JP4837830B2 - 高電力外部空洞光学的ポンピング半導体レーザー - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
概して本発明は、表面放出、半導体多層（周期的）利得媒体を含む外部空洞式光学的にポンピングされるレーザー装置（以後ＯＰＳレーザー装置）に関する。特に本発明は、約２ワット（２．０Ｗ）又はそれ以上の基本レーザー出力パワーを与え得るようなレーザー装置の配列及び約百ミリワット（１００ｍＷ）の調波レーザー出力パワーを与え得るようなレーザー装置の空洞内で周波数変換される配列に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ここで用いるＯＰＳレーザー装置の用語は、垂直空洞・表面放出半導体レーザー装置を指し、そこでは光学利得が非常に薄い層、例えば、約１５０オングストローム単位（Ａ）又はそれ未満の半導体材料の電気的キャリア（キャリアー）の再結合よって与えられる。概してこれらの層は量子谷（ＱＷ）層又は能動層と呼ばれる。
【０００３】
ＯＰＳレーザー装置では、幾つかのＱＷ層、例えば、約１５層が、同じく半導体材料であるがＱＷ層より高い伝導帯域エネルギーを有する分離層によって隔置される。能動層及び分離層のこの結合はＯＰＳレーザーの利得構造体として定められ得る。利得構造体の層はエピタキシャルに成長される。利得構造体についてエピタキシャル成長される多層鏡構造体は、しばしばブラッグ（Bragg）鏡と呼ばれる。鏡構造体及び利得構造体の結合(化合物)は以後ＯＰＳ構造体と呼ばれる。
【０００４】
（外部空洞）ＯＰＳレーザー装置では、出力結合鏡として働く他の（従来型）鏡がＯＰＳ構造体から隔置され、それによってＯＰＳ構造体の鏡構造体を有する共振空洞を形成する。従って、共振空洞はＯＰＳ構造体の利得構造体を含む。鏡構造体及び利得構造体は、利得構造体のＱＷ層が基本レーザー波長の半波長だけ隔置され、位置的に共振器基本レーザー放射の定在波の波腹に対応するように配列される。基本波長はＱＷ層構成の特質である。
【０００５】
光学的ポンプ放射（ポンプ光）は、ＯＰＳ構造体の利得構造体内へ向けられ、利得構造体の分離層によって吸収され、それによって電気的キャリアを発生させる。電気的キャリアは、利得構造体のＱＷ層内に捕捉されて再結合される。ＱＷ層での電気的キャリアの再結合は、基本波長の電磁放射を与える。この放射は共振器内で循環して増幅され、それによってレーザー放射を発生させる。
【０００６】
ＯＰＳレーザー（装置）は、電気的にポンピングされる半導体レーザーにおいて用いるためにＱＷ構造体を好都合に試験する一手段として先行技術ではしばしば用いられていた。より最近では、ＯＰＳレーザーはそれ自体の資質でレーザー放射源として研究されてきている。しかし、そのような研究の重視は、半導体レーザー及びそのパッケージアレイの概してコンパクトな特性維持に遅れないような小型で、実に単一結晶（半導体集積回路）を用いる装置を与えることにあると思われる。
【０００７】
ＯＰＳ構造体の利得構造体は、ダイオードレーザーにつき考えられるものと同一の広範な半導体材料/基板結合から形成され得る。これらは、それに限定されないが、ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ/ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ/ＧａＡｓ及びＩｎＧａＮ/Ａｌ_２Ｏ_３を含み、それらは、それぞれ約９６０乃至１８００ｎｍ、８５０乃至１１００ｎｍ、７００乃至８５０ｎｍ、６２０乃至７００ｎｍ及び４２５乃至５５０ｎｍの範囲において基本波長の比較的広いスペクトルを与える。勿論、範囲には何らかの重複がある。従って、これらの基本波長の周波数増大は、それが実用的である範囲まで、電磁スペクトルの黄緑部分から紫外線部分内へ十分達する範囲の比較的広い範囲のスペクトルを与え得るであろう。
【０００８】
従来のソリッドステート（固体）レーザーでは基本波長、従って、その高調波（周波数倍増又は周波数混合によって生成される）は、特殊の結晶状又はガラス状の受容体（寄主）、例えば、周知の１０６４ｎｍ波長のネオジム添加されたイットリウムアルミニュームガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）の特殊な微量添加物の固定された波長特性に限定される。これらの特性波長の１つは、特定の用途につき十分であり得るが、その用途に対して最適波長ではないであろう。
【０００９】
【発明が解決すべき課題】
ＯＰＳレーザーは、真のＣＷ操作モード（方式）で波長を発生させる手段を提供し、それは医療、光学度量衡、光学リトグラフィ及び精密レーザー機械加工等の分野における多くのレーザー用途につき最適波長を厳密に適応させ得る。しかし、先行技術ＯＰＳレーザーはそのような用途に対して十分なパワーを与えるのには程遠い。現在までに報告されているＯＰＳレーザー用の最高基本出力パワーは約１０００ｎｍ（Kuzentsov 他、IEEE Photonics Tech. Lett ９、１０６３（１９９７））の波長で７００ｍＷであると考えられる。空洞内周波数倍増ＯＰＳレーザーに対しては、報告されている最高出力パワーは約４８８ｎｍ（Alford他、「高等レーザーソリッドステートレーザーに関するIEEE/OSA会議の技術的要約」、Boston MA、1999、ｐｐ182-187）の波長で６ｍＷであると考えられる。直接又は周波数倍増のいずれかによってＯＰＳレーザーで連続波（ＣＷ）紫外線（ＵＶ）放射の発生は現在まで報告されていないと考えられる。
【００１０】
広範な波長選択を潜在的に提供する上でＯＰＳレーザーがどんなに柔軟性があっても、ソリッドステート及び他のレーザーが現在用いられる用途で競争的であるためには、先行技術ＯＰＳレーザーによって提供されるものに対して少なくとも１桁及び望ましくは２桁のパワー増加が求められる。また、このパワー増加は出力パワーの安定性及び光線品質を犠牲にすることなく達成されなければならない。さらに、最も広い範囲の用途で用いられ得るためには、高パワー及び高光線品質で入手可能なＯＰＳレーザー波長範囲は電磁スペクトルのＵＶ領域内、望ましくは３００ｎｍ未満の波長まで延ばさなければならない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、紫外線放射を与える高パワーＯＰＳレーザー等、即ち、約４２５ｎｍ未満の波長において高パワーＯＰＳレーザーを与えることに向けられる。一特定面において本発明によるＯＰＳレーザーは、鏡構造体に載っている利得構造体を有するＯＰＳ構造体を含む。前記利得構造体は、層間に能動ポンプ光吸収層を有する複数の層を含み、前記能動層は、光学ポンプ光が前記利得構造体に入射すると約４２５ｎｍ及び１８００ｎｍ間の予め決められた基本波長において電磁放射を放出するために選択される組成を有し、前記鏡構造体は交番する高及び低屈折率の複数の層を含むと共に前記予め決められた波長の約四分の一の光学厚さを有する。
【００１２】
該ＯＰＳ構造体の鏡構造体及びそれから隔置される反射器間にレーザー共振体が形成される。ポンプ光を前記利得構造体に伝えるために光学装置が設けられ、それによって前記基本波形を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で発振するようにさせる。前記ＯＰＳ構造体を冷却するためにヒートシンク装置が設けられる。光学的に非線形結晶が前記レーザー共振器に設けられて前記基本レーザー放射を周波数増大させるよう配列され、それによって前記基本波長の半分の波長を有する周波数増大された放射を与える。
【００１３】
前記レーザー共振器、前記光学的非線形結晶、前記ＯＰＳ構造体、前記ヒートシンク装置及び前記光学ポンプ光伝達装置は、前記レーザー共振器が、約１００ｍＷより大きい出力パワーで約２１２ｎｍ乃至９００ｎｍの波長を有するように選択かつ配置される。該レーザーは約５．０ｃｍより長い共振器長を有するのが望ましい。
【００１４】
本発明による高パワーＯＰＳレーザーの一実施形態では、約２５ｃｍの長さを有する共振器内で三ホウ酸塩リチウム（ＬＢＯ）の光学的に非線形結晶を用いて、単一ＯＰＳ構造体からの空洞内周波数倍増９７６ｎｍ放射によって、４８８ｎｍ波長において約４．０Ｗの安定した単一軸モードＣＷレーザー出力パワーが達成される。ＯＰＳ構造体は、Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ組成の能動層及びＧａＡｓ０．９７８Ｐ０．０２２組成のポンプ光吸収（分離器）層を有する。同レーザーは、２つのダイオードレーザーアレイから約３４．０Ｗの８０８ｎｍ放射によってポンピングされる。数値モデルは、約１２０．０ｍＷの３２５ｎｍＵＶ（周波数３倍増されるか又は第３高調波）放射を生成するために、基本及び周波数２倍増放射を混合する光学的に非線形結晶を含めることによって、同一共振器が修正され得ることを示す。この例の共振器の単純化された構成が、約１０Ｗの基本出力パワーを伝達するために光学的に非線形結晶なしに用いられた。
【００１５】
周波数倍増された４．０Ｗの出力パワーは、報告されたあらゆる先行技術ＯＰＳレーザーの周波数倍増出力パワーの中で最高と考えられるものに対して２桁の大きさを超える増加を表わす。先行技術ＯＰＳレーザーでは何らかのパワーを有する周波数３倍増出力は達成されていないと考えられる。
【００１６】
上記例の共振器と同様な共振器では、７５０ｎｍにおいて基本放射を与えるためにｘが選択される、谷間にＩｎｙＧａ１−ｙＰ１−ｚ分離層を有する利得構造体ＩｎｘＧａ１−ｘＰ量子谷を有するＯＰＳ構造体は、３７５ｎｍの周波数倍増波長において１Ｗを超える出力パワーを与えるために、周波数倍増用の長さ５ｍｍのＬＢＯ結晶を用いて６７０ｎｍにおいて１２．０Ｗのポンプ光によってポンピングされ得ることを示す。
【００１７】
ＯＰＳレーザー出力パワーのこの著しい増加及び周波数倍増又は周波数３倍増のいずれかによって高ＣＷ/ＵＶ出力パワーを発生させる能力は、光品質を犠牲にすることなく達成される。単一モード操作では、本発明によるＯＰＳレーザーは回折限度の２．０倍未満でかつ１．２倍程度の光品質を有し得ることを規定する。この高光品質で、出力放射が有機又は無機材料に正確な切れ目を作るために非常に小さいスポットに収斂されるか若しくはそれが用いられるべき場所に搬送されるようにオプティカルファイバ（光学繊維）内に効率的に結合されなければならないような用途に対して本発明的ＯＰＳレーザーが理想的にされる。
【００１８】
本発明によるＯＰＳレーザーの他の面では、レーザーは、各々の共振器軸の一部分が共軸路上にあるように配列される第１及び第２共振器を含む。第１共振器は、選択されたレーザー放射の基本波長を与えるために共軸路外部に配列されるＯＰＳ構造体を含む。第１及び第２共振器の共軸上には、基本放射を周波数倍増するように配列される光学的に非線形結晶が設けられる。第１及び第２共振器は、光学的に非線形結晶の基本放射及び周波数倍増される放射間の最適位相整合を維持するために干渉計的に適合される。基本波長放射及び周波数倍増放射は共に共軸路に沿って循環する。光学的に非線形結晶は、周波数倍増された放射の周波数を倍増する共軸路外部の第２共振器に設けられる。数値モデルは、９７６ｎｍＯＰＳ構造体及び上記第１実施形態のポンピング配列を用いることによって、この第２実施形態は、約２．０Ｗの周波数４倍増（２４４ｎｍ）された放射を与え得ることを示す。
【００１９】
本発明によるＯＰＳレーザーのさらに他の面では、レーザーは、共振器軸の一部分が共軸上にあるように配列される第１及び第２干渉計的に整合された共振器を含む。共軸路は、第２実施形態に関して既に述べた通り、周波数倍増のために配列される第１光学的非線形結晶を含む。基本波長放射及び周波数倍増された放射は共に共軸路に沿ってのみ循環する。第２光学的非線形結晶は、基本放射を周波数倍増された放射に混合し、それによって周波数３倍増された放射を与えるように第１及び第２共振器の共軸上に設けられる。数値モデルは、９７６ｎｍＯＰＳ構造体及び上記第１実施形態のポンピング配列を用いることによって、この第３実施形態は、約４．０Ｗの周波数３倍増（３２５ｎｍ）された放射を与え得ることを示す。
【００２０】
本発明によるＯＰＳレーザーのより一般的な他の面には以下のもの等が含まれる。即ち、例示した上記高ポンプパワーがＯＰＳ構造体に向けられると同時にそのための安全な作動温度を維持することを可能にする、ＯＰＳ構造体を冷却するヒートシンク構成及び結合方法の設計；より大きいポンピング領域を利用し、それによってレーザー出力パワーを増加させるために、ＯＰＳ構造体において比較的大きい基本モードサイズを与える光学的に長い共振器の設計；周波数変換された放射出力を最適化し、周波数変換放射出力がＯＰＳ構造体内へ反射して戻され、そこで吸収されて失われることを防止するための折り重ねられた特殊共振器構成の設計；利得利用を最適化し、横方向共振モードの発生を防止するためにＯＰＳにおけるモードサイズに対するポンピング領域の特殊比率の選択；光学的非線形結晶の受容スペクトル範囲外波長における基本放射の共振を防止する空洞内波長選択要素の利用；効率的かつ許容性のある光学的非線形結晶用の波長選択装置の利用を可能にするために最大スペクトルを許容する光学的非線形結晶の選択；さもなければ出力パワーを低減させる寄生的横共振を除去するＯＰＳ構造体の構成；高パワー作動下における最低正味ストレス（応力）及び信頼性のためのＯＰＳ構造体設計；ポンプ光の多重光学ファイバー放出を最適化するラジアル・インデックスグラジエントレンズの利用；それによってＯＰＳ構造体の冷却を容易にする、最大熱伝導度に対する発明的ＯＰＳ構造体用鏡構造体の設計。
【００２１】
以下に提示される本発明の詳細な記載から、上記の高パワーを達成するために本発明によるＯＰＳ共振器が、先行技術ＯＰＳ共振器の「小型」哲学から根本的にはずれ、空洞内周波数倍増のために発明的に構成されることが特に明らかになるであろう。また、著しい出力パワーレベル及び発明的ＯＰＳレーザー装置の安定性を達成するために、ＯＰＳ構造体の温度管理、ＯＰＳ構造体それ自体の設計及び周波数倍増材料の選択には重大な考慮がなされることも明らかであろう。本発明の一定の発明的面は高及び低パワーＯＰＳレーザーの双方又はＯＰＳレーザー以外のレーザー型にさえも当てはまることがさらに明らかであろう。
【００２２】
【実施形態】
図を参照すると、そこでは同一構成要素は同一参照番号で示される。図１は本発明によるＯＰＳレーザー装置２０を図式的に例示する。レーザー２０は、折返し鏡２６によって折り返された縦軸２４を有する共振器２２を含む。共振器２２は平坦鏡又は反射器２８によってその一方端で、また、ＯＰＳ構造体３２の鏡部分（鏡構造体）３０によってその他方端で終結される。従って、ＯＰＳ構造体３２の利得部分（利得構造体）３４は、共振鏡、即ち、構造体３０と接触する共振器に設けられる。
【００２３】
