(57)【要約】      （修正有）【課題】特定の周波数２倍化結晶を組み込んだ信頼性の高い周波数２倍化レーザの提供。【解決手段】ポンプレーザ１より周波数外部キャビティ周波数２倍化部分に励起光をレンズでビームを平行化して入射する。周波数２倍化外部キャビティは、ＶＥＣＳＥＬ型９８０ｎｍ利得媒質２，波長選択器３、ＳＨＧ結晶４，および９８０ｎｍ高反射ミラーを有する出力結合器５により構成される。【選択図】図１
2006113591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部キャビティポンプレーザ部分、及び追加キャビティ周波数２倍化部分を備える周波数２倍化外部キャビティレーザであって、前記ポンプレーザ部分が、
ｉ）キャビティに対向するチップの面上に設けた反射防止コーティング、
ｉｉ）キャビティの出力面上に設けた低反射率コーティング、
ｉｉｉ）シングルモード出力ビームを生成するために前記チップの反射防止側に設けた波長選択素子、
ｉｖ）チップ出力ビームを平行化し、前記チップ出力ビームを周波数２倍化部分に向けるように作用する、チップの出力側に設けた少なくとも1つのレンズ
を有する縁発光半導体チップを備え、周波数２倍化部分が、
ｉ）グレートラック抵抗ＰＰＫＴＰ、化学量論的ＰＰＬＴ、ＭｇＯをドーピングした化学量論的ＰＰＬＮ、及びＭｇＯをドーピングした一致溶融ＰＰＬＮからなる群から選択された材料の第２高調波生成結晶、
ｉｉ）チップ出力ビームが周波数２倍化結晶を１〜４回共直線的に通過し、多数回通過を経て生成された第２高調波が建設的であるように構成される周波数２倍化光学装置、及び
ｉｉｉ）平行化され周波数２倍化された出力ビームを生成するためのビーム形成光学装
を備えるレーザ。
【請求項２】
前記結晶材料が、ＭｇＯをドーピングした化学量論的ＰＰＬＮ、又はＭｇＯをドーピングした一致溶融ＰＰＬＮである、請求項1に記載のレーザ。
【請求項３】
前記結晶材料が、ＭｇＯをドーピングした一致溶融ＰＰＬＮである、請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
前記結晶材料が、化学量論的ＰＰＬＴである、請求項２に記載のレーザ。
【請求項５】
前記結晶材料が、グレートラック抵抗ＰＰＫＴＰである、請求項２に記載のレーザ。
【請求項６】
前記周波数２倍化された出力ビームが、ほぼ４８８ｎｍの波長を有する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】
前記周波数２倍化された出力ビームが、ほぼ５０５ｎｍの波長を有する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項８】
前記周波数２倍化された出力ビームが、５２８ｎｍ〜５３２ｎｍの波長を有する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項９】
前記周波数２倍化された出力ビームが、３５０ｎｍ〜３６０ｎｍの波長を有する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記周波数２倍化光学装置により、チップ出力ビームが、前記周波数２倍化結晶を２回又は４回共直線的に通過する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記ビーム形成光学装置が、平行化レンズ、アナモルフィックプリズム対、及び傾斜した集束レンズを備える、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記周波数２倍化光学装置が、位相調整器、及び少なくとも２つのミラーを備える、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記ミラーが反転望遠鏡として作用する、請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１４】
前記周波数２倍化結晶の面が反射防止コーティングを有する、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１５】
フローサイトメータ、ＤＮＡ配列決定装置、ＲＮＡ配列決定装置、及び共焦点顕微鏡からなる群から選択された生物医学機器の光源となるように動作可能に接続された請求項１に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長範囲で発光し特定の非線形周波数２倍化結晶を組み込んだ周波数２倍化外部キャビティレーザに関する。本発明のレーザは、バイオフォトニクスの用途に特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
生物医学的研究と臨床診断とにそれぞれ適用される新たな計測器の開発を推進する原動力は緊密に関連している。第一に、新たな性能及び性能向上に対する需要が存在する。最近３０年間において、まったく新しく且つ大きな産業区分の出現は、遺伝子配列決定処理、フローサイトメトリ、タンパク質測定、及び共焦点顕微鏡処理のような新たな機能を有する計測器の開発に起因する。これらの器具は、免疫学、腫瘍学、及び医薬品発見における進歩を顕著に加速してきた。
第二の重要な原動力は、器具の経済性を継続的に改善する必要性である。このような器具の初期コスト、運用コスト、信頼性、大きさ、計測速度、及び使い易さが、このような器具がいかに広範に配備され利用されることになるかに最も影響する。その結果、器具の経済性が、新たな治療法及び薬剤療法の発見率、並びに公衆に利用可能な健康管理の質に結果的に影響を与える可能性があるので、計測器の性能及び経済性は、生物医学産業においては他の業界におけるよりも重要性が高い。
【０００３】
生物医学用器具におけるレーザの使用は、新たな器具性能の開発に必須である。細胞、遺伝子、及びタンパク質を研究するための器具は全て、レーザの機能に大きく依存する。これらの器具には、フローサイトメータ、ＤＮＡ配列決定装置、配列スキャナ、マイクロプレートリーダ、共焦点顕微鏡、及び質量分析計が含まれる。したがって、これらの器具の性能及び経済性の改善もまた、これらのレーザ源の性能及び経済性により影響を受け、場合によっては制限されることは驚くことではない。これらの器具が基本的研究ツールから診断及び薬剤発見のソリューションへと進歩するにつれて、器具、及び特にレーザは、性能と経済性両方を同時に改善することがしばしば求められる。
レーザを基本とする生物医学器具の多くは、ガス管レーザ（例えばアルゴンイオンレーザ）を中核として考えられる。アルゴンイオンレーザの概して良好な光学的特性が、多数の商業的器具に採用され使用される要因の中枢である。具体的には、アルゴンイオンレーザは、一定の範囲の環境条件（温度４ｏＣ〜４０ｏＣ、湿度０〜９０％）下で、波長（＜０．１ｎｍ）、ビーム点描性（＜１０μｒａｄ／ｏＣ）、及びパワー（変化＜２％）が安定なガウスＴＥＭ００ビーム（Ｍ２＜１．１）を競争価格で提供する。しかし、アルゴンイオンレーザには、大きさ（レーザヘッド５”ｘ６”ｘ１２”及び電源部５”ｘ６”ｘ１１”）、重量（ヘッド１４ｌｂｓ及び電源部１５ｌｂｓ）、電力消費（約２．５ｋＷ）、及び短い動作寿命（ＭＴＴＦ約５，０００時間）という顕著な制限がある。その上、アルゴンイオンレーザは厳密にはシングルモードでない。すなわち不完全なサイドモード抑制がある。
