(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源（４）によって第１周波数（ω1）で生成された第１のレーザビーム（６）を周波数変換するための装置であって、
ａ）前記第１周波数（ω1）と異なる第２周波数（ω2）を有する第２のレーザビーム（８）を生成するための光学的に非線形の第１の結晶体（２）を備え、前記第２のレーザビーム（８）は、前記第１の結晶体（２）を抜け出た後に、前記第１のレーザビーム（６）に対して平行に伝搬し、
ｂ）前記第１および第２のレーザビーム（６，８）から、第３周波数（ω3）を有する少なくとも１つの第３のレーザビーム（１８）を生成する光学的に非線形の第２の結晶体（１０）を備え、前記第３周波数（ω3）は前記第１周波数（ω1）および前記第２周波数（ω2）と異なる周波数であり、
ｃ）前記第１および第２のレーザビーム（６，８）の間の相対ビーム長に影響を及ぼすための光学的な偏向器（１２）を備え、その偏向器（１２）は、
ｄ）前記第１および第２のレーザビーム（６，８）が、前記第２の結晶体（１０）内に入射する前に互いに零と異なる角度（α）で伝搬するように、かつ
ｅ）前記第１および第２のレーザビーム（６，８）が、互いに隔てられて前記第２の結晶体（１０）の入射面（１６）に入射し、前記第２の結晶体（１０）内において同時に共線的な位相整合により交差するように、前記相対ビーム長に影響を及ぼし、
ｆ）前記第２の結晶体（１０）の入射面（１６）が、互いに平行で互いに対向する２つの側面（１７）に対して０°と異なる楔角度（γ）で傾けられている、
装置。
【請求項２】
前記第１のレーザビーム（６）が前記第２の結晶体（１０）内で当該結晶体（１０）の側面（１７）に対して平行に伝搬するように、前記第２の結晶体（１０）の方向が定められている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記光学的な偏向器が、前記第１および第２の非線形結晶体の間において前記第１および第２のレーザビームのビーム通路内に配置された光学素子である、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記光学素子が分散光学素子である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記光学素子が光学的に等方性である、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記光学素子が回折格子であり、偏向が回折によって行われる、請求項３記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源によって第１周波数（基本周波数）で生成された第１のレーザビームを周波数変換するための装置であって、光学的に非線形の２つの結晶体を直列接続することによって、第１周波数で存在するレーザビームから、とりわけ基本周波数の３倍の周波数を有するレーザビームを生成すること（第３高調波発生、ＴＨＧ，Third Harmonic Generation）を可能にする装置に関する。このようにして、レーザによって生成された赤外線レーザビームから、ＵＶ（紫外線）領域にあるレーザビームを生成することができる。３倍の周波数を有するレーザビームを生成するために、光学的に非線形の第２の結晶体内で伝搬し基本周波数で振動するレーザビームが、光学的に非線形の第１の結晶体内で生成された基本周波数の２倍で振動するレーザビームと重なり合うことが必要である。第３高調波発生に必要な放射場と結晶体との非線形の相互作用は、結晶体内で重なり合うレーザビームの強度が相応に高い場合にのみ行われ、そのように高い強度は、一般に非常に小さいビーム横断面積によってしか得られない。
【背景技術】
【０００２】
第２高調波発生（ＳＨＧ，Second Harmonic Generation）の際には、いわゆる非臨界位相整合が可能であり、この非臨界位相整合では、第１周波数で伝搬するレーザビームと、周波数倍増されたレーザビームとが、互いに共線的に伝搬して結晶体の全長で重なり合い、即ち、いわゆる「ウォークオフ」を示さない。これに対して、実際の用途で高出力を発生するために使用可能な非線形結晶体を用いた第３高調波発生もしくは周波数３倍化の際には、このような非臨界位相整合が可能でないので、光学的に非線形の第２の結晶体内で第３高調波発生のために伝搬するレーザビームの「ウォークオフ」を回避することができない。
