(57)【要約】本発明は、レーザー材料の中を伝搬するレーザービームのモードと励起ビームの間に最適化された重なりを有する小型の光学的に横励起型の固体レーザーに関する。共通の励起体積を使用して、小型の固体レーザーは、レーザービームを異なる波長で同時に放出できる。レーザーは非線形光学素子と組み合わされて、カラー投影ディスプレイ用途に適したＲＧＢ３原色レーザーアーキテクチャを提供することができる。
2004507891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブ型固体レーザー発振装置であって、
２つの端面の間のレーザー媒質を縦方向に通過する少なくとも２つのレーザービームを発生し、実質的に横方向へ光学的に励起されるスラブ型の前記レーザー媒質を含み、
前記端面の少なくとも１つは、前記縦方向に対してある角度でカットされて、かつ１本の線に沿って交差する少なくとも２つのブルースター面を有し、前記角度は前記レーザービームに対する前記レーザー媒質のブルースター角に等しく、光共振器は部分反射ミラーおよび高反射率ミラーにより形成され、前記各レーザービームは異なるブルースター面を通過し、同時に前記レーザービームが光学的に励起されることを特徴とするレーザー発振装置。
【請求項２】
少なくとも１つの高反射率ミラーがスラブ型前記レーザー媒質の縦の中心軸から斜めに配置されてオフセットされていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー発振装置。
【請求項３】
少なくとも２つの前記ブルースター面を通過する前記レーザービームが同じレージング波長を有することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー発振装置。
【請求項４】
スラブ型前記レーザー媒質の前記ブルースター面と反対側の端部に配置されたフォールドプリズムをさらに含み、次に他のブルースター面を通過させるために、前記フォールドプリズムが、前記ブルースター面の１つを通過する前記レーザービームを逆反射することを特徴とする、請求項３に記載のレーザー発振装置。
【請求項５】
前記少なくとも２つのブルースター面を通過する前記レーザービームが異なるレージング波長を有することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー発振装置。
【請求項６】
前記レーザー媒質がＮｄ：ＹＶＯ４から成り、前記レージング波長が約１．０６μｍおよび１．３４μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー発振装置。
【請求項７】
小型のマルチ波長固体レーザーであって、
少なくとも２つの波長でレーザーを放出できる材料で作られ、中心線を定め、前記中心線に対して実質的に平行に伸長している向かい合う側面を有し、励起放射は前記側面と結合し、端面をさらに含み、前記端面の少なくとも１つが前記中心線の両側に形成された一対の射出面を有するブルースター分散プリズムから成る固体レーザー素子、および
前記中心線の両側に形成された２つのレーザー共振器であって、第１の共振器は高い反射率を前記少なくとも２つの波長の第１の波長において有する第１のミラー、第１の出力ミラー、および前記ブルースター分散プリズムの前記一対の射出面の１つを有する前記固体レーザー素子の第１の部分を含み、第２の共振器は高い反射率を前記少なくとも２つの波長の第２の波長において有する第２のミラー、第２の出力ミラー、および前記ブルースター分散プリズムの前記一対の他の射出面を有する前記固体レーザー素子の第２の部分を含む前記２つのレーザー共振器から成ることを特徴とするレーザー。
【請求項８】
前記レーザー共振器の少なくとも１つの中に配置された少なくとも１つの変調器をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項９】
前記変調器がＱスイッチであることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー。
【請求項１０】
前記レーザー材料がＮｄ：ＹＶＯ４およびＮｄ：ＹＡＧの１つであることを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項１１】
前記レージング波長が約１．０６μｍおよび１．３４μｍであることを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項１２】
前記ブルースター分散プリズムが前記固体レーザー素子と一体的に形成されることを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項１３】
