JP6991995B2 - ３次高調波発生のための高効率レーザーシステム - Google Patents

Description

本開示は、和周波数混合（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｘｉｎｇ，ＳＦＭ）非線形プロセスに関して設計された非線形結晶における、向上した周波数変換効率を得るためのシステムに関する。

現在、ＬＥＤスクライビング、チップダイシング、ビアホールドリル加工、プラスチックマーキングなどの様々な産業用途において、高出力紫外線（ＵＶ）レーザーの需要が増加している。より一般的なＩＲレーザーと比較して、ＵＶレーザーはいくつかの材料によるＵＶ光のより高い線形及び非線形吸収並びに、より小さな焦点を達成できる能力の点で利点を有する。

典型的には、ＵＶ光の発生は、三ホウ酸リチウムまたはホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などの２つの非線形光学結晶の使用を必要とする。まず、ポンプビーム（赤外線（ＩＲ）レーザービーム）の基本周波数が、第１の非線形結晶を伝搬する間に２次高調波（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ，ＳＨ）を発生させる。２次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＳＨＧ）非線形プロセスは、入力赤外線放射の周波数の２倍である可視出力放射の光子を発生させるために、ＩＲ入力放射の２つの光子を結合することを含む。３次高調波発生（Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＴＨＧ）では、２次非線形結晶に代えて、非線形プロセスは、ポンプビームの周波数の３倍である周波数でＵＶ放射を出力するために、ＳＨ出力の光子をＩＲ入力の光子に結合することを含む。

ＬＢＯを含む非線形結晶は、通常、屈折率が複屈折結晶内の放射の偏光の方向に依存することを意味する、異方性屈折率によって特徴づけられる。このとき、強度分布は、図１に示されるように常に波面ＷＦに対して垂直な波数ベクトルｋによって定義される方向から離れる方向にドリフトする。この現象は、空間ウォークオフ、複屈折ウォークオフ、またはポインティングベクトルウォークオフＳと呼ばれ、エネルギー輸送の方向を定義し、ポインティングベクトルＳと波数ベクトルｋとの間の何らかの有限のウォークオフ角ρと関連付けられる。空間ウォークオフは、光軸に対する何らかの角度θで伝搬する異常偏光を有するビームについてのみ生じるため、屈折率ｎ_ｅ及び位相速度は、その角度に依存することとなる。常偏光を有するビーム（屈折率ｎ_０が伝搬角度に依存しない）は、ウォークオフを生じない。

図２は、ＵＶ光を発生するために採用される典型的な方式を示している。Ｉ型の非臨界的整合されたＬＢＯ１２が、ＳＨＧのための非線形媒体として図示された方式で使用される。ＬＢＯ１２は、直交偏光されたポンプビーム及びＳＨビーム１６、１８を出力する。第２のＬＢＯ１４は、３次高調波（Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ，ＴＨ）出力ビーム２２を発生するために、相互作用周波数においてＳＦＭのためにカットされたＩＩ型の臨界位相整合された（Ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｅｄ，ＣＰＭ）ＬＢＯである。ＩＩ型位相整合について、基本周波数及びその２次高調波のそれぞれにおける入力ポンプビーム（ＩＲ）及びＳＨビーム１６、１８の偏光は、互いに垂直であるべきであり、すなわち

または

であり、まさにＬＢＯ１２が提供するものである。したがって、図示された方式は、ビームの集束を除いて非線形結晶間でビーム操作を何も必要としないため、便利である。

図２のＴＨＧスキームにおいて、ビーム１６、１８は共線的かつ同軸であり、ＬＢＯ結晶１４の入力面２０に対して垂直な方向に、光経路にそって伝搬する。ＩＩ型位相整合ＬＢＯ結晶１４の和周波数非線形プロセスの間、ポンプ及び信号波それぞれの波数ベクトルｋ１及びｋ２、並びにポンプ波のポインティングベクトルＳ１は、すべて互いに平行／共線的である。しかし、ＳＨのポインティングベクトルＳ２は、波数ベクトルｋ２から逸脱しており、そのためウォークオフ角ρだけポインティングベクトルＳ１から逸脱している。これは、結晶１４内のビーム１６、１８の間のエネルギー輸送が、相互作用長さＬとして知られる比較的短い長さに沿ってのみ生じることを意味している。結果として、これらのビームが結晶１４を通って伝搬するにつれ、それらの間の間隔が、パルスレーザーの場合には発生したＴＨのピーク出力であるＴＨＧ変換効率を減少させる。前述の内容に基づき、変換効率は、比較的小さな相互作用長さＬによって制限される。

