(57)【要約】【課題】　振幅安定性の高い、連続波（ＣＷ）、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のソリッドステートレーザを提供する。【解決手段】　ダイオードポンプ式、空洞内非線形変換レーザーは、長さが３０ｃｍより大きい共振キャビティと光軸を画成する少なくとも２つの共振ミラーを備える。共振キャビティに配置されたレーザ結晶と、共振キャビティに配置された非線形変換装置と、レーザー結晶に３％未満の％ＲＭＳノイズを有するポンプビームを供給するダイオードポンプソースと、ダイオードポンプソースに電力を供給する電力供給装置とを備える。レーザークリスタルへのポンプビームは、複数の軸モードを有することが好ましい。また、レーザーはＴＥＭ00モードで動作することが好ましい。【選択図】　　　　　図７
2004048049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　長さが３０ｃｍより大きい共振キャビティと光軸を画成する少なくとも２つの共振ミラーと、
　前記共振キャビティに配置されたレーザー結晶と、
　前記共振キャビティに配置された非線形変換装置と、
　前記レーザー結晶に３％未満の％ＲＭＳノイズを有するポンプビームを供給するダイオードポンプソースと、
　前記ダイオードポンプソースに電力を供給する電力供給装置とを備えたことを特徴とするダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項２】
　長さがＬの共振キャビティと光軸を画成する少なくとも２つの共振ミラーと、
　前記共振キャビティ内に前記共振キャビティの１端部に近接して配置されたレーザー結晶と、
　前記共振キャビティに配置された非線形変換装置と、
　前記レーザー結晶に３％未満の％ＲＭＳノイズを有するポンプビームを供給するダイオードポンプソースと、
　前記ダイオードポンプソースに電力を供給する電力供給装置とを備えたことを特徴とするダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項３】
　長さがＬの共振キャビティと光軸を画成する少なくとも２つの共振ミラーと、
　前記共振キャビティに配置され、広いバンド幅の材料でコーティングされたレーザー結晶と、
　前記共振キャビティに配置された非線形変換装置と、
　前記レーザー結晶に３％未満の％ＲＭＳノイズを有するポンプビームを供給するダイオードポンプソースと、
　前記ダイオードポンプソースに電力を供給する電力供給装置とを備えたことを特徴とするダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項４】
　前記レーザー結晶へのポンプビームは、複数の軸モードを有する請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項５】
　前記レーザーはＴＥＭ00モードで動作する請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項６】
　前記非線形変換装置は、周波数３倍増装置である請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項７】
　前記周波数変換は、周波数３倍増である請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【請求項８】
　非線形結晶の位置は、キャビティのモードを最小にするように選択される請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイオードポンプ式、キャビティ内非線形変換レーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
クロスレファレンス
　本発明は、参考としてここに取り上げる１９９５年２月４日に出願のナイアン氏等の「ダイオードポンプ式の多軸モードキャビティ内倍周波数レーザ(DIODE PUMPED,MULTIAXIAL MODE，INTRACAVITY DOUBLE DLASER)」と題する米国特許出願第０８／１９１，６５６号の一部継続出願である。
　又、本発明は、１９９５年５月１９日（本発明と同じ出願日）に出願のナイアン氏等の「ダイオードポンプ式の多軸モードキャビティ内倍周波数レーザ(DIODE PUMPED,MULTIAXIAL MODE，INTRACAVITY DOUBLED LASER)」と題する別の米国特許出願もクロスレファレンスする。
【０００２】
　本発明は、一般に、ダイオードポンプ式キャビティ内倍周波数レーザに係り、より詳細には、高い振幅安定性を示す多軸モードレーザである連続波ダイオードポンプ式キャビティ内倍周波数レーザに係る。
【背景技術】
【０００３】
　連続波のイオンレーザは、振幅ノイズの低い連続波のグリーンレーザ光の比較的信頼性のある光源であり、多数のワットレベルの出力パワーを発生する。これらの装置は、電気的パワーを光学的パワーに変換するが、その効率は１パーセント未満に過ぎない。多数のワットレベルで、比較的振幅安定性があって、効率が高く、コストが安く、ダイオードポンプ式で、連続波のソリッドステートのグリーン、ブルー、レッド、近赤外線又はＵＶレーザソースの開発により利益がもたらされる分野は多数ある。
【０００４】
　キャビティ内倍周波数ソリッドステートレーザに伴う幾つかの基本的な問題点がベア氏の初期の研究において発見されそして数値的にモデリングされている。
　例えば、Ｔ．ベア著のＪ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ．第３巻、第９号、第１１７５−１１８０ページ（１９８６年）及び米国特許第４，６５６，６３５号及び第４，７０１，９２９号を参照されたい。ＫＴＰのような周波数増倍結晶が振幅安定性多軸モードダイオードポンプ式のＮｄ：ＹＡＧレーザに導入されたときには、グリーン出力ビーム及びキャビティ内赤外線レーザビームに関してレーザ振幅変動が観察されることが報告され、開示されている。又、単一軸モード発振を強制する適当なエタロンをレーザキャビティに配置すると、グリーン出力ビームのレーザ振幅ノイズが消えることも報告されている。２ないし４つのモードが発振する多軸モードの場合には、グリーン出力パワーが１００％までの変調深さで変動することが観察される。ベア氏の実験研究及び理論的モデルは、この多軸モードレーザに周波数倍増結晶を挿入した場合に、和の周波数の発生により赤外線軸モードのロスの非直線的結合が生じることを示している。１つの軸モードにおける高いピークパワーは、他の軸モードに対し高い非直線性ロスを誘起し、予期しない不所望なパルス作用を生じる。
【０００５】
　ベア氏により説明された作用の例として、２つの赤外線軸モードを有するレーザは、３つのグリーン周波数を発生し、その２つは倍周波数モードであり、そして他の１つは、和の周波数モードである。和の周波数プロセスは、２つの赤外線軸モードを、それらが順次にスイッチオン及びオフさせられるように結合する。
　このモード結合の典型的な周期は、非直線性変換の大きさの関数であることが分かっている。弱い変換の場合には、周期が短く、モードの変調は最小となる。強い変換の場合には、モードの結合周期が長くなり、モードは、半周期的形態で互いに完全に位相ずれして高いピークパワーのパルスにおいてオン及びオフにスイッチする。このようなレーザのノイズスペクトルは、通常、グリーン又は赤外線のいずれかに対して１０ないし数百ｋＨｚの範囲で実質的なピークを示し、これは、著しい振幅変動に対応する。
【０００６】
　この形式の振幅変調を伴うソースは、振幅ノイズが低く、ひいては、振幅安定性が高いものとしては一般的に有用ではない。例えば、網膜の光凝固術のような眼科療法に利用する場合には、治療効果を正確にコントロールするために典型的な露光時間という時間スケールで振幅の安定性が要求される。別の例は、グリーンレーザをダイ又はＴｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザのような第２のレーザのポンプとして使用することである。ある周波数における深い振幅変調は、第２レーザの出力に不所望な振幅変調を生じさせる。
