(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムで使用するための光学装置において、
（ａ）熱伝導性ハウジングと、
（ｂ）第１および第２の表面を有し、それら第１および第２の表面の平面を実質上横断する方向にレーザエネルギを伝播するために前記熱伝導性ハウジング中に配置された少なくとも２つの非線形の光透過性の光学素子と、
（ｃ）光透過性のヒートシンクを構成している少なくとも１つの複屈折の光透過性ウィンドウとを具備し、前記各ウィンドウは前記結晶内の複数のレーザ波長間に分散が存在しないようにそれぞれカットされ方位付けされ、２つの前記光学素子により挟まれるように前記各光学素子に隣接して配置され、
前記複屈折の光透過性ウィンドウの縁部は前記熱伝導性ハウジングに結合され、その複屈折の光透過性ウィンドウの両側に配置されている前記２つの非線形の光学素子の縁部は前記熱伝導性ハウジングとは間隔を隔てて配置されており、それによって前記各光学素子中で発生された熱はレーザエネルギの伝播方向に平行な方向で前記複屈折の光透過性ウィンドウに導かれ、それから前記ハウジングに受動的に導かれることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光学装置はさらに１または２の最も外側の光透過性ウィンドウを含んでおり、それらの各光透過性ウィンドウは一番外側に位置する非線形光学素子の外側の表面に隣接して配置されている請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記各非線形光学素子と前記各光透過性ウィンドウ間に位置されたギャップをさらに備えている請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記ギャップにはガスが充填されている請求項３記載の光学装置。
【請求項５】
前記ギャップは熱伝導性の材料で充填されている請求項３記載の光学装置。
【請求項６】
前記各非線形光学素子は第２高調波発生レーザ結晶を具備している請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記各非線形光学素子は同一であり、ＬｉＢ3 Ｏ5、β−ＢａＢ2 Ｏ4、ＫＴｉＯＰＯ4からなるグループから選択されている請求項６記載の光学装置。
【請求項８】
前記各複屈折性の光透過性ウィンドウは、
（ａ）式    ｎo+（２ω）＜ｎe+（ω）
により与えられる非分散基準を有する正の単軸結晶、または、
（ｂ）式    ｎo-（ω）＜ｎe-（２ω）
により与えられる非分散基準を有する負の単軸結晶のいずれかで構成されており、
ここで、ｎoは所定の波長における結晶の正常屈折率であり、ｎeはその波長における結晶の極端な異常屈折率であり、“＋”は前記正の単軸結晶を示し、“−”は前記負の単軸結晶を示し、ωはレーザ動作の周波数である請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記各複屈折性の光透過性ウィンドウは同一であり、（ａ）ＭｇＦ2、ＬｉＦ4，ＧｄＶＯ4からなるグループから選択された正の単軸結晶、または（ｂ）ＬｉＮｂＯ3、ＮＹＡＢ、ＰｂＭｏＯ4からなるグループから選択された負の単軸結晶のいずれかである請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記各複屈折の光透過性ウィンドウは双軸結晶を具備している請求項１記載の光学装置。
【請求項１１】
前記各光学素子は基本的にリチウムトリボレートから構成され、前記複屈折性の光透過性ウィンドウは基本的にＭｇＦ2 から構成されている請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザシステムにおいて使用されるマルチプル（少なくとも２つ）非線形結晶の光学素子の冷却技術に関し、特にレーザシステムで使用するための伝導性の面冷却された非線形光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非線形材料における周波数変換プロセスは、吸収のために非線形材料媒体内に熱を発生する。周波数変換器が実効的に大きなパワーで動作するならば、この熱は除去されなければならない。
