JPH10311992A

JPH10311992A - Ｕｖ光を与えるｑ切換レーザーシステム

Info

Publication number: JPH10311992A
Application number: JP10033505A
Authority: JP
Inventors: Jan-Willem Pieterse; ウィーレムピーターズヤン; Alan B Petersen; ビーピーターセンアレン; Chris Pohalski; ポハルスキークリス; Emily Cheng; チェンエミリー; Randall Lane; レーンランダル; William L Nighan Jr; エルニーガンジュニアウィリアム
Original assignee: Spectra Physics Lasers Inc
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 1997-01-08
Filing date: 1998-01-08
Publication date: 1998-11-24
Also published as: EP0854380A2; EP0854380A3; US5835513A; EP1584974A1

Abstract

(57)【要約】【課題】固体レーザーでＵＶ光を発生させる方法の改
善が望まれている。さらに特定すると、腔外調波発生の
技術を活用して、ダイオードポンプ式１μm固体レーザ
ーの第３調波として３５５ｎｍ光を発生させるために、
コンビネーションのＬＢＯ位相整合技術の改良が必要と
されている。【解決手段】ダイオードポンプー式レーザーは、共鳴
器を定義する高度な反射鏡と出力連結器を含んでいる。
共鳴器はゲイン媒体とＱスイッチを含み、基本ビームを
発生させる。第１非線形クリスタルは共鳴器の腔外に基
本ビームの通路に沿って配置されている。第１非線形ク
リスタルは、基本ビームから第２調波ビームを発生させ
る。第１非線形クリスタルは臨界位相整合されている。
第２非線形クリスタルは共鳴器の腔外に基本ビームと第
２調波ビームの通路に沿って配置されている。第２非線
形クリスタルは第３調波ビームを発生させる。第２非線
形クリスタルは臨界位相整合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ダイオードポンプ式
固体レーザー、特に調波変換出力を提供するダイオード
ポンプ式固体レーザーシステムに関する。

【０００２】

【技術的背景】ダイオードポンプ式Ｎｄ：ＹＶＯ4レー
ザーは、高い反復率（＞１０kHz）で短いパルス（＜２
０ nsec）を必要とするものに使用されてきた。レーザ
ーと電子工学に関する会議１９９３年版第１１巻ＯＳＡ
テクニカルダイジェストシリーズ（ワシントンＤ．Ｃ．
アメリカ光学協会１９９３年）６４２ページのＭ．Ｓ．
カーステッド、Ｔ．Ｍ．ベア、Ｓ．Ｂ．ハチソン、Ｊ．
ホッブスによる「高反復率ダイオードバーポンプ式Ｑ切
換Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザー」やＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ１８
６５，６１（１９９３年）のＳ．Ｂ．ハチソン、Ｔ．
Ｍ．ベア、Ｋ．コックス、Ｐ．グーディング、Ｄ．ヘッ
ド、Ｊ．ホッブス、Ｍ．カーステッド、そしてＧ．キン
ツによる「平均パワー固体レーザーのダイオードポンピ
ング」が例としてあげられる。エンドポンプ式音響光学
的Ｑ切換レーザーを使用してＱ切換パルスを発生させる
ことを開示している１９９５年ＳＰＩＥ２３８０−２４
のＷ．Ｌ．ニガム・ジュニア、マーク・Ｓ・カースティ
ッド、アラン・Ｂ・ピーターセン、ヤン−ウィレム・ピ
ータースらの「Ｑ切換Ｎd：ＹＶＯ4レーザーを用いた高
反復率での調波発生」がそうであるように、これらレポ
ートも、高反復率で短いパルスを起こす方式でのＮｄ：
ＹＶＯ4レーザーの操作について述べている。Ｎｄ：Ｙ
ＶＯ4の特性は、高反復率下で、短くて高いピークパワ
ーのＱ切換パルス発生を容易にし、その結果として、非
線形クリスタルによる調波発生を容易にする。

【０００３】ニーガム他によれば、パルス持続時間７−
２０nsecが、１０−８０kHzの反復率、ＴＥＭ00モード
での平均出力パワー３ないし４Ｗで発生している。米国
特許５，１２７，０６８及び５，４３６，９９０で開示
されているようにポンプソースはファイバー連結された
ダイオードバーであった。このファイバー連結されたバ
ーのようなポンプソースを用いたＮｄ：ＹＶＯ4のエン
ドポンピングはこの材質がＮｄ：ＹＬＦもしくはＮｄ：
ＹＡＧよりもはるかに高い誘発発光断面を持っているの
で、非常に高く小さいシグナルゲインを発生させ得るこ
とになる。このことは、低いレーザー振動閾値を持った
ダイオードポンプ式レーザーを作るのに有効で、又短い
パルスを高い反復率で提供するレーザーを作ることにも
利用できる。しかし、この材質はアッパーステート寿命
が短いので（１００μsecまで）、Ｎｄ：ＹＬＦ（５０
０μsec）やＮｄ：ＹＡＧ（２００μsec）ができるほど
のエネルギーを蓄えることはできず、１０kHz以下の反
復率で発生するパルスエネルギー量は限られる。例えば
ＹＬＦレーザー（ＩＥＥＥＪ．カンタムエレクトロン、
１９９２年版巻ＱＥ−２８「きつく折れ曲がった共鳴器
型におけるダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧ及びＮｄ：Ｙ
ＬＦの性能」の１１３１−１１３８頁ではＴ．Ｍ．ベ
ア、Ｄ．Ｆ．ヘッド、Ｐ．グーディング、Ｇ．Ｊ．キン
ツ、Ｓ．Ｂ．ハチソンらによって著されたスペクトラー
フィジックスレーダースにより「ＴＦＲ」と呼ばれてい
る）が８００μＪまでを出すのに対し、１０Ｗでポンピ
ングされるＮｄ：ＹＶＯ4レーダーは低い反復率で２０
０μＪを出すことができる。このようにＮｄ：ＹＶＯ4
のアプリケーションは、高い反復率で短いパルスを作り
出すのに適している。

