JP2011515869A - 高効率利得媒質を有するレーザ - Google Patents

高効率利得媒質を有するレーザ Download PDF

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Abstract

マイクロマシニング、集積回路のビア穴あけ及び紫外線(UV)変換等の用途には、高パワーのダイオード励起固体(DPSS)パルスレーザが好ましい。Nd:YVO(バナデート)レーザは、広い帯域幅の励起波長に亘って高いエネルギ吸収係数を有するので、高パワー用途のための良い候補である。しかしながら、バナデートは、硬く、熱応力が加わると破損しやすいという点で、熱力学的性質が劣っている。レーザパラメータを最適化し、励起波長及び利得媒質(240)のドーピング濃度を選択して、吸収係数を2cm−1未満、例えば、約910nmと約920nmとの間の励起波長(241)に制御することによって、ドーピングされたバナデートレーザ(237、240)は、熱レンジングを40%低減しながら、結晶マテリアルを破砕することなく、最大100Wの出力パワー(236)を生成するように改善できる。
【選択図】 図15

Description

本発明は、高パワー用途で用いられる固体レーザデバイスに関する。
レーザは、外部のエネルギ源のエネルギを特定の波長及び方向の光波に集中させ、これにより得られる光波が空間的及び時間的に整列され、又は同相になるようにすることによって光を増幅する。レーザ媒質は、気体、液体、又は結晶等の固体物質であってもよい。結晶レーザ媒質に他の物質の原子をドーピングして、レーザ媒質の特性を変更してもよい。
当業者に周知のとおり、レーザの基本的な動作原理は、以下のように理解されている。レーザ媒質にエネルギを与えると、レーザ媒質を構成する原子内の電子が、一次的により高い原子エネルギ準位に高められ、このプロセスは、励起吸収と呼ばれる。高エネルギ電子が低いエネルギ状態に戻ると、原子は、2つのエネルギ準位の間の差によって決まる波長で発光する。このプロセスは、誘導放出又は自然放出と呼ばれ、放出プロセスの間に出射される可視光は、蛍光と呼ばれる。特定の波長における増幅を達成するためには、誘導放出イベントの数が誘導吸収イベントの数を超える必要があり、この状態は、反転分布と呼ばれ、反転分布では、下位のエネルギ準位より上位のエネルギ準位に、より多くの電子を維持する必要がある。この反転分布は、例えば、電流又は他のレーザビーム等の外部のエネルギ源によって、レーザを「励起(ポンピング)」することによって達成される。光を反射する内表面を有するボックス又は空洞内にレーザ媒質(lasing medium)を収納することによって、誘導放出によって生成された光波は、空洞内で共振し、互いに強め合い、コヒーレントなコリメートされたビームを形成する。このようにして生成されたコヒーレントなレーザビームの一部は、空洞の一端から出射される。連続するビームを周期的に中断することによって、パルスレーザビームを生成することもできる。典型的なパルス繰返し周波数は、1秒あたり10万パルス、すなわち、100kHzを超える。
レーザ励起効率は、失われる励起エネルギのパーセンテージとして定義される「量子欠損」レベルによって表現される。過剰なエネルギは、レーザ媒質内に熱として存在する。量子欠損パーセントは、以下のように表される。
q=(1−ω/ω)*100
ここで、ωは、レーザエネルギの遷移に関連する周波数であり、ωは、励起光周波数である。量子欠損は、低い方が望ましい。強い光源によって励起されるレーザ物質の場合、励起状態吸収(excited state absorption:ESA)がポンプ効率を低下させる。係数γ=[1+(δv/Δv)−1は、放出線と吸収線との間の重複を測定するために使用され、ここで、δvは、放出遷移と吸収遷移との間の周波数の差であり、Δvは、励起ダイオードスペクトルの半値全幅である。γの小さい値は、ESA遷移の確率が低く、ESAに関して励起スキームの効率が高いことに対応する。
マイクロマシニング、集積回路のビア穴あけ及び紫外線(UV)変換等の用途には、数十ワットのパワーレベルを有する高パワーのダイオード励起固体(diode-pumped solid state:DPSS)パルスレーザが好ましい。Nd3+がドープされたバナジン酸(VO)結晶から構成されるネオジム:イットリウムバナデート(Nd:YVO)及びネオジム:ガドリニウムバナデート(Nd:GdVO)レーザは、広い帯域幅の励起波長に亘って高いエネルギ吸収係数を有するので、高パワー用途のための良い候補である。しかしながら、バナデートは、硬く、熱応力が加わると破損しやすいという点で、他の結晶候補(例えば、ネオジム:イットリウム・アルミニウム・ガーネット、すなわちNd:YAG)に比べて熱力学的性質が劣っている。バナデートは、53MPaの圧力下で破損するが、従来のレーザで用いられているNd:YAG結晶は、138MPaもの高い圧力に耐えることができる。したがって、Nd:YAGは、これに対応して、バナデートより大きい最大励起パワーを許容する。
