(57)【要約】  共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有するような可視レーザー出力を生成する連続波ラマンレーザーが提供される。
2009533847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項２】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高いＱの空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低いＱの空洞共振器空洞である、連続波レーザー。
【請求項３】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済みの波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記第１及び第２反射器は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方の波長において高度な反射性を有し、且つ、前記連続波変換済みビームが前記共振器空洞から出力されるように、前記変換済みビームの波長において高度な透過性を有することを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項４】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有することを特徴とする、安定した連続波ラマンレーザー。
【請求項５】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
出力カプラと、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して光学スペクトラムの可視領域内の連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する安定した連続波可視ラマンレーザーにおいて、
前記可視連続波変換済みビームは、前記出力カプラによって前記共振器空洞から出力されることを特徴とする、安定した連続波可視ラマンレーザー。
【請求項６】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有することを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項７】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項８】
前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７記載の連続波レーザー。
【請求項９】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、前記ラマン材料の損傷閾値を下回る請求項１〜７のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１０】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１〜９のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１１】
前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１０記載の連続波レーザー。
【請求項１２】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１３】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９５％〜９９．９９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１４】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９９％〜９９．９９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１５】
前記共振器空洞からの前記変換済みビームの出力のために構成された出力カプラを更に有する請求項１、２、３、４又は６のいずれか一項に記載のレーザー。
【請求項１６】
前記出力カプラは、前記周波数変換済みビームの波長の高透過率のために構成された反射器である請求項１５記載の連続波レーザー。
【請求項１７】
前記第１又は第２反射器のいずれか一方は、前記出力カプラである請求項１５記載の連続波レーザー。
【請求項１８】
ラマン活性材料を冷却する冷却手段を更に有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１９】
前記冷却手段は、受動型冷却手段又は能動型冷却手段のいずれか一方である請求項１８記載の連続波レーザー。
【請求項２０】
前記冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方である請求項１８記載の連続波レーザー。
【請求項２１】
前記液体冷却手段は、循環液体冷却手段である請求項２０記載の連続波レーザー。
【請求項２２】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、プレーン平行固体ラマン材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項２３】
前記共振器空洞は、それに沿って前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームが各々の空洞モードにおいて前記空洞内を伝播する共振器軸を有し、前記プレーン平行固体ラマン材料のプレーン平行表面は、前記共振器軸上に位置し、且つ、この場合に、前記プレーン平行表面は、ラマン結晶の前記プレーン平行表面からの前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの光学反射が、前記各々の空洞モード内に反射され、且つ、前記共振器空洞内において伝播を継続するように、前記共振器軸に実質的に垂直になるように配置される、請求項２２記載の連続波レーザー。
【請求項２４】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約１度である請求項２３記載の連続波レーザー。
【請求項２５】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、１度未満である請求項２３記載の連続波レーザー。
【請求項２６】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約０．５度である請求項２５記載の連続波レーザー。
【請求項２７】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約０．１度である請求項２５記載の連続波レーザー。
【請求項２８】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、０．００１％〜２％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項２９】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、２％未満である請求項２８記載の連続波レーザー。
【請求項３０】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、０．００１％〜１％レンジ内である請求項２８記載の連続波レーザー。
【請求項３１】
前記レーザー材料、前記ラマン材料、及び前記非線形材料は、固体材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３２】
前記ラマン材料は、高純度固体ラマン材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３３】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３４】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、０．１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３５】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、０．０１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３６】
前記レーザー媒質、前記ラマン媒質、及び前記非線形媒質は、高純度固体媒質である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３７】
前記連続波基本ビームは、線形偏光される請求項１記載の連続波レーザー。
【請求項３８】
前記ラマン活性媒質は、固体ラマン活性媒質であり、前記連続波基本ビームの偏光方向は、前記ラマン活性媒質のラマン利得軸に位置合わせされる請求項３７記載の連続波レーザー。
【請求項３９】
前記ラマン利得軸は、前記線形偏光された基本ビームが、線形偏光されたラマンビームにラマンシフトされるように、前記ラマン活性媒質内のその他の軸と比較された際に前記固体ラマン活性媒質における相対的な最大値であるラマン利得係数を有する請求項３８記載の連続波レーザー。
【請求項４０】
前記非線形結晶は、非線形変換軸を有する固体非線形結晶であり、且つ、前記線形偏光されたラマンビームの偏光方向は、前記非線形変換軸に位置合わせされる請求項３９記載の連続波レーザー。
【請求項４１】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、固体媒質である請求項１〜４０のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４２】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の少なくとも１つは、導波路形状を有する請求項１〜４１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４３】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、結晶質固体媒質である請求項１〜４２のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４４】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の１つ又は複数のものは、前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は前記非線形媒質の少なくとも１つと接触状態にある請求項４３記載の連続波レーザー。
【請求項４５】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の１つ又は複数のものは、前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は前記非線形媒質の少なくとも１つに拡散接合又は接着される請求項４４記載の連続波レーザー。
【請求項４６】
前記非線形媒質は、調整可能な非線形媒質を有し、且つ、前記連続波レーザーは、前記調整可能な非線形媒質を調整するチューナーを有する請求項１〜４５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４７】
前記チューナーは、温度チューナーである請求項４６記載の連続波レーザー。
【請求項４８】
前記チューナーは、角度チューナーである請求項４６記載の連続波レーザー。
【請求項４９】
前記レーザー媒質及び前記ラマン活性媒質は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方を生成するラマン活性利得媒質内に提供される請求項１〜４８のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５０】
前記ラマン活性利得媒質は、線形偏光されたラマンビームを生成する結晶質ラマン活性利得媒質である請求項４９記載の連続波レーザー。
【請求項５１】
前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料である請求項１〜５０のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５２】
前記ラマン媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料である請求項１〜５１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５３】
前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを生成するラマン活性媒質であり、且つ、前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料でもある請求項１〜５２のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５４】
前記レーザー利得媒質は、ＹＬＦ、ＹＡＧ、ＹＡＬＯ、及びＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＹＡＢ、ＹＣＯＢ、ＫＧＷ、及びＫＹＷのグループから選択され、且つ、前記レーザー利得媒質は、活性ドーパントイオンによってドーピングされる請求項１〜５３のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５５】
前記活性ドーパントイオンは、ネオジミウム又はイッテルビウムのいずれか一方である請求項５４記載の連続波レーザー。
【請求項５６】
前記ラマン活性媒質は、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム）、ＫＹＷ（タングステン酸カリウムイットリウム）、Ｂａ（ＮＯ３）２（硝酸バリウム）、ＬｉＩＯ３（ヨウ素酸リチウム）、ＢａＷＯ４（タングステン酸バリウム）、ＰｂＷＯ４（タングステン酸鉛）、ＣａＷＯ４（タングステン酸カルシウム）、その他の適切なタングステン酸塩又はモリブデン酸塩、ダイアモンド、ＧｄＹＶＯ４（バナジウム酸ガドリニウム）、ＹＶＯ４（バナジウム酸イットリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、及びラマン活性を有するその他の適切な結晶質材料のグループから選択される請求項１〜５５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５７】
前記非線形媒質は、ＬＢＯ、ＬＴＢＯ、ＢＢＯ、ＫＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＡ、ＲＴＰ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＬｉＩＯ３、ＫＤ＊Ｐ、ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＮｂＯ３のグループから選択される請求項１〜５６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５８】
前記連続波変換済みビームは、光学スペクトルの可視領域内の波長を有する請求項１〜５７のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５９】
前記連続波変換済みビームは、５０〜８００ｎｍのレンジ内の波長を有する請求項５８記載の連続波レーザー。
【請求項６０】
前記連続波変化済みビームは、５５ｎｍ〜６６０ｎｍのレンジ内の波長を有する請求項５９記載の連続波レーザー。
【請求項６１】
前記連続波変換済みビームは、５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択された波長を有する請求項１〜５９のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６２】
前記共振器空洞内に配置される第３反射器を更に有し、前記利得材料及び前記ラマン材料は、前記第１及び前記第３反射器の中間に配置され、且つ、前記非線形材料は、前記第３及び前記第２反射器の中間に配置され、この場合に、前記第３反射器は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方の光学波長における高い反射率のために構成され、且つ、前記第３反射器は、前記周波数変換済みビームの波長の高い透過率のためにも構成される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６３】
前記第３反射器は、前記出力カプラである請求項６２記載の連続波レーザー。
【請求項６４】
前記共振器空洞は、共振器モードを有し、且つ、前記レーザーは、前記共振器内にそれぞれ配置される第３及び第４反射器を更に有し、この場合に、前記共振器モードサイズが、前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の各々の内部において独立的に構成可能となるように、前記レーザー利得媒質は、前記第３及び第４反射器の中間に配置され、前記ラマン活性媒質は、前記第１及び第３反射器の中間に配置され、且つ、前記非線形媒質は、前記第４及び第２反射器の中間に配置される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６５】
前記共振器空洞は、共振器モードを有し、且つ、前記レーザーは、前記共振器空洞内にそれぞれ配置される第３及び第４反射器を更に有し、この場合に、前記レーザー利得媒質は、前記第３及び第４反射器の中間に配置され、且つ、前記ラマン活性媒質及び前記非線形媒質は、前記第４及び前記第２反射器の中間に配置される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６６】
前記共振器モードは、少なくとも２つのウエスト位置を有し、且つ、前記ラマン活性及び非線形媒質は、それぞれ、各々のウエスト位置に配置される請求項６４記載の連続波レーザー。
【請求項６７】
前記第１及び第２反射器、前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質要素は、それぞれ、選択された隣接する要素間の離隔距離が０．１〜２ｍｍのレンジ内になるように配置される請求項１〜６６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６８】
前記連続波変換済みビームを更なる連続波変換済みビームに周波数変換する前記共振器空洞の第２非線形媒質を更に有する請求項１〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、光学スペクトルの紫外領域内である請求項６８記載の方法。
【請求項７０】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、２５０〜４００ｎｍのレンジ内である請求項６９記載の方法。
【請求項７１】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、２５０〜３００ｎｍのレンジ内である請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
連続波レーザー出力を生成する方法において、
共振器空洞を提供する段階と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、
第１光学波長における連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、
前記第１光学波長を第２光学波長にラマンシフトさせて前記第２光学波長における連続波ラマンビームを生成する機能を有する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、
前記第２光学波長を第３光学波長に周波数変換して前記第３光学波長における連続波変換済みビームを生成する機能を有する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、
前記共振器空洞の外部に配置されるポンプ源によって前記レーザー利得媒質を光学的にポンピングして前記共振器空洞内において共振する前記第１光学波長における前記連続波基本ビームを生成する段階であって、前記第１光学波長は、この後に、前記ラマン活性媒質によって前記第２光学波長にラマンシフトされ、且つ、前記第２光学波長は、前記非線形媒質によって前記第３光学波長に周波数変換される段階と、
前記第３光学波長を前記共振器空洞から出力して連続波レーザー出力を供給する段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項７３】
前記共振器空洞は、前記第１及び第２光学波長における高フィネス及び前記第３光学波長における低フィネスを同時に有する請求項７２記載の方法。
【請求項７４】
連続波レーザー出力を生成する方法において、
共振器空洞を提供する段階と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする方法。
【請求項７５】
前記第１及び第２光学波長の両方における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内である請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７６】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７７】
前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
ラマン活性材料を冷却する冷却手段を提供する段階を更に有する請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７９】
前記冷却手段は、受動型冷却手段又は能動型冷却手段のいずれか一方である請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
前記冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方である請求項７８記載の方法。
【請求項８１】
前記液体冷却手段は、循環液体冷却手段である請求項７９記載の方法。
【請求項８２】
前記レーザー利得媒質は、前記第１光学周波数において線形偏光された連続波基本ビームを生成する機能を有する請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項８３】
前記ラマン活性媒質は、前記線形偏光された基本ビームを、前記第２光学波長において線形偏光された連続波ラマンビームにラマンシフトさせる請求項８２記載の方法。
【請求項８４】
前記非線形媒質は、前記線形偏光されたラマンビームを、前記第３光学波長において線形偏光された連続波周波数変換済みビームに周波数変換する請求項８３記載の方法。
【請求項８５】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、固体媒質である請求項７２〜８４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、結晶質固体媒質である請求項７２〜８５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
前記レーザー利得媒質及び前記ラマン活性媒質は、同一の結晶質固体媒質である請求項７２〜８６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８８】
前記第３光学波長は、光学スペクトルの可視領域内である請求項７２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
前記第３光学波長は、４００〜８００ｎｍのレンジ内である請求項８８記載の方法。
【請求項９０】
前記第３光学波長は、５５０〜６００ｎｍのレンジ内である請求項８９記載の方法。
【請求項９１】
前記第３光学波長は、５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択される請求項７２〜９０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９２】
前記第３光学波長を第４光学波長に周波数変換する前記共振器空洞内の第２非線形媒質を提供する段階を更に有する請求項７２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９３】
前記第３光学波長は、光学スペクトルの紫外領域内である請求項９２記載の方法。
【請求項９４】
前記第３光学波長は、２５０〜４００ｎｍのレンジ内である請求項９３記載の方法。
【請求項９５】
前記第３光学波長は、２５０〜３００ｎｍのレンジ内である請求項９４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続波レーザーに関し、更に詳しくは、連続波ラマンレーザーに関する。本発明は、主に、光スペクトルの可視領域内の出力を供給する連続波ラマンレーザーとして使用されるべく開発され、以下においては、このような応用分野を参照して説明する。但し、本発明は、この特定の応用分野に限定されないことを理解されたい。
【背景技術】
【０００２】
最近、眼科、生物医学、ガイドスター（ｇｕｉｄｅ  ｓｔａｒ）、及びビジュアルディスプレイを含む多様な応用分野において、連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ）固体黄色レーザー源に対する関心が高まっている。現時点においては、ＣＷ色素レーザー及びクリプトンイオンレーザーが、最大で１ＷのＣＷ出力電力を提供している。最近、５６３ｎｍ波長において１００ｍＷの出力を通常生成する周波数倍増ネオジミウムレーザーが入手可能になった。最近報告されたＣＷレーザー源の実証方法の中には、５７５ｎｍで４０ｍＷの周波数倍増Ｙｂファイバレーザー、ダイオードポンピング型Ｙｂファイバレーザーによってポンピングされた５９０ｎｍで１．５２Ｗの周波数倍増ラマンファイバレーザー、並びに、２つのＮｄ：ＹＶＯ４レーザーの１０６４及び１３４２ｎｍラインの和周波数混合に基づいた５９３．５ｎｍで０．７Ｗのレーザー源が存在する。
【０００３】
結晶質固体ラマンレーザーは、過去数年間、固定波長赤外線利得媒体の多様性を増大させる手段として、特に、ダイオードポンプ電力との関係において最大で８％の高い変換効率を有する５００〜６００ｎｍスペクトルレンジ内のマルチワット型可視波長を生成する手段として、大きな関心を集めた。これらの結晶質固体ラマンレーザーは、製造が非常に簡単な共振器設計を提供した。この共振器設計は、例えば、ＬＢＯ内の空洞内周波数倍増を伴うＫＧＷ内におけるＮｄ：ＹＡＧレーザーの空洞内ラマンシフトによって実現された。或いは、この代わりに、簡単な空洞外構成を使用することにより、５３２ｎｍの高ピーク電力緑色レーザーのＫＧＷ内におけるラマンシフトを使用して５５５ｎｍ〜６５８ｎｍの波長を生成している。
【０００４】
ラマン閾値は、ＣＷ動作には高過ぎると考えられたことから、ラマンプロセスを開始するべく、これらのシステムは、（通常、ｎｓパルスを有するＱスイッチング型の）パルス化形態においてのみ稼働した。最近、Ａｒ＋ポンプ源を有する外部共振器を使用して５４３ｎｍの可視波長の１６４ｍＷの１次ストークス電力を結果的にもたらすＢａ（ＮＯ３）２内における連続波ラマンシフト動作が実証された［エー．エス．グラビチコブ（Ａ．  Ｓ．  Ｇｒａｂｔｃｈｉｋｏｖ）他、光学レター（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２９、２５２４頁（２００４年）を参照されたい］。又、（１１８１ｎｍにおいて）５４ｍＷを生成するＮｄ：ＫＧＷに基づいたダイオードポンピング型自己ラマン変換レーザーも報告された［デミドビッチ（Ｄｅｍｉｄｏｖｉｃｈ）他による「ダイオードポンピング型Ｎｄ３＋：ＫＧｄ（ＷＯ４）２レーザーにおける連続波ラマン生成（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  Ｒａｍａｎ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  Ｎｄ３＋：ＫＧｄ（ＷＯ４）２ｌａｓｅｒ）」、光学レター（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、３０、１７０１〜１７０３頁（２００５年）を参照されたい］。１．１５Ｗという低い閾値が報告された。簡単なダイオードのエンドポンピング構成を使用する空洞内ラマンシフトＮｄ：ＹＡＧ／ＫＧＷレーザーから、約８００ｍＷの出力電力が最近報告されている。これらの連続波ラマンレーザーは、いずれも、空洞内周波数倍増を内蔵してはおらず、且つ、このような空洞内周波数倍増を実現可能な方法に関する示唆を提示してもいない。
【０００５】
但し、黄色波長において稼働する固体連続波（ＣＷ）レーザーは、ほとんど存在してはいない。従って、ＣＷレーザー出力を生成するための効率的で実用的なシステムに対するニーズが存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の欠点の中の１つ又は複数のものを実質的に克服する又は少なくとも改善することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞である。
【０００８】
第２の態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において高Ｑ空洞であり、且つ、連続波変換済みビームの波長において低Ｑ空洞の共振器空洞である。
【０００９】
第３の態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有し、この場合に、第１及び第２反射器は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの両方の波長において高度な反射性を有し、且つ、連続波変換済みビームが共振器空洞から出力されるように、変換済みビームの波長において高度な透過性を有する。
【００１０】
第１〜第３の態様において、連続波ラマンレーザーは、安定した連続波ラマンレーザーであってよい。第１〜第３の態様において、連続波ラマンレーザーは、光スペクトルの可視領域内の出力レーザー放射を生成する安定した連続波ラマンレーザーであってよい。出力波長は、５００〜８００ｎｍのレンジ内であってよい。
【００１１】
第４の態様においては、安定した連続波ラマンレーザーが提供され、この安定した連続波ラマンレーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する。
【００１２】
第５の態様においては、安定した連続波可視ラマンレーザーが提供され、この安定した連続波可視ラマンレーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、出力カプラと、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して光スペクトルの可視領域内の連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有し、この場合に、可視連続波変換済みビームは、出力カプラによって共振器空洞から出力される。
【００１３】
第１〜第５の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、レーザー利得媒質を冷却する冷却要素を有することも可能である。第１〜第５の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ラマン活性媒質を冷却する冷却要素を有することも可能である。第１〜第５の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素と、ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素とを有することも可能である。
【００１４】
第６の態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプピームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する。
【００１５】
代替の一態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において小モード容積共振器空洞であるか、或いは、共振器は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において小モード容積及び高Ｑ共振器空洞であるか、或いは、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において小モード容積共振器空洞及び高フィネス空洞であるか、或いは、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの波長において小モード容積、高Ｑ、及び高フィネス共振器空洞である。
【００１６】
モード容積Ｖｍｏｄｅは、Ｖｍｏｄｅ＝Ａｍｏｄｅ／Ｌｍｏｄｅという関係により、モード面積に（即ち、ビームサイズ、スポットサイズ、ビーム半径及び／又は直径、１／ｅ２値との関連において）関係付けることが可能であり、ここで、Ａｍｏｄｅは、断面モード面積であり、Ｌｍｏｄｅは、モードの長さである。ビームサイズは、２５μｍ〜５００μｍ、５０μｍ〜３００μｍ、５０μｍ〜２５０μｍ、５０μｍ〜２００μｍ、５０μｍ〜１５０μｍ、５０μｍ〜１００μｍのレンジ内であってよい。
【００１７】
共振器空洞は、連続波変換済みビームの波長において低Ｑ空洞の共振器空洞であってよい。
【００１８】
共振器空洞は、連続波変換済みビームの波長において低フィネス空洞の共振器空洞であってよい。
【００１９】
共振器空洞は、連続波変換済みビームの波長において低Ｑ及び低フィネス空洞の共振器空洞であってよい。
【００２０】
更なる代替の態様においては、連続波レーザーが提供され、この連続波レーザーは、共振器空洞と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１及び第２反射器と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、連続波基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して第１連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される第１非線形媒質と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して第２連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される第２非線形媒質とを有する。
【００２１】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの両方の光学波長において高フィネスを、そして、変換済みビームの光学波長において低フィネスを同時に有することが可能である。基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、１００を上回るものであってよい。その他の構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、５００を上回るか、１０００を上回るか、２０００を上回るか、３０００を上回るか、４０００を上回るか、５０００を上回るか、６０００を上回るか、７０００を上回るか、８０００を上回るか、９０００を上回るか、１００００を上回るか、１５０００を上回るか、２００００を上回るか、２５０００を上回るか、３００００を上回るか、３５０００を上回るか、４００００を上回るか、４５０００を上回るものであってよい。基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、１００〜５００００、１００〜４５０００、１００〜４００００、１００〜３５０００、１００〜３００００、１００〜２５０００、１００〜２００００、１００〜１５０００、１００〜１００００、１００〜９０００、１００〜８０００、１００〜７０００、１００〜６０００、１００〜５０００、１００〜４０００、１００〜３０００、１００〜２０００、１００〜１０００、又は１００〜５００のレンジ内であってよく、且つ、約１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２２５０、２５００、２７５０、３０００、３２５０、３５００、３７５０、４０００、４２５０、４５００、４７５０、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、１５０００、１６０００、１７０００、１８０００、１９０００、２００００、２５０００、３００００、３５０００、４００００、４５０００、５００００であってよい。
【００２２】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、変換済みビームの波長において約０〜５のレンジ内のフィネスを有することが可能である。更なる構成においては、変換済みのビームの波長において共振器空洞フィネスは、約０〜４．５、０〜４、０〜３．５、０〜３、０〜２．５、０〜２．４、０〜２．３、０〜２．２、０〜２．１、０〜２．０、０〜１．９、０〜１．８、０〜１．７、０〜１．６、０〜１．５、０〜１．４、０〜１．３、０〜１．２、０〜１．１、０〜１．０、０〜０．９、０〜０．８、０〜０．７、０〜０．６、０〜０．５、０〜０．４、０〜０．３、０〜０．２、０〜０．１、０．５〜５、０〜４．５、０〜４、０．５〜３、０．５〜３．５、０．５〜２、０．５〜１．５、０．５〜１．０、１〜４、０〜３、１〜２．５、１〜２のレンジ内であってよく、且つ、変換済みビームの波長において共振器フィネスは、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．５、４．０、４．５、又は５であってよい。
【００２３】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長において、同時に、０．００１％〜５％のレンジ内の往復共振器損失を有することが可能である。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方における往復共振器損失は、同時に、０．００１％〜４．５％、０．００１％〜４％、０．００１％〜３．５％、０．００１％〜３％、０．００１％〜２．５％、０．００１％〜２％、０．００１％〜１．９％、０．００１％〜１．８％、０．００１％〜１．７％、０．００１％〜１．６％、０．００１％〜１．５％、０．００１％〜１．４％、０．００１％〜１．３％、０．００１％〜１．２％、０．００１％〜１．１％、０．００１％〜１．０％、０．００１％〜０．９％、０．００１％〜０．８％、０．００１％〜０．７％、０．００１％〜０．６％、０．００１％〜０．５％、０．００１％〜０．３％、０．００１％〜０．２％、０．００１％〜０．１％、０．０１％〜４．５％、０．０１％〜４％、０．０１％〜３．５％、０．０１％〜３％、０．０１％〜２．５％、０．０１％〜２％、０．０１％〜１．９％、０．０１％〜１．８％、０．０１％〜１．７％、０．０１％〜１．６％、０．０１％〜１．５％、０．０１％〜１．４％、０．０１％〜１．３％、０．０１％〜１．２％、０．０１％〜１．１％、０．０１％〜１．０％、０．０１％〜０．９％、０．０１％〜０．８％、０．０１％〜０．７％、０．０１％〜０．６％、０．０１％〜０．５％、０．０１％〜０．３％、０．０１％〜０．２％、０．０１％〜０．１％、０．１％〜４．５％、０．１％〜４％、０．１％〜３．５％、０．１％〜３％、０．１％〜２．５％、０．１％〜２％、０．１％〜１．９％、０．１％〜１．８％、０．１％〜１．７％、０．１％〜１．６％、０．１％〜１．５％、０．１％〜１．４％、０．１％〜１．３％、０．１％〜１．２％、０．１％〜１．１％、０．１％〜１．０％、０．１％〜０．９％、０．１％〜０．８％、０．１％〜０．７％、０．１％〜０．６％、０．１％〜０．５％、０．１％〜０．３％、０．１％〜０．２％、又は０．１％〜０．１５％のレンジ内であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビームの波長における往復共振器損失は、０．００１％、０．００５％、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ラマンビームの波長における往復共振器損失は、０．００１％、０．００５％、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビームの波長における往復共振器損失は、０．００１％、０．００５％、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であってよく、且つ、ラマンビームの波長における往復共振器損失は、０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であってよい。
【００２４】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２反射器は、同時に、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長における高い反射率のために構成されることが可能であり、且つ、第１及び第２反射器の少なくとも１つは、変換済みビームの光学波長における高い透過率のために構成される。
【００２５】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９７％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９８％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９９％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９９．５％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９９．９％を上回るものであってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９７％〜１００％のレンジ内であってよく、或いは、反射率は、９８％〜１００％、９８．５％〜１００％、９９％〜１００％、９９．５％〜１００％、９９．６％〜１００％、９９．７％〜１００％、９９．８％〜１００％、９９．９％〜１００％、９９．９５％〜１００％、又は９９．９９％〜１００％のレンジ内であってよい。基本ビームの波長において第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５、又は１００％であってよい。ラマンビームの波長における第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよい。基本ビームの波長における第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよく、且つ、ラマンビームの波長における第１及び第２反射器の反射率は、同時に、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよい。
【００２６】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、第１又は第２反射器の少なくとも１つの透過率は、約４０％〜１００％、５０％〜１００％、６０％〜１００％、６５％〜１００％、７０％〜１００％、７５％〜１００％、８０％〜１００％、８５％〜１００％、９０％〜１００％、９５％〜１００％、５０％〜９５％、６０％〜９０％、６５％〜８５％、７０％〜９５％、８０％〜９５％、又は８５％〜９０％のレンジ内であってよく、且つ、第１又は第２反射器の少なくとも１つの透過率は、約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９７％、９８％、９９％、又は１００％であってよい。
【００２７】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成においては、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、ラマン活性媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。
【００２８】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞の長さは、１０ｍｍ〜２０００ｍｍのレンジ内であってよい。その他の構成においては、共振器空洞の長さは、１０〜１５００、１０〜１２００、１０〜１１００、１０〜１０００、１０〜９００、１０〜８００、１０〜７００、１０〜６００、１０〜５００、１０〜４００、１０〜３００、１０〜２００、１０〜１００、１０〜９０、１０〜８０、１０〜７０、１０〜６０、１０〜５０、１０〜４０、１０〜３０、１０〜２０、５０〜１５００、５０〜１２００、５０〜１０００、５０〜９００、５０〜８００、５０〜７００、５０〜６００、５０〜５００、５０〜４００、５０〜３００、５０〜２００、５０〜１００、１００〜２０００、１００〜１５００、１００〜１０００、１００〜８００、１００〜６００、１００〜５００、１００〜４００、１００〜３００、１００〜２００、５００〜２０００、５００〜２０００、５００〜１５００、５００〜１２５０、５００〜１２００、５００〜１１００、５００〜１０００、５００〜９００、５００〜８００、５００〜７００、５００〜６００、７５０〜２０００、７５０〜１５００、７５０〜１２５０、７５０〜１２００、７５０〜１１００、７５０〜１０００、７５０〜９００、７５０〜８００、１０００〜２０００、１０００〜１７５０、１０００〜１５００、又は１０００〜１２５０のレンジ内であってよい。長い共振器空洞（例えば、３００、４００、又は５００ｍｍを上回るもの）の特徴は、レーザーが、レーザーの安定性を向上させることが可能なマルチ縦モードにおいて動作することになるという点にある。
【００２９】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成においては、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。その他の構成においては、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るか、又は１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。非線形媒質内のラマンビームの空洞内強度は、非線形媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。
【００３０】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成においては、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよく、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。その他の構成においては、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るか、又は１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るか、又は１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。ラマン媒質内の基本ビームの空洞内強度は、ラマン媒質の損傷閾値を下回るものであってよく、且つ、非線形媒質内のラマンビームの空洞内強度は、非線形媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。具体的には、空洞内における動作の際の基本ビーム及びラマンビーム又はこれらの組み合わせのＱ、又はフィネス、又はモード容積は、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度が、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回ると共にラマン結晶の損傷閾値を下回り、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度が、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回ると共に非線形媒質の損傷閾値を下回ることができるようになったものであってよい。
【００３１】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、非線形媒質を冷却する冷却要素を有することも可能である。更なる構成においては、レーザーは、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の中の少なくとも１つを冷却する第１冷却要素と、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の少なくとも第２のものを冷却する第２の冷却要素とを有することができる。更なる構成においては、レーザーは、レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素と、ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素と、非線形媒質を冷却する第３冷却要素とを有することができる。
【００３２】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、連続波レーザーは、固体連続波レーザーであってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質は、固体レーザー利得媒質であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ラマン活性媒質は、固体ラマン活性媒質であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、非線形媒質は、固体非線形媒質であってよい。第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、いずれも、固体媒質であってよい。
