(57)【要約】  レーザ及びレーザシステムは、非線形和周波又は差周波変換により異なる波長を生成する。くさび形小平面のある非線形結晶（３０’）は、ピークパワーでの高調波レーザ出力の生成する際の非線形結晶の臨界位相整合に関連付けられた空間的ウォークオフ現象を補償する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高いピークパワーのレーザ出力を生成する際に効率的な高調波変換を行うためにレーザビームの和周波又は差周波混合を行う方法であって、
入口小平面と内部と長さとを有する複屈折結晶周波数変換媒体を準備し、
前記周波数変換媒体の前記入口小平面へ入射する入口角に対して、それぞれ第１及び第２の伝搬路に沿って伝搬する第１及び第２のレーザビームを導き、前記第１のレーザビームは第１の波長と第１のスポット形状とを有し、前記第２のレーザビームは第２の波長と第２のスポット形状とを有し、前記周波数変換媒体の複屈折性が、前記第１及び第２のレーザビームが前記周波数変換媒体の内部を長さ方向に沿って伝搬するときの、前記第１及び第２のレーザビームの前記第１及び第２の伝搬路の有効相互作用長さに対する広がりと重なりに寄与し、
前記入口角を前記第１及び第２のスポット形状に楕円率を与えるような値に設定することにより前記周波数変換媒体の積分複屈折補償をもたらし、これにより、前記入口小平面への前記第１及び第２のレーザビームの垂直入射を表す前記入口角の値との比較において、周波数変換媒体内を伝搬する、広がる前記第１及び第２のレーザビームの第１及び第２の楕円形スポットサイズの重なりの有効相互作用長さがより長くなり、高いピークパワーでの高調波レーザ出力の生成における和周波又は差周波混合を行う、
方法。
【請求項２】
前記複屈折結晶周波数変換媒体は、タイプＩ又はタイプＩＩの臨界位相整合非線形結晶である、請求項１の方法。
【請求項３】
前記臨界位相整合非線形結晶は、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＣＢＯ、ＣＬＢＯ、ＫＤＰ、ＫＢＢＦ、ＬｉＮｂ０3、ＫＮｂ０3、ＧｄＣＯＢ、又はＲＢＢＦを含む、請求項２の方法。
【請求項４】
前記複屈折結晶周波数変換媒体は臨界位相整合非線形結晶であり、前記入口角はくさび形小平面のある非線形結晶を形成する値に設定される、請求項１の方法。
【請求項５】
前記高調波レーザ出力の生成は、２次、３次、４次、又は５次高調波生成を含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記複屈折結晶周波数変換媒体は、キャビティ外レーザシステム構成の要素である臨界位相整合非線形結晶である、請求項１の方法。
【請求項７】
前記複屈折結晶周波数変換媒体は、キャビティ内レーザシステム構成の要素である臨界位相整合非線形結晶である、請求項１の方法。
【請求項８】
前記入口角の値が約１０°以上である、請求項１の方法。
【請求項９】
前記入口角の値が約１０°から約４０°の間である、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記複屈折結晶周波数変換媒体は出口小平面を有し、該出口小平面は、前記入口角により与えられた前記楕円率を補償してこれにより丸形ビームスポットサイズを有する前記高調波レーザ出力を生成するような値の出口角に設定される、請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
著作権表示
（ｃ）２０１１  エレクトロ  サイエンティフィック  インダストリーズ  インコーポレーテッド。この特許文書の開示の一部には、著作権保護を受ける構成要素が含まれている。著作権所有者は、いかなる者による特許文書又は特許開示のファクシミリによる複製に対しても、それは米国特許商標庁の特許ファイル又は記録に記載されているため、異議を唱えないが、記載されていない場合には、どのようなものであってもすべての著作権を留保する。米国連邦規則集第３７巻第１．７１条（ｄ）。
【０００２】
本開示は、ピークパワーにおいて高調波レーザ出力を生成する際の非線形和周波変換又は非線形差周波変換と、特に、非線形結晶の臨界位相整合に関連付けられた空間的ウォークオフ現象の補償とにより異なる波長を生成するレーザ及びレーザシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
