JP2018538565A - 非線形周波数変換デバイスにおける使用のための波長分離素子 - Google Patents

Abstract

ＮＬＦＣデバイス中で基本ビームから変換ビームを分離するために波長分離素子が提供され、変換ビームは、基本ビームの波長とは異なる波長を有する。波長分離素子は、第１の鏡面および第１の鏡面に対向する第２の鏡面を含む。第１および第２の鏡面は、基本ビームの反射率と比較して高い変換ビームの反射率を有してよく、第１および第２の鏡面は、基本ビームから変換ビームを分離するために基本および変換ビームが第１の鏡面と第２の鏡面との間で多重反射を受けるように構成される。基本および変換ビームは、第１および第２の鏡面において少なくとも３回の反射を受け、および／または第１の鏡面または第２の鏡面のうちの１つにおいて少なくとも２回の反射を受ける。

Description

この発明は、周波数２倍化レーザを用いた例示的な使用のための波長分離素子に関する。

非線形周波数変換（ＮＬＦＣ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）は、レーザデバイスを使用して特定の波長を発生させるために広く用いられる光学技術である。ＮＬＦＣデバイスでは、基本波長をもつ光ビームがＮＬＦＣ部品に入射し、ＮＬＦＣ部品は、基本波長をもつ光のうちのいくらかを別の波長をもつ光へ変換する。この技術の最も一般的なバリエーションは、周波数が２倍化される基本波長をもつ光ビームを用いて、基本波長の半分の波長もつ変換ビームをもたらし、プロセスは第２高調波発生（ＳＨＧ：ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）として知られる。しかしながら、ＮＬＦＣプロセスは、基本ビームのすべてのフォトンを変換するわけではなく、変換ビームとＮＬＦＣ部品から出射した基本ビームとの空間的な重なりに繋がる。

多くの用途は、変換ビームのみを必要とし、そのため、この部品から出射した基本ビームが取り除かれなければならない。２００ｎｍと２７０ｎｍとの間の紫外（ＵＶ）放射の特定の波長範囲では、先行技術に見られる種々の方法があり、これらの方法は、ＮＬＦＣ部品の後のビーム経路中の何らかの位置にある素子を置くことによってＮＬＦＣデバイス中の基本ビームを取り除く。

基本ビームに対して高反射率を有し、変換ビームの何分の１かを透過する多層コーティングをもつ干渉フィルタが、ルドルフ（Ｒｕｄｏｌｐｈ）ら［２００６年９月１９日発行、米国陸軍研究契約（Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｔｒａｃｔ）Ｗ９１１ＮＦ‐０９‐１‐０１０２］の特許文献１、および非特許文献1に開示される。フィルタは、高価なＵＶ溶融石英のようなＵＶ透明材料から作られなければならない。そのうえ、それらの干渉フィルタの性能がＵＶ波長に対してはあまり高くない。特に、フィルタの透過効率が９０％と低い可能性があり（ここで、フィルタの透過効率は、フィルタを透過する変換ビームのパワーをフィルタ上に入射する変換ビームのパワーで除した比として定義される）、従って、変換ビームの出力パワーに損失があり、不利である。加えて、フィルタの除去比が低い可能性があり（ここで、除去比は、フィルタ上に入射する基本ビームのパワーをフィルタを透過する基本ビームのパワーで除した比として定義される）、従って、基本ビームのパワーをさらに減少させるために追加のビーム分離素子が必要なこともありうる。

ビームを分離するために、非特許文献２、および非特許文献３ではプリズムが使用される。プリズムの使用により、基本および変換ビーム間の良好な分離を確実にするためにプリズムを通る長いビーム経路を必要とするため、レーザデバイスが嵩高く重くなる。ＵＶ透過率の要求がプリズムを高価にし、低コスト・デバイスに適さなくする。

基本および変換ビームの偏光特性に依存して周波数２倍化デバイスを分類することができる。「タイプＩ」のデバイスでは、この部品から出射する直線偏光した変換ビームが直線偏光した基本ビームに対して垂直な偏光を有する。特許文献２（マオ（Ｍａｏ），２０１３年１０月１５日発行）におけるようにブリュースター鏡面反射を用いることによって、基本および変換ビームを偏光における９０度の角度変化を利用して分離することができる。非特許文献４によって記載されるデバイスでは、変換ビームに対して高反射率を有し、基本ビームの大部分を透過するミラーがブリュースター角に向けられる。深紫外光を放出することが可能な周波数２倍化レーザの他の特徴が特許文献３（スミートン（Ｓｍｅｅｔｏｎ）ら、２０１４年１月３日発行）および特許文献４（スミートンら、２０１５年６月２５公開）に開示される。

米国特許第７,１１０,４２６号 米国特許第８，５５９，４７１号 米国特許第８，７４３，９２２（Ｂ２）号 米国特許出願第２０１５／０１７７５９３（Ａ１）号

西島（Ｎｉｓｈｉｊｉｍａ）ら，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ） ４２，５０７９，（２００３） タントロンベンチャシル，（Ｔａｎｇｔｒｏｎｂｅｎｃｈａｓｉｌ）ら，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ） ４５，６３１５，（２００６）］ ルンケ（Ｒｕｈｎｋｅ）ら，［オプティクス・レターズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ４０，２１２７，（２０１５）］ タントロンベンチャシルら，［ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ） ４７，２１３７，（２００８）］

この発明は、非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）デバイスにおける例示的な使用のための波長分離素子を提供する。先行技術におけるテクノロジーとは違って、この発明は、高性能の波長分離、特に、変換ビームの高透過効率および／または基本ビームの高除去比を提供する低コストでコンパクトな素子に対する要求を満たす。

ＮＬＦＣデバイスでは、光源によって放出された基本ビームがＮＬＦＣ部品中を伝搬し、ＮＬＦＣプロセスによって基本ビームとは異なる波長をもつ変換ビームへ部分的に変換される。ＮＬＦＣ部品から出射した変換ビームおよび基本ビームは、互いに近接するかあるいは部分的または完全に空間的に重なって、ほとんどの用途では許容しえない、変換ビームの不十分なビーム純度をもたらすことがある。この発明は、基本ビームのパワーを減少させて、より純粋な変換ビームをもたらすための手段を提供する。

本発明のある態様では、鏡面における反射率が変換ビームに対して高く、鏡面における反射率が基本ビームに対して低いように構成された、２つ以上の鏡面における基本および変換ビームの合計少なくとも３回の反射を含んだコンパクトなフォーマットの波長分離素子が達成される。反射のうちの少なくとも２回は、同じ鏡面からであってよく、互いにほぼ平行であるように構成された全部で２つだけの鏡面があってよい。鏡面の反射率は、多層コーティングの使用を通じて構成されてよい。基本および変換ビームからなる、混合ビームは、第１の鏡面における基本ビームの入射がブリュースター入射角に近く、基本ビームが優勢なｐ型偏光を有するように波長分離素子上に入射してよい。波長分離素子は、波長分離素子上に入射する基本ビームがたとえ発散していて不完全な直線偏光を有するときでも高性能を提供する。本発明は、この高性能の波長分離をコンパクトなフォーマットで可能にする。

高ビーム品質の出力変換ビームを提供する、本発明の別の態様においては、変換ビームに作用するコリメーティングオプティクスが比較的長い焦点距離を有するか、および／またはＮＬＦＣ部品から比較的遠距離（光ビーム経路に沿って測定された距離）に位置する。それゆえに、波長分離素子は、波長分離素子上に入射する基本ビームが発散する（コリメートされない）ように、ＮＬＦＣ部品と変換ビームに作用するコリメーティングオプティクスとの間のビーム経路上に配置されてよい。本発明の他の態様と組み合わせて、これは、高性能の波長分離素子および変換ビームの良好なビーム品質をコンパクトなＮＬＦＣデバイス内で提供する。この態様は、変換ビームが複屈折によるウォークオフをその中で受けるＮＬＦＣ部品を含んだコンパクトなＤＬＦＣデバイスを可能にするのに特に有利である。

本発明の別の態様では、波長分離素子における光学素子に関する適切なデザインルールおよび寸法が開示される。

本発明の別の態様では、波長分離素子は、波長分離素子中の鏡面を透過する基本ビームからの光の効果的な処分のために構成される。この態様は、出力変換ビームの純度をさらに改善する。波長分離素子内のテクスチャ加工された面および／または吸収材料の使用を通じての光の処分は、出力変換ビームと空間的に重なった基本ビームからの光を著しく減少させることができる。この態様は、高性能の波長分離素子を非常に小さいサイズで提供し、それによって、コンパクトなＮＬＦＣデバイスを可能にする。

本発明の別の態様では、波長分離素子の個々の素子をホルダ中へ取り付けて、それらの相対的位置を固定してもよい。分離素子を含んだホルダの使用は、これによってＮＬＦＣデバイスのミスアラインメントのいくらかの補償ができるため、有利である。結晶から出射する混合ビームが方向公差を示すことがあり、そのため、ホルダを全体的なデバイス・ベース上に一体化する組み立てステップの間にホルダの位置を再調整することによってそれらのミスアラインメントを補償することができる。

本発明のこれらの態様は、
面からの多重反射および基本ビーム除去方法の使用に起因する効率的なビーム分離と、
波長分離素子を通る変換ビームの高透過効率（例えば、＞９５％）と、
単一面からの多重反射の使用および安価な材料を使用する可能性に起因する低コスト設計と、
あるジオメトリの使用に起因し、一方では出力変換ビームにおける基本ビームからの光の寄与を低く維持するコンパクトなフォーマットと、
高ビーム品質の出力変換ビームと
を可能にする。

本発明は、基本ビームを生成するためにレーザ光源（例えば、レーザダイオード）を使用し、ＳＨＧによって深紫外光（２００ｎｍと２７０ｎｍとの間の波長）を発生させるコンパクトなＮＬＦＣデバイスを可能にするのに特に有利である。深紫外スペクトル領域では光源の需要が増加しているため、これらの特性をもつ波長分離素子にはニーズがある。基本および変換ビームの分離は、これらのデバイスの機能性にとって重要である。

次に、先述の目的および関連する目的の達成に向けて、本発明は、以下に十分に記載され、特に特許請求の範囲において指摘される特徴を備える。以下の記載および添付図面は、本発明のいくつかの例示的な実施形態を詳細に呈示する。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が採用されてよい様々な方法のうちのわずかに少数を示すに過ぎない。本発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、図面と併せて考察したときに本発明の以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
添付図面では、同様の参照が同様の部分または特徴を示す。

