特許 6845151 高パワー連続波中赤外レーザー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6845151

(24)【登録日】2021年3月1日

(45)【発行日】2021年3月17日

(54)【発明の名称】高パワー連続波中赤外レーザー

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/16 20060101AFI20210308BHJP

   H01S 3/06 20060101ALI20210308BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/16

   H01S3/06

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-549721(P2017-549721)

(86)(22)【出願日】2016年3月23日

(65)【公表番号】特表2018-513555(P2018-513555A)

(43)【公表日】2018年5月24日

(86)【国際出願番号】US2016023778

(87)【国際公開番号】WO2016154309

(87)【国際公開日】20160929

【審査請求日】2019年1月17日

(31)【優先権主張番号】62/137,070

(32)【優先日】2015年3月23日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501012517

【氏名又は名称】アイピージー フォトニクス コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】イゴール・モスカレフ

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０７５９３４４７（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 特表２００５−５０４４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２６１１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３５３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０７５１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０７８１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１９０９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２３４３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２１１０９４８（ＣＮ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１３０７０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５７５７８３９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００３０８６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１２１３６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 BASU, Santanu，Nd-YAG and Yb-YAG rotary disk lasers，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，IEEE，２００５年，Volume: 11, Issue: 3，Page(s): 626 - 630，IEL Online(IEEE Xplore), DOI: 10.1109/JSTQE.2005.850238，ＵＲＬ，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1516129

【文献】 YUMOTO, Masaki et al.，Extension of Mid-IR Lasing Spectral Region using Cr:ZnSe and Cr:CdSe Combined Active Medium，Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference，IEEE，２０１９年，p.1，IEL Online(IEEE Xplore), DOI: 10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8872524，ＵＲＬ，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8872524

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／０２，３／０４−３／０９５９，

３／０９８−３／１０２，３／１０５−３／１３１，

３／１３６−３／２１３，３／２３−４／００

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続波中赤外レーザーであって、
共振キャビティと、
遷移金属でドープされたＩＩ‐ＶＩ族多結晶物質から選択された利得媒体であって、該利得媒体が、内周及び外周と上面及び下面とによって画定されたリングに成形されていて、前記上面及び下面の一部が前記共振キャビティ内に位置する、利得媒体と、
前記利得媒体の周囲に位置するリング形状の第一のヒートシンクと、
ポンプ源と、
前記リングが取り付けられたモーターと、を備え、前記共振キャビティ内の前記リングの一部が、中赤外スペクトル内の波長において連続波レーザービームを放出するのに十分なポンプ光を受ける、連続波中赤外レーザー。

【請求項2】

前記利得媒体の面が、該面に固定された反射コーティングを更に備える、請求項１に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項3】

前記利得媒体がＣｒ：ＺｎＳｅ製であることを特徴とする請求項１に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項4】

前記利得媒体がＣｒ：ＺｎＳ製であることを特徴とする請求項１に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項5】

前記利得媒体の周囲に位置するリング形状の第二のヒートシンクを更に備え、前記第一のヒートシンクと前記第二のヒートシンクの一方が前記利得媒体の内周に位置し他方が前記利得媒体の外周に位置する、請求項１に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項6】

前記利得媒体の内周に位置するヒートシンクと前記利得媒体の内周との間に位置するリング形状の第一の箔と、前記利得媒体の外周に位置するヒートシンクと前記利得媒体の外周との間に位置するリング形状の第二の箔とを更に備える請求項５に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項7】

前記第一の箔と前記第二の箔がインジウムを含む、請求項６に記載の連続波中赤外レーザー。

【請求項8】

前記第一のヒートシンクと前記第二のヒートシンクからの熱除去を促進するように前記第一のヒートシンクと前記第二のヒートシンクに対して位置決めされたラジエーターを更に備える請求項５に記載の連続波中赤外レーザー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、連続波（ＣＷ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）中赤外固体レーザーに関する。特に、本発明は、最小の熱レンズ効果で前例のないパワー発生を提供するために遷移金属イオンでドープされたＩＩ‐ＶＩ族の多結晶物質から選択されたカルコゲニド利得媒体を備える回転ディスク、より好ましくはリングを提供する。

