JP3197917B2 - 光波長変換方法及びその装置 - Google Patents

光波長変換方法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、高効率で波長変換を
行うことを可能とする光波長変換方法及びその装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】レーザ装置から射出されたレーザ光(以
下、基本波レーザ光という)を、KTPやKDPのよ
うな非線形光学結晶(=波長変換素子)に、所定の偏光
にして所定の方向から入射し、その高調波光を発生させ
ることより、上記レーザ装置から射出された基本波レー
ザ光の波長を変換して基本波レーザ光の波長と異なる波
長のレーザ光を得るようにした波長変換方法は従来から
知られている(例えば、Walter Koechhner著「Solid-St
ate Laser Engineering 2nd Edition 」、Springer Ser
ies in Optical Sciences 社出版参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、上述
のような波長変換方法を適用すべき用途はますます拡が
ってきており、それにつれて、波長変換の効率を高めて
効率よく強力な波長変換されたレーザ光(以下、波長変
換光という)を得たいという要請も高まっている。
【0004】しかしながら、上述の従来の波長変換方法
では、波長変換の高効率化には一定の限界が生じてい
た。すなわち、一般に、波長変換効率は、基本波レーザ
光の波面の状態、あるいは、波長変換素子の品質等によ
っても左右されるが、基本的には非線形光学結晶内にお
ける基本波レーザ光のピークパワー密度によって決ま
る。したがって、波長変換効率を高めるには、非線形光
学結晶に入射させる基本波レーザ光のピークパワー密度
を高めればよいが、これには限界がある。すなわち、こ
のピークパワー密度を高めすぎると、非線形光学結晶自
体が損傷したり、あるいは、非線形光学結晶や他の光学
系に用いている反射防止膜等の光学部材を損傷すること
になるからである。それゆえ、例えば、QスイッチYA
Gレーザから射出された波長1.06μmの基本波レー
ザ光を、KDP波長変換素子に入射してその2次高調
波光を得る場合の波長変換効率は約40%程度という低
い値が限界とされていた。
【0005】この発明は、上述の背景のもとでなされた
ものであり、高効率で波長変換を行うことを可能とする
光波長変換方法及びその装置を提供することを目的とし
たものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決する手
段として、第1の手段は、基本波レーザ光を非線形光学
結晶に入射させて基本波レーザ光の高調波光を発生させ
るようにした光波長変換装置において、基本波レーザ光
を発生するレーザ装置と、この基本波レーザ光を入射し
てその高調波光を発生する非線形光学結晶と、前記レー
ザ装置と非線形光学結晶との間に配置された選択透過装
置であって、前記レーザ装置から進行してくる基本波レ
ーザ光を透過するとともに、他の所定の方向から進行し
てくる基本波レーザ光を反射して前記レーザ装置から進
行してくる基本波レーザ光の光路と同一光路を通じて前
記非線形光学結晶に入射させる選択透過装置と、前記非
線形光学結晶に入射した基本波レーザ光のうち波長変換
されずに透過した基本波レーザ光の進路を変えて前記選
択透過装置に前記所定の方向から入射させる光路変更手
段とを有し、前記非線形光学結晶がタイプ2の非線形光
学結晶であり、前記選択透過装置が特定の方向から入射
された特定の偏波面を有する偏光光を透過し、これと異
なる偏波面を有する偏光光を反射するポーラライザーで
あり、前記波長変換されずに透過した基本波レーザ光が
通る光路であって前記非線形光学結晶から前記ポーララ
イザー迄の光路上に配置されて前記非線形光学結晶を通
過してきた基本波レーザ光の偏光面を90°回転させる
λ/2板を設けたことを特徴とする光波長変換装置であ
る。
【0007】第2の手段は、第1の手段にかかる光波長
変換装置において、前記波長変換されずに透過した基本