２つの鏡面を含んだ波長分離素子に入射する混合ビームを示す。 ２つの鏡面を含んだ波長分離素子を示す。 単一素子を含んだ波長分離素子を示す。 第１の鏡面から反射された発散する混合ビームを示す。 第１の鏡面に入射し、中心の光線がブリュースター角で入射するビームの個々の光線を示す。 基本ビームをコリメートするためにＮＬＦＣ部品と波長分離素子との間に使用されるオプティクスを示す。 種々のコリメーティングオプティクスを使用した変換ビームスポット面積の実験データを示す。 ＮＬＦＣ部品の内部での変換ビームの発生を示し、複屈折によるウォークオフを示す。 変換ビームをコリメートするためにＮＬＦＣ部品および波長分離素子の後に使用されるオプティクスを示す。 ２つの鏡面からなる波長分離素子およびその寸法を示す。 ２つの鏡面間のギャップについて計算された最小値のマップを示す。 第１および第２の鏡面を透過して伝搬する基本ビームを示す。 ａ）鏡のような第２の面をもつ波長分離素子について波長分離素子の出射におけるビームプロファイルを示す。ｂ）粗い第２の吸収面をもつ波長分離素子について波長分離素子の出射におけるビームプロファイルを示す。 ベースの所定のフィーチャに接触して取り付けられた薄いプレートを示す。 薄いプレートを含む予め組み立てられたホルダを示す。 ＮＬＦＣ発生器とともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートの第２の面は、基本ビームのための吸収層を含む。 ＮＬＦＣ発生器とともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートの第２の面は、テクスチャ加工されて基本ビームの散乱を促進する。 直接周波数２倍化デバイスとともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートの第２の面は、基本ビームのための吸収層を含む。 直接周波数２倍化発生器および追加のフィルタ素子とともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートの第２の面は、基本ビームのための吸収層を含む。 間接周波数２倍化発生器とともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートの第２の面は、基本ビームのための吸収層を含む。 ＮＬＦＣ発生器とともに使用される２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。薄いプレートは、互いに傾けられる。 単一片素子を含んだ波長分離素子を示す。混合ビームは、素子の内部体積中を伝搬している。２つの吸収層が素子の外側に置かれて、基本ビームを取り除く。 単一片素子を含んだ波長分離素子を示す。鏡面は、互いに対して大きな角度に向けられる。単一片の裏面は、基本ビームの除去のための吸収層を含む。 薄いプレートのうちの１つが第１および第２のセクションを含んだ第２の面を有する、２つの薄いプレートを含んだ波長分離素子を示す。

本発明は、低コストでコンパクトなＮＬＦＣレーザに適した高性能の波長分離素子を提供する。この発明は、変換された放出の波長が２７０ｎｍより低い、タイプＩの周波数２倍化とともに用いるのに特に適する。

高性能の波長分離素子は、変換ビームの高透過効率および基本ビームの高除去比のいずれか、または好ましくは両方を提供し、基本ビームおよび変換ビームは、ＮＬＦＣ部品から出力される。

一般に、本発明は、ＮＬＦＣデバイス中で基本（第１の）ビームから変換（第２の）ビームを分離するために提供される波長分離素子に関係し、変換（第２の）ビームは、基本（第１の）ビームの波長とは異なる波長を有する。例示的な実施形態では、波長分離素子は、少なくとも第１の鏡面および第１の鏡面に対向する第２の鏡面を含む。第１および第２の鏡面は、基本（第１の）ビームの反射率と比較して高い変換（第２の）ビームの反射率を有し、第１および第２の鏡面は、基本ビームから変換ビームを分離するために基本（第１の）および変換（第２の）ビームが第１の鏡面および第２の鏡面の間で多重反射を受けるように構成される。

本発明の第１の態様では、２つ以上の鏡面における基本および変換ビームの合計少なくとも３回の反射を含んだコンパクトフォーマットの高性能の波長分離素子が達成され、鏡面における反射率が変換ビームに対して高く、鏡面における反射率が基本ビームに対しては低い。好ましくは、鏡面のうちの少なくとも１つから少なくとも２回の反射がある。好ましくは、全部で２つだけの鏡面があり、これら２つの鏡面は、互いにほぼ平行である。好ましくは、基本ビームは、ｐ型が優勢な偏光で第１の鏡面上に入射し、第１の鏡面における基本ビームの入射角は、基本ビームに対するブリュースター角におよそ等しい。好ましくは、変換ビームは、ｓ型が優勢な偏光で第１の鏡面上に入射する。

図１には本発明の第１の態様が示される。波長分離素子１は、第１の鏡面２および第１の鏡面に対向する第２の鏡面６を含む。第１および第２の鏡面が互いに対向すると言及することによって、概してこれらの鏡面が鏡面間の反射を許容するように互いに面することが意味される。ＮＬＦＣ発生器１０からの入力ビームは、基本ビーム４である空間的に重なった第１のビームと、変換ビーム５である第２のビームとの混合ビーム３を含む。ＮＬＦＣ発生器は、少なくとも１つ以上の光源、随意的に１つ以上の光学素子、および１つ以上のＮＬＦＣ部品を含んだＮＬＦＣデバイスのサブシステムである。混合ビーム３は、第１の鏡面２上に入射角θ_１で入射する。第１の鏡面２は、入射角θ_１において第２のビームまたは変換ビームに対して高反射率を有し、第１のビームまたは基本ビームに対して低反射率を有するように構成される。第１の鏡面における反射後に、反射された変換ビームおよび反射された基本ビームは、第２の鏡面６の方へ伝搬して、その上に入射角θ_２で入射する。第２の鏡面６は、入射角θ_２において変換ビームに対して高反射率を有し、基本ビームに対して低反射率を有するように構成される。第２の鏡面からの反射後に、反射された変換ビームおよび反射された基本ビームは、第１の鏡面２の方へ伝搬して、その上に入射角θ_３で入射する。伝搬および反射は、第１および第２の鏡面間で複数回続いてよく、図１に示される例では、基本ビームおよび変換ビームが第１の鏡面２において合計３回入射して反射され、これらのビームが第２の鏡面６において合計２回入射して反射されるが、鏡面は、任意の適切な回数の入射および反射のために構成されてもよい。

第１および随意的に第２の鏡面における基本ビームの多重反射の累積的な効果は、基本ビームの除去比が高い波長分離素子をもたらし、第１および随意的に第２の鏡面における変換ビームの多重反射の累積的な効果は、変換ビームの高透過効率をもたらす。第１および第２の鏡面における変換ビームの反射率がほぼ同じ（Ｒ_ｃ）であり、第１および第２の鏡面における基本ビームの反射率がほぼ同じ（Ｒ_ｆ）である具体例では、変換ビームの透過効率η_ｃおよび基本ビームの除去比Ａ_ｆは、

であり、ｎは、鏡面における反射の総数であり、Ｐ_ｃ’は出力およびＰ_ｃは入力における変換ビームの光パワーであり、Ｐ_ｆ’は出力およびＰ_ｆは入力における基本ビームの光パワーである。

互いにほぼ平行に向けられて、基本ビームおよび変換ビームが鏡面のうちの少なくとも１つから少なくとも２回反射する少なくとも２つの鏡面の使用は、高性能の波長分離素子を低コストかつコンパクトなフォーマットで提供する。

第１および第２の鏡面は、基板上に配置された異なる材料の多層コーティング、例えば、基板上に配置された分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層構造を含んでもよい。基本および変換ビームに対する第１および第２の鏡面の反射率は、同じであってよいが、必ずしもそうではない。

鏡面を提供するための２つの一般的な構造が次に記載される。第１の一般的なタイプの構造では、第１および第２の鏡面は、基本および変換ビームが鏡面における反射の間に空間的ギャップ（例えば、空気、別の気体または真空）中を伝搬するように、離隔された１つ以上の別個の素子の面上に配置されてよい。図２にはこの第１の一般的なタイプの構造の例示的な構成が示される。第２の一般的なタイプの構造では、鏡面は、基本および変換ビームが鏡面における反射の間に単一の素子の内部体積中を伝搬するように前記素子の面上に配置されてよい。図３には第２の一般的なタイプの構造の例示的な構成が示される。

第１および第２の鏡面の各々において反射されない基本ビームは、鏡面を透過しうる。透過ビーム７の例は、図１、２および３に含まれる（すべての透過ビームがラベル付けされたわけではないことに留意されたい）。基本または変換ビームのいずれかに対して鏡面２および７の各々の両側の媒体間で屈折率に違いがある場合には、透過ビームの方向が屈折に起因して変化するであろう。このビーム方向の変化は、図には示されていない。

ｐ型偏光をもつ基本ビームに対して鏡面２、６において低反射率（Ｒ_ｆ）を得るためには、ブリュースター角におよそ等しい入射角を用いることが有利である。ブリュースター角は、

から決定されてよく、ここでθ_Ｂｒは、ブリュースター角であり、ｎ_ｐｒｏｐは、基本ビームが鏡面上に入射する前の媒体中の基本ビームに対する屈折率であり、ｎ_{ｔｒａｎｓ}は、基本ビームが鏡面を通って伝搬した後の媒体中の基本ビームに対する屈折率である。混合ビームが最初に空気または気体中を伝搬するのであれば、

である。

原理的に、ブリュースター角条件が満たされるとき、ｐ偏光ビームの反射率は、ほぼゼロに等しくなる。

それゆえに、１つまたは２つの鏡面からの反射は、非常に高い除去比を提供し、延いては、基本ビームからの有意な寄与を何も伴わないＮＬＦＣデバイスからの変換ビームの出力を提供するのに十分であることが予想されよう（式１を参照）。

しかしながら、本発明者らが見出したのは、１つまたは２つの鏡面を使用した簡易なフィルタが、特に、基本ビームの光源として１つ以上のレーザダイオードを使用して２７０ｎｍ未満の波長をもつＵＶ光を発生されるように構成されたＮＬＦＣデバイスに対しては、不十分かもしれないということである。特に、本発明者らが確認したのは、前記レーザデバイスにおける混合ビームの固有の特性の結果として、２つ以上の鏡面からの反射と、少なくとも２つの鏡面およびミラーのうちの少なくとも１つからの好ましくは少なくとも２回の反射を含んだ上記の構成とを用いることが著しく有利なことであり、これが次に確認され、説明される。

これらのデバイスにおける混合ビームの第１の特性は、基本ビームの不完全偏光である。基本ビームの優勢な偏光は、第１の鏡面による反射においてｐ型であるが、レーザダイオードからの放出における不完全線形偏光、および（例えば、β−ＢａＢ_２Ｏ_４部品のような複屈折性ＮＬＦＣ部品における複屈折の効果に起因する）ＮＬＦＣ部品内の基本ビームの正味の線形偏光の部分的回転のうちの少なくとも１つに起因して、ｓ型偏光の寄与が意外に高いことがわかった。基本ビーム中のｐ型偏光の鏡面からの反射は、非常に低いかもしれないが（１％未満、通常は０．１％または０．０１％未満）、基本ビーム中のｓ型偏光の反射は、典型的に、ずっとより高い（例えば、１％超、通常は１０％超）。これは、特に、既存のテクノロジーを用いて製造できて、２７０ｎｍより短い波長をもつ発生ビームを用いるＮＬＦＣ部品に要求されるような、深ＵＶ波長において高反射率を提供するミラーに対して当て嵌まる。

ｓ型偏光をもつ基本ビームでは反射率がずっとより高いことの帰結は、基本ビームに対する除去比が減少することである。ｓ型およびｐ型偏光に対する第１の鏡面の反射率Ｒ_ｆ，ｓ、および第２の鏡面の反射率Ｒ_ｆ，ｐを別々に考慮する必要がある。基本ビームの全パワーで除したｓ型偏光のパワーの比は、鏡面からの反射後に増加するであろう。次に、除去比が

として定義され、ここでεは、ｓ偏光比

であり、Ｐ_ｆ，ｓは、第１の鏡面上に入射する基本ビーム中のｓ型偏光の光パワーである。

例えば、Ｒ_ｆ，ｓ＝０．１およびＲ_ｆ，ｐ＝０．０１ならびにε＝０．０５を用いると、除去比は、ｎ＝２の反射に対してＡ_ｆ＝１．７×１０^３に過ぎない（特に、ＳＨＧによって２７０ｎｍ未満の波長へ変換されるレーザダイオードからの光の変換に対する、ＮＬＦＣデバイスの一般的に低い変換効率の結果として不十分である）が、ｎ＝３の反射に対してＡ_ｆ＝２×１０^４であり、ｎ＝５の反射に対してはＡ_ｆ＝２×１０^６である（ＳＨＧによる２７０ｎｍ未満の波長をもつ変換光へのレーザダイオードからの光の変換を用いるものを含めて、ＮＬＦＣデバイスに適する）。比較例として、基本光が高度の線形偏光（ε＜０．００１）を有する予想ケースでは、除去比は、ｎ＝２に対してＡ_ｆ＝９．１×１０^３、ｎ＝３に対してＡ_ｆ＝５×１０^５およびｎ＝５に対してＡ_ｆ＝１×１０^８である。