【０００３】
レーザシステムで使用される固体状態の結晶材料で熱を除去する１方法は、レーザエネルギ伝播の方向を横切る方向において材料の側面から熱を除去することである。横切る方向による熱の除去はこの方向で熱勾配を発生する。これは２つの問題を発生する。第１の問題は熱−光の応力と屈折率変化がレーザビームを歪ませる熱収差を生じることである。第２の問題は、ほとんどの周波数変換材料では、例えばレーザビームの伝播方向を横切る方向の温度変化は非常に小さい許容範囲内に維持されなければならないことである。この方向における熱勾配の存在はレーザシステム設計で許容される開口の寸法およびパワー負荷を著しく制限する。
【０００４】
米国特許第5,363,391 号明細書（発明の名称“Conductive Face-Cooled Laser Crystal”、Steven C. Mathews 、1994年11月８日）は光透過性の表面を経てレーザシステムの光学素子から熱を受動的に除去する技術を開示し権利を請求している。熱は光学素子の光透過性の表面に隣接して位置される光透過性の熱伝導媒体により除去される。熱は光放射の伝播方向に平行な方向で光学素子から外部に転送され、したがって熱勾配に関連する問題を最小にする。非線形周波数変換結晶およびレーザ結晶のような光学素子を使用する装置はさらに良好な性能を実現するために熱管理方法を使用してもよい。熱は直接の接触、または光学素子と熱伝導媒体との間に位置された狭いガス充填ギャップを通って熱伝導媒体に転送される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は意図する使用には非常に適しているが、ある残りの問題を克服するための改良が探求されている。特に、この発明は面冷却媒体として典型的な分散材料の使用を開示している。しかしながら、２以上の結晶が、例えば効率的な第２の高調波発生（ＳＨＧ）のためにに使用されるとき、分散媒体は面冷却媒体の出力において基本および第２高調波ビームの位相をずらす（相互に関して位相がずれる）。第２の結晶が面冷却媒体の隣に位置されるならば、ランダムな位相は第２高調波から基本波への変換を生じさせ、ＳＨＧプロセスの効率を減少する。この問題は基本波および第２高調波の位相を再度合せるために空気の分散特性を使用することによって早期の多結晶のテストベッドで克服された。しかしながら、この方法は各個々の製品で異なる空気路により面冷却された結晶モジュールを分離することと、間隔（多センチメートルの付加的なビーム路）を必要とし、製造の複雑性（結晶間隔のアクティブな調節）を付加する。
【０００６】
したがって、米国特許第5,363,391 号明細書で考察したような面冷却方法を与える必要があるが、結晶間で空気路の位相を再度合せる必要なく主として第２高調波の生成に使用される多数の非線形結晶フォーマットで使用する必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、米国特許第5,363,391 号明細書に記載された面冷却方法は、結晶間の空気路の再位相合せの必要なく主として第２高調波の生成に使用される多数の非線形結晶フォーマットで使用される。各結晶内の基本波長と第２高調波波長の間に分散が存在しないように１以上の複屈折結晶がカットされ、方位付けされる。複屈折結晶はその後、２以上の非線形結晶間に挟まれて面冷却媒体として使用される熱伝導性ハウジング中に配置される。多数の結晶アセンブリはさらに複屈折または非分散性である必要がない光透過性のウィンドウ間に挟まれてもよく、これらのウィンドウは最も外側の非線形結晶を保護および／または付加的な面冷却を行うために使用される。これは基本周波数および第２高調波周波数における吸収によって非線形結晶で発生された熱を面冷却媒体へ縦方向（ビーム伝播方向）へ流れさせ、それによって非線形結晶の任意の横断方向の熱勾配に付随する位相のずれによる損失を最少にする。結晶は米国特許第5,363,391 号明細書に記載されているように非常に小さいガス充填ギャップを有してドライスタックされ、適切な屈折率の液体またはゲル中に浸漬され、適切な光学セメントで結合され、光学的に接触され、または共に拡散結合されて複合結晶体を形成する。例えばＭｇＦ2 は特別なケースとして使用されるが、本発明は１つの特定の媒体に限定されない。他の適切な候補が列挙されるが、これは任意の手段による徹底的なリストではない。
