JP2011521447A - キャビティ内周波数二倍化結合キャビティダイオード励起ｎｄレーザによってポンピングされたルビーレーザのキャビティ内第２高調波発生 - Google Patents

Abstract

ダイオード励起固体レーザ材料（２１’，７５）の周波数二倍化（３０’）基本波であるレーザキャビティ（３４’，７１）からの出力で、ルビー系活性レーザ媒体（２１”，９３）をポンピングすることによって紫外レーザ光を発生させるシステムおよび方法。ルビー系活性レーザ材料のレーザ発光は、レーザキャビティ内に配置される非線形結晶（３０”）によって順次周波数二倍化される。効率的な周波数変換のために、好ましくは、レーザキャビティは、共振反射器を用いる。キャビティ内第２高調波発生は、ビームスプリッタとして作用するＳＨ出力カプラ（４８’，４８”）の最適化された反射率で結合されたキャビティを用いることによって増強される。

Description

本発明は、効率のよい周波数変換を有するレーザシステムに関する。

そのようなレーザシステムは、欧州特許出願公開第１４４２５０７号明細書から知られており、該明細書は、基本周波数（波長）のためのレーザキャビティのミラーのうちの１つが周波数変換のための非線形媒体を組み込んだ共振反射器によって実現される、二重増強キャビティ内周波数変換を利用したレーザシステムを記載している。この知られたレーザシステムは、基本周波数の第２または第３高調波のレーザ光を効率良く出力する。

３５０ｎｍ近傍のスペクトル領域における紫外レーザ光は、工業、科学、および、特に医学および生命工学の分野で用いられてきた。そのような紫外レーザ発光は、非線形周波数変換、たとえば、ネオジムドープレーザ結晶の第３高調波発生（ＴＨＧ）により得ることができる。この場合、周波数変換の第１の工程において、基本周波数のレーザビームは、第１の非線形結晶において、周波数が二倍化される（第２高調波発生−ＳＨＧ）。次に、第２の工程において、生じた基本周波数の第２高調波のビームと基本周波数の残留レーザビームとが、第２の非線形結晶において、基本周波数の第３高調波のレーザビームを生成するために組み合わせられる。

図１は、第３高調波発生（ＴＨＧ）のためのレーザシステムを示す。複数のミラー（２０，３１，３２，３６）によって形成されたレーザ共振キャビティにおいて、活性媒体２１は、ポンプ源３４によってポンピングされる。そのような配置において、４つのミラー（２０，３１，３２，３６）は、レーザの基本周波数（ω）において、高反射性とされる。レーザ共振キャビティ１０において生成された基本周波数（ω）のレーザビームは、第２高調波（２ω）のレーザ光を生成するために、第１の非線形結晶３０において、周波数二倍化を受ける。基本周波数（ω）のレーザビームおよび第２高調波（２ω）のレーザビームは、第３高調波（３ω）のレーザビームを生成するために、第２の非線形結晶５０において、特別な位相整合条件のもとで相互作用する。第３高調波（３ω）のレーザビームは、レーザシステムの第３高調波（３ω）の出力として、ミラー３２を介して透過させられる。ネオジムドープ活性媒体２１に関して、基本周波数（ω）に対応する波長は、約１．０５３μｍ〜約１．０７５μｍの範囲にある。第３高調波（３ω）に対応する波長は、約３５１ｎｍ〜約３５７ｎｍの範囲にある。第３高調波発生についての詳細については、たとえばW.Koechner,Solid State Laser Engineering，第６版，Springer-Verlag，２００６年，第６２５〜６２９頁を参照することができる。

上述のＴＨＧスキームにおいて、基本周波数（ω）のレーザビームの唯一の利用可能な損失は、第２の高調波周波数（２ω）および第３の高調波周波数（３ω）への非線形変換による損失である。通常、この損失は、低または中程度の出力（ミリワットから数ワットの範囲内）を有する連続波（ＣＷ）レーザの場合、キャビティ往復につき、約１％以下である。結果として、全キャビティ損失は、レーザキャビティの内部部分により支配され、したがって全体のレーザ効率（ポンプ出力に対する第３高調波出力）をかなり小さくする。

同一のレーザキャビティ内の第２高調波および第３高調波発生プロセスのための非線形結晶内における異なる位相整合条件は、さらなるキャビティ損失をまねく相反する位相整合の技術的実現を意味しているために、ＴＨＧの段階における周波数変換効率は、ＳＨＧの段階における周波数変換効率よりも非常に低く、通常は１０％をはるかに下回る低いシステム全体の効率（レーザに与えられたポンプ出力に対する第３高調波出力）をもたらす。

レーザ光の第３高調波発生によって、約３５０ｎｍの紫外光を生成するための上記構成の別の欠点は、小さな環境変化、熱的影響、および空気による散乱などに対する、レーザ出力の高い感受性である。キャビティ損失を小さな値に維持するとき、小さな外乱は、利用可能な損失および内部の損失の間のバランスを著しく変化させ得、レーザ出力の強い変動をもたらす。このことは、レーザの安定性を低下させ、安定化対策および使用されるレーザ部品における厳しい許容誤差を必要する。

