JP2007515765A - レーザ共振器および周波数変換型のレーザ - Google Patents
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Abstract
光学的にポンピングされる、殊にダイオードポンピングされる安定した固体レーザが一次レーザビームを形成し、この一次レーザビームの周波数は、後置接続されており非線形の結晶を備えている1つまたは複数の受動的な共振器を用いて可視スペクトル領域または紫外線スペクトル領域に変換される。比較的僅かな手間でもって、ほぼ等しい振幅を有するちょうど2つの縦方向のレーザモードがレーザ共振器において発振される。これによって全体システムの高い効率、また結果として生じる周波数変換されたレーザビームの非常に低いノイズレベルが達成される。本発明の実施形態にとっては周波数変換されたビームが3つまたはそれ以上の隣接する周波数を有する。本発明の別の実施形態においては、周波数変換されたレーザビームがただ1つの周波数のみを有し、したがって単一モードレーザのビームに相当する。
Description
本発明は、内部に増幅媒質と、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子とが配置されているレーザ共振器に関する。
この種のレーザ共振器は一次レーザビームを発生させるために使用され、この一次レーザビームからは光学的に非線形の結晶を用いることにより周波数が変換された二次レーザビームを発生させることができる。周波数変換型の固体レーザは殊に青色および紫外線のスペクトル領域において広範に使用されている。
非線形の結晶を内部、すなわちレーザ共振器の内側、もしくは外部、すなわちレーザ共振器の外側に配置することができる。内側での周波数変換の場合にはレーザ共振器内での一次レーザビームが共振器の外側よりも実質的に強い強度を有するので、内側での周波数変換は期待通りに非常に効果的である。これに対して周波数変換がレーザ共振器の外側で行われる場合には、実際の用途に関して十分な変換効率を達成するための措置を講じる必要がある。
2つのバリエーションにおいては、レーザビームにおける不所望な周波数の発生、したがってレーザビームの強度におけるノイズに繋がるおそれのあるレーザビームのモードの非線形の結合を低減するために事前に対策を講じる必要がある。
以下では従来技術において使用されている周波数変換のための方式および装置、ならびにその際に発生するレーザビームの雑音源を紹介して論じる。ここで論じることは、本発明に対してのみ関連している外部の周波数変換に限定される。
外部での周波数変換の効率を高めるための公知の方式は受動的な共振器内での共振的な周波数倍化である(例えば、Ashkinらによる「Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing」、Journal of Quantum Electronics、QE-2、1966年、第109頁およびM.Briegerらによる「Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator」、Optics Communications 38、1981年、第423頁)。レーザビームはミラーおよび非線形の結晶を包含する光学的な共振器に入力結合され、この光学的な共振器はレーザビームの周波数に共振するよう調整されている。共振することによって共振器内でのレーザビームの強度が高まり、したがって非線形の結晶における変換効率も高まる。
外部において共振的に周波数変換を行う技術は近年ますます広範に開発され続けており、また多数の刊行物にも記載されている(例えばUS5027361、US5552926、US5621744、US5943350、US6088379,DE19814199、DE19818612、DE10002418、DE10063977を参照されたい)。外部での周波数倍化の際に達成される変換効率は平均的に90%であり、それどころが部分的には内部での変換の場合よりも高い(Schneiderらによる「1.1W single-frequency 532nm radiation by second-harmonic generation of a miniature Nd:YAG ringlaser」Optics Letters、第21巻、第24号、1996年、第1999頁を参照されたい)。
US5696780においては、波長を紫外線スペクトル領域に維持するために、ダイオードポンピングされる固体レーザのレーザビームが内部でも外部でも周波数変換される。US5446749に記載されている、殊に大きな共振器長を有する内部で周波数を倍化するレーザのレーザビームからは、外部の共振的な周波数倍化部を用いて一次レーザビームの4倍の周波数を有するレーザビームが発生される。このレーザビームは多モードレーザであるので、周波数倍化部の共振器長はレーザ共振器の共振器長の整数倍でなくてはならない。
殊に大きな2つの共振器を使用することは、原理的な条件により装置の非実用的な実施形態をもたらす。さらには、外部の周波数倍化部に供給される、周波数倍化されたレーザビームのノイズレベルは既に比較的高いものである。何故ならば、ここではノイズの統計的な抑制しか行われないからである。非線形の周波数倍化によってノイズ振幅が倍化されるだけでなく、「モードビート」の際の差分周波数形成の効果によって、すなわち異なるレーザモードの差分周波数形成によるうなりの形成によって、0Hzから数MHzの殊に妨害的な領域にある付加的な周波数が形成される。
以下ではモードビートの問題を詳細に説明する。このモードビートは多モードレーザにおいて常に存在するノイズ源である。この現象は、他のノイズ源のより強いノイズによって隠されているか、周波数が認識される範囲の外にあるので、しばしばノイズとしては認識されない。
多くの用途に関して、レーザノイズの周波数スペクトルはレーザシステムの有用性にとって決定的に重要である。多くの用途においては例えばレーザビームが電子光学的な変調器を用いて振幅変調される。使用される変調周波数は数100MHzにまで及ぶ可能性がある。この用途に関しては有効周波数の領域にあるレーザノイズが可能な限り小さいことが重要である。これに対してこの有効周波数の領域外のレーザノイズは重要ではない。例えば数センチメートルの長さのレーザ共振器の隣接するレーザモードによって生じるような数GHzの領域にあるうなり周波数は一般的に重要ではない。何故ならばこのうなり周波数は、通常の場合変調に使用される周波数帯から大きく離れているからである。例えば、3cmの共振器長を有する2モードレーザでは2つのレーザモードの周波数間隔が5GHzである。したがってノイズスペクトルにおいては、この1つの周波数しか発生せず、このことは従来から公知の全ての用途には影響を及ぼさない。しかしながらレーザが2つ以上のモードを有する場合には別のうなり周波数が加わる。実際のレーザ共振器における縦方向のレーザモードの周波数は、光学素子の分散ならびに活性媒質の「モードプリング」効果によって周波数が変位するために正確には等間隔ではない。したがって、2つ以上のモードを有するレーザのノイズスペクトルはモード間隔に応じた非常に近接する複数の周波数を有する。
レーザの基本波のみが使用される限りは、この周波数は数GHzの領域にあり、したがって前述の用途領域に影響を及ぼすことはない。しかしながらレーザビームが非線形の材料を用いて周波数変換される場合、すなわち例えば周波数が倍化される場合には、変換されたレーザビームのノイズスペクトルには、前述の非常に近接するGHz領域の周波数のみが生じるだけではなく、その周波数の差分周波数も生じる。この差分周波数は一般的に0Hzから数MHzの領域にあり、したがって前述の用途領域にとって非常に影響を及ぼす。このうなりはさらに好ましくない特性、すなわちそのようなうなり周波数は敏感にレーザ共振器の長さ、したがって温度に依存し、その結果常に変化する種々の周波数を有するノイズスペクトルが生じるという特性を有し、このことは前述の用途にとって非常に不利である。
