(57)【要約】光学系は、基本波波長でレーザ光線を出射するように動作可能なレーザ源と周波数変換システムとを含む。周波数変換システムは、第１の複数の非線形光学結晶を含む周波数ダブラーモジュールと、第２の複数の非線形光学結晶を含む周波数トリプラーモジュールとを含む。光学系は、周波数変換システムに結合された制御システムと、周波数変換システムに結合された診断システムも含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線経路に沿って配設され、第１の複数の非線形結晶を備える周波数ダブラーモジュールと、
前記光線経路に沿って配設され、第２の複数の非線形結晶を備える周波数トリプラーモジュールと、
を備える周波数変換システム。
【請求項２】
前記第１の複数の非線形結晶の第１の結晶が第１の角度だけ離調され、前記第１の複数の非線形結晶の第２の結晶が第２の角度だけ離調され、
前記第２の複数の非線形結晶の第１の結晶が第３の角度だけ離調され、前記第２の複数の非線形結晶の第２の結晶が第４の角度だけ離調される、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項３】
前記第１の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の複数の非線形結晶の前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第２の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第１の複数の非線形結晶の前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２に記載の周波数変換システム。
【請求項４】
前記第１の角度が正の角度であり、前記第２の角度が負の角度である、請求項３に記載の周波数変換システム。
【請求項５】
前記第３の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第２の複数の非線形結晶の前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第４の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の複数の非線形結晶の前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２に記載の周波数変換システム。
【請求項６】
前記第３の角度が正の角度であり、前記第４の角度が負の角度である、請求項５に記載の周波数変換システム。
【請求項７】
前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に前記光線経路に沿って配設された連続ランダム位相板をさらに備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項８】
前記周波数ダブラーモジュールが、１ω光線を受け取り前記１ω光線の一部及び２ω光線を出射するように動作可能であり、
前記周波数トリプラーモジュールが、前記１ω光線及び前記２ω光線を受け取り３ω光線を出射するように動作可能である、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項９】
前記第１の複数の非線形結晶が少なくとも２つのタイプＩ結晶を含む、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１０】
前記第１の複数の非線形結晶が少なくとも２つのタイプＩＩ結晶を含む、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１１】
前記第２の複数の非線形結晶が１組のタイプＩＩ結晶を含む、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１２】
前記１組のタイプＩＩ結晶が３つの結晶を含む、請求項１１に記載の周波数変換システム。
【請求項１３】
前記第１の複数の非線形結晶がＤＫＤＰを含み、前記第２の複数の非線形結晶がＤＫＤＰを含む、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１４】
偏光回転子をさらに備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１５】
前記偏光回転子がＤＫＤＰ２分の１波長板を備える、請求項１４に記載の周波数変換システム。
【請求項１６】
前記周波数ダブラーモジュール又は前記周波数トリプラーモジュールの少なくとも一方が１組の３つの非線形結晶を含み、前記１組の３つの非線形光学結晶のうちの第１の結晶の厚さが、前記１組の３つの非線形光学結晶のうちの第２の結晶の厚さよりも薄い、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１７】
周波数変換された光を生成する方法であって、
基本波波長を特徴とする入射光線を生成するステップと、
前記入射光線の一部を、前記基本波波長の２分の１である２倍波長を特徴とする２倍光線に周波数変換するステップであって、前記入射光線を第１の複数の非線形光学結晶を透過させるステップと、前記２倍光線及び前記入射光線の他の一部を出射するステップとを含むステップと、
前記２倍光線及び前記入射光線の前記他の一部を前記２倍波長の３分の２である３倍波長を特徴とする３倍光線に周波数変換するステップであって、前記２倍光線及び前記入射光線の残りの部分を第２の複数の非線形光学結晶を透過させるステップと、前記３倍光線を出射するサブステップとを含むステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記入射光線の一部を２倍光線に周波数変換するステップは、
前記第１の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第１の角度だけ離調させるステップと、
前記第１の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第２の角度だけ離調させるステップと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第２の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の角度が正の角度であり、前記第２の角度が負の角度である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記２倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分を前記３倍光線に周波数変換するステップは、
前記第２の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第３の角度だけ離調させるステップと、
前記第２の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第４の角度だけ離調させるステップと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記第３の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第４の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第３の角度が正の角度であり、前記第４の角度が負の角度である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の複数の非線形結晶が１組の２つ以上のタイプＩ結晶を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の複数の非線形結晶が１組の２つ以上のタイプＩＩ結晶を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の複数の非線形結晶が１組の２つ以上のタイプＩＩ結晶を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の複数の非線形結晶がＤＫＤＰを含み、前記第２の複数の非線形結晶がＤＫＤＰを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
少なくとも前記２倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分又は前記３倍光線の偏向を回転させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
基本波波長でレーザ光線を出射するように動作可能なレーザ源と、
第１の複数の非線形光学結晶を含む周波数ダブラーモジュール、及び
第２の複数の非線形光学結晶を含む周波数トリプラーモジュールを含む周波数変換システムと、
前記周波数変換システムに結合された制御システムと、
前記周波数変換システムに結合された診断システムと、
を備える光学系。
【請求項３０】
前記周波数ダブラーモジュールは、第１の複数の回転段階をさらに備え、前記第１の複数の回転段階の各々が、前記第１の複数の非線形光学結晶のうちの１つを回転させるように動作可能である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３１】
前記周波数トリプラーモジュールは、第２の複数の回転段階をさらに備え、前記第２の複数の回転段階の各々が前記第２の複数の非線形光学結晶のうちの１つを回転させるように動作可能である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３２】
前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に配設されたＣＰＰプレートをさらに備える、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３３】
第１の複数の非線形光学結晶がＤＫＤＰ結晶を含み、第２の複数の非線形光学結晶がＤＫＤＰ結晶を含む、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３４】
前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールの光学的に上流側に２分の１波長板をさらに備える、請求項２９に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、参照により開示がすべての目的に関して全体的に本明細書に組み込まれる、２０１０年１１月９日に出願された米国仮出願第６１／４１１７５４号の優先権を主張する。
