JP5898957B2 - 強力レーザビームの放射にさらされる非線形光学系の寿命を伸ばす装置及び前記装置を含む非線形光源 - Google Patents

Description

本発明は強力レーザビームの放射にさらされる一つ以上の線形又は非線形光学部品の寿命を伸ばす装置に関する。本発明は詳細には光周波数変換器、特に、強力集束紫外放射等の潜在的に破壊的な放射にさらされる非線形結晶を備える光高調波発生器に応用される。本発明は周波数可変光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）レーザ光源にも応用される。

固体レーザは優れた光学品質のビームを発生させることで知られ、半導体のマイクロマシニング、プラスチックのマーキング、太陽電池のエッチング・・・を含む多くの用途に使用される。これらの用途の大部分は、レーザにより発せられた略々赤外の放射をより高周波の放射に変換することが必要である。基本周波数の第２、第３、第４高調波、又は第５高調波でさえ作り出して紫外での高出力かつ高品質の連続又はパルスビームを得ることに特に強い関心が寄せられている。

固体パルスレーザは比較的短い持続時間（２００ナノ秒未満）のパルスに対して１００ワットを超える平均出力を発生させることができる。非常に高い周波数（典型的には１０ないし５００ｋＨｚ）で動作可能なパルスレーザ光源としてＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦやＮｄ又はＹｂがドープされたガラス繊維のようなレーザ媒質が挙げられる。第３高調波の発生が今や商業化され、３５５ｎｍで２０Ｗ台、２６６ｎｍで４Ｗ台の出力が得られ、もっと短い波長に対する関心の増大が見られる。

高周波パルスレーザの高調波を発生させることが望まれるときに現れる大きな困難は紫外の高出力にさらされる光学部品の寿命にある。光学処理膜を含む部品又は非線形結晶を長期間強い紫外放射にさらすことが部品の照明領域に近接する領域における不可逆劣化をもたらすことが知られている。この劣化の物理的理由は未だに研究対象であり、十分に分かっていない。領域の寿命を伸ばす手段は存在するが、それらは、これらの光源の工業用途が必要とする寿命に常に到達できるとは限らない。損傷は入射出力密度と短い波長により早まることが知られており、光学要素の表面の欠陥により誘発されることがある。

観測される効果は蓄積され、発生ビーム品質と紫外の出力の累進的劣化をもたらす。

紫外放射を発生させるための在来の方法は非線形結晶に強力なビームを集束させることにある。典型的な結晶はＬＢＯ、ＢＢＯ及びＣＬＢＯであるが、他の何れの結晶でも機能できる。高周波で動作するレーザの場合、パルス当たりのエネルギーが低いためビームを１００μｍ台の直径に集束せざるを得ない。この場合、出力密度は数十ｋＷ／ｃｍ^２に達し、受け入れ難い欠陥の誘発に帰結する。

結晶の劣化を抑制する既知の方法は、数時間から数週間の経過後に、まだ損傷を受けていない結晶の新しい領域を見つけるためにレーザビーム軸に直角な平面内で非線形結晶を変位することにある。ビームサイズが１００マイクロメートル台であり、結晶サイズが典型的には３ｘ３ｍｍであるので、結晶表面を、これらの変位中に次々とビームにより照明される１００個を超える面素に分解することは容易である。例えば、ビームが、その出力の損失が１０％を超えることなくある領域に１００時間留まることができると考えた場合、結晶の寿命は１００倍増加して約１０，０００時間に達する。全ての領域が漸次使用されたときに、結晶は交換しなければならない。そのような方法は、連続レーザの場合に対し特許文献１に、パルスレーザの特定の場合に対し特許文献２に述べられる。特許文献２は互いに垂直にかつレーザビームに垂直に取り付けられた二つの並進プレートを備える並進システムを述べている。他の特許はビームに垂直な平面内の結晶の円形経路に従った並進又は変位システムの改良を開示している（特許文献３、特許文献４）。これらの方法は、市販される第３又は第４高調波の発生により紫外において発光する全ての固体レーザにおいて使用される。

これらの方法は、ビーム軸に垂直な軸の周りの結晶の如何なる回転もなく完全な並進を必要とするという大きな欠点を有する。実際、非線形結晶内の高調波の発生は位相整合に基づく。後者は結晶軸とレーザビーム間の角度の非常に微妙な調整により得られる。この角度が並進中に変化すれば、変換効率が変化し、高調波放射で生じる出力は変化することになる。長さ１５ｍｍのＬＢＯ結晶に対する典型的な精度は１ミリラジアンを大きく下回る。ＢＢＯのような非常に複屈折性の結晶に対し、あるいは非常に短い波長に対しそれはなお小さい可能性がある。従って、レーザビーム軸に垂直な二つの方向の数ミリメートルにわたる結晶の並進が数マイクロラジアンを超える回転を生じさせないことを保証することが必要である。そのような精度を数ミリメートルの変位にわたり、また数年の期間の間維持することは非常に難しい。さらに、可動要素の存在は結晶をしっかり固定することを不可能にし、従って結晶の向きは搬送中に変化し得る。従って、結晶の各並進において位相整合を再調整する必要がある。この整合再調整は一般的に結晶の温度を変更することにより行われるが、それは複雑な制御ループを必要とする。

