抗器またはトランジスターまたは他の回路を含むことができる。レーザーダイオードアレイ184は、直列、並列またはそれらのいずれかの組み合わせで連結することができる。さらに、レーザーダイオードアレイ184は、一つの電源を共有するか、または個々の電源を有することができる。本発明は、そのようなシステムが手動で調節されるか、または(例えば、コンピュータを用いて)自動制御し得るものおよび、そのようなシステムが、例えば、実測出力レベルを測定し、次いで、各レーザーダイオードアレイ184に送達される実測出力のレベルを自動的に調節して、作動レーザーダイオードアレイ184の中でポンピング光発光のバランスをもたらすフィードバックループ回路を含むものも意図する。本発明は、レーザーダイオードアレイ184のパワー、波長およびバンド幅を整合させるための上記スキームもレーザーダイオードバー182および/またはレーザーダイオード180のパワー、波長およびバンド幅を整合させるのに等しく利用可能であるものも意図する。
【0087】
もう一つの代表的具体例において、高パワー高強度レーザーシステムの設定の間、レーザー結晶ロッド(または、複数のレーザー結晶ロッド)160は、入力ビーム20なしに、レーザーダイオードアレイ184または一組のレーザーダイオードアレイ184によってポンピングされ得る。レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光を解析および/または観察して、均一ポンピングが達成されたかどうかを決定する。例えば、レーザー結晶ロッドから出射する光を可視ディスプレイ上に表示して、ユーザーが、均一ポンピングが達成されているかどうかを視認できるようにする。次いで、ユーザーは、例えば、均一光パターンが可視ディスプレイに現れるまで個々のレーザーダイオードアレイ184によって受容されるパワーレベルを変え得る。ひとつの具体例において、各レーザーダイオードアレイ184を試験して、どのレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160から最も弱い光を出射しているかを決定する。かくして、例えば、一つのレーザーダイオードアレイ184が入力ビームなしにレーザー結晶ロッド160をポンピングし、レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光を、ユーザーによって測定および/または観察し、および/または、例えば、コンピュータによって解析する。各々のレーザーダイオードアレイまたはレーザーダイオードアレイに到達するパワー量を制御する回路(例えば、電力ドレイン回路(power draining circuitry)))に電力を供給する電源を調節して、レーザー結晶ロッド160からその縦軸に沿って出射する光が各レーザーダイオードアレイ184につき同一の強度を有するようにする。さらに、レーザー結晶ロッド160の縦軸周りのレーザーダイオードアレイ184および一組のレーザーダイオードアレイ184の向きを最適化し得る。例えば、一組のレーザーダイオードアレイ184は、入力ビーム20なしにレーザー結晶ロッドをポンピングし得、レーザー結晶ロッド160から出射する光を観察および/または解析して、一組のレーザーダイオードアレイ184がレーザー結晶ロッド160に対して最適に配置されているかどうかを決定し得る。さらに、レーザーダイオードアレイ184は、入力ビーム20なしにレーザー結晶ロッド160をポンピングし得、レーザー結晶ロッド160から出射する光を観察および/または解析して、各レーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド160の縦軸周りに特定の半径方向の角度および/または半径方向の距離の光学配置によって、均一ポンピングが達成されているかどうかを決定し得る。したがって、高パワー高強度レーザーシステム全体が充分に始動する前でも、レーザー結晶ロッド160の均一ポンピングを設定し得る。
【0088】
ポンピング性能は、レーザーダイオードアレイ184の温度を調節することによってさらに向上させ得る。この調節は、例えば、液体190を制御温度にまで冷却する冷却装置を備えることによって達成する。レーザーダイオード180により放出されるポンピングエネルギーの波長は、レーザーダイオードアレイ184の温度の関数で変化する。例えば、実験データは、1つのタイプのレーザーダイオード180から作製されたアレイ184のポンピング出力についてのピーク波長は、約3.5℃の平均ダイオード温度の変化につき約1nmシフトすることを示す。かくして、アレイ中のダイオードの平均温度に対する調節は、レーザーダイオードアレイ184の出力のピーク波長の調整が特定のレーザー結晶ロッド160をポンピングするための最適波長に対応するようにする。ポンピングエネルギーのピーク波長がレーザー結晶ロッド160の所望の吸収波長に対応するとき、ポンピング効率および均一性が向上する。
【0089】
レーザーダイオードの向きも、実質的に増幅器5の性能に影響する。前記したように、図6は、レーザーダイオードアレイ184におけるダイオードの配置を例示し、ここでは、レーザーダイオード180の長辺がレーザーダイオードアレイ184の面の長辺と実質的に平行に向けられ、アレイ184がレーザー結晶ロッド160の縦軸に平行に配置されている。図6は、レーザーダイオード180の長辺がレーザー結晶ロッド160の縦軸に実質的に平行な構成としても説明できる。
【0090】
図14に例示するように、各レーザーダイオード180の発光面194の形状は、典型的には、長い矩形である。レーザーダイオードの矩形発光面は短辺および長辺の2組の辺を有する。短辺の長さは長辺の長さより短い。矩形アパーチャーは、単色光の波長におおよそ比例し、矩形アパーチャーのそれぞれの辺の長さにおおよそ反比例する少なくとも2つの回折角で単色光を回折する。発光面194の「フットプリント」からはみ出した矩形面中の光分散は、長軸198に平行な(すなわち、レーザーダイオード180の長辺に平行な)方向に沿うよりも、短軸196に平行な(すなわち、レーザーダイオード180の短辺に平行な)方向に沿った方がより大きい。事実、発光面194から充分に離れたところでは、回折による分散は、レーザー結晶ロッド160上の発光フットプリントを決定するのに最も重要な要因となる。代表的具体例において、レーザーダイオード180は、光分散が、例えば、短軸196に平行な方向に沿って約20°ないし約60°の間であって、長軸198に平行な方向に沿って約5°ないし約15°の間であるように、レーザー結晶ロッド160に対して配置される。
【0091】
図6に例示するレーザーダイオードアレイ184は、各レーザーダイオードがレーザー結晶ロッド160の縦軸に平行な長辺を有するように、レーザー結晶ロッド160に対面させて搭載する。この構成は、上記のように、矩形発光面194からの光分散を被る。かくして、短軸に平行な方向に沿って分散する光の実質的な部分は、有効にはレーザー結晶ロッド160に到達しない。さらに、レーザーダイオードバー182上の隣接するダイオードレーザー180由来の長軸に平行な方向に沿った発光フットプリントの非実質的なオーバーラップのため、不均一性が発生し、レーザー結晶ロッド160に局所的なホットスポットを生じ、レーザー増幅器5の性能や、可能性として操作性を崩壊する。したがって、この構成は、レンズシステム200の使用により(図8および9に例示するように)、レーザー結晶ロッド160のより均一なポンピングを達成することができる。レンズシステム200なしで増幅モジュール120,130が作動するようにデザインすることが有利である。なぜならば、レンズシステム200は増幅モジュール120,130のコストおよび複雑性を増大するからである。さらに、この構成はポンピング出力の無駄を生じない。したがって、レーザーダイオードアレイ184のいずれかの個々のレーザーダイオード180の故障がレーザー結晶ロッド160の不均一ポンピングをもたらすであろう。そのような状況では、唯一の可能な修理はアレイ184.全体の取替えであり、それは最もコストがかかる。
