(57)【要約】  光軸を有する折返し型レーザシステムであって、レーザシステムは、(Ｉ)コヒーレント光源、(II)反射器、(III)光源と反射器の間に配置されたレンズコンポーネント及び(IV)非線形光学結晶を備え、光源と非線形光学結晶はｄ＞５０μｍの距離ｄで隔てられる。レンズコンポーネントは光源からの光を遮るとコリメートビームを、コリメートビームが光軸に対して角Θ'をなすように、供給するように配置され、反射器はコリメートビームを遮り、コリメートビームを反射して、レンズを通して非線形光学結晶に向けるように配置され、レンズコンポーネントは非線形光学結晶上に像を与えるようにつくられる。
2012525610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する折返し型レーザシステムにおいて、前記レーザシステムが、
(Ｉ) コヒーレント光源、
(II) 反射器、
(III)前記光源と前記反射器の間に配置されたレンズコンポーネント、及び
(IV) 非線形光学結晶であって、前記光源と前記非線形光学結晶は間隔ｄが＞５０μｍのエアギャップで隔てられる非線形光学結晶、
を備え、
(ａ)前記レンズコンポーネントが、前記光源からの光を遮るとコリメートビームを、前記コリメートビームが前記光軸に対して角Θ'をなすように、供給するように配置され、
(ｂ)前記反射器が、前記コリメートビームを遮り、前記コリメートビームを反射して、前記レンズを通して前記非線形光学結晶に向け、
(ｃ)前記レンズコンポーネントが前記非線形結晶上に前記コヒーレント光源の像を結ぶようにつくられる、
ことを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
(ｉ)前記光源及び前記非線形光学結晶が前記光軸に対して実質的に対称に配置される、及び／または
(ii)前記レンズコンポーネントが、０.９≦|Ｍ|≦１.１の、倍率Ｍで結像するように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記コヒーレント光源がダイオードレーザであり、前記非線形光学結晶と前記ダイオードレーザが互いに対して傾けられることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項４】
(ｉ)前記非線形光学結晶が前記ダイオードの上方にカンチレバー式に配置される、及び／または
(ii)前記コヒーレント光源がダイオードレーザであり、前記非線形光学結晶が前記ダイオードレーザから最も遠く離れた前記結晶の面を用いて保持される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項５】
(ｉ)ｄ＜１５００μｍ、好ましくは１５０μｍ≦ｄ≦５００μｍである、及び／または
(ii)前記レーザシステムがの特徴が、０.０５波ｒｍｓより大きく、０.１波ｒｍｓより小さい、非点収差である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記光源の平均放射角の方向が前記非線形光学結晶上の平均ビーム角に平行であるように、前記反射器が前記レンズコンポーネントの焦平面に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記光源がダイオードレーザであり、前記非線形光学結晶から前記ダイオードレーザまでのＯＰＤ(光路長)が前記ダイオードレーザ内部のＯＰＤに本質的に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記レンズコンポーネントが、０.３５〜０.６の開口数ＮＡ及び焦点距離ｆを有し、ｆが１ｍｍ≦ｆ≦３ｍｍである、双非球面単レンズであり、
(ａ)前方作動距離ＦＷＤが０.３ｍｍ〜３ｍｍである、及び／または
(ｂ)後方作動距離ＢＷＤが１.５ｍｍ〜３ｍｍである、及び／または
(ｃ)前記レンズコンポーネントが前面及び後面を有し、前記前面が、曲率半径がｒ１の凸非球面であり、前記後面が、曲率半径が、|ｒ１|＞|ｒ２|であるような、ｒ２の凸非球面である、
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項９】
(ａ)前記レンズコンポーネントが、前記光源からの光を遮るとコリメートビームを供給するように配置され、
(ｂ)前記反射器が前記コリメートビームを遮り、前記コリメートビームを反射して、前記レンズを通して前記非線形光学結晶に向けるように、また、前記光源が前記レンズの焦平面に配置されて、前記レンズコンポーネントの光軸からｄ'≦７５０μｍの距離ｄ'だけ中心が外されているときに、前記コリメートビームが前記光軸に対して角Θ'をなすように、配置され、角Θ'が０.０５ｒａｄ≦Θ'≦０.２ｒａｄである、
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
(ｉ)前記光源の平均放射角の方向が前記非線形光学結晶上の平均ビーム角に平行であるように、前記反射器が前記レンズコンポーネントの像焦平面に配置される、及び／または
(ii)前記ダイオードレーザから放射されるビームの重心が前記レンズコンポーネントの光軸の方向に平行であるように、前記ダイオードレーザが前記ダイオードの劈開角を補償する角度でマウントされる、
ことを特徴とする請求項２，８，または９に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には折返し型レーザシステムに関し、さらに詳しくは、周波数２逓倍緑色レーザのような、非線形光波長変換を備える折返し型レーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
緑色レーザ光の発生は赤外光の非線形２逓倍によって達成することができる。一般に、図１Ａに示されるように、赤外ダイオードレーザ３からの光ビーム２が、周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)のような、非線形光学結晶４に導かれて、緑色光５に変換される。
【０００３】
このタイプのレーザの作成における実際上の課題は多くの要件から生じる。第１に、ダイオードレーザ及び非線形光学結晶のいずれにおいても光を閉じ込めるために用いられる導波路が小さいため、コンポーネント(レンズ、非線形結晶及びダイオードレーザ)に対するアライメント許容量は１０分の数μｍのオーダーである。このことは、レーザの初期集成及びレーザの寿命にわたるアライメントの維持のいずれに対しても、大きな問題となる。第２に、非線形光学結晶からの出力パワーは、温度変動及びレーザによって供給される赤外光波長のシフトに敏感である。非線形光学結晶にかかる温度勾配は、緑色光の出力パワー(すなわち非線形光学結晶を出る出力パワー)の減少を引きおこし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、赤外光の非線形光学結晶による周波数２逓倍を利用する、緑色レーザシステムにおいてコンポーネント間のアライメント許容量を緩和し、温度変動による緑色光出力パワーの減少を抑制する、折返し型レーザシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は光軸を有する折返し型レーザシステムであって、レーザシステムは、
