JP2004503918A - 深紫外発生用ダイオード励起カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

２段階ダイオード励起固体レーザを開示する。ダイオードレーザソースが第１固体レーザを励起する。次に、この第１固体レーザは、第２固体レーザを励起する。この第２固体レーザには、効率の良い深紫外発生に適した全てのパラメータが含まれている。このダイオード励起固体カスケードレーザの直接の用途は、レーザ屈折手術用の深紫外（ｄｅｅｐ ＵＶ）を発生させることである。

Description

【０００１】
【優先権の主張】
本出願は、１９９８年８月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／０９８，３９８号の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の技術分野】
この発明は、ダイオード励起固体レーザ装置に関する。特に、この発明は、深紫外（ｄｅｅｐ ＵＶ）発生に適したダイオード励起２段階レーザソースに関する。
【０００３】
【発明の背景】
ダイオード励起固体レーザを用いて２００ｎｍあたりの深紫外を発生させることは、レーザ屈折手術法（ｐｈｏｔｏ−ｒｅｆｒｅｃｔｉｖｅ ｓｕｒｇｅｒｙ）にとって非常に望ましい。そのような深紫外レーザソースは、現在レーザ屈折手術法用のレーザソースの主流であるエキシマーレーザに比べ、小型化、信頼度及びメンテナンスの点で勝っていると考えられている。更に重要な点は、固体レーザソースの動作が、エキシマレーザのそれに比べ、非常に高い繰返しレートで、かつ非常に小さなエネルギー変動で行えることである。高い繰返しレートで深紫外レーザビームをスキャンさせることによって角膜表面における様々な切除形状が可能となり、レーザ屈折手術法にとって柔軟性が高まる。固体紫外レーザソースからのパルスエネルギーにおける安定性が改善されると、正確で制御可能な切除が確実なものとなる。
【０００４】
そのようなダイオード励起固体レーザソースを得るためには、まず、レーザパラメータが適切なパルス赤外レーザビームを発生させる必要がある。そうして、効率的な波長変換を行って高次高調波を発生させることができる。重要なレーザパラメータとしては、レーザ波長、スペクトル幅、パルス持続時間、パルスエネルギー、パルス繰返しレート及びビーム品質が挙げられる。しかし、１つのダイオード励起固体レーザから、一挙に、全ての適正なパラメータを得ることは困難である。
【０００５】
キロヘルツ及びミリジュールのレベルで動作するダイオード励起固体レーザは、基本的に、８００ｎｍ付近のダイオードレーザソースで励起されるネオジム（Ｎｄ）添加レーザである。このレーザは、簡単にＱスイッチングされて、持続時間が３０乃至１００ｎｓのレーザパルスを生成する。今日入手できる非線形結晶では、このパルス持続時間は長過ぎて、光学的損傷のない効果的な深紫外発生を行うことができない。ビーム品質とパルスエネルギーとは、このレーザの互いに競合するパラメータである。簡単で、パルスエネルギーが高いが故に、このレーザは普及しており価格も低い。このレーザは、米国ミズリー州セントチャールズのカッティングエッヂオプトロニクス（Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ）社及び米国フロリダ州オーランドのリーラスタ（Ｌｅｅ Ｌａｓｔｅｒ）社から市販されている。
【０００６】
マスタ発振器とパワー増幅器とを使用した、構造がより複雑なレーザシステムでは、パルスがより短く、ビーム品質がより良いものが得られるが、コストは非常に高くなる。そのようなレーザシステムでは、Ｑスイッチングされる発振器が、高輝度ダイオードレーザによって縦方向に励起され、持続時間が約１０ｎｓの低エネルギーパルスを生成する。ダイオード励起パワー増幅器が、そのパルスエネルギーをミリジュールのレベルまで押し上げる。このレーザを用いた深紫外発生では、得られる変換効率は約５％である。この１０ｎｓのレーザソースを用いた場合、光学的損傷が、２００ｎｍ付近の深紫外発生を対象とする非線形結晶について重要な問題となっている。この光学的損傷を回避するためには、非線形結晶を連続して動作させる必要がある（本願発明者（Ｌａｉ）その他に付与された米国特許第５８２５５６２参照）。マスタ発振器とパワー増幅器とを使用したレーザシステムは、ドイツのランプダフィズィック社（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ ＧｍｂＨ）及び米国カリフォルニア州サンタクララのコンティニュアム（Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）社から市販されている。
