(57)【要約】【課題】非回折限界入力ビームであることが必要とされる光を受けたときの、ウォークオフを示す部材における欠点を克服した非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材を使用する光源を提供する。また、そのようなＮＬＦＣ部材にて高い出力効率を達成する。【解決手段】非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材は、光源の内部に組込まれている。上記光源は、非回折限界の入力ビームを放射する光放射素子と、ウォークオフを示し、第２高調波発生のようなＮＬＦＣ処理を行うＮＬＦＣ部材を含む。光学部材は、非回折限界の入力ビームを、ＮＬＦＣ部材の内部に決定された収束半角で収束するように形成される。ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は、回折限界光の収束半角よりも大きい。上述の収束半角は、ε×Ｍに回折限界光の上記収束半角の値を乗じた倍数であってよく、０．４および１／Ｍの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、Ｍは非回折限界光のビーム品質係数の平方根である。【選択図】図６
2015121788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）装置であって、
ウォークオフ（walk-off）を示す非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材と、
非回折限界の入力ビームを上記ＮＬＦＣ部材内へ収束させる光学部材と、を備え、
上記ＮＬＦＣ部材により出力される出力ビームの少なくとも一部分は、上記入力ビームの周波数と異なる周波数を有することを特徴とするＮＬＦＣ装置。
【請求項２】
上記入力ビームの少なくとも一平面におけるビーム品質係数は、２より大きい（Ｍ２＞２）ことを特徴とする請求項１に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項３】
上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面における上記ビーム品質係数は、２より大きい（Ｍｙ２＞２）ことを特徴とする請求項２に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項４】
上記ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面と平行な平面における上記入力ビームのビーム品質係数は、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面における上記入力ビームのビーム品質係数よりも低い（Ｍｘ２＜Ｍｙ２）ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項５】
上記入力ビームの偏光の方向を、Ｍｘ２＜Ｍｙ２となるように変更させる偏光変更素子をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項６】
上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面における空中の収束半角は回折限界光の収束半角の角度よりも大きく、上記回折限界光のビーム品質係数Ｍ２は１に等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項７】
上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は、Ｍｙに回折限界光の上記収束半角を乗じた値であり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記非回折限界の光の上記ビーム品質係数の平方根であることを特徴とする請求項６に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項８】
上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は、ε×Ｍｙに回折限界光の上記収束半角の値を乗じた倍数であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記入力ビームの上記ビーム品質係数の平方根であることを特徴とする請求項６に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項９】
０．６＜ε＜５．０であることを特徴とする請求項８に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項１０】
上記ＮＬＦＣ部材の上記出力光線（出力ビーム）の上記周波数は、上記入力ビームの上記周波数の２倍であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のＮＬＦＣ装置。
【請求項１１】
非回折限界の光の入力ビームを放射する光放射素子と、
ウォークオフを示し、かつ、第２高調波発生を行う非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材と、
上記ＮＬＦＣ部材から出力される出力ビームの少なくとも一部は上記入力ビームの２倍の周波数を有し、
上記非回折限界の入力ビームを上記ＮＬＦＣ部材内へ収束させる光学部材と、を備えることを特徴とする光源。
【請求項１２】
上記入力ビームの波長は４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、上記出力ビームの波長は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の光源。
【請求項１３】
上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面におけるビーム品質係数は３より大きい(Ｍｙ２＞３)ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の光源。
【請求項１４】
上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面における空中の収束半角は回折限界光の収束半角の角度よりも大きく、上記回折限界光のビーム品質係数Ｍ２は１に等しいことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１５】
上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は回折限界光の上記収束半角の値を乗じた倍数（ε×Ｍ）であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記入力ビームの上記ビーム品質係数の平方根であることを特徴とする請求項１４に記載の光源。
【請求項１６】
上記光学部材は、０．９°から１０．５°の間の収束半角を有する上記入力ビームを収束することを特徴とする請求項１５に記載の光源。
【請求項１７】
ε＝１．０であり、上記光学部材は２．１±１°の収束半角を有する上記入力ビームを収束することを特徴とする請求項１６に記載の光源。
【請求項１８】
上記光放射素子はＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮの半導体材料を含むレーザーダイオードであり、上記レーザーダイオードの放射領域の一方向の寸法は少なくとも５μｍであることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の光源。
【請求項１９】
上記ＮＬＦＣ部材は、β‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むことを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の光源。
【請求項２０】
上記入力ビームの収束半角は、
平面でないまたは上記入力ビームの伝搬方向に対し平行な表面法線を有さない上記ＮＬＦＣ部材の入力表面を介した伝搬の後に、
（ｉ）上記入力ビームのビームウエスト半径（beam waist radii）と、
（ｉｉ）平面の表面であり、かつ上記ＮＬＦＣ部材の入力表面と垂直な方向が上記入力ビームの伝搬方向に平行である入力表面に対する空中の収束半角を有する入力ビームの伝搬の後に上記ＮＬＦＣ部材において形成される当該入力ビームのビームウエスト半径と、が略同一になるように決定されることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数変換処理を含む光放射装置に関する。本発明は、上記光放射装置の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光素子の先行技術においては、少なくとも１つの周波数を有する入力光を上記入力光とは異なる少なくとも１つの周波数を有する発生光へ変換することに、非線形の光学的性質を有する材料を活用することについて多くの例が存在する。ある種の装置においては、第１の周波数（ｆ１）の光がゼロでない二次非線形感受率（non-zero second order nonlinear susceptibility）を有する材料を通過すると、いくつかまたは全ての入力光が第２の周波数（ｆ２）を持ちｆ２＝２ｆ１である発生光に変換される。この処理は、一般に「第２高調波発生（harmonic generation, SHG）」と呼ばれ、ときには「周波数倍化（frequency doubling）」とも呼ばれる。この他の種類の装置では、２つの異なる周波数を有する光を含む入力光がゼロでない二次非線形感受率を有する材料を通過すると、いくつかまたは全ての入力光が第３の周波数を有する発生光に変換され得る。この処理は、一般的に「和周波発生（sum frequency generation, SFG）」または「差周波発生（difference frequency generation, DFG）」 と呼ばれる。ＳＨＧ、ＳＦＧ、およびＤＦＧは全て非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）処理の一例である。
【０００３】
大きい二次非線形感受率を有する材料は広範囲にわたりその存在が知られている。多くの材料の中で、ニオブ酸リチウム（lithium niobate, ＬｉＮｂＯ３）、チタンリン酸カリウム（potassium titanyl phosphate, ＫＴｉＯＰＯ４）、三ホウ酸リチウム（lithium triborate, ＬｉＢ３Ｏ５）、β‐ホウ酸バリウム（β‐barium borate, β-ＢａＢ２Ｏ４）、およびリン酸二水素カリウム（potassium dihydrogen phosphate, ＫＨ２ＰＯ４）が上記材料の例に含まれる。ＮＬＦＣを活用し得る部材はこれらの材料から作成することができ、作成された部材はＮＬＦＣ部材と呼ばれる。
【０００４】
ＮＬＦＣ部材を使用する光学素子では、ＮＬＦＣ処理を高効率で起こすことがしばしば重要である。ＮＬＦＣの効率は発生光のパワーを入力光のパワーで割った割合である。ＳＨＧの場合、ＳＨＧの効率は周波数が倍の光のパワーを入力光のパワーで割った割合である。
【０００５】
ＮＬＦＣの効率は、ＮＬＦＣ部材を通過するときの光の入力ビームの特性に強く依存し得る。ＮＬＦＣの多くの例では、入力ビームは少なくともビームの一平面に集光（focus）される（ビームの平面とは、ビームの伝搬の方向が広がるあらゆる平面である）。これは、ＮＬＦＣ部材２を通過する集光された入力ビーム１を示す図である図１に示されており、図中の平面はビームが集光された平面（ビームの平面）である。集光された入力ビーム１がＮＬＦＣ部材２を介して伝搬するとき、ビーム幅３はまず始めに減少し、次に最小値に達し、そのあと増加する。与えられたビームの平面におけるビーム幅３は、上述した平面上で、かつビームの伝搬方向４と垂直である方向に沿った幅である。上記ビームの半径はビーム幅の半分と等しい半径に定義される。ビームの平面でビーム幅が最小であるときの当該ビームの上記伝搬方向に沿った位置は、上述したビームの平面におけるビームウエスト（beam waist）として描かれる。つまり、上述の平面のこの位置における上記ビームの半径は当該平面におけるビームウエスト半径５として描かれる。一般的に光のビームは伝搬方向に対して円対称性を持たない。この場合、ビームの伝搬方向に沿ったどの位置においても、２つの異なるビームの平面において測定されるビーム幅は等しくはならない。
【０００６】
入力ビームは、例えば１つ以上のレンズを使用して集光され得る。その結果、ビームはＮＬＦＣ部材へ向かって伝搬するとき、当該ビームの少なくとも一平面におけるビームウエスト半径がＮＬＦＣ部材の内部に形成されるように、当該ビームの少なくとも一平面において収束する（すなわち、ＮＬＦＣ部材に向かってビームが伝播すると、当該ビームの少なくとも一平面におけるビーム幅は減少する）。この場合、得られたビームの平面における入力ビームの集光の強度は、ＮＬＦＣ部材に入射する前の空中で測定される、ビームの収束半角（convergence half-angle）により定量できる。これもまた、図１において示されている。ビームの収束半角φｃは、ｔａｎ（φｃ）＝１／２｛ｗ（ｚ１）−ｗ（ｚ２）｝／｛ｚ２−ｚ１｝と定義され、ｗ（ｚ１）およびｗ（ｚ２）は、ビームｚ１およびｚ２の伝搬方向４に沿っておりかつビームがＮＬＦＣ部材２の中へ伝搬する前に位置する２点の位置にて測定される、ビームの幅である。
【０００７】
得られたビームの平面における入力ビームの集光の強度はまた、ビームがＮＬＦＣ部材から出射された後の空間中で測定される、発散半角で定量できる。ビームの発散半角φｄは、ｔａｎ（φｄ）＝１／２｛ｗ（ｚ４）−ｗ（ｚ３）｝／｛ｚ４−ｚ３｝と定義され、ｗ（ｚ３）およびｗ（ｚ４）は、ビームｚ３およびｚ４の伝搬方向４に沿っておりかつビームがＮＬＦＣ部材２の外へ伝搬した後に位置する２点の位置にて測定される、ビームの幅である。
【０００８】
ＮＬＦＣの効率は、ＮＬＦＣ部材を介し伝搬する入力ビームの幅に強く依存する。ボイド（Boyd）およびクレインマン（Kleinman）は、入力ビームがＮＬＦＣ部材の内部で円形「ガウスビーム」の形を有するという特殊な場合において高い効率でＳＨＧを得るための、好適なビーム幅を特定する方法について説明している（Journal of Applied Physics 39, 3593（1968））。ガウスビームは、光の強度がガウス法（Gaussian way）における中央からの放射距離に応じて変化する光のビームである。ビームの伝搬方向に沿った位置におけるガウスビームの幅は一般的に、当該ビームの伝搬方向に垂直な方向に沿って測定される距離で、ビームの伝搬方向に沿った位置でビームの最大強度の１／ｅ２に等しいビームの強度を有する２点の位置の間の距離として定義される。円形ガウスビームは、当該ビームの伝搬方向に沿った特定の位置において、ビームの全平面にて等しいビーム幅を有する。屈折率をｎ、ビームウエスト半径をｒｗ、および発散半角をφとしたときの波長λ（真空中で測定）のガウスビームの媒体中における伝搬は、式１の関係にある。
【０００９】
【数１】
2015121788.tif 000003
【００１０】
上記ビーム半径ｒは、ビームウエスト位置からの距離であってビームの伝搬方向に沿って測定される距離をｚとすると、式２に従って変化する。
【００１１】
【数２】
2015121788.tif 000004
【００１２】
