(57)【要約】本発明は、光共振式の周波数変換器であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び非線形光学結晶を含んでおり、非線形光学結晶が入射面及び出射面を有しており、該入射面と該出射面とが、光波を第１のレーザビームの形で非線形光学結晶の入射面内に入射して、出射面から出射させるように配置されており、光波が非線形光学結晶内で部分的に異なる周波数の第２のレーザビームに変換されるようになっているものにおいて、非線形光学結晶の入射面の法線が、非線形光学結晶内に入射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、入射する光波が共振器平面に対して平行に偏光されており、非線形光学結晶の出射面が第１のレーザビームの周波数にとっても、第２のレーザビームの周波数にとっても有効な無反射コーティングを有しており、出射面の法線が非線形光学結晶から出射する光波に対して小さい角度を成している。これによって楕円形の光線プロフィールが得られ、ヴォークオフ効果が減少される。
2004515825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振式の周波数変換器であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び非線形光学結晶を含んでおり、非線形光学結晶が入射面及び出射面を有しており、該入射面と該出射面とが、光波を第１のレーザビームの形で非線形光学結晶の入射面内に入射して、出射面から出射させるように配置されており、光波が非線形光学結晶内で部分的に異なる周波数の第２のレーザビームに変換されるようになっているものにおいて、非線形光学結晶の入射面の法線が、非線形光学結晶内に入射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、入射する光波が共振器平面に対して平行に偏光されており、非線形光学結晶の出射面が第１のレーザビームの周波数にとっても、第２のレーザビームの周波数にとっても有効な無反射コーティングを有しており、出射面の法線が非線形光学結晶から出射する光波に対して１５度よりも小さい角度を成していることを特徴とする光共振式の周波数変換器。
【請求項２】
第１のミラーと、第２のミラーと非線形光学結晶とが互いに、リング共振器内に、共振器平面内で循環する光波を形成するように配置されており、該光波が第１のレーザビームとして入射面を通って非線形光学結晶内に入射し、次いで再び非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっていて、かつ非線形光学結晶内で部分的に第２のレーザビームへ変換されるようになっており、該第２のレーザビームが第１のレーザビームよりも高い周波数を有していて、同じく非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっており、この場合、第１のレーザビームが第１のミラーを通ってリング共振器内へ入り、かつ第２のレーザビームがリング共振器から同じく第１のミラーを通って出るようになっている請求項１記載の周波数変換器。
【請求項３】
光共振式の周波数変換器であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び非線形光学結晶を含んでおり、非線形光学結晶が入射面及び出射面を有しており、該入射面と該出射面とが、リング共振器内に、共振器平面内で循環する光波を形成するように配置されており、該光波が第１のレーザビームとして入射面を通って非線形光学結晶内に入射し、次いで再び非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっていて、かつ非線形光学結晶内で部分的に第２のレーザビームへ変換されるようになっており、該第２のレーザビームが第１のレーザビームよりも高い周波数を有しているものにおいて、非線形光学結晶の入射面の法線が、非線形光学結晶内に入射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、非線形光学結晶の出射面の法線が、非線形光学結晶から出射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、共振器平面内を循環する光波が共振器平面に対して平行に偏光されており、非線形光学結晶の出射面が偏光ビーム分割層を備えており、該偏光ビーム分割層が第１のレーザビームの周波数にとって透過性であり、かつ第２のレーザビームの周波数にとって反射性であり、第２のレーザビームが前記偏光ビーム分割層で反射されて、非線形光学結晶から第３の面を通って出射するようになっていることを特徴とする光共振式の周波数変換器。
【請求項４】
光共振式の周波数変換器であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び臨界的に位相整合された非線形光学結晶を含んでおり、該非線形光学結晶が互いに平行でない入射面と出射面とを有しており、該入射面と該出射面とが、リング共振器内に、共振器平面内で循環する光波を形成するように配置されており、該光波が第１のレーザビームとして入射面を通って非線形光学結晶内に入射し、次いで再び非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっていて、かつ非線形光学結晶内で部分的に第２のレーザビームへ変換されるようになっており、該第２のレーザビームが第１のレーザビームよりも高い周波数を有しているものにおいて、非線形光学結晶の結晶軸が入射する光波の方向に対して、二次有効非線形係数を角度同調に関連する最大値と同じに若しくはほぼ同じにできるように方向付けられており、該非線形光学結晶が、入射する光波のできるだけわずかな部分だけしか、入射する光波の進行方向と逆の方向へは散乱させないようになっていることを特徴とする光共振式の周波数変換器。