【０００８】
特に、レーザシステムで使用するための光学装置が提供されその光学装置は、 （ａ）熱伝導性ハウジングと、
（ｂ）第１および第２の表面の平面に対して実質上横断方向にレーザエネルギを伝播するための熱伝導性ハウジング中に位置された第１および第２の表面を有する少なくとも２つの非線形の光透過性の光学素子と、
（ｃ）前記非線形光学素子内で生じる非線形の相互作用に含まれる光フィールド間に分散が存在せず、光透過性のヒートシンクを構成するようにカットされ方位を定められており、それぞれ２つの非線形の光学的素子により挟まれるように各非線形光学素子に隣接して位置されている少なくとも１つの複屈折の光透過性のウィンドウと、（随意選択的に）
（ｄ）光透過性のヒートシンクを構成し、それぞれ最も外側の非線形光学素子の露出された面に隣接して配置されている１または２の光透過性のウィンドウ（外側ウィンドウは複屈折または非分散のための方位を有する必要はない）とを具備している。
【０００９】
光学素子で発生された熱はレーザエネルギの伝播方向に基本的に平行な方向で光透過性のウィンドウに受動的に導かれ、この光透過性のウィンドウを通ってハウジングへ導かれる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
高パワー非線形変換、特に周波数２倍化とも呼ばれる第２高調波発生（ＳＨＧ）技術はかなり開発されている。ＳＨＧは、固体レーザの近赤外線出力をコンパクトで効率的で信頼性のある基本波レーザ源が存在しないスペクトルを可視および近ＵＶ領域に変換する手段として有効である。１つの現代の顕著な応用は地上からの衛星イメージングであり、これは周波数を２倍化されたＮｄ：ＹＡＧまたはＹｂ：ＹＡＧレーザで最良に行われる（ＹＡＧはイットリウムアルミニウムガーネットである）。幸いなことに、最少の吸収で緑（green ）への良好な変換を行う非常に堅牢な多数の非線形結晶が存在する。
【００１１】
表Ｉはこれらの応用に対する３つの結晶の候補の特性を列挙しており、適切な平均パワー（５０Ｗ以上）動作で、低いウォークオフ角度で、高い非線形係数で、広い受光角度で、良好な透過性（β−バリウムボレート（β−ＢａＢ2 Ｏ4 またはＢＢＯ）に匹敵することが想定されるが測定されていない）を有するリチウムトリボレート（ＬｉＢ3 Ｏ5 またはＬＢＯ）のすぐれた特性を示している。以下の解析では、位相がＬＢＯに一致しているタイプＩは上質の結晶と想定され、これは基本波と第２高調波のフィールドが直交偏波を有することを必要とする。表Ｉで、ＫＴＰはカリウムチタニルホスフェートＫＴｉＯＰＯ4 である。
【００１２】
表Ｉ．１μｍから適度のパワー変換をするための候補ＳＨＧ材料の特性
0004741148.tif 000002
【００１３】
1980年代後半、ヒューズ・エアクラフト社（本発明の前出願人）は、ビームに垂直な面を通してサファイアのような高い熱伝導性の結晶への熱伝導冷却を使用して、非線形結晶内の基本波および／または第２高調波ビームの吸収によって発生された熱を除去する新しい方法を開発した。これは非線形結晶を通って熱が縦方向に流れることを容易にする。縦方向の勾配は４分の１の横断方向勾配の位相のずれを生成し、多数の結晶では、位相のずれは累積しない。高い平均パワーの非線形プロセスにおける位相のずれに関する問題は文献によく説明されているのでここでは反復せず例えば文献（D. Eimerl の“High Average Power Harmonic Generation”、IEEE Journal of Quantum Electronics 、QE-23 巻、No.5、575-592 頁、1987年５月）に記載されている。その時点では、非類似の結晶の拡散結合は考慮されておらず、それ故、冷却している結晶と非線形結晶は物理的に分離され、熱伝導路は結晶間の小さい停滞したガス充填ギャップを通過して行われた。
