拡大縮小可能な高調波レーザ源および方法
近接して積み重ねられたファイバ増幅器によって、極めて高出力にも拡大収縮可能であるレーザアレイ構造であるが、その出力波長は、可視領域または紫外線領域内に拡大収縮可能であり、ファイバ材料の選択に通常内在する波長によって制限されない。基本周波数におけるポンプ信号はファイバ増幅器アレイにおいて増幅され、高調波生成器として機能する非線形結晶のアレイに入力され、基本周波数の所望の高調波にて出力アレイを生成する。位相検出および修正システムは、コヒーレントな位相の出力のアレイを維持し、所望の周波数において、高ビーム質を有する高パワー出力という結果になる。非線形結晶のアレイは、二次高調波出力周波数を生成する単一のアレイであり得るか、または、選択されたより高次の高調波周波数を生成するように構成される複数のカスケードされたアレイの組み合わせであり得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、高出力レーザ源に関し、より詳細には、可視範囲の波長または紫外線波長における出力を提供する高出力レーザ源に関する。これらのレーザ源は、様々な応用（軍事的にも商業的にも）に必要とされるが、従来技術のレーザ源は、ファイバ増幅器のコアにおいて使用される希土類ドーパントのゲイン帯域幅によって波長が制限されている。
【背景技術】
【０００２】
典型的な従来技術のアプローチにおいて、主発振器（ＭＯ）からの出力は、レーザダイオードアレイによってポンプされる高出力ファイバ増幅器のアレイへ分配される。ファイバ増幅器からの出力ビームは、その出力ビームを形成するために、近接して詰められたレンズにおいて結合される。それぞれのファイバからの出力ビームのサンプルは、検出器アレイ上にて、ＭＯから引き出される周波数シフトされた基準波面と比較され、そのアレイにおけるそれぞれのファイバ増幅器の瞬間位相の計測を提供し、その位相はリアルタイムで修正され、出力ビームを形成する。ＭＯからの出力は、増幅器へ入力されるスペクトルおよび変調の波形を規定する。重大な制限は、動作波長が、ファイバ増幅器のコアにおいて使用される希土類ドーパントのゲイン帯域幅によって制限されるということである。最も効率的な設計として、この波長は、ドーパントとしてイッテルビウム（Ｙｂ）を使用して、１０００ｎｍから１１００ｎｍの領域にて生じる。残念ながら、このスペクトル領域は、高出力レーザの応用にとって常に必要とされるものではなく、その一部はスペクトルの可視領域または紫外線領域における出力を要求する。
【０００３】
本発明の基本構成は、従来の様々な特許、特に、Ｂｏｔｔらの、「Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｌａｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」（特許文献１）にて記載されるものの改良型である。本発明はまた、Ｈｅｆｌｉｎｇｅｒらの、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」（特許文献２）、Ｂｒｏｓｎａｎらの、「Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」（特許文献３）、Ｈｅｆｌｉｎｇｅｒらの、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ」（特許文献４）、および、Ｂｒｏｓｎａｎらの、「Ｈｉｇｈ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ， Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」（特許文献５）に記載されるような、ビーム形成および位相制御に対する従来技術を活用する。
【０００４】
以下でさらに検討されるように、本発明は、非線形結晶の高調波発生属性を用いる。これらの属性は、例えば、Ｋｏｚｌｏｖｓｋｙらの、「Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｕｂｌｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｌｏｃｋｉｎｇ」（特許文献６）および、Ｒｅｙｎｏｌｄｓらの、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｏｒａｔｅｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」（特許文献７）に記載されるように、技術的に一般に知られている。完全なる開示を提供するために必要とされる程度において、本段落およびその直前の段落にてリストアップされた特許は、本明細書に、参考として援用される。
【０００５】
前述から理解されるべきは、高出力へと拡大縮小可能であり、且つファイバ増幅器において使用されるドーパントの属性によって制限されない、選択されたより短い波長において動作可能であるレーザ源が必要とされていることである。本発明はこの必要性を満たし、従来技術を凌ぐ他の利点を提供する。
【特許文献１】米国特許第５，６９４，４０８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１４７，７５５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２２９，６１６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２４３，１６８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，３６６，３５６号明細書
【特許文献６】米国特許第５，１１１，４６８号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４１７，９５４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、スペクトルの可視領域または紫外線領域など、出力波長が所望の領域へとシフトされ得る、拡大収縮可能な高出力レーザ源に属する。簡潔には、一般的な意味において、本発明は、レーザアレイ構造において具体化され、そのレーザアレイ構造は、レーザファイバ増幅器のアレイと、基本周波数においてポンプ信号を生成する主発振器と、該ポンプ信号を該レーザファイバ増幅器の各々に結合する手段と、高調波生成器として機能する非線形結晶の少なくとも１つのアレイと、該レーザファイバ増幅器から増幅されたポンプ信号を夫々の非線形結晶に結合する手段であって、所望の高調波周波数において出力サブビームのアレイを生成する、手段とを備える。そのレーザアレイ構造はさらに、該出力サブビームの位相差を検出する手段と、該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器入力信号の位相を調節し、その結果、該出力サブビームのコヒーレントな位相が得られる、複数の位相変調器とを備える。
