(57)【要約】本発明は、安定な固体ラマンレーザ（１）であって、（ａ）少なくとも２つの反射器（Ｍ１およびＭ２）によって形成された共振器キャビティと、（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料（２Ａ）と、（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトするための、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させる、固体レーザ媒体（７）と、（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラ（Ｍ２）とを含み、（ｉ）キャビティ内のラマン媒体（７）の位置に対するレーザ材料（２Ａ）の位置、（ｉｉ）キャビティの長さ、および（ｉｉｉ）少なくとも１つの反射器（Ｍ１またはＭ２）の曲率からなる群より選択される少なくとも１つのパラメータとして、レーザの動作中のレーザ材料（２Ａ）およびラマン媒体（７）内の熱効果の結果としての、レーザ材料（２Ａ）とラマン媒体（７）の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなパラメータが選択される固体ラマンレーザに関する。固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法についても説明する。
2004504732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体ラマンレーザであって、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力する出力ためのカプラとを含み、
（ｉ）キャビティ内のラマン媒体の位置に対するレーザ材料の位置、（ｉｉ）キャビティの長さ、および（ｉｉｉ）少なくとも１つの反射器の曲率からなる群より選択される少なくとも１つのパラメータとして、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなパラメータが選択される固体ラマンレーザ。
【請求項２】
少なくとも１つのパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させるパラメータが選択される、請求項１記載のレーザ。
【請求項３】
レーザが、共振器キャビティの内部および共振器キャビティの外部からなる群より選択される位置に位置する、ラマンレーザビームの周波数を２倍にする非線形媒体をさらに含む、請求項１記載のレーザ。
【請求項４】
さらに、（ｉｖ）反射器とレーザ材料とラマン媒体と、非線形媒体が存在する場合には非線形媒体との間の離隔距離と、（ｖ）出力カプラの透過特性と、（ｖｉ）出力のパルス反復周波数とからなる群より選択される少なくとも１つの追加のパラメータとして、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなパラメータが選択される、請求項１記載のレーザ。
【請求項５】
少なくとも１つの追加のパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させるパラメータが選択される、請求項４記載のレーザ。
【請求項６】
レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、レーザが、使用時に、レーザ材料およびラマン媒体の光学損傷を回避しつつ出力電気範囲内の出力ラマンレーザビームを発生させるようなサイズである、請求項１記載のレーザ。
【請求項７】
出力電気範囲が単一の出力電気に相当する、請求項６記載のレーザ。
【請求項８】
出力電気範囲が、最適な出力電気、最適に近い出力電気、最適な出力電気以下の出力電気からなる群より選択される範囲である、請求項６記載のレーザ。
【請求項９】
少なくとも１つのパラメータとしては、使用時に、レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、キャビティの安定性を維持し、レーザ材料およびラマン媒体への光学損傷を回避しつつ、出力ラマンレーザビームの出力電気範囲向けに最適化されるパラメータが選択される、請求項１記載のレーザ。
【請求項１０】
レーザ材料、ラマン媒体、および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体が、１つの構成要素が、（ｉ）レーザ材料と非線形媒体の両方、（ｉｉ）レーザ材料とラマン媒体の両方、および（ｉｉｉ）ラマン媒体と非線形媒体の両方からなる群より選択される２重機能を実行する、非離散要素として存在する、請求項１記載のレーザ。
【請求項１１】
レーザ材料が、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、およびＮｄ：ＹＬＦからなる群より選択され、ラマン媒体が、ＬｉＩＯ３、ＣａＷＯ４、ＫＧＷ、およびＢａ（ＮＯ３）２からなる群より選択される、請求項１記載のレーザ。
【請求項１２】
非線形材料が、ＬＢＯ、ＢＢＯ、およびＫＴＰからなる群より選択される、請求項３記載のレーザ。
【請求項１３】
レーザ材料が、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、およびＮｄ：ＹＬＦからなる群より選択され、ラマン媒体が、ＬｉＩＯ３、ＣａＷＯ４、ＫＧＷ、およびＢａ（ＮＯ３）２からなる群より選択される、請求項３または１２記載のレーザ。
【請求項１４】
キャビティ内を伝搬する基本レーザビームおよびラマンレーザビームを発生させるようにレーザ媒体およびラマン媒体を励起する励起レーザ源をさらに含む、請求項１記載のレーザ。
【請求項１５】
出力ラマンレーザビームの出力電気を変化させるように励起レーザ源の周波数を変化させる手段を含む、請求項１４記載のレーザ。
【請求項１６】
固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法であって、固体ラマンレーザが、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含む方法において、
（ａ）（ｉ）キャビティ内のラマン媒体に対してレーザ材料を位置させる段階、（ｉｉ）キャビティの長さを変更する段階、および（ｉｉｉ）レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないように、少なくとも１つの反射器の曲率を選択する段階からなる群より選択される少なくとも１つの段階と、
（ｂ）励起ビームによってレーザ材料およびラマン媒体を励起し、安定な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させる段階とを含む方法。
【請求項１７】
段階（ａ）が、最適な出力電気を有する出力ラマンレーザビームを発生させるようにパラメータを選択する段階を含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
レーザが、共振器キャビティ内または共振器キャビティの外部に存在する、ラマンレーザビームの周波数を２倍にしてその第２高調波または他の副周波数または異なる周波数波長の出力を生成する非線形媒体をさらに含み、この方法が、ラマンレーザビームの周波数を２倍にして該出力を生成する段階を含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
周波数を２倍にすることによって、５７８ｎｍ〜５８０ｎｍ、６３２ｎｍ〜６３６ｎｍ、約５９８ｎｍ、およびそれらの組合せからなる群より選択される波長の出力が生成される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
段階（ａ）が、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合にはこれらのビームウエストおよび共振器モードのサイズを、所望の出力電気範囲向けに最適化する段階を含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２１】
固体ラマンレーザであって、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
キャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、使用時にレーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなサイズが選択される固体ラマンレーザ。
【請求項２２】
固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法であって、固体ラマンレーザが、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
キャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、使用時にレーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなサイズが選択される固体ラマンレーザであり、
励起ビームによってレーザ材料および固体ラマン媒体を励起し、安定な出力電気を有する出力ラマンレーザビームを発生させる段階を含む方法。
【請求項２３】
レーザが、キャビティ内またはキャビティの外部に位置し、ラマンレーザビームの周波数を２倍にして出力を生成する非線形媒体をさらに含み、周波数がシフトされた出力を生成するようにレーザを動作させる段階を含み、非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、使用時にレーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなサイズが選択される、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、安定な固体ラマンレーザ、および固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