【００３３】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内であってよい。第１及び第２反射器は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射器、ミラー、又はこれらの組み合わせ、或いは、その他の適切な反射器であってよい。
【００３４】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、共振器空洞からの変換済みビームの出力のために構成された出力カプラを更に有することができる。出力カプラは、周波数変換済みビームの波長の高い透過率のために構成される反射器であってよい。１つの構成においては、第１又は第２反射器のいずれかは、出力カプラであってよい。
【００３５】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ラマン活性材料を冷却する冷却手段を更に有することができる。冷却手段は、受動的冷却手段又は能動的冷却手段のいずれか一方であってよい。冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方であってよい。液体冷却手段は、循環液体冷却手段であってよい。
【００３６】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、それぞれ、プレーン平行固体材料である。共振器空洞は、それに沿って基本ビーム及びラマンビームが各々の空洞モードにおいて空洞内を伝播する共振器軸を有することが可能である。プレーン平行固体ラマン材料のプレーン平行表面は、共振器軸上に位置することが可能である。プレーン平行表面は、ラマン結晶のプレーン平行表面からの基本ビーム及びラマンビームの光学反射が各々の空洞モード内に反射されて共振器空洞内を伝播するように、共振器軸に実質的に垂直になるように配置されることが可能である。共振器軸と、ラマン結晶のプレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、１度未満であってよい。角度オフセットは、約０〜１度のレンジ内であってよい。角度オフセットは、約０．５度であってよい。角度オフセットは、約０．１度であってよい。
【００３７】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本波長及びラマン波長の両方における共振器空洞の往復損失は、２％未満であってよい。基本波長及びラマン波長の両方における共振器空洞の往復損失は、０％〜２％のレンジ内であってよい。基本波長及びラマン波長の両方における共振器空洞の往復損失は、０％〜１％のレンジ内であってよい。
【００３８】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー材料、ラマン材料、及び非線形材料は、固体材料であってよく、或いは、これらは、それぞれ、結晶質固体媒質であってよい。ラマン材料は、高純度固体ラマン材料であってよい。ラマン媒質中の不純物の量は、１ｐｐｍ未満、０．１ｐｐｍ未満、又は０．０１ｐｐｍ未満であってよい。不純物の量は、０．００１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、０．０１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、又は０．５ｐｐｍ〜１ｐｐｍのレンジ内であってよい。
【００３９】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン媒質、及び非線形媒質は、高純度固体媒質であってよい。
【００４０】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、基本ビームは、線形偏光可能である。ラマン活性媒質は、固体ラマン活性媒質であってよく、且つ、基本ビームの偏光方向は、ラマン活性媒質のラマン利得軸に位置合わせされる。ラマン利得軸は、線形偏光された基本ビームが、線形偏光されたラマンビームにラマンシフトされるように、ラマン活性媒質内のその他の軸と比較された際に固体ラマン活性媒質における相対的な最大値であるラマン利得係数を有することが可能である。
【００４１】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、非線形結晶は、非線形変換軸を有する固体非線形結晶であってよく、且つ、線形偏光されたラマンビームの偏光方向は、非線形変換軸に位置合わせされる。
【００４２】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の少なくとも１つは、導波路形状を有することが可能である。
【００４３】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の１つ又は複数のものは、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の少なくとも１つと接触状態にあってよい。レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の１つ又は複数のものは、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の少なくとも１つに拡散接合又は接着されることが可能である。
【００４４】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、変換済みビームがレーザー利得媒質上に入射することを防止する手段を有することも可能である。この手段は、変換済みビームがラマン活性媒質上に入射することを防止することも可能である。この手段は、変換済みビームがレーザー利得媒質又はラマン活性媒質のいずれか一方又はその両方内において吸収されることを防止することも可能である。この手段は、共振器空洞内に配置される更なる反射器であってよい。この手段は、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の１つ又は複数のものの上部の反射器であってよい。この手段は、レーザーの要素上の光学コーティングであってよく、且つ、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の１つ又は複数のものの上部に配置されることが可能である。光学コーティングは、変換済みビームの波長を反射するべく構成されることが可能である。光学コーティングは、変換済みビームの一部を反射することが可能である。反射された部分は、変換済みビームの４０％〜１００％のレンジ内であってよく、或いは、この代わりに、反射された部分は、４５％〜１００％、５０％〜１００％、５５％〜１００％、６０％〜１００％、６５％〜０１００％、７０％〜１００％、７５％〜１００％、８０％〜１００％、８５％〜１００％、９０％〜１００％、又は９５％〜１００％のレンジ内であってよく、且つ、反射された部分は、変換済みのビームの約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、又は１００％であってよい。
【００４５】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、非線形媒質は、調整可能な非線形媒質を有することが可能であり、且つ、連続波レーザーは、調整可能な非線形媒質を調整するチューナーを有する。チューナーは、温度チューナーであってよい。チューナーは、角度チューナーであってよい。
【００４６】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー媒質及びラマン活性媒質は、連続波基本ビーム及び連続波ラマンビームの両方を生成するラマン活性利得媒質内に提供されることが可能である。
【００４７】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ラマン活性利得媒質は、線形偏光されたラマンビームを生成する結晶質ラマン活性利得媒質であってよい。
【００４８】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー媒質は、連続波ラマンビームを周波数変換して連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料であってよい。
【００４９】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ラマン媒質は、連続波ラマンビームを周波数変換して連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料であってよい。
【００５０】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー媒質は、連続波ラマンビームを生成するラマン活性媒質であってよく、且つ、レーザー媒質は、連続波ラマンビームを周波数変換して連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料であってもよい。
【００５１】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質は、ＹＬＦ、ＹＡＧ、ＹＡＬＯ、及びＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＹＡＢ、ＹＣＯＢ、ＫＧＷ、及びＫＹＷのグループから選択されることが可能であり、且つ、レーザー利得媒質は、活性ドーパントイオンによってドーピングされる。活性ドーパントイオンは、ネオジミウム又はイッテルビウムのいずれか一方であってよい。
【００５２】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ラマン活性媒質は、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム）、ＫＹＷ（タングステン酸カリウムイットリウム）、Ｂａ（ＮＯ３）２（硝酸バリウム）、ＬｉＩＯ３（ヨウ素酸リチウム）、ＢａＷＯ４（タングステン酸バリウム）、ＰｂＷＯ４（タングステン酸鉛）、ＣａＷＯ４（タングステン酸カルシウム）、その他の適切なタングステン酸塩又はモリブデン酸塩、ダイアモンド、ＧｄＹＶＯ４（バナジウム酸ガドリニウム）、ＹＶＯ４（バナジウム酸イットリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、及びラマン活性を有するその他の適切な結晶質材料のグループから選択されることが可能である。
【００５３】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、非線形媒質は、ＬＢＯ、ＬＴＢＯ、ＢＢＯ、ＫＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＡ、ＲＴＰ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＬｉＩＯ３、ＫＤ＊Ｐ、ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＮｂＯ３のグループから選択されることが可能である。
【００５４】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、連続波変換済みビームは、光学スペクトルの可視領域内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、５００〜８００ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、５５０〜６００ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、及び６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択された波長を有することが可能である。連続波変換済みビームの波長は、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択されることが可能であり、この場合に、波長は、選択された値から±約１ｎｍであってよい。
【００５５】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、共振器空洞内に配置される第３反射器を更に有することができる。利得材料及びラマン材料は、第１及び第３反射器の中間に配置されることが可能である。非線形材料は、第３及び第２反射器の中間に配置されることが可能である。第３反射器は、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長における高い反射率のために構成可能であり、且つ、第３反射器は、周波数変換済みビームの波長の高い透過率のために構成することも可能である。第３反射器は、出力カプラであってよい。
【００５６】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、共振器モードを有することが可能であり、且つ、レーザーは、共振器空洞内にそれぞれ配置される第３及び第４反射器を更に有することができる。レーザー利得媒質は、第３及び第４反射器の中間に配置されることが可能である。ラマン活性媒質は、第１及び第３反射器の中間に配置されることが可能である。非線形媒質は、第４及び第２反射器の中間に配置されることが可能である。共振器モードサイズは、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の各々の内部において独立的に構成可能であってよい。
【００５７】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、共振器モードを有することが可能であり、且つ、レーザーは、それぞれ共振器空洞内に配置される第３及び第４反射器を更に有する。レーザー利得媒質は、第３及び第４反射器の中間に配置されることが可能である。ラマン活性媒質及び非線形媒質は、いずれも、第４及び第２反射器の中間に配置されることが可能である。
【００５８】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、共振器モードは、少なくとも２つのウエスト（ｗａｉｓｔ）位置を有することが可能であり、ラマン活性及び非線形媒質は、それぞれ、各々のウエスト位置に配置されることが可能である。
【００５９】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２反射器、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質要素は、それぞれ、選択された隣接する要素の間の離隔距離が０．１〜２ｍｍのレンジ内になるように配置されることが可能である。
【００６０】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ポンプビームを生成するポンプビーム生成器を有することができる。
【００６１】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ＣＷレーザーは、ラマンレーザーであってよい。ラマンビームは、連続波ラマンビームを有する。第１反射器は、入力ミラーであってよい。第１反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよい。第１反射器は、湾曲ミラーであってよい。第１反射器は、湾曲反射器であってよい。第１反射器は、ポンプビームに対して少なくとも部分的な透過性を有することができる。第１反射器は、基本ビーム及びラマンビームに対して高度な反射性を有することができる。第２反射器は、出力カプラを有することができる。第２反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよい。第２反射器は、湾曲ミラーであってよい。第２反射器は、湾曲反射器であってよい。共振器空洞から出力レーザービームを出力する別個の出力カプラが存在することが可能である。出力カプラは（第２反射器と別個であるか又はこれと一体であるかとは無関係に）、所望の波長の出力レーザービームを共振器空洞から出力する機能を有するのものであってよい。第２反射器は、基本ビームに対して高度な反射性を有することができる。第２反射器は、空洞内において共振するレーザービームの波長に対して高度な反射性を有することができる。第１反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよく、且つ、第２反射器は、湾曲可能であり、この逆も又同様である。湾曲した反射器は、半球状の反射器であってよい。第１反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよく、且つ、第２反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよい。共振器は、略半球状（ｓｅｍｉｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ）の空洞であってよい。レーザー材料は、ポンプビームによってポンピングされた際に空洞内において基本ビームを生成する機能を有するものであってよい。レーザー材料は、レーザー結晶を有することができる。適切なレーザー材料は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４である。適切なラマン活性媒質は、ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）である。ラマン活性媒質は、ラマン活性結晶であってよい。ラマンビームは、１次ストークス波長と、任意選択により、２次、３次、及び／又は更に高次のストークス波長を有することが可能である。ポンプビーム生成器は、ポンプビームを生成するレーザーダイオードを有することができる。又、レーザーは、ポンプビーム生成器から共振器空洞にポンプビームを伝送するポンプビームトランスミッタを有することも可能である。又、レーザーは、例えば、ポンプビームをレーザー媒質上に又はこの内部に合焦するためのコリメーティングレンズ等の１つ又は複数のレンズを有することも可能である。ポンプビーム生成器は、ファイバ結合ダイオードレーザーを有することができる。ポンプビーム生成器は、約３０Ｗの、又は約１０〜５０Ｗの、或いは、約１０〜４０、１０〜３０、１０〜２０、２０〜５０、３０〜５０、又は２０〜４０Ｗの、例えば、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０Ｗの、或いは、５０Ｗを上回る又は１０Ｗを下回る電力を有することが可能である。第１〜第６の態様又は代替の態様の構成において、レーザーは、連続波ラマン動作の閾値の１．１〜１０倍のレンジ内において動作する。その他の構成においては、レーザーは、閾値の１．１〜７、１．１〜５、１．１〜４．５、１．１〜４、１．１〜３．５、１．１〜３．１．１〜３．５、１．１〜２、１．１〜１．５、１．１〜１．４、１．１〜１．３、１．１〜１．２倍のレンジ内において動作する。
【００６２】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ラマンビームの少なくとも１つのストークス波長を変換済み波長に変換する非線形媒質をも有することができる。非線形媒質は、空洞内又は空洞外であってよい。レーザーは、１つの非線形媒質又は複数（例えば、２つ、３つ、４つ、又は５つ）の非線形媒質を有することが可能であり、これらは、同一であってもよく、異なっていてもよい。非線形媒質の１つ又は複数のものは、空洞内に配置されることが可能である。非線形媒質の１つ又は複数のものは、空洞外に配置されることが可能である。各々の非線形媒質は、個別に調整可能であってよく、又は一緒に調整可能であってよく、或いは、いくつかのものが一緒に調整可能であり、いくつかのものが別個に調整可能であってもよい。適切な非線形媒質は、ＬＢＯである。非線形媒質は、非線形結晶であってよい。その他の適切な非線形媒質は、ＢＢＯ、ＫＴＰ、及び二次非線形性を有するその他の既知の結晶を含む。変換済み波長は、周波数倍増波長、和周波数波長、差周波数波長、周波数三倍増波長、又はなんらかのその他の変換済み波長であってよい。非線形媒質は、周波数倍増器、和周波数生成器、差周波数生成器、又はなんらかのその他のタイプの非線形媒質を有することができる。
【００６３】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、共振器空洞内において共振するストークス波長を選択するセレクタを有することができる。セレクタは、偏光セレクタ、ラマン活性媒質に対してシーディング（ｓｅｅｄｉｎｇ）を行うシードビーム生成器、又はなんらかのその他のタイプのセレクタであってよい。又、レーザーは、非線形媒質（これが存在する場合）を調整するチューナーを有することも可能であり、且つ、複数の非線形媒質が存在する場合には、複数のチューナーを有することも可能である。１つ又はそれぞれのチューナーは、（独立的に）温度チューナー、角度チューナー、又はなんらかのその他のタイプのチューナーであってよい。調整機能（ｔｕｎｉｎｇ）は、位相整合を有することができる。この調整機能は、タイプＩの位相整合を有することができる。この調整機能は、非臨界位相整合を有することができる。この調整機能は、ラマン波長が、偏光回転を伴うことなしに、且つ／又は、複屈折性を導入することなしに、非線形媒質によって変換されるようなものであってよい。この調整機能は、ラマンビームの周波数倍増、基本ビームの周波数倍増、並びに、基本波長及びラマン波長の和周波数混合の間の切り換えを実現することが可能である。
【００６４】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、ＣＷポンプビームは、例えば、ポンプビームの電気機械的チョッピング、或いは、レーザーダイオード（又は、その他のポンプ源又はポンプビーム生成器）に供給される電流の電子的変調による等の様々な方法によって変調可能である。このような変調を実行する理由として、特定の用途に適するようにレーザー出力を調節する段階を含むことが挙げられる。このレーザー出力の変調は、例えば、１）所望の反復レート及びデューティサイクルにおいてオン及びオフ変調する段階を伴うことが可能であり、或いは、このレーザー出力の変調は、２）振幅をランプアップ又はランプダウンして所望の振幅変動を提供する段階と、３）効率の理由によって、即ち、必要とされる際にのみ光を提供することにより、結果的に、装置のサイズを小型化することが可能であるということを伴うことができるであろう。レーザーは、縦モード制御のためのエタロン（ｅｔａｌｏｎ）を有することができる。レーザーは、横モード制御ための、又は単一横モード出力を提供するためのアパーチャを有することができる。レーザー媒質及び／又はラマン活性媒質又は結晶は、１ｐｐｍ未満のＹｂ不純物及び／又はＴｍ不純物を有することが可能である。
【００６５】
第１〜第６の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、方法は、変換済みビームを更なる変換済みのビームに周波数変換するべく、共振器空洞内に第２の非線形媒質を提供する段階を更に有することができる。更なる変換済みビームは、光スペクトルの紫外領域内のものであってよい。更なる変換済みビームは、２５０〜４００ｎｍのレンジ内であってよい。更なる変換済みビームは、２５０〜３００ｎｍのレンジ内であってよい。共振器空洞は、変換済みビームの波長における高フィネスと、更なる変換済みビームの波長における低フィネスを有することが可能である。共振器空洞は、変換済みビームの波長における高Ｑと、更なる変換済みビームの波長における低Ｑを有することが可能である。共振器空洞は、変換済みビームの波長における高フィネス及び高Ｑと、更なる変換済みビームの波長における低フィネス及び低Ｑを有することが可能である。更なる構成においては、共振器空洞の一部は、変換済みビームにおける高フィネス又は高Ｑのいずれか一方又はその両方と、更なる変換済みビームの波長における低フィネス又は低Ｑのいずれか一方又はその両方を有することが可能である。
【００６６】
第７の態様においては、連続波レーザー出力を生成する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、第１光学波長における連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、第１光学波長を第２光学波長にラマンシフトさせて第２光学波長における連続波ラマンビームを生成する機能を有する共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、第２光学波長を第３光学波長に周波数変換して第３光学波長における連続波変換済みビームを生成する機能を有する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、共振器空洞の外部に配置されるポンプ源によってレーザー利得媒質を光学的にポンピングして共振器空洞内において共振する第１光学波長における基本ビームを生成する段階であって、第１光学波長は、この後に、ラマン活性媒質によって第２光学波長にラマンシフトされ、且つ、第２光学波長は、非線形媒質により、第３光学波長に周波数変換される段階と、第３光学波長を共振器空洞から出力して連続波レーザー出力を供給する段階とを有する。
【００６７】
第７の態様の構成において、共振器空洞は、第１及び第２光学波長における高フィネスと、第３光学波長における低いフィネスを同時に有する。第３光学波長は、光学スペクトルの可視領域内の波長を有することが可能である。第３光学波長は、５００〜８００ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。第３光学波長は、５５０〜６００ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。第３光学波長は、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択された波長を有することが可能である。第３光学波長の波長は、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、及び６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択されることが可能であり、この場合に、波長は、選択された値から±１ｎｍであってよい。可視光学波長は、黄色、オレンジ色、又は赤色光学波長であってよい。
【００６８】
第７の態様の構成において、レーザー利得媒質は、第１光学周波数における線形偏光された連続波基本ビームを生成する機能を有するものであってよい。ラマン活性媒質は、線形偏光された基本ビームを、第２光学波長における線形偏光された連続波ラマンビームにラマンシフトさせることが可能である。線形媒質は、線形偏光されたラマンビームを、第３光学波長における線形偏光された連続波周波数変換済みビームに周波数変換することが可能である。
【００６９】
第８の態様においては、連続波レーザー出力を生成する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、連続波変換済みビームを共振器空洞から出力する段階とを有する。
【００７０】
第９の態様においては、連続波可視レーザー出力を生成する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済みの波長に周波数変換して５００〜８００ｎｍの波長レンジ内の連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、連続波変換済みビームを共振器空洞から出力する段階とを有する。
【００７１】
第１０の態様においては、可視レーザー出力を有する連続波ラマンレーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して５００〜８００ｎｍの波長レンジ内の連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、連続波変換済みビームを共振器空洞から出力する段階とを有する。
【００７２】
第１１の態様においては、黄色レーザー出力を有する連続波ラマンレーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済みの波長に周波数変換して５００〜８００ｎｍの波長レンジ内の連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、連続波変換済みビームを共振器空洞から出力する段階とを有する。
【００７３】
第１２の態様においては、連続波レーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞である。
【００７４】
第１３の態様においては、連続波レーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において高Ｑ空洞であり、且つ、連続波変換済みビームの波長において低Ｑ空洞共振器空洞である。
【００７５】
第１４の態様においては、連続波レーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、この場合に、第１及び第２反射器は、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長において高度な反射性を有し、且つ、連続波変換済みビームが共振器空洞から出力されるように、変換済みビームの波長において高度な透過性を有する。
【００７６】
第１５の態様においては、安定した連続波ラマンレーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有する。
【００７７】
第１５の態様の構成において、方法は、少なくとも第１及び第２反射器、レーザー利得媒質、ラマン媒質、及び線形媒質を配置して安定した共振器空洞を提供する段階を更に有する。共振器は、動作の際に安定した連続波ラマンレーザーを提供するべく、レーザー媒質がポンプビームによってポンピングされた際に安定状態になることができる。
【００７８】
第１６の態様においては、安定した連続波可視ラマンレーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１及び及び第２反射器を提供する段階と、出力カプラを提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済みの波長に周波数変換して光学スペクトルの可視領域内の連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、可視連続波変換済みビームを共振器空洞から出力カプラによって出力する段階とを有する。
【００７９】
第１７の態様においては、連続波レーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有する。
【００８０】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であってよい。
【００８１】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２光学波長の両方における第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内であってよい。
【００８２】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよく、且つ、非線形材料内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。
【００８３】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよく、且つ、非線形材料内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。
【００８４】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、方法は、ラマン活性材料を冷却する冷却手段を提供する更なる段階を有することができる。冷却手段は、受動型冷却手段又は能動型冷却手段のいずれか一方であってよい。冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方であってよい。液体冷却手段は、例えば、液体を冷却する冷却ユニットと、液体がレーザー利得媒質又はラマン活性媒質のいずれか一方又はその両方から熱を抽出する機能を有する位置との間において交互に循環するグリコールのような液体等の循環液体冷却手段であってよい。
【００８５】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、それぞれ、固体媒質であってよい。レーザー利得媒質及びラマン活性媒質は、同一の結晶質固体媒質である。
【００８６】
第８〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、連続波変換済みビームは、光学スペクトルの可視領域内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、５００〜８００ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、５５０〜６６０ｎｍのレンジ内の波長を有することが可能である。連続波変換済みビームは、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択された波長を有することが可能である。連続波変換済みビームの波長は、約５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択されることが可能であり、この場合に、波長は、選択された値±約１ｎｍであってよい。可視光学波長は、黄色、オレンジ色、又は赤色光学波長であってよい。
【００８７】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長における高フィネスと、変換済みビームの光学波長における低フィネスを有することが可能である。基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、１００を上回るものであってよい。その他の構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、５００を上回るか、又は１０００を上回るか、２０００を上回るか、３０００を上回るか、４０００を上回るか、５０００を上回るか、６０００を上回るか、７０００を上回るか、８０００を上回るか、９０００を上回るか、１００００を上回るか、１５０００を上回るか、２００００を上回るか、２５０００を上回るか、３００００を上回るか、３５０００を上回るか、４００００を上回るか、４５０００を上回るものであってよい。基本ビーム及びラマンビームの両方における共振器空洞のフィネスは、同時に、１００〜５００００、１００〜４５０００、１００〜４００００、１００〜３５０００、１００〜３００００、１００〜２５０００、１００〜２００００、１００〜１５０００、１００〜１００００、１００〜９０００、１００〜８０００、１００〜７０００、１００〜６０００、１００〜５０００、１００〜４０００、１００〜３０００、１００〜２０００、１００〜１０００、又は１００〜５００のレンジ内であってよく、且つ、約１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２２５０、２５００、２７５０、３０００、３２５０、３５００、３７５０、４０００、４２５０、４５００、４７５０、５０００、６０００、７０００、８００００、９０００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、１５０００、１６０００、１７０００、１８０００、１９０００、２００００、２５０００、３００００、３５０００、４００００、４５０００、５００００であってよい。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長の波長において高Ｑを有する。共振器空洞は、変換済みビームの光学波長における低フィネスを有することが可能である。共振器空洞は、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長における高フィネス及び高Ｑの両方を有することが可能である。共振器空洞は、変換済みビームの光学波長における高フィネス及び高Ｑの両方を有することが可能である。
【００８８】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、変換済みビームの波長において約０〜５のレンジ内のフィネスを有することが可能である。更なる構成においては、変換済みビームの波長において共振器空洞のフィネスは、約０〜４．５、０〜４、０〜３．５、０〜３、０〜２．５、０〜２．４、０〜２．３、０〜２．２、０〜２．１、０〜２．０、０〜１．９、０〜１．８、０〜１．７、０〜１．６、０〜１．５、０〜１．４、０〜１．３、０〜１．２、０〜１．１、０〜１．０、０〜０．９、０〜０．８、０〜０．７、０〜０．６、０〜０．５、０〜０．４、０〜０．３、０〜０．２、０〜０．１、０．５〜５、０〜４．５、０〜４、０．５〜３、０．５〜３．５、０．５〜２、０．５〜１．５、０．５〜１．０、１〜４、０〜３、１〜２．５、１〜２のレンジ内であってよく、且つ、変換済みビームの波長において共振器のフィネスは、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．５、４．０、４．５、又は５であってよい。
【００８９】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成においては、共振器空洞は、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における０％〜５％のレンジ内の往復共振器損失を同時に有することが可能である。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方における往復共振器損失は、同時に、０％〜４．５％、０％〜４％、０％〜３．５％、０％〜３％、０％〜２．５％、０％〜２％、０％〜１．９％、０％〜１．８％、０％〜１．７％、０％〜１．６％、０％〜１．５％、０％〜１．４％、０％〜１．３％、０％〜１．２％、０％〜１．１％、０％〜１．０％、０％〜０．９％、０％〜０．８％、０％〜０．７％、０％〜０．６％、０％〜０．５％、０％〜０．３％、０％〜０．２％、又は０％〜０．１％のレンジ内であってよい。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、基本ビームの波長において往復共振器損失は、０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、又は５％であってよい。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、ラマンビームの波長において往復共振器損失は、０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％％、又は５％であってよい。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、基本ビームの波長において往復共振器損失は、０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％％、又は５％であってよく、且つ、ラマンビームの波長において往復共振器損失は、０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６５％、０．７％、０．８％、０．９％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％％、又は５％であってよい。
【００９０】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２反射器は、同時に、基本ビーム及びラマンビームの両方の光学波長における高い反射率のために構成されることが可能であり、且つ、第１及び第２反射器の少なくとも１つは、変換済みビームの光学波長における高い透過率のために構成されることが可能である。
【００９１】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９７％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９８％を上回る。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方のものの波長における第１及び第２反射器の両方のものの反射率は、同時に、９９％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９９．５％を上回るものであってよい。更なる構成においては、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９９．９％を上回るものであってよい。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、同時に、９７％〜１００％のレンジ内であってよく、或いは、反射率は、９８％〜１００％、９８．５％〜１００％、９９％〜１００％、９９．５％〜１００％、９９．６％〜１００％、９９．７％〜１００％、９９．８％〜１００％、９９．９％〜１００％、９９．９５％〜１００％、又は９９．９９％〜１００％のレンジ内であってよい。基本ビームの波長において第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよい。ラマンビームの波長において第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよい。基本ビームの波長において第１及び第２反射器の反射率は、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよく、且つ、ラマンビームの第１及び第２反射器の反射率は、同時に、約９７％、９８％、９８．５％、９９％、９９．１％、９９．２％、９９．３％、９９．４％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％、９９．９％、９９．９１％、９９．９２％、９９．９３％、９９．９４％、９９．９５％、９９．９６％、９９．９７％、９９．９８％、９９．９９％、９９．９９５％、又は１００％であってよい。
【００９２】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２反射器の少なくとも１つの透過率は、約４０％〜１００％、５０％〜１００％、６０％〜１００％、６５％〜１００％、７０％〜１００％、７５％〜１００％、８０％〜１００％、８５％〜１００％、９０％〜１００％、９５％〜１００％、５０％〜９５％、６０％〜９０％、６５％〜８５％、７０％〜９５％、８０％〜９５％、又は８５％〜９０％のレンジ内であり、且つ、第１及び第２反射器の少なくとも１つの透過率は、約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９７％、９８％、９９％、又は１００％であってよい。
【００９３】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、ラマン活性媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。
【００９４】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回るものであってよく、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。その他の構成においては、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよく、或いは、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。非線形媒質内のラマンビームの空洞内強度は、非線形媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。
【００９５】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよく、且つ、非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。その他の構成においては、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るか、又は１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。非線形媒質内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、９０ｋＷ／ｃｍ２を上回るか、又は１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３５０、４００、４５０、又は５００ｋＷ／ｃｍ２を上回るものであってよい。ラマン媒質内の基本ビームの空洞内強度は、非線形媒質の損傷閾値を下回るものであってよく、且つ、非線形媒質内のラマンビームの空洞内強度は、非線形媒質の損傷閾値を下回るものであってよい。
【００９６】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、非線形媒質を冷却する冷却要素を有することも可能である。更なる構成においては、レーザーは、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の少なくとも１つを冷却するための第１冷却要素と、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は非線形媒質の少なくとも第２のものを冷却するための第２の冷却要素とを有することができる。更なる構成においては、レーザーは、レーザー利得媒質を冷却するための第１冷却要素と、ラマン活性媒質を冷却するための第２冷却要素と、非線形媒質を冷却するための第３冷却要素とを有することができる。
【００９７】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、連続波レーザーは、固体連続波レーザーである。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質は、固体レーザー利得媒質である。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、ラマン活性媒質は、固体ラマン活性媒質である。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、非線形媒質は、固体非線形媒質である。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、すべて固体媒質である。第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ポンプビームを生成するポンプビーム生成器を有することができる。
【００９８】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ラマンレーザーである。ラマンビームは、連続波ラマンビームを有する。第１反射器は、入力ミラーであってよい。これは、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよい。第１反射器は、湾曲ミラーであってよい。これは、ポンプビームに対して少なくとも部分的な透過性を有することができる。第１反射器は、基本ビーム及びラマンビームに対して高度な反射性を有することができる。第２反射器は、出力カプラを有することができる。第２反射器は、平坦であってよく、且つ、平面−平面構造であってよい。第２反射器は、湾曲ミラーであってよい。出力レーザービームを共振器空洞から出力する別個の出力カプラが存在可能である。出力カプラは（第２反射器と別個であるか又はこれと一体であるかどうかとは無関係に）、所望の波長の出力レーザービームを共振器空洞から出力する機能を有することができる。第２反射器は、基本ビームに対して高度な反射性を有することができる。第２反射器は、空洞内において共振するレーザービームの波長に対して高度な反射性を有することができる。レーザー材料は、ポンプビームによってポンピングされた際に空洞内において基本ビームを生成する機能を有するものであってよい。レーザー材料は、レーザー結晶を有することができる。適切なレーザー材料は、活性イオンによってドーピングされたＧｄＶＯ４である。活性イオンは、ネオジミウムであってよい。活性イオンは、イッテルビウムであってよい。活性イオンは、エルビウムであってよい。活性イオンは、ツリウムであってよい。活性イオンは、プラセオジミウムであってよい。活性イオンは、セリウムであってよい。活性イオンは、ホルミウムである。適切なラマン活性媒質は、ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）である。ラマン活性媒質は、ラマン活性結晶であってよい。ラマンビームは、１次ストークス波長と、任意選択により、２次、３次、及び／又は、更に高次のストークス波長であってよい。ポンプビーム生成器は、ポンプビームを生成するレーザーダイオードを有することができる。又、レーザーは、ポンプビームをポンプビーム生成器から共振器空洞に伝送するポンプビームトランスミッタを有することも可能である。又、レーザーは、例えば、ポンプビームをレーザー媒質上に又はこの内部に合焦するためのコリメーティングレンズ等の１つ又は複数のレンズを有することも可能である。ポンプビーム生成器は、ファイバ結合ダイオードレーザーを有することができる。ポンプビーム生成器は、約３０Ｗの、或いは、約１０〜５０Ｗ、約１０〜４０、１０〜３０、１０〜２０、２０〜５０、３０〜５０、又は２０〜４０Ｗの、例えば、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０Ｗの、或いは、５０Ｗを上回る又は１０Ｗを下回る電力を有することが可能である。