【０００４】Ｑ切換３−４ＷＮｄ：ＹＶＯ4レーザーを
使用して高反復率で作り出された短く高いピークパワー
パルスについてはワシントンＤ．Ｃ．アメリカ光学協会
の１９９５年版テクニカルダイジェストＣＷＧ２のＡ．
Ｂ．ピーターセン、Ｗ．Ｌ．ニガーム・ジュニアの「ク
レオ」におけるピーターセン他による「Ｎｄ：ＹＶＯ4
レーダーによる高反復率ＵＶの発生」と題する報告でも
活用されている。この報告で、ピーターセンは、温度調
節したＬＢＯ（リチウムトリボレイト）非線形クリスタ
ルによる非臨界的位相整合（ＮＣＰＭ）周波数ダブリン
グを含め、数々の調波発生計画による結果を述べてい
る。これは、一般的に考えて、周波数ダブリングもしく
は２次調波発生（ＳＨＧ）の非常に望ましい形である。
この形のダブリングは、比較的角度非感受性であり、赤
外線レーザーのビーム特性を保持している。１０−２４
kHzでパルス化されたＮｄ：ＹＶＯ4レーザーは５３２ｎ
ｍに殆ど回折が制限されたビーム特性を有し、変換効率
５０％以上を達成した。ＬＢＯクリスタルは、phi＝
０、theta＝９０カットであって、クリスタルはＮＣＰ
Ｍ型でほぼ１５０℃に調整されている。ピーターセン
は、ＫＴＰで見られるような高い損傷閾値やグレイ・ト
ラッキングの欠如を始めとする、ＬＢＯの一般的利点を
述べている。ピーターセンはＮＣＰＭ周波数ダブリング
を利用した次の段階として、第２のクリスタルにおけ
る、そして又同じＬＢＯでも、臨界位相整合もしくは角
度調整式のタイプIIＬＢＯにおける、第３次調波の合算
周波数の発生を立証している。ＮＣＰＭ性能、高い損傷
閾値、合理的な非線形係数、低い失敗率等のにより、近
年ＬＢＯの利用が盛んになってきている。ダブリング過
程における非臨界位相整合性能は同業者には高く評価さ
れている。Ｑ切換Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザーと組み合わせ
ることで、ＬＢＯのダブリング、トリプリング性能は、
非常に利用価値の高い３５５ｎｍの波長でレーザー光を
生み出すことを可能にしている。ピーターセンの報告に
よれば、ＮＣＰＭダブラーや角度調整したトリプラーを
用いて、３５５ｎｍで６００ｍＷを越える光が作り出さ
れている。Ｎｄ：ＹＶＯ4クリスタルをエンドポンプす
るソースとして、単一のファイバー連結された２０Wダ
イオードバーが使用されているが、この結果を出すのに
は１２Wだけを（ファイバーより）利用している。従っ
て、１．０６４ミクロンから３５５ｎｍというパワー変
換効率は２０％であり、ダイオードポンプパワー（１２
W）から３５５ｎｍへの変換効率は５％であった。幾つ
かのケースでは、３５１ｎｍで作動する従来型ハイパワ
ーＣＷイオンレーザーをＮｄ：ＹＶＯ4システムに置き
換えるのに、反復率の高さは２０kHzで十分だった。重
要なアプリケーションの一つはステレオリトグラフィー
で、そこでは与えられた部品のソリッドモデルを「速や
かに試作する」ために、ＵＶレーザービームがＵＶ感受
性樹脂の表面を横切って走査する。この分野における固
体及びイオンレーザーのアプリケーションについては、
パータネンが調査している（ＳＰＩＥ１９９６）。

【０００５】アルフリー他（ＣＬＥＯ１９９６ＰＤ）
は、Ｑ切換３次調波発生の腔内を通る３５５ｎｍ光を与
えるダイオードポンプ式Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザーシステ
ムを提案した。彼は、２つのＬＢＯクリスタルをレーザ
ー腔内にお互いに近づけて配置し、サイドポンプ式Ｎ
ｄ：ＹＶＯ4のゲイン媒体を腔内の別の場所に配置し
た。２つのＬＢＯクリスタルは、近室温ダブリング、近
室温トリプリングができるような角度にカットされた。
クリスタルは、確実に角度合わせを行った。アルフリー
とピーターセン他の業績の相違点は、（１）アルフリー
のやり方は、２つのＬＢＯクリスタルを互いに接近配置
した、光学器を介在させない腔内ＴＨＧである点、
（２）アルフリーは、角度合わせをしたＬＢＯクリスタ
ルを使用し、ＮＣＰＭダブリングを採用していない点、
（３）アルフリーの方法では、腔内で発生させることの
出来る比較的高い平均１．０６４ミクロンというパワー
を利用しており、これはピーターセンの方法でのような
腔外で利用可能なものより概略１０倍のオーダーで高い
という点、を含んでいる。アルフリーは、３０kHzまで
のＱ切換え反復率で２Ｗ以上の３５５ｎｍ光を発生させ
た。単一で直接連結された２０Ｗのダイオードバーが、
Ｎｄ：ＹＶＯ4材質をサイドポンプするために使用され
た。ダイオード光から３５５ｎｍへのパワー変換効率
は、この内腔ＴＨＧ配置において１０％であった。

【０００６】アルフリーの設計は、Ｑ切換腔内トリプル
化設計であり、与えられた量のダイオードポンプ光に対
して、ピーターセン他の腔外設計で発生するより多くの
ＵＶ光を発生させた。しかし、腔内トリプル化設計はピ
ーターセン他等の腔外設計の場合よりも、非線形クリス
タルをはるかに高い平均パワー密度及びピークパワー密
度にさらすことになる。当業者は、この高いパワー密度
にさらすことが潜在的な問題を含んでいると認識してい
る。クリスタルの表面またはコーティングは、このパワ
ー密度により破損もしくは劣化する可能性がある。それ
でも、アルフリーが例証した変換効率に相応もしくはそ
れを超える腔外トリプル化システムなら役に立つであろ
う。当業者は、これらの過程でウォークオフの効果を幾
つか気づくだろうが、アルフリーは、ＬＢＯダブラー及
び／またはトリプラーでのウォークオフの効果を述べて
いない。アルフリーは、２つのビームがダブラーを離れ
トリプラーに入る前に、ウォークオフを条件づけるため
光学器を２つのクリスタルの間に置くことは考えていな
い。彼は、トリプリング過程の効率を最大化するための
ダブリング過程での最適変換効率については考慮してい
ない。結局、アルフリーの設計は腔内設計で、これはピ
ーターセンの外腔配置とまったく別ものであり、１．０
６４というパワーは腔内であり、それゆえ同じようにポ
ンピングされたレーザーからの腔外１０６４ｎｍビーム
よりも比較的パワーが高くなるので、１０６４，５３２
の比率及びで３５５ｎｍのパワーは全く違うのである。

