(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波長の第３高調波を生成するイントラキャビティダイオードポンピングレーザであって、
共振器キャビティを規定する、間隔をおいて配置された第１および第２の反射手段と、
該共振器キャビティ内に配置されたレーザ結晶であって、細長い形状を有し、ポンピング側面と対向側面と上面と下面とによって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有するレーザ結晶と、
該共振器キャビティ内に配置されたダブラ結晶と、
該共振器キャビティ内に配置されたトリプラ結晶と、
該共振器キャビティ内に配置されたブルースタープリズムと、
該レーザ結晶をポンピングすることにより、該共振器キャビティの基本波長で放射線を生成するダイオードポンピング手段であって、該共振器キャビティの基本放射線のキャビティモードは、温度プロファイルを均一化し、かつ、該側面ポンプされたレーザ結晶の熱レンズ効果を最小化するように、該レーザ結晶の該端面の間のほぼ中間点で該レーザ結晶の該ポンピング側面と交差し、かつ、該レーザ結晶の該ポンピング側面で反射され、該基本放射線は、該ダブラ結晶内に向けられ、第２高調波放射線を生成し、該基本放射線および該第２高調波放射線は、該トリプラ結晶内に向けられ、該基本放射線と該第２高調波放射線を混合する和周波数によって、第３高調波放射線を生成し、該第３高調波放射線は、該ブルースタープリズムによって該基本放射線および該第２高調波放射線から分離され、該共振器キャビティから出力レーザビームとして出力される、ダイオードポンピング手段と
を有するレーザ。
【請求項２】
前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３】
前記Ｑスイッチを支持および配列させ、該Ｑスイッチから熱を除去する熱電冷却手段をさらに有する、請求項２に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項４】
前記第１および第２の反射手段の少なくとも１つの反射表面が、コーティング表面にわたって変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングされ、該コーティングされた反射手段が、前記第２高調波放射線の空気中の散乱を補償するように配置され、それによって、前記トリプラ結晶に入力される前記第２高調波パワーを最適化する、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項５】
前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、最適化位相シフト特性の選択を可能にするように、前記レーザのレージング軸に対して横方向に移動可能である、請求項４に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項６】
前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、凹形であり、前記反射手段の曲率中心に一致する点であって前記レージング軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持され、それによって、前記レーザを離調させることなく、前記最適化位相シフト特性を選択するように位置調整を可能にする、請求項５に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項７】
前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射される、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項８】
前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように、該結晶の前記上面および前記下面を冷却する手段をさらに有する、請求項７に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項９】
前記基本放射線の前記キャビティモードが、前記ポンピング側面上のスポットにフォーカスされ、該スポットが、ほぼ楕円形であり、該ポンピング側面の長さ方向に長軸を有し、該長軸の長さが、該ポンピング側面の長さよりも短い、請求項７に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１０】
前記冷却手段が、前記上面および前記下面の実質的な部分に近接して均一に係合する機械的クランピング手段を有する、請求項８に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１１】
前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形のスポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短い、請求項10に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１２】
前記ポンピングスポットの長さが、前記レーザ結晶の前記ポンピングビームの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の垂直方向および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差熱レンズ補正の必要性を排除する、請求項11に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１３】
前記第３高調波放射線を前記基本放射線および前記第２高調波放射線から分離する、前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１４】
前記レーザ結晶が、ネオジムイットリウムオルトバナデート（Nd:YVO4）である、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１５】
前記ダブラ結晶および前記トリプラ結晶の少なくとも１つを熱的に冷却する手段が設けられている、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１６】
前記ダブラ結晶が、前記第１の反射手段と前記レーザ結晶との間に配置され、前記トリプラ結晶が、該ダブラ結晶と該レーザ結晶との間に配置され、前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項１に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１７】
前記第３高調波放射線を前記基本放射線および前記第２高調波放射線から分離する、前記トリプラ結晶と前記レーザ結晶との間で前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項16に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１８】
前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有し、該レーザ結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該レーザ結晶の長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射される、請求項17に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項１９】
前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように前記上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、該上面および該下面の実質的な部分に近接して均一に係合し、そこから熱を除去する機械的クランピング手段を有する、請求項18に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２０】
