(57)【要約】  周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスは、第１の端面と、該第１の端面の反対側の第２の端面とを有する非線形結晶を備えている。非線形結晶は、第１の端面で少なくとも１つの入力レーザビームを受け取り、第２の面に周波数変換ビームを出力するように構成されている。少なくとも１つの入力レーザビームのビームウェストは、周波数変換プロセスの間、第１の端面と第２の端面の間に配置される。デバイスは、さらに、非線形結晶の第２の端面に結合された第１の端面と、該第１の端面の反対側の第２の端面とを有する第２の結晶を備えている。第２の結晶の第１の端面における周波数変換ビームのビーム径は、第２の結晶の第２の端面における周波数変換ビームのビーム径より小さい。【選択図】  図１
2009534712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスであって、
第１の端面及び前記第１の端面の反対側の第２の端面を有する非線形結晶であって、前記第１の端面で少なくとも１つの入力レーザビームを受け取り、且つ、前記第２の面に周波数変換ビームを出力するように構成され、前記少なくとも１つの入力レーザビームのビームウェストが、周波数変換プロセスの間、前記第１の端面と前記第２の端面の間に配置される非線形結晶と、
前記非線形結晶の前記第２の端面に結合された第１の端面及び前記第１の端面の反対側の第２の端面を有する第２の結晶であって、前記第２の結晶の前記第１の端面における前記周波数変換ビームのビーム径が、前記第２の結晶の前記第２の端面における前記周波数変換ビームのビーム径より小さい第２の結晶と
を備えたデバイス。
【請求項２】
前記非線形結晶の前記第２の端面及び前記第２の結晶の前記第１の端面が、６３２ｎｍでλ／２未満の光学平面度及び８０／６０より良好なスクラッチディグ特性を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記非線形結晶及び前記第２の結晶が、実質的に接着剤を含まない結合界面を備えた、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記結合界面が、化学的に活性化される界面又は拡散接合界面のうちの少なくとも１つを備えた、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記周波数変換ビームが、約０．１ｍｒａｄと約２，０００ｍｒａｄの間のビーム発散度を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記周波数変換ビームが、約０．１ｍｒａｄと約２５０ｍｒａｄの間のビーム発散度を特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記周波数変換ビームが、約１μｍと約１００ｍｍの間のビーム径を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の結晶が、サファイヤ、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム−ガリウム−ガーネット（ＧＧＧ）、バナジン酸塩ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）及び立方晶ジルコニア結晶からなるグループから選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の結晶の前記第２の端部が、単一の層又は複数の層の誘電体コーティングのうちの少なくとも１つでコーティングされた、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記非線形結晶が、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）からなるグループから選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記非線形結晶が、前記非線形結晶の前記第１の端面及び前記第２の端面に直角の第１の縦軸を有し、
前記第２の結晶が、前記第２の結晶の前記第１の端面及び前記第２の端面に直角の第２の縦軸を有し、
前記少なくとも１つの入力レーザビームが、前記第１の縦軸に対して６０°未満の角度で前記非線形結晶の前記第１の端面に導かれ、
前記周波数変換ビームが、前記第１の縦軸又は前記第２の縦軸に対して６０°未満の角度で移動する
請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記周波数変換ビームが前記第２の縦軸に対して実質的に平行に移動する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの入力レーザビームと関連した波長が第１の波長を特徴とし、また、前記周波数変換ビームと関連した波長が前記第１の波長より短い第２の波長を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第２の波長がＵＶ波長である、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記周波数変換プロセスが、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）プロセス又は差周波数発生（ＤＦＧ）プロセスのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの入力レーザビームが第１の波長を特徴とし、また、前記周波数変換ビームが、前記第１の波長より長いか或いは前記第１の波長に等しいＩＲ波長を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記非線形結晶及び前記第２の結晶が同じ非線形結晶材料からなり、また、前記第２の結晶が、位相整合状態から逸脱した配向を有し、それにより前記第２の結晶中における前記周波数変換プロセスの大きさが低減される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第２の結晶の格子定数が実質的に前記非線形結晶の格子定数に等しい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第２の結晶の屈折率が実質的に前記非線形結晶の屈折率に等しい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第２の結晶の前記第２の端面が、少なくとも前記少なくとも１つの入力レーザビーム又は前記周波数変換ビームの波長に対するブルースター角で切断された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスであって、
入口窓及び出口窓を有するセルと、
第１の端面及び前記第１の端面の反対側の第２の端面を有する非線形結晶であって、前記非線形結晶が、前記セル内に、前記第１の端面が前記入口窓から第１の所定の距離だけ間隔を隔て、また、前記第２の端面が前記出口窓から第２の所定の距離だけ間隔を隔てて配置され、前記非線形結晶が、前記第１の端面に入射する少なくとも１つの入射レーザビームを受け取るように構成され、また、前記非線形結晶が、前記少なくとも１つの入射レーザビームに対して動作し、周波数変換レーザビームを生成する非線形光変換プロセスのための位相整合を提供するように配向された非線形結晶と、
前記セル内に配置された化学的に不活性の流体であって、前記化学的に不活性の液体が、前記少なくとも１つの入射レーザビーム及び前記周波数変換レーザビームに対して実質的に透明であり、前記出口窓における前記周波数変換レーザ光ビームと関連したビーム径が、前記第２の端面における前記周波数変換レーザ光ビームと関連したビーム径より大きい化学的に不活性の流体と
を備えたデバイス。
【請求項２１】
前記化学的に不活性な流体の密度が０．１ｇ／ｃｍ３を超える密度を特徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記セルが、前記セルに流入する流体の流れを受け取るように構成された流体入口と、前記セルから流出する流体の流れを引き渡すように構成された流体出口とを備えた、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第２の端面と前記出口窓の間に配置された発散レンズをさらに備えた、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記化学的に不活性な流体が液体塩化フッ化炭素（ＣＦＣ）からなる、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記化学的に不活性の流体の屈折率が実質的に前記非線形結晶の屈折率に等しい、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記非線形結晶が、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）からなるグループから選択される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記非線形結晶が、互いに対向している前記第１及び第２の端面に直角の縦軸を有し、また、前記非線形結晶が、前記入射レーザビームが前記対向している第１の端面に対して直角に前記非線形結晶の前記対向している第１の端面に導かれるように前記セル内に取り付けられ、また、前記周波数変換レーザ光ビームが前記非線形結晶の前記縦軸に平行に移動する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記周波数変換レーザビームがＵＶ波長を有し、また、前記少なくとも１つの入射レーザビームが前記ＵＶ波長より長い波長を有する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記非線形光変換プロセスが、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）プロセス又は差周波数発生（ＤＦＧ）プロセスのうちの少なくとも１つを含み、前記周波数変換レーザビームがＩＲ波長を有し、前記少なくとも１つの入射レーザビームが、前記ＩＲ波長より短いか或いは前記ＩＲ波長に等しい波長を有する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項３０】
