(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数倍加器として作用する第１の光学非線形結晶を有すると共に、レーザにより発生するレーザ放出光の伝搬方向に対し該第１の光学非線形結晶の後に配置され周波数逓倍器として作用し、かつ基本波光線と高調波光線の１つとを混合し、更に高次の高調波光線を生じるさらなる光学非線形結晶を少なくとも一つ有するレーザであって、
最も後配置された光学非線形結晶を除く前記光学非線形結晶（２、３）の各々が、０．１°から６°の範囲のウォークオフ角を有し、該光学非線形結晶（２、３、７）が互いに、一つの結晶（２、３）の主断面が該結晶の後に配置される結晶（３、７）の位相整合に関して角度許容性が小さな方向を有するように配置されることを特徴とするレーザ。
【請求項２】
前記最も後配置された光学非線形結晶を除く光学非線形結晶（２、３）の長さが、第１の周波数逓倍されたレーザビームの断面領域の大きな半軸の長さが該第１のレーザビームと重畳される第２のレーザビームの断面領域の直径とほぼ一致するように選択されることを特徴とする請求項１記載のレーザ。
【請求項３】
少なくとも一つの偏波回転素子（６）が、前記光学非線形結晶の間に、混合される前記レーザビームの偏波方向をともに回転させるために配置されることを特徴とする請求項１および２記載のレーザ。
【請求項４】
二つの連続する光学非線形結晶（２と３または３と７）の間の最大距離が、前記レーザにより発生するレーザ放出光の波長におけるレイリー長の約２０％であることを特徴とする請求項１から３記載のレーザ。
【請求項５】
前記レーザにより発生するレーザ放出光の伝搬方向に対し、少なくとも一つの光学非線形結晶（２、３、７）の前に集光光学素子（８、９、１０）が配置されることを特徴とする請求項１から３記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、周波数倍加器として作用する第１の光学非線形結晶と、レーザにより発生するレーザ放出光の伝搬方向に後配置された周波数逓倍器として作用する少なくとも一つのさらなる光学非線形結晶を有するレーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を周波数逓倍化するためには、いわゆる光学非線形結晶、すなわち非線形光学効果を生ずる結晶を一般的に使用する。もし周波数ｆ（１）（基本波）を有する光波が結晶中を伝搬すれば、２倍の周波数ｆ（２）＝２ｆ（１）で振動する分極の光学非線形断片を生じる。この周波数で第２高調波の光波が放射される。その放射光の方向に最大光量を得るには、基本波と第２高調波の位相を結晶を伝搬する上で同相に保持しなければならない。この位相整合を行うためには、結晶中の二つの屈折率ｎ（１）とｎ（２）は等しくなければならず、これは複屈折性により得ることができる。
【０００３】
周波数逓倍化のためには、位相整合の方法が異なる二つのタイプの結晶：タイプＩとタイプIIが用いられる。
【０００４】
光学的一軸性結晶の場合、常光線の屈折率ｎ（ｏ）は異常光線の屈折率ｎ（ｅ）とは異なる値を有する。常光線は主断面に垂直方向に偏光する光に関し、異常光線は主断面に平行方向に偏光する光に関する。その結晶の主断面は、光線の入射方向と結晶の光学軸により定義される。
【０００５】
基本波と第２高調波はお互いに垂直に偏光している。もし基本波の偏波方向が例えば主断面に垂直ならば、それは常光線として結晶を伝搬し、第２高調波は異常光線である。基本波の屈折率ｎ（１，ｏ）は結晶への全ての入射方向に対し同じ値を有するが、第２高調波の屈折率ｎ（２，ｅ）は入射角による。もし結晶の光学軸とｚ軸が一致したｘ，ｙ，ｚの座標系で全ての入射角に対し屈折率の値をプロットすれば、縦座標の原点に対し対象の、常光線に対しては球面で異常光線に対しては循環楕円体となる。もしｎ（１，ｏ）とｎ（２，ｅ）の値が適当にとれば、二つの面は二つの循環線上で交わる。これらの循環線上では、二つの屈折率は一致し位相整合がなされる。