前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形のスポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短く、該ポンピングスポットの長さが、前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の垂直方向および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差熱レンズ補正の必要性を排除する、請求項19に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２１】
前記第１および第２の反射手段の少なくとも１つが、ミラーの表面にわたって変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングされ、該コーティングされた反射手段が、前記第２高調波放射線の空気中の散乱を補償するように配置され、それによって、前記トリプル結晶に入力される前記第２高調波パワーを最適化する、請求項３に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２２】
前記コーティングされた反射手段の少なくとも１つが、凹形であり、前記反射手段の曲率中心に一致する点であって前記レージング軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持され、それによって、前記レーザを離調させることなく、最適化位相シフト特性を選択するように該レージング軸に対して該１つのコーティングされた反射手段の位置調整を可能にする、請求項21に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２３】
前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射され、前記基本放射線の該キャビティモードが、前記ポンピング側面上の第１のスポットにフォーカスされ、該第１のスポットが、ほぼ楕円形であり、該ポンピング側面の長さ方向に長軸を有し、該長軸の長さが、該ポンピング側面の長さよりも短い、請求項22に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２４】
前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように該結晶の前記上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、該レーザ結晶の該上面および該下面の実質的な部分に近接して均一に係合する機械的クランピング手段を有する、請求項23に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２５】
前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形の第２のスポットにフォーカス手段によってフォーカスされるポンピングビームを生成し、該第２のスポットの長さが、該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短く、また前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の垂直方向および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差熱レンズ補正の必要性を排除する、請求項24に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２６】
前記第３高調波放射線を前記基本放射線および前記第２高調波放射線から分離する、前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項25に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２７】
前記フォーカス手段が、円筒状レンズ手段と、前記ポンプ放射線の偏光を前記レーザ結晶の光軸と整合させる手段と、球面レンズ手段とを含み、すべてが協働して該放射線を前記ポンピング側面上にフォーカスするように機能する、請求項26に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２８】
前記フォーカス手段が、円筒状レンズ手段と、前記ポンプ放射線の偏光を前記レーザ結晶の光軸と整合させる手段と、球面レンズ手段とを含み、すべてが協働して該放射線を前記ポンピング側面上にフォーカスするように機能する、請求項12に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項２９】
前記ダブラ結晶および前記トリプラ結晶の少なくとも一方を熱的に冷却する手段が配備されている、請求項６に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３０】
前記ダブラ結晶が、前記第１の反射手段と前記レーザ結晶との間に配置され、前記トリプラ結晶が、該ダブラ結晶と該レーザ結晶との間に配置され、前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する。請求項６に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３１】
前記第３高調波放射線を前記基本放射線および前記第２高調波放射線から分離する、前記トリプラ結晶と前記レーザ結晶との間で前記キャビティ内に配置されたプリズムをさらに有する、請求項６に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３２】
前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面、対向側面、上面、および下面によって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有し、該結晶を伝播する前記キャビティのモードが、該結晶の長さに沿った中間で該ポンピング側面と交差し、かつ該ポンピング側面から反射される、請求項６に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３３】
前記レーザ結晶が、長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように前記上面および前記下面を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段が、該上面よび該下面の実質的な部分に近接して均一に係合して、そこから熱を除去する機械的クランピング手段を有する、請求項32に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３４】
前記ダイオードポンピング手段が、前記ポンピング側面上でほぼ楕円形のスポットにフォーカスされるポンピングビームを生成し、該スポットの長さが、該ダイオードポンピング手段の出射領域の長さよりも短く、該ポンピングスポットの長さが、前記レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の垂直方向および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差熱レンズ補正の必要性を排除する、請求項33に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３５】
前記共振器キャビティ内に配置されたＱスイッチをさらに有する、請求項34に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３６】
前記Ｑスイッチを支持および配列させ、該Ｑスイッチから熱を除去する熱電冷却手段をさらに有する、請求項35に記載のイントラキャビティダイオードポンピングレーザ。
【請求項３７】
特定の基本波長の第３高調波放射線を生成する方法であって、
共振器キャビティを規定する、間隔をおいて配置された第１および第２の反射手段を配備するステップと、
該共振器キャビティ内に、該基本波長において励起され得るレーザ結晶と、ダブラ結晶と、トリプラ結晶とを配置するステップであって、該レーザ結晶が、細長い形状を有し、ポンピング側面と対向側面と上面と下面とによって規定される長方形横断面を有し、該ポンピング側面と鋭角で交差する端面を有する、ステップと、