【０００７】
非線形結晶の少なくとも一つのアレイは、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する単一のアレイであり得、二次高調波周波数における出力を提供する。あるいは、非線形結晶の少なくとも一つのアレイは、複数のカスケード接続されたアレイを備え得、基本周波数のより高次の選択された高調波を提供するように、所望されるように構成される。例えば、非線形結晶の第２のカスケード接続されたアレイは、二次高調波生成器の第２のセットであり得、四次高調波出力を与える。本発明の代替的な実施形態において、非線形結晶の第２のカスケード接続されたアレイは和周波数生成器（ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）として機能し、二次高調波と基本周波数とを混合し、三次高調波周波数にて出力を提供する。カスケード接続された二次高調波生成器と和周波数生成器との他の組み合わせは、所望の高周波周波数にて出力を生成するために使用され得る。
【０００８】
本発明はまた、レーザファイバ増幅器のアレイから、スペクトルの可視領域または紫外線領域における所望の波長にて、高パワーコヒーレント出力ビームを生成する新しい方法として規定され得る。簡潔には、該方法は、主発振器において、基本周波数においてポンプ信号を主発振器において生成するステップと、該ポンプ信号を該ファイバ増幅器のアレイの各エレメントに結合するステップと、該ファイバ増幅器のアレイから増幅されたポンプ信号を、高調波生成器として機能する非線形結晶のアレイの対応エレメントに結合するステップと、該非線形結晶のアレイの各エレメントにおいて、出力サブビームのアレイを提供するために、周波数で出力信号を生成するステップであって、該周波数は、該基本周波数の所望の高調波である、ステップとを包含する。該方法はさらに、該出力サブビームの位相差を検出するステップと、該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器の入力信号の位相を調節するステップとを包含し、出力サブビーム間のコヒーレントな位相を確保する。
【０００９】
前述の要約から理解されるべきは、本発明が、高出力レーザの領域における重要な進展を表すことである。本発明は、高出力へと容易に拡大縮小可能であり、且つ、可視領域または紫外線領域内に設計され得る波形を有する、コヒーレントな高輝度出力を生成する、レーザ源および方法を提供し、これは、ファイバ増幅器のコア材料に特有の波長属性によって通常課される波長に制限されない。特に、本発明は、選択された高調波周波数にて、コヒーレントな高出力ビームの生成を提供する。本発明の他の局面および利点は、以下の本発明のさらなる詳細な記載、および添付された図面を参照することにより明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
例示の目的のために図面において示されるように、本発明は、高出力へと拡大収縮可能であり、且つ、出力周波数がファイバ増幅器周波数と高調波関係を有する、レーザファイバ増幅器アレイ構造に関連する。それゆえ、出力は、スペクトルの可視領域または紫外線領域内になるように選択可能であり、ファイバ増幅器において使用される希土類要素の属性によって通常課される制限から独立している。これまで、ファイバ増幅器のアレイは、高出力へと拡大縮小可能であるけれども、ファイバのコア材料に内在的に関連するゲイン帯域幅によって波長が制限されている出力を生成してきた。最も効率的な設計としては、ゲイン帯域幅は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの領域であり、それは、あいにく、高出力レーザ源の一部の応用の対する所望される波長範囲ではない。
【００１１】
本発明に従い、アレイ構造は、ファイバ増幅器のゲイン帯域幅によって制限されない所望のより短い波長における出力を提供するように構成される。その出力は、デバイスの効率およびビーム質を不利に影響することなく、高出力へと容易に拡大縮小可能である。
【００１２】
図１は、本発明に従った拡大縮小可能なアレイ構造の高調波レーザアレイを示す。その構造は、参照番号１０によって示される単一の主発振器（ＭＯ）、オプションの増幅変調器１２、およびファイバプリアンプ１３を含み、基本周波数にてポンプ放射源を提供する。ポンプ信号は、参照番号１４にて図式的に示される（それらのうちの二つのみが示される）ように、複数の経路にそって分割される。それぞれの経路におけるポンプ信号は、位相変調器（１６．１から１６．ｍ）によって処理され、ファイバ増幅器アレイ（１８．１から１８．ｍ）の一つの部材に入力される。増幅されたポンプ信号は、適切なレンズ（２０．１から２０．ｍ）によって、非線形結晶（２２．１から２２．ｍ）のアレイにフォーカスされ、二次高調波生成器（ＳＨＧ）としての機能を実行する。
【００１３】
ＳＨＧ結晶（２２．１から２２．ｍ）のアレイは、二次高調波周波数２ωにてｍ個の出力信号のアレイを生成する。出力信号のそれぞれは、レンズ（３０．１から３０．ｍ）によって並行にされ、ビームスプリッタ３２によってサンプルされる。第１のビームまたは任意の選択されたビームからの出力は、位相基準として使用される。この出力は、周波数シフタ３４として動作する光電子変調器または光音響変調器によって処理され、ここで、出力信号の位相は周期的な信号によってディザリング（ｄｉｔｈｅｒ）される。周波数シフトされた信号の出力は、次いで、検出器アレイ３６にフォーカスされる。第ｍのビームの出力は、検出器アレイの一つのエレメントにフォーカスされ、周波数シフトされた信号との干渉を受ける。検出器アレイからのその結果としての信号は、位相プロセッサ３８において使用され、位相変調器１６．１から１６．ｍに適用される位相制御信号を生成する。事実上、第１の出力ビームは基準ビームとして使用され、他の出力ビーム（２〜ｍ）のそれぞれは、周波数シフトされた基準ビームとの干渉を受け、出力ビームアレイをコヒーレントにする効果を有する位相制御信号を生成する。
