高効率利得媒質を有するレーザ

专利摘要:
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：ＹＶＯ４（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。
公开号:JP2011515869A
申请号:JP2011501926
申请日:2009-03-19
公开日:2011-05-19
发明作者:ペン，シャオヤン；レン，ウェンシェン
申请人:エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド；
IPC主号:H01S3-06

专利说明:

[0001] 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。]
背景技術

[0002] 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。]
[0003] 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。]
[0004] 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。]
[0005] ｑ＝（１−ωｓ／ωｐ）＊１００
ここで、ωｓは、レーザエネルギの遷移に関連する周波数であり、ωｐ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）２］−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。]
[0006] 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（ＶＯ４）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：ＹＶＯ４）及びネオジム：ガドリニウムバナデート（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４）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。]
[0007] 一般的に、レーザ媒質によって吸収されるパワーは、Ｐ＝Ｐｏ（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、Ｐｏ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：ＹＶＯ４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。]
[0008] 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。]
[0009] 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。]
[0010] 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。]
[0011] 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。]
[0012] 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。]
[0013] 「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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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１
[0014] 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２ 図３ 図４ 図５
[0015] 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。] 図４ 図５
課題を解決するための手段

[0016] 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。]
[0017] 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。]
[0018] 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。]
[0019] 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。]
図面の簡単な説明

[0020] 従来のＮｄ：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＧｄＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＧｄＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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１５ 図１６ 図２１Ａ 図２１Ｂ 図８ 図９
実施例

[0021] 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。] 図１０ 図１１ 図１２ 図６ 図７ 図８ 図９
[0022] ９１４．５ｎｍで励起されたＮｄ：ＹＶＯ４結晶及びＮｄ：ＧｄＶＯ４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：ＹＶＯ４結晶を表し、図７のデータは、０．３ａｔ％でドーピングされたＮｄ：ＧｄＶＯ４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。] 図６ 図７
[0023] 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：ＧｄＶＯ４及びＮｄ：ＹＶＯ４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：ＧｄＶＯ４及びＮｄ：ＹＶＯ４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１０ 図１１ 図１２ 図８ 図９
[0024] 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。] 図１２ 図１３
[0025] 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。] 図２
[0026] 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４Ｆ３／２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。] 図１
[0027] 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。] 図１４
[0028] 端面励起構成（end-pumpingconfiguration）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１
[0029] 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：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４結晶２４０を通って伝播する。Ｎｄ：ＹＶＯ４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：ＹＶＯ４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１５
[0030] 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１６
[0031] 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。] 図１７
[0032] 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：ＹＶＯ４結晶２４０は、以下の利点を有している。]
[0033] （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：ＹＶＯ４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。] 図１８ 図１９ 図２３
[0034] 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。]
[0035] 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２０
[0036] 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１５ 図２１Ａ 図２１Ｂ 図２２
[0037] 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。] 図２３
[0038] 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。]
[0039] 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。]

权利要求:

請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項13
前記ロッド長は、４０ｍｍより長い請求項１２記載の方法。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。
請求項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。