(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に直列に配置された複数の非線形光学段を有する１つの基本放射線（１；６ａ；４ａ）の入力ビームから１つの高次の高調波放射線（１１）の出力ビームを発生させるためのシステムであって、
第一非線形光学段が、入力ビームを受け、基本及びより高次の高調波放射線（６ａ；２０ａ；２２ａ）のビームを含む出力放射線（４ａ；３ａ；２１ａ）を発生させる非線形光学材料（３ａ；３ａ；３ｂ）の第一サンプルと、第一サンプルの後に光路内に配置され、第一サンプルから出力された基本放射線及びより高次の高調波放射線のビームを分離し、該基本放射線を次段に向け、該高次の高調波放射線をコヒーレント合成器に向ける分離する手段（５ａ）とを含み、
各々の更に別の非線形光学段が、非線形光学材料（３ｂ、３ｃ；３ｂ、３ｃ；３ｃ、３ｄ）の一つの更に別のサンプルと、前記非線形材料の更に別のサンプルの前に配置された前記更に別のサンプルに入射する基本放射線の強度を高める手段（９ａ、９ｂ）と、前記更に別のサンプルの後に配置され、前記更に別のサンプルから出力された基本放射線のビームと前記第一非線形光学段の前記高次の高調波放射線の次数と同一の次数を有する前記更に別のサンプルから出力された高次の高調波放射線のビームを分離し、該基本放射線を次段に向け、該高次の高調波放射線をコヒーレント合成器に向ける分離する手段（５ｂ、５ｃ）とを含み、
前記コヒーレント合成器は、発生された高次の高調波放射線の１つのビームを受ける誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）と、前記誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セルと光学的に直列に配置された少なくとも一つのブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）とを含み、各ブリュアン増幅器は高次の高調波放射線の異なるビームにより光学的にポンピングされて、前記高次の高調波放射線の複数の出力されたビームをコヒーレントに合成することを特徴とするシステム。
【請求項２】
第一及び更に別のサンプル（３ａ、３ｂ）が、少なくとも二つの第二高調波放射線の出力ビーム（６ａ、６ｂ）を発生させ、第二高調波放射線の二つ以上の出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項３】
非線形光学材料の第一サンプル（３ａ）、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプル（３ｂ、３ｃ）を含み、三つの第二高調波放射線の出力ビーム（６ａ、６ｂ、６ｃ）を発生させ、第二高調波放射線の三つの出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第２項に記載のシステム。
【請求項４】
基本放射線の入力ビームを供給する手段（２）も含む、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
基本放射線の入力ビームを供給する手段（２）がレーザである、請求の範囲第４項に記載のシステム。
【請求項６】
周波数ωの一次放射線（１）のビームから放射線（６ａ）の入力ビームを得るためのサブシステムも含んでおり、前記サブシステムが、
一次放射線（１）のビームを受け、一次放射線（８ａ）ω及び第二高調波放射線（６ａ）２ωを含む出力放射線（４ａ）を発生させる、非線形光学材料（１８）の追加サンプルと、
追加サンプルから出力された一次及び第二高調波放射線のビームを分離する手段（５）と、
第一サンプル（３ａ）に入射する放射線の強度を高める手段（１９）とを含み、
該サブシステムから出力される第二高調波放射線のビーム（６ａ）が前記システムに入力され、該システムが、少なくとも二つの第四高調波放射線の出力ビーム（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を発生させるために使用され、第四高調波放射線の二つの以上の出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項７】
非線形光学材料の第一サンプル（３ａ）、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプル（３ｂ、３ｃ）を含み、三つの第四高調波放射線の出力ビーム（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を発生させることが可能であり、第四高調波放射線の二つ以上の出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第６項に記載のシステム。
