JP2008511182A - 注入同期型高パワーレーザシステム - Google Patents

Abstract

マスターレーザ及び、希土類ドープファイバを含む共振器を有する、一次スレーブレーザ発振器を備える高パワーレーザシステム。一次スレーブレーザ発振器はマスターレーザに能動的に注入同期されており、共振器は１Ｗをこえる光パワー出力を与える。

Description

本発明は全般的には低パワーマスターレーザへの高パワー一次スレーブレーザ発振器の能動同期を含む高パワーレーザシステムに関し、特に、高パワー希土類ドープ二重クラッドファイバハイブリッド一次スレーブレーザ発振器に関する。

一次（スレーブ）レーザ発振器に注入同期された低パワーマスターレーザを備える高パワーレーザシステムは既知であるが、そのようなレーザシステムは、固体（すなわち固体レーザ結晶）利得媒質を利用する。レーザ結晶は一般に、約６０ｍｍと長く、直径は約１.６ｍｍと小さく、ブルースター角にカットされていて、この結果、結晶の光アパーチャは狭くなる。レーザ結晶の熱レーザ発振及びレーザ結晶の挟いアパーチャにより、レーザ共振器長を短く、一般には約５０ｃｍに保つことが必要になる。したがって、共振器の自由スペクトル範囲ｆ_ｃａｖは注入同期に必要な電気光学変調器の変調周波数ｆ_ｍｏｄよりかなり（約１０倍）大きい。

そのような固体レーザシステムは、高パワーで動作するように規模を大きくしたときには特に、回折限界出力を与えない。さらに、（高熱応力により）高パワーにおいて誘起される光複屈折の結果、モード不安定性が生じ、減偏光も生じる。これらのタイプのレーザシステムにおいて、固体（結晶）レーザ媒質には、結晶がポンピング光のいくらかを吸収し、それを熱として失い、よってレーザシステムの効率を下げ、高出力パワーにおける安定動作を困難にする、熱散逸の問題がある。高パワーで動作させたときの熱応力による、結晶の熱レンズ、収差及びきずの形成は普通に知られている。これらの熱効果により、レーザシステム出力のスペクトル挙動及びモード挙動のいずれにおいても不安定性（揺動）が生じる。

上述した注入同期型レーザシステムは、適切に位相整合された周波数変換器結晶を利用する二次またはさらに高次の高調波周波数の光の発生に利用することができる。例えば、１０６４ｎｍの赤外（ＩＲ）波長の光と２４４ｎｍの紫外（ＵＶ）波長の光の和周波発生（ＳＦＧ）によって１９８ｎｍの深紫外（ＤＵＶ）波長の光を発生させることができる。しかし、そのような深紫外光を発生させる方法においては、周波数変換器結晶が受ける光損傷を考慮しなければならない。この損傷は主としてＩＲ光とＵＶ光の両者が同時に存在することから生じる。これにより、変換効率の大きな低下をきたす、光損傷が進行し始めるまでの周波数変換器結晶の動作時間長が制限される。

例えば、工業用レーザの一製造業者は、１０６４ｎｍにおける５００Ｗの共振器内ＩＲ光パワー及び２４４ｎｍにおける６００ｍＷのＵＶ光パワーから１９８ｎｍにおける２００ｍＷのＤＵＶ光パワーを発生させたときに、周波数変換器結晶（ＣＬＢＯ）上のいかなる与えられたスポットに対しても最大動作時間は約７０時間であることを明らかにしている。レーザシステムの総寿命を長くするため、７０時間動作後には別の動作スポットに周波数変換器結晶を横方向に移動させなければならなかった。すなわち、周波数変換器結晶を完全に交換しなければならなくなる前に、５０００時間をこえるまで寿命を長くするには約１００回の位置割送りが必要であった。同様に、別のレーザ製造業者は、５３２ｎｍの基本波長における２９０Ｗの共振器内パワーから二次高調波波長（２６６ｎｍ）の光を発生させるために周波数変換器結晶（ＣＬＢＯ）を利用した場合に、２６６ｎｍにおいて３Ｗのパワーレベルで３時間の動作を報告している。

本発明の課題は、注入同期型レーザシステムにおける、出力のスペクトル及びモードの不安定性の発生を抑制し、周波数変換結晶の損傷を回避する手段を提供することである。

本発明の一態様は、マスターレーザ及び、希土類ドープファイバを含む共振器を有する、マスターレーザに同期された、一次スレーブレーザ発振器を備え、共振器が１Ｗをこえる光パワーを与える、高パワーレーザシステムである。いくつかの実施形態では、出力光パワーが、５０Ｗ，１００Ｗ，さらには１５０Ｗをこえる。

本発明の一実施形態にしたがえば、希土類ドープファイバ内の光路長は一次レーザ発振器内の受動行路長より長い。

本発明の一実施形態にしたがえば、共振器は、光信号周波数を同期させるために希土類ドープファイバの少なくとも一部を引き伸ばすことができる、位相変調器を有し、位相変調器はモードフィルタとして機能する。

本発明の一実施形態にしたがえば、希土類ドープファイバは偏波保存ファイバである。本発明の別の実施形態にしたがえば、希土類ドープファイバは単一偏波ファイバである。

いくつかの実施形態にしたがえば、共振器は二次高調波発生器を有する。

本発明にしたがうレーザシステムは、高出力パワー、例えば数１００Ｗ、高出力スペクトル純度及び高動作安定性といういくつかの利点を提供し、同時に、小型及び高耐光損傷性という利点も備える。

