(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い損傷閾値を有するレーザ周波数変換のための装置であって、
基本波長のレーザ光を発生させるように構成される基本レーザ光源と、
前記基本レーザ光源から基本レーザ光を受光するように構成される第１の非線形光学結晶であり、受光した前記基本レーザ光の少なくとも一部を第１の第二次波長の光に周波数変換することによって第１の第二次波長の光を発生させるように構成される第１の非線形光学結晶と、
前記第１の非線形光学結晶から第１の第二次波長の光を受光するように構成される第２の非線形光学結晶であり、受光した前記第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光に周波数変換することによって第２の第二次波長の光を発生させるように構成される第２の非線形光学結晶と、 
前記第２の非線形光学結晶から第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を受光するように構成される一組のブリュースター角波面処理光学系であり、前記第２の非線形光学結晶からの前記第１の第二次波長の光と前記第２の第二次波長の光を調整するようにさらに構成される一組のブリュースター角波面処理光学系と、
前記一組のブリュースター角波面処理光学系から第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を受光するように構成される高調波セパレータであり、前記第１の第二次波長の光を前記第２の第二次波長の光から少なくとも部分的に分離するように構成される高調波セパレータと、
を備える装置。
【請求項２】
前記第１の非線形光学結晶が第２の高調波発生のために構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の非線形光学結晶が第２の高調波発生のために構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の非線形光学結晶から第２の第二次波長の光を受光するように構成される付加的な非線形光学結晶であり、受光した前記第２の第二次波長の光の少なくとも一部を付加的な第二次波長の光に周波数変換することによって第二次波長の光を発生させるように構成される付加的な非線形光学結晶、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記基本レーザ光を前記第１の第二次波長の光から分離するように構成される１つ又は複数のダイクロイック高調波分離要素であり、前記第１の第二次光の少なくとも一部を前記第２の非線形光学結晶に誘導するように構成される１つ又は複数のダイクロイック高調波分離要素、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が少なくとも１つのレンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのレンズが少なくとも１つの溶融石英レンズ又は少なくとも１つのフッ化カルシウムレンズを含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が第１のレンズ及び第２のレンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のレンズの表面又は前記第２のレンズの表面が円筒形の表面を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が、前記第１の第二次波長の光又は前記第２の第二次波長の光のうちの少なくとも１つにおける非点収差を調節するために前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の分離を調節するように構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が、前記第１の第二次波長の光又は前記第２の第二次波長の光のうちの少なくとも１つにおける非点収差を補正するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が、前記第１の第二次波長の光又は前記第２の第二次波長の光のうちの少なくとも１つを合焦するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が、前記第１の第二次波長の光又は前記第２の第二次波長の光のうちの少なくとも１つを平行にするように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記一組のブリュースター角波面処理光学系が、前記第１の第二次波長の光又は前記第２の第二次波長の光のうちの少なくとも１つにおける収差の影響を補正するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記高調波セパレータが高調波分離要素を含み、前記高調波分離要素が、第１のブリュースター角表面、内部全反射（ＴＩＲ）表面、及び第２のブリュースター角表面を有し、前記ＴＩＲ表面が前記第１のブリュースター角表面と前記第２のブリュースター角表面との間にある、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＴＩＲ表面が湾曲したＴＩＲ表面を含み、前記湾曲したＴＩＲ表面が前記ＴＩＲ表面から反射された光を合焦するように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＴＩＲ表面の湾曲によってもたらされる収差を補償するために前記第１のブリュースター角表面又は前記第２のブリュースター角表面のうちの少なくとも１つが湾曲される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＴＩＲ表面の湾曲によってもたらされる収差を補償するように構成されるブリュースター角要素をさらに備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
一組のブリュースター角波面処理光学系は少なくとも１つのレンズを含み、前記１つのレンズが、少なくとも１つの溶融石英レンズ又は少なくとも１つのフッ化カルシウムレンズを含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記高調波セパレータが第１の高調波分離要素及び第２の高調波分離要素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記高調波セパレータが高調波分離要素及びブリュースター角要素を含み、前記ブリュースター角要素が、第１の高調波分離要素から第１の波長の光及び第２の波長の光を受光するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
高い損傷閾値を有するレーザ周波数変換のための装置であって、
基本波長のレーザ光を発生させるように構成される基本レーザ光源と、
受光したレーザ光の少なくとも一部を第二次波長の光に周波数変換することによって第二次波長の光を発生させるように構成される少なくとも１つの非線形光学結晶と、 
前記非線形光学結晶から基本波長の光及び第二次波長の光を受光するように構成される一組のブリュースター角波面処理光学系であり、前記非線形光学結晶から出る前記基本波長の光及び前記第二次波長の光を調整するようにさらに構成される一組のブリュースター角波面処理光学系と、
前記一組のブリュースター角波面処理光学系から基本波長の光及び第二次波長の光を受光するように構成される高調波セパレータであり、前記基本波長の光を前記第二次波長の光から少なくとも部分的に分離するように構成される高調波セパレータと、
を備える装置。
【請求項２３】
高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための方法であって、
基本レーザ光源を提供すること、
前記基本レーザ光源を使用して基本波長のレーザ光を発生させること、
第１の非線形光学結晶を使用して前記基本波長のレーザ光の少なくとも一部を第１の第二次波長の光に周波数変換することによって第１の第二次波長の光を発生させること、
第２の非線形光学結晶を使用して前記第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光に周波数変換することによって第２の第二次波長の光を発生させること、
ブリュースター角波面処理光学系を使用して前記第１の第二次波長の光及び前記第２の第二次波長の光を調整すること、
第１のブリュースター角表面、内部全反射表面、及び第２のブリュースター角表面を有する高調波分離要素を含む高調波セパレータを使用して前記第１の第二次波長の光の少なくとも一部を前記第２の第二次波長の光から分離すること、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、以下に列挙した出願（「関連出願」）に関連するものであり、且つ該出願からの最先の効力のある有効出願日の利益を主張するものである（例えば、特許仮出願以外に対する最先の効力のある優先日を主張する又は特許仮出願に対する、関連出願のいずれかの及びすべての親、その親（ｇｒａｎｄｐａｒｅｎｔ）、そのまた親（ｇｒｅａｔ−ｇｒａｎｄｐａｒｅｎｔ）出願などに対する３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）の下での利益を主張するものである）。
