(57)【要約】  本発明は：−基本波長の第１のレーザビーム（6）を放出することの可能な三準位増幅媒質（3）と；−基本波長の第２のレーザビーム（7）を放出することの可能な四準位増幅媒質（5）と；−第１レーザビームと第２レーザビームとを混合すると共に周波数が前記第１および第２レーザビームの周波数の和であるような第３のビーム（14、15）を生成することの可能な非線形結晶（4）；とを備えたレーザ装置（1、13）に関する。この装置は、三準位増幅媒質（3）と少なくとも非線形結晶（4）とが第１レーザビーム（6）のための共振キャビティーを構成し、四準位増幅媒質（5）と少なくとも非線形結晶（4）とが第２レーザビーム（7）のための共振キャビティーを構成し；前記２つの増幅媒質と前記非線形結晶とは線形キャビティーを形成することを特徴としている。【選択図】  図１
2008532305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−基本波長の第１のレーザビーム（6）を放出することの可能な三準位増幅媒質（3）と；
−基本波長の第２のレーザビーム（7）を放出することの可能な四準位増幅媒質（5）と；
−第１のレーザビームと第２のレーザビームとを混合すると共に、周波数が前記第１のレーザビームの周波数と第２のレーザビームの周波数との和であるような第３のビーム（14）を生成することの可能な、非線形結晶（4）；
とを備えたレーザ装置であって：
前記三準位増幅媒質（3）と少なくとも非線形結晶（4）とが第１のレーザビーム（6）のための共振キャビティーを構成し、四準位増幅媒質（5）と少なくとも非線形結晶（4）とが第２のレーザビーム（7）のための共振キャビティーを構成し、前記２つの増幅媒質と非線形結晶とが線形キャビティーを構成することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記２つの増幅媒質と前記非線形結晶とはモノリシック線形共振キャビティーを形成することを特徴とする請求項１に基づく装置。
【請求項３】
前記２つの増幅媒質は前記非線形結晶の対向する２つの面に夫々結合されていることを特徴とする請求項１又は２に基づく装置（1）。
【請求項４】
前記四準位増幅媒質は前記三準位レーザの波長で１％のオーダーの吸収を呈することを特徴とする請求項３に基づく装置（1）。
【請求項５】
請求項３又は４に基づく装置であって：
−三準位増幅媒質（3）の入口（8）と四準位増幅媒質（5）の出口（11）は前記第１レーザビーム（6）のための反射性誘電処理を備え；
−三準位増幅媒質（3）の出口（9）と四準位増幅媒質（5）の出口（11）は前記第２レーザビーム（7）のための反射性誘電処理を備え；
−三準位増幅媒質（3）の出口（9）と四準位増幅媒質（5）の入口（10）は前記第１レーザビーム（6）のための透過性誘電処理を備え；
−四準位増幅媒質（5）の出口（11）は前記第３レーザビーム（14）のための透過性誘電処理を備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
前記三準位増幅媒質と非線形結晶は前記四準位増幅媒質の対向する２つの面に夫々結合されていることを特徴とする請求項１又は２に基づく装置（13）。
【請求項７】
前記三準位増幅媒質と四準位増幅媒質は希土類および同一結晶により構成されていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく装置。
【請求項８】
前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置を備えたシステムであって、更に、単一のレーザ・ダイオード（2）からなるポンピング手段を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記２つの増幅媒質は非線形結晶の対向する２つの面に夫々結合されており、前記ポンピング手段は三準位増幅媒質（3）のみを励起することの可能なレーザビームを放出することを特徴とする請求項８に基づくシステム。
【請求項１０】
前記三準位増幅媒質と非線形結晶は前記四準位増幅媒質の対向する２つの面に夫々結合されており、前記ポンピング手段は三準位増幅媒質（3）と四準位増幅媒質（5）とを励起することの可能なレーザビームを放出することを特徴とする請求項８に基づくシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの波長又は２つの周波数を有するレーザ・デバイスに関する。より詳しくは、本発明は、異なる２つの周波数の和からレーザビームを生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体レーザにより得られる波長は基本的に近赤外にある。