【0092】
図7に、本発明によるレーザーダイオードアレイ184の代表的具体例を例示する。レーザーダイオードアレイ184のレーザーダイオード180は、それらの短軸(すなわち、レーザーダイオード180の短辺に平行な方向)がレーザー結晶ロッド160の縦軸と平行であるように、配向している。図7に例示した構成は、レーザーダイオード180が図6に例示した構成に比べてより近い間隔で配置され、かくして、レーザー結晶ロッド160の縦軸に平行な短軸に平行な方向のポンピング発光の広い分散により、より実質的に均一なポンピング発光を生じる点で、有利である。さらに、より近い間隔配置はレーザーアレイ184中により多くのレーザーダイオード180を置くことができ、かくして、より多くのポンピングエネルギーをレーザー結晶ロッド160に送達することができる。上記したように、レーザー結晶ロッド160により均一なポンピング発光を照射することは、ホットスポットを最小限にし、熱ストレス、不均一ゲインその他の所望しない熱光学効果を低減する。さらに、ポンピング発光の実質的な均一性のため、図7に例示するようにレーザーダイオードアレイ184の配置にレンズシステム200を用いる必要性を減らす。レーザーダイオードアレイ184についてのこの構成は、分散した光の実質的なオーバーラップのため、図6に例示した構成と比べてより耐久性がある。したがって、いずれかの個々のレーザーダイオード180の故障は、例えば、残りのレーザーダイオード180、レーザーダイオードアレイ184または複数組のレーザーダイオードアレイ184へのパワー調節によって、埋め合わせることができる。
【0093】
実験データにより、図7に例示される代表的具体例は、図6に例示される代表的具体例から得られる同一レベルのポンピングエネルギーから、より高い出力ポンピングおよびより大きなゲインを可能とすることが示された。例えば、実験データによれば、フリーランニングレーザー作動は、レーザーダイオードの出力パワーからレーザー出力パワーへの約35%を超える変換率を生じ、非常に効率的なポンピングであることを示している。さらに、高い平均パワーの実験データは、図7に例示した構成の水冷パッケージは約20%を超えるデューティーサイクルを扱える(すなわち、レーザーダイオードは約20%の時間発光していられる)。本出願人による試験において、そのような構成のレーザーダイオード180は、約200psの間、約1000Hzまでの反復速度で作動した。
【0094】
E.レンズシステム
前記し、図8および9に例示するように、レーザーダイオード180の発光面194と並置されたレンズシステム200を含む増幅モジュール120,130を用いることによって、レーザー増幅器5の性能をさらに向上させ得る。レンズシステム200は、レーザーダイオードアレイ184からレーザー結晶ロッド160に向けてポンピング発光を導くように適合されている。代表的具体例において、レンズシステム200は、筒状レンズ(例えば、正筒状レンズ)および(例えば、平面リフレクター)を含む。この正筒状レンズはレーザーダイオードアレイ184の発光面194の前面に延在するように配置される。この正筒状レンズはアレイ184の遅軸を集光し、一方、この平面リフレクターは速軸を反射する。この組合せが、アレイからの全ての発光がレーザー結晶ロッド160に達することを保障する。かくして、ポンピング効率が向上し、同一のポンピングパワーでより高い強度およびパワーを可能にする。レンズシステム200は、例えば、球面レンズまたは非球面レンズを含む。
【0095】
レンズシステム200を適正に配置することは、所望のポンピング性能ゲインを達成するのに有利である。例えば、レーザー結晶ロッド160がレンズシステム200の焦点にあるとき、ポンピングエネルギーは、レーザー結晶ロッド160の中心に強く集約される。レーザー結晶ロッド160の中心でのこの強いポンピング強度の結果、中心のポンピングは最大化されるが、レーザー結晶ロッド160を損傷し、約20W強の弱いビーム特性となるであろう。レーザーダイオード180からのポンピングエネルギーの焦点がレーザー結晶ロッド160の内部ではなくその前になるように、レーザーダイオード180およびレンズシステム200を設定することによって、レーザー結晶ロッド160に入射するときに、ポンピングエネルギーは発散する。この発散の結果、ポンピングエネルギーのレーザー結晶ロッド160への照射は、実質的により均一になる。例えば、試験は、この構成のレーザー増幅器5が、レーザー結晶ロッド160を損傷することなく、約100Wを超える出力パワーを達成し得ることを示す。ポンピングエネルギーの発散がさらに増大すると、特定の状況下、総合ポンピングパワーがさらに制限されるという犠牲の下、増加的に均一照射を生じる。垂直レーザーダイオード配向で(すなわち、個々のレーザーダイオードの短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸に平行である。)、レーザー増幅器は、特定の状況下、レンズおよび/またはミラーを用いることなく、充分に一様に機能するのに充分に均一なポンピングエネルギーを与える。
【0096】
図10は、レンズシステム200が冷媒190を保持する配管170の全長と一体化され、そこに広がるユニタリーレンズ(a unitary lense)を含む本発明の代表的具体例を例示する。そのようなレンズは、ポンピング光がレーザー結晶ロッド160を通過する配管壁の部分を成型することによって作製し得る。したがって、配管170の幾何(例えば、形状および/または厚)および材料は、所望のレンズ(すなわち、ダイオードから発光される光の分散を無効にする正レンズ)を形成するように適合される。そのようなユニタリーレンズを備えれば、より堅牢なシステムが提供され、デザインおよび加工がより経済的になるであろう。
【0097】
レンズシステム200が配管170上に搭載される本発明のもう一つの代表的具体例を図15に例示する。そのような配置において、ダイオードアレイ184はレンズシステム200と直接接触することもあるし、しないこともある。さらに、図15は、各レーザーダイオードアレイ184に対応する一つのレンズシステム200を例示するが、1個以上のレンズシステム200を各レーザーダイオードアレイ184に用いることができる。さらに、図16は、唯一つのレーザーダイオードアレイ184を例示するが、本発明によれば、1個以上のレーザーダイオードアレイ184を用いることができる。
【0098】
VIII.アプリケーション
図17に、ブロック図で例示された代表的具体例において、本発明は、高パワー高強度コヒーレント光のモジュール開発(the modular development)を与える。本発明は、マスター発振器10がプレ増幅器340に連結され、続いて、これが増幅器350または複数の増幅器に、並列、直列またはそれらのいくつかの組合せで連結しているものを提供する。
【0099】
作動中、マスター発振器10は、例えば、約1kHzまで、パルスあたり約1mJを生じる。ビームプロファイルは、例えば、約1.2倍の回折限界(diffraction limited; DL)ビーム品質のガウス型である。パルス持続時間範囲は約150psないし約数ナノ秒である。安定かつ持続性のパルス持続時間のため、マスター発振器10は、図16に示すように、内部キャビティースペクトルフィルター330を含む。
【0100】
