JP2015536473A - 共鳴増強周波数変換器 - Google Patents

Abstract

基準周波数の単一モード入力ビームを変換周波数の出力ビームへ変換するための周波数変換器は、共振キャビティを画定する離間した光学構成要素で構成される。光学構成要素はキャビティ内に一以上のビームウェストを有する入力ビームを形作る。周波数変換器は、前記キャビティ内の非線形結晶が結晶の中心がビーム経路に沿ったビームウェストから離れて位置するようにキャビティ往復長さより小さいレイリー領域を有する発散ビーム内に又は前記キャビティ往復長さより大きいレイリー領域を有するコリメートビーム内に位置する。

Description

本発明は、適切な非線形結晶を有するレーザ放射の非線形相互作用の手段によるレーザ放射の周波数変換に関する。本発明は、特に、結晶の寿命を実質的に延長するように、結晶の体積内部及び表面での光学パワー密度が低下する周波数変換用外部キャビティの改良された設計に関する。さらに、本発明は、広範囲にわたる入力パワーに用いられ得る標準的な単一光学部品で構築される周波数変換用外部キャビティの改良された製造容易性に関する。

公知であるように、最新のレーザ技術に直接利用できない波長がある。非線形周波数変換技術によって、ＵＶ、可視及びＩＲのスペクトル範囲におけるこれらの波長でのレーザ放射の発生が可能になる。

概念的には、「周波数変換」との用語は、レーザ光の周波数の変更をもたらす第２次高調波、第３次高調波、第４次高調波及びより高い高調波、和周波発生及び他の非線形処理を含む。概して、連続波（「ＣＷ」）レーザ放射の周波数変換は、比較的低い単一のパス変換効率のため、共振器を必要とする。最も広く使われている構成は、内部共振器（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ）及び外部キャビティ共振器を含む。本発明は、外部キャビティアプローチに関する。

図１を参照すると、様々な外部のリングキャビティ構成を代表するリング状の４つのミラーからなるボータイ型周波数変換器１０は、多様性及び実施容易性のため頻繁に用いられる。共振器１０は、２凹面ミラーＭ３、Ｍ４間のビームウェストに位置する非線形（「ＮＬ」）結晶１２により構成される。ビームウェストにおける結晶１２の配置は、高周波変換効率を提供する。しかし、この位置における結晶は、結晶の出力表面及び結晶の体積内部で高い光学パワー密度の周波数変換ビームを受ける。その結果、変換の間、変換波長での高エネルギー光子が結晶１２の出力表面に入射して、この出力表面を劣化させることができる。一方、ビームウェスト周辺の高いパワー密度はバルクの結晶１２に損害を与えることができる。

無論、出力表面への損傷は、ビームウェストのサイズを減らして出力表面上のパワー密度を低下させることによって、最小化されることができる。ビームウェストが減少するにつれて、ビーム発散は結晶の出力表面上の光学パワー密度の減少を上昇させる。しかし、ビームウェストを縮小させると、バルクの結晶内に損傷を与え始めることがある結晶中のビームウェスト内において、既に高いパワー密度が上昇される。

非線形結晶非線形結晶の有効寿命を延長させる幾つかの解決案が示唆されて来た。最も一般的な解決案は、大きな横断面を有する結晶を使用して、１つの領域が損傷を受けると結晶を所定のパターンに動かして新しい領域を露出させることであった。残った使える領域がなくなった後、結晶は交換される。この技術が単結晶の有効寿命を延長させるにもかかわらず、それは結晶損傷の基本的な態様に対処せず、大きくて、複雑で且つ高コストの機械式動作機構を含む。

米国仮出願第６１／５８４，３９５号

従って、非線形結晶が長い有効寿命を有するように設計される周波数変換器共振器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）に対するニーズがある。

