JPH03505950A - 低損失外部光学共振器を使用するレーザ高調波発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低損失外部光学共振器を使用するレーザ高調波発生器発明の背景 本発明は一般的にレーザ高調波発生に関し、特に、改良された変換効率を有する レーザ高調波発生器に関する。

従来技術の記述 現在、ｃＷ非線形２次高調波の発生は空洞内周波数倍増、空洞内周波数倍増、及 び自己周波数倍増によって主に達成されている。これらの利点はレーザ光学的共 振器内に存在する基本波エネルギーの高い循環パワーを使用することにある。

この様な内部レーザ高調波発生は良好な変換効率をもたらすが、２次高調波で大 きな振幅変動をもたらす種々の軸モードで通常発振する。

これらの大きな振幅変動を避ける解法は、倍増結晶内に存在する電場を増強する 外部光学共振器の使用を含む。この様なレーザ高調波発生器において、非線形倍 増材料内でパワーが２０まで増大されたことが報告されている。しかしながら、 比較的高い外部光学共振器の損失のために、変換効率が比較的低くなり、即ち、 ６パーセント以下になる。定在波光学共振器に対しては４パーセントの単一通過 損失であり、外部光学リング共振器に対しては６．６パーセントの往復損失であ る。

全ての従来の場合において、基本波長（基本モード）ての共鳴モードでの共鳴モ ードに与えられる損失は、２次高調波に対する変換のために、他の共＆ｍ失と比 較して大きなものであった。

上述の従来の技術では、外部光学共振器の入力カップリングミラーの反射率を、 変換効率を最適化するために共振の損失とインピーダンス的に整合することが知 られている。しかしながら、入力カブプリングミラーのこの様なインピーダンス 整合は、２次高調波に対する変換ｔｉ失を考慮しておらず、従って、２次高調波 変換に対する損失が共＠器の共振モードに与えられる大きな損失である場合、外 部光学共Ｇ［内へのカップリングに対するインピーダンス整合状態を表していな かった。

この様な外部共振器レーザ高調波発生器の例が、以下の論文で見出される。

ＩＥＥＥ　Ｊ、　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、　Ｖｏｌ、　ＱＢ −２，ｐｐ、　１０９−１２３．　Ｊｕｎｅ　１９６６；０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏ ｍｍｕｎｉｃａＬｉｏｎｓ、　Ｖｏｌ、　３８．　ｐｐ、　４２３−４２６．　 ＳｅｐＬｅｍｂｅｒ　１９８１；０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓ、　Ｖｏｌ、　４３．　ｐｐ、　４３７−４４２．１５　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　 １９８２；　≠獅■ Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　Ｖａｔ、　２４．　ｐｐ、　　１２９９−１ ３０１．　　Ｉ　Ｍａｙ　１９８５゜改善された変換効率を有する外部光学共振 器内でレーザ高調波発生を得ることか強く望まれている。

本発明の要約 本発明の主要な目的は改善された変換効率を有する外部光学共振器でレーザ高調 波発生を行うことにある。

本発明の別の特徴において、非線形光学材料を含むが、入力カップリングミラー の透過を除去した外部光学共振器の損失が減少され、基本周波数波長のでの共鳴 モードの損失の多くが、発生された高調波に対する変換損失である様にされ、変 換効率が実質上増大される。

本発明の別の特徴において、外部光学共振器に対する入力カッブラーの反射率が 共鳴モードの損失に対して、変換損失を含んでインピーダンス的に整合され、最 適な変換効率が得られる。

本発明の別の特徴において、非線形光学材料のメリット（ｄ、＋＋　／α）の数 値が、改善された変換効率を得るために、１００ｍＷ以下の入射レーザ放射に対 して４×１０−”（ｍ’／ｖ）以上、３００ｍＷ以下であるが５０ｍＷ以上の入 射レーザ放射に対して２Ｘ１０−”（が／ｖ）以上、２Ｗよりも小さいが２００ ｍＷより大きい入射レーザ放射に対してＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−１”　（ｍ’／ｖ）か らなる群から選択される。

本発明の別の特徴において、非線形光学材料が十分に短い長さにされ、非線形材 料のバルク損失が、外部光学共振器の共振モードに与えられる（入力カップリン グミラーの透過を除いて定義された）表面及びミラー損失よりｌθ倍小さい様に される。これにより、制作が容易になり、材料コストが減少し、温度のより広い 幅に渡って位相整合が達成され、通常は大きすぎるウオークオフ（ｗａｌｋ　ｏ ｆｆ）角度を有するＫＴＰＳＫＤＰ及びバリウムホウ酸塩の様な成る非線形材料 で角度位相整合が達成される。

本発明の別の特徴において、外部光学共振器を定めるミラーが非線形光学材料の 反射面から構成され、モノリシックな外部共振器が、基本波長の共鳴モードに対 する減少された共振器損失で得られる。

本発明の別の特徴において、非線形光学材料は、カリウムニオブ酸塩、ＫＴＰ、 ＫＤＰｌＫＤ”　Ｐ及びこれら同形体、リチウムヨウ素酸塩、ノ（リウムホウ酸 塩、リチウムニオブ酸塩、及びＭｇＯ：ＬｉＮｂｏｉからなる群から選択される 。

本発明の別の特徴において、外部光学共振器はリング状共振器からなる。

本発明の別の特徴において、外部光学的共振器は、非平面リング状レーザから導 かれるＴＥＭａ。、で励起され、これで、変換効率及び周波数安定性が増加され る。

本発明の別の特徴において、外部光学共振器へのレーザ放射入力及び外部共振の 共振モードが同じ波長に同調され、変換効率が増大される。

本発明の別の特徴において、非線形光学材料は、結晶の結晶学的なＹ軸に平行に 偏向された基本レーザ放射の入力ビームに平行に設置された結晶学的な軸）軸を 有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ５結晶である。

