(57)【要約】  共振器内で２次（３４２）およびそれ以上（３５２，５５２，６５２，７８２）の高調波レーザビームエネルギーを発生させるように構成されたレーザ（３００，５００，６００，７００，８００，９００）は、モード整合光学部品（３６０，６７０，９１０）を備える。これは例えば、中間高調波レーザビームエネルギー（例えば、２次高調波レーザビームエネルギー）の非使用部分を再利用して高次高調波レーザビームエネルギー発生効率（例えば、３次またはこれ以上の高調波レーザビームエネルギー発生効率）を改善するための曲面ミラーである。曲面ミラーは、共鳴レーザ共振器（３０６）外に配置することができる。曲面ミラーの曲率半径と位置は、再利用された２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、入射する２次高調波レーザビームのビーム半径およびビーム分散と、入射する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意の位置において必然的に同じになるように選択される。【選択図】図３
2012522375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次高調波レーザビームを再利用することにより、高次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ、改善された効率で、２次以上の高調波レーザビームを共振器内において発生させる方法であって、
第１および第２の終端ミラーによって規定され、利得媒質を含む、共鳴レーザ共振器を提供するステップ、
前記利得媒質を光学的にポンプして基本レーザビームを前記共鳴レーザ共振器内で生成するステップであって、前記基本レーザビームは前記第１および第２の終端ミラーの間で発振するステップ、
前記共鳴レーザ共振器内に第２高調波非線形媒質を配置して前記基本レーザビームと干渉させ、これにより２次高調波レーザビームを生成するステップ、
高次高調波非線形媒質を前記共鳴レーザ共振器と光学的に関連付けて配置して前記２次高調波レーザビームと干渉させ、これにより２次レーザビームより高次のレーザビームを生成するステップ、
前記基本レーザビームを反射し、前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有する光エネルギーカプラを、前記利得媒質および前記２次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置するステップであって、前記２次高調波レーザビームの反射されない部分はビームモードを有する２次高調波レーザビーム残部として前記光エネルギーカプラを介して前記共鳴レーザ共振器を出るステップ、
モード整合光学部品を前記光エネルギーカプラと光学的に関連付けてセットして前記２次高調波レーザビーム残部を前記共鳴レーザ共振器へ反射して戻し、共振器内で高次レーザビームを発生させるステップであって、前記モード整合光学部品は、前記光エネルギーカプラに対してあらかじめ調整および配置され、反射した前記２次高調波レーザビーム残部について、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定し、これにより高次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ高次高調波レーザビーム発生効率を増加させるステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記モード整合光学部品は、前記光エネルギーカプラに対してセットされた曲率半径および位置を有し、反射した前記２次高調波レーザビーム残部について、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定する、曲面ミラーを備える
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記モード整合光学部品は、レンズセットと曲面ミラーを備え、前記曲面ミラーの曲率半径、前記曲面ミラーの位置、前記レンズセットの曲率半径、前記レンズセットの位置は、反射した前記２次高調波レーザビーム残部について、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定するように選択されている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記高次高調波レーザビームを前記共鳴レーザ共振器外に連結する手段を、前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記高次高調波レーザビームを反射し、前記基本レーザビームおよび前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有する共振器内出力カプラを、前記２次高調波非線形媒質および前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置するステップであって、反射した前記高次高調波レーザビームは前記共振器内出力カプラを介して前記共鳴レーザ共振器を出るステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記高次高調波非線形媒質は、少なくとも前記２次高調波レーザビームの一部および前記基本レーザビームの一部から３次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
反射した前記３次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記高次高調波非線形媒質は、少なくとも前記２次高調波レーザビームの一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記モード整合光学部品は、第１曲面ミラーを備え、
前記２次高調波レーザビーム残部は、２次高調波レーザビーム第１残部を有し、
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
前記第２終端ミラーは、前記基本レーザビームを反射し、前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、前記２次高調波レーザビームはビームモードを有する２次高調波レーザビーム第２残部として前記共鳴レーザ共振器から出射し、
前記方法はさらに、
前記高次高調波非線形媒質を前記共鳴レーザ共振器外に配置するステップ、
前記２次高調波レーザビームを反射し、前記４次高調波レーザビームに対して反射防止性を有する第２曲面ミラーを、前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置するステップであって、反射した前記２次高調波レーザビームは、前記第２曲面ミラーによって反射されると前記第１曲面ミラーに向かって伝搬し、透過した前記４次高調波レーザビームは、前記第２曲面ミラーと前記第２終端ミラーによって形成された共振器を出るステップ、
前記第２終端ミラーに対する前記第２曲面ミラーの曲率半径と前記第２曲面ミラーの位置を選択し、反射した前記第２高調波レーザビームについて、前記第２高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定し、これにより前記４次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ４次高調波レーザビーム発生効率を増加させるステップ、
を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部および前記基本レーザビームの少なくとも一部から３次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
前記方法はさらに、
前記共鳴レーザ共振器内に、前記基本レーザビームの少なくとも一部および前記３次高調波レーザビームの少なくとも一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された混合非線形媒質を配置するステップ、
前記共鳴レーザ共振器内に、前記４次高調波レーザビームを反射し、少なくとも前記基本レーザビームと前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有する、共振器内出力カプラを配置するステップであって、反射した前記４次高調波レーザビームは前記共振器内出力カプラを介して前記共鳴レーザ共振器を出るステップ、
を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記共振器内出力カプラは、前記２次高調波非線形媒質と前記混合非線形媒質との間に配置されており、
前記混合非線形媒質は、前記共振器内出力カプラと前記高調波非線形媒質との間に配置されており、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記共振器内出力カプラは、前記３次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、
前記共振器内出力カプラは、前記高次高調波非線形媒質と前記混合非線形媒質との間に配置されており、
前記混合非線形媒質は、前記共振器内出力カプラと前記第２終端ミラーとの間に配置されており、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記生成された３次高調波レーザビームは、ビームモードによって特徴付けられ、
前記モード整合光学部品は、第１曲面ミラーを備え、
前記方法はさらに、
前記３次高調波レーザビームを反射し、前記基本レーザビームおよび前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有する第２曲面ミラーを、前記第２高調波非線形媒質および前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置するステップであって、反射した前記３次高調波レーザビームは、前記第２曲面ミラーによって反射されると前記第２終端ミラーに向かって伝搬するステップ、
前記第２終端ミラーに対して、前記第２曲面ミラーの曲率半径と前記第２曲面ミラーの位置を選択し、反射した前記３次高調波レーザビームについて、生成された前記３次高調波レーザビームのビームモードと実質的に合致するビームモードを規定し、これにより前記４次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ４次高調波レーザビーム発生効率を増加させるステップ、
を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記共鳴レーザ共振器内にＱ−スイッチを配置するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記モード整合光学部品は、前記共鳴レーザ共振器の外にセットされている
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記利得媒質を光学的にポンプするステップは、
前記第１終端ミラーと前記利得媒質との間に光ポンプ入力カプラを配置するステップ、
レーザダイオードポンプで光ビームを生成するステップ、
光ファイバを前記レーザダイオードポンプと光学的に関連付けて配置するステップであって、前記光ファイバは前記光ビームをレンズ部品に向けるように構成されているステップ、
前記レンズ部品を前記光ファイバおよび前記利得媒質と光学的に関連付けて配置するステップであって、前記レンズ部品は、前記光ポンプ入力カプラを介して前記光ビームを前記利得媒質上に集中させるように構成されている
を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記高次レーザビームは、約１．２のビーム品質係数（Ｍ２）によって特徴付けられる
ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
高調波レーザであって、
第１および第２の終端ミラーによって規定される共鳴レーザ共振器と、
前記共鳴レーザ共振器内に配置され、前記共鳴レーザ共振器内で基本レーザビームを生成するように構成された利得媒質であって、前記基本レーザビームは前記第１および第２終端ミラーの間で発振する利得媒質と、
前記共鳴レーザ共振器内に配置された第２高調波非線形媒質であって、前記基本レーザビームと干渉して２次高調波レーザビームを生成するように構成された第２高調波非線形媒質と、
前記共鳴レーザ共振器と光学的に関連付けられて配置された高次高調波非線形媒質であって、前記２次高調波レーザビームと干渉して前記２次高調波レーザビームより高次のレーザビームを生成するように構成された高次高調波非線形媒質と、
前記利得媒質および前記２次高調波非線形媒質と光学的に関連付けられて配置された光エネルギーカプラであって、前記基本レーザビームを反射し、前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、反射されなかった前記２次高調波レーザビームが前記光エネルギーカプラを介して、ビームモードを有する２次高調波レーザビーム残部として前記共鳴レーザ共振器を出るようにする、光エネルギーカプラと、
前記光エネルギーカプラと光学的に関連付けられて配置され、前記２次高調波レーザビーム残部を前記共鳴レーザ共振器へ反射して戻し、前記高次高調波レーザビームを共振器内で生成するモード整合光学部品であって、前記光エネルギーカプラに対してあらかじめ調整および配置され、反射した前記２次高調波レーザビーム残部について、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定し、これにより前記高次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ高次高調波レーザビーム発生効率を増加させるモード整合光学部品と、
を備えることを特徴とする高調波レーザ。
【請求項１８】
前記モード整合光学部品は、前記光エネルギーカプラに対してセットされた曲率半径と位置を有し、反射した前記２次高調波レーザビームについて、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定する、曲面ミラーを備える
ことを特徴とする請求項１７記載の高調波レーザ。
【請求項１９】
前記モード整合光学部品は、レンズセットと曲面ミラーを備え、前記曲面ミラーの曲率半径、前記曲面ミラーの位置、前記レンズセットの曲率半径、前記レンズセットの位置は、反射した前記２次高調波レーザビーム残部について、前記２次高調波レーザビーム残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定するように選択されている
ことを特徴とする請求項１７記載の高調波レーザ。
【請求項２０】
前記２次高調波非線形媒質および前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けられて配置された共振器内出力カプラを備え、
前記共振器内出力カプラは、前記高次高調波レーザビームを反射し、前記基本レーザビームと前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、これにより反射した前記高次高調波レーザビームが前記共振器内出力カプラを介して前記共鳴レーザ共振器を出るように構成されている
ことを特徴とする請求項１７記載の高調波レーザ。
【請求項２１】
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部および前記基本レーザビームの少なくとも一部から３次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
反射した前記３次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項２０記載の高調波レーザ。