【０００７】ピーターセン他およびアルフリー双方につ
いて、彼らの仕事は３５５ｎｍに近い高反復率ＵＶ光を
発生させることに向けられていた。いくつかのアプリケ
ーションでは、１０kHzより高い反復率で、ＣＷＵＶレ
ーザービームの代わりにパルス化された３５５ｎｍのビ
ームを使用することができる。ＳＰＩＥ１９９６年のパ
ータネン他を例として見ていただきたい。３５５ｎｍ調
波で発生する平均パワーは、赤外線Ｑ切換レーザーの基
本的な波長での高反復率平均パワーと同様、赤外線レー
ザーのピークパワーと反復率に関係するであろう。ＣＷ
ポンプ式反復性Ｑ切換レーザーの平均パワーは、τｆを
ゲイン媒体のアッパーステート寿命として、反復率が１
／τｆを越える時のＱ切換無しのＣＷパワーに近づいて
いる。Ｎｄ：ＹＶＯ4の場合この反復率は１０kHzすなわ
ち１／（１００sec）までである。反復率が低い場合
（＜１０kHz）、パルスエネルギーは大体一定してい
る。反復率が高い場合（＞１０kHz）、これは非常に有
効であるが、パルス持続時間が増すにつれ、パルスあた
りのエネルギーは線形に減少する。このことについては
シーグマンのレーザース、２６章に述べられている。高
反復率ではその増加に対し平均パワーはほぼ一定である
一方、個々のパルスのピークパワーは減少する。このこ
とは、非線形クリスタルを使用して達成できる調波発生
効率がピークパワーに依存しており、調波平均パワーは
調波パルスエネルギーと反復率の積であることから、調
波平均パワーの発生は反復率の関数であるという結果を
もたらす。以上の理由で、調波波長における最大平均パ
ワーは、概略２（１／τｆ）までのＱ切換反復率の時に
達成される。ピーターセンがやったところでは、この比
率は２０kHzである。アルフリーは、３０kHzと報告して
いる。満足のいく高い変換値が、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ
ーを用いて、１０から４０kHzで達成できる。Ｎｄ：Ｙ
ＡＧおよびＮｄ：ＹＬＦレーザーについては、調波発生
の際の最大平均パワーは、２−９kHzというように低い
反復率で典型的に起こる。これは、Ｎｄ：ＹＶＯ4につ
いては、この素材のアッパーステート寿命が長いせいで
ある。

【０００８】よく知られていることだが、ＣＷポンプ式
反復性Ｑ切換レーザーは、レーザーの反復率を漸進的に
増加させてゆくと、漸進的により長いパルスを発するよ
うになる。これは、調波発生効率が下がる一因でもあ
る。このことは、シーグマンの「レーザース」２６章に
書かれている。この結果をもたらす原因は単純だ。反復
率が（アッパーステート寿命の逆数より高い比率で）増
すにつれ、Ｑ切換パルスの間にゲイン媒体に蓄えられる
最大エネルギー量が減少するのだが、この蓄えられるエ
ネルギーは、Ｑ切換直前のアッパーステートでのイオン
濃度に比例している。これはすなわち、小シグナルゲイ
ンがまだアッパーステートにあるイオン濃度に依存して
いるため、この小シグナルゲインが減少することを意味
している。もし小シグナルゲインが減少すると、実のと
ころ反復率が上がることによって、Ｑ切換レーザーパル
スは、低い反復率において起こるほど急激にはレーザー
内腔で立ち上がらないであろう。従って反復率が上がれ
ば、パルスは長く、エネルギーは低く、そしてピークパ
ワーは少なくなる。このことが、調波発生効率に直接的
な影響を及ぼす。

【０００９】臨界位相整合非線形物質を利用した調波発
生に伴う影響でよく知られているのは、クリスタルの常
光線と異常光線の間のウォークオフである。例えばthet
a=９０、phi=１０のＬＢＯクリスタルは、１．０６４ミ
クロン光を５３２ｎｍ第２調波光に角度調整し臨界位相
整合させる。最大ダブリングのための最適角度にクリス
タルの角度を合わせると、発生する５３２ｎｍビームと
基本の１．０６４ミクロンビームは、これら２つのビー
ムが非線形クリスタルを離れるとき、お互いから分離す
る。分離量はクリスタルの長さとウォークオフ角度によ
る。このウォークオフというのは、文字通りビームが、
非線形相互作用を終わらせる程お互いから離れて歩いて
行ってしまうので、非線形変換にとっては有害である。
基本ビームと第２調波ビームの間のウォークオフを殆ど
排除できるとしてよく知られている非臨界位相整合（Ｎ
ＣＰＭ）の利用が時に可能である。この有名な例は１．
０６４ミクロン光を５３２ｎｍにダブリングさせるため
のＮＣＰＭＬＢＯである。ＬＢＯクリスタルを１５０近
くに保つと、位相整合を温度調整することができる。こ
れは一般的には周波数ダブリングすなわち２次調波発生
（ＳＨＧ）の望ましい形であると考えられている。この
形のダブリングは比較的角度感受性が低く、赤外線レー
ザーのビーム特性を保持する。ピーターセン他、ニーガ
ム他によっても述べられており、参考事例はそこに収め
られている。１０−２０kHzでパルス化されたＮｄ：Ｙ
ＶＯ4レーザーでは、５３２ｎｍで概ね回折制限を受け
たビーム特性により、５０％以上の変換効率が達成でき
た。ＬＢＯクリスタルは、phi=０、theta=９０カット
で、クリスタルは、１５０℃近くで調節されている。し
かし、非クリスタル位相整合がいつも可能な訳ではな
い。たとえば、ＬＢＯを使ったＮＣＰＭが可能であって
も、ピーターセンやアルフレーで使用されたようにＬＢ
Ｏトリプリングクリスタルが非臨界位相整合も可能にす
るということはない。この理由のため、両者の構成にお
けるＬＢＯトリプリングクリスタルは、角度調整するよ
うにもしくは臨界位相整合するよう設計されている。

