JP4489440B2 - 非被覆ブリュースタ表面を用いてキャビティ内共振を増強した第４高調波の生成 - Google Patents

Description

本発明は、光周波数の高調波生成の分野に関し、特に、光第４高調波の生成に関する。

短波長（例えば、紫外線）レーザは、穴加工、微細溶接、微細加工、部品トリミング、ガラス及び半導体の刻印、迅速な試作品作製、エレクトロニック・パッケージング、角膜造形、心筋に血液を流すための心臓の手術、時間分解法を含む蛍光分光に用いられる。短波長レーザの入手可能性が比較的乏しいことから、周波数変換に基づく放射線源の開発に、研究の大部分の努力が傾注されてきた。コヒーレント紫外線（ＵＶ）放射を生成するために、第２、第３、及び第４高調波生成に基づく放射線源が提案されている。

第３高調波生成に基づく従来のシステムにおいては、基本（ω）周波数の放射が非線形結晶中に入って、第２高調波（２ω）周波数の放射が生成される。第２高調波放射は、通常、別の非線形結晶において基本波放射と混合され、第３高調波（３ω）周波数の放射を生成する。次に、第３高調波放射（システムの有用出力）は、例えば、任意のプリズム、回折格子、ブリュースタ・プリズム、又はダイクロイック被覆ミラー等の、共振器内又は共振器外要素を用いて、基本波、第２高調波、及び第３高調波放射から物理的に分離し得る。３つの周波数変換ステップは相対的に非効率的であることから、第３高調波放射の強度は、基本波放射の強度より大幅に小さい場合がある。その結果、第３高調波系は、光損失に非常に敏感であり、特に、基本波放射に対する損失に敏感である。

第２及び第３高調波結晶は、通常、反射防止被覆が施され、結晶の入力及び出力表面からの戻り反射が防止される。しかしながら、一般的に、光学的被覆は、光学的損傷に非常に敏感であり、特に、短波長放射に起因する損傷に敏感である。光学的被覆が施されていない結晶表面の使用を可能にする一方で、同時に波長分離を行い、また戻り反射の問題を回避する配置は、第３高調波生成に基づく放射線源において非常に価値がある。このような配置は、共振器内周波数変換要素（１つ又は複数）を用いるシステムにとって特に望ましい。

赤外線（１０６４ｎｍ）放射から紫外線（３５５ｎｍ）放射を生成するための従来技術による第３高調波システムは、Ｎｄ−ＹＡＧ固体レーザを含む空洞共振器において周波数を２倍及び３倍にするためにリチウム・トリボレート（ＬＢＯ）結晶を用いてきた。ブリュースタ・カットの共振器内プリズムは、基本波ビームから紫外線ビームを分離するために用いられてきた。

共振器内プリズムは、ダイクロイックミラーを用いるビーム分離方式と比較して損失を低減し得るが、共振器内プリズムはシステムの複雑性を増加させる傾向がある。更に、基本波及び第３高調波放射ビームに対する損失を最小限に抑えるために周波数３倍結晶の出力表面を反射防止被覆する必要性は、共振器内プリズムでも軽減されない。このような従来技術システムにおいて出力表面を被覆しないまま放置すると、基本波放射に対する損失が高くなってしまう。同時に、出力表面にＡＲ被覆を用いると、ＡＲ被覆への致命的な又は長期的ＵＶ起因の損傷により、システムの有効寿命が大幅に制限される。

本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，８５０，４０７号は、第３高調波生成結晶に結合された第２高調波生成結晶を用いる、第３高調波発生器システムについて述べてい
る。第３高調波生成結晶は、被覆が施されていない分散性の出力面を有する。出力面が基本波及び第３高調波放射の通過を実質的に妨げないように、出力面は、好適には、基本波及び第３高調波放射に対してブリュースタ角で方位が定められる。更に、出力面は、任意のｓ偏光放射成分の通過を妨げ、従って、偏光選択性要素として機能する。分散性の出力面は、周波数３ωの第３高調波放射から周波数ωの基本波放射を空間的に分離する。このシステムにおいて、基本波放射及び第３高調波放射双方は、出力面に対してｐ偏光される。

また基本波の第４高調波の放射を生成するために非線形材料が用いられる。例えば、第３高調波放射は、通常、他の別の非線形結晶において基本波放射と混合され、第４高調波（４ω）周波数の放射を生成し得る。残念なことに、適切に構成された第４高調波発生器システムを作製する試みは、不充分であり、特に、キロヘルツのシステムの場合、不充分である。

