特許 7535669 周波数変換レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-07

(45)【発行日】2024-08-16

(54)【発明の名称】周波数変換レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/109 20060101AFI20240808BHJP

   G02F 1/37 20060101ALI20240808BHJP

   H01S 3/10 20060101ALI20240808BHJP

   H01S 3/1109 20230101ALI20240808BHJP

   H01S 3/1123 20230101ALI20240808BHJP

【ＦＩ】

H01S3/109

G02F1/37

H01S3/10

H01S3/1109

H01S3/1123

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2023555172

(86)(22)【出願日】2022-03-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-08

(86)【国際出願番号】 EP2022055236

(87)【国際公開番号】W WO2022189223

(87)【国際公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-10-18

(31)【優先権主張番号】102021202391.6

(32)【優先日】2021-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】514315849

【氏名又は名称】フォトン エネルギー ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】110003421

【氏名又は名称】弁理士法人フィールズ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング シュスルバウアー

【審査官】佐藤 美紗子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／００４５１４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】PERKINS P E ET AL.，EFFICIENT INTRACAVITY DOUBLING IN FLASH-LAMP-PUMPED ND，JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA，米国，1987年08月01日，Vol.4, No.8，1281-1285

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／０３－３／２２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ装置（２）であって、
２つの共振器ミラー（６，８）、すなわち出力ミラー（６）と端部ミラー（８）とを有する光共振器（４）と、
第１の周波数（ｆ１）の光を発生するための光活性媒質（１０）と、
前記第１の周波数（ｆ１）の光を異なる周波数（ｆ２，ｆ３）の光に変換するための光非線形媒質（１８）と、ここで、前記光活性媒質（１０）及び前記光非線形媒質（１８）は、前記共振器ミラー（６，８）の間の光線経路に配置されており、
第１の偏光作用レーザ光学系（２０）であって、前記出力ミラー（６）によって前記端部ミラー（８）の方向に反射された前記第１の周波数（ｆ１）の光を、偏光された前記第１の周波数（ｆ１）の光の周波数変換が前記光非線形媒質（１８）を通過する際に抑制されるように、偏光する第１の偏光作用レーザ光学系（２０）と、を備える、レーザ装置（２）。

【請求項2】

前記第１の偏光作用レーザ光学系（２０）は、前記出力ミラー（６）によって前記端部ミラー（８）の方向に反射された前記第１の周波数（ｆ１）の光を、偏光された前記第１の周波数（ｆ１）の光の周波数変換が前記光非線形媒質（１８）を通過する際に最小化されるように、偏光する、請求項１に記載のレーザ装置（２）。

【請求項3】

第２の偏光作用レーザ光学系（２２）であって、前記出力ミラー（６）の方向に伝搬する前記第１の周波数（ｆ１）の光を、偏光された前記第１の周波数（ｆ１）の光の周波数変換が前記光非線形媒質（１８）を通過する際に促進されるように、偏光する第２の偏光作用レーザ光学系（２２）を備える、請求項１又は２に記載のレーザ装置（２）。

【請求項4】

第２の偏光作用レーザ光学系（２２）は、前記出力ミラー（６）の方向に伝搬する前記第１の周波数（ｆ１）の光を、偏光された前記第１の周波数（ｆ１）の光の周波数変換が前記光非線形媒質（１８）を通過する際に最大化されるように、偏光する、請求項３に記載のレーザ装置（２）。

【請求項5】

前記第１の偏光作用レーザ光学系（２０）及び前記第２の偏光作用レーザ光学系（２２）として、波長板、又は偏光回転子が使用されている、請求項３又は４に記載のレーザ装置（２）。

【請求項6】

第１の偏光作用レーザ光学系（２０）として、λ／４板（３２）が使用され、
第２の偏光作用レーザ光学系（２２）として、偏光回転子が使用されている、請求項３又は４に記載のレーザ装置（２）。

【請求項7】

第１の偏光作用レーザ光学系（２０）及び第２の偏光作用レーザ光学系（２２）として、それぞれ偏光回転子が使用されている、請求項３又は４に記載のレーザ装置（２）。

【請求項8】

前記光共振器（４）は、直線状の光線経路を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項9】

前記出力ミラー（６）の下流側に接続され、周波数変換された光に対する前記第１の偏光作用レーザ光学系（２０）の作用を補償するように形成された第３の偏光作用レーザ光学系（３４）を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項10】

前記第１の偏光作用レーザ光学系（２０）及び前記第３の偏光作用レーザ光学系（３４）は、同一の構造であるが互いに９０°回転されたλ／４板（３２，３６）によって形成されている、請求項９に記載のレーザ装置（２）。