【００１０】ウォオークオフの一般的な問題は、米国特
許５，０４７，６６８号の「臨界位相整合された三波周
波変換設計における光学的ウォークオフ補正」で、ボー
ゼンバーグが取り扱っており、等しい２つのクリスタル
をthetaと(-theta）の傾いた角度、総角度２(theta）に
配置した例について述べている。この特許で、ボーゼン
バーグは、２つの等しいクリスタルを用いて、伝達方向
からthetaと(-theta)の角度で２つを対照的に配置して
使えることを教示している。ボーゼンバーグによると、
第２クリスタルのウォークオフは第１クリスタルのウォ
ークオフを元に戻し、それ故基本ビームと調波ビーム
は、重複ビームとして組になったクリスタルを出ること
ができる。特にボーゼンバーグが指摘している点は、２
つのカットが等しいクリスタルを逆方向に配置すれば、
第１クリスタルのウォークオフを第２クリスタルが完全
に補正できるということである。ボーゼンバーグは、ダ
ブラーを離れる２つのビームのウォークオフを条件づけ
るため、２つのクリスタルの間に光学器を使用すること
は考慮していない。彼は、トリプリング過程の効率を最
大化するためのダブリング過程の最適変換効率について
は考えに入れていない。

【００１１】ピーターセン、アルフリーの両者は、トリ
プリングに対してダブリングクリスタルとトリプリング
クリスタルは同一ではないという設計を採っており、両
方ともＬＢＯではあるが、ダブリングクリスタルとトリ
プリングクリスタルのカット角度をＬＢＯ結晶体軸に関
して互いに違えている。ナイチンゲールは、米国特許
５，１３６，５９７号の「タイプII位相整合におけるポ
インティングベクトルウォークオフ補正」で、関連した
問題について述べている。これは、特にダブリング過
程、その中でも腔内もしくは共鳴腔方式に特別関連が深
い。これはトリプリングは考慮しておらず、非内腔或い
は非共鳴ダブリングには触れていない。ナイチンゲール
は、腔内ダブリングされる固体レーザーでのタイプII位
相整合におけるＫＴＰ特有の問題を解決した。彼は、２
個以上のクリスタルの使用を考えてはいなかった。彼
は、少なくとも２個のクリスタルを使ったトリプリング
を教示してはいない。しかし、彼はウォークオフの影響
は少数であるように見えるかもしれないが、小さなガウ
スビームサイズが採用された場合、１０ミクロンのビー
ム変位でさえ目覚ましい効果を持つだろうということを
強調している。このことは、大きく（直径数mm）高エネ
ルギーパルス化されたビーム（〜１Ｊ）を使った、クラ
クストン他が論じているような先行技術と対照をなす。

【００１２】そこで、１．０６４ミクロンの平均パワー
を３５５ｎｍの平均パワーに変換する高効率の高い反復
率でパルスを送るダイオードポンプ式Ｑ切換レーザーが
必要とされる。固体レーザーでＵＶ光を発生させる方法
の改善が望まれている。さらに特定すると、腔外調波発
生の技術を活用して、ダイオードポンプ式１μm固体レ
ーザーの第３調波として３５５ｎｍ光を発生させるため
に、コンビネーションのＬＢＯ位相整合技術の改良が必
要とされているのである。

【００１３】

【発明の概要】本発明の目的は、高い反復率で効率良く
ＵＶ光を調波発生させるＱ切換すなわちパルス化ダイオ
ードポンプ式固体レーザーシステムを提供することであ
る。本発明のもう１つの目的は、Ｎｄ：ＹＶＯ4をゲイ
ン媒体とした、高い反復率で効率良くＵＶ光を調波発生
させるＱ切換すなわちパルス化固体レーザーを提供する
ことである。本発明の更に別の目的は、非線形クリスタ
ルを腔外調波発生形態に用いた、高い反復率で効率良く
ＵＶ光を調波発生させるＱ切換すなわちパルス化固体レ
ーザーを提供することである。

【００１４】本発明の更なる目的は、ＬＢＯを非線形調
波発生の媒体として含み、複数のＬＢＯクリスタルを腔
外調波発生形態に用いた、高い反復率で効率良くＵＶ光
を調波発生させるＱ切換すなわちパルス化固体レーザー
を提供することである。本発明の又他の目的は、ＵＶの
発生を最大化する方法でＬＢＯ非線形クリスタルでの通
常波と異常波の間のウォークオフを誘発する角度に複数
のＬＢＯのクリスタルをカットした、高い反復率でＵＶ
光を調波発生させるＱ切換すなわちパルス化固体レーザ
ーを提供することである。本発明の更にもう１つの目的
は、ＬＢＯ非線形クリスタルでの通常波と異常波の間の
ウォークオフを誘発する角度に複数のＬＢＯのクリスタ
ルをカットし、ＵＶの発生を最大化する方法で複数のＬ
ＢＯ非線形クリスタル間にウォークオフを条件づけるた
めＬＢＯクリスタルの間のビーム通路に光学装置を設置
することを含む、高い反復率でＵＶ光を調波発生させる
Ｑ切換すなわちパルス化固体レーザーを提供することで
ある。