固体ラマンレーザは、ポンプレーザ電力に関する高い（最大７０％〜８０％）変換効率、優れたビーム品質、および整列の容易さをもたらす光周波数ダウンコンバージョンに対する実際的で効率的な手法である。近年、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）に結晶を使用することが関心を集めている。これは、結晶ラマンレーザは、高圧気体ラマンレーザおよび染料（液体）ラマンレーザと比べて、利得、熱的性質および機械的性質、信頼性、および高パルス反復周波数で動作する能力が優れているからである。さらに、結晶は、小形全固体レーザ技術に適合する。
【０００３】
効率的に周波数変換を行う結晶ラマンレーザの潜在能力は、アマン（Ｅ． Ｏ． Ａｍｍａｎｎ）およびディッカー（Ｃ． Ｄ． Ｄｅｋｋｅｒ）著「０．９Ｗラマン発振器（０．９Ｗ Ｒａｍａｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）」Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、第４８巻、第５号、１９７３ページ〜１９７５ページ、１９７７年によって最初に報告された。アマン（Ｅ． Ｏ． Ａｍｍａｎｎ）およびディッカー（Ｃ． Ｄ． Ｄｅｋｋｅｒ）は、光・光変換率が最大で７７％のＮｄ：ＹＡＬＯレーザの共振器の内側の結晶ヨウ素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）中でＳＲＳを用いて第１ストークス波長で０．９Ｗを得た。他の適切な結晶には、様々なタングステン酸塩、モリブデン酸塩、および硝酸バリウムが含まれる。用いられる結晶の性質を選択することによって、特定の離散波長への周波数変換が可能である。
【０００４】
ラマン波長（またはその第２高調波）での出力ビームは通常、非常に良好なビーム品質および空間特性およびポインティング安定性を有し、多数の用途に応じて光ファイバ（通常、直径５０μｍ〜６００μｍ）に効率的に（８０％〜８０％）結合することができる。
【０００５】
しかし、固体ラマンレーザシステムは、構成および動作が複雑であり、光電力ポンプ源への最初の電流入力から最大電流まで長期間にわたって安定に動作することのできる固体ラマンレーザを構成することは一般に困難である。レーザシステムが実際上安定していない場合、整列および電力のドリフトが起こる。安定に動作させることのできる、低電力体系（約１０ｍＷ出力電気）および高電力体系（１Ｗを超える）を含む様々な電力体系内の、特定の動作点向けの固体レーザを構成する簡単な方法を開発することが望ましい。効率的で、ミスアライメントの影響をあまり受けず、良好なビーム品質を有し、最大で数ストークスワットの出力を生成することができる固体ラマンレーザシステムを構成することも望ましい。
【０００６】
発明の目的
本発明の目的は、上記の欠点のうちの少なくとも１つを解消するかもしくは実質的に軽減するか、または適切な他のレーザを提供することである。
【０００７】
発明の概要
第１の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザであって、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
（ｉ）キャビティ内のラマン媒体の位置に対するレーザ材料の位置、（ｉｉ）キャビティの長さ、および（ｉｉｉ）少なくとも１つの反射器の曲率からなる群より選択される少なくとも１つのパラメータとして、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなパラメータが選択される固体ラマンレーザから成る。
【０００８】
好適には、少なくとも１つのパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させるパラメータが選択される。
【０００９】
好適には、レーザは、共振器キャビティの内部および共振器キャビティの外部からなる群より選択される位置に位置する、ラマンレーザビームの周波数を２倍にする非線形媒体を含む。
【００１０】
好適には、さらに、（ｉｖ）反射器とレーザ材料とラマン媒体と、非線形媒体が存在する場合には非線形媒体との間の離隔距離と、（ｖ）出力カプラの透過特性と、（ｖｉ）出力のパルス反復周波数とからなる群より選択される少なくとも１つの追加のパラメータとして、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなパラメータが選択される。好適には、少なくとも１つのパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させるパラメータが選択される。
【００１１】
好適には、レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内のビームウエストおよび共振器モードのサイズは、レーザが、使用時に、レーザ材料およびラマン媒体の光学損傷を回避しつつ出力電気範囲内の出力ラマンレーザビームを発生させるようなサイズである。好適には、出力電気範囲は単一の出力電気に相当する。好適には、出力電気範囲は、最適な出力電気、最適に近い出力電気、最適でない出力電気からなる群より選択される範囲である。
【００１２】
好適には、少なくとも１つのパラメータとしては、使用時に、レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、キャビティの安定性を維持し、レーザ材料およびラマン媒体への光学損傷を回避しつつ、出力ラマンレーザビームの出力電気範囲向けに最適化されるパラメータが選択される。
【００１３】
好適には、レーザ材料、ラマン媒体、および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体は、１つの構成要素が、（ｉ）レーザ材料と非線形媒体の両方、（ｉｉ）レーザ材料とラマン媒体の両方、および（ｉｉｉ）ラマン媒体と非線形媒体の両方からなる群より選択される２重機能を実行する、非離散要素として存在する。
【００１４】
好適には、レーザ材料は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、およびＮｄ：ＹＬＦからなる群より選択され、ラマン媒体は、ＬｉＩＯ３、ＣａＷＯ４、ＫＧＷ、およびＢａ（ＮＯ３）２からなる群より選択される。好適には、非線形材料は、ＬＢＯ、ＢＢＯ、およびＫＴＰからなる群より選択される。
【００１５】
好適には、レーザは、キャビティ内を伝搬する基本レーザビームおよびラマンレーザビームを発生させるようにレーザ媒体およびラマン媒体を励起する励起レーザ源をさらに含む。好適には、レーザは、出力ラマンレーザビームの出力電気を変化させるように励起レーザ源の周波数を変化させる手段を含む。
【００１６】
第２の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法であって、固体ラマンレーザが、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含む方法において、
（ａ）（ｉ）キャビティ内のラマン媒体に対してレーザ材料を位置させる段階、（ｉｉ）キャビティの長さを変更する段階、および（ｉｉｉ）レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないように、少なくとも１つの反射器の曲率を選択する段階からなる群より選択される少なくとも１つの段階と、
（ｂ）励起ビームによってレーザ材料およびラマン媒体を励起し、安定な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させる段階とを含む方法から成る。
【００１７】
好適には、この方法において、段階（ａ）は、最適な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させるようにパラメータを選択する段階を含む。好適には、この方法では、レーザは、共振器キャビティ内または共振器キャビティの外部に存在する、ラマンレーザビームの周波数を２倍にしてその第２高調波または他の副周波数または異なる周波数波長の出力を生成する非線形媒体をさらに含み、この方法は、ラマンレーザビームの周波数を２倍にして上記の出力を生成する段階を含む。好適には、周波数を２倍にすることによって、約５３２ｎｍ、５７８ｎｍ〜５８０ｎｍ、６３２ｎｍ〜６３６ｎｍ、約５９８ｎｍ、およびそれらの組合せからなる群より選択される波長の出力が生成される。
【００１８】
好適には、この方法では、段階（ａ）は、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、レーザ材料およびラマン媒体および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内のビームウエストおよび共振器モードのサイズを、所望の出力電気範囲が得られるように最適化する段階を含む。
【００１９】
第３の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザであって、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
キャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなサイズが選択される固体ラマンレーザから成る固体ラマンレーザから成る。