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、当業者には説明から明らかであろうし、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、また添付図面も含む、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。

上述の一般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の本質及び特性の理解のための概観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なる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、記述と共に本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

図１ａを参照すれば、低パワーマスターレーザ１２及び、能動媒質として、ある長さの希土類ドープファイバ１６を有する、（本明細書において一次レーザ発振器とも称される）高パワースレーブレーザ発振器１４を備える例示的レーザシステム１０の光学系及び電気系の略図が本図に示されている。「発振器」は、高パワースレーブレーザ発振器１４が、マスターレーザ１２に注入同期されていない場合におこるように、マスターレーザ１２からの入力が無くとも自力でコヒーレントレーザ出力を独立に発生できることを意味する。能動注入同期が達成されない場合に、高パワースレーブレーザ発振器のスペクトル線幅は広くなり、例えばＹｂドープファイバが利用される場合に２０ｎｍにもなるであろう。能動注入同期が達成される場合には、高パワースレーブレーザ発振器のスペクトル線幅はかなり狭くなり、例えば１０ｐｍ幅になるであろう。すなわち、能動注入同期はスレーブレーザ発振器１４から高出力パワーを与え、同時にマスターレーザ１２のスペクトル特性を維持する。この実施形態において、高パワースレーブレーザ１４はＹｂドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＦ）１８を有する。本実施形態及びいくつかの例示的実施形態において、レーザ１４の光パワー出力は５０Ｗ，１００Ｗさらには１５０Ｗをこえる。例えば、能動注入同期は、一次スレーブレーザ発振器１４の共振器内の行路長を適切に変える、フィードバック回路によって達成することができる。本実施形態においては、良く知られたパウンド（Pound）−ドレバー（Drever）−ホール（Hall）（ＰＤＨ）同期手法を利用して、レーザ１４を単一周波数マスターレーザ１２に能動注入同期させることができる。能動注入同期されると、スレーブレーザ１４の波長はマスターレーザ１２の波長と同じになるであろう。マスターレーザ１２とスレーブレーザ１４の集成注入同期装置に対して図示されている１０６４ｎｍの動作波長は代表例に過ぎず、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１４は全Ｙｂ発光範囲、すなわち１０２０ｎｍから１１８０ｎｍにわたって独立に同調させることができる。マスターレーザ１２の低パワー単一周波数出力は、ドライバ２０ａによって駆動される、電気光学変調器（ＥＯＭ）２０を通して送られる。電気光学変調器（ＥＯＭ）２０は、図１ｂに見られるように、それぞれがマスターレーザ１２の光周波数に対応するキャリア周波数Ａから周波数差ｆ_ｍｏｄだけ隔てられた２つのサイドバンドＢを発生する。それぞれのサイドバンドＢとキャリア周波数Ａの間の周波数差ｆ_ｍｏｄは電気光学変調器（ＥＯＭ）２０の（電気）駆動周波数に等しい。半反射ミラー２２がマスターレーザ１４の出力光の一部を光検出器２４内に導く。光検出器２４の電気出力はダブルバランスト混合器２６を利用してドライバ２０ａからの基準電気信号と混合される。混合器２６の出力の高周波成分は電気フィルタ２８によってフィルタリングされる。フィルタ２８の出力の電気信号は、高速積分回路３０ａと低速積分回路３０ｂからなる、集成積分回路装置３０に導かれる。本実施形態において、高速積分回路３０ａの電気出力は（光）位相変調器３２の高速応答部（Ｆ）３２ａに導かれる。同様に、低速積分回路３０ｂの電気出力は位相変調器３２の低速応答部（Ｓ）３２ｂに導かれる。混合器２６，フィルタ２８，集成積分回路装置３０及び位相変調器３２は合せてフィードバックユニット３４を形成する。位相変調器３２は一般に、希土類ドープファイバ１６の１つの区画を１つの圧電シリンダ（図示せず）上に巻き付けて接合することによって、好ましくは希土類ドープファイバ１６の２つの区画を２つの圧電シリンダ３２ａ，３２ｂ上に個々に巻き付けて接合することによって、構成することができる。圧電シリンダ３２ａの直径は圧電シリンダ３２ｂの直径より小さく、よって高速位相変調器としてはたらく（直径が大きい圧電シリンダ３２ｂは低速位相変調器としてはたらく）。あるいは、圧電シリンダ３２ａは２つの圧電半シリンダのクリップオンセット（図示せず）で置き換えることができる。光ファイバ１６の光路長（屈折率ｎと実長ｄの積）は２つの圧電シリンダ３２ａ及び３２ｂを駆動する電気信号によって変調される（変えられる）。例えば、圧電シリンダに巻き付けられているファイバセグメントを引き伸ばす（押し縮める）ことによって光路長を伸ばす（縮める）ことができる。光路長の変化は一次スレーブレーザ発振器１４の共振器３６内の光位相の変調に対応する。

レーザ１４の自由（すなわち一次スレーブレーザ発振器１４がマスターレーザに同期されていないときの）発振波長はマスターレーザ１２の波長に近く、フィードバックユニット３４の同期範囲内にあって、マスターレーザ１２及びスレーブレーザ１４の波長を一致させるため、適切な符号及び大きさの位相変化が位相変調器３２でつくられる。

本実施形態において、レーザ１４は光パワー利得及び光路長ｎ_２ｄ_２を有する希土類ドープファイバ１６（能動ファイバ）を備える。ここでｎ_２は光ファイバの実行屈折率であり、ｄ_２は光ファイバの実長である。能動ファイバの光路長は、共振器内の、受動無導波光路長：