本発明の別の特徴及び利点は添付図面を参照して以下の記述か明らかになるで第 １図は、ブロック図の形式で、本発明の特徴を有するレーザ高調波発生器の部分 図、 第２図は、本発明の別の実施例を示す第１図と同様の図、第３図は、ワット当た りγ、、＝ｏ、００２８の２次高調波の発生効率を有する長さ１２．５＋ｉＩＩ ＋の同一点に焦点されるリング形状のＬｉＮｂＯ５結晶を用いて、各人カッくワ ーレベルで完全なインピーダンス整合が達成されると仮定した場合の、往復空洞 損失の種々の値に対する全変換効率対入力基本波パワーのプロット、第４図は、 センチメータ当たり０．００１５のバルク損失を有し、同一点に焦点か結ばれる リング形状でるあると仮定した場合の、インビーダン整合された最適値と比較し た外部光学共振器の入力力ソプラーの透過係数の関数での、全体の変換効率対入 力基本パワーのプロット、 第５図は、１３關の位相整合可能な２０＋ａｍ曲率半径のミラーのを有する２５ ＋ａｍ長のリング共振器及び及びｌｏ＋ｎ半径のミラーを有する１１５ｕ＋長の リング共振器に対するｍＷ単位での入力基本パワーに対するｍＷ単位での２次高 調波出力のプロット、 第６図は、入射パワーの３つの異なる値に対する非線形光学材料に対するメリッ トの数値対パーセントでの変換効率のプロット、第７図は、入射レーザパワーの ３つの異なる値に対する非線形光学材料に対する、共振器がインピーダンス整合 されると仮定する時の、変換効率対ｎｍでの結晶長しのプロット、 第８図は、入射レーザパワーの４つの異なる値に対する、共振器のミラーの湾曲 が一定の１０＋ａｍ半径を有すると仮定する時の、変換効率対ｎｍでの長さしの プロ第１図を参照する。本発明の特徴を有するレーザ高調波発生器ＩＩが示され る。

高調波発生器１１は、非線形光学材料１２の内側に反射する面（ファシエット） １３．１４及び１５の間で定められた外部リング光学共振器内に設置された非線 形光学材料１２の部材を含む。

リング共振器の共鳴モードは、レーザダイオードによりポンプされたＮｄ：ＹＡ Ｇ単一モードリングレーザ装置１６から導かれ、レンズ１７によって集光され、 リング共振器の入力カップリング面又はミラー１３を通して、基本レーザ放射の 波長で励起される。

非線形光学材料１２は、低バルク損失、即ち、０．００３　ｃｍ−’よりも小さ い損失を有し、リング共振器の反射面１３．１４及び１５は基本波長で低い損失 （散乱、透過等）を有し、外部光学共振器に対する、基本波長での往復損失が１ パーセント以下である。この様にすると、共振基本波に与えられる主要な損失は 第２高調波に対する損失である。

非線形光学材料１２はオーブン１８内に設置され、１０７９Ｃの位相整合温度に 対する非線形光学材料１２の温度が上昇され、共振基本波の位相が良好な変換効 率で発生された第２高調波の位相速度に整合される。入射基本波レーザ放射の部 分が、ビーム１９として入力面１３から反射され、電気光学的なフィードバック 制御回路２２にフィードバックされる検出器２１で検出される。制御回路２２は １，１５０ボルトり上のＤＣ電位を出力し、これはＹ方向で非線形電気光学材料 １２に加えられ、光学共振器の共振モードをリングレーザ装置１６から得られる 入射レーザ放射の波長と光学的に同調される。

非線形材料１２からの２次高調波レーザ放射は出力ビーム２３として出力ミラ− １４を通して外部光学共振器から引き出される。

フィードバック制御信号２２はディザされ、レーザ入射レーザ放射の周波数の付 近の共振モードの同調をディザする。このディザは、空状態で反射されたエネル ギー１９の変調を処理し、入射レーザ放射の波長は光学共振器の共振モードの波 長に正確に対応し、入力ミラー１３は完全にインピーダンス整合されるが、この ことが以下により完全に記述される。

高調波発生器１１の典型的な物理的態様においては、ダイオードリングレーザ装 置１６は、例えば、１．０６μｍの７０ｍＷ出力のＴＥＭｏ　ａ−モードを与え 、ＬｉｇｈＬｗａｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏ、　ｏｆ　Ｍｏｕｎｔａｉ ｎ　Ｖｉｅｗ、　Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａからＭｏｄｅｌ　１２０−３０として商 用I に利用可能である。この形態のレーザダイオードでポンプされたリングレーザは １９８６年３月２５日に発行された米国特許第４．５７８．７９３号及び１９８ ８年７月７日に発行された米国特許４．７４９．８４２号に開示されている。

ＭｇＯ：ＬｉＮｂ０ｚの非線形結晶１２は不一致溶融液からＸ方向に成長され、 結晶成長方向及び基本及び２次高調波に対する伝達方向が同じ軸に沿わされ、不 一致溶融液からの結晶成長の間生じる縞からの散乱を避けるようにする。この様 な結晶はＣｒｙｓｒａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　Ｉｎｃ、、　Ｐａ１ｏ　Ａ ｌｔｏ、　Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａから商業的に得ることかできる。

結晶１２は対向端か磨かれ、共振器の底面１５から略０．１８關に設置された共 通の回転軸を有している。ミラー１３及び１４は約１０ｍ＋ｓの曲率半径を有し ている。共振器の完全に内側に反射する面１５は磨かれて、ミラー１３及び１４ の回転の軸に平行となり、且つＺ軸に直角となり、又−波長の１／１０よりもよ い仕上がりを有する。ミラー面１３．１４及び１５は傷を有さず、直交するレー ザ特性面に突き進む。典型例では、結晶１２の長さしが１２．５ＩｌｌＩｌｌで ある。

