JP2015507348A - 波長可変型のｖｅｃｓｅｌラマンレーザ - Google Patents

Abstract

励起源からの励起に応答して基本レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザであって、前記基本レーザビームが基本波長及び基本線幅を含む、外部垂直共振器型面発光レーザと、内部で基本ビームを共振させるように構成された基本共振器キャビティと、基本ビームの基本線幅を制御する、基本共振器キャビティ内に位置する第１の光学素子と、少なくとも部分的に前記基本共振器内に位置し、基本ビームを受け、その内部に含むように構成されたラマン共振器と、その内部に位置し、少なくとも一次ストークスビームを基本ビームから発生させるための固体のラマン活性媒質であって、前記ラマン共振器キャビティが、前記ストークスビームをその内部で共振させるように構成されており、且つ、出力ビームを発するように構成されている、ラマン活性媒質とを備え、さらには、ラマン共振器キャビティ内に位置し、基本共振器キャビティ又はラマン共振器キャビティ内に存在するビームのうちの少なくとも一つを非線形周波数変換するための非線形媒質とを備える波長可変レージングデバイスであって、出力ビームを発するように構成された出力結合器であって、前記出力ビームが、前記基本共振器キャビティ又は前記ラマン共振器キャビティ内の共振ビームのうちの少なくとも一つから得られる前記周波数変換ビームの少なくとも一部を含む、出力結合器をさらに備える、波長可変レージングデバイス。【選択図】図１

Description

本発明は、光励起（optically-pumped）半導体レーザのスペクトル範囲を拡大するための方法及び装置に関する。本発明はさらに、波長可変ラマンレーザ装置及び波長可変ラマンレーザシステムを操作する方法に関する。

本明細書における背景技術のいずれの考察も、かかる技術が先行技術であると認めるものとも、そのような背景技術が広く知られている、又はこの分野に共通する一般知識の一部であると認めるものとも決して解釈されるべきでない。

光励起半導体の外部垂直共振器型面発光レーザ（vertical-external-cavity surface-emitting laser）（ＶＥＣＳＥＬ）は、過去１０年間で急速に広まってきた。非特許文献１に広範な考察が述べられている。ＶＥＣＳＥＬは極めて汎用性のあるタイプのレーザであり、その理由は、広範な半導体材料によって発光波長の選択及び可変性を実現することができ、また、空洞設計（cavity design）によって、共振器内の構成要素同士の簡単な統合及び非線形過程が可能になるからである。単一のＶＥＣＳＥＬからの直接的な発光は３９０ｎｍの紫外線［２］から中赤外線［３］の範囲であり、４０Ｗまでの出力パワーが現在までに報告されている［４］。

共振器内の第二次高調波発生（ＳＨＧ）は、ＶＥＣＳＥＬのスペクトル範囲を実質的に拡大する手段として十分に確立されており、黄色の領域は、これまで特に標的とされてきたものである［５］。共振器内二重ＶＥＣＳＥＬは、半導体内の搬送波存在時間が短い（通常は数ｎｓ）ことと、周期的利得構造において空間的ホールバーニングがないことからも利益が得られ、したがって、それらの出力は振幅雑音が小さい。これは、縦モードの完了によって従来の共振器内二重固体レーザにおいてしばしば強い強度雑音が生じる、いわゆる「緑色問題（green problem）」［６］とは対照的である。ＶＥＣＳＥＬについて報告された他の共振器内二次非線形過程は、光パラメトリック発振［７］及び差周波発生［８］である。

近年、パーロッタ（Ｐａｒｒｏｔｔａ）らが、ＶＥＣＳＥＬの波長可変性を誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）からの波長シフトに組み合わせる新たな手法で、ＶＥＣＳＥＬによって励起される共振器内連続波（ｃｗ）ラマンレーザ［９］を示した。パーロッタ（Ｐａｒｒｏｔｔａ）らは、ＶＥＣＳＥＬキャビティ内でＫＧＷ結晶を励起し、波長可変範囲を１１３３〜１１５７ｎｍとして基本発光を約１．０６μｍ〜１．１４μｍシフトさせた。

Ｍ．クズネツォフ（Ｋｕｚｎｅｔｏｖ）、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｉｓｋ Ｌａｓｅｒｓ： Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ワイリーオンラインライブラリ（Ｗｉｌｅｙ Ｏｎｌｉｎｅ Ｌｉｂｒａｒｙ）． Ｃｈａｐ． １ （２０１０）

本発明の目的は、改良された形の光励起半導体レーザを提供することである。本発明の別の目的は、改良された形の波長可変レーザシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、先行技術の欠点のうちの少なくとも一つを克服若しくは改善すること、又は有用な代替を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、波長可変レージングデバイス（tunable lasing device）が提供される。この波長可変レージングデバイスは、励起源からの励起に応答して、可変の基本波長（fundamental wavelength）及び基本線幅（fundamental linewidth）を含む基本レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザを備えることができる。波長可変レージングデバイスは、内部で基本ビーム（fundamental beam）を共振させるように構成された基本共振器キャビティをさらに備えることができる。波長可変レージングデバイスは、基本ビームの基本線幅を制御する、基本共振器キャビティ内に位置する第１の光学素子をさらに備えることができる。第１の光学素子は、基本ビームの波長を調整するようにさらに構成されていてもよい。基本共振器キャビティは、前記外部垂直共振器型面発光レーザの外部キャビティを含んでいてもよい。波長可変レージングデバイスは、少なくとも部分的に基本共振器キャビティ内に位置し、基本共振器キャビティと結合されているラマン共振器キャビティをさらに備えていてもよい。ラマン共振器は、基本ビームを受けるように構成されていてもよい。ラマン共振器は、その内部に位置し、少なくとも一次ストークスビームを基本ビームから発生させるための固体のラマン活性媒質を含むことができる。ラマン共振器キャビティは、ストークスビームをその内部で共振させるように構成されていてもよい。ラマン共振器は、出力ビームを発するようにさらに構成されていてもよい。ラマン共振器は、その内部に位置し、前記ラマン共振器キャビティ内に存在するビームのうちの少なくとも一つを非線形周波数変換し、それによって周波数変換ビームを発生させるための非線形媒質をさらに含むことができる。波長可変レージングデバイスは、出力ビームを発するように構成された出力結合器をさらに備えていてもよい。出力ビームは、基本共振器キャビティ又はラマン共振器キャビティ内のいずれかにおける共振ビームのうちの少なくとも一つから得られる周波数変換ビームの少なくとも一部であってもよい。

第１の態様の構成によれば、励起源からの励起に応答して、可変の基本波長及び基本線幅を含む基本レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザと、内部で基本ビームを共振させるように構成された基本共振器キャビティと、基本ビームの基本線幅を制御する、基本共振器キャビティ内に位置する第１の光学素子と、少なくとも部分的に基本共振器キャビティ内に位置し、基本共振器キャビティと結合されているラマン共振器キャビティであって、基本ビームを受け、その内部に含むように構成されたラマン共振器と、少なくとも一次ストークスビームを基本ビームから発生させるための固体のラマン活性媒質であって、前記ラマン共振器キャビティが、前記ストークスビームをその内部で共振させるように構成されており、且つ、出力ビームを発するようにさらに構成されている、ラマン活性媒質と、ラマン共振器キャビティ内部に位置し、前記ラマン共振器キャビティ内に存在するビームのうちの少なくとも一つを非線形周波数変換し、それによって周波数変換ビームを発生させるための非線形媒質とを備える波長可変レージングデバイスであって、出力ビームを発するように構成された出力結合器であって、出力ビームが、基本共振器キャビティ又はラマン共振器キャビティ内の共振ビームのうちの少なくとも一つから得られる前記周波数変換ビームの少なくとも一部を含む、出力結合器をさらに備える、波長可変レージングデバイスが提供される。

固体のラマン活性媒質は、ラマン共振器キャビティ及び基本共振器キャビティの両方の中に位置していてもよい。基本ビームは連続波（ｃｗ）ビームであってもよい。代替構成では、基本ビームはパルスビームであってもよい。特定の構成において、基本キャビティは、パルス基本ビームを発生させるためのＱ切り替え器要素（Q-switch element）を含んでいてもよい。Ｑ切り替え器は、基本共振器キャビティ内に配置されてもよい。特定の構成では、当業者には理解されると思われるが、Ｑ切り替え器要素は、Ｑを切り替えた基本ビームを発生させるための能動Ｑ切り替え器、受動Ｑ切り替え器又は代替要素のいずれかであってもよい。代替の構成では、基本ビームはモード同期したビーム（modelocked beam）であってもよく、基本共振器キャビティは、モード同期した基本ビームパルスを発生させるためのモード同期要素を含んでいてもよい。特定の構成では、モード同期したビームは、カーレンズ（Kerr-lens）モード同期基本ビームを作り出すための、基本共振器キャビティ内の１以上の要素によって発生させてもよい。別法として、基本共振器は、モード同期した基本ビームパルスを発生させるための飽和性吸収体（saturable absorber）を含んでいてもよい。したがって、ストークスビーム及び周波数変換ビームは、それぞれ基本ビームがｃｗビームであるかパルスビームであるかに応じて、ｃｗビームにもなり、パルスビームにもなり得る。基本共振器キャビティは、基本ビームの波長において高いフィネスの共振器キャビティであってもよい。基本共振器キャビティは、基本ビームの波長において高いフィネスの共振器キャビティであってもよい。基本共振器キャビティは、同時に、周波数変換ビームの（１以上の）波長において低いフィネスの共振器キャビティであってもよい。ラマン共振器は、（１以上の）ラマンシフトした（ストークス）ビーム（たとえば一次ストークスビーム又は共振器キャビティ内の以前にラマンシフトした（１以上の）ビームの段階的な（cascaded）ラマンシフトによって発生させられる、たとえば第２若しくは第３のストークス波長などを有する、より高次のストークスビーム）の（１以上の）波長において高いフィネスの共振器キャビティであってもよい。ラマン共振器キャビティは、同時に、周波数変換ビームの（１以上の）波長において低いフィネスの共振器キャビティであってもよい。ラマン共振器は、少なくとも部分的に基本共振器に重なっている。すなわち、ラマン材料を含むラマン共振器の一部は、それを越えて延在し得る基本共振器の範囲内になければならない。

