特表 2023-502411 レーザーの高調波の特性を最適化するための周波数変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-24

(54)【発明の名称】レーザーの高調波の特性を最適化するための周波数変換装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/37 20060101AFI20230117BHJP

【ＦＩ】

G02F1/37

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022529285

(86)(22)【出願日】2020-11-24

(85)【翻訳文提出日】2022-05-19

(86)【国際出願番号】 EP2020083151

(87)【国際公開番号】W WO2021105094

(87)【国際公開日】2021-06-03

(31)【優先権主張番号】102019131827.0

(32)【優先日】2019-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522029327

【氏名又は名称】ノヴァンタ ユーロップ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＮＯＶＡＮＴＡ ＥＵＲＯＰＥ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ライザー、アクセル

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA07

2K102AA08

2K102AA32

2K102BA18

2K102BB01

2K102BB08

2K102BC01

2K102BC10

2K102CA26

2K102DA01

2K102DC02

2K102DC07

2K102DD06

2K102EB06

2K102EB12

2K102EB14

2K102EB20

2K102EB22

2K102EB24

2K102EB26

(57)【要約】

本発明は、レーザーの高調波の特性を、特にビーム・プロファイルおよび／または長期安定性を最適化するための周波数変換装置（１００）に関し、装置は、－第１の波長（λ１）を、第２の波長（λ２）へと部分的に変換するように設計された第１の非線形結晶（Ｘ１）と、－第１の波長（λ１）および／または第２の波長（λ２）のビーム・プロファイルの主軸（ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２）に異なって作用するように設計された少なくとも１つのプリズム（Ｐ）を特に備える光学ユニットと、－第１の波長（λ１）および／または第２の波長（λ２）の未変換部分から、第３の波長（λ３）を生成するように設計された第２の非線形結晶（Ｘ２）とを備え、第２の非線形結晶（Ｘ２）は、入口面（Ａ１）および出口面（Ａ２）を有し、また出口面（Ａ２）は、入口面（Ａ１）に対して傾斜して延びる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザーの高調波の特性を、特にビーム・プロファイルおよび／または長期安定性を最適化するための周波数変換装置（１００）であって、該装置は、
－ 第１の波長（λ１）を、第２の波長（λ２）へと部分的に変換するように設計された第１の非線形結晶（Ｘ１）と、
－ 該第１の波長（λ１）および／または該第２の波長（λ２）の該ビーム・プロファイルの主軸に異なって作用するように設計された少なくとも１つのプリズム（Ｐ）を特に備える光学ユニットと、
－ 該第１の波長（λ１）および／または該第２の波長（λ２）の未変換部分から、第３の波長（λ３）を生成するように設計された第２の非線形結晶（Ｘ２）と
を備え、
該第２の非線形結晶（Ｘ２）は、入口面（Ａ１）および出口面（Ａ２）を有し、また該出口面（Ａ２）は、該入口面（Ａ１）に対して傾斜して延びる、周波数変換装置（１００）。

【請求項2】

前記光学ユニットは、前記ビーム・プロファイルの前記各主軸（ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２）に異なって作用するように、少なくとも１つの軸回りで回転可能である少なくとも１つのプリズム（Ｐ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項3】

前記光学ユニットの１つの／前記プリズムＰは、前記第１の波長（λ１）と前記第２の波長（λ２）の間の実行時間差（Δｔ）を連続的に調整する、かつ／または補償するために、横方向に移動可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項4】

前記第２の波長（λ２）は、前記第１の波長（λ１）の第２高調波であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項5】

前記第３の波長（λ３）は、前記第１の波長（λ１）の前記第２高調波、または前記第２の波長（λ２）の前記第２高調波、または前記第１の波長（λ１）および／もしくは前記第２の波長（λ２）の合計もしくは差周波数に対応する波長であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項6】

前記第２の非線形結晶（Ｘ２）の前記出口面（Ａ２）は、好ましくは、前記第３の波長（λ３）に対するブルースター構成で実質的に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項7】

前記光学ユニットは、特に前記第１の波長（λ１）および／または前記第２の波長（λ２）の前記ビーム・プロファイルの対称性とは独立して、前記第３の波長（λ３）に対して回転対称のビーム・プロファイルを生成するように、特に前記プリズム（Ｐ）の頂角および材料により、前記第２の非線形結晶（Ｘ２）の前記斜めに延びる出口面（Ａ２）に対して調整されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項8】

前記第２の非線形結晶の前記出口面（Ａ２）は、コーティングされないことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項9】

前記第２の非線形結晶の前記出口面（Ａ２）は、好ましくは、前記第１の波長（λ１）、および／または前記第２の波長（λ２）、および／または前記第３の波長（λ３）に対する反射防止コーティング、ならびに／またはｐコーティングを用いてコーティングされることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項10】

前記第２の非線形結晶の前記出口面（Ａ２）は、ナノ構造であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の周波数変換装置（１００）。

【請求項11】

レーザーの周波数変換のためのシステム（２００）であって、
－ 請求項１から１０の少なくとも１つによる周波数変換装置（１００）と、
－ 前記第１の波長（λ１）を有するビーム（Ｂ）を生成するレーザー・システム（Ｌ）と、
－ 前記ビーム（Ｂ）の前記ビーム・プロファイルのサイズを適合させるように設計されたビーム・プロファイル・サイズ適合ユニット（Ｔ）とを備え、
ここで、前記ビーム・プロファイルは、前記ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニット（Ｔ）により前記サイズを適合させた後、前記周波数変換装置（１００）に供給される、システム（２００）。

【請求項12】

前記第１の波長（λ１）、および／または前記第２の波長（λ２）、および／または前記第３の波長（λ３）の前記各ビーム・プロファイルの前記各主軸（ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３、ｙ３）の寸法を測定するためのビーム・プロファイル解析ユニット（Ｋ）であって、前記ビーム・プロファイル解析ユニット（Ｋ）は、特に、少なくとも１つのカメラおよび／またはＭ^２解析ユニットを備える、ビーム・プロファイル解析ユニット（Ｋ）を特徴とする、請求項１１に記載のシステム（２００）。

【請求項13】

前記周波数変換装置の前の前記ビーム（Ｂ）の前記ビーム・プロファイルの前記サイズは、少なくとも２５０μｍ、好ましくは少なくとも５００μｍ、さらに好ましくは、少なくとも１０００μｍの直径を有することを特徴とする、請求項１１から１２のいずれか一項に記載のシステム（２００）。

【請求項14】

前記レーザー・システム（Ｌ）は、好ましくは、マイクロ秒範囲にある、さらに好ましくは、ナノ秒範囲にある、なおさらに好ましくは、ピコ秒範囲にあるパルス持続期間を有するパルス・レーザー・システムであることを特徴とする、請求項１１から１２のいずれか一項に記載のシステム（２００）。

【請求項15】

前記レーザー・システム（Ｌ）は、連続的なビーム・レーザー・システムであることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のシステム（２００）。