多くの工業的用途においてレーザ波長変換器が広く用いられている。例えば、緑色及び紫外線（ＵＶ）レーザ出力を生成するための波長変換を行うレーザシステムが、レーザマイクロマシニングシステムにおいて用いられている。高調波生成を行う従来の２通りの方法は、キャビティ内高調波変換とキャビティ外高調波変換である。キャビティ内高調波変換を用いる高調波生成は、ビーム特性に優れたレーザ出力を高効率で生成する点で優れている。しかしながら、パワー劣化及び非線形結晶損傷制御は、より短い波長で動作する高出力用途においては特に懸念されることである。キャビティ外高調波変換を用いる高調波生成は、非線形結晶の寿命を延ばす点で利点があるが、特により低いピークパワーのレーザに対して高調波変換効率が低い。
【０００４】
例えば、１００μｍ径のスポットサイズを有するレーザビームのような高密度収束ビームは、変換効率を上げるのに貢献する。しかしながら、高調波変換効率に影響を与える競合ファクターがある。非線形結晶の臨界位相整合から生じる空間的ウォークオフ現象の作用により結晶長さが制限される一方、他方では、ビーム焦点が小さくなるにつれ、非線形結晶における広がり角が大きくなる。さらに、ビームスポットサイズは、非線形結晶の損傷閾値により制限される。したがって、高調波変換効率を改善することは難しい試みである。
【０００５】
非線形変換効率が非線形結晶の長さとピークパワーの２乗に比例することが知られている。キャビティ外の構成に対して非線形高調波変換の変換効率を高くするために、小さなスポットサイズが用いられるが、主要な２つのファクターによって制限される。１つ目の制限は、高いピークパワー強度により生ずる反射防止（ＡＲ）膜とバルク結晶材料の損傷である。２つ目の制限は、小さなスポットサイズが、非線形結晶に対して、高調波変換効率及びレーザビーム特性を制限する空間的ウォークオフ現象を強いることである。
【０００６】
高調波生成効率を改善するために研究がなされている。Dudley等の米国特許第７，０１６，３８９号は、キャビティ内非線形周波数生成においては、レーザキャビティ内に広がる高パワーから生じる変換効率の利点があると述べている。Dudleyの図１は、典型的なキャビティ内高調波生成方式を示している。しかしながら、キャビティ内高調波生成の効率は、持続波（ＣＷ）動作がある場合、パルス繰返し率の高い（１００ＫＨｚより高い）場合、パルス幅の長い（１００ｎｓよりも長い）場合、又はより高次の高調波を生成する場合については低い。キャビティ外変換と同様に、スポットサイズを小さくして結晶を長くすることは、高調波変換効率を改善することに寄与する。スポットサイズを小さくすることによりＡＲ膜及びバルク結晶材料の損傷の懸念が生じ、スポットサイズを小さくして結晶を長くすることにより空間的ウォークオフ現象の懸念が生じる。
【０００７】
損傷に対する懸念なくピークパワー強度を高く維持し、ウォークオフ効果を低減しつつ長い結晶を使う場合に高調波変換効率を上げるためにキャビティ外高調波生成において用いられる１つのアプローチでは、円柱レンズによりレーザビームに楕円形状を与え、楕円形のレーザビームの主軸を非線形結晶のウォークオフ平面内にしている。しかしながら、このアプローチでは不利な点もある。それらには、レーザビームを整形するために付加的な要素が必要になることが含まれる。光学系に少なくとも２つの円柱レンズを追加することにより、２つ目のレンズが楕円形ビームを丸形ビームに再整形しなければならないので、位置合わせの困難性が増す。図１は、従来技術のレーザシステムのブロック図にグラフを重ね合わせた合成図である。グラフは、キャビティ外構成において円柱レンズ系（ＣＬ１及びＣＬ２）を用いて３次高調波を生成する従来技術を表す、異なる段階でのレーザシステムの楕円形ビームの形成を示すものである。図１は、ウェスト位置のｘ軸とｙ軸との間の変位を示しており、これは、最終的にビーム真円度と非点収差の問題を引き起こす。実線はｘ軸に沿ったビーム半径を表しており、破線はｙ軸に沿ったビーム半径を表している。非線形結晶内で楕円形ビームを形成して安定したキャビティを維持するためにキャビティ内で円柱レンズを位置決めすること、及び楕円状に整形されたキャビティモードを提供することが難しい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