結晶有効寿命の他に、外部変換器共振器の周波数変換効率は、他の懸念である。他の要因の中で、変換効率は、マッチされる共振器インピーダンスを作ることに決定的に依存する。インピーダンス整合は、共振キャビティへの光カップリングを最大にするために、キャビティパラメータ（最も一般的は、入力ミラーの透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ））の最適化を含む。変換器（周波数変換を含む）の往復長さ損失がカップリングミラーＭ１の透過率Ｔに等しいときに、最大のカップリングが得られる。図１を再度参照すると、他のキャビティ損失はごくわずかであるとすれば、ミラーＭ１の透過率の係数Ｔが実質的に結晶１２内の単一経路周波数変換効率に実質的に合致するときに、共振器は整合インピーダンスである。

例えば入力コリメータ、ミラー及び結晶の同一セットの物理的な構成要素を使用している異なる入力パワーの場合には、変換器共振器のインピーダンス整合を成し遂げることは不可能である。入力光のパワーが変化するにつれて、整合されたキャビティインピーダンスを保つために、非線形結晶の長さ及び／又は、カップリングミラーＭ１の透過率及び／又は入力ビームの直径を変える必要がある。何れかのこれらの変更態様は、単純な動作でなくて、周波数変換器を製造するためのコストを上昇させる時間及び効果を必要とする。

従って、共振器の物理的な要素のいずれかを交換することなく、広範囲にわたる入力光力に対応して共振器のインピーダンス整合条件を満たすために容易に適合できる一組の要素で設計される周波数変換器共振器に対するニーズが存在する。

本発明には、改良された結晶の寿命及び製造容易性を備えて作動する周波数変換器が開示されている。

本発明の一態様によれば、非線形結晶の体積及び入出力表面は、すべて光学的に無負荷状態にする。それによって、結晶の有効寿命をかなり延長する。構造的に、この態様は、更なる開示された共振器構成により理解される。

構成のうちの１つにおいて、結晶は、入力ビームが結晶内部で集中する共振器内での従来の位置から非線形結晶がビームウェストを越えて位置する位置に移動される移動される。結果として、体積内部、及び少なくとも出力結晶表面上のパワー密度は、従来の幾何学的形状と比較して実質的に低下する。

第１実施形態の他の構成は、非線形結晶を共振器内でコリメートビームに配置することを含む。前に開示された実施形態と同様に、入射ビーム及び変換ビームのパワー密度が低減して、結晶の有効寿命を延長された。

様々な共振器構成の模型製作及び初期実験データによれば、９０％を上回る変換効率が発散ビーム又は平行なビームに位置する結晶を有する本発明の変換器から得られる（ビームウェストに位置する結晶を有する従来の共振器から得られる効率と同等）ことが可能である。しかし、結晶の出力表面での周波数変換放射、及び結晶内部の周波数変換放射の光学パワー密度は、ビームウェストに位置する結晶を有する同じように構造共振器において、より少なくとも１桁低い。したがって、本発明の周波数変換器の寿命は、ビームウェストに位置する結晶を有する周波数変換器共振器と比較して大幅に向上する。

本発明の他の態様によれば、非線形結晶は、基本周波数の入力光のそれぞれのパワーに対応する複数の位置における発散ビーム内に選択的に置かれる。そこにおいて、共振器は、インピーダンス整合であり、それ故最大変換効率で作動する。

結晶の配置は、手動で、又は、自動的に実現されることができる。入力信号の所与のパワーの共振器のインピーダンス整合条件が成し遂げられるまで、自動的な変位は発散ビームに沿って非線形結晶を移動させるステップを含む。判定は所望の変換周波数での出力信号の強度及び入力ミラーから反射した入力信号の強度の一方又は両方の強度をモニタする閉ループ・フィードバックにより実現される。代替的に、結晶は、如何なる所与の入力パワーに対して、このパワーのための最大変換効率に対応する不連続の予め定められた位置の一つに、コントロール回路を使わずに、手動で配置されることができる。いずれにせよ、本発明の共振器は、ミラー及び／又は非線形結晶のいずれかを交換することのなく、広範囲の入力光力にわたって最適効率で作動するのに適している。異なる入力パワーに対して共振器の同じ物理的な構成要素を使用することで、共振器の製造及び開発を容易にすることができる。