ウォークオフ現象は、強く収束された（小さな直径の）高強度ビームを使用する際に、変換効率に対して特に弊害をもたらす。それでも、周波数変換プロセスの効率が、特に数百キロワットに満たない出力の比較的低いピーク出力のシステムにおいて、光強度の関数であるため、これは必要である。それに対して、複数の手法が、単一モード（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ，ＳＭ）レーザーシステムにおいて採用される高調波変換プロセスのウォークオフ効果を補償するために考案されている。

多数の手法のうちの１つは、結晶を出る際にベクトル間の分離を最小化するために、比較的短い結晶の長さを有することによって、ウォークオフの問題に対処している。しかし、結晶の長さを減少させることは、あらゆるＴＨＧプロセスに不可欠である変換効率を減少させることにつながる。

ウォークオフ効果を最小にする別の方法は、ずれの効果が最小になるようにビームの直径を拡大することを含む。結晶内の集束されたビームのスポットサイズをより大きくする（強度を小さくする）と、光出力密度が低下するため、変換効率はさらに低下する。しかし、この手法は、数百ＭＷに達するピーク出力を有する高出力レーザー源では、光出力密度の顕著でない低下は認知が困難であるため、良好に働きうる。対照的に、最大数百ｋＷのピーク出力を有する低出力レーザー源が採用される場合、比較的出力密度の低下が顕著でなくても変換効率が劇的に低下することとなる。

代替的な手法は、ＴＨＧプロセスにおいて２つの非線形結晶の使用を含み、適切に配向された第２の結晶によって生じたウォークオフは、第１の結晶内のウォークオフによってオフセットされる。この手法はウォークオフ効果の低下に関してある程度成功している一方で、このコンセプトの特定の態様には問題がある。例えば、ウォークオフ効果の完全な補償は達成が困難なことが多い。さらに、そのように設計されたレーザーのコスト及び複雑さが増大する。

さらなる手法は、ビームが垂直な入射角で非線形結晶の入力面に入る際に生じる屈折効果に基づいている。この場合、入射光ビームの波数ベクトルｋは、スネルの法則に従って結晶の入力面を通過する際に屈折する。これは、入力面のいずれかの側の材料の屈折率とともに、入射角と屈折との関係を確立する。ＴＨＧプロセスに関して、それぞれ常偏光（ｏ）及び異常偏光（ｅ）状態に関する２つの波数ベクトル（ｋ_１及びｋ_２）が異なる角度で屈折する。まとめると、波数ベクトル複屈折とも呼ばれ、本開示の発明のシステムで使用されるこの効果の内容は、結晶の光軸に対する第２の結晶の入力面の配向、ウォークオフ補償を提供するために選択可能なポンプ及びＳＨ入射ビームのそれぞれの入射角に依存する。

波数ベクトル複屈折率効果は、ＳＨＧプロセス及びより具体的には共鳴キャビティ法におけるＳＨＧに関して特許文献１に開示されている。半世紀前によく知られていたことを繰り返すと、この文献は、最適な変換効率を提供するために、ウォークオフ角がＫＴＰ結晶内で補償されるように、ポンプビームの入射角を設定することを開示している。この文献は、ＳＦＭの一般的な場合を特徴づけるより複雑な要求を予期しておらず、そこでは多数の追加的な事項が考慮に入れられなければならない。例えば、ＴＨＧシステム全体の小型化、その複数レベル構造及びＴＨＧシステムに全て適用可能なその他の考慮事項は言及すらされていない。

その他の考慮事項とともに、ビーム形状及び非点収差特性も、変換効率と同程度により高次の高調波発生スキームに関して重要である。これは、レーザーの産業用途の大多数が円形ビームからの恩恵を受けているためである。Ｘ－Ｙ軸に沿ったこれらの用途のビームの強度は、可能な限り互いに近いものであるべきである。本質的に、円形断面はこの目的には理想的である。

特許文献２はＴＨＧプロセスにおける楕円率の問題に対処しており、波数ベクトル複屈折に基づくスキームを教示している。この文献は、第２の結晶の光軸に対してポンプ及びＳＨビームの入射角を調整することによって、ウォークオフ角を補償することを開示している。開示されたＴＨＧスキームは、２つのＬＢＯ結晶を含んでおり、そのうちの１つ９５はＳＨＧプロセスのために非臨界的に位相整合されたＬＢＯであり、ＩＩ型はＴＨを出力するために臨界的に位相整合されたＬＢＯ１００である。

特許文献２に開示され、図３に示されたスキームは、全体の構造的な複雑さを増大させる多数の光学要素を含んでいる。図示された光学要素は、結晶９５、１００がそれぞれ互いに対して平行ではなく、実際にはそれらの間に鈍角を画定する各面を有するように配置されている。このスキームの最大の欠点は、正確でありそのため困難な位置合わせの必要性である。そのような構造は、具体的に輪郭を形成された支持表面及び追加的な空間を必要とし、これらは構造の複雑さ及びコストに寄与する。