周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスであって、
第１の結晶面及び前記第１の結晶面の反対側の第２の結晶面を有し、前記第１の結晶面で少なくとも１つの入射レーザビームを受け取り、且つ、前記少なくとも１つの入射レーザビームに対して周波数変換プロセスを実行し、それにより伝搬方向に伝搬する前記周波数変換レーザビームを生成するように構成された非線形結晶と、
前記第２の結晶面に結合された第１の材料面及び前記第１の材料面の反対側の第２の材料面を有する光学材料であって、前記伝搬方向に対して横方向に変化する屈折率プロファイルを特徴とする光学材料と
を備えたデバイス。
【請求項３１】
前記屈折率プロファイルが前記光学材料の半径寸法の関数として増加する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記第２の材料面における前記周波数変換ビームのビーム径が前記第１の材料面における前記周波数変換ビームのビーム径より大きい、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記第１の材料面が実質的に接着剤を含まない界面結合によって前記第２の結晶面に結合された、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記屈折率プロファイル全体にわたって測定した前記光学材料の平均屈折率が前記非線形結晶の屈折率に実質的に等しい、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記非線形結晶が、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）からなるグループから選択される、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記非線形結晶及び前記光学材料が、それぞれ、前記第１の結晶面、前記第２の結晶面、前記第１の材料面及び前記第２の材料面に実質的に直角の縦軸を有し、また、前記少なくとも１つの入射レーザビームが、前記非線形結晶又は前記光学材料の縦軸に対して６０°未満の角度で前記第１の結晶面に入射する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記周波数変換レーザビームがＵＶ波長を特徴とし、また、前記少なくとも１つの入射レーザビームが前記ＵＶ波長より長い波長を特徴とする、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記周波数変換プロセスが、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）プロセス又は差周波数発生（ＤＦＧ）プロセスのうちの少なくとも１つを含み、前記周波数変換レーザビームがＩＲ波長を特徴とし、前記少なくとも１つの入射レーザビームが、前記ＩＲ波長より短いか或いは前記ＩＲ波長に等しい波長を特徴とする、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記第２の材料面が、少なくとも前記少なくとも１つの入射レーザビーム又は前記周波数変換レーザビームの波長に対するブルースター角で切断された、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項４０】
ハイパワー周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスであって、
入口表面及び湾曲した表面を有する非線形光学結晶であって、前記入口表面で少なくとも１つのレーザビームを受け取り、且つ、周波数変換プロセスを介して周波数変換ビームを提供するように構成された非線形光学結晶と、
前記湾曲した表面に結合されたオプティカルコーティングであって、前記オプティカルコーティングの反射率が前記周波数変換ビームの波長で５０％より大きく、前記周波数変換ビームの遠視野発散角が前記湾曲した表面で反射した後に大きくなる、オプティカルコーティングと、
前記オプティカルコーティングと熱接触しているヒートシンクと
を備えたデバイス。
【請求項４１】
前記非線形結晶が、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）からなるグループから選択される、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記オプティカルコーティングが少なくとも金属コーティング又は誘電体コーティングを含む、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記ヒートシンクが金属コーティングを備えた、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記ヒートシンクが冷却流体と熱接触している金属構造を備えた、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記湾曲した表面が、前記非線形光学結晶のバルク領域に対して内側に向かって凸状である、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４６】
前記周波数変換ビームの反射面が、前記非線形光学結晶を通って伝搬している間、前記周波数変換ビームの偏光方向に対して実質的に直角である、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４７】
前記非線形光学結晶に結合されたブルースター表面をさらに備えた、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４８】
周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスであって、
少なくとも１つのレーザビームを受け取るように構成された入口表面を有する非線形光学結晶であって、周波数変換レーザビームを生成するために使用される周波数変換プロセスをサポートする非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶に結合され、且つ、前記周波数変換レーザビームに伝搬経路を提供するように構成された１つ又は複数の第２の光学材料であって、少なくとも前記非線形光学材料又は前記１つ又は複数の第２の光学材料が、湾曲した表面であって、前記周波数変換レーザビームが前記湾曲した表面で反射した後、前記周波数変換レーザビームの遠視野発散角が大きくなる湾曲表面を特徴とする第２の光学材料と、
前記湾曲した表面に光学結合された反射コーティングであって、前記反射コーティングの反射率帯域が前記周波数変換レーザビームと関連した反射コーティングと、
前記湾曲した表面と熱接触しているヒートシンクと
を備えたデバイス。
【請求項４９】
前記非線形光学結晶が、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）からなるグループから選択される、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５０】
前記１つ又は複数の第２の光学材料のうちの少なくとも１つが、サファイヤ、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム−ガリウム−ガーネット（ＧＧＧ）、バナジン酸塩ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）及び立方晶ジルコニア結晶からなるグループから選択される、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５１】
前記反射コーティングが少なくとも金属コーティング又は誘電体コーティングからなる、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５２】
前記反射コーティングの反射率帯域が前記周波数変換レーザビームと関連し、前記周波数変換レーザビームの波長で５０％より大きいか或いは５０％に等しい反射率を特徴とする、請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記ヒートシンクが金属コーティングを備えた、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５４】
前記湾曲した表面が、前記１つ又は複数の第２の光学材料のうちの少なくとも１つのバルク領域に対して内側に向かって凸状の表面を備えた、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５５】
前記周波数変換レーザビームの反射面が、前記非線形光学結晶を通って伝搬している間、前記周波数変換レーザビームの偏光方向に対して実質的に直角である、請求項４８に記載のデバイス。
【請求項５６】
前記１つ又は複数の第２の光学材料に結合されたブルースター表面をさらに備えた、請求項４８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