一般的に、レーザ媒質によって吸収されるパワーは、P=P(1−e−αL)に基づいて、入射点から指数関数的に減少する。ここで、Pは、印加される励起パワーであり、αは、吸収係数であり、Lは、結晶ロッドの長さである。励起パワーが結晶格子の1つの軸に沿って優先的に吸収される場合、その軸の方向の吸収係数がより大きくなる。高パワー励起は、急な温度勾配及び関連する引張応力を発生させ、これが、非対称の「熱レンジング」効果又は結晶破砕を引き起こすことがあり、これらは、非対称の吸収の際に、特に深刻となる。対称的な吸収係数は、あらゆる方向に励起エネルギが等しく吸収されることを示し、利得媒質に沿って熱を消費でき、これによって、結晶内の過度な熱応力を低減させることができる。Nd:YVO結晶単位セルの生来的な構造では、光軸に沿う寸法c=6.2Åが光軸に垂直な同等な寸法a=b=7.1Åとは異なり、この結果、非対称の吸収が生じる。
熱レンジングは、過剰なエネルギ吸収からの熱が物質の温度を高め、レーザ結晶の屈折率を歪める、高パワー固体レーザにおける一般的に好ましくない現象に関係する。この歪みは有効な「レンズ」を形成し、ここで、焦点長は、吸収された励起パワーに反比例して変化する。過度の熱レンジングは、ビーム歪み及びレーザ変換効率の低下のために、固体レーザ性能にとって有害である。(例えば、量子欠陥レベルを低減することによる)レーザ物質の熱レンジングの適切な制御は、高パワーレーザ工学の分野では、重要な課題である。
熱レンジング等の複雑さのために、これまで、TEM00モードのバナデートDPSSレーザのパワー出力は、30W未満に制限されていた。熱レンジング及び熱破砕によって生じる制約は、「Peng, Xiaoyuan; Xu, Lei; and Asundi, Anand; Power Scaling of Diode-Pumped Nd:YVO4 Lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 38, No. 9, 1291-99, September 2002」に開示されている。
不均一な吸収、熱レンジング及び蛍光寿命に影響を及ぼす要因は、レーザ結晶のドーピング濃度及び物理的な寸法、並びに励起波長及び偏光を含む。バナデート結晶で用いられる典型的な励起波長は、808nmであり、典型的なドーピング濃度は、0.2at%〜0.5at%である。ここで、現在の製造プロセスが提供する制御の精度では、0.1at%未満の値は、達成が困難である。典型的な結晶ロッド長は、7mm〜15mmの範囲である。
バナデート結晶は、励起エネルギ吸収、したがって、レーザ利得が偏光に依存する異方性材料であり、幾つかの偏光波を他の偏光波より吸収しやすい。したがって、温度変動(熱効果)に応じた励起レーザビームの偏光状態の変化又は偏光方向のランダムなシフトによって、吸収が更に不均一になることがある。この効果を制御するために励起レーザビームをある方向に偏光し、又は偏光解消(de-polarized)することが有益であることがある。
Dudley他(CLEO 2002 Proceedings)は、伝統的な808nm波長ではなく、レーザ遷移の上位のエネルギ準位への直接的な880nmにおける励起によって、熱レンズ効果が40%低減されたことを報告している。吸収係数の方向成分は、3倍異なったままであるので、この熱レンズ効果の低減は、吸収の対称性の改善からではなく、量子欠陥レベルの24%から17%までの減少の結果であると考えられる。しかしながら、4nmの帯域幅を提供する市販の製品に比べて、880nmでの励起が供給する吸収帯域幅は、2.5nmのみである。
「McDonagh et al., Optics Letters, vol. 31, No. 22, Nov.15, 2006 」は、0.5at%でNd3+がドーピングされ、888nmで励起された高パワーNd:YVOレーザの結果を公表している。図1を参照して説明すると、Nd:YVOの発振波長は、通常、914.5nm、1064nm及び1342nmを含む。A.Schlatter他による「Optics Letters, vol. 30, No. 1, Jan.1, 2005」に開示されているように、914.5nmにおける放出のためにNd:YVOを動作させる場合、ネオジムイオンは、疑似三準位系(quasi-three-level system)として振る舞う。低いレーザエネルギ準位Z5は、基底状態より433cm−1高いだけであり、この条件では、室温で5%の高い低エネルギ状態分布が生じる。したがって、Schlatterは、433cm−1の状態における高い分布によって生じる高い閾値を克服するには、非常に明るい励起光源が必要であり、Nd:YVOを914.5nmで発振させることは困難であると結論づけている。