【０００２】
関連出願
ＵＳＰＴＯ法定外要件のため、本出願は、発明者としてＪｏｓｅｐｈ  Ａｒｍｓｔｒｏｎｇの名で２０１０年１１月１４日に出願された出願整理番号第６１／４１３，４６９号の「Ｈｉｇｈ  Ｄａｍａｇｅ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許仮出願の通常の（非仮）特許出願を構成する。
【０００３】
本発明は、一般に、半導体ウェーハ又はフォトマスク検査システム、より詳細には、高い損傷閾値を有する周波数変換システムの照射器での実装に適した周波数変換される光源に関する。
【背景技術】
【０００４】
半導体デバイス及びコンポーネントの寸法が減少し続けるのに伴い、高いスループットを呈する半導体ウェーハ及びフォトマスク検査システムと分解能の改善に対する要求が増加し続ける。半導体及びフォトマスク検査システムでより高いレベルの分解能が得られる１つの方法は、より短波長の光を放出することができる照射源の利用を含む。
【０００５】
或る実用上の利点は、４００ｎｍ以下の波長を有する光でウェーハ又はレチクルを照らすときに達成される場合がある。高品質のウェーハ及びフォトマスク検査システムに適したレーザの提供は、特定の課題を与える。深紫外（ＤＵＶ）光エネルギーを発生させることができる従来のレーザは、典型的に大きく、高価であり、比較的短い寿命及び低い平均パワー出力に悩まされる。適切なスループット及び欠陥信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を得るために、ウェーハ及びフォトマスク検査システムは、一般に、高い平均パワー、低いピークパワー、及び比較的短い波長を有するレーザベースの照射源を必要とする。
【０００６】
慣習的に、適切なＤＵＶパワーを提供するための第一方法は、本明細書では「周波数変換」と呼ばれる、長波長の光をより短波長の光に変換することを伴う。より長波長の光からより短波長への周波数変換は、１つ又は複数の非線形光学結晶を使用してしばしば達成されることが当該技術分野ではよく知られている。これに関連して、周波数変換は、所与の非線形光学結晶における非線形応答をもたらすために高いピークパワーの光を必要とする。このプロセスの効率を増加させるために、より長波長の光は、高い平均パワー、短い光学パルスを有するように発生させられる場合があり、光学結晶に合焦される場合がある。オリジナルの「より長波長の」光は、通例「基本光」と呼ばれる。
【０００７】
４００ｎｍを下回る、特に３００ｎｍを下回る波長で光を発生させることは挑戦的である。半導体検査システムに実装される光源は、比較的高いパワー、長い寿命、及び安定した性能を必要とする。進歩した検査技術に対するこれらの要件を満たす光源は、従来技術には存在しない。現在のＤＵＶ周波数変換されるレーザの寿命、パワー、及び安定性は、実装される周波数変換結晶及び周波数変換スキームによって一般に制限される。これは、限定はされないが３５５、２６６、２１３、及び１９３ｎｍのようなＤＵＶ波長に露出される非線形変換結晶では特にそうである。
【０００８】
多くの検査用途は、周波数変換されるレーザのパワー又は波面が経時的に安定なままであることを必要とする。ハイパワー照射への露出の結果としての光学コーティングの劣化に起因して、パワー及び波面の経時的安定性を維持することは挑戦的である。これは、所与の周波数変換システムのＵＶ−ＤＵＶ部分における光学コーティングでは特にそうである。これらの光学要素は、典型的にシフトされないため、それらは典型的に１０，０００時間、さらには２０，０００時間を超えるレーザ寿命にわたって生き延びなければならない。３５０ｎｍを下回るＤＵＶでのミラーは、典型的におよそ１００Ｗ／ｃｍ２のパワー密度、２５０ｎｍ未満の波長に対してはより一層低いパワー密度に制限される。この制約は、光学コーティング上のパワー密度を低減させるためにレンズ及びミラーのような光学部品が周波数変換結晶から遠くに配置されることを強制する。０．５Ｗを超えるパワーレベルをもつＵＶレーザの場合には、この要件は、実現されないほどより大きいレーザシステムにつながる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３３８５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、それゆえ、周波数変換システムのＵＶ−ＤＵＶ部分に、経時変化することなく非常に高いパワー密度に耐えることができる光学系を有することが望まれる。これらの光学系は、最小量の迷光をもたらす関心ある所与の波長範囲にわたって効率的なものとなることも望まれる。これらの要件を満たすことで、実装するレーザの寿命が延び、作動コスト及びレーザのメンテナンス時間が減少し、レーザ全体の信頼性が増加する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
高い損傷閾値を有するレーザ周波数変換のための装置が開示される。一態様では、装置は、基本波長のレーザ光を発生させるように構成される基本レーザ光源と、基本レーザ光源から基本レーザ光を受光するように構成される第１の非線形光学結晶であり、受光した基本レーザ光の少なくとも一部を第１の第二次波長の光に周波数変換することによって第１の第二次波長の光を発生させるように構成される第１の非線形光学結晶と、第１の非線形光学結晶から第１の第二次波長の光を受光するように構成される第２の非線形光学結晶であり、受光した第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光に周波数変換することによって第２の第二次波長の光を発生させるように構成される第２の非線形光学結晶と、第２の非線形光学結晶から第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を受光するように構成される一組のブリュースター角波面処理光学系であり、第２の非線形光学結晶からの第１の第二次波長の光と第２の第二次波長の光を調整するようにさらに構成される一組のブリュースター角波面処理光学系と、一組のブリュースター角波面処理光学系から第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を受光するように構成される高調波セパレータであり、第１の第二次波長の光を第２の第二次波長の光から少なくとも部分的に分離するように構成される高調波セパレータを備える。
【００１２】
別の態様では、装置は、基本波長のレーザ光を発生させるように構成される基本レーザ光源と、受光したレーザ光の少なくとも一部を第二次波長の光に周波数変換することによって第二次波長の光を発生させるように構成される少なくとも１つの非線形光学結晶と、非線形光学結晶から基本波長の光及び第二次波長の光を受光するように構成される一組のブリュースター角波面処理光学系であり、非線形光学結晶から出る基本波長の光及び第二次波長の光を調整するようにさらに構成される一組のブリュースター角波面処理光学系と、一組のブリュースター角波面処理光学系から基本波長の光及び第二次波長の光を受光するように構成される高調波セパレータであり、基本波長の光を第二次波長の光から少なくとも部分的に分離するように構成される高調波セパレータを備える。
【００１３】
高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための方法が開示される。一態様では、方法は、基本レーザ光源を提供すること、基本レーザ光源を使用して基本波長のレーザ光を発生させること、第１の非線形光学結晶を使用して基本波長のレーザ光の少なくとも一部を第１の第二次波長の光に周波数変換することによって第１の第二次波長の光を発生させること、第２の非線形光学結晶を使用して第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光に周波数変換することによって第２の第二次波長の光を発生させること、ブリュースター角波面処理光学系を使用して第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を調整すること、第１のブリュースター角表面、内部全反射表面、及び第２のブリュースター角表面を有する高調波分離要素を含む高調波セパレータを使用して第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光から分離することを含む。
【００１４】
上記の概要と以下の詳細な説明との両方は、単なる例示及び解説であって、特許請求される本発明を必ずしも制限するものではないことが理解される。本明細書に組み込まれ及びその一部をなす付属の図面は、本発明の実施形態を例証し、概要と共に本発明の原理を解説するのに役立つ。
【００１５】
