光線経路に沿って配設され、第1の複数の非線形結晶を備える周波数ダブラーモジュールと、前記光線経路に沿って配設され、第2の複数の非線形結晶を備える周波数トリプラーモジュールと、を備える周波数変換システム。前記第1の複数の非線形結晶の第1の結晶が第1の角度だけ離調され、前記第1の複数の非線形結晶の第2の結晶が第2の角度だけ離調され、前記第2の複数の非線形結晶の第1の結晶が第3の角度だけ離調され、前記第2の複数の非線形結晶の第2の結晶が第4の角度だけ離調される、請求項1に記載の周波数変換システム。前記第1の角度が、光線伝搬方向と、第1の方向における前記第1の複数の非線形結晶の前記第1の結晶の光学軸との間の角度として測定され、前記第2の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第1の方向とは逆の第2の方向における前記第1の複数の非線形結晶の前記第2の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項2に記載の周波数変換システム。前記第1の角度が正の角度であり、前記第2の角度が負の角度である、請求項3に記載の周波数変換システム。前記第3の角度が、光線伝搬方向と、第1の方向における前記第2の複数の非線形結晶の前記第1の結晶の光学軸との間の角度として測定され、前記第4の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第1の方向とは逆の第2の方向における前記第2の複数の非線形結晶の前記第2の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項2に記載の周波数変換システム。前記第3の角度が正の角度であり、前記第4の角度が負の角度である、請求項5に記載の周波数変換システム。前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に前記光線経路に沿って配設された連続ランダム位相板をさらに備える、請求項1に記載の周波数変換システム。前記周波数ダブラーモジュールが、1ω光線を受け取り前記1ω光線の一部及び2ω光線を出射するように動作可能であり、前記周波数トリプラーモジュールが、前記1ω光線及び前記2ω光線を受け取り3ω光線を出射するように動作可能である、請求項1に記載の周波数変換システム。前記第1の複数の非線形結晶が少なくとも2つのタイプI結晶を含む、請求項1に記載の周波数変換システム。前記第1の複数の非線形結晶が少なくとも2つのタイプII結晶を含む、請求項1に記載の周波数変換システム。前記第2の複数の非線形結晶が1組のタイプII結晶を含む、請求項1に記載の周波数変換システム。前記1組のタイプII結晶が3つの結晶を含む、請求項11に記載の周波数変換システム。前記第1の複数の非線形結晶がDKDPを含み、前記第2の複数の非線形結晶がDKDPを含む、請求項1に記載の周波数変換システム。偏光回転子をさらに備える、請求項1に記載の周波数変換システム。前記偏光回転子がDKDP2分の1波長板を備える、請求項14に記載の周波数変換システム。前記周波数ダブラーモジュール又は前記周波数トリプラーモジュールの少なくとも一方が1組の3つの非線形結晶を含み、前記1組の3つの非線形光学結晶のうちの第1の結晶の厚さが、前記1組の3つの非線形光学結晶のうちの第2の結晶の厚さよりも薄い、請求項1に記載の周波数変換システム。周波数変換された光を生成する方法であって、基本波波長を特徴とする入射光線を生成するステップと、前記入射光線の一部を、前記基本波波長の2分の1である2倍波長を特徴とする2倍光線に周波数変換するステップであって、前記入射光線を第1の複数の非線形光学結晶を透過させるステップと、前記2倍光線及び前記入射光線の他の一部を出射するステップとを含むステップと、前記2倍光線及び前記入射光線の前記他の一部を前記2倍波長の3分の2である3倍波長を特徴とする3倍光線に周波数変換するステップであって、前記2倍光線及び前記入射光線の残りの部分を第2の複数の非線形光学結晶を透過させるステップと、前記3倍光線を出射するサブステップとを含むステップと、を含む方法。前記入射光線の一部を2倍光線に周波数変換するステップは、前記第1の複数の非線形光学結晶の第1の結晶を第1の角度だけ離調させるステップと、前記第1の複数の非線形光学結晶の第2の結晶を第2の角度だけ離調させるステップと、を含む、請求項17に記載の方法。前記第1の角度が、光線伝搬方向と、第1の方向における前記第1の結晶の光学軸との間の角度として測定され、前記第2の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第1の方向とは逆の第2の方向における前記第2の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項18に記載の方法。前記第1の角度が正の角度であり、前記第2の角度が負の角度である、請求項19に記載の方法。前記2倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分を前記3倍光線に周波数変換するステップは、前記第2の複数の非線形光学結晶の第1の結晶を第3の角度だけ離調させるステップと、前記第2の複数の非線形光学結晶の第2の結晶を第4の角度だけ離調させるステップと、を含む、請求項17に記載の方法。前記第3の角度が、光線伝搬方向と、第1の方向における前記第1の結晶の光学軸との間の角度として測定され、前記第4の角度が、前記光線伝搬方向と、前記第1の方向とは逆の第2の方向における前記第2の結晶の前記光学軸との間の角度として測定される、請求項21に記載の方法。前記第3の角度が正の角度であり、前記第4の角度が負の角度である、請求項22に記載の方法。前記第1の複数の非線形結晶が1組の2つ以上のタイプI結晶を含む、請求項17に記載の方法。前記第1の複数の非線形結晶が1組の2つ以上のタイプII結晶を含む、請求項17に記載の方法。前記第2の複数の非線形結晶が1組の2つ以上のタイプII結晶を含む、請求項17に記載の方法。前記第1の複数の非線形結晶がDKDPを含み、前記第2の複数の非線形結晶がDKDPを含む、請求項17に記載の方法。