【０００７】
構造が更に一層複雑な、マスタ発振器／パワー増幅器レーザシステムでは、モード固定発振器と再生増幅器が使用されることがある。持続時間が約１００ｐｓのパルスを発生させることができ、約１ミリジュールのパルスエネルギーをキロヘルツレベルの繰返しレートで得ることができる。深紫外発生について約１０パーセントの変換効率が達成できる。パルスが短いこのレーザシステムを用いた場合、紫外結晶についての光学的損傷はあまり大きな問題ではない。しかし、このレーザシステムは、その動作及びメンテナンスの条件が非常に厳しいため、主に製造所、研究所、試験所のような環境（ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）で使用されている。市販の製品としては、米国カリフォルニア州のマウンテンビューのスペクトラフィズィックスレーザズ（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌａｓｅｒｓ）社から販売されているものがある。そのシステムの価格は、ゆうに２０万ドルを超えることがある。
【０００８】
キロヘルツ及びミリモジュールのレベルで動作するダイオード励起固体レーザに対する別の制約事項は、レーザ波長である。ダイオード励起ソースで、パワー及び耐用年数の十分なものが申し分なく開発されてきたのは、ネオジム添加レーザに関するものについてのみである。実用上、これらのレーザから出るレーザ波長は、１０６０ｎｍ付近または１３２０ｎｍ付近に制限されている。その結果、それらの第２高調波は、５３０ｎｍ付近または６６０ｎｍ付近に制限されている。
【０００９】
【発明の概要】
レーザ励起レーザによって多くのレーザパラメータを修正することができる。第２レーザは、新しい波長と、より良い品質のビームを生成することができる。第２レーザは、簡単にゲインスイッチング（利得切換え：ｇａｉｎ ｓｗｉｔｃｈｅｄ）を行って励起パルスよりも短いレーザパルスを生成できる。また、レーザ励起レーザは、非常に簡単な共振キャビティを用いることができ、必要なメンテナンスも最小にすることができる。
【００１０】
この発明は、深紫外（ｄｅｅｐ ＵＶ）発生に適した全てのレーザパラメータを得ることができるダイオード励起カスケードレーザを意図するものである。第１ダイオードレーザソースによって励起される固体レーザが、Ｑスイッチングされて、エネルギーが数ミリモジュールである短いレーザパルスを生成する。次に、第１固体レーザによって励起される第２固体レーザが、ゲインスイッチングされて、更に短いレーザパルスを生成する。このようなカスケードレーザソースによって、深紫外発生のための全てのレーザパラメータを最適化することが可能となる。この発明の１つの特徴は、深紫外発生用の新しい改良型ダイオード励起固体レーザソースを提供することである。この発明の別の特徴は、レーザ屈折手術用の新しい改良型深紫外レーザソースを提供することである。
【００１１】
この発明のダイオード励起カスケードレーザを作る方法は幾つかある。ダイオード励起ソースは、１つのダイオードレーザアレイまたはアレイのスタック（アレイを複数重ねたもの）で構成できる。この励起ソースは、連続波モードまたは準連続波モードで動作させることができる。端部励起構成（ｅｎｄ ｐｕｍｐ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）、または、側面励起構成（ｓｉｄｅ ｐｕｍｐ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）のどちらでもこの発明に適用できる。励起パワーは、おおよそ１０乃至１００Ｗである。励起レーザの波長は、８００ｎｍ付近であり、第１レーザゲイン媒体（ｇａｉｎ ｍｅｄｉｕｍ）の吸収ラインとマッチするように調整されている。
【００１２】
