JP2020514793A - 高温光学分子汚染防止ゲッターシステム - Google Patents

Abstract

加熱素子が、密封筐体内の内部大気雰囲気中の汚染物質に、その汚染物質を不活性化する反応を生じさせるのに十分なエネルギー密度を印加するように構成される。

Description

［優先権主張］
本願は、参照として全文が本願に組み込まれる米国仮出願第６２／４４０２１５号の優先権を主張する。

本発明の実施形態は、光学システムの動作中に光学部品筐体から汚染物質を除去することに関する。

高パワー光学システムの動作中においては、放射経路中に位置する汚染表面が、多量のエネルギーを吸収して、レーザー光の吸収に起因する物質変化を受け得る。このため、光学システム内の光学部品をクリーンに保ち、全ての汚染物質が無いようにすることが重要である。光学システムにおいて汚染された重要な光学表面はシステムの性能を低下させる。

汚染物質が無い光学システムを維持するために、最新のレーザーは密封された気密筐体内で動作する。その筐体は、動作中に光学システムを取り囲む空気中の粉塵や他の汚染物質がレーザーの内部部品に影響を与えないようにすることを保証する。それにもかかわらず、密封された筐体内であっても、レーザーシステムは、製造時に存在していた浮遊粉塵や汚染物質でシステム内部の部品が汚れることに起因して性能の低下を受け得る。

上記の点に鑑みて、本願発明が為されたものである。

密封筐体内において大気雰囲気で使用される触媒ゲッターシステムの創生に関する本開示の態様によって、従来技術に関する欠点が解消される。本開示の実施形態は、ワイヤ状の加熱素子を用い、その加熱素子に電流を流して汚染物質を不活性にする、例えば、筐体内の大気雰囲気から汚染物質を除去したり、汚染物質を分解したりする第一実施形態を含む。本開示の第二実施形態は、光学システムからの放射によって加熱される加熱素子を含む。

本開示の教示は、添付図面と共に以下の詳細な説明を参酌することによって直ちに理解可能なものである。

本開示の一態様に係る加熱ワイヤゲッターの上面からの見下ろし図である。 本開示の一態様に係る加熱ワイヤゲッターの側面図である。 本開示の一態様に係る光学システムの上面からの見下ろし図であり、加熱ワイヤゲッターの位置を示す。 本開示の一態様に係るホットビームダンプゲッターの上面からの見下ろし図である。 本開示の一態様に係る非線形光学素子とホットビームダンプゲッターとを備える光学システムの概略図である。 本開示の一態様に係るホットビームダンプゲッターが配置されている光学システムの上面からの見下ろし図である。 本開示の一態様に係るトロイダルビームダンプの上面からの見下ろし断面図である。 本開示の一態様に係るトロイダルビームダンプの外観の側面図である。 本開示の一態様に係るトロイダルホットビームダンプゲッターが配置されている光学システムの上面からの見下ろし図である。 本開示の一態様に係るホットビームダンプの拡大分解図である。

以下の詳細な説明は例示目的で多くの具体的な詳細を含むものであるが、以下の詳細に対する多様な修正や変更も本発明の範囲内にあることを当業者は理解されたい。従って、以下説明される本発明の例示的な実施形態は、特許請求される発明に対して何らの一般性も失わず、また何らの制限も課さずに与えられるものである。

以下の詳細な説明では、本願の一部を成す添付図面を参照するが、添付図面は、本発明が実施され得る具体的な実施形態を例示するものとして示される。この点に関して、「上」、「下」、「前」、「後」、「先頭」、「末尾」等の方向に関する用語は、説明されている図面の向きを基準として用いられているものである。本発明の実施形態の部品は、多種多様な向きで配置可能であるので、方向に関する用語は、例示目的で用いられているものであって、限定的なものではない。本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態が利用可能であり、また、構造的な変化や合理的な変化が為され得る。従って、以下の詳細な説明は限定的なものとして解釈されるものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められるものである。

［序論］
最新のレーザーは、光学システム内に導入される粉塵や他の汚染物質を可能な限り減らすために特別なクリーンルーム内で製造される。製造中の導入される汚染物質の他にも、レーザー自体の部品がガスを発生させ得て、そのガスがレーザー筐体内に放出され、レーザービームによって与えられるエネルギーによって反応するように誘起されて、光学システムの表面を汚染して悪影響を与え得る。高パワーレーザーシステム（例えば、略１ワット以上の光出力を有するシステム）は、特に、空気中の汚染物質からの損傷を受け易く、その汚染物質は光反射表面や光透過表面上に落ち着いて、高パワーレーザー光と反応する。本願において、「光」との用語は、概して、赤外線から紫外線までに至る周波数範囲（略１ナノメートル（１０^−９メートル）から略１００マイクロメートルまでの真空波長範囲にほぼ対応）内の電磁放射のことを称する。短波長の光はエネルギーが高いので、低パワーにおいて汚染物質と反応し易い。