(Ｉ) コヒーレント光源、
(II) 反射器、
(III)光源と反射器の間に配置されたレンズコンポーネント、及び
(IV) 非線形光学結晶、
を備え、光源及び非線形光学結晶はｄ＞５０μｍの距離ｄで隔てられる。レンズコンポーネントは、光源からの光を遮るとコリメートビームを供給し、コリメートビームは、光軸に対して角Θ'をなし、非線形光学結晶上にコヒーレント光源の像を結ぶように、つくられる。コリメートビームを遮り、コリメートビームを反射して、レンズを通して非線形光学結晶に向けるように、反射器が配置される。
【０００６】
コヒーレント光源と非線形光学結晶はエアギャップで隔てられることが好ましい。
【０００７】
いくつかの実施形態にしたがえば、レーザシステムは緑色レーザであって、光源は赤外(ＩＲ)ダイオードレーザであり、受光器は非線形光学結晶、例えばＩＲ光を緑色光に変換するためのＳＨＧ(２次高調波発生器)である。
【０００８】
本発明のレーザシステムの緑色レーザ実施形態例によって与えられるいくつかの利点は、光コンポーネントに対する比較的緩やかなアライメント許容量、ダイオードレーザによって生成される熱に対する比較的低い感受性、及びダイオードレーザと非線形光学結晶の間の改善された結合による最大化された緑色変換効率である。本発明の実施形態例により与えられる別の利点は、非線形光学結晶にかかる温度勾配の最小化及びダイオードレーザに到達する非線形光学結晶からの望ましくない反射及び／または後方散乱による光フィードバックの影響の最小化である。
【０００９】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明及び添付される特許請求の範囲を含み、特許請求の範囲も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１０】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは従来技術のレーザシステムを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは本発明の一実施形態にしたがう折返し型レーザシステムを簡略に示す。
【図２】図２は本発明の一実施形態にしたがう折返しキャビティ型緑色レーザシステムである。
【図３】図３は図２のダイオードレーザと非線形結晶の間の熱伝導を示す熱モデルである。
【図４】図４はダイオード導波路と結晶導波路の間の光結合効率の変化を導波路-導波路間隔ｄの関数として示す。
【図５Ａ】図５Ａは非線形結晶の一例の側断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５Ａの非線形結晶例の端部断面図である。
【図６】図６は本発明の別の実施形態にしたがう折返しキャビティ型緑色レーザシステムの断面図である。
【図７】図７は、２つの相異なるレーザシステム構成の、結合効率対導波路間隔ｄを示す。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明のまた別の実施形態における、ダイオードレーザ上方に取り付けられた非線形光学結晶を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの実施形態における、ダイオードレーザ上方に取り付けられた非線形光学結晶を示す。
【図９】図９は本発明のいくつかの実施形態で利用することができる市販レンズコンポーネントで達成できる結合効率(ＣＥ)のグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは折返しキャビティ型レーザシステムの一実施形態例を簡略に示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは折返しキャビティ型レーザシステムの一実施形態例を簡略に示す。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態にしたがう、レンズコンポーネント、結晶導波路及び斜傾ダイオードレーザ導波路の断面図である。
【図１２】図１２は、２つのレンズコンポーネント例についての、光路長対後方作動距離(ＢＷＤ)のグラフである。
【図１３】図１３は結合効率対ＢＷＤのグラフである。
【図１４】図１４は本発明のまた別の実施形態にしたがうレンズコンポーネントの断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態にしたがうレンズコンポーネント及び２つの市販レンズコンポーネントの、結合性能対導波路間隔ｄを示す。
【図１６】図１６は本発明の別の実施形態にしたがうレンズコンポーネントの断面図である。
【図１７】図１７は本発明のまた別の実施形態にしたがうレンズコンポーネントの断面図である。
【図１８】図１８は一レンズコンポーネント例の傾きの関数としての収差(波面収差)の変遷を示す。
【図１９】図１９は一レンズコンポーネント例の傾きの関数としての収差(波面収差)の変遷を示す。
【図２０】図２０は２つのレンズコンポーネント例の傾きの関数としての結合効率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、その例が添付図面に示されている、本発明の現在好ましい実施形態を詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明のレーザシステムの一実施形態例が図１Ｂ及び２に示され、本明細書を通して、全体として参照数字１０で表される。
【００１３】
本実施形態例における折返し型レーザシステム１０は折返し型キャビティ構成を有する。レーザシステム１０において、光は発散光ビーム２２の形態でコヒーレント光源２０から放射され、単レンズコンポーネント３０に捕捉されてコリメートされる。レンズコンポーネント３０はテレセントリック条件で動作することが好ましい。すなわち、レンズ３０は、光学システムの出射ひとみが無限遠におかれるように構成され、配置される。コヒーレント光源２０は、小さく(＜１ｃｍ３)、比較的大パワー(＞１０ｍＷ)であり、高レート(約１０ＭＨｚないしさらに高いレート)で変調されることが好ましい。本実施形態において、コヒーレント光源２０は赤外(ＩＲ)半導体レーザ(ＩＲダイオードレーザ２０')である。ダイオードレーザ２０'はダイオード導波路２０'Ａを有する。ＩＲ光はダイオード導波路２０'Ａの出力面から発散光ビーム２２として発する。ダイオード導波路の出力面は導波路の軸に直交させて形成することができ、あるいは導波路の軸に対して角度をつけて劈開することができる(図示せず)。発散光ビーム２２の特徴は、１/ｅ２における、例えば一方向で２０°、他方向(直交方向)で７°の、放射半角Θである。放射半角Θはコヒーレント光源によって与えられる平均放射角(ビーム重心)に対して測定される。(ＩＲ)コリメービトーム４０は角度Θ'で反射器５０に向かって伝搬し、次いで反射器５０で反射されてレンズコンポーネント３０に戻る。いくつかの実施形態にしたがえば、０.０５ｒａｄ≦Θ'≦０.２ｒａｄであることが好ましく、０.０９ｒａｄ≦Θ'≦０.１７ｒａｄであることがさらに好ましい。反射器５０は、例えば平面ミラーとすることができる。反射ビームはレンズコンポーネント３０を通り、像平面６０に向けて伝搬し、そこで非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａ(導波路領域)の入力面上に収束される。すなわち、レンズコンポーネント３０は、非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面上にダイオード導波路２０'Ａの出力面の像を結ぶ。