初期の試みでは、例えば、１．０６４ミクロンの基本波放射から５３２ｎｍの第２高調波放射を生成するために、第１の非線形材料が用いられた。第２非線形材料は、周波数２倍相互作用によって５３２ｎｍの第２高調波放射から２６６ｎｍの第４高調波を生成した。残念なことに、２６６ｎｍに対する５３２ｎｍの周波数２倍相互作用は、ＬＢＯ中では位相整合しないが、これは、最もロバストで且つ望ましい非線形材料である。ＫＤＰ及びその同形体は、低繰返し数のジュール・クラス・システムにおいて用いられ成功したが、キロヘルツのシステム又は低エネルギーシステムにおいては成功していない。他の従来技術の試みでは、３つの非線形結晶が利用された。第１の結晶は、１．０６４ミクロンの基本波放射を２倍にして、５３２ｎｍの第２高調波放射を生成する。第２の結晶は、基本波放射の一部と第２高調波放射との和をとり、３５５ｎｍの第３高調波放射を生成する。第３の結晶は、基本波放射の一部と第３高調波放射との和をとり、２６６ｎｍの第４高調波放射を生成する。基本波及び第３高調波が、同じ状態で偏光されると、第４高調波は、基本波及び第３高調波に対して直交偏光される。従って、基本波放射が、ブリュースタ・プリズム表面に対してｐ偏光されると、残念なことに、第４高調波はｓ偏光される。その結果、第４高調波発生器結晶の出力面でブリュースタ角条件を満たすために第４高調波放射の偏光を回転してｐ偏光にするか、又は、出力面を反射防止被覆（ＡＲ）するか、の何れかが必要である。第４高調波位相整合に影響を及ぼすことなく、又は、システムを更に複雑にすることなく、例えば、第４高調波発生器結晶上に偏光回転領域を結合することによって、第４高調波放射の偏光を回転することは非常に困難である。調和選択された波長板等を含む技術等にはＡＲ被覆が必要である。ＡＲ被覆はＵＶ周波数での損傷を容易に受け易く、これによって、システム構成要素の有効寿命が短くなる。
米国特許第５，８５０，４０７号

従って、ＡＲ被覆した表面及び／又はブリュースタ・プリズムを用いることなく、第４高調波生成結晶に放射線を位相整合しつつ、ｐ偏光された基本波及び第４高調波放射に対してブリュースタ角条件を満たすことは困難であった。

従って、当分野において、上記問題点を克服する第４高調波発生システム及び方法が必要である。

本発明の教示内容は、添付図面と共に以下の詳細な説明を考察することによって容易に理解し得る。
以下の詳細な説明には、例示を目的とする多くの具体的な詳細内容が含まれるが、当業
者は、以下の詳細内容に対する多くの変形及び変更が、本発明の範囲内にあることを認識されるであろう。従って、以下に述べる本発明の例示の実施形態は、所有権を主張する発明に対して、一般性を全く損なうことなく、また、制限を課すことなく記載される。

図１Ａは、本発明の実施形態に基づく第４高調波光システム２０の例の概略図であり、図１Ｂは、システム２０の一部を示す詳細図である。一般的に、システム２０は、例えば、２つ以上の反射鏡、例えば、第１、第２、及び第３反射鏡２４Ａ乃至２４Ｃによって画成される空洞共振器２２を含み得る。共振器２２は、基本周波数ωによって特徴付けられる基本波電磁放射２６を支持するように構成される。共振器２２が基本周波数ωの放射を支持し得る共振器であるように、例えば、反射鏡２４Ａ乃至２４Ｃの寸法（例えば、半径）、反射率、及び間隔を選択することによって、共振器２２は、基本波放射を支持するように構成し得る。図１Ａは、Ｖ形共振器２２を示すが、例えば、多くの可能な例の内の幾つかを例に挙げれば、当業者は、脚部が多い、環状構造又は線形構造の安定、不安定、４ミラーＺ形、５ミラーＷ形の共振器等、他の共振器を工夫し得るであろう。

基本波放射２６は、共振器２２内に配置された能動媒体３０によって生成し得る。一例として、能動媒体３０は、ドーパントレベルが１％のＮｄ−ＹＡＧブリュースタロッドであってよい。他の適切な能動媒体には、様々な形状及び寸法でドーパントレベルが高い又は低いＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＡＬＯ、Ｎｄ：ガラス、Ｙｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス、ルビー・チタニウム・サファイア、ＣｒＬｉＳＡＦ等、端面ポンピング型又は側面ポンピング型の固体、液体、並びに気体媒体が含まれる。能動媒体３０は、エネルギー３６の外部供給源３４によってポンピングし得る。このようなポンピングエネルギーは、能動媒体３０の１つ又は複数の側面及び／又は端面を介して導入される放射形態であってよい。システム２０は、高強度の放射パルスの生成を容易にするパルス発生機構３８（例えば、Ｑスイッチ、モードロッカ、又は利得制御装置）を含み得る。

能動媒体３０は、基本波放射２６が通過する２つの端面３２Ａ乃至３２Ｂを有し得る。基本波放射２６が、端面３２Ａ乃至３２Ｂに対してｐ偏光されるように、即ち、基本波放射２６の入射面の面内で偏光されるように、端面３２Ａ乃至３２Ｂは、放射線２６に対してブリュースタ角θ_Ｂで配置し得る。他の選択肢として、能動媒体３０の端面３２Ａ乃至３２Ｂは、基本波放射２６の伝播方向に対して、法線方向（垂直）又はほぼ法線方向又は何れか他の角度であってよい。