高パワー光は、光学部品の表面上の物質を焼き又は光化学的に十分に変更させ、吸収性の暗いスポットを生じさせ得て、そのスポットが機器を故障させ得る。また、パルスの形式（つまりは、パルスエネルギー）も焼化率の因子であることが証拠により示唆されている。このため、光学システムの筐体は、外気から密封されて、極めてクリーンな条件下で製造される。それでも、システムの製造の結果として生じる汚染物質が密封筐体内に存在し得て、最新の換気装置でも除去不可能なものとなり得る。

汚染物質の例としては、揮発性有機化合物（ＶＯＣ，ｖｏｌａｔｉｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）等の多様な化合物、例えば、炭素質化合物、ポリマー、そのモノマー単位、グリース、有機ケイ素、油、研磨用化合物、フッ化炭化水素が挙げられるが、これらに限定されるものではない。こうした汚染物質は、クリーンな製造管理を介して排除することが難しいものである。幾つかの形態の汚染物質を排除するために製造業者によって使用されている一つの方法は、密封レーザー筐体内にゲッターを配置することである。

ゲッターは反応性又は捕捉性の物質であり、真空管の製造において典型的には使用され、動作中に真空管内部の部品の加熱と冷却によって生じるガスを吸収する。真空管内のゲッターは、典型的にはバリウム製であり、真空管の壁に平らにコーティングされるものであるが、他の物質や種類のゲッターも使用されている。ゲッターは、動作中に真空管の部品によってガス排出される汚染物質と反応し又は汚染物質を捕捉するものであるので、緩やかに消費されていく。

高パワーレーザーに関して、ゲッターのコンセプトは同様のものとなるが、その遂行方法が異なる。レーザーは典型的に標準大気圧における密封ハウシングで動作するので、反応性ゲッターは適切に動作しない。何故ならば、筐体が空気で満たされていて、その空気がそのゲッターと反応するからである。製造業者は、製造中に存在している湿気をレーザーハウシング内部の大気雰囲気から除去するために、乾燥剤ゲッターパックを使用している。乾燥剤パックは、ＶＯＣや大型分子等の全ての汚染物質を除去するのに効率的なものではない。製造業者は、ＶＯＣを捕捉する手段として分子篩も使用している。

ＶＯＣは、レーザーの製造及び動作において特に問題を示す。この種の汚染物質は、光学部品の表面に移動し、十分な強度及び光子エネルギーの光が当たると分解して、酸化物を形成する。そして、その酸化物が光学システムの光学部品上に半透過性のフィルム／コーティングを形成して、出力を低下させ、ビーム形状に影響を与え、永続的な損傷を生じさせる。

本開示の態様によると、加熱素子が、汚染物質を内部大気雰囲気の外に出す反応を生じさせるのに十分なエネルギー密度を筐体内の汚染物質に印加する。このための一つの方法は、汚染物質が当たる表面を、その反応を生じさせるのに十分な温度に加熱することである。代わりに、放射のみで汚染物質を加熱し得るが、これは、その反応を生じさせるように、放射のエネルギー密度が十分に大きく、汚染物質がその放射に対して十分に吸収性である場合である。

本開示の態様は、例えば、触媒ゲッターと本願で称される種類のゲッターを用いて実施可能である。このようなゲッターでは、加熱素子の熱い表面は平衡状態にない。代わりに、その熱い表面における汚染物質と大気雰囲気中の他の成分（例えば、酸素）との間の反応で揮発性汚染物質が実質的に破壊される。触媒反応が、加熱素子の表面上に不揮発性反応生成物を形成する。光学筐体が十分良好に密封されていると、このような触媒ゲッターは、汚染物質の分圧をほぼゼロにする可能性があるが、これは乾燥剤ゲッターでは不可能である。

触媒ゲッターが所望のとおりに動作するのにとって重要となる触媒ゲッターの特徴はいくつかある。例えば、触媒ゲッターがその中で動作する光学筐体が密封され、ゲッターの加熱時に汚染物質と反応する成分を含む内部大気雰囲気を含むことが重要である。このような成分の一例は酸素である。他の重要な特徴は、筐体内部の他の部品と比較して相対的に高温で触媒ゲッターを動作させることである。触媒反応が触媒ゲッターの表面で優先的に行われるようにすることを保証するためには、ゲッター表面温度を筐体内の他の最も熱い部品の温度よりも高くすること、特に、ゲッター表面において反応する汚染物質の影響を受け易いいずれの光学部品の温度よりも高くすることが望ましい。

他の重要な特徴は、触媒ゲッター用の物質の選択である。好ましくは、ゲッター物質は、触媒反応を生じさせるのに十分な温度に加熱可能なものであって、また、筐体内部の光学部品の動作期間と比較して長期間にわたってその温度で動作可能なものである。本発明者による実験によると、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はこれら両方を含む触媒ゲッター物質が極めて良好に動作可能であることが示されている。

重要な特徴に加えて、本開示の触媒ゲッターにおいて望ましい他の有用な特徴もいくつかある。例えば、加熱素子の熱い表面にわたる対流が、必須ではないが有用である。このような対流は、汚染物質含有大気雰囲気を加熱素子に向けて、汚染物質の影響を受け易い光学部品から遠ざけるように流すことによって、受動的な拡散を促進する。

