JP2729621B2 - ダイオードでポンプされる小型ｑスイッチ固体レーザ - Google Patents

ダイオードでポンプされる小型ｑスイッチ固体レーザ

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、固体レーザに関し、特に、高ピークパワー
を発生させるためのＱスイッチレーザに関する。 Ｑスイッチングは、高ピークパワーレーザパルスを得
るために使用される技術である。Ｑスイッチングは、レ
ーザ空洞での損失を変調することによって行われる。空
洞損失が高い場合、ポンピングエネルギーが、反転分布
を形成することによってレーザ利得媒体内に蓄積され
る。高い空洞損失は、蓄積されたエネルギーを減少させ
るようなレーザの動作を妨げる。この蓄積されたエネル
ギーは、空洞損失を減少させることによって、高ピーク
パワーパルスで抽出される。Ｑスイッチングのためのレ
ーザ空洞内の音響光学変調器の使用が、「音響光学デバ
イス及び応用（Acousto−optic Devices and Applicati
on）」（著者:Chan、IEEE Transactions on Sonics and
Ultrasonics、第17頁、SU−23巻、第１号、1976年１
月）に説明されている。しかし、ここでは、ほぼ全部の
音響光学Ｑスイッチは融解石英（fused silica）から成
る。また、注目すべきは、レーザａ発生を防ぐために、
RFパワーがＱスイッチに印加されなければならないこと
である。 米国特許出願第730002号（出願日:1985年５月１日）
及び米国特許出願第811546号（出願日:1985年12月19
日）が、縦方向のポンピング配列でポンピングされるレ
ーザダイオードであり、TEMOOモードでポンピングされ
る固体レーザの分類を説明している。これら固体レーザ
は、超小型になされ得る。米国特許出願第864928号（出
願日:1986年５月19日）が、これら固体レーザをより一
層小型化するファイバ光を結合した縦方向のポンピング
について説明している。これらレーザでは、レーザダイ
オードポンピング源をレーザ空洞の動作モード容積に適
合（match）するモードが小さい容積であるときに高い
利得を得ている。 これら固体レーザは、ダイオードレーザのための効率
的な波長及びモード変換器である。ダイオードポンプレ
ーザは、冷却水を使用せず、広帯域励起源を必要としな
い。したがって、これらは、水やフラッシュランプによ
って誘導されるノイズの影響がなく、熱的なレーザの発
生を大きく減少する。このような特性が、優れたビーム
指向（beam pointing）安定性及びパルス対パルス（pul
se to pulse）安定性をもたらす。Ｑスイッチレーザで
これら利点を得ることが望ましい。 典型的な従来のＱスイッチ固体レーザでは、ピークパ
ワーと短いパルス幅との所望の組み合わせを発生させる
ことができない。長いレーザロッドが、タングステン又
はアークランプによってポンピングされる。融解石英製
Ｑスイッチが、レーザ空洞に配置され、石英製基板に取
り付けたLiNbO3変換器に接続されたRF発生源から電力を
受ける。この空洞は、比較的長く、典型的に、約１フィ
ート（約30.5cm）であり、Ｑスイッチは大きい。 短いパルスを形成するためには、空洞を短くするか、
又は空洞での利得を増大させることが必要であり、これ
は、パルス幅が、利得と、空洞往復時間との積に依存す
るからである。１フィートの空洞に対する往復時間は約
２ナノ秒である。長い空洞の長さを補償するために空洞
で高い利得を得るためには、利得媒体のポンピングを非
常に高くしなければならない。典型的な数KWの電力が、
レーザロッドをポンピングするために使用されるアーク
ランプに印加される（これは、ポンピング効率が約５％
しかないためである）。しかし、パルスの全エネルギー
（パワーとパルス幅の積）が近似的に一定でピークパワ
ーが増加すると、パルス幅が減少することから、所望の
パルス幅を得るために要求される高利得が高すぎること
になる。したがって、所望のパルス幅エネルギーを得る
ことについてトレードオフがある。よって、適当なピー
クパワーのときパルスが長すぎるか、又はピークパワー
が高すぎると十分に短いパルスとなる。 非常に高い利得で長い空洞に代えて、ほどほどの利得
で短い空洞を使用して低エネルギーで短いパルスを発生
