(57)【要約】コヒーレント放射光を発生する方法であって、四準位レーザからの第１の基本放射ビームと三準位レーザからの第２の基本放射ビームを非線形素子の内側で混合し、２つの基本ビームの周波数の出力ビームを得る方法。本発明は、この方法を実行するための装置にも関連する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四準位固体レーザを使用して第１の周波数の第１の基本放射ビームを出力するステップと、
三準位固体レーザを使用して第２の周波数の第２の基本放射ビームを出力するステップと、
非線形光学素子内で前記第１の基本放射ビームと前記第２の基本放射ビームを混合し、前記第１の周波数と前記第２の周波数の和である周波数を持つ出力ビームを得るステップとを含む、
コヒーレント放射光を発生させる方法。
【請求項２】
混合するステップが、三準位固体レーザを設定する共振器の外側の非線形光学素子内で実行される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
混合するステップが、四準位固体レーザを設定する共振器内の非線形光学素子の内側で実行される請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
混合するステップが、準位相整合回折格子を備える非線形素子の内側で実行される請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
混合するステップが、チタン・リン酸カリウム（ＫＴＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、チタン・ヒ化ルビジウム（ＲＴＡ）、チタン・ヒ化カリウム（ＫＴＡ）、チタン・リン酸ルビジウム（ＲＴＰ）、およびニオブ酸カリウム（ＫＮ）からなる非線形結晶のグループから選択した周期的分極結晶内で実行される請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の基本放射ビームが、ＹＡＧ、ＹＶＯ4、ＧｄＶＯ4、ＹＬｉＦ4、およびＹＡｌＯ3からなる結晶のグループから選択したホスト結晶にドープしたネオジウム・イオンを含む活性媒質を持つ四準位レーザによって出力される請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
第２の基本放射ビームが、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬｉＦ4、Ｎｄ：ＹＡｌＯ3、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：Ｓ−ＦＡＰ、およびＴｍ：ＹＡＧからなるグループから選択した活性媒体を持つ三準位レーザによって出力される請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
第１および第２の基本ビームが、発生する出力ビームの波長が４８０〜５１０ｎｍおよび５３５〜６００ｎｍのいずれかの波長範囲内であるような周波数を持つ請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第１の基本放射ビームが、波長約１０４７ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＬｉＦ4レーザを使用して出力され、第２の基本放射ビームが、波長約９１４ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザを使用して出力され、混合するステップが、約４８８ｎｍの波長の出力ビームを生成する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１の基本放射ビームが、波長約１０５３ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＬｉＦ4レーザを使用して出力され、第２の基本放射ビームが、波長約９０８ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＬｉＦ4レーザを使用して出力され、混合するステップが、約４８８ｎｍの波長の出力ビームを生成する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
