JP2018503879A - フェムト秒紫外線レーザー - Google Patents

Abstract

フェムト秒（ｆｓ）紫外線（ＵＶ）レーザーパルスを生成する方法及びシステムは、バック変換を伴うことなしに、且つ、特別な位相整合方向を伴うことなしに、長い変換長を可能にする異なる数の周期分極結晶質層を有する周期分極疑似位相整合結晶（ＰＰＱＰＭＣ）を使用することにより、第３高調波ｆｓレーザーパルスの安定した、丈夫な、且つ、光学的に効率的な生成を可能にしている。ｆｓＵＶレーザーは、高変換効率を有していてもよく、且つ、高パワー動作に適し得る。

Description

本開示は、レーザービームの生成に関し、且つ、更に詳しくは、フェムト秒紫外線レーザーに関する。

近年、その他の使用法に加え、眼の手術における様々な用途のために、フェムト秒レーザーが開発されている。フェムト秒の範囲の非常に短いパルス持続時間に起因し、フェムト秒レーザーは、眼の組織などのターゲット物質において高エネルギー強度を生成する能力を有しており、これにより、組織の開裂を結果的にもたらす非線形光壊変プロセスが得られると共に、有害な熱の影響が回避される。

市販のフェムト秒レーザーの通常の波長は、近赤外線のスペクトル範囲に含まれ、約１０００〜１１００ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する。

一態様において、フェムト秒紫外線レーザーを生成するための開示されている方法は、電磁スペクトルの近赤外線部分内の基本波長を有する第１レーザーパルスを非線形光学結晶に対して導波するステップを含んでいてもよく、第１レーザーパルスは、１０００フェムト秒未満のパルス持続時間を有する。方法は、非線形光学結晶内において第２レーザーパルスを生成するべく、非線形光学結晶の第１部分において、第１レーザーパルスからの少なくともいくつかの光子を基本波長の第２高調波波長に変換するステップを含んでいてもよい。又、方法は、非線形光学結晶内において第３レーザーパルスを生成するべく、非線形光学結晶の第２部分において、第１レーザーパルス及び第２レーザーパルスからの少なくともいくつかの光子を基本波長の第３高調波波長に変換するステップを含んでいてもよい。方法は、第３レーザーパルスがパルス持続時間を有するように、非線形光学結晶から第３レーザーパルスを出力するステップを更に含んでいてもよい。

開示されている実施形態のいずれかにおいて、方法は、非線形光学結晶から第１レーザーパルス及び第２レーザーパルスを出力するステップを含んでいてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶は、周期分極疑似位相整合結晶を含んでいてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶の第１部分及び非線形光学結晶の第２部分は、単一の一体的材料として形成されていてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶の第１部分は、周期分極酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム結晶を含んでいてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶の第２部分は、周期分極ランタンバリウム酸化ゲルマニウム結晶を含んでいてもよい。

開示されている実施形態のいずれかにおいて、第１レーザーパルスを導波する方法動作は、第１レーザーパルスを非線形光学結晶に対して合焦するステップを更に含んでいてもよい。開示されている実施形態のいずれかにおいて、方法は、非線形光学結晶の出力において、第１レーザーパルス及び第２レーザーパルスから第３レーザーパルスをスペクトル的にフィルタリングするステップを含んでいてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶は、基本波長に従ってチューニングされた周期分極層を含んでいてもよい。方法の開示されている実施形態のいずれかにおいて、第１レーザーパルスの第１断面強度パターンは、第３レーザーパルスの第２断面強度パターンと整合していてもよい。

別の態様において、開示されているフェムト秒紫外線レーザー供給源は、フェムト秒近赤外線パルス化レーザーを含むレーザー供給源を含んでいてもよく、レーザー供給源は、１０００フェムト秒未満のパルス持続時間を有し、且つ、基本波長を有する。フェムト秒紫外線レーザー供給源は、レーザー供給源からの入射光子の向きとの関係において連続的に方向付けされた第１部分及び第２部分を有する非線形光学結晶を含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶の第１部分は、レーザー供給源から第１光子を受け取ってもよく、且つ、第２レーザーパルスを生成するべく、第１光子の少なくともいくつかを基本波長の第２高調波波長を有する第２光子に変換してもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶の第２部分は、第１光子及び第２光子の少なくともいくつかを受け取ってもよく、且つ、パルス持続時間を有する第３レーザーパルスを生成するべく、第１光子及び第２光子の少なくともいくつかを基本波長の第３高調波波長を有する第３光子に変換してもよい。