[0002]新しいアプリケーションが見出され、また、異なる波長領域における利得媒体の数が依然として限られているため、波長が異なるハイパワーレーザに対する需要は、ますます増加している。レーザ波長を異なるスペクトル領域に変更するために使用されている主な機構は、基本レーザ波長を新しい波長に変換するための非線形結晶の使用である。このようなシステムの例には、例えばリン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）及びリン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）などの非線形結晶を使用した、Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの１０６４ｎｍの波長の５３２ｎｍの波長への変換がある。５３２ｎｍのこの光は、３５５ｎｍを生成するために、さらに、得られたこの５３２ｎｍ放射を他の結晶中で１０６４ｎｍの残留レーザ基本波と加算することによって３５５ｎｍに変換することができる。この５３２ｎｍは、ＢＢＯ、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）及びセシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）などの結晶中で２倍にすることによって２６６ｎｍに変換することも可能である。この２６６ｎｍは、１０６４ｎｍの基本波と加算することによって変換し、２１３ｎｍの短い波長を得ることができる。
【０００２】
[0003]理論的には、これらのすべてのプロセスにおいて、平頂空間／時間レーザパルスに対して、１００％の高い変換効率で基本レーザ波長を所望の波長レンジに変換することが可能である。実際には、空間−時間形パルス及び／又は非線形結晶の有効多重パス動作を使用して、第２高調波発生（ＳＨＧ）に対しては８０〜９０％程度、また、第３高調波発生（ＴＨＧ）に対しては３０〜４０％程度の紫外線（ＵＶ）への変換効率が達成されている。
【０００３】
[0004]上記波長には、材料のレーザ機械加工（例えばマーキング／エングレービング／カッティング）から、距離測定、レーザ外科手術／歯科アプリケーションまで、極端に広範囲にわたるアプリケーションのアレイが見出されている。重要な媒体中における光の吸光率に関連する特定の属性は波長によって異なっており、波長の変化にその重要性が反映される。波長は、例えば距離測定の場合のように、場合によってはその透明度が大きいことが望ましい。また、例えばエネルギーを高度に封じ込め、過熱及びアブレーションによって材料を切断する場合のように、場合によってはその吸収が大きいことが望ましい。パワーが大きいほど信号を大きくすることができ、或いはより速く処理することができるため、いずれの場合においても、所望のアプリケーションは、重要な波長におけるより大きいレーザパワー及びより大きいパワーへの周波数変換を利用している。
【０００４】
[0005]固体レーザは、有効な輝度を達成するために、より大きいパワーへ向かって徐々にスケール化されている。例えば、現在、回折限界出力が１ＫＷの連続発振（ＣＷ）レーザを製造することが可能であり、これは１０１１Ｗ／ｃｍ２より大きい集束可能平均パワーに対応している。基本レーザ源のハイパワースケーリング能力にもかかわらず、これまで、より大きいパワー入力を最大限に利用するために非線形周波数変換をスケール化することは不可能であった。したがって、従来技術には、レーザ光の有効なハイパワー周波数変換のために使用される非線形結晶の表面損傷を抑制するための方法及びシステムが必要である。
【発明の概要】
【０００５】
[0006]本発明の実施形態は、レーザ光の有効なハイパワー周波数変換のために使用される非線形結晶の表面加熱効果を抑制する方法及び装置に関している。
【０００６】
[0007]周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスである。デバイスは、第１の端面と、該第１の端面の反対側の第２の端面とを有する非線形結晶を備えている。非線形結晶は、第１の端面で少なくとも１つの入力レーザビームを受け取り、且つ、第２の面に周波数変換ビームを出力するように構成されている。少なくとも１つの入力レーザビームのビームウェストは、周波数変換プロセスの間、第１の端面と第２の端面の間に配置される。デバイスは、さらに、非線形結晶の第２の端面に結合された第１の端面と、該第１の端面の反対側の第２の端面とを有する第２の結晶を備えている。第２の結晶の第１の端面における周波数変換ビームのビーム径は、第２の結晶の第２の端面における周波数変換ビームのビーム径より小さい。
【０００７】
[0008]本発明の他の実施形態によれば、周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスが提供される。デバイスは、入口窓及び出口窓を有するセルと、第１の端面及び該第１の端面の反対側の第２の端面を有する非線形結晶とを備えている。非線形結晶はセル内に配置されており、その第１の端面は、入口窓から第１の所定の距離だけ間隔を隔てており、また、第２の端面は、出口窓から第２の所定の距離だけ間隔を隔てている。非線形結晶は、第１の端面に入射する少なくとも１つの入射レーザビームを受け取るように構成されている。さらに、非線形結晶は、少なくとも１つの入射レーザビームに対して動作し、周波数変換レーザビームを生成する非線形光変換プロセスのための位相整合を提供するように配向されている。デバイスは、さらに、セル内に配置された化学的に不活性の流体を備えている。この化学的に不活性の液体は、少なくとも１つの入射レーザビーム及び周波数変換レーザビームに対して実質的に透明である。出口窓における周波数変換レーザ光ビームと関連したビーム径は、第２の端面における周波数変換レーザ光ビームと関連したビーム径より大きい。
【０００８】
[0009]本発明のさらに他の実施形態によれば、周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスが提供される。デバイスは、第１の結晶面と、該第１の結晶面の反対側の第２の結晶面とを有する非線形結晶を備えている。非線形結晶は、第１の結晶面で少なくとも１つの入射レーザビームを受け取り、且つ、少なくとも１つの入射レーザビームに対して周波数変換プロセスを実行し、それにより伝搬方向に伝搬する周波数変換レーザビームを生成するように構成されている。デバイスは、さらに、第２の結晶面に結合された第１の材料面と、該第１の材料面の反対側の第２の材料面とを有する光学材料を備えている。この光学材料は、伝搬方向に対して横方向に変化する屈折率プロファイルを特徴としている。
【０００９】
[0010]本発明の代替実施形態によれば、ハイパワー周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスが提供される。デバイスは、入口表面と、湾曲した表面とを有する非線形光学結晶を備えている。この非線形光学結晶は、入口表面で少なくとも１つのレーザビームを受け取り、且つ、周波数変換プロセスを介して周波数変換ビームを提供するように構成されている。デバイスは、さらに、湾曲した表面に結合されたオプティカルコーティングを備えている。このオプティカルコーティングの反射率は、周波数変換ビームの波長では５０％より大きい。さらに、周波数変換ビームの遠視野発散角は、湾曲した表面で反射した後、大きくなる。デバイスは、さらに、オプティカルコーティングと熱接触しているヒートシンクを備えている。
【００１０】
[0011]本発明の他の代替実施形態によれば、周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスが提供される。デバイスは、少なくとも１つのレーザビームを受け取るように構成された入口表面を有する非線形光学結晶を備えている。非線形光学結晶は、周波数変換レーザビームを生成するために使用される周波数変換プロセスをサポートしている。デバイスは、さらに、非線形光学結晶に結合され、且つ、周波数変換レーザビームに伝搬経路を提供するように構成された１つ又は複数の第２の光学材料を備えている。少なくとも非線形光学結晶又は１つ又は複数の第２の光学材料は、湾曲した表面であって、周波数変換レーザビームが該湾曲した表面で反射した後、その遠視野発散角が大きくなるような湾曲表面を特徴としている。デバイスは、さらに、湾曲した表面に光学結合された反射コーティングを備えている。この反射コーティングの反射率帯域は、周波数変換レーザビームと関連している。さらに、デバイスは、湾曲した表面と熱接触しているヒートシンクを備えている。
【００１１】
[0012]本発明の実施形態によれば、多くの利点が提供される。例えば、いくつかの実施形態では、周波数変換結晶の１つ又は複数の表面の表面加熱を抑制し、或いは除去するデバイス及び方法が提供され、したがって安定したハイパワー周波数変換プロセスが可能になる。さらに、実施形態によれば、界面における影響レベル及び対応する結晶損傷を小さくするために、伝搬中におけるビームの拡大が提供される。特定の実施形態では、ブルースター表面及び統合発散エレメントを利用して、長寿命動作及び低挿入損が提供される。実施形態に応じて、これらの利点のうちの１つ又は複数を存在させることができる。これら及び他の利点については、本明細書全体を通して、より詳細には本明細書の以下の部分に記述されている。本発明の様々な追加目的、特徴及び利点については、詳細な説明及び添付の図面を参照することにより、より完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による、熱伝導率が大きいサファイヤ結晶に光学結合されたＬＢＯ結晶を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、第２の非位相整合ＬＢＯ結晶に光学結合された位相整合ＬＢＯ結晶を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、熱を除去するための不活性透明液中のＬＢＯ結晶を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、発散レンズを形成することによってビーム径を大きくするように設計された屈折率プロファイルを備えた屈折率分布型コンポーネントに結合されたＬＢＯ結晶を示す図である。