A,Hohlaらによる「Bichromatic frequency conversion in potassium niobate」、Optic Letter、第23巻、第6号、1998年、第436〜438頁から、1.2GHzの周波数差を有する2つのレーザモードを持つ一次レーザビームを出力することができる、小型チタン・サファイア・レーザの形態のレーザ共振器を備えたレーザが公知である。レーザはさらに、2つのレーザモードが入力結合される湾曲した端部ミラーを備えたボータイ(Bow-Tie)タイプの外部のリング共振器を包含する。外部の共振器は周波数倍化のための温度が調整されるニオブ酸カリウム結晶を有する。温度調整はニオブ酸カリウム結晶の光学的な位相整合を維持するために使用される。
この装置の欠点は、周囲温度のような外部のパラメータの変動が、2つのレーザモードおよび二次レーザビームの一定の出力を有する、ノイズの少ない安定した動作が妨害されることである。しかしながら周波数変換されたレーザビームの一定の出力は多くの工業的な用途において高い重要性を有する。
本発明が基礎とする技術的な問題は、ノイズが少なく且つ殊に安定した外部の周波数変換を実現するレーザを提供することである。本発明が基礎とする別の技術的な問題は、ノイズが少なく且つ安定性が殊に高い周波数変換型のレーザを供給することである。
本発明によれば、請求項1の特徴を有するレーザ共振器および請求項12の特徴を有するレーザ装置が提供される。従属請求項には本発明によるレーザ共振器または本発明によるレーザ装置の有利な実施形態が記載されている。
本発明は、レーザ共振器の構成が二次レーザビームの安定した強度にとって非常に重要であるという認識を基礎とする。したがって本発明の基礎をなす観点は、一次レーザビームを発生させるためのレーザ共振器である。さらに本発明によるレーザ共振器の実施形態は以下の認識を基礎とする:
増幅媒質(活性媒質とも称する)が共振器長よりも著しく短く、且つ共振器ミラー間の中央に設けられているレーザは、2モード動作する傾向にある。2モード動作とは基本的に、横方向の基本状態TEM00において隣接する縦方向の2つのレーザモードの構成、すなわちTEM00qおよびTEM00q+1を表しており、ここでqはそれぞれのモードの振動ノード数を意味している。比較的高い横方向モード、すなわち例えばTEM01qの発生は活性媒質におけるポンプ光分散の相応の構成および好適な共振器幾何学によって回避される。
増幅媒質(活性媒質とも称する)が共振器長よりも著しく短く、且つ共振器ミラー間の中央に設けられているレーザは、2モード動作する傾向にある。2モード動作とは基本的に、横方向の基本状態TEM00において隣接する縦方向の2つのレーザモードの構成、すなわちTEM00qおよびTEM00q+1を表しており、ここでqはそれぞれのモードの振動ノード数を意味している。比較的高い横方向モード、すなわち例えばTEM01qの発生は活性媒質におけるポンプ光分散の相応の構成および好適な共振器幾何学によって回避される。
周波数が活性媒質の増幅最大値の最も近くにある2つのレーザモードの発振後に、反転分布、したがって別のモードに使用される増幅が大幅に低減する。活性媒質内においてポンプビーム源によって形成される反転分布は、単にこれら2つのモードの発振によって非常に効果的に惹起される、すなわちレーザビームに変換される。何故ならば2つのモードの相互作用領域は相補的に相互に存在するからである。
より簡単に表現すれば、第1のモードは波腹を有し、その波腹において第2のモードが振動ノードを有する。2つのモードによって反転分布をこのように相補的に使用することによって、反転分布の空間的な変調(「空間的なホールバーニング」)はさらに回避される。
しかしながら付加的な措置を講じることなく、そのような装置においては散在的に別のモードが発振する可能性がある。さらに多くのモードが発振するか否か、またそのようなモードがどのように発振するかは増幅媒質の帯域幅、ポンプ出力および共振器長に依存する。ポンプ出力が大きくなればなるほど、また共振器長が長くなればなるほど、より多くのモードが発振する可能性がますます高まる。何故ならば、これによって付加的なモードに使用される残りの増幅も、増幅帯域幅に存在する付加的なモードの数も増大するからである。
ポンプ出力が非常に低い場合でもあっても、また共振器長が非常に短い場合であっても、3つのモードが発振する場合がしばしば生じる。このことは例えば、1つのモードの周波数が増幅領域のほぼ中央に位置し、且つ残りの2つの隣接モードがこれによってほぼ同一の増幅を受ける場合に生じる。
したがって本発明が基礎とする着想は、外部での周波数変換の際に既に唯一の別のモードが発生していることは、周波数変換された出力の不安定および前述の「モードビート」、したがってノイズの上昇につながるので、レーザ共振器内での2つ以上のモードの発生を回避することである。このことは本発明によれば、共振器において同一またはほぼ同一の強度を有する2つの隣接する縦方向のモードが発振されることによって達成される。
したがって本発明によるレーザ共振器は、内部に配置されている増幅媒質と、レーザ共振器内に配置されており、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子とを包含する。周波数選択素子は減衰プロフィールと周波数との関係が、またレーザ共振器はその光学長が以下のように調整されているか調整可能に構成されている。すなわち、レーザ共振器の光学的な2モード長が調節可能である場合、同一またはほぼ同一の強度のちょうど2つの隣接する縦方向レーザモードを有するレーザビームがレーザ共振器から出力結合されるように調節されているか、調節可能に構成されている。
本発明によれば、周波数選択素子および共振器長を適切に調整することによって、ノイズの少ない2モード動作が実現される。本発明によれば、所定の減衰プロフィールではレーザ共振器の長さを、同一またはほぼ同一の強度の2つの隣接する縦方向のレーザモードがレーザ共振器から出力結合されるように調節することができる。レーザ共振器のこの光路長は光学的な2モード長とも称される。この長さはそれぞれの周囲温度、周囲圧力および周波数選択素子の減衰プロフィールと周波数との所定の関係に依存する。ここで「光路長」の概念は屈折率の影響を考慮する。
本発明により設けられている制御器を備えたレーザ共振器は殊に高い安定性を達成する。本発明は第1の変形形態において第1の制御器を有し、この第1の制御器は入力信号に依存してレーザ共振器の光路長の変化を制御するために構成されている。第1の制御器は、一次ビームを持続的に2つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように制御が行われるよう構成されている。入力信号は2つのレーザモードの強度またはエネルギまたは出力の差に依存する。
択一的には、付加的に第2の制御器が設けられており、この第2の制御器は入力信号に依存して周波数選択素子の減衰プロフィールの所定の変化を制御するために、一次ビームを持続的に2つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように構成されている。入力信号は2つのレーザモードの強度の差に依存する。
さらに択一的には、本発明によるレーザ共振器は第3の制御器を有し、この第3の制御器は入力信号に依存してレーザ共振器の光路長を制御するためにも、また周波数選択素子の減衰プロフィールを制御するためにも構成されており、ここで第3の制御器は付加的に、一次レーザビームが持続的に2つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように制御が行われるよう構成されている。入力信号は2つのレーザモードの強度の差に依存する。
本発明によるレーザ共振器でもって安定した2モード動作が実現される。別のモードの発生は周波数選択素子を用いることにより広範な出力領域において効果的に抑制することができる。これに対して従来技術、例えばUS5960015による多モードにおける不所望なモードの抑制は、限定的な出力領域においてしか達成されない。別のモードの効果的な抑制の結果として、本発明によるレーザは従来技術による多モードレーザに比べて改善されたノイズ特性を示す。