【０００７】
　ダイオードポンプ式のソリッドステートレーザのキャビティ内倍周波数出力を安定化するための多数の方法が説明され実証されている。最も一般的な材料は、レーザ媒体としてはＮｄ：ＹＡＧであり、そして非直線性倍増媒体としてはＫＴＰである。このため、最も一般的な形式の位相マッチングは、形式ＩＩである。
　このようなシステムからの倍周波数出力を安定化する試みに使用されている１つの技術は、キャビティ内１／４波長プレートを挿入することを含む（Ｍ．オカ及びＳ．クボタ著のＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．１３．８０５（１９８８年）を参照）。オカ氏の１／４波長技術は、和の周波数発生によって結合されない２つの直交する偏光赤外線固有モード(eigenmode)を生じる。オカ氏の構成は、ある条件のもとでは振幅安定性を示している。しかしながら、出力パワーが高い場合には、この構成は、エタロンの追加を必要とする（Ｍ．オカ氏等の１９９３年アドバンスド・ソリッドステート・レーザ・コンファレンス、論文ＡＭＧＩ）。このシステムは、一度に数時間しか安定しないことが報告されている。この技術ではＫＴＰの温度制御が必須である。キャビティ内倍周波数ソリッドステートレーザの出力を安定化するのに使用される他の技術は、光学的なキャビティ温度制御（１９８９年１１月２８日付けのアンソン氏等の米国特許第４，８８４，２７７号参照）、並びに強制的な単一周波数動作（１９９２年１１月１７日付けのＧ．Ｊ．ルーカス氏等の米国特許第５，１６４，９４７号、及びＷ．ウェイチマン氏等の１９９５年アドバンスド・ソリッドステート・レーザ・コンファレンス、論文ＴｕＤ４及びＷＤ４参照）を含む。
【０００８】
　又、低ノイズ動作を達成する別の方法は、単一周波数動作をベースとするもので、Ｊ．ナイチンゲール氏等は、ダイオードポンプ式のＮｄ：ＹＡＧ及びＫＴＰをもつキャビティ内倍周波数単一方向性リングレーザを開発した（米国特許第５，０５２，８１５号、第５，１３６，５９７号及び第５，１７０，４０９号、並びに1９９４年コンパクト・ブルー・グリーン・レーザ・コンファレンス、締め切り後の論文ＰＤ６）。
【０００９】
　これらの技術は、全て、倍周波数出力が低い振幅ノイズを有すると測定される動作方式を実証するが、全ての場合に、温度のような環境条件の変化に対応する確実で且つコストの低い形態で実施することが困難である。使用される技術は、通常、本来的に振幅不安定なシステムを、そのシステムが安定である狭い範囲のパラメータスペース内に維持しなければならない。単一周波数のキャビティ内倍周波数システムは、出力パワーに不所望な不連続性を招くモードホップに悩まされる。これを回避するために、単一周波数システムは、このようなモードホップに耐えるように設計されねばならない。更に、現在入手できるシステムをより高いパワーへとスケールアップする潜在性に制約がある。
【００１０】
　そこで、能動的な安定化又は単一軸モード動作を必要としない本来振幅安定性のあるキャビティ内倍周波数ソリッドステートレーザを提供することが強く要望される。更に、周囲温度の変化のようなある範囲の環境条件にわたって安定性を維持するこの形式のレーザが要望される。単一周波数システムのように出力パワーに不連続性を示すことのないキャビティ内倍周波数レーザが要望される。又、高いパワーへとスケールアップすることのできる振幅安定性のあるキャビティ内倍周波数レーザが要望される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
　本発明の目的は、振幅安定性の高い、連続波（ＣＷ）、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のソリッドステートレーザを提供することである。
　本発明の別の目的は、パーセント実効値ノイズ（％ＲＭＳ）が広い範囲の動作パラメータにわたって約０．５％未満であるＣＷ、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
【００１２】
　本発明の更に別の目的は、パーセント実効値ノイズ（％ＲＭＳ）が広い範囲の動作パラメータにわたって約０．５％未満であり、Ｎｄ：ＹＶＯ4及びＬＢＯ、Ｎｄ：ＹＶＯ4及び別の非直線性結晶、又はＬＢＯ及び別の利得媒体の組合せを使用するＣＷ、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
【００１３】
　本発明の更に別の目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ4を有し、１ワット以上の倍出力パワーを発生するＣＷ、ダイオードポンプ式、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
　本発明の更に別の目的は、ダイオードバーを使用するダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
【００１４】
　本発明の更に別の目的は、ファイバ結合されたダイオードポンプソースを使用するダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
　本発明の更に別の目的は、強力な熱収束特性を有するレーザ結晶を使用するダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
【００１５】
　本発明の更に別の目的は、レーザ結晶のＴＥＭ00モードサイズより大きなポンプビームスポットをレーザ結晶に使用するダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数のレーザを提供することである。
　本発明の更に別の目的は、ブルー又は紫外線出力を発生する振幅安定性の高いＣＷ、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザ及びキャビティ内３倍周波数レーザを提供することである。
【００１６】
　本発明の更に別の目的は、非直線性の変換機構が、キャビティ内高調波発生、光学パラメータ発振、光学パラメータ発生及び／又は周波数混合を含むようなＣＷ、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内非直線的変換のレーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
　本発明のこれら及び他の目的は、振幅安定性の高い、ＣＷ、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザにおいて達成される。このレーザは、共振キャビティを画成する少なくとも２つの共振ミラーを備えている。共振キャビティにはレーザ結晶及び倍増結晶が配置される。ダイオードポンプソースは、ポンプビームをレーザ結晶に供給し、複数の軸モードをもつレーザ結晶ビームを発生する。これら軸モードは、倍増結晶に入射し、％ＲＭＳノイズが１％未満の倍周波数出力ビームを発生する。
【００１８】
　本発明の倍周波数レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ結晶及びＬＢＯ倍増結晶をもつことができる。レーザの出力パワーは、１ワット以上となる。
【００１９】
　本発明の周波数変換レーザは、（ｉ）共振キャビティに配置された倍増結晶、（ii）共振キャビティに配置された３倍増結晶、(iii)共振キャビティに配置された非直線的な変換装置、（iv）０.５％未満の％ＲＭＳノイズ、（ｖ）０.２％未満の％ＲＭＳノイズ、（vi）０.１％未満の％ＲＭＳノイズ、（vii）ダイオードバー又は複数のダイオードバーであるポンプソース、及び／又は（viii）ファイバ結合されたダイオードポンプソースを含むことができる。
