JP2003098564A - レーザー基本周波数を他の周波数へ周波数変換するための装置および固体レーザー - Google Patents
レーザー基本周波数を他の周波数へ周波数変換するための装置および固体レーザーInfo
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
- G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
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- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
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- G02F1/3544—Particular phase matching techniques
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】レーザー基本周波数を他の周波数へ周波数変換
するための装置において、非線形プロセスを連続して行
なう際の変換効率を、材料コストおよび位置調整コスト
を少なくして且つ省スペースのコンパクトな配置構成で
達成し、このために非臨界的位相整合の利点をも活用す
る。 【解決手段】光学的に非線形の両結晶の間（Ｃ１，
Ｃ２）に、レーザー光線対を貫通させる複屈折結晶（１
１）が設けられている。複屈折結晶（１１）は、非線形
的な光学特性が防止されていることによりレーザー光線
対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるような
結晶である。異常偏光したレーザー光線は、前記両結晶
（Ｃ１，Ｃ２）のうち一方の結晶内に生じるウォークオ
フとは逆の方向に指向するウォークオフを複屈折結晶内
で蒙る。
するための装置において、非線形プロセスを連続して行
なう際の変換効率を、材料コストおよび位置調整コスト
を少なくして且つ省スペースのコンパクトな配置構成で
達成し、このために非臨界的位相整合の利点をも活用す
る。 【解決手段】光学的に非線形の両結晶の間（Ｃ１，
Ｃ２）に、レーザー光線対を貫通させる複屈折結晶（１
１）が設けられている。複屈折結晶（１１）は、非線形
的な光学特性が防止されていることによりレーザー光線
対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるような
結晶である。異常偏光したレーザー光線は、前記両結晶
（Ｃ１，Ｃ２）のうち一方の結晶内に生じるウォークオ
フとは逆の方向に指向するウォークオフを複屈折結晶内
で蒙る。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、連続して配置され
る光学的に非線形の結晶を用いてレーザー基本周波数を
他の周波数へ周波数変換するための装置であって、前記
結晶のうち、新たな第１の周波数を生成するための第１
の結晶と周波数混合により新たな第２の周波数を生成す
るための第２の結晶とが設けられ、第１の結晶内に生成
されたレーザー光線対が互いに垂直に偏光したレーザー
光線を有し、これらレーザー光線のうち異常偏光したレ
ーザー光線としての１つのレーザー光線が光学的に非線
形の前記両結晶のうちの一方の結晶内でウォークオフを
蒙るようにした前記装置または固体レーザーに関するも
のである。
る光学的に非線形の結晶を用いてレーザー基本周波数を
他の周波数へ周波数変換するための装置であって、前記
結晶のうち、新たな第１の周波数を生成するための第１
の結晶と周波数混合により新たな第２の周波数を生成す
るための第２の結晶とが設けられ、第１の結晶内に生成
されたレーザー光線対が互いに垂直に偏光したレーザー
光線を有し、これらレーザー光線のうち異常偏光したレ
ーザー光線としての１つのレーザー光線が光学的に非線
形の前記両結晶のうちの一方の結晶内でウォークオフを
蒙るようにした前記装置または固体レーザーに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】光学的プロセスを周波数変換のために利
用するこの種の装置は特に固体レーザーにおいて使用さ
れる。これに関してはたとえばB. Ruffing, A. Nabel,
R.Wallenstein著、" High-power picosecond LiB3O5 op
tical parametric oscillatorstunable in the blue sp
ectral range " Appl. Phys. B72, 137-149 (2001)の刊
行物に記載されている。
用するこの種の装置は特に固体レーザーにおいて使用さ
れる。これに関してはたとえばB. Ruffing, A. Nabel,
R.Wallenstein著、" High-power picosecond LiB3O5 op
tical parametric oscillatorstunable in the blue sp
ectral range " Appl. Phys. B72, 137-149 (2001)の刊
行物に記載されている。
【０００３】この種の周波数倍化固体レーザーが特に有
利であるのは、可視スペクトル範囲（ＶＩＳ）または紫
外線スペクトル範囲（ＵＶ）の波長を持ったレーザー光
線を生成させることができるからである。周波数変換の
典型的なプロセスは第２高調波の生成(second harmonic
generation, SHG)と、２つのレーザー光線の和周波数
の生成(sum frequency generation, SFG)である。第２
高調波の生成ではレーザー光線の周波数は２倍にされ、
すなわち波長が半分になる。このような非線形的な光学
プロセス(NLO-Prozesse)は、周波数が１μｍの範囲の近
赤外線の放射波長に相当している固体レーザーにおいて
適用されることが多い。たとえばNd:YVO 4レーザーは、
λ１＝１０６４ｎｍの基本波長で放射する。
利であるのは、可視スペクトル範囲（ＶＩＳ）または紫
外線スペクトル範囲（ＵＶ）の波長を持ったレーザー光
線を生成させることができるからである。周波数変換の
典型的なプロセスは第２高調波の生成(second harmonic
generation, SHG)と、２つのレーザー光線の和周波数
の生成(sum frequency generation, SFG)である。第２
高調波の生成ではレーザー光線の周波数は２倍にされ、
すなわち波長が半分になる。このような非線形的な光学
プロセス(NLO-Prozesse)は、周波数が１μｍの範囲の近
赤外線の放射波長に相当している固体レーザーにおいて
適用されることが多い。たとえばNd:YVO 4レーザーは、
λ１＝１０６４ｎｍの基本波長で放射する。
【０００４】ＮＬＯプロセスは、出発レーザーがｋＷ範
囲の高いピークパワーを持ったパルスまたはパルス列を
放射する場合に特に効果的である。Ｑスイッチングおよ
びモードカップリングのような通常のパルス発生方法は
当業者によく知られている。
囲の高いピークパワーを持ったパルスまたはパルス列を
放射する場合に特に効果的である。Ｑスイッチングおよ
びモードカップリングのような通常のパルス発生方法は
当業者によく知られている。
【０００５】この点は、効率的な周波数変換を行うため
に必要な条件である位相整合に対しても適用される。位
相整合は、非線形的な複屈折結晶を特定の方向に方位付
けることにより、および（または）、適当な結晶温度を
選定することにより達成され、関与する３つの波動の波
数ベクトルにｋ３＝ｋ１＋ｋ２（ＳＨＧに対してはk ３
＝２ｋ１）なる条件を満たさせる。複屈折結晶の複屈折
特性のために、異常偏光波（異常ｅ）のエネルギー流の
方向（ポインティングベクトルｓの方向）は波数ベクト
ルkの方向と一致しない。異常偏光波のエネルギーは、
