(57)【要約】  （ｉ）原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、（ii）パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバ、ここでパルス光は非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次ストークス光に相当し、原波長より長い第１の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第１のパルス光出力に変換される、及び（iii）１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた最終光波長の光出力を発生するように、第１のパルス光出力を受け取り、これをより高い光周波数に変換するための、非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器、を備えるレーザシステム。
2009535666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第１の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第１のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第１のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第１のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
前記パルス光源によって供給されるパワーの大部分が前記非線形ラマン変換ファイバを一回通過するだけで前記最終次ストークス光のパワー出力に変換されることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記パルス光源が０.１〜１００ｎｓのパルス幅及び１：２〜１：１０００のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記非線形ラマン変換ファイバが、ファイバ長にわたって一様な色分散を有し、前記色分散が前記原波長、前記出力波長及び複数の中間次数ストークス光の全ての波長に対して常分散であるような、単一の非線形ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記非線形ラマン変換ファイバが、前記原波長の特定の（Ｎ＋１）次ストークス光に対する閾値が決して優越されないような損失を与える、前記特定の（Ｎ＋１）次ストークス光に相当する波長帯の波長選択性減衰コンポーネントを含み、前記多段ラマン変換がＮ次ストークス光で終結することを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項６】
ラマン変換効率を高めるためにラマン変換を「シード」するため、前記パルス光源からの前記パルス光、前記中間次数ストークス光の内の１つ、いくつかまたは全て及び前記出力波長とともに伝搬する、少量のＣＷ光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシードポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項７】
ピークパルスパワーを高め、設定するために前記パルス光を増幅するための、前記非線形ラマン変換ファイバと前記パルス光源の中間に結合された高パワー光ファイバ増幅器をさらに備え、前記高パワー光ファイバ増幅器が、イッテルビウム、エルビウム及びツリウムからなる群から選ばれる少なくとも１つの希土類ドーパント材がドープされた光ファイバを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
波長変換及び波長変換のための多段誘導ラマン散乱の制御のための方法において、前記方法が、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生する工程であって、前記パルス光はパルス幅及びピークパルスパワーを有するものである工程、
前記パルス光を、前記原波長の原パワーを多段誘導ラマン散乱過程によって前記原波長より長い出力波長のパワー出力に変換するために非線形ラマン変換ファイバに結合し、前記非線形ラマン変換ファイバを通して伝搬させる工程であって、前記非線形ラマン変換ファイバはファイバ長及び分散パラメータを有するものである工程、
前記非線形ラマン変換ファイバの１回通過における前記出力波長の最終次ストークス光のパワー出力への前記原パワーの変換を最大化するために、前記パルス幅、前記ピークパルスパワー、前記ファイバ長及び前記分散パラメータを設定する工程、及び
少なくとも１つの高調波発生器に、前記高調波発生器が１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を発生するように、前記ラマン変換ファイバによって供給される前記光をより高い光周波数に変換するために前記光を結合する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記設定する工程が非線形ファイバセグメントの直列接続を提供する工程を含み、前記非線形ファイバセグメントのそれぞれは、特定のファイバセグメントを通過している入力波長、出力波長及び中間次数ストークス光波長の特定の組合せに対して常色分散を有し、前記組合せの前記波長のそれぞれにおける前記色分散の値が４光波混合によって生じるスペクトル拡幅を含む変換効率に有害な非線形光効果を最小限に抑えるための要件及びいずれの２つの連続する変換次数（波長）に対してもパルスウォークオフを最小限に抑えるための要件によって決定され、前記ファイバセグメントのそれぞれがファイバセグメント長を有し、前記ファイバセグメント長が、特定のセグメントで発生されて前記特定のセグメントを通過する次数のストークス光に前記誘導ラマン散乱の閾値が優越されるように、該セグメントに入る初めの次数のストークス光のピークパルスパワー及び、該ファイバセグメントのラマン利得、減衰及び実効面積から決定され、最終ファイバセグメント長がＮ次ストークス光閾値に優越するには十分であるが、（Ｎ＋１）次ストークス光閾値に優越するに十分ではなく、この結果、前記原パワーの大部分がＮ次ストークス光に変換されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
レーザシステムにおいて、
光を発生する光源であって、可視スペクトル範囲で動作するファイバレーザまたはファイバ増幅器を有する光源、及び
１５０〜４００ｎｍの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を発生するように、前記光源によって供給される前記光を受け取るため及び前記受け取られた光をより高い光周波数に変換するために前記光源に動作可能な態様で結合された周波数変換器、
を備えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項１１】
前記レーザシステムが、（ｉ）前記光源が可視光源によってポンピングされる、（ii）光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を備えていない、（iii）前記光源が１０Ｗをこえる光パワーを供給する、（iv）前記ファイバレーザまたはファイバ増幅器が可調である、（ｖ）前記光源がパルス光源であり、前記周波数変換器に供給される前記光がパルス光である、（vi）前記パルス光源が０.１〜１００ｎｓのパルス幅及び１：２〜１：１０００のデューティサイクルを有する、（vii）前記パルス光源が前記原波長を同調するための波長可変レーザを有し、前記原波長の前記同調が前記最終出力波長の微調を提供する、（viii）前記周波数変換器が多くとも２つの非線形変換結晶を有する、（ix）前記レーザシステムが親発振器-パワー増幅器（ＭＯＰＡ）であるパルス光源を備え、前記ピークパルスパワーを高め、設定するために前記パルス光を増幅するための高パワー光ファイバ増幅器をさらに備え、前記高パワー光ファイバ増幅器が、サマリウム、ジスプロシウム、ユーロピウム及び／またはプラセオジムからなる群から選ばれる少なくとも１つの希土類ドーパント材がドープされた光ファイバを含む、の内の少なくとも１つを満たすことを特徴とする請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記ファイバレーザまたはファイバ増幅器がＳｍ，Ｅｕ，Ｄｙ，Ｐｒから選ばれる少なくとも１つのドーパントがドープされたシリカベースファイバを有することを特徴とする請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記ファイバレーザまたはファイバ増幅器が、（ｉ）３７５ｎｍ〜４７８ｎｍの範囲にあるポンプ波長を供給する光源及び（ii）少なくとも１つの青色ブロードエリアレーザの内の少なくとも１つによってポンピングされることを特徴とする請求項１２に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００６年４月２８日に出願された、名称を「パルス動作ＵＶ及び可視ラマンレーザシステム（Pulsed UV and Visible Raman Laser System）」とする、米国仮特許出願第６０/７９５９１５号、及び２００６年６月２日に出願された、名称を「ＵＶ及び可視光出力発生のためのレーザシステム（Laser Systems for Producing UV and Visible Light Output）」とする、米国仮特許出願第６０/８１０５２０号の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には固体レーザに関し、さらに詳しくは、紫外（ＵＶ）波長範囲及び／または可視波長範囲における出力を発生するために非線形波長変換を用いるファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００３】
可視波長範囲（４００〜７７５ｎｍ）及びＵＶないし深ＵＶ（ＤＵＶ）波長範囲（１５０〜４００ｎｍ）におけるコヒーレント光源には、（医学、生命科学、材料処理、フォトリソグラフィ及び計測学のような）多くの重要な用途がある。一般に、高出力パワーが望まれ、異なる用途には異なる波長が必要とされる。
【０００４】
しかし、近ＩＲスペクトル範囲用に開発された広範に入手できる光源とは対照的に、より短い波長（例えば可視またはＵＶ）の光源の選択範囲は極めて限られている。エキシマーレーザは、２４８ｎｍ，１９３ｎｍ及び１５７ｎｍのＵＶ光の発生によく利用される。しかし、これらのレーザは高価であり、メンテナンスに費用がかかり、ビーム品質が比較的劣り、波長可変ではない。
【０００５】
ダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザのＩＲ（赤外）波長出力をＵＶ及び可視範囲に変換するために、非線形結晶における高調波変換が一般に用いられる。残念なことには、ＤＰＳＳレーザからは僅かな数の離散波長しか利用できず、したがって、この方法で発生される出力波長も基本波長またはポンプ波長の（例えば、二次、三次、四次の）高調波に限定される。そのようなレーザ出力は、例えば１０６４ｎｍＮｄ：ＹＡＧレーザ出力の高調波変換で発生される、５３２ｎｍ，３５５ｎｍ及び２６６ｎｍである。