【背景技術】

【0002】

２〜１０μｍのスペクトル範囲で動作する中赤外（中ＩＲ，ｍｉｄｄｌｅ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ）レーザー源は、自由空間通信、防衛手段、リモートセンシング等の多様な防衛関連応用、並びに産業プロセス制御や医療応用において大きな需要がある。Ｃｒ及びＦｅでドープされたＩＩ‐ＶＩ族ワイドギャップ半導体に基づいた光ポンプレーザーの最近の発展により、１．９〜５μｍスペクトル範囲の高出力パワーにアクセス可能となった。遷移金属（ＴＭ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ）でドープされたＩＩ‐ＶＩ物質の分光特性と、その中赤外固体レーザーへの応用がいくつかの文献で報告されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５）。本願では、Ｃｒ：ＺｅＳｅでもたらされるＣＷレーザー光の前例のないパワースケーリングを提供する全く新しい光学構成が開示される。

【0003】

Ｃｒ２＋：ＺｎＳ／Ｓｅレーザーのパワースケーリングは、工業、医療、物質加工、防衛応用の多数の応用において非常に関心がもたれている。中ＩＲレーザーの応用を成功させるためには、大抵の医療応用が存在する２９４０ｎｍ付近の出力波長において数十から数百ワットの出力パワーに達することが特に重要である。また、これら物質の利得最大付近での出力波長（２．４μｍ）も、ポリマーの加工等の高スループットが特に重要となる物質加工応用にとって非常に大きな関心がもたれている。

【0004】

本発明者は、最近、利得素子の従来のスラブ形状に基づいた中ＩＲレーザーシステムにおいて、２．４μｍで最大２０Ｗ、２９４０ｎｍで最大３Ｗの出力パワーを得ることを報告した（非特許文献１）。残念ながら、Ｃｒ：ＺｎＳｅ利得媒体及びＣｒ：ＺｎＳ利得媒体の非常に高い熱光学係数が強力な熱レンズ効果をもたらすので、そのレーザーシステムは、高ポンプパワーレベルにおけるビーム品質が良くないという問題を有し、光学損傷閾値付近で動作するので、レーザーの故障の傾向が高い。ＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，主発振器パワー増幅器）及び利得媒体の多重素子構成は、この問題をある程度緩和するが、システムの複雑性が増すので、確実で決定的な解決策ではない。

【0005】

これらのレーザーを用いた本発明者の実験では、最も最近の結果が、従来の共振器設定に基づくＣｒ：ＺｎＳ及びＣｒ：ＺｎＳｅレーザーシステムの出力パワーに対して実用的制限を示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第７５９３４４７号明細書

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】S. Mirov, V. Fedorov, D. Martyshkin, I. Moskalev, M. Mirov, S. Vasilyev, “Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr and Fe Doped II-VI Chalcogenides”, IEEE Selected Topics in Quantum Electron. 21, 1601719 (2015)

【非特許文献2】S. B. Mirov, V. V. Fedorov, D. V. Martyshkin, I. S. Moskalev, M. S. Mirov, and V. P. Gapontsev, “Progress in mid-IR Cr2+ and Fe2+ doped II-VI materials and lasers”, Opt. Mater. Express 1, 898-910 (2011)

【非特許文献3】V. I. Kozlovsky, V. A. Akimov, M. P. Frolov, Yu. V. Korestelin, A. I. Landman, V. P. Martovitsky, V. V. Mislavskii, Yu. P. Podmar'kov, Ya. K. Skasyrsky, and A. A. Voronov, "Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II-VI compound crystals grown from vapor phase," Phys. Status Solidi B 247(6), 1553-1556 (2010)

【非特許文献4】Sergey Mirov, Vladimir Fedorov, Igor S. Moskalev, Dmitri Martyshkin, and Changsu Kim, “Progress in Cr2+ and Fe2+ doped mid-IR laser materials” Laser & Photon. Rev. 4, 21-41 (2010)