可視帯域内の波長を得るには幾つかのやり方が可能であり、その中でも特にイントラキャビティー二逓倍（intracavity doubled）レーザ技術がある。斯かるレーザは増幅媒質（希土類によってドープされた結晶をベースとする固体レーザ）を備えており、後者は当該増幅媒質から放出された近赤外基本信号を基本周波数の二逓倍によって可視信号に変換する非線形結晶に接続されている。しかしながら、可視帯域のある種の波長は希土類の遷移の周波数の二逓倍に対応しない。周波数二逓倍は、例えば532ｎｍ（1064ｎｍの二逓倍、Nd:YAG又はNd:YVO4）又は例えば514ｎｍ（1029ｎｍの二逓倍、Yb:YAG）の波を得るのを可能にする。周波数二逓倍によって得られない波長は、なお、２つの周波数の和によって近似することができる。例えば、488ｎｍは、1064ｎｍと915ｎｍとの和（Nd:YVO4の２つの遷移）或いは1053ｎｍと907ｎｍとの和（Nd/YLFの２つの遷移）により近似することができる。
【０００３】
ニオブ酸カリウムKNbO3における和周波の原理は、第１の記事に発表されている：“ニオブ酸カリウムを用いた490ｎｍ放射光の有効なイントラキャビティー和周波発生”（S.七条、外）（Opt. Lett. 19, 1022頁, 1994）。この記事では、 Ti:サファイア・レーザからの910ｎｍ前後の連続放出光は、ニオブ酸カリウム結晶を含有するNd:YVO4レーザからの1064ｎｍの連続放出光と混合される。非線形結晶のイントラキャビティー存在は1064ｎｍでの出力を強度に増加させる（ポンプの400ｍＷに対して16Ｗ）。他方、Ti:サファイア・レーザからの放出光は弱く（典型的には100ｍＷ）、これは490ｎｍで放出される出力を制限する。
【０００４】
また、第２の記事が知られている：“全固体・連続波・二重共振・全イントラキャビティー・和周波混合器”（Hanno M. Kretschmann等、Optics Letters Lett Vol 22, No. 19, 1997年10月1日）。著者等は２つの周波数を合計して620ｎｍ前後の赤色帯域内の放出信号を得る構成を記述している。このため、共振周波数が夫々1080ｎｍおよび1444ｎｍの２つの四準位レーザが使用してある。夫々の四準位レーザの共振キャビティー内に非線形媒質が設けてある。この装置の難点は、従って、２つの四準位レーザを使用することであり、これは２つのポンプ（夫々の四準位レーザ毎に１つのポンプ）の使用を必要とする。
【０００５】
文献WO 02/103863は、場合により周波数二逓倍結晶を四準位レーザのキャビティーの内側に設けることにより、三準位レーザからの放出光を四準位レーザからの放出光と混合することを提案している。非線形結晶は明らかに三準位レーザのキャビティーから出ている。第１の記事におけるように、この配置は、少なくとも１つの低出力レーザ信号を混合し、従って、非線形変換効率を大幅に低下させるか、或いは、高効率の非線形結晶を必要とする、という難点があり、後者は一般に非常に高価である。他方、この配置は、２つのポンプ、２つのポンプ注入、および四準位レーザのポンプを三準位レーザの信号に多重化することを必要とするので、むしろ複雑である。
【０００６】
本発明は使用が簡単で低コストの新規なレーザ装置を提供することにより上記不都合を改善することを目的とするものである。
【０００７】
上記目的の少なくとも１つは、
−基本波長の第１のレーザビームを放出することの可能な三準位増幅媒質と；
−基本波長の第２のレーザビームを放出することの可能な四準位増幅媒質と；
−第１のレーザビームと第２のレーザビームとを混合すると共に、周波数が前記第１レーザビームの周波数と第２レーザビームの周波数との和であるような第３のビームを生成することの可能な、非線形結晶；
とを備えた装置によって達成される。
【０００８】
本発明によれば、三準位増幅媒質と少なくとも非線形結晶とは第１のレーザビームのための共振キャビティーを構成し、四準位増幅媒質と少なくとも非線形結晶とは第２のレーザビームのための共振キャビティーを構成し、前記２つの増幅媒質と非線形結晶とは線形キャビティーを構成する。
【０００９】
本発明の装置においては、２つのレーザビームは非線形結晶を横切って発振する。混合は２つの高出力ビームの間で行われる。従来技術の装置とは異なり、非線形結晶は中位の効率のものであることができ、従って、より安価である。
【００１０】
このような本発明の装置によれば、異なる２つの放出帯域から来る２つの波長は、同時に発振することができる。何故ならば、２つのレーザビーム（又は波長）の少なくとも一方のために１つの排他的ゲイン領域を設けるからである。
【００１１】