【請求項２２】
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項２０記載の高調波レーザ。
【請求項２３】
前記モード整合光学部品は、第１曲面ミラーを備え、
前記２次高調波レーザビーム残部は、２次高調波レーザビーム第１残部を有し、
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
前記高次高調波非線形媒質は、前記共鳴レーザ共振器外に配置されており、
前記第２終端ミラーは、前記基本レーザビームを反射し、前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、前記２次高調波レーザビームはビームモードを有する２次高調波レーザビーム第２残部として前記共鳴レーザ共振器から出射し、
前記高調波レーザはさらに、
前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けられて配置された第２曲面ミラーを備えており、
前記第２曲面ミラーは、前記２次高調波レーザビームを反射し、前記４次高調波に対して反射防止性を有し、これにより前記第２曲面ミラーによって反射された前記２次高調波レーザビームが前記第１曲面ミラーに向かって伝搬し、透過した前記４次高調波レーザビームが前記第２曲面ミラーと前記第２終端ミラーによって形成された共振器を出るように構成されており、
前記第２曲面ミラーは、反射した前記２次高調波レーザビームについて、前記２次高調波レーザビーム第２残部のビームモードと実質的に合致するビームモードを規定するように選択された、前記第２終端ミラーに対する曲率半径と位置を有し、これにより前記４次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ４次高調波レーザビーム発生効率を増加させる
ことを特徴とする請求項１７記載の高調波レーザ。
【請求項２４】
前記高次高調波非線形媒質は、前記２次高調波レーザビームの少なくとも一部および前記基本レーザビームの少なくとも一部から３次高調波レーザビームを生成するように構成された非線形結晶を備え、
前記高調波レーザはさらに、
前記共鳴レーザ共振器内に配置された混合非線形媒質であって、前記基本レーザビームの少なくとも一部および前記３次高調波レーザビームの少なくとも一部から４次高調波レーザビームを生成するように構成された混合非線形媒質と、
前記共鳴レーザ共振器内に配置された共振器内出力カプラであって、前記４次高調波レーザビームを反射し、少なくとも前記基本レーザビームと前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、これにより反射した前記４次高調波レーザビームが前記共振器内出力カプラを介して前記共鳴レーザ共振器を出るように構成されている共振器内出力カプラと、
を備えることを特徴とする請求項１７記載の高調波レーザ。
【請求項２５】
前記共振器内出力カプラは、前記２次高調波非線形媒質と前記混合非線形媒質との間に配置されており、
前記混合非線形媒質は、前記共振器内出力カプラと前記高調波非線形媒質との間に配置されており、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項２４記載の高調波レーザ。
【請求項２６】
前記共振器内出力カプラは、前記３次高調波レーザビームに対して反射防止性を有し、
前記共振器内出力カプラは、前記高次高調波非線形媒質と前記混合非線形媒質との間に配置されており、
前記混合非線形媒質は、前記共振器内出力カプラと前記第２終端ミラーとの間に配置されており、
反射した前記４次高調波レーザビームは前記共鳴レーザ共振器を出る
ことを特徴とする請求項２４記載の高調波レーザ。
【請求項２７】
前記生成された３次高調波レーザビームは、ビームモードによって特徴付けられ、
前記モード整合光学部品は、第１曲面ミラーを備え、
前記高調波レーザはさらに、
前記第２高調波非線形媒質および前記高次高調波非線形媒質と光学的に関連付けて配置された第２曲面ミラーを備え、
前記第２曲面ミラーは、前記３次高調波レーザビームを反射し、前記基本レーザビームおよび前記２次高調波レーザビームに対して反射防止性を有するように構成され、これにより反射した前記３次高調波レーザビームは、前記第２曲面ミラーによって反射されると前記第２終端ミラーに向かって伝搬するように構成されており、
前記第２曲面ミラーは、反射した前記３次高調波レーザビームについて、生成された前記３次高調波レーザビームのビームモードと実質的に合致するビームモードを規定し、これにより前記４次高調波レーザビームのビーム品質を維持しつつ４次高調波レーザビーム発生効率を増加させるように選択された、前記第２終端ミラーに対する曲率半径と位置を有する
ことを特徴とする請求項２６記載の高調波レーザ。
【請求項２８】
前記共鳴レーザ共振器内に配置されたＱ−スイッチをさらに備える
ことを特徴とする請求項１７から２７のいずれか１項記載の高調波レーザ。
【請求項２９】
前記モード整合光学部品は、前記共鳴レーザ共振器外にセットされている
ことを特徴とする請求項１７から２８のいずれか１項記載の高調波レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本明細書は、高調波レーザに関する。より具体的には、効率的な共振器内高調波発生に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザシステムは、通信、医療、マイクロ加工を含む様々なアプリケーションにおいて採用されている。これらアプリケーションは、様々なレーザ波長および出力パワーを利用する。特に、紫外線波長（ＵＶ）を有する高パワーレーザビームは、広く用いられている。現在、ＵＶレーザビームを直接生成する商用利用可能な利得媒質はない。そのため、ＵＶレーザビームは一般に、高調波発生のような非線形プロセスを介して生成される。
【０００３】
上記高調波発生構成は、２種類ある。外部共振器高調波発生構成と共振器内高調波発生構成である。外部共振器構成は、共鳴レーザ共振器の外で高調波を生成する。換言すると、レーザビームは共鳴レーザ共振器内で生成され、共振器外に配置された結晶に向けられる。共振器内構成は、共鳴レーザ共振器内で高調波を生成する。これは一般に、外部共振器構成よりも効率的である。
【０００４】
基本周波数の３次以上の高調波レーザビームを生成するためには、始めに基本周波数の２次高調波レーザビームを生成することが必要である。外部共振器構成と共振機内構成は一般に、全ての２次高調波を３次以上の高調波ビームへ変換するわけではない。そのため２次高調波ビームの使用されない部分は、レーザシステムの全体効率を低下させ、得られる３次以上の高調波ビームのパワーを低下させる。
【０００５】
図１は、３次高調波レーザビームを生成する既知の共振器内構成の概略図である。レーザ１００は、終端ミラー１０８と１１０によって形成されたレーザ共振器１０６の光路１０４に沿って配置されたレーザ媒質１０２、光ポンプ入力カプラ１１２および１１４、出力カプラ１１６を備える。レーザ１００は、２つのレーザダイオードポンプ１１８と１２０でポンプされる。光ファイバ１２２は、レーザダイオードポンプ１１８が生成したレーザ放射を、光ポンプ入力カプラ１１４を介してレーザ共振器１０６へ向ける。同様に、光ファイバ１２４は、レーザダイオードポンプ１２０が生成したレーザ放射を、光ポンプ入力カプラ１１２を介してレーザ共振器１０６へ向ける。Ｑスイッチ１２６は、例えば音響光学Ｑスイッチ（ＡＯ−ＱＳ）であり、光路１０４に沿って配置され、適切なパルス繰り返し速度（ＰＲＲ）で駆動され、レーザ１００から短エネルギーパルスを得る。基本波長を有するレーザビーム１３０が終端ミラー１０８と１１０の間の共振器１０６内で共鳴すると、レーザ媒質１０２はレーザビーム１３０を増幅する。
【０００６】
２次高調波発生（ＳＨＧ）結晶１４０は、光路１０４に沿って配置されている。レーザビーム１３０がＳＨＧ結晶１４０を通過すると、ＳＨＧ結晶１４０は、レーザビーム１３０の半波長を有する２次高調波レーザビーム１４２を生成する。レーザビーム１３０と２次高調波レーザビーム１４２が、光路１０４に沿って配置された３次高調波発生（ＴＨＧ）結晶１５０を通過すると、ＴＨＧ結晶１５０は、レーザビーム１３０の３分の１波長を有する３次高調波レーザビーム１５２を生成する。２次高調波レーザビーム１４２は終端ミラー１１０から反射されるが、３次高調波レーザビーム１５２を生成する際に用いられない２次高調波レーザビーム１４２の１部分は、非使用破棄２次高調波レーザビーム１４４として、出力カプラ１１６を介して共振器１０６から出る。非使用２次高調波レーザビーム１４４を浪費すると、基本高調波から３次高調波への変換効率が低下し、得られるはずの３次高調波レーザビーム１５２の総パワーが低下する。３次高調波レーザビーム１５２は、所望の波長（例えば、355ｎｍのＵＶ波長）を有し、出力レーザビーム１５４として出力カプラ１１６を介して共振器１０６を出る。したがって、出力カプラ１１６はレーザビーム１３０に対して高反射性を有し、２次高調波レーザビーム１４２と３次高調波レーザビーム１５２に対しては反射防止性を有する。レーザビーム１３０、１４２、１５２は、説明のため、互いに軸オフセットして示している。
【０００７】
Ｚｈｏｕ等の米国特許第５，９４３，３５１号は、２次高調波ビームから３次以上の高調波ビームを生成する効率を改善する１つの試みを記載している。図２に示すように、レーザ２００は、第１ミラー２１０、レーザロッド２２０、音響光学Ｑスイッチ２２２、第２ミラー２５０、ＳＨＧ結晶２３０、第３ミラー２５２、ＴＨＧ結晶２３２、第４ミラー２５４を有する共振器を備える。メイン共振器は、ミラー２１０と２５４によって形成されている。これらにより、Ｎｄ：ＹＡＧロッド２２０を用いて、１０６４ｎｍで基本ビーム２１２の発振が生じる。ミラー２５０と２５４は、共振器内２次高調波発生（すなわち５３２ｎｍ）のための第１サブ共振器を形成し、２次高調波ビーム２１４をその内部で生成する。ミラー２５２と２５４は、３次高調波発生（すなわち３５５ｎｍ）のための第２サブ共振器を形成し、３次高調波ビーム２１６を生成する。
【０００８】
ミラー２５０を用いると、非常に劣化した３次以上の高調波ビーム品質が得られる。これは、２次高調波ビーム２１４がＴＨＧ結晶２３２を通過する毎に、２次高調波ビーム２１４のビームモードが毎回異なるからである。例えば、２次高調波ビーム２１４がＳＨＧ結晶２３０によって生成された後、２次高調波ビーム２１４はＳＨＧ結晶２３０からミラー２５４へ伝搬するのにともなって収束する（第４ミラー２５４はビームウエストに一致していると仮定する）。２次高調波ビーム２１４がＴＨＧ結晶２３２を通過すると、２次高調波ビーム２１４の一部は３次高調波ビーム２１６を生成するために用いられ、２次高調波ビーム２１４の一部は使用されないままとなる。２次高調波ビーム２１４の非使用部分がミラー２５４から反射した後、２次高調波ビーム２１４の非使用部分は、ミラー２５４からミラー２５０へ伝搬するのにともなって分散する。２次高調波ビーム２１４の非使用部分がミラー２５０から反射した後、２次高調波ビーム２１４の非使用部分は、ミラー２５４へ向かう方向において分散を続け、その後ミラー２５０と２５４の間を伝搬するのにともなって分散し続ける（ミラー２５０は平坦ミラーであると仮定する）。そのため、２次高調波ビーム２１４の非使用部分がＴＨＧ結晶２３２を通過する毎に、２次高調波ビーム２１４の非使用部分のビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）は異なる。これにより、３次以上の高調波ビーム品質と変換効率が非常に劣化する。したがって、Ｚｈｏｕ特許の第９カラム６〜９行に記載されているように、３次以上の高調波ビームのビーム品質要因（すなわち、Ｍ２値）は１．６である。これは、２次高調波ビーム２１４の非使用部分を再利用せずに得られるものよりも大きい。参考までに、回折限界ガウス分布ビームのＭ２値は１．０である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本願発明者等は、中間高調波ビーム（たとえば、２次高調波ビーム）の非使用部分を再利用し、高次高調波ビーム品質を犠牲にすることなく、高次の高調波ビーム生成効率（例えば、３次以上の高調波ビーム生成効率）を改善するシステムおよび方法の必要性に想到した。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用せずに３次高調波レーザビームを生成する、従来技術のレーザの概略図である。
【図２】３次高調波レーザビームを生成するとき２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用するが、３次高調波ビーム品質が非常に劣化する、従来技術のレーザの概略図である。
【図３】１実施形態に基づき、３次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、３次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【図４Ａ】ウエスト部分から拡散する、従来技術の最小次ガウス分布ビームのグラフである。
【図４Ｂ】様々な従来光学素子および関連する伝達行列を示す概略図である。
【図４Ｃ】パルス繰り返し速度の範囲にわたる３次高調波ビームパワーの変化を示すグラフである。
【図５】実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【図６】実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【図７】実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【図８】実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【図９】実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分および３次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビームを効率的に生成する、レーザの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上記図面を参照し、以下に特定の実施形態およびその詳細構成と動作を説明する。ここで説明する実施形態は、説明手段としてのみ提供するものである。当業者は本開示に照らして、本開示と明示的または本質的に等価な物が存在することを理解するであろう。例えば、本開示の実施形態を変形することができるし、その他の実施形態も可能である。
【００１２】
説明の明確と簡易のため、実施形態のいくつかの構成要素の側面またはステップについては、本開示に照らして詳細部分が当業者にとって明らかである場合、および／または詳細部分が本発明に関連する側面の理解を阻害する場合は、その詳細を説明しない。
【００１３】
図３は、１実施形態に基づき、３次高調波ビーム品質を維持しつつ、２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、３次高調波レーザビーム３７２を効率的に生成する、レーザ３００の概略図である。レーザ３００は、定在波共鳴レーザ共振器３０６の光路３０４に沿って配置されたレーザ媒質３０２を備える。定在波共鳴レーザ共振器３０６は、終端ミラー３０８と３１０、光入力カプラ３１２、光エネルギーカプラ３１４によって形成されている。レーザ媒質３０２は、光入力カプラ３１２と光エネルギーカプラ３１４との間に配置されていることが望ましいが、光路０３４に沿った任意の場所に配置することができる。レーザ媒質３０２は、望ましくは従来の固体レーザ媒質または利得媒質を含む。例えば、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｃｒ、Ｔｍが添加された、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ4、ＹＡＬＯ、サファイア、アレクサンドライト、ＣｒＬｉＳＡＦ化合物である。レーザ媒質３０２は、例えば７５０〜８００ｎｍ、１０６４ｎｍ、１０４７ｎｍ、１３２０ｎｍの赤外線（ＩＲ）基本波長を有するレーザ放射またはレーザビームエネルギーを生成することが望ましいが、例えば可視波長などのその他の波長を生成してもよい。また、その他のレーザ媒質またはレーザタイプを用いることもできる。これには、ガス、ＣＯ２、エキシマ、または銅蒸気レーザが含まれる。部品を保持する構造フレームなどの当該分野において知られているその他の要素もレーザ３００に含まれるが、説明の明確のため図３には示していない。
