(57)【要約】  光学的にポンピングされる、殊にダイオードポンピングされる安定した固体レーザが一次レーザビームを形成し、この一次レーザビームの周波数は、後置接続されており非線形の結晶を備えている１つまたは複数の受動的な共振器を用いて可視スペクトル領域または紫外線スペクトル領域に変換される。比較的僅かな手間でもって、ほぼ等しい振幅を有するちょうど２つの縦方向のレーザモードがレーザ共振器において発振される。これによって全体システムの高い効率、また結果として生じる周波数変換されたレーザビームの非常に低いノイズレベルが達成される。本発明の実施形態にとっては周波数変換されたビームが３つまたはそれ以上の隣接する周波数を有する。本発明の別の実施形態においては、周波数変換されたレーザビームがただ１つの周波数のみを有し、したがって単一モードレーザのビームに相当する。
2007515765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に増幅媒質（５）と、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子（４）とが配置されているレーザ共振器（６）であって、
前記周波数選択素子は前記減衰プロフィールの周波数との関係について、また前記レーザ共振器は該レーザ共振器の光路長について、前記レーザ共振器の調節可能な光学的な２モード長の場合に、隣接するちょうど２つの縦方向レーザモードを有する一次レーザビームが前記レーザ共振器から出力結合されるように調整可能に構成されている、レーザ共振器において、
入力信号に依存して前記レーザ共振器の光路長を制御するために構成されている第１の制御器が設けられており、または第１の制御器と、入力信号に依存して前記周波数選択素子の減衰プロフィールを制御するために構成されている付加的な第２の制御器とが設けられており、または入力信号に依存して前記レーザ共振器の光路長ならびに前記周波数選択素子の前記減衰プロフィールを制御するために構成されている第３の制御器が設けられており、前記入力信号は２つのレーザモードの強度の差に依存し、前記第１の制御器ないし前記第２の制御器ないし前記第３の制御器は、前記一次レーザビームが持続的に２つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合可能であるように制御を行うために構成されていることを特徴とする、レーザ共振器。
【請求項２】
前記第１の制御器または前記第３の制御器は制御信号を形成し、該制御信号を第１の調整素子に出力し、該第１の調整素子は前記レーザ共振器（６）の温度を変化させるよう構成されている、請求項１記載のレーザ共振器。
【請求項３】
前記第１の調整素子は付加的に、前記周波数選択素子（４）の温度を変化させるよう構成されている、請求項２記載のレーザ共振器。
【請求項４】
前記第２の制御器または前記第３の制御器は制御信号を形成し、該制御信号を第２の調整素子に出力し、該第２の調整素子は前記周波数選択素子（４）の温度を変化させるよう構成されている、請求項１記載のレーザ共振器。
【請求項５】
前記周波数選択素子はエタロン（４）として構成されているか、複数のエタロンの組み合わせとして構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項６】
前記周波数選択素子は複屈折フィルタとして構成されているか、複屈折フィルタを備えた１つまたは複数のエタロンの組み合わせの組み合わせとして構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項７】
前記エタロンのうちの少なくとも１つは、エタロンとして構成されている出力結合ミラー（４）である、請求項５または６記載のレーザ共振器。
【請求項８】
少なくとも１つのエタロン（４）は角度が調整されたエタロンとして構成されている、請求項５から７までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項９】
前記増幅媒質は中心周波数ν０を持つ増幅プロフィールを有し、該中心周波数において前記増幅プロフィールが最大値を有し、前記レーザ共振器の光学的な２モード長においては前記２つの隣接する縦方向レーザモードの周波数が前記中心周波数ν０について対称的または近似的に対称的である、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項１０】
少なくとも１つのエタロン（４）が最小の減衰の周波数（優先周波数）を有し、該周波数は前記増幅プロフィールの前記中心周波数ν０に調整され、前記エタロン（４）の帯域幅は２つの隣接する縦方向レーザモードのみが前記レーザ共振器において増幅されるように選定されている、請求項６から９までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項１１】
前記レーザ共振器（６）の光路長の温度依存性および前記周波数選択素子の前記優先周波数の温度依存性は、前記レーザ共振器および前記周波数選択素子の温度を共通して調整するだけで持続的な２モード動作が達成されるよう構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のレーザ共振器。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザ共振器と、レーザ共振器（６）から送出される一次レーザビーム（１２）の周波数変換によって二次レーザビームを形成するために配置および構成されている非線形の結晶（１０）を備えた少なくとも１つの外部の受動的な共振器（９）とを有することを特徴とする、レーザ装置。
【請求項１３】
前記二次レーザビームの出力または強度またはエネルギに依存する第１の測定信号を形成および出力するために構成および配置されている第１の測定装置を有する、請求項１２記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記第１の測定信号に依存する、最適な調整状態からの調整量の偏差の大きさおよび方向に関する情報を包含するエラー信号を、第１の制御器または第２の制御器または第３の制御器に出力するために構成されている、前記第１の測定装置に後置接続されている評価ユニットを有する、請求項１３記載のレーザ装置。
【請求項１５】
前記外部の受動的な共振器（９）は前記一次レーザビーム（１２）の周波数倍化のために設計されている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のレーザ装置。
【請求項１６】
前記外部の受動的な共振器（９）の光路長は前記レーザ共振器（６）の光路長の整数倍であるか、前記レーザ共振器の光路長の整数倍に調節可能である、請求項１２から１５までのいずれか１項記載のレーザ装置。
【請求項１７】
相前後して接続されている少なくとも２つの外部の受動的な共振器（９，１５）を包含し、前記第１のレーザビーム（１２）は第１の外部の受動的な共振器（９）に入力結合され、該第１の外部の受動的な共振器（９）から出力される周波数変換された二次レーザビーム（１３）はさらなる周波数変換のために第２の外部の受動的な共振器（１５）に入力結合される、請求項１２から１６までのいずれか１項記載のレーザ装置。
【請求項１８】
前記外部の受動的な共振器（９，１５）の光路長は前記レーザ共振器（６）の光路長の整数倍であるか、前記レーザ共振器の光路長の整数倍に調節可能である、請求項１７記載のレーザ装置。
【請求項１９】
前記第２の外部の受動的な共振器（１５）の光路長は、前記レーザ共振器（６）の光路長の整数倍とは著しく異なるように調節されている、または調節可能である、請求項１８記載のレーザ装置。
【請求項２０】
前記第２の外部の受動的な共振器（１５）は、光路長を変化させる光学素子を包含する、請求項１９記載のレーザ装置。
【請求項２１】
