JP2021533559A - 波長分離のための複屈折プリズム - Google Patents

Abstract

光リング共振器（１２）は、光学的非線形結晶（１８）内で可視波長放射を周波数倍増させることによって、可視波長放射を紫外線波長放射に変換する。共振器（１２）は、コーティングされていない複屈折アウトカップリングプリズムを含む。可視波長放射は、ブリュースター角でプリズム（２０）の面を通過する。紫外線波長放射は、プリズム（２０）に入り、全内反射され、ブリュースター角でプリズム（２０）の外に方向付けられ、出力放射としてリング共振器（１２）を出る。

Description

発明者：Ｗｏｌｆ Ｓｅｅｌｅｒｔ、および

（本発明の技術的分野）
本発明は、概して、異なる波長の２つの成分を有する放射を分離するための光学素子に関する。本発明は、特に、可視波長放射用のレーザ共振器から紫外線波長放射を結合するための光学素子に関し、紫外線波長放射は、可視波長放射の第２高調波変換によって生み出される。

（背景技術の議論）
紫外線（ＵＶ）波長放射を提供するためのデバイスにおいて、光学的非線形結晶内での可視波長放射の高調波変換によって紫外線波長放射を生成することが一般的である。典型的に、可視波長放射は、近赤外線（ＮＩＲ）波長放射の第２高調波変換によって生成され、近赤外線波長放射は、光ポンプ式半導体（ＯＰＳ）レーザ等のソリッドステートレーザで生成される。

例として、連続波ＵＶ放射を生成するための１つの一般的な配置では、可視放射は、電磁スペクトルのＮＩＲ領域内の波長を有する基本放射の空洞内第２高調波変換によって生成される。可視放射は、可視放射のためのインピーダンス整合共振増強空洞内に結合される。共振増強空洞内の光学的非線形結晶は、可視放射をＵＶ放射に変換する。可視放射の空洞内生成のためのＯＰＳレーザを用いて、２６６ナノメートル（ｎｍ）以下の波長を有するＵＶ放射を生成することが可能である。

典型的に、ＵＶ放射は、光コーティングされた薄膜ダイクロッイクフィルタによって共振空洞の外に方向付けられる。このダイクロイックフィルタは、共振器ミラーの１つとしての役割を果たし、可視放射を反射し、ＵＶ放射を透過し得る。代替として、ダイクロイックフィルタも、空洞内素子であり得、可視放射を透過し、ＵＶ放射を共振器の外に反射し得る。

上で説明されるレーザ配置の特定の限界は、ＵＶ放射によって引き起こされる薄膜フィルム光コーティングへの損傷である。この限界は、短波長ＵＶ放射に関してより問題となる。さらに、未だ損傷していないコーティングでさえも、典型的に、層厚における製造的ばらつきに起因する損失、またはコーティングの材料による吸収に起因する損失を有する。そのような損失は、空洞内高調波生成を有する共振器の効率性を低減し、最終的に、これらの共振器の使用寿命を低減する。薄膜光コーティングを全く要求しない可視放射からＵＶ放射を分離するためのデバイスに対するニーズが存在する。

（本発明の概要）
一側面において、基本波長を有する放射を、第２高調波波長を有する放射に変換するための光学装置は、基本放射が循環する光共振器を備える。光学的非線形結晶は、光共振器内に位置付けられ、循環する基本放射を第２高調波放射に変換するように配置される。基本放射および第２高調波放射は、相互に直交する直線偏光を有する。コーティングされていない複屈折プリズムは、光共振器内に位置付けられ、光学的非線形結晶から同軸上で伝播する基本放射および第２高調波放射を受信するように配置される。基本放射および第２高調波放射は、基本放射についての略外部ブリュースター角でプリズムの第１の面に入射する。プリズムを通って透過される基本放射は、基本放射についての略内部ブリュースター角でプリズムの第２の面に入射する。プリズムは、さらに、第２高調波放射の一部が、プリズムの第１の面を通ってプリズムに入り、プリズムの第２の面によって全内反射され、第２高調波放射についての略内部ブリュースター角でプリズムの第３の面に入射し、第３の面を通ってプリズムを出るように配置される。基本放射は、プリズム内の異常光線であり、第２高調波放射は、プリズム内の常光線である。