前記ブルースター分散プリズムが前記固体レーザー素子とは別の素子として形成され、前記固体レーザー素子の端面の付近に配置されることを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項１４】
前記ブルースター分散プリズムと前記固体レーザー素子の前記端面の間に挿入された１／４波長板をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載のレーザー。
【請求項１５】
前記ブルースター分散プリズムがガラスで形成されることを特徴とする、請求項１３に記載のレーザー。
【請求項１６】
前記固体レーザー素子の両端面が各々のブルースター分散プリズムから成ることを特徴とする、請求項７に記載のレーザー。
【請求項１７】
ＲＧＢレーザー出力ビームを生成することができる前記レーザーであって、
前記青色レーザー出力ビームを生成して、
レーザー光線を前記第１のレーザー共振器から１．３４μｍの波長で受信し、６７１ｎｍの倍周波された波長を生成する第１の高調波結晶、および
４４７ｎｍの和周波数を有する前記青色レーザー出力ビームを生成するために、１．３４μｍの前記波長の前記レーザー光線を６７１ｎｍの前記倍周波された波長と混合させる第１の非線形結晶を含む青色出力チャネル、
前記赤色レーザー出力ビームを生成して、
レーザー光線を前記第２のレーザー共振器から１．０６μｍの波長で受信し、１．５４μｍの波長シフトされた波長を生成する光パラメトリック増幅器、および
６２８ｎｍの和周波数を有する前記赤色レーザー出力ビームを生成するために、１．３４μｍの前記波長の前記レーザー光線を１．５４μｍの前記波長シフトされた波長と混合させる第２の非線形結晶を含む赤色出力チャネル、ならびに
緑色レーザー出力ビームを生成して、
レーザー光線を前記第２のレーザー共振器から１．０６μｍの波長で受信し、５３２ｎｍの倍周波された波長を生成する第２の高調波結晶を含む緑色出力チャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載のレーザー。
【請求項１８】
小型の横励起型固体レーザーであって、
縦の中心線を定め、前記中心線に対して実質的に平行に伸長している向かい合う側面を有し、励起放射が前記側面と結合し、端面をさらに含み、前記端面の１つが前記中心線の両側に形成された一対の射出面を有するブルースター分散プリズムから成り、他の端面が１８０゜フォールドプリズムから成る固体レーザー素子、および
前記中心線の一方の側に対して斜めに配置されてオフセットされた高反射率ミラー、前記中心線の他方の側に対して斜めに配置されてオフセットされた半透明出力ミラー、および前記固体レーザー素子を含むレーザー共振器から成り、
前記レーザービームが前記固体レーザー素子の第１の部分を第１の方向へ通過し、かつ前記固体レーザー素子の第２の部分を前記第１の方向に対して実質的に反対向きかつ平行である第２の方向へ通過することを特徴とするレーザー。
【請求項１９】
前記レーザービームが約１．０６μｍのレージング波長を有してＲＧＢレーザー出力ビームを生成でき、さらに、
青色レーザー出力ビームを生成して、
前記１．０６μｍレーザービームを受信し、１．５４μｍの波長シフトされた波長を生成する第１の光パラメトリック増幅器、
１．５４μｍの前記波長シフトされた波長を受信し、７６７ｎｍの倍周波された波長を生成する第１の高調波結晶、および
４４５ｎｍの和周波数を有する前記青色レーザー出力ビームを生成するために、１．０６μｍの前記波長の前記レーザービームを７６７ｎｍの前記倍周波された波長と混合させる第１の非線形結晶を含む青色（Ｂ）出力チャネル、
赤色レーザー出力ビームを生成して、
前記１．０６μｍレーザービームを受信し、１．５４μｍの波長シフトされた波長を生成する第２の光パラメトリック増幅器、および
６２８ｎｍの和周波数を有する前記赤色レーザー出力ビームを生成するために、１．３４μｍの前記波長の前記レーザー光線を１．５４μｍの前記波長シフトされた波長と混合させる第２の非線形結晶を含む赤色（Ｒ）出力チャネル、ならびに
緑色レーザー出力ビームを生成して、
前記１．０６μｍレーザービームを受信し、５３２ｎｍの倍周波された波長を生成する第２の高調波結晶を含む緑色（Ｇ）出力チャネルから成ることを特徴とする、請求項１８に記載のレーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は小型の光学的に横励起型の固体レーザーに関し、さらに詳細には、レーザービームを異なる波長で同時に放出することができるレーザーに関する。また、本発明は、カラー投影ディスプレイ用途に適した小型の３色（ＲＧＢ）レーザーアーキテクチャに関する。
【０００２】
［本発明の背景］
赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）レーザーは、高性能な映像アプリケーションのための白熱光源を越える極めて明らかな利点を提供する。より優れた彩度、コントラスト、鮮明度、および色域は、レーザーディスプレイをアークランプを利用する従来の映像システムから区別する最も関心を引く特性の中に含まれる。ＣＩＥまたはＮＴＳＣ色空間の中の所望するどんな色も、原色Ｒ、Ｇ、Ｂを適切に混合することにより得られる。投影型ディスプレイ用途のための理想的レーザー光源は、ＣＷまたはＱスイッチマルチワットＲ、Ｇ、Ｂ出力を周波数混合のために高い繰り返し率で供給しなければならない。
【０００３】
ＲＧＢレーザー光源ディスプレイシステムは、例えば、米国特許出願第０９／３１９，０５８号で開示される。引用文献で開示されるように、赤色および青色が生成されるが、Ｎｄ：ＹＶＯ４ＭＯＰＡレーザー源は基本レーザー光線を１．０６４μｍで放出し、基本レーザー光線は倍周波されて緑色を生成する。Ｒ、Ｇ、Ｂは、１．０６４μｍ基本波長で励起されるＯＰＡおよびＴｉ：サファイアレーザーにより生成される放射を使用する和周波発生（ＳＦＧ）および／または倍周波により生成される。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、低いレージングしきい値、高いスロープ効率、大きな誘導放出断面、および８０２〜８２０ｎｍの広いポンピング波長バンド幅にわたる高い吸収係数を有するレーザー材料である。励起放射の高い吸収が、Ｎｄ：ＹＶＯ４を、端面励起の代わりにダイオードレーザーを用いた側面励起に適するようにする。
【０００４】
横励起型の形態では、ポンピングの方向は、レーザー共振器の縦軸に対して横または直角である。レーザーモードと励起された体積の間に高度の重なりが存在することを保証するために、相当の注意が払われなければならない。励起光の吸収深さは結晶の中のＮｄ原子の密度に依存するので、レーザーの変換効率は大きなモード体積を有する低吸収材料を使用することにより最適化できる。吸収係数は、Ｎｄ：ＹＶＯ４の中のＮｄ原子の密度を調節することにより制御できる。
【０００５】
Ｎｄ３＋イオンは４Ｆ３／２→４Ｉ１１／２（１．０６４μｍ）遷移でレーザーを放出できるだけでなく、いくらか非効率ではあるが、４Ｆ３／２→４Ｉ１３／２（１．３４２μｍ）遷移でもレーザーを放出できる。これらの遷移の１つは、適切な共振器設計によって他方よりも勝ることができる。青色放出は、１．３４２μｍ基本波から４４７ｎｍ青色放出を生成するために残りの１．３４２μｍと次に混合される（ＳＦＧ）６７０ｎｍ放射の第２高調波発生（ＳＨＧ）により発生できる。５３２ｎｍでの緑色放出は、ＳＨＧにより１．０６４μｍ基本波から生成できる。６２８ｎｍでの赤色放出は、ＯＰＯを使用した１．０６４μｍから１．５４ｎｍへの第１のシフトにより１．０６４μｍ基本波から生成でき、ＳＨＧがこれに続く。
【０００６】
従って、最大利得領域とレーザーモードの間の高度の空間的重なりを有する効率的な横励起型固体レーザー構成を提供することが望ましい。また、３原色Ｒ、Ｇ、Ｂを（例えば、非線形光学プロセスにより）効率的に発生するために使用できる２つの異なる波長を放出する小型のレーザー構成を提供することが望ましい。
【０００７】
［発明の要約］
本発明は、レーザー材料の中を伝搬するレーザービームのモードと励起ビームの間の最適化された空間的重なりを有する小型の固体レーザーに関する。
【０００８】
本発明の１側面によると、スラブ型固体レーザー発振装置は、レーザー媒質を２つの端面の間で縦方向に通過する少なくとも２つのレーザービームを発生するためのスラブ型レーザー媒質を含む。レーザー媒質は、光学的に横に励起される。端面の少なくとも１つは、縦方向に対してある角度でカットされ、１本の線で交差し、前記角度がレーザービームに対するレーザー媒質のブルースター角に等しいブルースター面を有する。部分反射ミラーと高反射率ミラーが光共振器を形成する。各レーザービームは異なるブルースター面を通過し、同時にレーザービームは光励起される。
【０００９】
本発明の実施例は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。少なくとも１つの高反射率ミラーは、スラブ型レーザー媒質の縦の中心軸から斜めにオフセットされて配置できる。ブルースター面を通過するレーザービームは、同じまたは異なるレージング波長を有することができる。フォールドプリズム（ｆｏｌｄ ｐｒｉｓｍ）はスラブ型レーザー媒質のブルースター面と反対側の端部に配置でき、次に他のブルースター面を通過させるために、フォールドプリズムはブルースター面の１つを通過するレーザービームを逆反射する。レーザー媒質は、約１．０６μｍおよび１．３４μｍのレージング波長を有するＮｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧでよい。