いわゆる「ウォークオフ」(Walk-Off)角度で正常偏光波
（正常o）から離間する。結晶の出口で両レーザー光線
は距離δだけ分離し、空間的なウォークオフを有してい
る。この現象は、位相整合が臨界的に行われる(critica
l phasematching, CPM)光学的に非線形のすべての結晶
で発生する。
に必要な条件である位相整合に対しても適用される。位
相整合は、非線形的な複屈折結晶を特定の方向に方位付
けることにより、および（または）、適当な結晶温度を
選定することにより達成され、関与する３つの波動の波
数ベクトルにｋ３＝ｋ１＋ｋ２（ＳＨＧに対してはk ３
＝２ｋ１）なる条件を満たさせる。複屈折結晶の複屈折
特性のために、異常偏光波（異常ｅ）のエネルギー流の
方向（ポインティングベクトルｓの方向）は波数ベクト
ルkの方向と一致しない。異常偏光波のエネルギーは、
いわゆる「ウォークオフ」(Walk-Off)角度で正常偏光波
（正常o）から離間する。結晶の出口で両レーザー光線
は距離δだけ分離し、空間的なウォークオフを有してい
る。この現象は、位相整合が臨界的に行われる(critica
l phasematching, CPM)光学的に非線形のすべての結晶
で発生する。
【０００６】これに対して、ＬＢＯ結晶におけるＳＨＧ
および第３高調波の生成（ＴＨＧ）の際の臨界的位相整
合の場合に基本波（λ１＝１０６４ｎｍ）が正常であれ
ば、周波数を２倍にされた光線（λ２＝５３２ｎｍ）は
異常偏光し、これにより波動の相互作用は結晶の全長に
わたって保証されない。よって変換効率が低下し、空間
的ビームプロフィールが変形し望ましくない。
および第３高調波の生成（ＴＨＧ）の際の臨界的位相整
合の場合に基本波（λ１＝１０６４ｎｍ）が正常であれ
ば、周波数を２倍にされた光線（λ２＝５３２ｎｍ）は
異常偏光し、これにより波動の相互作用は結晶の全長に
わたって保証されない。よって変換効率が低下し、空間
的ビームプロフィールが変形し望ましくない。
【０００７】このため、ウォークオフを低減または補償
することができるような技術的解決法を見出す努力が成
されている。特に適しているのは非臨界的位相整合であ
り、非臨界的位相整合では前記ウォークオフ現象は発生
せず、臨界的位相整合に比べて多くの利点がある。すな
わち変換効率が高いこと、角度傾斜に対し反応しないこ
と、ラジアルシンメトリーが得られること、異常偏光レ
ーザー光線が発生してもビームクオリティが得られるこ
とである。
することができるような技術的解決法を見出す努力が成
されている。特に適しているのは非臨界的位相整合であ
り、非臨界的位相整合では前記ウォークオフ現象は発生
せず、臨界的位相整合に比べて多くの利点がある。すな
わち変換効率が高いこと、角度傾斜に対し反応しないこ
と、ラジアルシンメトリーが得られること、異常偏光レ
ーザー光線が発生してもビームクオリティが得られるこ
とである。
【０００８】さらに、臨界的位相整合の場合と同じ程度
の変換効率でも、結晶の長さを適当により長くすればビ
ーム横断面はより大きくなり、反射防止層の破壊のよう
な、高いパワー密度に関連した諸問題が減少する。
の変換効率でも、結晶の長さを適当により長くすればビ
ーム横断面はより大きくなり、反射防止層の破壊のよう
な、高いパワー密度に関連した諸問題が減少する。
【０００９】非臨界的位相整合は、光学的に非線形の結
晶の数量を限定し且つ相互作用するレーザー光線が特定
の波長の場合しか達成できないが、たとえばＬＢＯ結晶
のような利用価値の高い解決法も実際に存在する。ＬＢ
Ｏ結晶では、結晶温度がほぼ１５0℃の場合、１０６４
ｎｍの基本波の周波数を２倍にすることが可能である。
晶の数量を限定し且つ相互作用するレーザー光線が特定
の波長の場合しか達成できないが、たとえばＬＢＯ結晶
のような利用価値の高い解決法も実際に存在する。ＬＢ
Ｏ結晶では、結晶温度がほぼ１５0℃の場合、１０６４
ｎｍの基本波の周波数を２倍にすることが可能である。
【００１０】これに対して、非臨界的位相整合はレーザ
ー周波数の３倍化（ＴＨＧ）には使用できない。この場
合臨界的位相整合が必ず必要であるので、ウォークオフ
を補償するためのさまざまな装置がすでに知られてい
る。
ー周波数の３倍化（ＴＨＧ）には使用できない。この場
合臨界的位相整合が必ず必要であるので、ウォークオフ
を補償するためのさまざまな装置がすでに知られてい
る。
【００１１】米国特許第５０４７６６８号明細書から知
られているウォークオフを補償するための光学的にパラ
メトリックな発振器は、同一の非線形プロセスのために
同一の一対の非線形結晶を共振器軸線に沿って有してい
る。これらの非線形結晶の光軸は２Θの角度を成してい
る。ここでΘは、レーザー光線の伝播方向（レーザー光
軸）と非線形結晶の光軸との成す角度で、第１の結晶で
は正に、これに対して第２の結晶では負に方位付けられ
ている。第１の結晶内でのウォークオフは第２の結晶内
での「ウォークオン」によって補償される。
られているウォークオフを補償するための光学的にパラ
メトリックな発振器は、同一の非線形プロセスのために
同一の一対の非線形結晶を共振器軸線に沿って有してい
る。これらの非線形結晶の光軸は２Θの角度を成してい
る。ここでΘは、レーザー光線の伝播方向（レーザー光
軸）と非線形結晶の光軸との成す角度で、第１の結晶で
は正に、これに対して第２の結晶では負に方位付けられ
ている。第１の結晶内でのウォークオフは第２の結晶内
での「ウォークオン」によって補償される。
【００１２】しかしながら、この種の解決法は異なる非
線形プロセスを連続して行う場合、たとえば第２高調波
の生成に引き続いて和周波数を形成させる場合に使用で
きない。米国特許第５８３５５１３号明細書に記載され
ているＱスイッチングレーザーは、共振器を外部に配置
した非線形結晶を備えている。これらの非線形結晶のう
ち第１の結晶は第２高調波を生成させるためのもので、
第２の結晶は第３高調波を生成させるために設けられて
いる。両結晶は臨界的に位相整合されており、且つ第１
の結晶内でのウォークオフが第２の結晶内でのウォーク
オフを補償するように方向づけられている。前記米国特
許第５０４７６６８号明細書に記載の構成が２つの異な
る非線形結晶とプロセスに拡大適用されている。非臨界
的位相整合に比べて第１の結晶の臨界的位相整合が欠点
である。
線形プロセスを連続して行う場合、たとえば第２高調波
の生成に引き続いて和周波数を形成させる場合に使用で
きない。米国特許第５８３５５１３号明細書に記載され
ているＱスイッチングレーザーは、共振器を外部に配置
した非線形結晶を備えている。これらの非線形結晶のう
ち第１の結晶は第２高調波を生成させるためのもので、
第２の結晶は第３高調波を生成させるために設けられて
いる。両結晶は臨界的に位相整合されており、且つ第１
の結晶内でのウォークオフが第２の結晶内でのウォーク
オフを補償するように方向づけられている。前記米国特
許第５０４７６６８号明細書に記載の構成が２つの異な
る非線形結晶とプロセスに拡大適用されている。非臨界
的位相整合に比べて第１の結晶の臨界的位相整合が欠点
である。
【００１３】さらに米国特許第５３８４８０３号明細書
からは、２つの光学楔から成る装置を２つの非線形結晶
の間に設けて使用することが知られている。この装置を
用いると、波長が異なる２つの光線間の分離を変化させ
ることができる。この種の装置によれば、第１の結晶の
出口でウォークオフによって空間的に切り離された光線
を再び統合させて、次の和周波数形成を効果的に行うこ
とができるが、提案された解決法によれば、光学楔の発
散特性が比較的弱いためにかなりのスペースが必要であ
る。基本波（λ１＝１０６４）と第２高調波（λ２＝５
３２）とがたとえば１５０μｍ切り離されていると（こ
れはＳＨＧ結晶による典型的な値である）、両波動が統
合されて約２５ｃｍ後にようやく３゜の楔が生じる。
からは、２つの光学楔から成る装置を２つの非線形結晶
の間に設けて使用することが知られている。この装置を
