JP2001525946A

JP2001525946A - ハイパワーレーザにおけるイントラキャビティ及びインタキャビティ高調波発生

Info

Publication number: JP2001525946A
Application number: JP54964798A
Authority: JP
Inventors: チョウ，フゼング; フー，キィアング; マイコフスキー，マイケル
Original assignee: エクセルクオントロニクスコープ．
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2001-12-11
Also published as: EP1010221A4; CA2289670C; CA2289670A1; WO1998052260A1; AU7576598A; US5943351A; EP1010221A1

Abstract

(57)【要約】誘電体コーティングミラー（１０，５０，５２，５４）付きのイントラキャビティ及び／又はインタキャビティ副共振器（１０，２０，２２，５０，５２，３２，５４）は、レーザ放射の高効率第３（３２）及びそれ以上の高次高調波の発生を達成するために、無反射及び高反射コーティングを有している。主共振器及び副共振器は、夫々基本振動及び高周波振動を強め、その結果、第３高調波（３２）及びそれ以上の高い変換効率を生じさせ、このような改良レージング効率は、高い反復値で８Ｗを超えるＵＶ出力パワーを達成するための、向上したパワーパフォーマンス用のハイパワーレーザで実施されて良い。イントラキャビティＴＨＧ技法の使用は、レーザ結晶のようなレーザの構造体に対する損傷を回避するために、レーザのイントラキャビティ領域で使用できる入力基本周波数の現存の高強度を使用することにより、高効率を提供する。ＴＨＧはダブルパス配列及び／又はマルチパス配列を利用し、その結果、シングルパス構造に比較して出力パワーが略６０％増加する。また、リターンパス内で発生するＵＶエネルギーの遮断は、主キャビティ内の構造体に対するＵＶによる損傷を排除するために実行される。

Description

【発明の詳細な説明】ハイパワーレーザにおけるイントラキャビティ及びインタキャビティ高調波発生発明の背景１．発明の分野本開示は、一般にレーザ共振器及び高調波周波数発生に関するものであり、特に、高効率高調波発生用のイントラキャビティ及びインタキャビティ共振器に関するものである。２．関連技術の説明レーザは、医療処置、科学実験、物体へのマーキング，ドリル作業等を含む産業用途のような広い分野において幅広く使用されている。産業範囲において、マイクロメータサイズの様々な材料へのレーザ機械加工の産業上の需要は、紫外線（ＵＶ）ビーム発生、特に高いパワー紫外線レーザビームを発生するコンパクトレーザシステムの研究開発を刺激してきた。多くのこうしたＵＶレーザが、追加のキャビティ構造を使用してＵＶ出力を発生する。即ち、キャビティ内でレーザビームが発生されて、キャビティの出力がキャビティ外部の結晶へと向けられるため、外部の結晶がＵＶ出力を発生する。しかし、イントラキャビティ構造を使ってＵＶ出力を発生するレーザもある。即ち、キャビティ内部に設けられたミラーと非線型結晶とを使用して、レーザビームとその高調波とが発生され、そのことがＵＶ出力を発生する。例えばA.J.Alfrey著の"Intracavity Tripling of Diode-Pumped Nd:YV04 at H igh Q-Switch Repetition Rates"，CONFERENCE ON LA-SERS AND ELECTRO-OPTICS のページＣＰＤ１９−１〜ＣＰＤ１９− ５（１９９６）で説明されているように、いくつかのコンパクトで商用向けのイントラキャビティ固体レーザでは、比較的高い平均ＵＶ出力パワーを達成している。このAlfreyの出版物は、３０ｋＨｚにおける２Ｗの平均ＵＶ出力パワーで３５５ｎｍのレーザ放射を発生するレーザシステムを開示している。更に、Lambda Physik社から市販されている固体レーザシステムは１ｋＨｚにおいて４Ｗの平均ＵＶ出力パワーを発生することが可能であると報告されている。産業用途として、産業処理工程全体を通して高い値を保つために、稼動中に十分高い反復値で更に大きなＵＶ出力パワーを提供するコンパクト固体レーザシステムの需要がある。レーザにおける電磁和周波発生及び電磁差周波発生は、高次高調波を発生するものとして３０年以上前から知られている。以下、Ｎ次高調波発生（ＨＧ）をＮＨＧと呼ぶ。ここで、Ｎ≧１である。例えば、基本周波数発生は１ＨＧと呼ぶことができ、第２高調波発生は２ＨＧと呼ぶことができ、第３高調波発生は３ＨＧと呼ぶことできる等である。和周波処理を実行する四ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶のような非線型媒質を使って、レーザのパワー及び効率の改良が行われてきた。こうした非線型媒質の非線型特性により、入力周波数の強度が増加するに従って変換効率は増加する。