ボイドおよびクレインマンにより説明された方法では、入力ビームまたは発生ビームのいずれかが「ウォークオフ」を示し得ることを、ＮＬＦＣ部材でのＮＬＦＣに利用する。ウォークオフはＮＬＦＣ部材においてＮＬＦＣ部材内の材料の光学的な複屈折が原因で起こる。特定のＳＨＧの場合において発生ビームがウォークオフを示したとき、ＮＬＦＣ部材における発生ビームの伝搬方向はＮＬＦＣ部材における入力ビームの伝搬方向と同じでない。ウォークオフ角度ρは、入力ビームの伝搬方向と発生ビームの伝搬方向とがなす角度として定義される。入力ビームの伝搬方向と、発生ビームの伝搬方向との両方を含む平面は、ウォークオフ平面と呼ばれる。ウォークオフ角度ρは、実験に基づいて測定することができる。ウォークオフ角度ρは実験に基づいて測定する代わりに、ビームの伝搬方向、ビームの偏光の向き、およびＮＬＦＣ部材における材料の屈折率の知識から標準的な方法を用いて算出することもできる。
【００１３】
円形ガウスビームの特殊な場合において、ボイドおよびクレインマンにより示された上記方法では、高いＳＨＧ効率を得るためＮＬＦＣ部材内での入力ビームの好適なビームウエスト半径を決定することが利用され得る。好適なビームウエスト半径は、入力ビームおよび発生ビームの波長と、ＮＬＦＣ部材の入力ビームおよび出力ビームに対する屈折率と、ウォークオフ角度と、ＮＬＦＣ部材の長さとに依存する。入力ビームおよび出力ビームに対するＮＬＦＣ部材の屈折率、およびウォークオフ角度は、ＮＬＦＣ部材内での入力ビームの伝搬方向に依存することがあり、ＮＬＦＣ部材の光学軸と相関し得る。そのため、ＮＬＦＣ部材内で上述のビームウエスト半径に近い半径を供する入力ビームの空中の収束半角は、時には「ＡＢＣＤ行列（ABCD matrices）」と呼ばれる光線伝搬行列（ray transfer matrices）などのような、ガウスビーム光学のための標準的な計算方法を用いて特定することができる。
【００１４】
フリーガード（Freegarde）らは、入力ビームが楕円形ガウスビームの形を有するという特殊な場合においてＳＨＧを高効率で得るための、ＮＬＦＣ内での入力ビームの好適な幅を特定する方法を示している（Journal of the Optical Society of America B 14, 2010 （1997））。楕円形ガウスビームは、ガウス法において、互いに垂直で、かつ当該楕円形ガウスビームの伝搬方向にも垂直な２方向に沿った伝搬軸からの距離によって、光の強度が変化するビームである。
【００１５】
フリーガードらにより説明された方法では、入力ビームおよび発生ビームのいずれかがウォークオフを示し得ることを、ＮＬＦＣ部材におけるＮＬＦＣに利用する。楕円形ガウスビームの上記特殊な場合において、フリーガードらにより説明された上記方法は、ＳＨＧを高効率で得るために、ＮＬＦＣ部材内部の入力ビームとしてのガウスビームの２垂直面の主軸に沿って規定される、好適なビームウエスト半径を決定するために利用される。
【００１６】
ボイドおよびクレインマン、ならびにフリーガードにより示される上記方法は、「理想の」ガウスビームを利用するものである。これら理想のガウスビームは「回折限界」ビームと呼ばれることがある。ＳＨＧを使用する多くの装置において、入力ビームは理想のガウスビームまたはガウスビームで厳密に近似されるビームである。これらの場合、ボイドおよびクレインマン、またはフリーガードらにより説明された方法により特定される入力ビームの集光強度は、ＳＨＧを高効率で得るために適切になる強度として適正である。
【００１７】
光のビームにはガウスビームで厳密には近似されないものもある。これら非ガウスビームは「非回折限界」と述べられることがある。屈折率をｎ、ビームの平面におけるビームウエスト半径をｒｗ、および、ビームの平面と同じ平面における収束半角または発散半角をφとしたときの、波長λ（真空中で測定）の非回折限界ビームの媒体中における伝搬は、式３の関係にある。
【００１８】
【数３】
2015121788.tif 000005
【００１９】
上記ビームの平面におけるビーム半径ｒは、ビームの当該平面におけるビームウエスト位置からの距離をｚとすると、式４に従って変化する。
【００２０】
【数４】
2015121788.tif 000006
【００２１】
非回折限界ビームは楕円形のビームとして示されてもよい。本記述では、互いに垂直なビームの２平面が、ビームの主平面として定義される。ビーム品質係数、ビームウエスト半径、およびビームの伝搬方向に沿って測定されるビームウエスト位置は、２つのビームの主平面において異なってもよい。
【００２２】
一般的に、大きなビーム品質係数を持つビームは、より小さなビーム品質係数を持つビームよりも回折限界（すなわち「低い線質（lower quality）」）から遠いと考えられている。Ｍ２＝１であるビームは、回折限界のガウスビームとして振る舞う一方、Ｍ２＞１であるビームは非回折限定ビームである。
【００２３】
非回折限定ビームの幅は、ISO11146（2005）に記載の、所謂ｄ４σ（ｄ４シグマ）法を使用して決定できる。非回折限界ビームの半径は、ｄ４σ法により決定される幅の半分に等しい。与えられたビームの平面におけるビーム品質係数は、上述の平面におけるビーム半径を当該ビームの伝搬方向に沿ったいくつかの位置で測定し、そして式４と最も適合するＭ２の値を特定することにより決定されてもよい。ビーム品質係数の正確な決定の手順は、ISO11146（2005）に記載されている。
【００２４】
ドイツ特許出願DE102007063492B4（2010年4月15日公開）には、非回折限界ビームの周波数倍化のための装置が記載されている。この装置において、入力ビームの「集光収束（focussing convergence）」は、ボイドおよびクレインマンにより示された方法を使用した場合にみられる値であり、回折限界ビームに利用する値からスケールダウンされる。特に、式５に示す公式で説明される。
【００２５】
【数５】
2015121788.tif 000007
【００２６】
式５においてθｏｐｔは、周波数倍化部材における入力ビームの収束半角であって、ビーム品質係数をＭ２としたときの非回折限界ビームに適合する収束半角である。また、式５においてθｋｏｈ  ＢＫは、周波数倍化部材における収束半角であって、回折限界ビームに適合するとともにボイドおよびクレインマンにより示された方法を使用して決定される収束半角である。また、式５においてＺは、０．２から５までの間の値をとるパラメータである。式５では、我々は原文において使用された記号を使用したが、これらは本出願の記載において使用される記号と必ずしも一致していなくてもよい。
【００２７】
式５の形式から、ボイドおよびクレインマンにより示された方法を使用して決定されたときの回折限界ビームに適合する収束半角よりも、大きいビーム品質係数（Ｍ２）を持つビームに適合する収束半角の方が有意に小さいことがわかる。
【００２８】
ブルーム（Blume）らは、非回折限界ビームの周波数倍化のための代替装置を示している（Processing of SPIE 6875 68751C（2008））。この装置では、周波数倍化部材において形成されるビームウエスト半径が、ボイドおよびクレインマンにより示された方法を使用して、回折限定入力ビームに適するように見つけられたビームウエスト半径のおよそＭ２倍の大きさであることから、入力ビームの集光したものに相当する非回折限界入力ビームの周波数倍化に最も適した状態が、実験によって示される。式１および式３を整理することにより、これが、周波数倍化部材において測定される、ボイドおよびクレインマンにより示された方法を用いて見出された場合の回折限界入力ビームに最も適した収束半角と、周波数倍化部材において測定される非回折限界入力ビームの最も適した収束半角とが等しい状態と同等の状態であることは明らかである。
【００２９】
あるＮＬＦＣの出願は、他の方法により発生させることが難しいまたは不可能である波長を持つ発生光を発生させるものである。ある重要な例は、ＳＨＧを使用して紫外線を発生させるものである。紫外線は４００ｎｍよりも短い波長を有する。
【００３０】
ニシムラ（Nishimura）らは、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶をＮＬＦＣ部材として使用して、２０９ｎｍの波長の発生ビームを得るためレーザーダイオードから放射される波長４１８ｎｍの入力ビームを周波数倍化するシステムを示している（Japanese Journal of Applied Physics 42 5079 (2003)）。当該システムは巨大かつ複雑な光学共振器構造を使用するが、発生ビームのパワーは０．００９ｍＷという低い値に限定される。ＮＬＦＣ部材におけるビームウエスト半径は、円形ガウスビームに適切な値と同様、ボイドおよびクレインマンにより説明された方法により好適であると示された値に合致するように選択される。この特有のシステムのために、入力ビームのビームウエスト半径はおよそ１６μｍであった。光線伝搬行列を使用するような、ガウスビーム光学の標準的な計算方法を使用して、これが空中の収束半角０．４８°と一致することが示され得る。
【００３１】
紫外線を発生させるための類似の光学共振器の設計が、Ｍａｕｄａにおいて開示されている（米国特許7110426号、2006年9月19日発行）。ボイドおよびクレインマンにより説明された方法を使用することにより好適なビームウエスト半径が決定された。
【００３２】
Tangtronbenchasilらは、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶をＮＬＦＣ部材として使用して、波長がおよそ２２０ｎｍである発生ビームを得るため、レーザーダイオードから出射されるおよそ４４０ｎｍの波長を持つレーザービームを周波数倍化するためのシステムについて説明している（Japanese Journal of Applied Physics 47 2137 (2008)）。発生ビームのパワーはおよそ０．０００２ｍＷという低い値に限定される。このシステムの場合ＮＬＦＣ部材におけるビームウエスト半径は、円形ガウスビームに適切な値と同様、ボイドおよびクレインマンにより説明された方法により好適であると示された値に合致するように選択される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】ドイツ特許出願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４（２０１０年４月１５日公開）
【特許文献２】米国特許第７１１０４２６号明細書（２００６年９月１９日発行）
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】Boyd and Kleinman，Journal of Applied Physics 39, 3593（1968）
【非特許文献２】Freegarde et. al., Journal of the Optical Society of America B 14, 2010 （1997）
【非特許文献３】ISO11146（2005）
【非特許文献４】Blume et. al., Processing of SPIE 6875 68751C（2008）
【非特許文献５】Nishimura et. al., Japanese Journal of Applied Physics 42 5079 (2003)
【非特許文献６】Tangtronbenchasil et. al., Japanese Journal of Applied Physics 47 2137 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明が解決すべき課題は、非回折限界入力ビームであることが必要とされる光を受けたときの、ウォークオフを示す部材における欠点を克服した非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材を使用する光源を提供することであり、そしてそのようなＮＬＦＣ部材にて高い出力効率を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
先行技術には、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において入力ビームのＮＬＦＣを実行する装置についての例が存在する。これらの例では、入力ビームはガウスビームであるか、ガウスビームで十分に近似できるビームであり、そしてボイドおよびクレインマン、またはフリーガードらにより説明された方法は、ＮＬＦＣを高効率で得るために適した、入力ビームの集光強度を特定するために使用され得る。先行技術にはまた、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材における非回折限界の入力ビーム（すなわち、少なくともビームの一平面においてＭ２＞１と特徴付けられるビーム）のＮＬＦＣを含む装置についての例が存在する。これらの例においては、ブルームら、またはドイツ特許公報（DE102007063492B4）により述べられた方法が、高効率でＮＬＦＣを得るために適した入力ビームの集光強度の特定に使用され得る。
【００３７】
先行技術文献に記載の従来の装置は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において非回折限界入力ビーム（すなわち、ビームの少なくとも一平面においてＭ２＞１で特徴づけられるビーム）のＮＬＦＣを行わない。さらには、先行技術において、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において非回折限界入力ビームのＮＬＦＣを高効率で得るために適した、入力ビームの集光強度を特定することに使用され得る方法を述べたものはない。
【００３８】
本発明の一態様は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材を含む光源であり、ＮＬＦＣ処理のための入力ビームが非回折限界ビームである光源である。本発明の実施例において、入力ビームのビーム品質係数は、ビームの少なくとも一平面において、少なくとも２である。本発明のさらなる実施例においては、上記入力ビームの上記ビーム品質係数は、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面に平行なビームの平面において、少なくとも２である。
【００３９】
本発明のさらなる一態様は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材を含む光源であり、ＮＬＦＣ処理のための入力ビームが非回折限界光かつレーザーダイオードにより生み出された入力ビームである光源である。
【００４０】
前述の内容および前述した内容に関連する結果を成すため、本発明は以下で十分に説明され、そしてクレームにて特に指摘される特徴点を包含する。以降の説明および添付された図面一式は、正確な実例となる発明の実施形態の詳細を説明するものである。これらの実施形態は、本発明で主に使用され得る数種の方法以外についても暗示する。発明の他の目的、利点、および新規の特徴点は、図面を共に考慮して以下の発明の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００４１】
