(57)【要約】  本発明は、レーザ活性固体媒体（３）と、波長変換結晶（６）とを有する、周波数変換されたレーザビーム（９ａ）を形成するレーザ共振器（１）に関する。このレーザ共振器（１）には、平行化されたレーザビーム（９ａ）を形成するため、凹形に湾曲した面（６ａ，１０ａ）を有する透過性光学素子（６，１０）が配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性固体媒体（３）と、波長変換結晶（６）とを有する、周波数変換されたレーザビーム（９ａ）を形成するレーザ共振器（１）において、
平行化されたレーザビーム（９ａ）を形成するため、凹形に湾曲した面（６ａ，１０ａ）を有する透過性光学素子（６，１０）が前記レーザ共振器（１）に配置されている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ共振器（１）において、
前記透過性光学素子（６，１０）は、前記レーザ共振器（１）の平坦な端部ミラー（８）に隣接して配置されている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ共振器（１）において、
前記透過性光学素子（６，１０）の平坦な別の面（６ｂ，１０ｂ）は、反射性コーティング（１１）を有しており、当該反射性コーティング（１１）により、前記レーザ共振器（１）が終端している、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーザ共振器（１）において、
前記透過性光学素子は、分散レンズ（１０）である、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ共振器（１）において、
前記分散レンズ（１０）は、前記レーザ活性固体媒体（３）と前記波長変換結晶（６）との間に配置されている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項６】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーザ共振器（１）において、
前記透過性光学素子は、前記波長変換結晶（６）である、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載のレーザ共振器（１）において、
さらに前記レーザ活性固体媒体（３）に隣接して配置された平坦な端部ミラー（７）が含まれている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のレーザ共振器（１）において、
さらにＱスイッチ変調素子（４）が含まれている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載のレーザ共振器（１）において、
さらに前記レーザ共振器（１）から前記周波数変換されたレーザビーム（９ａ）を出力結合するための出力結合ミラー（５）が含まれている、
ことを特徴とするレーザ共振器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数変換されたレーザビームを形成するためのレーザ共振器に関しており、このレーザ共振器は、レーザ活性固体媒体ならびに波長変換結晶を有する。
【０００２】
周波数変換されたレーザビームを共振器内部で形成するレーザ共振器は一般的に、レーザ共振器内に波長変換結晶を有しており、この波長変換結晶では、レーザ活性媒体において基本周波数ないしは基本波長で形成されるレーザビームが一般的にはより高い周波数のレーザビームに変換される。波長変換結晶として、例えばＬＢＯ結晶のような非線形結晶が使用され、これは、基本周波数からより高い高調波に周波数変換し、例えば第２高調波または第３高調波を形成する。ここではこの周波数変換の効率を十分に高くするため、上記の非線形結晶においてビーム強度を大きくする必要がある。
【０００３】
波長変換結晶において十分に大きなビーム強度を形成するために公知であるのは、波長変換結晶がビームウエストの領域に配置されるように上記のレーザ共振器のビーム路を設計することである。最小のビーム直径を有するビームウエストを形成するため、例えば、波長変換結晶に隣接する端部ミラーを凹形に形成することができる。このことは、DE 100 03 244 A1に記載されている通りである。この明細書に同様に記載されているように、凹形の端部ミラーにより、レーザ共振器の長さが長くなるため、このレーザ共振器を小型の構造形態で実現することはできない。このためにDE 100 03 244 A1が提案しているのは、凹形の端部ミラーの代わりに凸形の端部ミラーを使用し、これによって共振器の長さを短くし、付加的にレーザ共振器の安定性を高めることである。
【０００４】
本発明の課題
本発明の課題は、冒頭に述べたタイプのレーザ共振器を提供して、このレーザ共振器により、小型の構造形態で効率的な周波数変換を可能にすることである。
【０００５】
本発明の対象