【図５】出口面上の挿入損が除去されたブルースター角切断熱伝導体（例えばサファイヤ結晶又は非位相整合ＬＢＯ）に結合されたＬＢＯ結晶を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による、その末端のうちの１つが球面凸状内側表面として形状化されたＬＢＯ結晶を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態による、整形された表面を備えたＬＢＯ結晶を示す図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による、整形された表面を備えたＬＢＯ結晶を示す図である。
【特定の実施形態の詳細な説明】
【００１３】
[0021]より大きいパワーへの非線形周波数変換のスケーリングを妨げている１つの問題は、パワーを大きくすることによって非線形結晶に誘導される損傷に関係している。したがって、非線形結晶に対する損傷によって非線形周波数変換効率が制限されている。基本的限界は、絶縁破壊による損傷の原因になり得る入力レーザビームのピークパワー密度によって定義される。ハイコンバージョン及びハイパワーを達成するために十分に大きい非線形係数及びバルクピークパワー損傷閾値の両方を有する材料が工学的に作り出されている。しかしながらこれらの収穫にもかかわらず、高調波又は他の周波数変換プロセスで達成可能な最大出力パワーは、依然として表面損傷によって制限されている。表面における固有の損傷閾値は、表面の熱伝導率が小さいため、バルクに対して著しく小さくなる。したがって、たとえ残留吸収が微少であっても、非拘束表面層に応力破砕が生じることになる。したがって、所与の非線形結晶がどのようなものであっても、最終的に出力されるパワーは、部分的には表面損傷によって決まる。
【００１４】
[0022]損傷は、結晶を加熱し、変形させ、欠陥をもたらすことになる微少な残留吸収によって生じ、さらには、結晶を光学的に損傷し、その透明度及び変換能力を低下させることになる吸収によって生じる。損傷は、とりわけ、空気／結晶界面上のフレネル損を防止するために決まって使用されるＡＲコーティングが結晶に施されている場合に問題になる。オプティカルコーティングは、通常、材料の不整合、欠陥、不純物、等々によって光学的に容易に損傷する。表面の損傷閾値は、本質的にバルク結晶の損傷閾値より小さいため、一様にコーティングが施されていない結晶の表面は、総合パワー変換プロセスにおける最大の弱点として作用する。
【００１５】
[0023]非線形結晶に対する損傷の最も良く知られている例は、パルス持続時間が１０〜１００ｎｓ程度のＱスイッチレーザシステムのためのハイパワーＵＶの生成に使用される結晶の損傷である。現在の市場では、回路基板を切断し、半導体ウェーハを直接書き込み／修復し、プラスチック又は金属を穿孔し、且つ、マーキングするためのハイパワーＵＶが識別されている。しかしながら、結晶は、典型的な集束条件の場合、３ｋＷ／ｃｍ２より大きいか或いは平均パワーが３〜５ワットで損傷することが分かっている。損傷は、一般に結晶が損傷することになるピークパワー未満で生じ、また、損傷は、主として出口表面に局限される。
【００１６】
[0024]損傷の問題を解決するために、ハイパワーレーザ産業では、いくつかの方法が試行され／実施されている。最も一般的な解決法は、断面積が広い結晶を使用し、１つの領域が損傷すると、新しい領域を露出させるために定義済みのパターンで結晶を移行させることである。十分に使用可能な領域がなくなると、結晶が交換される。この技法の場合、単結晶の有効寿命は長くなるが、結晶の損傷という基本的な面に関しては対処されておらず、また、大きく、複雑で、且つ、コストのかかる機械的な運動機構が必要である。
【００１７】
[0025]もう１つの手法は、ＴＨＧ結晶の出口面をブルースター角で切断することである。したがって、ビームの偏光を適切に構成することによって結晶表面のＡＲコーティングが除去され、また、表面の損傷閾値が大きくなる。また、ブルースター表面は、空間ビームセパレータとしても機能し、入射ビームからＵＶビームを分離するための従来の二色性ミラーの軽減を可能にしている。この方法は、いくつかの点では有用であるが、その表面における固有の損傷機構に関しては対処していない。
【００１８】
[0026]本発明者らは、結晶損傷の機構を発見した。本発明者らは、結晶損傷に対する少なくとも４つの可能な説明を識別した。これらの可能性には、１）表面の損傷閾値がより小さいこと、２）結晶格子からのガス放出及び／又は研磨効果による表面の結晶ひずみ、３）加熱及び／又は酸素によるＵＶ吸収並びに空気中の不純物による表面の酸化反応速度の増加、及び４）表面に固有の加熱／移送問題が含まれている。
【００１９】
[0027]酸素を除去し、不活性希ガスに置き換えることができる真空チャンバ内に結晶を密閉することにより、表面損傷は反応によるものではないことが発見された。酸素を導入しても、空気中で観察されたレーザ誘導表面損傷速度に大きな影響を及ぼすことはなかった。しかしながら、ガスが完全に除去され、表面の熱移送及び冷却が結晶を介した熱拡散によるものだけになると、表面はたちまち損傷した。単に穏やかに表面を冷却する様々なガスを再導入すると、レーザ損傷速度が遅くなった。表面に沿って窒素（Ｎ２）ガスを流すと、損傷速度はさらに遅くなり、また、典型的な集束条件で最大３ワットのＵＶの使用が可能になり、３ｋＷ／ｃｍ２より大きいＵＶパワーが出口表面に得られた。
【００２０】
[0028]上記の研究は、どのような特定の理論にも制限されることなく、損傷機構は、表面に存在する、表面を加熱することになる微小不純物によるものであることを示した。表面の熱伝導率が極めて小さく、また、主として界面におけるガス分子との衝突交換によって、或いは熱伝導率が小さい結晶を介した熱伝導によってのみ熱を逃がすことができるという事実により、表面の温度が上昇する。この表面温度の上昇により、結晶がひずみ、また、暗くなる原因になり、吸収が増加して、ひいてはランナウェイ加熱によって損傷することになる。本発明の実施形態が利用している解決法は、所与の任意の等級のピークパワーレーザ及び波長変換レンジに対する平均パワーの可能な最も高いスケーリングを可能にするために、界面における付着物の加熱を抑制し、或いは回避する手段を提供することである。本発明の実施形態を制限することなく、本発明者らは、表面加熱に最も大きい影響を及ぼしているのは単位面積当たりの加熱速度であると考えている。したがって、本発明の実施形態によれば、周波数変換ビームの面積が広くなり、したがって広い面積にわたって熱が分散し、ひいては周波数変換ビームが表面に遭遇する前の表面温度の上昇が最小化される。
【００２１】
[0029]一実施形態によれば、一定の範囲の変換周波数に対して、変換波長における出力パワーを大きくするために、高熱伝導体／ビーム移送材料が非線形結晶の出口面に光学結合されるか、或いは該出口面に光学接触して配置される。
【００２２】
[0030]複合光学材料の場合、複数の光学コンポーネントを一体に結合することができる。このような複合材料は、様々な光学機能のために使用されている。複屈折結晶をベースとする偏光子、ビームスプリッタ及びゼロ次数波長板は、その一例である。複数の光学コンポーネントを結合するためのいくつかの方法が存在している（本明細書においては、「光学結合」として参照されている）。光学結合の最も一般的な方法は、光学コンポーネントの末端が薄いエポキシの層でコーティングされて互いに接触し、次に、熱又はＵＶ光によって硬化されるエポキシ結合である。しかしながら、エポキシ結合は、エポキシ自体の損傷閾値が本質的に小さく、また、ＵＶにおける透過率が小さいため、ハイパワーレーザ放射に耐えることができない。
【００２３】
[0031]ハイパワー光アプリケーションのためには、一般に、エポキシのない（非接着性の）コンポーネントが望ましい。非接着性光学結合のための基本的な方法は、２つの個々の光学コンポーネントのそれぞれ少なくとも１つの表面を光学的に平滑化し、光学的に滑らかなこれらの２つの表面を室温で互いに緊密に接触させる「光学接触」である。これらの極端に滑らかな状態の下で、ファンデルワールス力及び他の原子間力並びに分子間力が最大化され、したがって表面と表面の間の原子引力及び分子引力によって結合が形成される。また、極端に頑丈で、且つ、機械的に強力な結合を生成するために、光学接触の変形形態が開発されている。本発明の実施形態のとりわけ重要な点は、化学的活性化及び拡散接合との光学接触である。化学活性化光学結合（例えばＣ．Ｍｙａｔｔ、Ｎ．Ｔｒａｇｇｉｓ及びＫ．Ｌ．ＤｅｓｓａｕのＬａｓｅｒ  Ｆｏｃｕｓ  Ｗｏｒｌｄ、Ｖｏｌ．４２、９５（２００６）を参照されたい）の場合、光学的に研磨された２つのコンポーネントの表面が化学的に処理され、それによりダングリングボンドが生成され、しかる後に互いに光学接触状態にもたらされる。次に、融解温度より十分に低い温度でこの部品が焼きなましされ、個々の表面の原子と原子の間に共有結合が形成される。この化学活性化結合方法を使用して、類似した光学材料間のみならず、異種の光学材料間における頑丈で、且つ、透明な広域結合を形成することができる。この結合は、コーティングが施された表面と表面の間に形成することも可能である。
【００２４】
[0032]米国特許第５，８４６，６３８号に開示されている拡散接合の場合、最初に２つのコンポーネントを光学接触させ、しかる後に、高められた温度でこれらのコンポーネントが熱処理される。この加熱ステップにより、両方の表面の原子を界面領域内のそれらの最も安定した構成へ移動させることができ、それにより、冷却されると、光学接触のみの場合よりはるかに強力な結合が得られる。また、拡散接合は、類似した光学材料間のみならず、異種の光学材料間における頑丈で、且つ、透明な結合を形成する能力を有している。拡散接合レーザロッドは、極めて大きいパワーレーザのための利得材料として使用されている（例えばＳ．Ａ．Ｐａｙｎｅ等の「Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙｓ，Ｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、７１（１９９７）を参照されたい）。