変換効率を増加するための従来技術の１つに、イントラキャビティ構造においてレーザ共振器を実施するものがある。これは例えば、レーザ内で結晶が受けるレーザ強度がレーザの出力強度よりも略１〜２次数高くなるように非線型結晶をレーザ共振器内に配置するということである。こうしたイントラキャビティ技術は、従来知られているように、基本周波数の和を発生することで第２高調波が得られる第２高調波発生（ＳＨＧ又は２ＨＧと呼ばれる）に使用することができる。他の和周波発生技術は第３高調波発生（ＴＨＧ又は３ＨＧと呼ばれる）である。第３高調波発生は、レーザビーム質の低Ｍ²で固体レーザからＵＶ波長を発生するための最も効果的な方法のうちの１つである。採用された素子の非線型特性により、ＴＨＧ技術の変換効率は一般に、２つの出力周波数つまり基本高調波及び第２高調波の各々の強度に比例する。ここで使用している従来のＴＨＧ技術は、一般にレーザキャビティの外側で実施され、即ち追加キャビティ構造であり、既存の高イントラキャビティ強度を使用するものではなかった。高強度レーザ使用における典型的で共通な問題点は、所望の変換効率を達成するために結晶に対して鋭角に照準した場合に起こる、非線型結晶のような結晶への損傷である。従って、結晶及びその他のレーザ構造体へのこのような損傷を防止する高次高調波発生が必要である。いくつかの従来技術のレーザは、イントラキャビティ周波数を使用する。プリズムを使用した、ダイオードポンプした紫外線レーザ構造は、ワンパス構造でＴＨＧを実施するイントラキャビティＳＨＧシステムの典型的な例である。例えば、上述したA.J．Alfreyの出版物は、２Ｗ以上の平均パワーで３５５ｎｍレーザ放射を発生することで、ツーパス構造において後続のＴＨＧを生成するシステムを開示している。しかし、従来のワンパス構造におけるＳＨＧからのＴＨＧの生成は、一般に比較的低い効率しか得られなかった。Ｗｕ等による米国特許第５，２７８，８５２号で開示されているような他のイントラキャビティ技術が使用され得る。この開示では、低ピークパワーレーザを動作するために、副キャビティ内でＳＨＧが実施され、ＴＨＧがシングルパス方式で実施される。こうしたシングルパスＴＨＧは、一般的にダブルパス構造を使用したＴＨＧよりも変換効率が低い。更に、ＴＨＧを実施する際に、従来のイントラキャビティ技術では、ＵＶビームをレージング結晶に向けて逆方向に伝搬させる結果となり、主キャビティ内にある他の光学的構成体に損傷を与えてしまう可能性がある。Kuizengaによる米国特許第５，０２５，４４６号は、ＵＶビームのバックプロパゲーションと同様、イントラキャビティ構造を有するハイパワーレーザシステムを開示している。従って、結晶及びその他のレーザ構造体へのパックプロパゲーション損傷を防ぐとともに、向上した変換効率を伴った高次高調波の発生が必要である。更に、従来技術における多くのレーザは、例えば相互に直角に設計された断面を使って、また、レーザビームを角度的に誘導するミラー及びプリズムを使用して、角度構造せ配列されている。このような構造に配置された構造体は一般に位置決めが困難であるのに対し、線形構造は位置決めが比較的容易である。従って、線形構造を有するハイパワーＵＶレーザシステムの必要性がある。発明の概要本明細書から分かるように、無反射及び高反射コーティングを施した誘電体コーティングミラーを備えたイントラキャビティ及び／又はインタキャビティの副共振器を使用して、レーザ放射の高効率の第３及びそれ以上の高調波発生が得られる。主共振器及び副共振器が夫々、基本及び高調波振動を強め、その結果、第３高調波及びそれ以上の高い変換効率が得られる。このような改良レージング効率は、高い反復値の８Ｗを超えるＵＶ出力パワーを得るための、向上したパワーパフォーマンス用のハイパワーレーザで実施することができる。更に、レーザのイントラキャビティ領域で使用可能な入力基本周波数の現存の高強度を用いることにより、イントラキャビティＴＨＧ技術の使用は高い効率を提供するので、レーザ結晶のようなレーザの構造体への損傷を防ぐ。次に、副キャビティ内でＳＨＧが確立される。これにより、略２０％又はそれを超える高効率が得られる。その一方で、略３０％又はそれを超える高効率を得るために、基本周波数及びＳＨＧ周波数の高強度を利用してイントラキャビティＴＨＧが確立される。ＴＨＧはダブルパス及び／又はマルチパス配置を利用するため、シングルパス構造と比較して出力パワーが略６０％増加する。ＵＶによる主キャビティ内部の構造体への損傷を排除するために、リターンパスで発生されたあらゆるＵＶがブロックされる。こうしたＳＨＧ及びＳＨＧは、直線（線形）構造に配置された素子を使用して実行することも可能である。図面の簡単な説明開示したレーザ発生システム及び方法の特徴は、添付の図面と共に以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明を参照することにより、容易に明白になって理解されるであろう。図１は、イントラキャビティ直線構造を備えた、開示されたレーザ発生システムを示す。