さらに、光学部品の変位方法によれば、レーザが、レーザの光路上に直列に配列されて強力なレーザビームにさらされるいくつかの固体光学部品を備えるときに、各部品は、各部品上のビームによる照明領域を修正するために並進システムを備えねばならず、これは装置をより一層複雑にする。これは詳細には、一連の非線形結晶を使用する３倍、４倍又は５倍高調波発生器における実情である。以下に使用される「非線形光学系」は少なくとも一つの非線形光学部品（これは非線形結晶でもよい）を備える光学部品の集合を意味する。光学系がいくつかの部品を備えるときは、これらの光学部品は光路に直列に配列される。

さらに、特許文献５は結晶表面上の円形経路に従ってレーザビームを連続回転して結晶の局部加熱を避ける装置を述べている。装置は平坦かつ平行な表面をもつ二つの同一プレートを備え、二つのプレートは光周波数変換非線形結晶の両側に配列される。二つのプレートはレーザビーム軸に対して不変の角度だけ対称的に傾斜し、ビーム軸の周りに連続回転する。この装置は、結晶が固定されたまま円に沿ってビームの衝撃点を素早く（数ヘルツ）移動することを可能にする。不変方向の出力ビームが１次近似で維持できるように、二つのプレートの回転は同一でかつ同期しなければならない。しかしながら、（一つ以上の結晶の存在により）分離された二つの光学要素のそのような回転結合は実現するのは難しい可能性がある。さらに、ビームの円筒経路は結晶の全表面に展開することを可能にせず、結晶の寿命を大幅に伸ばすことを可能にしない。最後に、第２のプレートの偏位による第１のプレートの偏位の補償は一般的に完全ではなく、従って、出力ビームは残留円又は渦巻き運動を行う。この出力ビームの残留運動は詳細には第１と第２のプレートを通過するビーム間の波長差と、プレートの色収差による。この寄生運動はますますビームサイズが小さくなることを阻害する。特許文献５によれば、二つのプレートの偏位の差は数十マイクロメートルであり、これは小サイズのビームの一定の出力ビーム方向及び位置を維持することを可能にしない。

より詳細には、レーザマイクロマシニング用途において、紫外レーザビームのサイズは１００マイクロメートル台である。この紫外レーザビームは一般的に光学部品と結合されて正確に集束される。ビームの方向と位置は数パーセント内、すなわち数マイクロメートル内で安定に保たなければならない。

Marasonの米国特許第５１７９５６２号明細書 Lai他の米国特許第５８２５５６２号明細書 Kafka他の米国特許出願公開第２００３／０１４７４３３号「Extendedlifetime harmonic generator」明細書 米国特許第６８５９２２５号「Method of programmed displacement for prolonged usage of opticalelement under the irradiation of intense laser beam」明細書 米国特許第５６４６７６４号明細書

本発明はこれらの欠点を改善することを目的とし、より詳細には強力なレーザビームの放射にさらされ、基本光周波数ω_１の入射ビームを光周波数ω_２の出力ビームに変換できる少なくとも一つの周波数変換非線形光学系の寿命を伸ばす装置に関する。

発明によれば、装置は、第１の厚さｅ_２で屈折率ｎ_２（ω_１）の平坦かつ平行な表面を有し、前記入射レーザビームの光路に挿入でき、前記ビームを透過でき、その平坦面への法線η_２が前記レーザビームの伝播軸Ｘと傾斜角（ｉ_２）をなす第１の透過プレートを備える。装置は、厚さｅ_３で屈折率ｎ_３（ω_２）の平坦かつ平行な表面を有し、前記光学系の出口のビームの光路に挿入でき、光周波数ω_２のビームを透過でき、それへの法線η_３がレーザビームの伝播軸Ｘ’に対して傾斜角（ｉ_３）をなす第２の透過プレートを備える。発明の装置はさらに、レーザビームの伝播軸Ｘに直角な少なくとも一つの軸（Ｙ、Ｚ）の周りに前記第１のプレートを横回転し、光学系に対してビームを変位するために角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり傾斜（ｉ_２）を修正できる手段と、ビームの伝播軸Ｘ’に直角な少なくとも一つの軸（Ｙ’、Ｚ’）の周りに前記第２のプレートを横回転し、角度範囲（ｉ_３ ^０ ±δｉ_３）にわたり傾斜（ｉ_３）を修正できる手段とを備える。発明によれば、二つのプレートと、二つのプレートを横回転する手段は、第１のプレートの傾斜角範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり位置と角度方向に関して出力ビームの変位の振幅を最小にすることができる。

特定の実施例によれば、装置は、角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり互いに依存する第１のプレートの傾斜（ｉ_２）と第２のプレートの傾斜（ｉ_３）を作ることができる二つのプレートを機械的に結合する手段を備え、第２のプレートの厚さｅ_３は第１のプレートの厚さｅ_２、屈折率ｎ_２（ω_１）とｎ_３（ω_２）及び角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）の関数として出力ビームの残留変位の振幅を最小にすることができる。

発明の特定の実施例によれば、二つのプレートを結合する手段は互いに反対のそれぞれの傾斜角ｉ_２とｉ_３を有する二つのプレートの同時傾斜を生じることができる機械駆動手段を備える。