さらに別の欠点は、ネオジム系レーザシステムの、３５１ｎｍ以下での、第３高調波の制限された波長選択性である。波長３５１ｎｍ以下のレーザビームは、いくつかの生物学的応用、たとえば、解析溶液のための免疫アッセイとしてのトリスビピリジンにおいて、たとえばＥｕ^３＋を用いる蛍光法による試験／診断工程において、アッセイ量を最小化するために必要とされる。

潜在的に、３５０ｎｍ近傍のスペクトル領域におけるレーザ光は、（室温において）基本波長６９４．３ｎｍを発光し、したがってＳＨＧによって波長３４７．１５ｎｍのレーザ光を提供する、ルビーレーザからの発光の第２高調波発生によっても可能である。しかしながら、これまでに知られたルビーレーザは、ポンプ源として、高圧放電閃光灯を用いる。後者は、基本波長においてさえも非常に低い「ポンピング対出力」効率を有し、連続波（ＣＷ）動作のためにはまったく適していないけれども、ルビー活性媒体のために要求されるポンピング密度を、パルス領域においてのみ、提供することができる。

本発明の主要な目的は、３５０ｎｍ近傍のスペクトル領域内のレーザ光の発生効率を改善することである。本発明のさらなる目的は、非効果的で高価な閃光灯ポンピングの使用を排除するルビーレーザからの基本波長発光の第２高調波変換によって、３５０ｎｍ近傍領域におけるレーザ光の効率のよい発生を提供すること、および、特に、効率のよい、ＣＷおよびパルス双方の、全固体レーザ技術に基づいている、ルビーレーザを提供することである。

先ず、システムおよび方法は、レーザ光の効率のよい発生のために提供される。本発明のこの態様のために、第１の活性媒体と、第１の基本周波数出力を発生するための第１の活性媒体をポンピングするための固体ポンプ源と、第１の基本周波数出力を受けて、周波数変換された光出力を発生する周波数変換手段とを含む第１の光キャビティ、および第２の周波数出力を生成するためのポンプ源として、周波数変換された光出力を受ける第２の活性媒体を含む第２の光キャビティを含む、レーザシステムが提供される。

好ましい実施形態において、本発明は、第２の活性媒体として、ルビー系材料を用いる。活性レーザ結晶、ガラス、または、好ましくはネオジムもしくはイッテルビウムドープ光ファイバに基づく、近赤外ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザからの第２高調波でルビーをポンピングすることによって、ルビー活性結晶からのレーザ光の発光は、約６９４ｎｍ（Ｒ線転移）のものとなる。これらのＤＰＳＳレーザは、１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲内の基本波長、たとえば、Ｎｄ−ドープＹＡＧまたはバナジウム酸塩結晶の場合、１０６４ｎｍの基本波長を発光し、したがってポンピングのためのルビーの「緑」帯域吸収に整合する５１５ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内の第２高調波発光を提供し、よってルビーレーザが全固体レーザ技術の上に構成されることを可能にする。

さらに、ＮｄまたはＹｂドープ活性媒体に基づく近赤外ＤＰＳＳからの第２高調波出力によってポンピングされる、第２の複合光キャビティにおけるルビー系活性レーザ媒体からの放射の第２高調波変換によって、紫外レーザ光を生成するためのシステムおよび方法が提供される。

システム全体の効率のために、ルビーの「緑」吸収帯域に整合する第２高調波の発生は、それ自体、可能な限り効率がよいことが重要である。この特別な問題を目標として、本発明によって、第１の複合光キャビティからの第２高調波波長の出力によって第２のレーザキャビティ内に配置されたルビー結晶をポンピングすることによって、６９４．３ｎｍのルビーの基本波長の光を発生するためのシステムおよび方法が提供される。特に、限定を目的とするものではないが、第１の複合レーザキャビティは、たとえば欧州特許出願公開第１４４２５０７号明細書に記載された、ＤＥＮＩＣＡＦＣレーザ技術により設計されてもよい。

さらに、本発明の別の態様において、活性レーザ媒体からの発光の第２高調波変換によって紫外レーザ光を発生するためのシステムおよび方法であって、活性レーザ媒体が、好ましくはルビー系であって、第１の複合レーザキャビティにおける、好ましくはＮｄまたはＹｂドープ活性媒体からの第２高調波波長の出力によってポンピングされる、システムおよび方法が提供される。レーザシステムは、第１の複合光キャビティであって、第１の複合光キャビティの低レベル循環する第１の基本周波数出力の第１のキャビティ部分と、第１の複合光キャビティの高レベル循環する第１の基本周波数出力の第２のキャビティ部分とを有する第１の複合光キャビティと、第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分にある好ましくはネオジムドープ活性媒体と、第１の複合光キャビティの第２のキャビティ部分にある少なくとも１つの第１の非線形結晶と、第２の複合光キャビティであって、第２の複合光キャビティの低レベル循環する第２基本周波数出力の第１のキャビティ部分と、第２の複合光キャビティの高レベル循環する第２基本周波数出力の第２のキャビティ部分とを有する第２の複合光キャビティと、第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分にある好ましくはルビー系である活性媒体と、第２の複合光キャビティの第２のキャビティ部分にある少なくとも１つの第２の非線形結晶とを含む。

いくつかの実施形態において、ルビー系活性媒体は、Ｃｒ：Ａｌ_２Ｏ_３型ルビーであってもよい。いくつかの実施形態において、ルビーにおける、クロムドーピング濃度は、０．０３％〜５％の範囲内、好ましくは２％〜５％の範囲内であってもよい。