【請求項11】

Ｑスイッチ（３８）を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項12】

前記Ｑスイッチ（３８）は、電気光学Ｑスイッチ、又は音響光学Ｑスイッチ、又はパッシブＱスイッチである、請求項１１に記載のレーザ装置（２）。

【請求項13】

前記光活性媒質（１０）は、固体である、請求項１～１２のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項14】

前記光活性媒質（１０）は、ネオジムドープ・オルトバナジン酸イットリウム結晶（２４）である、請求項１３に記載のレーザ装置（２）。

【請求項15】

前記光非線形媒質（１８）は、タイプＩの位相整合構造の光非線形結晶を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項16】

前記光非線形媒質（１８）は、三ホウ酸リチウム結晶（３０，４２）を含む、請求項１５に記載のレーザ装置（２）。

【請求項17】

前記光非線形媒質（１８）は、少なくとも２つの互いに隣り合って接続された光非線形結晶を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のレーザ装置（２）。

【請求項18】

前記少なくとも２つの互いに隣り合って接続された光非線形結晶は、三ホウ酸リチウム結晶（３０，４２）である、請求項１７に記載のレーザ装置（２）。

【請求項19】

前記少なくとも２つの互いに隣り合って接続された光非線形結晶（３０，４２）は、タイプＩの位相整合構造の第１の結晶（３０）と、タイプＩＩの位相整合構造の第２の結晶（４２）とを含む、請求項１７又は１８に記載のレーザ装置（２）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、周波数変換レーザ装置、すなわち、レーザ光を発生させるための、任意に、レーザ光をガイド、形成、変換及び／又は増幅するための光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ放射による刻み又はマーキングのような産業用途においては、固体レーザ、すなわち、光活性媒質が結晶状の、又はガラス状（すなわちアモルファス）の固体によって形成されたレーザ装置がしばしば使用される。このような固体によって生成される光は、通常、赤外領域、特に８００ｎｍ以上の波長にある。しかしながら、多くの用途において必要とされるような短波長の光の発生のための（特に商業的に利用可能な）固体材料はまだない。

【0003】

固体レーザを用いて緑、青、紫、又は紫外領域のレーザ光を発生させる一般的な方法は、いわゆる周波数変換である。その際、最初に基本周波数（基礎周波数ともいう）において発生した光の一部が、（光学的に）非線形な媒質によって異なる周波数の光に変換される。その際、変換された光の周波数は、基本周波数の数倍、特に基本周波数の２～３倍であることが多い。周波数変換された光は、その元となる基本周波数の光とコヒーレントであり、同じ方向に放出される。

【0004】

レーザ装置の共振器キャビティ内に非線形媒質を配置し、それによって共振器内において周波数変換された光を発生させることが多い。このため、専門用語においては、この周波数変換方法を「共振器内非線形周波数変換」ともいう。このような共振器においては、基本周波数の光は、共振器ミラーの間を両方向に進む途中において非線形媒質を通過し、その際、それぞれ、周波数変換が行われる。従って、周波数変換された光は、非線形媒質を通して前方向（すなわち共振器の出力ミラーに向かう方向）だけではなく、後方向（すなわち共振器の反対側の端部ミラーに向かう方向）にも放出される。前方向に放出された周波数変換された光の一部は、共振器からの分離によって容易に使用することができるが、後方向に放出された周波数変換された光の一部は、通常、望ましくない障害信号である。なぜなら、この光は、前方向に放出される周波数変換された光との不利な干渉によって、レーザ活性の効率と安定性とを損なうからである。更に、後方向に放出される周波数変換された光の一部は、共振器の構成要素、特に活性媒質に対する負荷の増加（したがって、摩耗の増加）につながる。

【0005】

この欠点に対処するために、周波数変換レーザ装置には屈曲共振器が備えられることがある。このために、共振器ミラーの間に偏向ミラーを配置し、その偏向ミラーは、基本周波数の光を偏向させ、それによって共振器を２つのアームに細分化する。その際、活性媒質は屈曲共振器の一方のアームに配置され、一方、非線形媒質は第２のアームに配置される。偏向ミラーは、変換された光の周波数に対して透過性である。これによって、変換された光は共振器の第２アームのみを循環させることができる。

