(57)【要約】  第一の端面と、反対側の第二の端面とを含む非線形結晶が記載される。第一及び第二の端面は、非線形結晶の光軸に沿って０．２５ｍｍ〜２ｍｍの範囲の長さだけ分離される。非線形結晶の長さは、結晶を通して伝搬する光学場に誘導される非線形効果の減少をもたらすが、それは、非線形結晶が回転されるときに生成される光学場に生じる減少したずれも提供する。したがって、非線形結晶がエンハンスメントキャビティ内に組み込まれると、その減少した長さは、単一のキャビティミラーを調整するように配置されたサーボ制御電子部品により、出力場のずれが最小化されることを可能にする。これは、サーボ制御電子部品の複雑及びしたがって費用を、先行技術のエンハンスメントキャビティに用いられるものと比較して大幅に減少させる。【選択図】図４
2020521173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の端面と、反対側の第二の端面とを含む非線形結晶において、前記第一及び第二の端面は、前記非線形結晶の光軸に沿って０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の長さだけ分離されることを特徴とする非線形結晶。
【請求項２】
請求項１に記載の非線形結晶において、前記第一及び第二の端面は、前記非線形結晶の前記光軸に沿って０．７５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の長さだけ分離されることを特徴とする非線形結晶。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非線形結晶において、前記第一及び第二の端面は、前記非線形結晶の前記光軸に沿って１ｍｍの長さだけ分離されることを特徴とする非線形結晶。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の非線形結晶において、直角カット非線形結晶を含むことを特徴とする非線形結晶。
【請求項５】
請求項４に記載の非線形結晶において、反射防止コーティングは、前記非線形結晶の非線形動作を増強するために前記第一及び又は第二の端面に適用されることを特徴とする非線形結晶。
【請求項６】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の非線形結晶において、ブリュースタ角カット非線形結晶を含むことを特徴とする非線形結晶。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の非線形結晶において、前記非線形結晶の高さは、２〜８ｍｍの範囲であることを特徴とする非線形結晶。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の非線形結晶において、前記非線形結晶の幅は、２〜８ｍｍの範囲であることを特徴とする非線形結晶。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の非線形結晶において、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（ＢａＢ２Ｏ４））；ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））；ヨウ素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）；ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）；ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）；ＫＤＰ（リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４））；セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）；又はＫＴＰ（チタンリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４））から形成されることを特徴とする非線形結晶。
【請求項１０】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、請求項１乃至９の何れか１項に記載の１つ又は複数の非線形結晶を含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、４つ以上のミラーによって画定されるリングキャビティを含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、入力光学場の波長調整に応答して前記非線形結晶を回転させるために使用されるサーボ制御電子部品を含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２の何れか１項に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの第一のミラーは、第一のピエゾスタックを含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記サーボ制御電子部品は、前記第一のミラーを再配列して、前記非線形結晶の前記回転から生じる出力場のずれを補償するように前記第一のピエゾスタックを制御することを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記第一のミラーは、前記エンハンスメントキャビティ周波数ダブラのための出力カプラを含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１６】