いくつかの実施形態において、第２の複合光キャビティの出力は、第２の基本周波数の第２高調波にあるように構成されてもよい。第２の複合光キャビティにおける、約６９４ｎｍの基本周波数を有するルビー系活性媒体のために、第２の複合光キャビティの出力は、約３４７ｎｍとなる。

いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、Ｑスイッチングとして、キャビティ損失変調器を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、Ｑスイッチングとして、キャビティ損失変調器を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、第１の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するための、少なくとも１つのスペクトル選択器を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、第２の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するための、少なくとも１つのスペクトル選択器をさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティのネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性媒体は、ダイオードレーザまたはファイバ結合ダイオードレーザによってポンピングされてもよい。いくつかの実施形態において、ネオジムドープ活性媒体は、ネオジムドープイットリウムバナジウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、またはネオジムドープイットリウムリチウムフロライド（Ｎｄ：ＹＬＦ）であってもよい。

いくつかの実施形態において、イッテルビウムドープ活性媒体は、イッテルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙｂ：ＹＡＧ）、イッテルビウムドープガラス媒体（Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ）、またはイッテルビウムドープ光ファイバであってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティの活性媒体は、ホルミウム、プラセオジム、バナジウム、またはエルビウムドープ材料であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティの第２の部分は、少なくとも１つの第１の非線形結晶を組み込んだ、第１の基本周波数においての第１の非線形共振反射器を含んでもよい。第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分から第１の非線形共振反射器に入射した放射線に対する、第１の非線形共振反射器の後方反射率（backward reflectivity）は、少なくとも１つの第１の非線形結晶の存在によって、第１のキャビティ部分内で第１の基本周波数において循環するキャビティ内出力をアウトカップリングするための最適値に近づけるように自己調整されてもよい。いくつかの実施形態において、第１の温度制御装置が、周波数変換のための位相整合条件を調節し安定させるための第１の共振反射器の第１の非線形結晶の温度を制御するために用いられてもよい。

いくつかの実施形態において、適切な制御電子装置を有する第１の圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）が、共振条件において、少なくとも１つの第１の非線形結晶を組み込んだ第１の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるために用られてもよい。

いくつかの実施形態において、第２の複合キャビティの第２のキャビティ部分が少なくとも１つの第２の非線形結晶を組み込んだ第２の非線形共振反射器を含んでもよい。第２の非線形共振反射器の後方反射率は、第２の複合キャビティの第１のキャビティ部分から入射する放射線に関して、少なくとも１の第２の非線形結晶の存在によって、第２の複合キャビティの第１のキャビティ部分内で第２の基本周波数で循環しているキャビティ内出力をアウトカップリングするための最適値に近づけるように自己調整されてもよい。いくつかの実施形態において、第２の温度制御装置が、第１の非線形共振反射器の少なくとも１つの非線形結晶の温度を制御して周波数変換のための位相整合条件を調整し安定させるために用いられてもよい。

いくつかの実施形態において、適切な制御電子装置を有する第２の圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）が、共振条件において、少なくとも１つの第２の非線形結晶を組み込んだ第２の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるために用いられてもよい。

紫外光を発生させる方法は、活性媒体、好ましくは、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性媒体を有する第１の複合光キャビティにおいて、第１のレーザビームを発生させ、第１の複合光キャビティの第１の基本周波数の第２高調波におけるレーザビームを発生させ、活性レーザ媒体、好ましくはルビー系活性レーザ媒体を、第１の複合レーザキャビティからの出力で第２の複合レーザキャビティにおいてポンピングし、好ましくはルビー系活性媒体を有する第２の複合光キャビティにおいて、第２の複合光キャビティの第２の基本周波数の第２高調波における第２のレーザビームを生成することを含む。

いくつかの実施形態において、ルビー系活性媒体は、Ｃｒ：Ａｌ_２Ｏ_３型ルビーであってもよい。第２のレーザビームは約３４７ｎｍであってもよい。いくつかの実施形態において、該方法は、第１の複合光キャビティのネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性媒体を、レーザダイオードまたはファイバ結合ダイオードレーザでポンピングすることをさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、該方法は、第１の複合光キャビティ内の第１の基本周波数における第１のレーザビームをＱスイッチングすることをさらに含むことをさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、該方法は、第２の複合光キャビティ内の第２の基本周波数における第２のレーザビームをＱスイッチングすることをさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第１の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するための少なくとも１つのスペクトル選択器の実施をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２の基本周波数において発光スペクトルを狭窄化するための少なくとも１つのスペクトル選択器の実施をさらに含んでもよい。

約３５０ｎｍでの紫外発光を発生させるための上述の好ましいレーザシステムおよび方法において、さらなる利点は、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性媒体を用いる第１の複合光キャビティからの出力である第１の基本周波数の第２高調波における第１のレーザビームのスペクトルがルビー活性レーザ媒体の「緑」吸収帯域と重なるということによって、第２複合レーザキャビティ内で高いゲインを与えるということである。

上述のレーザシステムおよび方法の利点は、周波数変換の両段階におけるより効率のよい非線形プロセスとしてＳＨＧの実施によって与えられ、ＴＨＧの低効率非線形プロセスの使用を完全に除去することができる。