該キャビティ内に放射線をその基本波長で生成するために、該レーザ結晶をポンピングするポンピング手段を配備するステップであって、該共振器キャビティの基本放射線のキャビティモードは、温度プロファイルを均一化し、かつ、該側面ポンプされたレーザ結晶の熱レンズ効果を最小化するように、該レーザ結晶の該端面の間のほぼ中間点で該レーザ結晶の該ポンピング側面と交差し、かつ、該レーザ結晶の該ポンピング側面で反射される、ステップと、
第２高調波放射線を生成するために、該基本放射線を該ダブラ結晶に向けるステップと、
該基本放射線と該第２高調波放射線とを混合する周波数の和によって第３高調波放射線を生成するために、該第２高調波放射線と該基本放射線とを該トリプラ結晶に向けるステップと、
出力レーザビームとして該共振器キャビティから出力するために該基本放射線および該第２高調波放射線から該第３高調波放射線を分離するために、該基本放射線と該第２高調波放射線と該第３高調波放射線とを該共振器キャビティ内に配置されたブルースタープリズムに向けるステップと、
を包含する方法。
【請求項３８】
前記共振器キャビティ内にＱスイッチを配置するステップと、
前記レーザが、高エネルギーのパルスを前記第３高調波波長で生成するように、該ＱスイッチをRFエネルギーで駆動するステップと、
をさらに包含する、請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１および第２の反射手段のうちの少なくとも一方を、コーティング表面にわたって変化する光学位相シフト特性を示す材料でコーティングするステップと、
該コーティングされた反射手段を、前記第２高調波放射線の空気中の散乱を補償するように配置し、それによって、前記トリプラ結晶に入力される前記第２高調波パワーを最適化するステップと、
をさらに包含する、請求項37に記載の方法。
【請求項４０】
前記コーティングされた反射手段が凹形であり、前記反射手段の曲率中心に一致する点であって前記レーザのレージング軸に沿って存在する点のまわりに回転可能であるホルダによって支持され、前記方法が、前記レーザを離調させることなく最適化位相シフト特性を選択するために、該コーティングされた反射手段を該点のまわりに回転させるステップをさらに包含する、請求項39に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザ結晶が、細長い形状を有し、かつ平坦なポンピング面を含み、該ポンピング面が、該レーザ結晶を伝播する前記キャビティのモードと交差し、かつ該モードを反射させ、前記方法が、該レーザ結晶がその長手方向中心の両側に対称的に冷却されるように、該ポンピング面の上側および下側の該レーザ結晶の表面を冷却するステップと、
前記ポンピング手段に、該ポンピング側面上でほぼ楕円形のスポットにフォーカスされるポンピングビームを生成させるステップであって、該ポンピングスポットの該楕円形の寸法が、該レーザ結晶の該ポンピングビームの吸収長に関連して形成され、該レーザ結晶の垂直方向および水平方向に実質的に等しい熱レンズパワーを生成し、それによって、非点収差熱レンズ補正の必要性を排除する、ステップと、
をさらに包含する、請求項37に記載の方法。
【請求項４２】
前記第３高調波放射線を前記基本放射線および前記第２高調波放射線から分離するプリズムを、前記共振器キャビティ内に配置するステップをさらに包含する、請求項37に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は概して、ダイオードポンピングレーザ装置に関し、具体的には、角度調整されたLBOダブラ（doubler）およびトリプラ（tripler）を使用し、高い繰り返しレートおよび優れた全体的効率で動作する、改良された、イントラキャビティで３重化される（tripled）ダイオードポンピングNd:YVO4レーザに関する。
従来技術の簡単な説明
高い平均パワーおよび高い繰り返しレート（10kHzよりも大きい）を有する355nmのレーザ放射線は、UV感光液体ポリマーがレーザ走査され、凝固されて、コンピュータにより生成される複雑な機械部品のソリッドモデルをレーザごとに形成するステレオリソグラフィーなどの応用に有用である。高い繰り返しレートでＱスイッチングされるキャビティにおいて動作するNd:ホスト材料からの公称上１ミクロンの出力の第３調波の生成は、従来技術において、図１に示されるようなエクストラキャビティアーキテクチャを用いて得られている。概略的に10で示されるように、そのようなレーザは、典型的には、一対のキャビティミラーM1およびM2、何らかの種類のダイオードポンピング利得媒体Ｓ、ならびにイントラキャビティＱスイッチＱからなる。1064nmの波長で動作するレーザの出力は、M1から出ていき、適切なレンズ（lensing）手段L1に伝わり、ダブラＤにフォーカスされる。ダブラＤは、532nmの第２調波とともに、1064nmの残りの基本波を生成する。次いで、基本波および第２調波は、第２のレンズ手段L2によってトリプラＴにフォーカスされ、トリプラＴで、355nmの第３調波放射線が生成される。その後、図示していないが、当該技術分野において周知である適切な手段を用いて、基本波および第２調波から第３調波の放射線を分離する。比較的狭い基本波パルス幅（10〜20ns）と、非臨界的に位相マッチングされた（non−crytically phase−matched）（NCPM）２重化（doubling）とにより、エクストラキャビティタイプＩダブラおよびタイプIIの合計周波数（sum−frequency）トリプラとしての三ほう酸リチウム（LBO）を用いて、優れた変換効率を得ることが可能となる。しかし、1500℃の位相マッチング温度でのNCPMダブラの動作は、大きく異なる温度を有するダブラとトリプラとの間の密接した間隔を必要とするシステムにおける光学的および機械的設計を複雑にし得る。従って、完全なイントラキャビティアーキテクチャを用いれば、ある特定の利点および改良点を得ることができると考えられる。ダイオードポンピングレーザは、エクストラキャビティで２重化および３重化されることが多いが、イントラキャビティ２重化/3重化は、アークランプポンピングで立証されている。さらに、イントラキャビティ２重化の後に、エクストラキャビティ３重化を行った例もある。しかし、比較的低い繰り返しレート（1kHzよりも小さい）のフラッシュランプポンピングNd:YAGキャビティにおいて第２調波および第３調波を効率的にイントラキャビティで生成するために、角度調整されたLBOが、室温で使用され得ることが示されている。ランプポンピングで達成される、基本波の、高いイントラキャビティピークパワーにより、わずかな光学要素とゆっくりと変化するスポットサイズとを有する比較的単純なキャビティを使用することが可能となる。１つのイントラキャビティでのイントラキャビティ２重化（doubling）および３重化（tripling）を用いるダイオードポンピング固体レーザはまだ知られていない。
イントラキャビティアーキテクチャでは、基本波ビームおよび（３重化された）UVのビームは同一線上にあるため、分離されていなければならない。これは、従来は、UVを不完全に透過しなおかつイントラキャビティの基本波を反射する特殊コーティングが施されたミラーを用いることによって行われてきた。従って、基本波からのUVビームの分離に改良がなされなければならない。イントラキャビティで２重化される定在波マルチモードレーザでは、ダブラで２本の第２調波ビームが生成され、これらのビームのうちの１本だけが、さらなる使用のために容易に利用可能である。ミラーを用いて、これらのビームのうちの１本を再利用して第１のビームに重ねてもよいが、空気中での散乱により、ビーム間に位相シフトが生じ得、重なっているビームの効果的なパワーが低減されてしまう。従って、この位相シフトの問題に対処するための手段を設けなければならない。
高いパワーで動作する音響光学Ｑスイッチは通常、水で冷却されるが、イントラキャビティで用いられる場合、可撓性のある冷却ライン（flexible cooling line）がイントラキャビティに延び、正確な光学的整合のために必要な、スイッチの回転および平行移動を可能にすることが必要となる。従って、イントラキャビティアーキテクチャでは、レーザキャビティの囲い内から水冷却管を取り除くことが望ましい場合には、Ｑスイッチを冷却する別の手段が必要となる。