【非特許文献5】S. Mirov, V. Fedorov, I. Moskalev, D. Martyshkin, “Recent progress in transition metal doped II-VI mid-IR lasers” IEEE Selected Topics in of Quantum Electronics 13, 810-822 (2007)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

必要とされているのは、中ＩＲスペクトルにおける医療応用及び物質加工の必要性を満たすようにはるかに高いパワーを可能にする新規光学構成である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記必要性は、本開示のＴＭドープＩＩ‐ＶＩ族物質等の回転カルコゲニド利得媒体を備えて構成され、熱レンズ効果を防止するＣＷ中ＩＲレーザーによって満たされる。本発明者の核となるアイディアは、リング形状の回転利得素子を介して整合させた同軸ポンプビーム及びレーザーモードの走査を行うことである。

【0010】

２４００ｎｍの中心波長について従来技術のほぼ７倍、２９４０ｎｍの中心波長について１０倍という予期せぬパワー出力は、多くの用途を有し得る光学構成を与える。

【0011】

より具体的には、本発明は連続波（ＣＷ）中ＩＲレーザーを提供し、そのＣＷ中ＩＲレーザーは、共振キャビティと、遷移金属でドープされたＩＩ‐ＶＩ族多結晶物質（ＴＭ：ＩＩ‐ＶＩ）から選択された利得媒体（その利得媒体は、ディスク、より好ましくは、内周及び外周と上面及び下面によって画定されたリングに成形され、その上面及び下面の一部は共振キャビティ内に位置する）と、ポンプ源と、リングが取り付けられたモーターとを備える。共振キャビティ内に位置するリングの一部は、中ＩＲスペクトル内の波長においてＣＷレーザービームを放出するのに十分なポンプ光を受けるようにされる。

【0012】

好ましい実施形態では、ＴＭ：ＩＩ‐ＶＩ利得媒体はＣｒ：ＺｎＳ又はＣｒ：ＺｎＳｅである。

【0013】

他の実施形態では、本発明のＣＷレーザーは、その利得媒体の一以上の面がそれに固定された反射コーティングを有する。

【0014】

他の実施形態では、反射コーティングは必要とされない。

【0015】

他の実施形態では、利得媒体は、ポンプ光に対して垂直入射とされるが、他の実施形態では、ブリュースター入射角とされる。

【0016】

上記段落の好ましい実施形態において、本発明のリングは、その内周内に位置するヒートシンク、その外周に位置するヒートシンク、又はその両方を更に含む。

【0017】

上記段落、特に段落［００１５］の好ましい実施形態では、箔が周囲に位置するヒートシンクの間に挿入される。

【0018】

本開示の上記及び他の態様、特徴及び利点は、図面からより容易に明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明のＣＷ中ＩＲレーザーの例示的な一光学構成である。

【図2】図１のレーザーが発生させる入出力曲線及びビームプロファイルを与える。

【図3】本発明のカルコゲニド利得媒体の多様な図を与える。図３ａは本発明のカルコゲニド利得媒体の内径と外径との間の関係性を示す図である。図３ｂは図３ａのリングの側面図である。図３ｃは図３ａのリングの三次元レンダリングである。

【図4】ヒートシンク及び中間層を含むリングの好ましい実施形態の側面図である。

【図5】本発明のリングを含むアセンブリの分解三次元図を与える。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ又は同様の参照番号を図面及び明細書で用いて、同じ又は同様の部分やステップを指称する。図面は単純化されていて、縮尺どおりではない。特に断らない限り、明細書及び特許請求の範囲における用語は、ダイオード及びファイバーレーザーの分野の当業者にとって一般的で慣用されている意味で与えられる。「結合」や同様の用語は、必ずしも直接的で直の接続を示すものではなく、自由空間や中間素子を介した機械的接続や光学的接続も含む。