上述および他の目的、特徴ならびに利点は、添付の図面に示されるように、以下の実施形態のより特定の説明から明らかであろう。図面を通して、同様の参照符号が同様の部分に付される。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに実施形態の原理を説明することに注力している。

キャビティ内第３高調波発生（ＴＨＧ）のために一般的に用いられている周知のレーザキャビティレイアウトを示す。 二重増強キャビティ内周波数二倍化ネオジム系レーザの出力によってポンピングされたルビーレーザの発光の二重増強キャビティ内周波数二倍化に適したレーザキャビティ構造を示す。 第１のキャビティ部分に関する、対応する第１のキャビティ部分および全体としての実際の後方反射率に対する第２のキャビティ部分のそれぞれの出力増強を示す。 第１のキャビティ部分に関する、対応する第１のキャビティ部分および全体としての実際の後方反射率に対する第２のキャビティ部分のそれぞれの出力増強を示す。 ルビー結晶がダイオード励起固体レーザからの第２高調波波長における出力でポンピングされた本発明に係る全固体ルビー系レーザシステムの構成を示す。

図２は、第１の複合光キャビティ１０’であって、そこからの出力３６’が第２の複合光キャビティ１０”内で活性レーザ媒体をポンピングして約３５０ｎｍにおけるレーザビームを生成するために用いられる、第１の複合光キャビティ１０’を有するレーザシステムの実施形態を示す。第１の複合光キャビティ１０’は、低レベル循環する第１の基本周波数（ω_１）出力の第１のキャビティ部分１２’と、高レベル循環する第１の基本周波数出力（ω_１）の第２のキャビティ部分１４’とを含む。第１のキャビティ部分１２’は、キャビティバックミラー２０’と、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性媒体２１’と、ビームスプリッタミラー４８’とを含む。第２のキャビティ部分１４’は、ビームスプリッタミラー４８’と、非線形結晶３０’と、２つのキャビティエンドミラー（４５’，４６’）とを含む。図中の波線矢印３４’は、活性媒体２１’の適切なポンプ源が横方向および／または長手方向に配置されてもよいことを示している。

いくつかの実施形態において、キャビティバックミラー２０’は、第１の基本周波数（ω_１）において高い反射率のものであってもよい。いくつかの実施形態において、キャビティバックミラー２０’は、活性媒体２１’の裏面３８’上に蒸着されてもよい。第１のキャビティ部分１２’は、図２において符号４４’で示されている、Ｑスイッチングのための光キャビティ損失変調器および／または第１の基本周波数（ω_１）における発光スペクトルを狭窄化するためのスペクトル選択器を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティ１０’の活性媒体のためのポンプ源は、ダイオードレーザまたはファイバ結合ダイオードレーザであってもよい。ネオジムドープ活性媒体２１’の場合における第１の複合光キャビティ１０’の第１の基本周波数（ω_１）出力は、１０６４ｎｍである。第１の複合光キャビティ１０’の活性媒体２１’のための他の可能性のある材料は、ホルミウム、プラセオジム、バナジウムまたはエルビウムドープ材料を含む。

図２に示されるように、第１の複合光キャビティ１０’の第２のキャビティ部分１４’は、非線形共振反射器から成り、第１の基本周波数（ω_１）において高反射性である、２つのキャビティエンドミラー（４５’，４６’）と、第１の基本周波数（ω_１）において部分的に反射するビームスプリッタミラー４８’と、適切なカットおよび方向を有する非線形結晶３０’であって、周波数二倍化のための位相整合条件を提供して第１の基本周波数（ω_１）の第２高調波（２ω_１）において出力３６’を生成する非線形結晶３０’とを含む。いくつかの実施形態において、非線形結晶３０’の温度を制御する第１の温度制御装置６１’が、周波数変換のための位相整合条件を調整し安定させるためにさらに設けられてもよい。いくつかの実施形態において、第１の複合光キャビティ１０’の第２のキャビティ部分１４’のミラー４５’が、共振条件において、第１の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるための適切な電子回路を有する第１の圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）６５’上に配置されてもよい。

第１の複合光キャビティ１０’におけるレーザの最も高い効率を達成するために、ミラー（２０’，４５’，４６’）の反射率は、要求される第１の基本周波数（ω_１）において、技術的にできるだけ１００％に近づけるようにすべきである。ビームスプリッタミラー４８’の適切な部分反射率値は、最適な出力カプラが単に（非線形共振反射器に代えて）用いられて基本周波数（ω_１）におけるレーザから最大出力を抽出する場合に、このようなカプラに対するのと同じくらいに近づけるように非線形共振反射器１４’の後方反射率を与えるであろう反射率程度の範囲にあるいずれの値であってもよい。当業者は、このような構成に対する最適な反射率を規定するための基準を熟知している。

図２を参照して、非線形共振反射器１４’を有する第１の複合光キャビティ１０’のレイアウトが、単なる一例として、非線形結晶がミラー４８’およびミラー４５’間に配置された、すなわち第１の複合光キャビティ１０’の第１のキャビティ部分１２’の光軸に対して角度をなす状態で、示されている。非線形結晶３０’は、ミラー４６’およびミラー４８’間の経路に配置されてもよい。設計および位置合わせの都合上決定されるものを除いて、第１の複合光キャビティ１０’の非線形共振反射器部分を第１のキャビティ部分１２’の光軸に対して折り畳む角度（たとえば９０°）の選択に関して特に限定されない。