【００２０】
　更に、本発明の倍周波数レーザは、第２レーザのポンプソースでもあり、眼科治療の分野に使用することもできる。多軸モード装置は、他の形態のキャビティ内非直線性変換に使用することもでき、これは、キャビティ内高調波発生、光学パラメータ発生、及び／又は周波数混合を含むが、これに限定されるものではない。
【００２１】
　本発明では、約１０程度から、約２００の、そして好ましくは約１００の非常に多数の軸モードで発振する。この構成では、各軸モードの相対的なパワーが２ないし４軸モードの場合より小さい。それ故、軸モードの非直線的結合の相対的な大きさが減少される。しかしながら、和の周波数発生を介してあるモードを他のモードに結合する統計学的確率は、モードの数が増加されたことにより高められる。本発明では、ベア氏の初期の研究で観察されたスパイク特性は、発振する多数の個々の軸モードのいづれについても観察されない。これは、本発明においては、１つの軸モードが高いピークパワーに到達して他の軸モードに対して高い非直線性ロスを誘起することはないことを示す。従って、本発明は、非常に多数の軸モードの発振を与え、非常に振幅安定性の良い出力ビームを生じる。
【００２２】
　各個々の軸モードは、高い振幅安定性を示さないが、多数の倍増され加算された軸モードの重畳である複合出力ビームは、非常に高い振幅安定性を示す。上記したように、本発明のＲＭＳノイズは、同じ出力パワーレベルの標準的なアルゴンイオンレーザについて測定された値より低い。
【００２３】
　１つの実施形態においては、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶を９Ｗ／結晶までのパワーで長手方向にポンピングするために、ファイバ束結合されたダイオードバーが使用される。ダイオードバーの高速軸発散は、ベア氏の米国特許第４，７８５，４５９号に開示された円筒状のマイクロレンズにより減少され、そしてバーの各放射アレーは、多モード光ファイバに接続される。この高輝度のポンプソースは、１９９２年６月３０日付けのベア氏等の米国特許第５，１２７，０６８号に開示されている。出力パワーは、キャビティ内周波数倍増によりレーザ共振器から抽出される。非直線的結晶は、ルチウムトリボレート又はＬＢＯであり、そして形式１の非結晶位相マッチング（ＮＣＰＭ）を使用することができる。出力パワーは、通常、単一の２０ＷのＣＷ、〜７９７ｎｍダイオードレーザバーからの１６Ｗの入射ダイオードポンプ光に対して約２Ｗ以上である。これは約１２.５％の光学的効率（Ｐout／Ｐincident）に対応する。８５％のファイバ束伝達効率と、４０％のダイオード電気的パワー／光学パワー効率を含むと、Ｎｄ：ＹＬＦを用いたキャビティ内倍周波数レーザのダイオード電気的パワー／光学パワー効率は、４.２５％程度となる。これは、グリーンのイオンレーザソースに対して典型的な１％未満の小さな値に比して大きな数値となる。
【００２４】
　別の実施形態においては、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ結晶（１つ又は複数）をポンピングするのに用いられる２つのファイバ束結合ダイオードバーを使用することによりパワーのスケーリングが達成される。更に、１Ｗより大きな倍増出力及びほぼ回折制限された出力を有するキャビティ内倍増Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザが形成される。高いパワーのＮｄ：ＹＶＯ4実施形態においては、一般に、レーザ結晶のポンプビームサイズがレーザ結晶のＴＥＭ00モードのサイズより若干大きいときに最適な性能が達成される。これは、ポンプビームサイズが一般にＴＥＭ00モードより若干小さいダイオードポンプ式ソリッドステートレーザの古典的モードマッチングの教示とは逆である。モードサイズは、ポンプビームサイズの０.８という程度に小さい。この比が最適な理由は、Ｎｄ：ＹＶＯ4の熱レンズに強力な収差があるためである。
【００２５】
　高パワーのＮｄ：ＹＶＯ4実施形態においては、全ポンプパワーの約２６Ｗがレーザ結晶の励起に使用され、結晶の各端に〜１３Ｗが入射する。又、多数のレーザ結晶を使用することもできる。レーザ結晶（１つ又は複数）により放射されたキャビティ内赤外線ビームの周波数を倍増するのにＬＢＯが使用される。出力パワーは、通常、ＴＥＭ00モードにおいてグリーンで６Ｗ程度であり、これは、約２３％の光学的効率（Ｐout／Ｐincident）に対応する。８５％のファイバ束伝達効率と、４０％のダイオード電気的パワー／光学パワー効率を含むと、キャビティ内倍周波数レーザのダイオード電気的パワー／光学出力パワー効率は、約１６％までとなる。ＴＥＭ00を必要としないか、又は非常に低ノイズであることを必要としない場合には、同じ２６Ｗのポンプパワーに対して８Ｗまでの５３２ｎｍ出力を得ることができ、非常に高い効率を表す。ＴＥＭ00動作については、通常は、孔が必要とされる。低いノイズ即ち高い振幅安定性に対して最適化されるときには、６Ｗの倍周波数出力に対しＲＭＳノイズを０.５％より低くすることができる。通常、出力ビームは、この場合に実質的にＴＥＭ00である。振動又は水冷に関連した音響ノイズを除去することに注意が払われる場合には、約０.２％未満のＲＭＳノイズが達成される。これらレーザの非常に振幅安定性の良い出力は、温度のような環境パラメータに比較的不感である。
【００２６】
　本発明のこれら実施形態において、グリーンの即ち倍増された出力ビームは、実質的に丸いものである。というのは、形式１の非臨界位相マッチング（ＮＣＰＭ）が使用され、これは、当業者に明らかなように、大きな許容角を与えそしてウオークオフを最小にするからである。これは、「ダブルパス構成」が使用されるときに非常に有用である。ＫＴＰのように非ゼロのウオークオフを伴う非直線的な結晶が使用される場合には、ダブルパス構成は、２つの倍増ビーム間に不完全な重畳を生じ、即ち一方のビームは第１パスに発生されそして第２のビームは第２パスに発生される。非直線性の結晶であるリチウムトリボレート、ＬＢＯが使用される。位相マッチング及び効率の倍増は、結晶の温度を１４５ないし１７５℃の付近に最適化することにより最適にされ、１０６４ｎｍないし５３２ｎｍの高調波の変換については、〜１５５℃が典型的である。ある実施形態では、グリーンのビーム及び赤外線ビームは、ほぼ回折制限され、そしてＲＦノイズスペクトルは、約１４０ＭＨｚにおける一次ｃ／２Ｌピーク以外のヘテロダインピークを示さない。これは、レーザが最も低い次数の空間モードで発振することを指示する。１０Ｈｚないし１０ＭＨｚのＲＭＳノイズは、０.５％より低くすることができ、そして０.１％以下にすることもできるが、３％ＲＭＳ以下のノイズであれば有用である。Ｎｄ：ＹＶＯ4実施形態においては、高い振幅安定性を伴うＴＥＭ00動作を確保するために、通常は、孔が使用される。
【００２７】
　非直線的結晶ＫＴＰは、本発明の多軸モード技術に関連したキャビティ内倍増に使用することができる。ナイチンゲール氏等及びウイッチマン氏等により示されたように位相マッチング及び適当な偏光回転を確保するよう注意が払われる。
　これらの技術を本発明の多軸モード倍増と組み合わせることにより、健全な低ノイズの倍出力ビームが得られる。１つの実施形態では、２つのファイバ結合ダイオードバーからの２６ＷのダイオードポンプパワーによりポンピングされるＮｄ：ＹＶＯ4と、ＬＢＯに使用されるものと同様の共振器構成とを使用し、５３２ｎｍの約５ＷのＴＥＭ00出力が、約０．５％ＲＭＳノイズで発生される。ＫＴＰ結晶の配向、角度及び温度は、キャビティの１ラウンドトリップの際の固有モードの偏光を防止する形式１１キャビティ内相互作用に対して最適化されねばならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
　本発明の以下の説明に対し、次の用語定義を使用する。