図2、図3、図4及び図5は、バナデート結晶の幾つかの制約を示している。第一の制約は、結晶を破砕せずに結晶に供給できる限界の励起エネルギの量である最大励起パワーである。図2は、3mm×3mm×5mmのドーピングされたバナデート結晶について、0.4mmの励起ビーム半径を用いた場合の、計算された最大励起パワーレベル100と測定された最大励起パワーレベル102とを比較するプロットである。破砕によって制限される励起パワーの結晶特性への依存性は、よく知られている。この場合、結晶寸法、励起ビーム半径、励起波長及びレーザ活性イオンドーピング濃度がレーザデバイスのパワー動作範囲を決定する。図2では、様々なドーピング濃度について、計算された結果を、バナデート結晶が実際に破砕された励起パワーを示す3つの実験データ点104と比較している。図2に示す曲線を予測するために用いられた計算は、フーリエの熱伝導方程式を解くことによってドーピングされた結晶の励起の熱効果をシミュレートする3次元有限要素モデルである。図2は、破砕を防止するには、低いドーピング濃度が望ましく、37Wの最大励起パワーを許容する0.3at%のドーピング濃度106が最適であることを示している。図3は、図2の最大値の直下の30Wの励起パワーを適用した場合、0.5%のドーピング濃度のバナデートレーザを励起することによって予測される出力パワー108は、9Wで最適化されることを示している。図2及び図3における結果は、従来の808nmの励起波長でダイオードレーザポンプを用いて得られている。
図4及び図5は、レーザ利得媒質として機能する15mmのバナデート結晶ロッドの長さに沿った励起パワーの空間的分布を示している。実線の曲線110及び点線の曲線112は、ロッド(a軸カット)の長さに沿った様々な点における、結晶ロッドのa軸方向の偏光について吸収された平均パワー及びc軸方向の偏光について吸収された平均パワーをそれぞれトレースしている。理想的な結晶ロッドは、実線の曲線及び点線の曲線の両方が平坦な線であり、ロッドの全長に亘って一致する対称的なパワー吸収を示す。バナデート結晶ロッドは、非対称のパワー吸収を示し、平均的に、c軸方向の偏光についてより多くのパワーが吸収される。更に、励起パワーがレーザ利得媒質の端部に適用されると、端部の近傍により多くのパワーが吸収され、中央に到達するパワーは少なくなり、「端部の膨らみ(end-bulging)」120と呼ばれる状態になる。これは、c軸及びa軸の両方に起こるが、c方向では、極端な端部の膨らみ122が生じる。端部の膨らみ124及び非対称性126は、何れも、ドーピングレベルが0.3at%(図5)から0.5at%(図4)に高められると低減される。レーザ結晶の断面上の総合的な温度勾配は、a軸方向よりc軸方向の方が大きい。
動作パラメータを最適化することによって、イオンドープバナデートレーザは、熱レンジングを40%低減しながら、結晶破砕なしで、例えば、1064nmで、TEM00モードにおいて100W又はこれ以上の出力パワーを生成するように改善できる。a吸収係数及びc吸収係数として表される直交する結晶格子軸に沿ったエネルギ吸収の度合いは、励起波長を914.5nmに設定することによって対称的にすることができ、この対称性は、広い範囲のドーピング濃度に亘って維持されることが決定された。既に発見されている880nm及び888nmにおける熱レンジングの40%の低減は、914.5nmでも引き継がれるが、914.5nmでは、量子欠陥レベルが減少する。以下の表は、異なる励起波長における1064nmネオジムレーザの量子欠陥レベルを比較している。
Figure 2011515869
更に、914.5nm及び888nm波長で励起されるγの値は、伝統的な808nm励起に比べて、遙かに小さい。したがって、高い量子効率及び低減されたESA遷移確率のために、変換効率が向上する。以下の表は、Alexander A. Kaminskiiによる「Laser Crystals」からの分光データに基づいて、3nmの線幅について算出されたγの値を示している。
Figure 2011515869