図２に示されるように、第２の複合光キャビティ１０”は、低レベル循環する第２の基本周波数（ω_２）出力の第１のキャビティ部分１２”と、高レベル循環する第２の基本周波数出力（ω_２）の第２のキャビティ部分１４”とを含む。第１のキャビティ部分１２”は、キャビティバックミラー２０”と、好ましくはルビーである活性媒体２１”と、ビームスプリッタミラー４８とを含む。第２のキャビティ部分１４”は、ビームスプリッタミラー４８”と、非線形結晶３０”と、２つのキャビティエンドミラー（４５”，４６”）とを含む。活性媒体としてルビーの場合、第２の基本周波数出力（ω_２）は、６９４ｎｍにある。第２の複合光キャビティ１０”の活性媒体の他の可能性のある材料は、他のクロム、エルビウムまたはプラセオジムドープ材料を含む。

いくつかの実施形態において、キャビティバックミラー２０”は、第２の基本周波数（ω_２）において高い反射率のものであってもよい。いくつかの実施形態において、キャビティバックミラー２０”は、活性媒体２１”の裏面３８”上に蒸着されてもよい。いくつかの実施形態において、第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分１２”は、図２において符号４４”で示されている、Ｑスイッチングのための光キャビティ損失変調器および／または第２の基本周波数（ω_２）における発光スペクトルを狭窄化するためのスペクトル選択器を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、ルビー系活性媒体２１’はＣｒ：Ａｌ_２Ｏ_３であってもよい。

図２に示されるように、第２の複合光キャビティ１０”の第２のキャビティ部分１４”は、非線形共振反射器から成り、第２の基本周波数（ω_２）において高反射性である、２つのキャビティエンドミラー（４５”，４６”）と、第２の基本周波数（ω_２）において部分的に反射するビームスプリッタミラー４８”と、適切なカットおよび方位を有する非線形結晶３０”であって、周波数二倍化のための位相整合条件を提供して約３５０ｎｍにおいて出力３６”を生成する非線形結晶３０”とを含む。いくつかの実施形態において、非線形結晶３０”の温度を制御する第２の温度制御装置６１”が、周波数変換のための位相整合条件を調整し安定させるためにさらに設けられてもよい。いくつかの実施形態において、第２の複合光キャビティ１０”の第２のキャビティ部分１４”のミラー４５”が、共振条件において、第２の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるための適切な電子回路を有する第２の圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）６５”上に配置されてもよい。

第１のレーザキャビティ１０’におけるレーザ発光の周波数は、ミラー４４’またはミラー４６’のいずれかを、適切な電子回路によって制御される圧電アクチュエータ上に配置することによって、所望の基準値に調整および／または固定されてもよい。

いくつかの実施形態において、第２の複合レーザキャビティ１０”におけるレーザ発光の周波数は、ミラー４４”またはミラー４６”のいずれかを、適切な電子回路によって制御される追加の圧電アクチュエータ上に配置することによって、所望の基準値に調整および／または固定されてもよい。

第２の複合光キャビティ１０”におけるレーザの最も高い効率を達成するために、ミラー（２０”，４５”，４６”）の反射率は、要求される第２の基本周波数（ω_２）において、技術的にできるだけ１００％に近づけるようにすべきである。ビームスプリッタミラー４８”の適切な部分反射率値は、最適な出力カプラが単に（非線形共振反射器に代えて）用いられて第２の基本周波数（ω_２）におけるレーザから最大出力を抽出する場合に、このようなカプラに対するのと同じくらいに近づけるように非線形共振反射器１４”の後方反射率を与えるであろう反射率程度の範囲にあるいずれの値であってもよい。当業者は、このような構成に対する最適な反射率を規定するための基準を熟知している。

図２において、非線形共振反射器１４”を有する第２の複合光キャビティ１０”のレイアウトが、単なる一例として、非線形結晶がミラー４８”およびミラー４５”間に配置された、すなわち第２の複合光キャビティ１０”の第１のキャビティ部分１２”の光軸に対して角度をなす状態で、示されている。非線形結晶３０”は、ミラー４６”およびミラー４８”間の経路に配置されてもよい。設計および位置合わせの都合上決定されるものを除いて、複合光キャビティ１０”の非線形共振反射器部分を第１のキャビティ部分１２”の光軸に対して折り畳む角度（たとえば９０°）の選択に関して特に限定されない。

第１の複合光キャビティ１０’からの第１の基本周波数（ω_１）の第２高調波（２ω_１）における出力３６’は、好ましくはルビー系である活性媒体２１”を長手方向にポンピングする。ネオジム系活性レーザ媒体に対する約５２７ｎｍ〜約５３２ｎｍの第２高調波周波数（２ω_１）は、ルビー（Ｃｒ：Ａｌ_２Ｏ_３）の「緑」吸収帯域とうまく重なる。いくつかの実施形態において、出力３６’は、１以上のステアリングミラー（図示せず）によってルビー系活性媒体２１”に向けられてもよく、各ミラーは第１の基本周波数（ω_１）の第２高調波（２ω_１）において反射性が高い。また、集束要素（図示せず）が、ポンプビーム３６’のサイズを、活性媒体２１”内の第２の基本周波数（ω_２）における第２複合光キャビティ１０”の基本横モードのサイズと一致させるために用いられてもよい。これらの集束要素は、出力３６’を活性媒体２１”および／または適切なレンズに向けるために用いられる適切な曲率を有するミラーであってもよい。