結果として、鏡面からの３回以上の反射を含むことが基本ビームに対して十分に高い除去比を提供するために極めて有利である。この態様による構成は、ｐ型およびｓ型の両方の成分の効果的なフィルタリングを極めてコンパクトなデバイスで可能にして、一方では変換ビームの高透過効率を維持する。

この状況は、波長２６６ｎｍをもつ光の発生のための一般的な周波数４倍化レーザに関するケースとは著しく異なる。先行技術において一般的に知られる、これらのレーザでは、２６６ｎｍ波長光は、（本明細書に記載される基本ビームに相当する）５３２ｎｍ波長をもつ光の周波数２倍化によって発生する。次に、５３２ｎｍ波長は、１０６４ｎｍ波長光の別の周波数２倍化プロセスによって発生する。次に、１０６４ｎｍ光は、固体レーザ部品、典型的にＮｄ：ＹＡＧにおけるレージングによって発生する。周波数２倍化段階のこのシーケンスの結果として、波長５３２ｎｍをもつ光は、非常に高い偏光比を有する。それゆえに、レーザダイオードによって放出された光の直接周波数２倍化を用いるＮＬＦＣデバイスのこのケースとは対照的に、これらの一般的なシステムでは、簡易な偏光ベースの（例えば、１つまたは２つのブリュースター・ミラーを使用した）ブリュースター・フィルタが大いに効果的である。

ＮＬＦＣデバイスにおける混合ビームの第２の特性は、特に、ＮＬＦＣデバイスがコンパクトに構成される場合、デバイス中のＮＬＦＣ素子の具体的な詳細の結果として、混合ビームが強く発散しうることである。波長分離素子の設計に対するこの特性の重要性が次に確認され、説明される。ブリュースター角条件は、完全にコリメートされたビーム（すなわち、発散ビームではなく、平行ビーム）に対してのみ有効である。実際に、ＮＬＦＣ部品から外へ伝搬する基本ビームは、例えば、ＮＬＦＣのためのポンプ・ビームがＮＬＦＣ部品内のウェストへ集束される場合、発散しうる。第１の鏡面上に入射するときに、基本ビームが半角θ_Ｂｅａｍで発散している場合（図４）、図５に概略的に示されるように、ある範囲の角度が第１の鏡面に入射することになろう。ブリュースター角θ_Ｂｒに近い内側の光線のビーム方向１２は、外側の領域における外側の光線のビーム方向１３より低い反射率を有する。鏡面における基本ビームの総合的な反射率（Ｒ_ｆ，ｐ）が増加する。

図６を参照すると、基本ビームのこの角度広がりを減少させる（コリメーションを改善する）ために、１つ以上のコリメーティングオプティクス１４がＮＬＦＣ部品１１と第１の鏡面２との間の混合ビーム３の伝搬経路中に配置されてよい。図６には改善されたコリメーションが示される。基本ビームがこのオプティクスによって完全にゼロの発散角をもつ平行ビームへ完全にはコリメートされなくても、このプロセスは、通常、基本ビームを「コリメートすること」と記載されてよく、１つ以上の光学部品は、「コリメーティングオプティクス」１４と呼ばれる。

コリメーティングオプティクスに関する簡単な例では、コリメーティングオプティクスは、有効焦点距離ｆをもち、ＮＬＦＣ部品の中心からおよそｆに等しい距離に位置する１つ以上の光学部品であり、ここで前記距離は、混合ビームのビーム伝搬経路に沿って測定される。例えば、有効焦点距離ｆをもつ光学部品は、レンズまたは凹面鏡であってよい。

コリメーティングオプティクスがＮＬＦＣ部品と第１の鏡面との間のビーム経路中に配置されるときには、基本ビームにおけるビーム方向のブリュースター入射角からのずれの効果が減少してよく、それによって、本発明による波長分離素子中の鏡面における基本ビームの大部分またはすべての極めて低い反射率を提供する。しかしながら、本発明者らは、基本ビームが第１の鏡面上に入射する前にそれをコリメートするための１つ以上のコリメーティングオプティクスを使用しないことから得られる著しい利点があると判断した。

特に、本発明者らは、混合ビームまたは変換ビームに作用するコリメーティングオプティクスがＮＬＦＣ部品から比較的遠距離に位置することが有利であることを見出した。ここで、前記距離は、混合ビームの伝搬経路に沿って測定される。特に、コリメーティングオプティクスがＮＬＦＣ部品から少なくとも１５ｍｍの距離、好ましくは少なくとも２５ｍｍの距離、最も好ましくは少なくとも３０ｍｍの距離に位置すれば有利であり、ここで前記距離は、混合ビームの伝搬経路に沿って測定される。基本ビームのためのコリメーティングオプティクスがこれらの値よりＮＬＦＣ部品に近い方に位置する場合、本発明者らは、変換ビームに対するコリメーティングオプティクスの効果が変換ビームの不十分なビーム品質をもたらし、実際的な用途における変換ビームの使用にとってこれが著しく不利な点であると判断した。ビーム品質は、ビームの理想的な「ガウシアン」ビームからのずれを記述する。ビーム品質が不十分なビームを小さいスポットに集束させることはできない。

例えば、これは、深ＵＶ光（波長２７０ｎｍ未満）をＳＨＧによって発生させるのに適した、β−ＢａＢ_２Ｏ_４を含んだＮＬＦＣ部品に対して当て嵌まる。広範な実験に基づいて、本発明者らは、およそ７ｍｍに等しい長さ（Ｌ，基本ビームの伝搬方向に沿って測定される）をもつＮＬＦＣ部品に対して高品質のＵＶビームを得るためには、少なくとも１５ｍｍ、好ましくは少なくとも２５ｍｍ、最も好ましくは少なくとも３０ｍｍの焦点距離をもつコリメーティングオプティクスを使用する必要があると判断した。ここでコリメーティングオプティクスは、変換ビームの伝搬方向に沿って測定された、コリメーティングオプティクスの焦点距離におよそ等しい（０．５ｆ＜ｋ＜２ｆ）、ＮＬＦＣ部品の中心からの距離（ｋ）である。異なる長さをもつＮＬＦＣ部品のより一般的なケースでは、焦点距離は、ｆ＞Ｌ／０．５、より好ましくはｆ＞Ｌ／０．３とすべきである。典型的に、Ｌは、２ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内、好ましくは５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にある。好ましくは、コリメーティングオプティクスの焦点距離は、コンパクトなデバイスを提供するために１００ｍｍ未満、最も好ましくは６０ｍｍ未満である。

コンパクトなＮＬＦＣデバイスが使用される大部分の用途では、変換ビームをコリメートまたは小さいスポットサイズに集束させることが可能な、十分に高いビーム品質を変換ビームが有することが好ましい。本発明者らの知見によれば、高品質ビームを得るためには、ＮＦＬＣ部品としてβ−ＢａＢ_２Ｏ_４を使用したものなど、あるタイプのＮＬＦＣ発生器のためのＮＬＦＣ部品から出射した変換ビームに作用するいずれかのオプティクスの焦点距離には下限がある。小さいスポットに集束できる変換ビームを提供するためには、ＮＬＦＣ部品から出射した変換ビームに作用するいずれかのオプティクスが比較的長い（すなわち、先に定義された範囲内の）焦点距離を有するべきであることがわかり、ここに初めて報告される。図７には実験データが示される。波長およそ２２４ｎｍをもつ変換ビームを出力するように構成されたＮＬＦＣ発生器は、波長およそ４４８ｎｍをもつ基本光ビームを放出するレーザダイオード、ＮＬＦＣ部品の方へ収束する基本ビームを提供するように米国特許出願第２０１５０１７７５９３（Ａ１）号に従って構成された非球面レンズおよび２つの円柱レンズを含み、ＮＬＦＣ部品は７ｍｍ長のβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶を含んでいた。前記ＮＦＬＣ発生器からの変換ビームが随意的な平凸溶融石英レンズ上に入射した。溶融石英レンズが変換ビームの伝搬の方向に沿った位置に配置されて、ＮＬＦＣ部品の中心から７．５ｃｍの距離において測定された変換ビームの最小スポット面積を提供した。図７中のプロットは、７．５ｃｍの距離において測定された変換ビームの面積の平凸溶融石英レンズの焦点距離に対する依存性を示す。図７は、図８に示される方向に対応する方向ＸおよびＹ（挿入図を参照）をもつ対応するスポット形状も示す。平凸溶融石英レンズのないケースではスポット面積が大きく、面積がおよそ６ｍｍ^２である（図７では焦点距離がゼロに等しいようにプロットされる）。およそ１０ｍｍの焦点距離をもつレンズは、スポット面積を減少させるが、しかし、このレンズは、変換ビームのビーム品質における劣化を予想外に生じ、スポットが比較的大きいままである。１５ｍｍより大きい焦点距離をもつレンズの使用は、有利により小さいスポット面積を提供する。一般的な予想に反して、短焦点距離のレンズが最小スポットサイズをもたらすわけではないが、前節に示されたように最適な焦点距離があることをこの実験データは示す。波長分離素子の寸法および位置についてこれらの知見が含意するのは、コンパクトなＮＦＬＣデバイスでは、波長分離素子がＮＬＦＣ部品とコリメーティングオプティクスとの間に置かれることが好ましいということである。

本発明のある態様では、それゆえに、良好なビーム品質をもつ出力変換ビームを提供するために、変換ビームに（および随意的に基本ビームにも）作用するコリメーティングオプティクス１４の有効焦点距離は、少なくとも１５ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ、最も好ましくは少なくとも３０ｍｍ、Ｌ／０.５、好ましくはＬ／０.３より大きい焦点距離を有し、ＮＬＦＣ部品の中心から（変換ビームの伝搬方向に沿って測定された）およそそれらの距離に位置する。さらにまた、コンパクトなデバイスを可能にするために、コリメーティングオプティクスの有効焦点距離は、１００ｍｍ未満、好ましくは５０ｍｍ未満であってよい。

先行技術では、複屈折によるウォークオフを呈示するＮＬＦＣ部品からＳＨＧによって発生した変換ビームが不十分なビーム品質を有しうることが知られている。複屈折を呈示するＮＬＦＣ部品では、変換光が「ウォークオフ」として知られる現象を経験することがあり、変換光は、基本光の方向とは異なる、変換光および基本光の方向の間の角度ρ（ウォークオフ角）によって典型的にキャラクタライズされる方向に沿って伝搬する。これが不完全なビーム品質を生じさせることが先行技術では知られている。

しかしながら、短焦点距離をもつコリメーティングオプティクス１４の使用と関連付けられたビーム品質のさらなる劣化が確認され、ここに初めて開示される。変換ビームのビーム品質に対する短焦点距離コリメーティングオプティクスの効果の説明が次に確認され、初めて説明される。図８を参照すると、変換光のウォークオフの結果として、ＮＬＦＣ部品内の変換光の有効光源１５は、図８に概略的に示されるように、（ＮＬＦＣ部品１１中の基本ビーム３の方向に平行に測定された）かなりの距離にわたって分布している。この分布光源の帰結は、短焦点距離をもつコリメーティングオプティクスがビームを効果的にコリメートできず、それどころか変換ビーム５のビーム品質が短焦点距離をもつコリメーティングオプティクスによって壊滅的に劣化することである。長焦点距離をもつコリメーティングオプティクスは、この分布した正の有効光源に対して低下した感度（より長い焦点深度）を有し、それゆえに、ビーム品質を大幅に劣化させることなくコリメートされた出力ビームを提供できる。