【００９９】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、レーザーは、ラマンビームの少なくとも１つのストークス波長を変換済み波長に変換する非線形媒質を有することも可能である。非線形媒質は、空洞内又は空洞外に配置されることが可能である。レーザーは、１つの非線形媒質又は複数（例えば、２つ、３つ、４つ、又は５つ）の非線形媒質を有することが可能であり、これらは、同一であってもよく、又は、異なっていてもよい。非線形媒質の１つ又は複数のものは、空洞内に配置されることが可能である。非線形媒質の１つ又は複数のものは、空洞外に配置されることが可能である。各々の非線形媒質は、個別に調整可能であってよく、又は一緒に調整可能であってよく、或いは、いくつかが一緒に調整可能であり、いくつかが別個に調整可能であってもよい。適切な非線形媒質は、ＬＢＯである。非線形媒質は、非線形結晶であってよい。その他の適切な非線形媒質は、ＢＢＯ、ＫＴＰ、及び二次非線形性を有するその他の既知の結晶を含む。変換済み波長は、周波数倍増波長、和周波数波長、差周波数波長、周波数三倍増波長、又はなんらかのその他の変換済み波長であってよい。非線形媒質は、周波数倍増器、和周波数生成器、差周波数生成器、又はなんらかのその他のタイプの非線形媒質を有することができる。
【０１００】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成においては、レーザーは、共振器空洞内において共振するストークス波長を選択するセレクタを有することができる。セレクタは、偏光セレクタ、ラマン活性媒質に対してシード動作を行うシードビーム生成器、又はなんらかのその他のタイプのセレクタであってよい。又、レーザーは、非線形媒質（これが存在する場合）を調整するチューナーを有することも可能であり、且つ、複数の非線形媒質が存在する場合には、複数のチューナーを有することも可能である。１つの又はそれぞれのチューナーは、（独立的に）温度チューナー、角度チューナー、又はなんらかのその他のタイプのチューナーであってよい。調整機能は、位相整合を有することができる。この調整機能は、タイプＩの位相整合を有することができる。この調整機能は、非臨界位相整合を有することができる。この調整機能は、ラマン波長が、偏光回転を伴うことなしに、且つ／又は、複屈折性を導入することなしに、非線形媒質によって変換されるようになったものであってよい。この調整機能は、ラマンビームの周波数倍増、基本ビームの周波数倍増、並びに、基本波長及びラマン波長の和周波数混合の間の切り換えを実現することが可能である。
【０１０１】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、ＣＷポンプビームは、例えば、ポンプビームの電気機械的なチョッピング、或いは、レーザーダイオード（又は、その他のポンプ源又はポンプビーム生成器）に供給される電流の電子的な変調による等の様々な方法によって変調可能である。このような変調を実行する理由として、特定の用途に適するようにレーザー出力を調節する段階を含むことが挙げられる。このレーザー出力の変調は、例えば、１）所望の反復レート及びデューティサイクルにおいてオン及びオフ変調する段階を伴うことが可能であり、或いは、このレーザー出力の変調は、２）振幅をランプアップ及びダウンして所望の振幅変動を提供する段階と、３）効率性の理由によって、即ち、必要とされる際にのみ光を提供することにより、結果的に、装置のサイズを小型化することが可能であるということを伴うことができるであろう。レーザーは、エタロン及び／又はアパーチャを有することができる。レーザー媒質及び／又はラマン活性媒質又は結晶は、１ｐｐｍ未満のＹｂ不純物及び／又はＴｍ不純物を有することが可能である。
【０１０２】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、共振器空洞は、第１及び第２光学波長における高フィネスと、第３光学波長における低フィネスを同時に有する。
【０１０３】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、第１及び第２光学波長の両方における第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９９％である。基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９５％〜９９．９９９％のレンジ内であってよい。基本ビーム及びラマンビームの両方の波長における第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９９％〜９９．９９９％のレンジ内であってよい。
【０１０４】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、非線形材料内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る。
【０１０５】
第７〜第１７の態様のいずれか１つの構成において、動作の際に、ラマン結晶内の連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、非線形材料内の連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る。
【０１０６】
代替の態様においては、連続波レーザーを提供する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する共振空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、この場合に、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において小モード容積共振器空洞であるか、或いは、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において小モード容積及び高Ｑ共振器空洞であるか、或いは、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において小モード容積共振器空洞及び高フィネス空洞であるか、或いは、共振器空洞は、連続波基本ビーム及びラマンビームの波長において小モード容積、高Ｑ、及び高フィネス共振器空洞である。
【０１０７】
モード容積Ｖｍｏｄｅは、Ｖｍｏｄｅ＝Ａｍｏｄｅ／Ｌｍｏｄｅという関係によってモード面積（即ち、ビームサイズ、スポットサイズ、ビーム半径及び／又は直径、１／ｅ２値との関連において）に関係付けることが可能であり、ここで、Ａｍｏｄｅは、断面モード面積であり、Ｌｍｏｄｅは、モードの長さである。ビームサイズは、２５μｍ〜５００μｍ、５０μｍ〜３００μｍ、５０μｍ〜２５０μｍ、５０μｍ〜２００μｍ、５０μｍ〜１５０μｍ、又は５０μｍ〜１００μｍのレンジ内であってよい。
【０１０８】
更なる代替の態様においては、連続波レーザー出力を生成する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、第１光学波長における連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、第１光学波長を第２光学波長にラマンシフトさせて第２光学波長における連続波ラマンビームを生成する能力を有する共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、第２光学波長を第３光学波長に周波数変換して第３光学波長における連続波変換済みビームを生成する機能を有する共振器空洞内に配置される第１非線形媒質を提供する段階と、第２光学波長を第４光学波長に周波数変換して第４光学波長における連続波変換済みビームを生成する機能を有する共振器空洞内に配置される第２非線形媒質を提供する段階と、レーザー利得媒質を共振器空洞の外部に配置されるポンプ源によって光学的にポンピングして共振器空洞内において共振する第１光学波長における基本ビームを生成する段階であって、第１光学波長は、この後に、ラマン活性媒質によって第２光学波長にラマンシフトされ、第２光学波長は、第１非線形媒質によって第３光学波長に周波数変換され、且つ、第３光学波長は、第２非線形媒質によって第４光学波長に周波数変換される段階と、第４光学波長を共振器空洞から出力して連続波レーザー出力を提供する段階とを有する。
【０１０９】
更なる代替の態様においては、連続波レーザー出力を生成する方法が提供され、この方法は、共振器空洞を提供する段階と、共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１及び第２反射器を提供する段階と、共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、基本ビームをラマンシフトさせて共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して第１連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される第１非線形媒質を提供する段階と、連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して第２連続波変換済みビームを生成する共振器空洞内に配置される第２非線形媒質を提供する段階と、第２連続波変換済みビームを共振器空洞から出力する段階とを有する。
【０１１０】
第７〜第１７の態様又は代替の態様のいずれか１つの構成において、方法は、第３光学波長、変換済みビーム、又は第１変換済みビームのいずれかを、それぞれ、第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームのいずれかに周波数変換するべく、共振器空洞内に第２非線形媒質を提供する段階を更に有することができる。共振器空洞は、それぞれ、第３光学波長、変換済みビーム、又は第１変換済みビームの波長において高フィネスと、第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームの波長において低フィネスを有することが可能である。共振器空洞は、それぞれ、第３光学波長、変換済みビーム、又は第１変換済みビームの波長において高Ｑと、第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームの波長において低Ｑを有することが可能である。共振器空洞は、それぞれ、第３光学波長、変換済みビーム、又は第１変換済みビームの波長において高フィネス及び高いＱと、第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームの波長において低フィネス及び低いＱを有することが可能である。更なる構成においては、共振器空洞の一部は、それぞれ、第３光学波長、変換済みビーム、又は第１変換済みビームの波長において高フィネス又は高Ｑのいずれか一方又はその両方と、第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームの波長において低フィネス又は低Ｑのいずれか一方又はその両方を有することが可能である。第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームは、光学スペクトルの紫外領域内のものであってよい。第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームは、２５０〜４００ｎｍのレンジ内であってよい。第４光学波長、更なる変換済みビーム、又は第２変換済みビームは、２５０〜３００ｎｍのレンジ内であってよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１１】
以下、一例としてのみ、添付の図面を参照し、本発明の好適な実施例を説明する。
【０１１２】
本発明は、周波数倍増連続波（ＣＷ）ラマンレーザーに関する。本発明に係るレーザーは、全固体型レーザーであってよく、且つ、黄色又はオレンジ色レーザー光を出力する機能を有するものであってよい。本明細書に記述されたレーザーは、比較の対象である従来技術のレーザーよりも効率的であり、単純であり、且つ、費用効率に優れている。本発明に係るレーザーは、代替的な方法を使用するレーザーよりも大きな出力電力を生成する能力を有するものであってよい。
【０１１３】
本発明の重要な特徴は、ＣＷモードにおける周波数倍増結晶質固体ラマンレーザーの動作である。この特徴は、パルス化出力を許容できない様々なレーザー応用製品が存在することから、重要である。本発明は、例えば、レーザー媒質としてＮｄ：ＧｄＶＯ４を使用する効率的で単純なダイオードポンピング型の空洞内倍増型（例えば、ＬＢＯ）ラマンシフト（例えば、ＫＧＷ）レーザーを開示する。この空洞内倍増型ラマンシフトレーザーは、初めてのＣＷ結晶質ラマンレーザーに基づいた黄色源である。本発明は、５８８ｎｍにおける全固体型の３２０ｍＷ連続波黄色結晶質ラマンレーザーを実証した。
【０１１４】
本発明のレーザーにおいては、レーザービームは、レーザー材料により、空洞内において生成される。レーザー材料は、使用の際に、ポンプレーザービームによってポンピングされた場合に空洞レーザービームを放射する機能を有するものであってよい。ポンプビームは、ポンプ源によって生成されることが可能であり、ポンプ源は、ダイオードレーザーであってよい。レーザー材料は、エンドポンピング、サイドポンピング、又はフェースポンピング（即ち、ディスクレーザー構成におけるもの）可能である。ポンプレーザービームは、ポンプレーザービームの電力の一部がレーザー材料によって吸収されるように、ダイオードポンプレーザーに電流を供給することによって生成されることが可能である。ポンプレーザービームをコリメートし且つ／又は合焦するために、１つ又は複数のコリメートレンズ及び１つ又は複数の合焦レンズが存在することが可能であり、存在する場合には、それぞれのレンズは、空洞内又は空洞外のいずれか一方に存在することが可能である。合焦レンズは、コリメーティングレンズとレーザー材料との間に配置されることが可能である。合焦レンズは、レーザー材料上にポンプビームを合焦することが可能である。レーザー材料上における合焦ビームのサイズは、Ｄｍｉｎ＝２．４４＊ｆ＊λ／Ｄによって付与されることが可能であり、ここで、Ｄｍｉｎは、焦点スポットサイズ（即ち、合焦ビームのサイズ）であり、ｆは、合焦レンズの焦点長であり、λは、ポンプビームの波長であり、Ｄは、非合焦ビームのビーム直径である。空洞レーザービームは、ラマンレーザービームの少なくとも１つの周波数を生成する機能を有する空洞内ラマン活性媒質に伝達される。ラマン活性媒質は、異なる周波数の少なくとも２つのレーザービームを生成する機能を有するものあってよく、これらのレーザービームは、偏光又は位置又はなんらかのその他の特性において互いに異なるのものであってよい。本発明のシステムには、レーザービームの選択された波長の共振を促進するか又は少なくとも２つのビームの中の１つだけを除いてすべての空洞内における共振を阻止するセレクタを設けることが可能である。このような構成は、偏光器によるか、或いは、１つのビームのみが効率的に共振できるように、ミラー又はラマン活性結晶のいずれか一方又はその両方を方向付けするモーターによるものであってよく、或いは、シード動作等のなんらかのその他の方法によるものであってもよい。選択されたビームは、更に大きな強度を有することになり、且つ、従って、ラマン活性媒質によって更に効率的に周波数シフトされることになる。選択されなかったビームは、相応して、非効率的に周波数シフトされることになる。この結果として、選択されたラマン周波数に電力が集中することになり、この周波数は、セレクタによって選択されることが可能である。選択された周波数は、レーザー空洞から直接的に出力することも可能であり、又は非線形媒質に伝達することも可能であって、この非線形媒質は、選択された周波数を出力するべく、当該周波数を、例えば、可視レーザービームに変換する周波数倍増器又は和周波数生成器又は差周波数生成器であってよい。出力段階は、出力反射器によるか又は偏��ビームスプリッタによるものであってよい。出力反射器は、空洞から出力ビームを分離して出力する出力カプラであってよい。
【０１１５】
本発明のレーザーシステムは、ダイオードポンピング型のレーザーシステムであってよい。これは、全固体型レーザーシステムであってよい。
【０１１６】
本発明による共振器空洞内には、潜在的に、空洞内において共振する複数の異なる波長のレーザー光が存在することが可能である。このような状況は、共振器空洞が、その内部における共振を必要とするすべての波長については、高Ｑ空洞（即ち、高い光学品質係数）となり、且つ、共振空洞から出力される波長については、高Ｑ空洞にならないように、空洞を規定する反射器の反射率を選択することにより、実現可能である。等価的に、空洞は、その内部における共振を必要とするすべての波長については、高フィネス空洞であり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、低フィネス空洞ではない。基本波長、１次ストークス波長、及び２次ストークス波長の中の１つ又は複数のものが存在することが可能である。更には、ラマン活性媒質が複数のラマンシフトを有するケースにおいては、ラマン活性媒質によって生成された複数のラマンシフトされたビームの各々からの１次及び２次ストークス波長が存在することが可能である。又、本発明のレーザー空洞は、周波数倍増又は和周波数生成又は差周波数生成の機能を有する非線形媒質を有することも可能である。従って、非線形媒質の調整機能に応じて、前述の波長の各々を周波数倍増することが可能であり、或いは、任意の２つのものを周波数加算又は周波数減算することが可能である。従って、本発明は、空洞から様々な異なる波長を選択的に出力する手段を提供することが可能である。
【０１１７】
ポンプビームは、ダイオードレーザーからの、又はなんらかのその他のポンプ源からのビームであってよい。ポンピングは、エンドポンピング又はサイドポンピングであってよい。レーザーシステムからの出力レーザービームの電力は、ポンプレーザービームの周波数に依存することが可能であり、従って、本発明のシステムは、出力レーザービームの電力を変更するために、ポンプレーザービームの周波数を変更する手段（周波数コントローラ等）を有することが可能である。
【０１１８】
当業者には、レーザービームの周波数と波長は、次式によって関係付けられることが理解されるであろう。
【０１１９】
光の速度＝波長＊周波数
【０１２０】
この結果として、周波数シフト、周波数変換、異なる周波数、及びこれらに類似した用語が参照された際には、これらは、対応する用語である波長シフト、波長変換、異なる波長、及びこれらに類似したものと相互交換可能である。
【０１２１】
本発明によるレーザーを構築する際には、出力レーザー電力への許容可能な変換効率を実現するべく、レーザーの構成要素を正確に配置することが非常に重要である。本発明によるレーザーは、固体レーザーであってよい。
【０１２２】
（材料）
レーザー材料、ラマン活性媒質、及び非線形媒質に使用される材料は、当技術分野において周知である。一般には、ネオジミウムが、レーザー材料内のドーパントとして使用されており、適切なレーザー材料は、ＮｄＹＬＦ、ＮｄＹＡＧ、ＮｄＹＡＬＯ及びＮｄＹＶＯ４、ＮｄＧｄＶＯ４を含むが、その他のドーパントイオンも使用可能である。使用可能なその他のドーパントイオンは、イッテルビウム、エルビウム、及ぶツリウムを含み、使用可能なその他のホスト材料は、ＹＡＢ、ＹＣＯＢ、ＫＧＷ、及びＫＹＷを含む。適切なラマン活性媒質の例は、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム）、ＫＹＷ（タングステン酸カリウムイットリウム）硝酸バリウム、ヨウ素酸リチウム、タングステン酸バリウム、タングステン酸鉛、タングステン酸カルシウム、その他のタングステン酸塩、及びモリブデン酸塩、ダイアモンド、バナジウム酸ガドリニウム、及びバナジウム酸イットリウム、並びに、ラマン活性を有するその他の結晶材料を含む。レーザー媒質の各々は、特性出力周波数を生成し、且つ、ラマン活性媒質の各々は、（少なくとも１つの特性ストークス波長を生成するべく）少なくとも１つの特性ラマンシフトを生成する。従って、２つのタイプの媒質を組み合わせることにより、一連の出力レーザー波長を実現することが可能である。又、波長のいずれか２つのものを組み合わせることにより、和周波数生成器を使用して更なる波長を生成することが可能である。従って、様々な出力波長が潜在的に入手可能である。適切な２次高調波生成器は、例えば、硼酸リチウム又は硼酸バリウムであってよい。必要に応じて、２次高調波生成器を調整することにより、操作者は、これらの波長の中の１つのを選択することが可能である。
【０１２３】
表１（〔表１〕）は、一連のラマン活性媒質におけるラマンシフトを示しており、表２（〔表２〕）は、いくつかのラマン活性媒質におけるラマンシフト及び対応するストークス波長を示している。
【０１２４】
【表１】
2009533847.tif 000003
【０１２５】
【表２】
2009533847.tif 000004
【０１２６】
それぞれの非線形媒質は、周波数倍増、和周波数生成、又は差周波数生成によって変換される波長を選択するように、構成されることが可能である。
【０１２７】
周波数倍増又は和周波数生成に使用される材料の例は、結晶質ＬＢＯ、ＬＴＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＡ、ＲＴＰ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＣＬＢＯ、ＬｉｎｂＯ３、或いは、ニオブ酸リチウム、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＡ、又はその他の適切な材料等の周期分極反転材料を含む。周期分極反転材料は、擬似位相整合を通じて、周波数倍増又は加算された周波数出力を生成することが可能である。周波数倍増は、波長とその２次高調波との間において「位相整合（ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）」が実現された際に、最も効率的である。非線形結晶を構成する方法は、結晶がその「結晶軸」との関係において「カット（ｃｕｔ）」される方法に関係している。これらの結晶軸は、結晶のタイプの基本特性である。結晶は、選択された波長とその２次高調波との間における位相整合を最良に提供する「カット」を有するように製造可能である。この位相整合の微細調整は、媒質を「角度調整」することによって実現可能である。角度の公差は、０．１度未満であってよく、且つ、温度は、０．１度内に維持されることが可能である。これらの公差は、結晶の特性に応じて変化する。或いは、この代わりに、微細調整は、媒質を温度調整することによって実現することも可能である。
【０１２８】
本発明によるレーザーは、別個のラマン活性媒質及び非線形媒質を使用して構築されることが可能である。この結果として、各々の媒質の特性を独立的に最適化することが可能である。本願の発明者らは、この結果として、追加の光学構成要素の使用に起因する追加の挿入損失にも拘わらず、商用に許容可能な電力出力を提供するレーザーシステムを構築することが可能であることを見出した。このレーザーシステムから出力レーザービームを選択的に提供する際には、空洞内に配置されたレーザー材料を、空洞外に配置されたポンプ源からのポンプビームによってポンピングすることにより、共振器空洞内において空洞レーザービームを生成する。次いで、共振器空洞内に配置されたラマン活性媒質の中をレーザービームを通過させることにより、レーザービームの少なくとも一部分の波長をシフトさせる。次いで、空洞内において共振している様々な波長の中から、周波数変換の対象であるレーザー光の単一の波長（ＳＨＧの場合）又は波長の対（ＳＦＧ又はＤＦＧの場合）を選択する。次いで、選択されたレーザー光の単一の波長又は波長の対を、別個の段階において、調整可能な非線形媒質を使用して周波数変換し、レーザービームの単一の変換済み波長を生成した後に、この変換済み波長をレーザーシステムから出力することが可能である。別個のラマン活性媒質及び非線形媒質を使用することにより、両方の機能を実行する単一の媒質よりも高い損傷閾値を有する材料を使用することが可能であり、且つ、それぞれの媒質ごとの空洞内の位置等のパラメータを独立的に最適化することが可能である。又、これにより、後述するように、様々な出力周波数に対するアクセスが提供される。
【０１２９】
或いは、この代わりに、本発明によるレーザーは、自己ラマン結晶（レーザー材料及びラマンシフタのデュアル機能を実行するもの）及び非線形媒質を使用して構築することも可能である。別個のラマン結晶に対するニーズを除去することにより、自己ラマンレーザーは、相対的に低い共振器損失及び短い共振器という重要な利点を有することが可能であり、これらの利点は、１．５Ｗのダイオードポンプにおいて５４ｍＷの１次ストークス出力電力を付与する自己ラマンＮｄ：ＫＧＷレーザーのＣＷ動作を得たデミドビッチ（Ｄｏｍｉｄｏｖｉｃｈ）によるダイオードポンピング型ＣＷ自己ラマンレーザーの初めての実証において重要な要因であった［デミドビッチ（Ｄｅｍｉｄｏｖｉｃｈ）他による「ダイオードポンピング型Ｎｄ３＋：ＫＧｄ（ＷＯ４）２レーザーにおける連続波ラマン生成（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  Ｒａｍａｎ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  Ｎｄ３＋：ＫＧｄ（ＷＯ４）２ｌａｓｅｒ）」、光学レター（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、３０、１７０１〜１７０３頁（２００５年）を参照されたい］。しかしながら、このレーザーシステムは、周波数倍増を内蔵していなかった。但し、第１に、レーザー／ラマン結晶の熱荷重がラマン変換プロセスからの追加的な熱荷重によって悪化し、且つ、第２に、最良の効率に必要とされるレーザー及びラマン結晶内のモードサイズを別個に最適化するための柔軟性が存在していない、という自己ラマンレーザーに関連する２つの重要な潜在的欠点が存在している。従って、自己ラマン材料の選択肢は、非常に重要であり、結晶は、良好な熱特性と共に、大きなラマン利得を有する必要がある。これまで報告された自己ラマン材料の中で、Ｎｄ：ＫＧＷ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、及びＮｄ：ＹＶＯ４は、広く入手可能であり、良好な熱特性と、約４．５ｃｍ／ＧＷという適度に大きなラマン利得係数を有する。
【０１３０】
更には／又は、この代わりに、本発明は、レーザー結晶と、ラマン活性を有すると共にラマンシフト及び周波数倍増／加算を実行する非線形媒質を使用して構築することも可能である。適切な結晶は、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＲＴＰ、ＬｉＩＯ３、ＬｉＮｂＯ３を含む。これらの結晶は、必要な波長レンジにわたる位相整合を許容するべく、周期分極反転させることも可能であり、或いは、そうでなくてもよい。
【０１３１】
更には／又は、この代わりに、本発明は、ラマン活性を有すると共に非線形媒質でもあり、基本レーザー放射の生成、ラマンシフト、及び周波数倍増／加算のすべての３つの機能を実行する単一のレーザー結晶を使用して構築することも可能である。適切な結晶は、Ｎｄ：ＫＴＰ、Ｎｄ：ＲＴＰ、Ｎｄ：ＬｉＩＯ３、及びＮｄ：ＬｉＮｂＯ３を含む。これらの結晶は、必要な波長レンジにわたる位相整合を許容するべく、周期分極反転させることも可能であり、或いは、そうでなくてもよい。
【０１３２】
（要素の位置）
本明細書に記述されたレーザーシステムの効率的な動作には、システムの構成要素である部品を正しく配置することが重要である。具体的には、ラマン媒質及び非線形媒質は、波長変換の対象であるビームの直径が、許容可能な変換効率を実現するべく十分に小さい空洞内の位置に配置される必要がある。
【０１３３】
シミュレーションがなされたラマン散乱プロセスの非弾力特性から、熱レンズが生じる。従って、すべての散乱イベントにおいて、わずかな量の基本光子がラマン活性媒質内に熱として蓄積される。これが、ラマン活性媒質にわたる不均一な温度プロファイルに結び付く。一般に、レーザー材料の屈折率は、温度の増大に伴って増大し、従って、前述のレーザー材料は、凸レンズとして機能する。一般に、ラマン活性媒質の屈折率は、温度の増大に伴って減少し、従って、ラマン活性媒質は、凹（発散）レンズとして機能する。これらの２つの効果の組み合わせは、共振空洞に沿った複雑なビーム幅プロファイルに結び付く可能性がある。本発明のレーザーシステムは、熱レンズが発生する条件下において動作させることができる。熱レンズは、レーザーシステムの安定特性に影響を与えることが可能である。レーザー材料は、正の（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）熱レンズ効果を有することが可能であり、ラマン活性媒質は、負の（ｎｅｇａｔｉｖｅ）熱レンズ効果を有することが可能であり、且つ、正のレンズ効果は、サイズにおいて、負のレンズ効果に匹敵するものであってよい。レーザーシステムの構成要素の熱レンズ効果は、ポンプ電力の変化に伴って変化することが可能である。レーザー材料内の熱レンズの強度は、主には、ポンプ源の出力電力、この出力電力中においてレーザー材料内に吸収される比率、及びレーザー材料内のポンプレーザービームのサイズに依存する。ラマン活性媒質内の熱レンズの強度は、主には、ラマンシフトされたビームの電力、ラマン活性媒質内のラマンシフトされたビームのサイズ、ラマンシフトされたビームの波長、及びラマンシフトに依存する。
【０１３４】
空洞ミラーの曲率及び自然な回折に加えて、レーザーシステムの様々な構成要素内における熱レンズに起因し、レーザーシステムの共振器空洞内のレーザービームのビーム幅は、様々な構成要素内の加熱効果の結果として、空洞の長さに沿って変化することになる。非線形媒質内において発生するプロセスの効率は、入射レーザービームの電力の増大に伴って増大するため、非線形媒質の位置は、システムの効率的な動作にとって非常に重要である。更には、システムの構成要素の加熱は、それらの要素を通じたレーザービームの通過に起因しているため、要素の最適な位置は、システムのウォームアップの期間に相当する時間とレーザーシステムの電力の両方に伴って変化することになる。レーザーシステムは、特定の出力電力について設計可能であり、且つ、正常な動作温度に到達した後にピーク効率において動作するように設計されることになる。
【０１３５】
本願の発明者らは、レーザー材料及びラマン活性媒質の熱レンズ強度を考慮して固体ラマンレーザーを設計することにより、ラマン固体レーザーの動作と関連する共振器の安定性の問題を解決することが可能であることを発見した。
【０１３６】
熱レンズは、次のような方式でレーザー材料内に形成される。レーザー材料内において基本波長のレーザー出力を生成するプロセスにおいて、熱がレーザー材料内に蓄積され、この結果として、温度分布が確立される。熱−光係数を通じて、レーザー材料にわたって屈折率の変動が発生し、この屈折率の変動が、材料を通過する光を合焦（非合焦）するべく作用し、レーザー材料が、収束（発散）レンズとして機能する。これが、焦点長ｆＬを有する熱レンズ効果である。ｆＬの大きさは、吸収されたポンプ電力の増大と共に減少し、吸収されたポンプ電力の最大値において、ｆＬ＝ｆＬ（ｍｉｎ）であり、即ち、初期スタートアップ電流から最大動作電流に向かって、レーザー材料の焦点長の減少が存在している。大部分のレーザー材料においては、レーザー材料は、収束レンズとして機能する。例えば、Ｎｄ：ＫＧＷやＮｄ：ＫＹＷ等のいくつかの材料においては、レーザー材料は、発散レンズとして機能することが可能である。Ｎｄ：ＫＧＷ等のいくつかの材料においては、レーザー材料は、伝播する光の偏光との関係における結晶の向きに応じて、発散又は収束レンズのいずれか一方として機能することが可能である。
【０１３７】
又、熱レンズは、ラマン活性媒質内にも生成される。ＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）による周波数変換により、ラマン活性媒質の内部に熱が生成され、この熱が、大きなレンズ効果及び焦点長ｆＲに結び付く。これらの効果は、非線形プロセスの非弾性特性から発生し、且つ、すべての散乱イベントについて、光子エネルギーの小さな比率（ＬｉＩＯ３の場合には、７．９％）が、ラマン活性媒質内において熱として蓄積される。加熱の程度は、ストークス波長において生成された電力に伴って増大し、更に詳しくは、レーザー空洞の内部において生成されたすべての１次又は２次ストークス光子について、わずかな、但し、固定量の熱が媒質の内部に蓄積される。この結果として、得られた結晶の熱伝導性及び共振器空洞内のレーザービームのサイズの影響を受ける温度分布が、媒質にわたって屈折率の変動を引き起こす。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー材料内における正の熱レンズは、ダイオードレーザーから吸収された電力に伴って略線形で増減する一方において、例えば、ＬｉＩＯ３内における熱レンズは、１次ストークス波長及び任意の更に高次のストークス波長における空洞内電力密度に依存している。ＬｉＩＯ３の場合には、熱−光係数（ｄｎ／ｄＴ）は、（米国光学学会による光学ハンドブック（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ）、監修者バス（ｅｄ．  Ｂａｓｓ）、１９９５年によれば）１ミクロンの波長において−８４．９ｘ１０−６Ｋ−１である（Ｎｄ：ＹＡＧよりも、１０倍だけ大きく、反対の符号である）。これは、ラマン活性媒質を通過する光は、あたかも焦点長「−ｆＲ」を有する従来のレンズを通過するかのように、発散することを意味している。アークランプによってポンピングされたＬｉＩＯ３ラマンレーザーにおける本願の発明者らによる熱レンズの計測に基づいて、ＬｉＩＯ３内における負の熱レンズのサイズは、−１０ｃｍという短いものであってよい（これは、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質内のものに匹敵する）。
【０１３８】
自己ラマン結晶の場合には、熱レンズの２つの原因、即ち、ＳＲＳプロセスとレーザー生成プロセスが存在する。この結果として、熱荷重は、自己ラマン結晶内のほうが大きく、熱レンズの効果も、通常は、別個の結晶を使用する場合よりも強烈である。
【０１３９】
レーザー媒質内及びラマン活性媒質内における熱レンズは、いずれも、共振器の安定特性に対して動的な方式で実質的に影響を与える。好ましくは、空洞内のレーザー材料及びラマン活性媒質の位置及び／又は反射器（ミラー）の曲率は、レーザーが、（ａ）レーザーの動作を開始できるように、ｆＬ＝ｆＲ＝ＦＬｍａｘである（ここで、ＦＬｍａｘは、レーザーの動作を開始するのに必要なポンプ電力に対応した焦点長である（これは、いくつかの構成においては、無限であってよく、その他のものにおいては、共振器を安定させるべく、有限な値であってよい））、並びに、（ｂ）（ＳＲＳが中止された場合に、望ましくは、レーザーの動作が中止されないように）ｆＲ＝無限、ｆＬ＞ｆＬ（ｍｉｎ）である、といったような特殊なケースを含むｆＬ及びｆＲの組み合わせの十分に広いレンジにわたる安定した動作を行うことができるようになっている。
【０１４０】
レーザーシステム自体の要件に応じて、レーザー装置の空洞構成との関係において膨大な数の異なる解決策が存在することが当業者には理解されるであろう。例えば、このような解決策は、１）折り返し空洞対線形空洞の場合、２）異なるラマン結晶の場合（この理由は、これらのラマン結晶が焦点長ｆＲに影響を与えるような異なる熱特性を有するためである）、３）（異なるｆＬを形成する）異なるレーザー結晶の場合、並びに、４）レーザーが、低電力又は高電力において動作するべく設計される場合に見出すことが可能であり、且つ、これらのケースに関係する解決策は、本明細書に十分に規定されているか、又は当業者にとって既知であり、且つ、過度な実験を必要としない。
【０１４１】
又、条件（ａ）及び（ｂ）は、当業者には既知の試験又は手順によって直接的に且つ積極的に検証可能であり、これにより、条件（ａ）は、レーザーが動作している際には、本質的に満足され、且つ、条件（ｂ）は、ラマン散乱が存在しない状態において装置レーザーを動作させることにより、簡単な方式で試験可能であるということも理解されるであろう。ラマン散乱が存在しない状態においてレーザーを動作させ、条件（ｂ）が満足されるかどうかを検証可能である周知の簡単な方法が存在しており、その中の２つのものは、次のとおりである。
【０１４２】
・ラマンレーザーの出力カプラを、基本空洞レーザービームの波長における動作のために構成された出力カプラ、即ち、例えば、１０６４ｎｍの光を出力するＮｄレーザーの場合における１％等の透過率のように、１０６４ｎｍにおける適切な値の透過率を有する出力カプラによって置換する方法。これにより、この波長における空洞内発振電力が減少し、この結果として、必要な閾値電力密度に到達しないため、ラマン変換が抑圧される。
【０１４３】
・（ｆＲがゼロに低下するように）数秒にわたって空洞内レーザービームを遮断した後に、ビームの遮断を解除する。レーザー発振が再開した場合には、条件（ｂ）が満足されている。レーザー発振が再開されない場合には、条件（ａ）が満足されていない。
【０１４４】
好ましくは、反射器の少なくとも１つの曲率及び／又は空洞構成との関係におけるレーザー材料及びラマン活性媒質の位置は、ポンプ入力電力におけるレーザー材料の焦点長及び所望のラマンレーザー出力電力レンジにおけるラマン活性媒質の焦点長が、安定した領域内、好ましくは、効率的に動作する領域内に維持されるようになっている。好適な実施例においては、これは、空洞内にレーザー材料及びラマン活性媒質を配置するとと共に／又は反射器の少なくとも１つの曲率を選択することに加えて、反射器の１つ又は複数のもの、レーザー材料、及びラマン活性媒質の間の離隔距離、並びに、出力カプラの透過特性の中の１つ又は複数のものを最適化することにより、焦点長の関数として空洞構成を最適化することによって実現可能である。
【０１４５】
ラマン及び／又はレーザービームの利得合焦及び自己集束等の更なる効果が共振器の安定性に影響を与えることが可能ではあるが、これらは、既に説明した効果よりも、その重要性が低いと考えられる。
【０１４６】
又、好適な実施例においては、空洞安定性を維持すると共にレーザーの構成要素の光学的な損傷を回避しつつ、レーザー材料からの効率的なエネルギーの抽出、並びに、ラマン活性媒質、及び、存在する場合には、非線形媒質内におけるＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を通じた効率的な変換を得るべく、レーザー利得材料、ラマン利得媒質及び非線形媒質内の最適なモードサイズ、並びに、最適なレーザー出力電力について、所定のポンプ電力においてレーザーが最適化される、即ち、様々な構成要素がそれらの関連するモードサイズに基づいて整合される。ラマン活性媒質内における最適なスポットサイズ及び電力密度は、変換効率の極大化と光学的な損傷の回避との間における妥協であってよい。空洞内に存在する材料の各々の内部における相対的なモードサイズが効率的な安定した出力を提供するように、空洞が適切に最適化される。
【０１４７】
ラマンレーザーが適切な最適効率において動作するために、レーザー材料（Ａ）、ラマン活性媒質（Ｂ）、及び非線形媒質（周波数倍増結晶）（Ｃ）内の共振器モードサイズが所望の動作点において略最適なものになるように、主要な設計パラメータ（即ち、ミラーの曲率、空洞長、様々な構成要素の配置）が適切に選択される。これについては、以下のモデル化の節において更に厳密に説明する。
【０１４８】
この説明においては、これらの媒質内のビームサイズ（半径）は、それぞれ、ωＡ、ωＢ、及びωＣと表記することが可能である。レーザービームが円形でないケースにおいては、レーザービームは、通常、楕円形であり、且つ、ビームサイズは、楕円の長軸及び短軸に沿っていると考えられる。ビームサイズは、ビーム軸から、ビーム強度がビーム軸の強度の１／（ｅ２）に低下する地点までの距離として取得される。ビームサイズは、特定の構成要素の長さに沿って変化することが可能である。特定の構成要素内のビームサイズは、構成要素内の平均ビームサイズとして（これは、一般に、ラマン活性媒質について使用される）、或いは、その構成要素内の最小ビームサイズとして（これは、一般に、レーザー材料及び非線形媒質について使用される）取得可能である。ωＡは、レーザー材料のポンピングされた領域の寸法、即ち、ポンプスポットサイズ（ωＰ）に対して適切にモード整合される。ωＰは、ポンプレーザー源（例えば、ダイオードレーザー）の電力及びポンピング構成に従って変化することが可能である。例えば、低電力（約１Ｗ）ダイオードレーザーによってエンドポンピングされたレーザー結晶は、約５０〜１００μｍのωＰを有することが可能である。１０〜６０Ｗのダイオードレーザーによってエンドポンピングされたレーザー結晶は、例えば、約１００〜７００、１５０〜６５０、２００〜６００、３００〜４００、２５０〜３５０、２００〜３７５、９０〜４００、４００〜７００、２００〜４００、又は４００〜６００μｍ等のように、９０〜７００μｍのレンジ内のωＰを有することが可能であり、且つ、約９０、１００、０１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、又は７００μｍのωＰを有することが可能である。１つ又は複数のダイオードレーザーによってサイドポンピングされたレーザー結晶は、約５００〜１５００μｍのレンジ内のωＰを有することが可能である。ωＰ及びωＡの最適なモード整合は、レーザー材料内における利得の効率的な抽出を可能にするための適切な前提条件である。ωＰ及びωＡがモード整合された際には、ポンプレーザーのビームスポットは、レーザー材料内において、空洞レーザービームと重なり合う。ωＡが小さ過ぎる場合には、（ｉ）レーザー利得をＴＥＭ００共振器モード内に効率的に抽出できない可能性があり、且つ、（ｉｉ）レーザーが、一般には望ましくない更に高次のモードにおいて発振可能である。ωＡが大き過ぎる場合には、レーザー結晶と関連する熱レンズ内の収差に起因し、共振器内に回折損失が発生する可能性がある。この効果は、約≧３Ｗのポンピング電力においては、望ましくないと共に有害である。比率ωＡ／ωＰは、０．４５〜１．５５、０．５〜１．５、０．６〜１．４、０．７〜１．３、又は０．７５〜１．２５、又は０．７〜１．２５、又は０．７５〜１．３、又は０．８〜１．２、又は０．９〜１．１、又は０．９５〜１．０５のレンジ内であってよい。比率ωＡ／ωＰは、約１．０１、１．０２、１．０３、１．０４、１．０５、１．０６、１．０７、１．０８、１．０９、１．１、１．１２、１．１４、１．１６、１．１８、１．２、１．２５、１．３、１．３５、���．４、１．４５、１．５、１．５５、０．９９、０．９８、０．９７、０．９６、０．９５、０．９４、０．９３、０．９２、０．９１、０．９、０．８８、０．８６、０．８４、０．８２、０．８、０．７５、０．７、０．６５、０．６、０．５５、０．５、又は０．４５であってよく、或いは、１に等しいか、又は約１であってよい。ωＡは、ωＰ以上であってよい。ポンプスポットサイズは、レーザー材料内において、空洞レーザービームと完全に重なり合うことが可能である。ポンプスポットサイズが共振器のレーザー材料内の空洞レーザービームのモードにモード整合された際には、基本ガウス（ＴＥＭ００）モードの励起が共振器空洞内のメインモードであってよく、或いは、更に高次の横モードが存在することが可能である。ωＡは、例えば、約１００〜８５０、２５０〜８５０、４００〜８５０、５５０〜８５０、７０〜５００、７０〜３００、７０〜１５０、１００〜６００、２００〜５００、１００〜３００、３００〜５００、５００〜７００、又は７００〜８５０μｍ等のように、約７０〜８５０μｍのレンジ内であってよく、且つ、例えば、約７０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、又は８５０μｍであってよい。ωＢは、同時にラマン媒質に対する光学的な損傷を適切に回避しつつ、低ＳＲＳ閾値について最適化されることが可能である。（ｉ）異なるラマン活性結晶は、異なるラマン利得及び異なる光学的損傷の閾値を有するため、ωＢの最適な値は、結晶ごとに変化する。ωＢが大き過ぎる場合には、ＳＲＳプロセスの変換効率が最適値よりも低くなる。ωＢが小さ過ぎる場合には、（ｉ）ラマン活性媒質内の光学電力密度がその結晶内の光学的損傷の閾値に接近することが可能であり、且つ、（ｉｉ）ラマン活性媒質と関連する熱レンズが収差を有する状態となり、この結果として、（回折に起因して）増大した共振器損失をもたらす可能性がある。ωＢの代表的な値は、５０〜６００μｍのレンジ内であり、且つ、約１００〜６００、２００〜６００、３００〜４００、２５０〜３５０、２００〜３７５、９０〜４００、１００〜３００、４００〜６００、２００〜４００、又は４００〜６００μｍのレンジ内であってよく、且つ、約９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、又は６００μｍであってよい。ωＣは、周波数倍増又は和周波数生成プロセスを通じた効率的な周波数変換のために適切に最適化される。ωＣの最適な値は、使用される結晶のタイプに従って変化する。異なる結晶は、異なる非線形係数、ウォークオフ（ｗａｌｋ−ｏｆｆ）角、及び損傷閾値を有する。ωＣが大き過ぎる場合には、（ｉ）変換効率が最適値よりも低くなり、（ｉｉ）ストークス周波数における光学フィールドが「不足結合（ｕｎｄｅｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ）」状態となる可能性があり、この場合には、更に高次のストークス生成及び自己集束等の望ましくない非線形プロセスが発生する可能性がある。ωＣが小さ過ぎる場合には、（ｉ）光学的な損傷が結晶に発生する可能性があり、（ｉｉ）非線形相互作用の有効長が、「ウォークオフ効果」に起因して短くなり���ぎる可能性があり、且つ、（ｉｉｉ）ストークス波長における光学フィールドが「過剰結合（ｏｖｅｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ）」状態となる可能性があり、この結果として、ＳＲＳプロセスの変換効率が低下する可能性がある。ωＣの代表的な値は、約９０〜６００μｍのレンジ内であり、且つ、約１００〜６００、２００〜６００、３００〜４００、２５０〜３５０、２００〜３７５、９０〜４００、１００〜３００、４００〜６００、２００〜４００、又は４００〜６００μｍのレンジ内であってよく、且つ、約９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、又は６００μｍであってよい。この説明は、Ａ、Ｂ、及びＣ内のモードサイズが、異なる波長における光学フィールドについて同一であるものと仮定している。実際には、ωＡ、ωＢ、及びωＣは、利得導波及び自己集束等の効果に起因し、わずかに（＜１０％だけ）異なる可能性がある。
【０１４９】
好ましくは、レーザー材料内のモードサイズ（ビームサイズ）は、ポンプスポットサイズに略等しい。好ましくは、ＫＧＷ、ＢａＮＯ３、又はＬｉＩＯ３結晶等のラマン活性媒質内において、スポットサイズωＢは、ωＢがレーザー材料内のビームサイズωＡに類似するか又はこれよりも小さくなるように、安定した動作及び効率的な変換のために最適化される。好ましくは、存在する場合には、非線形媒質内のビームサイズωＣは、ラマン活性媒質内のビームサイズωＢに類似するか又はこれよりも小さい。従って、好適な状況は、ωＡ＞ωＢ＞ωＣとなっている場合である。ωＡ＞ωＢであり、且つ／又は、ωＢ＞ωＣであり、且つ／又は、ωＡ＞ωＣであり、且つ／又は、ωＣ＞ωＢである安定した構成を実現することが可能である。
【０１５０】
空洞レーザービーム及びラマンシフトされたレーザービーム用の別個の空洞が存在する空間結合型の空洞共振器の場合には、空洞レーザービーム及びラマンシフトされたレーザービームがラマン活性媒質内において類似したモードサイズを有する、という更なるモード整合要件が存在する。ラマン活性媒質内の空洞レーザービームのモードサイズに対するラマン活性媒質内のラマンシフトされたレーザービームのモードサイズの比率は、約０．５〜２、又は約０．７５〜１．５、０．８〜１．２５、又は０．９〜１．１であってよく、且つ、約０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、又は２であってよい。空間結合型共振器は、ラマンビームに影響を与えることなしに、アパーチャ、エタロン、及び複屈折フィルタ等の構成要素を基本共振器内に挿入するのに特に有益であろう。これらの構成要素は、基本の横モード構造の制御、空洞内において発振する縦基本モードの数の制御、及び基本ビームの波長の調整を含むいくつかの目的に使用されることが可能である。
【０１５１】
好適な実施例においては、レーザーの動作の際の共振器の安定を保証するように、レーザー入力電力におけるレーザー材料の熱レンズ焦点長及びレーザー出力電力におけるラマン活性媒質の熱レンズ焦点長が決定され、且つ、空洞内のレーザー材料及びラマン活性媒質の位置が選択される。好ましくは、レーザー材料の熱レンズを算出した後に、これを空洞安定性の計測によって確認することが可能である。或いは、この代わりに、収差に関する情報をも提供することが可能であるＬＳＩ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｈｅａｒｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）計測等の標準的な計測法により、熱レンズを判定することも可能である［例えば、（エム．レバーマン（Ｍ．  Ｒｅｖｅｒｍａｎｎ）他による「共振器内のＬｉＩＯ３レーザーにおける熱レンズ計測（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓｉｎｇ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ａｎ  ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ  ＬｉＩＯ３  Ｌａｓｅｒ）」（ＡＳＳＬ会議議事録（ＡＳＳＬ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）、２０００年２月）、ジェイ．エル．ブロウズ（Ｊ．Ｌ．Ｂｌｏｗｓ）他による「ホログラフィーＬＳＩ計測法を利用したライン焦点・エンドポンピング型Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザーにおける熱レンズ計測（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓｉｎｇ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ｌｉｎｅ−ｆｏｃｕｓ  ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ  ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ  ｙｔｔｒｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｇａｒｎｅｔ  ｕｓｉｎｇ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｌａｔｅｒａｌ  ｓｈｅａｒｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」（応用物理学会誌（Ｊ．  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第８３巻、第６号、１９９８年３月）、及びエイチ．エム．パスク（Ｈ．Ｍ．Ｐａｓｋ）他による「Ｂａ（ＮＯ３）２ラマンレーザーにおける熱レンズ計測（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓｉｎｇ  ｉｎ  ａ  ｂａｒｉｕｍ  ｎｉｔｒａｔｅ  Ｒａｍａｎ  ｌａｓｅｒ」（ＡＳＳＬ会議議事録（ＡＳＳＬ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）、２００１年２月）に記述された手法を参照されたい］。