第１の基本放射ビームが、波長約１３１９ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用して出力され、第２の基本放射ビームが、波長約１０３０ｎｍのコヒーレント放射光を放出する固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用して出力され、混合するステップが、約５７８ｎｍの波長の出力ビームを生成する請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
混合するステップが、非共線的に実行され、和周波数の出力ビームが、両方の基本放射ビームと非平行である請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
コヒーレント放射光を発生する装置であって、
第１の周波数の第１の基本放射ビームを放射する動作をする四準位固体レーザと、
第２の周波数の第２の基本放射ビームを放射する動作をする三準位固体レーザと、
前記第１の基本放射ビームと前記第２の基本放射ビームを混合し、前記第１の周波数と前記第２の周波数の和である周波数を持つビームを出力することができる非線形光学素子とを備える装置。
【請求項１４】
非線形光学素子が、三準位レーザを設定する共振器の外側に配置される請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
非線形光学素子が、四準位レーザを設定する共振器の内側に配置される請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
四準位固体レーザの活性媒質が、ＹＡＧ、ＹＶＯ4、ＧｄＶＯ4、ＹＬｉＦ4、およびＹＡｌＯ3からなる結晶のグループから選択したホスト結晶にドープしたネオジウム・イオンを含む請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
三準位固体レーザの活性媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬｉＦ4、Ｎｄ：ＹＡｌＯ3、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：Ｓ−ＦＡＰ、およびＴｍ：ＹＡＧからなるグループから選択される請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の配置。
【請求項１８】
非線形光学素子が、四準位レーザ共振器と三準位レーザ共振器の両方の内側に配置され、前記非線形素子が、第１の基本ビームと第２の基本ビームの両方に非平行な方向の和周波数生成について位相整合を行うように設計されている請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
非線形光学素子が、準位相整合回折格子を備える請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
非線形素子が、チタン・リン酸カリウム（ＫＴＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、チタン・ヒ化ルビジウム（ＲＴＡ）、チタン・ヒ化カリウム（ＫＴＡ）、チタン・リン酸ルビジウム（ＲＴＰ）、およびニオブ酸カリウム（ＫＮ）からなる非線形結晶のグループから選択した周期的分極結晶である請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本ビームのそれぞれよりも短い波長の生成放射線ビーム（generated  beam  of  radiation）を出力する、２つの基本放射線ビーム（fundamental  beams  of  radiation）の周波数混合に関するものである。特に、本発明は、四準位レーザからの光と三準位レーザからの光の周波数混合に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザにおける光の発生は、ホスト材料にドープされた活性イオンの電子遷移に基づく。活性イオンの種類とホスト材料に応じて、電子遷移により異なる波長が得られる。
【０００３】