以上で言及したように、先行技術にて示された従来型の装置はウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において非回折限界入力ビーム（すなわち、ビームの少なくとも一平面においてＭ２＞１の特性を示すビーム）のＮＬＦＣを行わない。さらに、先行技術では、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において、非回折限界入力ビームで高効率でのＮＬＦＣを得るための、入力ビームの好適な集光強度を特定するために使用できる方法を何ら示していない。
【００４２】
本発明に係る装置は、非回折限界入力ビームのＮＬＦＣを行うための光源である。ＮＬＦＣ処理は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において起こる。本発明は（１）非回折限界入力ビーム（すなわち、ビームの少なくとも一平面においてＭ２＞１の特性を示すビーム）のＮＬＦＣを実行することと、（２）ＮＬＦＣ部材がウォークオフを示すこととの両方の特性を有したＮＬＦＣの実行により、従来型の装置の欠点を克服する。さらに、関連して、本発明はウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において高効率でのＮＬＦＣを得るための、入力ビームの好適な集光強度を特定するために使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
付加した図面において、類似の部材は類似の部分または特徴を示す。
【図１】図１は、ＮＬＦＣ部材を通過する集光された入力ビームの図である。
【図２】図２は、ＮＬＦＣ部材を通過する集光された入力ビームの図である。
【図３】図３は一例として、発生ビームのパワーの、入力ビームの空中における収束半径に対する算出された依存関係を示した等高線図である。
【図４】図４は、入力ビームの空中における好適な収束半径の、本発明に係る入力ビームのビーム品質係数に対する依存関係をグラフで示した図である。
【図５】図５は、入力ビームの空中における好適な収束半径の、本発明に係る入力ビームのビーム品質係数に対する依存関係、および、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材のための先行技術の方法との比較をグラフで示した図である。
【図６】図６は本発明の実施例に係る光源の部品配置を示す上面図である。
【図７】図７はβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶において種々の入力波長λ１と合致する、タイプ１位相のθの好適な値を示すテーブルである（入力波長は空中で計測される）。
【図８】図８は本発明の実施例に係る光源から放射される光のスペクトルのグラフである。
【図９】図９はレーザーダイオードの放射領域を含む図である。
【図１０】図１０は本発明の実施例に係る光源の部品配置を示す上面図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例に係る光源の部品配置を示す上面図である。
【図１２】図１２は本発明の実施例に係る光源の部品配置を示す上面図である。
【図１３】出力パワーと集光状態との関係性を示す実験データのグラフである。
【図１４】出力パワーと集光状態との関係性を示す実験データのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明に係る装置は、非回折限界入力ビーム（a non-diffraction-limited input beam）のＮＬＦＣ（非線形周波数変換、Nonlinear Frequency Conversion）を実行する光源である。ＮＬＦＣ処理（NLFC process）は、ウォークオフ（walk-off）を示すＮＬＦＣ部材において発生する。
【００４５】
前述の通り、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において入力ビームのＮＬＦＣを実行する先行技術に係る従来の装置がある。それら従来の装置において、上記入力ビームは、ガウスビーム（a Gaussian beam）またはガウスビームにひじょうに近似するものであり、ボイドおよびクレインマンによって説明されている方法、またはフリーガードらによって説明されている方法が、上記入力光の集光（focussing）の好適な強度を特定することによって高効率なＮＬＦＣを実現するために用いられ得る。また、非回折限界入力ビーム（例えば、ビームの少なくとも１つの面においてＭ２＞１であることを特徴とするビーム）のＮＬＦＣを、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材において実行する先行技術に係る従来の装置がある。そのような従来の装置においては、独特願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４においてブルームらによって説明されている方法が、上記入力光の集光の好適な強度を特定することによって高効率なＮＬＦＣを実現するために用いられ得る。
【００４６】
本発明は、以下の２点を特徴とするＮＬＦＣを実行することによって、前述の従来の装置の不備を克服するものである。すなわち、本発明は、（１）非回折限界入力ビーム（例えば、該ビームの少なくとも１つの面においてＭ２＞１であることを特徴とするビーム）のＮＬＦＣを実行する点と、（２）ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において該ＮＬＦＣを実行する点と、を特徴とするＮＬＦＣを実行することによって、前述の従来の装置の不備を克服するものである。さらに、これに関連して、上記入力ビームの集光の好適な強度を特定し、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において非回折限界入力ビームのための高効率なＮＬＦＣを実現するのに使用される方法は、先行技術には説明されていない。
【００４７】
ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材における非回折限界入力ビームのＮＬＦＣに係る理論の詳細な検討を通して、本願発明の発明者は、高ＮＬＦＣ効率を実現する入力ビームの集光の好適な強度を特定する新しい方法を発見した。例えば、具体的にはＳＨＧの場合、２倍周波数光（frequency-doubled light）のパワーは、下記の数式６を用いて決定されてもよい。数式６において用いられている軸（axes）は、図２に示されている。上記入力ビームの伝播方向１５は、ｚ軸に平行であり、上記入力ビームの第１平面１１は、ｘ軸を含み、上記入力ビームの第２平面１２は、ｙ軸を含む。上記入力ビームの第１平面と第２平面とは互いに直行する。入力ビーム１０は、ＮＬＦＣ部材１３へと、ＮＬＦＣ部材１３の第１表面１４を通って、伝播する。上記ＮＬＦＣ部材の上記第１表面に直交する方向は、ｚ軸に平行である。上記ＮＬＦＣ部材のウォークオフ面は、上記入力ビームの第１平面１１に平行である。上記入力ビームの第２平面１２は、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面（non-walkoff-plane）と呼ばれてもよい。
【００４８】
【数６】
2015121788.tif 000008
【００４９】
数式６における用語の定義は以下の通りである。
【００５０】
【数７】
2015121788.tif 000009
【００５１】
ここで、ｚ’はｚ軸に沿った位置であり、上記発生ビームのパワーは、ｚ’において算出される。λ１およびλ２は、各々、上記入力光および上記発生光の、空中で計測された波長である。ｎ１およびｎ２は、各々、波長がλ１およびλ２である光に対する上記ＮＬＦＣ部材の屈折率であり、上記ＮＬＦＣ部材の材料の、いずれかの１つの光学軸またはいずれかの複数の光学軸に対する、上記光の伝播方向および偏光（polarisation）を考慮している。ｋ１＝２πｎ１／λ１であり、ｋ２＝２πｎ２／λ２である。ｄは、上記ＮＬＦＣ部材における高調波発生過程（the harmonic generation process）のための有効非線形光学係数（effective nonlinear optical coefficient）であり、
【００５２】
【数８】
2015121788.tif 000010
【００５３】
である。α１およびα２は、波長がλ１およびλ２である光に対する、上記ＮＬＦＣ部材における線形吸収係数（linear absorption coefficient）である。ｌは、上記ＮＬＦＣ部材の長さであり、ｆは、上記ＮＬＦＣ部材の第１表面からｚ軸に沿って計測した、上記ＮＬＦＣ部材における上記入力ビームのビームウェスト（beam waist）の位置である。
【００５４】
【数９】
2015121788.tif 000011
【００５５】
である。φｘおよびφｙは、上記入力ビームの上記第１平面および上記第２平面の各々における、上記入力ビームの空中の収束半角（the convergence half angles）または発散半角（the divergence half angles）であり、単位はラジアンである。Ｍｘ２およびＭｙ２は、上記入力ビームの上記第１平面および上記第２平面の各々における、上記入力ビームのビーム品質係数（the beam quality factor）である。ρは、上記ＮＬＦＣ部材における、ラジアンで計測されるウォークオフ角（the walkoff angle）である。
【００５６】
数式６は、先ず、非回折限界入力ビームのための集光の好適な強度を特定し、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において高効率なＳＨＧを実現するための方法を提供する。上記発生光のパワーＰ（ｚ’）は、φｘおよびφｙという互いに異なる値のそれぞれについて算出されてもよく、したがって、上記発生光のパワーが良好になるためのφｘおよびφｙの好適な値が見出され得る。
【００５７】
例えば、図３の等高図は、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むＮＬＦＣ部材を用いる、タイプ１のＳＨＧの具体例について、上記発生光のパワーのφｘおよびφｙに対する算出された依存関係を示している。β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むＮＬＦＣ部材において、上記入力ビームは、空中での波長がλ１＝４４５ｎｍであり、上記入力ビームの、該ビームの第１平面におけるビーム品質係数（Ｍｘ２）は約４であり、上記入力ビームの、該ビームの第２平面におけるビーム品質係数（Ｍｙ２）は約６であり、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶の長さ（ｌ）は約７ｍｍであり、上記入力ビームは、該β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶の光学軸から約６５°の角度（θ）で伝播し、上記ＳＨＧウォークオフ角（ρ）は約４°である。
【００５８】
図１３および図１４は、図３を参照して説明した上記構成を用いる新たな数式６の信頼性（つまり、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含み、
【００５９】
【数１０】
2015121788.tif 000012
【００６０】
であるＮＬＦＣ部材を用い、空中の波長が
【００６１】
【数１１】
2015121788.tif 000013
【００６２】
である入力ビームを用いる、タイプ１のＳＨＧ）についての実験の詳細な検証から得た幾つかの結論を示す図である。図１３の図面には、（波長が
【００６３】
【数１２】
2015121788.tif 000014
【００６４】
である）上記発生光のパワーの、φｘの値を
【００６５】
【数１３】
2015121788.tif 000015
【００６６】
に固定した場合における、φｙに対する算出された依存関係が実線で示されており、発生光の実験に基づいて計測されたパワーが丸で示されている。図１４の図面には、φｙの値を
【００６７】
【数１４】
2015121788.tif 000016
【００６８】
に固定した場合における、φｘに対する、上記発生光のパワーの算出された依存関係が実線で示されており、発生光の実験に基づいて計測されたパワーが丸で示されている。図１３および図１４の検討から明らかなように、上記実験データと、上記新たな数式６に基づいて算出されたパワーと、の間には明確な相関関係がある。
【００６９】
上記新たな数式６に基づく拡張的算出方法を通して、本願発明の発明者は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材における非回折限界入力ビームの高効率ＳＨＧを実現するために、以下の決定を行なった。すなわち、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である上記入力ビームの上記平面におけるビーム品質係数（数式６におけるＭｙ２）の値が２より大きい場合、上記入力光についての、該ビームの上記平面における空中の好適な収束半角（数式６におけるφｙ）を、
【００７０】
【数１５】
2015121788.tif 000017
【００７１】
であるビームについて該ビームの上記平面において好適であるような空中の収束半角であって、該ビームの上記平面における空中の収束半角から、実質的に異ならせることを、本願発明の発明者は決定した。
【００７２】
より具体的には、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である上記入力ビームの上記平面におけるビーム品質係数（数式６におけるＭｙ２）の値が２より大きい場合、上記入力ビームの高効率ＳＨＧを実現するため、上記入力ビームについての、該ビームの上記平面における空中の収束半角（数式６におけるφｙ）は、
【００７３】
【数１６】
2015121788.tif 000018
【００７４】
であるビームについて該入力ビームの上記平面において好適であるような空中の収束半角であって、該ビームの上記平面における空中の収束半角よりも大きい。これは、以下のように表現することもできる。すなわち、「φｙ（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）」である。
【００７５】
さらにより具体的には、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である上記入力ビームの上記平面におけるビーム品質係数（数式６におけるＭｙ２）が２より大きい場合、上記入力ビームの高効率ＳＨＧを実現するため、上記入力ビームについての、該ビームの上記平面における空中の収束半角（数式６におけるφｙ）は、ε×Ｍｙに、
【００７６】
【数１７】
2015121788.tif 000019
【００７７】
であるビームについて該入力ビームの上記平面において好適であるような空中の収束半角であって、該ビームの上記平面における空中の収束半角を、掛けた値にほぼ等しい。ここで、εは下限値より大きく上限値より小さな値であり、下限値は０．４と１／Ｍｙとの大きい方に等しく、上限値は５である。また、Ｍｙは、上記ビーム品質係数の平方根である。これは、以下のように表現することもできる。すなわち、「φｙ（Ｍｙ２）＝ε×Ｍｙ×φｙ（Ｍｙ２＝１）」である。
【００７８】
さらにより具体的には、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である上記入力ビームの上記平面におけるビーム品質係数（数式６におけるＭｙ２）が２より大きい場合、上記入力ビームの高効率ＳＨＧを実現するため、上記入力ビームについての、該ビームの上記平面における空中の収束半角（数式６におけるφｙ）は、Ｍｙに、