（図面の簡単な説明）
本明細書中に統合され、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上で与えられる概略的説明および以下で与えられる好ましい実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するために役割を果たす。

図１は、高調波変換のために構成される一方向リング共振器を概略的に図示する平面図であり、一方向リング共振器は、入力可視放射をＵＶ放射に変換するための光学的非線形結晶を含み、本発明によるコーティングされていない複屈折アウトカップリングプリズムを含み、プリズムは、ＵＶ放射を可視放射から分離しＵＶ放射をリング共振器外に方向付けるように配置され、複屈折プリズムは、負の一軸性複屈折を有する。

図２Ａは、図１の本発明の複屈折プリズムの好ましい実施形態を概略的に図示する平面図である。

図２Ｂは、概して図２Ａに示される方向２Ｂ−２Ｂで見た図２Ａの複屈折プリズムの断面図である。

図３は、図２Ａのプリズムと同様であるが、複屈折プリズムが正の一軸性複屈折を有する、本発明の複屈折プリズムの好ましい実施形態を概略的に図示する平面図である。

（本発明の詳細な説明）
ここで図面を参照すると、図１は、本発明による光学装置の好ましい実施形態１０を概略的に図示している。装置１０は、光共振器１２を含み、光共振器１２は、高調波変換のための増強共振器として構成される。共振器１２は、平面鏡１４と、凹面鏡１６と、ブリュースターカットされた光学的非線形結晶１８と、本発明によるコーティングされていない複屈折アウトカップリングプリズム２０とによって形成される一方向性リング共振器である。

可視波長放射「Ｆ」は、鏡１４を通して共振器１２内に結合される。説明の便宜上、可視波長放射は、本明細書中でこれ以降「基本放射」として指定される。基本放射の源２１は、上で議論されるように、ＮＩＲ放射の高調波変換によって基本放射を生成し得る。例として、源２１は、レーザ放射の光線を生成するダイオードポンプ式ＯＰＳレーザであり得る。基本放射の光線経路は、単一の矢尻を有するように描写されている。基本放射は、共振器１２を回って循環し、ひいては、鏡１４、光学的非線形結晶１８、プリズム２０、および鏡１６によって方向付けられる。

鏡１４は、基本放射に対して部分的に透過性である。例えば、約１％が透過性であり、約９９％が反射性である。鏡１４の透過は、入力基本波長に共振器をインピーダンス整合するように選択される。鏡１６は、基本放射に対して最大限に反射性である。鏡１６は、基本放射のための共振状態に共振器１２を維持するために、圧電性トランスデューサ２２によって継続的に平行移動可能である。鏡の平行移動によって共振器１２を共振状態に「ロックされた」ことを維持するための方法は、業界において周知である。これらのロッキング方法は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法および

法を含む。任意のそのようなロッキング方法の詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要ではなく、よって、本明細書中で提示されない。

基本放射は、直線偏光され、偏光の向きは、矢尻「Ｐ_Ｆ」で示されている。光学的非線形結晶１８は、タイプ１第２高調波変換によって基本放射からＵＶ放射を生成するように配置される。第２高調波ＵＶ放射「ＳＨ」の光線経路は２つの矢尻を有するように描写されている。第２高調波放射は、直線偏光され、偏光の向きは、矢尻「Ｐ_２Ｈ」によって示されている。基本放射および第２高調波放射は、相互に直交する線形偏光を有する。