添付の図面を参照することで、本開示の多数の利点が当業者により良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のブリュースター角二波長波長板の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のブリュースター角二波長波長板の概略図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のブリュースター角二波長波長板の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のブリュースター角二波長波長板の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の一組のブリュースター角波面処理光学系の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の一組のブリュースター角波面処理光学系の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の高調波セパレータの概略図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の高調波セパレータの概略図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の高調波セパレータの概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置の高調波セパレータの概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための装置のデュアルブリュースター角出力窓の概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
付属の図面で例証される開示された主題への言及をここで詳細に行う。
【００１８】
図１から図１１までを概して参照しながら、本発明に係る高い損傷閾値をもつ周波数変換システムが説明される。
【００１９】
本開示は、小波長（例えば、４００ｎｍを下回る）でのハイパワー照射に耐えることができるレーザ周波数変換のためのシステムに向けられる。４００ｎｍ未満の波長で高いビームパワーをもたらすために、複数の周波数変換段と組み合わされた基本光源が典型的に用いられる。連続的な又は準連続的な光の周波数変換は、使用される非線形結晶内の非常に小さいスポットに光が合焦されることをしばしば必要とする。周波数変換結晶に近接した光学系、特に、４００ｎｍ未満の波長で光が生じる領域での光学系は、反射防止、反射、及び高調波分離のために用いられる光学コーティングの顕著な劣化に悩まされる可能性がある。１０，０００時間の寿命に対する典型的な損傷閾値は、３０〜１００ワット／ｃｍ２であり、２５０ｎｍを下回る波長に対してはかなり低い場合がある。直径１ｍｍのビームにおいて１Ｗのパワーをもたらす保守的に構成されたレーザは、１２７Ｗ／ｃｍ２のパワー密度に対応する。さらに、パルスレーザによってもたらされる高いピークパワーは、コーティング寿命をさらに短くする可能性がある。対照的に、コーティングされていない光学系は、しばしばバルク材料のものに近い表面損傷閾値を有する。ＵＶ−ＤＵＶ範囲内では、これは典型的に光学コーティングよりも数桁大きい。
【００２０】
本発明の目的は、光学コーティングのない状態で作動する周波数変換されるレーザシステムを提供することである。本発明の周波数変換されるレーザシステムは、限定はされないが、ブリュースター角二波長波長板、ブリュースター角レンズ、及びブリュースター角−内部全反射（ＴＩＲ）高調波分離要素を含む種々の新規な光学的手法を含む。改善された損傷閾値に加えて、本開示を通して説明される種々の光学要素の実装はまた、システムに伴う迷光の減少、所望の波長にわたる１００％理論効率、及び損傷閾値の劇的な増加に起因するシステムサイズの減少を提供する可能性があることがさらに考慮される。さらに、光学コーティングが使用されないため、システムは、ガラス又は結晶材料を透過することができるあらゆる所望の波長で働くように容易に修正される可能性がある。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつ周波数変換システム１００のブロック図を例証する。一態様では、システム１００は、基本波長（例えば、ωの波長）のレーザ光１０３を発生させるように構成される基本レーザ光源１０２、基本レーザ光１０３を受光し且つ基本光１０３の少なくとも一部を第１の第二次波長の光１０５（例えば、２ωの波長を有する光）に周波数変換するように構成される第１の非線形光学結晶１０４、及び第１の光学結晶１０４によって発生させられた第１の第二次波長の光１０５を受光し且つ第１の第二次波長の光１０５の少なくとも一部を第２の第二次波長の光１１１（例えば、４ωの波長を有する光）に周波数変換するように構成される第２の非線形光学結晶１１０を含んでもよい。さらなる態様では、システム１００は、第１の非線形光学結晶１０４から出る基本光１０３及び第１の第二次光１０５を分離するように構成される一組のダイクロイック高調波分離光学系１０６を含んでもよい。別の態様では、システム１００は、回転後に、第１の第二次波長の光１１３と第２の第二次波長の光１１５が実質的に同じ偏光を有するように第１の第二次波長の光１０５の偏光を第２の第二次波長の光１１１に対して回転させるように構成されるブリュースター角二波長波長板１１２を含んでもよい。さらなる態様では、システム１００は、二波長波長板１１２による処理後に第１の波長の光１１３及び第２の波長の光１１５を調整する（例えば、合焦する、平行にする、補正するなど）ように構成される一組のブリュースター角波面処理光学系１１４を含んでもよい。別の態様では、システム１００は、波面処理光学系１１４から出た後の第２の第二次波長の光１１９（例えば、４ω）から第１の第二次波長の光１１７（例えば、２ω）を分離するように構成される一組の高調波分離光学系１１６を含んでもよい。本開示の全体を通して、「高調波分離光学系」という用語は、「高調波セパレータ」と交換可能に用いられることを出願人は特筆する。さらに、システム１００は、第２の第二次波長の光１２１をシステム１００の内部から選択された対象１２０に伝送するように構成される１つ又は複数のブリュースター角出力窓１１８を含んでもよい。
【００２２】
一般的な意味で、基本レーザ光源１０２は、当該技術分野では公知のあらゆるレーザ光源を含んでもよい。基本レーザ光源１０２の波長の特定の選択は、限定はされないが、第１の非線形光学結晶１０４又は第２の非線形光学結晶１１０の非線形応答によって発生させられた第二次波長の光の所望の出力波長を含む種々の因子に依存する可能性がある。
【００２３】
さらに、システム１００の第１の非線形光学結晶１０４及び第２の非線形光学結晶１１０は、当該技術分野では公知のあらゆる非線形光学結晶を含んでもよい。非線形光学結晶の特定の選択は、限定はされないが、光学結晶１０４、１１０の非線形応答によって発生させられた第二次波長の光の所望の出力波長を含む種々の因子に依存する可能性がある。この意味で、基本レーザ光源１０２と光学結晶１０４及び１１０の選択は、典型的に併せて行われ、この場合、基本レーザ光源１０２と第１の非線形光学結晶１０４及び第２の非線形光学結晶１１０の特定の組合せは、該セットが第二次波長の光１１１の所望の出力をもたらすように選ばれる。基本光源１０２、光学結晶１０４及び１１０、若しくは第１の発生させられる第二次波長の光１０５又は第２の発生させられる第二次波長の光１１１の特定の選択は限定するものではなく、上記のあらゆる選択は本発明の範囲内であることが当業者には認識されるであろう。
【００２４】
本発明の一実施形態では、第１の非線形光学結晶１０４から出る第１の第二次波長の光１０５から基本波長の光１０３を分離するように構成されるダイクロイック分離光学系１０６は、ダイクロイックミラーを含んでもよいがこれに限定されない。このように、ダイクロイックミラーは、第１の第二次光１０５を第２の非線形光学結晶１１０に誘導しながら、基本光１０３をビーム・ダンプ１０８に伝送するように配置されてもよい。しかしながら、この説明は限定するものではなく、本発明の範囲内で多くの他の周波数分離技術が使用されてもよいことが認識されるであろう。第１の第二次波長の光１０５から基本波長の光１０３を分離するためにコーティングされていない光学系が用いられてもよいことが本明細書で認識されるが、第１の第二次波長の光１０５（例えば、第２の高調波光）は４００ｎｍを上回る可能性が高いことが予想される。このサイズの波長で、光学コーティングは、典型的に、適切な損傷閾値を提供する。
【００２５】
図１に示された構成は第２の高調波発生に適しているが、他のタイプの周波数変換又は周波数混合プロセスが本発明の範囲内で実装されてもよいことが本明細書で認識される。
【００２６】
本発明は、選択された周波数変換されるビーム（例えば、４ωの周波数を有するビーム）を切り離すために、第１の第二次波長のビーム１０５と第２の第二次波長のビーム１１１を、それらが第２の非線形光学結晶１１０から出た後でその差異で分離する及び同時に伝搬させるのに適したシステムにさらに向けられる。高次のビームを切り離すことに加えて、システム１００は、第２の第二次光１１５のビーム（例えば、４ωの周波数を有するビーム）を合焦すること、平行にすること、及び／又は補正すること（例えば、非点収差を補正すること）によって、第２の非線形光学結晶１１０から出る照射を調整してもよい。
【００２７】