ＮＬＦＣ部品から遠距離に位置するコリメーティングオプティクスは、ＮＬＦＣ部品とコリメーションオプティクスとの間に長い光路を必要とするため、それを使用する利点がコンパクトなＮＬＦＣデバイスに対するニーズとは両立しない。本発明のこの態様によるＮＬＦＣ部品からコリメーティングオプティクスへの距離は、ＮＬＦＣデバイスの全体サイズの許容しえない増加を生じることなく、許容しうるビーム品質を提供する。そのうえ、コンパクトなデバイスを得るために、図９に示されるように、波長分離素子は、ＮＬＦＣ部品１１とコリメーティングオプティクス１４との間の混合ビーム３のビーム経路上に配置されることが有利である。それによって、波長分離素子の鏡面上に入射する基本ビームは、コリメートされず（すなわち、発散しており）、ブリュースター角に厳密には等しくないある範囲の入射角を提示する。

これは、タントロンベンチャシルら［Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４７，ｐ２１３７（２００８）］による先行技術における例とは対照的であり、この先行技術では、ＮＬＦＣ部品からの出力放射が、非常に嵩高いＮＬＦＣデバイス中で、ダイクロイックミラー上に入射する前に凹面鏡を使用してコリメートされる。

本発明の第１の態様の構成のさらなる利点は、フィルタを通る基本ビームおよび変換ビームの全ビーム経路が小さく、それゆえに、面のうちの少なくとも１つから少なくとも２回の反射がある少なくとも２つの反射面（および随意的に上記の他の特徴）を含んだ波長分素子が、ＮＬＦＣ部品とコリメーティングオプティクスとの間のビーム経路中に配置される一方で、コンパクトなＮＬＦＣデバイスに要求される高性能フィルタを提供しうることである。

この発明は、それゆえに、基本ビームに対する除去比が非常に高く、変換ビームに対する透過率が高いＵＶにおける高性能のビーム分離を多重反射ジオメトリに起因するコンパクトなフォーマットで提供する。

本発明の別の態様では、波長分離素子に適した寸法が開示される。発散する混合ビームもビームが伝搬するにつれてビームサイズに変化を生じる。これが分離素子１の寸法、例えば、図１０に示されるような面２、６間のギャップｇおよび素子の長さＬを制約する。混合ビーム３は、ＮＬＦＣ発生器１０内のＮＬＦＣ部品１１から発散半角θ_Ｂｅａｍで放出される。発散半角は、以下では入射ビームのｐおよびｓ型偏光の方向へのそれらの関係に対して記述される２つの直交方向にさらに分割される。波長分離素子の寸法は、ビームが素子の入射または出射においてクリップされるのを防ぐべきである。特定のθ_{Ｂｅａｍ＿ｐ}、θ_Ｂｒ、ｄおよびｎ（反射の回数）に対する最小ギャップｇ_ｍｉｎは、

を用いて計算できる。図１１は、一定のθ_Ｂｒ＝５６°およびｎ＝５に対するｇ_ｍｉｎのマップを示す。ギャップに対してｇ_ｍｉｎより低い値を用いることは、ビームのクリッピングをもたらし、回避されるべきである。これを回避できない場合には、この部品と分離素子との間に追加のレンズを使用し、結果としてθ_Ｂｒを減少させて、発散ビームを収束ビームへ変換することもできる。ギャップが一旦選ばれると、長さＬは、

を用いて計算できる。例えば、距離ｄ＝１０ｍｍからブリュースター角θ_Ｂｒ＝５６°において発散半角θ_{Ｂｅａｍ＿ｐ}＝１°で素子に入射するビームは、５回の内部反射のために最小ギャップｇ_ｍｉｎ＝０．２５ｍｍを必要とする。外部公差を考慮すると、ギャップをｇ_ｍｉｎ＝０．４ｍｍに設定できて、分離素子の長さがＬ＝３ｍｍとなろう。分離素子の高さＨは、ｐ偏光方向におけるビームの伝搬特性によって決定できて、

を用いて計算できる。先の例のケースでは、θ_{Ｂｅａｍ＿ｓ}＝１°の場合に素子の高さＨ＝０．４５ｍｍである。θ_{Ｂｅａｍ＿ｓ}、ここでＨは、θ_{Ｂｅａｍ＿ｐ}に対して直角であり、図１０では面外に向いている。先に示されたように、多重反射ジオメトリは、効率的なビーム分離を非常にコンパクトなフォーマットでできるようにする。

本発明の別の態様では、第１および／または第２の鏡面を透過した基本ビーム４の効果的な処分が提供される。この態様は、基本ビームに由来する不要な光が減少した出力変換ビームを可能にして、一方ではコンパクトなフィルタサイズを維持する。本発明者らは、基本ビーム４が鏡面２、６を通過した後のその効果的な処分なしには、基本ビームからの許容しえない量の光が波長分離素子中を伝搬した後に変換ビーム５と空間的に重なりうることを見出した。出力における不要な基本光のこの問題は、コンパクトなＮＬＦＣデバイスに要求されるように、波長分離素子がコンパクトに構成されて、部品が小さく密集して配置されている場合に特に深刻である。不要な基本光は、第１および第２の鏡面以外の波長分離素子中の面における反射に起因して形成された、基本光の別個のビームを含むことがあり、これらのビームは、非一次ビーム２０と呼ばれる（図１２）。不要な基本光は、波長分離素子内の基本光の散乱に起因して形成された散光も含むことがある。

本発明のある態様によれば、不要な基本光を減少させるために２つの一般的なアプローチ：鏡面を通過した基本ビームのいくらかまたはすべてを取り除くステップ、および鏡面を通過した基本ビームのいくらかまたはすべてを方向転換させるステップが用いられてもよい。

第１の例では、波長分離素子は、第１の面および第１の面に対向する第２の面を有する少なくとも１つのプレート素子を含んでよく、第１の面は、第１または第２の鏡面のうちの少なくとも１つであり、第２の面は、第１または第２の鏡面を透過する基本ビームの一部分を散乱する散乱素子である。代わりに、第２の面は、吸収面であってもよい。吸収面は、第１または第２の鏡面を透過する基本ビームの一部分を吸収する。図１２を参照すると、第１の鏡面２は、薄いプレート２１の第１の面であり、薄いプレート２１の第２の面２２は、別の状況では非一次ビームにつながりうる、第１の鏡面２を透過したいずれかの基本ビームの第２の面からの鏡面反射を減少させるように構成される。一例では、第２の面２２は、第１の鏡面２に対する薄いプレート２１の対向面である。

第２の面２２は、第２の面上に入射する透過した基本ビームの散乱を生じさせる粗いまたはテクスチャ加工された面であるように構成されてもよい。この構成は、第２の面における非一次ビームの形成を減少させる。基本光の散乱を増加させるように第２の面を構成することは、通常、２つの理由で基本光に対する波長分離素子の全体的な除去比を減少させると予想されることなるため、直感には反する。第１に、散乱面は、ブリュースター角に向けられた平面よりｐ型光に対してずっとより低い透過を提供し、それによって、波長分離素子から完全に取り除かれる基本光の量を減少させる。第２に、散乱面は、波長分離素子の外へ伝搬しうる（ｓ型またはｐ型偏光のいずれかの）散光の寄与を増加させる（それゆえに、波長分離素子の性能を低下させる）。それにも拘らず、本発明者らは、基本光を散乱するように構成された第２の面の使用を通じて、基本光に対する波長分離素子の全体的な除去比が著しく改善されることがあり、非一次ビームの出力が非常に大幅に減少することを見出す。これは、非一次ビームが（方向がブリュースター角と一致しない）発散／収束ビームおよび／または第１の鏡面上に入射する基本ビーム内のいくらかのｓ偏光によって生じる第２の面２２における基本ビームの強い反射に起因して非一次ビームが著しいことがあるため、特に有益でありうる。散乱を促進するためには面をランダムにテクスチャ加工できて、基本ビームの回折型の方向転換には、面を周期的にテクスチャ加工できる。あるいは、面を構造化するのではなく、図１８に示されるように、薄いプレートがプレート幅ｗ_１またはｗ_２の全体または一部の区域にわたって散乱中心を含むことができる。

第２の面２２は、吸収面であるように構成されてもよい。例えば、任意の基本光の反射が（薄いプレートの露出面の反射率と比較して）減少するか、および／または第２の面上に入射するいずれかの基本光がその材料によって部分的または完全に吸収されるように、１つ以上の吸収材料が第２の面上へ堆積されるか、または吸収イオンもしくはドーパントが薄いプレート２１中へ注入されてもよい。

図１３は、粗くした第２の面を提供する利点の実験的比較を示す。図１２におけるように、互いにほぼ平行に向けられた第１の鏡面および第２の鏡面をもつ２つの薄いプレートを含んだ第１の波長分離素子が調製された。（元々はレーザダイオードによって発生した）波長４４６ｎｍをもつ基本ビームとβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶を含んだＮＬＦＣ部品で発生した波長２２３ｎｍをもつ変換ビームとを含んだ混合ビームが第１の鏡面上に入射した。コリメーティングオプティクスがＮＬＦＣ部品と第１の鏡面との間で混合ビームに対して作用せず、それゆえに、基本ビームおよび変換ビームは、第１の鏡面上に入射するときに発散していた。薄いプレートは、ＵＶ溶融石英であり、第１および第２の鏡面は、２２３ｎｍにおよそ等しい波長をもつｓ型偏光に対して高反射率（Ｒ＞９９％）、および４４６ｎｍにおよそ等しい波長と優勢なｐ型偏光とをもつ光に対して低反射率（Ｒ＜０．１％）を提供するようにミラーコーティングを用いて構成された。ここで、反射率は、第１の鏡面上の混合ビームの入射角に適用される。２つの薄いプレートの第２の面２２は、いずれも光学的に滑らかな（鏡のような）面であった。図１３（ａ）における画像は、波長分離素子からの変換ビームの出射後のおよそ２０ｍｍで撮ったビームプロファイルを示す。変換ビーム（２２３ｎｍ波長）は、楕円ラベルの内側にあり、画像におけるすべての他の強度は、分離素子を通過した基本ビームからの（画像中の「ストリーク」と定義される）迷光および全体的に基本ビームからの光の大きい散漫なバックグラウンド（画像全体にわたるスペックル）である。第２の波長分離素子は、２つの薄いプレートの第２の面２２が吸収層（例えば、吸収色素）を含んだ光学的に粗い（拡散）面（例えば、粗研磨された面）であるように構成されたことを除いて、第１の波長分離素子と同じ設計を用いて調製された。図１３（ｂ）における画像は、第１の波長分離素子についてと同様の実験的試験の下で得られたビームプロファイルを示す。この場合もやはり、変換ビームがラベル付けされ、このケースでは、基本ビームからの迷光の寄与が大幅に減少する。図１３（ａ）および（ｂ）の幅および高さは、それぞれ８．８ｍｍおよび６．６ｍｍである。

非一次ビームの形成を減少させるように構成された第２の面の先の例については、ＮＬＦＣ部品と波長分離素子中の第１の鏡面からの混合ビームの第１の反射との間に追加のフィルタ素子３４（図１９を参照）が配置されれば有利である。これは、図１３における両方の例に対して当て嵌まった。これは、ＮＬＦＣ部品の外への伝搬後の変換ビームのパワーを基本ビームのパワーで除した比が非常に低い（例えば、１０^−５未満）場合に特に重要である。一般的に当て嵌まるのは、基本ビームを発生されるためにレーザダイオードが使用され、ＮＬＦＣ部品がβ−ＢａＢ_２Ｏ_４およびＳＨＧプロセスを含み、変換ビームが２７０ｎｍ未満の波長を有するＮＬＦＣデバイスについてはこの比が非常に低いことである。第１の鏡面上に入射する混合ビーム中の基本ビームのパワーを減少させるために追加のフィルタ素子が使用されてよい。追加のフィルタ素子がないと、基本ビームの非常に高いパワーが性能の劣化を生じさせ、この劣化は、第２の面が粗面であるように構成されるケースでは散漫散乱光の非常に広範囲におよぶ発生に起因するか、あるいは、第２の面または薄いプレートが吸収性であるように構成されるケースでは非常の強い吸収（延いては、性能の劣化を生じさせうる素子の局所加熱）に起因するかのいずれかである。

