JP6286089B2 - カスケード光高調波発生 - Google Patents

Description

本開示は、光源に関し、特にカスケード光高調波発生のための装置及び方法に関する。

光高調波を用いて、レーザ光をある波長からより短い波長、すなわちより高い周波数に変換することができる。例えば、周波数２倍化又は第２高調波発生（「ＳＨＧ」）を用いて、近紫外光から可視光を得ることができる。さらに、第３高調波発生（「ＴＨＧ」）とも称する周波数３倍化を用いて、近紫外光から青色光、紫色光、及び紫外光（ＵＶ）を得ることができる。２倍周波数光及び３倍周波数光を、続いて分光法、材料加工、光ポンピング等に用いることができる。

カスケード非線形光学結晶を用いて、レーザ光の光周波数を３倍化することができる。図１を参照すると、従来技術のカスケード高調波３倍器１０が例として示されている。カスケード高調波３倍器１０は、順次配置された第２高調波結晶１２及び第３高調波結晶１３と、ダイクロイックミラー（又はフィルタ）１５とを含む。動作の際、光周波数ωの基本光ビーム１１が第２高調波結晶１２に入射する。非線形変換効率が１００％未満なので、基本光ビーム１１の一部のみが周波数２倍化されることにより、第２高調波周波数２ωの第２高調波ビーム１４が基本光ビーム１１の未変換部分１１Ａと共に第２高調波結晶１２から出る。第２高調波ビーム１４及び基本光ビーム１１の未変換部分１１Ａは、第３高調波結晶１３に入射し、第３高調波結晶１３は、これらのビームの一部を第３高調波周波数３ωの第３高調波ビーム１９に変換する。したがって、３つのビーム、つまり基本光ビーム１１の未変換部分１１Ａの未変換部分１１Ｂ、第２高調波ビーム１４の未変換部分１４Ａ、及び第３高調波ビーム１９が、第３高調波結晶１３から出る。ダイクロイックミラー１５は、基本ビーム部分１１Ｂ及び第２高調波ビーム部分１４Ａを方向変換し、第３高調波ビーム１９を所望の出力として透過させる。

従来技術のカスケード高調波３倍器１０の１つの欠点は、妥当な変換効率を得るために、通常は基本ビーム１１Ａ及び第２高調波ビーム１４を第３高調波結晶１３に厳密に集束させる必要があることである。厳密な集束の１つの欠点は、基本ビーム１１Ａ及び第２高調波ビーム１４の小さなスポット径が、ビームウォークオフ効果に起因してビーム品質を損なわせ得ることである。別の欠点は、２００ＭＷ／ｃｍ^２範囲のＵＶピークパワー密度及びワット範囲以上の平均パワーでの数十時間又は数百時間の露光後に、第３高調波結晶１３の出力面の紫外線による劣化が生じ得ることである。

いくつかの可能な実施態様によれば、レーザ光源により供給された光ビームからのカスケード光高調波発生のためのカスケード高調波発生器が、光ビームに関連した残留ビームに基づく第２高調波光ビームを発生する第２高調波発生器と、第２高調波光ビーム及び光ビームに基づく第３高調波光ビームを発生する第３高調波発生器であり、第２高調波発生器から上流の光路に位置決めすることができる第３高調波発生器とを含むことができ、光路に関連した高調波発生器遅延時間が、レーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である。

いくつかの可能な実施態様によれば、高調波発生器が、低次高調波光ビーム及びレーザ光源により供給された光ビームに基づく高次高調波光ビームを発生する高次高調波発生器と、光ビームに関連した残留ビームに基づく低次高調波光ビームを発生する低次高調波発生器であり、高次高調波発生器から下流の光路にあることができる低次高調波発生器とを含むことができ、高調波発生器は、レーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である光路に関連した高調波発生器遅延時間を有することができる。

いくつかの可能な実施態様によれば、方法が、カスケード高調波発生器により光路に沿って光ビームを第３高調波発生器に伝播させるステップであり、光ビームはレーザ光源により供給され得るステップと、カスケード高調波発生器により光路に沿って光ビームを第２高調波発生器に伝播させて、光ビームに基づく第２高調波光ビームを発生させるステップであり、光ビームは、第３高調波発生器を伝播した後に第２高調波発生器を伝播することができるステップと、カスケード高調波発生器により光路に沿って第２高調波光ビームを第３高調波発生器に伝播させるステップであり、第２高調波光ビームは、第３高調波発生器内で光ビームに重なって第３高調波発生器に第３高調波光ビームを発生させることができるステップとを含むことができ、光路に関連した遅延時間が、レーザ光源に関連したラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である。

従来技術のカスケード３倍器の概略ブロック図を示す。 本開示のカスケード第３高調波発生器の概略ブロック図を示す。 図３Ａは、図２のカスケード高調波発生器の基本光ビームの光路を示す。図３Ｂは、図２のカスケード高調波発生器の第２高調波ビームの光路を示す。図３Ｃは、図２のカスケード高調波発生器の第３高調波ビームの光路を示す。 図２のカスケード第３高調波発生器を組み込んだ本開示のカスケード第４高調波発生器の概略ブロック図を示す。 図５Ａは、図４のカスケード高調波発生器の基本光ビームの光路を示す。図５Ｂは、図４のカスケード高調波発生器の第２高調波ビームの光路を示す。図５Ｃは、図４のカスケード高調波発生器の第３高調波ビームの光路を示す。図５Ｄは、図４のカスケード高調波発生器の第４高調波ビームの光路を示す。 カスケード高調波発生器の概略ブロック図を示す。 基本光のパルス光源を含む図６のカスケード高調波発生器の概略ブロック図を示す。 傾斜した第３高調波結晶を用いたカスケード第３高調波発生器の一実施形態の概略ブロック図を示す。 図９Ａは、図１の周波数３倍器の計算変換効率図を示す。図９Ｂは、図９Ａとの比較のための、図２の第３高調波カスケード発生器の計算変換効率図を示す。 本開示によるカスケード光高調波発生の方法の実施形態のフローチャートを示す。 本開示によるカスケード光高調波発生の方法の実施形態のフローチャートを示す。 図１２Ａは、レーザ光源のラウンドトリップタイムとほぼ等しくなくそのほぼ整数倍でもない遅延時間を有するカスケード光高調波発生器の、光信号の非整列波形の一例を示すグラフ図である。図１２Ｂは、レーザ光源のラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である遅延時間を有するカスケード光高調波発生器の、光信号の整列波形の一例を示すグラフ図である。 非線形光ループ長の例示的範囲におけるカスケード光高調波発生器の例示的変換効率を示すグラフ図である。

本教示をさまざまな実施形態及び例と共に説明するが、本教示をそのような実施形態に限定することは意図されない。それとは逆に、当業者には理解されるように、本教示はさまざまな代替形態及び等価物を包含する。