【請求項８】
サブシステムに一次放射線を供給する手段（２）も含む、請求の範囲第７項に記載のシステム。
【請求項９】
サブシステムに一次放射線を供給する手段（２）がレーザである、請求の範囲第８項に記載のシステム。
【請求項１０】
第一サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段（９ａ、９ｂ；１９、９ａ、９ｂ）が屈折望遠鏡である、請求の範囲第１項または第６項に記載のシステム。
【請求項１１】
第一サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段（９ａ、９ｂ；１９、９ａ、９ｂ）が反射望遠鏡系である、請求の範囲第１項または第６項に記載のシステム。
【請求項１２】
第一サンプル、追加サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段（９ａ、９ｂ；１９、９ａ、９ｂ）がアナモルフィックプリズム系である、請求の範囲第１項または第６項に記載のシステム。
【請求項１３】
第一サンプル、追加サンプルまたは更に別のサンプル（３ａ、３ｂ、３ｃ；１８、３ａ、３ｂ、３ｃ）のいずれかから出力される基本放射線及びより高次の高調波放射線を分離する手段（５ａ、５ｂ、５ｃ；５、５ａ、５ｂ、５ｃ）が色分離器である、請求の範囲第１項または第６項に記載のシステム。
【請求項１４】
色分離器（５ａ、５ｂ、５ｃ；５、５ａ、５ｂ、５ｃ）が、ダイクロイックミラー、プリズム、または偏光子のいずれか一つである、請求の範囲第１３項に記載のシステム。
【請求項１５】
周波数ωの一次放射線のビーム（１）から放射線の入力ビーム（４ａ）を得るためのサブシステムも含んでおり、前記サブシステムが、
一次放射線のビーム（１）を受け、一次放射線ω及び第二高調波放射線２ωを含む出力放射線（４ａ）を発生させる非線形光学材料の追加サンプル（３ａ）を含み、
該サブシステムから出力される放射線のビーム（４ａ）が前記システムに入力され、該システムが、少なくとも二つの第三高調波放射線の出力ビーム（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を発生させるために使用され、第三高調波放射線の二つ以上の出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項１６】
非線形光学材料の第一サンプル（３ｂ）、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプル（３ｃ、３ｄ）を含み、三つの第三高調波放射線の出力ビーム（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を発生させることが可能であり、第三高調波放射線の三つの出力ビームが、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル（１５）及び一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）によってコヒーレントに合成される、請求の範囲第１５項に記載のシステム。
【請求項１７】
一次放射線を供給する手段（２）も含む、請求の範囲第１６項に記載のシステム。
【請求項１８】
一次放射線を供給する手段（２）がレーザである、請求の範囲第１７項に記載のシステム。
【請求項１９】
非線形光学材料（３ａ、３ｂ、３ｃ；１８、３ａ、３ｂ、３ｃ；３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の任意のサンプルが非線形光学結晶である、請求の範囲第１項、第６項、または第１５項のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
非線形光学結晶（３ａ、３ｂ、３ｃ；１８、３ａ、３ｂ、３ｃ；３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の一つが、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）結晶、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）結晶、deuratedＫＤＰ（ＫＤ*Ｐ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）結晶、deuratedＣＤＡ（ＣＤ*Ａ）、ホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）結晶、または三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶のうちの一つである、請求の範囲第１９項に記載のシステム。