【０００３】
それにもかかわらず光学的に非線形の第２結晶体内で高い変換効率を達成するために、特許文献１では、光学的に非線形の第１の結晶体と光学的に非線形の第２の結晶体との間に、外部での両レーザビーム間のビーム分離をもたらす複屈折結晶体を配置し、そのもたらされる外部でのビーム分離が光学的に非線形の第２の結晶体における内部の「ウォークオフ」に対して反対方向に向くようにすることが提案されている。
【０００４】
「ウォークオフ」を補償するための代替方法が、例えば特許文献２により公知であり、この特許文献２においては光学的に非線形の第１の結晶体内で臨界位相整合が行われ、これにより引き起こされる「ウォークオフ」が光学的に非線形の第２の結晶体内での「ウォークオフ」補償に利用される。
【０００５】
特許文献３から、付加的に、光学的に非線形の第１の結晶体と、光学的に非線形の第２の結晶体との間に、互いに相対的に正常ビームの伝搬方向に対して垂直に移動可能に配置された２つの複屈折楔形プリズムを配置することによって走行時間差の補償を行うことは公知である。
【０００６】
この公知の装置では、「ウォークオフ」を補償するために、第１および第２のレーザビームが、常に光学的に非線形の第２の結晶体の入射面に対して垂直に互いに隔てられて入射し、第１のレーザビームと第２のレーザビームとの間で臨界共線位相整合が行われる（波動ベクトルは共線的であり、ポインティングベクトルは非共線的である）。
【０００７】
特許文献４においては、「ウォークオフ」を補償するために、第１および第２のレーザビームを光学的に非線形の第２の結晶体への入射前に分離して互いに零とは異なる角度で伝搬させ、両レーザビームを互いに隔てて光学的に非線形の第２の結晶体に入射させることが提案されている。
【０００８】
特許文献５から、第１および第２のレーザビームを、光学的に非線形の第２の結晶体の入射面に対して、異なる入射角で斜めに同一個所で入射させて、該結晶体内で非共線位相整合を行わせることにより、レーザビーム間の「ウォークオフ」を最小化した周波数３倍化装置が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００４３４５２号明細書
【特許文献２】米国特許第５０４７６６８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２４０４９１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１３／００２８２７７号明細書
【特許文献５】米国特許第７２９２３８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
レーザ光源によって第１周波数（基本周波数）で生成された第１のレーザビームを周波数変換するための装置であって、光学的に非線形の２つの結晶体の直列接続によって第１周波数で存在するレーザビームからとりわけ第１周波数の３倍の周波数を有するレーザビームを生成することができ、かつ光学的に非線形の第２の結晶体における「ウォークオフ」を補償することができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴事項を有する装置により解決される。この特徴事項によれば、本装置は、
ａ）第１周波数と異なる第２周波数を有する第２のレーザビームを生成するための第１の光学的に非線形の結晶体を備え、その第１の結晶体を抜け出た後に第２のレーザビームが第１のレーザビームに対して平行に伝搬し、
ｂ）第１および第２のレーザビームから、第３周波数を有する少なくとも１つの第３のレーザビームを生成する光学的に非線形の第２の結晶体を備え、第３周波数は第１周波数および第２周波数と異なる周波数を有し、
ｃ）第１および第２のレーザビームの間の相対ビーム長に影響を及ぼす光学的な偏向器を備え、その偏向器は、
ｄ）第１および第２のレーザビームが、第２の結晶体内に入射する前に互いに零と異なる角度で伝搬するように、かつ
