JP2002540590A - 高電力外部空洞光学的ポンピング半導体レーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 表面放出、半導体多層（周期的）利得構造体が載せられる鏡構造体を有するＯＰＳ構造体を含む、外部空洞で光学的にポンピングされる半導体レーザー装置が開示される。本ＯＰＳレーザーは、約２ワット（２．０Ｗ）又はそれ以上の基本レーザー出力電力を供給し得る。ＯＰＳレーザーの空洞内周波数変換される配列は、電磁スペクトルの紫外線領域の波長においてさえ、約１００ミリワット（１００ｍＷ）の調波レーザー出力電力を供給し得る。高出力電力は、たとえ単一軸方向モード作動でもこれらの高出力電力が供給され得る。ＯＰＳレーザー装置の特徴には、ＯＰＳ構造体を冷却するヒートシンクアッセンブリ、周波数変換に用いられる光学的に非線形結晶において最適ビームサイズを与える折返し共振器概念、周波数変換用の光学的に非線形材料の望ましい選択及び第３及び第４調波放射への後続変換のために第２調波放射を増幅する複合共振器設計が含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

概して本発明は、表面放出、半導体多層（周期的）利得媒体を含む外部空洞式
光学的にポンピングされるレーザー装置（以後ＯＰＳレーザー装置）に関する。
特に本発明は、約２ワット（２．０Ｗ）又はそれ以上の基本レーザー出力電力を
与え得るようなレーザー装置の配列及び約百ミリワット（１００ｍＷ）の調波レ
ーザー出力電力を与え得るようなレーザー装置の空洞内で周波数変換される配列
に関する。

【０００２】

【発明の背景】

ここで用いるＯＰＳレーザー装置の用語は、垂直空洞・表面放出半導体レーザ
ー装置を指し、そこでは光学利得が非常に薄い層、例えば、約１５０オングスト
ローム単位（Ａ）又はそれ未満の半導体材料の電気的キャリア（キャリアー）の
再結合よって与えられる。概してこれらの層は量子谷（ＱＷ）層又は能動層と呼
ばれる。

【０００３】 ＯＰＳレーザー装置では、幾つかのＱＷ層、例えば、約１５層が、同じく半導
体材料であるがＱＷ層より高い伝導帯域エネルギーを有するの分離層によって隔
置される。能動層及び分離層のこの結合はＯＰＳレーザーの利得構造体として定
められ得る。利得構造体の層はエピタキシャルに成長される。利得構造体につい
てエピタキシャル成長される多層鏡構造体は、しばしばブラッグ（Bragg）鏡と
呼ばれる。鏡構造体及び利得構造体の結合(化合物)は以後ＯＰＳ構造体と呼ばれ
る。

【０００４】 （外部空洞）ＯＰＳレーザー装置では、出力結合鏡として働く他の（従来型）
鏡がＯＰＳ構造体から隔置され、それによってＯＰＳ構造体の鏡構造体を有する
共振空洞を形成する。従って、共振空洞はＯＰＳ構造体の利得構造体を含む。鏡
構造体及び利得構造体は、利得構造体のＱＷ層が基本レーザー波長の半波長だけ
隔置され、位置的に共振器基本レーザー放射の定在波の波腹に対応するように配
列される。基本波長はＱＷ層構成の特質である。

【０００５】 光学的ポンプ放射（ポンプ光）は、ＯＰＳ構造体の利得構造体内へ向けられ、
利得構造体の分離層によって吸収され、それによって電気的キャリアを発生させ
る。電気的キャリアは、利得構造体のＱＷ層内に捕捉されて再結合される。ＱＷ
層での電気的キャリアの再結合は、基本波長の電磁放射を与える。この放射は共
振器内で循環して増幅され、それによってレーザー放射を発生させる。

【０００６】 ＯＰＳレーザー（装置）は、電気的にポンピングされる半導体レーザーにおい
て用いるためにＱＷ構造体を好都合に試験する一手段として先行技術ではしばし
ば用いられていた。より最近では、ＯＰＳレーザーはそれ自他の資質でレーザー
放射源として研究されてきている。しかし、そのような研究の重視は、半導体レ
ーザー及びそのパッケージアレイの概してコンパクトな特性維持に遅れないよう
な小型で、実に単一結晶（半導体集積回路）を用いる装置を与えることにあると
思われる。

【０００７】 ＯＰＳ構造体の利得構造体は、ダイオードレーザーにつき考えられるものと同
一の広範な半導体材料/基板結合から形成され得る。これらは、それに限定され
ないが、ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ/ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ/Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＧａＡｓＰ/ＧａＡｓ及びＩｎＧａＮ/Ａｌ_２Ｏ_３を含み、それらは、
それぞれ約９６０乃至１８００ｎｍ、８５０乃至１１００ｎｍ、７００乃至８５
０ｎｍ、６２０乃至７００ｎｍ及び４２５乃至５５０ｎｍの範囲において基本波
長の比較的広いスペクトルを与える。勿論、範囲には何らかの重複がある。従っ
て、これらの基本波長の周波数増大は、それが実用的である範囲まで、電磁スペ
クトルの黄緑部分から紫外線部分内へ十分達する範囲の比較的広い範囲のスペク
トルを与え得るであろう。

【０００８】 従来のソリッドステート（固体）レーザーでは基本波長、従って、その高調波
（周波数倍増又は周波数混合によって生成される）は、特殊の結晶状又はガラス
状の受容体（寄主）、例えば、周知の１０６４ｎｍ波長のネオジム添加されたイ
ットリウムアルミニュームガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）の特殊な微量添加物の固
定された波長特性に限定される。これらの特性波長の１つは、特定の用途につき
十分であり得るが、その用途に対して最適波長ではないであろう。

【０００９】

【発明が解決すべき課題】

ＯＰＳレーザーは、真のＣＷ操作モード（方式）で波長を発生させる手段を提
供し、それは医療、光学度量衡、光学リトグラフィ及び精密レーザー機械加工等
の分野における多くのレーザー用途につき最適波長を厳密に適応させ得る。しか
し、先行技術ＯＰＳレーザーはそのような用途に対して十分な電力を与えるのに
は程遠い。現在までに報告されているＯＰＳレーザー用の最高基本出力電力は約
１０００ｎｍ（Kuzentsov 他、IEEE Photonics Tech. Lett ９、１０６３
（１９９７））の波長で７００ｍＷであると考えられる。空洞内周波数倍増ＯＰ
Ｓレーザーに対しては、報告されている最高出力電力は約４８８ｎｍ（Alford他
、「高等レーザーソリッドステートレーザーに関するIEEE/OSA会議の技術的要約
」、Boston MA、1999、ｐｐ182-187）の波長で６ｍＷであると考えられる。直
接又は周波数倍増のいずれかによってＯＰＳレーザーで連続波（ＣＷ）紫外線（
ＵＶ）放射の発生は現在まで報告されていないと考えられる。

【００１０】 広範な波長選択を潜在的に提供する上でＯＰＳレーザーがどんなに柔軟性があ
っても、ソリッドステート及び他のレーザーが現在用いられる用途で競争的であ
るためには、先行技術ＯＰＳレーザーによって提供されるものに対して少なくと
も１桁及び望ましくは２桁の電力増加が求められる。また、この電力増加は出力
電力の安定性及び光線品質を犠牲にすることなく達成されなければならない。さ
らに、最も広い範囲の用途で用いられ得るためには、高電力及び高光線品質で入
手可能なＯＰＳレーザー波長範囲は電磁スペクトルのＵＶ領域内、望ましくは３
００ｎｍ未満の波長まで延ばさなければならない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

本発明は、紫外線放射を与える高電力ＯＰＳレーザー等、即ち、約４２５ｎｍ
未満の波長において高電力ＯＰＳレーザーを与えることに向けられる。一特定面
において本発明によるＯＰＳレーザーは、鏡構造体に載っている利得構造体を有
するＯＰＳ構造体を含む。前記利得構造体は、層間に能動ポンプ光吸収層を有す
る複数の層を含み、前記能動層は、光学ポンプ光が前記利得構造体に入射すると
約４２５ｎｍ及び１８００ｎｍ間の予め決められた基本波長において電磁放射を
放出するために選択される組成を有し、前記鏡構造体は交番する高及び低屈折率
の複数の層を含むと共に前記予め決められた波長の約四分の一の光学厚さを有す
る。

【００１２】 該ＯＰＳ構造体の鏡構造体及びそれから隔置される反射器間にレーザー共振体
が形成される。ポンプ光を前記利得構造体に伝えるために光学装置が設けられ、
それによって前記基本波形を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で
発振するようにさせる。前記ＯＰＳ構造体を冷却するためにヒートシンク装置が
設けられる。光学的に非線形結晶が前記レーザー共振器に設けられて前記基本レ
ーザー放射を周波数増大させるよう配列され、それによって前記基本波長の半分
の波長を有する周波数増大された放射を与える。

【００１３】 前記レーザー共振器、前記光学的非線形結晶、前記ＯＰＳ構造体、前記ヒート
シンク装置及び前記光学ポンプ光伝達装置は、前記レーザー共振器が、約１００
ｍＷより大きい出力電力で約２１２ｎｍ乃至９００ｎｍの波長を有するように選
択かつ配置される。該レーザーは約５．０ｃｍより長い共振器長を有するのが望
ましい。

【００１４】 本発明による高電力ＯＰＳレーザーの一実施形態では、約２５ｃｍの長さを有
する共振器内で三ホウ酸塩リチウム（ＬＢＯ）の光学的に非線形結晶を用いて、
単一ＯＰＳ構造体からの空洞内周波数倍増９７６ｎｍ放射によって、４８８ｎｍ
波長において約４．０Ｗの安定した単一軸モードＣＷレーザー出力電力が達成さ
れる。ＯＰＳ構造体は、Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ａｓ組成の能動層及びＧａＡ
ｓ_{０．９７８}Ｐ_{０．０２２}組成のポンプ光吸収（分離器）層を有する。同レーザ
ーは、２つのダイオードレーザーアレイから約３４．０Ｗの８０８ｎｍ放射によ
ってポンピングされる。数値モデルは、約１２０．０ｍＷの３２５ｎｍＵＶ（周
波数３倍増されるか又は第３高調波）放射を生成するために、基本及び周波数２
倍増放射を混合する光学的に非線形結晶を含めることによって、同一共振器が修
正され得ることを示す。この例の共振器の単純化された構成が、約１０Ｗの基本
出力電力を伝達するために光学的に非線形結晶なしに用いられた。

【００１５】 周波数倍増された４．０Ｗの出力電力は、報告されたあらゆる先行技術ＯＰＳ
レーザーの周波数倍増出力電力の中で最高と考えられるものに対して２桁の大き
さを超える増加を表わす。先行技術ＯＰＳレーザーでは何らかの電力を有する周
波数３倍増出力は達成されていないと考えられる。

【００１６】 上記例の共振器と同様な共振器では、７５０ｎｍにおいて基本放射を与えるた
めにｘが選択される、谷間にＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＰ_１−ｚ分離層を有する利得構造
体Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＰ量子谷を有するＯＰＳ構造体は、３７５ｎｍの周波数倍増
波長において１Ｗを超える出力電力を与えるために、周波数倍増用の長さ５ｍｍ
のＬＢＯ結晶を用いて６７０ｎｍにおいて１２．０Ｗのポンプ光によってポンピ
ングされ得ることを示す。

【００１７】 ＯＰＳレーザー出力電力のこの著しい増加及び周波数倍増又は周波数３倍増の
いずれかによって高ＣＷ/ＵＶ出力電力を発生させる能力は、光品質を犠牲にす
ることなく達成される。単一モード操作では、本発明によるＯＰＳレーザーは回
折限度の２．０倍未満でかつ１．２倍程度の光品質を有し得ることを規定する。
この高光品質で、出力放射が有機又は無機材料に正確な切れ目を作るために非常
に小さいスポットに収斂されるか若しくはそれが用いられるべき場所に搬送され
るようにオプティカルファイバ（光学繊維）内に効率的に結合されなければなら
ないような用途に対して本発明的ＯＰＳレーザーが理想的にされる。

【００１８】 本発明によるＯＰＳレーザーの他の面では、レーザーは、各々の共振器軸の一
部分が共軸路上にあるように配列される第１及び第２共振器を含む。第１共振器
は、選択されたレーザー放射の基本波長を与えるために共軸路外部に配列される
ＯＰＳ構造体を含む。第１及び第２共振器の共軸上には、基本放射を周波数倍増
するように配列される光学的に非線形結晶が設けられる。第１及び第２共振器は
、光学的に非線形結晶の基本放射及び周波数倍増される放射間の最適位相整合を
維持するために干渉計的に適合される。基本波長放射及び周波数倍増放射は共に
共軸路に沿って循環する。光学的に非線形結晶は、周波数倍増された放射の周波
数を倍増する共軸路外部の第２共振器に設けられる。数値モデルは、９７６ｎｍ
ＯＰＳ構造体及び上記第１実施形態のポンピング配列を用いることによって、こ
の第２実施形態は、約２．０Ｗの周波数４倍増（２４４ｎｍ）された放射を与え
得ることを示す。

【００１９】 本発明によるＯＰＳレーザーのさらに他の面では、レーザーは、共振器軸の一
部分が共軸上にあるように配列される第１及び第２干渉計的に整合された共振器
を含む。共軸路は、第２実施形態に関して既に述べた通り、周波数倍増のために
配列される第１光学的非線形結晶を含む。基本波長放射及び周波数倍増された放
射は共に共軸路に沿ってのみ循環する。第２光学的非線形結晶は、基本放射を周
波数倍増された放射に混合し、それによって周波数３倍増された放射を与えるよ
うに第１及び第２共振器の共軸上に設けられる。数値モデルは、９７６ｎｍＯＰ
Ｓ構造体及び上記第１実施形態のポンピング配列を用いることによって、この第
３実施形態は、約４．０Ｗの周波数３倍増（３２５ｎｍ）された放射を与え得る
ことを示す。

【００２０】 本発明によるＯＰＳレーザーのより一般的な他の面には以下のもの等が含まれ
る。即ち、例示した上記高ポンプ電力がＯＰＳ構造体に向けられると同時にその
ための安全な作動温度を維持することを可能にする、ＯＰＳ構造体を冷却するヒ
ートシンク構成及び結合方法の設計；より大きいポンピング領域を利用し、それ
によってレーザー出力電力を増加させるために、ＯＰＳ構造体において比較的大
きい基本モードサイズを与える光学的に長い共振器の設計；周波数変換された放
射出力を最適化し、周波数変換放射出力がＯＰＳ構造体内へ反射して戻され、そ
こで吸収されて失われることを防止するための折り重ねられた特殊共振器構成の
設計；利得利用を最適化し、横方向共振モードの発生を防止するためにＯＰＳに
おけるモードサイズに対するポンピング領域の特殊比率の選択；光学的非線形結
晶の受容スペクトル範囲外波長における基本放射の共振を防止する空洞内波長選
択要素の利用；効率的かつ許容性のある光学的非線形結晶用の波長選択装置の利
用を可能にするために最大スペクトルを許容する光学的非線形結晶の選択；さも
なければ出力電力を低減させる寄生的横共振を除去するＯＰＳ構造体の構成；高
電力作動下における最低正味ストレス（応力）及び信頼性のためのＯＰＳ構造体
設計；ポンプ光の多重光学ファイバー放出を最適化するラジアル・インデックス
グラジエントレンズの利用；それによってＯＰＳ構造体の冷却を容易にする、最
大熱伝導度に対する発明的ＯＰＳ構造体用鏡構造体の設計。

【００２１】 以下に提示される本発明の詳細な記載から、上記の高電力を達成するために本
発明によるＯＰＳ共振器が、先行技術ＯＰＳ共振器の「小型」哲学から根本的に
はずれ、空洞内周波数倍増のために発明的に構成されることが特に明らかになる
であろう。また、著しい出力電力レベル及び発明的ＯＰＳレーザー装置の安定性
を達成するために、ＯＰＳ構造体の温度管理、ＯＰＳ構造体それ自体の設計及び
周波数倍増材料の選択には重大な考慮がなされることも明らかであろう。本発明
の一定の発明的面は高及び低電力ＯＰＳレーザーの双方又はＯＰＳレーザー以外
のレーザー型にさえも当てはまることがさらに明らかであろう。

【００２２】

【実施形態】

図を参照すると、そこでは同一構成要素は同一参照番号で示される。図１は本
発明によるＯＰＳレーザー装置２０を図式的に例示する。レーザー２０は、折返
し鏡２６によって折り返された縦軸２４を有する共振器２２を含む。共振器２２
は平坦鏡又は反射器２８によってその一方端で、また、ＯＰＳ構造体３２の鏡部
分（鏡構造体）３０によってその他方端で終結される。従って、ＯＰＳ構造体３
２の利得部分（利得構造体）３４は、共振鏡、即ち、構造体３０と接触する共振
器に設けられる。

