(57)【要約】  ２つまたはそれより多くの利得媒体からのビームまたは光波のコヒーレント結合のためのシステム及び方法が開示される。利得媒体（１０８ａ，１０８ｂ）を、増倍係数（Ｍ）を有する不安定型共振器（１０２）内に配置することができる。利得媒体からの出力ビームまたは光波は不安定型共振器の増倍によって共振器内で拡大され、コヒーレント結合され得る。利得媒体は誘導放出によって出力を生じるレーザ媒体とすることができ、あるいは利得媒体はパラメトリック相互作用すなわち３光波相互作用によって１つまたはそれより多くの出力を生じるパラメトリック利得媒体とすることができる。熱伝導素子（５１０）を利得媒体（５０８ａ〜５０８ｄ）に接触させて、利得媒体から熱を取り除くことができる。
2006528429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントビーム結合のためのシステムにおいて、
不安定型共振器、及び
前記不安定型共振器内に配置された少なくとも２つの利得媒体、
を備え、
前記少なくとも２つの利得媒体の内の第１の利得媒体によってつくられた第１の電磁場が、前記不安定型共振器内の１回またはそれより多くの往復後に前記少なくとも２つの利得媒体の内の第２の利得媒体の一部を通って伝搬し、前記第１の電磁場が前記第２の利得媒体によってつくられた第２の電磁場と同相である、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記不安定型共振器を出る出力ビームをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記出力ビームが振幅積の二乗に比例する強度を有し、前記振幅積が前記第１の電磁場の振幅と前記第２の電磁場の振幅の乗積であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも２つの利得媒体がレーザ利得媒体であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも２つの利得媒体がパラメトリック利得媒体であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の利得媒体と前記第２の利得媒体の離隔距離が約１００μｍから約５ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記離隔距離が約１ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも２つの利得媒体に接触している熱伝導素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記熱伝導素子が前記不安定型共振器の軸線に直交する平面にあることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記熱伝導素子が前記少なくとも２つの利得媒体の前記軸線に平行な部分に接触することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記熱伝導素子がダイアモンドまたはアメシストでつくられることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ダイアモンドが光学品質ダイアモンドであることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記レーザ利得媒体が、Ｎｄ:ＹＡＧ，Ｎｄ:ＹＬＦ，Ｃｒ:ＬｉＳＡＦ，Ｃｒ:ＬｉＳＧＡＦ，Ｃｒ:ＬｉＣＡＦ，Ｃｅ:ＬｉＳＡＦ及びＴｉ:サファイアからなる群から選ばれることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項１４】
前記パラメトリック利得媒体が疑似位相整合（ＱＰＭ）非線形結晶であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項１５】
前記パラメトリック利得媒体が複屈折性非線形結晶であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項１６】
前記パラメトリック利得媒体が、周期的双晶化ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ），周期的極交番ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ），周期的極交番ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ），周期的極交番ＲＴＡ（ＰＰＲＴＡ）からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パラメトリック利得媒体が、ＡＤＰ，ＢＢＯ，ＧａＳｅ，ＣｄＧａ２Ｓ４，ＣｄＳｅ，ＣｄＧｅＡｓ２，ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＬＢＯ，ＫＤＰ，ＫＴＰ，ＡｇＧａＳｅ２，ＡｇＧａＳ２及びプルースタイトからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも２つの利得媒体が４つの利得媒体を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記４つの利得媒体が２×２アレイに配列されていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記不安定型共振器が負分枝不安定型共振器または正分枝不安定型共振器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記不安定型共振器が共焦点不安定型共振器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記共焦点不安定型共振器が共焦点−平面型不安定型共振器または共焦点−凸面型不安定型共振器であることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記不安定型共振器が不安定型リング共振器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