再びＴＨＧスキームのビームひずみの問題に戻ると、楕円ＳＨ及び、ポンプビームの残留部分がＴＨＧ結晶１００内に結合されると、さらに組み合わせられうる。典型的には、レンズ９２はＴＨＧ結晶１００内にビームを結合するために使用される。３つのビーム、ポンプ、ＳＨ及びＴＨ出力ビームはＴＨＧ結晶内を伝搬する。ＴＨＧ結晶内で整合されるための位相整合条件について、換言すれば効率の良い周波数変換プロセスについて、ＴＨＧ結晶内の３つのビームのうち１つまたは２つが、異常光ビームでなければならない。図示されるように、第２のＴＨＧ結晶は、ｏ－ｅ－ｏ構成であり、ポンプ及びＴＨビームは常偏光を有し、その一方ＳＨビームは異常偏光を有する。結果として、ＳＨビームはポンプ及びＴＨビームに対して第２のウォークオフ角ρ’で伝搬し、このウォークオフは、ＳＨビームの楕円率とともに、一般的に出力ＴＨビームを非円形にすることとなる。

したがって、高い周波数変換効率で動作するＴＨＧレーザーシステムの必要性が存在する。

また、出力ＵＶビームの固有の非点収差及び楕円率を最小化するように構成されたＴＨＧレーザーシステムの必要性が存在する。

さらに、単純で低コストであり、単純に構成され、堅牢なＴＨＧレーザーシステムの必要性が存在する。

また更にすべてが実質的に同一平面上にある周知のシステムの構成要素よりも少ない構成要素を有して構成されたコストに優れたＴＨＧレーザーシステムの必要性が存在する。

米国特許第５１３６５９７号明細書 米国特許第７２９２３８７号明細書

本開示に従って構成された非線形光学システムは、前述の必要性を満たす。本発明のレーザーシステムは、１μ波長範囲において約３００ｋＨｚの周波数で赤外（ＩＲ）光のパルスを出力するイッテルビウム（Ｙｂ）ポンプ源の比較的低い平均及びピーク出力について使用可能である。本開示の内容において、低出力ポンプＹｂ源は、５０から６０マイクロジュール（μＪ）の範囲のパルスエネルギーを有する１から２ｎｓのパルスの３０Ｗまでの平均出力を出力する光源である。ＴＨの発生は、平均で５０から５５％の範囲で変化する変換効率によって特徴づけられ、ＵＶ光のピーク出力はＩＲ出力の半分にほぼ等しい。Ｙｂポンプ源の高い平均出力は、５０から６０Ｗの範囲であると考えられ、その一方パルスエネルギーは最大１８０μＪに達しうる。このクラスのレーザーにおけるＴＨの発生の間の変換効率は、６５から７０％の範囲内にある。出願人の知る限りにおいて、前述の効率の範囲のいずれかは、ガウシアンまたは実質的にガウシアンのビームを出力する開示されたレーザー源について到達されていない。

第１の態様によれば、開示されたシステムは、基本周波数においてポンプビームによる照射に応じてＳＨビームを提供する少なくとも１つの第１の、上流側非線形結晶を有して構成される。ＳＨビーム及びポンプビームの残りの部分は、三次高調波（ＴＨ）で第３のビームを発生させる第２の、下流側非線形結晶に入射する。第１及び第２の非線形結晶は、それぞれ長手方向の結晶軸に対して斜めの角度で延在する出力及び入力面をそれぞれ有する。

出力及び入力面は、完全に長方形の第２の結晶に入射するＳＨビームと比較して、波数ベクトル複屈折現象に基づいて制御可能な角度でこの結晶内で傾く（方向を変化させる）ように第２の結晶の入力面に入射するＳＨビームが屈折するようなくさび角を有して製造される。ＵＶ光の変換効率と楕円率との間の所望のトレードオフに基づいて、ＳＨビームは結晶の長さ全体にわたって、それぞれ基本周波数及びＴＨ周波数で光線を完全に重ね合わせることができる。そのため、第１及び第２の結晶のそれぞれの傾けられた出力面及び入力面は、ＵＶビームの変換効率を最大化し、楕円率を最小化するように、第２の結晶内でポンプビーム及びＳＨビームそれぞれのポインティングベクトルの間のウォークオフ角について所望の補償を提供する。

本開示の第２の態様によれば、第１の態様で開示された第１及び第２の結晶は、いずれもＬＢＯ結晶である。第１の結晶はＳＨＧプロセスについてＩ型非臨界的位相整合されたＬＢＯであり、その一方第２の結晶は、ＴＨでＵＶ光を発生させるためのＩＩ型臨界的位相整合されたＬＢＯとして構成される。