【００２０】
第４の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法であって、固体ラマンレーザが、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
キャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようなサイズが選択される固体ラマンレーザであり、
励起ビームによってレーザ材料およびラマン媒体を励起し、安定な電力出力を有する出力ラマンレーザビームを発生させる段階を含む方法から成る。
【００２１】
好適には、この方法では、レーザは、キャビティ内またはキャビティの外部に位置し、ラマンレーザビームの周波数を２倍にして出力を生成する非線形媒体をさらに含み、この方法は、周波数がシフトされた出力を生成するようにレーザを動作させる段階を含み、非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズとしては、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としての、レーザ材料とラマン媒体の両方の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないようにサイズが選択される。
【００２２】
第５の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザであって、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
レーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなサイズである固体ラマンレーザから成る。
【００２３】
好適には、ラマンレーザは、共振器キャビティ内または共振器キャビティの外部に位置し、ラマンレーザビームの周波数を２倍にしてその第２高調波または他の副周波数または異なる周波数波長の出力を生成する非線形媒体をさらに含み、非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズは、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなサイズである。好適には、非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズは、最適な電力出力が得られるように最適化される。好適には、非線形媒体の位置としては、レーザ材料、ラマン媒体、および非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、レーザの動作中に、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなサイズであるような位置が選択される。
【００２４】
好適には、（ｉ）レーザ材料の位置およびラマン媒体の位置ならびに選択的に、キャビティ内に非線形媒体が存在する場合には非線形媒体の位置、（ｉｉ）キャビティの長さ、および（ｉｉｉ）少なくとも１つの反射器の曲率からなる群より選択された少なくとも１つのパラメータとしては、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなパラメータが選択される。好適には、少なくとも１つのパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力電気ビームを発生させるパラメータが選択される。
【００２５】
好適には、さらに、（ｉｖ）１つまたは複数の反射器とレーザ材料とラマン媒体と、非線形媒体が存在する場合には非線形媒体との間の離隔距離と、（ｖ）出力カプラの透過特性と、（ｖｉ）出力のパルス反復周波数とからなる群より選択される少なくとも１つの追加のパラメータとして、レーザ材料、ラマン媒体、および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、レーザの動作中に、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなサイズであるようなパラメータが選択される。好適には、少なくとも１つの追加のパラメータとしては、最適な電力出力を有する出力電気ビームを発生させるパラメータが選択される。
【００２６】
第６の局面によれば、本発明は、固体ラマンレーザの安定な動作を維持する方法であって、固体ラマンレーザが、
（ａ）少なくとも２つの反射器によって形成された共振器キャビティと、
（ｂ）共振器キャビティ内に位置し、共振器キャビティ内を伝搬するキャビティレーザビームを発生させることのできるレーザ材料と、
（ｃ）共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体レーザ媒体と、
（ｄ）共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合して出力するための出力カプラとを含み、
レーザ材料およびラマン媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズが、ラマンレーザが、キャビティの安定性を維持し、共振器構成要素の光学損傷を回避しつつ、所望の出力電気範囲で動作するようなサイズであるようにレーザを動作させる段階を含む方法から成る。
【００２７】
好適には、この方法は、レーザ材料およびラマン媒体ならびに非線形媒体が存在する場合には非線形媒体のビームウエストおよび共振器モードのサイズを決定する段階を含む。
【００２８】
次に、本発明の好ましい形態を、添付の図面を参照して一例として説明する。
【００２９】
好ましい態様の詳細な説明
発明者は、レーザ材料およびラマン媒体の熱レンジング電力を考慮して固体ラマンレーザを構成することによって、ラマン固体レーザの動作に関連する共振器安定性問題を解決できることを発見した。
【００３０】
熱レンズは、以下のようにレーザ材料で形成される。レーザ材料において基本波長でレーザ出力を生成するプロセスでは、レーザ材料に熱が蓄積され、温度分布が確立される。熱光学係数により、材料を通過する光を収束させるように働き集光レンズとして働くレーザ材料全体にわたって屈折率が変動する。これは、焦点距離ｆＬを有する熱レンジング効果である。ｆＬの大きさは、吸収されるポンプ電力が大きくなるにつれて小さくなり、最大吸収ポンプ電力ｆＬ＝ｆＬ（ｍｉｎ）の場合、すなわち、最初の開始電流から最大動作電流まで、レーザ媒体の焦点距離が短くなる。
【００３１】
熱レンズは、ラマン媒体でも発生する。ＳＲＳ（誘導ラマン散乱）による周波数変換を用いた場合、ラマン媒体の内側で熱を一様に発生させ、顕著な熱レンジング効果および焦点距離ｆＲをもたらすように急速に減衰する光子がラマン媒体内で発生する。このような効果は、この非線形的で非一様なプロセスの非弾性のために得られ、あらゆる散乱イベントに関して、光子エネルギーの小さな一部（ＬｉＩＯ３の場合は７．９％）がラマン媒体内に熱として蓄積される。加熱の程度は、ストークス波長で発生する電力と共に高くなり、特にレーザの内側で発生するあらゆる第１または第２ストークス光子について、少ないが一定の量の熱が媒体の内側に蓄積される。結晶の熱伝導性および共振器キャビティの内側のレーザビームのサイズの影響を受ける結果として得られる温度分布によって、媒体全体にわたって屈折率が変動する。たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ媒体内の正の熱レンズは、レーザダイオードからの吸収された電力と概ね線形に比例するが、たとえばＬｉＯ３内の熱レンズは、第１ストークス波長でのキャビティ内電力密度に依存する。ＬｉＩＯ３の場合、熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ）は、波長が１μｍのときには−８４．９ｘ１０−６Ｋ−１である（「米国光学協会光学ハンドブック（Ｏｐｔｉａｃｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ）」、Ｂａｓｓ編、１９９５年による）（Ｎｄ：ＹＡＧの１０倍以上であり、符号は逆になる）。このことは、ラマン媒体を通過する光は、焦点距離が「−ｆＲ」である従来のレンズを通過する場合と同様に発散させられることを意味する。アーク灯によって励起されるＬｉＩＯ３ラマンレーザにおける発明者による熱レンズの測定結果に基づいて、ＬｉＩＯ３内の負の熱レンズのサイズは−１０ｃｍほどの短いサイズでよい（Ｎｄ：ＹＡＧ媒体のサイズに匹敵する）。
【００３２】
レーザ材料およびラマン媒体内の両方の熱レンズは、共振器の安定性特性に動的に実質的な影響を与える。好適には、キャビティおよび／または反射器（ミラー）曲率内のレーザ材料および共振器の位置は、（レーザ作用を開始できるように）ｆＬ＝ｆＲ＝無限でかつ（望ましくは、ＳＲＳが終了してもレーザ作用が終了しないように）ｆＲ＝無限、ｆＬ＞ｆＬ（ｍｉｎ）である特殊なケースを含むＦＬおよびＦＲの十分に広い範囲の組合せにわたってレーザの安定な動作が可能になるような位置である。
【００３３】
好適には、少なくとも１つの反射器の曲率および／またはキャビティ構成に対するレーザ材料およびラマン媒体の位置は、ポンプ入力電力でのレーザ材料の焦点距離と所望のラマンレーザ出力電気範囲でのラマン媒体の焦点距離が安定で十分に効率的な動作領域内に維持されるようなものである。好ましい態様では、これは、レーザ材料およびラマン媒体をキャビティ内に位置させかつ／または少なくとも１つの反射器の曲率を選択することによってキャビティ構成を焦点距離の関数として最適化し、
反射器、レーザ材料、およびラマン媒体のうちの１つまたは複数間の離隔距離、
出力カプラの透過特性、ならびに