【0021】

本願において、本発明者は、利得素子構成の全く新しいアプローチに基づいたＣＷ Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅの記録的な出力パワーを得た初めての結果を報告する。本発明者の新規アプローチの重要なアイディアは、ポンピング及びレーザー発振が生じる利得素子の小さな体積内で利得媒体によって吸収される平均ポンプパワーによって熱レンズ効果が発生する事実に基づいている。純ＣＷシステムとは対照的に、低ポンプデューティーサイクルを有するＣｒ２＋：ＺｎＳ／Ｓｅ ＱＣＷレーザー及び利得スイッチレーザーシステムは、熱レンズ効果の問題を有さず、極めて高いピークパワーのポンプ放射に耐えることができる一方、非常に高いレーザー発振効率を示し、高い出力ビーム品質をもたらす。

【0022】

従って、多数の高ピークパワーＱＣＷレーザーシステムを組み合わせるコヒーレントビーム法が見つかれば、高ＣＷ出力パワーを得て、熱レンズ効果を防止することができることになる。このアイディアを実現するための直接的なアプローチは、十分高速でポンプビームを横切るように利得素子を連続的にシフトさせる（ずらす）ことである。この場合、ポンプビームスポットの経路中に位置する利得素子の全ての領域が、ＱＣＷレーザーシステムにおけるポンピング条件と同様のポンピング条件を受けるが、システム全体としては純ＣＷ出力を示す。何故ならば、ポンプ領域間に間隙が存在しないからである。無限運動を実現するための本発明者提案の解決策は、大型の回転リング利得素子を使用することである。

【0023】

特許文献１の回転ディスクとは異なり、本発明者は、リング形状であって、ＴＭ：ＩＩ‐ＶＩ利得媒体を備える構造を提案する。また、特許文献１の回転ディスクとは異なり、利得素子全体の実質的に全ての表面から熱を除去することによって、利得素子の活性領域に注入される熱エネルギーを最小にする一方で、注入される光エネルギーを増大させる。

【0024】

「概念実証（ｐｒｏｏｆ ｏｆ ｃｏｎｃｅｐｔ）」レーザーシステムの一般的な実験設定が図１に示されている。図１は、高パワーＣｒ：ＺｎＳｅ波長可変レーザーシステム１０の一般的な光学構成を与える。ポンプ１２は、５０ＷのＴｍファイバーレーザーシステムである。また、ポンプレーザーは、１５５０〜１９４０ｎｍ内で動作するあらゆるＣＷファイバーレーザーであってもよく、必要とされる仕様に応じて、Ｃｒ：ＺｎＳ利得媒体をポンピングするためのエルビウムファイバーレーザー（ＩＰＧフォトニクス社製のＥＬＭ／ＥＬＲシステム）や、Ｃｒ：ＺｎＳ媒体及びＣｒ：ＺｎＳｅ媒体両方用のツリウムファイバーレーザー（ＩＰＧフォトニクス社製のＴＬＭ／ＴＬＲレーザー）であり得る。本発明者はＴＬＲ‐１００‐１９０８‐ＷＣレーザーと、ＴＬＭ‐１００‐１９０８‐ＷＣシステムを有する。波長調整は、リトロウ（Ｌｉｔｔｒｏｗ）構成の高効率回折格子１８で行われる。図１は、Ｃｒ：ＺｎＳｅ回転リング利得素子１９の両側のレンズ１４及び１６と、出力カプラー２０を更に与える。２．４５μｍと２．９４μｍという二つの重要な出力波長についてのレーザーの入出力特性が、５０Ｗの最大ポンプパワーにおける出力カプラー２０から０．５ｍで測定したビームプロファイルの像と共に図２に示されている。

【0025】

２９４０ｎｍにおける出力スペクトルと、１３．９Ｗの最大出力パワーも図２の挿入図に示されている。出力線幅の予測上限は０．２５ｎｍ未満である。レーザーは、２４５０ｎｍにおける２７．５Ｗと、２９４０ｎｍにおける１３．９Ｗの最大出力パワーを、それぞれ６３．７％と３７．４％の平均スロープ効率で有する純ＣＷ出力を示す。