【００２５】
[0033]図１を参照すると、本発明の一実施形態は、ハイパワーＵＶを生成するためのＬＢＯ結晶１２に光学結合されたサファイヤ結晶１０（ほとんどの非線形光学結晶の熱伝導率の約１０倍の熱伝導率を有している）を備えた、ハイパワー周波数変換レーザビームを生成するためのデバイスを備えている。これらの結晶は、界面１６で結合されている。ＬＢＯ結晶１２は、非線形光変換プロセスのための位相整合を提供する配向を有しており、それにより少なくとも１つの入力レーザビーム２１は、周波数変換出力レーザビーム１４を生成する。
【００２６】
[0034]周波数変換プロセスは、非線形光学結晶中の光強度の関数である。強度は、しばしば、ビーム径の二乗に関連しているビーム面積に対する光パワーの比率として定義されている。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、しばしばビームウェストと称される焦点が端面１９と界面１６の間に位置するように、１つ又は複数のレーザビーム２１が非線形光学結晶中に集束する。ビームウェストの寸法は、目下のアプリケーション及び利用可能な光パワーで決まる。例えば、入力レーザビームのピークパワーが２５ｋＷ未満の場合、ビームウェストは、１μｍ未満ないし５ｍｍの範囲にすることができ、また、入力レーザビームのピークパワーが２５ｋＷよりはるかに大きい場合、ビームウェストは１０ｃｍにまですることができる。周波数変換ビームの直径は、知られている式を使用して計算することができる。ビーム径は、第１の近似までは、入力レーザビームの直径に類似している。結晶１２は、端面１９を有しており、また、界面１６に面を有している。これらの面は光学的に平らであり、コーティングされている場合もあれば、コーティングされていない場合もある。これは、ハイパワー周波数変換レーザ光が結晶から射出する端面１４が示されている結晶１０の端面についても同様である。
【００２７】
[0035]光学結合によれば、放射領域全体にわたって一様な無矛盾結合が得られ、それにより、固体／気体界面で生じる可能性のある、熱伝導率を局部的に小さくし、熱損傷をもたらすボイドが回避される。いくつかの実施形態では、界面１６は、１／２未満の光学平面度及び８０／６０より良好なスクラッチディグ特性を特徴としている。固体／固体接触は、熱伝導が固体／気体界面よりはるかに大きく、したがって界面の温度上昇が除去され、ひいてはバルクの損傷閾値と同じ損傷閾値が得られる。サファイヤ結晶自体も、その表面の損傷機構と同じ損傷機構に支配される。ＬＢＯ結晶１２に結合されたサファイヤ結晶１０は、得られる拡大ビームが、光学結合されたサファイヤ結晶１０の出口表面１４をほとんど、或いはまったく損傷しないよう、レーザ光ビームを十分遠くへ移送するだけの十分な長さである。出口面１４は、コーティングを施さなくてもよいが、面上におけるフレネル損を抑制するためにコーティングを施すことも可能である。非線形結晶１２及びサファイヤ結晶１０は、それぞれ、同一空間を展開している縦軸１７を有しており、また、入射レーザビーム２１は、端面１９の平面に直角に非線形結晶１２の端面１９に導かれ、また、結晶１２中で生成されたハイパワーレーザビームは、２つの結晶の縦軸１７に平行に移動し、出口面１４から射出する。
【００２８】
[0036]図１に示されているデバイスは、（１つ又は複数の）入射レーザビームが結晶１２の光学的に平らな端面１７に直角になるように構成されているが、本発明の範囲には他の構成が包含されていることは当業者には理解されるであろうことに留意されたい。例えば、最適角位相整合を達成するために、又は／及び鏡面後方反射を抑制するためにビームを若干偏位させることができる。したがって、本発明のいくつかの実施形態には、垂直入射からの角度偏位の変化が包含されている。いくつかの実施形態では、偏位の角度は、入力レーザビーム又は周波数変換レーザビームのいずれかに対して６０°未満である。当業者には多くの変形形態、修正及び代替が認識されよう。
【００２９】
[0037]サファイヤ結晶１０の好ましい長さは、レーザビームパラメータ及びレーザビームの光の特定の周波数変換波長におけるサファイヤ結晶１０の出口表面１４での表面損傷閾値で決まる。フレネル損は、屈折率が異なる２つの材料の間の界面１６上で生じ、当分野で良く知られている［（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）］２で表すことができる。ｎ１及びｎ２は、これらの材料の屈折率である。１０６４ｎｍの波長では、ＬＢＯ／サファイヤ界面におけるフレネル損は約０．３％であり、無反射（ＡＲ）コーティングが施された光学機器（例えばレンズ、波長板、Ｑスイッチモジュール、等々）によって導入される損失と等価である。このフレネル損は、ほとんどのレーザアプリケーションに対して無視することができ、或いは管理することができる。
【００３０】
[0038]本発明の実施形態によれば、光学エレメントを結合するための新規なスキームであって、重要な波長で透明であり、且つ、レーザビームの面積が表面損傷を回避するだけの十分な広さである表面へのビームの移送による過剰な表面加熱を回避するだけの十分な長さの光学エレメントを結合するための新規なスキームが提供される。ハイパワーＵＶの生成を必要とするアプリケーションの場合、ビームを拡大させるためには、レーザビームを冷却材料中の十分遠くまで移送することが望ましい。すべての材料は、ある程度までＵＶ中で吸収し、ＵＶレーザビームを生成するために第１の位置に使用される非線形結晶と同じ問題に遭遇する。このアプリケーションのために選択されるＬＢＯなどの結晶は、知られているほとんどのＵＶ透明材料のうちの一部であることに留意されたい。ごくわずかな吸収であってもバルク加熱の原因になり、また、レーザビームの有害な劣化の原因になり、さらには非線形パワー依存損失及び不安定性の原因になるため、この透明性は有用である。
【００３１】
[0039]わずかな吸収の増加及び温度の上昇に対する表面の感度が極端に鋭敏である場合、問題が一層悪化する。また、一般的には表面の欠陥を回避することは不可能であり、それが、表面領域におけるＵＶ吸収の増加の基本的な原因になっている。ＵＶによってもたらされる表面損傷の現象は、普遍的な問題であることが分かっている。一般的には吸収誘導損傷に対して免疫性があると見なされているＬＢＯ、石英ガラス、サファイヤ、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）などの高度に透明な材料でさえ、ハイパワーＵＶレベルでは表面損傷に遭遇することが観察されている。この観察は、高輝度ＵＶレーザビームの最近の進歩によってのみ観察される新しい現象である。ＵＶを生成するために使用される結晶の表面を冷却するために、或いはサファイヤ結晶のＵＶ損傷閾値を有効に大きくすることを期待してサファイヤエンドキャップを置くことだけでは不十分である。どのような材料を選択しても、結局は同じ表面損傷機構に遭遇することになる。したがって、Ｓ．Ａ．Ｐａｙｎｅ等の「Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙｓ，Ｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、７１（１９９７）に記載されている、表面を冷却するための単純な拡散接合エンドキャップによって、表面損傷が単純に透明なキャッピング層の出口表面へ移される。
【００３２】
[0040]図１に示されている実施形態は、ＬＢＯ結晶を使用して説明されているが、それは、単に説明を目的としたものにすぎず、この非線形結晶には、所望の光変換プロセスを提供する任意の材料を使用することができることは理解されよう。非線形結晶の例には、それらに限定されないが、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ビスマス（ＢｉＢＯ）、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴＰ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）及びヒ酸チタン酸カリウム（ＫＴＡ）がある。
【００３３】
[0041]図１に示されている実施形態は、光学結合を使用して、ビーム発散度が最終媒体の出口表面におけるハイパワー周波数変換レーザビームによる光学損傷を回避するだけの十分な大きさのビームを生成するまでビームを透明なボディ中を有効に移送している。いくつかの実施形態では、周波数変換ビームは、０．１ｍｒａｄと２５０ｍｒａｄの間の範囲の発散度を有している。ビームの拡大は、当業者によって計算することができ、入力レーザビームパラメータ及び結晶の屈折率及び長さが得られる。いくつかの実施形態では、ビームは、１より大きい倍率で拡大される。特定の実施形態では、ビームは、２の平方根の倍率で拡大される。この特定の参照は、表面が真空に露出されると仮定して、表面不連続性における熱移送が材料のバルク中の任意の所与のポイントの熱移送の１／２として与えられたものである。ビームの面積を半分にすることにより、この固有の差が補償される。他の実施形態では、１倍から１００倍までの範囲でビームが拡大される。
【００３４】
[0042]本発明の実施形態に関連して、ビーム半径、ビーム幅、ビームウェスト、ビームウェスト位置、ビーム径及びビーム発散度を始めとするビーム特性が利用されている。本明細書においては、一般に、ＩＳＯに従って提供される定義が利用されている。例えば、ビーム径は、１／ｅ２強度ポイント間の距離として定義することができる。通常、この定義は、平頂ビームを始めとする多モードビームには適用することができないため、個々のアプリケーションに応じて適切な他の定義が利用されている。したがって、ビームが第１の平面から第２の平面へ伝搬する際にその直径が大きくなる一実施形態では、個々のビームの空間分布に応じて適切な様々な定義を矛盾することのない方法で利用することができる。