【００７９】
【数１８】
2015121788.tif 000020
【００８０】
であるビームについて該入力ビームの上記平面において好適であるような空中の収束半角であって、該ビームの上記平面における空中の収束半角を、掛けた値にほぼ等しい。これは、以下のように表現することもできる。すなわち、「
【００８１】
【数１９】
2015121788.tif 000021
【００８２】
」である。ここで、Ｍｙは、上記ビーム品質係数の平方根である。
【００８３】
φｙ（Ｍｙ２＝１）は、上記入力ビームの、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である該ビームの平面における、空中の収束半角であり、該ＮＬＦＣ部材は、上記入力ビームが、
【００８４】
【数２０】
2015121788.tif 000022
【００８５】
であるビームの上記平面におけるビーム品質係数を有する場合に、高効率なＳＨＧを実現するのに好適である。φｙ（Ｍｙ２＝１）は、ボイドおよびクレインマンによって説明されている上記方法、またはフリーガードらによって説明されている上記方法を用いて算出され得る。なお、フリーガードらによって説明されている上記方法が好ましい。
【００８６】
ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材におけるＳＨＧの場合、上記入力ビームの、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である該ビームの平面における、集光の好適な強度（数式６におけるφｙ）の、該ビームの上記平面におけるビーム品質係数に対する依存関係は、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材におけるＳＨＧに係る先行技術において相当する依存関係とは極めて異なる。特に、ブルームらによって説明されている方法は、Ｍ２＞１である入力ビームの好適な収束半角は、
【００８７】
【数２１】
2015121788.tif 000023
【００８８】
である場合に好適な収束半角と等しくあるべきであるとの結論を導く。そして、独特願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４に記載されている上記方法は、Ｍ２＞１である入力ビームの好適な収束半角が、
【００８９】
【数２２】
2015121788.tif 000024
【００９０】
である入力ビームの好適な収束半角よりも小さくあるべきであることを示している。
【００９１】
上記新たな数式６に基づく別の拡張的算出方法を通して、本願発明の発明者は、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材における非回折限界入力ビームの高効率ＳＨＧを実現するために、以下の決定を行なった。すなわち、上記ＮＬＦＣ部材のウォークオフ面と平行である上記入力ビームの上記平面におけるビーム品質係数（数式６におけるＭｘ２）の値が２より大きい場合、上記入力光についての、該ビームの上記平面における空中の好適な収束半角（数式６におけるφｙ）を、上記入力ビームにおける波長の範囲に依存させることを、本願発明の発明者は決定した。個々の装置構成についての最適な値は、数式６を用いて決定され得る。
【００９２】
ここで、以下の入力ビームについて、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材を用いて高効率なＳＨＧを実現するための、集光の好適な強度の一例を説明する。すなわち、上記入力ビームの、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である該ビームの平面における、ビーム品質係数が、１よりも大きい入力ビームについて、集光の好適な強度の一例を説明する。この具体例は、空中の波長が
【００９３】
【数２３】
2015121788.tif 000025
【００９４】
である入力光の、ＮＬＦＣ部材におけるタイプ１のＳＨＧに係るものであり、該ＮＬＦＣ部材は、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含み、上記入力ビームの伝播方向に沿って計測した長さが７ｍｍである。上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶における上記入力ビームの伝播方向は、上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶の光学軸から約６４．９°の角度（θ）である。この方向は、上記入力ビームの位相整合された（phasematched）タイプ１のＳＨＧに好適である。上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶の屈折率は、「Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey」（D.N.Nikogosyan、２００５）中の式を用いて算出されてもよく、この構成についての上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶におけるウォークオフ角（ρ）は約４°である。
【００９５】
フリーガードらによって説明されている方法をこのＳＨＧ構成に適用することによって、上記入力ビームの、上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶の非ウォークオフ面と平行である該ビームの平面における、空中の好適な収束半角として、
【００９６】
【数２４】
2015121788.tif 000026
【００９７】
を取得し、上記入力ビームの、上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶のウォークオフ面と平行な該ビームの平面における、空中の好適な収束半角として、
【００９８】
【数２５】
2015121788.tif 000027
【００９９】
を取得する。
【０１００】
フリーガードらによって説明されている方法は、ビーム品質係数が以下の入力ビームについて、好適である。すなわち、上記入力ビームの、上記ＮＬＦＣ部材のウォークオフ面と平行である平面におけるビーム品質係数、および、該ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面と平行である平面におけるビーム品質係数が、各々、
【０１０１】
【数２６】
2015121788.tif 000028
【０１０２】
であって、
【０１０３】
【数２７】
2015121788.tif 000029
【０１０４】
である入力ビームについて、好適である。
【０１０５】
本発明によれば、上記入力ビームについての、上記ＮＬＦＣ結晶の非ウォークオフ面に平行な該ビームの平面における、空中の好適な収束半角は、「φｙ（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）」に基づいて定義される。好ましくは、上記入力ビームについての、上記ＮＬＦＣ結晶の非ウォークオフ面に平行な該ビームの平面における、空中の好適な収束半角は、
【０１０６】
【数２８】
2015121788.tif 000030
【０１０７】
に基づいて定義される。εは下限値より大きく上限値より小さな値であり、下限値は０．４と１／Ｍｙとの大きい方に等しく、上限値は５であり、好ましく、εについて、
【０１０８】
【数２９】
2015121788.tif 000031
【０１０９】
である。Ｍｙは、上記ビーム品質係数の平方根である。以上に説明したＳＨＧの構成について、上記入力ビームのビーム品質係数（Ｍｙ２）に対する、好適なφｙの依存関係は、図４に描かれている。
【０１１０】
先行技術には、例えば、上述の例における上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶を含むＮＬＦＣ部材のような、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材に係る、非回折限界入力ビームのための集光の好適な強度を特定する方法はない。上述の通り、先行技術における、非回折限界入力ビームのための集光の好適な強度を特定する従来の方法は、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材に限定されるものであり、例えば、ブルームらの方法、および、独特願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４に係る方法である。上記２つの文献の方法を、例えば、上述の例における上記β-ＢａＢ２Ｏ４結晶を含むＮＬＦＣ部材のような、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材におけるＮＬＦＣに、適用することは、科学的に合理的なものではない。しかしながら、上記２つの文献の方法のいずれかを上述の例に誤って適用しようとした場合、図５に示す結果を得るであろう。ブルームらの方法は、「φｙ（Ｍｙ２＞２）＝φｙ（Ｍｙ２＝１）」に基づいて、集光の好適な強度を誤って特定してしまう。独特願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４に係る方法は、「φｙ（Ｍｙ２＞２）＝１／Ｍｙ２×φｙ（Ｍｙ２＝１）」に基づいて、集光の好適な強度を誤って特定してしまう。図５の検討から明らかなように、先行技術に係る上記の２つの方法は、ともに、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材におけるＮＬＦＣのための、集光の好適な強度を特定するためには適当ではない。また実際、上記先行技術において特定されている、ウォークオフを示さないＮＬＦＣ部材について適当である挙動が示唆しているのは、上記ビーム品質係数が大きくなるにつれて、より大きな収束半角を利用すべきではないということである。
【０１１１】
本願発明の適用を通して、上記入力ビームが非回折限界入力ビームである場合においても、高ＮＬＦＣ効率を実現することができるようになる。
【０１１２】
上述の空中の好適な収束半角は、ＮＬＦＣ部材１３に、ＮＬＦＣ部材の第１表面１４を通って伝播する入力ビーム１０について適用する。上記表面は、２次元の平面であり、上記表面に直交する方向は、入力ビーム１０の伝播方向に略平行である（図２参照）。ＮＬＦＣ部材１３の第１表面１４が平面でない場合、または、該表面に直交する方向が入力ビーム１０の伝播方向１５に略平行でない場合、上記入力ビームの空中の好適な収束半角は、上述の空中の好適な収束半角から修正されるべきである。修正後の空中の好適な収束半角は、標準算出方法を用いて（例えば、「ＡＢＣＤ行列」と称されることもある光線転送行列を用いて）、以下の条件が満たされるよう、決定され得る。すなわち、上記入力ビームの、該ビームの第１平面および第２平面におけるビームウエスト半径（ビームウェスト半径、beam waist radii）（該ビームウエスト半径は、上記ＮＬＦＣ部材の第１表面を通った後に上記ＮＬＦＣ部材において生じ、該第１表面は、平面でないか、および／または、上記入力ビームの伝播方向に対し略平行な表面法線を有さない）が、上記入力ビームの、該ビームの第１平面および第２平面におけるビームウエスト半径（該ビームウエスト半径は、上述の空中の収束半角を伴う入力ビームがＮＬＦＣ部材の上記第１表面を通って該ＮＬＦＣ部材へと伝播した後にＮＬＦＣ部材において生じ、該表面は平面であり、かつ、該表面の法線は上記入力ビームの伝播方向に略平行である）にほぼ等しくなるよう、修正後の空中の好適な収束半角は決定され得る。
【０１１３】
上述の空中の好適な収束半角は、ＮＬＦＣ部材１３に伝播する入力ビーム１０にあてはまる。ＮＬＦＣ部材１３において、上記入力光および上記発生光についてのＮＬＦＣ部材の屈折率は、上記入力光および上記発生光の吸収によって引き起こされるＮＬＦＣ部材の発熱から大きく影響を受けることはない。つまり、ＮＬＦＣ部材における、いわゆる「熱レンズ」効果は重大なものではない。ＮＬＦＣ部材において熱レンズ効果が発生した場合、上記入力ビームの空中の好適な収束半角は、該ＮＬＦＣ部材に形成された熱レンズの集光効果（focussing effect）または発散効果（defocussing effect）を補償するために、上述の好適な収束半角から修正されるべきである。
【０１１４】
本願発明に係る実施例において、上記入力ビームの、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ面に平行な該ビームの平面におけるビーム品質係数が、上記入力ビームの、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面に平行な該ビームの平面におけるビーム品質係数よりも小さいことは、有利であり得る。これは以下のように表現することができる。すなわち、「Ｍｘ２＜Ｍｙ２」である。特に、「Ｍｘ２＜Ｍｙ２」である入力ビームを用いることは、「Ｍｘ２＞Ｍｙ２」である点を除いて同様である入力ビームを用いることに比べて、高効率ＮＬＦＣを実現しうる。本願発明に係る別の実施例は、例えば半波長板のような偏光変更素子（polarisation-altering element）を用いて、「Ｍｘ２＜Ｍｙ２」である入力ビームをＮＬＦＣ過程に供給する点を含む。
【０１１５】
本願発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。概ね、本願発明の一側面は、非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材が、光源に組み込まれていることにある。上記光源は、非回折限界入力光ビームを放射する放射素子（light emitting element）と、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材とを含み、例えば第２高調波発生（second harmonic generation）のような、ＮＬＦＣ過程を実行する。光学上の構成要素が、非回折限界入力ビームを所定の収束半角でＮＬＦＣ部材へと収束させるために構成されている。ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面における空中の収束半角は、回折限界光についての収束半角よりも大きい。上記収束半角は、上記非ウォークオフ面における上記入力ビームのビーム品質係数の平方根に、回折限界光についての収束半角を掛けた値であってもよい。上記収束半角は、さらに、上記非ウォークオフ面における上記入力ビームの光線係数の倍数であるε×Ｍｙに、回折限界光についての収束半角の値を掛けた値であってもよく、ここで、εは下限値より大きく上限値より小さな値であり、下限値は０．４と１／Ｍｙとの大きい方に等しく、上限値は５である。また、Ｍｙは、上記ビーム品質係数の平方根である。
【０１１６】
≪例１≫
第１の実施例は、紫外線光の発生のための装置であり、先行技術に係る従来の装置に比べて極めて有利な効果を奏する。第１の実施例に係る装置は、非回折限界光を放射するレーザーダイオードを含み、該非回折限界光はＮＬＦＣ部材においてＳＨＧを受け、３００ｎｍよりも短い波長の発生ビームを生ずる。
【０１１７】