【０００２】
[0002]以下のＰＣＴ出願（本出願を含む）が同時に出願されており、本出願には、他の出願の開示全体が参照によりすべての目的に関して組み込まれる。
２０１１年１１月８日に出願され、「ＭＵＬＴＩ−ＣＲＹＳＴＡＬ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＴＲＩＰＬＥＲ  ＦＯＲ  ＴＨＩＲＤ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ」という名称を有する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１１  、（顧客参照番号ＩＬ−１２３６０、代理人整理番号９１９２０−８２５１２０（００６６１０ＰＣ））、及び
２０１１年１１月８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＰＵＬＳＥ  ＲＥＦＯＲＭＡＴＴＩＮＧ  ＦＯＲ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＭＰＬＩＦＩＣＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ」という名称を有する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１１／５９６８８、（顧客参照番号ＩＬ−１２３５９、代理人整理番号９１９２０−８２４８８１（００６０１０ＰＣ））。
【政府の資金提供を受けた研究又は開発の発明の権利に関する記載】
【０００３】
[0003]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの業務に関する米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に基づく本発明の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
[0004]米国エネルギー情報局及び現在の気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）のシナリオによる推定では、全世界の電力需要が２０３０年までに現在の約２テラワット電力レベル（ＴＷｅ）から４ＴＷｅへと２倍になり、２１００年までに８〜１０ＴＷｅに達することが予測されている。米国エネルギー情報局及び気候変動に関する政府間パネルでは、今後３０年から５０年にわたって発電需要の大部分が化石燃料、通常は石炭及び天然ガスによって供給されることも期待している。石炭は、今日の世界の電気エネルギーの４１％を供給しており、２０３０年までに４５％を供給するようになると考えられている。さらに、ＩＰＣＣからの最新の報告書では、ＣＯ２を大気中に放出する人工のＣＯ２放出源が地球の気候に顕著な影響を及ぼしている可能性が９０％とされている。「現状通り」の場合の基礎シナリオは、ＣＯ２放出量が２０５０年までに現在のレベルのほぼ２．５倍になることを示している。先進国と発展途上国の両方で増大するエネルギー需要を満たし、一方、大気中のＣＯ２濃度を安定化させ低減させ、それに伴う気候の変化を軽減するために、かつてないほどに新技術及び代替エネルギー源が必須になっている。
【０００５】
[0005]非炭素放出エネルギー源である核エネルギーは、１９５０年代から世界のエネルギー生産の重要な要素となっており、現在世界の発電量の約１６％を占めており、この割合は基本的に増大する可能性がある。しかし、いくつかの要因によって、核エネルギーを長期的に持続するのは困難である。これらの問題には、核燃料サイクルの結果として核物質及び技術が増大する恐れがあることと、深地層処分場に埋める必要のある長寿命の放射能核廃棄物が発生することと、現在、ワンススルーオープン核燃料サイクルに依存していること、低コストで低二酸化炭素排出量のウラン鉱石が入手可能であることが含まれる。米国の原子炉だけで、すでに５５０００メートルトン（ＭＴ）を超える使用済み核燃料（ＳＮＦ）が生成されている。近い将来、ユッカマウンテン地層廃棄物処分場に埋められる使用済み燃料の量は法制化された限界の７００００ＭＴに達するであろう。
【０００６】
[0006]核融合は、将来の発電のための魅力的な代替エネルギーであり、現在、核融合発電プラントに関する２つの主要な手法が開発されている。第１の手法では、慣性核融合（ＩＣＦ）においてレーザ、重イオンビーム、又はパルス電力を使用して重水素（Ｄ）とトリチウム（Ｔ）の混合物を含むカプセルを急速に圧縮する。カプセルの半径が小さくなり、ＤＴガス密度及び温度が高くなるにつれて、圧縮されたカプセルの中央の小さい点でＤＴ核融合反応が開始する。このようなＤＴ核融合反応はα粒子と１４．１ＭｅＶ中性子の両方を発生させる。核融合燃焼前面が上記の点から伝搬し、顕著なエネルギー利得を発生させる。第２の手法の磁気核融合エネルギー（ＭＦＥ）は強力な磁界を使用してＤＴプラズマを閉じ込め、燃焼プラズマを持続させエネルギー利得を発生させるのに必要な条件を生じさせる。
【０００７】
[0007]ＩＣＦのための重要な技術が、本発明の譲受人である、カリフォルニア州リバモアのＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＬＬＮＬ）のＮａｔｉｏｎａｌ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｆａｃｉｌｉｔｙ（ＮＩＦ）で主として開発されている。この施設では、熱核融合点火及び燃焼を実現するように設計されたレーザ主体のＩＣＦプロジェクトにおいて１〜２ＭＪのレーザエネルギーが利用されている。１０〜２０ＭＪ程度の核融合収率が期待されている。核融合技術自体を費用効率の高い発電に使用する場合、中央ホットスポット核融合形状において２００ＭＪを超える核融合収率が必要になることが予期される。したがって、純粋なＩＣＦエネルギーによって推進される経済性を実現するには依然として重大な技術的な課題がある。
【０００８】
[0008]ＩＣＦ用途だけでなく、材料の加工、掘削、切削、及び溶接、軍事用途などの高平均出力レーザの分野には幅広く関心が抱かれている。レーザ光を周波数変換すると、加工されているか又はシステムで使用されている材料の吸収係数を向上させることができる。高平均出力レーザ及びそのようなレーザからの出射光線の周波数変換が進歩しているにもかかわらず、当技術分野では、レーザ及び周波数変換に関係する改良された方法及びシステムが必要である。
【発明の概要】
【０００９】
[0009]本発明によれば、光学系に関する技術が提供される。より詳細には、本発明の各実施形態は、レーザ入射光を周波数変換する方法及びシステムに関する。特定の実施形態では、広範囲の強度を対象とするレーザパルスの変換効率を向上させる独特の角度同調システムを有する多結晶周波数変換器システムが提供される。本明細書で説明する方法及びシステムは、高繰返し率、高平均出力のレーザ及び増幅器を含む様々なレーザシステム及び増幅器システムに適用可能である。本明細書で使用される語「高調波変換」及び「周波数変換」は、基本波周波数又は基本波波長のレーザ光線を第２高調波、第３高調波、及び第４高調波のような基本波の高調波に周波数変換するプロセスを指す。
【００１０】
[0010]本発明は、高出力レーザシステム及び増幅器システムに使用するのに適しており、エネルギー変換効率が高いことを特徴とする周波数３倍化システムに関する。本明細書で説明する周波数変換システムは、本譲受人によって開発中のレーザ慣性核融合エネルギー（ＬＩＦＥ）システム用の慣性核融合（ＩＣＦ）レーザを含む広範囲のレーザ用途に有用である。本明細書で説明する本発明の特定の実施形態は、大きい開口（通常４０ｘ４０ｃｍ）を有する低吸収損失、高度重水素化リン酸二水素カリウム（ＤＫＤＰ）結晶を利用する。しかし、本発明の実施形態はこの特定非線形結晶に限定されず、イットリウムカルシウムオキシボラート（ＹＣＯＢ）及び三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）のような他の適切な非線形結晶光学材料、又はＫＤＰ及びＤＫＤＰと同形の結晶を利用してもよい。
【００１１】
[0011]本明細書全体にわたってより詳しく説明するように、本発明のいくつかの実施形態は、タイプＩ又はタイプＩＩの位相整合のいずれかを含む「縦続」構成に配置された４つから６つまでの結晶を利用する。特定の実施形態では、２つ以上の第２高調波発生結晶が２つ以上の周波数混合結晶に光結合され、それによって一様な偏向を有する高パワー及び高エネルギーの第３高調波光線が供給される。各実施形態では、高繰返し率（たとえば、ＬＩＦＥ用途では最大１５Ｈｚ）に対処するために、面に近接して配置されるか、又は面に直接接着されたサファイア及び／又は石英ガラスの光学プレートによって向きを定められるか又は案内される、ヘリウム又はその他の不活性ガスによる結晶面の冷却を利用する。これらのプレートは窓として働くことができる。さらに、ＩＣＦレーザドライバの場合、別個の光学基板又は１つの光学窓にパターン化された第２高調波部分と第３高調波部分との間に連続ランダム位相収差板を挿入してもよい。
【００１２】
[0012]本発明の一実施形態によれば、周波数変換システムが提供される。周波数変換システムは、光線経路に沿って配設され、第１の複数の非線形結晶を備える周波数ダブラーモジュールと、光線経路に沿って配設され、第２の複数の非線形結晶を備える周波数トリプラーモジュールとを含む。
【００１３】
[0013]本発明の別の実施形態によれば、周波数変換された光を生成する方法が提供される。この方法は、基本波波長を特徴とする入射光線を供給することと、入射光線の一部を、基本波波長の２分の１である２倍波長を特徴とする２倍光線に周波数変換することとを特徴とする。入射光線の周波数変換は、入射光線を第１の複数の非線形光学結晶を透過させることと、２倍光線及び入射光線の他の一部を出射することとを含む。この方法は、２倍光線及び入射光線の上記の他の一部を２倍波長の３分の２である３倍波長を特徴とする３倍光線に周波数変換することも含む。２倍光線及び入射光線の残りの部分を周波数変換することは、２倍光線及び入射光線の残りの部分を第２の複数の非線形光学結晶を透過させることと、３倍光線を出射することとを含む。
【００１４】
[0014]本発明の特定の実施形態によれば、光学系が提供される。この光学系は、基本波波長でレーザ光線を出射するように動作可能なレーザ源と周波数変換システムとを含む。周波数変換システムは、第１の複数の非線形光学結晶を含む周波数ダブラーモジュールと第２の複数の非線形光学結晶を含む周波数トリプラーモジュールとを含む。光学系は、周波数変換システムに結合された制御システムと、周波数変換システムに結合された診断システムも含む。