　「高いパワー」の倍周波数出力とは、１ワット以上の出力パワー（Ｐout）である。
　「高い光学的効率」とは、５％より高い光学／光学効率（Ｐout／Ｐincident,diode）である。レーザ結晶に入射するレーザダイオードからの光学的ポンプパワーは、（Ｐincident,diode）である。ファイバ結合されたダイオードポンプソースの場合には、（Ｐincident,diode）の値は、ファイバにより放射されるパワーである。
　ダイオードポンプ式キャビティ内倍周波数レーザの「高い電気／光学効率」とは、１％より高い効率（Ｐout／Ｐelectrical,diode）である。（Ｐelectrical,diode）の値は、ダイオードに送られる電力の値であって、動作電流とレーザダイオードにまたがる電圧降下の積の形態である。２０Ｗダイオードバーに対する(Ｐelectrical,diode)の値は、通常、ダイオードバーの光学的出力パワーの２.５倍であり、これらのバーは、典型的に、４０％効率である。高い電気的効率のこの推定に対し、ダイオードを冷却するのに必要な電力量は含まれないが、ある場合には、この電力を考慮することが必要である。
　「多軸」モードのキャビティ内倍周波数レーザとは、レーザ共振器において基本的な赤外線波長で約３つ以上の軸方向モードが発振するようなレーザである。
　ある場合には、その数が約１００ないし２００となる。
　「振幅安定性の高い」キャビティ内倍周波数レーザ、又は「高い振幅安定性」をもつキャビティ内倍周波数レーザとは、出力ビームが１０Ｈｚないし１０ＭＨｚのパーセント実効値３％未満を示すレーザである。好ましい実施形態では、このノイズレベルが０.２％程度であり、高い振幅安定性は、低い振幅ノイズと同等である。
【００２９】
　本発明のダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザは、共振キャビティに配置された少なくとも１つのレーザ結晶及び少なくとも１つの倍増結晶を備えている。このレーザは振幅安定性が高く、そして倍周波数出力ビームは高いパワーである。ダイオードポンプソースは、レーザ結晶にポンプビームを供給し、そして複数の軸モードでキャビティ内赤外線レーザ結晶ビームを発生し、これは、倍増結晶に入射して、複数の光周波数において倍周波数出力ビームを発生する。この出力ビームは、振幅安定性が高く、これは、％ＲＭＳが１％未満であり、好ましくは０.５％未満であり、更に好ましくは０.２％未満であり、そして最も好ましくは０.１％未満であることを意味する。レーザは、非常に光学的効率が良く、光学的効率は５％より高く、そして好ましくは１２％より高く、好ましいＮｄ：ＹＶＯ4の実施形態では約２３％である。レーザは、電気／光学効率が良く、電気／光学効率は、１％より高く、そして好ましくは４％より高く、好ましいＮｄ：ＹＶＯ4の実施形態では約８％である。システムは、通常、良質のビームを発生するように構成され、これは、出力パワーの実質的な部分がほぼ回折制限され、即ち実質的にＴＥＭ00であることを意味する。
【００３０】
　図１には、１０５３ｎｍのための境界定めされた定在波共振器１０が示されている。共振器１０は、マルチポート、ダイオードポンプ式のもので、４つのアームを有し、各アームは、それ自身の光学軸を有する。第１のアームは、１０５３ｎｍにおいて高度に反射しそして７９７ｎｍのポンプ波長において高度に透過する高度な反射器１２と、１０５３ｎｍにおいて高度に反射しそして７９７ｎｍにおいて高度に透過する高度な反射器１４とにより画成される。反射器１２と１４の間の距離は、Ｌ１である。共振器１０の第２のアームは、１０５３ｎｍにおいて高度に反射しそして５２７ｎｍにおいて高度に反射する高度な反射器１６と、１０５３ｎｍにおいて高度に反射しそして５２７ｎｍにおいて高度に透過する出力カプラー１８とにより画成される。その長さは、Ｌ２である。長さがＬ３の第３のアームは、高度な反射器１４と、１０５３ｎｍにおいて高度に反射する高度な反射器２０とにより画成される。高度な反射器２０は、本質的に、折り返しミラーである。長さがＬ４の第４のアームは、高度な反射器２０と、出力カプラー１８とにより画成される。このアームには、任意のブルースタープレート３４を配置することができる。この実施形態の光学素子は、１０５３ｎｍ、７９７ｎｍ及び５２７ｎｍに対して特定であるが、明らかなように、これらの光学素子は、ポンプソース、レーザ結晶及び倍増結晶に基づいて他の透過及び反射特性をもつことができる。
【００３１】
　共振器１０の長さはＬであり、４つのアームの全長に等しい。共振器の光学経路長さは、Ｌに非常に近い。これは、良く知られたように、単にキャビティ内の光学的に濃密な材料のために、４つのアームの長さの和とは異なる。例えば、当業者に良く知られたように、所与の波長において長さＬ0及び指数ｎcのレーザ結晶は、ｎcＬ0の光学経路長さを有する。
【００３２】
　第１のアームには、その光学軸に沿って１つ以上のレーザ結晶２２が配置される。適当な結晶は、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧＶＯ4、Ｎｄ：ＹＰＯ4、Ｎｄ：ＢＥＬ、Ｎｄ：ＹＡＬＯ、並びにＮｄ：ＬＳＢ及びＮｄ：ＹＶＯ4を含むが、これに限定されるものではない。好ましい結晶材料は、特に図３ないし７に示されたＮｄ：ＹＶＯ4である。反射器１２及び１４に隣接配置されているのは、一対のレンズ２４及び２６であり、これらは、テレスコープ形態で構成されている。ファイバ結合ダイオードポンプソース２８の出力は、ポンプビーム３０を発生し、これは、レンズ２４及び２６により所望のサイズに収束される。テレスコープ構成は、ダイオードソース２８からのポンプビーム３０を収束する。ポンプビームのサイズは、有用なポンプパワーを増加しながら結晶２２の入射面の破壊を回避するためにレンズ２４及び２６で最適なものにされる。レーザ結晶における赤外線ビームのＴＥＭ00モードサイズ直径は、Ｎｄ：ＹＬＦを使用する実施形態では約１ｍｍであるが、Ｎｄ：ＹＶＯ4を使用する実施形態では約０.５ｍｍである。ポンプビーム直径は、いずれの実施形態でも約０.６ないし０.７ｍｍである。このポンピング構成は、当業者に良く知られたように、長手方向ポンピング又は端末ポンピングである。振幅安定性の多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザは、横方向にポンピングされるシステム又はファイバ結合ダイオードを使用しない直接ポンピングされるシステムへと拡張できることが明らかである。
【００３３】
　ダイオードポンプソース２８は、単一ダイオード、空間放射器、ダイオードバー又は複数のダイオード、或いは高速軸発散を減少した複数のダイオードバーである。適当なダイオードソース２８は、カリフォルニア州、シティ・オブ・インダストリーのオプトパワーコーポレーションから入手できるモデル番号ＯＰＣ−Ａ０２０−７９７−ＣＳである。別の適当なダイオードは、Ｂ０２０で表されるものである。ダイオードポンプソース２８の好ましい波長は、７９５ないし８１５ｎｍの範囲である。特定のレーザ結晶２２のピーク吸収波長は、ほぼ次の通りである。Ｔｍ：ＹＡＧ−７８５ｎｍ；Ｎｄ：ＹＬＦ−７９７ｎｍ；及びＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4−８０９ｎｍ。オプトパワー社の製品番号の「７９７」呼称は、８０９ｎｍの波長が所望されるときには「８０９」となる。現在、良く知られたように、このようなＧａＡ１Ａｓベースのダイオードの出力の波長は、ダイオードの温度を調整することにより同調できる。同調レートは、良く知られたように、約０.３ｎｍ／℃である。
【００３４】