【００１０】
本発明の他の側面によると、小型のマルチ波長固体レーザーは、少なくとも２つの波長でレーザーを放出できる材料で作られた固体レーザー素子を有する。固体レーザーは中心線を定め、中心線に対して実質的に平行に伸長している向かい合う側面を有し、励起放射は側面と結合する。さらに、レーザー素子は端面を含み、端面の少なくとも１つは、レーザー素子の中心線の両側に形成された一対の射出面を有するブルースター分散プリズムから成る。２つのレーザー共振器は中心線の両側に形成され、第１の共振器は高い反射率を少なくとも２つの波長の第１の波長において有する第１のミラー、第１の出力ミラー、およびブルースター分散プリズムの一対の面の１つを有するレーザー素子の第１の部分を含み、第２の共振器は高い反射率を少なくとも２つの波長の第２の波長において有する第２のミラー、第２の出力ミラー、およびブルースター分散プリズムの他の一対の面を有するレーザー素子の第２の部分を含む。
【００１１】
本発明の実施例は、以下の追加的特徴の１つまたは複数を含む。少なくとも１つの変調器（例えば、Ｑスイッチ）が、１または複数のレーザー共振器の中に配置される。ブルースター分散プリズムが、レーザー素子と一体的に、または別の素子として形成できる。もしブルースター分散プリズムが別の素子として形成されたら、１／４波長板がブルースター分散プリズムとレーザー素子の端面の間に挿入できる。ブルースター分散プリズムはガラス、またはレーザー素子によって生成された波長において透明な他の材料で形成できる。
【００１２】
約１．０６μｍおよび１．３４μｍのレージング波長の少なくとも１つを有するレーザー出力ビームは、光パラメトリック発振器、第２高調波発生器、および和周波混合器の少なくとも１つを利用することにより、（例えば、カラー投影ディスプレイ用途で有用な）ＲＧＢ出力ビームへ変換できる。
【００１３】
本発明のさらに他の側面によると、小型の横励起型固体レーザーは、縦の中心線を定め中心線に対して実質的に平行に伸長している向かい合う側面を有する固体レーザー素子を含み、励起放射は側面と結合する。さらに、レーザー素子は端面を含み、端面の１つはレーザー素子の中心線の両側に形成された一対の射出面を有するブルースター分散プリズムから成り、他の端面は１８０゜フォールドプリズムから成る。レーザー共振器は、中心線の一方の側に対して斜めに配置されてオフセットされた高反射率ミラー、中心線の他方の側に対して斜めに配置されてオフセットされた半透明出力ミラー、およびレーザー素子を含む。レーザービームはレーザー素子の第１の部分を第１の方向へ通過し、レーザー素子の第２の部分を第１の方向に対して実質的に反対向きかつ平行である第２の方向へ通過する。
【００１４】
［発明の実施の形態］
本発明は、レーザー材料の中を伝搬するレーザービームのモードと励起ビームの間に最適化された重なりを有する小型の固体レーザーに関する。また、本発明は、異なる波長を有するレーザービームを同時に放出できる小型の固体レーザーに関する。レーザーは、カラー投影ディスプレイ用途に適したＲＧＢ３色アーキテクチャで利用できる。
【００１５】
最初に図１を参照すると、典型的な固体レーザー材料（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１０）は平行６面体の形状に切断され、向かい合う側面１２、１４で結晶１０に入射する励起光１９ａ、１９ｂによって２側面から光学的に横励起される。適切な共振器（図３−図６参照）では、励起光１９ａ、１９ｂにより誘導されたレーザー光線は、結晶１０の中を縦方向の中心線ＣＬと平行に伝搬する。典型的な結晶１０は後方端面１６および一対の前方端面１８ａ、１８ｂを有し、一対の前方端面１８ａ、１８ｂは端面１６と平行に広がる仮想平面１７に対してブルースター角θでカットされる。一対の前方端面１８ａ、１８ｂは、縦方向の中心線ＣＬに対して垂直な交差線１５で交わる。ブルースター角の重要性は以下で議論される。
【００１６】
電磁理論からわかるように、異なる屈折率を有する２つの媒質により形成された境界面での光の反射および屈折は、入射光の偏光状態に依存する。もし光がθｉ（ここで、ｔａｎ（θｉ）＝ｎ２／ｎ１、ｎ１、ｎ２は、第１および第２の媒体の屈折率をそれぞれ表す）以下の角度で入射したら、反射光の電界ベクトルは入射面の成分をもたない。角度θｉはブルースター角と呼ばれる。ドープされていないＹＶＯ４の屈折率は通常ビームに対してはおよそｎｏ＝２、異常ビームに対してはｎｅ＝２．１６であり、関心がある波長範囲の波長と実質的に無関係である。従って、プリズムを出る光に対するＹＶＯ４結晶の内側のブルースター角は、およそθｉ＝２６．６゜である。
【００１７】