ラマン共振器キャビティは、基本共振器キャビティに結合されてもよい。ラマン共振器キャビティは、基本共振器内に少なくとも部分的に含まれていてもよい。たとえば、ラマン共振器キャビティは、全体が基本共振器内に位置していてもよい。別法として、ラマン共振器キャビティは、ほんの一部が基本共振器キャビティ内に位置していてもよい。たとえば、ラマン共振器キャビティは、一部が基本共振器キャビティの外部に位置していてもよい。たとえば、基本キャビティは、ラマン共振器キャビティ用の第１の端部ミラーを含む、内部に位置するミラー（反射体）を含んでいてもよく、第１の端部ミラーは、波長可変の基本ビームの波長において通常は極めて透過性となり、同時に、（１以上の）ラマンシフトしたビームの波長において極めて反射性となり、ラマン共振器キャビティ用の第２の端部ミラーを含むさらなるミラー（反射体）が、基本共振器の外部に位置していてもよい。この構成では、ラマン共振器は通常、基本共振器キャビティの端部ミラーを含むミラー（反射体）を内部に含む。ラマン共振器内に位置する基本共振器キャビティの端部ミラーは通常、（１以上の）ラマンシフトしたビームの（１以上の）波長において極めて透過性となり、同時に、基本ビームの波長において極めて反射性となる。

基本ビームの基本線幅を制御するための第１の光学素子は、たとえば、基本共振器キャビティ内に位置する１以上の複屈折フィルタ及び／又は１以上の共振器内エタロンであってもよい。

外部垂直共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）は、外部の励起源から光励起されたときにレーザ発光を発生させることが可能な半導体デバイスであってもよい。光励起半導体デバイスによって発生させられるレーザ発光は、基本レーザビームを含んでいてもよい。光励起半導体デバイスによって発生させられるレーザ発光は、波長を変えることができ、それによって波長可変基本レーザビームを実現する。波長を変えられる基本ビームは、基本共振器キャビティ内で共振（すなわち反復）することができる。

波長可変レージングデバイスは、可視光スペクトルの波長を有する波長可変出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。出力ビームの波長は、約４７０ｎｍから約６３０ｎｍであってもよい。波長可変レージングデバイスは、可視光スペクトルの青色、緑色又は黄色領域のいずれかの波長を有する波長可変出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。波長可変レージングデバイスの出力波長は、たとえば、約４４０ｎｍから約５００ｎｍ、又は約５００ｎｍから約５５０ｎｍ、又は約５５０ｎｍから約５９０ｎｍなどの範囲から選択されてもよい。代替の構成では、波長可変レージングデバイスの出力波長は、約４７０ｎｍから約５２０ｎｍの間で連続的に波長を変えられてもよい。代替の構成では、出力ビームの波長は、可視スペクトルの橙色又は赤色領域内にあるように選択されてもよい。すなわち、波長可変レージングデバイスの出力波長は、たとえば約５９０ｎｍから約６５０ｎｍなどの範囲から代わりに選択されてもよい。

特定の構成において、波長可変レージングデバイスは、スペクトルの青色領域の波長と、スペクトルの緑色領域の波長と、スペクトルの黄色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。たとえば、第１の動作モードでは、レージングデバイスは、出力ビームの波長が可視光スペクトルの青色領域内にあるように構成されており、第２の動作モードでは、レージングデバイスは、出力ビームの波長が可視光スペクトルの緑色領域内にあるように構成されており、第３の動作モードでは、レージングデバイスは、出力ビームの波長が可視光スペクトルの黄色領域内にあるように構成されている。各動作モードにおいて、出力ビームの波長は、選択された動作モードに対する可視光スペクトルの青色、緑色又は黄色領域のそれぞれにおける波長の離散的な範囲の周辺で、さらに波長を変えることができてもよい。このように、本明細書に開示されるレージングデバイスは、それぞれが単一の波長のみ、すなわち、青色、緑色又は黄色波長のいずれかの出力に適合された、三つの独立したシステムに代わるものとして機能することができる。本出願のレージングデバイスの波長を調整するだけで、レージングデバイスは、特定の作業に対する所望の出力波長、すなわち、青色、緑色又は黄色のいずれかの波長を選択することができる。出力ビームの所望の波長を選択するようにレーザデバイスの波長を調整することは、外部垂直共振器型面発光レーザによって発生させられる基本ビームの調整、又は基本ビームの所望のラマンシフトを選択するためのラマン活性媒質の調整（すなわち、たとえば、７６８ｃｍ^−１若しくは９０１ｃｍ^−１のいずれかの選択可能な特徴的ラマンシフトを有するラマン活性媒質としてＫＧＷを使用して、ラマン活性媒質において複数のラマン遷移が利用可能な構成）、又はラマン共振器キャビティ内の波長のうちの１以上を（たとえばＳＨＧ、ＳＦＧ若しくはＤＦＧによって）選択的に周波数変換することによって、所望の波長を有する周波数変換ビームを得て、周波数変換ビームの少なくとも一部を所望の波長を有する出力ビームとして出力するための非線形媒質の調整のうちの１以上を含むことができる。

さらなる特定の構成において、波長可変レージングデバイスは、スペクトルの緑色領域の波長と、スペクトルの黄色領域の波長と、スペクトルの赤色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。

さらなる特定の構成において、波長可変レージングデバイスは、スペクトルの青色領域の波長と、スペクトルの緑色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。

さらなる特定の構成において、波長可変レージングデバイスは、スペクトルの緑色領域の波長と、スペクトルの黄色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。

代替の構成では、波長可変レージングデバイスは、可視光スペクトルの緑色、黄色又は橙色／赤色領域のいずれかの波長を有する波長可変出力ビームを発生させるように構成されていてもよい。波長可変レージングデバイスの出力波長は、たとえば、約５１０ｎｍから約５５０ｎｍ、又は約５５５ｎｍから約５７５ｎｍ、又は約５７５ｎｍから約６５０ｎｍなどの範囲から選択されてもよい。代替の構成では、波長可変レージングデバイスの出力波長は、約５２０ｎｍから約５６０ｎｍの間で連続的に波長を変えられてもよい。

本明細書に開示された波長可変レージングデバイスの態様及び構成のいずれにおいても、波長可変レージングデバイスの出力波長は、基本ビームの波長の調整、又は基本ビームの所望のラマンシフトを選択するためのラマン活性媒質の調整、又は非線形媒質の調整（たとえば温度調整若しくは角度調整のいずれか）、又はそのような調整方法の二つ以上の任意の組み合わせのいずれかの調整によって選択できる。

好ましくは、デバイスは、基本ビーム、ラマンビーム、又は基本ビーム及びラマンビームの両方のいずれかから得られる周波数変換ビームを作り出すための共振器キャビティ内の非線形光学結晶をさらに備える。周波数変換ビームは、キャビティ内での基本ビーム及び／又はストークスビームの第二次高調波発生及び／又は和周波発生若しくは差周波発生並びにその出力によって得ることができる。共振器キャビティの少なくとも一つのミラーは、周波数変換ビームを出力するように構成されていてもよい。

好ましくは、第１のフィルタは複屈折要素を含むことができ、ラマン共振器はタングステン酸カリウムガドリニウム（ＫＧＷ）結晶を含むことができ、非線形結晶は三ホウ酸リチウム結晶であってもよい。

本発明のさらなる態様によれば、光励起共振器内波長可変レーザの周波数出力を広げる方法であって、一次ストークス波長を発生させるために共振器内で誘導ラマン散乱を発生させるステップと、共振器内での和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）又は第二次高調波発生（ＳＨＧ）によってストークス波長を第２の波長帯に変換するステップとを含む方法が提供される。

好ましくは、波長可変レーザはＶＥＣＳＥＬレーザによって光励起することができる。方法は、二次ストークス波長を発生させるステップと、共振器内非線形周波数生成技術（たとえば、和周波発生、第二次高調波発生又は第三次高調波発生など）によって二次ストークス波長を変換して、それによって少なくとも第３の波長帯を発生させるステップとを含むこともできる。

本発明のさらなる一態様によれば、共振器内非線形混合を行う、光励起半導体ＶＥＣＳＥＬによって励起される共振器内ＫＧＷラマン波長可変レーザが提供される。共振器内非線形混合は、好ましくは、二つの別個の波長可変発光バンドへの出力を含むことができる。波長可変発光バンドは、和周波発生によって発生させられる第１のバンド及び第二次高調波発生によって発生させられる第２のバンドを含んでいてもよい。波長調整は共振器内ＬＢＯ結晶の温度調整によって行われてもよい。

さらなる一態様によれば、１以上の周波数範囲内で波長を変えられる波長可変レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザデバイスを備えるレーザシステムが提供される。レーザシステムは、前記基本レーザビームから得られる１以上の周波数変換ビームを選択的に発生させ、それによってレーザシステムが複数の離散的な周波数範囲内で可変のレーザ波長を出力可能になるように構成されたラマン活性媒質及び非線形媒質をさらに備えていてもよい。