しかし、ＬＢＯ結晶は本開示の目的を達成することができる種類の非線形結晶のみではない。レーザー物理の分野の当業者がよく理解するような最小限の変更で、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、リン酸二重水素カリウム）及びより高次の高調波を発生させることができるようなその他の結晶が、本開示の範囲に容易に組み込まれ、前述の、及び後述の態様のすべてまたはいずれかと組み合わせて使用されうる。

第３の態様において、第１、第２または第１及び第２の態様の両方に照らして考慮された開示されたシステム、第１、第２または第１及び第２の態様の両方の第１及び第２の結晶のそれぞれの出力面及び入力面は、互いに対して平行であるか、またはわずかに傾斜している。表面間の角度は、好適には０から２０°を超えない。角度は、後述の態様のそれぞれでも使用可能であることには注意すべきである。

第４の態様において、前述の３つの態様のいずれか、またはこれらの態様の任意の可能な組み合わせの開示されたシステムは、それぞれが結晶の長手方向軸を含む面のそれぞれにある第１及び第２の結晶を有して構成される。面は、０から１ｍｍの間で変化する距離で、光経路に対して垂直な方向に互いにオフセットされうる。したがって、全ての実用的な目的について、第１及び第２の結晶は実質的に同一面上にある。結晶が同一面上にあることにより、システムの構造は単純化され、そのためコストに優れ、小型になる。もちろんこの態様において開示された結晶は、任意の後述の態様の開示された構造でも使用可能であることは指摘されるべきである。

第５の態様によれば、前述の４つの態様のいずれか及びこれらの態様の任意の組合せの開示されたシステムは、第１及び第２の結晶が０から２０ｍｍの間で変化する光経路に沿ったある距離だけ間隔を開けられる。２０ｍｍの距離であっても、出願人の知る従来技術のデバイスのものとは比較にならないほど小さい。ゼロｍｍの距離、すなわち、結晶間に自由空間が全くないものは、互いに対して平行な出力面及び入力面を有する結晶の構成において可能である。０から２０ｍｍの範囲は、開示されたシステムの非点収差を大幅に改善し、０．９５Ｄ程度まで低くなりうる。ここで議論される距離は、常に、本開示の後続のいずれかに照らして考慮されるべきである。

第６の態様によれば、前述の５つの態様のいずれかまたはこれらの任意の組合せの開示されたシステムは、間隔を開けて配置された場合には、それらの間に妨害物のない空間を有する。従来技術の結晶の間に配置された慣習的な集束レンズが存在しないことは、光学収差を最小化し、コストを低減し、開示されたシステムの耐久性を向上させる。明らかに、この特徴は前述の態様と組み合わせ可能であるだけでなく、全ての後述の態様にも有益である。

第７の態様によれば、前述の６つの態様のいずれかまたはこれらの態様の任意の組合せの開示されたシステムはさらに、ポンプビームのウェスト部が第１の結晶内に形成されるように結晶を配置することによって特徴づけられ、このビームのレイリー長さは、ビームが両結晶内を連続的に延在するようにされる。この構造は、典型的には結晶間に配置された慣習的な集束レンズの必要性を排除する。

本開示の第８の態様は、ＵＶ光の楕円率に関する。前述の態様のいずれかまたはこれらの態様の任意の組合せのシステムはさらに、出力ＵＶビームの楕円率を最小化する修正光学スキームを有して構成される。第１の態様に簡潔に戻ると、開示されたありうる最大の変換効率が望ましい状況を想像することができる。しかし、開示されたシステムの最も高い変換効率は、楕円率を犠牲にして達成し、それでもこれは７５から９０％の間で変化する良好なものである。所定の最大効率において、楕円率がさらに良いことが望ましい場合、本発明のシステムは、第２の結晶の下流に配置され、９９％まで低減され得る楕円率を実用的に排除するように構成された修正光学スキームを組み込む。

１つの好適な構成において、修正光学系は、第２の結晶の出力面に面する凹面を有する反射素子を含む。この凹面は出力ビームを反射し、出力ビームは光経路にそって伝搬するにつれて拡大する。拡大された出力ビームは平行化レンズに入射する。結果として、ＵＶビームの楕円性は９９％まで改善されうる。別の好適な構成において、反射素子の代わりに、負レンズが他の構成におけるものと同じように残る光学スキームの残りとともに利用されうる。修正光学スキームは、可能な最大変換効率が必要であるか否かにかかわらず使用されうることは注意すべきである。

本開示はまた、第１の、及び８つの態様の任意の２つまたは開示されたレーザーシステムのこれらの任意の組合せを利用することに関する。レーザーシステムは、第１から第８の態様の非線形システムに加えて、主発振器出力ファイバー増幅器スキームとして構成されたポンプ源を含む。

１つの好適な構成において、主発振器はＳＭダイオードレーザーであり、その一方Ｙｂファイバー増幅器はＳＭ Ｙｂドープファイバーを含む。別の好適な構成において、ポンプ源は複数モード（ＭＭ）構造である。