用いると、波長が異なる２つの光線間の分離を変化させ
ることができる。この種の装置によれば、第１の結晶の
出口でウォークオフによって空間的に切り離された光線
を再び統合させて、次の和周波数形成を効果的に行うこ
とができるが、提案された解決法によれば、光学楔の発
散特性が比較的弱いためにかなりのスペースが必要であ
る。基本波（λ１＝１０６４）と第２高調波（λ２＝５
３２）とがたとえば１５０μｍ切り離されていると（こ
れはＳＨＧ結晶による典型的な値である）、両波動が統
合されて約２５ｃｍ後にようやく３゜の楔が生じる。
【００１４】最後に、前記B. Ruffing, A. Nabel, R.Wa
llenstein著、" High-power picosecond LiB3O5 optica
l parametric oscillators tunable in the blue spect
ralrange " Appl. Phys. B72, 137-149 (2001)から、非
線形結晶に入射する光線を直交偏光により（oとｅ）別
個に位置調整して、ウォークオフによってそれ以前に生
じた分離後に再び統合させることが知られている。ミラ
ーにより最適な空間的重畳の設定が行われるのに対し、
最適な時間的重畳に対しては、ビームスプリッターとミ
ラーとから成る遅滞区間が設けられる。
llenstein著、" High-power picosecond LiB3O5 optica
l parametric oscillators tunable in the blue spect
ralrange " Appl. Phys. B72, 137-149 (2001)から、非
線形結晶に入射する光線を直交偏光により（oとｅ）別
個に位置調整して、ウォークオフによってそれ以前に生
じた分離後に再び統合させることが知られている。ミラ
ーにより最適な空間的重畳の設定が行われるのに対し、
最適な時間的重畳に対しては、ビームスプリッターとミ
ラーとから成る遅滞区間が設けられる。
【００１５】このようにすれば、原理的には空間的ウォ
ークオフも「時間的」ウォークオフも補正できるが、多
数の光学部材を使用するのでかなりの材料コストを要す
るという欠点とともに、さらにダイクロイックミラーを
使用しているためにパワーロスが発生し、光学器械要素
の位置調整と安定性とのために比較的広いスペースとか
なりのコストが必要である。
ークオフも「時間的」ウォークオフも補正できるが、多
数の光学部材を使用するのでかなりの材料コストを要す
るという欠点とともに、さらにダイクロイックミラーを
使用しているためにパワーロスが発生し、光学器械要素
の位置調整と安定性とのために比較的広いスペースとか
なりのコストが必要である。
【００１６】ピコ秒範囲およびそれ以下のパルス継続時
間で超短波レーザーパルスを周波数変換する場合、上述
した空間的ウォークオフ以外にも、重畳される個々のパ
ルス間の時間的ずれという形態で別の現象が生じる。こ
の現象は時間的ウォークオフと呼ばれ、変換効率に対し
て悪影響する。この現象が効力を発するのは、パルス長
が、波長と偏光に関し異なっている相互作用光パルスの
異なる群速度によりパルス重畳を阻害し分離を生じさせ
るようなオーダーに達したときである。
間で超短波レーザーパルスを周波数変換する場合、上述
した空間的ウォークオフ以外にも、重畳される個々のパ
ルス間の時間的ずれという形態で別の現象が生じる。こ
の現象は時間的ウォークオフと呼ばれ、変換効率に対し
て悪影響する。この現象が効力を発するのは、パルス長
が、波長と偏光に関し異なっている相互作用光パルスの
異なる群速度によりパルス重畳を阻害し分離を生じさせ
るようなオーダーに達したときである。
【００１７】最後に挙げた文献の装置だけがこの時間的
ずれを組み込んだ遅滞区間により補正することが部分的
に可能であるが、米国特許第５０４７６６８号明細書、
米国特許第５８３５５１３号明細書、米国特許第５３８
４８０３号明細書に記載の装置はこれに適していない。
ずれを組み込んだ遅滞区間により補正することが部分的
に可能であるが、米国特許第５０４７６６８号明細書、
米国特許第５８３５５１３号明細書、米国特許第５３８
４８０３号明細書に記載の装置はこれに適していない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、非線
形プロセスを連続して行なう際の変換効率を、材料コス
トおよび位置調整コストを少なくして且つ省スペースの
コンパクトな配置構成でさらに向上させ、このために非
臨界的位相整合の利点をも活用することである。
形プロセスを連続して行なう際の変換効率を、材料コス
トおよび位置調整コストを少なくして且つ省スペースの
コンパクトな配置構成でさらに向上させ、このために非
臨界的位相整合の利点をも活用することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、光学的に非線形の前記両結晶の間に、レー
ザー光線対を貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈
折結晶は、非線形的な光学特性が防止されていることに
よりレーザー光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から
射出されるような結晶であること、異常偏光したレーザ
ー光線が、前記両結晶のうち一方の結晶内に生じるウォ
ークオフとは逆の方向に指向するウォークオフを複屈折
結晶内で蒙ることを特徴とするものである。
決するため、光学的に非線形の前記両結晶の間に、レー
ザー光線対を貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈
折結晶は、非線形的な光学特性が防止されていることに
よりレーザー光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から
射出されるような結晶であること、異常偏光したレーザ
ー光線が、前記両結晶のうち一方の結晶内に生じるウォ
ークオフとは逆の方向に指向するウォークオフを複屈折
結晶内で蒙ることを特徴とするものである。
【００２０】非線形的光学特性を回避するため、この特
性が効力を発しないような複屈折材料が使用される。し
かし、結晶軸の方位を選定することにより非線形的特性
がある程度抑止されるような結晶を使用してもよい。
性が効力を発しないような複屈折材料が使用される。し
かし、結晶軸の方位を選定することにより非線形的特性
がある程度抑止されるような結晶を使用してもよい。
【００２１】本発明によれば、異常偏光要素が提供され
る。この異常偏光要素は薄い複屈折結晶板の形態であ
り、屈折率の差が大きいために空間的ウォークオフの補
正にも時間的ウォークオフの補正にも適している。した
がって、両非線形結晶を極めて密接して互いに並設させ
ることができる。第２の非線形結晶に合焦させるための
結像要素が必要である場合も、装置全体を常にコンパク
トにすることができる。
る。この異常偏光要素は薄い複屈折結晶板の形態であ
り、屈折率の差が大きいために空間的ウォークオフの補
正にも時間的ウォークオフの補正にも適している。した
がって、両非線形結晶を極めて密接して互いに並設させ
ることができる。第２の非線形結晶に合焦させるための
結像要素が必要である場合も、装置全体を常にコンパク
トにすることができる。
【００２２】さらに、本発明の対象は、共振器を外部に
配置した光学的に非線形の結晶を備えた、レーザー基本
周波数を他の周波数へ周波数変換するための固体レーザ
ーであって、前記結晶のうち、新たな第１の周波数を生
成するための第１の結晶と周波数混合により新たな第２
の周波数を生成するための第２の結晶とが設けられ、第
１の結晶内に生成されたレーザー光線対が互いに垂直に
偏光したレーザー光線を有し、これらレーザー光線のう
ち異常偏光したレーザー光線が第２の結晶内でウォーク