パルス反復周波数のうちの１つまたは複数を最適化することによって行うことができる。
【００３４】
ラマンビームおよび／またはレーザビームの利得収束や自己収束のような追加の効果によって共振器の安定性に影響を及ぼすことができるが、これらは、すでに論じた効果よりも重要ではないと考えられる。
【００３５】
好ましい態様では、レーザはまた、キャビティの安定性を維持し、レーザ構成要素の光学損傷を回避しつつ、レーザ材料から効率的なエネルギー抽出を得ると共に、ラマン結晶および非線形媒体が存在する場合には非線形媒体内の誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）による効率的な変換を得るように、レーザ利得材料およびラマン利得媒体ならびに非線形媒体が存在する場合には非線形媒体における最適なモードサイズと最適なレーザ出力電気が得られるように所要のポンプ電力について最適化される。ラマン媒体の最適なスポットサイズおよび電力密度は通常、変換効率を最大にすることと光学損傷を回避することの兼ね合わせである。キャビティは好適には、キャビティ内に存在する各材料の相対的なモードサイズが効率的で安定な出力をもたらすように最適化される。好適には、３Ｗまたはそれ以上の出力電気で４０％を超える変換効率、より好ましくは５０％を超える変換効率を得ることができる。
【００３６】
ラマンレーザを適切で最適な効率で動作させるために、好適には、主要な構成パラメータとして、レーザ材料（Ａ）、ラマン媒体（Ｂ）、および非線形媒体（周波数を２倍にする結晶）（Ｃ）が存在する場合には非線形媒体の共振器モードサイズが所望の動作点で最適に近いサイズになるようなパラメータが選択される。これらの媒体のビームウエストはそれぞれ、ωＡ、ωＢ、およびωＣと示すことができる。ωＡは、好適には、レーザ材料の励起領域の寸法、すなわち、ポンプスポットサイズ（ωｐ）にモード整合される。ωｐは、ポンプレーザ源（たとえば、ダイオードレーザ）の電力および励起構成に応じて様々であってよい。たとえば、低電力（〜１Ｗ）のレーザダイオードで端面励起されるレーザ結晶のωｐは通常、約１００μｍである。１５Ｗ〜２５Ｗのレーザダイオードで端面励起されるレーザ結晶のωｐは通常、２５０μｍ〜３５０μｍであり、より通常は約３００μｍである。１つまたはそれ以上のレーザダイオードにより側面励起されるレーザ結晶のωｐは、約５００μｍから１５００μｍの範囲である。ωｐおよびωＡの最適なモード整合は、レーザ材料における利得を効率的に抽出できるようにするための適切な前提条件である。ωＡが小さすぎる場合、（ｉ）レーザ利得は通常、ＴＥＭ００共振器モードには効率的に抽出されず、（ｉｉ）レーザは、一般に望ましくない高次モードで発振することができる。ωＡが大きすぎる場合、レーザ結晶に伴う熱レンズ内の収差のために共振器で回折損失が生じる可能性がある。この効果は、励起電力が約３Ｗ以上である場合には望ましくなく悪影響を与える。通常、
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は好適には０．８から１．２の範囲である。ωＢは好適には、ＳＲＳプロセスによる高変換向けに最適化され、同時に、好適にはラマン媒体に対する光学損傷が回避される。（ｉ）異なるラマン活性型結晶が異なるラマン利得を持ち、光学損傷に対して異なる閾値を持つので、ωＢの最適値は結晶によって異なる。ωＢが大きすぎる場合、ＳＲＳプロセスの変換効率は最適な効率よりも低くなる。ωＢが小さすぎる場合、（ｉ）ラマン結晶内の光電力密度がこの結晶内の光学損傷のしきい値に近づく可能性があり、（ｉｉ）ラマン結晶に伴う熱レンズの収差が大きくなり、（回折によって）共振器損失が増える恐れがある。ωＢの代表的な値は２００μｍ〜３００μｍの範囲である。ωＣは好適には、周波数を２倍にするプロセスによる効率的な周波数変換向けに最適化される。ωＣの最適な値は、使用される結晶の種類に応じて様々である。様々な結晶は、それぞれの異なる非線形係数、ウォークオフ角、および損傷しきい値を有する。ωＣが多すぎる場合、（ｉ）変換効率が最適な値よりも低くなり、（ｉｉ）ストークス周波数における光学フィールドが「不足結合される」可能性があり、この場合、高次ストークス生成や自己収束のような不要な非線形プロセスが起こる可能性がある。ωＣが小さすぎる場合、（ｉ）結晶に光学損傷が起こる可能性があり、（ｉｉ）非線形相互作用の有効長が「ウォークオフ効果」によって過度に短くなる可能性があり、（ｉｉｉ）ストークス波長における光学フィールドが「過結合され」、その結果、ＳＲＳプロセスの変換効率が低下する恐れがある。この議論では、Ａ、Ｂ、およびＣのモードサイズが、様々な波長の光学フィールドについて同じであると仮定している。実際、ωＡ、ωＢ、およびωＣは、利得案内や自己収束などの効果によって互いにわずかに異なることがある（＜１０％）。
【００３７】
好適には、レーザ材料のモードサイズはポンプスポットサイズに概ね等しい。好適には、ＬｉＩＯ３結晶では、スポットサイズωＢは、レーザ材料のスポットサイズωＡが、非線形媒体が存在する場合には非線形媒体のスポットサイズがωＣよりも大きなラマン媒体のスポットサイズωＢよりも大きくなり、すなわち、ωＡ＞ωＢ＞ωＣになるように、安定な動作および効率的な変換が得られるように最適化される。
【００３８】
好ましい態様では、レーザ入力電力におけるレーザ材料の熱レンズ焦点距離およびレーザ出力電気におけるラマン媒体の熱レンズ焦点距離が求められ、キャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体の位置として、レーザの動作中に共振器が安定するような位置が選択される。または、熱レンズは、あらゆる収差に関する情報を与えることもできる横方向せん断干渉計測定などの標準測定技術によって求めることができる。適切な干渉計技術は、レバーマン（Ｍ． Ｒｅｖｅｒｍａｎｎ）、パスク（Ｈ． Ｍ． Ｐａｓｋ）、ブローズ（Ｊ． Ｌ． Ｂｌｏｗｓ）、オマツ（Ｔ． Ｏｍａｔｓｕ）「キャビティ内ＬｉＩＯ３レーザにおける熱レンジング測定（Ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａｎ ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ＬｉＩＯ３ Ｌａｓｅｒ）」ＡＳＳＬ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２０００年２月、Ｊ． ブローズ（Ｌ． Ｂｌｏｗｓ）、ダウィーズ（Ｊ． Ｍ． Ｄａｗｅｓ）、およびオマツ（Ｔ． Ｏｍａｔｓｕ）著「ホログラフィック横方向せん断干渉計を用いたラインフォーカス端面励起されるネオジムイットリウムアルミニウムガーネットにおける熱レンジング測定（Ｔｈｅｒｎａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｌｉｎｅ−ｆｏｃｕｓ ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｇａｒｎｅｔ ｕｓｉｎｇ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｌａｔｅｒａｌ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」Ｊ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第８３巻、第６号、１９９８年３月、パスク（Ｈ． Ｍ． Ｐａｓｋ）、ブローズ（Ｊ． Ｌ． Ｂｌｏｗｓ）、パイパー（Ｊ． Ａ． Ｐｉｐｅｒ）、レバーマン（Ｍ． Ｒｅｖｅｒｍａｎｎ）、オマツ（Ｔ． Ｏｍａｔｓｕ）著「硝酸バリウムラマンレーザにおける熱レンジング（Ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓｉｎｇ ｉｎ ａ ｂａｒｉｕｍ ｎｉｔｒａｔｅ Ｒａｍａｎ ｌａｓｅｒ）」ＡＳＳＬ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２００１年２月に記載されている。好適には、少なくともキャビティ内のレーザ材料およびラマン媒体の位置として、レーザ媒体およびラマン媒体の熱レンズ電力の組合せが安定性プロットの安定な動作領域内に入るような位置が選択される。２ミラー共振器の適切な安定性プロットは以下のように求めることができる。光共振器の遷移について光線伝達行列（Ｍ）が算出される。この行列
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の要素は、等価ｇパラメータｇ１＊＝Ａ、ｇ２＊＝Ｄ、およびＬ＊＝Ｂによって等価（２ミラー）共振器を定義するのを可能にする。この方法について記載した文献には、ホッグソン（Ｎ． Ｈｏｄｇｓｏｎ）およびウィーバー（Ａ． Ｗｅｂｅｒ）「光共振器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ Ｌｏｎｄｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ、１９９７およびコークナー（Ｗ． Ｋｏｅｃｈｎｅｒ）著「固体レーザ工学（Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、１９９２がある。
【００３９】
ダイオード電流が大きくなるときのラマンレーザ共振器の動的性質は、レーザ結晶およびラマン結晶内の熱レンズの適切な組合せについてｇ１＊およびｇ２＊を算出することによってシミュレートすることができる。安定性プロット上にプロットすると、曲線を定義することができる。適切に構成された共振器では、この曲線は、レーザ作用が始まる点から所望の動作点に対応する点までの安定性プロットの安定な領域に存在する。
【００４０】