コヒーレントビーム結合のための方法において、
第１の利得媒体から第１の電磁場をつくる段階、
第２の利得媒体から第２の電磁場をつくる段階、
前記第１及び第２の電磁場を増倍係数を有する不安定型共振器内で拡大する段階、及び
前記拡大された第１の電磁場を前記拡大された第２の電磁場とコヒーレント結合する段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
振幅積の二乗に比例する強度を有する出力ビームをつくる段階をさらに含み、前記振幅積が前記第１の電磁場の振幅と前記第２の電磁場の振幅の乗積であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
第１の電磁場をつくる前記段階が信号電磁場及びアイドラー電磁場をつくる段階をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
第３の電磁場をつくる段階及び前記不安定型共振器内で前記第３の電磁場を拡大する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記拡大された第３の電磁場を前記拡大された第１及び第２の電磁場とコヒーレント結合する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１及び第２の利得媒体から熱を取り除く段階をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコヒーレントビーム結合に関し、特に、不安定型レーザ共振器におけるコヒーレントビーム結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレント光は、特にレーザの発明以来、多くの用途に対して有用なツールとなってきた。コヒーレント光は、実際に所望されるどのような波長でも、光パラメトリック装置及び３光波相互作用によるレーザ光の波長変換によってつくることができる。レーザは多くの工業でコヒーレント光源として利用されている。例えば、レーザは、工業生産において、パラメトリック装置の有無にかかわらず、金属材料及び非金属材料の切断、加工及び溶接をはじめとする様々なプロセスに用いられている。レーザは光ファイバを通じて送信される光の発生及び増幅のために遠距離通信業界においても用いられている。
【０００３】
レーザまたは光パラメトリック装置のパワーまたはエネルギー出力を高めるため、そのような装置に用いられる利得媒体の寸法または体積をある範囲内で大きくすることができる。これらの範囲は用いられる利得媒体のタイプにしたがって変り得る。例えば、固体利得媒体を有するレーザにおいて、利得媒体の寸法は材料特性及び／または製造技術によって制限される場合がある。同様に、製造技術及び材料特性は、光学非線形結晶及び結晶性材料などの非線形またはパラメトリック利得媒体の物理的寸法を制限する場合もある。したがって、固体レーザ及び光パラメトリック装置のパワー及びエネルギーのスケーラビリティは結晶成長及び製造技術によって拘束されることがある。
【０００４】
個々のレーザまたはパラメトリック装置の利得媒体の体積を大きくする代りとして、２つまたはそれより多くのそのような装置からのコヒーレント出力を結合する試みがなされてきた。２つまたはそれより多くの電磁場、例えばレーザ出力をコヒーレント結合するには、電磁場の位相が互いに同相でなければならないことが技術上知られている。複数のレーザビームをコヒーレント結合する試みに関する情報は特許文献１及び特許文献２に見ることができる。これらの文献に開示される方法及びシステムには、レーザビームを結合するために適応光学系及び／または導波路構造の使用が必要となるという問題がある。そのような付加構造は、そのような付加構造を用いるシステムの大型化、複雑化、コスト増大を招く。
【特許文献１】米国特許第５９３６９９３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２/０１７２２５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に鑑み、必要とされているのは、レーザ及び光パラメトリック装置のコヒーレント出力をより高いパワー及び出力パルスエネルギーまで強める簡素で安価な方法及びシステムである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単かつ総括的に言えば、本発明は２つまたはそれより多くの利得媒体の出力ビームすなわち電磁場をコヒーレント結合する単純で安価なシステム及び方法を含む。開示されるシステム及び方法は不安定型共振器の使用を含む。利得媒体はレーザ利得媒体またはパラメトリック利得媒体とすることができる。
【０００７】
第１の実施形態は、不安定型共振器及びこの不安定型共振器内に配置される少なくとも２つの利得媒体を備える、コヒーレントビーム結合のためのシステムを含むことができる。少なくとも２つの利得媒体の内の第１の利得媒体によってつくられる第１の電磁場が、不安定型共振器内での１回またはそれより多くの往復後に、少なくとも２つの利得媒体の内の第２の利得媒体の一部を通って伝搬する。第１の電磁場は第２の利得媒体によってつくられる第２の電磁場と同相である。
【０００８】
出力ビームをつくることができ、出力ビームは振幅積の二乗に比例することができる。振幅積は第１の電磁場の振幅と第２の電磁場の振幅の乗積である。利得媒体はパラメトリック利得媒体またはレーザ利得媒体とすることができる。利得媒体はアレイ配置とすることができる。熱伝導素子を利得媒体に接触させて熱を取り除くことができる。