追加のフィルタ素子は、変換ビームを高反射率で反射し、透過ビームを低反射率で反射するように構成されたミラーであってよい。変換ビームの反射率は、５０％超、最も好ましくは９０％超であることが好ましい。透過ビームの反射率は、好ましくは２０％未満、最も好ましくは５％未満である。例えば、追加のフィルタ素子は、波長分離素子中の第１の鏡面についてと同様の設計考察によるダイクロイック・ブリュースター・ミラーであってもよい。追加のフィルタ素子は、波長分離素子とは別個であってもよく、または波長分離素子とともに一体化されてもよい。

それゆえに、この発明の態様による追加のフィルタ素子、従って、波長分離素子のこの構成は、高性能でコンパクトなＮＬＦＣデバイスのために特に効果的である。

図２４に特に示されるように、特に追加のフィルタ素子が用いられない場合には、薄いプレート２１（すなわち、第１の鏡面２をもつ薄いプレート２１）の第２の面２２が第１のセクション４５および第２のセクション４４を含むように構成され、第１のセクション４５が粗い、テクスチャ加工された面および／または吸収面であるように構成され、第２のセクション４４が非散乱性であり、基本ビームに対して小さい反射および吸収を有するように構成されるならば、特に有利である。第２の面２２は、基本ビームが前記第１の鏡面上に初めて入射するときには第１の鏡面２を透過するいずれかの基本ビーム４が第２の面２２の第２のセクション４４上に入射するように構成される。第２の面２２は、基本ビームが前記第１の鏡面上に２（またはより多数）回目に入射するときには第１の鏡面２を透過するいずれかの基本ビームが第２の面の第１のセクション４５上に入射するように構成される。第１の鏡面２上の１回目の入射において第１の鏡面２を透過する基本ビームは、第１の鏡面２上の２（またはより多数）回目の入射において第１の鏡面を透過する基本ビームより多くの光パワーを有し、従って、第２の面２２上のこのビームの散乱または吸収は、多量の散漫散乱された迷光および／または薄いプレートの加熱などの問題に繋がる。随意的に、第２の面４４は、反射防止コーティングを含んでもよく、それによって非一次ビームのパワーを減少させる。

別の例では、第２の面は、ｓ偏光をもつ基本光に対して露出面より減少した反射率を有するように構成される（すなわち、反射防止コーティング）。これは、ｓ型偏光をもつ非一次ビームの発生および伝搬を減少させるために特に効果的である。

別の例では、第２の面は、波長分離素子から出力されうる非一次ビームの形成を減少させる形状または方位を有するように構成される。

本明細書に記載される第２の面の構成は、青色光の効果的な処分を非常にコンパクトな波長分離素子で提供する。同様の構成が第２の鏡面６のための薄いプレート２１の第２の面２２に対して使用されてもよい。

本発明の別の態様では、波長分離素子をＮＦＬＣデバイス中に直接に一体化するか、または波長分離素子を最初にホルダ中に取り付けて、このホルダをＮＦＬＣデバイス中に一体化することができる。例えば、図１４に示されるように、ＮＬＦＣデバイスの他の部品がその上に組み立てられたベース２４の所定のフィーチャ２３に接触して薄いプレート２１を取り付けることができるであろう。所定のフィーチャは、適切な位置に固定されたベースから展開または伸長する一種のピンまたはポストとすることができる。次に、薄いプレートがそれらのフィーチャに接触して非能動的に位置合わせされる。非能動的な位置合わせとは、デバイスが非動作モードにあり、薄いプレートが固定位置データ上で純粋に位置合わせされる製造プロセスを指す。このシステムは、コンパクトなフットプリントを提供するが、フレキシビリティに欠ける。本発明者らは、ＮＬＦＣ発生器から放出された混合ビーム３がビーム方向にいくらかの変動を有しうることを見出した。その場合には、最初に薄いプレート２１をホルダ２５中にあらかじめ組み立てることが有利である（図１５）。ホルダ中へのこのプリアセンブリは、薄いプレートの位置を互いに対して固定する。ホルダは、薄いプレート間のギャップが良好に画定されるように設計される。薄いスライドの間にスペーサを使用することが有利であり、それに接触して第１および第２の鏡面２、６が取り付けられる。薄いプレートの第２の面２２に接触して取り付けられた外部スペーサとは違って、この内部スペーサは、外部スペーサが低厚み公差（例えば、プレートの平行度における誤差）の薄いプレートとともに使用される場合に生じうる任意のギャップ厚の不確実性を排除する。予め組み立てられたホルダは、並進または回転手段によりホルダを混合ビーム方向に対して能動的に位置合わせすることによって混合ビーム方向における変動を補正することができる。内部スペーサは、この位置合わせ手順の間に固定された薄いプレートの相対的位置を維持する。ホルダは、先の節に記載されたように基本ビームを取り除く目的で透明、散乱または吸収材料から作られるか、またはそれらを含むことができる。ホルダは、ビーム入射および出射のためのアパーチャ２６を含む。加えて、基本ビームの除去を目指してホルダの長辺側２７に沿ってカットアウトを作ることもできる。

本発明は、先行技術における例に優る利点を提供する。特に、変換ビームの透過率および基本ビームの除去比が高い、高効率の波長分離が多面反射ジオメトリに起因してコンパクトなフォーマットで可能である。このジオメトリのいくつかの詳細の修正は、基本ビームを取り除き、基本ビームの高除去比を可能にする。この波長分離素子は、安価な材料を使用できるため、先行技術における例とは違って低コストにできる。この発明は、２７０ｎｍ未満の波長を放出する第２高調波発生世代デバイスと、特に基本ビームで除した変換のパワー比が低い場合に、ＮＬＦＣ部品をポンピングするための高出力レーザダイオードの使用とに適する。本発明の詳細な説明に記載されるように本発明のいくつかの利点が実験的に実証された。

波長分離素子をもつＮＬＦＣデバイスおよび吸収を介したビーム除去

第１の実施例では、図１６に概略的に示される、波長分離素子１は、第１の鏡面２をもつ第１の薄い平行プレート２１および第２の鏡面６をもつ第２の薄い平行プレート２１を含む。ＮＬＦＣ部品１１からの、空間的に重なった基本ビームおよび変換ビームを含む、混合ビーム３は、基本ビームがｐ型偏光を有し、変換ビームがｓ型偏光を有するように第１の鏡面に入射する。基本ビームおよび変換ビームは、第１の鏡面において反射され、次に、第２および第１の鏡面においてさらなる反射を受ける。第１および第２の鏡面を透過する基本ビームのいくらかまたはすべては、第１および第２の平行プレート２１の第２の面２２において吸収される。

鏡面から合計５回の反射が生じる例を示す、波長分離素子の概略図が図１６に示される。基本ビームに要求される除去比Ａ_ｆ、または他の制約条件に依存して、より多いまたはより少ない反射が代わりに用いられてもよい。全部で３および１０回の間の反射を用いることが好ましい。平行プレート２１は、プレートの面においてｐ型偏光の基本ビームに対して式２によるおよそのブリュースター角でのブリュースター型反射をサポートする材料を含む。好ましくは、平行プレート２１は、同じ材料を含む。この例では、平行プレートは、いずれもＵＶ溶融石英であるが、平行プレートに含めるのに適した他の材料は、シリカ、硼珪酸塩（例えば、ＢＫ７）、シリコン、ＰＭＭＡ、フルオロポリマ、および他のプラスチックを含む。第１および第２のミラーコーティングは、ｓ偏光の変換ビームに対して５０％より大きく、好ましくは９９％より大きい反射率、ｐ偏光の基本ビームに対して１％より小さく、好ましくは０．１％より小さい反射率、ｓ偏光の基本ビームに対して２０％より小さく、好ましくは１０％より小さい反射率を提供するように構成される。この例では、第１および第２の鏡面は、ふっ化ランタン（ＬａＦ_３）およびふっ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を含んだ積層された多層コーティングを含むが、これらに加えてまたは代わりに他の適切な材料が用いられてもよい。別のバリエーションでは、第１および第２の鏡面上に異なるコーティングが堆積される。これは、例えば、ｓ偏光の基本ビームに対して第２の鏡面が第１のミラーコーティングより低い反射率を提供し、それによって、ｓ型偏光をもつ基本ビームの成分に対してより高い除去比を提供するように構成されてよいので、有利でありうる。

吸収層３０は、第１および第２の平行プレート２１の第２の面２２上にある。吸収層は、第１または第２の鏡面２、６を透過した基本ビームからの光のいくらかまたはすべてを吸収する。この例では、吸収層は、平行プレートの第２の面上へ堆積されたなんらかの形態の吸収インク、顔料、色素または塗料である。代わりに、吸収層を他の材料の薄膜またはプレート２１の第２の面に付着した別個のプレートから作ることができる。吸収を介した基本ビーム除去の別のバリエーションでは、吸収材料（例えば、シリコン）または他の方法のうちでもイオンもしくはドーパントの注入を用いることによってプレート２１を部分的または完全に吸収性にすることができる。別のバリエーションでは、吸収材料が透過ビームを吸収するために第２の面から少し離れて置かれ、随意的に、プレートの裏側の第２の面上には反射防止コーティングが堆積されて、基本光の反射を減少させ、それによって、基本光の透過を促進する。

プレート２１の寸法およびプレート間のギャップ（ｇ）は、基本および変換ビームが伝搬しているｓおよびｐ偏光方向における発散半角θ_Ｂｅａｍ、ならびに基本ビームの有効光源（すなわち、基本ビームがそこから発散するように見える位置）と第１の鏡面における第１の反射との間の（基本ビームの伝搬方向に沿って測定される）距離ｋに従って選ばれてよい。有効光源は、ＮＬＦＣ部品１１の中心近くに位置してよく、この部品と分離素子との間の光学部品（例えば、レンズ）の使用によって実質的にずらすことができる。基本および変換ビームの発散半角は、変動することができ、従って、計算のためには最も広い角度が考慮される。半角θ_{Ｂｅａｍ＿ｐ}は、０．１°と１０°との間、好ましくは０．５°と３°との間の範囲内にある。混合ビーム３は、収束また発散しているかあるいはコリメートされるかのいずれかとすることができる。距離ｄは、１ｍｍと５００ｍｍとの間、好ましくは１ｍｍと５０ｍｍとの間の範囲内にある。ギャップｇは、０．１ｍｍと２０ｍｍとの間、好ましくは０．２ｍｍと６ｍｍとの間の範囲内にある。ギャップは、ビーム特性の分散および位置合わせ公差のゆえに、計算値ｇ_ｍｉｎに対してわずかにより大きくてよい。長さＬ_１は、そのときには２ｍｍと１００ｍｍとの間、好ましくは２ｍｍと２０ｍｍの間の範囲内にある。偶数回の全反射が要求される場合には、Ｌ_２はＬ_１に等しい。奇数回の全反射が要求される場合には、Ｌ_２は、１ｍｍと７０ｍｍとの間、好ましくは１ｍｍと１５ｍｍとの間の範囲内にある。２つだけの平行プレート２１を使用し、平行プレートのうちの少なくとも１つにおいて少なくとも２回の反射が生じることが好ましい。しかしながら、あるバリエーションでは、別個の平行プレートが各々の反射を提供するように構成されてもよい（すなわち、各平行プレートから１つだけの反射がある）。鏡面上に入射するビームは、鏡面の広い区域をカバーし、プレート間の小さいギャップであっても分離素子中を伝搬する間に変換ビームの透過効率の損失を導入するため、プレートのうちの少なくとも１つから少なくとも２回の反射を用いることが有利である。性能の観点から、第２の面２２において透過ビームの反射によって発生した非一次ビームと出力変換ビームとが重ならないように、プレートには大きい厚さｗ_１、ｗ_２を用いることが好ましい。しかしながら、大きい厚さは、経済性に劣る。一方で、薄いプレートは、経済的であるが剛性が低い傾向があり、曲がる可能性がある。それゆえに、厚さｗ_１、ｗ_２は、０．４ｍｍと１０ｍｍとの間、好ましくは０．４ｍｍと２ｍｍとの間の範囲内にある。プレートの高さＨ（図１４中の図の平面に垂直な方向に沿って測定される）は、ｓ偏光方向における半角θ_{Ｂｅａｍ＿ｓ}によって決定され、０．１ｍｍと２０ｍｍとの間、好ましくは１ｍｍと１０ｍｍとの間の範囲内にある。