上記の態様のいずれか一つの構成では、ラマン共振器キャビティは、ラマンビームの光波長において高いフィネスを有し、同時に、周波数変換ビームの光波長において低いフィネスを有してもよい。ラマンビームの波長におけるラマン共振器キャビティのフィネスは、１００を超えてもよい。他の構成では、ラマンビームの波長におけるラマン共振器キャビティのフィネスは５００を超えるか、又は１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１００００、１５０００、２００００、２５０００、３００００、３５０００、４００００、４５０００を超えてもよい。ラマンビームの波長におけるラマン共振器キャビティのフィネスは、１００〜５００００、１００〜４５０００、１００〜４００００、１００〜３５０００、１００〜３００００、１００〜２５０００、１００〜２００００、１００〜１５０００、１００〜１００００、１００〜９０００、１００〜８０００、１００〜７０００、１００〜６０００、１００〜５０００、１００〜４０００、１００〜３０００、１００〜２０００、１００〜１０００、又は１００〜５００の範囲内にあってもよく、また、およそ１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２２５０、２５００、２７５０、３０００、３２５０、３５００、３７５０、４０００、４２５０、４５００、４７５０、５０００、６０００、７０００、８００００、９０００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、１５０００、１６０００、１７０００、１８０００、１９０００、２００００、２５０００、３００００、３５０００、４００００、４５０００、５００００であってもよい。上記の態様のいずれか一つの構成では、ラマン共振器キャビティはラマンビームの光波長の波長において高いＱを有する。ラマン共振器キャビティは同時に、周波数変換ビームの光波長において低いフィネスを有してもよい。ラマン共振器キャビティは、ラマンビームの光波長において高いフィネス及び高いＱの両方を有してもよい。ラマン共振器キャビティは、周波数変換ビームの光波長において低いフィネス及び低いＱの両方を有してもよい。上記の態様のいずれか一つの構成では、ラマン共振器キャビティは、およそ０〜５の範囲内の周波数変換ビームの波長においてあるフィネスを有してもよい。さらなる構成では、周波数変換ビームの波長におけるラマン共振器キャビティのフィネスは、およそ０〜４．５、０〜４、０〜３．５、０〜３、０〜２．５、０〜２．４、０〜２．３、０〜２．２、０〜２．１、０〜２．０、０〜１．９、０〜１．８、０〜１．７、０〜１．６、０〜１．５、０〜１．４、０〜１．３、０〜１．２、０〜１．１、０〜１．０、０〜０．９、０〜０．８、０〜０．７、０〜０．６、０〜０．５、０〜０．４、０〜０．３、０〜０．２、０〜０．１、０．５〜５、０〜４．５、０〜４、０．５〜３、０．５〜３．５、０．５〜２、０．５〜１．５、０．５〜１．０、１〜４、０〜３、１〜２．５、１〜２の範囲内にあってもよく、周波数変換ビームの波長における共振器のフィネスは、およそ０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．５、４．０、４．５又は５であってもよい。

上記の態様のいずれか一つの構成では、ラマン共振器キャビティは、ラマンビームの波長において０％〜５％の範囲内の往復共振器損失（roundtrip resonator loss）Ｌ_λを有してもよい。以下で検討するように、往復共振器損失Ｌ_λは、特定の波長において共振器キャビティ内で共振するレーザビームに生じるすべての共振器内光損失を含む。すなわち、往復共振器損失Ｌ_λは、キャビティミラーのミラー反射率からの損失成分及び、たとえば、共振器キャビティの要素からの散乱／反射損失などの共振器キャビティ内の要素による追加の損失成分を含む。すなわち、往復共振器損失Ｌ_λは、共振器キャビティ及びその中に含まれる要素を反復するときにキャビティ内で共振ビームに生じるすべての損失を含む。さらなる構成において、ラマンビームの波長における往復共振器損失は、０％〜４．５％、０％〜４％、０％〜３．５％、０％〜３％、０％〜２．５％、０％〜２％、０％〜１．９％、０％〜１．８％、０％〜１．７％、０％〜１．６％、０％〜１．５％、０％〜１．４％、０％〜１．３％、０％〜１．２％、０％〜１．１％、０％〜１．０％、０％〜０．９％、０％〜０．８％、０％〜０．７％、０％〜０．６％、０％〜０．５％、０％〜０．３％、０％〜０．２％、又は０％〜０．１％の範囲内であり得る。上記の態様のいずれか一つの構成では、ラマンビームの波長における往復共振器損失は、およそ０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であり得る。

次に、単なる一例として添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

ＶＥＣＳＥＬ励起ＣＷラマンレーザの構成を概略的に示す図である。 ストークス及び基本波長の出力パワー及び共振器内パワーに対する吸収励起パワーを示す図であり、ＢＦ回転による正規化されたストークス出力の調整を示すグラフを挿入している。 ＳＨＧによる５７７．５〜５９６ｎｍの可視光発光及びＳＦＧによる５４８．５〜５６６ｎｍの可視光発光の調整を示す図である。 ５９２．５ｎｍ及び５６０．０ｎｍの発光についてのパワーの伝達を示す図である。 ＳＲＳがある場合とない場合の光スペクトルを示す図である。 さまざまな厚さの一つ又は二つの複屈折フィルタによってフィルタリングしたときにＶＥＣＳＥＬレーザ源によって発生させられる基本レーザビームの線幅を示す図である。 基本ビームの線幅を制御するためのさまざまな構成の複屈折フィルタによって実現されるストークス出力パワーを示す図である。 波長可変ＶＥＣＳＥＬの基本波長が９８０ｎｍ（図８Ａ）である図１のラマンレーザから得られる可視光の出力波長の範囲を示す図である。 波長可変ＶＥＣＳＥＬの基本波長が１０６０ｎｍ（図８Ｂ）である図１のラマンレーザから得られる可視光の出力波長の範囲を示す図である。 往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。 往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。 往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。 往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。

特定の構成では、本明細書に開示される（１以上の）レーザシステムの場合、可視光スペクトルのライム色−黄色−橙色領域における可変波長を有する連続波（ｃｗ）のＶＥＣＳＥＬラマンレーザ（continuous-wave (cw) VECSEL Raman laser）及び出力ビームが提供される。代替の構成では、本明細書に開示される（１以上の）レーザシステムは、パルスＶＥＣＳＥＬラマンレーザシステム（pulsed VECSEL Raman laser system）を提供することもできる。

本発明の構成によるレーザシステムでは、共振器キャビティ又は複数の共振器キャビティ内で共振するレーザ光の複数の異なる波長が潜在的に存在してもよい。これは、共振器キャビティが、内部で共振するのに必要とされるすべての波長に対しては高いＱのキャビティ（すなわち高い光品質係数）となり、共振器キャビティから出力される波長に対しては高いＱのキャビティとはならないようにキャビティを規定する、反射体の反射率を選択することによって実現できる。すなわち、キャビティは、内部で共振するのに必要とされるすべての波長に対しては高いフィネスのキャビティであり、共振器キャビティから出力される波長に対しては低いフィネスのキャビティではない。基本波長、一次ストークス波長及び二次ストークス波長のうちの１以上が存在してもよい。さらに、ラマン活性媒質が二つ以上のラマンシフトを有するケースでは、ラマン活性媒質によって発生させられる二つ以上のラマンシフトしたビームのそれぞれからの一次及び二次ストークス波長が存在し得る。本発明のレーザのキャビティは、周波数を２倍にすること又は和周波発生若しくは差周波発生が可能な非線形媒質も含み得る。したがって、上記の波長のそれぞれは、２倍になった周波数であってもよいし、任意の二つの和周波数であっても差周波数であってもよく、これは非線形媒質の調整に依存する。したがって、今回開示される（１以上の）レーザシステムは、広範囲の異なる波長をキャビティから選択的に出力する手段を設けていてもよく、開示される（１以上の）レーザシステムの出力波長は、広帯域の潜在的出力波長にわたって可変であってもよい。

励起ビーム（pump beam）は、ダイオードレーザ又は何らかの他の励起源からのビームであってもよい。励起法は、端面励起法であっても側面励起法であってもよい。レーザシステムからの出力レーザビームのパワーは、励起レーザビームの周波数に依存してもよく、システムは、出力レーザビームのパワーを変えるために励起レーザビームの周波数を変える手段（周波数制御装置など）を備えていてもよい。

レーザビームの周波数と波長は、以下の式、
光の速さ＝波長×周波数
によって関連づけられることが当業者には理解されよう。

したがって、周波数シフト、周波数変換、異なる周波数、及びこれらに類似の用語に言及するとき、これらは、対応する用語である波長シフト、波長変換、異なる波長などに置き換えることができる。

本発明によるレーザの構築に当たっては、レーザパワーを出力するのに許容可能な変換効率を実現するために、レーザの構成要素を正確に配置することが極めて重要である。本発明によるレーザは固体レーザであってもよい。

材料：ラマン活性媒質及び非線形媒質に使用される典型的な材料は、当技術分野でよく知られている。適切な固体のラマン活性媒質の例には、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム）、ＫＹＷ（タングステン酸カリウムイットリウム）、硝酸バリウム、ヨウ素酸リチウム、タングステン酸バリウム、タングステン酸ストロンチウム、タングステン酸鉛、タングステン酸カルシウム、その他のタングステン酸塩及びモリブデン酸塩、ダイヤモンド、ガドリニウム及びイットリウム、ニオブ酸リチウム及びラマン活性であるその他の結晶質が含まれる。ラマン活性媒質のそれぞれは、（基本波長を有する入力基本ビームから少なくとも一つの特徴的なストークス波長を発生させるために）少なくとも一つの特徴的なラマンシフトを生じさせる。非線形材料は、基本ビーム若しくはラマンビームのいずれか、又はその両方の周波数変換（たとえば和周波混合）のために設けられてもよい。適切な非線形媒質は、たとえば、ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ＢｉＢＯ又はＫＴＰであってもよい。非線形媒質を（たとえば角度調整又は温度調整のいずれかによって）調整することで、操作者が、利用可能な潜在的出力波長のうちの一つを必要に応じて選択できるようにしてもよい。

表１は、ある範囲のラマン活性媒質についてのラマンシフトを示し、表２は、いくつかのラマン活性媒質についてのラマンシフト及び対応するストークス波長を示す。

表１：選択したラマン活性媒質についてのラマンシフト

表２：１０６４ｎｍを中心とした基本ビームによって励起される選択したラマン活性媒質についてのラマンシフト及び対応するストークス波長

各非線形媒質は、周波数を２倍にすること、和周波発生又は差周波発生によっていずれの波長を変換するかを選択するように構成されていてもよい。

周波数を２倍にすること又は和周波発生に使用される材料の例には、結晶のＬＢＯ、ＬＴＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＡ、ＲＴＰ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＫＤ^＊Ｐ、ＫＤＰ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ_３、又はニオブ酸リチウム、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＡ若しくは他の適切な材料などの周期分極反転材料が含まれる。周期分極反転材料は、擬似的位相整合によって２倍周波数又は和周波数の出力を発生させることができる。ある波長とその第二次高調波の間で「位相整合（phase-matching）」が実現されるとき、周波数を２倍にすることは最も効率的である。非線形結晶を構成する方法は、結晶をその「結晶軸（crystal axe）」について「切断（cut）」する方法に関連する。これらの結晶軸は結晶の型の基本特性である。結晶は、選択波長とその第二次高調波との間に位相整合を最適に実現する「切断」で作製できる。この位相整合の良好な調整は、媒質を「角度調整（angle-tuning）」することによって実現できる。角度の許容差は０．１度未満でもよく、温度の許容差は０．１度以内に維持され得る。これらの許容差は結晶の性質に応じて変化する。別法として、良好な波長調整は、非線形媒質をその温度の変化によって調整することで実現してもよい。