第４高調波発生器（ＦＨＧ）４０は、空洞共振器２２内に配置される。第４高調波発生器は、基本波放射２６と、周波数３ωの第３高調波放射との相互作用からの第４高調波周波数４ωによって特徴付けられる第４高調波放射ＦＨを生成する。一般的に、基本波放射２６の波長は、第４高調波発生器４０が、何らかの所望の第４高調波波長の第４高調波放射ＦＨを生成するように選択される。極めて実用的な対象である第４高調波波長は、ＵＶ領域の１９０ｎｍと可視領域の４５０ｎｍ（青）との間にある。好適には、第４高調波放射ＦＨの波長は、２６６ｎｍである。

ＦＨＧ４０は、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）、ベータ・バリウム・ボーレート（ＢＢＯ）、セシウム・リチウム・ボーレート（ＣＬＢＯ）、ＫＤＰ、及びその同形体等の非線形媒体であってよい。第４高調波放射ＦＨを生成する反応は、これらの材料において位相整合する。位相整合条件を満足する他の結晶には、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＲＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４、又はＬＦＭが含まれる。好適な実施形態において、ＦＨＧ４０は、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）結晶である。ＦＨＧ４０には、基本波放射２６に対して実質的にブリュースタ
角で方位が定められる出力面４２が含まれる。図１Ｂに示すように、基本波放射Ｆは，第４高調波放射ＦＨを特徴付けるｓ偏光と補完関係にあるｐ偏光によって特徴付けられる。その結果、出力面４２から出射する基本波放射Ｆ及び第４高調波放射ＦＨは、空間的に分離し得る。図１Ａ乃至１Ｂに示す例において、出力面４２は、能動媒体３０に面する。ＦＨＧ４０は、出力面４２と反対側に配置される入力面４４を含み得る。入力面４４が、基本波放射２６に対して実質的にブリュースタ角θ_Ｂで方位が定められるように、入力面４４は、出力面４２に対して実質的に平行に（例えば、光学的許容内で）方位を定め得る。

ＦＨＧ４０の出力面４２が、第４高調波放射ＦＨに起因する損傷に耐えるように、出力面４２は、好適には、光学的に被覆されない。出力面４２は、機械的及び光学的にロバストな被覆を有し得るが、好適には、反射防止被覆が無い。特に、出力面４２は、基本波又は第４高調波波長で放射線の反射を防止するための光学的被覆を有する必要がなく、また、好適には、光学的被覆を有さない。光学的被覆が無い場合、出力面４２は、光学的損傷、特に、第４高調波及び他のＵＶ放射に起因する損傷に比較的影響されない。多くの市場用途では、高出力レベル（直径１５０μｍのスポットサイズの場合、約１０^７乃至１０^９Ｗ／ｃｍ^２を超える局部ピーク出力密度に対応してワット・オーダの総出力）で、好適には、１０,０００時間を越える数千時間の本質的に損傷の無い（損傷起因の損失が０．１
％より小さい）動作を必要とする。当業者は、損傷無く発生させるために、ＵＶに曝される光学部品の清浄度に対して極端な注意が必要であることを認識されるであろう。ＵＶ光表面の周囲環境における無数の汚染物質、無数のガス放出物質、及び無数の気体状不純物は、容易に性能を損ない得る。

第４高調波放射の出力を強化するために、出力面４２は、ＦＨＧ４０と第２反射鏡２４Ｂの間で基本波放射２６の伝播方向（矢印７４で示す）に対して斜めに切断されることが望ましい。また、出力面４２は、ＦＨＧ４０内部から出力面４２に入射する基本波、第２高調波、第３高調波、及び第４高調波放射の伝播方向（矢印７６で示す）に対して斜めに方位を定めることが望ましい。実際、矢印７４及び７６は、通常、互いに平行でない。好適には、出力面４２が、基本波及び第３高調波ｐ偏光放射の通過を妨げないように、出力面４２は、ブリュースタ切断される。出力面４２の法線と矢印７６によって与えられる方向との間の角は、ほぼブリュースタ角で与えられる。

〔１〕θ_Ｂ＝Ａｒｃｔａｎ（ｎ_２／ｎ_１）
ここで、ｎ_２及びｎ_１は、それぞれＦＨＧ４０と、ＦＨＧ４０外部の媒体（例えば、空気）の屈折率である。当業者には明らかなように、ＦＨＧ４０の屈折率は、波長により変動し得るものであり、その結果、ブリュースタ角は、波長により幾分変化し得る。第４高調波出力強度が、基本周波数でもたらされる損失に最も敏感であるため、出力面４２の方位は、基本波放射方向７６に対する光学的組立公差内でブリュースタ条件を満足するように選択される。更に、出力面４２から出射する基本波放射Ｆ及び第４高調波放射ＦＨは、屈折率が異なるため、異なる角度で屈折する。第４高調波放射が共振器２２を出力として出射するように、共振器２２は、第２反射鏡２４Ｂへの設定入射角だけでなく、例えば、適切なサイズ設定、曲率、配置、及び第２反射鏡２４Ｂの向きによって構成し得る。

