JP2001501776A - イントラキャビティ３重化固体ダイオードポンピングレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ３５５ｎｍの第３調波の生成が、角度調整されたＬＢＯダブラ（Ｄ）およびトリプラ（Ｔ）を用いたイントラキャビティ３重化ダイオードポンプＮｄ：ＹＶＯ４結晶（Ｓ）から得られ、高い繰り返し速度および良好な全体効率で動作するダイオードポンプレーザ（２０）。典型的には、３０ｋＨｚで２ワットを超え１００ｋＨｚで１ワットを超える平均ＵＶパワーが、１％のＮｄ：ＹＶＯ４（バナデート）スラブ（Ｓ）をサイドポンピングする２０ワットのダイオードアレイ「バー」により得られる。装置は室温でのイントラキャビティでの２重化を利用し、低パワーＣＷダイオードポンピングと共に必要とされるダブラおよびトリプラでのビームウェストが小さいことを利用する。

Description

【発明の詳細な説明】 イントラキャビティ３重化固体ダイオードポンピングレーザ 発明の背景 発明の分野 本発明は概して、ダイオードポンピングレーザ装置に関し、具体的には、角度 調整されたＬＢＯダブラ（doubler）およびトリプラ（tripler）を使用し、高い 繰り返しレートおよび優れた全体的効率で動作する、改良された、イントラキャ ビティで３重化される（tripled）ダイオードポンピングＮｄ：ＹＶＯ４レーザ に関する。従来技術の簡単な説明 高い平均パワーおよび高い繰り返しレート（１０ｋＨｚよりも大きい）を有す る３５５ｎｍのレーザ放射線は、ＵＶ感光液体ポリマーがレーザ走査され、凝固 されて、コンピュータにより生成される複雑な機械部品のソリッドモデルをレー ザごとに形成するステレオリソグラフィーなどの応用に有用である。高い繰り返 しレートでＱスイッチングされるキャビティにおいて動作するＮｄ：ホスト材料 からの公称上１ミクロンの出力の第３調波の生成は、従来技術において、図１に 示されるようなエクストラキャビティアーキテクチャを用いて得られている。概 略的に１０で示されるように、そのようなレーザは、典型的には、一対のキャビ ティミラーＭ１およびＭ２、何らかの種類のダイオードポンピング利得媒体Ｓ、 ならびにイントラキャビティＱスイッチＱからなる。１０６４ｎｍの波長で動作 するレーザの出力は、Ｍ１から出ていき、適切なレンズ（lensing）手段Ｌ１に 伝わり、ダブラＤにフォーカスされる。ダブラＤは、５３２ｎｍの第２調波とと もに、１０６４ｎｍの残りの基本波を生成する。次いで、基本波および第２調波 は、第２のレンズ手段Ｌ２によってトリプラＴにフォーカスされ、トリプラＴで 、３５５ｎｍの第３調波放射線が生成される。その後、図示していないが、当該 技術分野において周知である適切な手段を用いて、基本波および第２調波から第 ３ 調波の放射線を分離する。比較的狭い基本波パルス幅（１０〜２０ｎｓ）と、非 臨界的に位相マッチングされた（non-crytically phase-matched）（ＮＣＰＭ） ２重化（doubling）とにより、エクストラキャビティタイプＩダブラおよびタイ プIIの合計周波数（sum-frequency）トリプラとしての三ほう酸リチウム（ＬＢ Ｏ）を用いて、優れた変換効率を得ることが可能となる。しかし、１５００℃の 位相マッチング温度でのＮＣＰＭダブラの動作は、大きく異なる温度を有するダ ブラとトリプラとの間の密接した間隔を必要とするシステムにおける光学的およ び機械的設計を複雑にし得る。従って、完全なイントラキャビティアーキテクチ ャを用いれば、ある特定の利点および改良点を得ることができると考えられる。 ダイオードポンピングレーザは、エクストラキャビティで２重化および３重化さ れることが多いが、イントラキャビティ２重化／３重化は、アークランプポンピ ングで立証されている。さらに、イントラキャビティ２重化の後に、エクストラ キャビティ３重化を行った例もある。しかし、比較的低い繰り返しレート（１ｋ Ｈｚよりも小さい）のフラッシュランプポンピングＮｄ：ＹＡＧキャビティにお いて第２調波および第３調波を効率的にイントラキャビティで生成するために、 角度調整されたＬＢＯが、室温で使用され得ることが示されている。ランプポン ピングで達成される、基本波の、高いイントラキャビティピークパワーにより、 わずかな光学要素とゆっくりと変化するスポットサイズとを有する比較的単純な キャビティを使用することが可能となる。１つのイントラキャビティでのイント ラキャビティ２重化（doubling）および３重化（tripling）を用いるダイオード ポンピング固体レーザはまだ知られていない。 イントラキャビティアーキテクチャでは、基本波ビームおよび（３重化された ）ＵＶのビームは同一線上にあるため、分離されていなければならない。これは 、従来は、ＵＶを不完全に透過しなおかつイントラキャビティの基本波を反射す る特殊コーティングが施されたミラーを用いることによって行われてきた。従っ て、基本波からのＵＶビームの分離に改良がなされなければならない。イントラ キャビティで２重化される定在波マルチモードレーザでは、ダブラで２本の第２ 調波ビームが生成され、これらのビームのうちの１本だけが、さらなる使用のた めに容易に利用可能である。ミラーを用いて、これらのビームのうちの１本を 再利用して第１のビームに重ねてもよいが、空気中での散乱により、ビーム間に 位相シフトが生じ得、重なっているビームの効果的なパワーが低減されてしまう 。従って、この位相シフトの問題に対処するための手段を設けなければならない 。 高いパワーで動作する音響光学Ｑスイッチは通常、水で冷却されるが、イント ラキャビティで用いられる場合、可撓性のある冷却ライン（flexible cooling l ine）がイントラキャビティに延び、正確な光学的整合のために必要な、スイッ チの回転および平行移動を可能にすることが必要となる。従って、イントラキャ ビティアーキテクチャでは、レーザキャビティの囲い内から水冷却管を取り除く ことが望ましい場合には、Ｑスイッチを冷却する別の手段が必要となる。 サイドポンピング（side-pumped）固体レーザにおいてポンピング効率を高め るために、ポンピングされた面の浅いはね返り（shallow bounce off）により、 ポンプモードとキャビティモードとの重なりを達成することができる。しかし、 効率的な動作は、高ポンプ吸収係数および浅いはね返り角（shallow bounce ang le）に依存する。従って、ポンピングされた面に対して密接に配置された平行に された長いポンピング源が用いられてきた。その結果、スラブがポンピング長よ りもかなり長い場合でない限り、スラブの端部で回折損失（ビームクリッピング （beam clipping））が起こっている。さらに、サイドポンピングスラブおよび ロッドでは、非対称なポンピングプロファイルおよび不均一な熱境界により、不 均一な熱レンズ効果が引き起こされるため、乏しいレーザモードプロファイルお よび乏しい効率しか得られないことが多い。この問題点に対する従来の解決策と しては、円筒形レンズを用いて楕円形キャビティモードを与え、非対称な熱レン ズ効果を補償すること、などがある。従って、イントラキャビティアーキテクチ ャを提供する場合には、設計についての多数の事項を考慮することが必要となる 。 発明の要旨 簡単に言えば、本発明の現在好ましい実施形態によれば、３５５ｎｍの第３調 波の生成は、角度調整されたＬＢＯダブラおよびトリプラを用い、且つ、高い繰 り返しレートおよび優れた全体的効率で動作する、イントラキャビティで３重化 されるダイオードポンピングＮｄ：ＹＶＯ４結晶から得られる。３０ｋＨｚで２ ワットを越え、１００ｋＨｚで１ワットを越える平均ＵＶパワーは、典型的には 、１パーセント（１％）Ｎｄ：ＹＶＯ４（バナデート）スラブをサイドポンピン グする２０ワットダイオードアレイ「バー」で得られる。デバイスは、室温での イントラキャビティ２重化を用い、低パワーＣＷダイオードポンピングとともに 必要とされるダブラおよびトリプラでのビームの細いウエスト部を利用している 。 本発明の利点は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を読めば間違いなく当業 者に明らかになるであろう。好適な実施形態は、図面のうちの幾つかに示される 。 図面 図１は、エクストラキャビティの２重化および３重化を用いる従来技術のＵＶ レーザを概略的に示す図である。 図２は、本発明によるイントラキャビティＵＶレーザアーキテクチャの基本構 成要素を概略的に示す図である。 図３は、図２のイントラキャビティアーキテクチャを実現する際に用いられる 実際の構成要素を示す。 図４は、本発明のイントラキャビティビームプロファイルを概略的に示す図で ある。 図５および図６ａ〜図６ｃは、サイドポンピングレーザ結晶のモードメカニク スを示す。 