波レーザ光が通る光路であって前記非線形光学結晶から
前記ポーラライザー迄の光路上にさらにλ/4板を設け
たことを特徴とする光波長変換装置である。
【0008】第3の手段は、第1の手段にかかる光波長
変換装置において、前記λ/2板の代わりにポッケルス
セルを用い1回目の波長変換の際に変換されずに通過し
た基本波レーザ光がポッケルスセルを通過する時点では
ポッケルスセルにλ/2電圧をかけておき、2回目以降
の波長変換の際に、変換されずに通過した基本波レーザ
光がポッケルスセルを通過する時点では、ポッケルスセ
ルにかけていたλ/2電圧を解除することを特徴とする
光波長変換装置である。第4の手段は、基本波レーザ光
を非線形光学結晶に入射させて基本波レーザ光の高調波
光を発生させるようにした光波長変換装置において、基
本波レーザ光を発生するレーザ装置と、この基本波レー
ザ光を入射してその高調波光を発生する非線形光学結晶
と、前記レーザ装置と非線形光学結晶との間に配置され
た選択透過装置であって、前記レーザ装置から進行して
くる基本波レーザ光を透過するとともに、他の所定の方
向から進行してくる基本波レーザ光を反射して前記レー
ザ装置から進行してくる基本波レーザ光の光路と同一光
路を通じて前記非線形光学結晶に入射させる選択透過装
置と、前記非線形光学結晶に入射した基本波レーザ光の
うち波長変換されずに透過した基本波レーザ光の進路を
変えて前記選択透過装置に前記所定の方向から入射させ
る光路変更手段とを有し、前記選択透過装置が特定の方
向から入射された特定の偏波面を有する偏光光を透過
し、これと異なる偏波面を有する偏光光を反射するポー
ラライザーであり、前記非線形光学結晶と前記ポーララ
イザーとの間にポッケルスセルを設け最初の波長変換を
行う際、ポッケルスセルにλ/2電圧を印加しておき、
レーザ光が非線型光学結晶に入射する時点が過ぎたらポ
ッケルスセルに印加していたλ/2電圧を解除すること
を特徴とする光波長変換装置である。
【0009】
【作用】上述の手段によれば、非線形光学結晶に入射し
た基本波レーザ光のうち波長変換されずに透過した基本
波レーザ光が前記基本波レーザ光の入射光路と同一光路
を通じて再度前記非線形光学結晶に入射されることにな
るので、この基本波レーザ光も波長変換に有効に利用さ
れることになり、これにより波長変換効率を著しく向上
させることができる。
【0010】また、上述の手段によれば、従来の装置に
極めて簡易な光学部品を追加するだけでよいから、構成
が単純でローコストの装置を得ることができる。
【0011】
【実施例】図1はこの発明の第1実施例にかかる光波長
変換装置の構成を示す図である。以下、図1を参照にし
ながらこの発明の第1実施例にかかる光波長変換方法及
びその装置を詳細に説明する。
【0012】図1において、符号1はレーザ装置、符号
2はポーラライザー、符号3は非線形光学結晶、符号4
は高調波分離鏡、符号5,6,7は全反射鏡、符号8は
λ/2板、符号10はλ/4板である。なお、レーザ装
置1、ポーラライザー2、非線形光学結晶3、高調波分
離鏡4、全反射鏡5,6,7、λ/4板10及びλ/2
板8はともに一定の光路上に配置されるようになってい
る。
【0013】レーザ装置1は、波長ω=1.064μm
の基本波レーザ光L1 を発生するQスイッチYAGレー
ザ装置である。このレーザ装置1は、Nd:YAG結晶
を直径6mm、長さ100mmのロッド状に形成してレ
ーザ媒体とし、これをフラッシュランプで励起して、パ
ルス幅約7nsec 、出力エネルギー約250mJのQス
イッチパルスを毎秒10回の繰り返し速度で発生するも
のである。なお、このレーザ装置1から射出されるレー
ザ光はL1はポーラライザー2に対するP偏光となって
いる。そして、このレーザ装置1から射出された基本波
レーザ光L1 は、ポーラライザー2に入射される。
【0014】ポーラライザー2は、所定の入射角度(例
えば、約57°)で入射されたP偏光を透過し、S偏光
を反射するもので、ガラス基板に誘電体多層膜を形成し
たものであって、この発明における選択透過装置を構成
する。したがって、上記レーザ装置1から射出されたポ
ーラライザー2に対するP偏光たる基本波レーザ光L1
はこのポーラライザー2を通過する。このポーラライザ