【０００４】
過去において、アルゴンイオンレーザは、多くの診断／分析器具の動作が依存する蛍光の誘導に必要な青色光（４８８ｎｍ）及び緑色光（５１４ｎｍ）の唯一の供給源であった。アルゴンイオンレーザは、アルゴンイオンレーザを用いる生物学用器具の用途が基礎研究に限られている場合のみ適切であった。今日の薬剤発見用の研究室においては、器具の利用状態は、研究室よりは生産環境に近くなっていることが多い。これは、器具の信頼性が益々重要になってきていることを意味する。同時に、研究者は、彼らが用いる器具の性能が向上することを求めており、このことはしばしば、さらに多くの波長、すなわちさらに多くのレーザが個々のレーザに取り込まれつつあることを意味する。その結果、レーザの大きさ、電力消費、及び動作寿命が、重要な差異化要素となっている。
例えばフローサイトメトリにおいて、ポイントオブケア（ＰＯＣ）、つまり医師執務室又は移動式検査室に適した器具の開発が進行中である。フローサイトメータは、血液細胞の分析にレーザを用いる。レーザ光が蛍光標識を有する細胞によって散乱する様子を解析することにより、血液細胞を計数し、細胞形式及び発病状態によって分類することができる。このような器具をＰＯＣの近くに配備する一つの動機は、すぐ結果が得られて試料の損失又は取り扱いの間違いを最小にできることである。診断の速度と信頼性は、これらの器具を患者の近くに移動させることによって改善が可能である。ＰＯＣ診断器具の別の例は、ＨＩＶ及びＡＩＤＳに対する戦いの場にある。サハラ砂漠より南部のアフリカのような場所における最大の難題の一つは、ＨＩＶ陽性者を決定することである。これには、しばしば血液検査が必要である。現場で迅速に結果が得られる臨床診断級のサイトメータを備えた移動式検査室は、この問題に取り組む真に有効な唯一の方法であるように思われる。
【０００５】
フローサイトメータのような器具が研究室から臨床環境に広まるにつれて、計測精度と再現性の重要性が増大する。この場合、レーザの寿命時間にわたるレーザの輝度ノイズが、これらの器具の配備と利用とを制限する主要要因である。アルゴンイオンレーザは、高い信頼性、小型化、高い動作効率、及び卓越した光学性能という新たな要件を満たすことができない。この分野での最近の発展については、例えば非特許文献１を参照されたい。
前述の必要性により、アルゴンイオンレーザの代替品を見出そうとする努力が行なわれ、生物測定器分野で新たに出現するニーズを満たす、特性及び性能を強化した新たな固体レーザプラットフォームが見出された。生物分析測定器は、高性能のソリューションを要する、要求の厳しい分野である。アルゴンイオンレーザに比べて、一般的な２０ｍＷダイオード励起で例えば５３２ｎｍで発光する固体レーザ（ＤＰＳＳ）は、容積の１０％で類似の品質及び安定性を有する光ビームを生成する一方、消費電力が５％未満であり、加えて少なくとも２倍の動作寿命を有する。
【０００６】
生物医学の用途ではこれらの特性が益々重要になるので、３００ｎｍ(近紫外線（ＵＶ）)から６００ｎｍ(オレンジ色)までの波長範囲で既存のレーザの代替となる固体レーザに対するニーズが益々大きくなっている。バイオフォトニクス分析において現在特に重要な特定の波長には、３５５、３６０、４０５、４３０、４６０、４７３、４８８、５０６、５１４、５３２、５６０ｎｍが含まれる。特に、光学性能に妥協のない、シアン（ブルー、４８８ｎｍ）、グリーン（５３２ｎｍ）、及びバイオレット（４０５ｎｍ）のレーザに対するニーズがある。生物医学用途の新たな要件を満たすために、新たな固体レーザは、良好な光学性能（レーザ輝度ノイズ、波長の安定性、及びサイドモード抑制）、現在のレーザ（例えばアルゴンイオン）技術の２倍から４倍の信頼性、大きさが現在のレーザの１０分の１（＜３００ｃｍ２）であり、且つ動作中の入力電力及び熱放散が５０分の１（＜３０Ｗ）であるような形状因子を必要とする。このような性能要求により、このような固体レーザの設計空間は制限される。
適切な結晶材料がないため、今まで、特にシアン（すなわちブルー、４８８ｎｍ）波長は、緑色のような他の可視光波長を生成するために一般に用いられるレーザ設計を用いては達成できなかった。これら古いほうのレーザ設計は、近赤外線（８０８ｎｍ）の光を生成する高出力半導体レーザから始まり、この近赤外線の光は材料（例えば、ネオジムイットリウムアルミニウムガーネット）を励起するのに用いられ、この材料が光を更に赤外線（１０６４ｎｍ）に変換し、次いでこの赤外線が、第２高調波生成（ＳＨＧ）として知られるプロセスを経て周波数２倍化結晶によって可視(グリーン、５３２ｎｍ)光に変換される。
【０００７】
周期分極反転非線形結晶を用いるＳＨＧの基本原理は周知である。良質の概説となる最近の論文は、非特許文献２である。特にChapters ２−５、中でも７１〜９０ページを参照されたい。
シアン、グリーン、及びバイオレットの固体レーザに対する市場の需要が大きいにもかかわらず、技術面の困難性が難題となっていた。ＳＨＧの技術は種々の非線形材料を利用して達成が可能であるが、その変換効率には依然として限界がある。例えば、現行技術を利用する場合、２０ｍＷのシアン（４８８ｎｍ）光の発生には、数百ｍＷの９７６ｎｍの放射が必要である。その上、大抵の非線形材料の許容帯域幅が極めて狭いので（＜０．１ｎｍ）、この高出力ポンプレーザの波長安定性及び線幅が、重要な鍵となる。
【０００８】
半導体ポンプレーザを用いる、シアン光発生のための従来技術による構成を図１に示す。これはすなわち、光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬ）を用いる共振器内部ＳＨＧである。ＯＰＳＬに基づくＳＨＧは、最初にムーラジアン（Mooradian）によって１９９１年に提案されたことが明らかであり、最初の商業用固体シアンレーザが２００１年に市場に出された。ＯＰＳＬ技術は、これより古い固体レーザ技術に類似しており、８０８ｎｍポンプレーザを用いる。利得材料は、半導体に基づく垂直型外部キャビティ表面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）である。この構成において、ＳＨＧ結晶はホウ酸リチウム（ＬＢＯ）であり、光共振器の内部に位置する。単一縦モードを選択するのに用いられる波長選択素子も同じ光共振器内に位置する。効率のよい周波数２倍化に必要とされる大きな共振器内出力を得るために、一般に高性能ＶＥＣＳＥＬキャビティが用いられる。すると、ＶＥＣＳＥＬの２色出力ミラーが共振器内で発生する４８８ｎｍの放射光を伝達する。しかし、この構成は、ＶＥＣＳＥＬに必要な放熱のため、複雑且つ高価である。また、ＶＥＣＳＥＬの材料自体の出力も高くない。最後に、製品の信頼性が、８０８ｎｍポンプレーザ及びＶＥＣＳＥＬ材料の両方の寿命によって制限される。
代替となる共振器内部の設計が提案され、該設計ではＶＥＣＳＥＬは光励でなくて電気的に励起される（例えば、Ｎｏｖａｌｕｘ  Ｐｒｏｔｅｒａレーザ）。しかし、周波数２倍化材料としてニオブ酸カリウム（ＫＮＯ）を用いる設計で実証される出力は、明らかに１５ｍＷを超えない。さらに最近になって、他の従来技術の業者が周期分極反転リン酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）を用いた４０ｍＷ共振器内部ＳＨＧについて報告している。例えば、特許文献１、２、及び３を参照されたい。しかしながら、用いられたＶＥＣＳＥＬ構成は、大きい発散角、すなわち周期分極反転材料の受光角よりも相当に大きい角度を有する共振器内部ビームを生成し、よって必然的に変換効率が悪くなる。