安定性図の一例が図６に示されている。安定性プロット上に、安定な動作領域に対応する斜線領域が示されている。グラフ上の各点は、レーザ材料ＤＬおよびラマン媒体ＤＲの熱レンズ電力の異なる組合せに対応する。太い実線は、ポンプダイオードが零から所望の動作点まで変化するときに、適切に構成されたラマンレーザにおいて共振器安定性がどのように変動するかの例を示している。好ましい態様では、コンピュータモデルを使用し、媒体の様々な組合せを用いて特定の電力体系に適したキャビティ構成が判定される。このような態様では、様々なラマン媒体結晶の熱レンジング電力をラマンレーザ出力電気およびモードサイズの広いパラメータ空間にわたって測定し、熱的にモデル化することができる。次いで、ｍＷ出力からマルチワット出力までの指定された領域の出力電気を生成するように安定な共振器を構成できるようにするポンプ電力の関数として基本レーザモードサイズおよびラマンレーザモードサイズを求めるのに、２ミラー構成からより複雑な折畳み共振器までを用いた標準共振器構成プログラムを用いることができる。
【００４１】
レーザ材料は、側面励起形状、単一端面励起形状、または２端面励起形状を用いてパルスアーク灯または連続アーク灯、フラッシュランプ、またはダイオード（半導体）レーザによって励起／誘導することができる。レーザ結晶の端面励起は、ラマンレーザ出力またはその第２の高調波を発生させるのに非常に効率的な手法である。たとえば、発明者は、７％ほどの高い光・光変換効率を実証し、すなわち、ファイバ結合されたダイオードレーザからの２０Ｗ出力による端面励起によって５７８ｎｍの１．４２Ｗ周波数２倍ラマンレーザ出力を生成した。側面励起レーザ結晶と比べて、端面励起レーザ結晶は一般に、高い利得を有し、短いＱスイッチパルスを発生させ、レーザ結晶内のポンプスポットサイズは、共振器モードサイズに整合するように調整することができる。しかし、端面励起レーザ結晶は、強い（かつ収差を有する）熱レンジングも生じさせる可能性があり、このため、最終的に端面励起ラマンレーザのスケーリング可能性が制限される。
【００４２】
レーザ結晶の側面励起は、このような高い光・光変換効率をもたらさないが、より廉価な手法であり、容易にスケーリング可能であり、共振器構成要素を配置できる場所に関して融通が利く。
【００４３】
通常、レーザビームは、効率的な周波数変換を行うのに十分な高いピーク電力が得られるようにＱスイッチされる。共振器キャビティは、折畳み構成または線形構成または他の適切な構成を有してよい。選択された構成におけるレーザ材料およびラマン媒体の位置としては、好適にはｆＬとｆＲの組合せの広い範囲にわたってキャビティの安定性が得られるような位置が選択される。
【００４４】
レーザ材料は好適には、適切な波長のポンプライトによって誘導されたときに基本波長（Ｎｄ：ＹＡＧの場合は１０６４ｎｍ）のレーザビームを発生させ、次いで、基本レーザビームはレーザ共振器の内側を伝搬する。好適には、レーザ材料は、以下の結晶、すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス、Ｔｉ：サファイア、エルビウム：ガラス、ルビー、エルビウム：ＹＡＧ、エルビウム：ＹＡＢ、Ｎｄ：ＹＡｌＯ３、Ｙｂ：ＹＡｌＯ３、Ｎｄ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＢ、コバルト：ＭｇＦ２、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＢ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＬＯ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＣＯＢ、Ｎｄ：ＧｄＣＯＢ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、または他の適切なレーザ材料のうちの１つによって形成される。通常、レーザ材料は、１μｍ〜１．２μｍ領域について共振器損失を最小限に抑えるように広帯域ＡＲコーティングされる。選択的に、レーザ材料は、波長調整可能であり、モードロックすることのできる高電力出力を生成することができる。
【００４５】
ラマン媒体は好適には、非線形プロセス誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）によって基本放射を第１（またはそれよりも高い）ストークス波長に変換するのを可能にする。用途に応じて、ラマン媒体は好適には、基本波長を第１ストークス波長、第２ストークス波長、またはそれよりも高次のストークス波長に変換する。通常、ラマン媒体は、１μｍ〜１．２μｍ領域について共振器損失を最小限に抑えるように広帯域ＡＲコーティングされる。ラマン媒体は好適には、基本波長およびラマン波長での高い透過率、有用なラマンシフト、かなり高いラマン利得、高い損傷しきい値、１ｃｍを超え、適切なラマン利得が得られるように選択される長さの利用可能性に基づいて選択される。通常、ラマン媒体は、結晶、通常単結晶である。通常、結晶の長さは１ｃｍから７ｃｍである。結晶の代表的な寸法は０．５ｘ０．５ｘｙ ｃｍであり、この場合、ｙは結晶長であり１ｃｍ〜７ｃｍの範囲である。通常、より高い出力電気が必要である場合にはより長い結晶長が使用される。これは、ラマン利得係数がラマン利得媒体の長さに比例するからである。または、バイエル（Ｂｙｅｒ）の米国特許第５６７３２８１号に記載されたようなジグザグ形状のマルチパスヲ用いてラマン結晶内により長い経路を実現することができる。好適には、ラマン媒体は、ＬｉＩＯ３またはＢａ（ＮＯ３）２の単結晶、またはＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）、ＫＤ＊Ｐ（重水素化）、ニオブ酸リチウム、様々なタングステン（ＫＧＷ、ＣａＷＯ４）およびモリブデン酸塩結晶のような他の適切なラマン活性材料である。他の適切なラマン活性結晶は、「ＣＲＣレーザハンドブック（ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｌａｓｅｒ）」またはパンテル（Ｐａｎｔｅｌｌ）およびプットフ（Ｐｕｔｈｏｆｆ）著「量子電子機器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」に記載されている。ＬｉＯ３およびＢａ（ＮＯ３）２が好ましい。Ｂａ（ＮＯ３）２は、動作のしきい値を小さくする高利得係数（１０６４ｎｍポンプで１１ｃｍ／ＱＷ）を有する等方性結晶であり、１０４８．６ｃｍ−１のラマンシフトをもたらすことができる。ＬｉＩＯ３は、ポンプ伝搬方向および偏光ベクトルに対する結晶カットおよび配向に依存する複素ラマンスペクトルを有する極単軸結晶であり、７４５ｃｍ−１から８４８ｃｍ−１の間のラマンシフト（特定の用途向けの波長、たとえば、眼科および皮膚科を含む医療用途に有用な５７８ｎｍを得ようとするときに有用）をもたらすことができるが、Ｂａ（ＮＯ３）２と比べて損傷しきい値が小さい（約１００ＭＷｃｍ−２、Ｂａ（ＮＯ３）２は約４００ＭＷｃｍ−２）。Ｂａ（ＮＯ３）２とＬｉＩＯ３は共に、Ｂａ（ＮＯ３）２とＬｉＩＯ３の両方に報告されている７０％〜８０％の光変換効率を持つ良好な勾配効率（ストークスとポンプ光子エネルギーとの比によって求められる）を有する。
【００４６】
以下のレーザ材料／ラマン媒体の組合せ、すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＬｉＩＯ３、Ｎｄ：ＹＡＧ／Ｂａ（ＮＯ３）２、およびＮｄ：ＹＬＦ／ＣａＷＯ４は特に望ましい。一態様では、レーザは、共振器キャビティ内または共振器キャビティの外部に存在する、ラマンレーザビームの周波数を２倍にしてその第２高調波または他の副周波数または異なる周波数波長の出力を生成する非線形媒体をさらに含んでよい。
【００４７】
選択的に、ラマンレーザビームの周波数を２倍にしてその第２高調波または他の副周波数または異なる周波数波長の出力を生成するのに固体非線形媒体が用いられる。固体非線形媒体は、キャビティ内に位置しても（キャビティ内２倍−共振器の内側に位置する２倍結晶）、キャビティの外部に位置しても（キャビティ外２倍−レーザ共振器の外側に位置する２倍結晶）よい。好適には、折畳み共振器が使用される。適切な固体非線形媒体には、第２高調波発生装置（ＳＨＧ）、和周波数発生装置（ＳＦＧ）、または差周波数発生装置（ＤＦＧ）が含まれる。非線形媒体の例として、ＬＢＯ、ＣＴＰ、ＢＢＯ、ＬｉＩＯ３、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＫＢ５、ＫＢ５Ｏ８、ＫＴＰ、ＡＤＰ、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）、周期有極ＬＮ、またはそれらの組合せ（たとえば、緑レーザと黄色レーザを同時に発生させるための組合せ）を挙げることができる。好適には、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、またはＫＴＰ結晶が使用される。固体非線形媒体の角度を調整し、かつ／または温度を調節することによって光の周波数を２倍にすることができる。好ましい態様では、黄色光を発生させるように光の周波数が２倍にされる。温度を約１４９℃、４０℃、または０℃に調整することによる第１種非臨界位相整合の場合のＬＢＯ結晶カットによる可視波長の代表的な種類には、５３２ｎｍ（緑）、５７８ｎｍ〜５８０ｎｍ（黄色）、および６３２ｎｍ〜６３６ｎｍ（赤色）が含まれる（２つの２倍結晶を用いて、５３２ｎｍと５７８ｎｍの同時出力が可能である。）このように周波数を２倍にすることによって、通常は、皮膚科用途、眼科用途、および視覚表示用途に適した黄色またはオレンジスペクトル領域の、波長を発生させることが可能である。共振器の構成は、２倍媒体内のウエストが通常、効率的な変換および高出力電気を可能にするのに十分なほど小さいが、光学損傷を回避するのに十分なほど大きくなるような構成である。好適には、固体非線形媒体は、１μｍ〜１．２μｍ領域および可能なら可視領域の損失を最小限に抑えるようにＡＲコーティングされる。適切なＡＲコーティングされたＬＢＯ結晶は、キャビティ内で使用される場合は４ｘ４ｘ１０ｍｍであり、キャビティ外部で使用される場合も４ｘ４ｘ１０ｍｍである。ただし、他のサイズを使用してもよい。