【請求項16】

レーザーの高調波の特性を、特にビーム・プロファイルおよび／または長期安定性を最適化するための周波数変換方法であって、該方法は、
－ 第１の非線形結晶（Ｘ１）において、第１の波長（λ１）が、第２の波長（λ２）へと部分的に変換される、第１の変換ステップと、
－ 該第１の波長（λ１）および／または該第２の波長（λ２）の該ビーム・プロファイルが、それらの各主軸（ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２）において異なって作用される、ビーム・プロファイル適合ステップと、
－ 第２の非線形結晶（Ｘ２）において、第３の波長（λ３）が、該第１の波長（λ１）および／または該第２の波長（λ２）の未変換部分から生成される、第２の変換ステップとを含み、
ここで、該第２の非線形結晶（Ｘ２）は、入口面（Ａ１）および出口面（Ａ２）を有し、該出口面（Ａ２）は、該入口面（Ａ１）に対して傾斜して延びる、周波数変換方法。

【請求項17】

前記ビーム・プロファイル適合ステップは、少なくとも１つの軸回りで少なくとも１つのプリズム（Ｐ）を回転させることにより実施される、請求項１６に記載の周波数変換方法。

【請求項18】

前記第３の波長（λ３）の前記ビームのアスペクト比は、前記ビーム・プロファイル適合ステップにより連続的に調整可能である、請求項１６または１７に記載の周波数変換方法。

【請求項19】

前記第１および／または前記第２の変換ステップに含まれる前記第１の波長（λ１）の一部の強度を調整するためのステップを含む、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の周波数変換方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、ビーム・プロファイルまたは長期安定性など、レーザーの高調波の特性を最適化するための周波数変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー・システムの波長の高調波を生成するためには、非線形結晶が使用されるのが好ましい。レーザー・システムの波長に応じて、異なる特性を有する、または異なる構成の異なる結晶が使用され得る。周波数変換を行うためには、波長範囲に応じて、多様な特性に対する様々な結晶が、様々によく適している。このような変換プロセスに適している結晶の大部分が、現在市販されている。

【0003】

例えば、それぞれ、約８００ｎｍまたは１０３０ｎｍ、および１０６４ｎｍの近赤外線範囲（ＮＩＲ）における市販のレーザー光源が、今日広範囲に広まっている。しかし、多くの用途では、前述の波長の外にある波長が望まれている。これらのレーザー波長の高調波を得る簡単な方法は、非線形結晶における周波数変換である。

【0004】

例えば、第３高調波を生成できることが現況技術で知られており、その場合、第１の非線形結晶における中心のレーザー波長は、第２高調波へと部分的に周波数が２倍化され、またこの第２高調波はその後に、合計の周波数混合に中心波長を有する第２の非線形結晶において第３高調波へと変換される。１０６４ｎｍの中心レーザー波長の場合、第３高調波は、約３５５ｎｍ（３倍の周波数）、すなわち、紫外線（ＵＶ）範囲にある。

【0005】

可能な限り効率的に各変換プロセスを設計するために、反射損失を最小化するように、コーティングと共に使用される結晶の（光学的な）入口および出口面を設けることが知られている。しかし、特にＵＶ範囲において、結晶のコーティングは、特に長期安定性に関して、問題を生ずるおそれのあることも知られている。光との相互作用により生ずる様々な経年変化が、動作時間の過程で、コーティング品質を低下させ、それは、結晶またはレーザー・システムの使用期間が延びたとき、ビーム品質およびレーザー性能の低下により影響を受ける。

【0006】

高い光強度を取得して変換プロセスの効率を最適化するために、集束された、または比較的小さなビーム束を用いて動作させることがさらに知られている。より小さなビーム束は、レーザー放射のより高い発散角を示す。周波数変換中に、ビームの発散角が一定の値（非線形結晶の許容角）を越えた場合、これは、ビーム・プロファイルに、特に、生成された高調波の楕円ビーム・プロファイルに対して、歪みを生成する可能性がある。

【0007】

いくつかの非線形結晶が使用されるとき、ビーム・プロファイルの歪みは、いわゆる「ウォークオフ」により生成されることもさらに知られている。この効果は、実質的に、含まれる結晶の複屈折に基づいており、生成される高調波の対称性の劣化を生ずるおそれもある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、したがって、ロバストであり長期間安定な高調波の生成を達成し、同時に、高調波の制御可能な、特に回転対称のビーム・プロファイルを生成する周波数変換を実現するタスクに基づく。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、このタスクは、請求項１による周波数変換装置により解決される。さらに有利な実施形態は、下位の請求項から得られよう。

【0010】

そのタスクは、レーザーの高調波の特性を、特にビーム・プロファイルおよび／または長期安定性を最適化するための周波数変換装置により特に解決され、装置は、
－ 第１の波長を、第２の波長へと部分的に変換するように設計された第１の非線形結晶と、
－ 第１の波長および／または第２の波長のビーム・プロファイルの主軸に異なって作用するように設計された少なくとも１つのプリズムを特に備える光学ユニットと、
－ 第１の波長および／または第２の波長の未変換部分から、第３の波長を生成するように設計された第２の非線形結晶であって、入口面および出口面を有し、また出口面は入口面に対して傾斜して延びる、第２の非線形結晶と
を備える。

【0011】

本発明の基本的な考えは、周波数変換装置により、レーザー・ビームを、ビーム・プロファイルの望ましい対称性を有する、特に回転対称のビーム・プロファイルを有する高調波へと効率的に変換できるようにすることである。

【0012】

代替的に、またはさらに、反射率損失が、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面により最小化することができる。本発明による周波数変換装置が使用されるとき、こうすることは、高調波の得られるビーム・プロファイルに関して高い柔軟性を達成し、ならびに変換された高調波に関して高い長期安定性、および使用される結晶の長い耐用年数を達成する。

【0013】

好ましい実施形態では、光学ユニットは少なくとも１つのプリズムを備え、それは、ビーム・プロファイルの各主軸に異なって作用するように、少なくとも１つの軸回りで回転可能である。これは、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面と組み合わせて、高調波の調整可能な、特に回転対称のビーム・プロファイルが生成され得ることを、構成的に簡単な方法で可能にする。この場合、プリズムの材料または屈折角、ならびに頂角は、結晶特性に対して最適化することができる。加えて、プリズムの回転可能な取付けは、周波数変換装置を調整し、かつ最適化するための１つまたは複数の自由度を提供する。

【0014】

好ましい実施形態では、光学ユニットのプリズムは、第１の波長と第２の波長の間の実行時間差を連続的に調整する、かつ／または補償するように、横方向に移動可能である。実行時間差を調整することにより、第２の非線形結晶における高調波を生成する場所を調整できるので、変換効率を最適化することができる。

【0015】

好ましい実施形態では、第２の波長は、第１の波長の第２高調波である。これは、単一の非線形結晶により実現され得る。波長範囲に応じて、例えば、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＢｉＢＯなどの一連の非線形結晶が、この目的に対して使用可能である。

【0016】

好ましい実施形態では、第３の波長は、第１の波長の第２高調波に相当する波長、または第２の波長の第２高調波、または第１の波長および／または第２の波長の合計もしくは差周波数である。このように、第３高調波が、さらに例えば、第４高調波、または「ｎ番目」の高調波を生成することができる。波長範囲に応じて、例えば、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＢｉＢＯなどの一連の非線形結晶が、この目的に対して使用可能である。