本発明によるレーザ共振器は、2つの隣接するレーザモードを持続的に同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できる点で優れている。
本発明によるレーザ共振器の有利な実施例においては、増幅媒質が中心周波数ν0を持つ増幅プロフィールを有し、この中心周波数ν0において増幅プロフィールは最大値を有する。この実施例ではレーザ共振器の光学的な2モード長の場合、隣接する2つの縦方向レーザモードの周波数は中心周波数ν0に対して対称的またはほぼ対称的に位置する。
単にほぼ対称的な配置は、単にほぼ同一の強度を有する隣接する2つのレーザモードがレーザビーム内に生じるよう作用する。しかしながらこのことは結果として生じるレーザビームの強度に対して影響を有さない。何故ならば、2つのモードの強度の和は同一の強度の場合に比べて変化しないからである。本発明によるレーザ共振器を備えた、周波数変換のための外部の受動的な共振器が動作する場合には、2つの隣接するレーザモードの強度比は周波数変換されたレーザビームの総出力に作用する。可変の分配係数κ(0...1)を規定し、この係数に従い一定の総出力Pfを、
P1=κPf
P2=(1−κ)Pf
により2つのレーザモードの出力P1およびP2に分割すると、周波数倍化された出力Psが一次近似により得られる。
PS=γ(P1 2+4P1P2+P2 2)
PS=γ(−2(κ−0.5)2+1.5)Pf 2
ここでγは変換係数を表す。これに従い周波数倍化された出力Psはκ=0.5、すなわち出力の対称的な分割の際に最大値を取る。したがって周波数倍化された出力または周波数倍化された出力の変化は、本発明によるレーザ共振器の制御器に対する殊に適切な入力信号である。
P1=κPf
P2=(1−κ)Pf
により2つのレーザモードの出力P1およびP2に分割すると、周波数倍化された出力Psが一次近似により得られる。
PS=γ(P1 2+4P1P2+P2 2)
PS=γ(−2(κ−0.5)2+1.5)Pf 2
ここでγは変換係数を表す。これに従い周波数倍化された出力Psはκ=0.5、すなわち出力の対称的な分割の際に最大値を取る。したがって周波数倍化された出力または周波数倍化された出力の変化は、本発明によるレーザ共振器の制御器に対する殊に適切な入力信号である。
本発明の有利な実施例においては、第1の制御器または第3の制御器が制御信号を形成し、この制御信号は第1の調整素子に出力され、この第1の調整素子は到来した制御信号に依存してレーザ共振器の光路長を変化させるために構成されている。
有利には、第1の調整素子はレーザ共振器の温度を変化させるために構成されている。この変形形態は構造的に簡単である。温度の制御はただそれだけで、周波数選択素子の優先周波数(Vorzugsfrequenz)またはレーザ共振器の光路長、またはそれら2つを調整するためにしばしば既に十分である。したがって本発明の別の実施例においては、第1の調整素子が周波数選択素子の温度を変化するために構成されている。
別の実施例においては、第2の制御器が制御信号を形成し、この制御信号を第2の調整素子に出力し、この第2の調整素子は周波数選択素子の温度を変化させるために構成されている。
有利には周波数選択素子として線形の周波数選択素子、殊にエタロンまたは複数のエタロンの組み合わせが使用される。レーザビームの方向でもってエタロンの面放線は0とは異なる角度を囲むようにこのエタロンを構成することができ、この場合エタロンの面はコーティングしていなくても良い。エタロンはこの場合、角度が調整されたエタロンである。殊に、エタロンとして構成されている少なくとも1つの出力結合ミラーが使用される。この出力結合ミラーの出力結合度はエタロン作用により周波数に依存しており、またこれによって出力結合ミラーは不所望なモードを抑制する。そのようなエタロンを例えば温度の変化によって調整することができる。エタロンの厚さおよびコーティングが適切に選択されている場合には、安定した2モード動作がレーザ閾値から数ワットまでの広範な出力領域にわたる出力を実現する。殊に、エタロンとして構成されている出力結合ミラーを備えたレーザの実施形態は、非常に僅かな煩雑性および高い効率の点で傑出している。しかしながら本発明はこの特別な装置に制限されるものではない。むしろ本発明の範囲においては他の周波数選択素子、例えば複屈折フィルタまたは角度が調整されたエタロンまたはこのような素子の組み合わせも使用することができる。したがって以下ではエタロンは単に該当する周波数選択素子のうちの1つを代表して表されているものとする。
いかなる場合においてもエタロンは、増幅プロフィールの中心周波数ν0に調整されている優先周波数を有する。エタロンの帯域幅は、全ての不所望なレーザモードの十分な減衰が行われるように選択されている。
本発明によるレーザ装置は本発明によるレーザ共振器の他に、レーザ共振器から出力された一次レーザビームを周波数変換するための外部の受動的な共振器を包含する。レーザ共振器内部における周波数変換のための非線形の材料の使用を省略することによって、特性が安定しているレーザ、殊に2モード動作が安定しており且つノイズが少ない周波数変換型のレーザを提供することができる。殊に、周波数変換されたレーザビームのノイズスペクトルが、一次レーザビームの2つの隣接する縦方向レーザモードの周波数間隔よりも大きいまたはその周波数間隔と等しいうなり周波数のみを包含すること、また周波数変換されたノイズの実効値が最も低いうなり周波数以下の周波数領域において平均出力の最大で0.2%であることを達成できる。
レーザ源と周波数変換部としての受動的な共振器を分離することによって、レーザ共振器および受動的な共振器に関するタスクの分割が行われる。すなわち、レーザ共振器において安定したノイズの少ない一次ビームが形成され、受動的な共振器において効果的に周波数が変換される。したがってレーザ源と、例えば周波数倍化部のような周波数変換器とを分離することは、両方の部分を別個に最適化するために付加的な自由度を設計者に明らかにする。つまり例えば非線形の結晶の長さを、レーザ源に作用を及ぼすことなく周波数変換の要求に対してのみ最適化することができる。例えば、内部での周波数倍化の際に部分的に維持されているようなノイズの少ない動作に対して最大限許容されるポンプ出力のような動作制限は、外部の周波数変換においては省略される。したがってレーザ源および周波数変換部の別個の最適化は、要求設定を充足することを設計者に容易にする。
レーザ共振器の光路長が最適値から偏差しても一次レーザビームの出力は変化しないので、このパラメータからは本発明によるレーザ共振器の制御器に対する入力信号、例えばエラー信号を導出することはできない。
したがって本発明によるレーザ装置の殊に有利な実施例は、二次レーザビームの強度に依存する第1の測定信号を形成して出力するために構成および配置されている第1の測定装置を有する。別の実施形態は第1の測定装置に後置接続されている評価ユニットを有し、この評価ユニットは第1の測定信号からエラー信号を出力するよう構成されている。このエラー信号は光路長、すなわち光学的な2モード長からの光学的な共振器長の偏差に依存しており、また方向情報、すなわち例えば過度に小さい共振器長では正であり、過度に大きい共振器長では負である方向情報を包含する。殊に有利には、エラー信号が入力信号として第1、第2または第3の制御器に供給される。この実施例の背景は、共振器長が最適である場合、周波数変換されたレーザビーム出力は最大値を取ることである。したがって周波数変換された強度を検出することによって、制御回路に関する入力信号を取得することができる信号を供給することができる。周波数変換のための外部の受動的な共振器はこれによって付加的に、レーザ共振器のモード構造に関する一種の検出器として使用される。第1の測定信号は、モード構造が中心周波数について対称的であり、したがってレーザ動作にとって最適である場合に最大となる。