レーザビームの和周波又は差周波混合を行う方法は、高いピークパワーのレーザ出力を生成する際に効率的な高調波変換を行う。この方法は、入口小平面と内部と長さとを有する複屈折結晶周波数変換媒体を用いる。それぞれ第１及び第２の伝搬路に沿って伝搬する第１及び第２のレーザビームが、上記周波数変換媒体の上記入口小平面へ入射する入口角に対して導かれる。上記第１のレーザビームは第１の波長と第１のスポット形状とを有し、上記第２のレーザビームは第２の波長と第２のスポット形状とを有する。上記周波数変換媒体の複屈折性が、上記第１及び第２のレーザビームが上記周波数変換媒体の内部を長さ方向に沿って伝搬するときの、上記第１及び第２のレーザビームの上記第１及び第２の伝搬路の有効相互作用長さに対する広がりと重なりに寄与する。
【０００９】
上記入口角の値を上記第１及び第２のスポット形状に楕円率を与えるような値に設定することにより上記周波数変換媒体の積分複屈折補償がもたらされる。これにより、上記入口小平面への上記第１及び第２のレーザビームの垂直入射を表す上記入口角の値との比較において、周波数変換媒体内を伝搬する、広がる上記第１及び第２のレーザビームの第１及び第２の楕円形スポットサイズの重なりの有効相互作用長さがより長くなり、高いピークパワーでの高調波レーザ出力の生成における和周波又は差周波混合を行う。
【００１０】
上記複屈折結晶周波数変換媒体は、好ましくはタイプＩ又はタイプＩＩの臨界位相整合非線形結晶である。上記入口角を設定することにより、上記非線形結晶内を伝搬するビームに楕円率を与える円柱レンズとして作用し、これによりウォークオフ現象の作用を低減する、くさび形小平面のある非線形結晶が形成される。上記くさび形小平面のある非線形結晶は、変換効率が改善された和周波又は差周波生成のキャビティ内構成及びキャビティ外構成の双方において使用できる。上記非線形結晶は、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＣＢＯ、ＣＬＢＯ、ＫＤＰ、ＫＢＢＦ、ＬｉＮｂ０3、ＫＮｂ０3、ＧｄＣＯＢ、及びＲＢＢＦのいずれか１つとすることができる。上記くさび形小平面のある非線形結晶は、より短い波長を得るための高調波生成のために、あるいはより長い波長を得るための光学パラメータオシレータ（ＯＰＯ）とともに使用することができる。この高調波生成は、２次、３次、４次、及び５次高調波生成であり得る。
【００１１】
付加的な態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来技術のレーザシステムのブロック図にグラフを重ね合わせた合成図であり、グラフは、キャビティ外構成において円柱レンズ系を用いて３次高調波を生成する従来技術を表す、異なる段階でのレーザシステムの楕円形ビームの形成を示すものである。
【図２】図２は、２つの入力レーザビームの和周波又は差周波を有するレーザ出力を生成する際に使用される、従来技術の非線形結晶の図である。
【図３】図３は、入口小平面を非線形結晶の積分複屈折補償をもたらす入口角θに設定することにより形成されるくさび形小平面のある非線形結晶の図である。
【図４Ａ】図４Ａ及び図４Ｂは、図２の従来の矩形非線形結晶内を伝搬する光ビームの丸形スポット形状と、図３のくさび形小平面のある非線形結晶内を伝搬する光ビームの楕円形スポット形状の連続的な重なりをそれぞれ示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａ及び図４Ｂは、図２の従来の矩形非線形結晶内を伝搬する光ビームの丸形スポット形状と、図３のくさび形小平面のある非線形結晶内を伝搬する光ビームの楕円形スポット形状の連続的な重なりをそれぞれ示す図である。
【図５】図５は、４つの屈折率に対する入口角の関数としての、図３のくさび形小平面のある非線形結晶内を伝搬するレーザビームの楕円率を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、考えられる３つのキャビティ外高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、考えられる３つのキャビティ外高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。
【図６Ｃ】図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、考えられる３つのキャビティ外高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。