本発明の上記及び他の特徴及び効果は、図面を伴う以下の特定の説明からより直ちに明らかになる、

従来の外部キャビティ・変換器共振器の光学概略図である。 本発明の周波数変換器を有する典型的な連続波、単一周波数、単一モード・レーザシステムの等角図である。 図２の例示的なシステムの光学概略図である。 本発明の共振器の一実施形態の光学概略図である。 本発明の共振器の他の実施形態の光学概略図である。 ＬＢＯの結晶の第二次高調波発生（「ＳＨＧ」）を介して１０６４ｎｍルの入力放射を５３２ｎｍの変換放射に変換するように設計された一典型的な周波数変換器において、所与の入力パワーに対してインピーダンス整合条件を成し遂げるために必要な結晶シフトを示す図である。 周知の従来技術の構成と比較して本発明の構成における入力パワーの範囲に対する非線形結晶の出射面上の周波数変換放射のパワー密度を示す図である。

以下において、本発明の構成について詳細に説明する。図２及び図３のファイバレーザシステムは、もっぱら開示の共振器と連動して所望の基本波長で作動する任意の連続波、単一周波数単一モードのレーザシステムの一例として例示される。開示された共振器のボータイの幾何学的配置は、典型的でもあって、当業者に周知の任意のリング―キャビティ構成で置き換えられることもできる。可能な場合は、図面及び説明において使われる同一又は類似の参照番号は、同一又は類似の部分又はステップを意味する。図面は、簡略化された形であり、必ずしも実際の大きさであるというわけではない。便宜及び明確性のためにだけ、用語「連結する（ｃｏｎｎｅｃｔ）」、「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」、及びそれらの語形変化を有する類似用語は、必ずしも直接及び即時の接続（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）を意味するわけではなくて、中間要素又は中間装置を介する接続も含む。

開示された構造及び方法は、従来の外部キャビティ周波数変換器共振器に対する、変更態様を表す。この変更態様は非線形結晶の出力表面での及び体積内における周波数変換放射の光学パワー密度の減少をもたらす。そして、それは著しく結晶劣化率を遅らせると共に、周波数変換器の寿命を改善する。これは、基本周波数でのビームウェストから離間して配置される共振器内の非線形結晶をこのビームが発散する位置に移動させることにより達成される。もう一つの実施形態において、結晶は、基本周波数でのビームが平行にされる共振器内の位置へ移動させられる。

図２及び図３は、共通の譲受人によって本出願と共有される米国仮出願第６１／５８４，３９５号において開示されている、典型的な連続波の単一周波数・単一モードのレーザシステム１４を例示する。システム１４は、モジュール１６及びレーザヘッド１９を含む。モジュール１６は、１μｍ範囲内の所望の基本波長で直線偏光された単一モード（「ＳＭ」）光を出力する。その中に、モジュール１６は、約１０６４ｎｍの基本波長の信号光を出力する単一周波数レーザダイオード（「ＳＦＬＤ」）と、一以上の直線偏光された単一周波数のイッテルビウムファイバプリアンプ（ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）とで構成される。レーザヘッド１９は、ブースタ増幅器と、コリメータと、約５３２ｎｍ波長の緑色ビーム２０を出力する第二次高調波発生共振器とを含む。ファイバレーザが好ましいが、例えば固体レーザ、半導体レーザ、ディスク、及び他のレーザ構成の他のレーザが本開示の範囲内に完全に組み込まれる。