ポンプ光源（１）および制御回路を包含し、前記制御回路は前記一次レーザビーム（１２）の高周波の出力変動を検出する検出器（２０）と、前記ポンプ光源（１）に作用する調整素子とを有し、前記レーザ出力における減衰されていない変動が抑制される、請求項１２から２０までのいずれか１項記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に増幅媒質と、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子とが配置されているレーザ共振器に関する。
【０００２】
この種のレーザ共振器は一次レーザビームを発生させるために使用され、この一次レーザビームからは光学的に非線形の結晶を用いることにより周波数が変換された二次レーザビームを発生させることができる。周波数変換型の固体レーザは殊に青色および紫外線のスペクトル領域において広範に使用されている。
【０００３】
非線形の結晶を内部、すなわちレーザ共振器の内側、もしくは外部、すなわちレーザ共振器の外側に配置することができる。内側での周波数変換の場合にはレーザ共振器内での一次レーザビームが共振器の外側よりも実質的に強い強度を有するので、内側での周波数変換は期待通りに非常に効果的である。これに対して周波数変換がレーザ共振器の外側で行われる場合には、実際の用途に関して十分な変換効率を達成するための措置を講じる必要がある。
【０００４】
２つのバリエーションにおいては、レーザビームにおける不所望な周波数の発生、したがってレーザビームの強度におけるノイズに繋がるおそれのあるレーザビームのモードの非線形の結合を低減するために事前に対策を講じる必要がある。
【０００５】
以下では従来技術において使用されている周波数変換のための方式および装置、ならびにその際に発生するレーザビームの雑音源を紹介して論じる。ここで論じることは、本発明に対してのみ関連している外部の周波数変換に限定される。
【０００６】
外部での周波数変換の効率を高めるための公知の方式は受動的な共振器内での共振的な周波数倍化である（例えば、Ashkinらによる「Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing」、Journal of Quantum Electronics、QE-2、１９６６年、第１０９頁およびM.Briegerらによる「Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator」、Optics Communications 38、１９８１年、第４２３頁）。レーザビームはミラーおよび非線形の結晶を包含する光学的な共振器に入力結合され、この光学的な共振器はレーザビームの周波数に共振するよう調整されている。共振することによって共振器内でのレーザビームの強度が高まり、したがって非線形の結晶における変換効率も高まる。
【０００７】
外部において共振的に周波数変換を行う技術は近年ますます広範に開発され続けており、また多数の刊行物にも記載されている（例えばＵＳ５０２７３６１、ＵＳ５５５２９２６、ＵＳ５６２１７４４、ＵＳ５９４３３５０、ＵＳ６０８８３７９，ＤＥ１９８１４１９９、ＤＥ１９８１８６１２、ＤＥ１０００２４１８、ＤＥ１００６３９７７を参照されたい）。外部での周波数倍化の際に達成される変換効率は平均的に９０％であり、それどころが部分的には内部での変換の場合よりも高い（Schneiderらによる「1.1W single-frequency 532nm radiation by second-harmonic generation of a miniature Nd:YAG ringlaser」Optics Letters、第２１巻、第２４号、１９９６年、第１９９９頁を参照されたい）。
【０００８】
ＵＳ５６９６７８０においては、波長を紫外線スペクトル領域に維持するために、ダイオードポンピングされる固体レーザのレーザビームが内部でも外部でも周波数変換される。ＵＳ５４４６７４９に記載されている、殊に大きな共振器長を有する内部で周波数を倍化するレーザのレーザビームからは、外部の共振的な周波数倍化部を用いて一次レーザビームの４倍の周波数を有するレーザビームが発生される。このレーザビームは多モードレーザであるので、周波数倍化部の共振器長はレーザ共振器の共振器長の整数倍でなくてはならない。
【０００９】
殊に大きな２つの共振器を使用することは、原理的な条件により装置の非実用的な実施形態をもたらす。さらには、外部の周波数倍化部に供給される、周波数倍化されたレーザビームのノイズレベルは既に比較的高いものである。何故ならば、ここではノイズの統計的な抑制しか行われないからである。非線形の周波数倍化によってノイズ振幅が倍化されるだけでなく、「モードビート」の際の差分周波数形成の効果によって、すなわち異なるレーザモードの差分周波数形成によるうなりの形成によって、０Ｈｚから数ＭＨｚの殊に妨害的な領域にある付加的な周波数が形成される。
【００１０】
以下ではモードビートの問題を詳細に説明する。このモードビートは多モードレーザにおいて常に存在するノイズ源である。この現象は、他のノイズ源のより強いノイズによって隠されているか、周波数が認識される範囲の外にあるので、しばしばノイズとしては認識されない。
【００１１】
多くの用途に関して、レーザノイズの周波数スペクトルはレーザシステムの有用性にとって決定的に重要である。多くの用途においては例えばレーザビームが電子光学的な変調器を用いて振幅変調される。使用される変調周波数は数１００ＭＨｚにまで及ぶ可能性がある。この用途に関しては有効周波数の領域にあるレーザノイズが可能な限り小さいことが重要である。これに対してこの有効周波数の領域外のレーザノイズは重要ではない。例えば数センチメートルの長さのレーザ共振器の隣接するレーザモードによって生じるような数ＧＨｚの領域にあるうなり周波数は一般的に重要ではない。何故ならばこのうなり周波数は、通常の場合変調に使用される周波数帯から大きく離れているからである。例えば、３ｃｍの共振器長を有する２モードレーザでは２つのレーザモードの周波数間隔が５ＧＨｚである。したがってノイズスペクトルにおいては、この１つの周波数しか発生せず、このことは従来から公知の全ての用途には影響を及ぼさない。しかしながらレーザが２つ以上のモードを有する場合には別のうなり周波数が加わる。実際のレーザ共振器における縦方向のレーザモードの周波数は、光学素子の分散ならびに活性媒質の「モードプリング」効果によって周波数が変位するために正確には等間隔ではない。したがって、２つ以上のモードを有するレーザのノイズスペクトルはモード間隔に応じた非常に近接する複数の周波数を有する。
【００１２】
レーザの基本波のみが使用される限りは、この周波数は数ＧＨｚの領域にあり、したがって前述の用途領域に影響を及ぼすことはない。しかしながらレーザビームが非線形の材料を用いて周波数変換される場合、すなわち例えば周波数が倍化される場合には、変換されたレーザビームのノイズスペクトルには、前述の非常に近接するＧＨｚ領域の周波数のみが生じるだけではなく、その周波数の差分周波数も生じる。この差分周波数は一般的に０Ｈｚから数ＭＨｚの領域にあり、したがって前述の用途領域にとって非常に影響を及ぼす。このうなりはさらに好ましくない特性、すなわちそのようなうなり周波数は敏感にレーザ共振器の長さ、したがって温度に依存し、その結果常に変化する種々の周波数を有するノイズスペクトルが生じるという特性を有し、このことは前述の用途にとって非常に不利である。
【００１３】
A,Hohlaらによる「Bichromatic frequency conversion in potassium niobate」、Optic Letter、第２３巻、第６号、１９９８年、第４３６〜４３８頁から、１．２ＧＨｚの周波数差を有する２つのレーザモードを持つ一次レーザビームを出力することができる、小型チタン・サファイア・レーザの形態のレーザ共振器を備えたレーザが公知である。レーザはさらに、２つのレーザモードが入力結合される湾曲した端部ミラーを備えたボータイ（Bow-Tie）タイプの外部のリング共振器を包含する。外部の共振器は周波数倍化のための温度が調整されるニオブ酸カリウム結晶を有する。温度調整はニオブ酸カリウム結晶の光学的な位相整合を維持するために使用される。
【００１４】