好ましくは、２つの増幅媒質と非線形結晶とはモノリシック線形共振キャビティーを形成する。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、前述したようなレーザ装置と、単一のレーザ・ダイオードからなるポンピング手段、とを備えたシステムが提供される。本発明の第１変化形によれば、ポンピング手段は三準位増幅媒質と四準位増幅媒質とを同時に励起することの可能なレーザビームを放出する。従って、ポンプの一部は三準位増幅媒質によって吸収され、ポンプの残部は四準位増幅媒質によって吸収される。これは２つの増幅媒質を結合することを必要とし、キャビティーは非線形結晶によって終端する。換言すれば、三準位増幅媒質と非線形結晶は四準位増幅媒質の対向する２つの面に夫々結合されている。２つのレーザ（即ち、三準位と四準位の２つの増幅媒質）の出力ミラーは、この場合、非線形結晶の出口に位置する。更に、四準位増幅媒質がレーザ・ダイオードと三準位レーザの放出光とによってポンピングされるように、ポンプの収束化を最適化する。
【００１３】
本発明の有利な第２変化形によれば、ポンピング手段は三準位増幅媒質のみを励起することの可能なレーザビームを放出する。これは四準位増幅媒質の位置決めに対する自由度を与える。後者の四準位増幅媒質は三準位レーザからの放出光によって完全にポンピングされる。このため、三準位増幅媒質と四準位増幅媒質は、好ましくは、希土類および同一結晶により構成されている。四準位レーザについては量子欠陥がより少ないので、熱的な見地から、この第２変化形はおそらく第１変化形よりも優れている。更に、四準位レーザについてはポンプと信号との間の適合は完全である。これは、また、二逓倍結晶をサンドイッチ（挟持）するのを可能にすると共に、誘電処理をレーザ結晶にしか施さないこと（これはより安価な処理に対応する）を可能にする。実際、本発明の好ましい実施態様においては、２つの増幅媒質は非線形結晶の対向する２つの面に夫々結合されており、当該非線形結晶は好ましくは複屈折性結晶である。
【００１４】
本発明の有利な特徴によれば、非線形結晶は２つの増幅媒質の間に挿入されており、この装置の異なる構成要素の壁は：
−三準位増幅媒質の入口と四準位増幅媒質の出口は前記第１レーザビームのための反射性誘電処理を備え；
−三準位増幅媒質の出口と四準位増幅媒質の出口は前記第２レーザビームのための反射性誘電処理を備え；
−三準位増幅媒質の出口と四準位増幅媒質の入口は前記第１レーザビームのための透過性誘電処理を備え；
−四準位増幅媒質の出口は前記第３レーザビームのための透過性誘電処理を備えている；
ように処理されている。
【００１５】
換言すれば、２つの増幅媒質と非線形結晶とは第１レーザビームのための線形共振キャビティーを構成する。四準位増幅媒質と非線形結晶とは第２レーザビームのための線形共振キャビティーを構成する。
【００１６】
一般に、三準位レーザの発振に必要な反転分布は四準位レーザに必要なものより大きい（対比可能なミラーの反射について）。四準位レーザの発振が始まると、反転分布は最早増大せず、これは三準位レーザの発振閾値に達するのを禁止する。第２変化形においては、ポンプは三準位レーザの排他的増幅媒質を励起する。反転分布は三準位レーザの閾値まで増大する。この三準位レーザの閾値を超えると、第２の増幅媒質（四準位レーザ）が三準位レーザの放出光の部分的吸収により励起され始める。ポンプ出力を増加させればやがて四準位レーザの閾値に達するのが可能となる。
【００１７】
モデル化によれば、閾値を超えると、三準位レーザ放出光と四準位レーザ放出光との間の出力配分は、四準位レーザ増幅媒質の内外において、三準位放出光の損失配分に追従することが分かった。従って、四準位レーザ増幅器内における三準位レーザ放出光の吸収が他の損失（即ち、非共振損失および二逓倍による損失）に等しい場合には、２つの出力は等しい。これは、和周波効率を最大限にしたい時に追求しなければならない状況である。好ましくは、四準位増幅媒質はその場合三準位レーザの波長で１％のオーダーの吸収を呈する。
【００１８】
夫々の変化形において、２つの強力なレーザビームが得られる。何故ならば、非線形結晶は２つのレーザ・キャビティー（第１および第２レーザビームのための共振キャビティー）の内側に位置するからである。
【００１９】
本発明の配置の他の利点は（２つの）増幅媒質の横断モードは１つの同じ様な横断サイズを有することであり、これは転換効率を最適化する。
【００２０】
本発明の他の特徴や利点は非限定的な実施例の詳細な説明および添付図面から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１には線形キャビティーを形成する本発明のレーザ装置１が示してある。このレーザ装置は単一のレーザ・ダイオード２によってポンピングされる。レーザ・ダイオード２によって放出されたレーザビームは装置に対して共線的である。
【００２２】