【００２３】 ＯＰＳ構造体３２の利得部分３４は、ポンプ光吸収層（図１には示せず）によ
って隔置される複数の能動層（図１には示せず）を含む、エピタキシャル成長さ
れる単一結晶半導体（表面放出）多層構造体である。ここで、「ポンプ光吸収層
によって隔置される」との用語は、本明細書及添付された請求の範囲の関係で、
ＱＷ層間に他の層があることを排除しないことに注目すべきである。ＱＷ層の組
成に依存して、ひずみ（応力変形）管理、キャリア拘束等のために１つ又はそれ
以上の他の層が含まれ得る。そのような任意の配列が本発明の関係で適用され得
る。

【００２４】 先行技術のＯＰＳレーザー装置では、ＯＰＳ構造体の鏡構造体は、同様に概し
て一般的組成Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ＡｌＧａＡｓと略される）を有する、
異なった材料の組成からエピタキシャル成長される多層構造体である。そこでは
増加するｘは材料のバンドギャップ（帯域間隙）を増加させかつ屈折率を低下さ
せる。これは、鏡構造体３０に用いられ得る鏡構造体の一形式であるが、それは
考えられる唯一の形式でもなく考えられる望ましい形式でもない。本発明による
ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体は、エピタキシャル成長されることを要せず、誘電
又は金属層を含み得る。もしエピタキシャル成長されるならば、（３元の）Ａｌ
ＧａＡｓシステムの材料から形成される必要は全くない。望ましい鏡構造体は以
下でさらに詳説される。

【００２５】 続けて図１を参照すると、ＯＰＳ構造体３２はヒートシンク３６と熱接触結合
される。ヒートシンク３６は、マイクロチャンネル冷却器のような能動的に冷却
されるヒートシンクであることが望ましい。ヒートシンク３６の特に望ましい配
列は以下でさらに詳説される。

【００２６】 ＯＰＳ構造体３２は、１つ又はそれ以上のダイオードレーザー光線（図示せず
）から放出されるポンプ光によって光学的にポンピングされるのが望ましい。図
１では、ポンプ光は２つの光学繊維（又は繊維束）４０を介した２つのダイオー
ドレーザーアレイから放出される。ポンプ光４２は、それが繊維４０を出ると散
開する。各場合において、散開するポンプ光は鏡４４によって方向づけられ、収
斂レンズ４6及び４８を通してＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４上に収斂（軸
光線のみが示される）される。図１では２つのポンプ光放出繊維４０及び関連す
る収斂光学素子が示されているが、これは本発明を限定すると見なされるべきで
はないことに注目すべきである。１つのみ又は３つ以上のポンプ光放出繊維及び
関連する収斂光学要素及び繊維放出の有無にかかわらず異なったポンプ光源さえ
も、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく用いられ得る。さらに、光学繊
維及び繊維束は光源からポンプ光を運ぶのに望ましい一手段に過ぎないことに注
目すべきである。概して「光案内（ライトガイド）」と呼ばれ得る他の形式のも
の、例えば、無垢又は中空光導波管が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱すること
なく用いられ得る。

【００２７】 鏡２６及び２８並びにＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０は、ＯＰＳ構造体３２
の利得構造体３４（の能動層）組成の基本（放出）波長特性において各々が最大
反射率を有する。ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４を活性化（電圧を印加する
）ことで、基本波長を有するレーザー放射が共振器２２内で循環するようにさせ
る。この基本放射は、図１では単一矢印Ｆで示される。

【００２８】 共振器２２の折返し部分２２Ａで、直ぐ近くであるが鏡２８から隔置されて、
共振器に含まれるのは、基本放射を周波数倍増（の波長を半分にする）するため
に配置される光学的に非線形結晶５０である。これは、図１では２重矢印２Ｈに
よって示される、周波数倍増された放射又は第２高調波（２Ｈ）放射を発生させ
る。２Ｈ放射は、基本レーザー放射が通るその第１路及び基本レーザー放射が鏡
２８から反射されてからの戻り路上の双方に発生される。折返し鏡２６は、２Ｈ
放射に対して透明であり、従って、共振器２２の中から２Ｈ放射を接続するのに
役立つ。

【００２９】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のこの折り返される共振器配列は、同装置の
高電力作動を考慮すると特に重要であることに注目すべきである。折り返される
共振器配列は、ＯＰＳ構造体３２及び光学的に非線形結晶５０において最適特性
を有する共振器２２内で共振する光線の形成を可能にする。一配列では、ＯＰＳ
構造体３２のポンプ光スポットサイズが、望ましくは約２３０マイクロメーター
（μｍ）の１/ｅ^２半径を有する、ガウス形状であるのが望ましい。基本横方向
モードで重複を最大にすると共に最適電力を引出すためには、ＯＰＳ構造体３２
で共振する基本放射が同様な２３０μｍ（１/ｅ^２半径）を有するのが望ましい
。実験的結果によって確証される、広範な数字的シミュレーションは、最適第２
調波発生に関して光学的非線形結晶５０の基本放射のスポットサイズが５０μｍ
（１/ｅ^２半径）程度であることが望ましいことを示す。図２は、図１レーザー
２０の共振器２２内の軸位置の関数としてモードサイズ（半径）を描写するもの
である。折返し凸面鏡２６（ここでは１００ｍｍの半径を有する）によって折り
返される平面端鏡（鏡構造体３０及び外部鏡２８）の望ましい共振器配列では、
ＯＰＳ構造体３２及び光学的非線形結晶５０で上記の望ましいスポット又はモー
ドサイズが与えられることが理解され得る。既に述べた折返し共振器配列は、光
学的非線形結晶５０を通した基本的放射の２つの通路を可能にし、それによって
発生される２Ｈ放射の量を増加させる。折返し鏡３６を介した２Ｈ放射の抽出で
、ＯＰＳ構造体３２での吸収によって２Ｈ放射が失われるのが防止される。

【００３０】 本発明による空洞内周波数倍増レーザーでは、光学的非線形結晶が周波数倍増
するように配列される波長で正確に共振するように共振器を強制するために、複
屈折フィルタ又は共振器のエタロンのような波長選択要素を含むのが望ましい。
これは、光学的非線形結晶５０用の望ましい材料を選択することに関して以下に
さらに詳説される。レーザー２０ではそのような波長選択要素が、共振器２０軸
２４のブルースターの角（ここでは５７．１°）で配列される複屈折フィルタ５
２の形で描写される。この波長選択要素の目的は軸モード選択ではないことがこ
こでは強調される。これが共振器３２のＯＰＳ構造体の位置と結合されるその独
特の特性の組合せによって達成されるからである。むしろ、複屈折フィルタ５２
は、ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４の利得帯域幅を、光学的非線形結晶５０
が効果的なスペクトル受容領域より狭い帯域幅に有効かつスペクトル的に減少さ
せるのに用いられる。これで光学的非線形結晶が効果的でない波長においてレー
ザー２０が共振するのが防止される。本発明によるＯＰＳレーザーのこの面もま
た以下にさらに詳説される。

【００３１】 図１の本発明によるレーザー２０の一例では、ＯＰＳ構造体３２（図３参照）
は、１５のＱＷ又は約７５．０オングストローム単位（Ａ）の厚さを有し、９７
６ｎｍの公称基本（放出）波長を与えるＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ａｓ組成を含
む利得構造体３４を有する。ＱＷ層間には、１２７２Ａの厚さを有するＧａＡｓ _{０．９７８} Ｐ_{０．０２２}組成のポンプ光吸収（分離器）層がある。ＱＷ層及び分
離器層間には、約５０Ａの厚さを有するＧａＳａの応力緩和層がある。鏡構造体
３０は、約３．５１の屈折率を有するＧａＳａ層と、約２．９４の屈折率及び基
本波長で４分の１波長の光学厚さを有するＡｌＡｓ_０．９６Ｐ_０．０４との交番
する層の２７対又は周期を含む。利得構造体３４もまた、１５８８Ａの厚さを有
する、最後の分離器層及び鏡構造体３０間のＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐのキャ
リア拘束層を含む。利得構造体３４の反対端にもまた、１５８８Ａの厚さを有す
る、Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐのキャリア拘束層がある。

【００３２】 ＯＰＳ構造体３２は、ｎ型ＧａＳａウェーファー（基板）上にエピタキシャル
成長され、キャリア拘束層から始まる利得構造体３４が第１に成長される。鏡構
造体３０は利得構造体上にエピタキシャル成長される。ＯＰＳ構造体が成長され
た後、ウェーファーがエッチングで除かれる。第１成長される拘束層は、エッチ
ングで基板が除去されるときエッチング停止層として役立つ。ウェーファー及び
その上に成長される構造体は、約２．０ｍｍｘ２．０ｍｍの正方形「チップ」の
形で幾つかのＯＰＳ構造体３２内に市松模様にされる。

【００３３】 ＯＰＳ構造体(チップ)は第１にマイクロチャンネルクーラー（クーラー３６）
に結合される。望ましい一マイクロチャンネルクーラーはモデルＳＡ−２であり
、カルフォルニア州ロスアラミトスのSaddleback Aerospace社から入手できる
。ＯＰＳ構造体をマイクロチャンネルクーラーに結合する前に、比較的薄い（厚
さ約０．３ｍｍ）合成ダイヤモンド（ＣＶＤダイヤモンド）層がマイクロチャン
ネルクーラーに結合される。合成ダイヤモンド層は、さらに以下に詳説する特殊
の熱管理機能を有する。

【００３４】 ダイヤモンドに金を結合させる先行技術方法では、結合の前にオーバーコート
を塗られたプラチナ金属処理が施される。結合に用いられるはんだはインジウム
である。本発明により結合されるＯＰＳ構造体で考えられる作動状態下では、金
オーバーコートはインジウム結合材料に溶解し、結果的にはＯＰＳ構造体の関連
する変形を伴う、結合された継目の長期不安定性を惹き起こし得る。優れた長期
安定性を与えると共に潜在的変形を回避し得ると考えられる、本発明による望ま
しい一結合方法は、単に金オーバーコートなしにプラチナ層によってオーバーコ
ートを塗られたチタン層から成るダイヤモンド上に金属処理を行うことである。
その後インジウムはんだを用いて結合される。このような結合は、本発明により
ＯＰＳレーザーで考えられる高電力条件下のみならずあらゆるＯＰＳレーザーに
関して先行技術チップ結合方法に優ると考えられる。

【００３５】 他の可能な結合方法は、インジウムはんだよりはむしろより安定な金スズ共融
はんだを用いることである。しかし、ここではダイヤモンドとの熱膨張係数（Ｃ
ＴＥ）の不適当な組合せがダイヤモンドヒートシンクとの併用を制限する可能性
がある。ＣＴＥの不適当な組合せ問題は、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、立方ホ
ウ素窒化物、シリコンダイヤモンド合成物等のような、より密接に金スズ共融は
んだとＣＴＥ適合する代わりのヒートシンク材料を用いることによって回避され
得る。しかし、ダイヤモンドと比べてこれらの材料のより低い熱伝導効率のため
に出力電力性能上何らかの妥協が期待され得る。ＣＴＥの不適当な組合せ問題は
チップが大きくなればなる程大きくなる。

【００３６】 ＯＰＳ構造体がダイヤモンド層/マイクロチャンネルクーラーに結合されてか
ら、ＧａＳａ基板がエッチングで除去される。利得構造体３４内へのポンプ光の
入力を改良するために、このように露出される利得構造体上に反射防止コーティ
ングを設けることが望ましい。

【００３７】 ＯＰＳ構造体３２の光学ポンピングに関して、各繊維４０は、カルフォルニア
州サンタクララのCoherent Semiconductorグループから入手できる、FAP-30C-80
0-B ダイオードレーザーアレイパッケージからの７９５ｎｍ放射の約１７．０Ｗ
を放出する。鏡４４は、７９５ｎｍ及び入射角２８°で９９．９％を超える反射
率を有する誘電被覆された鏡である。レンズ４６は、焦点距離４０．０ｍｍ及び
直径１８．０ｍｍの接合された二重レンズである。レンズ４８は、焦点距離２１
．０ｍｍ及び直径１４ｍｍの接合された二重レンズである。これらのレンズは、
カルフォルニア州エルビンのMelles Griotから入手できる。ポンプ光は、鏡及び
レンズによってＯＰＳ構造体の領域内に収斂される。ポンピングされる領域のポ
ンプ光３４Ｗのすべてが、１/ｅ^２点において実質的に約２６０μｍの半径を有
するガウス強度曲線を有する。いわゆる「壁差込み（プラグ）」電力入力の各々
に約５０．０Ｗを要するポンプ光を与える、例示したダイオードレーザーアレイ
パッケージは、透明な繊維４０内に結合される２０．０Ｗのポンプ放射を発生さ
せる。

【００３８】 複屈折フィルタ５２は厚さ３．０８ｍｍの水晶板であり、図１に示すように軸
２４に対して５７．１度に方向づけられ、水晶光学軸は当該板の平面内にある。
そのようなフィルタは、フロリダ州Port RicheyのVLOC社から部品番号第BF254-6
T号として入手できる。複屈折フィルタ５２のこの方位は、基本放射Ｆが矢印Ｐ
１に例示されるように図１の面に対して垂直に偏向される。

【００３９】 複屈折フィルタ５２は約３５ｎｍだけ分離される、各々が約３ｎｍの半最大透
過（ＦＷＨＭ）で全幅を有する、狭い透過ピークを有する。最大選択度は、垂直
面と当該板の面との交差によって定められる軸から約４５度の角度に水晶光学軸
を保つことによって達成される。透過ピークの波長は、当該板の面に垂直な軸の
周りでそれを僅かに回転させることによって変化させることが可能であり、従っ
てフィルタが調整され得る。実験的に確認された調整率の計算値は、回転１度に
つき約５．６ｎｍである。

【００４０】 鏡２８は平面鏡であり、折返し鏡２６は１００ｍｍの曲率半径を有する凸面鏡
である。鏡２６及び３０は、距離２０２ｍｍだけ軸方向に分離される。鏡２６及
び２８は、距離５６ｍｍだけ軸方向に分離される。従って、共振器２２は２５８
ｍｍ（２５．８ｃｍ）の軸方向長さを有する。

【００４１】 光学的に非線形結晶５０は、断面３ｍｍｘ３ｍｍの三ホウ酸塩リチウム（ＬＢ
Ｏ）の長さ５ｍｍの結晶である。結晶は９７６ｎｍ放射に整合する１型位相に切
断される。基本光線の伝播は結晶学上のＸ−Ｙ平面内にある。伝播方向は、Ｘ軸
から１７．１度の角度をなす。基本放射はＸ−Ｙ平面（Ｚ軸に対するに対して平
行）に対して垂直に偏光される。第２調波放射は、矢印Ｐ２で示されるようにＸ
−Ｙ平面で偏光される。

【００４２】 上記例で特定されるＯＰＳレーザーは、約３００Ｗの基本放射（９７６ｎｍ）
の空洞内電力を発生させ、単一縦（軸方向）モード及び単一横モードにおいて５
Ｗの出力電圧で周波数倍増された（４８８ｎｍ）放射を与えた。光線の放散は、
回折制限（Ｍ^２＝１．２）の１．２倍で測定された。量Ｍ^２は光線サイズの回折
制限されたサイズに対する比を表わす計測数値である。高品質光線とは、約２．
０又はそれ以下のＭ^２を有する光線と考えられる。発明的ＯＰＳレーザーで入手
し得る高品質光線は、無機又は有機材料に正確な切り口を作るためにレーザー出
力放射は非常に小さいスポットに収斂されなければならないか又は、それが用い
られるべき位置まで運ぶために光学繊維内に効率的に結合されるか若しくは関節
で接合されたアームで案内されなければならない。

【００４３】 電力のみの観点から、本発明は先行技術ＩＣ周波数倍増ＯＰＳレーザーの上記
６．０ｍＷ出力に対して約１千倍の増加を表わす。驚いたことには、基本放射及
び従って周波数倍増された放射は単一軸方向（縦）モデルであった。出力放射の
一時的安定性は、ＤＣ‐１０ＭＨｚの帯域に亘って約０．０５％未満の出力変動
又は雑音によって評価される。以下に述べる本発明によるＯＰＳレーザー他の実
施形態では約０．１％未満の雑音を得ることができると考えられる。ポンプ光対
第２調波効率は約１０％である。電気対第２調波効率は約４％である。概して、
本明細書に記載された発明的ＯＰＳレーザーの適切な実施形態では３．０％又は
それ以上のポンプ光対第２調波効率が得られるであろう。

