JP2015525002A - 単一の光共振器において複数の波長のレーザ放射を生成または増幅する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の１つの目的は、互いの間で所望の出力比率の複数の波長の放射を同時に発生するレーザ発生源を提供することである。その２つ以上の波長の放射は、利得媒体の中で増幅される波長とは異なる波長の放射を得るため、非線形媒体の中でそれらの波長を混合するために使用できる。最も好適な実施形態では、レーザ発生源は、単一の光軸を有する光学共振器に置かれる、分散光学要素からなる。分散要素は異なる波長の放射を分散要素の中を僅かに異なる経路を通って伝搬するようにさせる。レーザのチューニングは分散要素を共振器の軸に対して動かすまたは傾けることにより行われる。その結果、それぞれの波長に対する所望の平均出力の比率または構成が得られる。出力比率を変えられる能力は、単一の利得媒体の中で複数の波長を同時に生成すること、したがって主波長による励起状態の消耗を避けることにとって重要である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザに関し、詳細には複数の波長のレーザを同時に放射できる、または非線形媒体の中での光波混合の手段により所望の波長のレーザを生成できるレーザ発生源に関するものである。

単一のレーザ装置の中で複数の波長を生成する可能性は多大な関心を持たれ、そして幾つかのアプリケーションが利用可能である。多くの生物光学的用途と装置は現在使用可能な波長に制限され、従ってダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザまたはレーザダイオードにとって標準的でない波長に対しては、幾つかの蛍光染料は使用できず、また吸収、識別、ラーマン散乱またはその類似のようなパラメータは測定できない。ＤＰＳＳレーザの最も一般的な設計は、ネオジウムまたはイッテルビウムドープの利得媒体の基礎波長、第２高周波の１０６４ｎｍ，１０３０ｎｍ，５３２ｎｍ，５１５ｎｍの波長を特徴とし、さらに第３およびそれより高次の高周波も全く一般的である。

光学パラメータ増幅器、生成器および発振器のような広帯域レーザはほとんどの波長分析の要求および他の用途に適しており、そこでは多種の波長は利点と見做される。しかしそのような装置は非常に高価でそして操作に大量のスキルを必要とする。

和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、四波混合（ＦＷＭ）レーザは要求の多い分光分析のニーズに対する他の１つの選択肢を提供する。しかし新寄な波長を獲得するためには複雑なレーザ設計が用いられ、一方非線形結晶を励起するために複数の個別の励起レーザが使用され、または複数の波長の効率的な増幅と混合のために複雑な共振器設計が提供されている。

２００９年８月２０日に公開された米国特許申請ＵＳ２００９２０７８６８（特許文献１）は可変レーザを記載しており、それは生成されたレーザパルスを第１と第２の光学経路に沿って指向される第１および第２波長のパルスに分離するための分散光学系を含む。第１と第２の反射鏡はそれぞれ第１と第２の光学経路に配置される。レーザの出力鏡は規定された基準に従って第１と第２の波長に関して部分的に反射しそして部分的に透過する。第１の共振器の長さは出力鏡と第１の鏡との間で定義され、一方第２の共振器の長さは出力鏡と第２の鏡との間で定義される。第２の共振器の長さは第１の共振器の長さの関数である。

米国特許５，３４５、４５７（特許文献２）は共振器内の和周波混合の２重波長レーザシステムを記載し、それは第１アーム、第２アームおよび共用アームからなる二分岐の共振器を有し、それは；第１の波長の第１入力レーザビームを提供する第１アームに位置する第１レーザ要素；第２の波長の第２入力レーザビームを提供する第２アームに位置する第２レーザ要素；共用アーム内の非線形混合要素；そして第１と第２のビームを組み合わせ、それを非線形混合要素に送るビーム組み合わせ装置と；からなり、ここに非線形混合要素は第３の波長の出力レーザビームを提供し、第３の波長のエネルギーは入力レーザビームのエネルギーの合計である。

和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、四波混合（ＦＷＭ）用の単純なレーザ共振器を得る他の方法は、平均出力の所望の比率で増幅されるべきそれぞれの波長に対し異なる反射率を持つ複合反射皮膜の使用を含む。このような構成では励起光学的パワーから出力放射への高い発光効率を得ることは難しい。

従来技術の発明は複数の波長の放射の同時生成とそれらを混合する能力を提供する。しかしこの目的を達成するための単純で安価な光学的設計はまだ存在しない。
本明細書では、「混合」または「波の混合」とは任意の和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、四波混合（ＦＷＭ）または類似の非線形の処理および原理を意味する。