この装置の欠点は、周囲温度のような外部のパラメータの変動が、２つのレーザモードおよび二次レーザビームの一定の出力を有する、ノイズの少ない安定した動作が妨害されることである。しかしながら周波数変換されたレーザビームの一定の出力は多くの工業的な用途において高い重要性を有する。
【００１５】
本発明が基礎とする技術的な問題は、ノイズが少なく且つ殊に安定した外部の周波数変換を実現するレーザを提供することである。本発明が基礎とする別の技術的な問題は、ノイズが少なく且つ安定性が殊に高い周波数変換型のレーザを供給することである。
【００１６】
本発明によれば、請求項１の特徴を有するレーザ共振器および請求項１２の特徴を有するレーザ装置が提供される。従属請求項には本発明によるレーザ共振器または本発明によるレーザ装置の有利な実施形態が記載されている。
【００１７】
本発明は、レーザ共振器の構成が二次レーザビームの安定した強度にとって非常に重要であるという認識を基礎とする。したがって本発明の基礎をなす観点は、一次レーザビームを発生させるためのレーザ共振器である。さらに本発明によるレーザ共振器の実施形態は以下の認識を基礎とする：
増幅媒質（活性媒質とも称する）が共振器長よりも著しく短く、且つ共振器ミラー間の中央に設けられているレーザは、２モード動作する傾向にある。２モード動作とは基本的に、横方向の基本状態ＴＥＭ００において隣接する縦方向の２つのレーザモードの構成、すなわちＴＥＭ００ｑおよびＴＥＭ００ｑ＋１を表しており、ここでｑはそれぞれのモードの振動ノード数を意味している。比較的高い横方向モード、すなわち例えばＴＥＭ０１ｑの発生は活性媒質におけるポンプ光分散の相応の構成および好適な共振器幾何学によって回避される。
【００１８】
周波数が活性媒質の増幅最大値の最も近くにある２つのレーザモードの発振後に、反転分布、したがって別のモードに使用される増幅が大幅に低減する。活性媒質内においてポンプビーム源によって形成される反転分布は、単にこれら２つのモードの発振によって非常に効果的に惹起される、すなわちレーザビームに変換される。何故ならば２つのモードの相互作用領域は相補的に相互に存在するからである。
【００１９】
より簡単に表現すれば、第１のモードは波腹を有し、その波腹において第２のモードが振動ノードを有する。２つのモードによって反転分布をこのように相補的に使用することによって、反転分布の空間的な変調（「空間的なホールバーニング」）はさらに回避される。
【００２０】
しかしながら付加的な措置を講じることなく、そのような装置においては散在的に別のモードが発振する可能性がある。さらに多くのモードが発振するか否か、またそのようなモードがどのように発振するかは増幅媒質の帯域幅、ポンプ出力および共振器長に依存する。ポンプ出力が大きくなればなるほど、また共振器長が長くなればなるほど、より多くのモードが発振する可能性がますます高まる。何故ならば、これによって付加的なモードに使用される残りの増幅も、増幅帯域幅に存在する付加的なモードの数も増大するからである。
【００２１】
ポンプ出力が非常に低い場合でもあっても、また共振器長が非常に短い場合であっても、３つのモードが発振する場合がしばしば生じる。このことは例えば、１つのモードの周波数が増幅領域のほぼ中央に位置し、且つ残りの２つの隣接モードがこれによってほぼ同一の増幅を受ける場合に生じる。
【００２２】
したがって本発明が基礎とする着想は、外部での周波数変換の際に既に唯一の別のモードが発生していることは、周波数変換された出力の不安定および前述の「モードビート」、したがってノイズの上昇につながるので、レーザ共振器内での２つ以上のモードの発生を回避することである。このことは本発明によれば、共振器において同一またはほぼ同一の強度を有する２つの隣接する縦方向のモードが発振されることによって達成される。
【００２３】
したがって本発明によるレーザ共振器は、内部に配置されている増幅媒質と、レーザ共振器内に配置されており、周波数に依存する減衰プロフィールを有する周波数選択素子とを包含する。周波数選択素子は減衰プロフィールと周波数との関係が、またレーザ共振器はその光学長が以下のように調整されているか調整可能に構成されている。すなわち、レーザ共振器の光学的な２モード長が調節可能である場合、同一またはほぼ同一の強度のちょうど２つの隣接する縦方向レーザモードを有するレーザビームがレーザ共振器から出力結合されるように調節されているか、調節可能に構成されている。
【００２４】
本発明によれば、周波数選択素子および共振器長を適切に調整することによって、ノイズの少ない２モード動作が実現される。本発明によれば、所定の減衰プロフィールではレーザ共振器の長さを、同一またはほぼ同一の強度の２つの隣接する縦方向のレーザモードがレーザ共振器から出力結合されるように調節することができる。レーザ共振器のこの光路長は光学的な２モード長とも称される。この長さはそれぞれの周囲温度、周囲圧力および周波数選択素子の減衰プロフィールと周波数との所定の関係に依存する。ここで「光路長」の概念は屈折率の影響を考慮する。
【００２５】
本発明により設けられている制御器を備えたレーザ共振器は殊に高い安定性を達成する。本発明は第１の変形形態において第１の制御器を有し、この第１の制御器は入力信号に依存してレーザ共振器の光路長の変化を制御するために構成されている。第１の制御器は、一次ビームを持続的に２つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように制御が行われるよう構成されている。入力信号は２つのレーザモードの強度またはエネルギまたは出力の差に依存する。
【００２６】
択一的には、付加的に第２の制御器が設けられており、この第２の制御器は入力信号に依存して周波数選択素子の減衰プロフィールの所定の変化を制御するために、一次ビームを持続的に２つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように構成されている。入力信号は２つのレーザモードの強度の差に依存する。
【００２７】
さらに択一的には、本発明によるレーザ共振器は第３の制御器を有し、この第３の制御器は入力信号に依存してレーザ共振器の光路長を制御するためにも、また周波数選択素子の減衰プロフィールを制御するためにも構成されており、ここで第３の制御器は付加的に、一次レーザビームが持続的に２つのレーザモードの同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できるように制御が行われるよう構成されている。入力信号は２つのレーザモードの強度の差に依存する。
【００２８】
本発明によるレーザ共振器でもって安定した２モード動作が実現される。別のモードの発生は周波数選択素子を用いることにより広範な出力領域において効果的に抑制することができる。これに対して従来技術、例えばＵＳ５９６００１５による多モードにおける不所望なモードの抑制は、限定的な出力領域においてしか達成されない。別のモードの効果的な抑制の結果として、本発明によるレーザは従来技術による多モードレーザに比べて改善されたノイズ特性を示す。
【００２９】
本発明によるレーザ共振器は、２つの隣接するレーザモードを持続的に同一またはほぼ同一の強度でもって出力結合できる点で優れている。
【００３０】
本発明によるレーザ共振器の有利な実施例においては、増幅媒質が中心周波数ν０を持つ増幅プロフィールを有し、この中心周波数ν０において増幅プロフィールは最大値を有する。この実施例ではレーザ共振器の光学的な２モード長の場合、隣接する２つの縦方向レーザモードの周波数は中心周波数ν０に対して対称的またはほぼ対称的に位置する。
【００３１】
単にほぼ対称的な配置は、単にほぼ同一の強度を有する隣接する２つのレーザモードがレーザビーム内に生じるよう作用する。しかしながらこのことは結果として生じるレーザビームの強度に対して影響を有さない。何故ならば、２つのモードの強度の和は同一の強度の場合に比べて変化しないからである。本発明によるレーザ共振器を備えた、周波数変換のための外部の受動的な共振器が動作する場合には、２つの隣接するレーザモードの強度比は周波数変換されたレーザビームの総出力に作用する。可変の分配係数κ（０...１）を規定し、この係数に従い一定の総出力Ｐｆを、
