JP2022514745A - パターン化ＳｒＢ４Ｏ７またはＰｂＢ４Ｏ７結晶に基づく高出力レーザ変換器 - Google Patents

Abstract

開示されたレーザシステムには、基本周波数の光を出力するレーザ源が構成される。出力光は、少なくとも１つの周波数変換段を含む、基本周波数を高調波に変換するように動作する周波数変換器に入射する。周波数変換器は、複数の領域が構成されたＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）またはＰｂＢ４Ｏ７（ＰＢＯ）非線形結晶に基づく。領域は、ＱＰＭ使用を可能にする結晶軸の周期的に交互になる極性を有し、かつ各々１０ｍｍの距離にわたり互いからの逸脱が１ミクロン未満の極めて平行な壁が形成される。

Description

本開示は、パターン化四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）および四ホウ酸鉛ＰｂＢ４Ｏ７（ＰＢＯ）結晶に基づく少なくとも１つの非線形変換器が設けられた高出力固体レーザに関する。

重工業、医療、データ記憶、光通信、娯楽その他によって経験されたニーズに対処するため、紫外（ＵＶ）、特に強力深ＵＶ（ＤＵＶ）領域のレーザ工具の需要が非常に高まっている。半導体フォトリソグラフィ、微細加工および材料加工用途の進歩が、例えば、ＵＶおよびＤＵＶスペクトル領域で動作するコヒーレント光源の需要を促している。

エキシマレーザなどの一部の気体レーザが高い平均出力パワーでＵＶおよびＤＵＶスペクトル領域における分離した波長のコヒーレント光を発することができるが、非線形光学（ＮＬＯ）結晶がこのスペクトル範囲のコンパクトかつ効率的な固体レーザが依然として、それらの周知の高効率、低保守、省スペースおよび全体の低コストのため必要とされている。ＵＶおよびＤＵＶスペクトル領域の固体レーザの性能は、主に過去２０年にわたって発見された効率的かつ高信頼のＮＬＯ結晶の作製の進歩に依存している。

同時係属中の米国特許出願では、参照により本明細書に完全に組み込まれる、パターン化非強磁性非線形ＳＢＯまたはＰＢＯを作製するための方法を開示している。このホウ酸塩の亜群は若干の注意すべき性質を有する。まず、それは、約９ｅＶの（ホウ酸塩の中でさえ）固有の広バンドギャップを有し、そしてそのＵＶ遮断は約１３０ｎｍである。文献データはないが、多分（多くの他のホウ酸塩のように）ＳＢＯはＶＩＳ近赤外（ＩＲ）で非常に透明なはずである。その吸収は単一ｐｐｍ／ｃｍ範囲にあるはずである。それは機械的に安定しかつ非吸湿性である。公知の従来技術によってこの結晶を成長させることが容易である。

加えて、これらの結晶は約１６Ｗ／ｍ＊Ｋの（ホウ酸塩にしては）非常に高い熱伝導率を有する。それはＢＢＯおよびＬＢＯのそれより１桁高い。最後であるが重要なことには、ＳＢＯ結晶は、２６６ｎｍで二光子吸収（ＴＰＡ）－パワー損失および光誘起損傷を増加させる非線形効果－を有しない（唯一ではないにしても）極めて少ない非線形材料の１つである。固有の光透過性および高ＬＩＤＴと組み合わされて、ＳＢＯ／ＰｂＢＯ結晶は、非線形変換方法のために典型的なフルエンス（約１００～５００ＭＷ／ｃｍ^２）で２６６ｎｍでの持続可能な多ワット動作（パルスおよびＣＷ）に耐えることが可能なおそらく唯一の非線形材料である。同時係属出願に開示されている周期位相整合構造の作製方法により明らかに、このホウ酸塩の群は、非線形相互作用のために理想的な材料である。

ＰＣＴ／ＵＳ１５／６５７９８ ＰＣＴ／ＵＳ１５／５２８９３ ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６４２９７ 米国特許第８０６８７０５号 米国出願第６２７８１３７１号