より短い。ここでｎ_１ｉは受動光路に沿う光媒質の屈折率であり、ｄ_１ｉはこの受動光路に沿う媒質の対応する距離または厚さである。光路長：

は可能な限り最小に維持され、本実施形態のレーザシステム１０のレーザ共振器３６の総光路長Ｌ：

は、レーザ共振器の自由スペクトル範囲ｆ_ｃａｖ（図１ｂを見よ）を約６０ｃｍの総光路長Ｌに対応する最小５ＭＨｚのままにしておくことができるように、選ばれる。さらに、本実施形態において、光路長Ｌは、共振器３６の自由スペクトル範囲ｆ_ｃａｖが電気光学変調器２０の変調周波数ｆ_ｍｏｄとは等しくないように、選ばれる。さらに詳しくは、本実施形態において、レーザシステムはさらにＥＯＭドライバに結合されたＥＯＭを備え、共振器はｆ_ｍｏｄ＞ｆ_ｃａｖであるような共振器長Ｌを有する。ここでｆ_ｍｏｄはＥＯＭドライバの周波数であり、ｆ_ｃａｖは一次スレーブレーザ発振器の共振器長Ｌで決定されるような共振器間隔（すなわち、ＥＯＭが存在しないときの信号モード間隔）である。長さＬは０.２５ｍより大きいことが好ましく、１ｍより大きいことがさらに好ましい。

Ｙｂドープ光ファイバ１８の二重クラッド構造により、ファイバ１８の内部クラッドに結合されるべきポンピングレーザ３８（例えば９８０ｎｍポンプ）の多重モード出力からの高光パワーが可能になる。この結合はポンプ−信号コンバイナー４０によって容易になる。９８０ｎｍのポンピング光は、例えばファイバ１８のＹｂドープコアへの重畳導波によって、内部クラッドに結合され、Ｙｂドープコアにおける（１０２０ｎｍから１１８０ｎｍの範囲の）発光に対する光パワー利得を可能にする。レーザファイバ１８をポンピングする別の方法、例えば、Ｖ溝またはプリズムの利用による側面ポンピング及びダイクロイックミラーの利用による端面ポンピングも利用することができる。

本実施形態において、Ｙｂドープファイバ１８は、光パワー利得媒質として、及び圧電シリンダ３２ａ及び３２ｂで変調することができる光位相素子としての、二重の役割を果たす。

さらに、高速圧電シリンダ３２ａの直径が小さいことにより、Ｙｂドープ二重クラッドファイバ１８のコアが高次モードをサポートするときは必ず、位相変調器３２がさらに（光）モードフィルタの役割を引き受けることが可能になる。希土類ドープファイバ１８のコア径が大きくなるほど、入射光へのファイバの端面結合効率が高くなるであろう。しかし、コア径が大きい場合、例えば１５μｍないしそれより大きい場合には、高次モードがファイバコアでサポートされるであろう。したがって、位相変調の目的のための圧電シリンダ３２ａ及び３２ｂ上へのファイバ１８の巻き付けにより、ファイバ１８のコアからの高次モードの放射も可能になる。ファイバ１８内の高次モード伝搬の抑制の大きさは、基本モードと高次モードの間の曲げ損失差に依存する。したがって、本形態において、光位相変調器３２は有用なモードフィルタとしての二重の役割も果たす。

モード整合光コンポーネント４２，例えば顕微鏡対物系及び／または望遠鏡により、Ｙｂドープ二重クラッドファイバ１８への共振器内光の注入及びＹｂドープ二重クラッドファイバ１８からの光の引出しが可能になる。必要に応じて、内部損失は増大するが、適する偏光制御光素子４４を付加することができる。本実施形態においてはミラー４６である、入力−出力結合器において、レーザ１４からの（１Ｗより高く、好ましくは１０Ｗより高く、さらに好ましくは５０Ｗより高い）高光パワー出力が与えられる。本実施形態においては、高反射ミラー４８が入力−出力結合器４６に向けて（反時計回り方向に）光を反射する。本実施形態において、入力−出力結合器は半反射ミラーである。レーザ共振器３６の内部損失を整合させるため、理論的光インピーダンス整合原理に基づいて、入力−出力結合器４６の光透過率が選ばれる。例えば、レーザ共振器３６における損失が４％であれば、入力−出力結合器（ミラー）４６の透過率は４％とすべきである。ミラー４８から届き、続いて入力−出力結合器４６で反射される光の一部は、モード整合光素子、例えば顕微鏡対物レンズ４２を利用してファイバ１８に結合される。半反射器２２が、入力−出力結合器４６をでる光のごく一部、例えば１％または２％を光検出器２４に分岐するために利用される。

可能な限り大きく内部損失を低減することが重要であるから、レーザ共振器３６内の光波長に対する反射防止膜を利用することで、モード整合光学系４２の界面における反射損失が最小限に抑えられる。

極めて高い共振器内パワーを小径のファイバコアに集束させるときの損傷も、ファイバ１８のコア径が１０μｍより大きく、好ましくは１５μｍより大きく、モード面積が好ましくは１５０μｍ^２より大きい場合には、最小限に抑えることができる。