図６は、具体的なレーザー装置の一例についての概略図を示している。ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は図６において定義されており、第１の実施例についての以下の記載において、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸と言えば、図６に定義されているものを意味するものとする。ｘ軸およびｚ軸は図６の紙面に平行な方向であり、ｙ軸は図６の紙面に直交する方向である。光源２０は、例えばレーザーダイオード２１である放射素子と、非球面レンズ２２と、ダイクロイック部材２３と、第１シリンドリカルレンズ（first cylindrical lens）２４と、第２シリンドリカルレンズ２５と、ＮＬＦＣ部材２６と、第１フィルター２７と、球面レンズ２８と、第２フィルター２９と、を含む。
【０１１８】
上記レーザーダイオードは、空中の波長が４１０ｎｍより大きく６００ｎｍより小さい光を放射する。上記レーザーダイオードは、好ましくは、ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙ半導体材料を含む。好ましくは、上記レーザーダイオードは、空中の波長が約４４５ｎｍである波長の光を放射し、この波長は、本第１の実施例の他の記載において前提とする。一般的に、レーザーダイオードは、波長の範囲の小さな（例えば、中心波長からプラスマイナス０．５ｎｍの範囲である）光を放射するが、簡便のため、放射は、単一の波長で発生するものとする。上記レーザーダイオードから放射された光の経路は、図６において、部材番号３０、３１、３２、および３３の付された線によって示されている。上記レーザーダイオードによって放射された光が、上記放射ビームの１つの面において主たる直線偏光（dominant linear polarisation）を有する場合、上記レーザーダイオードの配向（orientation）は、主たる電界要素（the dominant electric field component）の方向がｙ軸に略平行である、もしくは、主たる電界要素の方向がｘ軸に略平行であるように、選択され得る。好ましくは、レーザーダイオード２１によって放射された光は、上記放射ビームの１つの面において主たる直線偏光を有する。好ましくは、上記レーザーダイオードの配向は、主たる電界要素の方向がｙ軸に略平行であるように、選択され、この点は、本第１の実施例の他の記載において前提とする。
【０１１９】
非球面レンズ２２は、レーザーダイオード３０によって発行された発散ビームを集光し、該ビームを、ビーム３１の少なくとも１つの面において低発散である（with low divergence）ビームへと転換する。非球面レンズ２２は、０．１ｍｍより大きく１０ｍｍより小さい効率的な焦点距離を有し、好ましくは、非球面レンズ２２の焦点距離は約３ｍｍである。
【０１２０】
ビーム３１の少なくとも１つの面において低発散である上記ビームは、ダイクロイック部材２３への入射である。ビーム３１の一部は、上記ダイクロイック要素によってフィードバックビームへと転送される。上記ダイクロイック要素は、上記フィードバックビームが、ビーム３０およびビーム３１と同じ経路に沿って、ビーム３０およびビーム３１とは逆向きに、レーザーダイオード２１に向かって伝播するように、配向されている。上記フィードバックビームは、上記レーザーダイオードの放射波長の安定化と、レーザーダイオード２１によって放射された光の波長の範囲の縮小との少なくとも一方の効果を有する。好ましくは、上記フィードバックビームは、レーザーダイオード２１によって放射された光の波長の範囲を縮小する。好ましくは、レーザーダイオード２１によって放射された光の波長の範囲は、０．２ｎｍよりも小さい。より好ましくは、上記波長の範囲は０．１ｎｍよりも小さい。上記フィードバックビームのパワーは、ビーム３１のパワーの１％より大きく５０％より小さく、好ましくは、ビーム３１のパワーの５％より大きく１５％より小さい。上記ダイクロイック要素は、例えば、１ミリメートルあたり３６００本の、表面回折格子（surface diffraction grating）であってもよい。上記ダイクロイック要素は、また、体積ブラッググレーティング（volume Bragg grating）であってもよい。ダイクロイック部材２３は、さらに、ビーム３１の一部を、第１シリンドリカルレンズ２４へ向かって伝播するソースビーム（source beam）３２へと、反射または転送する。
【０１２１】
上記光源は、上記非回折限界入力ビームをＮＬＦＣ部材へと収束させるための光学上の構成要素をさらに含む。上記光学上の構成要素は、上記入力ビームを所定の収束半角でＮＬＦＣ部材へと収束させる１または複数のレンズを含んでもよい。各実施例において、ソースビーム３２は第１シリンドリカルレンズ２４および第２シリンドリカルレンズ２５を通って伝播し、レンズ２５からの出力ビームは、ＮＬＦＣ部材２６へと伝播する上記入力ビーム３３と呼ばれる。第１シリンドリカルレンズ２４は、該レンズが、ｘ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光（または集光）し、もしくは、該レンズが、ｙ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように、配向されている。第１シリンドリカルレンズ２４が、該レンズがｘ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように、配向されている場合、第２シリンドリカルレンズ２５は、ｙ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように配向される。他方、第１シリンドリカルレンズ２４が、該レンズがｙ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように、配向されている場合、第２シリンドリカルレンズ２５は、ｘ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように配向される。好ましい実施例において、第１シリンドリカルレンズ２４は、該レンズがｘ軸に略平行な方向に光をほとんど偏光するように、配向されており、この点は、本第１の実施例の他の記載において前提とする。
【０１２２】
第１シリンドリカルレンズ２４は、上記入力ビーム３３がＮＬＦＣ部材２６に向かって伝播するにつれて、入力ビーム３３が該ビームの第１平面に収束し、該ビームの該第１平面における空中の収束半角がφｘに等しくなるように、配置されている。上記ビームの上記第１平面は、ｘ軸とｚ軸とを含む平面に略平行である。上記ビームは、ＮＬＦＣ部材の内部に位置する、上記ビームの上記第１平面におけるビームウェストを形成してもよい。第２シリンドリカルレンズ２５は、入力ビーム３３がＮＬＦＣ部材２６に向かって伝播するにつれて、入力ビーム３３が該ビームの第２平面に収束し、該ビームの該第２平面における空中の収束半角がφｙに等しくなるように、配置されている。上記ビームの上記第２平面は、ｙ軸とｚ軸とを含む平面に略平行である。上記ビームは、ＮＬＦＣ部材の内部に位置する、上記ビームの上記第２平面におけるビームウェストを形成してもよい。好ましくは、上記ビームの上記第１平面における上記ビームウェストの位置と、上記ビームの上記第２平面における上記ビームウェストの位置とは、互いに５ｍｍ以内であり、より好ましくは、互いに１ｍｍ以内であり、最も好ましくは、互いに０．１ｍｍ以内である。
【０１２３】
上記入力ビーム３３は、ＮＬＦＣ部材２６へと伝播し、ＮＬＦＣ部材２６においてＳＨＧを受け、その結果、発生ビーム３４を発生させる。本第１の実施例において、上記入力ビームの空中の波長は約４４５ｎｍであり、上記発生ビームの空中の波長は約２２２．５ｎｍである。上記入力ビーム３３または上記発生ビーム３４は、ＮＬＦＣ部材において、ウォークオフを示す。
【０１２４】
ＮＬＦＣ部材２６は、ゼロでない二次非線形感受率を持つ何らかの材料を含んでもよい。例えば、ＮＬＦＣ部材２６は、β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含んでもよい。β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶のカットおよび配向（cut and orientation）は、上記入力ビーム３３の位相整合されたタイプ１のＳＨＧを提供するために、設定されてもよい。上記結晶について、好適な配向の一例は、以下の通りである。すなわち、y軸に略平行な＜２−１−１０＞結晶方向、ｘ軸およびｚ軸を含む面に略平行な＜０００１＞結晶方向、上記β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶内での上記入力ビームの伝播方向と＜０００１＞結晶方向との間の角度が約θである配向であり、ここで、θは、図７に例示するリストに従って上記入力ビームの波長に依存する。本第１の実施例の他の記載において、ＮＬＦＣ部材が、
【０１２５】
【数３０】
2015121788.tif 000032
【０１２６】
である上述の配向を有するβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むことは、前提とする。
【０１２７】
β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶におけるタイプ１のＳＨＧについて、上記発生ビームは、「０°＜θ＜９０°」であるとき、比較的大きなウォークオフを示す。例えば、
【０１２８】
【数３１】
2015121788.tif 000033
【０１２９】
であるとき、上記発生ビームの上記ウォークオフ角（ρ）は、
【０１３０】
【数３２】
2015121788.tif 000034
【０１３１】
である。上述のβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶の配向について、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ面は、ｘ軸およびｚ軸を含む面に略平行であり、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ面は、ｙ軸およびｚ軸を含む面に略平行である。
【０１３２】
上記入力ビーム３３は、ＮＬＦＣ部材２６へと、ＮＬＦＣ部材の第１表面３５を通って、伝播する。ＮＬＦＣ部材の第１表面３５に直交する方向は、上記入力ビーム３３の伝播方向に略平行である。ＮＬＦＣ部材２６は、上記入力ビームの伝播軸の方向と平行な方向に計測した長さが、１ｍｍより大きく２０ｍｍより小さくてもよい。好ましくは、ＮＬＦＣ部材２６の長さは約５〜１５ｍｍである。本第１の実施例の他の記載において、ＮＬＦＣ部材の長さは７ｍｍである。
【０１３３】
入力ビーム３３および発生ビーム３４はともに、図６に示すように、ＮＬＦＣ部材から、ＮＬＦＣ部材の第２表面３６を通って、伝播する。すなわち、ＮＬＦＣ部材の出力は、入力ビーム３３の波長を有する第１ビーム要素と、周波数２倍発生ビーム３４（frequency-double generated beam 34）を構成する第２ビームと、を含む。上記の２つのビームは、第１フィルター２７へと伝播してもよい。第１フィルター２７が上記入力ビーム３３のパワーを減衰させる量は、第１フィルター２７が発生ビーム３４のパワーを減衰させる量よりも大きい。第１フィルター２７から出た後、上記入力ビームおよび上記発生ビームの少なくとも一方は、レンズ２８によって、平行にされ、または集光されてもよい。上記入力ビームおよび上記発生ビームは、その後、第２フィルター２９中を通ってもよい。第２フィルター２９が上記入力ビーム３３のパワーを減衰させる量は、第２フィルター２９が発生ビーム３４のパワーを減衰させる量よりも大きい。発生ビーム３４の一部は、放射光３７として上記光源から放射される。ソースビーム３２の該ビームの第１平面におけるビーム品質係数はＭｘ２であり、Ｍｘ２は、「１＜Ｍｘ２＜１００」の範囲にあってもよく、好ましくは、「１＜Ｍｘ２＜１０」の範囲にある。ソースビーム３２の該ビームの第２平面におけるビーム品質係数はＭｙ２であり、Ｍｙ２は、「２＜Ｍｙ２＜１００」の範囲にあってもよく、好ましくは、「２＜Ｍｙ２＜１０」の範囲にある。Ｍｘ２およびＭｙ２が未知である場合、ソースビーム３２の該ビームの第１平面および第２平面におけるビーム品質係数は、ＩＳＯ１１１４６（２００５）に定義された標準手続を用いて計測されてもよい。本第１の実施例の他の記載において、ＮＬＦＣ部材の長さは７ｍｍである。上記ソースビームの上記ビーム品質係数について、「Ｍｘ２＝４．０」であり、「Ｍｙ２＝６．０」である。
【０１３４】
高ＳＨＧ効率を実現するための、上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の好適な収束半角（φｙ）は、本願発明の一部として設立したパラメータに従って決定する。すなわち、「φｙ（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）」である。回折限界ビーム（Ｍｙ２＝１）についての空中の好適な収束半角は、フリーガードらによって説明されている方法に従って決定されてもよい。長さ７ｍｍであり、上述の通り配向されたβ-ＢａＢ２Ｏ４結晶を含むＮＬＦＣ部材に係る、
【０１３５】
【数３３】
2015121788.tif 000035
【０１３６】
であり、ウォークオフ角が
【０１３７】
【数３４】
2015121788.tif 000036
【０１３８】
である具体例について、フリーガードらによって説明されている方法によれば、上記入力ビームの、該ビームの第２平面における空中の好適な収束半角は、
【０１３９】
【数３５】
2015121788.tif 000037
【０１４０】
となる。したがって、「Ｍｙ２＝６．０」である入力ビームの第２平面における、該入力ビームの空中の好適な収束半角φｙは、「φｙ（Ｍｙ２＝６．０）＞０．８６°」である。
【０１４１】
本願発明の別の実施例によれば、高ＳＨＧ効率を実現するための、上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の好適な収束半角（φｙ）は、
【０１４２】
【数３６】
2015121788.tif 000038
【０１４３】
である。ここで、εは下限値より大きく上限値より小さな値であり、下限値は０．４と１／Ｍｙとの大きい方に等しく、上限値は５であり、好ましくは
【０１４４】
【数３７】
2015121788.tif 000039
【０１４５】
である。また、Ｍｙは、上記ビーム品質係数の平方根である。したがって、「Ｍｙ２＝６．０」である上記入力ビームの第２平面における空中の好適な収束半角φｙは、「φｙ（Ｍｙ２＝６．０）＝０．８６°」よりも大きく、「φｙ（Ｍｙ２＝６．０）＝１０．５３°」よりも小さな値となり（または、計測許容値を考慮して、０．９°よりも大きく１０．５°よりも小さい値となり）、好ましくは、
【０１４６】
【数３８】
2015121788.tif 000040
【０１４７】
である。第２シリンドリカルレンズ２５の焦点距離は、上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の好適な収束半角を提供するように選択される。上述の例における具体的な構成について、上記第２シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ２は、「φｙ＞０．８６°」を確保するため、「ｆ２＜７５ｍｍ」であってもよい。さらに、上記焦点距離は、「５ｍｍ＜ｆ２＜７５ｍｍ」の範囲にあってもよく、より好ましくは、「１０ｍｍ＜ｆ２＜５０ｍｍ」の範囲にあってもよく、最も望ましくは、