【特許文献１】米国特許第５９９１３１８号
【特許文献２】米国特許第６０９７７４２号
【特許文献３】米国特許第６１６７０６８号
【特許文献４】米国特許出願第１０／９１０１２１号
【特許文献５】米国特許出願第１０／９１００４５号
【非特許文献１】“Laser Focus World”, August 2004, pp 69-74
【非特許文献２】“Compact Blue Green Lasers”by W. R. Risk, T. R. Gosnell and A. V. Nurmikko, Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-62318-9
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
すでに述べたように、フローサイトメータのような次世代の生物医学装置の要件は、信頼性が高く、光学性能が改善された（すなわち低ノイズ）低コストの４０５、４８８、又は５３２ｎｍのレーザを決定付ける。低コストの要件は、現行の固体利得媒質を用いる解決法では容易には満たされない。これらの解決法は一般に、高価な光ポンピングによる設計を必要とする。他方、これと対照的に、半導体レーザはわずかなコストで量産でき、電気的ポンピングが可能である。難題は、低ノイズの（低い輝度ノイズと安定した波長との両方を有する）レーザをどのようにして作るかである。このためには、波長選択素子を有する外部キャビティレーザを用いる必要がある。その理由は、これが単一縦モードを作るための数少ない方法の一つだからである。レーザ出力中に多数の縦モードがある場合、これら異なるモードの相は相関関係を有さず、出力にモード分割ノイズを生じさせるので外部キャビティレーザが必要となる。しかしながら、電気的であろうと光学的であろうと、ポンピング装置も確実に低ノイズにする必要があるので、単一縦モードのレーザを有するだけでは十分ではない。
信頼性もまた、論点である。９８０ｎｍの電気通信用途の半導体レーザの開発に、膨大な努力がなされてきた。これらのレーザは、２０年以上の寿命を要し、大洋の海底に配備され、広範囲の温度変化に対応しなければならない。この数十億ドルという大規模の電気通信市場が、このような信頼性の高い９８０ｎｍ半導体レーザ開発の主な動機となっている。このような市場機会は、半導体ＶＥＣＳＥＬには存在しない。したがって、これらの装置の信頼性の開発度ははるかに低い。バイオフォトニクスの市場の大きさは現在、これらＶＥＣＳＥＬ装置の信頼性を電気通信用の９８０ｎｍポンプレーザと同レベルに強化するために大きな努力を払うには足らないものである。ＶＥＣＳＥＬ装置は同等の信頼性を容易に達成はしないであろうし、せいぜい、信頼性を更に開発するための資金が得られた場合にある程度の信頼性が得られるだけであろうが、ＶＥＣＳＥＬに基づく製品の最終価格が増大することになる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、特定の種類のレーザ構成、すなわち周波数２倍化外部キャビティ半導体レーザ（ＤＥＣＳＬ）であって、特定の非線形光学材料とともに用いて周波数２倍化処理(第２高調波生成)（ＳＨＧ）を行う場合に、３００〜６００ｎｍの範囲で選択された波長の光を発光するのに適したレーザを得るために必須の性能、信頼性、及びコストを実証するＤＥＣＳＬを特定した。この必須の性能を達成するには、いくつかの理由から、構成要素（コンポーネント）の独特の組み合わせが必要である。
ｉ）単一回通過方式のＳＨＧを用いると、必要な出力レベルを全ての用途について達成することができない。
ｉｉ）出力要件により２回通過方式又は４回通過方式の構成を用いなければならない場合、光フィードバックの欠点を有さない信頼できるレーザ設計を達成することは困難である。本発明者の設計は、ＤＥＣＳＬレーザ（フィードバックの欠点を有するコンポーネント）に２層からなる保護を与える。
１．波長９７６ｎｍの光が入射する全ての光学表面は、反射光がポンプレーザの方向に戻らないように設計される。
２．励起ビームの波長が９７６ｎｍであるとき、出力は１つの波長だけの光、例えば４８８ｎｍの光から構成される。たとえ出力光の全てがレーザへ戻るように向けられたとしても、ＤＥＣＳＬレーザを混乱させることにはならない。
なお、波長について正確な数値を挙げたが（例えば４８８ｎｍ及び９７６ｎｍ）、実務においては、周波数２倍化前であるか後であるかを問わず、レーザの波長は＋−１ｎｍ以内で変動してよいことを注記する。
【００１１】
上述のように、３００〜６００ｎｍの範囲内の波長は、バイオフォトニクスの用途に特に適している。本発明の新規のレーザ設計は、レーザダイオード技術における最近の進歩と、周波数(波長)変換効率が顕著に強化された最新の周期分極反転非線形光学材料とを組み合わせるものであり、これにより、結果として得られる製品は、バイオフォトニクスの用途における出力、大きさ、及びその他の性能に関する厳しい制約に唯一対応可能となる。加えて、本発明独自の光学構成により、関連する光学パラメータのモニタリング及び制御が単純化され、それにより性能及び信頼性が向上する。本発明に従って３００〜６００ｎｍの波長範囲の出力光を生成する、生物医学の用途に適したＤＥＣＳＬレーザの一例を図２に示す。
このレーザは、外部キャビティポンプレーザ部分（Ｂ）、外部キャビティポンプレーザを制御するモニタ光学装置(部分Ａ)、及び追加キャビティ周波数２倍化部分の１、２、又は４回通過方式を用いて効率のよい第２高調波を生成するためのビーム形成光学装置を備える周波数２倍化外部キャビティレーザを構成する。
【００１２】
ポンプレーザ部分は、
ｉ）キャビティに対向するチップの面上に設けた反射防止コーティング、
ｉｉ）キャビティの出力面上に設けた低反射率コーティング、及び
ｉｉｉ）シングルモード出力ビームを生成するためにチップの反射防止側に設けたレンズ、波長選択器、及び反射素子
を有する縁発光半導体チップを備える。
部分Ａには、端部ミラーを透過したビームと波長選択素子に反射されたビームとを測定する２つのモニタを示す。これら２つのモニタの信号を組み合わせることにより、外部キャビティポンプレーザの波長を精密に制御することができる。
【００１３】
部分Ｃは、楕円率最小且つ非点収差最小の光ビームを生成するビーム形成光学装置を含む。第１のレンズは、縁発光チップの発散性の出力を平行化するが、或る程度残留楕円率及び非点収差のある光ビームを生成する。アナモルフィックプリズム対によって、垂直面と水平面とで異なる(調整可能な)倍率が得られる。このようにして、円形ビーム又は選択可能な楕円率を有するビームが生成される。傾斜レンズを適切に用いることにより、非点収差のないビーム又は必要に応じて選択可能な非点収差のあるビームが、第２高調波結晶内に集束されて生成される。
周波数２倍化部分（部分Ｄ）は、