【0017】

好ましい実施形態では、第２の非線形結晶の出口面は、好ましくは第３の波長に対して、実質的にブルースター構成に配置される。この場合、ブルースター構成またはブルースター角は、波長の１つに対して構成することができる。

【0018】

可能な実施形態では、特に、タイプＩＩの位相適合を用いることによって、反射損失を回避することが可能になる。具体的には、含まれる波長の偏光状態は、第２の非線形結晶の出口面に関して第２の非線形結晶においては、第１の波長は、ｐ極（平行偏光）で振動し、第２の波長は、ｓ極（垂直偏光）で振動し、また第３の波長は、ｐ極（平行偏光）で振動するように挙動する。この構成は、したがって、第２の非線形結晶から出るとき、第１の波長および第３の波長の低減された反射損失となる。

【0019】

ブルースター角を用いる構成は、したがって、第２の非線形結晶の出口面に対するコーティングをやめることができ、また同時に反射損失を最小化することができる。一方で、可能な限り小さい性能損失を達成するために、また他方で、第２の非線形結晶の出口面における後方反射をなくすために、これらのものは、おそらく広範囲に抑制する必要がある。ＵＶ範囲において特に、これは理にかなったものであり、それは、ここのコーティングは、いくつかの状況下において、連続的な露出に起因して劣化するおそれがあるからである。この場合、必ずしもその構成のブルースター角に正確に準拠する必要性はない。一定の許容差からの逸脱は許容可能であり、それは、周波数変換装置の調整および作成許容差を高める。これは、例えば、±１°から±５°のブルースター角からの偏移の許容範囲を設計することができ、実際にいくつかの場合に望ましい場合のあることが理解されよう。

【0020】

可能な実施形態では、第１の非線形結晶は、平行平面結晶として形成される。本明細書で平行平面とは、第１の非線形結晶の入口面および出口面が、互いに実質的に平行に延びることを意味する。これは、一方で、平行平面結晶は、製作するのが簡単であり、したがって、より費用効果のある利点を有する。他方で、これは、第１および第２の非線形結晶の入口面に対して、常に実質的に垂直な入射角を可能にする。

【0021】

結晶が入口面で交差される、かつ／または例えば、ブルースター角などの角度で配置される手法とは対照的に、（第１の）結晶の平行平面の形成、および／または第２の結晶に対する入射角は、例えば、偏光のガイドのないファイバ・レーザーの場合など、無偏光であっても適用可能な利点を提供する。無偏光の場合、このような傾斜して延びる入口面は、可能な限り損失のない送りを可能にするために、手のかかる複雑なＡＲコーティングが必要になるはずであるが、それは、したがって除外される。全体として、効率的な構成がこのように可能になる。

【0022】

好ましい実施形態では、特に、第１の波長および／または第２の波長のビーム・プロファイルの対称性とは独立して、第３の波長に対する回転対称のビーム・プロファイルを生成するためになど、光学ユニットは、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面に対して、特にプリズムの頂角および材料により調整される。

【0023】

したがって、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面と組み合わせて、高調波の調整可能な、特に回転対称のビーム・プロファイルが、目標とする方法でビーム・プロファイルを圧縮することにより生成できることが、構成的に簡単な方法で可能である。プリズムの材料は、この場合、例えば、溶融石英または他のレーザー耐性のあるガラスおよび／または結晶からのものであり得る。

【0024】

好ましい実施形態では、第２の非線形結晶の出口面は、コーティングされない。これは、コーティングをやめることができるという利点を有するが、それは、コーティングの品質および特性は、波長のうちの１つとの相互作用により劣化するおそれがあり、これは、ＵＶ範囲で生成される波長に対して特に問題があるためである。ＵＶ範囲において、特に高い性能で生成されたＵＶ光は、その光との相互作用によりコーティングの特性を変化させる問題が知られているが、それは、コーティングの劣化が、長期安定性、ビーム・プロファイル、および散乱光に対して影響があるためである。したがって、非線形結晶のコーティングをやめることは有利である。

【0025】

本発明による周波数変換装置は、優れた反射抑制特性を達成するにもかかわらず、特に第２の非線形結晶の出口面のコーティングをやめることができる。加えて、コーティングされない結晶、または部分的にコーティングされた結晶（例えば、入口面だけコーティングされる）は、コーティングされた結晶よりもより費用効果が高いが、それは、いくつかの波長の反射を、特に同時に抑制するためのコーティングに対するコーティング・プロセスは、手のかかるものであり、したがって、費用がかかるためである。

【0026】

代替的な実施形態では、第２の非線形結晶の出口面は、好ましくは、第１の波長および／または第２の波長、および／または第３の波長に対する反射防止コーティング、および／またはｐコーティングを用いてコーティングされる。コーティングは、例えば、第１の波長に対してブルースター構成が選択されるように選択することができ、その場合、コーティングは非常に労力を要し、費用がかかり、上記で述べたように、その装置の性能に関して問題がある。この波長の反射は、ブルースター構成により抑制される。しかし、さらなる波長が、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面上で（部分的に強い）反射を生成する可能性があり、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面上に、これらの波長に対するコーティングを適用することが可能である。

【0027】

この場合、周波数変換装置の長期安定性、およびビーム・プロファイル品質は、妨げられることはないが、含まれる波長の反射のすべてが、同時に抑制される。これは、周波数変換の最適な効率の結果を有する。さらに、それは、大きなコストを生ずる構成となる後方反射を抑制するためには必要ではない。ｐコーティングは、空気の湿度、オゾン、または同様のものなど、外部の影響から結晶を保護することができる。可能な実施形態では、結晶の外囲面（すなわち、外側表面）を含む結晶の上面のすべて、またはいくつかは、必要に応じて、反射防止コーティング、および／またはｐコーティングを有する。

【0028】

一実施形態では、第２の非線形結晶の出口面はまた、含まれる波長のすべてに対してコーティングすることもできる。例えば、波長のすべてが１つの範囲内にある場合、コーティングを劣化させることに関して上記で述べられた問題に対して十分に問題にはならない。

【0029】

好ましい実施形態では、第２の非線形結晶の出口面は、ナノ構造である。これは、含まれる、または選択された波長のすべてに対して提供される非常に広帯域の反射抑制を可能にし、それは、さらに光との相互作用に対して非常に安定性がある。

【0030】

特に、本発明によるタスクはまた、レーザーの周波数変換のためのシステムによって解決され、システムは、
－ 前の請求項のうちの少なくとも１つによる周波数変換装置と、
－ 第１の波長を有するビームを生成するレーザー・システムと、
－ ビーム・プロファイルのサイズを適合させるように設計されたビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットとを備え、
ここで、ビーム・プロファイルは、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットによりサイズを適合させた後、周波数変換装置に供給される。

【0031】

周波数変換装置に関してすでに述べられたように、同じ利点がそこから得られる。加えて、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットは、レーザー・システムのビーム・プロファイルのサイズを適合させることができる。これは、ビーム・プロファイル・サイズに対する柔軟性を可能にし、またその結果、直接的に、レーザー・システムの光の使用される強度の柔軟性を可能にする。これは、周波数変換の効率の可能な最適化が得られる。例えば、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットは、テレスコープ、および／または単一のレンズ、および／またはレンズアレイ、および／または反射テレスコープ、および／または１つまたは複数の放物線状の、もしくは湾曲したミラーとすることができる。