請求項１０乃至１２の何れか１項に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの第二のミラーは、第二のピエゾスタックを含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記サーボ制御電子部品は、前記第二のミラーを再配列して、前記非線形結晶の前記回転から生じる出力場のずれを補償するように前記第二のピエゾスタックを制御することを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、前記第二のミラーは、前記エンハンスメントキャビティ周波数ダブラのための入力カプラを含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項１９】
請求項１０乃至１８の何れか１項に記載のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにおいて、並進ステージであって、その上に前記１つ又は複数の非線形結晶が載せられる、並進ステージをさらに含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ。
【請求項２０】
エンハンスメントキャビティ周波数混合器において、請求項１乃至９の何れか１項に記載の非線形結晶を含むことを特徴とするエンハンスメントキャビティ周波数混合器。
【請求項２１】
非線形結晶を製作する方法において、バルク結晶を加工して、第一の端面と、反対側の第二の端面とを含む非線形結晶であって、前記第一及び第二の端面は、前記非線形結晶の光軸に沿って０．２５ｍｍ〜２ｍｍの範囲の長さだけ分離される、非線形結晶を提供するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の非線形結晶を製作する方法において、前記バルク結晶の前記加工は、切削、成形及び研磨を含む加工手順の群から選択される１つ又は複数の加工手順を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学の分野に関し、特に周波数混合キャビティ内に特に用途を見出す新規の非線形結晶設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶の非線形光学特性は、長年にわたり、１つ又は複数の光学場の光子を混合して、所望の既知の周波数又は波長の出力光学場を生成するために使用されている。
【０００３】
このようなプロセスの一例が和周波混合（ＳＦＭ）である。この技術は、角周波数ω１及びω２の２つの入射光子を消滅させて、周波数ω３の１つの光子を発生させることに基づく。和周波発生は、パラメトリックプロセスであり、光子がエネルギー保存を満たし、物質を不変のままとすることを意味し、これは、以下の式（１）により定義される。
2020521173.tif 000003
式中、
2020521173.tif 000004
であり、ｈは、プランク定数を表す。
【０００４】
和周波混合が効率的に行われるようにするために、位相マッチングと呼ばれる、式（２）で定義される条件を満たさなければならない。
2020521173.tif 000005
式中、ｋ１、ｋ２及びｋ３は、３つの光波の、これらが媒質を通して移動する際の角波数である。この条件がより正確に満たされるほど、和周波発生がより効率的となる。また、和周波発生がより長い長さにわたって起こるほど、位相マッチングがより正確でなければならない。
【０００５】
ＳＦＭの特殊なケースは、第二次高調波発生（ＳＨＧ）であり、ここで、ω１＝ω２である。これは、場合により最も一般的なタイプのＳＦＭである。その理由は、ω１≠ω２である場合にしたがって２つの同時の入力場が必要となり、それによって配置がより困難であり得るＳＦＭと比較して、ＳＨＧでは１つのみの入力場が必要とされるからである。
【０００６】
当技術分野で知られているＳＦＭの代替プロセスは、差周波混合（ＤＦＭ）である。これは、異なるエネルギーの２つの光子を結合して、入射光子のエネルギー間の差と等しいエネルギーを有する第三の光子を生成することを含み、これは、以下の式（３）により定義される。
2020521173.tif 000006
式中、
2020521173.tif 000007
であり、ｈは、プランク定数を表す。
【０００７】
ＤＦＭが効率的に行われるようにするために、式（４）により定義される以下の位相マッチング条件を満たさなければならない。
2020521173.tif 000008
式中、ｋ１、ｋ２及びｋ３は、再び、３つの光波の、これらが媒質を通して移動する際の角波数である。
【０００８】
当技術分野で知られている他の周波数混合プロセスには、第三次高調波混合（ＴＨＭ）、高調波発生（ＨＨＧ）並びに光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）及び下方変換が含まれる。
【０００９】
上述の非線形効果が十分なレベルとなるようにするために、結晶製造者は、典型的に、高さ、幅及び長さの寸法が２〜６ｍｍ（高さ、Ｈ）、２〜６ｍｍ（幅、Ｗ）及び３ｍｍ〜３０ｍｍ（長さ、Ｌ）の範囲である非線形結晶を製作する。これらの結晶の端面の面積（すなわちＨ×Ｗ）は、結晶開口として知られる。
【００１０】
あるシステムのための非線形結晶を選択する際、何れの結晶カットを採用するか、すなわち非線形結晶の端面がどのようにカットされるかの選択も行わなければならない。一般に、当技術分野で非線形結晶に採用されているカットには２つの種類あり、これらは、図１（ａ）に概略的に示されている直角カット１及び図１（ｂ）に概略的に示されているブリュースタ角カット２である。図１では、より明瞭な理解を促進するための軸が示されている。
【００１１】
図１（ａ）の直角カット非線形結晶１は、その研磨された端面３及び４が非線形結晶１の光軸５に垂直である一方、図１（ｂ）のブリュースタ角カット非線形結晶２は、その面６及び７が研磨面６及び７の法線ベクトル８と光軸５との間のブリュースタ角（β）にある。ブリュースタ角（β）では、面６及び７の表面反射は、ｘ及びｙ軸によって画定される平面内で偏向された光（ｐ偏光とも定義される）についてゼロである。直角カット非線形結晶１及びブリュースタ角カット非線形結晶２の長さ（Ｌ）は、典型的に１０〜１２ｍｍである。