ミラー１３．１４及び１５は、基本波入射レーザ放射が結晶のＸ−２面内にある ３角路内の回りで反射されるように構成される。典型例において、端部１３及び １４の入射及び反射された光線間の角度θは略ｌＯ度である。結晶が約２ｍｍの Ｚ方向の高さを有し、約２ｍｍのＹ方向の高さを有し、Ｙ軸に対して直角な結晶 １２の表面は蒸発された金又は銀ペイントの様な導電性コーチング材によってメ ッキ又は被覆され、フィードバック制御回路２２から得られる電気フィードバッ ク同調制御信号が与えられる電極が提供される。外部光学共振器を作り出すのに 必要とされる結晶の形状加工及び研磨工程はＣｒｙｓｒｔａｌ　Ｒｉｖｅｒ　０ ｐｔｉｃｓ　ｏｆ　ＰｌｅａｓａｎＬｏｎ。

Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａ又はＡｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｐｌｅａｓａ ｎｔ　Ｈ４１ｌｓ、　Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａから商業的に得ることができる。

入力ミラーＭ１１３は被覆され、１．０６μｍで９８．３パーセントの反射率を 有するようにされる。出力ミラーＬ１４はｖＬ！１され、１．０６の高反射率を 与え、基本波で０．０４の透過率を与え、２次高調波で８５パーセントの透過率 を与える。共振器の底面１５は被覆されず、完全な内部反射がもたらされる。こ の形態の被覆はＶｉｒｇｏ　０ｐｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｐｏｒｔ　Ｒｉｃｈｅｙ、　 Ｆｌｏｒｉｄａから商用的に入手可能である。

基本鮎の入力入射レーザ放射は３１で示される様にＹ軸に平行に偏光され、オー ブン１８は１０７９Ｃ程度で作動され、入力ミラー及び出力ミラー１４間に直接 延びる共振器のアームに渡って基本及び２次高調波間の位相整合動作が得られる 。高調波発生工程が前方向のみに対して位相整合されるので、第２の高調波は一 方向のみで発生され、従って、単一方向で２次高調波が発生される。

結晶１２が位相整合温度になかった時、Ｙ方向で離れた同調電極間を横切って線 形傾斜電圧を与え、透過された基本パワーを検出することにより、外部光学共振 器の適合性がが測定される。この適合性を知ることにより、空洞損失が決定され る。結晶１２が１２−５ｍ＋ａの長さしを有していた場合、測定された適合性は ２９２であり、共振器に対する全散乱及び吸収損失は基本波で０．４２パーセン トであった。

結晶１２は５２．７−の入射基本パワーから５３２ｎｍの２９．７　＋ａＷのパ ワーを、５６パーセントの変換効率（第５図を見よ）で発生した。入射パワーの このレベルで、光学共振器１２は入射光の２パーセントを漏れとして透過し、７ ５パーセントを後方に反射した。この比較的大きな反射光のレベルはその大部分 が光学共振器の非点収差のためと思われる。５２ｍＷの入射パワーの時、循環基 本波パワーは３．０ＯｈＷであった。これは、基本パワーで６０倍の増大が達成 されたことを表している。循環パワーの２次高調波に対する変換の損失は１パー セントであって、基本波長での光学共振器の共振モードに対して与えられる０４ ２パーセントの散乱及び吸収損失よりも大きかった。

５６パーセント変換効率は光学共振器の測定された出力を表していることを知る べきである。出力ミラー１４Ｍ２が発生された２次高調波の全てを透過した場合 、観測された変換効率は６６パーセントであった。更に、共振器内の適切でない 空間モードマツチングは非結合パワーを入射パワーの９Ｚ５パーセントに制限す るので、カップリングされないパワーから発生された２次高調波は７２パーセン トの変換効率を表している。入力ミラー１３の反射率が共振器の損失に対して適 切にインピーダンス整合する時、全入射パワーは基本波長で外部の光学共振器の 共振モード内へカップリングされる。ビーム１９内の反射パワーＰｒは零に移行 する。

第２図を参照する。本発明の特徴を含む別の高調波が示される。外部光学共振器 が定在波形態を有していることを除いて、高調波発生器３２は第１図に関して上 述されたものと同様のものである。２つの共軸球状面が、３３及び３４で非線形 光学材料１２のロッドの対向端が磨かれ、定在波共振器が定められている。第１ 図の場合の様に、非線形材料１２は共振器の球状ミラーＭ１及びＭ２の回転軸に 対して平行なＸ軸を有して成長される。共振器は２５ｍｍのミラー３３及び３４ 間で長さしを有している。ロッドはＹ軸の方向に４ｍｍの幅を有している。ミラ ー３３及び３４は２（１＋ｎの曲率半径を育している。外部光学共振器が４５０ の適合性を有している。入力ミラー３３の反射率は基本波で０．９９７である。

基本波で出力ミラー３４の反射率は０．９９７である。共振器内の往復伝達は０ ．９９２である。

入力ビームのスポットサイズは３８μｍであり２次高調波発生の係数はＯ，ＯＯ ２５Ｗａｔｔ”’である。第１図の場合において、フィードバック制御電圧はＹ 軸に結晶１２を横切って与えられた。

単一モードリングレーザ装置１６の出力は焦点用１１６０園腫のレンズとコリメ ートされ、焦点距離＋００＋＋ｍのレンズ３５を有する外部定在波光学共振器内 に注意深く空間的にモード整合されて導入された。２次高調波出力は両方向で発 生された。グイクロイックビームスプリッタ−３６は両出力が基本波と独立して 測定されることを可能とする。ファラデーアイソレータ３７は結晶空洞から反射 された光を修正するのに使用される。この反射された光は共振時に最小にされ、 外部光学共振器をレーザ波長にロックするフィードバックとして使用される。こ のロックを達成するために結晶電圧には小さな７．２　ｋＨｘのディザが加えら れた。３Ｈｚフイルターのバンド幅を有するロックインアンプが使用され、反射 波上のこの成分を検出するのに使用された。得られる分散形状信号はＰＩサーボ を通して、フィードバック制御回路２２内の高電圧増幅器２２に送られた。