触媒ゲッターにとって有用な他の特徴は、高い表面積対体積比、つまり高い粗度である。その理由は、触媒反応の性質に関して理解可能なものである。要するに、触媒反応は、触媒ゲッター物質の表面上の吸着サイトにおいて行われる。粗い物質は、物質の体積に対して大きな表面積を有し、つまりは多くの吸着サイトを有する。

分かり易くするため、本開示の実施形態の当たり前の特徴が全て示され説明されるわけではない。このような実施形態の開発においては、その開発者の具体的な目標、例えば、応用や事業に関連する制約の順守を達成するために、実施形態特有の決定をいくつか為さなければならず、また、そのような具体的な目標は実施形態毎に異なり、また開発者毎に異なることを当業者は理解されたい。更に、このような開発の成果は複雑で時間がかかるものではあるが、本開示の利益を享受する当業者にとっては当たり前の作業であることを理解されたい。

［ホットワイヤ触媒ゲッター］
図１Ａ及び図１Ｂは、本開示の一態様に係る加熱素子１００のホットワイヤ（熱線）としての実施形態を示す。本実施形態では、加熱素子１００は、リードワイヤ（１０２）に両端が接続された或る長さの加熱ワイヤ（１０１）を備え、リードワイヤは、電気回路を形成するように電源（１０６）に接続される。触媒ワイヤはシールド（１０３）で覆われて、触媒ワイヤとシールドとの間に空隙を有する。触媒ワイヤとシールドは、光学部品（１０４）用の密封筐体内部表面に取り付けされる。

加熱ワイヤ（１０１）の長さは、密封筐体の体積に依存する。長い触媒ワイヤは、その表面上での汚染物質の分解に触媒作用する大きな面積を有するが、長さの増加は、ワイヤによって熱として散逸されるパワーの増加に対応する。

加熱ワイヤ（１０１）の物質は、一般的には、加熱時に、大気雰囲気の成分（例えば、酸素）と汚染物質（例えば、ＶＯＣ）との間の反応に触媒作用するものとして当該分野において知られているあらゆる導電性物質であり得る。ワイヤ（１０１）の他の望ましい性質は酸化耐性である。酸化物がワイヤ上に形成され始めると、所望の温度を維持するためには追加の電流が典型的には必要となる。従って、ワイヤ（１０１）が、ゲッター反応の所望の動作温度よりも十分に高い酸化温度を有する物質製であることが望ましい。ゲッター反応は、大気雰囲気から汚染物質を分解又は除去し、好ましくはワイヤ（１０１）の表面上に反応生成物を形成する。ワイヤが、高い電気抵抗率と、高い融点と、熱疲労耐性を有することが望ましいが、これは、加熱素子の動作には、動作中にワイヤを電流で加熱することと、システムが動作していない際にワイヤを冷却させることが含まれるからである。触媒ワイヤに使用される物質の例として、ニッケルクロム合金、ステンレス鋼が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、非限定的なものとして、３０４ステンレス鋼は、ニッケル及びクロムを含み、かなりの高温に耐えることができ、比較的安価であるので、良好な物質選択となる。

加熱ワイヤ（１０１）は、その加熱ワイヤ（１０１）の両端がリードワイヤ（１０２）に接続され得て、電流が触媒ワイヤを流れることができるようにされる。リードワイヤ（１０２）は、あらゆる導電性物質となり得るが、一般的な物質として銅、アルミニウムが挙げられる。加熱ワイヤ（１０１）は、あらゆる導電手段（１０５）、例えば、圧着、はんだ、ワイヤラップ等を介してリードワイヤ（１０２）に接続され得る。好ましくは、リードワイヤは絶縁体で絶縁され得て、その絶縁体は、加熱ワイヤ（１０１）への熱接続に起因してリードワイヤが加熱され得る高温に耐えるものである。触媒ワイヤ用の電源（１０６）は当該分野において知られているあらゆる電源であり得る。リードワイヤ（１０２）は、筐体の一部を通過し、フェルール（図示せず）によって支持、電気的絶縁、及び断熱され、そのフェルールは、各リードワイヤの一部を取り囲み、リードワイヤと筐体との間の界面に存在する。フェルールに用いられる物質は、例えば、セラミック、ガラス、プラスチック等を含む。

触媒ワイヤ（１０１）はシールド（１０３）の長さにわたって懸架される。シールド（１０３）は、円筒、半円筒、矩形、正方形、又は、ワイヤの熱から筐体内部の他の部品を保護する目的を果たすあらゆる形状のものであり得る。シールドは、複数のパネルから、又は他の同様の手段で形成、成形、鋳造、又は構築され得る。また、シールドは、分解反応の触媒作用中にワイヤから放出される汚染物質と、ワイヤを取り囲む対流誘起の気流によって運び出される反応物から部品を保護する機能も果たす。シールド（１０３）に使用可能な物質として、ガラス、セラミック、鋼鉄、アルミニウム、同様の耐熱性物質が挙げられるが、これらに限定されるものではない。シールドは、金属やプラスチックの取り付けブラケット、金属ワイヤタイ、プラスチックタイ、ボルト等のリジッド又はフレキシブルな取り付け部（１０７）によって、筐体に固定され得る。本開示の実施形態では、組み立てが簡単なため、加熱素子とシールドはプリント回路アセンブリ（ＰＣＡ，ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ）（１０８）上に取り付けられる。