米国特許申請ＵＳ２００９２０７８６８ 米国特許５，３４５、４５７

本発明の１つの目的は、互いの間の所望のパワー比率での複数の波長の放射を同時に発生し、および／又は利得媒体の中で増幅される波長とは異なる波長の放射を得るために非線形媒体の中でそれらの波長を混合する能力を有する、レーザ発生源を提供することである。

最も好適な実施形態では、レーザ発生源は、単一の光軸を有する光共振器内に置かれる、分散光学要素からなる。分散要素は異なる波長の放射に対し分散要素の中を僅かに異なる経路を通って伝搬するようにさせる。レーザの波長調整は分散要素を共振器の軸に対して動かすまたは傾けることにより行われる。その結果、それぞれの波長に対する所望の平均出力の比率または構成比が得られる。

出力比率を変えられる能力を持つことは、単一の利得媒体の中で複数の波長を同時に生成すること、したがって主波長による励起状態の消耗を避けることにとって重要である。

本発明をよりよく理解し、そしてその実際の用途を理解するため、以下の図が提供され、そしてこれ以降参照される。図は事例のためにのみ示され、そして決して発明の範囲を限定するものではない。
異なる微小レーザ設計を示す図であり、それぞれの配置は異なる構成の出力カプラーを有する。 異なる構成の出力カプラーの詳細図である。出力カプラー（５．１，５．２，５．３）の左の太い線は入射レーザビームを示し、出力カプラーの輪郭の中の２つの細い線は出力カプラー内の異なる波長の放射の経路を示す。ここで１つの線は出力カプラーの第２の面（１１）に直角に入射し、他の１つの線は出力カプラーの第２の面（１１）に直角から少し外れて入射する。出力カプラーの中の２つの線の間に明確な分離がよりよい理解のために示されているが、実際はこの分離はごく小さい。

本発明の目的はレーザ発生源であって、多くの異なる、従来型のそして新規の波長を、一度に１つの波長を、または同時に複数の波長を放射できるように構成可能なレーザ発生源を提供することである。レーザ光学設計は本質的に単一軸の共振器に単純化され、そして異なる波長は、活性媒体特異性放射波長として増幅され、または２次高調波生成（ＳＨＧ）、和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）または四波共振器内混合（ＦＷＭ）の手段により生成される。結果的にレーザ媒体に対して種々の出力波長が得られ、それは１つより多い特性輝線を特徴として有する。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒体は８０８ｎｍ励起ビームで励起された場合４つの主要輝線を特徴として有する。Ｎｄ：ＹＡＧの特性輝線は９４６ｎｍ，１０６４ｎｍ，１１２３ｎｍ，および１３１９ｎｍである。これら特性輝線から得られる第２高調波は４７３ｎｍ，５３２ｎｍ，５６２ｎｍおよび６６０ｎｍである。しかし１０６４ｎｍと５３２ｎｍを除くこれら基礎波長および第２高調波波長の殆どは、励起状態を強く消耗する主波長１０６４ｎｍの放射のため、容易には増幅できない。他の主波長でない輝線に対しレーザ放射を増幅するためには、１０６４ｎｍ放射が抑制され、そして特定の弱い輝線に対して良い増幅条件が生成されるように共振器が最適化されなければならない。

同様に、高周波の放射および波混合により発生する輝線−これらすべてはいくつかの放射を抑制しそして他の放射を刺激するための一定の条件を満たせば、個別に又はグループで増幅可能である。言い換えれば、それぞれの波長の間の増幅／生成の比率を変化させる手段が必要とされる。本明細書では、増幅という用語は、量子雑音からの任意のレーザ放射の生成、または既に生成されまたは播かれた信号からの増幅、の両方を意味する。

最も好適な実施形態では、分散要素（５．１，５．２，５．３）が共振器内に置かれ、そして異なる波長が僅かに異なる光学経路を伝搬するようにさせる。結果としてそれぞれの波長に個別にウォークオフ損失が現れる、すなわちそれぞれの波長に対し異なる増幅／生成条件が生まれる。増幅／生成比率は共振器軸に対して分散要素（５．１，５．２，５．３）を傾けることにより、および／または分散要素を共振器軸に沿って動かすことにより調整される。結果として１つの主波長の放射が抑制でき、そしてもう１つの波長が増幅に好適な条件を持つことができる。

さらにもう１つの実施形態では、分散要素（５．１，５．２，５．３）が出力カプラー（他の用語では、デカップリング鏡）として形成される。分散要素（５．１，５．２，５．３）の末端表面には複合反射皮膜が施され、部分的または完全に所望の波長の放射を共振器に反射して戻す。反射は選択されたそれぞれの波長に対し異なって選択されてもよい。所望でない波長に対しては、皮膜は好適には透過するように形成され、それにより励起状態の無駄な消耗を防止する。