【0006】

偏向ミラーは、その際、変換された光を共振器から分離するためにも使用できる。共振器の効率を更に高めるために、代替的に、第３の共振器ミラーを偏向ミラーの下流側、つまり第２の共振器アームの延長上に配置することも可能であり、その第３の共振器ミラーは、偏向ミラーを透過した周波数変換された光を第２の共振器アームに反射させる。それによって、第２の共振器アームは、第３の共振器ミラーを用いて、周波数変換された光に対して独自の、共振周波数変換を強制する共振器キャビティを形成する。

【0007】

しかしながら、このような曲げ共振器は、構造が非常に複雑になるため、製造に多大な労力を要し、それは、対応するレーザ装置の商業的な有用性を制限する。特に、２つの共振器アーム又は共振器キャビティの長さを互いに適合させるために、アクティブな安定化処置が必要になることが多い。

【0008】

更に、屈曲共振器は比較的大きな設置スペースを取るため、それは、対応するレーザ装置の有用性を同様に制限する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、効果的であると同時に簡単に実現できる周波数変換レーザ装置を提示するという課題に基づいている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有するレーザ装置によって解決される。本発明の有利な、及び、部分的にそれ自体が発明的な実施形態及び更なる発展は、従属請求項及び以下の説明に記載されている。

【0011】

本発明によるレーザ装置は、従来の方法において、２つの共振器ミラー、すなわち出力ミラーと端部ミラーを有する光共振器を備える。出力ミラーは光共振器の前面側を示す。それに対応して、出力ミラーに投射される光の伝搬方向は、「前方向」という。一方、端部ミラーに入射する光は、反対に「後方向」に伝搬する。光共振器は、レーザ装置の動作中に第１の周波数の光を発生させる光活性媒質（レーザ媒質）を更に含む。第１の周波数は、以下においては「基本周波数」ともいう。第１の周波数の光は、それに対応して「基本波」という。

【0012】

光共振器（以下、「共振器」と称する場合がある）に加えて、レーザ装置は、レーザ装置の動作中に、第１の周波数の光、言い換えれば基本波の一部を別の周波数の光に変換する（光学的な）非線形媒質を備える。その際、別の周波数は、好ましくは、しかしながら必須ではなく、基本波の整数倍、特に２倍、３倍、４倍である。周波数変換された別の周波数の光を、基本波と区別するために、以下一般に「変換波」という。別の周波数が基本波の周波数の整数倍である場合、周波数変換された光は「調和した波」又は略して「高調波」ともいう。その際、周波数変換された光は、周波数が２倍の場合は「第２次高調波」、周波数が３倍の場合は「第３次高調波」等、という。

【0013】

出力ミラーは、変換された波に対して（完全に又は少なくとも部分的に）透過性を有するように形成される。それに対して、両方の共振器ミラーは、基本波に対しては不透過性であることが好ましい。

【0014】

光非線形媒質は共振器の内部に配置される。光活性媒質及び光非線形媒質は、共振器ミラー間の光線経路に配置される。

【0015】

本発明によれば、レーザ装置は、上記のものに加えて、（第１の）偏光作用レーザ光学系を備える。その偏光作用レーザ光学系は、出力ミラーによって端部ミラーの方向に反射された第１の周波数（すなわち基本波）の光を、偏光された第１の周波数の光の周波数変換が非線形媒質を通過する際に抑制されるように、偏光する。この第１の偏光作用レーザ光学系（以下において、一般性を制限することなく「（第１の）偏光子」と略称する）は、特に、共振器の光線経路において、非線形媒質と出力ミラーとの間に配置される。言い換えれば、第１の偏光子は、非線形媒質を後方向に通過する基本波が、周波数変換を引き起こさないか、又は、少なくとも第１の偏光子がない場合よりも弱い周波数変換を引き起こすことを、生じさせる。基本波が非線形媒質を後方向に通過することによって生じる周波数変換は、特に、基本波の適切な偏光によって最小化される。

【0016】

用語「偏光」又は「偏光する」として、ここ及び以下において、一般に、偏光特性の変化であると解される。第１の偏光子によって偏光された光は、以前とは異なる偏光特性を有する。例えば、基本波の偏光方向は、第１の偏光子によって回転され、直線偏光が円偏光に変換され、又は、円偏光が直線偏光に変換される。