【００１４】
それぞれのＳＨＧデバイスは、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、カリウムタイタニルリン酸塩（ＫＴＰ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、または他の分極、非分極材料などの、非線形結晶を使用して製造される。周期分極によって、位相整合は、このスペクトル領域において、ほぼ任意の基本周波数または高調波周波数を達成することが可能であり、位相整合の角度方向の感度を大いに低減する。図１において、周波数ωの基本波は、非線形ＳＨＧデバイスに注入され、それによって、二次高調波周波数２ωを決定する。二次高調波の位相は、非線形プロセスの性質のために、注入された基本波に関連してコヒーレントとなる。オプションの増幅変調器１２は、所与の平均パワー入力に対してピークパワーを高めるために使用され得る。これは、高調波生成プロセスの効率を増大させるために所望され得る。
【００１５】
ＳＨＧプロセスは、図２に示されるように、さらなる高調波生成器（ＨＧ）結晶を含むことによってさらに高い高調波にまで広げる。さらに高い高調波の生成は、変換プロセスのカスケード接続である。例えば、二次高調波の生成の後、ＨＧ結晶のさらなるアレイ（４２．１から４２．ｍ）は、カスケード接続された二次高調波を生成するために含まれ得、それは、基本波の四次高調波である。あるいは、結晶２２における二次高調波の生成の後、基本波および二次高調波は、結晶４２の第２のアレイにおいて混合され得、それは和周波数生成（ＳＦＧ）結晶として動作し、三次高調波を生成する。結晶の第三のカスケードされたアレイ（６２．１から６２．ｍ）は、さらなる高調波を生成するために使用され得る。カスケード接続された非線形結晶アレイからの最後の出力は、基本波の所望のｎ次高調波における信号のアレイである。すなわち、周波数ｎωにおける出力である。そのようなカスケード接続処理は、基本波の任意の高調波を生成するために使用され得るが、その効率は、カスケード接続された処理の数が増大するにつれて、さらに重要な課題となる。これらの全ての処理において、アレイにおけるそれぞれ最後の変換された第ｎ高調波出力の位相は、それぞれの対応するファイバレーザ入力の入力位相によってコヒーレントに制御される。それゆえ、全体の第ｎ高調波アレイは、二次高調波の生成を記載したものと同様の方法にてコヒーレントに結合され得る。
【００１６】
効率的な変換を可能にし、結晶において過度の熱散逸を避けるために、ＨＧデバイスが関連する高調波周波数にてトランスペアレントである必要がある。周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期分極カリウムタイタニルフォスファリン酸塩（ＰＰＫＴＰ）、周期分極リチウムタンタル酸（ＰＰＬＴ）などの多数の材料は、可視スペクトルの多くにトランスペアレンシーを有する。紫外線（ＵＶ）領域において、材料の利用可能なリストはさらに限定され、カリウムニ水素リン酸塩（ＫＤＰ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、およびセシウムリチウムホウ酸塩（ＣＬＢＯ）などの結晶を含む。これらの材料の分極は可能であるかもしれないが、可能でないかもしれない。分極は本発明の動作に本質的ではないけれども、変換効率を実質的に改良することが可能である。
【００１７】
簡潔には、図１および図２のレーザ源の高調波アレイ構造は、増幅器１６のアレイ、結晶２２、および関連する光学エレメントにおける多数の数のエレメントを含むことによって、非常に高出力へと容易に拡大縮小可能である。出力ビームのコヒーレンスは、選択された基準ビームをあらゆる他のビームに干渉させることと、任意の検出された不一致を補償するためにポンプ信号の位相を継続的に調整することによって、維持される。出力周波数または波長は、非線形結晶２２、４２、６２のアレイの適切な組み合わせを選択することによって選択され、基本周波数ωの所望の高調波である出力を提供する。
【００１８】
高出力および効果的な可視またはＵＶ源の可能な応用は非常に多い。ファイバレーザが、レーザ源にとって最も高い既知の効率を提供するからであり、それらは、多くの商業的および政府部門の応用にとって魅力的である。これらの応用において、これらのファイバレーザ源の効率性、信頼性、簡潔さ、および機械的強さは、市場において圧倒的である。潜在的な応用の一例は、ＵＶリソグラフィーにおける２４８ｎｍにて、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）ガスレーザの代用としてである。ＫｒＦレーザは大きく、高度に毒性のあるフッ素ガスを使用し、相当な維持費を要求する。対照的に、ＵＶのこの領域へ非線形に変換されるファイバレーザは、この相当に広い商業的な市場において、非常に魅力的である。同様な比較は、多くの他の高出力レーザの応用に対して存在する。
【００１９】
前述から理解されるべきは、本発明は、高出力レーザの領域において相当な進展を表すことであり、高出力へと容易に拡大縮小可能であり、且つ、基本周波数の選択可能な高調波である波長を有する、出力ビームを提供し、それゆえ、ファイバ増幅器のコア材料の属性によって通常課される波長に制限されない。本発明は特定の実施形態と関連して記載されているが、様々な実施形態は、本発明の趣旨および波にから逸脱することなく、なされ得ることもまた理解される。従って、本発明は、添付された請求の範囲によって以外には限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に従った、拡大収縮可能な周波数二倍レーザアレイ構造の略図である。
【図２】本発明に従った、拡大収縮可能な高調波レーザアレイの略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、高出力レーザ源に関し、より詳細には、可視範囲の波長または紫外線波長における出力を提供する高出力レーザ源に関する。これらのレーザ源は、様々な応用（軍事的にも商業的にも）に必要とされるが、従来技術のレーザ源は、ファイバ増幅器のコアにおいて使用される希土類ドーパントのゲイン帯域幅によって波長が制限されている。
【背景技術】
【０００２】