【００４４】 ＯＰＳ構造体３２の光線スポットサイズを減少させるために空洞を非調整（鏡
２８を折返し鏡３６から軸方向に離れるように移動する）にすることで、多重横
モードの作動が強制され、４８８ｎｍで７．５Ｗまでの出力電力を得ることを可
能にし、それによって多重モード作動の理由による光線品質の低下を犠牲にして
、実により高電力及び高効率を得ることができた。単一軸方向モード作動を保証
することと共にポンピング領域（ポンプスポットサイズ）対モードサイズの関係
は、以下にさらに詳説される。

【００４５】 ポンプ光供給ダイオードへの約１００Ｗの合計入力電力で、４８８ｎｍにおい
て発明的ＩＣ二重ＯＰＳレーザーの高出力電力が得られる。先行技術レーザーで
は、４８８ｎｍにおける多重ワット、高光線品質放射はアルゴンイオン（ガス）
レーザーの出力としてのみ得ることができた。概してこれらのレーザーは、数千
ワット（３０キロワットに及ぶ）の電力入力を要する。従って、本発明による例
示した上記レーザーでは、４８８ｎｍレーザーに対し２桁の大きさの電気対光学
効率改良が与えられる。

【００４６】 本発明によるＯＰＳレーザーの望ましい実施形態につき引き続き記載すると、
ＯＰＳレーザーの上記例の重要な一面は、なかんずく、共振器の寸法を先行技術
ＯＰＳレーザーのものより増加させることと組み合って強烈にポンピングされる
ＯＰＳ構造体の管理に注目することによって、そのような高基本電力がＯＰＳ構
造体から発生され得ることが発見されたことである。

【００４７】 そのような高基本電力及び２Ｈ電力が与えられ得ることが実験的に立証された
ことで、レーザー２０のものと同様に、同様な出力電力で他の基本及び２Ｈ波長
が発生される、同一又は異なったＯＰＳ構造体３２及び「長い共振器」配列に基
づいて他の発明的ＯＰＳレーザーのモデルを数値的に作ることが可能である。

【００４８】 特に、例えば、約３７５ｎｍにおける紫外線スペクトル領域での高電力ＣＷ放
射は、量子谷（井戸）間にＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ_ｚＰ_１−ｚ分離層を有する、Ｉ
ｎ_ｘＧａ_１−ｘＰ量子谷を有する利得構造体３４を有するＯＰＳ構造体を用いる
ことによって発生され得る。繊維結合されたダイオードレーザー（例えば、カル
フォルニア州、San JoseのSDL, Inc.からのSDL部品番号7470 P-5）からの６７０
ｎｍ放射でポンピングされる、そのような構造体は７５０ｎｍにおいて利得を与
える。図１の共振器２２と類似の共振器は、適切に角度調整された同様な複屈折
フィルタ５２及び７５０ｎｍ放射を周波数倍増するように配列されたＬＢＯの光
学的非線形結晶と共に用いられ得る。これに関しては、ＬＢＯ結晶は、Ｘ軸から
３７．５度の角度で、Ｘ-Ｙ結晶面での伝播のために切断されるのが望ましい。
基本及び２Ｈ放射の偏光は、例示した上記レーザー２０に対するもの（９７６ｎ
ｍ基本波長）と同一である。

【００４９】 ＬＢＯ結晶の７５０ｎｍ放射に対する変換効率は、光学的非線形結晶の等長の
９７６ｎｍに対する変換効率より僅かに高く（１７％高く）なるように計算され
る。これは２つの対抗する要因を釣合わせることから結果的に生じる。７５０ｎ
ｍにおけるＬＢＯの効果的非線形性（非線形係数）はより低く、異なった伝播角
度のために、９７５ｎｍにおいて１．２ｐｍ/Ｖの値と比べてボルト当たり（ｐ
ｍ/Ｖ）約１．０ピコメートルになる。しかし、総合変換効率は非線形係数の二
乗に比例するが、同様に波長の二乗の逆数にも比例する。従って、より短い波長
（７５０ｎｍ）が総合変換効率の上記改良を与える手段となる。

【００５０】 周波数倍増された、７５０ｎｍ基本波長レーザー２０の数値的にシミュレート
された一例では、光学的非線形結晶２０に対し長さ５ｍｍのＬＢＯ結晶を用いて
、繊維結合されたダイオードレーザーアレイ又はモジュールから得られた、６７
０ｎｍにおいて１２．０Ｗのポンプ光が、３７５ｎｍの２Ｈ波長において１Ｗを
超える計算された出力電力に帰着した。同一数のより強力なダイオードレーザー
アレイの一層多くの量又は同一電力のより多いアレイからより高いポンプ電力を
用いることで、同一共振器につき上記例で示した４８８ｎｍ出力電力に匹敵でき
る３７５ｎｍ出力電力が与えられ得る。より多くのポンプ光アレイの使用は、以
下にさらに詳説される代わりのポンプ光放出配列を用いて可能である。

【００５１】 そのような高基本電力が発生され得ることが実験的に立証されかつ数値的に確
証されていることで、第３調波（３Ｈ）及び第４調波（４Ｈ）放射を発生させる
ために、同一ＯＰＳ構造体に基づいて他の「長共振器」型の発明的ＯＰＳレーザ
ーを構成すると共に電磁スペクトルのＵＶ領域でそのような第３及び第４調波波
長においてどんな出力電力が発生され得るかを、確信をもって計算することが可
能である。そのような共振器構成の記載が以下に詳しく説明される。そこでは７
５０ｎｍ放射の第３調波及び９７６ｎｍ放射の第４調波の発生が例示される。

【００５２】 図４を参照すると、共振器２３を含むレーザー装置６０が図式的に例示される
。レーザー６０は、以下の例外を除けば図１のレーザー２０と大抵の面で同一で
ある。鏡２８は、基本及び第２調波波長において高反射率用にコーティングされ
る。鏡２６は、基本波長において最高に反射性があり、２Ｈ及び３Ｈ波長では高
度に透過性がある。光学的に非線形結晶６２は、共振器２３の折り返されるアー
ム２３Ａの、光学的に非線形結晶５０及び鏡２６間に設けられる。光学的に非線
形結晶６２は、基本及び２Ｈ波長（周波数）を混合するように配列され、それに
よって図４の三重矢印３Ｈで示される周波数３倍増放射を発生させる。２Ｈ及び
３Ｈ放射の双方が折返し鏡２６を介して共振器２３を去る。２Ｈ及び３Ｈ放射は
その後二色性ビームスプリッタ（分割器）６４で分割される。

【００５３】 さて、第３調波発生（基本及び２Ｈ周波数の混合）は基本及び第２調波電力の
積に比例すること（光学的に非線形結晶特性に依存して）が知られている。それ
故に、この共振器でこれらの電力に対して実験的に立証された数値及び各種の光
学的非線形材料の３Ｈ発生効率に対して実証づけられた数値に基づいて、光学的
に非線形結晶６２用にβバリウム硼酸塩（ＢＢＯ）を用いるレーザー６０の上記
例では、２Ｈ放射（３７５ｎｍ）の約５．０Ｗ（ワット）を発生する、７５０ｎ
ｍにおいて約３００Ｗの空洞内基本電力を仮定して、２５０ｎｍの波長において
、真のＣＷ、単一モード、レーザー出力電力を発生させ得ることが高度の確信を
もって予測され得る。

【００５４】 このプロセス（方法）に適したＢＢＯ結晶（結晶６２）は、光軸（Ｚ）を含む
と共にＸ-Ｚ結晶面と３０度の角度をなす平面で光軸から４８度の角度での伝播
のために切断される。基本放射及び２Ｈ放射は、光軸（通常偏光）に垂直な偏光
につれて伝播する。３Ｈ放射は、異常偏光（基本偏光に対して直角をなす）で発
生される。

【００５５】 結晶製造業者から発表されたデータに基づく計算では、７５０ｎｍ放射の３０
０Ｗを光学的非線形結晶６２の６０μｍの半径まで下方収斂させると共に同一結
晶で２Ｈ放射（３７５ｎｍ）の５Ｗを５０ｎｍの半径まで同軸的に収斂させるこ
とによって、２５０ｎｍ（３Ｈ）放射の約１５０ｍＷが発生されることが示され
る。上記ＢＢＯ結晶は、１型位相整合を用いる。これは、基本及び２Ｈ放射が結
晶内で同一偏光をもたなければならないことを意味する。

【００５６】 しかし、第２調波発生ＬＢＯ結晶（光学的非線形結晶５０）は、基本放射の偏
光に直角の偏光を有する２Ｈ放射を発生させる。従って、２Ｈ放射の偏光は、そ
れが光学的非線形結晶６２に入る前に９０度回転されなければならない。これは
、基本放射に対してπの偶数整数倍の遅延を有しかつ２Ｈ放射に対してπの奇数
整数倍の遅延を有するような設計の複屈折水晶プレート（偏光回転装置）によっ
て達成され得る。

【００５７】 そんな偏光回転装置（図４では偏光回転装置６５として幽霊画法で描写される
）は、光学的非線形結晶５０及び６２間の基本及び２Ｈ放射の共通路（アーム２
０Ａ）に挿入される。偏光回転装置６５は、基本放射が無変化で放置されると共
に２Ｈ放射の線形偏光が初期偏光と遅延プレートの光軸方向との間の角度の２倍
に等しい量だけ回転されるようにする。

【００５８】 その代わりに、２Ｈ放射の偏光を修正するために偏光回転装置６５が不要にな
るようにＢＢＯ結晶がII型混合のために切断され得る。しかし、この場合には変
換効果が低下することが予期される。

【００５９】 本発明によるＯＰＳレーザー共振器の任意の光学的非線形結晶上に共振器鏡又
は反射器を設けることは妨げられない。しかし、共振器及び結晶に関して対立す
る整列要件を解決するためには結晶の温度制御のような追加手段が必要とされる
であろう。

【００６０】 図４の共振器２３では、７５０ｎｍ基本放射につき既に述べた代替物を用いて
、９７０ｎｍ基本放射からの第３調波発生も同様に可能である。数値シミュレー
ションでは、そんな第３調波発生は３２５ｎｍ放射の約１５０ｍＷが発生され得
る。上記例から当業者は、さらなる詳細な記載なしに適切な非線形結晶のパラメ
ータを決定することができる。

【００６１】 上記例示された第３調波放射の１５０ｍＷは、第２調波発生のみにつき先行技
術で報告されていると考えられる最大値に対して第３調波発生上の電力で２０倍
を越える増加を表す。しかし、レーザー６０によって表されるこの第３調波放射
を発生させる配列は、おそらく第３調波放射のＩＣ発生に対する幾分不十分な研
究手法である。調波出力電力の著しい改良は、図５を参照することから始まる、
以下に記載される本発明によるＯＰＳレーザー共振器の他の群で可能である。

【００６２】 図５には、本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに別の実施形態が図式的に
描写される。レーザー７０は２つの共振器２５及び２７を含み、それらの合計長
さの一部分に亘って共通の軸路３５（図５の太線で示される）を有する。共振器
２５は、「基本共振器」として定められ、その一方端は鏡２８によって終結され
、その他方端はＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって終結され得る。共振器
２５は折返し鏡２６により折り返される。ＯＰＳ構造体３２は、既に述べたよう
にレーザー２０及び６０のために取り付けられかつポンピングされる。図５には
、１つのポンプ光放出繊維及び関連する収斂光学素子のみが描写される。

【００６３】 共振器２７は「第２調波共振器」として限定され得る。それは、上記共振器２
２及び２３の単一二重路配列で達成されるより遥かに高いレベルに達する２Ｈ放
射を造るために用いられる。共振器２７は、鏡２８によってその一方端が終結さ
れ、鏡７４によってその他方端が終結される。共振器２７もまた折返し鏡２６に
より折り返される。この実施形態の折返し鏡２６は、基本及び２Ｈ波長における
最大反射のためにかつ３Ｈ波長における最大透過のためにコーティング（被覆）
される。本実施形態の鏡２８は、基本、２Ｈ及び３Ｈ波長における最大反射のた
めにコーティングされる。共振器の軸は、２Ｈ波長における最大反射及び基本波
長における最大透過のためにコーティングされた二色ビームスプリッタ７２によ
って共に折り返される。従って、共振器２５及び２７の共通（ここでは折り返さ
れる）軸路はビームスプリッタ７２及び鏡２８間に延びる。ここでは、上記コー
ティングのすべてが、光学コーティングサービスの商用供給業者の利用能力以内
にあると考えられることが指摘される。そんな一供給行者は、カルフォル二ア州
、AuburnのCoherent Auburn Groupである。

【００６４】 共振器２５及び２７の共通路のビームスプリッタ７２に隣接して、基本波長を
倍増するように配列される光学的非線形結晶５０が設けられる。周波数倍増によ
って発生される２Ｈ放射は、共振器２７で循環かつ形成され、それによって図１
レーザー２０の単一「二重路」配列と比較して空洞内２Ｈ放射の量が大幅に増加
する。共振器２５及び２７の折り返された共通部分２７Ａ（勿論、そこでは基本
及び２Ｈ放射の双方が循環している）には、３Ｈ放射を発生させるために基本及
び２Ｈ放射を混合する光学的非線形結晶６２が設けられる。そのように発生され
た３Ｈ放射は、折返し鏡２６を介して共振器から出る。概して共振器については
下記事項に注目すべきである。

【００６５】 共振器２５及び２７は大体同一の長さを有すると共に光学的に同様に構成され
るのが望ましい。これで、基本及び２Ｈ放射に対するモードサイズがほぼ同一に
なり、それによって混合効率が最大になるようにされる。光学的非線形結晶５０
の位置において基本及び２Ｈ放射間の最適位相関係を維持するために共振器が干
渉計的に適合されることも同様に望ましい。これは、光学的非線形結晶５０で発
生された２Ｈ放射が、２Ｈ共振器で循環する２Ｈ放射に同位相で加えられること
を保証するために必要とされる。これは、循環する２Ｈ放射が高レベルに成長し
、それによってＢＢＯ混合結晶（光学的非線形結晶６２）に高変換効率を与える
ことを保証する。これに関して、モード競合からの電力損失を避けるために基本
共振器２５が単一軸方向モードで作動するのが望ましい。単一軸方向モード作動
を与える条件は以下にさらに詳説される。

【００６６】 共振器の干渉計的整合を与える一配列は、共振器２７の鏡７４にピエゾ電気（
圧電気）ドライバ（励振器）のような軸方向ドライバ７６を与えることである。
鏡７４が軸方向に駆動されるにつれて、循環する２Ｈ放射は、基本及び２Ｈ放射
（定常波）に対して光学的非線形結晶５０における最大同位相状態及び最大逆位
相状態のそれぞれに対応する、最大レベル及び最小レベル（ゼロ又はゼロに近い
）まで上昇及び下降する。３Ｈ出力電力も同様に上昇及び下降するであろう。ビ
ームスプリッタ７８は、３Ｈ出力の小サンプル部分３ＨＳを検波器（検出器）８
０へ方向づける。検波器８０は、ピーク出力電力を維持するためにドライバ７６
を調整する制御器（コントローラ）８２と協同する。

【００６７】 既に述べたように、第３調波発生は基本及び第２調波電力の積に比例する。２
Ｈ電力用の第２共振器を組入れることによってレーザー７０は、何らの基本電力
の増加を要することなく、図４のレーザーの場合よりも遥かに大きい２Ｈ電力が
混合用に利用可能であることを特定する。従って、この共振器の利用可能な基本
電力に対する上記数値及びＬＢＯの２Ｈ発生効率に対して確証された数値に基づ
いて、循環する７５０ｎｍ放射の３００Ｗでは共振器２７の循環する３７５ｎｍ
放射の約２００Ｗが発生されることが数値的に決定され得る。βバリウムＢＢＯ
の光学的に非線形結晶６２におけるこれらの二重路結合では、２５０ｎｍ波長に
おいて真ＣＷ、単一モード、レーザー出力電力の約４Ｗが発生され得る。３２５
ｎｍ放射に対する同様な出力電力レベルが９７６ｎｍ放射の３Ｈ変換に対して決
定され得る。これは、先行技術ＯＰＳレーザーの第２調波発生のみに対して報告
されていると考えられる最大値に対して第３調波発生上６００倍を越える電力増
加である。

【００６８】 レーザー７０に対して望ましい光学的非線形（混合）結晶はレーザー６０に関
して上記したものと同一である。しかし、レーザー７０の共振器２５の設計では
、特に光学的非線形結晶５０及び６２以内のビームサイズに関して注意すべきで
ある。