サイドポンピング（side−pumped）固体レーザにおいてポンピング効率を高めるために、ポンピングされた面の浅いはね返り（shallow bounce off）により、ポンプモードとキャビティモードとの重なりを達成することができる。しかし、効率的な動作は、高ポンプ吸収係数および浅いはね返り角（shallow bounce angle）に依存する。従って、ポンピングされた面に対して密接に配置された平行にされた長いポンピング源が用いられてきた。その結果、スラブがポンピング長よりもかなり長い場合でない限り、スラブの端部で回折損失（ビームクリッピング（beam clipping））が起こっている。さらに、サイドポンピングスラブおよびロッドでは、非対称なポンピングプロファイルおよび不均一な熱境界により、不均一な熱レンズ効果が引き起こされるため、乏しいレーザモードプロファイルおよび乏しい効率しか得られないことが多い。この問題点に対する従来の解決策としては、円筒形レンズを用いて楕円形キャビティモードを与え、非対称な熱レンズ効果を補償すること、などがある。従って、イントラキャビティアーキテクチャを提供する場合には、設計についての多数の事項を考慮することが必要となる。
発明の要旨
簡単に言えば、本発明の現在好ましい実施形態によれば、355nmの第３調波の生成は、角度調整されたLBOダブラおよびトリプラを用い、且つ、高い繰り返しレートおよび優れた全体的効率で動作する、イントラキャビティで３重化されるダイオードポンピングNd:YVO4結晶から得られる。30kHzで２ワットを越え、100kHzで１ワットを越える平均UVパワーは、典型的には、１パーセント（１％）Nd:YVO4（バナデート）スラブをサイドポンピングする20ワットダイオードアレイ「バー」で得られる。デバイスは、室温でのイントラキャビティ２重化を用い、低パワーCWダイオードポンピングとともに必要とされるダブラおよびトリプラでのビームの細いウエスト部を利用している。
本発明の利点は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を読めば間違いなく当業者に明らかになるであろう。好適な実施形態は、図面のうちの幾つかに示される。
図面
図１は、エクストラキャビティの２重化および３重化を用いる従来技術のUVレーザを概略的に示す図である。
図２は、本発明によるイントラキャビティUVレーザアーキテクチャの基本構成要素を概略的に示す図である。
図３は、図２のイントラキャビティアーキテクチャを実現する際に用いられる実際の構成要素を示す。
図４は、本発明のイントラキャビティビームプロファイルを概略的に示す図である。
図５および図6a〜図6cは、サイドポンピングレーザ結晶のモードメカニクスを示す。
図7a〜図7eならびに図8aおよび図8bは、本発明による、サイドポンピングレーザ結晶のモードメカニクスを示す。
図９は、本発明に従って装着される、改良された熱電冷却式レーザを示す。
図10aおよび図10bは、本発明による改良されたレーザポンピング装置を示す。
図11は、本発明に従って装着される、改良されたダブラ／トリプラを示す。
図12および図13は、本発明に従った位相シフト補償技術を概略的に示す。
図14は、図12および図13に示される位相シフト補償器の実際の実現を示す。
図15は、本発明に従って装着されるＱスイッチを示す分解図である。
好適な実施形態の詳細な説明
図２には、本発明による、イントラキャビティ３重化を有するダイオードポンピング固体レーザ全体が20で示される。示されるように、デバイスは、２重化結晶Ｄおよび３重化結晶Ｔと、別のレンズＬ、ダイオードポンピング（DP）レーザ結晶Ｓ、およびＱスイッチＱを含み、これらはすべて、ミラーM1およびM2によって規定される１つのイントラキャビティに含まれる。1064nmの基本波放射線が生成され、キャビティ自体の内部で、532nmの第２調波放射線が生成され、同様に、355nmの第３調波放射線が生成される。最適な場合、ミラーM1は、出力が355nmの光とのみ結合させるようにコーティングされる。しかし、1064nmの波長および532nmの波長をもとに反射し、同時に、355nm、即ち、第３調波の波長の放射線を効率的に通過させるコーティングを生成することは容易ではない。
従って、本発明の好適な実施形態は、図３に示されるわずかに変形された形態で実現され、図２に示されるエレメントに加えて、1064nmの基本波または532nmの第２調波を妨害することなく、355nmの放射線を効率的に抽出するという付加的な特徴を含む。図２に大まかに示されるレーザの場合と同様に、この実施形態は、イントラキャビティＱスイッチＱ、何らかの種類のダイオードポンピングスラブ媒体Ｓ、イントラキャビティレンズL1、イントラキャビティダブラＤ、イントラキャビティトリプラＴ、ならびにキャビティミラーM1およびM2を含む。さらに、本実施形態は、プリズムＰおよびピックオフリフレクタM3を含む。以下により詳細に説明するように、参照番号22は、位相シフト補正の問題のうちの幾つかを含む構成要素を含み、参照番号24は、ピックオフ構成要素を指し、参照番号26は、熱的に対称な環境を与えてレーザの効率を向上するための手段を含む。両側に矢を有する矢印によって示唆されるように、1064nmの基本波は、図の紙面において電気的に偏光され、ごくわずかな損失で、プリズムＰを通過し、ダブラＤおよびトリプラＴに入る。矢印はまた、基本波およびUVがともに紙面において共偏光（co−polarize）されることを示唆する。プリズムＰでは、第２調波（2H）の緑色の光がプリズムの表面に関してＳ偏光であるため、緑色の光の多くは、そのプリズム表面から離れるように反射される。しかし、緑色の光はすでにトリプラＴで用いられて第３調波（UV）を生成しているため、このことは問題ではない。第３調波は、極めてわずかな損失で、プリズムＰを通過し、それにより、参照番号28で示されるように、基本波に対してわずかな角度で偏向され、その後、UVピックオフミラーＲで抽出され、キャビティから損失されずに抽出される。
図４は、様々なキャビティ内要素を通過する際のキャビティ内におけるビームのサイズを模式的に示す。キャビティは直線化され、プリズムに起因する屈曲（dogleg）無しで配列されているが、これは単に、キャビティビームの断面を見やすくするために過ぎない。1064nmの基本波を効率的に生成するために、キャビティモードは、バナデートスラブＳ内においてできるだけ大きくされ、２次および第３調波を効率的に生成するために、スポットサイズは不便にならない程度にできるだけ小さくされ、ダブラＤおよびトリプラＴについて選択される結晶の長さに幾分依存する。選択される結晶について、ダブラおよびトリプラにおいてビームサイズは半径約60T（文献においては半径1/e2と呼ばれる）を有し、凹面鏡M1において約120Tにまで拡がる。このビームは、キャビティ内レンズL1およびバナデートスラブＳが位置するキャビティの中央の方向に拡がる。この時点において、ビームは約500Tにまで拡がっている。スポットサイズはレンズL1およびスラブＳの間においては比較的一定であり、その後、スポットサイズが、バナデートスラブ内の熱レンズ効果によって、キャビティの一番端にある平面鏡M2において比較的大きなスポットにフォーカスされて約120Tのスポット径を有することに留意されたい。Ｑスイッチは、平面鏡M2の前に配置され、ここではスポットサイズは比較的小さい。但し、必ずしもＱスイッチを鏡に直ぐ隣接して配置する必要はない。
LBOダブラ／トリプラ対（それぞれＤおよびＴ）の細いウエスト部（small waist）は、キャビティ内レンズL1および凹面鏡M1の組合せにより形成される。以下でさらに説明するように、約500Tの大きなキャビティモードがNd:YVO4スラブＳ内において維持され、これにより、フォーカスされたダイオードバー（diode bar）によって提供される広いポンプ容積との効率的なモードのオーバーラップが提供される。スラブ内に均一な熱レンズを得るためには、ポンプ容積の選択は重要であり、以下でも説明する。さらに、熱レンズとNd:YVO4との組合せ、およびレンズL1の集光力（focusing power）の一部を用いて、前方鏡M2における第２の細いウエスト部を形成する。音響光学Ｑスイッチを第２のウエスト部の近傍に配置し、これにより、スイッチの高周波（RF）電力要求を低減する。Nd:YVO4スラブによって表されるアパチャー（aperture）に対するキャビティモードサイズの適切な比によってTEM00動作が選択される。先にも示唆したように、キャビティ内ブルースタープリズムＰおよびピックオフミラー（pick−off mirror）M3の組合せにより、基本波放射線と共面に偏光された第３調波が無視できる程度の損失で取り出される。