【０００６】
適する透過波長範囲及び位相整合条件をもつ非線形結晶が存在すれば、出力波長可変性をさらに提供するため、光パラメトリック発振（ＯＰＯ）をＤＰＳＳレーザとともに用いることができる。これは必ずしも可能ではない。さらに、ＯＰＯからの出力波長は非線形結晶の位相整合条件によって決定されるから、ＯＰＯを用いるレーザシステムは、高調波変換を用いるレーザシステムに比較して、一般に複雑であり、安定性が乏しいという問題をかかえている。
【０００７】
ＤＰＳＳレーザの別の欠点は、熱問題（レーザ結晶内の熱散逸）によって、平均パワー出力が比較的低い値（１０〜２５Ｗ）に制限されることである。高効率非線形周波数変換に必要な高ピーク光パワー値を達成するため、ＤＰＳＳレーザは一般に、パルス繰返し周波数が数ｋＨｚに限定されるＱスイッチ（長い３０〜５０ｎｓパルス）方式、または出力のスペクトル幅がかなり広く、したがってレーザ出力のコヒーレンス長が連続波レーザすなわちＣＷレーザのコヒーレンス長より短い、モードロック（５〜１０ｐｓパルス）方式で動作される。したがって、そのようなＤＰＳＳレーザは、光パルスが高コヒーレンスを保つに十分に長く、同時に繰返し周波数が特定の検出器にとって出力光が実効的にＣＷに見えるように十分に高い、擬似ＣＷ出力を発生するには適していない。
【０００８】
新しい部類のダイオードポンプレーザである、希土類ドープガラスファイバレーザが最近かなり注目されており、初めての工業用途が見つかっている。活性媒質長が長い（数ｍ）ことから、ファイバレーザでは熱散逸問題がＤＰＳＳレーザほど大きな問題にはならず、したがって、完全な横単一モードビーム品質を保ちながら、平均パワー出力をかなり高くすることができる。すなわち、ファイバレーザは高調波変換による可視及びＵＶ範囲における高パワーＣＷ源または擬似ＣＷ源形成のための完璧な候補である。さらに、ファイバレーザ出力波長は離散値に限定されず、比較的広い範囲、例えばＹｂドープデバイスについては１０３０〜１１２０ｎｍ、で同調させることができる。しかし、このさらなるフレキシビリティをもってしても、高調波発生によって全ての所望の出力波長を達成することはできない。ＯＰＯは追加の波長を提供できるが、上述したように、ＯＰＯを用いるレーザシステムは一般に複雑であり、高調波変換器を用いるレーザシステムに比較して、安定性に劣るという問題をかかえている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、０.１５〜０.７７５μｍの範囲において高パワーで高効率であり、安定な、擬似ＣＷレーザ源の開発が未だに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態は、（ｉ）原波長を中心とする光スペクトル範囲を有するパルス光を発生するパルス光源、（ii）パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバ、ここで、パルス光は非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって原波長より長い第１の出力波長を中心とする光スペクトルを有する第１のパルス光出力に変換される、及び（iii）非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、高調波発生器が１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた最終出力波長の最終光出力を発生するように、第１のパルス光出力を受け取り、これをより高い光周波数に変換するための高調波発生器、を備えるラマンレーザシステムである。
【００１１】
本発明の一実施形態は、光を発生する光源であって、可視スペクトル範囲で動作するファイバレーザまたはファイバ増幅器を有する光源及び、光源に動作可能な態様で結合された周波数変換器であって、周波数変換器が１５０〜４００ｎｍの範囲内におかれた最終光波長の光出力を発生するように、光源によって供給される光を受け取り、これをより高い光周波数に変換するための周波数変換器、を備えるレーザシステムである。最終出力波長は１５０〜３００ｎｍの範囲内におかれることが好ましい。
【００１２】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者には、ある程度は、その説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって容易に認められるであろう。
【００１３】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明のいずれもが、本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特徴を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
サブ２００ｎｍレーザ光源は半導体工業における計測用途に非常に重要である。集積回路の最小寸法が縮小するにつれて、フォトリソグラフィに用いられる光の波長が短くなる。したがって、マスク及びウエハの検査に、また光学素子の作成にも、同じかまたは同様のＤＵＶ光波長が必要になる。現在用いられている、固体レーザ源、高調波変換及びＯＰＯに基づくシステムは、一般に非常に低い繰返しレートで作動し、非常に大きくて扱いにくく、複雑で、高価であり、頻繁で煩雑なメンテナンスが必要である。
【００１５】
新しい部類のダイオードポンプレーザである、希土類ドープガラスファイバレーザが最近かなり注目されており、初めての工業用途が見つかっている。活性媒質長が長い（数ｍ）ことから、ファイバレーザでは熱散逸問題がＤＰＳＳレーザほど大きな問題にはならず、したがって、完全な横単一モードビーム品質を保ちながら、平均パワー出力をかなり高くすることができる。すなわち、ファイバレーザは高調波変換による可視及びＵＶ範囲における高パワーＣＷ源または擬似ＣＷ源形成のための完璧な候補である。さらに、ファイバレーザ出力波長は離散値に限定されず、比較的広い、例えばＳｍドープファイバレーザまたは増幅器については約５７０〜６３０ｎｍの、範囲で可変とすることができる。この可調性はレーザシステムで供給される最終出力波長の同調または調整を提供する。
【００１６】
コヒーレント光を発生するための無キャビティまたは無共振の方法及び装置が本明細書に教示される。本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、好ましくは常分散（負分散）を有する光ファイバにおけるパルスポンプ光の多段誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）が、初期の短い波長のより長い波長への複次波長シフトを生じさせるために、本発明の方法及び装置に用いられる。
【００１７】
次いで、（例えば、二次、三次または四次の）高調波発生が１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を発生するように、高調波発生器が最終次ストークス光のパワー出力をより高い光周波数（より短い波長）に変換するために用いられる。
【００１８】
ここで本発明の、その例が添付図面に示される、現在好ましい実施形態を詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明のレーザシステムの一実施形態が図１に示され、本明細書にわたり、全体として参照数字１０で指定される。
【００１９】
図１を参照すれば、レーザシステム１０は、原波長λｐを中心とする光スペクトルを有するパルス光１０４を発生するパルス光源１０２（例えば初「親発振器」パルス光源１０２'を有する「親発振器-パワー増幅器」（ＭＯＰＡ））を有する。非線形ラマン変換ファイバ１０６'を有するラマン波長変換器１０６がパルス光源１０２に動作可能な態様で結合される。パルス光１０４は非線形ラマン変換ファイバ１０６'を通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって（原波長λｐより長い）出力波長λ１出力を中心とする光スペクトルを有する第１のパルス光出力信号１０８に、出力波長λ１出力が非線形ラマン変換ファイバ１０６'のガラス材料に対す原波長λｐのＮ次ストークス光波長（Ｎ＝１,２,３または４）に相当し、パルス光源１０２からの光パワーのかなりの部分（＞２５％）が非線形ラマン変換ファイバ１０６'の１回の通過でＮ次ストークス光に変換されるように、変換される。パルス光源１０２によって与えられるパルス幅及びピークパルスパワーも、ラマン変換ファイバ長も、またこのファイバの分散パラメータも、好ましくは、原パワーの非線形ラマン変換ファイバ１０６'の１回の通過における出力波長の最終次ストークス光のパワー出力への変換を最大化するように選ばれるべきである。
【００２０】
さらに詳しくは、ファイバ作成に用いられるガラス材料が透明であるいずれかの波長のコヒーレント光出力を発生させるために、光ファイバにおけるラマン波長シフトが用いられる。初波長のｉ次ストークス光が（ｉ＋１）次ストークス光の発生のためのポンプとしてはたらく、複次誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）発生器が、光ファイバの作成に用いられるガラス材料の透明ウインドウ内でかなりの波長シフトを達成し、その結果、他のタイプのレーザ源では利用できないであろう新しい出力波長λ１出力を発生するための、（短波長から長波長への）多段波長変換器として用いられる。
【００２１】
誘導ラマン散乱過程の自己位相整合性により、ピークパワーが十分に高い光パルスが単一モード光ファイバ１０６'に投射されて、ファイバ１０６'内を伝搬すると、ポンプ光波長（すなわち原波長）λｐの、一次、二次、三次ないしさらに高次のストークス光波長への連続変換がおこるであろう。ポンプ光とストークス光の間のスペクトル内間隔または光周波数間隔は、いわゆるストークスシフト（すなわち、光ファイバ１０６'が作成される特定のガラス材料においてラマン利得が最大である、波長（周波数）シフト）によって決定される。変換は連続的におこるから、何次のストークス光がラマン変換ファイバの出力に存在するかは入力ピークパワー及びファイバ長によって一意的に決定される。変換が与えられたストークス次数で終結するように、波長依存損失を生じさせることによって（例えばファイバを曲げることによって）ある程度の制御をさらに実行することができる。ラマン変換光ファイバ１０６'は、色分散が原波長、出力波長及び複数の中間次数ストークス光波長に対して常分散であるような、ファイバ長にわたって一様な色分散を有する単一モード非線形ファイバとすることができる。原波長、出力波長及び複数の中間次数ストークス光波長のそれぞれにおける色分散の値は、４光波混合により生じるスペクトル拡幅を含む、変換効率に有害な非線形光効果を最小化するための要件及びいずれの２つの連続変換次数光（波長）に対するパルスウォークオフも最小化するための要件によって、少なくともある程度、決定される。ラマン変換光ファイバ１０６'の長さは、誘導ラマン散乱閾値がＮ次ストークス光には優越されるが、（Ｎ＋１）次ストークス光には優越されず、よって原パワーの大部分がＮ次光パワーに変換される結果となるように、光源のピークパルスパワー及びファイバのラマン利得、減衰及び実効面積から決定されることが好ましい。