Ｐ１＝κＰｆ
Ｐ２＝（１−κ）Ｐｆ
により２つのレーザモードの出力Ｐ１およびＰ２に分割すると、周波数倍化された出力Ｐｓが一次近似により得られる。
ＰＳ＝γ（Ｐ１２＋４Ｐ１Ｐ２＋Ｐ２２）
ＰＳ＝γ（−２（κ−０．５）２＋１．５）Ｐｆ２
ここでγは変換係数を表す。これに従い周波数倍化された出力Ｐｓはκ＝０．５、すなわち出力の対称的な分割の際に最大値を取る。したがって周波数倍化された出力または周波数倍化された出力の変化は、本発明によるレーザ共振器の制御器に対する殊に適切な入力信号である。
【００３２】
本発明の有利な実施例においては、第１の制御器または第３の制御器が制御信号を形成し、この制御信号は第１の調整素子に出力され、この第１の調整素子は到来した制御信号に依存してレーザ共振器の光路長を変化させるために構成されている。
【００３３】
有利には、第１の調整素子はレーザ共振器の温度を変化させるために構成されている。この変形形態は構造的に簡単である。温度の制御はただそれだけで、周波数選択素子の優先周波数（Vorzugsfrequenz）またはレーザ共振器の光路長、またはそれら２つを調整するためにしばしば既に十分である。したがって本発明の別の実施例においては、第１の調整素子が周波数選択素子の温度を変化するために構成されている。
【００３４】
別の実施例においては、第２の制御器が制御信号を形成し、この制御信号を第２の調整素子に出力し、この第２の調整素子は周波数選択素子の温度を変化させるために構成されている。
【００３５】
有利には周波数選択素子として線形の周波数選択素子、殊にエタロンまたは複数のエタロンの組み合わせが使用される。レーザビームの方向でもってエタロンの面放線は０とは異なる角度を囲むようにこのエタロンを構成することができ、この場合エタロンの面はコーティングしていなくても良い。エタロンはこの場合、角度が調整されたエタロンである。殊に、エタロンとして構成されている少なくとも１つの出力結合ミラーが使用される。この出力結合ミラーの出力結合度はエタロン作用により周波数に依存しており、またこれによって出力結合ミラーは不所望なモードを抑制する。そのようなエタロンを例えば温度の変化によって調整することができる。エタロンの厚さおよびコーティングが適切に選択されている場合には、安定した２モード動作がレーザ閾値から数ワットまでの広範な出力領域にわたる出力を実現する。殊に、エタロンとして構成されている出力結合ミラーを備えたレーザの実施形態は、非常に僅かな煩雑性および高い効率の点で傑出している。しかしながら本発明はこの特別な装置に制限されるものではない。むしろ本発明の範囲においては他の周波数選択素子、例えば複屈折フィルタまたは角度が調整されたエタロンまたはこのような素子の組み合わせも使用することができる。したがって以下ではエタロンは単に該当する周波数選択素子のうちの１つを代表して表されているものとする。
【００３６】
いかなる場合においてもエタロンは、増幅プロフィールの中心周波数ν０に調整されている優先周波数を有する。エタロンの帯域幅は、全ての不所望なレーザモードの十分な減衰が行われるように選択されている。
【００３７】
本発明によるレーザ装置は本発明によるレーザ共振器の他に、レーザ共振器から出力された一次レーザビームを周波数変換するための外部の受動的な共振器を包含する。レーザ共振器内部における周波数変換のための非線形の材料の使用を省略することによって、特性が安定しているレーザ、殊に２モード動作が安定しており且つノイズが少ない周波数変換型のレーザを提供することができる。殊に、周波数変換されたレーザビームのノイズスペクトルが、一次レーザビームの２つの隣接する縦方向レーザモードの周波数間隔よりも大きいまたはその周波数間隔と等しいうなり周波数のみを包含すること、また周波数変換されたノイズの実効値が最も低いうなり周波数以下の周波数領域において平均出力の最大で０．２％であることを達成できる。
【００３８】
レーザ源と周波数変換部としての受動的な共振器を分離することによって、レーザ共振器および受動的な共振器に関するタスクの分割が行われる。すなわち、レーザ共振器において安定したノイズの少ない一次ビームが形成され、受動的な共振器において効果的に周波数が変換される。したがってレーザ源と、例えば周波数倍化部のような周波数変換器とを分離することは、両方の部分を別個に最適化するために付加的な自由度を設計者に明らかにする。つまり例えば非線形の結晶の長さを、レーザ源に作用を及ぼすことなく周波数変換の要求に対してのみ最適化することができる。例えば、内部での周波数倍化の際に部分的に維持されているようなノイズの少ない動作に対して最大限許容されるポンプ出力のような動作制限は、外部の周波数変換においては省略される。したがってレーザ源および周波数変換部の別個の最適化は、要求設定を充足することを設計者に容易にする。
【００３９】
レーザ共振器の光路長が最適値から偏差しても一次レーザビームの出力は変化しないので、このパラメータからは本発明によるレーザ共振器の制御器に対する入力信号、例えばエラー信号を導出することはできない。
【００４０】
したがって本発明によるレーザ装置の殊に有利な実施例は、二次レーザビームの強度に依存する第１の測定信号を形成して出力するために構成および配置されている第１の測定装置を有する。別の実施形態は第１の測定装置に後置接続されている評価ユニットを有し、この評価ユニットは第１の測定信号からエラー信号を出力するよう構成されている。このエラー信号は光路長、すなわち光学的な２モード長からの光学的な共振器長の偏差に依存しており、また方向情報、すなわち例えば過度に小さい共振器長では正であり、過度に大きい共振器長では負である方向情報を包含する。殊に有利には、エラー信号が入力信号として第１、第２または第３の制御器に供給される。この実施例の背景は、共振器長が最適である場合、周波数変換されたレーザビーム出力は最大値を取ることである。したがって周波数変換された強度を検出することによって、制御回路に関する入力信号を取得することができる信号を供給することができる。周波数変換のための外部の受動的な共振器はこれによって付加的に、レーザ共振器のモード構造に関する一種の検出器として使用される。第１の測定信号は、モード構造が中心周波数について対称的であり、したがってレーザ動作にとって最適である場合に最大となる。
【００４１】
殊に、外部の受動的な共振器を周波数倍化のために設計することができる。周波数倍化の際には非線形の結晶の特性に基づき、本発明によれば２つの隣接する周波数ν１およびν２を包含する一次レーザビームから付加的に３つの別の周波数、すなわち倍化された周波数２ν１および２ν２ならびに２つの本来の周波数の和周波数ν１＋ν２が生じる。一次レーザビームの２つのレーザモードの周波数は、これらの周波数が非線形の結晶における位相整合に関する許容範囲内にある程に密に隣接している。同様に和周波数混合に関しては、ファクタ４だけ大きい変換係数での位相整合が問題となる（例えばV.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan, N. Nikogosyanの「Handbook of Nonlinear Optical Crystals」Springer Series in Optical Sciences、第６４巻、ISBN-3-540-65394-5を参照されたい）。したがって３つの周波数の強度の比は１：４：１となる。
【００４２】
従来の多モードのレーザビームに比べて、本発明による周波数変換されたレーザビームは２つの非常に有利な特性によって優れている：１つは、包含されている３つの周波数がΔν＝ν２−ν１の周波数間隔での精確な等間隔にあるということであり、もう１つは、周波数倍化されたレーザビームの平均周波数において全体出力の２／３が統合されることである。これらの特性の有利な作用は殊に、２つの外部の受動的な共振器が後述するように相互に接続されている場合には重要である。
【００４３】