図７ａ〜図７ｅならびに図８ａおよび図８ｂは、本発明による、サイドポンピ ングレーザ結晶のモードメカニクスを示す。 図９は、本発明に従って装着される、改良された熱電冷却式レーザを示す。 図１０ａおよび図１０ｂは、本発明による改良されたレーザポンピング装置を 示す。 図１１は、本発明に従って装着される、改良されたダブラ／トリプラを示す。 図１２および図１３は、本発明に従った位相シフト補償技術を概略的に示す。 図１４は、図１２および図１３に示される位相シフト補償器の実際の実現を示 す。 図１５は、本発明に従って装着されるＱスイッチを示す分解図である。好適な実施形態の詳細な説明 図２には、本発明による、イントラキャビティ３重化を有するダイオードポン ピング固体レーザ全体が２０で示される。示されるように、デバイスは、２重化 結晶Ｄおよび３重化結晶Ｔと、別のレンズＬ、ダイオードボンピング（ＤＰ）レ ーザ結晶Ｓ、およびＱスイッチＱを含み、これらはすべて、ミラーＭ１およびＭ ２によって規定される１つのイントラキャビティに含まれる。１０６４ｎｍの基 本波放射線が生成され、キャビティ自体の内部で、５３２ｎｍの第２調波放射線 が生成され、同様に、３５５ｎｍの第３調波放射線が生成される。最適な場合、 ミラーＭ１は、出力が３５５ｎｍの光とのみ結合させるようにコーティングされ る。しかし、１０６４ｎｍの波長および５３２ｎｍの波長をともに反射し、同時 に、３５５ｎｍ、即ち、第３調波の波長の放射線を効率的に通過させるコーティ ングを生成することは容易ではない。 従って、本発明の好適な実施形態は、図３に示されるわずかに変形された形態 で実現され、図２に示されるエレメントに加えて、１０６４ｎｍの基本波または ５３２ｎｍの第２調波を妨害することなく、３５５ｎｍの放射線を効率的に抽出 するという付加的な特徴を含む。図２に大まかに示されるレーザの場合と同様に 、この実施形態は、イントラキャビティＱスイッチＱ、何らかの種類のダイオー ドポンピングスラブ媒体Ｓ、イントラキャビティレンズＬ１、イントラキャビテ ィダブラＤ、イントラキャビティトリプラＴ、ならびにキャビティミラーＭ１お よびＭ２を含む。さらに、本実施形態は、プリズムＰおよびピックオフリフレク タＭ３を含む。以下により詳細に説明するように、参照番号２２は、位相シフト 補正の問題のうちの幾つかを含む構成要素を含み、参照番号２４は、ピックオフ 構成要素を指し、参照番号２６は、熱的に対称な環境を与えてレーザの効率を向 上するための手段を含む。両側に矢を有する矢印によって示唆されるように、１ ０６４ｎｍの基本波は、図の紙面において電気的に偏光され、ごくわずかな損失 で、プリズムＰを通過し、ダブラＤおよびトリプラＴに入る。矢印はまた、基本 波およびＵＶがともに紙面において共偏光（co-polarize）されることを示唆す る。プリズムＰでは、第２調波（２Ｈ）の緑色の光がプリズムの表面に関してＳ 偏光 であるため、緑色の光の多くは、そのプリズム表面から離れるように反射される 。しかし、緑色の光はすでにトリプラＴで用いられて第３調波（ＵＶ）を生成し ているため、このことは問題ではない。第３調波は、極めてわずかな損失で、プ リズムＰを通過し、それにより、参照番号２８で示されるように、基本波に対し てわずかな角度で偏向され、その後、ＵＶピックオフミラーＲで抽出され、キャ ビティから損失されずに抽出される。 図４は、様々なキャビティ内要素を通過する際のキャビティ内におけるビーム のサイズを模式的に示す。キャビティは直線化され、プリズムに起因する屈曲(d ogleg)無しで配列されているが、これは単に、キャビティビームの断面を見やす くするために過ぎない。１０６４ｎｍの基本波を効率的に生成するために、キャ ビティモードは、バナデートスラブＳ内においてできるだけ大きくされ、２次お よび第３調波を効率的に生成するために、スポットサイズは不便にならない程度 にできるだけ小さくされ、ダブラＤおよびトリプラＴについて選択される結晶の 長さに幾分依存する。選択される結晶について、ダブラおよびトリプラにおいて ビームサイズは半径約６０Ｔ（文献においては半径１／ｅ２と呼ばれる）を有し 、凹面鏡Ｍ１において約１２０Ｔにまで拡がる。このビームは、キャビティ内レ ンズＬ１およびバナデートスラブＳが位置するキャビティの中央の方向に拡がる 。この時点において、ビームは約５００Ｔにまで拡がっている。スポットサイズ はレンズＬ１およびスラブＳの間においては比較的一定であり、その後、スポッ トサイズが、バナデートスラブ内の熱レンズ効果によって、キャビティの一番端 にある平面鏡Ｍ２において比較的大きなスポットにフォーカスされて約１２０Ｔ のスポット径を有することに留意されたい。Ｑスイッチは、平面鏡Ｍ２の前に配 置され、ここではスポットサイズは比較的小さい。但し、必ずしもＱスイッチを 鏡に直ぐ隣接して配置する必要はない。 ＬＢＯダブラ／トリプラ対（それぞれＤおよびＴ）の細いウエスト部(small w aist)は、キャビティ内レンズＬ１および凹面鏡Ｍ１の組合せにより形成される 。以下でさらに説明するように、約５００Ｔの大きなキャビティモードがＮｄ： ＹＶＯ４スラブＳ内において維持され、これにより、フォーカスされたダイオー ドバー(diode bar)によって提供される広いポンプ容積との効率的なモードのオ ー バーラップが提供される。スラブ内に均一な熱レンズを得るためには、ポンプ容 積の選択は重要であり、以下でも説明する。さらに、熱レンズとＮｄ：ＹＶＯ４ との組合せ、およびレンズＬ１の集光力（focusing power）の一部を用いて、前 方鏡Ｍ２における第２の細いウエスト部を形成する。音響光学Ｑスイッチを第２ のウエスト部の近傍に配置し、これにより、スイッチの高周波（ＲＦ）電力要求 を低減する。Ｎｄ：ＹＶＯ４スラブによって表されるアパチャー(aperture)に対 するキャビティモードサイズの適切な比によってＴＥＭ００動作が選択される。 先にも示唆したように、キャビティ内ブルースタープリズムＰおよびピックオフ ミラー(pick-off mirror)Ｍ３の組合せにより、基本波放射線と共面に偏光され た第３調波が無視できる程度の損失で取り出される。 上記のように、本発明は、結晶がサイドポンピングされるダイオードポンピン グ(diode-pumped)レーザ結晶を用いている。本発明は、サイドポンピングの新規 な方法を用いているので、先ず従来のサイドポンピングを説明して従来技術と本 発明との比較の手段を提供することが有用であると考えられる。従来、典型的な サイドポンピングレーザ結晶は、通常、図面の図５において３２で図示するよう にペンシル状ロッドまたは比較的長い矩形棒の形態をとっていた。中央線３４で 示すように、キャビティモードは、結晶の中央を長手方向に通過する。矢印３６ によって示されるポンピング光(pump light)は、通常は片側から入射し、通常何 らかのダイオードアレイによって提供される。図６ａは、６ａ−６ａ面に沿った 断面図であり、左側および右側が自由空気に対して解放されている状態で、レー ザ結晶３２が右側からポンピングされる。点線の円３８は、レーザキャビティモ ードが結晶を通って伝搬することを示唆しており、重要な点は、回折損失（クリ ッピング損失と呼ばれる場合もある）が起こらないように、キャビティモードを 結晶の両側から幾分の距離だけ離さなければならないことである。 図６ａの右側において、図６ｂは、Ｙまたは垂直方向における位置に対するレ ーザ結晶内の温度のプロットを示す。 図６ｃもまた位置に関する温度プロファイルを示すが、この場合はＸまたは水 平位置に対するものである。 ポンピング光はレーザ結晶３２内で吸収され、その吸収のされ方は、レーザ結 晶の種類およびネオジムイオンのドーピングに依存する。ポンピング光は片側か ら優先的に供給されるので、図６ａにおいて示唆されるように、その側は比較的 熱く、その反対側は比較的冷たくなる。特筆すべき鍵となる特徴は温度プロファ イル４０を図６ｃのキャビティモード３８の形状と比較した場合、温度は、キャ ビティモードの右側で比較的高く、キャビティモードの左側で比較的低く、この 結果、左側と右側の温度差に起因して熱レンズ効果が極端に非対称的になる。さ らに、図６ｂを参照すると、垂直方向の温度プロファイル４２は明らかに、中央 部で最高となり、上下冷却面において最低となることが分かる。垂直方向および 水平方向におけるこれらの２つの温度プロファイルの正味効果(net effect)によ って、垂直方向において強力な円筒形レンズが得られ、および水平方向において は非対称性の高いレンズが得られる。これらの２つの効果によって、キャビティ モードサイズを制御することが困難になるとともに、このようなレーザによって 生成されるビームの質を制御することが困難になる。この結果、レーザ結晶のサ イズおよびポンピングされる容積のサイズに対してキャビティモードサイズを小 さくする場合が多く、これにより、レーザの動作およびレーザからのパワーの取 出しが非効率的になる。 