【0017】

例えば独国特許出願公報第６９００８４１５Ｔ２号明細書に記載されているように、光非線形媒質のタイプ及び／又は構成（例えば、入射波の伝搬方向に対する結晶軸の方向）に応じて、「タイプＩ」及び「タイプＩＩ」という２つのタイプの周波数変換が存在することが知られている。タイプＩの周波数変換は、同一偏光の入射波が非線形媒質と相互作用することによって起こる。それに対して、タイプＩＩの周波数変換は、直交偏光の入射波が非線形光媒質との相互作用をすることを必要とする。そのタイプ及び／又は構成によって、「タイプＩ」又は「タイプＩＩ」の周波数変換を引き起こす光非線形媒質を、以下において、短く「タイプＩ媒質」又は「タイプＩＩ媒質」（非線形光学結晶の場合は「タイプＩ結晶」又は「タイプＩＩ結晶」）ともいう。本発明は、特に、光非線形媒質におけるタイプＩの周波数変換が、規則的に、入射光の偏光に顕著に依存するという認識に基づいている。その際、所定の偏光方向の光は最大効率において変換されるが、一方、直交する偏光方向の光は最小効率において変換されるか、あるいは全く変換されない。本発明によれば、共振器の効率を高めるために、この効果が利用される。後方向の周波数変換を抑制することによって、後方向に放出される変換波の部分が完全に、又は少なくとも部分的に減少され、それによって冒頭において説明した欠点が回避される。これによって、高い共振器効率が簡単に実現可能な方法によって達成される。

【0018】

好ましい実施形態においては、レーザ装置は、上記の第１の偏光子に加えて、第２の偏光作用レーザ光学系を備え、この第２の偏光作用レーザ光学系は、以下（これも一般性を限定することなく）「第２の偏光子」と略称する。この第２の偏光子は、出力ミラーの方向に伝搬する第１の周波数の光（すなわち、前方向に伝搬する基本波）を、この偏光された光の周波数変換が非線形媒質を通過する際に促進されるように、特に最大化されるように、偏光するという点において、第１の偏光子と比べて、反対の作用を有する。

【0019】

共振器の光線経路において、特にレーザ媒質と非線形媒質との間に配置される第２の偏光子は、それによって、非線形媒質を前方向に通過する基本波が、第１の偏光子がない場合よりも強い周波数変換を引き起こすように作用する。

【0020】

第１の偏光子、及び（存在する場合）第２の偏光子もまた、好ましくは、波長板（遅延板ともいう）、特にλ／４板、又は偏光回転子、例えばファラデー回転子、水晶回転子又は液晶回転子によって形成される。第１の偏光子及び第２の偏光子の両方が存在するレーザ装置の実施形態においては、２つの偏光子は、本発明の範囲内において、同じタイプに、又は、異なるタイプに形成され得る。したがって、本発明の好ましい一実施形態においては、第１の偏光子としてλ／４板が使用され、第２の偏光子として偏光回転子が使用される。その際、特に、偏光回転子は、入射基本波の偏光方向を４５°回転させるように形成されている。レーザ装置の代替的な一実施形態において、第１の偏光子と第２の偏光子の両方がそれぞれ偏光回転子によって形成されている。その際、これらの偏光回転子も、入射基本波の偏光方向を４５°回転させるように形成されている。

【0021】

少なくとも１つの偏光子によって達成される、前方向に進行する基本波に対する周波数変換の集中は、その際、共振器効率の低さを受け入れる必要なく、共振器の単純な形成を可能にする。特に、共振器の曲げの実施は、必要でもなく、好ましいものでもない。むしろ、好ましい実施形態においては、共振器は直線状の光線経路を有する。すなわち、共振器ミラー、レーザ媒質、光非線形媒質、及び各偏光子は、直線的な光軸に沿って並んでいる。この単純な構造によって、レーザ装置の動作中に生成されるレーザ光の高い安定性が、比較的少ない労力において達成される。アクティブな安定化装置は、必要ないため、本発明の好ましい実施形態においては設けられていない。

【0022】

第１の偏光子は、基本波に作用するように調整されているため、周波数変換された光（すなわち変換波）に対して本来的に未確定の作用を有する。それによって、共振器から分離されたレーザ光も、本来的に未確定の偏光特性を伴って生成される。それにもかかわらず、レーザ光の偏光特性を確定するために、好ましい実施形態におけるレーザ装置は、第１の偏光子及び第２の偏光子（存在する場合）に加えて、第３の偏光作用レーザ光学系（「第３の偏光子」ともいう）を備えており、この第３の偏光作用レーザ光学系は、出力ミラーの下流側に接続され、したがって共振器の外部に配置される。この第３の偏光子は、変換波（したがって共振器から分離されたレーザ光）に与える第１の偏光子の作用を補償するように形成されている。言い換えれば、第３の偏光子は、変換波に対する第１の偏光子の作用を取り消す。本発明のこの変形例の特に有用な一実施形態においては、第１の偏光子と第３の偏光子とは、同一の構造であるが、光軸の周りに互いに９０°回転されたλ／４板によって形成されている。両方の偏光子において、「λ／４」という用語は、この場合、基本波の波長に関係する。