【０１５２】
好ましくは、少なくとも空洞内のレーザー材料及びラマン活性媒質の位置は、レーザー及びラマン媒質の熱レンズ強度の組み合わせが安定性プロットの安定動作領域内に位置するように、選択される。
【０１５３】
単純な２ミラー空洞の安定性プロットは、グラフのｙ軸上のパラメータｇ１及びｘ軸上のｇ２のプロットである。これらのパラメータは、次式によって表現されることが可能である。ここで、Ｌは、２つのミラーの間の距離であり、Ｒ１は、２つのミラーの中の１つの曲率半径であり、Ｒ２は、もう１つのものの曲率半径である。
【０１５４】
ｇ１＝１−Ｌ／Ｒ１      （１）
ｇ２＝１−Ｌ／Ｒ２      （２）
【０１５５】
共振器空洞が安定状態となるには、次の条件を満足させることを要すると判定された。
【０１５６】
０≦ｇ１・ｇ２≦１      （３）
【０１５７】
ｇ１又はｇ２のいずれか一方が負であり、その他方が正である場合には、これらの積は、負であり、共振器空洞は、不安定になる。両方が正であるか又は両方が負であり、且つ、これらの積が１未満である場合には、共振器空洞は、安定状態となる。
【０１５８】
レーザー材料の熱レンズ効果が正であり、且つ、ラマン活性媒質の熱レンズ効果が負であり、且つ、これらが、動作条件下において類似した大きさを有する場合には、これらは、互いに相互作用し、共振器空洞が動作条件下において安定状態に留まることを保証することが可能である。
【０１５９】
空洞が、レーザー材料及びラマン活性媒質の上昇した温度において安定状態に留まることを保証するべく、レーザー材料及びラマン活性媒質は、好ましくは、反対の符号の熱レンズ効果を有し、且つ、共振器空洞の長さ及び共振器空洞を規定するミラーとの関係におけるレーザー材料及びラマン活性媒質の相対的な位置は、放射が大きな損失を被るほどにはレーザーモードが拡張しないように、選択される。従って、レーザー材料及び少なくとも２つの反射器の位置との関係におけるラマン活性媒質の位置、空洞の長さ、空洞を規定する反射器の少なくとも１つの曲率、並びに、レーザーの動作の際にレーザー材料及びラマン活性媒質内に形成される熱レンズの焦点長の組み合わせは、ポンプレーザーへの電流がゼロから所望の動作レーザー電力に増大した際にレーザー共振器（空洞）が光学的に安定状態に留まるようなものであってよい。望ましい動作電力は、出力電力が１Ｗを上回るようなものであってよい。
【０１６０】
２ミラー共振器における適切な安定性プロットは、次のように判定されることが可能である。次の式（〔数１〕）に示すように、光学共振器の通過における光線転送行列（Ｍ）を算出する。この行列の要素により、等価な（２ミラー）共振器を、ｇパラメータであるｇ１＊＝Ａ、ｇ２＊＝Ｄ、及びＬ＊＝Ｂによって規定することが可能である。
【０１６１】
【数１】
2009533847.tif 000005
【０１６２】
共振器空洞内の光学系は、ＡＢＣＤ行列によって表現されることが可能であり、この行列は、各々が光が通過する光学要素に対応する１つ又は複数のＡＢＣＤ行列の積である。ＡＢＣＤ法則により、ビームが特定の要素を通過するのに伴うガウスレーザービーム内の変化を算出することが可能である。行列Ｍの行列式は、共振器空洞の安定した構成の場合に、１である必要があり、即ち、ＡＤ−ＢＣ＝１である。共振器空洞用の安定性領域は、空洞レーザービームが不等式｜Ｓ｜≦１を満足するところであり、この場合に、Ｓ＝０．５＊（Ａ−Ｄ）である。空洞レーザービームの主要なモードは、ガウスビームであってよい。ガウスビームとは、ビームの断面電力プロファイルがガウス分布を有するものである。共振器内の特定の位置におけるガウスレーザービームのｑパラメータは、ＡＢＣＤ法則であるｑ＝（Ａｑ＋Ｂ）／（Ｃｑ＋Ｄ）を満足する必要がある。これに対する解は、次の式（〔数２〕）によって付与される。
【０１６３】
【数２】
2009533847.tif 000006
【０１６４】
許容解は、負の虚数成分を有する必要がある。ｑパラメータは、モードサイズ及びビーム曲率を内蔵しており、これについては、ビー．イー．エー．サリー（Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ）及びエム．シー．テイチ（Ｍ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ）による「フォトニクスの基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）」（ジョン．ウィリー及びその息子達（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ）、ニューヨーク（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）、１９９１年）に詳述されており、この内容は、本明細書にて言及することにより、本明細書に包含されている。空洞レーザービームのモードサイズは、ｑパラメータから共振器空洞に沿って判定されることが可能である。
【０１６５】
具体的には、曲率半径Ｒ１を有する第１ミラーから距離ｄ１及び曲率半径Ｒ２を有する第２ミラーから距離ｄ２に配置される焦点長ｆ（即ち、屈折強度１／ｆ）のレンズを有するシステムの場合には、行列Ｍの要素は、次のとおりである。
【０１６６】
Ａ＝ｇ１＊
Ｂ＝Ｌ＊
Ｃ＝（ｇ１＊＊ｇ２＊−１）／Ｌ＊
Ｄ＝ｇ２＊
【０１６７】
ここで、Ｌ＊＝ｄ１＋ｄ２−Ｄ＊ｄ１＊ｄ２であり、ｇｉ＊＝ｇｉ−Ｄ＊ｄｊ（１−ｄｉ／Ｒｉ）であり、ｉ，ｊ＝１，２であり、ｉ≠ｊである。
【０１６８】
この方法について記述されている文献は、エヌ．ホグソン（Ｎ．Ｈｏｄｇｓｏｎ）及びエー．ウェーバー（Ａ．Ｗｅｂｅｒ）による「光学共振器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）」（スプリングラー−バーラグ・ロンドン・リミティド（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  Ｌｏｎｄｏｎ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）、１９９７年）及びダブリュー．コークナー（Ｗ．  Ｋｏｅｃｈｎｅｒ）による「固体レーザー工学（Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」（スプリングラー−バーラグ・ロンドン・リミティド（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ）、１９９２年）である。
【０１６９】
ダイオード電流の増大に伴うラマンレーザー共振器の動的特性は、レーザー結晶及びラマン活性結晶内の熱レンズの適切な組み合わせについてｇ１＊及びｇ２＊を算出することにより、シミュレーションを行うことが可能である。安定性プロット上にプロットした際に、曲線を規定することが可能である。良好に設計された共振器内においては、この曲線は、レーザー動作が始まった地点から所望の動作電力に対応する地点に向かって、安定性プロットの安定領域（即ち、０≦ｇ１＊＊ｇ２＊≦１）内に位置することなる。
【０１７０】
好適な実施例においては、コンピュータモデルを使用し、異なる媒質の組み合わせを使用して特定の電力領域用の適切な空洞構成を判定している。このような一実施例においては、様々なラマン媒質結晶における熱レンズ強度をラマンレーザー出力電力及びモードサイズの広いパラメータ空間にわたって計測し、且つ、熱的にモデル化すろことが可能である、次いで、２ミラー構成から更に複雑な折り返し共振器を使用する標準的な共振器設計プログラムを使用し、ポンプ電力の関数として基本レーザーモードサイズ及びラマンレーザーモードサイズを判定することにより、安定した共振器の設計を可能にして数ｍＷからマルチワット出力まで規定された領域内の出力電力を生成することが可能である。出力電力は、ポンプレーザービームの周波数を変化させることにより、変更することが可能である。
【０１７１】
これに関連して、モード整合とは、レーザー材料内のポンプレーザーのビームウエストをレーザー材料内の空洞レーザービームのビームウエストと整合させるプロセスを指している。空洞レーザービームとポンプレーザービームとのモード整合を実行するべく、ＡＢＣＤ法則を使用してレーザー材料内の空洞レーザービームのモードサイズを判定することが可能であり、且つ、ポンプレーザービームのモードサイズが空洞レーザービームのモードサイズと整合又は略整合するように、ポンプレーザービームをレーザー材料上又はレーザー材料の内部に合焦することが可能である。空洞レーザービームとポンプレーザービームとのモード整合の一例が国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ０１／００９０６に提示されており、この内容は、本明細書にて言及することにより、本明細書に包含されている。モード整合は、レーザーシステムからの最適な電力を実現するために必要であろう。
【０１７２】
レーザー材料は、サイドポンピング、シングルエンドポンピング、又はダブルエンドポンピング形状を使用することにより、連続ダイオード（半導体）レーザーによってポンピング／励起可能である。レーザー結晶のエンドポンピングは、ラマンレーザー出力又はその２次高調波を生成するのに非常に有効な方法である。例えば、本願の発明者らは、ファイバ結合ダイオードレーザーからの１８Ｗ出力のエンドポンピングによる５７９ｎｍの１．７Ｗの周波数倍増ＫＧＷラマンレーザーの出力生成において、約１０％という高い光−光変換効率を以前の研究において実証した。サイドポンピング型のレーザー結晶と比較し、エンドポンピング型のレーザー結晶は、一般に、高い利得を有し、且つ、レーザー結晶内のポンプスポットサイズを調節して共振器モードサイズに整合させることができる。但し、エンドポンピング型レーザー結晶は、強力な（且つ、収差を有する）熱レンズをもたらす可能性もあり、且つ、これにより、最終的に、エンドポンピング型ラマンレーザーのスケーラビリティ（ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）は制限される。
【０１７３】
レーザー結晶のサイドポンピングは、このような高い光−光変換効率を結果的にもたらすことはできないが、これは、相対的に、廉価な方法であり、容易に拡張可能であり、且つ、共振器の構成要素を配置することができるという点で大きなフレキシビリティを実現する。
【０１７４】
但し、レーザーシステムの各々の要素におけるレーザービームの電力は、その要素の損傷閾値未満である必要がある。従って、レーザー材料内のレーザービームのエネルギーは、その特定のレーザー材料の損傷閾値未満である必要があり、ラマン活性媒質内のレーザービームのエネルギーは、その特定のラマン活性媒質の損傷閾値未満である必要があり、且つ、非線形媒質（存在する場合）内のレーザービームのエネルギーは、その非線形媒質の損傷閾値未満である必要がある。特定の要素の損傷閾値は、具体的には、その要素の特性に依存することになる。
【０１７５】
共振器空洞は、折り返し構成又は線形構成、或いは、例えば、結合空洞、Ｚ空洞、Ｌ空洞等のその他の適切な構成を有することが可能である。この共振器空洞は、リング構成を有することが可能であり、或いは、この共振器空洞は、略同軸であってもよい。空間結合型の共振器のケースにおいては、基本共振器は、リング構成を有することが可能であり、ラマン共振器は、線形共振器又は折り返し共振器であってよい。選択された構成内におけるレーザー材料及びラマン活性媒質の位置は、ｆL及びｆRの組み合わせの広いレンジにおいて空洞安定性を提供するべく、適切に選択される。
【０１７６】
レーザー材料は、適切な波長のポンプ光によって励起された際に、基本波長（Ｎｄ：ＹＡＧの場合には、１０６４ｎｍ）におけるレーザービームを適切に生成し、この結果として、基本レーザービームは、レーザー共振器の内部を伝播する。好ましくは、レーザー材料は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス、Ｔｉ−サファイア、エルビウム：ガラス、ルビー、エルビウム：ＹＡＧ、エルビウム：ＹＡＢ、Ｎｄ：ＹＡｌＯ３、Ｙｂ：ＹＡ１０３、Ｎｄ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＢ、コバルト：ＭｇＦ２、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＢ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＬＯ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＣＯＢ、Ｎｄ：ＧｄＣＯＢ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、又はその他の適切なレーザー材料からなる結晶の中の１つによって形成される。レーザー材料は、共振器損失を極小化するべく、１〜１．２ミクロンの領域について広帯域ＡＲコーティング可能である。任意選択により、レーザー材料は、波長調整可能であり、且つ、モードロック可能な高電力出力を生成する機能を有する。
【０１７７】
好ましくは、ラマン活性媒質により、非線形プロセスであるＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を通じて、基本放射を１次（又は、更に高次の）ストークス波長に変換することが可能である。用途に応じて、ラマン活性媒質は、基本波長を１次ストークス波長に、２次ストークス波長に、又は更に高次のストークス波長に適切に変換する。ラマン活性媒質は、共振器損失を極小化するべく、１〜１．２ミクロンの領域について広帯域ＡＲコーティング可能である。ラマン活性媒質は、基本波長及びストークス波長における高透過率、有用なラマンシフト、相当に大きなラマン断面、高損傷閾値、及び１ｃｍを超える長さにおける入手可能性に基づいて適切に選択され、且つ、ラマン利得が十分なものになるように選択される。ラマン活性媒質は、結晶であってよく、且つ、単結晶であってよい。結晶の長さは、０．１〜９ｃｍ長であってよく、且つ、１〜７ｃｍ長であってよい。結晶の代表的な寸法は、０．５ｘ０．５ｘｙ  ｃｍであり、ここで、ｙは、結晶長であり、且つ、１〜７ｃｍのレンジ内にある。ラマン利得係数は、ラマン利得媒質の長さに比例するため、相対的に大きな出力電力が望ましい場合には、相対的に長い結晶長を使用することが可能である。或いは、この代わりに、ジグザグ形状のマルチパスを使用することにより、ラマン活性媒質を通じた相対的に長い経路を実現することも可能である（これは、例えば、バイヤ（Ｂｙｅｒ）に付与された米国特許第５，６７３，２８１号に記述されている）。好ましくは、ラマン活性媒質は、ＫＧＷ、ＬｉＩＯ３、Ｂａ（ＮＯ３）２の単結晶であるか、又は、ＫＤＰ（燐酸二水素カリウム)、ＫＤ＊Ｐ（重水素を含む）、ＫＴＰ、ＲＴＰ、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＢａＷＯ４、ＰｂＷＯ４、ニオブ酸リチウム、並びに、様々なタングステン酸塩（ＫＹＷ、ＣａＷＯ４）及びモリブデン酸塩又はバナジウム酸塩結晶等のその他の適切なラマン活性材料である。その他の適切なラマン活性結晶は、ＣＲＣレーザーハンドブック（ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ）、或いは、パンテル（Ｐａｎｔｅｌｌ）及びパットホフ（Ｐｕｔｈｏｆｆ）による文献「量子エレクトロニクス（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」に記述されている。ＫＧＷ、ＬｉＩＯ３、及びＢａ（ＮＯ３）２、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４が好ましい。ＫＧＷは、高損傷閾値を有する２軸結晶であり、且つ、７６８及び９０１ｃｍ−１のラマンシフトを提供する機能を有する。Ｂａ（ＮＯ３）２は、低閾値動作に結び付く高利得係数（１０６４ｎｍのポンプによる１１ｃｍ／ＧＷ）を有する等方性結晶であり、且つ、１０４８．６ｃｍ−１のラマンシフトを提供可能である。ＬｉＩＯ３は、結晶のカット及びポンプ伝播方向との関係における向き及び偏光ベクトルに依存する複雑なラマンスペクトルを有する極性単軸結晶であり、且つ、７４５ｃｍ−１〜８４８ｃｍ−１のラマンシフトを提供することが可能であるが（これらは、例えば、眼科及び皮膚科を含む医療の分野に有用である５７８ｎｍ等の特定の用途の波長を目的とする際に有効である）、Ｂａ（ＮＯ３）２（約４００ＭＷ／ｃｍ２）と比べて低い損傷閾値（約１００ＭＷ／ｃｍ２）を有する。ＫＧＷは、約１０ＧＷｃｍ−２というはるかに高い損傷閾値を有する。ＹＶＯ４やＧｄＶＯ４は、良好な熱特性、高ラマン利得係数、及び高損傷閾値を特徴とする単軸結晶である。ＫＧＷ、Ｂａ（ＮＯ３）２及びＬｉＩＯ３、並びに、ＹＶＯ４及びＧｄＶＯ４は、いずれも、（基本光子エネルギーに対するストークス光子エネルギーの比率によって判定される）良好なスロープ係数を有しており、上記の３つの種類のすべてについて、７０〜８０％の光−光変換係数が報告されている。レーザーシステムは、好ましくは、ラマン活性媒質の光学的損傷が回避されるように、動作する。
【０１７８】
Ｎｄ：ＹＡＧ／ＬｉＩＯ３、Ｎｄ：ＹＡＧ／Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＫＧＷ、ＮｄＧｄＶＯ４／ＬｉＩＯ３、ＮｄＧｄＶＯ４／Ｂａ（ＮＯ３）２、ＮｄＧｄＶＯ４／ＫＧＷ、ＮｄＹＶＯ４／ＬｉＩＯ３、ＮｄＹＶＯ４／Ｂａ（ＮＯ３）２、ＮｄＹＶＯ４／ＫＧＷ、及びＮｄ：ＹＬＦ／ＣａＷＯ４というレーザー材料／ラマン活性媒質の組み合わせが特に望ましいであろう。又、その他の材料の組み合わせも、特定のレーザーシステムの設計に応じて望ましいであろうことが当業者には理解されるであろう。固体非線形媒質は、ラマンレーザービームを周波数倍増し、その２次高調波波長又はその他の和周波数波長又は差周波数波長における出力を生成するべく使用される。固体非線形媒質は、空洞内に配置されることが可能である（空洞内倍増：共振器内に配置される倍増結晶）。好ましくは、折り返し共振器が使用されるか、或いは、共振ビームを透過させ（基本及びラマン）、且つ、可視ビームを反射する空洞内ミラーを内蔵する線形共振器が使用される。適切な固体非線形媒質は、２次高調波生成器（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＳＨＧ）、和周波数生成器（Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＳＦＧ）、又は差周波数生成器（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＤＦＧ）を含む。非線形媒質の例としては、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＰ、ＢＢＯ、ＬｉＩＯ３、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＫＢＯ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、又は周期分極反転ＬｉＮｂＯ３、又は（例えば、緑色レーザー及び黄色レーザーを同時に生成するための）これらの組み合わせを挙げることができる。好ましくは、ＬＢＯ、ＢＢＯ、又はＫＴＰ結晶が使用される。光は、角度調整及び／又は固体非線形媒質の温度を制御することにより、周波数倍増又は周波数加算可能である。好適な実施例においては、光は、黄色光を生成するべく、周波数倍増される。約１４９℃、４０℃、又は０℃への温度調整を伴うタイプ１の非臨界位相整合用にカットされたＬＢＯ結晶に伴う可視波長における代表的な変種は、５３２ｎｍ（緑色）、５７８〜５８０ｎｍ（黄色）、及び６３２〜６３６ｎｍ（赤色）を含む。このような周波数倍増により、皮膚科、眼科、生物医学、リモート検知、及びビジュアルディスプレイの用途に好適な黄色又はオレンジ色スペクトル領域内の波長を生成することが可能であり、且つ、和周波数生成等のプロセスにより、更なる波長を生成することが可能である。共振器設計は、倍増媒質内のレーザービームのサイズが、効率的な変換及び高出力電力を許容するべく十分に小さく、且つ、光学的な損傷を回避するべく十分に大きいものであってよい。好ましくは、固体非線形媒質は、１〜１．２ミクロンの領域における損失、並びに、可能な場合には、可視領域における損失を極小化するべく、ＡＲコーティングされる。空洞内用の適切なＡＲコーティングされたＬＢＯ結晶は、４ｘ４ｘ１０ｍｍであり、空洞外において使用する場合には、４ｘ４ｘ１０ｍｍであるが、その他のサイズも使用可能である。
【０１７９】
好ましくは、共振器空洞は、少なくとも２つの反射器によって規定され、この反射器は、少なくとも２つのミラーであってよく、この中の少なくとも１つは、安定した出力レーザービームを提供するべく湾曲している（もう１つのものは、平坦であってよい）。本発明において使用可能であるその他の適切な反射器は、プリズム又は格子を含む。更に好ましくは、少なくとも２つの湾曲したミラーが使用されるが、２つを上回る数のミラーを使用することも可能である。空間結合型の共振器のケースにおいては、ミラーの異なる組を使用し、基本レーザービーム及びラマンシフトされたビームを共振させることができる。１つ又は複数のミラーを両方の共振器が共有することが可能である。例えば、基本波長及びラマンシフトされた波長において高度な透過性を有し、且つ、周波数変換済みビームの波長において高度な反射性を有するダイクロイックミラー等の更なるミラーを線形空洞構成内に包含することが可能である。この空洞内ミラーの利点は、２つの反対方向に伝播するビームにおいて発生可能である周波数変換済み出力の大部分を出力カプラを通じて出力することができるという点にある。追加ミラーは、空洞折り返しミラーとして使用可能であり、この追加ミラーは、ダイクロイックであってよく、且つ、この追加ミラーは、基本ビーム及びラマンシフトされたビームを共振させるべく機能しつつ、周波数変換済みビーム用の出力カプラとして機能する。共振器空洞を規定する適切な反射器をコーティングし、１次ストークスの相対的に低いラマン閾値における動作を実現することにより、更に高次のストークスの生成及び自己集束の抑制を支援することが可能である。又、ミラーは、対象の出力波長における高透過率を有するべく、コーティングすることも可能である。反射器には、所望の周波数用の特殊な誘電体コーティングを提供することが可能である。ミラーは、出力ビームの周波数においては、透過性を有するが、空洞内におけるビームの電力強度を増強させるべく、その他の周波数においては、適切に高度な反射性を有する広帯域ダイクロイックミラー等を使用することにより、空洞から外部に結合されるレーザー出力を提供することが可能である。
【０１８０】
或いは、この代わりに、偏光ビームスプリッタを使用し、レーザー出力を外部結合することも可能である。反射器の曲率半径及びその間の離隔距離（空洞長）及び外部結合ミラーの透過特性は、ｆＬ及びｆＲの組み合わせの十分に広いレンジにわたって空洞安定性を提供するべく、適切に選択される。反射器の曲率半径は、使用されるラマン活性及びレーザー結晶に基づいて適切に選択される（いくつかのラマン活性結晶の場合には、反射器の正の有効レンズ強度が望ましく、その他のものの場合には、反射器の負の有効レンズ強度が望ましい）。好ましくは、ミラーは、レーザー波長において９９％を上回る反射率を有するように、選択される。出力ミラーは、（１次ストークス出力を最適化するべく）ラマン波長において１０〜９０％の反射率を有するように選択され、その他のミラーは、ラマン波長において９９％を上回る反射率を有する。レーザー共振器空洞は、好ましくは、ＴＥＭ００モードをサポートする安定した共振器である。空洞内倍増レーザーの場合には、すべてのミラー／反射器は、好ましくは、基本波長及びラマン波長において＞９９％の反射率を有するように選択される。周波数倍増レーザービームは、好ましくは、ダイクロイックミラー、即ち、周波数倍増波長において高い透過率を、但し、基本波長及びラマン波長においては、高い反射率を有するミラーを通じて、共振器から外部結合される。好ましくは、共振器は、３つ以上のミラー／反射器を有しており、且つ、非線形媒質内において両方の方向において生成される周波数倍増又は周波数加算されたビームを単一ビームにおいて効果的に抽出できるように構成される。このような構成においては、非線形媒質に最も接近した端部ミラーは、周波数倍増波長における高い反射率を有することになる。
【０１８１】
好ましくは、反射器の透過特性、曲率半径、及び離隔距離は、ラマンレーザーの効率的で安定した動作を実現するべく、且つ、固体非線形媒質が使用される際には、非線形媒質内における周波数倍増又は和周波数生成によって可視波長における出力を生成するべく、調節される。好ましくは、レーザー材料、ラマン活性媒質、及び固体非線形媒質内の略最適なビームサイズが同時に実現され、この結果として、レーザーの動作の際のレーザー材料及びラマン活性媒質内の熱効果の結果としてのレーザー材料及びラマン活性媒質の焦点長の変化により、放射が大きな損失を被るほどにレーザーモードが拡張しないように、所望のモード直径を得るべく、反射器の曲率及び空洞長が最適化される。レーザー材料、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、別個の要素として空洞内に配置されることが可能である。或いは、この代わりに、構成要素の１つ又は複数のものは、レーザー材料及び非線形媒質の両方のデュアル機能を実行するための、（Ｙｂ：ＹＡＢ及びＮｄ：ＹＣＯＢ等の自己周波数倍増又は自己倍増材料等）、又はレーザー材料及びラマン活性媒質のデュアル機能（Ｎｄ：ＫＧＷ）の実行するための、又はラマン活性媒質及び非線形媒質のデュアル機能（ＬｉＩＯ３等の非中心対称結晶の使用によるもの等）を実行するための別個ではない１つの構成要素であってもよい。
【０１８２】
少なくとも１つの偏光器を空洞内に包含することが可能であり、この偏光器は、ブリュースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒｓ）角におけるガラスの１つ又は２つのプレート、及び／又は立方体、或いは、その他の偏光器であってよい。このような偏光器によれば、１つの線形偏光においてのみ基本ビームがレーザー発振可能である。非垂直入射におけるミラーの使用を通じて、なんらかの偏光弁別を導入することも可能である。
【０１８３】
（反射器）
空洞反射器上の誘電体コーティングの透過特性をレーザーシステムの１つ又は複数の出力波長に適するように最適化することが可能である。従って、例えば、システムがラマン活性媒質から出力されるレーザービームの周波数を変換する非線形媒質を有する場合には、反射器は、変換済みの周波数については、透過性を有し、且つ、空洞内において生成されたすべてのその他の周波数については、反射性を有することができる。これは、空洞が、その内部における共振を要するすべての波長については、高光学Ｑ（高フィネス）空洞となり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、高Ｑではない（即ち、低Ｑ又は低フィネス）空洞となるように、空洞を規定する反射器の反射率を選択することによって実現可能である。等価的に、空洞は、その内部における共振を要するすべての波長については、高フィネス空洞であり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、低フィネス空洞ではない。
【０１８４】
特定の波長における共振空洞のフィネスＦは、その波長における共振器の往復損失に関係付けられ、且つ、次の式（〔数３〕）から判定可能である。
【０１８５】
【数３】
2009533847.tif 000007
【０１８６】
ここで、Ｌλは、その波長におけるミラーの透過率／損失（又は、この代わりに、ミラーの反射率）、並びに、その他の共振器損失（即ち、共振器空洞の要素からの散乱／反射損失又はその他の往復損失）に起因した要因を有する特定の波長における共振器空洞の損失である。図３７Ａ〜図３７Ｄは、共振器損失の関数としてフィネスの例を示している。高フィネス空洞は、一般に、対象の特定の波長において約１００を上回るＦを有することになる。その他の構成においては、高フィネスは、Ｆ＝５００を上回るか、又はＦ＝１０００を上回るものであってよい。低フィネス（低Ｑ）空洞は、通常、約５を下回るＦを有することになる。フィネスＦは、次の関係式（〔数４〕）によって空洞の光学品質係数（空洞光学Ｑ係数）に直接的に関係付けることが可能である。
【０１８７】
【数４】
2009533847.tif 000008
【０１８８】
ここで、ωｏは、空洞の共振周波数であり、∂ωは、空洞の共振周波数における共振のライン幅（ＦＷＨＭ）であり、Δωは、空洞の自由空間レンジであり、Ｔ＝２π／ωは、光学サイクルタイムであり、ｔＲＴ＝ｋｏ・２ｄ／ωｏ＝（２πｎ／λｏ）・（２ｄ／ωｏ）は、空洞往復時間であり、ｋｏは、空洞内の進行波の波動ベクトルである。この説明においては、適宜、基本ビーム、ラマンビーム、又は周波数倍増ビームのいずれかを参照した際に、当業者は、前述の式中において使用される波長又は共振周波数を識別することが可能であることに留意されたい。共振器のＱ及びフィネスに関する更なる情報は、（例えば、コークナー（Ｗ．  Ｋｏｅｃｈｎｅｒ）による「固体レーザー工学（Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」（第５版、第３及び第５章）等の）いくつかの文献において見出すことができる。
【０１８９】
一般に、空洞のＱは、空洞内に保存されたエネルギーがそのオリジナルの値の１／ｅに減衰する前の光学サイクルの数（２π倍）に関係している。同様に、フィネスは、空洞内に保存されたエネルギーがそのオリジナルの値の１／ｅに減衰する前の往復の数（２π倍）に関係している。従って、Ｑ及びフィネスは、類似しているが、共振器空洞に関する異なる数値である。例えば、損失がミラー損失によって支配される共振器空洞の場合には、空洞のＱは、空洞長を増大させることによって増大可能であり、フィネスは、空洞長とは独立している。但し、フィネス及びＱは、いずれも、共振器空洞の光循環能力の性能係数であり、且つ、空洞内の循環電力（Ｐｃｉｒｃ、単位：ワット）及び強度（Ｉｃｉｒｃ、単位：ワット／ｃｍ２）は、フィネス及び空洞Ｑの両方に次のように関係付けることが可能である。
【０１９０】
Ｐｃｉｒｃ＝（Ｆ／２π）Ｐｉｎ、及び
Ｉｃｉｒｃ＝Ｐｃｉｒｃ／Ａｍｏｄｅ
【０１９１】
ここで、Ａｍｏｄｅは、共振器内のビームのモード面積である。従って、（フィネスを増大させることによって）循環電力を増大させるか、又はモード面積を減少させることにより、高強度を実現することが可能であることを容易に認識することができる。
【０１９２】
従って、空洞内の特定の位置（即ち、具体的には、ラマン結晶又は非線形結晶内）における共振器空洞内の関連するビーム（即ち、基本又はラマン）の空洞Ｑ、フィネス、又はモード面積を調節することにより、所望の波長における効率的なレーザー動作のために関連する結晶内において高強度を実現することが可能である。具体的には、例えば、＞２％の、或いは、２〜５０％、２〜４０％、２〜３０％、２〜２０％、２〜１０％、又は２〜５％等のラマンビームの効率的な非線形変換を実現するべく、空洞内に配設された非線形結晶内において、ラマンシフトされたビームの高循環強度を実現することが可能である（非線形媒質は、非線形的に周波数変換を行い、変換効率は、非線形媒質内のラマンビームの強度の増大に伴って増大する）。
【０１９３】
（共振器構成）
前述の波長選択のための方法は、結合空洞共振器、共有空洞内共振器、及び自己ラマン共振器を含む様々な共振器設計を使用して構築されたラマンレーザーに適用可能である。
【０１９４】
（波長の選択）
本発明は、空洞内において共振することになる主要なラマンシフトされた周波数を選択するための様々な方法を想定している。これらの方法は、次のものを含む。
【０１９５】
（シーディング）
シーディングは、ラマン活性結晶が、複数のラマンシフトに対応した複数の十分に強力なピークを含む自発ラマンスペクトルを有する場合に、使用可能である。複数のストークス波長を生成する機能を有するラマン活性媒質は、所望の波長のシードビームによって照射することにより、シーディング可能であり、前述の波長は、ラマン活性媒質のストークス波長の中の１つである。この結果として、ラマン活性媒質は、レーザー材料から自身に到達する光子の大部分又はすべてをシードビームの波長に変換する。従って、シードビームの適切な波長を選択することにより、出力レーザー光ビームの波長を選択することが可能である。例えば、ＫＧＷラマン活性媒質を有するＮｄＹＡＧレーザー材料を有するシステムから５７９ｎｍにおける黄色出力レーザー光ビームを生成するべく、ＫＧＷ結晶に適用された１１５８ｎｍのシードビームにより、システムは、１１５８ｎｍのレーザービームを非線形媒質に導く。例えば、非線形媒質が周波数倍増結晶である場合には、この結果として、５７９ｎｍにおける選択された黄色出力レーザー光ビームが生成されることになるであろう。或いは、この代わりに、１１７６ｎｍにおけるシードビームがＫＧＷ結晶に適用された場合には、システムは、１１７６ｎｍのレーザービームを非線形媒質に導くことになるであろう。この結果として、非線形媒質による周波数倍増により、５８８ｎｍにおける出力レーザー光ビームが生成されることになるであろう。シードレーザーは、低電力ダイオードレーザーであってよく、又は、ＬＥＤであってよく、或いは、なんらかのその他のタイプのシードレーザーであってよい。低電力ダイオードレーザーは、所望の波長において容易に入手可能である。シードビームの電力は、１つのラマン遷移を閾値に到達させると共に、その他のラマン遷移が閾値に到達することを防止するべく基本フィールドを十分に減少させるのに十分なものである必要がある。シード電力は、１μＷ〜１０ｍＷ、又は１０μＷ〜１ｍＷ、又は１００μＷ〜５００μＷであってよく、且つ、約１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、又は９００μＷ、或いは、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０ｍＷであってよく、又は１μＷ未満であってよく、又は１０ｍＷを上回るものであってもよい。シードビームの入射角度は、重要ではないが、シード電力が軸から外れた状態で注入される場合には、相対的に大きなシード電力が必要であろう。シーディングは、偏光ビームによるシーディングを伴うものであってよい。この結果として、ラマン活性媒質は、レーザー材料から自身に到達する光子の大部分又はすべてをシードビームの偏光に変換する。従って、シードビームの適切な偏光を選択することにより、出力レーザー光ビームの偏光を選択することが可能である。特定の偏光は、特定の周波数と関連付けられており、これにより、出力レーザー光の特定の周波数が選択されることになる。
【０１９６】
（複屈折性）
複屈折性ラマン活性結晶は、相互の関係において空間的にシフトされた異なるストークス波長を生成することが可能である。レーザーシステムの出力端部を規定する反射器が湾曲している場合には、１つのストークス波長のみが共振器空洞内において共振できるように、この反射器を方向付けることが可能である。この反射器及び／又はラマン活性結晶の向きを変更することにより、出力レーザー光の特定の波長を選択することが可能である。基本ビームが偏光されないケースにおいては、好適な方法は、ラマン活性結晶を固定状態に残し、ミラーを移動させて特定のストークス周波数を選択するというものであろう。基本ビームが偏光されるケースにおいては、所望のレーザー光の波長の共振を最適化するべく、ラマン活性結晶を回転させると共にミラーを調節することが望ましいであろう。
【０１９７】
（偏光の選択）
ラマン活性結晶は、入射レーザー光の異なる偏光に応答して異なるストークス波長を生成する機能を有するものであってよい。入射レーザー光が偏光されない場合には、このような結晶は、２つの別個の波長の出力レーザー光を生成することになり、各々の結晶は、互いに直交偏光されている。しかしながら、入射レーザー光が偏光される場合には、１つのストークス波長のみが生成され、且つ、この結果として、出力レーザー光ビームの１つの周波数のみがシステムから生成される。共振器空洞内において共振する光を偏光する偏光器は、機械的に回転可能な偏光器であってよく、或いは、偏光の選択が電子的に実現されるファラデーローテータ又は電気光学ローテータであってよい。偏光器の偏光を回転させることにより、レーザーシステムからの出力レーザー光の波長を選択することが可能である。
【０１９８】
（直接的な波長の選択）
出力される波長を直接的に選択する波長セレクタを本発明の空洞内に内蔵することが可能である。波長セレクタは、例えば、光学フィルタ、プリズム、格子、エタロン、干渉フィルタ、又は共振器空洞から出力されるレーザー光の波長を選択するなんらかのその他の要素であってよい。このケースにおいては、選択された波長は、空洞から出力されることになり、選択されなかった波長は、抑圧されるか、或いは、空洞内において発生する様々な波長変換プロセスを通じて選択波長に変換されて空洞から出力される時点まで、空洞内における共振を継続することになる。出力カプラは、空洞を規定する反射器の中の１つを有することが可能であり、且つ、特定の波長レンジにおける選択的な透過性を有することができる。例えば、出力カプラは、２つの２次ストークス波長のみを透過することが可能であり、且つ、基本波長及び１次ストークス波長を反射することが可能である。次いで、波長調整が可能な要素、又はなんらかのその他の要素を使用し、２つの２次ストークス波長間において選択することが可能である。このように、出力カプラは、空洞から出力される波長を選択するべく使用されるセレクタの構成要素であってよい。
【０１９９】
（調整機能（ｔｕｎｉｎｇ））
本発明のレーザーは、ラマン活性媒質からの出力レーザービームを周波数変換する非線形媒質を含む。レーザー光の特定の周波数を変換できるようにするべく、非線形媒質を調整することが望ましいであろう。非線形媒質を特定の周波数に調整するための適切な方法は、次のものを含む。
【０２００】
（角度調整）
複屈折性結晶は、異なる角度における入射光の異なる波長に応答可能なものであってよい。従って、入射ビームが複数の光の波長を有する場合には、結晶を回転させることにより、結晶によってシフトされる波長を選択することが可能である。例えば、ＮｄＹＡＧレーザー材料は、１０６４ｎｍの波長においてビームを生成することが可能である。このビームをＫＧＷラマン活性結晶に導いた場合には、ＫＧＷ結晶は、１１５８ｎｍ及び１２７２ｎｍのストークス波長の両方を生成することが可能である。この出力ビームを２次高調波生成器結晶に導けば、１１５８ｎｍの入力波長又は１２７２ｎｍの波長のいずれかを、その２次高調波に選択的に変換することが可能である。この結果として、結晶を回転させることにより、５７９ｎｍ又は６３６ｎｍの出力波長間を選択することが可能である（それぞれ、１１５８及び１２７２ｎｍの２次高調波である）。この方法の欠点は、１１５８ｎｍビームのビームウエストが、熱レンズ効果に起因し、１２７２ｎｍビームのものに対して異なる位置になるという点にある。従って、結晶の位置は、２つの最適位置の間の妥協となるように、或いは、その出力電力が最終製品にとって最も重要であるビームを選好するべく、選択することが可能である。或いは、この代わりに、出力レーザー光の特定の波長を選択する際に、結晶を最適な位置に移動させる装置を提供することも可能である。この方法の更なる欠点は、出力レーザー光の波長間において切り換える際に、反射器を再調整する必要があるという点である。
【０２０１】
（温度調整）
非線形媒質の温度を変更することにより、非線形媒質が応答する波長を調整することが可能である。従って、ＫＧＷラマン活性媒質を有するＮｄＹＡＧレーザー材料の例においては、非線形媒質は、１０６４、１１５８、及び１２７２ｎｍの波長を有する入力ビームを受光することが可能である。結晶は、１５０℃においては、１０６４ｎｍのレーザー光に応答し、５３２ｎｍにおける緑色出力ビームを生成することが可能であり、４０℃においては、１１５８ｎｍのレーザー光に応答し、５７９ｎｍにおける黄色出力ビームを生成することが可能であり、且つ、０℃においては、１２７２ｎｍのレーザー光に応答し、６３６ｎｍにおける赤色出力ビームを生成することが可能である。この方法の欠点は、非線形媒質の熱質量により、異なる出力レーザー光波長間における変化が、その他の方法によるものよりも低速になるという点にある。更には、高温に対する構造材料の耐性に伴う、並びに、サブ周囲温度によって発生する凝縮に伴う実際的な問題点も存在する可能性がある。角度調整と同様に、非線形媒質の位置は、異なる波長における最適な位置の間の妥協でなければならない。
【０２０２】
温度調整の一変形例においては、非線形媒質は、単一の非線形媒質を有し、この場合に、非線形媒質は、第１角度において媒質を通過する入射レーザー光の第１周波数、又は第２角度において媒質を通過する入射レーザー光の第２周波数を変換するべく温度調整可能なように、カットされている。チューナーは、変換対象の入射レーザー光の周波数を選択するべく、非線形媒質を温度調整する温度チューナーを有することができる。従って、例えば、非線形媒質は、第１温度に保持された際には、非反射（入射）角度において基本周波数を倍増する能力を有し、且つ、第２温度において保持された際には、反射角度において１次ストークス周波数を倍増する能力を有するようにカットされた結晶を有することができる。このケースにおいては、結晶が第１温度に維持された際には、空洞から出力可能である可視周波数を形成するべく、基本周波数が倍増されることになる。結晶が第２温度に維持された際には、基本周波数は、空洞内において共振し、且つ、ラマン活性媒質によって１次ストークス波長に変換されることになり、次いで、これを結晶によって倍増させて可視出力周波数を生成することが可能である。この変形例は、後述される複数結晶法に類似しており、この場合には、複数の結晶が、同一の結晶内における２つの異なる角度によって表現されている。バウンス角（ｂｏｕｎｃｅ  ａｎｇｌｅ）は、約１〜約４５°、或いは、約１〜３０、１〜２０、１〜２０、１〜１０、１〜５、５〜４５、２０〜４５、３０〜４５、２〜１０、３〜８、４〜７、又は４〜６°であってよく、或いは、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５°であってよい。このケースにおいては、バウンス角は、入射ビームとそれが反射する表面との間の角度として規定される。入射ビームと結晶の角度との間の角度は、約１０°未満であるか、或いは、約８、６、４、又は２°未満であってよく、且つ、約０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０°であってよい。ビームが結晶内の反射によって偏向する角度は、約１〜９０°、或いは、約１〜６０、１〜４０、１〜２０、１〜１０、１０〜９０、４０〜９０、６０〜９０、４〜２０、６〜１６、８〜１４、又は８〜１２°であってよく、且つ、約２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、又は９０°であってよい。結晶を調整可能である２つの温度の間の温度差は、約５００℃未満、或いは、４０、３０、２０、１０、又は５０℃未満であってよく、且つ、約５〜５０、１０〜５０、２０〜５０、５〜４０、５〜２０、５〜１０、１０〜４０、１０〜２０、２０〜４０、１５〜３０、又は１５〜２５°であってよく、且つ、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０°であってよい。
【０２０３】
結晶のカットは、結晶を調整可能である２つの温度の間の温度差の大きさに対して影響を与えることが可能である。特定の結晶軸においては、出力の波長が温度の関数になることが理解されるであろう。適切な結晶のカットの選択肢により、異なる結晶軸における波長対温度の曲線が重なり合うことが可能である。この結果として、単一温度において２つの異なる周波数の変換済みの（例えば、可視）レーザー光が入手可能となり、且つ、この結果として、レーザーシステムは、同時に複数の出力周波数を生成する能力を有するものとなるであろう。
【０２０４】
（複数の結晶）
角度調整及び温度調整の欠点の少なくともいくつかのものを克服する方法は、複数の個別の非線形媒質の使用を有する。個別の非線形媒質の各々は、その他の非線形媒質と同一の材料から構成されることが可能であり、或いは、これらは、異なる材料から構成されることが可能であり、或いは、いくつかのものは、同一の材料から構成されることが可能であり、且つ、その他のものは、異なる材料から構成されることが可能である。この方法においては、個別の非線形媒質を、ラマン活性媒質からの出力のそれぞれの波長のビームウエストに又はこの近傍に配置することが可能である。ＫＧＷラマン活性媒質を有するＮｄＹＡＧレーザー材料の例においては、この出力は、２つのストークス波長（１１５８ｎｍ及び１２７２ｎｍ）、並びに、レーザー材料波長（１０６４ｎｍ）を有する。非線形媒質は、（前述のように）活性化するには、正しい温度に維持する必要があるため、その温度を変更することにより、個別の非線形媒質をデチューニング（ｄｅｔｕｎｅ）することが可能である。これを実行するのに必要な温度の変化は、非常に小さく、且つ、この結果として、大きな温度変化と関連する前述の問題を回避することが可能である。結晶をデチューニングするための温度変化は、約３０℃未満であってよい。これは、約０．１〜３０℃、又は約０．５〜２０、又は約０．５〜１０、又は約１〜３０、又は約１０〜３０、又は約１〜１０、又は約２〜１０、又は約５〜１０℃であってよく、且つ、約０．１、０．２、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２５、又は３０℃であってよく、或いは、約３０℃を上回るものであってもよい。従って、その波長に対応する各々の非線形媒質のみを調整することにより、出力レーザー光の波長を選択することが可能である。例えば、個別の非線形媒質を調整するための正しい温度において１０６４ｎｍ（レーザー材料波長）に応答する状態に維持し、且つ、その他の個別の非線形媒質をデチューニングすることにより、５３２ｎｍにおける緑色出力を選択することが可能である。
【０２０５】
（自己ラマンレーザー）
空洞内ラマンレーザーの１つのサブグループは、自己ラマンレーザーであり、この場合には、レーザー結晶がラマン活性をも有する。Ｑスイッチング型装置内における自己ラマンレーザー動作が様々な媒質について検討されており、この中で最も有望なものは、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＰｂＭｏＯ４、及びＮｄ：ＫＧｄ（ＷＯ４）２である。これらは、いずれも、音響−光学的に又は受動的にＱスイッチングがなされてきた。別個のラマン結晶に対するニーズを除去することにより、自己ラマンレーザーは、相対的に低い共振器損失及び短い共振器という重要な利点を有することが可能であり、且つ、これらは、ダイオードポンピング型ＣＷ自己ラマンレーザーシステムにとって非常に重要なファクタである。しかしながら、自己ラマンレーザーと関連する２つの重要な欠点が存在している。これらの欠点は、第１に、レーザー／ラマン結晶の熱荷重が、ラマン変換プロセスからの追加的な熱荷重によって悪化し、且つ、第２には、最良の効率のために必要となるであろうレーザー結晶及びラマン結晶内のモードサイズを別個に最適化するための柔軟性が存在しないというものである。従って、自己ラマン材料の選択肢は、非常に重要であり、結晶は、良好な熱特性と、高ラマン利得を有する必要がある。これまで報告された自己ラマン材料の中で、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４及びＮｄ：ＹＶＯ４は、広く入手可能であり、良好な熱特性と、約４．５ｃｍ／ＧＷという適度に高いラマン利得係数を有する。
【０２０６】
（同時ラマンシフト及び周波数変換レーザー源の動力学）
同時ラマン及び周波数変換に基づいたレーザー源の設計及び実現は、非線形プロセスの間の動力学及び相互作用、ダイオードポンプ電力の基本レーザー波長の電力への変換、及び選択された結晶質材料に対するこれらの依存性に関する完全な理解に依存している。本明細書に開示される検討内容は、この複雑なシステムに対する新しい洞察を提供し、且つ、低振幅雑音及び高スペクトル純度を有する新しい種類の重要なレーザー源の設計を可能にする。以下の検討内容は、本節の研究のための基礎を形成している。
【０２０７】
（材料の研究）
すべてのレーザー装置内においては、いくつかの相互に関連するファクタを検討した後に、ラマン材料を選択しなければならない。ラマン利得が低い場合には、長い結晶長が必要となり、この結果として、共振器設計が制限される可能性があるが、高ラマン利得は、通常、潜在的に望ましくない狭い利得ライン幅と関連付けられる。使用可能であるサンプルラマン材料の一例は、ＫＧｄＷＯ４、ＢａＷＯ４、Ｂａ（ＮＯ３）２、ＧｄＶＯ４、及びＹＶＯ４を含む。又、ラマンレーザー内における合成ダイアモンドの使用も、高品質サンプルが利用可能になるのに伴って、成熟段階に近づいており、これは、以下に開示されるレーザーシステムの更なる構成内における使用に好適な材料であろう。
【０２０８】
これらのラマン材料に関する完全な情報は、重要な第１段階であり、且つ、温度及び向きの関数としてラマン利得及びライン幅を観察するマイクロラマンスペクトロメーターを使用した各々の自発ラマンスペクトルの詳細な研究は、ラマンレーザーシステムを設計する際に、非常に有益である。又、レーザー及びラマン結晶内における低レベル不純物に関する知識も、微量不純物の吸収に起因可能な余分な熱負荷の原因を識別及び除去するべく有益である。又、レーザー、ラマン、及び倍増材料内における最小の発生し得る散乱損失を保証することも、動作の効率性を向上させるために極めて重要である。
【０２０９】
（時間的及びスペクトル的な検討）