【００１５】
[0015]本発明の各実施形態は、様々なレーザシステム、特に第３高調波波長（たとえば、Ｎｄ主体の利得媒質の場合は３５１ｎｍ）で高出力及び高エネルギー変換効率を実現するレーザシステム及び増幅器システムで有用である。このようなシステムには、ＬＩＦＥ発電プラント用のＩＣＦレーザドライバ、ＩＣＦ実験用のレーザドライバ、高エネルギー密度研究用のプラズマを発生させるのに使用されるレーザ、材料加工用の高繰返し率、高平均出力になるように周波数変換されたレーザなどが制限なしに含まれる。
【００１６】
[0016]本発明によって従来の技術と比べて多数の利点が実現される。たとえば、本発明の各実施形態は、従来のシステムよりも変換効率が高いことを特徴とする方法及びシステムを提供する。さらに、各実施形態は、いくつかの冷却構成のうちの１つ又は複数を使用して周波数変換結晶の熱的管理を可能にする。本発明のこれらの実施形態及びその他の実施形態について、本発明の利点及び特徴のうちの多くとともに、以下の本文及び添付の図に関連して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による複合パルス形状を示す簡略化されたプロットである。
【図２】本発明の一実施形態による多結晶周波数変換システムの簡略化された概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による周波数変換器を利用するレーザシステムを示す簡略化された概略図である。
【図４】本発明の一実施形態によって温度差を欠陥半径の関数として示す簡略化されたプロットである。
【図５】本発明の一実施形態によるレーザ入射光線を周波数変換する方法を示す簡略化されたフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態による光学系を示す簡略化された概略図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による一対の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの平行Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による一対の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの交番Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による３つ組の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの平行Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による３つ組の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの交番Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。
【図９】タイプＩ位相整合周波数２倍化結晶とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶とを含む４結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。
【図１０】タイプＩ位相整合周波数２倍化結晶とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶とを含む６結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるタイプＩＩ位相整合２倍化結晶とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶とを含む４結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるタイプＩＩ位相整合２倍化結晶とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶とを含む４結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[0031]本発明によれば、光学系に関する技術が提供される。より詳細には、本発明の各実施形態は、高調波変換プロセスとも呼ばれる、レーザ入射光の周波数変換を行う方法及びシステムに関する。特定の実施形態では、変換効率を向上させる独特の角度同調方式を有する多結晶周波数変換器システムが提供される。本明細書で説明する方法及びシステムは、高繰返し率、高平均出力レーザ及び増幅器を含む様々なレーザシステム及び増幅器システムに適用可能である。
【００１９】
[0032]ＩＣＦシステムにおいて１０５３ｎｍ（１ω）の基本波波長をそれぞれ５２７ｎｍ（２ω）及び３５１ｎｍ（３ω）の第２高調波波長及び第３高調波波長に周波数変換すると、目標によってレーザエネルギーをより効率的に吸収することができることが実証されている。この周波数変換プロセスは、慣性核融合の目標を（ｘ線を介して）直接的又は間接的に圧縮するためのレーザ目標結合効率を高くする。基本波光の第３高調波へのエネルギー変換効率、広い強度範囲にわたるパルス整形忠実度、パルスタイミング精度、及び目標平面での必須ピーク第３高調波出力の生成は、ＬＩＦＥシステムの重要な側面である。
【００２０】
[0033]本発明の各実施形態は、高度重水素化リン酸二水素カリウム（ＤＫＤＰ）結晶を使用してＬＩＦＥシステム用の所望のパルス形状を効率的に第３高調波波長に変換するための多結晶構成を提供する。高度重水素化ＫＤＰは、従来のＫＤＰ及び他の高調波結晶と比べて吸収が潜在的に弱く且つ横誘導ラマン利得が比較的低いので、高エネルギー、高ピーク出力、及び高平均出力のレーザシステム及び増幅器システムにおける周波数変換に有用な非線形光学材料である。ＤＫＳＰ結晶に近接した結晶サファイア又は石英ガラス窓は、ヘリウム又はその他の不活性ガスを流動させる冷却流路を形成し、或いは結晶表面に直接結合されたときには、冷却流路に熱を吸収することによって熱を抽出することができる。本発明の代替実施形態では他の高調波生成結晶を使用することができ、たとえば、第２の高調波変換でのＹＣＯＢの使用並びに／又は第２の高調波変換及び第３の高調波変換でのＬＢＯの使用が可能であり、ＤＫＤＰに適用されるタイプＩ及びタイプＩＩ位相整合並びにビーム偏極に関する本明細書における説明は一般に、ＫＤＰ及びＤＫＤＰと同形の結晶を含むこれらの代替非線形光学材料に適用可能である。
【００２１】
[0034]本明細書全体にわたってより詳しく説明するように、本明細書で説明する多結晶周波数３倍構成は、エネルギー変換効率が７０％以上であり、広い強度範囲にわたって時間的に整形された光パルスを有し、ＬＩＦＥシステムを含む様々な高エネルギーレーザシステム及び増幅器システムで使用するのに適している周波数変換システムを実現する。本発明のいくつかの実施形態は４結晶又は６結晶周波数３倍構成に関して記載されているが、本発明はこれらの特定の構成に限定されず、他の実施形態では、「縦続」構成における２つ以上の第２高調波生成結晶とそれに続く２つ以上の周波数混合結晶とを利用して、高平均出力設計において高出力及び高エネルギーの第３の高調波光線を供給するとともに高平均出力動作時に熱及び応力の管理問題に対処する。
【００２２】
[0035]本発明の各実施形態は、レーザシステムのための第３高調波へのエネルギー変換効率を最適化するためのパルス形状及びビームマッピングを有する多結晶周波数トリプラー設計を提供する。
【００２３】
[0036]図１は、本発明の一実施形態による複合パルス形状を示す簡略化されたプロットである。目標に送られる複合パルス形状（すなわち、第３高調波パルス）は、複合パルス形状を形成するように組み合わされた別々のフット部及びドライブ部を含む。この例では、フット部及びドライブ部は、個々のＬＩＦＥビームライン並びに横方向の別個の増幅器モジュール及び周波数変換器モジュールに「ドライブ」パルス３つごとに１つの「フット」パルスの比でマップされる。本発明の代替実施形態に応じてフットパルスとドライブパルスの他の比を利用してもよい。
【００２４】
[0037]「フット」パルスと「ドライブ」パルス（別個に考えられる）は同様のピーク強度を有するので、周波数変換器は、「全」パルスを１つの変換器によって周波数変換する場合と比べて最適な効率に達するように設計されてもよい。各パルスの焦点面が目標上で重なり合い、一体化されたパルス形状がＩＣＦ目標の物理的特性を使用して求められるパルス形状に整合することに留意されたい。したがって、全体的なエネルギー変換効率は、「ドライブ」変換器効率の３倍に「フット」変換器効率の１倍を加えた値の平均である。連続ランダム光学位相板（ＣＰＰ）は、第２高調波部と第３高調波部との間に配置され、目標平面における「フット」光線と「ドライブ」光線の重なり合った焦点分布を均等化する働きをし、したがって、ＩＣＦ物理的特性に必要な「全」パルス形状忠実度を向上させてもよい。「フット」パルス及び「ドライブ」パルスに関するさらなる説明は、参照により組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１３／＿（顧客参照番号ＩＬ−１２３５９、代理人整理番号９１９２０−７９５２７５８（００６０１０ＵＳ））に記載されている。
【００２５】
[0038]一実施形態では、「フット」光線周波数変換器と「ドライブ」光線周波数変換器が、ＬＩＦＥ施設において互換性を実現するように同一の結晶位相整合タイプ及び結晶厚を用いて最適化される。本発明者は、「フット」光線及び「ドライブ」光線用の最適化された個々の周波数変換器設計によって２〜３％程度の全体的なエネルギー変換効率の向上を実現することができ、最終高調波成分の互換性が高いシステム工学値を有さないと判定された場合にそのような設計を利用できることを見出した。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００２６】