ＯＰＳ構造体３２の利得部分３４は、ポンプ光吸収層（図１には示せず）によって隔置される複数の能動層（図１には示せず）を含む、エピタキシャル成長される単一結晶半導体（表面放出）多層構造体である。ここで、「ポンプ光吸収層によって隔置される」との用語は、本明細書及添付された請求の範囲の関係で、ＱＷ層間に他の層があることを排除しないことに注目すべきである。ＱＷ層の組成に依存して、ひずみ（応力変形）管理、キャリア拘束等のために１つ又はそれ以上の他の層が含まれ得る。そのような任意の配列が本発明の関係で適用され得る。
【００２４】
先行技術のＯＰＳレーザー装置では、ＯＰＳ構造体の鏡構造体は、同様に概して一般的組成Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ＡｌＧａＡｓと略される）を有する、異なった材料の組成からエピタキシャル成長される多層構造体である。そこでは増加するｘは材料のバンドギャップ（帯域間隙）を増加させかつ屈折率を低下させる。これは、鏡構造体３０に用いられ得る鏡構造体の一形式であるが、それは考えられる唯一の形式でもなく考えられる望ましい形式でもない。本発明によるＯＰＳ構造体３２の鏡構造体は、エピタキシャル成長されることを要せず、誘電又は金属層を含み得る。もしエピタキシャル成長されるならば、（３元の）ＡｌＧａＡｓシステムの材料から形成される必要は全くない。望ましい鏡構造体は以下でさらに詳説される。
【００２５】
続けて図１を参照すると、ＯＰＳ構造体３２はヒートシンク３６と熱接触結合される。ヒートシンク３６は、マイクロチャンネル冷却器のような能動的に冷却されるヒートシンクであることが望ましい。ヒートシンク３６の特に望ましい配列は以下でさらに詳説される。
【００２６】
ＯＰＳ構造体３２は、１つ又はそれ以上のダイオードレーザー光線（図示せず）から放出されるポンプ光によって光学的にポンピングされるのが望ましい。図１では、ポンプ光は２つの光学繊維（又は繊維束）４０を介した２つのダイオードレーザーアレイから放出される。ポンプ光４２は、それが繊維４０を出ると散開する。各場合において、散開するポンプ光は鏡４４によって方向づけられ、収斂レンズ４6及び４８を通してＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４上に収斂（軸光線のみが示される）される。図１では２つのポンプ光放出繊維４０及び関連する収斂光学素子が示されているが、これは本発明を限定すると見なされるべきではないことに注目すべきである。１つのみ又は３つ以上のポンプ光放出繊維及び関連する収斂光学要素及び繊維放出の有無にかかわらず異なったポンプ光源さえも、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく用いられ得る。さらに、光学繊維及び繊維束は光源からポンプ光を運ぶのに望ましい一手段に過ぎないことに注目すべきである。概して「光案内（ライトガイド）」と呼ばれ得る他の形式のもの、例えば、無垢又は中空光導波管が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく用いられ得る。
【００２７】
鏡２６及び２８並びにＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０は、ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４（の能動層）組成の基本（放出）波長特性において各々が最大反射率を有する。ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４を活性化（電圧を印加する）ことで、基本波長を有するレーザー放射が共振器２２内で循環するようにさせる。この基本放射は、図１では単一矢印Ｆで示される。
【００２８】
共振器２２の折返し部分２２Ａで、直ぐ近くであるが鏡２８から隔置されて、共振器に含まれるのは、基本放射を周波数倍増（の波長を半分にする）するために配置される光学的に非線形結晶５０である。これは、図１では２重矢印２Ｈによって示される、周波数倍増された放射又は第２高調波（２Ｈ）放射を発生させる。２Ｈ放射は、基本レーザー放射が通るその第１路及び基本レーザー放射が鏡２８から反射されてからの戻り路上の双方に発生される。折返し鏡２６は、２Ｈ放射に対して透明であり、従って、共振器２２の中から２Ｈ放射を接続するのに役立つ。
【００２９】
本発明によるＯＰＳレーザー装置のこの折り返される共振器配列は、同装置の高パワー作動を考慮すると特に重要であることに注目すべきである。折り返される共振器配列は、ＯＰＳ構造体３２及び光学的に非線形結晶５０において最適特性を有する共振器２２内で共振する光線の形成を可能にする。一配列では、ＯＰＳ構造体３２のポンプ光スポットサイズが、望ましくは約２３０マイクロメーター（μｍ）の１/ｅ２半径を有する、ガウス形状であるのが望ましい。基本横方向モードで重複を最大にすると共に最適パワーを引出すためには、ＯＰＳ構造体３２で共振する基本放射が同様な２３０μｍ（１/ｅ２半径）を有するのが望ましい。実験的結果によって確証される、広範な数字的シミュレーションは、最適第２調波発生に関して光学的非線形結晶５０の基本放射のスポットサイズが５０μｍ（１/ｅ２半径）程度であることが望ましいことを示す。図２は、図１レーザー２０の共振器２２内の軸位置の関数としてモードサイズ（半径）を描写するものである。折返し凸面鏡２６（ここでは１００ｍｍの半径を有する）によって折り返される平面端鏡（鏡構造体３０及び外部鏡２８）の望ましい共振器配列では、ＯＰＳ構造体３２及び光学的非線形結晶５０で上記の望ましいスポット又はモードサイズが与えられることが理解され得る。既に述べた折返し共振器配列は、光学的非線形結晶５０を通した基本的放射の２つの通路を可能にし、それによって発生される２Ｈ放射の量を増加させる。折返し鏡３６を介した２Ｈ放射の抽出で、ＯＰＳ構造体３２での吸収によって２Ｈ放射が失われるのが防止される。
【００３０】
本発明による空洞内周波数倍増レーザーでは、光学的非線形結晶が周波数倍増するように配列される波長で正確に共振するように共振器を強制するために、複屈折フィルタ又は共振器のエタロンのような波長選択要素を含むのが望ましい。これは、光学的非線形結晶５０用の望ましい材料を選択することに関して以下にさらに詳説される。レーザー２０ではそのような波長選択要素が、共振器２０軸２４のブルースターの角（ここでは５７．１°）で配列される複屈折フィルタ５２の形で描写される。この波長選択要素の目的は軸モード選択ではないことがここでは強調される。これが共振器３２のＯＰＳ構造体の位置と結合されるその独特の特性の組合せによって達成されるからである。むしろ、複屈折フィルタ５２は、ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４の利得帯域幅を、光学的非線形結晶５０が効果的なスペクトル受容領域より狭い帯域幅に有効かつスペクトル的に減少させるのに用いられる。これで光学的非線形結晶が効果的でない波長においてレーザー２０が共振するのが防止される。本発明によるＯＰＳレーザーのこの面もまた以下にさらに詳説される。
【００３１】
図１の本発明によるレーザー２０の一例では、ＯＰＳ構造体３２（図３参照）は、１５のＱＷ又は約７５．０オングストローム単位（Ａ）の厚さを有し、９７６ｎｍの公称基本（放出）波長を与えるＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ａｓ組成を含む利得構造体３４を有する。ＱＷ層間には、１２７２Ａの厚さを有するＧａＡｓ_{０．９７８}Ｐ_{０．０２２}組成のポンプ光吸収（分離器）層がある。ＱＷ層及び分離器層間には、約５０Ａの厚さを有するＧａＳａの応力緩和層がある。鏡構造体３０は、約３．５１の屈折率を有するＧａＳａ層と、約２．９４の屈折率及び基本波長で４分の１波長の光学厚さを有するＡｌＡｓ_０．９６Ｐ_０．０４との交番する層の２７対又は周期を含む。利得構造体３４もまた、１５８８Ａの厚さを有する、最後の分離器層及び鏡構造体３０間のＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐのキャリア拘束層を含む。利得構造体３４の反対端にもまた、１５８８Ａの厚さを有する、Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐのキャリア拘束層がある。
【００３２】
ＯＰＳ構造体３２は、ｎ型ＧａＳａウェーファー（基板）上にエピタキシャル成長され、キャリア拘束層から始まる利得構造体３４が第１に成長される。鏡構造体３０は利得構造体上にエピタキシャル成長される。ＯＰＳ構造体が成長された後、ウェーファーがエッチングで除かれる。第１成長される拘束層は、エッチングで基板が除去されるときエッチング停止層として役立つ。ウェーファー及びその上に成長される構造体は、約２．０ｍｍｘ２．０ｍｍの正方形「チップ」の形で幾つかのＯＰＳ構造体３２内に市松模様にされる。
【００３３】
ＯＰＳ構造体(チップ)は第１にマイクロチャンネルクーラー（クーラー３６）に結合される。望ましい一マイクロチャンネルクーラーはモデルＳＡ−２であり、カルフォルニア州ロスアラミトスのSaddleback Aerospace社から入手できる。ＯＰＳ構造体をマイクロチャンネルクーラーに結合する前に、比較的薄い（厚さ約０．３ｍｍ）合成ダイヤモンド（ＣＶＤダイヤモンド）層がマイクロチャンネルクーラーに結合される。合成ダイヤモンド層は、さらに以下に詳説する特殊の熱管理機能を有する。
【００３４】
ダイヤモンドに金を結合させる先行技術方法では、結合の前にオーバーコートを塗られたプラチナ金属処理が施される。結合に用いられるはんだはインジウムである。本発明により結合されるＯＰＳ構造体で考えられる作動状態下では、金オーバーコートはインジウム結合材料に溶解し、結果的にはＯＰＳ構造体の関連する変形を伴う、結合された継目の長期不安定性を惹き起こし得る。優れた長期安定性を与えると共に潜在的変形を回避し得ると考えられる、本発明による望ましい一結合方法は、単に金オーバーコートなしにプラチナ層によってオーバーコートを塗られたチタン層から成るダイヤモンド上に金属処理を行うことである。その後インジウムはんだを用いて結合される。このような結合は、本発明によりＯＰＳレーザーで考えられる高パワー条件下のみならずあらゆるＯＰＳレーザーに関して先行技術チップ結合方法に優ると考えられる。
【００３５】
他の可能な結合方法は、インジウムはんだよりはむしろより安定な金スズ共融はんだを用いることである。しかし、ここではダイヤモンドとの熱膨張係数（ＣＴＥ）の不適当な組合せがダイヤモンドヒートシンクとの併用を制限する可能性がある。ＣＴＥの不適当な組合せ問題は、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、立方ホウ素窒化物、シリコンダイヤモンド合成物等のような、より密接に金スズ共融はんだとＣＴＥ適合する代わりのヒートシンク材料を用いることによって回避され得る。しかし、ダイヤモンドと比べてこれらの材料のより低い熱伝導効率のために出力パワー性能上何らかの妥協が期待され得る。ＣＴＥの不適当な組合せ問題はチップが大きくなればなる程大きくなる。
【００３６】
ＯＰＳ構造体がダイヤモンド層/マイクロチャンネルクーラーに結合されてから、ＧａＳａ基板がエッチングで除去される。利得構造体３４内へのポンプ光の入力を改良するために、このように露出される利得構造体上に反射防止コーティングを設けることが望ましい。
【００３７】
ＯＰＳ構造体３２の光学ポンピングに関して、各繊維４０は、カルフォルニア州サンタクララのCoherent Semiconductorグループから入手できる、FAP-30C-800-B ダイオードレーザーアレイパッケージからの７９５ｎｍ放射の約１７．０Ｗを放出する。鏡４４は、７９５ｎｍ及び入射角２８°で９９．９％を超える反射率を有する誘電被覆された鏡である。レンズ４６は、焦点距離４０．０ｍｍ及び直径１８．０ｍｍの接合された二重レンズである。レンズ４８は、焦点距離２１．０ｍｍ及び直径１４ｍｍの接合された二重レンズである。これらのレンズは、カルフォルニア州エルビンのMelles Griotから入手できる。ポンプ光は、鏡及びレンズによってＯＰＳ構造体の領域内に収斂される。ポンピングされる領域のポンプ光３４Ｗのすべてが、１/ｅ２点において実質的に約２６０μｍの半径を有するガウス強度曲線を有する。いわゆる「壁差込み（プラグ）」パワー入力の各々に約５０．０Ｗを要するポンプ光を与える、例示したダイオードレーザーアレイパッケージは、透明な繊維４０内に結合される２０．０Ｗのポンプ放射を発生させる。
【００３８】
複屈折フィルタ５２は厚さ３．０８ｍｍの水晶板であり、図１に示すように軸２４に対して５７．１度に方向づけられ、水晶光学軸は当該板の平面内にある。そのようなフィルタは、フロリダ州Port RicheyのVLOC社から部品番号第BF254-6T号として入手できる。複屈折フィルタ５２のこの方位は、基本放射Ｆが矢印Ｐ１に例示されるように図１の面に対して垂直に偏向される。
【００３９】
複屈折フィルタ５２は約３５ｎｍだけ分離される、各々が約３ｎｍの半最大透過（ＦＷＨＭ）で全幅を有する、狭い透過ピークを有する。最大選択度は、垂直面と当該板の面との交差によって定められる軸から約４５度の角度に水晶光学軸を保つことによって達成される。透過ピークの波長は、当該板の面に垂直な軸の周りでそれを僅かに回転させることによって変化させることが可能であり、従ってフィルタが調整され得る。実験的に確認された調整率の計算値は、回転１度につき約５．６ｎｍである。
【００４０】
鏡２８は平面鏡であり、折返し鏡２６は１００ｍｍの曲率半径を有する凸面鏡である。鏡２６及び３０は、距離２０２ｍｍだけ軸方向に分離される。鏡２６及び２８は、距離５６ｍｍだけ軸方向に分離される。従って、共振器２２は２５８ｍｍ（２５．８ｃｍ）の軸方向長さを有する。
【００４１】
光学的に非線形結晶５０は、断面３ｍｍｘ３ｍｍの三ホウ酸塩リチウム（ＬＢＯ）の長さ５ｍｍの結晶である。結晶は９７６ｎｍ放射に整合する１型位相に切断される。基本光線の伝播は結晶学上のＸ−Ｙ平面内にある。伝播方向は、Ｘ軸から１７．１度の角度をなす。基本放射はＸ−Ｙ平面（Ｚ軸に対するに対して平行）に対して垂直に偏光される。第２調波放射は、矢印Ｐ２で示されるようにＸ−Ｙ平面で偏光される。
【００４２】
上記例で特定されるＯＰＳレーザーは、約３００Ｗの基本放射（９７６ｎｍ）の空洞内パワーを発生させ、単一縦（軸方向）モード及び単一横モードにおいて５Ｗの出力パワーで周波数倍増された（４８８ｎｍ）放射を与えた。光線の放散は、回折制限（Ｍ２＝１．２）の１．２倍で測定された。量Ｍ２は光線サイズの回折制限されたサイズに対する比を表わす計測数値である。高品質光線とは、約２．０又はそれ以下のＭ２を有する光線と考えられる。発明的ＯＰＳレーザーで入手し得る高品質光線は、無機又は有機材料に正確な切り口を作るためにレーザー出力放射は非常に小さいスポットに収斂されなければならないか又は、それが用いられるべき位置まで運ぶために光学繊維内に効率的に結合されるか若しくは関節で接合されたアームで案内されなければならない。
【００４３】