【請求項２１】
第一サンプル、追加サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段（９ａ、９ｂ；１９、９ａ、９ｂ）が可変倍率を有し、この倍率を変化させることによって、システムから出力されるより高次の高調波放射線のビームの相対強度を変化させることが可能である、請求の範囲第１項、第６項、または第１５項のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
一つまたは複数のブリュアン増幅器（１２ａ、１２ｂ）内でのビームの時間的重なりを確保するために、より高次の高調波放射線のビーム（６ｂ、６ｃ；２０ａ、２０ｂ；２２ａ、２２ｂ）内に含まれる光遅延線を更に含む、請求の範囲第１項、第６項、または第１５項のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、基本周波数の放射線の入力ビームからより高次の高調波放射線を効率的に発生させる高調波発生器システムに関する。詳細には、このシステムを使用して、第二、第三、または第四の高調波放射線のビームを発生させることができる。このシステムは、二次レーザシステムをポンピングするために使用されるレーザとともに使用するのに特に適しているが、これはレーザシステムの別々のステージを駆動するためにそれぞれ使用することができる複数の出力ビームを発生させることができるからである。
従来、第二高調波周波数２ωの発生は、周波数ωの一次放射線のビームを適当な結晶に照射することによって達成することができる。入射エネルギーの一部分は結晶内で第二高調波に変換される。例えば、第二高調波周波数を発生させるために使用することができる結晶には、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）及びリン酸二水素アンモニウム（ＡＤＰ）がある。
一次レーザビームの第二高調波はしばしば、二次レーザシステム、例えば色素レーザをポンピングするために使用される。このタイプのほとんどの二次レーザでは、ポンピングビーム（第二高調波）をより低エネルギーのビームに細分し、強度でランク付けし、次いでこれらを使用して、発振器や増幅器など二次レーザシステムの様々なステージをポンピングするのが一般的である。
第二高調波発生プロセスの効率は、使用する結晶材料、及び入射一次放射線のパワーに依存している。一般的に、従来の周波数二倍化結晶を使用して第二高調波を発生させることができる効率は、一次レーザ光源のわずか５０％〜６０％である。第二高調波は、プリズム配列またはダイクロイックミラーを使用して分離することができ、基本放射線の残りの部分は無駄になる。より高い周波数を生み出すことができる効率に限界があるので、ポンピングに適用するのに十分なエネルギーのある第二高調波周波数ビームを達成するためには、強力かつかさばるレーザが必要となることがある。
本発明は、基本周波数の放射線の入力ビームから、１００％に近い変換効率で複数の次数の高調波放射線の複数のビームを発生させるシステムに関する。詳細には、このシステムを使用して、第二、第三、または第四の高調波放射線の複数のビームを発生させることができる。
このシステムは、二次レーザシステム用のポンピング光源として使用されるレーザとともに使用するのに特に適しているが、これは出力ビームが、二次レーザシステムの別々のステージをポンピングするために使用することができる別々のビームに都合良く分割されるからである。従ってこのシステムにより、知られている技術を使用して達成することができるものより小さく、より好都合な一次レーザを使用して、十分なエネルギーを有する複数の次数の高調波放射線のビームを得ることが可能となる。
本発明によれば、基本放射線の入力ビームからより高次の高調波放射線の少なくとも二つの出力ビームを発生させるためのシステムは、
入力ビームを受け、基本及びより高次の高調波放射線のビームを含む出力放射線を発生させる非線形光学材料の第一サンプルと、
第一サンプルから出力された基本放射線及びより高次の高調波放射線のビームを分離する手段と、
少なくとも一つの非線形光学材料に更に別のサンプルとを含み、第一サンプル及び更に別のサンプルは直列に配列され、更に別のサンプルのそれぞれは、サンプルに入射する放射線の強度を高める手段と、そのサンプルから出力される基本及びより高次の高調波放射線のビームを分離する手段とを有し、
第一サンプル及び更に別のサンプルのそれぞれから出力された放射線の選択されたビームは、後続のサンプルを通過し、基本及びより高次の高調波放射線の更なる別のビームを発生させる。