第１固体レーザは、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４などのネオジムを添加したレーザ（ネオジムでドープされたレーザ）である。この第１レーザは、Ｑスイッチングされて、持続時間が５０ｎｓより短く、繰返しレートが約０．５乃至５ｋＨｚのレーザパルスを生成する。このレーザは、更に、周波数が逓倍（２倍に）されて５３０ｎｍ付近または６６０ｎｍ付近の波長になる。キャビティ内逓倍（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ）またはキャビティ外逓倍（ｅｘｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ）のどちらでも用いることができる。おおよそ２乃至１０ｍＪのマルチモードパルスエネルギーが得られる。
【００１３】
第１固体レーザの出力パルスによって第２固体レーザが励起される。この第２固体レーザは、ゲインスイッチングされて、約１ｎｓのパルス持続時間と約１ｍＪのパルスエネルギーを持つＴＥＭ００レーザビームを生成する。レーザ波長は、８４０ｎｍあたり、または１０６０ｎｍあたりにすることができ、その結果、第４高調波または第５高調波は、２１０ｎｍあたりの深紫外ビームになる。パルスのスペクトル帯域幅は、０．０１ｎｍ、または、それより狭くなり、従って、紫外パワーへのエネルギー変換が効率良く行える。レーザ媒体は、Ｔｉ：サファイアの結晶、Ｃｒ：ＬｉＳＡｌＦの結晶またはネオジムを添加した結晶を使用することができる。
【００１４】
第２固体レーザでは、また、Ｑスイッチ変調器を追加して、これを用いてＱスイッチングするようにしてもよい。その場合、この第２Ｑスイッチは、第１固体レーザの第１Ｑスイッチと同期させる必要がある。
【００１５】
第２固体レーザの出力ビームは、次に、波長変換器に入れられて、深紫外レーザビームが生成される。第２高調波または第３高調波の発生用の非線形結晶としては、ＫＴＰ、ＬＢＯ、ＢＢＯまたはＣＬＢＯを使用することができる。ＢＢＯは、２１０ｎｍ付近の深紫外発生用としては、実用上唯一の結晶である。ＣＬＢＯは、将来可能性のある結晶である。結晶の選択及び高調波の発生は、当業者にとって周知事項である。
【００１６】
この発明が提案するダイオード励起カスケードレーザは、かなりコンパクトであり、製造が容易であり、且つ、メンテナンスの要件が緩和されている。従って、製造コスト及び運転コストが十分低いため、固体レーザ技術をレーザ屈折手術の用途に使用する価値が高まると考えられる。この発明の既述の特徴、その他の特徴及び利点は、図面、詳細な説明及び特許請求の範囲の各請求項によって更に明らかとなる。
【００１７】
【好ましい実施の形態の詳細な説明】
図１は、本発明に従ったダイオード励起固体カスケードレーザ１０の一つの実施の形態を示す概略図である。レーザ１０は、ダイオード励起ソース１００、第１固体レーザ２００および第２固体レーザ３００に分けられる。ダイオード励起ソース１００は、第１固体レーザ２００を励起する。次いで、第１レーザ２００は第２レーザ３００を励起する。第１レーザ２００からの出力ビーム２０１は、オプティクス（ｏｐｔｉｃｓ）２０２および２０３を経て第２レーザ３００へ導かれる。第２レーザ３００の出力ビーム３０１ａは、深紫外（ｄｅｅｐ ＵＶ）生成に適する全てのパラメータを含む。
【００１８】
図２は、深紫外生成用ダイオード励起固体カスケードレーザにおける本発明の概念を示すブロック図である。図は、ダイオード励起ソース１００、第１固体レーザ２００、第２固体レーザ３００および波長変換器４００を表す４つのブロックから成る。
【００１９】
ダイオード励起ソース１００は、ダイオードレーザアレイ、またはアレイのスタックである。励起レーザエネルギーはレーザロッドへ光学的に結合されて、第１レーザ２００のゲインを生成する。励起ソース１００は連続波モードまたは偽連続波モードで動作される。励起レーザ波長は約８００ｎｍであり、第１レーザ２００のゲイン媒体の吸収線に一致するよう同調される。
【００２０】
当該技術で周知の各種のスキームと励起構成があり、その幾つかは本提案用途に適用できる。それら励起スキームは直接励起、ファイバー結合および光学的結合を含む。励起構成は側面励起と端部励起を含む。図３に示す一つの実施の形態は、直接結合かつ側面励起の範疇に属する。本提案用途では、励起出力は１０から１００Ｗの範囲にある。
【００２１】
第１レーザ２００は、Ｑスイッチで周波数逓倍のＮｄ添加レーザであってもよい。Ｎｄ添加レーザの媒体は、ダイオードレーザアレイの高出力励起ソースの入手性で選択される。Ｎｄ添加レーザの媒体は、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ４を含む。励起レーザの波長は、これらのゲイン媒体の吸収線と一致するよう同調されるのがよい。