【請求項５】
第１のレーザビームが第１のミラーを通ってリング共振器内に入り、かつ第２のレーザビームがリング共振器から同じく第１のミラーを通って出るようになっている請求項４記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項６】
両方のミラーの反射面が球面状に湾曲されており、該反射面の曲率半径、該反射面への入射角、リング共振器内の光学素子間の間隔及び結晶面への入射角が、リング共振器内に基準モードを形成できるように選ばれており、該基準モードが第１のミラーと第２のミラーとの間の自由空間の各箇所で円形の光線断面を有している請求項１から５のいずれか１項記載の周波数変換器。
【請求項７】
光共振式の周波数変換器であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び臨界的に位相整合された非線形光学結晶を含んでおり、該非線形光学結晶が入射面と出射面とを有しており、該入射面と該出射面とが、リング共振器内に、共振器平面内で循環する光波を形成するように配置されており、該光波が第１のレーザビームとして入射面を通って非線形光学結晶内に入射し、次いで再び非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっていて、かつ非線形光学結晶内で部分的に第２のレーザビームへ変換されるようになっており、該第２のレーザビームが第１のレーザビームの二倍の周波数を有しているものにおいて、非線形光学結晶の両方の面のうちの少なくとも１つがシリンダー状の湾曲部を有しており、該シリンダー面の対称軸が共振器平面内にあり、両方のミラーのうちの少なくとも１つがシリンダー状の湾曲部を有しており、該シリンダー面の対称軸が共振器平面に対して垂直を成しており、非線形光学結晶の主断面が共振器平面に対して垂直を成しており、非線形光学結晶内の光波の光線断面が楕円形状を有しており、該楕円形状の長軸が非線形光学結晶の主断面内にあることを特徴とする光共振式の周波数変換器。
【請求項８】
湾曲された面の曲率半径及びリング共振器内の光学素子間の間隔が、リング共振器内に基準モードを形成できるように選ばれており、該基準モードが第１のミラーと第２のミラーとの間の各箇所で円形の光線断面を有している請求項７記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項９】
非線形光学結晶の両方の面のうちの少なくとも１つがコーティングされておらず、コーティングされていない１つの面の法線が、共振器平面内で結晶内へ入射する若しくは結晶から出射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、共振器内を循環する光波の偏光が共振器平面に対して平行である請求項７又は８記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項１０】
非線形光学結晶の両方の面の少なくとも１つが第１のレーザビームの周波数にとっても、変換されたレーザビームの周波数にとっても有効な無反射コーティングを有しており、コーティングを有する１つの面の法線が共振器平面内で、結晶内へ入射する若しくは結晶から出射する光波に対して１５度よりも小さい角度を成している請求項７又は８記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項１１】
第１のミラー及び第２のミラー並びに非線形光学結晶を配置してあり、該配置によって第１のレーザビームが第１のミラーを通ってリング共振器内へ入り、かつ第２のレーザビームが非線形光学結晶の出射面を通って出てかつリング共振器から同じく第１のミラーを通って出るようになっている請求項７から１０のいずれか１項記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項１２】
非線形光学結晶の出射面が偏光ビーム分割層を備えており、該偏光ビーム分割層が第１のレーザビームの周波数にとって透過性であり、かつ第２のレーザビームの周波数にとって反射性であり、非線形光学結晶が第３の面を有しており、該第３の面が第２のレーザビームの周波数にとって有効な無反射コーティングを有しており、第２のレーザビームが前記偏光ビーム分割層で反射されて、非線形光学結晶から前記第３の面を通って出射するようになっている請求項７から１１のいずれか１項記載の光共振式の周波数変換器。
【請求項１３】
非線形光学結晶の結晶軸が、入射する光波の方向に対して、臨界的な位相整合を達成して、二次有効非線形係数を角度同調に関連する最大値と同じに若しくはほぼ同じにできるように方向付けられており、該非線形光学結晶が、入射する光波のできるだけわずかな部分だけしか、入射する光波の進行方向と逆の方向へは散乱させないようになっている請求項１から１２のいずれか１項記載の周波数変換器。
【請求項１４】
リング共振器によって受け取られる第１のレーザビームの周波数に合わせてリング共振器の共振を規定するために、両方のミラーの並進運動用の並進運動装置を設けてあり、これによってリング共振器内に、共振器平面内で循環する光波が形成されるようになっている請求項１から１３のいずれか１項記載の周波数変換器。
【請求項１５】