図３及び図４を詳細に参照すると、典型的な周波数変換器１８は、基準周波数のコリメート光を共振器に結合させると共に入力光を部分的に透過させる平面ミラー２２と、第１中間平面ミラー（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｒｙ ｆｌａｔ ｍｉｒｒｏｒ）２２、凹面ミラー２６、及び凹面出力ミラー２４とを含む。これらのミラーすべては、ビームの閉光路を画定する。凹面ミラー２６は、ビーム径が最も少ないビームウェスト３０に入射コリメートビームを集光する。当業者によって直ちに理解されるように、光学構成要素の数は変更でき、変換ビームはミラー２８だけではなく図３の破線に示されるミラー３１のような他の光学構成要素によって共振器１８から取り出すことができる。

従来技術によれば、非線形結晶は、結晶内に位置する基本ビームウェストを有する凹面ミラー２６及び２８の中間点に位置する。結晶３２のこの位置は、結晶３２の体積内部及び出力表面３４での高い光学パワー密度の変換光によって特徴づけられる。高いパワー密度は、変換器の有効寿命を制限する結晶バルク及び／又は表面に損害を与えることができる。

開示によれば、結晶３２は、出力ミラー２８の方へ発散ビームに沿ってビームウェスト３０から直線状に移動される。この開示の文脈において、発散ビームは、周波数変換器１８のキャビティ往復長さより小さいレイリー領域（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｒａｎｇｅ）を有するビームである。結果として、非線形結晶３２の体積内及び出力表面３４での周波数変換放射の光学パワー密度が実質的に低減されることができ、その結果、非線形結晶３２の寿命を延長させることができる。結晶３２が更に移動させると、体積及び出力表面が減少した強度の下に置かれるだけではなく、結晶３２の入力表面は無負荷状態にされる。

図４における結晶３２の配置は、任意でない。広範囲の入力パワーのために、任意の所与の入力パワーに対して、結晶の位置が共振器１８のインピーダンス整合条件に対応するように結晶３２の配置が決定される。

入力パワーが公知であるである場合、結晶３２の所望の配置は周波数変換器１８の動作の前に決定されることができる。この場合、結晶の配置は、手動で実現されることができる。代替的に、結晶３２の配置は、広範囲の入力パワーに対してインピーダンス整合条件、すなわち、最大周波数変換効率を満たすように、発散ビームに沿った任意の適切なアクチュエータ３６によっても実現されることができる。この場合、いかなる入力パワーのためのインピーダンス整合条件は、閉ループ回路で測定されることができる。特に、結晶３２を配置する間に、センサ４０は出力された周波数変換パワーを検出する。出力された周波数変換パワーの最大値は、所与の入力パワーのための最大変換効率に対応する。代替的に、又は、上記に加えて、センサ４０は、入力ミラー２２から反射された入力ビームのパワーをモニタして、このパワーを最小化するためのフィードバックループを利用するために用いることもできる。これも、インピーダンス整合条件に対応する。

図５は、結晶３２の体積内部で、及び対向表面でのパワー密度を低下させるように構成される開示の周波数変換器の他の実施形態を例示する。特に、結晶３２は、中間ミラー２２と中間ミラー２４との間のコリメートビームに置かれる。この開示の文脈において、コリメートビームは、共振キャビティ１８のキャビティ往復長さ（ｃａｖｉｔｙ ｒｏｕｎｄ ｔｒｉｐ）より大きいレイリー領域を有するビームである。したがって、結晶３２は、ビームウェスト３０を含むキャビティ１８内のビーム光路のいかなる区画に沿っても配置されることができる。図４に図示されているように、図４において示された実施形態は、例示的なものであり、コリメートビームの自然発散を補償する一以上の集光させる光学構成要素がある限り、３つ、４つ以上で構成され得る。

開示された共振器で得られた実験データは、９０％を上回る変換効率を示す。さらに、結晶の出力表面での及び結晶の内部での周波数変換放射の光学パワー密度が図１の従来の共振器１０と比較して少なくとも１桁より低くなるように、開示の共振器は構成される。それは、発散ビーム又はコリメータビームに位置する結晶を有する周波数変換器の寿命がビームウェストに位置する結晶を有する周波数変換器と比較して大幅に向上することを意味する。