また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の結晶軸も図１に図示される。ＹＶＯ４は点群Ｄ４ｈに属し、格子定数ａ＝ｂ＝７．１１８Åおよびｃ＝６．２９４Åを有する。Ｎｄ：ＹＶＯ４では、１．０６μｍおよび１．３４μｍの両方における最高利得レーザー遷移は、結晶ｃ軸に平行なレーザー放出の偏光に対して起こる。高利得レージング偏光ベクトルがブルースター面１８ａ、１８ｂに対してｐ方向にあるとき、ブルースター面１８ａ、１８ｂにおける反射損失はゼロになる。従って、ブルースター面が結晶自体の上に作られた構成で反射損失を最小にするために、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸は中心線ＣＬに対して垂直に、およびブルースター面１８ａ、１８ｂの交差線１５に対して垂直に方向を合わせられなければならない。
【００１８】
しかし、Ｎｄ：ＹＶＯ４は、大きな温度依存性の複屈折を有することで知られる。この温度依存性の複屈折は強い収差のある（歪曲された）熱レンズを作り出すと報告されてきた。何故ならば、Ｎｄ：ＹＶＯ４の中の温度依存性の屈折率（ｄｎ／ｄＴ）は、ａ軸と平行な方向の値より低い値をｃ軸と平行な方向に有するからである。従って、結晶のｃ軸をブルースター面の交差線と平行な方向に向けることが熱管理の観点からは望ましい。（例えば、熱電冷却器を利用することによる）冷却は結晶１０の上面１１および底面１３に最も都合良く適用されるので、もしｃ軸がブルースター面１８ａ、１８ｂの交差線１５と平行に方向付けられたら、熱流は最適化されて熱レンズは最小化される。
【００１９】
ｃ軸が交差線１５と平行な実施例が、図２に示される。しかし、この場合、レージング偏光はブルースター面１８ａ、１８ｂに対してｓ方向になる。また電磁理論からわかるように、ｓ偏光された反射光の輝度は（（ｎ−ｌ）／（ｎ＋１））２（ここで、ｎ＝ｎ２／ｎ１）より常に大きく、関連する反射損失を容認できないほど大きくする。この場合、別のブルースタープリズム２９が形成でき、偏光方向を９０゜だけ回転させるために結晶２０と別のブルースタープリズム２９の間に半波長版２７を挿入できる。次に、ブルースター面２８ａ、２８ｂに突き当たるレーザービームは各ブルースター面に対してｐ偏光され、図１に示される実施例のように、低損失である。別のプリズムは光学的に接触させられるか反射防止塗装されてもよく、結晶２０の端面２７に物理的に接近して配置されてもよい。ガラスプリズム（ｎは約１．５）に対するブルースター角は、一体型Ｎｄ：ＹＶＯ４プリズムの２６．６゜に対して約３３．７゜である。
【００２０】
図１−図８に示されるように、また上記のように、結晶１０、２０は（例えば、高速な軸コリメーション（ｆａｓｔ ａｘｉｓ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）（図示されない）を備える直線ダイオードアレイにより２つの側面１２、１４から）横方向に励起されるのが好ましい。励起ダイオードは、変換効率を向上させるために光共振器の中に配置できる。図８で示されるように、平行にされたアレイは、向かい合う側面１２、１４を通って結晶に入射する励起光のシートを生成し、蓄積されたエネルギー／利得の対応するシート８２を結晶の中に設定する。ブルースター面を使用する主な理由は２つある。即ち、（１）アナモルフィックビーム拡がりを提供するため、（２）結晶の外部でビームラインを角度的に分離するため、である。
【００２１】
アナモルフィックビーム拡がりは、結晶の外側の円形ビーム３３（図７および図８）と内側の矩形断面利得シート８２の間のより良い適合を提供する。横方向にダイオード励起する構成では、励起電力は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の吸収係数により定められたレーザー結晶の内部の体積に蓄積される。横励起は単純であり、最も単純で安価なダイオードアレイを利用するが、矩形断面は励起電力の効率的抽出に困難をもたらす。何故ならば、一般に、結晶の中を伝搬するレーザービームの円形断面は、蓄積された励起電力の矩形断面とは効率的に重ならないからである。ブルースター面により提供されたアナモルフィックビーム拡がりは結晶の内部のビームの幅を増加させ、幅の増加は結晶の屈折率（ＹＶＯ４の場合、約２）と等しい。この拡がりは入射／反射面で起こり、励起ビームの伝搬方向（即ち、矩形の励起体積断面の長さ）と一致する。
【００２２】