したがって、例えば、変動が約5%未満の平滑な約800psパルスをマスター発振器10によって発生させることができる。プレ増幅器340は、例えば、1個のレーザー結晶ロッド160を備える上記のレーザー増幅器5として配置される。プレ増幅器は、ビーム品質(例えば、約1.3倍未満のDLビーム品質)の崩壊は無視し得る程度で、パルスあたり約100mJを超えるまでビーム20を増幅することができる。妥当であれば、次いで、例えば、約10mJないし約15mJの複数のビームにビーム20を分割することができる。増幅器350は、例えば、2個のレーザー結晶ロッド160を備えた上記のレーザー増幅器5として配置される。増幅器350は、例えば、約10mJないし約15mJの入力ビームから、約2倍のDLビーム品質で、例えば、パルスあたり約250mJにまでプレ増幅されたビーム20を増幅する。図17は、唯一つの増幅器350を備える代表的具体例を例示するが、本発明は、妥当であれば、増幅器350に連結したさらなる増幅ステージも包含する。例えば、代表的具体例において、4個の並列増幅器を連結して、たとえば、リソグラフィーに用いる軟X線および/または超紫外線を発生する。本発明によるそのような高パワー高強度レーザーは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析のごとき多くの分野でのアプリケーションが見出されるであろう。
【0101】
代表的具体例において、本発明は、軟X線および/または超紫外線(EUV)(例えば約0.5nmないし約50nmの波長を有する放射線)を発生する高エネルギー点源光を提供する。図18に例示するように、約1014W/cm2を超えるパワー密度を有する増幅器350からの増幅されたビーム20は放射線発生器360に導かれる。放射線発生器360はX線および/またはEUVを発生する。放射線発生器360は、常に充填される金属製ターゲット(例えば、移動銅テープ)を含み、増幅されたビーム20がその上にあたる。次いで、得られたプラズマは軟X線および/またはEUVを出射する。このような軟X線および/またはEUVは、多くの分野でのアプリケーションが見出される。本発明により発生した軟X線および/またはEUVは、例えば、リソグラフィー、トモグラフィー、顕微鏡分析および分光分析に用い得る。
【0102】
代表的具体例において、本発明は、サブミクロンリソグラフィーに軟X線および/またはEUVを用いる。図18に例示するように、放射線発生器360が軟X線および/またはEUVを発生した後、それをリソグラフィーシステム370に用いる。リソグラフィーシステム370は、例えば、マスクおよび光学構成部品を含むことができるであろう。放射線はマスク上、またはその放射線をマスクに向ける光学構成部品にあたる。さらなる光学構成部品を用いて、得られた像を、ターゲット380、例えば、準備された半導体ウエハーに導くことができる。軟X線および/またはEUV範囲内の波長で、約0.1ミクロン(μm)サイズの構造体のリソグラフィー機械加工が実現可能である。さらに、短パルス持続時間および高反復速度で、このレーザーを作動させることによって、例えば、放射線発生器360内部のヘリウムガスによって容易に制御し得る銅の塊を生じることのみによってデブリ(debris)を制御しつつ、軟X線および/またはEUVに対する良好な線量制御および変換効率を達成することができる。
【0103】
図21に例示されるように、もう一つの代表的具体例において、プレ増幅器340から出射するビーム20は、並列に配置される複数の増幅器350に分割される。増幅された後、各ビームは、ハーモニックビーム(例えば、別のハーモニックビーム)を発生する対応するハーモニック発生器390に入射する。次いで、ハーモニックビームは放射線発生器360に入射し、ターゲット(例えば、金属製ターゲット)にあたる。その後、得られたプラズマは軟X線および/またはEUVを出射し、次いで、それは、コリメーター400によって単一ビームにコリメートされる。例えば、コリメーター400は、大きな立体角の軟X線および/またはEUVを集め、放射線をコリメートされたビームに反射させる。次いで、コリメートされたビームを、例えば、リソグラフィーシステムのステッパー410に用いる。
【0104】
本発明による高パワー高強度レーザーは、多くの他の分野でもアプリケーションが見出される。例えば、そのような高パワー高強度レーザーは、マイクロ機械加工、標的レンジングおよび、金属を含む広範な金属類の大規模な切断、穿孔および機械加工のごとき工業的アプリケーションにおけるアプリケーションが見出される。代表的具体例において、本発明は、高パワー高出力レーザーが、工業的設置に用いるためのコンピュータ制御ロボットアームと一体化または搭載されたものを提供する。
【0105】
かくして、コヒーレント光を増幅するためのシステムおよび方法が提供されることが理解される。当業者は、本発明は非限定的に単に例示する目的で本明細書に表された好ましい具体例以外で実施し得、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解するであろう。この明細書で議論された特定の具体例に相当するものを用いて、同様に本発明を実施することができることを特記する。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図2】本発明による光増幅システムを例示する概略図。
【図3】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図4】本発明による偏光ビームスプリッターの斜視図。
【図5】本発明によるポロプリズムの斜視図。
【図6】レーザーダイオードが従来の配向にある本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図7】本発明による増幅モジュールを例示する概略図。
【図8】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図9】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図10】本発明による増幅モジュールを例示する断面図。
【図11】本発明によるレーザーダイオードバーを例示する概略図。
【図12】本発明によるレーザーダイオードアレイを例示する概略図。
【図13】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図14】本発明によるレーザーダイオードを例示する概略図。
【図15】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図16】本発明によるマスター発振器を例示する概略図。
【図17】本発明による増幅システムを例示するブロック図。
【図18】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
【図19】本発明によるクラッド層およびレーザー結晶ロッドを例示する概略図。
【図20】本発明によるポンピングモジュールの選択された部分を例示する概略図。
【図21】本発明によるリソグラフィーシステムを例示するブロック図。
Claims (107)
- レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、レーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する、
を含む該ポンピングモジュール。 - 一組のレーザーダイオードアレイが、奇数個のレーザーダイオードアレイを含む請求項1に記載のポンピングモジュール。
- 一組のレーザーダイオードアレイが、少なくとも5個のレーザーダイオードアレイを含む請求項1に記載のポンピングモジュール。
- 前期組が複数の組を含む請求項1に記載のポンピングモジュール。
- 少なくとも2個のレーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、これらのレーザー結晶ロッドの各々は光軸を有し、