第２のミラーが並進運動装置の構成部分としての圧電素子に取り付けられており、該圧電素子を用いて共振規定が前記ミラーの並進運動によって行われるようになっている請求項１４記載の周波数変換器。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項記載の光共振式の周波数変換器のための非線形光学結晶において、非線形光学結晶が次のように形成されており、即ち非線形光学結晶の結晶軸が、周波数変換器内への装着に際して、入射する光波の方向に対して、臨界的な位相整合を達成して、二次有効非線形係数を角度同調に関連する最大値と同じに若しくはほぼ同じにできるように方向付けられており、該非線形光学結晶が、入射する光波のできるだけわずかな部分だけしか、入射する光波の進行方向と逆の方向へは散乱させないようになっていることを特徴とする、光共振式の周波数変換器のための非線形光学結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光共振式の周波数変換器（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）であって、リング共振器を備えており、リング共振器が第１のミラー、第２のミラー及び非線形光学結晶を含んでおり、該非線形光学結晶が入射面及び出射面を有しており、この場合、リング共振器内に共振器平面で循環する光波を形成するようになっており、該光波が第１のレーザビームの形で入射面から非線形光学結晶に入射して、次いで再び非線形光学結晶から出射面を通って出射するようになっていて、かつ非線形光学結晶内で部分的に第２のレーザビームへ変換されるようになっており、該第２のレーザビームが第１のレーザビームと異なる周波数を有しているものに、特に光第２高調波発生器、即ち入射する光波の二倍の周波数の光波を生ぜしめる周波数変換器に関する。
【０００２】
光共振式の周波数変換器は、基準波長のレーザビーム（以下において基準波と呼ぶ）から、適当な非線形光学結晶内での非線形変換によって高い、特に二倍の周波数のレーザビーム（以下においては変換された光線と呼ぶ）を効率よく形成するために用いられる。非線形変換の技術は、適切な能動レーザ媒質が所望の波長の直接的な形成のために役立たない場合に用いられる。高い耐用年数及び高い効率のために、今日次第に半導体レーザ及びダイオードレーザ（ＤＰＳＳ−Ｌａｓｅｒ）が、赤及び紫外線のスペクトル領域の連続的なレーザ光の形成に用いられる。短い波長は通常は非線形変換によって生ぜしめられる。変換が複数の段で行われる。ダイオードレーザにおいては、可視レーザビームの形成のための第１の変換段がレーザ共振器自体内で行われる（内部共振式高調波発生）。さらに短い波長の別の変換が有利にはレーザ共振器の外側で行われる。特に連続的なＵＶ−レーザ光の非線形的な形成においては、外部の共振器内での共振高調波発生が重要であり、それというのは該波長領域で使用される結晶材料は低い非線形係数しか有しておらず、従って非共振変換は実際の使用にとって非効率である。内部共振式高調波発生形のダイオードレーザ若しくは半導体レーザと共振式の周波数変換器との組み合わせによっては、連続的なＵＶ−レーザ光のためのレーザ源が必要である。共振式の高調波発生の原理は、すでに周知である（例えば、Ａｓｈｋｉｎ ｅｔ ａｌ． 「Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｘｉｎｇ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｃｓ， ＱＥ−２、１９６６年、１０９頁、若しくはＭ．Ｂｒｉｅｇｅｒ ｅｔ ａｌ． 「Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＳＨＧ ｉｎ ａ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」 Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ３８， １９８１年、４２３頁、参照）。この場合には基準波が、ミラーから成る光共振器内に結合され、光共振器が基準波の振動数に共振的に同調される。このために共振器の光学的な長さが適当な装置を用いて、基準波の波長の整数倍になるように調節される。共振器内の損失が少なくかつ結合ミラーが良好に選ばれた反射率で部分透過に形成されている場合には、共振増大が生じ、即ち共振器内を循環する光波の出力が外部から入射される基準波の出力よりも大きくなっている。結合ミラーの反射率は、
Ｒ＝１−Ｖ
である場合に最適であり、ここでＶが共振器内で循環する光波の相対的な損失を意味し、以下において共振器損失と呼ぶ。インピーダンスマッチングと呼ばれる条件下では、倍率ファクタ（エハンスメント効果）が
Ａ＝１／Ｖ、
であり、即ち共振器内で循環する光波が、入射された光波のＡ倍の出力を有している。実際には倍率ファクタは１００乃至２００に達する。
【０００３】
共振器内に非線形光学結晶を配置してあり、非線形光学結晶が循環する光波によって通過され、非線形変形によって二倍の周波数の第２の光波を生ぜしめ、該第２の光波が該二倍の周波数にとって透過性である共振器ミラーを通って共振器から出射する。
【０００４】
変換された光線の形成を経済的な効率で行うためには、非線形光学結晶内で位相整合を行う必要があり、即ち基本波長に対する屈折率が変換された波長に対する屈折率と同じ大きさでなければならない。位相整合は角度同調（臨界的な位相整合）若しくは温度整合（非臨界的な位相整合）によって行われてよい。非臨界的な位相整合においては一般的に周波数変換の効率が比較的高く、変換された光線の光線プロフィールが高い質であり、即ち所望のガウスビームに近くなる。しかしながら今日使用可能な結晶媒質は、狭い波長領域でしか非臨界的な位相整合を可能にするものではない。目下のところ、低いＵＶ−領域で非臨界的な位相整合によってレーザ光を形成できる結晶媒質は存在していない。