第２の非線形光学結晶１１０を出ると、第２の第二次光（例えば、４ω）は、第１の第二次光（例えば、２ω）と直交する方向にしばしば偏光されることが本明細書で認識される。一般的な意味で、ブリュースター角表面はＰ偏光された光に対して非常に効率的であるが、Ｓ偏光された光に対して効率的ではないことが本明細書で認識される。この意味で、ブリュースター角での典型的なＳ偏光された反射は、オリジナルの入射光のたったの１６％である。したがって、複数のブリュースター角反射の利用は、Ｓ偏光された第１の第二次光１０５（例えば、２ω）に関する複数の迷反射が起こる状態で、Ｐ偏光された第２の第二次波長の光１１１（例えば、４ω）の１００％効率の伝送を可能にする。この挙動は、レーザ制御ループ及びフィードバック制御に関する不整合が問題である場合にレーザ制御に関係した問題につながる可能性があることが認識される。第１の第二次波長の光１０５及び第２の第二次波長の光１１１の偏光に関係した上記の説明は限定するものではなく、単なる例証として解釈されるべきであることを出願人は特筆する。例えば、波長板１１２による処理の前に、第２の第二次波長の光ビーム１１１は、純粋なＰ偏光以外の偏光状態を有する可能性があり、一方、第１の第二次波長の光ビーム１０５は、純粋なＳ偏光以外の偏光状態を呈する可能性があることが予想される。
【００２８】
本発明の１つの態様では、システム１００のブリュースター角二波長波長板１１２は、偏光の回転後に第１の第二次波長の光１１３と第２の第二次波長の光１１５が実質的に同じ偏光を有するように、第１の第二次波長の光１０５の偏光を第２の第二次波長の光１１１に対して効果的に回転させる可能性がある。例えば、第１の非線形光学結晶１０４と第２の非線形光学結晶１１０との両方が第２の高調波発生構成で配置される場合、ブリュースター角二波長波長板１１２は、第２の光学結晶１１０から出る２ω光と４ω光が同じ偏光を有するように、第２の光学結晶１１０を通して伝送される２ω光の偏光を第２の光学結晶１１０によって発生させられた４ω光に対して効果的に回転させる可能性がある。さらに、本発明の全体を通して実装されるブリュースター角表面は、それらが両方の波長に対して非常に効率的であるように選択されてもよい。
【００２９】
ブリュースター角二波長波長板１１２による処理中に、第１の第二次波長の光１０５（２ω）の偏光は二波長波長板１１２の第１の表面で回転されないことが本明細書で認識される。したがって、Ｓ偏光された第１の第二次波長の光１０５（２ω）に関する二波長波長板の当たる表面での単一の１６％反射が存在するであろう。第１の第二次波長の光１０５（２ω）の偏光は、二波長波長板１１２の後続する表面に到達するまでに回転されることがさらに認識される。したがって、二波長波長板１１２の後続する表面で観測される最小限の損失が存在する。二波長波長板１１２による処理後に、出ていく第１の第二次波長の光１１３（２ω）は、出ていく第２の第二次波長の光１１５（４ω）の偏光と同じ偏光を有する。
【００３０】
本発明の別の態様では、ブリュースター角波面処理光学系１１４は、第１の第二次波長の光１１３（２ω）と第２の第二次波長の光１１５（４ω）からなる二波長波長板１１２から出るビームの波面を調整してもよい。例えば、ブリュースター角波面処理光学系１１４は、ブリュースター角に配向され、且つ波長板１１２から出るビームの波面を平行にする、補正する（例えば、非点収差を補正する）、又は合焦するように構成される、一組のレンズを含んでもよい。ブリュースター角波面処理光学系１１４の一組のレンズは、本明細書でさらにより詳細に示されるように、軸上で若しくは１つ又は複数のレンズを傾けることによってもたらされる大量の非点収差に起因して軸から小さい角度で用いられてもよいことが本明細書で考慮される。非点収差のすべて又は一部を補正するために軸外円筒形レンズ要素が実装されてもよいことが認識される。したがって、実装される波面処理光学系は、周波数変換プロセス（例えば、第２の非線形光学結晶１１０で起こる周波数変換プロセス）で典型的にもたらされる非点収差を平行にすること及び補正することの両方を行ってもよい。ブリュースター角レンズは、おそらくブリュースター角近辺の入射角の小さな変動に対してのみ実用的であることがさらに認識される。入射角の大きな変動は、処理されたビームに付加的な強度ロールオフをもたらす可能性がある。付加的なブリュースター角レンズがまた実装されてもよいことがさらに考慮される。
【００３１】
本発明のさらなる態様では、高調波分離光学系１１６（すなわち、高調波セパレータ）は、波面処理光学系１１４から出る第２の第二次波長の光１１９（４ω）から第１の第二次波長の光１１７（２ω）を分離してもよい。高調波分離光学系１１６は、ブリュースター角入力表面、内部全反射（ＴＩＲ）表面、及びブリュースター角出力表面を含んでもよい。本明細書でさらにより詳細に述べられることになるように、本発明の高調波分離光学系１１６は種々の構成を含んでもよいことが認識される。高調波分離光学系１１６のＴＩＲ表面は、第１の第二次波長の光１１７（２ω）を伝送しながら第２の第二次波長の光１１９（４ω）に関するＴＩＲをもたらすように設計されてもよいことが本明細書でさらに考慮される。
【００３２】
本発明の別の態様では、高調波分離後に、第２の第二次波長の光ビーム１２１（４ω）は、ブリュースター角出力窓１１８を通して伝送されてもよい。例えば、第２の第二次波長の光ビーム１２１（４ω）は、１つ又は複数のブリュースター角出力窓１１８を通して選択された対象１２０の方に伝送されてもよい。さらに、第１の第二次波長の光ビーム１２３（２ω）は、別の能力で使用され（例えば、第１の第二次波長の光を必要とする対象に誘導され）てもよく、又はビーム・ダンプ１０８に伝送されてもよい。
【００３３】
第２の第二次波長の光（４ω）に関する光路全体がブリュースター角表面及びＴＩＲ表面を使用するので、第２の第二次波長の光（４ω）のおよそ１００％伝送が達成可能であることを出願人は特筆する。
【００３４】
上記の説明は、第１の結晶１０４及び第２の結晶１１０と、ブリュースター角二波長波長板１１２、ブリュースター角波面処理光学系１１４、及び高調波分離光学系１１６を含む処理要素のそれぞれを伴うシステム１００の実装に焦点を当てているが、システム１００はこれらのコンポーネントのそれぞれを必要としないことが本明細書でさらに考慮される。例えば、システム１００は、単一の非線形光学結晶を含んでもよいことが本明細書で考慮され、単一の非線形光学結晶の出力は、本明細書で既に説明された種々のブリュースター角処理コンポーネントに送られる。さらに、システム１００は、ブリュースター角二波長波長板１１２、ブリュースター角波面処理光学系１１４、及び高調波分離光学系１１６を含む処理コンポーネントのうちの１つ又は複数を含んでもよいことが本明細書で考慮される。したがって、本発明の周波数変換システムの特定の構成に関係する本開示の全体を通した説明は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単なる例証である。
【００３５】
図２は、本発明の一実施形態に係る単一の非線形光学結晶２０８ベースの周波数変換システム２００の概略図を例証する。一態様では、システム２００は、基本光源２０２、合焦要素２０６、単一の非線形光学結晶２０８、ブリュースター角二波長波長板２１４、ブリュースター角波面処理光学系２１６、及び高調波分離光学系２１８を含む。
【００３６】
本開示の目的上、単一の非線形結晶２０８は、基本レーザ光源２０２から５３２ｎｍの周波数を有する水平偏光２０４された基本レーザ光２０１を受光するように構成されると仮定される。さらに、光学結晶２０８は、受光した水平偏光された５３２ｎｍの光の少なくとも一部を２６６ｎｍの波長を有する垂直偏光２１０された第二次波長の光２１２に周波数変換するように構成される。出願人は、基本光２０１又は第二次波長の光２１２の周波数及び偏光に関係した上記の説明は、限定するものではなく、単なる例証として解釈されるべきであることを特筆する。さらに、システム２００は、システム１００に関して述べられた概念を組み込んでもよいことも本明細書で考慮される。同様に、システム２００及びその種々のコンポーネントの以下の説明は、システム１００に延長されるように解釈されるべきであることがさらに考慮される。例えば、図示されないが、単一の非線形光学結晶ではなく、システム２００は、第１の第二次波長の光を発生させるように構成される第１の非線形光学結晶と、第２の第二次波長の光を発生させるように構成される第２の非線形光学結晶とを含んでもよい。したがって、システム１００に関係した説明は、システム２００に延長されるように解釈されるべきである。
【００３７】
一態様では、合焦要素２０６は、基本光源２０２と非線形光学結晶２０８との間の光路に沿って配置される。これに関して、合焦要素２０６は、基本光源２０２から出る基本光２０１を非線形光学結晶２０８に合焦するように構成される。
【００３８】
合焦要素２０６の位置に関係する上記で説明された配置は限定するものではなく、性質上単なる例証として解釈されるべきであることが本明細書で特筆される。さらなる実施形態では、合焦要素２０６は、基本レーザ光源２０２から出る基本レーザ光２０１を合焦するのに適した当該技術分野では公知のあらゆる光学デバイスを含んでもよい。例えば、第１の合焦要素２０６は、レンズ、ミラー、又は回折要素を含んでもよいがこれらに限定されない。
【００３９】