し、より効率的に短いパルスを発生させるＱスイッチ固
体レーザが望まれる。上記の特許出願で説明される固体
レーザの上記の分類では、典型的に約１インチの長さで
共振器を作ることができ、効率的な縦方向のダイオード
ポンピング配列（約30％効率）が適当な利得を与える。
その出力は、多くの応用で有用なTEMOOモードで容易に
生成される。よって、相対的に高いピークパワーである
が所望のエネルギーレベルで短いパルスを生成できるよ
うに、このようなタイプの固体レーザにＱスイッチを組
み入れることが望まれる。また、低パワーポンピングに
要する短い空洞に合う小型Ｑスイッチを与えるために、
標準外のＱスイッチの材料を使用することが望まれる。 発明の概要 したがって、本発明の目的は、小型空洞で、縦方向に
ダイオードポンピングされる、Ｑスイッチ固体レーザを
提供することである。 本発明の他の目的は、相対的に短い空洞で、相対的に
高い利得を有するＱスイッチ固体レーザを提供すること
である。 本発明のその他の目的は、50ナノ秒以下のパルス幅を
有するＱスイッチ固体レーザを提供することである。 本発明のその他の目的は、小型個体レーザ用Ｑスイッ
チのためのいくつかの異なった材料を見いだすことであ
る。 本発明は、レーザダイオードポンピングＱスイッチ固
体レーザであって、空洞の長さが短く、これにより非常
に短く高ピークパワーのパルスが発生する。レーザダイ
オードは、Nd:YAG、Nd:YLF、又は他の固体材料を縦方向
にエンドポンピングするために使用され、小型の高利得
空洞を与える。この空洞は、TEMOOモードを発生させる
ためにポンピングされ得る。また、TeO2、SF10、又はLi
NbO3又は高い音響光学示性数をもった他の材料から成る
小型の音響光学Ｑスイッチが小型の空洞に配置され、短
いパルスを抽出する。Ｑスイッチ出力は、材料処理、半
導体メモリのリンクブローイング（link blowing）、マ
ーキング（marking）及びスクライビング（scribin
g）、又は光学的時間領域の反射能に応用できる。 実施例 第１図に、ダイオードポンピングＱスイッチ固体レー
ザ発振器10を示す。固体レーザロッド12が、整列した一
対のミラー14、16の間に取り付けられ、共振空洞15が形
成されている。ミラー16は、出力結合ミラーであり、レ
ーザ輻射を部分的に透過する。ミラー14は、レーザ輻射
に対して高反射性を有するが、ポンピング輻射に対して
は透過性を有する。変形的に、ミラー14は、レーザロッ
ド12の端面18に形成されてもよい。数ミリメータだけレ
ーザロッド12の端面からミラー14を離すことによって、
レーザパワーが、ロッド内で熱傷（burn）する間隔をあ
けたホールを無くして約20％増大される。レーザダイオ
ードポンピング源20が、ポンピング輻射をレーザロッド
12に与えるように取り付けられる。このポンピング源20
は、レーザダイオード又はレーザダイオードアレイであ
る。ポンピング源20の出力は、コリメータレンズ22及び
フォーカスレンズ24によって集められ、縦方向にレーザ
ロッド12をポンピングする。非点収差を修正することの
できる他のレンズをレンズ22、24の間に配置することが
できる。変形的に、ダイオードポンピング源20を共振器
空洞15に直接的に取り付けず、遠隔的に配置し、レーザ
ロッドを縦方向にポンピングするように共振器空洞15に
接続される光ファイバ（図2A参照）を介してポンピング
輻射を伝送することができる。このような、米国特許出
願第730002号（出願日:1985年５月１日）、米国特許出
願第811546号（出願日:1985年12月19日）及び米国特許
出願第864928号（出願日:1986年５月19日）の原理及び
設計に従った固体レーザ構成が参照され、ここで組み込
まれている。 音響光学Ｑスイッチ28もまた、空洞15に配置される。
Ｑスイッチ28は、時間に依存した空洞の損失を与える。
基板に取り付けた圧電性変換器にRF波を印加することに
よって、Ｑスイッチ28で音響波が発生する。この基板
は、空洞に損失を導入する音響回折格子を作り出し、こ
れにより、ロッド12がレーザを発生せずにポンピングさ
れる。このRF波が切られると、音響回折格子はもはや存
在せず、空洞でレーザが発生し、蓄積されたエネルギー
が短く高ピークパワーのパルスにポンピングされる。音
響光学素子に加えて、Ｑスイッチ28は、時間に依存する