【００６９】 基本及び２Ｈビームは、変換（混合）効率を最大化するために光学的に非線形
結晶６２にぴったり収斂されるのが望ましい。しかし、光学的に非線形（２倍増
）結晶５０の基本放射に対してはより大きいビームサイズの最適範囲が望ましい
。結合される共振器２５及び２７の広範な数値モデル制作では、長さ１５ｍｍの
ＬＢＯに対してはＯＰＳ構造体での基本ビーム及び倍増結晶のスポットサイズは
、ほぼ同一であることが望ましい。この結果、共振器の設計が簡単化される。そ
の理由は、光学的に非線形（倍増）結晶５０が設けられるぴったり収斂されるウ
エスト（くびれ）を共振器２５及び２７の共通光（学）路に設けることを要せず
に、倍増結晶がＯＰＳ構造体に隣接して（図５に例示されるように）設けられ得
るようされるからである。共振器の望ましい一構成では、基本ビームはＯＰＳ構
造体において約２００μｍのスポットサイズ、光学的に非線形結晶５０の約２０
０μｍスポットサイズ及び光学的に非線形結晶６２の約５０μｍスポットサイズ
を有する。２Ｈ共振器２７は、光学的に非線形結晶５０の２Ｈビームのスポット
サイズが約１５０μｍになると共に光学的に非線形結晶６２ではそれが約４０μ
ｍになるように設計される。

【００７０】 ここで図６に言及して、さらにもう１つの本発明のＯＰＳレーザーの実施形態
９０を本図に示す。レーザー９０は２つの共振器２９，３１を含み、これらの共
振器は全長の１部に渡って共通の軸路３５（図６に太線で示す）を有する。共振
器２９を「基本共振器」と定義することができ、そしてそれは一端において鏡２
６によって集結され、他端においてＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって終
結される。ＯＰＳ構造体３２は、レーザー２０，６０に関して上に記述されるよ
うに設けられポンピングされる。明瞭にするために、図６においてはただ１つの
ポンプ光送出し（放出）ファイバーと、関連する合焦（収束）光学機（素子）器
のみを示す。

【００７１】 共振器３１を「第二高調波共振器」と定義することができる。共振器３１は一
端において鏡７４によって終結され、他端において鏡９２によって終結される。
共振器３１は折り返し鏡９４によって折り返されている。この実施形態での鏡２
８は基本波長での最大反射のために覆われている。鏡７４は２Ｈ波長での最大反
射のために覆われている。鏡９２は、基本波長、２Ｈ波長及び第四高調波（４Ｈ
）波長での最大反射のために覆われている。鏡９４は、２Ｈ波長での最大反射の
ため及び４Ｈ波長での最大伝搬のために覆われている。

【００７２】 それぞれが、２Ｈ波長での最大反射のためと、基本波長での最大伝搬のために
覆われたダイクロイック（二色性の）ビームスプリッター７２，７３によって両
共振器の両軸は一緒に折り返される。したがって、共振器２９，３１の共通の軸
路はビームスプリッター７２と７３の間のみに延伸する上記理由で、共振器２９
と３１を干渉計的整合させるために鏡７４が、検出器、即ち、検波器８０によっ
て検出される電力に応じて制御装置８２によって制御される駆動装置〈ドライバ
〉７６に設けられる。光学的非線形結晶５０は、共振器２９と３１の共通路３７
を循環する周波数倍増基本放射のために設けられる。そのように生成された周波
数が２倍された放射が循環して共振器３１で増加する。もう１つの光学的非線形
結晶６７は、共振器３１の鏡９２と９４の間の、共振器３１の折り返された部分
３１Aに位置している。光学的非線形結晶６７は、周波数が２倍された放射２Ｈ
を循環して周波数倍増のために設けられ、それによって周波数４倍（４Ｈ）放射
を生成する。４Ｈ放射は折り返し鏡９４を通って共振器３１から出る。

【００７３】 このような共振器構成は、２４４ｎｍ放射の生成乃至９７６ｎｍの第４高調波
の生成に有利である。この応用のための望ましい光学的非線形（二倍）結晶５０
は、図１のレーザー２０に関して上に記述した結晶軸とまったく同じ結晶軸の配
向を持ち、約１５.０ｍｍの長さを持つＬＢＯ結晶である。光学的非線形（４倍
）結晶６７は好ましくは約８.０ｍｍの長さを有するＢＢＯ結晶である。この結
晶は、好ましくは、伝搬のために、光学（Ｚ）軸を含む平面において光学軸から
５４度の角度で切断され、かつ、光学的非線形結晶のＸＺ結晶学的平面に対して
３０度の角をなす。

【００７４】 ２Ｈ放射は光学軸に直角な偏光で伝搬し（通常偏光）、４Ｈ放射は（２Ｈ偏光
に垂直な）異常偏光で生成される。好ましくは、鏡２６は３０ｃｍの曲率半径を
持ち、鏡９４は１０ｃｍの曲率半径を持ち、鏡７４，９２は平らな鏡である。

【００７５】 図５の結晶５０，６３のために適用されるものと同様な考察が光学的非線形結
晶５０，６７内のビームスポットサイズのために適用される。数値シミュレーシ
ョンは、最適な、比較的大きい、ビームサイズが光学的非線形（ダブラー）結晶
５０の内部のビームのために存在することを示す。光学的非線形（ダブラー）結
晶５０での基本放射スポットサイズは、約１５ｍｍの結晶長さに対しては、ＯＰ
Ｓ構造体３２でのスポットサイズと利点的に同じである。「第二高調波共振器」
３１は、２の平方根（１.４１４）によって分割された基本ビームスポットサイ
ズと等しい２Ｈスポットサイズを光学的非線形結晶６７内に生成するような大き
さとされるので、共振器３１によって維持された光線は、光学的非線形結晶５０
によって生成されたビームと横方向の同じサイズを有する。２Ｈ放射は凹形の折
り返し鏡９４によって光学的非線形結晶６７内に焦点を合わせられて、約５Oミ
クロン（１／e^２半径）のスポットサイズになる。

【００７６】 光学的非線形結晶６７のためのもう１つの望ましい材料はセシウムリチウムボ
ラート（ＣＬＢＯ）である。この材料は、この応用例及び他の応用例において、
周波数２倍の４８８ｎｍ放射の代わりに有利にＢＢＯを用いることができる。周
波数２倍の４８８ｎｍ放射のためのＣＬＢＯ結晶は好ましくは、ビームの伝搬の
ために、Ｚ軸を含む平面においてＺ軸から７５.７度の角度で、そしてＸＺ平面
から４５度の角度で切断される。それで生成された２４４ｎｍ放射は伝搬の方向
とＺ軸によって定まる平面内で偏光され（異常偏光）、４８８ｎｍ放射は２４４
ｎｍ放射に直角に偏光する。この応用のためのＣＬＢＯの非線形効率はＢＢＯの
ものと同じである。ＣＬＢＯは、しかしながら、ＢＢＯより５倍大きなアクセプ
タンス角であり、かつ、ＢＢＯより４倍小さいウォークオフ角であるという重要
な利点を有する。より大きなアクセプタンス角とより小さいウォークオフ角は共
に光学的非線形結晶の正味変換効率を増やすことに貢献する。アクセプタンス角
とウォークオフ角の一次考察は、ＣＬＢＯの変換効率がＢＢＯの効率よりも潜在
的に数倍高いかもしれないことを示す。これらの一次考察は、どのような共振器
においても約４２５ｎｍと５２５ｎｍの間の波長を持つ周波数二倍放射に一般に
適用できる。その波長範囲での放射は利得メディアの基本放射又は高調波放射で
もあるかもしれない。

【００７７】 本発明に従う強力なＯＰＳレーザーの実施形態をキャビティ内周波数逓倍装置
に関して上に記述するが、当業者であれば、プレゼンテーションのとおりの強力
なＯＰＳレーザーがキャビティ内光学的非線形結晶無しで、ただ強力な単一モー
ド基本放射の効率的な源として操作されうることは明白である。本発明に従うＯ
ＰＳレーザーの基本共振器の実施形態において、少なくとも２ワット、そして５
ワット以上の基本出力電力が達成されるかもしれない。

【００７８】 例として、９７６ｎｍでの１０ワット（Ｗ）の単一軸モードの基本放射が凹型
出力結合鏡２８FとＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって形成された単純な
線形（折り曲がっていない）共振器２２Fを含むＯＰＳレーザー２０F（図７参照
）で生成された。鏡２８Fは３０ｃｍの曲率半径を持ち、ＯＰＳ構造体３２から
約１５.０ｃｍの距離離間される。複屈折フィルター５２が好ましくは共振器２
２Fに含められる。これは、もしＯＰＳ構造体３２の製造許容誤差が望ましい出
力波長から僅かに外れたある波長においてピーク利得を供給するならば必要とさ
れるかもしれない出力波長修正を与える。

【００７９】 単一路光学的非線形結晶装置を用いるか、あるいは、光学的非線形材料を含む
又は光学的非線形材料から形成された公知のキャビティ外リング共振器内に基本
放射を向けることによって、このような独創的なＯＰＳレーザーをキャビティ外
周波数逓倍のための放射線源として用いることができる。本発明に従う強力なＯ
ＰＳレーザーはまた、共線形又は非共線形にポンピングされる光パラメトリック
発振器（OPO）のための基本（ポンプ）放射源を提供することができる。このよ
うな装置は、同じ発明者による係属中の米国特許出願第０９／１７９,０２２号
に開示されており、この米国特許出願の全の開示は参照のためにここに組み入れ
られる。

【００８０】 ここで本発明のモード制御と他の大きさ調整に関する記述に進むと、驚くべき
発見は発明のレーザーの単一軸モード動作が例示の強力な動作のために必要とさ
れる比較的長い共振器長においてさえも簡単に成し遂げられたということであっ
た。長い共振器長は、とりわけ以下の理由のために必要とされる。

【００８１】 ＯＰＳの利得構造体は、ＱＷ層から分かれる層にポンプ光を協力に吸収する必
要性のために多少の固有限界を有する。これらのＱＷ層は好ましくは基本放射の
半波長だけ光学的に間隔をあけられる。このような構造の公知の事実調査は、関
連技術の実務家の間に、そういったＱＷ層の数は約１５であることがほぼ最適で
あるという一般的な信念をもたらす結果となったように思われる。これは少なく
とも、その構造体での吸収を介してポンプ光が半波長の１５倍以上深く効率的に
浸透しないかもしれないという考察の結果として生じる。本発明に従うＯＰＳレ
ーザーの例での１５のＱＷ層を持つ利得構造体の使用は、発明のＯＰＳレーザー
を限定するものと解釈されるべきではなく、また、このような利得構造体の深さ
とＱＷの量の最適化が限界に達したことを示していると解釈されるべきではない
ことにここで注意すべきである。発明のＯＰＳレーザーの開発において、明白な
成功とともに、ＯＰＳ構造体の他の大きさ調整問題と他の構造的問題を扱うこと
に単に強調がなされた。このような他の問題の論議が下に明らかにされる。

【００８２】 この説明の目的のために、ＯＰＳ利得構造体の深さ又はＱＷ層の量に対する多
少の制限（それが何であるとしても）が存在することを考慮し、次に、利得構造
体内の増大する利用可能な利得（従って、電力）に対して別のアプローチを行う
ことが必要である。本発明に従う１つのそのような出力を増やすアプローチは、
ＯＰＳ構造体にポンピングされるエリアを増やすことである。

【００８３】 しかし、より大きなポンピングされるエリアを利用するために、共振器のモー
ドサイズがポンピングされるエリアで利用可能な利得のすべてを引き出すのに十
分であるように共振器の長さを大きくしなければならない。共振器長さはモード
サイズの増加の平方に比例して増やされる。したがって、増大数モードサイズか
ら、とりわけ、電力増大が得られ、発明のＯＰＳ共振器の寸法は、ＯＰＳレーザ
ーの魅力的な特徴であるという従来技術の教示されるコンパクトさからは根本的
に外れる。実に、発明のＯＰＳレーザーの寸法は、同様な出力とビーム品質の公
知のダイオードポンピングソリッドステート（ＤＰＳＳ）レーザー共振器の寸法
に相当する。しかしながら、この説明から明白になるように、発明のこれらの共
振器、特にＩＣ周波数変換のために設けた共振器は利得メディアとしてＯＰＳ構
造体の使用と特に関係がある、ある種の特定の特有のデザイン特性を有する。

【００８４】 外部ＯＰＳレーザー共振器の長さを劇的に増やすことにおける１つの元来予期
された問題はモード制御の問題、特に、単一軸モードでの作動である。とりわけ
、出力の時間の変動を最大にし、そして減少させるために、単一軸モードでの作
動が好ましい。上記の通り、「基本共振器」を単一軸モードで作動させることは
本発明に従うＯＰＳレーザーの倍数共振器ＩＣ周波数逓倍の実施形態において特
に好ましい。

【００８５】 前述の公知のＤＰＳＳレーザーにおいて、共振器長が増大するにつれて、の可
能な軸（長軸方向の）モードの数は、発振を妨げるこいかなる措置をも行わずに
、同じく増大される。明らかな考察により、この問題は、ＤＰＳＳレーザーのソ
リッドステート（ドーパント：ホスト）利得メディアと比較して半導体利得メデ
ィアの利得帯域幅がより大きいため、ＯＰＳレーザーにおいて悪化するであろう
ことがまた予期される。

【００８６】 典型的に、多数の軸モードは、これらのモードが利得メディアの利得のために
無秩序に競争するので、波動する（ノイズの大きい）電力出力となる。振動モー
ドの数を制限し、そして出力ノイズを減らすためにＤＰＳＳレーザーにおいてと
られた公知の処置は、隣接するモード間の位相関係がこのモード競合を限定する
位置での共振器の利得メディアの選択的な配置を含む。このアプローチは公知の
ＤＰＳＳレーザーにおいて単に限定された成功を納めただけであった。実際に、
従来技術のレーザーにおける本当の単一モード作動は、機械的に共振器を安定さ
せ、かつ、高い波長選択ができる要素（これには共振器損、調律の維持管理等の
問題が付随する）を共振器に含めることによってのみ可能であったと信じられる
。

【００８７】 驚くべきことに、本発明に従う強力ＯＰＳレーザーにおいて、共振器の物理的
長さ、少なくとも上に例示される発明のレーザーの２５ｃｍまでの長さから独立
して単一軸モード作動が可能であることが見いだされた。この長さはさらに、例
えば、１００ｃｍ又はそれ以上まで拡張され、しかもこのような作動を供給する
ための特別な準備を行うことなしに単一軸モード作動を維持し続けると信じられ
る。

【００８８】 特定の理論に限定されることなく、この驚くべき発見が次のように説明できる
と信じられる。本発明の上述のすべての実施形態において、ＯＰＳ構造体３２の
利得構造体３４は、作動のすべての可能な軸モード（定在波）がノードを持つ位
置、即ち、それらのモードが正確に同期している点である、「基本共振器」の端
部に正確に位置している。

【００８９】 本発明の１つのＯＰＳ利得構造体は約７倍波長「長さ」である。共振器それ自
身は、波長の数万倍又は数十万倍の長さであるかもしれない。したがって、広く
数値的に切り離されたモード（すなわち、Ｎ及びＮ±ｍ、ここでｍは整数）さえ
も利得メディアの中で位相が相当にずれることはない。

【００９０】 ここで、半波長離間したＱＷ層を備えるＯＰＳ利得構造体は、２分の１波長離
れた狭い領域で利得を供給するだけである。したがって、隣接した可能なモード
の実際の波長がほんの少し、せいぜい、波長の１００万分の１の２−３倍又はＱ
Ｗ層の厚さの１００分の１の２−３倍だけ異なるので、すべての可能なモードは
利用可能な利得を引き出すほぼ同等なチャンスを持っている。最初に振動し始め
るそのモードは「モード競合」に勝って、そして他から振動するために必要な利
得を奪い、それによって単一軸モード作動を強制する。

【００９１】 本発明に従うＯＰＳレーザーにおいて本当の単一モード（単一周波数又はTEM
_００）作動を保証するために、上に例示するように、ＯＰＳ構造体３２でのポン
ピングされるエリア（ポンプスポット）と基本スポットサイズがほぼ同じであり
、すなわち、モードサイズに対するポンプスポットサイズの比がほぼ単位元（１
.０）又はそれ以下であるように共振器を設計することが望ましい。これは、ポ
ンピングされるエリアからいまだ最大利得を得る間に、異なった周波数の振動の
他の横モードを支援するために有効な不十分な利得がTEM_００スポットサイズの
外にあることを教える。