図２は、インタキャビティ直線構造を備えた、開示されたレーザ発生システムを示す。図３は、図面中に示した高調波を表す凡例である。図４は、パルス反復値の範囲におけるＴＨＧパワーを示すグラフである。図５〜図１１は、高次高調波を発生するための他の実施例を示す。図１２は、略１１ワットよりも大きいＵＶ出力パワーを得るための、図１に示したレーザのＵＶ出力パワーを示す。図１３は、Ｑスイッチ反復値の関数として測定されたＵＶ出力パワーを示す。図１４は、ＴＭＥ００モード出力の空間プロフィールを示す。好ましい実施例の説明図１〜図２に示すように、共通の参照番号が類似又は同一である要素，ステップ及び特徴を示す図面を特定の細部にわたって参照すると、本開示は、高反復値を伴い、例えば産業用途に使用するための高効率とコンパクト性とを伴った、高ＵＶ出力パワーを発生するためのレーザ発生システム及び方法を説明するものである。ここで説明するように、図１はイントラキャビティ構造を示し、図２はインタキャビティ構造を示す。図１を参照すると、開示されたレーザ発生システム及び方法は、直線構造のコンティニュアスウェーブ（ＣＷ）レーザポンプレーザ、又は他のパルスポンプレーザとして動作する。レーザは、第１ミラー１０，レージングロッド２０，音響光学Ｑスイッチ２２，第２ミラー５０，ＳＨＧ結晶３０，第３ミラー５２，ＴＨＧ結晶３２及び第４ミラー５４を有するキャビティを備えている。レーザには、ＣＷエミッタ及び構造体を保持するための構造フレームのような従来知られているその他の要素も含まれるが、図面の明確性のために第１図には示されていない。例えば、ＣＷエミッタはＣＷＫｒアーク灯であるか、又は、レージングロッド２０を電磁気的にポンピングする少なくとも１つのレーザダイオードであって良い。好ましい実施例において、レージングロッド２０は、レーザ能動媒質として１４５ｍｍＮｄ：ＹＡＧロッドであって良い。また、レージングロッド２０は、Ｎｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ＹＶＯ₄，Ｙｂ：ＹＡＧ又は従来のその他のレーザ能動媒質から成っていても良い。好ましい実施例において、ＳＨＧ結晶３０は第１種ＳＨＧのためのＬＢＯ結晶であって良い。また、ＳＨＧ結晶３０は、リンチタン酸カリウム（ＫＴＰ），バリウムメタボレート（ＢＢＯ），ＬｉＩＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃のような従来のＳＨＧ結晶、或いは、従来の第１種位相整合又は第２種位相整合の何れかのためのその他のＳＨＧ装置又は素子から成っていても良い。更に、ＳＨＧ結晶３０は、１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍにおける無反射（ＡＲ）特性を有している。好ましい実施例において、ＴＨＧ結晶３２は第２種ＴＨＧのためのＬＢＯ結晶であって良い。或いは、ＴＨＧ結晶３２は、ＫＴＰ，ＫＤＰ，ＡＤＰ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯ，ＬｉＩＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃のような知られたＴＨＧ結晶、又は第１種位相整合又は第２種位相整合のための従来から知られたその他のＴＨＧ装置，素子から成っていても良い。更に、ＴＨＧ結晶３２は、１０６４ｎｍ，５３２ｎｍ及び３５５ｎｍにおけるＡＲ特性を有している。好ましい実施例では、第１ミラー１０は１０６４ｎｍにおいて９０％を超える反射のような高反射（ＨＲ）のためにコーティングされており、第２ミラー５０は１０６４ｎｍでのＡＲ及び５３２ｎｍでのＨＲのためにコーティングされており、第３ミラー５２は１０６４ｎｍでのＡＲ，５３２ｎｍでのＡＲ及び３５５ｎｍでのＨＲのためにコーティングされており、更に、第４ミラー５４は１０６４ｎｍでのＨＲ，５３２ｎｍでのＨＲ及び３５５ｎｍにおいて略９０％を超える透過のような高透過（ＨＴ）（またもしくはＡＲ）のためにコーティングされている。ミラー１０，５０〜５４及び／又は非常に高い反射率と透過率とを持つそれらのコーティングは、中国の上海にあるShanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Academia Sinicaから市販されている。イントラキャビティ構造を持つ、開示したレーザ発生システムの主キャビティは、Ｎｄ：ＹＡＧロッド２０を使用して１０６４ｎｍで基本１２を振動させるミラー１０及び５４によって形成されている。図１には、図３に示した凡例と共に高調波を示しており、ここで、基本１２は第１断続線として、第２高周波は第２断続線として示され、またＮ≧３での高次高調波が図１中の実線１６のような実線として示されている。図１中で、Ｎは高調波の次数である。内部で第２高調波１４を生成するために、ミラー５０及び５４がイントラキャビティＳＨＧ用の第１副キャビティを形成し、また、ミラー５２及び５４が、ツーパス及び／又はマルチパスイントラキャビティＴＨＧ３２用の第２副キャビティを形成し、これにより基本１２及び第２高調波１４が、実線１６で示した第３高調波を少なくとも発生する。