プリズム２０は、入力面２４と、基本放射のための出力面２６と、第２高調波放射のための出力面２８とを含む。プリズムの結晶軸「ａ」軸、「ｂ」軸および「ｃ」軸は、図面に示されるように配向される。面２４および面２６は、図面の平面に直交し、ａ軸に平行である。出力面２８は、図面の平面に直交せずに傾けられており、ａ軸に平行ではない。以下の説明においては、プリズム２０は、負の一軸性複屈折材料で作製され、ｃ軸に平行な光軸を有する。プリズム内の異常光線は、ｃ軸に平行な直線偏光を有する。プリズム内の常光線は、ｃ軸に垂直な直線偏光を有する。プリズム２０内の特定の光線についての屈折率ｎは、それが異常光線であるか常光線であるかに関わらず、光線の波長に依存する。負の一軸性複屈折材料では、常光線についての屈折率（ｎ_０）は、異常光線についての屈折率（ｎ_ｅ）より大きい。

基本放射および第２高調波放射は、光学的非線形結晶から同軸上で伝播し、基本波長についての外部ブリュースター角でプリズム２０の入力面２４に入射する。基本放射は、入力面２４を通ってプリズム２０に入り、プリズムを通って透過させられる。基本放射は、基本放射についての内部ブリュースター角でプリズム２０の出力面２６に入射する。基本放射は、出力面２６を通ってプリズムを出る。基本放射は、面２４および面２６の両方への入射の平面に平行に偏光される（ｐ偏光）。よって、基本放射は、非常に低い反射損失を伴ってプリズムを通って完全に透過させられる。

第２高調波放射は、入力面２４への入射の平面に垂直に偏光され（ｓ偏光）、破線３０によって示されるように、いくらかの反射損失を伴ってプリズム内に透過させられる。複屈折プリズム２０の内側で、第２高調波放射は、より高い屈折率を経験するので、基本放射より激しく屈折される。第２高調波放射は、第２高調波放射についての臨界角より大きい角度で出力面２６に入射する。これは、出力面２６からの第２高調波放射の全内反射を引き起こす。プリズムの出力面２８は、好ましくは、第２高調波放射についての内部ブリュースター角で第２高調波放射が出力面２８に入射するように傾けられる。第２高調波放射は、出力面２８に対してｐ偏光され、無視できる損失を伴ってプリズムの外に透過される。第２高調波放射は、これにより、破線３０によって示される反射損失のみを伴って共振器１２の外に結合される。

プリズム２０の作用の詳細な説明は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して以下で述べられ、例示的な複屈折プリズムは、β−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）で作製され、例示的な波長は、基本放射が４２６ｎｍであり、第２高調波放射が２１３ｎｍである。ＢＢＯでは、４２６ｎｍでの異常光線の屈折率は、１．５６５０であり、２１３ｎｍでの常光線の屈折率は、１．８２８４である。

まず図２Ａを参照すると、同軸基本放射「Ｆ」および第２高調波ＵＶ放射「２Ｈ」は、角度αでプリズム２０の入力面２４に入射する。結晶軸が描写されるように向けられることによって、直線偏光された基本放射は、複屈折プリズムのより小さい屈折率（ｎ_ｅ）を経験する。基本放射は、入力面２４に対してｐ偏光されており、角度αは、５７．４２°であり、これは、４２６ｎｍ放射の異常光線についての外部ブリュースター角である。従って、基本放射は、無視できる損失を伴ってプリズム内に透過される。プリズム２０内で、基本放射は、異常光線であり、プリズムのｂ軸に平行に伝播する。基本放射は、角度βで出力面２６に入射する。角度βは、３２．５８°であり、これは、４２６ｎｍ放射の異常光線についての内部ブリュースター角である。よって、基本放射も、無視できる損失を伴って出力面２６を通って透過される。