第1のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第1の組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、第1のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第1のレーザー結晶ロッドの第1の縦軸に対して実質的に直交する第1の平面内に配置され、第1の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第1の組のレーザーダイオードは第1のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;および
第2のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第2の組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、第2のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第2のレーザー結晶ロッドの第2の縦軸に対して実質的に直交する第2の平面内に配置され、第2の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第2の組のレーザーダイオードは第2のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、第1の縦軸および第2の縦軸は光軸に沿って光学的に整列され、
ここに、第2の組のレーザーダイオードアレイは、第1のレーザーダイオードアレイの光軸周りの配置に対して、光軸周りのある回転角にて配置されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは光軸を有し、
光軸に沿って配置された球面レンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱球面レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている
を含む該ポンピングモジュール。 - 球面レンズモジュールが負レンズを含む請求項6に記載のポンピングモジュール。
- 球面レンズモジュールが正レンズを含む請求項6に記載のポンピングモジュール。
- 2つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、これらの2つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドは光軸上に配置され、
2つの実質的に同一のレーザー結晶ロッドの間の光路に沿って配置され、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果を実質的に相殺するように適合された90°ローテーター
を含む、該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;および
前記平面内に配置され、レーザー結晶ロッドに対して各レーザーダイオードアレイの向かい側に配置された反射エレメント、この反射エレメントは、レーザーダイオードのポンピングに寄与することなく、各レーザーダイオードアレイからレーザー結晶ロッドを通過してきた発光光を、レーザー結晶ロッドに向かって、反射し返す
を含む該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、これらのレーザーダイオードアレイは、この組の中で最も低いパワーレベルのレーザーダイオードアレイのパワーレベルに整合するように適合されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、これらのレーザーダイオードアレイは、この組の中で最も低いポンピング光強度のレーザーダイオードアレイに整合するように適合されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する
を含み、
ここに、各レーザーダイオードは、長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;および
レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置され、発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成され、これらのレンズの焦点がレーザー結晶ロッド内に入らないように適合された筒状レンズ
を含む該ポンピングモジュール。 - レーザー結晶ロッドをポンピングするポンピングモジュールであって、このレーザー結晶ロッドは縦軸を有し、
レーザー結晶ロッド周囲に配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;および
レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置され、発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成され、レーザー結晶ロッド周囲に配置されたクラッド層と一体成型された筒状レンズ
を含む該ポンピングモジュール。 - 光路に沿って伝播する高パワー高強度レーザー光を増幅するシステムであって、
サファイアまたはダイアモンド材料を含む第1のリフレクター;
サファイアまたはダイアモンド材料を含む第2のリフレクター;および
光学的に第1のリフレクターと第2のリフレクターとの間に配置された多重パス増幅モジュール
を含む該システム。 - 光路を有する多重パス光学増幅器であって、
前記光路に整列した縦軸を有するレーザー結晶ロッド;
レーザー結晶ロッドの縦軸周りに配置され、レーザー結晶ロッドの屈折率と実質的に同一の屈折率を有するクラッド層
を含む、該多重パス光学増幅器。 - 光路のある四重パス光学増幅器であって、
実質的に均一にポンピングされる2つの実質的に同じレーザー結晶ロッドを含む増幅モジュール;
増幅モジュールの下流にあるミラー;および
ミラーと増幅器との間に配置され、2つのパス上の増幅モジュールの熱誘発複屈折を実質的に相殺するように適合されたファラデーローテーター
を含む該四重パス光学増幅器。 - 光路のある多重パス光学増幅器であって、
複数のレーザー結晶ロッドであって、各レーザー結晶ロッドは前記光路に整列した縦軸を有し、同一のブール(boule)から作製されたものを含み、
ここに、各レーザー結晶ロッドは、同一のブールの同一横スライスから作製されていることを特徴とする該多重パス光学増幅器。 - 各レーザー結晶ロッドが複屈折効果を低減するように他のレーザー結晶ロッドに向いている請求項18に記載の多重パス光学増幅器。
- 光路に沿って伝播する光を増幅するポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置される;
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイは、レーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている;および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果をほぼ相殺するように適合されている
を含む該ポンピングモジュール。 - さらに、
冷媒を収容するハウジングを含む冷却システム、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、この冷媒はレーザー結晶ロッドから熱を除去する
を含む請求項21に記載のポンピングモジュール。 - さらに、
各レーザーダイオードアレイとレーザー結晶ロッドとの間に配置された各筒状レンズ、この筒状レンズは発光光をレーザー結晶ロッドに向けて導くように構成される