【０００５】
変換された光線の出力は基準波の出力密度の二乗に比例しているので、非線形変換の効率は基準波を非線形光学結晶内で集束する場合に増大する。従って、共振器ミラーが通常は球面状に湾曲された表面を備えており、その結果、結晶中央にビームウエストが形成される。ビームウエストの縮小によって、結晶内の出力密度が高められる。しかしながら、結晶内の光線の発散の増大は、光線の部分領域（レイリー長さ）よりも著しく長い結晶において変換率を減少させる。共振器ミラーの間隔及び曲率半径の適切な選択によってビームウエストの最適な寸法が得られる。
【０００６】
共振器内の基準波出力の共振増大によって、変換率は非共振式の配置に比べていくらか高められる。例えば今日の公知技術で得られる変換率は、２６６ｎｍのＵＶ−レーザビームの形成にとって１Ｗ乃至５Ｗの基準波出力が与えられた場合に２０％乃至４０％である。該出力領域では満足な効率が達成されている。しかしながら、特にコンパクトなＵＶ−レーザの構成に適した１０ｍＷ乃至１００ｎＷの出力領域での基準波レーザを用いる場合には、公知技術の基づく周波数変換器の変換効率は低く不十分であり、それというのは該出力領域では基準波出力の二乗の依存が必要であるからである。
【０００７】
一般に周波数変換器においてレーザの出力の障害が種々の現象によって発生している。本発明の課題は周波数変換器を改善して、出力障害を著しく減少させることである。
【０００８】
本発明では前記課題を解決するために次に述べる複数の構成手段を講じてあり、該構成手段が個別に若しくは種々に組み合わせて用いられて臨界的に位相整合された共振式の周波数変換器を構成し、該周波数変換器が公知技術の装置に比べて高い変換率、交換された光線の良好な光線質及び高い出力安定性を有している。低い基準波出力での高い変換率によって、ＵＶ−レーザビームのためのレーザ源を公知技術に比べて著しくコンパクトな寸法で形成することができる。
【０００９】
本発明の課題を個別の若しくは互いに組み合わされて解決するための構成手段は、冒頭に述べた形式に周波数変換器において次のようになっており、即ち
非線形光学結晶の出射面が第１のレーザビームの周波数にとっても、第２のレーザビームの周波数にとっても有効な無反射コーティングを有しており、出射面の法線が結晶から出射する光波に対して１５度よりも小さい角度を成しており、この場合、第２のレーザビームが有利には非線形光学結晶から同じく出射面を通って出射し、第１のレーザビームが第１のミラーを通ってリング共振器内に入り、かつ第２のレーザビームがリング共振器から第１のミラーを通って出るようになっており、若しくは、
非線形光学結晶の出射面の法線が、結晶から出射する光波に対してほぼブルースター角を成しており、共振器平面内を循環する光波が共振器平面に対して平行に偏光されており、非線形光学結晶の出射面が偏光ビーム分割層を備えており、該偏光ビーム分割層が第１のレーザビームの周波数にとってほぼ透過性であり、かつ第２のレーザビームの周波数にとって反射性であり、非線形光学結晶が第３の面を有しており、該第３の面が第２のレーザビームの周波数にとって有効な無反射コーティングを有しており、非線形光学結晶が、第２のレーザビームを前記偏光ビーム分割層で反射して、該非線形光学結晶の前記第３の面から出射させるように形成されており、
さらに前述の構成手段と組み合わせて或いは独立に、非線形光学結晶の結晶軸が入射する光波の方向に対して、二次有効非線形係数を角度同調に関連する最大値と同じに若しくはほぼ同じにできるように方向付けられており、かつ該非線形光学結晶が、入射する光波のできるだけわずかな部分だけしか、入射する光波の進行方向と逆の方向へは散乱させないようになっており、
さらに選択的に、非線形光学結晶の少なくとも入射面若しくは出射面がシリンダー状の湾曲部（ｚｙｌｉｎｄｒｉｓｃｈｅ Ｋｒｕｅｍｍｕｎｇ）を有しており、該シリンダー面の対称軸が共振器平面内にあり、両方のミラーのうちの少なくとも１つがシリンダー状の湾曲部を有しており、該シリンダー状湾曲部の対称軸が共振器平面に対して垂直を成しており、この場合、非線形光学結晶の主断面が共振器平面に対して垂直を成しており、非線形光学結晶内の光波の光線断面が楕円形状を有しており、該楕円形状の長軸が非線形光学結晶の主断面内にある。
【００１０】
前述の構成手段を個別に若しくは互いに組み合わせて用いることによって、公知技術の装置に対して共振器損失が減少され、臨界的に位相整合された非線形光学結晶内の効率及び光線質への複屈折の影響が減少され、かつ非線形光学結晶内の基準波の散乱、ひいては出力の不安定性が避けられる。
【００１１】
次に本発明の根底を成す技術認識について述べる。
【００１２】
特に変換効率が、臨界的な位相整合に際して生じるヴォークオフ効果及び複屈折によって減少される（例えば、Ｂｏｙｄ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３９，１９６８年、３５９７頁、参照）。ＵＶ−光線形成にとってしばしば用いられる結晶材料ＢＢＯは特に大きなヴォークオフ効果を有している。図１に、臨界的に位相整合された負の非線形単結晶内のタイプ１の高調波発生の際の光線経路が概略的に示してある。基準波７が、非線形光学結晶３の光学軸９に対して所定の角度θ（位相整合角度若しくはマッチング・角度）を成している。該角度において、基準波のための複屈折率ｎｏと変換された光線のための複屈折率ｎｅとが互いに同じ大きさである。