【００２２】
あるいは、ラマン変換光ファイバ１０６'は非線形ラマンファイバセグメントの直列接続で作成することができて、それぞれのファイバセグメントは、特定のファイバセグメントを通過する入力波長、出力波長及び中間次数ストークス光波長の特定の組合せに対して常色分散を有し、特定の組合せの波長のそれぞれにおける色分散の値は、４光波混合によって生じるスペクトル拡幅を含む変換効率に有害な非線形光効果を最小化するための要件及びいずれの２つの連続変換次数光（波長）に対するパルスウォークオフも最小化するための要件によって、決定される。それぞれのファイバセグメントがセグメント長を有し、ファイバセグメント長は、誘導ラマン散乱閾値が特定のセグメントで発生される次数のストークス光及びその特定のセグメントを通過する次数のストークス光に優越され、最終ファイバセグメント長はＮ次ストークス光閾値に優越するに十分に長いが、（Ｎ＋１）次ストークス光閾値に優越するには十分ではなく、この結果、原パワーの大部分がＮ次光パワーに変換されるように、そのセグメントに入る初次ストークス光のピークパルスパワー及び、そのファイバセグメントのラマン利得、減衰及び実効面積からあらかじめ決定されることが好ましくい。
【００２３】
波長λ１出力の第１のパルス光出力信号１０８を受け取り、これをより高い光周波数に変換するために、高調波発生器１１０が動作可能な態様で非線形ラマン変換ファイバ１０６'に結合され、高調波発生器１１０は１５０〜７７５ｎｍの範囲内におかれた出力波長λ出力の最終パルス光出力１１２を発生する。高調波発生器１１０は、例えば、二次、三次または四次等の高調波発生器とすることができ、これは高調波発生器１１０が第１の出力波長λ１出力を、λ出力＝λ１出力/２，λ１出力/３またはλ１出力/４の最終波長に変換していることを意味する。
【００２４】
パルス光のラマン変換は光ファイバ１０６'の１回の通過でおこり、いかなる共振キャビティまたは波長選択素子も必要ではない。しかし、そのような自走変換については、ガラスのラマン利得スペクトルは比較的広く、新しい次数のストークス光の発生は自然ラマン放射光の増幅によっておこるから、後続する次数のストークス光のそれぞれは直前の次数のストークス光より若干広いスペクトルを有するであろう。４光波混合の影響によりさらなるスペクトル拡幅がおこる。これらの理由のため、出力波長の精確な選択が困難になり得る。したがって、発明者等は、第１のパルス光出力波長λ１出力に対し、及び（必要に応じて）それぞれの中間次数ストークス光波長に対し、ラマンファイバ入力においてシード光を与えることが好ましいと示唆する。これが、例えば、（第１のパルス光出力に対する）シード光源１１２及び（中間次数ストークス光の１つに対する）シード光源１１４を示す、図１に示される。原理的には、それぞれのシード光において数マイクロワットのパワーを与えるだけで十分であるが、より高い（１０ｍＷまでの）パワーを与えることによって、必要なラマンファイバ長が短くなり、変換効率が若干高くなり、雑音が若干低くなるであろう。（本明細書でポンプとも称される）パルス光源１０２も、中間次数ストークス光にシード光を与えるレーザ１０４も、ラマン利得の比較的弱い（１ｎｍ未満で一般に十分である）波長依存性により、非常に狭いスペクトル出力を有することが必要であり、多重縦モード構造を有することができる。第１の出力波長λ１出力に対するシード光源１１２に対するシード光源１１２は狭いスペクトル線を与えることが好ましく、単一周波数を与えることがさらに好ましい。誘導ラマン散乱で拡げられるであろうから、ラマン波長変換器１０６の出力のスペクトル幅はシード光源１１２のスペクトル幅とほぼ同じになるであろう。すなわち、狭いスペクトル線を有していれば、高調波変換段において高変換効率を達成し得ることを（好ましくは線幅が１００ｐｍより狭い）高コヒーレントシード光源１１２が保証するであろう。外部キャビティ型、ＤＦＢ型、ＤＢＲ型または縦キャビティ型の半導体ダイオードレーザが最も適しているが、単一周波数ＤＦＢ型または単一周波数ＤＢＲ型のファイバレーザも、また固体レーザも、第１の出力のシード光源１１２として用いることができる。
【００２５】
ラマン過程は偏波選択性であるから、ポンプ光１０２並びにシード光１１２，１１４の全てが偏極していて、それぞれの出力の偏波状態がラマン変換ファイバ１０６'の入力において揃えられていることが重要である。ラマン変換ファイバ１０６'は偏波保存ファイバであることも好ましく、そうでなければ、変換器出力の楕円性を補正し、高調波発生器（変換器）１１０に用いられる非線形結晶の光軸に対してそれぞれの偏波状態を揃えるために、１/２波長板と１/４波長板の組合せが必要であろう。技術上周知のように、位相整合を達成するため、あるいは次数の異なる高調波光が結晶を通って同じ速度で伝搬することを保証するために、非線形結晶の光学複屈折特性が普通用いられる。
【００２６】
ラマン変換器１０６は用いられるラマン変換ファイバ１０６'のタイプにしたがって構成されなければならない。発明者等の数値計算及び予備実験により、以下で説明されるように、シリカベースファイバ１０６'は比較的短い長さで高変換効率を達成するに十分に大きいラマン利得を有することが示された。所望のピークパワーレベル及び平均パワーレベルに依存して、大きなモード面積を有するように、また光損傷を避けるように、ファイバが構成される必要があり得るであろう。シリカベースファイバについてのラマン利得は、ポンプ（すなわちパルス光源１０２）の光周波数からほぼ１３.４ＴＨｚ及び１４.６ＴＨｚにある、２つの近接するピークを有する。ポンプ光波長λｐ、中間次数ストークス光波長及び出力シード光波長は、光周波数ドメインにおいていずれの連続する２つも、好ましくは１２.５ＴＨｚと１４.７ＴＨｚの間にあるように、さらに好ましくは与えられた変換ファイバについてのラマン利得の最大値に正確にあるように、選ばれる。
【００２７】
本実施形態にしたがえば、光源１０２によって与えられるパルス幅は０.１〜１００ｎｓであり、パルスのデューティサイクルは１：２〜１：１０００である。最適効率のためには、光パルス幅及び繰返し周波数に対する要件を考察することが重要である。原理的に、光パルス幅に上限は全くない。しかし、数ナノ秒より長いパルスに対しては、ファイバにおける誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）が変換され得る最大パワー量を制限することができ、ポンプ光スペクトルがＳＢＳを抑制するに十分に広いことが保証されなければならない。また、結晶における非線形変換効率を高めるためには、デューティサイクル（パルス幅と繰返し時間の比、ピークパワーに対する平均パワーの比でもある）が１：１００より低い値であることが望ましいが、これは、１０ｎｓより長いパルスに対して、繰返し周波数を、目標が擬似ＣＷ源を形成することであれば望ましくない１ＭＨｚより低い値に制限するであろう。他方で、光パルスが短すぎれば、ラマン変換効率はファイバ分散によって生じるポンプ光とストークス光の間の時間に関するウォークオフによって影響を受けるであろう。したがって、ラマン変換ファイバがポンプ光及びストークス光の群速度を整合させるように特に設計されていない限り、パルスを３００ｐｓ（０.３ｎｓ）より短くしないことが好ましい。したがって、パルス幅に対する好ましい範囲は０.３〜１０ｎｓであり、対応する繰返し周波数範囲は１〜３０ＭＨｚである。いかなるパルス「ウイング」の存在も不完全な変換を生じさせるであろうから、パルス形状は可能な限り完全な矩形に近いことも好ましい。別の重要な問題は、以降の高調波変換の効率に有害であり得る、自己位相変調（ＳＰＭ）として知られる非線形光効果によりラマン変換器出力に課せられるスペクトル拡幅の大きさである。技術上周知であるように、光強度が時間的に変化していれば、ＳＰＭは光周波数変化だけをおこさせ、その結果、スペクトル拡幅が生じる。したがって、上辺が平坦で立ち上がり時間及び立下がり時間が可能な限り最短の、ほぼ完全な矩形パルスがＳＰＭの影響を最小限に抑えるために好ましい。
【００２８】
本明細書に定義されるように、術語「非線形ファイバ」は、（ファイバを含む）光導波路であって、少なくとも１つの（一次の）ストークス光の発生に対する光パワー閾値が光導波路を構成している材料に対する光損傷閾値をこえない基本導波路モードに対して十分大きなラマン利得、十分大きい長さ、十分低い減衰及び十分小さな有効面積を有する光導波路を指す。
【００２９】
透明（すなわち低損失、すなわちラマンファイバだけで与えられるラマン利得の１/２より小さい損失）であり、ポンプ光波長及び必要な全ての次数のストークス光波長において十分なラマン利得を有する、適するガラス材料が存在すれば、多段誘導ラマン散乱過程によって、任意の大きさの波長シフトを達成することができる。したがって、パルスレーザ、ラマン波長変換過程及び適切な高調波発生器を用いれば、原理的に、可視範囲及びＵＶ範囲の波長を含むいかなる所望の出力波長も発生させることができる。非線形ラマン変換ファイバ１０６'は、中赤外波長範囲で透明な光学ガラスで作成することができ、ガラスは、硫化物、セレン化物、テルル化物、（ＧｅＯ２ベースの）ゲルマニウム酸塩、（Ａｌ２Ｏ３ベースの）アルミン酸塩及び（ＴｅＯ２ベースの）亜テルル酸塩からなる群から選ばれる材料でつくられることが好ましい。
【００３０】
レーザシステム１０の出力パワーは、ラマンファイバ１０６'の作成に用いられたガラスへの光損傷によってのみ制限され、原理的には数１００ワットに達し得る。ラマンファイバを作成するためのガラス材料の選択は出力波長及び出力パワーの要件で規定される。石英ガラスベースの材料は、８００〜１９００ｎｍの波長範囲において、透明度が高く、光損傷閾値が高く、比較的短いファイバ長における高効率変換を達成するに十分にラマン利得が高いことから、好ましい。さらに高いラマン利得または異なる波長範囲が望ましければ、他のタイプのガラスも用いることができる。
【００３１】
ピークパワーが高いパルス光源１０２からのポンプ光パルスを用いれば、比較的短い長さのラマンファイバ１０６'において変換を完了することが可能になる。理論最大パワー変換効率はポンプ１０４の光子エネルギーに対するラマンファイバ出力１０８の比で定義され、したがって９０％に達することが（こえることさえも）できる。例えば、１０５６.３ｎｍのポンプ光波長λｐのシリカファイバにおける１１７８ｎｍの二次ストークス光への変換に対し、理論最大効率はη＝１０５６/１１７８＝０.８９７である。
【００３２】
必要に応じて、パルス光源１０２の平均パワー及びピークパルスパワーを高めることができるようにパルス光１０４を増幅するため、初パルス光源１０２'（本実施形態においてはパルス動作親発振器）と非線形ラマン変換ファイバ１０６'の間に高パワー光増幅器１０５が結合される。このようにすれば、十分に開発されたファイバ増幅器技術に基づく、費用効果の高いポンプ源を増幅器１０５のために用いることができる。高パワー光増幅器１０５は初パルス光源１０２'とともに親発振器-パワー増幅器（ＭＯＰＡ）を形成する。本発明の方法及び装置はＹｂドープまたはＥｒドープのファイバ光増幅器を含むポンプ源に特に適するが、他のタイプのパワー増幅器１０５を有する他のポンプ源とも用いることができる。さらに詳しくは、ＹｂドープファイバベースのレーザまたはＭＯＰＡは１０３０〜１１２０ｎｍの範囲の光出力を供給でき、Ｅｒ，Ｔｍ及びＮｄドープのシリカファイバベースのレーザまたはＭＯＰＡはそれぞれ、１５０３〜１６１０ｎｍ，１８００〜２０００ｎｍ及び８９０〜９３０ｎｍの範囲の出力を供給できることに注意されたい。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、光源１０２は原波長λｐの同調のために波長可変レーザを有し、原波長の同調により最終出力波長λ出力を微調することができる。
