JP2005511421A - 感受性光学材料をその場で保護する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

輸送、保管又は作動中に、大気微量成分に曝されることによる変化又は損傷から、感受性光学材料をその場で保護するための方法及び装置が提供される。感受性光学材料は、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いの中に配置される。大気微量成分を吸収する吸着材料を封入する容器は、気体透過性表面によって囲いに連結され、これにより、該囲い内の内側に存在する大気微量成分の該吸着材料への急速な拡散が可能になる。

Description

本発明は、一般に、光学及びレーザの分野に関し、より具体的には、輸送、保管又は使用中に大気微量種に曝されることによる変化又は損傷から感受性光学素子を保護することに関する。

光学系及びレーザ・システムの多くが、周囲の環境の微量元素又は成分に曝されることによって損傷を受けることがある感受性光学材料を採用している。特に、その特有の光学的特性のために注目が高まっているある材料は、該材料の物理的構造を変化させるのに十分な程度まで周囲の環境と相互作用し、それに伴う該材料の性能劣化をもたらす傾向がある。このことは、日常の使用と輸送及び保管との両方において、これらの材料をその場で保護するための問題を提起するものである。幾つかの材料については、周囲の数質量パーセントの水蒸気レベルでさえ脅威を与えることがある一方、他の材料については、周囲の環境における有機分子などのある化学種が問題となることがある。

ホウ酸結晶は、空気などの周囲の環境に曝しただけで、性能の劣化を被ることがある材料のクラスの一例である。これは、結晶が吸湿性であり、吸収された水分子と化学的に反応する可能性があるからである。こうした反応が、結晶の光学的及び物理的特性の望ましくない変化を引き起こす可能性がある。ホウ酸結晶の例には、ＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₄）、及びＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）が含まれ、これらのすべては、赤外線レーザ及び可視光レーザからの光を紫外線スペクトル域に非線形変換するのに多く使用されてきた。これらの結晶は、これらが本質的に周囲の環境から水蒸気を吸収する傾向の程度を含めて、その光学的及び物理的特性が異なる。これらの結晶の中では、ＣＬＢＯが、光学的特性と非線形パラメータとの偶然の組み合わせのため、３００ｎｍよりも短い波長に高調波変換するために選択される結晶となってきた。これは、現在のところ、高出力のＮｄドープ赤外線レーザから、第４次及び第５次高調波のレーザ光を発生させるのに最も適した材料であると考えられている。しかしながら、ＣＬＢＯは、特に吸湿性もある。ＣＬＢＯに対する湿度の悪影響に関する文献としては、ＯＳＡのＣ．Ｒ．Ｐｏｌｌｏｃｋ及びＷ．Ｒ．Ｂｏｓｅｎｂｅｒｇを編集者とするＡｄｖａｎｃｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ、第１０巻、１９ページ（１９９７年）のタグチらによる論文が挙げられ、ここでは表面の水和速度と誘発されるクラッキング及び屈折率の変化との間の相関関係が記載された。こうした湿度に依存する特徴が、一般に、高出力レーザ・システムにおけるＣＬＢＯの信頼性のある長期使用及び作動に極めて悪影響をもたらすと考えられる。

他の公知の吸湿性結晶の例は、ＫＤ₂ＰＯ₄（ＫＤ^*Ｐ）、ＮＨ₄Ｄ₂ＰＯ₄（ＡＤ^*Ｐ）、及びＣｓＤ₂ＡｓＯ₄（ＣＤ^*Ａ）などの、いわゆるＡＤＰ同形体である。これらの結晶は、一般に、電気光学光変調器に、又は非線形周波数変換に用いられる。このクラスの材料の中で、ＣＤ^*Ａは、湿度レベルに特に敏感であることが知られている。

幾つかの技術が、ＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａなどのような高吸湿性材料を、水蒸気の吸収に関連する悪影響から保護するのに採用されてきた。これらには、特殊コーティング、ガス抜きを有するハーメチック・シール及び高温での作動が含まれる。
反射防止コーティングは、従来、フレネル損失を防止するために、レーザ・システムに用いられる結晶材料に塗布される。さらに、コーティングは、水蒸気又は酸素分子が、結晶に浸透して、該結晶の物理的構造並びにそれに付随する熱的及び光学的特性の不利な変化を引き起こさないようにするための障壁としても有用である。紫外線に曝される結晶への保護膜の使用は、例えば、米国特許第５，８６２，１６３号に記載された。こうしたコーティングは、ＢＢＯなどの高吸湿性又は高反応性ではない結晶には有用であった。コーティングを塗布するプロセス自体が、結晶と該コーティングとの間の境界面でさらなる損傷機構を引き起こす可能性があるので、コーティングは、ＣＤ^*Ａ及びＣＬＢＯなどの反応性が高い結晶になるほど、より問題になることが分った。さらに、コーティングは、光の波長が短くなるにつれてますます損傷を受けやすくなり、このことは、光を深紫外線に変換するのに最もよく用いられるＣＬＢＯには深刻な問題である。特に、高感受性材料の場合には、膜は透水性を妨げるには十分に厚いが、損傷を避けるほど十分な厚さがないという条件の間で、消極的なトレードオフが存在することが多い。したがって、それ自体では及び自然には、コーティングは、水分及び場合によっては有害な他の気体種からの必要な保護を与えるには十分ではないことがある。