同時に、より高い励起パワー及びより少ない熱レンジングを実現でき、4nmの励起帯域幅を確保しながら、1MHzまでの高いパルス繰返し周波数(pulse repetition frequency:PRF)が可能になる。バナデート結晶ドーピング濃度を0.5at%未満から2.0at%に高め、及びより長い結晶ロッドを用いることにより、励起パワー吸収及び利得が向上する。一般的に、914.5nm及び888nmの励起波長の励起パワーは、高い吸収係数を有するより短い結晶ロッドにおける808nm及び880nmの励起波長の励起パワーより低い吸収係数で、長い(例えば、60mmの)結晶ロッドの長さ方向に沿って、より均等に吸収される。808nmで励起されるバナデートの蛍光寿命は、ドーピング濃度の増加に伴って、線形に減衰し、1.0at%−2.0at%のドーピングレベルで、50μs−100μsになる。
本発明の更なる側面及び利点は、添付の図面を参照して進める好ましい実施の形態の以下の詳細な記述から明らかになる。
従来のNd:YVO結晶レーザの理論上のエネルギ状態図である。 808nmで励起される従来のレーザのドーピング濃度に対する最大励起パワーの依存性を示すグラフ図である。 808nmで励起される従来のレーザについて、ドーピング濃度の関数として出力パワーを示し、最適値が0.5at%のドーピング濃度で達成されることを示すグラフ図である。 ドーピング濃度が0.5at%の従来の15mmバナデートレーザ結晶における、2つの直交する結晶格子軸a及びcに沿ったパワー吸収のグラフ図である。 ドーピング濃度が0.3at%の従来の15mmバナデートレーザ結晶における、2つの直交する結晶格子軸a及びcに沿ったパワー吸収のグラフ図である。 パーキンエルマーラムダ900分光光度計で測定された、ドーピング濃度が0.3at%のNd:YVO結晶の吸収スペクトルのグラフである。 パーキンエルマーラムダ900分光光度計で測定された、ドーピング濃度が0.3at%の代替となるNd:GdVO結晶の吸収スペクトルのグラフである。 測定されたデータから導出された、ドーピング濃度が1at%のNd:YVO結晶の2つの直交する結晶格子軸a及びcに沿った実効吸収係数を、励起波長の関数として示すグラフ図である。 測定されたデータから導出された、ドーピング濃度が0.3at%の代替となる好ましいNd:GdVO結晶の2つの直交する結晶格子軸a及びcに沿った実効吸収係数を、励起波長の関数として示すグラフ図である。 図8のグラフ図の実効吸収係数を、885nm及び920nmの間の範囲の波長について、目盛を拡大して示す図である。 図9のグラフ図の実効吸収係数を、885nm及び920nmの間の範囲の波長について、目盛を拡大して示す図である。 図8のグラフの実効吸収係数を、800nm及び920nmの間の励起波長について、目盛を縮小して示す拡張図である。 914.5nm励起Nd:YVO結晶の吸収係数の線形関係を、ドーピング密度の関数として示すプロット図である。 ドーピング濃度が1at%のNd:YVO結晶における914.5nmの光吸収の理論上の温度依存性と測定された温度依存性とを比較するプロット図である。 914.5nmで励起されるNd:YVOレーザパワー増幅器のブロック図である。 全反射を示すように設計された好適な長さ60mmのバナデート結晶ロッドの概要図である。 図16の結晶ロッドの長さに沿ってビームが伝播される際の励起ビーム半径の変化を示すプロット図である。−7mmの結晶ロッド位置における最小半径は、図16に示すビームのネックに対応する。 914.5nm、3Wダイオードで励起されたNd:YVO結晶のc結晶格子軸及びa結晶格子軸に沿ったシード偏光について、パワー利得をシードパワーの関数として示すプロット図である。 914.5nm、2.5Wダイオードで励起されたNd:YVO結晶のc結晶格子軸及びa結晶格子軸に沿ったシード偏光について、パワー利得をシードパワーの関数として示すプロット図である。 808nm励起におけるドーピング濃度に対する蛍光寿命の逆線形依存性を示すグラフである。 914.5nm励起を用いた増幅の前のレーザパルスを時間の関数として示すオシロスコープの軌跡を示す図である。 914.5nm励起を用いた増幅の後のレーザパルスを時間の関数として示すオシロスコープの軌跡を示す図である。 図21A及び図21Bに示す実験結果を比較して示す、増幅の前後の理論上の時間的パルスのグラフ図である。 4つの異なる励起波長について、図15のパワー増幅器の理論上のパワー増加を、励起パワーの関数として示す一群の曲線を示す図である。