【０００９】
第２の実施形態はコヒーレントビーム結合のための方法を含むことができる。第１の利得媒体から第１の電磁場をつくることができ、第２の利得媒体から第２の電磁場をつくることができる。第１及び第２の電磁場は増倍係数を有する不安定型共振器において拡大することができる。増幅された第１及び第２の電磁場はコヒーレント結合させることができる。
【００１０】
振幅積の二乗に比例する強度をもつ出力ビームをつくることができる。振幅積は第１の電磁場に振幅と第２の電磁場の振幅の乗積である。第１または第２の電磁場をつくる段階は信号電磁場及びアイドラー電磁場をつくる段階を含むことができる。不安定型共振器において第３の電磁場をつくって拡大することができ、第１及び第２の電磁場と結合させることができる。
【００１１】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付される特許請求の範囲及び添付図面によって、さらに深く理解されるであろう。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、代りに、本発明の原理を示す場合には強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、添付図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明によって理解することができる。以下の詳細な説明は例示に過ぎず、本発明の範囲の限定を意味するものではない。
【００１３】
本発明は別々の利得媒体または結晶によってつくられるビームすなわち電磁場をコヒーレント結合するシステム及び方法に関するものである。複数の利得媒体を、増倍係数を有する不安定型共振器内に配置することができる。増倍係数によって、１つの利得媒体からの出力電磁場すなわち光波を拡大することができ、不安定型共振器内で別の利得媒体に重ねることができる。重ねられる電磁場すなわち光波は同相とすることができ、共振器内でコヒーレントに結合させて、単一の寸法が制限された利得媒体で得ることができるであろうパワー及びエネルギーよりも高いパワー及びエネルギーをもつ電磁場を形成することができる。このようにして得られた電磁場は、共振器内の電磁場振幅のコヒーレント結合の二乗に比例する強度、すなわち共振器内で重ねられた電磁場の振幅の積の二乗に比例する強度、を有する出力ビームとして不安定型共振器から外部結合させるかまたは送り出すことができる。
【００１４】
本発明の実施形態では、不安定型光共振器を用いることができる。いわゆる「不安定型」共振器は、そのような共振器内の共振モードの不安定性のためにそのように称される。不安定型共振器の特徴は固有の望遠鏡的拡大すなわち増倍係数Ｍである。不安定型共振器において形成される光モードの断面寸法は、共振器内の一往復毎にある因子倍に、例えばＭ２倍に、継続的に大きくなる。
【００１５】
ここで、図１〜７を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１はコヒーレントビーム結合システム１００の部品を示す略図である。システム１００は増倍係数Ｍを有する不安定型共振器１０２を備えることができ、不安定型共振器１０２は第１のミラー１０４及び第２のミラー１０６を有することができる。複数の利得媒体１０８ａ及び１０８ｂが不安定型共振器１０２内に存在して、（分かりやすくするために省略されている）適切な装置によってポンピングされる。第１のミラー１０４に入射するポンプ光波１３０が示されている。ポンプ光波１３０は、連続波（ＣＷ）、準ＣＷまたは、図示されるように、パルス波とすることができる。ミラー１０４は出力結合器として構成される。
【００１６】
適する不安定型共振器、例えば不安定型共振器１０２は、共振器の安定性の適切な設計により、使用のために選択することができる。共振器の安定性は、時に「ｇパラメータ」と称される安定性パラメータからなる座標軸を有する双曲線によって図式表示されることが多い。２ミラー共振器に対して、ｇパラメータは下式（１）及び（２）：
【数１】
2006528429.tif 000003
【数２】
2006528429.tif 000004
【００１７】
の形を有する。ここで、ｄは共振器内の光軸長であり、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ共振器ミラーのそれぞれ１つの曲率半径を表す。安定条件は下式（３）：
【数３】
2006528429.tif 000005
【００１８】
で表される。式（３）で表される双曲線内の点に対応する形状寸法をもつ共振器は安定であるが、双曲線の外側にある点に対応する形状寸法をもつ共振器は不安定である。ｇ１とｇ２の積の値が正である場合、不安定型共振器は「正分枝」不安定型共振器であると称される。同様に、ｇ１とｇ２の積の値が負である場合、不安定型共振器は「負分枝」不安定型共振器であると称される。
【００１９】
不安定型共振器１０２内において、それぞれの利得媒体の出力すなわち電磁場、例えば出力１０８ｂ'で形成される共振モードは、共振器１０２の拡大効果により、共振器１０２の長さに沿って成長、すなわち拡大する。さらに詳しくは、不安定型共振器１０２内のそれぞれの往復毎に、モードの断面積は共振器の増倍係数の二乗、すなわちＭ２にほぼ等しい因子倍に成長すなわち拡大する。モードの拡大は、１つの利得媒体からの出力すなわち電磁場の、隣接する別の１つまたは複数の利得媒体への重なりを生じさせる。例えば、不安定型共振器１０２による拡大後、出力１０８ｂ'は図示されるように利得媒体１０８ａに重なるであろう。図示されてはいないが、同様の出力が利得媒体１０８ａに対して存在することは当然である。
【００２０】