【００３４】
励起状態の寿命が非常に長い（数ｍｓ）ことから、希土類（例えば、ＥｒまたはＹｂ）ドープファイバ増幅器は本質的に入り信号の平均パワーを増幅し、非常に小さいデューティサイクルに対しては平均パワー出力が中程度でしかない増幅器１０５で非常に大きなピークパルスパワーを発生することができる。例えば、親発振器１０２'からの（例えば分布帰還（ＤＦＢ）型レーザダイオードの直接変調による）１ｎｓ長パルスは、多段ＥｒまたはＹｂドープ増幅器１０５において２０ｋＷのピークパワーに増幅することができるが、繰返しレートが１００ｋＨｚであれば（ピークパワーは１００００×平均パワーになる）、パワー増幅器１０５の平均出力パワーは２Ｗに過ぎない。そのような大ピークパワーにより、数ｍ長でしかないシリカベースファイバにおいて高効率ラマン変換を行うことができるであろう。
【００３５】
パルス幅を設定するための電気パルス発生器による半導体レーザダイオードの直接変調またはダイオード出力の個別の電気光学強度変調器への接続を、さらに増幅するかまたは増幅せずに（すなわち光増幅器１０５を用いるかまたは用いずに）パルス光１０４を発生するための、初パルス光源１０２を作成するために用いることができる。上述したように、変換効率を最大化すし（パルスウイングにおける不完全変換の効果を最小限に抑え）、（自己位相変調（ＳＰＭ）による）スペクトル拡幅を最小限に抑えるためには、矩形パルスを形成することが好ましい。Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔｍ及びＮｄドープ増幅器１０５は比較的広い（数１０ナノメーター）スペクトル利得帯域幅を有するから、パルス光源１０２を、またはレーザシステム１０全体を、（直接に変調されるかまたは個別の変調器に結合された、外部キャビティ型半導体レーザのような）波長可変親発振器パルス源１０２'を用いることで波長同調可能とすることができる。
【００３６】
多段ラマン波長変化の順次性を説明するため、図２は、ジー・ヴァレイユ（G. Vareille），オー・オウドゥイン（O. Audouin），イー・デザーヴィル（E. Desurvire）の論文（Electronics Letters，１９９８年，第３４巻，第７号，ｐ.６７５）に提示されているパワー方程式と単一モードシリカベースファイバの代表的パラメータの結合に基づく単純化した数値モデル計算の結果を示す。モデルにおいて、光源１０２のパルス光性は（簡単化のため）無視され、代りに、１０００Ｗの、原波長λｐが１０５６.３ｎｍの連続波（ＣＷ）ポンプ光パワーが一次ストークス光及び二次ストークス光のための少量（１０−６Ｗ）のシードパワーとともに、非線形ラマン変換ファイバの入力に直接に供給される。図２は光パワー対ラマン変換ファイバ１０６'の長さのグラフである。図２に示されるように、ポンプ波長λｐの出力光パワーは、二次ストークス光への変換段階が始める前に、波長１１１４ｎｍの一次ストークス光に完全に変換される。グラフはそれぞれの変換段階に対してほぼ１２.５ｍのファイバ長が必要であり、全パワーが２５ｍの長さにおいて９０％の効率で二次ストークス光（１１７８ｎｍの出力波長λ１出力）に変換されることも示す。変換はファイバの１回通過で達成され、誘導ラマン散乱の無共振性及び自己位相整合性により、ファイバ分散、減衰または実効面積のファイバの長さに沿う変動にほとんど影響されない。すなわち、パルス動作多段ラマン波長変換器の動作は、非線形変換ファイバ１０６'の分散、損失及び実効面積の変動に左右されない点で有利である。
【００３７】
本発明を理解するためには、非線形ラマン変換ファイバ１０６'の色分散に対する要件を論じることが重要である。パルス動作多段ラマン波長変換器１０６の動作に対する主要件は、非線形ラマン変換ファイバ１０６'がその長さに沿ういかなる点においても、少なくとも、原波長λｐ及び第１の出力波長λ１出力、またその点を通過するいずれの中間次ストークス光の波長に対しても、常（負）分散を有することである。常（負）分散は、ソリトン効果によって生じるパルス分裂、４光波混合、雑音増幅及びパラメトリックまたは変調不安定性効果による自然放出で生じるスペクトル線拡幅、及び「寄生」スペクトル線発生のような、多段ラマン変換効率に有害な非線形光効果を防止するために必要である。
【００３８】
ファイバ導波路設計の既知の手法を用いてファイバ分散が常（負）分散であることを保証することができる。標準的なドープトファイバまたは、クラッド層がファイバ長に沿って走る多数の孔を含む、微細構造化ファイバを用いることができる。
【００３９】
上で論じた有害な非線形効果を抑制するに十分であり続けるファイバ分散の最小絶対値を定めることは、その値がポンプパルスの立ち上がり時間及び立下がり時間を含む多くの要因に依存するから、困難である。最近の光通信システムにおいて、４光波混合を抑制するには約２〜３ｐｓ/ｎｍ/ｋｍの分散で十分であると通常考えられている。しかし、光伝送に用いられるパワーレベルは通常、本明細書で論じられるパワーレベルよりかなり低い。したがって、本発明は、ファイバ分散が−５ｐｓ/ｎｍ/ｋｍよりも負であれば好ましいと教示する。ファイバ分散は−１０〜−１００ｐｓ/ｎｍ/ｋｍの範囲にあることが好ましい。
【００４０】
他方で、非線形ラマン変換ファイバ分散の絶対値が大きすぎることは、変換効率の低下及びパルス形状歪を生じさせる、次数の相異なるストークス光のパルスの時間に関する「分散ウォークオフ」（すなわち、分散による、異なる波長の光パルスの分離）を避けるため、許容され得ない。許容値はパルス幅及び１つの変換段階が完了するに必要なファイバ長（図２の例では１２.５ｍ）に依存するが、一般には、ウォークオフ量がパルス幅の１０％より小さいことが好ましい。
【００４１】
発明者等は、上述したラマン変換器１０６において高変換効率及び高平均出力パワーをともに得られる可能性の予備解析を行った。純シリカクラッド層及び、コアとクラッド層の間の屈折率すなわち屈折率デルタの差が０.０００７になるようにＧｅＯ２を僅かにドープした、２２μｍ径コアをもつ光ファイバ１０６'を作成した。ラマン変換器１０６の数値モデルには、光強度の時間依存性、自己位相変調及び相互位相変調及び４光波混合のような非線形光効果を考慮に入れ、例えば、実効モード面積、色分散及びラマン利得のような、ファイバの実測パラメータ値を組み入れた。図３Ａ及び３Ｂは、立ち上がり時間及び立下がり時間が１００ｐｓでピークパワーが２５ｋＷの４００ｐｓ長光パルスを供給するパルス光源１０２を備えるレーザシステム１０に対するモデル計算結果を示す。発明者等は、シード光源１１２，１１４等が四次までのストークス光の全てに対して１.０ｍＷのＣＷパワーを与えると仮定した。図３Ａは二次ストークス光の（デューティサイクルにわたって平均した）平均パワーのファイバ１０６'内の位置に関する依存性を示す。図３Ａから明らかなように、２６ｍ長ファイバ１０６'に対してほぼ８０％の二次ストークス光波長への平均パワー変換効率を達成できる。三次ストークス光への変換について、モデルは３６ｍのファイバ長に対して最大で６９％の平均パワー変換効率を予測している（図示せず）。図３Ｂはファイバ内の様々な位置での二次ストークス光信号パルス形状を示す。ピークパワー変換効率は、図３Ｂに見られるように、波長変換されたパルスが、パルスウイングにおける不完全変換により、入力パルスより若干短くなり、さらに矩形に近づいていることから、上記のパーセント値よりさらに高いと結論することができる。
【００４２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの１０６４ｎｍの４００ｐｓ長パルスでラマン変換ファイバ１０６'をポンピングする実験も行った。図４は、３８ｍのファイバ長について、非線形多マン変換ファイバ１０６'の終端における出力パルス信号スペクトルを示す。上に説明したように、与えられた入力パルスピークパワーに対するファイバ長の選択によって、どの次数のストークス光で変換が終結するであろうか（図４の場合については二次ストークス光）が一意的に決定される。図４は、ラマン変換ファイバの出力における原波長λｐ、一次ストークス光波長及び二次ストークス光波長に対応する相対パワーを示す。図４からわかるように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザによって供給される１０６４ｎｍ光から二次ストークス光への変換効率はほぼ６０％（すなわち、〜４/７）であるが、一次ストークス光及び二次ストークス光のいずれにもシード光は与えられておらず、入力パルス形状は、最適な矩形とは非常に異なる、二重指数形であり、この結果、かなりの量のポンプ光（λｐ）及び一次ストークス光が出力に未だに存在している。二次ストークス光パルスエネルギーの測定値は約１０μＪであり、これは出力パルスピークパワーが約２５ｋＷであったことを意味する。１：１００のデューティサイクルに対し、これはラマン変換器１０６からの２５０Ｗの平均出力パワーに相当するであろう。提示された数値計算結果及び実験結果に基づけば、平均出力パワーが数１００Ｗ及びピーク出力パワーが数１０ｋＷの二次及び三次のストークス光への、５０％をこえる変換効率での、パルス光信号のラマン波長変換が完全に可能であると結論付けることができる。三次より高い次数のストークス光も発生させることができるが、効率は漸減的に低下していく。
【００４３】
上に既述したように、Ｙｂドープファイバレーザシステムではほぼ１０３０〜１１２０ｎｍの出力波長範囲を直接に扱うことができる。三次ストークス光までの（ラマン変換器１０６による）ラマン波長変換により、この範囲は実効的に１０３０〜１３４０ｎｍまで拡張できる。したがって、二次高調波発生によって５１５〜７７０ｎｍの範囲、三次高調波発生によって３４３.３〜４４６.７ｎｍの範囲、四次高調波発生によって２５７.５〜３３５ｎｍの範囲、以下同様の、出力波長λ出力を発生させることができる。１５３０〜１５７０ｎｍの範囲に対してはＥｒ-Ｙｂ共ドープ、８９０〜９３０ｎｍの範囲に対しては（３準位遷移で動作する）Ｎｄドープ、また１８００〜２０００ｎｍの範囲に対してはＴｍドープの，シリカベースファイバを備えるシステムのようなその他のタイプのファイバレーザシステムも、ラマン波長変換器１０６のポンピングに用いることができる。本発明の実施形態にしたがう、唯一の要件は、対応するラマン変換器１０６の出力波長に適する挟スペクトル線シード光源の利用可能性である（中間次ストークス光波長へのシード光供給は肝要ではないが、変換効率を向上させるであろう）。それぞれにおそらくラマン波長変換器及び高調波発生器が後続する、２つの異なるファイバレーザの出力の、適する非線形結晶内での、和周波混合によってさらに別の出力波長λ出力を発生させることができる。本発明の教示にしたがえば、１５０〜７７５ｎｍの範囲のいかなる所望の出力波長λ出力も、以下で説明されるように、１つないし２つのパルスファイバレーザ、ラマン変換器、高調波発生器及び和周波混合段の適する組合せによって発生させることができる。