【００４８】
キャビティ内の結晶で周波数を２倍にする場合、結晶は好適にはビームウエストの近くに配置される。キャビティの外部の結晶で周波数を２倍にする場合、ラマンレーザ出力は、レンズによって、最大変換が得られるように結晶に収束される。
【００４９】
好ましくは、共振器キャビティは、少なくとも一方が安定な出力レーザビームを発生させるように湾曲している２つのミラー（他方のミラーは平坦であってよい）であってよい少なくとも２つの反射器によって形成される。本発明で使用できる他の適切な反射器は、プリズムおよび格子を含む。より好ましくは、少なくとも２つの湾曲したミラーが使用される。ただし、２つよりも多くのミラー、ボウタイ共振器と同様に伝搬するレーザビームおよび伝搬するラマンビームを反射する異なる組のミラーを使用することも可能である。固体非線形媒体を用いると、二色性キャビティ内などに他のミラーが存在してもよい。共振器キャビティを形成する適切な反射器は、当技術分野で既知であり、第１ストークスオーダーの比較的小さいラマンしきい値での動作を可能にし、それによって高次ストロークの発生および自己収束を抑制するのを助けるようにコーティングすることができる。ミラーも通常、関心対象の波長で高い透過率を有するようにコーティングされる。反射器には、任意の所望の周波数をもたらすように特殊な誘電コーティングを施すことができる。このようにして、共振器キャビティをストークス波長、ポンプ波長、またはその両方に調整することができる。ミラーは、ビームの電力強度をキャビティ内に蓄積させるように、出力ビームの周波数では透過性を示すが、好適には他の周波数では高い反射性を示す広帯域二色性ミラーを用いることなどによって、レーザ出力をキャビティの外部に結合することができる。または、偏光ビームスプリッタを用いてレーザ出力を外部に結合することができる。反射器の曲率半径、反射器同士の間の離隔距離（キャビティ長）、および外部結合ミラーの透過特性として、好適には、ｆＬとｆＲの十分に広い範囲の組合せについてキャビティを安定させるものが選択される。反射器の曲率は、使用されるラマン結晶およびレーザ結晶に基づいて適切な選択される（いくつかのラマン結晶では、反射器の＋ｖｅ有効レンズ電力が望ましく、他のラマン結晶では、反射器の−ｖｅ有効レンズ電力が望ましい）。好適には、ミラーとしては、レーザ波長で反射率が９９％を超えるようなミラーが選択される。出力ミラーとしては通常、（第１ストークス出力を最適化するために）ラマン波長で反射率が１０％から９０％のミラーが選択され、他のミラーは、ラマン波長で反射率が９９％を超える。レーザ共振器キャビティは好適には、ＴＥＭ００モードをサポートする安定な共振器である。キャビティ内２倍レーザの場合、すべてのミラー／反射器として好適には、基本波長およびラマン波長で反射率が＞９９％のミラー／反射器が選択される。周波数２倍レーザビームは好適には、二色性ミラー、すなわち、周波数２倍波長では高い透過性を示すが、基本波長およびラマン波長では高い反射性を示すミラーを通して共振器の外部に結合される。好ましくは、共振器は、３つまたはそれ以上のミラー／反射器を有し、非線形媒体内で両方向に発生する周波数２倍ビームを単一のビームとして効率的に抽出できるように構成される。このような構成では、非線形媒体に最も近い端面ミラーは、周波数２倍波長で高い反射性を示す。
【００５０】
好適には、反射器の透過特性、曲率半径、および離隔距離は、ラマンレーザの効率的で安定な動作を実現し、固体非線形媒体が使用されるときに、可視波長で出力を生成するように調整される。好適には、反射器の曲率およびキャビティ長は、レーザの動作中のレーザ材料およびラマン媒体内の熱効果の結果としてのレーザ材料およびラマン媒体の焦点距離の変化によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることが実質的にないように、レーザ材料、ラマン媒体、および固体非線形媒体が存在するときには固体非線形媒体内で同時に最適に近いビームウエストが実現されるように所望のモード直径を得るように最適化される。レーザ材料、ラマン媒体、および非線形媒体が存在するときには非線形媒体は、離散要素としてキャビティ内に位置させることができる。または、１つまたは複数の構成要素が非離散的な構成要素であり、１つの構成要素は、レーザ材料と非線形媒体（Ｙｂ：ＹＡＢやＮｄ：ＹＣＯＢなどの自己周波数２倍材料や自己２倍材料など）の両方の２重機能を実行するか、レーザ材料とラマン媒体（Ｎｄ：ＫＧＷ）の２重機能または（ＬｉＩＯ３などの非中心対称結晶を使用することなどによって）ラマン媒体と非線形媒体の２重機能を実行することができる。
【００５１】
出力のパルス反復周波数は、能動Ｑスイッチや受動ＱスイッチなどのＱスイッチを用いることによって変えることができる。音響光学Ｑスイッチ、電気光学Ｑスイッチ、または受動Ｑスイッチ（Ｃｒ：ＹＡＧ）を用いることができる。または、キャビティ減衰構成または他の適切な手段を使用することができる（「レーザガイドブック（Ｔｈｅ Ｌａｓｅｒ Ｇｕｉｄｅｂｏｏｋ）」ジェフ ヘクト（Ｊｅｆｆ Ｈｅｃｈｔ）、第２版、マクガロー−ヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）１９９２、この文献の内容全体を相互参照として本明細書に組み入れる）。Ｑスイッチは、効率的なラマン変換を行うのに必要な高いピーク電力を有するパルスフォーマットで基本レーザ出力を発生させる。通常、Ｑスイッチは、１μｍ〜１．２μｍ領域について共振器損失を最小限に抑えるように広帯域ＡＲコーティングされる。Ｑスイッチの選択および整列は、基本波について高Ｑ共振器を実現するように調整される。パルス周波数は、好適には、ｆＬとｆＲの広い範囲の組合せについてキャビティを安定させる周波数が選択される。パルス反復周波数の選択は、ストークス波長への変換効率、したがってストークス出力電気、したがってラマン媒体内の熱レンズに影響を与える。これは、ラマン結晶内の熱レンズに影響を与え、一方、レーザ結晶内の熱レンズにはほとんど影響を与えない（一次まで）ので、有用な可変パラメータである。
【００５２】
Ｑスイッチパルス反復周波数（ｐｒｆ）を使用するとレーザ出力電気が変化し、図６に示されている安定性図内の「遷移」が影響を受ける。ｐｒｆはレーザシステムの有用なパラメータである。ＳＲＳプロセスは基本波長でのピーク電力に強く依存し、ｐｒｆが高くなるにつれてピーク電力は徐々に大きくなっていく。ｐｒｆを変化させることは以下の２つの効果を有する。
（ｉ）ラマン利得が基本波長でのピーク電力に比例して変化するので、ｐｒｆが高くなると通常、ストークス波長（またはその第２高調波）での平均出力電気が小さくなる。
（ｉｉ）ｐｒｆを変化させることは、レーザ結晶に伴う熱レンズ電力にはほとんど影響を及ぼさない（この電力は、ダイオードレーザポンプ光の電力密度によって決定される）。しかし、上記の（ｉ）で述べたように、ｐｒｆを変化させると、ストークス波長での出力電気が影響を受ける。ラマン結晶内の熱レンズ電力はストークス周波数での電力密度に比例するので、ｐｒｆが変化すると、（レーザ結晶内の熱レンズ電力とは独立に）ラマン結晶内の熱レンズ電力も変化する。このことは、システムが動作するように構成された安定性の領域を最適化すると共に、安定性図内の「遷移」を最適化するうえで有用である。少なくとも１つの偏光子をキャビティ内に含めることができ、この偏光子は、ブルースター角の１枚または２枚のガラス板および／または立法偏光子であってよい。このような偏光子によって、基本波は１つの直線偏光のみをレーザ光として発する。非直入射のミラーを使用することによってある種の偏光差別化を導入することもできる。
【００５３】
図１を参照すると、本発明によるラマンレーザ１は、少なくとも２つの反射器Ｍ１およびＭ２によって形成された共振器と、共振器キャビティ内に位置するレーザ材料２Ａと、共振器キャビティ内に位置し、キャビティレーザビームの周波数をシフトして、共振器キャビティ内を伝搬するラマンレーザビームを発生させるための固体ラマン媒体７と、共振器キャビティからのラマンレーザビームを結合し出力するための出力カプラＭ２とを含んでいる。キャビティには、Ｑスイッチ６、二色性ミラー３および４、ならびに偏光子５も設けられている。使用時には、二色性ミラー３および４を介してキャビティ内のレーザ結晶２Ａの両端面を励起する２つのダイオードレーザ（図示せず）に電流が印加される。レーザ結晶２Ａおよびラマン媒体７の位置としては、レーザ結晶２Ａおよびラマン媒体７内の熱効果の結果としてのレーザ結晶２Ａとラマン媒体７の両方の焦点距離によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることがほとんどなく、それにより、共振器が安定モードで動作するような位置が選択される。この結果を得るようにこれらのパラメータを選択する方法については、本明細書の他の個所で説明する。
【００５４】