[0039]図２は、本発明の一実施形態による多結晶周波数変換システム（たとえば、ＫＤＰ／ＤＫＤＰ主体の周波数変換システム）の簡略化された概略図である。図２に示すように、第１の周波数変換デバイス２１０（すなわち、一対のタイプＩのタイプＩＩダブラー２１１及び２１３）並びに第２の周波数変換デバイス２３０（すなわち、一対のタイプＩＩトリプラー２３１及び２３３）が周波数変換システムの構成要素として例示されている。第１の周波数変換デバイス２１０を周波数ダブラーモジュール又は第２の高調波モジュールと呼ぶか、或いは第２の周波数変換デバイス２３０を周波数トリプラーモジュール又は第３の高調波モジュールと呼んでもよい。一対のダブラー及び一対のトリプラーが図示されているが、本発明ではこの特定の数のダブラー及びトリプラーは必須ではなく、単一のダブラー又は２つよりも多くのダブラー並びに単一のトリプラー又は２つよりも多くのトリプラーを含む他の数のダブラー又はトリプラーが本発明の範囲内に含まれる。一例として、第１のダブラー結晶又は第１のトリプラー結晶における熱負荷を低減させるために、これらの結晶の各々を元の結晶よりも薄い２つの結晶と交換してもよい。図２に示す概略図では、周波数変換ユニット２１０と周波数変換ユニット２３０（すなわち、１組のダブラー及び１組のトリプラー）との間に所定の離隔距離が例示されていることに留意されたい。実際の実装形態では、実際の空間は通常、図示の空間よりも小さく、図面が縮尺通りに描かれていないことが分かる。一例として、周波数ダブラーモジュール２１０又は周波数トリプラーモジュール２３０のいずれかは、１組の３つの非線形光学結晶のうちの第１の結晶の厚さが１組の３つの非線形光学結晶のうちの第２の結晶の厚さよりも薄い１組の３つの非線形光学結晶を利用してもよい。一例としてダブラーを使用する場合、「縦続」周波数２倍化の結果として第１の結晶中の１ω光の量が第２の結晶中の１ω光の量よりも多いので第１の結晶は第２の結晶よりも薄い。したがって、１ω光の吸収による熱負荷は、第１結晶において、第２の２倍化結晶又は後続の２倍化結晶に対して厚さを薄くすることによって少なくなる。この分析において、ＤＫＤＰでは、第２又は第３の高調波光と比べて基本波光の吸収が支配的であり、このことは実験データによって実証されている。
【００２７】
[0040]いくつかの実施形態では、冷却流体を構成要素同士の間の空間内を流動させることによって各構成要素から熱が除去され、状況によっては構成要素当たりの熱負荷を低減させるのにより多くのより薄い構成要素が利用される。図２に示すように、各周波数変換結晶をサファイア窓又は石英ガラス窓２１２／２１４／２１６／２１８によって囲むことができ、それによって、流動するヘリウムガスによって各結晶を冷却することができる。いくつかの実施形態では、周波数変換結晶において吸収が生じることによって熱負荷が発生し、結晶の厚さを含む結晶仕様が変化する。窓２１２／２１４／２１６／２１８は、冷却ガス流を結晶表面に沿って導くように働いてもよく、或いは結晶表面に結合され熱を冷却ガス流に引き込むように働いてもよい。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。各対の縦続されたダブラー結晶又はトリプラー結晶間の内部窓が、光学ガラスの屈折率分散によって第２の調和振動場及び第３の調和振動場の「高調波干渉」効果を生じさせることがあることに留意されたい。このため、いずれかの高調波モジュールで内部窓が使用される実施形態では、内部窓は光学パッチ長上のミクロンレベルの公差に調節される。流動するガス冷却材中でも同じ「高調波干渉」効果が生じるが、屈折率分散の程度は何桁も低く、したがって、ガス長が短くても（数センチメートルまで）影響を受けない。第１の変換モジュールと第２の変換モジュールとの間の空間における離隔距離は任意の距離であってもよく、機械的要件にのみ依存する。
【００２８】
[0041]図２を参照する。第１の周波数変換デバイス２１０は、ｘ方向に沿って偏向される１ω入射光のうちの所定の割合（たとえば、大部分）の入射光を元の偏向に直交する偏向によって元の周波数から元の周波数の２倍（すなわち、２ω）に変化させる（すなわち、第１の周波数変換デバイスと第２の周波数変換デバイスとの間に示されているように２ω光がｙ方向に揃えられる）。１ω入射光のうちの第２の所定の割合の入射光は、第１の周波数変換デバイスと第２の周波数変換デバイスとの間に示されているように元の周波数において元の偏向を有するままである。
【００２９】
[0042]２倍周波数の所定の割合及び元の周波数の第２の所定の割合が第２の周波数変換デバイス２３０において変換（すなわち、混合）され、光線方向（すなわち、ｚ方向）に沿って伝搬する１ω入射光（すなわち、ｘ方向）に偏向が揃えられた周波数３倍光線（すなわち、３ω）が生成される。
【００３０】
[0043]代替実施形態では、第１の周波数変換デバイスは、一対のタイプＩＩダブラーを含んでもよく、入射光線を角度（γ）に向けて第１周波数変換デバイスと第２周波数変換デバイスとの間に１ω光線及び２ω光線を発生させる。当業者には明らかなように、入射光線は、タイプＩＩ２倍化に応じて適宜、ｘ方向とｙ方向の両方に揃えられた成分（すなわち、この実装形態では３分の２がｙ方向に揃えられ、３分の１がｘ方向に揃えられる）を含んでもよい。
【００３１】
[0044]図２に示すように、いくつかの実施形態では、それぞれ第２高調波変換及び第３高調波変換用の２つのＤＫＤＰ結晶を含む縦続４結晶設計を介して第２高調波及び第３高調波を変換する。図２に示す４結晶実装形態では、各対のダブラー結晶及びトリプラー結晶を互いに対して光線伝搬軸の周りで１８０度回転させ、図２に矢印２４２／２４４／２５２／２５４によって示されているように結晶光学軸配向を交番させる。この実装形態を交番Ｚと呼んでもよい。他の実施形態では、ダブラー角度同調における符号の交番に留意しながら平行Ｚ軸動作が利用される。本発明者はまた、トリプラー結晶角度同調における符号の交番には性能面の異なる利点があることを見出した。高平均出力動作に伴う熱負荷に起因して、本明細書で例示する４結晶構成は、高平均出力動作の下での熱応力管理に適した薄い結晶（厚さは通常５〜１３ｍｍ）を利用する。これらの構成では、広範囲の入射強度を効率的に変換することもでき、それによって、従来の周波数変換器設計と比べてダイナミックレンジが増大する。
【００３２】
[0045]図２を参照すると、４結晶変換器設計に関連して使用される冷却設計が例示されている。窓２１２／２１４、２１６／２１８、及び２３２／２３４、２３６／２３８が各周波数変換結晶に隣接するように設けられ、加圧されたヘリウムガスの流れがプレートの一方の表面と１つの結晶表面との間を導かれるのを可能にしている。各窓は、石英ガラス板、サファイアプレートなどを含む様々な材料から製造されてもよい。代替実施形態では、非常に薄い柔軟な「ゾルゲル」型光学接触材又は結合剤を使用して窓が結晶表面に結合され、したがって、この高熱伝導率プレートは「ヒートスプレッダ」として働くことができる。これらの結合用途では、第１のダブラー結晶の入射表面と最後のトリプラー結晶を優先的に結合してもよい。何故なら、光の変換時にこれらの表面の熱負荷が、ダブラーでは１ωで最も高くなり、トリプラーでは３ωで最も高くなるためである。しかし、図２は、内部窓２１４／２１６及び２３４／２３６を示しているが、前述の「高調波干渉」効果に起因して、いくつかの実施形態ではこれらの窓が除去され、結晶対２１１／２１３及び２３１／２３３を狭い間隔を置いて配置してもよい。
【００３３】
[0046]図２に示すように、石英ガラスなどの基板上にパターン化された連続ランダム位相板（ＣＰＰ）２７５を第１の周波数変換デバイス２１０と第２の周波数変換デバイス２３０との間（たとえば、中間）に位置させてもよい。ＣＰＰが、基本波光線及び第２高調波光線のみを透過させ、透明光学ガラス基板又は冷却流路窓のうちの１つにパターン化されるので、ＣＰＰではガスの冷却は必須ではない。大部分のＩＣＦ用途では、ＣＰＰは、ＩＣＦ目標の高エネルギー照明に有用な構成要素として利用される。さらに、ＣＰＰは、本発明のいくつかの実施形態におけるスペクトル帯域幅及びスペクトル分散を利用した目標照射用の光線スムージングシステムの構成要素であってもよい。ＣＰＰは、実施形態によっては、特定の用途に応じて任意に使用される。ＬＩＦＥ設計では、ＣＰＰは、「フット」光線及び「ドライブ」光線の空間的に重なり合った焦点分布を均等化する働きをし、且つ所望の「全」第３高調波パルス形状を目標平面に入射させる働きをする。
【００３４】
[0047]単結晶サファイアは、（２００ｎｍから３μｍを超える波長に対して）非常に透過性の高い窓材料であるが、ある程度の複屈折性を有する。したがって、いくつかの実施形態では、サファイアプレートは、さらなる位相不整合を回避するために第１のダブラーの入射面及び第２のダブラーの出射面にのみ使用される。場合によっては、いくつかの実施形態において内面に等方性石英ガラス板が使用される。同様に、サファイアを第１のトリプラーの入射面又は最後のトリプラー結晶の出射面に使用し、石英ガラスを他の窓として利用してもよい。減極損失を回避するために、サファイアの複屈折軸は、直線偏波の偏向方向に整合することが好ましい。本発明の各実施形態によれば、各プレートが別々に結合されるか又は取り付けられ、ガス流流路又はガス流誘導器として使用されるかどうかにかかわらず、ダブラー同士の間、第２のダブラーと第１のトリプラーとの間、並びにトリプラー結晶又は光学プレート同士の間のガス流冷却を行うことができる。
【００３５】
[0048]本発明者は、本明細書で説明する「縦続」多結晶設計は、冷却ガス中の屈折率分散及び／又は周波数ダブラー結晶と周波数トリプラー結晶の対同士の間に光学窓材料が存在することによって調和振動場干渉効果の影響を受ける可能性があることを見出した。すなわち、第１のダブラー結晶に形成される調和振動場（２ω）は第２のダブラーに形成される調和振動場（２ω）に光学的に干渉する。その理由は、第２のダブラーの調和振動場の位相が基本振動場（１ω）位相によって決定され、これらの位相が、介在するガス及び／又は光学板内の屈折率分散によって第１のダブラーに形成される調和振動場に対して遅れるからである。同様の作用がトリプラー結晶対でも生じるが、この場合、基本振動場（１ω）及び２つの調和振動場（２ω、３ω）を伴う。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、ガス冷却流路及び光学窓の材料の厚さを薄くするか又は最小限にして、分散による光路差を最小限に抑える。前述のように、流動するガス冷却材でも同じ「高調波干渉」効果が生じるが、屈折率分散の程度は光学ガラスより何桁も低く、したがって、ガス経路（数ｃｍまで）の影響を受けない。一対のダブラー結晶と一対のトリプラー結晶との間に高調波干渉は生じず、したがって、クリスタルマウントの設計の必要に応じてこれらの対を分離するか、或いはＣＰＰを利用する場合のＣＰＰの位置及び（後述のような角度同調用の）ステップモータ駆動装置の位置に、必要に応じて冷却ガスを案内するための介在する光学板又は光学窓を設けるためにこれらの対を分離することができる。
【００３６】