本発明によるレーザは、別法として、（ラマンシフト材料及び非線形変換媒質の二重の機能を果たす）非線形ラマン結晶を使用して構築してもよい。別個の非線形媒質の必要性をなくすことによって、レーザ共振器キャビティは、共振器損失が少なくなり、共振器が短くなるという重要な利益を得ることができる。ただし、非線形−ラマン媒質に関する二つの大きな潜在的欠点が存在する。第一に、非線形／ラマン結晶の熱負荷が、ラマン変換過程からのさらなる熱負荷によって悪化し、第二に、ラマン結晶及び非線形結晶のモードサイズを、最適な効率を要求できるように別々に最適化（たとえば折りたたみ型（folded）又はｚ型の共振器キャビティに）する柔軟性がない。したがって、非線形−ラマン材料の選択は極めて重要である。すなわち、結晶が良好な熱特性に加えて大きいラマン利得を必要とする。これらの構成において適切であろう典型的な非線形−ラマン材料としては、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＰの固体結晶媒質を挙げることができる。

実施形態の特定の構成において、通常は一つの可変波長帯で動作するＶＥＣＳＥＬの周波数を広げるための方式が提供される。共振器内ＳＲＳは一次ストークス波長を発生させることができ、この波長は次いで、共振器内ＳＦＧ、ＤＦＧ又はＳＨＧによって二つの新たな可視光波長帯に変換され得る。これらは、基本波のＳＨＧによって発生させることができるバンドとは別のものである。この方式は、二次ストークスを、ひいては、さらなる二つの可視光帯の発生を含むように拡張することもできる。これらのバンドの分離は、適切なラマンシフトを有するラマン結晶を選択することによって管理できる。この方式は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４のセルフラマンレーザにおける共振器内ＳＦＧ及びＳＨＧによって５３２ｎｍ、５５９ｎｍ及び５８６ｎｍでマルチワットの出力パワーが示された波長選択型結晶ラマンレーザ［１０］を対象とした過去の研究の上に成り立つ。

結晶ラマンレーザと比較すると、ＶＥＣＳＥＬを使用して波長可変の基本発光を発生させることにより、単にいくつかの離散的な波長ではなく、いくつかの波長可変帯を発生させることが可能になる。この好ましい実施形態は、約１０４０〜１０７６ｎｍの可変波長を有する基本ビームのＶＥＣＳＥＬ、波長を変えられる基本ビームのＳＲＳによって１１４８〜１１９２ｎｍの可変波長を有するストークスビーム発光を発生させたＫＧＷ結晶、並びに基本ビーム及びラマンビームのいずれか（ＳＨＧ）又は両方（ＳＦＧ及びＤＦＧ）のＳＦＧ、ＤＦＧ及び／又はＳＦＧのための温度調整ＬＢＯ結晶を使用する、上記の方式を示す。二つの別個の波長可変可視帯における出力、すなわち基本波長及びストークス波長のＳＦＧに対する５４８．５〜５６６ｎｍ、及びストークス波長のＳＨＧに対する５７７．５〜５９６ｎｍが実現された。基本ビームのＳＨＧは、ここでは単に利用可能温度の制御装置では到達が困難だったＬＢＯ非線形材料でのＳＨＧに対する高温要件（最大１３０〜１５０℃）のために、示されなかった。実現される最大パワーは、ＳＦＧ出力については５６０ｎｍで０．８Ｗ及びＳＨＧ出力については５９２．５ｎｍで０．５２Ｗであり、（ダイオードから可視光への）光変換効率はそれぞれ４．２％及び２．９％、スロープ効率はそれぞれ５．９％及び４．５％だった。

本発明による例示的な波長可変レージングデバイスの光学構成１００を図１に示してある。半導体ディスク（ＳＤ）１０２は、ひずんだＩｎＧａＡｓ量子井戸構造（strained InGaAs quantum well structure）に基づくＧａＡｓであり、ＳＤ１０２は１０４０〜１０７６ｎｍの範囲にわたる波長可変出力を生み出した。ＳＤ１０２は、一方の側面に取り付けられた銅に接触させ、熱除去のために他方の側面の被覆されていない平坦なダイヤモンドのヒートシンク（ＨＳ）の一部に光学的に結合させた。８０８ｎｍ（Φ＝２００μｍ、Ｎ．Ａ．＝０．２２）において３０Ｗのファイバ結合したレーザダイオード１０３を使用して、半径約１５０μｍの励起スポットを作り出すための結像光学系でＳＤ１０２を光励起した。ＳＤ１０２が発する基本ビームの波長選択及び波長可変性のため、また、ＳＤ１０２が発生させる基本レーザビームの線幅の制御のために、２．５ｍｍ厚のＭｇＦ複屈折フィルタ（ＢＦ）１０９をブルースター角で基本共振器キャビティ１１０に配置した。基本ビーム用の外部の共振器１１０は、半導体デバイス１０２が発する波長を変えられる基本ビームの波長の範囲において高い反射率（Ｒ＞９９％）を有するＳＤ１０２に一体化させた分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）（図示せず）と、基本波長及びストークス波長の両方において高い反射率（Ｒ＞９９．９９％）を有する（曲率半径が１５０ｍｍの）凹形の端部ミラーＭ１ １０６とによって形成した。分離させた状態で、ＳＤ１０２と外部の基本共振器１１０は従来の外部垂直共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）システムをなす。励起源１０３からの励起光に応答してＳＤ１０２が発生させる基本ビームの波長は約１０６０ｎｍをほぼ中心とし、線幅は約１．５ｎｍ、可変帯域幅は約１０４０ｎｍから約１０８０ｎｍまでの約４０ｎｍであった。平らなダイクロイックミラー（ＤＭ）１０５を基本共振器キャビティ１１０内に挿入して、ダイクロイックミラー１０５と端部ミラーＭ１ １０６によってつなげられる第２の結合ラマン共振器キャビティ１２０を形成した。ＶＥＣＳＥＬが発生させる基本ビームの波長可変性は、たとえば、基本キャビティ１１０内の１以上の複屈折フィルタ（ＢＦ）１０９又は１以上のエタロンを含み得る、基本共振器キャビティ１１０における光学部品を使用して実現される。当業者には理解されると思われるが、代替の波長可変機構には、基本共振器キャビティ１１０内に適切に挿入されるプリズム又は格子が含まれていてもよい。たとえばＫＧＷなどのラマン結晶１０７が例として挙げられる固体のラマン活性媒質を、ラマン共振器キャビティ１２０内に配置した。基本ビームの高い共振器内束密度を利用するため、ひいては、基本ビームを、ラマン活性媒質１０７によって生成される一次ストークスビームに変換するラマン変換過程の効率を高めるために、ラマン活性媒質を基本共振器キャビティ１１０内にともに配置してある。本例の構成のラマン活性結晶１０７は、長さを２５ｍｍとし、Ｎ_ｇ面及びＮ_ｍ面の中を伝搬させるために切断した。ラマン活性結晶１０７（すなわち固体のラマン活性媒質）を、出力ビーム１１１のレーザ出力パワーを最適化するためにラマン結晶１０７がその長手方向軸（すなわちラマン共振器キャビティ１２０の光軸）を中心に回転可能にする回転式の取り付けで、ラマン共振器キャビティ１２０内に配置した。共振器内の平らなダイクロイックミラー（ＤＭ）１０５は、基本ビームの波長では極めて透過性（Ｔ＞９９．５％）であり、ラマン活性結晶１０７によって生成されるストークスビームの波長では極めて反射性（Ｒ＞９９．９％）であり、それによって、高いＱのラマン共振器、すなわち、ラマンシフトしたストークスビームの波長において高いフィネスを有する共振器を形成する。たとえばＬＢＯなどの非線形結晶１０８を、基本共振器１１０及びラマン共振器１２０の両方に位置し、且つ、本構成では長さを１０ｍｍとし、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）のために切断した。周波数変換ビームが出力ビーム１１１としてレーザから端部ミラー１０６を通って出力されるように、端部ミラーＭ１ １０６は、基本ビームのＳＨＧ周波数変換、ストークスビームのＳＨＧ周波数変換、並びに基本ビーム及びストークスビームの両方のＳＦＧ又はＤＦＧによって得ることが可能な波長では極めて透過性であった。端部ミラー１０６を周波数変換波長において極めて透過性としたので、基本共振器キャビティ１１０及びラマン共振器キャビティ１２０は両方とも、共振基本ビーム及び／又はストークスビームの周波数変換によって実現される可能性のある波長において低いＱ又は低いフィネスの共振器キャビティであった。非線形結晶１０８は、要件に従って共振器内ＳＦＧ、共振器内ＤＦＧ又は共振器内ＳＨＧを選択するために、調整器（図示せず）によって温度を調整することもでき、これは本例を示すために使用した調整機構である。代替として、当業者には理解されると思われるが、非線形媒質１０８は角度を調整してもよい。本例の構成では、基本共振器キャビティ１１０の最適な長さは７５ｍｍであり、この場合、基本共振器１１０内で共振する基本ビームのＴＥＭ_００モード半径はＳＤ１０２において１５０μｍであり、これによって、励起源１０３からのＳＤ１０２上の励起スポットに対して良好な整合がもたらされる。ＴＥＭ_００モード半径は、基本共振器１１０内で共振する基本ビームでは約１８０μｍであり、ラマン活性結晶（ＫＧＷ）１０７内のストークス発生ビームでは約１５０μｍであった。非線形結晶（ＬＢＯ）１０８内の基本ビーム及びストークスビームのモードサイズは、基本ビームでは約２００μｍ、また、ストークスビームでは約１６５μｍだった。

本明細書に記載のレーザシステムの構成は、少なくとも一つの出力ビーム１１１をレーザシステム（たとえば、上記の例の構成における端部ミラー１０６）から出力するように構成された少なくとも一つの出力結合器を含む。出力ビーム１１１は概して、周波数変換ビームの少なくとも一部を含む。理解されると思われるが、基本ビームの波長は、少なくとも一つの離散の波長／周波数範囲にわたって可変なので、ラマン活性媒質１０７によって生成されるラマンシフトしたビームの対応する波長も可変であり、したがって、（使用される非線形周波数変換方法、たとえばＳＨＧ、ＳＦＧ又はＤＦＧに応じて、基本ビーム又はストークスビームのいずれか又は両方から導かれる）レーザシステムの出力ビーム１１１を含む周波数変換ビームの波長も、少なくとも１以上の離散的な波長／周波数範囲にわたって可変である。したがって、ＶＥＣＳＥＬレーザシステムの波長可変性は著しく高められ、それによって、所望の出力波長を複数の離散的な周波数／波長帯から選択することができる。