　図１の実施形態においては、２つのレーザ結晶２２が長手方向にポンピングされ、又は端末でポンピングされる。図５ないし７のように、１つの結晶のみを含み、その両端をポンピングすることもできるし、或いは又図３及び４のように、単一結晶２２の片側のみをポンピングすることもできる。図１に示すように、単一のダイオードポンプソース２８が使用される。共振器１０の第１アームの各端に対し、又は図５ないし７の共振器に対し、個別のポンプソースを使用することができる。安定な多軸モードのキャビティ内倍増の原理は、横方向ポンプ型又は側部ポンプ型のレーザへと拡張できることが明らかであろう。
【００３５】
　ダイオードポンプソース２８は、１つ以上の光ファイバ３２に接続される。好ましくは、光ファイバ３２の束が使用される。適当なファイバは、シリカクラッドを伴うシリカコアを有するものであるが、これに限定されない。
【００３６】
　１つの実施形態では、ファイバ束結合されたダイオードバーを用いて、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶が９Ｗ／結晶までのパワーで長手方向にポンピングされる。ダイオードバーの高速軸発散は、ベア氏の米国特許第４，７８５，４５９号に開示されたように、円筒状のマイクロレンズにより減少され、バーの各放射アレーがマルチモードの光ファイバに結合される。この高輝度のポンプソースは、１９９２年６月３０日付けのベア氏等の米国特許第５，１２７，０６８号に開示されている。
　出力パワーは、キャビティ内周波数倍増によりレーザ共振器から抽出される。非直線的結晶は、リチウムトリボレート又はＬＢＯであり、形式１の非結晶位相マッチング（ＮＣＰＭ）を使用することができる。出力パワーは、単一の２０ＷのＣＷ、〜７９７ｎｍダイオードレーザバーからの１６Ｗの入射ダイオードポンプ光に対し通常は約２Ｗ以上である。これは、約１２.５％の光学的効率（Ｐout／Ｐincident)に対応する。８５％のファイバ束伝達効率及び４０％のダイオード電気的パワー／光学パワー効率を含むと、キャビティ内倍周波数レーザのダイオード電気的パワー／光学パワー効率は、約４.２５％となる。これは、イオンレーザソースにとって典型的である１％以内の小さな値に比して大きな数値である。
【００３７】
　共振器１０に任意に含まれるのは、特定の偏光における動作の確保に使用できるブルースタープレート３４又は他の偏光器具である。これは、利得媒体としてＮｄ：ＹＡＧが使用されるときに特に有用である。ブルースタープレート３４は第３又は第４のいずれかのアームの光学軸に沿って配置することができる。第２のアームには、倍増結晶３６が配置される。１つの実施形態では、倍増結晶３６がＬＢＯである。他の適当な倍増結晶は、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ3及びＫＮｂＯ3を含む。ＬＢＯが使用されるときには、加熱素子３８が含まれる。適当な加熱素子３８は、抵抗性ヒータ、又はメルコア社から入手できるサーモエレクトリックデバイス、トレントンＮＪ０８６４８である。
【００３８】
　ＬＢＯ倍増結晶３６は、１.０５３−１.０６４μｍから５２７−５３２ｎｍへと倍増するときに典型的に約１４５−１７５℃の温度で位相マッチングが制御される形式１の非臨界位相マッチング（ＮＣＰＭ）型構成で使用される。典型的な温度は、１５５℃である。ＬＢＯ倍増結晶３６における非臨界位相マッチング（ＮＣＰＭ）の高い受け入れ角度は、高いビームの質及びほぼＴＥＭ00動作を生じるように共振器１０を調整できるようにする。他の形式の位相マッチングは、緊密な収束でビームの質を保持することができず、これは、多空間モード特性又は楕円状の倍増ビームを生じさせる。
【００３９】
　本発明のこれらの実施形態では、グリーン又は倍増出力ビームが実質的に丸いものである。というのは、形式１の非臨界位相マッチング（ＮＣＰＭ）が使用され、これは、当業者に良く知られたように、大きな受け入れ角を与えそしてウオークオフ(walk-off)を最小にするからである。これは、「ダブルパス構成」が使用されるときに非常に有用である。ＫＴＰのように非ゼロのウオークオフを伴う非直線的結晶が使用される場合には、ダブルパス構成は、２つの倍増ビーム間に不完全な重畳を生じ、即ち一方のビームは第１パスに発生されそして第２のビームは第２パスを経て発生される。非直線性の結晶であるリチウムトリボレート、ＬＢＯが使用される。位相マッチング及び効率の倍増は、結晶の温度を１４５ないし１７５℃の付近に最適化することにより最適にされ、１０６４ｎｍないし５３２ｎｍの高調波の変換については、〜１５５℃が典型的である。
【００４０】
　Ｎｄ：ＹＬＦがレーザ結晶２２として使用され、そして結晶２２のポンプビーム３０のサイズが最適化されたときには、キャビティ内の孔をもたずに実質的にＴＥＭ00出力ビームを発生することができる。しかしながら、他の利得媒体が使用されるときには、ＴＥＭ00動作が望まれる場合に、孔を使用しなければならないこともある。
【００４１】
　別の実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ結晶をポンピングするのに使用される２つのファイバ束結合ダイオードバーの使用によりパワースケーリングが達成される。更に、１Ｗより大きい出力及びほぼ回折制限された出力をもつキャビティ内倍増Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザが形成される。高いパワーのＮｄ：ＹＶＯ4実施形態では、通常、レーザ結晶のポンプビームサイズがレーザ結晶のＴＥＭ00モードのサイズより若干大きいときに最適な性能が達成される。これは、ポンプビームサイズが一般にＴＥＭ00モードより若干小さいダイオードポンプ式ソリッドステートレーザの古典的モードマッチングの教示とは逆である。モードサイズは、ポンプビームサイズの０．８という程度に小さい。この構成が最適な理由は、端末ポンプ型のレーザ結晶に強力な収差があるためである。これは、強力な熱収束特性をもつ他の材料（Ｎｄ：ＹＡＧを含むが、これに限定されない）についても言えることである。
【００４２】
　出力パワーは、通常、ＴＥＭ00モードにおいてグリーンで６Ｗ程度であり、これは、約２３％の光学的効率（Ｐout／Ｐincident）に対応する。８５％のファイバ束伝達効率と、４０％のダイオード電気的パワー／光学的パワー効率を含むと、キャビティ内倍周波数レーザのダイオード電気的パワー／光学的パワー効率は、８％程度となる。ＴＥＭ00を必要としないか、又は非常に低ノイズであることを必要としない場合には、同じ２６Ｗのポンプパワーに対して８Ｗまでの５３２ｎｍ出力を得ることができ、非常に高い効率を表す。低いノイズ即ち高い振幅安定性に対して最適化されるときには、６Ｗの倍周波数出力に対しＲＭＳノイズを０.５％より低くすることができる。一般に、この実施形態では、出力ビームは、実質的にＴＥＭ00である。振動又は水冷に関連した音響ノイズを除去することに注意が払われる場合には、約０.２％未満のＲＭＳノイズを達成できる。これらレーザの高い振幅安定性の出力は、温度のような環境パラメータに比較的不感である。
【００４３】
　ある実施形態では、グリーンビーム及び赤外線ビームは、ほぼ回折制限され、そしてＲＦノイズスペクトルは、約１４０ＭＨｚの一次ｃ／２Ｌピーク以外のヘテロダインピークを示さない。これは、レーザが最も低次の空間モードで発振することを指示する。１０Ｈｚないし１０ＭＨｚのＲＭＳノイズは、０.５％より低くすることができ、そして０.１％以下にすることもできるが、３％ＲＭＳ未満のノイズであれば有用である。Ｎｄ：ＹＶＯ4実施形態においては、高い振幅安定性を伴うＴＥＭ00動作を確保するために、通常は、孔が使用される。
【００４４】
　高い振幅安定性は、ＬＢＯ結晶を直角に対していずれかの側に傾斜した場合、ＬＢＯ倍増結晶３６及び／又は高度な反射器１６のＺ位置を並進移動した場合、及びＬＢＯを最適温度の±３℃だけ温度同調した場合にも維持される。これらの調整は、共振器１０の有効な出力パワーの僅かな量を犠牲にするだけである。好ましい実施形態では、ＬＢＯ結晶３６の端がカットされ、そして互いに非平行で且つＬＢＯ結晶３６を通る赤外線キャビティ内ビーム伝播方向に非直角であるように研磨される。ＬＢＯ結晶３６の表面から端ミラー１６に当たるスプリアスな反射は、倍増出力ビームの振幅安定性を低下させることがある。これらのスプリアスビームは、端ミラーに当たり、そしてキャビティの主ビームへと結合されて戻され、不所望な性能低下を生じさせる。これらのスプリアスなビームが主キャビティ内ビームへ結合されて戻されるのを防止するのが重要である。この機能を作用させるために結晶３６と端ミラー１６との間に孔を使用することができる。