別の保護対策には、感受性材料を収容する囲いをシールし、続いて、該材料の物理的又は光学的特性を変化させることがある化学的相互作用に対して不活性の高純度気体でパージする、クリーンルーム処理及び組み立て技術を使用することが含まれる。パージ気体として最も一般的には窒素すなわち不活性元素を用いるこうしたシール及びパージは、レーザ製造、組み立て及び保守の技術分野においては周知であり、パージは、多くの場合、例えば現場での使用において、レーザ内に収容された光学素子の交換又は修理後の標準的な手順として用いられる。しかしながら、光学素子が、極めて壊れやすく、たとえ微量気体成分であっても汚染に対して特に感受性がある場合には、周囲の環境からの十分な保護を与えるために特別な予防措置をとらなければならない。例えば、材料を収容するセルは、ハーメチック・シールをして、漏れ又は汚染のあらゆる可能性を防止することが可能で、この場合には、気体の一回充填を用いることができる。あるいは、パージ気体は、連続的に又は断続的な間隔で流れてもよく、この場合には、材料を収容するチャンバは依然として外部環境から気密シールされていなければならず、完全な気体排気及び浄化システムが、供給準備のできているパージ気体を常に維持した状態で、組立体の一部としてさらに設けられていなければならない。

汚染に対してある程度の保護を与えるのに効果的である一方で、パージ及び気密シール技術には、多数の重大な実用上の欠点が存在する。具体的には、チャンバの気密シール、又は極端な場合には、ハーメチック・シールは、調節、検査又は交換の目的のためには、光学材料への何ら迅速なアクセスを可能にするものではない。さらに、例えば、高調波変換モジュールに用いられるＣＬＢＯの場合のように、深紫外光を通す窓を、シールされたセルの一部として設ける必要がある場合、特により高出力の状態では、該窓の材料に損傷を与える相当なリスクがある。限定されたアクセス性と相まって、窓への損傷を避けるように設計する必要性は、材料を収容するシステム全体の設計の融通性を制限する。
完全な気体シールはまた、輸送中に遭遇することがある高度その他の周囲変化が、セルを収容する機械系に望ましくない力を発生させ、容易には修正されない潜在的位置ずれをもたらす可能性があるという厄介な問題を有する。万一パージが突然故障するか、又は気体供給が散逸するといった突発故障の可能性によって、システム全体の総合的な信頼性及び寿命が損なわれることになる際には、ハーメチック・シールされたセルが使用されているか又は完全なパージシステムが含まれているかにかかわらず、相当のコスト、バルク及び複雑さも、システムに付加される。この故障モードは、ＣＬＢＯ又は同様の感受性材料を成分とする素子を輸送するときには特に問題である。陸路、海路又は空路での実用性には、装置が長時間にわたって放置されることが要求される。

パージが作動していないか、及び／又は気密シールが例えば極端な温度及び圧力変化のせいで損なわれるときはいつも、結晶は、十分に保護されない状態におかれることになり、望ましくない湿度その他の汚染レベルに瞬間的に曝されることになる。万一、取り返しのつかない損傷が現場で感受性材料に生じた場合には、シールされたセル又はチャンバ組立体全体を交換しなければならず、これにより、システムのライフサイクルコストが増大する。
ＣＬＢＯの場合には、結晶のアニール温度及び高温での作動が、ひずみ率及び他の光学的損傷の影響を大幅に減少させることができることが明らかになった。ＣＬＢＯ又は同様の感受性材料をオーブンに入れるのが通例である。オーブンは、加熱された材料が、該材料の表面に吸収されるあらゆる汚染気体分子を熱運動化させることによって凝縮を排除するように極めて迅速に作用するので、気体種の吸収を緩和させる。汚染分子が水蒸気からなるときには、結晶を一定の高温で維持することで、表面の水和及びそれに伴う物理的変化を減少させることができる。この技術を実際に実施するには、保管及び輸送中でさえ、感受性材料を取り囲むオーブンの連続作動を必要とした状態で、加熱及び冷却のサイクルを回避することが必要となる。