発明の好ましい実施例によれば、二つのプレートを結合する手段は互いに等しいそれぞれの傾斜角ｉ_２とｉ_３を有する二つのプレートの同時傾斜を生じることができる機械駆動手段を備える。

好都合には、回転手段は二つのプレートに共通であり、二つのプレートの傾斜を同一角度だけ修正でき、入射ビームと出力ビームは二つのプレート間の平面内を伝播し、出力ビームはプレート間で奇数回の反射を受ける。

好都合には、光学系に対する入射ビームの直径は傾斜角範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり第１のプレートの傾斜により生じるビームの変位の振幅より小さい。

もう一つの特定の実施例によれば、二つのプレートは同一であり、装置は、角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり第１のプレートの各傾斜角に対する出力ビームの変位を補償するように、プレートの厚さ、その屈折率ｎ_２（ω_１）とｎ_３（ω_２）、及び傾斜角（ｉ_２）の関数として傾斜角（ｉ_３）を計算及び適用できる手段を備える。

好都合には、発明の装置は二つのプレート間に置かれた倍率Ｇを有する光学系を備え、第２のプレートの傾斜角（ｉ_３）、厚さ（ｅ_３）及び屈折率（ｎ_３）は、角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり各傾斜角（ｉ_２）に対する出力ビームの変位を補償するように、前記光学系の倍率Ｇの関数として決定される。

発明はまた、非線形光学系と、前の実施例の一つによる前記非線形光学系の寿命を伸ばす装置とを備える非線形光源に関し、そのプレートは前記非線形光学系の両側に配列される。

特定の実施例によれば、発明の非線形光源は結晶の寿命を伸ばす装置の二つのプレート間に位置する二つの非線形結晶を備える非線形光学系を備え、第１の非線形結晶は入射基本波の周波数を２倍にすることができ、第２の非線形結晶は基本波とその第２高調波の周波数を加算することにより第３高調波を発生できる。

もう一つの実施例によれば、発明の非線形光源は二つのプレート間に位置する二つの非線形結晶を備える非線形光学系を備え、第１の非線形結晶は入射基本波の周波数を２倍にすることができ、第２の非線形結晶は第２高調波の周波数を２倍にすることにより第４高調波を発生できる。

なおもう一つの実施例によれば、発明の非線形光源は二つのプレート間に位置する三つの非線形結晶を備える非線形光学系を備え、第１の非線形結晶は入射基本波の周波数を２倍にすることができ、第２の非線形結晶は第２高調波と基本波の周波数を混合することにより第３高調波を発生でき、第３の非線形結晶は第１と第２の結晶により生じた第２高調波と第３高調波の周波数を混合することにより第５高調波を発生できる。

発明はまた光パラメトリック発生によりコヒーレント放射を発生させることができる、二つのプレート間に位置する少なくとも一つの結晶を備える非線形光源に関する。

発明はまた、周波数変換後、ビームの透過出力を測定する手段と、透過出力が所定値だけ低下したときにプレートの横回転を生じることができる駆動システムとを備える非線形光源に関する。

発明はまた、レーザ共振器内に置かれた非線形光学系の寿命を伸ばす装置を備える非線形光源に関する。

本発明はまた以下の説明から明らかとなる特徴に関し、その特徴は単独で、あるいはその技術的に可能な何れかの組合せとして考慮されねばならないであろう。

本説明は非限定的例としてのみ与えられ、以下の添付図面を参照すれば発明が如何に実施できるかがよりよく理解できるであろう。

発明の装置の模式図である。 平坦かつ平行な表面を有する傾斜プレートの動作原理を示す。 先行技術による第２高調波発生器を模式的に示す。 発明による第２高調波発生器を模式的に示す。 非線形結晶の両側にある二つの傾斜プレートを有する系の動作を模式的に示し、二つのプレートの第１の傾斜による動作を示す。 二つのプレートの第２の傾斜による動作を示す。 傾斜角範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）の関数として出力ビームの補償誤差の測定曲線を示す。 先行技術による第３高調波発生器を示す。 発明による第３高調波発生器の第１の実施例を示す。 発明による第３高調波発生器の第２の実施例を示す。 発明の装置におけるプレートの向きを制御するシステムを模式的に示す。 発明の装置の二つのプレートを機械的に結合する手段を模式的に示す。 発明の装置を用いたレーザビームによる照明領域の走査例を示す。