図２を参照すると、第３高調波発生器２０が、第２高調波光ビームを発生する第２高調波結晶２６、第３高調波光ビームを発生する第３高調波結晶２８、第１ビームコンバイナ２５、及び第１ビームスプリッタ２７を含み得る。第１ビームコンバイナ２６は、２つのダイクロイックミラー２５Ａを含み得る。ダイクロイックミラー２５Ａは、図２に「１Ｔ２Ｒフィルタ」で示されており、これは便宜上、基本（「１」）光周波数ωを透過させ（「Ｔ」）且つ２倍（「２」）光周波数２ωを反射する（「Ｒ」）ことを表す。第１ビームスプリッタ２７は、上側ダイクロイックミラー２７Ａ及び下側ダイクロイックミラー２７Ｂを含み得る。同様に、上側ダイクロイックミラー２７Ａは、「１Ｒ２Ｒ３Ｔフィルタ」で示されており、これは、基本（「１」）光周波数ωを反射し（「Ｒ」）、２倍（「２」）光周波数２ωを反射し（「Ｒ」）、且つ３倍（「３」）光周波数３ωを透過させる（「Ｔ」）ことを表す。下側ダイクロイックミラー２７Ｂは、「１Ｒ２Ｔフィルタ」で示されており、これは、基本（「１」）光周波数ωを反射し（「Ｒ」）且つ２倍（「２」）光周波数２ωを透過させる（「Ｔ」）ことを表す。明細書及び図面の残りの部分全体にわたって、上記ミラー表記法に従う。

第１ビームコンバイナ２５では、２つの同様のダイクロイックミラー２５Ａである上側及び下側ダイクロイックミラー２５Ａを用いて、基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１を２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２と合成することができる。第３高調波結晶２８を第１ビームコンバイナ２５の上側ダイクロイックミラー２５Ａに結合して、基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１及び２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２から３倍光周波数３ωの第３高調波光ビーム２３を発生することができる。３倍光周波数３ωの第３高調波光ビーム２３の発生時に、基本光周波数ωの残留基本光ビーム２１Ａが第３高調波結晶２８から出て、第１ビームスプリッタ２７の上側フィルタ２７Ａを介して第１ビームスプリッタ２７の下側フィルタ２７Ｂへ、またさらに第２高調波結晶２６を通して指向されることができ、第２高調波結晶２６において、残留基本光ビーム２１Ａを用いて第２高調波光ビーム２２を発生することができる。残留基本光ビーム２１Ａの残留ビーム２１Ｂを、第１ビームコンバイナ２５の下側ダイクロイックミラー２５Ａを通して指向させ、任意の光ビームダンプ２９Ａ（図２の左下）により吸収させることができる。２倍光周波数２ωの第３高調波結晶２８からの残留第２高調波ビーム２２Ａを上側ダイクロイックミラー２７Ａにより反射させて、下側ダイクロイックミラー２７Ｂを通して別の任意の光ビームダンプ２９Ｂ（図２の右下）へ伝播させることができる。第２高調波結晶２６の左の第２高調波光ビーム２２を第１ビームコンバイナ２５に結合し、本段落の最初で述べたように、第１ビームコンバイナ２５を用いて、第１基本光ビーム２１を第２高調波光ビーム２２と合成して第３高調波光ビーム２３を発生することができる。

基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１、２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２、及び３倍光周波数３ωの第３高調波光ビーム２３の光路は、図３Ａ〜図３Ｃを参照することによってより容易に辿ることができる。図３Ａにおいて、基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１が順に、第３高調波結晶２８を伝播し、続いて残留基本光ビーム２１Ａとして第２高調波結晶２６を伝播し、続いて残留基本光ビーム２１Ａの残留ビーム２１Ｂとして左側の光ビームダンプ２９Ａへ指向される。図３Ｂにおいて、２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２が、第２高調波結晶２６で発生し、第３高調波結晶２８を伝播し、残留第２高調波光ビーム２２Ａとして右側の光ビームダンプ２９Ｂへ指向される。図３Ｃにおいて、第３高調波光ビーム２３が、第３高調波結晶２８で発生し、第３高調波発生器２０の出力へ指向される。

基本的に、上記プロセスは、少なくとも以下の理由で図１の従来技術の周波数３倍器１０よりも高い変換効率を提供することができる。第３高調波変換効率は、基本光周波数ω及び２倍光周波数２ωの入力パワー密度の積にほぼ依存する。図１の従来技術の周波数３倍器１０では、第３高調波結晶１３に対する全パワー入力が第３高調波発生器に対する全パワー入力Ｐに限定されるが、その理由は、第２高調波結晶１２がωの入力パワーＰの一部を２ωに変換するが、全パワーは実質的に不変のままだからである。通常、ω及び２ωから３ωへの最適変換を行うことができるのは、ωのパワーが約０．４Ｐ、２ωのパワーが約０．６Ｐ、且つ積が０．２４Ｐ^２の場合である。図２の第３高調波発生器２０では、第３高調波結晶２８における入力がωでの１．０Ｐと通常は２ωでの約０．６Ｐとからなることにより、積は約０．６Ｐ^２となることができ、これは従来技術の第３高調波３倍器１０よりも２．５倍大きい。ωのパワーの大半を２回、つまり第１にＴＨＧプロセスで、第２にＳＨＧプロセスで用いることができるので、第３高調波結晶２８に対する全光パワー入力は実際にはＰよりも大きい。その結果、パワー密度、したがって変換効率を従来技術の第３高調波３倍器１０よりもはるかに高くすることができる。

図３Ａ〜図３Ｃを一時的に再度参照すると、例えば下側ダイクロイックミラー２５Ａの使用により、又は何らかの他の適当なフィルタにより、残留基本光ビーム２１Ｂが第３高調波結晶２８に再進入するのを防止して、潜在的な光干渉効果を回避することができる。同様に、例えば下側フィルタ２７Ｂの使用により、又は何等かの他の適当なフィルタにより、残留第２高調波光ビーム２２Ａが第２高調波結晶２６に再進入するのを防止することができる。換言すれば、基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２の光路は、個々の光周波数で閉ループを形成しないように、すなわち開ループを形成する（an open loop）ように、又は個々の光周波数で光学キャビティを形成しないように構成することができる。個々の光周波数での閉ループ又は光学キャビティの回避により、第２及び第３高調波発生プロセスの安定性を促進することができる。

第２高調波結晶２６及び第３高調波結晶２８は、波長、パワーレベル、又は他のパラメータに応じて異なる材料を含むことができる。ＳＨＧ及びＴＨＧに関する位相整合には、多くの種類、タイプＩ又はタイプＩＩ、臨界又は非臨界、コリニア又はノンコリニアがあり得る。例えば周期的分極材料を用いた擬似位相整合も選択肢であり得る。ダイクロイック又はトリクロイック薄膜フィルタ、偏光フィルタ、吸収フィルタ、プリズム、格子、又は他のフィルタ若しくはミラーといった、各種ミラー又は光学フィルタを用いて、ビーム２１、２２、及び２３を分離又は合成することができる。フィルタ、結晶、ミラー等のさまざまな順序及び組み合わせを用いることができる。波長板、非平面ビーム経路、又はレンズを適当な場所に含めて、変換構成の詳細に応じて所望の偏光状態又はビームサイズ若しくはプロファイルを提供することができる。反射防止コーティング又はブリュースター角表面を第２高調波結晶２６又は第３高調波結晶２８上に実装して、表面反射に起因したパワー損失を低減することができる。

図２の第３高調波発生器２０の１つの魅力的な特徴は、基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１及び２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２が第３高調波結晶２８へ別個に送り出されるので、個々のダイクロイックミラー２５Ａの単純な調整によりビーム２１及び２２の位置及び角度を特定の変換構成に最適化できることである。したがって、例えば、複屈折又は分散ウォークオフ板がウォーフオフ補償に必要なくなり得る。同様に、ノンコリニア位相整合に関して、基本光周波数ωの第１基本光ビーム２１と２倍光周波数２ωの第２高調波光ビーム２２との間に所望の角度を形成するのに、プリズム又は他の分散素子が不要となり得る。