フェムト秒紫外線レーザー供給源の開示されている実施形態のいずれかにおいて、第２部分は、非線形光学結晶から、第１レーザーパルス、第２レーザーパルス、及び第３レーザーパルスを出力してもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶は、周期分極疑似位相整合結晶を含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶の第１部分及び非線形光学結晶の第２部分は、単一の一体的物質として形成されていてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶の第１部分は、周期分極マグネシウム酸化物ドープ化学量論タンタル酸リチウム結晶を含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源内において、非線形光学結晶の第２部分は、周期分極ランタンバリウム酸化ゲルマニウム結晶を含んでいてもよい。

開示されている実施形態のいずれかにおいて、フェムト秒紫外線レーザー供給源は、第１レーザーパルスを非線形光学結晶に対して合焦するための合焦要素を含んでいてもよい。開示されている実施形態のいずれかにおいて、フェムト秒紫外線レーザー供給源は、非線形光学結晶の出力において、第１レーザーパルス及び第２レーザーパルスから第３レーザーパルスをスペクトル的に分離するための光学フィルタを含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源の開示されている実施形態のいずれかにおいて、非線形光学結晶は、基本波長に従ってチューニングされた周期分極層を含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー供給源の開示されている実施形態のいずれかにおいて、第１レーザーパルスの第１断面強度パターンは、第３レーザーパルスの第２断面強度パターンに整合していてもよい。

以下、本発明及びその特徴及び利点について更に十分に理解できるように、添付図面との関連において後続する説明を参照されたい。

フェムト秒紫外線レーザーの一実施形態の選択された要素のブロックダイアグラムである。 フェムト秒紫外線レーザーパルスを生成する方法の選択された要素のフローチャートである。

以下の説明においては、開示されている主題の説明を促進するべく、一例として、詳細事項について記述されている。但し、当業者には、開示されている実施形態が、例示を目的としており、且つ、すべての可能な実施形態を網羅したものではないことが明らかであろう。

本明細書において使用されているハイフンで連結された参照符号の形態は、要素の１つの特定のインスタンスを参照しており、且つ、ハイフンで連結されていない参照符号の形態は、集合的要素を参照している。従って、例えば、装置「１２−１」は、装置の種類の１つのインスタンスを参照しており、これは、集合的に、装置「１２」として参照される場合もあり、且つ、これらのうちの任意のものが、装置「１２」として、一般的に参照される場合もある。

上述のように、フェムト秒近赤外線レーザーは、眼の手術などの多数の用途のために、商業的に開発されている。但し、様々な用途においては、相対的に高い周波数（又は、相対的に短い波長）を有するフェムト秒レーザー供給源が好ましい場合がある。例えば、眼科においては、組織を正確に切断するべく、パルスエネルギーを低減するべく、レーザー切開の破壊容積を減少させるべく、且つ、相対的に深い組織内への望ましくない放射浸透を回避するべく、フェムト秒紫外線レーザーが望ましい場合がある。更には、フェムト秒紫外線レーザーは、プラスチック、セラミック、及び金属の正確な又は選択的な材料除去が望ましい材料加工の用途において、固有の利益を提供することができる。

更に詳細に説明するように、バック変換（ｂａｃｋ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を伴うことなしに、且つ、実現及び維持が困難であり得るＰＰＱＰＭＣの特別な位相整合の向きを伴うことなしに、長い変換長を可能にする異なる数の周期的な又は「分極型」の結晶質層を有する周期分極疑似位相整合結晶（ＰＰＱＰＭＣ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−Ｐｏｌｅｄ Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を使用することによる第３高調波ｆｓレーザーパルスの安定した、丈夫な、且つ、光学的に効率的な生成が開示されている。