それゆえに、ＳＢＯまたはＰＢＯに基づくレーザを提供することが望ましい。

このニーズは、ＵＶ周波数範囲で動作することが可能な一群の高出力レーザシステムによって満たされる。開示されたシステムの全てが共通の全体的な光学概略図を有する。後者には、ＵＶスペクトル領域でサブナノ秒、好ましくはピコ秒パルスを出力するようにレーザ源および少なくとも１つの周波数変換器が設けられている。当業者が直ちに分かるように、ＵＶ光などの高調波を発生することに関与するｐｓファイバレーザは、ｐｓパルス領域における非線形結晶がｎｓパルスによって照射される結晶より長い有効寿命を有するので、ｎｓファイバレーザより有利である。この利点は、ＳＢＯまたはＰＢＯが使用されると、これらの結晶に２光子吸収がないので、より一層顕著になる。

以上のおよび他の態様および特徴は、以下の図面と併せてより容易に明らかになるであろう。

本発明によるレーザシステムの全体的な光学概略図である。 本発明によるシステムのパターン化ＳＢＯ／ＰＢＯ結晶を示す図である。 ＦＨの発生のために使用される図１の本発明によるシステムの例証的な概略図である。 第３高調波以上の発生のために使用される図１の本発明によるシステムの例証的な概略図である。 第５高調波の発生のために使用される図１の本発明によるシステムの例証的な概略図である。 パラメトリック変換のために使用される図１の本発明によるシステムの例証的な概略図である。 単一スラブから構成されて複数の連続高調波への基本周波数の周波数変換を提供する図２のＳＢＯ／ＰＢＯ結晶の図である。

ここで、開示された発明概念を詳細に参照することになる。可能な限り、同じまたは類似の部品またはステップを参照するために図面および説明において同じまたは同様の参照数字が使用される。図面は、決して正確な縮尺ではない簡略形式である。

図１は、本発明によるレーザシステムの全体的な光学概略図４０を例示する。概略図４０は、少なくとも部分的にパターン化ＳＢＯまたはＰＢＯ非線形結晶１０に基づき、かつ基本周波数を高調波へ変換するように構成される周波数変換器４４に入射する電磁（ＥＭ）放射源４２として構成される。典型的に、変換器は、単一パスまたは多重パス共振器に配置される。

ＥＭ源４２は、連続波（ＣＷ）モード、準連続波（ＱＣＷ）モードおよびパルスモードを含む種々の領域で動作するレーザシステムである。多くの用途のために、放射源４２は、少なくとも１ｋＷのおよびＭＷと同程度高い出力の高出力源である。しかしながら、ｋＷパワーレベル未満で動作するレーザシステムも、開示された主題の一部である。

放射源４２の構成は、いかなる特定のレーザ媒質にも限定されない。好ましくは、それは、ファイバおよびイットリウムアルミニウムガラス（ＹＡＧ）レーザ媒質を含み、ディスクレーザがＹＡＧのサブクラスである、固体レーザシステムである。レーザ媒質にドープされる発光イオンは、種々の希土類金属に関連する。工業用範囲の基本波長およびそれらの高調波が主に１～２μｍ範囲の光を発するレーザ源と関連付けられるので、発光素子はイッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）およびツリウムのイオンを含んでよい。前述の元素は、しかしながら、光発生のために使用され得る全ての希土類元素の排他的なリストを表すわけではない。