更に、ツーパス及び／又はマルチパスイントラキャビティＴＨＧ３２を使用することで、より高い効率が得られる。高調波分離用のダイクロイックミラーであり、３５５ｎｍにおいてＨＲである第３ミラー５２を使用することでＵＶ放射も防止する。このＵＶ放射は、例えばＴＨＧ結晶３２によって発生され、ロッド２０を含む主キャビティへと反射し、同様にＳＨＧ結晶３０へと反射する３５５ｎｍにおけるものであり、これにより、高密度ＵＶによる光学的構造体への損傷を防ぐ。動作中、ＴＨＧ結晶３２がＴＨＧをパルス反復値の機能として実行するため、開示したレーザ発生システムはパルス反復値に応じて高いＵＶ出力を提供する。図４に示すように、レーザの反復値が５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚに連続して変化する場合、ＴＨＧ結晶３２の出力は略５ｋＨｚで略８Ｗ、略２０ｋＨｚで略３Ｗである。開示したレーザ発生システムによって得られる最大のパワーの１例は、略６ｋＨｚのパルス反復値で略８．８Ｗである。このようなパルス反復値におけるこうした高いＵＶ出力パワーは、医療処置，科学実験，産業用途のような多くの用途において有益である。開示したレーザ発生システムにおけるＳＨＧ結晶３０とＴＨＧ結晶３２との間の非線型変換効率は、略１０ｋＨｚといった適度の反復値であると推測できる。このような反復値において、開示したレーザ発生システムはＮｄ：ＹＡＧ発振器２０から、ＳＨＧに略２０Ｗ、ＴＨＧに略６．８Ｗを発する。こうしたパワー値は、効果的なＳＨＧからＴＨＧへの略３４％の変換効率に関連する。この数値はレーザ用途としては比較的高い効率である。イントラキャビティＳＨＧをマルチパス方式で採用することにより、非線型結晶の相互作用の長さが効果的に増加し、高い変換効率が得られる。別の実施例において、図１のロッド２０はランプ及びポンプを使用したＮｄ：ＹＬＦ結晶であり、その結果、ここで述べているように、高次高調波と同様、ＳＨＧ及びＴＨＧ用の副キャビティが得られる。Ｎｄ：ＹＬＦ結晶を使用する場合、略２ｋＨｚの反復値でパルスした際に、開示したレーザ発生システムは略３５１ｎｍで略１１．５ＷのＵＶパワーを達成することができる。従って、このようなＳＨＧ及びＴＨＧは、ランプ及びポンプを使用した様々な結晶について比較的高いＵＶパワーを提供する。キャビティの設計は比較的単純でコンパクトであり、レーザヘッドの全長を略７４ｃｍにする。他の実施例において、図１に示す開示したレーザ発生システムは第４高調波発生（４ＨＧ）を実行するために採用されても良い。４ＨＧでは結晶３２及びミラー５２〜５４が採用される。例えば、第３ミラー５２は１０６４ｎｍでＨＲ，５３２ｎｍでＡＲ及び２６６ｎｍでＨＲとなるようにコーティングされており、また、第４ミラー５４は５３２ｎｍでＨＲ及び２６６ｎｍでＡＲとなるようにコーティングされている。また他の実施例においては、４ＨＧ結晶３２は５３２ｎｍでＡＲ及び２６６ｎｍでＡＲとなるＬＢＯ結晶である。ここに説明されているように、また従来技術で既知であるように、それ以外の種類の結晶を使用して良いことが理解される。ミラー５２，５４間に形成されている副キャビティは、第２高調波から第４高調波を発生するためのダブルパスイントラキャビティ４ＨＧとして機能する。図３に従って、第２高調波１４は断続線として描かれているが、第４高調波は実線１６として描かれている高次高調波である。図２に示されている他の実施例において、開示したレーザ発生システムは、インタキャビティ構造を有している。つまり、高次高調波を発生する副キャビティは主キャビティの外部にあるが、副キャビティは主キャビティに電磁的に結合されている。図２に示されているように、インタキャビティ構造での開示したレーザ発生システムは、図１に関して前述したように、第１ミラー１０，ロッド２０，Ｑスイッチ２２，第２ミラー５０及びＳＨＧ結晶３０を有している。第３ミラー５６は、図２の主キャビティがミラー１０及び５６の間に形成されるように、含まれる。図２に示されている他の実施例においては、２より高い次数の高調波が発生して良い。例えば、４ＨＧの場合、４ＨＧ結晶３４が、第４ミラー５７と第５ミラー５８との間に配置され、主キャビティの外部に副キャビティを形成する。他の実施例においては、第３ミラー５６は、１０６４ｎｍでＨＲ，５３２ｎｍでＡＲ及び３５５ｎｍでＡＲとなるようにコーティングされている。第４ミラー５７は、５３２ｎｍでＡＲ及び３５５ｎｍでＨＲとなるようにコーティングされている。第５ミラー５８は、５３２ｎｍでＨＲ及び２６６ｎｍでＡＲとなるようにコーティングされている。他の実施例においては、４ＨＧ結晶３４は、５３２ｎｍでＡＲ及び２６６ｎｍでＡＲとなるＬＢＯである。ここで説明されているように、また従来技術で既知であるように、それ以外の種類の結晶を使用して良いことが理解される。ミラー１０及び５６を含む主キャビティは、例えばＮｄ：ＹＡＧロッド２０を使用して１０６４ｎｍで基本の振動を発生させるが、第３ミラー５６は、その基本振動を主キャビティ及びＳＨＧ結晶５０を有する副キャビティ内に制限する。