図１Ｃに示されるように、ホットワイヤ加熱素子（１００）は、密封光学システム筐体（１０９）内部に、汚染物質ガスが加熱素子とは反応し易いが光学部品を汚染し難くすることを保証するのに十分に光学システム内の光路からは離すがシステムの光学部品（１１０）には近づけて取り付けられ得る。密封筐体（１０９）は、密封時に外部大気雰囲気が侵入することを防止するように構成される。密封の際に、筐体（１０９）は、加熱時にワイヤ（１０１）の表面において汚染物質と反応し得る成分を含む内部大気雰囲気を含む。

ＶＯＣは大気中に存在し、大抵は人間にとって無害である。ポリマーから成るＶＯＣは最も一般的な揮発性有機化合物であり、多くの日用品の添加物である。光学部品筐体は、大気中に存在し得るＶＯＣ等の汚染物質から光学部品を保護するように外界から密封される。光学部品筐体の空気中の化合物は、その筐体の密封性に起因して、典型的な手段ではフィルタリング除去できないものである。光学部品筐体は、一般的に標準室温（公称２１℃±１５％）で標準圧力（公称１気圧±１５％）において密封される。同様に、密封光学部品筐体内部の空気の組成は、標準乾燥空気の大気組成（略７８％の窒素と２１％の酸素）である。ＶＯＣの分解は４５０℃において好ましいものとなる。従って、本開示の実施形態では、ＶＯＣを分解するために加熱素子は４５０℃に加熱され、その高温は、加熱素子の表面から水を急速に沸騰させて、ＶＯＣが熱い加熱素子と相互作用するための面積を増やして、分解を更に改善するという効果も有する。また、加熱素子は、反応の酸化残部が収集される点としても機能する。ＶＯＣは、光学システムの機能に悪影響を与え得る汚染物質の一例に過ぎないことに留意されたい。他の汚染性で揮発性の有機化合物は２５０℃という低い温度で分解する。更に高温動作は、触媒表面の乾燥速度と、反応速度とを改善し得る。６００℃以上の加熱素子の動作温度が達成されている。従って、低いパワーで選択された汚染物質を分解するには低温加熱素子を有するのが望ましく、反応速度を改善するには高温加熱素子を有するのが望ましくなり得る。

［ホットビームダンプ触媒ゲッター］
本開示の態様は、電気的に加熱される触媒ワイヤを含む実施形態に限られない。例えば、非限定的に、図２は、本開示の態様に係る他の実施形態の加熱素子２００を示す。本実施形態では、放射（２０１）が、加熱を生じさせるように触媒表面に向けられる。この場合に望ましい特徴として、入射（レーザー）パワーの関数として所望の定常温度を成立及び達成するのに十分なように入力放射を吸収することができる表面が挙げられるが、これに限定されるものではない。達成される定常温度は、熱経路設計の結果である。入射パワーの吸収は以下の機構を介して達成可能である、即ち、物質選択による古典的な光吸収、幾何学的／形状因子の検討によって増強される吸収、所望の定常温度に影響する全体的な耐酸化性や物質変化。触媒表面は、シールド（図示せず）で覆われて、対流を介して加熱素子にわたって空気を流し、周囲の光学部品を保護し、加熱素子の表面から放出され得る汚染物質を捕捉する。加熱素子とシールドは、上述のような支持ワイヤ又はブラケット（２０４）によって支持され得る。触媒表面は、反射によって放射の加熱効率を増大させるような形状（２０３）にされ得る。放射が物質の表面に向けられると、角度並びにその物質及び空気の屈折率に依存して、一部は反射され、一部は吸収されるので、加熱素子での反射の増加は、放射から加熱素子に与えられるエネルギー量の増加を意味する。頂部（２０３）が閉じられた円錐状の加熱素子（２０２）は、システム内部で反射される放射（２０５）の量を増大させる。各反射（２０５）は、光ビームから加熱素子の表面に与えられるエネルギーの量を増大させる。入射光を加熱素子用の熱に変換する効率が７０％のビームシステムを、本開示の実施形態では２５回の反射で達成することができる。

実験例として、外径６．３ｍｍ、長さ１５ｍｍ、壁厚０．７５ｍｍの銅管の長さ方向の一端をつまんで、ビームダンプを作製した。ビームダンプを、二本の直径０．０６インチのステンレス鋼ワイヤで支持した。このビームダンプは、ビームダンプの温度を４５０℃に上昇させるのに略３０ワット（略０．０４６６ワット毎平方ミリメートル（Ｗ／ｍｍ^２））の光パワーしか必要としなかった。