さらにまた１つの実施形態では、分散要素はプリズム型要素（５．１）であり、互いに対して傾いた２つの平らな表面を持つ。言い換えれば、少なくとも１つの表面は共振器の光学的軸に対し楔型をなしている。楔型面と光学的軸の間の角度は増幅されるべき波長を考慮して計算される。ある波長に対しウォークオフ損失を最小にするため、楔型の光学要素は、第１の表面での屈折の後、ビームが第２の表面に垂直に入射するように調整されなければならない。このような構成では放射の少なくとも一部は第２の面で反射し、そして同じ経路をたどって共振器に伝搬して戻し、このことが可能な最良の増幅条件を確実にする。また、抑制されるべき波長は、楔型要素の第２の面に直角と僅かに異なるある角度で入射し、従ってその波長は共振器に戻るときにウォークオフ損失を経験する。

当業者は複数の波長の間の所望の増幅比率を設定するためにこの技術を種々の方法で使用することができる点に注意する必要がある。分散要素の表面に異なる反射および抗反射皮膜を使用することは、レーザ技術者の一般的スキルおよび知識であり、従って本発明は分散要素（５．１，５．２，５．３）の特定の形状およびそこに使用される特定の皮膜に限定されない。本発明の適切な実施形態への案内を提供するため、我々は分散要素（５．１，５．２，５．３）の異なる事例および構成を示す。

またさらに別の実施形態では、分散要素はレンズまたはレンズの一部（５．２）のような曲がった表面を特徴とする要素である。共振器の光軸に対する曲面の位置に依存して、ビーム入射の異なる角度が調整可能である。この点で曲がった表面を持つ要素（５．２）は上記の楔型分散要素（５．１）に比べてより汎用性が高い。

またさらに別の実施形態では、分散要素は屈折率勾配プレート（５．３）である。屈折率勾配光学要素は材料の屈折率（９）が徐々に変化することを特徴とする要素である。このような分散要素の第１の面（１０）と第２の面（１１）は好適には互いに平行である。屈折率はプレート内の放射の光学経路に対し本質的に垂直な方向に徐々に変化する。屈折率勾配プレート（５．３）は好適には入射放射に対して角度を有している。このような構成では、屈折率勾配プレート（５．３）内の光学的経路は図２に示すように僅かに曲がる。最善の増幅条件はビームが屈折率勾配プレート（５．３）の第２の面（１１）に垂直に入射する場合に満たされる。この実施形態は収差をもたらさない。この技術を用いて所望の結果を得るために屈折率のより複雑な変化を使用可能であることは、当業者には明白である。

最も単純な実施形態では、光学的レーザ設計は、励起モジュール（１）、好適にはレーザダイオード、視準光学系（２）、利得媒体（３）、および出力カプラー（５）からなる。レーザ共振器の第１の反射面（またはカップリング鏡）は、分離された鏡要素（図には示されない）として形成されてもよく、または反射皮膜が利得媒体（３）の第１の末端に形成されてもよい。デカップリング鏡は分離された光学要素として形成されてもよく、または分散要素（５）の末端の面に形成されてもよい。

またさらなる別の実施形態では、２つまたはそれ以上の利得媒体（３）が光軸上に配置され、そして２つまたはそれ以上の特性波長（それぞれの利得媒体から少なくとも１つの波長）が選択され、そして共振器（７）はその選択された波長の放射の所望の出力での増幅に対して最適化される。

さらに別の実施形態では、χ^（２）非線形性を持つ光学要素（４）が共振器内に配置され、基礎波長の第２高調波化、和周波発生（ＳＦＧ）または差周波発生（ＤＦＧ）を提供する。

さらに別の実施形態では、χ^（３）非線形性を持つ光学要素（４）が共振器内に配置され、四波共振器内混合（ＦＷＭ）またはパラメトリック増幅／発振／生成を提供する。

レーザビームデカップリング鏡は分散要素と共に単一光学要素として構成されてもよく、ここで分散要素の平らな端部は反射皮膜を備える。

分散要素という用語は、スネルの法則に従う光学要素の表面での屈折に起因する、または光学要素の開口部または横方向寸法に亘る光学特性の変化に起因する材料内の屈折に起因する、異なる波長（または周波数）の放射を異なる経路の中を伝搬するようにさせる任意の光学要素を意味する。

本発明の事例として、我々は上記の技術を使用して黄色―オレンジまたは５８９ｎｍ波長の放射を得る記載を提供する。５８９ｎｍの放射は和周波発生（ＳＦＧ）プロセスにより得られ、ここでネオジウムドープ結晶の輝線に対応する２つの赤外波長がＢＢＯ，ＬＢＯ，ＫＤＰ、他などの非線形媒体の中で和をとられる。