【００３５】
[0043]また、遠視野発散角の概念を利用して、本発明の実施形態に利用され、また、本発明の実施形態で生成されるビームが記述されている。いくつかの実施形態によれば、遠視野発散角は、ビームが伝搬する軸上の特定のポイントを参照して、ある特定のポイントから自由空間を通って１００ｋｍ離れたあるポイントへ伝搬した場合にビームが有することになる発散角として定義されている。
【００３６】
[0044]また、図１に示されているデバイスの結晶１０としてサファイヤが使用されているが、この第２の結晶には、熱伝導率が大きく、且つ、重要な波長で実質的に透明な他の任意の結晶を使用することができることは当業者には理解されよう。本発明の実施形態によれば、実質的に透明なという用語は、光吸収のレベルが重要な波長で低レベルであることを特徴とする材料を表すために使用されている。例えば、いくつかの実施形態では、実質的に透明な材料を通過すると、光強度が最大約２０％程度減少する。したがって、結晶１０は、それらに限定されないが、サファイヤ、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム−ガリウム−ガーネット（ＧＧＧ）、バナジン酸塩ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）及び立方晶ジルコニア結晶のうちの任意の１つであってもよい。
【００３７】
[0045]他の実施形態では、表面加熱を抑制し、或いは除去するために、位相整合結晶が非位相整合結晶に光学結合され、ビームの移送と冷却が同時に実施される。光学接触方法又はこの方法の変形形態に関わる接触問題を完全に除去し、或いは実質的に除去するために、周波数変換プロセスには何ら寄与させることなく、周波数変換材料と同じ材料を使用して熱伝導体を構築することができる。一例として拡散接合を使用する場合、接触領域の格子原子が再配列し、互いに結合して、２つの光学エレメントの間に結合が形成されるまでの間、結晶の２つのセクションを正規の位置に、高められた温度で機械的に保持しなければならない。このプロセスでは、損傷閾値を小さくし、ひいては周波数変換デバイスの光学性能を低下させることになるひずみ及び欠陥を回避するために、格子整合問題が満たされる。
【００３８】
[0046]格子不整合問題を回避するための解決法は、セクション２０及び２２の両方がＬＢＯ結晶でできている図２に示されているように、結合される光デバイスの両方のセクションを同じ結晶から構築することである。ＬＢＯ結晶セクション２０は、この結晶中における最適位相整合周波数変換を可能にする配向を有している。ＬＢＯ結晶セクション２２は、それ以上のＵＶ又は他の非線形変換を防止するためには、位相整合から偏位した配向を有していなければならない。図２に示されている実施形態では、第２のＬＢＯセクション２２は、一次結晶２０が最も高い周波数変換のための最適長さになるように選択されるため、それ以上の周波数変換には寄与していない。一次結晶２０の長さが最適周波数変換長より長い場合、ビームが楕円形になり、また、バックコンバージョン及びレーザ輝度の損失の原因になることがある。第２のＬＢＯセクション２２の目的は、光ビームが出口表面２４から射出する際に、損傷閾値より小さくなるよう光ビームが十分に広い面積に拡大するまでの間、出口表面２４が光ビームに露出されないよう、ビームを十分遠くまで移送することである。位相整合は、結晶の配向の変化に極めて敏感であり（例えばＬＢＯ中における１０６４ｎｍのＴＨＧの角アクセプタンスは、０．２度−ｃｍ未満である）、一方、実効屈折率、実効熱膨張及び実効格子定数などの他の物理特性は、結晶の配向の変化に対してはるかに寛容であるため、ＬＢＯ結晶セクション２２の配向偏位を十分に小さくして位相整合を抑制し、同時に、一次ＬＢＯ結晶セクション２０に対する結晶格子、熱膨張及び屈折率のほぼ完璧な整合を保持することができる。そのため、機械的な応力が減少し、強力な結合が界面２６に得られる。界面２６上のフレネル損は、界面における屈折率階段が消失するため、事実上、存在しない。
【００３９】
[0047]２つの非線形結晶２０及び２２は、それぞれ、同一空間を展開している縦軸１７を有しており、また、入射レーザビーム２１は、端面２３の平面に直角に非線形結晶２０の端面２３に導かれ、また、結晶２０中で生成されたハイパワーレーザビームは、２つの結晶の縦軸１７に平行に移動し、出口面２４から射出する。しかしながら、図１に示されている実施形態を参照して説明したように、１つ又は複数の入射レーザビームは、正確に垂直入射で入射する必要はない。
【００４０】
[0048]図２に示されている実施形態によって提供される新規な特徴は、結晶の配向がわずかに不整合であるまったく同じ材料を使用して、非線形結晶間の界面におけるひずみ及び屈折率の差に関わるあらゆる残留問題を実質的に除去し、且つ、すべての格子特性のほぼ完全な整合を提供していることである。
【００４１】
[0049]材料が非可用性であり、コストが高く、或いは光学結合品質が貧弱であるため、多くの結晶にとって、他の結晶を使用して表面の加熱を除去し、且つ、ビームを移送することは不可能であるか或いは実際的ではない。その代わりに、入力レーザビーム及び周波数変換ビームの波長で透明である不活性液を使用して、同様の効果を達成することができる。例えば、図３を参照すると、本発明の他の実施形態では、ＵＶから約２４０ｎｍの範囲にわたって大きな透過率を示す液体塩化フッ化炭素（ＣＦＣ）或いは他の液体又は気体を使用することができる。いくつかの実施形態では、流体は、０．１ｇ／ｃｍ３を超える密度を特徴としている。また、ＣＦＣは、透明であり、且つ、適度に大きい熱容量を有しているだけではなく、不活性液である。つまり、ＣＦＣは、ＬＢＯ結晶と反応することなく、事実上、透明波長で光化学を示すことはない。ＣＦＣの屈折率は、非線形結晶出口面３１と液体の間の界面におけるフレネル損を抑制するために、非線形結晶３０の屈折率と整合する屈折率になるように選択することができる。しかしながら、主な利点は、固体／気体界面と比較した場合に、密度が大きい流体を有することによって非線形結晶出口面３１からの熱の移送を可能にし、それにより非線形結晶出口面を冷却することであるため、必ずしもそれらの屈折率を完全に整合させる必要はない。
【００４２】
[0050]図３に示されているように、有効な位相整合周波数変換のために最適化された配向を有するＬＢＯ結晶３０は、循環するＣＦＣ液又は他の液体或いは気体がセル３２内に流入する入口３４、及びセル３２から流出する出口３６を有する液体循環セル３２内に支持されている。入射する光のビーム及び射出する光のビームに対してそれぞれ透明である窓４０及び４２は、セル３２の互いに反対側の末端に配置されている。結晶３０と窓４２の間に、追加エレメントである発散レンズ４４を挿入し、それにより窓４２の損傷を回避するための光ビームの迅速な拡大を保証することができる。
【００４３】
[0051]非線形結晶３０は、互いに対向している第１及び第２の端面３１及び３３に直角の縦軸３５を有しており、また、非線形結晶３０は、１つ又は複数の入射レーザビーム２１が非線形結晶３０の端面３３へ導かれるようにセル３２内に取り付けられている。ハイパワーＵＶレーザ光ビームは、非線形結晶３０の縦軸３５に平行に移動する。しかしながら、図１に示されているデバイスの実施形態に関連して説明したように、１つ又は複数の入射レーザビームは、正確に垂直入射で入射する必要はない。図３に示されている実施形態は、結晶出口面３１とセル出口窓４２の間に配置されるビーム移送セクションの長さのスケーリングが非制限であり、また、材料コストが安価で、且つ、重要な変換波長で透明な不活性液を適切に選択することによってあらゆる非線形結晶にあまねく適用することができるという独特の利点を有している。
【００４４】
[0052]いくつかのアプリケーションでは、所与の任意のレーザシステムに対して、最も高いパワー動作に対する結晶の出口表面における損傷閾値未満のレーザビームの強度を得るために、光ビームを結晶面から十分に遠くまで移送するために必要な材料の量が問題になることがある。パワーのスケール化が大きくなるにつれてレーザのビーム径が大きくなり、また、それにつれてレーザビームの共焦点パラメータが大きくなる。この増加は、光を移送する材料（例えば図１に示されている光学結合高伝導固体１０、図２に示されている光学結合非位相整合材料２２、又は図３に示されている不活性透明液）中における必要な伝搬距離がビーム径と共に二次的に増加することを意味している。
【００４５】
[0053]図４は、本発明の一実施形態による、発散レンズを形成することによってビーム径を大きくするように設計された屈折率プロファイルを備えた屈折率分布型コンポーネントに結合されたＬＢＯ結晶を示したものである。過度の量の材料を必要とすることがないよう、例えば、図４に示されているように、ＬＢＯ結晶１２に取り付けられた移送媒体５０の中に屈折率プロファイルを導入することができる。したがって、これらの実施形態には、周波数変換結晶に光学結合された屈折率分布型ビームエキスパンダが利用されている。屈折率分布プロファイル全体にわたって測定された光学材料の平均屈折率は、本発明の一実施形態における非線形結晶の屈折率に実質的に等しい（例えば１０％以内又は５％以内）。
【００４６】
[0054]移送材料５０の屈折率プロファイルは、移送媒体５０の軸に対して横方向の平面に存在させることができ、また、発散レンズを形成することによって速やかにビーム径を大きくするために、レーザ入力パラメータに基づいて設計することができる。この発散レンズは、例えば、屈折率プロファイルが半径寸法の関数として大きくなる移送材料を使用することによって達成することができる。固体接触の場合、この屈折率プロファイルは、イオン交換、化学気相成長（ＣＶＤ）、屈折率分布層を使用した熱拡散ガラスプリフォーミング、レーザ誘導屈折率変化、等々によって達成することができる。いくつかの実施形態では、固体中に光導波路を製造するために使用される技法を使用して製造された屈折率分布型ビームエキスパンダが使用されている。当業者には、多くの変形形態、修正及び代替が認識されよう。