本発明の一実施形態では、第一サンプル及び更に別のサンプルは直列に配列され、第一サンプル及び更に別のサンプルのそれぞれから出力された基本放射線のビームが、後続のサンプルを通過するように、また第二高調波放射線の出力ビームを少なくとも二つ発生させることができるように構成される。このシステムは、非線形光学材料の第一サンプル、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプルを含み、第二高調波放射線の出力ビームを三つ発生させることができるように構成されることが好ましい。
このシステムは、基本放射線の入力ビームを供給する手段も含むことができる。例えば、基本放射線の入力ビームはレーザによって供給することができる。
本発明の別の実施形態では、このシステムは、周波数ωの一次放射線のビームから放射線の入力ビームを得るためのサブシステムも含むことができ、このサブシステムは、
一次放射線のビームを受け、一次放射線ω及び第二高調波放射線２ωを含む出力放射線を発生させる、非線形材料の追加サンプルと、
追加サンプルから出力された一次及び第二高調波放射線のビームを分離する手段と、
第一サンプルに入射する放射線の強度を高める手段とを含み、
それによりこのサブシステムから出力された第二高調波放射線のビームはシステムに入力され、このシステムを使用して、少なくとも二つの第四高調波放射線の出力ビームを発生させることができる。
本発明のこの実施形態では、このシステムは、非線形光学材料の第一サンプル、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプルを含み、第四高調波放射線の出力ビームを三つ発生させることができるように構成されることが好ましい。
このシステムは、サブシステムに一次放射線を供給する手段、例えばレーザを含むこともできる。
第一サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段は、屈折望遠鏡、反射望遠鏡系、またはアナモルフィックプリズム系にすることができる。
第一サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかに入射する放射線の強度を高める手段は可変倍率を有することができ、この倍率を変化させることによって、このシステムが発生させるより高次の高調波放射線の出力ビームの相対強度を変化させることができるように構成される。
第一サンプルまたは更に別のサンプルのいずれかから出力される基本放射線及びより高次の高調波放射線を分離する手段は、色分離器、例えばダイクロイックミラーやプリズム、偏光子にすることができる。
本発明の別の実施形態では、このシステムは、周波数ωの一次放射線のビームから放射線の入力ビームを得るためのサブシステムも含むことができ、このサブシステムは、
一次放射線のビームを受け、一次放射線ω及び第二高調波放射線２ωを含む出力放射線を発生させる、非線形材料の追加サンプルを含み、
それによりこのサブシステムから出力された放射線のビームはこのシステムに入力され、このシステムを使用して少なくとも二つの第三高調波放射線の出力ビームを発生させることができる。
本発明のこの実施形態では、このシステムは、非線形光学材料の第一サンプル、及び非線形光学材料の更に別の二つのサンプルを含み、第三高調波放射線の出力ビームを三つ発生させることができるように構成されることが好ましい。
このシステムは、一次放射線を供給する手段、例えばレーザを含むこともできる。
非線形光学材料の追加サンプル、第一サンプル、または更に別のサンプルは、非線形光学結晶にすることができる。例えば、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ｄｅｕｒａｔｅｄＫＤＰ（ＫＤ*Ｐ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、ｄｅｕｒａｔｅｄＣＤＡ（ＣＤ*Ａ）、ホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）、または三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などが適している結晶である。
より高次の高調波放射線の出力ビームを使用して、二次レーザシステムの別々のステージを駆動することができる。別法として、これらのビームをコヒーレントに合成して、単一の出力ビームにすることもできる。例えば、より高次の高調波放射線の出力ビームをコヒーレントに合成する手段は、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル及び少なくとも一つのブリュアン増幅器を含むことができる。