【００１４】
図１は米国特許第5,363,391 号明細書に開示され請求されているような、伝導性の面冷却された結晶を示している。特に、図１はアルミニウムまたは他の金属ハウジング14に固定されている結晶12を具備するレーザシステム10の一部を示している。結晶12は非線形周波数変換結晶を含んでいてもよい。ハウジング14はまた金属以外の熱伝導性の材料から作られてもよい。レーザ光の伝播方向は矢印16により示されている。
【００１５】
ＫＴｉＯＰＯ4 （ＫＴＰ）結晶等の非線形高調波発生結晶である結晶12は、そのクリア開口を構成する光表面12ａを経て隣接する熱伝導媒体18への熱伝導を使用して冷却される。典型的な熱伝導媒体18は例えばサファイアの光学ウィンドウを具備してもよい。熱は（矢印により示されているように）直接接触により熱伝導媒体18へ転送され、それによって結晶12は各熱伝導媒体18の隣接表面18ａと接触して位置される。
【００１６】
代わりに、実際に示されたように、熱は光学表面12ａと各隣接する熱伝導媒体18の間に位置された狭いガス充填ギャップ20を通じて転送されてもよい。ガス充填ギャップ20は典型的に０．０００２５インチ程度の厚さである。ギャップ20で使用されるガスはレーザの動作環境に応じて、空気または窒素、または他の適切な透過性ガスであってもよい。ギャップ20はＯリング、誘電体スペーサ、またはシム22を結晶12と熱伝導媒体18との間に位置することにより形成されてもよい。誘電体スペーサ22は薄膜を熱伝導媒体18の表面へ付着することにより形成されてもよい。結晶12は図１で示されているように、結晶12の上部および下部エッジと、ハウジング14の隣接部分との間のギャップ24によりハウジング14から熱的に絶縁されている。
【００１７】
ほぼ同時にヒューズ・エアクラフト社は前述した熱伝導性の面冷却概念を開発し、タンデム、直角、交互に反対の結晶軸（ＡＲＣＡまたはAlternating-Z ）を含むＳＨＧのための種々の多結晶フォーマットが研究され、これらは連続的な結晶の結晶軸の方向付けにおいて異なった。多数の結晶フォーマットの背後にある理論は文献によく説明されているのでここでは反復せず、例えば文献（V. D. Volosov の“Suppression of Degenerate Parametric Processes Limiting Frequency Doubling Efficiency of Crystals ”、Soviet Journal of Quantum Electronics 、6 巻、No.10 、1163−67頁（1976年10月））と、文献（L. D. Siebert の“Multiple-crystal High-efficiency Frequency Conversion for Long-pulse Lasers ”、Technical Digest. Conference on Lasers and Electro-optics 、paper THK26 （1987年））と、文献（M. A. Nortonの“KD*P Frequency Doubler for High Average Power Applications”、SPIE 1223 巻。Solid State Lasers、75−83頁（1990年））を参照する。これらの方式では、続いての結晶内の良好な変換を確実にするために第２高調波フィールドを基本波フィールドへ再度位相を合せる方法を開発することが必要であった。例えばサファイア冷却結晶は結晶の長さ６２μｍ当り２πラジアンで１．０６μｍと１．５４μｍの間の分散を有する。６２μｍの整数倍である長さを与えるように正確に結晶を製造しようとするのではなく、研究者は冷却結晶の分散をオフセットするＳＨＧモジュール間の空気路を付加し、モジュール間の距離をこの許容度に制御することが一層容易である。問題は、必要な空気路の距離が０ｃｍから１２．１ｃｍ程度であり、これは研究室で設定し微同調することは容易であるが、コンパクトな生産可能なハードウェアの設計では現実的な問題を生じる。サファイアの厚さをマイクロメートルの許容度に機械加工することは可能であるが、これは高価でやや温度に対して敏感である。適切な平均パワーのレーザでは、熱負荷を分割して縦方向の勾配を最少にするために多数の非線形結晶セグメントを使用することが望まれる。これは空気路の再度の位相合せによって実際的ではなく、冷却結晶の厚さ制御方法で許容度の強化範囲を増大させなければならない問題を生じる。