パワーのみの観点から、本発明は先行技術ＩＣ周波数倍増ＯＰＳレーザーの上記６．０ｍＷ出力に対して約１千倍の増加を表わす。驚いたことには、基本放射及び従って周波数倍増された放射は単一軸方向（縦）モデルであった。出力放射の一時的安定性は、ＤＣ‐１０ＭＨｚの帯域に亘って約０．０５％未満の出力変動又は雑音によって評価される。以下に述べる本発明によるＯＰＳレーザー他の実施形態では約０．１％未満の雑音を得ることができると考えられる。ポンプ光対第２調波効率は約１０％である。電気対第２調波効率は約４％である。概して、本明細書に記載された発明的ＯＰＳレーザーの適切な実施形態では３．０％又はそれ以上のポンプ光対第２調波効率が得られるであろう。
【００４４】
ＯＰＳ構造体３２の光線スポットサイズを減少させるために空洞を非調整（鏡２８を折返し鏡３６から軸方向に離れるように移動する）にすることで、多重横モードの作動が強制され、４８８ｎｍで７．５Ｗまでの出力パワーを得ることを可能にし、それによって多重モード作動の理由による光線品質の低下を犠牲にして、実により高パワー及び高効率を得ることができた。単一軸方向モード作動を保証することと共にポンピング領域（ポンプスポットサイズ）対モードサイズの関係は、以下にさらに詳説される。
【００４５】
ポンプ光供給ダイオードへの約１００Ｗの合計入力パワーで、４８８ｎｍにおいて発明的ＩＣ二重ＯＰＳレーザーの高出力パワーが得られる。先行技術レーザーでは、４８８ｎｍにおける多重ワット、高光線品質放射はアルゴンイオン（ガス）レーザーの出力としてのみ得ることができた。概してこれらのレーザーは、数千ワット（３０キロワットに及ぶ）のパワー入力を要する。従って、本発明による例示した上記レーザーでは、４８８ｎｍレーザーに対し２桁の大きさの電気対光学効率改良が与えられる。
【００４６】
本発明によるＯＰＳレーザーの望ましい実施形態につき引き続き記載すると、ＯＰＳレーザーの上記例の重要な一面は、なかんずく、共振器の寸法を先行技術ＯＰＳレーザーのものより増加させることと組み合って強烈にポンピングされるＯＰＳ構造体の管理に注目することによって、そのような高基本パワーがＯＰＳ構造体から発生され得ることが発見されたことである。
【００４７】
そのような高基本パワー及び２Ｈパワーが与えられ得ることが実験的に立証されたことで、レーザー２０のものと同様に、同様な出力パワーで他の基本及び２Ｈ波長が発生される、同一又は異なったＯＰＳ構造体３２及び「長い共振器」配列に基づいて他の発明的ＯＰＳレーザーのモデルを数値的に作ることが可能である。
【００４８】
特に、例えば、約３７５ｎｍにおける紫外線スペクトル領域での高電力ＣＷ放射は、量子谷（井戸）間にＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ_ｚＰ_１−ｚ分離層を有する、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＰ量子谷を有する利得構造体３４を有するＯＰＳ構造体を用いることによって発生され得る。繊維結合されたダイオードレーザー（例えば、カルフォルニア州、San JoseのSDL, Inc.からのSDL部品番号7470 P-5）からの６７０ｎｍ放射でポンピングされる、そのような構造体は７５０ｎｍにおいて利得を与える。図１の共振器２２と類似の共振器は、適切に角度調整された同様な複屈折フィルタ５２及び７５０ｎｍ放射を周波数倍増するように配列されたＬＢＯの光学的非線形結晶と共に用いられ得る。これに関しては、ＬＢＯ結晶は、Ｘ軸から３７．５度の角度で、Ｘ-Ｙ結晶面での伝播のために切断されるのが望ましい。基本及び２Ｈ放射の偏光は、例示した上記レーザー２０に対するもの（９７６ｎｍ基本波長）と同一である。
【００４９】
ＬＢＯ結晶の７５０ｎｍ放射に対する変換効率は、光学的非線形結晶の等長の９７６ｎｍに対する変換効率より僅かに高く（１７％高く）なるように計算される。これは２つの対抗する要因を釣合わせることから結果的に生じる。７５０ｎｍにおけるＬＢＯの効果的非線形性（非線形係数）はより低く、異なった伝播角度のために、９７５ｎｍにおいて１．２ｐｍ/Ｖの値と比べてボルト当たり（ｐｍ/Ｖ）約１．０ピコメートルになる。しかし、総合変換効率は非線形係数の二乗に比例するが、同様に波長の二乗の逆数にも比例する。従って、より短い波長（７５０ｎｍ）が総合変換効率の上記改良を与える手段となる。
【００５０】
周波数倍増された、７５０ｎｍ基本波長レーザー２０の数値的にシミュレートされた一例では、光学的非線形結晶２０に対し長さ５ｍｍのＬＢＯ結晶を用いて、繊維結合されたダイオードレーザーアレイ又はモジュールから得られた、６７０ｎｍにおいて１２．０Ｗのポンプ光が、３７５ｎｍの２Ｈ波長において１Ｗを超える計算された出力パワーに帰着した。同一数のより強力なダイオードレーザーアレイの一層多くの量又は同一パワーのより多いアレイからより高いポンプパワーを用いることで、同一共振器につき上記例で示した４８８ｎｍ出力パワーに匹敵できる３７５ｎｍ出力パワーが与えられ得る。より多くのポンプ光アレイの使用は、以下にさらに詳説される代わりのポンプ光放出配列を用いて可能である。
【００５１】
そのような高基本パワーが発生され得ることが実験的に立証されかつ数値的に確証されていることで、第３調波（３Ｈ）及び第４調波（４Ｈ）放射を発生させるために、同一ＯＰＳ構造体に基づいて他の「長共振器」型の発明的ＯＰＳレーザーを構成すると共に電磁スペクトルのＵＶ領域でそのような第３及び第４調波波長においてどんな出力パワーが発生され得るかを、確信をもって計算することが可能である。そのような共振器構成の記載が以下に詳しく説明される。そこでは７５０ｎｍ放射の第３調波及び９７６ｎｍ放射の第４調波の発生が例示される。
【００５２】
図４を参照すると、共振器２３を含むレーザー装置６０が図式的に例示される。レーザー６０は、以下の例外を除けば図１のレーザー２０と大抵の面で同一である。鏡２８は、基本及び第２調波波長において高反射率用にコーティングされる。鏡２６は、基本波長において最高に反射性があり、２Ｈ及び３Ｈ波長では高度に透過性がある。光学的に非線形結晶６２は、共振器２３の折り返されるアーム２３Ａの、光学的に非線形結晶５０及び鏡２６間に設けられる。光学的に非線形結晶６２は、基本及び２Ｈ波長（周波数）を混合するように配列され、それによって図４の三重矢印３Ｈで示される周波数３倍増放射を発生させる。２Ｈ及び３Ｈ放射の双方が折返し鏡２６を介して共振器２３を去る。２Ｈ及び３Ｈ放射はその後二色性ビームスプリッタ（分割器）６４で分割される。
【００５３】
さて、第３調波発生（基本及び２Ｈ周波数の混合）は基本及び第２調波パワーの積に比例すること（光学的に非線形結晶特性に依存して）が知られている。それ故に、この共振器でこれらのパワーに対して実験的に立証された数値及び各種の光学的非線形材料の３Ｈ発生効率に対して実証づけられた数値に基づいて、光学的に非線形結晶６２用にβバリウム硼酸塩（ＢＢＯ）を用いるレーザー６０の上記例では、２Ｈ放射（３７５ｎｍ）の約５．０Ｗ（ワット）を発生する、７５０ｎｍにおいて約３００Ｗの空洞内基本パワーを仮定して、２５０ｎｍの波長において、真のＣＷ、単一モード、レーザー出力パワーを発生させ得ることが高度の確信をもって予測され得る。
【００５４】
このプロセス（方法）に適したＢＢＯ結晶（結晶６２）は、光軸（Ｚ）を含むと共にＸ-Ｚ結晶面と３０度の角度をなす平面で光軸から４８度の角度での伝播のために切断される。基本放射及び２Ｈ放射は、光軸（通常偏光）に垂直な偏光につれて伝播する。３Ｈ放射は、異常偏光（基本偏光に対して直角をなす）で発生される。
【００５５】
結晶製造業者から発表されたデータに基づく計算では、７５０ｎｍ放射の３００Ｗを光学的非線形結晶６２の６０μｍの半径まで下方収斂させると共に同一結晶で２Ｈ放射（３７５ｎｍ）の５Ｗを５０ｎｍの半径まで同軸的に収斂させることによって、２５０ｎｍ（３Ｈ）放射の約１５０ｍＷが発生されることが示される。上記ＢＢＯ結晶は、１型位相整合を用いる。これは、基本及び２Ｈ放射が結晶内で同一偏光をもたなければならないことを意味する。
【００５６】
しかし、第２調波発生ＬＢＯ結晶（光学的非線形結晶５０）は、基本放射の偏光に直角の偏光を有する２Ｈ放射を発生させる。従って、２Ｈ放射の偏光は、それが光学的非線形結晶６２に入る前に９０度回転されなければならない。これは、基本放射に対してπの偶数整数倍の遅延を有しかつ２Ｈ放射に対してπの奇数整数倍の遅延を有するような設計の複屈折水晶プレート（偏光回転装置）によって達成され得る。
【００５７】
そんな偏光回転装置（図４では偏光回転装置６５として幽霊画法で描写される）は、光学的非線形結晶５０及び６２間の基本及び２Ｈ放射の共通路（アーム２０Ａ）に挿入される。偏光回転装置６５は、基本放射が無変化で放置されると共に２Ｈ放射の線形偏光が初期偏光と遅延プレートの光軸方向との間の角度の２倍に等しい量だけ回転されるようにする。
【００５８】
その代わりに、２Ｈ放射の偏光を修正するために偏光回転装置６５が不要になるようにＢＢＯ結晶がII型混合のために切断され得る。しかし、この場合には変換効果が低下することが予期される。
【００５９】
本発明によるＯＰＳレーザー共振器の任意の光学的非線形結晶上に共振器鏡又は反射器を設けることは妨げられない。しかし、共振器及び結晶に関して対立する整列要件を解決するためには結晶の温度制御のような追加手段が必要とされるであろう。
【００６０】
図４の共振器２３では、７５０ｎｍ基本放射につき既に述べた代替物を用いて、９７０ｎｍ基本放射からの第３調波発生も同様に可能である。数値シミュレーションでは、そんな第３調波発生は３２５ｎｍ放射の約１５０ｍＷが発生され得る。上記例から当業者は、さらなる詳細な記載なしに適切な非線形結晶のパラメータを決定することができる。
【００６１】
上記例示された第３調波放射の１５０ｍＷは、第２調波発生のみにつき先行技術で報告されていると考えられる最大値に対して第３調波発生上のパワーで２０倍を越える増加を表す。しかし、レーザー６０によって表されるこの第３調波放射を発生させる配列は、おそらく第３調波放射のＩＣ発生に対する幾分不十分な研究手法である。調波出力パワーの著しい改良は、図５を参照することから始まる、以下に記載される本発明によるＯＰＳレーザー共振器の他の群で可能である。
【００６２】
図５には、本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに別の実施形態が図式的に描写される。レーザー７０は２つの共振器２５及び２７を含み、それらの合計長さの一部分に亘って共通の軸路３５（図５の太線で示される）を有する。共振器２５は、「基本共振器」として定められ、その一方端は鏡２８によって終結され、その他方端はＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって終結され得る。共振器２５は折返し鏡２６により折り返される。ＯＰＳ構造体３２は、既に述べたようにレーザー２０及び６０のために取り付けられかつポンピングされる。図５には、１つのポンプ光放出繊維及び関連する収斂光学素子のみが描写される。
【００６３】
共振器２７は「第２調波共振器」として限定され得る。それは、上記共振器２２及び２３の単一二重路配列で達成されるより遥かに高いレベルに達する２Ｈ放射を造るために用いられる。共振器２７は、鏡２８によってその一方端が終結され、鏡７４によってその他方端が終結される。共振器２７もまた折返し鏡２６により折り返される。この実施形態の折返し鏡２６は、基本及び２Ｈ波長における最大反射のためにかつ３Ｈ波長における最大透過のためにコーティング（被覆）される。本実施形態の鏡２８は、基本、２Ｈ及び３Ｈ波長における最大反射のためにコーティングされる。共振器の軸は、２Ｈ波長における最大反射及び基本波長における最大透過のためにコーティングされた二色ビームスプリッタ７２によって共に折り返される。従って、共振器２５及び２７の共通（ここでは折り返される）軸路はビームスプリッタ７２及び鏡２８間に延びる。ここでは、上記コーティングのすべてが、光学コーティングサービスの商用供給業者の利用能力以内にあると考えられることが指摘される。そんな一供給行者は、カルフォル二ア州、AuburnのCoherent Auburn Groupである。
【００６４】
共振器２５及び２７の共通路のビームスプリッタ７２に隣接して、基本波長を倍増するように配列される光学的非線形結晶５０が設けられる。周波数倍増によって発生される２Ｈ放射は、共振器２７で循環かつ形成され、それによって図１レーザー２０の単一「二重路」配列と比較して空洞内２Ｈ放射の量が大幅に増加する。共振器２５及び２７の折り返された共通部分２７Ａ（勿論、そこでは基本及び２Ｈ放射の双方が循環している）には、３Ｈ放射を発生させるために基本及び２Ｈ放射を混合する光学的非線形結晶６２が設けられる。そのように発生された３Ｈ放射は、折返し鏡２６を介して共振器から出る。概して共振器については下記事項に注目すべきである。
【００６５】
共振器２５及び２７は大体同一の長さを有すると共に光学的に同様に構成されるのが望ましい。これで、基本及び２Ｈ放射に対するモードサイズがほぼ同一になり、それによって混合効率が最大になるようにされる。光学的非線形結晶５０の位置において基本及び２Ｈ放射間の最適位相関係を維持するために共振器が干渉計的に適合されることも同様に望ましい。これは、光学的非線形結晶５０で発生された２Ｈ放射が、２Ｈ共振器で循環する２Ｈ放射に同位相で加えられることを保証するために必要とされる。これは、循環する２Ｈ放射が高レベルに成長し、それによってＢＢＯ混合結晶（光学的非線形結晶６２）に高変換効率を与えることを保証する。これに関して、モード競合からのパワー損失を避けるために基本共振器２５が単一軸方向モードで作動するのが望ましい。単一軸方向モード作動を与える条件は以下にさらに詳説される。
【００６６】
共振器の干渉計的整合を与える一配列は、共振器２７の鏡７４にピエゾ電気（圧電気）ドライバ（励振器）のような軸方向ドライバ７６を与えることである。鏡７４が軸方向に駆動されるにつれて、循環する２Ｈ放射は、基本及び２Ｈ放射（定常波）に対して光学的非線形結晶５０における最大同位相状態及び最大逆位相状態のそれぞれに対応する、最大レベル及び最小レベル（ゼロ又はゼロに近い）まで上昇及び下降する。３Ｈ出力パワーも同様に上昇及び下降するであろう。ビームスプリッタ７８は、３Ｈ出力の小サンプル部分３ＨＳを検波器（検出器）８０へ方向づける。検波器８０は、ピーク出力パワーを維持するためにドライバ７６を調整する制御器（コントローラ）８２と協同する。
【００６７】
既に述べたように、第３調波発生は基本及び第２調波パワーの積に比例する。２Ｈパワー用の第２共振器を組入れることによってレーザー７０は、何らの基本パワーの増加を要することなく、図４のレーザーの場合よりも遥かに大きい２Ｈパワーが混合用に利用可能であることを特定する。従って、この共振器の利用可能な基本パワーに対する上記数値及びＬＢＯの２Ｈ発生効率に対して確証された数値に基づいて、循環する７５０ｎｍ放射の３００Ｗでは共振器２７の循環する３７５ｎｍ放射の約２００Ｗが発生されることが数値的に決定され得る。βバリウムＢＢＯの光学的に非線形結晶６２におけるこれらの二重路結合では、２５０ｎｍ波長において真ＣＷ、単一モード、レーザー出力パワーの約４Ｗが発生され得る。３２５ｎｍ放射に対する同様な出力パワーレベルが９７６ｎｍ放射の３Ｈ変換に対して決定され得る。これは、先行技術ＯＰＳレーザーの第２調波発生のみに対して報告されていると考えられる最大値に対して第３調波発生上６００倍を越えるパワー増加である。