【００４４】
発明者等は、特定の用途に注目した、いくつかの特定の出力波長を発生するレーザシステム１０の実施例を以下に提示する。以下の例示的実施形態において、高調波発生器１１０に用いられる非線形結晶を、光損傷閾値が最も高く、したがって高調波変換によってより高いパワーを発生することができることが知られている、ホウ酸塩結晶（ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯ）に限定して、高調波発生器１１０を設計することを発明者等は選択する。当業者であれば、これらの実施例がラマン波長変換技術の使用によって開かれるほぼ無限の数の可能性の内の数例でしかないこと、及びその他の非線形結晶も用い得ることを認めるであろう。
【実施例１】
【００４５】
λ＝５８９.１６ｎｍのナトリウムＤ２線を発生させるためのレーザシステム
上層大気内の原子ナトリウム励起で発生する、ナトリウムビーコンは適応光学系に対する「案内星」として用いることができ、したがって先端レーザベース防衛システム用途で非常に注目されている。この目的には、波長が５８９.１ｎｍのナトリウムＤ２吸収線に同調させた高パワーのＣＷ源または擬似ＣＷ源が必要である。
【００４６】
５８９.１ｎｍの出力を発生するための例示的レーザシステム１０が図５に示される。図５に示される実施形態において、パルス光源１０２はＹｂドープファイバシステム（親発振器-パワー増幅器（ＭＯＰＡ））である。このＭＯＰＡ１０２がラマン変換器１０６にλｐ＝１０５６.３ｎｍのパルス光を供給する。１０５６.３ｎｍパルス光１０４はラマン変換器１０６により、多段誘導ラマン散乱過程を介して、第１の出力波長λ１出力＝１１７８.３２ｎｍを中心とする光スペクトルをもつ第１の出力信号１０８に変換される。λ１出力＝１１７８.３２ｎｍは石英ガラスについての二次ストークス光波長１０５６.３ｎｍに対応するから、損失が低く、光損傷閾値が高いシリカベース変換ファイバ１０６'をラマン変換器１０６に用い得ることが利点である。高調波発生器１１０は非線形結晶ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））結晶１１０Ａを有し、必要に応じて、いずれも参照数字１１０Ｂで示されるラマン変換器１０６からの第１の光出力１０８を集束するレンズとＬＢＯ結晶１１０Ａからの最終光出力をコリメートするレンズを有する、二次高調波発生器である。本実施形態の二次高調波発生器１１０は第１の出力波長λ１出力＝１１７８.３２ｎｍを、λ出力＝λ１出力/２＝１１７８.３２/２＝５８９.２６ｎｍの、最終出力波長に変換する。
【００４７】
レーザシステム１０が所望の出力波長λ出力で動作するように設計するために、課題を逆行的に処理することができる。すなわち、非線形結晶に関して入手できるデータから、λ出力＝５８９.１６ｎｍを１１７８.３２ｎｍの二次高調波としてＬＢＯ結晶１１０Ａで発生させ得ることが知られる。したがって、λ１出力＝１１７８.３２ｎｍが利用できれば、λ出力＝５８９.１６ｎｍを得ることができる。シリカベース光ファイバのラマン利得に関して入手できるデータから、１１７８.３２ｎｍが、Ｙｂドープファイバレーザシステムで扱うことができる波長範囲内に入る、１０５６.３ｎｍからの２次のストークスシフト波長であることが知られる。したがって、本発明にしたがう、５８９.１６ｎｍの出力をもつレーザシステムは、λｐ＝１０５６.３ｎｍのＹｂドープＭＯＰＡを始めにして設計することができる。所要の最終波長λ出力が５８９.１６ｎｍから若干異なれば（例えば５７６〜６２２ｎｍの範囲内にあれば）、適切な波長λｐを供給するようにＹｂドープＭＯＰＡを同調させ得ることに注意されたい。さらに詳しくは、１０３０〜１１２０ｎｍの出力を供給するようにＹｂドープＭＯＰＡを同調させることができ、この波長範囲はシリカファイバ内で２次ストーク光波長１１５２〜１２４４ｎｍにシフトさせることができ、この波長は続いて５７６〜６２２ｎｍのλ出力に相当する。
【００４８】
図１を参照して上述したように、図５に示される例示実施形態において、ラマン変換器出力波長、すなわち１１７８.３２ｎｍに対するシード光がラマン変換ファイバ１０６'の入力に与えられなければならない。対応するシード光源１１２は、外部キャビティ型ダイオードレーザまたは縦キャビティ型レーザまたは、好ましくは単一の狭幅スペクトル線出力をもつ、固体レーザとすることができる。必要に応じて、変換効率を高めるため、１１１４ｎｍの一次ストークス光の波長の、第２のシード光も第２のシード光源１１４から与えられる。１１１４ｎｍはＹｂドープレーザで得られる波長範囲内にあるから、第２のシード光源１１４はファイバブラッグ格子反射器をもつＹｂドープファイバレーザとすることができるが、もちろん、他のダイオードレーザ、ファイバレーザまたは固体レーザを用いることもできる。
【００４９】
図５のＭＯＰＡ（光源１０２）の例示的構成が図６に示される。初光源１０２'（親発振器）は、レーザダイオード１０２Ａ'及び光増幅器１０５（パワー増幅器）に供給されるパルス光１０４を発生するための電気光学変調器（ＥＯＭ）１０２Ｂ'を有する。この変調器は、光パルスを形成し、パルス幅を設定するために用いられる。本実施形態のレーザダイオード１０２Ａ'は１０５６.３ｎｍにおいて１００ｍＷを出すファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）安定化ＣＷダイオードレーザであり、ＥＯＭ１０２Ｂ'は２ＭＨｚの繰返しレートにおいて２ｎｓ長パルスを形成する（デューティサイクル１：２５０）ために用いられるニオブ酸リチウム強度変調器である。ＥＯＭ１０２Ｂ'による挿入損失を６ｄＢとすれば、ＥＯＭ１０２Ｂ'の出力における平均光パワーは０.１ｍＷまで減少する。ＭＯＰＡのパワー増幅器部分は４段のファイバ増幅器１０５Ａ〜１０５Ｄを有し、２つの増幅段１０５Ａ及び１０５ＢにはＹｂドープ単一モード偏波維持ファイバが用いられ、２つの増幅段１０５Ｃ及び１０５ＤにはＹｂドープ偏波維持二重クラッドファイバが用いられる。Ｙｂドープファイバは増幅を行うために９７６ｎｍのポンプ光でポンピングされる。第１の増幅器段１０５Ａが３０ｍＷの平均パワー出力を供給し、第２の増幅段１０５Ｂがこれを４００ｍＷまで増幅し、第３の増幅段１０５Ｃがさらに５Ｗまで増幅し、最終増幅段１０５Ｄは繰返しレートが２ＭＨｚの２ｎｓパルスにおいて１４０Ｗの平均光パワー出力及び３５ｋＷのピーク光出力パワーを供給する。変調器１０２Ｂ'が５ＧＨｚより広い電気的帯域幅を有するとすれば、立ち上がり時間及び立下がり時間が１００ｐｓより短いほぼ矩形のパルスを生成することができるはずである。挟帯域光フィルタ１０５Ｅが、最終増幅段１０５Ｄを除く、増幅段１０５Ａ〜１０５Ｃのそれぞれの後に挿入される。単一モードファイバ段１０５Ａ，１０５Ｂに続く２つのフィルタは光サーキュレータ及びＦＢＧを用いて構成され、増幅段１０５Ｃの最終フィルタは自由空間光アイソレータ内の薄膜デバイスであり、よって、同時に増幅段の相互分離のため及びスペクトル帯域が広い増幅された自然放出の蓄積の低減のためにはたらく。当業者であれば、この例示構成に対し、異なるファイバ、異なる増幅段数、異なるパワー、異なるパルス幅及び異なる繰返しレートをもつ、多くの変形が可能であることを認めるであろう。外部変調器をもつ別のタイプのＣＷ光源あるいは直接変調ダイオードレーザをＭＯＰＡのための初光源として用いることができる。
【００５０】
シード光源１１２，１１７からのラマンシード光と混合されたＭＯＰＡ出力は、図１に示されるように、ラマン変換ファイバ１０６'に投射される。波長変換は１１１４ｎｍの一次ストークス光を経て１１７８.３２ｎｍの出力二次ストークス光に進行する。ポンプ光と一次ストークス光の間の周波数シフト及び一次ストークス光と二次ストークス光の間の周波数シフトはいずれも、石英ガラスにおけるラマン利得のピークの１つに対応する、１４.６９ＴＨｚになるように選ばれる。上述したモデル計算及び予備実験の結果に基づけば、ＭＯＰＡ出力パワーの少なくとも５０％すなわち７０Ｗが１１７８.３２ｎｍの単一周波数出力に変換されるであろうと期待される。上述したように、第１の出力信号１０８は次いで、本実施形態ではＬＢＯ結晶１１０Ａを有する（図５を見よ）、高調波発生器１１０に供給される。ＬＢＯ結晶１１０Ａは二次高調波発生器である。ＬＢＯ結晶１１０Ａはラマン変換器１０６から１１７８.３２ｎｍの第１の出力波長λ１出力を受け取り、所望の５８９.１６ｎｍの波長λ出力を供給する。さらに詳しくは、１１７８.３２ｎｍの二次高調波に対して、０.８４ｐｍ/Ｖの実効非線形係数値をもってノンクリティカル位相整合を達成するため、ＬＢＯ結晶温度は３１３Ｋに調節される（θ＝９０°におけるいわゆるノンクリティカル位相整合は、これによって第２高調波発生に対する角度及びスペクトルの最大アクセプタンスが可能になり、ポンプ光ビーム及び二次高調波光ビームの複屈折ウォークオフがゼロまたはほぼゼロという特徴をもち、このことから中程度のピークパワーレベルで高変換効率を達成するために長い結晶を用いることが可能になるから、最も好ましいタイプの位相整合である）。
【００５１】
下表Ｉは実施例１のレーザシステム１０に用いられた結晶（ＬＢＯ１１０Ａ）のパラメータの摘要を与える。
【表１】
2009535666.tif 000003
【００５２】
表Ｉでは、以降の実施例の全てと同じく、用いられる非線形結晶のタイプが第１行に示され、結晶が行う非線形過程が第２行に示される。出力波長及び２つの入力波長（非線形過程が二次高調波発生である場合、２つの入力波長は同じである）が第３行〜第５行に示される。第６行は結晶温度を与え、第７行〜第８行は位相整合に必要な結晶光軸に対する伝搬方向角を与える（ＬＢＯはいわゆる双軸結晶である）。第９行に実効非線形係数（与えられた入力パワー及び結晶長に対して変換効率がどれだけであり得るかの尺度）が提示され、第１０行は結晶の複屈折によって生じる入力ビーム及び出力ビームの角度ウォークオフ（結晶内の入力光と高調波光の僅かな角度ずれ）を与える。
【００５３】
θ＝９０°（双軸結晶については、ψ＝０°）におけるノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ）は、第２高調波発生に対する角度及びスペクトルの最大アクセプタンス（変換効率の有意な低下をおこさずに許容される伝搬方向及び波長の偏差）を可能にし、ポンプ光ビーム及び二次高調波光ビームの複屈折ウォークオフがゼロまたはほぼゼロという特徴をもち、このことから中程度のピークパワーレベルで高変換効率を達成するために長い結晶を用いることを可能にするから、最も好ましいタイプの位相整合である。
【００５４】
本実施例及び以降の実施例についての、位相整合角及び温度の計算は、ホウ酸塩結晶の実効非線形係数の計算とともに、Sandia National Lab.によるフリーソフトウエアパッケージの、ＳＮＬＯを用いて行った。二次高調波発生効率は少なくとも５０％に達することができ、５８９.１６ｎｍの波長で３５Ｗの出力が得られると考えられる。さらに高いＭＯＰＡ出力パワー及び／またはさらに高いラマン変換効率を用いることにより、ナトリウムＤ２線において５０Ｗより大きな平均出力パワーを与えるレーザシステムの構築が可能である。
【実施例２】
【００５５】
λ＝１９８.７ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステムＩ
サブ２００ｎｍレーザ光源は半導体工業における計測用途に非常に重要である。集積回路の最小寸法が縮小するにつれて、リソグラフィに用いられる光の波長が短くなる。したがって、マスク及びウエハの検査に、また光学素子の作成にも、同じかまたは同様のＤＵＶ光波長が必要になる。現在用いられている、固体レーザ源、高調波変換及びＯＰＯに基づくシステムは一般に、非常に低い繰返しレートで作動し、非常に大きくて扱いにくく、複雑で、高価であり、頻繁で煩雑なメンテナンスが必要である。
【００５６】
図７は本発明の一実施形態にしたがう１９８.７ｎｍレーザシステム１０の一例を示す。図からわかるように、１０６７.６ｎｍＹｂドープファイバＭＯＰＡ１０２が、上に開示した設計原理にしたがい１１９２.２ｎｍの二次ストークス光波長λ１出力の挟線幅出力を発生する、ラマン波長変換器１０６をポンピングする。この場合、一次ストークス光波長が１１２６.５ｎｍであれば、ストークス周波数シフトは１４.６７ＴＨｚであって、石英ガラスにおけるラマン利得ピークの１つに対応する。ラマン波長変換器１０６からの第１の出力信号１０８は次いで、本実施形態では、２つのＬＢＯ結晶１１０Ａ，１１０Ｂ及び１つのＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（β-ＢａＢ２Ｏ４））結晶１１０Ｃを有する、高調波発生器１１０に供給される。３つの非線形結晶、ＬＢＯ１１０Ａ，ＬＢＯ１１０Ｂ及びＢＢＯ１１０Ｃは、（ｉ）５９６.１ｎｍの波長を発生するＬＢＯ１１０Ａによる二次高調波発生（ＳＨＧ）、（ii）（ＬＢＯ１１０Ｂが２９８.０５ｎｍの波長を発生する）もう１つのＳＨＧ及び（iii）１９８.７ｎｍ出力を発生するＢＢＯ１１０Ｃによる５９６.１ｎｍと２９８.０５ｎｍの和周数混合（ＳＦＭ）によって、波長１１９２.２ｎｍの六次高調波光を発生するために用いられる。さらに詳しくは、ＬＢＯ結晶１１０Ａ及び１１０Ｂは二次高調波発生器（ＳＨＧ）である。ＬＢＯ結晶１１０Ａはラマン変換器１０６から１１９２.２ｎｍの第１の出力波長λ１出力を受け取り、５９６.１ｎｍの出力を第２のＬＢＯ結晶１１０Ｂに供給する。波長１１９２.２ｎｍのいかなる残留光もフィルタ（ダイクロイックミラー）１１０Ｄによって濾波されてシステムから除去される。ＬＢＯ結晶１１０Ｂは５９６.１ｎｍ光を受け取り、その一部（１〜９０％，好ましくは５０％）を２９８.０５ｎｍ光に変換する。ＬＢＯ結晶１１０Ｂを出た、この２９８.０５ｎｍ光は次いで、残留（９９％〜１０％）の５９６.１ｎｍ光とともに、和周波混合（ＳＦＭ）によって所望の波長λ出力＝１９８.７ｎｍの光を発生する、ＢＢＯ結晶１１０Ｃに供給される。ＳＮＬＯソフトウエアによって予測されるように、第１のＬＢＯ結晶１１０Ａに最適な温度は３０４ケルビンである。この温度において、結晶は、ｄ実効＝０.８４ｐｍ/Ｖの実効非線形係数及び１１９２.２ｎｍの二次高調波発生に対して本質的にゼロの複屈折ウォークオフをもって、（結晶の光軸に対してθ＝９０°及びψ＝０°の角度で伝搬する光に対して）ノンクリティカル位相整合で動作する。第２のＬＢＯ結晶１１０Ｂはノンクリティカル位相整合させることができない。光軸に対してθ＝９０°及びψ＝６４.６°で伝搬する光に対し、５９６.１ｎｍの二次高調波発生に対する位相整合温度は４５３Ｋ（１８０℃）であり、実効非線形係数はｄ実効＝０.４ｐｍ/Ｖであって、複屈折ウォークオフは１４ミリラジアン（ｍｒａｄ）である。ＢＢＯ結晶１１０Ｃは単軸結晶である。光軸に対してθ＝８１.３°で伝搬する光に対し、５９６.１ｎｍと２９８.０５ｎｍの和周波混合の非線形プロセスについての、位相整合結晶温度は４５３Ｋであり、実効非線形係数はｄ実効＝０.５９ｐｍ/Ｖであって、複屈折ウォークオフは２９.２ｍｒａｄである。表IIは実施例２のレーザシステム１０に用いられる結���パラメータの摘要を与える。
【表２】
2009535666.tif 000004
【００５７】
図７には、（ｉ）それぞれの非線形結晶に付随する、一方はビームを集束して与えられた結晶についての変換効率最大化に最適なウエスト径にするためのレンズであって、他方は出力光を再コリメートするためのレンズである、２つのレンズＬ１及びＬ２，（ii）利用されない１１９２.５ｎｍ光を除去するダイクロイックミラーＭ，（iii）特注波長板ＷＰ，及び（iv）高調波分離光学素子セット１１０Ｅも示される。ビーム集束のための最適ウエスト径は、変換されている光のピークパワー、結晶の長さ及び光損傷閾値、複屈折ウォークオフの量、及びその他のパラメータに依存し、モデル計算から、または実験で決定することができる。波長板ＷＰは、５９６.１ｎｍ光及び２９８.０５ｎｍ光の偏極がＢＢＯ結晶の入力において同じであるように、これらの光の偏極のいずれか（ただし一方だけ）を回転させるように特注設計される。高調波分離光学素子セット１１０Ｅは、５９６.１ｎｍ光及び２９８.０５ｎｍ光の両者からから１９８.７ｎｍ光出力を分離するために用いられ、分散ガラスでつくられた１つないしいくつかのプリズムを通常有する。簡単のため、これらの補助光学素子は以降の実施例に対して与えられる光学構成図には示されない。当業者であれば、いつ、どこで、そのような素子が用いられるべきであるかを決定できるであろう。
【００５８】
図７のレーザシステム１０の利点は、サブ２００ｎｍ波長出力を発生させるために最小数（３個だけ）の非線形結晶が用いられることである。しかし、ＢＢＯ結晶１１０Ｃにはかなりの複屈折ウォークオフがおこり得る。ウォークオフが大きいとレーザビームの緊密な集束が可能にならず、したがって、より短い結晶またはより大きなビーム径（より低い光パワー密度）を用いなければならないから、変換効率が低くなる。ウォークオフの影響は１８０°回転された同じタイプの複数の結晶を用いれば軽減できるが、より多くの表面が高光パワーにさらされるであろうから、デバイスの有用寿命が短くなるであろう。拡散接合または無接着剤接合を用いて１８０°回転された結晶を合せてシームレスに接合することにより、余分な露出結晶表面を無くすことができる。数値モデル評価から、ラマンシフトを含む、総合変換効率は１：２５０のデューティサイクル（例えば、２ＭＨｚの繰り返しレートの２ｎｓのパルスまたは８ＭＨｚの繰り返しレートの０.５ｎｓのパルス）で動作している、平均パワーが１００Ｗ，ピークパワーが２５ｋＷのＭＯＰＡに対して０.２％に達することができ、この結果、１９８.７ｎｍにおいて２００ｍＷの平均パワー出力を得ることができる。
【実施例３】
【００５９】
λ＝１９８.７ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステムII
１９８.７ｎｍ光出力を発生させるためのレーザシステム１０の別の実施形態が図８に示される。本実施形態において、パルス光源１０２は１０４１ｎｍＹｂドープＭＯＰＡである。この光源１０２は、中間の１０９６.７ｎｍ（一次）ストークス光及び１１５８.７ｎｍ（二次）ストークス光（１４.６３ＴＨｚステップ）を経て１２２８.２ｎｍ三次ストークス光の出力波長λ１出力を発生する、ラマン波長変換器１０６をポンピングする。高調波発生器１１０は４つの変換段、すなわち、３つのＬＢＯ結晶１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ及び１つのＣＬＢＯ（ホウ酸セシウムリチウム（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０））結晶１１０Ｄを有する。２つのＬＢＯ結晶１１０Ａ及び１１０Ｂは周波数逓倍すなわちＳＨＧによってラマン変換器出力の二次高調波（６１４.１ｎｍ）及び四次高調波（３０７.０５ｎｍ）を順次に発生させるために用いられる。第３のＬＢＯ結晶１１０Ｃは、ＳＦＭ（和周波混合）により、第１のＬＢＯ結晶１１０Ａの出力における残留（１０〜９０％，好ましくは５０％）１２２８.２ｎｍ光を第２のＬＢＯ結晶１１０Ｂの出力からの四次高調波（３０７.０５ｎｍ）と混合して、２４５.６４ｎｍ（１２２８.２ｎｍの五次高調波）の光出力を発生する。第２の高パワー増幅段１０２Ｂが１０４１ｎｍの第２の出力の発生のためにＭＯＰＡに付加され（２つの個別高パワー段を有する理由は、それぞれの高パワー段のピークパワーを増幅器ファイバに対する非線形歪及び損傷の閾値より低い値に保つことである）、この１０４１ｎｍ光はＣＬＢＯ結晶１１０Ｄで２４５.６４ｎｍ光と混合されて、ＳＦＭにより、最終的に１９８.７ｎｍの出力波長λ出力が発生される。表IIIは実施例３のレーザシステム１０に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
【表３】
2009535666.tif 000005
【００６０】
本発明のこの実施形態にしたがうレーザシステム１０の設計においては、本実施形態ではＬＢＯ１１０Ｃ及びＣＬＢＯ１１０Ｄに相当する、第３及び第４の変換段（ＳＦＭ）の入力において「色」（すなわち）波長の異なる光パルスが時間に関して確実に揃えられるように特に注意が払われなければならない。これは、例えば、補助のミラーまたは平行平面ガラスブロックを導入することによって、光路長を慎重に整合させることで達成できる。１９８.７ｎｍ光出力に加えて、残留の６１４.１ｎｍ光、３０７.０５ｎｍ光及び２４５.６４ｎｍ光を、必要とされる用途があればレーザシステム出力において供給することができ、あるいは、波長選択性（例えばダイクロイック）ミラーまたは高調波分離器のような、フィルタで除去することができる。当業者であれば、本実施例及び他の実施例において、正確に同じ波長の組合せであっても、必要な変換を行うために異なる非線形結晶を用い得ることを認めるであろう。例えば、第２変換段（四次高調波発生）においてＬＢＯ１１０Ｂの代りにＡＤＡ（ヒ酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＡｓＯ４））結晶を用い、第３次変換段（ＳＦＭによる五次高調波発生）においてＬＢＯ１１０Ｃの代りにＡＤＰ（リン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４））結晶を用いれば、いずれも、対応する非線形過程に対して、温度調整によりノンクリティカル位相整合させる（すなわち、双軸結晶に対してθ＝９０°及びψ＝０°とする）ことができる。図８のレーザシステム１０は図７のレーザシステムより複雑である。図８のレーザシステム１０は３つの結晶の代りに４つの結晶を用い、ラマン変換器は三次と二次のストークス光を供給する。しかし、図８のレーザシステム１０は１つの極めて重要な利点を有する。最後の結晶（ＣＬＢＯ）はノンクリティカル位相整合条件にさらに一層近づいており、したがって、複屈折ウォークオフをほとんど無視することができる。さらに、高ピークＩＲ（１０４１ｎｍ）光パワーがＹｂドープＭＯＰＡから直接に供給される。この結果、ＵＶ光パワーに関する変換効率を８０％に近づけることができ、したがって、同じＤＵＶ（深ＵＶ）光パワー出力を達成するためには、ＣＬＢＯ結晶への入りＵＶ光パワーを最小にし、よってＣＬＢＯ結晶への光損傷を最小限に抑える必要があるであろう。図８に示される光パワー値も、さらに温度、位相整合角、実効非線形係数及び複屈折ウォークオフ値も、ガイドラインとして与えられているに過ぎないことに注意されたい。別の構成及び動作温度も用いることができる。ＳＮＬＯソフトウエアの予測に基づけば、それぞれが１００Ｗ及び３２Ｗの平均パワーを送り出すＹｂドープＭＯＰＡの２本の分枝から、１９８.７ｎｍで２Ｗの出力を発生することができ、これは総合変換効率に換算すると、図７のレーザシステム１０の総合変換効率より少なくとも７倍高い、１.５％になる。