非線形光学材料の追加サンプル、第一サンプル、または更に別のサンプルは、非線形光学結晶にすることができる。例えば、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ｄｅｕｒａｔｅｄＫＤＰ（ＫＤ*Ｐ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、ｄｅｕｒａｔｅｄＣＤＡ（ＣＤ*Ａ）、ホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）、または三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などが適している結晶である。
より高次の高調波放射線の出力ビームを使用して、二次レーザシステムの別々のステージを駆動することができる。別法として、これらのビームをコヒーレントに合成して、単一の出力ビームにすることもできる。例えば、より高次の高調波放射線の出力ビームをコヒーレントに合成する手段は、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル及び少なくとも一つのブリュアン増幅器を含むことができる。
単なる例として、以下の図面に関連して本発明について説明する。
第１図は、一次レーザから周波数が二倍の放射線を生成し、次に二次レーザをポンピングするために使用可能な従来のシステムを示す図である。
第２図は、一次レーザから周波数が二倍の放射線の三つのビームを生成し得る効率の改善されたシステムを示す図である。
第３図は、（ａ）６０ＭＷ／ｃｍ2、（ｂ）９０ＭＷ／ｃｍ2のビームについての、三つの結晶ステージ（第２図に示す）のそれぞれにおいて発生した第二高調波のビームの空間プロフィルを示す図である。
第４図は、（ａ）６０ＭＷ／ｃｍ2、（ｂ）９０ＭＷ／ｃｍ2のビームについての、三つの結晶ステージ（第２図に示す）のそれぞれにおいて発生した第二高調波のビームの時間プロフィルを示す図である。
第５図は、各結晶に入射する基本周波数の放射線の強度を高めるために使用することができる、アナモルフィックプリズム系を示す図である。
第６図は、第２図に示すシステムから出力されたいくつかの第二高調波放射線ビームをコヒーレントに合成するために使用することができるシステムを示す図である。
第７図は、本発明のシステムをどのように使用すれば、基本周波数ビームから第四高調波放射線の出力ビームを発生させることができるかを示す図である。
第８図は、本発明のシステムをどのように使用すれば、基本周波数ビームから第三高調波放射線の出力ビームを発生させることができるかを示す図である。
第１図を参照すると、周波数ωの放射線１の入射ビームは、一次レーザ２から放出され、周波数二倍化結晶３を通過する。その結果、最初の基本エネルギーの一部分は、周波数２ωの第二高調波に変換される。従って、結晶３を出た放射線４は、周波数ωの放射線成分と周波数２ωの周波数成分とを含む。次いで、例えばダイクロイックミラーなどのダイクロイックセパレータ５、またはプリズムなどその他任意の色分離器を用いて、これらの周波数を分離することができる。次いで、第二高調波ビーム６を使用して、二次レーザ７をポンピングすることができる。このシステムの変換効率は通常は５０％〜６０％となる。
第２図に示すシステムを使用することにより、第二高調波の効率の改善を達成することができる。一次レーザ２は、周波数ωの基本放射線１のビームを放出する。次いでこの放射線１は、一連の周波数二倍化結晶３ａ、３ｂ、３ｃ、ダイクロイックミラー５ａ、５ｂ、５ｃ、及び望遠鏡（telescope）９ａ、９ｂを通過する。結晶は、入射した基本周波数放射線の第二高調波周波数を発生させることができる任意の非線形光学結晶にすることができる。例えば、使用可能なカイ（chi）材料（２）には、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、deuratedＫＤＰ（ＫＤ*Ｐ）、ヒ酸二水素セシウム（ＣＤＡ）、deuratedＣＤＡ（ＣＤ*Ａ）、ホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）、及び三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などがある。使用する結晶を全て同じ材料のものにすることも、様々な異なる結晶を使用することもできる。通常は、結晶は１０ｍｍの経路の長さを有する。