【０１４８】
【数３９】
2015121788.tif 000041
【０１４９】
である。上記焦点距離をこの範囲にすることによって、
【０１５０】
【数４０】
2015121788.tif 000042
【０１５１】
を実現することができる。
【０１５２】
第１シリンドリカルレンズ２４の焦点距離は、上記ビームの上記第１平面における上記入力ビームの空中の好適な収束半角を提供して高効率なＳＨＧを実現するために、選択される。上述の本第１の実施例の具体的構成について、第１シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ１は、５０ｍｍより大きく５００ｍｍよりも小さくてもよく、好ましくは１００ｍｍである。
【０１５３】
第１および第２シリンドリカルレンズについて、好適な焦点距離は、ソースビーム３２の特性に、例えば、該ソースビームのビーム幅、および、該ソースビームの空中の収束半角または発散半角に、依存する。上記焦点距離は、上記入力ビームの上記第１平面および第２平面において空中の好適な収束半角を伴う入力ビームを提供して高効率なＮＬＦＣを実現するために、選択されるべきである。
【０１５４】
本発明の有利な点は、比較実験例を用いて、説明される。第１の光源は、上述の構成を備えて製造され、
【０１５５】
【数４１】
2015121788.tif 000043
【０１５６】
に対応する、上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の収束半角を用いる。第２の光源は、以下の点を除いて第１の光源と同様に製造される。すなわち、フリーガードらによって説明されている方法に基づいて回折限界光について好適である値に対応する、
【０１５７】
【数４２】
2015121788.tif 000044
【０１５８】
である上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の収束半角φｙを用いる点を除いて、第２の光源は第１の光源と同様に製造される。第３の光源は、以下の点を除いて第１の光源と同様に製造される。すなわち、独特願ＤＥ１０２００７０６３４９２Ｂ４に係る方法に基づいて、ウォークオフを示さないＮＬＦＣにおけるＳＨＧについての、「Ｍｙ２＝６．０」であるビーム品質係数に好適である値に対応する、
【０１５９】
【数４３】
2015121788.tif 000045
【０１６０】
である上記入力ビームの該ビームの第２平面における空中の収束半角φｙを用いる点を除いて、第３の光源は第１の光源と同様に製造される。上記第１、第２、および第３の光源は、上記発生ビームの最大パワーを実現できるよう、注意深く最適化されている。上記第１の光源からの発生ビームのパワーは、上記第２の光源からの発生ビームのパワーの２３５％とした。上記第３の光源からの発生ビームのパワーは、上記第２の光源によって生成されたパワーに比べて、極めて大きく低く、高精度で計測するには低すぎた。これ他の比較例は、本願発明の極めて重大な優位性を示した。
【０１６１】
本実施例における設計に基づいて組み立てられた光源は、先行技術に係る光源に比べて、極めて重大な優位性を提供する。上記第１の光源は、空中の波長が約２２２．５ｎｍである発生ビームと、０．２６ｍＷを超える発生ビームの出力パワーと、を提供した。上記第１の光源からの放射スペクトルを図８に示す。
【０１６２】
２１０〜２３０ｎｍの範囲の波長のビームを生成するための、β-ＢａＢ２Ｏ４のバルク結晶（bulk β-BaB2O4 crystal）におけるレーザーダイオードから放射された光のＳＨＧを用いる光源に係る先行技術における最も近い例は、Tangtronbenchasil他によって説明されている装置である（「Japanese Journal of Applied Physics 47 2137 (2008)」）。上記装置において、レーザーダイオードから放射された光は、ボイドおよびクレインマンの方法に基づいて回折限界光に好適であるものとして特定されている焦点強度（strength of focussing）に従って、集光される。上記装置における発生ビームの出力パワーは、０．００１ｍＷよりも小さい。本実施例において説明された第１の光源は、発生ビームの光学上のパワーの極めて著しい増加を示す。
【０１６３】
性能向上という面について、本願発明は、例えば、β-ＢａＢ２Ｏ４結晶を含むＮＬＦＣ部材におけるＳＨＧである、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材におけるＮＬＦＣのための上記入力ビームを提供するために、非回折限界光を放射するレーザーダイオードの利用を含む。これにより、ハイパワーレーザーダイオードの利用が可能になり、発生ビームのパワーを増加させることが可能となる。例えば、これにより、比較的大きな放射領域を備えるレーザーダイオードの利用が可能となる。
【０１６４】
図９は、レーザーダイオードの特徴を示す概略図を示している。レーザーダイオードの放射面５０は、出力光５１が放射される面である。上記レーザーダイオードは、光放射材料５２と、導波路（waveguide）とを含み、該導波路は、上記レーザーダイオードにおいて生成された光を、（ｘ１が付された方向に平行な）第１方向と、（ｘ２が付された方向に平行な）第２方向とに制約する。上記レーザーダイオードが、基板面上に堆積された互いに異なる構成の複数の層を含むウエハから製造されている場合、上記第１方向は該ウエハの面に平行であり、上記第２方向は該ウエハの面に直交する。出力光５１は放射領域５３から放射され、放射領域５３は放射面５０の２次元領域であり、放射領域５３の幅は、図９においてｘ１を付して示されており、放射領域５３の高さは、図９においてｘ２を付して示されている。図９に示す例において、放射領域５３は楕円形状に示されているが、該放射領域が楕円形状であることは必須ではない。レーザーダイオードの放射領域の寸法（dimensions）は、該レーザーダイオードが動作している間の該レーザーダイオードの出力面の投影によって決定されてもよい。または、ビーム伝播方向に沿った複数の位置における出力光のビーム幅を計測し、数式４と比較して、上記放射面の位置における上記ビームの幅および高さを決定することによって、レーザーダイオードの放射領域の寸法を決定してもよい。上述のいずれのケースおいても、ｄ４σ(d-4-sigma)方法を用いて、上記ビーム幅、上記放射領域の幅および高さを決定するのが好ましい。
【０１６５】
出力光のビーム品質係数は、上記放射領域の幅および高さに依存してもよい。例えば、放射領域５３の幅（ｘ１）が大きい場合、出力光５１のビーム品質係数は、該ビームの少なくとも１つの面において、特に、ｘ１が付された方向に平行な該出力ビームの平面において、大きくてもよい。
【０１６６】
本願発明の一側面は、ＮＬＦＣ過程のための入力ビームを生成するレーザーダイオードの利用を含み、該レーザーダイオードの放射領域の幅（ｘ１）または高さ（ｘ２）は、０．５μｍよりも大きく５００μｍよりも小さく、好ましくは、３μｍよりも大きく２０μｍよりも小さく、最も好ましくは、５μｍよりも大きく１５μｍよりも小さい。
【０１６７】
本願発明は、先ず、上述のような放射領域を備え、したがって、放射ビームの少なくとも１つの面におけるビーム品質係数が少なくとも２であり、高効率ＮＬＦＣを提供するＮＬＦＣ過程のための入力ビームを提供するレーザーダイオードを利用することのできる装置を提供する。
【０１６８】
本第１の実施例において、上記入力光の焦点強度は、上記入力ビームの第１および第２平面における上記入力ビームの空中の収束半角の観点から説明を行なってきた。上記焦点強度は、また、上記入力ビームがＮＬＦＣ部材の中を伝播した後の、上記入力ビームの空中の収束半角の観点から説明されてもよい。ＮＬＦＣ部材の第２表面３６が２次元平面であり、ＮＬＦＣ部材の第２表面３６に直交する方向が入力ビーム３３の伝播方向に略平行である場合、上記好適な発散半角は、上述の好適な収束半角にほぼ等しい。ＮＬＦＣ部材の第２表面３６が２次元平面でない場合、または、ＮＬＦＣ部材の第２表面３６に直交する方向が入力ビーム３３の伝播方向に略平行でない場合、上記好適な発散半角は、上述した、ＮＬＦＣ部材の第１表面３５が２次元平面でない場合、または、ＮＬＦＣ部材の第１表面３５に直交する方向が入力ビーム３３の伝播方向に略平行でない場合におけるのと同様に、例えば光線転送法（ray transfer methods）のような標準的な方法を利用して決定されてもよい。
【０１６９】
本第１の実施例において、上記入力ビームの第１および第２平面における空中の収束半角は、第１シリンドリカルレンズおよび第２シリンドリカルレンズを備える光学的構成要素を用いる好適な値に設定される。上記入力ビームについて該ビームの第１平面および第２平面における空中の必要な収束半角を得るため、多くの他の光学的構成要素を用いてもよい。例えば、上記第１シリンドリカルレンズの代わりに２以上のシリンドリカルレンズを用いて、上記入力ビームの該ビームの第１平面における必要な収束半角を得てもよい。具体的には、焦点距離ｆ１が「ｆ１＝１００ｍｍ」である第１シリンドリカルレンズを、焦点距離ｆ３が「ｆ３＝２０ｍｍ」である第３シリンドリカルレンズと、該第３シリンドリカルレンズに続く、焦点距離ｆ４が「ｆ４＝３．９ｍｍ」である第４シリンドリカルレンズと、に置き換えてもよい（ｆ４の値について、「ｆ４＜０」であるとは、該レンズが、例えば平凹シリンドリカルレンズのような、ディフォーカシングレンズ（defocussing lens）であることを示している）。上記第３シリンドリカルレンズの位置と上記第４シリンドリカルレンズの位置とは、上記ビームの上記第１平面における空中の好適な収束半角を得ることができるように設定される。第１シリンドリカルレンズの代わりに上記第３シリンドリカルレンズおよび上記第４シリンドリカルレンズを利用することによって、上記レーザーダイオードからＮＬＦＣ部材までの総距離を小さくし、上記放射装置をより小型化できるという有利な効果を得る。同様に、上記第２シリンドリカルレンズを２つのシリンドリカルレンズに置き換えてもよい。さらに、上記入力ビームの第１平面および第２平面における上記入力ビームの空中の好適な収束半角は、１または複数の球面レンズの利用によって、もしくは、球面レンズとシリンドリカルレンズとの組合の利用によって、得ることができる。さらに、上記の非球面レンズを、１つの球面レンズ、もしくは、１または複数のシリンドリカルレンズに置き換えてもよい。具体的には、上記非球面レンズを、上記レーザーダイオードから放射された発散光を、ｘ軸とｚ軸とを含む面に集光する第５シリンドリカルレンズと、上記レーザーダイオードから放射された発散光を、ｙ軸とｚ軸とを含む面に集光する第６シリンドリカルレンズと、に置き換えてもよい。さらに、本第１の実施例で説明した全てのシリンドリカルレンズは、複数のアシリンドリカルレンズ（acylindrical lens）に置き換えてもよい。シリンドリカルレンズとアシリンドリカルレンズとはともに、１つの面に光をほぼ集光する。しかしながら、シリンドリカルレンズの曲面は円筒の一部ではあるが、シリンドリカルレンズの曲面が円筒の一部であることは必須ではない。
【０１７０】
本第１の実施例において、ダイクロイック部材２３が備えられており、ダイクロイック部材２３は、上記レーザーダイオードによって放射される光の波長の範囲の縮小と、上記レーザーダイオードによって放射される光の波長の安定化との少なくとも一方を実行する。ダイクロイック部材２３は省略してもよく、省略したとしても本願発明の有利な点を実現することができる。ダイクロイック部材２３を光源２０から省略した場合、ビーム３０の少なくとも１つの面において発散が低いビームは、ソースビーム３２に相当する。図１０は、ダイクロイック要素を備えていない光源２０の概略図を示すものであり、図１０における部材番号は、図６における部材番号と同一の部材を意味している。
【０１７１】
さらに、ダイクロイック部材２３は、レーザーダイオード２１から放射される光が、上記ダイクロイック要素に入射する前に、ＮＬＦＣ部材２６中を通過するように、用いられてもよい。この構成は図１１に示されており、図１１において、本第１の実施例の前述までの要素と共通する要素には同じ部材番号を付しており、説明を繰り返すことはしない。ＮＬＦＣ部材２６中を伝播した後、上記入力ビームおよび上記発生ビームは、ダイクロイックミラー６０に入射し、ダイクロイックミラー６０は、上記発生ビームの一部を、反射された発生ビーム６１へと反射し、上記入力ビームの一部を転送する。上記入力ビームの転送された部分を、転送された入力ビーム６２と称する。反射された発生ビーム６１は、レンズ６３によって、平行にされ（collimated）または集光されてもよいし、フィルター６４中を伝播してもよく、フィルター６４が上記入力ビームからの任意の残存光（any residual light）のパワーを減衰する量は、フィルター６４が上記反射された発生ビームのパワーを減衰する量よりも多い。上記転送された入力ビーム６２は、少なくとも１つのレンズ６５によって、平行にされ、または集光され、その後、ダイクロイック部材２３に入射する。上記転送された入力ビーム６２の一部は、上記ダイクロイック要素によって、フィードバックビームへと転送される。上記ダイクロイック要素は、上記フィードバックビームが、ビーム６２、３３、３２、および３０と同じ経路に沿って反対側に伝播してレーザーダイオード２１に向かって伝播するよう、配向されている。上記フィードバックビームは、上記レーザーダイオードの放射波長の安定化、および、レーザーダイオード２１によって放射される光の波長の範囲の縮小の少なくとも一方の効果を有してもよい。好ましくは、上記フィードバックビームは、レーザーダイオード２１によって放射される光の波長の範囲を縮小する。好ましくは、レーザーダイオード２１によって放射される光の波長の範囲は、０．２ｎｍよりも小さく、最も好ましくは、０．１ｎｍよりも小さい。上記フィードバックビームのパワーは、ビーム６２のパワーの１％よりも大きく１００％よりも小さくてもよく、好ましくは、ビーム６２のパワーの少なくとも７０％であり、最も好ましくは、ビーム６２のパワーの少なくとも９０％である。上記ダイクロイック要素は、１ミリメートルあたり３６００本の、表面回折格子であってもよい。上記ダイクロイック要素は、また、体積ブラッググレーティングであってもよい。上記ダイクロイック要素は、さらに、ダイクロイックミラーであってもよい。
【０１７２】
本第１の実施例において、β-ＢａＢ２Ｏ４を含むＮＬＦＣ部材について説明した。ＮＬＦＣ部材は、以下に示す１または複数の材料を含んでもよい。すなわち、 β-BaB2O4, LiB3O5, LiNbO3, KTiOPO4, AgGaS2, AgGaSe2, ZnGeP2, GaSe, AlxGa1-xN (where 0 ≦ x ≦ 1), KH2PO4, NH4H2PO4, KD2PO4, CsLiB6O10, MgO:LiNbO3, KTiOAsO4, KNbO3, LiTaO3, RbTiOAsO4, BaTiO3, MgBaF4, GaAs, BiB3O6, K2Al2B2O7, KBe2BO3F2, BaAlBO3F2, La2CaB10O19, GdCa4O(BO3)3, YCa4O(BO3)3, GdxY1-xCa4O(BO3)3 (where 0 ≦ x ≦ 1), Li2B4O7, LiRbB4O7, CdHg(SCN)4, Nb:KTiOPO4, RbTiOPO4, LiInS2, LiInSe2, LiGaS2, LiGaSe2, AgxGaxIn1-xSe2(where 0 ≦ x ≦ 1), Tl4HgI6, KB5O8.4H2O, CsB3O5, C4H7D12N4PO7, α-HIO3, LiCOOH.H2O, CsH2AsO4, CsD2AsO4, RbH2PO4, CsTiOAsO4, Ba2NaNb5O15, CO(NH2)2, LiIO3, Ag3AsS3, HgGa2S4, CdGeAs2, Tl3AsSe3, CdSe を含んでもよい。