基本レーザ光２０１の合焦は、システム２００の要件ではないことが本明細書で考慮される。この意味で、基本レーザ光２０１の合焦が必要とされるかどうかは、例えば、光学結晶２０８内の必要とされるビームサイズに依存する可能性がある。
【００４０】
合焦要素２０６は、２６６ｎｍの垂直偏光された光を発生させるために、水平偏光された５３２ｎｍの光を非線形結晶２０８を通して合焦してもよい。非線形光学結晶２０８の内部での周波数変換後に、垂直偏光２１０を有する第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）は、水平偏光２０４を有する残存基本光２０１（５３２ｎｍ）と共にブリュースター角二波長波長板２１４の方へ一緒に伝搬する。
【００４１】
本発明の別の態様では、非線形光学結晶２０８から出ると、第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）と残存基本光２０１（５３２ｎｍ）は、ブリュースター角二波長波長板２１４によって処理される。一般的な意味で、当業者は、二波長波長板が２つの異なる波長で特定の遅延を提供することができることを認識するであろう。本発明の二波長波長板２１４は、当該技術分野では公知のあらゆる公知の二波長波長板を含んでもよい。例えば、二波長波長板２１４は、結晶石英ベースの二波長波長板を含んでもよいがこれに限定されない。
【００４２】
一実施形態では、ブリュースター角二波長波長板２１４は、基本光（５３２ｎｍ）に関するＳ偏光及び第二次波長の光（２６６ｎｍ）に関するＰ偏光での第１の表面を含んでもよい。したがって、表面は、第二次波長の光２１２のおよそ１００％を伝送しながら、第１の波長板表面上に当たる基本光２０１のおよそ１６％を反射させる。さらなる実施形態では、二波長波長板２１４は、基本光波長（５３２）で半波リターデイションを提供しながら、第二次光波長（２６６ｎｍ）で全波リターデイションを提供するように構築されてもよい。したがって、波長板２１４は第二次光２１２の偏光を回転させず、一方、波長板２１４は、基本光（５３２ｎｍ）もまたブリュースター角であり且つ波長板２１４の第２の表面での最小限の反射が存在するように基本光２０４の偏光を回転させる。
【００４３】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るブリュースター角二波長波長板２１４の概略図を例証する。図３Ａの二波長波長板２１４は、単一の複屈折板３１２を含んでもよいがこれに限定されない。当業者は、市販の波長板が、典型的に、結晶の光軸が波長板の表面内にある状態で垂直入射で用いられることを認識するであろう。この意味で、市販の波長板は、典型的に、波長板表面に垂直な軸を中心として偏光を回転させることによって偏光を種々の角度に回転させるのに用いられる。マルチオーダー二波長波長板が実装されてもよいが、しかしながら、関連する材料分散のために、波長のうちの１つでの性能は典型的に最適ではないことがさらに認識される。さらに、光軸が板の表面内に存在する場合に垂直入射の幾何学的形状が製造プロセスを簡単にして、必要とされる結晶配向を解決するのに必要とされる努力を劇的に簡単にするため、垂直入射での波長板の利用が一般的である。
【００４４】
ブリュースター角入射の場合、必要とされる配向への主に３種類の解決策が存在する。３種類の解決策は、１）板表面外に結晶軸をもつ単一の板、２）板表面内に結晶軸をもつ単一の板、及び３）板表面内に結晶軸をもつ２つの板を含む。
【００４５】
図３Ａに示すように、図３Ａの波長板２１４は、板表面外に結晶軸を有する単一の板３１２からなる。Ｓ偏光された基本光３０４（例えば、５３２ｎｍの波長）及びＰ偏光された第二次光３０６（例えば、２６６ｎｍの波長）の入力は、波長板２１４の表面上にブリュースター角で当たる可能性がある。例えば、２６６ｎｍの光及び結晶石英波長板の場合、ブリュースター角は５８度である。実装される入射角はブリュースター角にほぼ等しく、これは受光する波長板の屈折率に依存し、そしてこの屈折率は入射光ビームの波長に依存することが本明細書で特筆される。したがって、二波長波長板に関して実装される入射角は、波長板上に当たる光の波長だけでなく板に使用される材料の関数でもある。
【００４６】
当たる基本光３０４（５３２ｎｍ）の光の一部は、単一の板３１２の第１の表面３１３で反射３１４することが特筆される。結晶軸３１６は、図３Ｂの３２２で示されるように波長板表面３１３に関して角度θ及び第二次波長の光（２６６ｎｍ）の偏光軸３２４に関して角度φで回転されることがさらに特筆される。
【００４７】
一実施形態では、板３１２の厚さと結晶軸の角度は、第二次波長の光３０６（２６６ｎｍ）が正確に１つの全波だけ遅延され、且つ基本光２０４（５３２ｎｍ）が９９％以内の半波リターデイションであるように選ばれてもよい。この配向では、第二次波長の光（２６６ｎｍ）は、単一の波長板３１２を通した伝搬の変化を経験せず、一方、基本波長の光２０４（５３２ｎｍ）は、９０度の偏光回転を経験する。単一の波長板３１２が第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）に関するブリュースター角に配向されるため、この波長での理論上の損失はないが、しかしながら、基本波長の光２０４（５３２ｎｍ）は、波長板３１２の第１の表面に関するＳ偏光を有するので、第１の表面３１３でおよそ１６％の反射を経験することが本明細書で認識される。
【００４８】
別の実施形態では、板３１２は、基本波長での全波リターデイション及び第二次波長での半波リターデイションを提供するように構成されてもよい。代替的な実施形態では、板３１２は、基本波長と第二次波長との両方での半波リターデイションを提供するように構成されてもよい。
【００４９】
第二次波長の光２１２（５３２ｎｍ）が単一の板３１２の第２の表面３１５に到達すると、偏光はＰ偏光に回転されることがさらに特筆される。第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）に関するブリュースター角である境界面での基本光２０４（５３２ｎｍ）のＰ偏光された光の反射率は、たったのおよそ０．０５％であり、結果的に非常に小さい損失をもたらす。したがって、図３の単一の複屈折板３１２は、基本光２０１の単一のしかし管理可能な反射を伴う状態で、基本レーザ光２０４（５３２ｎｍ）の偏光を第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）の偏光と同じ偏光に効果的に回転させるのに適する。
【００５０】
上記の説明はそれぞれ５３２ｎｍ及び２６６ｎｍの波長を有する基本光及び第二次光に焦点を当てているが、上記の概念は、他の入射波長及び方向角に延長されてもよいことが本明細書で認識されることが特筆される。
【００５１】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一実施形態に係るブリュースター角二波長波長板２１４の概略図を例証する。図４Ａの二波長波長板２１４は、第１の板４１２ａ及び第１の板４１２ａに光学的に結合された第２の板４１２ｂからなる差動波長板（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｗａｖｅｐｌａｔｅ）２１４を含む。さらに、第２の板４１２ｂは、第１の板４１２ａによって導入される位相変化の少なくとも一部を補正するように作用する。
【００５２】
当業者は、厚さ３００μｍ未満の自立型波長板を製造しようとする際に存在する難しさを認識するであろう。このサイズよりも厚い波長板は、敏感な角度の増加をしばしば呈し、これは所与の波長板が或る角度範囲にわたって使用されなければならないときに問題がある。図４Ａの波長板２１４設計は、入射角の変化に対してあまり敏感ではなく、さらに、板の厚さの増加を可能にし、これは製造プロセスをさらに簡単にする。
【００５３】
二波長波長板２１４の第１の板４１２ａと第２の板４１２ｂは、当該技術分野では公知の様態で一緒に結合されてもよい。一実施形態では、第１の板４１２ａと第２の板４１２ｂは、２つの板の間の境界面４１５に空隙が存在するように光学的に結合されてもよい。別の実施形態では、第１の板４１２ａと第２の板４１２ｂは、エポキシを使用して一緒に結合されてもよい。さらに別の実施形態では、第１の板４１２ａと第２の板４１２ｂは、光学的に接触させられ又は一緒に接着されてもよい。
【００５４】
図４Ａは、光学的に一緒に接着される第１の板４１２ａ及び第２の板４１２ｂを有する二波長ブリュースター角波長板２１４を例証する。一態様では、第１の板４１２ａの結晶軸４１６と第２の板４１２ｂの結晶軸４１８は、図４Ａに示すようにそれぞれの板の平面内にある。前述のように、当たる第二次波長の光２２１２（２６６ｎｍ）はＰ偏光され、一方、当たる基本波長の光２０１（５３２ｎｍ）はＳ偏光される。
【００５５】
別の態様では、波長板４１２ａ及び４１２ｂは、２６６ｎｍの光に関するブリュースター角で設定される。二波長波長板２１４の第１の表面４１３で、基本光２０１（５３２ｎｍ）のうちのおよそ１６％が反射２１１され、一方、第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）は第１の表面４１３でゼロ又はゼロに近い反射を経験し、波長板２１４を効率よく通過することを許される。
【００５６】