【図７】図７は、キャビティ内高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２は、入力レーザビーム３４及び３６の和周波又は差周波を有するレーザ出力３２を生成する際に使用される、従来技術の略矩形の複屈折結晶周波数変換媒体又は非線形結晶３０の図である。非線形結晶３０は、反射防止（ＡＲ）膜４０により覆われた入口小平面３８と、３ｍｍから５ｍｍの幅４２と、約１０ｍｍの長さ４４とを有している。和周波及び差周波生成において用いられる非線形結晶材料は、典型的には１．６から２．０の屈折率ｎを有している。以下の説明は、１０６４ｎｍＮｄ：ＹＡＧレーザの赤外（ＩＲ）ビーム３４を２逓倍５３２ｎｍ緑色光ビーム３６と混合することにより、３５５ｎｍＵＶ光出力３２の和周波を生成する例を説明する。
【００１４】
臨界位相整合は、非線形結晶３０において非線形過程の位相整合を得るために使用される手法である。相互作用する入力ビーム３４と３６は、屈折率楕円体の軸に対する角度で位置決めされる。臨界位相整合が機能するビーム角度の範囲は制限されている（「受光角」と呼ばれる）。市販の非線形結晶には、臨界位相整合作用に対して結晶の入口面の垂線に非常に近い公称入口角がある。したがって、結晶位相整合は、位相整合構成を見い出すために使用される結晶又はビームの角度調整である。さらに、垂直入射（すなわち垂直入射光用の）ＡＲ膜４０は、目に見える入射光の反射の開始により光透過損失が著しくなるまでに入口角が垂直面から外れることができる範囲（すなわち±１０°）に影響する。ＩＲビーム３４と緑色光ビーム３６は、互いに平行に伝搬し、ＡＲ膜で覆われた入口小平面３８にほぼ垂直な（すなわち９０°±５°）入口角で入射し、特定の温度で臨界位相整合を実現する。
【００１５】
空間的ウォークオフは、複屈折結晶内を伝搬するビームの強度分布が、ビームの伝搬方向から離れる現象である。空間的ウォークオフは、臨界位相整合の受光角に直接関係する。ビームの広がりが大きい高密度収束ビームが使用される場合、位相整合が不完全になる。
【００１６】
図３は、くさび形小平面のある非線形結晶３０’の図であり、非線形結晶３０’は、透過損失を少なくするために、入口小平面３８’を入口角θに設定し、ＡＲ膜４０の特定の入射角を入口角θと同じ値に変更することにより形成される。入口角θは、非線形結晶３０’の積分複屈折補償をもたらす。これは、相互作用する入力ビーム３４と３６のスポット形状に楕円率を与え、発散する入力ビーム３４及び３６の楕円形のスポットの重なりの有効相互作用長さを長くするような値に入口角θを設定することにより達成される。
【００１７】
図４Ａ及び図４Ｂは、図２の２０ｍｍ長の従来の矩形非線形結晶３０内を伝搬する光ビーム３４及び３６の丸形スポット形状と、図３の２０ｍｍ長のくさび形小平面のある非線形結晶３０’内を伝搬する光ビーム３４及び３６の楕円形スポット形状の連続的な重なりをそれぞれ示す図である。図４Ａは、それぞれの光ビーム３４及び３６の円形スポット形状５０及び５２が、非線形結晶３０の長さ方向に沿って伝搬していくにつれ、スポットの重なりを減らしつつ広がっていく様子を示している。図４Ｂは、楕円形スポット形状５４及び５６が、非線形結晶３０の長さ方向に沿った対応する位置における円形スポット形状５０及び５２よりも、非線形結晶３０’の長さ方向において大きいことを示しており、非線形結晶３０’の長さ方向において重なっている範囲が、円形スポット形状５０及び５２が非線形結晶３０の長さ方向に沿った対応する位置において重なっているよりも大きくなっており、また、非線形結晶３０’の内部で占める部分が、円形スポット形状５０及び５２が非線形結晶３０の内部で占める部分よりも大きい。したがって、スポット形状５４及び５６の楕円率により、図２の非線形結晶３０を伝搬していくビーム３４及び３６のスポット形状５０及び５２のものと比較すると、重なっている部分の有効相互作用長さがより大きくなっている。
【００１８】
非線形結晶３０を出たレーザビームの円形スポット形状５０及び５２の重なりが小さくなっていくことにより、高次レーザモードが生成され、ガウス形状から乖離したレーザ出力となる。楕円形スポット形状５４及び５６の重なりが大きくなっていくことにより、レーザ出力がガウス形状により近くなる。
【００１９】