外部光学共振器へ１５＋ｎｗの基本波レーザ放射の入射を行うと、２ｎＷの２次 高調波が全変換効率に対して１３パーセントで発生された。位相整合された波長 は結晶１２内で略１３＋ｍの長さであった。この入射パワーレベルで、循環パワ ーは６００＋ｎＷであり、基本波で４０倍であった。このパワーレベルで、２ｎ Ｗが共振器を通して透過され（漏れ）、６ｎＷが後方に反射された。これは、基 本波でミラー３３及び３４が９９．７バーセントのミラー反射率である。これで は２次ミラー３４を通して循環パワーが大きく洩らされ、入力ミラー３３ではイ ンピーダンス整合が得られなかった。

ダイオードポンプされたＮｄ：ＹＡＧ駆動外部共振器高調波発生器カ月９８８年 ４月１９日に発行された米国特許４．７３９．５０７に開示されている。

第１図及び第２図の実施例はフィードバック信号によって、入射レーザ放射の波 長に同調されるべき外部光学共振器が示されているが、これは、必須用件ではな い。これとは別に、レーザ装置を外部光学共振器内の共振モードの波長に同調す るための基本モードで入射放射を発生するレーザ装置にフィードバック信号を与 えることもできる。また、ディザ及びロックイン検出器以外の如何なる種々の技 術も外部空洞共振及びレーザ周波数の一致を検出するに使用することができる。

理論 外部光学共振器の２次高調波変換効率はＩＥＥＥ、Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃｓ、　Ｖｏｌ、ＱＢ−２゜＋１ｐ、　１０９−１２３１９６６年６月 のＡｓｈｋｉｎ、　Ｂｏｙｄ及びＤｚｉｅｄｚｉｃの理論から決定することがで きる。第１図及び第２図は２つのモノリシック型外部光学共振器の構成を示して いる。第２図の定在波空洞は、２つの２次ハーモニック出力を結果する前方及び 後方伝播空洞内ビームに対して位相整合される。第１図のリング形態は前方ビ− ムに対してのみ位相整合され、従って単一方向で２次高調波を発生する。上述の Ａｓｈｉｋｉｎ等の論文の記法に従い、ｒ、及びｒ２を空洞ミラーＭ１及びＭ２ のパワー反射率とし、ｔｌ及びｔ、をパワー透過係数とする。ミラーに損失かな いとし、ｒ、＋ｔ、＝ｒ２＋ｂ＝１となる様にする。ミラー内の全ての散乱損失 を、共振器の材料の単一パスパワー透過係数を内に含めることができる。Ｐ、は 外部光学共振器の基本波パワーであり、Ｐ、は外部光学共振器からの基本波のパ ワーである。ＰＣは外部光学共振器の入力ミラーＭ、の直ぐ内側の循環基本波パ ワーである。結晶伝達及びミラー反射率は略１であると仮定され、循環パワーは 結晶１２を通して一定であると近側することができる。

極めて低損失の共＠器及び結晶に対して、倍増プロセスによる共振基本波の減少 、即ち変換損失を考慮に入れるＬ述の理論を拡張することが有用である。循環パ ワーから２次高調波の変換損失が小さく留まる限り、この変換損失は別の結晶伝 達項ｔｓＨによって記述することが出来る。

ＬｓＨ＝　（１−γｓｓ　Ｐｃ　）　　　　　　　　　　　　　　（式１）を結 晶を通して通過する単一通過で倍増される周波数ではない共振された基本波の分 とする。ここで、 γｓ、ｌＰｃ　＝ηｓｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　（式２）は２次高 調波に対する共振基本波の変換効率である。

非線形変換因子□はＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、 　Ｖｏｌ、３９．　ｐｐ、　３５９７−３６３９１９６８年７月に出版された集 光されたガウシアンビームに対するＢｏｙｄ及びＫｌｅｉｎｍａｎの式を使用す ることにより導かれる。　Ｐ、Ｇ、　Ｈａｒｐｅｒ及びＢ、Ｓ、　Ｗｈｅｒｒｅ Ｌｔによって編集され、１９７７年にＡｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　Ｓａｎ　 Ｆｒａｎｃｉｓｃｏで出版されたＮｏｎ１ｉｎｅａｒＯｐｔｉｃｓと題される教 科書の４７頁から１６０頁に示される有効非線形係数ｄａ＋＋を有する反射係数 ｎの結晶内の長さしの相互作用に対して、ωはレーザの基本周波数であり、ｋω か基本波波動ベクトルであり、ｎは結晶の反射係数であり、Ｃは光速であり、と 。は自由空間の誘電率であり、ｈ（Ｂ、ξ）はＢｏｙｄ及びＫｌｅｉｎｍａｎ集 光因子であり、倍増反射パラメータＢ及び集光パラメータξを有している。非臨 界的（９０°）位相整合に対して、ウオークオフがなく、Ｂ＝０である。スポッ ト径ｗ０に対する集光パラメータは等角パラメータｂに対して１０６４ｎ＋ｍ放 射を倍増するためにはｄ＊＋＋　：５．９　Ｘ　１０−”１１／’Ｖ及びｎ４２ ３を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂ０ｉに対する非線形変換因子はメートルの表現のし に対してγ５Ｈ＝０、３５　Ｌｂ（０，ξ）である。

共振基本波及び従来の２次高調波出力は結晶伝達特性及び空洞ミラーの特性によ って解くことができる。空洞内の内側での−ｉ１の後になくなる共振基本波の部 分を表す空洞反射パラメータの項ｒ、を決めることが有用である。一方向のみで ２次高調波を発生するリング空洞（第１図）に対して、空洞反射パラメータはｒ ｍ　＝ｔ’　ｔｓＨｒｔ　　　　　　　　　　　　　（式４ａ）両方向で２次高 調波を発生する定在波形状（図２）に対してｒｍ　＝ｔ”　ｔｓ＋＋’　ｒｚ　 　　　　　　　　　　　　（式４ｂ）空洞反射パラメータの重要性くが反射され た基本パワーに対する表現により見出すこと出来る。