【００１３】
基準波が常光線を成し、即ち１つの平面に対して垂直に偏光されており、該平面が主断面と呼ばれ、基準波光線及び結晶の光学軸を含んでいる。図１では、主断面が図平面（紙面）と一致している。変換された光線８が主断面に対して平行に、即ち基準波に対して垂直に偏光され、従って異常光線を成している。異常光線は複屈折を行い、即ち主断面内で常光線に対してヴォークオフ角度ρだけ偏向されている。基準波が結晶内で所定の光線半径ｗｏを有している場合に、両方の光線波は入射点から
【００１４】
【数１】
2004515825.tif 000003
【００１５】
によって規定された距離で互いに所定の間隔を置いて結晶内を進行する。結晶の長さｌがｌａよりも大きい場合には、結晶内での場の結合が変動して、従って変換率が減少される（Ａｓｈｋｉｎ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＱＥ−２， １９６６年、１０９頁、参照）。ヴォークオフ効果による効率の減少が基準波の楕円形の光線形状によって避けられる。所定の結晶長さｌにおける光線半径ｗｏの円形の光線プロフィール（光線断面）の代わりに
【００１６】
【数２】
2004515825.tif 000004
【００１７】
によって規定された軸半部ｗｘ，ｗｙの楕円形の光線断面を用いる（この場合、ｗｙが主断面の方向の長軸の軸半部を表し、ｗｘが長軸に垂直な方向の短軸の軸半部を表しており）と、ヴォークオフ効果がほぼ除去される。この場合、基準波の出力密度が維持され、場の遮断が避けられる。
【００１８】
米国特許第５９４３３５０号明細書に、共振式の高調波発生のための装置が提案してあり、この場合、基準波が非線形光学結晶内で楕円形状を有している。ここでは結晶がプリズム若しくは台形の形状で用いられており、この場合、入射光線及び入射面の法線を含む面と結晶の位相整合のための小さな受光角の方向とが互いに平行であらねばならない。主断面が結晶入力面の入射面と合致している。円形の光線プロフィールのレーザビームは、光学的に密な結晶媒質における屈折によって、主断面内の長軸の楕円形状を有し、ヴォークオフ効果が減少される。楕円の軸比が入射角を大きく選べば選ぶほど大きくなる。ＢＢＯで波長５３２ｎｍの場合に２：１の軸比にとって、例えば６５°の入射角が必要である。ヴォークオフ効果の効果的な排除には１０：１の軸比、ひいてはほぼ８５°の入射角が必要である。
【００１９】
タイプ１の高調波発生の場合には、主断面に対して、この場合入射面に対しても垂直な基準波偏光が生ぜしめられる。入射面に対して垂直な偏光（以下においてはｓ・偏光と呼ぶ）及び大きな入射角では、結晶の入力面を被覆してない場合には著しい反射損失が生じる。８５°の入射角では反射損失が８０％を越える。無反射コーティングは通常は５０°を越える入射角でｓ・偏光では効果的でない。このような条件下では反射損失は所望の値、即ち１パーセントより低くされ得ない。これに対して高い効率が基準波を入射面に対して平行に偏光し（以下においてはｐ・偏光と呼ぶ）、かつ光線断面の長軸を主断面内に配置すると達成される。
【００２０】
ヴォークオフ効果は光線プロフィールに不都合な影響を及ぼす。ドイツ連邦共和国特許出願第１９８３２６４７号明細書に記載してあるように、光線プロフィールは典型的な条件下で光源から数１０ｃｍ乃至１ｍの距離にわたって延びる場領域で干渉縞を有しており、これは多くの使用例にとって不都合である。
【００２１】
多くのレーザ光源は出力及び周波数の変動を伴い、レーザ光がミラーによって部分的にレーザに反射される。線形の共振器を備えた共振式の周波数変換器においては、このような問題が考慮されねばならない。それというのは共振器の結合ミラーが入射される光線に対して垂直を成していて、該光線がレーザ光源へ正確に反射されることになるからである。これに対してリング共振器では入射角は零ではなく、共振器の結合ミラーからレーザ光源への正確な反射は生じない。共振器内での基準波の共振増大に基づき、光の強度を損なう値が増加することになる。入射される基準波の方向と逆の方向への散乱光は、共振器内を逆方向に循環することになり、ひいては周波数及び出力の安定性を著しく損なうことになる。このことは、例えばアルゴン・イオンレーザの単一モード運転にとって当てはまる。このような問題は半導体レーザにおける単一モード運転で特に顕著になる。この場合には変換された光線の出力が大きく変動される。
【００２２】
非線形光学結晶内で変換された光線の出力Ｐ２は、共振式の高調波発生の際には、
Ｐ２＝γ＊（Ａ＊Ｐ１）２
に基づき算出され、この場合、Ｐ１が共振器内に結合された基準波の出力であり、γが変換係数であり、変換係数が波長、結晶内の光線直径、結晶の材料特性及び結晶の長さに依存している。
【００２３】
共振式の高調波発生の変換率ηが
η＝Ｐ２／Ｐ１＝γ＊Ａ２＊Ｐ１
に基づき求められる。
【００２４】
所定の基準波出力Ｐ１で変換率ηが倍率ファクタＡの増大によっても変換係数γの増大によっても高められる。
【００２５】
倍率ファクタＡ＝１／Ｖを増大するために、共振損失Ｖが減少されねばならない。倍率ファクタＡの二乗の依存に基づき、変換率は共振器損失に著しく左右される。共振器損失は、すべての共振器ミラーの透過率、結晶の境界面の反射損失、結晶材料内の散乱及び吸収損失及び非線形の変換の損失から成っている。
【００２６】