本明細書において開示されているＰＰＱＭＣとは対照的に、紫外線レーザーパルスの生成は、通常、基本周波数ω_１と本明細書において呼称されている１０００ｎｍの波長において又はその近傍において動作する近赤外線（ＮＩＲ：Ｎｅａｒ ＩｎｆｒａＲｅｄ）入力レーザーを伴う２ステップ光学プロセスを使用することにより、実行されている。第２高調波生成（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼称される第１ステップにおいては、ω_２を生成するべく、ＳＨＧ用の第１位相整合角度に従って切削及び方向付けされた第１結晶を使用することにより、ＮＩＲ供給源レーザーの周波数倍増が実現されてもよく、ここで、ω_２＝２ω_１である。第３高調波生成（ＴＨＧ：Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼称される第２ステップにおいては、ＮＩＲ供給源レーザーの残りの部分及び生成されたＳＨＧを使用することにより、ω_３を生成するべく、ＮＩＲ及びＳＨＧの周波数合計が達成されてもよく、ここで、ω_３＝３ω_１＝ω_１＋ω_２である。又、従って、第２ステップは、和周波数生成（ＳＦＧ：Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎａｒａｔｉｏｎ）と呼称されてもよい。第２ステップは、第１位相整合角度とは異なるＴＨＧ用の第２位相整合角度に従って切削及び方向付けされた第２結晶を使用するステップを伴ってもいてよい。ＳＨＧ及びＴＨＧのためのレーザー周波数の生成又は変換は、通常は、バルク結晶の形態において使用されるホウ酸バリウム（ＢＢＯ）及び三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などの別個の非線形光学バルク材料を使用することにより、実行されている。自然なビームウォークオフ及びω_１とω_２の間におけるパルス遅延が、結果的に、別個のデュアル結晶法を使用したω_３の生成における相対的に高い変換効率の実現を非常に困難にする場合がある。ＴＨＧ用の多数の通常の装置は、多くの場合に、再コリメーション、再合焦、及び遅延ラインなどの更なる複雑性を伴う光学構成を利用している。

２ステッププロセスに起因し、ＳＨＧ及びＴＨＧにおいては、通常、２つの異なるバルク結晶が使用されており、この結果、成功裏に実装するべく、特定の費用及び努力が必要とされる場合がある。例えば、効率的なＴＨＧは、入射レーザービームを位相整合方向と呼称される結晶の結晶軸の特定の向きに対して方向付けするステップを必要とする場合がある。位相整合方向においてのみ、生成周波数（ω_１，ω_２）の群速度は、ＴＨＧ周波数（ω_３）と同一となり、その結果、望ましいインパルス及びエネルギー節約が得られることになる。２つの結晶が、互いに独立的に切削及び方向付けされていることから、位相整合方向におけるアライメントのためのその調節感度が極めて高くなる場合があり、その結果、相対的に大きなアライメントの努力が必要とされ得ると共に、安定動作の期間が相対的に短くなり得る。このアライメントの感度は、基本周波数供給源のポインティング方向に対する高い感度に引き継がれる。２ステッププロセスが、パルス化レーザービームと共に、使用される際には、パルス持続時間が、ｆｓの範囲に短縮されることに伴って、少なくとも部分的に、レーザーパルスの大きな帯域幅及び結晶を通じて伝播する極めて短いパルスの時間的且つ空間的なオーバーラップに起因し、更なる制約が課される場合がある。多くの光学構成において、ＴＨＧ用の結晶は、十分な変換帯域幅を有してはおらず、且つ、異なる周波数のパルス用の光路の間において更なる光路遅延ラインが使用され、その結果、ｆｓパルスに関係した光路の非常に高い精度及び正確性に起因し、調節の努力が相対的に大きくなると共に、安定性が低減される。更には、通常のバルク２結晶システム内における短いレーザーパルスに伴うＴＨＧの費用及び努力に加えて、ＴＨＧ用に使用されているバルク結晶は、群速度遅延（ＧＶＤ：Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｄｅｌａｙ）に起因し、パルス拡散を極小化するべく、可能な限り薄いものである必要があり、この結果、周波数依存性の位相シフトを回避するべく、チャープについて補償されたミラーが使用される場合がある。又、光軸に沿った非常に薄い結晶の使用は、結晶内における変換効率を低減する場合があり、その結果、大きなパルスエネルギーの実現が更に困難になる。