典型的な従来技術のアプローチにおいて、主発振器（ＭＯ）からの出力は、レーザダイオードアレイによってポンプされる高出力ファイバ増幅器のアレイへ分配される。ファイバ増幅器からの出力ビームは、その出力ビームを形成するために、近接して詰められたレンズにおいて結合される。それぞれのファイバからの出力ビームのサンプルは、検出器アレイ上にて、ＭＯから引き出される周波数シフトされた基準波面と比較され、そのアレイにおけるそれぞれのファイバ増幅器の瞬間位相の計測を提供し、その位相はリアルタイムで修正され、出力ビームを形成する。ＭＯからの出力は、増幅器へ入力されるスペクトルおよび変調の波形を規定する。重大な制限は、動作波長が、ファイバ増幅器のコアにおいて使用される希土類ドーパントのゲイン帯域幅によって制限されるということである。最も効率的な設計として、この波長は、ドーパントとしてイッテルビウム（Ｙｂ）を使用して、１０００ｎｍから１１００ｎｍの領域にて生じる。残念ながら、このスペクトル領域は、高出力レーザの応用にとって常に必要とされるものではなく、その一部はスペクトルの可視領域または紫外線領域における出力を要求する。
【０００３】
本発明の基本構成は、従来の様々な特許、特に、Ｂｏｔｔらの、「Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｌａｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」（特許文献１）にて記載されるものの改良型である。本発明はまた、Ｈｅｆｌｉｎｇｅｒらの、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」（特許文献２）、Ｂｒｏｓｎａｎらの、「Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」（特許文献３）、Ｈｅｆｌｉｎｇｅｒらの、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ」（特許文献４）、および、Ｂｒｏｓｎａｎらの、「Ｈｉｇｈ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ， Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ」（特許文献５）に記載されるような、ビーム形成および位相制御に対する従来技術を活用する。
【０００４】
以下でさらに検討されるように、本発明は、非線形結晶の高調波発生属性を用いる。これらの属性は、例えば、Ｋｏｚｌｏｖｓｋｙらの、「Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｕｂｌｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｌｏｃｋｉｎｇ」（特許文献６）および、Ｒｅｙｎｏｌｄｓらの、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｏｒａｔｅｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」（特許文献７）に記載されるように、技術的に一般に知られている。完全なる開示を提供するために必要とされる程度において、本段落およびその直前の段落にてリストアップされた特許は、本明細書に、参考として援用される。
【０００５】
前述から理解されるべきは、高出力へと拡大縮小可能であり、且つファイバ増幅器において使用されるドーパントの属性によって制限されない、選択されたより短い波長において動作可能であるレーザ源が必要とされていることである。本発明はこの必要性を満たし、従来技術を凌ぐ他の利点を提供する。
【特許文献１】米国特許第５，６９４，４０８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１４７，７５５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２２９，６１６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２４３，１６８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，３６６，３５６号明細書
【特許文献６】米国特許第５，１１１，４６８号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４１７，９５４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、スペクトルの可視領域または紫外線領域など、出力波長が所望の領域へとシフトされ得る、拡大収縮可能な高出力レーザ源に属する。簡潔には、一般的な意味において、本発明は、レーザアレイ構造において具体化され、そのレーザアレイ構造は、レーザファイバ増幅器のアレイと、基本周波数においてポンプ信号を生成する主発振器と、該ポンプ信号を該レーザファイバ増幅器の各々に結合する手段と、高調波生成器として機能する非線形結晶の少なくとも１つのアレイと、該レーザファイバ増幅器から増幅されたポンプ信号を夫々の非線形結晶に結合する手段であって、所望の高調波周波数において出力サブビームのアレイを生成する、手段とを備える。そのレーザアレイ構造はさらに、該出力サブビームの位相差を検出する手段と、該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器入力信号の位相を調節し、その結果、該出力サブビームのコヒーレントな位相が得られる、複数の位相変調器とを備える。
【０００７】
非線形結晶の少なくとも一つのアレイは、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する単一のアレイであり得、二次高調波周波数における出力を提供する。あるいは、非線形結晶の少なくとも一つのアレイは、複数のカスケード接続されたアレイを備え得、基本周波数のより高次の選択された高調波を提供するように、所望されるように構成される。例えば、非線形結晶の第２のカスケード接続されたアレイは、二次高調波生成器の第２のセットであり得、四次高調波出力を与える。本発明の代替的な実施形態において、非線形結晶の第２のカスケード接続されたアレイは和周波数生成器（ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）として機能し、二次高調波と基本周波数とを混合し、三次高調波周波数にて出力を提供する。カスケード接続された二次高調波生成器と和周波数生成器との他の組み合わせは、所望の高周波周波数にて出力を生成するために使用され得る。