ｉ）グレートラック抵抗ＰＰＫＴＰ、化学量論的ＰＰＬＴ、及びＭｇＯをドーピングした一致溶融ＰＰＬＮ又はＭｇＯをドーピングした化学量論的ＰＰＬＮからなる群から選択された材料の第２高調波生成結晶、
ｉｉ）周波数２倍化結晶を通るライトパスが１から４回の共直線通過を形成するように構成され、複数回通過方式の場合、多数回の通過により達成された第２高調波生成が建設的であるように構成される周波数２倍化光学装置、及び
ｉｉｉ）平行化され、周波数２倍化された出力ビームを生成するためのビーム形成光学装置
を備える。
【００１４】
例えば、波長４８８ｎｍの光を生成するために、本発明によるＤＥＣＳＬレーザは、狭帯域透過フィルタのような波長選択素子を含む外部キャビティ内で波長９７６ｎｍの半導体利得媒質を用い、これによりレーザチップが単一縦モードだけを発光する。外部キャビティレーザからの光は外部ＳＨＧ結晶によって周波数２倍化され、４８８ｎｍの光が生成される。レーザ利得及びＳＨＧの両方が非線形現象であり、独立して制御されるので、レーザの制御システムは頑強である。この独立制御により、ＯＰＳＬ又はその他の共振器内部周波数変換手法に比べて、高い振幅安定性と低いノイズとが得られる。従来技術による設計の全てと比べ、本発明のレーザでは、振幅が非常に安定し、ノイズが低い信号が得られ、これにより、バイオフォトニクスの用途において偽陽性又は偽陰性の結果が生じる傾向を大幅に低減できる。しかしながら、利用可能な励起パワーを増大させるための共振器内部強化がないので、本発明の設計は、特定の、変換効率の高い非線形光学材料を必要とする。
非線形光学結晶は、製作上の制約のため、大きさ、特に長さに限界があるので、光を結晶に１回だけ通すことにより得られる出力を超える出力パワーを達成するために、特定の高出力パワー用途においては光を多数回通すことが要求される。正しく実施されると、結晶を通過する回数の累乗倍で増加する。最適化された多数回通過方式の周波数２倍化設計が、２００４年８月３日に出願された本出願人による同時継続出願である特許文献４に記載されており、本出願の参考文献とすることによりこの開示内容を本出願に包含する。
【００１５】
一般的なバイオフォトニクス用途を考える場合、必要とされる光の量は、画像形成用途向けの約５ｍＷから、高いスループットと多重フローセルに関するような用途向けの約１００ｍＷまでの範囲に亘る。この領域は、しばしば、固体レーザの「低パワー領域」（ＬＰＲ）と称される（一般的に約２００ｍＷから１Ｗにわたる中パワー領域及び一般的に約２Ｗから１０Ｗにわたる高パワー領域に比して）。本発明においては、バイオフォトニクス用途向けの低パワー領域のみを取り扱う。本発明の周波数２倍化レーザが特に適するバイオフォトニクス器具には、フローサイトメータ、ＤＮＡ及びＲＮＡの配列決定装置、マイクロアレー、マイクロプレートイメージャ、並びに共焦点顕微鏡が含まれる。
本発明のＤＥＣＳＬ構成を考える場合、一般的な外部キャビティポンプレーザは、例えば波長９７６ｎｍにおいて、期待寿命にわたって約５００ｍＷから７００ｍＷを発光できる。これらの出力パワーに対して、ＤＥＣＳＬの寿命は大抵のバイオフォトニク器具の寿命、すなわち５〜７年間に約２０，０００動作時間に匹敵する。このようなレーザは、もはや毎年 (アルゴンイオンレーザ) 又は少なくとも２年毎（ＯＰＳＬ技術）の取替えを必要としないため、バイオフォトニクス器具の市場を根本的に変えるものである。
【００１６】
しかしながら、この動作寿命要件を満足できるような、ＤＥＣＳＬ用の特定の非線形光学材料を得る必要がある。例えば、ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）は既知のＳＨＧ材料であり、今日非常に多くのレーザ製品に用いられている。しかし、ＬＢＯには、表１に示すような重大な欠点がある（例えば、ＳＨＧパワーが低い）。同様に、ニオブ酸カリウム（ＫＮＯ）は十分な信頼性を示さず、衝撃及び／又は低温から破滅的な損傷をこうむる可能性がある。ドーピングを施さないニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶は、一致溶融であるか化学量論的であるかを問わず、光屈折の損傷を受けるので、その寿命が顕著に制限される。周期分極反転リン酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）もまた光屈折の損傷（グレートラック発生）を生じやすく、それによって当然その有用性が制限される。しかしながら、本発明者は、２００４年８月３日に出願された本出願人による同時継続出願である特許文献５の教示に従ってアニーリングを行なうことにより、ＰＰＫＴＰにグレートラックに対する抵抗力を持たせることができることを見出した。本出願の参考文献とすることにより、特許文献５を本発明に包含する。このように、本発明者は、次に述べる非線形周波数２倍化材料を、バイオフォトニクス又はその他の要求の厳しい用途に適するレーザのパワー及び動作寿命の要件を唯一満たすことのできる材料として特定した。
ＭｇＯをドーピングした（３〜５％）一致溶融ＰＰＬＮ（Ｃｏ ＰＰＬＮ）
ＭｇＯをドーピングした（０．２〜１．０％）化学量論的ＰＰＬＮ（Ｓｔ ＰＰＬＮ）
化学量論的ＰＰＬＴ（Ｓｔ ＰＰＬＴ）
グレートラック抵抗性ＰＰＫＴＰ（ＧＴＲ  ＰＰＫＴＰ）
【００１７】
このように、バイオフォトニクスの用途にとって許容可能な寿命、変換効率、及び頑強さを有することが判明した上述の非線形光学材料を表１に示す。表１には、他の不適切な、従来技術による非線形光学材料もいくつか示す（ＬＢＯ及びＫＮＯ）。表１に示す「ＳＨＧパワー」は、結晶の長さを１０ｍｍと仮定したものである。表示の「最大長さ」は、現在入手可能な最大結晶長さで、通常ブール成長能力によって決まる。
表１
2006113591.tif 000003
【００１８】
ＤＥＣＳＬ構成における５００ｍＷ、９７６ｎｍのポンプレーザに対して、ＬＢＯは、バイオフォトニクスの用途のパワー要件を満たすに十分な第２高調波（ＳＨＧ）パワーを生成しない。ＫＮＯは、パワー要件は満たすことができるかもしれないが、十分な信頼性を示さない。従来のＰＰＫＴＰの初期光学特性はＧＴＲ  ＰＰＫＴＰと材料的に相異はないが、従来のＰＰＫＴＰはフォトリフラクティブな損傷を受けやすい。同様に、ＭｇＯをドーピングした化学量論的ＰＰＬＮの光学特性は、表１に示すＭｇＯをドーピングした一致溶融材料と顕著な相異はない。既に述べたように、本発明者は、十分な頑強さを有し且つ単一回通過方式により十分なパワー（及びさらに高いパワーが必要な場合には多数回通過方式により十分なパワー）を生成する特定の非線形結晶が、バイオフォトニクスの用途向けのＤＥＣＳＬとの使用に適することを確認した。上述のように、本発明者は、ｉ）グレートラック抵抗性ＰＰＫＴＰ、ｉｉ）ＭｇＯをドーピングした一致溶融又は化学量論的ＰＰＬＮ、及びｉｉｉ）化学量論的ＰＰＬＴからなる組成物の群のいずれかを有する結晶が独自の適性を持つものとして特定した。ここで特に注記したいのは、フォトリフラクティブな損傷を阻止するためのＭｇＯドーピングは化学量論的ＰＰＬＮ及び一致溶融ＰＰＬＮの両方に有利であるが、好ましいドーピングのレベルは異なるということである。本発明者は、一致溶融ＰＰＬＮに好ましいＭｇＯドーピングのレベルは約１〜３％であり、化学量論的ＰＰＬＮに好ましいレベルは約０．２〜１．０％であることを見出した。ＳＨＧが結晶長さに比例し、且つ多数回通過方式における通過回数（Ｎ）の２乗にも比例することから、バイオフォトニクスの用途への各材料の適用可能性は、現在評価可能である。表２は、バイオフォトニクス用途において要求される最も多く使用される出力パワー３種類、すなわち１０ｍＷ、２０ｍＷ、及び１００ｍＷに対する本発明の結晶材料各々の潜在的スペース要件を示す。一般に使用される他の出力パワーは、３０ｍＷ、４０ｍＷ、及び７５ｍＷである。また表２は、これら３つの最も多く使用される出力パワーに対する周期分極反転材料の設計パラメータも示す。Ｌは結晶の長さ、Ｎは示されるパワー出力を達成するために多数回通過方式のＤＥＣＳＬ設計に用いられる通過回数である。  