【００２２】
この第１レーザ２００は、繰返しレートが約０．５から５ｋＨｚでＱスイッチングされ、５０ｎｓかそれより短い持続時間のレーザパルスを生成するのがよい。このレーザは、波長が約１０６０または１３２０ｎｍで動作される。さらに第２レーザ３００のゲイン媒体に応じて波長が約５３０か６６０ｎｍへと、２倍の周波数となる。第１レーザ２００の第２高調波で、約２から１０ｍＪのパルスエネルギーが本提案用途に対して得られるのがよい。第１レーザ２００のビーム品質はそれほど要求されない。低次横モードでのマルチモード動作は許容できる。
【００２３】
第１レーザ２００のＱスイッチングは、ＡＯ変調器またはＥＯ変調器の何れかによって得られる。キャビティ内およびキャビティ外逓倍の何れによっても第１レーザ２００の第２高調波発生を達成できる。適切な膜を有するキャビティミラーを用いて、第１レーザ２００の波長を選択できる。当該技術で周知の様々な構成が、第１レーザ２００を構築するために用いられる。図３に示す構成は、折りたたまれた直線キャビティ内側でのキャビティ内逓倍を利用している。
【００２４】
第１レーザ２００からの出力パルスは、第２レーザ３００を励起する。この第２固体レーザ３００は、約１ｎｓかそれより短い持続時間のレーザパルスを発生するようゲインスイッチングされる。また、第２レーザ３００の出力は深紫外生成に適する他のパラメータ全てを含む。それはＴＥＭ００レーザビームであり、約１ｍＪのパルスエネルギーを持つ。それは約８４０ｎｍまたは約１０６０ｎｍの何れかの波長を有するので、第４高調波または第５高調波が、結果として約２１０ｎｍの深紫外レーザビームを発生することになろう。そのスペクトルのバンド幅は、０．０１ｎｍかそれより狭いので、紫外出力への効率のよいエネルギー変換が得られる。
【００２５】
第２レーザ３００は、Ｔｉ：サファイア、Ｃｒ：ＬｉＳＡｌＦまたはＮｄ添加レーザロッドを含むゲイン媒体を有する。Ｔｉ：サファイア結晶により第２レーザ３００は約５３０ｎｍで励起されて、波長が約８４０ｎｍのレーザビームを発生する。Ｃｒ：ＬｉＳＡｌＦ結晶により第２レーザ３００は約６６０ｎｍで励起されて、波長が約８４０ｎｍのレーザビームを発生する。Ｎｄ添加レーザロッドにより第２レーザ３００は約５３０ｎｍで励起されて、波長が約１０６０ｎｍのレーザビームを発生する。レーザ結晶Ｔｉ：サファイアとＣｒ：ＬｉＳＡｌＦは、８４０ｎｍの出力を第４高調波生成によって２１０ｎｍの深紫外ビームへ変換できるので、より好ましい。１０６０ｎｍのＮｄ添加レーザからの出力は、同様な紫外波長を得るのに第５高調波生成を必要とする。
【００２６】
第２固体レーザ３００からの出力レーザは、波長変換器４００へ導かれ深紫外レーザビームを発生する。第２または第３高調波生成用非線形結晶はＫＴＰ，ＬＢＯ、ＢＢＯまたはＣＬＢＯであってよい。ＢＢＯは、現在のところ２１０ｎｍまでの深紫外生成用の唯一の結晶である。ＣＬＢＯは将来的にその可能性を持つ。結晶の選択とその高調波生成は当該技術で周知である。
【００２７】
図３（ａ）は、第１レーザ２００の一つの実施の形態としてのダイオード励起固体レーザの概略図を示す。それはＱスイッチングされる周波数逓倍のＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ２００は、第１端部ミラー（ｅｎｄ ｍｉｒｒｏｒ）２１０、レーザヘッド２２０、Ｑスイッチ２３０、折り返しミラー２４０、逓倍結晶２５０および第２端部ミラー２６０から成る。それはダイオード励起ソース１００によって励起され、出力レーザビーム２０１を発生する。
【００２８】
ミラー２１０、２４０および２６０はレーザ共振器を形成する。これらミラーはすべて、レーザの基本波長に対する高反射コーティングを有する。ミラー２６０はレーザの第２高調波の波長に対しても高い反射性を有する。ミラー２４０はレーザの第２高調波の波長には高い透過性を有し、第１レーザ２００の出力カプラとして働く。
【００２９】
第１端部ミラー２１０は平面鏡である。折り返しミラー２４０と第２端部ミラー２６０は、逓倍結晶２５０のところでビームに焦点を結ばせる凹面鏡である。すべてのキャビティ内素子２２０、２３０および２５０は、レーザビームと相互作用するそれら表面上に反射防止膜を有する。図示していないが、ブリュースタ窓（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ ｗｉｎｄｏｗ）がレーザの偏光を制御するためにキャビティに挿入されることもある。