オフを蒙るようにした前記固体レーザーにも関わる。光
学的に非線形の前記両結晶の間には、レーザー光線対を
貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈折結晶は、非
線形的な光学特性が防止されていることによりレーザー
光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるよ
うな結晶である。異常偏光したレーザー光線は、周波数
混合用の結晶内でのウォークオフとは逆の方向に指向す
るウォークオフを複屈折結晶内で蒙る。
配置した光学的に非線形の結晶を備えた、レーザー基本
周波数を他の周波数へ周波数変換するための固体レーザ
ーであって、前記結晶のうち、新たな第１の周波数を生
成するための第１の結晶と周波数混合により新たな第２
の周波数を生成するための第２の結晶とが設けられ、第
１の結晶内に生成されたレーザー光線対が互いに垂直に
偏光したレーザー光線を有し、これらレーザー光線のう
ち異常偏光したレーザー光線が第２の結晶内でウォーク
オフを蒙るようにした前記固体レーザーにも関わる。光
学的に非線形の前記両結晶の間には、レーザー光線対を
貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈折結晶は、非
線形的な光学特性が防止されていることによりレーザー
光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるよ
うな結晶である。異常偏光したレーザー光線は、周波数
混合用の結晶内でのウォークオフとは逆の方向に指向す
るウォークオフを複屈折結晶内で蒙る。
【００２３】本発明の他の構成では、非臨界的に位相整
合された、光学的に非線形の結晶は、複屈折結晶ととも
に、基本周波数から新たな周波数を高効率で生成させる
ためのコンパクトな光学装置を形成する。新たな周波数
とは、基本周波数とともに更なる非線形的光学処理を行
うために適している周波数である。つまり、不変の周波
数で射出される両レーザー光線は、複屈折結晶内での伝
播特性が異なっているために、空間的に有効に調整可能
なずれを互いに有しているとともに、十分短いパルスの
場合には時間的に有効に調整可能なずれをも互いに有し
ている。
合された、光学的に非線形の結晶は、複屈折結晶ととも
に、基本周波数から新たな周波数を高効率で生成させる
ためのコンパクトな光学装置を形成する。新たな周波数
とは、基本周波数とともに更なる非線形的光学処理を行
うために適している周波数である。つまり、不変の周波
数で射出される両レーザー光線は、複屈折結晶内での伝
播特性が異なっているために、空間的に有効に調整可能
なずれを互いに有しているとともに、十分短いパルスの
場合には時間的に有効に調整可能なずれをも互いに有し
ている。
【００２４】このような装置により、次の非線形的な更
なる処理の際の変換効率を著しく向上させることができ
る。本発明の他の構成は、互いに垂直に偏光して共線的
に延びるレーザー光線において光学的に非線形の結晶を
用いて周波数混合するための装置であって、光学的に非
線形の結晶内で両レーザー光線のうちの一方のレーザー
光線が異常偏光レーザー光線としてウォークオフを蒙る
前記装置に関わる。タイプＩＩの相互作用を行う光学的
に非線形の結晶の上流側には、レーザー光線を貫通させ
るウォークオフ用の複屈折結晶が設けられている。複屈
折結晶は非線形的な光学特性を有していないので、レー
ザー光線は不変の周波数で該複屈折結晶から射出され、
レーザー光線は該複屈折結晶内での伝播特性の相違に基
づき空間的および時間的に有効に設定可能なずれを互い
に有し、このずれにより周波数混合用の結晶内でウォー
クオフの修正が行なわれる。
なる処理の際の変換効率を著しく向上させることができ
る。本発明の他の構成は、互いに垂直に偏光して共線的
に延びるレーザー光線において光学的に非線形の結晶を
用いて周波数混合するための装置であって、光学的に非
線形の結晶内で両レーザー光線のうちの一方のレーザー
光線が異常偏光レーザー光線としてウォークオフを蒙る
前記装置に関わる。タイプＩＩの相互作用を行う光学的
に非線形の結晶の上流側には、レーザー光線を貫通させ
るウォークオフ用の複屈折結晶が設けられている。複屈
折結晶は非線形的な光学特性を有していないので、レー
ザー光線は不変の周波数で該複屈折結晶から射出され、
レーザー光線は該複屈折結晶内での伝播特性の相違に基
づき空間的および時間的に有効に設定可能なずれを互い
に有し、このずれにより周波数混合用の結晶内でウォー
クオフの修正が行なわれる。
【００２５】複屈折結晶は、パルスレーザー光線におい
て空間的ウォークオフと時間的ウォークオフを補償する
ために設けられるが、空間的ウォークオフのみを、或い
は時間的ウォークオフのみを補償するために設けてもよ
い。
て空間的ウォークオフと時間的ウォークオフを補償する
ために設けられるが、空間的ウォークオフのみを、或い
は時間的ウォークオフのみを補償するために設けてもよ
い。
【００２６】両レーザー光線が複屈折結晶から出射する
ときに空間的ウォークオフにより決定されるこれら両レ
ーザー光線の相互のずれは、周波数混合用の結晶内で最
大ビーム重畳が生じるように結晶材料、結晶光軸とレー
ザー光線の伝播方向との成す角度、光路長を選定するこ
とにより調整することができる。
ときに空間的ウォークオフにより決定されるこれら両レ
ーザー光線の相互のずれは、周波数混合用の結晶内で最
大ビーム重畳が生じるように結晶材料、結晶光軸とレー
ザー光線の伝播方向との成す角度、光路長を選定するこ
とにより調整することができる。
【００２７】本発明の有利な構成によれば、両レーザー
光線が複屈折結晶から出射して周波数混合用の結晶内へ
入射する際のずれを、これら両レーザー光線に対し周波
数混合用の結晶内に生じさせるずれにほぼ等しいように
設定する。
光線が複屈折結晶から出射して周波数混合用の結晶内へ
入射する際のずれを、これら両レーザー光線に対し周波
数混合用の結晶内に生じさせるずれにほぼ等しいように
設定する。
【００２８】複屈折結晶が時間的ウォークオフ効果のみ
を補償するために設けられている場合には、複屈折結晶
は、両レーザー光線に対し異なった群速度を持つ材料か
ら成っている必要があり、その光路長は、周波数混合用
の結晶内で重畳されるべき両レーザー光線パルスの走行
時間差を補償するような光路長でなければならない。
を補償するために設けられている場合には、複屈折結晶
は、両レーザー光線に対し異なった群速度を持つ材料か
ら成っている必要があり、その光路長は、周波数混合用
の結晶内で重畳されるべき両レーザー光線パルスの走行
時間差を補償するような光路長でなければならない。
【００２９】最後に、複屈折光学結晶は、考慮されるパ
ルス減速効果または加速効果に応じて負または正の１軸
である。
ルス減速効果または加速効果に応じて負または正の１軸
である。
【００３０】次に、本発明の実施形態を添付の図面を用
いて詳細に説明する。図１に図示した装置は、共振器外
部配置式周波数３倍型(third harmonic generation, TH
G)レーザー光線源であり、特にたとえば回路基板の露光
および穿孔、シリコンウェーハーの切断、或いはステレ
オリソグラフィーに使用されるNd：YVO４レーザー結晶
を備えたＵＶ固体レーザーの形態のパルスレーザーであ
る。この種の応用分野においては、レーザーパワー、Ｕ
Ｖ生成効率、ビームクオリティ、寿命に関しレーザー光
線源に対する要求は高度である。
いて詳細に説明する。図１に図示した装置は、共振器外
部配置式周波数３倍型(third harmonic generation, TH
G)レーザー光線源であり、特にたとえば回路基板の露光
および穿孔、シリコンウェーハーの切断、或いはステレ
オリソグラフィーに使用されるNd：YVO４レーザー結晶
を備えたＵＶ固体レーザーの形態のパルスレーザーであ
る。この種の応用分野においては、レーザーパワー、Ｕ