【００４５】
　ポンプビーム３０は、レーザクリスタル２２を通過し、イントラ−キャビティ赤外線レーザークリスタルビームが形成される。レーザークリスタルビームはつぎにＬＢＯクリスタル３６の表面に入射する。図１のレーザでは、好ましくは約５０μｍ径のオーダーで小さなウエストがＬＢＯダブリングクリスタル３６の内部に発生する。この結果、ＬＢＯクリスタル３６内に極めて強力な赤外線ビームを生成する。高い強度が必要とされるのは、赤外線をグリーンに変換することによって赤外線強度が非線形に（２乗として）増加するからである。ＬＢＯクリスタル３６は通常イントラキャビティ(intracavity)ダブルド(doubled)レーザに対しては、赤外線およびダブル波長のいずれにおいても耐反射被覆されている。これらの被覆クリスタルは中国のフジアン−キャステク(Fujian-Castech)から入手できる。ＬＢＯクリスタル３６の被覆は１.０６４μｍ未満で、例えば＜１パーセント、好ましくは、＜０.１パーセントといった極めて低い反射率を与えるものでなけばならない。この被覆はまた例えば５３２ｎｍにおいて、例えば、＜１パーセントあるいはそれより良好な極めて低い反射率を与えるものでなければならない。
　さらに、この被覆は、レーザー内の高い平均電力濃度に対処しなければならない。この赤外線レーザークリスタルビームは出力カプラ１８とＬＢＯダブルクリスタル３６との間のレンズを含むことによっておよび合焦電力を有する高リフレクタを使用することによって、極めて小さいウエスト径に合焦される。好適のレンズ４０が赤外線および２倍波長で耐反射被覆されており、焦点距離３０から５０mmを有する。高リフレクタ１６は、約１００mmの曲率Ｒ１を有する。
【００４６】
　赤外線レーザークリスタルビーム（Ｎｄ：ＹＬＦに対しては、波長は１.０５３、ＮｄＹＶＯに対しては、１０６４ｎｍ）がレゾネータ１０の第４アームにおいて２方向に進行する。これは、ＬＢＯダブリングクリスタル３６およびレンズ４０を介して出力カプラ１８から高リフレクタ１６に進み、高リフレクタ１６から反射されてダブリングクリスタルを介して戻る。このＬＢＯクリスタル３６を介したダブルパスの結果として、５２７ｎｍ−５３２ｎｍの出力ビームが発生する。出力カプラ１８が５２７ｎｍ−５３２ｎｍにおいて極めて透過性が高いので、５２７ｎｍ−５３２ｎｍにおける出力ビーム４２がレゾネータ１０で発生する。５２７ｎｍ−５３２ｎｍの光は第４アームでＬＢＯダブリングクリスタル３６に対して右手の５２７ｎｍ−５３２ｎｍ光と左手の５２７ｎｍ−５３２ｎｍ光との２方向で発生する。出力カプラ１８と高リフレクタ１６との間の第４アームのＬＢＯダブルクリスタル３６を位置決めすることによって、ダブルパス幾何形状が形成される。５２７ｎｍ−５３２ｎｍ光が双方向で生成され、出力ビーム４２がこれらのビームの和となるからである。１.０５３−１.０６４μｍおよび５２７ｎｍ−５３２ｎｍビームの相対フェーズは重要である。この２つのビームはクリスタル３６およびミラーを介したダブルパスによって互いにフェーズシフトされる。ミラー１６上のミラーコーティングはさらにフェーズシフトを付加する。
　この効果は公知である。たとえば、コークナー(Koechner，Solid State Laser Engineering，vol.3，p.534)を参照。ネットフェーズシフトは理想的には、この往復の後においては、２πの倍数であり、１.０５３μｍ（１.０６４）ビームと５２７ｎｍ−５３２ｎｍ光はダブルクリスタル３６を介しての第２の往復で位相が符合する。２πの倍数が不完全である場合には、ダブリングクリスタル３６の温度を調整することによって補償することができる。これによって、１.０５３ｎｍビームと、５２７ｎｍビームとの間の全体的な位相整合を効果的に最適化することができる。この技術は、他の波長のペアについても（例えば、１.０６４μｍから５３２ｎｍ、１.３４μｍから６７０ｎｍ、１.０４７μｍから５２３ｎｍ等）についても拡張できることは明らかである。
【００４７】
　図１のレゾネータ１０を用いた実施例では、ファイバ束結合ダイオードバーがＮｄ：ＹＬＦクリスタルに対して８Ｗまでの長手方向のポンプＮｄ：ＹＬＦレーザークリスタル２２に対するダイオードソース２８に用いられている。有用な出力はイントラキャビティ周波数ダブリングを介して抽出され、単一の２０ＷＣＷダイオードレーザーバーからの入力ポンプ光の１６Ｗに対して５２７ｎｍで２Ｗ以上の出力になる。出力ビーム４２は実質的に円形で高品質である。ダブリング効率は、約１４０から１７５℃の好ましい温度からＬＢＯダブリングクリスタル３６の温度を変化させることによって良好に調整することができる。５２７ｎｍ出力ビーム４２と赤外線レーザクリスタルビームの両方がほぼ回折限界となる。
　このＲＦスペクトルは、一定の条件下では、ほぼ１４０MHz でｃ／２Ｌピーク以外のヘテロダインピークは存在しないことを示しており、レゾネータ１０がその最小オーダーの空間モードで振動することを示す。これによって、Ｎｄ：ＹＬＦがレーザークリスタル２２とし使用されているときには、開口なしで達成することができる。しかし、標準の開口が場合によってはＴＥＭ00動作を確実にするために必要となり、Ｎｄ：ＹＬＦが使用される場合には通常は必要となる。
【００４８】
　この実施例では、レゾネータ１０は約１メートルの長さＬを有する。Ｌは全体のレゾネータ１０の光学通路長さである。Ｌは公称ではＬ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４の全体に等しい。さらに、レゾネータ１０は、レゾネータアラインメント、ＬＢＯダブリングクリスタル３６角度およびLＢＯダブリングクリスタル３６温度が基本的にＲＦスペクトルのｃ／２Ｌ周波数における単一ピークとなるように調整されているときに、最小のノイズの大きさを示す。ＬＢＯダブリングクリスタル３６はこの効果対するキャビティモードに関して法線方向の入射からわずかにはずれている。この状態で、１０Hzから１０MHz の範囲を超える標準ＲＭＳｍで測定したとき、％ＲＭＳノイズは３パーセント、好ましくは、２パーセント、もっとも好ましくは１パーセントの低さとなっている。
【００４９】
　さらに、この実施例では、５２７ｎｍ出力ビームおよび１０５３ｎｍレーザークリスタルビームのいずれにおいてもレゾネータの光学スペクトルは、通常少なくとも１０軸方向モードが任意に時間に、１００もの単位で振動し、さらに多くの軸方向モードが振動することを示している。イントラキャビティ赤外線レーザービームのバンド幅は５２７ｎｍが生成するとき、約３５ＧＨｚであり、１００〜２００の軸方向モードが発振することを示しており、一定のアラインメント形態では光学スペクトルは、ＬＢＯダブリングクリスタル３６がエタロンのように動作することを示す構造を持つことができる。ＬＢＯダブリングクリスタル３６を除去すると、赤外線軸方向モードは安定化し、約１０の軸方向モードが発振し、約３０ＧＨｚのバンド幅を有する。ｃ／２Ｌモード間隔は１メートル長さのレゾネータキャビティ１０に対して１５０MHz である。５２７ｎｍ出力ビーム４２は約７０ＧＨｚ以上のバンド幅を有する。
【００５０】