上記のように、本発明は、結晶がサイドポンピングされるダイオードポンピング（diode−pumped）レーザ結晶を用いている。本発明は、サイドポンピングの新規な方法を用いているので、先ず従来のサイドポンピングを説明して従来技術と本発明との比較の手段を提供することが有用であると考えられる。従来、典型的なサイドポンピングレーザ結晶は、通常、図面の図５において32で図示するようにペンシル状ロッドまたは比較的長い矩形棒の形態をとっていた。中央線34で示すように、キャビティモードは、結晶の中央を長手方向に通過する。矢印36によって示されるポンピング光（pump light）は、通常は片側から入射し、通常何らかのダイオードアレイによって提供される。図6aは、6a−6a面に沿った断面図であり、左側および右側が自由空気に対して解放されている状態で、レーザ結晶32が右側からポンピングされる。点線の円38は、レーザキャビティモードが結晶を通って伝搬することを示唆しており、重要な点は、回折損失（クリッピング損失と呼ばれる場合もある）が起こらないように、キャビティモードを結晶の両側から幾分の距離だけ離さなければならないことである。
図6aの右側において、図6bは、Ｙまたは垂直方向における位置に対するレーザ結晶内の温度のプロットを示す。
図6cもまた位置に関する温度プロファイルを示すが、この場合はＸまたは水平位置に対するものである。
ポンピング光はレーザ結晶32内で吸収され、その吸収のされ方は、レーザ結晶の種類およびネオジムイオンのドーピングに依存する。ポンピング光は片側から優先的に供給されるので、図6aにおいて示唆されるように、その側は比較的熱く、その反対側は比較的冷たくなる。特筆すべき鍵となる特徴は温度プロファイル40を図6cのキャビティモード38の形状と比較した場合、温度は、キャビティモードの右側で比較的高く、キャビティモードの左側で比較的低く、この結果、左側と右側の温度差に起因して熱レンズ効果が極端に非対称的になる。さらに、図6bを参照すると、垂直方向の温度プロファイル42は明らかに、中央部で最高となり、上下冷却面において最低となることが分かる。垂直方向および水平方向におけるこれらの２つの温度プロファイルの正味効果（net effect）によって、垂直方向において強力な円筒形レンズが得られ、および水平方向においては非対称性の高いレンズが得られる。これらの２つの効果によって、キャビティモードサイズを制御することが困難になるとともに、このようなレーザによって生成されるビームの質を制御することが困難になる。この結果、レーザ結晶のサイズおよびポンピングされる容積のサイズに対してキャビティモードサイズを小さくする場合が多く、これにより、レーザの動作およびレーザからのパワーの取出しが非効率的になる。
次に図7a〜図7cを参照して、本発明で使用される種類の結晶は44で図示される。結晶44は、ネオジムバナデート（Nd:YVO4）にネオジムイオンを１パーセント（１％）ドープしたものである。結晶は、横断方向約2mm平方×長さ約10mmである。図7bにおいて示唆されるように、結晶44は、図５に示す従来の結晶同様、その上下面を冷却する機械的クランプ装置内に維持される。以下においてさらに説明するように、ポンピング光は片側からのみ優先的に付与されるので、結晶の右側は比較的熱く、結晶の左側は比較的冷たく、結晶の上下面は、冷却リザーバに直接機械的に接触するため、最も冷たい部分である。端面46および47は約100角度（100 angle）で横断方向に切断されており、これにより、キャビティモードは、結晶を通って伝搬し、面47で屈折し、ポンピングサイド48から反射し、そして最終的にスラブの反対側の端にある面46から出射する。ポンピング発光（pump illumination）のサイズに対するこの内部はね返り（internal bounce）におけるキャビティモードのサイズは、熱的最適化にとって重要である。図7aおよび図7bに図示した結晶の平面図である図7cにおいて、キャビティモード50の左右の端部（extremes）は、結晶44を通って伝搬するモードとして示されている。ポンピング面48は熱く、反対側の面49は冷たいので、結晶を通る平均温度プロファイルは、図7cに示すようになることに留意されたい。図7cにおいて、点線48は結晶44の端面図または断面図を示唆し、点線の円50はキャビティモードに対応する。しかし、結晶の一端から他端まで通過する際に、入射ビームの片側の系路ａ−ｆ、および同様にa'−f'によって記載される系路によって位置が反転し、これにより、結晶の右側は左側に比べて熱いにも関わらず、レーザ結晶の面48におけるはね返りが、ビームの実質的な反転を生じることに留意されたい。この結果、ポンピングがｚ方向において均一である限り、ビームの両側で見られる平均温度が同じになる。
図7dは、図7eのサイドポンピング結晶44の内部ではね返るビーム50の平均化された熱プロファイルとの比較のために、従来のサイドポンピング結晶Ｃの場合のビームＢを通る平均温度プロファイルを示す。この非対称性の低減は、ポンピングプロファイルがｚ方向において均一であり且つキャビティ内ビームがポンピング面48から内部ではね返る点にセンタリングされていることに大きく依存する。
図8aおよび図8bは結晶自体の垂直方向寸法のサイズに対するポンピングプロファイルのサイズを適切に選択することによってさらなる改良が可能であることを示している。図8aにおいて、レーザ結晶の断面図を44で図示する。図8aは、冷却サイド51および52、ポンピングサイド48および自由空気に対して解放された反対サイド49を示している。図8aの右側において、平均化された水平方向および垂直方向の温度プロファイルは、それぞれ54および56で示す。水平方向および垂直方向の熱レンズ効果成分を生成するのはこれらのプロファイルである。水平方向のプロファイルが48からの反射によって対称化されていること、およびこれらのプロファイルが平均温度プロファイルを表していることを特筆することは重要である。平均は、ビーム系路に沿った一連の断面「スライス」の合算からとっている。曲線54および56は、幅狭のポンピングスポット35によって生じる温度プロファイルを記述する。本願において「幅狭」とは、結晶自体の寸法および結晶の右側から左側に向かってポンピングプロファイルが減衰する速度に対して小さいことを意味する。このポンピングプロファイルは、結晶44の垂直方向の寸法に比べて非常に幅狭であり、結晶の右側から左側に向かってポンピングプロファイルが減衰する距離よりも小さい。
図8bにおいて、ポンピングプロファイルは非常に幅広になるように選択され、この例の場合、結晶自体の垂直方向の寸法とほぼ同じ程度に幅広である。再び、右側から左側に向かってポンピングプロファイルが減衰する速度は、実質的に変化しない。なぜなら、このファクタは、使用される特定のレーザ結晶および選択されるポンピング光の特定の波長によって主に制御されるからである。水平方向における温度プロファイルは、概して、ポンピング吸収（pump absorption）制御される。ポンピング吸収は、選択された特定のポンピングレーザ光波長についての吸収係数によって制御される。垂直方向における温度プロファイルは、スポットサイズによって、そして実際には２つの冷却面51および52の間の結晶のサイズに対する選択されたスポットサイズの比によって制御されるが、図8aの幅狭ポンピングスポットサイズによって生じる温度プロファイルを調べてみれば、垂直方向の温度プロファイルは、水平方向の温度プロファイルよりも急速に変化していることが分かる。これは、水平方向よりも垂直方向の方が熱レンズ効果が大きくなり、その結果水平方向および垂直方向面の間で熱レンズ効果の量が非対称になることを示唆している。この熱レンズ効果の非対称性によって、非対称レンズ効果に反作用またはこれを補償するために、キャビティモードのサイズおよび形状またはレーザキャビティ内に配置され得る他の光学要素において反作用非対称性が必要になる。この反対の効果を図8bに示す。図8bにおいて、幅広なポンピングスポット57が垂直方向の温度プロファイル58を生成する。垂直方向の温度プロファイル58は、水平方向の温度プロファイル60と比較してゆっくりと変化する。この概念は、結晶の垂直方向の寸法およびポンピング吸収係数の両方と比較して適切なサイズにポンピングスポットを選択すれば、水平方向および垂直方向寸法において概して対称的な熱レンズ効果プロファイルを生成することができる。結晶の寸法に対する正しいポンピングスポットサイズの計算は、分析的に行うには複雑過ぎ、典型的には、コンピュータモデリングによって行われる。結晶に様々な異なるポンピングスポットサイズを適用して、レーザがどのように動作するかを観察することによって、即ち、レーザ内でどの種類の熱レンズ効果が顕著であるか、およびこの熱レンズ効果がキャビティモードにどのように影響するのかを知ることによって、実験的に行うことも可能である。あるいは、ポンピングされた結晶を、レーザ自体全体から取り外して、これを診断してどの種類の熱レンズ効果プロファイルが結晶内にあるのかを確かめ、これにより、ユーザが、ポンピングスポットのサイズを適切に調節することを可能にすることができる。