【0032】

一実施形態では、システムは、第１の波長、および／または第２の波長、および／または第３の波長の各ビーム・プロファイルの各主軸の寸法を測定するためのビーム・プロファイル解析ユニットを備え、ここで、ビーム・プロファイル解析ユニットは、特に、少なくとも１つのカメラ、および／またはＭ^２解析ユニットを備える。この方法では、１つまたは複数の波長のビーム・プロファイルを、それらのそれぞれの幾何形状に合わせて最適化することができる。例えば、ビーム・プロファイル解析ユニットは、制御された方法で、第３の波長の回転対称のビーム・プロファイルを生成できるようにする。

【0033】

特別な用途に対して、例えば、１：２の主軸比を有する第３の波長の細長いビーム・プロファイルなど、２つの主軸の画定された比を有するビーム・プロファイルを特に生成することもさらに可能である。

【0034】

ビーム・プロファイル解析ユニットを用いることにより、制御された方法で、さらなる（第１および第２の）波長のビーム・プロファイルを測定し、かつ解析することもさらに可能である。一実施形態では、例えば、結晶もしくは光学ユニット、周波数変換装置、またはビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットを傾け、かつ／または回転させる圧電モータを有する１つまたは複数の結晶ホルダもしくは光学的なホルダなどの自動化された要素を、例えば、コンピュータを介して、ビーム・プロファイル解析ユニットと接触させるようにする。こうすることは、例えば、第３の波長のビームの主軸の寸法など、いくつかの値を、あらかじめ能動的に調整できるようにする。

【0035】

一実施形態では、周波数変換装置の前のビームのビーム・プロファイルのサイズは、少なくとも２５０μｍ、好ましくは、少なくとも５００μｍ、さらに好ましくは、少なくとも１０００μｍの直径を有する。レーザー・システムのビームの小さな直径を選択することは、比較的低い光性能であっても、効率的に変換できるようにする。

【0036】

代替的な実施形態では、２５０μｍよりも小さい、周波数変換装置の前のビーム・プロファイルのサイズを使用することができる。波長範囲、および／または結晶もしくは結晶タイプに応じて、ビーム・プロファイルのサイズを、１００μｍまたはそれ以下にすることができる。

【0037】

一実施形態では、レーザー・システムは、好ましくは、マイクロ秒範囲にある、さらに好ましくは、ナノ秒範囲にある、なおさらに好ましくは、ピコ秒範囲にあるパルス持続期間を有するパルス・レーザー・システムである。パルス・レーザー・システムは、高い（ピーク）強度に達することができ、したがって、周波数変換の効率を最適化することができる。代替的な実施形態では、レーザー・システムはまた、フェムト秒範囲におけるパルス持続期間を有することもできる。

【0038】

代替的な実施形態では、レーザー・システムは、連続的なビーム・レーザー・システムである。これは、パルス光源が望ましくない、または存在しない用途に対してシステムを使用できるようにする。

【0039】

代替的な実施形態では、システムは、第３の波長を第４の波長に周波数変換するために、第３の非線形結晶を備える。この場合、第３の波長は、単独で、または代替的に、第１の波長もしくは第２の波長との相互作用で第４の波長へと変換され得る。

【0040】

さらなる代替の実施形態では、システムは、１つまたは複数の関係する波長を、第４および第５の波長へと変換するための第２の周波数変換装置を備える。

【0041】

本発明によるタスクは、レーザーの高調波の特性を、特にビーム・プロファイルおよび／または長期安定性を最適化するための周波数変換方法により特に解決され、方法は、
－ 第１の非線形結晶（Ｘ１）において、第１の波長（λ１）が、第２の波長（λ２）へと部分的に変換される、第１の変換ステップと、
－ 第１の波長（λ１）および／または第２の波長（λ２）のビーム・プロファイルが、それらの各主軸（ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２）において異なって作用される、ビーム・プロファイル適合ステップと、
－ 第２の非線形結晶（Ｘ２）において、第３の波長（λ３）が、第１の波長（λ１）および／または第２の波長（λ２）の未変換部分から生成される、第２の変換ステップとを含み、
ここで、第２の非線形結晶（Ｘ２）は、入口面（Ａ１）および出口面（Ａ２）を有し、出口面（Ａ２）は、入口面（Ａ１）に対して傾斜して延びる。

【0042】

このことから、周波数変換装置および／またはレーザーの周波数変換のためのシステムに関してすでに述べられたものと同じまたは同様の利点が得られる。

【0043】

一実施形態では、周波数変換方法のビーム・プロファイル適合ステップは、少なくとも１つの軸回りでプリズムを回転させることにより実施される。

【0044】

これは、第２の非線形結晶の斜めに延びる出口面と組み合わせて、第３の波長の連続的に調整可能な、特に、回転対称のまたは圧縮されたビーム・プロファイルを生成できることが構成的に簡単な方法で可能になる。この場合、プリズムの材料、または屈折率、ならびに頂角は、第２の非線形結晶の結晶特性に対して最適化され得る。加えて、プリズムの回転可能な取付けは、周波数変換装置を調整し、かつ最適化するための１つまたは複数の自由度を提供する。

【0045】

一実施形態では、第３の波長のビームのアスペクト比は、ビーム・プロファイル適合ステップにより連続的に調整可能である。それにより、一方で、ビーム・プロファイルの歪み（例えば、ウォークオフにより生ずる）を補償することが可能になる。他方で、これはまた、任意に（または実験に適合される）、例えば、１：３または１：２の主軸比（アスペクト比）など、第３の波長のビーム・プロファイルを選択する可能性を提供する。

【0046】

一実施形態では、周波数変換方法は、第１および／または第２の変換ステップに含まれる第１の波長の一部の強度を調整するためのステップを含む。

【0047】

基本的に、第２の非線形結晶での第３の波長の生成における変換効率は、含まれる第１の波長、および含まれる第２の波長の強度および／または混合比に依存する。理想的には、（強度の）混合比は、ほぼ１／３：２／３であり（第２の波長に対する第１の波長）、それは、最高で１００％の理論的な（変換）効率に相当することができる。

【0048】

含まれるビーム（第１の波長および第２の波長の）は、主としてガウス強度プロファイルを有するので、変換のため、第１の非線形結晶において周波数を２倍化した後に、第１の波長のガウス強度プロファイルの変形が生ずる。この変形は、第２の非線形結晶における後続する第２の変換ステップにおける変換効率に対して不利な点を生ずる。さらにこの変形は、第３の波長のビーム品質に対して負の影響を有する可能性がある、すなわち、例えば、第３の波長のビームが、それにより、劣ったＭ^２値を達成することになり得る。

【0049】

これを回避するために、含まれる波長のビーム品質を最適化するために、第１の非線形結晶における変換効率が、「最適ではない」（すなわち、意図的に最大の変換効率ではない）ように選択することができる。これは、少なくとも１つのＬ／２波長板により偏光を適合させることにより、可能な実施形態において実施することができる。