【００１４】
非線形光学結晶７０'は、例えば周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)結晶のような２次高調波発生器(ＳＨＧ)とすることができる。他の非線形光学結晶を用いることもできる。本実施形態において、非線形光学結晶７０'はレンズコンポーネント３０によって非線形光学結晶７０'に供給されるＩＲ光を受け取り、これを緑色光５に変換する。
【００１５】
レンズコンポーネント３０は、コヒーレント光源２０と非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの間の優れた光結合を達成し、同時に、(ｉ)温度の変化によって生じる焦点ぼけ及び(ii)レーザシステム１０全体の大きさのいずれも最小限に抑えるために、(好ましくは５ｍｍ未満、さらに好ましくは３ｍｍ未満、さらに一層好ましくは２ｍｍ未満の)短焦点距離、及び低非点収差を有することが好ましい。
【００１６】
反射器５０は通常の(固定)平面ミラーとすることができ、あるいは、超小型電気機械システム(ＭＥＭＳ)ミラーのような、ある角度範囲で傾動するミラーとすることができる。ダイオード導波路２０'Ａと結晶導波路７０'Ａの間の光の結合は２つの基本的手法で調節することができる。第１に、レンズコンポーネント３０の位置をｘ,ｙまたはｚ(焦点)軸において移動させることができる。第２に、ミラー５０を傾けることができる。ミラーは赤外光ビームに対するコリメート空間に配置されているから、角度調節により結晶の入力面における反射／集束ビームの位置(ｘ,ｙ)がシフトするであろう。非線形光学結晶(例えばＰＰＬＮ結晶)は赤外光のかなりの分率を緑色光に変換し、緑色光は結晶導波路７０'Ａの出力面から放射される(図１Ｂ)。すなわち、非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面において集束スポットをシフトさせるために、レンズコンポーネント３０の位置または反射器５０の角度の調節を利用することができる。
【００１７】
本例において、光源２０及び受光器(非線形光学結晶７０')は光軸ＯＡ(レンズコンポーネント３０の光軸)に対して中心が外され、光軸に対して対称に、またはほぼ対称(対称からのずれが±１００μｍ以内、好ましくは±５０μｍ以内)に、配置される。さらに詳しくは、非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面における光ビームの収差を最小限に抑えるために、赤外線ダイオード２０'のダイオード導波路２０'Ａの出力面と非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面は、距離ｄがレンズ３０の焦点距離ｆに比較して小さい(すなわちｄ≪ｆの)狭いエアギャップで隔てられる。レンズ３０の焦点距離は１〜５ｍｍ(１ｍｍ≦ｆ≦５ｍｍ)、例えば、１ｍｍ、１.３ｍｍ、１.５ｍｍ、１.７ｍｍ、２ｍｍまたは２.５ｍｍであることが好ましい。光源２０と非線形光学結晶７０'の間隔ｄは、３０μｍ≦ｄ≦１５００μｍであることが好ましく、５０μｍ≦ｄ≦７５０μｍであることがさらに好ましく、１００μｍ≦ｄ≦６００μｍであることがさらに好ましく、１５０μｍ≦ｄ≦５００μｍであることがさらに一層好ましく、３００μｍ≦ｄ≦５００μｍであることが最も好ましい。例えば、距離ｄは、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、４００μｍ、または４５０μｍとすることができる。すなわち、本実施形態において、光源２０(ダイオードレーザ２０')と受光器４０(非線形光学結晶７０')は、ｄ'≒ｄ/２、例えばｄ'＝ｄ/２±１００μｍ、光軸に対して、Ｙ軸に沿って中心がずらされる。中心ずれ距離ｄ'はｄ/２に等しいかまたはｄ/２から５０μｍの範囲内にある(すなわちｄ'＝ｄ/２±５０μｍ)ことが好ましい。
【００１８】
本明細書に説明される折返し型レーザシステム構成(例えば、図１Ｂ，２，６，８Ａ及び８Ｂを見よ)には、光路が折り重ねられるから、レーザキャビティの全体の長さが短縮される(したがって、レーザのパッケージ寸法が小さくなる)という利点がある。折返し型レーザ構成は、同じレンズコンポーネントが、ビームをコリメートするために１回及び非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面上に光を再集束させるために１回で２回用いられるから、レンズコンポーネント３０によって生じる非対称光学収差の効果が最小限に抑えられる点でも有利である。安定で正確な取付け手法が与えられれば、レーザシステム１０は完全に受動型とすることができる(すなわち可動コンポーネントを備える必要はない)(そのような構成は図１Ｂに簡略に示される)。あるいは、上述したように、レーザシステム１０は、２つの横方向においてＰＰＬＮ入力面上に集束ビームを能動的に位置合せするために、ＭＥＭＳミラーのような可調反射器を容易に利用することができる。
【００１９】
折返し型構成の実用化には多くの課題が立ち現れる。第１に、折返し型レーザシステム構成ではレンズコンポーネント３０の光軸に対して中心が外された光源(ダイオードレーザ２０)及び受光器(非線形結晶７０)が用いられるから、オフアクシス光学収差が存在し、制御が困難であり得る。ダイオードレーザ２０'から非線形光学結晶７０'への高結合を達成するためには、光学収差を小さくしておかなければならない。本発明の緑色レーザ実施形態１０の一利点は、レンズコンポーネント３０の位置がずれていたとしても、オフアクシス収差は小さいままであることである。第２に、ダイオードレーザ２０'が非線形光学結晶７０'に近接していることから、ダイオードレーザ２０'から非線形光学結晶７０'への熱伝達も生じ得る。非線形光学結晶内の温度勾配は赤外光から緑色光への変換効率を劣化させる。本発明の緑色レーザ実施形態の一利点は、ダイオードレーザ２０'のダイオード導波路２０'Ａと非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの間がエアギャップＡＧによって隔てられているため、ダイオードレーザから結晶への熱伝達が最小限に抑えられることである。第３に、レーザシステム１０の少なくともいくつかの実施形態例では、反射器５０またはレンズコンポーネント３０を移動させることによって光ビームの焦点を制御するためのアクチュエータが必要ではない。そのような実施形態は、レーザシステム１０の焦点がぼけず(またはぼけが最小であり)、温度の関数としての光学コンポーネントの横方向位置の変化が有意な大きさにならない(さもなければ、結晶導波路７０'Ａの入力面とダイオード導波路２０'Ａの出力面の間の光結合が弱められ、光出力パワーが失われ得るであろう)。最後に、レーザシステム１０は光フィードバックの影響を制御できるかまたは最小限に抑えることができる点も有利である。例えば、本明細書に説明される緑色レーザ実施形態において、非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの前面からの反射が赤外ダイオードレーザ２０'に望ましくないモードホッピング挙動をおこさせることはない。