システム２０からの第４高調波放射ＦＨの出力を強化するために、基本波放射２６は、例えば、矢印２８で示すように図１Ａの図面の面に対して平行に、出力面４２を基準にしてｐ偏光される。能動媒体３０に固有の偏光属性、又は、能動媒体３０から分離した偏光選択装置を表面３２Ａ乃至３２Ｂ及び出力面４２に加えて用いて、（或る所望の偏光方向の）線形偏光基本波放射を選択し、共振器２２内で伝播し得る。図１Ｂにおいて、基本波放射２６は、図面の面内においてｐ偏光し、一方、第４高調波放射ＦＨは、図面の面に対して垂直にｓ偏光し得る。ｓ−及びｐ−偏光は、互いに補完関係にあり、例えば、互いに直交する。この種の構成は、出力面４２が、所望の出力放射、即ち、第４高調波放射ＦＨ
に対するブリュースタ条件を満足しないという点である程度直感に反する。その結果、このような配置は、出力面４２から出射する基本波放射Ｆの伝播を強化し得るが、出力面４２から出射する第４高調波放射ＦＨの伝播を妨げ得る。ＦＨＧ４０の中から出力面に入射する第４高調波放射ＦＨの約２０％は、内部反射放射ＩＲとして消失し得る。この構成は、従来技術の第３高調波及び第４高調波生成方式と反対であり、この方式は、内部反射によるこのような損失を回避するために、基本波放射及び所望の出力放射双方を偏光して、出力面においてブリュースタ角条件を達成する。本発明者らは、図１Ａ乃至１Ｂに示したもの等、本発明の実施形態によって取得し得る幾つかの利点は、内部反射による損失に関係する欠点より勝っていると判断した。これらの利点には、プリズム又はＡＲ被覆した表面を必要としない、また、第４高調波発生器４０としてＬＢＯ等の堅牢で耐久性のある非線形材料を用いて位相整合する能力を必要としない単純な共振器内設計が含まれる。

一例として、ＦＨＧ４０は、基本波放射２６と、第３高調波周波数３ωによって特徴付けられる第３高調波放射ＴＨとの相互作用によって第４高調波放射を生成し得る。基本波放射２６及び第３高調波放射ＴＨ双方がＦＨＧ４０の面４２及び４４の双方に対してｐ偏光され、また、双方の切子面がＦＨＧ４０の基本波放射及び第３高調波放射の伝播方向に対して実質的にブリュースタ角であれば、第３高調波放射ＴＨを第４高調波放射ＦＨに変換する際のＦＨＧ４０の効率は、強化し得る。基本波放射Ｆ及び第３高調波放射ＴＨに対するブリュースタ角は、一般に用いられる材料及び波長の場合、実質的に同じになり得る。例えば、３５５ｎｍ及び１０６４ｎｍのｐ偏光放射線に対するブリュースタ角は、ＬＢＯにおいて約０．６５°だけ異なり、このことは、第３高調波に対する非理想的ブリュースタ整合による第３高調波の出力パワーの約０．１％の損失に相当する。

図１Ａに示す特定の例において、第３高調波放射は、空洞共振器２２内部、例えば、ＦＨＧ４０と第３反射鏡２４Ｃとの間に配置される第３高調波発生器（ＴＨＧ）５０によって生成し得る。ＴＨＧ５０は、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）ＢＢＯ、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ＣＬＢＯ、ＦＨＧ４０に対して上述した他の材料プラス他の適切な位相整合された材料の結晶等の非線形材料を含み得る。ＴＨＧ５０は、基本波放射２６と、第２高調波周波数２ωによって特徴付けられる第２高調波放射ＳＨとの間の相互作用によって、第３高調波放射ＴＨを生成し得る。次に、第２高調波放射ＳＨは、空洞共振器２２内部、例えば、ＴＨＧ５０と第３反射鏡２４Ｃとの間に配置される第２高調波発生器（ＳＨＧ）６０によって生成し得る。また第２高調波発生器６０は、上述したようにＬＢＯ結晶又は他の非線形材料であってよい。ＦＨＧ４０、ＴＨＧ５０、及びＳＨＧ６０の結晶軸は、それぞれの機能に従って、それらの内部における放射線の伝播方向に対して異なる方位に定め得る。一般的に、他の様々な構造は、ＦＨＧ４０、ＴＨＧ５０、及びＳＨＧ６０に用い得るが、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＤＰ（及び同形体）、又はＬｉＩＯ_３結晶だけでなく、周期分極タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）又はＫＴＰ等、擬似位相整合材料を含み得る。擬似位相整合材料において、基本及び高調波放射は、同一の偏光を有し得る。

ＴＨＧ５０及びＳＨＧ６０は、第３高調波放射ＴＨの生成効率を強化するように構成し得る。特に、ＳＨＧ６０の長さは、基本波放射２６が、第２高調波放射ＳＨ及び第３高調波放射ＴＨと混合するための強力な循環パワーを基本波放射２６に残すのに充分な程の低効率で第２高調波放射に変換されるように適切に選択し得る。同様に、ＴＨＧ５０の長さは、第３高調波放射ＴＨを生成するために第２高調波放射ＳＨと基本波放射２６との間の相互作用を強化するように選択し得る。一例として、ＳＨＧ６０及びＴＨＧ５０がＬＢＯ結晶を用いて形成される場合、ＳＨＧ６０の長さは、約３ｍｍであり、また、ＴＨＧ５０の長さは、１５乃至２０ｍｍであってよい。ＳＨＧ６０及びＴＨＧ５０は、基本波放射２６からの第２高調波放射ＳＨのウォークオフを最小限に抑えるように方位を定めて効率を最適化し得る。