【0050】

本発明による周波数変換装置と併せて、かつ／またはレーザーの周波数変換に対する本発明によるシステムと併せて、すでに説明された本発明による方法は、さらなる方法ステップをさらに含むことができる。

【0051】

本発明はまた、図によりさらに詳細に説明される例示的な実施形態に基づき、本発明によるさらなる特徴および利点に関して以下で述べるものとする。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1a】光学ユニットが、第１の非線形結晶と第２の非線形結晶の間に配置される、周波数変換装置の第１の例示的な実施形態の概略図である。

【図1b】光学ユニットが、第１の非線形結晶と第２の非線形結晶の間に変更されて配置される、図１ａの周波数変換装置の第１の例示的な実施形態の概略図である。

【図2】周波数変換装置による周波数変換に含まれる波長のビームのビーム・プロファイルの概略図である。

【図3】光学ユニットが、第１の非線形結晶と第２の非線形結晶の間に配置される、周波数変換装置の第２の例示的な実施形態の概略図である。

【図4】周波数変換のためのシステムの例示的な実施形態の概略図である。

【図5】周波数変換のためのシステムのさらなる例示的な実施形態の概略図である。

【図6】第１の波長の最適化部分を有するタイプＩＩの周波数変換を行うための周波数変換装置の例示的な実施形態の概略図である。

【図7】第１の波長の最適化部分を有するタイプＩの周波数変換を行うための周波数変換装置の例示的な実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0053】

図１ａでは、本発明による周波数変換装置１００が、概略的に示されている。周波数変換に提供される第１の波長λ１の第１のビームが左から右へと水平方向に伝播する。明示的にその他の形が述べられない限り、対応する以下の図で示される、左から来るビームのすべては、以下では、右へと伝播することが常に想定されている。

【0054】

第１の波長λ１は、第１の非線形結晶Ｘ１において周波数変換される。第１の例示的な実施形態では、第１の波長λ１は、第１の非線形結晶Ｘ１において、周波数が２倍化される。このような周波数変換を有するこの例示的な実施形態に対する結晶タイプは、例えば、ＬＢＯ結晶またはＢＢＯ結晶とすることができる。周波数変換用に設計されたさらなる結晶は、当業者にはよく知られている。

【0055】

第１の非線形結晶Ｘ１は、周波数変換に対して、重要な、または非重要な位相適合用に設計することができる。第１の非線形結晶Ｘ１は、この目的のために設計されたホルダ（図示せず）に取り付けられ、それは、第１の非線形結晶Ｘ１を様々な方向に傾斜できることが好ましい。傾けることは、例えば、精密ねじにより手動で、または例えば、圧電（ステップ）モータにより自動的に、もしくは制御されて実施することができる。

【0056】

第１の非線形結晶Ｘ１のホルダが、加熱可能であり、または温度制御可能であることもさらに可能である。

【0057】

第１の非線形結晶における周波数変換の後、第１の波長λ１のビーム、および周波数変換により生成され、かつ第２の波長λ２を有する第２のビームは、実質的に共線で伝播する。周波数２倍化が第１の非線形結晶Ｘ１により行われた例示的な実施形態では、第２の波長λ２は、実質的に、第１の波長λ１の波長の半分に相当する。

【0058】

例示的な一実施形態では、第１の非線形結晶は、第１の波長λ１（入口面および出口面において）および第２の波長λ２（出口面において）の反射を抑制するために、その入口面およびその出口面にコーティングを有する。

【0059】

図１ａの周波数変換装置１００の例示的な一実施形態では、プリズムＰが、本発明による光学ユニットを形成する。例示的な代替の実施形態では、光学ユニットは、さらに光学システムを備えることができる。さらなる例示的な代替の実施形態では、光学ユニットは、（アナモルフィック）プリズム対により形成される。

【0060】

図１ａにおける例示的な実施形態におけるプリズムＰは、プリズムＰに平行な軸に沿って連続的に移動可能であるように取り付けられる。さらにプリズムＰは、第１の波長λ１および第２の波長λ２のビームに対して平行な平面内で連続的に回転できるような方法で、取り付けられる。

【0061】

プリズムまたは光学ユニットの移動および／または回転は、例えば、精密ねじにより手動で、または例えば、圧電（ステップ）モータにより自動で、もしくは制御されて行うことができる。

【0062】

プリズムを用いることによって、第１の波長λ１および第２の波長λ２のビームのビーム・プロファイル直径は、各ビーム・プロファイルの各主軸に沿ったビームの伝播方向に平行な平面内において影響され得るが、ビーム・プロファイル直径は、伝播方向に対して垂直な平面内では実質的に不変のままである。プリズムを回転することは、２つの主軸の間のアスペクト比を適合させることができる。アスペクト比の適合は、以下の図２で述べられる。

【0063】

加えて、プリズムＰは、さらに１つまたは複数の回転または傾斜方向が提供されるように取り付けられることも可能である。したがって、例えば、第１の波長λ１および／または第２の波長λ２の入力ビームの伝播方向に平行に軸回りでプリズムＰを回転させることにより、さらに最適化されたパラメータが形成され得る。

【0064】

代替的に、またはさらに、プリズムＰはまた、プリズムＰの入口面および／またはプリズムＰの出口面に平行に、軸回りで傾けることもできる。

【0065】

第１の波長λ１および第２の波長λ２のビームは、プリズムＰの後、２つのビームの（元の）入射方向に対してある角度で伝播する。その角度は、プリズムＰの材料、プリズムＰの頂角、プリズムＰのねじれ、ならびに第１の波長λ１および第２の波長λ２からは独立している。

【0066】

第１の波長λ１および第２の波長λ２のビームのビーム・プロファイルのアスペクト比を、それらのそれぞれの主軸に沿って適合させた後、ビームは、第２の非線形結晶Ｘ２を通って伝播する。第２の非線形結晶Ｘ２においては、第１の波長λ１および第２の波長λ２は共に、第３の波長λ３を生成するように周波数変換される。

【0067】

例示的な実施形態では、２つの入力波長λ１およびλ２の合計周波数は、第２の非線形結晶において形成される。このような周波数変換を有するこの例示的な実施形態に対する結晶タイプは、例えば、ＬＢＯまたはＢＢＯとすることができる。周波数変換用に設計されたさらなる結晶は、当業者にはよく知られている。第２の非線形結晶Ｘ２は、周波数変換に対する重要なまたは非重要な位相適合用に設計され得る。第２の非線形結晶Ｘ２は、この目的のために設計されたホルダ（図示せず）に取り付けられ、それは、第２の非線形結晶Ｘ２を、いくつかの方向に傾斜できることが好ましい。

【0068】

傾斜させることは、例えば、精密ねじにより手動で、または例えば、圧電（ステップ）モータにより自動で、もしくは制御されて行うことができる。第２の非線形結晶Ｘ２のホルダが、加熱可能であり、または温度制御可能であることもさらに可能である。例示的な代替実施形態では、第１の波長λ１および第２の波長λ２の差周波数もまた、第２の非線形結晶Ｘ２において形成することができる。さらなる例示的な代替実施形態では、第２の波長λ２は、第２の非線形結晶Ｘ２において、周波数を２倍化することができる。