[0049]再び図２を参照する。タイプＩ又はタイプＩＩ位相整合を第２高調波結晶又はダブラー結晶に利用することができ、タイプＩＩ位相整合は、第３高調波結晶又はトリプラー結晶に使用される。いくつかの実施形態では、多結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ構成は、タイプＩ位相整合ダブラーと比較して、図１に示すＬＩＦＥパルス形状に関する変換効率が高い（それぞれ、７４．１％対６８．８％）のでダブラーにはタイプＩＩ位相整合が好ましい。タイプＩ／タイプＩＩ３倍化は、ＤＫＤＰの位相整合構成であり、１ω光線のある程度非一様な偏向の影響を受けない。そのため、タイプＩ／タイプＩＩ３倍化を３倍化構成として使用してもよい。ＬＩＦＥレーザ設計では、積極的な複屈折補償によって偏向の非一様性が限定され、タイプＩ／タイプＩＩ構成又はタイプＩＩ／タイプＩＩ構成による効率的な周波数変換が可能である。したがって、本発明の各実施形態は様々な位相整合構成を利用することができる。
【００３７】
[0050]タイプＩ位相整合では、入射偏光は直線偏向であり、第１のダブラーの通常軸に沿っている。本明細書の全体にわたってより詳しく説明するように、タイプＩ２倍化結晶において理想的な位相整合第２高調波変換からの（たとえば、大きい角度での）角度同調を使用して基本波の変換を第２の高調波に限定し、それによって、３倍化のための所定の混合比を維持する。図９及び図１０に関して説明するように、本発明の各実施形態によってタイプＩ／タイプＩＩ３倍化のための４結晶設計及び６結晶設計が提供される。一方、タイプＩＩ位相整合２倍化及び３倍化については、入射基本波光線が第１のダブラー結晶の通常軸に対して３５．３°だけ偏向される。このことは、図２に示すように、（結晶内部の）３５．３°偏向角度を入射面１ω偏向方向に整合させるか、又は偏光回転子（結晶サファイア、ＫＤＰ、ＤＫＤＰなどから作られた２分の１波長板など）を使用して１ω偏向方向を結晶軸に整合させることができるようにタイプＩＩ結晶を結晶ブールから適切に切り取ることによって実現することができる。図１１及び図１２に関して説明するように、本発明の各実施形態によってタイプＩＩ／タイプＩＩ３倍化のための４結晶設計及び６結晶設計が提供される。図１１及び図１２に示すように、第１の２倍化結晶の前段に２分の１波長板が使用される。いくつかの実施形態において、この２分の１波長板は、たとえばＤＫＤＰから製造されるときに能動的な冷却を温度制御に使用することができ、高調波変換器組立体内に一緒に配置されてもよい。図９〜図１２にも、各結晶の縁部が目立つ面取り部（約１５°）を有するという概念が示されている。大きい開口（たとえば、４０ｃｍ）を有する高調波変換器による実際の実施においては、上記の概念を使用して横誘導ブルリアン散乱及び横誘導ラマン散乱の軽減が図られている。
【００３８】
[0051]結晶表面の法線と光線伝搬方向との間にある角度を導入すると、ビーム伝搬角度と各結晶の光軸との間に内部角度が得られ、それによって振動場同士のモメンタム不一致が変更される。したがって、本発明の各実施形態は、「完全な」位相整合を実現するのではなく、同調角度偏差又はいわゆる離調を導入して周波数変換効率を向上させる。
【００３９】
[0052]ダブラーの位相整合条件を、たとえば、２００μｒａｄから３００μｒａｄの間の「完全な」位相整合から内部角度だけ離調させることによって、ダブルは、基本波光を第２高調波に完全に変換することができなくなり、したがって、離調角度によってトリプラーの入力における第１高調波光と第２高調波光の比を調節することができる。
【００４０】
[0053]ダブラー及びトリプラーにおいて複数の結晶を使用すると、互いに隣接する結晶間で角度離調を交番させることができる。このことは図７Ａ及び図７Ｂに示されている。各矢印は、材料に「ロック」される光学Ｃ軸の方向を示し、一方、点線は、光線方向に対して完全に位相を整合させるための光軸の向きの空間内の方向である。一例として、ダブラー内の第１の結晶を第１の方向に数百マイクロラジアン、たとえば＋Δθ１だけ調整することができ、ダブラー内の第２の結晶を第１の方向とは逆の第２の方向に数百マイクロラジアン、たとえば−Δθ２だけ調整することができる。これは図７Ａの「平行Ｚ」構成である。光軸同士を互いに対向させ、一方、図７Ｂの「交番Ｚ」構成によって示されているように同調角度をこのように交番するように維持してもよい。どちらの構成も性能が同等であると予想される。本発明者は、本明細書で説明する高効率システムでは、補償効果が生じ、高調波変換プロセスに関連付けられており第１の結晶が受ける位相シフトを光が第２の結晶及びその後の結晶内を伝搬するときに補償できることを見出した。一例として、以下に表２に関して説明するように、一実施形態では、第１の結晶が＋２８０μｒａｄ離調され、第２の結晶が−２４０μｒａｄ離調される。同様に、この実施形態では、トリプラーの結晶がそれぞれ＋３０μｒａｄ及び−３０μｒａｄ離調される。特定の同調角度は、周波数変換システムの特定のパラメータに依存し、本明細書に示す例は例示的な目的のものに過ぎない。本発明者は、このスタガー同調が、高調波変換器パッケージの角度帯域幅（すなわち、角度受入れ）を実際に広げ、高変換効率に加えてさらなる利点をもたらすことを見出した。
【００４１】
[0054]タイプＩＩ位相整合については、通常軸に沿った入射基本波（１ω）強度と異常軸に沿った入射基本波（１ω）強度との比は２：１である。これによって、トリプラーで第３高調波（３ω）を生成するための基本波（１ω）光と第２高調波（２ω）光の混合比が最適な１：１になる。タイプＩ位相整合では、第１のダブラーを厳密な位相整合から所定角度だけ角度同調させること（離調と呼ばれる）によって第１のダブラーの出射口の所で基本波光と第２高調波光の２：１の混合比が実現される。いくつかの実施形態では、離調角度は数マイクロラジアンから数百マイクロラジアンの範囲である。以下に示すように、離調角度は結晶ごとに、たとえば３０μｒａｄから３００μｒａｄの間だけ異なってもよい。２つのタイプＩダブラーを利用する４結晶設計では、２つのダブラーを互いに逆方向に角度離調させる（たとえば、＋２８０μｒａｄ及び−２４０μｒａｄ）ことによってトリプラー結晶における周波数混合のダイナミックレンジをさらに広げることができる。この離調は、目的が、第１のダブラーに入射する広範囲の基本波（１ω）強度にわたって（第１のダブラーではなく）第２のダブラーの出射口で２：１の混合比を実現することであるので、従来の２結晶タイプＩ／タイプＩＩ変換器において使用される離調よりも程度が高い。「３つ組」のダブラー結晶の場合、いくつかの実施形態では、第１のダブラーと第２のダブラーを「まとめ」、平行Ｚ構成又は交番Ｚ構成を使用して、図８Ａ及び図８Ｂに示すように第３のダブラー結晶を交番的に角度同調させる。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００４２】
[0055]特定の実施形態では、タイプＩＩ位相整合トリプラーにおいて、結晶製造における誤差を考慮して厳密な位相整合からの３０μｒａｄの同調誤差が許容される。角度同調誤差の符号は、交番Ｚトリプラーがビーム伝搬方向を中心として１８０度回転させられる通常のトリプラーであるので、結晶の交番Ｚ構成に応じて、たとえば＋３０μｒａｄ及び−３０μｒａｄのように反転される。本発明者は、２つのトリプラー結晶間で符号が交互に反転する角度同調の程度が高いほど４結晶設計のダイナミックレンジがさらに広くなることを見出した。本発明者は、タイプＩ／タイプＩＩ多結晶設計とタイプＩＩ／タイプＩＩ多結晶設計の両方においてこのトリプラー同調効果を観測した。
【００４３】
[0056]本明細書で説明する各実装形態には、焦点面光線のスムージングを行い且つ大開口ＩＣＦレーザにおける横誘導ブルリアン効果を抑制するために実装される、基本波（１ω）光線にもたらされるＦＭ帯域幅の６０ＧＨｚの位相不整合効果が含まれる。これは、ダブラー結晶とトリプラー結晶の両方で、二乗和平方根法において基本波（１ω）上のＦＭ位相変調からのＲＭＳ位相不整合を他のすべての原因（角度同調、熱同調、結晶バルク及び表面の歪みなど）による位相不整合に加えることによって実現される。位相不整合の符号は、角度依存項の符号によって決定される。
【００４４】
[0057]本発明の各実施形態は、光線の所定の部分（たとえば、光線の２分の１）を第１の方向（たとえば、水平）に揃えられた３ω偏光として供給することができ、光線の第２の所定の部分（たとえば、光線の残りの２分の１）を第１の方向に直交する第２の方向（たとえば、垂直）に揃えられた３ω偏光として供給することができるので、偏光スムージングも実現する。直交偏向を有する光線を供給すると、光線同士が目標上で重なり合うときに発生するスペックル場が非干渉的に増大するので目標において偏光スムージングが実現される。各実施形態は、２倍化構成及び／又は３倍化構成に偏光回転子（たとえば、波長板として作用するＤＫＤＰ結晶）を導入するか、或いは偏光回転子を別個の光学素子として実現することができる。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００４５】
[0058]本発明の各実施形態は、従来の設計よりも高い周波数変換器エネルギー効率を実現する。表１〜表６は、本発明の様々な実施形態についての周波数変換器のパラメータ及び効率を示している。表１〜表６は、４結晶タイプＩ／タイプＩＩ周波数変換器構成及び４結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ周波数変換器構成のパラメータ及び効率を示している。表５及び表６は、２結晶タイプＩ／タイプＩＩ設計及び２結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ設計のパラメータ及び効率を示している。表から明らかなように、４結晶設計は２結晶設計と比べて効率が高い。表に示すように、「全」パルスと、パルスの「フット」部及び「ドライブ」部が増幅され互いに分離された光線として変換される構成とに関して最適な変換器設計が提供される。所与の第３の高調波パルス形状について、レーザ増幅器周波数変換器チェーンの入力の所で入射パルス形状及び必要な入力エネルギーが算出される。１０５３ｎｍレーザチェーン及び周波数変換器では回折及び光線品質が考慮される。結晶の長さ及び角度同調を変更することによって変換効率を最適化してもよい。各変換器設計を「フット」光線及び「ドライブ」光線について最適化してもよいが、表１に示す「フット」光線及び「ドライブ」光線用の４結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ設計では、９ｍｍの同一の結晶長を使用し、７４．１％の全体効率を実現する。「フット」パルス及びビームと「ドライブ」パルス及びビームを分離することは、４結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ変換器設計に特に有効である。タイプＩ／タイプＩＩ構成では、より厚い第１のダブラーが利用される。ただし、このことは本発明に必須ではない。別々の「フット」パルス形式及び「ドライブ」パルス形式並びに光線マッピングを実現することによって、４結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ構成の全体効率を６０．２％から６８．８％に向上できることに留意されたい。