【００１２】
直角カット非線形結晶１は、一般に、ブリュースタ角カット非線形結晶２より製造しやすいが、その使用は、より大きい透過損失につながる。これらの損失は、直角カット非線形結晶１が、多くの場合にそうであるように光学共振器と共に使用されると大きくなる。この理由から、反射防止、増反射又は部分反射コーティングは、多くの場合、研磨された端面３及び４に適用される。しかしながら、直角カット非線形結晶１は、高パワー、特に短パルス応用においてその利用がより限定され、これは、結晶１に適用されるコーティングの損傷に対する閾値が、通常、ブリュースタ角カット結晶２のコーティングされていない端面６及び７より低いからである。
【００１３】
非線形光学系のあらゆる二次ｘ（２）又はそれより高次の現象と同様に、非線形プロセスは、特定の所定の条件下において、例えば光が中心対称を欠く物質と相互作用していて、入力場の強度が非常に高い（典型的に、レーザ源により生成される）場合にのみ生じ得る。式（２）及び（４）の位相マッチング要求は、生成された出力場の周波数又は波長を、入力場の波長及び非線形媒質の位置の両方の同調的な調整によって変更できることを意味する。非線形媒質の位置の変更は、典型的に、入力場内の非線形結晶の回転又は並進により実現される。
【００１４】
例えば、図２は、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略的表現を示し、これは、参照番号９で概して示され、ブリュースタ角カット結晶２がそこに組み込まれている。本出願人の独自のＳｏｌｓＴｉｓ（登録商標）ＥＣＤ−Ｘは、このようなエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９の好適な例である。図２からわかるように、例えばＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（ＢａＢ２Ｏ４））又はＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））から形成され得るブリュースタ角カット結晶２は、第一のミラー１０、出力カプラ１１、入力カプラ１２及び第二のミラー１３によって画定されるリング状キャビティ内に配置される。エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９は、共振増強を利用して、例えば連続波Ｔｉ：サファイヤレーザ等の連続波狭線幅レーザ源１４の出力周波数を変換して、周波数が２倍となった出力場１５を生成する。
【００１５】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９により生成された出力場１５の周波数調整は、入力場１４の波長を調整し、ブリュースタ角カット結晶２を軸１６の周囲で回転させて、式（２）の位相マッチング条件を保持できるようにすることによって実現できる。ここで述べる例では、ブリュースタ角カット結晶２は、実質的にｘ及びｙ軸によって画定される平面内にある一方、回転軸１６もこの平面内にあり、ｙ軸と鋭角をなす。
【００１６】
当技術分野で知られているように、非線形結晶１又は２の回転が周波数調整プロセス中に利用される場合、それに対応して、非線形結晶１又は２から射出する光学場の伝搬方向にずれが生じる。このずれは、非線形結晶１又は２内の回折の影響による。出力場１５のこのずれは、民生用共振器ベースの装置の開発にとって問題であり、これは、それによってこれらのシステムの設計に自動再配列を組み込むことが必要となるからである。
【００１７】
当技術分野で知られている１つの解決策は、共振キャビティ内に光学プレートを組み込み、それがサーボ制御電子部品により制御されて、非線形結晶１又は２の回転によって生じるずれを補償するように自動的に回転するというものである。しかしながら、このような解決策には、その結果、共振キャビティ内の内部光学損失が増大し、また非線形プロセスにより生成される光が受ける損失が増大するという欠点がある。これらの解決策は、システムの全体的な設置面積が大きくなる理由にもなる。
【００１８】
図２のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９により採用されるような代替的解決策は、サーボ制御電子部品（図示せず）を用いて、ブリュースタ角カット結晶２が回転される間にキャビティミラー１０、１１、１２及び１３の各々を自動的に再配列させることである。ビームのずれの問題に対するよい解決策ではあるが、このようなサーボ制御電子部品の利用には、費用の高いモータ利用の技術を採用する必要があり、その結果、システムは、共振キャビティ内に追加の光学プレートを組み込むことに基づく上述の解決策より大幅に複雑化し、したがってより費用が高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、本発明の実施形態の目的は、非線形結晶により生成される出力場の周波数を調整するための当技術分野で知られている方法及び装置の上述の欠点を排除するか又は少なくとも緩和することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第一の態様によれば、第一の端面と、反対側の第二の端面とを含む非線形結晶であって、第一及び第二の端面は、非線形結晶の光軸に沿って０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の長さだけ分離される、非線形結晶が提供される。
【００２１】
第一及び第二の端面は、非線形結晶の高さ及び幅（Ｈ×Ｗ）、すなわち結晶開口（Ｈ×Ｗ）を画定する一方、第一及び第二の端面の分離は、非線形結晶の長さ（Ｌ）を画定する。非線形結晶のこの長さにより、結晶を通して伝搬する光学場に誘導される非線形効果が減少するが、それにより、非線形結晶が回転されると、生成された光学場に生じるずれも減少する。