本明細書に開示されたもの等の同時空洞内ラマン変換及び周波数倍増を有するＣＷ装置は、レーザーが、ナノメートルの半分の幅を上回る基本帯域幅及びストークス帯域幅において動作することを明らかにした。５０ミリ秒にわたって平均化されたスペクトルは、強力な時変変調を示している。独立的な時間的計測は、不安定な横及び縦モードビーティングを伴う１０〜２０％の振幅変動を示している。マイクロ秒の取得時間を有する高速の高分解能スペクトログラフを使用し、ストークススペクトル及び基本スペクトルの動力学及びこれらの間の相関を研究し、ＳＲＳ及び空洞内倍増を有するもの及びこれらを有さないものの比較を実行する。０．１ｎｍの分解能を有する分光計が使用されており、更に狭いスペクトルを観察するべくエタロン及び高速ＣＣＤカメラを利用することが可能である。又、レーザー及びストークス利得の均質な広がりにも拘わらず、広い基本スペクトル及びストークススペクトルの原因を解明するための理論的な調査も非常に有益である。実験と並行して、理論的な分析を使用し、出力帯域幅におけるラマンスペクトル及び利得スペクトルの幅及び安定性の重要性を確認し、その理解を促進する。ここでは、Ｂａ（ＮＯ３）２（ライン幅０．４ｃｍ−１）及びＫＧＷ（ライン幅５．４ｃｍ−１）等のラマン結晶との組み合わせにおける様々な利得材料（Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４）は、特に有用である。これは、後述されるマルチモード装置のスペクトルを安定化させるための方法を明らかにすることになる。安定した動作の実現は、例えば、材料の慎重な選択、安定した均衡を実現するための利得及び非線形相互作用の相対的な強度の正しい選択肢、或いは、複屈折フィルタ、エタロン、又は結合型空洞等の広範な又は細かい周波数制御の使用により、達成可能である。
【０２１０】
時間的な安定性は、当然のことながら、広いスペクトル変動と、縦及び横モード間の競合及び変動の両方と複雑に関連しており、単一横モードにおける動作が、恐らくは、振幅安定性を実現するための要件となるであろう。ｋＨｚ及びこれよりも低速の時間尺度における能動的な振幅安定化は、ダイオードコントローラに対する適切な高帯域フィードバックによって実現可能である。空洞モード間の競合に起因したＭＨｚ及びＧＨｚの時間尺度における時間的な安定性は、特に、出力電力における強力な「緑色問題」の変調の傾向を有することが周知である空洞内倍増レーザーの場合に、複雑な問題である。初期の研究は、空洞内倍増ラマンレーザーにおいて、類似の「黄色問題」の不安定性が発生することを示唆している。黄色問題は、別のレベルの自己及び相互飽和並びに回復ライフタイムを導入するラマン変換の追加的空洞内非線形プロセスによって複雑化する。以前の著者らによる緑色問題の解決に類似した方法を踏襲し、追加ストークスシフト段階の効果を理論的に判定することが可能である。結合されたフィールドの追加の組は、更に複雑な振る舞いに結び付くことになり、且つ、マルチモードレーザー動作を安定化させるための新しい方法を許容することが可能である。単純に倍増結晶に対する角度を変化させて緑色出力及び黄色出力の間において切り換え、この問題を更に解明することにより、緑色出力及び黄色出力の安定性を比較する実験を単一のレーザーセットアップによって実行することが可能である。レーザー安定性の診断には、周波数出力の縦モードの内容を診断するべく、高速の検出器及びオシロスコープ（このプロジェクトには、最大で５ＧＨｚ帯域幅が利用可能である）、並びに、ファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）エタロンが必要である。長い共振器を使用し、且つ、レーザーを単一縦モード上に合焦する等のように、同時ラマン及び倍増プロセスを使用することにより、従来の緑色問題レーザーにとっては利用可能ではない手段を通じて黄色問題を軽減させる方法を更に開発することが可能である。
【０２１１】
（高効率の実現）
妥当な効率性のレベルにおいてレーザーを動作させつつ、安定した動作を実現しなければならない。効率的な装置を設計するために、空洞内利得と非線形ラマン変換段階及び周波数倍増変換段階との間のバランスを理解することが極めて重要である。基本フィールド及びストークス空洞内フィールドは、それぞれ、ラマン変換プロセス及び周波数倍増プロセスを通じて、それらの最適な有効出力結合に近いものを経験しなければならない。レーザーシステムのモデル化は、これらの複雑な関係を理解するために有益であり、従って、そのようなレーザーの安定状態動作のためのそれぞれの空洞要素内のユーザー規定によるトップハットビームサイズを有するＣＷ空洞内ラマンレーザーのモデルを以下に提示する。それぞれの波長から次のものへの電力のフローは、それぞれの結晶内の空洞モードサイズ、結晶材料及び長さ、ミラーの反射率のスペクトル形状、及び空洞損失等の多数の変数に依存する。このモデルは、ポンプ電力の関数としての特定の空洞の出力を予測する拡張型モデルのコアとして使用されることになる。モデルは、結晶内の熱レンズ、ガウス空洞内モードの形態、空洞内の基本フィールド、ストークスフィールド、及び倍増ストークスフィールドを算出することになる。これらのパラメータは、相互に依存しているため、モデルは、自己矛盾のない解を見出す。モデルを使用し、実験結果の理解を更に支援すると共に、安定した効率的な動作に結び付くことになる最適化された共振器の設計を誘導することが可能である。
【０２１２】
又、結晶内の熱負荷の適切な管理と、利得材料及びラマン材料内における強力な可変レンズに対する耐性を有する共振器の設計は、特に高電力装置の場合に、設計プロセスの重要な部分である。強力な熱レンズに対応する適切な空洞設計は、ＬＡＳＣＡＤ等の市販のレーザー設計ソフトウェアによって検討可能であり、且つ、後述される安定状態レーザーモデルに対する入力として使用可能である。レーザー結晶に対する熱負荷を極小化するための更なる手法は、小さな量子欠損を有する代替ポンプ波長によってレーザーをポンピングするというものであり、例えば、Ｎｄに基づいたレーザーシステムの場合には、約８０８ｎｍにおける従来のポンピングとは対照的に、約８８５ｎｍにおいて放射するポンプ源によってポンピングする。
【０２１３】
（概念の開示）
以下に概説される概念の中の１つ又は複数のものを本発明のレーザーに内蔵することが可能である。
【０２１４】
（効率の改善及び黄色出力電力の増強（最大で１〜２Ｗ）の概念）
例に記述されたレーザーの性能を改善するべく、次の中の１つ又は複数のもの等の相当の余地が存在している。
【０２１５】
・変換プロセスの各々の段階（即ち、基本光子の生成、ＳＲＳを通じた変換、周波数倍増）の変換効率を最適化し、全体的な共振器の安定性を維持し、光学損失を回避し、且つ、時間ドメインにおいて安定した出力を得るべく、（ダイオードレーザーのポンプスポットサイズ、レーザー共振器内の構成要素［レーザー結晶、共振器ミラー、ラマン結晶、及び周波数倍増結晶を含む］の位置決め及び配置、共振器の長さを含む）改善された共振器設計を通じてレーザー及びラマン結晶内の熱レンズを管理する。
【０２１６】
・共振器設計（（１）赤外線を透過するが、可視光を倍増器を通じて出力結合ミラーから外に反射して返す空洞内ミラーの使用、又は、（２）生成された可視光のすべてを出力カプラを通じて共振器から外部に導くダイクロイック折り返しミラー［可視領域に対してＨＴであり、赤外線ビームに対してＨＲである］を有する折り返し共振器設計の使用を含む）を通じて周波数倍増結晶内において生成された黄色光の収集効率を改善する。
【０２１７】
・実施可能な最良の光学インターフェイスの研磨、誘電体コーティングの適切な設計、及び実施可能な最良のミラー及び結晶に適用された誘電体コーティングの製造を使用することにより、共振器の光学損失（散乱及び望ましくない反射に起因したものを含む）を極小化する。
【０２１８】
・温度依存ラマンシフト、温度依存ラマン利得係数、温度依存ラマン利得帯域幅、又は温度依存吸収等の効果を回避又は最小化するべく、例えば、液体冷却（例えば、水、グリコール、又は再循環冷却手段からのものであってよいその他の適切な液体）又はＴＥＣ制御によってラマン結晶の温度を制御する。
【０２１９】
・断熱カットを有する、即ち、熱−光係数を極小化することによって熱レンズを極小化するべく結晶軸との関係においてカット及び方向付けされたラマン結晶及び／又はレーザー結晶を使用する。
【０２２０】
・基本放射及びストークス放射の直接吸収に起因した熱荷重を極小化するべく、非常に低いレベルの不純物を有するラマン結晶、即ち、高純度又は超純度のラマン結晶を使用する。前述の波長において吸収するイオンの最大不純物レベルは、＜１ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）、又は＜０．１ｐｐｍ、又は＜０．０１ｐｐｍである必要がある。これらのイオンの例は、三価Ｎｄ、Ｙｂ、Ｔｍを含むが、その他の重要なイオン、特に、その他の希土類又は遷移金属イオンも存在可能である。
【０２２１】
・ポンプ波長、基本波長、及びストークス波長の中の１つ又は複数のものにおける低固有線形吸収又はマルチ光子吸収を有するラマン活性結晶を選択する。選択可能な適切な材料は、ダイアモンド、ＫＧＷ、ＫＹＷ、ＢａＷＯ４、ＰｂＷＯ４、ＣａＷＯ４、Ｂａ（ＮＯ３）２、ＬｉＩＯ３、ＬｉＮｂＯ３、その他のタングステン酸塩及びモリブデン酸塩材料、並びに、その他の既知のラマン材料を含む。
【０２２２】
・ストークス出力において１つ又は複数の安定したスペクトルピークを得ると共に／又は、出力の時間的安定性を改善するべく、（例えば、空洞内エタロンの使用によるか又は注入シーディング法によって）基本のスペクトルコンテンツを制御する。
【０２２３】
・改善された時間的安定性を有するストークス出力を実現するべく、ストークス光学フィールドの増強を制御するために、ストークス波長において注入シーディング信号を使用する。
【０２２４】
・空間モード制御（例えば、アパーチャ）を使用して、基本波長、ストークス波長、及び２次高調波波長において発振する横モードを制限し、これにより、出力の時間的安定性を改善する。これらのアパーチャは、通常、循環光学電力によって損傷されないレーザー共振器内の位置に配置される。通常、これらは、モードサイズが相対的に大きい位置に配置される。
【０２２５】
・時間的に安定した出力を実現するべく、基本波長、ストークス波長、及び２次高調波波長における光学フィールドの間の相互作用及び結合を最適化する。このための手段は、共振器設計（ダイオードレーザーのポンプスポットサイズ、レーザー共振器内の構成要素の位置決め及び配置［レーザー結晶、共振器ミラー、ラマン結晶、及び周波数倍増結晶を含む］、及び共振器の長さを含む）、スペクトル制御及び空間モード制御、構成要素の熱制御、及び構成要素の選択肢（レーザー結晶、ラマン結晶、及び周波数倍増結晶）を含む。
【０２２６】
（改善された振幅安定性を有するＣＷ動作（例えば、低雑音マルチモード黄色レーザー）の概念）
【０２２７】
多くの応用分野においては、高度な振幅安定性が必要とされる。必要な振幅安定性のレベルは、＜５％、＜１％、＜０．５％、＜０．２％、又は＜０．１％であろう。振幅不安定性の２つの主な原因は、周波数スペクトルにおける不安定性及び空間モードの分布における不安定性である。
【０２２８】
緑色問題を解決することを証明した１つのレーザーアーキテクチャは、マルチモードの長空洞設計である。マルチモード装置は、潜在的に、相対的に単純なレーザーシステムであり、且つ、ＧＨｚレンジの出力周波数帯域幅を有する１％よりも格段に小さな振幅安定性を実現する能力を有する。メートルスケールの空洞は、全体的な振幅変動が滑らかになるほどに多数の発振モードの間にモード競合が発生するように、極めて密接に離隔した縦モードを有する。この方法は、スペクトル−フィジクス・ミレニア（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｍｉｌｌｅｎｎｉａ）レーザーの基礎である。この手法は、黄色レーザーに非常に適しており、追加の空洞内構成要素を必要としないという重要な利点を有する。又、これは、電力のスケーリングにも非常に適しており、ｚ空洞構成は、空洞の異なる部分においていくつかの広いレンジのスポットサイズを許容しており、レーザー結晶、ラマン結晶、及び倍増結晶内においてスポットサイズをそれぞれの最適な値に調節するのに理想的である。
【０２２９】
Ｚ折り返し空洞は、本発明の応用分野に理想的に適しており、且つ、約０．５〜１ｍの最大長によって設計可能である（但し、０．２〜０．５、０．２〜１ｍの共振器長も設計可能である）。ストークス放射及び基本放射の間の空間的及び時間的競合の理解に基づいて、長空洞によって黄色問題を軽減させつつ、そのスペクトル領域において安定した動作を実現することが可能である。この方法は、１０Ｗを超過する黄色出力電力又はこれよりも更に大きな黄色出力電力の実現のための可能性を有する。
【０２３０】
長共振器空洞設計の代替肢として、その小さな設置面積によって、５ｃｍのレベルの短空洞を使用する小型の装置も望ましく、且つ、自己ラマン変換は、結晶の合計数、ひいては合計長の減少、並びに、空洞内の内部表面の減少によって、これらのシステムにとって特に好適である。損失の低減が、更に高い効率に結び付くことになる。結晶上に直接的にミラーをコーティングすることにより、極めて小型で潜在的にモノリシックな装置が可能である。短空洞は、黄色問題の振幅変動を悪化させることなり、従って、動的なモデルを使用し、これらの装置を更に改善することが可能である。又、エタロン又は複屈折フィルタ等の空洞内要素を使用してフィールドのスペクトルを制御し且つ部分的に絞り込むことも、低雑音動作にとって有益であろう。
【０２３１】
このようなレベルの振幅安定性を実現するべく、次の方法の中の１つ又は複数のものを採用することが可能である。
【０２３２】
・（例えば、空洞内エタロンを使用することによるか又は注入シーディング法によって）干渉計側法を使用して基本のスペクトルコンテンツを制御し、ストークス出力内において１つ又は複数の安定したスペクトルピークを得ると共に／又は、出力の振幅安定性を改善する。
【０２３３】
・分散法（例えば、格子又はプリズム）を使用して基本のスペクトルコンテンツを制御する。
【０２３４】
・改善された時間的安定性を有するストークス出力を実現するためにストークス光学フィールドの増強を制御するべく、ストークス波長において注入シーディング信号を使用する。
【０２３５】
・空間モード制御（例えば、アパーチャ）を使用し、基本波長、ストークス波長、及び２次高調波波長において発振する横モードを制限する。
【０２３６】
・時間的に安定した出力を実現するべく、基本波長、ストークス波長、及び２次高調波波長における光学フィールドの間の相互作用及び結合を最適化する。このための手段は、共振器設計（ダイオードレーザーのポンプスポットサイズ、レーザー共振器内の構成要素［レーザー結晶、共振器ミラー、ラマン結晶、及び周波数倍増結晶を含む］の位置決め及び配置、及び共振器の長さを含む）、スペクトル制御及び空間モード制御、構成要素の熱制御、及び構成要素の選択肢（レーザー結晶、ラマン結晶、及び周波数倍増結晶）を含む。
【０２３７】
・１つの縦モードのみが発振するように、エタロンとの組み合わせにおいて短共振器を使用する。
【０２３８】
・インターフェイスが共振器軸に対して垂直にならないように、レーザー結晶、ラマン結晶、及び倍増結晶を方向付けする。
【０２３９】
・レーザー結晶、ラマン結晶、及び／又は倍増結晶の面が正確に平行になり、且つ、これらの面が、（エタロンとして機能することによって）縦モード選択の追加機能を実行することができるように、レーザー結晶、ラマン結晶、及び／又は倍増結晶をカットする。
【０２４０】
・空隙及びインターフェイスが、組み合わせられることによってエタロンを形成し、これにより、縦モード選択に影響を与えるように、レーザー結晶、ラマン結晶、及び／又は倍増結晶をミラー（又は、第２結晶面）に接近した状態（通常は、＜５００μｍ）において配置する。
【０２４１】
・３つの結晶が基本的にモノリシックな「ブロック（ｂｌｏｃｋ）」を形成するように、３つの結晶を（例えば、拡散接合、接着、圧力によるクランピング、及び／又は高温によって）１つに接合する。結晶の「ブロック」は、要素間に又は端部に誘電体コーティングを内蔵することも可能である。
【０２４２】
（ＣＷシングルモード低雑音マルチモード黄色レーザーの概念）
マルチモード装置との比較において、シングルモード装置は、格段に高い安定性と、相対的に小さな周波数帯域幅の能力を有し、従って、シングルモード動作は、低振幅雑音への明確な道筋であると共に、サブＧＨｚのライン幅を必要とする多くの応用分野にとって望ましい。結晶質ホスト内におけるネオジミウムのイオン遷移は、大部分が均質に広がり、従って、理論的には、基本波長及びストークス放射の両方の自然なシングル縦モード動作が効率的に進行することが可能である。フィールドのスペクトル的な動力学の検討は、この領域において安定的に動作する利得結晶及びラマン結晶を選択するための能力を提供し、広いラマンプロファイル及び狭い利得プロファイルを有する結晶は、基本フィールドに対して最低の広がり圧力を提供する。又、例えば、エタロン及び調整可能な複屈折フィルタ等のライン絞り込み空洞内要素を包含することによる等の線形長空洞及び線形短空洞の両方を使用して、黄色レーザーのライン幅を絞り込む手法も利用可能である。これらの要素は、レーザー利得のピークに対応した透過率の最大値、並びに、対応するストークスシフトがなされた波長を有するように慎重に設計される。又、結合空洞構成を使用して空洞の全体的なモード構造を変更し、狭帯域動作を得ることも可能である。
【０２４３】
定在波空洞内における空間的なホールバーニング（ｈｏｌｅ  ｂｕｒｎｉｎｇ）は、ストークスフィールド及び基本フィールドの両方を複数の縦モードに押し込む傾向を有する主なファクタである。最も安定したシングル縦モード動作を得るために、空間的なホールバーニングを除去する進行波単一方向リング構成を利用し、効率的なシングルモード動作を促進することが可能である。リングレーザーは、設計の柔軟性及び位置合わせに対する不感性という付加的な利点を有するが、励起されたラマンプロセスを駆動するのに必要な高空洞フィネス（高空洞Ｑ）を維持するべく注意する必要がある。偏光器、１／２波長板、及びファラデーローテータを使用して単一方向動作を強制する従来のリングレーザー設計を使用することも可能である。ファラデーローテータ及び１次波長板の波長依存性の慎重な設計により、ストークスフィールド及び基本フィールドの両方において、低損失ダイオード動作が稼働可能である。１つの方向をもう１つの方向に結合して戻す音響−光モジュレータ及び外部フィードバックミラー等のレーザーを単一方向において動作させるようなその他の低損失手段を利用することも可能である。又、シングルモード動作は、エタロン又は複屈折チューナーによって実現することも可能である。
【０２４４】
線形及びリングレーザーからの黄色出力を調整することも可能であり、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４を使用して基本の波長を調整するか、又はラマン変換を自発ラマン散乱スペクトルのピークから強制的に引き離すことにより、１ｎｍのレンジにわたる調整が可能であろう。或いは、この代わりに、ラマン結晶の温度を調整することにより、いくつかの結晶内におけるラマンシフトの温度依存性を利用し、サブナノメートルの波長調整が可能である。又、１０ｎｍのレベルの更に大きな調整レンジの場合には、Ｙｂ：ＹＶＯ４等の活性イオンとしてＹｂを有する利得材料等の大きな自発放射スペクトル帯域幅を有する利得材料を利用したレーザーを使用することも可能である。
【０２４５】
（ＣＷスイッチング可能型可視出力の概念）
例に記述されたレーザーは、（例えば、温度調整又は角度調整によって）周波数倍増結晶を再構成し、基本を周波数倍増するための位相整合、ストークスを周波数倍増するための位相整合、又は基本フィールド及びストークス光学フィールドを周波数加算するための位相整合を実現することにより、複数の出力波長（例えば、５３２ｎｍ、５５９ｎｍ、及び５８８ｎｍ）間において容易に選択することが可能である出力を生成するべく、構成可能である。選択することが可能な可視出力を生成する方法は、本明細書の別の部分において説明する。
【０２４６】
（スケールダウンの概念）
例に記述されたレーザーは、レーザーポインタとしての使用を含む応用分野又は様々な生体医学の応用分野に好適な低コストの実用的なダイオードポンピング型装置を提供するべく、再設計可能である。ターゲット出力電力は、５ｍＷという低いものであってよいであろう。設計変更は、次の中の１つ又は複数のものを包含することが可能である。
【０２４７】
・レーザー材料及びラマン材料のデュアル機能を提供するための単一の（いわゆる、「自己ラマン」）材料の使用。この材料の例は、Ｎｄ＊ＫＧＷ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＫＹＷ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＢａＷＯ４を含むが、多くのその他の可能性が存在する。
【０２４８】
・ＳＲＳ及び周波数倍増／加算を通じた効率的な周波数変換の入手に適した基本波長及びストークス波長における高強度を実現するための低減された共振器モードサイズ。
【０２４９】
・高輝度を有する（即ち、基本レーザー利得媒質内に高強度で合焦することが可能である）ダイオードレーザーポンプ源。このポンプ源は、ファイバ結合ダイオードレーザー又はシングルストライプダイオードであってよい。
【０２５０】
・散乱、並びに、望ましくない反射又は望ましくない透過に起因した低損失を提供する高品質ミラー及び結晶コーティングの使用。
【０２５１】
（スケールアップの概念）
例に記述されたレーザーは、眼科、皮膚科、リモート検知、及びビジュアルディスプレイ等の分野における用途に好適な実用的なアークランプポンピング又はダイオードポンピング型装置を提供するべく、再設計可能である。設計変更は、次のポイント又は先程列挙されたものの中の１つ又は複数のものを包含することが可能である。
【０２５２】
・ダイオード又はアークランプによってレーザー利得材料をサイドポンピングして熱荷重をレーザー利得材料の大きな容積にわたって分散させ、これにより、熱レンズ等の効果を軽減させる。
【０２５３】
（第２段の周波数倍増を通じたＣＷ  ＵＶ出力の概念）
例に記述されたレーザーは、１ｍＷ〜最大で１００ｍＷのレンジの出力電力の２８９ｎｍ等の波長におけるＣＷ  ＵＶ出力源を提供するべく、周波数倍増可能である（即ち、周波数倍増の第２段）。この実現は、次の段階の中の１つ又は複数のものを包含することが可能である。
【０２５４】
・周波数倍増ラマンレーザーからの（例えば、５８８ｎｍの）黄色出力を適切な周波数倍増結晶内に合焦し、（例えば、２８９ｎｍの）ＵＶ出力を生成する。適切な結晶は、ＢＢＯであってよい。
【０２５５】
・（例えば、５８８ｎｍの）黄色出力を（例えば、ＢＢＯ等の）倍増結晶を含む別個の高Ｑ（高フィネス）共振器内に結合する。別個の空洞内における（５８８ｎｍの）共振の機能強化効果により、更に高い効率によってＵＶ光を生成することが可能である。
【０２５６】
・ラマンレーザー共振器内に第２周波数倍増器を包含すると共に、（１）第２倍増結晶内において小さなビームウエストを実現し、且つ、（２）黄色光が第２周波数倍増結晶を含む共振器の一部分内において循環できるようにし、且つ、（３）ＵＶ光の収集及びラマンレーザーからの出力を可能にするべく、共振器を設計する。
【０２５７】
（例）
（例１：空洞内倍増連続波ラマンレーザー）
（概要）
ダイオードポンピング型ラマンシフト（ＫＧＷ）空洞内倍増（ＬＢＯ）Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザーの５８８ｎｍにおける連続波動作を報告する。８０８ｎｍにおけるファイバ結合ダイオードからの１８Ｗによってポンピングされた際に、５８８ｎｍにおける最大ＣＷ出力電力は、３２０ｍＷであった。ＣＷ結晶質ラマンレーザーに基づいた黄色源を代表する効率的で単純なダイオードエンドポンピング型空洞内倍増（ＬＢＯ）ラマンシフト（ＫＧＷ）Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザーについて説明する。
【０２５８】
（実験）
図１において、この例のレーザーシステムの構成を示す平面−平面共振器が開示されている。８０８ｎｍにおいて８５％Ｔ、１０６４ｎｍにおいてＨＲ（０．０９％Ｔ）、１１７６ｎｍにおいて０．４％Ｔ、及び５８８ｎｍにおいて９３％Ｔによってコーティングされた２ｍｍの厚さの平坦な入力ミラー１０１と、同一のコーティングを有する５８８ｎｍにおいて動作するための平坦な出力カプラ１０３とにより、共振器１００の境界を定めた。ポンプ源１０５は、ポンプビーム１０９を供給するための光ファイバ１０７を有する８０８ｎｍにおいて動作する３０Ｗのファイバ結合ダイオードレーザー（φ＝４００μｍ、ＮＡ〜０．２２）であった。ファイバ結合ポンプ光１０９は、０．９〜１．１の有効倍率を有する平面−凸面レンズ１１３及び１１５の対により、利得材料１１１上に結像され、この結果として、利得材料１１１内に１８０〜２２０μｍのポンプ半径が得られた。この構成においては、利得材料は、１０６４〜１１７６ｎｍの波長レンジの広帯域反射防止コーティングを有するａ−カット０．３ａｔ．％Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶（３ｘ３ｘ１０ｍｍ）であるが、当業者には理解されるように、その他の適切な利得材料によって置換可能である。
【０２５９】
この構成においては、５ｘ５ｘ２５ｍｍの寸法を有し、Ｎｐ軸に沿った伝播のためにカットされ、且つ、１０６４〜１２００ｎｍのＡＲコーティングされたＫＧＷ結晶であるラマン材料１１７を使用してラマンシフトを得たが、当業者には理解されるように、その他の適切なラマン材料によって置換可能である。非線形材料１１９を使用し、ラマン媒質１１７内において生成されたラマン放射の空洞内非線形変換を得た。非線形材料は、この構成においては、通常は、４５℃に温度制御され、非臨界位相整合（θ＝９０°、φ＝０°）され、且つ、１０６４〜１２００ｎｍでＡＲコーティングされた３ｘ３ｘ１０ｍｍのＬＢＯ結晶であるが、当業者には理解されるように、その他の適切な非線形変換材料によって置換可能である。
【０２６０】
５％Ｔの平坦な出力カプラ１０３を使用し、利得材料１１１の基本波長（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の場合には、１０６３ｎｍ）におけるレーザー動作を検討した。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶内における誘発された熱レンズによって空洞安定性が得られた。
【０２６１】
定位置にあるラマン材料１１７又は非線形材料１１９（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯ結晶）を伴うことなしに、且つ、５％Ｔの平坦な出力カプラを使用した状態で、且つ、約４５ｍｍの空洞長に設定された共振器１００の長さにおいて、水平偏光を有する１０６３ｎｍの出力の１４．４Ｗの最大値を得た。１０６３ｎｍの基本レーザービームの基本出力電力は、閾値から、入射ポンプ放射１０９の２６Ｗの最大ポンプ電力に向かって線形で増大した。更に低いポンプ電力においては、レーザー放射が、１０６３．２及び１０６５．５ｎｍにおける直交偏光ライン間において発振することが観察された。出力カプラを（実験の残りの部分に使用された）平坦な高反射器に置換することにより、２．３１Ｗの出力が得られた。これは、上記の光学材料が、２つの非線形プロセスにおいて最大空洞Ｑを得るべく、決して最適にコーティングされてはいなかったことを明瞭に示している。
【０２６２】
この構成においては２５ｍｍ長のＫＧＷ結晶であるラマン材料１１７を共振器空洞１００内に導入することにより、基本の１０６３ｎｍ放射における０．７Ｗの閾値と比べて、入射ポンプ電力の６．６ｗにおけるラマン閾値が提供された。モードサイズの低減により、更に低い閾値が可能であると考えられ、且つ、Ｎｄ：ＫＧＷ自己ラマンレーザーにおいては、１Ｗのレベルであると実証された。但し、ここに記述された構成は、最大出力電力について最適化した。このケースにおいては、ＫＧＷ結晶１１７上のコーティングを損傷する前に、２０．４Ｗ（３２．５Ａ）の最大ポンプ電力において、１１７６ｎｍにおいて１５６３ｍＷが得られた。ラマン電力は、ポンプ電力に伴って線形で増大したが、通常は、最大値の近傍において非常に不安定になるであろう。乏しい振幅安定性は、１０６３ｎｍにおける基本のスペクトル雑音（放射が約０．６ｎｍにわたってジャンプすることが観察された）及び１０６３及び１０６５ｎｍにおける遷移間のジャンプの組み合わせと、更に大きな空間モードの間欠的な発振を結果的にもたらすラマン媒質１１７及び利得媒質１１１の熱レンズの動力学に起因している。但し、報告した電力は、出力カプラ１０３を通じて計測されたもののみを含んでおり、且つ、入力ミラー１０１及び出力カプラ１０３は、同一のコーティングを有していたことから、合計ラマン電力は、計測値の２倍、このケースにおいては、３．１２Ｗであると予想することが妥当であることに留意されたい。比較のために、このポンプ電力において、５％Ｔの出力カプラを使用して１０．３Ｗの基本出力電力が得られた。これは、約３０％という基本出力電力からラマン出力電力への変換効率を示している。ミラーコーティングを改善すると共に、特に、１１７６ｎｍにおける出力結合を増大させることにより、確実に改善を期待することができるであろう。
【０２６３】
但し、本実験の目的は、５８８ｎｍ近傍においてＣＷ動作を得ることであった。これは、タイプＩの非臨界位相整合ＬＢＯ結晶１１９を使用してラマン波長を変換することにより、偏光の回転又は複屈折性を空洞内に導入することなしに、実現された。又、この材料を使用することにより、１１７６ｎｍのラマンシフトの倍増（約４５℃に設定されたＬＢＯ温度による１１７６ｎｍ→５８８ｎｍ）、基本遷移の倍増（約１５０℃のＬＢＯ温度における１０６３ｎｍ→５３２ｎｍ）、基本波長及びラマン波長の和周波数混合（８０℃のＬＢＯ温度における１０６３ｎｍ＋１１７６ｎｎ→５６０ｎｍ）の間において切り換えることも可能である。
【０２６４】
本構成において使用された非線形ＬＢＯ材料１１９は、１０ｍｍの厚さのＬＢＯ結晶であり、従って、温度制御された銅マウント（図示されてはいない）を収容するべく、共振器１００の空洞長を約１７ｍｍだけ延長することを必要とした（合計空洞長は、６２ｍｍである）。４５℃に設定されたＬＢＯ結晶１１９の温度において、１７．６Ｗの入射ポンプ電力において、そして、厳格な位置合わせの下に、５８８ｎｍの波長を有する約３２０ｍＷの最大出力電力が得られた。狭帯域ＯＳＡによってラマン波長及び基本波長を監視することにより、高速スペクトル雑音が観察され、合計ラマン帯域幅が狭い場合に、更に大きな出力電力が得られた。但し、基本波長と、従って、ラマン／可視波長は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４利得帯域幅の可能な縦モードの間においてスキップすることになることから、通常、このポンプ電力においては、相当な雑音を伴って、わずかに２００ｍＷが得られた。
【０２６５】
この例のラマンレーザーシステムの３結晶構成における（即ち、ａ−カットＮｄ：ＹＶＯ４／ＫＧＷ／ＬＢＯ又はＮｄ：ＧｄＶＯ４／ＫＧＷ／ＬＢＯシステムにおける）基本フィールド、ラマンフィールド、及びＳＨフィールドの光学フィールドを位置合わせするべく、次の手順を実行した。
【０２６６】
ラマン結晶及び倍増結晶を除去した状態において、出力偏光が「既知」の方向に平行になるように、例えば、光学テーブルのプレーンに平行になるように、Ｎｄ：ＹＶＯ４をレーザー発振軸と直交するように方向付ける。これらのレーザー結晶は、結晶のｃ軸に平行に、又は結晶のａ軸に平行にレーザー発振することが知られている。最適化された動作のためには、基本出力を結晶のｃ軸に平行に偏光（π偏光）させる必要がある。正しい基本偏光軸は、十分に大きな出力カプラ透過率によりレーザーを動作させることによってａ軸に平行な相対的に低い利得の基本偏光（σ偏光）の発振を防止することにより、保証される。
【０２６７】
基本放射を正しく方向付けし、且つ、基本波長及び予想ラマン波長の両方を高度に反射するミラーによって入力ミラー及び出力カプラを置換し、且つ、ラマンプロセスが開始されるようにラマン活性結晶を包含した状態において、ラマン結晶のＮｍ軸が基本偏光軸に平行になるように、ラマン結晶（この例においては、具体的には、ＫＧＷ）をレーザー発振軸と直交するように回転させる（Ｎｐ軸に沿ってカットされた結晶の場合）。最も効率の良い動作のために、これは、非常に重要である。
【０２６８】
周波数倍増を得るために、周波数倍増結晶を共振器空洞に追加する。ＬＢＯ結晶の正常軸に対して平行にラマン波長の偏光を配置することにより、最適化された可視出力が得られる。
【０２６９】
好適な構成においては、レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質は、それぞれ、プレーン平行結晶である。従って、共振器空洞は、それに沿って基本ビーム及びラマンビームがそれぞれの空洞モードにおいて空洞内を伝播する共振器軸を有し、プレーン平行固体ラマン材料のプレーン平行表面は、共振器軸上に位置しており、この場合に、プレーン平行表面は、空洞内結晶のプレーン平行表面からの基本ビーム及びラマンビームの光学反射が、個々の空洞モード内に反射され、且つ、共振器空洞内における伝播を継続するように、共振器軸に実質的に垂直になるように配置される。共振器軸と、空洞内結晶のプレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、１度未満であり、且つ、０．０５〜１度のレンジ内であってよい（通常、約０．１度である）。
【０２７０】
図２Ａ及び図２Ｂは、２つの異なる稼働入射「１」及び「２」における入射ポンプ電力の関数として、２次高調波電力（５８８ｎｍ）、ラマン電力（１１７６ｎｍ）、基本電力（１０６３ｎｍ）、及び合計出力電力のプロットを示している（図面中に記録された「最小（ｍｉｎ）」及び「最大（ｍａｘ）」電力は、レーザー共振器の配置に対する最適化の調節が実行された際に、特定の波長及びダイオード電力において得られた出力電力の極値である）。これらの結果から、合計出力電力は、１３Ｗを上回る入射ポンプ電力においては、もはや線形では増大せず、一方、ラマンの２次高調波は、約１５Ｗのポンプ電力において不安定になることが観察可能である。導入された熱レンズがレーザーを不安定な領域内に駆動することから、これは、主に、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４利得媒質１１１内における熱レンズに起因する。但し、当初は、相対的に高次の横モードがレーザー発振を開始し、これにより、最終的にＬＢＯ又はＫＧＷコーティングに対する損傷をもたらすスペクトル的及び空間的な不安定性がレーザー内に発生する。又、ラマン電力と同様に、報告された電力は、出力カプラを通じて計測されたもののみであり、入力ミラー及び出力カプラは、同一のコーティングを有していることから、これらの電力は、恐らくは、報告されたものの２倍であったと予想されることにも留意されたい。
【０２７１】
空洞内レンズ又は適切に湾曲した空洞ミラーを有する最適化された空洞設計を通じて十分に実現可能である更に大きな電力動作の可能性を試験するために、強力な熱レンズを克服するべく、ファイバ結合ダイオードに接近した機械的なチョッパーを使用し、ポンプをチョッピングした。５０％のデューティサイクルを有するチョッパブレードを使用し、ポンプを約２００Ｈｚの反復レートでチョッピングした。
【０２７２】
図３Ａは、入射ポンプ電力の関数として、２次高調波電力（５８８ｎｍ）、ラマン電力（１１７６ｎｍ）、基本電力（１０６３ｎｍ）、及び合計出力電力のプロットを示している。この方法を使用することにより、２１．６Ｗのピーク入射ポンプ電力により、５８８ｎｍにおける３４５ｍＷの最大値を得た。このケースにおいては、合計出力電力が線形で増大し、熱収差が格段に低減されていることに留意することは興味深い。
【０２７３】
図３Ａに示されるように、予想通り、ポンプ電力に伴って出力電力が最初に線形で増大し、これに続いて、非線形変換が大きくなり、これにより、空洞内ラマンフィールドが効果的に減少することに伴って、ラマン電力の「クランピング（ｃｌａｍｐｉｎｇ）」が発生しており、明らかなラマン閾値が観察される。一方、５８８ｎｍの電力は、ラマンレーザー発振の開始から二次曲線で増大し、最大ポンプ電力において線形の増大を有する。平均ポンプ電力が、（５０％のデューティサイクルに起因して）真のＣＷの場合の半分に過ぎなかったことから、このレーザーは、利得媒質の閾値、ラマン利得の閾値、及び空洞内表面の散乱損失を克服する要件を考慮した場合に、極めて効率的であったことに留意されたい。最適化された基本電力から２次高調波電力へのラマンの変換効率は、６．２％であり、即ち、入力ミラー及び出力カプラが同一のコーティングを有していることを考慮した場合には、１２．４％であった。基本電力と比べた場合のラマン電力のターン遅延の観点においては、このターン遅延は、最大ポンプ電力において約２５μｓであることが判明した。これは、基本電力の場合の数百回の往復と比べて、約５００００回の空洞往復を示している。チョッピングされたケースを上回るＣＷ動作又はこれを超えた真のＣＷ動作における明瞭に改善された効率が可能である。又、基本出力、ラマン出力、及び倍増ラマン出力の間の相互作用の動力学がポンプ電力に伴って変化したことに留意することも興味深い。図５Ａ及び図５Ｂに示されている異なる波長の振幅の同時記録は、低ポンプ電力においては、ラマン電力及び５８８ｎｍ電力は、同相であり、且つ、最大ポンプ電力近傍においては、基本電力を混乱させないが、ＬＢＯ結晶を損傷する前には、ＬＢＯがラマン電力を減少させることから、ラマン電力及び５８８ｎｍ出力電力は、位相がずれ、この結果として、基本電力が増大可能であることを示している。
【０２７４】
（検討）
以上において提示された結果は、高利得レーザー媒質を有する２つの非線形プロセスの組み合わせを使用し、効率的なＣＷ黄色レーザー動作が可能であることを実証している。熱レンズの制約を回避するように共振器形状を最適化することにより、５８８ｎｍにおける１Ｗを上回る連続波出力電力を単一の出力から得られるものと予想される。これまでのところ、本願の発明者らは、出力カプラからの電力のみを考慮し、わずかに１１．１Ｗの平均ポンプ電力により、２００Ｈｚにおいてチョッピングされた３４６ｍＷを得たが、入力ミラー及び出力カプラは、同一であることから、この電力は、この２倍にもなるであろう。更には、約２６Ｗの最大ポンプ電力を使用したという事実を考慮する共に、５８８ｎｍの電力が最大ポンプ電力において線形（８．５％スロープ効率）で増大した場合には、本願の発明者らは、出力カプラ−入力ミラー透過率の最適化を考慮しない場合にも、５８８ｎｍにおいて約１．５Ｗを得ることが可能であると予測する。明らかに、本明細書において採用された方法は、改善のための相当な余地を有しており、且つ、ダイオードレーザーポンプ源の輝度におけるこれまでのすべての改善を仮定した場合に、使用された方法の結果として、連続波の真にスイッチング可能な５００〜６００ｎｍにわたる可視波長源を得ることが可能であろう。
【０２７５】
（要約）
１０６３ｎｍから５８８ｎｍへの最適化された約３％の変換を伴う５８８ｎｍにおいて最大３２０ｍＷを生成する連続波黄色全固体ラマンレーザーが実証された。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４利得媒質内における熱的な制約を克服するべく、ポンプ電力を５０％のデューティサイクルを有するように２００Ｈｚにおいて変調した。この結果として、２倍を超える効率（６．２％、１０６３から５８８ｎｍ）の増大した黄色電力が得られた。空洞設計及びミラーコーティングの最適化により、この結果に対する大幅な改善が予想される。
【０２７６】
（例２：空洞内周波数倍増ＣＷ自己ラマンレーザー）
ダイオードポンピング型のＮｄ：ＧｄＶＯ４／ＫＧＷの組み合わせに基づいた空洞内周波数倍増ＣＷ自己ラマンレーザーを得た。このレーザーは、５８８ｎｍの黄色において７０４ｍＷを生成した。
【０２７７】
このラマンレーザーの構成が図６に示されている。ポンプ源２０１は、ＡＲコーティング（１０６４〜１２００ｎｍ）されたａ−カット０．３ａｔ．％Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶２０５（３ｘ３ｘ１０ｍｍ）上にポンプミラー２０３を通じて１倍で結像された３０Ｗのファイバ結合８０８ｎｍダイオードレーザー（φ＝４００μｍ、ＮＡ〜０．２２）であった。このダイオードポンプ電力は、レーザー結晶２０５上に入射する電力に関係している。近赤外線用にＡＲコーティングされ、且つ、Ｎｐ軸に沿った伝播のためにカット及び方向付けされた５ｘ５ｘ２５ｍｍの寸法を有するＫＧＷ結晶２０７を使用し、Ｎｍに平行な偏光プレーンを有するラマンシフトを得た。その優れた熱特性、良好なラマン利得係数、及び高損傷閾値から、ＫＧＷを選択した。温度制御（約４５℃）され、非臨界位相整合（θ＝９０°、φ＝０°）され、且つ、１０６４〜１２００ｎｍにおいてＡＲコーティングされた３ｘ３ｘ１０ｍｍのＬＢＯ結晶２０９を使用し、１１７６ｎｍのストークスラインの２次高調波生成（ＳＨＧ）を得た。
【０２７８】
それぞれが、ダイオード（８０８ｎｍ）及び黄色（５８８ｎｍ）波長においては、高い透過率を、そして、基本波長（１０６３ｎｍ）及び１次ストークス波長（１１７６ｎｍ）においては、高い反射率を有する平坦なミラーの対２０３及び２１３によって共振器２１１を形成した。実験においては、ミラー２０３及び２１３の２つの組を使用した。１次ストークス波長における動作及び黄色用のものであるミラーの組Ａは、それぞれ、８０８ｎｍにおける８５％Ｔ、１０６３ｎｍにおける０．０９％Ｔ、１１７６ｎｍにおける０．４％Ｔ、及び５８８ｎｍにおける９３％Ｔを有するコーティングを有していた。最大黄色電力を得るべく使用されたミラーの組Ｂは、それぞれが、８０８ｎｍにおける９６％Ｔ、１０６３ｎｍにおける＜０．００６％Ｔ、１１７６ｎｍにおける＜０．００４％Ｔ、及び５８８ｎｍにおける９５％Ｔを有するコーティングを有していた。レーザー結晶２０５内の強力な肯定的熱レンズにおいて、共振器安定性が実現された（２１Ｗの入射ポンプ電力によってＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶内に形成された熱レンズの焦点長は、５％の出力結合のみを有する基本波長において動作した際の共振器安定性計測値から、＋６６ｍｍであるものと推定された）。共振器空洞２１１の長さは、最小値に維持されており、この例においては、１１７６ｎｍ（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４及びＫＧＷのみ）における動作のために、４５ｍｍの長さを有し、そして、５８８ｎｍ（共振器空洞２１１内にＬＢＯ結晶２０９が含まれている）における動作のために、６３ｍｍの長さを有した。
【０２７９】
この例の自己ラマンレーザーシステムの２結晶構成（即ち、ａ−カットＮｄ：ＹＶＯ４／ＬＢＯ又はＮｄ：ＧｄＶＯ４／ＬＢＯシステム）における基本フィールド、ラマンフィールド、及びＳＨフィールドの光学フィールドを位置合わせするべく、次の手順を実行した。出力偏光が「既知（ｋｎｏｗｎ）」の方向に対して平行になるように、例えば、テーブルのプレーンに対して平行になるように、Ｎｄ：ＹＶＯ４をレーザー発振軸に直交するように方向付ける。これらのレーザー結晶は、結晶のｃ軸に平行に、又は結晶のａ軸に平行にレーザー発振することが知られている。最適化された動作のためには、基本出力を結晶のｃ軸に平行に偏光（π偏光）させる必要がある。正しい基本偏光軸は、ラマン発振を防止する十分に大きな出力カプラ透過率及びａ軸に平行な相対的に小さな利得基本偏光（σ偏光）においてレーザーを動作させることにより、保証される。正しく方向付けされた基本放射の場合には、ＬＢＯ結晶は、ＬＢＯ結晶の正常軸が基本偏光方向に対して平行になるように、方向付けされる。
【０２８０】
（１１７６ｎｍにおけるＣＷレーザー動作（ミラーの組Ａ））
図７は、ＳＨＧの閾値の上方において強力に減少した状態となる残留出力２１７と共に、ストークス出力２１５をポンプ電力の関数として示している。又、図７に示されるように、基本出力におけるレーザー発振の閾値は、レーザーダイオードからの０．７Ｗの電力において発生しており、且つ、ラマン閾値は、６．６Ｗの入射ポンプ電力であるものと観察された。閾値の上方においては、１１７６ｎｍの１次ストークスラマン電力は、ポンプ電力に伴って線形で増大し、コーティングの損傷の開始によって制限された２０．４Ｗの最大ポンプ電力において出力ミラー２１３からの１５６３ｍＷに到達した。又、入力ミラー２０３の透過率は、出力ミラー２１３の透過率（１１７６ｎｍにおける０．４％Ｔ）と等しく、従って、約１．５Ｗのラマン電力が入力ミラー２０３から失われたことにも留意されたい。その他の共振器損失（１％〜２％と推定される）と比較し、１１７６ｎｍにおける低い出力カプラの透過率（０．４％）が、得られるラマンレーザー出力を相当に制限した。明らかに、その他の損失との関係における出力結合の最適化は、出力電力を改善することになり、少なくとも３Ｗ近傍の出力の可能性を有するであろう。
【０２８１】
（５８８ｎｍにおけるＣＷレーザー動作（ミラーの組Ｂ））
ストークス光学フィールドの周波数倍増を通じた非線形出力結合は、特に、ストークス光学フィールドを効率的に抽出するのに非常に適している。基本波長及びストークス波長の両方における高Ｑ（高フィネス）空洞に起因して低い閾値が可能であり、相対的に大きな循環基本電力及びストークス電力においては、損失は、ダイクロイック端部ミラーを通じて共振器から結合された可視領域への非線形変換によって決定される。
【０２８２】
図８は、レーザー結晶に入射するダイオードポンプ電力の関数として、５８８ｎｍにおけるＣＷ黄色出力電力（黒く塗り潰された正方形２１９）を示している。１５．５Ｗのポンプ電力において、ＣＷ可視出力２１９は、約１２％のピークツーピーク振幅雑音を有し、７０４ｍＷにおいて安定状態にあることが観察された。更に大きなポンプ電力においては、可視出力は、減少し、且つ、不安定な状態となり、共振器は、この安定状態の限界に接近した。類似した黄色電力が、入力ミラーを通じて失われたであろうこと、又はＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザー結晶内において吸収されたであろうことに留意されたい（α５８８ｎｍ＞２ｃｍ−１）。
【０２８３】
２０Ｗのポンプ電力よりも上方においては、ラマンレーザーの動作は、共振器の安定状態の境界に向かって接近する際に特有の空間的ビーム特性への変化に伴って、益々、不安定に、且つ、位置合わせに対して敏感になった。但し、更に小さなダイオード電力においては（約１５Ｗ未満）、ストークス出力が最低次数の横モードにおいて発生し、モード直径は、高度にマルチモードである基本出力ビームよりも２〜３倍だけ小さかった。有効共振器長がわずかに約３３ｍｍである場合には（２５ｍｍ長のＫＧＷラマン結晶は、ｎ＝２の屈折率を有する）、レーザー結晶内に形成された熱レンズは、明らかに、基本レーザーのみにおける動作（この条件において熱レンズを計測した）よりもラマンレーザー動作におけるほうが格段に強力である。これは、主として、大きな循環赤外線電力（このケースにおいては、約４００Ｗと推定される）の結果としてのレーザー結晶２０５の増大した熱荷重と、例えば、残留不純物イオンからの弱い基底準位吸収（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｔａｔｅ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）との組み合わせに起因する。
【０２８４】
（５８８ｎｍにおける準ＣＷ動作（５０％デューティサイクル、ミラーの組Ｂ））
最小共振器長（６２ｍｍ）が結晶の物理的サイズによって設定される場合には、最大ポンプ電力は、レーザー結晶内の熱レンズによって制限される。従って、低減された（５０％）デューティサイクルにおいてダイオードポンプを動作させることにより（具体的には、２００Ｈｚの方形波ポンプ列を付与するためのポンプビーム経路内に挿入された機械的なチョッパーを使用することにより）、更に大きなＣＷ黄色電力を生成するための可能性を試験するべく、実験を実行した。レーザー結晶における低減された熱負荷は、フルＣＷモードの同一の瞬間的電力における焦点長の約２倍の熱レンズを結果的にもたらした。図８は、５０％のデューティサイクル方式における５８８ｎｍの出力（黒く塗り潰されていない円（２２１））をも示している。２２．４Ｗの瞬間的なダイオードポンプ電力において（平均電力は１２．２Ｗである）、１５７４ｍＷの瞬間的電力が得られた（７８７ｍＷの平均電力に等価である）。ダイオードから黄色への光学変換効率は、ＣＷ動作については、５．１％であるが、準ＣＷ動作の場合には、７．９％に顕著に増大した。
【０２８５】
これらの結果は、共振器が、レーザー結晶内の強力な熱レンズに対応するべく再設計されると共に／又は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４よりも優れた熱特性を有する代替のＮｄ３＋結晶ホストが使用された場合には、格段に大きなＣＷ出力電力が可能であることを強力に示唆している。又、後方並びに前方方向において伝播する黄色を収集するための（スイッチング型周波数倍増ラマンレーザーに類似した方式における）共振器設計に対する改善も、黄色出力電力の大きな増大をもたらすものと予想可能である。本共振器においては、共振器に沿って後方に伝播する黄色ビームは、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザー結晶内における吸収（５８８ｎｍにおける吸収係数は、２ｃｍ−１であると計測された）によって又は入力ミラーを通じて失われる。レーザー結晶内における後方伝播黄色ビームの吸収は、その部分における熱荷重を更に悪化させることに留意されたい。
【０２８６】
（ミラーの組Ａ及びＢを使用する５８８ｎｍにおける動作）
ミラーの組Ａ及びＢの両方を使用し、５８８ｎｍにおけるレーザー性能を十分に検討した。ミラーの組Ｂは、基本波長及びストークス光学フィールドの両方について格段に高い空洞Ｑを有する空洞を提供し、且つ、ＣＷ及び準ＣＷ動作のケースについて表３（〔表３〕）に要約されているように、格段に低い閾値及び高い出力電力を結果的にもたらした。ミラーの組Ｂを使用して得られた出力電力は、ミラーの組Ａによって得られたものの約２倍である。３つの結晶の透過スペクトルから、往復基本損失及びストークス共振器往復損失は、基本フィールド及びストークスフィールドについて、ミラーの組Ａを使用した場合には、約１．４及び２．０％（即ち、共振器のフィネスは、約１５０〜２３０のレンジ内である）、そして、ミラーの組Ｂを使用した場合には、約１．２及び１．２％（即ち、共振器のフィネスは、約２６０である）であるものと推定される。但し、出力電力を極大化するべく、要素が略垂直入射において位置合わせされる短い空洞の場合には、真の共振器損失を判定することは困難であることに留意する必要がある。
【０２８７】
【表３】
2009533847.tif 000009
【０２８８】