インタキャビティＳＨＧのために他の副キャビティがミラー５０，５８間に形成されるが、ミラー５６．５８間に形成されている副キャビティが、第２高調波１４から第４高調波１８を発生するためにダブルパスインタキャビティ４ＨＧとして機能する。図３に従って、第２高調波１４は断続線として描かれるが、第４高調波１８は実線として描かれている高次高調波である。図２のインタキャビティ構造を使用し、開示したレーザ発生システムは、主キャビティの外側で第４高調波１８を発生し、それにより各構造体からの個別の損失に起因したパワーの損失を削減する。更に、図１に関して前述されたように、第３ミラー５６のコーティングが、ロッド２０及びその他の構造体へ向かって戻る高強度のＵＶの透過を妨げ、それに対する損傷を回避する。図５から図１１に図示されているように、本発明に従って、高次高調波を発生するための、前述されたようなコーティングされたミラーを利用する他の代替実施例を持つことが可能である。図５では、適切にコーティングされたミラー及び結晶が、イントラキャビティ高調波発生のために２ＨＧ，４ＨＧ及び５ＨＧ用の副キャビティを形成するように適応される。例えば、ミラー５０は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。ミラー５２は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＨＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。ミラー６０は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＨＲ，３５５ｎｍの場合にＡＲ及び２６６ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。また、ミラー６２は、１０６４ｎｍの場合にＨＲ，５３２ｎｍの場合にＨＲ及び２１３ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。また、２ＨＧ結晶３０は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＡＲである。４ＨＧ結晶３２は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲである。また、４ＨＧ結晶３２は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，２６６ｎｍの場合にＨＲ及び２１３ｎｍの場合にＡＲである。従って、ミラー５０及び６０は、イントラキャビティ２ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー５２及び６２はイントラキャビティ４ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー６０〜６２はダブルパスイントラキャビティ５ＨＧ用の副キャビティを形成する。図６に図示されているように、図１の他の代替実施例においては、ミラー５０は、１０６４ｎｍでＡＲ用及び５３２ｎｍでＨＲ用にコーティングされている。ミラー６４は、１０６４ｎｍでＨＲ用，５３２ｎｍでＨＲ用及び３５５ｎｍでＡＲ用にコーティングされている。またミラー６６は、１０６４ｎｍでＨＲ用，５３２ｎｍでＨＲ用及び３５５ｎｍでＨＲ用にコーティングされている。結晶３０は、１０６４ｎｍでＡＲ及び５３２ｎｍでＡＲである。また結晶３２は、１０６４ｎｍでＡＲ，５３２ｎｍでＨＲ及び３５５ｎｍでＨＲである。ミラー５０及び６６は、イントラキャビティ２ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー６４−６４はダブルパスイントラキャビティ３ＨＧ用の副キャビティを形成する。この配列では、ミラー６４〜６６の間の副キャビティは、主キャビティの長手方向軸に対して略９０°の角度にある長手方向軸を有する。図７に示されているように、図１の他の実施例においては、ミラー６８は、１０６４ｎｍでＡＲ用及び５３２ｎｍでＨＲ用にコーティングされている。ミラー６４は、１０６４ｎｍでＨＲ用，５３２ｎｍでＨＲ用及び３５５ｎｍでＡＲ用にコーティングされている。またミラー６６は、１０６４ｎｍでＨＲ用，５３２ｎｍでＨＲ用及び３５５ｎｍでＨＲ用にコーティングされている。結晶３０は、１０６４ｎｍでＡＲ及び５３２ｎｍでＡＲである。また結晶３２は、１０６４ｎｍでＡＲ，５３２ｎｍでＨＲ及び３５５ｎｍでＨＲである。ミラー６６〜６８は、イントラキャビティ２ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー６４〜６６は、ダブルパスイントラキャビティ３ＨＧ用の副キャビティを形成する。ミラー６８からミラー６４までの経路は、主キャビティの長手方向軸に対して略９０°の角度をなす。