【0023】

一般に、本発明の範囲内のレーザ装置は、連続放出レーザ（ＣＷレーザ）、又はパルスレーザとして動作させることができる。

【0024】

好ましくは、レーザ装置はＱスイッチレーザである。この実施形態においては、レーザ装置は、共振器の光線経路、特に、レーザ媒質と、非線形媒質又は存在する場合は第２の偏光子との間に配置されたＱスイッチを追加的に含み、これによって共振器のＱを変更することができる。Ｑスイッチは、好ましくはアクティブＱスイッチであり、そのアクティブＱスイッチは、例えば、電気光学動作原理（例えば、ポッケルス・セル、カー・セル、又は電気光学変調器）、又は、音響光学動作原理（例えば、ブラッグ・セル）に基づく。しかしながら、原理的には、本発明の範囲内のレーザ装置は、特に半導体吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）又は非線形結晶（例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶）の形態において、パッシブＱスイッチを含むこともできる。代替的には、レーザ装置はモードロックレーザである。

【0025】

レーザ装置は、好ましくは固体レーザである。対応して、光活性媒質は、好ましくは固体、特にネオジムドープ・オルトバナジン酸イットリウム結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶）を含む。

【0026】

非線形媒質は、好ましくは、そのタイプ及び／又は構造に関して、例えば入射波の伝搬方向に対する向きに関して、タイプＩの周波数変換（すなわち、タイプＩの位相整合構造における周波数変換）のために構成された媒質を含む。媒質は、その際、好ましくは固体、すなわち光非線形（タイプＩ）結晶、特に三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）の結晶である。

【0027】

本発明の特別な一変形例においては、非線形媒質は、特に第１基本波の高次高調波を発生させるための非線形媒質は、少なくとも２つの互いに隣り合って接続された光非線形結晶、特にＬＢＯ結晶を有している。この場合、２つの結晶のうちの第１の結晶は、好ましくはタイプＩの位相整合構造の結晶である。この第１の結晶は、この場合、基本波から中程度の周波数（例えば基本波の２倍の周波数）の第１の変換波を発生させるために使用される。第２の結晶は、特に、基本波と第１の変換波との相互作用の下に、より高い周波数の第２の変換波（例えば、基本周波数の３倍の波）を発生させるために使用されるものであり、基本的には、本発明の範囲内において、タイプＩの位相整合構造の結晶によっても形成され得る。しかしながら、好ましくは、タイプＩＩの位相整合構造の結晶が第２の結晶に使用される。

【0028】

以下において、本発明の実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明によるレーザ装置の基本原理を概略的に簡略化して示す図である。

【図2】レーザ装置の第１の具体的な実施形態を示す、図１による図である。

【図3】レーザ装置の第２の具体的な実施形態を示す、図１による図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

全ての図において、対応する部品及び構造には常に同一の参照符号を付す。

【0031】

図１は、光共振器４を備えたレーザ装置２の概略図である。光共振器４は、２つの共振器ミラー６，８、すなわち出力ミラー６と端部ミラー８とによって形成されている。光共振器４は更に、（レーザ）媒質１０を含んでおり、その（レーザ）媒質１０は、図１においてのみ示されているポンプ装置１２によって、光又は電気エネルギーを供給することによって、レーザ装置２の動作中にエネルギー的に励起（「ポンプ」）される。

【0032】

動作中において、ポンプ装置１２によって励起されたレーザ媒質１０は、基本周波数ｆ_１の光を放出し、この基本周波数ｆ_１の光は、共振器ミラー６，８間を（端部ミラー８から出力ミラー６に向かう）前方向１４、及び（出力ミラー６から端部ミラー８に向かう）後方向１６に循環する。以下においては基本波Ｆと呼ぶこの光に対して、出力ミラー６及び端部ミラー８は、（製造技術上実現される共振器ミラー６，８の品質の範囲内において）不透過性である。

【0033】

更に、光共振器４には光非線形媒質１８が配置されており、この媒質１８は、レーザ装置２の動作中に、基本波Ｆの一部を第２の周波数ｆ_２の光に変換する。図示の例においては、第２の周波数ｆ_２は、基本周波数ｆ_１の整数倍に相当する（ｆ_２＝ｎ・ｆ_１；ここで、ｎ＝２，３，４，…）。したがって、第２の周波数ｆ_２の周波数変換された光を、以下では高調波Ｈという。