【0069】

第１の非線形結晶Ｘ１は、平行平面結晶として形成される。

【0070】

本明細書における平行平面は、第１の非線形結晶Ｘ１の入口および出口面が、実質的に、互いに平行に延びることを意味する。

【0071】

プリズムＰおよび第２の非線形結晶Ｘ２は、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１への入射の実質的に垂直な角度が常に得られるように配置され、かつ形成される。

【0072】

全体として、第１および第２の非線形結晶Ｘ１、Ｘ２の入口面へ入射するそれぞれの実質的な角度は、この装置における結果である。実質的に垂直であることは、約０°から１０°の範囲であると理解される。

【0073】

結晶が、ある角度で、例えば、ブルースター角で交差される、かつ／または配置される手法とは対照的に、（第１の）結晶の平行平面形成、および／または第２の結晶に対する入射角は、例えば、偏光制御のないファイバ・レーザーにおける無偏光であっても使用できる利点を提供する。無偏光の場合、このように傾斜して延びる入口面は、損失なく送信できるためには、労力を要し、かつ複雑なＡＲコーティングが必要になるが、そのコーティングは、したがって除外される。

【0074】

図１ａでは、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１は、第１の波長λ１の第１のビームの伝播方向および／または第２の波長λ２の第２のビームの伝播方向に対して実質的に垂直である。第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２は、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１に対してある角度で形成される。

【0075】

例示的な実施形態では、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２は、第２の非線形結晶Ｘ２で生成された第３の波長λ３のビームの伝播方向とブルースター構成を形成するように形成される。本明細書では、ブルースター構成とは、第３の波長λ３のビームが、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２（または、出口面Ａ２の対応する半田（solder））に対して実質的にブルースター角で衝突することを意味する。この構成は、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２において、第３の波長λ３の反射を抑制できるようにする。これは、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２上のコーティングをやめる可能性を提供する。

【0076】

そうではあるが、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１は、コーティングすることができる、すなわち、例えば、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１における反射を回避するために、第１の波長λ１および第２の波長λ２に対する反射防止コーティングを用いて、コーティングすることができる。

【0077】

代替の実施形態では、例えば、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２がコーティングを有することも可能である。結晶は、出口面Ａ２において、第１の波長λ１および第２の波長λ２に対するコーティングを有することができる。

【0078】

第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２のブルースター構成に対するプリズムＰおよびプリズムＰの頂角の構成的な適合は、第３の波長λ３の調整可能な、特に、回転対称のビーム・プロファイルを生成できることを簡単な方法で可能にする。プリズムＰを傾けることにより、ビーム・プロファイルの「任意の」対称性がまた生成され得る。「任意の対称性」とは、本明細書では、第３の波長λ３のビーム・プロファイルの水平および垂直軸の調整可能な関係であると理解されたい。

【0079】

図１ｂでは、プリズムＰの位置が、前に述べたように変更された差を有する、図１ａに類似した例示的な実施形態が示されている。プリズムＰのこのような移動を行うことにより、第１の波長λ１および第２の波長λ２の実行時間差を、調整または補償することができる。

【0080】

実行時間差とは、本明細書では、プリズムＰに対する第１の波長λ１および第２の波長λ２の入射する時間が異なることを意味し、それは、異なる波長は、異なる速度で材料を通って伝播するからである。したがって、この場合、第１の非線形結晶Ｘ１を通り、かつ第１の非線形結晶Ｘ１とプリズムＰの間の媒体（例えば、空気）を通る異なる速度である。プリズムＰの分散的な特性は、この実行時間差を、プリズムＰを移動させることにより、調整もしくは補償することができる、または過補償になり得るが、それは、第１の波長λ１および第２の波長λ２が、プリズムＰを通って異なる光学経路を通って進むからである。

【0081】

プリズムＰを移動させることは、したがって、第２の非線形結晶Ｘ２内の第３の波長λ３の起点の場所を有効に変えることができる。したがって、周波数変換の効率は、最大の可能な結晶長さが周波数変換に利用される点において、調整することができる。

【0082】

図２では、ビーム・プロファイルに対する光学ユニットの効果が示されている。図２における連続する円の線は、光学ユニットにより影響を受ける前のビーム・プロファイルを描いている。この場合、主軸ｘ１、ｘ２、ｘ３は、第１または第２、または第３の波長の水平な主軸に対応することが好ましい。

【0083】

ｘ１、ｘ２、ｘ３に対して垂直な主軸は、ｙ１、ｙ２、ｙ３で指定され、第１または第２、または第３の波長の対応するビーム・プロファイルの垂直な主軸であることが好ましい。本発明による光学ユニットは、次に、光学ユニットの方向付けに応じて、ビーム・プロファイルの主軸ｘ１、ｘ２、ｘ３に作用するが、一方、それに対して垂直に形成された主軸ｙ１、ｙ２、ｙ３が、変化しないままであるように、ビームに作用することができる。このビーム・プロファイルが作用された場合が、点線により図２で示されている。本明細書では、作用を受けた軸は、ｘ１’、ｘ２’、ｘ３’で指定される。主軸ごとの３つの参照数字のそれぞれは、光学ユニットが、第１の波長および／または第２の波長および／または第３の波長に、これらの波長のうちの１つ（または複数）が光学ユニットを通って伝播するとすぐに、実質的に等しく作用することを示すように意図される。光学ユニットを、第１の波長の方向に平行に軸回りで回転させることは、含まれる波長のアスペクト比に影響する。

【0084】

本発明による周波数変換装置１００の例示的な代替実施形態は、図３で概略的に示される。図３では、前に述べた図と同じビームまたは要素に対して、同じ参照数字が使用される。

【0085】

この例示的な実施形態では、光学ユニットは、第１の非線形結晶Ｘ１の前に位置するプリズムＰにより形成される。この例示的な実施形態は、望ましい対称性を、したがって、主軸の望ましいアスペクト比を有する第３の波長のビームを生成できるようにする。このために、プリズムＰは、第１の波長λ１の伝播方向により指定された軸に平行に軸回りで回転される。

【0086】

プリズムＰを回転することは、第１の非線形結晶Ｘ１および／または第２の非線形結晶Ｘ２において１つまたは複数の効果を生じさせることができ、その１つまたは複数の効果はまた、第３の波長のビーム・プロファイルに影響を与えて、好ましくは、第３の波長λ３の場合に回転対称のビーム・プロファイルを生成するように補償する。この場合、例えば、第２の波長λ２および／または第３の波長λ３のウォークオフ、ならびに／または第１の非線形結晶Ｘ１における、かつ／または第２の非線形結晶Ｘ２における受容角度を超えることなどの効果が補償され得る。

【0087】

第１の非線形結晶Ｘ１は、平行平面結晶として形成される。

【0088】

平行平面とは、本明細書で、第１の非線形結晶の入口面および出口面が実質的に互いに平行に延びることを意味する。

【0089】

プリズムＰおよび第２の非線形結晶Ｘ２は、第２の非線形結晶Ｘ２の入口面Ａ１に対して実質的に垂直な入射角が常に得られるように配置され、かつ形成される。

【0090】

全体として、第１および第２の非線形結晶Ｘ１、Ｘ２の入口面に対するそれぞれ実質的に垂直な入射角が、この装置で得られる。ここで、実質的に垂直であるとは、約０°から１０°の範囲であると理解される。