共振器損失の大部分は非線形光学結晶内の散乱及び吸収損失である。このような損失は、結晶内の基準波の光経路の長さに比例している。従って光経路の長さの減少によって、損失が減少される。変換率を高めることにとって、基準波が結晶内を変換に寄与することのない光経路に沿って通過するような配置は不都合である。このようは配置は、例えば米国特許第５０２７３６１号明細書若しくは米国特許第６０６９９０３号明細書に記載してあり、この場合、結晶面が共振器ミラーとして形成されており、基準波が結晶内で入射方向に対して所定の角度で反射される。結晶内の光経路が互いに平行でない複数の区分から成っており、多くの区分で散乱損失が生じる。本発明では結晶内で基準波の反射を生ぜしめないようにし、従って結晶内の光経路が全長にわたって周波数変換に関与している。
【００２７】
多くの非線形光学結晶内でのレーザビームの散乱は方向に強く依存している（Ａｕｇｕｓｔｏｖ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ， Ｐｈｙｓ， Ａ２９， １９８２年、１６９頁、参照）ので、不都合な散乱反射が結晶の光学軸の適切な方向付けによって減少され得る。
【００２８】
臨界的な位相整合のための条件を満たすため、即ち常光線及び異常光線の屈折係数を互いに同じにするために、光学軸と進行方向との間の角度、即ち位相整合角度が波長に依存した所定の値を有している。
【００２９】
図６に、結晶ＢＢＯを用いてタイプ１に基づく波長５３２ｎｍのレーザビームの高調波発生の位相整合及び変換係数の互いに同じ複数の例を示してあり、この場合、結晶軸ｘ及びｚが紙面内にあるのに対して、ｙ・軸は紙面に対して垂直である。一般にｚ・軸が光学軸と呼ばれ、θ及びφが結晶軸に関連した基準波の進行方向の偏光角である。波長５３２ｎｍの場合、ＢＢＯのための位相整合角は
θ＝４７．６°
である。
【００３０】
位相整合条件はレーザビームの進行方向の符号に依存するので、位相整合角は
θ＝１８０°−４７．６°＝１３２．４°
である。
【００３１】
変換係数γは有効な非線形係数ｄｅｆｆの二乗に比例しており（Ｂｏｙｄ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３９，１９６８年、３５９７頁、参照）、非線形係数が両方の偏光角θ及びφに依存していて、ＢＢＯの場合に、
ｄｅｆｆ＝（ｄ１１  ｃｏｓ３φ−ｄ２２  ｓｉｎ３φ）ｃｏｓθ＋ｄ３１  ｓｉｎθ
によって求められる。この場合、ｄ１１，ｄ２２，ｄ３１が第２の次数の非線形係数である（例えば、Ｋａｔｏ， ｌＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｃｓ， ＱＥ−２２、１９６６年、１０１３頁、参照）。係数ｄ２２，ｄ３１は係数ｄ１１に対して無視できるほどに小さいので、有効な非線形係数の平方根は近似的に
ｄｅｆｆ２＝ｄ１１２ ｃｏｓ２  ３φ＊ｃｏｓ２θ
である。
【００３２】
角φにとって一般的な値０°の代わりに６０°、１２０°及び１８０°の値も用いられ、変換係数γの値への影響を甘受することはない。図６に示す、θ＝４７．６°若しくは１３２．４°及びθ＝０°若しくはθ＝１８０°の値の例は変換率及び位相整合に関連して同価である。
【００３３】
結晶ＢＢＯの場合には図６のａ）及びｂ）の配置で、ｃ）及びｄ）の配置よりも強い散乱反射が生じる。
【００３４】
内部共振式エタロン単一モード運転によって行われるアルゴン・イオンレーザの高調波発生においては、ａ）及びｂ）の配置ではモードホッピング及び強度変化が生じるのに対して、ｃ）及びｄ）の配置では安定した運転が可能である。
【００３５】
図３に示すように鏡面対称的、三次元的若しくはプリズム状の形状の結晶、或いはブルースター角の点対称又は平行四辺形の形状の結晶においては、図６のａ）又はｂ）の配置が結晶の適当な旋回によってｃ）又はｄ）の配置に移されてよい。図２に示すように非対称的な結晶３も基準波の進行方向にとって有利に用いられる。図２の実施例において進行方向の反転は変換された光線の出射の際の損失を高めてしまうことになる。
【００３６】
結晶の入射面及び出射面での反射損失も共振器損失に大きく関与している。このような共振器損失は、無反射コーティングによってか、若しくはブルースター角下での光入射によって減少させられる。
【００３７】
ブルースター角の使用の場合には、反射損失が明らかに０．１％以下に減少させられる。無反射コーティングの場合には、反射損失は０．１％乃至０．２％の間である。従って多くの応用例においてブルースター角下での光入射が有利である（例えば、Ａｄａｍｓ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ７９、１９９０年、２１９頁；Ａｎｇｅｌｉｓ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ６２、１９９６年、３３３頁；Ｂｏｕｒｚｅｉｘ ｅｔ ａｌ． Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ９９、１９９３年、８９頁；Ｋｏｎｄｏ ｅｔ ａｌ． Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２３、１９９８年、１９５頁、参照）。
【００３８】
ブルースター角下での入射の際の反射損失は、光波の偏光に強く依存している。低い共振器損失を達成するために、基準波がｐ・偏光されている。
【００３９】
ブルースター角とは逆に、小さい入射角（１５度以下）にとって無反射コーティングが、両方の偏光方向で反射損失を０．１％乃至０．２％にできるように設けられる。従って有利には、非線形光学結晶の入射側のみが被覆されないブルースター面を有しており、それというのは該面はＵＶ−光線を透過させないからであり、出射側が小さい入射角若しくは垂直な入射角の無反射コーティングされた面を備えており、該面が基準波のためにも別の変調の光線のためにも低い反射損失を保証する。