空洞損失を与えるために空洞での偏向子に関する偏向状
態を変化させる電子光学素子から成ってもよい。 本発明の原理及び技術にしたがって、固体レーザ空洞
を小型にすることができ、音響光学Ｑスイッチが、短い
空洞に合う程度に小型にできる材料から成ることができ
る。また、縦方向のエンドポンピングにより、短い空洞
の利得を比較的高くでき、非常に短いパルスを所望のピ
ークパワーレベルで発生させることができる。 レーザロッドは、Nd:YAGから成り、1.06ミクロンで出
力を発生させる。レーザロッドは、変形的に、Nd:YLFか
ら成り、Nd:YAGよりも長い蛍光寿命（230マイクロ秒に
対して480マイクロ秒）を有し、一層のエネルギーを蓄
積することができる。一般に、利得材料での励起状態の
寿命が長ければ、Ｑスイッチがレーザの発生を妨げるも
のの、より多くの反転分布が蓄積され、より高いエネル
ギー出力が得られる。よって、Ndに代えて、例えば、エ
ルビウム（Er）又はホルミウム（Ho）のようなより長寿
命の希土類イオンが使用され得る。 小型Ｑスイッチを構成するためには、標準外の材料を
使用しなければならない。Chanの上記の文献の第７頁の
表には、音響光学的な示性数を有する多数の音響光学材
料が示されている。小型のＱスイッチは、短いパルスの
ためのより短いレーザ空洞を可能にし、また、低いRFパ
ワーをでよいものとなる。音響光学的な示性数は、与え
られた電気エネルギー量で発生した回折の長さの測定値
である。示性数が高いほど、材料の長さが短くなる。本
発明のＱスイッチに用いる好適な材料は、TeU2、SF10及
びLiNdO3を含むが、溶解石英よりも実質的に大きな音響
光学的示性数を有する材料であれば使用できる。変形的
に、電子光学材料のＱスイッチも使用できる。 第2A図から第2C図に、小型Ｑスイッチ固体レーザ空洞
30の実施例が示される。Ｑスイッチ空洞30は、実質的に
管条の共振器ハウジング32に内包される。この共振器ハ
ウジング32は、狭い首部分38、40から伸張する一対の端
部分34、36を有する。出力結合ミラー42がハウジング32
の端部分36に取り付けられ、固体レーザロッド44及び空
洞端部ミラー46が端分部34に取り付けられる。ミラー42
及び46は、光学的空洞を画成し、ハウジング32の首部分
38、40を曲げることにより、ミラー42、46の光学的な整
列を行うことができる。上述のように、ミラー46は、レ
ーザロッド44から離されるか、又はロッド44の端面に形
成される。共振器ハウジング32は、外部のレーザハウジ
ング48に取り付けられ、ハウジング48は、遠隔のレーザ
ダイオードポンピング源からレーザロッド44を縦方向に
ポンピングするために光ファイバ52をハウジング48に接
続するファイバコネクタ50を内包する。この結合コネク
タ50は、ハウジング48に取り付けたフォーカスレンズ54
と正常な関係にあるようにファイバ52を維持し、ロッド
44を効率的にポンピングする。変形的に、レーザダイオ
ードポンピング源が、ハウジング48に直接的に取り付け
られてもよい。 小型Ｑスイッチが、小型レーザ共振器空洞32に取り付
けられる。Ｑスイッチ56は、典型的にLiNdO3から成る小
さい圧電性変換器60（菱形）を取り付けた基板58から成
る。ストリップライン62が、接続子66を通じて同軸ケー
ブル64から変換器60へ電気的接続を与えている。この同
軸ケーブルは、インピーダンスマッチングネットワーク
68を介して電気的コネクタ70に接続され、コネクタ70が
RF電源71に接続される。マッチングネットワーク68は、
負荷の反射を防止し、圧電変換器60を効率的に駆動す
る。第2B図及び第2C図の側面図及び端面図で示すよう
に、Ｑスイッチの基板58の形状は、基板58を通じて伝わ
る音響波をそれ自身の後方に反射させないために、傾斜
又はくざび状である。基板58はまた、ハウジング32に取
り付けられるＬ字形の熱シンク72に取り囲まれている。
動作において、RF信号が同軸ケーブル64を通じて変換器
60に入力され、音響波を生成し、音響波は、基板58を通
じて伝えられ、固体レーザ共振器空洞の光学的軸線に沿
って回折格子を発生する。この回折格子があると、その
損失がレーザの発生を妨げ、エネルギーがレーザロッド
44に蓄積される。回折格子がなくなると、レーザが短い
高ピークパワーのパルスを発生する。 このような小型ダイオードポンピング固体共振器のＱ