【００２０】
図２は、緑色レーザシステム１０の一実施形態に集成された搭載光学コンポーネントを簡略に示す。非線形光学結晶７０'(ＰＰＬＮ結晶)がダイオードレーザ２０'の上方に配置され、２つの導波路７０'Ａと２０'Ａの端面の間を狭いエアギャップＡＧが隔てている。このエアギャップＡＧの存在及び大きさは、以下で説明されるように、いくつかの理由のために重要である。
【００２１】
第１に、ダイオードレーザに電流及び電圧の制御信号を供給するため、ダイオードレーザ２０'の様々な区画に１つないしさらに多くのワイアボンド２３が取り付けられる。これらのワイアボンドは、ある最小曲げ半径を有し、したがってダイオードレーザ２０'上方の有限の高さに延び上がる、ループ２３'を形成する。最小ワイアボンドループ高は、例えば１００μｍ〜１５０μｍとすることができ、赤外ダイオードレーザ２０'のダイオード導波路２０'Ａと非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面の間の可能な最小垂直方向間隔を定める。
【００２２】
第２に、エアギャップＡＧは、動作時に熱源としてはたらく、ダイオードレーザ２０'から非線形光学結晶７０'を断熱する。空気は、特に金属またはその他の多くの固体材料と比較して、良好な断熱体としてはたらき、ダイオードレーザ２０'からの熱の非線形光学結晶７０'への到達を防止する。熱は非線形光学結晶７０'内に温度勾配を生じさせることができ、したがって結晶導波路７０'Ａの非線形変換効率に悪影響を及ぼすから、熱を非線形光学結晶７０'に到達させないでおくことが好ましい。さらに詳しくは、非線形光学結晶７０'内の温度勾配は、温度が非線形光学結晶７０'内の結晶導波路７０'Ａの屈折率に影響するから、有害であり得る。一般に、緑色出力の波長依存性は(正確な形状は結晶導波路７０'Ａの一様性に依存するが)関数ｓｉｎ(ｘ)/ｘであり、温度勾配はこの関数を歪める(ｘは最適波長からのＩＲ波長λにおける偏差を表すことに注意されたい)。
【００２３】
図３は、図２に示した構成と同様のレーザシステム構成においてダイオードレーザからの熱がどのように伝導されるかを示す、熱モデルである。さらに詳しくは、図３は、エアギャップＡＧで隔てられたダイオードレーザ２０'とカンチレバー型非線形光学結晶７０'の有限要素熱モデルを示す。ダイオードレーザ２０'は熱源としてはたらくが、図３に示されるように、エアギャップがダイオードレーザ２０'を非線形光学結晶７０'から断熱する。ダイオードレーザは金属のパッケージベースによって支持される。本図に示されるように、ダイオードで発生する熱のほとんど全ては金属パッケージベースに伝導される。すなわち、正確な温度条件は材料及び特定の設計に依存するであろうが、このモデルは、熱は金属コンタクトによって効率的に運び去られ、エアギャップの比較的高い熱インピーダンスのため、ダイオードレーザ２０'から非線形光学結晶７０'に渡されはしないことを示す。実験データは、エアギャップＡＧの存在により、非線形光学結晶７０'の変換効率が熱の影響で低下しないことを示した。
【００２４】
第３に、２つの導波路７０'Ａ，２０'Ａ間の距離ｄは、距離が大きくなるとダイオード導波路２０'Ａの出力面または非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面のいずれかが、またはいずれもが、光軸(Ｚ軸)に対してかなり(Ｙ軸方向に)中心がずらされる必要があるから、実用上可能な限り小さくしておくべきである。一般にレンズコンポーネント３０の光軸は２つの導波路７０'Ａと２０'Ａの中間に配される。これにより、２つの導波路７０'Ａ，２０'Ａ間の光の光学結合が得られ、(能動ミラーが用いられていれば)導波路の小さなシフトを補償するためにミラーの傾きを利用できるように能動ミラー５０をその作動範囲の中心においておくことも可能になる(そのようなシフトは、例えば、温度及び湿度の変化によって生じ得る)。２つの導波路のいずれか一方の配置がレンズの光軸から離れるほど、非線形光学結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面上における集束スポットに導入される光学収差が大きくなるであろう。そのような収差には、非点収差、コマ収差及び球面収差がある。図４は、２つの導波路２０'Ａ，７０'Ａ間の距離(Ｙ軸に沿う垂直方向距離)ｄが大きくなるにつれて２つの導波路２０'Ａ，７０'Ａ間の結合効率がどのように低下するかを示す例である。距離ｄが大きくなるにつれて、光学収差がビームを歪ませ、導波路２０'Ａ，７０'Ａ間で結合されるパワーは小さくなっていく。焦点距離が長いレンズコンポーネントほど光学収差が少ない像をつくるであろうから、像及び物体を同じ距離ｄ'だけ変位させる場合、これらの収差を最小限に抑える一方法は焦点距離が長いレンズコンポーネントを用いることである。しかし、発明者等はレーザパッケージの大きさを最小に抑えることを求めており、このことは焦点距離が可能な限り最短のレンズコンポーネントを使用するべきであると規定する。例えば、レンズコンポーネント３０は約１.３〜１.７ｍｍの焦点距離ｆ(例えばｆ＝１.５ｍｍ)を有し得る。すなわち、レンズコンポーネント３０は短焦点距離を有し、結晶導波路７０'Ａの入力面において最小の大きさの収差を与え、２つの導波路２０'Ａと７０'Ａの間の最適な中心-中心間隔ｄで決定される高い結合効率を有することが好ましい(図４において、ゼロ(無間隔)ではなくｄ＝１１０μｍにおけるピーク結合はダイオードレーザ２０'の斜め光放射によることに注意されたい)。
【００２５】