【０１７３】
≪例２≫
ここからは、本発明の第２の例について説明する。この第２の例は、最初の例と類似しているので、共通の特徴点については繰り返して説明しない。本発明の２番目の例においてＮＬＦＣ部材２６は、入力ビーム３３の伝搬方向に沿って測定された長さが１５μｍであるβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含む。β-ＢａＢ２Ｏ４の結晶の向きは最初の例と同様である。ソースビーム３２は最初の例と同様の特性を有する。例えば、空中でのソースビーム３２の波長はおよそ４４５ｎｍであり、ビームの第１および第２平面におけるビーム品質係数はそれぞれＭｘ２＝４．０およびＭｙ２＝６．０である。
【０１７４】
入力ビーム（φｙ）の第２平面において、高いＳＨＧ効率を達成するのに適した当該ビームの空中での収束半角は、本願発明の様式に応じて決定される。すなわち、上記収束半角は（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）と決定される。回折限界ビーム（Ｍｙ２＝１）の空中での好適な収束半径は、フリーガードらによって説明された方法に応じて決定されてもよい。上述したように配置された１５ｍｍの長さのβ‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むＮＬＦＣ部材の特定の例の場合、
【０１７５】
【数４４】
2015121788.tif 000046
【０１７６】
およびウォークオフ角度
【０１７７】
【数４５】
2015121788.tif 000047
【０１７８】
では、フリーガードらの方法は、入力ビームの第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角を
【０１７９】
【数４６】
2015121788.tif 000048
【０１８０】
になるように生みだす。結果として、Ｍｙ２＝６．０の入力ビームの第２平面において、当該入力ビームの空中における好適な収束半角はφｙ（Ｍｙ２＝６．０）＞０．６１°である。
【０１８１】
本願発明の他の態様によると、高いＳＨＧ効率を達成するための入力ビーム（φｙ）の第２平面における、入力ビームの空中における好適な収束半角は、
【０１８２】
【数４７】
2015121788.tif 000049
【０１８３】
であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、好ましくは
【０１８４】
【数４８】
2015121788.tif 000050
【０１８５】
であり、Ｍｙはビーム品質係数の平方根である。結果として、Ｍｙ２＝６．０の入力ビームの、第２平面における空中における好適な収束半角は、φｙ（Ｍｙ２＝６．０）＝０．６１°とφｙ（Ｍｙ２＝６．０）＝７．４７°との間の値であり、好ましくは
【０１８６】
【数４９】
2015121788.tif 000051
【０１８７】
である。
【０１８８】
第２シリンドリカルレンズ２５の焦点距離は、入力ビームの第２平面において当該入力ビームの空中における与えられた好適な収束半角が与えられるように選択される。
【０１８９】
≪例３≫
ここからは、本発明の第３の例について説明する。この第３の例は、第１の例と類似しているので、共通の特徴点については繰り返して説明しない。この本発明の第３の例において、レーザーダイオードによって放射される光は、空中においておよそ４１６ｎｍの波長を有する。ソースビーム３２のビーム品質係数はＭｘ２＝５．０およびＭｙ２＝８．０である。
【０１９０】
空中における波長４１６ｎｍの入力ビームのためのタイプ１の位相整合を提供するために
【０１９１】
【数５０】
2015121788.tif 000052
【０１９２】
である点を除いて、ＮＬＦＣ部材２６はβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を第１の例と同様の配置で含んでいる。この例では
【０１９３】
【数５１】
2015121788.tif 000053
【０１９４】
のとき、発生ビームのウォークオフ角度（ρ）は
【０１９５】
【数５２】
2015121788.tif 000054
【０１９６】
である。
【０１９７】
高いＳＨＧ効率を達成するために、入力ビーム（φｙ）の第２平面における、当該入力ビームの空中における好適な収束半角は、本発明の一態様に応じて決定される。すなわち、上記収束半角は、φｙ（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）と決定される。回折限界ビーム（Ｍｙ２＝１）の空中における好適な収束半角は、フリーガードらの方法に応じて決定される。ＮＬＦＣ部材が上述のように配向された７ｍｍの長さのβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むという特定の例の場合、
【０１９８】
【数５３】
2015121788.tif 000055
【０１９９】
およびウォークオフ角度
【０２００】
【数５４】
2015121788.tif 000056
【０２０１】
では、フリーガードらの方法は、入力ビームの第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角を
【０２０２】
【数５５】
2015121788.tif 000057
【０２０３】
になるように生み出す。結果、Ｍｙ＝８．０での入力ビームの第２平面における当該入力ビームの第２平面の空中の好適な収束半角は、φｙ（Ｍｙ＝８．０）＞０．８７°である。
【０２０４】
本発明の他の態様によると、高いＳＨＧ効率を達成するための入力ビーム（φｙ）の第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角は
【０２０５】
【数５６】
2015121788.tif 000058
【０２０６】
であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、そして、より好ましくは
【０２０７】
【数５７】
2015121788.tif 000059
【０２０８】
であり、Ｍｙはビーム品質係数の平方根である。
【０２０９】
結果、Ｍｙ＝８．０での入力ビームの第２平面における空中の好適な収束半角は、φｙ（Ｍｙ＝８．０）＝０．９８°とφｙ（Ｍｙ＝８．０）＝１２．３０°との間の値をとり、より好ましくは
【０２１０】
【数５８】
2015121788.tif 000060
【０２１１】
である。第２シリンドリカルレンズ２５における焦点距離は、入力ビームの第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角を供するように選択される。
【０２１２】
≪例４≫
ここからは、本発明の第４の例について説明する。この第４の例は、第１の例と類似しているので、共通の特徴点については繰り返して説明しない。発明のこの第４の例では、偏光変更素子７０が使用される。偏光変更素子はＮＬＦＣ処理に入力ビームを供するために使用されることがあり、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材において、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面と平行なビームの平面における入力ビームのビーム品質係数は、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行なビームの平面における入力ビームのビーム品質係数よりも低くなり得る。
【０２１３】
第４の例を図解した概略図が図１２に示される。図６と図１２の間にはいくつかの共通の特徴点があり、そしてこれらの共通の特徴点は同じ番号ラベルにて示される。偏光変更素子７０は、レーザーダイオード２１とＮＬＦＣ部材２６との間の光ビーム経路に沿ったいずれかの位置に配置される。図１２の例において、偏光変更素子はダイクロイック部材２３と第１シリンドリカルレンズ２４との間に配置される。偏光変更素子７０は、ソースビーム３２の極性状態を変える。より好ましい例では、偏光変更素子７０は、「λ／２波長板」として一般に知られている「半波長板（half wave plate）」または「ラムダ（λ）／２波長板」を含む。半波長板はビームの一平面から種々のビームの平面への線形の偏向光極性の配向を変える。より好ましい例では、偏光変更素子７０はソースビームが偏光変更素子７０を介し伝播するときに、ソースビームにおける主電場成分（dominant electric field components）の方向が９０度回転するように配向された半波長板を含む。例えば、偏光変更素子７０を介した伝搬の前のソースビームの主電場成分がｘ軸と略平行の場合、上記素子を介した伝搬の後のソースビームの主電場成分はｙ軸に略平行になる（図１２に付された軸を参照）。
【０２１４】
本発明の一態様において、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材を用いたＮＬＦＣ処理において、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面と平行なビームの平面におけるビーム品質係数がＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行なビームの平面における入力ビームのビーム品質係数よりも低いことがより好ましい。これは、上述のように得られたＭｘ２およびＭｙ２の定義に従い、Ｍｘ２＜Ｍｙ２と表現できる。
【０２１５】
第１のタイプのＮＬＦＣ部材を用いたＮＬＦＣの場合、入力ビームの主電場成分が、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面に平行な入力ビームの平面内であることがより好ましい。第２のＮＬＦＣ部材を用いたＮＬＦＣの場合、入力ビームの主電場成分が、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面に平行な入力ビームの平面内であることがより好ましい。
【０２１６】
第１のタイプのＮＬＦＣ部材の一例は、タイプ１のＳＨＧを示した例１において説明した配向でのβ-ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むＮＬＦＣ部材である。例１および図６にて説明した構成の場合、入力ビームが、ｙ軸およびｚ軸を含む平面に平行な入力ビームの平面における主電場成分を有することが望ましい。
【０２１７】
ソースビームの主電場成分の方向に平行なビームの平面における当該ソースビーム３２のビーム品質係数は、Ｍｐａｒａｌｌｅｌ２として示されてもよい。上記ソースビームの主電場成分の方向に垂直なビームの平面におけるソースビーム３２のビーム品質係数は、Ｍｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２として示されてもよい。
【０２１８】
本発明の一態様において、ＮＬＦＣ部材２６が上記で定義された第１のタイプのＮＬＦＣ部材である場合、かつ、ソースビーム３２がＭｐａｒａｌｌｅｌ２＜Ｍｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２の値を有する場合、ソースビームが上記波長板を介して伝搬する時に主電場成分の方向を９０°回転させる半波長板を含む偏光変更素子７０は、Ｍｘ２＜Ｍｙ２である入力ビーム３３を結果として供するために使用されてもよい。
【０２１９】
本発明のさらなる一態様において、ＮＬＦＣ部材２６が上記で定義された第２のＮＬＦＣ部材である場合、かつ、ソースビーム３２がＭｐａｒａｌｌｅｌ２＞Ｍｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２の値を有する場合、ソースビームが上記波長板を介して伝搬する時に主電場成分の方向を９０°回転させる半波長板を含む偏光変更素子７０は、Ｍｘ２＜Ｍｙ２である入力ビーム３３を結果として供するために使用されてもよい。
【０２２０】
この第４の例の場合の概略図が図１２にある。レーザーダイオード２１は、レーザーダイオード２１により放射される発散ビームの主電場成分が、ｘ軸およびｙ軸を含む平面とおよそ平行となるように配置される。上記ソースビーム３２は、Ｍｐａｒａｌｌｅｌ２＝２．０かつＭｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２＝４．０である。この場合、Ｍｐａｒａｌｌｅｌ２は、ｘ軸およびｙ軸を含む平面と平行なソースビームの平面における、当該ソースビームのビーム品質係数である。またこの場合、Ｍｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２はｙ軸およびｚ軸を含む平面と平行なソースビームの平面における、当該ソースビームのビーム品質係数である。このソースビームはＭｐａｒａｌｌｅｌ２＜Ｍｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ２の値を有する。ＮＬＦＣ部材２６は、例１で説明したものと同じであり、第１のタイプのＮＬＦＣ部材の配置と同様の配置である。
【０２２１】
ソースビーム３２は、ソースビームが半波長板を介し伝搬するとき、ソースビームにおける主電場成分の方向を９０°回転させる半波長板を含む偏光変更素子７０を介して伝搬する。結果として、偏光変更素子７０を介した伝搬の後、ソースビームの主電場成分は、ｙ軸およびｘ軸を含む平面と略平行な上記ビームの平面内である。ソースビームはさらに、
【０２２２】
【数５９】
2015121788.tif 000061
【０２２３】
および
【０２２４】
【数６０】
2015121788.tif 000062
【０２２５】
を有する。この構造はすなわち、入力ビームの電場成分の主要な偏光が、第１のタイプのＮＬＦＣ部材のため好ましい向きである入力ビームを提供し、またＭｘ２＜Ｍｙ２の入力ビームを提供する。
【０２２６】
高効率でのＳＨＧを達成するためにより好適な、ビーム（φｙ）の第２平面における入力ビームの空中の収束半角は、本発明の一態様に応じて決定される。すなわち、φｙ（Ｍｙ２＞２）＞φｙ（Ｍｙ２＝１）と決定される。回折限界ビーム（Ｍｙ２＝１）の空中の好適な収束半角は、フリーガードらの説明する方法に応じて決定されてもよい。上述のように配置された７ｍｍの長さのβ‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含むＮＬＦＣ部材の特定の例の場合、
【０２２７】
【数６１】
2015121788.tif 000063
【０２２８】
かつウォークオフ角度
【０２２９】
【数６２】
2015121788.tif 000064
【０２３０】
で、フリーガードらの方法は入力ビームの第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角を、当該収束半角が
【０２３１】
【数６３】
2015121788.tif 000065
【０２３２】
になるように生み出す。結果、
【０２３３】
【数６４】
2015121788.tif 000066
【０２３４】
での入力ビームの第２平面における当該入力ビームの第２平面の空中の好適な収束半角は、φｙ（Ｍｙ＝４．０）＞０．８６°である。