さらなる態様において、第１から第８の態様の非線形光学システム及び／または開示されたレーザーシステムのいずれかまたは両方は、光学システム内の第１の結晶の上流であって、本発明のレーザーシステムのポンプ源と第１の結晶との間に配置された集束レンズを有して構成される。集束レンズと第１の結晶との間の距離は、ポンプビームのウェスト部が第１の結晶内に形成されるように調整され、このビームのレイリー長さが、両結晶内に連続的に延在するようにされる。この構造は、典型的には結晶間に配置された慣習的な集束レンズの必要性を排除する。

好適には、集束レンズは第１の結晶に対して移動可能であり、結晶間の距離は固定され、所定のウェスト部を有し、所定の結晶の結晶長さにおけるポンプビームが第２の結晶の外に結合されない最適な距離を決定するように提供される。代替的な好適な組み合わせにおいて、結晶は集束レンズに対して移動可能であり、またはこれらの素子の両方が互いに対して移動可能である。

前述の態様は、以下の図面に示されている。

ウォーク現象を示す周知の従来技術である。 非線形結晶内のウォークオフ現象の概略図である。 ウォークオフ現象を最小化するように構成された周知の従来技術の光学システムの概略図である。 ３次高調波非線形結晶における逆ウォークオフ現象を最小化するように設計された本発明の周波数変換スキームを有して提供されたレーザーシステムの概略図である。 図４のシステムの出力ビームの非点収差及び楕円率を改善するように構成された、本発明のビーム形状修正光学システムの概略図である。 図５の修正システムを有さずに組み立てられた図４の本発明のシステムによって放出された出力ビームのコンピュータ生成画像である。 図４の本発明のシステムの使用で得られる実験データを示すコンピュータで生成されたグラフである。 図４の本発明のシステムの使用で得られる実験データを示すコンピュータで生成されたグラフである。

開示されたシステム２５は、周知の従来技術よりも少ない数の構成要素を含む、単純で、容易に製造可能なＬＢＯに基づく構造を有する。レーザーシステム２５は、互いに対して単純な方式で整列され、単一モード（ＳＭ）ポンプビームの基本波長λ_ｆを１／３λ_ｆの波長の実質的に円形のＴＨビームに、最大７０％の変換効率で変換するように動作可能な２つの周波数変換ステージを有して構成される。

図４を参照すると、本発明のレーザーシステム２５は、１０６４ｎｍのような基本波長で、光経路に沿って３００ｋＨｚのパルス反復率でＳＭポンプビームを出力するＳＭもしくは実質的なＳＭファイバーのようなポンプ２０、またはその他任意の適切なレーザーを有して構成される。ポンプビーム２０は、光経路に沿って延在する長手方向の軸２６を有する、第１の細長いＬＢＯ結晶２４に入射する。好適には、第１の結晶２４は、ＳＨＧプロセスに関してＩ型非臨界的位相整合されたＬＢＯである。ポンプビーム２０は、軸２６に対して平行に第１の結晶２４を通って伝搬し、そのエネルギーは５３２ｎｍの波長で信号ビーム２８と称されることの多い発生したＳＨビームに移行する。ＳＨビーム２８は結晶２４の性質のためにポンプビーム２２をウォークオフせず、すなわちビーム２２、２８は同軸かつ共線的である。両方のビーム、すなわちポンプビーム２２の残り及び生成されたＳＨビーム２８は、出力面３０を通って、いかなる妨害物もない空洞である自由空間に、共線的かつ同軸である状態を保ったまま出るが、それぞれ互いに垂直な偏光面ｏ及びｅを有する。

第２のＬＢＯ結晶３２は３次の３５５ｎｍの波長を有する出力ＴＨビームを発生させるように１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの波長を相互作用させて、ＳＦＭについて正の主軸Ａに対して角度θで切断されたＩＩ型臨界的位相整合された（Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｅｄ、ＰＭ）ＬＢＯである。結晶３２も、第１の結晶２４の軸２６と平行である長手方向の軸３４を有する細長い形状とされる。第１及び第２の結晶２４、３２は、光経路に沿って、０から２０ｍｍまで変わる距離だけ離隔されている。また、両方の長手方向軸に対して垂直な平面において、結晶は、軸２６、３４を共線的にする０ｍｍから、１ｍｍの間の距離だけ間隔を開けられる。

これらのビームの間で第２の結晶３２内の相互作用長さをより大きくする、ビーム２２、２８のＳＦＭプロセスにおける周波数変換効率の最適化は、波数ベクトル複屈折効果に基づいている。この実現は、第２の結晶３２の入力面３８が傾けられるくさび角α、常偏光ポンプビーム２２と異常偏光ビーム２８との間の入射角β、及び入力面３８に対する法線Ｎ２の最適化を含む。