【００４７】
[0055]移送媒体５０は、中に屈折率プロファイルが書き込まれた結晶であるか、或いは製造が容易な非晶質ガラス様材料であってもよい光学材料である。プロファイルの平均屈折率は、界面５２上のフレネルパワー損失を最小化するために、基板の材料を適切に選択することによってＬＢＯの平均屈折率に近くなるように設計することができる。流体を使用して冷却及びビーム移送を提供している一実施形態では、不活性透明流体によって結晶に結合された発散レンズ又はビームエキスパンダを液体セルに導入することができる。この場合、流体の屈折率は、ビームの拡大を可能にし、且つ、様々な界面における若干のフレネル損との妥協で結晶を整合させるために、ビーム拡大光学機器とは屈折率が整合しないように設計される。
【００４８】
[0056]非線形結晶１２及びビーム移送媒体５０は、それぞれ、同一空間を展開している縦軸１７を有しており、また、１つ又は複数の入射レーザビーム２１は、端面５１に直角に非線形結晶１２の端面５１へ導かれる。結晶１２中で生成されたハイパワーレーザビームは、２つの材料の縦軸１７に平行に移動し、拡大レーザビームとして出口面５３から射出する。しかしながら、図１に示されている実施形態に関連して説明したように、１つ又は複数の入射レーザビームは、正確に垂直入射で入射する必要はない。
【００４９】
[0057]上記実施形態においては、入射レーザビームは、すべて、熱伝導体の出力表面に対して直角又はほぼ直角である。図３を参照すると、熱伝導体の表面１４、２４即ち液体セル３２の窓４２は、必要なパワー及びレーザシステムの設計（例えばキャビティ内周波数変換又はキャビティ外周波数変換）に応じてコーティングを施しても、或いはコーティングを施さなくてもよい。通常、コーティング（例えば無反射（ＡＲ）コーティング）を使用して、表面のフレネル反射損失が抑制される（３５５ｎｍの波長において、ＬＢＯの場合は約４％、サファイヤの場合は約８％）。このようなコーティングにより、生成される光子が有効に抽出され、また、レーザシステムの光学コンポーネントを損傷することになる後方反射が防止される。従来の周波数変換器と比較すると、表面加熱を抑制又は除去し、且つ、出力面上のビームスポットを大きくすることによって表面の損傷閾値が大きくなるが、ＡＲコーティングが施された表面は、通常、コーティング層の材料の不整合、欠陥又は不純物のため、コーティングが施されていない表面より光学的に損傷されやすい。したがって、本発明のいくつかの実施形態には、ＡＲコーティングを使用していない、また、同時に過剰な損失を導入することのない表面を使用した設計が利用されている。
【００５０】
[0058]米国特許第５，８５０，４０７号に、コーティングが施されていないブルースター出口面が周波数変換結晶の上に直接構築された第３高調波発生器が記述されている。レーザビームは、当分野で良く知られているように、本質的にパワーを損失することなく、適切な構造の偏光（つまりｐ−偏光）で、ブルースター角で面を通過するため、ＡＲコーティングは不要である。また、ブルースター表面は、その性質が分散型であるため、コーティングが施された二色性ミラーを使用することなく波長を分離するための手段が提供される。
【００５１】
[0059]一実施形態では、移送媒体５０も、屈折率分布プロファイルを有する非線形結晶である。この実施形態では、移送媒体５０は、移送媒体中の周波数変換プロセスの振幅を小さくするために、位相整合状態から逸脱した角度で配向されている。当業者には、多くの変形形態、修正及び代替が認識されよう。
【００５２】
[0060]本発明の他の実施形態では、熱伝導体の出口表面は、ブルースター角で切断されている。図５は、一実施例として、第２種位相整合ＴＨＧ発生を非線形結晶ＬＢＯ６０に使用した設計を示したものである。ブルースター切断された熱伝導体６２を非線形結晶６０に光学的に結合することにより、界面表面６４における表面加熱の抑制又は除去によって提供される損傷閾値の改善と、コーティングが施されていない表面６６の頑丈性の両方の利用を始めとする利点が提供される。ブルースター表面６６が傾斜しており、固体／空気界面上の光が偏向するため、出口表面６６上の有効ビーム面積が１／ｓｉｎ（ａｒｃｔａｎ  ｎ）倍だけ広くなっている（ｎは、熱伝導体の屈折率である）。例えば伝導体としてサファイヤ結晶６２を使用する場合、拡大係数は２に近い。また、前述の実施形態で説明したように、熱伝導材料６２中の光ビームの移送によってビームサイズが拡大する。出口表面６６の単位面積当たりのレーザパワーを小さくすることにより、コーティングが施されていない出口表面６６の損傷の可能性がさらに減少する。表面加熱抑制における有利な特徴のこの独自の組合せにより、ビームのスポットサイズが大きくなり、また、挿入損が減少するため、一般的には他の技法では達成することができない、損傷閾値が大きく、且つ、信頼性が高い周波数変換器が得られる。
【００５３】
[0061]非線形結晶６０は、端面６８に直角の縦軸を有している。非線形結晶６０は、入射レーザビームが非線形結晶の対向している第１の端面６８に端面６８に直角に導かれるように取り付けられているが、前述の実施形態の場合と同様、１つ又は複数の入射レーザビームは、正確に垂直入射で入射する必要はないことは理解されよう。
【００５４】
[0062]熱伝導体６２上の分散型ブルースター角表面６６を使用して、入射光ビームから変換ビームを空間的に分離することができる。非線形結晶６０ではなく、熱伝導体６２上のブルースター角の固有の利点は、したがって空間分離が熱伝導体の独自の特性であり、分散が大きい熱伝導体を選択することによって大きな分離を達成することができ、ひいては周波数変換システム全体の設計を容易にすることができることである。
【００５５】
[0063]一例として、サファイヤ熱伝導体による分離は、１０６４ｎｍのＴＨＧの場合のＬＢＯ結晶による１°に対して２°である。また、この設計は、キャビティ内周波数変換並びにキャビティ外変換のために使用することができる。当分野で良く知られているように、キャビティ内アプリケーションの場合の変換効率は、非線形コンポーネントの基本パワーに対する挿入損に対して極めて敏感である。過度の挿入損は、レーザ発振閾値が高くなり、変換レーザパワーが著しく減少する原因になる。本明細書において説明されている周波数変換器設計を利用する場合、ブルースター角出力表面６６の損失は存在しない。したがって、結晶に入射する基本波長が表面を損傷することがないため、従来の光学機器の場合と同様、入力表面６８にＡＲコーティングを施すことができる。非線形結晶／熱伝導体界面６４は、［（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）］２で表すことができる損失を導入することがある。ｎ１及びｎ２は、それぞれ非線形結晶及び熱伝導体の屈折率である。熱伝導体が周波数変換結晶の屈折率と同じ屈折率を有している場合、この損失は、実質的に除去することができる。一例として、熱伝導体は、配向が若干偏位した、周波数変換結晶の材料と同じ材料であってもよい（図２の実施形態に関連して上で説明したように）。ＬＢＯに結合されたサファイヤ結晶の場合、界面６４上の損失は、１０６４ｎｍにおいて約０．３％である。この損失は、キャビティ内における典型的なＡＲコートエレメントによる損失と等価であり、ほとんどのレーザアプリケーションに対して無視することができ、或いは管理することができる。
【００５６】
[0064]ここで、ブルースター角を使用することによって非点収差が導入されることがあることに留意されたい。ビーム再整形及び補償を使用して、必要に応じて出力光ビーム中の非点収差を除去することができる。詳細には、十分な距離を隔てて配置された、整合したブルースター切断熱伝導体を使用して、第１の熱伝導体によって生じる非点収差を補償することができる。
【００５７】
[0065]本明細書全体を通して説明されているように、加速ビーム拡大を使用して、出口面におけるビームのサイズを十分なサイズにするための過度の量の材料の必要性を回避することができる。ＵＶビームを十分に拡大し、且つ、依然として結晶中を伝搬させるために、負の光パワーを備えた追加光学エレメントを結晶の中に組み込むことができる。そのための１つの方法は、図４を参照して説明したように、プロファイルが負のレンズとして作用する方法で屈折率の空間プロファイルを生成することである。また、湾曲した少なくとも１つの光学表面を結晶中に形成し、その表面に印加されるＵＶ光に対して高度に反射性のコーティングを施すことにより、ビームの拡大を加速させることができる。ＵＶビームは、結晶の湾曲した表面に少なくとも一度当たって反射するように結晶中に配置され、また、湾曲した表面の曲率は、反射したＵＶビームが出口表面に当たる前に拡大するように設計される。反射表面には、場合によっては、加熱されることになる独自の欠陥が含まれているが、その表面は、熱伝導率が大きい、これらの欠陥によって生成される熱を速やかに分散させることができる材料（即ちヒートシンク）にその表面を接触させることによって外部的に冷却することができ、したがってそのポイントにおける損傷の問題を軽減することができる。
【００５８】
[0066]図６を参照すると、一実施形態では、非線形結晶自体の中に湾曲した表面が組み込まれている。ここでは、１つ又は複数の入射レーザビーム２１が結晶の光学表面７３を通って非線形結晶７０に入射し、それらのエネルギーの一部が非線形結晶の内部の非線形光変換を介して紫外（ＵＶ）ビーム２９に変換される。非線形結晶は、ＵＶビームの伝搬を阻止している非線形結晶の側に形成された凸状（結晶のバルクから見た）球面光学表面７１を有している。したがって、この凸面は、ＵＶビームを結晶中に反射し、ビームが結晶から射出する前のビームの拡大を加速している。
【００５９】