外部の受動的な共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍に相当する場合には、２モードレーザにおいて外部の受動的な共振器が一次ビームの２つの周波数に対して共振することを達成でき、その結果周波数変換の際には単一モードレーザの場合と同じ効率を達成することができる。これに対して、典型的に１００のモードを有する多モードレーザが外部において周波数変換される、ＵＳ５６９６７８０による装置ではレーザモードの一部に対してしか受動的な共振器において共振を達成することができない。何故ならば、モードの周波数間隔はレーザ共振器および受動的な共振器内での分散によって種々の非線形の規則性に従い変化するからである。これによりそのような装置において達成される効率は低くなる。上述した「モードビート」に起因して、ＵＳ５６９６７８０による装置の周波数変換されたレーザビームは低周波領域にある複数のうなりを有し、そのうなりの振幅および周波数は圧力および温度のような周囲パラメータと共に複雑に変化する。
【００４４】
本発明によるレーザの別の実施形態においては、このレーザが周波数変換のために少なくとも２つの外部の受動的な共振器を包含し、これらの２つの外部の受動的な共振器は一次レーザビームが第１の外部の受動的な共振器に入力結合され、この第１の外部の受動的な共振器から出力された周波数変換されているレーザビームがさらなる周波数変換のために第２の外部の受動的な共振器に入力結合されるように相互に接続されている。外部の受動的な共振器それぞれが周波数倍化のために設計されている場合には、この構成でもって一次レーザビームに対し４倍の周波数を有するレーザビームを得ることができる。
【００４５】
可能な限り高い変換効率を達成するために、２つの外部の受動的な共振器の第１の実施形態においては、２つの共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍に相当する。外部の受動的な共振器の非線形の結晶が周波数倍化のために設計されている場合には、これによって例えば、第２の外部の受動的な共振器においては周波数倍化されたレーザビームの３つ全ての周波数に対して共振が存在することが達成される。周波数倍化および和周波数混合によって、周波数間隔がΔν＝ν２−ν１である５つの隣接する周波数を有する「周波数が４倍にされた」レーザビームが生じる。精確に等間隔であるために、うなりによって妨害的な低周波のノイズが発生する可能性はない。すなわち上述した非常に有利な第１の特性によって、妨害的なうなり周波数が生じることなく、多モードレーザビームは高効率でもって周波数が何倍にもされる。
【００４６】
しかしながら紫外線のレーザビームの幾つかの用途、例えばリソグラフィおよび共焦点のマイクロスコープにおいては、レーザビームがただ１つの周波数を包含することが決定的に重要である。したがってこれを達成するために、２つの外部の受動的な共振器の択一的な実施形態においては、第２の外部の受動的な共振器の光路長がレーザ共振器の光路長の整数倍とは著しく異なるように調節されている。
【００４７】
このことは例えば、受動的な共振器において周波数倍化する非線形の結晶の場合、第２の受動的な共振器の光路長は、第１の受動的な共振器によって形成された周波数倍化されたレーザビームの平均周波数ν１＋ν２に対してのみ共振するように設計されていることを意味する。これによって既存の３つの周波数のうちの１つの周波数のみが倍化され、新たに形成される変換されたレーザビームのみが２（ν１＋ν２）の周波数を有する。
【００４８】
この場合、受動的な共振器は付加的に、不所望な周波数を抑制する狭帯域フィルタの作用を有する。第２の受動的な共振器に入力結合されるレーザビームの出力が均等に３つの周波数に分割されるならば、この出力の１／３のみが共振器内を循環することになる。倍化プロセスの２乗の関係に起因して変換効率は、３つ全ての周波数が共振する前述の実施形態において存在する値の１／９に低減するであろう。本発明においては、共振器内を循環する出力は単に２／３にしか低減しないので、変換係数は単に４／９にしか低減しない。したがって上述の非常に有利な第２の特性は、副モードが第２の受動的な共振器を用いることにより単一モードを目的として抑制される場合には、４倍も高い変換効率を提供する。
【００４９】
したがって、２つの外部の受動的な共振器の前述の実施形態は紫外線のレーザビームのための構造的に十分に等しい２つのレーザ源であり、これらの実施形態のうち第１の実施形態は効率の高い多モードレーザビームを供給し、これに対し第２の実施形態は第１の実施形態の効率の４４％の単一モードレーザビームを供給する。これら２つの実施形態は単に、第２の受動的な共振器の光路長が僅かに異なるという点のみで区別される。したがって、ビーム幾何学を維持し且つ光路長の変化を可能にする光学素子を挿入することによって構成を別の構成に変更することも可能であり、これによって多モードレーザビームと単一モードレーザビームを切り換えることができる。
【００５０】
本発明の別の実施形態においては、外部の周波数変換部を有するレーザがさらにポンプ光源ならびに制御回路を包含し、この制御回路は高周波出力変動を検出するための検出器と、レーザ出力において減衰されていない振動が抑制されるようにポンプ光源に作用を及ぼす調整素子とを有する。このことは以下において詳細に説明される。
【００５１】
本発明の１つの実施形態においては、２モード動作の固体レーザの一次レーザビームが外部の受動的な共振器に入力結合され、周波数変換されたレーザビームが形成される。受動的な共振器は好適には、一次レーザビームが直接的にレーザ共振器に反射することを回避するためにリング共振器として実施されている（M. Briegerらによる「Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator」Optics Communications 38、１９８１年、第４２３頁）。つまりこのような反射によって通常の場合、不安定性が生じるからである。しかしながらリング共振器は、共振器内の光学素子、殊に非線形の結晶はレーザ光を種々の方向に散乱させる可能性があるので、フィードバックがないわけではない。入射ビーム方向に抵抗して散乱する光は共振器内での共振増大によって増幅され、指向性のビームとしてレーザ共振器に帰還する。レーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔が一定である限り、また後方散乱がレーザ出力と強い線形性の関係にある限り、これによって不安定性は発生しない。
【００５２】
しかしながら非線形の結晶を有する受動的な共振器においては、出力に依存する非線形の後方散乱効果が生じる可能性がある。このことは受動的な共振器の共振周波数が共振器内を循環する光波の出力と共に変化することを表している。共振周波数が変化することによって共振条件は変化するので、やはり出力が変化する。この現象は「付加パルスモード同期（Additive Pulse Mode Locking）」の方式において使用され、継続的にポンピングされる固体レーザ、例えばチタン・サファイア・レーザにおいてモード結合によるパルス動作が惹起される（W. Koechnerの「Solid State Laser Engineering」Springer Series in Optical Sciences、第５１５頁、ISBN 3-540-60237-2を参照されたい）。しかしながら本発明においてはこの現象は不所望な振動に繋がる可能性がある。発振プロセスの力学は光学的にポンピングされる固体レーザでは共振特性、いわゆる緩和発振に繋がる可能性がある。ここでは通常の場合、レーザ媒質の励振がパルス状に行われない限り減衰された振動である。この減衰された緩和発振からは、上述のような非線形のフィードバックが存在し、且つレーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔は適切な位相関係によってフィードバックが存在するような場合には、１００％までの変調深さを有する減衰されていない振動が生じる可能性がある。生じた振動の周波数は緩和発振に相応し、また典型的には１００ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数領域において、使用される活性レーザ材料およびポンプ出力に依存する。