第２高調波放射は、入力面２４に対してｓ偏光され、複屈折プリズムのより高い屈折率（ｎ_０）に遭遇する。従って、第２高調波放射の一部は、破線３０によって示されるように、入力面２４から反射される。本例では、第２高調波放射の約２５％が反射され、約７５％が透過される。プリズム２０内で、第２高調波放射の透過された部分は、常光線である。入力面２４において、第２高調波放射は、基本放射より強く屈折される。これは、より高い屈折率（ｎ_０＞ｎ_ｅ）に起因して、より短い２１３ｎｍの波長に起因する分光によって拡張される。このより強い屈折によって、第２高調波放射は、３７．７２°の角度γでプリズム２０の出力面２６に入射し、この角度γは、２１３ｎｍ放射の常光線の全内反射についての３３．１６°の臨界角より大きい。よって、第２高調波放射は、全内反射を経験し、それによって、プリズムの出力面２８に向けて第２高調波放射を光線経路３２に沿って方向付ける。

ここで図２Ｂを参照すると、プリズム２０の角度θおよび角度φ、ならびにａ軸に対する出力面２８の傾角δは、第２高調波放射が常光線についての内部ブリュースター角で出力面２８に入射するように選択される。第２高調波光線は、出力面２８に対してｐ偏光され、無視できる損失を伴って出力面２８を通りプリズムの外に透過される。透過された第２高調波光線は、常光線についての外部ブリュースター角ωで出力面２８から出る。本例では、角度θは７７．１２°であり、角度φは３７．７２°である。角度δは２８．６８°であり、角度ωは６１．３２°である。第２高調波放射が出力面２８に入射する場所３４が、基準として点で示される。

本発明の重要な原理は、光コーティングの使用を回避しつつプリズムを通過中の基本放射における反射損失を、完全に除去するわけではないが、最小化することであることを留意されたい。そのようなコーティングは、第２高調波ＵＶ放射との相互作用を通じて最終的に劣化し、初めでさえ１００％未満の効率であり得る。図１の共振器１２は、基本放射の強い共振増強を提供し、従って、効率的な第２高調波変換を提供するために、非常に高いＱ値の共振器である。０．１％未満の全内損失を有する低損失共振器を想定すると、共振器の出力結合は、約１％の変換効率で主に第２高調波放射への変換を経る。例として、コーティングによって引き起こされる基本放射についての１％程度の追加の損失は、空洞内循環電力を約５０％まで低減し得る。この追加の損失は、生成される第２高調波放射を７５％も低減し得、これは、プリズム２０の入力面２４における第２高調波放射の反射損失より顕著に大きい。

上の説明では、基本放射は、プリズムのｂ軸に平行に伝播し、プリズムのｃ軸に平行な偏光の向きを有する。基本放射と第２高調波放射とは、ａ軸について回転させられた結晶軸を有する代替となる配置においても分離され得、それによって、基本放射は、ｂ軸に対してある角度で伝播する。しかし、基本放射が最も低い屈折率（ｎ_ｅ）を経験し、それによって基本放射と第２高調波放射との角度分離（γ−β）を最大化するので、本明細書中で説明され描写される配置が好ましい。

上の説明では、プリズム２０は、負の一軸性複屈折材料で作製される。図３は、正の一軸性複屈折材料で作製された代替となるコーティングされていない複屈折アウトカップリングプリズム４０を概略的に図示し、常光線についての屈折率は、異常光線についての屈折率より小さい（ｎ_０＜ｎ_ｅ）。例として、バナジン酸塩（ＶＯ_４）は、高い光学品質で商業的に利用可能である正の一軸性複屈折材料である。プリズム４０は、結晶軸が再配向されることを除いて図２Ａのプリズム２０と同様である。ｃ軸について回転された結晶軸を有するプリズム４０の代替となる配置において、基本放射と第２高調波放射とが、同様に分離される。上で議論されるように、結晶面の相対的向きおよび結晶面への入射の角度は、屈折率に依存し、屈折率は、選択された複屈折材料固有である。