レーザ装置１は入り口側の三準位増幅媒質３と出口側の四準位増幅媒質５との間に結合された非線形結晶４で構成されている。三準位増幅媒質３は、Nd:YVO4のような915ｎｍ前後で発光する、かつ、レーザ・ダイオードによって放出されたビームを受光する、レーザ結晶である。レーザ・ダイオード２によって放出されたレーザビームの唯一の目的は、この三準位増幅媒質３を励起することである。非線形結晶はニオブ酸カリウムKNbO3からなる。四準位増幅媒質５は、Nd:YVO4のような1064ｎｍ前後で発光するレーザ結晶である。この装置１は、２つの増幅媒質の２つのレーザビームを合計することから生じる491ｎｍのレーザビーム１４を出口で放出するように構成されている。
【００２３】
915ｎｍのキャビティーは、第１の増幅結晶３の入口８と第２増幅結晶５の出口１１のところでHR915誘電処理（即ち、915ｎｍで反射）により閉鎖されている。換言すれば、915ｎｍのレーザビーム６は面８と面１１との間に規制されている。
【００２４】
1064ｎｍのキャビティーは、第１の増幅結晶３の出口９と第２増幅結晶の出口１１のところでHR1064誘電処理（即ち、1064ｎｍで反射）により閉鎖されている。換言すれば、1064ｎｍのレーザビーム７は壁９と壁１１との間に規制されている。
【００２５】
第１増幅結晶３の出口９のところの誘電処理は、HT915タイプ（即ち、915ｎｍで透過）のものである。第２増幅結晶５の出口１１のところの誘電処理は、491ｎｍのレーザビーム１４の青色放出光を出力させるべく、HT491タイプのものである。
【００２６】
有利なことに、このような配置では、915ｎｍおよび1064ｎｍの各キャビティーは非線形結晶からなる。
【００２７】
次表は、波長915ｎｍ、1064ｎｍおよび491.7ｎｍについての、303Kにおける、本発明の装置１のKNbO3非線形二逓倍結晶内の特定の屈折率を示す：
【００２８】
【表１】
2008532305.tif 000003
【００２９】
ｎａ（915）＋ｎａ（1064）＝２ｎｃ（491.7）であることが分かり、これはタイプＩの非臨界位相同調に対応する。
【００３０】
この装置１は三準位レーザにおける915ｎｍ発光と四準位レーザにおける1064ｎｍ発光とを生じるNd:YVO4を使用している。また、三準位レーザでの912ｎｍ発光と四準位レーザでの1062.6ｎｍ発光とを生じるNd:GdVO4を使用することも可能である。
【００３１】
図２には２つの増幅媒質３および５の励起準位と出力の変化が示してある。横軸にはポンプ出力が任意単位で示してあり、縦軸には励起イオン濃度およびレーザ出力が任意単位で示してある。ポンプ２は専ら三準位増幅媒質３を励起する（励起準位１）。後者の発振閾値に達すると（図２の横軸の１）、放出されるレーザ出力は四準位増幅媒質５を励起（励起準位２）するのを可能にする。後者は次いで、その発振閾値に達した時に、今度はレーザ出力を放出する（横軸の１.５）。
【００３２】
図３には本発明の装置の変化形１３が示してある。２つの増幅媒質３および５は互いに直接に結合されている。非線形結晶４は、三準位レーザからの放出光と四準位レーザからの放出光が重なるように、四準位増幅媒質５に結合されている。この装置１３は非線形結晶の出口のところでレーザビーム１５を放出する。
【００３３】
この場合、915ｎｍのキャビティーは、第１増幅結晶３の入口８と非線形結晶４の出口１２のところでHR915誘電処理（即ち、915ｎｍで反射）により閉鎖されている。換言すれば、915ｎｍのレーザビーム６は壁８と壁１２との間に規制されている。
【００３４】
1064ｎｍのキャビティーは、第２増幅結晶５の入口１０と非線形結晶４の出口１２のところでHR1064誘電処理（即ち、1064ｎｍで反射）により閉鎖されている。換言すれば、1064ｎｍのレーザビーム７は壁１０と壁１２との間に規制されている。
【００３５】
勿論、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく上記実施例に種々の修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本発明に基づくモノリシック線形キャビティーを形成するレーザ装置を示すもので、非線形結晶は２つの増幅媒質の間に配置してある。
【図２】図２は図１の装置の２つの増幅媒質の励起準位と出力の変化を模式的に示すグラフである。
【図３】図３は、三準位増幅媒質と非線形結晶との間に配置された四準位増幅媒質を備えた、本発明のレーザ装置を示す。
【図１】
2008532305.tif 000004
【図２】
2008532305.tif 000005
【国際調査報告】
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2008532305.tif 000008
2008532305.tif 000009
2008532305.tif 000010
2008532305.tif 000011