【０００８】
本発明はまた、レーザファイバ増幅器のアレイから、スペクトルの可視領域または紫外線領域における所望の波長にて、高パワーコヒーレント出力ビームを生成する新しい方法として規定され得る。簡潔には、該方法は、主発振器において、基本周波数においてポンプ信号を主発振器において生成するステップと、該ポンプ信号を該ファイバ増幅器のアレイの各エレメントに結合するステップと、該ファイバ増幅器のアレイから増幅されたポンプ信号を、高調波生成器として機能する非線形結晶のアレイの対応エレメントに結合するステップと、該非線形結晶のアレイの各エレメントにおいて、出力サブビームのアレイを提供するために、周波数で出力信号を生成するステップであって、該周波数は、該基本周波数の所望の高調波である、ステップとを包含する。該方法はさらに、該出力サブビームの位相差を検出するステップと、該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器の入力信号の位相を調節するステップとを包含し、出力サブビーム間のコヒーレントな位相を確保する。
【０００９】
前述の要約から理解されるべきは、本発明が、高出力レーザの領域における重要な進展を表すことである。本発明は、高出力へと容易に拡大縮小可能であり、且つ、可視領域または紫外線領域内に設計され得る波形を有する、コヒーレントな高輝度出力を生成する、レーザ源および方法を提供し、これは、ファイバ増幅器のコア材料に特有の波長属性によって通常課される波長に制限されない。特に、本発明は、選択された高調波周波数にて、コヒーレントな高出力ビームの生成を提供する。本発明の他の局面および利点は、以下の本発明のさらなる詳細な記載、および添付された図面を参照することにより明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
例示の目的のために図面において示されるように、本発明は、高出力へと拡大収縮可能であり、且つ、出力周波数がファイバ増幅器周波数と高調波関係を有する、レーザファイバ増幅器アレイ構造に関連する。それゆえ、出力は、スペクトルの可視領域または紫外線領域内になるように選択可能であり、ファイバ増幅器において使用される希土類要素の属性によって通常課される制限から独立している。これまで、ファイバ増幅器のアレイは、高出力へと拡大縮小可能であるけれども、ファイバのコア材料に内在的に関連するゲイン帯域幅によって波長が制限されている出力を生成してきた。最も効率的な設計としては、ゲイン帯域幅は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの領域であり、それは、あいにく、高出力レーザ源の一部の応用の対する所望される波長範囲ではない。
【００１１】
本発明に従い、アレイ構造は、ファイバ増幅器のゲイン帯域幅によって制限されない所望のより短い波長における出力を提供するように構成される。その出力は、デバイスの効率およびビーム質を不利に影響することなく、高出力へと容易に拡大縮小可能である。
【００１２】
図１は、本発明に従った拡大縮小可能なアレイ構造の高調波レーザアレイを示す。その構造は、参照番号１０によって示される単一の主発振器（ＭＯ）、オプションの増幅変調器１２、およびファイバプリアンプ１３を含み、基本周波数にてポンプ放射源を提供する。ポンプ信号は、参照番号１４にて図式的に示される（それらのうちの二つのみが示される）ように、複数の経路にそって分割される。それぞれの経路におけるポンプ信号は、位相変調器（１６．１から１６．ｍ）によって処理され、ファイバ増幅器アレイ（１８．１から１８．ｍ）の一つの部材に入力される。増幅されたポンプ信号は、適切なレンズ（２０．１から２０．ｍ）によって、非線形結晶（２２．１から２２．ｍ）のアレイにフォーカスされ、二次高調波生成器（ＳＨＧ）としての機能を実行する。
【００１３】
ＳＨＧ結晶（２２．１から２２．ｍ）のアレイは、二次高調波周波数２ωにてｍ個の出力信号のアレイを生成する。出力信号のそれぞれは、レンズ（３０．１から３０．ｍ）によって並行にされ、ビームスプリッタ３２によってサンプルされる。第１のビームまたは任意の選択されたビームからの出力は、位相基準として使用される。この出力は、周波数シフタ３４として動作する光電子変調器または光音響変調器によって処理され、ここで、出力信号の位相は周期的な信号によってディザリング（ｄｉｔｈｅｒ）される。周波数シフトされた信号の出力は、次いで、検出器アレイ３６にフォーカスされる。第ｍのビームの出力は、検出器アレイの一つのエレメントにフォーカスされ、周波数シフトされた信号との干渉を受ける。検出器アレイからのその結果としての信号は、位相プロセッサ３８において使用され、位相変調器１６．１から１６．ｍに適用される位相制御信号を生成する。事実上、第１の出力ビームは基準ビームとして使用され、他の出力ビーム（２〜ｍ）のそれぞれは、周波数シフトされた基準ビームとの干渉を受け、出力ビームアレイをコヒーレントにする効果を有する位相制御信号を生成する。
【００１４】
それぞれのＳＨＧデバイスは、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、カリウムタイタニルリン酸塩（ＫＴＰ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、または他の分極、非分極材料などの、非線形結晶を使用して製造される。周期分極によって、位相整合は、このスペクトル領域において、ほぼ任意の基本周波数または高調波周波数を達成することが可能であり、位相整合の角度方向の感度を大いに低減する。図１において、周波数ωの基本波は、非線形ＳＨＧデバイスに注入され、それによって、二次高調波周波数２ωを決定する。二次高調波の位相は、非線形プロセスの性質のために、注入された基本波に関連してコヒーレントとなる。オプションの増幅変調器１２は、所与の平均パワー入力に対してピークパワーを高めるために使用され得る。これは、高調波生成プロセスの効率を増大させるために所望され得る。
【００１５】