表２
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【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
単一回、２回、及び４回通過方式のＤＥＣＳＬの構成を図２、図３．１、及び図３．２に略図で示す。４回通過方式のＤＥＣＳＬが実際の製作可能限界と考えられる。表２から明らかなように、４回通過方式の構成は、バイオフォトニクスの用途向けに通常必要とされる最高出力パワー（１００ｍＷ）を達成するのに十分である。
図２は、本発明による単一回通過方式の周波数２倍化レーザの設計を示す。このレーザの部分を次のように示す：
Ａ．外部キャビティレーザ用のモニタ光学装置
Ｂ．外部キャビティレーザ
Ｃ．ビーム形成光学装置
Ｄ．ＳＨＧ
各部分に存在するコンポーネントは、具体的には次のように特定される：
１．反射モニタ
２．透過モニタ
３．９８０ｎｍ高反射器
４．波長選択器
５．外部キャビティ平行化レンズ
６．反射防止コーティングを有する９８０ｎｍ利得チップ面
７．９８０ｎｍ利得チップ
８．低反射率コーティングを有する９８０ｎｍ利得チップ面
９．平行化レンズ
１０．アナモルフィックプリズム対
１１．傾斜集束レンズ
１２．第２高調波生成結晶
【００２０】
部分Ａは本発明の一部を形成せず、従来技術のコンポーネントを含み、説明の明快化と完全化のためにのみ図示するものである。部分Ｂには、それぞれ反射防止コーティング６及び低反射率コーティング８を有する９８０ｎｍ利得チップ７、平行化レンズ５、波長選択器４、及び高反射ミラー３が存在する。利得チップ７の面８が放射する光は、部分Ｃの平行化レンズ９を通過し、プリズム対１０−１及び１０−２を経て、集束レンズ１１に入り、更に周波数２倍化部分Ｄに入り、ここで上述の種類のＳＨＧ結晶によって周波数が２倍化される。
周波数２倍化の後、光は図示のように部分Ｄを通過してその右側から出て、フローサイトメータ又はその他の医学装置への入力となる。
非線形光学結晶は、製作上の制約のため、大きさ、特に長さに限界があるので、光を結晶に１回だけ通すことにより得られる出力を超える出力パワーを達成するために、特定の高出力パワー用途においては光を多数回通すことが要求される。正しく実施されると、結晶を通過する回数の累乗倍で増加する。最適化された多数回通過方式の周波数２倍化設計が、２００４年８月３日に出願された本出願人による同時継続出願である特許文献４に記載されている。
【００２１】
図３．１（ａ）は、本発明による２回通過方式の周波数２倍化装置の好適な実施形態４０の概略上面図であり、図３．１（ｂ）は装置４０内部の非線形媒質１０の概略端面図である。装置４０の動作を認識するために、装置４０の設計を詳術する前に装置４０を通過する光ビーム路について考えるのが有用である。ポンプ源（チップ）４２によって与えられた励起ビームが非線形媒質１０の面１０−２により受け取られ、ビーム路３０に沿って非線形媒質１０を透過する。周波数が励起周波数の２倍の第２高調波ビームが非線形媒質１０内で発生し、これもまたビーム路３０に沿って非線形媒質１０を透過する。励起ビーム及び第２高調波ビームは非線形媒質１０の面１０−１から放射され、位相調整器１６に受け取られる。これらのビームは、位相調整器１６を透過し、ミラー１８に受け取られる。これら励起ビーム及び第２高調波ビームは次いでミラー１８に反射され、ミラー２０に受け取られる。両ビームは、ミラー２０に反射され、ミラー１８に再び反射され、非線形媒質１０の面１０−１に受け取られる。第２回通過の励起ビームと第２高調波ビームとは、ビーム路３２に沿って非線形媒質１０を透過し、非線形媒質１０の面１０−２から放射される。
非線形媒質１０を通るビーム路３０及び３２は、図示のように互いに平行で且つ距離を置くのが望ましい。これは、非線形媒質１０の中央に位置する基準面１２をそれ自体の上に負の単位倍率（−１）で再結像させる反転望遠鏡としてミラー１８及び２０が作用するように、これらミラーを選択することによって達成できる。軸線１４は、ミラー１８及び２０によって形成される望遠鏡の軸線であり、非線形媒質内のほぼ中心に位置する。このように、ビーム路３２はこの反転望遠鏡によって形成されるビーム路３０の像である。ビーム路３０と３２との分離は、図３．１（ｂ）に示すようにビーム路３０を軸線１４からずらすことにより得られる。第２回通過ビームを第１回通過ビームから離すのに追加の光学素子を必要としないため、このような第２回通過路（ビーム路３２）の第１回通過路（ビーム路３０）からの分離は有利である。
【００２２】
非線形媒質１０は、本発明の実行に適するものとしてここに既に開示した材料のいずれでもよい。場合によっては、励起ビームの反射がビーム源に戻ることを避けるのが望ましい。このような場合、非線形媒質１０（又は非線形媒質１０の面１０−２）をわずかに（０．５度から１度のオーダーで）傾斜させることにより、励起ビームが非線形媒質１０の面１０−２に正確に垂直に入射しないようにすることができる。これにより、非線形媒質１０の面１０−２に反射された励起ビームが励起源に戻ってつながることがない。好適には、非線形媒質１０の面１０−１及び１０−２に反射防止のコーティングを施し、装置４０における損失を低減するために励起周波数（又は波長）及び第２高調波周波数（又は波長）の両方において低い反射率（＜１％、より望ましくは＜０．５％）を得る。
任意選択のコンポーネントである位相調整器１６の目的は、励起ビーム及び第２高調波ビームが第２回以降の通過（すなわち、ビーム路３２）の際に非線形媒質１０に入るとき、これら２つのビームの相対的位相を調整し、これによって、第１回の通過のときから既に存在する第２高調波に建設的に第２回の通過が貢献することである。位相調整器１６は、分散性光学材料、すなわち励起ビーム周波数及び第２高調波ビーム周波数において異なる屈折率を有する材料からなるくさび形プレートとして作られ、この場合、位相調整器の表面間のくさび角度は、おおよそ０．１度から１度のオーダーである。位相調整器１６はくさび形プレートであるので、ビーム路内に導入される分散性媒質の量は、位相調整器をこれらのビームに垂直に直線移動させることにより可変である。例えば、波長９７６ｎｍの光の周波数を２倍化して波長を４８８ｎｍにする処理を考える。位相調整器１６に適する材料は、市販ガラスＢＫ７で、これらの波長においてそれぞれｎω＝１．５０８及びｎ２ω＝１．５２２である。本例におけるＢＫ７のコヒーレンス長は、Ｌｃ＝１７．４μｍである。ビームが位相調整器１６を２回通過するので、励起ビーム及び第２高調波ビームの相対的位相調整の完全値である２πの調整は、これらビームから見る位相調整器の厚さをＬｃ＝１７．４μｍだけ変化させることによって得られる。位相調整器１６は、位相調整器１６の表面での反射の損失を低減するために、励起ビーム及び第２高調波ビームの両方が位相調整器１６にブルースター角又はこれに近い角度で入射し且つｐ分極を有する（すなわち、電界ベクトルが位相調整器の表面の入射平面内にある）ように、装置４０内に挿入されることが望ましい。代わりに、位相調整器１６の光学表面上に反射防止コーティングを施すことにより、有意な反射損失を生じさせることなく位相調整器がブルースター角以外の角度で使用可能となるようにすることもできる。