次に図７ａ〜図７ｃを参照して、本発明で使用される種類の結晶は４４で図示 される。結晶４４は、ネオジムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）にネオジムイオン を１パーセント（１％）ドープしたものである。結晶は、横断方向約２ｍｍ平方 ×長さ約１０ｍｍである。図７ｂにおいて示唆されるように、結晶４４は、図５ に示す従来の結晶同様、その上下面を冷却する機械的クランプ装置内に維持され る。以下においてさらに説明するように、ポンピング光は片側からのみ優先的に 付与されるので、結晶の右側は比較的熱く、結晶の左側は比較的冷たく、結晶の 上下面は、冷却リザーバに直接機械的に接触するため、最も冷たい部分である。 端面４６および４７は約１００角度(100angle)で横断方向に切断されており、こ れにより、キャビティモードは、結晶を通って伝搬し、面４７で屈折し、ポンピ ングサイド４８から反射し、そして最終的にスラブの反対側の端にある面４６か ら出射する。ポンピング発光(pump illumination)のサイズに対するこの内部は ね返り(internal bounce)におけるキャビティモードのサイズは、熱的最適化 にとって重要である。図７ａおよび図７ｂに図示した結晶の平面図である図７ｃ において、キャビティモード５０の左右の端部(extremes)は、結晶４４を通って 伝搬するモードとして示されている。ポンピング面４８は熱く、反対側の面４９ は冷たいので、結晶を通る平均温度プロファイルは、図７ｃに示すようになるこ とに留意されたい。図７ｃにおいて、点線４８は結晶４４の端面図または断面図 を示唆し、点線の円５０はキャビティモードに対応する。しかし、結晶の一端か ら他端まで通過する際に、入射ビームの片側の系路ａ−ｆ、および同様にａ’− ｆ’によって記載される系路によって位置が反転し、これにより、結晶の右側は 左側に比べて熱いにも関わらず、レーザ結晶の面４８におけるはね返りが、ビー ムの実質的な反転を生じることに留意されたい。この結果、ポンピングがｚ方向 において均一である限り、ビームの両側で見られる平均温度が同じになる。 図７ｄは、図７ｅのサイドポンピング結晶４４の内部ではね返るビーム５０の 平均化された熱プロファイルとの比較のために、従来のサイドポンピング結晶Ｃ の場合のビームＢを通る平均温度プロファイルを示す。この非対称性の低減は、 ポンピングプロファイルがｚ方向において均一であり且つキャビティ内ビームが ポンピング面４８から内部ではね返る点にセンタリングされていることに大きく 依存する。 図８ａおよび図８ｂは結晶自体の垂直方向寸法のサイズに対するポンピングプ ロファイルのサイズを適切に選択することによってさらなる改良が可能であるこ とを示している。図８ａにおいて、レーザ結晶の断面図を４４で図示する。図８ ａは、冷却サイド５１および５２、ポンピングサイド４８および自由空気に対し て解放された反対サイド４９を示している。図８ａの右側において、平均化され た水平方向および垂直方向の温度プロファイルは、それぞれ５４および５６で示 す。水平方向および垂直方向の熱レンズ効果成分を生成するのはこれらのプロフ ァイルである。水平方向のプロファイルが４８からの反射によって対称化されて いること、およびこれらのプロファイルが平均温度プロファイルを表しているこ とを特筆することは重要である。平均は、ビーム系路に沿った一連の断面「スラ イス」の合算からとっている。曲線５４および５６は、幅狭のポンピングスポッ ト３５によって生じる温度プロファイルを記述する。本願において「幅狭」とは 、 結晶自体の寸法および結晶の右側から左側に向かってポンピングプロファイルが 減衰する速度に対して小さいことを意味する。このポンピングプロファイルは、 結晶４４の垂直方向の寸法に比べて非常に幅狭であり、結晶の右側から左側に向 かってポンピングプロファイルが減衰する距離よりも小さい。 図８ｂにおいて、ポンピングプロファイルは非常に幅広になるように選択され 、この例の場合、結晶自体の垂直方向の寸法とほぼ同じ程度に幅広である。再び 、右側から左側に向かってポンピングプロファイルが減衰する速度は、実質的に 変化しない。なぜなら、このファクタは、使用される特定のレーザ結晶および選 択されるポンピング光の特定の波長によって主に制御されるからである。水平方 向における温度プロファイルは、概して、ポンピング吸収(pump absorption)制 御される。ポンピング吸収は、選択された特定のポンピングレーザ光波長につい ての吸収係数によって制御される。垂直方向における温度プロファイルは、スポ ットサイズによって、そして実際には２つの冷却面５１および５２の間の結晶の サイズに対する選択されたスポットサイズの比によって制御されるが、図８ａの 幅狭ポンピングスポットサイズによって生じる温度プロファイルを調べてみれば 、垂直方向の温度プロファイルは、水平方向の温度プロファイルよりも急速に変 化していることが分かる。これは、水平方向よりも垂直方向の方が熱レンズ効果 が大きくなり、その結果水平方向および垂直方向面の間で熱レンズ効果の量が非 対称になることを示唆している。この熱レンズ効果の非対称性によって、非対称 レンズ効果に反作用またはこれを補償するために、キャビティモードのサイズお よび形状またはレーザキャビティ内に配置され得る他の光学要素において反作用 非対称性が必要になる。この反対の効果を図８ｂに示す。図８ｂにおいて、幅広 なポンピングスポット５７が垂直方向の温度プロファイル５８を生成する。垂直 方向の温度プロファイル５８は、水平方向の温度プロファイル６０と比較してゆ っくりと変化する。この概念は、結晶の垂直方向の寸法およびポンピング吸収係 数の両方と比較して適切なサイズにポンピングスポットを選択すれば、水平方向 および垂直方向寸法において概して対称的な熱レンズ効果プロファイルを生成す ることができる。結晶の寸法に対する正しいポンピングスポットサイズの計算は 、分析的に行うには複雑過ぎ、典型的には、コンピュータモデリングによって行 わ れる。結晶に様々な異なるポンピングスポットサイズを適用して、レーザがどの ように動作するかを観察することによって、即ち、レーザ内でどの種類の熱レン ズ効果が顕著であるか、およびこの熱レンズ効果がキャビティモードにどのよう に影響するのかを知ることによって、実験的に行うことも可能である。あるいは 、ポンピングされた結晶を、レーザ自体全体から取り外して、これを診断してど の種類の熱レンズ効果プロファイルが結晶内にあるのかを確かめ、これにより、 ユーザが、ポンピングスポットのサイズを適切に調節することを可能にすること ができる。 要約すると、水平方向の温度プロフィールは、ポンプ吸収（吸収係数）により 制御され、垂直方向の温度プロフィールは、スポットサイズにより制御される。 これら２つの効果のバランスをとることにより、対称的な熱レンズ効果とより少 ない特定の光学系とを必要とする、均一な温度プロフィールをビームプロフィー ルに亘って得ることができる。 図９を参照すると、結晶４４を保持し且つ冷却する好適な実施形態において用 いられるアセンブリを６２で示す。結晶４４が保持される様式は、均一な冷却お よび均一なポンプ照明を維持するために非常に重要であり、従って、本発明の熱 最適化技術の適切な実施にとって重要である。２つの、屈曲形状を有するメカニ カルクランプ６３および６４が、銅板６５に調整可能に取り付けられている。ク ランピング面６６および６７間には、結晶４４と冷却クランプ６３および６４と の間に、応力がなく且つ熱的に均一な接触を供給するインジウム箔６８の薄片が 設けられている。結晶とクランピング面との間の接触の均一性は、非常に重要で ある。インジウム箔は柔らかく、クランピング面間のある程度の不規則性が、対 をなす表面内の小さい不完全部を充填する傾向のある箔により補償されることを 可能にする。結晶を機械加工および製造する場合、不完全部は避けられない。結 晶の表面の僅かな不完全部は非常に高価な製造により除去され得るが、別の方法 としてそのような不完全部は図示するようにインジウム箔を用いることにより補 償され得る。これは言うまでもなく、この特定の機械的接触を行うために他の種 類の材料を用いることを排除しないが、インジウム箔が選択されている理由の１ つは、インジウム箔が柔らかくて良好な熱伝導体であるからであり、且つインジ ウム箔が金属であって油ベースまたは何らかの種類のペースト状の物質ではない ため、結晶４４の光学表面を汚染する可能性がないからである。板６５は、好適 な実施形態のいくつかの部分において用いられるタイプの熱電冷却器６９に取り 付けられている。冷却器６９は、様々なレーザコンポーネント用の支持表面を形 成する冷却された金属板７１に典型的に連結される熱リザバ７０に取り付けられ ている。 