したがって、利得媒体の出力はコヒーレント結合させることができ、また、寸法が制限された利得媒体によってつくられるビームより大きなパワーまたはフルーエンスを有し得る単一出力ビーム１４０として外部結合させることができる。出力ビーム１４０は高いコヒーレンス度を有することができ、コヒーレンス度は利得媒体の増幅度または利得帯域幅及び共振ミラーのフィルタリング効果のような要因に依存し得る。共振器１０２によって維持される、このようにして得られるモードは利得媒体によって増幅された電磁場を有し、この電磁場は、変形可能なミラーのような適応光学系を全く必要とすることなく、互いに同相であり、したがってコヒーレントであり得る。
【００２１】
不安定型共振器１０２内の出力すなわち電磁場のコヒーレント結合はそれぞれの利得媒体を通る光路長のいかなる差も最小化することにより強化することができる。そのような最小化は、例えば、不安定型共振器及び利得媒体の形状寸法の適切な設計によって達成可能である。いくつかの実施形態において、不安定型共振器１０２の形状寸法設計及び不安定型共振器１０２内の利得媒体の配置は、総光路長が、元の利得媒体によらず、全ての出力光線に対して同じかまたはほぼ同じであるような形状寸法及び配置とすることができる。
【００２２】
利得媒体１０８ａ及び１０８ｂの配置に関しては、それぞれを不安定型共振器１０２の軸線すなわち光軸に直交する平面に配置することができる。また、それぞれの利得媒体は共振器１０２の軸線の相異なる側で軸線から等しい距離だけ離して配置することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態において、利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは共振器１０２の第１のミラー１０４と第２のミラー１０６の間隔の中点またはその近くに、すなわち不安定型共振器の長さの中点近くに、配置することができる。利得媒体１０８ａと１０８ｂは間隙すなわち離隔距離１１２によって隔てられ、利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは光学ベンチ等のような既知の装置を用いて位置決めすることができる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、離隔距離１１２は１ｍｍ程度とすることができる。いくつかの実施形態において、利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは、同形の、矩形プリズムとして、形成できる。利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは、それぞれの長軸が不安定型共振器１０２の軸線に平行であるように配向させることができる。それぞれの利得媒体は他方と同じ公称利得長を有することもでき、同じ材料、例えばリン酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＰＯ４すなわち「ＫＴＰ」）でつくることができる。
【００２５】
いずれか適する不安定型共振器設計を不安定型共振器１０２、例えば正分枝不安定型共振器、に用いることができる。いくつかの実施形態において不安定型共振器１０２は共焦点不安定型共振器とすることができる。適する共焦点不安定型共振器設計には共焦点−平面型及び共焦点−凸面型がある。いくつかの実施形態において、出力結合器として不安定型共振器に用いられるミラー、例えばミラー１０４、は出力ビームの特性改善のために、実質的にガウス型であるかまたは超ガウス型のプロファイルのような、分布反射率プロファイルによって実施することができる。そのような出力結合器すなわち分布反射率ミラーは、ドット反射器として知られる高反射率中央領域を有することができる。出力ビーム径を制限するためにアポダイゼーション素子または平滑化素子を用いることができる。
【００２６】
利得媒体１０８Ａ及び１０８ｂに用いられる材料は、能動すなわち「レーザ」利得媒体とすることができ、あるいは光パラメトリック利得媒体とすることができる。適するタイプのレーザ利得媒体には、気体媒体、液体媒体または半導体利得媒体を含む固体媒体を含めることができる。そのような適する媒体の例として、限定するものではないが、フッ化リチウムストロンチウムアルミニウム（ＬｉＳＡＦ）、フッ化リチウムストロンチウムガリウム（ＬｉＳＧａＦ）及びフッ化リチウムカルシウムアルミニウム（ＬｉＣＡＦ）を含むクロムドープコルキライト（colquiriite）結晶などが掲げられる。いくつかの実施形態において、セリウムドープフッ化リチウムストロンチウムアルミニウム（Ｃｅ:ＬｉＳＡＦ）、クロムドープルビーまたはチタンドープサファイア（Ｔｉ:サファイア）レーザ媒体を利得媒体として用いることができる。別のいくつかの実施形態において、希土類元素族及び遷移金属元素族の両者からの三価レーザ活性体イオン、例えば、ネオジム（Ｎｄ）、クロム（Ｃｒ）、エルビウム（Ｅｒ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）をドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）またはフッ化イットリウムリチウム（ＹＬＦ）を利得媒体として用いることができる。
【００２７】