要約すると、水平方向の温度プロフィールは、ポンプ吸収（吸収係数）により制御され、垂直方向の温度プロフィールは、スポットサイズにより制御される。これら２つの効果のバランスをとることにより、対称的な熱レンズ効果とより少ない特定の光学系とを必要とする、均一な温度プロフィールをビームプロフィールに亘って得ることができる。
図９を参照すると、結晶44を保持し且つ冷却する好適な実施形態において用いられるアセンブリを62で示す。結晶44が保持される様式は、均一な冷却および均一なポンプ照明を維持するために非常に重要であり、従って、本発明の熱最適化技術の適切な実施にとって重要である。２つの、屈曲形状を有するメカニカルクランプ63および64が、銅板65に調整可能に取り付けられている。クランピング面66および67間には、結晶44と冷却クランプ63および64との間に、応力がなく且つ熱的に均一な接触を供給するインジウム箔68の薄片が設けられている。結晶とクランピング面との間の接触の均一性は、非常に重要である。インジウム箔は柔らかく、クランピング面間のある程度の不規則性が、対をなす表面内の小さい不完全部を充填する傾向のある箔により補償されることを可能にする。結晶を機械加工および製造する場合、不完全部は避けられない。結晶の表面の僅かな不完全部は非常に高価な製造により除去され得るが、別の方法としてそのような不完全部は図示するようにインジウム箔を用いることにより補償され得る。これは言うまでもなく、この特定の機械的接触を行うために他の種類の材料を用いることを排除しないが、インジウム箔が選択されている理由の１つは、インジウム箔が柔らかくて良好な熱伝導体であるからであり、且つインジウム箔が金属であって油ベースまたは何らかの種類のペースト状の物質ではないため、結晶44の光学表面を汚染する可能性がないからである。板65は、好適な実施形態のいくつかの部分において用いられるタイプの熱電冷却器69に取り付けられている。冷却器69は、様々なレーザコンポーネント用の支持表面を形成する冷却された金属板71に典型的に連結される熱リザバ70に取り付けられている。
図10aおよび図10bは、ダイオードバー72がどのようにして結晶44をポンピングするために用いられるかを示す。バー72は、長さ約1cmであって高さ僅か数ミクロンの発光領域74を有し、発光領域は、バーの面の上半分を横断する、ある程度矩形のストライプである。要素76は、ダイオードレーザ光を垂直方向に平行にするために円柱状レンズとして用いられる、直径2mmの溶融シリカロッドである。要素78は、ダイオードバーから発光したレーザ光の偏光を取り込み、光をまず水平面から回転して垂直面にする1/2波長板である。この特定の波長板の追加は、レーザ結晶自体のＣ軸の方向により必要となる。この特定の波長板の追加は、レーザ結晶をポンピングすること自体にとっては重大ではないが、レーザ結晶自体内において最短可能距離で光をポンピングすることを補助する。要素80は、アセンブリを容易にするために切断された従来の球面レンズである。
図10bは、図10aの様々な要素の側面図、および様々なレンズにより、平行にされ、その後再フォーカスされる、ダイオードレーザから発光された光の適切な形状を示す。図示するように、直径2mmのロッドレンズの中心は、ダイオードバー72から約1.5mm離れている。この1.5mmという位置は、レーザ結晶44上のポンピングスポット82の高さを制御することにより調整され得る。球面レンズ80は、比較的長い焦点距離（好適な実施形態においては約25mm）を有し、2mmの焦点距離を有する円柱状レンズ76と25mmの焦点距離を有する球面レンズ80との正味の効果が、スポットサイズを、長さ約1cm且つ高さ僅か数ミクロンから長さ約5mm且つ高さ100Tからおそらく400Tの範囲内で変化させる。
図11において、ダブラおよびトリプラ結晶84および86用のマウントをそれぞれ、88および89として示す。トリプラマウント89がダブラマウント88に対して180度回転すること以外は、２つのマウントは、互いに実質的に同一である。従って簡略化のために、アセンブリの半分のみ（すなわち、ダブラマウント88）を詳細に説明する。ダブラ結晶84はこの図に示すように、約2mm平方であり長さ10mmである。しかし、結晶の長さおよび寸法は、レーザ自体に用いられるように選択されたスポットサイズによってのみ決定される。結晶84は、銅ブロック90上にあり、ねじ92によって適切な位置に安定的に取り付けられたＬ字形状クランプ91によって適切な位置に保持されている。このアセンブリは、熱電冷却器93の上面にあり上記上面に取り付けられている。熱電冷却器93は、屈曲部を有するブラケット形状片94上にあり、ブラケット形状片94は、スライダ95並びにねじ96、97および98と組み合わされて、２つの角度軸φおよびθ回りに結晶84を角度的に調整する調整可能ミラーマウントを構成する。このようなミラーマウントは、レーザの分野では周知であるが、この場合、従来のミラーマウントアセンブリが熱電冷却器と組み合わされて、ダブラおよびトリプラ結晶の温度および角度方位の両方を制御する。さらに、結晶の角度および温度を制御することに加えて、マウントの別の目的は、結晶がレーザ軸99を横断する方向に平行移動することを可能にし、それにより、各結晶の欠陥のない部分が選択され得るようにすることである。この目的のために、両方のアセンブリのスライダが１対の丸いロッド100上にあり、それによりダブラ結晶とトリプラ結晶との両方が平行移動し得、欠陥および泡のない結晶部分を選択するようになっている。
図12を参照して、本発明による位相シフト補償という概念を説明する。この図において、ダブラ101は様々なキャビティ内の基本的および２次的ビームを有するように示されている。基本的および２次的ビームは、左から右に、および右から左に延びている。従って特に、右から左にダブラを通過する基本的ビームを102で示す。この結果ダブラにより生成される第２調波103（右から左へ進む）、帰路の基本的ビーム104（左から右へ進む）、および帰路の基本的ビーム104により生成される第２調波105も共に示す。リサイクルされた第２調波光106は、元々、103として出発するが、ミラー107により反射されて２重化結晶101を介して戻る。基本的ビーム102および第２のビーム103は、空気中での散乱のために互いに位相がずれること、および第２調波と基本的ビームがミラー107に当たるまでには、２つのビーム間に何らかの位相シフトがあること、に留意されたい。この位相シフトは、ダブラ上で用いられる抗反射コーティングまたはミラー107上で用いられるコーティングによって、さらに悪化し得る。いずれにせよ、２つの第２調波ビーム105および106がトリプラ（図12には示さないがダブラ101のすぐ右にある）に到着するまでには、２つの第２調波ビーム間の位相シフトは、トリプラ内で基本的ビームと混合して第３調波を生成する第２調波に何らかの効率の悪さをもたらし得る。
本発明の目的の１つは、この位相シフトを補償する手段を提供することである。比較的予測不可能な様式で、空気中での散乱により引き起こされる位相シフトを補償し得るミラーコーティングが生成され得ることが周知である。いずれかの予測可能な様式でこの位相シフトを補償し得るミラーコーティングを生成することは容易ではないが、比較的均一な様式でミラーコーティングの一方側から他方側まで変化することが知られているミラーコーティングが生成され得る。従って、位相シフトコーティングがミラーの一方側から他方側まで十分な程度変化する場合、キャビティモードは、空気中での散乱による位相シフトを補償し且つダブラ上の抗反射コーティングにより追加され得る位相シフトをも補償するような様式で、様々な部分においてミラーに当たるように選択され得る。しかし、曲面鏡が用いられるため、適切な位相補償特性を有する部分を選択するときにミラーが光学軸の一方側から他方側まで単に平行移動するのであれば、このことはレーザを誤整合させる。このような誤整合を排除するために、専用ミラーマウントに凹面鏡がマウントされている。上記専用ミラーマウントは、ほとんどのレーザミラーマウントに典型的な同一の２つの角度動作を行うが、第３の自由度を有する。第３の自由度は、ミラーマウント全体が、ミラーの曲率中心にある点回りに回動することを可能にする。この動きを図13に示す。図13において、中央部分を、ミラーを示す実線109と、ミラーの摂動位置を示す破線110とによって示す。ミラーの曲率はレーザの整合を維持するために必要な曲率であり且つミラーの許可された動きは、ミラー面上のコーティング111をミラー表面に亘って一方の端部から他方の端部まで移動させることによる曲率中心回りの動きであるため、ミラーの動きは、レーザの整合に影響を与えることなく、適切な位相シフト特性の選択を可能にする。