少なくとも前記2倍光線及び前記入射光線の前記残りの部分又は前記3倍光線の偏向を回転させるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。基本波波長でレーザ光線を出射するように動作可能なレーザ源と、第1の複数の非線形光学結晶を含む周波数ダブラーモジュール、及び第2の複数の非線形光学結晶を含む周波数トリプラーモジュールを含む周波数変換システムと、前記周波数変換システムに結合された制御システムと、前記周波数変換システムに結合された診断システムと、を備える光学系。前記周波数ダブラーモジュールは、第1の複数の回転段階をさらに備え、前記第1の複数の回転段階の各々が、前記第1の複数の非線形光学結晶のうちの1つを回転させるように動作可能である、請求項29に記載の光学系。前記周波数トリプラーモジュールは、第2の複数の回転段階をさらに備え、前記第2の複数の回転段階の各々が前記第2の複数の非線形光学結晶のうちの1つを回転させるように動作可能である、請求項29に記載の光学系。前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールと前記周波数トリプラーモジュールとの間に配設されたCPPプレートをさらに備える、請求項29に記載の光学系。第1の複数の非線形光学結晶がDKDP結晶を含み、第2の複数の非線形光学結晶がDKDP結晶を含む、請求項29に記載の光学系。前記周波数変換システムは、前記周波数ダブラーモジュールの光学的に上流側に2分の1波長板をさらに備える、請求項29に記載の光学系。0031本発明によれば、光学系に関する技術が提供される。より詳細には、本発明の各実施形態は、高調波変換プロセスとも呼ばれる、レーザ入射光の周波数変換を行う方法及びシステムに関する。特定の実施形態では、変換効率を向上させる独特の角度同調方式を有する多結晶周波数変換器システムが提供される。本明細書で説明する方法及びシステムは、高繰返し率、高平均出力レーザ及び増幅器を含む様々なレーザシステム及び増幅器システムに適用可能である。0032ICFシステムにおいて1053nm1ωの基本波波長をそれぞれ527nm2ω及び351nm3ωの第2高調波波長及び第3高調波波長に周波数変換すると、目標によってレーザエネルギーをより効率的に吸収することができることが実証されている。この周波数変換プロセスは、慣性核融合の目標をx線を介して直接的又は間接的に圧縮するためのレーザ目標結合効率を高くする。基本波光の第3高調波へのエネルギー変換効率、広い強度範囲にわたるパルス整形忠実度、パルスタイミング精度、及び目標平面での必須ピーク第3高調波出力の生成は、LIFEシステムの重要な側面である。0033本発明の各実施形態は、高度重水素化リン酸二水素カリウムDKDP結晶を使用してLIFEシステム用の所望のパルス形状を効率的に第3高調波波長に変換するための多結晶構成を提供する。高度重水素化KDPは、従来のKDP及び他の高調波結晶と比べて吸収が潜在的に弱く且つ横誘導ラマン利得が比較的低いので、高エネルギー、高ピーク出力、及び高平均出力のレーザシステム及び増幅器システムにおける周波数変換に有用な非線形光学材料である。DKSP結晶に近接した結晶サファイア又は石英ガラス窓は、ヘリウム又はその他の不活性ガスを流動させる冷却流路を形成し、或いは結晶表面に直接結合されたときには、冷却流路に熱を吸収することによって熱を抽出することができる。本発明の代替実施形態では他の高調波生成結晶を使用することができ、たとえば、第2の高調波変換でのYCOBの使用並びに/又は第2の高調波変換及び第3の高調波変換でのLBOの使用が可能であり、DKDPに適用されるタイプI及びタイプII位相整合並びにビーム偏極に関する本明細書における説明は一般に、KDP及びDKDPと同形の結晶を含むこれらの代替非線形光学材料に適用可能である。0034本明細書全体にわたってより詳しく説明するように、本明細書で説明する多結晶周波数3倍構成は、エネルギー変換効率が70以上であり、広い強度範囲にわたって時間的に整形された光パルスを有し、LIFEシステムを含む様々な高エネルギーレーザシステム及び増幅器システムで使用するのに適している周波数変換システムを実現する。本発明のいくつかの実施形態は4結晶又は6結晶周波数3倍構成に関して記載されているが、本発明はこれらの特定の構成に限定されず、他の実施形態では、縦続構成における2つ以上の第2高調波生成結晶とそれに続く2つ以上の周波数混合結晶とを利用して、高平均出力設計において高出力及び高エネルギーの第3の高調波光線を供給するとともに高平均出力動作時に熱及び応力の管理問題に対処する。0035本発明の各実施形態は、レーザシステムのための第3高調波へのエネルギー変換効率を最適化するためのパルス形状及びビームマッピングを有する多結晶周波数トリプラー設計を提供する。0036図1は、本発明の一実施形態による複合パルス形状を示す簡略化されたプロットである。目標に送られる複合パルス形状すなわち、第3高調波パルスは、複合パルス形状を形成するように組み合わされた別々のフット部及びドライブ部を含む。この例では、フット部及びドライブ部は、個々のLIFEビームライン並びに横方向の別個の増幅器モジュール及び周波数変換器モジュールにドライブパルス3つごとに1つのフットパルスの比でマップされる。本発明の代替実施形態に応じてフットパルスとドライブパルスの他の比を利用してもよい。0037フットパルスとドライブパルス別個に考えられるは同様のピーク強度を有するので、周波数変換器は、全パルスを1つの変換器によって周波数変換する場合と比べて最適な効率に達するように設計されてもよい。各パルスの焦点面が目標上で重なり合い、一体化されたパルス形状がICF目標の物理的特性を使用して求められるパルス形状に整合することに留意されたい。したがって、全体的なエネルギー変換効率は、ドライブ変換器効率の3倍にフット変換器効率の1倍を加えた値の平均である。連続ランダム光学位相板CPPは、第2高調波部と第3高調波部との間に配置され、目標平面におけるフット光線とドライブ光線の重なり合った焦点分布を均等化する働きをし、したがって、ICF物理的特性に必要な全パルス形状忠実度を向上させてもよい。フットパルス及びドライブパルスに関するさらなる説明は、参照により組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第13/_顧客参照番号IL-12359、代理人整理番号91920-7952758006010USに記載されている。