【００１４】
レーザ３００は、レーザダイオードポンプ３１８によって光学的にポンプされる。光ファイバ３２０は、レーザダイオードポンプ３１８が生成したレーザ放射を、レンズ部品３２２を介して方向付ける。レンズ部品３２２は、平凸レンズ３２３と３２４を備える。これらレンズは、光ポンプ入力カプラ３１２を介して、レーザ放射をレーザ媒質３０２へ集束させる。その他のレーザダイオードポンプを、関連する光ファイバおよびレンズ部品とともに提供し、光エネルギーカプラ３１４を介してレーザ３００をポンプすることもできる。したがって、入力カプラ３１２、光エネルギーカプラ３１４、またはこれら双方を介して、レーザ３００をポンプすることができる。望ましい実施形態によれば、レーザダイオードポンプ３１８が生成したレーザ放射は、約８８０〜９００ｎｍの波長を有する。光ポンプ入力カプラ３１２は、終端ミラー３０８と光エネルギーカプラ３１４との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。基本波長を有するレーザビーム３３０（例えば、レーザビームエネルギー）が終端ミラー３０８と３１０の間の共鳴レーザ共振器３０６内で共鳴または振動すると、レーザ媒質３０２はレーザビーム３３０を選択した光パワーへ増幅する。単一の共鳴レーザ共振器３０６を提供してレーザビーム３００を構築すると、共鳴レーザ共振器３０６内の基本レーザビームエネルギーを確実に自己位相固定にすることができる。基本レーザビームエネルギーが他の共鳴レーザ共振器によって生成され共振器３０６内に注入される場合、到着する基本レーザビームエネルギーを共振器３０６内において基本レーザビームエネルギーで位相固定するため、フィードバックループが必要になるであろう。レーザ媒質３０２は、ダイオードレーザまたはダイオードレーザアレイによってポンプされる連続波（ＣＷ）であることが望ましいが、任意の従来のレーザポンプデバイスまたはレーザポンプ方式を用いることができる。例えば、レーザ媒質３０２は端面励起または側面励起でもよい。また、レーザ３００はパルスポンプレーザでもよい。
【００１５】
Ｑスイッチ３３２は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。Ｑスイッチ３３２は、終端ミラー３０８と光ポンプ入力カプラ３１２との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。Ｑスイッチ３３２は、適切なパルス繰り返し速度（ＰＲＲ）で駆動され、レーザ３００から短エネルギーパルスを得る。すなわちＱスイッチ３３２は、高強度パルスを生成することを補助し、これにより高次高調波発生効率を改善することを補助する。実施形態によっては、Ｑスイッチ３３２を省略することもできる。Ｑスイッチ３３２は、音響光学Ｑスイッチ（ＡＯ−ＱＳ）を備えることが望ましいが、低損失状態と高損失状態の間で高速にスイッチできるその他のデバイスを備えることもできる。例えば、電気光学Ｑスイッチ、機械Ｑスイッチ、パッシブＱスイッチである。
【００１６】
非線形媒質３４０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。非線形媒質３４０は、光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー３１０との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。非線形媒質３４０は、レーザビーム３３０が法線入射で非線形媒質３４０の光面に衝突するように向けられていることが望ましい。レーザビーム３３０は非線形媒質３４０を通過し、非線形媒質３４０は基本波長の断片である波長を有するレーザビーム３４２を生成する。換言すると、非線形媒質３４０は基本波長で光路３０４に沿って伝搬するレーザビームエネルギーの少なくとも一部分と干渉し、基本波長の高調波断片である波長を有するレーザビームエネルギーへ変換する。非線形媒質３４０は、基本波長から２次高調波波長を生成するように構成された非線形結晶を備えることが望ましい。これは例えば、ＡｇＧａＳ２（銀ガリウムサルファイト）、ＡｇＧａＳｅ２、ＢＢＯ、ＢｌＢＯ（三ホウ酸ビスマス）、ＫＴＡ（砒素酸チタニルカリウム、ＫＴｉＯＡｓＯ４）、ＫＴＰ、ＫＤＰ（リン酸ニ水素カリウム、ＫＨ２ＰＯ４）、ＫＤ＊Ｐ／ＫＤＰ、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＩＯ３（ヨウ素酸リチウム）、ＬＢＯ、これらの派生物である。非線形結晶は、タイプＩＩ位層整合のために構成されていることが望ましいが、例えば１以上の波プレートのような別要素を用いる場合はタイプＩ位相整合のために構成することもできる。また、非線形結晶はブルースターカット結晶を備えることもできる。したがって非線形結晶３４０は、レーザビーム３３０の２分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の２倍の周波数）を有するレーザビーム３４２を生成することが望ましい。
【００１７】
反射防止（ＡＲ）コートをオプションで非線形媒質３４０に施すこともできる。例えば基本波長および２次高調波波長においてＡＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、非線形媒質３４０の光面に施すことができる。
【００１８】
高次高調波非線形媒質３５０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。すなわち、高次高調波非線形媒質３５０は、共鳴レーザ共振器３０６に光学的に関連付けられている。高次高調波非線形媒質３５０は、非線形媒質３４０と終端ミラー３１０との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。高次高調波非線形媒質３５０は、レーザビーム３３０、レーザビーム３４２、またはその双方が法線入射で高次高調波非線形媒質３５０の光面に衝突するように向けられていることが望ましい。高次高調波非線形媒質３５０は、例えば１次高調波、２次高調波、３次高調波、１〜３次高調波の組み合わせなどの高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーを、例えば２次高調波、３次高調波、４次高調波、５次高調波などの１以上の選択した高調波波長を有するレーザ放射へ変換する。望ましい実施形態において、高次高調波非線形媒質３５０は、基本波長を有するレーザ放射と２次高調波波長を有するレーザ放射を、３次高調波波長を有するレーザ放射へ変換する。したがって、レーザビーム３３０とレーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質３５０を通過すると、高次高調波非線形媒質３５０は、レーザビーム３３０の３分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の３倍の周波数）を有するレーザビーム３５２を生成する。高次高調波非線形媒質３５０は、非線形媒質３４０について説明した任意の非線形結晶を備えることができ、また非線形媒質３４０と同一のもしくは異なる非線形結晶を備えることもできる。非線形結晶は、タイプＩまたはタイプＩＩ位相整合のために構成することができる。
【００１９】
レーザビーム３３０、３４２、３５２は、光路３０４に沿って少なくとも部分的に重畳して伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２が光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー３１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２が終端ミラー３１０と共振器内出力カプラ３７０の間で重畳される）、レーザビーム３３０、３４２、３５２は、説明のため互いに軸オフセットして示している。
【００２０】
ＡＲコートを、オプションで高次高調波非線形媒質３５０に施すことができる。例えば、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長においてＡＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、高次高調波非線形媒質３５０の光面に施すことができる。
【００２１】
光エネルギーカプラ３１４は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。すなわち、光エネルギーカプラ３１４は、レーザ媒質３０２と非線形媒質３４０に光学的に関連付けられて配置されている。光エネルギーカプラ３１４は、レーザ媒質３０２と非線形媒質３４０との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。望ましい実施形態によれば、光エネルギーカプラ３１４は、レーザビーム３３０を反射し、レーザビーム３４２に対して反射防止性を備えるように構成された、平坦ミラーである。したがって、光エネルギーカプラ３１４は、レーザビーム３３０とレーザビーム３４２を必然的に分離する。例えば、基本波長に対して９９．５％以上反射のような高反射（ＨＲ）特性を有し、２次高調波波長に対して５％反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、光エネルギーカプラ３１４に施すことができる。望ましい実施形態によれば、光エネルギーカプラ３１４の対向する光面双方にコートを施すことができる。基本波長（例えば１０６４ｎｍ）に対して約４５°の入射角で例えば約９９．５％以上反射のＨＲ特性を有し、２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）に対して約４５°の入射角で例えば約５％以下反射のＡＲ特性を有する第１コートを、レーザ媒質３０２と非線形媒質３４０に面する光エネルギーカプラ３１４の光面に施す。２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）に対して約４５°の入射角で例えば約１％以下反射のＡＲ特性を有する第２コートを、曲面ミラー３６０に面する光エネルギーカプラ３１４の光面に施す。したがって、光エネルギーカプラ３１４は、入射した基本レーザビームエネルギーのほぼ全てを、レーザ媒質３０２と非線形媒質３４０の間で方向付ける。また、光エネルギーカプラ３１４は、入射した２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、共鳴レーザ共振器３０６の外へ方向付ける。したがって、光エネルギーカプラ３１４によって反射されない２次高調波レーザビームエネルギーは、２次高調波レーザビームエネルギー残部（例えば、光エネルギーカプラ３１４と曲面ミラー３６０の間のレーザビーム３４２の一部）として共鳴レーザ共振器３０６を出る。光エネルギーカプラ３１４において２次高調波レーザビームエネルギーを基本レーザビームエネルギーから分離すると、レーザ媒質３０２およびその他の光部品へのダメージを防ぐことができる。
【００２２】
２次高調波レーザビームエネルギーの残部は、光エネルギーカプラ３１４に光学的に関連付けられたモード整合光学部品３６０によって、共鳴レーザ共振器３０６へ反射して戻される。望ましい実施形態によれば、モード整合光学部品３６０は、曲面ミラーを備える。反射された２次高調波レーザビームエネルギーの残部は、高次高調波非線形媒質３５０を介して伝搬し、これにより高次高調波非線形媒質３５０は、反射された２次高調波レーザビームエネルギーの残部の少なくとも一部を、レーザビーム３５２へ変換することができる。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの残部は（破棄されずに）再利用され、別の高次レーザビームエネルギー（例えば３次高調波レーザビームエネルギー）を生成するために用いられる。
【００２３】
以下に詳細に説明するように、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモード（例えばビーム半径とビーム分散）が実質的に２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードと整合するように選択される。換言すると、曲面ミラー３６０曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４に対する）は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、入射する２次高調波レーザビームの光路に沿った任意箇所（例えば、終端ミラー３１０と曲面ミラー３６０の間）において、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同一になるように選択される。実質的に均一なレーザビーム３４２のビーム半径およびビーム分散を維持すると、高次レーザビームエネルギーのビームモードに影響を及ぼすことなしに、かつ高次レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなしに、高次レーザビームエネルギー発生効率の改善を補助することができる。
【００２４】
例えば、レーザ３００は、終端ミラー３１０が基本レーザビームエネルギーのビームウエストに合致して配置されるように設計することができる。これにより、基本レーザビームエネルギーが光エネルギーカプラ３１４から終端ミラー３１０へ伝搬すると、基本レーザビームエネルギーは収束する。また、非線形媒質３４０が基本レーザビームエネルギーの少なくとも一部から生成した２次高調波レーザビームエネルギーが、非線形媒質３４０から終端ミラー３１０へ伝搬すると、２次高調波レーザビームエネルギーは収束する。２次高調波レーザビームエネルギーの一部は、高次高調波非線形媒質３５０が３次高調波レーザビームエネルギーを生成する際に用いられない。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、終端ミラー３１０によって反射され、ミラー３１０と３６０の間で前後に伝搬する。
【００２５】