【００１５】本発明の更なる目的は、ＵＶの発生を最大
化する方法でＬＢＯ非線形クリスタルでの通常波と異常
波の間のウォークオフを誘発する角度に複数のＬＢＯの
クリスタルをカットし、ＩＲからＵＶへの変換効率を最
大化するために赤外線から緑への変換効率を最大ＩＲか
ら緑への変換効率へと下げた、高い反復率でＵＶ光を調
波発生させるＱ切換すなわちパルス化固体レーザーを提
供することである。本発明の又別の目的は、１００ｍＷ
より大きなパワー、１０kHzより大きな反復率で、３５
５ｎｍのパルス化出力を生み出すＱ切換ダイオードポン
プ式固体レーザーを提供することである。本発明の以上
の及びその他の目的は、共鳴器を定義づける高度な反射
鏡と出力連結器を備えたダイオードポンプ式レーザーに
よって達成される。共鳴器はゲイン媒体とＱスイッチを
含んでおり、基本ビームを生み出す。第１非線形クリス
タルは、基本ビームの通路に沿って共鳴器の腔外に配置
される。第１非線形クリスタルが、基本ビームから第２
調波ビームを発生させる。第１非線形クリスタルは臨界
位相整合される。第２非線形クリスタルは、基本ビーム
の通路と第２調波ビームの通路に沿って共鳴器の腔外に
配置される。第２非線形クリスタルは、第３調波ビーム
を発生させる。第２非線形クリスタルは臨界位相整合さ
れる。

【００１６】ある実施例では、Ｑ切換ダイオードポンプ
式レーザーは、レーザーの共鳴器の中にＮｄ：ＹＶＯ4
レーザークリスタルが置かれているがその共鳴器は少な
くとも２つの鏡を組み入れており、Ｑ切換装置はレーザ
ー共鳴器に内蔵され、ポンプパワー密度と腔寿命は高い
反復率で安定して短いＱ切換パルスが送れるよう釣り合
いが取れた構造になっている。このレーザーからの赤外
線ビームは、臨界位相整合されたダブリングクリスタル
を通過する。好適な実施例では、このダブリングクリス
タルはＬＢＯで、角度調整ダブリングができるようにカ
ットされ、約５０℃で作動され、phi角度５から１５度
でカットされている。ある好適な実施例では、ＩＲから
緑への変換効率は、最大達成可能値より低いたとえば３
０％くらいに下げられる。緑とＩＲのビームは、次に角
度調整トリプリング用の第２ＬＢＯクリスタルを通過す
る。ＩＲから緑への変換効率すなわち１．０６４μmか
ら５３２ｎｍへの変換効率が下がった（例えば３０％ま
で）時、ＩＲからＵＶへの変換効率すなわち１．０６４
μmから３５５ｎｍへの変換効率は最高（例えば,３０％
以上）に上がる。１．０６４μmから３５５ｎｍへの変
換率はまた、２つのＬＢＯクリスタルがそれぞれＩＲと
緑のビームの間にある量のウォークオフを起こすとき最
高に上がる。ある好適な実施例では、変換効率は、複数
のＬＢＯ非線形クリスタル間にウォークオフを条件づけ
るためＬＢＯクリスタル間のビーム通路に光学装置が置
かれたとき、更に最適化される。

【００１７】ある好適な実施例では、ビーム特性は殆ど
回折制限がされる。ある好適な実施例では、パワーが３
５５ｎｍで２００ｍＷより大きくとなると、ダイオード
バーが１本のままでも３５５ｎｍで１Ｗ以上発生させる
ことが可能である。ある好適な実施例では、ＬＢＯクリ
スタルは５０℃近い温度で作動される。別の実施例で
は、２０kHzで３．５Wの１．０６４μm光から、１．２W
を越える３５５ｎｍ光が外腔に発生する。これは１．０
６４ミクロンから３５５ｎｍへの腔外変換効率が、３０
％を越えていることを表している。またファイバー連結
されたダイオードポンプ光から３５５ｎｍへの変換効率
が１０％であることを示す。結局、ダイオードバーの原
出力から３５５ｎｍへの変換効率は約７．５％であるこ
とを表している。Ｎｄ：ＹＶＯ4と角度調整したダブラ
ー及び角度調整したトリプラーが、初めて、腔外トリプ
ル化、ハイパワー（＞１００ｍＷ）、高い反復率（＞１
０kHz）、高いビーム特性（Ｍ＜２）を持つＱ切換ダイ
オードポンプ式固体レーザーに組み込まれる。ある好適
な実施例においては、２０kHz以上の反復率で３００ｍ
Ｗを上回る平均出力を出している。

【００１８】様々な実施例で、本発明のレーザーは３５
５ｎｍで１Ｗ以上を出している。さらに、ＵＶレーザー
システムの出力は、ステレオリトグラフィー・アプリケ
ーションに対し最適化されている。

【００１９】

【好適な実施例の詳細な説明】本発明は、共鳴器を定義
づける高度な反射鏡と出力連結器を含んだダイオードポ
ンプ式レーザーである。共鳴器はゲイン媒体とＱスイッ
チを備え基本ビームを生み出す。基本ビームの通路に沿
って、共鳴器の腔外に第１非線形クリスタルが配置され
る。第１非線形クリスタルが、基本ビームから第２調波
ビームを発生させる。第１非線形クリスタルは臨界位相
整合される。第２非線形クリスタルは、基本ビームの通
路と第２調波ビームの通路に沿って共鳴器の腔外に配置
される。第２非線形クリスタルは第３調波ビームを発生
させる。第２非線形クリスタルは臨界位相整合される。
ある実施例では、第１非線形クリスタルはＬＢＯで作ら
れている。第２実施例では、第２非線形クリスタルはＬ
ＢＯで作られている。第１非線形クリスタルはphiは５
から１０度の範囲内、thetaは８５から９０度の範囲内
にカットすることができる。第２非線形クリスタルはph
iは８５から９０度の範囲内、thetaは４２から４７度の
範囲内にカットすることができる。ゲイン媒体は、Ｎ
ｄ：ＹＶＯ4でよい。共鳴器は反復率１０kHz以上でＱ切
換してもよい。