0038一実施形態では、フット光線周波数変換器とドライブ光線周波数変換器が、LIFE施設において互換性を実現するように同一の結晶位相整合タイプ及び結晶厚を用いて最適化される。本発明者は、フット光線及びドライブ光線用の最適化された個々の周波数変換器設計によって2~3程度の全体的なエネルギー変換効率の向上を実現することができ、最終高調波成分の互換性が高いシステム工学値を有さないと判定された場合にそのような設計を利用できることを見出した。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。0039図2は、本発明の一実施形態による多結晶周波数変換システムたとえば、KDP/DKDP主体の周波数変換システムの簡略化された概略図である。図2に示すように、第1の周波数変換デバイス210すなわち、一対のタイプIのタイプIIダブラー211及び213並びに第2の周波数変換デバイス230すなわち、一対のタイプIIトリプラー231及び233が周波数変換システムの構成要素として例示されている。第1の周波数変換デバイス210を周波数ダブラーモジュール又は第2の高調波モジュールと呼ぶか、或いは第2の周波数変換デバイス230を周波数トリプラーモジュール又は第3の高調波モジュールと呼んでもよい。一対のダブラー及び一対のトリプラーが図示されているが、本発明ではこの特定の数のダブラー及びトリプラーは必須ではなく、単一のダブラー又は2つよりも多くのダブラー並びに単一のトリプラー又は2つよりも多くのトリプラーを含む他の数のダブラー又はトリプラーが本発明の範囲内に含まれる。一例として、第1のダブラー結晶又は第1のトリプラー結晶における熱負荷を低減させるために、これらの結晶の各々を元の結晶よりも薄い2つの結晶と交換してもよい。図2に示す概略図では、周波数変換ユニット210と周波数変換ユニット230すなわち、1組のダブラー及び1組のトリプラーとの間に所定の離隔距離が例示されていることに留意されたい。実際の実装形態では、実際の空間は通常、図示の空間よりも小さく、図面が縮尺通りに描かれていないことが分かる。一例として、周波数ダブラーモジュール210又は周波数トリプラーモジュール230のいずれかは、1組の3つの非線形光学結晶のうちの第1の結晶の厚さが1組の3つの非線形光学結晶のうちの第2の結晶の厚さよりも薄い1組の3つの非線形光学結晶を利用してもよい。一例としてダブラーを使用する場合、縦続周波数2倍化の結果として第1の結晶中の1ω光の量が第2の結晶中の1ω光の量よりも多いので第1の結晶は第2の結晶よりも薄い。したがって、1ω光の吸収による熱負荷は、第1結晶において、第2の2倍化結晶又は後続の2倍化結晶に対して厚さを薄くすることによって少なくなる。この分析において、DKDPでは、第2又は第3の高調波光と比べて基本波光の吸収が支配的であり、このことは実験データによって実証されている。0040いくつかの実施形態では、冷却流体を構成要素同士の間の空間内を流動させることによって各構成要素から熱が除去され、状況によっては構成要素当たりの熱負荷を低減させるのにより多くのより薄い構成要素が利用される。図2に示すように、各周波数変換結晶をサファイア窓又は石英ガラス窓212/214/216/218によって囲むことができ、それによって、流動するヘリウムガスによって各結晶を冷却することができる。いくつかの実施形態では、周波数変換結晶において吸収が生じることによって熱負荷が発生し、結晶の厚さを含む結晶仕様が変化する。窓212/214/216/218は、冷却ガス流を結晶表面に沿って導くように働いてもよく、或いは結晶表面に結合され熱を冷却ガス流に引き込むように働いてもよい。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。各対の縦続されたダブラー結晶又はトリプラー結晶間の内部窓が、光学ガラスの屈折率分散によって第2の調和振動場及び第3の調和振動場の高調波干渉効果を生じさせることがあることに留意されたい。このため、いずれかの高調波モジュールで内部窓が使用される実施形態では、内部窓は光学パッチ長上のミクロンレベルの公差に調節される。流動するガス冷却材中でも同じ高調波干渉効果が生じるが、屈折率分散の程度は何桁も低く、したがって、ガス長が短くても数センチメートルまで影響を受けない。第1の変換モジュールと第2の変換モジュールとの間の空間における離隔距離は任意の距離であってもよく、機械的要件にのみ依存する。0041図2を参照する。第1の周波数変換デバイス210は、x方向に沿って偏向される1ω入射光のうちの所定の割合たとえば、大部分の入射光を元の偏向に直交する偏向によって元の周波数から元の周波数の2倍すなわち、2ωに変化させるすなわち、第1の周波数変換デバイスと第2の周波数変換デバイスとの間に示されているように2ω光がy方向に揃えられる。1ω入射光のうちの第2の所定の割合の入射光は、第1の周波数変換デバイスと第2の周波数変換デバイスとの間に示されているように元の周波数において元の偏向を有するままである。00422倍周波数の所定の割合及び元の周波数の第2の所定の割合が第2の周波数変換デバイス230において変換すなわち、混合され、光線方向すなわち、z方向に沿って伝搬する1ω入射光すなわち、x方向に偏向が揃えられた周波数3倍光線すなわち、3ωが生成される。0043代替実施形態では、第1の周波数変換デバイスは、一対のタイプIIダブラーを含んでもよく、入射光線を角度γに向けて第1周波数変換デバイスと第2周波数変換デバイスとの間に1ω光線及び2ω光線を発生させる。当業者には明らかなように、入射光線は、タイプII2倍化に応じて適宜、x方向とy方向の両方に揃えられた成分すなわち、この実装形態では3分の2がy方向に揃えられ、3分の1がx方向に揃えられるを含んでもよい。0044図2に示すように、いくつかの実施形態では、それぞれ第2高調波変換及び第3高調波変換用の2つのDKDP結晶を含む縦続4結晶設計を介して第2高調波及び第3高調波を変換する。図2に示す4結晶実装形態では、各対のダブラー結晶及びトリプラー結晶を互いに対して光線伝搬軸の周りで180度回転させ、図2に矢印242/244/252/254によって示されているように結晶光学軸配向を交番させる。