例えば、非限定的なものとして、３０４ステンレス鋼は、ニッケル及びクロムを含み、かなりの高温に耐えることができ、比較的安価であるので、良好な物質選択となる。このような物質の触媒効率は、その表面上に適切な種類の酸化層を形成することによって改善され得る。フレーク状の酸化物は、レーザー環境にとって良いものではない。

適切な種類の酸化物は、ビームダンプ物質の適切な熱処理によって形成可能である。代わりに、他の物質にクロムめっきを施して、そのクロムを酸化させ得る。この種の酸化物の耐熱温度は略７００℃である。一部実施形態では、放射（２０１）で触媒ゲッターを加熱することによって、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で触媒ゲッターを酸化させることができる。触媒ゲッター（ホットワイヤ又はホットビームダンプ）の効率を増加させる他の方法として、表面仕上げを変更すること、例えば、カーボンナノチューブを用いて表面積を増大させたり、加熱素子の表面を粗面化したりすること等が挙げられる。

放射（２０１）は、最終的な出力ビームの生成（例えば、非線形光周波数変換）中に発生し得る「余剰光」（ｗａｓｔｅ ｌｉｇｈｔ）、又はサンプリングピックオフ（ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｉｃｋｏｆｆ）に起因し得るものであり、典型的には、システムの主要な出力光の一部とはみなされない。この光を捕捉するため、図２の実施形態は、余剰光を筐体の外に部分的に反射する一方で余剰光の一部が加熱素子に到達するようにするミラーの後ろに配置され得る。加熱素子を加熱する放射を発生させる非線形過程は筐体１０９内部で生じ得るものであるが、本開示の態様はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、二次ＵＶシールド（ｓｅａｌｅｄ）ビームの丸いスナウト部（ｓｎｏｕｔ）が、ホットビームダンプ（ピックオフや余剰反射光用）を必要とし得る。この場合、非線形過程は、汚染物質が不活性にされるのと同じ密封筐体内で生じる必要はない。

図３は、本開示の一態様に係るホットビームダンプ加熱素子（２００）を用いる光学システム（３００）の一例を概略的に示す。本システムは、概して、シード放射（３０２）を生成するシード放射源（３０１）を含む。シード放射源はレーザー、例えばダイオードレーザーであり得る。代わりに、シード源３０１は、ダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ，ｄｉｏｄｅ‐ｐｕｍｐｅｄ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）レーザーであって、パッシブＱスイッチやモードロック型のものとなるか、又は連続波（ＣＷ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗｖｅ）や準ＣＷで動作するものとなり得る。代わりに、他の種類のレーザーをシード源３０１として用いることもできる。図示されている例では、光増幅器（３０３）がシード放射を増幅し、結果として増幅された放射が、筐体（３０５）内の非線形光変換モジュールに結合される。光増幅器は、例えば、一つ以上のポンピング源（例えば、ダイオードレーザー）（３０４）からのポンピング放射によってポンピングされる或る長さのドープされた光ファイバーを含むファイバー増幅器であり得る。結果として増幅された放射が、例えば光ファイバーを介して、筐体に結合される。増幅された放射は、筐体（３０５）内の一つ以上の非線形光学素子（３０７、３１０）への入力（３０６）として機能する。

非線形光学素子（３０７、３１０）は、入力放射（３０６）を周波数変換して、非線形光周波数変換過程を介して所望の光周波数の出力放射（３１４）を発生させる。典型的には、入力放射（３０６）の一部は所望の出力放射に変換されず、この残余の入力放射は余剰光（３１５）とみなされる。図示されている例では、光学素子、例えばレンズ（３０８、３０９）が入力放射（３０６）を第一非線形光学素子（３０７）に結合させ、その第一非線形光学素子（３０７）が、入力放射（３０６）の一部を、その入力放射の周波数よりも高い周波数の中間放射（３１２）に変換する。追加の光学素子、例えばレンズ（３１１）が中間放射を第二非線形光学素子（３１０）に結合させ、中間放射と（場合によっては）残りの入力放射の一部とが関与する更なる非線形光学過程が、出力放射（３１４）を発生させる。

本願において、非線形光学過程との用語は、ほぼ単色で指向性の光ビーム、例えばレーザーによって生成される光ビームにおいてのみ典型的には観測可能な種類の光学現象を称する。高調波発生（例えば、第二次、第三次、第四次高調波発生）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、誘導ラマン効果が、非線形効果の例である。

非線形光波長変換過程は、非線形媒体を通過する所与の真空波長λ_０の入力光がその媒体及び／又は媒体を通過する他の光と相互作用して、入力光とは異なる真空波長を有する出力光を生成するという非線形光学過程である。真空波長との用語は、真空中を伝播する際に所与の周波数の電磁放射が有する波長を称し、真空中の光の速度を周波数で割ることによって与えられる。非線形波長変換は非線形周波数変換と等価である。何故ならば、これら二つの値は光の真空速度に関係しているからである。両用語は相互可換に使用され得る。