【００９２】 本発明に従う上に記述されたＯＰＳレーザーは物理的に長い共振器を有するこ
とに関して記述されているが、ここで、共振器長さとして言及されるものは共振
器端部鏡の間の軸の長さ又は距離であることが理解される。しかしながら、当業
者であれば、物理的な共振器長さを増やすことが電力を増大させるためにＯＰＳ
構造体３２の利得構造体３４の大きなモードサイズを提供する唯一の方法ではな
いことを認識するであろう。共振器内に適当な光学系を含むことは、共振器の実
際の（物理的な）長さが比較的短いときでさえ、共振器のために大きな「相当長
さ」を生じさせることができる。これは、比較的短い物理的長さを有する共振器
を持つ本発明に従うＯＰＳ構造体において大きいスポットサイズを与えるるため
に使うことができる。フラッシュランプでポンピングされた公知技術のNdＹＡＧ
レーザーに使用され、共振器内に望遠鏡（入れ子式）式のレンズ装置を採用した
共振器装置の例が光学量子エレクトロン（Opt.Quantum Electron）１３、４９３
（１９８１）のハンナ(Hanna)他の論文に記述されている。

【００９３】 しかしながら、光線光学上の考察は、ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０が共振
器の一端を形成するという複雑な共振器において、その複雑な共振器がＯＰＳ構
造体３２の鏡構造体３０から特定の距離に置かれた１つの鏡（一般的に湾曲して
いる）からなる単純な共振器に相当する（鏡構造体３０からわかるように）。換
言すれば、どのような任意に複雑な共振器でも常に、ＯＰＳ構造体３２の利得構
造体３４でのモードサイズを決定する目的のため、一端においてＯＰＳ構造体３
２の鏡構造体３０を有し、他端において湾曲した鏡を有する相当単純共振器に縮
小することができる。したがって、本発明に従う長い共振器タイプのＯＰＳレー
ザーにおいて、ＯＰＳ構造体３２での望ましいモードサイズを供給するために必
要な相当又は光学共振器長さを決定することができる。この光路長の決定は、上
に記述した比較的単純な共振器構造であって、十分に大きい光路長を維持しなが
ら物理的な長さを短くするためのいっそう複雑な装置と同様に光路長が物理的な
長さに近いものをカバーする。本発明に従うＯＰＳレーザーの共振器の望ましい
光路長は少なくとも約５ｃｍ、そして好ましくは約１０ｃｍより大きい。

【００９４】 本発明に従うＯＰＳレーザーにおけるＯＰＳ構造体３２でのモード又はスポッ
トサイズを増やす最も簡単な方法は、共振器鏡の曲率半径を適切に選択して単に
共振器の物理的な長さを増大させることによって共振器の光路長を増大すること
である。上に例示された図１のレーザー２０における多ワット放射の生成のため
に必要とされるビームスポットサイズは２５ｃｍの共振器長を採用することによ
って得られた。この長さは、公知のＯＰＳレーザーの共振器長さよりずっと大き
いが、単一軸モードで作動させながら、レーザーを都合良く小さくまとめるため
には十分小さい。

【００９５】 次に熱管理問題に論点を変えて、上に手短に論じたように、本発明に従うＯＰ
ＳレーザーにおけるＯＰＳ構造体３２の熱管理は特に重要である。したがって、
熱管理の多少の重要な局面の論議が図８に言及して以下に明らかにされる。図８
は、ＯＰＳ構造体３２と、それに接着されたヒートシンク３６を詳細に示す。

【００９６】 熱管理問題は次のように手短に決定されるかもしれない。ポンプ光４２はＯＰ
Ｓ構造体３２の利得構造体に取り込まれている。電気的キャリアを生成しない、
即ち、レーザー放射を生成しない取り込まれたポンプ光の部分は利得構造体３４
内に熱を生成させる。この熱は、ヒートシンク３６によって、利得構造体の温度
を好ましくは約９０℃以下の温度に維持するのに十分な割合で伝達され持ち去ら
れなければならない。この温度は単にガイダンスとして与えられるものであり、
そしてクリティカルなもの、あるいは限定されるものと解してはならないことに
留意されたい。

【００９７】 鏡構造体３０は利得構造３２からヒートシンク３６に伝わる熱伝導を妨げる。
上に論じられたように、望ましい、発明のヒートシンク装置において、ＯＰＳ構
造体３２はろう層１１０によって、好ましくは約０.３ｍｍの厚さを持つ合成ダ
イヤモンド層１１２に接着される。ダイヤモンド層１１２が順に、もう１つのろ
う層１１４によって銅製の微小溝型冷却器１１６に接着される。

【００９８】 本発明に従うＯＰＳ構造体のためのヒートシンク構成を開発することにおいて
、銅とダイヤモンドの大きな下地、即ち、基板のヒートシンク固有性に対して最
初に考察がなされた。大きな（本質的に大きさが無限）銅ヒートシンクの表面に
直接与えられた上記例の３４Ｗのポンプ電力によって与えられたポンプ電力密度
を考慮した計算から、このようなヒートシンクの表面温度は１１０℃であろうと
推定した。実際は、３４ワットのポンプ電力は表面に直接与えられないであろう
が、鏡構造体３０の材料によって妨げられるであろう。これらの材料は比較的低
い熱伝導率を有する。したがって、利得構造体３４の温度はヒートシンクの表面
での最も高い温度より約１５℃高いと期待できた。

【００９９】 大きなＣＶＤダイヤモンド（銅より２.５倍高い熱伝導率を有する）ヒートシ
ンクの表面に直接与えられた上記例の３４Ｗのポンピングによって得られるポン
プ電力密度を考慮した計算から、このようなの表面温度は４５℃であると推定さ
れた。これはＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４にとって耐えられる温度であろ
う。しかしながら、無限大であることを考慮するほど十分に大きいダイヤモンド
（合成ダイヤでさえ）は、もし入手可能であるなら、法外に高価であろう。

【０１００】 マイクロチャンネル冷却器について考察すると、それに直接与えられる上記例
の３４ワット(W)のポンピングによって提供されるそういった冷却器の表面温度
は約１１０℃であろうと決定された。もし同じマイクロチャンネル冷却器に比較
的薄い層の合成ダイヤモンドが接着されたなら、（ダイヤモンド層の）表面温度
はただ５５℃になるであろうこと、即ち、その温度は上に論じられた仮説の大き
なダイヤモンドヒートシンクのための計算された温度に相当することが次に決定
された。この決定は本発明に従うＯＰＳレーザーのために必要とされるポンプ電
力密度をＯＰＳ構造体３２に安全に与えられることができるようにすることにお
いて重要であった。

【０１０１】 明らかな考察の上に、一定のポンプ電力密度において、ＯＰＳ構造体３２の上
記例示温度は、そのポンピングされるエリアが増大されるので、同じままである
と期待されるかもしれず、上記識別されたレベルを越える電力の大きさの調整を
増加する共振器長さの問題とするように思われるかもしれない。しかしながら、
より綿密な調査の上に、これは本当ではないことが分かる。ポンピングされるエ
リアについての大きさ調整問題を図示するために、図９と１０はそれぞれ、比較
的大きな（１.０ｍｍ厚）銅製ヒートシンクと、０.７ｍｍ厚の銅製ヒートシンク
上に接着された０.３ｍｍ厚のＣＶＤダイヤモンド層について計算された均一表
面に対する反応を表す等温線曲線（放射状に対象であると仮定する）を示す。等
温線曲線は、０.２５ｍｍ半径の円Ｈ内で１８０ワット毎正方ｍｍ（Ｗ／mm^２）
の率Ｑで加熱する均一表面に対する反応を表す。（ＯＰＳ構造体３２の上記例示
のポンプ電力密度に対応している）。等温線曲線は５℃間隔である。上に使われ
る専門用語「比較的大きな」はＯＰＳ構造体３２の寸法に関してのものであるこ
とを意味する。

【０１０２】 図９と１０の両方から、温度は加熱（ポンピング）されるエリアの縁から中心
へと上昇することがわかる。同じポンプ電力密度でポンピングされるエリアを増
やすことは、それ相応に、ＯＰＳ構造体のピークの温度を増やすであろう。幸い
に、しかしながら、この増加はエリアの増加の平方根に比例する。これはポンプ
電力密度と増加するポンピングされるエリアの間に多少のトレードオフを許す。

【０１０３】 ＣＶＤダイヤモンドの有効性はもちろん、ＣＶＤダイヤモンド層がない約１０
０℃のピークの温度（図９参照）と比較してダイヤモンド層で成し遂げられた４
５℃と５０℃の間のより低いピーク温度（図１０参照）によって同じく証拠づけ
られる。

【０１０４】 単一結晶形での合成ダイヤモンドはＣＶＤ形式の２倍の熱伝導率を有する。し
たがって、単結晶ダイヤモンド層をＣＶＤダイヤモンド層の代わりに用いること
によって、約２０℃の更なる表面温度減少を期待することができた。ＣＶＤと単
結晶形式での合成のダイヤモンドはニューヨーク州ニューヨークの住友電気工業
(Sumiitomo Electric Industries)（USA）社から入手可能である。

【０１０５】 上に論じた発明のヒートシンク３６装置の高い熱伝導率はＯＰＳ構造体３２の
利得構造体３４での低い温度だけではなく、ＯＰＳ構造３２の平面での低い横切
る温度こう配も保証する。横切る温度こう配は、ＯＰＳ材料の屈折率の温度依存
を通して、ＯＰＳ構造体内での伝搬の基本放射によって見られる光路長の横切っ
た変化を生じさせる。このようなこう配は、それ自体をリッドステートの利得メ
ディアにおいて「熱レンジング（thermal-lensing）」（これは利得メディアが
、一次近似で、正の球面レンズとして作用することを意味する）として表す。こ
の現象は公知のＤＰＳＳレーザーでよく知られており、このようなレーザーのた
めに共振器のデザインを複雑にする。なぜなら、これらの共振器デザインは、熱
レンジングと、ポンプ電力レベルが変えられるときの熱レンジングの変化の両方
を考慮に入れなくてはならないからである。例として、典型的なネオジムによっ
て化学処理されたバナジン酸イットリウム（Nd:YVO_４）利得メディア結晶が典型
的なポンプ状態の下で７つのジオプターと同じぐらい高い熱レンジングを示すこ
とができる。

【０１０６】 ヒートシンク３６のデザイン考慮すると、注意深いデザインにより公知のＤＰ
ＳＳレーザーで遭遇する値と比較して本発明に従うＯＰＳレーザーにおいて熱レ
ンジングのために例外的に低い値に導くことができたことが認識された。例とし
て、ヒートシンクとしてマイクロチャンネル冷却器上にＣＶＤダイヤモンド層を
採用する上述のレーザー２０の例（図１）において１つのジオプターより際立っ
て少ない熱レンジングが測定された。ＣＶＤダイヤモンドに代えて、単一結晶合
成ダイヤモンドを使用することは、このすでに小さい熱レンジングの係数を２減
らすであろう。このような低い熱レンジングはレーザー共振器のデザインをかな
り単純化する。一般に、本発明に従うＯＰＳレーザーのために共振器を設計する
ことにおいて、熱レンジングがないであろうということを想定することができる
。

【０１０７】 ここでＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０の熱伝達妨害効果について議論を向け
ると、上に論じた発明のＯＰＳレーザーの例において、ＯＰＳ構造体３２の鏡構
造体３０の全体厚さは約４.１μｍである。この全体の層厚と、GaAsとAlAsPの本
体熱伝導率値と、図６に示すように冷却された下地３６の構造に基づく計算は、
鏡構造体３０の熱伝達妨害効果のために、利得構造体３４の温度が本当であるで
あろう温度よりも約１８℃乃至２０℃高いことは冷却された下地３６のダイヤモ
ンド層１１２に直接接着された利得構造であったことを示した。したがって、接
着されたダイヤモンド層によって提供された表面温度での電位減少の相当な部分
が鏡構造体の犠牲にされる。発明のＯＰＳレーザーの上記実施例の作動条件の下
で、利得構造体３４の蛍光スペクトルの移行の実験的な観察から、利得構造体３
４は約９０℃の温度であることが決定された。

【０１０８】 ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０の熱伝導率の改良により利得構造体３２によ
り高いポンプ電力を与えることができたことは明白である。これは出力の更なる
増加を与えるであろう。この熱伝導率を改善するいくつかののアプローチが下に
明らかにされる。

【０１０９】 上に記述した方法で増大するＯＰＳ構造体３２の利点は、鏡構造体３２がエピ
タクシーに増大する必要もなく、また、まったく半導体材料から完全に形成され
る必要はないことである。この柔軟性が与えられるならば、高及び低屈折率層を
形成するために広く選択できる材料を使って本発明に従うＯＰＳ構造体３２の鏡
構造体３０を設計することは可能である。したがって、材料の絶対屈折率値と材
料の熱伝導率の値は、鏡構造体（全体として）の軸方向における熱伝導率が最大
となるように選択できる。明らかに、もちろん、選択された材料は、鏡構造体が
基本波長に関して最大反射率を提供することができるように、基本波長に関して
最小の吸収を有する（かなり透明である）ようでなければならない。この点に関
して最大反射率を好ましくは約９９.９パーセント以上の値に決定することがで
きる。

【０１１０】 鏡構造体３０の熱伝導率を増大させる１つの選択肢は、アルミニウム、銀、金
、銅又はマグネシウムのような高反射率の金属層を透明な材料のいくつかの高屈
折率層及低屈折率層の対の代わりに用い、その金属層で吸収を約０.１パーセン
トにすることである。光学スキャナー、コピー機等のために高価でない高効率反
射鏡を提供するために、同様な構造の誘電体多層重ね被覆されたアルミニウム鏡
は、しばしば光学コーティング技術において「強化（エンハンスト）金属鏡」と
呼ばれる。

【０１１１】 本発明に従う鏡構造体３０での金属層は最後に堆積された（鏡）層であろうし
、利得構造体から最も遠いであろう。完成されたＯＰＳ構造体３２でのこの金属
層がヒートシンクと直接接するであろうから、少なくとも０.１パーセントの吸
収が許容できるであろうと信じられる。

【０１１２】 例として、上に例示されるGaAsとAlAsP材料を、最終層としての１０００オン
グストローム厚層の金と共に用い、GaAsとAlAsP層のたった９つの対を有する構
造体によって９９.９％の反射率を供給することができた。このような構造はた
ったの約１.４７μｍの合計厚、即ち、上述の例の鏡構造体の約３分の１の厚さ
を有するであろう。したがって、鏡構造体全体としての滅伝導率の３倍までの増
加を予期することができる。

【０１１３】 AlAsPよりずっと低い屈折率を有する材料、例えば、約１.４８の屈折率を有す
るフッ化バリウム（BaF_２）を低屈折率材料として用いることによって厚さをさ
らに小さくすることが可能であると信じられる。１０００オングストローム厚の
金の層を最終層として用い、GaAsとBaF_２層の２組程度を有する鏡構造体３０に
よって９９.９％の反射率が与えられた。このような鏡構造体はたったの約O.５
４μｍの合計厚さ、すなわち、上記例のＯＰＳ構造体の厚さの約８分の１の厚さ
を有するであろう。しかしながら、合計厚を小さくすることによって熱伝導率で
得られるものは、AlAsPと比較してBaF_２のより低い熱伝導率と、基本波長での４
分の１の波長光学的厚さを供給するために必要なBaF_２のより大きな物理的な厚
さによる少なくとも部分的相殺である。

【０１１４】 そういった「強化金属鏡」は、半導体材料があまりにも大きい吸収をして多層
反射器において効率的に使用できないという約０.７μｍより短い波長での基本
放射を有するＯＰＳ構造体で特に有用であるかもしれない。これらの波長に関し
て、低屈折率層としての二酸化シリコン（SiO_２）のような材料に組み合わせて
高屈折率層を供給するために、酸化チタン（TiO_２）とニオブ酸化物（Nb_２O_５）
のような誘電材料を使用しなければならない。TiO_２とSiO_２の層だけの組み合わ
せを使った鏡であって、GaAsとAlAsP層だけから作ったと鏡と同じ反射率を有す
る鏡は、約５０パーセント大きい合計厚を有するであろうことを指摘することは
有用である。

【０１１５】 「強化された金属」タイプの鏡構造体のための高反射材料の選択及びＯＰＳ構
造体をヒートシンク３６へ接着するために選択された接着材料のタイプに依存し
て、好ましくは適切な金属の層を反射金属層の上に加えてその金属層が接着剤と
反応、合金化又は溶解することを妨げることが必要であるかもしれないことに留
意すべきである。この追加の層は、（入射レーザー放射に関する限り、）反射金
属層の「背後に」存在するので、それが高反射であることは重要でない。