典型的な出力結合方法は、極めて透過性の出力結合器ミラーを介して周波数変換ビームが共振器キャビティから出るように、波長可変周波数変換ビームの（１以上の）波長において高い透過率を有する共振器ミラーの選択を含む。他の可能な出力結合方法も想起され、たとえば、共振器キャビティを形成する複数のミラーを含む特定の構成において、特定の波長を有する特定の出力ビーム１１１が、共振器キャビティから異なる共振器ミラーによって出力されてもよい。たとえば、共振器ミラーのうちの第１の共振器ミラーは、第１の周波数変換波長帯（たとえば、約５７０ｎｍ〜約５９０ｎｍの可視黄色光波長など）の波長について極めて透過性であってもよく、レーザシステムが、この第１の波長帯において周波数変換ビームを（たとえば、基本ビーム及び一次ストークスのラマンシフトしたビームのＳＦＤによって）発生させるように構成されているとき、出力ビーム１１１は、この第１の共振器ミラーによって提供される。さらに、第２の共振器ミラーは、第２の周波数変換波長帯（たとえば、約５２０ｎｍ〜約５５０ｎｍの可視緑色光波長など）において極めて透過性であってもよく、レーザシステムが、この第２の波長帯において周波数変換ビームを（たとえば、基本レーザビームのＳＨＧによって）発生させるように構成されているとき、出力ビーム１１１は、この第２の共振器ミラーによって提供される。そのようなシステムは、多くの実用上の利点を有することができ、たとえば、眼用レーザシステムでは、二つの出力結合ミラーのそれぞれからの出力ビーム１１１は、たとえば黄色又は緑色のレーザ波長のいずれかを使用して、異なる治療様式に対応した二つの別個のハンドピースユニットにそれぞれ導くことができる。この構成は、折りたたみ型の空洞構成又はｚ型の空洞構成を使用するレーザシステムに特に適していることがある。波長可変レージングデバイスの本例の構成１００におけるラマン共振器キャビティ１２０は、ラマンシフトしたビームの波長においては、ラマンビームの連続波の動作を促進させる（したがって連続波のレーザ出力を提供するための）高いフィネスの共振器とした。ラマン共振器１２０は同時に、（ラマン共振器１２０内の基本ビーム及び／又はラマンビームのＳＨＧ、ＳＦＧ又はＤＦＧのいずれかによって得られる）周波数変換ビームの波長においては低いフィネスの共振器とした。代替の構成では、パルス出力が望ましい場合、ラマン共振器のフィネス要件（特に、フィネスのその成分、すなわち、共振器ミラーの反射率によって決まる共振器損失）が緩和され得るが、これはパルスレーザシステムに関連して当業者には理解されよう。

さらなる構成では、レーザシステムは、複数の基本ビームを発生させるように設計されてもよく、すなわち、半導体チップのフルゲインの帯域幅（下記の例では４０ｎｍの幅）で、２以上の基本ビームをＳＤによって同時に発生させることができる。これらの基本線の数及びスペクトル分離は、１以上の複屈折フィルタ及び／又はエタロンを使用して設計することができ、通常、スペクトル分離は自由スペクトル領域に対応する。同数のラマン線を発生させてもよく、それによって、さらに多くの周波数変換線（たとえばスペクトルの可視領域）をさまざまな対の和周波発生によって発生させることができる。これらは、（本発明者らが通常単一の非線形結晶で行うように）「選択的に」発生させてもよいし、２以上の非線形結晶を使用して２以上の可視線を同時に発生させてもよい。

キャビティの反射体の誘電体被覆の伝送特性は、レーザシステムの（１以上の）出力波長に適合するように最適化することができる。したがって、たとえばこのシステムが、ラマン活性媒質から出力するレーザビームの周波数を変換するための非線形媒質を含むとき、反射体は、変換された周波数では透過性であってもよく、キャビティ内で発生させられた他のすべての周波数では反射性であってもよい。これは、キャビティが、内部で共振するのに必要とされるすべての波長については光のＱが高い（高いフィネスの）キャビティであり、且つ、共振器キャビティから出力される波長についてはＱが高くない（すなわち低いＱ又は低いフィネスの）キャビティであるようにキャビティを規定する反射体の反射率を選択することによって実現できる。すなわち、キャビティは、内部で共振するのに必要とされるすべての波長については高いフィネスのキャビティであり、共振器キャビティから出力される波長については低いフィネスのキャビティである。

特定の波長における共振器キャビティのフィネスＦは、（既に検討したように）共振器キャビティ及びその中に含まれる要素を反復する際にキャビティ内の共振ビームに生じる往復損失Ｌ_λに関連している。特定の波長ｌにおける共振器の全体的な往復損失Ｌ_λは、以下の式によって求めることができる。

共振器往復損失Ｌ_λは波長に依存し、その波長でのミラー透過率／損失（或いはミラー反射率）による損失係数とともに、共振器キャビティ内を反復する波長λのビームに生じるであろう共振器キャビティ内の要素による他のすべての損失（すなわち、共振器キャビティの要素からの散乱／反射損失又は他の往復損失であり、これは当業者には理解されると思われる）を含む。図９Ａから図９Ｄは、全往復共振器損失Ｌ_λ（すなわち、共振器内を反復するビームに生じるすべての往復共振器損失を含み、共振器ミラーの反射率の波長依存性による損失だけではない）の関数として共振器キャビティのフィネスの例を示す。高いフィネスのキャビティは一般に、対象となる特定の波長において約１００を超えるＦを有する。他の構成では、高いフィネスはＦ＝５００を超えてもよく、Ｆ＝１０００を超えてもよい。低いフィネス（低いＱ）のキャビティは通常、約５未満のＦを有する。フィネスＦは、以下の関係式によってキャビティの光品質係数（キャビティの光のＱ係数）と直接的に関連づけることができる。

及び

式中、ω_０はキャビティの共振周波数であり、δωはキャビティの共振周波数における共振の線幅（ＦＷＨＭ）であり、Δωはキャビティの自由スペクトル領域であり、Ｔ＝２π／ω_０は光周期時間であり、ｔ_ＲＴ＝ｋ_０２ｄ／ω_０＝（２πｎ／λ_０）（２ｄ／ω_０）はキャビティ往復時間であり、ｋ_０はキャビティ内の進行波の波動ベクトルである。本考察においては、基本ビーム、ラマンビーム、又は周波数変換ビームのいずれかを適宜参照するときに、当業者（skilled address）は、上記の式で使用するための波長又は共振周波数を認識できるはずであることに留意されたい。共振器のＱ及びフィネスに関するさらなる情報が、いくつかの文章（たとえばケックナー（Ｋｏｅｃｈｎｅｒ）、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、５^ｔｈ Ｅｄ． Ｃｈａｐｔｅｒｓ ３ ａｎｄ ５など）に見られる。

当初は、本明細書に記載のラマンレーザの性能は、非線形結晶（ＬＢＯ）１０８をラマン共振器１２０内に挿入せずに特徴づけていた。ラマン活性結晶（本例ではＫＧＷ）１０７は、ＫＧＷ結晶の９０１ｃｍ^−１のラマンシフトを選択し、一次ストークス波長において最大のパワーを得るように、結晶をその長手方向軸、すなわち、共振器キャビティ１１０及び１２０の光軸の周りを回転させることによって配向させた。ストークス波長は、ＢＦ１０９を回転させることによって１１４８ｎｍから１１９２ｎｍまでの間で可変にできた。共振器内の光出力は、Ｍ１ １０６から漏れるレーザ出力１１１を検出することによって推定した。最大のパワーが約１１８４ｎｍの一次ストークス波長において得られ、これについてレーザ性能を図２に示してある。２０Ｗの励起パワーを吸収したときの出力パワー対波長を図２の挿入図に示してある。出力結合器Ｍ１ １０６の伝送から、最大出力パワー１５０ｍＷは、ラマン共振器キャビティ１２０内で共振するストークスビームの波長において約３０００Ｗの共振器内反復パワーに相当していたと推定される。同様に、残余基本パワーは、ＳＲＳ閾値を約２０ｍＷ上回ったところでクランプしていることが測定されており、これは基本波長において約４００Ｗの共振器内反復パワーに相当していたと推定される。

非線形（たとえばＬＢＯ）結晶１０８をラマン共振器キャビティ１２０内に挿入したとき、二つの別個の可視光発光スペクトルバンドが得られた。非線形結晶１０８の温度を、約５４８．５ｎｍと約５６６．０ｎｍの間における波長可変共振器からのライム色の周波数変換レーザ発光については約７９℃〜約１２０℃に調整した。この範囲におけるレーザ出力１１１は、ラマン共振器１２０内の基本光の電場及びストークス光の電場のＳＦＧによって得られた。非線形結晶１０９を約３０℃〜約５５℃に調整したとき、共振器からの約５７７．５〜約５９６．０ｎｍの波長を有する黄色から橙色の周波数変換レーザ発光が、ストークス共振器内領域１２０のＳＨＧの結果として観察された。周波数変換波長の出力パワーを波長の関数として図３の埋め込み図に示してある。ＳＦＧでは５６０ｎｍにおいて、ＳＨＧでは５９２．５ｎｍにおいて最高出力パワーが生じており、対応するパワーの伝達を図４に示してある。５６０ｎｍ及び５９２．５ｎｍの両方についての閾値は５Ｗの吸収励起パワーに対応していた。５６０ｎｍでは、１９．２Ｗの吸収励起パワーに対して０．８Ｗの最大出力パワーが得られ、スロープ効率が５．９％であり、全体（励起から可視光へ）の変換効率が４．２％であった。５９２．５ｎｍでは、１７．７Ｗ吸収パワーに対して０．５２Ｗの最大出力パワーが実現され、４．５％のスロープ効率及び全体（励起から可視光へ）の変換効率２．９％に対応していた。Ｍ１ １０６及びＤＭ１０５の両方は５００〜６００ｎｍの極めて高い透過率（＞８０％）を有していたことを考慮すると、出力パワーは、後方に発生した可視光発光がミラーＭ１ １０６を介して有用に結合できるように、ＤＭ１０５の被覆を可視光の周波数の変換波長で高い反射率を有するように再設計することによって、潜在的にほぼ２倍にできた。［１１］に記載されているように、結晶固体ラマンレーザについての類似の方式が、以前に成功裏に使用されている。