【００２０】光学的要素は第１非線形クリスタルと第２
非線形クリスタルの間に置くことができる。光学的要素
は、基本ビームと第２調波ビームの間のウォークオフを
調整する。基本ビームから第３調波ビームへの変換効率
を上げるためには、基本ビームから第２調波ビームへの
変換効率は最大変換効率より小さくなる。基本ビームか
ら第２調波ビームへの変換効率は２５から３０％の範囲
にある。基本ビームから第３調波ビームへの変換効率を
上げるためには、基本ビームから第２調波ビームへの変
換効率は最大変換効率より小さくなる。基本ビームから
第２調波ビームへの変換効率は２５から３０％の範囲で
ある。ある実施例においては、基本ビームから第２調波
ビームへの変換効率は３０％である。図１と２のＬＢＯ
の配置に関して、ダブリングクリスタル１０とトリプリ
ングクリスタル１２はゼロウォークオフＮＣＰＭダブリ
ングを使用していない。望ましい実施例では、臨界位相
整合した角度調整ダブリングＬＢＯクリスタル１０を使
用し、その後に臨界位相整合したトリプリングクリスタ
ル１２が続く。ある実施例においては、ダブラーは、Ｎ
ＣＰＭに有効であると広く知られているphi=０、theta=
９０のカットではなく、むしろphi=５から１５度のカッ
トを採用している。この実施例では、ＮＣＰＭで代表的
に使用される１５０−１６０℃に対して、５０℃の温度
でＬＢＯダブリングクリスタル１０を作動させている。
基本の１０６４ｎｍビーム１６は、ＬＢＯの角度調整さ
れたダブリングクリスタル１０に入射するが、その時ク
リスタル１０の中では、クリスタル内の基本ビーム１８
と、腔内ダブリングされたビーム２０が発生する。よく
知られているように、このタイプの周波数ダブリングで
は、関連したウォークオフ２２がこの２つの間に引き起
こされる。ダブリングされた５３２ｎｍビームと１０６
４ｎｍビームはそれぞれビーム２４と２６としてダブリ
ングクリスタル１０を離れ、臨界位相整合されたトリプ
リングクリスタル１２に入る。ビーム２８と３０は、ク
リスタル１０を出るとお互いから離れる。ダブリングさ
れたビーム２８と赤外線ビーム３０は、よく知られてい
るように有限の空間の広がりを持つ。ビーム２８と３０
は部分的に重なるが、ＮＣＰＭのケースのように完全に
重なることはない。

【００２１】ビーム２４と２６はＬＢＯトリプルクリス
タル１２に入り、そこでクリスタル内１０６４ｎｍビー
ム３０とクリスタル内５３２ｎｍビーム２８は、ＬＢＯ
トリプルクリスタル１２を通って伝わる。図１では、Ｌ
ＢＯトリプリングクリスタル１２によって導かれたウォ
ークオフ３２がビーム２８と３０を離れたまま進ませる
ように、トリプリングクリスタル１２が方向づけられて
いる。よく知られているように、ビーム２８と３０がク
リスタル１２で重なり合うことができるような空間的広
がりを有していれば、ビーム２８と３０は合計周波数ミ
キシングにより混ざり合って３５５ｎｍでトリプル化Ｕ
Ｖビーム３４をつくりだす。よく知られているように、
ビーム３６、３８、４０は、それぞれ、フレネルロスを
を除けば１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍの出力
ビームとなってクリスタル１２を出ていく。

【００２２】理想的には、ビーム１６の１０６４ｎｍパ
ワーが高いパーセンテージで、ビーム４０の３５５ｎｍ
のパワーに変換されている。しかし、図１の「ウォーク
オフを加える」設計は、効果的でないことが判明した。
図１で描写された設計では、例えば、２０kHzでパルス
化される３．５Wの１０６４ｎｍビーム１６は、３５５
ｎｍ１００ｍＷのパワービーム４０にしか変換されな
い。図２では、ＬＢＯトリプリングクリスタル１２は、
図１に対して反対の意図で設置される。クリスタル１２
は、図１で示される位置に対して１８０度回転してい
る。この場合、１０６４ｎｍビーム３０と５３２ｎｍ緑
ビーム２８は、トリプリングクリスタル１２′の中でウ
ォークオフ角度３２′でお互いに近づき、３５５ｎｍビ
ーム３４をクリスタル１２′の中で発生させ、３５５ｎ
ｍビーム４０がクリスタル１２′を出ていく。１０６４
ｎｍと５３２ｎｍのビーム３６と３８も又、クリスタル
１２′を出ていくが、その時ビーム３６、３８、４０に
は、よく知られているようにフレスネルロスが生じる。
この実施例では、２０kHzでＱ切換１０nsecまでのパル
スの形の３．５Wの１０６４ｎｍビーム１６で、１．２
５Wを越す３５５ｎｍの光を生み出すが、この時のパワ
ー変換効率は３６％になる。約１２Wのダイオードポン
プ光が使用されているので、１２．５Wで３５５ｎｍと
いうのは、ファイバー連結されたダイオードポンプ光か
ら３５５ｎｍ出力パワーへの変換率が１０％以上である
ということを表している。

【００２３】図１、図２では示されていないが、ダブリ
ングクリスタル１０とトリプリングクリスタル１２′の
間でビーム２４と２６の通路にオプションで光学器を置
いてもよい。この光学器でビーム２４と２６の相対的な
位置と角度を調節することができる。単純なレンズ、焦
点合わせの凹レンズまたは鏡（図示されていない）等
が、例として挙げられる。このような光学器は、ビーム
２４と２６をとらえ、２つのビームの間の相対的角度を
修正し、相対的な位置も修正可能である。このような修
正のための光学器には、レンズ、鏡、分散光学器やその
要素部材、屈折鏡やその要素部材、回折鏡やその要素部
材が含まれるが、それらだけに限定されるわけではな
い。ある実施例では、１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの
中間変換効率は、生み出される３５５ｎｍ光の量につい
ては最高である。１０６４パワーの６０％以上を５３２
ｎｍでのパワーへ変換することもできる。しかし、５３
２ｎｍへの変換率がこれほど高いと最大の３５５ｎｍパ
ワーを引き出すことはできない。このような高い変換率
では１０６４ｎｍビームの空間的且つ一時的な特性がゆ
がめられ、３５５ｎｍパワーを発生させるに際して、１
０６４ｎｍプラス５３２ｎｍの周波合算過程のグレード
が下がってしまう。１０６４ｎｍから３５５ｎｍへの最
大変換が得られるのは、５３２ｎｍへの中間変換効率が
３０％までに落とされた時である。この効率を下げる方
法は数々あり、ダブリングクリスタル１０をパワー密度
を落とした１０６４ｎｍの面に移すとか、角度をディチ
ューンするとか、温度のディチューンやそれに似たこと
をするとかが含まれるが、そういった方法に限定されて
いるわけではない。