図５は、１．４、１．６、１．８、及び２．０に等しい４つの屈折率ｎに対する入口角３０の関数としての、くさび形小平面のある非線形結晶３０’内を伝搬するレーザビーム３４の楕円率を示すグラフである。図５は、入口角θが大きくなると、入力レーザビームにおける楕円形スポット形状の偏心率が大きくなることを示している。パルス繰返し率、パルス幅、及び平均パワーの選択された組み合わせのそれぞれに対して、入力ビームのスポット形状、非線形結晶長さ、ウォークオフ角、及び入口角θの最適な組み合わせを決めることができる。入口角θは、動作上、入射光ビームの任意の波長に対して有効である。図５から、約１０°より大きく、好ましくは約１０°から約４０°の間の入口角θにより有効相互作用長さが効果的に大きくなることが明らかになる。ウォークオフ作用が低減されるので、レーザスポットサイズを小さく、非線形結晶を長くしつつ、高調波変換効率及びビーム品質を高めることができる。
【００２０】
長さ２０ｍｍの２つのＬＢＯ結晶を使って本開示の高調波変換方法と従来技術の高調波変換方法とを比較する実験を行った。一方のＬＢＯ結晶は、図２に示される従来の矩形状であり、他方のＬＢＯ結晶は、０．４７ラジアン角（２７°）のくさび形小平面のある入口面を有するものであった。ＬＢＯ結晶に入射した１０ＫＷピークパワーの緑色及びＩＲ光ビームにより、従来のＬＢＯ結晶では２ＫＷピークパワーのＵＶ出力が生成され、くさび形小平面のあるＬＢＯ結晶では３．６ＫＷピークパワーのＵＶ出力が生成された。したがって、本開示方法の実施により高調波変換効率が２０％から３６％に増える。
【００２１】
くさび形小平面のある非線形結晶により実現される高調波周波数変換は、キャビティ外構造又はキャビティ内構造のいずれにおいても構成することができる。非線形結晶材料はタイプＩ又はタイプＩＩとすることができ、周波数変換は和周波又は差周波いずれであってもよい。非線形結晶は、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＢＯ、ＣＬＢＯ、ＫＢＢＦ、ＲＢＢＦ、ＫＴＰ、ＬｉＮｂ０3、ＫＮｂ０3、ＧｄＣＯＢ、及びＢＩＢＯのいずれであってもよい。
【００２２】
図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、考えられる３つのキャビティ外高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。図６Ａは、光軸７０に沿って光学的に直列に並べられた光学要素であって、第１の集束レンズ７４と第２の集束レンズ７６との間に配置された従来の非線形結晶の２次高調波発生器（ＳＨＧ）７２を含む光学要素を示している。３次高調波発生器（ＴＨＧ）７８が第２の集束レンズ７６の出口面に隣接して配置されている。ＴＨＧ７８は、空間的ウォークオフ作用を低減するくさび形小平面のある入口面８０を有している。図６Ｂは、従来の非線形結晶７２をくさび形小平面のある非線形結晶ＳＨＧ７２’で置き換え、ＴＨＧ７８のくさび形小平面のある入口面８０の角度が異なる点を除いて、図６Ａのものと同様の１組の光学要素を示している。図６Ｂは、空間的ウォークオフ作用を低減するために、ＳＨＧの非線形結晶及びＴＨＧの非線形結晶の両方がくさび形小平面のある入口面を持ち得ることを示している。図６Ｃは、非線形結晶ＴＨＧ７８を非線形結晶ＴＨＧ７８’で置き換えて、くさび形小平面のある入口面８０とともに、くさび形小平面のある出口面８２を設けて、楕円形ビームを円形ビームに再整形し、これにより円柱レンズの必要性をなくしている点を除いて、図６Ｂのものと同じ組の光学要素を示している。
【００２３】
図７は、キャビティ内高調波周波数変換の構成を示す簡略化ブロック図である。くさび形小平面のある非線形結晶９０は、従来の非線形結晶ＳＨＧ９２と出力カプラ９４との間に配置される。特に、パルス繰返し率が高く、ピークパワーの低いキャビティ内３次高調波生成については、変換効率がくさび形小平面のある非線形結晶９０の長さに比例する。くさび形小平面のある非線形結晶を用いた高調波周波数変換については、集束ビームスポットサイズが１００μｍであれば、ウォークオフ作用を著しく低減する、２０ｍｍよりも長いくさび形小平面のあるＬＢＯ結晶（〜０．４７ラジアン）を設計することができる。同一の動作条件の下での従来の矩形のＬＢＯ結晶については結晶の最大長が１０ｍｍである。したがって、本開示方法の実施により効率が上がることを期待することができる。
【００２４】
本発明の基礎をなす原則から逸脱することなく上述した実施形態の詳細に対して多くの変更をなし得ることは、当業者には自明であろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ画定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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