【００１８】
本発明は、基本波および第２高調波波長間で分散しない面冷却用の結晶を使用することによって、個々の同調された空気路と正確な厚さ制御の必要性をなくし、それによって面冷却結晶の長さにかかわりなく２つのフィールドは位相が合せられた状態に維持することを確実にする。
【００１９】
この方法は、高い輝度（５０ワット以上の平均パワー、２倍以下の回折の限定されたビーム品質）の可視ビームを生成するために近赤外線の固体レーザ装置からのレーザ放射の周波数を２倍にするために使用されることができる。それ故、この方法は例えば短い波長動作が有効である衛星イメージングおよびレーザ通信と、海洋伝播用の青−緑光を必要とする種々の船の応用に適用可能である。この方法はまた、光パラメータ発振（ＯＰＯ）と光パラメータ増幅（ＯＰＡ）を含む結晶中のその他の非線形プロセスに使用されることができ、これらは面冷却およびマルチ結晶フォーマットの使用によって改良されている。それ故、この方法は、例えば波長の同調能力を必要とする近ＵＶで赤外線およびレーザ誘導蛍光分光学における異なる吸収および拡散を使用して化学／生物学検出に応用可能である。
【００２０】
本発明は、２つの高調波光フィールド間の分散がゼロにされることができるように、ある複屈折結晶がカットされ方位付けされることができる事実を認識することによって前述の再度位相を合せる問題を解決する。ここで説明したような非分散光学素子による主な利点は、厚さの許容度が完全に緩められ、容易に製造され実行されるさらに簡単で廉価な設計が得られることである。これはサファイアを通過するビームの位相のずれを正確に補償するために空気路の距離が特に特別な値に制限されたサファイアと空気を使用する従来技術とは対照的である。
【００２１】
１つの特定の光軸（いわゆるｃ軸）を有する単軸結晶の特別なケースの詳細な説明を本発明を簡単に直接的な方法で示すように以下説明する。双軸結晶（ｎx ≠ｎy ≠ｎz ）も可能な候補であるが、より複雑であり、このセクションの最後に簡単に説明する。
【００２２】
ｎe がｎo よりも大きいか小さいかに応じて、２つのタイプの単軸結晶が存在し、ｎo は（ｃ軸に垂直な伝播に対する）所定の波長における正常屈折率であり、ｎe はその波長における非常に異常屈折率である。正の単軸結晶はｎo よりも大きいｎe を有し、負の単軸結晶はｎo よりも小さいｎe を有する。これらの２つのケースは非分散に対して２つの異なる状態を規定し、ここでは異なる屈折率の以下の項目が表IIとIII で示されているように規定される。
表II. 正の単軸表示
0004741148.tif 000003
表III.負の単軸表示
0004741148.tif 000004
【００２３】
“＋”と“−”の上付き文字は正および負の単軸の場合をそれぞれ示している。基本周波数ωの屈折率を第２高調波の周波数の屈折率２ω（即ちゼロ分散）に一致させるために、光軸に関する適切な伝播波ベクトルは、結果的な屈折率ｎe （θ）が他の周波数の正常屈折率と同一であるように選択されなければならない。即ち１つの周波数の正常屈折率は他の周波数の正常屈折率と異常屈折率との間に位置しなければならず、または前述の表示を使用して、次式が得られる。
ｎo + （ω）＜ｎo + （２ω）＜ｎe + （ω）    正の単軸
ｎo - （ω）＜ｎe - （ω）＜ｎe - （２ω）    負の単軸
【００２４】
ゼロ分散を与えるのに必要な結晶ｃ軸に関する伝播角度は以下のように計算され、ここでθは伝播角度であり、ｎe （θ）はその角度の異常光線の屈折率である。
0004741148.tif 000005
伝播角度はビーム伝播波ベクトルが光軸に平行であるときにはθ＝０°であり、ｎe （０°）＝ｎo であり、波ベクトルが光軸に垂直であるときには、θ＝９０°でありｎe （９０°）＝ｎe であるように規定される。