【００３０】
励起ヘッド２２０はＮｄ：ＹＡＧロッドを含む。ダイオード励起ソース１００は一側面から直接レーザヘッドを励起する。Ｎｄ：ＹＡＧロッドの直径は数ｍｍであり、長さは数ｃｍである。ＣＷ励起モードの実施例では、そのロッドは、本提案用途で十分な出力パワーを発生するように約１００ワットの励起パワーを吸収するのがよい。
【００３１】
Ｑスイッチ２３０は、繰返しレートが約３ｋＨｚで駆動されるＡＯまたはＥＯ変調器である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザについては、これはおよそ最適といえる繰返しレートであり、それ以上であるとパルスエネルギーは低下してしまう。Ｑスイッチング２３０は、短いパルスを発生できるよう速いのが好ましい。
【００３２】
逓倍結晶２５０はＫＴＰまたはＬＢＯである。ＫＴＰは、その高い変換効率のためには好ましい。ＫＴＰは、より信頼性の高い動作のために、またグレートラック問題を解消するために温度制御されて非臨界位相一致を得るのがよい。
【００３３】
第１レーザ２００のキャビティ長は、短いパルスを発生するためには短いのが好ましい。小さなレーザヘッド２２０により、第１端部ミラー２１０から第２端部ミラー２６０までのキャビティ長を約２０から４０ｃｍとすることができる。球面鏡２４０と２６０の半径曲率とミラー間の間隔は、逓倍結晶２５０でのキャビティモードのスポットサイズを制御する。
【００３４】
上記条件で、第１レーザ２００は５３２ｎｍのレーザビームパルス２０１を発生できる。ビーム２０１は、繰返しレートが約３ｋＨｚ、パルス持続時間が約３０から５０ｎｓ、パルスエネルギーが約３から５ｍＪである。出力ビーム２０１は低次横モードであってよい。
【００３５】
図３（ｂ）は、第１レーザ２００の励起ヘッド２２０の縦断面図を示す概略図である。励起ヘッド２２０は、ルーフ型反射器２２１とレーザロッド２２２を含む。ルーフ型反射器２２１は互いに垂直な全反射面２２３と２２４を有する。ダイオード励起ソース１００からの励起レーザビーム１０１は、ルーフ型反射器２２１を経てレーザロッド２２２を励起する。
【００３６】
ダイオード励起ソース１００は、リニアダイオードレーザアレイの一つかそれ以上のスタックから成る。各スタックアレイは約１ｃｍ×１ｃｍの放射面積を有し、８０８ｎｍで約８０Ｗの出力パワーを供給できる。これらのスタックダイオードアレイは、例えばニューヨークのＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｎｇｈａｍｔｏｎ から市販で入手できる。
【００３７】
スタックアレイからの出力ビームは、約１０度の狭い（ｓｌｏｗ）発散角度と、約４０度の広い（ｆａｓｔ）発散角度を有する。狭い発散角度はアレイに平行な面内にあり、広い発散角度はアレイに垂直な面内にある。図３（ｂ）と図３（ｃ）に示す本設計では、励起ビーム１０１の狭い発散面はレーザロッド２２２の端面に平行であり、一方広い発散面はロッド軸に平行である。
【００３８】
図３（ｂ）に示すように、レーザロッド２２２は、ルーフ型反射器２２１の対称面から外れて配設され、励起レーザビーム１０１は、ロッド２２２を四方から一様に励起する。最大結合効率を得るには、レーザロッド２２２の直径が励起レーザビーム１０１の幅の約４分の１であるのがよい。ビーム１０１の幅は、はからずも約１ｃｍで、望ましいロッド径約２から２．５ｍｍに適合している。
【００３９】
図３（ｃ）は、励起ヘッド２２０の側面概略図の切取り図である。２個のスタックダイオードレーザアレイを用いて、１６０Ｗまでの励起レーザビーム１０１を発生する。２個のスタックは、レーザロッド２２２に沿って縦方向に重ねられている。
【００４０】
ルーフ型反射器２２１は、Ｍ．Ｌａｉ等により述べられているように単なるプリズム型セルでよい（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．３０， ４３６５〜４３６７ページ、１９９１年１０月２０日）。レーザーロッド２２２は反射器２２１を横断して固定され、適当な冷却が必要である。ルーフ型反射器へレーザロッドを取り付ける方法は当該技術では周知である（例えば、Ｊａｃｋｓｏｎ と Ｐｉｐｅｒ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．１２， ２０１２〜２０２３ページ、１９９５年４月２０日）。