固体レーザから得られる波長は、通常、電磁スペクトルの近赤外線領域にある。より短い波長、例えば、可視光線を得るために、非線形相互作用に基づくさまざまな技術が広く用いられている。
【０００４】
活性イオンのうちよく使用されるものとして、希土類金属がある。これらの金属イオンを結晶質または非晶質のホスト材料にドープし、活性レーザ媒体を得る。固体レーザで使用される希土類金属としては、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、およびＰｒがある。しかし、他の希土類も場合によっては使用される。
【０００５】
結晶格子または非晶質ホストの環境のせいで、活性イオンのそれぞれの電子状態はさまざま（manifold）に分離する。活性イオンの励起状態と基底状態は両方とも実際にマニホールドである。
【０００６】
通常、基底状態への遷移がレーザで使用される場合、レーザは三準位レーザと呼ばれる。それは光発生のプロセスに３つの準位が関わっているからである。関わっている第１の準位はポンプ準位であり、イオンは光ポンプ源によりこの準位まで励起される。イオンは、このポンプ準位から、上位レーザ準位と呼ばれるより低いエネルギー準位へ急速に移動する。この準位での寿命は、他の準位に比べて比較的長い。したがって、この上位レーザ準位は、「準安定」準位と呼ばれることが多い。そこで、上位レーザ準位からより低いエネルギー準位への遷移は、（適切なエネルギーの）適切な周波数の光により活性化される。上位レーザ準位からより低いレーザ準位への遷移が行われるが、三準位レーザの場合には、活性イオンの基底状態である。
【０００７】
より低いレーザ準位が活性イオンの励起状態である場合、４つの準位が光の発生に関わっているためレーザは四準位レーザと呼ばれる。四準位レーザの場合、イオンの基底状態への自然な遷移により低いレーザ準位は速やかに空になる。したがって、四準位レーザは、反転分布（population  inversion）（レーザ発振の前提条件）が容易に得られるため、通常、三準位レーザに比べて効率がよい。
【０００８】
三準位レーザのクラスの１つに、準三準位レーザと呼ばれるものがある。この場合、より低いレーザ準位は、実際には、基底状態のマニホールド内にある。しかし、低いレーザ準位は、実際のゼロ準位よりもわずかに上にある。したがって、より低いレーザ準位は熱分布が平衡状態にある。この熱分布により、レーザ波長の光の再吸収が生じ、効率は四準位レーザに比べて低い。しかし、それでも低いレーザ準位が０準位である「真の」三準位レーザに比べれば効率は高い。
【０００９】
Ｎｄドープ・レーザ結晶またはガラスにおける4Ｆ3/2−4Ｉ11/2（さらに4Ｆ3/2−4Ｉ13/2）遷移は、通常、放射光の波長が１０４０から１０８０ｎｍ（１３００〜１４５０ｎｍ）の効率の高い四準位固体レーザで利用されている。この系は四準位系であるが、それは、4Ｉ11/2状態が非常に短命であり、この準位のイオンはほとんど即座に基底状態に移動するからである。
【００１０】
Ｎｄイオンの基底状態マニホールド4Ｉ9/2を低いレーザ準位として使用する場合、レーザの波長は９００〜９５０ｎｍと実質的に短い放射光波長にまで短くなる。しかし、この手法の欠点は、系の上述の準三準位という性質による。より低いレーザ準位の熱分布のせいで、利得が低く、温度依存の再吸収損失が生じるからである。注目した準三準位レーザ系として他に、Ｙｂドープ・レーザ結晶またはガラス（レーザ遷移2Ｆ5/2−2Ｉ7/2）がある。この系には、ポンプ欠陥が小さい（ポンプ準位と上位レーザ準位とのエネルギー差が小さい）ことと、励起状態吸収がないことなどのいくつかの利点がある。Ｙｂドープ材料で対応できる波長範囲は、９８０〜１０７０ｎｍである。上述のように、固体レーザ内で活性イオンとして使用できる希土類イオンは他にもある。例えば、ＨｏやＴｍからは準三準位レーザが得られるが、出力される波長は実質的に長い（約２０００ｎｍ）。
【００１１】
準三準位レーザは利得が低く、したがって通常は、効率が低く、損失の影響を極めて受けやすいが、総合的なパフォーマンスは、レーザ設計を慎重に最適化すれば、四準位レーザに匹敵するものとなる可能性がある。最適化では、高いポンプ吸収と低い再吸収損失との最適なバランスを取り、最適な出力カップリングを見つける。さらに、できる限り明るいポンプ源を使用する必要がある（好ましくはレーザ・ダイオード）。