【００２５】
この基準を表す別の方法は、正常屈折率の分散が正の単軸結晶の場合に基本周波数の複屈折よりも小さく、負の単軸結晶の場合に逆であるときであり、以下の式により示される。ｎo + （２ω）−ｎo + （ω）＜ｎe + （ω）−ｎe + （ω）      正の単軸
ｎo - （２ω）−ｎo - （ω）＜ｎo - （２ω）−ｎe - （２ω）  負の単軸
ここで、式の左側は分散に関する屈折率の差であり、右側は特別な周波数における複屈折である。式中の共通の項を除去した後、単軸結晶の非分散基準は以下の簡単な不等式により表される。
ｎo + （２ω）＜ｎe + （ω）        正の単軸
ｎo - （ω）＞ｎe - （２ω）        負の単軸
基本周波数の極端な異常屈折率が正の単軸結晶の２倍にされた周波数に対する正常屈折率よりも大きいとき、その結晶はここでの考察にしたがって非分散の光学素子（即ち位相保存）として動作する。同様に、基本周波数の正常屈折率が負の単軸結晶の２倍にされた周波数で極端な異常屈折率よりも大きいとき、結晶は非分散性である。幾つかの正および負の単軸候補がそれぞれ表IVおよびＶにリストされ、この非分散基準は１例として偏在的なＮｄ：ＹＡＧレーザ（即ち１．０６４μｍの基本波長と、５３２ｎｍの２倍にされた波長）を使用して満足される。
表IV. 正の単軸候補
0004741148.tif 000006
表Ｖ. 負の単軸候補
0004741148.tif 000007
注意：値は、文献（CRC Handbook of Laser Science and Technology、Ｖ巻、パート３（CRC Press 、1987））、文献（CRC Handbook of Laser Science and Technology、増補２：Optical Materials （CRC Press 、1995））、文献（P.A. Studenikin 、“GdVO4 as a New Medium for Solid-state Lasers : Some Optical and Thermal Properties of Crystals Doped with Cd3+, Tm3+ and Er3+ ions”、Quantum Electronics 、25巻、No.12 、1162−1165頁（1995年））から抜粋されたものである。
【００２６】
表IVでは、ＭｇＦ2 はマグネシウムフッ化物であり、ＹＬｉＦ4 はイットリウムリチウムフッ化物であり、ＧｄＶＯ4 はガドリニウムバナジン酸塩であり、ＹＶＯ4 はイットリウムバナジン酸塩である。表Ｖでは、ＬｉＮｂＯ3 はリチウムニオブ酸塩であり、ＮＹＡＢはネオジムイットリウムアルミニウム硼酸塩である。
【００２７】
ＰｂＭｏＯ4 （鉛モリブデン酸塩）は別の負の単軸候補であるが、文献CRC Handbook of Laser Science and Technologyの屈折率のリストが不十分なために、この時点での決定は不可能である。従来技術の材料であるサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）は負の単軸結晶であり、その屈折率はこれらの非分散基準を満たさず、したがって本発明の実施に有効ではないことに注意すべきである。しかしながら、再度位相を合せることが必要ではないので、随意選択的な最も外部のウィンドウに対してはサファイアは適切な材料である。
【００２８】
非分散ウィンドウの所定の候補結晶では、次の問題はＳＨＧ結晶を適切に面冷却する能力である。これに関する１つの主要なパラメータは熱伝導度であり、前述の非線形結晶は表VIで熱伝導値によりランクされている。
【００２９】
表VI. 熱伝導値
0004741148.tif 000008
＊この値は３００Ｋにおける１．３％のＮｄ：ＧｄＶＯ4 とドープされていないＹＡＧの熱伝導測定に基づいており（文献P. A. Studenikin、Quantum Electronics 、25巻、No.12 、1162〜1165頁（1995）参照）、３００Ｋで補間されたドープされていないＹＡＧの熱伝導測定に正規化される（文献CRC Handbook of Laser Science and Technology、増補２、 608−609 頁）。