利得媒質としての希土類ドープ光ファイバ１６のスレーブレーザ１４への導入により、非ファイバタイプの固体レーザ媒質において生じる自己集束及び関連する熱問題が軽減される。希土類ドープファイバ媒質１６（例えばＹｂドープファイバ１８）の導入により、マスターレーザ１２が同調されているときの注入同期スレーブレーザ１４の同調性という大きな利点ももたらされる。ファイバレーザと異なり、非ファイバタイプの固体高パワーレーザは波長同調性が劣る。マスターレーザ１２にパルススレーブレーザを受動注入同期して、そのスペクトル忠実度を向上させることも可能である。

さらに、希土類ドープファイバ１８は偏波維持タイプまたは単一偏波タイプのファイバとすることもできる。偏波維持ファイバが利用される場合、入力−出力結合器４６における、またレーザ共振器３６内の、光偏波は安定であろう。相応じて、単一偏波ファイバが利用される場合、入力−出力結合器４６における、またレーザ共振器３６内の、光偏波は直線偏波であろう。そのような単一偏波希土類ドープファイバは、例えば、ジョーヒュン・コー（Joohyun Koh），クリスティン・ルイス・テネント（Christine Louise Tennent），ドネル・タデウス・ウォルトン（Donnell Thaddeus Walton），ジー・ウォン（Ji Wang）及びルイス・アルベルト・ツェンテノ（Luis Alberto Zenteno）名義の、２００５年７月２１日に出願された、米国特許出願公開第２００５/０１５８００６号明細書に開示されている。すなわち、本実施形態のレーザシステム１０の主要な利点の１つは、スレーブレーザ１４のファイバ１８が同時にいくつかの役割、すなわち、（ｉ）光利得媒質、（ii）偏波維持導波経路、（iii）偏波導波経路、（iv）光位相変調器及び（ｖ）（波長板を形成するためにパドル上に適切に巻き付けられ、適切に回転させられた場合の）光複屈折変調器／制御器、の内の１つまたはそれより多くの役割を果たし得ることである。

注入同期手法の主要な利点は、低パワーマスターレーザ１２のスペクトル純度（単一周波数動作）及び安定性が高い忠実度で、そうでなければ（例えばマスターレーザに同期されていない場合には）非常に広い（例えば２０ｎｍの）波長スペクトルを、長い（例えば４０ｍのファイバ長の）共振器の強い多重縦モード性にともなう不安定性と共に有するであろう、高パワースレーブレーザ１４に移されることである。この注入同期手法により、いずれもが高い共振器内損失をもたらす、共振器内のエタロンのような周波数選択素子及びアイソレータのような方向選択素子の利用が排除されるかまたは最小限に抑えられる。さらに、そのような素子は、非常に高い（例えば数１００ワットの）共振器内光パワーが共振器３６内を循環する場合に、性能が劣化するかまたは損傷を受けることが知られている。光アイソレータを必要とせずに、入力−出力結合器４６によってスレーブレーザ１４に結合されるマスターレーザ光と同じ方向の、高パワー／大共振器長スレーブレーザ１４における単方向性動作が達成される。

さらに、利得媒質としてのファイバ１６の導入の結果、一般に、寸法の小さい（一般に３インチ（約７６ｍｍ）より小さい）圧電シリンダ上に長いファイバを巻き付けることによって、（接地面積の小さい）小型のレーザが得られる。

当業者であれば、ハンシュ−キロー（Hansch-Couillaud）法及び（より複雑になるのでそれほど好ましくはないが）無変調干渉傾斜同期法のような別の同期手法も、図１ａに略図で示される光学系／電気系に適する改変を施すことにより、本発明に適用可能であることを認めるであろう。

本発明の別の実施形態は、マスターレーザ１２への注入同期及び可視波長、紫外波長及び深紫外波長あるいはこれらの中間波長の光の発生と同時に行われる、高パワースレーブレーザ１４内での共振器内光周波数変換を含む。この同時周波数変換は及びこれによる新しい波長の発生は、近ＩＲ波長、例えば１０６４ｎｍにおける高共振器内光パワーを、注入同期が達成されているときの高いスペクトル純度及び安定性と共に、有することによって可能になる。

図２はマスターレーザ１２に注入同期された高パワースレーブレーザ１４を備える例示的レーザシステム１０の光学系及び電気系の略図を示す。同時周波数変換は共振器３６内を再循環している基本光がマスターレーザ１２に注入同期されている間に行われる。先の実施形態におけると同様に、レーザ１４は、（能動）光利得媒質として、ある長さの希土類ドープファイバ１６を有する。本実施形態のレーザ１４は図１ａに示されるレーザと同様であるが、光周波数変換器５０が付け加えられている。光周波数変換器５０は結晶、例えば、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ），リンチタン酸カリウム（ＫＴＰ），周期分極化ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ），周期分極化ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ），酸化マグネシウムドープ周期分極化ニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＰＰＬＮ），酸化マグネシウムドープ周期分極化ストイキオメトリックニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＰＰＳＬＮ），周期分極化タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ），酸化マグネシウムドープ周期分極化タンタル酸リチウム（ＭｇＯ：ＰＰＬＴ）または酸化マグネシウムドープ周期分極化ストイキオメトリックタンタル酸リチウム（ＭｇＯ：ＰＰＳＬＴ）、あるいは適切に位相整合されたその他の適する結晶を有することができる。周期分極化結晶には導波路を組み込むこともでき、より長い相互作用長が可能になる。波長λの放射光がそのような二次高調波発生器結晶に入ると、光エネルギーの一部が、周波数が２倍で波長が元の信号波長λの１/２の光信号に変換される。例えば、波長が１０６４ｎｍの光信号がそのような結晶に入ると、周波数変換器５０から出てくる光の一部は５３２ｎｍの波長を有するであろう。