殊に、外部の受動的な共振器を周波数倍化のために設計することができる。周波数倍化の際には非線形の結晶の特性に基づき、本発明によれば2つの隣接する周波数ν1およびν2を包含する一次レーザビームから付加的に3つの別の周波数、すなわち倍化された周波数2ν1および2ν2ならびに2つの本来の周波数の和周波数ν1+ν2が生じる。一次レーザビームの2つのレーザモードの周波数は、これらの周波数が非線形の結晶における位相整合に関する許容範囲内にある程に密に隣接している。同様に和周波数混合に関しては、ファクタ4だけ大きい変換係数での位相整合が問題となる(例えばV.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan, N. Nikogosyanの「Handbook of Nonlinear Optical Crystals」Springer Series in Optical Sciences、第64巻、ISBN-3-540-65394-5を参照されたい)。したがって3つの周波数の強度の比は1:4:1となる。
従来の多モードのレーザビームに比べて、本発明による周波数変換されたレーザビームは2つの非常に有利な特性によって優れている:1つは、包含されている3つの周波数がΔν=ν2−ν1の周波数間隔での精確な等間隔にあるということであり、もう1つは、周波数倍化されたレーザビームの平均周波数において全体出力の2/3が統合されることである。これらの特性の有利な作用は殊に、2つの外部の受動的な共振器が後述するように相互に接続されている場合には重要である。
外部の受動的な共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍に相当する場合には、2モードレーザにおいて外部の受動的な共振器が一次ビームの2つの周波数に対して共振することを達成でき、その結果周波数変換の際には単一モードレーザの場合と同じ効率を達成することができる。これに対して、典型的に100のモードを有する多モードレーザが外部において周波数変換される、US5696780による装置ではレーザモードの一部に対してしか受動的な共振器において共振を達成することができない。何故ならば、モードの周波数間隔はレーザ共振器および受動的な共振器内での分散によって種々の非線形の規則性に従い変化するからである。これによりそのような装置において達成される効率は低くなる。上述した「モードビート」に起因して、US5696780による装置の周波数変換されたレーザビームは低周波領域にある複数のうなりを有し、そのうなりの振幅および周波数は圧力および温度のような周囲パラメータと共に複雑に変化する。
本発明によるレーザの別の実施形態においては、このレーザが周波数変換のために少なくとも2つの外部の受動的な共振器を包含し、これらの2つの外部の受動的な共振器は一次レーザビームが第1の外部の受動的な共振器に入力結合され、この第1の外部の受動的な共振器から出力された周波数変換されているレーザビームがさらなる周波数変換のために第2の外部の受動的な共振器に入力結合されるように相互に接続されている。外部の受動的な共振器それぞれが周波数倍化のために設計されている場合には、この構成でもって一次レーザビームに対し4倍の周波数を有するレーザビームを得ることができる。
可能な限り高い変換効率を達成するために、2つの外部の受動的な共振器の第1の実施形態においては、2つの共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍に相当する。外部の受動的な共振器の非線形の結晶が周波数倍化のために設計されている場合には、これによって例えば、第2の外部の受動的な共振器においては周波数倍化されたレーザビームの3つ全ての周波数に対して共振が存在することが達成される。周波数倍化および和周波数混合によって、周波数間隔がΔν=ν2−ν1である5つの隣接する周波数を有する「周波数が4倍にされた」レーザビームが生じる。精確に等間隔であるために、うなりによって妨害的な低周波のノイズが発生する可能性はない。すなわち上述した非常に有利な第1の特性によって、妨害的なうなり周波数が生じることなく、多モードレーザビームは高効率でもって周波数が何倍にもされる。
しかしながら紫外線のレーザビームの幾つかの用途、例えばリソグラフィおよび共焦点のマイクロスコープにおいては、レーザビームがただ1つの周波数を包含することが決定的に重要である。したがってこれを達成するために、2つの外部の受動的な共振器の択一的な実施形態においては、第2の外部の受動的な共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍とは著しく異なるように調節されている。
このことは例えば、受動的な共振器において周波数倍化する非線形の結晶の場合、第2の受動的な共振器の光路長は、第1の受動的な共振器によって形成された周波数倍化されたレーザビームの平均周波数ν1+ν2に対してのみ共振するように設計されていることを意味する。これによって既存の3つの周波数のうちの1つの周波数のみが倍化され、新たに形成される変換されたレーザビームのみが2(ν1+ν2)の周波数を有する。
この場合、受動的な共振器は付加的に、不所望な周波数を抑制する狭帯域フィルタの作用を有する。第2の受動的な共振器に入力結合されるレーザビームの出力が均等に3つの周波数に分割されるならば、この出力の1/3のみが共振器内を循環することになる。倍化プロセスの2乗の関係に起因して変換効率は、3つ全ての周波数が共振する前述の実施形態において存在する値の1/9に低減するであろう。本発明においては、共振器内を循環する出力は単に2/3にしか低減しないので、変換係数は単に4/9にしか低減しない。したがって上述の非常に有利な第2の特性は、副モードが第2の受動的な共振器を用いることにより単一モードを目的として抑制される場合には、4倍も高い変換効率を提供する。
したがって、2つの外部の受動的な共振器の前述の実施形態は紫外線のレーザビームのための構造的に十分に等しい2つのレーザ源であり、これらの実施形態のうち第1の実施形態は効率の高い多モードレーザビームを供給し、これに対し第2の実施形態は第1の実施形態の効率の44%の単一モードレーザビームを供給する。これら2つの実施形態は単に、第2の受動的な共振器の光路長が僅かに異なるという点のみで区別される。したがって、ビーム幾何学を維持し且つ光路長の変化を可能にする光学素子を挿入することによって構成を別の構成に変更することも可能であり、これによって多モードレーザビームと単一モードレーザビームを切り換えることができる。
本発明の別の実施形態においては、外部の周波数変換部を有するレーザがさらにポンプ光源ならびに制御回路を包含し、この制御回路は高周波出力変動を検出するための検出器と、レーザ出力において減衰されていない振動が抑制されるようにポンプ光源に作用を及ぼす調整素子とを有する。このことは以下において詳細に説明される。
本発明の1つの実施形態においては、2モード動作の固体レーザの一次レーザビームが外部の受動的な共振器に入力結合され、周波数変換されたレーザビームが形成される。受動的な共振器は好適には、一次レーザビームが直接的にレーザ共振器に反射することを回避するためにリング共振器として実施されている(M. Briegerらによる「Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator」Optics Communications 38、1981年、第423頁)。つまりこのような反射によって通常の場合、不安定性が生じるからである。しかしながらリング共振器は、共振器内の光学素子、殊に非線形の結晶はレーザ光を種々の方向に散乱させる可能性があるので、フィードバックがないわけではない。入射ビーム方向に抵抗して散乱する光は共振器内での共振増大によって増幅され、指向性のビームとしてレーザ共振器に帰還する。レーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔が一定である限り、また後方散乱がレーザ出力と強い線形性の関係にある限り、これによって不安定性は発生しない。