本発明は、好ましい実施形態、および４２６ｎｍ放射を２１３ｎｍ放射に変換する場合のその実施形態の特定の数値の例を参照して上で説明される。当業者は、本明細書中で提供される本発明の説明から、本発明の意図および範囲から逸脱せずに、本発明の他の実施形態および例を発明し得る。当業者は、本発明が受動的リング共振器における使用に限定されず、光ゲイン媒質を有する共振器に統合され得、かつ／または直線共振器に統合され得ることも認識するであろう。例として、本発明は、能動的共振器において用いられ得、この場合、プラセオジムをドープされたフッ化イットリウムリチウム（Ｐｒ：ＹＬＦ）のゲイン媒質が、約５２２ｎｍの波長を有する基本放射を生成し、約５２２ｎｍの波長は、光学的非線形結晶における第２高調波生成によって約２６１ｎｍの波長を有する第２高調波ＵＶ放射に変換される。

本発明の利点は、第２高調波ＵＶ放射のみがプリズムの出力面２８に入射することである。本発明は、非常に少ない反射損失を伴う第２高調波光線の透過について角度δだけ傾けられるコーティングされていない出力面２８を有することを描写および説明されるが、出力面は、代わりに、直角入射（δが０°）のために構成され、反射防止コーティングを有し得る。複数の波長に特有のダイクロイック光コーティングより、１つの波長のみに特有の損傷抵抗薄膜光コーティングを製作することの方が、概して簡単である。コーティングされた出力面が、他の便宜な入射角のために構成され得る。例として、プリズムの全体形状は、二等辺三角形であり得、等しい長さを有するコーティングされていない基本的な入力面および出力面は、基本光線のためであり、反射防止コーティングされた出力面は、第２高調波ＵＶ放射のためである。

まとめると、本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態を参照して上で説明される。しかし、本発明は、本明細書中で説明および描写される実施形態によって限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims (20)