発明者等は、好ましい導波路間隔ｄを、５０μｍよりは大きいが１５００μｍより小さく、好ましくは７００μｍより小さいと決定した。例えば、レンズコンポーネント３０の焦点距離が約１.５ｍｍの場合、１５０μｍ〜４５０μｍの距離ｄでうまくはたらく(距離ｄが４５０μｍより若干大きいかまたは１５０μｍより若干小さい場合は、焦点距離ｆが若干長いかまたは若干短いレンズコンポーネント３０がうまくはたらくであろう)。最小距離ｄは初め、ダイオードレーザ２０'と非線形光学結晶７０'の間にワイアボンドループ２３'を適合させることができるか否かで決定される。さらに、一般的な非線形光学結晶７０'は数μｍ厚ないし数１００μｍ厚になり得る「キャップ」層７０'Ｂを有するから、結晶導波路７０'Ａは非線形光学結晶７０'の最外端には配置されていないことになる。キャップ層７０'Ｂ及びトップ層７０'Ｃは、それらの間の結晶導波路７０'Ａとともに、図５ａ及び５Ｂに簡略に示される。したがって、２つの導波路の間の可能な最小の間隔は、[キャップ層(存在すれば)の厚さ＋ワイアボンド２３を収めるに必要な最小距離]で設定される。例えば、ワイアボンドループ２３'に１５０μｍの高さが必要でれば、また非線形光学結晶７０'が２００μｍ厚のキャップ層７０'Ｂを有していれば、可能な(中心-中心)最小間隔ｄは３５０μｍ(２００μｍ＋１５０μｍ＝３５０μｍ)である。最大導波路間隔ｄは第一義的には、２つの導波路２０'Ａと７０'Ａの間の光結合は距離ｄが大きくなるにつれて低下するであろうから、レンズコンポーネント３０の光学収差によって決定される。
【００２６】
あるいは非線形光学結晶７０'をダイオードレーザ２０'の上方に配置する必要はない。代わりにダイオードレーザ２０'の側方に非線形光学結晶７０'を配置することができる。そのような「並行」構成が図６に簡略に示される。この構成には、レーザワイアボンド２３のための垂直方向スペースを大きくとれるという利点がある。しかし、ダイオードレーザの構造はある程度の固有の幅(約３００μｍ)を有し、さらに結晶導波路７０'Ａは非線形光学結晶７０'の端に配置されてはいないであろうから、一般に２つの導波路の間隔をさらに広くする必要がある。図６の構成を利用する場合、熱クロストークを防止するため、ダイオードレーザと非線形結晶の間を離して、ダイオードレーザと非線形結晶の間にエアギャップＡＧを設けるべきである。この「並行」構成は図２に示される構成と、この実施形態ではダイオードレーザ２０'と非線形光学結晶７０'の位置が９０°回転されて間隔が垂直方向ではなく水平(Ｘ軸)方向にとられていることを除いて、全く同様である。ダイオードレーザ２０'と非線形光学結晶７０'の間の断熱を保証するため、狭いエアギャップＡＧが用いられる。図６に示される緑色レーザシステム例１０も、コマ収差が垂直軸に沿うよりも緩やかに光結合を劣化させるであろうように、小開口数側すなわちダイオードレーザの水平方向(すなわちビーム２２の発散はＹ軸に沿うよりもＸ軸に沿って小さい)に沿ってシステムをはたらかせるという利点を有する。このことが図７に示される。さらに詳しくは、図７は２つの相異なるレーザシステム構成の結合効率対導波路間隔ｄを示す。一方の構成において、非線形光学結晶７０'は図２に示されるように(Ｙ軸に沿って)レーザ２０'の上方に配置され(曲線ＣＣを見よ)、他方の構成においては、非線形光学結晶７０'は図６の「並行」構成に示されるように(Ｘ軸に沿って)レーザ２０'の隣に配置される(曲線ＳＳ)。菱形の印のついた線は「並行」構成に対応し、方形の印のついた線はカンチレバー型構成に対応する。ダイオードレーザビーム２２の開口数は水平方向で小さい(発散が小さい)から、図６の並行構成では図２のカンチレバー型構成より大きな間隔ｄにおいて高い結合効率が得られる。したがって、並行マウントにより、同じ結合効率を達成しながら、２つの導波路の間隔ｄを大きくすることが可能になるであろう。「並行」構成における光源２０と非線形光学結晶７０'の間隔ｄは、３０μｍ≦ｄ≦１５００μｍであることが好ましく、５０μｍ≦ｄ≦７５０μｍであることがさらに好ましく、５０μｍ≦ｄ≦５００μｍであることがさらに一層好ましく、３５０μｍ≦ｄ≦５００μｍであることが最も好ましい。例えば、エアギャップは、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、４００μｍまたは４５０μｍの距離ｄを特徴とすることができる。これらの２つの導波路の結合効率差Ｄは、３５０μｍにおいて０.８％であり、４５０μｍにおいて２.４％である。
【００２７】
さらに、非線形結晶７０'をその上面から、すなわち、導波路から最も遠い側であり、非線形結晶７０'のトップ層７０'Ｃに対応する表面から、マウントすることが有利であり得る。このことが、図８Ａ(側面図)及び８Ｂ(入力端面図)に示されている。このトップマウント法の利点は、キャップ厚(結晶導波路と非線形結晶の底面の間の距離)が様々な非線形結晶７０'を同じレーザシステムにおいて互換で用い得ることである。そのような互換性は、製造手法が相異なり、したがってキャップ厚が相異なり得る、様々な購入先からの非線形結晶７０'の使用が可能になるから、有利である。非線形結晶７０'の上面とダイオードレーザ２０'の間隔ｄが変化しない限り、ダイオードレーザ２０'のダイオード導波路２０'Ａと非線形結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの間隔は一定のままであろう。このタイプのトップマウント法は図６に示される並行マウント構成にも、結晶のマウント面をダイオードレーザから最も遠い側の面にして、適用することができる。
【００２８】
図１Ｂ，２，６，８Ａ及び８Ｂに示されるレーザシステム１０は、光源２０(ダイオード導波路２０'Ａの出力面)と受光器(ＳＨＧ結晶の結晶導波路７０'Ａの入力面)の間の光路長ＯＰＬがダイオードレーザのキャビティと同じ光路長を有するように設計される(ＯＰＬ＝Ｄｉ×Ｎｉ，ここで、Ｄｉは異なるコンポーネントの表面間距離であり、Ｎｉはそれらの表面間の屈折率である)。すなわち、図１Ｂ，２，６，８Ａ及び８Ｂに示されるレーザシステム１０は、ダイオードレーザ２０'のダイオード導波路２０'Ａの出力面と非線形結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面の間に形成されるキャビティがダイオードレーザの内部キャビティの光路長と同じ光路長を有するような、結合キャビティ条件ではたらくように設計される。すなわち、例えば、ダイオードレーザ２０'のダイオード導波路２０'Ａを通る光路長が９.５ｍｍであれば、システム１０の(光源から受光器までの)光路長は９.５ｍｍとすべきである。したがって、光源２０がダイオードレーザであれば、光源２０からレンズコンポーネント３０に向かい、レンズコンポーネント３０を通って反射器５０に至る光路長(ＯＰＬ)はダイオード導波路２０'Ａを通るＯＰＬの１/２である。この構成の利点は、非線形結晶７０'の結晶導波路７０'Ａの入力面からの寄生反射によって生じる、レーザ波長不安定性が最小限に抑えられることである。
【００２９】
レンズコンポーネント３０は、ダイオードレーザ２０'によって供給されるＩＲ光をコリメートするため及びその光を非線形結晶７０'の結晶導波路に再集束させるためのいずれにも用いられることが好ましい。レンズコンポーネント３０はほぼ１：１の倍率Ｍを与えるように配置される。レンズコンポーネントはダイオードレーザ２０'の出力面を非線形結晶７０'の入力面上に倍率Ｍで結像するように配置され、０.９≦|Ｍ|≦１.１であることが好ましく、０.９５≦|Ｍ|≦１.０５であることがさらに好ましい。レンズコンポーネント３０は、約０.３５と約０.６の間の開口数ＮＡ，１ｍｍ〜３ｍｍの焦点距離ｆ，０.３ｍｍ〜３ｍｍの前方作動距離ＦＷＤ及び０.５ｍｍ〜３ｍｍの後方作動距離ＢＷＤを有することが好ましい。ＥＷＤは光源２０からレンズコンポーネント３０の前面(すなわち光源に向いているレンズ面)Ｓ１までの光軸に沿う距離である。ＢＷＤはレンズコンポーネント３０の後面Ｓ２から反射器５０までの距離である。反射器５０は、光源２０の平均ビーム角(ビーム重心)が受光器７０上の平均ビーム角に平行である(すなわち非線形結晶７０'の入力面によって遮られる収斂光円錐の重心に平行である)ときに最適光結合の達成が可能になる、レンズコンポーネント３０の後方焦平面に配置されることが好ましい。