しかしながら非線形の結晶を有する受動的な共振器においては、出力に依存する非線形の後方散乱効果が生じる可能性がある。このことは受動的な共振器の共振周波数が共振器内を循環する光波の出力と共に変化することを表している。共振周波数が変化することによって共振条件は変化するので、やはり出力が変化する。この現象は「付加パルスモード同期(Additive Pulse Mode Locking)」の方式において使用され、継続的にポンピングされる固体レーザ、例えばチタン・サファイア・レーザにおいてモード結合によるパルス動作が惹起される(W. Koechnerの「Solid State Laser Engineering」Springer Series in Optical Sciences、第515頁、ISBN 3-540-60237-2を参照されたい)。しかしながら本発明においてはこの現象は不所望な振動に繋がる可能性がある。発振プロセスの力学は光学的にポンピングされる固体レーザでは共振特性、いわゆる緩和発振に繋がる可能性がある。ここでは通常の場合、レーザ媒質の励振がパルス状に行われない限り減衰された振動である。この減衰された緩和発振からは、上述のような非線形のフィードバックが存在し、且つレーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔は適切な位相関係によってフィードバックが存在するような場合には、100%までの変調深さを有する減衰されていない振動が生じる可能性がある。生じた振動の周波数は緩和発振に相応し、また典型的には100kHzから1MHzの周波数領域において、使用される活性レーザ材料およびポンプ出力に依存する。
本発明においては、この減衰されていない振動の発生が不所望な特性を表すおそれがある。これは原理的には、レーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔が、フィードバックからネガティブフィードバックになり、これによって減衰されていない振動が再び減衰された振動になるように構成されていることによって回避されるであろう。しかしながらこのために間隔は持続的に波長の一部に正確に維持されなければならず、このことは圧電素子を用いる煩雑な電子制御によってのみ実現されるであろう。
本発明においては、前述の発振を回避するための余り煩雑でないやり方が選択される。ノイズ源についての上記の検討において既に述べたように、ダイオードポンピングされる固体レーザの減衰された緩和発振によって惹起されるノイズは電子的なネガティブフィードバックを用いて低減される(Harbらによる「Suppression of the Intensity Noise in a Diode-pumped Neodymium : YAG Nonplanar Ring Laser」IEEE Journal of Quantum Electronics、第30巻、第12号、1994年、第2907頁を参照されたい)。この際、一次レーザビームの高周波出力振動はフォト検出器を用いて電気信号に変換される。この信号は電子的に増幅され、必要に応じて周波数応答訂正および位相訂正が行われた後にレーザダイオードないしレーザダイオードアレイの動作電流に付加される。
このことは原理的に、ポンプ光出力が十分迅速に動作電流に反応する限りは他のポンプ光源を用いても可能である。このネガティブフィードバック方法は前述の刊行物において専らノイズを低減するために使用されている。しかしながら本発明においては、レーザ活性媒質と受動的な共振器の非線形で光学的なフィードバックとの相互作用から生じる、レーザ出力の減衰されていない振動を回避するために使用される。
本発明のさらなる特徴、特性および利点は実施例の以下の説明から明らかになり、この際図面を参照する。ここで、
図1は周波数変換段を1つだけ備えた本発明によるレーザの第1の実施例を示し、
図2は2つの周波数変換段を備えた本発明によるレーザの第2の実施例を示し、
図3は2モード動作を安定させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第3の実施例を示し、
図4は緩和発振を減衰させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第4の実施例を示し、
図5はレーザ共振器内の種々の素子と周波数との関係の概略的なグラフを示し、
図6は図3によるレーザ共振器の温度に依存する、一次レーザビームおよび周波数変換されたレーザビームの出力の概略的なグラフを示し、
図7は複数の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図8は単一の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図9はa)周波数倍化部が接続されている、b)周波数倍化部および電子的なネガティブフィードバックを備えていない、c)電子的なネガティブフィードバックを備えた、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録を示す。
図1は周波数変換段を1つだけ備えた本発明によるレーザの第1の実施例を示し、
図2は2つの周波数変換段を備えた本発明によるレーザの第2の実施例を示し、
図3は2モード動作を安定させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第3の実施例を示し、
図4は緩和発振を減衰させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第4の実施例を示し、
図5はレーザ共振器内の種々の素子と周波数との関係の概略的なグラフを示し、
図6は図3によるレーザ共振器の温度に依存する、一次レーザビームおよび周波数変換されたレーザビームの出力の概略的なグラフを示し、
図7は複数の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図8は単一の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図9はa)周波数倍化部が接続されている、b)周波数倍化部および電子的なネガティブフィードバックを備えていない、c)電子的なネガティブフィードバックを備えた、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録を示す。
本発明は、外部の周波数変換部を備えた、光学的にポンピングされる固体レーザ、殊にダイオードポンピングされる安定した固体レーザを提供する。レーザ共振器内の活性媒質としてのレーザ結晶は基本波長を有する一次レーザビームを形成し、この一次レーザビームからは外部の共振周波数変換部を用いることにより周波数変換された1つまたは複数のレーザビームが形成される。レーザ共振器におけるちょうど2つの縦方向レーザモードの発振によって、比較的僅かな手間で高い全体効率および非常に低いノイズが達成される。本発明の実施例においては周波数変換されたビームは3つまたはそれ以上の周波数を有する。本発明の別の実施例においては、周波数変換されたレーザビームはだた1つの周波数を有し、したがって単一モードレーザのビームに相当する。以下の実施例の説明においてはこれらに関して細部にわたり理解される。
図1による実施例は、2モードレーザ7、伝達光学系8および周波数倍化ユニット9を有する。2モードレーザ7はポンプ光ビーム11を放射するポンプ光源としてのレーザダイオード1、ここでは明瞭にするために単一レンズとして表されている集束光学系2、ならびにレーザ共振器6を包含する。このレーザ共振器6は、内部において近似的に中央に配置されているレーザ結晶5と、ポンプ光ビームを入力結合させるための入力結合ミラー3と、レーザビームを出力結合するための出力結合ミラー4とを有する。