1. 基本波長を有する放射を、第２高調波波長を有する放射に変換するための光学装置であって、前記装置は、
   前記基本放射が循環する光共振器と、
   前記光共振器内に位置付けられ、循環する基本放射を第２高調波放射に変換するように配置される光学的非線形結晶であって、前記基本放射および第２高調波放射は、相互に直交する直線偏光を有する、光学的非線形結晶と、
   前記光共振器内に位置付けられ、前記光学的非線形結晶から同軸上で伝播する前記基本放射および第２高調波放射を受信するように配置されるコーティングされていない複屈折プリズムであって、前記基本放射および第２高調波放射は、前記基本放射についての略外部ブリュースター角で前記プリズムの第１の面に入射し、前記基本放射は、前記プリズムを通って透過され、かつ前記基本放射についての略内部ブリュースター角で前記プリズムの第２の面に入射し、前記基本放射は、前記第２の面を通って前記プリズムを出る、コーティングされていない複屈折プリズムと
   を備え、前記プリズムは、さらに、前記第２高調波放射の一部が、前記プリズムの前記第１の面を通って前記プリズムに入り、前記プリズムの前記第２の面によって全内反射され、前記第２高調波放射についての略内部ブリュースター角で前記プリズムの第３の面に入射し、前記第３の面を通って前記プリズムを出るように配置され、
   前記基本放射は、前記プリズム内の異常光線であり、前記第２高調波放射は、前記プリズム内の常光線である、装置。
2. 前記光共振器は、一方向性リング共振器である、請求項１に記載の装置。
3. 前記光共振器は、前記基本放射のための増強共振器として構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記プリズムの前記第１の面および前記第２の面は、前記プリズムの第１の結晶軸に平行であり、前記プリズムの前記第３の面は、前記第１の結晶軸に平行ではない、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記プリズムは、負の一軸性複屈折材料で作製され、前記基本放射は、前記プリズムの第２の結晶軸に平行に前記プリズム内を伝播し、前記負の一軸性複屈折材料の光軸は、前記プリズムの第３の結晶軸である、請求項４に記載の装置。
6. 前記プリズムは、正の一軸性複屈折材料で作製され、前記第１の結晶軸は、前記正の一軸性複屈折材料の光軸である、請求項４に記載の装置。
7. 前記コーティングされていない複屈折プリズムは、β−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）で作製されたプリズムある、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記基本放射は、４２６ナノメートルの波長を有し、前記第２高調波放射は、２１３ナノメートルの波長を有する、請求項１〜７に記載の装置。
9. 前記コーティングされていない複屈折プリズムは、β−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）で作製されたプリズムある、請求項８に記載の装置。
10. 前記基本放射についての前記外部ブリュースター角は、約５７．４２°であり、前記基本放射についての前記内部ブリュースター角は、約３２．５８°であり、前記第２高調波放射についての前記内部ブリュースター角は、約２８．６８°である、請求項９に記載の装置。
11. 前記コーティングされていない複屈折プリズムは、バナジン酸塩（ＶＯ_４）で作製されたプリズムである、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の装置。
12. 前記基本放射は、前記複屈折プリズムの前記第１の面および前記第２の面に対してｐ偏光され、前記第２高調波放射は、前記複屈折プリズムの前記第３の面に対してｐ偏光される、請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載の装置。
13. 光ゲイン媒質をさらに含む、請求項１〜１２のうちのいずれか一項に記載の装置。
14. 第２高調波波長を有する放射を生成するための光学装置であって、前記装置は、
    基本波長を有する放射を生成する源と、
    一方向性リング共振器であって、前記一方向性リング共振器は、前記基本放射を受信し、前記一方向性リング共振器内で前記基本放射を循環させるように配置される、一方向性リング共振器と、
    前記光共振器内に位置付けられ、循環する基本放射を第２高調波放射に変換するように配置される光学的非線形結晶であって、前記基本放射および第２高調波放射は、相互に直交する直線偏光を有する、光学的非線形結晶と、
    前記光共振器内に位置付けられ、前記光学的非線形結晶から同軸上で伝播する前記基本放射および第２高調波放射を受信するように配置されるコーティングされていない複屈折プリズムであって、前記基本放射および第２高調波放射は、前記基本放射についての略外部ブリュースター角で前記プリズムの第１の面に入射し、前記基本放射は、前記プリズムを通って透過され、かつ前記基本放射についての略内部ブリュースター角で前記プリズムの第２の面に入射し、前記基本放射は、前記第２の面を通って前記プリズムを出る、コーティングされていない複屈折プリズムと
    を備え、前記プリズムは、さらに、前記第２高調波放射の一部が、前記プリズムの前記第１の面を通って前記プリズムに入り、前記プリズムの前記第２の面によって全内反射され、前記第２高調波放射についての略内部ブリュースター角で前記プリズムの第３の面に入射し、前記第３の面を通って前記プリズムを出るように配置され、
    前記基本放射は、前記プリズム内の異常光線であり、前記第２高調波放射は、前記プリズム内の常光線である、装置。
15. 前記プリズムの前記第１の面および前記第２の面は、前記プリズムの第１の結晶軸に平行であり、前記プリズムの第３の面は、前記第１の結晶軸に平行ではない、請求項１４に記載の装置。
16. 前記プリズムは、負の一軸性複屈折材料で作製され、前記基本放射は、前記プリズムの第２の結晶軸に平行に前記プリズム内を伝播し、前記負の一軸性複屈折材料の光軸は、前記プリズムの第３の結晶軸である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記プリズムは、正の一軸性複屈折材料で作製され、前記第１の結晶軸は、前記正の一軸性複屈折材料の光軸である、請求項１５に記載の装置。
18. 前記コーティングされていない複屈折プリズムは、β−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）で作製されたプリズムである、請求項１４〜１７のうちのいずれか一項に記載の装置。
19. 前記基本放射は、４２６ナノメートルの波長を有し、前記第２高調波放射は、２１３ナノメートルの波長を有する、請求項１８に記載の装置。
20. 前記コーティングされていない複屈折プリズムは、バナジン酸塩（ＶＯ_４）で作製されたプリズムである、請求項１４〜１７のうちのいずれか一項に記載の装置。

Images