【００５３】
本発明においては、この減衰されていない振動の発生が不所望な特性を表すおそれがある。これは原理的には、レーザ共振器と受動的な共振器との間の間隔が、フィードバックからネガティブフィードバックになり、これによって減衰されていない振動が再び減衰された振動になるように構成されていることによって回避されるであろう。しかしながらこのために間隔は持続的に波長の一部に正確に維持されなければならず、このことは圧電素子を用いる煩雑な電子制御によってのみ実現されるであろう。
【００５４】
本発明においては、前述の発振を回避するための余り煩雑でないやり方が選択される。ノイズ源についての上記の検討において既に述べたように、ダイオードポンピングされる固体レーザの減衰された緩和発振によって惹起されるノイズは電子的なネガティブフィードバックを用いて低減される（Harbらによる「Suppression of the Intensity Noise in a Diode-pumped Neodymium : YAG Nonplanar Ring Laser」IEEE Journal of Quantum Electronics、第３０巻、第１２号、１９９４年、第２９０７頁を参照されたい）。この際、一次レーザビームの高周波出力振動はフォト検出器を用いて電気信号に変換される。この信号は電子的に増幅され、必要に応じて周波数応答訂正および位相訂正が行われた後にレーザダイオードないしレーザダイオードアレイの動作電流に付加される。
【００５５】
このことは原理的に、ポンプ光出力が十分迅速に動作電流に反応する限りは他のポンプ光源を用いても可能である。このネガティブフィードバック方法は前述の刊行物において専らノイズを低減するために使用されている。しかしながら本発明においては、レーザ活性媒質と受動的な共振器の非線形で光学的なフィードバックとの相互作用から生じる、レーザ出力の減衰されていない振動を回避するために使用される。
【００５６】
本発明のさらなる特徴、特性および利点は実施例の以下の説明から明らかになり、この際図面を参照する。ここで、
図１は周波数変換段を１つだけ備えた本発明によるレーザの第１の実施例を示し、
図２は２つの周波数変換段を備えた本発明によるレーザの第２の実施例を示し、
図３は２モード動作を安定させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第３の実施例を示し、
図４は緩和発振を減衰させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第４の実施例を示し、
図５はレーザ共振器内の種々の素子と周波数との関係の概略的なグラフを示し、
図６は図３によるレーザ共振器の温度に依存する、一次レーザビームおよび周波数変換されたレーザビームの出力の概略的なグラフを示し、
図７は複数の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図８は単一の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフを示し、
図９はａ）周波数倍化部が接続されている、ｂ）周波数倍化部および電子的なネガティブフィードバックを備えていない、ｃ）電子的なネガティブフィードバックを備えた、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録を示す。
【００５７】
本発明は、外部の周波数変換部を備えた、光学的にポンピングされる固体レーザ、殊にダイオードポンピングされる安定した固体レーザを提供する。レーザ共振器内の活性媒質としてのレーザ結晶は基本波長を有する一次レーザビームを形成し、この一次レーザビームからは外部の共振周波数変換部を用いることにより周波数変換された１つまたは複数のレーザビームが形成される。レーザ共振器におけるちょうど２つの縦方向レーザモードの発振によって、比較的僅かな手間で高い全体効率および非常に低いノイズが達成される。本発明の実施例においては周波数変換されたビームは３つまたはそれ以上の周波数を有する。本発明の別の実施例においては、周波数変換されたレーザビームはだた１つの周波数を有し、したがって単一モードレーザのビームに相当する。以下の実施例の説明においてはこれらに関して細部にわたり理解される。
【００５８】
図１による実施例は、２モードレーザ７、伝達光学系８および周波数倍化ユニット９を有する。２モードレーザ７はポンプ光ビーム１１を放射するポンプ光源としてのレーザダイオード１、ここでは明瞭にするために単一レンズとして表されている集束光学系２、ならびにレーザ共振器６を包含する。このレーザ共振器６は、内部において近似的に中央に配置されているレーザ結晶５と、ポンプ光ビームを入力結合させるための入力結合ミラー３と、レーザビームを出力結合するための出力結合ミラー４とを有する。
【００５９】
レーザダイオード１によって発生されるポンプ光ビーム１１は集束光学系２を用いて入力結合ミラー３を介してレーザ結晶５に集束される。レーザ結晶として有利には材料Ｎｄ：ＹＶＯ４が使用される。何故ならばこの材料は効率が高く、また偏光されたレーザを発生させるからである。入力結合ミラー３はポンプビームの波長に対して透過性であり、レーザの基本波長に対しては高い反射性を有する。出力結合ミラー４はエタロンとして構成されており、したがって以下では出力結合エタロンとも称する。出力結合エタロン４は平行な面を有する水晶からなるプレートであり、このプレートは内側を向く面上がコーティングされておらず、外側を向く面上がレーザの基本波長に対して部分反射的にコーティングされている。この層の反射率は内側の面のフレネル反射に関して、レーザの典型的な動作パラメータにとって最適である値よりも低く選定される。出力結合エタロンの反射率は、厚さを適切に選択した際には不所望なレーザモードを十分に抑制する、図５に示した周波数との関係の真ん中の曲線に類似する反射率を有する。約３０ｍｍの光学共振器長、２ｍｍの出力結合ミラー厚、約９０％の反射率では、２モード動作は数ワットまでの出力を達成した。
【００６０】
図１において簡単なレンズとして表されている伝達光学系８は一次レーザビーム１２をモード整合条件下で周波数倍化部９に案内する。この周波数倍化部９は３つのミラー２６ａ、２６ｂおよび２６ｃと非線形の結晶１０を備えた受動的なリング共振器として概略的に示されており、さらなる詳細、例えば共振器長の安定化などは簡潔にするためにここでは省略した。非線形の結晶のための材料として例えばＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ、ＬＢＯまたはＢＢＯが対象となる。レーザ共振器の長さの整数倍に調整される光学的な共振器長を除いて、受動的な共振器の正確な実施形態は本発明にとってそれほど重要ではない。非線形の結晶１０において形成される周波数倍化されたレーザビームは、一般的に可視スペクトル領域にある、結果として生じたレーザビーム１３として放射される。つまり例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４を用いて５３２ｎｍまたは６７０ｎｍの波長を発生させることができる。殊に、前述の装置を用いることにより、レーザダイオードのポンプ出力が８０８ｎｍで４Ｗの場合、１０６４ｎｍで２Ｗの一次レーザビーム出力および５３２ｎｍで１Ｗ以上の周波数倍化されたビーム出力を達成することができる。ポンプビームから周波数倍化されたレーザビームを形成する際の効率は２０％以上である。
【００６１】
本発明の第２の実施例（図２）においては２つの外部の受動的な共振器９、１５が周波数変換段として設けられている。後置されている第２の受動的な共振器１５においては、第１の受動的な共振器において形成された周波数倍化されたレーザビームから、適切な非線形の結晶１６を用いて一次レーザビームの４倍の周波数を有する周波数が形成される。可能な限り高い変換効率を達成するために、第２の受動的な共振器１５の光路長は、周波数倍化されたレーザビームの３つ全ての周波数に対して共振が存在するように設計される。以下ではこの実施例を図２を参照して詳細に説明する。