レーザ源４２のアーキテクチャは様々な具体的な構成によって表され得る。例えば、レーザ源の例示された例証的な概略図は、周知の主発振器（ＭＯ）電力増幅器（ＰＡ）方式（ＭＯＰＡ）を表す発振器４３および電力増幅器４４の組合せを含む。ＭＯ４３は、好ましくは単一周波数で動作する半導体またはファイバを含んでよい。例えば、ＭＯ４３は、本出願の譲受人によって所有され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１および特許文献２に開示されている概略図に従って構成できる。公知の発振器の現代のパワーレベルがｋＷレベルに到達したことを考慮すれば、放射源４２のアーキテクチャは、このように増幅器を省略したレーザだけによって表され得る。増幅器に関しては、その例は、本出願の譲受人によって所有され、参照により本明細書に完全に組み込まれる、Ｙｂ／ＹＡＧシステムを開示している特許文献３またはファイバ増幅器を開示している特許文献４その他多数に見つけることができる。その構成にかかわらず、レーザ源４２は、好ましくはＱＣＷおよびパルス領域で単一周波数、単一横モードサブナノ秒出力を出力する。しかしながら、ビーム品質係数Ｍ^２は１より高く、例えば１．５でよい。

図１および図２を参照すると、周波数変換器４４は、第２高調波（ＳＨ）、第３高調波（ＴＨ）、第４高調波（ＦＨ）および他の高調波を発生する他に光パラメトリック相互作用を行うように動作する。結晶ＳＢＯまたはＰＢＯ１０には、互いに交互になるそれぞれの異極性＋／－を有する領域３０および３２の周期構造１２が構成される。これらの領域は極めて平行な壁を有する。周期構造１２は、ＱＰＭ技術の使用により、第２高調波発生、第３高調波以上発生および光パラメトリック相互作用を含め、基本波の高調波波長を発生するのを可能にする。本出願人らによって行われた最近の実験の結果、互いに交互になり、かつ数センチメートルまでの直径を有する有効開口を結晶に設ける、それぞれの正および負極性を有する一連の均一な寸法の３Ｄ領域３０、３２を含むボリューム周期パターンが設けられた結晶１０に至った。領域には各々、所望のコヒーレンス長ｌに対応しかつ約０．２μｍから約２０μｍに及ぶ均一な厚さおよび約１ｍｍから約５ｃｍまで変動する直径を有する有効開口が構成される。結晶１０は、様々な周波数範囲で動作するレーザに組み込まれる周波数変換器などの光学素子として活用できる。例えば、結晶１０は、レーザ源４２の基本周波数をＤＵＶ範囲に変換するように構成され、０．２から約５ｎｍ間に及ぶコヒーレンス長ｌを有する。ボリュームパターンは、面＋Ｃおよび－Ｃ間の結晶ブロック１０の厚さ全体を通じて延びても、またはこれらの面の一方からある距離をおいて終端してもよい。結晶１０は、上述した固有の性質に基づいており、かつその全体を参照により組み込む対象出願と同時に出願された同時係属中の共有の特許文献５に開示されている。

ＳＢＯ／ＰＢＯ１０は、ＵＶおよびＤＵＶスペクトルにおける透過率を保証する比較的短いＵＶ吸収遮断（λ_{ｃｕｔｏｆｆ}）または広いエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）を特徴とする。その上、広バンドギャップは、二光子吸収または多光子吸収を有意に減少させ、したがって次に結晶のレーザ誘起損傷閾値を増加させる結果、非所望の熱光学効果の低減となる。ホウ酸塩の線吸収も典型的に非常に低い。

それに応じて、ＳＢＯ／ＰＢＯ結晶は、紫外／深紫外（ＵＶ／ＤＵＶ）周波数範囲で動作するレーザシステムに使用されると特に魅力的である。ＵＶ／ＤＵＶレーザは種々の用途で広く利用される。例えば、２６６ｎｍのＤＵＶは、出力が約４ｎｍと同程度短い自由電子レーザの外部シードとして活用されてきたので、炭素Ｋ端を越えて科学研究において有用である。産業用途、広バンドギャップ材料のレーザ加工、マイクロエレクトロニクスその他多数が、それらの高光子エネルギーのためＤＵＶレーザの直接的な受益対象である。変換方式が非常に多く、その例が以下に開示される。