【００３０】
表VIに示されているように、ＭｇＦ2 は高い熱伝導度を与える最良の候補であり、この熱伝導度はＹＡＧよりも大きく、サファイアの３分の１である。
【００３１】
これらの結晶の選択をすると、先に与えた基準当り実効的な異常屈折率が正常屈折率に等しいような伝播角度を計算することが可能である。ＬＢＯのような非線形結晶でタイプＩのＳＨＧを使用して１．０２９μｍのＹｂ：ＹＡＧビームを０．５１４５μｍ（５１４．５ｎｍ）に変換する特別な応用について検討する。この例で面冷却に選択された複屈折媒体はＭｇＦ2 であり、これは先にリストした全ての候補の中で最高の熱伝導度（11.6Ｗ／ｍ・Ｋ）を有し、以下のような正常屈折率（ｎo ）と異常屈折率（ｎe ）の光線である。
0004741148.tif 000009
【００３２】
前述したように、高調波フィールドの１つの正常屈折率（この場合、0.5145μｍの第２高調波）は他の（基本調波）の正常および極端な異常屈折率の間に位置し、即ち、1.37938 は1.37364 と1.38525 の間に位置するので、非分散伝播がＭｇＦ2 において可能である。
【００３３】
先の式を使用して、θの関数としてｎe （θ）を計算することにより、２ωでｎo に等しいｎe （θ）を与える特有の角度θが発見されることができる。この場合、44.85 °±0.02°の角度は1.37938 の適切なｎe （θ）値を与える。この説明した許容度は５つの小数桁までの任意の屈折率整合要件と、図示の目的のみである。典型的に、実際には、それほど厳重な量の屈折率の一致が必要ではなく、この場合、ｃ軸における角度の許容度はしたがって緩和される。例えば、±１．０°の角度の許容度は、屈折率変化に変換すると±0.0002である。図２はＭｇＦ2 のθの関数としてのｎe （θ）を示し、図３はポンプビームに関する結晶の方位を示している。
【００３４】
最後に、自己加熱または環境の温度変化により、マルチ結晶装置の温度が変化するとき、基本調波および第２高調波のｃフィールドの屈折率は、非分散機能が適切な位相合せのために維持されるようにほぼ等しく維持しなければならない。屈折率の温度依存性がここで表されている数式として同一であるならば、この状態は満足される。
ｄ／ｄＴ［ｎo + （２ω）−ｎe + （ω，θ）］＝０      正の単軸
ｄ／ｄＴ［ｎo - （ω）−ｎe - （２ω，θ）］＝０      負の単軸
【００３５】
ＭｇＦ2 の場合には、２０℃の温度範囲で６３３ｎｍにおいて、ｄｎo ／ｄＴとｄｎe ／ｄＴはそれぞれ、１．１２×１０-6／Ｋと、０．５８×１０-6／Ｋである（ｄｎ／ｄＴ値は１μｍではさらに小さい）。１０Ｋの温度変化に対しては、ｎe はｎo よりも５．４×１０-5（即ち11.2−5.8 ）増加する。換言すると、１０Ｋ温度の上昇はほぼ５×１０-5のｎe （θ）とｎo （θ）の間の屈折率の不一致を発生し、これは２つのレーザビームがＭｇＦ2 の約１０ｎｍを横切った後、１８０°位相がずれることを意味している。そのため、薄い非分散材料ほど、変化する温度状態下では、２つのビームの位相合致状態を維持するのに良好である。勿論、ＳＨＧ結晶がアクティブな温度制御下であるならば、これは丁度幾らか説明した問題を軽減する。
【００３６】
結晶ｃ軸に関する伝播角度θもｎe （θ）を再度同調するために調節されてもよく、それによって再度正常屈折率を一致する。前述の説明に基づいて、約０．５°の角度調節は１０Ｋ温度変化を正確に補償するためにＭｇＦ2 に必要とされる。ある応用では、θの角度調節は最も実用的な方法である。
【００３７】