ｅ）第１および第２のレーザビームが、互いに隔てられて第２の結晶体内に入射し、第２の結晶体内において同時に共線的な位相整合により交差するように、前記相対ビーム長に影響を及ぼし、
ｆ）第２の結晶体の入射面が、互いに平行で互いに対向する２つの側面に対して０°と異なる楔角度で傾けられている。
【００１２】
第１および第２のレーザビームが、第２の結晶体内に入射する前に零と異なる角度で、即ち互いに斜めに伝搬するので、第１および第２のレーザビーム間の重なり合いを最適化し、従って光学的な偏向器と第２の結晶体との間の間隔を変化させることによって簡単な方法で周波数変換装置の出力を最適化することができる。このような簡単な最適化は、例えば特許文献１および特許文献３から公知の装置では可能でない。これらの公知の装置では、常に、選択の限られている光学的な構成要素の交換、例えば特許文献１から公知の装置の場合には、光学的に非線形の第１および第２の結晶体の間に配置される複屈折素子の交換が必要である。
【００１３】
本発明による装置の他の利点は、光学的に非線形で異なる長さの第１および第２の結晶体に対して同一の光学的な偏向器が使用できることにある。というのは光学的に非線形の第２の結晶体に対するその光学的な偏向器の距離の変化と、それに伴う当該結晶体の入射面でのビーム分離とによって、常に第１および第２のレーザビーム間の重なり合いを最適化することができるからである。
【００１４】
さらに、第２の結晶体の入射面が０°と異なる楔角度で第２の結晶体の側面の方へ向けられているので、本発明の有利な実施形態では、第２の結晶体の前における第１および第２のレーザビーム間の伝搬角度と前記楔角度とを第２の結晶体の光学特性に合わせて調整すると共に、第１の結晶体内での第１のレーザビームの伝搬方向に対する第２の結晶体の側面の相対的な向きを調整することによって、共線的な位相整合も、第２の結晶体の側面に対して平行に向けられた第２の結晶体内での第１のレーザビームの伝搬も、調整することができる。多くの適用例において周波数がＵＶ領域内にある第３のレーザビームは、動作中に第２の結晶体内でかつ出射個所で劣化を引き起こす。第１のレーザビームが第２の結晶体の側面に対して平行に伝搬し、共線位相整合の際にそれに応じて第３のレーザビームも第２の結晶体の側面に対して平行に伝搬する場合には、第２の結晶体を第１の結晶体の伝搬方向に対して垂直方向にずらすことによって、第２の結晶体の全体ボリュームをほとんど、第２の結晶体内に入射する際の第１および第２のレーザビーム間の間隔にほぼ相当する幅を有する側方の縁領域まで、周波数変換のために利用し尽くすことができる。このようにして第２の結晶体の使用時間が著しく高められる。さらに、より小さくて、従って低コストの第２の結晶体を使用することができる。
【００１５】
格別に簡単な構成は、光学的な偏向器が、第１および第２の非線形結晶体の間において第１および第２のレーザビームのビーム通路内に配置された光学素子、特に分散光学素子である場合に可能にされる。
【００１６】
好ましい実施形態では、光学素子として光学的に等方性の素子が使用される。
【００１７】
光学要素として、他の好ましい実施形態では、偏向が回折によって行われる回折格子を設けることができる。
【００１８】
本発明をさらに説明するために図示の実施例を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図１から図５は、それぞれ本発明による装置の実施例を示す原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１によれば、本発明による装置は光学的に非線形の第１の結晶体２を有する。この結晶体２内において、第１周波数ω1を有するレーザ光源４によって生成されて結晶体２内で伝搬する第１の、好ましくは直線偏光されたレーザビーム６から、第２の直線偏光されたレーザビーム８が生成される。この第２のレーザビーム８は、第１周波数ω1に比べて倍増された第２周波数ω2＝２ω1を有し（ＳＨＧ）、第１のレーザビーム８に対して垂直方向に偏光されている。レーザ光源４は、例えばダイオードポンピング式のＮＤ：ＹＡＧ固体レーザであり、このレーザは波長λ1＝１０６４ｎｍを有する第１のレーザビーム６を生成する。