図３を参照すると、システム４０の例証的な概略構成が、ＳＨＧ４６およびＦＨＧ４８段が構成された変換器４４を含む。ＳＨＧ４６が１μｍ波長範囲のポンプ波の周波数を緑色光に２倍化し、そして後段が周波数変換を続けて２ｘｘ ｎｍ波長以下の紫外／深ＵＶ（ＵＶ／ＤＵＶ５０）光を得る。例えば、放射源４２によって出力される１０６０ｎｍのポンプ波長（基本周波数ω）がＳＨＧ４６において第２高調波２ω（５３２ｎｍ波長）へ変換され、次いで第４高調波４ω（２６６ｎｍ波長）へ変換される。ＳＨＧ４６はＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＳＢＯ、ＰＢＯおよび他の非線形結晶に基づいてよい。ＦＨＧ４８はＳＢＯ／ＰＢＯ結晶１０を含む。

図４は、ＴＨ（ＴＨＧ）５０を発生するように構成される概略図を例証する。システム４０は、ＳＨＧ４６に入射する基本周波数ωの光を出力する放射源４２を含む。ＳＨＧ４６は基本周波数を第２高調波２ωへ変換する。ＴＨＧ５０は、基本周波数の光の残りの部分および第２高調波を受信し、これらの周波数を結合して第３高調波を作成する。ＳＨＧ４６は図３の構成を有してよい一方で、ＴＨＧ５０はＳＢＯ／ＰＢＯ結晶１０を含む。非包括的な一例を、最終的に約３５５ｎｍのＴＨへ変換される１０６４ｎｍの基本波長によって例示できる。システム４０には、未使用のＳＨおよび生成されたＴＨを結合するＦｉＨＧ５２が更に設けられ得る。

図５は、変換器４４が第５高調波（ＦｉＨＧ）を発生するように構成されるシステム４０の更に別の例を例示する。変換器４４は、最初にＳＨＧ４６においてＳＨを発生することによって動作する。基本波（ポンプ）の未使用の光が、ＳＨＧ４６の出力においてＳＨから分岐され、そしてミラーまたはプリズムなどの反射素子によって定められる経路に沿って更にＦｉＨＧ５２に導かれる。所望により、基本周波数の未変換の光をＦＨＧ４８を通して導くことができる。

上記に基づいて、ＳＢＯ／ＰＢＯ擬似位相整合結晶１０が周波数２倍化、３倍化等のための他に、和および差周波発生のために使用できる。それはパラメトリック増幅のためにも使用できる。図６を参照すると、信号波長の光が短波長のポンプビームと共に結晶１０を通して伝搬する結果、当業者に周知のように、アイドラ、残留ポンプビームおよび信号別個の出力を含む幾つかの出力となる。

当業者に公知のように、ＦＨを発生するためにＰＰＫＴＰまたはＰＩＰＬＩＮなどの標準結晶を使用することは、この１－２”基本波長の高調波がこれらの材料の遮断波長と一致（または超えさえ）するので、不合理である。ＦＨを発生し得る結晶は非常に低い非線形性を有する。ＳＢＯ／ＰＢＯは、しかしながら極めて非線形で、１３０ｎｍ程度の遮断波長を有しており、これは明らかにその変換能力をこの波長にまで拡張するもので、したがって本発明によるレーザシステム４０が２００ｎｍよりかなり下で、更には公知の結晶で実現するのは可能でない、１６０ｎｍより下でさえも動作するのを可能にする。

図７は、ダイオードレーザであるレーザ源４２およびＳＢＯ／ＰＢＯ１０を含むシステム４０の別の構成を例示する。ＳＢＯ／ＰＢＯの特性を考慮して、ＳＢＯ／ＰＢＯ１０は、基本周波数を順次２倍化し、更に例えば３５５ｎｍおよび２６６ｎｍの高調波を発生できるモノリシックスラブから構成される。この理由で、基本周波数の光の経路に沿った領域期間は、ＳＨＧのためのものから、次に、例えばＦＨＧに変化する。そのような構成は、長くても５～１０ｍｍの、バナジン酸塩によるレーザダイオードおよびＳＢＯ１０を含むマイクロチップに使用されてｍＷ出力を生成できる。