を含む請求項21に記載のポンピングモジュール。 - 筒状レンズが冷却システムのハウジング上に搭載され、このハウジングが、冷媒を含有し、かつ、レーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに構成されていることを特徴とする請求項23に記載のポンピングモジュール。
- 筒状レンズが、ハウジングの一部分をレンズに成型することによって、冷却システムのハウジングと一体成型されている請求項23に記載のポンピングモジュール。
- 筒状レンズが、筒状レンズの焦点がレーザー結晶ロッド内に入らないように配置されている請求項23に記載のポンピングモジュール。
- さらに、
各レーザーダイオードアレイに対応するリフレクター
を含み、
ここに、筒状レンズが対応するレーザーダイオードアレイによって発光された光の遅軸を集光し、リフレクターが対応するレーザーダイオードアレイによって発光された光の速軸を集光することを特徴とする請求項23に記載のポンピングモジュール。 - 各レーザーダイオードが長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする請求項21に記載のポンピングモジュール。
- レーザーダイオードが、略隣接するレーザーダイオードから発光された光がレーザー結晶ロッドのポンピングカバレージに実質的にオーバーラップするように配置され、
このポンピングカバレージが、特定のレーザーダイオードが故障した場合、他のレーザーダイオードが故障したレーザーダイオードを補償することを特徴とする請求項28に記載のポンピングモジュール。 - さらに、
この組の対応するレーザーダイオードアレイに連結した制御ユニット、この制御ユニットは、対応するレーザーダイオードアレイの特定のレーザーダイオードが故障したとき、対応するレーザーダイオードアレイの稼働レーザーダイオードのパワー出力を増加させる
を含む請求項29に記載のポンピングモジュール。 - 他のレーザーダイオードが略隣接するレーザーダイオードを含む請求項29に記載のポンピングモジュール。
- さらに、
レーザー結晶ロッド周囲に配置されたクラッド層
を含む請求項29に記載のポンピングモジュール。 - クラッド層がレーザー結晶ロッドの材料と同じ特定の材料を含むが、この特定の材料はドープされていないことを特徴とする請求項32に記載のポンピングモジュール。
- クラッド層が光路に沿って伝播する光を増幅しない請求項32に記載のポンピングモジュール。
- クラッド層がレーザー結晶ロッドの材料と実質的に同一の屈折率を有する特定の材料を含む請求項32に記載のポンピングモジュール。
- クラッド層がレーザー結晶ロッド末端から出射する光の回折パターンを減じる手段を含む請求項32に記載のポンピングモジュール。
- 筒状レンズがレーザー結晶ロッド周囲に配置されクラッド層と一体成形されている請求項23に記載のポンピングモジュール。
- 各レーザーダイオードが長辺と短辺とで特徴付けられる実質的に矩形の発光面を有し、各レーザーダイオードは、短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と実質的に平行な方向に延在するように、レーザー結晶ロッドに対して配置されていることを特徴とする請求項21に記載のポンピングモジュール。
- 略隣接するダイオードから発光された光が、レーザーダイオードの短辺に平行は方向の実質的な角度分散により、ポンピングカベレージに実質的にオーバーラップする請求項38に記載のポンピングモジュール。
- レーザーダイオードアレイが実質的に同一の光学的および電気的特性を有するように選択される請求項21に記載のポンピングモジュール。
- レーザーダイオードアレイが直列で電気的接続されている請求項21に記載のポンピングモジュール。
- さらに、
各レーザーダイオードアレイに連結した制御ユニット、ここに、各レーザーダイオードアレイが、最低パワーレーザーダイオードアレイのパワー出力よりも高いパワー出力を有していれば、制御ユニットが、各レーザーダイオードアレイのパワー出力を最低パワーレーザーダイオードアレイのパワー出力に調節する
を含む請求項21に記載のポンピングモジュール。 - 制御ユニットが各レーザーダイオードアレイと電気的に並列に配置された電気負荷を含み、この電気負荷は各レーザーダイオードアレイから電力の一部を取り出すように適合されていることを特徴とする請求項42に記載のポンピングモジュール。
- 制御ユニットがフィードバック回路およびコンピュータ制御システムを含み、この制御ユニットは自動的にパワー調節を行う請求項42に記載のポンピングモジュール。
- レーザーダイオードが均等なパワー出力およびピーク出力波長につき選択されている請求項21に記載のポンピングモジュール。
- 特定のアレイ中のレーザーダイオードが直列で電気接続されている請求項21に記載のポンピングモジュール。
- さらに、
各レーザーダイオードに連結した制御モジュール、
を含み、
ここに、各レーザーダイオードが、最低パワーレーザーダイオードのパワー出力よりも高いパワー出力を有していれば、制御モジュールが、各レーザーダイオードのパワー出力を最低パワーレーザーダイオードのパワー出力に調節することを特徴とする請求項21に記載のポンピングモジュール。 - 制御モジュールが、各レーザーダイオードと電気的に並列に配置された電気負荷を含み、この電気負荷は各レーザーダイオードから電力の一部を取り出すように適合されている請求項47に記載のポンピングモジュール。
- 制御モジュールが、コンピュータ制御システムを含み、このコンピュータ制御ユニットは各レーザーダイオードのパワー出力を自動的に調節することを特徴とする請求項48に記載のポンピングモジュール。
- さらに、
前記平面内に配置され、レーザー結晶ロッドに対して各レーザーダイオードアレイの向かい側に配置された反射エレメント、この反射エレメントは、レーザーダイオードのポンピングに寄与することなく、各レーザーダイオードアレイからレーザー結晶ロッドを通過してきた発光光を、レーザー結晶ロッドに向かって、反射し返す
を含む請求項21に記載のポンピングモジュール。 - 反射エレメントが冷却システムのハウジング上に搭載され、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの熱を除去する冷媒を含有することを特徴とする請求項50に記載のポンピングモジュール。
- 反射エレメントが冷却システムのハウジングと一体成型され、このハウジングはレーザー結晶ロッドの少なくとも一部分の周りに配置され、かつ、レーザー結晶ロッドの熱を除去する冷媒を含有することを特徴とする請求項50に記載のポンピングモジュール。
- 反射エレメントが2個の隣接するレーザーダイオードアレイの間に配置されている請求項50に記載のポンピングモジュール。
- 高パワー高強度固体レーザー増幅システムのプレ増幅ステージの部分であることを特徴とする請求項21に記載のポンピングモジュール。
- 高パワー高強度固体レーザー増幅システムの増幅ステージの部分であることを特徴とする請求項21に記載のポンピングモジュール。
- 前記組が奇数個のレーザーダイオードアレイを含む請求項21に記載のポンピングモジュール。
- レーザーダイオードアレイが、いずれの2個のレーザーダイオードアレイの間に形成される直線もレーザー結晶ロッドの縦軸と交わらないように配置されている請求項21に記載のポンピングモジュール。
- (A)レンズモジュールが負レンズを含み、熱レンズ効果が正熱レンズ効果を含むか、または(B)レンズモジュールが正レンズを含み、熱レンズ効果が負レンズ効果を含むかのいずれかである請求項21に記載のポンピングモジュール。
- ローテーターが偏光を略90°回転させる請求項21に記載のポンピングモジュール。
- 光路に沿って伝播する光を増幅するポンピングモジュールであって、
第1の縦軸を有する第1のレーザー結晶ロッド、この第1の縦軸は光路に沿って配置される;