【０００６】
図１は、上記した形態の断面図を示した図である。ｎ（１，ｏ）に対しては円が得られ、ｎ（２，ｅ）に対しては楕円が得られる。線Ｌは位相整合が保持できる光線を表す。それは結晶の光学軸に対して角度θをなして進む。もし光線方向が放射面内で微少な角度のずれが生じたなら、これによりｎ（１，ｏ）とｎ（２，ｅ）の屈折率は比較的大きくずれが生じてしまい、位相整合はもはや最適条件ではなくなってしまう。もし光線方向が放射面と垂直方向に同じ角度ずれが生じた場合は、これによる屈折率のずれは非常にわずかなものである（この場合、光線は位相整合が保持される円と楕円の循環交点にほぼ沿う）。
【０００７】
結晶の角度許容度として良好な位相整合を与える角度範囲に関して述べる。角度ずれが屈折率の大きなずれを導く方向は、小さな角度許容度を有する結晶の方向である。したがって、それと垂直方向が良好な角度許容度を有する角度となる。最適な位相整合のためには、結晶へ入射される光線の発散角が角度許容度よりも小さくなければならない。
【０００８】
もし光線が基本波光線として結晶に送り込まれるならば、周波数逓倍光線は結晶を通る光路上において主断面内で徐々に横側へ基本波光線の光路をはずれる。この過程は「ウォークオフ効果」として知られ、結晶材料に依存してその強さが変わる。それはウォークオフ角、すなわち基本波光線と周波数逓倍光線との間の角度により定量化される。そのウォークオフ効果はまた、結晶から出射する際に、周波数逓倍光線の断面を、結晶の主断面内に楕円の大きな半軸を有する楕円に変形させてしまう。
【０００９】
光学非線形結晶から出射する基本波および第２高調波の光線は、例えば混合によりさらに基本波の３倍波を発生させる第２の光学非線形結晶へと導かれる。周波数逓倍化の高効率化においては、基本波と第２高調波の光線断面は第２の結晶においてできる限り完全に重なりあわなければならず、それは重なり合った領域においてのみ光波の混合が生ずるからである。しかしながら物理的な理由で、基本波の光線は第２高調波よりも１．４１４倍の直径を有する。もしさらなる結晶において基本波と第３高調波との混合により基本波の４倍波を発生させたい場合には、混合される光線の直径がさらに大きく異なるため、わずかな重畳となってしまうため低効率となってしまう。
【００１０】
上記したタイプのレーザが、R.Wu,J.D.Myers and S.J.Hamlinの"Intracavity Fourth Harmonic Generation Using Three Pieces of LBO in a Nd:YAG Laser",OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers,Vol.20,1994の文献に述べられている。しかしながら、光線の重畳や位相整合に関してはなんら改善されていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、より高次の高調波の発生効率に関して、周波数倍加器として作用する第１の光学非線形結晶と、レーザにより発生するレーザ放出光の伝搬方向に後配置された周波数逓倍器として作用する少なくとも一つのさらなる光学非線形結晶を有するレーザを改善することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
その改善は、最も後配置された光学非線形結晶を除く光学非線形結晶の各々が、０．１°から６°の範囲のウォークオフ角を有し、それらの光学非線形結晶が互いに、一つの結晶の主断面がその結晶の後に配置される結晶の位相整合に関して角度許容度が小さな方向を有するように配置されることにより達成される。
【００１３】
光学非線形結晶のウォークオフ効果は、さらなる結晶内のその次の混合における基本波および周波数逓倍光の光線断面の重畳を改善するため、本発明において利用される。第１の結晶の主断面方向にウォークオフ効果により広げられる周波数逓倍光の断面は、ウォークオフ効果のない円形断面を保持する光線より、基本波光線に対してより大きな重畳面を有する。