【０２３５】
本発明の他の態様によると、高いＳＨＧ効率を達成するための入力ビーム（φｙ）の第２平面における当該入力ビームの空中の好適な収束半角は
【０２３６】
【数６５】
2015121788.tif 000067
【０２３７】
であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、そして、より好ましくは
【０２３８】
【数６６】
2015121788.tif 000068
【０２３９】
である。
【０２４０】
結果、Ｍｙ＝４．０での入力ビームの第２平面における空中の好適な収束半角は、φｙ（Ｍｙ２＝４．０）＝０．８６°とφｙ（Ｍｙ２＝４．０）＝８．６０°との間の値をとり、より好ましくは
【０２４１】
【数６７】
2015121788.tif 000069
【０２４２】
である。
【０２４３】
≪例５≫
ここからは、本発明の第５の例について説明する。この第５の例は、第１の例と類似しているので、共通の特徴点については繰り返して説明しない。第５の例において、ソースビームを発生させるために使用される光放射素子は、レーザーダイオードではなく、一種のレーザーである。例えば、光放射素子はアルゴンイオンレーザーのようなガスレーザーであってもよいし、ファイバーレーザーであってもよいし、または、レーザーダイオードに励起されたソリッドステートレーザーを含むソリッドステートレーザーであってもよい。特定の例では、ソースビーム３２はプラセオジミウムを添加されたホストレーザー結晶から発生した。とりわけ、ソースビーム３２がＬｉＹＦ４結晶に添加されたＰｒ３＋から発生させられてもよくおよそお５４５．９ｎｍまたはおよそ５２２．６ｎｍの波長を有していてもよく、そして、ＬｉＹＦ４結晶は、レーザーダイオードから放射された、空中でおよそ４４４ｎｍの波長を持つ光に光学的に励起される。
【０２４４】
≪例６≫
ここからは、本発明の第６の例について説明する。この第６の例は、第１の例と類似しているので、共通の特徴点については繰り返して説明しない。第６の例では、ソースビーム３２を発生させるために使用される光放射素子は、周波数変換レーザーである。特定の例では、上記ソースビームは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー結晶から放射された波長がおよそ１０６４ｎｍに等しい光を周波数倍化するにより発生させられ、周波数倍化された出力は、およそ５３２ｎｍの波長の放射を有する。
【０２４５】
本発明は特定の実施形態について示され、および説明されたが、この説明および付加した図面を読み理解することにより、当業者が本発明に相当する変更および変形例を思いついてもよい。加えて、本発明の特有の特徴点は、上述１つまたはさらにいくつかの実施形態のみについて上記のように説明されてもよいし、あらゆる所定のまたは特定の応用に望むようにおよび有利なように、そのような特徴を他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わせられてもよい。
【０２４６】
上記によると、本発明の一態様は、非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）装置である。実施例において、上記ＮＬＦＣ装置はウォークオフを示すＮＬＦＣ部材と、非回折限界の入力ビームを上記ＮＬＦＣ部材内へ収束させる光学部材と、を含む。上記ＮＬＦＣ部材により出力される出力ビームの少なくとも一部分は、上記入力ビームの周波数と異なる周波数を有する。
【０２４７】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面における上記ビーム品質係数は、２より大きい（Ｍ２＞２）。
【０２４８】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面における上記ビーム品質係数は、２より大きい（Ｍｙ２＞２）。
【０２４９】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面と平行な平面における上記入力ビームのビーム品質係数は、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面における上記入力ビームのビーム品質係数よりも低い（Ｍｘ２＜Ｍｙ２）。
【０２５０】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、当該装置はさらに、上記入力ビームの偏光の方向をＭｘ２＜Ｍｙ２となるように変更させる偏光変更素子を含む。
【０２５１】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面における空中の収束半角は回折限界光の収束半角の角度よりも大きく、上記回折限界光のビーム品質係数Ｍ２は１に等しい。
【０２５２】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は、Ｍｙに回折限界光の上記収束半角を乗じた値であり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記非回折限界の光の上記ビーム品質係数の平方根である。
【０２５３】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は、ε×Ｍｙに回折限界光の上記収束半角の値を乗じた倍数であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記入力ビームの上記ビーム品質係数の平方根である。
【０２５４】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、０．６＜ε＜５．０である。
【０２５５】
上記ＮＬＦＣ装置の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の上記出力光線（出力ビーム）の上記周波数は、上記入力ビームの上記周波数の２倍である。
【０２５６】
本発明の他の態様は光源である。実施例において、上記光源は非回折限界の光の入力ビームを放射する光放射素子と、ウォークオフを示し、かつ、第２高調波発生を行う非線形周波数変換（ＮＬＦＣ）部材と、上記非回折限界の入力ビームを上記ＮＬＦＣ部材内へ収束させる光学部材と、を含み、上記ＮＬＦＣ部材から出力される出力ビームの少なくとも一部は上記入力ビームの２倍の周波数を有する。
【０２５７】
上記光源の実施例において、上記入力ビームの波長は４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、上記出力ビームの波長は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【０２５８】
上記光源の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と平行な平面におけるビーム品質係数は３より大きい(Ｍｙ２＞３)。
【０２５９】
上記光源の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面における空中の収束半角は回折限界光の収束半角の角度よりも大きく、上記回折限界光のビーム品質係数Ｍ２は１に等しい。
【０２６０】
上記光源の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材の上記非ウォークオフ平面における空中の上記収束半角は回折限界光の上記収束半角の値を乗じた倍数（ε×Ｍ）であり、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとり、Ｍｙは、上記非ウォークオフ平面における上記入力ビームの上記ビーム品質係数の平方根である。
【０２６１】
上記光源の実施例において、上記光学部材は、０．９°から１０．５°の間の収束半角を有する上記入力ビームを収束する。
【０２６２】
上記光源の実施例において、ε＝１．０であり、上記光学部材は２．１±１°の収束半角を有する上記入力ビームを収束する。
【０２６３】
上記光源の実施例において、上記光放射素子はＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮの半導体材料を含むレーザーダイオードであり、上記レーザーダイオードの放射領域の一方向の寸法は少なくとも５μｍである。
【０２６４】
上記光源の実施例において、上記ＮＬＦＣ部材は、β‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含む。
【０２６５】
上記光源の実施例において、収束半角は、平面でないまたは入力ビームの伝搬方向に対し平行な表面法線を有さない上記ＮＬＦＣ部材の入力表面を介した伝搬の後に、（ｉ）上記入力ビームのビームウエスト半径（beam waist radii）と、（ｉｉ）平面の表面であり、かつ上記ＮＬＦＣ部材の入力表面と垂直な方向が上記入力ビームの伝搬方向に平行である入力表面に対する空中の収束半角を有する入力ビームの伝搬の後に上記ＮＬＦＣ部材において形成される当該入力ビームのビームウエスト半径と、が略同一になるように決定される。
【０２６６】
本発明の実施例において、入力ビームは、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と略平行な入力ビームの平面における空中の収束半角を有し、当該収束半角は、回折限界光である入力ビームに好適であるビームの上記平面における、当該ビームの空中の収束半角よりも大きい。
【０２６７】
本発明のさらなる実施例において、入力ビームはＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と略平行な入力ビームの平面における空中の収束半角を有し、上記収束半角は回折限界光である入力ビームに好適であるビームの上記平面における空中での収束半角を乗じたε×Ｍに等しく、Ｍｙ２は入力ビームの平面における当該入力ビームのビーム品質係数であり、Ｍｙは上記ビーム品質係数の平方根であり、そして、０．４および１／Ｍｙの大きい方を下限値、５を上限値としたとき、εは、上記下限値と上記上限値との間の値をとる。
【０２６８】
本発明のさらなる実施例において、入力ビームはＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面と略平行な入力ビームの平面における空中の収束半角を有し、上記収束半角は回折限界光である入力ビームに好適であるビームの上記平面における空中での収束半角を乗じたＭｙに等しく、Ｍｙ２は入力ビームの平面における当該入力ビームのビーム品質係数であり、そしてＭｙは上記ビーム品質係数の平方根である。
【０２６９】
本発明の実施例において、レーザーダイオードは波長が４００ｎｍから６００ｎｍの間の光を放射し、当該レーザーダイオードは物質ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮを含む。本発明のさらなる実施例において、ＮＬＦＣ処理はＳＨＧであり、ＮＬＦＣ部材はβ‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含み、そして発生ビームは２００ｎｍから３００ｎｍの間の波長を有し、深紫外線光に対応する。本発明のさらなる実施例において、入力ビームはレーザーダイオードにより発生させられ、当該入力ビームは４１０ｎｍから４８０ｎｍの間の波長を有し、発生ビームは２０５ｎｍから２４０ｎｍの波長を有し、そしてＮＬＦＣ部材はおよそ７ｍｍ（入力ビームの伝搬方向に平行な方向を測定）の長さで、入力ビームのタイプ１のＳＨＧのために配置されたβ‐ＢａＢ２Ｏ４の結晶を含み、そして、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面に略平行な入力ビームの平面における当該入力ビームの空中の収束半角は、０．８６°よりも大きく、好ましくは０．８６°から１０．５３°の間の範囲であり、より好ましくは、およそ２．１１°である。
【０２７０】
本発明のさらなる実施例において、レーザーダイオードは放射領域をソースビームを発生させるために使用され、当該放射領域の一方向の寸法は少なくとも５μｍである。
【０２７１】
本発明のさらなる実施例において、ＮＬＦＣ部材のウォークオフ平面に略平行な入力ビームの平面における当該入力ビームのビーム品質係数（Ｍｘ２）は、ＮＬＦＣ部材の非ウォークオフ平面に略平行な入力ビームの平面における当該入力ビームのビーム品質係数（Ｍｙ２）ビーム品質係数よりも小さい。本発明のさらなる一態様において、偏光変更素子はＮＬＦＣ処理のための、Ｍｘ２＜Ｍｙ２の入力ビームを供するために使用される。
【０２７２】
本発明は、先行技術における例を超える利点を提供する。特に、本発明に係る光源は先行技術における装置よりも高出力の発生ビームを提供する。ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材におけるＮＬＦＣのための、非回折限界入力ビームを初めて使用することにより、きわめて高出力の入力ビームを使用することが可能になる。最初に、例えばＳＨＧのような、ウォークオフを示すＮＬＦＣ部材における非回折限界入力ビームの高効率ＮＬＦＣのための構成が提供される。本発明のいくつかの利点は、発明の詳細な説明における説明の際に、実験に基づいて示される。
【産業上の利用可能性】
【０２７３】
本発明に係る、周波数が変換されたレーザーは、蛍光センサまたは吸光センサの光源として使用することができる。
【符号の説明】
【０２７４】
１  入力ビーム
２  ＮＬＦＣ部材
３  ビーム幅
４  伝搬方向
５  ビームウエスト半径
１０  入力ビーム
１１  第１平面
１２  第２平面
１３  ＮＬＦＣ部材
１４  第１表面
１５  伝搬方向
２０  光源
２１  レーザーダイオード
２２  非球面レンズ
２３  ダイクロイック部材
２４  第１シリンドリカルレンズ
２５  第２シリンドリカルレンズ
２６  ＮＬＦＣ部材
２７  第１フィルター
２８  球面レンズ
２９  第２フィルター
３０  レーザーダイオードにより放射された発散ビーム
３１  ビームの少なくとも一平面において低発散性であるビーム
３２  ソースビーム
３３  入力ビーム
３４  発生ビーム
３５  ＮＬＦＣ部材の第１表面
３６  ＮＬＦＣ部材の第２表面
３７  放射光
５０  レーザーダイオードの放射表面
５１  出力光
５２  光放射材料
５３  放射領域
６０  ダイクロイックミラー
６１  反射された発生ビーム
６２  拡散された入力ビーム
６３  レンズ
６４  フィルター
６５  レンズ
７０  偏光変更素子 
【図１】
2015121788.tif 000070
【図２】
2015121788.tif 000071
【図３】
2015121788.tif 000072
【図４】
2015121788.tif 000073
【図５】
2015121788.tif 000074
【図６】
2015121788.tif 000075
【図７】
2015121788.tif 000076
【図８】
2015121788.tif 000077
【図９】
2015121788.tif 000078
【図１０】
2015121788.tif 000079
【図１１】
2015121788.tif 000080
【図１２】
2015121788.tif 000081
【図１３】
2015121788.tif 000082
【図１４】
2015121788.tif 000083
【外国語明細書】
2015121788000001.pdf