図１０ａおよび図１０ｂは、ダイオードバー７２がどのようにして結晶４４を ポンピングするために用いられるかを示す。バー７２は、長さ約１ｃｍであって 高さ僅か数ミクロンの発光領域７４を有し、発光領域は、バーの面の上半分を横 断する、ある程度矩形のストライプである。要素７６は、ダイオードレーザ光を 垂直方向に平行にするために円柱状レンズとして用いられる、直径２ｍｍの溶融 シリカロッドである。要素７８は、ダイオードバーから発光したレーザ光の偏光 を取り込み、光をまず水平面から回転して垂直面にする１／２波長板である。こ の特定の波長板の追加は、レーザ結晶自体のＣ軸の方向により必要となる。この 特定の波長板の追加は、レーザ結晶をポンピングすること自体にとっては重大で はないが、レーザ結晶自体内において最短可能距離で光をポンピングすることを 補助する。要素８０は、アセンブリを容易にするために切断された従来の球面レ ンズである。 図１０ｂは、図１０ａの様々な要素の側面図、および様々なレンズにより、平 行にされ、その後再フォーカスされる、ダイオードレーザから発光された光の適 切な形状を示す。図示するように、直径２ｍｍのロッドレンズの中心は、ダイオ ードバー７２から約１．５ｍｍ離れている。この１．５ｍｍという位置は、レー ザ結晶４４上のポンピングスポット８２の高さを制御することにより調整され得 る。球面レンズ８０は、比較的長い焦点距離（好適な実施形態においては約２５ ｍｍ）を有し、２ｍｍの焦点距離を有する円柱状レンズ７６と２５ｍｍの焦点距 離を有する球面レンズ８０との正味の効果が、スポットサイズを、長さ約１ｃｍ 且つ高さ僅か数ミクロンから長さ約５ｍｍ且つ高さ１００Ｔからおそらく４００ Ｔの範囲内で変化させる。 図１１において、ダブラおよびトリプラ結晶８４および８６用のマウントをそ れぞれ、８８および８９として示す。トリプラマウント８９がダブラマウント８ ８に対して１８０度回転すること以外は、２つのマウントは、互いに実質的に同 一である。従って簡略化のために、アセンブリの半分のみ（すなわち、ダブラマ ウント８８）を詳細に説明する。ダブラ結晶８４はこの図に示すように、約２ｍ ｍ平方であり長さ１０ｍｍである。しかし、結晶の長さおよび寸法は、レーザ自 体に用いられるように選択されたスポットサイズによってのみ決定される。結晶 ８４は、銅ブロック９０上にあり、ねじ９２によって適切な位置に安定的に取り 付けられたＬ字形状クランプ９１によって適切な位置に保持されている。このア センブリは、熱電冷却器９３の上面にあり上記上面に取り付けられている。熱電 冷却器９３は、屈曲部を有するブラケット形状片９４上にあり、ブラケット形状 片９４は、スライダ９５並びにねじ９６、９７および９８と組み合わされて、２ つの角度軸ｆおよび０回りに結晶８４を角度的に調整する調整可能ミラーマウン トを構成する。このようなミラーマウントは、レーザの分野では周知であるが、 この場合、従来のミラーマウントアセンブリが熱電冷却器と組み合わされて、ダ ブラおよびトリプラ結晶の温度および角度方位の両方を制御する。さらに、結晶 の角度および温度を制御することに加えて、マウントの別の目的は、結晶がレー ザ軸９９を横断する方向に平行移動することを可能にし、それにより、各結晶の 欠陥のない部分が選択され得るようにすることである。この目的のために、両方 のアセンブリのスライダが１対の丸いロッド１００上にあり、それによりダブラ 結晶とトリブラ結晶との両方が平行移動し得、欠陥および泡のない結晶部分を選 択するようになっている。 図１２を参照して、本発明による位相シフト補償という概念を説明する。この 図において、ダブラ１０１は様々なキャビティ内の基本的および２次的ビームを 有するように示されている。基本的および２次的ビームは、左から右に、および 右から左に延びている。従って特に、右から左にダブラを通過する基本的ビーム を１０２で示す。その結果ダブラにより生成される第２調波１０３（右から左へ 進む）、帰路の基本的ビーム１０４（左から右へ進む）、および帰路の基本的ビ ーム１０４により生成される第２調波１０５も共に示す。リサイクルされた第２ 調波光１０６は、元々、１０３として出発するが、ミラー１０７により反射され て２重化結晶１０１を介して戻る。基本的ビーム１０２および第２のビーム１０ ３は、空気中での散乱のために互いに位相がずれること、および第２調波と基本 的ビームがミラー１０７に当たるまでには、２つのビーム間に何らかの位相シフ トがあること、に留意されたい。この位相シフトは、ダブラ上で用いられる抗反 射コーティングまたはミラー１０７上で用いられるコーティングによって、さら に悪化し得る。いずれにせよ、２つの第２調波ビーム１０５および１０６がトリ プラ（図１２には示さないがダブラ１０１のすぐ右にある）に到着するまでには 、２つの第２調波ビーム間の位相シフトは、トリプラ内で基本的ビームと混合し て第３調波を生成する第２調波に何らかの効率の悪さをもたらし得る。 本発明の目的の１つは、この位相シフトを補償する手段を提供することである 。比較的予測不可能な様式で、空気中での散乱により引き起こされる位相シフト を補償し得るミラーコーティングが生成され得ることが周知である。いずれかの 予測可能な様式でこの位相シフトを補償し得るミラーコーティングを生成するこ とは容易ではないが、比較的均一な様式でミラーコーティングの一方側から他方 側まで変化することが知られているミラーコーティングが生成され得る。従って 、位相シフトコーティングがミラーの一方側から他方側まで十分な程度変化する 場合、キャビティモードは、空気中での散乱による位相シフトを補償し且つダブ ラ上の抗反射コーティングにより追加され得る位相シフトをも補償するような様 式で、様々な部分においてミラーに当たるように選択され得る。しかし、曲面鏡 が用いられるため、適切な位相補償特性を有する部分を選択するときにミラーが 光学軸の一方側から他方側まで単に平行移動するのであれば、このことはレーザ を誤整合させる。このような誤整合を排除するために、専用ミラーマウントに凹 面鏡がマウントされている。上記専用ミラーマウントは、ほとんどのレーザミラ ーマウントに典型的な同一の２つの角度動作を行うが、第３の自由度を有する。 第３の自由度は、ミラーマウント全体が、ミラーの曲率中心にある点回りに回動 することを可能にする。この動きを図１３に示す。図１３において、中央部分を 、ミラーを示す実線１０９と、ミラーの摂動位置を示す破線１１０とによって示 す。ミラーの曲率はレーザの整合を維持するために必要な曲率であり且つミラー の許可された動きは、ミラー面上のコーティング１１１をミラー表面に亘って一 方の 端部から他方の端部まで移動させることによる曲率中心回りの動きであるため、 ミラーの動きは、レーザの整合に影響を与えることなく、適切な位相シフト特性 の選択を可能にする。 図１４に、上述のマウンティング概念のインプリメンテーションを示す３次元 スケッチを示す。当該分野で周知の単純なミラーマウントは、１１４で示され、 マウント１１４の中心に取り付けられた、１０９で示すミラーを含む。マウント １１４は、ピン１１８によってベースプレート１１６に対して支持されており、 ピン１１８はベースプレート１１６内の湾曲したスロットまたはトラック１２０ を介して延びている。スロット１２０は、点１１３回りの曲率を有するように、 ベースプレート１１６内に機械加工により形成され、その結果、マウント１１４ がスロット１２０内で移動するときに、ミラー１０９を、図１３に示す様式で曲 率中心１１２回りに回転させる。 このタイプのレーザにおいて基本的調波と第２調波との間に位相シフトが存在 することは従来から周知であり、ミラーコーティングが位相シフトに加算され得 る又は位相シフトから減算され得ることは周知であるが、予想可能な様式で位相 シフトを補償するために提供された適切な手段はこれまでない。従って、上述の メカニズムは、最適のレーザ出力パワーを達成するために適切なコーティング特 性を選択することをうまく可能にする手段に対して長い間感じられていた必要性 を満たす。上述の装置は、レーザの整合をひどく乱さないように凹面鏡１０９を 方向付けし直す能力を提供する。それにより、レーザ出力が観察され且つミラー が前の位置よりも良い又は悪い位置まで移動しているか否かという結論に到達し 得る最適パワーまで、レーザパワーが迅速に上昇することを可能にする。最終的 に選択された位置においてミラーをロックする手段（図示せず）が提供される。 次に図１５を参照して、光ビーム１２２が伝播する市販の音響光学Ｑスイッチ １２１を支持するためのＱスイッチ取り付けアセンブリを示す。スイッチを動作 させるためのＲＦ電力が１２４に印加される。このＲＦ電力はスイッチ内に蓄積 (deposit)されて熱に変換されるが、この熱を除去しなければならない。本アセ ンブリの目的は、スイッチ１２１の角度調節および平行移動調節の両方を可能に する手段を提供すること、およびＱスイッチから熱を除去するための冷却プレー ト７１に対する良好な機械的結合を提供することである。