第一結晶３ａを通過すると、周波数ωの一次放射線は、第二高調波周波数成分を有する放射線を生じる。従って、結晶３ａを透過した放射線４ａのビームは、ω及び２ωの周波数成分を含む。ダイクロイックミラー５ａは、基本周波数ビーム８ａが屈折望遠鏡９ａに移り、周波数二倍ビーム６ａがポンピング用に二次レーザシステム（図示せず）に移るように周波数を分離する。この場合にも、ダイクロイックミラー５ａの代わりに偏光子またはプリズムを使用して、基本及び第二高調波周波数の放射線のビームを分離することができる。
望遠鏡９ａを通過すると、第二結晶３ｂに進入する際に強度が十分に高く、効率的な変換が可能となるように、基本周波数ビーム８ａの直径が縮小される。望遠鏡の縮小倍率は通常は、ピーク強度を一次基本周波数ビーム１と同じレベルに回復させるように選択される。各望遠鏡の倍率を可変にすることにより、各結晶ステージで発生する第二高調波放射線の相対強度を変化させることができる。第一結晶に進入する基本周波数放射線の強度を高めるために望遠鏡を第一結晶３ａの前に取り付けることもできるが。これは必須ではない。
第二結晶３ｂを通過すると、基本周波数ビーム８ａは第二高調波周波数の発生を引き起こす。前記と同様に、ダイクロイックミラー５ｂを使用して、基本周波数ビーム８ｂ及び周波数二倍ビーム６ｂを分離することができる。次いで周波数二倍ビーム６ｂを使用して二次レーザ（図示せず）をポンピングし、基本周波数ビーム８ｂを第三結晶３ｃを通過させ、更にこのプロセスを繰り返す。
第２図に示すシステムを使用して得られる変換効率は、使用する特定の結晶、システム中の結晶ステージの数、及び望遠鏡の縮小倍率に依存する。望遠鏡及びダイクロイックミラーによってそれぞれ分離された三つのＫＴＰ結晶を組み合せて使用することにより、９７％を超える第二高調波の変換効率を達成することができる。追加の結晶、望遠鏡、及びダイクロイックミラーを含めて更に効果を高めることもできるが、残りの基本エネルギーが消費されるにつれてリターンが減少する。しかし、残りの基本エネルギーが各結晶ごとに重なるので、必要な結晶サイズは各ステージで大幅に小さくなる。
第２図に示すシステムを、１０Ｈｚ、注入シードされたＮｄ：ＹＡＧレーザ及び三つのＫＴＰ結晶の条件で使用すれば、１．０６μｍの基本放射線から５３２ｎｍの放射線への９７％を超える全体的な変換効率を得ることができる。この場合には、１．０６μｍのエネルギーは最初は２０７ｍＪであったが、三重変換によって全体で５３２ｎｍの２０１ｍＪのレーザ放射線が生じ、約６５％の単一のＫＴＰ結晶の変換に匹敵する。
ダイクロイックミラー及び望遠鏡なしで三つの結晶を直列に追加しても、効率が単一の結晶より顕著に高まることはなく、ある特定の条件下では第二高調波出力が低下することもある。これは一つには位相整合要件によるものであり、第二高調波ビームと同様に強度に低下した基本周波数ビームが発生する。
第２図に示す第二高調波発生システムを使用して発生させた複数のビームは、高調波放射線全体が都合よく段階的なエネルギーのビームに分離されているので、二次レーザ及び類似装置をポンピングするのに特に有用である。従来のシステムでは、通常は、単一の第二高調波ポンピングレーザビームをいくつかの部分に分離し、二次レーザシステムの発振器ステージ、前置増幅器ステージ、及びパワー増幅器ステージを別々にポンピングする。従って、本発明では、単一のビームを分割するために一連のビームスプリッタは不要である。
最後に発生した第二高調波ビーム６ｃは最も弱く、従って、理想的にはレーザ発振器または光パラメトリック発振器をポンピングするのに適している。最後から二番目のビーム６ｂはこれよりエネルギーが高く、従ってレーザ前置増幅器または光パラメトリック前置増幅器を駆動するために使用することができる。最初に発生した第二高調波ビーム６ａは最大のエネルギーを有し、従って理想的にはパワー増幅器ステージのポンピングに適している。
第３図は、６０ＭＷ／ｃｍ2（第３（ａ）図）及び９０ＭＷ／ｃｍ2（第３（ｂ）図）の入力ビームについての、発生した第二高調波ビームの三つのステージの理論上の空間プロフィルを示す図である。第４図は、６０ＭＷ／ｃｍ2（第４（ａ）図）及び９０ＭＷ／ｃｍ2（第４（ｂ）図）の入力ビームについての、発生した第二高調波ビームの三つのステージの時間プロフィルを示す図である。このシステムの有利な特徴は、発生した第二高調波パルス６ａ、６ｂ、６ｃの持続時間が次第に長くなり、連続した各結晶ステージでこれらのパルスの空間プロフィルの上部をより平坦にすることができる点である。これは、ポンピングの低下の影響によるものである。上部の平坦な空間プロフィルは、損傷の危険性を低下させることが可能であり、対応により長いポンピングパルスは、発振器の出力パルスと後続の増幅器のポンピングパルスとの間のより良好な時間的重なりを提供する助けとなり得るので、この特徴によりこのシステムは、光パラメトリック発振器及びその他のレーザシステムにポンピング光源を提供するのに特に適したものとなる。
