JP5603880B2 - 円錐屈折に基づく新規な光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、円錐屈折を用いて、光ビームの品質を改善する新規な光デバイス（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。この光デバイスには、レーザーが含まれるが、それだけに限定されるものではない。

１８３２年、ハミルトン（Ｈａｍｉｌｔｏｎ）が円錐屈折を予想し、ビームが二軸結晶の光軸に沿って伝播すると、光の中空円錐が出現するであろうと推論した。その後まもなく、ロイド（Ｌｌｏｙｄ）が、自然の二軸結晶および太陽光を用いて中空の光円錐を観察した。現代の研究では、円錐屈折は円錐回折と称され、これは円錐屈折を理論的に説明するのに波効果（ｗａｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）を含める必要があるためであり、これらの用語は同義である。

既知の結晶構造の大部分が光学的に二軸であるので、円錐屈折（ＣＲ）現象に基づいた光効果およびデバイスは、フォトニクス分野で基本的かつ実用的に重要なものである。しかし、こうした現象の利用可能な研究は比較的少ない。近年の関心は、結晶を正しい方位で生成することが今や可能となった段階まで進化した現代の結晶成長、カット、および研磨技術の利用可能性に向けられている。ＣＲ現象の観察は、図１に示す装置を用いて行われ、この装置は、レーザー３、レンズ５、および光軸の一方に垂直にカットされた光二軸ＣＲ結晶７を備える。入射するガウス型ビーム、およびＣＲ効果によるビーム変形の空間的進化を図１ａに示す。光リングがロイド面１９で観察され、この面はまた、焦点像面とも呼ばれる。ロイド面通過後、次いでビームは、ポッゲンドルフ（Ｐｏｇｇｅｎｄｏｒｆｆ）によって初めて観察された一連のリング２１に進化し、その後、ラマン（Ｒａｍａｎ）によって初めて発見された軸スパイク２３に進化する。

最後に、ビームは遠方場で元のプロファイルに戻る。ロイド面はまた、対称面２５（図１ｂ）でもある。ロイド面のリング中央は、ある量、ここではＣで示す量だけ横にシフトし、このシフト量は、結晶長ｄ、および結晶の円錐屈折能力を表す要因（図１ａ）に依存する。この横シフトの向きは、結晶方位の特性として定義することができる。擬ベクトルΛもやはり、ビーム伝播方向、および右手の法則に従った横シフト方向のどちらにも垂直であるとして経験的に定義することができる。別の特徴は、ロイド面の縦シフトに関する。この縦シフト、すなわち図１ａのΔは以下の式によって得られる。
式中、ｎは光子の伝播方向における結晶の屈折率である。

本発明の第１の態様によれば、入力ビームを光軸に沿って投影する入力光源と、入力ビームから円錐屈折ビームを生成し、次いで入力ビームを復元する光素子とを備える光学システムが提供される。

好ましくは、光素子は、円錐屈折ビームを生成し、復元光素子を用いて円錐屈折ビームに位相シフトを印加して、ビームを復元する第１の円錐屈折素子を備える。

好ましくは、第１の円錐屈折素子は、第１の擬ベクトルを印加することによって円錐屈折ビームを生成し、復元光素子は、円錐屈折ビームに逆向きの第２の擬ベクトルを印加することによって入力ビームを復元する。

好ましくは、第２の擬ベクトルは、第１の擬ベクトルとは実質的に逆向きである。

好ましくは、第２の擬ベクトルは、複数の擬ベクトルを含み、それらの向きの総計によって位相シフトが得られる。

好ましくは、第１の素子は、入射ビームが透過して円錐屈折ビームを生成する所定の光路長を有する。

好ましくは、復元光素子は、円錐屈折ビームが透過して復元ビームを生成する所定の光路長を有する。

好ましくは、復元光素子は、第２の円錐屈折素子である。

好ましくは、復元光素子は、前記円錐屈折ビームの光路に沿って配置された１つまたは複数の追加の円錐屈折素子を備える。

好ましくは、復元素子は、反射器、および第１の円錐屈折素子を備え、反射器は、第１の円錐屈折素子を介して円錐反射ビームを反射し返し、それによって円錐屈折ビームに位相シフトを印加し、入力ビームを復元する。