【００２２】
好ましくは、第一及び第二の端面は、非線形結晶の光軸に沿って０．７５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の長さだけ分離される。
【００２３】
最も好ましくは、第一及び第二の端面は、非線形結晶の光軸に沿って１ｍｍの長さだけ分離される。
【００２４】
非線形結晶は、直角カット非線形結晶を含み得る。この実施形態において、反射防止コーティングは、非線形結晶１７の非線形動作を増強するために第一及び又は第二の端面に適用され得る。
【００２５】
代替的に、非線形結晶は、ブリュースタ角カット非線形結晶を含む。
【００２６】
好ましくは、非線形結晶の高さは、２〜８ｍｍの範囲である。
【００２７】
好ましくは、非線形結晶の幅は、２〜８ｍｍの範囲である。
【００２８】
非線形結晶は、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（ＢａＢ２Ｏ４））；ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））；ヨウ素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）；ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）；ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）；ＫＤＰ（リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４））；セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）；又はＫＴＰ（チタンリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４））から形成され得る。
【００２９】
本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様による１つ又は複数の非線形結晶を含むエンハンスメントキャビティ周波数ダブラが提供される。
【００３０】
好ましくは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラは、３つ以上のミラーによって画定されるリングキャビティを含む。
【００３１】
最も好ましくは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラは、入力光学場の波長調整に応答して非線形結晶を回転させるために使用されるサーボ制御電子部品を含む。
【００３２】
最も好ましくは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの第一のミラーは、第一のピエゾスタックを含む。最も好ましくは、サーボ制御電子部品は、第一のミラーを再配列して、非線形結晶の回転から生じる出力場のずれを補償するように第一のピエゾスタックを制御する。好ましくは、第一のミラーは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラのための出力カプラを含む。
【００３３】
任意選択により、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの第二のミラーは、第二のピエゾスタックを含む。最も好ましくは、サーボ制御電子部品は、第二のミラーを再配列して、非線形結晶の回転から生じる出力場のずれを補償するように第二のピエゾスタックを制御する。好ましくは、第二のミラーは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラのための入力カプラを含む。
【００３４】
任意選択により、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラは、並進ステージであって、その上に１つ又は複数の非線形結晶が載せられる、並進ステージをさらに含む。並進ステージの動作により、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラが２つ以上の非線形結晶の中から互換的に選択を行うことが可能になり、したがってエンハンスメントキャビティ周波数ダブラにより高い動作の柔軟性が提供される。
【００３５】
本発明の第二の態様の実施形態は、本発明の第一の態様の好ましい又は任意選択による特徴を実現するための特徴を含み得るか又はその逆であり得る。
【００３６】
本発明の第三の態様によれば、本発明の第一の態様による非線形結晶を含むエンハンスメントキャビティ周波数混合器が提供される。
【００３７】
本発明の第三の態様の実施形態は、本発明の第一又は第二の態様の好ましい又は任意選択による特徴を実現するための特徴を含み得るか又はその逆であり得る。
【００３８】
本発明の第四の態様によれば、非線形結晶を製作する方法であって、バルク結晶を加工して、第一の端面と、反対側の第二の端面とを含む非線形結晶であって、第一及び第二の端面は、非線形結晶の光軸に沿って０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の長さだけ分離される、非線形結晶を提供するステップを含む方法が提供される。
【００３９】
好ましくは、バルク結晶の加工は、切削、成形及び研磨を含む加工手順の群から選択される１つ又は複数の加工手順を含む。
【００４０】
本発明の第四の態様の実施形態は、本発明の第一の態様の好ましい又は任意選択による特徴を実現するための特徴を含み得るか又はその逆であり得る。
【００４１】
ここで、図面を参照しながら本発明の各種の実施形態をあくまでも例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１（ａ）は、当技術分野で知られている直角カット非線形結晶の概略図を示す。図１（ｂ）は、当技術分野で知られているブリュースタ角カット非線形結晶の概略図を示す。