【００４６】
[0059]表１は、図２に示すような４結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。結晶長及び角度離調値は、周波数ダブラーモジュールの第１の結晶／周波数ダブラーモジュールの第２の結晶／周波数トリプラーモジュールの第１の結晶／周波数トリプラーモジュールの第２の結晶の順に示されている。
【表１】
2013545139.tif 000003
【００４７】
[0060]表２は、図２に示すような４結晶「厚−薄」タイプＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。
【表２】
2013545139.tif 000004
【００４８】
[0061]表３は、図２に示すような４結晶「薄−厚」タイプＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。
【表３】
2013545139.tif 000005
【００４９】
[0062]表４は、図２に示すような４結晶「薄−厚」タイプＩＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。
【表４】
2013545139.tif 000006
【００５０】
[0063]表５は、２結晶タイプＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。
【表５】
2013545139.tif 000007
【００５１】
[0064]表６は、２結晶タイプＩＩ／タイプＩＩ３倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。
【表６】
2013545139.tif 000008
【００５２】
[0065]本発明者らは、熱管理問題に対処し結晶が破断する危険性を低下させるために、より薄い第１のダブラーを利用することができ、その結果としての変換効率の損失はわずかな量に過ぎないことを見出した。タイプＩ／タイプＩＩ４結晶変換器の代表的な薄／厚設計が表３に示され、一方、タイプＩＩ／タイプＩＩ変換器の薄／厚設計が表４に示されている。エネルギー変換効率がいくらか失われるが、すべての設計において結晶をさらに薄くすることが可能であり、同様に第３のダブラー結晶又はトリプラー結晶を追加して温度勾配を限定することも可能である。縦方向温度勾配は、高度重水素化ＫＤＰ（＞９８％）の場合０．５℃を超えないと考えられ、したがって、周波数３倍化の変換効率をほぼ７０％に維持することができるはずである。
【００５３】
[0066]図３は、本発明の一実施形態による周波数変換器を利用するレーザシステムを示す簡略化された概略図である。図３に示すように、周波数３倍光線（３ω）が、長さ２０ｍの真空望遠鏡を介して焦点長が２０ｍの軸外れ放物面に中継され、目標チャンバ内に配置することのできる目標に合焦される。レーザ３１０からの光は、図２に示す設計を利用することのできる周波数変換器３１５を使用して周波数変換される。周波数変換器３１５の出力に中継面が画定されている。周波数変換器３１５の出力の所の周波数３倍光は、光路に沿ってレンズ３２０の方へ伝搬する。
【００５４】
[0067]いくつかの実施形態では、中継面からレンズ３２０までの距離は６４０ｃｍであり、レンズ３２０からレンズ３２２までの距離は８００ｃｍである。図示の実施形態では、レンズ３２０及びレンズ３２２の焦点長は合計で２ｍになる（すなわち、Ｆ１＋Ｆ２＝２０００ｃｍ）。
【００５５】
[0068]レンズ３２０及び３２２は、真空で動作することのできる望遠鏡を構成する。望遠鏡の中央に中性子バッフルを配置して、中性子が、中性子の損傷を持続することのできるシステムの部分まで伝搬するのを防止することができる。
【００５６】
[0069]望遠鏡からの光は、反射鏡３３０で反射し、放物面鏡３４０から目標チャンバ（ＴＣＣ）の方へ反射される。いくつかの実施形態では、第２のレンズ３２２から放物面鏡３４０までの距離は５６０ｃｍであり、放物面鏡３４０から目標チャンバまでの距離は２０００ｃｍである。いくつかの実装形態では、放物面鏡３４０を鏡とフレネルレンズの組合せで置き換えることができる。上記の距離は、一例としてのみ示されており、本発明の各実施形態によって他の光学構成を利用してもよい。
【００５７】
[0070]本発明の各実施形態は、熱管理解決手段を実現する。本発明者は、結晶厚を制限すると、破断の危険性が低下することを見出した。結晶の中心と面との温度差は、ＫＤＰの応力−破壊及び表面研磨品質によって制限される。図４は、本発明の一実施形態によって温度差を欠陥半径の関数として示す簡略化されたプロットである。プロットでは、ＤＫＤＰに関する破断が予測される結晶の中心と表面との温度差（Ｔｍａｘ−Ｔｓｕｒｆ）が、欠陥半径の関数として示されている。欠陥は、この計算については所与の半径を有する半ペニー状の欠陥とみなされている。２５μｍの欠陥半径を考慮したシステム仕様（たとえば、ＮＩＦ仕様）の場合、ＫＤＰ結晶は約６．１Ｋの温度差で結晶の中央面から入射表面又は出射表面まで破断する。本明細書で説明するシステムで使用できる例示的な結晶として、厚さが１ｃｍのＫＤＰ結晶は、破断限界が、温度差が１．８Ｋの場合にこの破断限界よりも３．４倍低く、信頼できる動作を実現する。１ｃｍよりも厚い結晶は、いくつかの代替実施形態では２つの結晶に分割され、或いはこのような結晶には、破断を回避するためにより厳しい研磨要件が適用される。図４を参照する。欠陥サイズを半径が５μｍになるまで縮小することによって最大許容温度勾配を２倍を超える値に増大できることに留意されたい。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００５８】
[0071]図５は、本発明の一実施形態による周波数変換光を生成する方法を示す簡略化されたフローチャートである。この方法は、基本波波長（５１０）を特徴とする入射光線を供給することと、入射光線の一部を、基本波波長の２分の１の２倍波長を特徴とする２倍光線に周波数変換することとを含む（５１２）。入射光線の別の部分は周波数変換されず、透過される（５１４）。周波数変換時の損失が零であると仮定すると、上記の別の部分は、周波数変換されていない入射面光線の残りの部分と等しい。入射光線を周波数変換することは、入射光線を第１の複数の非線形光学結晶（タイプＩ結晶又はタイプＩＩ結晶のいずれか）を透過させることと、２倍光線及び入射光線の上記の別の部分を出射することとを含む。入射光線の一部を２倍光線に周波数変換することは、第１の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第１の角度だけ離調させることと、第１の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第２の角度だけ離調させることとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の角度として、第１の方向における光線伝搬方向と第１の結晶の光軸との間の角度（たとえば、正の角度）が測定され、第２の角度として、第１の方向とは逆の第２の方向における光線伝搬方向と第２の結晶の光軸との間の角度（たとえば、負の角度）が測定される。
【００５９】
[0072]この方法は、２倍光線及び入射光線の上記の別の部分（たとえば、残りの部分）を２倍波長の３分の２の３倍波長を特徴とする３倍光線に周波数変換することをさらに含む（５１６）。２倍光線及び入射光線の残りの部分を周波数変換することは、２倍光線光及び入射光線の残りの部分を第２の複数の非線形光学結晶を透過させることと、３倍光線を出射することとを含む。２倍光線及び入射光線の残りの部分を３倍光線に周波数変換することは、第２の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第３の角度だけ離調させることと、第１の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第４の角度だけ離調させることとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第３の角度として、第１の方向における光線伝搬方向と第１の結晶の光軸との間の角度（たとえば、正の角度）が測定され、第４の角度として、第１の方向とは逆の第２の方向における光線伝搬方向と第２の結晶の光軸との間の角度（たとえば、負の角度）が測定される。
【００６０】
[0073]本発明の一実施形態では、第１の複数の非線形結晶はＤＫＤＰを含み、第２の複数の非線形結晶はＤＫＤＰを含む。さらに、特定の実施形態によって実現される方法は、少なくとも２倍光線及び入射光線の残りの部分又は３倍光線の偏向を回転させることを含む。
【００６１】
[0074]図５に示す特定のステップが、本発明の一実施形態による周波数変換された光を生成する特定の方法を実現することを了解されたい。代替実施形態による他の一連のステップを実施してもよい。たとえば、本発明の代替実施形態は、上記に概略的に説明した各ステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図５に示す個々のステップは、これらの個々のステップに適切な様々な順序で実行することができる複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定の用途に応じてさらなるステップを追加するか又は削除してもよい。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００６２】
[0075]図６は、本発明の一実施形態による光学系を示す簡略化された概略図である。図６に示すように、１ωレーザシステム又は増幅器システム６５０は、１ωの光出力を備えている（そのようなレーザ／増幅器システムを１ωビームボックスと呼んでもよい）。一例として、１ωシステムはＮＩＦレーザビームライン、ＬＩＦＥビームラインなどであってもよい。当業者には明らかであり、且つ上記で図４に示したように、レーザ／増幅器システム６５０には能動光学素子を含む１つ又は複数の光学素子が含まれる。語「１ω」は、レーザシステムの基本波光学周波数を指し、使用中のレーザ利得媒質に応じて様々な波長の光出力を含む。
【００６３】