終端ミラー３１０によって反射された後、基本レーザビームエネルギーは分散し始め、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分も分散し始める。したがって、基本レーザビームエネルギーは、終端ミラー３１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともなって分散する。非線形媒質３４０は、分散した基本レーザビームエネルギーが非線形媒質３４０を光エネルギーカプラ３１４へ向かう方向に通過するのにともない、別の２次高調波レーザビームエネルギーを生成する。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの残部は、別の２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、基本レーザビームエネルギーが非線形媒質３４０を光エネルギーカプラ３１４へ向かう方向に通過するのにともない生成された２次高調波レーザビームエネルギー）および２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分を含むことができる。２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分も、終端ミラー３１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともなって分散する。ミラー３６０が平坦である場合、２次高調波レーザビームエネルギーは、ミラー３６０によって反射された後に分散し続ける。そのため、２次高調波レーザビームエネルギーが高次高調波非線形媒質３５０を通過する毎に、２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）は異なり、顕著に劣化した３次高調波レーザビームエネルギービーム品質が得られる。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、曲面ミラー３６０が反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードが、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、非線形媒質３４０によって基本レーザビームエネルギーから生成された２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード）と実質的に整合するように選択される。換言すると、曲面ミラー３６０の位置と凹部形状は、２次高調波レーザビームエネルギーが曲面ミラー３６０によって反射された後に分散し始める（例えば、非線形媒質３４０が生成する２次高調波レーザビームエネルギーと類似するまたは同様の態様で）ように選択される。
【００２６】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、レーザ３００の設計に応じて変えてもよい。例えば、非線形媒質３４０がガウス分布２次高調波ビームを生成する場合、曲面ミラー３６０の曲率半径は、曲面ミラー３６０の位置における２次高調波ビームのガウス分布ビーム波面の曲率半径と実質的に整合するように選択される。換言すると、ガウス分布ビーム波面の曲率半径は、始めに所与の曲面ミラー３６０の位置について計算される。次に、曲面ミラー３６０の曲率半径は、（曲面ミラー３６０の位置における）ガス分布ビーム波面の計算された曲率半径と実質的に合致するように選択される。これにより、反射したビームの２次高調波モードが保持される。特定位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、ビームの波長、ビームウエストにおけるビーム半径、ビーム品質値（Ｍ２）、ビームウエストからの距離から判定することができる。
【００２７】
図４Ａは、ウエスト部分から分散する、最小次ガウス分布ビーム（すなわち、Ｍ２＝１）のグラフである。ｚ平面におけるガウス分布ビームの正規化した電磁界パターンは、式１および式２で表される。ｗ０はウエスト半径であり、複素曲率半径ｑ（ｚ）はスポットサイズｗ（ｚ）および式３で定義される任意平面ｚにおける波面の曲率半径Ｒ（ｚ）に関連する。
【数１】
2012522375.tif 000003
【数２】
2012522375.tif 000004
【数３】
2012522375.tif 000005
【００２８】
複素曲率半径ｑ（ｚ）の初期値（例えば、ビームウエストにおいて）は、式４に示される。λはビームが伝搬する放射波長である。
【数４】
2012522375.tif 000006
【００２９】
したがって、点ｚにおける複素曲率半径ｑ（ｚ）が既知である場合、波面Ｒｎｏ曲率半径は、ｑ（ｚ）から計算することができる。
【００３０】
ビームの複素曲率半径ｑ（ｚ）は、ビームが自由空間やレンズのような様々な光学素子を介して伝搬するのにともなって変わる。したがって、１以上の光学要素を介して伝搬した後の複素曲率半径ｑ（ｚ）は、既知の位置における複素曲率半径ｑ（ｚ）から計算することができる。ビームウエストサイズ、ビームウエスト位置、ビーム品質値（Ｍ２）は、測定を通じて得られる。したがって、複素曲率半径ｑ（ｚ）は、ビームウエストにおいて式４を用いて計算することができる。
【００３１】
光学要素は、式５に示すような伝達行列によって数学的に表すことができる。図４Ｂは、様々な光学要素および関連する伝達行列を示す。その他の光学要素についての伝達行列はよく知られている。光学要素４１０は自由空間を表し、光学要素４２０は平面誘電インターフェースを表し、光学要素４３０は厚さＬの平面誘電スラブを表し、光学要素４４０は球面ミラーを表す。複数素子システムについて単一の伝達行列を得るため、行列積規則を適用することができる。
【数５】
2012522375.tif 000007
【００３２】
光学要素を介して伝搬した後のビームの複素曲率半径ｑ２は、式６に示すように、既知の複素曲率半径ｑ１（たとえばビームウエストにおける）および光学要素伝達行列から計算することができる。
【数６】
2012522375.tif 000008
【００３３】
ビーム品質値（Ｍ２）が１より大きい場合、波面曲率半径は、式７に示すウエスト半径を有する最小次ガウス分布ビームと同一である。ｗ０はビームウエスト半径である。
【数７】
2012522375.tif 000009
【実施例】
【００３４】
図３の終端ミラー３１０は、ビームウエストと合致するように配置されている。曲面ミラー３６０は、終端ミラー３１０から２８２ｍｍの位置に配置されている。（２次高調波ビームの）ガウス分布ビーム波面の曲率半径は、終端ミラー３１０から２８２ｍｍの距離において、４００ｍｍと計算される。したがって、曲面ミラー３６０について凹部形状が選択され、曲面ミラー３６０の曲率半径は４００ｍｍに選択される。したがって、２次高調波ビームについてのビーム半径とビーム分散は、２次高調波ビームが終端ミラー３１０と曲面ミラー３６０によって画定される共振器内の終端ミラー３１０と曲面ミラー３６０の間で前後に伝搬するのにともなって、ビーム経路に沿った任意位置において維持される。
【００３５】
動作中、図３に示す構成を有するレーザは、ビーム品質値（Ｍ２）１．２、平均パワー２．７３ワットを有する３次高調波ビームを生成する。曲面ミラー３６０は、曲率半径４００ｍｍを有し、終端ミラー３１０から２８２ｍｍの位置に配置されている。基本ビーム波長は１０６４ｎｍ、２次高調波波長は５３２ｎｍ、３次高調波波長は３５５ｎｍである。レーザ媒質３０２は３０ワットレーザダイオード３１８でポンプされ、Ｑスイッチ３３２はパルス繰り返し速度１００ｋＨｚで駆動される。２次高調波レーザビームを再利用することにより、３次高調波ビームパワーは約３５％増加する。図４Ｃに示すように、パルス繰り返し速度を変化させても、３次高調波ビームパワー（平均パワー）の変化はわずかである。３次高調波ビームパワーは、７０ｋＨｚのＰＲＲにおける約３．１４ワットから１００ｋＨｚのＰＲＲにおける約２．７３ワットまで変化する。
【００３６】
曲面ミラー３６０の位置が調整される場合（例えば、終端ミラー３１０により近く移動される場合）、調整された位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、曲面ミラー３６０について対応する曲率半径を選択できるように計算することができる。同様に、曲面ミラー３６０の位置は、曲面ミラー３６０の曲率半径の変化を補償するように調整することができる。また、ミラー３１０が平坦ミラーから曲面ミラーに変更された場合、曲面ミラーの位置、曲率半径、またはこれら双方は、これにしたがって、ミラー３１０と３６０の間で反射したビームの２次高調波モードが保持されるように調整することができる。曲面ミラー３６０が凹部形状を有するように選択された例を提示したが、曲面ミラー３６０が凸部形状（例えば反射ビームが反射時に分散するようにするため）または平坦形状（例えば曲率半径が無限大となるようにするため）を有するように選択することもできる。
【００３７】
また、１以上のレンズを備えるモード整合光学部品と曲面ミラー３６０を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードを、２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードと整合させることができる。例えば、１つのレンズ（または２以上のレンズ）を光エネルギーカプラ３１４と曲面ミラー３６０の間に配置することができる。したがって、曲面ミラー３６０は、無限大に設定された曲率半径を有することができる。またレンズは、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、曲面ミラー３６０によって反射された２次高調波レーザビームエネルギー）のビーム半径およびビーム分散が、入射する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意位置（例えば、終端ミラー３１０と曲面ミラー３６０の間）において、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同一となるような、曲率半径（例えば、ビームを収束または分散させるため）、位置（例えば、曲面ミラー３６０に対する位置）、またはこれら双方を有することができる。レンズは、曲面ミラー３６０の曲率半径と協調動作し、２次高調波ビームモードを保持する（例えば、曲面ミラー３６０の曲率半径が無限大にセットされていない場合）こともできる。例えば、曲面ミラー３６０の曲率半径、曲面ミラー３６０の位置、レンズの曲率半径、レンズの位置の組み合わせは、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径とビーム分散が、入射する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意位置において、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に合致するように、選択することができる。レンズは曲面ミラー３６０と光エネルギーカプラ３１４との間に配置することができるが、レンズ（または２以上のレンズ）を２次高調波レーザビームエネルギーの経路に沿った任意位置に配置し、２次高調波ビームモードを保持することもできる。また、１実施形態によれば、モード整合光学部品は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードを２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードに整合させるために用いる、１以上のレンズを備える。
【００３８】
曲面ミラー３６０は、共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置されていることが望ましいが、共鳴レーザ共振器３０６内に配置することもできる。曲面ミラー３６０を共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置すると、曲面ミラー３６０を終端ミラー３１０に位置合わせする手順を簡易化することができる。例えば、曲面ミラー３６０の位置は、レーザビーム３３０に影響を与えずに調整することができる。また、曲面ミラー３６０を共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置すると、曲面ミラー３６０の設計を簡易化することができる。例えば、曲面ミラー３６０の曲率半径は、基本レーザビームと無関係に、２次高調波レーザビームに基づき選択することができる。さらに、曲面ミラー３６０は、基本レーザビームエネルギーや３次以上の高調波レーザビームエネルギーのようなその他の波長に対するＨＲ特性またはＡＲ特性を有するように設計する必要なく、２次高調波レーザビームエネルギーに対してＨＲ特性を有するように設計することができる。例えば、２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）に対して約９９．８％反射のようなＨＲ特性を有するコートを、光エネルギーカプラ３１４に面する曲面ミラー３６０の光面に施すことができる。したがって、より反射性が高く、複雑さが少なく、より安価な単一層または複層の誘電コートを曲面ミラー３６０に施すことができる。また、別の素子を共鳴レーザ共振器３０６内に配置すると、共振器損失を増加させ、出力パワーが減少する。さらに、別の素子を共鳴レーザ共振器３０６内に配置すると、信頼性問題が生じる可能性がある。したがって、曲面ミラー３６０を共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置すると、出力パワーが高くより効率的でより信頼性の高いレーザを作成することができる。
【００３９】
１実施形態によれば、共振器内出力カプラ３７０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。よって、出力カプラ３７０は、非線形媒質３４０と高次高調波非線形媒質３５０に光学的に関連付けられて配置されている。出力カプラ３７０は、非線形媒質３４０と高次高調波非線形媒質３５０との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。望ましい実施形態によれば、出力カプラ３７０は、レーザビーム３５２を反射しレーザビーム３３０と３４２に対して反射防止性を有するように構成された、平坦ミラーである。したがって、出力カプラ３７０は、レーザビーム３５２をレーザ３３０と３４２から必然的に分離する。例えば、３次高調波波長に対して約９５％反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長および２次高調波波長に対して約１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、出力カプラ３７０に施すことができる。望ましい実施形態によれば、コートは出力カプラ３７０の対向する両光面に施されている。３次高調波波長（例えば３５５ｎｍ）に対して入射角約１０°で例えば約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、入射角１０°で基本波長（例えば１０６４ｎｍ）に対して１％以下反射および２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）に対して３％以下反射のようなＡＲ特性を有する第１コートを、非線形媒質３５０に面する出力カプラ３７０の光面に施す。基本波長（例えば１０６４ｎｍ）および２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）に対して入射角約１０°で約０．５％以下反射のようなＡＲ特性を有する第２コートを、非線形媒質３４０に面する出力カプラ３７０の光面に施す。したがって、出力カプラ３７０は、ほぼ全ての入射した３次高調波レーザビームエネルギーを、共鳴レーザ共振器３０６の外へ向ける。また、出力カプラ３７０により、ほぼ全ての入射した基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーは、出力カプラ３７０を介して伝搬することができる。したがって、反射した３次高調波レーザビームエネルギーは、出力カプラ３０７を介して出力３次高調波レーザビーム３７２として共鳴レーザ共振器３０６を出る。出力カプラ３７０において３次高調波レーザビームエネルギーを基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーから分離すると、３次高調波レーザビームエネルギーによる、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、およびその他の光学部品へのダメージを防ぐことができる。３次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共鳴レーザ共振器３０６を出ることもできる。例えば終端ミラー３１０は、３次高調波波長（例えば３５５ｎｍ）に対してＡＲ特性を有するコートを備え、３次高調波レーザビームエネルギーが終端ミラー３１０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。また、反射、分散、または伝達出力カプラを高次高調波非線形媒質３５０と光学的に関連付けて配置し、３次高調波レーザビームエネルギーが共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。