図１は発明による非線形光学系の寿命を伸ばす装置の動作原理を模式的に示す。非線形光学系１９は光ビーム７、例えばレーザビームの伝播軸上に位置する。非線形光学系は、検討された原理例では非線形光学部品１からなる。光学部品１は軸Ｘに沿って伝播する基本光周波数ω_１の入射光ビーム７を受け、軸Ｘ’に沿って伝播する光周波数ω_２の出力光ビーム１７を透過する。レーザビームの光放射にさらされる光学部品１の劣化を最小にすることが試みられる。装置は平坦かつ平行な表面を有する、それぞれの厚さｅ_２、ｅ_３の二つのプレート２及び３を備える。二つのプレートは光ビームの光路中に置かれる。第１のプレート２は入射ビーム７の光路中に置かれ、軸Ｘに対して角度ｉ_２だけ傾斜している。傾斜角ｉ_２はプレート２の表面に対する法線η_２とビーム７の軸との間に形成される角度である。入射ビーム７はプレート２を通過し、光周波数ω_１の透過ビーム２７として出射する。透過ビーム２７は入射ビーム７の伝播軸に平行な軸に沿って伝播する。第２のプレート３は光学部品１の出口における光周波数ω_２の光ビーム１７の光路中に置かれ、軸Ｘ’に対して角度ｉ_３だけ傾斜している。傾斜角ｉ_３はプレート３の表面に対する法線η_３とビーム１７の軸との間に形成される角度である。各プレート２、３の傾斜はそれぞれ、レーザビームのそれぞれ伝播軸Ｘ、Ｘ’に垂直なそれぞれ二つの軸（Ｙ，Ｚ）、（Ｙ’，Ｚ’）の周りの横回転により修正できる。プレート２の傾斜ｉ_２は軸Ｘに直角な一つ又は二つの回転により角度範囲（ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）にわたり変化する。同様に、プレート３の傾斜ｉ_３は軸Ｘ’に直角な一つ又は二つの回転により角度範囲（ｉ_３ ^０ ±δｉ_３）にわたり変化する。図６に図解される例示的実施例において、ｉ_２の角度変化の振幅は±１０度である。プレート２及び３はビーム軸の周りに軸回転しない。第１のプレート２の傾斜角ｉ_２の修正は前記プレート２により透過されたビーム２７の光学部品１に対する変位（ｄ_Ｙ２、ｄ_Ｚ２）を生じさせる。この変位（ｄ_Ｙ２、ｄ_Ｚ２）は入射ビームの光放射にさらされる光学要素の領域を修正することを可能にする。第２のプレート３は、二つのプレート２及び３のそれぞれの傾斜の調整及び／又は二つのプレートの厚さの最適化により、プレート２、３の傾斜範囲にわたり光学部品１の出口におけるビーム１７の軸の横ずれ（ｄ_Ｙ２、ｄ_Ｚ２）をできる限りよく補償し、装置の出口におけるビーム３７の伝播軸を不変に維持することを可能にする。

図２はプレート２又は３内のレーザビームの伝播をより詳細に示す。最もうまく説明するために、図２は、入射ビームの伝播軸Ｘと、平坦かつ平行な表面を有するプレートに対する法線ηとを含む平面への投影を示す。厚さｅの平坦かつ平行な表面を有するプレートは光学部品１の前において入射光ビーム７の軸上に挿入される。このプレートのビーム７の軸に対する角度ｉの傾斜はプレートの出口におけるビーム２７の軸の偏位を生じさせ、このビームは量ｄだけずれた軸に沿って伝播する。その法線がビームに対して角度ｉをなす厚さがｅで屈折率がｎのプレートの通過は以下に与えられる距離ｄのビームの変位を生じさせる。

（式１）

従って、角度ｉを調整することにより距離ｄを調整することが可能である。角度ｉの調整は伝播軸Ｘに直角な二つの方向（Ｙ、Ｚ）の周りの二つの回転θ_Ｙ、θ_Ｚの組合せにより得られ、これはプレートの出口におけるビームをビームの伝播軸に直角な二つの方向（ｄ_Ｙ、ｄ_Ｚ）に沿って偏位させる。そのとき、ビームサイズと比較して広い領域にわたり光学部品１上のビームによる照明領域を修正することが可能である。プレート２から出射するビーム２７の軸は構成により、プレートの傾斜ｉがどうであれ、入力ビーム７の軸に完全に平行である。プレート２の並進又は回転の調整不良は構成により出力ビームの並進のみを招き、その方向変化は決して招かない。

図２は平面内のビームの偏位を示す。レーザビームの伝播軸に垂直な二つの軸の周りでプレートの方向合せができるときは、偏位は伝播軸に垂直なもう一つの方向にも起こり得る。

多くの用途、詳細にはレーザマイクロマシニングにおいて、光学部品の寿命を伸ばすことが重要であるが、安定した方向と位置を有する出力レーザビームを供給することも不可欠である。

いくつかの特定の場合では、出力ビームは、その厚さと向きが第１のプレート２により生じたずれｄを補償するように最適化された第２のプレート３を追加することにより入力ビームと完全に同一直線上にもたらすことができる。

入射ビームの波長と光学部品により透過されたビームの波長が同じときに、反対の角度で傾斜した二つの同一のプレート（同じ厚さで同じ材料）により完全な補償は得られる。補償は二つのプレートの傾斜角（対称な）がどうであろうと有効である。

入力波長（又は光周波数ω_１）が出力波長（又は光周波数ω_２）と異なるときは、以下の二つの特定の場合の出力ビームの変位の補償方法も知られている。すなわち、
二つの同一のプレートを使用し、第２の波長において第２のプレートにより生じた反対の変位により第１の波長において第１のプレートにより生じたビームの変位を補償するように第２のプレートの傾斜を調整することにより、あるいは
対称な傾斜（不変）を有するプレートを使用し、この傾斜とこれらの波長において生じるそれらのずれが互いに補償するようにプレートの厚さを計算することによる補償方法である。

これらの二つの解決策はその不変の傾斜を維持するプレートの軸回転に適応しない。そのときは出力ビームずれの補償は入力と出力波長の所定対に対してのみ有効である（しかし、出力波長が可変であるＯＰＯには有効ではない）。