【００３０】
最大半角がΘの発散ビームを光源２０が供給する場合、光源の平均放射角の方向が受光器上の平均ビーム角に平行であるように、反射器５０がレンズコンポーネント３０の後方焦平面に配置されることが好ましい。中心を外れた光源がレンズコンポーネントの焦平面に配置され、軸からのずれが７５０μｍまでの場合、レンズコンポーネント３０は、コリメートビームが(反射器表面の法線に対して)、０.０５ｒａｄ≦Θ'≦０.２ｒａｄであるような角度Θ'をなすように、コリメートビームを供給する構造につくられる。
【００３１】
本例のレンズコンポーネント３０は光源の像を受光器上に与える構造につくられ、像の特徴は、
(ｉ)レンズコンポーネントの光軸にレーザシステムの軸(２つのコンポーネントの(面)間の正中線)との、あるいは光源の平均放射角(ビーム重心)に対する、アライメントずれがない場合に、０.０５波ｒｍｓより大きく、０.１波ｒｍｓより小さい非点収差、及び
(ii)レンズコンポーネントが光源の平均放射角に対して２°〜６°傾けられている場合に、２°〜６°の傾角に対して０.０５より小さい非点収差、
である。すなわち、レーザシステム１０の集成中にレンズコンポーネント３０にアライメントずれ(若干の傾きまたは中心ずれ)がおこったとしても、受光器７０上のｒｍｓ波面収差は≦０.１λである。ここで、λは光源２０によって与えられる中心波長である。
【００３２】
非点収差は、
(ｉ) レンズコンポーネントのウエッジ、または
(ii) レンズコンポーネントの一方の表面の他方の表面に対する中心ずれ、または
(iii)一方の表面の他方の表面に対する傾き、
によって生じ得ることに注意されたい。
【００３３】
本明細書に説明される実施形態のレンズコンポーネント３０は、ダイオード導波路２０'Ａと結晶導波路７０'Ａの間のエアギャップＡＧを、結合効率の低下を最小限に抑えて、比較的広くできるように最適化されることが好ましい。すなわち、レンズコンポーネント３０は、ダイオード導波路２０'Ａの出力面と結晶導波路７０'Ａの入力面が比較的大きな距離ｄで隔てられていても、高い結合効率を維持する。光路が折り返され、単一レンズコンポーネント３０しか用いられていないから、物体(ダイオード導波路２０'Ａの出力面)と(結晶導波路７０'Ａの入力面にある)像は、レンズコンポーネントの光軸を外して配置される。上で論じたように、軸を外して配置された導波路２０'Ａ，７０'Ａに対して焦平面において歪が最小のビームスポットを与えるために、レンズコンポーネント３０は低い(例えば、λをダイオードレーザ２０'によって与えられる波長として、０.０１λと０.１λの間の)非点収差を有するように設計されることが好ましい。様々な市販のレンズコンポーネントを用いて達成できる、結合効率(ＣＥ)対ＬＤ-ＳＨＧ垂直方向距離の比較が図９に示される。第１の例のレンズコンポーネント(レンズ＃１)は第２の例のレンズコンポーネント(レンズ＃２)より低い非点収差を有し、この結果、導波路間隔許容量が大きくなる。第１のレンズコンポーネントに対しては、２ｍｍ及び２.３ｍｍの、２つの異なるレンズ-ミラー距離(ＢＷＤ)についても結合曲線を計算した。
【００３４】
さらに、レーザシステムの長さを最小限に抑えるには短焦点距離レンズコンポーネント３０が好ましい(ミラー５０と２つの導波路７０'Ａ及び２０'Ａと間の距離はほぼ２×焦点距離である)。さらに、短焦点距離レンズコンポーネント３０は、長焦点距離レンズコンポーネントより温度の関数としての焦点ぼけが小さくなるであろう。第１近似として、レンズコンポーネント３０の屈折率における温度誘起変化によって生じるレンズ焦点距離ｆの変化は、
【数１】
2012525610.tif 000003
【００３５】
によって近似される。ここで、ｆは焦点距離、ｎはレンズ材料の公称屈折率、ｄｎ/ｄＴは温度による屈折率の変化である。すなわち、レンズコンポーネントの焦点距離が短くなるほど、焦点位置のシフトは小さくなる(ｄｎ/ｄＴが小さくなる)であろう。したがって、焦点距離ｆは５ｍｍより短いことが好ましく、１ｍｍ≦ｆ≦３ｍｍであることがさらに好ましく、１ｍｍ≦ｆ≦２ｍｍであることが最も好ましい。最後に、ｄｎ/ｄＴ値が低いレンズ材料を選択することが好ましい。
【００３６】
レンズコンポーネント３０とミラー５０の間隔(すなわち後方作動距離ＢＷＤ)の近似値は約一焦点距離であるが、ＢＷＤの正確な選択はその他のいくつかの要件によって影響される。第１の要件は、ダイオードレーザ２０'からのレーザビームの出射角(ビーム２２の平均放射角、すなわちビーム重心の角度)である。ダイオード導波路２０'Ａが非平劈開面を有していれば、放射光は容易にＺ軸から上方または下方に数度の角度をなして出射し得る。これは、光学ＢＷＤが一焦点距離から若干異なるであろうし、よって反射ビームの結晶導波路７０'Ａの入力面への最適角度での(例えば結晶導波路７０'Ａの入力面に垂直な)入射が可能になることを意味する。これが、例えば図１０Ａに示される。しかし、光学システムにおける対称性からのこの逸脱の結果、２つの導波路７０'Ａ，２０'Ａの配置に対するアライメント許容量が厳しくなり、レンズコンポーネント３０の位置決め許容量が厳しくなる。代わりに、レーザビームの出射角が光軸に平行であれば、レーザシステムは対称性を維持し、テレセントリックになるであろうし(図１０Ｂ)、この結果、２つの導波路７０'Ａ，２０'Ａの位置決めに対する許容量が緩くなる。したがって、レンズコンポーネント３０のレンズ光軸に放射ＩＲビーム２２が平行であるようにダイオードレーザ２０'を物理的にマウントすることが有利である。これは、図１１に示されるように、ある角度θをつけてダイオードレーザ２０'をマウントすることによって行うことができる。この実施形態において、マウント角度θ＝３.３°であり、キャップ層厚さは２００μｍである。この設計は同時に、結晶導波路７０'Ａの入力面上への適切な入射角を保証することによって結合光量を増加させて、光学システムをテレセントリックにすることにより、光学システムのアライメント許容量を広くする。
【００３７】