ＳＨＧプロセスは、図２に示されるように、さらなる高調波生成器（ＨＧ）結晶を含むことによってさらに高い高調波にまで広げる。さらに高い高調波の生成は、変換プロセスのカスケード接続である。例えば、二次高調波の生成の後、ＨＧ結晶のさらなるアレイ（４２．１から４２．ｍ）は、カスケード接続された二次高調波を生成するために含まれ得、それは、基本波の四次高調波である。あるいは、結晶２２における二次高調波の生成の後、基本波および二次高調波は、結晶４２の第２のアレイにおいて混合され得、それは和周波数生成（ＳＦＧ）結晶として動作し、三次高調波を生成する。結晶の第三のカスケードされたアレイ（６２．１から６２．ｍ）は、さらなる高調波を生成するために使用され得る。カスケード接続された非線形結晶アレイからの最後の出力は、基本波の所望のｎ次高調波における信号のアレイである。すなわち、周波数ｎωにおける出力である。そのようなカスケード接続処理は、基本波の任意の高調波を生成するために使用され得るが、その効率は、カスケード接続された処理の数が増大するにつれて、さらに重要な課題となる。これらの全ての処理において、アレイにおけるそれぞれ最後の変換された第ｎ高調波出力の位相は、それぞれの対応するファイバレーザ入力の入力位相によってコヒーレントに制御される。それゆえ、全体の第ｎ高調波アレイは、二次高調波の生成を記載したものと同様の方法にてコヒーレントに結合され得る。
【００１６】
効率的な変換を可能にし、結晶において過度の熱散逸を避けるために、ＨＧデバイスが関連する高調波周波数にてトランスペアレントである必要がある。周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期分極カリウムタイタニルフォスファリン酸塩（ＰＰＫＴＰ）、周期分極リチウムタンタル酸（ＰＰＬＴ）などの多数の材料は、可視スペクトルの多くにトランスペアレンシーを有する。紫外線（ＵＶ）領域において、材料の利用可能なリストはさらに限定され、カリウムニ水素リン酸塩（ＫＤＰ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、およびセシウムリチウムホウ酸塩（ＣＬＢＯ）などの結晶を含む。これらの材料の分極は可能であるかもしれないが、可能でないかもしれない。分極は本発明の動作に本質的ではないけれども、変換効率を実質的に改良することが可能である。
【００１７】
簡潔には、図１および図２のレーザ源の高調波アレイ構造は、増幅器１６のアレイ、結晶２２、および関連する光学エレメントにおける多数の数のエレメントを含むことによって、非常に高出力へと容易に拡大縮小可能である。出力ビームのコヒーレンスは、選択された基準ビームをあらゆる他のビームに干渉させることと、任意の検出された不一致を補償するためにポンプ信号の位相を継続的に調整することによって、維持される。出力周波数または波長は、非線形結晶２２、４２、６２のアレイの適切な組み合わせを選択することによって選択され、基本周波数ωの所望の高調波である出力を提供する。
【００１８】
高出力および効果的な可視またはＵＶ源の可能な応用は非常に多い。ファイバレーザが、レーザ源にとって最も高い既知の効率を提供するからであり、それらは、多くの商業的および政府部門の応用にとって魅力的である。これらの応用において、これらのファイバレーザ源の効率性、信頼性、簡潔さ、および機械的強さは、市場において圧倒的である。潜在的な応用の一例は、ＵＶリソグラフィーにおける２４８ｎｍにて、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）ガスレーザの代用としてである。ＫｒＦレーザは大きく、高度に毒性のあるフッ素ガスを使用し、相当な維持費を要求する。対照的に、ＵＶのこの領域へ非線形に変換されるファイバレーザは、この相当に広い商業的な市場において、非常に魅力的である。同様な比較は、多くの他の高出力レーザの応用に対して存在する。
【００１９】
前述から理解されるべきは、本発明は、高出力レーザの領域において相当な進展を表すことであり、高出力へと容易に拡大縮小可能であり、且つ、基本周波数の選択可能な高調波である波長を有する、出力ビームを提供し、それゆえ、ファイバ増幅器のコア材料の属性によって通常課される波長に制限されない。本発明は特定の実施形態と関連して記載されているが、様々な実施形態は、本発明の趣旨および波にから逸脱することなく、なされ得ることもまた理解される。従って、本発明は、添付された請求の範囲によって以外には限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に従った、拡大収縮可能な周波数二倍レーザアレイ構造の略図である。
【図２】本発明に従った、拡大収縮可能な高調波レーザアレイの略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザファイバ増幅器のアレイと、
基本周波数ωにおいてポンプ信号を生成する主発振器と、
該ポンプ信号を該レーザファイバ増幅器の各々に結合する手段と、
高調波生成器として機能する非線形結晶の少なくとも１つのアレイと、
該レーザファイバ増幅器から増幅されたポンプ信号を夫々の非線形結晶に結合する手段であって、所望の高調波周波数ｎωにおいて出力サブビームのアレイを生成する、手段と、
該出力サブビームの位相差を検出する手段と、
該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器入力信号の位相を調節し、その結果、該出力サブビームのコヒーレントな位相が得られる、複数の位相変調器と
を備える、レーザアレイ構造。
【請求項２】
前記位相差を検出する手段が、
前記出力サブビームの各々のサンプルを取得する光分割手段と、
該出力サブビームのうちの選択された一つのビームの周波数を変更するように接続された周波数シフトデバイスと、
マルチエレメント検出器アレイであって、該マルチエレメント検出器アレイの各エレメントは、該サブビームのサンプルのうちの１つと、該選択され周波数シフトされたサンプルとの干渉の結果を記録し、位相差信号を生成する、マルチエレメント検出器アレイと
を備え、
該選択された出力サブビームが、位相基準として用いられ、残りのサブビームが、該選択されたサブビームとコヒーレントな位相になるように調節される、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項３】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の単一のアレイを含み、