【００４０】
望ましい実施形態によれば、終端ミラー３０８は、レーザビーム３３０を反射するように構成された平坦ミラーである。例えば、基本波長（例えば１０６４ｎｍ）に対して法線入射で約９９．８％反射のようなＨＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー３０８に施すことができる。終端ミラー３１０は、レーザビーム３３０、３４２、３５２を反射するように構成された平坦ミラーであることが望ましい。例えば、基本波長（例えば１０６４ｎｍ）に対して法線入射で約９９．５％以上反射し、２次高調波波長（例えば５３２ｎｍ）および３次高調波波長（例えば３５５ｎｍ）に対して法線入射で約９９％以上反射するようなＨＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー３１０へ施すことができる。光入力カプラ３１２は、レーザビーム３３０を反射し、レーザダイオードポンプ３１８が生成したレーザ放射を通過させるように構成された、平坦ミラーであることが望ましい。例えば、基本波長に対して約９９．５％以上反射のような高反射（ＨＲ）特性、およびレーザダイオードポンプ３１８が生成する波長に対して約２％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、光入力カプラ３１２に施すことができる。望ましい実施形態によれば、コートは光入力カプラ３１２の対向する両光面に施される。基本波長（例えば１０６４ｎｍ）に対して入射角約４５°で例えば約９９．５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、レーザダイオードポンプ３１８が生成する波長（例えば約８８０〜９００ｎｍ）に対して入射角約４５°で約２％以下反射のようなＡＲ特性を有する第１コートを、レーザ媒質３０２に面する光入力カプラ３１２の光面に施す。レーザダイオードポンプ３１８が生成する波長（例えば８８０〜９００ｎｍ）に対して入射角約４５°で例えば約０．８％以下反射のようなＡＲ特性を有する第２コートを、レンズ部品３２２に面する光入力カプラ３１２の光面に施す。
【００４１】
図５は、１実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビーム５７２を効率的に生成する、レーザ５００の概略図である。レーザ５００は、図３で説明したレーザ３００と同様であるが、４次高調波レーザビーム５７２を生成するように構成されている。
【００４２】
レーザ５００は、高次高調波非線形媒質３５０の位置に、高次高調波非線形媒質５５０を備える。高次高調波非線形媒質５５０は、２次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーを、４次高調波波長を有するレーザ放射へ変換するように構成されている。高次高調波非線形媒質５５０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。共鳴レーザ共振器３０６は、終端ミラー３０８と終端ミラー３１０によって形成されている。したがって、高次高調波非線形媒質５５０は、共鳴レーザ共振器３０６と光学的に関連付けられている。高次高調波非線形媒質５５０は、非線形媒質３４０と終端ミラー５１０との間に配置されていることが望ましいが、光路３０４に沿った任意位置に配置することもできる。高次高調波非線形媒質５５０は、レーザビーム３３０、レーザビーム３４２、またはこれら双方が高次高調波非線形媒質５５０の光面に法線入射で衝突するように向けられていることが望ましい。レーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質５５０を通過すると、高次高調波非線形媒質５５０は、レーザビーム３３０の４分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の４倍の周波数）を有するレーザビーム５５２を生成する。高次高調波非線形媒質５５０は、非線形媒質３４０および３５０について説明した任意の非線形結晶を備えることもできるし、非線形媒質３４０および３５０と同一のまたは異なる非線形結晶を備えることもできる。望ましい実施形態によれば、高次高調波非線形媒質５５０は、タイプＩ位相整合のために構成された倍加結晶を備えるが、結晶をタイプＩＩ位相整合のために構成してもよい。
【００４３】
レーザビーム３３０、３４２、５５２は少なくとも一部が重畳して光路３０４に沿って伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２は光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー５１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、５５２は終端ミラー５１０と共振器内出力カプラ５７０の間で重畳される）、レーザビーム３３０、３４２、５５２は、説明目的のため軸オフセットして示している。
【００４４】
ＡＲコートをオプションで高次高調波非線形媒質５５０に施すことができる。例えば、基本波長、２次高調波波長、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、高次高調波非線形媒質５５０の光面に施すことができる。
【００４５】
終端ミラー５１０は終端ミラー３１０と同様であるが、レーザビーム３３０、３４２、５５２を反射するように構成されている。例えば、基本波長、２次高調波波長、４次高調波波長に対して約９９％以上反射のようなＨＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー５１０に施すことができる。
【００４６】
１実施形態によれば、共振器内出力カプラ５７０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。共振器内出力カプラ５７０は共振器内出力カプラ３７０と同様であるが、レーザビーム５５２を反射し、レーザビーム３３０と３４２に対して反射防止性を有するように構成されている。したがって出力カプラ５７０は、レーザビーム５５２をレーザビーム３３０と３４２から必然的に分離する。例えば、４次高調波波長に対して約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長および２次高調波波長に対して約１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、出力カプラ５７０に施すことができる。したがって、出力カプラ５７０は、入射した４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、共鳴レーザ共振器３０６の外部へ方向付ける。また、出力カプラ５７０により、入射した基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全ては、出力カプラ５７０を介して伝搬することができる。したがって、反射した４次高調波レーザビームエネルギーは、出力４次高調波レーザビーム５７２として、出力カプラ５７０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出る。出力カプラ５７０において４次高調波レーザビームエネルギーを基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーから分離すると、４次高調波レーザビームエネルギーによる、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、およびその他の光学部品へのダメージを防ぐことができる。４次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共鳴レーザ共振器３０６を出ることができる。例えば終端ミラー５１０は、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有するコートを備え、４次高調波レーザビームエネルギーが終端ミラー５１０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。また、反射または伝達出力カプラを高次高調波非線形媒質５５０と光学的に関連付けて配置し、４次高調波レーザビームエネルギーが共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。
【００４７】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４に対する）は、図３で説明したように選択することができる。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径とビーム分散が、到着する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意位置（例えば、終端ミラー５１０と曲面ミラー３６０の間）において、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同一となるように選択される。また、図３において説明したものと類似するまたは同一のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードを、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。レーザビーム３４２の実質的に均一なビーム半径およびビーム分散を維持すると、４次高調波レーザビームエネルギーのビームモードに影響を及ぼすことなく、かつ４次高調波レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、４次高調波レーザビームエネルギー発生効率を改善することを補助できる。
【００４８】
図６は、実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビーム６７２を効率的に生成する、レーザ６００の概略図である。レーザ６００は図３で説明したレーザ３００と同様であるが、共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置された高次高調波非線形媒質６５０で４次高調波レーザビーム６７２を生成するように構成されている。
【００４９】
レーザ６００は、高次高調波非線形媒質３５０に代えて高次高調波非線形媒質６５０を備える。高次高調波非線形媒質６５０は、２次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーを、４次高調波波長を有するレーザ放射へ変換するように構成されている。高次高調波非線形媒質６５０は、終端ミラー３０８と終端ミラー６１０によって形成された共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置されている。高次高調波非線形媒質６５０は、共鳴レーザ共振器３０６と光学的に関連付けられている。高次高調波非線形媒質６５０は、終端ミラー６１０の非線形媒質３４０から見て反対側に配置されていることが望ましい。高次高調波非線形媒質６５０は、レーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質６５０の法線入射で光面に衝突するように向けられていることが望ましい。レーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質６５０を通過すると、高次高調波非線形媒質６５０は、レーザビーム３３０の４分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の４倍の周波数）を有するレーザビーム６５２を生成する。高次高調波非線形媒質６５０は、非線形媒質３４０および３５０について説明した任意の非線形結晶を備えることもできるし、非線形媒質３４０および３５０と同一のまたは異なる非線形結晶を備えることもできる。望ましい実施形態によれば、高次高調波非線形媒質６５０は、タイプＩ位相整合のために構成された倍加結晶を備えるが、結晶をタイプＩＩ位相整合のために構成することもできる。
【００５０】
レーザビーム３３０と３４２は少なくとも一部が光路３０４に沿って重畳して伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２は光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー６１０の間で重畳される）、説明目的のためレーザビーム３３０と３４２は互いに軸オフセットして示した。また、レーザビーム３４２と６５２は終端ミラー６１０と曲面共振器外出力カプラ６７０の間で重畳して伝搬するが、説明目的のためレーザビーム３４２と６５２は互いに軸オフセットして示した。
【００５１】
ＡＲコートをオプションで高次高調波非線形媒質６５０に施すことができる。例えば、基本波長、２次高調波波長、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、高次高調波非線形媒質６５０の光面に施すことができる。
【００５２】
終端ミラー６１０は終端ミラー３１０と同様であるが、レーザビーム３３０と６５２を反射し、レーザビーム３４２に対して反射防止性を有するように構成されている。例えば、基本波長および４次高調波波長に対して約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、２次高調波波長に対して約１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー６１０に施すことができる。また、コートを愁嘆ミラー６１０の対向する両光面に施すこともできる。したがって、終端ミラー６１０は、入射する基本レーザビームエネルギーのほぼ全てを非線形媒質３４０へ反射して戻し、入射した４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを曲面出力カプラ６７０へ向けて反射する。また、入射した２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全ては、終端ミラー６１０を通過することができる。
【００５３】
曲面共振器外出力カプラ６７０は、共鳴レーザ共振器３０６の外部に配置されている。出力カプラ６７０は、高次高調波非線形媒質６５０と光学的に関連付けられている。望ましい実施形態によれば、出力カプラ６７０は、高次高調波非線形媒質６５０が終端ミラー６１０と出力カプラ６７０の間に配置されるように、配置されている。出力カプラ６７０は、レーザビーム３４２を反射し、レーザビーム６５２に対して販社某姿勢を有するように構成されている。したがって、出力カプラ６７０は、レーザビーム６５２をレーザビーム３４２から必然的に分離する。例えば、２次高調波波長に対して約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、４次高調波波長に対して約１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、出力カプラ６７０に施すことができる。したがって、出力カプラ６７０は、入射した２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、高次高調波非線形媒質６５０と曲面ミラー３６０へ反射して戻す。また、入射した４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全ては、出力カプラ６７０を介して伝搬し、終端ミラー６１０と出力カプラ６７０によって形成された共振器６８０を出る。したがって、送出された４次高調波レーザビームエネルギーは、出力４次高調波レーザビーム６７２として出力カプラ６７０を介して共振器６８０を出る。４次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共振器６８０を出ることもできる。例えば、反射または伝達出力カプラを、高次高調波非線形媒質６５０と光学的に関連付けて配置し、４次高調波レーザビームエネルギーが共振器６８０を出るようにすることができる。