【００６８】
レーザー７０に対して望ましい光学的非線形（混合）結晶はレーザー６０に関して上記したものと同一である。しかし、レーザー７０の共振器２５の設計では、特に光学的非線形結晶５０及び６２以内のビームサイズに関して注意すべきである。
【００６９】
基本及び２Ｈビームは、変換（混合）効率を最大化するために光学的に非線形結晶６２にぴったり収斂されるのが望ましい。しかし、光学的に非線形（２倍増）結晶５０の基本放射に対してはより大きいビームサイズの最適範囲が望ましい。結合される共振器２５及び２７の広範な数値モデル制作では、長さ１５ｍｍのＬＢＯに対してはＯＰＳ構造体での基本ビーム及び倍増結晶のスポットサイズは、ほぼ同一であることが望ましい。この結果、共振器の設計が簡単化される。その理由は、光学的に非線形（倍増）結晶５０が設けられるぴったり収斂されるウエスト（くびれ）を共振器２５及び２７の共通光（学）路に設けることを要せずに、倍増結晶がＯＰＳ構造体に隣接して（図５に例示されるように）設けられ得るようされるからである。共振器の望ましい一構成では、基本ビームはＯＰＳ構造体において約２００μｍのスポットサイズ、光学的に非線形結晶５０の約２００μｍスポットサイズ及び光学的に非線形結晶６２の約５０μｍスポットサイズを有する。２Ｈ共振器２７は、光学的に非線形結晶５０の２Ｈビームのスポットサイズが約１５０μｍになると共に光学的に非線形結晶６２ではそれが約４０μｍになるように設計される。
【００７０】
ここで図６に言及して、さらにもう１つの本発明のＯＰＳレーザーの実施形態９０を本図に示す。レーザー９０は２つの共振器２９，３１を含み、これらの共振器は全長の１部に渡って共通の軸路３５（図６に太線で示す）を有する。共振器２９を「基本共振器」と定義することができ、そしてそれは一端において鏡２６によって集結され、他端においてＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって終結される。ＯＰＳ構造体３２は、レーザー２０，６０に関して上に記述されるように設けられポンピングされる。明瞭にするために、図６においてはただ１つのポンプ光送出し（放出）ファイバーと、関連する合焦（収束）光学機（素子）器のみを示す。
【００７１】
共振器３１を「第二高調波共振器」と定義することができる。共振器３１は一端において鏡７４によって終結され、他端において鏡９２によって終結される。共振器３１は折り返し鏡９４によって折り返されている。この実施形態での鏡２８は基本波長での最大反射のために覆われている。鏡７４は２Ｈ波長での最大反射のために覆われている。鏡９２は、基本波長、２Ｈ波長及び第四高調波（４Ｈ）波長での最大反射のために覆われている。鏡９４は、２Ｈ波長での最大反射のため及び４Ｈ波長での最大伝搬のために覆われている。
【００７２】
それぞれが、２Ｈ波長での最大反射のためと、基本波長での最大伝搬のために覆われたダイクロイック（二色性の）ビームスプリッター７２，７３によって両共振器の両軸は一緒に折り返される。したがって、共振器２９，３１の共通の軸路はビームスプリッター７２と７３の間のみに延伸する上記理由で、共振器２９と３１を干渉計的整合させるために鏡７４が、検出器、即ち、検波器８０によって検出されるパワーに応じて制御装置８２によって制御される駆動装置〈ドライバ〉７６に設けられる。光学的非線形結晶５０は、共振器２９と３１の共通路３７を循環する周波数倍増基本放射のために設けられる。そのように生成された周波数が２倍された放射が循環して共振器３１で増加する。もう１つの光学的非線形結晶６７は、共振器３１の鏡９２と９４の間の、共振器３１の折り返された部分３１Aに位置している。光学的非線形結晶６７は、周波数が２倍された放射２Ｈを循環して周波数倍増のために設けられ、それによって周波数４倍（４Ｈ）放射を生成する。４Ｈ放射は折り返し鏡９４を通って共振器３１から出る。
【００７３】
このような共振器構成は、２４４ｎｍ放射の生成乃至９７６ｎｍの第４高調波の生成に有利である。この応用のための望ましい光学的非線形（二倍）結晶５０は、図１のレーザー２０に関して上に記述した結晶軸とまったく同じ結晶軸の配向を持ち、約１５.０ｍｍの長さを持つＬＢＯ結晶である。光学的非線形（４倍）結晶６７は好ましくは約８.０ｍｍの長さを有するＢＢＯ結晶である。この結晶は、好ましくは、伝搬のために、光学（Ｚ）軸を含む平面において光学軸から５４度の角度で切断され、かつ、光学的非線形結晶のＸＺ結晶学的平面に対して３０度の角をなす。
【００７４】
２Ｈ放射は光学軸に直角な偏光で伝搬し（通常偏光）、４Ｈ放射は（２Ｈ偏光に垂直な）異常偏光で生成される。好ましくは、鏡２６は３０ｃｍの曲率半径を持ち、鏡９４は１０ｃｍの曲率半径を持ち、鏡７４，９２は平らな鏡である。
【００７５】
図５の結晶５０，６３のために適用されるものと同様な考察が光学的非線形結晶５０，６７内のビームスポットサイズのために適用される。数値シミュレーションは、最適な、比較的大きい、ビームサイズが光学的非線形（ダブラー）結晶５０の内部のビームのために存在することを示す。光学的非線形（ダブラー）結晶５０での基本放射スポットサイズは、約１５ｍｍの結晶長さに対しては、ＯＰＳ構造体３２でのスポットサイズと利点的に同じである。「第二高調波共振器」３１は、２の平方根（１.４１４）によって分割された基本ビームスポットサイズと等しい２Ｈスポットサイズを光学的非線形結晶６７内に生成するような大きさとされるので、共振器３１によって維持された光線は、光学的非線形結晶５０によって生成されたビームと横方向の同じサイズを有する。２Ｈ放射は凹形の折り返し鏡９４によって光学的非線形結晶６７内に焦点を合わせられて、約５Oミクロン（１／e^２半径）のスポットサイズになる。
【００７６】
光学的非線形結晶６７のためのもう１つの望ましい材料はセシウムリチウムボラート（ＣＬＢＯ）である。この材料は、この応用例及び他の応用例において、周波数２倍の４８８ｎｍ放射の代わりに有利にＢＢＯを用いることができる。周波数２倍の４８８ｎｍ放射のためのＣＬＢＯ結晶は好ましくは、ビームの伝搬のために、Ｚ軸を含む平面においてＺ軸から７５.７度の角度で、そしてＸＺ平面から４５度の角度で切断される。それで生成された２４４ｎｍ放射は伝搬の方向とＺ軸によって定まる平面内で偏光され（異常偏光）、４８８ｎｍ放射は２４４ｎｍ放射に直角に偏光する。この応用のためのＣＬＢＯの非線形効率はＢＢＯのものと同じである。ＣＬＢＯは、しかしながら、ＢＢＯより５倍大きなアクセプタンス角であり、かつ、ＢＢＯより４倍小さいウォークオフ角であるという重要な利点を有する。より大きなアクセプタンス角とより小さいウォークオフ角は共に光学的非線形結晶の正味変換効率を増やすことに貢献する。アクセプタンス角とウォークオフ角の一次考察は、ＣＬＢＯの変換効率がＢＢＯの効率よりも潜在的に数倍高いかもしれないことを示す。これらの一次考察は、どのような共振器においても約４２５ｎｍと５２５ｎｍの間の波長を持つ周波数二倍放射に一般に適用できる。その波長範囲での放射は利得メディアの基本放射又は高調波放射でもあるかもしれない。
【００７７】
本発明に従う強力なＯＰＳレーザーの実施形態をキャビティ内周波数逓倍装置に関して上に記述するが、当業者であれば、プレゼンテーションのとおりの強力なＯＰＳレーザーがキャビティ内光学的非線形結晶無しで、ただ強力な単一モード基本放射の効率的な源として操作されうることは明白である。本発明に従うＯＰＳレーザーの基本共振器の実施形態において、少なくとも２ワット、そして５ワット以上の基本出力パワーが達成されるかもしれない。
【００７８】
例として、９７６ｎｍでの１０ワット（Ｗ）の単一軸モードの基本放射が凹型出力結合鏡２８FとＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によって形成された単純な線形（折り曲がっていない）共振器２２Fを含むＯＰＳレーザー２０F（図７参照）で生成された。鏡２８Fは３０ｃｍの曲率半径を持ち、ＯＰＳ構造体３２から約１５.０ｃｍの距離離間される。複屈折フィルター５２が好ましくは共振器２２Fに含められる。これは、もしＯＰＳ構造体３２の製造許容誤差が望ましい出力波長から僅かに外れたある波長においてピーク利得を供給するならば必要とされるかもしれない出力波長修正を与える。
【００７９】
単一路光学的非線形結晶装置を用いるか、あるいは、光学的非線形材料を含む又は光学的非線形材料から形成された公知のキャビティ外リング共振器内に基本放射を向けることによって、このような独創的なＯＰＳレーザーをキャビティ外周波数逓倍のための放射線源として用いることができる。本発明に従う強力なＯＰＳレーザーはまた、共線形又は非共線形にポンピングされる光パラメトリック発振器（OPO）のための基本（ポンプ）放射源を提供することができる。このような装置は、同じ発明者による係属中の米国特許出願第０９／１７９,０２２号に開示されており、この米国特許出願の全の開示は参照のためにここに組み入れられる。
【００８０】
ここで本発明のモード制御と他の大きさ調整に関する記述に進むと、驚くべき発見は発明のレーザーの単一軸モード動作が例示の強力な動作のために必要とされる比較的長い共振器長においてさえも簡単に成し遂げられたということであった。長い共振器長は、とりわけ以下の理由のために必要とされる。
【００８１】
ＯＰＳの利得構造体は、ＱＷ層から分かれる層にポンプ光を協力に吸収する必要性のために多少の固有限界を有する。これらのＱＷ層は好ましくは基本放射の半波長だけ光学的に間隔をあけられる。このような構造の公知の事実調査は、関連技術の実務家の間に、そういったＱＷ層の数は約１５であることがほぼ最適であるという一般的な信念をもたらす結果となったように思われる。これは少なくとも、その構造体での吸収を介してポンプ光が半波長の１５倍以上深く効率的に浸透しないかもしれないという考察の結果として生じる。本発明に従うＯＰＳレーザーの例での１５のＱＷ層を持つ利得構造体の使用は、発明のＯＰＳレーザーを限定するものと解釈されるべきではなく、また、このような利得構造体の深さとＱＷの量の最適化が限界に達したことを示していると解釈されるべきではないことにここで注意すべきである。発明のＯＰＳレーザーの開発において、明白な成功とともに、ＯＰＳ構造体の他の大きさ調整問題と他の構造的問題を扱うことに単に強調がなされた。このような他の問題の論議が下に明らかにされる。
【００８２】
この説明の目的のために、ＯＰＳ利得構造体の深さ又はＱＷ層の量に対する多少の制限（それが何であるとしても）が存在することを考慮し、次に、利得構造体内の増大する利用可能な利得（従って、パワー）に対して別のアプローチを行うことが必要である。本発明に従う１つのそのような出力を増やすアプローチは、ＯＰＳ構造体にポンピングされるエリアを増やすことである。
【００８３】
しかし、より大きなポンピングされるエリアを利用するために、共振器のモードサイズがポンピングされるエリアで利用可能な利得のすべてを引き出すのに十分であるように共振器の長さを大きくしなければならない。共振器長さはモードサイズの増加の平方に比例して増やされる。したがって、増大数モードサイズから、とりわけ、パワー増大が得られ、発明のＯＰＳ共振器の寸法は、ＯＰＳレーザーの魅力的な特徴であるという従来技術の教示されるコンパクトさからは根本的に外れる。実に、発明のＯＰＳレーザーの寸法は、同様な出力とビーム品質の公知のダイオードポンピングソリッドステート（ＤＰＳＳ）レーザー共振器の寸法に相当する。しかしながら、この説明から明白になるように、発明のこれらの共振器、特にＩＣ周波数変換のために設けた共振器は利得メディアとしてＯＰＳ構造体の使用と特に関係がある、ある種の特定の特有のデザイン特性を有する。
【００８４】
外部ＯＰＳレーザー共振器の長さを劇的に増やすことにおける１つの元来予期された問題はモード制御の問題、特に、単一軸モードでの作動である。とりわけ、出力の時間の変動を最大にし、そして減少させるために、単一軸モードでの作動が好ましい。上記の通り、「基本共振器」を単一軸モードで作動させることは本発明に従うＯＰＳレーザーの倍数共振器ＩＣ周波数逓倍の実施形態において特に好ましい。
【００８５】
前述の公知のＤＰＳＳレーザーにおいて、共振器長が増大するにつれて、の可能な軸（長軸方向の）モードの数は、発振を妨げるこいかなる措置をも行わずに、同じく増大される。明らかな考察により、この問題は、ＤＰＳＳレーザーのソリッドステート（ドーパント：ホスト）利得メディアと比較して半導体利得メディアの利得帯域幅がより大きいため、ＯＰＳレーザーにおいて悪化するであろうことがまた予期される。
【００８６】
典型的に、多数の軸モードは、これらのモードが利得メディアの利得のために無秩序に競争するので、波動する（ノイズの大きい）パワー出力となる。振動モードの数を制限し、そして出力ノイズを減らすためにＤＰＳＳレーザーにおいてとられた公知の処置は、隣接するモード間の位相関係がこのモード競合を限定する位置での共振器の利得メディアの選択的な配置を含む。このアプローチは公知のＤＰＳＳレーザーにおいて単に限定された成功を納めただけであった。実際に、従来技術のレーザーにおける本当の単一モード作動は、機械的に共振器を安定させ、かつ、高い波長選択ができる要素（これには共振器損、調律の維持管理等の問題が付随する）を共振器に含めることによってのみ可能であったと信じられる。
【００８７】
驚くべきことに、本発明に従う強力ＯＰＳレーザーにおいて、共振器の物理的長さ、少なくとも上に例示される発明のレーザーの２５ｃｍまでの長さから独立して単一軸モード作動が可能であることが見いだされた。この長さはさらに、例えば、１００ｃｍ又はそれ以上まで拡張され、しかもこのような作動を供給するための特別な準備を行うことなしに単一軸モード作動を維持し続けると信じられる。
【００８８】
特定の理論に限定されることなく、この驚くべき発見が次のように説明できると信じられる。本発明の上述のすべての実施形態において、ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４は、作動のすべての可能な軸モード（定在波）がノードを持つ位置、即ち、それらのモードが正確に同期している点である、「基本共振器」の端部に正確に位置している。
【００８９】
本発明の１つのＯＰＳ利得構造体は約７倍波長「長さ」である。共振器それ自身は、波長の数万倍又は数十万倍の長さであるかもしれない。したがって、広く数値的に切り離されたモード（すなわち、Ｎ及びＮ±ｍ、ここでｍは整数）さえも利得メディアの中で位相が相当にずれることはない。
【００９０】
ここで、半波長離間したＱＷ層を備えるＯＰＳ利得構造体は、２分の１波長離れた狭い領域で利得を供給するだけである。したがって、隣接した可能なモードの実際の波長がほんの少し、せいぜい、波長の１００万分の１の２−３倍又はＱＷ層の厚さの１００分の１の２−３倍だけ異なるので、すべての可能なモードは利用可能な利得を引き出すほぼ同等なチャンスを持っている。最初に振動し始めるそのモードは「モード競合」に勝って、そして他から振動するために必要な利得を奪い、それによって単一軸モード作動を強制する。