上記の一般の概念は、ＬＢＯの結晶における第二次高調波発生（「ＳＨＧ」）を介して１０６４ｎｍの入力放射を５３２ｎｍの放射に変換するように設計された周波数変換器の具体例に基づいて例示されることができる。特に、図６は、所与の入力パワーに対して、この特定の変換器のインピーダンス整合条件を成し遂げることを必要とする結晶シフトを示す。

上記した同じ典型的な周波数変換器に対して、図７は、周知の従来技術の構成と比較して、開示の構成における広い範囲の入力パワーに対する非線形結晶の出射面上の周波数変換放射のパワー密度を示す。図７を参照すると、開示された構成及び従来技術の構成の両方が入力パワーの示された範囲内の各位置に対してインピーダンス整合されている点に注意することが重要である。

図７に示すように、結晶の放出面（ｅｘｉｔ ｆａｃｅ）でのパワー密度は、開示された構成に対して、広範囲にわたる著しく変化しない。入力ＩＲパワーが１２Ｗから約２３０Ｗ、すなわち約２０倍まで増加する間、結晶はビームウェストから更に離れて配置される。同時に、結晶の放出面（ｅｘｉｔ ｆａｃｅ）での緑色光のパワー密度が単なる約２．８倍増加する。対照的に、入力パワーが増加するにつれて、従来技術の構成における緑色光パワー密度は約２０倍直線状に増加する。

以下の表１は、２３０Ｗの入力ＩＲパワー（図７における最右側の位置）に対してマッチされた２つの構成インピーダンス間の比較を提供する。２つの構成は、同一の効率及び出力を特徴とする。しかし、確認できるように、出射面（ｅｘｉｔ ｆａｃｅ）上の緑色光のパワー密度が低下するだけではなく、結晶３２の体積内部のＩＲ及び緑色光のパワー密度も開示の構成において実質的に低下する。バルク材料の減少したパワー密度は、結晶純度の要件を緩和する。後者は、もちろん、開示された構成の付加的な効果を表す。

要約すると、結晶がウエストから離れてより遠くに移動するにつれて、結晶内における基本周波数及び変換周波数での光のパワー密度が低減する。同様に、結晶の出射面での変換周波数のパワー密度は、結晶とビームウェストとの間の距離と共に低減する。上記説明においては例として第二次高調波発生を用いているが、開示の構成が他の周波数変換プロセスのために用いられ得ることに注意することが重要である。これらは、レーザ光の周波数の変更をもたらす第３次高調波、第４次高調波及びより高い高調波発生、和周波発生及び他の非線形処理を含む。

構造的に、開示の周波数変換器は、第３次高調波、第４次高調波及びより高い高調波発生、又は他の非線形周波数変換のために連続して結合された複数の開示の共振器を含むことができる。

要約すると、上記の開示された周波数変換器を組み込んだ連続波の単一モード・単一周波数レーザは、変換波長で数百ワットを出力して、２５％以上の電気−光効率で作動するために示された。開示のキャビティ最適化については、変換周波数での出力パワーがファイバレーザの基本パワーだけにより制限され、今でさえｋＷレベルに達することができる。開示の共振器のための非線形結晶の有効寿命は、従来の構成の結晶の有効寿命より実質的に長い。物理的な構成要素のいずれかを置き換えることなく、異なるパワーで高周波変換効率を提供するように開示された共振器を調整できることは、製造プロセスのために非常に有利である。結晶３２は、与えられた条件に対応して選択されることができ、任意の非線形結晶（例えば、三ほう酸リチウム（ＬＢＯ）、ほう酸バリウム（ＢＢＯ）、チタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）、燐酸二重水素化カリウム（ＫＤ＊Ｐ）、リン酸カリウム（ＫＤＰ）その他）を含むことができる。