図２を参照して、複合光キャビティ１０’，１０”のそれぞれに対して、ミラー（２０’，２０”）およびミラー（４８’，４８”）間に取り囲まれた第１のキャビティ部分（１２’，１２”）は、低レベルのキャビティ内循環出力を維持し、ミラー（４８’，４８”）を通過して注入され、ミラー（４５’，４５”）、ビームスプリッタミラー（４８’，４８”）およびミラー（４６’，４６”）間の第２のキャビティ部分（１４’，１４”）において結合される基本周波数出力は、共振増強のために高レベルである。共振条件において、第２のキャビティ部分（１４’，１４”）は、第１のキャビティ部分（１２’，１２”）に対して非線形共振反射器として作用する。第２のキャビティ部分（１４’，１４”）における出力増強のレベル（Ｅｎｈ）および第１のキャビティ部分（１２’，１２”）に対する全体としての実際の後方反射率（Ｒｂａｃｋ）は、部分的に反射するビームスプリッタミラー（４８’，４８”）の反射率と、非線形結晶内の周波数変換プロセスから生じる基本周波数出力の損失（減少）を含む第２のキャビティ部分内の損失とのバランスに依存する。

第２のキャビティ部の上記の出力増強係数Ｅｎｈと後方反射率Ｒｂａｃｋとは、以下の式によって与えられる。

式中Ｒ１とＲ２とは、ミラー（４６’，４６”）および（４５’，４５”）の周波数ωにおける反射率であり、Ｒｃは部分的に反射するビームスプリッタミラー（４８’，４８”）の周波数ωでの反射率であり、Ｌ１およびＬ２は、それぞれ、ミラー（４８’，４８”）とミラー（４６’，４６”）との間、およびミラー（４８’，４８”）とミラー（４５’，４５”）との間の周波数ωにおける光路であり、Ｔは、非線形周波数変換プロセスから生じる損失を含む全損失を考慮した、周波数ωにおける非線形結晶透過率である。実際のところ、Ｒ１・Ｒ２≒１（約０．９９９８）であり、透過率Ｔは、約０．９５〜０．９９５の間の範囲内にある。

上記式から、出力増強係数Ｅｎｈ（ω）と後方反射率Ｒｂａｃｋ（ω）とは、ω・（（Ｌ１＋Ｌ２）／ｃ）を整数とする周波数において最大値を有する、周波数の周期関数である。これが共振条件である。式（１）および（２）に対する最大値は、それぞれ以下のとおりである：

図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、ＥｎｈＭａｘとＲｂａｃｋＭａｘの透過率Ｔ＝０．９９におけるビームスプリッタミラー（４８’，４８”）の部分反射率値への依存を示している。このＴの場合については図３（ａ）から明らかであるように、第２のキャビティ部分（１４’，１４”）における基本周波数出力値は、第１のキャビティ部分（１２’，１２”）におけるそれよりも１０〜１６倍だけ大きい。

レーザキャビティミラーの上記の反射率について、複合光キャビティ（１０’，１０”）それぞれの内部を循環している基本周波数出力は、２つの異なるレベル、すなわち、キャビティバックミラー（２０‘，２０”）とビームスプリッタミラー（４８‘，４８”）との間のキャビティ経路内の低レベルと、ミラー（４６’，４６”）と、ミラー（４８’，４８”）とミラー（４５’，４５”）との間の非線形共振反射器経路内の高レベルとを含む。しかしながら、低レベルは、レーザキャビティ外部にあるであろうものと比べれば、すでに増強されたレベルの基本周波数出力である。

このように、複合光キャビティの非線形共振反射器部分内に配置される非線形結晶の場合は、基本周波数出力の増強に２つの段階がある。共振反射器内に組み込まれている光学非線形のゆえに、（キャビティバックミラー（２０’，２０”）の方向における）後方反射率は、複合光キャビティ（１０’，１０”）の第１の部分内を循環する基本周波数出力をアウトカップリングする最適値に近づくように自己調整される。これは活性媒体（２１’，２１”）に供給されるポンプ出力、すなわち、光学レーザ効率に関する、最大第２高調波出力（３６’，３６”）のための条件を付与し、さらにまた、外乱に起因するレーザキャビティ損失変動に対するレーザ出力の最小感度と、レーザキャビティ要素の限界許容誤差とを付与する。

所望の方向における複合レーザキャビティからの第２高調波出力について準備するためには、第２高調波周波数（２ω_１，２ω_２）でのミラー（４５’，４５”）、ビームスプリッタミラー（４８’，４８”）、およびミラー（４６’，４６”）の反射率を適切に選択しなければならない。図２に示されている場合のように、たとえば、ミラー（４５’，４５”）も第２高調波周波数（２ω_１，２ω_２）では反射率が高く、ビームスプリッタミラー（４８’，４８”）は、第２高調波周波数（２ω_１，２ω_２）において透過性が高い。したがって、第２高調波出力は、経路（３６’，３６”）によって示されるように向けられる。また、ミラー（４６’，４６”）を介して出力されるべき第２高調波出力のためには、ミラー（４６’，４６”）は第２高調波周波数（２ω_１，２ω_２）において透過性が高くあるべきであり、ミラー（４５’，４５”）もビームスプリッタミラー（４８’，４８”）もどちらも第２高調波周波数（２ω_１，２ω_２）においての反射率は高くあるべきである。第１の複合光キャビティ１０’の場合、ミラー４６’を介する第２高調波出力は、ポンピングのための活性媒体２１に向けられたであろう。