ダイクロイックミラー２５Ａ、２７Ａ、及び２７Ｂにより形成され且つ第２高調波結晶２６及び第３高調波結晶２８を含むループ（図２）を巡って光が進むのに要する時間により、第２高調波光ビーム２２は、第１基本光ビーム２１に対して遅れて第３高調波結晶２８に到達する。したがって、概してこの構成は、光がループを巡って進むのに要する時間よりも持続時間が長い入力パルスでの動作に適合可能であり得る。第２高調波結晶２６及び第３高調波結晶２８を含むこうしたループの通常の最小寸法は、数センチメートル、例えば３ｃｍとなり、これは約１００ピコ秒の最小有効パルス持続時間に対応する。したがって、上述の逆順高調波変換技法は、ナノ秒以上のパルスを発生するレーザシステム、例えばＱスイッチ固体レーザ及び連続発振（ＣＷ）レーザに適するものであり得る。ミリメートル以下のサイズのマイクロオプティクスを用いて、例えばモードロックレーザからのピコ秒パルスを扱うより小さなループを構築することができる。

ループラウンドトリップタイムがパルス分離時間とほぼ等しいか又はパルス分離時間の倍数となるように選択される場合、図２の第３高調波発生器２０の構成を、それぞれがループラウンドトリップタイムよりも短い複数のパルスと共に用いることもできる。後者の場合、第３高調波結晶２８に対する入力は、新たなＩＲパルスと以前のＩＲパルスから生成された第２高調波パルスとを含む。例えば、ＣＷモードロックレーザが、数十ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の繰返し率で約１０ピコ秒以下の持続時間のパルスを継続的に送出することができる。例えば２００ＭＨｚモードロックレーザでは、第３高調波発生器２０と同様の逆順第３高調波発生器が、１５０ｃｍの全光路長に対応する５ナノ秒のラウンドトリップタイムのループで、先行パルスからのＳＧＨ光を用いた各パルスの３倍化を可能にする。この構成は、単一のより長いパルスの場合と同じ変換効率の改善という利益をもたらす。２つのパルスのみからなるパルスバーストに関しても、２つの入力パルスが効果的に合成されて１つのＴＨＧパルスとなり、所与のピーク入力パワーに対してより大きな出力ピークパワーが生成され得るので利益がある。

次に、図２をさらに参照しつつ図４を参照すると、第４高調波発生器４０が、図２の第３高調波発生器２０を含むことができる。ダイクロイックミラー４５Ａ及び３つの折返しミラー（turning mirrors）４５Ｂを含む第２ビームコンバイナ４５を設けて、第２基本光ビーム４１を第３高調波結晶２８が発生した第３高調波光ビーム２３と合成することができる。第４高調波結晶４６（「ＦＨＧ」又は第４高調波発生）を第２ビームコンバイナ４５に結合して、第２基本光ビーム４１及び第３高調波光ビーム２３から４倍光周波数４ωの第４高調波光ビーム２４を発生することができる。第４高調波光ビーム２４の発生時に、第１基本光ビーム２１が第４高調波結晶４６を出ると共に第３高調波光ビーム２３の残留ビーム２３Ａが第４高調波結晶４６を出て、残留ビーム２３Ａは、上側ダイクロイックミラー２５Ａ又は別の適切なスプリッタにより上部光ビームダンプ４９へ指向させることができる。本質的に、この実施形態では、第１基本光ビーム２１は、第２基本光ビーム４１の残留基本光ビームである。図２の第３高調波発生器２０と同様に、第１基本光ビーム２１は、第３高調波光ビーム２３及び第２高調波光ビーム２２を発生するために第４高調波発生器４０で用いられる。第２高調波スプリッタ（１Ｔ３Ｔ４Ｒダイクロイックミラー）４７を第４高調波結晶４６に結合して、第１基本光ビーム２１を第４高調波光ビーム２４から分離し、且つ第１基本光ビーム２１を第３高調波発生器２０の第１ビームコンバイナ２５に結合することができる。

第１基本光ビーム２１、第２基本光ビーム４１、第２高調波光ビーム２２、及び第３高調波光ビーム２３の光路は、図５Ａ〜図５Ｄを参照することによってより容易に辿ることができる。図５Ａにおいて、第２基本光ビーム４１が第４高調波結晶４６を伝播する。上述のように第２基本光ビーム４１の残留基本ビームである第１基本光ビーム２１が順に、第３高調波結晶２８を伝播し、残留基本光ビーム２１Ａとして第２高調波結晶２６を伝播し、残留基本光ビーム２１Ａの残留ビーム２１Ｂとして左側の光ビームダンプ２９Ａへ指向され得る。図５Ｂにおいて、第２高調波光ビーム２２が第２高調波結晶２６で発生し、第３高調波結晶２８を伝播し、残留第２高調波光ビーム２２Ａとして右側の光ビームダンプ２９Ｂへ指向される。図５Ｃにおいて、第３高調波光ビーム２３が第３高調波結晶２８で発生し、第４高調波結晶４６へ指向され、続いて残留第３高調波光ビーム２３Ａとして上部光ビームダンプ４９へ指向される。最後に、図５Ｄにおいて、第４高調波ビーム２４が発生して第４高調波発生器４０の出力へ指向される。

１つ又は複数の逆順ステージを組み込んだ同様のカスケード構成を、第５高調波発生以降で実施することができる。図２及び図４をさらに参照しつつ図６を参照すると、主光ビーム６１、例えば第１基本光ビーム２１（図２）又は第２基本光ビーム４１（図４）からのカスケード光高調波発生用のカスケード高調波発生器６０（図６）が、主光ビーム６１の経路内に配置された「高次高調波光ビーム」６３を発生する「高次高調波発生器」６８を含むことができる。「低次高調波発生器」６６を、主光ビーム６１の経路内、すなわち高次高調波発生器６８の下流の残留主光ビーム６１Ａの経路内に配置して、残留主光ビーム６１Ａから「低次高調波光ビーム」６２を発生することができる。「高次」高調波発生器６８及び「低次」高調波発生器６６は、例えば、図２の第３高調波発生器２０の第３高調波結晶２８及び第２高調波結晶２６それぞれであり得る。別の例は、図４の第４高調波発生器４０の第４高調波結晶４６を「高次高調波発生器」６８として、また第３高調波発生器２０全体を「低次高調波発生器」６６として含むことができる。

高調波分離器６７を高次高調波発生器６８と低次高調波発生器６６との間の主光ビーム６１の経路内に配置して、高次高調波発生器６８を伝播した残留主光ビーム６１Ａから高次高調波光ビーム６３を分割することができる。図６に示すように、高調波コンバイナ６５を低次高調波発生器６６の下流の残留主光ビーム６１Ａの残留ビーム６１Ｂの経路内に配置して、低次高調波発生器６６が発生した低次高調波光ビーム６２及び主光ビーム６１を、高調波光ビーム６３を発生する高次高調波発生器６８に結合する一方で、残留ビーム６１Ｂを任意に処分することができる。したがって、カスケード高調波発生器６０内の主光ビーム６１又は低次高調波光ビーム６２の経路が光学的閉ループにないようにビームコンバイナ２５、４５、及び／又は高調波スプリッタ４７を構成して、正の光帰還に起因した不安定性を回避することができる。

次に図６をさらに参照しつつ図７を参照すると、カスケード高調波発生器７０が、図６のカスケード高調波発生器６０と、主光ビーム６１を供給するパルス光源７１とを含む。図２の第３高調波発生器２０の場合と同様に、低次高調波発生器６６及び高次高調波発生器６８を含む光ループ６９での光ラウンドトリップタイムが実質的にパルス分離時間の整数倍であるように、カスケード高調波発生器６０の主光ビーム６１をパルス化することができる。