図４は本発明の方法にしたがったマルチ結晶の熱伝導的に面冷却された非線形光学装置110 の１実施形態の断面図を示している。基本波と第２高調波のフィールド間で最良に位相が整合されるように、即ち最高のＳＨＧ効率が得られるように寸法を定められ方向付けされた第１の複数（少なくとも２つ）の非線形の光透過性の光学素子（例えばリチウムトリボレート（ＬＢＯ）結晶）112 は、熱をＬＢＯの表面を通って冷却プレート構造114 へ伝導する任意の厚さの第２の複数（前記第１の複数の光学素子よりも少なく、それ故少なくとも１つ）の複屈折で光透過性のウィンドウ（例えばマグネシウムフッ化物（ＭｇＦ2 ）結晶）と積層される。１または２の付加的な光透過性のウィンドウ218 は第１の複数の非線形の光透過性の光学素子118 を挟んでいるが、これらのウィンドウ218 に対しては複屈折性または方位についての要求は存在しない。ＳＨＧ結晶112 は従来技術にしたがって小さいガス充填ギャップ（図示せず）によりＳＨＧ結晶118 と冷却素子218 との間に物理的に挟まれ、適切な屈折率の液体またはゲル中に浸漬され、適切な光学的セメントにより共に結合され、または光学的に接触され、または技術で現在よく知られＶＬＯＣ（II-VI 社の子会社）（フロリダ州ニューポートリッキー）およびOnyx Optics 社（カリフォルニア州ダブリン）により実用されている光学的な製造プロセスにより冷却結晶に拡散結合されることができる。ギャップ124 がＬＢＯ結晶112 と冷却プレート構造114 との間に示されていることに注意すべきである。これは真空またはガス充填ギャップ、或いは種々の熱的に絶縁性の材料で充填されて横断方向の熱の流動を防止し、それによってＳＨＧ結晶の横方向の位相のずれを最少にする。
【００３８】
先に挙げた温度依存問題を考慮すると、伝播角度θの最適の方向は実際の動作状態下で非分散素子の予測された平均温度に基づいている。
【００３９】
最後に、双軸結晶に関して、非分散の基準は、Ｘ、Ｙ、Ｚエースに沿った主屈折率が典型的にｎx ＜ｎy ＜ｎz であるように規定されている所定の３つの特有の光軸でやや複雑化されている。結晶の屈折率がこの表記に従うならば、非分散の基準を規定する１方法は単にｎx （２ω）として示され、ｎy （ω）とｎz （ω）の間でなければならず、それによって入力偏波に関する適切な結晶の方向付け下で、中間の屈折率が第２高調波の屈折率ｎx と一致する基本波長に対して発見される。この特定の基準を満たす双晶の１例はＧｄ2 （ＭｏＯ4 ）3 、即ちガドリニウムモリブデン酸塩である。ＹＡｌＯ3 、即ちイットリウムオルトアルミン酸塩は、既存のデータに基づいて別の可能な候補であってもよいが、２ωで補間された屈折率は詳細な解析が必要とされる基本波長の屈折率ｎz に非常に近い。別の双軸の非分散基準はｎx （２ω）＜ｎy （ω）＜ｎz （２ω）である。Ｌａ2 Ｂｅ2 Ｏ5 、ランタンberyllate （ＢＥＬ）と、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15、バリウムナトリウムニオブ酸塩はこの第２の基準を満たす２つの例である。
【００４０】
付加的な自由度を与えると、これらの双軸基準は単軸の場合のように特有ではなく、他の基準は分散と複屈折の正確な関係に基づいて規定されてもよいことに注意すべきである。双軸結晶の上記リストは単なる例示的なサンプルであり、決して限定ではない。
【００４１】
以上、非線形光学素子間で面冷却するための複屈折結晶を使用して多数の非線形光学素子を用いた高パワーレーザシステムで使用するための面冷却光学素子を具備する新しい改良された光学装置を説明した。前述の実施形態は、本発明の原理の応用を表す幾つかの多数の特別な実施形態の単なる例示であることを理解するであろう。多数および他の装置が本発明の技術的範囲を逸脱せずに当業者によって容易に行われることができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術の構造の伝導性の面冷却を備えている光学システムの一部分を示した図。
【図２】  屈折率と角度の座標において、１０２９ｎｍのＹｂ：ＹＡＧ波長における角度θの関数としてのＭｇＦ2 のｎe （θ）の計算のグラフ。
【図３】  入力ポンプビームに関するｃ軸方向を示しているＭｇＦ2 結晶幾何学形を示した概略図。
【図４】  本発明のマルチ結晶の伝導性面冷却された非線形光学装置の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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