【図２】図２は、当技術分野で知られているエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示す。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態による直角カット非線形結晶の概略図を示す。図３（ｂ）は、本発明の実施形態によるブリュースタ角カット非線形結晶の概略図を示す。
【図４】図４は、図３（ａ）の非線形結晶を組み込んだエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示す。
【図５】図５は、図３（ａ）の非線形結晶を組み込んだエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示す。
【図６】図６は、図３（ｂ）に示されるタイプの３つの非線形結晶を組み込んだエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示す。
【図７】図７は、図６のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの並進ステージの代替的配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
後述の説明では、同様の部品には、本明細書及び図面を通して同じ参照番号が記されている。図面は、必ずしも正確な縮尺によらず、特定の部品の比率は、本発明の実施形態の詳細及び特徴をよりよく説明するために誇張されている。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態による２つの非線形結晶１７及び１８の概略図を示す。説明される非線形結晶１７及び１８は、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（ＢａＢ２Ｏ４））；ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５））；ヨウ素酸リチウム（ＬｉＩＯ３）；ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）；ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）；ＫＤＰ（リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４））；セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）；又はＫＴＰ（チタンリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４））又は他の既知の非線形材料から形成され得る。これらの図面では、参照しやすくするために再び軸が示されており、ｘ軸は、説明される非線形結晶１７及び１８の光軸と整列されている。
【００４５】
特に、図３（ａ）は、直角カット非線形結晶１７を示し（すなわち、その研磨された端面１９及び２０は、非線形結晶１７の光軸２１に垂直である）、図３（ｂ）は、ブリュースタ角カット非線形結晶１８を示す（すなわち、その端面は、研磨面２２及び２３の法線ベクトル２４と光軸２１との間のブリュースタ角（β）にある。ブリュースタ角（β）において、面２２及び２３の表面反射は、ｘ及びｙ軸によって画定される平面内で偏向された光（ｐ偏光としても定義される）についてゼロである。
【００４６】
図３の非線形結晶１７及び１８と、図１に関して上述したものとの主な違いは、非線形結晶１７及び１８の寸法、特にそれらの長さ（Ｌ）である。ここで説明する実施形態において、非線形結晶１７及び１８は、８×４ｍｍ２（Ｈ×Ｗ）の結晶開口を有するが、その長さ（Ｌ）は、１ｍｍである。この長さは、当技術分野で知られているほとんどの民生用非線形結晶１及び２の、それに対応する寸法（一般に約１０〜１２ｍｍ）の１０分の１であり、したがって既知の非線形結晶１及び２の約２５％のパワーを有する出力光学場を生成する。非線形結晶１７及び１８の長さ（Ｌ）をそのような方法で短縮することは、先行技術の教示にとって反直感的であり、それは、この短縮によって結晶１７及び１８を通る光学場の伝搬に対する誘発された非線形効果が相応に減少することにつながるからである。
【００４７】
当業者の読者であれば、非線形結晶１７及び１８の寸法は、図３に関して上述した具体的な寸法と異なり得ることがわかるであろう。本出願人らは、非線形結晶１７及び１８の下記の利点の多くが、非線形結晶１７及び１８の長さ（Ｌ）が０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内であれば依然として実現できることを見出した。０．２５ｍｍの長さは、十分なパワーの出力光学場を依然として提供する結晶及び民生用エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ内でのその使用にとって十分な物理的強度の結晶の長さの下限である。好ましくは、非線形結晶１７及び１８の長さＬは、０．７５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内である。これらの実施形態のすべてにおいて、非線形結晶１７及び１８の高さ（Ｈ）及び幅（Ｗ）は、２〜６ｍｍの範囲内であり得る。
【００４８】
非線形結晶１７の非線形動作を増強するために第一の端面１９及び又は第二の端面２０に反射防止コーティングを適用し得ることがわかるであろう。
【００４９】
図３（ａ）では、非線形結晶１７のｙ軸に平行な線形偏向を有する８００ｎｍの基本的な光学場２５が非線形結晶１７の第一の端面１９に入射して、非線形結晶１７の光軸２１（ｘ軸）に沿って伝搬するように示されている。結晶１７の非線形特性の結果として、４００ｎｍの第二次高調波光学場２６が生成され、第二の端面２０を介して非線形結晶１７から射出する。第二次高調波光学場２６は、ｚ軸に平行な線形偏向を有する。