前記出力サブビームが、二次高調波周波数２ωにある、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項４】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイとカスケード接続され、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する、非線形結晶のさらなるアレイとを備え、
該二つのカスケード接続されたＳＨＧのアレイが、四次高調波周波数４ωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項５】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイとカスケード接続され、該第１のアレイの出力と前記基本周波数とを混合する和周波数生成器（ＳＦＧ）として機能する、非線形結晶のさらなるアレイとを備え、
該二つのカスケード接続されたＳＨＧのアレイが、三次高調波周波数３ωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項６】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイにカスケード接続された非線形結晶の少なくとも１つのさらなるアレイとを備え、
該カスケード接続された非線形結晶のアレイが、所望のｎ次高調波周波数ｎωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項７】
レーザファイバ増幅器のアレイから、スペクトルの可視光または紫外線領域における所望の波長において高出力かつコヒーレントな出力ビームを生成する方法であって、
基本周波数ωにおいてポンプ信号を主発振器において生成するステップと、
該ポンプ信号を該ファイバ増幅器のアレイの各エレメントに結合するステップと、
該ファイバ増幅器のアレイから増幅されたポンプ信号を、高調波生成器として機能する非線形結晶のアレイの対応エレメントに結合するステップと、
該非線形結晶のアレイの各エレメントにおいて、出力サブビームのアレイを提供するために、周波数ｎωで出力信号を生成するステップであって、該周波数は、該基本周波数の所望の高調波である、ステップと
該出力サブビームの位相差を検出するステップと、
該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器の入力信号の位相を調節するステップと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記位相差を検出するステップが、
前記出力サブビームの各々のサンプルを分割するステップと、
該出力サブビームのうちの選択された一つのビームを周波数シフトするステップと、
位相差信号を生成するために、該サブビームのサンプルの各々と、検出器アレイ内の該選択され周波数シフトされたサンプルとを干渉させるステップと
を包含し、
該選択された出力サブビームが、位相基準として用いられ、残りのサブビームが、該選択されたサブビームとコヒーレントな位相になるように調節される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記出力信号を生成するステップが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップを包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記出力信号を生成するステップが、
二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップと、
該第１のアレイとカスケード接続され、該二次高調波信号を前記基本周波数と混合する和周波数生成器（ＳＦＧ）として機能する、非線形結晶の第２のアレイにおいて、三次高調波周波数３ωにおいて出力信号を生成するステップと
を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記出力信号を生成するステップが、
二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップと、
該第１のアレイとカスケード接続され、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する、非線形結晶の第２のアレイにおいて、四次高調波周波数４ωにおいて出力信号を生成するステップと
を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記出力信号を生成するステップが、選択された高調波周波数ｎωにおいて出力サブビームのアレイを生成するように選択された機能を実行する、非線形結晶のカスケード接続されたマルチアレイを用いる、請求項７に記載の方法。
【請求項１】
レーザファイバ増幅器のアレイと、
基本周波数ωにおいてポンプ信号を生成する主発振器と、
該ポンプ信号を該レーザファイバ増幅器の各々に結合する手段と、
高調波生成器として機能する非線形結晶の少なくとも１つのアレイと、
該レーザファイバ増幅器から増幅されたポンプ信号を夫々の非線形結晶に結合する手段であって、所望の高調波周波数ｎωにおいて出力サブビームのアレイを生成する、手段と、
該出力サブビームの位相差を検出する手段と、
該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器入力信号の位相を調節し、その結果、該出力サブビームのコヒーレントな位相が得られる、複数の位相変調器と
を備える、レーザアレイ構造。
【請求項２】
前記位相差を検出する手段が、
前記出力サブビームの各々のサンプルを取得する光分割手段と、
該出力サブビームのうちの選択された一つのビームの周波数を変更するように接続された周波数シフトデバイスと、
マルチエレメント検出器アレイであって、該マルチエレメント検出器アレイの各エレメントは、該サブビームのサンプルのうちの１つと、該選択され周波数シフトされたサンプルとの干渉の結果を記録し、位相差信号を生成する、マルチエレメント検出器アレイと
を備え、
該選択された出力サブビームが、位相基準として用いられ、残りのサブビームが、該選択されたサブビームとコヒーレントな位相になるように調節される、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項３】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の単一のアレイを含み、