次に、図２及び図６をさらに参照しつつ図８を参照すると、第３高調波発生器８０が図２の第３高調波発生器２０の変形形態であり、これを図６のカスケード高調波発生器６０の一例として見ることができる。図８の第３高調波発生器８０は、第２高調波結晶８６を低次高調波発生器６６として含み、第３高調波結晶８８を高次高調波発生器６８として含むことができる。図８の第３高調波発生器８０の１つの目立った特徴は、第３高調波結晶８８が、基本光ビーム２１の入力に対して好ましくはブリュースター角だけ傾斜した入力光学面８８Ａ及び出力光学面８８Ｂを含むことができることである。別の特徴は、第１ビームコンバイナ８５が上側及び下側折返しミラー８５Ａを含むことができ、第１ビームスプリッタ８７が上側及び下側折返しミラー８７Ａを含むことができることである。上側及び下側折返しミラー８５Ａ、８７Ａはダイクロイックミラーでなくてもよく、すなわち上側及び下側折返しミラー８５Ａ、８７Ａは通常のミラーとすることができ、その場合、ビーム合成及び分割機能が空間多重により提供され、すなわち１つのビームがミラーにより反射される一方で第２ビームは空間的にミラーを迂回する。代替的に、ビーム合成及び分割機能を偏光合波により提供することができ、その場合、ビームの偏光がそれぞれ異なり、ミラーは一方の偏光を透過し他方の偏光を反射する。

第３高調波結晶８８は、第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２が非垂直（鋭角）の入射角で第３高調波結晶８８の入力光学面８８Ａに入射するような向きであることが好ましい。さらに、第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２は、相互に対して非ゼロの角度（鋭角）を形成することができる。第１基本光ビーム２１は図８の平面内で偏光させることができる。第２高調波結晶２６のＳＨＧはタイプＩとすることができ、図８に対して垂直に偏光された２倍周波数２ωの第２高調波光ビーム２２を発生する。第３高調波結晶８８のＴＨＧはタイプＩＩとすることができ、平面内で偏光された第１基本光ビーム２１と図８の平面に対して垂直に偏光された第２高調波光ビーム２２とを合成して、図８の平面内で偏光された３倍周波数３ωの第３高調波光ビーム２３を発生する。

マイクロメートル波長域及び約１ｋＷを超えるピーク入力パワーでは、第２高調波結晶８６（図８）は、好ましくは約１５０℃で非臨界位相整合するホウ酸リチウムバリウム（lithium barium borate）（ＬＢＯ）とすることができ、第３高調波結晶８８（図８）は、図８に対して垂直に偏光された臨界及びコリニア又はノンコリニア位相整合するＬＢＯとすることができる。第３高調波結晶８８はブリュースター入射角及び出射角を有するので、第３高調波結晶８８の分光、すなわち屈折率の波長依存性は、第３高調波結晶８８の入力面８８Ａ及び出力面８８Ｂでの光ビームの角度分離をもたらすことができる。

この構成の１つの利点は、第３高調波光ビーム２３から残留出力ビーム２１Ｂ及び２２Ａを分離し且つ偏光を回転させるのに波長板もダイクロイックミラーも不要なことである。実際に、第１ビームコンバイナ８５の上側折返しミラー８５Ａは、第２高調波光ビーム２２及び残留光ビーム２１Ｂを第３高調波結晶８８に結合することができる。第１ビームスプリッタ８７Ａの上側折返しミラー８７Ａは、残留基本光ビーム２１Ａを分割することができる。第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２が第３高調波結晶８８の入力面８８Ａに対して異なる入射角を有する場合、第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２は、第３高調波結晶８８内で実質的に同一直線上にあり得る。１ｍｍ範囲のタイプＩＩ ＬＢＯ ＴＨＧ長の例では、ビーム２１及び２２の角度分離は約１°〜３°であり、これはミラーエッジ又はビームブロックを用いた直接的な（straightforward）ビーム分離には十分であり得る。ブリュースター面の使用が有益であり得る理由は、残留基本光ビーム２１Ａ及び第３高調波光ビーム２３の両方が低損失ブリュースター透過（Brewster transmission）のためにｐ偏光されるので、第３高調波結晶８８の出力面８８Ｂ上に反射防止（ＡＲ）コーティングが不要であり得るからである。垂直入射面に対する面８８Ａ、８８Ｂの表面積の増大と共に、これは面８８Ａ、８８ＢのＵＶ損傷耐性を著しく改善する。入力面８８Ａは、ｓ偏光第２高調波ビーム２２及びｐ偏光第１基本光ビーム２１のためにＡＲ被覆され得ることが好ましい。この構成の別の利点は、基本周波数ωの残留ビーム２１Ｂを直ちにダンプする必要がないことであるが、その理由は、基本周波数ωの残留ビーム２１Ｂが第３高調波結晶８８内で第２高調波ビーム２２と同一直線上にあり、したがって第１基本光ビーム２１と同一直線上にはないので、ＴＨＧプロセスに干渉する可能性が低く、残留第２高調波ビーム２２Ａと同一直線上に出射し、それから両方を第３高調波光ビーム２３から分離し且つ図示されていない１つの共通の光ビームダンプ内に射出することができるからである。図２におけるように、結晶で適当なビームサイズ及び空間プロファイルを生成するためにレンズ又は他の光学系を追加することができる。

図１及び図２をさらに参照しつつ図９Ａ及び９Ｂを参照すると、図２の第３高調波発生器２０の計算光変換効率（図９Ｂ）が、図１の従来の光周波数３倍器１０のもの（図９Ａ）と比較されている。図９Ａ及び９Ｂの両方において、光変換効率は、ｋＷ単位の入力光パワーの関数として、２５ｋＷの入力光パワーレベルまでプロットされている。

図１をさらに参照しつつ特に図９Ａを参照すると、直径７０マイクロメートルの第２高調波ビーム１４（９１）、直径２００マイクロメートルの第２高調波ビーム１４（９２）、及び直径３５０マイクロメートルの第２高調波ビーム１４（９３）に関して、光変換効率がプロットされている。入力波長は１０６４ｎｍであり、パルス持続時間は通常は数十ナノ秒である。ＳＨＧ結晶１２及びＴＨＧ結晶１３の両方がＬＢＯである。第２高調波結晶１２は長さ１５ｍｍであり、基本ビーム１１の１４０マイクロメートル直径スポットで約１５０℃でタイプＩ非臨界位相整合する。第３高調波結晶１３は長さ２０ｍｍであり、位相整合はタイプＩＩ臨界、ノンコリニア位相整合である。最高の変換効率９１は、７０マイクロメートルの第２高調波ビーム１４のスポット径に対応し、これは２０ｋＷの入力パワーで最良の変換をもたらすことができる。中間変換効率９２及び最低変換効率９３は、それぞれ２００マイクロメートル及び３５０マイクロメートルの第２高調波ビーム１４のスポット径に対応する。これらのスポット径は効率９２及び９３をもたらし、これらは、より大きなスポットサイズ、したがってビーム品質並びに結晶１２及び１３の寿命の改善とレードオフされる。従来技術の周波数３倍器１０に対する２５ｋＷの入力パワーレベルでは、７０マイクロメートルの入力スポットサイズからは６３％の変換効率９１が得られ、２００マイクロメートルのスポットサイズからは３７％の変換効率９２が得られ、３５０マイクロメートルのスポットサイズからは２０％をわずかに下回る変換効率９３が得られる。