１つの事例的な実施形態では、１０６４ｎｍと１３１９ｎｍの輝線が同時に増幅される。１０６４ｎｍ放射は分散要素にウォークオフ損失を導入することにより抑制され、そして非主線の１３１９ｎｍの輝線に対する最適な増幅条件が適合される示された輝線に対する和周波数は５８９ｎｍであり、それは黄色―オレンジ放射に相当する。同様に、６０７ｎｍ，５５１ｎｍ，５４６ｎｍ，５１３ｎｍおよび５０１ｎｍの放射がＮｄ：ＹＡＧレーザ媒体の４つの特性輝線の内の任意の２つを和することにより得られる。
対照的に、差周波発生（ＤＦＧ）プロセスでは、遠赤外および中赤外の波長が生成できる。同じＮｄ：ＹＡＧレーザ媒体に対し、差周波発生（ＤＦＧ）で結果として得られる波長は、５５０４ｎｍ，３３４５ｎｍ，８５３０ｎｍ，６００２ｎｍ，７５５７ｎｍおよび２０２５２ｎｍである。
異なる波長の２つのビームの間の良い出力比率の設定は、和周波発生（ＳＦＧ）または差周波発生（ＤＦＧ）プロセスで高い効率を得るために非常に重要である。

複数の特性輝線を持つ任意のレーザ媒体に対し、異なる波長の組が計算可能である。Ｎｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ＹＡＰ，Ｎｄ：ＬＳＢ，Ｎｄ：ＧＬＡＳＳ，Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ，Ｅｒ：ＹＡＧおよびさらに多くのレーザ媒体が本発明から利益を得るために使用でき、そして当業者は本発明を実施するために、これらの材料を本明細書に記載される原理を使用して容易に使用できなければならない。

本発明は一定の利得媒体またはそれらの組み合わせに限定されるべきではない。単一の利得媒体からの複数の波長および、２つまたはそれ以上の利得媒体結晶の組み合わせからの複数の波長の放射は両方とも、利用可能であり、また新寄な波長を生成する広い能力を提供する。

第３、４およびそれより高次の高調波の生成のような他の非線形プロセスは、本質的に和周波発生（ＳＦＧ）の特定のケースであり、従って本明細書では詳細に分析されない。制御された出力比率の複数の異なる波長の放射が、他の波長の放射を生成するために、共振器（７）の内部または外部でいかに使用できるかは、当業者には自明であるべきである。

Claims (10)

1. 光学的共振器において２つまたはそれ以上の波長の放射を同時に生成および／または増幅する方法であって、前記共振器は：
   −単一の光軸上に位置する１つまたはそれ以上のレーザ媒体と、
   −前記放射の波長のそれぞれに対し１つの光学的共振器を形成することにより前記放射の波長のそれぞれを反射するための、反射性のまたは部分反射性の２つまたはそれ以上の表面と、そして
   −分散特性を有する１つの光学要素と、
   を有し、
   ここにおいてそれぞれの前記波長の間の増幅比率は前記反射性表面をチューニングすることにより可変である、方法において、
   前記反射性表面は、互いに対して固定的に配置され、そして前記２つまたはそれ以上の波長の放射の間の所望の増幅比率に対して前記レーザ共振器をチューニングする場合に、同時にチューニングされる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記分散要素はプリズム、楔、レンズまたは屈折率勾配光学要素のうちの１つである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ媒体は２つまたはそれ以上の輝線を持つ単一のレーザ材料である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記レーザ媒体は２つまたはそれ以上のレーザ材料からなり、それぞれの前記材料から１つまたはそれ以上の輝線が使用される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 非線形光学媒体が、高周波生成、または和周波発生、または差周波発生、または四波混合のために前記光学的共振器の内部または外部で使用される、ことを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記非線形光学媒体はχ^（２）非線形性である、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記非線形光学媒体はχ^（３）非線形性である、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記光学的共振器は２つの放射波長の同時増幅のために配置される、ことを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記２つの反射性表面、または両方の放射波長を反射する単一の反射性表面は、前記分散光学要素の単一の表面上に形成され、そして両方の放射波長に対して１つの共線性共振器が形成され、ここにおいて前記分散光学要素は前記光学的共振器の内部に配置される、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 励起発生源と、利得媒体と、２つの反射性または部分反射性表面と、を有し、少なくとも２つの異なる波長の放射が単一の光共振器の中で同時に増幅される、レーザ装置であって、
    異なる波長の放射の間の出力比率が請求項１−９に記載の方法により調整される、
    ことを特徴とするレーザ装置。

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