非線形光波長（周波数）変換過程の例として以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない：
高調波発生（ＨＨＧ，ｈｉｇｈｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、例えば、第二次高調波発生（ＳＨＧ，ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、第三次高調波発生（ＴＨＧ，ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、第四次高調波発生（ＦＨＧ，ｆｏｕｒｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）等。この場合、入力光の二つ以上の光子が相互作用して、周波数Ｎｆ_０の出力光子を生成する。ここで、Ｎは相互作用する光子の数であり、例えば、ＳＨＧではＮ＝２である；
和周波発生（ＳＦＧ，ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）。この場合、周波数ｆ_１の入力光子が周波数ｆ_２の他の入力光子と相互作用して、周波数ｆ_１＋ｆ_２の出力光子を生成する；
差周波発生（ＤＦＧ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）。この場合、周波数ｆ_１の入力光子が周波数ｆ_２の他の入力光子と相互作用して、周波数ｆ_１−ｆ_２の出力光子を生成する。

非線形光学素子（３０７、３１０）に使用可能な物質の例として、結晶物質、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、β‐ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）、タンタル酸リチウム、化学量論的タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、チタンリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４、またＫＴＰとしても知られている）、ヒ酸二水素アンモニウム（ＡＤＡ）、リン酸二水素アンモニウム（ＡＤＰ）、三ホウ酸セシウム（ＣｓＢ_３Ｏ_５、又はＣＢＯ）、重水素化ヒ酸二水素アンモニウム（ＤＡＤＡ）、重水素化リン酸二水素アンモニウム（ＤＡＤＰ）、重水素化アルギニンリン酸（ＤＬＡＰ）、リン酸二重水素ルビジウム（ＲｂＤ_２ＰＯ_４、又はＤＲＤＰ）、カリウムアルミニウムボレート（ＫＡＢＯ）、ヒ酸二水素カリウム（ＫＤＡ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、重水素化リン酸二水素カリウム（ＫＤ_２ＰＯ_４、又はＤＫＤＰ）、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７（ＬＢ４）、ギ酸リチウム一水和物（ＬＦＭ）、これらの同形体等が挙げられ、また、周期的分極物質、例えば、周期的分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的分極タンタル酸リチウム、周期的分極化学量論的タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

例えば、非限定的なものとして、第一非線形光学素子（３０７）が、入力放射（３０６）と非線形光学結晶とが関与する相互作用から第二次高調波放射（３１２）を発生させる第二次高調波生成結晶であり得て、第二非線形光学素子（３１０）が、第二次高調波放射（３１２）と、第二非線形光学素子（３１０）を透過する未変換の入力放射（３０６）との間の和周波相互作用を介して第三次高調波出力放射（３１４）を発生させる第三次高調波発生結晶であり得る。このような周波数変換レーザーシステムの出力放射（３１４）の波長は、所望の最終用途の応用の出力波長に応じて選択され得る。例えば、非限定的なものとして、その波長は、２００ｎｍから６μｍの間であり得る。

複屈折に起因して、出力放射（３１４）と余剰光（３１５）とは、異なる角度で第二非線形光学素子（３１０）から出射する。出力放射（３１４）は、例えばミラーによって、例えば窓を介して、筐体（３０５）の外へと偏向され得る。一部実施形態では、大部分の余剰光（３１５）も同様に、ミラー（３１６）を介して他の窓を通って筐体の外に偏向され得る。本開示の態様によると、ミラー（３１６）が部分反射性であり、一部の余剰光（３１５’）がミラーを透過してホットビームダンプ（２００）に向かうが、そのホットビームダンプ（２００）はミラーの後方に位置し、また、筐体（３０５）内部の汚染の影響を受け易い光学素子から離れている。余剰光の透過部分（３１５’）が、ホットビームダンプを、触媒反応がその表面で生じるのに十分な温度に加熱する。触媒反応は、筐体内の雰囲気から影響を受け易い光学素子、例えば、レンズ（３０８、３０９、３１１）、ミラー、非線形光学素子（３０７、３１０）を損傷又は劣化させる汚染物質を不活性化（例えば、除去や分解）する。例えば、非限定的なものとして、触媒反応は、汚染物質を、非汚染性の生成物に分解し、又は、汚染物質を不揮発性にし、例えば、一種以上の不揮発反応生成物を形成することによって、内部の大気雰囲気から汚染物質を除去し得る。一部実施形態では、触媒反応は、汚染物質から非汚染性の反応生成物を形成し、また、汚染物質から不揮発性の反応生成物を形成し得る。

図３に示されるタイプのシステムを実施するための構成はいくつか存在する。図４は、光学システム（４００）の考えられる構成を示す。図４に示されるように、入力放射（４０９）が非線形光学素子（４０２Ａ、４０２Ｂ）から出射するビーム経路に部分反射ミラー（４０１）が配置され、加熱素子（２００）がミラーの後方に配置される。ミラーは、所望の出力の波長を有する光（４０３）を反射し、また、余剰光（４０４、４０５）をビームダンプに向けて透過（又は部分的に透過）させる。非線形光学素子（４０２Ａ、４０２Ｂ）内で行われる非線形光周波数変換過程中に余剰光が発生する。例えば、未変換の赤外入力光（波長＞７００ｎｍ）が第一非線形光学素子（４０２Ａ）で余剰となり得て、赤外光及び緑色光（波長４９５〜５７０ｎｍ）が第二非線形光学素子（４０２Ｂ）で余剰となり得る。余剰光の波長は、入力波長と所望の出力波長とに依存し、その出力波長はあらゆる波長となり得るが、例示的な範囲は２００ｎｍから６μｍである点に留意されたい。