【００１２】
第二世代同調は、上記の赤外線レーザを可視スペクトルに変換するために広く使用されている技法である。四準位レーザからの出力の周波数逓倍では、通常、緑色または赤色のスペクトル領域が得られるが、三準位レーザからの出力の周波数逓倍では、青色または緑色の光が得られる。両方の種類のレーザがさまざまな構成で実装されており、またいくつかは既に市販されている。しかし、多くのアプリケーションでは、緑色から青色までのスペクトル領域（４８０〜５１０ｎｍ）にあるレーザ光だけでなくオレンジ色から緑色までのスペクトル領域（５３５〜６００ｎｍ）にあるレーザ光も必要とする。
【００１３】
今のところ、緑色から青色までのスペクトル領域をカバーするのはイオン・ガス・レーザだけであるが、これらの系はかさばり、消費電力が非常に大きく、また寿命も短い。このようなレーザの１つに、よく知られているアルゴン・イオン・レーザがある。つい最近、第２の手法が提案されたが、これは、９７５ｎｍ付近の周波数逓倍レーザ・ダイオードである。しかし、十分なパフォーマンスを得るためには単一トランスバーサル・モードのダイオードが必要とされ、十分に大きな出力を有するこのようなダイオードの加工には重大な制約があり、例えば、寿命が損なわれるという点が挙げられる。さらに、出力スペクトルは広がりが大きく、波長許容帯域幅（wavelength  acceptance  bandwidth）が狭い非線形逓倍結晶（non−linear  doubling  crystal）に関して不利である。
【００１４】
緑色から赤色のスペクトル領域に関して、さまざまな他の手法が試されてきた。その１つに、色素レーザの採用がある。しかし、色素レーザを使用する場合には、さまざまな液体染料を使用する必要があるため、扱いにくく、また有毒ですらある。さらに、アップコンバージョン・レーザまたはラマン・シフト固体レーザのイントラキャビティ逓倍法が提案されている。残念なことに、アップコンバージョン・レーザには、安定でないという欠点があり、ラマン・レーザの周波数逓倍では、Ｑスイッチングの効率が十分によくなければならない。
【００１５】
したがって、上述のスペクトル領域に到達し、十分に高い出力を得るにためには、新しいコヒーレント光源が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の１つの目的は、放射波長に関する上記の要件を満たす、固体レーザ源からコヒーレント放射光を得ることである。
また、出力を漸次増大することができ、コンパクトで、費用効果の高い光源からのこれらの波長のコヒーレント放射光を与えることも本発明の目的である。
上記の目的は、特許請求項で述べている種類の方法によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、コヒーレント放射光は１つの四準位レーザ源からの放射光と１つの三準位レーザからの放射光の周波数混合により発生する。通常、本発明に関しては、三準位レーザは準三準位レーザであるが、「真の」三準位レーザも使用可能である。三準位レーザからと四準位レーザからの光の周波数混合により、三準位レーザの効率の低さが、少なくともある程度までは、四準位レーザの効率の高さにより補われる。さらに、直接発生または周波数逓倍により固体レーザで得るのが難しい、あるいは不可能ですらある波長を出力することができる。本発明では標準のレーザ・ダイオードをポンプ源として使用することにより、出力を高出力まで高めることが可能である。
【００１８】
周波数混合は四準位レーザの共振器内で実行するのが好ましい。この方法により、四準位レーザからの強い放射光が得られるが、三準位レーザは影響を受けない。しかし、両方のレーザの共振器外で周波数混合を実行することも可能である。
【００１９】
以下で説明するように、１つの三準位レーザと１つの四準位レーザの周波数混合を使用すると、出力の雑音が少なくなるという利点がさらにある。
【００２０】