【0026】

図３は、本発明用に構成されたカルコゲニド媒体の一例を与える。

【0027】

図３ａは上面図又は下面図を与える。実験的な実施形態について、リング１９は、２０ｍｍの内周３０と、５０ｍｍの外周３２を有していた。好ましくは、外周３２の外径は、２５から５０ｍｍの範囲内であり、又は、より好ましくは２５ｍｍ未満である。内周３０は、モーター取り付け等の工学的要求に応じて異なる。リング１９は、接地面３４を更に与える。

【0028】

図３ｂは本発明の側面図を与え、その上に設けられた反射防止コーティング３６を示す。実験的なバージョンについて幅４０は０．５ｍｍであって、０．２５から１．０ｍｍの幅の範囲が想定される。リング１９は、ベベル３８を更に与える。図３ｃはリング１９の等角図を与える。

【0029】

ＲＰＭの範囲に関しては、一般的に言って、ＲＰＭは可能な限り小さく設定されるが（機械的安定性のため）、熱レンズ効果を防止するのに十分高くなければならない。ＲＰＭの範囲は、ポンプパワーに応じて異なる。現状では、本発明者は、５０Ｗのポンプパワーにおいて、５０００ＲＰＭで５０ｍｍのリングを回転させている。リングについて想定されるＲＰＭの範囲は、全ポンプパワーに応じて、５００〜１００００ＲＰＭである。

【0030】

実験的な実施形態は、反射防止コーティングされたＣｒ：ＺｎＳ／Ｓｅリングをポンプビーム及びレーザーモードの垂直入射で用いる。しかしながら、この方法を用いて熱レンズ効果を効率的に除去するため、コーティングされていないリング利得素子をブリュースター入射角で用いることができる。これは、コスト効率を顕著に上げる可能性がある。

【0031】

利得媒体のポンピングに関して、Ｃｒ：ＺｎＳｅ利得媒体は、１９０８〜１９４０ｎｍにおけるＴｍファイバーレーザーでのポンピングにより適していて、より長い波長（例えば、２．２〜３．２μｍ）においてより高い利得を有し、特に、２．９４μｍの医療用波長の発生に重要である。Ｃｒ：ＺｎＳ物質は、１５５０〜１５６７ｎｍにおけるＥｒファイバーレーザーでのポンピングに最も適していて、より短い波長（例えば、１．９〜２．９μｍ）においてより高い利得を有し、また、２．４μｍ付近で動作する高パワーレーザーにもより適している。

【0032】

図４は、本発明の更なる実施形態を与える。リング１９は、内側箔４８と外側箔４９（この場合インジウム）との間に位置する。好ましくは、インジウム箔は１５０μｍの深さを有する。更に、これら箔は、外側ヒートシンク４４と内側ヒートシンク４６によって挟まれ得る。好ましくは、全ての層は互いに締まり嵌めして、間隙が存在しない。

【0033】

図５は、図４の実施形態の分解三次元図を与え、利得媒体の全表面に十分な冷却を与えるための追加構造を更に含む。左から右に、ラジエーター５０は、外側ヒートシンク４４に囲まれる一方で、内側ヒートシンク４６に固定される。外側ヒートシンク４４は外側インジウム箔４９を取り囲み、外側インジウム箔４９は、内側インジウム箔４８及び内側ヒートシンク４６と共にリング１９を挟む。内側ヒートシンクからの熱の除去を促進するラジエーター５２と、利得媒体を回転させるための直流／交流モーター５４とで、構造が完成する。

【0034】

本開示の構造の多様な変更を、本開示の要旨及び本質的な特徴から逸脱せずに行うことができる。従って、上記説明に含まれるすべての事項は例示目的のみで解釈されるものであり、限定的な意味においては本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められるものである。

【符号の説明】

【0035】

１０ 波長可変レーザーシステム
１２ ポンプ
１４ レンズ
１６ レンズ
１８ 回折格子
１９ リング
２０ 出力カプラー
４４ 外側ヒートシンク
４６ 内側ヒートシンク
４８ 内側箔
４９ 外側箔
５０ ラジエーター
５２ ラジエーター
５４ モーター

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4】

【図5】