角度αを決定する手法は、レーザー分野の当業者には周知であり、参照により本明細書に完全に組み込まれた米国特許第７２９２３８７号明細書によく説明されている。典型的には、この角度選択に依存する変換効率は、変換効率と、温度、ＳＨ信号ビーム２８の偏光Ｓλ_２及び波数ベクトルｋλ_２のような位相整合条件、並びに３つの相互作用するビーム２２、２８及びＳＭ ＴＨ出力ビーム、常偏光ビーム４０の間の空間重複要件との間の妥協の結果である。開示されたシステムにおいて、所望のくさび角α及び切断角θの配向は、屈折を受けたポンプビーム２２が結晶３２の長手方向の軸３４と共線的であるように選択される。選択されたくさび角α及び切断角θで、破線で示され、完全な長方形の断面を有する結晶３２のＳＨ信号ビーム２８の屈折に対応するＳＨ信号ビーム２８のポインティングベクトルＳλ_２及び波数ベクトルｋλ_２は、ベクトルＳ’λ_２及びｋ’λ_２のそれぞれの位置に角度をずらされる。図示されるように、ベクトルＳ’λ_２及びｋ’λ_２は、くさび角α及び切断角θの適切な選択のために、ポンプビーム２２のベクトルｋλ_１、Ｓλ_１をはさむ。結果として、出力ＴＨビーム４０の波数ベクトルｋλ_３の方向は、ベクトル位相整合条件ｋ_３＝ｋ_１＋ｋ_２によって決定される。出力ＴＨビーム４０は、結晶３２から、その出力面を通って、入力ポンプビーム２２と平行な面内で結合解除される。

後述のパラメータで特徴づけられるシステム２５のウォークオフ角ｐは完全に補償されていないが、周波数変換効率と出力ＴＨビーム４０の楕円率との間で適切なバランスが崩される。角度αの範囲は好適には２０°±１０°の範囲内である。

開示されたシステム２５が小型であること、および単純であることを説明する、本発明のさらなる顕著な構造的特徴は、出力面３６に対する法線Ｎ１に対してくさび角δだけ傾斜した第１の結晶２４の出力面３６を含む。ここでは、角度δの選択は、ビーム２２、２８が、結晶３２内を長手方向の軸３４と共線的に伝搬するポンプビーム２２とともに角度βで第２の結晶３２の入力面３８に入射するようにされる。第１の結晶２４の出力面３６のくさび角δは、以下の方法に従って決定される。

まず、最大角αは、ポンプビーム２２及びＳＨ信号ビーム２８のそれぞれの波数ベクトルの間の最大角に基づいて、結晶の所定の長さについて位相整合を保存するために決定されるものである。第２に、切断角の配向は、信号ビーム２８の波数ベクトル及びポインティングベクトルに、ポンプビーム２２の波数ベクトルの周囲に扇形を形成させるように選択されるべきである。くさび角αをスネルの法則に従って知ることにより、第２の結晶３２の入力面３８におけるビーム２２、２８の両方の（法線Ｎ_２に対する）入射角βは、次のように決定される。
β＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（α）×ｎ_２（１０６４） （１）

具体的な例において、角度αが１７．５°に等しく、１０６４ｎｍのポンプビームについて１００℃で位相整合された第２の結晶３２の屈折率がｎ_２＝１．５６４のとき、入射角β＝２８．０５°である。次に入射角とくさび／屈折角αとの間の角度ｋは次のように決定される。
ｋ＝β－α （２）

与えられた例において、ｋ＝１０．５５°である。ここで、出力ビーム２２、２８の間の、第１の結晶２４及び法線Ｎ１から出力面３６への角度γは、次のように決定することができる。
γ＝ｋ＋δ （３）

δは出力面３６のくさび角である。スネルの法則に基づいて、
ｓｉｎ（δ）×ｎ_１（１０６４）＝ｓｉｎ（γ） （４）

３式に基づいて、４式は次のように書き換えられうる。
ｓｉｎ（δ）×ｎ_１（１０６４）＝ｓｉｎ（ｋ＋δ） （５）

所定の例において、１０６４ｎｍのポンプビームについて、１５０℃で位相整合された第１の結晶２４の屈折率は１．６０５である。これを用いて、
ｓｉｎ（δ）×１．６０５＝ｓｉｎ（１０．５５＋δ） （６）

６式から、くさび角δは１６．４°に等しい。

第１及び第２の結晶は、これらの構成要素の任意の適切な組み合わせとともに、本発明のシステム２５の個々の構造的構成要素のそれぞれとともに完全に良好にそれぞれ働く２つの改良に従って構成されうる。改良の１つにおいて、各結晶２４、３２の出力面及び入力面３６、３８は、異なる角度δ及びαだけ傾けられる。くさび角の両方について２０°±１０°の範囲内で、くさび角は、選択された角度α及び各結晶ができる限り小さく位相整合された温度に基づいて、互いに異なる。２°を超えないくさび角の間の角度差ｋが許容可能である。代替的に、システム２５は、互いに対して平行である入力面、出力面３６、３８を有して設計されうる。出力面及び入力面３６、３８の間の空間的関係に基づいて、それぞれ、第１及び第２の結晶２４、３２は物理的に接触するようにされうる、すなわちこれらの間の軸距離がゼロであることができる。一般に、結晶間の軸距離は２０ｍｍを超えない。