【００４０】
ブルースター角の近傍での入射角の場合に、ｐ・偏光のための著しく小さい反射損失を有しかつｓ・偏光のための著しく高い反射率を有するコーティングが設けられてよい。このようなコーティング（被覆）は一般的に偏光ビーム分割層と呼ばれる。結晶のブルースター角下にある出射面が偏光ビーム分割層を備えていると、ｐ・偏光された基準波が著しく少ない損失で透過されるのに対して、変換された光線はほぼ完全に反射される。変換された光線は第３の面から少ない反射損失で出射される。従って共振器ミラーでの反射損失が避けられる。
【００４１】
共振器損失の別の原因が共振器ミラーの残留透過にある。通常の被覆では残留透過は０．１％乃至０．２％である。即ち、各共振器ミラーはかなり共振器損失に関与している。従って共振器ミラーの数を必要最小限に減らすことは効果的である。リング共振器においては、共振器ミラーの最小数は３である。本発明では非線形光学結晶が台形に形成されており、その結果、結晶の入射面が出射面に対する零と異なる角度を成している。共振器内を循環する基準波が非線形光学結晶によって屈折されるので、１つのリング共振器を実現するために２つの共振器ミラーで十分である。
【００４２】
本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。
【００４３】
図２に示す実施例では、ミラー１が基準波７のための入射ミラー（入力ミラー）としても変換された光線８のための出射ミラー（出力ミラー）としても用いられている。従ってミラー１は被覆を備えており、該被覆が基準波長に対して所定の反射率Ｒを有しており、該反射率ができるだけ最適な値Ｒ＝１−Ｖに近く、この場合、Ｖが共振器損失を表す。該被覆は変換された光線にとってできるだけ高い透過率を有していたい。共振器ミラー２が基準波長に対してできるだけ高反射の被覆を備えていて、圧電素子４に取り付けられており、従って電圧の印加によってミラーが運動させられて、共振器が基準波の周波数に合わせられる。ミラー２が基準波の入射のためにも変換された光線の出射のためにも用いられるので、ミラーも圧電素子も小さい寸法であってよく、斜めに通過する光線の開口制限が生じるようなことはない。従ってミラー及び圧電素子から成る機構全体の有効な質量の小さいことに基づき、外部の影響、例えば音響振動による妨害が避けられ、その結果、変換された光線の出力安定性が改善される。
【００４４】
両方の共振器ミラーは球面状に湾曲された表面を備えており、該表面の半径は共振器内を循環する基準波が周期的に再現されて、結晶中央にビームウエストを形成するように規定されており、該ビームウエストの半径が変換率にとってできるだけ良好にしてある。光波は共振器ミラーに垂直には入射しないので、焦点距離は入射平面内の方向にあり、これに対して垂直な方向で異なる大きさである。該方向のビームウエストは共振器内の種々の箇所で位置していてよく、異なる大きさであってよい（これについて、例えばＫｏｇｅｌｎｉｋ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＱＥ−８、１９７２年、３７３頁、参照）。入射角及びミラー間の間隔の適切な選択によってレーザビームの光線断面を任意の箇所で円形にすることができる。多くのレーザー光源は円形の光線断面形状を成しているので、入射される基準波を共振器の基準モードに適合（モードマッチング）させることが著しく簡単である。モードマッチングが通常の球面状のレンズを用いて実施され、非点収差補正が不要である。
【００４５】
非線形光学結晶３の入射面５が、レーザー光線に対するブルースター角で配置される。出射面６が光線に対してほぼ垂直に延びていて、増透膜を備えており、増透膜が基準波長にとっても変換波長にとってもできるだけ高い透過率を有している。レーザー光線方向に対する非線形光学結晶の結晶軸の方向が、位相整合及び変換係数に関連して等価であることに基づき、搬送波の後方散乱を結晶材料によってできるだけ小さくするように選ばれている。このような結晶材料はＢＢＯ−結晶において、例えば図６のｃ）及びｄ）に示す方向を有している。このような手段は、すでに前に述べてあるように、後方散乱に敏感に反応するレーザー光源によって生ぜしめられた周波数二倍の光線の出力安定性を改善する。
【００４６】
図３に示す別の実施例では、面６がレーザー光線に対してブルースター角を成していて、偏光分波器を備えており、偏光分波器が搬送波にとって高透過性であり、かつ倍にされた周波数にとって高反射性である。結晶内で形成された変換光線が面６で反射されて、倍の周波数にとって無反射コーティングされた別の面１０を通って該結晶から出射する。これによって該実施例では変換光線に対する出射損失が、図２の実施例の場合よりも小さくなっている。その他の点では、図３の実施例は図２の実施例に相応している。
【００４７】
図４に示す別の実施例では、非線形光学結晶３が入射側５にも出射側６にもシリンダ状（ｚｙｌｉｎｄｒｉｓｃｈ）に湾曲された面を有している。理解を容易にするために、図４の装置は誇張した光線広がりで斜視図されている。共振器ミラーが、通常そうであるように球面状に湾曲された表面ではなく、シリンダー状に湾曲された表面を備えている。その他の点は、図２の実施例に相応している。図４に記入された座標系は種々の空間方向の表示に用いるものであり、結晶の結晶軸に関するものではない。共振器ミラー内を循環する光波がｘｚ・平面内にあり、以下においては共振器平面と呼ぶことにする。入射する搬送波７がｚ・方向に進行しかつｘ・方向で偏光されている。該搬送波は入力ミラー１を介して共振器内に導入される。該ミラーは同時に、変換された光線８のための出力ミラーとしても用いられる。ミラー２が共振規定のために圧電素子４に取り付けられている。結晶のコーティングされていない入射面５が、入射する搬送波に対してブルースター角を成しているのに対して、無反射コーティングされた出射面６がほぼ垂直である。結晶入力面の入射面が図４では共振器平面と合致しており、主断面が共振器平面に対して垂直を成している。従って搬送波の偏光方向が入射面内にあり（ｐ偏光）、その結果、ブルースター面における反射損失が小さくなっている。