【００５０】
図３（ｂ）の非線形結晶１８についても、ｘ−ｙ平面内の線形偏向を有する８００ｎｍの基本的な光学場２５が非線形結晶１８の第一の端面２２に光軸５（ｘ軸）との角度Ψで入射するとき、同様の結果が得られることがわかるであろう。角度−θ及びΨは、
｜θ｜＋｜Ψ｜＝β  （５）
であるように選択され、式中、βは、再びブリュースタ角を表す。
【００５１】
この配置により、基本的な光学場２５が非線形結晶１８の光軸２１（ｘ軸）に沿って伝搬すると、結晶１８の非線形特性の結果として、４００ｎｍの第二次高調波光学場２６が生成され、第二の端面２３を介して非線形結晶１８から射出する。第二次高調波光学場２６は、ｚ軸に平行な線形偏向を有する。
【００５２】
前述のように、第二次高調波光学場２６の周波数調整は、基本的な光学場２５の波長を調整し、非線形結晶１７をｙ軸の周囲で、又は非線形結晶１８を回転軸の周囲で回転させて所望の位相マッチング条件を保持できるようにすることによって実現できる。非線形結晶１７及び１８の長さ（Ｌ）は、当技術分野で知られている非線形結晶よりはるかに小さいため、生成される第二次高調波光学場２６は、パワーにおいて、既知の非線形結晶により生成されるものより低い。しかしながら、生成される第二次高調波光学場２６における出力パワーのこのような低下は、非線形結晶１７又は１８をエンハンスメントキャビティ内に配置することによって補償でき、これについて、ここで図４及び５を参照しながら説明する。
【００５３】
図４は、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示し、これは、概して参照番号２７で示され、それに図３（ａ）の非線形結晶１７が組み込まれている。図２に関して前述したエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９と同様に、非線形結晶１７は、第一のミラー１０、出力カプラ１１、入力カプラ１２及び第二のミラー１３によって画定されるリングキャビティ内に配置される。第一のピエゾスタック２８は、出力カプラ１１の向きを空間的に調整するための手段を提供する。第二のピエゾスタック２９も、入力カプラ１２の向きを空間的に調整するための手段を提供するために含められ得る。
【００５４】
図５は、同様のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示し、これは、概して参照番号３０で示され、それに図３（ｂ）の非線形結晶１８が組み込まれている。再び、非線形結晶１８は、第一のミラー１０、出力カプラ１１、入力カプラ１２及び第二のミラー１３によって画定されるリングキャビティ内に配置される。再び、第一のピエゾスタック２８は、出力カプラ１１の向きを空間的に調整するための手段を提供し、第二のピエゾスタック２９も、入力カプラ１２の向きを空間的に調整するための手段を提供するために含められ得る。
【００５５】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ２７及び３０は、再び、共振増強を利用して、例えば連続波Ｔｉ：サファイヤレーザ等の連続波狭線幅レーザ源１４の出力周波数を変換して、周波数が２倍となった出力場１５を生成する。
【００５６】
概して参照番号３１で示されるサーボ制御電子部品は、入力場１４の波長調整に応答して非線形結晶１７及び１８を回転させるために利用されている。当業者の読者であればわかるように、非線形結晶１７及び１８の回転による出力場１５のずれを補償するためのメカニズムを導入することも必要である。エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ２７及び３０において、これは、サーボ制御電子部品３１のフィードバックループ内に第一のピエゾスタック２８を利用することによって実現されている。第一のピエゾスタック２８は、したがって、出力カプラ１１を自動的に再配列して、出力場１５にもたらされるずれのレベルを最小化する。実際には、本来であれば出力場１５にもたらされるずれを最小化するために、ｙ軸の周囲での出力カプラ１１の調整のみが必要となる。
【００５７】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ２７及び３０の幾つかの実施形態の動作にとって、サーボ制御電子部品３１のフィードバックループ内に第二のピエゾスタック２９も利用することが有利であることがわかった。第二のピエゾスタック２９は、したがって、入力カプラ１２を自動的に再配列して、出力場１５にもたらされるずれのレベルを最小化することをさらに促進する。実際には、このような出力場１５のずれの最小化の促進を達成するために、ｙ軸の周囲での入力カプラ１２の調整のみが必要である。
【００５８】
サーボ制御電子部品３１がエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ２７及び３０の単一のミラーのみ又は幾つかの実施形態では２つのミラーを調整することによって出力場１５のずれを最小化できることは、比較的薄い非線形結晶１７及び１８の結果である。これは、サーボ制御電子部品３１の複雑さ及びしたがって費用を、図２に示される先行技術のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９で使用され、４つすべてのキャビティミラー１０、１１、１２及び１３のモニタ及び調整を必要とするものと比較して大幅に軽減させる。