あるいは、ラマン効果を利用することによって周波数変換プロセスを行うことができる。例えば、１０６４ｎｍの基本波長から１１８０ｎｍの一次ストークス波長を発生する、タングステン酸バリウム（ＢａＷＯ_４）のような結晶をラマン変換器として用いることができる。同じ手法の延長上で、同じ結晶をさらに高次のストークス波長を発生するために利用することができる。同じ周波数変換手法の別の延長上には、ラマン変換器、例えばヨウ素酸リチウム（ＬｉＯ_３）結晶を利用する初めの１１５６ｎｍの一次ストークス波長の発生と、これに続く三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶による５７８ｎｍの二次高調波波長への変換がある。

１０６４ｎｍの基本波長からの５３２ｎｍ出力の発生において、本実施形態のミラー４８ａは５３２ｎｍ光の大部分を透過させ、よって５３２ｎｍレーザ出力を与え、また１０６４ｎｍのほとんどをミラー４６に向けて反射するであろう。先の例におけるように、入力−出力結合器４６の透過率は、本実施例では周波数変換プロセスによる基本光の損失を含むレーザ共振器の連結内部損失を整合するために、理論的光インピーダンス整合原理に基づいて選ばれる。例えば、レーザ共振器内の損失が５％であれば、ミラー４６の透過率は５％とするべきである。

本実施形態では、モード整合光学系４２ａ及び４４ａは周波数変換器結晶５０の導入の効果を含めるために最適化される。一般に、結晶によって導入される光複屈折のため、偏波制御光素子４４ａ内での偏波成分の再配向が必要となるであろうし、同時に、結晶５０内に基本光を集束させる必要があることから、ファイバ１８への高効率光結合を可能にするためのモード整合特性の変換が必要となるであろう。

図３は、マスターレーザ１２に注入同期された高パワー一次スレーブレーザ発振器１４を備える、別の例示的レーザシステム１０の光学系及び電気系の略図を示す。先の実施形態におけると同様に、レーザ１４は、能動媒質として、ある長さの希土類ドープファイバ１６を有する。本実施形態のレーザ１４は図２に示される実施形態と同様であるが、本実施形態では光周波数変換器５０がミラー４８とミラー４６の間に配置され、ミラー４８の近くにある。本例示的レーザシステム１０は二次レーザに付随する二次共振器５２をさらに備える。二次共振器５２は、周波数変換を三次高調波波長、例えば３５４.６ｎｍまで拡張するために、レーザ１４の一次共振器３６と共通の経路を共有する。光周波数変換器５０をでる際に、一次波長（例えば１０６４ｎｍ）の光及び二次高調波波長（１/２λ，例えば５３２ｎｍ）の光はともに第２の周波数変換器５４（本例においては、３５４.６ｎｍを発生する三次高調波結晶）に向かって伝搬する。本実施形態において、第２の周波数変換器５４は三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶である。

本実施形態において、二次レーザの二次共振器５２または結合器は３つのミラー５６ａ，５６ｂ及び５６ｃも有する。入力−出力結合器５６ａは、透過率が、二次高調波波長、この場合は５３２ｎｍ、における二次共振器５２の内部損失に整合するように選ばれた、約１％から１０％の半反射器である。また入力−出力結合器５６ａは１０６４ｎｍにおける透過率が高いダイクロックミラー（波長セパレータ）である。ミラー５６ｂも、波長１０６４ｎｍ及び３５４.６ｎｍの光の透過率が高く、波長５３２ｎｍの光の反射率が高い、ダイクロックミラーである。ミラー５６ｃに入射すると５３２ｎｍ光はミラー５６ａに向けて反射される。したがって、５３２ｎｍ光は二次共振器５２内を再循環する。ミラー５６ｃは圧電板５６'ｃに取り付けられ、ミラー５６ｃの位置は圧電板５６'ｃに供給される電気信号によって変調される。ミラー５６の位置の変化は二次共振器の共振器長を変化させる。

ミラー５６ａでの（二次高調波波長の）反射光と（共振器５２を通って循環した後にミラー５６ａをでる、二次高調波波長の）漏光は、光干渉し、集成ハンシュ−キローサーボ装置６２への入力光を与える。さらに詳しくは、集成ハンシュ−キローサーボ装置６２は、１/４波長板５８ａ，偏光ビームスプリッター５８ｂ，２つの光検出器５８ｃ，電気的減算器５８ｄ及び積分回路６０を含むフィードバック回路を有する。集成サーボ装置６２からの積分エラー信号は圧電板５６'ｃに送り込まれる。

５３２ｎｍ光ビームは、集成ハンシュ−キローサーボ装置が二次共振器５２を二次高調波結晶５０から来る５３２ｎｍの入力光との共振状態に保っている場合に、共振器５２内で共振する。一次共振器３６（すなわち一次スレーブレーザ発振器の共振器）内の１０６４ｎｍ光及び二次共振器５２内で共振する５３２ｎｍ光は、１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光から３５４.５ｎｍの和周波発生を行うように位相整合された。結晶５４において混合される。ダイクロックミラー（高調波セパレータ）６４が、一次共振器３６の１０６４ｎｍ光ビーム及び二次共振器５２のミラー５６ｂから漏れ出る残留５３２ｎｍ光から、３５４.６ｎｍ光を分離する。ダイクロックミラー６４を透過する１０６４ｎｍ光ビームは、１０６４ｎｍ光ビームをモード整合光学系４２及び希土類ドープファイバ１８に向けて導く、ミラー４６に向けて進む。