【００９１】
本発明に従うＯＰＳレーザーにおいて本当の単一モード（単一周波数又はTEM_００）作動を保証するために、上に例示するように、ＯＰＳ構造体３２でのポンピングされるエリア（ポンプスポット）と基本スポットサイズがほぼ同じであり、すなわち、モードサイズに対するポンプスポットサイズの比がほぼ単位元（１.０）又はそれ以下であるように共振器を設計することが望ましい。これは、ポンピングされるエリアからいまだ最大利得を得る間に、異なった周波数の振動の他の横モードを支援するために有効な不十分な利得がTEM_００スポットサイズの外にあることを教える。
【００９２】
本発明に従う上に記述されたＯＰＳレーザーは物理的に長い共振器を有することに関して記述されているが、ここで、共振器長さとして言及されるものは共振器端部鏡の間の軸の長さ又は距離であることが理解される。しかしながら、当業者であれば、物理的な共振器長さを増やすことがパワーを増大させるためにＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４の大きなモードサイズを提供する唯一の方法ではないことを認識するであろう。共振器内に適当な光学系を含むことは、共振器の実際の（物理的な）長さが比較的短いときでさえ、共振器のために大きな「相当長さ」を生じさせることができる。これは、比較的短い物理的長さを有する共振器を持つ本発明に従うＯＰＳ構造体において大きいスポットサイズを与えるるために使うことができる。フラッシュランプでポンピングされた公知技術のNdＹＡＧレーザーに使用され、共振器内に望遠鏡（入れ子式）式のレンズ装置を採用した共振器装置の例が光学量子エレクトロン（Opt.Quantum Electron）１３、４９３（１９８１）のハンナ(Hanna)他の論文に記述されている。
【００９３】
しかしながら、光線光学上の考察は、ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０が共振器の一端を形成するという複雑な共振器において、その複雑な共振器がＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０から特定の距離に置かれた１つの鏡（一般的に湾曲している）からなる単純な共振器に相当する（鏡構造体３０からわかるように）。換言すれば、どのような任意に複雑な共振器でも常に、ＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４でのモードサイズを決定する目的のため、一端においてＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０を有し、他端において湾曲した鏡を有する相当単純共振器に縮小することができる。したがって、本発明に従う長い共振器タイプのＯＰＳレーザーにおいて、ＯＰＳ構造体３２での望ましいモードサイズを供給するために必要な相当又は光学共振器長さを決定することができる。この光路長の決定は、上に記述した比較的単純な共振器構造であって、十分に大きい光路長を維持しながら物理的な長さを短くするためのいっそう複雑な装置と同様に光路長が物理的な長さに近いものをカバーする。本発明に従うＯＰＳレーザーの共振器の望ましい光路長は少なくとも約５ｃｍ、そして好ましくは約１０ｃｍより大きい。
【００９４】
本発明に従うＯＰＳレーザーにおけるＯＰＳ構造体３２でのモード又はスポットサイズを増やす最も簡単な方法は、共振器鏡の曲率半径を適切に選択して単に共振器の物理的な長さを増大させることによって共振器の光路長を増大することである。上に例示された図１のレーザー２０における多ワット放射の生成のために必要とされるビームスポットサイズは２５ｃｍの共振器長を採用することによって得られた。この長さは、公知のＯＰＳレーザーの共振器長さよりずっと大きいが、単一軸モードで作動させながら、レーザーを都合良く小さくまとめるためには十分小さい。
【００９５】
次に熱管理問題に論点を変えて、上に手短に論じたように、本発明に従うＯＰＳレーザーにおけるＯＰＳ構造体３２の熱管理は特に重要である。したがって、熱管理の多少の重要な局面の論議が図８に言及して以下に明らかにされる。図８は、ＯＰＳ構造体３２と、それに接着されたヒートシンク３６を詳細に示す。
【００９６】
熱管理問題は次のように手短に決定されるかもしれない。ポンプ光４２はＯＰＳ構造体３２の利得構造体に取り込まれている。電気的キャリアを生成しない、即ち、レーザー放射を生成しない取り込まれたポンプ光の部分は利得構造体３４内に熱を生成させる。この熱は、ヒートシンク３６によって、利得構造体の温度を好ましくは約９０℃以下の温度に維持するのに十分な割合で伝達され持ち去られなければならない。この温度は単にガイダンスとして与えられるものであり、そしてクリティカルなもの、あるいは限定されるものと解してはならないことに留意されたい。
【００９７】
鏡構造体３０は利得構造３２からヒートシンク３６に伝わる熱伝導を妨げる。上に論じられたように、望ましい、発明のヒートシンク装置において、ＯＰＳ構造体３２はろう層１１０によって、好ましくは約０.３ｍｍの厚さを持つ合成ダイヤモンド層１１２に接着される。ダイヤモンド層１１２が順に、もう１つのろう層１１４によって銅製の微小溝型冷却器１１６に接着される。
【００９８】
本発明に従うＯＰＳ構造体のためのヒートシンク構成を開発することにおいて、銅とダイヤモンドの大きな下地、即ち、基板のヒートシンク固有性に対して最初に考察がなされた。大きな（本質的に大きさが無限）銅ヒートシンクの表面に直接与えられた上記例の３４Ｗのポンプパワーによって与えられたポンプパワー密度を考慮した計算から、このようなヒートシンクの表面温度は１１０℃であろうと推定した。実際は、３４ワットのポンプパワーは表面に直接与えられないであろうが、鏡構造体３０の材料によって妨げられるであろう。これらの材料は比較的低い熱伝導率を有する。したがって、利得構造体３４の温度はヒートシンクの表面での最も高い温度より約１５℃高いと期待できた。
【００９９】
大きなＣＶＤダイヤモンド（銅より２.５倍高い熱伝導率を有する）ヒートシンクの表面に直接与えられた上記例の３４Ｗのポンピングによって得られるポンプパワー密度を考慮した計算から、このようなの表面温度は４５℃であると推定された。これはＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４にとって耐えられる温度であろう。しかしながら、無限大であることを考慮するほど十分に大きいダイヤモンド（合成ダイヤでさえ）は、もし入手可能であるなら、法外に高価であろう。
【０１００】
マイクロチャンネル冷却器について考察すると、それに直接与えられる上記例の３４ワット(W)のポンピングによって提供されるそういった冷却器の表面温度は約１１０℃であろうと決定された。もし同じマイクロチャンネル冷却器に比較的薄い層の合成ダイヤモンドが接着されたなら、（ダイヤモンド層の）表面温度はただ５５℃になるであろうこと、即ち、その温度は上に論じられた仮説の大きなダイヤモンドヒートシンクのための計算された温度に相当することが次に決定された。この決定は本発明に従うＯＰＳレーザーのために必要とされるポンプパワー密度をＯＰＳ構造体３２に安全に与えられることができるようにすることにおいて重要であった。
【０１０１】
明らかな考察の上に、一定のポンプパワー密度において、ＯＰＳ構造体３２の上記例示温度は、そのポンピングされるエリアが増大されるので、同じままであると期待されるかもしれず、上記識別されたレベルを越えるパワーの大きさの調整を増加する共振器長さの問題とするように思われるかもしれない。しかしながら、より綿密な調査の上に、これは本当ではないことが分かる。ポンピングされるエリアについての大きさ調整問題を図示するために、図９と１０はそれぞれ、比較的大きな（１.０ｍｍ厚）銅製ヒートシンクと、０.７ｍｍ厚の銅製ヒートシンク上に接着された０.３ｍｍ厚のＣＶＤダイヤモンド層について計算された均一表面に対する反応を表す等温線曲線（放射状に対象であると仮定する）を示す。等温線曲線は、０.２５ｍｍ半径の円Ｈ内で１８０ワット毎正方ｍｍ（Ｗ／mm２）の率Ｑで加熱する均一表面に対する反応を表す。（ＯＰＳ構造体３２の上記例示のポンプパワー密度に対応している）。等温線曲線は５℃間隔である。上に使われる専門用語「比較的大きな」はＯＰＳ構造体３２の寸法に関してのものであることを意味する。
【０１０２】
図９と１０の両方から、温度は加熱（ポンピング）されるエリアの縁から中心へと上昇することがわかる。同じポンプパワー密度でポンピングされるエリアを増やすことは、それ相応に、ＯＰＳ構造体のピークの温度を増やすであろう。幸いに、しかしながら、この増加はエリアの増加の平方根に比例する。これはポンプパワー密度と増加するポンピングされるエリアの間に多少のトレードオフを許す。
【０１０３】
ＣＶＤダイヤモンドの有効性はもちろん、ＣＶＤダイヤモンド層がない約１００℃のピークの温度（図９参照）と比較してダイヤモンド層で成し遂げられた４５℃と５０℃の間のより低いピーク温度（図１０参照）によって同じく証拠づけられる。
【０１０４】
単一結晶形での合成ダイヤモンドはＣＶＤ形式の２倍の熱伝導率を有する。したがって、単結晶ダイヤモンド層をＣＶＤダイヤモンド層の代わりに用いることによって、約２０℃の更なる表面温度減少を期待することができた。ＣＶＤと単結晶形式での合成のダイヤモンドはニューヨーク州ニューヨークの住友電気工業(Sumiitomo Electric Industries)（USA）社から入手可能である。
【０１０５】
上に論じた発明のヒートシンク３６装置の高い熱伝導率はＯＰＳ構造体３２の利得構造体３４での低い温度だけではなく、ＯＰＳ構造３２の平面での低い横切る温度こう配も保証する。横切る温度こう配は、ＯＰＳ材料の屈折率の温度依存を通して、ＯＰＳ構造体内での伝搬の基本放射によって見られる光路長の横切った変化を生じさせる。このようなこう配は、それ自体をリッドステートの利得メディアにおいて「熱レンジング（thermal-lensing）」（これは利得メディアが、一次近似で、正の球面レンズとして作用することを意味する）として表す。この現象は公知のＤＰＳＳレーザーでよく知られており、このようなレーザーのために共振器のデザインを複雑にする。なぜなら、これらの共振器デザインは、熱レンジングと、ポンプパワーレベルが変えられるときの熱レンジングの変化の両方を考慮に入れなくてはならないからである。例として、典型的なネオジムによって化学処理されたバナジン酸イットリウム（Nd:YVO４）利得メディア結晶が典型的なポンプ状態の下で７つのジオプターと同じぐらい高い熱レンジングを示すことができる。
【０１０６】
ヒートシンク３６のデザイン考慮すると、注意深いデザインにより公知のＤＰＳＳレーザーで遭遇する値と比較して本発明に従うＯＰＳレーザーにおいて熱レンジングのために例外的に低い値に導くことができたことが認識された。例として、ヒートシンクとしてマイクロチャンネル冷却器上にＣＶＤダイヤモンド層を採用する上述のレーザー２０の例（図１）において１つのジオプターより際立って少ない熱レンジングが測定された。ＣＶＤダイヤモンドに代えて、単一結晶合成ダイヤモンドを使用することは、このすでに小さい熱レンジングの係数を２減らすであろう。このような低い熱レンジングはレーザー共振器のデザインをかなり単純化する。一般に、本発明に従うＯＰＳレーザーのために共振器を設計することにおいて、熱レンジングがないであろうということを想定することができる。
【０１０７】
ここでＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０の熱伝達妨害効果について議論を向けると、上に論じた発明のＯＰＳレーザーの例において、ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０の全体厚さは約４.１μｍである。この全体の層厚と、GaAsとAlAsPの本体熱伝導率値と、図６に示すように冷却された下地３６の構造に基づく計算は、鏡構造体３０の熱伝達妨害効果のために、利得構造体３４の温度が本当であるであろう温度よりも約１８℃乃至２０℃高いことは冷却された下地３６のダイヤモンド層１１２に直接接着された利得構造であったことを示した。したがって、接着されたダイヤモンド層によって提供された表面温度での電位減少の相当な部分が鏡構造体の犠牲にされる。発明のＯＰＳレーザーの上記実施例の作動条件の下で、利得構造体３４の蛍光スペクトルの移行の実験的な観察から、利得構造体３４は約９０℃の温度であることが決定された。
【０１０８】
ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０の熱伝導率の改良により利得構造体３２により高いポンプパワーを与えることができたことは明白である。これは出力の更なる増加を与えるであろう。この熱伝導率を改善するいくつかののアプローチが下に明らかにされる。
【０１０９】
上に記述した方法で増大するＯＰＳ構造体３２の利点は、鏡構造体３２がエピタクシーに増大する必要もなく、また、まったく半導体材料から完全に形成される必要はないことである。この柔軟性が与えられるならば、高及び低屈折率層を形成するために広く選択できる材料を使って本発明に従うＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０を設計することは可能である。したがって、材料の絶対屈折率値と材料の熱伝導率の値は、鏡構造体（全体として）の軸方向における熱伝導率が最大となるように選択できる。明らかに、もちろん、選択された材料は、鏡構造体が基本波長に関して最大反射率を提供することができるように、基本波長に関して最小の吸収を有する（かなり透明である）ようでなければならない。この点に関して最大反射率を好ましくは約９９.９パーセント以上の値に決定することができる。
【０１１０】
鏡構造体３０の熱伝導率を増大させる１つの選択肢は、アルミニウム、銀、金、銅又はマグネシウムのような高反射率の金属層を透明な材料のいくつかの高屈折率層及低屈折率層の対の代わりに用い、その金属層で吸収を約０.１パーセントにすることである。光学スキャナー、コピー機等のために高価でない高効率反射鏡を提供するために、同様な構造の誘電体多層重ね被覆されたアルミニウム鏡は、しばしば光学コーティング技術において「強化（エンハンスト）金属鏡」と呼ばれる。
【０１１１】
本発明に従う鏡構造体３０での金属層は最後に堆積された（鏡）層であろうし、利得構造体から最も遠いであろう。完成されたＯＰＳ構造体３２でのこの金属層がヒートシンクと直接接するであろうから、少なくとも０.１パーセントの吸収が許容できるであろうと信じられる。
【０１１２】