第４高調波放射ＦＨの出力は、ＴＨＧ５０の適切な構成によって強化し得る。例えば、ＴＨＧ５０は、ＦＨＧ４０の入力面４４に面する出力面５２、及びＳＨＧ６０に面する出力面５４を有し得る。ＴＨＧ５０の出力面５２は、間隙Ｇ１だけＦＨＧ４０の入力面４４から離間し得る。ＳＨＧ６０は、ＴＨＧ５０の入力面５４及び第３反射鏡２４Ｃにそれぞれ面する対向切子面６２及び６４を有し得る。ＳＨＧ６０の出力面６２は、間隙Ｇ２だけＴＨＧ５０の入力面５４から離間し得る。ＳＨＧ６０の入力面６４は、間隙Ｇ３だけ第３反射鏡２４Ｃから離間し得る。切子面６２及び６４は、後述するように、ＳＨＧ６０に対する入力及び出力面双方の役割を果たす。切子面６２及び６４は、法線方向（又はほぼ法線方向）に切断され、また、ＦＨＧ４０、ＴＨＧ５０、及びＳＨＧ６０を通過する放射線の方向に対して法線方向（又はほぼ法線方向）に方位を定め得る（矢印７６で示す）。切子面６２及び６４は、１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍでの放射線に対して反射防止（ＡＲ）被覆してよい。所定の波長範囲に対する反射防止被覆は、当分野において公知である。またＴＨＧ５０の入力面５４は、ＴＨＧ５０を介する放射線の伝播方向に対して法線方向に、ほぼ法線方向に切断し得る。被覆が、このような放射線に対する長期露出下で大きく劣化しない場合、入力面５４は、基本周波数ω及び第２高調波周波数２ωの放射線に対してＡＲ被覆し得る。

また第４高調波放射ＦＨの出力は、反射鏡２４Ａ乃至２４Ｃを適切に構成することによって強化し得る。反射鏡は、利得媒体３０において、また、第２、第３、及び第４高調波発生器６０、５０、４０で、共振器２２のモードを設定するように配置し得る。図１Ａに示すシステム２０において、第１及び第２反射鏡２４Ａ、２４Ｂは、基本周波数ωでの放射線に対して高い反射性を有する（例えば、反射率が９９．９％よりも大きい）ことが望ましい。第３反射鏡２４Ｃは、基本波放射２６及び第２高調波放射ＳＨに対して高い反射率を有し得る。

システム２０は、次のように第４高調波放射を発生し得る。能動媒体３０が発生する基本波ｐ偏光放射線２６は、ＳＨＧ６０の切子面６２に入射する。ＳＨＧ６０は、ｓ偏光第２高調波ＳＨを生成し、その一部は、ＴＨＧ５０の入力面５４に入射し、また、その一部は、第３反射鏡２４Ｃから反射する。例えば、ＳＨＧ６０がＬＢＯに基づく場合、基本波放射から第２高調波放射を生成する反応は、対象の波長、例えば、基本波放射２６の場合は１．０６４ミクロン、第２高調波放射ＳＨの場合は５３２ｎｍの波長に対して位相整合される。ｓ偏光第２高調波放射ＳＨの偏光方向は、図１Ａの図面の面に垂直である。第３反射鏡２４Ｃによって反射される第２高調波放射は、切子面６４に入射する。ＳＨＧ６０とＴＨＧ５０との間のビーム区間８０には、両方向に進む基本波放射だけでなく、ＳＨＧ６０からＴＨＧ５０に進む第２高調波放射が含まれる。ＳＨＧ６０と第３反射鏡２４Ｃの間のビーム区間８２には、両方向に進む基本波放射及び第２高調波放射双方が含まれる。従って、基本波放射及び第２高調波放射は、ＴＨＧ５０の入力面５４に入射する。

ＴＨＧ５０は、入力面５４に入射する基本波放射２６と第２高調波放射ＳＨとの一部を混合することによって、ｐ偏光第３高調波放射ＴＨを発生する。例えば、ＴＨＧ５０がＬＢＯに基づく場合、第３高調波放射を生成する反応は、対象の波長、例えば、基本波放射２６の場合は１．０６４ミクロン、第２高調波放射ＳＨの場合は５３２ｎｍ、第３高調波放射ＴＨの場合は約３５５ｎｍの波長で位相整合される。第３高調波放射ＴＨを含む第３高調波放射ビーム９０は、第２高調波放射ＳＨの一部及び基本波放射２６の一部がそうするように、出力面５２を介してＴＨＧ５０を出射する。第２高調波放射ＳＨはｓ偏光されるため、一部の第２高調波放射は、出力面５２によって反射されて戻り内部反射ビーム９４を形成し得る。当業者にとって好事例であるように、内部反射ビーム９４及び後続の切子面４２及び４４から反射する第２高調波放射ＳＨの一部は、好適には、システム２０の光学部品に損傷を与えないように、経路選択されるか又は吸収される。第２高調波放射Ｓ
Ｈが、接着剤、Ｏリング、又は損傷又は消散し得る他の材料に触れないようにすることが望ましいことが多い。