図6〜図12は、様々な波長におけるバナデート結晶の励起に関連する側面を示している。各図面における2つの吸収曲線間の有意の差は、非対称の吸収を示しており、すなわち、a軸方向に比べて、c軸方向に偏光された励起光の方が、より多くのエネルギが吸収されることを示している。図12に示す広い励起波長スペクトル(800nm〜920nm)は、約880nmより上で(すなわち、888nm、914.5nmで)、吸収の対称性が劇的に向上することを示している。全吸収は、5%未満であるが、888nm及び914.5nmの波長において、直交するa結晶格子軸及びc結晶格子軸のそれぞれのスペクトルプロファイル219a、219c及びスペクトルプロファイル220a、220cは、略々一致する。
914.5nmで励起されたNd:YVO結晶及びNd:GdVO結晶の2つの実施の形態の吸収スペクトルは、2つの異なる測定法の結果を表している。図6及び図7を参照して説明すると、第1の手法は、吸収スペクトルの直接測定である。図6のデータは、0.3at%でドーピングされたNd:YVO結晶を表し、図7のデータは、0.3at%でドーピングされたNd:GdVO結晶を表しており、それぞれ、870nm〜930nmの波長範囲に亘って、パーキンエルマーラムダ900分光光度計(Perkin Elmer Lambda 900 spectrometer)で測定されている。特に図7に示すように、c軸の曲線とa軸の曲線との間の吸収の不一致206は、波長が高くなるにつれて減少し、914.5nmでは、2つの曲線が重なり、これは、914.5nmにおける吸収が軸方向に対称的であることを示している。この軸方向の吸収の対称性は、914.5nmにおける励起の重要な利点を表している。
吸収スペクトルを判定する第2の方法は、レーザダイオードの温度の変更を伴い、温度の変更は、発振波長を移動させる。一旦、発振波長が既知になると、出力及び入力パワーレベルを測定して、実効吸収係数を判定してもよく、これを図8〜図12に示す。この方法を用いて得られる実効吸収スペクトルは、Nd:GdVO及びNd:YVOが、880nmにおいて、対応する強いスペクトルプロファイルピーク208a、208c、218a、218cを示し、888nmにおいて、比較的弱いスペクトルプロファイルピーク209a、209c、219a、219cを示し、914.5nmにおいて、比較的弱いスペクトルプロファイルピーク210a、210c、220a、220cを示すことを示している。図10及び図11の目盛が拡大されたプロットに示す0〜2cm−1の範囲の吸収係数は、それぞれ、ドーピング濃度が0.3at%及び1at%のNd:GdVO及びNd:YVOについて、888nmにおける顕著な局所的スペクトルプロフィルピーク209a、209c、219a、219c、及び914.5nmにおける顕著な局所的スペクトルプロフィルピーク210a、210c、220a、220cの拡大されたバージョンを示している。
図12は、関心がある励起波長の全体である800nmから920nmまでの範囲をカバーする実効吸収係数のより完全なスペクトルを示している。バナデートでは、スペクトルプロファイルの最も強いピーク214a、214cは、808nmで生じるが、吸収係数214aと吸収係数214cとの間の不一致216によって示すように、吸収は、非常に非対称であり、したがって、高パワー用途のためには、ドーピング濃度をかなり低くする必要がある。880nmの励起波長においても同様な処置が必要である。一方、914.5nmにおける吸収係数の最大値は、888nmにおける最大値の半分だけであるが、888nm及び914.5nmにおいては、それぞれa結晶格子軸及びc結晶格子軸に沿った吸収係数218a、220a及び吸収係数218c、220cは、かなりよく一致する。最高の励起波長の対称性によって、ネオジムイオンがドーピングされたバナデート結晶は、ドーピング濃度をより高めることができる。図13は、914.5nmにおいて測定された吸収係数をドーピング濃度の関数として表す近似的な直線223を示しており、ここで、ドーピング濃度の範囲は、0.8at%から2.0at%であり、1.0cm−1の最大の係数226は、2.0at%のドーピング濃度において生じている。
914.5nmでは、量子欠陥レベルが低いため、熱効果は、914.5nm励起によって最小化される。この結果、レーザ結晶で生成される熱は少なくなり、熱レンジング及び引張応力を低減できる。更に、パワー吸収は、等方性であるので、及び914.5nmの光子の比較的低い吸収によって、励起光は、レーザ結晶内でより遠くに伝播できるので、エネルギは、全体のレーザロッドに沿って、より均等に分布され、この結果、下側の波長で励起されたバナデート結晶のケースと同様に、熱応力の原因となる温度勾配が小さくなる。したがって、バナデート結晶は、914.5nmで励起されると、加熱の許容度が高くなる。この結果、バナデート結晶は、最大100Wまでのより高い励起パワーで励起でき、これは、808nmについて図2に示すように、808nm及び880nmの励起では、実現が殆ど不可能である。