【００４１】
図３（ｂ）と図３（ｃ）に示す設計は、高出力スタックダイオードレーザアレイの利点を取り入れており、ごく最近になって市販で入手可能となっている。提案された設計は、簡素さと高い結合効率の２つの基準を良く満たしている。スタックアレイはレーザヘッド２２０を一つの面から直接励起し、レーザロッド２２２を四方から一様に励起する。この設計構成用のスタックアレイは市場に用意されていて、スタックアレイの装着と交換が容易である。
【００４２】
図４（ａ）は、第２レーザ３００ａの１つの実施の形態のゲインスイッチングレーザの概略図を示す。この第２レーザ３００ａは、第１端部ミラー３１０ａ、Ｔｉ：サファイアロッド３２０ａ、複屈折フィルタ３３０ａおよび第２端部ミラー３４０ａを含む。第１レーザ２００からのレーザビーム２０１は第２レーザ３００ａを励起する。第２レーザ３００ａからの出力ビーム３０１ａは、レーザ屈折手術用の深紫外生成に適するよう設計されている。
【００４３】
第１端部ミラー３１０ａと第２端部ミラー３４０ａは、第２レーザ３００ａの共振キャビティを形成する。第１端部ミラー３１０ａと第２端部ミラー３４０ａは、その外表面に誘電体コーティングを有する。Ｔｉ：サファイアロッド３２０ａは良好なレーザ結晶であり、しかも約５３０ｎｍの励起ビームを約８４０ｎｍの出力ビームへ変換することができるので、ゲイン媒体として選択される。複屈折フィルタ３３０ａは、レーザ波長とレーザスペクトルバンド幅制御用である。
【００４４】
複屈折フィルタ３３０ａは、ブリュースタ角で動作する。他のキャビティ内表面はキャビティ内損失を最小化し、かつ非点収差を除去するためにブリュースタ角でカットされる。多くのブリュースタ表面はリニア偏光を強いて、レーザスペクトルバンド幅を狭くする。
【００４５】
この第２レーザのキャビティ設計は、その構造が単純であっても極めて重要である。エネルギー変換効率を良くするために、キャビティ内損失を小さくし、パルスの立ち上がり時間を励起パルス持続時間と一致させるのがよい。スペクトル幅を狭くするために、レーザが立ち上がるための周回ゲイン数は大きくするのがよく、従ってこの周回ゲインは小さいのがよい。より短いパルスを得るためには、レーザキャビティが短く、損失に対するゲインの比は高く、そしてキャビティ損失は高いのがよい。良好なビーム品質を達成するには、キャビティが高い横モードからＴＥＭ００モードを弁別する強い能力を持たねばならない。設計パラメータは、上記すべての考察を最適化するように選択される。
【００４６】
一実施例として、以下が第２レーザ３００ａの好ましいパラメータのセットである。励起レーザビーム２０１は波長が５３２ｎｍ、パルスエネルギーが約３．５ｍＪ、パルス持続時間が約３０ｎｓおよびパルス繰返しレートが約３ｋＨｚである。ビーム２０１は、低次横モードで、Ｔｉ：サファイア結晶３２０ａのところで約３５０ミクロンに絞られる。第１端部ミラー３１０ａは８４０ｎｍで高い反射率を持ち、５３０ｎｍで高い透過性を持つ平面鏡である。第２端部ミラー３４０ａは約１００ｃｍの半径曲率を有する凹面鏡である。それは約８６０ｎｍで約７０％のピーク反射率を有する誘電体膜を有する。Ｔｉ：サファイア結晶３２０ａは長さが約１ｃｍで、励起パワーの約９５％を吸収する。複屈折フィルタ３３０ａは、総厚さが約１ｃｍの３枚構成石英板である。キャビティ全長は約３ｃｍで、全キャビティ内損失は２％未満である。
【００４７】
上記の選択パラメータを用いて、第２レーザ３００ａは約１．５ｍＪの励起パルス閾値と、約５０％の最大正味周回ゲインを有するのがよい。この第２レーザ３００ａは持続時間が約１ｎｓで、パルスエネルギーが約１ｍＪのレーザビームパルス３０１ａを発生するのがよい。ビームの断面光量（ｐｒｏｆｉｌｅ）は基本的なガウス分布ビームであるのがよい。出力ビーム３０１ａのスペクトルバンド幅は０．０１ｎｍより狭いのがよい。
【００４８】
図４（ｂ）は、第２レーザ３００ｂの別の実施の形態としてのゲインスイッチングレーザの概略図を示す。この第２レーザ３００ｂは第１端部ミラー３１０ｂ、Ｔｉ：サファイア結晶３２０ｂ、回折格子３３０ｂ、第２端部ミラー３４０ｂおよび第３端部ミラー３５０ｂを含む。第１レーザ２００からのレーザビーム２０１は第２レーザ３００ｂを励起する。この第２レーザ３００ｂからの出力ビーム３０１ｂは、レーザ屈折手術用の深紫外生成に適するように設計される。