本発明がその詳細な説明に関連して記載されたが、上記の説明が、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を例示するものであり、限定するものではないと意図されることが理解されるはずである。例えば、開示されたシステムのパルス領域は、チャープパルス増幅技術を活用することによって実装できる。パルスレーザ源は更に、ナノ秒ならびにサブナノ秒、すなわちフェムト秒およびピコ秒パルスを出力する受動モード同期または能動モード同期レーザに基づき得る。開示されたパルスシステムの出力の平均パワーは、ＵＶ／ＤＵＶ周波数範囲においてミリワット（ｍＷ）と約１００Ｗとの間で変化し得る。それに応じて、他の態様、利点および変更は以下の特許請求の範囲内である。

１０ ＳＢＯまたはＰＢＯ非線形結晶
１２ 周期構造
３０、３２ ３Ｄ領域
４０ レーザシステム
４２ 電磁放射源
４３ 発振器
４４ 周波数変換器
４４ 電力増幅器
４６ ＳＨＧ
４８ ＦＨＧ
５０ ＴＨＧ
５２ ＦｉＨＧ

Claims (10)

1. 基本周波数の光を出力するレーザ源と、
   前記基本周波数を高調波へ変換するように動作し、ＳｒＢ_４Ｏ_７（ＳＢＯ）またはＰｂＢ_４Ｏ_７（ＰＢＯ）結晶に基づく少なくとも１つの周波数変換段を含み、前記ＳＢＯ／ＰＢＯ結晶には、結晶軸のそれぞれの周期的に交互になる極性がＱＰＭ使用を可能にする複数の領域が構成され、前記領域が、１０ｍｍの距離にわたり互いからの逸脱が１ミクロン未満の極めて平行な壁を有する、周波数変換器と
   を備える、レーザシステム。
2. 前記ＳＢＯ／ＰＢＯ結晶が、第２高調波、第３高調波、第４高調波および第５高調波ならびに前記高調波の組合せから成る群から選択される高調波を発生するように構成される、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記ＳＢＯ／ＰＢＯ結晶が、光パラメトリック相互作用を提供するように構成される、請求項１に記載のレーザシステム。
4. 前記ＳＢＯ／ＰＢＯが、０．２μｍと約２０μｍとの間で変化するＶＩＳ～ＤＵＶ光範囲に対する各領域の厚さ、および最小直径が約１ｍｍから約５ｃｍに及ぶ有効開口を有する、請求項１に記載のレーザシステム。
5. 前記レーザ源が、連続波（ＣＷ）、準連続波（ＱＣＷ）またはパルス領域で動作するレーザシステムを含む、請求項１に記載のレーザシステム。
6. 前記レーザ源が、ファイバレーザ、イットリウムアルミニウムガラス（ＹＡＧ）およびディスクレーザから成る群から選択される固体レーザであって、希土類元素から選択される発光ドーパントがドープされた利得媒質が構成され、かつ１から２μｍ波長範囲の光を出力する、固体レーザを含む、請求項５に記載のレーザシステム。
7. 前記レーザ源が、主発振器（ＭＯ）電力増幅器（ＰＡ）構成を有する、請求項５に記載のレーザシステム。
8. 前記レーザ源が、ナノ～サブナノ秒パルス幅範囲の一連のパルスを出力する、請求項７に記載のレーザシステム。
9. 前記周波数変換器が、２つの異なる領域期間が形成されたＳＢＯ／ＰＢＯの単一のモノリシックスラブを含み、前記基本周波数の光が、ＳＨＧのための前記期間が設けられたその上流端および前記高調波のための前記期間を有する前記モノリシックスラブの下流ストリーム端を有する前記モノリシックスラブを通して経路に沿って伝搬する、請求項１に記載のレーザシステム。
10. 前記ＳＢＯが、前記第４高調波で約１３０ｎｍの波長および少なくとも１０Ｗの平均パワーの単一モード光を出力する、請求項２に記載のレーザシステム。

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