【0034】

出力ミラー６は、高調波Ｈに対して透過性であるように（完全に又は少なくとも出力ミラー６の達成可能な品質の範囲内において可能な限り）形成される。

【0035】

非線形媒質１８は光共振器４の内部、すなわち共振器ミラー６，８の間に配置されている。

【0036】

一方では、第１の偏光子２０は、非線形媒質１８と出力ミラー６との間に挿入接続されている。この第１の偏光子２０は、レーザ装置２の動作中において、出力ミラー６によって反射され、それによって後方向１６に伝搬する基本波Ｆの偏光に、以下のように作用する。すなわち、そのように偏光された基本波Ｆは、周波数変換を引き起こすことなく非線形媒質１８を後方向１６に通過するように作用する。第１の偏光子２０による基本波Ｆの偏光によって、周波数変換された光の後方向１６への放出は抑制される。

【0037】

他方、第２の偏光子２２は、レーザ媒質１０と非線形媒質１８との間に挿入接続されている。この第２の偏光子２２は、レーザ装置２の動作中において、レーザ媒質１０によって前方向１４に放出された基本波Ｆの偏光に、以下のように作用する。すなわち、そのように偏光された基本波Ｆは、非線形媒質１８を通過する際に最大の周波数変換を引き起こすように作用する。第２の偏光子２２による基本波Ｆの偏光によって、周波数変換された光の前方向１４への放出は最大になる。

【0038】

両方の偏光子２０及び２２の相互作用によって、高調波Ｈが非線形媒質１８から前方向１４にのみ最大強度において放出されることが、達成される。

【0039】

出力ミラー６に入射すると、高調波Ｈは共振器４から分離され、第２の周波数ｆ_２を有するレーザ光Ｌを生成する。

【0040】

端部ミラー８、レーザ媒質１０、第２の偏光子２２、非線形媒質１８、第１の偏光子２０及び出力ミラー６は、直線状の光軸２３に沿って、したがって直線状の光線経路に沿って、互いに隣り合って配列されている。

【0041】

図２は、図１に概略的にのみ示したレーザ装置２の第１の具体例を示す図である。図２に示すレーザ装置２は、レーザ媒質１０としてネオジムドープ・オルトバナジン酸イットリウム結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶２４）を有する固体レーザである。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶は、基本波Ｆを形成するために光波長λ_１１０６４ｎｍ（λ_１＝１０６４ｎｍ）の赤外領域の光を放出する。この場合、対応して基本周波数ｆ_１は２８２．０ＴＨｚ（ｆ_１＝２８２．０ＴＨｚ）である。レーザ媒質１０によって前方向１４に放出された基本波Ｆは、偏光方向が角度０°に割り当てられた直線偏光である。

【0042】

図２による実施例においては、ポンプ装置１２は、ポンプレーザ光ＰによってＮｄ：ＹＶＯ_４結晶２４を光学的に励起するダイオードレーザ２６によって形成されている。

【0043】

前方向１４においてＮｄ：ＹＶＯ_４結晶２４の下流側に接続された第２の偏光子２２は、基本波Ｆの偏光方向を４５°の角度だけ回転させるファラデー回転子２８として形成されている。

【0044】

光非線形媒質１８は、本実施例においては結晶によって、すなわち、基本周波数ｆ_１の周波数倍増を引き起こすタイプＩの位相整合構造の三ホウ酸リチウム結晶（ＬＢＯ結晶３０）によって形成されている。そのため、本実施例における第２の周波数ｆ_２は、５６４．０ＴＨｚ（ｆ_２＝５６４．０ＴＨｚ）の値を有する。対応して、ＬＢＯ結晶３０が発生する高調波Ｈは、基本波Ｆの第２次高調波Ｈ２であり、波長λ_２が５３２ｎｍであるため、緑色可視光のスペクトル領域にある。また、ＬＢＯ結晶３０は、基本周波数ｆ_１の光が４５°の偏光方向によって線形偏光された場合に、最大効率において基本周波数ｆ_１の光を第２の周波数ｆ_２の光に変換するように、共振器４ａの光線経路に整列されている。このようにして、ファラデー回転子２８とＬＢＯ結晶３０とは、基本波ＦがＬＢＯ結晶３０を前方向１４に通過する際の周波数倍増の効率が最大となるように、互いに調整されている。

【0045】

図２の例においては、前方向１４においてＬＢＯ結晶３０の下流側に接続された第１の偏光子２２は、基本波Ｆ（したがって基本周波数ｆ_１の光）に適応したλ／４板３２によって形成されている。λ／４板３２は、４５°の偏光方向を有する直線偏光波として前方向１４に進む基本波Ｆを円偏光波に（変換）偏光するように、共振器４の光線経路に配置されている。