前記出力サブビームが、二次高調波周波数２ωにある、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項４】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイとカスケード接続され、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する、非線形結晶のさらなるアレイとを備え、
該二つのカスケード接続されたＳＨＧのアレイが、四次高調波周波数４ωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項５】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイとカスケード接続され、該第１のアレイの出力と前記基本周波数とを混合する和周波数生成器（ＳＦＧ）として機能する、非線形結晶のさらなるアレイとを備え、
該二つのカスケード接続されたＳＨＧのアレイが、三次高調波周波数３ωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項６】
前記非線形結晶の少なくとも１つのアレイが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイと、該第１のアレイにカスケード接続された非線形結晶の少なくとも１つのさらなるアレイとを備え、
該カスケード接続された非線形結晶のアレイが、所望のｎ次高調波周波数ｎωで出力を生成する、請求項１に記載のレーザアレイ構造。
【請求項７】
レーザファイバ増幅器のアレイから、スペクトルの可視光または紫外線領域における所望の波長において高出力かつコヒーレントな出力ビームを生成する方法であって、
基本周波数ωにおいてポンプ信号を主発振器において生成するステップと、
該ポンプ信号を該ファイバ増幅器のアレイの各エレメントに結合するステップと、
該ファイバ増幅器のアレイから増幅されたポンプ信号を、高調波生成器として機能する非線形結晶のアレイの対応エレメントに結合するステップと、
該非線形結晶のアレイの各エレメントにおいて、出力サブビームのアレイを提供するために、周波数ｎωで出力信号を生成するステップであって、該周波数は、該基本周波数の所望の高調波である、ステップと
該出力サブビームの位相差を検出するステップと、
該検出された位相差に応答して、該レーザ増幅器の入力信号の位相を調節するステップと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記位相差を検出するステップが、
前記出力サブビームの各々のサンプルを分割するステップと、
該出力サブビームのうちの選択された一つのビームを周波数シフトするステップと、
位相差信号を生成するために、該サブビームのサンプルの各々と、検出器アレイ内の該選択され周波数シフトされたサンプルとを干渉させるステップと
を包含し、
該選択された出力サブビームが、位相基準として用いられ、残りのサブビームが、該選択されたサブビームとコヒーレントな位相になるように調節される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記出力信号を生成するステップが、二次高調波生成器（ＳＨＧ）のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップを包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記出力信号を生成するステップが、
二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップと、
該第１のアレイとカスケード接続され、該二次高調波信号を前記基本周波数と混合する和周波数生成器（ＳＦＧ）として機能する、非線形結晶の第２のアレイにおいて、三次高調波周波数３ωにおいて出力信号を生成するステップと
を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記出力信号を生成するステップが、
二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する非線形結晶の第１のアレイにおいて、二次高調波周波数２ωにおいて出力信号を生成するステップと、
該第１のアレイとカスケード接続され、二次高調波生成器（ＳＨＧ）として機能する、非線形結晶の第２のアレイにおいて、四次高調波周波数４ωにおいて出力信号を生成するステップと
を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記出力信号を生成するステップが、選択された高調波周波数ｎωにおいて出力サブビームのアレイを生成するように選択された機能を実行する、非線形結晶のカスケード接続されたマルチアレイを用いる、請求項７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００７−５１８２８０（Ｐ２００７−５１８２８０Ａ）
【公表日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４９５０１（Ｐ２００６−５４９５０１）
【出願日】平成１７年１月１１日（２００５．１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０００７５４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００１８３８
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０６０７９６８５）ノースロップ グルムマン コーポレイション (18)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１１日（２００５．１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０００７５４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００１８３８
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０６０７９６８５）ノースロップ グルムマン コーポレイション (18)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]