ー2を通過した基本波レーザ光L1 は非線形光学結晶3
に入射する。
【0015】非線形光学結晶3は、TYPEII(タイ
プ2)のKDP結晶であり、口径10mm、長さ30
mmの寸法を有したものである。なお、図示しないが、
この非線形光学結晶3は、回転及び縦横のあおり調整機
構を有するステージに取り付けられており、これによ
り、基本波レーザL1 の入射方向を調整できるようにな
っている。なお、ここで、TYPEII(タイプ2)の
非線形光学結晶とは、位相整合時において、非線形光学
結晶に入射させた基本波レーザ光の偏光面と、発生した
2次高調波の偏光面が45°なす結晶であり、同じく、
位相整合時に入射させた基本波レーザ光の偏光面と発生
した2次高調波の偏光面が90°なす性質を有するTY
PEI(タイプ1)の非線形光学結晶と区別されている
ものである。なお、TYPEI結晶では、位相整合時に
変換されずに結晶を通過する基本波レーザ光の偏光面
は、入射した際の偏光面を維持したままであるが、TY
PEII結晶では、結晶を通過する基本波は楕円偏光と
なる。この非線形光学結晶3に入射した基本波レーザ光
1 のうちの約35%が2次高調波光L2 (波長;2
ω)に変換され、変換されなかった基本波レーザ光L1
とともに射出されて高調波分離鏡4に入射する。
【0016】高調波分離鏡4は、非線形光学結晶3から
射出された基本波レーザ光L1 と2次高調波光L2 とを
入射して、基本波レーザ光L1 は透過し、2次高調波光
2 は反射して外部に取り出す。なお、この高調波分離
鏡4もガラス基板に誘電体多層膜を形成したものであ
る。
【0017】高調波分離鏡4を透過した基本波レーザ光
1 は、全反射鏡5,6,7によってその進路を変えら
れて上述のポーラライーザー2に入射角約57°で入射
されるようになっている。ここで、全反射鏡6と7との
間の光路上にはλ/4板10及びλ/2板8が挿入され
ている。λ/4板10は、結晶を通過した基本波レーザ
光L0 を直線偏光に変化するものであり、また、λ/2
板8は、全反射鏡6で反射されてきた基本波レーザ光L
1 (ポーラライザー2に対してP偏光である)の偏光面
を約90°回転させてポーラライザー2に対してS偏光
となるように変換する。これにより、全反射鏡7を通じ
てポーラライザー2に入射した基本波レーザ光L1 は該
ポーラライザー2によって反射されてレーザ装置1から
射出された基本波レーザ光L1 の光路と同一の光路を通
って再び非線形光学結晶3に入射し2回目の波長変換を
受ける。なお、λ/4板10及びλ/2板8は、非線形
光学結晶4とポーラライザー2との間の光路であって全
反射鏡5,6,7を含む側の光路(周回光路)上であれ
ば、いずれに配置してもよい。また、最初の波長変換に
より2次高調波光が発生する時点と、2回目の波長変換
により2次高調波光が発生する時点とは時間ずれがある
ので、非線形光学結晶3からポーラライザー2までの周
回光路の長さを基本波レーザ光L1 のパルス幅に比べて
長くとれば、最初に発生する2次高調波光のパルスと、
2回目に発生する2次高調波光のパルスとを分離させる
ことができるが、逆に、上記周回光路を短く取れば、両
者は時間的に分離されずに1つのパルスとして出力され
ることになる。また、2回目の波長変換の際に変換され
ずに非線形光学結晶3を通過した基本波レーザ光L1
再度ポーラライザー2に導かれるが、λ/4板10及び
λ/2板8を通過しているためポーラライザー2に対し
てP偏光になっているので、該ポーラライザー2を通過
してしまい、それ以上波長変換に利用されることはな
い。
【0018】この実施例によれば、従来の光波長変換装
置に、ポーラライザー、全反射鏡、λ/4板及びλ/2
板という極めて簡易な光学装置を追加するという極めて
簡単な構成により、エネルギー約120mJの2次高調
波光が得られ、その変換効率は約50%という高い値が
得られた。
【0019】第2実施例 図2はこの発明の第2実施例にかかる光波長変換装置の
構成を示す図である。この実施例は、上述の第1実施例
におけるλ/2板8の代わりにポッケルスセル9を配置
し、これを駆動装置9aによって駆動して該ポッケルス
セル9を通過する基本波レーザ光L1 の偏光面を90°
回転させる場合と、偏光面を変化させずにそのまま通過