スイッチ１２１は、中 心に位置する孔１２９および少なくとも１つの弓状スロット１３０を有する第１ のプレート１２８に固定される。弓状スロット１３０の半径は孔１２９の中心を 通っている。プレート１２８は第２のプレート１３２上に載置されている。第２ のプレート１３２は、その上面から突出したピン１３１を有しており、ピン１３ １が孔１２９と係合することによりプレート１２８のプレート１３２に対する角 度的方向付けを可能にしている。ネジ１３３がスロット１３０中を通ってネジ山 付き孔１３４中に延びることにより、プレートを互いに固定する。プレート１２ ８および１３２の対向し係合する面は非常に平坦に加工されているため、プレー ト１２８のピン１３１まわりの回転により、スイッチ１２１の角度０調節(angul ar ０-adjustments)を達成することができると同時に、プレート１２８と１３２ の間に緊密な熱接触が得られる。Ｑスイッチを垂直方向Ｚに平行移動することを 可能にするために、プレート１３２は、１対のくさび形ブロック１３６および１ ３８のうちの上側ブロック１３６に固定されている。図示のように、ブロック１ ３８は、横方向に延びる溝１３９が横切って延びることにより、くさび１３６の 下面に形成された横方向に延びるさね(tongue)１３７に嵌合する。この２つの部 材は、ブロック１３６がブロック１３８の表面上を上下される際にブロックの位 置合わせを維持するように機能する。Ｚ軸調節を提供するようにこれらのブロッ クを相対移動させることはまたスイッチ１２１をビーム１２２の軸に沿って平行 移動させるが、キャビティモードスポットサイズは平行移動距離にわたってあま り変化しないため、そのような軸方向の平行移動はスイッチの動作に無関係であ る。プレート１２８および１３２の接合面と同様に、プレート１３６および１３ ８の接合面は緊密な許容度まで平坦に加工されていることにより、ブロック１３ ８の下にまで通じる良好な熱的接触が維持される。最後に、スイッチ１２１のＸ 方向の平行移動を可能にするため、ブロック１３８の水平な底面に、Ｘ方向に延 び、かつ平坦なブロック１４４の上面に設けられたさね１４２と組み合わせられ るように調節されたスロット１４０が設けられている。やはり、ブロック１３８ と１４４との間に良好な熱的接触が必要であり、これは、係合面の加工において 高精度および高平坦性を得ることによって達成される。ブロック１４４を熱電冷 却器１４６上に係合するように載置することによって、熱電冷却器１４６がアセ ンブリから熱を除去してレーザ装置内の全要素に共通である冷却ベースプレート ７１に蓄積し、熱がアセンブリ全体から抽出される。 上述のように本発明は、イントラキャビティレンズＬ１および凹面鏡Ｍ１の組 み合わせにより形成されるＬＢＯダブラ／トリプラ対（それぞれＤおよびＴとす る）に、細いウエスト部（約６０ミクロン）を用いている。大きなキャビティモ ード（約５００ミクロン）がＮｄ：ＹＶＯ４スラブＳ内に維持されることにより 、フォーカスされたダイオードバーによって提供される幅の広いなポンプ容積に 対して効率的なモードのオーバーラップが得られる。ポンプ容積の選択は、スラ ブ内に均一な熱レンズを達成するために重要であり、後出のセクションに説明す る。最後に、Ｎｄ：ＹＶＯ４内の熱レンズと、レンズＬ１の集光力の一部との組 み合わせを用いて、平面鏡Ｍ２において第２の細いウエスト部を形成している。 音響光学Ｑスイッチを第２のウエスト部の近傍に設けている。ウエスト部の近傍 に設置することにより、スイッチのＲＦ電力要求が減少する。キャビティモード サイズとＮｄ：ＹＶＯ４スラブが示す開口との適切な比により、ＴＥＭ００動作 を選択する。 基本放射に対して共平面で偏光される第３調波放射線は、イントラキャビティ ブルースタープリズム(Brewster prism）ＰおよびビームピックオフミラーＭ３ の組み合わせにより、無視し得る損失をともなって抽出される。ダイクロイック ミラーを用いてそのようなミラーコーティングに通常ともなう複雑さおよび光学 的損失を減少させる他のスキームに優先して、この紫外線抽出技術を選択した。 本技術は、第３調波を基本波から十分に分離することを可能にするためにキャビ ティ内に若干のスペースを必要とするが、このスペースは利得媒体とダブラ／ト リプラ対との間でスポットサイズを大きく異ならせるために有用である。 イントラキャビティレンズＬ１および凹面鏡Ｍ１は、レーザ中においてキャビ ティの安定性を制御する主要な要素である。従って、バナデートスラブ内におい て広い範囲の熱レンズパワーが容認可能であり、Ｎｄ：ＹＶＯ４スラブにおける キャビティモードサイズにわずかな変化のみを誘発し、ダブラ／トリプラウエス ト部においてはさらに小さな変化を誘発する。例えば、コンピュータモデリング により、Ｎｄ：ＹＶＯ４スラブにおけるキャビティモードサイズの変化が１０％ 未満で、熱レンズの焦点距離を２００ｍｍから４００ｍｍまで変化させ得ること が示される。 ダイオードバーアレイによってポンピングされるスラブ内の利得領域は、通常 矩形ブロックの形態をとる。ブロックの長さはダイオードバーの長さによって固 定され、ブロックの奥行きはポンプ発光(pump illumination)の吸収深度によっ て固定され、ブロックの高さはダイオードバーの前に設けられる平行光学系によ って決定される。いくつかの実施態様においては、他のスキームにおいては利得 領域の奥行きおよび高さはほぼ等しくされ、利得領域は薄いシートの形態をとる 。これらのスキームは全て、スラブ中心における所望のＴＥＭ００キャビティモ ードとスラブ側部に近い方の未使用の利得領域との間のオーバーラップが良好で ないため、効率が良好でない。利得領域が薄いシートの形態のときは、楕円形キ ャビティモードを用いることにより効率を改善し得る。しかしこれらの設計は、 円筒状のイントラキャビティ素子（レンズまたはミラー）が、これらの楕円形モ ードを形成しかつ薄いポンピング領域によって発生する非点収差(astigmatic)熱 レンズを補償することを必要とし、これによりキャビティの複雑さが増す。従っ て、本発明の一目的は、ポンプ効率を改善すると同時に対称な熱レンズを維持す るスキームを設計することであった。 本設計において、図７ａ〜７ｃに示すように、サイドポンピングシステムのポ ンピング効率は、キャビティモードをスラブ壁部（ポンプ表面として機能してい る）から内反射させることで、最大ポンプ吸収領域内にキャビティモードを配置 することにより、改善される。勿論この技術は、Ｎｄ：ＹＶＯ４などの短いポン プ吸収長を示す材料において特に有用である。本形態において、ＳＤＬ２０ワッ トダイオードバーからの出力をまず直径が２ｍｍのロッドレンズＬ３でコリメー トした後、２５ｍｍのf.l.レンズＬ２により、約５ｍｍ長×１ｍｍ幅の矩形状ス ポットに集光する（１／２波長プレートＷは、ポンプ偏光を回転させてＮｄ：Ｙ ＶＯ４スラブのｃ軸と整合させる）。ダイオードバー出力の光ビームの質が良好 でないため、ダイオードバー出力を５ｍｍよりずっと短い長さのスポットにフォ ースすることは困難である。従って、矩形状ポンピングスポットの長軸は、スラ ブ内の反射平面と整合され、ＴＥＭ００モードのポンプ表面への投射が矩形状ポ ンピングスポット長にほぼ等しいかわずかに長くなるように、浅い反射角が選ば れる。この内反射はまた、ビームの縦断面(profile)を横切って（反射平面にお いて）現れる本来非対称な熱レンズ（ポンプ表面から離れるに従ってポンプ発光 が急速に減少することに起因する）を、対称化する。 ポンピング体積のサイズをスラブ寸法およびポンプ発光の吸収長に比較して慎 重に考慮することにより、熱的な非対称性のさらなる改善が得られる。多くの文 献に、２つの対向面から冷却された、均一ポンピングスラブレーザにおける熱レ ンズ効果が記載されている。均一なポンピング負荷および冷却境界条件により、 冷却されている面に垂直な平面においてのみレンズパワーを有する、概して円筒 状の熱レンズが誘起される。本設計において、Ｎｄ：ＹＶＯ４スラブは、図９に 図示したタイプの冷却された実装固定具との緊密な接触により、２つの対向する 水平面に沿って冷却される。これらの冷却される面は、同時にイントラキャビテ ィ反射およびポンプ入力に用いられている面に垂直である。もしポンプ吸収長が スラブの幅に匹敵するものであれば、スラブは大きな円筒状の熱レンズを垂直方 向に示すであろう。しかし、Ｎｄ：ＹＶＯ４のポンプ吸収長が短いため、ポンプ 負荷は非常に不均一であり、ポンピング表面近傍に集中している。この効果を用 いて、前述した既に存在する垂直レンズ効果に加えて、水平方向にレンズパワー を追加することが可能である。