次に、図面を参照すれば、図１は、フェムト秒紫外線レーザー１００の一実施形態の選択された要素を示すブロックダイアグラムである。フェムト秒紫外線レーザー１００は、正確な縮尺で描画されてはおらず、従って、概略図である。様々な実施形態において、フェムト秒紫外線レーザー１００は、説明を目的として示されている図１の例示用の実施形態に示されているものよりも少ない数の又は多い数のコンポーネントを有するように実装されてもよい。フェムト秒紫外線レーザー１００は、本明細書においては、電磁スペクトルの特定の波長との関係において記述されているが、フェムト秒紫外線レーザー１００は、異なる実施形態においては、異なる波長によって動作するようにチューニング可能であってもよいことに留意されたい。ＮＩＲビーム１３０、可視ビーム１３２、及びＵＶビーム１３４は、図１においては、説明をわかりやすくするべく、隣接した方式で示されているが、すべての３つのビームは、重畳されると共に共焦点方式によって伝播することを理解されたい。

図示のように、フェムト秒紫外線レーザー１００は、ＮＩＲｆｓレーザー供給源１０２を含んでおり、これは、１０５３ｎｍや１０６４ｎｍなどの特定のＮＩＲ波長において動作する様々なＮＩＲｆｓレーザー供給源のうちのいずれかであってもよい。更には、ＮＩＲｆｓレーザー供給源１０２は、例えば、眼科におけるなどの、特定の用途にとって望ましいものとなるように、異なるパワー強度、パルス持続時間、反復レートなどに調節可能であってもよい。ＮＩＲｆｓレーザー供給源１０２は、上述のように、周波数ω_１に対応した基本波長において、ＮＩＲビーム１３０を出力している。ＮＩＲビーム１３０は、一般に、パルス化ビームであることから、ＮＩＲビーム１３０又はＮＩＲビーム１３０を有する少なくともいくつかの光子は、第１レーザーパルスと呼称されてもよい。フェムト秒紫外線レーザー１００内において、ＮＩＲビーム１３０は、非線形光学結晶１０４まで導波されている。図示のように、非線形光学結晶１０４に入射する前に、ＮＩＲビーム１３０を合焦するべく、合焦要素１０６が使用されており、合焦要素１０６は、非線形結晶１０４の第２部分１０４−２におけるＵＶビーム１３４の生成を改善するべく、使用されてもよい。特定の実施形態においては、合焦要素１０６は、フェムト秒紫外線レーザー１００の特定の用途にとって望ましいものとなるように、省略又は置換又は重複されてもよい。合焦要素１０６は、フェムト秒紫外線レーザー１００のその他の残りの部分が、可動部分を有してない半導体装置として実装され得るように、フェムト秒紫外線レーザー１００の単一の機械的に調節可能なコンポーネントを表し得ることに留意されたい。

図１において、非線形光学結晶１０４は、第１部分１０４−１と、第２部分１０４−２と、を有しており、これらは、ＮＩＲｆｓレーザー供給源１０２から到来するＮＩＲビーム１３０との関係において連続的に配列されている。非線形光学結晶１０４の第１部分１０４−１において、ＮＩＲビーム１３０からの少なくともいくつかの光子は、上述のように、結果的に可視ビーム１３２をもたらす非線形第２高調波生成（ＳＨＧ）プロセスを通じて、周波数ω_２に対応した第２高調波波長に変換されている。第１部分１０４−１は、周期分極層の結果として、実質的に長い相互作用長を有し得ることから、可視ビーム１３２が、第１部分１０４−１内のなんらかの場所において始まる場合があり、且つ、変換されなかったＮＩＲビーム１３０の残りの光子と共に、第１部分１０４−１によって放出される。ＮＩＲビーム１３０は、一般に、パルス化ビームであることから、可視ビーム１３２は、又は可視ビーム１３２を有する少なくともいくつかの光子は、第２レーザーパルスと呼称されてもよい。