第1のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第1の組のレーザーダイオードアレイ、第1の組のレーザーダイオードアレイは、第1のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第1のレーザー結晶ロッドの第1の縦軸に対して実質的に直交する第1の平面内に配置され、第1の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第1の組のレーザーダイオードは第1のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;
第2の縦軸を有する第2のレーザー結晶ロッド、この第2の縦軸は光路に沿って配置される;
第2のレーザー結晶ロッド周囲に配置された第2の組のレーザーダイオードアレイ、第2の組のレーザーダイオードアレイは、第2のレーザー結晶ロッド周囲に略均等な間隔をあけて配列され、かつ、第2のレーザー結晶ロッドの第2の縦軸に対して実質的に直交する第2の平面内に配置され、第2の組のレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、第2の組のレーザーダイオードは第2のレーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする光を発光する;
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている;
光路に沿って第1のレーザー結晶ロッドと第2のレーザー結晶ロッドとの間に配置されたローテーター、このローテーターは、第2のレーザー結晶ロッドの熱誘発複屈折効果とともに、第1のレーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折効果をほぼ相殺するように適合されている;および
光路に沿って配置され、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッドの累積複屈折効果をほぼ相殺するように適合されているファラデーローテーター
を含む該ポンピングモジュール。 - 第2の組のレーザーダイオードアレイが、第1の平面における第1の縦軸周りの第1の組のレーザーダイオードアレイの配置に対して、第2の平面における第2の縦軸周りのある回転角にて配置されている請求項60に記載のポンピングモジュール。
- 回転角が、第1のレーザーダイオードアレイの個数か、または第2のレーザーダイオードアレイの個数のいずれかに対して反比例している請求項61に記載のポンピングモジュール。
- 第1の組および第2の組の各々が、同じ奇数個のレーザーダイオードアレイを含み、第2の組が、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッドに対してポンピング均一性が最大になるように、第1の組に対するある位置に向かって第2の縦軸周りに回転されている請求項60に記載のポンピングモジュール。
- 第2の組が、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッド全体に対してポンピング均一性が最大になるように、第1の組に対するある位置に向かって第2の縦軸周りに回転されている請求項60に記載のポンピングモジュール。
- ローテーターが、第1のレーザー結晶ロッドから第2のレーザー結晶ロッドに向かって伝播する光を略90°偏光分だけ回転させるように適合されている請求項60に記載のポンピングモジュール。
- 高パワー高強度四重パス固体レーザー増幅システムの増幅ステージの部分であって、ファラデーローテーターが第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッドの累積複屈折効果をほぼ相殺するように適合されていることを特徴とする請求項60に記載のポンピングモジュール。
- 実質的に均一にレーザー結晶ロッドをポンピングする方法であって、
奇数個のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、これらの奇数個のレーザーダイオードアレイはこのレーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内にある;
レーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に収容し、これらのレーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる;
発光面がレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ;および
レーザーダイオードの発光面からレーザー結晶ロッドに向かって光を発光させる
ステップを含む該方法。 - さらに、
略同一の電気的および光学的特性を有するようにレーザーダイオードを選択するステップを含む請求項67に記載の方法。 - さらに、
特定のレーザーダイオードが最低パワー出力のレーザーダイオードのパワー出力に整合するように、特定のレーザーダイオードのパワー出力を調節するステップを含む請求項67に記載の方法。 - さらに、
略同一の電気的および光学的特性を有するようにレーザーダイオードアレイを選択するステップを含む請求項67に記載の方法。 - さらに、
特定のレーザーダイオードアレイが最低パワー出力のレーザーダイオードアレイのパワー出力に整合するように、特定のレーザーダイオードアレイのパワー出力を調節するステップを含む請求項67に記載の方法。 - 調節するステップが、特定のレーザーダイオードアレイと電気的に並列に電気負荷を配置し、特定のレーザーダイオードアレイのパワー出力が最低パワー出力のレーザーダイオードアレイのパワー出力に整合するように、前記電気負荷を通して特定のレーザーダイオードアレイから充分な電力を取り出すステップを含む請求項71に記載の方法。
- レーザー結晶ロッド中の光を実質的に均一に増幅する方法であって、
奇数個のレーザーダイオードアレイをレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、これらの奇数個のレーザーダイオードアレイはこのレーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内にある;
レーザーダイオードをレーザーダイオードアレイ内に収容し、これらのレーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる;
発光面がレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この発光面の短辺がレーザー結晶ロッドの縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ;
レーザーダイオードの発光面から発光された光でレーザー結晶ロッドをポンピングし;
熱レンズ効果を低減するように適合されたレンズモジュールを通してレーザー結晶ロッドから出射する光を方向付けることによって、レーザー結晶ロッド中の熱レンズ効果を低減させ;および
ファラデーローテーター.を通してレーザー結晶ロッドから出射する光を方向付けることによって、レーザー結晶ロッド内の熱誘発複屈折により生じた不均一を均一化することを特徴とする該方法。 - 光路に沿って伝播する光を実質的に均一に増幅する方法であって、
第1の組のレーザーダイオードアレイを第1のレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、この第1の組は第1のレーザー結晶ロッドの第1の縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、第1の縦軸は光路に沿って配置される;