二次共振器の少なくとも１つの光コンポーネント、例えばミラー５６ｃは一次共振器と共通の経路を共有しない。すなわち、二次共振器の少なくとも１つの区画は一次共振器内にはない（すなわち、一次スレーブレーザ発振器の共振器内にはない）。本例において、ミラー５６ｃは、例えば圧電タイプの、アクチュエータ５６'ｃに適切に接合され、可動である。

二次共振器５２は、例えば、図３に示されるように閉じた三角形共振器とするか、またはボウタイ形共振器（図示せず）とすることができ、いずれのタイプも単方向性伝搬をサポートするが、線型共振器または折返しのＬまたはＶタイプ共振器（図示せず）におけるような双方向性動作はサポートしない。

二次共振器の一次共振器（すなわち一次スレーブレーザ発振器１４の共振器）との共通共振器内経路の共有の結果、接地面積が減じられた非常に小型のレーザシステムが得られることを指摘しておく。一次共振器と二次共振器を重畳させないことが必要になるか、あるいは小型であることがそれほど重要ではない、いくつかの用途に対しても、注入同期共振器内高調波発生に基づく同じ基本光動作を利用することができ、これは図３の実施形態と等価である。

図４は、マスターレーザ１２に注入同期された高パワースレーブレーザ１４を備える、別の例示的レーザシステム１０の光学系及び電気系の略図を示す。先の実施形態におけると同様に、レーザ１４は、能動媒質として、ある長さの希土類ドープファイバ１６を有する。本実施形態のレーザ１４は図３に示される実施形態と同様であるが、三次高調波発生器（結晶５４）が四次高調波発生器（結晶６６）で置き換えられている。周波数変換器（結晶６６）及び偏光子６８上に反射防止膜を用いる代りに、図４に示されるように、結晶６６をブルースター角にカットして、図３に示される結晶５４と同様の態様で位置合せすることができる。三次高調波発生について図３の説明で前述した集成ハンシュ−キローサーボ装置６２が四次高調波発生についての図４にも同等に適用される。結晶６６（四次高調波発生器）は、入射二次高調波光、例えば５３２ｎｍの緑色光を２６６ｎｍの四次高調波に変換するために位相整合される。発生した２６６ｎｍ光は次いで一次共振器３６内の共振器内１０６４ｎｍ光及び二次共振器５２内で共振している５３２ｎｍ光から分離される。

図５は、マスターレーザ１２に注入同期された高パワースレーブレーザ１４を備える、別の例示的レーザシステム１０の光学系及び電気系の略図を示す。先の実施形態におけると同様に、レーザ１４は、（能動）光パワー利得媒質として、ある長さの希土類ドープファイバ１６を有する。本実施形態のレーザ１４は図３及び４に示される実施形態と同様であるが、本実施形態では、二次共振器５２が、（二次）周波数変換器７０ａの近くに配置された（三次）光周波数変換器７０ｂをさらに有する。したがって、図５に示されるレーザシステムは、マスターレーザ１２に注入同期された高パワー基本光から出発して、五次高調波周波数の光を送り出す。さらに詳しくは、本例示的実施形態のレーザシステム１０は、三次高調波または四次高調波を発生する（二次共振器内の）第１の非線形結晶７０ａに続けて二次共振器５２内に適切に配置された別の非線形結晶７０ｂによって、１０６４ｎｍの基本ＩＲ光の、五次高調波の２１３ｎｍのレーザ光を発生する。結晶７０ａが一次共振器３６内で共振する基本光１０６４ｎｍの三次高調波を発生するために位相整合されている場合、結晶７０ｂは二次共振器５２内で共振している５３２ｎｍの二次高調波光と結晶７０ａによって発生する三次高調波の和周波発生から五次高調波を発生するように位相整合される。結晶７０ａが一次共振器３６内で共振する基本光１０６４ｎｍの四次高調波を発生するために位相整合されている場合には、結晶７０ｂは一次共振器３６内で共振している１０６４ｎｍの基本光と結晶７０ａによって発生する四次高調波の和周波発生から五次高調波を発生するように位相整合される。

この構成の注目すべき特徴は、二次共振器５２の長さＬ'を一次共振器３６の長さＬに対して変えることによって、五次高調波光のスペクトル幅を単一周波数動作から多重軸モード動作に変え得ることである。例えば、二次共振器５２が長くなるほど、サポートできる軸モードが多くなり、そのような軸モードは全て一次共振器３６の単一周波数光の線幅内に入る。

図３，４及び５に示されるレーザシステムは、それぞれの場合において二次共振器５２がその共振器のかなりの部分を一次共振器３６のかなりの部分と共有するから、非常に小型のレーザシステムの実施形態である。