フェムト秒紫外線レーザー１００内において、非線形光学結晶１０４は、周期分極疑似位相整合結晶（ＰＰＱＰＭＣ）を有していてもよく、この場合に、周期分極層は、図１においては、説明を目的として、断面において概略的に示されており、且つ、正確な縮尺で描画されてはいない。周期分極は、特定の波長チューニングに対応した規定された周期を有する材料層として形成されていてもよい。材料層は、規定された周期に従って、フォトリソグラフィにより、結晶ｃプレーンをパターニングすることによって形成されていてもよい。周期は、約１〜１０ミクロンの範囲であってもよく、第１部分１０４−１又は第２部分１０４−１の全体的な厚さの範囲は、約１００〜１０００ミクロンである。非線形光学結晶１０４の全体的な断面は、約１〜１００平方ミリメートルの面積として形成されていてもよい。いくつかの実施形態においては、第１部分１０４−１及び第２部分１０４−１は、非線形光学結晶１０４を有する単一の一体的材料として形成されている。所与の実施形態において、第１部分１０４−１は、周期分極酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）から構成されており、第２部分１０４−２は、周期分極ランタンバリウム酸化ゲルマニウム（ＬＢＧＯ）結晶から構成されている。

非線形光学結晶１０４の光学特性の起因し、第１レーザーパルスの第１断面強度パターンは、第２レーザーパルスの第２断面強度パターンと整合していてもよい。換言すれば、第１部分１０４−１は、ＳＨＧによって可視ビーム１３２を生成する際に、全体サイズにおいてではない場合にも、少なくとも形状においては、ＮＩＲビーム１３０の断面強度パターンを維持していてもよい。又、第１レーザーパルスの第１時間的コヒーレンスは、第２レーザーパルスの第２時間的コヒーレンスと実質的に整合していてもよい。換言すれば、ＮＩＲビーム１３０及び可視ビーム１３２は、ＮＩＲビーム１３０がフェムト秒パルスとして存在している際に、可視ビーム１３２がフェムト秒パルスとして存在するように、ほぼ同一のパルス持続時間を有していてもよい。更には、非線形光学結晶１０４は、ＮＩＲビーム１３０のＳＨＧにおける正確な入射角度の影響を相対的に受けないことから、ＳＨＧの変換効率は、ＮＩＲビーム１３０の入射角度の、並びに、従って、ＮＩＲｆｓレーザー供給源１０２に由来する入射ビーム内の光子の入射方向の、わずかな変化の影響を実質的に受けないことになる。これを理由として、フェムト秒紫外線レーザー１００は、例えば、温度又は振動に対して相対的に丈夫な且つ安定したものとなり、且つ、初期の工場における調節が、フェムト秒紫外線レーザー１００の望ましい動作有効寿命にわたって適切なものとなるように、標準的な光学プロセスを使用することにより、製造することができる。非線形光学結晶１０４に使用されるＰＰＱＰＭＣは、空間的ウォークオフを生成することがなく、且つ、使用されている相対的に短い長さに起因し、相対的に小さな時間的ウォークオフを有していることから、フェムト秒紫外線レーザー１００の別の重要な利点を結果的に得ることができる。

非線形光学結晶１０４の第２部分１０４−２においては、上述のように、ＵＶビーム１３４を結果的にもたらす非線形第３高調波生成（ＴＨＧ）を通じて、ＳＨＧの後に残っているＮＩＲビーム１３０からの少なくともいくつかの光子、並びに、可視ビーム１３２からの少なくともいくつかの光子が、周波数ω_３に対応した第３高調波波長に変換されている。ＵＶビーム１３４は、第２部分１０４−２内のいずれかの場所において始まってもよく、且つ、それぞれ、ＳＨＧ又はＴＨＧによって変換されなかったＮＩＲビーム１３０及び可視ビーム１３２の残りの光子と共に、第２部分１０４−２により、放出される。ＮＩＲビーム１３０は、一般に、パルス化ビームであることから、ＵＶビーム１３４は、又はＵＶビーム１３４を有する光子は、第３レーザーパルスと呼称されてもよい。