開示された構造２５はまた、長手方向の軸２６、３４に対して垂直な共通平面内に配置された両結晶２４、３２を有して構成されうる。この構成において、軸は共線的である。代替的に、第１及び第２の結晶２４、３２はそれぞれ、軸に対して垂直な方向において１ｍｍを超えない距離だけ離隔された平行な平面内に延在する。

前述の寸法的な代替例のそれぞれは、開示された構造２５のその他すべての個別の特徴と組み合わせて、またはこれらの構成要素の任意の可能な組み合わせで使用されうる。

周知の従来技術において開示されたシステムとは対照的に、常偏光ポンプビーム２２及び異常偏光ＳＨ信号ビーム２８は、結晶が軸方向に離隔されている場合には、妨害物が存在しない自由空間を通って結晶２４、３２の間を伝搬する。典型的には結晶間に配置される集束レンズの必要はない。

しかし、本発明のシステム２５は、ポンプ源２０と第１の結晶２４との間に配置された集束レンズ４２を含む。レンズ４２は、ＳＭポンプビーム２２が第１の結晶内に形成されたウェスト部を有するように構成される。選択された結晶の長さ、くさび角及び結晶間の間隔では、ポンプビーム２２は、第２の結晶の出力面に関するコースを除いて、この結晶の物理的境界を越えて延在することなく、第２の結晶３２を通って延在する。必要な場合、レンズ４２は、ＴＨ出力ビームに最適な出力変換効率を提供するために、軸２６に対して平行な平面内に自動的に、または手動で動かされうる。

図８及び９を参照すると、２から２．５ｃｍの範囲で変化する各結晶２４、３２の長さ、１７．５°のくさび角α、１６．４°の角度δ、並びに１０６４ｎｍの波長及び１５Ｗを超える平均出力で単一モード（ＳＭ）ＩＲビームを出力するＩＲポンプ源２０について、本発明のシステムは、３５５ｎｍの波長及び１．５ｎｓのパルス持続時間でＴＨ出力ビーム４０への７０％を超える周波数変換効率で動作する（図８）。１０６４ｎｍの基本波長及び１５Ｗ未満の平均出力でＩＲビームを出力するポンプ源２０を有する本発明のシステムの周波数変換効率は、図９に示されるように５０％に達する。変換効率はさらに高くなりうるが、ＴＨ出力ビーム４０の非点収差及び楕円率のようなその他の考慮事項が以下に開示するように非常に重要である。

具体的に、最大１．２のＭ^２を有するガウシアンまたは実質的なガウシアンのビームについて既に非常に高い開示された周波数変換効率を有する場合、開示されたくさび角α、δ、ＴＨビームの非点収差は重要ではなく、楕円率は約０．８でありうる。しかし、非点収差及び楕円率の範囲はいずれも、さらなる光学修正をしなくても、ガウシアン強度プロファイルを有する集束されたＳＭビームについて既に非常に高い。しかし、これらの範囲は、以下のビーム形状光学修正スキームで改善されうる。

図５を参照すると、開示された修正光学スキーム５０は、第２の結晶３２の下流側に光経路に沿って反射素子４６を含む。素子４６は、ＴＨ出力ビーム４０を反射する凹面を有して構成される。具体的なセットアップによって、反射されて拡大されたＴＨビーム４０は、ミラー４２に入射しうる。ビーム４０はコリメーティングレンズ４８に入射するまで光経路に沿って拡大し続ける。

修正スキーム５０の効果は図６、７に示されている。図６は、修正システム５０のない本発明のシステム２５のＴＨ出力システムの楕円率が約０．７８であることを示している。図７は、０．９９％に達するビームの楕円率及び０．９５Ｄでありうる非点収差の両方の改善を示している。

本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、様々な変更及び改良が、添付された特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲及び思想から変更されることなく、当業者によってなされうる。

１２ ＬＢＯ結晶
１４ 第２のＬＢＯ結晶
１６ 入力ポンプビーム
１８ ＳＨビーム
２２ ポンプビーム
２４ 第１のＬＢＯ結晶
２５ レーザーシステム
２６ 軸
２８ ＳＨビーム
３０ 出力面
３２ 第２のＬＢＯ結晶
３４ 軸
３６ 第１の結晶の出力面
３８ 第２の結晶の入力面
４０ 出力ＴＨビーム
４２ ミラー
４６ 反射素子
４８ コリメーティングレンズ
５０ 修正光学スキーム
１００ ＬＢＯ結晶