させる場合とに瞬時に切り替えることができるようにし
たもので、これにより、上述の第1実施例では利用する
ことができなかった2回目の波長変換の際に変換されず
に通過した基本波レーザ光L1 をも再度非線形光学結晶
3に入射させてより高い変換効率が得られるようにした
ものである。
【0020】すなわち、1回目の波長変換の際に変換さ
れずに通過した基本波レーザ光L1 がポッケルスセル9
を通過する時点では、駆動装置9aによりポッケルスセ
ル9にλ/2電圧(約7KV)をかけておき、該ポッケ
スルセル9を通過するP偏光をS偏光に変えるようにす
る。次に、2回目の波長変換の際に変換されずに通過し
た基本波レーザ光L1 がポッケルスセル9を通過する時
点では、駆動装置9aによりポッケルスセル9にかけて
いたλ/2電圧をゼロVにし、該ポッケスルセル9をS
偏光がそのまま通過するようにする。これにより、3回
目の波長変換が行われる。以後、同様に4回以上の波長
変換も行なわれる。
【0021】第3実施例 図3はこの発明の第3実施例にかかる光波長変換装置の
構成を示す図である。この実施例は、上述の第2実施例
におけポッケルスセル9を、全反射鏡6と7との間に
配置する代わりに、ポーラライザー2と非線形光学結晶
3との間に配置した例である。非線形光学結晶3とし
て、TYPEI及びTYPEIIのいずれの結晶を用い
ても第2実施例と同様に2回以上の波長変換を行うこと
ができるようにしたものである。
【0022】すなわち、まず、最初の波長変換を行う際
には、ポッケルスセル9にλ/2電圧を印加しておき、
レーザ装置1から射出されてポーラライザー2を通過し
てきたポーラライザー2に対するP偏光を、ポーラライ
ザー2に対するS偏光に変えて非線形光学結晶3に入射
させる。この時点が過ぎたらポッケルスセル9に印加し
ていたλ/2電圧を解除する。そうすると、以後は非線
形光学結晶3を通過した基本波レーザ光L1 が、全反射
鏡5,6,7とポーラライザー2等により形成されるル
ープ状の光路を繰り返し回ることになる。
【0023】なお、上述の各実施例では、Nd:YAG
レーザの2次高調波光を得る例をかかげたが、これは4
次以上の高次の高調波光を発生させる場合にも適用でき
ることは勿論である。また、基本波レーザ光を発生する
レーザ装置としては、Nd:YAGレーザのほかに、例
えば、Nd:YLF、Nd:glass、Nd:YVO
4 、NYAB、NAB、Er:YAG、Er:YLF、
Er:glass等を用いてもよい。
【0024】さらに、非線形光学結晶としては、KT
P、KNbO3 、LiNbO3 、BBO、LBO等を用
いてもよい。
【0025】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる光
波長変換方法及びその装置は、非線形光学結晶に入射し
た基本波レーザ光のうち波長変換されずに透過した基本
波レーザ光を、上記基本波レーザ光の入射光路と同一光
路を通じて再度前記非線形光学結晶に入射させるように
したもので、これにより、波長変換効率を著しく向上さ
せることを可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例にかかる光波長変換装置
の構成を示す図である。
【図2】この発明の第2実施例にかかる光波長変換装置
の構成を示す図である。
【図3】この発明の第3実施例にかかる光波長変換装置
の構成を示す図である。
【符号の説明】
1…レーザ装置、2…ポーラライザー、3…非線形光学
結晶、4…高調波分離鏡、5,6,7…全反射鏡、8…
λ/2板、9…ポッケルスセル、λ/4板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−195027(JP,A) 特開 昭59−128525(JP,A) 特開 平4−256932(JP,A) 特開 平2−301178(JP,A) 特開 平2−266335(JP,A) 特開 平4−323627(JP,A) 特開 平4−128825(JP,A) 米国特許4944592(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/35 - 1/39 H01S 3/108 - 3/109