波長が異なり、プレートの傾斜が可変であるときは、出口におけるビームずれの補償を得るのはずっと難しい。この場合、出力ビームは一般的に可変傾斜の関数として一定位置をもたない。出力ビームの再位置決め誤差は二つのプレートの傾斜角と入力及び出力波長の両方に依存する。発明の一つの目的はプレートの傾斜角変化の範囲に対してこの再位置決め誤差を最小にすることである。

実際、プレートの屈折率ｎは分散により波長の関数として変化する。ずれｄはプレートの物理特性（厚さｅ、屈折率ｎ）に依存すると同時に、その傾斜ｉ、及びそれを通過するビームの波長にも依存する。発明は、プレートの横回転の所定の範囲にわたり、すなわち傾斜角ｉ_２、ｉ_３にわたり、二つのプレート２と３の間で出来るだけ最良の補償を得るためにこれらの異なるパラメータを使用する。

この最適化は、以下の例に詳細に述べられるように、特にいくつかの波長が関わるときに発明の装置の用途に依存する。

発明は多くの用途に役立つ可能性があり、種々の特定の事例として、すなわちレーザビームの第２高調波の発生及び第３高調波の発生として説明される。

第２高調波発生の在来の実施例は図３に示される。レーザ光源４は概ね近赤外にある周波数ωの光源放射を発生させる。光源４は光源放射を可視にある周波数２ωに変換する第１の非線形結晶（図示せず）を備える。光源４は従って一般的にレンズである集束光学手段５に向けられた可視放射７を発する。光学手段５はまたミラーでも、ミラー及び／又はレンズの組であってもよい。レンズ５はビーム７を非線形結晶１上の点に集束する。非線形結晶１はビーム７の周波数を２倍にするように構成され、周波数４ωのビーム１７を発生する。コリメータレンズ６と一つ以上のダイクロイックミラー１０及び１１を備える光学系は周波数４ωのビーム１７から周波数２ωのビーム７を分離できる。図３に示される先行技術の装置において、結晶１は一般的に、第４高調波への変換効率が低下したときに非線形結晶に対するビーム７の衝撃点を変更させる変位システムに取り付けられる。

図４に示される発明の実施例によれば、二つのプレート２及び３は光学手段５、６と結晶１の間に挿入される。非線形結晶１は固定されたままであり、従って変位システムは必要ない。プレート２はレンズ５と結晶１の間に、プレート３は結晶１とレンズ６の間に挿入される。プレート２及び３はレーザビームに垂直な二つの軸Ｙ、Ｚの周りの可変傾斜により方向合せができる。好ましくは、プレート２、３は使用波長における反射防止処理膜を含む。

図５は集束レーザビームに対して傾斜した一対のプレート２、３により生じる結晶１上と装置出口におけるビーム変位の効果を、図５Ａ及び５Ｂにそれぞれ示される一対のプレートの異なる向きに対して模式的に示す。プレート２、３は光軸のずれを生じさせる。単独で使用される第１のプレート２は結晶１上の透過ビーム２７の衝撃点の変位の効果を得ることを可能にするが、出力ビーム３７の位置と方向はこのプレート２の傾斜の変動により変化し、これは一般的に受け入れられない。第２のプレート３の厚さ及び／又はその傾斜ｉ_３は両プレートの傾斜範囲にわたり第１のプレート２の変位をできる限りよく補償するように最適化される。

光高調波発生器への応用において、非線形結晶１の出口における注目ビーム１７はこの結晶１上の入射ビーム２７と同じ波長をもたない。従って、プレート２及び３の向きの計算を考慮に入れることが望ましい。式１は、ずれｄが入射角ｉに依存するが、波長で変化する屈折率ｎにも依存することを示す。不変の傾斜角を使用することにより、ずれは、屈折率差を補償するためにわずかに異なる角度で方向合せされた二つの同一プレート（同じ厚さと同じ材料）により補償されてもよく、あるいはビーム７の波長におけるプレート２の光学的厚さがビーム１７の波長におけるプレート３の光学的厚さに相当するように計算された異なる物理的厚さのプレートを用いて同じ大きさで反対符号の向きが使用されてもよい。しかしながら、この補償は一定の傾斜角ｉ_２及びｉ_３に対し、また不変の入力波長ω_１及び出力波長ω_２に対してのみ有効である。

式１のより詳細な検討により、ｄ、ｉ、ｅ及びｎ間の関係が非線形であるので、ｉが傾斜角範囲にわたり変動するときに屈折率ｎの変化が厚さｅの単純な変化により補償できないことが分かる。プレート２が厚さｅ_２と屈折率ｎ_２をもち、プレート３が屈折率ｅ_３をもつとすれば、入射角範囲、従って所定のずれ範囲に対してずれ補償誤差を最小にするプレート３の厚さｅ_３を求めることができる。図６は２６ｍｍで５１５ｎｍでの屈折率が１．４５のプレート２と、２４３ｎｍで同じ材料で出来たプレート３を用いて生じた再位置決め誤差の結果例を示す。

±１０°のｉ_２の回転範囲にわたり平均誤差を最小にできるプレート３の最適厚さｅ_３は２４．９ｍｍの厚さであり、これは単一角度ｉ_２＝ｉ_３＝０に対する最適化に対応する光学的厚さ（２５．６４ｍｍ）に等しくなるように与えられた物理的厚さから比較的に離れている。