Claims (10)

1. 長手方向の軸を有し、２次高調波（ＳＨ）ビームを発生させる基本周波数でパルスポンプビームが横切る細長い２次高調波発生（ＳＨＧ）結晶であって、前記ＳＨＧ結晶の長手方向の軸に対して垂直とは異なる第１の角度αだけ傾けられた出力面を有し、前記パルスポンプビーム及び前記ＳＨビームが前記ＳＨＧ結晶の出力において互いに同軸かつ共線的である、ＳＨＧ結晶と、
   前記ＳＨＧ結晶の前記長手方向の軸に対して平行である長手方向の軸並びに、入力面を有する細長い３次高調波発生（ＴＨＧ）結晶であって、前記入力面に、同軸かつ共線的な前記ポンプビームの残り及び前記ＳＨビームが入射し、前記ポンプビームの残りと前記ＳＨビームの両方が３次高調波（ＴＨ）ビームを発生させるためにそれらの間のウォークオフ角で前記ＴＨＧ結晶を通って伝搬し、前記ＴＨＧ結晶の前記入力面が、前記ＴＨＧ結晶の前記長手方向の軸に対して垂直とは異なる第２の角度δだけ傾けられた、ＴＨＧ結晶と、を含み、
   前記第１の角度及び前記第２の角度が、ポンプビーム及びＳＨビームのそれぞれのポインティングベクトルの間のウォークオフ角を最小化するように選択され、提供される位相整合条件が保存され、前記ＴＨビームの楕円率を改善する、非線形光学システム。
2. 前記ＳＨＧ結晶がＩ型非臨界的位相整合されたＬＢＯであり、その一方前記ＴＨＧ結晶がＩＩ型臨界的位相整合されたＬＢＯとして構成された、請求項１に記載の非線形光学システム。
3. ＳＨＧ及びＴＨＧ結晶のそれぞれの出力面及び入力面が、互いに対して平行または非平行のいずれかである各面内に延在し、前記面が非平行である場合、非平行な前記面の間の角度が０°より大きく、２０°を超えない、請求項１または２に記載の非線形光学システム。
4. 前記ＳＨＧ及びＴＨＧ結晶が同一平面上にあるか、または、１ｍｍを超えない距離だけ、結晶の長手方向の寸法に対して垂直な方向にオフセットされた、請求項１から３のいずれか一項に記載の非線形光学システム。
5. 前記ＳＨＧ結晶及び前記ＴＨＧ結晶が、互いに離隔され、自由空間を超えて互いに光学的に連通し、前記自由空間が、前記ＳＨＧ結晶と前記ＴＨＧ結晶との間に介在された光学構成要素のない空洞である、請求項１から４のいずれか一項に記載の非線形光学システム。
6. 前記ＳＨＧ結晶及び前記ＴＨＧ結晶が、０から２０ｍｍの間で変わる距離だけ、光経路に沿って離隔された、請求項１から５のいずれか一項に記載の非線形光学システム。
7. 前記ＳＨＧ結晶の上流側に集束レンズをさらに含み、前記集束レンズ及び前記ＳＨＧ結晶が、互いに対して制御可能に移動され、前記ポンプビームに、前記ＳＨＧ結晶内に形成されたウェスト部を提供し、前記ポンプビームが前記ＴＨＧ結晶を通って伝搬する際に前記ＴＨＧ結晶内に閉じ込められるように、前記ポンプビームが光経路に沿って延在する、請求項１から６のいずれか一項に記載の非線形光学システム。
8. 前記ＴＨＧ結晶の下流に修正光学スキームをさらに含み、前記修正光学スキームが、前記ＴＨＧビームを反射する凹面を有する反射素子と、反射されたＴＨＧビームを受け取って約０．９５Ｄの非点収差及び約０．９９の楕円率を提供するコリメータと、を含み、単一横モード（ＳＭ）ビームであるポンプビームの基本周波数の、前記ＴＨＧ結晶内の３次高調波に対する最大変換効率が、１５Ｗ未満の前記ＳＭポンプビームについて５０％、１５Ｗを超える前記ＳＭポンプビームについて７０％に達する、請求項１から７のいずれか一項に記載の非線形光学システム。
9. 基本周波数でパルスポンプ光ビームを出力するように構成された単一モード（ＳＭ）パルスレーザー光源と、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の非線形光学システムと、を含む、周波数変換レーザーシステム。
10. 前記ＳＭパルス光源が、主発振器出力ファイバー増幅器スキームとして組み立てられ、３００ｋＨｚのパルス反復率で動作するＳＭダイオードレーザー及びファイバー増幅器を有する、請求項９に記載の周波数変換レーザーシステム。

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