図１１を参照すると、本発明の他の態様によるレーザが示されている。この態様のレーザは、周波数２倍・単一単面励起ラマンレーザである。図面に示されているように、このレーザは、ダイオードレーザ１、ファイバ端面レセプタクル２、コリメートレンズ３、収束レンズ４、レーザ結晶５、選択的偏光素子６、音響光学Ｑスイッチ７、ラマン活性結晶８、好適には４５０の入射角を有する反射鏡９、周波数２倍結晶１０、および共振器端面ミラー１１を含んでいる。使用時には、キャビティ内のレーザ結晶５を励起するダイオードレーザ１に電流が印加される。レーザ結晶５およびラマン媒体８の位置としては、レーザ結晶５とラマン媒体８の両方の焦点距離によって、出力ラマンレーザビームの電力が不安定になることがほとんどなく、それにより、共振器が安定モードで動作し、かつレーザ結晶５、ラマン媒体８、および周波数２倍結晶１０内のビームウエストを所望の動作点について最適化させることによってこれらの焦点距離をさらに最適化できるような位置が選択される。ダイオードレーザ１に印加される電流は、連続的な電流でも、パルス状の電流でもよい。パルス電流を印加する場合、出力ラマンレーザビームの電力をある範囲内で変化させ、それによってレーザが引き続き安定モードで動作するように、パルスの周波数を変化させることができる。
【００５５】
次に、本発明を以下の実施例に関して説明する。
【００５６】
実施例１
図１に示されているラマンレーザ構成を用いて実験を行った。ラマンレーザ１は、市販のポンプモジュール（ライトソリューションライトラボ１０１０（Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＬｉｇｈｔＬａｂ １０１０））２を使用したダイオード励起Ｎｄ：ＹＡＧを含んでいる。このモジュールは、二色性反射鏡３および４を通して２重端面励起されるＮｄ：ＹＡＧロッドを含んでいる。Ｍ１、Ｍ２、３、および４のミラーコーティングとしては、基本波については高Ｑ共振器を形成し、第１ストロークについては低Ｑ共振器を形成するようなコーティングを選択した。ミラーＭ１は、１０６４ｎｍ〜１１６０ｎｍで高い反射率を示した（＞９９．９％）。また、１０６４ｎｍで高い反射率を示し、約１１５５ｎｍで８％から５０％の透過率を示す様々な出力結合ミラーＭ２を用いた。１枚または２枚のブルースタープレート５を用いてレーザを偏光させ、キャビティ構成に応じて通常持続時間が２０ｎｓ〜５０ｎｓの１０６４ｎｍのパルスを発生させるように音響光学的にＱスイッチ６によって５〜２５ｋＨｚでレーザを発振させた。約７４０ｃｍ−１〜７４５ｃｍ−１の周波数シフトに対応する約１１５５ｎｍ（較正されたアンリツ（Ａｎｒｉｔｓｕ）光学スペクトルアナライザによる測定では１１５５．２ｎｍ〜１１５５．５ｎｍ）のストークス波長が得られるようにＬｉＩＯ３ラマン結晶７もキャビティ内に配置した。ストークス波長は、所与の出力結合の場合、結晶格子を熱膨張させラマンスペクトルをシフトさせるＬｉＩＯ３の熱負荷の効果により、ストークス出力電気が大きくなるにつれてわずかに長くなる。１１５５ｎｍでの平均ストークス出力は、キャビティ構成、パルス反復周波数、およびダイオード電流に応じて変動した。この実験で１１５５ｎｍの波長を選択したのは、ヘモグロビンの吸収帯域に対応し、皮膚科における様々な用途に使用される波長である、５７８ｎｍの黄色光を発生するように周波数を容易に２倍にできる波長であるからである。ＬｉＩＯ３結晶７はすでに、ａ軸に沿って伝搬するようにカットされ、ポンプ波およびストークス波が結晶内のｏ波として伝搬するように配向させられている。ラマン結晶７のラマンスペクトルは、約７７０ｃｍ−１で線幅が５ｃｍ−１〜６ｃｍ−１の強いピークを示した。使用したラマンレーザ構成では、基本光学フィールド（１０６４ｎｍ）と第１ストークス光学フィールド（１１５５ｎｍ）は同じ共振器を共用した。使用したキャビティ構成は、ある環境では変更することができる。たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧロッドやＱスイッチのようないくつかの要素の位置は相互交換可能である。様々な構成が本発明の範囲内である。
【００５７】
実験１
曲率半径３０ｃｍの高反射器Ｍ１、基本波で１２％の近最適透過率を有する平坦な出力カプラＭ２、振動をＴＥＭ００モードに拘束するアパーチャ（直径７５０μｍ）を有する長さ３４ｃｍのキャビティを使用した（ダイオード電流が１８Ａになるまで、基本ビームプロファイルは一般に、単一モードであり、収差はほとんどない。しかし、ダイオード電流が大きくなるにつれて、基本プロファイルは一般に、収差が顕著になり、いくつかの横モードで構成される。しかし、ストークス出力はほとんどいつも、ラマンビームクリーンアップを示す単一横モード（ＴＥＭ００）で生じる）。１０６４ｎｍでの出力電気は、厳密なＱスイッチ反復周波数に応じて最大ダイオード動作電流（２５Ａ）で５．５Ｗ〜６．６Ｗの範囲であった。この実験における１０６４ｎｍでの最適結合条件は、光・光変換高率を評価するためにラマンレーザからの出力が比較される最適性能ベースラインを確立する。ダイオードからのポンプ電力に関して結果を比較することは不可能である。なぜなら、密封されたポンプモジュール内ではダイオードに手を届かせることはできないからである。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶内の正の熱レンズは、ポンプダイオード電流と共に変動し、（最大電流で）ほぼ８ｃｍの焦点距離を有すると推定された。ＬｉＩＯ３結晶の焦点距離は、負であり、（最大第１ストークス出力電気で）１０ｃｍほどの短い距離と推定された。
【００５８】
以後の実験では、ＬｉＩＯ３ラマンレーザの性能を、ダイオード電流、Ｑスイッチパルス反復周波数、ストークス波長での出力カプラ透過率、およびラマン結晶の長さの関数として調べた。実験において、密封されたポンプモジュールの内側の反射鏡が第１ストークス波長である透過率を示したことが重要である。他のレーザ源からの１１５５ｎｍのプローブビームを用いて、１１５５ｎｍで１８％の往復損失があると判定した。８％から５０％の間の出力カプラ透過率を使用したと仮定すると、収集効率は、ＬｉＩＯ３結晶をポンプモジュールの他方の側に配置したときに実験によって観測された出力電気の低下に概ね一致する。以後の実験で報告されたすべての電力は、外部結合ミラーのすぐ後で測定され、収集効率について補正されていない電力である。
【００５９】
実験２
ラマン共振器キャビティを特定のダイオード電流での最高ストークス出力について最適化した。この最適化は基本的に経験的なものであり、キャビティ長、ミラー曲率、出力結合率、および主要キャビティ要素の位置の様々な組合せを用いて様々な共振器を評価した。図２は、１５Ａダイオード電流および２５Ａダイオード電流での動作向けに最適化された２つの別々のキャビティ構成を用いて約１１５５ｎｍで測定された、ラマンレーザの出力電気を示している。どちらの場合も、長さ５ｃｍのＬｉＩＯ３を使用した。
【００６０】
１５Ａで最適化された第１の共振器構成には、平坦な端面を有する２枚のミラーを組み込み、屈折率の高いミラーをポンプモジュールの中心から９．５ｃｍの位置に配置し、出力カプラ（透過率５０％）をポンプモジュールの中心から１２ｃｍの位置に配置した。１０ｋＨｚでは、１０６４ｎｍでの基準レーザ性能（２．６Ｗ）に対する５７％（収集効率を考慮すると７８％）の変換効率に対応して、１１５５ｎｍで１．４５Ｗの最大電力が得られた。ダイオード電流が１６Ａを超えると、ストークス出力は非常に不安定になり、急速に零まで低下した。レーザ発振も（１６Ａを超えた）基本波で終了し、共振器が不安定になったことを示した。
【００６１】
ダイオード電流が１５Ａである場合、Ｎｄ：ＹＡＧ内の熱レンズは約２３ｃｍと推定される。誘導ラマン散乱がなく、キャビティ長が約２３ｃｍである場合、キャビティは安定すると予想される。ラマン結晶の位置に可変負レンズを組み込んだレーザのＡＢＣＤ共振器分析によれば、ラマン結晶内のレンズが−２０ｃｍほどに短くなったときに共振器の安定性は限界に達する。ラマン結晶内のモードのサイズは約２８０μｍであり、ラマン電力は１１５５ｎｍで１．５Ｗである。ＬｉＩＯ３ラマンレーザにおける熱レンジングの予備測定値は、概ねこのサイズの熱レンズを示す。
【００６２】
第２の共振器構成を２５Ａのダイオード電流で動作するように最適化した。この構成は、ポンプモジュールの中央から２５ｃｍの位置に配置された３０ｃｍの凹面鏡と、ポンプモジュールから１０ｃｍの位置に配置された、５０％の透過率を有する１０ｃｍの凹面出力カプラとから成っている。パルス反復周波数は１５ｋＨｚであった。１０６４ｎｍでの基準レーザ性能に対応する４２％（収集効率を考慮すると５６％）の変換効率に対応して、１１５５ｎｍで２．６２Ｗの平均電力を得た。５４％（収集効率を考慮すると７２％）の変換効率に対応してパルス反復周波数を１０Ｈｚに低下させることにより、この共振器を用いて３．０Ｗの出力電気を実現した。しかし、このような条件の下では、ＬｉＩＯ３結晶の体積が頻繁に影響を受けた。このことから、ＬｉＩＯ３結晶内の最適なスポットサイズ（この場合は約２００μｍ）および電力密度が、変動効率を最大にすることと光学損傷を回避することの兼ね合わせであることがある。このキャビティのＡＢＣＤ分析によれば、この構成は（１５Ａのダイオード電流について最適化された共振器構成よりも）熱レンジングの影響を受けず、ラマンレーザは、焦点距離が４ｃｍよりも長い負のレンズの場合に安定する。
【００６３】
図７および９は、各レーザについての安定性図である。図７は、約１１５５ｎｍで動作するラマンレーザを示しており、この場合、ダイオード電流を１５Ａまで増大させた（平坦な２枚のミラーを含むキャビティ）。図９は、約１１５５ｎｍで動作するラマンレーザを示しており、この場合、ダイオード電流を２５Ａまで増大させた（半径が３０ｃｍの湾曲ミラーおよび半径が１０ｃｍの湾曲ミラーを含むキャビティ構成）。図８は、１５Ａのダイオード電流によって約１１５５ｎｍで動作するレーザの最適動作点で予想される共振器モードを示している。図１０は、２５Ａのダイオード電流によって約１１５５ｎｍで動作するレーザの最適動作点で予想される共振器モードを示している。
【００６４】
実験３