図14に、上述のマウンティング概念のインプリメンテーションを示す３次元スケッチを示す。当該分野で周知の単純なミラーマウントは、114で示され、マウント114の中心に取り付けられた、109で示すミラーを含む。マウント114は、ピン118によってベースプレート116に対して支持されており、ピン118はベースプレート116内の湾曲したスロットまたはトラック120を介して延びている。スロット120は、点113回りの曲率を有するように、ベースプレート116内に機械加工により形成され、その結果、マウント114がスロット120内で移動するときに、ミラー109を、図13に示す様式で曲率中心112回りに回転させる。
このタイプのレーザにおいて基本的調波と第２調波との間に位相シフトが存在することは従来から周知であり、ミラーコーティングが位相シフトに加算され得る又は位相シフトから減算され得ることは周知であるが、予想可能な様式で位相シフトを補償するために提供された適切な手段はこれまでない。従って、上述のメカニズムは、最適のレーザ出力パワーを達成するために適切なコーティング特性を選択することをうまく可能にする手段に対して長い間感じられていた必要性を満たす。上述の装置は、レーザの整合をひどく乱さないように凹面鏡109を方向付けし直す能力を提供する。それにより、レーザ出力が観察され且つミラーが前の位置よりも良い又は悪い位置まで移動しているか否かという結論に到達し得る最適パワーまで、レーザパワーが迅速に上昇することを可能にする。最終的に選択された位置においてミラーをロックする手段（図示せず）が提供される。
次に図15を参照して、光ビーム122が伝播する市販の音響光学Ｑスイッチ121を支持するためのＱスイッチ取り付けアセンブリを示す。スイッチを動作させるためのRF電力が124に印加される。このRF電力はスイッチ内に蓄積（deposit）されて熱に変換されるが、この熱を除去しなければならない。本アセンブリの目的は、スイッチ121の角度調節および平行移動調節の両方を可能にする手段を提供すること、およびＱスイッチから熱を除去するための冷却プレート71に対する良好な機械的結合を提供することである。スイッチ121は、中心に位置する孔129および少なくとも１つの弓状スロット130を有する第１のプレート128に固定される。弓状スロット130の半径は孔129の中心を通っている。プレート128は第２のプレート132上に載置されている。第２のプレート132は、その上面から突出したピン131を有しており、ピン131が孔129と係合することによりプレート128のプレート132に対する角度的方向付けを可能にしている。ネジ133がスロット130中を通ってネジ山付き孔134中に延びることにより、プレートを互いに固定する。プレート128および132の対向し係合する面は非常に平坦に加工されているため、プレート128のピン131まわりの回転により、スイッチ121の角度θ調節（angular θ−adjustments）を達成することができると同時に、プレート128と132の間に緊密な熱接触が得られる。Ｑスイッチを垂直方向Ｚに平行移動することを可能にするために、プレート132は、１対のくさび形ブロック136および138のうちの上側ブロック136に固定されている。図示のように、ブロック138は、横方向に延びる溝139が横切って延びることにより、くさび136の下面に形成された横方向に延びるさね（tongue）137に嵌合する。この２つの部材は、ブロック136がブロック138の表面上を上下される際にブロックの位置合わせを維持するように機能する。Ｚ軸調節を提供するようにこれらのブロックを相対移動させることはまたスイッチ121をビーム122の軸に沿って平行移動させるが、キャビティモードスポットサイズは平行移動距離にわたってあまり変化しないため、そのような軸方向の平行移動はスイッチの動作に無関係である。プレート128および132の接合面と同様に、プレート136および138の接合面は緊密な許容度まで平坦に加工されていることにより、ブロック138の下にまで通じる良好な熱的接触が維持される。最後に、スイッチ121のＸ方向の平行移動を可能にするため、ブロック138の水平な底面に、Ｘ方向に延び、かつ平坦なブロック144の上面に設けられたさね142と組み合わせられるように調節されたスロット140が設けられている。やはり、ブロック138と144との間に良好な熱的接触が必要であり、これは、係合面の加工において高精度および高平坦性を得ることによって達成される。ブロック144を熱電冷却器146上に係合するように載置することによって、熱電冷却器146がアセンブリから熱を除去してレーザ装置内の全要素に共通である冷却ベースプレート71に蓄積し、熱がアセンブリ全体から抽出される。
上述のように本発明は、イントラキャビティレンズL1および凹面鏡M1の組み合わせにより形成されるLBOダブラ／トリプラ対（それぞれＤおよびＴとする）に、細いウエスト部（約60ミクロン）を用いている。大きなキャビティモード（約500ミクロン）がNd:YVO4スラブＳ内に維持されることにより、フォーカスされたダイオードバーによって提供される幅の広いポンプ容積に対して効率的なモードのオーバーラップが得られる。ポンプ容積の選択は、スラブ内に均一な熱レンズを達成するために重要であり、後出のセクションに説明する。最後に、Nd:YVO4内の熱レンズと、レンズL1の集光力の一部との組み合わせを用いて、平面鏡M2において第２の細いウエスト部を形成している。音響光学Ｑスイッチを第２のウエスト部の近傍に設けている。ウエスト部の近傍に設置することにより、スイッチのRF電力要求が減少する。キャビティモードサイズとNd:YVO4スラブが示す開口との適切な比により、TEM00動作を選択する。
基本放射に対して共平面で偏光される第３調波放射線は、イントラキャビティブルースタープリズム（Brewster prism）ＰおよびビームピックオフミラーM3の組み合わせにより、無視し得る損失をともなって抽出される。ダイクロイックミラーを用いてそのようなミラーコーティングに通常ともなう複雑さおよび光学的損失を減少させる他のスキームに優先して、この紫外線抽出技術を選択した。本技術は、第３調波を基本波から十分に分離することを可能にするためにキャビティ内に若干のスペースを必要とするが、このスペースは利得媒体とダブラ／トリプラ対との間でスポットサイズを大きく異ならせるために有用である。
イントラキャビティレンズL1および凹面鏡M1は、レーザ中においてキャビティの安定性を制御する主要な要素である。従って、バナデートスラブ内において広い範囲の熱レンズパワーが容認可能であり、Nd:YVO4スラブにおけるキャビティモードサイズにわずかな変化のみを誘発し、ダブラ／トリプラウエスト部においてはさらに小さな変化を誘発する。例えば、コンピュータモデリングにより、Nd:YVO4スラブにおけるキャビティモードサイズの変化が10％未満で、熱レンズの焦点距離を200mmから400mmまで変化させ得ることが示される。
ダイオードバーアレイによってポンピングされるスラブ内の利得領域は、通常矩形ブロックの形態をとる。ブロックの長さはダイオードバーの長さによって固定され、ブロックの奥行きはポンプ発光（pump illumination）の吸収深度によって固定され、ブロックの高さはダイオードバーの前に設けられる平行光学系によって決定される。いくつかの実施態様においては、他のスキームにおいては利得領域の奥行きおよび高さはほぼ等しくされ、利得領域は薄いシートの形態をとる。これらのスキームは全て、スラブ中心における所望のTEM00キャビティモードとスラブ側部に近い方の未使用の利得領域との間のオーバーラップが良好でないため、効率が良好でない。利得領域が薄いシートの形態のときは、楕円形キャビティモードを用いることにより効率を改善し得る。しかしこれらの設計は、円筒状のイントラキャビティ素子（レンズまたはミラー）が、これらの楕円形モードを形成しかつ薄いポンピング領域によって発生する非点収差（astigmatic）熱レンズを補償することを必要とし、これによりキャビティの複雑さが増す。従って、本発明の一目的は、ポンプ効率を改善すると同時に対称な熱レンズを維持するスキームを設計することであった。