第2の組のレーザーダイオードアレイを第2のレーザー結晶ロッド周囲に実質的に均等に間隔を開けて配列させ、この第2の組は第2のレーザー結晶ロッドの第2の縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、第2の縦軸は光路に沿って配置される;
レーザーダイオードを第1の組および第2の組のレーザーダイオードアレイ内に収容し、各レーザーダイオードは略矩形の発光面を有し、この略矩形形状は短辺と長辺とで特徴付けられる;
第1の組の中の発光面が第1のレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この第1の組の発光面の短辺が第1のレーザー結晶ロッドの第1の縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ;
第2の組の中の発光面が第2のレーザー結晶ロッドに対面し、かつ、この第2の組の発光面の短辺が第2のレーザー結晶ロッドの第2の縦軸と略同一の方向に延在するように、レーザーダイオードを配向させ;
第1の組のレーザーダイオードの発光面から発光された光で第1のレーザー結晶ロッドをポンピングし;
第2の組のレーザーダイオードの発光面から発光された光で第2のレーザー結晶ロッドをポンピングし;
熱レンズ効果を低減するように適合されたレンズモジュールを通して、光路に沿って伝播する光を方向付けることによって、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッド中の累積熱レンズ効果を低減させ、このレンズモジュールは熱レンズ効果を低減するように適合されている;および
偏光を回転させるファラデーローテーター.を通して、光路に沿って伝播する光を方向付けることによって、第1のレーザー結晶ロッドおよび第2のレーザー結晶ロッド内の熱誘発複屈折の累積効果を均一化することを特徴とする該方法。 - 発振器であって、
パルス化ポンピングを生じるポンピング源;
キャビティーダンパー、ポーラライザー、スペクトルフィルター、Q−スイッチ、モードロッカー、およびポンピング源によりポンピングされる固体レーザー結晶ロッドを含む共振器キャビティー
を含み、
ここに、Q−スイッチはポンプパルスサイクルの最後に共振器キャビティーを開放し、モードロッカーは固体レーザー結晶ロッドのモードを固定して、共振器キャビティー内を循環する短光パルスを生じ、
ここに、スペクトルフィルターは実質的に短光パルスを平滑化し、および
ここに、短光パルスがポーラライザーを通ってから出射するように、ピーク強度にて、キャビティーダンパーが短光パルスの偏光を回転させることを特徴とする該発振器。 - スペクトルフィルターが少なくとも一つのくし型フィルターを含む請求項75に記載の発振器。
- スペクトルフィルターが少なくとも第1のエタロンおよび第2のエタロンを含む請求項75に記載の発振器。
- 第1のエタロンが約10mmエタロンを含む請求項77に記載の発振器。
- 第1のエタロンが約15mmエタロンを含む請求項77に記載の発振器。
- 第1のエタロンおよび第2のエタロンが、短光パルス中の時間変調(temporal modulations)を実質的に除去することによって、短光パルスを平滑化する請求項78に記載の発振器。
- ポーラライザーを通って共振器キャビティーから出射する短光パルスがレーザー増幅器システムに対する入力ビームである請求項75に記載の発振器。
- ポーラライザーを通って共振器キャビティーから出射する短光パルスが、約1000Hz反復周波数までは、パルスあたり約1mJないし約2mJを含む請求項75に記載のマスター発振器。
- 同じドーパント濃度プロファイルおよび実質的組成均一性を有するレーザー結晶ロッドの製造方法であって、
ドーパントを含むメルトから結晶ブールを成長させ、
前記結晶ブールを横スライスし;および
横スライスの中心を切り出す
ステップを含む該製造方法。 - 請求項83に記載の製造方法により製造されたレーザー結晶ロッド。
- 光路を伝播する高出力高強度レーザー光を増幅するシステムであって、
キャビティー内スペクトルフィルターを用いて時間的に平滑化されている(temporally smoothed)短光パルスを発生するように構成され、これらの短光パルスは特定の線形偏光を有するマスター発振器;
第1の増幅ステージであって、
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第1の偏光ビームスプリッター;
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第2の偏光ビームスプリッター;
第1の偏光ビームスプリッターと第2の偏光ビームスプリッターとの間に配置された指向性偏光ローテーター、この指向性偏光ローテーターは、第1の偏光ビームスプリッターから第2の偏光ビームスプリッターに伝播する光を通過させ、第2の偏光ビームスプリッターから第1の偏光ビームスプリッターに伝播する光の偏光を略90°回転させるように構成されている;
ポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置されている;
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザー結晶ロッド周囲に略均等に間隔を開けて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドをポンピングする光を発光する;
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている;および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折をほぼ均一化するように適合されている;
を含むポンピングモジュール;
2つのパスにわたって光の偏光を略90°回転させるファラデーローテーターを含む非指向性偏光ローテーター;
第1のリフレクター;および
第2のリフレクター
を含む第1の増幅ステージ
を含み、
ここに、マスター発振器からの短光パルスは第1の増幅ステージに向けられ、
ここに、短光パルスは、偏光変化することなく、第1の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第2の偏光ビームスプリッターを通過し、
ここに、第2の偏光ビームスプリッター、第1のリフレクター、第2のリフレクターおよび非指向性偏光ローテーターは、短パルスがポンピングモジュールによって4回反射され増幅されるように、ポンピングモジュールに対して位置付けられ;
ここに、第1のリフレクターおよび第2のリフレクターは、ポンピングモジュールを通過する各パス上の短光パルスを転換することによって、ポンピングモジュールに存在する不均一を均一化し、および
ここに、第2の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第1の偏光ビームスプリッターは、ポンピングモジュールを通って少なくとも2回増幅されている短光パルスが第2の偏光ビームスプリッターおよび指向性偏光ローテーターを通過し、かつ、第1の偏光ビームスプリッターによって第1の増幅ステージから反射され、指向性偏光ローテーターは増幅された短光パルスの偏光を略90°回転させることを特徴とする該システム。 - 第1のリフレクターおよび第2のリフレクターが効率的な熱散逸物質である請求項85に記載のシステム。
- 第1のリフレクターおよび第2のリフレクターのうちの少なくとも一つがサファイア物質を含む請求項85に記載のシステム。
- 第1のリフレクターおよび第2のリフレクターのうちの少なくとも一つがダイア材料を含む請求項85に記載のシステム。
- 第1のリフレクターおよび第2のリフレクターのうちの少なくとも一つがポロプリズムを含む請求項86に記載のシステム。