【実施例４】
【００６１】
λ＝１９８.７ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステムIII
図９のレーザシステム１０は図８のレーザシステムと同様である。図９のレーザシステム１０は同じパルス光源１０２及び、最初の結晶１１０Ａ及び最後の結晶１１０Ｄに波長λ１出力が１２２８.２ｎｍの光出力を供給する、ラマン変換器１０６を備える。しかし、ラマン変換器の１２２８.２ｎｍの三次高調波（４０９.４ｎｍ）光出力はＬＢＯ結晶１１０Ｂにおける二次高調波（６１４.１ｎｍ）光と原１２２８.２ｎｍ光を混合するＳＦＭによって発生され、１２２８.２ｎｍの五次高調波（２４５.６４ｎｍ）光は、ここでは、ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃにおける二次高調波（６１４.１ｎｍ）光と三次高調波（４０９.４ｎｍ）光を混合するＳＦＭによって発生される。第２及び第３の変換段における結晶１１０Ｂ及び１１０Ｃの実効非線形係数がより高いこと及び第２変換段への（すなわちＬＢＯ結晶１１０Ｂへの）入力により高いパワーを利用できることから（それぞれの数値は図９に示される）、本実施形態のレーザシステム１０に対する（数値モデルで予測される）総合変換効率は図８のレーザシステムの総合変換効率よりさらに高く（２.１％をこえ）、高調波変換器１１０の第４変換段（ＣＬＢＯ結晶１１０Ｄ）の出力において少なくとも３Ｗの１９８.７ｎｍＤＵＶ光が得られるはずである。表IVは実施例４のレーザシステム１０に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
【表４】
2009535666.tif 000006
【実施例５】
【００６２】
λ＝１９３ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステムＩ
１９３ｎｍレーザシステム１０の一実施形態が図１０に示される。本実施形態のレーザシステム１０は１つの親発振器及び前置増幅器並びに２つの高パワー光増幅器を有するパルス光源１０２を備える。さらに詳しくは、１０４９.５ｎｍＹｂドープ前置増幅器の出力が分割され、２つの高パワー増幅器で個々に増幅される。第１の増幅器１０５１は１１６９ｎｍの二次ストークス光信号を発生するラマン変換器１０６１をポンピングし、第２の増幅器１０５２は１１０６ｎｍの一次ストークス光信号を発生する別のラマン変換器１０６２をポンピングする。この場合、構成にはいくつかの変形が可能であり、例えば、一次及び二次のストークス光波長において同時に、当然より低いパワーで、光出力を発生するように単ラマン変換器を構成することができる。図示される構成において、第１のラマン変換器１０６１に対して二次及び中間次のストークス光のための最終出力波長へのシード光供給に同じ挟線幅１１０６ｎｍ光源を用いることができる。１１６９ｎｍ光の二次高調波（５８４.５ｎｍ）光が第１のＬＢＯ結晶１１０Ａで周波数逓倍（ＳＨＧ）によって発生され、三次高調波（３８９.７ｎｍ）光が第２のＬＢＯ結晶１１０ＢでＳＦＭによって発生される。二次及び三次の高調波光はＣＬＢＯ結晶１１０ＣでＳＦＭにより混合されて、２３３.８ｎｍの五次高調波光が発生される。最後に、２３３.８ｎｍ光は別のＣＬＢＯ結晶１１０Ｄで第２のラマン変換器１０６２の出力（１１０６ｎｍ）光と混合されて、１９３ｎｍ光出力が発生される。
【００６３】
表Ｖは実施例５のレーザシステム１０に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
【表５】
2009535666.tif 000007
【００６４】
４つの非線形結晶１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄの内の３つがノンクリティカル位相整合で動作し、４つの結晶の全てが対応する変換に対して比較的高い実効非線形係数を示すという事実により、発明者等は、本構成手法が従前の４つの実施形態の内の最高変換効率（約２.０％）を達成でき、２つの高パワーＹｂドープ増幅器１０５１，１０５２から利用できる２００ＷのＩＲパワーから出発して、１９３ｎｍで４Ｗもの平均パワー出力を得られるであろうと期待している。
【実施例６】
【００６５】
λ＝１９３ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステムII
１９３ｎｍレーザシステム１０の別の実施形態が図１１に示される。本実施形態のレーザシステム１０においては、λｐ＝１０４１ｎｍで動作しているＹｂドープファイバＭＯＰＡ１０２がこの波長のパルス光をラマン変換器１０６に供給する。次いでラマン変換器１０６は波長λｐの光をλ１出力＝１１５８ｎｍの二次ストークス光に変換する。高調波発生器１１０は４つの非線形結晶−それぞれ、ＳＨＧ及びＳＦＭにより波長１１５８ｎｍ光の二次、三次、五次及び六次の高調波光を発生する、ＬＢＯ１１０Ａ，ＬＢＯ１１０Ｂ，ＢＢＯ１１０Ｃ及びＣＬＢＯ１１０Ｄ−を有する。最終出力の六次高調波光の波長はλ出力＝１９３ｎｍである。非線形変換パラメータの計算値が表VIに示される。この表からわかるように、ＢＢＯ結晶１１０Ｃの動作にはかなりの複屈折ウォークオフがともない、このため、用いられるパワーレベルに依存して、長さが短い結晶または（楕円の長軸がウォークオフ方向に沿う）楕円ビーム集束を用いるか、あるいはこれらのいずれをも用いることが必要になり得る。表VIは実施例６のレーザシステム１０に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
【表６】
2009535666.tif 000008
【実施例７】
【００６６】
λ＝１９５.１ｎｍの出力を発生させるためのレーザシステム
図１２に示される本実施形態において、２つのパルス動作ファイバベースＭＯＰＡ源−９１３ｎｍ（Ｎｄイオンに対するいわゆる３準位遷移）で動作するＮｄドープＭＯＰＡ１０２１及び１０８１ｎｍで動作するＹｂドープＭＯＰＡ１０２２−が用いられる。ＮｄドープＭＯＰＡ１０２１は９５２ｎｍ（シリカファイバにおける９１３ｎｍポンプ光に対する一次ストークス光波長）の第１の出力を発生するラマン変換器１０６をポンピングする。高調波発生器１１０は３つの非線形結晶を有する。初めの２つの結晶１１０Ａ及び１１０ＢはいずれもＬＢＯであり、それぞれ、ラマン変換器の９５２ｎｍ出力の二次（４７６ｎｍ）及び四次（２３８ｎｍ）の高調波光を発生する。第３の結晶１１０ＣはＣＬＢＯであり、２３８ｎｍ光と１０８１ｎｍ光の和周波混合を行って１９５.１ｎｍの最終出力光を発生する。非線形変換パラメータ計算値が表VIIに提示される。本例示実施形態は、通常の１０６４ｎｍの４準位遷移動作より達成が困難である、３準位遷移で動作するＮｄドープファイバＭＯＰＡシステムを用いるが、非線形結晶を３つしか用いず、それぞれが全てノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ）条件またはそれに近い条件で動作するという点でかなりの利点を有する。
【表７】
2009535666.tif 000009
【００６７】
上記実施例においてレーザシステム１０の実施形態はＯＰＯを用いておらず、したがって所望の出力波長で安定な出力を発生することに注意されたい。さらに、ＯＰＯからの出力は位相整合条件によって決定されるが、レーザシステム１０の実施形態はラマン波長変換器１０６を用いるから、上に開示されたレーザシステム１０は光を高調波発生器／変換器１１０に供給する前に位相整合を行う必要がない。
【００６８】
本発明の別の実施形態にしたがえば、周波数変換器が１５０〜４００ｎｍの範囲内におかれる最終出力波長における光出力を発生するように、光周波数をより高い周波数に変換する周波数変換器に光を供給するため、本発明の方法及び装置において可視光源が用いられる。可視光源はファイバレーザまたは光増幅器（レーザ増幅器）とすることができ、本明細書においてはいずれもレーザ源またはレーザと称される。
【００６９】
図１３Ａ，１３Ｂを参照すれば、本実施形態のレーザシステム１０は、可視光ファイバ増幅器または可視光ファイバレーザを有する光源１０２を備える。光源１０２は、例えば初「親発振器」パルス光源２０２'及び増幅器２０６Ａを有する、「親発振器-パワー増幅器」（ＭＯＰＡ）とすることができる。レーザシステム１０はＣＷシステム（図１３Ｂ）とすることができ、あるいは、必要に応じて備えられる、増幅器２０６Ａに入るシード光のパルス変調を与える電気パルス発生器２０４Ｂによって駆動される光変調器２０４Ａを用いることができる（図１３Ａ）。
【００７０】
図１３Ａ及び１３Ｂの実施形態においては、可視光ファイバ増幅器２０６ＡがＳｍドープシリカベースファイバ２０６Ａ'を有する。高パワー光増幅器２０６Ａは可視シード光源２１２からの光（必要に応じてパルス光）２０４を増幅する。周波数変換器２１０が、１５０〜４００ｎｍの範囲内におかれた波長λ出力で最終パルス光出力を発生するように、波長がλ１Ａ出力の光出力２０８Ａを受け取り、これをより高い光周波数に変換するために（図１３Ａの実施形態においてはパルス光源であり、図１３Ｂの実施形態においてはＣＷ光源である）光源２０２に動作可能な態様で結合される。光源２０２は１０Ｗをこえる光パワーを供給することが好ましく、２０Ｗをこえる光パワーを供給することがさらに好ましい。周波数変換器２１０は、例えば、二次、三次または四次、等の高調波発生器とすることができ、これは、周波数変換器２１０が第１の出力波長λ１Ａ出力を、λ出力＝λ１Ａ出力/２，λ１Ａ出力/３またはλ１Ａ出力/４，等の最終波長に変換することを意味する。
【００７１】
レーザシステム１０がパルス動作レーザシステムの場合には、ファイバ２０６Ａ'が変調器２０４Ａ及び電気パルス発生器２０４Ｂを有するパルス光源２０２'に動作可能な態様で結合される。高パワー光増幅器２０６Ａは、パルス光源２０２'の平均パワー及びピークパルスパワーを高めることができるように、シード光源２１２からのパルス光２０４を増幅する。高パワー光増幅器２０６Ａは、初パルス光源２０２'とともに、親発振器-パワー増幅器（ＭＯＰＡ）を形成する。５９４ｎｍシード光源２１２からの変調されたパルス光は増幅器２０６Ａに入り、増幅器２０６Ａは、出力波長λ１Ａ出力を中心とする光スペクトルを有する、増幅されたパルス光出力信号２０８Ａを発生する。図１３Ａのレーザシステムの実施形態にしたがえば、光源２０２によって与えられるパルス幅は０.０１〜１００ｎｓであり、デューティサイクルは１：２〜１：１００００００であって、例えばパルス幅は０.１〜８０ｎｓ，デューティサイクルは１：２〜１００００である。効率を最適化するには、光パルスの幅及び繰返しレートに対する要件を考察することが重要である。原理的に、光パルス幅に上限はない。しかし、数ナノ秒より長いパルスについては、増幅器（すなわちレーザ）ファイバ内の誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）が変換され得るパワーの最大量を制限し得るから、ＳＢＳを抑制するに十分にポンプ光スペクトルを広いことが保証されなければならない。また、結晶内の非線形変換効率を高めるには、デューティサイクル（パルス幅と繰返し時間の比であり、平均パワーとピークパワーの比でもある）が１：１００より小さいことが望ましく、この結果、１０ｎｓより長いパルスに対しては、擬似ＣＷ源を形成することが目標であれば望ましくない、１ＭＨｚより低い値に繰返し周波数が制限されるであろう。