利得媒体には、半導体材料及びレーザダイオード構造を含めることができる。適する半導体材料にはいずれかの直接遷移型半導体材料を含めることができる。ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）及びヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）合金系から選ばれる材料を用いることができる。適するレーザダイオード構造として、ホモ構造、ヘテロ構造及びダブルヘテロ構造などが掲げられるが、これらには限定されるものではない。１つまたはそれより多くの量子井戸をレーザダイオード構造の範囲に含めることができる。いくつかの実施形態において、量子カスケード（ＱＣ）レーザを利得媒体として用いることができる。例えば、ＱＣレーザは、リン化インジウム（ＩｎＰ）上のＡｌＩｎＡｓ/ＩｎＧａＡｓ格子を用いて、ほぼ４.５〜１７μｍの波長であれば、どのような波長においても作成することができる。本発明の実施形態は、非線形光学結晶性材料または結晶をパラメトリック利得媒体として利用することができる。そのような非線形材料及び結晶（「結晶」と総称する）は、３つの光波すなわち電磁場が混合され、３つの光波の内の１つまたは２つが選択的に増幅される、パラメトリック光発生を生じさせるために用いることができる。エネルギーの保存条件及び運動量または位相の保存条件が満たされれば、非線形結晶の非線形電気分極率を利用することにより、１つの波長の電磁エネルギーを別の波長に移すことができる。すなわち、いくつかの実施形態は光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）として機能することができる。
【００２８】
非線形光学結晶（「非線形結晶」と総称する）は一般に、入射光が特定の結晶に入ったときに二重屈折すなわち複屈折の効果が入射光にどのように影響するかにしたがって、いくつかの特徴的パラメトリックタイプに分類される。入射光波すなわち「ポンプ」光波が二重屈折されて、同じ偏極を有し、ポンプ光波に直交する、信号及びアイドラー電磁場すなわち光波になる場合に、非線形結晶をタイプＩと称することができる。タイプII非線形結晶は、直交偏極した信号及びアイドラー電場すなわち光波をポンプ光波から生じさせる非線形結晶である。いくつかの実施形態において、パラメトリック利得媒体として用いられる非線形結晶は、同じパラメトリックタイプ、すなわちタイプＩまたはタイプIIの非線形結晶である。
【００２９】
いくつかの実施形態において、複屈折性非線形結晶を利得媒体として用いることができる。適する非線形結晶として、限定するものではないが、二リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４すなわち「ＡＤＰ」）、ベータ（β）ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）、ニオブ酸バリウムリチウム（Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５）、硫化カドミウムガリウム（ＣｄＧａ２Ｓ４）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、二ヒ化カドミウムゲルマニウム（ＣｄＧｅＡｓ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、化学量論的ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５すなわち「ＬＢＯ」）、二リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４すなわち「ＫＤＰ」）、リン酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＰＯ４すなわち「ＫＴＰ」）、ヒ酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＫＴＡ」）、インジウムドープヒ酸カリウムチタニル（Ｉｎ:ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「Ｉｎ:ＫＴＡ」）、ヒ酸ルビジウムチタニル（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＲＴＡ」）、セレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）、硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）、硫化銀ヒ素（Ａｇ３ＡｓＳ３すなわち「プルースタイト」）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ネオジムドープニオブ酸マグネシウムリチウム（Ｎｄ:ＭｇＬｉＮｂＯ３）、及び適するカルコパイライトの結晶などが掲げられる。適する非線形結晶は、以下の化合物系または合金、（Ｚｎ１−ｘＣｄｘ）ＧｅＡｓ２，Ｚｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ａｓ２及びＺｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ｐ２から選ぶこともできる。利得媒体に適するその他の非線形結晶には、ＡｇＧａ１−ｘＩｎｘＳｅ２及びＣｄＧｅ（Ａｓ１−ｘＰｘ）２の合金または化合物系を含めることができる。
【００３０】
上述した材料に加えて、疑似位相整合（ＱＰＭ）材料すなわち周期的極交番非線形結晶性材料をパラメトリック利得媒体として用いることができる。そのようなＱＰＭ材料は周期的分域反転、すなわち周期的極交番を利用し、相互作用している光波すなわち信号の間の位相速度不整合を補償するＱＰＭ格子を形成するために用いることができる。非線形係数の符号の変化が分域反転にともない、したがって、そのような格子は材料の屈折率による分散を補償することができる。周期的極交番材料すなわちＱＰＭ材料により、特定の非線形結晶性材料における最大非線形係数を利用する、伝搬方向及び偏極の組合せの選択が可能になり得る。
【００３１】
利得媒体としての使用に適する周期的極交番材料として、限定するものではないが、周期的極交番ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的極交番ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ）及び周期的極交番ＲＴＡ（ＰＰＲＴＡ）などが掲げられる。周期的双晶化ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ）またはその他のリソグラフィパターン付材料をＱＰＭ材料として利得材料に用いることもできる。アニールされたプロトン交換ＬｉＮｂＯ３構造のような、導波構造にＱＰＭ材料が組み込まれた導波ＱＰＭ材料も利得媒体に用いることができる。非周期的極交番ニオブ酸リチウム（ＡＰＰＬＮ）を含むが、これには限定されない、非周期極交番材料も利得媒体に用いることができる。