Ｖ生成効率、ビームクオリティ、寿命に関しレーザー光
線源に対する要求は高度である。
【００３１】Nd：YVO４レーザーの周波数３倍化は通常
緑の範囲のＳＨＧ（λ２＝５３２ｎｍ）と、残りのレー
ザー基本周波数によるグリーンレーザー光線の次のＳＦ
Ｇとによって行われる。このようにして生じる第３高調
波の波長はλ３＝３５５ｎｍである。
緑の範囲のＳＨＧ（λ２＝５３２ｎｍ）と、残りのレー
ザー基本周波数によるグリーンレーザー光線の次のＳＦ
Ｇとによって行われる。このようにして生じる第３高調
波の波長はλ３＝３５５ｎｍである。
【００３２】レーザーオシレータ１（Ｑスイッチレーザ
ーとして作動するか、或いはモードカプラー方式で作動
することができる）から出たレーザー光線２はレーザー
基本周波数を備え、オプティカルアイソレータ３を通過
した後、有利にはレーザー増幅器４で増幅される。増幅
率は、ディメンションを適当に選定することにより、次
の周波数変換ユニット５における周波数変換が特に効率
的に行われるように、或いは、その都度の適用例に対し
必要なＵＶパワーが達成されるように選定できる。
ーとして作動するか、或いはモードカプラー方式で作動
することができる）から出たレーザー光線２はレーザー
基本周波数を備え、オプティカルアイソレータ３を通過
した後、有利にはレーザー増幅器４で増幅される。増幅
率は、ディメンションを適当に選定することにより、次
の周波数変換ユニット５における周波数変換が特に効率
的に行われるように、或いは、その都度の適用例に対し
必要なＵＶパワーが達成されるように選定できる。
【００３３】共振器を外部に配置した周波数変換ユニッ
ト５は、光学的に非線形の第１の結晶Ｃ１を備えた第２
高調波７を発生させるための第２高調波発生ユニット６
と、光学的に非線形の第２の結晶Ｇ２を備えた第３高調
波９を発生させるための第３高調波発生ユニット８とか
ら構成されている。適当なダイクロイックミラーまたは
発散要素１０は第３高調波９を残存しているレーザー基
本周波数２および第２高調波７から切り離す。
ト５は、光学的に非線形の第１の結晶Ｃ１を備えた第２
高調波７を発生させるための第２高調波発生ユニット６
と、光学的に非線形の第２の結晶Ｇ２を備えた第３高調
波９を発生させるための第３高調波発生ユニット８とか
ら構成されている。適当なダイクロイックミラーまたは
発散要素１０は第３高調波９を残存しているレーザー基
本周波数２および第２高調波７から切り離す。
【００３４】図２によれば、周端数変換ユニット５は光
学的に非線形の結晶Ｃ１とＣ２のための２つのＬＢＯ結
晶(Lithiumtriborat, LiB3O5)を有している。非臨界位
相整合させた結晶Ｃ１が約１５０℃の位相整合温度でΘ
＝９０゜、φ＝０゜の結晶方位を有しているのに対し、
Θがほぼ４３゜で、φ＝９０゜の結晶Ｃ２はほぼ室温で
臨界位相整合されている。
学的に非線形の結晶Ｃ１とＣ２のための２つのＬＢＯ結
晶(Lithiumtriborat, LiB3O5)を有している。非臨界位
相整合させた結晶Ｃ１が約１５０℃の位相整合温度でΘ
＝９０゜、φ＝０゜の結晶方位を有しているのに対し、
Θがほぼ４３゜で、φ＝９０゜の結晶Ｃ２はほぼ室温で
臨界位相整合されている。
【００３５】レーザー基本周波数２のレーザー光線と第
２高調波７のレーザー光線とは互いに垂直に偏光されて
おり、非臨界位相整合により結晶Ｃ１を共線的に離れ
る。本実施形態において正常偏光した本来のレーザー光
線と異常偏光した第２高調波とは、光学的に非線形の第
２の結晶Ｃ２で重畳して、非線形相互作用により第３高
調波９を生成させる。
２高調波７のレーザー光線とは互いに垂直に偏光されて
おり、非臨界位相整合により結晶Ｃ１を共線的に離れ
る。本実施形態において正常偏光した本来のレーザー光
線と異常偏光した第２高調波とは、光学的に非線形の第
２の結晶Ｃ２で重畳して、非線形相互作用により第３高
調波９を生成させる。
【００３６】しかしながら、非線形相互作用に至る前
に、両レーザー光線２と７は複屈折結晶１１を通過す
る。複屈折結晶１１は、結晶Ｃ２内での空間的ウォーク
オフと時間的ウォークオフとを修正するため、両非線形
結晶Ｃ１とＣ２との間に配置されている。これにより結
晶Ｃ２内での相互作用長さが拡大される。複屈折結晶１
１は、両レーザー光線２と７が非線形周波数変換を受け
ずに不変の周波数で複屈折結晶１１を出るような材料組
成を有しているか、或いは、そのように方位づけて配置
されている。他方複屈折結晶１１は次のようにも配置さ
れており、すなわち異常偏光したレーザー光線（ここで
は第２高調波７）がウォークオフを蒙り、ウォークオフ
角度ρでレーザー基本周波数のレーザー光線２の伝播方
向から偏向し、その結果正常偏光したレーザー光線と異
常偏光したレーザー光線とが間隔δで複屈折結晶１１か
ら出るようにも配置されている。このような事情を図３
において負の１軸複屈折結晶に対して図示した。図中k
は波数ベクトル、oは正常偏光したレーザー光線、ｅは
異常偏光したレーザー光線、Θは複屈折結晶１１の光軸
Ｚ（この光軸上では、正常偏光したレーザー光線と異常
偏光したレーザー光線とは同じ屈折率を持つ）と放射軸
線に沿ったレーザー光線の伝播方向ｚとの成す角度であ
る。
に、両レーザー光線２と７は複屈折結晶１１を通過す
る。複屈折結晶１１は、結晶Ｃ２内での空間的ウォーク
オフと時間的ウォークオフとを修正するため、両非線形
結晶Ｃ１とＣ２との間に配置されている。これにより結
晶Ｃ２内での相互作用長さが拡大される。複屈折結晶１
１は、両レーザー光線２と７が非線形周波数変換を受け
ずに不変の周波数で複屈折結晶１１を出るような材料組
成を有しているか、或いは、そのように方位づけて配置
されている。他方複屈折結晶１１は次のようにも配置さ
れており、すなわち異常偏光したレーザー光線（ここで
は第２高調波７）がウォークオフを蒙り、ウォークオフ
角度ρでレーザー基本周波数のレーザー光線２の伝播方
向から偏向し、その結果正常偏光したレーザー光線と異
常偏光したレーザー光線とが間隔δで複屈折結晶１１か
ら出るようにも配置されている。このような事情を図３
において負の１軸複屈折結晶に対して図示した。図中k
は波数ベクトル、oは正常偏光したレーザー光線、ｅは
異常偏光したレーザー光線、Θは複屈折結晶１１の光軸
Ｚ（この光軸上では、正常偏光したレーザー光線と異常
偏光したレーザー光線とは同じ屈折率を持つ）と放射軸
線に沿ったレーザー光線の伝播方向ｚとの成す角度であ
る。
【００３７】図２において破線で示した、異常偏光した
レーザー光線の変化７’は、複屈折結晶１１による空間
的ウォークオフの補正効果を示している。このような両
レーザー光線の分岐は、修正しなければ相互作用長さを
縮小させることになる。これに対して、異常偏光したレ
ーザー光線７が複屈折結晶１１内と非線形の結晶Ｃ２内
とで逆方向に偏向していると、この偏向は相互作用長さ
の縮小という作用を図示したようにして修正する。正常
偏光したレーザー光線と異常偏光したレーザー光線と
は、本実施形態で生じる間隔δの場合、ほぼ非線形の結
晶Ｃ２の結晶中心で交わっている。
レーザー光線の変化７’は、複屈折結晶１１による空間
的ウォークオフの補正効果を示している。このような両
レーザー光線の分岐は、修正しなければ相互作用長さを
縮小させることになる。これに対して、異常偏光したレ
ーザー光線７が複屈折結晶１１内と非線形の結晶Ｃ２内
とで逆方向に偏向していると、この偏向は相互作用長さ
の縮小という作用を図示したようにして修正する。正常
偏光したレーザー光線と異常偏光したレーザー光線と
は、本実施形態で生じる間隔δの場合、ほぼ非線形の結
晶Ｃ２の結晶中心で交わっている。
【００３８】このような修正はレーザーのパルス作動に
限定されるものではなく、レーザー基本周波数を持った
レーザー光線がパルス状にｋＷ範囲の高いピークパワー
を持っていれば、非線形の光学プロセスが特に効果的で
ある。いずれにしろ、この種の修正はＱスイッチレーザ