時間及び空間のプロフィルの平坦化により、連続した各ステージに関連する変換効率も次第に高くなる。例えば、最初のガウスビームの６０ＭＷ／ｃｍ2のピーク入力強度についての三つの結晶ステージ（連続した順序）の理論上の変換効率は５２％、７５％、及び８１％となり、全体でほぼ９８％の変換を与える。第二及び第三のステージにおいて変換効率が高くなるのは、空間プロフィルの平坦化によるものである。
第二高調波へのほぼ完全な変換は、最初のポンピング強度を高くすることによって可能である。例えば、９０ＭＷ／ｃｍ2のＮｄ：ＹＡＧの１．０６μｍビームでは９９．６％の変換を達成することができるが、全体の効率において利得が比較的小さくなることは不利な影響を及ぼす可能性がある。このように最初のポンピング強度が強い場合には、高いポンピングの低下によって出力の空間及び時間のプロフィルが特に第三ステージで歪む可能性がある。しかし実際には、ほとんどのガウスビームの実験室光源では、第一結晶ステージで５０％を大きく超える変換効率に対処するのに必要な理想的な縮小倍率を有する望遠鏡を利用することは困難である。特に第三ステージでビーム直径が縮小されることと、望遠鏡の物理的長さとにより、近接場に留めること及び実際の伝搬距離にわたって強度を維持することは困難である。
結晶ステージ間のリレー結像を使用すれば、任意の縮小倍率での近接場変換が可能になるが、中間焦点での空気ブレークダウンを回避するために真空望遠鏡が必要となる。中程度の縮小倍率では、あまりかさばらないガリレイ望遠鏡が実際的な解決策である。
しかし、高い全体変換効率を達成するために、各ステージで精密にピーク強度を再現する必要はない。各結晶ステージで得られた正確な空間及び時間のプロフィルは、必要とされる全体変換効率の限度内で、前述の望遠鏡を適切に選択することによって制御することができる。例えば、第一結晶ステージで高い変換効率を達成し、次いでより縮小倍率の低い望遠鏡を使用することによって、後続の二つのステージのそれぞれで中程度（ピーク強度を完全に回復させた場合に比べ）の変換を得ることができる。第一ステージで大きなポンピングの低下が発生しても、後続の高調波発生器の中程度の交換効率により、全てのステージで質の良いビームを発生させることが可能となる。
更に、結晶３ａ、３ｂ、３ｃは、入射放射線がそれぞれに進入する角度が変化するように取り付けることができる。この角度を変化させることにより、各ステージ（６ａ、６ｂ、６ｃ）で発生した第二高調波放射線の量を変化させることができるが、ほとんどの場合、可能な最大出力が要求される。
第５図を参照すると、屈折望遠鏡９ａ、９ｂ（第２図参照）の代わりにアナモルフィックプリズム１０のシステムを使用して、結晶３ａ、３ｂ、３ｃのそれぞれに入射する放射線の強度を高めることができる。別法として、反射望遠鏡システムまたはシステム軸の放物面鏡を使用することもできる。
第６図を参照すると、第二高調波ビーム６ａ、６ｂ、６ｃをコヒーレントに合成して単一の出力１１にすることもできる。誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）セル１５は小さな周波数ダウンシフトを第二高調波信号６ｃに与え、出力信号１７を生成する。周波数ダウンシフトは、ブリュアン材料の音響周波数特性に相当する。ＳＢＳセルでの使用に適した材料としては、液体Ｎへキサン、液体Ｎペンタン、または気体Ｃ2Ｆ6がある。
この構成では、第二高調波信号６ｃはブリュアン増幅器１２ａへの入力信号として使用され、その他の第二高調波信号の一つ６ｂはこの増幅器をポンピングするために使用される。このブリュアン増幅器１２ａからの増幅された出力は、このシステムからの第二高調波出力の数に応じた第二ブリュアン増幅器１２ｂなどへの信号となる。
偏光子１３及び四分の一波長板１４を使用して、ポンピングビームをブリュアン増幅器に向けて送り、ビーム６ａ及び６ｂがＳＢＳセル１５に到達しないように配列された偏光子１３及び四分の一波長板１４によって、直線偏波された放射線を円偏波された放射線に変換する。信号１７がブリュアン増幅器を通って進むにつれて、ビーム６ａ及び６ｂ中のエネルギーが６ｃに与えられ、合成された単一の出力ビーム１１が生じる。
原理的には、増幅はいずれの方向にも起こる。即ち、最も弱いビームまたは最も強いビームのどちらからでも開始されるが、ＳＢＳセルの効率が１００％効率にならないので、ＳＢＳセルのしきい値限度内の最も弱いビーム（すなわち６ｃ）から増幅器信号を得ることが好ましい。
様々なビームの最初の直径が異なるので、ブリュアン増幅器が効率的に動作するために必要なｇＩＬ値（ブリュアン利得）に達するために、更にモード整合光学系、例えば望遠鏡（図示せず）がブリュアン増幅器１２ａと１２ｂとの間に含まれる。ブリュアン増幅器１２ａ、１２ｂ内で様々なビームの適当な時間的重なりを確保するために、光遅延線（図示せず）もビーム６ａ、６ｂ、６ｃ内に含まれる。