ミラー６４〜６６の副キャビティは、ミラー６８からミラー６４への経路の長手方向軸に対して略９０°の角度をなす長手方向軸を有しており、その結果レーザビームは、主キャビティ内のビームに平行になるように、ミラー６４〜６６の間の副キャビティ内で誘導される。図８に示されている代替実施例においては、適切にコーティングされているミラー及び結晶が、夫々２ＨＧ，４ＨＧ及び６ＨＧのために夫々結晶３０，３４，及び３８を含む副キャビティを形成するためのミラー５０，５６，５８及び６８を使用して、イントラキャビティ高調波発生のための２ＨＧ，４ＨＧ及び６ＨＧ用の副キャビティを形成するように適応される。ミラーのコーティング、並びに特定の周波数用のＡＲ及びＨＲとなるためのミラー及び結晶の特性は、図１〜２及び図５〜７に関して前述されるとおりであって良い。この分野でで通常の技能を持つ者は、夫々２ＨＧ，４ＨＧ及び６ＨＧを発生するようにこのようなＡＲ特性及びＨＲ特性を適応させることができる。図９に示されている他の代替実施例においては、適切にコーティングされているミラー及び結晶は、夫々２ＨＧ，４ＨＧ，５ＨＧ及び６ＨＧ用の夫々結晶３０，３２，３６及び４０を含む副キャビティを形成するためのミラー５０，５２，６０，６２及び７０を使用して、イントラキャビティ高調波発生のために、２ＨＧ，４ＨＧ，５ＨＧ及び６ＨＧ用の副キャビティを形成するように適応される。ミラーのコーティング、並びに特定の周波数用のＡＲ及びＨＲとなるためのミラー及び結晶の特性は、図１〜２及び図５〜７に関して前述されるとおりであって良い。この分野でで通常の技能を持つ者は、夫々２ＨＧ，４ＨＧ及び６ＨＧを発生するようにこのようなＡＲ特性及びＨＲ特性を適応させることができる。図１０においては、適切にコーティングされているミラー及び結晶が、イントラキャビティ高調波発生のために、２ＨＧ，３ＨＧ及び５ＨＧ用の副キャビティを形成するように適応される。例えば、ミラー５０は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。ミラー５２は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。ミラー５６は、１０６４ｎｍの場合にＨＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。ミラー７２は、５３２ｎｍの場合にＡＲ，３５５ｎｍの場合にＡＲ及び２１３ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。またミラー７４は、５３２ｎｍの場合にＨＲ，３５５ｎｍの場合にＨＲ及び２１３ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。また、２ＨＧ結晶３０は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＡＲである。３ＨＧ結晶３２は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲである。５ＨＧ結晶４２は、ＬＢＯから成っていて良く、５３２ｎｍの場合にＡＲ，３５５ｎｍの場合にＡＲ及び２１３ｎｍの場合にＡＲである。従って、ミラー１０及び５６は、ロッド２０の代わりにＮｄ：ＹＡＧロッドを使用して、１０６４ｎｍで基本を振動させるための主キャビティを形成する。ミラー５０及び７４は、イントラキャビティ２ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー５２及び７４はダブルパスイントラキャビティ３ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー７２〜７４はダブルパスイントラキャビティ５ＨＧ用の副キャビティを形成する。図１１においては、適切にコーティングされているミラー及び結晶が、イントラキャビティ高調波発生のために、２ＨＧ，３ＨＧ及び６ＨＧ用の副キャビティを形成するように適応される。例えば、ミラー５０は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。ミラー５２は、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。ミラー５６は、１０６４ｎｍの場合にＨＲ，５３２ｎｍの場合にＨＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。ミラー７２は、３５５ｎｍの場合にＡＲ及び１７７ｎｍの場合にＨＲとなるようにコーティングされている。またミラー７６は、３５５ｎｍの場合にＨＲ及び１７７ｎｍの場合にＡＲとなるようにコーティングされている。また、２ＨＧ結晶３０は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ及び５３２ｎｍの場合にＡＲである。３ＨＧ結晶３２は、ＬＢＯから成っていて良く、１０６４ｎｍの場合にＡＲ，５３２ｎｍの場合にＡＲ及び３５５ｎｍの場合にＡＲである。６ＨＧ結晶４４は、ＬＢＯから成っていて良く、３５５ｎｍの場合にＡＲ及び１７７ｎｍの場合にＡＲである。