【００６２】
図２に示したレーザは第２の伝達光学系１７と、第１の外部の受動的な共振器に後置されている第２の外部の受動的な共振器１５が設けられているという点のみが図１に示したレーザと異なっている。周波数倍化されたレーザビーム１３は第２の伝達光学系１７を介して第２の周波数倍化ユニット１５に入力結合される。第２の周波数倍化ユニット１５は第１の周波数倍化ユニットと同様に非線形の結晶１６を包含し、この結晶１６を用いて周波数が４倍にされたレーザビーム１４が発生される。結果として生じたレーザビーム１４は通常の場合、紫外線スペクトル領域にある波長を有する。材料Ｎｄ：ＹＶＯ４を使用する場合には、例えば２６６ｎｍまたは３３５ｎｍの波長を発生させることができる。結果として生じたレーザビームの詳細なスペクトル特性は第２の周波数変換段の正確な実施形態に依存する。第１の周波数倍化段９は有利には、一次レーザビームの２つの周波数に対して共振するように実施されている。このことは、共振器９の光学的な共振器長がレーザ共振器６の光学的な共振器長の整数倍に調整されることによって達成される。二次高調波１３の周波数スペクトルは図７（真ん中）に示されている。スペクトルはそれぞれがファクタ４だけ低い強度を持つ２つのサテライト線（Satellite）を備えた主線からなる。ここでは第２の周波数倍化段１５を選択的に２つの実施形態で実施することができる。
【００６３】
第１の実施形態では、第２の周波数倍化段１５が二次高調波の３つ全ての周波数に対して共振するように実施されている。このことは、共振器１５の光学共振器長がやはり、レーザ共振器６の光学共振器長の整数倍に調整されることによって達成することができる。この場合には、供給される二次高調波１３の全出力が四次高調波１４を形成するために使用され、したがって最大限可能な効率が達成される。四次高調波の周波数スペクトルはこの場合、図７（下）に示されているように５つの周波数を有する。さらには、周波数が４倍にされたレーザビームのノイズスペクトルは、一次レーザビームの縦方向モードの周波数間隔よりも小さいうなり周波数を有さない。この実施形態は高い出力ないし効率が要求されるが、周波数スペクトルが細部においては重要ではない用途には最適である。
【００６４】
比較的低い出力が要求されるが、単一周波数のレーザビームが要求される用途に対しては、二次高調波の主線のみが四次高調波を形成するために使用されるように図２による実施形態を修正することができる。このために第２の受動的な共振器１５の共振器長は、レーザ共振器６の共振器長の整数倍とは明らかに異なるように調整される。したがって第２の受動的な共振器１５は二次高調波の３つの周波数のうちの１つのみと依然として共振することができるので、これによって３つの周波数のうちの１つのみを効率的に倍化させることができる。好適には、第２の受動的な共振器１５の電子的な共振器長安定化は、この場合に関して最大限可能な効率を得られるようにするために、共振器が主線についてのみ安定化され、サテライト線については安定化されないように構成される。この実施形態に関する一次レーザビーム、周波数が２倍にされたレーザビームおよび周波数が４倍にされたレーザビームの周波数スペクトルが図８に概略的に示されている。本発明のこの実施形態の結果として生じる四次高調波の周波数スペクトルはただ１つの周波数のみを有し、したがって周波数が４倍にされた単一モードレーザの周波数スペクトルと異なるものではない。この実施形態の周波数が４倍にされたレーザビームのノイズスペクトルは、隣接する周波数の重畳により生じるうなり周波数を包含しない。
【００６５】
温度および圧力のような周囲パラメータが変化した場合であっても、２モード動作は持続的に保証され続けることが望ましい。レーザ内の周波数に依存する素子は一般的に敏感にそのような周囲パラメータに依存するので、単一モードレーザにおいても一般的に慣例であるように、これらの素子を制御ループによって安定化させる必要がある。ノイズおよび出力安定性に関しては余り要求が課されず、また統計的に約１００モードのモード数の変動が抑制される、例えばＵＳ５４４６７４９ないしＵＳ５６９６７８０に記載されているような多モードレーザとは異なり、本発明においてはモード数の変動は望ましいものではない。何故ならば、モード数が例えば２から３に増加した場合に、レーザの特性は著しく変化するからである。確かに、モード数が変化した場合にはレーザ共振器から出力結合される一次レーザビームの出力は実質的には変化しないが、受動的な共振器内を循環する光波の出力、したがって周波数変換されたレーザビームの出力はモード数に大きく依存する。
【００６６】
レーザ共振器内の活性媒質および受動的な共振器内での非線形の結晶の「モードプリング」および分散効果によって、通常は存在する共振器モードの周波数の等間隔は解消される。周波数変換の可能な限り高い効率を達成するために、受動的な共振器の光学的な共振器長は、２つのアクティブなレーザモードの周波数が可能な限り正確に共振するように調節される。別のレーザモードが付加されると、これはもはや正確には達成されない。これによって受動的な共振器における共振増加は低減され、したがって周波数変換の効率は低下する。この特性は一方ではレーザの出力を安定化させるための措置を必要とする。何故ならば、通常見込まれる出力変動は許容できないからである。この特性は他方では、周波数変換された出力ないし受動的な共振器内を循環する出力を変形することにより補正信号を取得する可能性を提供する。この補正信号は周波数を決定する素子を安定化させる制御ループに使用される。
【００６７】
例えばＵＳ５１０７５１１ないしＵＳ５１４４６３２による、単一モードレーザを電子的に安定化させるための公知の技術においては、周波数を決定する素子のうちの１つ、例えばエタロンの離調の際のレーザ出力の認識可能な変化が、調整素子を制御するための補正信号を取得するために使用される。例えばエタロンが最適な調節状態に比べて離調される場合にはレーザ出力は２０％まで低減する。本発明においては、レーザ共振器において形成される一次レーザビームの出力は、エタロンの調節ないし共振器長に関するこのような一義的な判定基準を供給しない。エタロンが調整されている場合のレーザ出力の変化は１％よりも遙かに低くとどまる。何故ならば、如何なる時点においても少なくとも２つのレーザモードがアクティブだからである。エタロンの調節が好適でないことによって一方のレーザモードが弱まると、それと同時に他方のレーザモードが強まる。これに別の不所望なレーザモードが加わると、特性はさらに不定になる。活性媒質の増幅の最大値について周波数が対称的に存在するちょうど２つのレーザモードの所望の状態は、一次レーザビームの出力の最大値または最小値によっては傑出していない。基本波長を有する一次レーザビームが有効ビームを表す限り、出力安定性、ノイズならびに全体効率は良好な値を有するので、安定化措置を講じる必要も存在しない。周波数変換が行われたときに初めてその必要性が生じ、また同時に、受動的な共振器が一次レーザビームのモード構造に対する一種の検出器として使用されることによって安定化措置を講じる可能性ももたらされる。
【００６８】
ＵＳ４３９８２９３においては、うなり周波数の変化がレーザの波長を安定化させるために使用される。もっともこのうなり周波数は、偏光状態が異なるが、縦方向モード数は等しい２つのモード間のうなり周波数である。したがって約３００ｋＨｚのこれらのモードの周波数間隔は非常に小さく、標準的な電子機器コンポーネントを用いて評価することができる。これに対して数ＧＨｚのモード間隔の場合には、うなり周波数の純粋な電子的な評価は非常に煩雑であり、したがって本発明においては使用されない。
【００６９】