第６図に示すシステムを使用すれば、９５％までの真性ＳＢＳ交換効率を達成することができ、全体の周波数二倍効率は９７％×９５％＝９２％となる。これは、単一のＫＴＰ結晶で一般に得られる周波数二倍効率（通常は６０％）よりかなり改善されている。
第７図を参照すると、このシステムの原理を使用して、基本放射線の四倍の周波数４ωを有する放射線の複数をビームを発生させることもできる（第四高調波発生）。この場合には追加の周波数二倍化結晶１８を使用し、この結晶からの出力ビーム４ａは、後で色分離器５ａによって分離可能な基本周波数成分及び第二高調波周波数成分を有する。このシステムで使用する結晶は、前述の例の任意のものにすることができる。
分離された第二高調波ビーム６ａは、追加の第三望遠鏡１９が三つの結晶の第一の結晶３ａの前に配置される第２図に示した三結晶システムへの入力ビームとなる（即ち、三つの結晶の第一の結晶に入力されたビームは周波数２ωを有する）。従って、このシステムは基本ビームの四倍の周波数（ビーム６ａの周波数の二倍）を有する三つの出力ビーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃを発生する。第二高調波ビームについて前述したように、第四高調波出力ビーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、別々に使用し、増幅器システムの個別のステージを駆動することも、コヒーレントに合成して単一の出力にすることも可能である。
第８図を参照すると、上記システムの原理を使用して、レーザ光源からの基本放射線の三倍の周波数を有する放射線の複数のビームを発生させることもできる（第三高調波発生）。レーザ２からの基本周波数放射線１は第一の第二高調波結晶３ａに進入する。この結晶は、約６７％の第二高調波への変換効率が達成されるように選択且つ調整されている。この変換効率では、基本高調波光子及び第二高調波光子の数が一致する。
第三高調波放射線を発生させるための変換プロセスは、基本周波数ωを有する一つの光子と第二高調波周波数２ωを有する一つの光子とを足し合せ、それにより第一高調波の光子及び第二高調波の光子の合計に等しいエネルギーの、第三高調波周波数３ωを有する光子を生成する段階を含む。次いで、第一結晶３ａから出力された放射線４ａが第二結晶３ｂを通過し、第三高調波放射線を発生させる。変換効率が１００％未満であると仮定すると、第二結晶３ｂを出る放射線２１ａは、ω、２ω、及び３ωの周波数成分を有する放射線を含むことになる。次いで、第一ダイクロイックセパレータ５ａを使用して第三高調波放射線２２ａを分離する。
第一ダイクロイックセパレータ５ａを通過した後で、基本周波数成分及び第二高調波周波数成分を含む残りの放射線ビーム２３ａは望遠鏡９ａを通過し、ビームサイズが縮小される。これにより放射線２３ａの強度が高まり、この放射線が一連の後続の結晶すなわち結晶３ｃを通過するときに、変換効率が高くなることが保証される。
このプロセスを繰り返し、第二ダイクロイックセパレータ５ｂは、結晶３ｃ中で発生した第三高調波放射線２２ｂ及び残りの放射線２３ｂ（ω及び２ωの周波数成分を有する）を分離し、残りの放射線は第二望遠鏡９ｂを通過して第三結晶３ｄに進入し、第三高調波放射線の第三出力ビーム２２ｃを発生させる。
第８図のシステムで使用する結晶は、前述の例の任意のものであり得る。ダイクロイックセパレータ５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれを透過したビームは二つの周波数成分ω及び２ωを含む。これら二つの波長が、一連の次の望遠鏡に進入するまで単一のビームのままであることが重要である。従って、ダイクロイックセパレータ及び望遠鏡に色収差があってはならず、本発明のこの特定の実施形態ではプリズムは使用されない。しかし、偏光子は使用できる。
同様に、望遠鏡９ａ、９ｂ、９ｃも色消しでなければならず、アナモルフィックプリズムで置き換えることはできない（第二及び第四の高調波発生システムについて前述した通り）。ミラー望遠鏡であれば、第三高調波発生システムでの使用に適している。
第一結晶ステージの後でω光子及び２ω光子の数が釣り合っていない場合には、第二高調波への変換は最大にならず、後続ステージのそれぞれにおける変換効率は低下する。従って、このシステムは、より低い変換効率で第三高調波放射線を発生させることになる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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