【００２１】
ここに示した例では、第２高調波発生の際に、いわゆる非臨界共線位相整合が存在し、この非臨界共線位相整合では通常光線である第１のレーザビーム６と異常光線である第２のレーザビーム８とが第１の結晶体２内で重なり合い（ポインティングベクトルが共線であり）、第１もしくは第２のレーザビーム６，８の波動ベクトルｋ1，ｋ2も互いに共線である。
【００２２】
このような非臨界共線位相整合は、例えば波長λ1＝１０６４ｎｍを有する第１のレーザビームをＬＢＯ結晶体内で周波数倍増する場合、約１５０℃の結晶体温度で可能である。
【００２３】
第１の結晶体２には光学的に非線形の第２の結晶体１０が後続配置されており、第１の結晶体２から出射した第１および第２のレーザビーム６，８がこの第２の結晶体１０に入射する。第２の結晶体１０は第３周波数ω3を有する第３のレーザビーム１８を生成する。この例では、第２の結晶体１０として、約６０°の結晶体温度を有するＬＢＯ結晶体が設けられ、このＬＢＯ結晶体により、第１周波数ω1の３倍の周波数ω3（ω3＝３ω1）を有する第３高調波が生成される。
【００２４】
第１の結晶体２と第２の結晶体１０との間には第１および第２のレーザビーム６もしくは８のビーム通路内に光学的な偏向器１２が配置されており、この偏向器１２は、第１のレーザビーム６と第２のレーザビーム８との間の相対的なビーム位置に影響を及ぼし、もしくは当該ビーム位置を変化させる。それによって、第１および第２のレーザビーム６もしくは８は、第２の結晶体１０に入射する前に互いに零と異なる角度αで伝搬し、光学的な偏向器１２の方を向いている第２の結晶体１０の入射面１６に、互いに距離ａだけ隔てられて９０°と異なる角度で入射する。さらに、第２の結晶体１０の入射面１６は、互いに平行にかつ図紙面に対して垂直方向に向けられた互いに対向する第２の結晶体１０の側面１７の方に向かって０°と異なる楔角度γだけ傾けられており、かくして第２の結晶体１０内において第１のレーザビームが側面１７に対して平行方向に伝搬することが可能にされる。
【００２５】
この実施例において、偏向器１２は、互いに斜めに向けられた入射面１４ａおよび出射面１４ｂを有する分散光学素子１４からなり、ここに示す例では、第１の結晶体２から出射する第１および第２のレーザビーム６もしくは８の伝搬方向に対して垂直に向けられた入射面１４ａと、これに対して楔角度βだけ傾けられた出射面１４ｂとを有する楔形プリズムからなる。第１および第２のレーザビーム６もしくは８に対する互いに異なる屈折率に基づいて、第１および第２のレーザビーム６もしくは８は異なる屈折もしくは偏向をもたらされる。この実施例において分散光学素子１４は光学的に等方性であるので、ビーム偏向は、もっぱら、レーザビーム６，８が零とは異なる入射角（面法線とレーザビームとの間の角度）で入射する境界面での屈折によって行われる。
【００２６】
光学素子１４によって生成された第１および第２のレーザビーム６もしくは８の角度αだけの分離および第２の結晶体１０の入射面の楔角度γは、両レーザビーム６，８に対して異なる第２の結晶体１０の屈折率を考慮して、第１のレーザビーム６の波動ベクトルｋ1が第２のレーザビーム８の波動ベクトルｋ2に対して共線的であるように互いに調整されている（共線位相整合）。さらに、第２の結晶体１０内では、（通常光線である）第１のレーザビーム６のポインティングベクトルＳ1および波動ベクトルｋ1が、第１の結晶体２内におけると同様に共線的である。しかし、このような共線性は第２のレーザビーム８にとって可能でない。このことは、第１および第２のレーザビーム６，８がもはや互いに平行に伝搬しないこと、即ち第２のレーザビーム８のポインティングベクトルＳ2が第１のレーザビーム６のポインティングベクトルＳ1に対して「ウォークオフ」角度δで斜めに向けられることをもたらす。
【００２７】
付加的に光学素子１４と第２の結晶体１０との間の距離ｄは、与えられた「ウォークオフ」角度δにおいて、第１および第２のレーザビーム６，８間の入射面１６での間隔、つまり空間的ビーム分離ａが、次のことをもたらすように設計されている。即ち、第１および第２のレーザビーム６もしくは８が、第２の結晶体１０内において交差すること、好ましくは入射面１６と出射面２０との間の中間で、即ち第１のレーザビーム６が第２の結晶体１０内で進行する行程のほぼ半分の区間の後に交差することである。