非線形結晶の温度を制御する技術は、米国特許第６，００２，６９７号に開示されており、ここには、周囲の環境からのいかなる水分をも除去するように、結晶を収容する気密シール又はハーメチック・シールされたハウジングをパージするための措置が含まれる。この方法は、オーブンには絶えず動力が供給されなければならないので、連続的に能動制御された熱的及び物理的環境を必要とし、さらに上述のように完全なパージ組立体を設けなければならない。電力は、通常は、重くてかさばるバッテリによるか又は既存の電力網への接続により供給される。輸送中は、電力網への接続がないために、バッテリの大きさ及び重量並びにセキュリティの点が問題となる可能性がある。したがって、電力供給及び／又はパージシステムのいずれかの故障は、結晶に取り返しのつかない影響を与える可能性がある。

したがって、化学組成物に関して均一で安定した状態を確立するために外部源と質量を交換（パージ）すること、又は囲い内の温度に関して非均一で安定した状態を確立するためにエネルギを交換（加熱）することを本質的に必要としない方法を含む、汚染に敏感な光学材料のその場での保護問題に対する解決策が望まれる。関連技術は、米国特許第６，０３６，３２１号に記載された１つの受動的技術を提案しており、これは、周囲の環境から水蒸気を吸収するために乾燥剤材料を用いて、これにより、吸湿性材料を保護することを教示している。特定の教示には、乾燥剤容器を、チューブ又はダクトを用いて、吸湿性材料を収容する容積に連結することが含まれる。

こうした構造上の配置は、ｉ）吸湿性材料を、乾燥剤に曝すことによる何らかの潜在的悪影響（例えば、気体の放出又はエアロゾルの発生）から隔離すること、及びｉｉ）乾燥剤を、吸湿性材料を収容する容積を照射することがある放射線による何らかの潜在的損傷から隔離することの２つの利点を有するが、チューブ／ダクトは、本質的に汚染物質の流量を制限する。したがって、これは、ＬＢＯ、ＫＤＰ及びＫＤ^*Ｐなどの比較的吸湿性の低い材料に適用可能である。水分子は、最終的には乾燥剤を収容する容積の中に拡散して湿度の減少をもたらすことになるが、結晶を取り囲む容積から水蒸気のすべての痕跡を除去するのに必要な時間は、特に温度及び圧力が広い範囲にわたって極めて急速に変化する可能性がある輸送中には、ＣＬＢＯ又はＣＤ^*Ａなどの比較的感受性の高い材料にとって長すぎることがある。
したがって、取り巻く周囲の環境からの水などの微量成分の迅速な除去と両立可能な、感受性材料を保護するための受動的な方法及び装置に対する必要性が存在する。さらに、幅広い温度及び圧力の極値を含む状況下でも、異なる吸収率をもつ材料に適応できる、感受性材料を保護するための方法及び装置に対する必要性が存在する。

したがって、本発明の目的は、感受性光学材料をその場で保護するための受動的な方法及び装置を提供することである。
本発明の別の目的は、取り巻く周囲の環境からの水などの微量成分の迅速な除去と両立可能な、光学材料をその場で保護するための方法及び装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、幅広い温度及び圧力の範囲にわたって、異なる吸収率をもつ材料に適応可能な、光学材料をその場で保護するための方法及び装置を提供することである。

本発明のこれらの及び他の目的は、内部容積を有し、外部環境から実質的にシールされるように構成される囲いを有する光学ハウジングで提供される。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。容器は、ハウジングに連結され、気体透過性表面を含む。吸着材料は、容器内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を吸収する。
本発明の別の実施形態においては、光学ハウジングは、内部容積を有する囲いを含む。囲いは、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。容器は、囲いに連結される。容器は、該容器表面に対して少なくとも０．１の割合を有する気体透過性表面領域を含む。吸着材料は、容器内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する。

本発明の別の実施形態においては、光学ハウジングは、内部容積領域を有する囲いを含む。囲いは、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。容器は、ハウジングに連結され、気体透過性表面と気体不透過性アクセス・ポートとを有する。容器の少なくとも一部分は、ハウジングの内部容積の中に延びる突出部を形成する。気体不透過性アクセス・ポートは、光学ハウジング外側の一部分である。吸着材料は、容器内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を吸収する特徴を有する。
本発明の別の実施形態においては、レーザ・システムは、レーザと、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いとを含む。囲いは、レーザからレーザ・ビームを受け取り、出力として光放射線を放出するように構成できる。光学素子は、囲いの内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。容器は、気体透過性表面を有し、囲いに連結される。吸着材料は、容器内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴である。

本発明の別の実施形態においては、光学ハウジングは、内部容積と内部表面領域とを有する囲いを含む。囲いは、外部環境から実質的にシールされるように構成される。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。吸着材料は、内部容積内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する。
本発明の別の実施形態においては、レーザ・システムは、内部容積と内部表面領域とを有する囲いを含む。囲いは、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる。レーザは、内部容積内に配置される。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む。吸着材料は、内部容積内に配置される。吸着材料は、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する。