図７および図８は、図１の典型的なＮｄ：ＹＶＯ４結晶の中を伝搬するレーザービームのアナモルフィックビーム拡がりを描く。自由空間中のレーザービーム３３の幅はｄ１であり、レーザービーム３６は結晶の内側で幅ｄ２まで拡げられる。ｄ１とｄ２は、式ｄ２＝ｄ１＊ｔａｎ（６３．４゜）（Ｎｄ：ＹＶＯ４の屈折率に対してｎ２＝２と仮定する）によって関係付けられる。換言すれば、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の内側のレーザービームは空気中のレーザービームの約２倍の幅を有し、レーザー励起電力のさらに高い利用（係数はおよそ２）に形を変える。今やレーザービームは結晶の内側でさらに大きな体積を占めることができるので、Ｎｄ添加レベルも従来の横励起型レーザーと比較して減少させられる。
【００２３】
説明を簡単にするために、結晶の中を伝搬するたった１本のレーザービームが図７および図８に示される。しかし、励起光は結晶の全体幅を通過できるので、励起光のレーザー光への変換効率は、結晶の中を伝搬する（中心線ＣＬから実質的に対称に間隔を空けられた）２本のレーザービームによってさらに増加できる。設計の対称性は単にブルースター面の典型的な対称的配置の結果に過ぎず、決して本発明の範囲を限定しないことが理解できるであろう。
【００２４】
図３−図６を参照すると、本発明による一対のブルースター面を有するＹＶＯ４結晶は、少なくとも２つの異なる用途に使用できる。即ち、（１）図３に示すように、レーザービームをレーザー共振器の中に折り返すことにより単一波長でレーザー放出を効率的に生成するため、（２）図４−図６に示すように、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の利得曲線の範囲内の２つの異なる波長（例えば、１．０６４μｍおよび１．３４μｍ）でレーザー放出を同時に生成するため、である。
【００２５】
図３に描かれるように、レーザー共振器３０は、高反射率（ＨＲ）ミラー３１と（レーザー波長に対して半透明の）射出ミラー３２の間に形成される。レーザービーム３３（円形ビームでもよい）はＨＲミラー３１で反射され、次に第１のブルースター面１８ａで屈折される。上記のように、レーザー結晶１０の内側を伝搬する屈折されたレーザービーム３６は増加した幅を有し、励起光１９ａをレーザー光へ効率的に変換する。次に、ビーム３６はレーザー結晶１０の平坦な端面１６を通過し、フォールドプリズム３５に入射し、（ビーム３７はレーザー結晶１０の内部へ逆反射され）、今やレーザービーム３８によって表される。レーザービーム３８はレーザー結晶１０を他のブルースター面１８ｂに向かって通過し、同時に結晶側面１４に入射する励起光１９ｂをレーザー光に変換する。ビーム３８はブルースター面１８ｂで再び屈折され、ビーム３９として射出し、ビーム３９の一部が射出ミラー３２を通過して有用なレーザー出力ビームを形成する。一対のブルースター面１８ａ、１８ｂと一体のＮｄ：ＹＶＯ４を有する典型的な実施例では、ビーム３３、３９は７３．６゜の角度をなす。この設計は、単一波長（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４に対して１．０６４μｍ）を放出する単純で小型の効率的な横励起型レーザー源を表す。
【００２６】
図３で示されるフォールドプリズムは、ガラス、またはレーザー光線の波長において実質的に透明な他の材料で作られる。ガラス−Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶境界面での屈折率の不連続が光損失を生じさせるので、フォールドプリズムおよび／またはプリズムに面するＮｄ：ＹＶＯ４結晶面は反射防止膜を施されるのが好ましい。高反射率ミラーおよび射出ミラーは従来の設計でよく、反射材料または誘電体層（例えば、特定の波長に対して最適化された誘電体スタック）を含んでもよい。以下に記載されるように、ビームの大きな角度分離は、ビーム経路への追加の光学素子（例えば、音響光学Ｑスイッチ）の配置を可能にする。
【００２７】
上記のように、Ｎｄ原子は少なくとも２つの異なる波長（例えば、λ１＝１．０６４μｍおよびλ２＝１．３４μｍ）でレーザーを放出できる。従って、一対のブルースター面１８ａ、１８ｂを有するレージング結晶は、２つの独立したレーザービームを２つの異なる波長で同時に持続させることができる。
【００２８】
図４に示される２波長放出のための実施例では、２つのＨＲミラー４１、４２は中心線ＣＬの両側に配置され、第１のミラー４１は第１の波長（１．０６４μｍ）において高い反射率を有し、第２のミラー４２は第２の波長（１．３４μｍ）において高い反射率を有する。λ１とλ２の間の波長範囲にわたる比較的平坦な反射応答曲線を有する共通の射出ミラー４５または別々の射出ミラー（図示されない）は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１０のブルースター面１８ａ、１８ｂと反対側の端面１６の付近に配置できる。従って、１．０６４μｍのレーザー放出のためにシステム４０の第１のレーザー共振器は高反射率ミラー４１と射出ミラー４５の間に形成され、１．