- 第1の偏光ビームスプリッターおよび第2の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、その上に偏光性コーティングが塗布されたハウジングを含む請求項85に記載のシステム。
- 第1の偏光ビームスプリッターおよび第2の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、内部偏光性コーティング層を有するハウジングを含む請求項85に記載のシステム。
- 第1の偏光ビームスプリッターおよび第2の偏光ビームスプリッターのうちの少なくとも一つが、実質的な空気−コーティング界面(を有さない偏光性コーティング層を有するハウジングを含む請求項85に記載のシステム。
- 第1の偏光ビームスプリッターによって第1の増幅ステージから反射された短光パルスをマイクロ機械加工に用いる請求項85に記載のシステム。
- 第1の偏光ビームスプリッターによって第1の増幅ステージから反射された短光パルスを切断または穿孔に用いる請求項85に記載のシステム。
- さらに、
第1の増幅ステージに連結した第2の増幅ステージ、第2の増幅ステージは、第1の増幅ステージの第1の偏光ビームスプリッターによって第1の増幅ステージから反射された短光パルスを受容し、増幅する
を含む請求項85に記載のシステム。 - 第2の増幅ステージによって増幅される短光パルスを切断または穿孔に用いる請求項95に記載のシステム。
- 第2の増幅ステージが実質的に第1の増幅ステージと同一である請求項95に記載のシステム。
- 第2の増幅ステージが第1の増幅ステージと同様に構成され、少なくとも一つの第2の増幅ステージが複数のレーザー結晶ロッドおよび複数組のレーザーダイオードアレイを含む請求項95に記載のシステム。
- レーザーダイオードアレイの各組が光路に対して実質的に直交する平面内に配置され、各組はそれぞれの隣接する組に対してある回転角にて配置されている請求項98に記載のシステム。
- サブミクロンリソグラフィーシステムであって、
キャビティー内スペクトルフィルターを用いて時間的に平滑化されている(temporally smoothed)短光パルスを発生するように構成され、これらの短光パルスは特定の線形偏光を有するマスター発振器;
第1の増幅ステージであって、
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第1の偏光ビームスプリッター;
特定の線形偏光に対して平行な偏光成分を通過させ、特定の線形偏光に対して実質的に直交する偏光成分を反射させるように構成された第2の偏光ビームスプリッター;
第1の偏光ビームスプリッターと第2の偏光ビームスプリッターとの間に配置された指向性偏光ローテーター、この指向性偏光ローテーターは、第1の偏光ビームスプリッターから第2の偏光ビームスプリッターに伝播する光を通過させ、第2の偏光ビームスプリッターから第1の偏光ビームスプリッターに伝播する光の偏光を略90°回転させるように構成されている;
ポンピングモジュールであって、
縦軸を有するレーザー結晶ロッド、この縦軸は光路に沿って配置されている;
レーザー結晶ロッド周囲に配置された一組のレーザーダイオードアレイ、これらのレーザーダイオードアレイはレーザー結晶ロッド周囲に略均等に間隔を開けて配列され、かつ、レーザー結晶ロッドの縦軸に対して実質的に直交する平面内に配置され、これらのレーザーダイオードアレイはレーザーダイオードを含み、これらのレーザーダイオードはレーザー結晶ロッドをポンピングする光を発光する;
光路に沿って配置されたレンズモジュール、このレンズモジュールは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱レンズ効果をほぼ打ち消すように適合されている;および
光路に沿って配置されたローテーター、このローテーターは、レーザー結晶ロッドをポンピングする間に、レーザー結晶ロッドに存在する熱誘発複屈折をほぼ均一化するように適合されている;
を含むポンピングモジュール;
2つのパスにわたって光の偏光を略90°回転させるファラデーローテーターを含む非指向性偏光ローテーター;
第1のリフレクター;および
第2のリフレクター
を含む第1の増幅ステージを含み、
ここに、マスター発振器からの短光パルスは第1の増幅ステージに向けられ、
ここに、短光パルスは、偏光変化することなく、第1の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第2の偏光ビームスプリッターを通過し、
ここに、第2の偏光ビームスプリッター、第1のリフレクター、第2のリフレクターおよび非指向性偏光ローテーターは、短パルスがポンピングモジュールによって4回反射され増幅されるように、ポンピングモジュールに対して位置付けられ;
ここに、第1のリフレクターおよび第2のリフレクターは、ポンピングモジュールを通過する各パス上の短光パルスを転換することによって、ポンピングモジュールに存在する不均一を均一化し、
ここに、第2の偏光ビームスプリッター、指向性偏光ローテーターおよび第1の偏光ビームスプリッターは、ポンピングモジュールを通って少なくとも2回増幅されている短光パルスが第2の偏光ビームスプリッターおよび指向性偏光ローテーターを通過し、かつ、第1の偏光ビームスプリッターによって第1の増幅ステージから反射され、指向性偏光ローテーターは増幅された短光パルスの偏光を略90°回転させ、
ここに、第1の増幅ステージの出力光が、第2の増幅ステージの中で出力光が分離される一組の第2の増幅ステージを含む特定のモジュールに入射し、
ここに、各第2の増幅ステージが出力光の部分を増幅し、
ここに、放射線発生器が、標的物質上の特定のモジュールによる少なくとも一つの光出力を集光し、軟X線または超紫外線を発生するプラズマを生成し、および
ここに、コリメーターが、軟X線または超紫外線の少なくとも一部を平行にするように適合されていることを特徴とする該サブミクロンリソグラフィーシステム。 - さらに、
ステッパー;
を含み、
ここに、コリメーターが、ステッパーに対して軟X線または超紫外線の少なくとも一部をコリメートするように適合されている請求項100に記載のサブミクロンリソグラフィーシステム。 - 特定のモジュールが、第1の増幅ステージの出力光の部分が第2の増幅ステージによって増幅された後、ハーモニック発生器が第2の増幅ステージによる光出力からハーモニック光を発生するように、第2の増幅ステージの各々に連結されたハーモニック発生器を含む請求項100に記載のシステム。
- 放射線発生器が、標的物質上の特定のモジュールによる少なくとも一つのハーモニック光出力を集光し、軟X線または超紫外線を発生するプラズマを生成する請求項102に記載のシステム。
- 第2の増幅ステージが第1の増幅ステージと実質的に同一である請求項100に記載のシステム。
- 第2の増幅ステージが第1の増幅ステージと同様に構成され、少なくとも一つの第2の増幅ステージが複数のレーザー結晶ロッドおよび複数組のレーザーダイオードアレイを含む請求項100に記載のシステム。
- レーザー結晶ロッドを実質的に均一にポンピングする方法であって、
1個以上のレーザーダイオードアレイを介して、入力ビームなしで、レーザー結晶ロッドをポンピングし;
可視ディスプレイ上で、レーザー結晶ロッドの縦軸から発光された光出力を観察し;
観察した光出力に基づき、前記1個以上のレーザーダイオードアレイの向きを調節し;および
観察した光出力に基づき、個々のレーザーダイオードアレイによって受容されたパワーを調節するステップを含む該方法。 - さらに、
個々のレーザーダイオードアレイの観察光を分析するステップを含む請求項106に記載の方法。
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