所与のポンプ吸収長（Ｎｄドーピングおよびポン プライン幅によって設定される）について、コンピュータモデリングにより、ポ ンピングスポットが狭すぎると垂直方向出力が強すぎる熱レンズが生成され、ポ ンピングスポットが広すぎると水平方向のレンズパワーに比較して垂直方向出力 が不十分な熱レンズが生成されることが示される。適正なポンピングスポット幅 で達成されるほぼ対称な熱レンズは、短いキャビティ内において様々なキャビテ ィモードサイズのバリエーションが必要な場合において特に、キャビティ設計を 簡素化する。実際、熱レンズをわずかに非点収差となるように仕上げることによ って、イントラキャビティブルースタープリズムＰに起因する穏やかな非点収差 性を補償してもよい。最後に、いくつかの端部ポンピング構造において用いられ るファイバ結合ダイオードバーアセンブリに比較して、ダイオードバーおよびサ イドポンピング光学系はより安価であり、組立および位置合わせがより容易であ り、より故障が少ない。 好適な実施態様において、ＬＢＯにおける室温の角度調整された位相マッチ化 タイプＩ２重化およびタイプII３重化（合計周波数発生）を用いて、第３調波放 射線を生成する。図１１に示すように、両結晶（長さ１０ｍｍ）を、それぞれ２ 本の垂直な回転軸および１本の平行移動軸に沿って調節し得る温度制御プラット ホームに実装する。回転により、室温近傍で位相マッチングが達成されることを 確実にし、平行移動により結晶のうち欠陥のない部分を選択する。ダブラは第２ 調波ビームを発生し、これは各端部から出射される。トリプラに最も近いダブラ 面から出射するビームは、イントラキャビティでの第２調波と容易に合計され、 基本波の第３調波での放射線を発生する。トリプラと反対側のダブラ面から出射 するビームは、基本波ビームおよび第２調波ビームの両方を反射するように設計 された（このことにより第２調波を再利用する）Ｍ１上のミラーコーティングが 無ければ、失われてしまう。しかし、ミラーとダブラ／トリプラ対との間の空気 路中における散乱のため、第２調波と基本波との間に位相シフトが起こり得、ト リプラにおける合計周波数発生の効率を下げてしまう。さらなる位相シフトがダ ブラ面上のＡＲコーティングにおいて起こり得る。前述したように、この位相シ フトは、計算された位相シフトを補償するような特定の設計を有する、Ｍ１上の 適切なコーティングによって相殺され得る。しかし、基本波と第２調波との間の 予想反射位相差を有するコーティングを得ることは困難であり、ダブラ面におけ る潜在的に未知の追加的な位相シフトには対応していない可能性が高い。図１３ および１４に示すように、解決策は、ミラーＭ１に、位相シフトがミラー面を横 切って任意に変化することが知られているコーティングを塗布することである。 実際、ミラーの曲率半径が短いためコーティングプロセスにおいてそのようなシ フトはほとんど不可避であるが、この位相シフトを特定の方向において高め得る 。こうして、イントラキャビティビームが適切な位相シフトでミラーの面の一部 に入射するように、ミラーを方向付け得る。この調節は、Ｍ１の曲率中心と一致 する曲率中心を有する半円形のトラック上のミラーマウントを用いることにより 、より容易に可能になる。従って、このトラックに沿ったマウントの運動は、凹 面 鏡の角度方向をレーザキャビティ内に維持する一方で、イントラキャビティビー ムをミラーの異なる部分から反射させる。好ましくはミラーは、位相シフト勾配 の方向が半円形ミラーマウントトラックの平面に平行であるように方向付けられ る。このようにして、レーザキャビティが大きく誤整合を起こすことなく第３調 波変換効率が得られるように、ミラーマウントを半円形トラックに沿って調節し 得る。 レーザは、密閉され乾燥した、ダイオードバーを含む全ての光学要素を包含す る約１７５ｍｍ×４５０ｍｍ×１００ｍｍのエンクロージャ中に組み立てられる 。密閉エンクロージャにより、室内空気からの汚染物質の堆積に起因する光学的 損傷の危険を減少し、本来露点未満であるはずの温度までダイオードバーを冷却 することが可能になる。エンクロージャの外部に冷却を行い、様々な内部の電気 的要素および光学的要素から熱電冷却器を介して熱を伝導させる。電源および制 御電気系は、補助的な１９インチのラックスタイルエンクロージャ内に設けられ る。最悪条件における全消費電力は約６００ワットである。 本発明のレーザシステムは、３５５ｎｍにおいて２ワットを越える最大平均出 力を発生し、１００ｋＨｚ以上の繰り返し速度で動作する。本システムは、２０ ワットダイオードバーでポンプされたＮｄ：ＹＶＯ４スラブを用いており、イン トラキャビティタイプＩおよびタイプII ＬＢＯ角度調整２重化および３重化の それぞれを備えている。本システムの成功に貢献する新規な特徴は、イントラキ ャビティブルースタープリズムを介した紫外線抽出と、熱レンズの非対称性を減 少するようにポンププロファイルを慎重に調整されたＮｄ：ＹＶＯ４サイドポン ピングスラブと、利得媒体中の熱レンズおよび第２調波の再利用のための散乱補 償に対して感受性を有さないという固有の性質を有するキャビティとにある。 本発明を特定の実施態様について上述したが、その変更および改変が当業者に は当然明らかであることが予測される。例えば、低出力ＣＷレーザアプリケーシ ョンにおいては、Ｑスイッチを省略し得る。従って、以下の請求項は本発明の真 の趣旨および範囲内に存するそのような全ての変更および改変を包含するものと して解釈されることを意図している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｈ Ｕ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 シノフスキー，エド アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02638，デニス，ウィッティア ドライブ 152

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．イントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザであって、 共振器キャビティを規定する、間隔をおいて配置された第１および第２の反射 手段と、 該共振器キャビティ内に配置されたレーザ結晶と、 該共振器キャビティ内に配置されたダブラ結晶と、 該共振器キャビティ内に配置されたトリプラ結晶と、 該レーザ結晶をポンピングし、その基本波長で放射線を生成するダイオードポ ンピング手段であって、該基本放射線は、該ダブラ結晶内に向けられ、第２調波 放射線を生成し、該基本放射線および該第２調波放射線は、該トリプラ結晶内に 向けられ、該基本放射線と該第２調波放射線を混合する合計周波数によって、第 ３調波放射線を生成し、該第３調波放射線は、該共振器キャビティから分離され 、および出力レーザビームとして出力される、ダイオードポンピング手段と、 を有するレーザ。 ２．前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項１ に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ３．前記Ｑスイッチを支持および配列させ、該Ｑスイッチから熱を除去する熱電 冷却手段をさらに有する、請求項２に記載のイントラキャビティ３重化ダイオー ドポンピングレーザ。 ４．前記第１および第２の反射手段の少なくとも１つの反射表面が、コーティン グ表面にわたって変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングされ、 該コーティングされた反射手段が、前記第２調波放射線の空気中の散乱を補償す るように配置され、それによって、前記トリプラ結晶に入力される有効な前記第 ２調波パワーを最適化する、請求項１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオ ードポンピングレーザ。 ５．前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、最適化位相シフト特 性の選択を可能にするように、前記レーザのレージング軸に対して横方向に移動 可能である、請求項４に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピング レーザ。 ６．前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、凹形であり、前記レ ージング軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持さ れ、それによって、前記レーザを離調させることなく、前記最適化位相シフト特 性を選択するように位置調整を可能にする、請求項５に記載のイントラキャビテ ィ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ７．