余剰光はホットビームダンプの表面で吸収され、光子エネルギーが熱エネルギーに変換される。過熱及び故障を防止するため、余剰光をホットビームダンプに向けて通し過ぎないようにミラー（４０１）を微調整することが必要となり得る。従って、ホットビームダンプ用に選択される物質として、光吸収性であったり、高い光損傷閾値を有したり、高い熱損傷閾値を有したりする物質や、完全又は高度な酸化状態にある物質が挙げられる。本開示の実施形態で使用可能な物質としては、多様なグレード、好ましくは３０４グレードや３１６グレードのステンレス鋼、金属銅、単結晶ドープサファイア、焼結アルミニウム酸化物合金、黒色アルミニウム酸化物コーティングが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本開示の実施形態の一つの利点は、既存のビームダンプを本実施形態のものに置換することによって、既存設計のレーザーと統合可能であることである。図３〜図４に示される実施形態の更なる利点として、小型であること、複雑ではないこと、追加の電気部品を必要としないことが挙げられる。

図５Ａは、本開示の態様に係るホットビームダンプ型加熱素子（５００）用の代替構成を示す。本実施形態では、加熱素子は、トロイダル形状に形成されて、中空壁（５０１）と、中心の円錐突出部（５０２）とを有する。円錐突出部（５０２）は、中空トロイドの内壁に向けて入射余剰光（５０３）を偏向させるように傾斜付けされる。中心孔（５０４）を、所望の波長のレーザービーム（５０６）と整列させる。

図５Ｂは、図５Ａに示されるビームダンプの側面図を示す。本実施形態は、４本の六角ボルト（５０７）と、スペーサ（５１２）によって離隔され中心孔（５０４）及び外側空隙（５０９）を有する２枚の面板（５０８）とによって取り付けブラケットに固定される。取り付けブラケット（５１０）と面板アセンブリの側面はガラスパネル（５１１）で覆われて、筐体内の光学部品を、加熱素子の熱から保護し、また、動作中に加熱素子（５１３）の表面から放出され得る汚染物質から保護する。外側空隙（５０９）は、加熱素子の本体周りの気流を改善する機能を有する。

図６は、密封筐体（６０９）内に図５Ａ〜図５Ｂに示されるタイプのトロイダルビームダンプを組み込んだ光学システム（６００）のレイアウトを示す。レーザーシステム（６００）は、入力光（６０１）から発生する多様な波長の光が、多様な角度でコリメートされたビームとして光増幅器から放出されるように設計される。本実施形態では、所望の波長の光（６０３）を選択的に反射するためのミラーを必要とせずに、ビームダンプ（６０４）が、波長変換器（６０２）の出力部に沿って配置され得る。代わりに、ブリュースター角でカットされ得る非線形光学素子の出力面の角度の影響に起因して、余剰光（６０５）は、ビームダンプ（６０４）の位置に基づいてダンプに選択的に吸収される。

図７は、本開示の実施形態の拡大分解図を示す。本実施形態は、図２に示されるホットビームダンプの一バージョンを示す。追加点として、放射率を低減する金メッキのアルミニウム取り付けブラケット（７０１）、取り付けブラケットと一体のシールド（７０２）、触媒用の屈曲取り付け部を有する通気式金メッキ取り付け表面部（７０３）、及び、ステンレス鋼触媒（７０４）が含まれる。

以上が本発明の好ましい実施形態の完全な説明であるが、多様な代替物、修正物、等価物が使用可能である。従って、本発明の範囲は、以上の説明を参照して決められるものではなくて、添付の特許請求の範囲を、その等価物の完全な範囲と共に参照して決められるものである。あらゆる特徴は、その特徴が好ましいものであろうとなかろうと、他の特徴と、その他の特徴が好ましいものであろうとなかろうと、組み合わせ可能なものである。特許請求の範囲において、数が限定されていない事項は、特に断らない限り、その事項を一つ又は複数含む。添付の特許請求の範囲は、「手段（ミーンズ）」との用語が所与の請求項において明示的に用いられていない限りは、ミーンズプラスファンクションの限定を含むものと解釈されるものではない。特定の機能を行うための「手段（ミーンズ）」と明示的に記載されていない請求項中の要素は、米国特許法第１１２条第６項に基づく「手段（ミーンズ）」や「段階（ステップ）」と解釈されるものではない。

１００ ホットワイヤ加熱素子
１０１ 加熱ワイヤ
１０２ リードワイヤ
１０３ シールド
１０４ 光学部品
１０５ 導電手段
１０６ 電源
１０７ 取り付け部
１０８ プリント回路アセンブリ
１０９ 筐体
１１０ 光学部品
２００ ホットビームダンプ加熱素子

Claims (27)