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基本波レーザ光を非線形光学結晶に入射さ
    せて基本波レーザ光の高調波光を発生させるようにした
    光波長変換装置において、 基本波レーザ光を発生するレーザ装置と、この基本波レ
    ーザ光を入射してその高調波光を発生する非線形光学結
    晶と、前記レーザ装置と非線形光学結晶との間に配置さ
    れた選択透過装置であって、前記レーザ装置から進行し
    てくる基本波レーザ光を透過するとともに、他の所定の
    方向から進行してくる基本波レーザ光を反射して前記レ
    ーザ装置から進行してくる基本波レーザ光の光路と同一
    光路を通じて前記非線形光学結晶に入射させる選択透過
    装置と、前記非線形光学結晶に入射した基本波レーザ光
    のうち波長変換されずに透過した基本波レーザ光の進路
    を変えて前記選択透過装置に前記所定の方向から入射さ
    せる光路変更手段とを有し、前記非線形光学結晶がタイ
    プ2の非線形光学結晶であり、前記選択透過装置が特定
    の方向から入射された特定の偏波面を有する偏光光を透
    過し、これと異なる偏波面を有する偏光光を反射するポ
    ーラライザーであり、前記波長変換されずに透過した基
    本波レーザ光が通る光路であって前記非線形光学結晶か
    ら前記ポーラライザー迄の光路上に配置されて前記非線
    形光学結晶を通過してきた基本波レーザ光の偏光面を9
    0°回転させるλ/2板を設けたことを特徴とする光波
    長変換装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の光波長変換装置におい
    て、前記波長変換されずに透過した基本波レーザ光が通
    る光路であって前記非線形光学結晶から前記ポーラライ
    ザー迄の光路上にさらにλ/4板を設けたことを特徴と
    する光波長変換装置
  3. 【請求項3】請求項1に記載の光波長変換装置におい
    て、前記λ/2板の代わりにポッケルスセルを用い1回
    目の波長変換の際に変換されずに通過した基本波レーザ
    ー光がポッケルスセルを通過する時点ではポッケルスセ
    ルにλ/2電圧をかけておき、2回目以降の波長変換の
    際に、変換されずに通過した基本波レーザ光がポッケル
    スセルを通過する時点では、ポッケルスセルにかけてい
    たλ/2電圧を解除することを特徴とする光波長変換装
    置。
  4. 【請求項4】基本波レーザ光を非線形光学結晶に入射さ
    せて基本波レーザ光の高調波光を発生させるようにした
    光波長変換装置において、基本波レーザ光を発生するレ
    ーザ装置と、この基本波レーザ光を入射してその高調波
    光を発生する非線形光学結晶と、前記レーザ装置と非線
    形光学結晶との間に配置された選択透過装置であって、
    前記レーザ装置から進行してくる基本波レーザ光を透過
    するとともに、他の所定の方向から進行してくる基本波
    レーザ光を反射して前記レーザ装置から進行してくる基
    本波レーザ光の光路と同一光路を通じて前記非線形光学
    結晶に入射させる選択透過装置と、前記非線形光学結晶
    に入射した基本波レーザ光のうち波長変換されずに透過
    した基本波レーザ光の進路を変えて前記選択透過装置に
    前記所定の方向から入射させる光路変更手段とを有し、
    前記選択透過装置が特定の方向から入射された特定の偏
    波面を有する偏光光を透過し、これと異なる偏波面を有
    する偏光光を反射するポーラライザーであり、前記非線
    形光学結晶と前記ポーラライザーとの間にポッケルスセ
    ルを設け最初の波長変換を行う際、ポッケルスセルにλ
    /2電圧を印加しておき、レーザ光が非線型光学結晶に
    入射する時点が過ぎたらポッケルスセルに印加していた
    λ/2電圧を解除することを特徴とする光波長変換装
    置。
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