レーザダイオード1によって発生されるポンプ光ビーム11は集束光学系2を用いて入力結合ミラー3を介してレーザ結晶5に集束される。レーザ結晶として有利には材料Nd:YVO4が使用される。何故ならばこの材料は効率が高く、また偏光されたレーザを発生させるからである。入力結合ミラー3はポンプビームの波長に対して透過性であり、レーザの基本波長に対しては高い反射性を有する。出力結合ミラー4はエタロンとして構成されており、したがって以下では出力結合エタロンとも称する。出力結合エタロン4は平行な面を有する水晶からなるプレートであり、このプレートは内側を向く面上がコーティングされておらず、外側を向く面上がレーザの基本波長に対して部分反射的にコーティングされている。この層の反射率は内側の面のフレネル反射に関して、レーザの典型的な動作パラメータにとって最適である値よりも低く選定される。出力結合エタロンの反射率は、厚さを適切に選択した際には不所望なレーザモードを十分に抑制する、図5に示した周波数との関係の真ん中の曲線に類似する反射率を有する。約30mmの光学共振器長、2mmの出力結合ミラー厚、約90%の反射率では、2モード動作は数ワットまでの出力を達成した。
図1において簡単なレンズとして表されている伝達光学系8は一次レーザビーム12をモード整合条件下で周波数倍化部9に案内する。この周波数倍化部9は3つのミラー26a、26bおよび26cと非線形の結晶10を備えた受動的なリング共振器として概略的に示されており、さらなる詳細、例えば共振器長の安定化などは簡潔にするためにここでは省略した。非線形の結晶のための材料として例えばLiNbO3、KTP、LBOまたはBBOが対象となる。レーザ共振器の長さの整数倍に調整される光学的な共振器長を除いて、受動的な共振器の正確な実施形態は本発明にとってそれほど重要ではない。非線形の結晶10において形成される周波数倍化されたレーザビームは、一般的に可視スペクトル領域にある、結果として生じたレーザビーム13として放射される。つまり例えば、Nd:YVO4を用いて532nmまたは670nmの波長を発生させることができる。殊に、前述の装置を用いることにより、レーザダイオードのポンプ出力が808nmで4Wの場合、1064nmで2Wの一次レーザビーム出力および532nmで1W以上の周波数倍化されたビーム出力を達成することができる。ポンプビームから周波数倍化されたレーザビームを形成する際の効率は20%以上である。
本発明の第2の実施例(図2)においては2つの外部の受動的な共振器9、15が周波数変換段として設けられている。後置されている第2の受動的な共振器15においては、第1の受動的な共振器において形成された周波数倍化されたレーザビームから、適切な非線形の結晶16を用いて一次レーザビームの4倍の周波数を有する周波数が形成される。可能な限り高い変換効率を達成するために、第2の受動的な共振器15の光路長は、周波数倍化されたレーザビームの3つ全ての周波数に対して共振が存在するように設計される。以下ではこの実施例を図2を参照して詳細に説明する。
図2に示したレーザは第2の伝達光学系17と、第1の外部の受動的な共振器に後置されている第2の外部の受動的な共振器15が設けられているという点のみが図1に示したレーザと異なっている。周波数倍化されたレーザビーム13は第2の伝達光学系17を介して第2の周波数倍化ユニット15に入力結合される。第2の周波数倍化ユニット15は第1の周波数倍化ユニットと同様に非線形の結晶16を包含し、この結晶16を用いて周波数が4倍にされたレーザビーム14が発生される。結果として生じたレーザビーム14は通常の場合、紫外線スペクトル領域にある波長を有する。材料Nd:YVO4を使用する場合には、例えば266nmまたは335nmの波長を発生させることができる。結果として生じたレーザビームの詳細なスペクトル特性は第2の周波数変換段の正確な実施形態に依存する。第1の周波数倍化段9は有利には、一次レーザビームの2つの周波数に対して共振するように実施されている。このことは、共振器9の光学的な共振器長がレーザ共振器6の光学的な共振器長の整数倍に調整されることによって達成される。二次高調波13の周波数スペクトルは図7(真ん中)に示されている。スペクトルはそれぞれがファクタ4だけ低い強度を持つ2つのサテライト線(Satellite)を備えた主線からなる。ここでは第2の周波数倍化段15を選択的に2つの実施形態で実施することができる。
第1の実施形態では、第2の周波数倍化段15が二次高調波の3つ全ての周波数に対して共振するように実施されている。このことは、共振器15の光学共振器長がやはり、レーザ共振器6の光学共振器長の整数倍に調整されることによって達成することができる。この場合には、供給される二次高調波13の全出力が四次高調波14を形成するために使用され、したがって最大限可能な効率が達成される。四次高調波の周波数スペクトルはこの場合、図7(下)に示されているように5つの周波数を有する。さらには、周波数が4倍にされたレーザビームのノイズスペクトルは、一次レーザビームの縦方向モードの周波数間隔よりも小さいうなり周波数を有さない。この実施形態は高い出力ないし効率が要求されるが、周波数スペクトルが細部においては重要ではない用途には最適である。
比較的低い出力が要求されるが、単一周波数のレーザビームが要求される用途に対しては、二次高調波の主線のみが四次高調波を形成するために使用されるように図2による実施形態を修正することができる。このために第2の受動的な共振器15の共振器長は、レーザ共振器6の共振器長の整数倍とは明らかに異なるように調整される。したがって第2の受動的な共振器15は二次高調波の3つの周波数のうちの1つのみと依然として共振することができるので、これによって3つの周波数のうちの1つのみを効率的に倍化させることができる。好適には、第2の受動的な共振器15の電子的な共振器長安定化は、この場合に関して最大限可能な効率を得られるようにするために、共振器が主線についてのみ安定化され、サテライト線については安定化されないように構成される。この実施形態に関する一次レーザビーム、周波数が2倍にされたレーザビームおよび周波数が4倍にされたレーザビームの周波数スペクトルが図8に概略的に示されている。本発明のこの実施形態の結果として生じる四次高調波の周波数スペクトルはただ1つの周波数のみを有し、したがって周波数が4倍にされた単一モードレーザの周波数スペクトルと異なるものではない。この実施形態の周波数が4倍にされたレーザビームのノイズスペクトルは、隣接する周波数の重畳により生じるうなり周波数を包含しない。
温度および圧力のような周囲パラメータが変化した場合であっても、2モード動作は持続的に保証され続けることが望ましい。レーザ内の周波数に依存する素子は一般的に敏感にそのような周囲パラメータに依存するので、単一モードレーザにおいても一般的に慣例であるように、これらの素子を制御ループによって安定化させる必要がある。ノイズおよび出力安定性に関しては余り要求が課されず、また統計的に約100モードのモード数の変動が抑制される、例えばUS5446749ないしUS5696780に記載されているような多モードレーザとは異なり、本発明においてはモード数の変動は望ましいものではない。何故ならば、モード数が例えば2から3に増加した場合に、レーザの特性は著しく変化するからである。確かに、モード数が変化した場合にはレーザ共振器から出力結合される一次レーザビームの出力は実質的には変化しないが、受動的な共振器内を循環する光波の出力、したがって周波数変換されたレーザビームの出力はモード数に大きく依存する。
レーザ共振器内の活性媒質および受動的な共振器内での非線形の結晶の「モードプリング」および分散効果によって、通常は存在する共振器モードの周波数の等間隔は解消される。周波数変換の可能な限り高い効率を達成するために、受動的な共振器の光学的な共振器長は、2つのアクティブなレーザモードの周波数が可能な限り正確に共振するように調節される。別のレーザモードが付加されると、これはもはや正確には達成されない。これによって受動的な共振器における共振増加は低減され、したがって周波数変換の効率は低下する。この特性は一方ではレーザの出力を安定化させるための措置を必要とする。何故ならば、通常見込まれる出力変動は許容できないからである。この特性は他方では、周波数変換された出力ないし受動的な共振器内を循環する出力を変形することにより補正信号を取得する可能性を提供する。この補正信号は周波数を決定する素子を安定化させる制御ループに使用される。