次に、図２をさらに参照しつつ特に図９Ｂを参照すると、最高の光変換効率９４は、図２の光高調波発生器２０内の第２高調波ビーム２２の２００マイクロメートルのビーム直径に対応する。２番目に高い変換効率９５は、図２の光高調波発生器２０内の第２高調波ビーム２２の３５０マイクロメートルのビーム直径に対応する。

図９Ａと図９Ｂとの比較により、図１の従来技術の光周波数３倍器１０と比べて図２の光高調波発生器２０の変換効率がはるかに高いことが明らかとなる。例えば、図２の第３高調波発生器２０に対する２５ｋＷの入力パワーレベルでは、２００マイクロメートルのスポットサイズからは８１％の変換効率が得られ、３５０マイクロメートルのスポットサイズからは６５％の変換効率が得られる。したがって、本開示の第３高調波発生器２０は、直径７０マイクロメートルの第２高調波ビーム１４での従来の周波数３倍器１０よりも高い変換効率を直径２００マイクロメートルの第２高調波ビーム２２でもたらすことができる。

図２及び図６をさらに参照しつつ図１０を参照すると、主光ビーム６１（図６）からのカスケード光高調波発生の方法１００（図１０）が、低次高調波光ビーム６２を発生する低次光高調波発生器６６と、高調波光ビーム６３を発生する高次光高調波発生器６８とを用意するステップ１０１を含むことができる。次のステップ１０２において、主光ビーム６１を順に、高次高調波発生器６８に伝播させ、続いて低次高調波発生器６６に伝播させることにより低次高調波光ビーム６２を発生するように低次高調波発生器６６に伝播させて、低次高調波発生器６６で低次高調波光ビーム６２が主光ビーム６１と重なるようにすることができる。次のステップ１０３において、低次高調波発生器６６が発生した低次高調波光ビーム６２を高次高調波発生器６８に伝播させて、高次高調波発生器６８で低次高調波光ビーム６２が主光ビーム６１と重なるようにすることで、高次高調波光ビーム６３を発生するようにする。さらに、任意のステップ１０４において、低次高調波発生器６６から出る残留主光ビーム６２Ａ及び／又は他の残留ビームを低次高調波光ビームから分離し且つ光ダンプ２９Ａ、２９Ｂ内にダンプすることができる。

図８の光高調波発生器８０と同様に、高次高調波発生器６８に入射する低次高調波光ビーム６２は、高次高調波発生器６８において同一直線上で伝播するように、高次高調波発生器６８に入射する主光ビーム６１と鋭角を形成することができる。さらに、低次高調波発生器６６及び高次高調波発生器６８を含む光ループ６９での光ラウンドトリップタイムが実質的にパルス分離時間の整数倍であるように、主光ビームをパルス化することができる。

図１０の方法１００は、高次カスケードの高次高調波発生、例えば第４高調波発生（図４）、第５高調波発生等に関して一般化することができる。図１１を参照すると、主光ビームからのカスケード光高調波発生の方法１１０は、少なくとも１つの第ｍ高調波発生器を含む複数の高調波発生器を用意するステップ１１１を含み、ここでｍ＝２、…、Ｍであり、Ｍは３以上の整数である。次のステップ１１２において、第Ｍ高調波発生器から開始して第２高調波発生器で終了するｍの降順で複数の高調波発生器に主光ビームを伝播させることができる。例として、図５Ａを一時的に再度参照すると、第４高調波光ビーム４１は、第４高調波結晶４６、第３高調波結晶２８、及び第２高調波結晶２６を伝播する。

次のステップ１１３において、各第ｎ高調波光ビームを主光ビームと重なるように第（ｎ＋１）高調波発生器に伝播させることができ、ここでｎ＝２、…、Ｍ−１とする。例えば、図５Ｂ及び図５Ｃを再度参照すると、第２高調波光ビーム２２が第３高調波結晶２８（図５Ｂ）を伝播し、第３高調波光ビーム２３が第４高調波結晶４６（図５Ｃ）を伝播する。最後に、ステップ１１４において、第Ｍ高調波光ビームを出力させる。例として、図５Ｄを再度参照すると、第４高調波結晶４６から第４高調波ビーム２４を出力することができる。一実施形態では、主光ビームの光路が閉光ループを形成しないように、すなわち開ループになるように主光ビームを伝播させる。

いくつかの実施態様では、カスケード高調波発生器の遅延時間（本明細書では高調波発生器遅延時間と称する）を、レーザ光源のラウンドトリップタイム（本明細書ではレーザ光源ラウンドトリップタイムと称する）とほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍であるように設計することができる。例えば、第３高調波発生器２０の遅延時間は、第１基本光ビーム２１を供給するレーザ光源のレーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はその整数倍であるように設計することができる。特に、遅延時間設計に関連した以下の技法は第３高調波発生器２０及び第１基本光ビーム２１のレーザ光源の状況で説明されているが、これらの技法は、第４高調波発生器４０、カスケード高調波発生器６０、カスケード高調波発生器７０、第３高調波発生器８０、及びそれらの各レーザ光源にも等しく当てはめることができる。

高調波発生器の遅延時間は、ビームが高調波発生器内を進む時間量として定義することができる。遅延時間は、高調波発生器内でビームが進む光路長と考えることもできる。進む光路長は、第３高調波発生器２０のコンポーネントの物理的分離と、ビームが通過する材料の屈折率とに関係する。ラウンドトリップタイムは、遅延時間に対して始点及び終点が同じ点であるようなより具体的な場合である。図２を例として用いると、第３高調波発生器２０を通るビームのラウンドトリップタイムは、ビーム２１が上側１Ｔ２Ｒフィルタ２５Ａを通過したときから、このビーム２１から生じた第２高調波光ビーム２２が同じ上側１Ｔ２Ｒフィルタ２５Ａに到達したときまでの時間量として定義することができる。第２高調波光ビーム２２（又は２２Ａ）が基本光ビーム２１（又は２１Ａ）に重なる光路内の他の点を用いて、システム内のビームのラウンドトリップタイムを定義することができる。

レーザ光源ラウンドトリップタイムは、最初と同じ方向に進むことになるように光ビームがレーザ光源のキャビティを完全に横断する時間量として定義することができる。例えば、リニアキャビティでは、レーザ光源ラウンドトリップタイムは、レーザ利得媒質を同じく２回横断するプロセスにおいて、ビームがキャビティ内の特定の点から進み、一方のキャビティ端ミラーから反射し、他方のキャビティ端ミラーから反射し、キャビティ内の同じ特定の点に戻る時間量となる。典型的な場合には、レーザ光源の変動がレーザ光源に関連した連続ラウンドトリップでほぼ繰り返す。

いくつかの実施態様では、第１基本光ビーム２１のレーザ光源はマルチ縦モード（multiple longitudinal modes：縦多モード）で動作することができる。このような場合、レーザ光源のパワーはモードビーティングに起因して変動し得る。概して、固体レーザ光源では、こうした変動はピコ秒時間スケールで起こり、ピコ秒時間スケールでパワー出力がゼロ近傍から平均パワー出力の数倍まで変わり得る。レーザ光源ラウンドトリップタイムは数ナノ秒であり得るので、レーザ光源の所与のラウンドトリップ中に、レーザ光源による光ビーム出力にノイズを導入する数千回の変動があり得る。