この実装形態を交番Zと呼んでもよい。他の実施形態では、ダブラー角度同調における符号の交番に留意しながら平行Z軸動作が利用される。本発明者はまた、トリプラー結晶角度同調における符号の交番には性能面の異なる利点があることを見出した。高平均出力動作に伴う熱負荷に起因して、本明細書で例示する4結晶構成は、高平均出力動作の下での熱応力管理に適した薄い結晶厚さは通常5~13mmを利用する。これらの構成では、広範囲の入射強度を効率的に変換することもでき、それによって、従来の周波数変換器設計と比べてダイナミックレンジが増大する。0045図2を参照すると、4結晶変換器設計に関連して使用される冷却設計が例示されている。窓212/214、216/218、及び232/234、236/238が各周波数変換結晶に隣接するように設けられ、加圧されたヘリウムガスの流れがプレートの一方の表面と1つの結晶表面との間を導かれるのを可能にしている。各窓は、石英ガラス板、サファイアプレートなどを含む様々な材料から製造されてもよい。代替実施形態では、非常に薄い柔軟なゾルゲル型光学接触材又は結合剤を使用して窓が結晶表面に結合され、したがって、この高熱伝導率プレートはヒートスプレッダとして働くことができる。これらの結合用途では、第1のダブラー結晶の入射表面と最後のトリプラー結晶を優先的に結合してもよい。何故なら、光の変換時にこれらの表面の熱負荷が、ダブラーでは1ωで最も高くなり、トリプラーでは3ωで最も高くなるためである。しかし、図2は、内部窓214/216及び234/236を示しているが、前述の高調波干渉効果に起因して、いくつかの実施形態ではこれらの窓が除去され、結晶対211/213及び231/233を狭い間隔を置いて配置してもよい。0046図2に示すように、石英ガラスなどの基板上にパターン化された連続ランダム位相板CPP275を第1の周波数変換デバイス210と第2の周波数変換デバイス230との間たとえば、中間に位置させてもよい。CPPが、基本波光線及び第2高調波光線のみを透過させ、透明光学ガラス基板又は冷却流路窓のうちの1つにパターン化されるので、CPPではガスの冷却は必須ではない。大部分のICF用途では、CPPは、ICF目標の高エネルギー照明に有用な構成要素として利用される。さらに、CPPは、本発明のいくつかの実施形態におけるスペクトル帯域幅及びスペクトル分散を利用した目標照射用の光線スムージングシステムの構成要素であってもよい。CPPは、実施形態によっては、特定の用途に応じて任意に使用される。LIFE設計では、CPPは、フット光線及びドライブ光線の空間的に重なり合った焦点分布を均等化する働きをし、且つ所望の全第3高調波パルス形状を目標平面に入射させる働きをする。0047単結晶サファイアは、200nmから3μmを超える波長に対して非常に透過性の高い窓材料であるが、ある程度の複屈折性を有する。したがって、いくつかの実施形態では、サファイアプレートは、さらなる位相不整合を回避するために第1のダブラーの入射面及び第2のダブラーの出射面にのみ使用される。場合によっては、いくつかの実施形態において内面に等方性石英ガラス板が使用される。同様に、サファイアを第1のトリプラーの入射面又は最後のトリプラー結晶の出射面に使用し、石英ガラスを他の窓として利用してもよい。減極損失を回避するために、サファイアの複屈折軸は、直線偏波の偏向方向に整合することが好ましい。本発明の各実施形態によれば、各プレートが別々に結合されるか又は取り付けられ、ガス流流路又はガス流誘導器として使用されるかどうかにかかわらず、ダブラー同士の間、第2のダブラーと第1のトリプラーとの間、並びにトリプラー結晶又は光学プレート同士の間のガス流冷却を行うことができる。0048本発明者は、本明細書で説明する縦続多結晶設計は、冷却ガス中の屈折率分散及び/又は周波数ダブラー結晶と周波数トリプラー結晶の対同士の間に光学窓材料が存在することによって調和振動場干渉効果の影響を受ける可能性があることを見出した。すなわち、第1のダブラー結晶に形成される調和振動場2ωは第2のダブラーに形成される調和振動場2ωに光学的に干渉する。その理由は、第2のダブラーの調和振動場の位相が基本振動場1ω位相によって決定され、これらの位相が、介在するガス及び/又は光学板内の屈折率分散によって第1のダブラーに形成される調和振動場に対して遅れるからである。同様の作用がトリプラー結晶対でも生じるが、この場合、基本振動場1ω及び2つの調和振動場2ω、3ωを伴う。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、ガス冷却流路及び光学窓の材料の厚さを薄くするか又は最小限にして、分散による光路差を最小限に抑える。前述のように、流動するガス冷却材でも同じ高調波干渉効果が生じるが、屈折率分散の程度は光学ガラスより何桁も低く、したがって、ガス経路数cmまでの影響を受けない。一対のダブラー結晶と一対のトリプラー結晶との間に高調波干渉は生じず、したがって、クリスタルマウントの設計の必要に応じてこれらの対を分離するか、或いはCPPを利用する場合のCPPの位置及び後述のような角度同調用のステップモータ駆動装置の位置に、必要に応じて冷却ガスを案内するための介在する光学板又は光学窓を設けるためにこれらの対を分離することができる。0049再び図2を参照する。タイプI又はタイプII位相整合を第2高調波結晶又はダブラー結晶に利用することができ、タイプII位相整合は、第3高調波結晶又はトリプラー結晶に使用される。いくつかの実施形態では、多結晶タイプII/タイプII構成は、タイプI位相整合ダブラーと比較して、図1に示すLIFEパルス形状に関する変換効率が高いそれぞれ、74.1対68.8のでダブラーにはタイプII位相整合が好ましい。タイプI/タイプII3倍化は、DKDPの位相整合構成であり、1ω光線のある程度非一様な偏向の影響を受けない。そのため、タイプI/タイプII3倍化を3倍化構成として使用してもよい。LIFEレーザ設計では、積極的な複屈折補償によって偏向の非一様性が限定され、タイプI/タイプII構成又はタイプII/タイプII構成による効率的な周波数変換が可能である。したがって、本発明の各実施形態は様々な位相整合構成を利用することができる。0050タイプI位相整合では、入射偏光は直線偏向であり、第1のダブラーの通常軸に沿っている。