例えばUS5107511ないしUS5144632による、単一モードレーザを電子的に安定化させるための公知の技術においては、周波数を決定する素子のうちの1つ、例えばエタロンの離調の際のレーザ出力の認識可能な変化が、調整素子を制御するための補正信号を取得するために使用される。例えばエタロンが最適な調節状態に比べて離調される場合にはレーザ出力は20%まで低減する。本発明においては、レーザ共振器において形成される一次レーザビームの出力は、エタロンの調節ないし共振器長に関するこのような一義的な判定基準を供給しない。エタロンが調整されている場合のレーザ出力の変化は1%よりも遙かに低くとどまる。何故ならば、如何なる時点においても少なくとも2つのレーザモードがアクティブだからである。エタロンの調節が好適でないことによって一方のレーザモードが弱まると、それと同時に他方のレーザモードが強まる。これに別の不所望なレーザモードが加わると、特性はさらに不定になる。活性媒質の増幅の最大値について周波数が対称的に存在するちょうど2つのレーザモードの所望の状態は、一次レーザビームの出力の最大値または最小値によっては傑出していない。基本波長を有する一次レーザビームが有効ビームを表す限り、出力安定性、ノイズならびに全体効率は良好な値を有するので、安定化措置を講じる必要も存在しない。周波数変換が行われたときに初めてその必要性が生じ、また同時に、受動的な共振器が一次レーザビームのモード構造に対する一種の検出器として使用されることによって安定化措置を講じる可能性ももたらされる。
US4398293においては、うなり周波数の変化がレーザの波長を安定化させるために使用される。もっともこのうなり周波数は、偏光状態が異なるが、縦方向モード数は等しい2つのモード間のうなり周波数である。したがって約300kHzのこれらのモードの周波数間隔は非常に小さく、標準的な電子機器コンポーネントを用いて評価することができる。これに対して数GHzのモード間隔の場合には、うなり周波数の純粋な電子的な評価は非常に煩雑であり、したがって本発明においては使用されない。
得ようとされる2モード動作に対しては、レーザ共振器内の周波数を決定する素子が同期されることが必要である。エタロンの優先周波数は活性媒質の最大増幅の周波数ν0に調整される。レーザ共振器の光路長は、2つのアクティブモードの周波数が中心周波数ν0について対称的であるように調整される。2モード動作を持続的に保証するために能動的な制御が有用である。何故ならば、レーザ共振器の光路長は圧力および温度のような周囲パラメータに敏感に依存するからである。共振器長もエタロン優先周波数も例えば、能動的な温度制御でもって制御することができる。レーザ共振器の周波数の温度依存性とエタロンの周波数の温度依存性とが非常に異なる限り(このことは共振器ボディおよびエタロンに対する材料を適切に選択することによって常に達成することができる)、またエタロンが共振器ボディと熱伝的に接続される限り、2つの素子は共通の温度によって制御ループを用いて制御される。この際、共通の温度は温度依存性が少ない素子、例えばエタロンに応じて先ず粗く調節される。この調節に基づきアクティブレーザモードが所期のように選択される。温度の精密な調節は中心周波数ν0に関するアクティブモードの対称化を考慮して行われる。
周辺条件が変化した場合でも2モード動作はこのような制御ループを用いて保証されている実施例が図3に示されている。図1による実施例とは制御ループが設けられている点のみが異なる。調整素子17、有利にはペルチエ素子がレーザ共振器6に取り付けられており、したがってレーザ共振器6とエタロンとして構成されている出力結合ミラー4の距離を決定する材料24の共通の温度が制御される。検出器19を用いて電気信号が形成され、この電気信号は合成レーザビーム13の出力に比例する。
図5は概略的に、レーザ共振器6内の種々の素子と温度の関係を示す。上の曲線はレーザ結晶5の増幅プロフィールを示し、真ん中の曲線は出力結合エタロン4の反射率を示し、下の曲線はレーザ共振器6の共振を示す。出力結合エタロン4の優先周波数は、出力結合エタロン4の反射率が最大であり、且つ共振器損失が最小である周波数である。
2モード動作を達成するために、出力結合エタロン4の優先周波数は例えば活性材料の中心周波数ν0と一致し、且つ図5の下の線のように2つの隣接するレーザモードの周波数がν0についてほぼ対称的でなければならない。限られた精度のみを有する2つの条件が遵守されさえすればよいので、唯一のパラメータ、すなわちレーザ共振器6と出力結合エタロン4の共通の温度を調整のために使用すれば十分である。このために材料は例えば、レーザ共振器6のレーザモードが温度と共に出力結合エタロン4の優先周波数よりも実質的に速く変位するように選択される。レーザ共振器6と出力結合エタロン4の共通の温度は第1の判定基準に従い差し当たり粗く調節され、その結果エタロンの優先周波数はν0と一致する。続いて温度がさらに僅かに補正されることにより、第2の判定基準、すなわちν0について対称的な2つのレーザモードは充足されている。このために必要とされる温度変化は、第1の判定基準が十分な精度で依然として充足されている程度の僅かなものである。
共通の温度が広範な範囲にわたり変化する場合には、周波数変換されたレーザビームの出力は図6の下に示されている曲線のような特性を示す。上に示されている曲線の一次レーザビームの出力に比べて、この曲線は明らかな最大値を有している。したがってこの測定パラメータは制御器18に対する補正信号として適している。この制御器18はレーザ共振器6と出力結合エタロン4の共通の温度を、周波数変換された結果として生じるレーザビームの最大出力が調整されるように制御する。このために使用できるアナログないしディジタルの電子的な方法が公知である。
本発明に関する別の実施例が図4に示されている。この実施例においては、レーザ出力における減衰されていない緩和発振を回避することができる。
ビーム分配器25は一次レーザビームの一部を検出器20に配向するために使用される。数Hzから数10MHzの周波数領域にある一次レーザビームの出力変動はこの検出器20によって電気信号に変換され、この電気信号は制御電子機構21に供給される。制御電子機構21は実質的に、位相補正部を有する高周波増幅器を包含する。制御電子機構21の出力信号は、電流供給装置22からのレーザダイオード1に対する注入電流に付加される。制御電子機構の増幅係数は、周波数が緩和発振の環境において最適に減衰されるように調節される。したがって、受動的な共振器9からの後方散乱23に起因して発生する可能性のある減衰されていない緩和発振は回避される。
図9は、2μs/目盛分割の掃引での一次レーザビームの出力のオシロスコープ記録を示す。曲線a)は受動的な共振器が接続されているときの減衰されていない緩和発振の場合を示し、曲線b)はレーザダイオード電流のパルス状の妨害に従い減衰した緩和発振を示す。受動的な共振器波は阻止されており、また制御は遮断されている。曲線c)においては、制御部がスイッチオンされ、増幅が最適に調節され、その結果緩和発振は最適に減衰されている。受動的な共振器が接続されている場合には、減衰されていない振動がもはや観測される可能性はない。
実施例で説明した本発明によって、継続的で、周波数変換型の、光学的にポンピングされる固体レーザを提供することができ、この固体レーザは光学的な全体効率が高く、そのノイズは関連する周波数領域においては単一モードレーザの場合のように低くおよそ1GHz以下であり、この固体レーザの出力は第1の周波数変換段後には少なくとも300mWであり、また同等の出力の単一モードレーザに比べてより簡単且つ廉価に製造することができる。