第３高調波放射ビーム９０、及び基本波放射２６の一部は、入力面４４を介してＦＨＧ４０に入射する。ＦＨＧ４０は、入力面４４に入射する基本波放射２６と第３高調波放射ビーム９０との一部を混合することによって、ｓ偏光第４高調波放射ＦＨを発生する。例えば、ＦＨＧ４０がＬＢＯに基づく場合、第４高調波放射を生成する反応は、対象の波長、例えば、基本波放射２６の場合は１．０６４ミクロン、第３高調波放射ＴＨの場合は約３５５ｎｍ、及び第４高調波放射ＦＨの場合は２６６ｎｍの波長で位相整合される。ＦＨＧ４０に入射する基本波放射と第３高調波放射との間の分散性の離隔距離が、ビーム直径φと比較して小さいように、ＦＨＧ４０とＴＨＧ５０との間の間隙Ｇ１は、充分に小さいことが望ましい。一例として、本発明を限定することなく、この条件は、次のように表し得る。

〔２〕（Ｇ１）（離隔距離）≪φ
ビーム離隔距離が約１°（約１／６０ラジアン）である場合、式〔２〕は、以下のように書き直せる。

〔３〕（Ｇ１）≪６０φ
ビーム直径φが約０．１５ｎｍの場合、Ｇ１は、好適には、１０ｎｍよりも小さい。本発明の他の実施形態において、離隔距離は、この離隔距離効果を補償する光画像形成法を用いて更に大きくし得るが、（損傷を受けやすい）光学部品を付加する代償を伴う。

第４高調波放射ビームＦＨは、一部の第３高調波放射、一部の第２高調波放射ＳＨ、及び基本波放射２６の一部Ｆがそうするように、出力面４２を介してＦＨＧ４０を出射する。第４高調波放射ＦＨは、ｓ偏光されるため、一部の第４高調波放射ＦＨは、出力面４２によって反射されて戻り、また、内部反射放射ＩＲとして失われる。反射第２高調波放射に関して上述したように、反射第４高調波放射ＦＨは、望ましくは、システム２０の敏感な構成要素に対する損傷を回避するために、注意深く経路選択されるか又は吸収される。図１Ｂに図示した全ビームの偏向の広がりは、分かりやすくするために誇張されている。その方向が斜めであるため、出力面４２によって、通過する放射線の断面が変わり得る。例えば、ビームの断面は、出力面４２を介して通過した後、円形から楕円形（逆もまた同じ）に変わり得る。当業者には明らかなように、共振器内又は共振器外ビーム成形要素を用いて、特定の共振器内又は共振器外位置で所望のビーム断面を実現し得る。

出力面４２は、ＦＨＧ４０内外の放射線伝播に対して法線方向ではないため、出力面４２は、各それぞれの波長及び偏光方向に対するＦＨＧ４０の屈折率に基づき、第４高調波放射、第３高調波放射、第２高調波放射、及び基本周波数放射を空間的に分離する分散性の表面の役割を果たす。従って、幾つかの従来技術による第４高調波発生システムによって用いられるブリュースタ・プリズム等、分離した分散性要素は、本発明の本実施形態において必要としない。更に、出力面４２は、ｐ偏光基本波放射Ｆの放射線伝播方向に対してほぼブリュースタ角であるため、出力面４２は、基本波放射Ｆの通過を実質的に妨げない。一部の（但し、極めて僅かな）ｐ偏光第３高調波放射ＴＨを失うことがあるが、このことは、第４高調波発生器４０が、第３高調波ビーム放射９０の大部分を第４高調波放射ＦＨに変換する場合、重要ではあり得ない。更に、ＵＶ起因の損傷を受けやすい反射防止被覆は、出力面４２に用いる必要はなく、この場合、用途上、第４高調波放射ＦＨの出力だけでなく第３高調波放射ＴＨの出力が必要であれば、基本波放射又は第３高調波周波数での潜在的に有効な出力に対する共振器の適性が失われることはない。一部の内部反射第４高調波放射ＩＲは、出力面４２で反射され戻ることよって損失が生じ得るが、これは、例えば、システム２０から第４高調波放射ＦＨの所望の有効な出力レベルを達成するため
に、利得媒体３０によって生成される基本波放射２６の強度を適切に増やすことによって補償し得る。