最適化は種々の在来の誤差最小化法により得ることができる。詳細には、最小自乗法が適用されてもよく、これは二つの曲線ｄ_２（ｉ）とｄ_３（ｉ）間の距離を最小にすることを意味する。数学的には、それは以下の量を最小にするｎ_３とｅ_３の値の組を探すことを意味する。

しかしながら、いくつかの傾斜（例えば、軸に近接し、結晶の中心に対応する傾斜）の重みを増加することを決定してもよい。

この場合、重みは各ｄの値に対して設定され、式は以下のようになる。

ただし、ｐ（ｉ）は傾斜ｉに対して選ばれた重みである。

この最適化は角度ｉ_２とｉ_３が同じであると仮定している。

特定の角度に対して変位を正確に打ち消す（すなわちｄ_２−ｄ_３＝０）ことにしてもよいが、それは他の角度に対して一般的に誤差を増加することを意味する。

図６において、発明の２枚プレート式補償装置の出口におけるビーム残留変位は数マイクロメートル（±６マイクロメートルの最大振幅）しかずれないことが観測されるが、これはビームサイズ（約１００マイクロメートル）に対して許容できる。

この装置の利点は、それがレーザ内の非線形結晶をしっかりと固定することを可能にし、これらの位相整合が、ずれをもたらすプレート２、３の変位と向きに鈍感であることである。

発明の第２の特定の実施例は第３高調波の発生に関する。在来の第３高調波発生装置が図７に模式的に示される。概ね近赤外に位置する周波数ωの放射を発生させるためにレーザ光源４’が使用される。レーザの赤外放射は光学手段１８により、放射を周波数２ωに変換する第１の非線形結晶１に集束される。この変換は完全ではなく、システムはそのとき周波数ωの放射７と周波数２ωの放射１７の両方を含むビームを発する。これらのωの集束ビーム７と２ωの集束ビーム１７は一般的にはレンズ５である集束光学手段に入射する。レンズ５は二つのビーム７、１７を第２の非線形結晶１６上の単一の点に集束させる。第２の非線形結晶１６はビーム７及び１７の周波数の加算が周波数３ωのビーム４７を発生できるように構成される。集束レンズ６と一つ以上のダイクロイックミラー１０及び１１を備える光学系は周波数３ωのビーム４７からそれぞれ周波数ω及び２ωのビーム７及び１７を分離させる。好ましくは、結晶１の向きは、結晶１におけるビーム７及び１７の「ウォークオフ」方向が結晶１６内のこれらの同じビームのウォークオフ方向の反対になるように選ばれる。

好ましくは、結晶１及び１６の温度は０．１℃台の精度で安定化される。

先行技術の装置において、結晶１６は一般的に変位システムに取り付けられ、これは第３高調波への変換効率が低下したときに光ビーム７、１７及び４７を不変にしたままビーム７及び１７の衝撃点を変更させる。

図８に示される発明の好ましい実施例において、二つのプレート２及び３は光学手段５、６と結晶１６の間に挿入される。プレート２はレンズ５と結晶１６の間に、プレート３は結晶１６とレンズ６の間に挿入される。プレート２、３は、レーザビームに垂直な二つの軸Ｙ、Ｚの周りの横回転による傾斜角範囲にわたり変化する、それぞれ傾斜ｉ_２、ｉ_３により方向合せできる。反対に、非線形結晶１６は不変のままであり、変位システムを必要としない。好ましくは、プレート２、３は使用波長において反射防止処理膜を備える。図８に示される装置の限界はプレート２によりもたらされるずれの色収差から生じる。実際、二つのビーム７及び４７は同じ波長ではなく、従って、非常にわずかに異なるずれを生じることになり、これはことによると第３高調波の発生を阻害するかもしれない。

図９に示される発明の装置の実施例によれば、プレート２は第１の２倍化結晶１の前に置かれる。そのときプレート３の移動の方向と振幅はレンズ５によりもたらされる倍率やビーム７と４７間の波長差を考慮に入れなければならない。プレート３の傾斜のこの変化の制御はプレート２により生じた変位を補償するようにプレート３の向きを計算できる電子システムにより行われてもよい。装置はレンズ５を省略することにより簡略化することができる。この場合、結晶１及び１６内のビームサイズは近似的に同じである。

図１０は簡略化された実施例の装置を組み込んだ図を示す。電子制御システム１３はプレート２及び３の向きの変化を制御する。両プレートが光学的に同等（同じ厚さ、同じ材料）である第１の実施例によれば、制御システムは、プレート２、３のそれぞれの向きｉ_２、ｉ_３が完全に同一であるが互いに反対であることを保証する。両プレートが物理的に同等である、あるいは両プレートが光学的に同等でない実施例によれば、制御システムはプレート２の各入射角ｉ_２に対して、プレート２の向きに対するプレート３の向きの補正を計算する。

図６の結果から、装置はプレート２及び３の変位角が同一（すなわち対称）になるように設計できる。その場合、電子システムは図１０に示される機械結合システムに置き換えられてもよい。回転軸当たり一つのモータ１４は二つのプレートの同一変位を制御することを可能にする。