【００２４】ＬＢＯを使用した効率の優れたトリプリン
グ設計の開発が重要である事には、（１）与えられたダ
イオードポンプパワー量でより大きいＵＶパワーを提供
すること、（２）ダイオードの流れを減らしダイオード
の寿命を延ばすこと、（３）非線形クリスタルへのダメ
ージを防ぎ寿命を延長させるため非線形クリスタル上の
パワー密度を下げること、（４）４０kHz程度の高反復
率で高いＵＶパワーを発生させること、等が可能になる
という事を始めとした幾つかの理由がある。図３で示さ
れるように、パワー供給源４２は、ファイバー連結され
たモジュール４４とＲＦドライバー４６を内蔵してお
り、Ｑ切換Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザーヘッド４８を稼働さ
せる。これは、スペクトラーフィジックスレーザースか
らＢ１０−１０６Ｑとして入手でき、ニガームとピータ
ーセンも述べている。これは、２０−３０kHzでＱ切換
１０nsecパルスの平均パワービーム３Ｗになる１０６４
ｎｍビーム５０を生み出す。ビーム特性は概ねＭ＜１．
２と測定される。先に述べたようにビーム５０は１つあ
るいはそれ以上の光学器５２によって焦点を合わせられ
る。ダブラークリスタル１０で焦点を合わされた１０６
４ｎｍビーム５４は、半径５０μmくらいになるとされ
る。ダブリングされたビーム５６は、ビーム５４に対し
て相対的ウォークオフ角度５８で発生する。代表的なウ
ォークオフ角度は０．５度位になる。消耗した１０６４
ｎｍビーム６０はダブリングクリスタル１０を出てい
き、ダブリングされたビーム６２も同様に出ていく。ビ
ーム６０と６２は、角度調節され臨界位相整合されたダ
ブリングクリスタル１０からのウォークオフで分離させ
られる。第２光学器もしくは第２光学器グループ６４
は、１０６４ｎｍのビーム６０と５３２ｎｍの６２とに
焦点を合わせ、これにより焦点を合わされたビーム６６
と６８とになる。光学器６４は、単一レンズ、複数レン
ズ、鏡、もしくは他の光学器でもよい。ある好適な実施
例では、一組みの凹面鏡が光学器６４として用いられて
いる。

【００２５】１０６４ｎｍと５３２ｎｍの混合からタイ
プII３５５ｎｍを発生させるＬＢＯトリプリングクリス
タル１２は、通常theta=４２から４７度、phi=９０にカ
ットされる。温度５０℃ではトリプリングクリスタルに
は４２度までの角度が、また７０℃の場合は４４度まで
の角度が採用できる。代表的な長さは１０mmだが、ビー
ムサイズと重ね合わせの加減により、長くすることも短
くすることもできる。ある好適な実施例ではコーティン
グされていないクリスタルが使用されているが、コーテ
ィングされたクリスタル１２を使うこともできる。レー
ザーに使用されるに当たって要求されまた周知の事実で
もあるが、クリスタル１２の光学面はその性能を発揮す
るため磨かれている。ＬＢＯクリスタルは中国福建省の
フュージャンカシックス又はフィージャンカステックか
ら調達できる。クリスタル１２の端は、お互いに対して
約１度の楔角度で楔状にしていてもよい。

【００２６】赤外線ビーム７０と緑ビーム７２は、トリ
プリングクリスタル１２内で相互に作用しあって第３調
波ビーム７４を発生させる。ビーム７０と７２の相対ウ
ォークオフは角度７６で示される。ある実施例では、角
度７６と角度５８は少なくとも部分的にはお互いを補正
し合う。ビーム７８、８０、及び８２は、それぞれ消耗
した基本ビーム、消耗した第２調波ビーム、そして第３
調波ビームとなってトリプリングクリスタル１２を出
る。ビーム７８と８０を遮るためにフィルター要素８４
が使用される。しかし、フィルター要素８４は、第３調
波ビーム８２を伝送し出力ビーム８６を出す。フィルタ
ー要素８４は、コーティングされた単一光学器もしくは
複数光学器、プリズムまたはその他分散装置、屈折装
置、もしくは回折装置であってもよい。

【００２７】図４に示すように、ビーム８８はＱ切換Ｎ
ｄ：ＹＶＯ4レーザー４８を出て、音響光学変調器９０
をビーム９２として通過する。適応する変調器９０は、
カリフォルニア州、マウンテンビューのクリスタルテク
ノロジー社から入手できる。変調器９０はビーム８８を
３５５ｎｍで出力ビーム９２に変調させる。変調器９０
はＴｅＯ2で作られているのが望ましい。変調された１
０６４ｎｍビーム９２はウインド９６を通過してトリプ
ラー容器９８に入る。ウインド９６はブルースターウイ
ンドでよい。容器９８はクリスタル１０と１２を防御す
るためシールされている。変調ビーム９２は凹面鏡１０
０に当たり、凹面鏡は変調された１０６４ｎｍのビーム
９２がＬＢＯクリスタル１０を通るように焦点を合わせ
る。凸面鏡１００は曲率半径１０ｃｍで、１０６４ｎｍ
での高度反射鏡である。消耗した赤外線ビーム１０２と
ダブリングされたビーム１０４は、両ビーム間の相対ウ
ォークオフを修正する凹面鏡１０６、１０８に入射す
る。鏡１０６と１０８はそれぞれ曲率半径１０cmと１５
cmであり、１０６４ｎｍと５３２ｎｍでの高度反射鏡で
ある。ビーム１０２と１０４はトリプリングクリスタル
１２に焦点を合わされ、第３調波ビーム１１０を発生さ
せる。