【００５４】
出力カプラ６７０の曲率半径と位置（例えば、終端ミラー６１０に対する）は、図３の曲面ミラー３１０と同様の手法で選択される。したがって、出力カプラ６７０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）が、到着する２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、４次高調波レーザビームエネルギーを生成する際に使用されなかった２次高調波レーザビームエネルギーの一部）のビームモードと合致するように選択される。換言すると、出力カプラ６７０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、到着する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意位置（例えば、出力カプラ６７０と曲面ミラー３６０）において、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同一となるように選択される。レーザビーム３４２の実質的に均一なビーム半径およびビーム分散を維持すると、高次レーザビームエネルギーのビームモードに影響を及ぼすことなく、かつ高次レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、高次高調波レーザビームエネルギー（例えば、４次高調波レーザビームエネルギー）発生効率の改善を補助することができる。
【００５５】
レーザ６００は、終端ミラー６１０が基本レーザビームエネルギーのビームウエストと合致して配置されるように設計することができる。したがって、基本レーザビームエネルギーが光エネルギーカプラ３１４から終端ミラー６１０へ伝搬すると、基本レーザビームエネルギーは収束する。また、非線形媒質３４０が基本レーザビームエネルギーの少なくとも一部から生成した２次高調波レーザビームエネルギーが、非線形媒質３４０から終端ミラー６１０へ伝搬すると、２次高調波レーザビームエネルギーは収束する。
【００５６】
終端ミラー６１０によって反射された後、基本レーザビームエネルギーは、終端ミラー６１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともなって、分散し始める。終端ミラー６１０を通過した後、２次高調波レーザビームエネルギーは分散し始め、高次高調波非線形媒質６５０へ向かって伝搬するのにともなって分散し続ける。２次高調波レーザビームエネルギーの一部は、高次高調波非線形媒質６５０が４次高調波レーザビームエネルギーを生成する際に使用されない。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、出力カプラ６７０によって反射され、出力カプラ６７０と曲面ミラー３６０の間で前後に伝搬する。
【００５７】
出力カプラ６７０が平坦である場合、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、出力カプラ６７０によって反射された後に分散し続ける。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分が高次高調波非線形媒質６５０を通過する毎に、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分のビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）は異なり、４次高調波レーザビームエネルギービーム品質は顕著に劣化する。したがって、出力カプラ６７０の曲率半径と位置は、出力カプラ６７０が反射した２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分のビームモードが、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、非線形媒質６５０が２次高調波レーザビームエネルギーから生成した２次高調波レーザビームエネルギーのビームモード）と実質的に合致するように選択される。換言すると、出力カプラ６７０の位置と凹部形状は、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分が、光カプラ６７０によって反射された後に収束し始める（例えば、基本レーザビームエネルギーが終端ミラー６１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともない、非線形媒質３４０が生成した２次高調波レーザビームエネルギーと類似するまたは同様の態様で）ように選択される。
【００５８】
出力カプラ６７０の曲率半径と位置は、レーザ６００の設計に基づき変わる可能性がある。例えば、非線形媒質３４０がガウス分布２次高調波ビームを生成する場合、出力カプラ６７０の曲率半径は、出力カプラ６７０の位置における２次高調波ビームのガウス分布ビーム波面の曲率半径と実質的に合致するように選択される。換言すると、ガウス分布ビーム波面の曲率半径は、始めに出力カプラ６７０の所与の位置について計算される。次に、出力カプラ６７０の曲率半径は、計算したガウス分布ビーム波面の曲率半径と（出力カプラ６７０の位置において）実質的に合致するように選択される。これにより、反射したビームの２次高調波モードが保持される。特定位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、図３について先に説明したように、ビーム波長、ビームウエスト部分のビーム半径、ビーム品質値（Ｍ２）、ビームウエストからの距離から判定することができる。
【００５９】
出力カプラ６７０の位置が調整される場合（例えば、終端ミラー６１０により近く移動される場合）、調整された位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、対応する曲率半径が出力カプラ６７０について選択されるように計算することができる。同様に、出力カプラ６７０の位置は、出力カプラ６７０の曲率半径の変化を補償するように調整することができる。出力カプラ６７０が凹部形状を有するように選択される例を提示したが、出力カプラ６７０が凸部形状（例えば、反射されたビームが反射時に分散するように）または平坦形状（例えば、曲率半径が無限大となるように）を有するように選択することもできる。また、図３で説明したものと類似するまたは同様のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、出力カプラ６７０によって反射された）のビームモードを、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることもできる。
【００６０】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４と出力カプラ６７０に対する）は、図３で説明したものと同様に選択される。例えば、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分が出力カプラ６７０によって反射された後、２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、非線形媒質６５０へ向かって伝搬するのにともなって収束し始める。２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分が非線形媒質６５０を再び通過すると、非線形媒質６５０は別の４次高調波レーザビームエネルギー（これは終端ミラー６１０によって反射され、出力カプラ６７０を介して共振器６８０を出る）を生成する。２次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分の一部は使用されず、終端ミラー６１０に向かって伝搬する。２次高調波レーザビームエネルギーの再非使用部分は、非線形媒質６５０から終端ミラー６１０へ伝搬するのにともなって収束する。２次高調波レーザビームエネルギーの再非使用部分が終端ミラー６１０を介して伝搬した後、２次高調波レーザビームエネルギーの再非使用部分は、分散し始める。２次高調波レーザビームエネルギーの再非使用部分は、終端ミラー６１０から曲面ミラー３６０へ伝搬するのにともなって分散し続ける。また、基本レーザビームエネルギーは、終端ミラー６１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともなって分散する。非線形媒質３４０は、分散した基本レーザビームエネルギーが非線形媒質３４０を光エネルギーカプラ３１４へ向かう方向に通過すると、別の２次高調波レーザビームエネルギーを生成する。光エネルギーカプラ３１４が反射しない２次高調波レーザビームエネルギーは、２次高調波レーザビームエネルギーの残部として共鳴レーザ共振器３０６を出る。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの残部は、別の２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、基本レーザビームエネルギーが非線形媒質３４０を光エネルギーカプラ３１４へ向かう方向に通過する際に生成された２次高調波レーザビームエネルギー）および２次高調波レーザビームエネルギーの再非使用部分を含む場合がある。
【００６１】
ミラー３６０が平坦である場合、２次高調波レーザビームエネルギーの残部は、ミラー３６０から反射した後に分散し続ける。したがって、２次高調波レーザビームエネルギーの残部が非線形媒質６５０を通過すると、２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）は、非線形媒質３４０が生成した２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードとは異なり、４次高調波レーザビームエネルギービーム品質は顕著に劣化する。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、曲面ミラー３６０が反射した２次高調波レーザビームエネルギーの残部のビームモードが、到着する２次高調波レーザビームエネルギー（これは、非線形媒質３４０が光エネルギーカプラ３１４へ向かう方向における基本レーザビームエネルギーから生成した２次高調波レーザビームエネルギーを含む場合がある）のビームモードと実質的に合致するように選択される。換言すると、曲面ミラー３６０の位置と凹部形状は、２次高調波レーザビームエネルギーの残部が、曲面ミラー３６０によって反射された後に収束し始める（例えば、非線形媒質３４０が６１０へ向かう方向において生成した２次高調波レーザビームエネルギーと類似するまたは同様の態様で）ように選択される。
【００６２】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、レーザ６００の設計に基づき変わる場合がある。例えば、非線形媒質３４０がガウス分布２次高調波ビームを生成する場合、曲面ミラー３６０の曲率半径は、曲面ミラー３６０の位置における２次高調波ビームのガウス分布ビーム波面の曲率半径と実質的に合致するように選択される。換言すると、ガウス分布ビーム波面の曲率半径は、始めに曲面ミラー３６０の所与の位置について計算される。次に、曲面ミラー３６０の曲率半径は、（曲面ミラー３６０の位置において）ガウス分布ビーム波面の計算した曲率半径と実質的に合致するように選択される。これにより、反射したビームの２次高調波モードが保持される。特定位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、図３で先に説明したように、ビーム波長、ビームウエストにおけるビーム半径、ビーム品質値（Ｍ２）、ビームウエストからの距離から判定することができる。
【００６３】
曲面ミラー３６０の位置が調整される場合（例えば、光エネルギーカプラ３１４により近く移動される場合）、調整された位置におけるガウス分布ビーム波面の曲率半径は、曲面ミラー３６０について対応する曲率半径を選択できるように計算することができる。同様に、曲面ミラー３６０の位置は、曲面ミラー３６０の曲率半径の変化を補償するように調整することができる。曲面ミラー３６０が凹部形状を有するように選択する例を提示したが、曲面ミラー３６０が凸部形状（例えば、反射したビームが反射時に分散するように）または平坦形状（例えば、曲率半径が無限大になるように）を有するように選択することもできる。また、図３で説明したものと類似するまたは同様のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、曲面ミラー３６０で反射した）のビームモードを、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。
【００６４】
図７は、実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビーム７７２を効率的に生成する、レーザ７００の概略図である。レーザ７００は図３で説明したレーザ３００と同様であるが、４次高調波レーザビーム７７２を生成するように構成されている。
【００６５】
レーザ７００は、高次高調波非線形媒質３５０に加えて混合非線形媒質７８０を備える。図３で説明したように、高次高調波非線形媒質３５０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。高次高調波非線形媒質３５０は、混合非線形媒質７８０と終端ミラー７１０の間に配置されていることが望ましい。高次高調波非線形媒質３５０は、レーザビーム３３０、レーザビーム３４２、またはこれら双方が高次高調波非線形媒質３５０の光面に法線入射で衝突するように向けられていることが望ましい。望ましい実施形態において、高次高調波非線形媒質３５０は、基本波長を有するレーザ放射またはエネルギーおよび２次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーを、３次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーへ変換する。したがって、レーザビーム３３０とレーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質３５０を通過すると、高次高調波非線形媒質３５０は、レーザビーム３３０の３分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の３倍の周波数）を有するレーザビーム３５２を生成する。高次高調波非線形媒質３５０は、非線形媒質３４０について説明した任意の非線形結晶を備えることもできるし、非線形媒質３４０と同一のまたは異なる非線形結晶を備えることもできる。非線形結晶は、タイプＩまたはタイプＩＩ位相整合のために構成することができる。
【００６６】