本明細書の全体にわたってより詳しく説明するように、タイプI2倍化結晶において理想的な位相整合第2高調波変換からのたとえば、大きい角度での角度同調を使用して基本波の変換を第2の高調波に限定し、それによって、3倍化のための所定の混合比を維持する。図9及び図10に関して説明するように、本発明の各実施形態によってタイプI/タイプII3倍化のための4結晶設計及び6結晶設計が提供される。一方、タイプII位相整合2倍化及び3倍化については、入射基本波光線が第1のダブラー結晶の通常軸に対して35.3°だけ偏向される。このことは、図2に示すように、結晶内部の35.3°偏向角度を入射面1ω偏向方向に整合させるか、又は偏光回転子結晶サファイア、KDP、DKDPなどから作られた2分の1波長板などを使用して1ω偏向方向を結晶軸に整合させることができるようにタイプII結晶を結晶ブールから適切に切り取ることによって実現することができる。図11及び図12に関して説明するように、本発明の各実施形態によってタイプII/タイプII3倍化のための4結晶設計及び6結晶設計が提供される。図11及び図12に示すように、第1の2倍化結晶の前段に2分の1波長板が使用される。いくつかの実施形態において、この2分の1波長板は、たとえばDKDPから製造されるときに能動的な冷却を温度制御に使用することができ、高調波変換器組立体内に一緒に配置されてもよい。図9~図12にも、各結晶の縁部が目立つ面取り部約15°を有するという概念が示されている。大きい開口たとえば、40cmを有する高調波変換器による実際の実施においては、上記の概念を使用して横誘導ブルリアン散乱及び横誘導ラマン散乱の軽減が図られている。0051結晶表面の法線と光線伝搬方向との間にある角度を導入すると、ビーム伝搬角度と各結晶の光軸との間に内部角度が得られ、それによって振動場同士のモメンタム不一致が変更される。したがって、本発明の各実施形態は、完全な位相整合を実現するのではなく、同調角度偏差又はいわゆる離調を導入して周波数変換効率を向上させる。0052ダブラーの位相整合条件を、たとえば、200μradから300μradの間の完全な位相整合から内部角度だけ離調させることによって、ダブルは、基本波光を第2高調波に完全に変換することができなくなり、したがって、離調角度によってトリプラーの入力における第1高調波光と第2高調波光の比を調節することができる。0053ダブラー及びトリプラーにおいて複数の結晶を使用すると、互いに隣接する結晶間で角度離調を交番させることができる。このことは図7A及び図7Bに示されている。各矢印は、材料にロックされる光学C軸の方向を示し、一方、点線は、光線方向に対して完全に位相を整合させるための光軸の向きの空間内の方向である。一例として、ダブラー内の第1の結晶を第1の方向に数百マイクロラジアン、たとえばΔθ1だけ調整することができ、ダブラー内の第2の結晶を第1の方向とは逆の第2の方向に数百マイクロラジアン、たとえば-Δθ2だけ調整することができる。これは図7Aの平行Z構成である。光軸同士を互いに対向させ、一方、図7Bの交番Z構成によって示されているように同調角度をこのように交番するように維持してもよい。どちらの構成も性能が同等であると予想される。本発明者は、本明細書で説明する高効率システムでは、補償効果が生じ、高調波変換プロセスに関連付けられており第1の結晶が受ける位相シフトを光が第2の結晶及びその後の結晶内を伝搬するときに補償できることを見出した。一例として、以下に表2に関して説明するように、一実施形態では、第1の結晶が280μrad離調され、第2の結晶が-240μrad離調される。同様に、この実施形態では、トリプラーの結晶がそれぞれ30μrad及び-30μrad離調される。特定の同調角度は、周波数変換システムの特定のパラメータに依存し、本明細書に示す例は例示的な目的のものに過ぎない。本発明者は、このスタガー同調が、高調波変換器パッケージの角度帯域幅すなわち、角度受入れを実際に広げ、高変換効率に加えてさらなる利点をもたらすことを見出した。0054タイプII位相整合については、通常軸に沿った入射基本波1ω強度と異常軸に沿った入射基本波1ω強度との比は2:1である。これによって、トリプラーで第3高調波3ωを生成するための基本波1ω光と第2高調波2ω光の混合比が最適な1:1になる。タイプI位相整合では、第1のダブラーを厳密な位相整合から所定角度だけ角度同調させること離調と呼ばれるによって第1のダブラーの出射口の所で基本波光と第2高調波光の2:1の混合比が実現される。いくつかの実施形態では、離調角度は数マイクロラジアンから数百マイクロラジアンの範囲である。以下に示すように、離調角度は結晶ごとに、たとえば30μradから300μradの間だけ異なってもよい。2つのタイプIダブラーを利用する4結晶設計では、2つのダブラーを互いに逆方向に角度離調させるたとえば、280μrad及び-240μradことによってトリプラー結晶における周波数混合のダイナミックレンジをさらに広げることができる。この離調は、目的が、第1のダブラーに入射する広範囲の基本波1ω強度にわたって第1のダブラーではなく第2のダブラーの出射口で2:1の混合比を実現することであるので、従来の2結晶タイプI/タイプII変換器において使用される離調よりも程度が高い。3つ組のダブラー結晶の場合、いくつかの実施形態では、第1のダブラーと第2のダブラーをまとめ、平行Z構成又は交番Z構成を使用して、図8A及び図8Bに示すように第3のダブラー結晶を交番的に角度同調させる。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。0055特定の実施形態では、タイプII位相整合トリプラーにおいて、結晶製造における誤差を考慮して厳密な位相整合からの30μradの同調誤差が許容される。角度同調誤差の符号は、交番Zトリプラーがビーム伝搬方向を中心として180度回転させられる通常のトリプラーであるので、結晶の交番Z構成に応じて、たとえば30μrad及び-30μradのように反転される。本発明者は、2つのトリプラー結晶間で符号が交互に反転する角度同調の程度が高いほど4結晶設計のダイナミックレンジがさらに広くなることを見出した。本発明者は、タイプI/タイプII多結晶設計とタイプII/タイプII多結晶設計の両方においてこのトリプラー同調効果を観測した。