バナデートが880nm及び888nmにおいてエネルギを吸収しやすい1つの理由は、図1に示すように、状態Z5に比べて、状態Z1及び状態Z2(230)に、励起エネルギを吸収して、より高い励起されたエネルギ状態3/2に飛ぶことができるより多くの原子が存在しているためである。室温での平衡における基底状態(Z1)、2番目の低エネルギ状態(Z2、108cm−1)、最高の低エネルギ状態(Z5、433cm−1)の原子密度(atomic population)は、それぞれ40%、24%、5%である。一般的に、エネルギ状態における密度は、ボルツマンの法則に従って、温度によって変化する。すなわち、原子の集合が熱平衡状態Tにある場合、何れかの2つのエネルギ準位E1及びE2における原子密度(N1及びN2)の比は、以下のように表される。
Figure 2011515869
ここで、kは、ボルツマン定数である。室温(24℃)から100℃に温度が上昇すると、励起状態の原子の数の指数関数的な減少が顕著ではなくなり、したがって、より多くの原子が、より高いエネルギ状態に残る。例えば、エネルギ準位Z5における原子密度は、5%から6.7%に増加し、吸収係数も同等に増加する。図14に示すように、理論的な計算の結果は、実験結果に良好に一致する。50℃から170℃へのより高い温度において測定された光透過の減少232は、結晶の温度の上昇に伴い、結晶によって、より多くの光が吸収されたことを示している。したがって、914.5nmで励起されるバナデート結晶は、総合的な励起パワー吸収が向上するので、温度上昇により実質的に利益を得る。
端面励起構成(end-pumping configuration)の場合、励起エネルギは、レーザ媒質の中心領域に集中して、レーザモードに重なる。端面励起エネルギは、大きく発散し、したがって、レーザ媒質の長さに沿って導波路効果を効率的に生成するためには、励起レーザビームスポットと、レーザ媒質の断面積とは、密接に一致していることが好ましい。導波路の外の高次モードは、利得を有さないので、導波路効果は、ビーム品質及び効率を向上させる。再び図1のエネルギ準位図を参照して説明すると、上位のエネルギ準位R1から下位のエネルギ準位Y1への誘導放出234が生じた後に、状態Y1の原子は、多フォノン緩和(multi-phonon relaxation)によって、最も近い下位レベルZ5に減衰する。このようにして、レーザ動作の間、レベルZ5の原子密度は、熱平衡状態値を超えて劇的に増加し、この結果、再び、914.5nmにおける吸収を増加させる。
図15は、914.5nmで光学的に励起され、1064nmにおける高パワー、高効率のレーザデバイスを実現するNd:YVOパワー増幅器236を示している。パワー増幅器236は、1064nmのエネルギのビーム238を放出するシードレーザ237を含み、ビーム238は、Nd:YVO結晶240を通って伝播する。Nd:YVO結晶240は、2.0at%でドーピングされたバナデート結晶のa軸カット、長さ20mm、直径3mmの八角形のロッドである。レーザモードサイズは、直径約600μmである。ファイバ結合ダイオードアレイ241は、914.5nmの光を放出し、この光は、集光レンズ242及びダイクロイックミラー243を通って伝播し、Nd:YVO結晶240を光学的に励起する。ファイバ結合ダイオードアレイ241は、例えば、JDS Uniphase社から入手可能な、5Wにおいて4nmの半値全幅(full-width, half-maximum:FWHM)帯域幅を有するファイバ結合シングルエミッタのアレイである。JDS Uniphaseレーザのファイバコア直径は、100μmであり、開口数は、0.22である。
図16を参照して説明すると、914.5nmにおける吸収係数は、かなり低いので、典型的な単結晶長(40mm〜60mm)のバナデート結晶ロッド244が好ましく、又はバナデート結晶の複数のセグメントから長い利得媒質(40mm〜100mm)を形成する。更に、バナデート結晶ロッド244の中心における励起モードと発振モードとの間の重なりは、ファイバ結合レーザダイオード出力放出の大きい広がり角によって脅かされる。図16は、全反射(total internal reflection:TIR)を有する長いバナデート結晶ロッド構造244を示しており、これは、励起パワーの損失を低減するように設計されているとともに、円形のロッドの直径をレーザモードサイズ(1mm〜3mm)に整合させることができる。現在、端面及びバレルが光学的に研磨された直径3mm×長さ60mmのこのような結晶ロッド構造は、イスラエルのYehudのRaicol Crystal, Inc.社から入手可能であるである。2mmの直径の励起ビームスポットサイズによる914.5nmでの励起は、数100ワットまでの高い励起パワーを提供できる。