あるいは、例えば図５に示される、レーザシステム１０は、１つの結晶（図３の５４または図４の６６）または２つの光学結晶（図５の７０ａ及び７０ｂ）でなされる複屈折による位相整合高調波発生を利用する代りに、所望の波長の光ビームをつくるために結晶における自己位相整合ラマン周波数シフトを利用することができる。二次レーザ共振器内の第１の非線形媒質が、（ａ）一次共振器３６内で共振している共振器内１０６４ｎｍ光から、（ｂ）二次共振器５２内で共振している共振器内５３２ｎｍ光から、または（ｃ）上の（ａ）及び（ｂ）で述べたような１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの共振器内光ビームの双方から、ラマンシフト周波数を発生するときに非常に新規なレーザシステムが得られる。本ラマンシフト周波数手法により、広い範囲の周波数（したがって光波長）の利用が可能になる。ラマンシフト光は次いで、（ａ）１０６４ｎｍ基本光からのラマンシフト波長を再循環させるか、（ｂ）二次高調波５３２ｎｍ光を１０６４ｎｍ波長及び５３２ｎｍ波長の双方からのラマンシフト光とともに再循環させるに適するコーティングをもつミラー５６ａ，５６ｂ及び５６ｃを選んだ場合に、二次共振器５２内で共振することができる。ラマンシフト光は次いで、適切なダイクロッイックミラー６４ｂによって１０６４ｎｍ光及び残留５３２ｎｍ光から分離される。

図５の二次共振器５２の第２の結晶７０ｂは、二次共振器５２の第１の結晶７０ａで発生したラマンシフト光のいずれをも１０６４ｎｍの基本光または５３２ｎｍの二次高調波光と混合するように、位相整合することができる。

ここで、図３，４及び５に簡略に示されるものと同じ集成サーボ装置のための光検出回路及び電気系を、ラマンシフト光の発生あるいは１０６４ｎｍ光及び／または５３２ｎｍ光とのラマンシフト光の混合に対して適用することができる。

図６は２つの独立な注入同期一次レーザ発振器１５ａ及び１５ｂの結合動作を利用するレーザシステム１０を示す。２つの一次レーザ発振器１５ａ及び１５ｂは相異なる２つの出発基本波長、例えば９７６ｎｍ及び１０６４ｎｍを有する。さらに、９７６ｎｍで共振している一次レーザ発振器１５ａの四次高調波２４４ｎｍ光を発生させるために、いかなる光利得媒質もその中にもたない外部共振器７４が２つの一次共振器１５ａと１５ｂの間に配置される。この結合システムは以下でさらに詳細に説明される。

一次レーザ共振器１５ａは、一次共振器３６ａ内の９７６ｎｍの共振基本光の二次高調波である４８８ｎｍの光出力を発生する。ここで結晶７２が９７６ｎｍ光を４８８ｎｍ光に変換する。マスターレーザ１２ａ（すなわちマスターレーザ）は９７６ｎｍの波長で動作し、ポンピングレーザ３８ａは９１５ｎｍの波長で動作する。ポンピング光コンバイナー４０ａが９１５ｎｍの波長のポンピング光と９７６ｎｍの共振波長を結合する。一次共振器１５ａは、前述したように、電気光学変調器２１，ＰＤＨサーボ積分回路３４及び位相変調器３２を利用して、マスターレーザ１２ａに注入同期される。

一次レーザ発振器１５ａの４８８ｎｍ出力は、第２の高調波発生器結晶８２が中におかれている、外部共振器７４に入射する。結晶８２は共振器内の共振４８８ｎｍ光を２４４ｎｍ光に変換する。次いで２４４ｎｍ光出力は湾曲ダイクロイックミラー７８ｂによって共振器７４内の共振４８８ｎｍ光から分離される。共振器７４は前述したような集成ハンシュ−キローサーボ装置６２を利用して入り４８８ｎｍ光への共振状態に維持される。集成サーボ装置６２からのフィードバック信号はミラー７６ｂに取り付けられた圧電アクチュエータ７６'ｂに与えられる。必要に応じて、ハンシュ−キロー偏波解析を行うための偏光子８０を共振器内に付加することができる。

共振器７４からの２４４ｎｍ光出力は次いでダイクロイックミラー４８ｂを通して一次レーザ発振器１５ｂの共振器３６ｂに注入される。共振器３６ｂは、入り２４４ｎｍ光８４と共に結晶８６に入射する光波長１０６４ｎｍで共振する。結晶８６は２つの波長１０６４ｎｍ及び２４４ｎｍを混合して１９８ｎｍ光を発生する。２４４ｎｍ光は一次共振器３６ｂ内で共振しない。一次共振器３６ｂは、上述したＰＤＨ注入同期手法を利用することによって１０６４ｎｍで動作しているマスターレーザ１２への共鳴状態に維持される。ダイクロイックミラー４８ｂ及び４６ａは、１０６４ｎｍにおいて高反射器であり、２４４ｎｍ及び１９８ｎｍにおいて透明である。ダイクロイックミラー２２ａは１０６４ｎｍまたは２４４ｎｍの残留光から１９８ｎｍ光を分離する。

上述され、図６に簡略に示されるような、本発明の実施形態の１つの非常に重要な利点は、非線形光周波数変換器結晶への光損傷の実質的な低減が得られることである。この利点は、共振器内の例えば１０６４ｎｍの赤外光パワーを高め、同時に及び対応して、入力／内部の例えば２４４ｎｍの紫外光パワーを下げて、例えば１９８ｎｍの出力深紫外光パワーレベルを維持することによって達成される。例えば、ＩＲ光パワーを２倍に高め、同時にＵＶ光パワーを１/２に下げれば、１９８ｎｍ波長において得られる出力パワー量は同じになるが、ＣＬＢＯ結晶８６への損傷が避けられる。この概念は、赤外光パワーが紫外光パワーをはるかにこえるときの、紫外波長におけるパワーへの深紫外波長におけるパワーの線形依存性を、結晶８６における既知の損傷機構とともに、利用している。発明者等の実施例においては、共振器（図６の一次スレーブレーザ発振器１５ｂの共振器３６ｂ）内の（例えば１０６４ｎｍの波長の）赤外（ＩＲ）光パワーの好ましい範囲は５００Ｗより大きく、（例えば約２４４ｎｍの波長の）ＵＶ光パワーの好ましい範囲は６００ｍＷより小さい。（１０６４ｎｍの波長の）共振器内ＩＲ光パワーの範囲は１０００Ｗより大きいことが一層好ましく、ＵＶ光パワーの好ましい範囲は３００ｍＷより小さい。共振器内ＩＲ光パワーは２０００Ｗより大きいことが最も好ましく、ＵＶ光パワーの好ましい範囲は１５０ｍＷより小さい。