非線形光学結晶１０４の光学特性に起因し、第２レーザーパルスの第２断面強度パターンは、第３レーザーパルスの第３断面強度パターンと整合していてもよい。換言すれば、第２部分１０４−２は、ＴＨＧによってＵＶビーム１３４を生成する際に、全体的なサイズにおいてではない場合にも、少なくとも形状においては、ＮＩＲビーム１３０の断面強度パターンを維持していてもよい。又、第２レーザーパルス（ＳＨＧ）の第２時間的コヒーレンスは、第３レーザーパルス（ＴＨＧ）の第３時間的コヒーレンスと実質的に整合していてもよい。様々な実施形態においては、第１レーザーパルス（ＮＩＲ）の第１時間的コヒーレンスは、第２レーザーパルス（ＳＨＧ）の第２時間的コヒーレンスと実質的に整合していてもよい。換言すれば、ＮＩＲビーム１３０及びＵＶビーム１３４は、ＮＩＲビーム１３０がフェムト秒パルスとして存在している際に、ＵＶビーム１３４がフェムト秒パルスとして存在するように、同一のパルス持続時間を有してもよい。第１部分１０４−１及び第２部分１０４−１は、一般に、近接した状態において一緒に固定されていることから、第２部分１０４−２は、一般に、第１部分１０４−１と同一の入射角度においてＮＩＲビーム１３０及び可視ビーム１３２を受け取っている。

又、フェムト秒紫外線レーザー１００は、ＮＩＲビーム１３０及び可視ビーム１３２からＵＶビーム１３４を分離する光学ビームスプリッタ１０８を有するように、示されている。光学ビームスプリッタ１０８は、ＮＩＲビーム１３０及び可視ビーム１３２が、パワー監視などの、望ましい目的のために使用されている際には、ダイクロイックミラーなどの高調波分離器であってもよい。その他の実施形態においては、光学ビームスプリッタ１０８は、選択的にＵＶビーム１３４を通過させるべくチューニングされた帯域通過フィルタであってもよい。

従って、第２部分１０４−２から、十分な時間的且つ空間的コヒーレンスを有する状態において、第１レーザーパルス、第２レーザーパルス、及び第３レーザーパルスが放出される。上述の非線形光学結晶１０４内におけるＳＨＧ及びＴＨＧプロセスに起因し、非線形光学結晶１０４から放出されるビームは、変化するパワー強度を有する。具体的には、ＮＩＲビーム１３０は、第１部分１０４−２におけるＮＩＲビーム１３０の入射強度との比較において、第２部分１０４−２から出現する相対的に小さなパワー強度を有する。通常、ＵＶビーム１３４は、可視ビーム１３２との比較において、第２部分１０４−２から出現する相対的に小さなパワー強度を有する。但し、非線形光学結晶１０４は、相対的に大きなパワー強度において相対的に高い変換効率を有し得ることから、且つ、更には、非線形光学結晶１０４は、非常に大きなパワー強度のＮＩＲビーム１３０を受け取るのに適していることから、ＵＶビーム１３４は、フェムト秒紫外線レーザー１００により、相対的に大きな絶対パワー強度レベルにおいて生成されてもよい。例えば、特定の実施形態においては、ＵＶビーム１３４のパワー強度は、フェムト秒紫外線レーザー１００を使用することにより、ＮＩＲビーム１３０のパワー強度の約１０％〜３０％（ＴＨＧ変換レート）であってもよい。特定の実施形態においては、フェムト秒紫外線レーザー１００は、１テラワット／平方センチメートル以上のパワー強度に適したものであってもよく、且つ、ＵＶビーム１３４を生成するべく、少なくとも１００時間にわたって、安定した方式によって動作し得る。従って、フェムト秒紫外線レーザー１００は、ｆｓＵＶレーザー生成の既知の方法の様々な制限及び制約を克服し得る。

フェムト秒紫外線レーザー１００の様々な実施形態又は構成においては、ビームの様々な実装形態、レイアウト、及び転換（ｄｉｖｅｒｓｉｏｎｓ）が使用され得ることに留意されたい。例えば、フェムト秒紫外線レーザー１００内において使用されている光路の特定の部分は、光ファイバを含んでいてもよい。いくつかの実施形態においては、フェムト秒紫外線レーザー１００内において使用されている光路の特定の部分は、光導波路を含んでいてもよい。フェムト秒紫外線レーザー１００内において使用されている光路の特定の部分は、真空、自由空間、気体環境、又は大気などの、媒体中における光路を表していてもよい。所与の実施形態においては、偏光要素が、ＮＩＲビーム１３０、可視ビーム１３２、及びＵＶビーム１３４のうちの少なくとも１つと共に、使用されてもよい。別の構成においては、合焦要素１０６は、省略又は置換されてもよい。特定の実施形態においては、フェムト秒紫外線レーザー１００と共に含まれている光学コンポーネントの少なくとも一部分は、小型化されてもよく、且つ、相対的に小さな質量及び外部寸法を有する小型のユニットとして組み合わせられてもよい。