【００２３】
ミラー１８は、曲率半径Ｒの凹面鏡である。ミラー２０は、ミラー１８の焦点距離ｆ＝Ｒ／２にほぼ等しい長さＬだけミラー１８から離れている平面鏡である。ミラー１８及び２０は、励起ビーム周波数及び第２高調波ビーム周波数の両方で反射性が高い（望ましくは９９．５％よりも大きい反射率を有する）。ミラー１８及び２０は併せて、（励起ビーム及び第２高調波ビームの両方について）ミラー１８と位相調整器１６との間に位置する入力及び出力の基準面１１に関し、Ａ＝−１、Ｃ＝０、及びＤ＝−１であるＡＢＣＤマトリックスを有する望遠鏡サブアセンブリを形成する。このＡＢＣＤ行列は、次式のように、光学システムの幾何学的画像形成特性を説明する。
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ここで、ｘ及びｘ′はそれぞれ、この光学システムの入力基準面における、システムの光学軸（すなわち、図３．１（ａ）の軸線１４）に対する入力光の位置及び傾斜であり、ｙ及びｙ′はそれぞれ、この光学システムの出力基準面における対応する出力光の位置及び傾斜である。ビームを逆反射する光学システムに対して、同一の平面（例えば、基準面１１）を入力基準面及び出力基準面として選択すると便利なことが多い。
ミラー１８は、非線形媒質１０の中央にある基準面１２とミラー１８との間の回折距離がミラー１８の焦点距離にほぼ等しくなるように配置するのが好ましい。長さＬiと指標ｎiとの領域によって分離される２地点間の回折距離は、ΣＬi/ｎiである。このミラー１８及び非線形媒質１０の相対的位置決めにより、基準面１２がこの望遠鏡サブアセンブリにより、それ（基準面）自体上に再結像される（−１の倍率で、すなわち反転像として）。これによって、最適集束の状態が１つの通過時点から次の通過時点まで確実に保存される。すなわち、第１回通過時の励起ビームが非線形媒質１０を通して最適に集束される（すなわち、非線形媒質１０の中央において適切な大きさのビームウェストを有する）場合、第２回通過時の励起ビームも非線形媒質１０を通して最適に集束される。
【００２４】
この望遠鏡サブアセンブリの主目的は、第１回通過後に、非線形媒質１０から放射された励起ビーム及び第２高調波ビームを結合して第２回通過のために非線形媒質１０に戻すことであるが、望遠鏡サブアセンブリのＡＢＣＤ行列の上記特性は、更に別の有利な結果をもたらす。
条件「Ｃ＝０」により、確実に出力光の傾斜が入力光の傾斜にのみ依存する（すなわち、入力光の位置には依存しない）。したがって、Ｃ＝０の光学システムの入力部において平行である２つの光は、システムの出力部においても平行である。Ｃ＝０の光学システムは望遠鏡である。第１回通過時に励起ビームと第２高調波ビームとが平行である状態が第２回通過時に保存されることにより、位置あわせが顕著に単純化されるので、多数回通過方式のＳＨＧにとって、望遠鏡によって得られる平行状態の保存は特に価値がある。基準面１１と基準面１２との間には集束素子がないので、装置４０において、基準面１１においてＣ＝０の場合、Ｃは基準面１２においてもまた０である。このようにして、第１回通過時の励起ビームと第２高調波ビームが非線形媒質１０内で平行ならば、第２回通過時の励起ビームと第２高調波ビームもまた非線形媒質１０内で平行である。
【００２５】
条件「Ｄ＝−１」により、励起ビームの第１回及び第２回通過時の光の傾斜（並びに第２高調波ビームの第１回及び第２回通過時の光の傾斜）が、確実に位相調整器１６とミラー１８との間で同一となる。光の傾斜Ｄ＝−１の符号の変化は、光軸の反転による符号変化により相殺される。ミラー１８と非線形媒質１０との間に集束素子がないため、光の傾斜の等価状態も非線形媒質１０内にまで拡張され、よって非線形媒質１０内で第２回通過時の励起ビームが第１回通過時の励起ビームに平行であり、且つ非線形媒質１０内で第２回通過時の第２高調波ビームが第１回通過時の第２高調波起ビームに平行である。相を一致させるための受光角度が一般に狭いため、第１回通過時のビームと第２回通過時のビームとが平行状態にあることは有利である。第１回通過時のビームと第２回通過時のビームとが、顕著に異なる角度で非線形媒質１０を通過する場合、両方の通過光を同時に効率よく位相一致させることは不可能である。
さらに、第１回通過時のビームと第２回通過時のビームとの平行状態の保存、並びに励起ビームと第２高調波ビームとの平行状態の保存により、ビーム全体にわたる位相調整器１６の厚さの線形変化が、位相調整器１６を通る２回の通過で確実に相殺される。換言すると、位相調整器１６を通る２回の通過により生じる励起ビーム対する第２高調波ビームの相対的位相シフトは、ビーム内の点から点へと変化することがない。同様に、非線形媒質１０の厚さがビーム内の点から点へと線形に変化する場合（例えば、面１０−１がビームに対して傾斜しており、面１０−２が傾斜していない場合）、このような厚さの変化による影響は２回方式の通過により相殺される。
【００２６】
図３．１に示すミラー１８及び２０の配置は、ミラー１８が励起ビーム及び第２高調波ビームの両周波数において同じ焦点距離を有するので、好適な望遠鏡サブアセンブリである。Ａ＝−１、Ｃ＝０、及びＤ＝−１（励起ビームと第２高調波ビームの両周波数において）である他の望遠鏡サブアセンブリもまた、本発明の実行に適している。いずれにしろ、非線形媒質１０の中央に位置する基準面１２がそれ自体の上に−１の倍率でほぼ再結像されるように非線形媒質１０に対する望遠鏡サブアセンブリの位置決めを行なうことにより、１通過時から次の通過時へ最適の集束状態を保存することが望ましい。
Ａ＝−１、Ｃ＝０、及びＤ＝−１である望遠鏡サブアセンブリでは、非線形媒質１０内でビームが確実に平行になるが、非線形媒質１０内のビームの共線性は確実に得られない。換言すれば、たとえ励起ビームの軸線と第２高調波ビームの軸線が第１回通過時に共線であっても、第２回通過時の第２高調波ビームの軸線が第２回通過時の励起ビームの軸線から横方向に離れることがあり得る。この望ましくないビーム横ずれの２つの原因は、位相調整器１６の分散、及び非線形媒質１０の分散（これらビームが垂直でない入射角で非線形媒質１０の面１０−１と交差する場合）である。ビーム横ずれに影響を与えるのは、位相調整器１６のくさび角、位相調整器１６の称呼厚さ、位相調整器１６の長さ（基準面１２をそれ自体上に−１倍率で再結像させるように設計が制約されると仮定する）、非線形媒質１０の面１０−１上の入射角、及び位相調整器１６と非線形媒質１０との間の距離である。これらのパラメータを変化させると、望遠鏡サブアセンブリの平行性保存特性に影響を与えることなくビーム横ずれが代わるので、ビーム横ずれは設計により除去できる。