好ましくは、第１の円錐屈折素子を介して位相シフトが印加される経路長と、復元光素子とは、実質的に同一である。

好ましくは、位相シフトは、１８０°である。

好ましくは、光源は、コヒーレント源ビームを供給する。

好ましくは、光源は、非コヒーレントビームを供給する。

好ましくは、ビームは、偏光されている。

好ましくは、ビームは、円形偏光されている。

好ましくは、円錐屈折素子は、円錐屈折が可能となる方向にカットした希土類イオンドープ二軸結晶を備える。

好ましくは、結晶は、ネオジムがドープされたカリウムガドリニウムタングステン塩酸結晶である。

好ましくは、入力ミラーは、レーザー発振波長で高い反射率を有する凹面鏡である。

好ましくは、出力ミラーは、平面鏡である。

好ましくは、光素子は、カスケード円錐屈折光素子である。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様を参照しながら説明した光素子を有するレーザー用利得媒質が提供される。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様を参照しながら説明した光素子を有する利得媒質を有するレーザーが提供される。

好ましくは、レーザーは、光素子を含むキャビティを備え、この光素子は、キャビティの第１の端部にある入力ミラーと、キャビティの第２の端部に配置された出力ミラーとの間に配置され、このレーザーは、キャビティの第１の端部から励起され、出力ミラーが、光素子を介してビームを位相シフトさせて反射し返す。

任意選択で、ビームを直線偏光させる。典型的な希土類イオンをドープさせた二軸結晶利得媒質を、ＣＲ現象を利用する方向にカットした。

結晶は、３％ＮｄドープＫＧＷで、寸法３×４×１７ｍｍであり、光軸に沿って伝播するようにカットしたものであった。結晶面を１０６７ｎｍおよび８０８ｎｍでＡＲコーティングし、１８℃の水冷式ホルダ内に取り付けた。

本発明の一態様では、本発明は、以下のような特徴をもたらす、円錐屈折利得に基づいた新規な固体バルクレーザーに関する。（ａ）レーザー安定性、および新しい動作規則、（ｂ）サブ回折限界出力、（ｃ）広範囲のキャビティ配列にわたる優れたビーム品質、（ｄ）ポンプパワー密度およびポンプビーム品質に左右されない閾値および性能、（ｅ）熱レンズ効果に左右されないことによる熱管理の簡易性。

用語「光学（ｏｐｔｉｃａｌ）」には、それだけに限られるものではないが、電磁スペクトルの可視、赤外、紫外領域、またはより高い、もしくはより低い他の追加の波長のスペクトル部分の電磁放射を使用する、またはそうした電磁放射で動作するデバイス、素子などが含まれる。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明を単なる例によって説明する。

図１ａ及び図１ｂは、集光ビームにおける単一結晶による円錐屈折の既知の効果を示す図である。 ２結晶カスケード円錐屈折が生じる本発明の実施形態を示す図である。 円錐屈折レーザーの例である本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明による円錐屈折レーザーの性能を示す図である。 本発明による一組のポンプモード直径の例の出力パワー対入射ポンプパワーのグラフある。 本発明によるＣＲレーザーの例のスロープ効率対ポンプモード直径のグラフである。 本発明のさらなる例の出力パワー対入射ポンプパワーのグラフである。 本発明の実施形態で使用する最大キャビティ長対高反射器の曲率半径のグラフである。 本発明による別の組のポンプモード直径の例の出力パワー対入射ポンプパワーのグラフである。 図１０ａ及び１０ｂは、ダイオードレーザー、および円錐屈折レーザーの概略図である。

本発明は、入射ビームに異なる向きの擬ベクトルを印加することによって得られる円錐屈折利得に基づいたレーザーなどの新規な光学システムに関する。本発明は、以下のような特徴をもたらす。（ａ）レーザー安定性、および新しい動作規則、（ｂ）サブ回折限界出力、（ｃ）広範囲のキャビティ配列にわたる優れたビーム品質、（ｄ）ポンプパワー密度およびポンプビーム品質に左右されない閾値および性能、（ｅ）熱レンズ効果に左右されないことによる熱管理の簡易性。