本発明の別の実施形態においては、その場で感受性光学素子を保護するための方法により、内部容積を有する囲いが提供される。囲いは、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる。光学素子は、内部容積内に配置される。光学素子は、外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的又は光学的特徴を有する材料を含む。吸着材料が、備えられ、囲いに連結される。少なくとも１つの気体種は、吸収プロセスによって吸着材料内に捕集される。その少なくとも１つの気体種は、外部環境の少なくとも１つの成分を含み、光学素子の少なくとも１つの物理的又は光学的特徴を変化させる。

図１は、内部容積２０を定め、外部環境３０から実質的にシールされるようにすることができる囲い１０の中に配置された感受性光学素子４０を収容する、光学ハウジング１００の実施形態を示す。図１にはまた、吸着材料８０を収容する容器５０も示される。容器５０は気体透過性表面６０を有し、該表面は、大部分が、囲い１０の内部容積２０と接する有効表面からなることが好ましい。図１の実施形態によると、容器５０は、内部容積２０の中に延びる突出部７０を形成するように、ハウジングに連結される。内部容積２０を外部環境３０から分離するシールは、正圧及び負（ゲージ）圧の両方に対して効果的となり得るものであり、好ましくはエラストマー・シールを用いるが、必ずしも耐圧シールである必要はない。囲いは、例えば、ボルトその他の手段により互いに締結される部品の標準的な機械加工公差によって実質的にシールできる。この種のシールは、耐圧性はないが、外部環境に長く曝されることによる吸着材料８０の飽和を防止するには十分である。さらに、１つ又はそれ以上の波長の光が通って入ることができる窓１２及び１２Ａを、囲いの対向する側面に設けることができる。例えば、ハウジング１００が高調波発生モジュールを含む場合、ある波長の光が、その波長を透過させるポート１２を通って入り、素子４０を通過するときに通常はより短い第２の波長の光に変換された後、窓１２Ａを通って出るようにすることが可能で、したがって、窓１２Ａは、少なくともその第２の波長で透過させるように選択され、構成される。囲いの壁の中にシールされた付加的なポート及び窓を含むより多くの複合的な囲いのすべてが、本発明の範囲に入る。

光学素子４０は、外部環境３０の成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特性又は特徴を有する材料を含む。典型的には、光学素子は、一般に高調波発生又はレーザ光変調に用いることができるＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＤ^*Ｐ、又はＬｉＮｂＯ₃などの非線形材料を含む。ほとんどの場合の外部環境は空気であるが、別の気体混合物となることもある。例えばＣＬＢＯといった対象となる多くの材料について、該材料は吸湿性があり、物理的特性は、水蒸気に曝されることによって変化する。しかしながら、他の又は同じ材料は、例えば有機化合物などのより幅広いクラスの原子又は分子種に対して感受性がある。
素子４０は、好ましい実施形態の幾つかにおいて、結晶又は光学素子４０の温度を一定温度で維持するように設計されるオーブン又はヒーターを備えるセル４５内に保持してもよい。光学素子の温度を所定の限度値内に維持するように設計されるこうしたオーブンは、レーザ設計及び製造の技術分野において周知である。例えば、基本波レーザ放射の高調波変換に用いられる非線形結晶の多くは、位相整合条件を最適化するために、結晶の温度を精密に制御することを必要とする。当該技術分野における他の公知例においては、セル４５には、電気又は音響光学変調器として構成され、Ｑスイッチレーザ放射に用いて短いレーザ・パルスを得るための非線形結晶が入っている。いずれの場合にも、セル４５は、入力及び出力放射線を通す光学窓（図示せず）を含む。
素子４０は、セル４５内に収容されてもよいか又は収容されなくてもよい、コーティングされた又はコーティングされていない受動的な光学化合物を含むこともできる。一般に様々な光学素子用の基材として用いられるＣａＦ₂及びＭｇＦ₂などの化合物は、弱吸湿性であることが知られており、本発明で開示された新規な特徴から利益を得ることができる。

容器は、気体透過性表面６０と、該気体透過性表面の背後の容器内に配置された吸着材料８０とを有する。突出部は、内部容積の中に延びており、容器がチューブ、パイプその他の細長い狭窄部によって該内部容積に連結された場合と比べて相対的に短い時間で、大気成分（分子又は原子）のランダム運動と交わるように、気体透過性表面を適所に配置する。このように、図１に示される構造は、他の構造的関係と比べて、望ましくない大気成分その他の汚染物質を安全レベルにまで除去する時間を大幅に削減する。この形態が、輸送中の突然の漏れその他の環境変化に対して与えられる保護を大幅に強化させる。