従って、ミラー１０及び５６は、ロッド２０の代わりにＮｄ：ＹＡＧロッドを使用して、１０６４ｎｍで基本を振動させるための主キャビティを形成する。ミラー５０及び７４は、イントラキャビティ２ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー５２及び７６はダブルパスイントラキャビティ３ＨＧ用の副キャビティを形成し、ミラー７２及び７６はダブルパスイントラキャビティ６ＨＧ用の副キャビティを形成する。図５から図１１のこのような代替実施例は、前述したように、向上した機能のためにイントラキャビティ構造となるように適応されて良いことが理解される。向上した性能は、前述されたイントラキャビティＵＶ発生によるＱ切替え式Ｎｄ：ＹＬＦレーザを使用し、略３５１ｎｍの波長で、横方向電磁モード（ＴＥＭ００モード）の略１１Ｗ及びマルチモード平均出力パワーの略２３Ｗを超える非常に高いＵＶ出力を達成するために、例えば、図１の機器の実現を使用して取得できる。この実施例においては、レーザは略９５ｃｍのキャビティ長を有する直線型レーザ共振器である。レーザは、直径が略４ｍｍ、長さが略１４５ｍｍであるＮｄ：ＹＬＦから成っているレージングロッド２０を使用する。Ｑスイッチ２２は音響光学Ｑスイッチである。結晶３０は第２高調波発生用のＬＢＯ結晶であり、結晶３２は第３高調波発生用のＬＢＯ結晶である。空間モードセレクタ（図１には図示されていない）が、空間モードセレクタの開口のサイズを変えることによって、ＴＥＭ００モード又はマルチモードの何れかの出力を選択するために使用されて良い。図１２は、２．５のＱスイッチ反復値でのレーザのＵＶ出力パワーを示しており、ＵＶ出力パワーはポンプ電流に対して測定されている。空間モード変動がない場合、ＵＶ出力はランプ電流と共に線状に変動する。３５１ｎｍでのＵＶ出力が、ＴＥＭ００モードの場合略１１．５Ｗであって、マルチモードの場合略２３．２Ｗである場合、略３５Ａのランプ電流まではっきりとした飽和は観察されない。図１３は、略３２Ａのランプ電流でのＱスイッチ反復値の関数として測定されたＵＶ出力パワーを示している。出力パワーは、最高略２ｋＨｚまでの反復値に伴って増加し、出力パワーは、ＴＥＭ００モードとマルチモードとの動作の両方の場合に、略２ｋＨｚから略５ｋＨｚのパルス反復周波数（ＰＲＦ）範囲で実質的には一定のままとなる。このような比較的に低い反復値でのパワーの増加は、Ｎｄ：ＹＬＦロッド２０のエネルギー保有時間に帰することができる。反復値が２ｋＨｚより高く上昇した場合、高非線型変換効率がＵＶ出力の飽和動作につながる。ポンプエネルギー、つまりランプ電流は実質的には一定に維持されるので、パワーの相対的に小さい現象が更に長いパルス幅のために観察される。図１４は、ｘ−ｙ次元両方のガウス適合、及び測定されたデータとガウス適合との間に実質的な一致が見られる、略１１．５ＷでのＴＥＭ００モード出力の空間プロフィールを示している。図１４においては、ＴＥＭ００モード出力の強度は、ピクセル数パラメータに対する任意の単位で測定される。ＴＥＭ００モードの水平方向と垂直方向との両方の空間モードプロフィールは、開かれている四角形を使用してプロットされ、ガウス適合のための水平方向と垂直方向との両方の空間モードプロフィールは実線を使用してプロットされる。図１４に図示されているように、ＴＥＭ００モードデータとガウス適合データとの間では優れた一致が観察されている。ＴＥＭモード出力の場合、測定されたＭ²値は略１．６であり、パルス間振幅安定性は略２％を下回ると測定され、略３５Ａで略８０ｎｓというパルス幅である。開示されているレーザ発生システム及び方法は、特に示され、好まれている実施例に関してここに説明されているが、形式及び詳細の多様な修正は、本発明の範囲及び精神を逸脱することなくそこで行われることが理解されるべきである。従って、ここに示唆されているが、それに限られていない全ての例のような修正は、本発明の範囲内にあると見なされなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者マイコフスキー，マイケルアメリカ合衆国，ニューヨーク 11725, コンマック，コンフィールドレーン７【要約の続き】ビティ内の構造体に対するＵＶによる損傷を排除するために実行される。

Claims