プレート２１は、ホルダ中に取り付けられて、プレート間のギャップを決める。このホルダが、次に、入力混合ビームを受光して出力混合ビームを提供するための然るべき位置合わせを伴って、（ＮＬＦＣデバイス４０の他の部品がその上に配置される）ベース上へ配置される。別のバリエーションでは、プレート２１がベース上へ直接に取り付けられてもよい。

波長分離素子は、入力混合ビーム３の中心光線が第１の鏡面２上にθ_Ｂｒに近い（５°以内、好ましくは０．５°以内の）角度で入射するように向きを合わされる。変換ビームが第１の鏡面２から反射され、基本ビームの大部分が鏡面を透過して、透過ビームのいくらかまたはすべてが第２の面２２上の吸収層によって吸収される。第１の鏡面において反射されるいずれかの基本ビームが変換ビームとともに前方へ伝搬して、その大部分が第１の鏡面において反射される。同様の反射、透過および吸収が第２の鏡面において、次に再び第１の鏡面において繰り返され、混合ビームが出力変換ビームとして波長分離素子から出射するまで繰り返される。

この発明は、単独で、または先行技術において提示されたものを含めて他の分離素子と組み合わせて用いることができる。これは、所望される総合的なデバイス設計、中でも使用可能な変換ビームの所望される特性に依存する。基本または変換ビームが分離素子に入射する前にそのビームを条件付けるために、ＮＬＦＣ部品１１と波長分離素子との間のビーム経路中に他の光学素子が挿入されてもよいことも予期すべきである。

分離素子をもつＮＬＦＣデバイスおよび散乱を介したビーム除去
第２の実施例は、第１の実施例と同様であり、共通の特徴は繰り返されなくてよい。先の実施例におけるものと同じか、または同様の機能を有する部品は、共通の数値ラベルで図中にラベル付けされる。図１７に示される、第２の実施例では、第１および第２の鏡面２、６を透過した基本ビームの処分は、基本光が第２の面において散漫散乱されるよう第１および第２のプレート２１の第２の面２２がテクスチャ加工されるように構成することによって提供される。

図１７に示されるように、プレート２１の第２の面２２は、散乱を促進するためにテクスチャ加工される。鏡面２、６を透過した基本ビームは、プレートのテクスチャ加工された第２の面２２において散乱される。散乱は、別の状況では出力変換ビームとの重なりに繋がり、波長変換素子の除去比を減少させかねない第２の面からの基本ビームの鏡面方向性反射を排除する。透過した基本ビームの鏡面反射を減少させる任意のテクスチャ加工された面が適している。この実施例については、プレート２１は、ＵＶ溶融石英であり、第２の面は、ランダムにテクスチャ加工された面へ機械的に研磨されて、拡散反射を提供した。第２の面を基本ビームの波長より大きいフィーチャサイズでランダムにテクスチャ加工できる。散乱源のバリエーションは、完全または部分的な拡散プレートの使用、中でも屈折率整合を用いて裏面に付着された別個のテクスチャ加工片の使用を含む。

両方の除去方法、吸収および方向転換を組み合わせて使用できることにも留意すべきである。例えば、プレートを最初にランダムにテクスチャ加工して、次に、吸収層を裏面の上部に堆積することができる。

分離素子をもつ直接周波数２倍化デバイスおよびビーム除去
第３の実施例は、第１の実施例と同様であり、共通の特徴は繰り返されなくてよい。先の実施例におけるものと同じか、または同様の機能を有する部品は、共通の数値ラベルで図中にラベル付けされる。図１８に示される、この第３の実施例では、レーザダイオード３１のような半導体レーザである固体発光体によって放出された光の周波数２倍化によって波長範囲２００ｎｍ〜２７０ｎｍにおける深紫外光が発生する。レーザダイオード３１から放出された基本ビームは、４００ｎｍと５４０ｎｍとの間の波長を含む。この例では、レーザダイオードは、およそ４４０ｎｍの放出波長をもつＡｌ_ｙＧａ_ｘＩｎ_ｚＮ材料を含む。

レーザダイオード３１から放出された基本ビームは、ＮＬＦＣ部品１１上に入射する。随意的に、基本ビーム４は、ＮＬＦＣ部品１１上に入射する前に１つ以上の光学素子中を伝搬し、これらの光学素子は、例えば、基本ビームがＮＬＦＣ部品内でウェストへ収束するようにその特性を修正する。この実施例では、基本ビームは、レーザダイオードによって放出されたビームの発散角を減少させるコリメーティングレンズ３２中を伝搬し、基本ビームは、次に、それがＮＬＦＣ部品の方へ伝搬するにつれて収束していくように基本ビームを集束させる１つ以上のレンズを含んだ光学システム３３中を伝搬して、次に、ＮＬＦＣ部品内でウェストを形成して（すなわち、基本ビームの半径が最小値に到達して）、その後、基本ビームは、それがＮＬＦＣ部品中をさらに伝搬するにつれて発散し、ＮＬＦＣ部品の外へ伝搬したときに発散し続ける。

光学システム３３は、基本ビームの少なくとも１つの面内の基本ビームの収束角がＮＬＦＣ部品中の変換ビームのＳＨＧを良好な効率で生じさせるように構成される。この実施例には、ＮＬＦＣ部品は、基本ビームの波長（すなわち、およそ４４０ｎｍ波長）をもつ光の位相整合タイプＩのＳＨＧに方向を合わせたβ−ＢａＢ_２Ｏ_４の部品であり、変換ビームは、およそ２２０ｎｍの波長を有する。変換ビーム５は、ＮＬＦＣ部品内で複屈折によるウォークオフを受けることがあり、例えば、波長４４０ｎｍの基本ビーム、およびβ−ＢａＢ_２Ｏ_４のケースでは、ウォークオフ角がおよそ４°である。

基本ビームの２つの面は、本明細書では「ｓ偏光面」および「ｐ偏光面」として定義される。ｓ偏光面は、基本ビームの伝搬の方向と第１の鏡面２による反射においてその後にｓ偏光される電界振動の方向とを含む面である。ｐ偏光面は、基本ビームの伝搬の方向と第１の鏡面２による反射においてその後にｐ偏光される電界振動の方向とを含む面である。

ＮＬＦＣ部品上に入射する基本ビームの収束半角は、ｓ偏光面およびｐ偏光面において０．１°と１５°との間、好ましくは両面において０．５°と３°との間の範囲内にある。基本ビームは、好ましくは、ＮＬＦＣ部品内でビームの両面内にウェストを形成し、次に、ＮＬＦＣ部品の外へ伝搬した後には、ＮＬＦＣ部品上に基本ビームが入射したときのそれぞれの面内の収束半角と同様にｓ偏光およびｐ偏光における発散半角で発散する。

変換ビームは、ＮＬＦＣ部品内のＳＨＧによって発生する。混合ビーム３は、発散する基本ビームおよび変換ビームを含み、これらのビームが互いに重なっていることがある。

随意的に、混合ビームは、図１９に示されるように、追加のフィルタ素子３４上に入射し、この素子は、変換ビーム５に対して高反射率および基本ビーム４に対して低反射率を有する。反射された混合ビーム３は、次に、波長分離素子１の第１の鏡面上に入射する。代わりに、混合ビーム３は、追加のフィルタ素子３４から反射することなく波長分離素子１の第１の鏡面上に入射する。

波長分離素子１は、第１および第２のプレート２１を含む。混合ビーム３は、第１のプレートの第１の鏡面２上に入射する。基本ビームの優勢な偏光は、第１の鏡面による入射においてｐ型である。変換ビームの優勢な偏光は、第１の鏡面による入射においてｓ型である。

第１の鏡面２は、ＭｇＦ_２およびＬａＦ_３の多層を含み、第１のプレートは、ＵＶ溶融石英である。第１の鏡面における基本ビームの入射角は、ブリュースター角

におよそ等しい。第１の鏡面は、変換ビームのｓ偏光に対しておよそ９９％の高反射率を提供するように構成される。第１の鏡面は、基本ビームのｐ偏光成分に対しておよそ０．１％の低反射率および基本ビームのｓ偏光成分に対しておよそ２０％の反射率を提供する。第１の鏡面２からの基本および変換ビームは、第２のプレート２１の第２の鏡面２上に入射する。第２の鏡面は、第１の鏡面にほぼ平行である（すなわち、第１および第２の鏡面間の角度は、２°未満である）。第２の鏡面は、基本および変換ビームに対して同様の反射率を有するように構成される（すなわち、多層コーティングは、第１の鏡面用と同じであってよく、第２のプレートの材料は、第１のプレートと同じであってよい）。先の実施例のように、基本および変換ビームが第１の鏡面から合計３回、および第２の鏡面から合計２回反射される。透過した基本ビーム４は、第１および第２のプレート２１の第２の面２２上に配置された吸収材料３０によって吸収される。適切な材料の例は、吸収インク、顔料、色素または塗料である。選択肢として他の有機または無機材料が用いられてもよい。第２の面２２は、さらに、随意的に、透過した基本ビームの散乱を提供するためにテクスチャ加工されて（それらの上に配置された吸収材料ありまたはなしのいずれであって）もよい。

第１および第２のプレートの寸法は、式４、５および６の結果に従って設定されてよい。

波長分離素子中の伝搬後に、出力変換ビームは、コリメーティングオプティクス１４を使用してコリメートされてよい。随意的に、コリメーティングオプティクスは、ＮＬＦＣ部品と波長分離素子との間のビーム経路中に配置されてもよい。しかしながら、好ましいのは、コリメーティングオプティクス１４が出力変換ビームに作用することであり、その理由は、これがＮＬＦＣ部品から比較的遠距離でのコリメーティングオプティクスの使用を可能にし（それによって、出力変換光の良好なビーム品質を保証し）、一方では非常にコンパクトなＮＬＦＣデバイス４０も可能にするからである。