気体透過性表面６０は、容器の総表面領域に実質的に関連することをさらに認識されたい。より有利な構造的配置と組み合わせて、汚染物質の流量に対して相対的に大きい領域を与えることで、大気種及び／又は汚染物質の除去速度がさらに改善する。好ましくは、容器の総表面領域に対する気体透過性表面の割合は、少なくとも約０．１である。典型的な実施形態には、有孔の金属若しくは非金属の表面、又は織メッシュを含む金属若しくは非金属の織物若しくは多孔性表面が組み込まれている。例えば、薄いシートのような気体透過性表面を含む特定の実施形態においては、容器の総表面領域に対する気体透過性表面の割合は、１に近づく。

吸着材料８０は、気体透過性表面６０の背後の容器５０内に配置される。吸着材料が存在する目的は光学素子４０を保護することであるが、典型的な実施形態には、該吸着材料に起因する有害な副次的影響から該光学素子を保護する構造が含まれる。典型的な吸着材料には、分子ふるい、シリカ・ゲル、Ｄｒｉｅｒｉｔｅ、Ｚｅｏｌｉｔｅ、及びＮａｔｒａｓｏｒｂ（商標）などの乾燥剤、並びに活性炭及び活性アルミナなどの他の吸着材料が含まれる。最新の乾燥剤材料について迅速に参照するには、ＺＥＯＣＨＥＭから入手可能なデータ・シート、チュートリアル及びマニュアルを調べることが可能で、これらのすべては、引用によりここに組み入れられる。
しかしながら、吸着材料自体が、気体の放出その他の機構によって有害な蒸気源となり得るか、又は有害なエアロゾル（液体又は固体材料の小さな粒子）源となり得ることが注目される。発生源としての吸着材料の何らかの影響から生じる可能性のある副次的損傷を緩和するために、本発明の実施形態では、該吸着材料を少なくとも１つの小容器にさらに閉じ込める。小容器は、シリンダ又は袋とすることができる。多くの変形が明らかである。好ましい実施形態は、Ｔｙｖｅｋ（商標）などの織メッシュ材料で作られた少なくとも１つの袋である。

光学ハウジング１００の実施形態の多くは、光放射線が内部容積２０のある程度又はすべてを照射するように用いられる。例えば、光学ハウジングが１つ又はそれ以上の高調波発生結晶、光学パラメータ変換器、又は別のレーザ・モジュールを含む場合に、レーザ・ビームが該光学ハウジングに入ることがある。輸送目的にのみ作られるものなどの他の実施形態は、いかなる入射レーザ・ビームからも隔離されるように用いることができる。しかしながら、光放射線が内部容積の少なくとも一部分を照射するときには、気体流束への接触を生じる同じ構造は、吸着材料又は小容器材料を光子束に曝すものとなる。時間の経過とともに、光エネルギ密度（エネルギ／単位面積）は、吸着材料又は小容器材料を劣化させるか、又はそうした材料が光学素子４０に副次的な損傷を与えるのに十分なものとなることがある。したがって、こうした実施形態においては、気体透過性表面は、囲いの中に存在する可能性があるいかなる光放射線をも通さない材料で作られることが好ましく、その結果、吸着材料は、入射する光出力及び／又はエネルギ密度から遮蔽される。光を通さない小容器材料の好ましい実施形態には、好ましくは１マイクロメーターのオーダーのメッシュ孔径を有する織メッシュ材料が含まれる。
一般に、容器は、囲いの中に自由に配置できるが、特定の光学材料又は作動条件が制約を課すことがある。特殊な制約を満たすために、好ましい実施形態は、容器と光学素子との間の離間距離を最小にして、これにより、汚染物質、水分又はその他のあらゆる有害な大気種の感受性材料４０からの除去効果が最大となるように、容器を配置するものである。

図２は、容器５０の一実施形態の詳細を示す。多くの他の変形が、本発明の範囲内で可能である。図２においては、斜視図２００、平面図２１０、気体透過性表面６０、アクセス・ポート２２０、及び観測窓２３０が示される。装置の実施形態の多くには、容器内部へのアクセス・ポート２２０が含まれる。好ましくは、アクセス・ポートは、気体不透過性である。アクセス・ポートが含まれるとき、吸着材料は、光学ハウジング１００（図１を参照）の内容物への影響を最小限にした状態で、挿入し、取り出し、又は交換することができる。光学ハウジングがレーザと組み合わせて用いられる実施形態においては、ユーザは、レーザの作動前に吸着材料を取り出すことができる。光学素子４０（図１を参照）を取り囲むオーブンを含む他の実施形態においては、感受性光学素子の加熱は、大気作用に対して十分なものを与えることができる。したがって、作動中は、信頼性のある電力が確立されれば、オーブンを吸着材料の代わりに用いることができる。本発明の実施形態は、容易に組み合わせて用いられるようにすることができるものとして、又は、関連技術において教示された技術に直ちに代替するものとして認識される。特に、それらは、素子を、円滑に故障なく、作動、待機及び保管の間で様々に切り替える能力を提供する一方、現場保守又は交換作業に望まれる一定のアクセス性を維持することができる。
アクセス・ポート２２０の好ましい実施形態には、観測窓２３０も含まれる。観測窓の実施形態の幾つかには、該観測窓から出て来るレーザ光のせいでユーザの目に損傷を与える可能性を防止するためのスペクトル・フィルタが含まれる。スペクトル・フィルタは、囲いの内部を照射する光の周波数によって、広い又は狭い帯域幅を有することができる。