本設計において、図7a〜7cに示すように、サイドポンピングシステムのポンピング効率は、キャビティモードをスラブ壁部（ポンプ表面として機能している）から内反射させることで、最大ポンプ吸収領域内にキャビティモードを配置することにより、改善される。勿論この技術は、Nd:YVO4などの短いポンプ吸収長を示す材料において特に有用である。本形態において、SDL20ワットダイオードバーからの出力をまず直径が2mmのロッドレンズL3でコリメートした後、25mmのf.l.レンズL2により、約5mm長×1mm幅の矩形状スポットに集光する（1/2波長プレートＷは、ポンプ偏光を回転させてNd:YVO4スラブのｃ軸と整合させる）。ダイオードバー出力の光ビームの質が良好でないため、ダイオードバー出力を5mmよりずっと短い長さのスポットにフォースすることは困難である。従って、矩形状ポンピングスポットの長軸は、スラブ内の反射平面と整合され、TEM00モードのポンプ表面への投射が矩形状ポンピングスポット長にほぼ等しいかわずかに長くなるように、浅い反射角が選ばれる。この内反射はまた、ビームの縦断面（profile）を横切って（反射平面において）現れる本来非対称な熱レンズ（ポンプ表面から離れるに従ってポンプ発光が急速に減少することに起因する）を、対称化する。
ポンピング体積のサイズをスラブ寸法およびポンプ発光の吸収長に比較して慎重に考慮することにより、熱的な非対称性のさらなる改善が得られる。多くの文献に、２つの対向面から冷却された、均一ポンピングスラブレーザにおける熱レンズ効果が記載されている。均一なポンピング負荷および冷却境界条件により、冷却されている面に垂直な平面においてのみレンズパワーを有する、概して円筒状の熱レンズが誘起される。本設計において、Nd:YVO4スラブは、図９に図示したタイプの冷却された実装固定具との緊密な接触により、２つの対向する水平面に沿って冷却される。これらの冷却される面は、同時にイントラキャビティ反射およびポンプ入力に用いられている面に垂直である。もしポンプ吸収長がスラブの幅に匹敵するものであれば、スラブは大きな円筒状の熱レンズを垂直方向に示すであろう。しかし、Nd:YVO4のポンプ吸収長が短いため、ポンプ負荷は非常に不均一であり、ポンピング表面近傍に集中している。この効果を用いて、前述した既に存在する垂直レンズ効果に加えて、水平方向にレンズパワーを追加することが可能である。所与のポンプ吸収長（Ndドーピングおよびポンプライン幅によって設定される）について、コンピュータモデリングにより、ポンピングスポットが狭すぎると垂直方向出力が強すぎる熱レンズが生成され、ポンピングスポットが広すぎると水平方向のレンズパワーに比較して垂直方向出力が不十分な熱レンズが生成されることが示される。適正なポンピングスポット幅で達成されるほぼ対称な熱レンズは、短いキャビティ内において様々なキャビティモードサイズのバリエーションが必要な場合において特に、キャビティ設計を簡素化する。実際、熱レンズをわずかに非点収差となるように仕上げることによって、イントラキャビティブルースタープリズムＰに起因する穏やかな非点収差性を補償してもよい。最後に、いくつかの端部ポンピング構造において用いられるファイバ結合ダイオードアセンブリに比較して、ダイオードバーおよびサイドポンピング光学系はより安価であり、組立および位置合わせがより容易であり、より故障が少ない。
好適な実施態様において、LBOにおける室温の角度調整された位相マッチ化タイプI 2重化およびタイプII 3重化（合計周波数発生）を用いて、第３調波放射線を生成する。図11に示すように、両結晶（長さ10mm）を、それぞれ２本の垂直な回転軸および１本の平行移動軸に沿って調節し得る温度制御プラットホームに実装する。回転により、室温近傍で位相マッチングが達成されることを確実にし、平行移動により結晶のうち欠陥のない部分を選択する。ダブラは第２調波ビームを発生し、これは各端部から出射される。トリプラに最も近いダブラ面から出射するビームは、イントラキャビティでの第２調波と容易に合計され、基本波の第３調波での放射線を発生する。トリプラと反対側のダブラ面から出射するビームは、基本波ビームおよび第２調波ビームの両方を反射するように設計された（このことにより第２調波を再利用する）M1上のミラーコーティングが無ければ、失われてしまう。しかし、ミラーとダブラ／トリプラ対との間の空気路中における散乱のため、第２調波と基本波との間に位相シフトが起こり得、トリプラにおける合計周波数発生の効率を下げてしまう。さらなる位相シフトがダブラ面上のARコーティングにおいて起こり得る。前述したように、この位相シフトは、計算された位相シフトを補償するような特定の設計を有する、M1上の適切なコーティングによって相殺され得る。しかし、基本波と第２調波との間の予想反射位相差を有するコーティングを得ることは困難であり、ダブラ面における潜在的に未知の追加的な位相シフトには対応していない可能性が高い。図13および14に示すように、解決策は、ミラーM1に、位相シフトがミラー面を横切って任意に変化することが知られているコーティングを塗布することである。実際、ミラーの曲率半径が短いためコーティングプロセスにおいてそのようなシフトはほとんど不可避であるが、この位相シフトを特定の方向において高め得る。こうして、イントラキャビティビームが適切な位相シフトでミラーの面の一部に入射するように、ミラーを方向付け得る。この調節は、M1の曲率中心と一致する曲率中心を有する半円形のトラック上のミラーマウントを用いることにより、より容易に可能になる。従って、このトラックに沿ったマウントの運動は、凹面鏡の角度方向をレーザキャビティ内に維持する一方で、イントラキャビティビームをミラーの異なる部分から反射させる。好ましくはミラーは、位相シフト勾配の方向が半円形ミラーマウントトラックの平面に平行であるように方向付けられる。このようにして、レーザキャビティが大きく誤整合を起こすことなく第３調波変換効率が得られるように、ミラーマウントを半円形トラックに沿って調節し得る。
レーザは、密閉され乾燥した、ダイオードバーを含む全ての光学要素を包含する約175mm×450mm×100mmのエンクロージャ中に組み立てられる。密閉エンクロージャにより、室内空気からの汚染物質の堆積に起因する光学的損傷の危険を減少し、本来露点未満であるはずの温度までダイオードバーを冷却することが可能になる。エンクロージャの外部に冷却を行い、様々な内部の電気的要素および光学的要素から熱電冷却器を介して熱を伝導させる。電源および制御電気系は、補助的な19インチのラックスタイルエンクロージャ内に設けられる。最悪条件における全消費電力は約600ワットである。
本発明のレーザシステムは、355nmにおいて２ワットを越える最大平均出力を発生し、100kHz以上の繰り返し速度で動作する。本システムは、20ワットダイオードバーでポンプされたNd:YVO4スラブを用いており、イントラキャビティタイプＩおよびタイプII LBO角度調整２重化および３重化のそれぞれを備えている。本システムの成功に貢献する新規な特徴は、イントラキャビティブルースタープリズムを介した紫外線抽出と、熱レンズの非対称性を減少するようにポンププロファイルを慎重に調整されたNd:YVO4サイドポンピングスラブと、利得媒体中の熱レンズおよび第２調波の再利用のための散乱補償に対して感受性を有さないという固有の性質を有するキャビティとにある。
本発明を特定の実施態様について上述したが、その変更および改変が当業者には当然明らかであることが予測される。例えば、低出力CWレーザアプリケーションにおいては、Ｑスイッチを省略し得る。従って、以下の請求項は本発明の真の趣旨および範囲内に存するそのような全ての変更および改変を包含するものとして解釈されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｅ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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