この実施例による波長分離素子の性能が基本波長およそ４４０ｎｍおよび変換波長およそ２２０ｎｍを用いたＮＬＦＣデバイスについて実験的に測定された。ＮＬＦＣ部品と第１の鏡面との間の混合ビームの経路中に追加のフィルタ素子３４を含んだ第１のデバイスでは、波長分離素子は、少なくとも５×１０^３の基本ビームに対する除去比を呈示し、変換ビームの透過効率は、少なくとも９８％であった。混合ビームがダイクロイックミラーからの反射のなしに第１の鏡面上に入射した第２のデバイスでは、基本ビームに対する除去比は、少なくとも１×１０^５であり、変換ビームの透過効率は、少なくとも９８％であった。高除去比および高透過比は、本実施例によるＮＬＦＣデバイスに適しており、これらのデバイスでは基本ビームにおけるパワーで除した変換ビームにおけるパワーの比が１０^−５〜１０^−３の範囲内にありうる。

この実施例によるＮＬＦＣデバイス４０の全体サイズは、小さくてよい。例えば、波長

をもつ出力変換ビームを提供した、この実施例によるＮＬＦＣデバイス４０は、２５ｃｍ^２より小さいパッケージ・フットプリントを実証し、波長分離素子は、フットプリント中で１ｃｍ^２未満の面積を占有した。この発明による波長分離素子は、このように小さいＮＬＦＣデバイスを可能にして、一方では基本ビームの非常に高い除去比および変換ビームの高透過効率も提供する。

分離素子をもつ間接周波数２倍化デバイスおよびビーム除去
第４の実施例は、第１および第３の実施例と同様であり、共通の特徴は繰り返されなくてよい。図２０に示される、この第３の実施例では、波長範囲２００ｎｍ〜２７０ｎｍにおける深紫外光が中でもレーザダイオードから放出された光によってポンピングされる固体発光体によって放出されたより長い波長の光の周波数２倍化によって発生する。

レーザダイオード３１から放出されたビームは、１つ以上の光学部品からなるコリメーティングオプティクス３２によって最初にコリメートされて、次に、利得媒質を含んだ共振器３５中へ集束される。共振器から放出された基本ビームは、４００ｎｍと５４０ｎｍとの間の波長範囲内にあり、ＮＬＦＣ部品１１中を伝搬して、２００ｎｍと２７０ｎｍとの間の範囲内の波長をもつ変換ビームを発生させる。随意的に、共振器から放出された基本ビームは、それがＮＬＦＣ部品１１の方へ伝搬するにつれて収束していくように随意的な光学システム３３によって集束される。この実施例では、光学システム３３が用いられた。光学システム３３の集束の強さは、光学システム３３内の光学部品の焦点距離によって決定され、収束角で表すことができる。ｓ偏光面およびｐ偏光面内の収束角は、０．１°と１０°との間、好ましくは０．５°と３°との間の範囲内にある。ＮＬＦＣ部品から出射した混合ビーム３は、この部品の入力ビームと同様の角度で伝搬して、分離素子の第１の鏡面２上にθ_Ｂｒに近い入射角で入射する。混合ビームが分離素子中を伝搬するにつれて、基本ビームが吸収を介して取り除かれる。留意すべきは、方向転換を介した除去、または両方の組み合わせが実施例２に記載されるのと同様に適用可能なことである。ＮＬＦＣデバイス４０は、波長安定化、中でも共振器を用いた光学的強調のような追加の機能をもつ追加の光学部品を含むこともできる。

小さい角度に向きを合わせた面を用いた分離素子をもつＮＬＦＣデバイス
第５の実施例は、第１の実施例と同様であり、共通の特徴は繰り返されなくてよい。先の実施例におけるものと同じか、または同様の機能を有する部品は、共通の数値ラベルで図中にラベル付けされる。この実施例では、波長分離素子１は、第１の鏡面２をもつ第１のプレート２１、および第２の鏡面６をもつ第２のプレート２１を含み、第１および第２の鏡面は、互いに平行ではない。第１および第２の面の面法線間の角度は、α_ｓである。好ましくは、第１および第２の鏡面の面法線は、同じ幾何学的平面内にあり、前記平面は、第１の鏡面２上に入射する基本ビームの伝搬方向も含む。例示的な構成が図２１に示される。

角度αｓを用いる利点には２つの要素がある。第１に、除去比に対する基本ビーム４の発散の効果を低減できて、第２に、第１の鏡面上に入射する混合ビーム３成分の入射角における公差が緩和されうる。角度α_ｓをもつプレートからなるシステムでは、入射角が第１および第２の鏡面２、６上の連続した反射に対して変化する。混合ビーム３が第１の反射の際にブリュースター角θ_Ｂｒで入射する場合には、入射角は、連続した反射ごとにα_ｓ減少する。５回の反射を用いる分離素子のケースでは、３回目の反射の際の入射角がブリュースター角θ_Ｂｒであるようにシステムを構成できる。このように、ビームのための入射角は、ビームが伝搬するにつれてブリュースター角θ_Ｂｒの両側に変化する。α_ｓの選択は、入射角の好ましい範囲に依存して、０．０１°から１０°の範囲内にある。すべての反射にわたる入射角の範囲（「角度範囲」）は、好ましくは、ビーム発散全角

にほぼ等しいか、または部品ＮＬＦＣ部品１１から出射する混合ビーム３の方向に対する角度公差に近い。角度範囲が４°である場合には、２つのプレート間の傾斜は、α_ｓ＝４°／（ｎ−１）＝１°であり、第１の鏡面における入射角は、θ_Ｂｒ＋２α_ｓである。第１の鏡面における入射角は、２つのプレート間の開口が第１の鏡面反射の方を向く、言い換えれば、図２１に示されるようにビームが伝搬するにつれてプレート間のギャップが減少する場合にのみ、θ_Ｂｒ＋２α_ｓを用いて計算できる。開口が出射の方へ向う（ビームが伝搬するにつれてギャップが増加する）場合には、第１の鏡面における入射の角度は、θ_Ｂｒ−２α_ｓを用いて計算できる。開口は、入射角の角度スキャニングが低い方から高い方の値または逆になるかどうかを決定する。他のバリエーションでは、プレート２１の鏡面２、６および裏面２２を非平行とすることができる。鏡面２、６を通過した基本ビームは、裏面上の吸収層によって取り除かれるが、前の実施例に記載されたような他のバリエーションも可能である。

内部反射分離素子をもつＮＬＦＣデバイス
この実施例は、単一の内部素子４１を含んだ波長分離素子１を示し、混合ビーム３は、図２２に示されるように、前記素子の内部体積中を伝搬する。

分離素子１は、変換ビームを強く吸収せず（例えば、この材料による変換ビームの吸収が素子中の伝搬に対して５０％未満である）、随意的に、基本ビームを強く吸収しない材料を含む。分離素子は、例えば、前の実施例におけるように多層コーティングをもつ第１の鏡面２および第２の鏡面６を含む。これらのコーティングは、ｓ偏光の変換ビームが５０％より大きく、好ましくは９９％より大きい高反射率を経験するように構成される。混合ビーム３は、第１の鏡面上にブリュースター角θ_Ｂｒで入射し、ここで注目されるのは、このケースでは、基本ビームが空気より大きい屈折率（すなわち、分離素子１における材料の屈折率）をもつ媒質中を伝搬していることである。例えば、材料が屈折率ｎ＝１．５を有し、第１の鏡面の反対側の媒質が空気

であれば、

である。内部素子の側面４２の角度θ_Ｔｒ、および側面４２における基本ビームの入射角は、適切に選ばれる。例えば、図２２に示されるような台形が用いられてもよい。変換ビームに対して、透過率が５０％より大きく、好ましくは９９％より大きい高透過率をもつ側面４２上に堆積されたコーティングもありうる。基本ビームの大部分は、第１の鏡面において反射されず、変換ビームの大部分（好ましくは、少なくとも９９％）は、反射される。前の実施例より低い入射角を用いる利点は、ビームがより急な角度で反射するため、分離素子がより短くてよいことである。この構成の別の利点は、より高い屈折率をもつ媒質中への発散ビームのカップリングに関係し、その理由は、ビームが入射するときにビーム発散角θ_Ｂｅａｍが減少するからである。ビーム発散のこの狭小化は、第１および第２の鏡面２、６間のより小さい分離の使用を許容する。基本ビームの透過部分は、分離素子の外側を伝搬し、好ましいのは、このビームを吸収または方向転換によって取り除くことである。鏡面を透過する基本ビームの部分を吸収するために０．２ｍｍと１０ｍｍとの間の距離に吸収素子４３を用いることが好ましい。分離素子からのビームを取り除くために方向転換方法を使用できることも留意すべきである。実施例５におけるように、非平行な第１および第２の鏡面が用いられてもよい。

大きい角度に向きを合わせた面を用いた分離素子をもつＮＬＦＣデバイス
この実施例は、図２３に示されるように、第１、第２および第３の鏡面間の角度が大きい単一の素子を含んだ波長分離素子１を示す。この実施例は、第１の実施例と同様であり、共通の特徴は繰り返されなくてよい。

第１、第２および第３の鏡面２は、前の実施例における第１および第２の鏡面と同様の反射特性を有するように構成される。鏡面は、各反射における基本ビームの低反射のために基本ビームに対して好ましい入射角（例えば、ブリュースター角）を維持するように構成される。混合ビームは、第１の鏡面上に入射して、第２の鏡面へ反射され、次に、第３の鏡面へ反射されて、そこでさらなる反射が生じる。この実施例は、３回の反射を示すが、より少ないまたはより多い鏡面およびより多数回の反射を用いることもできて、それに応じて分離素子が構成される。各反射においてブリュースター角を満たすために、鏡面２は、鏡面間の角度がα_ｓ＝２θ_Ｂｒであるように構成されてもよい。分離素子１は、基本ビームに対する透明または吸収材料から作ることができる。鏡面２上に堆積されて、ｓ偏光の変換ビームに対して高反射率をもつ多層コーティングがある。これらのコーティングは、５０％より大きく、好ましくは９９％より大きい反射率を有する。混合ビーム３は、第１の鏡面上におよそブリュースター角で入射し、基本ビームの大部分が鏡面を透過する一方で混合ビームは反射される。裏面２２上に堆積された吸収層３０がある。鏡面を通過する基本ビームの部分が裏面２２上の吸収層３０によって吸収される。他のバリエーションでは、実施例１に記載されるように、基本ビームを方向転換させるために裏面をテクスチャ加工することもできる。この分離素子の別のバリエーションでは、単一片を個別片へ分割することもできる。この分離素子の別のバリエーションでは、ビームが固体ブロック中へカップリングされて、実施例６に示されるようにこのブロックによってガイドされる。別のバリエーションでは、真っすぐな鏡面２が共有の個々の曲面によって置き換えられる。

本発明のある態様は、それゆえに、非線形周波数変換（ＮＬＦＣデバイス）において第１のビームから第２のビームを分離するための波長分離素子であり、第２のビームは、第１のビームの波長とは異なる波長を有する。例示的な実施形態では、波長分離素子は、第１の鏡面、および第１の鏡面に対向する第２の鏡面を含む。第１および第２の鏡面は、第１のビームの反射率と比較して高い第２のビームの反射率を有し、第１および第２の鏡面は、第１のビームから第２のビームを分離するために第１および第２のビームが第１の鏡面と第２の鏡面との間で多重反射を受けるように構成される。第１および第２の鏡面は、第１および第２のビームが第１および第２の鏡面において少なくとも３回の反射を受けるように構成される。波長分離素子は、以下の特徴の１つ以上を個別に、あるいは組み合わせて含んでよい。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１および第２の鏡面は、少なくとも５０％の第２のビームの反射率、および最大１０％の第１のビームの反射率を有する。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１および第２の鏡面は、第１および第２のビームが第１の鏡面または第２の鏡面のうちの１つにおいて少なくとも２回の反射を受けるように構成される。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１および第２の鏡面は、第１および第２のビームが鏡面間の空間的ギャップ中を伝搬するように離隔された別個の素子上に配置される。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１および第２の鏡面は、第１および第２のビームが鏡面間の単一の素子の内部体積内を伝搬するように単一の素子上に配置される。