ＦＨＧ４０の出力及び入力面４２、４４は、図１Ａ及び図１Ｂにおいて互いに実質的に平行となるように示すが、ＦＨＧ４０に対しては、他の構成が可能である。例えば、図１Ｃは、ＦＨＧ４０の形状が、実質的に角柱又は台形である本発明の他の選択的な実施形態を示す。ＦＨＧ４０は、入力及び出力面４２’、４４’を有する。出力面４２は、基本波放射２６に対してブリュースタ角θ_Ｂであってよいが、入力面４４’に対しては平行でない。好適には、二つの切子面４２’、４４’は、１８０°−２θ_Ｂだけ互いに平行な状態からずれる。システム２０の他の構成要素は、ＦＨＧ４０’を収容するように適切に構成し得る。例えば、ＦＨＧ４０’に光学的に結合されるＴＨＧ５０’は、ＦＨＧ４０’の入力面４４’に隣接し実質的に平行である切子面５２’を有し得る。このような構成は、例えば、基本波放射Ｆと第４高調波放射ＦＨとの間の角変位を大きくするために望ましいことがある。

上記実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく多くの方法で変更し得ることが当業者には明らかであろう。例えば、空洞共振器は、線形でなくてもよく、あるいは、折り返した環状共振器を用い得る。互いに対する且つ能動媒体３０に対するＦＨＧ４０、ＴＨＧ５０、及びＳＨＧ６０の位置又は方位は、変更し得る。能動媒体ブリュースタ表面に加えて又は代わりに補助偏光制御装置を用いて、共振器内放射の偏光特性を制御し得る。単一モード、又は多重横若しくは多重縦モード動作を用い得る。Ｑスイッチ又はモードロッカは、必要ではない。ブリュースタ板又はダイクロイック反射鏡等、複数の共振器内又は共振器外偏光選択性要素を用い得る。偏光選択性要素は、絶対的に必要ではない。

上記内容は、本発明の好適な実施形態の全説明であるが、様々な選択肢、修正、及び等価な内容を用いることができる。従って、本発明の範囲は、上記説明を参照して判断されるべきでなく、代わりに、添付した請求項を参照して、それらの全範囲の等価な内容と共に判断されるべきである。添付した請求項は、手段プラス機能制限を含むものと解釈しないものとするが、これは、このような制限が、語句“手段”を用いて所定の請求項において明確に記述されない場合である。

本発明の実施形態に基づく光第４高調波発生システムを示す概略図。 本発明の実施形態に基づく光第４高調波発生システムを示す図１Ａの一部の拡大図。 ＦＨＧ４０’がプリズム状または台形である、本発明の別の実施形態の部分図。

Claims (31)