ーのナノ秒パルスに対しても、モードカップリングレー
ザーのピコ秒パルスに対しても有利である。
限定されるものではなく、レーザー基本周波数を持った
レーザー光線がパルス状にｋＷ範囲の高いピークパワー
を持っていれば、非線形の光学プロセスが特に効果的で
ある。いずれにしろ、この種の修正はＱスイッチレーザ
ーのナノ秒パルスに対しても、モードカップリングレー
ザーのピコ秒パルスに対しても有利である。
【００３９】パルスがピコ秒範囲またはより低い範囲に
あれば、空間的なウォークオフ以外に別の作用が生じ、
すなわち、正常偏光したレーザー光線のパルスは異常偏
光したレーザー光線のパルスに対し時間のずれを持つに
至り、これは時間的なウォークオフと呼ぶことができ
る。これを図では、パルス２’に対しシフトしている破
線のパルス７”で示した。この、すでに第１の非線形結
晶Ｃ１で発生する作用は、第２の非線形結晶Ｃ２でも発
生し、同様に複屈折結晶１１を用いてパルス７”をパル
ス２’に対し時間的にシフトさせることにより修正する
ことができる。
あれば、空間的なウォークオフ以外に別の作用が生じ、
すなわち、正常偏光したレーザー光線のパルスは異常偏
光したレーザー光線のパルスに対し時間のずれを持つに
至り、これは時間的なウォークオフと呼ぶことができ
る。これを図では、パルス２’に対しシフトしている破
線のパルス７”で示した。この、すでに第１の非線形結
晶Ｃ１で発生する作用は、第２の非線形結晶Ｃ２でも発
生し、同様に複屈折結晶１１を用いてパルス７”をパル
ス２’に対し時間的にシフトさせることにより修正する
ことができる。
【００４０】本実施形態では２つのＬＢＯ結晶が設けら
れているが、両非線形結晶Ｃ１とＣ ２内での第２高調波
のパルスはレーザー基本周波数のパルスよりも緩速に伝
播する。それゆえパルス７”は、結晶１１の特殊な複屈
折特性と、これに関連した、レーザー基本周波数のパル
スよりも早い第２高調波のパルスの群速度とにより、パ
ルス２’に対しこれに対応する「経過」を示す。
れているが、両非線形結晶Ｃ１とＣ ２内での第２高調波
のパルスはレーザー基本周波数のパルスよりも緩速に伝
播する。それゆえパルス７”は、結晶１１の特殊な複屈
折特性と、これに関連した、レーザー基本周波数のパル
スよりも早い第２高調波のパルスの群速度とにより、パ
ルス２’に対しこれに対応する「経過」を示す。
【００４１】他の有利な実施形態では、複屈折結晶１１
は次のように構成され、すなわちたとえば正常偏光した
レーザー光線のパルスに対する異常偏光したレーザー光
線のパルスの減速のようなパルスの時間的制御だけを行
い、空間的なウォークオフは生じさせないように構成さ
れている。このような設定は、第２の非線形結晶Ｃ２が
第１の非線形結晶と同様に位相整合されている場合に特
に有利である。
は次のように構成され、すなわちたとえば正常偏光した
レーザー光線のパルスに対する異常偏光したレーザー光
線のパルスの減速のようなパルスの時間的制御だけを行
い、空間的なウォークオフは生じさせないように構成さ
れている。このような設定は、第２の非線形結晶Ｃ２が
第１の非線形結晶と同様に位相整合されている場合に特
に有利である。
【００４２】以下では、複屈折結晶１１とその作用を両
非線形結晶Ｃ１とＣ２と関連させて第３高調波（ＴＨ
Ｇ，３５５ｎｍ）の発生を例にとって説明する。この場
合Nd：YVO４レーザーは赤外線レーザー基本光線（１０
６４ｎｍ）と、これから周波数２倍化により得られる緑
色の第２高調波（ＳＨＧ，５３２ｎｍ）から成り、２つ
のＬＢＯ結晶を用いる。
非線形結晶Ｃ１とＣ２と関連させて第３高調波（ＴＨ
Ｇ，３５５ｎｍ）の発生を例にとって説明する。この場
合Nd：YVO４レーザーは赤外線レーザー基本光線（１０
６４ｎｍ）と、これから周波数２倍化により得られる緑
色の第２高調波（ＳＨＧ，５３２ｎｍ）から成り、２つ
のＬＢＯ結晶を用いる。
【００４３】以下の表１に含まれる記載は、ウォークオ
フ角度ρと、相互群速度差(group velocity mismatch)
とで、相互群速度差は赤外線レーザー基本光線の光パル
スと緑色の２倍周波数の光パルスとの分岐性または発散
性を表わす量である。群速度差は次の式によって定義さ
れる。 ＧＶＭＩＲ−ＧＲ＝（１／ｖＩＲ−１／ｖＧＲ） ここでｖは群速度で、ＧＶＭＩＲ−ＧＲが負であれば、
緑色のパルスが赤外線パルスの後を追っていることを意
味している。
フ角度ρと、相互群速度差(group velocity mismatch)
とで、相互群速度差は赤外線レーザー基本光線の光パル
スと緑色の２倍周波数の光パルスとの分岐性または発散
性を表わす量である。群速度差は次の式によって定義さ
れる。 ＧＶＭＩＲ−ＧＲ＝（１／ｖＩＲ−１／ｖＧＲ） ここでｖは群速度で、ＧＶＭＩＲ−ＧＲが負であれば、
緑色のパルスが赤外線パルスの後を追っていることを意
味している。
【００４４】
【表１】
このように、ＬＢＯ結晶Ｃ１とＣ２の長さが典型的な長
さ（約１０ないし２０ｍｍ）の場合、緑色のパルスは赤
外線パルスに対し約１．５ないし３ｐｓの遅れをとる。
ＬＢＯ結晶Ｃ２の出口における空間的ウォークオフδ
Ｃ２は約９５ないし１９０μｍである。
さ（約１０ないし２０ｍｍ）の場合、緑色のパルスは赤
外線パルスに対し約１．５ないし３ｐｓの遅れをとる。
ＬＢＯ結晶Ｃ２の出口における空間的ウォークオフδ
Ｃ２は約９５ないし１９０μｍである。
【００４５】複屈折結晶１１は、ＬＢＯ結晶Ｃ２内に生
じる空間的ウォークオフδＣ２の補正手段として、ほぼ
同じ大きさの空間的ウォークオフδ１１を生じさせる必
要がある。たとえば異常偏光したレーザー光線と正常偏
光したレーザー光線とをδＣ ２／２だけ分離させること
も有利であるが、最適値はレーザー光線の径やパルスパ
ワーのような具体的な条件に依存している。この値はそ
れぞれの適用例で実験的に求めることができ、その際に
は最適変換係数を基準として用いるべきである。
じる空間的ウォークオフδＣ２の補正手段として、ほぼ
同じ大きさの空間的ウォークオフδ１１を生じさせる必
要がある。たとえば異常偏光したレーザー光線と正常偏
光したレーザー光線とをδＣ ２／２だけ分離させること
も有利であるが、最適値はレーザー光線の径やパルスパ
ワーのような具体的な条件に依存している。この値はそ
れぞれの適用例で実験的に求めることができ、その際に
は最適変換係数を基準として用いるべきである。
【００４６】複屈折結晶１１が空間的ウォークオフとと
もに時間的ウォークオフをも補正する必要がある場合に
は、両波長に対し透過性があり、ｖＩＲ＜ｖＧＲを満た
す適当な材料を選定しなければならないが、同時にその
長さをも適宜選定しなければならない。
もに時間的ウォークオフをも補正する必要がある場合に
は、両波長に対し透過性があり、ｖＩＲ＜ｖＧＲを満た
す適当な材料を選定しなければならないが、同時にその
長さをも適宜選定しなければならない。
【００４７】異常偏光した緑色のレーザー光線の場合に
は、補正材料として特に負の１軸結晶が適している。こ
の負の１軸結晶の場合、正常偏光したレーザー光線に対
してはｎｏ＞ｎｅである。ここでｎｅ＝ｎｅ（Θ＝９０
゜−（異常偏光したレーザー光線に対する屈折率）であ
る。
は、補正材料として特に負の１軸結晶が適している。こ
の負の１軸結晶の場合、正常偏光したレーザー光線に対
してはｎｏ＞ｎｅである。ここでｎｅ＝ｎｅ（Θ＝９０
゜−（異常偏光したレーザー光線に対する屈折率）であ
る。
【００４８】相互作用する両レーザー光線が逆の群速度
の関係にある場合（ｖｏ＜ｖｅ）、正の１軸結晶が適し
ている。これは、ｖ１，ｏ＜ｖ２，ｅであるので、たと
えば和周波数λ１＝１５３５，λ２＝１０６４→λ３＝
６２８．５ｎｍのケースである。
の関係にある場合（ｖｏ＜ｖｅ）、正の１軸結晶が適し
ている。これは、ｖ１，ｏ＜ｖ２，ｅであるので、たと
えば和周波数λ１＝１５３５，λ２＝１０６４→λ３＝
６２８．５ｎｍのケースである。
【００４９】これに対して、たとえば比較的長いナノ秒