【００３２】
図２を参照すれば、線２−２に沿ってとられた図１のコヒーレントビーム結合システム１００の断面図が示される。前述したように、不安定型共振器１０２の拡大効果により、一方の利得媒体の出力は、その出力が共振器１０２内を進行して拡がるにつれて、隣接する利得媒体に重なる。例えば、図示されるように、不安定型共振器１０２による拡大後、利得媒体１０８ｂによってつくられた出力、すなわち出力１０８ｂ'が隣接する利得媒体１０８ａに重なり長１１４だけ重なる。不安定型共振器１０２の離隔距離１１２及び増倍係数Ｍは重なり長１１４に影響する要因になり得る。
【００３３】
いくつかの実施形態において、利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは不安定型共振器１０２の軸線１０９に関して等しい断面積を有することができる。利得媒体１０８ａ及び１０８ｂは、軸線１０９に垂直な面を有することができ、軸線１０９に平行な縁面も有することができる。いくつかの実施形態において、利得媒体間の離隔距離１１２は１ｍｍから数ｍｍ程度とすることができる。別のいくつかの実施形態において、離隔距離１１２は数１０μｍまたは数１００μｍ程度とすることができる。
【００３４】
図２に示される配置に対し、一方の利得媒体から他方の利得媒体への出力電磁場、例えば信号光波またはアイドラー光波の結合は、マクスウエル方程式の内の１つの簡略形の使用によって近似することができる。例としてパラメトリック光発生すなわち相互作用を用いれば、（ｘ,ｙ）空間の様々な領域におかれた２つの並置非線形結晶における位相整合３光波パラメトリック増幅を表すマクスウエル方程式の最も簡単な形は下式（４）：
【数４】
2006528429.tif 000006
【００３５】
で与えられる。ここで、Ｅｊ,ｋ,ｌは３つの光波のそれぞれの電場強度であってｊ≠ｋ≠ｌであり、＊は特定の電気波すなわち電場の複素共役であり、またχｊは下式（５）：
【数５】
2006528429.tif 000007
【００３６】
で与えられ、ここで、ｄ実効は結晶の非線形分極率に比例し、ωｊは屈折率ｎｊにともなうｉ番目の光波の周波数であり、ｊは、指数でない場合、−１の平方根である。特定の非線形結晶性材料の屈折率を含む項は非線形分極率と結び付けることができ、非線形係数ｄＮＬまたはｄ実効と称されることがある。
【００３７】
パラメトリック相互作用の場合、式（４）の指数ｊ，ｋ，ｌはそれぞれ、ポンプ（ｐ）光波または電磁場、信号（ｓ）光波または電磁場及びアイドラー（ｉ）光波または電磁場と称される。光軸に直交し、パラメトリック結晶１０８ａ及び１０８ｂを通る、例えば断面２−２に沿う、平面における不安定型共振器１０２内の分極率の値を表す、式（４）に対する境界条件は下式（６）、（７）及び（８）：
【数６】
2006528429.tif 000008
【数７】
2006528429.tif 000009
【数８】
2006528429.tif 000010
【００３８】
で表される。
【００３９】
式（６）〜（８）の境界条件の下での式（４）の偏微分方程式に対する有用な近似解は、一方のパラメトリック結晶からの電磁場出力、例えば信号光波が他方の結晶の電磁場と弱結合されると仮定することによって得ることができる。弱結合は、共振器増倍係数をＭ＝１＋χとおき、χ≪１である、増倍係数が小さい場合に示される。近似解は、一次摂動解析によって得ることができる。例として信号電磁場を用いれば、この摂動解析の第１段階において、それぞれ１及び２と付番された２つの非結合パラメトリック増幅器に対してゼロ次信号出力電場Ｅｓ１（０）及びＥｓ２（０）が式（４）を用いて計算される。次に、一方の増幅器、例えば＃１のゼロ次信号電場強度に因子（Ｍ−１）を乗じることによって一次補正を得ることができる。得られた式は、実際上、出力電場間の小さな重なりをモデル化する。
【００４０】
次いで、それぞれの増幅器についてゼロ次推定値に一次補正を加えることによって、弱結合問題の改善された推定値を得ることができる。例えば、パラメトリック増幅器＃２の弱結合出力電場は下式（９）：
【数９】
2006528429.tif 000011
【００４１】
で与えられる。Ｅｓ１（１）に付いての一次補正項における因子が下式（１０）：
【数１０】
2006528429.tif 000012
【００４２】
のパワー保存要件によって得られることを除いて類似のパラメトリック増幅器＃１についての式がある。次いで、光パラメトリック発振器の性能が、それぞれの増幅器からの信号パワーの一部（１−Ｒ）を外部結合させるかまたは送り出し、信号電場の残り、例えば（Ｒ）０.５（Ｅｓ１または２（１））を反射して、それぞれの増幅器の入力に戻すことによってモデル化される。ここで、Ｒは外部結合ミラーのパワー反射率である。信号雑音から出発すれば、共振器出力がある回数、例えば１０〜１２回の往復がそれぞれの増幅器内でなされた後に、定常状態値に達することをモデル化することができる。
【００４３】
発明者によって開発されたコンピュータプログラムにより、図２に示されるように構成された不安定型共振器内の、代表的な寸法、例えば一辺が５〜１５ｍｍの２つの並置パラメトリック媒体の結合がモデル化され、確認された。コンピュータプログラムはコンパック（Compaq）ビジュアルベイシック・バージョン６.５で書き、ＯＰＯモデル解析を実行することで試験した。非結合ＯＰＯの場合を出発点として用い、ヤコビ楕円関数及び第一種の完全楕円解によって表される正確な解析解を用いた。例えば、ジー・ティー・ムーア（G. T. Moore）等，IEEE J. of Quantum Electronics，１９９５年，第３１巻，ｐ.７６１を参照されたい。この文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００４４】