1. 光の第４高調波発生システムであって、
   基本周波数の電磁放射をサポートするように構成された空洞共振器と、
   基本周波数の電磁放射との相互作用によって第３高調波周波数の電磁放射を発生するように構成され、前記空洞共振器内に配置された、出力面を有する第３高調波発生器と、
   前記基本周波数の放射と第３高調波周波数の放射との相互作用によって第４高調波周波数の電磁放射を生成するように構成され、前記空洞共振器内に配置された第４高調波発生器であって、前記第３高調波発生器の出力面からの第３高調波の放射を受信するための入力面と、前記第４高調波周波数を電磁放射するための出力面と、を有する前記第４高調波発生器と、
   からなり、
   前記基本波の電磁放射と第３高調波の電磁放射とは、第４高調波放射を特徴付けるｓ偏光と補完関係にあるｐ偏光によって特徴付けられ、
   前記第４高調波発生器の入力面と出力面、および前記第３高調波発生器の出力面とはそれぞれ、前記基本周波数の電磁放射に対してブリュースタ角θ_Bで方位が定められて、それによって反射防止被覆を用いずに、面からの基本放射の背面反射を抑制して、
   これによって、前記出力面から出射する前記基本周波数の電磁放射及び第４高調波周波数の電磁放射は、前記出力面から出射する時に、空間的に分離され得る、光第４高調波発生システム。
2. 前記第４高調波発生器の出力面は被覆されていない請求項１に記載のシステム。
3. 更に、前記空洞共振器内に配置された、前記基本周波数の電磁放射を発生するための手段を含む請求項１に記載システム。
4. 前記第３高調波発生器は、前記基本周波数の放射と、同基本周波数の第２高調波に相当する周波数である第２高調波の放射と、の相互作用によって第３高調波放射する請求項１に記載のシステム。
5. 第４高調波発生器の入力面及び出力面は被覆されていない請求項１に記載のシステム。
6. 第４高調波発生器の前記入力及び出力面は互いに平行である請求項１に記載のシステム。
7. 前記第４高調波発生器の入力面及び出力面は互いに対して平行ではない
   請求項１に記載のシステム。
8. 前記第４高調波発生器の入力及び出力面は、約１８０°−２θ_Ｂだけ互いに平行な状態からずれている請求項７に記載のシステム。
9. 更に、基本周波数の放射から第２高調波周波数の電磁放射を発生するように構成され、前記空洞共振器内に配置された、第２高調波発生器であって、
   基本周波数の放射と第３高調波の放射とは、前記第２高調波放射及び第４高調波放射を特徴付けるｓ偏光と補完関係にあるｐ偏光によって特徴付けられ、
   前記第４高調波発生器の出力面は、前記基本周波数の電磁放射と第３高調波周波数の電磁放射に対してブリュースタ角で方位が定められる請求項４に記載のシステム。
10. 更に、前記第４高調波発生器の入力面と前記第３高調波発生器の出力面との距離は短くて、前記第４高調波発生器に入る、基本波放射と第３高調波放射との間の分散的分離は、前記放射のビーム径に比べて小さい請求項１に記載のシステム。
11. 前記空洞共振器は、前記第４高調波発生器の出力面から出射する第４高調波周波数の放射が、出力放射として前記空洞共振器を出射するように構成された請求項１に記載のシステム。
12. 前記第４高調波発生器には、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）、ベータ・バリウム・ボーレート（ＢＢＯ）、セシウム・リチウム・ボーレート（ＣＬＢＯ）、ＫＴＰ、ＫＴＰの同形体、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＲＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４、又はＬＦＭのグループから選択された結晶が含まれる請求項１に記載のシステム。
13. 前記第４高調波放射を発生する反応は、第４高調波発生器において位相整合される請求項１に記載のシステム。
14. 前記第４高調波発生器の出力面は、第４又は第３高調波周波数の前記放射に起因する光学的損傷に対して耐性がある請求項１に記載のシステム。
15. 更に、前記空洞共振器内部に配置された光利得媒体を含む請求項１に記載のシステム。
16. 前記第４高調波発生器の入力面が第３高調波発生器に面し、また、前記出力面が前記能動媒体に面するように、前記第４高調波発生器が、前記光利得媒体と第３高調波発生器との間の光路に沿って配置される請求項１５に記載のシステム。
17. 更に、前記空洞共振器内に配置されたＱスイッチを含む請求項１５に記載のシステム。
18. 第４高調波発生器の入力面は、前記基本周波数の電磁放射及び前記第３高調波周波数の電磁放射に対してブリュースタ角で方位が定められる請求項１に記載のシステム。
19. 前記第４高調波発生器の前記入力及び出力面は被覆されていない請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第３高調波発生器の入力面は、第４高調波発生器の前記入力面に面して配置され、第３高調波発生器の出力面は、前記基本周波数の電磁放射及び第３高調波周波数の電磁放射に対してブリュースタ角θ_Ｂで方位が定められる請求項１８に記載のシステム。
21. 前記第４高調波発生器の前記入力及び出力面は、互いに対して実質的に平行である請求項２０に記載のシステム。
22. 前記第４高調波発生器の前記入力及び出力面は、互いに対して平行ではない請求項２０に記載のシステム。
23. 前記入力及び出力面は、約１８０°−２θ_Ｂだけ互いに対して平行な状態からずれている請求項２２に記載のシステム。
24. 前記第４高調波発生器の前記入力及び出力面、並びに第３高調波発生器の前記出力面は、実質的に被覆されていない請求項２０に記載のシステム。
25. 前記第４高調波発生器には、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）、ベータ・バリウム・ボーレート（ＢＢＯ）、セシウム・リチウム・ボーレート（ＣＬＢＯ
    ）、ＫＴＰ、ＫＴＰの同形体、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＲＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４、又はＬＦＭのグループから選択された結晶が含まれる請求項１８に記載のシステム。
26. 前記第４高調波放射を生成する反応は、第４高調波発生器において位相整合されている請求項２５に記載のシステム。
27. 光第４高調波発生方法であって、
    空洞共振器内で基本周波数の電磁放射を共振する工程と、
    前記空洞共振器内に配置された、出力面を有する第３高調波発生器を使用して基本周波数の第３高調波放射を発生する工程と、
    前記第３高調波発生器の出力面からの第３高調波の放射を受信するために共振器内に配置された、出力面と入力面とを有する第４高調波発生器を用いて前記基本周波数の第４高調波の放射を発生する工程であって、前記基本波放射と第３高調波は、第４高調波放射を特徴付けるｓ偏光と補完関係にあるｐ偏光によって特徴付けられることと、
    前記基本周波数の電磁放射に対して実質的にブリュースタ角で方位が定められる第４高調波発生器の出力面において第４高調波放射から前記基本波放射を空間的に分離する工程と、からなり、
    第４高調波発生器の入力面と第３高調波発生器の出力面は、前記基本周波数の電磁放射に対してブリュースタ角θ _Ｂ で方位が定められる、方法。
28. 前記第４高調波放射を生成する工程には、前記基本波放射と、前記基本周波数の第３高調波に対応する周波数を有する放射との間の相互作用が含まれる、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第４高調波発生器には、リチウム・トリボレート（ＬＢＯ）、ベータ・バリウム・ボーレート（ＢＢＯ）、セシウム・リチウム・ボーレート（ＣＬＢＯ）、ＫＴＰ、ＫＴＰの同形体、ＡＤＡ、ＡＤＰ、ＣＢＯ、ＤＡＤＡ、ＤＡＤＰ、ＤＫＤＰ、ＤＬＡＰ、ＤＲＤＰ、ＫＡＢＯ、ＫＤＡ、ＫＤＰ、ＬＢ４、又はＬＦＭのグループから選択された結晶が含まれる請求項２８に記載の方法。
30. 前記第４高調波放射を発生する反応は、第４高調波発生器において位相整合されている請求項２９に記載の方法。
31. 更に、前記基本周波数の電磁放射を発生する工程が含まれる請求項２７に記載の方法。

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