【特許請求の範囲】 1. 第１ミラーと、レージング素子と、第１ミラーとで主キャビティを形成し、第１次高調波レーザ信号を発生する主キャビティ内にレージング素子を配置させる第２ミラーと、第１結晶と、第２ミラーとで第１キャビティを形成し、第１基本レーザ信号から第２次高調波レーザ信号を発生する第１キャビティ内に第１結晶を配置させる第３ミラーと、第２結晶と、第２ミラーとで第２キャビティを形成し、２より大きい高調波次数を有する高次高調波レーザ信号を発生する第２キャビティ内に第２結晶を配置させる第４ミラーとを備えるレーザ。 2. 第４ミラーは、高次高調波レーザ信号の紫外線放射がレージング素子に向かって伝わることを防ぐ請求項１に記載のレーザ。 3. 高次高調波レーザ信号は第３次高調波に該当する請求項１に記載のレーザ。 4. 第２結晶は、第３次高調波を発生して略６ｋＨｚの反復値で略８．８Ｗの紫外線放射を出力する請求項３に記載のレーザ。 5. 高次高調波レーザ信号は第４次高調波に該当する請求項１に記載のレーザ。 6. 第１ミラーと、レージング素子と、第１ミラーとで主キャビティを形成し、第１次高調波レーザ信号を発生する主キャビティ内にレージング素子を配置させる第２ミラーと、第１結晶と、第３ミラーと、第３ミラーとで第１キャビティを形成し、第１基本レーザ信号から第２次高調波レーザ信号を発生する第１キャビティ内に第１結晶を配置させる第４ミラーと、第２結晶と、第４ミラーとで第２キャビティを形成し、第４次高調波レーザ信号を発生する第２キャビティ内に第２結晶を配置させる第５ミラーとを備えるレーザ。 7. 第２キャビティは主キャビティから分離している請求項６に記載のレーザ。 8. 第１ミラー及びレージング要素が第１長手方向軸に沿って位置合わせされており、第２結晶及び第４ミラーが第２長手方向軸に沿って位置合わせされており、第２長手方向軸は第１長手方向軸に対して少なくとも略９０°の角度をなしている請求項１に記載のレーザ。 9. 第３ミラー及び第１結晶が第１長手方向軸に沿って位置合わせされており、第２長手方向軸は第１長手方向軸に対して略９０°の角度をなしている請求項８に記載のレーザ。 10．第１次高調波レーザ信号が第１長手方向軸に沿った第１方向に伝えられ、第１結晶が、第１長手方向軸に対して略９０°の角度をなす第３長手方向軸に沿って位置合わせされており、第２長手方向軸は第１長手方向軸に対して略１８０°の角度をなしており、高次高調波レーザ信号が、第１方向とは反対の第３方向に伝えられる請求項８に記載のレーザ。 11．第１ミラーと、レージングロッドと、Ｑスイッチと、第１ミラーとで主キャビティを形成し、第１次高調波レーザ信号を発生する主キャビティ内にレージングロッド及びＱスイッチを配置させる第２ミラーと、第１結晶と、第２ミラーとで第１キャビティを形成し、第１基本レーザ信号から第２次高調波レーザ信号を発生する第１キャビティ内に第１結晶を配置させる第３ミラーと、第２結晶と、第２ミラーとで第２キャビアティを形成し、２より大きい高調波次数を有する紫外線放射の高次高調波レーザ信号を発生する第２キャビティ内に第２結晶を配置させる第４ミラーとを備え、第４ミラーは、高次高調波レーザ信号の紫外線放射がレージングロッドに向かって伝えられることを防ぐレーザ。 12．第２キャビティは、高次高調波レーザ信号のマルチパス発生を行って、略６ｋＨｚの反復値で略３５５ｎｍの波長を持つ略８．８Ｗの紫外線放射を発生する請求項１１に記載のレーザ。 13．レーザロッドがＮｄ：ＹＡＧから成っている請求項１２に記載のレーザ。 14．第１ミラーが略１０６４ｎｍでの高反射のためにコーティングされ、第３ミラーが略１０６４ｎｍでの無反射及び略５３２ｎｍでの高反射のためにコーティングされ、第４ミラーが略１０６４ｎｍ及び略５３２ｎｍでの無反射並びに略３５５ｎｍでの高反射のためにコーティングされ、第２ミラーが略１０６４ｎｍ及び略５３２ｎｍでの高反射並びに略３５５ｎｍでの高伝送のためにコーティングされている請求項１１に記載のレーザ。 15．高次高調波レーザ信号のパワーの第２次高調波レーザ信号のパワーに対する割合は、略１０ｋＨｚの反復値での高調波変換効率として略３４％である請求項１１に記載のレーザ。 16．第２キャビティは、高次高調波レーザ信号のマルチパス発生を行って、略２ｋＨｚの反復値で略３５１ｎｍの波長を持つ略１１．５Ｗの紫外線放射を発生する請求項１１に記載のレーザ。 17．レーザロッドがＮｄ：ＹＬＦから成っている請求項１６に記載のレーザ。 18．主キャビティ並びに第１及び第２キャビティは、第１次高調波レーザ信号及び第２次高調波レーザ信号から高次高調波レーザ信号を発生するためのイントラキャビティ構造を有している請求項１１に記載のレーザ。 19．第２キャビティが、高次高調波レーザ信号を発生するためのインタキャビティ構造での主キャビティに電磁的に結合されている請求項７に記載のレーザ。 20．レージング素子と、それらの間に複数のキャビティを形成することとし、キャビティの内の１つはレージング素子がその内に置かれている主キャビティである複数のミラーと、２より大きい又は２に等しい高調波次数及び少なくとも略８Ｗの出力パワーを有する紫外線放射の高調波レーザ信号を発生する、各結晶が各キャビティ内に置かれている複数の結晶とを備え、ミラーの内の少なくとも１つは、高調波レーザ信号の紫外線放射がレージング要素に向かって伝えられることを防ぐレーザ。 21．レージングロッドはＮｄ：ＹＬＦから成っており、第２結晶は、高次高調波として第３次高調波を発生して３５１ｎｍでの略１１Ｗを超える紫外線放射を出力する請求項１に記載のレーザ 22．発生された出力パワーがＴＥＭ００モード動作では略１１．５Ｗである請求項２１に記載のレーザ。 23．発生された出力パワーがマルチモード動作では略２３Ｗである請求項２１に記載のレーザ。