出力カプラＭ１ １０６からの出力ビーム１１１の光スペクトルは、光スペクトルアナライザ（Ｏｃｅａｎ−ｏｐｔｉｃｓ ＨＲ４０００、分解能０．２ｎｍ）で計測されたものであり、図５にこれを示す。基本線幅は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）なしの０．２ｎｍ未満からＳＲＳありの最大約１．５ｎｍまで劇的に変化した。ストークス光及び可視光の線幅は、それぞれ約１ｎｍ及び約０．５ｎｍであり、被覆されていないダイヤモンドの熱拡散器のエタロン効果によって生じた約３から５の変調ピークを有していた。このスペクトルの線幅が広がる現象は、共振器内ＶＥＣＳＥＬによって励起されるＯＰＯシステム［７］及びＳＨＧシステム［１２］でも観察されている。非線形過程は、ＯＰＯ、ＳＨＧ又はＳＲＳのいずれであっても、ＢＦ１０９によって選択される縦モードの損失を増加させ、したがって、ＢＦ１０９によるモード選択性が結果的に弱くなる。共振器内ＯＰＯ［７］及びラマンレーザの両方について、ＯＰＯ／ＳＲＳ閾値を超える値に共振器内パワーがクランプされ、これによって、ＳＤ内の搬送波がさらに減少することを防いだ。したがって、中心ピークの両側のモードは、閾値を上回り、スペクトルの線幅を広げる可能性がより高かった。線幅の広がったスペクトルは、基本パワーが一つのモードに集中するのではなく、より多くのモードに分散するので、ＳＲＳ変換効率を損なった。狭い基本線幅を維持するための一つの戦略は、［７］に示されているように、基本キャビティ内により多くの偏光子を挿入して、両側のモードの損失を増加させることである。

レーザシステムの有効性が基本ビームの線幅に依存することを示すために、さまざまな厚さの１以上の複屈折フィルタ１０９を含む、線幅を狭めるための光学部品を（図１に見られるような）基本共振器キャビティ１１０内に挿入し、さまざまな厚さの一つ又は二つの複屈折フィルタ１０９を使用して、四つの実験において基本線幅とストークス出力パワーの比較を行った。最初の三つのケースではそれぞれ、異なる厚さ（２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ）の単一の複屈折フィルタ（ＢＦ）を使用した。最後のケースでは、二つのＢＦ（厚さ２ｍｍ及び４ｍｍ）を両方とも一緒に基本共振器キャビティ１１０内に挿入した。図６は、四つのケースのそれぞれについての（基本ビームの）基本線幅を示し、図７は各ケースでのストークス出力パワーを示す。基本共振器キャビティ１１０内に単一のＢＦ１０９を挿入したケースでは、使用するＢＦが厚いほど、基本線幅は狭くなり、したがって、ストークス出力パワーが大きくなることが判明した。二つのＢＦを使用すると基本線幅をさらに狭くすることができるが、余分なＢＦからの追加の挿入損失によってストークス出力パワーは損なわれた。すなわち、第２のＢＦは、基本共振器キャビティ１１０内で共振する基本ビームの波長における（既に検討したような）往復共振器損失Ｌ_λに対する追加成分となり、したがって、一次ストークスのラマンシフトしたビームへの基本ビームのラマン変換過程の有効性を損なった。自由スペクトル領域及びフィネスを最適化するための単一要素又は複数要素のＢＦの改良された設計を用いることで、より一層大きなストークスパワーを期待することができる。

全体の変換効率に悪影響を及ぼした別の因子は、ＫＧＷラマン活性結晶１０７による基本ビームの波長における往復共振器損失Ｌ_λへの挿入損失成分だった。基本波長における透過率Ｔ＝２．５％を有する出力結合器を、基本波長におけるレーザ性能を特徴づけるために使用しており、ラマンキャビティ１１０内にラマン活性結晶（ＫＧＷ）１０８を挿入することにより、ＢＦ１０９が結合された基本キャビティ１２０内にある場合に出力パワーの３０％の低下を招くことが判明した。ＢＦ１０９がキャビティの外にある場合に挿入損失は最小になった。これは、ＫＧＷラマン活性結晶１０７が波長板としても機能しており、これが、ＢＦ１０９と組み合わされて基本ビームの復極損失（depolarisation loss）を招いたことを示唆する。実際は、往復損失Ｌ_λはわずか１％程度と思われるが、高いＱの共振器（高いフィネスの共振器）では、これは有意である。ラマン共振器キャビティ１２０内で共振する一次ストークス場は、ＢＦがラマン共振器キャビティ１２０の外にあったので、そういった復極損失を被らなかった。

まとめると、ＶＥＣＳＥＬの周波数を広げるための方式をここまで示してきた。二つの別個のバンドのＣＷ波長可変可視レーザ発光は、ＶＥＣＳＥＬによって励起される共振器内ＫＧＷラマンレーザの共振器内ＳＦＧ／ＳＨＧによって実現した。１７．５ｎｍの可変範囲及び約５６０ｎｍ（可視スペクトルのライム色領域）において約０．８Ｗの最大出力パワー、並びに１８．５ｎｍの可変範囲及び約５９２．５ｎｍ（可視スペクトルの黄色から橙色の領域）において約０．５２Ｗの最大出力パワーを実現して、単一のＶＥＣＳＥＬデバイスのスペクトル範囲を著しく拡大させた。将来は、改良された線幅制御、共振器内可視光反射体の使用及び復極損失を避けるための適切なラマン活性媒質の選択によって、結晶ラマンレーザについて実現された変換効率（１０〜２０％）［１０］と同程度のより高い変換効率が得られるはずである。また、ＳＲＳは段階的な（cascading）過程なので、ミラー被覆を広くすれば、二次ストークス波長が、ラマン活性媒質１０７によって発生させられ、ラマン共振器キャビティ１２０内で共振させられることも可能になるはずであり［１３］、次いで、ＳＨＧ、ＳＦＧ、ＤＦＧ又は他の適切な非線形周波数変換過程のいずれかにより非線形媒質１０８によって周波数変換でき、それにより、ＶＥＣＳＥＬレーザシステムのスペクトル範囲が一層広がる。

好ましい実施形態のいくつかの修正が可能である。たとえば、（波長可変の）基本波長帯を選択するために他のタイプの半導体材料が使用できる。さらに、ラマンシフトした一次ストークスビームに基本ビームを変換する過程を強化するために基本ビームの線幅を狭くすることによって、改良された結果を得ることができる。たとえば、カスタマイズされた複屈折フィルタ（プレートの数、並びに（１以上の）プレートの屈折率及び厚さを調整する）の利用により得ることができる。モード選択の区別を増やすために共振器キャビティ内に追加の偏光子又はエタロンなどのさらに多くの光学部品を挿入することによって、さらなる改良を実現することもできる。単一縦モード動作が実現できる可能性がある。さらに、より大きな出力パワーを実現するためにパワーを調整するための一つのレーザキャビティ内において２以上の半導体チップを使用できる。当業者には認識されていると思われるが、本明細書に記載のレーザシステム及びレーザデバイスに適用できるその他の多様なパワー調整機構が当技術分野で知られている。さらに、ＫＧＷをラマン活性媒質１０７に選択する代わりに、使用するラマン活性媒質は、選択した媒質の特徴的なラマンシフトに基づいて異なる波長を発生させるために使用できる、代替の広範な固体のラマン媒質を選択して交換することができる。代替の固体のラマン活性媒質には、たとえば、Ｂａ（ＮＯ_３）_２、Ｂａ（ＷＯ_４）、ダイヤモンド、種々のバナジウム酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、ヨウ素酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどが含まれ得る。特徴的な大きいラマンシフトをもつラマン結晶を選択することで、二つ以上の十分に隔てたバンド内で波長可変操作が可能になる。特徴的な小さいラマンシフトをもつラマン結晶を選択することによって、わずかに重複気味に波長可変帯を互いに重ねていくことができ、こうすることで、より幅広い波長帯にわたる連続的波長可変操作が実現できる。これの例は、図８Ａ及び図８Ｂに見られるように、（２３４ｃｍ^−１の特徴的なストークスシフトを有する）ＫＴＡラマン活性物質が選択されるときの、可視光波長領域における波長可変範囲である。たとえば、９８０ｎｍの波長（図８Ａ）を有する基本ビームから開始して、出力される周波数変換可視光１１１は、基本ビーム若しくはストークスシフトビームのいずれかのＳＨＧ又はキャビティ内の基本ビームとストークスビームの和周波生成の組み合わせによって、約４７０から約５２０ｎｍの範囲にわたって連続的に変化させることができ、言い換えれば、基本ビーム若しくはストークスビームのいずれかのＳＨＧ又は基本ビーム及びストークスビームの両方のＳＦＧによって得ることができる利用可能な周波数変換波長がそれぞれ重なっており、それによって可能な出力波長の連続的な波長可変範囲がもたらされる。図８Ｂによると、１０６０ｎｍの基本波長では、スペクトルの可視領域において利用可能な可変範囲は、ラマン共振器キャビティ１２０内のビームのＳＦＧ又はＳＨＧを使用して約５２０ｎｍから約５５０ｎｍまでの間であることが分かる。

図８Ａ及び図８Ｂは、９８０ｎｍ（図８Ａ）及び１０６０ｎｍ（図８Ｂ）の波長をそれぞれ有する（ＶＥＣＳＥＬ ＳＤ１０２の適切な選択によって発生させられた）基本ビームと組み合わせた、（１３４２ｃｍ^−１の特徴的なラマンシフトの）ダイヤモンド及び（９０１ｃｍ^−１の特徴的なラマンシフトの）ＫＧＷラマン活性物質のいずれかを選択した上で、本明細書に開示したＶＥＣＳＥＬラマンレーザシステムを使用して得られるであろう予想可視光出力範囲も示す。これらの二つの図では、第１のバンド（たとえば、ダイヤモンドを選択ラマン活性媒質として使用したバンド７０１ａ及びバンド７０１ｂ）は、波長を変えられる基本ビームのＳＨＧによって得られる可能な周波数変換出力波長を示し、第２のバンド（たとえば、ダイヤモンドを選択ラマン活性媒質として使用したバンド７０２ａ及びバンド７０２ｂ）は、基本ビーム及びラマン活物質によって発生させられる一次ストークスビームのＳＦＧによって得られる波長から変換される可能な周波数を示し、第３のバンド（たとえば、ダイヤモンドを選択ラマン活性媒質として使用したバンド７０３ａ及びバンド７０３ｂ）は、波長可変の基本ビームから導かれる、ラマン活物質によって発生させられる一次ストークスビームのＳＨＧによって得ることができる可能な周波数変換出力波長を示す。