最後に、二つのプレート２、３を変位させるために単一の方向合せシステムが使用できる最適化構成が存在する。全ての前の実施例において、プレートは、その結合を複雑にした反対方向の回転を生じなければならなかったことに留意することは重要である。二つのプレート間に奇数のミラーが導入された単一の方向制御システムにより同じ補償効果を得ることができる。図１１は三つのミラー１０、１１及び１５を有する好ましい実施例を示す。その場合、システムは極めて安定で単純になる。二つのプレート２、３は互いに一体であるので、それらのそれぞれの向きの偶発的変動は結晶内の衝撃点の変位に変換されるだけであり、ビーム４７の方向又は位置に何ら影響を与えない。

プレート２及び３の厚さは傾斜角ｉ_２及びｉ_３の変化範囲にわたり式１を用いて、放射７と４７で生じる屈折率差を考慮に入れることにより補償誤差を最小にするように計算される。

図１１の実施例において、結晶１及び１６内のビームサイズは近似的に同じである。二つの結晶内で異なるビームサイズをもつことは興味深い。そのために、倍率Ｇを有する光学系が結晶１と１６の間に導入される。この場合、この光学系は、プレート２によりもたらされる変位のプレート３による補償の計算において考慮されなければならない。二つのプレートに対して同一回転を維持するようにその光学的厚さに作用することも可能であるし、あるいは独立な回転を使用することも可能である。図１１の装置を使用するためには結晶１と１６間の倍率の符号は絶対に正でなければならない。二つの結晶間に光学的共役関係があり、プレート２及び３を同時に変位する単一の機構による簡略化された補償モードの使用が望まれる場合、プレート２とプレート３の間の光路内に導入される反射数は常に奇数でなければならない。

図７ないし１１に関連して示されるシステムは第３高調波発生の特定の場合に対応するが、それらは第５高調波発生、光パラメトリック発生、さらには紫外におけるレーザ材料のポンピングや非線形効果（例えばラマン効果）の発生のような光学要素上のビーム位置の時間変化を必要とする他の場合と同様に適用される。同じ装置は可変波長光源（可変ω_２）の製作を可能にする光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を含む光周波数変換器にも適用される。

前の例において、プレート２の回転振幅（すなわち傾斜範囲ｉ_２ ^０ ±δｉ_２）は、結晶上のビーム直径の約３倍に相当する変位ｄ_２をもたらすように計算される。好ましくは、プレートの傾斜の変化は装置の二つの使用期間の間で不連続であり、ビームは二つの変位間で不変のままである。プレートの横回転は典型的には１００ないし５００時間ごとに適用される。式１は傾斜角の絶対値の関数としてこの回転の振幅を決定することを可能にする。

結晶上のビームの走査移動の異なる方策も使用できる。例えば、プレートは水平軸の周りに徐々に回転されてもよく、最後にビームは結晶の端に到達する。それからプレートは垂直軸に従って小さな角度だけ回転され、水平軸に沿って逆移動を再開できる。そのとき伝播軸に直角の平面内のビーム移動は図１２に示される走査軌跡を辿る。

発明の装置は、入射方向に平行な透過ビームの方向と、装置の出口におけるビーム位置を不変に維持しながら、ビーム軸に直角な二つの独立な方向に沿って光学部品に対してレーザビームを局部的に変位させることが可能である。位置がどうであれ、光学系に対するレーザビームの完全な方向合せを保証し、また装置出口におけるレーザビームの完全な再位置決め（角度と位置に関する）を保証しながら、装置内部ビームのみが、固定された非線形光学系に対してこのように移動する。非線形光学系は非線形結晶でも、非線形結晶群でも、非線形光学部品集合でも、上記の要素を備える何れの組合せでもよい。

１ 第１の非線形結晶
２ 第１のプレート
３ 第２のプレート
４ レーザ光源
４’ レーザ光源
５ 集束レンズ
６ コリメータレンズ
７ 入射レーザビーム
１０ ダイクロイックミラー
１１ ダイクロイックミラー
１３ 電子制御システム
１４ モータ
１５ ミラー
１６ 第２の非線形結晶
１７ 出力ビーム
１８ 光学手段
１９ 非線形光学系
２７ 入射レーザビーム
３７ 出力ビーム
４７ 出力ビーム

Claims (15)