【0046】

基本波Ｆは、下流側に接続された出力ミラー６において反射され、それによって、後方向１６のλ／４板３２に跳ね返される。円偏光波として後方向１６に進む基本波Ｆは、今度はλ／４板３２によって、偏光方向が１３５°の直線偏光波に（変換）偏光される。

【0047】

このように偏光された基本波Ｆは、今度はＬＢＯ結晶３０を経由して後方向１６に通過する。ＬＢＯ結晶３０の異方性と基本波Ｆの偏光によって、後方向１６に伝搬する基本波Ｆについての周波数倍増の効率は最小となる。

【0048】

ファラデー回転子２８を経由して後方向１６に伝搬する基本波Ｆの通過の際に、基本波Ｆの偏光方向は再び４５°回転する。それによって、基本波Ｆは、元の偏光方向０°に対応する偏光方向１８０°の直線偏光波として、後方向１６にファラデー回転子２８を離れる。端部ミラー８における反射後、基本波Ｆはレーザ媒質１０（すなわちＮｄ：ＹＶＯ_４結晶２４）に跳ね返され、上記の循環が新たに開始される。

【0049】

後方向１６における周波数倍増の抑制によって、第２次高調波Ｈ２は、ＬＢＯ結晶３０によって（少なくともほぼ）もっぱら前方向１４に放出される。その際、第２次高調波Ｈ２は、最初、偏光方向が１３５°の直線偏光波として存在する。λ／４板３２は基本波Ｆ（及びその波長λ_１）に適応しているため、第２次高調波Ｈ２に対して、偏光に作用する明確な作用はない。そのため、第２次高調波Ｈ２は、λ／４板３２を通過した後、不確定の偏光特性を有して存在する。

【0050】

この形態においては、第２次高調波Ｈ２は、出力ミラー６を介して共振器４から分離され、レーザ光Ｌを形成する。レーザ光Ｌに明確な偏光特性を与えるために、共振器４の外側において出力ミラー６の下流側に、更なるλ／４板３６の形態の第３の偏光子３４が接続されている。この更なるλ／４板３６は、λ／４板３２と同じ構造に形成されており、そのため基本波Ｆの波長λ_１にも同様に適応される。しかしながら、λ／４板３２と比較して、光軸２３の周りに９０°回転している。この更なるλ／４板３６は、第２次高調波Ｈ２に対するλ／４板３２の作用を補償する。そのため、レーザ光Ｌのλ／４板３６の通過後、レーザ光Ｌは、偏光角１３５°を有する直線偏光の形態にある。

【0051】

図１に概略的に示した概念の任意の更なる形態において、図２のレーザ装置２は、Ｑスイッチのパルスレーザとして形成されている。このために、レーザ装置２は、更なる構成要素として、Ｑスイッチ３８を備え、このＱスイッチ３８は、図２による表示においては、レーザ媒質１０（ここでは、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶２４）と第２の偏光子２２（ここでは、ファラデー回転子２８）との間に接続されている。Ｑスイッチ３８は、図２に例示的に示すように、音響光学変調器４０（ブラッグ・セル）として実施されている。

【0052】

それ自体公知の方法において、Ｑスイッチ３８によって、共振器４のＱは、２つのレーザパルスの間において、インターバル的にそれぞれ低下し、それによって、共振器４のレーザ作動が防止され、その結果、レーザ媒質１０（すなわち、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶２４）の特に強い励起が強制される。レーザパルスをトリガーするために、共振器４のＱは、Ｑスイッチによって一時的に増加され、それによってレーザ作動が導入される。

【0053】

代替的には、レーザ装置２はモードロックレーザとして動作する。本実施形態（ハードウェア的には、本質的に図２による実施形態に対応する）においては、Ｑ変調器、特に音響光学変調器４０が共振器４内に配置されている。このＱ変調器は、共振器４内のパルスの周期に対応する周波数によって共振器４のＱを変調する。