【０１１６】 上に論じたように、ＯＰＳ構造体３２のようなＯＰＳ構造体は半導体ウェハー
の全エリア上に本質的に増やされるＯＰＳ構造体が増やされた後、ウェハーはＯ
ＰＳ構造体チップにさいの目に切られる。公知のさいの目切断方法はチップを形
成するためにウェハーに線刻みをつけて壊すことを伴う。切断は、ウェハーの結
晶化された平面と、その上にエピタクシーに増やされたＯＰＳ構造体に沿って、
きれいに、そして円滑に生じる。ここで図１１に言及し、上に記述したように形
成したＯＰＳ構造体チップ（矛盾しないように、ここで参照番号３２によって指
定する）は、利得構造体３４上の放射面１１９として終結するものを有し、そし
て線刻み（スクライブ）破断方法から生じる滑らかな端面１２０を有する。各端
面１２０は放射面１１９に直角であり、そして利得構造体の半導体材料の比較的
高い屈折率に因る比較的高いフレーネル(Fresnel)反射率（約３０％）を持つ。
本発明に従うＯＰＳレーザーのために使用される作動電力（これを妨害する装置
はない）において、レーザー動作は、端面１２０の平行な組によって形成された
共振器内で（図１１に矢印Ｂで示すように）横方向に生じる。

【０１１７】 作動の間に、このような寄生横振動は、意図する面放射方向（図１１に矢印Ｃ
で示す）にレーザー作用を与えるために有効な利得をＯＰＳ構造体３２の利得構
造３４から奪うであろう。ある特定の処置がこのような寄生横振動を抑制するた
めにとられるかもしれない。このような処置は、ダイヤモンドスクライブ、ダイ
ヤモンドソー又は同様な研摩切断装置を用いてウェハーを一側部から他側部へ切
断又はスクライブするさいの目切断方法を使用することを含む。このようなスク
ライブに続き、端面１２０は鏡として作用できないように十分に荒らされる。し
たがって、寄生横振動は効率的に抑制される。端面を荒らす他の方法を用いるこ
ともできる。

【０１１８】 もし端面１２０がスクライブ破断切断の結果滑らかに残るならば、酸化アルミ
ニウム（Al_２O_３）又はは酸化イットリウム（Y_２O_３）のような、端面よりも低
い屈折率を有する材料の単純な反射防止膜で端面を被覆することにより、端面１
２０の反射率をもはや鏡として有効でないレベルまで減少させて寄生横振動を効
率的に抑制することができる。

【０１１９】 寄生横振動を抑制するさらにもう１つの手段は、チップ３２（ＯＰＳ構造体３
２）の最も長い線形寸法（端面長）がポンピングされるエリア１２２よりかなり
大きいことを保証することである。本発明に従うＯＰＳレーザーのために用いら
れる電力レベルにおいて、端面１２０の長さは好ましくはポンピングされるエリ
アの直径よりも約３倍大きい。ポンピングされないＯＰＳ構造の本質的な吸収と
、端面１２０間を走行する放射のために必要な大きくされた距離により、たとえ
端面１２０が滑らかであっても、寄生横振動を効率的に抑制するために十分な損
失を供給することができる。

【０１２０】 寄生横振動を抑制するために、ポンピングされるエリアの外で利得構造体３４
の材料の吸収を計画的に増やすことの可能性の限度はなくない。これは、例えば
、ＯＰＳ構造体３２の成長の後に、選択的な化学処理するか又はイオン注入法に
よって達成されているかもしれない。明らかに、寄生横振動を減らすための上に
記述されたどの処置も単独又は、適切であるなら、組み合わせて使用できる。

【０１２１】 ここで本発明に従うＯＰＳレーザーのための周波数変換材料の選択について述
べると、上記の通り、外部共振器ＯＰＳレーザーから利用可能な波長の範囲は周
波数逓倍、２倍又は混合によって拡張されるかもしれない。これは好ましくは、
光学的非線形結晶がＯＰＳ構造体の鏡構造体と、（その構造体の外側の）従来技
術の鏡との間に形成された共振器に含められるキャビティ内（ＩＣ）周波数変換
（高調波生成）によって達成される。本発明に従うＩＣ周波数変換ＯＰＳレーザ
ーのための特に望ましい光学的非線形結晶材料はＬＢＯである。

【０１２２】 公知のＯＰＳレーザーにおいては利用可能な電力は限定されているため、この
ようなレーザーにおいて、可能な限り高い周波数変換効率を備える光学的非線形
材料、典型的にKNbO_３を使用することが今までなされてきた。しかしながら、KN
bO_３は、本発明に従う強力な周波数倍増レーザーで使用するためにそれを選択す
るには理想からはほど遠いある特定の不利な性質を有する。これらの不利な特徴
はあるもろさと、限定されたスペクトルアクセプタンス範囲である。光学的非線
形材料のスペクトルアクセプタンス範囲は、その材料結晶のために周波数変換さ
れるであろう波長の範囲である。

【０１２３】 図１２は、KNbO_３の計算され、正規化されたスペクトルアクセプタンスと、か
なりより耐久性のある、しかしより効率が低いＬＢＯを示す。それぞれが、約９
７６ｎｍでレーザー作用を与えるように選ばれた合成物を有する５ｍｍ長さのIn
GaAs能動層の形態であると考えられる。KNbO_３のスペクトルアクセプタンスはＬ
ＢＯのそれの約１０分の１であり、能動層の利得帯域幅と比較して非常に狭いこ
とがわかる。

【０１２４】 ここで、キャビティ内光学的非線形結晶の周波数倍増機構が他のいかなる制約
もなく、基本波長の損を表すので、共振器はその振動波長を損がない波長へ移行
する（飛ぶ）傾向がある。これが起きるとき、周波数倍増出力は、全体的に止ま
るのでなければ、壊滅的に落ち、基本電力が相応して急上昇するであろう。

【０１２５】 波長飛び越えは、波長飛び越えがない場合のものよりもより低い平均電力の非
常にノイズが多い周波数変換出力をもたらすであろう。この波長飛び越えは共振
器に複屈折フィルター、エタロン又は同種のもののような大いに波長選択的がで
きる要素を含めることによって限定され得る。しかしながら、このような必要な
選択性を有する装置は、重要な共振器損をもたらし、出力を制限する。いずれの
方法でも、これは、KNbO_３の名目上の高い変換効率がその全処置において、実際
は、実現されないかもしれないことを意味するであろう。さらに、波長選択装置
は恐らく満足にそのピーク伝達波長を安定させる温度調整のような能動措置を必
要とするであろう。

【０１２６】 ずっとより広いアクセプタンスを有するＬＢＯ材料はまだ完全に波長飛び越え
から免除されておらず、キャビティ内波長選択装置の波長を抑制する利益がない
であろう。しかしながら、ＬＢＯのケースにおけるこのような波長選択装置は、
KNbO_３のために必要とされるであろうより１０倍もより少ない選択とすることが
でき、能動安定化を必要としないであろうし、そして重要な共振器損をもたらさ
ないであろう。

【０１２７】 完全性のために、光学的非線形結晶のスペクトルアクセプタンスは結晶の長さ
に逆比例していることがここで指摘される。このような結晶の第二高調波生成（
ＳＨＧ）効率は材料定数ｄ_effの２乗に結晶の長さの２乗をかけたものにだいた
い比例している。KNbO_３のためのd_eff値がＬＢＯのためのd_eff値よりも約１０倍
大きいので、理論上少なくとも、０.５ｍｍ長さのKNbO_３結晶は５.０のｍｍ長さ
のＬＢＯ結晶と同じピークＳＨＧ効率とスペクトルアクセプタンスを有するであ
ろう。しかしながら、KNbO_３のもろさのために、０.５mm長さのKNbO_３結晶は幾
分、製造処理することが実際的でないかもしれないと信じられる。本発明に従う
ＯＰＳレーザー共振器での共振器でのKNbO_３結晶の使用は、しかしながら、妨げ
られない。

【０１２８】 一般に、上に論じた理由のために、ＬＢＯとクロムリチウムトリボレート（Ｃ
ＬＢＯ）は周波数２倍、周波数３倍に関して好ましい。ＢＢＯは周波数４倍、周
波数３倍に関して好ましい。約６７０ｎｍよりも波長を２倍又は３倍に短くする
ために、ストロンチウムバリウムボラート（ＳＢＢＯ）、ストロンチウムボラー
ト（ＳＢＯ）及びバリウムホウ酸亜鉛（ＢＺＢＯ）を含む光学的非線形材料は効
果的であると信じられる。しかしながら、これらの光学的非線形材料の優先性は
本発明に従うＩＣ周波数変換レーザーを限定するものであると考えられるべきで
はない。

【０１２９】

【表１】

【０１３０】

【表２】

【０１３１】 ここで本発明に従う強力なＯＰＳ構造体のための望ましい材料の記述を続ける
と、表１は利得構造体３０のための好ましいＱＷ層とセパレータ層材料を列挙す
る。それぞれの材料セットは、１つの特定の鏡構造体３０（ブラッグ鏡）の番号
、下地及び基本波長範囲と関連している。ブラッグ鏡の詳細、組成は表２で与え
られる。

【０１３２】 表１と２で表される構造体は、鏡構造体と利得構造体の両方に関して、同じ波
長範囲に対して公知の好ましい構造体から逸脱していることを表す。表１と２に
おいて、合成物比率（サブスクリプト）ｘ、ｙとｚはすべて０.０と１.０の間の
値を持つ。各ケースにおいて、引張歪みを受ける全ての層と、圧縮歪みを受ける
全ての層の応力と層厚の積が等しくなることを保証することによって、ＯＰＳ構
造体の応力が全体としてできる限り低くなるように、材料（化合物）は選択され
る。このことは、高い作動温度を受け、従って、作動と不活性の時期の間に大き
い温度サイクルを受ける本発明に従うＯＰＳ構造体において特に重要である。

【０１３３】 本発明に従う上に例示されたＩＣ周波数倍増ＯＰＳレーザーのＯＰＳ構造体（
図２参照）は最初にリストアップされた構造体の例であり、ＱＷ層とセパレータ
層の間のGaAs「移行」層は、これらの層の間に存在する応力差を軽減する。図２
のＯＰＳ構造体の利得構造は一般にIII−Ｖ四成分系InGaAsPの成分から形成され
ているとして分類され、そこでは、下地材料がその成分（ここではGaAs）の２成
分III-Ｖ化合物であり、ＱＷ層が両方の下地材料成分を含む１つの可能な３成分
III-Ｖ化合物から形成され、そしてセパレータ層が両方の下地材料成分を含む他
の可能な３成分III-Ｖ化合物から形成される。表１のタイプ３構造体（InP下地
材料の上）は同じくこのカテゴリーに分類される。これはこの四成分系から形成
されたＯＰＳ構造物に最適な応力補正を与えると信じられる。表１のタイプ３構
造体のために誘電材料を含む鏡構造体が望ましい。１つの望ましい構造はセレニ
ド亜鉛（ZnSe）の高屈折率層と、酸化アルミニウムの低屈折率層を含む。このコ
ンビネーションは、従来技術の一般的なコーティングに用いられるTiO_２とSiO_２ の組み合わせとして層対の数毎にほぼ同じ反射率を供給するが、より低い合計物
理厚と、より高い熱伝導率を伴う。表２の鏡構造体は表１のＱＷ／セパレータ構
造体と共に用いるために望ましい構造体であることがここで強調され、本発明に
従うＯＰＳレーザーにおける表１のＱＷ／セパレータ構造体を持つ他の鏡構造体
の使用は除外されない。

【０１３４】 さらに、上に供給された発明のＯＰＳレーザーの記述から、当業者は、本発明
の原理と範囲から外れることなく、約４２５ｎｍ−１８００ｎｍ間の波長におい
て基本放射を供給するための他のＯＰＳ構造体を選択することができる。このよ
うな構造体は、例えば、In_xGa_１-xAs_yP_１-ｙ、Al_xGa_１-xAs_yP_1-ｙ及びIn_xGa_１-x N（ここで、０.０≦ｘ≦１.０、０≦ｙ≦１）からなる半導体化合物の群から選
択されるＱＷ層又は能動層を含むことができる。このリストは、しかしながら、
本発明を限定すると考えられるべきではない。第二、第三及び第四高調波波長は
、もちろん、約２１２と９００ｎｍ、１４２と６００ｎｍ及び１０６と２２５ｎ
ｍの間にあるであろう。後の範囲の半分であるより短い波長での性能は適当な光
学材料の有効性によって幾分限定されるかもしれない。

【０１３５】 次に本発明のＯＰＳレーザーの出力を増大させる更なる態様の論議に移り、上
に記述されたＯＰＳレーザーの実施形態において、ただ１つのＯＰＳ構造体３２
が含まれる。達成され又は自信を持って予測されるレベルを超えるように出力を
増やすためのいくつかのアプローチがこれに関係なく論じられた。しかしながら
、上に論じられたアプローチだけを採用することが収穫遞減に導かれるかもしれ
ないことは、これらの論議から当業者にとって明らかであろう。もしこれが本当
であること、あるいは単に選択肢であることが分かったなら、出力（基本又は高
調波）は、適切に構成された共振器において少なくとも第２ＯＰＳ構造体を組み
入れることによって増やされるかもしれない。１つのそのような共振器の記述が
下に明らかにされる。

【０１３６】 図１３に言及し、この図において本発明に従うＩＣ周波数２倍ＯＰＳレーザー
の更なる実施形態１２８を叙述する。レーザー１２８は、２つのＯＰＳ構造体３
２，３２Xを含むしっかり折り返された共振器１３０を含むでなる。共振器１３
０は一端においてＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０で終結し、他端においての鏡
２８で終結する。共振器１３０は上に論じられた理由のために複屈折フィルター
５２を含む。ＯＰＳ構造体は上に記述するヒートシンクアセンブリ３６上に設け
られている。共振器軸１３２はＯＰＳ構造体３２Xの鏡構造体３０Xによって一旦
折り返され、折り返し鏡２６によって再び折り返される。周波数を２倍にするた
めに設けられた光学的非線形結晶５０は共振器１３０の腕１３０Aに位置し、即
ち、折り返し鏡２６と端部鏡２８の間に位置している。鏡２８は基本波長での最
大反射率のために覆われている。鏡２６は基本波長での最大反射率のためと、２
Ｈ波長での最大伝搬のために覆われている。

【０１３７】 ここで、共振器をしっかりと折り返すことは、ＯＰＳ構造体３２Xに対して可
能な限り垂直入射に近いものに維持されるように選択されることに留意すべきで
ある。これは逆方向に伝搬する基本光線間での利得構造体３４X内における干渉
を最小にするためである。このような干渉はＱＷ層の平面で干渉縞を形成（一種
の「横空間のホールバーニング」）することになり、そのため、これらの層から
の利得抽出を制限する。この点に関して、利得構造体３４XでのＱＷ層の間隔と
、鏡構造体３０Xの層の厚さを調整して非垂直入射による有効屈折率変化を補正
し、それによってＱＷ層の有効半波長間隔を維持することが同じく望ましい。

【０１３８】 続いて図１３に言及し、レーザー１２８と本発明に従う他の上に記述したＯＰ
Ｓレーザーの更なる相違は、ポンプ光がＯＰＳ構造体に配送される方法である。
レーザー１２８において、他の上に記述された実施形態のようにポンプ光はファ
イバー４０に沿って送られる。

【０１３９】 これらの他の実施形態の折り返し鏡４４と、合焦 レンズ４６，４８は、しか
しながら、２つの放射状勾配指標レンズ（radial-gradient-index lenses）１４
６，１４８のアセンブリで置き換えられる。このようなレンズはしばしば包括的
に「セルフォック（selfoc）」と呼ばれる。このようなレンズは、上に記述した
例のレーザー２０のレンズ４６，４８と比べて同じ光学性能を供給することがで
きることが判明した。１つの例において、レンズ１４６はカリフォルニア州アー
バインのメレス・グリオット社(Melles Griot Inc.)から入手可能な部品番号０
６LGS２１６である。レンズ１４８は部品番号SLW1８０-０２０-０８３-A２であ
る。このセルフォック（selfoc）レンズ装置は、共振器２８のようなしっかり折
り返された共振器の場合のマルチファイバー（ファイバー束）ポンピングに関し
て都合の良い接近手段を供給する。ポンプ光配送光学装置の量を単に減らすか又
は従来の合焦光学の大部分のために可能であるファイバーよりも多くのファイバ
ーによって電力を配送するために、いかなる他の上に記述された実施形態で上記
装置を使うことができる。