前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面、 および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で 交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の長 さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射さ れる、請求項１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ 。 ８．前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように、該結 晶の前記上面および前記下面を冷却する手段をさらに有する、請求項７に記載の イントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ９．前記基本放射線の前記キャビティモードが、前記ポンピング側面上のスポッ トにフォーカスされ、該スポットが、ほぼ楕円形であり、該ポンピング側面の長 さ方向に長軸を有し、該長軸の長さが、該ポンピング側面の長さよりも短い、請 求項７に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 １０．前記冷却手段が、前記上面および前記下面の実質的な部分に近接して均一 に係合する機械的クランピング手段を有する、請求項８に記載のイントラキャビ ティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 １１．前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形の スポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、 該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短い、請求項１０に記載の イントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 １２．前記ポンピングスポットの長さが、前記レーザ結晶の前記ポンピングビー ムの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の横垂直および水平方向に実質的 に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差キャビティ特性の必 要性を排除する、請求項１１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポン ピングレーザ。 １３．前記第３調波放射線を前記基本放射線および前記第２調波放射線から分離 する、前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項１に記載 の請求項１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 １４．前記レーザ結晶が、ネオジムイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶ Ｏ４）である、請求項１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピン グレーザ。 １５．前記ダブラ結晶および前記トリプラ結晶の少なくとも１つを熱的に冷却す る手段が設けられている、請求項１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオー ドポンピングレーザ。 １６．前記ダブラ結晶が、前記第１の反射手段と前記レーザ結晶との間に配置さ れ、前記トリプラ結晶が、該ダブラ結晶と該レーザ結晶との間に配置され、前記 共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項１に記載の イントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 １７．前記第３調波放射線を前記基本放射線および前記第２調波放射線から分離 する、前記トリプラ結晶と前記レーザ結晶との間で前記キャビティ内に配置され たプリズムをさらに有する、請求項１６に記載のイントラキャビティ３重化ダイ オードポンピングレーザ。 １８．前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面 、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角 で交差する端面を有し、該レーザ結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該 レーザ結晶の長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング 側面から反射される、請求項１７に記載のイントラキャビティ３重化ダイオード ポンピングレーザ。 １９．前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように前記 上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、該上面お よび該下面の実質的な部分に近接して均一に係合し、そこから熱を除去する機械 的クランピング手段を有する、請求項１８に記載のイントラキャビティ３重化ダ イオードポンピングレーザ。 ２０．前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形の スポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、 該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短く、該ポンピングスポッ トの長さが、前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され 、該レーザ結晶の横垂直および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成 し、それによって、非点収差レンズ補正の必要性を排除する、請求項１９に記載 のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ２１．前記第１および第２の反射手段の少なくとも１つが、ミラーの表面にわた って変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングされ、該コーティン グされた反射手段が、前記第２調波放射線の空気中の散乱を補償するように配置 され、それによって、前記トリプル結晶に入力される効率的な前記第２調波パワ ーを最適化する、請求項３に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピ ングレーザ。 ２２．前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、凹形であり、前記 レージング軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持 され、それによって、前記レーザを離調させることなく、最適化位相シフト特性 を選択するように該レージング軸に対して該１つのコーティングされた反射手段 の位置調整を可能にする、請求項２１に記載のイントラキャビティ３重化ダイオ ードポンピングレーザ。 ２３．前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面 、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角 で交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の 長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射 され、前記基本放射線の該キャビティモードが、前記ポンピング側面上の第１の スポットにフォーカスされ、該第１のスポットが、ほぼ楕円形であり、該ポンピ ング側面の長さ方向に長軸を有し、該長軸の長さが、該ポンピング側面の長さよ りも短い、請求項２２に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピング レーザ。 ２４．