[0076]この光学系は、複数の結晶６６２と制御システム６７０の制御下で結晶６６２を離調するように動作可能な回転／並進段階６６４とを含む、図２に示すような１つ又は複数の周波数変換素子を含んでもよい周波数変換器６６０も含む。いくつかの実施形態では、周波数変換器６６０によって生成される光出力は２ωであり、他の実施形態では、光出力は３ωである。周波数変換器６６０は、非線形光学材料、たとえば１つ又は複数のＫＤＰ又はＤＫＤＰ（重水素化されていないか或いは部分的又は完全に重水素化された）結晶或いは他の適切な非線形光学素子を含む。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。レーザシステム又は増幅器システム及び周波数変換器と通信する制御システム６７０及び診断システム６８０も設けられている。したがって、制御電子機器、センサなどが本発明の範囲内に含まれる。本明細書で説明するように結晶を離調させるために、回転段階及び／又は並進段階或いは一体化された回転／並進段階を制御システム６７０の制御を受ける周波数変換システムの素子として設けてもよい。
【００６４】
[0077]図７Ａは、本発明の一実施形態による一対の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの平行Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。この例では、２つのタイプＩ２倍化結晶が図示されている。破線は最適な位相整合配向を表し、実線は実際のＣ軸配向を表している。これらの配向間の離調角度は、第１の結晶については正の角度として示され、第２の結晶については負の角度として示されている。
【００６５】
[0078]図７Ｂは、本発明の一実施形態による一対の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの交番Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。
【００６６】
[0079]図８Ａは、本発明の一実施形態による３つ組の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの平行Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。この例では、３つのタイプＩ２倍化結晶が図示されている。破線は最適な位相整合配向を表し、実線は実際のＣ軸配向を表している。これらの配向間の離調角度は、３つ組のうちの最初の２つの結晶については正の角度として示され、３つ組のうちの第３の結晶については負の角度として示されている。
【００６７】
[0080]図８Ｂは、本発明の一実施形態による３つ組の２倍化結晶又は３倍化結晶のいずれかの交番Ｚ構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。図８Ａ及び図８Ｂに示す３つ組設計は、４結晶高調波変換器設計（２つのダブラー結晶及び２つのトリプラー結晶）における結晶が３つ組のダブラー結晶又は３つ組のトリプラー結晶に細分されるときに、熱応力破壊要件に対処するために利用されてもよい。
【００６８】
[0081]図９は、タイプＩ位相整合周波数２倍化結晶（９１０）とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶（９２０）とを含む４結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。図９に示すように、第３高調波光線は、方向９０２に沿って伝搬する基本周波数において入射光線９０１の偏向に平行な偏向９０３を有する。この実施形態ではＣＰＰプレート９１５が例示されている。ただし、ＣＰＰプレート９１５を設けるかどうかは、設計によっては任意である。図を明確にするために、ガス冷却に使用される窓は図示されていないが、特定の用途に応じて適宜使用されてもよい。
【００６９】
[0082]図１０は、タイプＩ位相整合周波数２倍化結晶（１０１０）とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶（１０２０）とを含む６結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。図１０に示すように、第３高調波光線は、方向１００２に沿って伝搬する入射基本波光線１００１の偏向に平行な偏向１００３を有する。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図１０に示すように、ダブラー３つ組の３つの結晶のうちの２つのＣ軸配向が揃えられ、トリプラー３つ組の３つの結晶のうちの２つのＣ軸配向が揃えられている。他の実施形態では、特定の用途に応じて適宜、結晶の配向を修正してもよい。図１０には任意のＣＰＰプレート１０１５が示されている。
【００７０】
[0083]図１１は、本発明の一実施形態によるタイプＩＩ位相整合周波数２倍化結晶（１１１０）とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶（１１２０）とを含む４結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。図１１に示すように、第３高調波光線は、方向１１０２に沿って伝搬する入射基本波光線１１０１の偏向に平行な偏向１１０３を有する。周波数２倍化モジュールの光学的に上流側に位置する２分の１波長板１１０５、たとえば、結晶石英、サファイア、又はＤＫＤＰ２分の１波長板が、名目上水平偏向された入射光線を３５．３°まで回転させる。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図示の実施形態では、２分の１波長板の光学軸は、（角度αによって示されているように）水平から１７．６５°に設定され、図１１に示すように入射偏光を１ω周波数で３５．３°まで回転させる。図１１には任意のＣＰＰプレート１１１５が示されている。
【００７１】
[0084]図１２は、本発明の一実施形態によるタイプＩＩ位相整合周波数２倍化結晶（１２１０）とタイプＩＩ位相整合３倍化結晶（１２２０）とを含む６結晶周波数３倍化システムの簡略化された概略図である。２分の１波長板１２０５、たとえば、結晶石英、サファイア、又はＤＫＤＰ２分の１波長板が、名目上水平偏向された入射光線を３５．３°まで回転させる。図１１に関して説明したように、２分の１波長板の光学軸は、（角度αによって示されているように）水平から１７．６５°に設定され、入射偏光を１ω周波数で３５．３°まで回転させる。図１２に示すように、第３高調波光線は、方向１２０２に沿って伝搬する入射基本波光線１２０１の偏向に平行な偏向１２０３を有する。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図１１には任意のＣＰＰプレート１２１５が示されている。
【００７２】
[0085]さらに、図１０に関して説明したように、ダブラー３つ組（１２１０）における３つの結晶のうちの２つのＣ軸配向が揃えられ、トリプラー３つ組（１２２０）における３つの結晶のうちの２つのＣ軸配向が揃えられている。他の実施形態では、各結晶の配向を特定の用途に応じて適宜修正してもよい。
【００７３】
[0086]本明細書で説明した例及び実施形態は例示のためのみのものであり、当業者にはこれらの例及び実施形態を考慮した様々な修正例又は変更例が考案され、それらの修正例又は変更例は、本出願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることも理解されよう。
【図１】
2013545139.tif 000009
【図２】
2013545139.tif 000010
【図３】
2013545139.tif 000011
【図４】
2013545139.tif 000012
【図５】
2013545139.tif 000013
【図６】
2013545139.tif 000014
【図７Ａ】
2013545139.tif 000015
【図７Ｂ】
2013545139.tif 000016
【図８Ａ】
2013545139.tif 000017
【図８Ｂ】
2013545139.tif 000018
【図９】
2013545139.tif 000019
【図１０】
2013545139.tif 000020
【図１１】
2013545139.tif 000021
【図１２】
2013545139.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月26日(2013.6.26)
【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】
光線経路に沿って配設され、１又は複数の非線形結晶の第１の組を備える周波数ダブラーモジュールと、
前記光線経路に沿って配設され、１又は複数の非線形結晶の第２の組を備える周波数トリプラーモジュールと、
を備える周波数変換システム。
【請求項２】
１又は複数の非線形結晶の前記第１の組は、第１の複数の非線形結晶を備え、１又は複数の非線形結晶の前記第２の組は、第２の複数の非線形結晶を備え、
前記第１の複数の非線形結晶の第１の結晶が第１の角度だけ離調され、前記第１の複数の非線形結晶の第２の結晶が第２の角度だけ離調され、
前記第２の複数の非線形結晶の第１の結晶が第３の角度だけ離調され、前記第２の複数の非線形結晶の第２の結晶が第４の角度だけ離調される、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項３】
前記第１の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の複数の非線形結晶の前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第２の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第１の複数の非線形結晶の前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２に記載の周波数変換システム。
【請求項４】
前記第１の角度が正の角度であり、前記第２の角度が負の角度である、請求項３に記載の周波数変換システム。
【請求項５】
前記第３の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第２の複数の非線形結晶の前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第４の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の複数の非線形結晶の前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２に記載の周波数変換システム。