　レーザークリスタル２２からより多くの赤外線出力が発生すると、より多くの周波数ダブル化出力が得られる。Ｎｄ：ＹＶＯ4のような付加的なポンプポートとポンプソースあるいは他のレーザークリスタルによってスケーリングを容易にすることができる。Ｎｄ：ＹＡＧを通常イントラキャビティ偏光装置と組み合わせて使用することができる。本発明者らは高い増幅安定性を得るためには多数の赤外線軸方向モードが発振しなければならないことを見いだした。活性化媒体としてＮｄ：ＹＬＦの場合には、これは、１メートル未満の長いキャビティで達成された。公知のイントラキャビティダブリングのダイオードポンプドレゾネータのキャビティ長さ（すなわちレゾネータ長さ）は通常極めて短く、１０cm以下である。短いことによって、ｃ／２Ｌ軸方向空間が増大し、したがって、通常、レーザークリスタルの有効バンド幅内で発振する軸方向モードの数が減少する。
　バンド幅を増大させる他の技術はＮｄ：ＬＭＡのような広いバンド幅材料を使用することである。長いレゾネータ長さと多くの軸方向モードを与える他のレゾネータ構造が光ファイバを備えたレゾネータ構造である。極めて小さいｃ／２Ｌ空間は適当なカップリングオプティクスを有する長いファイバの、配置されたイントラキャビティによって達成される。
【００５１】
　図３にしめされたレゾネータ４４は図１のレゾネータ１０よりも簡単な形状を有する。レゾネータ４４は高リフレクタ４４および出力カップラ４６によって形成される第１アームを有する。レーザークリスタル２２が第１アームの光軸にそって位置決めされている。ダイオードポンプソース２８は光ファイバ３２あるいは１束のファイバを介してポンプビームを伝送する。レンズ２４および２６はポンプビーム３０に合焦し、したがって、レーザークリスタル２２に入射し、レーザークリスタルビームか発生する。レゾネータ４４の第２アームは出力カプラ４６と高リフレクタ４８によって形成される。レゾネータ４４は、第１および第２アームの全長さに等しい長さＬを有する。光学的ブルースター(Brewster)プレート３４、すなわち偏光装置はレゾネータ４４たとえば第１アームに配置することができる。ブルースタープレート３４あるいは他の偏光装置は特にＮｄ：ＹＡＧが使用される場合には、望ましい。
【００５２】
　レーザークリスタルビームは出力カプラー４６から反射され、ダブリングクリスタル３６に入射する。第２アームは周波数ダブル化出力ビーム４２を発生させるためにダブルパス形状を与える。ＬＢＯがダブリングクリスタル３６として使用される場合には、図示しない加熱エレメントが必要となる。さらに、図３には図示されていないが、レンズがダブリングクリスタル３６と出力カプラ４６との間に設けられる。このレンズを含めるかどうかは、使用されるダブリングクリスタル３６の形態、および高リフレクタ４８および出力カプラ４６の曲率半径および合焦力に依存する。
【００５３】
　レゾネータ５２は、図４に示すように、折り畳みアームを含んでいない。レゾネータ５２は、ダブリングクリスタル３６を介しての赤外線ビームのダブルパス幾何形状を与えるものではない。周波数ダブル化出力ビーム４２の一部は、レゾネータ５２で失われる。繰り返していえば、ダブリングクリスタル３６を介して、周波数ダブル化出力ビーム４２は両方向で発生する。しかし、レゾネータ５２に関していえば、ダブリングクリスタル３６の左側に進む周波数ダブル化出力ビーム４２の一部は失われる。
【００５４】
　図５に示すように、電源が設けられ、ダイオードモジュールと協働する。各ダイオードモジュール２８は、２０ワットダイオードバーであり、オプトパワー(OptoPower)から市販されている。ダイオードモジュール２８は、ファイバ束３２に結合されている。各ファイバ束３２は、迅速遮断装置を有するレゾネータに接続されている。迅速遮断装置はレンズ２４および２６の近傍に設けられており、各ファイバ束３２の出力をＮｄ：ＹＶＯ4クリスタル５６に像形成する。この像形成は、標準光学的被覆に覆われ、約８０９ｎｍのポンピング波長で極めて高い透過性を有する一方で１．０６４ミクロンのイントラキャビティ波長では高い反射性を有するポンプウインド５８および６０を介して達成される。標準多層誘電被覆が使用され、コンポーネントアンドアクセサリーズオブスペクトラ−フイジックスレーザース(Components and Accessories Group of Spectra-Physics Lasers)マウンテンビュー、カリフォルニアから市販されている。ポンプソース２８はＮｄ：ＹＶＯ4クリスタルの長手方向軸に沿って法線方向に推進する。レゾネータのＮｄ：ＹＶＯ4クリスタルの周辺領域は”Z"形状をなし、ミラー２８は、レゾネータの赤外線部分の終わりの部分に配置される。装置６８は、レゾネータの最小オーダー空間モードでの動作を確実にするために使用される。ミラー６２は、１０６で極めて高度の反射性を有しており、約６０cmの曲率を有する。
【００５５】
　ミラー５８および６０は、フラットであり、該ミラー５８および６０で形成されるＺ形状は赤外線モジュール６７あるいは赤外線レーザーの形態を取ることができ、ここでは出力カプラは取り除かれている。赤外線モジュール６７は、つぎにより大型のレーザーに挿入される。しかし、別々の赤外線モジュール６７を含める必要のないことを理解されたい。代わりに、ミラー５８、６０および６２を含めることかできる。ビームパスに続いて、ミラー６４に到達する。このミラーは局面であってもフラットであってもよい。ミラー６４は、１０６で高い反射性を有する。
【００５６】
　イントラキャビティ赤外線ビームはミラー６８に伝播する。このミラーは、グリーンで高い透過性を有し、１．０６４ミクロンで高い反射性を有する被覆ミラーである。ビームは、つぎに、イントラキャビティ赤外線ビームを正確にＬＢＯクリスタル３６に合焦するレンズ７２を通過する。繰り返して述べると、ＬＢＯ３６は、ヒータ３８上に配置されており、ＬＢＯクリスタルの内部に高電力濃度を形成する。ＬＢＯあるいは他のダブリングクリスタルは通常くさび止めされているか、あるいは、その表面から反射される任意のビームの不要なフィードバックを阻止できるようになっている。このことは、増幅安定性のある、イントラキャビティダブリングにとって好ましいことである。赤外線ビームは、極めて小さいウエストを有しており、ＬＢＯクリスタル３６を通過して、ミラー７０に到達する。このミラー７０は、５３２ｎｍおよび１.０６４ミクロンで極めて反射性の高い２重リフレクタである。赤外線ビームはその後これが来た方向に戻り、したがって、レーザーキャビティを形成する。また、ＬＢＯクリスタル３６を介して第１パス上の発生するグリーンを反射して戻す。グリーンは次にレンズ７２を通過して、出力カプラ６８を介してキャビティからでて、出力ビーム４２のなかに入る。出力ビーム４２は、６、５、４、２、あるいは１ワットとすることができる。図５は、ダブルパス形状を示しており、赤外線ビームは、ＬＢＯクリスタル３６を介して左右に通過し、グリーンを発生させる。ミラー７０は、左方向に進むグリーンを反射させ、つぎに、右方向に進むグリーンを反射する。この場合、その双方は、レゾネータ４４からビーム４２として出ていく。
【００５７】
　図６を参照すると、２ポート、ダイオードポンプド、多重軸モード、イントラキャビティ周波数ダブルドレーザー活用Ｎｄ：ＹＶＯ4およびＬＢＯが図示されている。図６のレーザーは、ｉ）例えば、約０．６メートルのように図５のレゾネータよりも短く、かつii）より単純にすることができる。これは、１つ少ないミラーおよび１つ少ないレンズを有する。図５のレンズ７２およびミラー６４は、図６には含まれていない。出力ビーム４２は、出力カプラ７４を通って異なる方向に進む。出力カプラ７４は、かなり強い曲率を有しており、グリーンについては高い透過性を有し、赤外線に対しては高い反射性を有する。繰り返していうと、図５に示すように、ミラー５８、６０、および６２は、別々の赤外線モジュール６７に組み込まれている。
【００５８】