標準的な非線形変換方式（例えば、図１の従来技術のカスケード高調波３倍器１０に関連して説明したようなもの）は、特に変換下限でこれらの変動から利益を得ることができる。例えば、基本光ビーム１１の高パワー変動は、第２高調波ビーム１４に強く変わり、高パワーの基本光ビーム１１及び高パワーの第２高調波ビーム１４の変動は、第３高調波ビーム１９に強く変わる。ここで、第２高調波ビーム１４は、第３高調波結晶１３で第２高調波ビーム１４と混合されるのと同じ基本光ビーム１１から生じるので、第３高調波結晶１３に入る基本光ビーム１１及び第２高調波ビーム１４は同期した（すなわち時間的に整列した）変動を有する。第２高調波発生器１２で基本光ビーム１１が第２高調波ビーム１４を発生させるので、基本光ビーム１１及び第２高調波ビーム１４の変動は同期し、これらは同じ光路を進んでまとめて第３高調波発生器１３に入る。この結合の非線形性は、平均パワー変換の高パワー変動による増加が、比較的低パワーの変動による減少よりも大きいことを意味する。

例えば図２の第３高調波発生器２０に関連して説明した逆順方式では、第３高調波結晶２８は、１Ｔ２Ｒフィルタ２５Ａから受け取った第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２の合成に基づく第３高調波光ビーム２３を発生する。ここで、第２高調波光ビーム２２は第３高調波結晶２８に入る前に基本光ビーム２１とは異なる光路を進むので、第１基本光ビーム２１の変動及び第２高調波光ビーム２２の変動は第３高調波結晶２８に入る際に同期し得ない（すなわち、時間的に非整列であり得る）ことで、変動からのパワー変換の向上が阻止される。換言すれば、第３高調波発生器２８は、第１基本光ビーム２１をレーザ光源から直接受け取り、第２高調波結晶２６から発生した第２高調波光ビーム２２を受け取る。したがって、第３高調波発生器２８が受け取った基本光ビーム２１及び第２高調波ビーム２２は非同期であり得る可能性があり、これにより第３高調波ビーム２３の発生を減らすことができる。

しかしながら、上記のように、レーザ光源の変動は、レーザ光源に関連した連続ラウンドトリップでほぼ繰り返す。ここで、変動の波形が（例えば、数十〜数百のラウンドトリップのタイムスケールで）徐々に変化し得る一方で、１つのレーザ光源ラウンドトリップ（例えば、第１ラウンドトリップ）から時間的に近いラウンドトリップ（例えば、第２ラウンドトリップ、第３ラウンドトリップ、又は第４ラウンドトリップ）までの変動の波形の変化は小さく、これが波形をほぼ周期的にする。したがって、第３高調波発生器２０の遅延時間（例えば、Ｔ_ＨＧ）をレーザ光源ラウンドトリップタイム（例えば、Ｔ_{ｓｏｕｒｃｅ}）とほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍となるように設計することにより、パワー変換向上を得ることができる。ここで、第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２は、第３高調波結晶２８に入る際に正確に揃うことができないが、変動波形の近周期性に起因して変動はほぼ同期し得る。

図１２Ａは、レーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しくなくそのほぼ整数倍でもない遅延時間を有するカスケード光高調波発生器の、光信号の時間的に非整列な波形の一例を示すグラフ図である。これに対して、図１２Ｂは、レーザ光源のラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である遅延時間を有するカスケード光高調波発生器の、光信号の整列波形の一例を示すグラフ図である。図１２Ａ及び図１２Ｂの縦目盛は同一の大きさである。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第１基本光ビーム２１、第２高調波光ビーム２２、及び第３高調波光ビーム２３の変動の波形は、ノイズが多いが（例えば、図１２Ａ及び図２１Ｂに示す３つの例示的な周期内で）ほぼ周期的であり得る。

図１２Ａに示すように、非整列の場合（例えば、Ｔ_ＨＧがＴ_{ｓｏｕｒｃｅ}とほぼ等しくなくＴ_{ｓｏｕｒｃｅ}のほぼ整数倍でもない場合）、第２高調波光ビーム２２の変動は、第１基本光ビーム２１の変動からずれていることで、図１２Ａ内の最下部の点線で示すように、（例えば、第１基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２を用いて形成された）第３高調波光ビーム２３の平均パワーを（例えば、後述する整列の場合と比べて）比較的低くし得る。

しかしながら、図１２Ｂに示すように、整列の場合（例えば、Ｔ_ＨＧがＴ_{ｓｏｕｒｃｅ}とほぼ等しいか又はＴ_{ｓｏｕｒｃｅ}のほぼ整数倍である場合）、第２高調波光ビーム２２の変動及び第１基本光ビーム２１の変動は、変動の１つ又は複数の周期だけ相互に変位し得る。換言すれば、第２高調波光ビーム２２の変動は、第１基本光ビーム２１の変動とほぼ整列（すなわち、同期）することができる。結果として、図１２Ｂの最下部の点線で示すように、第３高調波光ビーム２３は、正の変動が起こるピークを含むことで、（例えば上述した非整列の場合と比べて）高い平均出力パワーをもたらすことができる。

特に、図１２Ａと図１２Ｂとを比較すると、第３高調波光ビーム２３が比較的高い平均パワーを有するように第２高調波光ビーム２２の変動と整列するための、第１基本光ビーム２１の変動のシフトが示されている。しかしながら、実際には、本明細書に記載の技法を用いて、第３高調波光ビーム２３が比較的高い平均パワーを有するように基本光ビーム２１の変動と整列するために、第２高調波光ビーム２２の変動をシフトさせる。換言すれば、第２光ビーム２２の変動を第１基本光ビーム２１の変動と整列させるために、第３高調波発生器２０の遅延時間が設計される。図１２Ｂは、遅延時間の設計に起因して、第３高調波光ビーム２３が平均パワーを増加させつつ基本光ビーム２１及び第２高調波光ビーム２２のものと同様の波形を維持し得ることを示すための、単なる例である。

上記のように、図１２Ａ及び図１２Ｂは単に例として提供されたものである。他の例も可能であり、図１２Ａ及び図１２Ｂに関して説明したものと異なっていてもよい。

いくつかの実施態様では、第３高調波発生器２０の遅延時間は、第３高調波発生器２０のレイアウトに基づいて設計することができる。例えば、第３高調波発生器２０の１つ又は複数のコンポーネント（例えば、第１ビームコンバイナ２５、ダイクロイックミラー２５Ａ、第３高調波結晶２８、第１ビームスプリッタ２７、上側フィルタ２７Ａ、下側フィルタ２７Ｂ、又は第２高調波結晶２６）は、第３高調波発生器２０のコンポーネントに関連した非線形光ループから得られた遅延時間がレーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍であるように配置することができる。特定の例として、第３高調波発生器２０の１つ又は複数のコンポーネントは、１つ又は複数のコンポーネント間の距離が非線形光ループ長をレーザ光源のラウンドトリップ光路長と整合させる（すなわち、レーザ光源のラウンドトリップ光路長とほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍であるようにする）ことにより、第３高調波発生器２０の遅延時間をレーザ光源ラウンドトリップタイムと略等しいか又はそのほぼ整数倍にするように配置（例えば、接着、はんだ付け、ボルト締め）することができる。換言すれば、第３高調波発生器２０の遅延時間は、第３高調波発生器２０の１つ又は複数のコンポーネントの位置決めに基づいて設計することができる。