スイッチングによって、高ピークで短いパルス幅の出力
パルスが得られる。Nd:YAGでは10マイクロジュールのエ
ネルギーのパルスが得られるが、Nd:YLFでは20マイクロ
ジュールのエネルギーのパルスが発生し、この繰返し率
は1Hzから20KHzであり、パルス幅は10から50ナノ秒であ
る。しかも、このレーザは、優れたビーム指向安定性
（beam pointing stability）とパルスエネルギー安定
性とを有し、10分間にわたって回折に制限されるスポッ
トサイズが±１％のオーダーとなるビーム指向安定性
と、±３％の波高値（peak to peak）のパルス対パルス
安定性とを有する。より安定した性能は、Ｑスイッチ制
御に基づくモード選択技術によりなされ、つまり、空洞
が開放される前に１つのモードがスイッチングを可能に
する。ＱスイッチRF駆動レベルを低減し、１つのCWモー
ドに発振（oscilate）を許すことによって、±1.5％の
パルス安定性が達成される。RFレベルでのドリフトに備
えて空洞内エタロン（intracavity etalon）を追加する
ことにより、±１％の安定性が得られる（しかし、長時
間にわたって使用される場合は、空洞の安定性を要しな
い）。 Ｑスイッチダイオードポンピング固定レーザは、様々
な応用に有用なパルス幅及びパワーレベルを与える。特
に、高効率、長寿命（ダイオードが−20℃で作動する場
合、10000時間）、高ビーウ指向安定性、及び高パルス
エネルギー安定性に利点がある。TEMOOモードを発生さ
せる能力にも利点があり、特に、モード構造ではなく、
小さいスポットへの集束（focussing）に利点がある。
１つの応用が材料処理であり、特に、半導体メモリでの
リンクブローイング（link blowing）である。ビームを
１ミクロンのスポットに集束させる必要があり、ここ
で、TEMOOモードが特に適当である。ケイ酸アルミニウ
ム又はタングステンのリンクを焼き尽くすためには、パ
ルス対パルス安定性が要求される。他の応用は、個々の
半導体要素、プリントされる回路ボード、シルクスクリ
ーン及び様々な他の材料でのマーキングやスクライビン
グである。パルスが長距離光ファイバケーブルを通じて
伝送され、欠陥を検出するところの、約20ナノ秒のパル
スが光学的時間領域反射率計測（OTDR）（optical time
domain reflectometry）を行うために使用される。 特定的に説明した実施例での変形物及び変更物が、添
付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される本発
明の範囲を逸脱せずになされ得る。
【図面の簡単な説明】 第１図は、レーザダイオードポンピングＱスイッチ固体
レーザ発振器の略示図である。 第2A図から第2C図は、固体レーザ空洞内の小型Ｑスイッ
チの略示図である。 ［主要符号の説明］ 12……固体レーザロッド 15……共振空洞 20……ポンピング発生源 28……Ｑスイッチ 30……小型Ｑスイッチ固体レーザ空洞 32……ハウジング 44……ロッド 50……コネクタ 52……光ファイバ 58……基板 60……圧電性変換器 70……コネクタ 71……RF電力源

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 １．固体レーザであって、 （１）固体レーザロッド、 （２）出力接続手段を含み、前記固体レーザロッドを収
    容する共振空洞を画成し,50ナノ秒以下のパルス幅をも
    った短い高ピークパワーのパルスを発生するために必要
    な長さを有する空洞手段、 （３）前記固体レーザロッドを長手方向にポンピングす
    るように配置し、前記固体レーザロッドにおいてポンピ
    ング容積をモード容積に適合するように配置したレーザ
    ダイオードポンピング手段、及び （４）高い示性数の材料から成り，前記共振空洞に取り
    付けることのできる短い長さをもつ音響光学Ｑスイッ
    チ、 から成る，ところの固体レーザ。 ２．特許請求の範囲第１項記載の固体レーザであって、 前記固体レーザロッドが、Nd:YAG、又はNd:YLFから成
    る、 ところの固体レーザ。 ３．特許請求の範囲第１項記載の固体レーザであって、 前記固体レーザロッドが、エルビウム又はホルミウムで