四準位レーザからの放射光と準三準位レーザからの放射光の周波数混合にはいくつかの利点があり、従来技術の重大な問題をいくつか解決している。まず１つは、固体レーザからは従来不可能であるか、または非常に困難である範囲の波長が得られるという点である。例えば、高価でかさばるＡｒイオン・レーザを四準位レーザと準三準位レーザとの周波数を放射する光源で置き換えることができる。Ａｒイオン・レーザから得られる重要なレーザ光線の１つは４８８ｎｍであり、これは本発明による適切に選択した放射線源の周波数混合で置き換えることができる。これについてはさらに、以下の詳細な説明で明らかになる。第２は、四準位レーザの効率が高いため、周波数混合を使用することによりこれらの魅力的な波長範囲において比較的高い出力が得られるという点である。第３は、標準レーザ・ダイオードを、本発明に基づいて使用されるレーザのポンプ源として使用できるという点である。これらの固体レーザに用いる適切なポンプ波長で放射するレーザ・ダイオードは市販されており、また光度も出力も高いため、妥当なコストで、周波数混合で高出力を得ることが可能である。
【００２１】
従来、周波数混合などの非線形相互作用は、基本ビームおよび発生ビームの位相が整合するように適切な方向でカッティングされた複屈折光学結晶で行われていた。光の非線形相互作用のこの位相整合の方法を、後で簡単に説明する準位相整合法（ＱＰＭ）に対して、従来の位相整合法と呼ぶ。本発明に関して、場合によっては従来の位相整合法を使用することも可能である。しかし、考えられる相互作用のいくつかについては、妥当な温度で位相整合が得られる適当な複屈折を選択することができない。準位相整合はさらに、ウォークオフ（walk−off）のない相互作用が得られ、そのため、変換効率がよい。さらに、準位相整合法では、任意の偏光方向に準位相整合を配列できるため非線形素子内の大きな非線形性を利用することができる。もちろん、非線形性が大きいほど、変換効率は高くなる。したがって、準位相整合を利用するのが好ましい。
【００２２】
準位相整合では、非線形結晶の複屈折は必ずしも重要ではない。その代わりに、位相整合は、非線形結晶の非線形係数の空間周期変調により得られ、この変調により、基本ビームの位相と発生ビームの位相との不整合がリセットされる。準位相整合は、周期的分極非線形結晶における選択された非線形光学的相互作用に関して得られ都合がよい。このようにして、発生ビームの出力は非線形結晶内を伝搬するとともに増大する。準位相整合の非常に重要な利点の１つは、周期的構造の空間周期を適切に選択することにより非線形相互作用の位相整合を取ることができるという点である。唯一の制限は、相互作用に関わるビームの波長は材料の透明性内に収まらなければならないという点である。そうでないと、吸収損失が発生し、プロセスの効率が失われることになる。
【００２３】
したがって、本発明により和周波数混合に対し準位相整合を利用するのが好ましく、これにより広範な波長を利用できる。
いくつかの好ましい実施形態の詳細な説明では、付属の図面を参照している。
図面では、類似のパーツは類似の参照番号が振られている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
はじめに、基本波長の異なる好ましい選択について説明する。次に、周波数混合を与えるいくつかの好ましい態様を説明する。
【００２５】
本発明による四準位レーザを使用する場合、活性光発生成分としてネオジム・イオンを利用するのが好ましい。Ｎｄイオンは、さまざまなホスト材料にドープすることができる。以下の表１には、いくつかの好ましいホスト材料をもっとも興味深い輝線とともにまとめた。もちろん、この表に記載されている以外にもさまざまなものが考えられる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に記載されているすべてのレーザ材料に共通なのは、標準レーザ・ダイオードにより光学的ポンピングを行えるという点である。高い効率と出力を得るために、ポンピングの目的に高輝度レーザ・ダイオードを使用することが好ましい。輝線を適切に選択することにより、四準位放射光と準三準位放射光の周波数混合を行い、他の手段では非常に得難いか、または厄介な波長の出力を得ることができる。特に、適当な高出力ポンプ・ダイオードが利用できるため、和周波数での出力を直接的に上げていくことができる。
【００２８】