いくつかの実施態様では、第３高調波発生器２０の遅延時間設計は、直線的構築プロセス（linear build process）を用いて実施することができる。直線的構築プロセスは、レーザ光源を製造した後に（例えば、レーザ光源及び第３高調波発生器２０を収容するパッケージ内に）第３高調波発生器２０のコンポーネントを配置することを含み得る。例えば、レーザ光源の製造後に（例えば、レーザ光源の寿命を通して）レーザ光源のモードビーティング周期をロックすることができる一方で、（例えば、別の時点で製造された）別のレーザ光源のモードビーティング周期をそのレーザ光源のものと異ならせることができる。換言すれば、レーザ光源毎にモードビーティング周期がわずかに異なり得る。したがって、レーザ光源のラウンドトリップ光路長は、レーザ光源毎に異なり得る。

ここで、レーザ光源を一旦製造したら、直線状構築プロセスは、レーザ光源のラウンドトリップ光路長を求めること、（例えば、第３高調波発生器２０のコンポーネントの材料の回折率（indices of diffraction）を考慮に入れた場合に）レーザ光源のラウンドトリップ光路長と整合する非線形光路長を求めること、及び第３高調波発生器２０の非線形光路長がレーザ光源のラウンドトリップ光路長と整合するように第３高調波発生器２０のコンポーネントを配置及び／又は製造することにより、第３高調波発生器２０の遅延時間をレーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しくするか又はそのほぼ整数倍にすることをさらに含むことができる。この場合、第３高調波発生器２０のコンポーネントは、第３高調波発生器２０の非線形光路及び遅延時間が調整不可能である（すなわち固定である）ように所定位置に固定される（例えば、コンポーネントを所定位置に接着、所定位置にはんだ付け、所定位置にボルト締めすること等ができる）。

付加的又は代替的に、第３高調波発生器２０の遅延時間設計は、マイクロメータ、回転ステージ、又は調整可能なミラーマウント等の調整可能な機械コンポーネントを用いて実施することができ、調整可能なミラーマウントは、非線形光路内の１つ又は複数の光学コンポーネント、例えばミラー又はプリズムを移動させることにより非線形光路の遅延時間の調整を可能にする。調整可能なコンポーネントを含めることで、レーザ光源及び第３高調波発生器２０を収容するパッケージ内での組立後に非線形光路長を変更することが可能となり得る。こうした場合、レーザ光源及び第３高調波発生器２０は、レーザ光源のラウンドトリップ光路長を求める前にパッケージ内で組み立てることができる。ここで、組立て後に、レーザ光源のラウンドトリップ光路長を求めることができ、レーザ光源のラウンドトリップ光路長と整合する非線形光路長を求めることができ、且つ調整可能なコンポーネントを用いて第３高調波発生器の非線形光路長を適宜調整することができる。

図１３は、特定のモードビーティング周期を有する特定のレーザ光源に関する例示的な第３高調波発生器２０に関連した、ある範囲内の非線形光ループ長の変換パワー量のグラフ図である。特に、図１３は例示的な第３高調波発生器２０に関連したものだが、別のタイプのカスケード光高調波発生器（例えば、第４高調波発生器４０、カスケード高調波発生器６０、カスケード高調波発生器７０、第３高調波発生器８０等）が、図１３に関連した例示的な第３高調波発生器２０に関して説明したのと同様の効果を示す結果をもたらすことができる。

図１３において、基本光ビームのレーザ光源は、レーザ光源ラウンドトリップタイムが４．２３ナノ秒（ｎｓ）であるＱスイッチマルチ縦モードネオジムイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ光源である。したがって、レーザ光源のラウンドトリップ光路長は、約１２６８ミリメートル（ｍｍ）（例えば、２．９９７９２４５８×１０^８メートル（ｍ）／秒（ｓ）×１０００ｍｍ／ｍ×１．００×１０^−９ｓ／ｎｓ×４．２３ｎｓ≒１２６８ｍｍ）である。図１３において、レーザ光源の光路長と整合するカスケード光高調波発生器の非線形光ループ長が、（例えばレーザ光源に関連した１つ又は複数の材料の屈折率に起因して）１２１２ｍｍであると仮定する。非線形光路長は、ビームが経る光路長を増加させる第３高調波発生器２０の光学素子の屈折率を考慮に入れないので、光路長よりも短い場合がある。

図１３に示すように、非線形光ループの長さが１２１２ｍｍと等しいとき、カスケード光高調波発生器により変換されるパワー量が約２２ワット（Ｗ）のピークにある。さらに図示するように、非線形光ループの長さが１２１２ｍｍから離れると（すなわち、非線形光ループの長さが１２１２ｍｍよりも短いか又は長いとき）、変換パワー量が減少する。例えば、非線形光ループ長が１１９８ｍｍと等しい場合、変換パワー量は約１５Ｗである。換言すれば、カスケード光高調波発生器の非線形光ループ長が１２１２ｍｍである場合、カスケード光高調波発生器により変換されるパワー量は、１１９８ｍｍのループ長と比べて約４７％向上する（例えば、（２２Ｗ−１５Ｗ）／１５Ｗ×１００％＝４７％）。

ここで、変換の増加に関連した向上は、幅約８ｍｍであり（例えば、図１３に点線で示すように、約１２０７ｍｍのループ長から約１２１５ｍｍのループ長まで）、レーザ光源のモードビーティングピークが約３０ピコ秒（ｐｓ）の持続時間である（例えば、（１ｓ／２．９９７９２４５８×１０^８ｍ）×１×１０^１２ｐｓ／ｓ×０．００１ｍ／ｍｍ×８ｍｍ＝３０ｐｓ）であることを意味する。これは、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ光源に特有である約０．１ナノメートル（ｎｍ）波長のレーザ線幅に対応する。したがって、変換向上は、理論予想と一貫した挙動をする。

上記のように、図１３は単に一例として提供されている。他の例も可能であり、図１３に関して説明したものと異なっていてもよい。

本明細書に記載の実施態様は、カスケード高調波発生器の遅延時間がカスケード光高調波発生器に結合されたレーザ光源のレーザ光源ラウンドトリップタイプとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍であるように、カスケード光高調波発生器の遅延時間を設計することに関連する。これにより、レーザ光源の大きなパワー変動に起因してカスケード光高調波発生器により達成されるパワー変換の向上を得ることが可能となり、それによりカスケード光高調波発生器の変換効率が改善される。

上記開示は、図示及び説明を提供するものであるが、網羅的であることも開示された通りの形態に実施態様を限定することも意図していない。変更及び変形は、上記開示に照らして可能であるか又は実施態様の実施から得ることができる。例えば、カスケード光高調波発生器の遅延時間の設計に関連した例示的な技法は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源の状況で説明したが、これらの技法は、ネオジムドープオルトバナジン酸イットリウムレーザ光源等の別のタイプのレーザ光源、別のタイプの固体レーザ光源、ファイバレーザ光源、又は別のタイプのレーザ光源に適用することができる。ファイバレーザは特に、２つの偏光状態で同時にレーザ発光する能力に関して並外れたモードビーティング特性を有することができる。二重偏光ファイバレーザ共振器を備えたレーザシステムで本発明を実施するために、ファイバレーザは、安定した不変偏光軸で動作するよう設計されるべきであり、カスケード高調波発生器は、ファイバレーザ共振器の実質的に１つの偏光状態のみで動作するよう設計されるべきである。

特徴の特定の組み合わせが特許請求の範囲に記載され且つ／又は明細書に開示されているが、これらの組み合わせは、可能な実施態様の開示を限定するためのものではない。実際には、これらの特徴の多くを具体的に特許請求の範囲に記載され且つ／又は明細書に開示されていない方法で組み合わせることができる。以下に記載の各従属請求項は、１つの請求項のみに直接従属し得るが、可能な実施態様の開示は、その請求項の組の他の全請求項と組み合わせた各従属請求項を含む。