１実施形態によれば、混合非線形媒質７８０は、基本波長を有するレーザ放射および３次高調波波長を有するレーザ放射を、４次高調波波長を有するレーザ放射へ変換または混合するように構成されている。これに代えて、混合非線形媒質７８０は、２次高調波波長を有するレーザ放射および３次高調波波長を有するレーザ放射を、５次高調波波長を有するレーザ放射へ変換または混合する（すなわち、５次高調波レーザビーム７７２を生成する）ように構成することもできる。混合非線形媒質７８０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置される。共鳴レーザ共振器３０６は、終端ミラー３０８と終端ミラー７１０によって形成される。混合非線形媒質７８０は、共振器内出力カプラ７７０と非線形媒質３５０の間に配置されていることが望ましい。混合非線形媒質７８０は、レーザビーム３３０、レーザビーム３４２、レーザビーム３５２、またはこれらの任意の組み合わせが、混合非線形媒質７８０の光面へ法線入射で衝突するように向けられていることが望ましい。レーザビーム３３０とレーザビーム３５２が混合非線形媒質７８０を通過すると、混合非線形媒質７８０は、レーザビーム３３０の４分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の４倍の周波数）を有するレーザビーム７８２を生成する。混合非線形媒質７８０は、非線形媒質３４０と３５０について説明した任意の非線形結晶を備えることもできるし、非線形媒質３４０および３５０と同一のまたは異なる非線形結晶を備えることもできる。望ましい実施形態によれば、混合非線形媒質７８０は、タイプＩ位相整合のために構成された混合結晶を備えるが、結晶をタイプＩＩ位相整合のために構成することもできる。図７に示すように、非線形媒質３４０、混合非線形媒質７８０、非線形媒質３５０は、互いに光学的に直列配置されている。
【００６７】
レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は少なくとも一部が光路３０４に沿って重畳して伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２は光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー７１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２は終端ミラー７１０と共振器内出力カプラ７７０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３５２、７８２は混合非線形媒質７８０と共振器内出力カプラ７７０の間で重畳される）、レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は、説明目的のため互いに軸オフセットして示している。
【００６８】
ＡＲコートをオプションで、高次高調波非線形媒質３５０、混合非線形媒質７８０、またはその双方に施すことができる。例えば、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、高次高調波非線形媒質３５０、混合非線形媒質７８０、またはこれら双方の光面に施すことができる。
【００６９】
終端ミラー７１０は終端ミラー３１０と同様であるが、レーザビーム３３０、３４２、３５２に加えてレーザビーム７８２を反射するように構成されている。例えば、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長、４次高調波波長に対して約９９％以上反射のようなＨＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー７１０に施すことができる。
【００７０】
共振器内出力カプラ７７０は、１実施形態に基づき、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。出力カプラ７７０は共振器内出力カプラ３７０と同様であるが、レーザビーム７８２を反射し、レーザビーム３３０と３４２に対して反射防止性を有するように構成されている。出力カプラ７７０は、レーザビーム３５２を反射し、または反射しないようにすることができる。したがって、出力カプラ７７０は、レーザビーム７８２をレーザビーム３３０と３４２から必然的に分離する。例えば、４次高調波波長に対して約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長および２次高調波波長に対して約１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、出力カプラ７７０に施すことができる。したがって、出力カプラ７７０は、入射した４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、共鳴レーザ共振器３０６の外部に方向付ける。また、入射した基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全ては、出力カプラ７７０を介して伝搬することができる。したがって、反射した４次高調波レーザビームエネルギーは、出力４次高調波レーザビーム７７２として出力カプラ７７０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出る。出力カプラ７７０において４次高調波レーザビームエネルギーを基本レーザビームエネルギーおよび２次高調波レーザビームエネルギーから分離すると、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、およびその他の光学部品へのダメージを防ぐことができる。４次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共鳴レーザ共振器３０６を出ることもできる。例えば終端ミラー７１０は、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有するコートを備え、４次高調波レーザビームエネルギーが終端ミラー７１０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる（例えば、混合非線形媒質７８０と非線形媒質３５０の位置が入れ替わった場合）。また、反射または伝達出力カプラを、高次高調波非線形媒質７８０と光学的に関連付けて配置し、４次高調波レーザビームエネルギーが共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。
【００７１】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４に対する）は、図３で説明したように選択される。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径とビーム分散が、到着する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った各位置（すなわち、終端ミラー７１０と曲面ミラー３６０の間）において、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同一となるように選択される。また、図３で説明したものと類似するまたは同様のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、曲面ミラー３６０によって反射された）のビームモードを、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。レーザビーム３４２の実質的に均一なビーム半径とビーム分散を維持すると、４次高調波レーザビームエネルギーのビームモードに影響を及ぼすことなく、かつ４次高調波レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、４次高調波レーザビームエネルギー発生効率の改善を補助することができる。
【００７２】
図８は、実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質の維持しつつ２次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビーム８７２を効率的に生成する、レーザ８００の概略図である。レーザ８００は図７で説明したレーザ７００と同様であるが、非線形媒質３５０、混合非線形媒質７８０、出力カプラは、異なる光学構成で配置されている。図７において、部品は光学アレイ状に配置されている。終端ミラー７１０から開始し、非線形媒質３５０が続き、混合非線形媒質７８０が続き、出力カプラ７７０が続き、非線形素子３４０で終了する。図８において、部品は異なる光学アレイ状に配置されている。終端ミラー８１０から開始し、混合非線形媒質７８０が続き、出力カプラ８７０が続き、非線形媒質３５０が続き、非線形素子３４０で終了する。
【００７３】
図７で説明したように、高次高調波非線形媒質３５０は、基本波長を有するレーザ放射またはエネルギー、および２次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーを、３次高調波波長を有するレーザ放射またはエネルギーへ変換する。したがって、レーザビーム３３０とレーザビーム３４２が高次高調波非線形媒質３５０を通過すると、高次高調波非線形媒質３５０は、レーザビーム３３０の３分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の３倍の周波数）を有するレーザビーム３５２を生成する。また、図７で説明したように、混合非線形媒質７８０は、基本波長を有するレーザ放射と３次高調波波長を有するレーザ放射を、１実施形態に基づき、４次高調波波長を有するレーザ放射へ変換または混合するように構成されている。したがって、レーザビーム３３０とレーザビーム３５２が混合非線形媒質７８０を通過すると、混合非線形媒質７８０は、レーザビーム３３０の４分の１波長（すなわち、レーザビーム３３０の基本周波数の４倍の周波数）を有するレーザビーム７８２を生成する。これに代えて、混合非線形媒質７８０は、２次高調波波長を有するレーザ放射と３次高調波波長を有するレーザ放射を、５次高調波波長を有するレーザ放射へ変換または混合する（すなわち、５次高調波レーザビーム８７２を生成する）ように構成することもできる。
【００７４】
レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は少なくとも一部が光路３０４に沿って重畳して伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２は光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー８１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２は非線形媒質３５０と終端ミラー８１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は終端ミラー８１０と共振器内出力カプラ８７０の間で重畳される）、レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は、説明目的のため互いに軸オフセットして示した。
【００７５】
終端ミラー８１０は終端ミラー３１０と同様であるが、レーザビーム３３０、３４２、３５２に加えてレーザビーム７８２を反射するように構成されている。例えば、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長、４次高調波波長に対して約９９％反射のようなＨＲ特性を有する単一層または複層の誘電コートを、終端ミラー８１０に施すことができる。
【００７６】
共振器内出力カプラ８７０は、１実施形態に基づき、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。出力カプラ８７０は共振器内出力カプラ７７０と同様であるが、レーザビーム７８２を反射し、レーザビーム３３０、３４２、３５２に対して反射防止性を有するように構成されている。したがって出力カプラ８７０は、レーザビーム７８２を、レーザビーム３３０、３４２、さらに場合によっては３５２から、必然的に分離する。出力カプラ８７０は、レーザビーム３５２に対してある方向において（例えば、レーザビーム３５２が非線形媒質３５０から終端ミラー８１０へ伝搬するのにともなって）反射防止性を有し、他の方向において（例えば、レーザビーム３５２が伝搬するのにともなって）レーザビーム３５２を反射する。これにより、混合非線形素子７８０によって使用されない３次高調波レーザビームエネルギーは、共振器３０６を出る。これに代えて出力カプラ８７０は、レーザビーム３５２に対して両方向において（例えば、レーザビーム３５２が非線形媒質３５０から終端ミラー８１０へ伝搬する場合と、レーザビーム３５２が終端ミラー８１０から非線形媒質３５０へ伝搬する場合において）反射防止性を有するようにしてもよい。４次高調波波長に対して例えば約９５％反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長に対して例えば約１％以下のようなＡＲ特性を有する、単一層のまたは複層の誘電コートを、出力カプラ８７０に施すことができる。したがって出力カプラ８７０は、入射した４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、共鳴レーザ共振器３０６外に方向付ける。また出力カプラ８７０は、入射した基本レーザビームエネルギー、２次高調波レーザビームエネルギー、さらに場合によっては３次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、出力カプラ８７０を介して伝搬させることができる。したがって、反射した４次高調波レーザビームエネルギーは、出力４次高調波レーザビーム８７２として、出力カプラ８７０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出る。４次高調波レーザビームエネルギーを、出力カプラ８７０において、基本レーザビームエネルギー、２次高調波レーザビームエネルギー、そして場合によっては３次高調波レーザビームエネルギーから分離することにより、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、その他の光部品に対する４次高調波レーザビームエネルギーからのダメージを防ぐことを補助できる。４次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共鳴レーザ共振器３０６を出ることができる。例えば、終端ミラー８１０は、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有するコートを備え、これにより４次高調波レーザビームエネルギーが共鳴レーザ共振器３０６から終端ミラー８１０を介して出るようにすることができる。また、反射出力カプラまたは透過出力カプラを、高次高調波非線形媒質７８０と光学的に関連付けて配置し、４次高調波レーザビームが共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。
【００７７】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４に対する）は、図３について説明したものと同様に選択される。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、到着する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った全ての位置（例えば、終端ミラー８１０と曲面ミラー３６０の間）において、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と必然的に同じになるように選択される。また、図３について説明したものと類似するまたは同一のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、曲面ミラー３６０によって反射された）のビームモードを、到着する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。レーザビーム３４２の実質的に均一なビーム半径とビーム分散を維持することにより、４次高調波レーザビームエネルギーのビームモードへ影響を及ぼすことなく、また４次高調波レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、４次高調波レーザビームエネルギー発生効率を改善することを補助できる。