添付の図面に関して本発明の好ましい実施形態のうちの少なくとも１つを記載しているが、本発明がそれらの正確な実施形態に限られていないことを理解すべきである。共振器の構成は、今まで示されており、且つ上述されたものに限られていない。例えば、共振器は、一方向性のものであるだけでなく、双方向性のものであってもよい。上述したように、様々な変更、修正態様及び改良が本発明の範囲又は精神を逸脱することなく当業者によって行われることができる。

１４ レーザシステム
１６ モジュール
１９ レーザヘッド
２０ 緑色ビーム

Claims (8)

1. 基本周波数の単一モード入力ビームを変換周波数の出力ビームに変換するための周波数変換器であって、
   共振キャビティを画定すると共に前記キャビティ内に少なくとも一つのビームウェストを有する入力ビームを形作るように構成される複数の離間する光学部品であって、形作られた前記ビームが少なくとも一つの発散断面、コリメータ断面及びそれらの組み合わせからなる群から選択された断面を有する光学部品と、
   キャビティ内に位置する非線形結晶と、
   を備え、
   前記結晶の中心がビーム経路に沿って前記ビームウェストから離間するように、形作られた前記ビームの前記ビームの発散断面が前記キャビティの往復長より小さいレイリー領域を有し、
   前記コリメータビームの断面が前記往復長さより大きなレイリー領域を有する、周波数変換器。
2. 前記結晶は、前記ビーム経路に沿った複数の位置の内の一つに選択的に位置して、前記キャビティが前記入力ビームの所与のパワーに対して前記結晶の各位置でインピーダンス整合されており、その結果、前記周波数変換器は、前記入力ビームのパワーの範囲において最大変換効率で操作可能である、請求項１に記載の周波数変換器。
3. 基準周波数で、単一周波数、且つ単一モードのコヒーレントビームを出射する連続波源と、
   前記連続波源からの下流に前記ビームを平行にさせるように構成されるコリメータと、
   請求項１に記載の周波数変換器と、を備える光学システム。
4. 前記結晶が、前記ビーム経路に沿った複数の位置の内の一つに選択的に位置して、前記キャビティが前記入力ビームの所与のパワーに対して前記結晶の各位置でインピーダンス整合されており、その結果、前記周波数変換器は、前記入力ビームのパワーの範囲において最大変換率で操作可能である、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記連続波源は、ファイバレーザ、半導体レーザ、固体レーザ、又はガスレーザを含む、請求項３に記載の光学システム。
6. 前記連続波源から離間したレーザヘッドと、
   基本周波数の前記ビームを増幅すると共に、前記周波数変換器と共に前記レーザヘッドに取り付けられたブースタファイバアンプと、
   前記連続波源及び前記ブースタファイバアンプとを結合するファイバケーブルと、
   を更に備える、請求項３に記載の光学システム。
7. 周波数変換器内に位置する非線形結晶の出射面上、及び体積内の光学パワー密度低減方法であって、
   単一周波数、且つ単一モードの基準周波数のビームを前記周波数変換器の共振キャビティへ連続的に結合させるステップと、
   前記ビームを形作り、前記キャビティ内に少なくとも一つのビームウェストを形成するステップと、
   前記キャビティ内に非線形結晶を
   ビーム経路に沿った前記結晶の中心が前記ビームウェストから離間するようにキャビティ往復長さより小さいレイリー領域を有する発散ビーム内に、又は
   前記キャビティ往復長さより大きいレイリー領域を有するコリメートビーム内に配置するステップと、
   を備える光学パワー密度低減方法。
8. 前記結晶が、前記ビーム経路に沿った複数の位置の内の一つに選択的に位置して、前記キャビティが前記入力ビームの所与のパワーに対して前記結晶の各位置でインピーダンス整合されており、その結果、前記周波数変換器は、前記入力ビームのパワーの範囲において最大変換率で操作可能である、請求項７に記載の光学パワー密度低減方法。

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