０．０６ｎｍの分解能を有する光学スペクトルアナライザを使用し、ＣＷ出力のスペクトル特性（図示されてはいない）を検討した結果、（時間平均された）黄色スペクトルは、＜０．１ｎｍの帯域幅を有する５８８ｎｍにおける単一のピークから構成されることが判明した。約１ｎｍの帯域幅を有する基本（１０６３ｎｍ）スペクトル内に、明らかななんらかの構造が存在した。このスペクトルは、循環基本電力がラマン変換によって強力に低減された際に、最も安定していた。ストークス出力の対応する波長変動は、十分にＬＢＯの波長許容帯域幅（約２０ｎｍ〜１ｃｍ）内にあることに留意されたい。
【０２８９】
ＣＷ黄色出力は、通常、最低次数の横モードに集中しており、最大電力において、２．１〜２．５のレンジ内のＭ２値が計測された。基本（１０６３ｎｍにおけるもの）は、高度なマルチモードとなり、約７．０という格段に大きな計測Ｍ２値を有するものと観察された。基本ビームよりも格段に小さな黄色のＭ２値は、ラマンビームのクリーンアップの強力な証拠である［１０］。最大出力電力において、黄色の振幅安定性は、９．５％（２σ／ａｖ）であると（高速のｎｓフォトダイオードによって）計測され、長期の電力安定性（１０分にわたって計測されたもの）は、６．５％であった。観察された振幅不安定性の相当な部分は、いくつかの横モード間におけるラマン利得に対する競合に由来する。
【０２９０】
（空洞内循環電力及び強度の計算）
レーザーが動作している際の基本ビーム、ラマンビーム、及び周波数変換済み（倍増）ビームの強度は、次の手順によって計算可能である。
【０２９１】
まず、基本ビーム、ラマンビーム、及び変換済みビームのＭ２値を判定しなければならず、且つ、本例の場合には、これらは、Ｍ２（基本）＝３、Ｍ２（ラマン）＝１．１、及びＭ２（倍増）＝１．１である。
【０２９２】
次に、例えば、市販のソフトウェアパッケージであるＬＡＳＣＡＤを使用し、或いは、（例えば、ホグソン（Ｈｏｄｇｓｏｎ）による「光学共振器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）」に記述されている）第１原理から、ラマン結晶及び倍増結晶内のモードサイズω（半径）及び面積Ａ（ｍ２）をＡＢＣＤ共振器分析によって算出する。このＡＢＣＤ共振器分析に、前述のＭ２の計測値を入力する。この例においては、モードサイズは、ωＲ＝１０６μｍであり、ＡＲＣ＝πωＲ２＝３．５３ｘ１０−８ｍ２、ωＤ＝６７μｍ、及びＡＤ＝１．１４ｘ１０−８ｍ２であると推定される。
【０２９３】
次の段階は、自社内において、又はミラー供給者により、スペクトロフォトメーターにより直接的に計測することによって基本波長及びラマン波長における出力カプラの透過率を判定するというものである。この例においては（ミラーの組Ｂ）、２つの波長における出力カプラの透過率は、ＴＦ＝０．００６％及びＴＲ＝０．００４％である。
【０２９４】
次に、２つの波長を弁別するべく、光学フィルタとの組み合わせにおいて電力メーターを使用し、基本波長及びラマン波長における出力電力Ｐｏｕｔ（単位：ワット）（ＰｏｕｔＦ及びＰｏｕｔＲ）を計測する。この例においては、これらは、最大出力電力において、ＰｏｕｔＦ＝０．０３Ｗ及びＲｏｕｔＲ＝０．００５Ｗである。
【０２９５】
次に、出力電力を出力カプラ透過率によって除算することにより、基本波長及びラマンビームにおけるワットを単位とした空洞内電力の計算を実現する。
【０２９６】
ＰｉｎｔｒａｃａｖＦ＝ＰｏｕｔＦ／ＴＦ＝５００、及び
ＰｉｎｔｒａｃａｖＲ＝ＰｏｕｔＲ／ＴＲ＝１２５
【０２９７】
最終的に、ラマン結晶内の基本ビームの空洞内強度（ｋＷ／ｃｍ２）（ＩＦ）及び倍増結晶内のラマンビームの空洞内強度（ＩＲ）は、次のとおりである。
【０２９８】
ＩＦ＝ＰｉｎｔｒａｃａｖＦ／ＡＲ＝１．１４６Ｘ１０３ｋＷ／ｃｍ２、及び
ＩＲ＝ＰｉｎｔｒａｃａｖＲ／ＡＤ＝８８６．２４６ｘ１０３ｋＷ／ｃｍ２
【０２９９】
（例３：自己ラマンＣＷレーザー）
この例においては、５８６ｎｍの黄色における６７８ｍＷ（ダイオードから黄色への４．２％の変換効率を有する）と、１１７３ｎｍの１次ストークスにおける２ＷのＣＷを生成するダイオードポンピング型のＮｄ：ＧｄＶＯ４に基づいたレーザーシステムから、空洞内倍増ＣＷ自己ラマンレーザー動作が観察される。両方の波長における最大ＣＷ電力は、レーザー／ラマン結晶内の強力な熱レンズの効果によって制限された。更に大きなＣＷ電力を生成する可能性を探るために、結晶の熱荷重を低減するべく、準ＣＷモード（５０％のポンプデューティサイクル）においてレーザーを動作させ、この際に、５８６ｎｍにおける１．８８Ｗの最大出力電力が得られた。本願の発明者らの知識の及ぶ範囲内においては、これは、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４内におけるＣＷ自己ラマンレーザー動作及び１次ストークスフィールドから可視領域への効率的な空洞内倍増の最初の報告であり、且つ、自己ラマンレーザーの最大の出力電力である。
【０３００】
（実験のセットアップ）
ラマンレーザーの構成が図９に示されている。平坦な入力ミラー３０１（８０８ｎｍにおける９６％Ｔ、１０６３ｎｍにおけるＨＲ（０．００６％Ｔ）、１１７６ｎｍにおける０．００４％Ｔ、及び５８８ｎｍにおける９３％Ｔでコーティングされたもの）及び赤外線（１次ストークス)動作用である２５０ｍｍのＲｏＣ凹面出力ミラー３０３（１０６３ｎｍにおける０．０９％Ｔ及び１１７３ｎｍにおける０．４％Ｔでコーティングされたもの）によって共振器３００の境界を定めた。空洞内周波数倍増動作の場合には、出力ミラー３０３は、入力ミラー３０１と同様にコーティングされた２００ｍｍのＲｏＣ凹面ミラーであった。
【０３０１】
ポンプ源３０５は、この例においては１０６４〜１２００ｎｍのレンジ内の波長用にＡＲコーティングされたａ−カット０．３ａｔ．％Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶（３ｘ３ｘ１０ｍｍ）である自己ラマンレーザー材料３１１上に入力ミラー３０１を通じて（レンズ３０７及び３０８を介して）１倍で結像された３０Ｗのファイバ結合８０８ｎｍダイオードレーザー（φ＝４００μｍ、ＮＡ〜０．２２）であった。１１７３ｎｍの１次ストークスラインの２次高調波生成（ＳＨＧ）は、この構成においては、１０６４〜１２００ｎｍにおいてＡＲコーティングされ、且つ、約４５℃に温度調整された（温度チューナーは、図示されていない）３ｘ３ｘ１０ｍｍの非臨界位相整合（ＮＣＰＭ、θ＝９０°、φ＝０°）されたＬＢＯ結晶である非線形材料３１３を使用することによって得られた。空洞長は、１３〜２４ｍｍのレンジであった（ＬＢＯを含んで２４ｍｍである）。
【０３０２】
ポンプ及びラマンの加熱によってＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶３１１内に誘発された熱レンズは、空洞安定性及び結晶内のモードサイズに強力な影響を与えており、従って、空洞３００の長さを空洞内構成要素の長さによって決定される最小値に維持した。大きなピークポンプ電力を探る実験においては、５０％のデューティサイクルに対応する２００Ｈｚの方形波を付与する機械的なチョッパーによってダイオードポンプビームを変調することにより、熱の影響を軽減させた。
【０３０３】
５％の透過率を有する平坦な出力ミラー３０３を（ＬＢＯ結晶が除去された状態において）使用し、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザーの基本波長（１０６３ｎｍ）における動作の特徴を判定した。４５ｍｍの空洞長の場合には、レーザー結晶に入射する最大ポンプ電力（２６．３Ｗ）において、１４．４ＷのＣＷ出力の最大値を得た。６６ｍｍの空洞長の場合には、２０Ｗのポンプ電力において空洞不安定性が始まったことに留意されたい。
【０３０４】
（１次ストークス波長（１１７３ｎｍ）における自己ラマン動作）
１１７３ｎｍにおける動作に関し、１３ｍｍ及び２４ｍｍという２つの空洞長についてレーザー性能を検討した。図１０において観察できるように、１１７３ｎｍにおける０．４％の透過率を有する出力カプラ３０３を有する可能な最短物理空洞長（１３ｍｍ−黒く塗り潰された円３１５によって示されている）の場合には、０．７Ｗのポンプ電力において、基本波長におけるレーザー発振の閾値に到達し、ＣＷラマン発振の閾値は、４．６Ｗのポンプ電力であった。１１７３ｎｍにおける１次ストークスラインにおいて得られた最大ＣＷ出力電力は、（この最短空洞の場合には、熱レンズの効果ではなく）結晶のコーティングに対する光学的損傷の開始によって制限された２２Ｗのポンプ電力において、２．０４Ｗであった。観察された光学的損傷は、主として、実質的な出力結合を伴わない状態における循環電力に起因するものであった。
【０３０５】
２３ｍｍ長の空洞の場合には（図１０に黒く塗り潰された正方形によって示されている）、１次ストークス出力電力は、１８Ｗのポンプ電力において、１．１Ｗの最大値に到達したが、空洞不安定性の開始により、更に高いポンプ電力においては、下降した。この観察に基づいて、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶内の熱レンズは、（結晶自体の屈折率を考慮し）約１７ｍｍであるものと推定される。
【０３０６】
最大残留１０６３ｎｍ電力、即ち、端部ミラーを通じた１０６３ｎｍ出力の「漏洩」は、約１．８Ｗであった。これは、出力結合コーティングがまったく最適化されていなかったことを示している。同時にラマン出力結合を２〜３％のレベルに増大させつつ、基本ビームにおける空洞Ｑを増大させることにより、ラマン電力の大きな増大を予想することが可能である。ラマン波長における非結合損失は１％のレベルであると推定されることから、出力カプラの光学コーティングの最適化を通じて、４Ｗという大きなラマン出力電力に到達可能であり、そして、更に良好な熱レンズの管理により、更に大きな出力電力に到達可能であろうと思われる。
【０３０７】
０．０６ｎｍの分解能を有する光学スペクトルアナライザ（図示されてはいない）を使用し、基本出力及びストークス出力のスペクトル特性を検討した。（時間平均された）基本スペクトルは、１０６３．２ｎｍに中心を有し、帯域幅は、０．５〜０．８ｎｍであった。通常、出力帯域幅は、ポンプ電力に伴って増大し、且つ、後述される複雑な構造を示した。１次ストークス出力のスペクトルは、１１７３ｎｍに中心を有し、且つ、この場合にも、帯域幅は、約０．５〜０．８ｎｍであった。ラマンレーザー出力は、すべてのポンプ電力について線形偏光され、偏光軸は、（それ自体が結晶ｃ軸に平行に偏光（π偏光）された１０６３ｎｍにおける）基本レーザーのものに対して平行であった。
【０３０８】
１１７３ｎｍの１次ストークスレーザー出力及び残留基本出力のビーム品質計測は、Ｍ２値がポンプ電力及び基本電力の減少レベルの両方に伴って変化することを示した。これらの実験からのデータが図１１に示されている。基本波長における（５％出力カプラを有し、ＳＲＳが発生しない）動作の場合には、１０６３ｎｍにおける出力は、８．３という最大Ｍ２値を有した。ラマンレーザーのミラーの組に対応する増大した空洞Ｑの場合には、基本ビームのビーム品質は、ラマン発振の開始の後に迅速に悪化し、Ｍ２値は、最大ポンプ及びラマン出力電力において、１４という大きなものに到達した。但し、ラマン出力のビーム品質は、格段に優れており、Ｍ２は、最大ポンプ／ラマン電力においてわずかに３という最大値に到達した。これは、パルス化ラマンレーザーの環境において知られているラマンビームのクリーンアップの結果である。
【０３０９】
最大ポンプ電力におけるピークツーピーク振幅雑音は、＜２００ＭＨｚの周波数において、約５％（２σ／ａｖ）となるものと計測され、更に長期間（１０分）の電力安定性は、サーマル電力メーターを使用し、３％よりも良好になるものと判定された。
【０３１０】
（可視領域（５８６ｎｍ）における周波数倍増動作）
ラマン光学フィールドの空洞内周波数倍増の研究のために、赤外線出力カプラ３０３を（基本波長及び１次ストークス波長の両方において高度な反射性を有する）黄色出力カプラによって置換し、且つ、共振器を１２ｍｍだけ（合計長を２４ｍｍに）延長し、ＬＢＯ周波数倍増結晶３１３を収容した。この延長された共振器長は、必然的に、共振器安定性を維持可能である最大ポンプ電力を低下させた。空洞内におけるＬＢＯ結晶の挿入から発生する追加損失にも拘わらず、赤外線波長における共振器の格段に高いＱは、１次ストークス閾値に到達するのに必要なポンプ電力の２．４Ｗへの低減を結果的にもたらした（例えば、ラマンのみの最適化されたシステムの場合には、４．６Ｗである）。
【０３１１】
レーザー結晶上に入射するダイオードポンプ電力の関数としての５８６ｎｍにおける（シングルエンデッド）ＣＷ電力が図１２に示されている（黒く塗り潰された円３２１）。１６．３Ｗの入射ポンプ電力により、６７８ｍＷの５８６ｎｍにおける最大ＣＷ出力電力を得た。残留基本電力及び１次ストークス電力は、それぞれ、２００ｍＷ未満及び５０ｍＷ未満であった。本願の発明者らは、（５８６ｎｍにおける）類似の電力が、計測されたものとは反対方向において生成され、且つ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザー結晶内において吸収された（５８６ｎｍにおける吸収係数は、２ｃｍ−１を上回るものと計測された）又は入力ミラーを通じて失われたものと考えている。最大黄色電力は、空洞を共振器安定状態の境界に向かって駆動する熱レンズと、１０６６ｎｍ近傍の（直交偏光を有する）競合する基本レーザー遷移の開始との組み合わせによって制限された。ラマン発振を直交偏光ベクトルと同時に得ることはできず、従って、この遷移における動作は、ラマン出力及び２次高調波出力の両方において損失の原因として機能した。完全なＣＷ動作における最大ダイオード−黄色光学変換効率は、結合ミラーの外部において計測された５８６ｎｍの電力のみを考慮した場合に、４．２％であった。後方伝播する黄色ビームを考慮した場合には、内部ダイオード−黄色効率は、＞８％であると推定可能である。
【０３１２】
更に大きなポンプ電力（１７Ｗ超）において更に大きなＣＷ黄色出力電力を生成する可能性を探るべく、２００Ｈｚの方形波ポンプ列を付与するポンプビーム経路内に挿入された機械的なチョッパーを使用し、低減された（５０％）デューティサイクルにおいてダイオードポンプを動作させる実験を実行した。この準ＣＷ動作モードにおけるレーザー結晶内の低減された熱負荷は、出力電力におけるロールオーバーを伴うことなしに（且つ、寄生１０６６ｎｍ遷移におけるレーザー発振の証拠をも伴うことなしに）、最大で、入手可能な最大値までの瞬間的なポンプ電力を許容した。この準ＣＷモードにおける動作のデータが図１２Ａに含まれている（黒く塗り潰された正方形３２１）。２６Ｗの瞬間的なダイオードポンプ電力において（１３Ｗ平均）、１．８８Ｗの最大（シングルエンデッド）黄色出力電力（９４０ｍＷ平均）が観察され、対応するダイオードから黄色への変換効率は、７．２％であった。
【０３１３】
５０％のデューティサイクルにおけるポンピングの場合には、熱レンズ及び空間モード分布の関連する変動が出力電力の不安定性（即ち、出力電力におけるロールオーバー）を引き起こす主要なファクタであるという本願の発明者らの前提と符合し、黄色における平均出力電力は、格段に大きなダイオード電力のレンジにわたって安定していた。レーザー／ラマン結晶の相対的に小さな熱荷重を有する動作において実現された実質的に改善された電力及び効率は、結晶の熱の管理に対する更なる注意及び共振器設計の関係する最適化により、格段に大きなＣＷ出力電力を実現することが可能であることを示している。
【０３１４】
約２０Ｗのポンプ電力において発生する１０６６ｎｍの寄生遷移の開始の前（上部のトレース３２３及び３２５）及び後（下部のトレース３２７及び３２８）における基本出力及び１次ストークス出力のスペクトル特性が図１３に示されている。（ストークス電力の増大に伴う）１０６３ｎｍラインの損失の増大が結晶内の反転の増大を結果的にもたらし、最終的に、わずかに低い利得の１０６６ｎｍラインの発振が許容されることから、１０６３及び１０６６ｎｍにおける同時動作が発生可能である。２つの波長は、直交偏光されていることから、なんらかの小さな偏光依存損失を追加することにより、１０６６ｎｍにおける動作を防止することが可能であろう。
【０３１５】
４Ｆ３／２〜４Ｉ１１／２のネオジミウム遷移は均一に広がることから、１０６３及び１０６６ｎｍにおける同時動作は予想されなかった。恐らく、これは、オン軸ラマンモードによる１０６３ｎｍの基本ビームの強力な減少が、相対的に弱い１０６５ｎｍ遷移の高次横モードによってアクセス可能である残留オフ軸利得を残し、これにより、（ストークス電力の増大に伴う）１０６３ｎｍのラインの損失の増大が結晶内の反転の増大を結果的にもたらし、最終的に、わずかに低い利得の１０６６ｎｍラインの発振が許容されることから、１０６３及び１０６６ｎｍにおける同時動作が発生するということに起因して発生した可能性が高いであろう。（熱レンズに更に良好に対応するべく共振器を設計することによって）更に厳格に横モードを制御することにより、１０６６ｎｍの発振は防止されるであろう。又、２つの波長は直交偏光されていることから、１０６６ｎｍにおける動作は、なんらかの小さな偏光依存損失を追加することによって防止することが可能であろう。
【０３１６】
ＣＷ及び準ＣＷ動作モードのいずれにおいても、黄色放射のビーム品質は、強力な熱レンズによって誘発された収差と、高Ｑ（高フィネス）空洞内の閾値に到達した多数の横モードによって決定された。低出力電力（準ＣＷ動作の５８６ｎｍにおける〜１５０ｍＷ）においては、本願の発明者らは、２〜３のＭ２値を有するガウス様の出力を得た。略最大出力電力においては、空間モードは、強力なピークに到達し、５〜６という対応する更に高いＭ２値を有していた。閾値近傍の及び最大ポンプ電力におけるビームプロファイル及びｘ−ｙ強度曲線が図１４Ａ及び図１４Ｂに示されている。ラマンのみの出力と比べた場合の黄色放射のビーム品質の低下は、主として、５８６ｎｍにおける動作のために使用された相当に高Ｑの空洞内において発振可能であった増大した数の横モードに起因する。
【０３１７】
黄色放射（ＣＷ及び準ＣＷ）の振幅安定性は、競合する横モードからの雑音によって決定された。真のＣＷ動作においては、振幅安定性は、５ｎｓの応答時間を有するフォトダイオードを使用し、１５％（２σ／ａｖ）であると計測された。但し、１０分の期間にわたって計測された長期間雑音（サーマル電力検出器によって計測されたもの）は、わずかに５．７％であった。これらの数値は、準ＣＷのケースにおいては、格段に改善され、短期間雑音値は、８．６％であり、平均電力の変動は、わずかに１．８％であった。横モード構造を安定化させることにより、更なる改善が予想される。
【０３１８】
（熱荷重の検討）
先行する実験結果に基づいて、熱レンズは、（１１７３ｎｍにおける）赤外線出力及び黄色出力の更なる電力スケーリングを制限する主なファクタである。実験的に、（２４ｍｍの固定された空洞長の場合に）、基本波長、１次波長、及び黄色波長において動作するシステムにおいて、異なる熱負荷から結果的にもたらされる異なる出力電力特性が観察された。これらの結果が図１２Ｂに要約されており、以下、これらについて更に説明する。困難ではあるが、強力な熱レンズに対応する共振器を設計することは、確かに可能である。但し、結果的に強力な熱レンズをもたらす熱荷重の原因を検討及び理解することも重要である。１次ストークス動作のケースにおいては、熱荷重は、ポンプ光の吸収に由来し、且つ、ＳＲＳプロセスの非弾性的な特性を通じて検討する必要があり、且つ、黄色の最適化動作の場合には、後方伝播する黄色放射の吸収からの追加的な熱負荷をも考慮しなければならない。
【０３１９】
２０Ｗのポンプ電力の場合における概略累積熱レンズ値と共に、これらの３つの熱荷重メカニズムの各々に関して算出された貢献度が表４（〔表４〕）に一覧表示されている。正確なウエスト位置及び有効モードサイズが周知ではないことから、異なる熱荷重プロセスにおける関連するモードサイズを評価することは困難であることに留意されたい。ダイオードポンプによって誘発された熱負荷について、２０Ｗのポンプ電力において３ｍｍであったポンプ吸収長にわたってポンプスポットサイズを幾何学的に平均化した（吸収長は、ラマン閾値と最大ポンプ電力との間において５〜１ｍｍで変化した）。ＳＲＳ及び黄色吸収荷重メカニズムについて、（２４ｍｍ共振器内の生成された熱レンズを考慮して）算出された基本モード（ＴＥＭ００）サイズをＧｄＶＯ４結晶長にわたって平均化し、ＳＱＲＴ［Ｍ２ 値］によって乗算し、且つ、自己矛盾のない結果が得られる時点までこのプロセスを反復することにより、熱レンズを算出するべく使用されたモードサイズを得た。熱負荷係数は、（５８６ｎｍにおいて２ｃｍ−ｌというＧｄＶＯ４内の計測吸収係数に基づいて）、ポンプ荷重については、０．３２、ＳＲＳプロセスについては、０．１、そして、黄色光吸収については、０．９５となるものと解釈された。
【０３２０】
【表４】
2009533847.tif 000010
【０３２１】
表４に示された（レーザー結晶上に入射する２０Ｗのダイオードポンプ電力に基づいた）計算は、ポンプによって誘発された加熱のみを考慮した場合の熱レンズが、約５２ｍｍの焦点長を有することを示している。これは、２０Ｗのポンプ電力における基本ビームのみの動作における熱レンズ焦点長（６０ｍｍ）の以前の推定値にかなり匹敵しており、且つ、予想されたように、基本ビームにおいて出力電力内に観察されるロールオーバーは、存在しない。
【０３２２】
１次ストークスライン上のレーザー動作におけるラマン加熱に起因した追加の熱荷重を考慮した場合には、熱レンズの焦点長は、約３４ｍｍになるものと算出される。但し、２４ｍｍの共振器長について図１２Ｂからわかるように、１次ストークス電力は、わずかに１８Ｗのポンプ電力において最大値を通過している。これは、熱レンズが、ポンプ及びラマン加熱のみに基づいた推定値よりも格段に強力である（ｆ≒２０ｍｍ）ことを示唆している。個別のレーザー及びラマン結晶に基づいたＣＷラマンレーザーについて前述したように、動作の際に追加の熱荷重プロセスが存在するものと思われる。これらは、レーザー／ラマン結晶内における微量の不純物吸収又は励起状態吸収を包含することが可能である。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、動作の際に青色蛍光を放射し、且つ、この蛍光は、ラマン閾値の上方において大幅に増大している（恐らくは、蛍光の波長におけるわずかなシフトとも関連している）。これは、レーザー／ラマン結晶内におけるラマン変換の開始を示しており、且つ、この効果は、レーザーをセットアップする際に有用であることが観察される。
【０３２３】
更には、後方に生成された黄色光を考慮すると共に、黄色出力の９５％がＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶内において吸収されると仮定した場合には、誘発熱レンズは、１次ストークスのみの動作におけるものよりも約３０％強力である約２６ｍｍの焦点長を有するものと推定される。図１２Ｂのデータに基づいて、周波数倍増動作における熱レンズ電力は、実際には、１次ストークスのみの動作におけるよりも約３０％だけ強力であると推定される。これは、識別されていない追加的な加熱源が、主として、ラマンプロセスのみと関連することを示している。
【０３２４】
２４ｍｍ長共振器を有する本発明の構成に関するものであり、且つ、空洞内結晶のＲＩを考慮したレーザー共振器モデル化ソフトウェアパッケージＬＡＳＣＡＤを使用して実行された計算は、自己ラマンレーザー媒質であるＮｄ：ＧｄＶＯ４内の基本ＴＥＭ００モードサイズが、熱レンズの強化に起因して、ポンプ電力の関数として小さくなると予測していることに留意することは興味深い。ポンプモードは、固定状態に留まることから、この基本モードサイズにおける減少は、主には、更に大きなポンプ電力において発振（並びに、従って、Ｍ２値の増大）を開始する増大した数の横モードを表すことになるであろう。又、ＬＡＳＣＡＤ計算は、本発明の共振器構成の場合には、熱レンズが２０ｍｍよりも強力になった場合にのみ、１３ｍｍの焦点長を有する入力カプラ３０１に伴う空洞不安定性に到達する前に、モードサイズがレーザー結晶内において実質的に増大することをも予測している。従って、望ましくない横モードの開始を防止すると共に単一の横モードを実現するためのアパーチャを使用することにより、振幅安定性及びＭ２値に対する改善が可能であるものと予想される。
【０３２５】
熱負荷と、ひいては、誘発された熱レンズを低減させる戦略が現在検討されており、これらの戦略は、高純度結晶の使用、空洞内ミラーによる黄色光の方向変更、及びラマン光学フィールドの抽出の改善を通じた空洞内強度の低減を含む。或いは、この代わりに、例えば、凸面入力ミラーを使用した熱レンズの部分的なオフセット等のように、熱負荷を共振器設計に内蔵することにより、共振器安定性と、ひいては、電力抽出が改善されるであろう。或いは、この代わりに、断熱カットされたＮｄ：ＫＧＷ結晶は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４に伴って遭遇する問題の多くのものを回避することが可能であり、Ｎｄ：ＫＧＷ及びＮｄ：ＧｄＶＯ４材料内においては、基本利得及びラマン利得が類似しているという事実に起因し、この方法は、非常に功を奏すると予想される。
【０３２６】
（要約）
この例は、１１７３ｎｍにおける１次ストークス出力及び５８６．５ｎｍにおける空洞内周波数倍増出力を有する第１ダイオードポンピング型連続波自己ラマンＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザーを実証している。２２Ｗのダイオードポンプ電力において、２Ｗの１１７３ｎｍにおける最大ＣＷ電力が得られ、１６．３Ｗのポンプにより、６７８ｍＷの５８６ｎｍにおける最大ＣＷ電力が得られた。赤外線電力及び黄色電力は、利得媒質内の熱レンズ及びその他のネオジミウム遷移の寄生発振によって制限された。５０％のデューティサイクルにおける準ＣＷ動作においては、熱負荷の低下により、空洞安定性を利用可能な最大ポンプ電力まで維持可能であったことから、格段に大きな最大黄色出力電力が得られた。このケースにおいては、２５．７Ｗの入射ポンプ電力により、１．８８Ｗの最大黄色電力が得られた。強力な熱レンズに対応しつつ更に大きなラマン利得を実現するべく、更に長いＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を使用することにより、ラマン出力電力の増大が予想され、空洞内ミラーを内蔵して前方及び後方伝播する黄色放射の両方を収集することにより、黄色出力電力の増大を得ることが可能である。熱荷重を管理すると共に、生成されたすべての黄色放射を収集することにより、３０Ｗを上回らないダイオードポンプ電力において、＞１０％のダイオード−黄色変換係数において３Ｗを上回るＣＷ黄色出力電力を実現することが可能であると予想される。
【０３２７】
（例４−低電力自己ラマンＣＷレーザー）
自己ラマンレーザーの１つの大きな欠点は、ダイオードポンプの吸収及び非弾性的なＳＲＳプロセスを介したエネルギーの蓄積に起因した熱荷重が同一容積内において同時に発生するため、個別のレーザー及びラマン結晶を使用するラマンレーザーよりも、熱荷重効果が深刻であるという点にある。
【０３２８】
前述の例３に示されるように、本願の発明者らは、空洞内周波数倍増を有する１０ｍｍ長のＮｄ：ＧｄＶＣＯ４内においてＣＷ自己ラマンレーザー動作を実現し、ダイオードから黄色への４．２％の効率において、１６Ｗのポンプ電力から５８８ｎｍにおける７００ｍＷの最大出力を生成した。出力電力は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４内において発生した極めて強力な熱レンズによって制限され、これが、共振器を光学安定状態の限界に接近させると共に、空洞モードとダイオードポンプスポットとの間の乏しい整合に寄与した。この結果として、ビーム品質は、相対的に乏しく、Ｍ２値は約２．５であった。
【０３２９】
この例の構成において、４Ｗの高輝度レーザーダイオードによってポンピングされた小型の低電力高ビーム品質のＣＷ黄色レーザー装置の開発について説明する。慎重な共振器設計を通じて、単一の装置内において、効率的な光学（ダイオードから黄色への）変換（４．３％）及び高ビーム品質（Ｍ２値は約１．１）を実現する。出力電力及びビーム品質を最適化するべく、いくつかの共振器設計を検討した。高輝度ポンプ源によって提供された小さな励起容積が、空洞内における横モードの数を制限し、且つ、ポンプスポットに対する空洞モードの良好な整合を許容する共振器を設計することにより、高スロープ効率と共に、高ビーム品質の黄色放射を得ることができる。
【０３３０】
（実験の詳細）
この例においては、レーザー媒質及びラマン媒質の両方（自己ラマン媒質）として、ネオジミウムによってドーピングされたオルトバナジウム酸イットリウム［Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４］結晶を使用した。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、１．０６４μｍにおける２５ｘ１０−１９ｃｍ２という大きな励起放射断面と、ｃ軸に沿って偏光された光の８１０ｎｍにおける３１．４ｃｍ−１という高い吸収係数を有する。ＹＶＯ４結晶は、約３ｃｍ−１のライン幅及び８９０ｃｍ−１における強力なラマンピークと共に、４．５ｃｍ／ＧＷを上回るラマン利得効率を有する。Ｎｄ３＋イオンの１．０６４μｍラインにおける動作の場合には、ＹＶＯ４ホストは、１．１７６μｍにおいて第１次ラマンストークス放射を生成する。
【０３３１】
図１５は、本発明の実験用に使用された実験構成を示している。高輝度ダイオードレーザー（０．８１μｍにおいて４．５Ｗ、固有モード：ＵＭ  ４２００−Ｍ−２０−ＣＢ−ＴＥＣ、Ｍ２ 値は約２０）をポンプ源４０１として使用した。ダイオード出力は、望遠鏡構成（レンズ４０３及び４０５）を使用して拡張及びコリメートした後に、５０ｍｍの焦点長のレンズ４０９を使用し、Ｎｄ：ＹＹＯ４自己ラマン結晶４０７内に合焦した。自己ラマン４０７内の焦点スポットは、直径が略１３０μｍであった。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶４０７（０．３％ドーピング、ａ−カット、フーチェン・カステック・クリスタル・インコーポレイティド（Ｆｕｊｉａｎ  Ｃａｓｔｅｃｈ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ，Ｉｎｃ．）（中国の福建省（Ｆｕｊｉａｎ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ））から入手可能）は、３ｘ３ｘ１０ｍｍの寸法を有し、０．８０８μｍにおける９８％の透過率及び１．０６４μｍ及び１．１７６μｍにおける＞９９．５％の透過率を有するように両面がコーティングされた。ラマン波長を周波数倍増するべく使用されたＬＢＯ結晶４１１（カステック（Ｃａｓｔｅｃｈ）、非臨界位相整合され、θ＝９０ｏ、φ＝０ｏであり、３ｘ３ｘ１０ｍｍの寸法を有する）を〜４５℃の温度に維持し、且つ、１．０６４〜１．２００μｍにおいてＡＲコーティングした。ポンプミラーＭ１４１３は、平坦であり、且つ、１．０６４μｍにおいてＲ＝９９．９９４％及び１．１７６μｍにおいてＲ＝９９．９９６％でコーティングした。小型の（１３〜２２ｍｍのレンジの光学共振器４１７の長さを有する）空洞及び拡張された（１１２〜１１５ｍｍの共振器４１７の長さを有する）空洞の両方用の出力カプラとして、いくつかの異なるミラーＭ２〜Ｍ４（図１５においては、集合的に、出力カプラ４１５）を使用した。ミラー４１５の関連する仕様が表５（〔表５〕）に要約されている。
【０３３２】
【表５】
2009533847.tif 000011
【０３３３】
（結果及び検討）
（小型空洞の構成）
まず、短い平面−凹面空洞を使用し、基本波長、１次ストークス波長、及びその２次高調波におけるレーザーシステムの特性を検討した。すべての構成要素は、＜１ｍｍだけ離隔した接近状態にあり、この結果として、１３ｍｍの合計空洞長が得られた。基本の動作においては、１．０６４μｍにおいて１０％の透過率及び５００ｍｍ（凹面）の曲率半径を有する出力カプラを使用した。最大入射ダイオード電力（４．２Ｗ）の場合に、レーザー結晶上に入射する電力との関係における０．２５Ｗの閾値及び５３％のスロープ効率と共に、基本波長において２．２Ｗを得た。
【０３３４】
まず、レーザー共振器空洞４１７内の倍増材料４１１を伴うことなしに、１０６４ｎｍ及び１１７６ｎｍの基本波長及び１次ストークス波長におけるレーザーの動作を検討した。基本フィールド及びストークス光学フィールドの両方において高Ｑ（高フィネス）を提供する出力カプラとしてのミラーＭ２により、１次ストークス波長における動作が得られ、且つ、この構成におけるレーザーの特性が図１６に示されている。基本波長における閾値ダイオードポンプ電力は、非常に低く（約１００ｍＷ）、且つ、１次ストークス出力においては、約１．９Ｗであった。４．５Ｗのポンプ電力において、出力カプラの後において、３２０ｍＷという最大１．１７６μｍラマン出力電力を計測し、且つ、スロープ係数は、約１２％であった。図１６には、レーザー結晶上に入射するダイオード電力の関数として、１次ストークス電力４１９及び１０６４ｎｍにおける基本波長の残留電力４２１が示されている。約１．９ＷのＳＲＳ閾値より上方の基本電力４２１の減少が顕著に明らかである。
【０３３５】
次いで、共振器空洞４１７を２２ｍｍに延長してＬＢＯ結晶（図１５の非線形材料４１１）を収容し、ミラーＭ３を出力ミラー４１５として選択した。図１７は、基本波長４２３（１０６４ｎｍ）、１次ストークス波長４２５（１１７６ｎｍ）、及び非線形変換済み波長４２７（５８８ｎｍ）におけるレーザー出力のグラフを示している。１次ストークスラマン閾値は、追加の結晶（即ち、非線形結晶４１１）に関連する挿入損失に起因し、わずかに高く、２．２Ｗであった。但し、閾値の上方においては、黄色電力４２７は、４．５Ｗのダイオードポンプ電力において９２ｍＷの最大値に線形で増大し、ダイオードから黄色へのスロープ係数は、３．８％であった。基本波長及び１次ストークス波長におけるミラーＭ３の非常に高い反射率に起因し、１次ストークスにおいては、＜５ｍＷ、そして、１．０６４μｍにおいては、＜２５ｍＷというわずかな量の赤外線放射のみが検出可能であった。
【０３３６】
スピリコン（Ｓｐｉｒｉｃｏｎ）ビームアナライザを使用し、黄色出力及び基本出力の空間特性を検査した（このケースにおいては、ストークス出力は、観察するには弱過ぎた）。黄色出力は、最低次数（ＴＥＭ００）横モードにおいて主に発生したが、大きな収差を有する状態において現れ、ビーム品質は、Ｍ２値が約３であった。１．０６４μｍにおける基本出力は、多数の高次横モードを有するものと観察され、乏しいモード安定性が明らかであった。Ｎｄ：ＹＶＯ４のポンピングされた容積とＴＥＭ００共振器モードとの間のモード整合の最適化は、基本の横モードに対してほとんど効果を有しなかった。
【０３３７】
ＬＡＳＣＡＤを使用した小型空洞の共振器モデル化と組み合わせられた共振器安定性の観察から、４．２Ｗの最大入射ダイオード電力において、約２ｃｍの焦点長を有する正の熱レンズがＮｄ：ＹＶＯ４結晶内に形成されたと判定された。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶内に熱レンズを生成する熱負荷は、いくつかのプロセスから発生する。第１の、そして、最大の熱負荷は、ダイオードポンプ光の吸収から発生し、この約３０％がレーザー結晶の加熱に寄与する。加熱の第２の原因は、ＳＲＳプロセスの非弾性的特性に起因するものであり、生成されたストークス光子当たりの熱負荷は、単純に、基本エネルギー及びストークス光子エネルギーの間の差である。第３に、ＬＢＯ結晶内において生成された黄色出力は、２つの反対の方向に伝播するため、５８８ｎｍにおいて２ｃｍ−１の計測吸収係数を有するＮｄ：ＹＶＯ４結晶内において、黄色光の（黄色出力電力に匹敵する）相当な量が吸収される。推定された熱レンズは、実際には、これらのファクタのみに基づいて予想されたものよりも強力であり、従って、前述のように、本願の発明者らは、追加的な熱荷重は、（例えば、不純物イオンや励起状態吸収に起因した）弱い吸収、並びに、基本波長及び１次ストークス波長における非常に大きな循環電力（約１ｋＷ）に由来すると考えている。
【０３３８】
変換効率及びビーム品質の両方を改善するために、共振器設計を更に良好に最適化する方法を理解するべく、（ＬＡＳＣＡＤを使用した）共振器モデル化を実行した。図１８は、便宜上プロット上に重ね合わされた結晶と共に、２ｃｍ、４ｃｍ、及び６ｃｍの熱レンズ焦点長と３つの共振器長（２０ｍｍ、２２ｍｍ、及び２４ｍｍ）について、空洞の長さに沿った共振器モードサイズを示している。図１８から、次の４つの重要な情報が得られる。第１に、空洞モードは、ポンピングされた容積を実質的に過剰充填している。第２に、共振器長の増大は、レーザー結晶内におけるモード整合を悪化させる。第３に、相対的に短い焦点長を有する空洞は、レーザー結晶内における相対的に大きなモードサイズと、相応して悪化したモード整合を有する。
【０３３９】
空洞が安定状態の限界に非常に接近した際に、最高の黄色出力電力が得られたが、この領域においては、スポットサイズが位置合わせの小さな変化に対して最も敏感であるため、通常は、安定した動作を得ることが困難である。ポンピングされた容積と空洞モードとの間の不整合が、強力な収差を有する出力ビームを結果的にもたらし、且つ、「短い」共振器設計においては、最適化のための自由度が存在していないという点において、この設計は、明らかに、最適なものとは程遠い。
【０３４０】
（長い空洞）
短い空洞の設計は、Ｎｄ：ＹＶＯ４内におけるモード整合を完全に最適化することが可能ではなかったという点において制限されていた。従って、この最適化を許容すると共に、願わくは、ビーム品質の改善及び出力電力の増大を可能にすることになる更なる共振器構成を設計した。ミラーの離隔距離がＮｄＧｄＶＯ４内の最大熱レンズ（約２ｃｍ）と出力ミラーＭ４の凹面曲率半径（１０ｃｍ）の合計に近い平面−凹面空洞を選択した。図１９は、いくつかの異なる空洞長及び３つの熱レンズ強度における空洞モードを示しており、点線４３１、４３２、及び４３３は、それぞれ、２ｃｍの焦点長を有する自己ラマン媒質４０７内の熱レンズの存在下における１１５ｍｍ、１１２ｍｍ、及び１０９ｍｍの共振器４１７の長さにおけるモードサイズのプロットであり、破線４３４、４３５、及び４３６は、４ｃｍの焦点長を有する自己ラマン媒質４０７内の熱レンズの存在下におけるそれぞれ１１５ｍｍ、１１２ｍｍ、及び１０９ｍｍの共振器４１７の長さにおけるモードサイズのプロットであり、実線４３７、４３８、及び４３９は、６ｃｍの焦点長を有する自己ラマン媒質４０７内の熱レンズの存在下におけるそれぞれ１１５ｍｍ、１１２ｍｍ、及び１０９ｍｍの共振器４１７の長さにおけるモードサイズのプロットである。又、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４及びＬＢＯ結晶（それぞれ、４０７及び４１１である）のポンピングスポット半径４４０及び概略位置も示されている。図１９から、いくつかの情報が得られる。第１に、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶内においては、空洞モードサイズが基本に対して良好に整合されている。第２に、共振器４１７の軸に沿って数ｍｍのみだけ出力カプラ４１５を並進運動させることにより、モード整合を最適化することが可能である。第３に、熱レンズの焦点長が短くなるのに伴って、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４内の空洞モードサイズが大きくなり、これにより、ＳＲＳプロセスを通じて熱が蓄積される容積が増大すると共に、熱レンズの影響を軽減させるための好適な関係であるｄω／ｄｆｔｈｅｒｍａｌ＞０が満足されている。
【０３４１】
長い空洞構成を使用するラマンレーザーを動作させる際には、８１０ｎｍの帯域通過フィルタ（図示されてはいない）をポンプレーザー４０１からのポンプビームの経路内に挿入した。この帯域通過フィルタは、大量の黄色光がレーザーダイオード４０１に到達して当該帯域通過フィルタを損傷することを防止するべく、機能した。そして、この結果として、短い空洞において入手可能である４．５Ｗと比較して、ポンプレーザー４０１からの入手可能な最大ポンプ電力が３．２Ｗに低減された。以前と同様に、Ｎｄ：ＹＶＯ４及びＬＢＯ結晶は、相互に、且つ、ミラーＭ１４１３に対して可能な限り接近した状態において配置される。モデル化から予想されたように、共振器４１７の空洞長は、共振器を最大出力電力について最適化する際の非常に重要なパラメータであり、且つ、この空洞長を、並進運動ステージを使用して約１１０〜１２０ｍｍのレンジにわたって変化させた。
【０３４２】
レーザーは、低ラマン閾値及び低黄色電力を有する領域と、高ラマン閾値及び高黄色電力を有する別の領域という空洞長に応じた２つの領域において動作することが観察され、これらの特徴が表６（〔表６〕）に強調表示されている。空洞長を１１２ｍｍに設定した際に、０．８Ｗのポンプ電力の低ラマン閾値が観察された。空洞を１１５ｍｍに延長した際に、ラマン閾値は、２．３Ｗに増大したが、最大黄色出力電力も１４０ｍＷに増大した。図２０は、１１２ｍｍ及び１１５ｍｍの空洞におけるポンプ電力の関数として、黄色出力電力のプロットを示している（それぞれ、４４１及び４４３である）。
【０３４３】
プロット４４１及び４４３は、熱効果の重要性を実証している。１１２ｎｍの空洞長について、最低閾値が実現されており（プロット４４１）、且つ、この共振器設計は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４及びＬＢＯ結晶（それぞれ、４０７及び４１１）内の空洞モードサイズが、ストークス出力を得るために略最適なものになるようになっていた。しかしながら、ポンプ電力が閾値を上回って増大するのに伴って、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４の熱荷重は、空洞モードサイズがもはや最適化されないようなものになり、且つ、黄色電力は、２０ｍＷを超えて増大しなかった。従って、必要な最大入力電力及び最大出力電力に対応するように共振器を設計及び最適化することが必要であり、図１９のケースにおいては、プロット４４３から観察できるように、わずかに長い空洞（１１５ｍｍ）において、最大ダイオード電力における略最適な空洞モードサイズが得られたが、閾値は、相当に高く、約２．０Ｗであった。
【０３４４】
以上において示したように、ＬＡＳＣＡＤを使用した共振器のモデル化は、所定の空洞構成において、１１２ｍｍから１１５ｍｍへの空洞長の増大（出力カプラのみのシフト）がビームウエストにおいて空洞モードサイズを２０μｍだけ減少させることを示した。そして、これが、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶内のモードサイズを変化させることにより、基本波長におけるポンプスポットと空洞モードとの間の更に良好なオーバーラップを可能にする。
【０３４５】
短い空洞を使用して得られた結果と比較し、１１５ｍｍ長の空洞は、４．４％という相当に高いダイオードから黄色への変換係数（閾値を上回る７．９％のスロープ係数）及び高いラマン閾値を示している。短い空洞及び長い空洞の両方におけるストークス波長の計測出力電力は、ラマン波長におけるミラーＭ３及びＭ４の高い反射率に起因し、５ｍＷを決して超過しなかったことに留意されたい。
【０３４６】
黄色出力のビーム品質は、短い空洞と比較して相当に改善され、Ｍ２ 値として約１．２が記録された。熱効果は、空洞の安定性に対して影響を与えるのみならず、ビーム品質に対しても有害な効果を有しており、この格段に改善されたビーム品質は、空洞モードとポンプビームとの間の相対的に良好な整合に由来する。
【０３４７】
黄色出力における振幅雑音を高速フォトダイオード（ソルラボズ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ）：ＤＥＴ１０Ａ／Ｍ）及び２ＧＨｚのオシロスコープを使用して検討した結果、この振幅雑音は、非常に大きいことが判明し、ピークツーピーク振幅雑音が１５％であった。これに比べて、基本出力及び１次ストークス出力は、約３％という格段に低い振幅雑音を有する。このような「黄色問題」は、周知の「緑色問題」と類似しており、和周波数生成プロセスを通じて結合される多数の発振縦モードに起因する。比較のために、基本１０６４ｎｍ放射を長い空洞から（タイプ１の臨界位相整合（θ＝９０、φ＝１０．６度）用にカットされた１５ｍｍ長のＬＢＯ結晶を使用して）周波数倍増し、倍増された光の振幅雑音を分析した。最大ポンプ電力（３．２Ｗのポンプからの０．５Ｗの緑色）においては、緑色出力も、大きな振幅雑音を有していた。１７．１５％が記録され、これは、黄色出力から観察された雑音に匹敵している。
【０３４８】
長い空洞の設計は、短い空洞の設計と比べて、ビーム品質及び出力電力における大きな改善をもたらすが、出力カプラに向かう生成された黄色光のみが収集されるため、黄色出力電力が相当に制限される。類似した量の黄色光が反対方向において生成され、且つ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー結晶内において吸収されるか（吸収係数は、２ｃｍ−１と計測された）又は入力ミラーＭ１４１３を通過する。実際に、＞１０ｍＷという大きな電力が、レーザーダイオードに向かって後方に伝播することが観察されており、本願の発明者らが８１０ｎｍの帯域通過フィルタを使用してこの光学フィードバックの影響からダイオードを保護することを促した。
【０３４９】
（折り返し空洞）
黄色光が利得結晶４０７内において吸収されることを防止すると共に、ポンプダイオード４０１へのフィードバックを防止するべく、折り返し空洞構成４５０を検討した。この構成が、図２１に示されており、類似の参照符号によって類似の要素を示している。共振器空洞４５０は、ミラーＭ１４１３と同一の誘電体コーティングを有するダイクロイックターニングミラー４５１を使用しており、これは、基本波長及び１次ストークス波長における高い反射率と、黄色における高い透過率を提供した。ターニングミラー４５１は、垂直入射から外れて配置される際に１次ストークス波長において徐々に透過性を有するようになるため、可能な限り垂直入射に近くなるように角度設定した。ターニングミラー４５１は、これらの実験においては、１５°の角度において設定され、ミラー反射率は、この角度において、１．１７６μｍにおいて約９９．８％であると推定された。非線形媒質４１１（この構成においては、ＬＢＯである）も、結晶４１１を通じた可能な限り緊密なスポットを保証するべく、ビームウエストに可能な限り接近した状態で配置されるが、スポットは、必然的に、前述の長い空洞のケースよりも、多少大きかった。
【０３５０】
このセットアップにおいては、長い線形空洞と同様に、ミラーＭ４４１５を端部ミラーとして使用した。ターニングミラー４５１及びミラーＭ４４１５は、いずれも、５８８ｎｍにおいて＞９９％の透過率を有し、且つ、折り返し空洞４５０の両方の端部を通じて（図２１のＡ及びＢとマーキングされた位置において）黄色光が観察された。本発明のシステムは、２．５Ｗのラマン閾値及び１３４ｍＷの最大ポンプ電力（４．５Ｗのポンプ）における（位置Ａ及びＢから収集された）合成黄色出力を有した。これは、本発明のシステムの効率が、図１５のストレート空洞ほどには良好でないことを示している。２５％だけ高い閾値は、ターニングミラー４５１と関連した１次ストークス波長における空洞損失の増大に由来する。出力電力における減少は、主に、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶４０７に接近したその最適な位置から更に離れて配置されるＬＢＯ結晶４１１に由来する。本発明のシステムは、優れたビーム品質を示し、位置Ａ及びＢにおいて、Ｍ２ ＝１．１が計測された。改善されたビーム品質は、その熱荷重に起因してビームに収差を導入することが可能であるＮｄ：ＹＶＯ結晶４０７から黄色光が分離されたことに由来する。振幅雑音もわずかに低減され、８％のピークツーピーク変動が観察された。２００ｍｍの曲率半径の５８８ｎｍにおいてＨＲコーティングされたミラー（図示されていない）をターニングミラー４５１の背後の位置Ａに配置してその出力ビームをターニングミラー４５１上に反射することにより、最大で１２０ｍＷのシングルエンデッド出力電力が実現された。相対的に低い出力電力は、この追加のＨＲミラーから発生する多少の黄色光の漏洩に起因する。
【０３５１】
又、位置ＢにおけるデュアルＨＲ（１．０６４において、Ｒ＞９９．６％、１．１７９μｍにおいて、Ｒ＞９９．９％、０．５８８μｍにおいてＲ＞９９．５％）の１００ｍｍのＲＯＣのミラーによってミラーＭ４を置換することにより、シングルエンデッド出力を位置Ａにおいて得た。これは、相対的に高い閾値及び位置Ａにおける２０ｍＷという低い合計黄色電力を結果的にもたらした。格段に低い黄色出力は、ラマン波長における空洞内において使用されたデュアルＨＲミラーの低い反射率に起因する。
【０３５２】
（要約）
要約すれば、折り返し共振器は、折り返しミラー及びエンドミラーの透過特性が完全に最適化された後に、単一ビームにおいて相当に大きな黄色出力電力を生成する明確な可能性を有する。代替共振器設計は、基本波長及び１次ストークス波長における高い透過率と、黄色における高い反射率を有する空洞内ミラーとを長い空洞内に包含することであろう。
【０３５３】
様々な共振器構成における閾値及び変換を含む主な実験結果が表６（〔表６〕）に要約されている。
【０３５４】
本願の発明者らは、４Ｗの高輝度ダイオードレーザーを使用してポンピングされた高フィネス（高Ｑ）Ｎｄ：ＹＶＯレーザーからの効率的なＣＷ黄色生成を実証した。以前の例と同様に、効率的なラマン及び黄色生成の鍵は、空洞内損失の極小化と、空洞モードとポンプスポットとの間の良好なオーバーラップである。
【０３５５】
【表６】
2009533847.tif 000012
【０３５６】
この例においては、かなり不良なビーム品質ではあるが（Ｍ２値は約３）、９２ｍＷのＣＷ黄色出力が非常に小型の（約２２ｍｍ長）空洞内自己ラマンＮｄ：ＹＶＯレーザーから実証された。空洞モードサイズとポンプスポットとの間の良好なモード整合を可能にする相対的に長い共振器を設計することにより、最大で１４０ｍＷという出力電力の大幅な改善及びビーム品質の大幅な改善（Ｍ２値は約１．２）を得た。
【０３５７】
黄色出力は、いわゆる「緑色問題」に似た大きな振幅雑音（ピークツーピークで約１６％）を示している。振幅雑音は、出力電力に伴って増大し、且つ、空洞内ピンホールが空洞内に挿入された際に、わずかに低減された。
【０３５８】
この例の構成は、効率的な１次ストークス生成及び低空洞内損失のための非常に高いＱ（高いフィネス）の空洞に対するニーズを強調している。例えば、図２１の位置Ａにおけるターニングミラー４５１等の空洞内の余分な要素によって誘発された余分な損失が、レーザー効率の低減及び相対的に低い合計出力電力に寄与した。ＨＲコーティングを結晶の面上に直接的に形成すると共に／又は、自己ラマン利得結晶４０７及び非線形結晶４１１を１つに拡散接合し、これにより、空洞内の界面の数を極小化することにより、更に大きな黄色出力電力及び効率を実現することが可能であると考えられる。