【００７８】
図９は、１実施形態に基づき、４次高調波ビーム品質を維持しつつ、２次高調波レーザビームと３次高調波レーザビームの非使用部分を再利用することにより、４次高調波レーザビーム９７２を効率的に発生させる、レーザ９００の概略図である。レーザ９００は、図８を参照して説明したレーザ８００と同様であるが、混合非線形素子７８０によって使用されなかった３次高調波レーザビームエネルギーを再利用するための曲面ミラー９１０を備え、これにより４次高調波レーザビームエネルギーを生成する。別の実施形態において、混合非線形媒質７８０は、２次高調波波長を有するレーザ放射および３次高調波波長を有するレーザ放射を、５次高調波波長を有するレーザ放射へ変換または混合するように構成することができる（すなわち、５次高調波レーザビーム９７２を生成する）。
【００７９】
レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は、少なくとも一部が光路３０４に沿って重畳して伝搬するが（例えば、レーザビーム３３０と３４２は光エネルギーカプラ３１４と終端ミラー８１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２は曲面ミラー９１０と終端ミラー８１０の間で重畳され、レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は終端ミラー８１０と共振器内出力カプラ９７０の間で重畳されている）、レーザビーム３３０、３４２、３５２、７８２は、説明目的のため互いに軸オフセットして示されている。
【００８０】
共振器内出力カプラ９７０は、１実施形態に基づき、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。出力カプラ９７０は、図８を参照して説明した共振器内出力カプラ８７０と同様であるが、レーザビーム７８２を反射し、レーザビーム３３０、３４２、３５２に対して反射防止性を有するように構成されている。特に出力カプラ９７０は、レーザビーム３５２に対して双方向で反射防止性を有する（例えば、レーザビーム３５２が非線形媒質３５０から混合非線形媒質７８０に向かって伝搬する場合と、レーザビーム３５２が終端ミラー８１０から曲面ミラー９１０に向かって伝搬する場合）。したがって出力カプラ９７０は、レーザビーム７８２をレーザビーム３３０、３４２、３５２から必然的に分離する。４次高調波波長に対して例えば約９５％反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長、２次高調波波長、３次高調波波長に対して例えば１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、出力カプラ９７０に施すことができる。したがって出力カプラ９７０は、入射する４次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、共鳴レーザ共振器３０６外へ方向付ける。また出力カプラ９７０は、入射する基本レーザビームエネルギー、２次高調波レーザビームエネルギー、３次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、出力カプラ９７０を介して伝搬させる。したがって、反射した４次高調波レーザビームエネルギーは、出力４次高調波レーザビーム９７２として、出力カプラ９７０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出る。４次高調波レーザビームエネルギーを、出力カプラ９７０において、基本レーザビームエネルギー、２次高調波レーザビームエネルギー、３次高調波レーザビームエネルギーから分離すると、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、その他の光学部品に対する４次高調波レーザビームエネルギーからのダメージを防ぐことを補助できる。４次高調波レーザビームエネルギーは、その他の態様で共鳴レーザ共振器３０６を出ることができる。例えば、終端ミラー８１０は、４次高調波波長に対してＡＲ特性を有するコートを備え、４次高調波レーザビームエネルギーが終端ミラー８１０を介して共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることができる。また、反射出力カプラまたは透過出力カプラを高次非線形媒質７８０と光学的に関連付けて配置し、４次高調波レーザビームエネルギーが共鳴レーザ共振器３０６を出るようにすることもできる。
【００８１】
曲面ミラー９１０は、光路３０４に沿って共鳴レーザ共振器３０６内に配置されている。曲面ミラー９１０は、レーザビーム３５２を反射し（すなわち、３次高調波レーザビームエネルギー）、レーザビーム３３０と３４２に対して反射防止性を有するように構成されていることが望ましい。したがって曲面ミラー９１０は、レーザビーム３５１をレーザビーム３３０と３４２から必然的に分離する。３次高調波波長に対して例えば約９５％以上反射のようなＨＲ特性を有し、基本波長と２次高調波波長に対して例えば１％以下反射のようなＡＲ特性を有する、単一層または複層の誘電コートを、曲面ミラー９１０に施すことができる。したがって曲面ミラー９１０は、入射する３次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、混合非線形素子７８０に向けて反射して戻す。これにより混合非線形素子７８０は、反射した３次高調波レーザビームエネルギーから別の４次高調波レーザビームエネルギーを生成することができる。また曲面ミラー９１０は、入射した基本レーザビームエネルギーと２次高調波レーザビームエネルギーのほぼ全てを、曲面ミラー９１０を介して伝搬させる。曲面ミラー９１０において、３次高調波レーザビームエネルギーを基本レーザビームエネルギーと２次高調波レーザビームエネルギーから分離すると、３次高調波レーザビームエネルギーを再利用することができ、非線形媒質３４０、レーザ媒質３０２、その他の光学部品に対する３次高調波レーザビームエネルギーからのダメージを防ぐことを補助できる。
【００８２】
以下に詳細に説明するように、曲面ミラー９１０の曲率半径と位置は、反射した３次高調波レーザビームエネルギー（すなわち、非線形媒質３５０が曲面ミラー９１０に向かう方向に生成した、反射した非使用３次高調波レーザビームエネルギーと反射した３次高調波レーザビームエネルギー）のビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）が、入射する３次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと実質的に合致するように選択される。換言すると、曲面ミラー９１０の曲率半径と位置（例えば、終端ミラー８１０に対する）は、反射した３次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、入射する３次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と、入射する３次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意の位置（例えば、終端ミラー８１０と曲面ミラー９１０の間）において必然的に同じになるように選択される。レーザビーム３５２の実質的に均一なビーム半径とビーム分散を維持すると、高次のレーザビームエネルギーのビームモードに影響を及ぼすことなく、また高次のレーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、高次レーザビームエネルギー（例えば、４次高調波レーザビームエネルギー）発生効率を改善することを補助できる。
【００８３】
例えば、レーザ９００は、終端ミラー８１０が基本レーザビームエネルギーのビームウエスト部分と合致して配置されるように設計することができる。したがって、基本レーザビームエネルギーが光エネルギーカプラ３１４から終端ミラー８１０へ伝搬すると、基本レーザビームエネルギーは収束する。また、非線形媒質３４０が基本レーザビームエネルギーの少なくとも一部から生成した２次高調波レーザビームエネルギーが、非線形媒質３４０から終端ミラー８１０へ伝搬すると、２次高調波レーザビームエネルギーは収束する。さらに、非線形媒質３５０が基本レーザビームエネルギーの少なくとも一部および２次高調波レーザビームエネルギーの少なくとも一部から生成した３次高調波レーザビームエネルギーが、非線形媒質３５０から終端ミラー８１０へ伝搬すると、３次高調波レーザビームエネルギーは収束する。３次高調波レーザビームエネルギーの一部は、混合非線形媒質７８０が４次高調波レーザビームエネルギーを生成する際に使用されない。したがって、３次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、終端ミラー８１０によって反射され、ミラー８１０と９１０の間で前後に伝搬する。
【００８４】
終端ミラー８１０によって反射された後、基本レーザビームエネルギーが分散し始め、２次高調波レーザビームエネルギーが分散し始め、３次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分が分散し始める。したがって、基本レーザビームエネルギーと２次高調波レーザビームエネルギーは、基本エネルギーと２次高調波エネルギーが終端ミラー８１０から光エネルギーカプラ３１４へ伝搬するのにともなって、分散する。同様に、３次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分は、終端ミラー８１０から曲面ミラー９１０へ伝搬するのにともなって、分散する。分散している基本レーザビームエネルギーと分散している２次高調波レーザビームエネルギーは、分散している基本レーザビームエネルギーと２次高調波レーザビームエネルギーが非線形素子３５０を通過するのにともなって、別の３次高調波レーザビームエネルギーを生成する。ミラー９１０が平坦であれば、３次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分と新たに生成された３次高調波レーザビームエネルギーは、ミラー９１０によって反射された後に分散し続ける。したがって、３次高調波レーザビームエネルギーが混合非線形媒質７８０を通過する毎に、３次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、ビーム半径とビーム分散）は異なり、顕著に劣化した４次高調波レーザビームエネルギービーム品質が得られる。したがって、曲面ミラー９１０の曲率半径と位置は、曲面ミラー９１０が反射した３次高調波レーザビームエネルギーのビームモードが、到着する３次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、３次高調波レーザビームエネルギーの非使用部分のビームモードおよび非線形媒質３５０が生成した３次高調波レーザビームエネルギーのビームモード）と実質的に合致するように選択される。換言すると、曲面ミラー９１０の位置と凹部形状は、曲面ミラー９１０によって反射された後、３次高調波レーザビームエネルギーが収束し始める（例えば、基本レーザビームエネルギーと２次高調波レーザビームエネルギーが非線形媒質３４０から混合非線形媒質７８０へ伝搬するのにともなって、非線形媒質３５０が生成した３次高調波レーザビームエネルギーと類似するまたは同じ態様で）ように選択される。
【００８５】
曲面ミラー９１０の曲率半径と位置は、レーザ９００の設計に応じて変わり得る。例えば、非線形媒質３５０がガウス形状３次高調波ビームを生成する場合、曲面ミラー９１０の曲率半径は、曲面ミラー９１０の位置において、３次高調波ビームのガウス形状ビーム波面の曲率半径と実質的に合致するように選択される。換言すると、ガウス形状ビーム波面の曲率半径は、まず所与の曲面ミラー９１０の位置について計算される。次に、曲面ミラー９１０の曲率半径は、計算したガウスビーム波面の曲率半径（曲面ミラー９１０の位置において）と実質的に合致するように選択される。これにより、反射したビームの３次高調波モードが維持される。特定位置におけるガウスビーム波面の曲率半径は、図３を参照して説明したように、ビーム波長、ビームウエストにおけるビーム半径、ビーム品質係数（Ｍ２）、ビームウエストからの距離から決定することができる。
【００８６】
曲面ミラー９１０の位置が調整される場合（例えば、終端ミラー８１０のより近くに移動される）、調整後の位置におけるガウスビーム波面の曲率半径は、対応する曲率半径が曲面ミラー９１０について選択され得るように計算することができる。同様に、曲面ミラー９１０の位置を調整し、曲面ミラー９１０の曲率半径の変化を補償することができる。また、終端ミラー８１０が平坦ミラーから曲面ミラーに変更になった場合、曲面ミラー９１０の位置、曲面ミラー９１０の曲率半径、またはこれら双方をこれにしたがって調整し、ミラー８１０と９１０の間で反射したビームの３次高調波モードが維持されるようにすることができる。曲面ミラー９１０が凹部形状を有する例を説明したが、曲面ミラー９１０が凸部形状（たとえば、反射したビームが反射時に分散するように）を有するようにしてもよいし、平坦形状（例えば、曲率半径が無限大となるように）を有するようにしてもよい。また、図３について説明したものと類似するまたは同一のモード整合光学部品を用いて、反射した３次高調波レーザビームエネルギーのビームモード（例えば、曲面ミラー９１０によって反射された）を、入射する３次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。
【００８７】
曲面ミラー３６０の曲率半径と位置（例えば、光エネルギーカプラ３１４に対して）は、図３を参照して説明したように選択される。したがって、曲面ミラー３６０の曲率半径と位置は、反射した２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散が、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビーム半径およびビーム分散と、入射する２次高調波レーザビームのビーム経路に沿った任意の位置（例えば、終端ミラー８１０と曲面ミラー３６０の間）において必然的に同一となるように選択される。また、図３について説明したものと類似するまたは同一のモード整合光学部品を用いて、反射した２次高調波レーザビームエネルギー（例えば、曲面ミラー３６０によって反射された）のビームモードを、入射する２次高調波レーザビームエネルギーのビームモードと整合させることができる。レーザビーム３４２の実質的に均一のビーム半径とビーム分散を維持すると、４次高調波レーザビームエネルギーのビームモードへ影響を及ぼすことなく、また４次高調波レーザビームエネルギーのビーム品質を顕著に劣化させることなく、４次高調波レーザビームエネルギー発生効率を改善することを補助できる。
【００８８】
中間高調波レーザビームの一部を再利用することにより、高次高調波レーザビーム品質を維持しつつ高次高調波レーザビームを効率的に生成する、システムおよび方法の様々な実施形態を説明した。上述の中間高調波再利用技術の任意の組み合わせを用いて、任意の高次高調波レーザビーム（例えば、２次以上の高調波レーザビーム）を生成できることが理解されよう。
【００８９】
本発明の原理から逸脱することなく、上述の実施形態の詳細部分について多くの変更をなすことができることは、当業者にとって明らかであろう。したがって本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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