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、添付される特許請求項及びその等価物の範囲内に本発明の改変及び変形が入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

本発明の一実施形態にしたがうレーザシステムの略図である キャリア周波数ＡとサイドバンドＢの間のセパレーションｆ_ｍｏｄ及び一次レーザ発振器共振器の変調周波数ｆ_ｃａｖを簡略に示す 本発明の第２の実施形態にしたがうレーザシステムについての光学系及び電気系の構成の略図である 本発明の第３の実施形態にしたがうレーザシステムの略図である 本発明の第４の実施形態にしたがうレーザシステムの略図である 本発明の第５の実施形態にしたがうレーザシステムの略図である 本発明の第６の実施形態にしたがうレーザシステムの略図である

符号の説明

１０ レーザシステム
１２ 低パワーマスターレーザ
１４ 高パワースレーブレーザ発振器
１６ 希土類ドープファイバ
１８ Ｙｂドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＦ）
２０ 電気光学変調器（ＥＯＭ）
２２ 半反射ミラー
２４ 光検出器
２６ ダブルバランスト混合器
２８ 電気フィルタ
３０ 積分回路集成素子
３２ 光位相変調器
３４ フィードバックユニット
３６ 共振器
３８ ポンピングレーザ
４０ ポンプ−信号コンバイナー
４２ モード整合光学系
４４ 偏光制御光素子
４６ 入力−出力結合器
４８ 高反射ミラー

Claims (15)

1. 高パワーレーザシステムにおいて、
   マスターレーザ、
   希土類ドープファイバを含む共振器を有し、前記マスターレーザに能動的に注入同期されている、一次スレーブレーザ発振器、
   を備え、
   前記共振器が１Ｗをこえる光パワー出力を与えることを特徴とする高パワーレーザシステム。
2. 前記希土類ドープファイバ内の能動光路長が前記一次スレーブレーザ発振器内の受動光路長より長いことを特徴とする請求項１に記載の高パワーレーザシステム。
3. 前記一次スレーブレーザ発振器の前記共振器が、光信号周波数を同期させるために前記希土類ドープファイバの少なくとも一部分内で光位相を変調することができる位相変調器を有し、前記位相変調器がモードフィルタとして機能することを特徴とする請求項１または２に記載の高パワーレーザシステム。
4. 前記希土類ドープファイバが偏波維持ファイバまたは単一偏波ファイバであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高パワーレーザシステム。
5. 前記一次スレーブレーザ発振器の前記共振器が二次高調波発生器を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高パワーレーザシステム。
6. 前記レーザシステムが二次共振器を備え、前記二次共振器が高次高調波発生器を有し、前記高次高調波発生器は、三次高調波発生器、四次高調波発生器または五次高調波発生器を含むことを特徴とする請求項１に記載の高パワーレーザシステム。
7. 前記レーザシステムが二次共振器を備え、前記二次共振器がラマン変換器結晶を有することを特徴とする請求項１に記載の高パワーレーザシステム。
8. 前記レーザシステムが二次共振器を備え、前記一次スレーブレーザ発振器の前記共振器及び前記二次共振器が少なくとも１つの共通光コンポーネントを共有し、前記二次共振器の少なくとも１つの区画は前記一次スレーブレーザ発振器の前記共振器の外部にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高パワーレーザシステム。
9. 前記共通光コンポーネントが周波数変換器結晶であることを特徴とする請求項８に記載の高パワーレーザシステム。
10. 前記レーザシステムがさらに電気光学変調器ドライバに接続された電気光学変調器を備え、前記共振器がｆ_ｍｏｄ＞ｆ_ｃａｖであるような共振器長Ｌを有し、ここでｆ_ｍｏｄは前記ＥＯＭ（電気光学変調器）ドライバの周波数であり、ｆ_ｃａｖは、前記共振器長Ｌで定められる、共振器間隔であって、Ｌが０.２５ｍより長いことを特徴とする請求項１に記載の高パワーレーザシステム。
11. 前記共振器が前記ファイバと共に動作する直線偏光子を有していないことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の高パワーレーザシステム。
12. 前記一次スレーブレーザ発振器の前記共振器が、前記光信号周波数を同期させるために前記希土類ドープファイバの少なくとも一部分を引き伸ばすことができる位相変調器を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高パワーレーザシステム。
13. 前記位相変調器がモードフィルタとして機能することを特徴とする請求項１２に記載の高パワーレーザシステム。
14. 第２の一次スレーブレーザ発振器をさらに備え、前記第２の一次スレーブレーザ発振器が第２のマスターレーザに注入同期されることを特徴とする請求項１に記載の高パワーレーザシステム。
15. 前記一次スレーブレーザ発振器及び前記第２の一次スレーブレーザ発振器のいずれとも動作可能な態様で接続された中間外部共振器をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の高パワーレーザシステム。

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