いくつかのラマンレーザパラメータを調べた。ポンプモジュールの中心から約２５ｃｍの位置に配置された、反射率の高い３０ｃｍの凹面鏡と、ポンプモジュールから８ｃｍの位置に配置された平坦な出力カプラとから成る共振器を使用した。ＬｉＩＯ３を、共振器モードが最大になる（約３２０μｍ）ポンプモジュールの近くに配置した。このキャビティ構成により、第１ストークス波長において、実験２の２５Ａ共振器の場合よりもわずかに低い２．３Ｗの最大出力を、実験２の２５Ａ共振器の場合よりもずっと低い結晶損傷発生率で得た。
【００６５】
図３では、結晶長が２ｃｍ、４ｃｍ、および５ｃｍの場合のダイオード電流の関数としての第１ストークスの平均出力を調べた。パルス反復周波数を１５ｋＨｚとして、透過率が５０％の出力カプラを使用した。予想されたとおり結晶を長くすると出力電気が高くなった。これは、ラマン利得係数がラマン利得媒体の長さに比例するからである。長さが４ｃｍの結晶を用いて得られた１１５５ｎｍでの出力は、長さが２ｃｍの結晶を用いて得られた１１５５ｎｍでの出力の２倍であった。長さが５ｃｍの結晶を用いるとわずかに高い電力が得られた。ラマンレーザ性能に対する出力結合率の効果は、８％、２５％、および５０％の出力結合率を調べた図４に示されている。パルス反復周波数を１５ｋＨｚとし、ＬｉＩＯ３結晶の長さを５ｃｍとした。出力結合率を高くすると出力電気が高くなった。反射鏡による１１５５ｎｍでのキャビティ内損失のために、ストークス光子の収集効率は、出力結合率と共に変化し、透過率が８％の出力カプラを用いたときは３１％に過ぎず、透過率が２５％の出力カプラを用いたときは５８％であり、透過率が５０％の出力カプラを用いたときは７４％である。透過率が８％、２５％、および５０％の出力カプラを用いた。共振器からの総ストローク出力はそれぞれ、１．７Ｗ、２．５Ｗ、および３．０Ｗである。データによれば、透過率が５０％よりも高い出力カプラを選択することによってラマン出力電気を高くすることが可能になる。
【００６６】
パルス反復周波数の効果は、第１ストークス出力の依存性を１０ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、および２５ｋＨｚのパルス反復周波数のダイオード電流の関数としてプロットした図５に示されている。ＬｉＩＯ３結晶の長さを５ｃｍとし、出力結合率を５０％とした。所与のダイオード電流の場合、ピークポンプ電力に対するラマン利得の依存性に応じて、反復率が低いほど高い平均出力が得られた。
【００６７】
実験によれば、キャビティ構成を最適化することによって、最大５４％（収集効率を考慮すると７２％）の効率的な変換が行われ、マルチワット平均電力が第１ストークス波長（１１５５ｎｍ）で最大２．７Ｗになり、光学損傷の発生率は低い。ダイオードによって消費される電力に対する電気・光変換効率は約３．３％と推定される。
【００６８】
実施例２
図１１を参照すると、２５Ｗファイバ結合ダイオードレーザであるポンプレーザダイオード１の出力は、直径が６００μｍでＮＡが０．２２のファイバのファイバ端面レセプタクル２、２枚のレンズ３および４を介して、Ｎｄ：ＹＡＧであるレーザ結晶５（端面１（５Ａ）：ＨＲ １０６４ｎｍ〜１１６０ｎｍ、ＨＴ ８０５ ｎｍおよび端面２ ５Ｂ：ＡＲ＠１０６４ｎｍ〜１１６０ｎｍにミラーコーティングが施された直径５ｍｍ ｘ ５ｍｍのレーザ結晶）に供給される。レーザ結晶内のポンプスポットサイズは約３００μｍである。レーザ共振器は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶５の第１のコーティングされた平面、４５°の平面二色性ミラー９（ＨＲ １０６４ｎｍ〜１１６０ｎｍ、ＨＴ＠５７８ｎｍ）、曲率半径が３００ｎｍであるエンドミラー１１（ＨＲ ５７８ｎｍ、１０６４ｎｍ、および約１１５５ｎｍ）によって形成されている。周波数を２倍にする結晶としてＬＢＯ ４ｘ４ｘ１５ｍｍ結晶が使用され、ラマン活性結晶としてＬｉＩＯ３結晶が使用されている。共振器２つのアームの最適な長さは１５０ｍｍ（ＹＡＧ結晶から４５０ミラーまで）および９０ｍｍ（４５°ミラーからエンドミラーまで）である。この折畳みキャビティ構成は、ＬＢＯ結晶内で発生する黄色光の大部分で単一のビームで収集できるようにするうえで有効である。この構成を用いた５７８ｎｍでの最大レーザ出力電気は１．４２Ｗであった。
【００６９】
図１２は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶およびラマン結晶内の熱レンズ電力の可能な組合せによって共振器の安定性がどのように変化するかを示す別の図である。太い線は、ポンプダイオード電流を零から所望の動作点まで増大させたときに共振器の安定性がどのように変化するを示している。
【００７０】
図１３は、所望の動作点での動作について、共振器内のすべての位置での相対的なビームウエストを予想したＡＢＣＤ共振器分析を示している。番号については、０はレーザ結晶を示し、２はラマン結晶を示し、３はエンドミラーを示している。
【００７１】
図１４は、ダイオードレーザ電流の関数としての５７８ｎｍでの平均出力電気を示している。
【００７２】
実施例３
１１９７ｎｍで動作する小規模ラマンレーザを使用した。使用したシステムでは、ポンプレーザダイオードは比較的低い出力電気を有する。１．６Ｗの８０８ｎｍダイオードポンプ光を２ｘ２ｘ１ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４結晶に収束させた。音響光学Ｑスイッチを用いてＳＲＳプロセスに必要な高いピーク電力を発生させた。ラマン活性結晶としては、最高のラマン利得の１つをもたらし、ラマンシフトが１０４７ｃｍ−１であるＢａ（ＮＯ３）２を使用した。キャビティ内ＳＲＳ変換用の最適な構成として、出力結合率が１１９７ｎｍで１０％であり、パルス反復周波数が３２ｋＨｚである長さ１０ｃｍのキャビティを使用した。第１ストローク出力は１１９７ｎｍで発生し、最大で１２０ｍＷの出力電気を得た。
【００７３】
１１９７ｎｍで動作する周波数２倍小規模ラマンレーザを使用した。第１種位相結合向けにカットされた長さ１０ｍｍのＬＢＯ片を用いて出力されたキャビティ内２倍第１ストロークの予備測定を行った。最適化しない条件下で５９８ｎｍで最高６ｍＷまで得られた。キャビティは、５９８ｎｍの出力を収集できるようには最適化せず、出力はキャビティの一端からのみ測定できるようにした。
【００７４】
本発明の装置および方法を用いることによって、最初の電力入力から最大電力までの合理的な動作範囲にわたって高い電力出力および電力安定性を得るうえでキャビティ内のどこに構成要素を位置させるべきかを判定することを含め、キャビティを最適化することが可能になり、かつ様々な電力体系向けにキャビティを拡大または縮小することができる。
【００７５】
本発明は、固体ラマンレーザを眼科および／または皮膚科の治療に使用することのできる病院、専門病院、および一般開業医／専門外科医において、特に周波数２倍媒体を用いる際に、適用することができる。
【００７６】
特に、周波数２倍Ｎｄ：ＹＡＧ／ＬｉＩＯ３ラマンレーザの５７８ｎｍ出力は、ヘモグロビン（ヒトの血液）の強い光吸収ピークに厳密に整合し、この光源は、様々な形の網膜手術、拡張蛇行静脈の治療、ポートワイン斑（母斑）の除去、クモ状静脈（毛細管拡張）、およびその他の皮膚科治療に適用することができる。周波数２倍固体ラマンレーザは、生物医学診断、大気センサ、および水中センサを含む様々な分光検知用途に使用することができる。他の例として、天体観測またはその他の形態の、大気の光学特徴付けに関連するレーザガイドスターとしてこのような光源を用いることが挙げられる。このような光源は、カラー投影システムの要素およびレーザポインタとして、ホログラフィックプレートの照明を含む、様々な形態の、オレンジ−黄色スペクトル領域の照明に使用することもできる（このような照明用途は、人間の目の感度が最も高い黄色スペクトル領域で動作する固体レーザがないために生じる）。
【００７７】
当業者には、本発明を他の形態で実施できることが理解されると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用される適切なラマンレーザ構成の概略図である。
【図２】１５Ａおよび２５Ａでの動作向けに最適化されたラマンレーザ構成の平均出力電気のグラフである。
【図３】３つの異なる結晶長を用いた様々な電流でのラマンレーザ構成の平均出力電気のグラフである。
【図４】３つの異なる出力結合透過を用いた様々な電流でのラマンレーザ構成の平均出力電気のグラフである。
【図５】様々なパルス反復周波数を用いた様々な電流でのラマンレーザ構成の平均出力電気のグラフである。
【図６】２ミラーラマンレーザの安定性図である。
【図７】１５Ａのダイオード電流で動作する、図２で用いられるラマンレーザ構成の安定性図である。
【図８】１５Ａに最適化された、図２で用いられるラマンレーザ構成の予想される共振器モードの図である。
【図９】２５Ａのダイオード電流で動作する、図２で用いられるラマンレーザ構成の安定性図である。
【図１０】２５Ａに最適化された、図２で用いられるラマンレーザ構成の予想される共振器モードの図である。
【図１１】周波数が２倍にされ単一端面励起されるラマンレーザが使用される、本発明で使用される他の適切なラマンレーザ構成の概略図である。
【図１２】図１１のレーザを用いてＮｄ：ＹＡＧ結晶およびラマン結晶の熱レンズ電力の様々な組合せと共に共振器の安定性がどのように変化するかを示す安定性図である。
【図１３】所望の動作点での動作について図１１の共振器のすべての点での相対的なビームウエストを予想するＡＢＣＤ共振器分析の図である。
【図１４】図１１のレーザを用いた、ダイオードレーザ電流の関数として５７８ｎｍでの平均出力電気を示す図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004504732.tif 000061
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