図１においては、フェムト秒紫外線レーザー１００は、正確な縮尺で描画されてはおらず、従って、概略図である。本開示の範囲から逸脱することなしに、変更、追加、又は省略が、フェムト秒紫外線レーザー１００に対して実施されてもよい。フェムト秒紫外線レーザー１００のコンポーネント及び要素は、本明細書において記述されているように、特定の用途に従って、統合又は分離されてもよい。フェムト秒紫外線レーザー１００は、いくつかの実施形態においては、更に多くの数の又は少ない数の或いは異なるコンポーネントを使用することにより、実装されてもよい。

次に図２を参照すれば、本明細書において記述されているｆｓＵＶレーザー供給源を生成する方法２００の一実施形態の選択された要素のブロックダイアグラムが、フローチャートの形態において示されている。方法２００は、フェムト秒紫外線レーザー１００（図１を参照されたい）により、実装されてもよい。方法２００において記述されている特定の動作は、任意選択であってもよく、或いは、異なる実施形態においては、再構成されてもよいことに留意されたい。

方法２００は、ｆｓＮＩＲレーザーパルスを非線形光学結晶に対して導波することにより、ステップ２０２において始まっている。ステップ２０２は、ｆｓＮＩＲレーザーパルスを合焦するステップを含んでいてもよい。ｆｓＮＩＲレーザーパルスのＮＩＲ光子の波長（又は、周波数）は、必要に応じて、チューニング又は選択されてもよい。ステップ２０４において、ＮＩＲ光子の少なくともいくつかは、非線形光学結晶の第１部分において、ＳＨＧにより、可視光子に変換されている。上述のように、ステップ２０４における可視光子は、周波数ω_２を有していてもよく、且つ、ＮＩＲ光子は、周波数ω_１を有していてもよい。ステップ２０６において、ＮＩＲ光子及び可視光子の少なくともいくつかは、非線形光学結晶の第２部分において、ＴＨＧにより、ＵＶ光子に変換されてもよい。ステップ２０６におけるＵＶ光子は、上述のように、周波数ω_３を有していてもよい。ステップ２０８において、ＵＶ光子は、非線形光学結晶の出力パルスからスペクトル的に分離されてもよく、出力パルスは、ＮＩＲ光子の少なくともいくつか、可視光子の少なくともいくつか、及びＵＶ光子を含む。ステップ２１０において、ｆｓＵＶレーザーパルスが出力されてもよい。ＵＶ光子は、ｆｓＮＩＲレーザーパルスと時間的且つ空間的にコヒーレントであるｆｓＵＶレーザーパルスとして出力されてもよい。

本明細書において開示されているように、フェムト秒（ｆｓ）紫外線（ＵＶ）レーザーパルスを生成する方法及びシステムは、バック変換を伴うことなしに、且つ、特別な位相整合方向を伴うことなしに、長い変換長を可能にする異なる数の周期分極結晶質層を有する周期分極疑似位相整合結晶（ＰＰＱＰＭＣ）を使用することにより、第３高調波ｆｓレーザーパルスの安定した、丈夫な、且つ、光学的に効率的な生成を可能にしている。ｆｓＵＶレーザーは、高い変換効率を有していてもよく、且つ、高パワー動作に適し得る。

上述の開示されている主題は、限定ではなく例示を目的としたものであると見なすことを要し、且つ、添付の請求項は、本開示の真の精神及び範囲に含まれるすべての変更、改善、及びその他の実施形態を含むものと解釈されたい。従って、法律によって許容されている最大範囲において、本開示の範囲は、添付の請求項及びその均等物の最も広範な許容可能な解釈により、判定されることを要し、従って、上述の詳細な説明によって制限又は限定されるものではない。

Claims (20)