【０３５９】
（連続波空洞内ラマンレーザーのモデル化）
以下、前述の例において検討したタイプの連続波ラマンレーザーのモデル化を、特に例２との関係において開示するが、この分析は、その他の例にも等しく適用可能であることを理解されたい。
【０３６０】
（設計考慮事項）
空洞内ラマンレーザーは、レーザー結晶内における基本放射の生成と、ラマン結晶内におけるＳＲＳという光学空洞内の２つの同時光学プロセスを伴っている（自己ラマン結晶の場合には、これらのプロセスの両方が単一結晶内において発生する）。空洞内周波数倍増ラマンレーザーの場合には、２次高調波生成（ＳＨＧ）という第３の結合された光学プロセスをも考慮しなければならない。効率的なレーザー動作には、これらの光学プロセスの各々を正しく均衡させて最適な全体効率を生成する必要がある。
【０３６１】
一見したところ、これらの装置内においてラマン閾値に到達するのに、数ワットのＣＷダイオード電力で十分であることは驚きである。十分な往復ラマン利得を提供するには、１ＭＷ／ｃｍ２のレベルの空洞内基本強度が必要とされる。ラマン結晶内における１５０μｍという一般的なビーム半径が付与された場合には、これは、０．５ｋＷのレベルの空洞内電力に対応している。レーザー結晶のダイオードポンピングは、広帯域ダイオードポンプ電力を高Ｑ（高いフィネス）空洞内に結合して空洞強化された狭帯域基本フィールドを結果的に得るための効率的な手段であると見なすことができる。又、レーザー発振プロセスは、レーザーダイオードからの低ビーム品質出力（特に、相対的に高電力のダイオードの場合には、１００倍の回折限界を有するレベルであろう）を、はるかに高いビーム品質の空洞内基本放射に変換することにより、ラマン結晶内における厳密な合焦を許容するべく機能する。この結果として、低電力ダイオード放射は、メガワットのレベルに到達するラマン結晶内において厳密に合焦された強力な空洞内フィールドに変換される。
【０３６２】
これらのラマンレーザー装置の動作に関係した多数の複雑性が存在する。レーザー結晶及びラマン結晶の両方において、強力な熱レンズが発生する。これらのレンズの動力学は異なっており、レーザー結晶の熱レンズ強度は、吸収されたダイオードポンプ電力に伴って増減し、ラマン結晶内の熱レンズ強度は、生成されたストークス光子の数に伴って増減する。その他の複雑性は、基本光学フィールド（並びに、黄色生成の場合には、ストークス光学フィールド）における高Ｑ（高フィネス）空洞の結果としてもたらされる。基本放射用の最適な出力結合によって構成された際にＴＥＭ００出力を生成する空洞形状は、出力カプラが高反射器によって置換された際に、多数の横モードにおいて発振することが判明している。
【０３６３】
ラマンレーザーにおいて発生する周知の現象であるラマンビームのクリーンアップは、頻繁に、ストークス空洞フィールドを格段に少数の横モードにおいて発振させる。ラマンビームのクリーンアップが高ビーム品質の出力の取得を可能にする程度は、共振器の詳細に依存する。又、相対的に高品質のビームの横モードサイズは、ラマンビームが基本ビームのものに類似したビーム品質を有するラマンビームのクリーンアップを伴わない対応した状況と比べて、非線形材料内における相対的に高い電力密度の実現を可能にすることから、ラマンビームのクリーンアップは、有益である。通常、ラマンビームのクリーンアップにより、ラマンビームのＭ２は、基本ビームのＭ２よりも格段に小さい（即ち、２分の１、３分の１以下である）。例示用の計算として、１００ｋＷの空洞内電力を有する空洞内において共振するレーザービームを検討する。このビームが、２００μｍの半径を有するスポットサイズを有する場合には、ビームの電力密度は、約８０ｋＷ／ｃｍ２である。但し、ビームが、１００μｍの半径を有するスポットサイズを有する場合には、電力密度は、約３１８ｋＷ／ｃｍ２であり、即ち、半分のサイズのスポットサイズは、電力密度における４倍の増大をもたらす。この計算を（５０％のラマン変換効率を考慮して）具体的にラマンビームのクリーンアップに適用し、基本放射の空洞内電力が２００Ｗであって、ラマン材料内のスポットサイズが半径２００μｍであり（電力密度は、約１６０ｋＷ／ｃｍ２である）、且つ、クリーンアップを伴うラマンビームが１００ｋＷの空洞内電力及び１００μｍのスポットサイズを有する場合には、ラマン材料内のラマンビームの電力密度は、約３１８ｋＷ／ｃｍ２となる。
【０３６４】
高Ｑ（高フィネス）共振器の別の結果は、光学フィールドが、通常、非常に強力になり、基底準位吸収（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｔａｔｅ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）、２光子吸収、励起状態吸収、及び（例えば、少量の不純物イオンに起因した）非線形結晶内における微量な吸収が、レーザー結晶、ラマン結晶、及び／又は非線形結晶内において大きくなる可能性があるということである。パルス化モードにおいて動作するラマンレーザーの熱荷重と比べて、ＣＷモードにおいて動作するラマンレーザーの相対的に大きな熱荷重が観察され、且つ、ＫＧＷラマン結晶からの格段に強力な（アップコンバージョンがなされた）青色放射も観察される。強力な光学フィールドに関係する更なる複雑性は、自己集束又はマルチ光子吸収等の非線形効果であろう。これらの非線形効果は、今後、重要になる可能性があるが、これまでのところは、これらの非線形効果は観察されていない。
【０３６５】
（モデルの説明）
空洞内ラマンレーザーは、特性として極めて複雑である。実験結果に正確に整合するべく試みる広範なモデルは、高次モードにおける高次横モード、熱レンズ、スペクトル効果、偏光効果、及び損失を含む必要があり、これらは、いずれも、あまり知られてはいない定数及び実験的なパラメータに依存している。
【０３６６】
この説明においては、この複雑な振る舞いの基礎をなす傾向を判定するべく、単純化されたモデルを検討する。このようなモデルは、実験計測値との完全な一致を提供しないが、ラマンレーザーの多くの自由パラメータ間における相互作用を明らかにすると共に、効率的な動作が可能である領域を探すための有用なツールである。この検討は、実験的なレーザーが１往復当たりに過小なラマン変換又は過大なラマン変換によって動作するかどうか、ラマン変換の強度とストークス出力結合との間の相互作用はなにか、ラマン変換の強度と倍増ラマンレーザー内における周波数倍増の強度との間の相互作用はなにか、残留損失は重要であるか、及び、これらのレーザーを改善するべくどのような余地が存在するかといったような広範な疑問を解決することを目的としている。本願の発明者らは、単純なモデルが、これらの基本的な疑問に対する重要な洞察を提供することが可能であることを見出した。
【０３６７】
図２２は、本発明のモデルにおいて検討されたレーザーの概略図を示している。反射器５０１及び５０３によって境界が定められた空洞５００は、ＣＷレーザーダイオード（図示されてはいない）からのポンプ光５０５によってポンピングされるレーザー結晶５０３、ラマン結晶５０７、及び任意選択の倍増結晶５０９を含む。トップハット横断プロファイルを有するビームをモデル化し、且つ、特定の空洞構成についてレーザーをモデル化する代わりに、空洞内の活性要素の各々に提供された特定のスポット半径について、レーザーの振る舞いを算出する。スポット半径は、それぞれの要素内において異なる値を有することが可能であるが、半径は、上記要素の各々の内部においては、一定であるものと仮定する。又、ポンプ放射も、レーザー結晶内において一定の半径によって伝播するものと考える。
【０３６８】
結晶スポットサイズの関数としてレーザーの振る舞いをモデル化することにより、レーザーの基礎をなす振る舞いを検討することが可能である。最良のレーザー性能のための領域を識別した後に、空洞設計の別個の問題を解決し、それぞれの結晶内におけるそれぞれのスポットサイズを実現することが可能である（この空洞設計プロセスは、本明細書の説明においては対象外である）。
【０３６９】
ジェイ．ジェイ．デグナン（Ｊ．Ｊ．Ｄｅｇｎａｎ）により「量子エレクトロニクスのＩＥＥＥ学術雑誌（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」（２５（２）、２１４〜２２０頁、１９８９年）に記述された方法を使用し、レーザーを表現する微分方程式を決定する。すべての相互作用（レーザ利得、ラマン利得、周波数倍増、損失、及びミラー透過率）は、空洞の全域にわたって滑らかに拡散されており、且つ、同時に発生するものと仮定する。このような方法は、それぞれの相互作用のシングルパス利得／損失が小さい場合には、適切である。これが真である場合には、相互作用の順序は、重要ではなく、従って、この代わりに、すべての相互作用を同時にモデル化することが可能である。（時間Δｔを要する）１回の往復におけるそれぞれのフィールド内の電力の変化ΔＰを決定する式を使用し、そのフィールドのスムージングがなされたｄＰ／ｄｔを推定する。これは、結果的に、基本フィールド及びストークスフィールドの各々に対して１つの式と、反転分布について更に１つの式をもたらす。これらの式をＣＷポンピングにおける定常解について解明することが可能である。
【０３７０】
この結果として得られた空洞内倍増ラマンレーザーの式は、次の式（〔数５〕）のとおりである。
【０３７１】
【数５】
2009533847.tif 000013
【０３７２】
ここで、Ｎ＊は、レーザー結晶反転密度であり、ＰＦ、ＰＳは、基本電力及びストークス空洞内電力であり、ＴＳ、ＴＳ、ＬＦ、ＬＳは、基本フィールド及びストークスフィールドにおける出力結合透過率及び往復損失である。
【０３７３】
レーザー結晶、ラマン結晶、及び倍増結晶内において、ＡＬ、ＡＲ、ＡＤは、(対応するスポット半径ｒＬ、ｒＲ、ｒＤを有する）スポット面積であり、ｌＬ、ｌＲ、ｌＤは、結晶長であり、且つ、ｎＬ、ｎＲ、ｎＤは、結晶屈折率である（すべての波長において等しいと仮定される）。ｌｃは、空洞長であり、ｌは、光学空洞長であり、σＬ、τＬは、レーザー結晶放射断面及び上位のライフタイムであり、ｇＲは、励起ラマン利得係数である。ＰＰは、入射ダイオードポンプ電力であり、λＰ、λＦ、λＳ、λＤは、ポンプ放射、基本放射、ストークス放射、及び倍増ストークス放射の波長であり、ｄｅｆｆは、倍増結晶の実効的な非線形性である。一方向の空洞内電力から、本願の発明者らは、次の式（〔数６〕）のように、出力電力を規定することが可能である。
【０３７４】
【数６】
2009533847.tif 000014
【０３７５】
ここで、ＴＤは、倍増ストークス放射における出力ミラーの透過率である。
【０３７６】
このモデルにおいて実施された主要な仮定は、次のとおりである。ポンプエネルギーは、レーザー結晶によって完全に吸収されると仮定され（大部分の実験において正確な仮定である）、且つ、空洞内において、ポンピングされた容積及びレーザーモードは完全に重なり合っており、これは、基本モード、ストークスモード、及び倍増ストークスモードにおいて同様であると仮定している。空洞モード内への自発放射及び自発ラマン散乱は無視している（これらの項は、レーザーの時間に依存した振る舞いを解明するために必要となるであろう）。又、ストークス放射を倍増するべく、倍増結晶内における完全な位相整合も仮定されており、且つ、基本フィールドは倍増されない。倍増ストークス放射は、空洞内において共振しない。従って、倍増ストークスフィールドを空洞内においてモデル化する必要はなく、倍増ストークスフィールドをストークスフィールドに対する損失として単純に表すことで十分である。
【０３７７】
（結果）
以下においては、モデル式を、実験的なＣＷレーザーの出力との比較に適している一定のポンプ電力ＰＰにおける上記モデル式の定常解値について解明する。シミュレーションがなされたレーザー構成は、前述の例のレーザー構成に基づいている。表７（〔表７〕）は、これらの装置に好適な関連する材料パラメータを一覧表示している。
【０３７８】
レーザー共振器のパラメータの推定値も必要であり、従って、レーザー結晶内のＴＥＭ００スポット半径は、１５０μｍであり、ラマン結晶内のスポットサイズは、１２５μｍであり、且つ、基本波長及びストークス波長における往復損失は、１％であると推定される。これらの推定値は、単純なラマンレーザー構成  及び倍増ラマンレーザー構成の両方に適用される。空洞に対する倍増結晶の追加は、レーザーの閾値に対してほとんど効果を有しない。パラメータの正確な値に関する多少の不確実性が存在するが、本願の発明者らは、ここでは、正確な数値的予測を提供することよりも、広範な傾向を判定することを目的としており、これらの推定値は、この検討のために十分なものである。
【０３７９】
【表７】
2009533847.tif 000015
【０３８０】
（ストークス発振の閾値）
低ラマン閾値を有するようにラマンレーザーを設計することは、高効率を実現するために不可欠であり、且つ、この結果として、低電力ポンプダイオードの使用が許容される。
【０３８１】
基本フィールドは、非常に高Ｑ（高フィネス）を有する空洞を経験するため、ポンプ電力がラマン閾値に向かって増大するのに伴って、レーザー空洞内の基本フィールド強度は、非常に高いレベルに増強される。大部分の空洞設計においては、ラマン閾値における基本フィールドの強度は、レーザー材料の飽和強度よりも格段に大きく、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４の場合には、飽和強度は、ちょうど２．５ｋＷ・ｃｍ−２である。この結果として、この領域においては、レーザー結晶に供給されたダイオードポンプエネルギーは、基本放射に効率的に変換され、且つ、自発放射への電力損失は小さい。τＬを無視することによってモデル式を単純化し、ストークス閾値に到達するのに必要とされるダイオードポンプ電力の分析式を次の式（〔数７〕）のように得ることができる。
【０３８２】
【数７】
2009533847.tif 000016
【０３８３】
同一の閾値の体系が空洞内倍増ラマンレーザーにも等しく適用されることに留意されたい。ラマン閾値においては、ストークスフィールドが非常に小さく、且つ、倍増結晶は、ラマンフィールドを減少させないため、空洞内における倍増結晶の追加は、付加的な受動型往復損失を除いて、ラマン閾値に影響を与えない。
【０３８４】
ラマン閾値における（並びに、このラマン閾値の上方の）基本フィールドの合計強度が、レーザー遷移の飽和強度を格段に上回っている場合には、前述の式（１２）（〔数７〕）は有効であり、この条件は、レーザー結晶及びラマン結晶内のモード面積を関係付ける次の条件（〔数８〕）に等しい。
【０３８５】
【数８】
2009533847.tif 000017
【０３８６】
前述の式（１３）（〔数８〕）の条件を前述の例２の構成について評価し、ミラーの組Ａについては、ＡＬ＜＜５８０ＡＲ（ＴＦ＝０．２％、ＴＳ＝０．８％）を、そして、ミラーの組Ｂについては、ＡＬ＜＜２９０ＡＲ（ＴＦ＝０．００５％、ＴＳ＝０．００５％）を得ることができる。これらの不等式は、十分に満足されており、従って、τＬを無視することは、正当化され、且つ、前述の式（１２）（〔数７〕）によって付与されたラマン閾値の近似は、検討対象のレーザーについて有効である。前述の式（１２）（〔数７〕）は、ミラーの組Ｂについて、２．５Ｗという計測された閾値と比較し、２．６Ｗのラマン閾値を付与する。ミラーの組Ａの場合には、前述の式（１２）（〔数７〕）は、単純なラマンレーザーの場合の６．６Ｗ、並びに、倍増ラマンの場合の６．９Ｗという計測された閾値と比較し、５．６Ｗのラマン閾値を付与する。
【０３８７】
前述の式（１２）（〔数７〕）によって明らかにされた重要なポイントは、レーザー結晶内のモード面積ＡＬは、閾値に影響を与えないという点である。ｒＬがポンプスポットサイズに整合している場合には、最大でｒＲの５倍までｒＬを増大させた場合にも、依然として、ミラーの組Ｂについて前述の式（１３）（〔数８〕）を満足することになり、従って、閾値に影響を与えることにならない。ポンプダイオードからの放射を非常に小さなスポットに合焦することは、これらのポンプダイオードの不良なビーム品質に起因して問題が多いため、上記の点は、レーザー設計にとって重要である。ラマン結晶内においては、小さなスポットサイズを実現し、そして、レーザー結晶内においては、はるかに大きなスポットサイズを実現する空洞設計により、改善されたビーム品質を有するポンプレーザーダイオードを必要とすることなしに、相対的に低いラマン閾値を実現することが可能である。
【０３８８】
前述の式（１２）（〔数７〕）は、基本放射及びストークス放射の損失を低減させることにより、ラマン閾値を強力に低減させることが可能であることを示している。ラマン結晶内のスポットサイズを更に低減させる空洞設計により、これらのレーザーのラマン閾値を数百ミリワットに低減させる余地が存在する。
【０３８９】
（ＣＷ空洞内ラマンレーザーの効率）
次に、空洞内ラマンレーザーの効率を決定するパラメータを検討する。本願の発明者らが制御可能であるパラメータは、ストークス出力結合、ラマン結晶内のスポットサイズ、及びラマン結晶長及び材料の選択肢である。
【０３９０】
ラマンレーザーの全体的な効率は、３つの連続した効率に分割することが可能である。第１に、レーザー結晶内に蓄積されたダイオードポンプ電力を基本レーザーフィールド内に効率的に抽出しなければならない。第２に、基本光子をストークス光子に効率的に変換しなければならず、且つ、最後に、ストークス光子を空洞から外部の出力ビームに効率的に結合しなければならない。実際に、これは、基本光子からストークス光子への往復変換が基本フィールド空洞損失を十分に上回る必要があることを意味しているが、大き過ぎる変換は、反転分布においてエネルギーを効率的に抽出するのに十分なレベルに基本フィールドが増強されることを妨げる（これは、前述の式（１３）（〔数８〕）が満足されない場合に発生する）。又、ストークス出力結合も、ストークスフィールドの空洞損失を十分に上回るものである必要があるが、大き過ぎる出力結合は、効率的なラマン変換を実現するべくストークスフィールドが増強されることを妨げ、且つ、高いラマン閾値を結果的にもたらす。
【０３９１】
図２３は、算出されたラマンレーザーの合計効率（ＰＳＯＵＴ／ＰＰ）がラマンスポットサイズ及びストークス出力結合に依存する様子を示している。デッカー（Ｄｅｋｋｅｒ）の研究に基づいて、１５０μｍの結晶内のダイオードポンプ半径及びモード半径を有する１０ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザー結晶、２５ｍｍのＫＧＷラマン結晶、（ＬＦ＋ＴＦ）＝１．２％、及びＬＳ＝１％というパラメータを使用した。レーザー結晶上に入射するダイオードポンプ電力は、１５Ｗである。材料パラメータは、前述の表７に付与されている。
【０３９２】
図２３の主な特徴は、ラマンスポットサイズの減少に伴う出力効率の強力な増大であり、最良の効率のためには、ラマンスポットサイズを極小化するように空洞を設計する必要がある。ここでは、ラマン変換によって提供された基本フィールドの出力結合は、全体パラメータレンジにおけるその最適値よりも小さい。グラフの形状は、ストークスフィールドを強化すると共に基本フィールドの出力結合を増大させる小さなストークス出力結合と、空洞からのストークスフィールドの効率的な抽出を実現する大きなストークス出力結合との間の最良のバランスによって主に決定される。ラマンスポットサイズの減少に伴って、最適な出力結合は、更に大きな値にシフトし、且つ、全体的な更に高い効率が実現される。
【０３９３】
前述の例２のレーザーは、ラマン結晶内の１２５μｍのレベルのスポットサイズによって動作し、合計出力結合は、両方のレーザー端部ミラーの出力を含んで０．８％であった。図２３内の対応する地点が白色の×印によってマーキングされている。このモデルから、レーザーは、１５Ｗのダイオードポンプ電力における１３％の実験的な効率に比べ、２０％の効率で動作したと推定される。基本波長及びストークス波長における空洞内電力は、いずれも、約８００Ｗである。恐らくは、ラマン結晶内のスポットサイズを減少させつつ、同時にストークスフィールドの出力結合を増大させることにより、実験的な効率に対する強力な改善が実現されるであろうことが明らかである。
【０３９４】
図２３を使用し、ラマンスポットサイズに対する効率の依存性を上回るものを予測可能である。スポットサイズ、ラマン係数、及びラマン結晶長は、常に、ｇＲｌＲ／ＡＲの項において、モデル式に出現する（ｌＲは、黙示的に光学空洞長ｌに出現し、この光学空洞長は、定常解に影響を与えないことに留意されたい）。
【０３９５】
従って、結晶長又はラマン利得係数のいずれかの倍増は、スポット半径の√２だけの低減と正確に等しい効果を有する。
【０３９６】
この場合にも、レーザー結晶からの自発放射を無視可能であるという仮定を使用することにより、全体的な効率について単純な分析式を判定可能である。
【０３９７】
基本フィールドは、相対的に大きなポンプ電力においてラマン閾値におけるその値にクランピングされ、従って、この仮定が前述のラマン閾値の上方において有効となるため、前述の式（１３）（〔数８〕）は、依然として正しい条件である。この結果として、次の式（〔数９〕）が得られる。
【０３９８】
【数９】
2009533847.tif 000018
【０３９９】
ここで、この式（１４）（〔数９〕）は、前述の式（１２）（〔数７〕）によって規定されたラマン閾値を上回るダイオードポンプ電力Ｐｐについて有効である。式（１４）（〔数９〕）内の第１の項は、全体的な量子効率及び空洞から外部に有用に結合される生成されたストークス光子の比率によって設定された入手可能な限定的な最大効率を表している。第２の項は、レーザーシステムがこの理論的な最大値にどれだけ近くに接近するかを決定している。この近似により、効率は、単位のないパラメータであるラマン結合パラメータｋＲ＝ＰＰｇＲｌＲ／ＡＲによって決定される。
【０４００】
図２３のグラフは、ｋＲの観点においてラベルが付与された右軸を有する状態において示されている。従って、効率に対するダイオードポンプ電力の倍増の効果は、√２だけ低減されたスポット半径を考慮することによって良好に近似される。
【０４０１】
次に、残留往復損失の重要性を検討する。往復損失は、前述の式（１２）（〔数７〕）及び式（１４）（〔数９〕）に示されているように、効率とラマンレーザーの閾値の両方に影響を与える。これらの損失は、望ましくないミラーの透過及び吸収、空洞内表面における損失、並びに、結晶内における散乱及び吸収損失に起因したものであってよい。
【０４０２】
これらの損失のいくつかは、非線形性を有し、且つ、レーザー結晶内の反転密度、或いは、基本フィールド又はストークス光学フィールドの強度に依存可能である。モデルは線形損失のみを含むことに留意されたい。
【０４０３】
図２４は、基本往復損失及びストークス往復損失の関数として、空洞内ラマンレーザーの合計効率を示している。ラマン結晶内のスポット半径は、１２５μｍであり、ストークス出力結合は、２％である。すべてのその他のパラメータは、図２３及び表７のとおりである。図２４は、ストークス放射及び基本放射における損失が等しく重要であることを示し、効率の強力な増大は、損失の低減と関連付けられている。基本及びストークスにおける往復損失を１％から０．５％に低減させることにより、ラマン生成の効率が１８％から３９％に増大する。
【０４０４】
要約すれば、ＣＷ空洞内ラマンレーザーのはるかに高い効率の実現への道筋は、ラマン結合パラメータを増大させつつ、ストークス放射の出力結合をも増大させることにあることがわかる。又、１％を下回る往復損失の更なる低減は、効率の強力な増大をもたらすことになる。レーザー結晶内のスポットサイズは、当然、重要ではなく、従って、ポンプダイオードの出力ビームパラメータに適合するように設計可能である。同様に、空洞長は、安定状態動作に影響を有してはおらず、従って、レーザー空洞を設計する際に自由パラメータとして取り扱うことが可能である。
【０４０５】
（空洞内周波数倍増を有するＣＷ空洞内ラマンレーザーの効率）
次に、空洞内倍増ラマンレーザーの動力学について説明する。このようなレーザーの場合には、可能な限り大きな損失の低減及びストークス放射及び基本放射におけるミラー出力結合透過率が望ましい。この結果として、倍増プロセスは、ストークスフィールドを周波数倍増し、倍増された放射が、低損失を有する端部ミラーを通じて空洞から出射される。この結果として、ストークスフィールドによって経験された１往復当たりの有効出力結合の比率は、ストークスから黄色への変換のシングルパス変換効率の２倍に等しい。図２３から、ストークス放射の最適な出力結合は、数パーセントのレベルであって、これは、高Ｑ（高フィネス）空洞内の倍増結晶によって入手可能な値であることが見出される。非線形結晶は、いろいろな意味において、ラマンレーザーシステム用の理想的な出力カプラである。ラマン閾値において、出力結合が存在しておらず、従って、ラマン閾値を極めて低くすることができる。ポンピングの増大に伴って、増大する出力結合によって非常に効率的な動作を実現することが可能である。
【０４０６】
図２５は、ラマン及び倍増結晶内のスポットサイズの関数として、空洞内倍増ラマンレーザーの算出合計効率ＰＤＯＵＴ／ＰＰを示している。１５０μｍという結晶内のダイオードポンプ半径及びモード半径を有する１０ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザー結晶、２５ｍｍのＫＧＷラマン結晶、１０ｍｍ長のＬＢＯ結晶、１％に等しいＬＦ及びＬＳ、及び０．０１％に等しいＴＦ及びＴＳというパラメータが使用される。隣接する空洞端部ミラーの方向において結晶によって生成された倍増ストークス放射は、９０％の効率によって空洞から出射し、もう１つのものの方向において生成された放射は、レーザー結晶によって吸収される。レーザー結晶に入射するダイオードポンプ電力は、１５Ｗであった。これらのパラメータは、ミラーの組Ｂを使用する例２のレーザーに類似している。ＫＧＷ結晶内の１２５μｍの及びＬＢＯ結晶内の１００μｍの例２のレーザーにおける推定ＴＥＭ００スポットサイズの場合には、９．７％の効率が予測される（図２５に×印によってマーキングされている）。これは、例２のポンプ電力の１５Ｗにおいて計測された４．５％の効率よりも格段に高いが、レーザーが多数の横モードにおいて動作するという事実に主に起因し、実験のレーザーは、最適なもの未満において動作していると考えられる。
【０４０７】
単純な空洞内ラマンレーザーと同様に、倍増出力の効率がパラメータｇＲｌＲ／ＡＲ及びｋｌ２Ｄ／ＡＤによって決定されることをモデル式から即座に見出される。レーザー結晶からの自発放射は無視可能であるという近似の場合には（図２５にプロットされたレンジにおいては、妥当な仮定である）、単位のないラマン及び倍増結合パラメータｋＲ＝ＰＰｇＲｌＲ／ＡＲ及びｋＤ＝ＰＰｋｌ２Ｄ／ＡＲの関数として効率を規定することが可能であり、図２５の右側及び上部の軸は、結合パラメータの観点においてラベルが付与されている。この結果として、図２５から、倍増結晶及びラマン結晶内のモード面積の関数としてのみならず、結晶長、非線形パラメータ、及びダイオードポンプ電力の関数としてのスケーリング動作を推測することが可能である。又、効率の分析式は、この分析式による洞察をレーザー動作に直接的に提供するには複雑過ぎるため、このモデルにおいては考慮していないことにも留意されたい。
【０４０８】
図２５は、更に高効率の動作のためには、結合パラメータｋＲ＝ＰＰｇＲｌＲ／ＡＲ及びｋＤ＝ＰＰｋｌ２Ｄ／ＡＲを可能な限り増大させる必要があることを明らかにしている。又、これらの２つの結合パラメータ間のバランスも必要とされており、倍増パラメータｋＤが、ラマンパラメータｋＲと比べて、大き過ぎる場合には、倍増結晶が大き過ぎる損失をストークスフィールドに提示し、これにより、基本フィールドからストークスフィールドへの効率的な変換のためのストークスフィールドの十分な増強が妨げられることから、効率の減少が観察される。大き過ぎるラマンパラメータの場合には、基本フィールドに対して提示された出力結合がその最適値を超過するのに伴って、効率のわずかな減少が観察される。ラマンパラメータ及び倍増パラメータを一緒に増大させることにより、基本光子の適切な効率的な出力結合を依然として維持しつつ、ストークス放射の効率的な出力結合を増大させることが可能である。
【０４０９】
次に残留往復損失の重要性を検討する。図２６は、ストークスフィールド及び基本フィールドにおける損失の関数として、倍増ストークス放射の生成の算出効率を示している（この計算においては、本願の発明者らは、ＴＦ及びＴＳを損失として見なすことが可能であることに留意されたい）。計算は、図２５と同一のパラメータを使用し、ラマン結晶及び倍増結晶内のスポット半径は、それぞれ、１２５μ及び１００μｍに設定した。これらのパラメータの場合には、効率は、基本損失よりもストークス損失に敏感であり、これは、単純に、ストークス放射の有効出力結合が最適値よりもはるかに小さく、従って、追加のストークス損失が図２４においてモデル化されたレーザーよりも更に有害であるためである。前述の例２においては、ＴＦ＋ＬＦ＝１．０１％及びＴＳ＋ＬＳ＝１．０１％（ミラーの組Ｂ）を有する空洞における４．５％の効率が計測され、モデルは、９．７％の効率を予測している（図２６の白色の×印によって示されている）。ＴＦ＋ＬＦ＝１．２％及びＴＳ＋ＬＳ＝１．８％を有する空洞の場合には（ミラーの組Ａ）、１．６％の効率が例２において計測され、モデルは、３．７％を予測している（図２６の白色の円によって示されている）。
【０４１０】
これらの結果は、可能な限り空洞損失を低減させることの重要性を強調していると共に、１％のレベルにおける場合にも、損失は、依然としてこれらのレーザーの性能を強力に制限することを示している。損失を１％から更に０．５％に低減させることが可能である場合には、モデルは、効率における１０％から１９％への増大を予測している。
【０４１１】
要約すれば、前述のモデルは、往復損失を低減させると共にラマンプロセス及び倍増プロセスの結合パラメータを増大させることにより、倍増ラマンレーザーの効率を２０％超に増大させることが可能であることを示唆している。又、モデル化されたレーザー設計は、生成された黄色光子の半分のみを空洞から外部に結合していることを想起されたい。本願の発明者らは、空洞内偏光器又はダイクロイックミラーを内蔵する改善された空洞設計により、レーザーの出力電力をほぼ倍増させることが可能である。倍増ラマン光子が結晶を通じて一回だけ共振する空洞の場合には、倍増結晶を通じた第２パスのシーディングに起因し、倍増結合パラメータを増大させることも可能である。この結果として、４０％超の効率を実現することが可能であろう。
【０４１２】
（レーザー設計の意味）
本節においては、モデルの結果の内容のいくつかと、それらをレーザー設計に適用する方法を検討する。
【０４１３】
空洞内ラマンレーザーの場合には、ラマン結晶内の非線形結合パラメータを増大させることにより、効率を改善することが可能である。しばしば、固定されたポンプ電力しか利用可能ではなく、且つ、特定の波長に到達するべく、特定のラマン材料が使用される。この結果として、ラマン結合パラメータを増大させるには、モードサイズの低減と結晶長の増大の組み合わせを通じて、比率ｌＲ／ＡＲを増大させなければならない。当然のことながら、このようにして得られた改善には、制限が存在する。ビームの回折を反映させなければならず、且つ、結晶の長さにわたって平均化された１／ＡＲの値を考慮する必要もある。ビームウエストの共焦点パラメータが結晶長に匹敵するほどにポンプビームが結晶内において厳密に合焦されるのに伴って、もはや、小さなモード半径が結晶の全体長について維持されなくなる。更に厳密な合焦は、はるかに少ない利点しかもたらさない。前述の例２のレーザーは、２．５ｃｍのラマン結晶と、関連する９ｃｍの共焦点パラメータを有する１２５μｍのモードサイズを使用している。この結果として、このケースの場合には、結晶長を増大させるか又はラマン結晶内のモードサイズを低減させることによって得られる更なる大きな利点が依然として存在する。
【０４１４】
倍増空洞内ラマンレーザーの場合には、ラマン結合パラメータ及び倍増結合パラメータの両方を増大させて効率を改善することが望ましい。ｋＤの増大は、実際には、結合パラメータのｌ２Ｄ依存性を利用して結晶長を増大させることにより、最も容易に実現される。例２は、タイプ１の非臨界位相整合用に使用される１ｃｍ長のＬＢＯ非線形結晶を使用した。このタイプの位相整合には、通常、最大で４ｃｍのＬＢＯ結晶が使用されており、このような結晶は、図２５及び図２６の倍増スポット半径の４分の１の低減に等しいｋＤにおける１６倍の増大を実現する単純な方法を提供している。
【０４１５】
少数の横モードにおける効率的な動作を実現するには、レーザー結晶内の空洞モードサイズをポンプダイオードのスポットサイズと整合させることが極めて重要である。通常、極めて不良なビーム品質を有するダイオードからの出力を厳密に合焦することは困難であり、モデルは、ラマン結晶内の相対的に小さなモードサイズを依然として使用しつつ、レーザー結晶内の相対的に大きなモードサイズにより、正常な動作を観察することが可能であることを示唆している。このような空洞の設計は、レーザーモードとダイオード出力との間の改善された整合を可能にすると共に、低ラマン閾値及び高効率を依然として実現することになる。
【０４１６】
スポットサイズの決定が完了したら、空洞の設計を開始することが可能である。設計は、レーザー結晶及びラマン結晶内に確立される熱レンズを考慮しなければならず、これらのレンズの強度は、入射ポンプ電力に依存することになり、従って、空洞は、ポンプ電力の特定のレンジについて設計しなければならない。空洞の長さは、レーザーの閾値又は効率を決定するファクタではないが、単純な２ミラー空洞の安定性を決定する重要な考慮事項であり、レーザー結晶内の熱レンズが強力になる際には、空洞安定性を維持するべく、空洞は、一般に短く維持される。レーザー結晶内の相対的に大きなスポットサイズを有する空洞設計は、所定のポンプ電力における熱レンズの強度が低減され、これにより、空洞設計に対する制約が軽減されるという第２の利点を有している。３つ又は４つのミラーの折り返し型空洞等の更に複雑な空洞は、空洞内の結晶の各々の内部におけるスポットサイズに対する更に大きな制御を許容することが可能であり、且つ、更に強力な熱レンズにおいて安定した空洞設計を許容する。結晶の各々の内部の最適化されたスポットサイズと、これと組み合わせられた熱レンズに対する改善された安定性を有する設計により、レーザーは、大幅に向上した効率で動作することが可能になる。
【０４１７】
往復損失の主要な原因の更なる検討は、これらの損失を低減させる最良の方法を明らかにすることが可能であり、可能な方法は、結晶端部面上に誘電体ミラーを直接的にコーティングする段階、結晶上の反射防止コーティングの品質を改善する段階、及び結晶の各々の内部における散乱損失を調査し且つ低減させる段階を含む。
【０４１８】
（モデル化の要約）
以上において開示された内容は、空洞内ラマンレーザー及び空洞内倍増ラマンレーザーの平面波モデルである。大部分のパラメータレンジにおいて、ポンプレーザーダイオードによってレーザー結晶内に蓄積された電力は、基本レーザーフィールド内に非常に効率的に抽出される。レーザー結晶の役割は、低ビーム品質のダイオードから高ビーム品質の強力に空洞強化された基本フィールドに電力を効率的に転送するための手段であると考えられる。空洞内ラマンレーザーの閾値及び効率は、これらのレーザーの設計パラメータの各々の重要性を示す単純な分析式によって近似可能である。１つの重要な意味は、レーザー結晶内のポンプダイオードのスポットエリア及びモード面積は、それらが整合された場合には、ラマン閾値又はレーザー効率を決定するファクタではないということである。レーザー結晶内よりもラマン結晶内において大幅に小さなスポットを有する空洞設計は、不良なビーム品質を有するポンプダイオードを使用してポンピング可能である低ラマン閾値を有するレーザーをもたらすことができる。
【０４１９】
ラマンレーザーシステム及び倍増ラマンレーザーシステムの効率を算出した。この結果として、ラマン結合パラメータ及び倍増結合パラメータ、並びに、空洞損失に伴って、結果が増減することが観察される。前述の例の空洞内ラマンレーザーの場合には、結果は、一般に、ラマン結合パラメータの大幅な増大が、高効率動作を実現するための最良の方法であることを示している。空洞内倍増ラマンレーザーの場合には、レーザー効率を増大させるには、ラマン結合パラメータ及び倍増結合パラメータの両方を強力に増大させなければならないと結論付けることが可能であるが、これらのパラメータは、非線形プロセス間の最適なバランスを維持するべく、協調した方式で増大させなければならない。結合パラメータを極大化すると共に共振器損失を極小化する新しい設計により、４０％レベルの効率を有する空洞内倍増ラマンレーザーを実現することが可能であるものと予測される。
【０４２０】
（レーザー設計プロセス）
大きく見た場合に、これは、以上の説明、モデル化、及び例に基づいて、空洞内倍増ＣＷラマンレーザーの設計にゼロから取り組むための方法である。
【０４２１】
まず、所望のレンジ内の出力波長を提供するべく、基本利得媒質及びラマン利得媒質を選択する。特定の波長が必要とされており、この結果として、結晶の１つの組み合わせしか、この波長を実現しないという場合も存在するが、一般的には、いくつかの材料の中から選択することが可能である。
【０４２２】
それぞれが大きな励起放射断面、広い吸収帯域幅、良好な熱特性を有し、且つ、偏光された基本出力を生成するため、ＮｄＹＶＯ４及びＮＤＧｄＶＯ４等のレーザー材料は、多くの構成において適切な選択肢であるが、当業者には、その他のレーザー材料も利用可能であることが理解されるであろう。例えば、ＮｄＹＡＧも、適切な選択肢であるが、これは、偏光要素が使用されない場合には、非偏光出力を生成し、且つ、このような要素は、大きな望ましくない偏光解消損失を結果的にもたらす可能性がある。一方、ＮｄＹＡＧは、非常に望ましい熱特性を有し、且つ、必要に応じて、偏光器を伴うことなしに、ＣＷラマンレーザーシステム内において正常に実装可能であるが、ＳＲＳによって変換されるのは、共振器空洞内の基本ビームの１つの偏光のみである。
【０４２３】
設計対象のシステムに応じて選択可能である多数の可能な固体ラマン活性媒質が存在する。主な選択基準は、コスト、サイズ、損傷閾値、ラマン利得係数、及び熱特性を含む。多くの構成に好適な結晶は、それらの適度に大きなラマン利得係数、良好な熱特性、及び高損傷閾値に基づいて、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＫＧｄ（ＷＯ４）２、及びＫＹ（ＷＯ４）２であるが、その他のラマン媒質も利用可能であることが当業者には理解されるであろう。例えば、Ｂａ（ＮＯ３）２及びＢａ（ＷＯ４）は、更に大きなラマン利得を有しており、従って、低閾値が必要とされる更に低電力のシステムには、好適であろう。ダイアモンドは、最高のラマン利得及び非常に大きな損傷閾値を有する更なる代替材料であるが、高価である。
【０４２４】
多くの可能な倍増結晶が存在しており、且つ、多くの選択基準は、コスト、サイズ、損傷閾値、非線形係数、複屈折ウォークオフ、許容角度及び温度帯域幅、並びに、対象の１つ又は複数の波長を位相整合する機能である。多くの構成における好適な結晶は、ＫＴＰ、ＲＴＰ、ＬＢＯ、及びＢＢＯであるが、その他の非線形材料も利用可能であることが当業者には理解されるであろう。ＫＴＰ及びＲＴＰは、高い非線形係数を有するが、調整して波長選択することが可能な出力を生成するのに適してはいない。ＬＢＯ及びＢＢＯは、相対的に小さな非線形係数を有するが、広いレンジの波長にわたって角度及び／又は温度調整可能である。
【０４２５】
結晶の選択が完了したら、共振器を設計しなければならない。合計共振器損失（即ち、共振器内の波長におけるミラー損失、共振器空洞の要素からの散乱／反射損失、又はその他の往復損失）を低く維持して基本波長及びラマン波長において大きな循環電力を得ることが非常に重要である。この理由は、非線形プロセス（ＳＲＳ及びＳＨＧ）の効率が、これらの電力に決定的に依存しているからである。これらの損失の中で、基本波長及びラマン波長におけるミラー損失が最も重要であり、従って、共振器空洞は、これらの波長において高Ｑ（高フィネス）空洞である必要がある。同時に、共振器空洞は、周波数変換済みラマンビームの波長を効率的に出力する必要があり、従って、この波長におけるミラー透過率が非常に高いものであることを要する（＞９０％）。従って、空洞が、同時に、基本波長及びラマン波長においては、高Ｑ（高フィネス）空洞であり、且つ、出力される周波数変換済み波長においては、低Ｑ（低フィネス）空洞となるように、共振器空洞ミラーを設計する必要がある。
【０４２６】
極小化することを要するその他の損失は、ＡＲコーティング（良好な品質のコーティングが必要とされ、この結果として、結晶面を共振器軸に対して垂直に方向付けることによって損失を極小化することが可能である）と、基本波長及びラマン波長における結晶内の吸収損失（低不純物レベルを有する良好な品質の結晶を使用することによって極小化することが可能である）を含む。基本波長及びラマン波長における損失は、透過、吸収、及び／又は反射のスペクトロフォトメーター計測から、並びに／或いは、フィンドレイ・クレイ（Ｆｉｎｄｌａｙ  Ｃｌａｙ）法等の演算計測により、判定可能である。
【０４２７】
モデル化の検討において前述したように、ＳＲＳの閾値は、ラマン利得がストークス波長における共振器損失を超過した際に、即ち、（１−往復損失（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐｌｏｓｓ））ｅｘｐ（２ｇＲＩＬｌ）≧１である際に、実現される。ＳＲＳに必要とされるラマン結晶内の基本の強度ＩＬは、ラマン結晶の長さに依存する。この閾値条件は、数値的に算出可能であり、且つ、図２７〜図２９は、それぞれ、ラマン結晶である硝酸バリウムＢａ（ＮＯ３）２、ＫＧＷ、及びＢａ（ＷＯ４）の連続波ラマン閾値及び閾値における空洞内循環電力の数値計算を示している。図２７Ａ、図２７Ｂ、図２８Ａ、図２８Ｂ、及び図２９Ａ、図２９Ｂは、１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長における、並びに、０〜５％（図２７Ａ、図２８Ａ、図２９Ａ）及び０〜０．５％（図２７Ｂ、図２８Ｂ、図２９Ｂ）の共振器往復損失における連続波ラマン閾値のプロットである。図２７Ｃ、図２７Ｄ、図２８Ｃ、図２８Ｄ、図２９Ｃ、及び図２９Ｄは、１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長における、並びに、０〜５％（図２７Ｃ、図２８Ｃ、図２９Ｃ）及び０〜０．５％（図２７Ｄ、図２８Ｄ、図２９Ｄ）の共振器往復損失における空洞内循環電力のプロットである。図２７〜図２９の往復損失における共振器フィネスは、図３７Ｂ及び図３７Ｃを参照して得ることができる。ラマン閾値ＩＬは、次の式（〔数１０〕）を使用して算出される。
【０４２８】
【数１０】
2009533847.tif 000019
【０４２９】
ここで、ｌは、ラマン材料の長さである。
【０４３０】
この結果として、ストークス波長における循環電力は、次の式（〔数１１〕）から算出される。
【０４３１】
【数１１】
2009533847.tif 000020
【０４３２】
ここで、ωＦは、ラマン材料内の基本共振器モードの半径である。
【０４３３】
ラマン結晶の好適な長さは、多くの場合に、レーザーシステムの大部分の構成において、約１〜２ｃｍである。更に長い結晶は、閾値強度を低減させるべく、更に低い電力レーザーにおいて使用可能であり、更に短いラマン結晶は、更に小型のレーザーの設計を可能にする。又、更に短い結晶は、レーザー結晶内の強力な熱レンズが電力スケーリングに対する制限となっている線形共振器において望ましいであろう。このケースにおいては、空洞長を更に短くすることができるため、更に大きな出力電力が可能である。通常、ＩＬは、約１００ｋＷ／ｃｍ２、又はこれ以上である。このような数値は、Ｂａ（ＮＯ３）２及びＢａ（ＷＯ４）において最も代表的である。ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＫＧｄ（ＷＯ４）２、及びＫＹ（ＷＯ４）２の場合には、＞２００ｋＷ／ｃｍ２という更に大きな強度が通常必要とされる。選択された結晶の例示用の閾値強度、長さ、及び共振器損失が表８（〔表８〕）に示されている。
【０４３４】
【表８】
2009533847.tif 000021
【０４３５】
当然のことながら、当業者には理解されるように、ラマン結晶内の基本ビームの強度ＩＬは、ラマン材料の損傷閾値未満に維持することを要する。いくつかの固体ラマン材料における例示用の損傷閾値強度が表９（〔表９〕）に示されているが、当業者には理解されるように、これらは、レーザーの特定のパラメータを前提としている。
【０４３６】
【表９】
2009533847.tif 000022
【０４３７】
妥当な効率的な動作のためには、シングルパス周波数倍増変換効率は、少なくとも０．１％であることを要する。これを実現するために必要な倍増結晶内のラマン電力の強度は、選択されたＳＨＧ結晶に依存するが、通常は、１００ｋＷ／ｃｍ２以上である（この数値は、ＫＴＰ又はＲＴＰの最も代表的なものである。ＬＢＯの場合には、０．１％のシングルパス変換のために約２００ｋＷ／ｃｍ２の強度が必要である）。空洞内ストークス電力の関数としての変換効率は、次の式（〔数１２〕）によって算出可能である。
【０４３８】
【数１２】
2009533847.tif 000023
【０４３９】
ここで、ｌＤは、非線形倍増結晶の長さであり、ωＤは、非線形結晶内のストークス共振器モードサイズの半径であり、ｋは、非線形パラメータである。なお、ｋは、次の式（〔数１３〕）によって表される。
【０４４０】
【数１３】
2009533847.tif 000024
【０４４１】
ここで、ｎは、非線形結晶の屈折率であり、ｄｅｆｆは、非線形結晶の非線形２次係数であり、λＤは、周波数倍増出力の波長である。
【０４４２】
これらの式から、ＩＬ＝ＰＳ／（π．ωＤ２）を使用し、約０．１％の有効非線形変換効率を実現するべく、ストークス波長における空洞内循環電力を算出することが可能である。表１０（〔表１０〕）は、０．１％の非線形変換係数におけるいくつかの非線形結晶の非線形結晶内の強度ＰＳ及びストークス波長における共振器空洞内の循環電力ＩＳを示している。
【０４４３】
【表１０】
2009533847.tif 000025
【０４４４】
これらの数値は、多数の変数に応じて変化することが当業者には理解されるであろう。或いは、この代わりに、（それぞれ、１５Ｗ及び７．５Ｗのポンプ電力について計算された）図３０及び図３１に示されたもの等のグラフを本明細書に記述されたモデル化によって生成し、ラマン材料及び非線形材料の両方の内部の共振器モードサイズの目安を提供することが可能であり、且つ、非線形材料を調節し、倍増ストークス波長における効率的なレーザー出力（即ち、レーザーシステムからの可視出力）を提供することが可能である。表１１（〔表１１〕）及び表１２（〔表１２〕）は、それぞれ、ラマン（即ち、ＫＧＷ）及び非線形（即ち、ＬＢＯ）材料内のスポットサイズのいくつかの例示用の組み合わせについて図３０及び図３１を要約している。
【０４４５】
【表１１】
2009533847.tif 000026
【０４４６】
【表１２】
2009533847.tif 000027
【０４４７】
図３２〜図３５においては、共振器空洞の空洞内往復（ＲＴ）損失（即ち、空洞フィネス又はＱファクタ）を変化させる効果を、ラマン材料及び非線形性材料の両方の内部の共振器モード（スポット）サイズの関数として見出すことが可能である。図３２〜図３５は、それぞれ、基本波長における空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、及び可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）をそれぞれ示す３つの等高線プロットを含む。これらのプロットは、光学スペクトルの黄色領域（５８０〜５９５ｎｍ）内の出力放射を生成するべくＫＧＷラマン活性材料及びＬＢＯ非線形周波数倍増結晶を有する３結晶ＣＷラマンレーザー用の前述のモデル化を使用して算出された。図３２の等高線プロットは、１．５％の基本波長における往復損失及び１．５％のラマン／ストークス波長における往復損失について算出された。図３３の等高線プロットは、０．５％の基本波長における往復損失及び１．５％のラマン／ストークス波長における往復損失について算出された。図３４の等高線プロットは、１．５％の基本波長における往復損失及び０．５％のラマン／ストークス波長における往復損失について算出された。図３５の等高線プロットは、０．５％の基本波長における往復損失及び０．５％のラマン／ストークス波長における往復損失について算出された。
【０４４８】
図３２〜図３５から導出可能である主な要点は、次のとおりである。
【０４４９】
・基本波長及びラマン波長の両方において空洞往復損失を低減させること、即ち、これらの波長において共振器フィネスを増大させることが重要である。即ち、ラマン結晶及び非線形倍増結晶内の２５０μｍの直径の場合には、黄色出力は、０．５％のＲＴ損失における約２．７Ｗと比較し、１．５％のＲＴ損失においては、約０．７Ｗである。
【０４５０】
・１．５％のＲＴ損失を有する中程度のスポットサイズ（例えば、２００μｍ）の場合には、基本レーザーは、既に非常に効率的に（６５％）動作しており、倍増効率は、ちょうど３５％で稼働している。（例えば、１００μｍ等の）更に小さなスポットサイズの場合には、基本レーザーは、９０％で稼動し、倍増効率は、依然として、わずかに５０％である。
【０４５１】
・基本レーザーの損失を低減させること（即ち、基本波長においてフィネスを増大させること）は、基本レーザーの効率を増大させ、且つ、ストークスフィールドが強化された場合には、倍増効率をも増大させる傾向を有する。ラマン結晶（ＫＧＷ）内の相対的に小さなスポットサイズの場合には、基本レーザーは、既に非常に効率的に動作しており、従って、ＲＴ損失の低減は、非常にわずかな影響しか有しない。基本レーザーが不足出力結合されているラマン結晶内の相対的に大きなスポットサイズの場合には、基本レーザー効率が向上し、この結果として、ストークスフィールドが強化されると共に、倍増効率が向上する。従って、基本の損失の低減（共振器フィネスの増大）の効果は、全体的な効率のグラフをラマン材料内の相対的に大きなスポットサイズに対して引き伸ばすことにあるが、これは、全体的なレベルを上昇させることはない。
【０４５２】
・倍増効率を向上させることにより、格段に多くのものを得ることができる。これは、非線形倍増結晶（ＬＢＯ）内のスポットサイズを過剰に低減させることによっては実現不可能である。この理由は、この結果として、結合が不均衡になると共に、基本レーザーの効率が低下するためである。この代わりに、ラマン結合をも増大させ、これにより、２つのものが良好なバランスで維持されるように、倍増プロセスの結合効率を向上させる。これは、まさに、ストークス波長におけるＲＴ損失を低減させることによって実現されるものである。ストークスフィールドが大幅に強化されることによって倍増プロセス及びラマンプロセスの両方が強力に増大し、これにより、基本レーザーの高効率動作を維持しつつ、倍増効率が上昇する。