パルスの相互作用の場合のように空間的ウォークオフの
みを補正したい場合には、複屈折結晶１１は負または正
の１軸であればよい。
パルスの相互作用の場合のように空間的ウォークオフの
みを補正したい場合には、複屈折結晶１１は負または正
の１軸であればよい。
【００５０】本実施形態によれば、複屈折結晶１１に対
し、両波長（５３２ｎｍ，１０６４ｎｍ）を透過させる
負の１軸方解石結晶を使用する。方解石はｎ０＝１．６
６２９，ｎｅ＝１．４８８５，ＧＶＭＩＲ−ＧＲ＝０．
５ｐｓ／ｍｍである。
し、両波長（５３２ｎｍ，１０６４ｎｍ）を透過させる
負の１軸方解石結晶を使用する。方解石はｎ０＝１．６
６２９，ｎｅ＝１．４８８５，ＧＶＭＩＲ−ＧＲ＝０．
５ｐｓ／ｍｍである。
【００５１】複屈折結晶１１のサイズ決定のために、図
４に図示した曲線を使用する。これらの曲線は、方解石
結晶の出口における空間的ウォークオフδと角度Θとの
関係を４つの異なる結晶長さに対し示したものである。
４に図示した曲線を使用する。これらの曲線は、方解石
結晶の出口における空間的ウォークオフδと角度Θとの
関係を４つの異なる結晶長さに対し示したものである。
【００５２】最適な変換効率のために空間的ウォークオ
フδ＝１００μｍが必要な場合は、たとえばＬ＝２ｍ
ｍ，Θがほぼ７５゜の結晶、或いはＬ＝３ｍｍ，Θがほ
ぼ８０゜の結晶、或いはＬ＝４ｍｍ，Θがほぼ８３゜の
結晶を使用する。
フδ＝１００μｍが必要な場合は、たとえばＬ＝２ｍ
ｍ，Θがほぼ７５゜の結晶、或いはＬ＝３ｍｍ，Θがほ
ぼ８０゜の結晶、或いはＬ＝４ｍｍ，Θがほぼ８３゜の
結晶を使用する。
【００５３】これと同時に、パルスの特定の時間制御を
行いたい場合、たとえば時間的ウォークオフを補正する
ために異常偏光したレーザー光線のパルスを減速させた
い場合には、Ｌを確定する。たとえば緑色のグリーンパ
ルスの走行時間１．５ｐｓが赤外線パルスの走行時間よ
りも短い必要がある場合は、本例に対してはＬ＝３ｍｍ
の結晶長さを選定する。
行いたい場合、たとえば時間的ウォークオフを補正する
ために異常偏光したレーザー光線のパルスを減速させた
い場合には、Ｌを確定する。たとえば緑色のグリーンパ
ルスの走行時間１．５ｐｓが赤外線パルスの走行時間よ
りも短い必要がある場合は、本例に対してはＬ＝３ｍｍ
の結晶長さを選定する。
【００５４】図５の他の実施形態によれば、周波数変換
ユニット５のために、光学的に非線形の２つの結晶Ｃ３
とＣ４を設ける。このうち第１の結晶Ｃ３は臨界的に位
相整合されており、第２の結晶Ｃ４は非臨界的に位相整
合されている。
ユニット５のために、光学的に非線形の２つの結晶Ｃ３
とＣ４を設ける。このうち第１の結晶Ｃ３は臨界的に位
相整合されており、第２の結晶Ｃ４は非臨界的に位相整
合されている。
【００５５】レーザー基本周波数２と第２高調波７のレ
ーザー光線とは互いに垂直に偏光しており、異常偏光し
た第２高調波７のレーザー光線は臨界的位相整合により
ウォークオフを蒙り、レーザー基本周波数２のレーザー
光線に対しずれて結晶Ｃ３を離れる。図示していない時
間的ウォークオフの効果はすでに述べた態様で作用す
る。光学的に非線形の第２の結晶Ｃ４内で最適な相互作
用を得るため、両結晶Ｃ ３とＣ４の間に、結晶Ｃ３内で
の空間的ウォークオフと時間的ウォークオフとを補正す
るための複屈折結晶１２が配置されている。この複屈折
結晶１２も、両レーザー光線２と７が非線形的な周波数
変換の影響を受けずに、複屈折結晶１２から不変の周波
数で出るように材料組成を選定され、或いはそのように
指向して配置されている。他方複屈折結晶１２は、異常
偏光したレーザー光線（ここでは第２高調波７）が第１
の結晶Ｃ３内とは逆の方向に空間的ウォークオフを蒙
り、その結果両レーザー光線が同軸に複屈折結晶１２か
ら出るように配置されている。時間的ウォークオフを補
正するため、ここには図示していないパルスを複屈折結
晶１２を用いて時間的にシフトさせることにより、結晶
Ｃ４内で最適な非線形相互作用を可能にする。
ーザー光線とは互いに垂直に偏光しており、異常偏光し
た第２高調波７のレーザー光線は臨界的位相整合により
ウォークオフを蒙り、レーザー基本周波数２のレーザー
光線に対しずれて結晶Ｃ３を離れる。図示していない時
間的ウォークオフの効果はすでに述べた態様で作用す
る。光学的に非線形の第２の結晶Ｃ４内で最適な相互作
用を得るため、両結晶Ｃ ３とＣ４の間に、結晶Ｃ３内で
の空間的ウォークオフと時間的ウォークオフとを補正す
るための複屈折結晶１２が配置されている。この複屈折
結晶１２も、両レーザー光線２と７が非線形的な周波数
変換の影響を受けずに、複屈折結晶１２から不変の周波
数で出るように材料組成を選定され、或いはそのように
指向して配置されている。他方複屈折結晶１２は、異常
偏光したレーザー光線（ここでは第２高調波７）が第１
の結晶Ｃ３内とは逆の方向に空間的ウォークオフを蒙
り、その結果両レーザー光線が同軸に複屈折結晶１２か
ら出るように配置されている。時間的ウォークオフを補
正するため、ここには図示していないパルスを複屈折結
晶１２を用いて時間的にシフトさせることにより、結晶
Ｃ４内で最適な非線形相互作用を可能にする。
【００５６】本発明はもちろん以上説明した実施形態に
限定されるものではない。他の周波数と他の結晶を用い
た変形実施形態も可能である。本発明にとって重要なこ
とは、２つのレーザー光線の非線形周波数変換であり、
一方のレーザー光線は１つの結晶内でウォークオフを蒙
る。複屈折結晶は他の材料から成っていてもよく、たと
えばα−ＢＢＯ結晶でもよい。
限定されるものではない。他の周波数と他の結晶を用い
た変形実施形態も可能である。本発明にとって重要なこ
とは、２つのレーザー光線の非線形周波数変換であり、
一方のレーザー光線は１つの結晶内でウォークオフを蒙
る。複屈折結晶は他の材料から成っていてもよく、たと
えばα−ＢＢＯ結晶でもよい。
【００５７】また、補助的な合焦光学系を使用してもよ
い。この場合に必要な修正は当業者の判断で行うことが
でき、本発明の思想の活用を妨げるものではない。
い。この場合に必要な修正は当業者の判断で行うことが
でき、本発明の思想の活用を妨げるものではない。
【図１】共振器外部配置式周波数変換型レーザー光線源
のブロック構成図である。
のブロック構成図である。
【図２】本発明に従って構成された周波数変換ユニット
を示す図である。
を示す図である。
【図３】空間的ウォークオフおよび時間的ウォークオフ
を補正するための複屈折結晶を示す図である。
を補正するための複屈折結晶を示す図である。
【図４】種々の長さの異なる複屈折結晶とウォークオフ
角度Θとの関係を示すグラフである。
角度Θとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明による周波数変換ユニットの他の実施形
態を示す図である。
態を示す図である。
１ レーザーオシレータ
２ レーザー光線
３ オプティカルアイソレータ
４ レーザー増幅器
５ 周波数変換ユニット
６ 第２高調波発生ユニット
７ 第２高調波
８ 第３高調波発生ユニット
９ 第３高調波
１０ ダイクロイックミラーまたは発散
要素 １１ 複屈折結晶 Ｃ１、Ｃ２ 光学的に非線形の結晶
要素 １１ 複屈折結晶 Ｃ１、Ｃ２ 光学的に非線形の結晶
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2K002 AB12 BA03 CA02 DA01 EA11
GA04 GA05 HA20
Claims (12)
- 【請求項１】連続して配置される光学的に非線形の結晶
を用いてレーザー基本周波数を他の周波数へ周波数変換
するための装置であって、前記結晶のうち、新たな第１
の周波数を生成するための第１の結晶と周波数混合によ
り新たな第２の周波数を生成するための第２の結晶とが
設けられ、第１の結晶内に生成されたレーザー光線対が
互いに垂直に偏光したレーザー光線を有し、これらレー