波長分離素子の例示的な実施形態では、鏡面間のギャップ「ｇ」および波長分離素子の長さ「Ｌ」は、第１および第２のビームを含んだ混合ビームの発散半角に基づいて決定される。

波長分離素子の例示的な実施形態では、波長分離素子は、第１の面および第１の面に対向する第２の面を有する少なくとも１つのプレート素子をさらに含み、第１の表面は、第１または第２の鏡面のうちの１つであり、第２の表面は、第１または第２の鏡面を透過する第１のビームの一部分を散乱する散乱素子を含む。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１の鏡面および第２の鏡面をそれぞれ備える第１の面を各々が含んだ２つの薄いプレートがあり、第２の面は、散乱素子を含む。

波長分離素子の例示的な実施形態では、波長分離素子は、第１の面および第１の面に対向する第２の面を有する少なくとも１つのプレート素子をさらに含み、第１の面は、第１または第２の鏡面のうちの１つであり、第２の面は、第１または第２の鏡面を透過する第１のビームの一部分を吸収する吸収素子を含む。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１の鏡面および第２の鏡面をそれぞれ備える第１の面を各々が含んだ２つの薄いプレートがあり、第２の面は、吸収素子を備える。

波長分離素子の例示的な実施形態では、波長分離素子は、少なくとも１つの薄いプレートをホルダ内に取り付けるために構成されたホルダをさらに含む。

波長分離素子の例示的な実施形態では、ホルダは、ベースおよびベースから垂直に延びる所定の構造を備え、少なくとも１つの薄いプレートがベース上で所定の構造に接触して取り付けられる。

波長分離素子の例示的な実施形態では、波長分離素子は、第１および第２の鏡面にそれぞれ近接し、第１および第２の鏡面を透過する第１のビームの一部分を吸収する第１および第２の吸収素子をさらに含む。

波長分離素子の例示的な実施形態では、第１の鏡面および第２の鏡面は、互いに非平行である。

本発明の別の態様は、非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）デバイスである。例示的な実施形態では、ＮＬＦＣデバイスは、基本ビームを備える第１のビームを発生させるように構成されたレーザ光源、基本ビームの一部分を変換ビームへ変換することによって発生する変換ビームを備える第２のビームを発生させるように構成されたＮＬＦＣ部品、およびいずれかの実施形態の波長分離素子を含み、第１のビームは、基本ビームであり、第２のビームは、変換ビームである。ＮＬＦＣデバイスは、以下の特徴の１つ以上を個別に、あるいは組み合わせて含んでよい。

ＮＬＦＣデバイスの例示的な実施形態では、ＮＬＦＣデバイスは、波長分離素子から出力される出力変換ビームをコリメートするために波長分離素子がＮＬＦＣ部品と出力コリメーティングオプティクスとの間の第２のビームの伝搬経路上に配置されるように構成された出力コリメーティングオプティクスをさらに含む。

ＮＬＦＣデバイスの例示的な実施形態では、コリメーティングオプティクスは、０．５で除したＮＬＦＣ部品の長さより大きい、第２のビームの伝搬経路に沿って測定された、ＮＬＦＣ部品の中心からの距離である。

ＮＬＦＣデバイスの例示的な実施形態では、ＮＬＦＣ部品は、基本ビームの一部分を周波数２倍化することによって変換ビームを発生させるように構成され、変換ビームは、入力ビームの波長の半分に等しい波長を有し、変換ビームは、深紫外光ビームである。

ＮＬＦＣデバイスの例示的な実施形態では、ＮＬＦＣデバイスは、基本ビームを発生させるように構成されたレーザダイオードをさらに含む。

ＮＬＦＣデバイスの例示的な実施形態では、ＮＬＦＣデバイスは、ＮＬＦＣ部品と波長分離素子との間に置かれたフィルタ素子をさらに含み、フィルタ素子は、基本ビームの反射率と比較して高い変換ビームの反射率を有する。

本発明は、ある特定の１つまたは複数の実施形態に関して示され、記載されたが、この明細書および添付図面を読んで理解したときに、当業者には等価な変化および変更が想起されるであろう。特に、上記の素子（部品、組立品、デバイス、組成物など）によって行われる様々な機能に関して、かかる素子を記載するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、他に指示されない限り、本発明の本明細書における例示的な１つまたは複数の実施形態における機能を行う開示される構造とたとえ構造的には等価でなくても、記載される素子の指定された機能を行う（すなわち、機能的に等価な）任意の素子に対応することが意図される。加えて、本発明の特定の特徴がいくつかの実施形態のうちの１つ以上に対してのみ先に記載されたが、いずれかまたは特定の用途に所望され、有利である場合には、かかる特徴が他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。

関連出願の相互参照
この通常の出願は、２０１５年１２月３日に出願された米国特許出願第１４／９５８，０２９号に関する優先権を合衆国法典３５巻第１１９条の下で主張し、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

産業上の利用可能性
本発明による波長分離素子は、ＮＬＦＣを用いた光源、例えば、紫外光源に使用されてよい。前記光源は、蛍光センサまたは吸収センサにおける光源として使用されてよい。

参照記号リスト
１．波長分離素子
２．第１の鏡面
３．混合ビーム
４．基本ビーム
５．変換ビーム
６．第２の鏡面
７．透過ビーム
１０．ＮＬＦＣ発生器
１１．ＮＬＦＣ部品
１２．内側の光線
１３．外側の光線
１４．コリメーティングオプティクス
１５．有効光源
２０．非一次ビーム
２１．薄いプレート
２２．薄いプレートの第２の面
２３．所定のフィーチャ
２４．ベース
２５．ホルダ
２６．アパーチャ
２７．長辺側
３０．吸収層
３１．レーザダイオード
３２．コリメーティングオプティクス
３３．光学システム
３４．フィルタ素子
３５．利得媒質をもつ共振器
４０．ＮＬＦＣデバイス
４１．内部素子
４２．内部素子の側面
４３．吸収素子
４４．第２のセクション
４５．第１のセクション

Claims (20)

1. 非線形周波数変換（ＮＬＦＣデバイス）において第１のビームから第２のビームを分離するための波長分離素子であって、前記第２のビームは、前記第１のビームの波長とは異なる波長を有し、前記波長分離素子は、
   第１の鏡面、および
   前記第１の鏡面に対向する第２の鏡面
   を備え、
   前記第１および第２の鏡面は、前記第１のビームの反射率と比較して高い前記第２のビームの反射率を有し、前記第１および第２の鏡面は、前記第１のビームから前記第２のビームを分離するために、前記第１および第２のビームが前記第１の鏡面と前記第２の鏡面との間で多重反射を受けるように構成され、
   前記第１および第２の鏡面は、前記第１および第２のビームが前記第１および第２の鏡面において少なくとも３回の反射を受けるように構成された、
   波長分離素子。
2. 前記第１および第２の鏡面は、少なくとも５０％の前記第２のビームの反射率、および最大１０％の前記第１のビームの反射率を有する、請求項１に記載の波長分離素子。
3. 前記第１および第２の鏡面は、前記第１および第２のビームが前記第１の鏡面または前記第２の鏡面のうちの１つにおいて少なくとも２回の反射を受けるように構成された、請求項１〜２のいずれかに記載の波長分離素子。
4. 前記第１および第２の鏡面は、前記第１および第２のビームが前記鏡面間の空間的ギャップ中を伝搬するように離隔された別個の素子上に配置された、請求項１〜３のいずれかに記載の波長分離素子。
5. 前記第１および第２の鏡面は、前記第１および第２のビームが前記鏡面間の単一の素子の内部体積内を伝搬するように前記単一の素子上に配置された、請求項１〜４のいずれかに記載の波長分離素子。
6. 前記鏡面間のギャップ「ｇ」および前記波長分離素子の長さ「Ｌ」は、前記第１および第２のビームを含んだ混合ビームの発散半角に基づいて決定される、請求項１〜５のいずれかに記載の波長分離素子。
7. 第１の面および前記第１の面に対向する第２の面を有する少なくとも１つのプレート素子をさらに備え、前記第１の面は、前記第１または第２の鏡面のうちの１つであり、前記第２の面は、前記第１または第２の鏡面を透過する前記第１のビームの一部分を散乱する散乱素子を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の波長分離素子。
8. 前記第１の鏡面および前記第２の鏡面をそれぞれ備える第１の面を各々が含んだ２つの薄いプレートを備え、第２の面は、前記散乱素子を含む、請求項７に記載の波長分離素子。
9. 第１の面および前記第１の面に対向する第２の面を有する少なくとも１つのプレート素子をさらに備え、前記第１の面は、前記第１または第２の鏡面のうちの１つであり、前記第２の面は、前記第１または第２の鏡面を透過する前記第１のビームの一部分を吸収する吸収素子を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の波長分離素子。
10. 前記第１の鏡面および前記第２の鏡面をそれぞれ備える第１の面を各々が含んだ２つの薄いプレートを備え、第２の面は、前記吸収素子を備える、請求項９に記載の波長分離素子。
11. 前記少なくとも１つの薄いプレートをホルダ内に取り付けるために構成された前記ホルダをさらに備える、請求項７〜１０のいずれかに記載の波長分離素子。
12. 前記ホルダは、ベースおよび前記ベースから垂直に延びる所定の構造を備え、前記少なくとも１つの薄いプレートが前記ベース上で前記所定の構造に接触して取り付けられた、請求項１１に記載の波長分離素子。
13. 前記第１および第２の鏡面にそれぞれ近接し、前記第１および第２の鏡面を透過する前記第１のビームの一部分を吸収する第１および第２の吸収素子をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の波長分離素子。
14. 前記第１の鏡面および前記第２の鏡面は、互いに非平行である、請求項１〜１３のいずれかに記載の波長分離素子。
15. 非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）デバイスであって、
    基本ビームを備える第１のビームを発生させるように構成されたレーザ光源、および
    前記基本ビームの一部分を前記変換ビームへ変換することによって発生する変換ビームを備える第２のビームを発生させるように構成されたＮＬＦＣ部品、ならびに請求項１〜１４のいずれかに記載の波長分離素子
    を備え、前記第１のビームは、前記基本ビームであり、前記第２のビームは、前記変換ビームである、ＮＬＦＣデバイス。
16. 前記波長分離素子から出力された出力変換ビームをコリメートするために前記波長分離素子が前記ＮＬＦＣ部品と出力コリメーティングオプティクスとの間の前記第２のビームの伝搬経路上に配置されるように構成された前記出力コリメーティングオプティクスをさらに備える、請求項１５に記載のＮＬＦＣデバイス。
17. 前記コリメーティングオプティクスは、０．５で除した前記ＮＬＦＣ部品の前記長さより大きい、前記第２のビームの前記伝搬経路に沿って測定された、前記ＮＬＦＣ部品の中心からの距離である、請求項１６に記載のＮＬＦＣデバイス。
18. 前記ＮＬＦＣ部品は、前記基本ビームの一部分を周波数２倍化することによって前記変換ビームを発生させるように構成され、前記変換ビームは、前記入力ビームの前記波長の半分に等しい波長を有し、前記変換ビームは、深紫外光ビームである、請求項１５〜１７のいずれかに記載のＮＬＦＣデバイス。
19. 前記基本ビームを発生させるように構成されたレーザダイオードをさらに備える、請求項１８に記載のＮＬＦＣデバイス。
20. 前記ＮＬＦＣ部品と前記波長分離素子との間に置かれたフィルタ素子をさらに備え、前記フィルタ素子は、前記基本ビームの反射率と比較して高い前記変換ビームの反射率を有する、請求項１５〜１９のいずれかに記載のＮＬＦＣデバイス。