通常、本発明の他の態様においては、ここに記載されたシステムと方法とは、第１のレーザキャビティにおいて、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープ活性レーザ媒体を使用する有利な特徴を利用して、第２高調波変換を介して、第２の複合レーザキャビティのルビー系活性媒体を光学ポンピングするための緑のスペクトル範囲（約５１５ｎｍ〜５５０ｎｍ）におけるレーザ光を付与して、約６９４ｎｍで、およびさらなる第２高調波発生を介して約３４７ｎｍでレーザビームを作る。

図４は、キャビティミラー８０および８１を有する第１のレーザキャビティ９１内に配置された活性媒体を、出力ビーム７３がポンピングするダイオードレーザ構成７１を有する全固体ルビーレーザシステムの実施形態を示す。活性媒体７５は、固体材料であるところの、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープレーザ材料を含む。活性媒体として作用するネオジムドープ材料は、光学軸に沿って同じ共振器内に配置される非線形周波数二倍化結晶７９内に、カップリング７７を介して入射する、（たとえば）約１０６４ｎｍおけるレーザビームを生成する。これによって、活性媒体７５によって発生される基本周波数出力は、約５３２ｎｍにおける波長の第２高調波ビーム９２に変換される。次いで、５３２ｎｍにおけるこのレーザビームは、キャビティミラー８２，８３を有する第２のレーザキャビティ９７内で、第２の活性媒体９３をポンピングして、レーザ発光９９を生成する。この第２の活性媒体は、ルビーを含む。ルビーの基本波長におけるレーザ発光は、約６９４ｎｍである。

レーザダイオードポンプ光は、第１のレーザキャビティのミラーの１つを介して第１の光キャビティに導入されてもよく、または好ましくは適切な光学系を用いることによって、活性媒体を横切って方向づけられてもよい。

第１および第２のレーザキャビティにおける基本レーザ出力の周波数変換の効率は、図２に関して記載されたような共振キャビティ反射器を有する光キャビティのレイアウトを利用することによって増加させることができる。第１レーザキャビティにおける周波数上方変換の効率の増加は、第２のレーザにおける活性材料の効率的なポンピングを支援し、これによって、紫外領域における発光周波数における全固体レーザを実現する可能性の一因となる。

光学レイアウトおよび処理はその特定の実施形態を参照して記載され説明されたけれども、当業者は、種々の適応、変更、修正または追加が添付の特許請求の範囲によって規定された発明の範囲を逸脱することなく行うことができることを理解するであろう。ここに記載されたシステムおよび方法は、周知のレーザシステムに組み込まれてもよい。

Claims (33)