ＯＰＯ結合効果を確かめるために用いた手法では、非結合利得が若干異なる、例えばＧ（１）/Ｇ（２）＝１.２の、２つのパラメトリック増幅器を考慮した。ここでＧ（１）及びＧ（２）は相異なる増幅器利得を表す。ＯＰＯ量子効率への並列配置の効果を、結合を初期値ゼロから強めながら決定した。２つの並置ＯＰＯについての最大量子効率は非縮退の場合に２.０、すなわちＯＰＯ毎の１ポンプ光子当りの係数は１.０であることが知られている。相異なる利得は全く異なるＯＰＯ閾値をもたらすであろうし、閾値差はＯＰＯが互いに結合するにつれて変化するであろう。実際問題として、１.２の利得比は、測定される分極率の結晶間ばらつきの十分に範囲内にある、１.０９５に過ぎない公称上同等の結晶試料における分極率比に相当することがわかった。
【００４５】
発明者によってなされたモデル化解析は、１.０４及び１.１２を含む増倍係数値に対して、並置ＯＰＯの間に十分な結合がおこることを示した。ＯＰＯ、パラメトリック増幅器またはレーザ増幅器の間の横方向空間重なりを明確に考慮に入れるためにさらに解析を行うことができる。そのような解析は、この準一次元問題を三次元問題に変換する回折項、例えば：
【数１１】
2006528429.tif 000013
【００４６】
を考慮に入れることができる。共振器モデル化のためのソフトウエアは並置構成またはアレイ構成から生じるような回折項を取り入れることができる。そのようなソフトウエアは光軸に沿って変り得る、ｚにおける数値積分のための機能を含むことができ、直交座標は、キャビティ光学系をモデル化する、ＡＢＣＤ行列、すなわち結合光線伝達行列または行列群の要素を含むホイヘンス−フレネル回折積分によって扱うことができる。そのようなソフトウエアは並置ＯＰＯまたはレーザ配置から得られる信号振幅及び等位相面を直接計算することができる。
【００４７】
次に図３を参照すれば、不安定型共振器３０２及び利得媒体のアレイを備える別の実施形態３００の略図が示される。４つの利得媒体３０８ａ〜３０８ｄのアレイが不安定型共振器３０２内に配置され、個々の利得媒体は離隔距離３１２だけ隔てることができる。不安定型共振器３０２は増倍係数Ｍを有し、第１のミラー３０４及び第２のミラー３０６を備える。第１のミラー３０４に入射するポンプ光波３３０が示される。不安定型共振器内のそれぞれの往復の間に個々の利得媒体の出力は増倍係数の二乗、すなわちＭ２に比例する因子だけ拡大する。
【００４８】
例えば、出力３０８ｂ'は利得媒体３０８ａの一部に重なって図３に示され、ミラー３０６は出力結合器として構成される。利得媒体３０８ａ〜３０８ｄは、不安定型共振器３０２の軸線に沿ういずれか適する場所に配置することができる。利得媒体３０８ａ〜３０８ｄは、図示されるように不安定型共振器３０２の軸線に直交する２×２アレイに配列することができる。したがって利得媒体の出力はコヒーレント結合され、単一ビーム３４０として外部結合され得る。
【００４９】
図４は線４−４に沿ってとられた図３のコヒーレントビーム結合システム３００の断面図である。４つの利得媒体３０８ａ〜３０８ｄは２×２正方アレイに配置することができる。アレイは、第２のミラー３０６の位置によって示されるように、不安定型共振器の軸線を中心としてその周りに配置することができる。利得媒体３０８ｂの出力３０８ｂ'が他の利得媒体３０８ｂ〜３０８ｄのそれぞれの一部に重なって示される。隣接する媒体のそれぞれの対、例えば３０８ａと３０８ｂの間の離隔距離３１２は等しくするかまたは異なる値とすることができる。別の実施形態において、アレイは４×１構成とすることができる。
【００５０】
図５は、利得媒体によって生じる熱を取り除くための熱伝導素子を備える、別の実施形態のコヒーレントビーム結合システム５００の略図である。不安定型共振器５０２は第１のミラー及び第２のミラー５０６を備え、不安定型共振器５０２は図３及び図４の実施形態と同様に複数の利得媒体５０８ａ〜５０８ｄを備えることができる。利得媒体５０８ａ〜５０８ｄは熱伝導素子５１０に接触して、利得媒体５０８ａ〜５０８ｄからの熱の運び去りを容易にし、共振器５０２内のモードに対する熱効果を緩和することができる。
【００５１】
例えば、利得媒体５０８ａ〜５０８ｄは、熱伝導素子５１０の穴またはくぼみに埋め込むかまたは嵌め込むことができる。いくつかの実施形態において、熱伝導素子５１０は共振器の軸線に平行な利得媒体の縁面に接触できる。熱伝導素子５１０は光学品質ダイアモンドを含むダイアモンド、アメシストまたはその他の適する熱伝導材料で形成できる。いくつかの実施形態において、熱伝導素子５１０は不安定型共振器５０２内を伝搬する１つまたはそれより多くの波長に対して透明とすることができる。したがって、利得媒体の出力はコヒーレント結合され、単一ビーム５４０として外部結合され得る。ミラー５０４は出力結合器として構成される。
【００５２】
図６は線６−６に沿ってとられた図５のコヒーレントビーム結合システムの断面図である。複数の利得媒体５０８ａ〜５０８ｄは正方アレイに配列することができ、熱伝導素子５１０内におくことができる。利得媒体５０８ａ〜５０８ｄが熱を生ると、利得媒体５０８ａ〜５０８ｄから熱を運び去ることができ、よって利得媒体５０８ａ〜５０８ｄの材料熱破壊及び熱レンズ効果の防止に役立つことができる。隣接する利得媒体のそれぞれの対の間の離隔距離５１２は様々な出力の光路長の差を最小にするために同じにすることができる。いくつかの実施形態において、離隔距離５１２は利得媒体５０８ａ〜５０８ｄ間で変り得る。いくつかの実施形態において、熱伝導素子５１０は利得媒体５０８ａ〜５０８ｄによってつくられるかまたはそれらを透過する光出力すなわち電磁場出力に対して透明とすることができる。