得ようとされる２モード動作に対しては、レーザ共振器内の周波数を決定する素子が同期されることが必要である。エタロンの優先周波数は活性媒質の最大増幅の周波数ν０に調整される。レーザ共振器の光路長は、２つのアクティブモードの周波数が中心周波数ν０について対称的であるように調整される。２モード動作を持続的に保証するために能動的な制御が有用である。何故ならば、レーザ共振器の光路長は圧力および温度のような周囲パラメータに敏感に依存するからである。共振器長もエタロン優先周波数も例えば、能動的な温度制御でもって制御することができる。レーザ共振器の周波数の温度依存性とエタロンの周波数の温度依存性とが非常に異なる限り（このことは共振器ボディおよびエタロンに対する材料を適切に選択することによって常に達成することができる）、またエタロンが共振器ボディと熱伝的に接続される限り、２つの素子は共通の温度によって制御ループを用いて制御される。この際、共通の温度は温度依存性が少ない素子、例えばエタロンに応じて先ず粗く調節される。この調節に基づきアクティブレーザモードが所期のように選択される。温度の精密な調節は中心周波数ν０に関するアクティブモードの対称化を考慮して行われる。
【００７０】
周辺条件が変化した場合でも２モード動作はこのような制御ループを用いて保証されている実施例が図３に示されている。図１による実施例とは制御ループが設けられている点のみが異なる。調整素子１７、有利にはペルチエ素子がレーザ共振器６に取り付けられており、したがってレーザ共振器６とエタロンとして構成されている出力結合ミラー４の距離を決定する材料２４の共通の温度が制御される。検出器１９を用いて電気信号が形成され、この電気信号は合成レーザビーム１３の出力に比例する。
【００７１】
図５は概略的に、レーザ共振器６内の種々の素子と温度の関係を示す。上の曲線はレーザ結晶５の増幅プロフィールを示し、真ん中の曲線は出力結合エタロン４の反射率を示し、下の曲線はレーザ共振器６の共振を示す。出力結合エタロン４の優先周波数は、出力結合エタロン４の反射率が最大であり、且つ共振器損失が最小である周波数である。
【００７２】
２モード動作を達成するために、出力結合エタロン４の優先周波数は例えば活性材料の中心周波数ν０と一致し、且つ図５の下の線のように２つの隣接するレーザモードの周波数がν０についてほぼ対称的でなければならない。限られた精度のみを有する２つの条件が遵守されさえすればよいので、唯一のパラメータ、すなわちレーザ共振器６と出力結合エタロン４の共通の温度を調整のために使用すれば十分である。このために材料は例えば、レーザ共振器６のレーザモードが温度と共に出力結合エタロン４の優先周波数よりも実質的に速く変位するように選択される。レーザ共振器６と出力結合エタロン４の共通の温度は第１の判定基準に従い差し当たり粗く調節され、その結果エタロンの優先周波数はν０と一致する。続いて温度がさらに僅かに補正されることにより、第２の判定基準、すなわちν０について対称的な２つのレーザモードは充足されている。このために必要とされる温度変化は、第１の判定基準が十分な精度で依然として充足されている程度の僅かなものである。
【００７３】
共通の温度が広範な範囲にわたり変化する場合には、周波数変換されたレーザビームの出力は図６の下に示されている曲線のような特性を示す。上に示されている曲線の一次レーザビームの出力に比べて、この曲線は明らかな最大値を有している。したがってこの測定パラメータは制御器１８に対する補正信号として適している。この制御器１８はレーザ共振器６と出力結合エタロン４の共通の温度を、周波数変換された結果として生じるレーザビームの最大出力が調整されるように制御する。このために使用できるアナログないしディジタルの電子的な方法が公知である。
【００７４】
本発明に関する別の実施例が図４に示されている。この実施例においては、レーザ出力における減衰されていない緩和発振を回避することができる。
【００７５】
ビーム分配器２５は一次レーザビームの一部を検出器２０に配向するために使用される。数Ｈｚから数１０ＭＨｚの周波数領域にある一次レーザビームの出力変動はこの検出器２０によって電気信号に変換され、この電気信号は制御電子機構２１に供給される。制御電子機構２１は実質的に、位相補正部を有する高周波増幅器を包含する。制御電子機構２１の出力信号は、電流供給装置２２からのレーザダイオード１に対する注入電流に付加される。制御電子機構の増幅係数は、周波数が緩和発振の環境において最適に減衰されるように調節される。したがって、受動的な共振器９からの後方散乱２３に起因して発生する可能性のある減衰されていない緩和発振は回避される。
【００７６】
図９は、２μｓ／目盛分割の掃引での一次レーザビームの出力のオシロスコープ記録を示す。曲線ａ）は受動的な共振器が接続されているときの減衰されていない緩和発振の場合を示し、曲線ｂ）はレーザダイオード電流のパルス状の妨害に従い減衰した緩和発振を示す。受動的な共振器波は阻止されており、また制御は遮断されている。曲線ｃ）においては、制御部がスイッチオンされ、増幅が最適に調節され、その結果緩和発振は最適に減衰されている。受動的な共振器が接続されている場合には、減衰されていない振動がもはや観測される可能性はない。
【００７７】
実施例で説明した本発明によって、継続的で、周波数変換型の、光学的にポンピングされる固体レーザを提供することができ、この固体レーザは光学的な全体効率が高く、そのノイズは関連する周波数領域においては単一モードレーザの場合のように低くおよそ１ＧＨｚ以下であり、この固体レーザの出力は第１の周波数変換段後には少なくとも３００ｍＷであり、また同等の出力の単一モードレーザに比べてより簡単且つ廉価に製造することができる。
【００７８】
この種のレーザは殊に、光学的にポンピングされる能動的な固体レーザ媒質、例えばＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４が２つのミラーを備えたレーザ共振器の中央に配置され、周波数選択素子、例えばエタロンがレーザ共振器において使用され、その結果ちょうど２つの隣接する縦方向のレーザモードが形成され、また基本波長を有するレーザ共振器から出力結合される一次レーザビームが、１つまたは複数の非線形の結晶を備えた１つまたは複数の外部の受動的な共振器において別の波長のレーザビームに変換されることによって構成することができる。制御ループを用いるレーザ共振器内の周波数依存素子の制御は必要に応じて、２モード動作したがって所望のレーザ特性を持続的に保証する可能性を提供する。
【００７９】
本発明は前述の実施例に制限されるものではない。むしろ特徴を組み合わせることによって別の実施形態を実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】周波数変換段を１つだけ備えた本発明によるレーザの第１の実施例。
【図２】２つの周波数変換段を備えた本発明によるレーザの第２の実施例。
【図３】２モード動作を安定させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第３の実施例。
【図４】緩和発振を減衰させるための制御回路を備えた本発明によるレーザの第４の実施例。
【図５】レーザ共振器内の種々の素子と周波数との関係の概略的なグラフ。
【図６】図３によるレーザ共振器の温度に依存する、一次レーザビームおよび周波数変換されたレーザビームの出力の概略的なグラフ。
【図７】複数の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフ。
【図８】単一の周波数から得られるレーザビームを用いる実施形態における、一次レーザビームおよび周波数が数倍にされたレーザビームの周波数スペクトルの概略的なグラフ。
【図９ａ】周波数倍化部が接続されている、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録。
【図９ｂ】周波数倍化部および電子的なネガティブフィードバックを備えていない、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録。
【図９ｃ】電子的なネガティブフィードバックを備えた、妨害パルスに応じた緩和発振のオシロスコープ記録。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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