【請求項６】
前記第３の角度が正の角度であり、前記第４の角度が負の角度である、請求項５に記載の周波数変換システム。
【請求項７】
前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に前記光線経路に沿って配設された連続ランダム位相板をさらに備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項８】
前記周波数ダブラーモジュールが、１ω光線を受け取り前記１ω光線の一部及び２ω光線を出射するように動作可能であり、
前記周波数トリプラーモジュールが、前記１ω光線及び前記２ω光線を受け取り３ω光線を出射するように動作可能である、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項９】
１又は複数の非線形結晶の前記第１の組は、少なくとも２つのタイプＩ結晶を含む第１の複数の非線形結晶を備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１０】
１又は複数の非線形結晶の前記第１の組は、少なくとも２つのタイプＩＩ結晶を含む第１の複数の非線形結晶を備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１１】
１又は複数の非線形結晶の前記第２の組は、１組のタイプＩＩ結晶を含む第２の複数の非線形結晶を備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１２】
前記１組のタイプＩＩ結晶が３つの結晶を含む、請求項１１に記載の周波数変換システム。
【請求項１３】
１又は複数の非線形結晶の前記第１の組は、ＤＫＤＰを含む第１の複数の非線形結晶を備え、１又は複数の非線形結晶の前記第２の組は、ＤＫＤＰを含む第２の複数の非線形結晶を備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１４】
偏光回転子をさらに備える、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１５】
前記偏光回転子がＤＫＤＰ２分の１波長板を備える、請求項１４に記載の周波数変換システム。
【請求項１６】
前記周波数ダブラーモジュール又は前記周波数トリプラーモジュールの少なくとも一方が１組の３つの非線形結晶を含み、前記１組の３つの非線形光学結晶のうちの第１の結晶の厚さが、前記１組の３つの非線形光学結晶のうちの第２の結晶の厚さよりも薄い、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項１７】
周波数変換された光を生成する方法であって、
基本波波長を特徴とする入射光線を生成するステップと、
前記入射光線の一部を、前記基本波波長の２分の１である２倍波長を特徴とする２倍光線に周波数変換するステップであって、前記入射光線を１又は複数の非線形光学結晶の第１の組を透過させるステップと、前記２倍光線及び前記入射光線の他の一部を出射するステップとを含むステップと、
前記２倍光線及び前記入射光線の前記他の一部を前記２倍波長の３分の２である３倍波長を特徴とする３倍光線に周波数変換するステップであって、前記２倍光線及び前記入射光線の残りの部分を１又は複数の非線形光学結晶の第２の組を透過させるステップと、前記３倍光線を出射するサブステップとを含むステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、第１の複数の非線形光学結晶を備え、
前記入射光線の一部を２倍光線に周波数変換するステップは、
前記第１の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第１の角度だけ離調させるステップと、
前記第１の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第２の角度だけ離調させるステップと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第２の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の角度が正の角度であり、前記第２の角度が負の角度である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組は、第２の複数の非線形光学結晶を備え、
前記２倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分を前記３倍光線に周波数変換するステップは、
前記第２の複数の非線形光学結晶の第１の結晶を第３の角度だけ離調させるステップと、
前記第２の複数の非線形光学結晶の第２の結晶を第４の角度だけ離調させるステップと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記第３の角度が、光線伝搬方向と、第１の方向における前記第１の結晶の光学軸との間の角度として測定され、
前記第４の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向における前記第２の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第３の角度が正の角度であり、前記第４の角度が負の角度である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、１組の２つ以上のタイプＩ結晶を含む第１の複数の非線形光学結晶を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、１組の２つ以上のタイプＩＩ結晶を含む第１の複数の非線形光学結晶を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組は、前記第２の複数の非線形光学結晶が１組の２つ以上のタイプＩＩ結晶を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、ＤＫＤＰを含む第１の複数の非線形光学結晶を備え、１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組は、ＤＫＤＰを含む第２の複数の非線形光学結晶を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
少なくとも前記２倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分又は前記３倍光線の偏向を回転させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
基本波波長でレーザ光線を出射するように動作可能なレーザ源と、
１又は複数の非線形光学結晶の第１の組を含む周波数ダブラーモジュール、及び
１又は複数の非線形光学結晶の第２の組を含む周波数トリプラーモジュールを含む周波数変換システムと、
前記周波数変換システムに結合された制御システムと、
前記周波数変換システムに結合された診断システムと、
を備える光学系。
【請求項３０】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、第１の複数の非線形光学結晶を備え、
前記周波数ダブラーモジュールは、第１の複数の回転段階をさらに備え、前記第１の複数の回転段階の各々が、前記第１の複数の非線形光学結晶のうちの１つを回転させるように動作可能である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３１】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組は、第２の複数の非線形光学結晶を備え、
前記周波数トリプラーモジュールは、第２の複数の回転段階をさらに備え、前記第２の複数の回転段階の各々が前記第２の複数の非線形光学結晶のうちの１つを回転させるように動作可能である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３２】
前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に配設されたＣＰＰプレートをさらに備える、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３３】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組は、ＤＫＤＰ結晶を含む第１の複数の非線形光学結晶を備え、１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組は、ＤＫＤＰ結晶を含む第２の複数の非線形光学結晶を備える、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３４】
前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールの光学的に上流側に２分の１波長板をさらに備える、請求項２９に記載の光学系。
【請求項３５】
１又は複数の非線形結晶の前記第１の組、又は、１又は複数の非線形結晶の前記第２の組の中の１つの非線形結晶を囲む少なくとも１組の窓をさらに備え、
前記少なくとも１組の窓は、冷却ガスの流れを支持するように使用可能である、請求項１に記載の周波数変換システム。
【請求項３６】
前記少なくとも１組の窓は、少なくともサファイア又は石英ガラスの一方からなり、前記冷却ガスは、ヘリウムからなる、請求項３５に記載の周波数変換システム。
【請求項３７】
１又は複数の非線形光学結晶の前記第１の組、又は、１又は複数の非線形光学結晶の前記第２の組の中の少なくとも１つの非線形光学結晶に隣接するように冷却ガスを流すステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３８】
前記冷却ガスは、ヘリウムからなる、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記周波数ダブラーモジュール又は前記周波数トリプラーモジュールの中の少なくとも１つの非線形光学結晶を囲む少なくとも１組の窓をさらに備え、前記少なくとも１組の窓は、冷却ガスの流れを支持するように使用可能である、請求項２９に記載の光学系。
【請求項４０】
前記少なくとも１組の窓は、少なくともサファイア又は石英ガラスの一方からなる、請求項３９に記載の光学系。

【国際調査報告】
2013545139.tif 000023