さらに、図１に示した単純な直線状（linear）共振キャビティ構成に対して、異なる共振器キャビティ構成を利用してもよい。たとえば、当業者には認識されると思われるが、変換効率の改良のために、共振器キャビティ内で共振する、且つ／又はその中で発生させられる関連ビームのモード整合の改良のために共振器モードサイズをより良好に制御することを可能にするｚ型のキャビティ構成を使用してもよい。

自然発生のラマン散乱スペクトル（たとえば、８２２ｃｍ^−１及び７７０ｃｍ^−１の特徴的なラマンシフトを有するＬｉＩＯ３）に２以上のラマンシフトピークを有するいくつかのラマン結晶の場合、異なるラマンシフトは、たとえば共振器キャビティのミラーの被覆パラメータを制御することによって選択することができる。異なる向きに沿った異なるラマンシフトを有するいくつかのラマン結晶の場合、異なるラマンシフトは、共振器キャビティの光軸に対するラマン結晶の向きを単純に変えることによって、たとえば、ラマン活性結晶をその長手方向軸（すなわち共振器キャビティの光軸）を中心に回転させることによって選択することができる。さらに、ラマン共振器キャビティ１２０は、基本ビームと、ラマン結晶１０７内部のラマンシフトしたストークスビームとのモード整合がより正確になるように設計されてもよい。さらに、ラマン共振器キャビティ１２０は、一次、二次の両方、及び／又は潜在的により高次のストークスを共振させるように設計することもできる。ストークスの次数が上がるごとに、レーザデバイス１００から出力される追加の波長可変の可視光帯が実現できる（すなわち、ラマン共振器キャビティ１２０内でのビームのＳＦＧ又はＳＨＧのいずれかを選択することによる）。

共振器内の第二次高調波発生又は和周波発生は、多くの異なる非線形結晶である、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＬＮＢ、ＬｉＩＯ_３からの選択によって実現できる。周期分極反転材料（periodically poled material）が使用できる。バルク又は導波管配置（waveguide geometry）を用いることもできる。さらに、角度調整又は温度調整のいずれかを波長切り替えに採用することができる。扇形の周期分極反転材料が使用できる。さらに、複数の非線形結晶が使用できる。たとえば、２以上の非線形媒質１０８をラマン共振器キャビティ１２０内に挿入してもよく、それぞれを、ラマン共振器キャビティ１２０内での選択したビームの非線形周波数変換のために独立して調整してもよい。ラマン活性でありＳＨＧ／ＳＦＧに有用でもある結晶、たとえばＫＴＡ、ＫＴＰ、ＬＮＢ、ＬｉＩＯ_３を使用することができる。

現在、上記の構築したプロトタイプで発生させられるＳＨＧ／ＳＦＧビームの収集効率は約５０％である。追加のダイクロイックミラーを使用するか、又は上記の例示的構成で使用される現在のダイクロイックミラーの被覆を再設計（たとえばダイクロイックミラー１０５は、周波数変換ビームの波長において同時に極めて反射性となるように変形することも可能）することによって、後方に伝搬する（すなわちＳＤ１０２に向かって、また端部ミラー１０６から離れる方向へ伝搬する）可視発光は、反射されて出力結合器（本例では端部ミラー１０６）に向かい、レーザシステム１００からの周波数変換出力ビーム１１１の出力パワーを増大することができる。

好ましい実施形態の教示は、外部又は共振器内で変調されるＶＥＣＳＥＬレーザに適用することもできる。これには、パルス周波数変換出力ビーム１１１を提供するために使用できる、Ｑを切り替え、モード同期したＶＥＣＳＥＬレーザが含まれる。

上で説明／例示した方法／装置／デバイス／システムは、光スペクトルの可視領域における出力をもたらす波長可変ラマンレーザを少なくとも実質的に提供することが理解されよう。

本明細書に記載、且つ／又は図面に示したレーザ構成、デバイス、システム、及び方法は、一例として提示されているにすぎず、本発明の範囲については限定していない。特に別段の記載がない限り、個々の態様並びにレーザ構成の部品、デバイス、システム、及び方法は修正されてもよいし、それゆえに知られている均等物に取って代わったものであってもよいし、将来開発され得るものや将来許容可能な代替であると判明し得るものなど、まだ知られていないものに取って代わられてもよい。レーザ構成、デバイス、システム、及び方法は、クレームされる発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多様な用途に合わせて修正されてもよい。なぜなら、潜在的な用途の範囲が広く、本レーザ構成、デバイス、システム、及び方法が、多くのそのような変形に適応可能であることが意図されているからである。

参考文献
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［８］ ホフマン（Ｈｏｆｆｍａｎｎ）、及びＭ． Ｒ．ホフマン（Ｈｏｆｍａｎｎ）、Ｌａｓｅｒ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｒｅｖ．、１、４４（２００７）。
［９］ Ｄ． Ｃ．パーロッタ（Ｐａｒｒｏｔｔａ）、Ｗ．ルーベイクト（Ｌｕｂｅｉｇｔ）、Ａ． Ｊ．ケンプ（Ｋｅｍｐ）、Ｄ．バーンズ（Ｂｕｒｎｓ）、Ｍ． Ｄ．ドーソン（Ｄａｗｓｏｎ）、及びＪ． Ｅ．ヘイスティー（Ｈａｓｔｉｅ）、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．、３６、１０８３（２０１１）。
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［１１］ Ａ． Ｊ．リー（Ｌｅｅ）、Ｈ． Ｍ．パスク（Ｐａｓｋ）、Ｐ．デッカー（Ｄｅｋｋｅｒ）、及びＪ． Ａ パイパー（Ｐｉｐｅｒ）、Ｏｐｔ． Ｅｘｐ．、１６、２１９５８（２００８）。
［１２］ Ｔ． Ｄ．レイモンド（Ｒａｙｍｏｎｄ）、Ｗ． Ｊ．アルフォード（Ａｌｆｏｒｄ）、Ｍ． Ｈ．クローフォード（Ｃｒａｗｆｏｒｄ）、及びＡ． Ａ．アラーマン（Ａｌｌｅｒｍａｎ）、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．、２４、１１２７（１９９９）。
［１３］ Ａ． Ｊ．リー（Ｌｅｅ）、Ｊ．リン（Ｌｉｎ）、Ｈ． Ｍ．パスク（Ｐａｓｋ）、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．、３５、３０００（２０１０）。

解釈
特に定義しない限り、本明細書で用いるすべての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって共通に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で用いる用語は、本明細書及び関連する技術分野の文脈におけるそれらの意味と矛盾しない意味を有するものとして解釈されるべきであり、理想化された意味又は過度に形式的な意味には解釈されないが、本明細書において明らかにそう定義されている場合はその限りではないことがさらに理解されよう。本発明のために、追加の用語を以下に定義する。

本明細書で用いる用語は、単に特定の実施形態を説明することを目的としており、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で用いる単数形の冠詞「一（a）」、「ある（an）」、及び「その（the）」は、文脈上明らかに異なる場合を除き、その複数形も含むことが意図されており、したがって本明細書では、その冠詞の文法的目的語の一つ又は二つ以上（すなわち少なくとも一つ）を指すために使用される。一例として、「ある要素」は、一つの要素又は二つ以上の要素を指す。

用語「約」は、本明細書において、基準量に対して、３０％、好ましくは２０％、より好ましくは１０％までの範囲で変動する量を指すために使用される。

この明細書全体において、文脈上必然的に異なる場合を除き、「含む（comprise）」、「備える（comprises）」及び「有する（comprising）」という言葉は、述べられたステップ若しくは要素又はステップ若しくは要素の群が包含され、任意の他のステップ若しくは要素又はステップ若しくは要素の群が排除されないことを示唆するものとして理解される。

以下の説明及び図面は、参照符号を利用して、読者が実施形態の構造及び機能を理解するのを助ける。同様の参照符号が、同じか又は類似の機能及び／又は構造を有する特徴を指すために異なる実施形態において使用される。

図面は、全体として、また、本明細書における関連する文章と併せて参照する必要がある。特に、図面のうちいくつかは、記載した特定の特徴についてより分かりやすくするために、あらゆる実例に含まれるすべての特徴を描くことは選択的に省略している。これは読者を助けるための処置であり、それらの特徴が開示されていない、又は関連する実施形態の動作に必要ないと解釈されるべきではない。

本明細書全体を通じて、「ある実施形態」又は「一実施形態」についての言及は、その実施形態とともに記載される特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の中で各所に現れる語句「ある実施形態において」又は「一実施形態において」は、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているわけではないが、同じ実施形態を指していることもある。さらに、本開示内容から当業者には明らかであると思われるが、特定の特徴、構造又は特性は、１以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わされてもよい。

同様に、本発明の例示的な実施形態の上記の説明において、本発明のさまざまな特徴は、本開示内容を分かりやすくし、且つ本発明のさまざまな態様のうちの１以上の理解を補う目的で、単一の実施形態、図、又はその説明にまとめられていることを理解されたい。ただし、この開示方法は、クレームされる発明が、各請求項に明確に記載されるものよりも多くの特徴を要求するという意図を表すと解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が表すように、本発明の態様は、開示される前述の単一の実施形態のすべての特徴よりも少ない。したがって、添付の特許請求の範囲は本明細書によってこの詳細な説明に明確に組み込まれ、各請求項は本発明の個々の実施形態として独立して成り立っている。