ザー光線のうち異常偏光したレーザー光線としての１つ
のレーザー光線が光学的に非線形の前記両結晶のうちの
一方の結晶内でウォークオフを蒙るようにした前記装置
において、 光学的に非線形の前記両結晶の間に、レーザー光線対を
貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈折結晶は、非
線形的な光学特性が防止されていることによりレーザー
光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるよ
うな結晶であること、 異常偏光したレーザー光線が、前記両結晶のうち一方の
結晶内に生じるウォークオフとは逆の方向に指向するウ
ォークオフを複屈折結晶内で蒙ること、を特徴とする装
置。 - 【請求項２】共振器を外部に配置した光学的に非線形の
結晶を備えた、レーザー基本周波数を他の周波数へ周波
数変換するための固体レーザーであって、前記結晶のう
ち、新たな第１の周波数を生成するための第１の結晶と
周波数混合により新たな第２の周波数を生成するための
第２の結晶とが設けられ、第１の結晶内に生成されたレ
ーザー光線対が互いに垂直に偏光したレーザー光線を有
し、これらレーザー光線のうち異常偏光したレーザー光
線が第２の結晶内でウォークオフを蒙るようにした前記
固体レーザーにおいて、 光学的に非線形の前記両結晶の間に、レーザー光線対を
貫通させる複屈折結晶が設けられ、該複屈折結晶は、非
線形的な光学特性が防止されていることによりレーザー
光線対が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるよ
うな結晶であること、 異常偏光したレーザー光線が、周波数混合用の結晶内で
のウォークオフとは逆の方向に指向するウォークオフを
複屈折結晶内で蒙ること、を特徴とする固体レーザー。 - 【請求項３】複屈折結晶がパルス化レーザー光線の空間
的ウォークオフと時間的ウォークオフとを補正するため
に設けられていることを特徴とする、請求項１または２
に記載の装置または固体レーザー。 - 【請求項４】複屈折結晶が空間的ウォークオフを補正す
るために設けられていることを特徴とする、請求項１ま
たは２に記載の装置または固体レーザー。 - 【請求項５】空間的ウォークオフにより決定される、複
屈折結晶から射出される際の両レーザー光線の相互のず
れが、周波数混合用の結晶内で最大光線重畳が生じるよ
うに、結晶材料の選定、結晶光軸とレーザー光線の伝播
方向および光路長との成す角度の選定により設定されて
いることを特徴とする、請求項３または４に記載の装置
または固体レーザー。 - 【請求項６】両レーザー光線が複屈折結晶から出て周波
数混合用の結晶内に入射するときのずれが、これらレー
ザー光線に対し周波数混合用の結晶内に生成されるずれ
にほぼ等しいことを特徴とする、請求項５に記載の装置
または固体レーザー。 - 【請求項７】複屈折結晶がパルス化レーザー光線の時間
的ウォークオフ作用の補正のためにのみ設けられている
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置また
は固体レーザー。 - 【請求項８】複屈折結晶が両レーザー光線に対し異なる
群速度を持った材料から成り、該複屈折結晶の光路長
は、周波数混合用の結晶内で重畳される両レーザー光線
パルスに対する走行時間差が補償されるような光路長で
あることを特徴とする、請求項３または７に記載の装置
または固体レーザー。 - 【請求項９】複屈折結晶が負の１軸結晶であることを特
徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の
装置または固体レーザー。 - 【請求項１０】複屈折結晶が正の１軸結晶であることを
特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載
の装置または固体レーザー。 - 【請求項１１】非臨界的に位相整合させた光学的に非線
形の結晶を用いて、レーザー基本周波数を持つレーザー
光線から第２高調波を生成するための装置において、 光学的に非線形の結晶の下流側に複屈折結晶が設けら
れ、この複屈折結晶内にレーザー基本周波数のレーザー
光線と第２高調波のレーザー光線とが共線的に入射し、
且つこの複屈折結晶により、不変の周波数で射出される
両レーザー光線が該複屈折結晶内での伝播特性の相違に
基づき空間的および時間的に有効に設定可能なずれを互
いに有していることを特徴とする装置。 - 【請求項１２】互いに垂直に偏光して共線的に延びるレ
ーザー光線において光学的に非線形の結晶を用いて周波
数混合するための装置であって、光学的に非線形の結晶
内で両レーザー光線のうちの一方のレーザー光線が異常
偏光レーザー光線としてウォークオフを蒙る前記装置に
おいて、 光学的に非線形の結晶の上流側に、レーザー光線を貫通
させる複屈折結晶が設けられ、該複屈折結晶は、非線形
的な光学特性が防止されていることによりレーザー光線
が不変の周波数で該複屈折結晶から射出されるような結
晶であるとともに、レーザー光線が該複屈折結晶内での
伝播特性の相違に基づき空間的および時間的に有効に設
定可能なずれを互いに有し、このずれにより周波数混合
用の結晶内でウォークオフの修正が行なわれるような結
晶であることを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10143709A DE10143709A1 (de) | 2001-08-31 | 2001-08-31 | Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen |
| DE10143709.9 | 2001-08-31 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003098564A true JP2003098564A (ja) | 2003-04-03 |
Family
ID=7697931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002251005A Pending JP2003098564A (ja) | 2001-08-31 | 2002-08-29 | レーザー基本周波数を他の周波数へ周波数変換するための装置および固体レーザー |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20030043452A1 (ja) |
| JP (1) | JP2003098564A (ja) |
| CA (1) | CA2391806A1 (ja) |
| DE (1) | DE10143709A1 (ja) |
| FR (1) | FR2830347A1 (ja) |
| GB (1) | GB2379278A (ja) |
| IT (1) | ITTO20020755A1 (ja) |
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- 2002-07-12 GB GB0216269A patent/GB2379278A/en not_active Withdrawn
- 2002-07-22 FR FR0209257A patent/FR2830347A1/fr active Pending
- 2002-08-28 IT IT000755A patent/ITTO20020755A1/it unknown
- 2002-08-29 JP JP2002251005A patent/JP2003098564A/ja active Pending
- 2002-08-30 US US10/233,080 patent/US20030043452A1/en not_active Abandoned
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