【００２７】
詳細設計において考慮すべきその他の点は、位相調整器１６とミラー１８との両方が非点収差をもたらすことから、非点収差の補償である。関連するパラメータは、位相調整器１６の厚さ、入射角、及びくさび角、並びにミラー１８の焦点距離及び入射角である。これらのパラメータも十分な柔軟性を有するので、設計によって（すなわち、位相調整器１６の非点収差がミラー１８の非点収差を補償すること又はその逆を確実にすることにより）装置４０の最終的な非点収差を除去することができる。加えて、非点収差を補償すると同時に共線性を保存するのに十分なパラメータがある。変換効率を最大にするため、及び第２回の通過後に非点収差のない第２高調波ビームを得るために、装置４０の最終的非点収差を確実になくすことが望ましい。既知の望遠鏡非点収差補償の原理により、１つ以上の光学素子を装置４０に付加することによって、装置４０の非点収差を除去することも可能である。
図３．２（ａ）は、本発明による４回通過方式の周波数２倍化装置５０の概略上面図であり、図３．２（ｂ）は装置５０内部の非線形媒質１０の概略端面図である。装置５０の動作を認識するために、装置５０の設計を詳術する前に装置５０を通過する光ビーム路について考えることが有用である。励起ビームが非線形媒質１０の面１０−２により受け取られ、ビーム路３０に沿って非線形媒質１０を透過する。励起周波数の２倍の周波数を有する第２高調波ビームが非線形媒質１０内で発生し、これもビーム路３０に沿って非線形媒質１０を透過する。励起ビーム及び第２高調波ビームは非線形媒質１０の面１０−１から放射され、位相調整器１６に受け取られる。これらのビームは、位相調整器１６を透過し、ミラー１８に受け取られる。これら励起ビーム及び第２高調波ビームはミラー１８に反射され、ミラー２０に受け取られる。両ビームは、ミラー２０に反射され、ミラー１８に再び反射され、再び位相調整器１６を透過し、非線形媒質１０の面１０−１に受け取られる。励起ビーム及び第２高調波ビームは、ビーム路３２に沿って非線形媒質１０を第２回の通過として透過し、非線形媒質１０の面１０−２から放射される。
【００２８】
これら２つの放射されたビームは、位相調整器１６′に受け取られ、位相調整器１６′を透過し、ミラー１８′に受け取られ、ミラー１８′に反射され、ミラー２０′により受け取られる。ミラー２０′に反射された後、励起ビーム及び第２高調波ビームは再びミラー１８′に反射され、再び位相調整器１６′を透過し、非線形媒質１０の面１０−２により受け取られる。励起ビーム及び第２高調波ビームは、ビーム路３４に沿って非線形媒質１０を第３回の通過として透過し、非線形媒質１０の面１０−１から放射される。
これら２つの放射されたビームは、位相調整器１６に受け取られ、位相調整器１６を透過し、ミラー１８に受け取られ、ミラー１８に反射され、ミラー２０により受け取られる。ミラー２０に反射された後、励起ビーム及び第２高調波ビームは再びミラー１８に反射され、再び位相調整器１６を透過し、非線形媒質１０の面１０−１により受け取られる。励起ビーム及び第２高調波ビームは、ビーム路３６に沿って第４回の通過として非線形媒質１０を透過し、非線形媒質１０の面１０−２から放射される。
【００２９】
非線形媒質１０を通るビーム路３０、３２、３４、及び３６は、図３．２（ｂ）に示すように互いに離れている。これは、非線形媒質１０の中央に位置する基準面１２をそれ自体上に負の単位倍率（−１）で再結像させる第１の反転望遠鏡としてミラー１８及び２０が作用するように、これらミラーを選択することにより達成される。軸線１４は、ミラー１８及び２０によって形成される望遠鏡の軸線であり、図３．２（ｂ）に示すように非線形媒質１０内のほぼ中心に位置する。このように、ビーム路３２は反転望遠鏡によって形成されるビーム路３０の像であり、ビーム路３０と３２との分離は、図３．２（ｂ）に示すようにビーム路３０を軸線１４からずらすことにより得られる。ミラー１８′及び２０′も、基準面１２をそれ自体上に負の単位倍率で再結像させる反転望遠鏡としてそれらミラーが作用するように選択される。軸線１４′は、ミラー１８′及び２０′によって形成される望遠鏡の軸線であり、図３．２（ｂ）に示すように軸線１４からずれている。このように、第３回通過時のビーム路３４はこの第２の反転望遠鏡によって形成されるビーム路３２の像である。同様に、第４回通過時のビーム路３６は軸線１４を有する第１の反転望遠鏡によって形成される第３回通過時のビーム路３４の像である。したがって、４つの通過路は全て非線形媒質１０内で別個の通路をたどる。ここで、第２回通過時のビーム路３２は、第１回通過時のビーム路３０の軸線１４を中心とした反転であり、第３回通過時のビーム路３４は第２回通過時のビーム路３２の軸線１４′を中心とした反転であり、第４回通過時のビーム路３６は第３回通過時のビーム路３４の軸線１４を中心とした反転である。
装置５０における４つの通過路は重ならないので、励起ビームを装置５０内へ結合するため、又は装置５０から放出される第２高調波ビームを結合するためのビーム分割器（望ましくない損失をもたらす）は不要である。励起ビームを装置５０内へ結合するための好ましい方法は、励起ビーム転向ミラー４６を装置５０内に配置することにより、励起源４２により供給される励起ビームが、非線形媒質１０を通るビーム路３０をたどるように反射させ、且つ励起ビーム転向ミラー４６が、非線形媒質１０を通るビーム路３２をたどる第２回通過ビーム又は非線形媒質１０を通るビーム路３４をたどる第３回通過ビームを遮断しないようにすることである。
【００３０】
装置５０から放出される第２高調波ビームを結合するための好適な方法は、第２高調波ビーム転向ミラー４４を装置５０内に配置することにより、非線形媒質１０を通るビーム路３６をたどる第４回通過時の第２高調波ビームを装置５０の外部へ反射させ、且つ第２高調波ビーム転向ミラー４４が、非線形媒質１０を通るビーム路３０をたどる第１回通過時の励起ビーム、非線形媒質１０を通るビーム路３２をたどる第２回通過時のビーム、又は非線形媒質１０を通るビーム路３４をたどる第３回通過時のビームを遮断しないようにすることである。
位相調整器１６′は、図３．１の位相調整器１６と同じ特性を有する。装置５０内の第１及び第２の望遠鏡（ミラー１８と２０、及びミラー１８′と２０′によりそれぞれ形成される）の両方は、図３．１（ａ）の説明で述べたように設計され、すなわち関連する位相調整器（すなわち、ミラー１８及び２０により形成される望遠鏡については位相調整器１６、ミラー１８′及び２０′により形成される望遠鏡については位相調整器１６′）においてＡ＝Ｄ＝−１及びＣ＝０であり、基準面１２がそれ自体の上に−１倍率で最結像するように設計される。この配置によって、上述のように、４回の通過全てにおけるビームの平行性、ビーム共線性及び非点収差補償という利点が得られる。加えて、位相調整器１６は、これらビームの第３回通過と第４回通過の間に適用するのと同じ相対的位相シフトを、これらビームの第１回通過と第２回通過の間に適用する。これら４つの通過のビームパターンが極めて対称的なので、第１回通過と第２回通過の間及び第３回通過と第４回通過の間で必要とされる位相シフトは同じである。したがって、第１回通過路と第２回通過路の間で必要とされる位相シフトと、第３回通過路と第４回通過路の間で必要とされる位相シフトとを位相調整器１６によって同時に得ることができ、これは４回通過方式のＳＨＧにおいて３つの別個の位相調整器が用いられる代替構成に比して極めて望ましい。たとえ、非線形媒質１０によって線形に変化する位相シフトがこれらのビームに加えられても（例えば、面１０−１がビーム軸に正確に垂直でない場合）、この変化は２回通過で相殺され、位相調整器１６は第１回通過路と第２回通過路の間で必要とされる位相シフトと、第３回通過路と第４回通過路の間で必要とされる位相シフトとを同時に提供する。