ｒ１＝ｒ、の場合、次にＰ、＝０及び入力パワーの全てが外部空洞内へとカップ リングされる。この様にミラー反射率を選択することにより、共振器とインピー ダンス整合する。ｒ、がｔｓｕを介してＰｃと依存する。このインピーダンス整 合条件は入力パワーレベル及び倍増効率に依存する。

共振時の基本波のパワーの増大は Ｐ＋　　　　（１−Ｊ−）２　　　　　　　　　（式６）によって与えられる。

これは又循環パワーを同様に決める。循環パワーのｒ、の依存性のために、式６ はＰｃに対する３次式である。これは特定の系で特定のパワーレベルに対して数 値的に解くことが最も簡単である。期待される２次高調波出力はＰｃによって決 められる。リング形状（第１図）に対して、ｈ＋＋　”　　７ｇ＋＋　Ｐｃ”　 　　　　　　　　　　　　（式７ａ）定在波形状に対して、 ｈ＋＋・２γｓｓ　Ｐｃ”　　　　　　　　　　　　　（式７ｂ）これは前方及 び後方伝達２次高調波出力の和を表している。全体の変換効率はＰＳＨ／ＰＩで ある。

所定のシステムで最大の変化効率を達成するためには、入力ミラー反射率は共振 器をインピーダンス整合する様選ばれ、空洞から反射された基本波パワーを最小 にし、共振器に結合されるパワーを最大にする様にされねばならない。インピー ダンス整合は、入力ミラー透過が全ての他の空洞損失（結晶内のバルク及び散乱 損失、基本波での出力ミラー透過損失、及び２次高調波に対する共振波の変換損 失）に等しくするよう選択されて達成される。従って、インピーダンス整合に対 するアルゴリズムは倍増器の入力パワーが既知であることを要求する。

所定のシステムに対する固有の位相整合器の反射率を選択する最適な方法は、イ ンピーダンス整合した空洞を仮定し、次に結果として得られる循環パワー及び倍 増効率に対して解かれる。インピーダンス整合した空洞の反射パラメータを次に 計算することができる。空洞とインピーダンス整合するこの入力ミラー反射率は この反射率パラメータと等しい。インピーダンス整合空洞（ｒ＋　：ｒｍ、＋　 ｔｌ　”　ｌ　−ｒ、）を想定すると、式６は Ｐ４はインピーダンス整合した時の循環パワーである。これはＰｃ１Ｉの４次方 程式を与え、容易に解かれる。その解は ・次に所与の入力パワー及びシステムに対してインピーダンス整合される時に予 測される循環強度を与える。このインピーダンス整合に対して与えられるミラー 反射率ｒ１か次式によって与えられる。

ｊ、＝　ｒｍ　”　ｔ２ｒ＋（１−７ｓＭＰｃｗ）　　　　　　　　　　（式１ ０）外部光学共振器とインピーダンス整合する特性を有する低損失結晶を使用す ることの重要性は、数値例内の上記式を使用することにより知ることができる。

第１図は入力パワーの関数の（１−１’により決まる）往復損失の種々のレベル に対するモノリシックリング状外部倍増に対する期待される最大変換効率を示し ている。ここで、最大整合が全ての入力パワーで考えられている。特定値ｒ１で の操作がモノリシック型装置に対して必要とされるので、完全なインピーダンス 整合が特定のレベルでのみ可能である。第４図は、インピーダンス整合された最 適値と比較して入力パワーの関数で特定の入力ミラー反射率に対して予期される 出力パワーが示されている。変換効率は各特定値ｒｌに対してピークを示すが、 ２次高調波は依然として入力パワーの関数で単調に増加する。

ＭｇＯ：ＬｉＮｂ０．以外の非線形材料としてはカリウムニオブ酸塩（ＫＮｂＯ ３）　、　ＫＴＰ。

ＫＤＰ、ＫＤ”　Ｐ及びこれら同形体、リチウムヨウ素酸塩、バリウムホウ酸塩 、及び（融点か同じで、リチウムが均等なもので置き換えられた、過ヨウ素酸的 に脱酸された）　　ＬｉＮｂＯ５の他の形態を含む。メリットの良好な数値は、 単に非線形係数ｄ　ａｌｌの損失係数αに対する比であることが分かる。メリッ トの要求される数値は予期される入力パワー及び所望の倍増効率に依存する。２ ０パーセントよりも大きい変換効率に対して、材料は、５０＋ａＷの入力に対し て４Ｘ１０−”（膳２／Ｖ）よりも大きく、２００ｍＷの入力に対して２ＸＩＯ −”（が／ｖ）よりも大きく、ｌＷ大入力対して１　ｘ　１０−”　（ｍ２／ｖ ）よりも大きいメリット数値を有さねばならない。５０パーセントよりも大きい 変換効率に対して、材料は５ｈＷに対して１．５Ｘ　Ｉ　Ｏ−”　（ｍ２／ｖ） よりも大きく、２００ｍＷ入力に対して６　ｘ　１０−１！（ｍ”／ｖ）よりも 大きく、及びＩＷ大入力対して２　Ｘ　］、　Ｏ＝’（ｍ”／ｖ）よりも大きい メリット数値を有するべきである（第６図を見よ）。

実際には、非線形結晶か表面及びコーチングで成る程度の散乱損失を生じる。

バルク損失かこれらの固有の損失程度に低い材料において、メリットの数値は合 成損失数値を使用する必要かある。極めて低い材料損失を有するが低い非線形係 数を有する（ＫＤＰの様な）材料か有用であるが、他の材料と比較して研磨程度 及びコーチング損失に対してより注意が必要とされる。

最適な変換効率は（バルク損失が表面及びミラー損失と等しい位置まで短くされ た）短い結晶で得られる。短い結晶の利点は、最小損失の空洞を与え、最大の循 環パワーを与え、全体として最適な倍増効率を与える。