1. 第１の複合光キャビティであって、
   第１の複合光キャビティの低レベル循環する第１の基本周波数出力の第１のキャビティ部分と、第１の複合光キャビティの高レベル循環する第１の基本周波数の第２のキャビティ部分とを有する第１の複合光キャビティと、
   第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分にある第１の活性媒体と、
   第１の複合光キャビティの第２のキャビティ部分にある少なくとも１つの第１の非線形結晶と、
   第２の複合光キャビティであって、
   第２の複合光キャビティの低レベル循環する第２の基本周波数出力の第１のキャビティ部分と、第２の複合光キャビティの高レベル循環する第２の基本周波数出力の第２のキャビティ部分とを有する第２の複合光キャビティと、
   第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分にある第２の活性媒体と、
   第２の複合光キャビティの第２のキャビティ部分にある少なくとも１つの第２の非線形結晶とを含み、
   第１の基本周波数の第２高調波における第１の複合光キャビティからの出力ビームは、第２の複合光キャビティのルビー系活性媒体をポンピングすることを特徴とするレーザシステム。
2. 第２の活性媒体はルビー系であることを特徴とする請求項１記載のレーザシステム。
3. 活性媒体は、Ｃｒ：Ａｌ_２Ｏ_３型ルビーであることを特徴とする請求項２記載のレーザシステム。
4. 第２の複合光キャビティの出力は、第２の基本周波数の第２高調波にあるように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザシステム。
5. 第１の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、Ｑスイッチングのためのキャビティ損失変調器および第１の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するためのスペクトル選択器のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザシステム。
6. 第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分は、Ｑスイッチングのためのキャビティ損失変調器および第２の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するためのスペクトル選択器のうちの少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザシステム。
7. 第１の複合光キャビティの第１の活性媒体は、ダイオードレーザまたはファイバ結合ダイオードレーザによってポンピングされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザシステム。
8. 第１の活性媒体は、ネオジムドープ材料であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザシステム。
9. ネオジムドープ材料は、ネオジムドープバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、またはネオジムドープイットリウムフッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）であることを特徴とする請求項８記載のレーザシステム。
10. 第１の複合光キャビティの第２のキャビティ部分は、少なくとも１つの第１の非線形結晶を組み込んだ第１の非線形共振反射器を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザシステム。
11. 第１複合光キャビティの第１のキャビティ部分から第１の非線形共振反射器に入射した放射線に対する、第１の非線形共振反射器の後方反射率は、少なくとも１つの第１の非線形結晶の存在によって、第１のキャビティ部分内で第１の基本周波数において循環するキャビティ内出力をアウトカップリングするための最適値に近づけるように自己調整されることを特徴とする請求項１０記載のレーザシステム。
12. 第１の非線形共振反射器の少なくとも１つの第１の非線形結晶の温度を制御して周波数変換のための位相整合条件を調整し安定させるための第１の温度制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザシステム。
13. 共振条件において、少なくとも１つの第１の非線形結晶を組み込んだ第１の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるための第１の圧電回路制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザシステム。
14. 第２の複合光キャビティの第２のキャビティ部分は、少なくとも１つの第２の非線形結晶を組み込んだ第２の非線形共振反射器を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザシステム。
15. 第２の複合光キャビティの第１のキャビティ部分から第２の非線形共振反射器に入射した放射線に対する、第２の非線形共振反射器の後方反射率は、少なくとも１つの第２の非線形結晶の存在によって、第１のキャビティ部分内で第２の基本周波数において循環するキャビティ内出力をアウトカップリングするための最適値に近づけるように自己調整されることを特徴とする請求項１４記載のレーザシステム。
16. 第２の非線形共振反射器の少なくとも１つの第２の非線形結晶の温度を制御して、周波数変換のための位相整合条件を調整し安定させるための第２の温度制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザシステム。
17. 共振条件において、少なくとも１つの第２の非線形結晶を組み込んだ第２の非線形共振反射器の光路を微調整し安定させるための第２の圧電回路制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザシステム。
18. 第１の複合光キャビティからの出力で、第２の複合光キャビティの第２の活性媒体をポンピングすることによって紫外光を発生させる方法であって、
    第１の活性媒体を有する第１の複合光キャビティにおいて、第１の複合光キャビティの第１の基本周波数の第２高調波における第１のレーザビームを発生させ、
    第１の複合光キャビティからの出力で、第２の複合光キャビティにおける第２の活性媒体をポンピングし、
    第２の複合光キャビティにおいて、第２の複合光キャビティの第２の基本周波数の第２高調波における第２のレーザビームを生成することを含むことを特徴とする方法。
19. 第２の活性媒体はルビー系活性媒体であり、特にＣｒ：Ａｌ_２Ｏ_３型ルビーであることを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 第１の複合光キャビティ内の第１の基本周波数における第１のレーザビームをＱスイッチングすることをさらに含むことを特徴とする請求項１８または１９記載の方法。
21. 第２の複合光キャビティ内の第２の基本周波数における第２のレーザビームをＱスイッチングすることをさらに含むことを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 第１の複合光キャビティ内の第１の基本周波数における第１のレーザビームのスペクトル狭窄化をさらに含むことを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 第２の複合光キャビティ内の第２の基本周波数における第２のレーザビームのスペクトル狭窄化をさらに含むことを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 第１の複合光キャビティの第１の活性媒体をレーザダイオードまたはファイバ結合レーザダイオードでポンピングすることをさらに含むことを特徴とする請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 第１の活性媒体はネオジムドープ材料であり、特に、ネオジムドープバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）およびネオジムドープイットリウムフッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 第１の活性媒体を含む第１の光キャビティと、
    第１の活性媒体をポンピングして第１の基本周波数出力を発生させるための固体ポンプ源と、
    第１の基本周波数出力を受けて周波数変換された光出力を発生させる周波数変換手段と、
    第２の基本周波数出力を発生させるためのポンプ源としての、周波数変換された光出力を受ける第２の活性媒体を含む第２の光キャビティとを含むことを特徴とするレーザシステム。
27. 第１の活性媒体はネオジムまたはイッテルビウムドープ材料であり、かつ／または第２の活性媒体はルビー系材料であることを特徴とする請求項２６記載のレーザシステム。
28. 周波数変換手段は、第１の光キャビティ内に配置される第１の非線形光学結晶を含むことを特徴とする請求項２６または２７記載のレーザシステム。
29. 第１の光キャビティは、第１の非線形結晶を組み込んだ第１の共振反射器を含むことを特徴とする請求項２８記載のレーザシステム。
30. 第１の光キャビティは、第１のキャビティミラーと、第１の共振反射器であって、第１の基本周波数出力において部分的に透過する第１のビームスプリッタ、ならびに第１の基本周波数出力において反射し、第１の非線形結晶を組み込んだ第２のキャビティミラーおよび第３のキャビティミラーを含む第１の共振反射器とを含むことを特徴とする請求項２９記載のレーザシステム。
31. Ｑスイッチングのためのキャビティ損失変調器、第１の基本周波数における発光スペクトルを狭窄化するためのスペクトル選択器、および第１の基本周波数出力の周波数調整のための手段のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項２６〜３０のいずれか１項に記載のレーザシステム。
32. 第２の光キャビティは、第２の非線形結晶を組み込んだ第２の共振反射器を含むことを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか１項に記載のレーザシステム。
33. 第２の光キャビティは、第４のキャビティミラーと、第２の共振反射器であって、第２の基本周波数出力において部分的に透過する第２のビームスプリッタ、ならびに第２の基本周波数出力において反射し、第２の非線形結晶を組み込んだ第５のキャビティミラーおよび第６のキャビティミラーを含む第２の共振反射器とを含むことを特徴とする請求項３２記載のレーザシステム。
    

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