【０１４０】 当業者であれば、本発明の原理と範囲から逸脱することなく、前述の説明から
３以上のＯＰＳ構造体を含むＯＰＳレーザーを考案できるであろう。このような
ＯＰＳレーザーを、ＯＰＳ構造体の基本波長又は高調波波長において出力放射を
配送するように構成することができる。

【０１４１】 折り返されたレーザー共振器を２つの外部鏡の間に形成し、折り返されたレー
ザー共振器が１つ以上のＯＰＳ構造体３２だけを折り返し鏡として含むことがで
きることは、レーザー１２８の説明から当業者にとってまた明白であろう。この
ような折り返されたレーザー共振器は図１４で叙述される。ここで、本発明に従
うＯＰＳレーザー１４０は、鏡２８F，１４４によって終結され、（上に論じら
れた理由のために）ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によってしっかり折り返さ
れたレーザー共振器１４２を含む。ヒートシンクと光ポンピング装置はレーザー
１２８に関して上に記述したものと同じである。レーザー共振器はオプションと
して複屈折フィルター５２を含む。

【０１４２】 レーザー１４０のレーザー共振器装置は、もしそれが２つの平らでない鏡によ
って終結されるレーザー共振器を構成することを望むならば有用であるかもしれ
ない。共振器がその一端においてＯＰＳ構造体の鏡構造体によって終結されない
同様な装置は、本発明に従うＯＰＳレーザーの他のいかなる上に記述された実施
形態に対して考案されることはレーザー１４０の装置から明白である。

【０１４３】 要約すると、本発明に従う強力ＩＣ周波数転換のＯＰＳレーザーのいくつかの
実施形態が上に記述された。一般に、発明のレーザーの実施形態は、１００ｍＷ
以上及び１Ｗ以上の電力での基本放射から第二、第三又は第四高調波出力を生成
することができる。これらの高調波出力は単一軸モード又は回折限界の２倍より
も少ないビーム品質を持つTEM_００作動において達成されうる。これらの高出力
、いっそう特に、１パーセントよりも良いポンプ−高調波効率において、７００
ｎｍ乃至８００ｎｍの波長範囲での基本放射から第二高調波を発生させることに
より、ＵＶ出力放射を生成する発明のレーザーの能力は特に顕著である。

【０１４４】 発明のＯＰＳレーザーは真のCW動作モードにおいて波長を生成する手段を供給
することができ、その手段は薬、光学式計測学、分光学、光学式リソグラフィ及
び精密レーザー加工のような分野における多くのレーザー応用のための最適波長
にほとんど適合することができる。例として、発明のＯＰＳレーザーは、１１８
０乃至１２００ｎｍの範囲で放射するＯＰＳ構造体から第二高調波を発生させる
ことにより、５９０乃至６００ｎｍの波長範囲のCW出力放射を効率的に生成する
ことができる。５９０から６００ｎｍは眼科の外科用の適用に有利である。この
波長範囲は公知のレーザーによって効率的に生成されない。強力なＵＶ放射を生
成する能力は、特に、プリント回路基板又は従来のＵＶプレートを直接書き込み
又はパターンニングするようなエリアで特に適用可能である。このような応用に
おいて、発明のＯＰＳレーザーはエネルギ源、効率及びビーム品質を提供するだ
けではなく、多くの応用において、露出され、切除去され、加熱され、光化学的
に変更され、あるいは処理された材料の吸収ピークまで出力波長を「調整」する
能力をも提供する。ＯＰＳレーザーに関する上記説明から、当業者であれば、本
発明の原理と範囲から外れないで発明のレーザーのために多くの他の使用を考え
出すことができる。

【０１４５】 ここでは、好ましい実施形態その他の実施形態に言及して本発明を叙述してい
る。しかしながら、本発明は叙述した実施形態に限定されるものではない。発明
はむしろここに添付した特許請求の範囲の請求項によってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

本明細書に組入れられてその一部をなす添付図は、本発明の望ましい実施形態
を図式的に例示し、上記一般的記載及び以下の望ましい実施形態の詳細な記載と
共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

【図１】 本発明によるＯＰＳレーザー装置の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレー
ザー装置はＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波
数倍増するように配列された光学的に非線形結晶を有する。

【図２】 図１共振器の軸位置の関数としての基本放射のモードサイズをグラフ表示であ
る。

【図３】 図１ＯＰＳ構造体の望ましい一実施形態及び半導体層の組成を図式的に例示す
る。

【図４】 本発明によるＯＰＳレーザー装置の他の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳ
レーザー装置はＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内
周波数３倍増するように配列された２つの光学的に非線形結晶を有する。

【図５】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに他の望ましい実施形態を例示する。
ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む第１共振器及び第１共振器と共通の光
学距離を有する第２共振器を有し、共振器の共通光学距離はＯＰＳ構造体の基本
波長を空洞内周波数３倍増するように配列された２つの光学的に非線形結晶を含
む。

【図６】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに他の望ましい実施形態を例示する。
ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む第１共振器及び第１共振器と共通の光
学距離を有する第２共振器を有し、共振器はＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周
波数４倍増するように配列される。

【図７】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。Ｏ
ＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む直線共振器及び複屈折フィルタを有する
。

【図８】 本発明によるヒートシンクアッセンブリと結合された図１及び４−７のいずれ
かのＯＰＳ構造体を図式的に例示する。

【図９】 比較的大きい銅ヒートシンク表面の選択された区域内への一様な熱流によって
生成される等温曲線を表わすグラフである。

【図１０】 比較的大きい銅ヒートシンクと結合されたＣＶＤダイアモンド層表面上で図７
の選択された区域内への一様な熱流によって生成される等温曲線を表わすグラフ
である。

【図１１】 本発明によるＯＰＳ構造体における寄生的横共振図式的に例示する透視図であ
る。

【図１２】 ＬＢＯ及びニオブカリウム（ＫＮｂｏ_３）の等長結晶に対する波長の関数とし
て計算された変換効率を図式的に例示するグラフである。

【図１３】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。Ｏ
ＰＳレーザー装置は、２つのＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本
波長を空洞内周波数倍増するように配列された光学的に非線形結晶を含む。

【図１４】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。Ｏ
ＰＳレーザー装置は、第１及び第２外部鏡によって終結されると共にＯＰＳ構造
体の鏡構造体によって折り返される、折り返された共振器を有する。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１０月３０日（２０００．１０．３０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── 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，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (72)発明者 スピネリー、ルイス・エイ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94086、サニーベール、シー・イースト・ マッキンリー 545 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 CA02 HA20 5F073 AA67 AB23 AB27 AB29 BA09 CA07 CB02 EA07 EA18 EA22 EA24