一実施形態では、第１の波長板４１２ａの厚さは、第二次波長（２６６ｎｍ）で全波長板及び基本波長（５３２ｎｍ）で半波長板としてふるまうように選択されてもよい。この構成は、二波長波長板２１４の第１の波長板４１２ａと第２の波長板４１２ｂとの間の境界面４１５でのあらゆる反射を最小にする。別の実施形態では、第２の波長板４１２ｂの厚さは、厚さの差異が二波長ブリュースター角波長板２１４に関する利用可能な最も薄い単一の波長板ソリューションと同等であるように選ばれてもよい。
【００５７】
さらなる実施形態では、第１の波長板４１２ａの結晶軸４１６は、第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）の偏光軸４２６に関して角度φ１に配向され、一方、第２の波長板４１２ｂの結晶軸４１８は、第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）の偏光軸４２６に関して角度φ２に配向される。φ１がφ２に等しく且つ反対であるときに、第２の波長板４１２ｂは、第１の波長板４１２ａの遅延の少なくとも一部を打ち消すように作用し、結果的に差動二波長ブリュースター角波長板をもたらすことが本明細書で認識される。差動ソリューションは、入射角、温度、位置合わせなどの変化に対してあまり敏感ではないことが本明細書でさらに認識される。
【００５８】
二波長波長板２１４の複屈折板は、当該技術分野では公知のあらゆる適切な材料から製作されてもよい。例えば、二波長波長板２１４の１つ又は複数の複屈折板を製作するのに用いられる材料は、結晶石英、フッ化マグネシウム、サファイア、ニオブ酸リチウム、又はルチルベースの化合物を含んでもよい。
【００５９】
図２を再び参照すると、ブリュースター角二波長波長板２１４から出ると、垂直偏光された第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）と垂直偏光された残存基本光２０１（５３２ｎｍ）は、一組のブリュースター角波面処理光学系２１６を使用してさらに調整される。本発明の波面処理光学系２１６は、合焦光学系、平行化光学系、又は補正光学系を含んでもよい。一実施形態では、波面処理光学系２１６のレンズ又はレンズの組は、二波長波長板２１４から出た後の第二次光２１２（２６６ｎｍ）を平行にする、合焦する、及び／又は補正するように構成されてもよい。この構成は、ビームが分離されると補正されてもよい残存収差をもたらす可能性があることが本明細書で認識される。ブリュースター角波面処理光学系２１６の光学要素は、システム２００によって必要とされる場合に補正、平行化、又は合焦を行うことができる当該技術分野では公知のあらゆる光学デバイスを含んでもよいことを出願人は本明細書で特筆する。
【００６０】
図５は、本発明の一実施形態に係る一組のブリュースター角波面処理光学系２１６の概略図を例証する。図５の実施形態に示すように、ブリュースター角波面処理光学系２１６は、第１のレンズ５０４ａ及び第２のレンズ５０４ｂを含んでもよいがこれらに限定されない。処理光学系２１６のレンズ又はレンズの組（例えば、レンズ５０４ａ及び５０４ｂ）は、システム内の収差を最小にするために垂直入射角又は小さい角度で使用されてもよいことが本明細書で認識される。光を処理するのに用いられるレンズのうちの１つ又は複数の傾斜は、処理された光に非点収差を生じる可能性があることがさらに認識される。さらに、レンズのうちの１つ又は複数の偏心は、処理された光にコマを生じる可能性がある。ブリュースター角波面処理光学系２１６は、ブリュースター角に配向された１つ又は複数の表面を使用して、とりわけ、収差、非点収差、及びコマの影響を最小にするように構成される。
【００６１】
光５０２（例えば、基本光及び／又は第二次光）がビーム全体にわたって低い反射を経験するようにするために、入射角は、ブリュースター角を中心とした小さい範囲にわたって広がるべきであることが本明細書で認識される。この要件を満たすために、処理光学系２１６は、長い曲率半径を有するレンズを含んでもよく、一方、入射光は、高いＦナンバー（例えば、５０以上のＦナンバー）を有する光を含んでもよい。適切に長い曲率半径を有するレンズ設計と共に５０以上のＦナンバーを使用することは、必要とされる低い入射角を維持する可能性があることが予想される。
【００６２】
図５で例証される一実施形態では、波面処理光学系２１６は、すべての表面がブリュースター角である状態に十分に補正された２つのレンズ系を含んでもよい。一実施形態では、波面処理光学系２１６の第１のレンズ５０４ａは、球形の湾曲を有する第１の表面と、平坦な第２の表面とを有してもよい。さらに、処理光学系２１６の第２のレンズ５０４ｂは、平坦な第１の表面と、円筒形の湾曲を有する第２の表面とを有してもよい。第２のレンズ５０４ｂの円筒形の湾曲は、第１のレンズ５０４ａの傾斜した球形の表面の非点収差を補正するように作用し、真の非点収差のない出力ビーム５０８をもたらす一助となる。出力ビーム５０８は、両方のレンズ５０４ａ及び５０４ｂを通して伝搬する際に入力ビーム５０２に対して変位されることがさらに特筆される。さらなる実施形態では、レンズ系は、入力ビーム５０２の中心が第１のレンズ５０４ａの湾曲面上の点を通過するように設計されてもよく、この場合、レンズ５０４ａの法線面とビーム伝搬軸との間の角度はブリュースター角である。
【００６３】
別の実施形態では、波面処理光学系２１６の第１のレンズ５０４ａ及び第２のレンズ５０４ｂは、選択された焦点距離をもたらすように構成されてもよい。例えば、図５の波面処理光学系２１６のレンズ設計は、１５５ｍｍの焦点距離をもつレンズ設計を含んでもよい。
【００６４】
波面処理光学系２１６のレンズ設計は、変化する度合の残存非点収差をもたらすように選択されてもよいことが本明細書でさらに認識される。この能力は、次いで、周波数変換されるレーザに典型的に存在する非点収差を補正するのに用いられてもよい。
【００６５】
図６は、本発明の代替的な実施形態に係る一組のブリュースター角波面処理光学系２１６の概略図を例証する。この実施形態では、第１のレンズ６０４ａは、ブリュースター角に配向されてもよく、このとき第２のレンズ６０４ｂは、図６に示すようにブリュースター角であるが補償する方向に配向されてもよい。この意味で、第２のレンズ６０４ｂの円筒形の表面は、図５で例証される実施形態の第２のレンズ５０４ｂの円筒形の表面に対して９０度の角度に配向される。両方のレンズ６０４ａ及び６０４ｂが同じ中心厚さに作製される場合、出力ビーム６０８は入力ビーム６０２に対する真の変位を経験しないはずであることが本明細書で認識される。図６で例証される構成は、システムの位置合わせを簡単にするために周波数変換システムに実装されてもよいことが本明細書でさらに認識される。
【００６６】
別の実施形態では、波面処理光学系２１６は、真の合焦パワーをもたない非点収差を付加することによって非点収差を補正するように構成されるレンズ系を含んでもよい。例えば、測定されるレベルの非点収差を有する入力波面は、出力波面がゼロの残存非点収差を有するように、それぞれが円筒形の表面を有する２つの要素を用いて補正されてもよい。例えば、非点収差の３．３２７８の波をもつ入力波面は、出力ビームの残存非点収差がゼロから数値誤差内までであるように、それぞれが円筒形の表面を有する２つの要素を用いて補正されてもよい。
【００６７】
別の実施形態では、所与のビームに存在する非点収差の量は、第１のレンズ（例えば、５０４ａ又は６０４ａ）と第２のレンズ（例えば、５０４ｂ又は６０４ｂ）との軸方向の分離を変化させることによって動的に調節されてもよい。非点収差の動的調節は、最初の位置合わせ中の非点収差補正の微調整、及び周波数変換されるレーザの経時変化する非点収差の補正を可能にすることが本明細書で認識される。この動的非点収差補正は、フィードバックループで通信可能に結合される非点収差測定システム、コンピュータシステム、及び１つ又は複数の変換段（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｓｔａｇｅｓ）を使用して行われてもよいことがさらに考慮される。
【００６８】
図２を再び参照すると、ブリュースター角波面処理光学系２１６から出ると、第二次波長の光２１２（２６６ｎｍ）と残存基本光２０１（５３２ｎｍ）は、１つ又は複数の高調波分離光学要素２１８を通して伝送されてもよい。出願人はまた、本開示の全体を通して、「高調波分離光学要素」という用語は、「高調波セパレータ」と交換可能に用いられることを特筆する。高調波分離光学系２１８は、１つ又は複数のブリュースター角−ＴＩＲ高調波分離要素を含んでもよい。本明細書でさらにより詳細に説明されることになるように、種々の高調波分離構成が本発明内で実装されてもよいことが本明細書で認識される。例えば、１つ又は複数の高調波分離光学要素２１８は、単一の高調波分離要素又は複数の高調波分離要素を含んでもよいことが認識される。
【００６９】
例えば、高調波セパレータ２１８は、第１の高調波分離要素２２０及び第２の高調波分離要素２２２を含んでもよい。第２の高調波分離要素２２２は、所与の周波数変換システムのサイズの減少を可能にした高調波（すなわち、基本光ビーム及び第二次波長の光ビーム）の角度分離をさらに増加させるために実装されてもよいことが本明細書で認識される。別の場合、第２の高調波分離要素は、高調波分離から独立してビームを再誘導するために実装されてもよい。