【００７２】
励起状態の寿命が非常に長い（数ｍｓ）ことから、希土類（たとえばＳｍ）ドープファイバ増幅器は本質的に入り信号の平均パワーを増幅し、非常に小さいデューティサイクルに対しては、平均パワー出力は中程度でしかない増幅器２０６Ａでも非常に大きなピークパルスパワーを発生することができる。例えば、親発振器２０２'（例えば直接変調レーザダイオード）からの１ｎｓ長パルスを、多段Ｓｍドープ（ファイバ）増幅器２０６Ａの平均出力は２Ｗに過ぎなくとも、繰返しレートが１００ｋＨｚであれば（ピークパワーは１００００×平均パワーになり）、パワー増幅器２０６Ａで２０ｋＷのピークパワーまで増幅することができる。
【００７３】
パルス幅を設定するための、半導体レーザダイオードの電気パルス発生器による直接変調またはダイオード出力の、上述したような、個別の電気光学強度変調器への接続を、パルス光発生のための初パルス光源２０２'を作成するために用いることができる。上述したように、変換効率を最大化し（パルスウイングにおける不完全変換の効果を最小化し）、（自己位相変調（ＳＰＭ）による）スペクトル拡幅を最小化するためには矩形パルスを形成することが好ましい。
【００７４】
Ｓｍ，ＰｒまたはＥｕドープファイバ増幅器２０６Ａは比較的広いスペクトル利得帯域幅（数１０ナノメートル）を有するから、光源２０２を、またある程度はレーザシステム１０全体を、波長可変または波長調節可能とすることができる。すなわち、本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、光源２０２は原波長同調のための波長可変レーザを有し、原波長の同調により、最終出力波長λ出力の微調すなわち精密調節が得られる。
【００７５】
上に既述したように、Ｓｍドープファイバレーザシステムではほぼ５７５〜６２５ｎｍの出力波長範囲を直接に扱うことができる。５５０〜６００ｎｍの範囲の出力に対して（４２５ｎｍ±２５ｎｍポンプ光でポンピングされる）Ｄｙドープシリカベースファイバレーザを含み、さらにはＰｒドープ及びＥｕドープのファイバレーザも含む、レーザシステムのようなその他のタイプのファイバレーザシステムも用いることができる。所望の出力波長を供給するために、二次、三次または四次の高調波発生器を用いる周波数変換器２１０を用いることができる。例えば、レーザ１０６Ａ及び第１の非線形結晶２１０Ａからの出力を、適切な非線形結晶において、和周波混合することによって出力波長λ出力を発生させることもでき、あるいは結晶２１０Ａで発生された光の波長を、結晶２１０ＢにおいてＳＨＧにより１/２にすることができる。
【００７６】
例示実施形態において、用いる非線形結晶を、光損傷閾値が最も高く、したがって高調波変換によってより高いパワーを発生できることが知られているホウ酸塩（ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯ）に限定して、周波数変換器２１０を設計することを発明者等は選択した。これらのレーザシステム１０は、比較的高い変換効率を達成し、同時に、短波長（ＵＶ）の高パワービーム入射によって生じ得る結晶損傷を避けるかまたは最小限に抑える点で有利である。これは、少なくともある程度、非線形結晶の数を最小限に抑えることによってなされる。当業者であれば、これらの実施例が多くの可能性のほとんどの内の数例でしかないこと及び他の非線形結晶も用い得ることを認めるであろう。図１３Ａ,１３Ｂに示されるように、レーザシステム１０のこれらの実施形態にはＯＰＯが全く用いられていない。表VIIIは図１３Ａ及び１３Ｂのレーザシステム１０に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。どの結晶も３０ｍｒａｄより大きい複屈折ウォークオフを示さないことが好ましく、どの結晶の複屈折ウォークオフも２５ｍｒａｄ以下であることがさらに好ましい。
【００７７】
表VIIIにおいては、先行実施例の全てと同じく、用いられる非線形結晶のタイプを第１行が示され、結晶が行う非線形過程を第２行に示される。出力波長及び２つの入力波長（非線形過程が二次高調波発生である場合、２つの入力波長は同じである）を第３行〜第５行が示される。第６行は結晶温度を与え、第７行〜第８行は位相整合に必要な結晶光軸に対する伝搬方向角を与える（ＬＢＯはいわゆる双軸結晶である）。第９行に実効非線形係数（与えられた入力パワー及び結晶長に対して変換効率がどれだけであり得るかの尺度）が提示され、第１０行は結晶の複屈折によって生じる入力ビーム及び出力ビームの角度ウォークオフ（結晶内の入力光と高調波光の僅かな角度ずれ）を与える。
【表８】
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【００７８】
５９４ｎｍ光出力はサマリウムドープまたはジスプロシウムドープのファイバレーザから発生させることができ、プラセオジムドープフルオリドガラスファイバレーザによって供給することもできることに注意されたい。
【００７９】
図１３Ａ及び１３Ｂに示される実施形態において、光源１０２は青色ブロードエリアレーザ（ＢＡＬ）、例えば青色ＧａＮベースレーザ（４２５ｎｍ±２５ｎｍ光出力）でポンピングされた、Ｓｍドープファイバレーザを有する。上述したように、さらに短波長の可視光ポンプ源でポンピングされた、その他の可視光ファイバレーザをＳｍドープファイバレーザの代りに用いることができる。（例えば４２５ｎｍ±２５ｎｍ光源でポンピングされる）Ｄｙドープファイバレーザ及びＰｒドープまたはＥｕドープのファイバレーザ２０６Ａも、例えば、用いることができる。本実施形態において、光源２０２は波長λｐ＝５９４ｎｍのパルス光を周波数変換器２１０に供給している。さらに詳しくは、光源２０２は（必要に応じて発振器であるかまたは必要に応じてパルス動作の）初光源２０２'及び光源２０２'に動作可能な態様で結合されたレーザ２０６Ａを有することができる。周波数変換器２１０は、非線形形ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））結晶２１０Ａに基づく二次高調波発生器及びＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（β-ＢａＢ２Ｏ４））結晶２１０Ｂに基づく三次高調波発生器を有する。本実施形態の二次高調波発生器２１０Ａは第１の出力波長λ１Ａ出力＝５９４ｎｍを波長２９７ｎｍに変換する。次いでＢＢＯ結晶２１０Ｂが２９７ｎｍ光及び残留５９５ｎｍ光を、ＳＦＭ（和周波混合）によって、最終出力波長λ出力＝１９８ｎｍの光に変換する。もちろん、２９７ｎｍ光出力が所望であれば、ＢＢＯ結晶は必要ではなく、周波数変換器は、ＬＢＯ１１０Ａのような、非線形結晶を１つだけと残留５９４ｎｍ光を濾過して除去するためのフィルタを有することになるであろう。
【００８０】
光源２０２は変換効率を高めるために挟線幅（１〜１００ｐｍ）出力を有することが有利である。これは、例えば、低パワー発振器出力を高パワー増幅器で増幅することによって達成することができる。
【００８１】
さらに詳しくは、ＬＢＯ結晶２１０Ａの温度が、５９４ｎｍの二次高調波発生に対し、０.３９ｐｍ/Ｖの実効非線形係数値及び、ポンプ光ビームと二次高調波光ビームの間の、（長結晶を用いる中程度レベルのピークパワーでの高変換効率の達成が可能になる）比較的小さい（１４ｍｒａｄ）複屈折ウォークオフをもって、光軸に対して９０°及び６５.４°の角度で伝搬する光に位相整合を達成するために、４３３Ｋに調整される。ＢＢＯ結晶２１０Ｂの温度も、その光軸に対して８２.９°の角度（ＢＢＯは単軸結晶である）で伝搬する５９４ｎｍ光と２９７ｎｍ光の和周波混合に対して位相整合を達成するために、４３３Ｋに調整される。このＳＦＭ過程に対し、入り５９４ｎｍ波長光及び入り２９７ｎｍ波長光と１９８ｎｍ三次高調波出力光の間の複屈折ウォークオフの大きさは比較的小さく（２２ｍｒａｄ）、長結晶を用いる中程度レベルのピークパワーでの高変換効率の達成が可能になる。本実施形態には、結晶表面の数を最小限に抑える（本実施形態で用いられる非線形結晶は２つまでである）ことにより、及び短波長パワーを長波長パワーと「交換」する（ＢＢＯ結晶の入力において用いる２９７ｎｍ光を少なくし、５９４ｎｍ光を多くして、同じ量の１９８ｎｍ出力を発生する）ことにより、高パワーレーザビームによる非線形結晶への光損傷が最小限に抑えられるという利点がある。
【００８２】
上記実施例においては、光システム１０にＯＰＯが用いられておらず、したがって（出力波長は入力波長の高調波であり、位相整合条件では決定されないから）より安定な出力波長λ出力が発生されることに注意されたい。
【００８３】
当業者には、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びその等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態にしたがうパルス動作多段ラマンレーザシステム１０のブロック図である
【図２】本発明のいくつかの態様にしたがう、ポンプ光、中間次ストークス光の１つ及び出力光に対する、光パワー対ファイバ長の（数値モデル計算による）グラフである
【図３Ａ】変換効率対ファイバ長のグラフである
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施形態にしたがう二次ストークス光への変換に対するファイバ内の相異なる点における光パルス形状を示す
【図４】Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザシステムにより発生された１０６４ｎｍの原波長を中心とするスペクトルをもつ４００ｐｓ長光パルスでポンピングされた３８ｍ長非線形ラマン変換ファイバの出力のスペクトル図である
【図５】本発明にしたがうレーザシステムの第１の例を簡略に示す
【図６】図５のレーザシステムに用いられるパルスレーザ源（ＭＯＰＡ）の一実施形態を簡略に示す
【図７】本発明にしたがうレーザシステムの第２の例を簡略に示す
【図８】本発明にしたがうレーザシステムの第３の例を簡略に示す
【図９】本発明にしたがうレーザシステムの第４の例を簡略に示す
【図１０】本発明にしたがうレーザシステムの第５の例を簡略に示す
【図１１】本発明にしたがうレーザシステムの第６の例を簡略に示す
【図１２】本発明にしたがうレーザシステムの第７の例を簡略に示す
【図１３】本発明にしたがう別のレーザシステムの２つの実施形態のブロック図である
【符号の説明】
【００８５】
１０    レーザシステム
１０２    パルス光源
１０２'    親発振器パルス光源
１０４    パルス光
１０５    光増幅器
１０６    ラマン波長変換器
１０６'    ラマン変換光ファイバ
１０８    第１のパルス光出力信号
１１０    高調波変換器
１１０Ａ，１１０Ｂ    非線形結晶
１１２，１１４    シード光源
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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