1. 入射レーザビームの放射にさらされ、基本光周波数の前記入射レーザビームを異なる光周波数の出力ビームに変換できる少なくとも一つの周波数変換非線形光学系の寿命を伸ばす装置において、
   第１の厚さで第１の屈折率の平坦かつ平行な表面を有し、前記入射レーザビームの光路に挿入でき、ビームを透過でき、その平坦面への法線η_２が前記入射レーザビームの伝播軸Ｘと第１の傾斜角をなす第１の透過プレートと、
   第２の厚さで第２の屈折率の平坦かつ平行な表面を有し、前記周波数変換非線形光学系の出口の前記出力ビームの光路に挿入でき、前記出力ビームを透過でき、その平坦面への法線η_３が前記出力ビームの伝播軸Ｘ'に対して第２の傾斜角をなす第２の透過プレートと、
   前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートのための制御システムと、
   を備え、
   前記制御システムは、
   （１）互いに直角な２つの軸であって、前記入射レーザビームの伝播軸Ｘに直角な２つの軸の周りに前記第１の透過プレートを横回転し、前記周波数変換非線形光学系に対して前記入射レーザビームを変位させるために第１の角度範囲にわたり前記第１の傾斜角を修正するとともに、
   （２）互いに直角な２つの軸であって、前記出力ビームの伝播軸Ｘ'に直角な２つの軸の周りに前記第２の透過プレートを横回転し、第２の角度範囲にわたり前記第２の傾斜角を修正し、
   前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートと、前記制御システムは、前記第１の透過プレートの前記第１の傾斜角範囲にわたり位置と角度方向に関して前記出力ビームの変位の振幅を最小にするように構成されており、
   前記制御システムは、前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートの横回転を第１の時点で行い、前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートの横回転を第２の時点で行い、前記第１の時点と前記第２の時点との間では前記第１の透過プレートを透過したビームを前記周波数変換非線形光学系上の固定位置に維持する
   ことを特徴とする装置。
2. 前記装置は、前記第１の透過プレートの前記第１の傾斜と前記第２の透過プレートの前記第２の傾斜を前記第１の角度範囲にわたって互いに依存させるように、前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する手段を備え、
   前記第２の透過プレートの第２の厚さは、前記第１の厚さ、前記第１の屈折率、前記第２の屈折率、及び前記第１の角度範囲の関数として前記出力ビームの変位の振幅を最小にすることができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する前記手段は、前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する前記手段に対して互いに向きが反対の前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角をそれぞれ有する前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートの同時傾斜を生じることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する前記手段は、前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する前記手段に対して互いに向きが等しい前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜をそれぞれ有する前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートの同時傾斜を生じることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記第１の透過プレート及び第２の透過プレートを機械的に結合する前記手段は、前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートに共通であり、前記第１の透過プレートの前記第１の傾斜角及び前記第２の透過プレートの前記第２の傾斜角を同一角度だけ修正し、
   前記入射レーザビームと前記出力ビームは、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間の平面内を伝播し、
   前記出力ビームは前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間で奇数回の反射を受けることを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記周波数変換非線形光学系に対する前記入射レーザビームの直径は、前記第１の傾斜角範囲にわたり前記第１の透過プレートの前記第１の傾斜角により生じる前記入射レーザビームの前記変位の振幅より小さいことを特徴とする請求項１ないし５の何れか一つに記載の装置。
7. 前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとは同一であり、
   前記制御システムは、前記第１の角度範囲にわたり前記第１の傾斜角に対する前記出力ビームの変位を補償するように、前記第１の厚さ、前記第２の厚さ、前記第１の屈折率、第２の屈折率、及び第１の傾斜角の関数として前記修正の目標値としての前記第２の傾斜角を計算することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記装置は、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間に置かれた倍率を有する光学系を備え、
   前記第２の透過プレートの前記第２の傾斜角、第２の厚さ、及び第２の屈折率は、前記第１の角度範囲にわたり前記第１の傾斜角に対する前記出力ビームの変位を補償するように、前記光学系の前記倍率の関数として決定されることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一つに記載の装置。
9. 非線形光学系を備える非線形光源であって、請求項１ないし６の何れか一つに記載の装置を備え、前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートが前記周波数変換非線形光学系の両側に配列されることを特徴とする非線形光源。
10. 前記周波数変換非線形光学系は、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間に位置する第１の非線形結晶及び第２の非線形結晶を備え、前記第１の非線形結晶は前記入射レーザビームの前記基本光周波数を２倍にし、前記第２の非線形結晶は前記入射レーザビームの前記基本光周波数とその第２高調波の周波数を加算することにより第３高調波を発生させることを特徴とする請求項９に記載の非線形光源。
11. 前記周波数変換非線形光学系は、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間に位置する第１の非線形結晶及び第２の非線形結晶を備え、前記第１の非線形結晶は前記入射レーザビームの前記基本光周波数を２倍にし、前記第２の非線形結晶は前記入射レーザビームの第２高調波の周波数を２倍にすることにより第４高調波を発生させることを特徴とする請求項９に記載の非線形光源。
12. 前記周波数変換非線形光学系は、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間に位置する第１の非線形結晶、第２の非線形結晶、及び第３の非線形結晶を備え、前記第１の非線形結晶は前記入射レーザビームの前記基本光周波数を２倍にし、前記第２の非線形結晶は前記入射レーザビームの第２高調波と前記基本光周波数を混合することにより第３高調波を発生させ、前記第３の非線形結晶は前記第１の非線形結晶により生じた第２高調波と第２の非線形結晶により生じた第３高調波の周波数を混合することにより第５高調波を発生させることを特徴とする請求項９に記載の非線形光源。
13. 前記周波数変換非線形光学系は、光パラメトリック発生によりコヒーレント放射を発生させることができる、前記第１の透過プレートと前記第２の透過プレートとの間に位置する少なくとも一つの結晶を備えることを特徴とする請求項９に記載の非線形光源。
14. 周波数変換後、前記出力ビームの透過出力を測定する手段と、前記透過出力が所定値だけ低下したときに前記第１の透過プレート及び前記第２の透過プレートの横回転を生じさせる駆動システムとを備える請求項９ないし１３の何れか一つに記載の非線形光源。
15. 非線形光学系の寿命を伸ばす前記装置はレーザ共振器内に置かれることを特徴とする請求項９ないし１４の何れか一つに記載の非線形光源。