0056本明細書で説明する各実装形態には、焦点面光線のスムージングを行い且つ大開口ICFレーザにおける横誘導ブルリアン効果を抑制するために実装される、基本波1ω光線にもたらされるFM帯域幅の60GHzの位相不整合効果が含まれる。これは、ダブラー結晶とトリプラー結晶の両方で、二乗和平方根法において基本波1ω上のFM位相変調からのRMS位相不整合を他のすべての原因角度同調、熱同調、結晶バルク及び表面の歪みなどによる位相不整合に加えることによって実現される。位相不整合の符号は、角度依存項の符号によって決定される。0057本発明の各実施形態は、光線の所定の部分たとえば、光線の2分の1を第1の方向たとえば、水平に揃えられた3ω偏光として供給することができ、光線の第2の所定の部分たとえば、光線の残りの2分の1を第1の方向に直交する第2の方向たとえば、垂直に揃えられた3ω偏光として供給することができるので、偏光スムージングも実現する。直交偏向を有する光線を供給すると、光線同士が目標上で重なり合うときに発生するスペックル場が非干渉的に増大するので目標において偏光スムージングが実現される。各実施形態は、2倍化構成及び/又は3倍化構成に偏光回転子たとえば、波長板として作用するDKDP結晶を導入するか、或いは偏光回転子を別個の光学素子として実現することができる。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。0058本発明の各実施形態は、従来の設計よりも高い周波数変換器エネルギー効率を実現する。表1~表6は、本発明の様々な実施形態についての周波数変換器のパラメータ及び効率を示している。表1~表6は、4結晶タイプI/タイプII周波数変換器構成及び4結晶タイプII/タイプII周波数変換器構成のパラメータ及び効率を示している。表5及び表6は、2結晶タイプI/タイプII設計及び2結晶タイプII/タイプII設計のパラメータ及び効率を示している。表から明らかなように、4結晶設計は2結晶設計と比べて効率が高い。表に示すように、全パルスと、パルスのフット部及びドライブ部が増幅され互いに分離された光線として変換される構成とに関して最適な変換器設計が提供される。所与の第3の高調波パルス形状について、レーザ増幅器周波数変換器チェーンの入力の所で入射パルス形状及び必要な入力エネルギーが算出される。1053nmレーザチェーン及び周波数変換器では回折及び光線品質が考慮される。結晶の長さ及び角度同調を変更することによって変換効率を最適化してもよい。各変換器設計をフット光線及びドライブ光線について最適化してもよいが、表1に示すフット光線及びドライブ光線用の4結晶タイプII/タイプII設計では、9mmの同一の結晶長を使用し、74.1の全体効率を実現する。フットパルス及びビームとドライブパルス及びビームを分離することは、4結晶タイプII/タイプII変換器設計に特に有効である。タイプI/タイプII構成では、より厚い第1のダブラーが利用される。ただし、このことは本発明に必須ではない。別々のフットパルス形式及びドライブパルス形式並びに光線マッピングを実現することによって、4結晶タイプII/タイプII構成の全体効率を60.2から68.8に向上できることに留意されたい。0059表1は、図2に示すような4結晶タイプII/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。結晶長及び角度離調値は、周波数ダブラーモジュールの第1の結晶/周波数ダブラーモジュールの第2の結晶/周波数トリプラーモジュールの第1の結晶/周波数トリプラーモジュールの第2の結晶の順に示されている。0060表2は、図2に示すような4結晶厚-薄タイプI/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。0061表3は、図2に示すような4結晶薄-厚タイプI/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。0062表4は、図2に示すような4結晶薄-厚タイプII/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。0063表5は、2結晶タイプI/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。0064表6は、2結晶タイプII/タイプII3倍化構成用の周波数変換器パラメータを示している。0065本発明者らは、熱管理問題に対処し結晶が破断する危険性を低下させるために、より薄い第1のダブラーを利用することができ、その結果としての変換効率の損失はわずかな量に過ぎないことを見出した。タイプI/タイプII4結晶変換器の代表的な薄/厚設計が表3に示され、一方、タイプII/タイプII変換器の薄/厚設計が表4に示されている。エネルギー変換効率がいくらか失われるが、すべての設計において結晶をさらに薄くすることが可能であり、同様に第3のダブラー結晶又はトリプラー結晶を追加して温度勾配を限定することも可能である。縦方向温度勾配は、高度重水素化KDP>98の場合0.5°Cを超えないと考えられ、したがって、周波数3倍化の変換効率をほぼ70に維持することができるはずである。0066図3は、本発明の一実施形態による周波数変換器を利用するレーザシステムを示す簡略化された概略図である。図3に示すように、周波数3倍光線3ωが、長さ20mの真空望遠鏡を介して焦点長が20mの軸外れ放物面に中継され、目標チャンバ内に配置することのできる目標に合焦される。レーザ310からの光は、図2に示す設計を利用することのできる周波数変換器315を使用して周波数変換される。周波数変換器315の出力に中継面が画定されている。周波数変換器315の出力の所の周波数3倍光は、光路に沿ってレンズ320の方へ伝搬する。0067いくつかの実施形態では、中継面からレンズ320までの距離は640cmであり、レンズ320からレンズ322までの距離は800cmである。図示の実施形態では、レンズ320及びレンズ322の焦点長は合計で2mになるすなわち、F1F2=2000cm。0068レンズ320及び322は、真空で動作することのできる望遠鏡を構成する。望遠鏡の中央に中性子バッフルを配置して、中性子が、中性子の損傷を持続することのできるシステムの部分まで伝搬するのを防止することができる。