上述されたインピーダンス整合式は、変換損失項を考慮にいれると、結晶の長さ を変化することにより装置の性能を反映するのに使用することができる。この変 換効率は極めて短い結晶で最大値であることが分かる。第７図は、第１図の５６ パーセント変換効率装置に対するリング形状及びミラー曲率を定めることがら結 果される長さ対予期される変換効率を図示している。製造に於いてはミラー曲率 が１０ｍｍ半径で固定されるように要求されると（最悪の場合であり、非現実的 な状況）、変換効率は第８図に示される長さと共には大きく減少しない。結晶が より短い即ち５ＩＩ１１以下であると、多くの利点が得られる。即ち、材料のコ ストが低くなり、製造が容易になり、（よりオーブン制御をより容易にする）よ り広い温度位相せ整合幅を有することになる。より短い結晶の使用は、多くの角 度位相整合結晶を使用することを可能にする。これらの結晶としては、通常大き すぎるウオークオフ角度を有するＫＴＰ　、　ＫＤＰ　、　ＫＤ”　Ｐ及びその 同形体、リチウムニオブ酸塩、ＡｇＧａＳｅｚ及び関連するカルシウムパイライ ト塩、ＧａＡｓ、及びバリウムホウ酸塩を使用することができる。

議論 低損失光学共振器に移行することにより、外部光学共振器の共振モードに与えら れる主要な損失は、低損失非線形光学材料にカップリングされる時、高調波に対 する変換損失であり、入力カップリングミラーの反射率が外部共振器とインピー ダンス整合する時変換損失を考慮することにより、大きく増強された変換効率が 得られる。更に、変換効率は第７図に示される入力パワーに対してクランプされ る。このクランプは（クランプされない場合のレーザパワー変動の二乗で伝達代 わりに）２次高調波のパワー変動になるレーザ装置１１１６のパワー変動を結果 する。更に、これらの状態下での変換効率は、極めて短い結晶で最大となること が分かる。これらのより短い結晶は上述の様に多くの利点を提供する。

本明細書での「高調波発生ｊは和周波数混合を含むと定義される。２次高調波発 生は、単に等しい周波数の２つの加算された波を混合した特定の場合である。

以上に記述された様に、第１図及び第２図の高調波発生はＣＷとして作動された 。

高調波発生器はパルスモードで作動してもよいのでこれは必要要件ではない。パ ルスモードにおいて、入射レーザ放射は好ましくは偏光された単一モードであり 、多軸モードの場合は、非線形光学材料と同じ光学通路長を有する必要がある。

更に、入力レーザライン幅は多くの場合において制限的な要求ではなく、非線形 光学共振器のライン幅よりも小さくなければならない。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、　２ 入射基本波 入射基本波 ＦＩＧ、　６ 平成２年１２月２０日 特許庁長官　　植　松　　　敏　　殿 １、特許出願の表示　　ＰＣＴ／ＵＳ　８９１０２６６７３、特許出願人 ４、代理人 ６、添付書類の目録 （１）補正書の翻訳文　　　　　　　　　　　１　通請求の範囲 １、前記ビームの基本波波長からの入力ビームのレーザエネルギーを高調波に変 換するためのレーザ高調波発生器において、前記基本波波長を共振し、前記入力 ビームを導入するための入力力ップラーを有する光学共振器、及び 前記基本波波長の変換により前記高調波を発生する前記共振器内の非線形材料か らなり、前記入力力ノプラーが、前記高調波に対する変換効率を考慮して前記共 振器にインピーダンス整合されるレーザ高調波発生器。

２、前記光学共振器が、前記非線形光学材料の光学的に反射する面によって本質 的に定められるモノリシック光学共振器である請求項１記載の方法。

３、前記光学共振器の共振モード及び前記共振器にカップリングされる基本波レ ーザ放射を同じ波長に同調する同調手段を含む請求項１記載の方法。

４、前記非線形光学材料が、カリウムニオブ酸塩、ＫＴＰ　、　ＫＤＰ　、　Ｋ Ｄ”　Ｐ及びその同形体、リチウムヨウ素酸塩、バリウムホウ酸塩、リチウムニ オブ酸塩、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ５、尿素、ＡｇＧａ５ｅｔ及びそのカルシウムバ イライト塩及びＧａＡｓからなる組みから選択される請求項１記載の方法。

５、前記非線形材料が、バルク損失が前記光学共振器の表面及びミラー損失の和 より１０倍小さくされる様に選択されている長さを有する請求項１記載の方法。

６、発生された高調波エネルギーを、非線形材料内の共振基本波レーザ放射と位 相整合するための位相整合手段を含む請求項１記載の方法。

７、入射基本波レーザ放射のモード断面を、非線形光学材料内の共振基本波エネ ルギーのモード断面と整合するためのモード整合手段を含む請求項１記載の方法 。

８、前記光学共振器が、第２高調波に対する変換損失を除いた共振基本波モード の往復光学損失が２パーセント以下である如く構成される請求項１記載の方法。

９　人力ビームを提供するためのレーザ源を含み、前記レーザ源がＴＥＭａｏ− モードで源レーザ放射を発生する手段を含む請求項１記載のレーザ高調波発生器 。

１０　　前記レーザ源がレーザ利得材料からなる非平面モノリンツクリング状共 振器を含むことを請求項９記載のレーザ高調波。

１１　内方に反射する面によって定められ、非線形光学材料からなる固体モノリ シック光学共振器、及び 前記非線形光学材料の前記反射面の一つによって定められ、前記外部レーザ源か らのレーザ放射の入力ビームを前記光学共振器にカップリングして、共振モード を励起して、共振基本波レーザ放射を前記光学共振器内の高調波レーザ放射に変 換する入力力ソブラーを有し、 前記入力面は、前記光学共振器とインピーダンス整合するための被覆を有し、前 記入力力ップラーによって反射された基本波レーザ放射のパワーを最小にし、前 記光学カップラーによって前記光学共振器にカップルされた基本波レーザパワー を、発生された高調波に対する変換損失を考慮して最大にするレーザ高調波発生 器。