ＢＷＤの選択における第２の要件は、ダイオード導波路自体の光路長に等しい、ダイオードレーザの出力面と結晶導波路７０'Ａの入力面の間に形成されるキャビティの光路長の設定である。キャビティのモード間隔は結晶自体の後方反射によって形成される。非線形変換プロセスの効率は(帯域幅Δλが０.２ｎｍのオーダーの)ＩＲレーザ波長の鋭敏関数である。このため、レーザシステムの緑色出力パワーはダイオードレーザ２０'により供給されるＩＲ光の波長の小さな変化に敏感になる。ダイオードレーザは僅かなフィードバック量にさえ極めて敏感であるから、結晶導波路７０'Ａの入力面には無反射コーティングが施されて、反射したがってダイオードレーザ２０'へのフィードバックを最小限に抑える角度で劈開される。そのようにしてもまだ、ダイオードレーザ２０'のモード選択に影響するに十分な反射及び後方散乱が存在し得る。このフィードバックが、レーザシステム１０のいずれかの光学コンポーネントによって形成されるキャビティの温度変化またはその他の環境変化により、時間の関数として変化すれば、ダイオードレーザ２０'はモードホッピングを受けることになり、レーザシステムの出力パワー(緑色光出力パワー)が変動するであろう。これらの変化の影響を最小限に抑えるための一方法は、(結晶導波路７０'Ａの入力面とダイオード導波路２０'Ａの出力面によって形成される)外部キャビティがダイオードレーザ自体の自由スペクトル範囲とほぼ同じであることを保証することである。モードホッピング、すなわち光学キャビティのスペクトル範囲は、下式：
【数２】
2012525610.tif 000004
【００３８】
で決定される。ここで、λはレーザ波長(例えばダイオードレーザのＩＲ波長)であり、Ｌは(例えばダイオード導波路の)光学キャビティ長であって、ｎはキャビティ内部(例えばダイオードレーザ２０'によって形成されるダイオードレーザキャビティ内部)の屈折率である。例えば、３ｍｍ長ＩｎＧａＡｓ赤外ダイオードレーザ２０'のモード間隔はほぼ０.０６ｎｍである。これは、本例において結晶導波路７０'Ａの入力面とダイオード導波路２０'Ａの出力面の間の所要ＯＰＬが、焦点距離ｆが約１.５ｍｍのレンズコンポーネント３０を用いることで達成され得ることを意味する。
【００３９】
図１２は、２つの相異なるレンズコンポーネント例について、ダイオード導波路２０'Ａと結晶導波路７０'Ａの間の光路長をＢＷＤ(レンズ-ミラー間隔またはレンズ-ミラー間距離)の関数として示す。ダイオードレーザ２０'のキャビティモード間隔に整合する、所望の光路長は９.３６ｍｍである。図１３は、同じ２つのレンズコンポーネント例について、結合効率をＢＷＤの関数として示す。図１３に示されるように、所望の光路長を生じさせるには、ＢＷＤの光結合距離からの僅かな(数１００μｍ以下の)調節しか必要ではない。例えば、図１３はＯＰＬ＝９.３６ｍｍを与える間隔を示す。
【実施例】
【００４０】
以下の実施例によって本発明はさらに明解になるであろう。
【００４１】
実施例１
図１４は図１１に示したレンズコンポーネント３０を示す。本実施形態例においては、図２及び３のレンズコンポーネント３０が、０.４の開口数ＮＡ上で波長１０６０ｎｍにおける±２００μｍの視野に対して、０.１λ未満のｒｍｓ(二乗平均)波面収差(ＷＦＥ)を与えるように、また光源と受光器の間の光路長が９.３６ｍｍであるような焦点距離と厚さの組合せを有するように、最適化される。
【００４２】
レンズコンポーネント３０の曲率半径(ｒ１,ｒ２)、厚さＴｈ(頂点-頂点)及び非球面係数は、
１．コマ収差及び非点収差(システム性能に対する２つの最悪収差)を最小にする、
２．大視野を得る。ダイオードレーザ２０'の導波路領域と非線形光学結晶７０'の導波路領域の間の４００μｍ(ｄ＝３５０μｍ±２５μｍ)の間隔に対してレーザシステムが良好な結合効率を有するように、低い軸外収差を大きな開口(例えばＮＡ＝０.４)に組み合わせる、及び
３．ダイオードレーザ２０'の出力面と非線形光学結晶７０'(例えば２次高調波発生(ＳＨＧ)結晶)の入力面の間に形成されたキャビティがダイオードレーザキャビティと同じ光路長を有するような、結合キャビティ条件におけるレーザシステム１０の動作を可能にするための、焦点距離と厚さの適切な組合せを提供する、
ように選ばれることが有利である。
【００４３】
上述したように、レンズコンポーネント３０は前面Ｓ１及び後面Ｓ２を有する。前面Ｓ１は曲率半径がｒ１の凸非球面であることが好ましい。後面は曲率半径が、|ｒ１|＞|ｒ２|であるような、ｒ２の凸非球面であることが好ましい。
【００４４】
図１４のレンズコンポーネント３０は、
(Ｉ)レーザシステムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲で等しい)結合キャビティ条件にあることを可能にする；ＯＰＬ＝(０.９ｍｍ＋１.７４４ｍｍ×１.５＋１.１８ｍｍ)×２＝９.３９ｍｍ、
という特徴を有し、
(II)以下のパラメータ、
(ｉ)  ＦＷＤ＝０.９０ｍｍ、
(ii)  １.７４ｍｍの厚さＴｈ(頂点-頂点)、
(iii) 焦点距離：ｆ＝１.７６ｍｍ、
(iv)  １０６０ｎｍにおけるガラス屈折率：ｎ＝１.５、
(ｖ)  １.４ｍｍの前面Ｓ１の有効直径、
(vi)  ２ｍｍの後面Ｓ２の有効直径、
(vii) ＮＡ＝０.６１、及び
(viii)２.５ｍｍ〜３ｍｍのレンズコンポーネント外径、
を有する。
【００４５】
前面Ｓ１及び後面Ｓ２の表面サグは次式：
【数３】
2012525610.tif 000005
【００４６】
で与えられる。ここで、ｃは曲率半径、ｒはコンポーネント中心からの径方向距離、及びｋ＝円錐係数である。
【００４７】
図１４のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表１に与えられる。
【表１】
2012525610.tif 000006
【００４８】
図１５はレーザシステム１０での使用に適するレンズコンポーネント３０の性能を示し、結合用途に一般に用いられる市販非球面レンズの２つの例(１及び２)の性能も示す。上述したように、赤外ダイオード２０'の導波路の出力面と非線形光学結晶７０'の導波路の前面は小さな距離ｄで隔てられている。図１５は、レンズコンポーネント３０が、焦点距離が同様の２つの市販非球面結合レンズより高い結合効率を有することを示す。例えば、レンズコンポーネント３０は、赤外ダイオード２０'の導波路の出力面と非線形光学結晶７０'の導波路の前面が４５０μｍ(０.４５ｍｍ)までの距離ｄで隔てられていても約９０％ないしさらに高い最大結合効率を維持するが、他の２つのレンズはそれぞれ３５０μｍ及び２１５μｍのｄ値にまでしか９０％の最大結合効率を維持していない。同様に、レンズコンポーネント３０は、赤外ダイオード２０'の導波路の出力面と非線形光学結晶７０'の導波路の前面が約５６０μｍの距離ｄで隔てられていても約８０％ないしさらに高い最大結合効率を維持するが、他の２つのレンズはそれぞれ３６０μｍ及び２７０μｍのｄ値にまでしか８０％の最大結合効率を維持しない。
【００４９】
実施例２
図１６はレーザシステム１０での使用に適するレンズコンポーネント３０の別の例を示す。図１６のレンズコンポーネント３０は、
(Ｉ)レーザシステムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲で等しい)結合キャビティ条件にあることを可能にする、
という特徴を有し、
(II)以下のパラメータ、
(ｉ)  ＦＷＤ＝０.５６８ｍｍ、
(ii)  １.８２ｍｍの厚さＴｈ(頂点-頂点)、