【００５９】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ２７及び３０内の非線形結晶１７及び１８の利用により、非線形結晶１７及び１８により示される効率（すなわち非線形プロセスにより生成される出力場１５のパワー）の、当技術分野で知られている非線形結晶と比較した場合の低下と、サーボ制御電子部品３１により補償する必要のある出力場１５にもたらされるずれのレベルとの間で良好なバランスがとられる。その結果、出力場１５のずれは、既知のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９に必要である、より費用の高いモータによる技術ではなく、ピエゾ技術を採用することによって補償できる。これは、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ９のミラーのすべての調整ではなく、１つのみ又は２つのミラーの調整により実現可能である。
【００６０】
図６は、代替的なエンハンスメントキャビティ周波数ダブラの概略図を示し、これは、概して参照番号３２で示され、各々が図３（ｂ）に示されるタイプである３つの非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂが組み込まれている。図６において、非線形結晶１８は、第一のミラー１０、出力カプラ１１、入力カプラ１２及び第二のミラー１３によって画定されるリングキャビティ内に配置される。第一のピエゾスタック２８は、再び出力カプラ１１の向きを空間的に調整するための手段を提供する一方、第二のピエゾスタック２９も、入力カプラ１２の向きを空間的に調整するための手段を提供するために含められ得る。しかしながら、非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂは、並進ステージ３３の上に取り付けられ、その動作は、サーボ制御電子部品３１により制御され得る。この配置により、エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２が、ｙ軸に沿った並進移動により３つの非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂの中から互換的に選択することが可能になり、したがってエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２により大きい動作上の柔軟性が提供される。例えば、非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂは、異なる波長の出力場を生成し、したがってエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２が動作できる波長範囲を増大させるために選択できる。
【００６１】
エンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２内の並進ステージ３３の向きは、図６に示されるものと異なり得ることがさらにわかるであろう。例えば、図７は、代替的な配置を示し、並進ステージ３３は、非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂをエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２の循環する光学場に実質的に垂直な方向に並進させるように配置されている。他の代替的な実施形態では、並進ステージは、線形ではなく、回転型であり得る。このような配置を用いて装置の設置面積を縮小し、且つ又は周波数２倍化に使用されていない非線形結晶１８、１８ａ及び１８ｂがエンハンスメントキャビティ周波数ダブラ３２の他の構成部品の動作を妨害することを避けることが有利であり得る。
【００６２】
上記のエンハンスメントキャビティ周波数ダブラは、第二次高調波発生非線形混合プロセスに基づいているが、上記の非線形結晶は、当技術分野で知られている他の非線形プロセスを利用する他の周波数混合システムにも利用され得ることが当業者の読者に明らかであり、これには、より一般的な和周波混合（ＳＦＭ）、差周波混合（ＤＦＭ）、第三次高調波混合（ＴＨＭ）、高調波発生器（ＨＨＧ）並びに光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）及び下方変換が含まれる。
【００６３】
さらに、上述の実施形態は、４ミラー型リングキャビティ構造を採用している。しかしながら、当業者の読者であれば、代替的なリングキャビティ設計、例えば３つ以上のミラーに基づく設計も採用され得ることがわかるであろう。
【００６４】
上述の非線形結晶は、１つ又は複数の結晶加工技術を用いてバルク結晶から製作され得ることがわかるであろう。例えば、非線形結晶の製作は、１つ又は複数の切削、成形又は研磨加工技術を利用し得る。
【００６５】
本明細書全体を通して、文脈上、他の解釈が必要な場合を除き、「含む」若しくは「含んでいる」又は「包含する」若しくは「包含している」という用語又はその変化形は、明記された整数又は整数群を含み、他の何れの整数又は整数群も排除しないことを示唆すると理解されたい。
【００６６】
さらに、説明中の何れの先行技術への言及も、先行技術が一般常識の一部をなすことを示していないと理解すべきである。
【００６７】
本発明の以上の記述は、例示及び説明を目的として提示されており、本発明のすべてを網羅すること又は開示されている詳細な形態に本発明を限定することを意図されていない。記載されている実施形態は、本発明の原理及びその現実的な応用を最もよく説明し、それによって他の当業者が本発明を様々な実施形態で、また所期の特定の用途に適した各種の改変を加えて最もよく利用できるようにするために選択され、説明された。したがって、付属の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる改変形態又は改良形態が組み込まれ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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