図17は、励起ビームの半径を、励起ビーム軸に沿った距離の関数として表す曲線245を示しており、説明した実施の形態について、最小の500μmのポンプビームスポット径246を示している。
バナデート結晶の断面は、円形、正方形又は多角形、例えば、四角形、六角形又は八角形であってもよい。断面が八角形のロッドの形式のNd:YVO結晶240は、以下の利点を有している。
(a)寄生振動(断面が円形の円筒ロッドで問題となることが知られている。)の低減
(b)より優れたTIR(全反射)表面
(c)レーザ偏光軸の判定の容易さ
(d)最終的なレーザビーム品質を改善する対称的モード構造
パワー増幅器236は、バナデート結晶格子のa軸及びc軸に沿って、個別のパワー増幅を行えるように構成してもよい。図18及び図19は、それぞれ、シードレーザビームパワー及び励起パワーの関数として、パワー増加を示している。バナデート結晶240が914.5nmダイオードで励起されると、シードレーザビームパワーは、増幅される。図18は、914.5nm励起波長において、3Wの励起パワー及び2.5Wシードレーザビームを用いて、実験的に判定された310mWのパワー増加247を示している。図23は、914.5nm励起波長について、対応するコンピュータモデルで予測されたパワー増加曲線248を示している。曲線248上のデータ点247aは、図18のデータ点247に対応し、コンピュータモデルで予測された、3Wの励起パワー及び2.5Wのシードレーザビームによる360mWのパワー増加を表している。また、図23は、より低い励起波長について予測される、幾らか規模が小さいパワー増加曲線249、250、252も示している。Nd:YVO結晶240は、100W励起パワーに耐えられるように構築でき、パワー増加は、励起パワーの一次関数であるので、パワー増幅器236は、高パワー動作の間、10Wの桁のパワー増加を達成できる。
更に、InPGaAsを用いて形成されている、914.5nmで動作するJDS Uniphaseレーザダイオードは、光ファイバ通信技術に応用されているため、容易に入手可能である。これらのデバイスは、電気−光効率が70%より高く、これに対し、典型的な800nm直列ダイオードの規約効率は、50%未満である。コアファイバ直径が800μmであり、開口数が0.14未満である、914.5nmにおける最大50Wの高パワーファイバ結合ダイオードは、カリフォルニア州サンタクララのCoherent,Inc.社からも入手できる。
図20は、蛍光寿命とドーピング濃度との間の逆線形関係256を示している。短い蛍光寿命は、高いパルス繰返し周波数に対応する短いパルス継続時間を達成する。励起波長に関わらず、データ点258によって示すように、2.0at%のドーピング濃度が実現されると、蛍光寿命は、50μsに短縮される。
図15のパワー増幅器236のレーザ出力としてダイクロイックミラー243から伝播する実験上及び理論上の1064nmの時間的パルスを、それぞれ、図21A、図21B及び図22に示す。図21Aに示す短パルス262及び図21Bに示す短パルス264は、それぞれ、パワー増幅器236の前及び後に測定されたパワーレベルを表している。図22では、曲線266、267は、それぞれ、パワー増幅器236の前及び後の理論上の時間的パルスを表しており、約20nsの総継続時間268のうち、パワーの大部分は、10nsの非常に短い期間内に集中している。この間、ピークレーザ出力パワーは、約6kWから約7.5kWに増幅され、これは、約25%のパワーの増加を表す。理論的モデルとは異なるパラメータを用いた、図21A及び図21Bに示した実験結果は、この場合、12.5%のパワー増加と共に、図22の理論的モデルによって予測されたものとほぼ同じ幅270の時間的パルスを示している。
図23は、パワー増幅器236のコンピュータモデルの結果を表す一組の曲線272を示しており、パワー増加を、808nm、880nm、888nm及び914.5nmの励起波長における励起パワーの関数として示している。具体的には、曲線248、249、250及び252は、それぞれ914.5nm、888nm、880nm及び808nmの励起パワーを表している。コンピュータモデル曲線272は、808nmにおけるパワーの増加より、914.5nm、888nm及び880nmの励起波長におけるパワーの増加が遙かに大きいこと、及び888nm及び880nmにおける励起によって得られるパワーの増加は、互いに同程度であることを示している。但し、最大のパワー増加は、914.5nmで起こる。
ここに開示したパラメータ調整の利益及び関連する性能の改善を以下の表にまとめる。