【００５３】
図７は複数の利得媒体からの出力をコヒーレント結合する方法７００のフローチャートである。レーザまたはパラメトリック利得媒体のような第１の利得媒体で第１の電磁場をつくることができる（段階７０２）。レーザまたはパラメトリック利得媒体のような第２の利得媒体で第２の電磁場をつくることができる（段階７０４）。不安定型共振器において共振器の拡大効果により第１の電磁場を拡大することができる（段階７０６）。不安定型共振器において同様の態様で第２の電磁場を拡大することができる（段階７０８）。第１の電磁場を第２の利得媒体に重ね、第２の電磁波を第１の利得媒体に重ねることによって、第１及び第２の電磁場をコヒーレント結合することができる（段階７１０）。このようにして得られる出力は寸法が制限された利得媒体によってつくられるビームより高いレベルのパワー及びフルーエンスを有することができ、適応光学系は必要ではない。
【００５４】
次に、図１を参照して、一実施形態の使用例を説明する。利得媒体の出力を結合し、パワーを高めるため、図示されるように、複数の利得媒体、例えば２つの光パラメトリック結晶１０８ａ及び１０８ｂを不安定型共振器１０２内に並列構成で配置することができる。ポンピングに適する装置（図示せず）、例えばダイオードアレイが、２つのパラメトリック結晶１０８ａ及び１０８ｂのパラメトリック閾値にあるかまたはそれより強い、適するポンプ光波１３０を供給する。十分なポンプエネルギーが利得媒体１０８ａ及び１０８ｂに供給された後、個々の利得媒体でつくられた出力電磁場が、共振器１０２の拡大効果によって拡大されて、共振器ミラーの内の１つまたは両方、例えばミラー１０６からの反射後に隣接する利得媒体に重なる。
【００５５】
電磁場重なり条件の調整は、利得媒体１０８ａと１０８ｂの離隔距離１１２の選択及び増倍係数Ｍの設計によって容易にすることができる。不安定型共振器１０２の形状寸法の適切な設計により、それぞれが、例えば、式（１）〜（３）で定められるようなあるｇパラメータを有する、複数のミラーを選択することにより、いかなる所望のＭの値も得ることができる。利得媒体の出力電磁場はコヒーレント結合され、不安定型共振器から外部結合される。ミラーの反射率は、不安定型共振器１０２内の所望の回数、例えば１０回または２０回の往復後に、出力結合が生じるように制御することができる。
【００５６】
したがって、本発明の実施形態により、レーザ及び光パラメトリック装置のパワー、フルーエンス及び出力パルスエネルギーを高めることができる。製造技術にしたがう最大実用寸法の利得媒体を、それぞれの出力電磁場のコヒーレント結合によって有効に結合することができる。実施形態は金属材料または非金属材料のレーザによる切断、加工及び溶接に有益に用いることができる。本発明の実施形態により、様々な構造及び材料のレーザアブレーション及び分解も実現することができる。
【００５７】
本発明のいくつかの形態を参照して本発明を詳細に説明したが、別の形態も可能である。例えば、２つのミラーまたはレンズを備える不安定型共振器の使用を説明したが、２つより多くのミラーを有する不安定型リング共振器を用いることができる。さらに、総じて光パラメトリック不安定型発振器を説明したが、そのような発振器は、単共振型、二重共振型または三重共振型とすることができる。さらに、上述したポンプ光波は不安定型共振器の軸線に沿って入射しているが、軸線または光軸を外したポンピングを用いることができる。
【００５８】
さらに、隣接する利得媒体の離隔距離は上に与えた離隔距離に限定されず、それとは異なることができる。離隔距離に影響する要因として、限定するものではないが、（１）増倍係数を含む不安定型共振器の形状寸法、（２）利得媒体で生じる熱、及び（３）利得媒体間の熱伝導素子の存在などが掲げられる。さらに、固体利得媒体以外の利得媒体、例えば、気体媒体または液体染料媒体を用いることができる。
【００５９】
添付される特許請求の範囲、要約及び図面のいずれをも含む、本明細書に開示された全ての特徴は、別に明白に述べられていない限り、同じか、等価であるかまたは同様の目的を果たす別の特徴で置き換えることができる。特に明示的に記載されていない限り、開示されたそれぞれの特徴は等価であるかまたは同様の特徴の包括的な群の中の一例に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】コヒーレントビーム結合システムの部品を示す略図である
【図２】線２−２に沿ってとられた図１のコヒーレントビーム結合システムの断面図である
【図３】コヒーレントビーム結合システムの別の実施形態の略図である
【図４】線４−４に沿ってとられた図３のコヒーレントビーム結合システムの断面図である
【図５】コヒーレントビーム結合システムの別の実施形態の略図である
【図６】線６−６に沿ってとられた図５のコヒーレントビーム結合システムの断面図である
【図７】複数の利得媒体からの出力をコヒーレント結合する方法のフローチャートである
【符号の説明】
【００６１】
１００    コヒーレントビーム結合システム
１０２    不安定型共振器
１０４，１０６    ミラー
１０８ａ，１０８ｂ，５０８ａ，５０８ｂ，５０８ｃ，５０８ｄ    利得媒体
１０８ｂ'    出力
１１２    離隔距離
１３０    ポンプ光波
５１０    熱伝導素子
【図１】
2006528429.tif 000014
【図２】
2006528429.tif 000015
【図３】
2006528429.tif 000016
【図４】
2006528429.tif 000017
【図５】
2006528429.tif 000018
【図６】
2006528429.tif 000019
【図７】
2006528429.tif 000020
【国際調査報告】
2006528429.tif 000021
2006528429.tif 000022
2006528429.tif 000023