【００１４】
その重畳はさらに、その後の結晶において重畳が最適になるように、最も後配置された光学非線形結晶を除く光学非線形結晶の長さを特定化することによってウォークオフ効果の作用力を制御することにより改善できる。最適な重畳は、結晶内で基本波と混合される周波数逓倍光の断面領域の大きな半軸が基本波の断面の直径とほぼ一致する際になされる。特定の結晶の必要長Ｌｋは、ウォークオフ角φの大きさと、および基本波の直径Ｄｐとウォークオフ効果のないこの基本波と重畳される周波数逓倍光の直径Ｄｆとの差に依存する。長さＬｋは以下の公式によりおよそ計算される。
【００１５】
Ｌｋ≒（Ｄｐ−Ｄｆ）／ｔａｎφ
この公式が他の光学的および機械的必要性をも満たす結晶長をもたらすためには、ウォークオフ角は約０．１°から約６°の範囲でなければならない。
【００１６】
楕円形断面を有する光線は、その小さな半軸方向よりも大きな半軸方向に対して発散が小さい。
【００１７】
さらに、後の結晶の位相整合に関して角度許容度が小さい方向と平行である発散が小さな方向に伝搬する楕円形光線の向きを調整することにより、より高次の高調波の発生効率の最適化をすることができる。過度な光線発散による位相整合の悪化を極力避けることにより、その改善がなされる。
【００１８】
もし光線の偏波方向が、後の結晶の選択された方位において結晶に必要とされる方向に向いていないなら、その偏波方向は偏波回転素子により楕円光線の半軸方位に対し適当な方向へと回転させることができる。
【００１９】
レーザと第１の結晶との間および個々の結晶の間に、結晶内でレーザ光のパワー密度を増加させるため、集光光学素子を配置することができる。
【００２０】
もし集光光学素子を用いないなら、結晶は他の結晶と近接して配置することが望ましい。その距離は０でもよい。結晶は互いに対し直線上に配置される。この距離の上限として、基本波の波長におけるレイリー長の約２０％の値とする。これにより結晶をほぼ平面波面で伝搬することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数倍加器として作用する第１の光学非線形結晶と、レーザにより発生するレーザ放出光の伝搬方向に後配置された周波数逓倍器として作用する少なくとも一つのさらなる光学非線形結晶を有するレーザにおいて、
より高次の高調波の発生効率を改善することができる。
【００２２】
また本発明によれば、連続波およびパルスのすべてのタイプのレーザに対し適用可能であり、ここで非線形結晶はレーザ共振器の内部および外部のどちらも配置することができる。
【００２３】
さらに本発明によれば、ダイオード励起レーザに対して特に利点を有しており、それはレーザ出力が比較的小さいために、ここでの周波数逓倍効率を最適化することが特に重要であるからである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図２に示される周波数逓倍レーザは、真のレーザ１、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザで、波長１０６４ｎｍの赤外線レーザ光を放射するレーザと、二つの光学非線形結晶２および３からなる。
【００２５】
レーザからの放出光は、第１の非線形光学結晶へ基本波光線として導かれる。第１の非線形光学結晶は周波数倍加器として作用し、例えばニオブ酸カリウムで構成されるタイプＩの結晶である。結晶２は基本波波長１０６４ｎｍ（赤外線）と高調波波長５３２ｎｍ（緑）を放出する。緑色レーザ光の光線断面は、結晶２内のウォークオフ効果により楕円に変形するが、赤外線の断面は円形のままである。
【００２６】
両光線は、第２の光学非線形結晶３へと導かれる。結晶３は、赤外線と緑色レーザ光を周波数混合するよう作用し、その出力には赤外線（１０６４ｎｍ）と緑色レーザ光（５３２ｎｍ）だけではなく、基本波の３倍波のレーザ光（３５５ｎｍ）を出力する。その結晶はタイプＩおよびタイプIIのどちらでもよい。この例では、タイプIIの結晶であるニオブ酸リチウムを用いる。