　非線形クリスタルＫＴＰ３６は、位相の整合性と適当な偏光回転効果の両方を保証するように考慮した場合には、本発明の関して有効に使用することができる。基本的な赤外線ビームの偏光回転がＫＴＰの複屈折のために生じる。この場合ＫＴＰは周知のように多重オーダーウェーブプレートとして作用する。この効果は、ＫＴＰが使用される場合には効率的で、安定なイントラキャビティダブリングとなるように制御しなければならない。たとえば、ナイティンゲール(Nightingale)およびウエイクマン(Weichmann)等を参照。これは、ＫＴＰクリスタルを最適タイプIIダブリングの方向に回転させ、最大周波数変換を行うように角度調整し、ＫＴＰクリスタル３６を温度制御して、形成された偏光状態を有するレーザーキャビティの固有モードに符合する形成された偏光回転を有するレーザーキャビティに符合する単一およびダブルパス偏光回転を行うようにすることによって達成することができる。たとえば、固有モードがレーザークリスタル媒体内の形成された偏光状態を有する場合には、上記ＫＴＰクリスタルの単一およびダブルパスおよび他のイントラキャビティエレメントはレーザーキャビティの１つの往復行程によって同じ偏光状態を与えるように配置されていなければならない。１のケースでは、偏光はゲイン媒体で線型（垂直あるいは水平）である。他の偏光状態は、オカ等に記載されているように使用することができる。
【００５９】
　これらと同じ技術を多軸モードケースに適用するが、増幅安定出力を発生するための高い多軸モードダブリング技術の使用についてはこれまで、他人によっては示されていない。本発明の１実施例では、図５および６と同様の２つのファイバ結合ダイオードバーとレゾネータ形態からのダイオードポンプパワーの２６ＷでポンプアップされるＮｄ：ＹＶＯ4を使用して約５ＷのＴＥＭ00出力が約０.５％ＲＭＳノイズで発生する。
【００６０】
　図７は、Ｎｄ：ＹＶＯ4およびＬＢＯを用いた２ポート、ダイオードポンプド、多軸モード、イントラキャビティ周波数ダブルドレーザーの概略ダイヤグラムであり、さらに周波数トリプリングクリスタル８０を備えている。トリプリングクリスタル８０は、ヒータ８２に装着されており、ＬＢＯクリスタル３６に近接して配置されている。ミラー７６は、３色性であり、１.０６４ミクロンで高い反射性を有し、５３２ｎｍおよび３５５ｎｍで高い透過性を有する。対向するミラー７８は３つの波長の高リフレクタであり、たとえば、１.０６４ミクロン、５３２ｎｍおよび３５５ｎｍで高い反射性を有する。図７の実施例では、出力ビーム４６は、ＵＶビームである。他の形態では、２以上のＵＶビームを発生することができる。トリプリングクリスタル８０は、ＬＢＯとすることができるが、別の材料とすることもできる。クリスタル８０は、ＬＢＯクリスタル３６とは異なる角度でカットされており、異なるタイプの位相符合を達成するようになっている。すなわち、１０６４および５３２ｎｍのダブリングとは位相符合しない。
　その代わり、１０６４および５３２ｎｍの合計に位相符合し、３５５ｎｍで最高のＵＶビームを発生する。ＬＢＯクリスタル３６およびクリスタル８０はもっとも近接した関係で配置されている。このモードが最小であるからである。非線形トリプリングプロセスを高めるためには、グリーンおよび赤外線のいずれにおいても高い強度のものを発生することが望ましい。
【００６１】
　図８を参照すると、多軸モード、イントラキャビティダブルドレーザーはＴｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザーに限定されないが、これを含む第２レーザーのポンプとして使用されている。図８に図示されたレーザーは電源８４、ダイオードポンプソース８８、多軸モードイントラキャビティダブルドレーザー９０、ダブルド出力ビーム９２、オプショナル光学装置９４、所望の出力ビーム９８を発生する第２レーザー９６を備えている。
【００６２】
　図９を参照すると、電源供給およびシステムコントローラ１００、電源１１２、ダイオードポンプソース１０４、多軸モードイントラキャビティダブルドレーザー１０６、光学装置１０８、これに限定されないが光ファイバ装置、付加的な光ファイバ装置１１２を含むビーム供給装置１１０、外科医のための拡大レンズ／光学システム１１４、スリットランプ１１６およびミラーの他の光学装置を備えたレチナル(retinal)フォトコアギュレーター(photocoagulator)が示されている。
【００６３】
　本発明は、低増幅ノイズを有するダイオードポンプド、多軸モード、イントラキャビティダブルドレーザーである。これは、たとえば１０場合によっては〜１００もの複数の多軸モードを発振させることによって達成される。１つの実施例では、長いレゾネータ構造によって該多軸モードが形成される。レゾネータの長さは０.３メートルから２メートルの範囲とすることができる。他の技術を多軸モード動作に使用することもできる。たとえば、レーザークリスタル２２をレゾネータの一端に極力近づけて配置し、レーザークリスタル２２が一端に近づくと最大となる空間ホールバーニングの効果を利用することができる。レーザークリスタル２２の材料は、２、３百のＧＨｚのオーダーで広いバンド幅を有しており、多数の軸モードを発生させるのに用いることができるものである。
【００６４】
　グリーン出力ビームについて記載しているが、ブルー、レッド、近似赤外線および他の波長のビームも、レーザーおよびダブリングクリスタルの選択によりも可能である。
特に説明された実施例における変更および修正が添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図する本発明の範囲から逸脱することなく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】振幅安定性の高いマルチポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザ共振器を示す概略図である。
【図２】図１に示すレーザ共振器の入射光学入力パワーの関数として倍周波数出力パワーを示すグラフである。
【図３】振幅安定性の高い単一ポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す概略図である。
【図４】発生された倍周波数光の一部分が失われる振幅安定性の高い単一ポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す概略図である。
【図５】Ｎｄ：ＹＶＯ4及びＬＢＯを用いる２ポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す概略図である。
【図６】Ｎｄ：ＹＶＯ4及びＬＢＯを使用するが、図５のレーザより少数のミラー及び光学素子を用いた２ポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す概略図である。
【図７】Ｎｄ：ＹＶＯ4及びＬＢＯを使用し、更に、周波数３倍増結晶を含む２ポート、ダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す概略図である。
【図８】Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3のような別のレーザのポンプソースとして使用されるダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを示す回路図である。
【図９】レーザソースとして使用されるダイオードポンプ式、多軸モード、キャビティ内倍周波数レーザを組み込んだ網膜の光凝固システムを示す回路図である。
【符号の説明】
【００６６】
10　共振器
12,14,16　反射器
18　出力カプラー
22　レーザ結晶
24,26　レンズ
28　ダイオードポンプソース
30　ポンプビーム
32　光ファイバ
34　ブルースタープレート
36　増倍結晶
38　加熱素子
40　レンズ
42　出力ビーム
44,52　共振器
46　出力カプラー
58,60,62　ミラー
67　赤外線モジュール
68　出力カプラー
72　レンズ
76,78　ミラー
80　周波数３倍増結晶
82　ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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