【0091】

結晶が入口面で交差される、かつ／または例えば、ブルースター角などの角度で配置される手法とは対照的に、（第１の）結晶の平行平面の形成は、無偏光であっても適用可能である利点を提供する、例えば、偏光のガイドのないファイバ・レーザーの場合などである。無偏光の場合、このような傾斜して延びる入口面は、可能な限り損失のない送りを可能にするために、手のかかる複雑なＡＲコーティングが必要になり、それは、したがって除外される。

【0092】

同じ理由で、平行平面の入口面はまた、重畳された偏光状態によく適している。図６および図７と併せて以下の例示的な実施形態を参照のこと。

【0093】

図１ａおよび図１ｂの例示的な実施形態と類似した、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面が図３で形成され、実質的には、ブルースター構成であり、好ましくは第３の波長λ３に関して、第３の波長に対する反射損失を最小化するようにする。例示的な代替実施形態では、第２の非線形結晶Ｘ２の出口面Ａ２の構成はまた、前述のブルースター構成から逸脱することもできる。

【0094】

図４では、周波数変換のためのシステム２００の例示的な実施形態が概略的に示される。例示的な実施形態では、周波数変換のためのシステム２００は、前に述べた本発明による周波数変換装置１００を備える。図４では、前に述べた図におけるものと同一の参照数字が、周波数変換装置１００の要素に対して使用される。図４における例示的な実施形態のシステムは、周波数変換装置１００に供給される第１の波長λ１のビームＢを提供するレーザー・システムＬをさらに備える。ビームＢが周波数変換装置１００に供給される前に、ビームＢのビーム・プロファイルのサイズは、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットＴによって影響され得る。例示的な一実施形態では、例えば、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットが、ビーム・プロファイルのサイズを、２５０μｍのサイズへと調整するテレスコープを備えることができる。例示的な代替実施形態において、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットが、例えば、第１の非線形結晶Ｘ１と第２の非線形結晶Ｘ２の間の１つの場所に、ビームＢのビーム・プロファイルのサイズを調整する単一のレンズにより提供されることもさらに可能である。

【0095】

図５では、周波数変換のためのシステム２００のさらなる例示的な実施形態が、概略的に示されている。例示的な実施形態における周波数変換のためのシステム２００は、図３と併せて前に述べたように、周波数変換装置１００を備える。したがって、前に述べたように、システム２００において、第１の波長のビーム・プロファイルのアスペクト比を調整することが可能である。

【0096】

図５では、前述の図と同一の参照数字が、周波数変換装置１００の要素に対して使用される。

【0097】

図５における例示的な実施形態のシステムは、周波数変換装置１００に供給されるように、第１の波長λ１でビームＢを提供するレーザー・システムＬをさらに備える。ビームＢが、周波数変換装置１００に供給される前に、ビームＢのビーム・プロファイルのサイズが、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットＴにより影響され得る。例示的な一実施形態では、例えば、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットが、ビーム・プロファイルのサイズを２５０μｍのサイズへと調整するテレスコープを備えることができる。

【0098】

例示的な代替実施形態において、ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットが、例えば、第１の非線形結晶Ｘ１と第２の非線形結晶Ｘ２の間の１つの場所に、ビームＢのビーム・プロファイルのサイズを調整する単一のレンズにより提供されることもさらに可能である。

【0099】

図４および図５の例示的な実施形態において、ビーム・プロファイル解析ユニットＫは、第１および／または第２および／または第３の波長の主軸ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ１’、ｘ２’、ｘ３’、および／またはｙ１、ｙ１、ｙ３の寸法、ならびに／またはビーム・プロファイルの品質を解析するために働く。これは、カメラおよび／またはＭ^２解析ユニットにより形成される。単一の波長は、例えば、光学フィルタを用いることにより解析することができる。

【0100】

代替的に、またはさらに、ビーム・プロファイル解析ユニットが、例えば、スペクトル特性、および（個々の）波長の性能を検出するために、分光計、および／またはパワー・メータなどのさらなる部分を備えることも可能である。

【0101】

例示的な一実施形態では、ビーム・プロファイル解析ユニットにより検出されたパラメータは、コンピュータにより評価され、この場合、例えば、１つまたは複数のパラメータのうちの長期安定性が検出される。この場合、検出されたパラメータはまた、好ましくは、第３の波長の長期安定性など、１つまたは複数のパラメータを調節するために、結晶ホルダおよび／または光学ユニットおよび／またはビーム・プロファイル解析ユニットなどの単一部分を、制御回路へと電子的に統合するために利用することもできる。

【0102】

図４および図５の例示的な実施形態はまた、さらなる部分（図４および図５で示されていない）を備えることもできる。例えば、レーザー・システムＬとビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットＴの間、および／またはビーム・プロファイル・サイズ適合ユニットＴと周波数変換装置１００の間、および／または第１の非線形結晶Ｘ１と第２の非線形結晶Ｘ２の間の長いビーム経路に対して、１つまたは複数のビームを偏向させるいくつかの偏向ミラーが存在し得る。

【0103】

さらに周波数変換のためのシステム２００全体、または例えば、周波数変換装置１００などのその部分は、例えば、移送可能なように、かつ／または退避できるように、かつ／または洗浄する、もしくはガスで満たされるように、ハウジング内に収容することができる。

【0104】

図６に基づいて、本発明のさらなる例示的な実施形態が以下で述べられる。

【0105】

図６による周波数変換装置の前述の例示的な実施形態では、第３高調波（第３の波長λ３）を生成するための周波数３倍化（第３高調波の生成、ＴＨＧ）が述べられる。

【0106】

基本的に、第２の非線形結晶（ＴＨＧ結晶）における第３高調波の生成における変換効率は、含まれる第１の波長λ１および第２の波長λ２の強度および／または混合比に依存する。通常、混合比（強度の）は、約１／３：２／３（第２の波長に対する第１の波長）であり、最高で１００％の理論的な（変換）効率に対応することができる。しかし、（理想的な）混合比は、含まれる波長の性能および／または強度、または結晶パラメータ、および使用される波長（範囲）などの多くのパラメータにそれぞれ依存し、したがって、正確な値を、（理想的な）混合比に対して示すことができない。

【0107】

含まれるビーム（第１の波長および第２の波長の）は、主として、ガウス強度プロファイルを有するので、変換することは、第１の非線形結晶における周波数２倍化の後、第１の波長λ１のガウス強度プロファイルの変形を生ずる。この変形は、第２の非線形結晶における後続する合計周波数において変換効率に対して不都合を生ずる。さらに、この変形は、第３の波長λ３のビーム品質の負の影響を有する可能性があり、第３の波長のビームは、それにより例えば、劣ったＭ^２値を得る可能性がある。

【0108】

これを回避するために、第１の非線形結晶における第１の変換効率は、「最適ではない」（すなわち、意図的に、最大変換効率ではない）ように選択することができ、含まれる波長のビーム品質を、特に、第３の波長のビーム・プロファイルを最適化し、かつ／またはそれにより、第３の波長への変換の効率を向上させるようにする。