前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように該結 晶の前記上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、 該レーザ結晶の該上面および該下面の実質的な部分に近接して均一に係合する機 械的クランピング手段を有する、請求項23に記載のイントラキャビティ３重化ダ イオードポンピングレーザ。 ２５．前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形の 第２のスポットにフォーカス手段によってフォーカスされるポンピングビームを 生成し、該第２のスポットの長さが、該ダイオードポンピング手段の出射領域の 長さよりも短く、また前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して 形成され、該レーザ結晶の横垂直および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワ ーを生成し、それによって、非点収差キャビティ特性の必要性を排除する、請求 項２４に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ２６．前記第３調波放射線を前記基本放射線および前記第２調波放射線から分離 する、前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項２５に記 載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ２７．前記フォーカス手段が、円筒状レンズ手段と、前記ポンプ放射線の偏光を 前記レーザ結晶の光軸と整合させる手段と、球面レンズ手段とを含み、すべてが 協動して該放射線を前記ポンピング側面上にフォーカスするように機能する、請 求項２６に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ２８．前記フォーカス手段が、円筒状レンズ手段と、前記ポンプ放射線の偏光を 前記レーザ結晶の光軸と整合させる手段と、球面レンズ手段とを含み、すべてが 協動して該放射線を前記ポンピング側面上にフォーカスするように機能する、請 求項１２に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ２９．前記ダブラ結晶および前記トリプラ結晶の少なくとも一方を熱的に冷却す る手段が配備されている、請求項６に記載のイントラキャビティ３重化ダイオー ドポンピングレーザ。 ３０．前記ダブラ結晶が、前記第１の反射手段と前記レーザ結晶との間に配置さ れ、前記トリプラ結晶が、該ダブラ結晶と該レーザ結晶との間に配置され、前記 共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項６に記載の イントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ３１．前記第３調波放射線を前記基本放射線および前記第２調波放射線から分離 する、前記トリプラ結晶と前記レーザ結晶との間で前記キャビティ内に配置され たプリズムをさらに有する、請求項６に記載のイントラキャビティ３重化ダイオ ードポンピングレーザ。 ３２．前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面 、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角 で交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の 長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射 される、請求項６に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレー ザ。 ３３．前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように前記 上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、該上面よ び該下面の実質的な部分に近接して均一に係合して、そこから熱を除去する機械 的クランピング手段を有する、請求項３２に記載のイントラキャビティ３重化ダ イオードポンピングレーザ。 ３４．前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形の スポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、 該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短く、該ポンピングスポッ トの長さが、前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され 、該レーザ結晶の横垂直および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成 し、それによって、非点収差レンズ補正の必要性を排除する、請求項３３に記載 のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ３５．前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項 ３４に記載のイントラキャビティ３重化ダイオードポンピングレーザ。 ３６．前記Ｑスイッチを支持および配列させ、該Ｑスイッチから熱を除去する熱 電冷却手段をさらに有する、請求項３５に記載のイントラキャビティ３重化ダイ オードポンピングレーザ。 ３７．特定の基本波長の第３調波放射線を生成する方法であって、 共振器キャビティを規定する、間隔をおいて配置された第１および第２の反射 手段を配備するステップと、 該共振器キャビティ内に、該基本波長で励起され得るレーザ結晶と、ダブラ結 晶と、トリプラ結晶とを配置するステップと、 該キャビティ内に放射線をその基本波長で生成するために、該レーザ結晶をポ ンピングするポンピング手段を配備するステップと、 第２調波放射線を生成するために、該基本放射線を該ダブラ結晶に向けるステ ップと、 該基本放射線と該第２調波放射線とを混合する周波数の合計によって第３調波 放射線を生成するために、該第２調波放射線と該基本放射線とを該トリプラ結晶 に向けるステップと、 出力レーザビームとして該共振器キャビティから出力するために該第３調波放 射線を分離するステップと、 を包含する方法。 ３８．前記共振器キャビティ内にＱスイッチを配置するステップと、 前記レーザが、高エネルギーのパルスを前記第３調波波長で生成するように、 該ＱスイッチをＲＦエネルギーで駆動するステップと、 をさらに包含する、請求項３７に記載の方法。 ３９．前記第１および第２の反射手段のうちの少なくとも一方を、コーティング 表面にわたって変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングするステ ップと、 該コーティングされた反射手段を、前記第２調波放射線の空気中の散乱を補償 するように配置し、それによって、前記トリプラ結晶に入力される効果的な前記 第２調波パワーを最適化するステップと、 をさらに包含する、請求項３７に記載の方法。 ４０．前記コーティングされた反射手段が凹形であり、前記レーザのレージング 軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持され、前記 方法が、前記レーザを離調させることなく最適化位相シフト特性を選択するため に、該コーティングされた反射手段を該点のまわりに回転させるステップをさら に包含する、請求項３９に記載の方法。 ４１．前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、かつ平坦なポンピング面を含み、 該ポンピング面が、該レーザ結晶を伝播する前記キャビティのモードと交差し、 かつ該モードを反射させ、前記方法が、該レーザ結晶がその長手方向中心の両側 に対称的に冷却されるように、該ポンピング面の上側および下側の該レーザ結晶 の表面を冷却するステップと、 前記ポンピング手段に、該ポンピング側面上でほぼ楕円形のスボットにフォー カスされるポンピングビームを生成させるステップであって、該ポンピングスポ ットの該楕円形の寸法が、該レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連し て形成され、該レーザ結晶の横垂直および水平方向に実質的に等しい熱レンズパ ワーを生成し、それによって、非点収差キャビティ特性の必要性を排除する、ス テップと、 をさらに包含する、請求項３７に記載の方法。 ４２．前記第３調波放射線を前記基本放射線および前記第２調波放射線から分離 するプリズムを、前記共振器キャビティ内に配置するステップをさらに包含する 、請求項３７に記載の方法。