図３は、吸着材料３８０が囲い１０の外部にある容器３５０内に配置される、光学ハウジング３００の別の実施形態の斜視図を表す。この実施形態においては、気体透過性表面３６０が、容器及びその中の吸着材料を囲い１０に連結する。

本発明の配置で開示される方法及び関連装置の主要な目的は、大気微量成分の濃度を極めて短い時間で極めて低いレベルにまで低下させることを可能にすること、及び、この低いレベルを大きな圧力及び温度変化の場合にも維持することである。上述のように、好ましい配置は、吸着材料からの散布及び気体の放出を最小にするように、本発明の原理に従って構成される。さらに、容器は、気体不透過性アクセス・ポートを設けて、囲いの外側からアクセス可能とし、吸着材料の挿入及び取り出しが容易に可能となるようにすることができる。光を通さない気体透過性の結合表面を用いることにより、容器の内部にある吸着材料を、光から完全に遮断することもできる。結果として得られるシステムは、感受性材料を受動的に保護し、それによって該材料を収容するシステムの寿命及び信頼性を改善するための費用対効果の高い手段を提供する。
本発明から得ることができる利点を例示した状態で、レーザ４２０及びハウジング１０を含むレーザ・システム４００が、図４に示されている。図４においては、レーザ４２０、囲い１０を含む光学ハウジング１００（図１を参照）、容器５０（図１を参照）、入力ビーム４３０及び出力ビーム４３５を含むレーザ・システム４００が示される。他の実施形態では、光学ハウジング又は容器を、レーザ自体に組み込んでもよい。本発明によると、レーザからの入力ビームは、透明な窓４１２を通って光学ハウジング１００（図１を参照）に入り、光放射線は、透明な窓４１３を通って出力４３５として放出される。ある種の実施形態において、レーザ・システムは、例えば、赤外線レーザの周波数を４倍にするか又は５倍にすることによって、紫外線を発生させる。周波数を４倍にするモジュールに対応して、セル４６５内に収容された周波数２倍器の結晶が、周波数が２倍にされ、第２のセル４４５内に収容された第２の結晶４４０に入射する放射線４３２と共に示されている。この実施形態は、周波数２倍器用のＬＢＯと、周波数を４倍にする材料としての高吸湿性のＣＬＢＯとを用いて、２６６ｎｍの光を発生させるレーザ・システムの代表的なものである。

ある状況下では、特に深紫外線が存在する場合に、吸着材料は、レーザ光との相互作用によって生成される有害種の触媒分解を促進するように選択することができることに注目すべきである。こうした状況の一例は、紫外光によるオゾン生成である。
他の実施形態においては、レーザ・システムは、気体種の電子スペクトル又は回転振動スペクトルに含まれる遷移を伴う波長が重なる放射線を発生させる。こうした実施形態においては、汚染物質の吸着体は、内部容積２０内からレーザ放射と相互作用する気体種を吸収する、付加的又は代替的な目的を果たす（図１を参照）。特定の実施形態には、乾燥力のある吸着材料と、水に強く吸収される放射線を発生させるレーザとが含まれる。

幾つかの実施形態には、汚染から光学素子を保護することに関係のない目的で該光学素子を加熱するためのオーブンが含まれる。例えば、非線形結晶を加熱することで、光による損傷に対する抵抗性を改善することができる。こうした用途においては、吸着材料の光若しくは熱との相互作用、又は吸着材料の気体の放出若しくは脱着による光学素子への副次的な影響が、レーザが作動しているときに該吸着材料を取り出すことを好ましいものとすることがある。これらの実施形態において、吸着材料は、依然として、輸送中、信頼性のある電力への接続が制限されているとき、及びオーブンが作動していないときに、感受性光学素子を保護するのに利用することができる。しかしながら、レーザを作動させるのに先立って、一旦オーブンを停止させると、吸着材料はアクセス・ポート２２０（図２を参照）を通して容器５０（図２を参照）から取り出される。操作者がレーザを停止させたとき、吸着材料を再び挿入し、オーブンを停止させることができる。