【００７０】
図７は、本発明の高調波セパレータ２１８の高調波分離光学要素として実装するのに適したブリュースター角−内部全反射（ＴＩＲ）リフレクタ要素７００を例証する。理想的には、高調波分離要素７００上に当たる光は高度にＰ偏光され、要素７００の効率を改善することが本明細書で認識される。しかしながら、これは本発明の要件ではないことが特筆される。
【００７１】
一実施形態では、要素７００の第１の光学表面７０４は、光をブリュースター角θＢで受光する。光は、次いで、要素７００の一部を通して伝送され、要素７００の第２の表面７０６上でＴＩＲを経験する。光は、次いで、ブリュースター角θＢに配向される要素７００の第３の表面７０８を通して出ていく。
【００７２】
２つの波長（例えば、基本波長の光に関する５３２ｎｍ及び第二次波長の光に関する２６６ｎｍ）が高調波分離要素７００に入る場合、各波長の光は、要素７００の体積を通してビームを互いから離す異なる屈折角度を経験することになることが本明細書で認識される。この例では、第２のブリュースター角表面は、ビームが要素７００を出たときにゼロの真の角度変化を結果的にもたらす角度偏差とは反対の角度を付加する可能性がある。要素７００内での伝搬長さに依存する残存空間オフセットが２つのビーム間に存在する可能性があることが特筆される。さらなる実施形態では、この空間オフセットは、必要な場合に第２のブリュースター角−ＴＩＲ要素を使用するために補正されてもよい。
【００７３】
別の実施形態では、入射光７０２と出射光７１０との間の角度７１２は、異なる頂角を用いることによって制御されてもよい。最小偏差は、第２の表面７０６でのＴＩＲに関する要件によって設定されてもよい。
【００７４】
高調波分離要素７００の材料は、当該技術分野では公知のあらゆる適切な材料を含んでもよいことが本明細書で認識される。例えば、高調波分離要素７００の材料は、あらゆるガラス又は結晶材料を含んでもよいがこれらに限定されない。ＵＶ−ＤＵＶ範囲内では溶融石英及びフッ化カルシウムが特に有利であることがさらに認識される。
【００７５】
より短波長の光の光ビームは、周囲媒体（例えば、空気）よりも高い屈折率をもつ材料に入るときにより顕著に屈曲することを当業者は認識するであろう。したがって、高調波分離要素７００は、より短波長の光がＴＩＲを経験し、一方、より長い波長が要素７００を通して概ね伝送されるように構成されてもよい。これに関して、要素７００は、光の入射波長を分離するように作用する。
【００７６】
別の実施形態では、単一の波長だけが要素７００上に入射する場合、要素７００は、損失ゼロの高い損傷閾値のミラーとして使用されてもよい。
【００７７】
図８は、本発明の高調波分離光学要素２１８としての実装に適した第二次的なブリュースター角−内部全反射（ＴＩＲ）リフレクタ要素８００を例証する。出願人は、本開示の目的上、図７に関係した説明は、他の方法で言及されない限り本開示の残りの全体を通して延長されるように解釈されるべきであることを特筆する。
【００７８】
一実施形態では、第１の光学表面８０４は、光をブリュースター角θＢで受光するように構成される。光は、次いで、要素８００の一部を通して伝送され、要素８００の第２の表面８０６上でＴＩＲを経験する。光の少なくとも一部は、次いで、ブリュースター角θＢに配向された要素８００の第３の表面８１４を通して出ていく。ブリュースター角−ＴＩＲリフレクタ要素８００の第２のブリュースター角表面８１４は、負の方向すなわち図７の要素７００の第２のブリュースター角表面７０８とは反対方向に配向されることが本明細書で特筆される。
【００７９】
２つ以上の波長（例えば、基本波長の光に関する５３２ｎｍ及び第二次波長の光に関する２６６ｎｍ）が高調波分離要素８００に入る場合、各波長の光は、第１のブリュースター表面８０４でビーム８１０、８１２を互いから離し始める異なる屈折角度を経験することになることがまた本明細書で特筆される。この例では、第２のブリュースター角表面８１４は、付加的な分散角度を角度偏差に付加する可能性がある。２つの波長が要素８００の第２のブリュースター角表面８１４を出た後で伝搬する際に、それらはそれらが完全に分離されるまでそれらの分離を増加させ続けることになり、光の２つ以上の波長の切り離しを可能にする。
【００８０】
別の実施形態では、入射光８０２と出射光８１０、８１２との間の角度８１６は、異なる頂角を用いることによって制御されてもよい。最小偏差は、第２の表面８０６でのＴＩＲに関する要件によって設定されてもよい。
【００８１】
高調波分離要素８００の材料は、当該技術分野では公知のあらゆる適切な材料を含んでもよいこともまた認識される。例えば、高調波分離要素８００の材料は、あらゆるガラス又は結晶材料を含んでもよいがこれらに限定されない。ＵＶ−ＤＵＶ範囲内では溶融石英及びフッ化カルシウムが特に有利であることがさらに認識される。
【００８２】
より短波長の光はより高い屈折率をもつ材料に入るときにより顕著に屈曲することに起因して、高調波分離要素８００は、より短波長の光が表面８０６でＴＩＲを経験し、一方、より長波長の光（例えば、光８０８）が要素８００を通して表面８０６の外に概ね伝送されるように構成されてもよい。これに関して、要素８００はまた、光の入射波長を分離するように作用する。
【００８３】
図９は、高調波分離要素９０１から出る２つの波長の光ビーム間の真の角度偏差を増加させるためにブリュースター角要素９１５が実装される、高調波分離要素９０１とブリュースター角要素９１５との組合せ９００を例証する。前述のように、理想的には、第１の高調波分離要素９０１上に当たる光は高度にＰ偏光され、要素９０１及び９１５の効率を改善することが本明細書で認識される。しかしながら、これは本発明の要件ではないことが特筆される。
【００８４】
一実施形態では、第１の光学表面９０４は、光をブリュースター角θＢで受光するように構成される。光は、次いで、要素９０１の一部を通して伝送され、要素９０１の第２の表面９０６上でＴＩＲを経験する。光の少なくとも一部は、次いで、ブリュースター角θＢに配向された要素９０１の第３の表面９１４を通して出ていく。
【００８５】
２つ以上の波長（例えば、基本波長の光に関する５３２ｎｍ及び第二次波長の光に関する２６６ｎｍ）が高調波分離要素９０１に入る場合、各波長の光は、第１のブリュースター表面９０４でビーム９１０、９１２を互いから離し始める異なる屈折角度を経験することになることがまた特筆される。この例では、第２のブリュースター角表面９１４は、付加的な分散角度を角度偏差に付加する可能性がある。２つの波長が要素９０１の第２のブリュースター角表面９１４を出た後で伝搬する際に、それらはそれらがブリュースター角要素９１５上に当たるまでそれらの分離を増加させ続けるであろう。
【００８６】
一実施形態では、ブリュースター角要素９１５の入力光学表面９１６及び９１８は、異なる当たる波長（例えば、基本波長の光に関する５３２ｎｍ及び第二次波長の光に関する２６６ｎｍ）に関するブリュースター角に配向されてもよい。これらのブリュースター表面９１６、９１８は異なる符号を有するので、屈折角度の差異が大きく増加することが本明細書で認識される。さらなる実施形態では、出力表面は、波長のうちの１つ、典型的には関心ある波長（すなわち、第二次波長の光）に関するブリュースター角に最適化されてもよい。例えば、反射率をさらに低減させるために、要素９１５の１つの区域に反射防止コーティングが付加されてもよい。
【００８７】
ブリュースター角要素９１５は、当該技術分野では公知のあらゆる適切な材料から製作されてもよい。例えば、ブリュースター角要素９１５の材料は、限定はされないが溶融石英及びフッ化カルシウムのようなあらゆるガラス又は結晶材料を含んでもよいがこれらに限定されない。
【００８８】
図１０は、本発明の高調波分離光学要素２１８としての実装に適した第二次的なブリュースター角−ＴＩＲ要素１０００を例証する。一態様では、要素１０００は、入射ビーム１００２の合焦を提供するために１つ又は複数の湾曲面（湾曲は図示されない）を含んでもよい。さらなる実施形態では、要素１０００の湾曲面は、要素がＴＩＲ表面１００６から反射された光を合焦することを可能にする、要素１０００のＴＩＲ表面１００６を含んでもよい。
【００８９】
合焦表面の軸外使用の組合せは、非点収差を生じる可能性があることが本明細書で認識される。さらなる実施形態では、要素１０００は、湾曲したＴＩＲ表面によって生じる非点収差を補正する又は出力ビーム１０１０に所望の量の非点収差をもたらすために、ブリュースター角表面１００４及び／又は１００８で湾曲面を含んでもよい。別の実施形態では、湾曲したＴＩＲ１００６表面によってもたらされる非点収差を十分に又は部分的に補償するために外部のブリュースター角要素（図示せず）もまた使用されてもよい。例えば、非点収差を補正するのに用いられる外部のブリュースター角要素は、１つ又は複数の湾曲した球形又は円筒形のブリュースター角表面を含んでもよい。
【００９０】