(iii) 焦点距離：ｆ＝１.４ｍｍ、
(iv)  １０６０ｎｍにおけるガラス屈折率：ｎ＝１.７８４、及び
(vii) ＮＡ＝０.４、
を有する。
【００５０】
図１６のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表２に与えられる。
【表２】
2012525610.tif 000007
【００５１】
実施例３
図１７はレーザシステム１０での使用に適するレンズコンポーネント３０を示す。図２及び３のレンズコンポーネント３０は、
(Ｉ)レーザシステムが(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間のＯＰＬがダイオードレーザのＯＰＬと±０.０５ｍｍの範囲で等しい)結合キャビティ条件にあることを可能にする、
という特徴を有し、
(II)以下のパラメータ、
(ｉ)  ＦＷＤ＝１.０１ｍｍ、
(ii)  １.５７８ｍｍの厚さＴｈ(頂点-頂点)、
(iii) 焦点距離：ｆ＝１.７８９ｍｍ、
(iv)  １０６０ｎｍにおけるガラス屈折率：ｎ＝１.５、及び
(vii) ＮＡ＝０.４、
を有する。
【００５２】
図１７のレンズコンポーネント３０の表面パラメータは下の表３に与えられる。
【表３】
2012525610.tif 000008
【００５３】
レンズコンポーネント最適化
レンズシステムを最適するための従来方法は、全ての光学素子をそれぞれの公称位置におき、与えられた最適化関数に対する極小値を光学設計ソフトウエアに見いださせるステップを含む。また、光学コンポーネントの位置決め許容量を可能な限り大きくするため、通常の最適化方法は中間スペース(すなわち光学コンポーネント間)において収差を最小限に抑えるステップを含む。すなわち、一般的な最適化中に、レンズ設計者は、光屈折力を備えるそれぞれの光学表面の後で、波面が完全な(球面または平面の)波面に可能な限り近いことを検証しようとする。これは通常、中間スペースにおいて(すなわち異なる表面間及び光学素子間のスペースにおいて)ザイデル係数(収差)に課されるいくつかの制約を最適化関数に含めることによってなされる。
【００５４】
この方法を折返し型構成に適用することにより、発明者等は０.５ｍｍまでのダイオードレーザ-ＰＰＬＮ結晶間距離ｄで優れた結果を得た。残念ながら、このタイプの最適化を用いて発明者等が得た設計は全て製造許容量及び組立位置決め許容量が非常に厳しく、レンズコンポートの傾きがおそらく最もクリティカルであり、約１°以下に制限された。
【００５５】
レンズコンポーネント３０またはミラー５０の僅かな傾きの影響はほとんどがいくらかのコマ収差及び非点収差の導入であり、いずれも結合の劣化(ダイオードレーザと非線形光学結晶の間の低効率結合)に寄与する。
【００５６】
図１８はレンズ収差対レンズ傾きを示し、さらに詳しくは、一例のレンズコンポーネント３０の傾きの関数としての総合波面収差(ＷＦＥ)の変遷を示す。この計算においては、ダイオードレーザとＰＰＬＮ結晶の間隔ｄを一定(０.３５ｍｍ)に保ち、レンズ傾きのそれぞれの値毎に焦点を調節した。傾きが大きくなるにつれて、(主要な収差である)コマ収差(Ｃ)及び非点収差(Ａ)のいずれの大きさも増加する。レンズが傾けられていなければ波面収差は非常に小さいが、傾きが大きくなるにつれて波面収差は急速に悪化することが、結果である。
【００５７】
許容量を緩めるため、発明者等は別の最適化方法を試みた。この最適化で得られたレンズコンポーネントは、形状及び非球面度に関しては先にレンズコンポーネントとほとんど同様である。しかし、許容量解析により、レンズ傾き及びミラー角に関する許容量が５倍に緩められることが示される。この緩和がどこに起因しているかを理解するため、発明者等はレンズの傾きの関数として収差の変化を再び計算した。図１９もレンズ収差対レンズ傾きを示す。図１９に見ることができるように、非点収差曲線(Ａ)は傾きがゼロのときに最小ではなく、実際にはレンズの傾きが大きくなるにつれて減少する。これは基本的に、全てのコンポーネントが傾きゼロでそれぞれの公称位置にあるときに、この設計が、レンズの傾きが大きくなると現れる収差を補償する、いくらかの残留非点収差を示すことを意味する。
【００５８】
広いレンズ傾角範囲にわたり総合収差が比較的平坦なままであることが、結果である。言い換えれば、公称設計はかなり大きな範囲の位置決め許容量の受け入れが可能である。
【００５９】
図２０は、両設計(レンズ設計＃１及び＃２)について、レンズの傾き及びミラーの傾きのそれぞれに対して計算した結合効率を示す。見て分かるように、コンポーネントがそれぞれの公称位置にあるときに、結合へのいかなる有意な影響も無しに許容量が劇的に改善されている。
【００６０】
この解析は、設計にいくらかの残留非点収差を導入することで位置決め許容量を劇的に改善できることを示す。そのような非点収差は、コンポーネントのアライメントずれにより生じる収差を補償し、システムを位置決め許容量に対してかなり寛大にする。
【００６１】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００６２】
５    緑色光
１０    折返し型レーザシステム
２０    コヒーレント光源
２０'    ダイオードレーザ
２０'Ａ    ダイオード導波路
２２    発散光ビーム
３０    レンズ
４０    コリメートビーム
５０    反射器
６０    像平面
７０    受光器
７０'    非線形光学結晶
７０'Ａ    結晶導波路
ＯＡ    光軸
【図１Ａ】
2012525610.tif 000009
【図１Ｂ】
2012525610.tif 000010
【図２】
2012525610.tif 000011
【図３】
2012525610.tif 000012
【図４】
2012525610.tif 000013
【図５Ａ】
2012525610.tif 000014
【図５Ｂ】
2012525610.tif 000015
【図６】
2012525610.tif 000016
【図７】
2012525610.tif 000017
【図８Ａ】
2012525610.tif 000018
【図８Ｂ】
2012525610.tif 000019
【図９】
2012525610.tif 000020
【図１０Ａ】
2012525610.tif 000021
【図１０Ｂ】
2012525610.tif 000022
【図１１】
2012525610.tif 000023
【図１２】
2012525610.tif 000024
【図１３】
2012525610.tif 000025
【図１４】
2012525610.tif 000026
【図１５】
2012525610.tif 000027
【図１６】
2012525610.tif 000028
【図１７】
2012525610.tif 000029
【図１８】
2012525610.tif 000030
【図１９】
2012525610.tif 000031
【図２０】
2012525610.tif 000032
【国際調査報告】
2012525610.tif 000033