図５は、相対湿度の減少についての典型的な時刻歴を示す。図５においては、曲線５１０により、内部容積２０（図１を参照）内の測定された相対湿度［％］を時間［分］に対して示す。試験のために用いられる装置の特定の実施形態では、容器５０（図１を参照）内に配置された６つの小容器袋内の吸着材料として、分子ふるいを含むものとした。吸着材料の総質量は、１８ｇであった。曲線５１０によると、相対湿度は、３０分未満の時間で約５０％から５％未満にまで減少した。長い間そのままに放置しておくと、相対湿度は、−４０℃と６０℃との間の大きな外部温度範囲の存在下でも、少なくとも１８０日間は２％未満のままであった。

図６は、光学ハウジング６００が囲い６１０内に収容されたレーザ・システムを備える、本発明のシステム及び方法のさらに別の実施形態を示す。レーザ・システムは、利得材料６４８と、セル６４５内に収容されたＱスイッチ６４０と、好適なフィードバック光学系６２０及び６２２とを含むように一般的に示される。この場合には、Ｑスイッチ材料は、感受性光学材料からなるものとすることができる。一般的な１つの例において、レーザ６００は、水に強く吸収されることで知られる波長である３μｍ付近の放射線を放出する、エルビウムをドープしたＹＡＧなどの固体レーザである。これは、ＬｉＮｂＯ₃などの感受性電気光学結晶のコーティング表面に損傷をもたらす可能性がある。気体透過性表面６６０の背後に収容された吸着材料６８０は、湿度の迅速な除去を可能とし、この種のレーザの長期にわたる作動を促進する。
当業者には容易に明らかなように、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。むしろ、異なる構成及び実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく展開することが可能であり、冒頭の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

本発明の光学ハウジングの一実施形態の斜視図である。 図１の容器の拡大斜視図である。 本発明の光学ハウジングの別の実施形態の斜視図である。 レーザと、１つ又はそれ以上の吸湿性結晶を含むことができる周波数変換モジュールとを含む本発明のレーザ・システムの実施形態を示す。 相対湿度の減少についての典型的な時刻歴を示すグラフである。 少なくとも１つの能動利得素子と、光変調器と、結合光学系とを含むレーザを収容する囲いの概略図である。

Claims (43)