例として、上に例示されるGaAsとAlAsP材料を、最終層としての１０００オングストローム厚層の金と共に用い、GaAsとAlAsP層のたった９つの対を有する構造体によって９９.９％の反射率を供給することができた。このような構造はたったの約１.４７μｍの合計厚、即ち、上述の例の鏡構造体の約３分の１の厚さを有するであろう。したがって、鏡構造体全体としての滅伝導率の３倍までの増加を予期することができる。
【０１１３】
AlAsPよりずっと低い屈折率を有する材料、例えば、約１.４８の屈折率を有するフッ化バリウム（BaF_２）を低屈折率材料として用いることによって厚さをさらに小さくすることが可能であると信じられる。１０００オングストローム厚の金の層を最終層として用い、GaAsとBaF_２層の２組程度を有する鏡構造体３０によって９９.９％の反射率が与えられた。このような鏡構造体はたったの約O.５４μｍの合計厚さ、すなわち、上記例のＯＰＳ構造体の厚さの約８分の１の厚さを有するであろう。しかしながら、合計厚を小さくすることによって熱伝導率で得られるものは、AlAsPと比較してBaF_２のより低い熱伝導率と、基本波長での４分の１の波長光学的厚さを供給するために必要なBaF_２のより大きな物理的な厚さによる少なくとも部分的相殺である。
【０１１４】
そういった「強化金属鏡」は、半導体材料があまりにも大きい吸収をして多層反射器において効率的に使用できないという約０.７μｍより短い波長での基本放射を有するＯＰＳ構造体で特に有用であるかもしれない。これらの波長に関して、低屈折率層としての二酸化シリコン（SiO_２）のような材料に組み合わせて高屈折率層を供給するために、酸化チタン（TiO_２）とニオブ酸化物（Nb_２O_５）のような誘電材料を使用しなければならない。TiO_２とSiO_２の層だけの組み合わせを使った鏡であって、GaAsとAlAsP層だけから作ったと鏡と同じ反射率を有する鏡は、約５０パーセント大きい合計厚を有するであろうことを指摘することは有用である。
【０１１５】
「強化された金属」タイプの鏡構造体のための高反射材料の選択及びＯＰＳ構造体をヒートシンク３６へ接着するために選択された接着材料のタイプに依存して、好ましくは適切な金属の層を反射金属層の上に加えてその金属層が接着剤と反応、合金化又は溶解することを妨げることが必要であるかもしれないことに留意すべきである。この追加の層は、（入射レーザー放射に関する限り、）反射金属層の「背後に」存在するので、それが高反射であることは重要でない。
【０１１６】
上に論じたように、ＯＰＳ構造体３２のようなＯＰＳ構造体は半導体ウェハーの全エリア上に本質的に増やされるＯＰＳ構造体が増やされた後、ウェハーはＯＰＳ構造体チップにさいの目に切られる。公知のさいの目切断方法はチップを形成するためにウェハーに線刻みをつけて壊すことを伴う。切断は、ウェハーの結晶化された平面と、その上にエピタクシーに増やされたＯＰＳ構造体に沿って、きれいに、そして円滑に生じる。ここで図１１に言及し、上に記述したように形成したＯＰＳ構造体チップ（矛盾しないように、ここで参照番号３２によって指定する）は、利得構造体３４上の放出面１１９として終結するものを有し、そして線刻み（スクライブ）破断方法から生じる滑らかな端面１２０を有する。各端面１２０は放出面１１９に直角であり、そして利得構造体の半導体材料の比較的高い屈折率に因る比較的高いフレーネル(Fresnel)反射率（約３０％）を持つ。本発明に従うＯＰＳレーザーのために使用される作動パワー（これを妨害する装置はない）において、レーザー動作は、端面１２０の平行な組によって形成された共振器内で（図１１に矢印Ｂで示すように）横方向に生じる。
【０１１７】
作動の間に、このような寄生横振動は、意図する面放射方向（図１１に矢印Ｃで示す）にレーザー作用を与えるために有効な利得をＯＰＳ構造体３２の利得構造３４から奪うであろう。ある特定の処置がこのような寄生横振動を抑制するためにとられるかもしれない。このような処置は、ダイヤモンドスクライブ、ダイヤモンドソー又は同様な研摩切断装置を用いてウェハーを一側部から他側部へ切断又はスクライブするさいの目切断方法を使用することを含む。このようなスクライブに続き、端面１２０は鏡として作用できないように十分に荒らされる。したがって、寄生横振動は効率的に抑制される。端面を荒らす他の方法を用いることもできる。
【０１１８】
もし端面１２０がスクライブ破断切断の結果滑らかに残るならば、酸化アルミニウム（Al_２O_３）又はは酸化イットリウム（Y_２O_３）のような、端面よりも低い屈折率を有する材料の単純な反射防止膜で端面を被覆することにより、端面１２０の反射率をもはや鏡として有効でないレベルまで減少させて寄生横振動を効率的に抑制することができる。
【０１１９】
寄生横振動を抑制するさらにもう１つの手段は、チップ３２（ＯＰＳ構造体３２）の最も長い線形寸法（端面長）がポンピングされるエリア１２２よりかなり大きいことを保証することである。本発明に従うＯＰＳレーザーのために用いられるパワーレベルにおいて、端面１２０の長さは好ましくはポンピングされるエリアの直径よりも約３倍大きい。ポンピングされないＯＰＳ構造の本質的な吸収と、端面１２０間を走行する放射のために必要な大きくされた距離により、たとえ端面１２０が滑らかであっても、寄生横振動を効率的に抑制するために十分な損失を供給することができる。
【０１２０】
寄生横振動を抑制するために、ポンピングされるエリアの外で利得構造体３４の材料の吸収を計画的に増やすことの可能性の限度はなくない。これは、例えば、ＯＰＳ構造体３２の成長の後に、選択的な化学処理するか又はイオン注入法によって達成されているかもしれない。明らかに、寄生横振動を減らすための上に記述されたどの処置も単独又は、適切であるなら、組み合わせて使用できる。
【０１２１】
ここで本発明に従うＯＰＳレーザーのための周波数変換材料の選択について述べると、上記の通り、外部共振器ＯＰＳレーザーから利用可能な波長の範囲は周波数逓倍、２倍又は混合によって拡張されるかもしれない。これは好ましくは、光学的非線形結晶がＯＰＳ構造体の鏡構造体と、（その構造体の外側の）従来技術の鏡との間に形成された共振器に含められるキャビティ内（ＩＣ）周波数変換（高調波生成）によって達成される。本発明に従うＩＣ周波数変換ＯＰＳレーザーのための特に望ましい光学的非線形結晶材料はＬＢＯである。
【０１２２】
公知のＯＰＳレーザーにおいては利用可能なパワーは限定されているため、このようなレーザーにおいて、可能な限り高い周波数変換効率を備える光学的非線形材料、典型的にKNbO３を使用することが今までなされてきた。しかしながら、KNbO３は、本発明に従う強力な周波数倍増レーザーで使用するためにそれを選択するには理想からはほど遠いある特定の不利な性質を有する。これらの不利な特徴はあるもろさと、限定されたスペクトルアクセプタンス範囲である。光学的非線形材料のスペクトルアクセプタンス範囲は、その材料結晶のために周波数変換されるであろう波長の範囲である。
【０１２３】
図１２は、KNbO_３の計算され、正規化されたスペクトルアクセプタンスと、かなりより耐久性のある、しかしより効率が低いＬＢＯを示す。それぞれが、約９７６ｎｍでレーザー作用を与えるように選ばれた合成物を有する５ｍｍ長さのInGaAs能動層の形態であると考えられる。KNbO_３のスペクトルアクセプタンスはＬＢＯのそれの約１０分の１であり、能動層の利得帯域幅と比較して非常に狭いことがわかる。
【０１２４】
ここで、キャビティ内光学的非線形結晶の周波数倍増機構が他のいかなる制約もなく、基本波長の損を表すので、共振器はその振動波長を損がない波長へ移行する（飛ぶ）傾向がある。これが起きるとき、周波数倍増出力は、全体的に止まるのでなければ、壊滅的に落ち、基本パワーが相応して急上昇するであろう。
【０１２５】
波長飛び越えは、波長飛び越えがない場合のものよりもより低い平均パワーの非常にノイズが多い周波数変換出力をもたらすであろう。この波長飛び越えは共振器に複屈折フィルター、エタロン又は同種のもののような大いに波長選択的ができる要素を含めることによって限定され得る。しかしながら、このような必要な選択性を有する装置は、重要な共振器損をもたらし、出力を制限する。いずれの方法でも、これは、KNbO３の名目上の高い変換効率がその全処置において、実際は、実現されないかもしれないことを意味するであろう。さらに、波長選択装置は恐らく満足にそのピーク伝達波長を安定させる温度調整のような能動措置を必要とするであろう。
【０１２６】
ずっとより広いアクセプタンスを有するＬＢＯ材料はまだ完全に波長飛び越えから免除されておらず、キャビティ内波長選択装置の波長を抑制する利益がないであろう。しかしながら、ＬＢＯのケースにおけるこのような波長選択装置は、KNbO_３のために必要とされるであろうより１０倍もより少ない選択とすることができ、能動安定化を必要としないであろうし、そして重要な共振器損をもたらさないであろう。
【０１２７】
完全性のために、光学的非線形結晶のスペクトルアクセプタンスは結晶の長さに逆比例していることがここで指摘される。このような結晶の第二高調波生成（ＳＨＧ）効率は材料定数ｄ_effの２乗に結晶の長さの２乗をかけたものにだいたい比例している。KNbO_３のためのd_eff値がＬＢＯのためのd_eff値よりも約１０倍大きいので、理論上少なくとも、０.５ｍｍ長さのKNbO_３結晶は５.０のｍｍ長さのＬＢＯ結晶と同じピークＳＨＧ効率とスペクトルアクセプタンスを有するであろう。しかしながら、KNbO_３のもろさのために、０.５mm長さのKNbO_３結晶は幾分、製造処理することが実際的でないかもしれないと信じられる。本発明に従うＯＰＳレーザー共振器での共振器でのKNbO_３結晶の使用は、しかしながら、妨げられない。
【０１２８】
一般に、上に論じた理由のために、ＬＢＯとクロムリチウムトリボレート（ＣＬＢＯ）は周波数２倍、周波数３倍に関して好ましい。ＢＢＯは周波数４倍、周波数３倍に関して好ましい。約６７０ｎｍよりも波長を２倍又は３倍に短くするために、ストロンチウムバリウムボラート（ＳＢＢＯ）、ストロンチウムボラート（ＳＢＯ）及びバリウムホウ酸亜鉛（ＢＺＢＯ）を含む光学的非線形材料は効果的であると信じられる。しかしながら、これらの光学的非線形材料の優先性は本発明に従うＩＣ周波数変換レーザーを限定するものであると考えられるべきではない。
【０１２９】
【表１】

【０１３０】
【表２】

【０１３１】
ここで本発明に従う強力なＯＰＳ構造体のための望ましい材料の記述を続けると、表１は利得構造体３０のための好ましいＱＷ層とセパレータ層材料を列挙する。それぞれの材料セットは、１つの特定の鏡構造体３０（ブラッグ鏡）の番号、下地及び基本波長範囲と関連している。ブラッグ鏡の詳細、組成は表２で与えられる。
【０１３２】
表１と２で表される構造体は、鏡構造体と利得構造体の両方に関して、同じ波長範囲に対して公知の好ましい構造体から逸脱していることを表す。表１と２において、合成物比率（サブスクリプト）ｘ、ｙとｚはすべて０.０と１.０の間の値を持つ。各ケースにおいて、引張歪みを受ける全ての層と、圧縮歪みを受ける全ての層の応力と層厚の積が等しくなることを保証することによって、ＯＰＳ構造体の応力が全体としてできる限り低くなるように、材料（化合物）は選択される。このことは、高い作動温度を受け、従って、作動と不活性の時期の間に大きい温度サイクルを受ける本発明に従うＯＰＳ構造体において特に重要である。
【０１３３】
本発明に従う上に例示されたＩＣ周波数倍増ＯＰＳレーザーのＯＰＳ構造体（図２参照）は最初にリストアップされた構造体の例であり、ＱＷ層とセパレータ層の間のGaAs「移行」層は、これらの層の間に存在する応力差を軽減する。図２のＯＰＳ構造体の利得構造は一般にIII−Ｖ四成分系InGaAsPの成分から形成されているとして分類され、そこでは、下地材料がその成分（ここではGaAs）の２成分III-Ｖ化合物であり、ＱＷ層が両方の下地材料成分を含む１つの可能な３成分III-Ｖ化合物から形成され、そしてセパレータ層が両方の下地材料成分を含む他の可能な３成分III-Ｖ化合物から形成される。表１のタイプ３構造体（InP下地材料の上）は同じくこのカテゴリーに分類される。これはこの四成分系から形成されたＯＰＳ構造物に最適な応力補正を与えると信じられる。表１のタイプ３構造体のために誘電材料を含む鏡構造体が望ましい。１つの望ましい構造はセレニド亜鉛（ZnSe）の高屈折率層と、酸化アルミニウムの低屈折率層を含む。このコンビネーションは、従来技術の一般的なコーティングに用いられるTiO_２とSiO_２の組み合わせとして層対の数毎にほぼ同じ反射率を供給するが、より低い合計物理厚と、より高い熱伝導率を伴う。表２の鏡構造体は表１のＱＷ／セパレータ構造体と共に用いるために望ましい構造体であることがここで強調され、本発明に従うＯＰＳレーザーにおける表１のＱＷ／セパレータ構造体を持つ他の鏡構造体の使用は除外されない。
【０１３４】
さらに、上に供給された発明のＯＰＳレーザーの記述から、当業者は、本発明の原理と範囲から外れることなく、約４２５ｎｍ−１８００ｎｍ間の波長において基本放射を供給するための他のＯＰＳ構造体を選択することができる。このような構造体は、例えば、In_xGa_{１ -x}As_yP_{１ - ｙ}、Al_xGa_{１ -x}As_yP_{1- ｙ}及びIn_xGa_{１ -x}N（ここで、０.０≦ｘ≦１.０、０≦ｙ≦１）からなる半導体化合物の群から選択されるＱＷ層又は能動層を含むことができる。このリストは、しかしながら、本発明を限定すると考えられるべきではない。第二、第三及び第四高調波波長は、もちろん、約２１２と９００ｎｍ、１４２と６００ｎｍ及び１０６と２２５ｎｍの間にあるであろう。後の範囲の半分であるより短い波長での性能は適当な光学材料の有効性によって幾分限定されるかもしれない。
【０１３５】
次に本発明のＯＰＳレーザーの出力を増大させる更なる態様の論議に移り、上に記述されたＯＰＳレーザーの実施形態において、ただ１つのＯＰＳ構造体３２が含まれる。達成され又は自信を持って予測されるレベルを超えるように出力を増やすためのいくつかのアプローチがこれに関係なく論じられた。しかしながら、上に論じられたアプローチだけを採用することが収穫遞減に導かれるかもしれないことは、これらの論議から当業者にとって明らかであろう。もしこれが本当であること、あるいは単に選択肢であることが分かったなら、出力（基本又は高調波）は、適切に構成された共振器において少なくとも第２ＯＰＳ構造体を組み入れることによって増やされるかもしれない。１つのそのような共振器の記述が下に明らかにされる。
【０１３６】
図１３に言及し、この図において本発明に従うＩＣ周波数２倍ＯＰＳレーザーの更なる実施形態１２８を叙述する。レーザー１２８は、２つのＯＰＳ構造体３２，３２Xを含むしっかり折り返された共振器１３０を含むでなる。共振器１３０は一端においてＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０で終結し、他端においての鏡２８で終結する。共振器１３０は上に論じられた理由のために複屈折フィルター５２を含む。ＯＰＳ構造体は上に記述するヒートシンクアセンブリ３６上に設けられている。共振器軸１３２はＯＰＳ構造体３２Xの鏡構造体３０Xによって一旦折り返され、折り返し鏡２６によって再び折り返される。周波数を２倍にするために設けられた光学的非線形結晶５０は共振器１３０の腕１３０Aに位置し、即ち、折り返し鏡２６と端部鏡２８の間に位置している。鏡２８は基本波長での最大反射率のために覆われている。鏡２６は基本波長での最大反射率のためと、２Ｈ波長での最大伝搬のために覆われている。