１２　非線形光学材料の前記光学共振器が、バルク損失が前記共振器の共鳴モー ドに対して与えられる表面及びミラー損失の和より１０倍小さいようにし、発生 された高調波の変換効率が改良される選択された長さを有する請求項１１記載の レーザ高調波発生器。

１３、　　前記モノリンツク光学共振器は、非線形光学材料のリング状共振器で あり、前記発生された高調波は、前記リングの回りの特に一方向のみで共振基本 波と位相整合して、共振されたモードが特に一方向のみで高調波発生を維持する ようにする請求項１１記載のレーザ高調波発生器。

１４、熱的に前記光学共Ｓ器と関連し、その温度を上昇して、発生された高調波 の位相速度が共振された基本波波長の位相速度に整合するヒータを含む請求項１ １記載のレーザ高調波発生器。

１５　前記光学共振器の共振モード及びレーザ放射の前記基本波波長を同じ波長 に同調するための同調器を含む請求項１１記載のレーザ高調波発生器。

１６　基本光レーザ発生のレーザ源を含み、このレーザ源がレーザ利得材料から なる非平面リング状共振器を含み、この共振器が、基本波長でレーザ光を発生し て、前記モノリシック非線形光学共振器にカップルされるべき入力ビームを発生 する請求項１１記載のレーザ高調波発生器。

１７、　　前記入力力ップラーが、前記共振器への前記基本波波長の透過を基本 波の共振器の線形及び非線形の全損失と略等しいすることにより、前記共振器と インピーダンス整合される請求項１記載のレーザ高調波発生器。

１８、　　前記非線形光学材料が、５０ｍＷ入カビ入力に対して４　Ｘ　１０− ”（ｍ”／ｖ）より大きく、２００ｍＷ入カビー入力対して２　Ｘ　Ｉ　Ｏ−” 　（ｍ”ｖ）より大きく、ＩＷ入カビームに対してＩ　Ｘ　１０＝”（ｍ”ｖ） より大きいメリット数値を有する請求項１記載のレーザ高調波発生器。