1. 内部容積を有し、外部環境から実質的にシールされるように構成される囲いと、
   前記内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
   ハウジングに連結され、気体透過性表面を含む容器と、
   前記容器内に配置され、少なくとも１つの気体種を吸収する特徴を有する吸着材料と、
   を備える光学ハウジング。
2. 前記気体透過性表面の少なくとも一部分が、光放射線を実質的に通さないことを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
3. 光を実質的に通さない前記気体透過性表面の前記部分が、織メッシュ材料を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光学ハウジング。
4. 前記織メッシュ材料が、１のオーダーであるマイクロメーター単位の孔径をもつメッシュ孔を有することを特徴とする、請求項３に記載の光学ハウジング。
5. 前記気体透過性表面材料が有孔金属であることを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
6. 前記気体透過性表面材料が多孔性媒質であることを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
7. 前記光学素子が、ＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＤ^*Ｐ、ＬｉＮｂＯ₃、ＣａＦ₂、及びＭｇＦ₂から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
8. 前記吸着材料が、分子ふるい、シリカ・ゲル、活性アルミナ、及び活性炭から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
9. 前記吸着材料が、少なくとも１つの小容器に閉じ込められることを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
10. 前記外部環境の前記少なくとも１つの成分が水蒸気を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
11. 前記容器が、前記囲いの前記内部容積の中に延びる突出部を形成するように該囲いに連結されることを特徴とする、請求項１に記載の光学ハウジング。
12. 内部容積を有し、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いと、
    前記内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
    前記囲いに連結され、表面に対して少なくとも０．１の割合を有する気体透過性表面領域を含む容器と、
    前記容器内に配置され、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する吸着材料と、
    を備える光学ハウジング。
13. 前記容器の内部表面領域に対する気体透過性表面領域の割合が、少なくとも約０．３であることを特徴とする、請求項１２に記載の光学ハウジング。
14. 内部容積領域を有し、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いと、
    前記内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
    気体透過性表面、及び、内部への気体不透過性アクセス・ポートを有し、該気体不透過性アクセス・ポートが光学ハウジング外側の一部分となる状態で、該ハウジングの前記内部容積の中に延びる突出部を形成するように該ハウジングに連結される容器と、
    前記容器内に配置され、少なくとも１つの気体種を吸収する特徴を有する吸着材料と、
    を備える光学ハウジング。
15. 前記アクセス・ポートが観測窓を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の光学ハウジング。
16. 前記観測窓がスペクトル・フィルタを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の光学ハウジング。
17. レーザと、
    外部環境から実質的にシールされるようにすることができて、前記レーザからレーザ・ビームを受け取り、出力として光放射線を放出するように構成することができる囲いと、
    前記囲いの内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
    気体透過性表面を有し、前記囲いに連結される容器と、
    前記容器内に配置され、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する吸着材料と、
    を備えるレーザ・システム。
18. 紫外線を発生させることを特徴とする、請求項１７に記載のレーザ・システム。
19. Ｈ₂Ｏの電子遷移及びＨ₂Ｏの回転振動遷移から選択される遷移の組に含まれる遷移に伴う波長が重なる放射線を発生させることを特徴とする、請求項１７のレーザ・システム。
20. 前記気体透過性表面の少なくとも一部分が、光放射線を実質的に通さないことを特徴とする、請求項１７のレーザ・システム。
21. 前記気体透過性表面が、光を実質的に通さない織メッシュであることを特徴とする、請求項１７のレーザ・システム。
22. 前記光学素子が、ＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＤ^*Ｐ、ＬｉＮｂＯ₃、ＣａＦ₂、及びＭｇＦ₂から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項１７に記載のレーザ・システム。
23. 前記吸着材料が、分子ふるい、シリカ・ゲル、活性アルミナ、及び活性炭から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項１７に記載のレーザ・システム。
24. 内部容積及び内部表面領域を有し、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いと、
    前記内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
    前記内部容積内に配置され、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する吸着材料と、
    を備える光学ハウジング。
25. 前記吸着材料を光出力密度から隔離するための隔離部材をさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の光学ハウジング。
26. 前記光学素子が、ＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＤ^*Ｐ、ＬｉＮｂＯ₃、ＣａＦ₂、及びＭｇＦ₂から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の光学ハウジング。
27. 前記吸着材料が、分子ふるい、シリカ・ゲル、活性アルミナ、及び活性炭から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の光学ハウジング。
28. 内部容積及び内部表面領域を有し、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いと、
    前記内部容積内に配置されるレーザと、
    前記内部容積内に配置され、前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝されることによって変化する少なくとも１つの物理的特徴を有する材料を含む光学素子と、
    前記内部容積内に配置され、少なくとも１つの気体種を自然に吸収する特徴を有する吸着材料と、
    を備えるレーザ・システム。
29. 紫外線を発生させることを特徴とする、請求項２８に記載のレーザ・システム。
30. Ｈ₂Ｏに強く吸収される波長の放射線を発生させることを特徴とする、請求項２８に記載のレーザ・システム。
31. 前記光学素子が、ＣＬＢＯ、ＣＤ^*Ａ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＤ^*Ｐ、ＬｉＮｂＯ₃、ＣａＦ₂、及びＭｇＦ₂から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項２８に記載のレーザ・システム。
32. 前記吸着材料が、分子ふるい、シリカ・ゲル、活性アルミナ及び活性炭から選択される材料の組に含まれる少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする、請求項２８に記載のレーザ・システム。
33. 内部容積を有し、外部環境から実質的にシールされるようにすることができる囲いを提供し、
    前記外部環境の少なくとも１つの成分に曝すことによって変化する少なくとも１つの物理的又は光学的特徴を有する材料を含む光学素子を、前記内部容積内に配置し、
    前記囲いに連結される吸着材料を備え、
    前記外部環境の少なくとも１つの成分を含み、前記光学素子の少なくとも１つの物理的又は光学的特徴を変化させる少なくとも１つの気体種を、吸収プロセスによって前記吸着材料に捕集する、
    ことを含む、その場で感受性光学素子を保護するための方法。
34. 前記吸着材料を、前記光学素子がレーザ放射に曝される前に、アクセス・ポートを通して取り出すことをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記吸着材料を光フルエンスから隔離することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
36. 前記吸着材料を小容器内に閉じ込めることにより、エアロゾルの生成を緩和することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
37. 前記吸着材料を小容器内に閉じ込めることにより、気体の放出を緩和することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
38. 前記吸着材料に捕集される前記少なくとも１つの気体種が、Ｈ₂Ｏを含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
39. 前記内部容積の相対湿度が、１２０分未満で約５％未満にまで減少することを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
40. 前記内部容積の相対湿度が、３０分未満で約５％未満にまで減少することを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
41. 内部チャンバの相対湿度が、少なくとも３０日の間、５％未満に維持されることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
42. 内部チャンバの相対湿度が、少なくとも３０日の間、２％未満に維持されることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
43. 内部チャンバの相対湿度が、少なくとも１８０日の間、２％未満に維持されることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。

Images