【００３１】
上記の説明では明示されていないが、励起ビームと第２高調波ビームとは、第１回通過時に非線形媒質１０内部で共線状態にあると仮定されている。この仮定は適用可能であることが多い（例えば、共線性ＱＰＭ又は無視できる位置ずれのある共線性ＢＰＭに対して）。ゼロでないビーム位置ずれを伴う複屈折位相合わせなどの場合には、励起ビームと第２高調波ビームは非線形媒質１０の全長にわたって共線状態にはない。非共線性位相合わせなどのまた別の場合には、励起ビームと第２高調波ビームは非線形媒質１０内で平行ではない。これらの場合にも、上記のような横方向オフセット補償に類似の方法を適用することにより、第１回通過により生じる励起ビームと第２高調波ビームの開きを第２回通過が確実に取り消すことができるので、上記の装置及び方法は有利である。同様に、第３回通過により生じるこれら２つのビームの互いに対する開きを第４回通過が取り消すことができ、それ以外の同様のケースにも同じことがいえる。
くさび形の位相調整器によって得られるこの有利な位相調整は、反転望遠鏡を用いない本発明の実施形態においても行うことができる。
ＤＥＣＳＬの構成を、上述の本発明による周期分極反転非線形光学材料と組み合わせることにより、高度に制御可能で且つ信頼性の高い、バイオフォトニクスの用途における信頼性及び光学性能に対する要件を満たすレーザを構築することが可能である。その上、本発明のレーザ設計によれば、高い波長安定性と、あらゆる個体レーザ設計の中でも最低の輝度ノイズを得ることができる。ただし、ポンプレーザの外部キャビティが半導体材料に対する低域ノイズフィルタとして作用すること、及びＳＨＧプロセスがノイズ増大をもたらさないことを前提とする。
【００３２】
図４は、グレートラック抵抗ＰＰＫＴＰを用いた本発明によるＤＥＣＳＬ構成を用いて得られた結果の比較を示し、ＯＰＳＬレーザ及びアルゴンイオンレーザのいずれと比較しても、ノイズが低いことを実証している。ＯＰＳＬレーザに比してＤＥＣＳＬレーザに５０％の改善が見られることに注目されたい。
このノイズ低減は、共焦点顕微鏡の用途において画質を改善することが実証されている。ＤＥＣＳＬレーザを用いて取り込まれた画像は、多数のフレームのカルマン平均を取る必要がなかったので、画像を直接に取り込むことができた。カルマンフィルタ処理をしないＤＥＣＳＬレーザを用いて得られた画像は、アルゴンイオンレーザ又はＯＰＳＬレーザを用いてかなりのフィルタ処理を施して得られた画像に匹敵するものである。ＤＥＣＳＬレーザの輝度ノイズが低いことにより、サイトメトリの用途において低い変動係数（ＣＶ）が得られることも示されている。本発明によるレーザを用いると、主としてフローシステムの光学設計に応じて２対１０までのファクタでサイトメトリの変動係数が減少することが観察された。臨床診断の場合、この変動係数の差は、偽陽性及び偽陰性両方の率の顕著に低減することを意味し、これにより臨床試験の精度が顕著に改善される。
【００３３】
本発明に関する上記の詳細説明は、主に又はもっぱら本発明の特定の部分又は態様に限って述べた文章を含む。これは説明の明確化のため及び便宜上なされたものであること、特定の特徴が、それが開示された文脈のみでなくそれ以外の範囲に関連する場合があること、及び本開示内容はこれら異なる文章に見出される情報の適切な組み合わせの全てを含むことを理解されたい。同様に、本明細書中の図面及び記載は本発明の特定の実施形態に関するものではあるが、本発明の特定の特徴が特定の図面又は実施例との関連で開示されている場合も、このような特徴が、別の図面又は実施形態との関連で、別の特徴と組み合わせて、又は本発明全般において、適切な範囲で使用可能であることを理解されたい。
更に、本発明を特定の好適な実施形態の観点から具体的に説明したが、本発明は、このような好適な実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光学励起半導体レーザを用いて共振器内部第２高調波生成により４８８ｎｍの光を生成するレーザの従来技術による構成を示す。図１において、１は８０８ｎｍポンプレーザ、２は９８０ｎｍＶＥＣＳＥＬ利得媒質＋９８０ｎｍ高反射ミラー、３は波長選択器、４は共振器内部ＳＨＧ結晶、５は４８８ｎｍ出力結合器＋９８０ｎｍ高反射ミラー、及び６は４８８ｎｍ出力ビームを示す。
【図２】本発明による、光（特に、ブルー、グリーン、又はバイオレット光）の単一回通過方式の２次高調波生成（ＳＨＧ）を得るための周波数２倍化外部キャビティ半導体レーザ（ＤＥＣＳＬ）の略図である。
【図３】図３．１及び図３．２は本発明による２回通過方式及び４回通過方式のＤＥＣＳＬ構成の略図である。図３．１（ａ）は本発明によるＤＥＣＳＬの２回通過方式の概略上面図である。図３．１（ｂ）は本発明による２回通過方式の実施形態における非線形媒質の概略端面図である。図３．２（ａ）は本発明による４回通過方式の実施形態の概略上面図である。図３．２（ｂ）は本発明による４回通過方式の実施形態における非線形媒質の概略端面図である。
【図４】本発明による、グレートラック抵抗ＰＰＫＴＰ周波数２倍化結晶を有するＤＥＣＳＬレーザを用いて得られた光ノイズの結果と、アルゴンイオンレーザ及びＯＰＳＬレーザを用いて得られた結果との比較を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１    反射モニタ
２    透過モニタ
３    ９８０ｎｍ高反射器
４    波長選択器
５    外部キャビティ平行化レンズ
６    反射防止コーティングを施された９８０ｎｍ利得チップの面（ファセット）
７    ９８０ｎｍ利得チップ
８    低反射率コーティングを施された９８０ｎｍ利得チップの面
９    平行化レンズ
１０    アナモルフィックプリズム対（図２）、非線形媒質（図３）
１１    傾斜させた集束レンズ（図２）、基準面（図３）
１２    第２高調波生成結晶（図２）、基準面（図３）
１４、１４’    軸線
１６、１６’    位相調整器
１８、１８’    ミラー
２０、２０’    ミラー
３０、３２、３４、３６    ビーム路
４０、５０    周波数２倍化装置
４２    励起源（チップ）
４４    第２高調波ビーム転向ミラー
４６    励起ビーム転向ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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2006113591000002.pdf
2006113591000003.pdf
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