例えば、４８８ｎｍのアルゴン・イオン・レーザの重要な輝線は、Ｎｄ：ＹＬｉＦ4の１０４７ｎｍの四準位放射光とＮｄ：ＹＶＯ4の９１４の準三準位放射光との混合により得ることができる。４８８ｎｍのコヒーレント放射光は、今日アルゴン・イオン・レーザが採用されている生物学的分析において重要である。そこで、本発明は、この重要な波長の放射線を得る新しい方法を提示する。大型で高価なアルゴン・イオン・レーザは、上で説明した周波数混合方法使用する単純で安価なそれでいて耐久性の高い固体レーザで置き換えることができる。商業的に、これは実際、非常に魅力的である。
【００２９】
他の例では、４８８ｎｍの輝線は、Ｎｄ：ＹＬｉＦ4の１０５３ｎｍの四準位放射光とＮｄ：ＹＬｉＦ4の９０８ｎｍの準三準位放射光との混合により得られる。
【００３０】
Ｎｄ：ＹＡＧの１３１９ｎｍの四準位放射光とＹｂ：ＹＡＧの１０３０ｎｍの準三準位放射光の周波数混合により、波長５７８ｎｍが得られる。この波長は、さまざまな医療用途、例えば血液分析などで興味がもたれている。
【００３１】
第２世代（周波数逓倍）と比較した周波数混合法の一般的な利点は、発生ビームの雑音が少ないという点である。共振器内周波数逓倍法を使用するレーザの出力は、大きな振幅変動および縦モードの不安定さを示す。そのような不安定さは、非線形結晶内の周波数発生によるレーザ発振器の異なる縦モードのカップリングから生じる（各モードの位相整合周波数逓倍のほかに）。実質的に波長の異なる２つの独立のビームを周波数混合した場合、周波数混合のプロセスのみが非線形結晶内で位相整合し、各周波数の逓倍では位相整合されないため、縦モードのカップリングはない。これにより、レーザ・システムは実質的により安定化する。しかしながら、このシステムは、それでも、不安定になる傾向があるが、２つのレーザが周波数変換メカニズムによる非線形カップリングの影響を受けるからである。この効果は、さらに、２つのレーザ共振器の内の１つだけに非線形結晶を挿入し（「単一共振周波数混合」）、他方は非線形素子から分離して２つのレーザを減結合することにより低減することができる。最後に、非線形カップリングは、非線形結晶を両方の共振器の外に置くことにより回避することができる。これは、「エクストラキャビティ周波数混合法」と呼ばれる。
【００３２】
以下では、周波数混合を実行するためのいくつかの好ましい態様について説明する。これらの態様に共通なのは、かなり敏感な準三準位レーザに悪影響を及ぼさないように気をつけることである。したがって、周波数混合の発生光を、準三準位レーザの共振器内で伝搬させないようにするのが好ましい。図では、それぞれの共振器が双頭矢印で示されている。
図１に最初の好ましい装置、または態様の概略が示されている。
【００３３】
示されている配置では、四準位レーザ用のレーザ共振器が第１鏡１０３と第２鏡１０５により設定されている。四準位レーザ用のレーザ共振器内に、四準位レーザ系の電子遷移により光学的放射を出すことができる、第１の活性レーザ媒体１０１が備られている。共振器の鏡１０３および１０５は両方とも、四準位レーザ波長で高い反射率を持つ。この方法で、発生放射光のカップリングのずれによる損失が最小限に抑えられる。
【００３４】
さらに、三準位レーザ用のレーザ共振器が、第３鏡１０４および第４鏡１０６により設定されている。三準位レーザ用のレーザ共振器内に、三準位レーザ系の電子遷移により光学的放射を出すことができる、第２の活性レーザ媒体１０２が備られている。三準位共振器の鏡１０４および１０６の反射率は、三準位レーザ内の派生レーザ光発生を防止するために、活性レーザ媒質１０２のすべての四準位遷移で十分に小さくなるように設計されている。鏡１０４は三準位レーザ波長で高い反射率を持つが、鏡１０６については、１０９で発生放射光を出力できるように、この波長での反射率をわずかに低くしている。
【００３５】
四準位レーザのレーザ共振器内に、非線形結晶１１０が備られている。図に示されているように、非線形結晶は四準位レーザのレーザ共振器内に配置されている。このような配置でも、三準位レーザは非線形結晶の存在の影響を受けない。それと同時に、非線形素子内の四準位レーザからの放射光の出力レベルは、四準位レーザの共振器内に前記結晶を備えることにより最大にできる。
【００３６】
図１に示されている配置では、鏡１０５および１０６は、実際には、共通である。より具体的には、これらの鏡は、非線形結晶の片面に蒸着された誘電体積層により構成される。前記鏡を図に示されているように非線形結晶も片側にふつうに貼り付けることにより、２本の基本放射光（つまり、四準位レーザからの放射光と三準位レーザからの放射光）は、２つの共振器が揃えられた後、自動的に共線上に置かれる。