Figure 2011515869
本発明の基本的な原理から逸脱することなく、上述の実施の形態の詳細に多くの変更を加えることができることは、当業者にとって明らかである。例えば、バナデート結晶には、ルテチウムホストにおけるネオジムイオンドーピング、イットリウムホストにおけるネオジムイオンドーピング、又はガドリニウム及びイットリウム混合ホストにおけるネオジムイオンドーピングによって確立される、レーザ活性イオンドーピングを行ってもよい。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって判定される。

Claims (20)

  1. 励起波長におけるレーザ媒質光励起エネルギの供給に応じて、出力波長における高効率レーザ出力放出を生成する方法において、
    光励起エネルギの供給に応じてレーザ出力エネルギの放出を生成する、希土類イオンがドーピングされた、多角形結晶構造によって特徴付けられるバナデート結晶を含むレーザ媒質を構成するステップと、
    前記レーザ媒質に、光励起エネルギと出力波長におけるレーザ出力エネルギとの間の差分に対応する低い量子欠陥を確立し、バナデート結晶の多角形結晶構造における包括的に対称的なエネルギ吸収を示す値に設定された励起波長で光励起エネルギを供給するステップとを有する方法。
  2. 前記バナデート結晶は、レーザ活性イオンドーピング濃度によって更に特徴付けられ、前記励起波長が設定される値によって、前記バナデート結晶は、2cm−1未満の公称エネルギ吸収係数を示し、
    前記レーザ媒質を構成するステップは、前記イオンドーピング濃度を、前記励起波長の値において示される前記光励起エネルギの前記公称エネルギ吸収係数を補償する値に設定するステップを更に含む請求項1記載の方法。
  3. 前記バナデート結晶は、約0.5at%及び約3.0at%の間の値のレーザ活性イオンドーピング濃度によって更に特徴付けられる請求項1記載の方法。
  4. 前記イオンドーピング濃度の値は、約1.5at%又はこれ以上に設定される請求項3記載の方法。
  5. 前記イオンドーピング濃度の値は、イットリウムホストにおけるネオジムイオンドーピングによって確立される請求項3記載の方法。
  6. 前記イオンドーピング濃度の値は、ガドリニウムホストにおけるネオジムイオンドーピングによって確立される請求項3記載の方法。
  7. 前記イオンドーピング濃度の値は、ルテチウムホストにおけるネオジムイオンドーピングによって確立される請求項3記載の方法。
  8. 前記イオンドーピング濃度の値は、ガドリニウム及びイットリウム混合ホストにおけるネオジムイオンドーピングによって確立される請求項3記載の方法。
  9. 前記励起波長の値は、約910nm及び約920nmの間である請求項1記載の方法。
  10. 前記レーザ出力エネルギの放出は、約1064nmで生成される請求項9記載の方法。
  11. 前記レーザ出力エネルギの放出は、約1342nmで生成される請求項9記載の方法。
  12. 前記バナデート結晶は、レーザモードサイズを有するレーザモードによって更に特徴付けられ、前記バナデート結晶は、ロッド長及び断面積を有するロッドの形状に形成され、前記レーザ媒質を構成するステップは、
    前記ロッド長を、前記光励起エネルギを吸収するために十分な値に設定するステップと、
    前記断面積を、実質的にレーザモードサイズに等しい値に設定して、前記光励起エネルギが前記レーザモードに実質的に重なるようにし、高次モードを抑圧して、高品質のビーム形状のレーザ出力エネルギを提供するステップとを含む請求項1記載の方法。
  13. 前記ロッド長は、40mmより長い請求項12記載の方法。
  14. 前記ロッドの断面は、八角形である請求項12記載の方法。
  15. 前記レーザ媒質に前記出力波長でシードレーザ出力エネルギを供給し、前記レーザ出力エネルギが前記シードレーザ出力エネルギより大きくなるようにするステップを更に有する請求項1記載の方法。
  16. 前記シードレーザ出力エネルギは、レーザダイオード励起固体レーザによって放出される請求項15記載の方法。
  17. 前記シードレーザ出力エネルギは、ファイバレーザによって放出される請求項15記載の方法。
  18. 前記シードレーザ出力エネルギは、半導体レーザによって放出される請求項15記載の方法。
  19. 前記レーザ出力放出は、レーザ空胴から伝播される請求項1記載の方法。
  20. 前記レーザ出力放出は、レーザパワー増幅器から伝播される請求項1記載の方法。
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