本明細書で用いられるいかなる要素、行為、又は指示も、その旨の明記がない限り重要又は必須であると解釈されるべきではない。また、本明細書で用いられる場合、冠詞「a」及び「an」は、１つ又は複数の事項を含むことを意図したものであり、「１つ又は複数」と交換可能に用いることができる。さらに、本明細書で用いられる場合、「組」という用語は、１つ又は複数の事項（例えば、関連事項、非関連事項、関連事項及び非関連事項の組み合わせ等）を含むことを意図したものであり、「１つ又は複数」と交換可能に用いることができる。１つの事項のみが意図される場合、「１つの」という用語又は同様の文言が用いられる。また、本明細書で用いられる場合、「有する」等という用語は、オープンエンドな用語であることが意図される。さらに、「基づく」という語句は、別段の明記のない限り、「少なくとも部分的に基づく」ことを意味することを意図したものである。

１０ カスケード高調波３倍器
１１ 基本光ビーム
１２ 第２高調波結晶
１３ 第３高調波結晶
１４ 第２高調波ビーム
１５ ダイクロイックミラー
１９ 第３高調波ビーム
２０ 第３高調波発生器
２１ 第１基本光ビーム
２１Ａ 残留基本光ビーム
２１Ｂ 残留ビーム
２２ 第２高調波光ビーム
２２Ａ 残留第２高調波ビーム
２３ 第３高調波光ビーム
２４ 第４高調波光ビーム
２５ 第１ビームコンバイナ
２５Ａ ダイクロイックミラー
２６ 第２高調波結晶
２７ 第１ビームスプリッタ
２７Ａ 上側ダイクロイックミラー
２７Ｂ 下側ダイクロイックミラー
２８ 第３高調波結晶
２９Ａ 光ビームダンプ
２９Ｂ 光ビームダンプ
４０ 第４高調波発生器
４１ 第２基本光ビーム
４５ 第２ビームコンバイナ
４５Ａ ダイクロイックミラー
４５Ｂ 折返しミラー
４６ 第４高調波結晶
４７ 第２高調波スプリッタ
４９ 上部光ビームダンプ
６０ カスケード高調波発生器
６１ 主光ビーム
６１Ａ 残留主光ビーム
６１Ｂ 残留ビーム
６２ 低次高調波光ビーム
６３ 高調波光ビーム
６５ 高調波コンバイナ
６６ 低次高調波発生器
６７ 高調波分離器
６８ 高次高調波発生器
６９ 光ループ
７０ カスケード高調波発生器
７１ パルス光源
８０ 第３高調波発生器
８５ 第１ビームコンバイナ
８５Ａ 折返しミラー
８６ 第２高調波結晶
８７ 第１ビームスプリッタ
８７Ａ 折返しミラー
８８ 第３高調波結晶
８８Ａ 入力光学面
８８Ｂ 出力光学面

Claims (20)

1. レーザ光源により供給された光ビームからのカスケード高調波発生のためのカスケード高調波発生器であって、
   前記光ビームに関連した残留ビームに基づく第２高調波光ビームを発生する第２高調波発生器と、
   前記第２高調波光ビーム及び前記光ビームに基づく第３高調波光ビームを発生する第３高調波発生器であり、前記第２高調波発生器から上流の光路に位置決めされる第３高調波発生器と
   を備え、前記光路に関連した高調波発生器遅延時間が、レーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍であるカスケード高調波発生器。
2. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、前記光路の光路長が、前記レーザ光源に関連したラウンドトリップ光路の光路長と整合するカスケード高調波発生器。
3. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、前記光路の光路長を調整する調整可能な機械コンポーネントをさらに備えたカスケード高調波発生器。
4. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、前記光路の長さが固定されているカスケード高調波発生器。
5. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、
   前記第３高調波光ビーム及び第２基本光ビームに基づく第４高調波光ビームを発生する第４高調波発生器であり、前記第３高調波発生器から上流の前記光路に位置決めされる第４高調波発生器
   をさらに備えたカスケード高調波発生器。
6. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、前記第３高調波発生器で、前記光ビームの第１パワー変動が前記第２高調波光ビームの第２パワー変動とほぼ同期するカスケード高調波発生器。
7. 請求項１に記載のカスケード高調波発生器において、前記レーザ光源は固体レーザであるカスケード高調波発生器。
8. 高調波発生器であって、
   低次高調波光ビーム及びレーザ光源により供給された光ビームに基づく高次高調波光ビームを発生する高次高調波発生器と、
   前記光ビームに関連した残留ビームに基づく前記低次高調波光ビームを発生する低次高調波発生器であり、前記高次高調波発生器から下流の光路にある低次高調波発生器と
   を備え、前記高調波発生器は、レーザ光源ラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である前記光路に関連した高調波発生器遅延時間を有する高調波発生器。
9. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記光路の光路長が、前記レーザ光源に関連したラウンドトリップ光路の長さとほぼ等しい高調波発生器。
10. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記光路の光路長を調整するコンポーネントをさらに備えた高調波発生器。
11. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記光路の長さが調整不可能である高調波発生器。
12. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記低次高調波発生器は第２高調波結晶であり、前記高次高調波発生器は第３高調波結晶である高調波発生器。
13. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記低次高調波発生器は第２高調波結晶及び第３高調波結晶を含み、前記高次高調波発生器は第４高調波結晶である高調波発生器。
14. 請求項８に記載の高調波発生器において、前記高次高調波発生器で、前記光ビームの第１パワー変動が前記低次高調波光ビームの第２パワー変動とほぼ同期する高調波発生器。
15. 請求項１４に記載の高調波発生器において、前記高次高調波光ビームの第３パワー変動が前記第１パワー変動及び前記第２パワー変動とほぼ同期する高調波発生器。
16. カスケード高調波発生器により光路に沿って光ビームを第３高調波発生器に伝播させるステップであり、前記光ビームはレーザ光源により供給されるステップと、
    前記カスケード高調波発生器により前記光路に沿って光ビームを第２高調波発生器に伝播させて、前記光ビームに基づく第２高調波光ビームを発生させるステップであり、前記光ビームは、前記第３高調波発生器を伝播した後に前記第２高調波発生器を伝播するステップと、
    前記カスケード高調波発生器により前記光路に沿って前記第２高調波光ビームを前記第３高調波発生器に伝播させるステップであり、前記第２高調波光ビームは、前記第３高調波発生器内で前記光ビームに重なって前記第３高調波発生器に前記第３高調波光ビームを発生させるステップと
    を含み、前記光路に関連した遅延時間が、前記レーザ光源に関連したラウンドトリップタイムとほぼ等しいか又はそのほぼ整数倍である方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、前記光路の光路長が、前記レーザ光源に関連したラウンドトリップ光路の長さとほぼ等しい方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、
    前記光路の光路長を、前記レーザ光源に関連したラウンドトリップ光路の光路長と整合するように調整するステップ
    をさらに含む方法。
19. 請求項１６に記載の方法において、前記レーザ光源は、安定した不変の偏光軸で動作するよう設計されたファイバレーザである方法。
20. 請求項１６に記載の方法において、前記第３高調波発生器で、前記光ビームの第１パワー変動が前記第２高調波光ビームの第２パワー変動及び前記第３高調波光ビームの第３パワー変動とほぼ同期する方法。