【００２８】ビーム１１０は容器９８を出て折り返し鏡
１１２と１１４に当たる。鏡１１２と１１４は、３５５
ｎｍで高度反射をし、１０６４ｎｍと５３２ｎｍでは転
送するので、フィルターとして働く。この連続ビーム群
にはレンズ１１６、１１８、１２０も含まれており、よ
く知られているように、３５５ｎｍビーム１１０のビー
ムサイズと伝播特性を操作するために使われる。また連
続ビーム群には、３５５ｎｍビーム１１０のほんの一部
をパワー供給源４２に連結された検波器１２４に向ける
分離器１２２も含まれている。この検査はパワーのモニ
ターのため、もしくはダオオード電流または音響光学変
調器９０を使用したクローズドループ・フィードバック
のために行われる。ある実施例では、出力ビーム９４は
４０kHzの反復率で３５５ｎｍで２４０ｍＷを越すパワ
ーを有する。また別の実施例では出力ビーム９４は、４
０kHzの反復率で、３５５ｎｍで５００ｍＷを越すパワ
ーを有する。もう一つ別の実施例では、出力ビーム９４
は２０kHzの反復率で、３５５ｎｍで１Wを越すパワーを
有する。

【００２９】本発明の好適な実施例についてこれまで述
べてきた事柄は、図解と解説を目的としたものである。
詳細を網羅したり、開示された細かい形に発明を制限し
ようと意図したものではない。多くの修正とバリエーシ
ョンが可能なことは、専門の当業者には明らかなことで
ある。本発明の範囲は、次の請求項及びそれと等価な事
項によって定義されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】臨界位相整合トリプリング過程につながる臨界
位相整合ダブリング過程の線図である。

【図２】本発明の好適な実施例に使用されているＱ切換
ダイオードポンプ式Ｎｄ：ＹＶＯ4固体レーザーと腔外
調波発生装置の線図である。

【図３】本発明の１つの実施例の仕組みを図解した線図
である。

【図４】本発明のシステムがステレオグラフィーで使用
されている仕組みを図解した線図である。

【符号の説明】

１０・・・・・・ダブリングクリスタル１２，１２‘・・・・・・トリプリングクリスタル１６、１８，２０、２４、２６、２８、３０、３４、３
６、３８、４０、５０、５４、５６、６０、６２、６
６、６８、７０、７２、７４、７８、８０、８２、８
６、８８、１０２、１０４、１１０・・・・・・ビーム２２、３２、５８、７６・・・・・・ウォークオフ４２・・・・・・パワー供給源４８・・・・・・レーザーヘッド５２、６４・・・・・・光学器８４・・・・・・フィルター９０・・・・・・変調器９６・・・・・・ウィンド９８・・・・・・トリプラー容器１００、１０６、１０８・・・・・・凹面鏡１１２、１１４・・・・・・鏡１１６、１１８、１２０・・・・・・レンズ１２２・・・・・・分離器１２４・・・・・・検波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アレンビーピーターセンアメリカ合衆国カリフォルニア州 94301 パロアルトハイストリート 1020 (72)発明者クリスポハルスキーアメリカ合衆国カリフォルニア州 94043 マウンテンヴィューロックストリート 1921−11 (72)発明者エミリーチェンアメリカ合衆国カリフォルニア州 94086 サニーヴェイルラメサテラス 986−エイチ (72)発明者ランダルレーンアメリカ合衆国カリフォルニア州 94025 メンロパークフォーティーンスアベニュー 827 (72)発明者ウィリアムエルニーガンジュニアアメリカ合衆国カリフォルニア州 94025 メンロパークエイティーンスアベニュー 803

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲイン媒体とＱスイッチを含んだ、基本
ビームを発生させる共鳴器を定義する高度な反射鏡及び
出力連結器と、共鳴器の腔外に基本ビームの通路に沿っ
て配置され、基本ビームから第２調波ビームを発生させ
る臨界位相整合されている第１非線形クリスタルと、共
鳴器の腔外に基本ビームと第２調波ビームの通路に沿っ
て配置され、第３調波ビームを発生させる臨界位相整合
されている第２非線形クリスタルとから成るダイオード
ポンプ式レーザー。
【請求項２】第１非線形クリスタルがＬＢＯで作られ
ていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項３】第２非線形クリスタルがＬＢＯで作られ
ていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項４】第２非線形クリスタルがＬＢＯで作られ
ていることを特徴とする請求項２に記載のレーザー。
【請求項５】第１非線形クリスタルは、phiが５度か
ら１０度の範囲内でカットされており、thetaは８５度
から９０度の範囲内にあることを特徴とする請求項４に
記載のレーザー。
【請求項６】第２非線形クリスタルは、phiが８５度
から９０度の範囲内でカットされており、thetaは４２
度から４７度の範囲内にあることを特徴とする請求項４
に記載のレーザー。
【請求項７】ゲイン媒体がＮｄ：ＹＶＯ4であること
を特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項８】共鳴器が１０kHz以上の反復率でＱ切換
することを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項９】第１非線形クリスタルと第２非線形クリ
スタルの間に配置され、基本ビームと第２調波ビームの
間のウォークオフを修正する光学要素を更に含むことを
特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項１０】基本ビームから第３調波ビームへの変
換効率を増すため、基本ビームから第２調波ビームへの
変換効率が最大変換効率より低くなっていることを特徴
とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項１１】基本ビームから第２調波ビームへの変
換効率が２５％から３０％の範囲内にあることを特徴と
する請求項１０に記載のレーザー。
【請求項１２】基本ビームから第３調波ビームへの変
換効率を増すため、基本ビームから第２調波ビームへの
変換効率が最大変換効率より低くなっていることを特徴
とする請求項９に記載のレーザー。
【請求項１３】基本ビームから第２調波ビームへの変
換効率が２５％から３０％の範囲内にあることを特徴と
する請求項１２に記載のレーザー。
【請求項１４】基本ビームから第２調波ビームへの変
換効率が３０％であることを特徴とする請求項１０に記
載のレーザー。
【請求項１５】基本ビームから第２調波ビームへの変
換効率が３０％であることを特徴とする請求項１２に記
載のレーザー。