この課題は、平行化されたレーザビームを形成するために凹形に湾曲した面を有する透過性光学素子が配置されている上で説明したようなレーザ共振器によって解決される。この透過性光学素子によって可能になるのは、最小のビーム直径を有する平行化されたレーザビームがレーザ共振器において形成されることであり、このレーザビームは、このレーザ共振器の平坦な境界面において反射されて戻る。これにより、小型の構造形態を有するレーザ共振器を実現することができる。なぜならば、ビームウエスト（中間焦点）の形成を省略できるからである。ここでは殊に上記の平行化されたビームが当たるレーザ共振器の平坦な境界面の近くに波長変換結晶を配置することができ、これによって非線形媒体においてビーム強度が増大し、ひいては周波数変換の効率が増大する。ここで「境界面の近く」という表現は、波長変換結晶が、上記の透過性光学素子によって平行化されるレーザビームが当たるレーザ共振器の境界面の近くに配置されることを意味し、しかも反対側の端部においてレーザ共振器を終端する第２のミラー面よりも近く配置されることを意味する。
【０００６】
１つの実施形態において、上記の透過性光学素子は、レーザ共振器の平坦な端部ミラーに隣接して配置される。すなわち、上記の透過性光学素子と、上記の平坦な端部ミラーとの間には別のビーム形成素子は存在しないのである。これによって保証されるのは、平行化されたレーザビームが、上記の平坦な端部ミラーに当たり、この端部ミラーにおいて反射されて戻ることができることである。
【０００７】
択一的な実施形態において、上記の透過性光学素子は、高反射性コーティングを有する平坦な別の面を有しており、この高反射性コーティングは、レーザ共振器を終端している。上記の反射性コーティングは、上記の平坦な端部ミラーを置き換え、またこれによってレーザ共振器の極めて小型の構成形態が可能になる。
【０００８】
別の実施形態において上記の透過性光学素子は、分散レンズである。ここで上記の平坦な端部ミラーないしは高反射性コーティングとは反対側を向いたレンズ面は、凹型に構成されており、これによってレーザ活性固体媒体によって形成される熱レンズが補償される。ここではこの分散レンズの焦点距離は、良好なビーム品質を得ることができるようにレーザ共振器の大きさに依存して決定される。この分散レンズは、波長変換結晶と、端部ミラーないしは端部側の反射性コーティングとの間に配置することができる。
【０００９】
択一的にはレーザ活性固体媒体と波長変換結晶との間に上記の分散レンズを配置することも可能である。この場合には、波長変換結晶は、分散レンズと、端部ミラーないし端部側の反射性コーティングとの間の平行化されたビーム路に配置される。すなわち、最小のビーム直径を有する共振器の領域に配置されるのである。
【００１０】
別の実施形態において、上記の透過性光学素子は、上記の波長変換結晶である。すなわち、この波長変換結晶の一方の側面は凹形に湾曲しているのである。（凸形に）湾曲した面を有する波長変換結晶は、例えばUS2009/0219958に記載されており、この明細書において基本周波数のレーザビームを複数回、非線形波長変換結晶内で反射するために使用される。これとは異なり、本発明では、凹形に湾曲した面は、レーザビームを波長変換結晶内で平行化し、これによって最小化されたビーム直径を得るために使用されている。
【００１１】
１つの実施形態において、上記のレーザ共振器は、（別の）平坦な端部ミラーを有している。すなわちレーザ共振器は、平坦な２つのミラー面によって終端されているのである。平坦な端部ミラーでは同様に、平行化されたレーザビームがそれ自体で反射して戻り、このレーザビームは、波長変換結晶に隣接するレーザ共振器の別の端部の領域において平行化されたレーザビームよりも大きな直径を有する。この（別の）平坦なミラーは一般的にレーザ活性固体媒体に隣接して配置される。すなわち、この平坦な端部ミラーと固体媒体との間には別のビーム形成素子は存在しないのである。
【００１２】
１つの実施形態において上記のレーザ共振器は、パルス状のレーザビームを形成するためにＱスイッチ変調素子を有する。Ｑスイッチ変調素子として、音響光学変調器または場合によっては例えばポッケルスセルのような電気光学変調器を使用することができる。Ｑスイッチ変調素子を省略できることも明らかであり、これは、例えば、レーザ共振器を「連続波」モードで駆動したい場合である。
【００１３】
別の実施形態においてレーザ共振器には、周波数変換されたレーザビームをレーザ共振器から出力結合するための出力結合ミラーが含まれている。この出力結合ミラーは一般的にダイクロイックミラーである。すなわち、このミラーは、例えば基本周波数である第１の波長のビームを透過し、より高次の高調波である第２の波長のビームを反射する（またはその逆の）ミラーである。
【００１４】
本発明の別の利点は、以下の説明および図面から得られる。また上で述べかつ以下でさらに説明する特徴的構成はそれ自体でまたは任意の複数の組み合わせで使用することが可能である。図示しかつ説明する実施形態は、すべてを列挙したものと理解すべきではなく、むしろ本発明の説明するという性格を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザビームを平行化するための分散レンズを有する本発明のレーザ共振器の２つの実施形態を示す図である。
【図２】平行化されたビーム路に波長変換結晶が配置されている、分散レンズを有するレーザ共振器の別の２つの実施形態を示す図である。