３４μｍレーザー放出のために第２のレーザー共振器は高反射率ミラー４２と射出ミラー４５の間に形成される。２つの共振器は、側面１２、１４の間の共通の励起体積を共有する。レーザービーム４３（円形ビームでもよい）はＨＲミラー４１で反射され、次に第１のブルースター面１８ａで屈折される。上記のように、レーザー結晶１０の内側を伝搬する屈折されたレーザービーム４６は増加した幅を有し、励起光１９ａをレーザー光へ効率的に変換する。次に、ビーム４６はレーザー結晶１０の平坦な端面１６を通過し、一部は射出ミラー４５を通過して有用なレーザー出力ビーム４４を形成する。他の波長のレーザービーム４７は、類似の方法で生成される。
【００２９】
図４の実施例では、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のブルースター面と反対側の端面は平坦であり、２つの実質的に平行なレーザー出力ビームを生成する。互いに平行な出力ビーム４４、４７の近接性のために、追加の光学素子（例えば、Ｑスイッチおよび変調器）をレーザービームの経路に配置することは困難である。
【００３０】
図５を参照すると、出力ビーム４４、４７は図４で示されるタイプの２つのＮｄ：ＹＶＯ４結晶１０、１０’（射出ミラー４５は無い）を取り付けることにより角度的に分離でき、２つのＮｄ：ＹＶＯ４結晶１０、１０’の長軸は共通の中心線ＣＬに沿って並べられ、各平坦な端面１６、１６’は互いに面する。結晶１０、１０’は、例えば、共通の放熱器（図示されない）に取り付けられる。もし添加が制御された長いＮｄ：ＹＶＯ４結晶が入手できなければ、この配置は有利である。１．０６４μｍレーザー放出のために第１のレーザー共振器は高反射率ミラー５１と射出ミラー５５の間に形成され、１．３４μｍレーザー放出のために第２のレーザー共振器は高反射率ミラー５２と射出ミラー５６の間に形成される。出力ビームの間の角度的拡がり（図示される実施例では７３．６゜）は、追加の光学素子の配置（例えば、非線形周波数変換のためのピーク電力を増加させるＱスイッチ５７、５８）のためのスペースを提供する。端面１６、１６’は互いに近接して配置されなければならず、反射防止膜を施されなければならない。
【００３１】
もし品質が制御された長いＮｄ：ＹＶＯ４結晶が入手可能になれば、結晶１０、１０’の間のギャップは除去でき、両方の端面にブルースター面が配置された単一のＮｄ：ＹＶＯ４結晶が使用できる。この実施例は、図６に示される。他の全ての側面では、図６の実施例は図５の実施例と同じである。
【００３２】
図２を参照すると、上記のように、熱レンズ効果を減少させるために、別のプリズム、およびプリズムとＮｄ：ＹＶＯ４結晶の平坦な端面の間に挿入された１／４波長板が、結晶と一体的に形成されたブルースター面の代わりに利用できることが理解できるであろう。これは、プリズムに使用される材料によってブルースター面と結晶の平坦な端面の間に異なるブルースター角を生成するであろう（例えば、ガラスに対しては約３５゜、ＹＶＯ４に対しては２６．６゜）。同様に、ビーム幅において増加するアナモルフィックも異なり、プリズム材料の屈折率にほぼ対応する。
【００３３】
図９を参照すると、非線形波長シフトが、１．０６μｍおよび１．３４μｍレーザー出力をレーザー投影型ディスプレイ用途に適した６２８、５３２、４４７ｎｍの可視光線（ＲＧＢ）にそれぞれ変換するために利用される。効率的な非線形波長シフトのために、提案されたシステムは周期的に分極された（ＰＰ）非線形（ＮＬ）材料（例えば、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、ＬｉＮＯ３（ＬＮ）、およびＲｂＴｉＯＡｓＯ４（ＲＴＡ））を使用する。ＰＰＮＬ材料では、空間変調された電場が、ビーム伝搬の軸に沿った屈折率の制御された周期的変化を生成するために使用される。各々の場合、分極の周期性（屈折率が変化する分極領域の物理的間隔）は、所定の非線形段階に関連する特定の波長で位相整合を達成するように調整される。これらの材料の一部は、好都合にも小型乾燥炉だけを必要とする周囲温度（一般に４０℃）より少し高く維持されなければならない。
【００３４】
図９に示されるように、４４７ｎｍの青色出力は、ＰＰＫＴＰ結晶を使用する６７０ｎｍにおける１．３４μｍ基本波長の第１の第２高調波発生（ＳＨＧ）により得られる。次に、６７０ｎｍ高調波が残りの１．３４μｍ基本波と和周波発生（ＳＦＧ）により混合され、青色出力ビームを４４７ｎｍで生成する。出力電力が青色の残留吸収により制限されるが、ＰＰＫＴＰはこの用途のためによく考えられた材料である。
【００３５】