【0054】

基本波Ｆと高調波Ｈ（この場合は第２次高調波Ｈ２）の進行を、明確化のために図２の共振器４の下方に概略的に示す。

【0055】

図３に示すレーザ装置２の実施形態は、光非線形媒質１８が、ここでは、周波数倍増ＬＢＯ結晶３０に加えて、三ホウ酸リチウムからなる第２の結晶（ＬＢＯ結晶４２）を有する点において、図２に基づいて説明した実施形態と異なる。この第２の結晶は、共振器４の光線経路においてＬＢＯ結晶３０と第１の偏光子２０（ここにおいてもλ／４板３２の形態）との間に接続されている。レーザ装置の動作中、この第２のＬＢＯ結晶４２は、基本波Ｆと第２次高調波Ｈ２の作用を受けて、基本周波数ｆ_１の３倍に相当する第３の周波数ｆ_３（ｆ_３＝８４５．９ＴＨｚ）の光を発生する。この周波数３倍の光は、第３次高調波Ｈ３としてＬＢＯ結晶４２から放出される。この光の波長λ_３は３５４ｎｍであり、電磁スペクトルの紫外領域に位置する。図３のレーザ装置２においては、第２次高調波Ｈ２と第３次高調波Ｈ３の両方が、出力ミラー６を介して共振器４から分離される。第２のＬＢＯ結晶４２は、好ましくは、タイプＩＩの位相整合構造の結晶である。

【0056】

第２のＬＢＯ結晶４２も、周波数変換（この場合、周波数３倍化）が前方向１４に伝搬する基本波Ｆに対して最大になるように、共振器４の光線経路に整列される。ＬＢＯ結晶４２には第２次高調波Ｈ２がないことに基づいて、後方向１６に伝搬する基本波Ｆによって周波数３倍化は起こらない。そのため、第３次高調波Ｈ３も、（少なくともほぼ）もっぱら前方向１４に放出される。後方向１６に伝搬する基本波ＦによるＬＢＯ結晶３０内の周波数倍増は、λ／４板３２による基本波Ｆの偏光によって、ここにおいても抑制される。

【0057】

出力ミラー６の下流側に接続された第３の偏光子３４（ここにおいてもλ／４板３６によって形成される）は、第２次高調波Ｈ２及び第３次高調波Ｈ３の両方について、λ／４板によって乱された元の直線偏光を復元する。

【0058】

図２による実施形態とは異なり、図３によるレーザ装置２は、λ／４板３６の下流側に接続された周波数選択ミラー４４を任意に備える。ミラー４４は第３の周波数ｆ_３の光に対して透過性であり、それによって、共振器４から分離された第３次高調波Ｈ３は、レーザ光Ｌの形成のためにミラー４４を通過する。

【0059】

これに対して、共振器４から分離された第２次高調波Ｈ２は、ミラー４４によって偏向される。第２次高調波Ｈ２は、例えば、レーザ作動を検出するために使用される光センサ４６に投射される。

【0060】

基本波Ｆ及び高調波Ｈ（この場合、第２次高調波Ｈ２及び第３次高調波Ｈ３）の進行を、明確化のために、ここにおいても同様に、図３の共振器４の下方に概略的に示す。

【0061】

本発明の主題は、上記した実施例から特に明らかであるが、決してこれらに限定されるものではない。むしろ、本発明の更なる実施形態は、特許請求の範囲及び上記の説明から導き出すことができる。特に、図２及び図３に基づいて説明した第３の偏光子３４及びＱスイッチ３８は、本発明によるレーザ装置２の他の実施形態においても使用することができる。更に、第１の偏光子２０及び／又は第２の偏光子２２は、図２及び図３に示されたものとは異なる方法において実施することもできる。例えば、λ／４板３２の代わりに、第１の偏光子２０にファラデー回転子を使用することができ、このファラデー回転子は、基本波の偏光方向を４５°回転させる。更に、レーザ媒質１０及び光非線形媒質１８には、例として説明した以外の適切な材料を使用することもできる。

【符号の説明】

【0062】

２ レーザ装置
４ 光共振器
６ 出力ミラー
８ 端部ミラー
１０ （レーザ）媒質
１２ ポンプ装置
１４ 前方向
１６ 後方向
１８ （光非線形）媒質
２０ （第１の）偏光子
２２ （第２の）偏光子
２３ 光軸
２４ Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶
２６ ダイオードレーザ
２８ ファラデー回転子
３０ ＬＢＯ結晶
３２ λ／４板
３４ （第３の）偏光子
３６ λ／４板
３８ Ｑスイッチ
４０ 音響光学変調器
４２ ＬＢＯ結晶
４４ （周波数選択）ミラー
４６ 光センサ
ｆ_１ 基本周波数
ｆ_２ （第２の）周波数
Ｆ 基本波
Ｈ 高調波
Ｈ２（第２次）高調波
Ｈ３ （第３次）高調波
Ｌ レーザ光
Ｐ ポンプレーザ光

【図1】

【図2】

【図3】