【００２８】
第２の結晶体１０内では、非線形光学プロセスによって第１周波数ω1の３倍である第３周波数ω3を有する第３のレーザビーム１８が生成され（ω3＝３ω1）、第３のレーザビーム１８のポインティングベクトルＳ3および波動ベクトルｋ3は、（通常光線である）第１のレーザビーム６のポインティングベクトルＳ1および波動ベクトルｋ1に対して共線的である。
【００２９】
図１の例では、分散光学素子１４が光学的に等方性である。この代わりに、第１の結晶体２内で非臨界位相整合が行われるこの実施例において、第１および第２のレーザビーム６，８の互いに斜めに向けられた伝搬を発生させるために、光学的に等方性の分散光学素子の代わりに、光学的に異方性の複屈折光学素子を使用することもできる。
【００３０】
図２の実施例では、分散光学素子１４の代わりに、第１および第２のレーザビーム６，８の分離が回折により行われる回折格子が設けられている。この実施例においても、第１の結晶体内で非臨界位相整合が行われので、レーザビーム６，８は回折格子後にはじめて異なる方向に伝搬し（角度分離α）、その結果レーザビーム６，８は互いに分離し、それに応じて隔てられて、互いに異なる入射角で入射面１６に入射する。
【００３１】
図３の実施例では、光学素子１４が光学的に異方性の複屈折光学素子である。この実施例の場合、第１および第２のレーザビーム６もしくは８の異なる伝搬方向は、レーザビームの伝搬方向に対して傾けられた境界面における分散により引き起こされる異なる屈折によっても複屈折によっても引き起こすことができる。図示の実施例では、第１の結晶体２内において第２のレーザビーム８の「ウォークオフ」により臨界共線位相整合が行われるので、第１および第２のレーザビームは第１の結晶体２と光学素子１４との間において互いに隔てられて互いに平行に伝搬する。光学素子１４は平らな入射面を有する楔形プリズムであり、この楔形プリズムは異常光線である第２のレーザビーム８を偏向する。第１および第２のレーザビーム６，８は光学素子１４から出射する際に異なる屈折を受ける。基本的には、第１の結晶体２内で行われる臨界位相整合の際に、複屈折光学素子１４の代わりに、光学的に等方性の分散光学素子を使用することもできる。
【００３２】
図１乃至３による実施例では、第２の結晶体１０の側面１７が第１および第２のレーザビーム６，８の伝搬方向に対して平行に向けられており、従って模式化および理想化されて楔角度βおよびγと、光学素子１４および第２の結晶体１０の屈折率とが、次のように互いに調整されている状態が示されている。即ち、さらに第２の結晶体１０内における第１および第２のレーザビーム６もしくは８の波動ベクトルｋ1およびｋ2が、第１の結晶体２内における第１および第２のレーザビーム６もしくは８の伝搬方向もしくは波動ベクトルｋ1およびｋ2に対して平行に向けられるように、互いに調整されている。
【００３３】
図４には、図１乃至３に示した実施形態とは違って、側面１７が第１および第２のレーザビーム６，８の伝搬方向に対して傾斜させられた実施形態が示されている。図４による側面１７の斜めの向きは、光学素子１４の屈折率および第２の結晶体１０の屈折率が異なる場合に必要であり、そのように屈折率が異なることは実際に光学素子１４のために通常使用される原材料を使用する場合に通例のことである。この場合に、波動ベクトルｋ1およびｋ2の共線性は、これらの波動ベクトルが、従って第２の結晶体１０の側面１７が、伝搬方向ｋ0に対して零と異なる角度に向けられている場合にのみ可能である。ここに示す例では、光学素子１４として楔角度β＝１２．５６°を有する石英ガラス（λ＝１０６４ｎｍに対してｎ＝１．４４９の屈折率、λ＝５３２ｎｍに対してｎ＝１．４６０の屈折率）と、第２の結晶体１０としてＬ＝１８ｍｍおよび楔角度γ＝３°を有するＬＢＯ結晶（６０°）（λ＝１０６４ｎｍに対してｎ＝１．５６５の屈折率、λ＝５３２ｎｍに対してｎ＝１．６１３の屈折率）と、第２の結晶体１０の中間部において両レーザビーム６，８が「交差する」こと（「ウォークオフ」角度δ＝９．５４ｍｒａｄ）という条件とを用いるならば、必要なビーム分離としてａ＝８５．８μｍがもたらされ、間隔としてｄ＝３４．２ｍｍがもたらされる。この場合に、第２の結晶体１０内での第１のレーザビーム６の伝搬方向は、第１の結晶体２内での伝搬方向に対して鋭角σ＝３．９５°で経過する。