この種のレーザは殊に、光学的にポンピングされる能動的な固体レーザ媒質、例えばNd:YAGまたはNd:YVO4が2つのミラーを備えたレーザ共振器の中央に配置され、周波数選択素子、例えばエタロンがレーザ共振器において使用され、その結果ちょうど2つの隣接する縦方向のレーザモードが形成され、また基本波長を有するレーザ共振器から出力結合される一次レーザビームが、1つまたは複数の非線形の結晶を備えた1つまたは複数の外部の受動的な共振器において別の波長のレーザビームに変換されることによって構成することができる。制御ループを用いるレーザ共振器内の周波数依存素子の制御は必要に応じて、2モード動作したがって所望のレーザ特性を持続的に保証する可能性を提供する。
本発明は前述の実施例に制限されるものではない。むしろ特徴を組み合わせることによって別の実施形態を実現することも可能である。
Claims (21)
- 内部に増幅媒質(5)と、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子(4)とが配置されているレーザ共振器(6)であって、
前記周波数選択素子は前記減衰プロフィールの周波数との関係について、また前記レーザ共振器は該レーザ共振器の光路長について、前記レーザ共振器の調節可能な光学的な2モード長の場合に、隣接するちょうど2つの縦方向レーザモードを有する一次レーザビームが前記レーザ共振器から出力結合されるように調整可能に構成されている、レーザ共振器において、
入力信号に依存して前記レーザ共振器の光路長を制御するために構成されている第1の制御器が設けられており、または第1の制御器と、入力信号に依存して前記周波数選択素子の減衰プロフィールを制御するために構成されている付加的な第2の制御器とが設けられており、または入力信号に依存して前記レーザ共振器の光路長ならびに前記周波数選択素子の前記減衰プロフィールを制御するために構成されている第3の制御器が設けられており、前記入力信号は2つのレーザモードの強度の差に依存し、前記第1の制御器ないし前記第2の制御器ないし前記第3の制御器は、前記一次レーザビームが持続的に2つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合可能であるように制御を行うために構成されていることを特徴とする、レーザ共振器。 - 前記第1の制御器または前記第3の制御器は制御信号を形成し、該制御信号を第1の調整素子に出力し、該第1の調整素子は前記レーザ共振器(6)の温度を変化させるよう構成されている、請求項1記載のレーザ共振器。
- 前記第1の調整素子は付加的に、前記周波数選択素子(4)の温度を変化させるよう構成されている、請求項2記載のレーザ共振器。
- 前記第2の制御器または前記第3の制御器は制御信号を形成し、該制御信号を第2の調整素子に出力し、該第2の調整素子は前記周波数選択素子(4)の温度を変化させるよう構成されている、請求項1記載のレーザ共振器。
- 前記周波数選択素子はエタロン(4)として構成されているか、複数のエタロンの組み合わせとして構成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 前記周波数選択素子は複屈折フィルタとして構成されているか、複屈折フィルタを備えた1つまたは複数のエタロンの組み合わせの組み合わせとして構成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 前記エタロンのうちの少なくとも1つは、エタロンとして構成されている出力結合ミラー(4)である、請求項5または6記載のレーザ共振器。
- 少なくとも1つのエタロン(4)は角度が調整されたエタロンとして構成されている、請求項5から7までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 前記増幅媒質は中心周波数ν0を持つ増幅プロフィールを有し、該中心周波数において前記増幅プロフィールが最大値を有し、前記レーザ共振器の光学的な2モード長においては前記2つの隣接する縦方向レーザモードの周波数が前記中心周波数ν0について対称的または近似的に対称的である、請求項1から8までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 少なくとも1つのエタロン(4)が最小の減衰の周波数(優先周波数)を有し、該周波数は前記増幅プロフィールの前記中心周波数ν0に調整され、前記エタロン(4)の帯域幅は2つの隣接する縦方向レーザモードのみが前記レーザ共振器において増幅されるように選定されている、請求項6から9までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 前記レーザ共振器(6)の光路長の温度依存性および前記周波数選択素子の前記優先周波数の温度依存性は、前記レーザ共振器および前記周波数選択素子の温度を共通して調整するだけで持続的な2モード動作が達成されるよう構成されている、請求項1から10までのいずれか1項記載のレーザ共振器。
- 請求項1から11までのいずれか1項記載のレーザ共振器と、レーザ共振器(6)から送出される一次レーザビーム(12)の周波数変換によって二次レーザビームを形成するために配置および構成されている非線形の結晶(10)を備えた少なくとも1つの外部の受動的な共振器(9)とを有することを特徴とする、レーザ装置。
- 前記二次レーザビームの出力または強度またはエネルギに依存する第1の測定信号を形成および出力するために構成および配置されている第1の測定装置を有する、請求項12記載のレーザ装置。
- 前記第1の測定信号に依存する、最適な調整状態からの調整量の偏差の大きさおよび方向に関する情報を包含するエラー信号を、第1の制御器または第2の制御器または第3の制御器に出力するために構成されている、前記第1の測定装置に後置接続されている評価ユニットを有する、請求項13記載のレーザ装置。
- 前記外部の受動的な共振器(9)は前記一次レーザビーム(12)の周波数倍化のために設計されている、請求項12から14までのいずれか1項記載のレーザ装置。
- 前記外部の受動的な共振器(9)の光路長は前記レーザ共振器(6)の光路長の整数倍であるか、前記レーザ共振器の光路長の整数倍に調節可能である、請求項12から15までのいずれか1項記載のレーザ装置。
- 相前後して接続されている少なくとも2つの外部の受動的な共振器(9,15)を包含し、前記第1のレーザビーム(12)は第1の外部の受動的な共振器(9)に入力結合され、該第1の外部の受動的な共振器(9)から出力される周波数変換された二次レーザビーム(13)はさらなる周波数変換のために第2の外部の受動的な共振器(15)に入力結合される、請求項12から16までのいずれか1項記載のレーザ装置。
- 前記外部の受動的な共振器(9,15)の光路長は前記レーザ共振器(6)の光路長の整数倍であるか、前記レーザ共振器の光路長の整数倍に調節可能である、請求項17記載のレーザ装置。
- 前記第2の外部の受動的な共振器(15)の光路長は、前記レーザ共振器(6)の光路長の整数倍とは著しく異なるように調節されている、または調節可能である、請求項18記載のレーザ装置。
- 前記第2の外部の受動的な共振器(15)は、光路長を変化させる光学素子を包含する、請求項19記載のレーザ装置。
- ポンプ光源(1)および制御回路を包含し、前記制御回路は前記一次レーザビーム(12)の高周波の出力変動を検出する検出器(20)と、前記ポンプ光源(1)に作用する調整素子とを有し、前記レーザ出力における減衰されていない変動が抑制される、請求項12から20までのいずれか1項記載のレーザ装置。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20090615 |
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A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20090622 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091023 |