【０４５３】
又、前述のモデル化を使用し、基本波長における空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、及び可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）を、いずれも基本波長及びラマン波長における合計往復損失(即ち、共振器フィネス)の関数として示す図３６に表示されているような等高線プロットを生成することも可能である。
【０４５４】
ＳＲＳ及びＳＨＧに必要な強度を知ることにより、ラマン結晶内の基本ビームの強度及び倍増結晶内のラマンビームの強度の両方が理論的に判定された必要な強度を超過するように、共振器ミラーの曲率及びこれらの離隔距離を選択すると共に結晶を共振器内に配置することが可能である。実際には、この段階は、結晶内の共振器モードサイズが十分に小さくなるように、共振器を構成する段階を伴っている。ラマン結晶及び非線形結晶の各々の内部の共振器モードの公称モードサイズは、前述のモデル化プロセスを使用し、且つ、図２３〜図２６又は図３０〜図３４のような図を生成することにより、判定可能である。
【０４５５】
これは、経験的に、或いは、ＡＢＣＤ共振器分析を実行してモードサイズを予測することにより、実行可能である。後者の場合には、レーザー結晶及びラマン結晶内に形成された熱レンズの焦点長を（計算又は実験によって）判定する必要がある。ＬＡＳＣＡＤは、このような共振器のＡＢＣＤ分析を実行するための市販ソフトウェアである。
【０４５６】
（結言）
以上の開示内容に従って、本願の発明者らは、黄色波長における相対的に大きな出力電力及びレーザーの改善された時間的安定性を実現することが可能であると考える。本発明のレーザーシステムの構成は、眼科レーザー製品における応用製品、並びに、生物医学用の低電力レーザー、計測器、及びビジュアルディスプレイの応用製品を有する。又、本発明のレーザーシステムの更なる構成は、汎用の黄色レーザーポインタとしての応用製品をも有することが可能である。
【０４５７】
以上において説明／図示された方法／機器／装置／システムは、光学スペクトルの可視領域内の出力を提供する連続波ラマンレーザーを少なくとも実質的に提供することを理解されたい。
【０４５８】
本明細書に記述されると共に／又は、図面に示されたレーザー構成、装置、システム、及び方法は、一例としてのみ提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。特記されていない限り、レーザーの構成、装置、システム、及び方法の個々の態様及び構成要素は、変更可能であり、或いは、既知の等価物又は将来開発される可能性のある又は将来許容可能な代替物として見出される可能性のある未知の代替物によって置換可能である。又、潜在的な応用分野の範囲は大きく、且つ、本発明のレーザーの構成、装置、システム、及び方法は、多くのそのような変形に対して適合可能であることが意図されているため、これらのレーザーの構成、装置、システム、及び方法は、特許請求がなされている本発明の範囲及び精神を逸脱することなしに、様々な応用分野において変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【０４５９】
【図１】例１の構成による連続（ＣＷ）ラマンレーザーの概略図である。
【図２Ａ】ＣＷの１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流のプロットを示すグラフである。
【図２Ｂ】ＣＷの１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流のプロットを示すグラフである。
【図３Ａ】チョッピングされたポンプビームの場合の１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流のプロットを示すグラフである。
【図３Ｂ】チョッピングされたポンプビームの場合の１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流のプロットを示すグラフである。
【図４Ａ】ＣＷ及びチョッピングされたポンプビームの場合の１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流の更なるプロットを示すグラフである。
【図４Ｂ】ＣＷ及びチョッピングされたポンプビームの場合の１０６３、１１７６、及び５８８ｎｍ出力波長における出力電力対ダイオード電流の更なるプロットを示すグラフである。
【図４】異なる電力レベルにおいて稼働するレーザーシステムにおける時間の関数として異なる波長の振幅を示すグラフである。
【図５Ａ】１０６３ｎｍの基本出力、１１７６ｎｍのラマン出力、及び５８８ｎｍの倍増ラマン出力における振幅安定性を示すグラフであって、すべての３つの波長は、同時に記録されたものである。
【図５Ｂ】１０６３ｎｍの基本出力、１１７６ｎｍのラマン出力、及び５８８ｎｍの倍増ラマン出力の各々における振幅位相を示すグラフであって、すべての３つの波長は、低電力において同時に記録されたものである。
【図６】例２の構成のＣＷラマンレーザーシステムの概略図である。
【図７】ダイオードポンプの関数としてのＣＷラマン出力電力及び残留基本出力電力のグラフである。
【図８】ＣＷ及び変調（５０％のデューティサイクル）励起におけるＣＷ及び準ＣＷ５８８ｎｍ出力電力対瞬間ダイオード電力のグラフである。
【図９】例３の構成の自己ラマンレーザーシステムの概略図である。
【図１０】１３及び２４ｍｍの物理空洞長における入射ポンプ電力の関数としてのＣＷラマン（１１７３ｎｍ）出力電力のグラフである。
【図１１】ポンプ電力の関数として最適化されたラマン構成における最適化された基本、最適化されたラマン、及び残留基本のビーム品質ファクタ（Ｍ２）を示すグラフである。
【図１２Ａ】ＣＷ及び準ＣＷ動作におけるポンプ電力の関数としての黄色電力のグラフである。
【図１２Ｂ】２４ｍｍの固定物理空洞長におけるポンプ電力の関数としての最適化された基本出力電力、ラマン出力電力、及び黄色出力電力のグラフである。
【図１３】１６Ｗ（最大黄色出力電力）及び２０．２Ｗのポンプ電力におけるＣＷ基本スペクトル及びラマンスペクトルのグラフである。
【図１４Ａ】それぞれ、近距離１５０ｍＷ出力（倍率：ｘ２）を有する準ＣＷ黄色放射及び１．８８Ｗ出力の近距離最大ポンプの近距離フィールドビームプロファイルのプロットである。
【図１４Ｂ】それぞれ、近距離１５０ｍＷ出力（倍率：ｘ２）を有する準ＣＷ黄色放射及び１．８８Ｗ出力の近距離最大ポンプの近距離フィールドビームプロファイルのプロットである。
【図１５】例４の構成のラマンレーザーシステムの概略図である。
【図１６】例４の構成における短い空洞を使用する１次ストークス動作のレーザー特性のグラフである。
【図１７】例４の更なる構成における短い空洞の場合の残留赤外出力を有する黄色レーザー特性のグラフである。
【図１８】短い空洞における軸方向の位置の関数としてモードサイズの変化を示すＬＡＳＣＡＤ市販レーザー設計ソフトウェアを使用した空洞モードサイズ計算のグラフである。
【図１９】短い空洞における軸方向の位置の関数としてモードサイズの変化を示すＬＡＳＣＡＤ市販レーザー設計ソフトウェアを使用した空洞モードサイズ計算のグラフである。
【図２０】例４の１１２ｍｍ及び１１５ｍｍ長の空洞におけるポンプ電力の関数としての出力電力のグラフである。
【図２１】例４の結合型空洞構成の更なる概略構成を示す図である。
【図２２】数値分析ために使用されたＣＷラマンレーザーシステムの概略構成を示す図である。
【図２３】レーザー結晶内の１５０μｍのスポット、基本放射及びストークス放射における１％の往復損失、基本放射における０．２％の出力結合、及び１５Ｗのダイオードポンプ電力を使用した計算におけるストークス出力結合及びラマン結晶内のスポット半径の関数としての単純なラマンレーザーの出力効率ＰＳＯＵＴ／ＰＰのプロットを示すグラフである。
【図２４】レーザー結晶内の１５０μｍのスポット、ラマン結晶内の１２５μｍのスポット、ストークス放射における２％の出力結合、基本放射における０．２％の出力結合、及び１５Ｗのダイオードポンプ電力を使用した計算におけるストークス及び基本往復損失の関数としての単純なラマンレーザーの出力効率ＰＳＯＵＴ／ＰＰのプロットを示すグラフである。
【図２５】レーザー結晶内の１５０μｍのスポット、基本及びストークスにおける１．０％の往復損失、ＴＤ＝９０％、及び１５Ｗのダイオードポンプ電力を使用した計算における倍増結晶及びラマン結晶内のスポットサイズの関数としての倍増ラマンレーザーの出力効率ＰＤＯＵＴ／ＰＰのプロットを示すグラフである。
【図２６】レーザー結晶内の１５０μｍのスポット、ラマン結晶内の１２５μｍスポットサイズ、倍増結晶内の１００μｍのスポットサイズ、及びＴＤ＝９０％を使用した計算における基本放射及びストークス放射の往復損失の関数としての倍増ラマンレーザーの出力効率ＰＤＯＵＴ／ＰＰのプロットを示すグラフである。
【図２７Ａ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＮＯ３）２を含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：ＭＷ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２７Ｂ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＮＯ３）２を含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：ＭＷ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２７Ｃ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＮＯ３）２を有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図２７Ｄ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＮＯ３）２を有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図２８Ａ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＫＧＷを含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：Ｗ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２８Ｂ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＫＧＷを含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：Ｗ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２８Ｃ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＫＧＷを有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図２８Ｄ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＫＧＷを有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図２９Ａ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＷＯ４）を含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：ＭＷ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２９Ｂ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＷＯ４）を含むレーザーシステムの連続波ラマン動作を実現するのに必要なラマン材料内の基本ビームの連続波空洞内強度（ラマン閾値）（単位：ＭＷ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２９Ｃ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＷＯ４）を有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図２９Ｄ】１、２、３、４、及び５ｍｍの結晶長及びそれぞれ０〜５％及び０〜０．５％の共振器往復損失の、ラマン材料としてＢａ（ＷＯ４）を有するレーザーシステムのラマン閾値における共振器空洞内の連続波空洞内循環ラマン電力のグラフである。
【図３０Ａ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は１５Ｗである）内のスポットサイズの関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３０Ｂ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は１５Ｗである）内のスポットサイズの関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３０Ｃ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は１５Ｗである）内のスポットサイズの関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３０Ｄ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は１５Ｗである）内のスポットサイズの関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３１Ａ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は７．５Ｗである）内のスポットサイズ関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３１Ｂ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は７．５Ｗである）内のスポットサイズ関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３１Ｃ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は７．５Ｗである）内のスポットサイズ関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３１Ｄ】それぞれ、ラマン結晶及び非線形結晶（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＯであり、ポンプ電力は７．５Ｗである）内のスポットサイズ関数としての、基本波長におけるモデル化された空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、可視内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）、並びに、非線形変換効率を示すグラフである。
【図３２】基本波長における空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、及び可視領域内の周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）をそれぞれ示す３つの等高線プロットの集合を示す図であって、ここに、基本波長における往復損失は、１．５％であり、ラマン／ストークス波長における往復損失は、１．５％である。
【図３３】図３２の等高線プロットに類似した３つの等高線プロットの集合を示す図であって、ここに、基本波長における往復損失は、０．５％であり、ラマン／ストークス波長における往復損失は、１．５％である。
【図３４】図３２の等高線プロットに類似した３つの等高線プロットの集合を示す図であって、ここに、基本波長における往復損失は、１．５％であり、ラマン／ストークス波長における往復損失は、０．５％である。
【図３５】図３２の等高線プロットに類似した３つの等高線プロットの集合を示す図であって、ここに、基本波長における往復損失は、０．５％であり、ラマン／ストークス波長における往復損失は、０．５％である。
【図３６】それぞれ、１５Ｗのポンプ電力及び２００μｍのラマン材料及び非線形材料（それぞれ、ＫＧＷ及びＬＢＮＯ）内のスポットサイズにおけるラマン基本波長の往復共振器損失の関数として、基本波長における空洞内循環電力（ＰＦ）、ストークス（ラマンシフトされた基本）波長における空洞内循環電力（ＰＳ）、及び周波数変換済み（倍増）波長における出力電力（ＰＤＯＵＴ）をそれぞれ示す３つの等高線プロットの集合を表す図である。
【図３７Ａ】往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。
【図３７Ｂ】往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。
【図３７Ｃ】往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。
【図３７Ｄ】往復共振器損失の関数として共振器のフィネスを示すグラフである。
【図１】
2009533847.tif 000028
【図２Ａ】
2009533847.tif 000029
【図２Ｂ】
2009533847.tif 000030
【図３Ａ】
2009533847.tif 000031
【図３Ｂ】
2009533847.tif 000032
【図４Ａ】
2009533847.tif 000033
【図４Ｂ】
2009533847.tif 000034
【図５Ａ】
2009533847.tif 000035
【図５Ｂ】
2009533847.tif 000036
【図６】
2009533847.tif 000037
【図７】
2009533847.tif 000038
【図８】
2009533847.tif 000039
【図９】
2009533847.tif 000040
【図１０】
2009533847.tif 000041
【図１１】
2009533847.tif 000042
【図１２Ａ】
2009533847.tif 000043
【図１２Ｂ】
2009533847.tif 000044
【図１３】
2009533847.tif 000045
【図１４Ａ】
2009533847.tif 000046
【図１４Ｂ】
2009533847.tif 000047
【図１５】
2009533847.tif 000048
【図１６】
2009533847.tif 000049
【図１７】
2009533847.tif 000050
【図１８】
2009533847.tif 000051
【図１９】
2009533847.tif 000052
【図２０】
2009533847.tif 000053
【図２１】
2009533847.tif 000054
【図２２】
2009533847.tif 000055
【図２３】
2009533847.tif 000056
【図２４】
2009533847.tif 000057
【図２５】
2009533847.tif 000058
【図２６】
2009533847.tif 000059
【図２７Ａ】
2009533847.tif 000060
【図２７Ｂ】
2009533847.tif 000061
【図２７Ｃ】
2009533847.tif 000062
【図２７Ｄ】
2009533847.tif 000063
【図２８Ａ】
2009533847.tif 000064
【図２８Ｂ】
2009533847.tif 000065
【図２８Ｃ】
2009533847.tif 000066
【図２８Ｄ】
2009533847.tif 000067
【図２９Ａ】
2009533847.tif 000068
【図２９Ｂ】
2009533847.tif 000069
【図２９Ｃ】
2009533847.tif 000070
【図２９Ｄ】
2009533847.tif 000071
【図３０Ａ】
2009533847.tif 000072
【図３０Ｂ】
2009533847.tif 000073
【図３０Ｃ】
2009533847.tif 000074
【図３０Ｄ】
2009533847.tif 000075
【図３１Ａ】
2009533847.tif 000076
【図３１Ｂ】
2009533847.tif 000077
【図３１Ｃ】
2009533847.tif 000078
【図３１Ｄ】
2009533847.tif 000079
【図３２】
2009533847.tif 000080
【図３３】
2009533847.tif 000081
【図３４】
2009533847.tif 000082
【図３５】
2009533847.tif 000083
【図３６】
2009533847.tif 000084
【図３７Ａ】
2009533847.tif 000085
【図３７Ｂ】
2009533847.tif 000086
【図３７Ｃ】
2009533847.tif 000087
【図３７Ｄ】
2009533847.tif 000088
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月13日(2008.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１６】
本発明による共振器空洞内には、潜在的に、空洞内において共振する複数の異なる波長のレーザー光が存在することが可能である。このような状況は、共振器空洞が、その内部における共振を必要とするすべての波長については、高Ｑ空洞（即ち、高い光学品質係数）となり、且つ、共振空洞から出力される波長については、高Ｑ空洞にならないように、空洞を規定する反射器の反射率を選択することにより、実現可能である。等価的に、空洞は、その内部における共振を必要とするすべての波長については、高フィネス空洞であり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、低フィネス空洞である。基本波長、１次ストークス波長、及び２次ストークス波長の中の１つ又は複数のものが存在することが可能である。更には、ラマン活性媒質が複数のラマンシフトを有するケースにおいては、ラマン活性媒質によって生成された複数のラマンシフトされたビームの各々からの１次及び２次ストークス波長が存在することが可能である。又、本発明のレーザー空洞は、周波数倍増又は和周波数生成又は差周波数生成の機能を有する非線形媒質を有することも可能である。従って、非線形媒質の調整機能に応じて、前述の波長の各々を周波数倍増することが可能であり、或いは、任意の２つのものを周波数加算又は周波数減算することが可能である。従って、本発明は、空洞から様々な異なる波長を選択的に出力する手段を提供することが可能である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８３】
（反射器）
空洞反射器上の誘電体コーティングの透過特性をレーザーシステムの１つ又は複数の出力波長に適するように最適化することが可能である。従って、例えば、システムがラマン活性媒質から出力されるレーザービームの周波数を変換する非線形媒質を有する場合には、反射器は、変換済みの周波数については、透過性を有し、且つ、空洞内において生成されたすべてのその他の周波数については、反射性を有することができる。これは、空洞が、その内部における共振を要するすべての波長については、高光学Ｑ（高フィネス）空洞となり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、高Ｑではない（即ち、低Ｑ又は低フィネス）空洞となるように、空洞を規定する反射器の反射率を選択することによって実現可能である。等価的に、空洞は、その内部における共振を要するすべての波長については、高フィネス空洞であり、且つ、共振器空洞から出力される波長については、低フィネス空洞である。
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月26日(2008.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項２】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高いＱの空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低いＱの空洞共振器空洞である、連続波レーザー。
【請求項３】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済みの波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記第１及び第２反射器は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方の波長において高度な反射性を有し、且つ、前記連続波変換済みビームが前記共振器空洞から出力されるように、前記変換済みビームの波長において高度な透過性を有することを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項４】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する安定した連続波ラマンレーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする、安定した連続波ラマンレーザー。
【請求項５】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
出力カプラと、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して光学スペクトラムの可視領域内の連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する安定した連続波可視ラマンレーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であり、且つ、前記可視連続波変換済みビームは、前記出力カプラによって前記共振器空洞から外部に出力されることを特徴とする、安定した連続波可視ラマンレーザー。
【請求項６】
共振器空洞と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質と、
前記レーザー利得媒質を冷却する第１冷却要素と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質と、
前記ラマン活性媒質を冷却する第２冷却要素と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質とを有する連続波レーザーにおいて、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする、連続波レーザー。
【請求項７】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項８】
前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７記載の連続波レーザー。
【請求項９】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、前記ラマン材料の損傷閾値を下回る請求項１〜７のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１０】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１〜９のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１１】
前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項１０記載の連続波レーザー。
【請求項１２】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１３】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９５％〜９９．９９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１４】
前記基本ビーム及び前記ラマンビームの両方の波長における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．９９％〜９９．９９９％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１５】
前記共振器空洞からの前記変換済みビームの出力のために構成された出力カプラを更に有する請求項１、２、３、４又は６のいずれか一項に記載のレーザー。
【請求項１６】
前記出力カプラは、前記周波数変換済みビームの波長の高透過率のために構成された反射器である請求項１５記載の連続波レーザー。
【請求項１７】
前記第１又は第２反射器のいずれか一方は、前記出力カプラである請求項１５記載の連続波レーザー。
【請求項１８】
ラマン活性材料を冷却する冷却手段を更に有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項１９】
前記冷却手段は、受動型冷却手段又は能動型冷却手段のいずれか一方である請求項１８記載の連続波レーザー。
【請求項２０】
前記冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方である請求項１８記載の連続波レーザー。
【請求項２１】
前記液体冷却手段は、循環液体冷却手段である請求項２０記載の連続波レーザー。
【請求項２２】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、プレーン平行固体ラマン材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項２３】
前記共振器空洞は、それに沿って前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームが各々の空洞モードにおいて前記空洞内を伝播する共振器軸を有し、前記プレーン平行固体ラマン材料のプレーン平行表面は、前記共振器軸上に位置し、且つ、この場合に、前記プレーン平行表面は、ラマン結晶の前記プレーン平行表面からの前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの光学反射が、前記各々の空洞モード内に反射され、且つ、前記共振器空洞内において伝播を継続するように、前記共振器軸に実質的に垂直になるように配置される、請求項２２記載の連続波レーザー。
【請求項２４】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約１度である請求項２３記載の連続波レーザー。
【請求項２５】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、１度未満である請求項２３記載の連続波レーザー。
【請求項２６】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約０．５度である請求項２５記載の連続波レーザー。
【請求項２７】
前記共振器軸と、前記ラマン結晶の前記プレーン平行表面の各々の垂線との間の角度オフセットは、約０．１度である請求項２５記載の連続波レーザー。
【請求項２８】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、０．００１％〜２％のレンジ内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項２９】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、２％未満である請求項２８記載の連続波レーザー。
【請求項３０】
前記基本波長及び前記ラマン波長の両方における前記共振器空洞の往復損失は、０．００１％〜１％レンジ内である請求項２８記載の連続波レーザー。
【請求項３１】
前記レーザー材料、前記ラマン材料、及び前記非線形材料は、固体材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３２】
前記ラマン材料は、高純度固体ラマン材料である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３３】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３４】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、０．１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３５】
前記ラマン媒質中の不純物の量は、０．０１ｐｐｍ未満である請求項３２記載の連続波レーザー。
【請求項３６】
前記レーザー媒質、前記ラマン媒質、及び前記非線形媒質は、高純度固体媒質である請求項１〜６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項３７】
前記連続波基本ビームは、線形偏光される請求項１記載の連続波レーザー。
【請求項３８】
前記ラマン活性媒質は、固体ラマン活性媒質であり、前記連続波基本ビームの偏光方向は、前記ラマン活性媒質のラマン利得軸に位置合わせされる請求項３７記載の連続波レーザー。
【請求項３９】
前記ラマン利得軸は、前記線形偏光された基本ビームが、線形偏光されたラマンビームにラマンシフトされるように、前記ラマン活性媒質内のその他の軸と比較された際に前記固体ラマン活性媒質における相対的な最大値であるラマン利得係数を有する請求項３８記載の連続波レーザー。
【請求項４０】
前記非線形結晶は、非線形変換軸を有する固体非線形結晶であり、且つ、前記線形偏光されたラマンビームの偏光方向は、前記非線形変換軸に位置合わせされる請求項３９記載の連続波レーザー。
【請求項４１】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、固体媒質である請求項１〜４０のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４２】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の少なくとも１つは、導波路形状を有する請求項１〜４１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４３】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、結晶質固体媒質である請求項１〜４２のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４４】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び非線形媒質の１つ又は複数のものは、前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は前記非線形媒質の少なくとも１つと接触状態にある請求項４３記載の連続波レーザー。
【請求項４５】
前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の１つ又は複数のものは、前記レーザー利得媒質、ラマン活性媒質、又は前記非線形媒質の少なくとも１つに拡散接合又は接着される請求項４４記載の連続波レーザー。
【請求項４６】
前記非線形媒質は、調整可能な非線形媒質を有し、且つ、前記連続波レーザーは、前記調整可能な非線形媒質を調整するチューナーを有する請求項１〜４５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項４７】
前記チューナーは、温度チューナーである請求項４６記載の連続波レーザー。
【請求項４８】
前記チューナーは、角度チューナーである請求項４６記載の連続波レーザー。
【請求項４９】
前記レーザー媒質及び前記ラマン活性媒質は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方を生成するラマン活性利得媒質内に提供される請求項１〜４８のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５０】
前記ラマン活性利得媒質は、線形偏光されたラマンビームを生成する結晶質ラマン活性利得媒質である請求項４９記載の連続波レーザー。
【請求項５１】
前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料である請求項１〜５０のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５２】
前記ラマン媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料である請求項１〜５１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５３】
前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを生成するラマン活性媒質であり、且つ、前記レーザー媒質は、前記連続波ラマンビームを周波数変換して前記連続波変換済みビームを生成する周波数倍増材料でもある請求項１〜５２のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５４】
前記レーザー利得媒質は、ＹＬＦ、ＹＡＧ、ＹＡＬＯ、及びＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＹＡＢ、ＹＣＯＢ、ＫＧＷ、及びＫＹＷのグループから選択され、且つ、前記レーザー利得媒質は、活性ドーパントイオンによってドーピングされる請求項１〜５３のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５５】
前記活性ドーパントイオンは、ネオジミウム又はイッテルビウムのいずれか一方である請求項５４記載の連続波レーザー。
【請求項５６】
前記ラマン活性媒質は、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム）、ＫＹＷ（タングステン酸カリウムイットリウム）、Ｂａ（ＮＯ３）２（硝酸バリウム）、ＬｉＩＯ３（ヨウ素酸リチウム）、ＢａＷＯ４（タングステン酸バリウム）、ＰｂＷＯ４（タングステン酸鉛）、ＣａＷＯ４（タングステン酸カルシウム）、その他の適切なタングステン酸塩又はモリブデン酸塩、ダイアモンド、ＧｄＹＶＯ４（バナジウム酸ガドリニウム）、ＹＶＯ４（バナジウム酸イットリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、及びラマン活性を有するその他の適切な結晶質材料のグループから選択される請求項１〜５５のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５７】
前記非線形媒質は、ＬＢＯ、ＬＴＢＯ、ＢＢＯ、ＫＢＯ、ＫＴＰ、ＲＴＡ、ＲＴＰ、ＫＴＡ、ＡＤＰ、ＬｉＩＯ３、ＫＤ＊Ｐ、ＬｉＮｂＯ３、及び周期分極反転ＬｉＮｂＯ３のグループから選択される請求項１〜５６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５８】
前記連続波変換済みビームは、光学スペクトルの可視領域内の波長を有する請求項１〜５７のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項５９】
前記連続波変換済みビームは、５００〜８００ｎｍのレンジ内の波長を有する請求項５８記載の連続波レーザー。
【請求項６０】
前記連続波変化済みビームは、５５０〜６６０ｎｍのレンジ内の波長を有する請求項５９記載の連続波レーザー。
【請求項６１】
前記連続波変換済みビームは、５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択された波長を有する請求項１〜５９のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６２】
前記共振器空洞内に配置される第３反射器を更に有し、前記利得材料及び前記ラマン材料は、前記第１及び前記第３反射器の中間に配置され、且つ、前記非線形材料は、前記第３及び前記第２反射器の中間に配置され、この場合に、前記第３反射器は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの両方の光学波長における高い反射率のために構成され、且つ、前記第３反射器は、前記周波数変換済みビームの波長の高い透過率のためにも構成される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６３】
前記第３反射器は、前記出力カプラである請求項６２記載の連続波レーザー。
【請求項６４】
前記共振器空洞は、共振器モードを有し、且つ、前記レーザーは、前記共振器内にそれぞれ配置される第３及び第４反射器を更に有し、この場合に、前記共振器モードサイズが、前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質の各々の内部において独立的に構成可能となるように、前記レーザー利得媒質は、前記第３及び第４反射器の中間に配置され、前記ラマン活性媒質は、前記第１及び第３反射器の中間に配置され、且つ、前記非線形媒質は、前記第４及び第２反射器の中間に配置される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６５】
前記共振器空洞は、共振器モードを有し、且つ、前記レーザーは、前記共振器空洞内にそれぞれ配置される第３及び第４反射器を更に有し、この場合に、前記レーザー利得媒質は、前記第３及び第４反射器の中間に配置され、且つ、前記ラマン活性媒質及び前記非線形媒質は、前記第４及び前記第２反射器の中間に配置される請求項１〜６１のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６６】
前記共振器モードは、少なくとも２つのウエスト位置を有し、且つ、前記ラマン活性及び非線形媒質は、それぞれ、各々のウエスト位置に配置される請求項６４記載の連続波レーザー。
【請求項６７】
前記第１及び第２反射器、前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質要素は、それぞれ、選択された隣接する要素間の離隔距離が０．１〜２ｍｍのレンジ内になるように配置される請求項１〜６６のいずれか一項に記載の連続波レーザー。
【請求項６８】
前記連続波変換済みビームを更なる連続波変換済みビームに周波数変換する前記共振器空洞の第２非線形媒質を更に有する請求項１〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、光学スペクトルの紫外領域内である請求項６８記載の方法。
【請求項７０】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、２５０〜４００ｎｍのレンジ内である請求項６９記載の方法。
【請求項７１】
前記更なる周波数変換済みビームの波長は、２５０〜３００ｎｍのレンジ内である請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
連続波レーザー出力を生成する方法において、
共振器空洞を提供する段階と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階であって、前記反射器は、前記共振器空洞が第１及び第２光学波長における高フィネス及び第３光学波長における低フィネスを同時に有するように構成される段階と、
前記第１光学波長における連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、
前記第１光学波長を前記第２光学波長にラマンシフトさせて前記第２光学波長における連続波ラマンビームを生成する機能を有する前記共振器空洞内に配置されるラマン活性媒質を提供する段階と、
前記第２光学波長を前記第３光学波長に周波数変換して前記第３光学波長における連続波変換済みビームを生成する機能を有する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階と、
前記共振器空洞の外部に配置されるポンプ源によって前記レーザー利得媒質を光学的にポンピングして前記共振器空洞内において共振する前記第１光学波長における前記連続波基本ビームを生成する段階であって、前記第１光学波長は、この後に、前記ラマン活性媒質によって前記第２光学波長にラマンシフトされ、且つ、前記第２光学波長は、前記非線形媒質によって前記第３光学波長に周波数変換される段階と、
前記第３光学波長を前記共振器空洞から出力して連続波レーザー出力を提供する段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項７３】
動作の際に、前記ラマン活性媒質内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、連続波ラマン動作の閾値強度を上回り、且つ、前記ラマン活性媒質の損傷閾値を下回る請求項７２記載の方法。
【請求項７４】
連続波レーザー出力を生成する方法において、
共振器空洞を提供する段階と、
前記共振器空洞の対向する端部に配置される少なくとも第１反射器及び第２反射器を提供する段階と、
前記共振器空洞の外部のポンプ源からのポンプビームによってポンピングされた際に前記共振器空洞内において共振する連続波基本ビームを生成する前記共振器空洞内に配置されるレーザー利得媒質を提供する段階と、
前記連続波基本ビームをラマンシフトさせて前記共振器空洞内において共振する連続波ラマンビームを生成する前記共振器空洞内に配置される固体ラマン活性媒質を提供する段階と、
前記連続波ラマンビームを変換済み波長に周波数変換して連続波変換済みビームを生成する前記共振器空洞内に配置される非線形媒質を提供する段階とを有し、
前記共振器空洞は、前記連続波基本ビーム及び前記連続波ラマンビームの波長において高フィネス共振器空洞であり、且つ、前記連続波変換済みビームの波長において低フィネス共振器空洞であることを特徴とする方法。
【請求項７５】
前記第１及び第２光学波長の両方における前記第１及び第２反射器の両方の反射率は、９９．５％〜９９．９９％のレンジ内である請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７６】
動作の際に、前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、８０ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７７】
前記ラマン結晶内の前記連続波基本ビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回り、且つ、前記非線形材料内の前記連続波ラマンビームの空洞内強度は、１００ｋＷ／ｃｍ２を上回る請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
ラマン活性材料を冷却する冷却手段を提供する段階を更に有する請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項７９】
前記冷却手段は、受動型冷却手段又は能動型冷却手段のいずれか一方である請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
前記冷却手段は、空気冷却手段又は液体冷却手段のいずれか一方である請求項７８記載の方法。
【請求項８１】
前記液体冷却手段は、循環液体冷却手段である請求項７９記載の方法。
【請求項８２】
前記レーザー利得媒質は、前記第１光学周波数において線形偏光された連続波基本ビームを生成する機能を有する請求項７２又は７４記載の方法。
【請求項８３】
前記ラマン活性媒質は、前記線形偏光された基本ビームを、前記第２光学波長において線形偏光された連続波ラマンビームにラマンシフトさせる請求項８２記載の方法。
【請求項８４】
前記非線形媒質は、前記線形偏光されたラマンビームを、前記第３光学波長において線形偏光された連続波周波数変換済みビームに周波数変換する請求項８３記載の方法。
【請求項８５】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、固体媒質である請求項７２〜８４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記レーザー利得媒質、前記ラマン活性媒質、及び前記非線形媒質は、それぞれ、結晶質固体媒質である請求項７２〜８５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
前記レーザー利得媒質及び前記ラマン活性媒質は、同一の結晶質固体媒質である請求項７２〜８６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８８】
前記第３光学波長は、光学スペクトルの可視領域内である請求項７２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
前記第３光学波長は、４００〜８００ｎｍのレンジ内である請求項８８記載の方法。
【請求項９０】
前記第３光学波長は、５５０〜６００ｎｍのレンジ内である請求項８９記載の方法。
【請求項９１】
前記第３光学波長は、５３２ｎｍ、５５５ｎｍ、５５９ｎｍ、５７９ｎｍ、５８８ｎｍ、５８９ｎｍ、５９３ｎｍ、６０６ｎｍ、６２１ｎｍ、６３６ｎｍ、６５８ｎｍ、及び６７１ｎｍのグループから選択される請求項７２〜９０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９２】
前記第３光学波長を第４光学波長に周波数変換する前記共振器空洞内の第２非線形媒質を提供する段階を更に有する請求項７２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９３】
前記第３光学波長は、光学スペクトルの紫外領域内である請求項９２記載の方法。
【請求項９４】
前記第３光学波長は、２５０〜４００ｎｍのレンジ内である請求項９３記載の方法。
【請求項９５】
前記第３光学波長は、２５０〜３００ｎｍのレンジ内である請求項９４記載の方法。
【国際調査報告】
2009533847.tif 000089
2009533847.tif 000090
2009533847.tif 000091