【００３４】
第１および第２のレーザビームが第２の結晶体１０への入射前に互いに零でない角度で伝搬し、第２の結晶体内において同時に共線的な位相整合の際に交差するように、第１のレーザビームと第２のレーザビームとの間の相対ビーム位置を調整するという代替可能性が図５に示されている。この実施例では、偏向器１２が、この例では部分透過性のミラーにより示されたビームスプリッタ３０を含み、このビームスプリッタ３０は、レーザ光源４によって生成された第１のレーザビーム６の一部分６ａを取り出す。この取り出されたレーザビーム６の一部分は、本例では偏向ミラー３２ａ〜３２ｃにより示されたビーム案内装置を介して、第１の結晶体２の脇を通して案内され、第１の結晶体２と光学素子１４との間において、第１の結晶体２内で生成された第２のレーザビーム８に改めて重ね合わされる。他の部分６ｂは、第１の結晶体２内に第２高調波を発生させるべく入射させられ、第２の結晶体２を抜け出た後に第２のレーザビーム８に対してのみ透過性の二色性ミラー３４により取り出される。この場合にも、角度α、ビーム分離ａおよび第２の結晶体１０の入射面１６の向きは、第１および第２のレーザビーム６，８が第２の結晶体１０内で交差するように互いに調整されている。このような装置の場合には、図５に楔形プリズムとして示した光学素子１４の使用が基本的にもはや必要でない。というのは、第２の結晶体１０の前に伝搬する第１および第２のレーザビーム６，８間の角度を任意に調整することができるからである。さらに、図５に示されたビーム分割およびビーム偏向は、ファイバ光学素子によっても行うことができる。
【００３５】
本発明による装置は、基本的に他のレーザ形式、例えばファイバレーザ又はガスレーザによっても実現することができる。さらに、他のレーザ活性材料、例えばＮｄ：ＹＶＯ、Ｙｂ：ＹＡＧも、これらに限定されることなく使用することができる。同様に、他の非線形結晶体、例えばＢＢＯ結晶体、ＫＴＰ結晶体、ＣＬＢＯ結晶体又はＢｉＢＯ結晶体も、同様にこれらに限定されることなく使用することができる。同様に、分散素子１４は、例えばホウケイ酸ガラスＢＫ７から成っていてもよい。レーザ４は、ＣＷレーザ、モードロックレーザ又はパルス動作形の、例えばＱスイッチレーザであるとよい。
【００３６】
さらに、本発明による装置は、第３高調波発生に限定されず、第１のレーザビームと第２のレーザビームとの間の「ウォークオフ」の補償が必要である他の非線形光学プロセスにおいても第３のレーザビームを生成するために使用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
２          第１の結晶体
４          レーザ光源
６          第１のレーザビーム
８          第２のレーザビーム
１０        第２の結晶体
１２        光学的な偏向器
１４        光学素子
１４ａ      入射面
１４ｂ      出射面
１６        入射面
１７        側面
１８        第３のレーザビーム
２０        出射面
３２ａ      偏向ミラー
３２ｂ      偏向ミラー
３２ｃ      偏向ミラー
３４        二色性ミラー
ａ          ビーム分離
ｄ          距離
ｋ1〜ｋ3   波動ベクトル
Ｓ1〜Ｓ3   ポインティングベクトル
Ｌ          長さ
α          角度
β          楔角度
γ          楔角度
δ          ウォークオフ角度
σ          鋭角
【図１】
0006055925.tif 000002
【図２】
0006055925.tif 000003
【図３】
0006055925.tif 000004
【図４】
0006055925.tif 000005
【図５】
0006055925.tif 000006