1. 外部及び内部を有する密封筐体であって、該密封筐体の内部が内部大気雰囲気を有し、前記内部大気雰囲気中の汚染物質の影響を受ける一つ以上の光学部品を含む密封筐体と、
   前記密封筐体内部の加熱素子であって、前記内部大気雰囲気中の汚染物質が関与する反応を生じさせるのに十分なエネルギー密度を前記汚染物質に印加するように構成されている加熱素子と、を備え、
   前記反応が前記汚染物質を不活性化する、光学システム。
2. 前記内部大気雰囲気が酸素を含み、前記内部大気雰囲気中の汚染物質が関与する反応が、前記汚染物質と前記内部大気雰囲気の他の成分との間の反応である、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記加熱素子が前記内部大気雰囲気中の汚染物質の影響を受ける一つ以上の光学部品の温度よりも高い温度に加熱された際に、前記内部大気雰囲気中の汚染物質が関与する反応が前記加熱素子の表面において生じ、前記反応が反応生成物を形成することによって前記汚染物質を不活性化する、請求項１に記載の光学システム。
4. 前記加熱素子が加熱ワイヤを備える、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記加熱ワイヤが電流によって加熱されるように構成されている、請求項４に記載の光学システム。
6. 前記密封筐体内部に中空シールドを更に備え、前記中空シールドが、内部と、外部と、該外部から該内部に繋がる少なくとも一つの開口とを有し、前記加熱素子が前記中空シールド内に含まれている、請求項３に記載の光学システム。
7. 前記加熱素子が放射によって加熱されるように構成されている、請求項３に記載の光学システム。
8. 前記加熱素子が、一つ以上の非線形光学過程からの放射によって加熱されるように構成されている、請求項７に記載の光学システム。
9. 前記放射が余剰放射を含む、請求項７に記載の光学システム。
10. 前記加熱素子が、前記密封筐体内部で生じる一つ以上の非線形光学過程に起因する出力ビームに沿って位置している、請求項７に記載の光学システム。
11. 前記内部大気雰囲気中の汚染物質の影響を受ける一つ以上の光学部品が、前記密封筐体内部で生じる一つ以上の非線形光学過程に関与する一つ以上の非線形光学素子を含む、請求項７に記載の光学システム。
12. 前記一つ以上の非線形光学素子が一つ以上の非線形光学結晶を含む、請求項１１に記載の光学システム。
13. 前記放射の源が主要光学過程の一部に起因する、請求項７に記載の光学システム。
14. 前記放射の源が前記加熱素子を加熱するために含まれている追加の部品又はシステムである、請求項７に記載の光学システム。
15. 前記加熱素子がトロイダル形状を有する、請求項３に記載の光学システム。
16. 前記加熱素子が円錐形状を有する、請求項３に記載の光学システム。
17. 前記加熱素子が管形状を有する、請求項３に記載の光学システム。
18. 前記加熱素子が鉄合金製である、請求項３に記載の光学システム。
19. 前記加熱素子が銅合金製である、請求項３に記載の光学システム。
20. 前記加熱素子がセラミック製である、請求項３に記載の光学システム。
21. 前記加熱素子が、１００時間以上の期間にわたって２５０℃から６００℃までの間の温度で動作するように構成されている、請求項３に記載の光学システム。
22. 前記加熱素子が、前記内部大気雰囲気から前記汚染物質を除去することによって前記汚染物質を不活性化するように構成されている、請求項１に記載の光学システム。
23. 前記加熱素子が、前記汚染物質を分解することによって前記汚染物質を不活性化するように構成されている、請求項１に記載の光学システム。
24. 光学システムから汚染物質を除去するための方法であって、
    一つ以上の光学部品を含む密封筐体内の内部大気雰囲気中の汚染物質に、前記汚染物質が関与する反応を生じさせるのに十分なエネルギー密度を印加することを備え、
    前記反応が前記汚染物質を不活性化し、前記光学部品が前記汚染物質からの損傷を受ける部品である、方法。
25. 入力真空波長のレーザー放射の源と、
    内部大気雰囲気を有する密封筐体内部の一つ以上の非線形光学素子であって、前記レーザー放射を受けて、前記入力真空波長のレーザー放射の一部を所望の出力真空波長の出力放射に変換するように構成されている一つ以上の非線形光学素子と、
    前記密封筐体内部の加熱素子であって、前記密封筐体内の内部大気雰囲気中の汚染物質が関与する反応を生じさせるのに十分なエネルギー密度を前記汚染物質に印加するように構成されている加熱素子と、を備え、
    前記反応が前記汚染物質を不活性化する、光学システム。
26. 前記加熱素子が前記内部大気雰囲気中の汚染物質の影響を受ける一つ以上の光学部品の温度よりも高い温度に加熱された際に、前記反応が前記加熱素子の表面において生じ、前記反応が反応生成物を形成することによって前記汚染物質を不活性化する、請求項２５に記載の光学システム。
27. 前記加熱素子が、前記密封筐体内部の中空シールド内に位置し、前記中空シールドが、内部と、外部と、該外部から該内部に繋がる少なくとも一つの開口とを有する、請求項２６に記載の光学システム。

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