手続補正書（方式）３．９．２４ 平成　　年　　月　　日 特許庁長官　　深　沢　　　亘　　殿　　　１３、補正をする者 事件との関係　　出　願　人 ５、補正命令の日付　　平成３年８月２７日国際調査報告 Ｈ０１Ｓ　　３１０９４ 力合衆国　カリフォルニア州　９４３０６　　ノ（ロ　アルド　カドアベニュー 　２５０ 力合衆国　カリフォルニア州　９４３０５　　スタンフォード　アス　ウェイ　 ８９１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項 １．レーザ放射の効率的な高調波発生の方法において、共振器内の非線形光学材 料と光学的に結合する光学共振器の共鳴モードを、前記光学共振器外部のレーザ 装置から発生される、共嗚モード内の基本波波長の入力レーザ放射により、励起 して、入射基本波レーザ放射のパワーより相当大きい値の共振モードの循環パワ ーを構築し、非線形材料とカップリングされる共振モードに対する損失が、高調 波レーザパワーの効率的発生に対して発生された高調波に対する変換損失であり 、入射基本波レーザ放射パワーの２０パーセントを越える値の高調波レーザパワ ーを効率的に前記共振器内で発生するようにする前記方法。 ２．光学共振器への入射基本レーザ放射の透過を、非線形光学材料内のバルク及 び散乱損失、基本波の共振器の透過、及び発生された高調波に対する基本モード の変換損失を含む、共振基本波モードの他の全ての損失の合計と略等しくするス テップを有する請求項１記載の方法。 ３．光学非線形材料のメリット数値が、１００ｍＷ以下の入射レーザ放射パワー に対して４×１０−１２（ｍ２／ｖ）よりも大きく、３００ｍＷ以下の入射レー ザ放射パワーに対して２×１０−１２（ｍ２／ｖ）よりも大きく、２Ｗ以下であ るが、２００ｍＷ以上の入射放射パワーに対して１×１０−１２（ｍ２／ｖ）よ りも大きい組みから選ばれる値を持つ様にするステップを有する請求項１記載の 方法。 ４．非線形材料の光学的に反射する面によって光学共振器が定められるステップ を含む請求項１記載の方法。 ５．前記光学共振器の共振モードの波長及び基本入射レーザ放射の波長を同じ波 長に同調するステップを含む請求項１記載の方法。 ６．前記非線形光学材料を、カリウムニオブ酸塩、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ及 びその同形体、リチウムヨウ素酸塩、バリウムホウ酸塩、リチウムニオブ酸塩、 ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、尿素、ＡｇＧａＳｅｚ及び関連するカルシウムパイライ ト塩、有機非線形材料、及びＧａＡｓからなる組みから選択するステップを有す る請求項１記載の方法。 ７．非線形光学材料をＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ２から形成する請求項１記載の方法。 ８．非線形材料の長さＬを短くして、そのバルク損失を内在される非線形光学材 料とカップルされる光学的共振器の（入力カップリングミラーの透過を除く）表 面及びミラー損失の和より１０倍小さくする様にするステップを含む請求項１記 載の方法。 ９．発生された高調波を、非線形材料内の共振基本波レーザ放射と、角度及び温 度同調を含んで位相整合するステップを含む請求項１記載の方法。 １０．基本波レーザ放射のモード断面が、非線形光学材料内の共振基本波のモー ド断面とモード整合するステップを含む請求項１記載の方法。 １１．光学共振器の光学損失を、第２高調波に対する変換損失を除いた共振基本 波モードに対して与えられる損失が２パーセント以下である様にする請求項１記 載の方法。 １２．非線形光学材料を１５ｍｍ以下にするステップを含む請求項１記載の方法 。 １３．効率的レーザ高調波発生器が、 非線形光学材料、 光学波エネルギーを前記非線形光学材料内の基本波長の共振モードで共振し、共 振された基本波エネルギーを有する高調波光学波エネルギーを発生する光学共振 手段、 基本波長のレーザ放射を外部レーザ源から前記共振器手段内へカップリングし、 基本波長で前記共振器の前記共振モードを励起するための光学カップリング手段 、からなり、 前記共振器内及び非線形材料内の共振モードが十分に低い損失を有しており、前 記非線形光学材料内に共振されたモードの循環パワーを、前記光学共振器内に結 合された基本波レーザ放射のパワーよりも少なくとも幾倍も大きい値に構築する ようにし、 前記光共振器及び前記非線形光学材料が比例した損失を有し、非線形光学材料と 結合する共振モードに対する損失が、発生された高調波に対する変換損失であり 、高調波発生プロセスの効率が２０パーセントを越えるようにされていることを 特徴とする効率的レーザ高調波発生器。 １４．前記外部源からの前記光学共振器への基本波レーザ放射の入力カップリン グを、非線形光学材料内のバルク及び散乱損失、基本波での光学共振器の出力透 過、及び発生された高調波に対する共振モードの変換損失を含む、共鳴基本モー ドの他の全ての損失の合計と略等しくすることにより、前記光学カップリング手 段を前記光学共振器とインピーダンス整合する請求項１３記載のレーザ高調波発 生器。 １５．前記光学非線形材料が、１００ｍＷ以下の入射レーザ放射パワーに対して ４×１０−１２（ｍ２／ｖ）よりも大きく、３００ｍＷ以下の入射レーザ放射パ ワーに対して２×１０−１２（ｍ２／ｖ）よりも大きく、２Ｗ以下であるが、２ ００ｍＷ以上の入射放射パワーに対して１×１０−１２（ｍ２／ｖ）よりも大き い組みから選ばれるメリット数値が持つ請求項１３記載の方法。 １６．前記光学共振器手段が、前記非線形光学材料の光学的に反射する面によっ て光学共振器定められるモノリシック共振器である請求項１３記載の方法。 １７．前記光学共振器の共振モードの波長及び前記共振器にカップリングされる 基本入射レーザ放射の波長を同じ波長に同調する同調手段を含む請求項１３記載 の方法。 １８．前足非線形光学材料が、カリウムニオブ酸塩、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ 及びその同形体、リチウムヨウ素酸塩、バリウムホウ酸塩、リチウムニオブ酸塩 、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ２、尿素、ＡｇＧａＳｅｚ及び関連するカルシウムパイラ イト塩、有機非線形材料、及びＧａＡｓからなる組みから選択される請求項１３ 記載の方法。 １９．前記非線形材料が十分に短い長さを有し、そのバルク損失が、前記非線形 光学材料とカップリングされる前記光学共振器手段の表面及びミラー損失の和よ り１０倍小さくされる請求項１３記載の方法。 ２０．発生された高調波エネルギーを、非線形材料内の共振基本波レーザ放射と 位相整合するための位相整合手段を含む請求項１記載の方法。 ２１．入射基本波レーザ放射のモード断面を、非線形光学材料内の共振基本波エ ネルギーのモード断面と整合するためのモード整合手段を含む請求項１３記載の 方法。 ２２．前記光学共振器が十分に損失を有さず、第２高調波に対する変換損失を除 いた共振基本波モードの往復光学損失が２パーセント以下である請求項１３記載 の方法。 ２３．前記光学共振器手段とカップリングするために、前記カップリング手段に 入射する基本波レーザ放射源を提供するレーザ源手段を含み、前記レーザ源手段 がＴＥＭｏｏ■モードで源レーザ放射を発生する手段を含む請求項１３記載のレ ーザ高調波発生器。 ２４．前記レーザ源手段がレーザ利得材料からなる非平面一体型リング共振器を 含むことを請求項２３記載のレーザ高調波発生器。 ２５．内方に反射する面によって定められ、非線形光学材料からなる固体モノリ シック光学共振器、及び 前記非線形光学材料の前記反射面の一つによって定められ、前記外部レーザ源か らの基本レーザ放射を前記光学共振器にカップリングして、共振モードを励起し て、共振基本波レーザ放射を前記光学共振器内の高調波レーザ放射に変換する入 力カップラーを有し、 前記入力面は、前記光学共振器とインピーダンス整合するための被覆を有し、前 記入力カップラーによって反射された基本波レーザ放射のパワーを最小にし、前 記光学カップラーによって前記光学共振器にカップルされた基本波レーザパワー を、発生された高調波に対する変換損失を考慮して最大にし、前記光学共振器は 、基本波波長での共振モードの損失が発生された高調波に対する変換損失となる 基本波に対する往復損失を有する、レーザ高調波発生器。 ２６．非線形光学材料の前記光学共振器が十分に短く、バルク損失が前記共振器 の共鳴モードに対して与えられる表面及びミラー損失の和より１０倍小さいよう にし、発生された高調波の変換効率が改良される請求項２５記載のレーザ高調波 発生器。 ２７．前記モノリシック光学共振器は、非線形光学材料のリング状共振器であり 、前記発生された高調波は、前記リングの回りの特に一方向のみで共振基本波と 位相整合して、共振されたモードが特に一方向のみで高調波発生を維持するよう にする請求項２５記載のレーザ高調波発生器。 ２８．前記光学共振器の温度を上昇して、発生された高調波の位相速度を共振さ れた基本波レーザ放射の位相速度に整合するヒータを含む請求項２５記載のレー ザ高調波。 ２９．前記光学共振器の共振モードの波長及び入射基本波レーザ放射の波長を同 じ波長に同調するための同調器を含む請求項２５記載のレーザ高調波発生器。 ３０．基本レーザ発生のレーザ源を含み、このレーザ源が基本波長でレーザ光を 発生し、前記モノリシック非線形光学共振器にカップルされる基本波レーザ放射 を発生するレーザ利得材料からなる光学的にポンプされるモノリシック非平面リ ング共振器を含む請求項２５記載のレーザ高調波発生器。