【０１３７】
ここで、共振器をしっかりと折り返すことは、ＯＰＳ構造体３２Xに対して可能な限り垂直入射に近いものに維持されるように選択されることに留意すべきである。これは逆方向に伝搬する基本光線間での利得構造体３４X内における干渉を最小にするためである。このような干渉はＱＷ層の平面で干渉縞を形成（一種の「横空間のホールバーニング」）することになり、そのため、これらの層からの利得抽出を制限する。この点に関して、利得構造体３４XでのＱＷ層の間隔と、鏡構造体３０Xの層の厚さを調整して非垂直入射による有効屈折率変化を補正し、それによってＱＷ層の有効半波長間隔を維持することが同じく望ましい。
【０１３８】
続いて図１３に言及し、レーザー１２８と本発明に従う他の上に記述したＯＰＳレーザーの更なる相違は、ポンプ光がＯＰＳ構造体に配送される方法である。レーザー１２８において、他の上に記述された実施形態のようにポンプ光はファイバー４０に沿って送られる。
【０１３９】
これらの他の実施形態の折り返し鏡４４と、合焦 レンズ４６，４８は、しかしながら、２つの放射状勾配指標レンズ（radial-gradient-index lenses）１４６，１４８のアセンブリで置き換えられる。このようなレンズはしばしば包括的に「セルフォック（selfoc）」と呼ばれる。このようなレンズは、上に記述した例のレーザー２０のレンズ４６，４８と比べて同じ光学性能を供給することができることが判明した。１つの例において、レンズ１４６はカリフォルニア州アーバインのメレス・グリオット社(Melles Griot Inc.)から入手可能な部品番号０６LGS２１６である。レンズ１４８は部品番号SLW1８０-０２０-０８３-A２である。このセルフォック（selfoc）レンズ装置は、共振器２８のようなしっかり折り返された共振器の場合のマルチファイバー（ファイバー束）ポンピングに関して都合の良い接近手段を供給する。ポンプ光配送光学装置の量を単に減らすか又は従来の合焦光学の大部分のために可能であるファイバーよりも多くのファイバーによってパワーを配送するために、いかなる他の上に記述された実施形態で上記装置を使うことができる。
【０１４０】
当業者であれば、本発明の原理と範囲から逸脱することなく、前述の説明から３以上のＯＰＳ構造体を含むＯＰＳレーザーを考案できるであろう。このようなＯＰＳレーザーを、ＯＰＳ構造体の基本波長又は高調波波長において出力放射を配送するように構成することができる。
【０１４１】
折り返されたレーザー共振器を２つの外部鏡の間に形成し、折り返されたレーザー共振器が１つ以上のＯＰＳ構造体３２だけを折り返し鏡として含むことができることは、レーザー１２８の説明から当業者にとってまた明白であろう。このような折り返されたレーザー共振器は図１４で叙述される。ここで、本発明に従うＯＰＳレーザー１４０は、鏡２８F，１４４によって終結され、（上に論じられた理由のために）ＯＰＳ構造体３２の鏡構造体３０によってしっかり折り返されたレーザー共振器１４２を含む。ヒートシンクと光ポンピング装置はレーザー１２８に関して上に記述したものと同じである。レーザー共振器はオプションとして複屈折フィルター５２を含む。
【０１４２】
レーザー１４０のレーザー共振器装置は、もしそれが２つの平らでない鏡によって終結されるレーザー共振器を構成することを望むならば有用であるかもしれない。共振器がその一端においてＯＰＳ構造体の鏡構造体によって終結されない同様な装置は、本発明に従うＯＰＳレーザーの他のいかなる上に記述された実施形態に対して考案されることはレーザー１４０の装置から明白である。
【０１４３】
要約すると、本発明に従う強力ＩＣ周波数転換のＯＰＳレーザーのいくつかの実施形態が上に記述された。一般に、発明のレーザーの実施形態は、１００ｍＷ以上及び１Ｗ以上のパワーでの基本放射から第二、第三又は第四高調波出力を生成することができる。これらの高調波出力は単一軸モード又は回折限界の２倍よりも少ないビーム品質を持つTEM００作動において達成されうる。これらの高出力、いっそう特に、１パーセントよりも良いポンプ−高調波効率において、７００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長範囲での基本放射から第二高調波を発生させることにより、ＵＶ出力放射を生成する発明のレーザーの能力は特に顕著である。
【０１４４】
発明のＯＰＳレーザーは真のCW動作モードにおいて波長を生成する手段を供給することができ、その手段は薬、光学式計測学、分光学、光学式リソグラフィ及び精密レーザー加工のような分野における多くのレーザー応用のための最適波長にほとんど適合することができる。例として、発明のＯＰＳレーザーは、１１８０乃至１２００ｎｍの範囲で放射するＯＰＳ構造体から第二高調波を発生させることにより、５９０乃至６００ｎｍの波長範囲のCW出力放射を効率的に生成することができる。５９０から６００ｎｍは眼科の外科用の適用に有利である。この波長範囲は公知のレーザーによって効率的に生成されない。強力なＵＶ放射を生成する能力は、特に、プリント回路基板又は従来のＵＶプレートを直接書き込み又はパターンニングするようなエリアで特に適用可能である。このような応用において、発明のＯＰＳレーザーはエネルギ源、効率及びビーム品質を提供するだけではなく、多くの応用において、露出され、切除去され、加熱され、光化学的に変更され、あるいは処理された材料の吸収ピークまで出力波長を「調整」する能力をも提供する。ＯＰＳレーザーに関する上記説明から、当業者であれば、本発明の原理と範囲から外れないで発明のレーザーのために多くの他の使用を考え出すことができる。
【０１４５】
ここでは、好ましい実施形態その他の実施形態に言及して本発明を叙述している。しかしながら、本発明は叙述した実施形態に限定されるものではない。発明はむしろここに添付した特許請求の範囲の請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組入れられてその一部をなす添付図は、本発明の望ましい実施形態を図式的に例示し、上記一般的記載及び以下の望ましい実施形態の詳細な記載と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図１】 本発明によるＯＰＳレーザー装置の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波数倍増するように配列された光学的に非線形結晶を有する。
【図２】 図１共振器の軸位置の関数としての基本放射のモードサイズをグラフ表示である。
【図３】 図１ＯＰＳ構造体の望ましい一実施形態及び半導体層の組成を図式的に例示する。
【図４】 本発明によるＯＰＳレーザー装置の他の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波数３倍増するように配列された２つの光学的に非線形結晶を有する。
【図５】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに他の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む第１共振器及び第１共振器と共通の光学距離を有する第２共振器を有し、共振器の共通光学距離はＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波数３倍増するように配列された２つの光学的に非線形結晶を含む。
【図６】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらに他の望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む第１共振器及び第１共振器と共通の光学距離を有する第２共振器を有し、共振器はＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波数４倍増するように配列される。
【図７】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置はＯＰＳ構造体を含む直線共振器及び複屈折フィルタを有する。
【図８】 本発明によるヒートシンクアッセンブリと結合された図１及び４−７のいずれかのＯＰＳ構造体を図式的に例示する。
【図９】 比較的大きい銅ヒートシンク表面の選択された区域内への一様な熱流によって生成される等温曲線を表わすグラフである。
【図１０】 比較的大きい銅ヒートシンクと結合されたＣＶＤダイアモンド層表面上で図７の選択された区域内への一様な熱流によって生成される等温曲線を表わすグラフである。
【図１１】 本発明によるＯＰＳ構造体における寄生的横共振図式的に例示する透視図である。
【図１２】 ＬＢＯ及びニオブカリウム（ＫＮｂｏ_３）の等長結晶に対する波長の関数として計算された変換効率を図式的に例示するグラフである。
【図１３】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置は、２つのＯＰＳ構造体を含む共振器及びＯＰＳ構造体の基本波長を空洞内周波数倍増するように配列された光学的に非線形結晶を含む。
【図１４】 本発明によるＯＰＳレーザー装置のさらなる望ましい実施形態を例示する。ＯＰＳレーザー装置は、第１及び第２外部鏡によって終結されると共にＯＰＳ構造体の鏡構造体によって折り返される、折り返された共振器を有する。

Claims (67)

1. 鏡構造体（３０）に載っている利得構造体（３４）を含むモノリシック層構造体（３２）であって、前記利得構造体は、複数の能動層であって、これらの層間に分離層を有する複数の能動層を含み、前記能動層は、光学ポンプ光が前記利得構造体に入射すると４２５ｎｍ乃至１８００ｎｍ間の予め決められた基本波長において電磁放射を放出するために選択される組成を有するモノリシック層構造体と；
   前記モノリシック層構造体の前記鏡構造体と、それから隔置される反射器（２８）の間に形成されるレーザー共振器（２２）であって、縦軸（２４）と、５ｃｍより長い長さを有するレーザー共振器と；
   前記光学ポンプ光（４２）を前記利得構造体に放出しそれにより前記基本波長を有する基本レーザー放射を前記レーザー共振器内で発振させ、前記基本波長は単一軸モードで発振する、光学ポンプ光放出装置（４０）と；
   前記モノリシック層構造体を冷却するヒートシンク装置（３６）と；
   前記レーザー共振器内に配設され前記基本レーザー放射を周波数倍増させそれによって前記基本波長の分数である波長を有する周波数倍増された放射を与えるように設けた１つ又はそれ以上の光学的非線形結晶（５０）と；
   を含んでなるレーザー装置であって、
   前記レーザー共振器、前記光学的非線形結晶、前記モノリシック層構造体、前記ヒートシンク装置及び前記光学ポンプ光放出装置は、前記レーザー共振器が、１００ｍＷより大きい出力パワーで２１２ｎｍ乃至９００ｎｍの波長を有する出力放射として前記周波数倍増された放射を発するように、選択かつ構成されたレーザー装置。
2. 前記レーザー共振器には前記光学的非線形結晶（５０）の１つのみが設けられ、前記光学的非線形結晶は前記基本レーザー放射を周波数倍増させるように配置され、それによって前記基本波長の半分の波長を有する周波数倍増放射を与える、
   請求項１の装置。
3. 前記レーザー共振器には前記光学的非線形結晶（５０、６２）の２つが設けられ、前記光学的非線形結晶の第１のものは前記基本レーザー放射を周波数倍増させるように配置され、前記光学的非線形結晶の第２のものは前記周波数倍増される放射に前記基本レーザー放射を混合するように配置され、それによって前記基本波長の三分の一の波長を有する周波数３倍増放射を与える、
   請求項１の装置。
4. 前記レーザー共振器には前記光学的非線形結晶の２つが設けられ、前記光学的非線形結晶の第１のものは前記基本レーザー放射を周波数倍増させるように配置され、前記光学的非線形結晶の第２のものは前記周波数倍増される放射の周波数を倍増するように配置され、それによって前記基本波長の四分の一の波長を有する周波数４倍増放射を与える、
   請求項１の装置。
5. 前記レーザー共振器が少なくとも２５ｃｍの光学長を有する、
   請求項１−４のいずれか１つの装置。
6. 前記周波数倍増される放射が単一軸モードで放出される、
   請求項１−４のいずれか１つの装置。
7. 前記利得構造体の前記能動層は、０．０≦ｘ≦１．０及び０≦ｙ≦１のとき、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ及びＩｎｘＧａ１−ｘＮから成る半導体化合物のグループから選択される、
   請求項１−４のいずれか１つの装置。
8. 前記利得構造体の前記能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの組成を有し、前記基本波長が９００乃至１０５０ｎｍになるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、前記分離層がＧａＡｓｙＰ１−ｙを有する、
   請求項７の装置。
9. 前記鏡構造体の高屈折率層は組成ＧａＳａを有し、０．０＜ｙ＜１．０のとき、前記鏡構造体の低屈折率層は組成ＡｌＡｓｙＰ１−ｙを有する、
   請求項８の装置。
10. 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＧａ１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が７００乃至９００ｎｍになるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜ｙ＜１．０及び０．０＜ｚ＜１．０のとき、前記分離層が組成ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚを有する、
    請求項７の装置。
11. 前記鏡構造体の高屈折率層は、０．０＜ｐ＜１．０のとき、組成ＩｎｐＡｌ１−ｐＰを有し、前記鏡構造体の低屈折率層は、０．０＜ｑ＜１．０のとき、組成ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓを有する、
    請求項１０の装置。
12. 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＡｓ１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が７００乃至９００ｎｍになるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜ｙ＜１．０のとき、前記分離層が組成ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを有する、
    請求項７の装置。