【００４９】
第１端部ミラー３１０ｂと第２端部ミラー３４０ｂは、回折格子３３０ｂの０次回折を経て第１共振キャビティを形成する。第１端部ミラー３１０ｂと第３端部ミラー３５０ｂは、回折格子３３０ｂの１次回折を経て第２共振キャビティを形成する。第１端部ミラー３１０ｂは凹面鏡であり、８４０ｎｍでは高い反射性、５３０ｎｍでは高い透過性を有する誘電体膜を有する。第２端部ミラー３４０ｂは平面鏡で出力カプラとして働く。第３端部ミラー３５０ｂは平面鏡であり、８４０ｎｍでの高反射膜を有する。第１と第２共振キャビティは、選択された波長についてのレーザ閾値を低下させるよう組み合わされ、この閾値は第３端部ミラー３５０ｂの同調角に依存する。
【００５０】
Ｔｉ：サファイアロッド３２０ｂは、長さが約１ｃｍで励起パワーの約９５％を吸収する。回折格子３３０ｂは、１次回折で高い分散を示し、低い装置損失を有する。第１端部ミラー３１０ｂ、Ｔｉ：サファイアロッド３２０ｂおよび回折格子３３０ｂは、可能な限り近接して編成される。総長さは何れのキャビティも約４ｃｍである。この第２レーザ３００ｂの性能は第２レーザ３００ａの性能と類似するのがよい。第２レーザ３００ａに比較して、この第２レーザ３００ｂは、ミスアライメントに対してより敏感であることを犠牲にして、狭いスペクトルバンド幅を有する。
【００５１】
第２固体レーザ３００は、代替として追加のＡＯまたはＥＯ変調器によりＱスイッチングされてもよい。その場合、第２Ｑスイッチは、第１固体レーザ２００のＱスイッチ２３０と同期をとるのがよい。
【００５２】
図１を参照すると、ダイオード励起固体カスケードレーザ１０は、図３（ａ）の第１レーザと図４（ａ）の第２レーザの組み合わせでもよい。第１と第２レーザを独立に最適化すると、カスケードレーザ１０は、選択された波長、短いパルス持続時間、狭いスペクトルバンド幅、高い繰返しレートおよび良好なビーム品質の赤外レーザビーム３０１ａを発生する。これらの組み合わされたレーザパラメータは、レーザ屈折手術用の深紫外生成にとって望ましい。
【００５３】
上記の図と説明は、本発明を説明するために意図されている。付帯する請求において定義される本発明の範囲から逸脱することなく様々な改変が成されてもよいことが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるダイオード励起固体カスケードレーザの一実施例を概略的に示した図である。
【図２】深紫外発生用ダイオード励起固体カスケードレーザの概念を示したブロック図である。
【図３】（ａ）は第１レーザの一実施例としてダイオード励起固体レーザを概略的に示した図であり、（ｂ）は第１レーザの励起ヘッドの縦断面を概略的に示した図であり、（ｃ）は励起ヘッドの側面視を概略的に示した切取り図である。
【図４】（ａ）は第２レーザの一実施例としてのゲインスイッチングレーザを概略的に示した図であり、（ｂ）は第２レーザの別の実施例としてのゲインスイッチングレーザを概略的に示した図である。

Claims (15)

1. ８００ｎｍ付近でおおよそ１０乃至１００Ｗの励起レーザビームを生成するダイオード励起ソースと、
   上記ダイオード励起ソースによって励起されるものであって、ネオジムを添加したロッドを有し、Ｑスイッチングされ、周波数逓倍されて、波長が５３０ｎｍ付近または６６０ｎｍ付近であり、パルス持続時間が５０ｎｓより短く、パルスエネルギーが約２乃至１０ｍＪであり、パルス繰返しレートが約０．５乃至５ｋＨｚであるレーザパルスを生成する第１固体レーザと、
   上記第１固体レーザによって励起されるものであって、ゲインスイッチングされて、波長が８４０ｎｍ付近または１０６０ｎｍ付近であり、パルス持続時間が約１ｎｓであり、パルスエネルギーが約１ｍＪであり、パルス繰返しレートが約０．５乃至５ｋＨｚであり、スペクトル帯域幅が約０．０１ｎｍである近ＴＥＭ００モードレーザパルスを生成する第２固体レーザと
   を備えた深紫外発生用のダイオード励起固体カスケードレーザ。
2. 上記ダイオード励起ソースは、１つのダイオードレーザアレイまたはアレイのスタックを含む上記請求項１に記載のダイオード励起固体カスケードレーザ。
3. 上記第１固体レーザは、レーザヘッドにルーフ型反射器を採用した側面励起ネオジム添加レーザを含む上記請求項１に記載のダイオード励起固体カスケードレーザ。