【００３７】
実用上の理由から、図に概略が示されているように、２つの共振器がそれぞれの鏡１０７および１０８により囲まれる。周波数の発生光をこの配置から放出するために、四準位レーザの鏡１０７は２色性であり、本質的に前記周波数のすべての放射光を通す。まず、鏡を使って、周波数の光がレーザに入り、例えば、活性媒質の吸収によりこれらに悪影響を及ぼさないようにする。さらに、鏡は、競合する四準位遷移での三準位レーザの派生レーザ発振を抑制する目的を持つ。派生レーザ発振は、それらの波長の低い反射率を抑制することにより回避できる。
【００３８】
図には示されていないが、それぞれのレーザの活性媒体１０１、１０２は光学的ポンプ源によりポンピングされる。ポンピングは、高輝度レーザ・ダイオードを使用して縦構成で実行するのが好ましい。
【００３９】
表１に記載されている輝線を、図１に示されている配置で使用することができる。例えば、４８８ｎｍの放射光の好ましい発生は、Ｎｄ：ＹＬｉＦ4結晶を１０４７ｎｍで動作する四準位レーザである四準位媒体１０１として使用し、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶を９１４ｎｍで動作する四準位レーザである三準位媒体１０２として使用して実行することができる。非線形結晶１１０内のこれら２つの基本放射ビームの周波数混合により、４８８ｎｍの出力１０９が得られる。
【００４０】
さらに、非線形結晶１１０を構成する周期的分極非線形結晶を使用して周波数混合を実行するのが好ましい。周期的分極に対する非線形結晶の好ましい選択は、チタン・リン酸カリウム（ＫＴＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、チタン・ヒ化ルビジウム（ＲＴＡ）、チタン・ヒ化カリウム（ＫＴＡ）、チタン・リン酸ルビジウム（ＲＴＰ）、およびニオブ酸カリウム（ＫＮ）がある。
【００４１】
ここでもまた、三準位レーザは非線形損失によって乱されないことに注意すべきである。つまり、非線形結晶１１０はレーザ共振器の外側にあるということである。
【００４２】
他の好ましい装置は、図２に概略が示されている。この配置は、図１に示されているものと似ている。しかし、この場合は、共振器の鏡１０５および１０６は分離している。さらに、集光レンズ１２０が、三準位レーザの出力鏡１０６と非線形結晶１１０の間に導入されている。集光レンズ１２０は、非線形結晶内の三準位レーザから放射光の集束ウェスト（focused  waist）を作る。当業界でよく知られているように、非線形相互作用の変換効率は、基本放射光が強いほど高い。したがって、強度を上げるためには、非線形結晶内に放射光を集束させるのが好ましい。
【００４３】
図３には、さらに他の好ましい装置が示されている。この場合、周波数混合は、四準位レーザ共振器および三準位レーザ共振器の両方の外側で実行される。
【００４４】
四準位レーザ用の共振器は、第１鏡１０３と第２鏡１０５により設定されている。この共振器内に、第１の活性レーザ媒体１０１が配置されている。この共振器から出力される放射光は鏡１０３によって供給されるが、これは、この四準位レーザのレーザ発振波長でわずかに低い反射率を持つ。出力は、第１の誘導鏡１３１および第２の誘導鏡１３２を使用して非線形結晶１１０内に向けられる。
【００４５】
三準位レーザ用の共振器は、第３鏡１０４および第４鏡１０６により設定されている。この共振器内に、第２の活性レーザ媒体１０２が配置されている。この共振器から出力される放射光は鏡１０６によって供給されるが、これは、この三準位レーザのレーザ発振波長でわずかに低い反射率を持つ。ここでもまた、鏡１０４および１０６の反射率は、四準位遷移での派生レーザ発振が防止されるような反射率である。出力は第２の誘導鏡１３２を通り、非線形結晶１１０に向かう。
【００４６】
図に示されているように、四準位レーザと三準位レーザからの出力は、第２の誘導鏡１３２により一つになる。非線形結晶１１０に入る前に、両方の基本ビームは集光レンズ１２０により集束され、非線形結晶１１０内にウェストを形成する。このようにして、効率のよい周波数混合が両方の共振器の外で実行され、前記基本ビームの和周波数の１０９で放射光が出力される。両方の共振器の外で周波数発生を実行することにより、両方のレーザについて非線形損失を避けることができ、また安定性の面の利点も得られる。