13. 前記鏡構造体の高屈折率層及び低屈折率層は、前記基本波長に対して透明なそれぞれ高及び低屈折誘電材料から成る、
    請求項１２の装置。
14. 前記高屈折誘電材料はセレン化亜鉛であり、前記低屈折誘電材料は酸化アルミニウムである、
    請求項１３の装置。
15. 前記利得構造体の前記能動層は利得帯域幅を有し、前記光学的非線形結晶は周波数倍増に関してスペクトル受容範囲を有し、前記スペクトル受容範囲は前記利得帯域幅より小さく、前記レーザー共振器は、前記スペクトル受容範囲外の波長を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で共振するのを防止するように構成かつ配置される波長選択要素をさらに含む、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
16. 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、
    請求項１５の装置。
17. 前記波長選択要素はエタロンである、
    請求項１５の装置。
18. 前記ヒートシンク装置は能動的に冷却される部材を含み、前記能動的に冷却される部材前記能動冷却部材は、それで熱接触するダイアモンド層を有し、前記モノリシック層構造体の鏡構造が前記ダイアモンド層と熱接触する、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
19. 前記能動的に冷却される部材はマイクロチャンネル冷却器である、
    請求項１８の装置。
20. 前記ポンプ光を前記利得構造体に伝える前記光学ポンプ光放出装置は、ポンプ光をその光源から前記ポンプ光を収斂させる光学収斂装置まで搬送するために少なくとも１つの光学光案内を含み、前記光学収斂装置は少なくとも１つのレンズを含む、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
21. 前記少なくとも１つのレンズはラジアルグラジエントインデックスレンズである、
    請求項２０の装置。
22. 前記光学収斂装置は２つのラジアルグラジエントインデックスレンズである、
    請求項２０の装置。
23. 前記１つ又はそれ以上の光学的非線形結晶のどれもが、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＳＢＢＯ、ＳＢＯ及びＢＺＢＯから成る光学的非線形材料のグループから選択される材料の結晶である、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
24. 前記レーザー共振器の前記縦軸は前記反射器及び前記モノリシック層構造体間に設けられる折返し鏡２６によりある角度だけ折り返され、前記１つ又はそれ以上の光学的非線形結晶は、前記反射器及び前記折返し鏡間の前記レーザー共振器の前記縦軸上に設けられる、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
25. 前記折返し鏡は前記基本レーザー放射に対して高度に反射的であり、前記周波数倍増される放射に対しては高度に透過的であり、それによって前記折返し鏡は、前記周波数倍増される出力放射を前記共振器から放出すると共に周波数倍増される放射が前記モノリシック層構造体に達するのを本質的に回避する出力結合鏡として役立つ、
    請求項２４の装置。
26. 前記折返し鏡は、前記光学ポンプ光を前記１つ又はそれ以上の光学的非線形結晶内に収斂させる凸面鏡である、
    請求項２５の装置。
27. 前記モノリシック層構造体は、そこでの基本レーザー放射の寄生横共振を最小化するように構成される、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
28. 前記モノリシック層構造体は放出面１１９を有する矩形チップの形式であり、前記ポンプ光は前記放出面の予め決められた領域においてそれに放出され、前記チップは前記放出面に直角な平行端面（１２０）の２つの対を有し、前記平行端面は、そこでの基本レーザー放射の寄生横共振を最少にするために、前記予め決められたポンプ光放出領域の最長寸法の少なくとも３倍の距離だけ隔置される、
    請求項２７の装置。
29. 前記モノリシック層構造体は、放出面を有すると共に前記放出面に直角な平行端面の２つの対を有する矩形チップの形式であり、前記平行端面は、そこからの基本レーザー放射のスペクトル反射を避けるために粗くされ、それによって前記寄生横共振が最少にされる、
    請求項２７の装置。
30. 前記鏡構造体では、前記レーザー共振器内の基本レーザー放射を増大させるのに十分な反射率を与えると同時に、前記利得構造体で発生される熱の前記ヒートシンク装置への熱伝導率を最大にするために、屈折率、熱伝導率及び同構造体の前記層の数が選択される、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
31. 前記鏡構造体が、高度に反射的な金属の層をさらに含み、前記金属層が前記ヒートシンク装置に最近接される、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
32. 前記ポンプ光は、予め決められたポンプスポットサイズで前記モノリシック層構造体の前記利得構造体上に放出され、前記共振器は、前記共振基本レーザー放射の前記利得構造体におけるスポットサイズが前記ポンプスポットサイズとほぼ等しい、
    請求項１−４のいずれか１つの装置。
33. 前記周波数倍増出力放射が単一軸方向モードで放出される、
    請求項１の装置。
34. 発振器軸を有しかつ第１及び第２鏡（２８F、３０）によって終結されるレーザー発振器（２２F）と、
    表面放出利得構造体（３４）を有する第１モノリシック層構造体（３２）であって、前記利得構造体は、層間に能動ポンプ光吸収層を有する複数の層を含み、前記能動層は、光学ポンプ光が前記利得構造体に放出されると、予め決められた基本波長において電磁放射の放出を与えるために選ばれる組成を有する第１モノリシック層構造体と、
    前記レーザー共振器は５ｃｍ以上の長さを有し、前記第１モノリシック層構造体の前記利得構造体を含むように構成され、
    前記ポンプ光（４２）を前記利得構造体に伝える第１光放出装置（４０）であって、それによって前記基本波長を有する基本レーザー放射が前記レーザー共振器内で発振するようにさせ、前記基本波長は単一軸モードで発振する、光学ポンプ光放出装置と、
    前記第１モノリシック層構造体を冷却する第１ヒートシンク装置（３６）と、
    前記レーザー共振器が２Ｗより大きい出力パワーで前記基本波長を有する出力放射を放出するように、前記レーザー共振器、前記第１モノリシック層構造体、前記第1ヒートシンク装置及び前記第1光学ポンプ光放出装置が選択されかつ配置されることとから成るレーザー装置。
35. 前記レーザー共振器は直線共振器（２２F）として構成され、前記第１モノリシック層構造体は前記利得構造体が載せられる鏡構造体（３０）を含み、前記第２鏡は前記第１モノリシック層構造体の鏡構造体である、
    請求項３４の装置。
36. 前記レーザー共振器は折りたたみ共振器（１４２）として構成され、前記第１モノリシック層構造体（３２X）は、前記利得構造体が載せられる鏡構造体（３０X）を含み、前記第１モノリシック層構造体の前記鏡構造体は前記レーザー共振器を折り曲げる折返し鏡として役立つ、
    請求項３４の装置。
37. 第２モノリシック層構造体（３２）をさらに含み、前記第２モノリシック層構造体は前記レーザー共振器内に設けられる利得構造体（３０）を有すると共に層間に分離層を有する分離層を有する複数の能動層を含み、前記能動層は前記予め決められた基本波長で電磁放射放出するように選択される組成を有し、該レーザーは前記ポンプ光を前記第２モノリシック層構造体の前記利得構造体に伝える第２光放出装置をさらに含み、前記鏡構造体（３０）は前記第２鏡である、
    請求項３６の装置。
38. 前記レーザー共振器の縦軸は前記第１モノリシック層構造体の前記鏡構造体によってある角度で折り返され、前記レーザー共振器内で共振する前記レーザー放射が、前記共振するレーザー放射の対抗伝播する光線間の干渉を最小化するために選択される角度で前記第１モノリシック層構造体上に入射するようにされる、
    請求項３６又は３７のいずれかの装置。
39. 前記共振放射が殆ど直角入射で前記第１モノリシック層構造体上に入射される、
    請求項３８の装置。
40. 前記レーザー共振器が少なくとも２５ｃｍの光学長を有する、
    請求項３４−３６のいずれか１つの装置。
41. 前記利得構造体の前記能動層は、０．０≦ｘ≦１．０及び０≦ｙ≦１のとき、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ及びＩｎｘＧａ１−ｘＮから成る半導体化合物のグループから選択される、
    請求項３５及び３６のいずれか１つの装置。
42. 前記鏡構造体は高及び低屈折誘電材料の交番する層を含む、
    請求項４１の装置。
43. 前記利得構造体の前記能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの組成を有し、前記基本波長が９００乃至１０５０ｎｍになるようにｘが選択され、前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、前記分離層がＧａＡｓｙＰ１−ｙを有する、
    請求項４１の装置。
44. 前記鏡構造体の高屈折率層は組成ＧａＳａを有し、０．０＜ｙ＜１．０のとき、前記鏡構造体の低屈折率層は組成ＡｌＡｓｙＰ１−ｙを有する、
    請求項４３の装置。
45. 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＧａ１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が７００乃至９００ｎｍになるようにｘが選択され、
    前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜ｙ＜１．０及び０．０＜ｚ＜１．０のとき、前記分離層が組成ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚを有する、
    請求項４１の装置。
46. 前記鏡構造体の高屈折率層は、０．０＜ｐ＜１．０のとき、組成ＩｎｐＡｌ１−ｐＰを有し、前記鏡構造体の低屈折率層は、０．０＜ｑ＜１．０のとき、組成ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓを有する、
    請求項４５の装置。
47. 前記利得構造体の能動層は、０．０＜ｘ＜１．０のときＩｎｘＡｓ１−ｘＰの組成を有し、前記基本波長が７００乃至９００ｎｍになるようにｘが選択され、
    前記利得構造体が前記能動層間に分離層を有し、０．０＜ｙ＜１．０のとき、前記分離層が組成ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを有する、
    請求項４１の装置。
48. 前記鏡構造体の高屈折率層及び低屈折率層は、前記基本波長に対して透明なそれぞれ高及び低屈折誘電材料から成る、
    請求項４７の装置。
49. 前記高屈折誘電材料はセレン化亜鉛であり、前記低屈折誘電材料は酸化アルミニウムである、
    請求項４８の装置。
50. 前記利得構造体の前記能動層は利得帯域幅を有し、前記レーザー共振器は、前記利得帯域幅以内の基本レーザー放射の前記基本波長を選択するように構成かつ配置される波長選択要素をさらに含む、
    請求項３４−３６のいずれか１つの装置。
51. 前記波長選択要素は複屈折フィルタである、
    請求項５０の装置。
52. 前記波長選択要素はエタロンである、
    請求項５０の装置。
53. 前記ヒートシンク装置は能動的に冷却される部材を含み、前記能動的に冷却される部材前記能動冷却部材（１１６）は、それで熱接触するダイアモンド層を有し、前記第１モノリシック層構造体の鏡構造が前記ダイアモンド層（１１２）と熱接触する、
    請求項３４−３６のいずれか１つの装置。
54. 前記能動的に冷却される部材はマイクロチャンネル冷却器である、
    請求項５３の装置。
55. 前記ポンプ光を前記利得構造体に伝える前記光学ポンプ光放出装置は、ポンプ光をその光源から前記ポンプ光を収斂させる光学収斂装置まで搬送するために少なくとも１つの光学光案内（４０）を含み、前記光学収斂装置は少なくとも１つのレンズを含む、
    請求項３４−３６のいずれか１つの装置。
56. 前記少なくとも１つのレンズ（１４６）はラジアルグラジエントインデックスレンズである、
    請求項５５の装置。
57. 前記光学収斂装置は２つのラジアルグラジエントインデックスレンズ（１４６，１４８）である、
    請求項５６の装置。
58. 前記第１モノリシック層構造体は、そこでの基本レーザー放射の寄生横共振を最小化するように構成される、
    請求項３４−３６のいずれか１つの装置。
59. 前記第１モノリシック層構造体は放出面を有する矩形チップ（１１９）の形式であり、前記ポンプ光は前記放出面の予め決められた領域においてそれに放出され、前記チップは前記放出面に直角な平行端面（１２０）の２つの対を有し、前記平行端面は、そこでの基本レーザー放射の寄生横共振を最少にするために、前記予め決められたポンプ光放出領域の最長寸法の少なくとも３倍の距離だけ隔置される、
    請求項５８の装置。
60. 前記第１モノリシック層構造体は、放出面を有すると共に前記放出面に直角な平行端面の２つの対を有する矩形チップの形式であり、前記平行端面は、そこからの基本レーザー放射のスペクトル反射を避けるために粗くされ、それによって前記寄生横共振が最少にされる、
    請求項５８の装置。
61. 前記鏡構造体において、同構造体の屈折率、熱伝導率及び前記層の数は、前記利得構造体で発生される熱の前記ヒートシンク装置への熱伝導率を最大にすると共に、前記レーザー共振器内の基本レーザー放射を増大させるのに十分な反射率を与えるように選択される
    請求項３５又は３６の装置。
62. 前記鏡構造体が、高度に反射的な金属の層をさらに含み、前記金属層が前記ヒートシンク装置に最近接される、
    請求項３５又は３６のいずれか１つの装置。
63. 前記鏡構造体（３０）は、交番する高反射率層と低反射率層の複数の層であって、前記予め決められた基本波長の４分の１の光学厚さを有する複数の層を含む
    請求項１の装置。
64. 前記鏡構造体は金属層を含む
    請求項１の装置。
65. 前記ポンプ光はダイオードレーザによって発生する
    請求項１の装置。
66. 前記分離層はポンプ光を吸収する
    請求項１の装置。
67. 前記利得構造体における前記ポンプスポットサイズは直径で少なくとも２００ミクロンである
    請求項３２の装置。

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