[0067]光学材料の中に球面表面を整形することは、当業者に良く知られている。表面７１には、ＵＶビーム波長に対して、また、好ましくはレーザビーム２１に含まれている波長に対しても高度に反射性のコーティングが施されている。例えば、コーティングの反射率は５０％より大きい。他の実施形態では、コーティングの反射率は、９９％より大きいことが好ましい。球面表面７１の曲率半径及び曲率の中心位置は、非線形結晶に入射するビームと非線形結晶から射出するビームを角度分離することができるよう、ＵＶビームが後方に向かって小さい角度で反射するように設計されている。
【００６０】
[0068]また、いくつかの実施形態によれば、この設計は、１つ又は複数の入射ビームに対して変換プロセスを最適化することができるため、反射ビーム中のＵＶ変換を実行していない。湾曲した光学表面７１は凸状であるため、ＵＶビームは、結晶表面７３に当たって結晶から射出する前に、非線形結晶７０を通って伝搬している間に拡大する。したがって、ＵＶビーム出口表面におけるパワー密度を小さくすることができ、また、出口表面のＵＶ損傷パワー閾値を大きくすることができる。一方、表面７１は、強度が大きいＵＶビームが当たって加熱されるが、外部のヒートシンク７２によって容易にその表面を冷却することができる。ヒートシンクには、良好な熱伝導率及び良好な熱容量を有する、良好に熱接触させることができる任意の材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、ヒートシンクと冷却すべき表面と間の熱接触は、熱連絡していると呼ばれている。したがって、ヒートシンクと表面の間の物理的な接触は、個々のアプリケーションに応じて、提供しても或いは提供しなくてもよい。他の実施形態では、ヒートシンクと表面の間に熱伝導層を介在させることも可能である。ヒートシンクの１つの実施例は、高度に反射性のコーティングの表面への金属コーティングである。典型的な金属コーティングは、典型的な非線形結晶の熱伝導率より２桁大きい熱伝導率を有しており、したがってそれらの表面全体に速やかに熱を分散させることができる。ＵＶパワーが極めて大きい場合、金属又は他の材料を使用して製造された追加ヒートシンクを金属コーティングにプレスし、或いははんだ付けして、より効果的に熱を除去することができる。
【００６１】
[0069]ＵＶビームが拡大する量は伝搬する距離で決まるため、非線形結晶を熱伝導体に結合し、且つ、湾曲した表面を熱伝導体の上に組み込むことによって伝搬距離を長くすることが有利である。光学材料を追加することにより、ＵＶビームを拡大するための追加経路長が提供される。また、熱伝導体は、非線形光学結晶ではなく、また、湾曲した表面を容易に製造することができる材料を選択することができる。
【００６２】
[0070]図７は、湾曲した表面を熱伝導体上に組み込んだ本発明の一実施形態を示したものである。１つ又は複数の入射レーザビーム２１が非線形結晶の光学表面８５を通って非線形結晶８０に入射する。ＵＶビーム２９は、非線形結晶の内部の非線形光変換によって生成される。非線形結晶の表面８５の反対側の面は、界面８１を介して、良好な光学特性及び熱特性で第２の光学材料８２に光学結合されている。したがって、図７に示されている実施形態には、図６に示されている概念の一部が使用されているが、ＬＢＯ結晶が、熱伝導体の中に直接組み込まれた球面表面と共に熱伝導体に光学結合されている。
【００６３】
[0071]第２の光学材料の選択及び非線形結晶への結合方法の選択は、本明細書を通してその要点が記述されている指針と同じ指針に従わなければならない。第２の光学材料は、穿孔された球面表面８３を有している。この球面表面８３は、ＵＶレーザビームに対して高度に反射性のコーティングが施されており、ヒートシンク８４と良好に熱接触している。ＵＶビーム２９に対する球面表面８３の相対位置は、ＵＶビームが後方に向かって反射し、表面８５を通って、入射するビーム２１に対して小さい角度で非線形結晶から射出するようになっている。したがって、いくつかの実施形態では、入射するビームと射出するビームの角度分離が提供される。通常、この設計も、１つ又は複数の入射ビームに対して変換プロセスを最適化することができるため、反射ビーム中に生じるＵＶ変換を保証していない。
【００６４】
[0072]上で説明したように、若干の吸収は、ほとんどすべての透明非線形結晶に存在しており、したがって非線形結晶を加熱する原因になっている。したがって、生成される強烈なＵＶビームの方向を非線形結晶（周波数変換が実施される）から熱伝導体の方向に向けて変化させ、熱伝導体から射出させることが有利である。図８は、この着想を示す一実施形態を示したものである。１つ又は複数のレーザビーム２１が非線形結晶９１に入射し、パラメトリック変換を介して非線形結晶の内部にＵＶビーム２９が生成される。非線形結晶は、界面９２を介して、穿孔された球面表面９５を有する熱伝導体９４に光学結合されている。この球面表面は、ＵＶビームに対して高度に反射性のコーティングが施されており、ヒートシンク９３と緊密に接触している。図８に示されているように、湾曲した面で反射したビームは、熱伝導体の中を伝搬する。
【００６５】
[0073]非線形結晶８０、熱伝導体８２、それらの界面８１、球面表面８３、表面８３の高度に反射性のコーティング及びヒートシンク８４の設計に関連した上記実施形態における説明は、同じく、対応するエレメント９１、９４、９２、９５及び９３にも適用される。図８では、ＵＶビーム２９に対する球面表面９５の位置は、ＵＶビームが湾曲した表面の法線に対して大きい入射角の下で反射するように選択されている。一実施形態では、この入射角は約４５°である。他の実施形態では、この入射角は一定の角度範囲で変化し、例えば約１°から約８９°まで変化する。この方法によれば、ＵＶビームは、周波数変換が大きい領域から遠ざかる方向に導かれ、残留ＵＶ吸収による非線形結晶の余剰加熱の問題が抑制され、或いは除去される。表面９５で反射したＵＶビームが伝搬する方向の材料９４の長さは、ＵＶビームが材料９５の表面９７から射出する前に十分に拡大するだけの十分な長さである。
【００６６】
[0074]図６〜８に示されている実施形態の場合、場合によっては、球面表面における反射面（入射ビームと反射ビームの両方を含む平面）をＵＶビームの偏光に対して直角になるように選択することが有利であることに留意されたい。この方法によれば、ＵＶビームの偏光は、後続する、非線形結晶又は取り付けられている光学材料を介した伝搬に影響されない。これは、特定の偏光のＵＶビームを非線形結晶又は光学材料から射出させる必要がある場合に有用である。また、湾曲した表面を使用することによって非点収差が導入されることがあることに留意されたい。ビーム再整形及び補償を使用して、必要に応じて出力光ビーム中の非点収差を除去することができる。また、図６〜８に示されている実施形態の場合、場合によっては、非線形結晶又は取り付けられている光学材料と緊密に光学接触し、且つ、周波数変換ビームのための出口表面として作用するブルースター切断表面を有する光学材料を備えることが有利である。これらの利点には、さらに、ビーム面積の拡大及び有用な周波数変換ビームと他のビームの間の角度分離の強化が含まれている。
【００６７】
[0075]本発明の上記実施形態は、赤外線（ＩＲ）から可視光まで、及び可視光からＵＶスペクトルレンジまでのあらゆる非線形変換プロセスに関連している。つまり、問題は、あらゆる変換プロセス及びあらゆるレーザ等級にとって基本的である。非線形結晶媒体のバルクではなく、ビーム出口表面で遭遇する過剰な加熱は、非線形光学システムから抽出することができる最大パワーを制限するように作用する。したがって、本発明の実施形態によれば、抽出されるパワーを表面の損傷閾値ではなく、結晶のバルクの損傷閾値によって画定される基本的限界に到達させることができる。場合によっては、損傷がほとんどなく、或いはまったく損傷のない、２倍を超える出力パワー利得という総合的な効果を得ることができ、多くの場合、１桁を超える出力パワーの増大を達成することができる。
【００６８】
[0076]本発明について、非線形結晶に入射するより長い波長のレーザビームをハイパワーＵＶレーザビームに変換するための非線形光変換プロセスを使用したハイパワーＵＶレーザビームの生成に関連して説明し、且つ、図に示したが、本発明による方法は、表面加熱及び関連する損傷が存在するあらゆる非線形周波数変換にも適用されることは当業者には理解されよう。また、本発明の実施形態は、単なる例にすぎないが、表面加熱が次世代の強烈なＩＲレーザシステムにおける出力パワーを制限することになる、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）又は差周波数発生（ＤＦＧ）を介したハイパワー赤外線（ＩＲ）生成に適用することも可能である。
【００６９】
[0077]したがって、入射するレーザビームから生成されるハイパワーレーザ光ビーム、或いは光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）又は差周波数発生（ＤＦＧ）を介して非線形結晶に入射するビーム（生成されたビーム）から生成されるハイパワーレーザ光ビームは、光スペクトルのＩＲ領域の波長を有している。ＯＰＡ及びＤＦＧは、いずれも、典型的にはより波長が短い２つの入力ビームから、より長い波長を赤外線（ＩＲ）に生成する２つの非線形光プロセスである。また、複数の入力ビームが異なる波長を有することも可能である。
【００７０】
[0078]以上、本発明について、本発明の特定の実施形態及び特定の実施例に関連して説明したが、他の実施形態も本発明の精神及び範囲に包含されることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びそれらのあらゆる範囲にわたる等価物を参照して決定されるものとする。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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