【００２７】
第１の光学非線形結晶２の長さと、緑色レーザ光の光線断面のウォークオフ効果の作用力は、赤外線および緑色レーザ光の断面が第２の光学非線形結晶内で最適に重畳するように選択された。この最適状態は基本波および高調波の放射パワーの合計が重畳領域内において最大になるときに達成される。
【００２８】
図３には、緑色レーザ光の楕円形に変形した断面４の大きい方の半軸が赤外線の断面の直径５にほぼ一致している、この最適な重畳状態を示す。ウォークオフ効果により、断面４は断面５から中心がはずれて配置される。
【００２９】
第２の光学非線形結晶３の主断面に対する第１の光学非線形結晶２の主断面の設定は、緑色の発散が小さい方の方向が第２の光学非線形結晶３の角度許容度の小さな方向と平行であるように選択される。これにより、結晶３内での赤外線と緑色レーザ光との良好な位相整合が得られる。
【００３０】
光学非線形結晶には、互いに対してそして結晶主断面に対して、放射光波の偏波面をそれらが機能する方向にする必要がある。レーザ光が放出される軸を中心に第１の光学非線形結晶を回転させることにより、その主断面をレーザ１の偏波方向にあわせることができる。第１の光学非線形結晶２に対して第２の光学非線形結晶を回転させることにより、その主断面を第１の光学非線形結晶２からの放射光の偏波方向に合わせることができる。もし緑色レーザ光の発散が小さい方向が、この配列で第２の光学非線形結晶３の角度許容度が小さな方向に対し平行ではなかったら、緑色レーザ光の偏波方向とともに赤外線の偏波方向を適当に回転させるための偏波面回転素子６を用いることができる。緑色レーザ光の発散が小さい方向は、その向きを保持したままである。そのような偏波回転素子は、例えば赤外線および緑色レーザ光の分散を利用する二分の一波長板として作用するように構成される。
【００３１】
光学非線形結晶２および３は、互いに対しそれらの結晶面を、第２の光学非線形結晶３のウォークオフ効果が第１の光学非線形結晶２のウォークオフ効果の反対の方向に作用するように配置される。もし赤外線および緑色レーザ光が例えば第１の光学非線形結晶２の中で放出面内の上方へ発散するなら、それらは第２の光学非線形結晶３の中で放射面内で再び下方へと収束する。この光線誘導は光線の最適重畳にとって重要である。
【００３２】
図４には、図２と同様のセットアップで、第３の光学非線形結晶により拡張し、結晶２、３、７のそれぞれの前に３つの集光光学素子８、９、１０を配置したものを示す。この例では偏波回転素子はない。第３の光学非線形結晶７もまた、例えばタイプIIの結晶であるニオブ酸リチウムであってもよい。それにより、その結晶へと入射される１０６４ｎｍと３５５ｎｍの波長の光を混合し、基本波の４倍周波数であるＵＶ光（波長２６６ｎｍ）を生じる。
【００３３】
第２の光学非線形結晶３のウォークオフ効果は、基本波（１０６４ｎｍ）とＵＶ光（３５５ｎｍ）の重畳が最適になるように調整される。ＵＶ光線（３５５ｎｍ）の発散が小さい方向は、第３の光学非線形結晶７の位相整合に関して角度許容度の小さい方向に位置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶中を入射角を横切る常光線および異常光線の屈折率を示した概念図
【図２】２つの光学非線形結晶を有するレーザの構成図
【図３】最適重畳状態の基本波光線および周波数倍加光線の断面図
【図４】３つの光学非線形結晶を有するレーザの構成図
【符号の説明】
１    レーザ
２    第１の光学非線形結晶
３    第２の光学非線形結晶
４    周波数倍加光線の断面
５    基本波光線の断面
６    偏波回転素子
７    第２の光学非線形結晶
８、９、１０    集光光学素子
【図１】
0003904263.tif 000002
【図２】
0003904263.tif 000003
【図３】
0003904263.tif 000004
【図４】
0003904263.tif 000005