図１１は、本発明の一実施形態に係る周波数変換レーザシステムでの実装に適したデュアルブリュースター角窓出力１１００を例証する。一実施形態では、窓１１１０は、損失を減らす又はなくすように作用する周波数変換システム（例えば、２００又は１００）の筐体１１０４を出る垂直偏光１１０４４された光１１０２に関するブリュースター角に配向される。レーザの内側部分を光コンタミネーションに露出することなく外側窓を回転させる又は交換することを可能にするために２つの窓が使用されてもよいことが本明細書で特筆される。別の実施形態では、出力窓１１００は、この窓への光コンタミネーションを制限するために外部窓の外側部分にわたるパージガスの層流１１１６を維持するように構成されるパージ系（図示せず）を含んでもよい。窓出力１１００の外側窓の外面にわたる層流を提供するために、当該技術分野では公知のあらゆる適切なガスが実装されてもよいことが本明細書で認識される。例えば、パージガスは、窒素又はアルゴンのような不活性ガスを含んでもよい。
【００９１】
別の実施形態では、ブリュースター角窓出力１１００は、出射ビーム１１０３（例えば、基本波長の光又は第二次波長の光）が軸外に、すなわち、レーザ周波数変換システムの光学系の光軸に対してゼロでない角度に配向される方向に沿って伝送されることを可能にするように構成されてもよい。
【００９２】
別の実施形態では、デュアルブリュースター角窓出力１１００の窓１１１０は、窓を出射光１１０２に関するブリュースター角に配向するのに適した当該技術分野では公知のあらゆる材料を使用して製作されてもよい。例えば、窓１１１０は、溶融石英又はカルシウムベースの窓を含んでもよいがこれらに限定されない。上記の窓材料は、限定を表すものではなく、単なる例証であることが認識される。
【００９３】
さらなる実施形態では、窓１１１０のそれぞれは、シール１１１２を使用してレーザ筐体１１０６にシールされてもよい。例えば、シール１１１２は、ＶＩＴＯＮ又はＫＡＬＲＥＳのような低アウトガスのＯリング材料を含んでもよい。別の例では、シール１１１２は、金属ガスケットのような軟らかい金属リングから構築された金属シールを含んでもよい。
【００９４】
図１２は、本発明の一実施形態に係る高い損傷閾値をもつレーザ周波数変換のための方法１２００のプロセス流れ図を例証する。ステップ１２０２で、方法１２００は基本レーザ光源を提供する。ステップ１２０４で、方法１２００は、基本レーザ光源を使用して基本波長のレーザ光を発生させる。ステップ１２０６で、方法１２００は、第１の非線形光学結晶を使用して基本レーザ光の一部を第１の第二次波長の光に周波数変換することによって第１の第二次波長の光を発生させる。ステップ１２０８で、方法１２００は、第２の非線形光学結晶を使用して第１の第二次波長の光の一部を第２の第二次波長の光に周波数変換することによって第２の第二次波長の光を発生させる。ステップ１２１０で、二波長ブリュースター角波長板を使用して、方法１２００は、第１の第二次波長の光の偏光と第２の第二次波長の光の偏光が実質的に同じであるように第１の第二次波長の光の偏光を第２の第二次波長の光に対して回転させる。ステップ１２１２で、方法１２００は、ブリュースター角波面処理光学系を使用して第１の第二次波長の光及び第２の第二次波長の光を調整する（例えば、合焦する、平行にする、非点収差を補正する、収差を補正する）。ステップ１２１４で、方法１２００は、高調波セパレータを使用して第１の第二次波長の光の少なくとも一部を第２の第二次波長の光から分離し、高調波セパレータは、第１のブリュースター角表面、内部全反射表面、及び第２のブリュースター角表面を有する高調波分離要素を含む。ステップ１２１６で、方法１２００は、第１の第二次波長の光又は第２の第二次波長の光をレーザ周波数変換システム（例えば、１００又は２００）の内側部分からレーザ周波数変換システムの外部の領域に伝送する。
【００９５】
本明細書で説明されるプロセス、及び／又はシステム、及び／又は他の技術によってもたらすことができる種々の手段（例えば、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェア）が存在すること、及びプロセス、及び／又はシステム、及び／又は他の技術が展開される状況と共に好ましい手段が変化することになることが当業者には分かるであろう。例えば、実施者が速度と的確さが最優先事項であると判断する場合、実施者は、主としてハードウェア、及び／又はファームウェア手段を選んでもよく、第二次的に、融通性が最優先事項である場合、実施者は、主としてソフトウェア実装を選んでもよく、又はさらに第二次的に、実施者は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアのうちの幾つかの組合せを選んでもよい。したがって、本明細書で説明されるプロセス、及び／又はデバイス、及び／又は他の技術がもたらされる可能性がある幾つかの可能な手段が存在し、用いられるべきあらゆる手段は、手段が展開されることになる状況と、実施者の特定の関心事（例えば、速度、融通性、又は予測可能性）に応じた選択であるという点で、そのどれもが他のものよりも本質的に優位というわけではなく、そのいずれも変化する可能性がある。実装の光学的態様は、典型的に光学指向のハードウェア、ソフトウェア、及び又はファームウェアを採用することになることを当業者は認識するであろう。
【００９６】
デバイス及び／又はプロセスを本明細書に記載された様態で説明し、その後、こうした説明されたデバイス及び／又はプロセスをデータ処理システムに統合するために工学的慣例を用いることは当該技術分野では普通であることを当業者は認識するであろう。すなわち、本明細書で説明されるデバイス及び／又はプロセスの少なくとも一部は、妥当な量の実験を通じてデータ処理システムに統合することができる。典型的なデータ処理システムは、一般に、システムユニットハウジング、ビデオディスプレイ・デバイス、揮発性及び不揮発性メモリのようなメモリ、マイクロプロセッサ及びデジタル信号プロセッサのようなプロセッサ、オペレーティング・システム、ドライバ、グラフィカル・ユーザ・インターフェース、及びアプリケーション・プログラムのような計算エンティティ、タッチパッド又はスクリーンのような１つ又は複数の対話デバイス、及び／又はフィードバックループ及び制御モータ（例えば、位置及び／又は速度を感知するためのフィードバック、コンポーネント及び／又は数量を動かす及び／又は調整するための制御モータ）を含む制御システムのうちの１つ又は複数を含むことを当業者は理解するであろう。典型的なデータ処理システムは、データ・コンピューティング／通信、及び／又はネットワーク・コンピューティング／通信システムで典型的に見受けられるコンポーネントのようなあらゆる適切な市販のコンポーネントを用いて実装されてもよい。
【００９７】
本明細書で説明される主題は、時には、異なる他のコンポーネント内に含まれる又はこれと接続される異なるコンポーネントを例証する。こうした描かれたアーキテクチャは単なる例示であって、実際には、同じ機能性を達成する多くの他のアーキテクチャを実装することができることが理解される。概念的な意味で、同じ機能性を達成するためのコンポーネントのあらゆる構成は、所望の機能性が達成されるように効果的に「関連付けられる」。したがって、特定の機能性を達成するために組み合わされる本明細書のあらゆる２つのコンポーネントは、アーキテクチャ又は介在するコンポーネントに関係なく所望の機能性が達成されるように互いに「関連付けられる」ように見えることがある。同様に、そのように関連付けられたあらゆる２つのコンポーネントはまた、所望の機能性を達成するために互いに「接続される」又は「結合される」ように見られることがあり、そのように関連付けることができるあらゆる２つのコンポーネントはまた、所望の機能性を達成するために互いに「結合可能」であるように見られることがある。結合可能の具体例は、物理的に嵌め合わせることができる及び／又は物理的に相互作用するコンポーネント、及び／又は無線で相互作用できる及び／又は無線で相互作用するコンポーネント、及び／又は論理的に相互作用する及び／又は論理的に相互作用できるコンポーネントを含むがこれらに限定されない。
【００９８】
本明細書で説明される本発明の主題の特定の態様が示され説明されているが、本明細書の教示に基づいて、本明細書で説明される主題及びそのより広い態様から逸脱することなく変化及び修正が加えられてもよく、したがって、付属の請求項は、本明細書で説明される主題の真の精神及び範囲内にあるものとしてすべてのこうした変化及び修正をそれらの範囲内に包含するものであることが当業者には明らかであろう。
【００９９】
本発明の特定の実施形態が例証されているが、本発明の種々の修正及び実施形態が上記の開示の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によってなされてもよいことは明らかである。したがって、本発明の範囲は、これに付属の請求項によってのみ制限されるべきである。
【０１００】
本開示及びその付随する利点の多くは、上記の説明によって理解されることになると考えられ、開示された主題から逸脱することなく又はその材料の利点のすべてを犠牲にすることなく、コンポーネントの形態、構成、及び配置に種々の変化が加えられてもよいことは明らかであろう。説明された形態は、単なる説明的なものであり、こうした変化を包含する及び含むことが以下の請求項の意図である。
【０１０１】
さらに、本発明は付属の請求項によって定義されることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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