図９の典型的な実施例では、赤色（６２８ｎｍ）および緑色（５３２ｎｍ）出力ビームの両方が、１．０６μｍ基本波長から生成できる。赤色出力は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を使用して最初に１．０６μｍ基本波を１．５４μｍへシフトすることにより生成できる。ＰＰＲＴＡおよびＰＰＬＮの両方とも、この用途のためのよく考えられた材料系である。シフトされた１．５４μｍと残りの１．０６μｍ基本波のＳＦＧが、６２８ｎｍを生成する。ＰＰＫＴＰは、この特定の和周波発生のための好ましい材料である。図９に描かれる実施例では、ＯＰＯはピーク電力を向上させる目的のためにＳＦＧ結晶がＯＰＯ共振器の内部に配置されることを可能にするリング構造として実施される。しかし、他の実施例（図示されない）では、ＯＰＯおよび／またはＳＦＧ結晶も共振器の外側に配置できる。
【００３６】
赤色ビームが前記の状況で生成されるとき、緑色出力は赤色ビーム生成のために使用された１．５４μｍのＯＰＯ生成からの残りである１．０６μｍ基本波のＳＨＧにより得られる。ＯＰＯからの３．５μｍ遊び出力は、抽出されて放出される。次に、残りの１．０６μｍが、５３２ｎｍ緑色出力ビームを生成するためにＰＰＫＴＰ　ＳＨＧ段階で倍周波される。
【００３７】
或いは、さらに他の実施例（図示されない）では、１．０６μｍ基本波が５３２ｎｍ緑色光を生成するため直接的に使用できる。この場合、赤色出力ビームは生成された５３２ｎｍ出力の一部をＰＰＫＴＰまたはＰＰＲＴＡ　ＯＰＯへ供給することにより生成でき、ＰＰＫＴＰまたはＰＰＲＴＡ　ＯＰＯは赤色出力（および前記のように放棄された３．５μｍの遊び出力）をもたらすために６２８ｎｍ領域にわたって調整可能な出力信号を生成する。ＯＰＯの中で単一／遊びビームへ変換されない５３２ｎｍ励起光の部分が、緑色出力ビームを提供する。
【００３８】
さらに他の実施例（図示されない）では、４４５ｎｍの青色出力ビームが、上記１．３４μｍ基本波長の代わりの１．０６μｍ基本波長から生成できる。この場合、１．５３４μｍ出力は１．０６μｍ基本波からＯＰＯにより生成でき、その後、ＳＨＧにより７６７ｎｍへ倍周波される。次に、７６７ｎｍＳＨＧ出力が１．０６４μｍ基本波と混合され、４４５ｎｍビームがＳＦＭにより生成される。
【００３９】
非線形周波数シフトと組み合わせて１．０６４μｍと１．３４μｍ励起光の混合を使用する上記の典型的なＲＧＢレーザー光源は、例えば、米国特許出願第０９／３１９，０５８号に記載されるようなレーザービーム投影器で利用できる。
【００４０】
本発明は上記の好ましい実施例と関連して詳細に開示されたが、種々の変更および改良は当業者に対して容易に明らかとなる。従って、本発明の精神および範囲は以下の請求項によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】一対のブルースター端面を有する固体レーザー結晶の斜視図である。
【図２】一対のブルースター端面を有する固体レーザー結晶の他の実施例の斜視図である。
【図３】図１の固体レーザー結晶を使用する単一波長レーザーの実施例の平面図である。
【図４】２波長固体レーザーの実施例の平面図である。
【図５】２波長固体レーザーの他の実施例の平面図である。
【図６】２波長固体レーザーのさらに他の実施例の平面図である。
【図７】図１の固体レーザー結晶へブルースター面において入射するレーザービームのアナモルフィック拡がりを示す斜視図である。
【図８】図７のレーザービームの平面図である。
【図９】２つの波長を使用してＲ、Ｇ、Ｂを発生するためのプロセスである。
【符号の説明】
１０、１０’、２０　結晶
１１　上面
１２、１４　側面
１３　底面
１５　交差線
１６、１６’　端面
１７　仮想平面
１８ａ、１８ｂ　ブルースター面
１９ａ、１９ｂ　励起光
２７　半波長版
２８ａ、２８ｂ　ブルースター面
２９　ブルースタープリズム
３０　レーザー共振器
３１　高反射率ミラー
３２　射出ミラー
３３、３６、３７、３８、３９　レーザービーム
３５　フォールドプリズム
４０　システム
４１、４２　高反射率ミラー
４３　レーザービーム
４４、４７　出力ビーム
４５　射出ミラー
４６　ビーム
５１、５２　高反射率ミラー
５５、５６　射出ミラー
５７、５８　Ｑスイッチ
８２　シート
【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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【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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【国際調査報告】
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