4. 上記第２固体レーザは、Ｔｉ：サファイアのレーザロッド、Ｃｒ：ＬｉＳＡｌＦのレーザロッドまたはネオジムを添加したレーザロッドから選択されたゲイン媒体を有する上記請求項１に記載のダイオード励起固体カスケードレーザ。
5. 上記第２固体レーザは、
   第１端部ミラーと、
   上記第１端部ミラーと共に、長さが約３乃至５ｃｍの共振キャビティを形成する第２端部ミラーと、
   上記共振キャビティ内に配置され、ダイオード励起固体レーザによって励起されるレーザロッドと、
   レーザ波長を調整し、かつスペクトル帯域幅を制御する手段と
   から成るゲインスイッチングレーザを含む上記請求項１に記載のダイオード励起固体カスケードレーザ。
6. 入射するレーザビームを受け入れるための開放側面を有するルーフ型反射器と、
   上記ルーフ型反射器内に配置され、上記ルーフ型反射器の対称面からオフセットされたレーザロッドと、
   上記ルーフ型反射器の上記開放側面の近くに取付けられ、上記ルーフ型反射器を介して四方から均一に上記レーザロッドを励起するダイオードレーザアレイのスタックと
   を備えたダイオード励起固体レーザヘッド。
7. 上記ルーフ型反射器は、プリズム型セルを含む上記請求項６に記載のダイオード励起固体レーザヘッド。
8. 上記レーザロッドは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ及びＮｄ：ＹＶＯ４を含む上記請求項６に記載のダイオード励起固体レーザヘッド。
9. 上記ダイオードレーザアレイのスタックは、幅と長さがそれぞれ約１ｃｍの放出領域を持つ高出力パワースタックアレイを含む上記請求項６に記載のダイオード励起固体レーザヘッド。
10. ８００ｎｍ付近の波長を持つダイオード励起ソースを設ける段階と、
    ネオジムを添加したレーザロッドを持つ第１固体レーザを設ける段階と、
    上記第１固体レーザを上記ダイオード励起ソースで励起する段階と、
    上記第１固体レーザをＱスイッチングして、繰返しレートがおおよそ０．５乃至５ｋＨｚであり、５０ｎｓより短いレーザパルスを生成する段階と、
    上記第１固体レーザの波長を逓倍して、パルスエネルギーがおおよそ２乃至１０ｍＪであり、５３０ｎｍ付近または６６０ｎｍ付近のレーザパルスを生成する段階と、
    約１乃至１０ｃｍのキャビティ長を持つ第２固体レーザを設ける段階と、
    上記第２固体レーザを上記第１固体レーザからのレーザパルスで励起して、より短いレーザパルスを生成する段階と、
    上記第２固体レーザの波長を調整して８４０ｎｍ付近または１０６０ｎｍ付近にする段階とから成り、
    上記第２固体レーザが、パルス持続時間が約１ｎｓであり、パルスエネルギーが約１ｍＪであり、パルス繰返しレートが約０．５乃至５ｋＨｚであり、スペクトル帯域幅が約０．０１ｎｍであるＴＥＭ００モードレーザパルスを生成する深紫外発生用のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。
11. 上記ダイオード励起ソースを設ける段階は、ダイオードレーザアレイのスタックを設けることを含む上記請求項１０に記載のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。
12. 上記第１固体レーザを励起する段階は、端部励起構成または側面励起構成で励起することを含む上記請求項１０に記載のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。
13. 上記第１固体レーザを励起する段階は、ＣＷモードまたは準ＣＷモードで励起することを含む上記請求項１０に記載のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。
14. 上記第１固体レーザをＱスイッチングする段階は、ＡＯ変調器またはＥＯ変調器でＱスイッチングすることを含む上記請求項１０に記載のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。
15. 上記第１固体レーザの波長を逓倍する段階は、キャビティ内逓倍技術またはキャビティ外逓倍技術によって行われる上記請求項１０に記載のダイオード励起カスケードレーザを作る方法。

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