【0109】

この目的に対して、図６における周波数変換装置は、第１の非線形結晶Ｘ１（Ｉ）の前に配置される第１のλ／２の波長板ＨＷＰ１を備える。

【0110】

第１の波長板ＨＷＰ１は、第１の波長λ１に対する垂直および水平偏光の重畳された偏光状態を生成するように設計される。

【0111】

例示的な実施形態では、第１の波長λ１は、最初に垂直に偏光される。

【0112】

この偏光状態、ならびに周波数変換装置を通る過程におけるさらなる偏光状態は、対応する矢印により図６で下に示されている。

【0113】

第１の波長λ１、または第１の波長λ１の（重畳された偏光状態の）垂直に偏光された部分は、第１の非線形結晶Ｘ１（Ｉ）へと周波数２倍化されて第２の波長λ２になる。

【0114】

本明細書では、第１の非線形結晶Ｘ１（Ｉ）は、タイプＩの結晶である。第１の非線形結晶Ｘ１（Ｉ）は、平行平面の結晶である。平行平面とは、本明細書において、結晶の入口および出口面が、実質的に互いに平行に延びることを意味する。

【0115】

前に述べたように、第１の波長λ１の変換部分（変換に含まれる部分）は、対応する強度プロファイルにおいて変形を受ける。したがって、変換部分は、後続する混合プロセス（この場合、第３高調波の生成）に限定して適しているに過ぎない。この例示的な実施形態によれば、変換部分は、したがって、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）において第３高調波を生成するために使用されるべきではない。

【0116】

そうではなくて、第１の波長λ１の未変換部分、すなわち、第２の波長λ２への変換に含まれない第１の波長の部分が、第３の波長λ３を生成するために使用されるべきである。

【0117】

第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）は、本明細書において、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）の出口面Ａ１に対して斜めに延びる出口面Ａ２を有するタイプＩＩの結晶である。光学ユニットまたはプリズムＰに関して、前の例示的な実施形態についてすでに述べられたものと同じ利点が、斜めに延びる出口面Ａ２から得られる。

【0118】

第１の波長λ１の変換部分λ１^＊は、垂直に偏光されるが、第２の波長λ２は、水平に偏光される。

【0119】

周波数変換装置は、（偏光する）ビーム・スプリッタＳを備えることができ、それは、第１の波長λ１^＊の（垂直に偏光された）変換部分λ１^＊をビーム経路から外に反射するように設計される。

【0120】

特に高性能においては、こうすることは、結晶の劣化を加速することになる、第２の非線形結晶が恒久的に不必要な負荷にさらされないという利点を有する。

【0121】

ビーム・スプリッタＳは、第１の波長λ１の未変換（水平に偏光された）部分を送るようにさらに設計される。

【0122】

ビーム・スプリッタＳは、例えば、ビーム・スプリッタ・キューブとして形成することができる。

【0123】

ビーム・スプリッタＳの後、第１および第２の波長はそれぞれ、水平な偏光を有する。

【0124】

周波数変換装置は、第１の非線形結晶Ｘ１（Ｉ）と第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）の間に（ビーム・スプリッタＳの後に）配置された第２のλ／２波長板ＨＷＰ２をさらに備える。

【0125】

第２の波長板ＨＷＰ２は、第１の波長λ１の偏光に影響を与え（その回転により）、かつ第２の波長λ２の偏光には影響しないように設計される。

【0126】

第２の波長板ＨＷＰ２により、第１の波長λ１の偏光（またはビーム経路内に残っている第１の波長の部分）は、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）における第３高調波を生成するために、タイプＩＩの混合プロセスに対して調整され得る。

【0127】

その後に続いて、第１の波長λ１および第２の波長λ２は、第３の波長λ３を生成するために、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）において重畳される。

【0128】

この例示的な実施形態の代替では、ビーム・スプリッタＳの使用をやめることができる。

【0129】

この場合、第１の波長λ１の変換された（垂直に偏光された）部分λ１^＊は、ビーム経路内に留まるが、この部分が、第３の波長の生成に含まれないように、その偏光は、第２の波長板ＨＷＰ２によって回転される。

【0130】

この場合、第１の波長λ１の未変換部分の偏光は、第１の波長λ１の未変換部分が、第３の波長λ３を生成するために使用されるように、同時に回転される。

【0131】

第２の非線形結晶が、タイプＩの結晶として形成される周波数変換装置のさらなる例示的な実施形態が、図７と併せて述べられる。

【0132】

図７で示される周波数変換装置の例示的な実施形態は、実質的に、図６と併せて前に述べられた実施形態に相当する。

【0133】

しかし、タイプＩの位相適合のため、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）における第２の波長板ＨＷＰ２は、削除される。

【0134】

図６に関して前に述べたように、第１の波長の変換部分は、ビーム・スプリッタＳにより反射されて外され得る。

【0135】

ビーム・スプリッタＳの後、ビーム・スプリッタＳの後の第１の波長および第２の波長はそれぞれ、水平な偏光を有する。

【0136】

これは、さらなる（第２の）波長板を使用する必要がない利点を有するが、それは、含まれる波長の偏光は、すでに、第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）において、タイプＩの位相適合に対する必要な偏光に適合されているからである。

【0137】

第３の波長λ３（第３高調波）を生成するためにタイプＩの結晶を使用することは、基本的に、変換効率に関する利点が得られるが、第３の波長λ３のビーム・プロファイルの対称性が低減される、しかし、これは、プリズムＰ、および／または第２の非線形結晶Ｘ２（ＩＩ）の出口面Ａ２の角度を適切に選択することにより、補償することができる。

【0138】

この例示的な実施形態では同様に、代替として、図６に関して述べたビーム・スプリッタＳの使用をやめることができる。

【0139】

単独で、または任意の組合せで、上記において述べられた部分、特に、図面で示された細部のすべては、本発明にとって本質的なものであるとして特許請求されることが、この時点で指摘されるべきである。

【符号の説明】

【0140】

１００ 周波数変換装置
２００ 周波数変換のためのシステム
λ１ 第１の波長（のビーム）
λ２ 第２の波長（のビーム）
λ３ 第３の波長（のビーム）
Ｐ 光学ユニット
Ｘ１ 第１の非線形結晶
Ｘ２ 第２の非線形結晶
Ａ１ 第２の非線形結晶の入口面
Ａ２ 第２の非線形結晶の出口面
Ｌ レーザー・システム
Ｂ レーザー・システムのビーム
Ｔ ビーム・プロファイル・サイズ適合ユニット
Ｋ ビーム・プロファイル解析ユニット
ｘ１、ｘ２、ｘ３ ビーム・プロファイルの第１の主軸
ｘ１’、ｘ２’、ｘ３’ ビーム・プロファイルの影響を受けた第１の主軸
ｙ１、ｙ２、ｙ３ ビーム・プロファイルの第２の主軸
Ｓ ビーム・スプリッタ
ＨＷＢ１、ＨＷＰ２ 波長板（Ｌ／２板）
Ｘ１（Ｉ） 第１の非線形結晶、タイプＩ
Ｘ２（Ｉ） 第２の非線形結晶、タイプＩ
Ｘ２（ＩＩ） 第２の非線形結晶、タイプＩＩ

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】