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 発振器軸を有しかつ第１及び第２鏡２８F、３０によって終
   結されるレーザー発振器２２Fと、 該発振器内に配置されかつ鏡構造体に載っている利得構造体３４を有するＯＰ
   Ｓ構造体であって、前記利得構造体は、層間に能動ポンプ光吸収層を有する複数
   の層を含み、前記能動層は、光学ポンプ光が前記利得構造体に入射すると約４２
   ５ｎｍ及び１８００ｎｍ間の予め決められた基本波長において電磁放射を放出す
   るために選択される組成を有し、前記鏡構造体は交番する高及び低屈折率の複数
   の層を含むと共に前記予め決められた波長の約四分の一の光学厚さを有するＯＰ
   Ｓ構造体と、 前記ポンプ光４２を前記利得構造体に伝える光学装置４０であって、それによ
   って前記基本波形を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で発振する
   ようにさせる光学装置と、 前記ＯＰＳ構造体を冷却するヒートシンク装置３６と、 前記レーザー共振器に設けられて前記基本レーザー放射を周波数増大させるた
   めに配置される１つ又はそれ以上の光学的に非線形結晶であって、それによって
   前記基本波長の分数である波長を有する周波数増大された放射を与える非線形結
   晶と、 前記レーザー共振器、前記光学的非線形結晶、前記ＯＰＳ構造体、前記ヒート
   シンク装置及び前記光学ポンプ光伝達装置は、前記レーザー共振器が、約１００
   ｍＷより大きい出力電力で約２１２ｎｍ乃至９００ｎｍの波長を有するように選
   択かつ配置されることから成るレーザー装置。 【請求項２】 前記レーザー共振器には前記光学的に非線形結晶５０の１つ
   のみが設けられ、前記光学的非線形結晶は前記基本レーザー放射を周波数倍増さ
   せるように配置され、それによって前記基本波長の半分の波長を有する周波数倍
   増放射を与える、請求項１の装置。 【請求項３】 前記レーザー共振器には前記光学的に非線形結晶５０、６２
   の２つが設けられ、前記光学的非線形結晶の第１のものは前記基本レーザー放射
   を周波数倍増させるように配置され、前記光学的非線形結晶の第２のものは前記
   周波数倍増される放射に前記基本放射を混合するように配置され、それによって
   前記基本波長の三分の一の波長を有する周波数３倍増放射を与える、請求項１の
   装置。 【請求項４】 前記レーザー共振器には前記光学的に非線形結晶の２つが設
   けられ、前記光学的非線形結晶の第１のものは前記基本レーザー放射を周波数倍
   増させるように配置され、前記光学的非線形結晶の第２のものは前記周波数倍増
   される放射の周波数を倍増するように配置され、それによって前記基本波長の四
   分の一の波長を有する周波数４倍増放射を与える、請求項１の装置。 【請求項５】 前記レーザー共振器が少なくとも５ｃｍの光学長を有する、
   請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項６】 前記周波数倍増される放射が単一軸モードで伝達される、請
   求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項７】 前記利得構造体の前記能動層は、０．０≦ｘ≦１．０及び０
   ≦ｙ≦１のとき、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ _１−ｙ 及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮから成る半導体化合物のグループから選択される
   、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項８】 前記利得構造体の前記能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のとき
   Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの組成を有し、前記基本波長が約９００乃至１０５０ｎｍ
   になるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、前
   記分離層がＧａＡｓ_ｙＰ_１−ｙを有する、請求項７の装置。 【請求項９】 前記鏡構造体の高屈折率層は組成ＧａＳａを有し、０．０＜
   ｙ＜１．０のとき、前記鏡構造体の前記低屈折率層は組成ＡｌＡｓ_ｙＰ_１−ｙを
   有する、請求項８の装置。 【請求項１０】 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩ
   ｎ_ｘＧａ_１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が約７００乃至９００ｎｍになる
   ようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜
   ｙ＜１．０及び０．０＜ｚ＜１．０のとき、前記分離層が組成Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙ Ａｓ_ｚＰ_１−ｚを有する、請求項７の装置。 【請求項１１】 前記鏡構造体の高屈折率層は、０．０＜ｐ＜１．０のとき
   、組成Ｉｎ_ｐＡｌ_１−ｐＰを有し、前記鏡構造体の前記低屈折率層は、０．０＜
   ｑ＜１．０のとき、組成Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓを有する、請求項１０の装置。 【請求項１２】 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩ
   ｎ_ｘＡｓ_１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が約７００乃至９００ｎｍになる
   ようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜
   ｙ＜１．０のとき、前記分離層が組成Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓを有する、請求項７
   の装置。 【請求項１３】 前記鏡構造体の前記高屈折率層及び前記低屈折率層は、前
   記基本波長に対して透明なそれぞれ高及び低屈折誘電材料から成る、請求項１２
   の装置。 【請求項１４】 前記高屈折率材料はセレン化亜鉛であり、前記低屈折率材
   料は酸化アルミニウムである、請求項１３の装置。 【請求項１５】 前記利得構造体の前記能動層は利得帯域幅を有し、前記光
   学的に非線形結晶は周波数増大に関してスペクトル受容範囲を有し、前記スペク
   トル受容範囲は前記利得帯域幅より小さく、前記レーザー共振器は、前記スペク
   トル受容範囲外の波長を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で共振
   するのを防止するように構成かつ配置される波長選択要素をさらに含む、請求項
   １−４のいずれか１つの装置。 【請求項１６】 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、請求項１５の
   装置。 【請求項１７】 前記波長選択要素はエタロンである、請求項１５の装置。 【請求項１８】 前記ヒートシンク装置は能動的に冷却される部材を含み、
   前記能動的に冷却される部材前記能動冷却部材は、それで熱接触するダイアモン
   ド層を有し、前記ＯＰＳ構造体の鏡構造が前記ダイヤモンド層と熱接触する、請
   求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項１９】 前記の動的に冷却される部材はマイクロチャンネル冷却器
   である、請求項１８の装置。 【請求項２０】 前記ポンプ光を前記利得構造体に伝える前記光学装置は、
   ポンプ光をその光源から前記ポンプ光を収斂させる光学収斂装置まで搬送するた
   めに少なくとも１つの光学光案内を含み、前記光学収斂装置は少なくとも１つの
   レンズを含む、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項２１】 前記少なくとも１つのレンズはラジアルグラジエントイン
   デックスレンズである、請求項２０の装置。 【請求項２２】 前記光学収斂装置は２つのラジアルグラジエントインデッ
   クスレンズである、請求項２０の装置。 【請求項２３】 前記１つ又はそれ以上の光学的に非線形結晶のどれもが、
   ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＳＢＢＯ、ＳＢＯ及びＢＺＢＯから成る光学的に非
   線形材料のグループから選択される材料の結晶である、請求項１−４のいずれか
   １つの装置。 【請求項２４】 前記レーザー共振器の前記縦軸は前記反射器及び前記ＯＢ
   Ｓ構造体間に設けられる折りたたみ鏡２６によりある角度だけ折り曲げられ、前
   記１つ又はそれ以上の光学的に非線形結晶は、前記反射器及び前記折りたたみ鏡
   間の前記レーザー共振器の前記縦軸上に設けられる、請求項１−４のいずれか１
   つの装置。 【請求項２５】 前記折りたたみ鏡は前記基本放射に対して高度に反射的で
   あり、前記周波数増大される放射に対しては高度に透過的であり、それによって
   前記折りたたみ鏡は、前記周波数増大される出力放射を前記共振器から伝達する
   と共に周波数増大される放射が前記ＯＰＳ構造体に達するのを本質的に回避する
   出力結合鏡として役立つ、請求項２４の装置。 【請求項２６】 前記折りたたみ鏡は、該光を前記１つ又はそれ以上の光学
   的に非線形結晶内に収斂させる凸面鏡である、請求項２５の装置。 【請求項２７】 前記ＯＰＳ構造体は、そこでの基本放射の寄生横共振を最
   小化するように構成される、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項２８】 前記ＯＰＳ構造体は放出面１１９を有する矩形チップの形
   式であり、前記ポンプ光は前記放出面の予め決められた領域においてそれに伝達
   され、前記チップは前記放出面に直角な平行端面１２０の２つの対を有し、前記
   平行端面は、そこでの基本放射の寄生横共振を最少にするために、前記予め決め
   られたポンプ光伝達領域の最長寸法の少なくとも３倍の距離だけ隔置される、請
   求項２７の装置。 【請求項２９】 前記ＯＰＳ構造体は、放出面を有すると共に前記放射面に
   直角な平行端面の２つの対を有する矩形チップの形式であり、前記平行端面は、
   そこからの基本放射のスペクトル反射を避けるために粗くされ、それによって前
   記寄生横共振が最少にされる、請求項２７の装置。 【請求項３０】 前記鏡構造体では、前記レーザー共振器内の基本放射を増
   大させるのに十分な反射率を与えると同時に、前記利得構造体で発生される熱の
   前記ヒートシンク装置への熱伝導率を最大にするために、屈折率、熱伝導率及び
   同構造体の前記層の数が選択される、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項３１】 前記鏡構造体が、高度に反射的な金属の層をさらに含み、
   前記金属層が前記ヒートシンク装置に最近接される、請求項１−４のいずれか１
   つの装置。 【請求項３２】 前記ポンプ光は、予め決められたポンプスポットサイズで
   前記ＯＰＳ構造体の前記利得構造体上に伝達され、前記共振器は、前記共振基本
   レーザー放射の前記利得構造体におけるスポットサイズが前記ポンプスポットサ
   イズとほぼ等しい、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項３３】 前記ＰＯＳ構造体の鏡構造が前記レーザー共振器の鏡の１
   つを限定する、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項３４】 発振器軸を有しかつ第１及び第２鏡２８F、３０によって
   終結されるレーザー発振器２２Fと、 表面放出利得構造体３４を有する第１ＯＰＳ構造体であって、前記利得構造体
   は、層間に能動ポンプ光吸収層を有する複数の層を含み、前記能動層は、光学ポ
   ンプ光が前記利得構造体に伝達されると、予め決められた基本波長において電磁
   放射の放出を与えるために選ばれる組成を有する第１ＯＰＳ構造体と、 前記レーザー共振器は、前記ＯＰＳ構造体の前記利得構造体を含むように構成
   され、 前記ポンプ光４２を前記利得構造体に伝える光学装置４０であって、それによ
   って前記基本波形を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で発振する
   ようにさせる光学装置と、 前記第１ＯＰＳ構造体を冷却する第１ヒートシンク装置３６と、 前記レーザー共振器が２Ｗより大きい出力電力で前記基本波長を有する出力放
   射を伝達するように、前記レーザー共振器、前記第１ＯＰＳ構造体、前記第1ヒ
   ートシンク装置及び前記第1光学ポンプ光伝達装置が配置されることとから成る
   レーザー装置。 【請求項３５】 前記レーザー共振器は直線共振器２２Fとして構成され、
   前記第１OPS構造体は前記利得構造体が載せられる鏡構造体を含み、前記第２鏡
   は前記第１OPS構造体の鏡構造体である、請求項３４の装置。 【請求項３６】 前記レーザー共振器は折りたたみ共振器１４２として構成
   され、前記第１ＯＰＳ構造体３２Xは、前記利得構造体が載せられる鏡構造体３
   ０Xを含み、前記第１ＯＰＳ構造体の前記鏡構造体前記レーザー共振器を折り曲
   げる折りたたみ鏡として役立つ、請求項３４の装置。 【請求項３７】 第２OPS構造体３２をさらに含み、前記第２OPS構造体は前
   記レーザー共振器内に設けられる利得構造体３０を有すると共に層間に分離層を
   有する分離層を有する複数の能動層を含み、前記能動層は前記予め決められた基
   本波長で電磁放射放出するように選択される組成を有し、該レーザーは前記ポン
   プ光を前記第２OPS構造体の前記利得構造体に伝える第２光学装置をさらに含み
   、前記鏡構造体３０は前記第２鏡である、請求項３６の装置。 【請求項３８】 前記レーザー共振器の前記縦軸は前記第１OPS構造体の前
   記鏡構造体によってある角度で折り曲げられ、前記レーザー共振器内で共振する
   前記レーザー放射が、前記共振するレーザー放射の対抗伝播する光線間の干渉を
   最小化するために選択される角度で前記第１OPS構造体上に入射するようにされ
   る、請求項３６又は３７のいずれかの装置。 【請求項３９】 前記共振放射が殆ど直角入射で前記第１OPS構造体上に入
   射される、請求項１８の装置。 【請求項４０】 前記レーザー共振器が少なくとも５ｃｍの光学長を有する
   、請求項３４−３６のいずれか１つの装置。 【請求項４１】 前記利得構造体の前記能動層は、０．０≦ｘ≦１．０及び
   ０≦ｙ≦１のとき、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙ Ｐ_１−ｙ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮから成る半導体化合物のグループから選択され
   る、請求項１−４のいずれか１つの装置。 【請求項４２】 前記鏡構造体は高及び低屈折率材料の交番する層を含む、
   請求項４０の装置。 【請求項４３】 前記利得構造体の前記能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のと
   きＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの組成を有し、前記基本波長が約９００乃至１０５０ｎ
   ｍになるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、
   前記分離層がＧａＡｓ_ｙＰ_１−ｙを有する、請求項４１の装置。 【請求項４４】 前記鏡構造体の高屈折率層は組成ＧａＳａを有し、０．０
   ＜ｙ＜１．０のとき、前記鏡構造体の前記低屈折率層は組成ＡｌＡｓ_ｙＰ_１−ｙ を有する、請求項４３の装置。 【請求項４５】 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩ
   ｎ_ｘＧａ_１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が約７００乃至９００ｎｍになる
   ようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜
   ｙ＜１．０及び０．０＜ｚ＜１．０のとき、前記分離層が組成Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙ Ａｓ_ｚＰ_１−ｚを有する、請求項４１の装置。 【請求項４６】 前記鏡構造体の高屈折率層は、０．０＜ｐ＜１．０のとき
   、組成Ｉｎ_ｐＡｌ_１−ｐＰを有し、前記鏡構造体の前記低屈折率層は、０．０＜
   ｑ＜１．０のとき、組成Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓを有する、請求項４５の装置。 【請求項４７】 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩ
   ｎ_ｘＡｓ_１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が約７００乃至９００ｎｍになる
   ようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜
   ｙ＜１．０のとき、前記分離層が組成Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓを有する、請求項４
   １の装置。 【請求項４８】 前記鏡構造体の前記高屈折率層及び前記低屈折率層は、前
   記基本波長に対して透明なそれぞれ高及び低屈折誘電材料から成る、請求項４７
   の装置。 【請求項４９】 前記高屈折率材料はセレン化亜鉛であり、前記低屈折率材
   料は酸化アルミニウムである、請求項４８の装置。 【請求項５０】 前記利得構造体の前記能動層は利得帯域幅を有し、前記レ
   ーザー共振器は、 前記利得帯域幅以内の基本レーザー放射の前記波長を選択するように構成かつ
   配置される波長選択要素をさらに含む、請求項３４−３６のいずれか１つの装置
   。 【請求項５１】 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、請求項５０の
   装置。 【請求項５２】 前記波長選択要素はエタロンである、請求項５０の装置。 【請求項５３】 前記ヒートシンク装置は能動的に冷却される部材を含み、
   前記能動的に冷却される部材前記能動冷却部材は、それで熱接触するダイヤモン
   ド層を有し、前記ＯＰＳ構造体の鏡構造が前記ダイヤモンド層と熱接触する、請
   求項３４−３６のいずれか１つの装置。 【請求項５４】 前記の動的に冷却される部材はマイクロチャンネル冷却器
   である、請求項５３の装置。 【請求項５５】 前記ポンプ光を前記利得構造体に伝える前記光学装置は、
   ポンプ光をその光源から前記ポンプ光を収斂させる光学収斂装置まで搬送するた
   めに少なくとも１つの光学光案内を含み、前記光学収斂装置は少なくとも１つの
   レンズを含む、請求項３４−３６のいずれか１つの装置。 【請求項５６】 前記少なくとも１つのレンズはラジアルグラジエントイン
   デックスレンズである、請求項５５の装置。 【請求項５７】 前記光学収斂装置は２つのラジアルグラジエントインデッ
   クスレンズである、請求項５６の装置。 【請求項５８】 前記ＯＰＳ構造体は、そこでの基本放射の寄生横共振を最
   小化するように構成される、請求項３４−３６のいずれか１つの装置。 【請求項５９】 前記第１ＯＰＳ構造体は放出面１１９を有する矩形チップ
   の形式であり、前記ポンプ光は前記放出面の予め決められた領域においてそれに
   伝達され、前記チップは前記放出面に直角な平行端面１２０の２つの対を有し、
   前記平行端面は、そこでの基本放射の寄生横共振を最少にするために、前記予め
   決められたポンプ光伝達領域の最長寸法の少なくとも３倍の距離だけ隔置される
   、請求項５８の装置。 【請求項６０】 前記第１１ＯＰＳ構造体は、放出面を有すると共に前記放
   射面に直角な平行端面の２つの対を有する矩形チップの形式であり、前記平行端
   面は、そこからの基本放射のスペクトル反射を避けるために粗くされ、それによ
   って前記寄生横共振が最少にされる、請求項５８の装置。 【請求項６１】 前記鏡構造体では、前記レーザー共振器内の基本放射を増
   大させるのに十分な反射率を与えると同時に、前記利得構造体で発生される熱の
   前記ヒートシンク装置への熱伝導率を最大にするために、屈折率、熱伝導率及び
   同構造体の前記層の数が選択される、請求項３５又は３６のいずれか１つの装置
   。 【請求項６２】 前記鏡構造体が、高度に反射的な金属の層をさらに含み、
   前記金属層が前記ヒートシンク装置に最近接される、請求項３５又は３６のいず
   れか１つの装置。 【請求項６３】 各共振器軸の一部分が共軸路上にあるように配置される第
   １及び第２レーザー共振器２５、２７、３１、２９と、 前記第１共振器２５、２９は、該共軸の外側に配置されるＯＰＳ構造体３２を
   含み、前記ＯＰＳ構造体は利得構造体３４を含み、前記利得構造体は、層間ポン
   プ光吸収層を有する複数の能動層を有すると共に約４２５ｎｍ及び１８００ｎｍ
   間の予め決められた基本波長のレーザー放射を与えるように選択される組成を有
   する複数の能動層を含み、 前記ポンプ光４２を前記利得構造体に伝える光学装置４０であって、それによ
   って前記基本波形を有する基本レーザー放射Ｆが前記第１レーザー共振器内で発
   振するようにさせる光学装置と、 前記第１及び第２レーザー共振器の前記共軸に設けられて前記基本レーザー放
   射２Ｈを周波数倍増させるために配置される光学的に非線形結晶５０であって、
   それによって前記基本波長の半分である波長を有する周波数倍増された放射を与
   える非線形結晶と、 前記周波数倍増放射を増幅するように前記周波数倍増放射及び前記基本放射を
   前記共軸路に沿って共振させるために、前記第２レーザー共振は前記第１共振器
   と協同的に配置されることから成るレーザー装置。 【請求項６４】 前記第１レーザー共振器が第１及び第２鏡２８、３０によ
   って終結され、 前記第２レーザー共振器が第１及び第３鏡２８、７４によって終結され、前記
   共振器軸が、前記第１鏡及び前記第２鏡間に設けられる第４鏡７２によって前記
   共軸内に結合され、前記第４鏡は、前記周波数倍増放射に対して反射的でありか
   つ前記基本レーザー放射に対して透過的であり、前記共軸路が前記第１及び前記
   第４鏡間に延びる、請求項６３の装置。 【請求項６５】 前記共軸路に設けられるかつ６２前記基本レーザー放射及
   び前記周波数倍増放射を混合するために配置され、それによって周波数3倍増放
   射３Hを発生させる光学的に非線形な第２結晶を含む、請求項６３及び６４のい
   ずれか１つの装置。 【請求項６６】 前記共軸路は、前記第１及び第３鏡間に設けられる第５鏡
   ２６によりある角度で折り曲げられ、前記第５鏡は、前記周波数倍増放射及び前
   記基本レーザー放射に対して反射的でありかつ前記周波数３倍増放射に対して透
   過的であり、前記第１光学的非線形結晶は前記第４及び第５鏡間に設けられ、前
   記第２光学的非線形結晶は前記第１および前記第５鏡間に設けられ、前記レーザ
   ーから前記周波数３倍増放射を伝送する出力結合鏡として役立つ、請求項６４の
   装置。 【請求項６７】 前記利得構造体の前記能動層は前記基本波長を含む利得帯
   域幅を有し、前記第１レーザー共振器は前記共軸路外部に設けられかつ前記利得
   帯域幅以内からレーザー放射の前記基本波長を選択するように構成される波長選
   択要素５２を含む、請求項６３及び６６のいずれか１つの装置。 【請求項６８】 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、請求項６７の
   装置。 【請求項６９】 前記波長選択要素はエタロンである、請求項６７の装置。 【請求項７０】 前記周波数３倍増放射の発生を最適化させるために前記第
   ２レーザー共振器の長さが調節可能である、請求項６３及び６７のいずれか１つ
   の装置。 【請求項７１】 前記OPS構造体は鏡構造体３０を含み、前記鏡構造体は、
   その上には前記利得構造体が載せられかつ高及び低屈折率材料の交番する層を含
   み、前記第２鏡は前記鏡構造である、請求項６４及び６７のいずれか１つの装置
   。 【請求項７２】 前記第１レーザー共振器は前記第１及び第２鏡３０、２６
   によって終結され、前記第１及び第２レーザー共振器は前記第３及び第４鏡３０
   、２６によって終結され、前記共振器軸は前記第１鏡及び前記第２鏡間にも設け
   られる第５及び第６鏡７３、７２によって前記共軸内に結合され、前記第５及び
   第６鏡は前記周波数倍増照射に対しては反射的でありかつ前記基本レーザー放射
   に対しては透過的であり、前記共軸が前記第５及び第６鏡間に延びる、請求項６
   ３の装置。 【請求項７３】 前記共軸路外部の前記第２レーザー共振器に設けられかつ
   前記周波数倍増放射の周波数を倍増させるように配置される前記第２光学的非線
   形結晶６７をさらに含み、 それによって周波数４倍増放射４Ｈを発生させる、請求項７２の装置。 【請求項７４】 前記共軸路外部の前記第２共振器の前記軸は、前記第４及
   び第５鏡間に設けられる第７鏡９４によりある角度で折り曲げられ、前記第７鏡
   は、前記周波数倍増放射に対して反射的でありかつ前記周波数４倍増放射に対し
   て透過的であり、前記第１光学的非線形結晶は前記第５及び第６鏡間に設けられ
   、前記第２光学的非線形結晶は前記第４及び前記第７鏡間に設けられ、前記レー
   ザーから前記周波数４倍増放射を伝送する出力結合鏡として役立つ、請求項７３
   の装置。 【請求項７５】 前記利得構造体の前記能動層は前記基本波長を含む利得帯
   域幅を有し、前記第１レーザー共振器は前記共軸路外部に設けられかつ前記利得
   帯域幅以内からレーザー放射の前記基本波長を選択するように構成される波長選
   択要素５２を含む、請求項７２及び７４のいずれか１つの装置。 【請求項７６】 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、請求項７５の
   装置。 【請求項７７】 前記波長選択要素はエタロンである、請求項７５の装置。 【請求項７８】 前記周波数３倍増放射の発生を最適化させるために前記第
   ２レーザー共振器の長さが調節可能である、請求項７２及び７５のいずれか１つ
   の装置。 【請求項７９】 前記OPS構造体は鏡構造体３０を含み、前記鏡構造体は、
   その上には前記利得構造体が載せられかつ高及び低屈折率材料の交番する層を含
   み、前記第２鏡は前記鏡構造である、請求項７２及び７５のいずれか１つの装置
   。 【請求項８０】 前記利得構造体の前記能動層は、０．０≦ｘ≦１．０及び
   ０≦ｙ≦１のとき、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙ Ｐ_１−ｙ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮから成る半導体化合物のグループから選択され
   る、請求項６３−７９のいずれか１つの装置。 【請求項８２】 前記第１光学的に非線形結晶は、LBO及びCLOBから成る光
   学的に非線形結晶材料から選択される材料から成る結晶である、請求項６３−７
   ９のいずれか１つの装置。 【請求項８３】 前記１つ又はそれ以上の光学的に非線形結晶のどれもが、
   ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＳＢＢＯ、ＳＢＯ及びＢＺＢＯから成る光学的に非
   線形材料のグループから選択される材料の結晶である、請求項７１−７９のいず
   れか１つの装置。 【請求項８４】 該放射は該材料を切断し、融除し、過熱し又は光化学的に
   変化させることの１つ又はそれ以上のために、約１０６及び９００ｎｍ間のスペ
   クトル領域で特質的吸収帯域を有する材料を選択的に放射させる方法であって、 ａ）ＯＰＳレーザー装置２０を与え、前記ＯＰＳレーザー装置が、レーザー発
   振器２２内に組入れられる利得構造体３４を有するＯＰＳ構造体３２であって、
   前記利得構造体は、層間に能動ポンプ光吸収層を有する複数の層を含み、前記能
   動層は、前記レーザー共振器によって基本的レーザー放射を発生させるように選
   択された組成を有し、前記レーザー放射は、光学的ポンプ光が前記利得構造体に
   伝達されると、該材料の特質的吸収帯域以内で予め決められた波長の選択された
   整数倍である波長を有すし、前記ＯＰＳレーザーは前記選択された整数倍数によ
   って前記基本放射の周波数を倍増するように配置される１つ又はそれ以上の光学
   的に非線形結晶５０、６２を含み、それによって前記予め決められた波長を有す
   る周波数倍増放射を発生するようにし、 ｂ）光学ポンプ光を前記利得構造体に伝達し、それによって前記周波数倍増さ
   れる放射を発生させるようにし、 ｃ）前記ＯＰＳレーザーからの前記周波数倍増された放射を出力放射として結
   合させ、 ｄ）前記出力放射を該材料に伝達することから成る特殊吸収帯域材量放射方法
   。 【請求項８６】 前記出力放射は、光案内、連結アーム及び光学収斂システ
   ムの中から少なくとも１つを介して伝達される、請求項８５の方法。 【請求項８７】 該レーザーからの結合された前記出力放射は、約１００ｍ
   Ｗより大きい電力を有する、請求項８５及び８６のいずれか１つの方法。 【請求項８８】 該レーザーからの結合された前記出力放射は単一軸モード
   である、請求項８５及び８７のいずれか１つの方法。