0069望遠鏡からの光は、反射鏡330で反射し、放物面鏡340から目標チャンバTCCの方へ反射される。いくつかの実施形態では、第2のレンズ322から放物面鏡340までの距離は560cmであり、放物面鏡340から目標チャンバまでの距離は2000cmである。いくつかの実装形態では、放物面鏡340を鏡とフレネルレンズの組合せで置き換えることができる。上記の距離は、一例としてのみ示されており、本発明の各実施形態によって他の光学構成を利用してもよい。0070本発明の各実施形態は、熱管理解決手段を実現する。本発明者は、結晶厚を制限すると、破断の危険性が低下することを見出した。結晶の中心と面との温度差は、KDPの応力-破壊及び表面研磨品質によって制限される。図4は、本発明の一実施形態によって温度差を欠陥半径の関数として示す簡略化されたプロットである。プロットでは、DKDPに関する破断が予測される結晶の中心と表面との温度差Tmax-Tsurfが、欠陥半径の関数として示されている。欠陥は、この計算については所与の半径を有する半ペニー状の欠陥とみなされている。25μmの欠陥半径を考慮したシステム仕様たとえば、NIF仕様の場合、KDP結晶は約6.1Kの温度差で結晶の中央面から入射表面又は出射表面まで破断する。本明細書で説明するシステムで使用できる例示的な結晶として、厚さが1cmのKDP結晶は、破断限界が、温度差が1.8Kの場合にこの破断限界よりも3.4倍低く、信頼できる動作を実現する。1cmよりも厚い結晶は、いくつかの代替実施形態では2つの結晶に分割され、或いはこのような結晶には、破断を回避するためにより厳しい研磨要件が適用される。図4を参照する。欠陥サイズを半径が5μmになるまで縮小することによって最大許容温度勾配を2倍を超える値に増大できることに留意されたい。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。0071図5は、本発明の一実施形態による周波数変換光を生成する方法を示す簡略化されたフローチャートである。この方法は、基本波波長510を特徴とする入射光線を供給することと、入射光線の一部を、基本波波長の2分の1の2倍波長を特徴とする2倍光線に周波数変換することとを含む512。入射光線の別の部分は周波数変換されず、透過される514。周波数変換時の損失が零であると仮定すると、上記の別の部分は、周波数変換されていない入射面光線の残りの部分と等しい。入射光線を周波数変換することは、入射光線を第1の複数の非線形光学結晶タイプI結晶又はタイプII結晶のいずれかを透過させることと、2倍光線及び入射光線の上記の別の部分を出射することとを含む。入射光線の一部を2倍光線に周波数変換することは、第1の複数の非線形光学結晶の第1の結晶を第1の角度だけ離調させることと、第1の複数の非線形光学結晶の第2の結晶を第2の角度だけ離調させることとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第1の角度として、第1の方向における光線伝搬方向と第1の結晶の光軸との間の角度たとえば、正の角度が測定され、第2の角度として、第1の方向とは逆の第2の方向における光線伝搬方向と第2の結晶の光軸との間の角度たとえば、負の角度が測定される。0072この方法は、2倍光線及び入射光線の上記の別の部分たとえば、残りの部分を2倍波長の3分の2の3倍波長を特徴とする3倍光線に周波数変換することをさらに含む516。2倍光線及び入射光線の残りの部分を周波数変換することは、2倍光線光及び入射光線の残りの部分を第2の複数の非線形光学結晶を透過させることと、3倍光線を出射することとを含む。2倍光線及び入射光線の残りの部分を3倍光線に周波数変換することは、第2の複数の非線形光学結晶の第1の結晶を第3の角度だけ離調させることと、第1の複数の非線形光学結晶の第2の結晶を第4の角度だけ離調させることとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第3の角度として、第1の方向における光線伝搬方向と第1の結晶の光軸との間の角度たとえば、正の角度が測定され、第4の角度として、第1の方向とは逆の第2の方向における光線伝搬方向と第2の結晶の光軸との間の角度たとえば、負の角度が測定される。0073本発明の一実施形態では、第1の複数の非線形結晶はDKDPを含み、第2の複数の非線形結晶はDKDPを含む。さらに、特定の実施形態によって実現される方法は、少なくとも2倍光線及び入射光線の残りの部分又は3倍光線の偏向を回転させることを含む。0074図5に示す特定のステップが、本発明の一実施形態による周波数変換された光を生成する特定の方法を実現することを了解されたい。代替実施形態による他の一連のステップを実施してもよい。たとえば、本発明の代替実施形態は、上記に概略的に説明した各ステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図5に示す個々のステップは、これらの個々のステップに適切な様々な順序で実行することができる複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定の用途に応じてさらなるステップを追加するか又は削除してもよい。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。0075図6は、本発明の一実施形態による光学系を示す簡略化された概略図である。図6に示すように、1ωレーザシステム又は増幅器システム650は、1ωの光出力を備えているそのようなレーザ/増幅器システムを1ωビームボックスと呼んでもよい。一例として、1ωシステムはNIFレーザビームライン、LIFEビームラインなどであってもよい。当業者には明らかであり、且つ上記で図4に示したように、レーザ/増幅器システム650には能動光学素子を含む1つ又は複数の光学素子が含まれる。語1ωは、レーザシステムの基本波光学周波数を指し、使用中のレーザ利得媒質に応じて様々な波長の光出力を含む。0076この光学系は、複数の結晶662と制御システム670の制御下で結晶662を離調するように動作可能な回転/並進段階664とを含む、図2に示すような1つ又は複数の周波数変換素子を含んでもよい周波数変換器660も含む。