1. フェムト秒紫外線レーザーを生成する方法であって、
   電磁スペクトルの近赤外線部分内の基本波長を有する第１レーザーパルスを非線形光学結晶に対して導波するステップであって、前記第１レーザーパルスは、１０００フェムト秒未満のパルス持続時間を有する、ステップと、
   前記非線形光学結晶内において第２レーザーパルスを生成するべく、前記非線形光学結晶の第１部分において、前記第１レーザーパルスからの少なくともいくつかの光子を前記基本波長の第２高調波波長に変換するステップと、
   前記非線形光学結晶内において第３レーザーパルスを生成するべく、前記非線形光学結晶の第２部分において、前記第１レーザーパルス及び前記第２レーザーパルスからの少なくともいくつかの光子を前記基本波長の第３高調波波長に変換するステップと、
   前記非線形光学結晶から前記第３レーザーパルスを出力するステップであって、前記第３レーザーパルスは、前記パルス持続時間を有する、ステップと、
   を有する方法。
2. 前記非線形光学結晶から前記第１レーザーパルス及び前記第２レーザーパルスを出力するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記非線形光学結晶は、周期分極疑似位相整合結晶を有する請求項１に記載の方法。
4. 前記非線形光学結晶の前記第１部分及び前記非線形光学結晶の前記第２部分は、単一の一体的材料として形成されている請求項１に記載の方法。
5. 前記非線形光学結晶の前記第１部分は、周期分極酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム結晶を有する請求項１に記載の方法。
6. 前記非線形光学結晶の前記第２部分は、周期分極ランタンバリウム酸化ゲルマニウム結晶を有する請求項１に記載の方法。
7. 前記第１レーザーパルスを導波するステップは、前記第１レーザーパルスを前記非線形光学結晶に対して合焦するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
8. 前記非線形光学結晶の出力において、前記第１レーザーパルス及び前記第２レーザーパルスから前記第３レーザーパルスをスペクトル的にフィルタリングするステップを更に有する請求項１に記載の方法。
9. 前記非線形光学結晶は、前記基本波長に従ってチューニングされた周期分極層を含む請求項１に記載の方法。
10. 前記第１レーザーパルスの第１断面強度パターンは、前記第３レーザーパルスの第２断面強度パターンと整合している請求項１に記載の方法。
11. フェムト秒紫外線レーザー供給源であって、
    フェムト秒近赤外線パルスレーザーを有するレーザー供給源であって、１０００フェムト秒未満のパルス持続時間を有し、且つ、基本波長を有するレーザー供給源と、
    前記レーザー供給源からの入射第１光子の向きとの関係において連続的に方向付けされた第１部分及び第２部分を有する非線形光学結晶と、
    を有し、
    前記非線形光学結晶の前記第１部分は、第２レーザーパルスを生成するべく、前記レーザー供給源から前記第１光子を受け取り、且つ、前記第１光子の少なくともいくつかを前記基本波長の第２高調波波長を有する第２光子に変換し、且つ、
    前記非線形光学結晶の前記第２部分は、前記パルス持続時間を有する第３レーザーパルスを生成するべく、前記第１光子及び前記第２光子の少なくともいくつかを受け取り、且つ、前記第１光子及び前記第２光子の少なくともいくつかを前記基本波長の第３高調波波長を有する第３光子に変換する、フェムト秒紫外線レーザー供給源。
12. 前記第２部分は、前記非線形光学結晶から、前記第１レーザーパルス、前記第２レーザーパルス、及び前記第３レーザーパルスを出力する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
13. 前記非線形光学結晶は、周期分極疑似位相整合結晶を有する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
14. 前記非線形光学結晶の前記第１部分及び前記非線形光学結晶の前記第２部分は、単一の一体的材料として形成されている請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
15. 前記非線形光学結晶の前記第１部分は、周期分極酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム結晶を有する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
16. 前記非線形光学結晶の前記第２部分は、周期分極ランタンバリウム酸化ゲルマニウム結晶を有する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
17. 前記第１レーザーパルスを前記非線形光学結晶に対して合焦するための合焦要素を更に有する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
18. 前記非線形光学結晶の前記出力において、前記第１レーザーパルス及び前記第２レーザーパルスから前記第３レーザーパルスをスペクトル的に分離するための光学フィルタを更に有する請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
19. 前記非線形光学結晶は、前記基本波長に従ってチューニングされた周期分極層を含む請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。
20. 前記第１レーザーパルスの第１断面強度パターンは、前記第３レーザーパルスの第２断面強度パターンと整合している請求項１１に記載のフェムト秒紫外線レーザー供給源。

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