【図３】レーザビームを平行化するための波長変換結晶を有するレーザ共振器の別の２つの実施形態を示す図である。
【００１６】
図１ａにはレーザ共振器１が示されており、このレーザ共振器は、平坦な２つの端部ミラー７，８の間で光軸２に沿って順番に、ロッド状レーザ固体媒体３と、Ｑスイッチ変調素子４と、出力結合ミラー５と、波長変換結晶６とを有する。レーザ媒体３において（図示しない）ポンピングビーム源によって基本周波数で励起されたレーザビームは、波長変換結晶６において周波数変換され、レーザ共振器１の光軸２に対して４５°で配置されているダイクロイック出力結合ミラー５を介し、周波数変換されたレーザビーム９ａとしてレーザ共振器１から出力結合される。
【００１７】
レーザ媒体３は、例えば、Nd:VYO4結晶またはNd:YAG結晶とすることが可能である。波長変換結晶６は、非線形結晶、例えば、リチウム・トリボレート（LiB3O5）結晶の形態の結晶であり、この結晶は、基本周波数の第２高調波において、周波数変換されたレーザビームを形成する。Ｑスイッチ変調素子４として、音響光学変調器、または場合によっては電気光学変調器、例えばポッケルスセルを使用することが可能である。
【００１８】
レーザ共振器１において効率的な周波数変換を得るために有利であるのは、上記の非線形波長変換結晶６において、可能な限りに高いビーム強度を形成することである。このために波長変換結晶６は、レーザビームの直径が可能な限りに小さいレーザ共振器１の領域に配置される。
【００１９】
図１ａに示したレーザ共振器１では、固体媒体３は、第１の端部ミラー７の領域またはこれに隣接して配置されている。ここでこの活性の固体媒体３は、熱レンズを形成するため、レーザ媒体３から遠く離れた第２の端部ミラー８の領域においてビーム直径が減少する。したがって波長変換結晶６は、上記の非線形媒体において可能な限りに高いレーザ強度を得るため、第２の端部ミラー８の可能な限りに近く配置すべきである。
【００２０】
しかしながらここでは固体媒体３の上記の熱レンズを補償する必要があり、これは、波長変換結晶６と、平坦な第２の端部ミラー８との間に配置される分散レンズ１０によって達成される。分散レンズ１０は、凹形に湾曲したレンズ面１０ａを有しており、これによって最小のビーム直径を有する平行化されたレーザビーム９ｂが形成される。このレーザビーム９ｂは、平坦な端部ミラー８に当たり、この端部ミラーによって反射されて戻される。
【００２１】
平行化されたレーザビーム９ｂを形成することにより、波長変換結晶６において高いビーム強度を形成することができ、その際にこのためにレーザ共振器１の長さを長くする必要がない。ここでは分散レンズ１０の焦点距離を適当に選択することによって同時に、レーザ共振器１におけるレーザビームのビーム品質を高く維持することができる。
【００２２】
レーザ共振器１の殊に小型の構成が図１ｂに示されている。ここでは第２の平坦な端部ミラー８の代わりに高反射性のコーティング１１が、分散レンズ１０の平坦な面１０ｂに被着されている。したがってこの反射性コーティング１１は、レーザ共振器１の終端になっているのである。このことはさらに、この構造において調整のずれを生じ得るコンポーネントが少なくなり、ひいてはレーザ共振器１が一層安定化するという利点を有するのである。
【００２３】
最小のビーム直径を有する領域に波長変換結晶６を配置するため、図２ａに示したように、択一的には端部ミラー８とは反対側の波長変換結晶６の側に分散レンズ１０を配置することも可能である。この場合、波長変換結晶６は、最小のビーム断面を有する平行化されたビーム路内に完全に配置されるため、波長変換は殊に効率的に行うことができる。レーザ共振器１を終端させるため、図１ｂに類似して波長変換結晶６の平坦面６ｂに反射性コーティング１１を被着して、端部ミラー８を省略することができる（図２ｂを参照されたい）。
【００２４】
択一的には、図３ａに示したように、平行化されたレーザビーム９ｂを形成するため、波長変換結晶６それ自体に凹形に湾曲させた（レンズ）面６ａを設けることもできる。これによって達成できるのは、上記のレーザビームが、波長変換結晶６の全長にわたって最小のビーム断面を有し、ひいては最大のビーム強度を有するため、波長変換を殊に効率的に実行できることである。
【００２５】
図３ａに示したレーザ共振器１の例においても、図３ｂに示したように、波長変換結晶６の平坦な端部面６ｂにおける高反射性コーティング１１によって第２の端部ミラー８を置き換えることができる。図１ｂに示したようにこれにより、殊に小型の構造形態でレーザ共振器１を実現することができる。
【００２６】
ただ１つのレーザ活性固体媒体３の代わりに２つまたはそれ以上のレーザ活性固体媒体をレーザ共振器に設けられることも明らかである。この場合に、例えば、固体媒体の複屈折を補償するために偏光面を例えば９０°だけ回転させる付加的な位相整合素子をレーザ共振器に配置することができる。例えば、フォールディングミラーなどの付加的な光学素子をレーザ共振器１に配置することも可能である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【国際調査報告】
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