【００４８】
結晶面が主断面で湾曲されており、即ち該シリンダー状の面の対称軸線が共振器平面内にある。これと逆に、シリンダー状のミラー面の対称軸線が共振器平面に対して垂直を成している。シリンダー面のこのよな交差配置によって、結晶内で楕円の光線断面が生ぜしめられる。該楕円の長軸が主断面内にある。光線断面のこのような形状により、臨界的に位相整合された結晶３内に発生するヴォークオフ効果が減少され、それというのはヴォークオフ効果による偏向が主断面内で、即ち図４においてｙ・方向で行われるからである。ｙ・方向での光線広がりはシリンダー状の結晶面の曲率半径に基づき変化させられ、これによって、ｘ・方向での光線広がりが影響を受けることはない。米国特許第５９４３３５０号明細書に記載してあり、楕円の軸比の増大に伴って反射損失を増大させてしまうことになる手段とは逆に、本発明では結晶面での反射損失が軸比によって影響を受けることはほとんどない。従って、本発明では１０：１以上の極めて大きな軸比が実現でき、特に大きなヴォークオフ角を有する結晶、例えばＢＢＯ−結晶に場合にもヴォークオフ効果が実質的に除去され得る。これによって、変換率が高められ、かつ変換された光線の光線形状の質が改善され、それというのはドイツ連邦共和国特許出願第１９８３２６４７号明細書に記載してあるようなヴォークオフ効果にようる干渉歪みが実際にもはや生じないからである。
【００４９】
シリンダー状のミラー面の曲率半径（該曲率半径は結晶面の曲率半径に左右されることなく選ばれる）を適切に選ぶことによって、光線断面をミラー２と３との間の共振器区分の任意の箇所で円形にすることができる。これによって、前述の実施例でも述べてあるように、共振器内へ搬送波を結合する際のモードマッチングが簡単にされる。
【００５０】
共振器内の光学素子の間隔が同じく自由に選択可能なパラメータとして用いられる。間隔は、結晶内の光線の断面積が用いられた結晶長さにおける変換率に関連して最適な大きさを有するように選ばれる。
【００５１】
図５に搬送波の光線広がり（光線軌跡）が両方の方向ｘ，ｙで個別に示してある。見易くするために、共振器（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の光線経路が展開してまっすくに示してある。共振器部材が各観察方向での作用に応じてレンズとして若しくは線として描いてある。光線広がりは明瞭にするために著しく拡大して示してある。入力ミラー１がその作用から図５の左側では入力素子として示され、かつ右側では共振器ミラーとして示されている。搬送波が左側から収斂する円形のガウスビームとして共振器内に入射される。この場合、入力ミラー１はｘ・方向でもｙ・方向でも結像作用を有さず、従って線として描いてある。入力ミラー１と共振器ミラー２との間にビームウエストが存在している。ビームウエストはｘ・方向及びｙ・方向で同じ大きさである。共振器ミラー２はｙ・方向で結像作用を有さず、従ってここでは線として描いてある。ｙ・方向での光線広がりが、ミラー２から結晶（Ｋｒｉｓｔａｌｌ）の入射面５への経路で拡大している。結晶の入射面５が収束レンズとして作用しており、該収束レンズの焦点距離がミラー１，２間のビームウエストまでの距離とほぼ一致している。これによって光線がほぼ平行にされ、結晶内で比較的大きな直径を有して、わずかな発散しか有していない。出射面６が同じ焦点距離のレンズとして作用して、光線を再びミラー１，２間のビームウエストと同じビームウエストに集束する。間に位置するミラー１は光線の結像作用を有していない。
【００５２】
ミラー２がｘ・方向で収束レンズの作用を有しており、該収束レンズがミラー１，２間のビームウエストを結晶内でビームウエストに結像する。この場合、結晶面５，６は結像作用を有していない。共振器ミラー１が最終的に結晶内のビームウエストを再びミラー１，２間のビームウエストに結像する。
【００５３】
本発明は図示の実施例に限定されるものではない。前述の構成を種々に組み合わせて別の実施例を実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ヴォークオフ効果による光線の偏向を示す図。
【図２】
本発明の第１実施例の概略図。
【図３】
本発明の第２実施例の概略図。
【図４】
本発明の第３実施例の概略図。
【図５】
本発明の第３実施例の概略図。
【図６】
同じ変換率で異なる反射の結晶の概略図。
【符号の説明】
１  入力ミラー、  ２  ミラー、  ３  非線形光学結晶、  ５  入射面、  ６  出射面、  ７  搬送波
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004515825.tif 000037
【国際調査報告】
2004515825.tif 000038
2004515825.tif 000039
2004515825.tif 000040
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