本明細書全体において「基本」波長、「基本」ビーム、「基本」発光などへの言及は、本明細書に開示されたレーザシステムの１以上の要素によって周波数変換されることが可能な波長を有する、レージングデバイスが発生させるレーザビームを指し、たとえば基本ビームは、ラマン活性媒質内でのラマンシフトにより（典型的には、基本ビームがより長い波長／より低い周波数を有するレーザビームに通常は「ダウンコンバート」又はシフトされる誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）過程により）、周波数変換されてもよい。本明細書に記載するラマンシフトしたビームは、ＳＲＳ過程によって周波数変換された後の基本ビームを指し、単一のラマンシフトが生じた場合、ラマンシフトしたビームを一次ストークスビームと呼ぶ、又はより一般的に、一次ストークス（又は単に「ストークス」）波長を有する「ストークス」ビームと単純に呼び、それによって、「ストークス」ラマン過程は、より長い波長／より短い周波数への基本ビームのダウンコンバートを指し、これは、基本ビームよりも短い波長／高い周波数を有する反ストークスビームに基本ビームをアップコンバートする、より稀で、実際上はより困難な反ストークスＳＲＳ過程とは対照的なものである。当業者には理解されると思われるが、一次ストークスビームは次に、二次ストークスビームを発生させるために、同じラマン活性媒質内で同じＳＲＳ過程によってラマンシフトされてもよい。同様に、より高次のストークスビームも同じやり方で発生させることができる。別法として、「基本」ビームは、非線形媒質内での非線形過程、たとえば、第二次高調波発生（ＳＨＧ）、第三次高調波発生（ＴＨＧ）、和周波混合（ＳＦＧ）、又は差周波混合（ＤＦＧ）などによって、より短い波長／より高い周波数に「アップコンバート」又はシフトさせることができる。

さらに、本明細書に記載のいくつかの実施形態は何らかの特徴を含んでおり、他の実施形態に含まれる他の特徴は含んでいないが、当業者には理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲内にあることが意図されており、これらは異なる実施形態を形成する。たとえば、添付の特許請求の範囲において、クレームされる実施形態はいずれも任意の組み合わせで使用することができる。

本明細書で行った説明では、数多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細を伴わずに実施されてもよいことを理解されたい。他の例では、今回の説明の理解を妨げないように、よく知られている方法、構造及び技術については詳細に示していない。

同様に、用語「結合された」は、特許請求の範囲において使用されるとき、直接的な接続のみに限定するものとして解釈されるべきではないことに注意されたい。用語「結合された」及び「接続された」は、それらの派生語とともに使用されてもよい。これらの用語は、互いに同義であるとは意図されていないことを理解されたい。したがって、デバイスＢに結合されたデバイスＡという表現の範囲は、デバイスＡの出力部がデバイスＢの入力部に直接的に接続されたデバイス又はシステムに限定すべきではない。その表現が意味するのは、Ａの出力部とＢの入力部との間に経路があり、これは他のデバイス又は手段を含んだ経路であってもよいということである。「結合された」は、二つ以上の要素が直接的な物理的又は電気的接触状態にあるか、二つ以上の要素が互いに直接接触してはいないものの、互いに協働又は相互作用していることを意味することがある。

したがって、本発明の好ましい実施形態であると考えられるものを記載してきたが、本発明の趣旨から逸脱することなく、他の修正及びさらなる修正を施すことができ、本発明の範囲に含まれるようなあらゆる変更及び修正をクレームする意図があることが当業者には認識されよう。たとえば、上記のいずれの式も、使用できる手順を表しているにすぎない。ブロック図に機能を追加しても、そこから機能を削除してもよく、機能ブロック間で動作を入れ替えてもよい。本発明の範囲内で説明される方法にステップを追加しても、そこからステップを削除してもよい。

Claims (29)

1. 励起源からの励起に応答して基本レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザであって、前記基本レーザビームが基本波長及び基本線幅を含む、外部垂直共振器型面発光レーザと、
   内部で前記基本レーザビームを共振させるように構成された基本共振器キャビティと、
   前記基本レーザビームの前記基本線幅を制御するように構成された、前記基本共振器キャビティ内に位置する第１の光学素子と、
   少なくとも部分的に前記基本共振器キャビティ内に位置し、前記基本共振器キャビティと結合されているラマン共振器キャビティであって、前記基本レーザビームを受けるラマン共振器キャビティと、
   前記ラマン共振器キャビティの内部に位置し、少なくとも一次ストークスビームを前記基本レーザビームから発生させるための固体のラマン活性媒質であって、前記ラマン共振器キャビティが、前記ストークスビームをその内部で共振させるように構成されており、且つ、出力ビームを発するようにさらに構成されている、ラマン活性媒質と、
   前記ラマン共振器キャビティの内部に位置し、前記ラマン共振器キャビティ内に存在する前記ビームのうちの少なくとも一つを非線形周波数変換し、それによって周波数変換ビームを発生させるための非線形媒質と
   を備える波長可変レージングデバイスであって、
   前記出力ビームを発するように構成された出力結合器であって、前記出力ビームが、前記基本共振器キャビティ又は前記ラマン共振器キャビティ内の前記共振ビームのうちの少なくとも一つから得られる前記周波数変換ビームの少なくとも一部を含む、出力結合器をさらに備える、波長可変レージングデバイス。
2. 前記基本共振器キャビティが前記外部垂直共振器型面発光レーザの外部キャビティを含む、請求項１に記載の波長可変レージングデバイス。
3. 前記出力ビームが前記周波数変換ビームの一部を含む、請求項１に記載の波長可変レージングデバイス。
4. 前記第１の光学素子が１以上の複屈折要素及び／又は１以上のエタロンを含む、請求項１又は２に記載の波長可変レージングデバイス。
5. 前記第１の光学素子が、前記基本レーザビームの前記波長を調整するようにさらに構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
6. 前記ラマン活性媒質が、タングステン酸カリウムガドリニウム（ＫＧＷ）結晶と、タングステン酸バリウム（ＢａＷＯ_４）結晶と、ダイヤモンドと、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶と、バルクＬｉＮｂＯ_３結晶又は周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３のいずれかと、ＫＴＡ結晶と、ＫＴＰ結晶とを含む群から選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
7. 前記非線形媒質が、ＬＢＯと、ＢｉＢＯと、ＢＢＯと、ＫＴＰと、バルクＬｉＮｂＯ_３と、周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３とを含む群から選択される、請求項１から６のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
8. スペクトルの青色領域の波長と、前記スペクトルの緑色領域の波長と、前記スペクトルの黄色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
9. 前記波長可変レージングデバイスから利用可能な前記可変レーザ波長が、少なくとも一つの青色波長、一つの緑色波長、及び一つの黄色波長を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
10. スペクトルの緑色領域の波長と、前記スペクトルの黄色領域の波長と、前記スペクトルの赤色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
11. 前記波長可変レージングデバイスから利用可能な前記可変レーザ波長が、少なくとも一つの緑色波長、一つの黄色波長、及び一つの赤色波長を含む、請求項１から７又は１０のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
12. スペクトルの青色領域の波長と、前記スペクトルの緑色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
13. 前記波長可変レージングデバイスから利用可能な前記可変レーザ波長が、少なくとも一つの青色波長及び一つの緑色波長を含む、請求項１から７又は１２のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
14. スペクトルの緑色領域の波長と、前記スペクトルの黄色領域の波長とを含む群から選択可能な波長を有する出力ビームを発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
15. 前記波長可変レージングデバイスから利用可能な前記可変レーザ波長が、少なくとも一つの緑色波長及び一つの黄色波長を含む、請求項１から７又は１４のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
16. 前記出力ビームの前記波長が可変である、請求項８から１５のいずれか一項に記載の波長可変レージングデバイス。
17. 光励起共振器内波長可変レーザの周波数出力を広げる方法であって、
    励起によって波長可変基本レーザビームを発生させるように構成された半導体デバイスを励起するステップと、
    前記波長可変基本レーザビームを共振させるための基本共振器キャビティを設けるステップと、
    前記基本共振器キャビティと少なくとも部分的に重なるラマン共振器キャビティを設けるステップと、
    共振器内誘導ラマン散乱を発生させて、前記基本レーザビームから得られる一次ストークス波長を発生させるためのラマン活性媒質を前記ラマン共振器キャビティ内に設けるステップと、
    共振器内和周波発生又は第二次高調波発生によって前記ストークス波長を周波数変換波長帯に変換するための非線形媒質を前記ラマン共振器キャビティ内に設けるステップと、
    前記周波数変換波長を出力するステップと
    を含む、方法。
18. 前記波長可変レーザがＶＥＣＳＥＬレーザを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記基本共振器キャビティが、外部垂直共振器型面発光レーザの外部キャビティを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 共振器内非線形混合を行う、光励起半導体ＶＥＣＳＥＬによって励起される共振器内ラマン波長可変レーザ。
21. 前記共振器内非線形混合が、二つの別個の波長可変発光バンドへの出力を含む、請求項２０に記載のレーザ。
22. 前記波長可変発光バンドが、和周波発生によって発生させられる第１のバンド及び第二次高調波発生によって発生させられる第２のバンドを含む、請求項２０に記載のレーザ。
23. 前記波長調整が、共振器内固体非線形媒質の温度調整による、請求項２０から２２のいずれか一項に記載のレーザ。
24. 前記波長調整が、共振器内固体非線形媒質の角度調整による、請求項２０から２２のいずれか一項に記載のレーザ。
25. 前記波長調整が、共振器内ＬＢＯ結晶の温度調整による、請求項２０から２２のいずれか一項に記載のレーザ。
26. １以上の周波数範囲内で波長を変えられる波長可変レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザデバイスを備えるレーザシステムであって、基本レーザビームから得られる１以上の周波数変換ビームを選択的に発生させ、それによって前記レーザシステムが複数の離散的な周波数範囲内で可変のレーザ波長を出力可能になるように構成されたラマン活性媒質及び非線形媒質をさらに備える、レーザシステム。
27. 添付の図面及び／又は実施例に示される本発明の実施形態のいずれか一つを参照しながら本明細書で実質的に説明されるレーザシステム。
28. 添付の図面及び／又は実施例に示される本発明の実施形態のいずれか一つを参照しながら本明細書で実質的に説明される光励起共振器内波長可変レーザの周波数出力を広げる方法。
29. 添付の図面及び／又は実施例に示される本発明の実施形態のいずれか一つを参照しながら本明細書で実質的に説明される、１以上の周波数範囲内で波長を変えられる波長可変レーザビームを発生させるように構成された外部垂直共振器型面発光レーザデバイスを備えるレーザシステム。

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