いくつかの実施形態では、周波数変換器660によって生成される光出力は2ωであり、他の実施形態では、光出力は3ωである。周波数変換器660は、非線形光学材料、たとえば1つ又は複数のKDP又はDKDP重水素化されていないか或いは部分的又は完全に重水素化された結晶或いは他の適切な非線形光学素子を含む。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。レーザシステム又は増幅器システム及び周波数変換器と通信する制御システム670及び診断システム680も設けられている。したがって、制御電子機器、センサなどが本発明の範囲内に含まれる。本明細書で説明するように結晶を離調させるために、回転段階及び/又は並進段階或いは一体化された回転/並進段階を制御システム670の制御を受ける周波数変換システムの素子として設けてもよい。0077図7Aは、本発明の一実施形態による一対の2倍化結晶又は3倍化結晶のいずれかの平行Z構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。この例では、2つのタイプI2倍化結晶が図示されている。破線は最適な位相整合配向を表し、実線は実際のC軸配向を表している。これらの配向間の離調角度は、第1の結晶については正の角度として示され、第2の結晶については負の角度として示されている。0078図7Bは、本発明の一実施形態による一対の2倍化結晶又は3倍化結晶のいずれかの交番Z構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。0079図8Aは、本発明の一実施形態による3つ組の2倍化結晶又は3倍化結晶のいずれかの平行Z構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。この例では、3つのタイプI2倍化結晶が図示されている。破線は最適な位相整合配向を表し、実線は実際のC軸配向を表している。これらの配向間の離調角度は、3つ組のうちの最初の2つの結晶については正の角度として示され、3つ組のうちの第3の結晶については負の角度として示されている。0080図8Bは、本発明の一実施形態による3つ組の2倍化結晶又は3倍化結晶のいずれかの交番Z構成における結晶角度同調を示す簡略化された概略図である。図8A及び図8Bに示す3つ組設計は、4結晶高調波変換器設計2つのダブラー結晶及び2つのトリプラー結晶における結晶が3つ組のダブラー結晶又は3つ組のトリプラー結晶に細分されるときに、熱応力破壊要件に対処するために利用されてもよい。0081図9は、タイプI位相整合周波数2倍化結晶910とタイプII位相整合3倍化結晶920とを含む4結晶周波数3倍化システムの簡略化された概略図である。図9に示すように、第3高調波光線は、方向902に沿って伝搬する基本周波数において入射光線901の偏向に平行な偏向903を有する。この実施形態ではCPPプレート915が例示されている。ただし、CPPプレート915を設けるかどうかは、設計によっては任意である。図を明確にするために、ガス冷却に使用される窓は図示されていないが、特定の用途に応じて適宜使用されてもよい。0082図10は、タイプI位相整合周波数2倍化結晶1010とタイプII位相整合3倍化結晶1020とを含む6結晶周波数3倍化システムの簡略化された概略図である。図10に示すように、第3高調波光線は、方向1002に沿って伝搬する入射基本波光線1001の偏向に平行な偏向1003を有する。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図10に示すように、ダブラー3つ組の3つの結晶のうちの2つのC軸配向が揃えられ、トリプラー3つ組の3つの結晶のうちの2つのC軸配向が揃えられている。他の実施形態では、特定の用途に応じて適宜、結晶の配向を修正してもよい。図10には任意のCPPプレート1015が示されている。0083図11は、本発明の一実施形態によるタイプII位相整合周波数2倍化結晶1110とタイプII位相整合3倍化結晶1120とを含む4結晶周波数3倍化システムの簡略化された概略図である。図11に示すように、第3高調波光線は、方向1102に沿って伝搬する入射基本波光線1101の偏向に平行な偏向1103を有する。周波数2倍化モジュールの光学的に上流側に位置する2分の1波長板1105、たとえば、結晶石英、サファイア、又はDKDP2分の1波長板が、名目上水平偏向された入射光線を35.3°まで回転させる。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図示の実施形態では、2分の1波長板の光学軸は、角度αによって示されているように水平から17.65°に設定され、図11に示すように入射偏光を1ω周波数で35.3°まで回転させる。図11には任意のCPPプレート1115が示されている。0084図12は、本発明の一実施形態によるタイプII位相整合周波数2倍化結晶1210とタイプII位相整合3倍化結晶1220とを含む6結晶周波数3倍化システムの簡略化された概略図である。2分の1波長板1205、たとえば、結晶石英、サファイア、又はDKDP2分の1波長板が、名目上水平偏向された入射光線を35.3°まで回転させる。図11に関して説明したように、2分の1波長板の光学軸は、角度αによって示されているように水平から17.65°に設定され、入射偏光を1ω周波数で35.3°まで回転させる。図12に示すように、第3高調波光線は、方向1202に沿って伝搬する入射基本波光線1201の偏向に平行な偏向1203を有する。図を明確にするためにガス冷却用の窓は図示されていない。図11には任意のCPPプレート1215が示されている。0085さらに、図10に関して説明したように、ダブラー3つ組1210における3つの結晶のうちの2つのC軸配向が揃えられ、トリプラー3つ組1220における3つの結晶のうちの2つのC軸配向が揃えられている。他の実施形態では、各結晶の配向を特定の用途に応じて適宜修正してもよい。0086本明細書で説明した例及び実施形態は例示のためのみのものであり、当業者にはこれらの例及び実施形態を考慮した様々な修正例又は変更例が考案され、それらの修正例又は変更例は、本出願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることも理解されよう。