    ドープされた固体レーザ材料から成る、 ところの固体レーザ。 ４．特許請求の範囲第１項記載の固体レーザであって、 前記ポンピング容積が、TEM00出力を生成するために、
    前記モード容積に適合される、 ところの固体レーザ。 ５．特許請求の範囲第１項記載の固体レーザであって、 前記レーザダイオードポンピング手段に結合される光フ
    ァイバ、及び 前記固体レーザロッドをポンピングするために、前記光
    ファイバを前記共振空洞に固定し、結合するための結合
    手段をさらに含む、 ところの固体レーザ。 ６．特許請求の範囲第１項記載の固体レーザであって、 前記高い示性数の材料から成り，前記共振空洞に取り付
    けることのできる短い長さをもつ音響光学Ｑスイッチ
    が、 （１）前記共振空洞の光軸上に配置された、融解石英よ
    りも実質的に高い示性数を有する基板材料、 （２）前記基板材料に設けた圧電性変換器、及び （３）前記圧電性変換器を駆動し、前記基板材料で音響
    回折格子を発生させるために、前記圧電変換器をRF発生
    源に結合するための手段、 から成る、 ところの固体レーザ。 ７．特許請求の範囲第６項記載の固体レーザであって、 前記基板材料が、TeO2、SF10、及びLiNbO3から選択され
    る、 ところの固体レーザ。 ８．固体レーザロッドと、出力接続手段を含み、前記固
    体レーザロッドを収容する共振空洞を画成し,50ナノ秒
    以下のパルス幅をもった短い高ピークパワーのパルスを
    発生するために必要な長さを有する空洞手段と、前記固
    体レーザロッドを長手方向にポンピングし、ポンピング
    容積を前記固体レーザロッドのモード容積に適合するよ
    うに配置されるレーザダイオードポンピング手段と、高
    い示性数の材料から成り，前記共振空洞に取りつけるこ
    とのできる短い長さをもつ音響光学Ｑスイッチとから成
    る固体レーザを使用して、短い高ピークパワーのパルス
    を発生させるための方法であって、 （１）前記固体レーザロッドを前記レーザダイオードポ
    ンピング手段によってポンピングする工程、 （２）前記固体レーザロッドにおいて前記ポンピング容
    積を前記モード容積に合致させる工程、 （３）レーザを発生させず、エネルギーを前記固体レー
    ザロッドに蓄積するために、前記共振空洞の前記音響光
    学Ｑスイッチに音響回折格子を発生させる工程、及び （４）前記音響回折格子を消滅させる工程、 から成り、 前記音響回折格子を消滅させる前記工程において、前記
    固体レーザロッドに蓄積された前記エネルギーから50ナ
    ノ秒以下のパルス幅をもった短い高ピークパワーのパル
    スが発生する、 ところの方法。 ９．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 前記固体レーザロッドが、Nd:YAG、又はNd:YLFから成
    る、 ところの方法。 １０．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 前記音響光学Ｑスイッチの前記高い示性数を有する前記
    材料が、 TeO2、SF10、及びLiNbO3から選択される、 ところの方法。 １１．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 複数のパルスを形成し、リンクブローイングを達成する
    ために、該パルスを半導体メモリに集束させる工程を含
    む、 ところの方法。 １２．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 複数のパルスを形成し、前記材料のマーキング又はスク
    ライビングのために、該パルスを前記材料に集束させる
    工程を含む、 ところの方法。 １３．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 光学的時間領域の反射率計測を行うために、パルスを長
    距離光ファイバに伝送する工程を含む、 ところの方法。 １４．特許請求の範囲第８項記載の方法であって、 前記ポンピング容積が、TEM00出力を生成するために、
    前記モード容積に適合される、 ところの方法。
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