【００４７】
他の可能な配置の概略が図４に示されている。ここでは、非線形結晶は、ある意味で、両方の共振器内にある。しかし、後述のように、発生放射光はいずれのレーザ共振器内にも決して入らない。
【００４８】
図に示されているように、発生した光（つまり、周波数混合による放射光）は互いに、また基本放射ビームの一方と非共線的である。非線形光学素子は、いずれの基本ビーム（つまり、四準位レーザと三準位レーザ内の共振モード）とも平行でない方向で位相整合を実現するように設計されている。言い換えると、非線形素子は、これらの方向における波動ベクトルを妨げるように設計されているということである。したがって、いずれの基本レーザにおいても周波数混合による光はない。より具体的には、２つの基本レーザは、非線形素子の非線形性でのみ結合されているということである。このようにして、周波数混合は実際には、両方の基本レーザの共振器内で実行されるが、モード・カップリングによる有害な影響は最小限に抑えられる。それと同時に、周波数混合で高い周波数の出力ビームにするためにそれぞれの共振器内で高い光度を利用できる。
【００４９】
いくつか安定性の問題があるかもしれないが、それでも、図５に概略が示されているように、逓倍共振構成で周波数混合を実行するのが好ましいと考えられる。混合を逓倍共振で実行する場合、非線形素子１１０は四準位レーザと三準位レーザの両方の共振器内にある。示されている配置では、非線形素子１１０はその端面の１つに誘電体積層を備える。この誘電体積層は、四準位レーザと三準位レーザ１０３、１０６の両方の共通共振器鏡を構成する。四準位レーザ用の共振器は、さらに、鏡１０５および２色性鏡１３２により設定されている。四準位レーザの共振器内に、さらに活性媒質１０１が備えられる。三準位レーザの共振器は、さらに、鏡１０４により設定されている。三準位レーザの場合、２色性鏡１３２は、競合する四準位遷移での派生レーザ発振を防止するのに使用される。三準位レーザの共振器内に、さらに活性媒体１０２が備えられる。したがって、非線形結晶１１０は両方のレーザ共振器内に置かれる。こうして、基本周波数での強度は非線形結晶内で増大する。
【００５０】
結論として、本発明は、固体レーザで得ることは以前には不可能であった、あるいは少なくとも困難であった波長でコヒーレント放射光を発生するための方法と配置を提示する。本発明では、四準位レーザにからの放射光を三準位レーザ（準三準位レーザ）からの放射光と混合して周波数の放射光を出力する。特に、四準位レーザの周波数逓倍で得られる波長よりも短い波長のものが得られる。通常、より堅牢な四準位レーザに比べて損失およびその他の外乱の影響を受けやすい三準位レーザへの影響を最小限に抑えるため、三準位レーザを画定する共振器の外部で混合を実行することが好ましい。標準高出力ダイオードを使用することができ、これにより、必要ならば、出力を大幅に増大させることが可能である。
【００５１】
例を用い、付属の図面を参照しながら、本発明を説明してきたが、本発明の範囲内でさまざまな実施形態が可能であることは理解されるであろう。例えば、上記の材料以外の非線形材料を採用することも可能であり、また他の活性媒質を固体レーザ内で使用できるほか、共振器ついても他の構成を取ることが可能である。開示されている実施形態は、説明目的の例であり、付属の請求項で定義されている本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】２つの基本レーザに共通の鏡を使用する、本発明による周波数混合の第１の態様を示す概略図である。
【図２】独立した共振器鏡を使用する、本発明による周波数の第２の態様を示す概略図である。
【図３】共線共振器外混合の構成における、本発明による周波数混合の第３の態様を示す概略図である。
【図４】非共線共振器内混合の構成における、本発明による周波数混合の第４の態様を示す概略図である。
【図５】周波数混合が共振逓倍で実行される、本発明による本第５の態様を示す概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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