以下の例では、カスケード方式は、図２に示すように、ビームに逆向きの擬ベクトルΛを印加することを含む。逆向きに向けられた１対の結晶を使用し、これらの結晶を正しく配列した例では、興味深い観察が得られ、すなわち、第１の結晶通過後、ロイドリングが見られたが、ビームが両結晶を通過した後は、第１の結晶通過前の最初のガウス型レーザービームと同一のビームプロファイルを有するビームが観察された。

図２は、本発明によるカスケード円錐屈折の実験的な構成を示す。光学システム３１は、レーザー３３、第１のＣＲ結晶３７および第２のＣＲ結晶３３、ならびに光軸に沿って配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）４７を備える。最初のビームプロファイル３５を、ビームがＣＲ３７を透過して伝播した結果得られるロイドリングとともに示す。最終的なビームプロファイル４９もやはり示してある。２つのＣＲ結晶は、実質的に同一の長さを有し、実質的に逆向きの擬ベクトルΛに向けられている。両結晶がカスケード方式で定位置にある場合、第１の結晶通過後、ロイドリング４１が観察されるが、第２の結晶通過後は、ロイドリングが観察されるのではなく、第１の結晶通過前の最初のガウス型ビームと同一のビームプロファイルを有する最終ビーム４９が観察される。このことは、２つのＣＲ結晶間で、環状ビームが、第２の結晶（ＣＲ２）通過後に元のガウス型ビームに変形することを示す直接証拠となる。

本発明のこの例では、長さ２２ｍｍ±２０ｎｍの２つのＣＲＣ３７、４３を、それぞれの擬ベクトルΛが互いに逆向きとなるように取り付けた。ビーム直径１．５ｍｍのコリメータさせた未修正ヘリウムネオンレーザー出力を両結晶に通過させた。第１の結晶はレーザーから１５ｃｍの位置に、第２の結晶はさらに１０ｃｍ離して配置した。レーザーから４０ｃｍの位置には結像光学系を配置せず、ＣＣＤ上でロイドリングを観察することによって、円錐屈折が生じるように各結晶を個々に配列した。両結晶がビーム経路にあるとき、最終出力をＣＣＤに記録し、レーザーからの元のビームプロファイルと比較した。

本発明のこの実施形態では、レーザーを用いてコヒーレントな入射ビームを供給している。他の同様の実施形態では、コヒーレントでない入射ビームを使用してもよい。

さらに、他のＣＲ結晶構成を使用してもよく、例えば、元のビームを再生するために、単一の結晶を、１８０°の位相シフトでその結晶を介して光を反射し返すミラーとともに使用してもよい。２つ以上のＣＲ結晶を用いて、同様の効果を実現することもできる。

図３は、本発明による円錐屈折レーザーの例を示す。レーザーキャビティ５１は、ポンプ５３、レンズ５５、入力ミラー５７、ＣＲ結晶５９、および、出力カプラ６３を備える。ポンプビーム５４が、入力ミラー５７とＣＲ結晶５９との間隔Ｌ６１、および出力ビーム６５とともに示されている。この装置は、レーザー発振波長で高い反射率を有する凹面鏡５７（入力ミラー）と、レーザー発振波長で３％の透過率を有する平面ミラー６３（出力カプラ）とを用いて、活性媒質周辺に形成した（２０℃の水冷式金属ホルダ内に取り付けた）。この装置を、波長８０８ｎｍの非偏光マルチモードファイバ結合ダイオードレーザー（コア径１００μｍ、Ｍ^２＝４０）を、入力ミラーを介して結晶入口面に集光させることによって端面励起させた。

ＨＲは、曲率半径７５ｍｍの凹面高反射器であり、この高反射器を介して活性媒質を１７ｍｍ軸に沿って光学的に励起させた。ＯＣは、レーザー発振波長で透過率３％の平面出力カプラである。この例では、ポンプビーム５４を、結晶５９の入口面に集光させた。Ｌ６１は、ポンプビーム焦点を結晶入口面で維持する間存在することができる。さらに、キャビティを５０ｍｍに設定したまま変更せずに、ポンプモード直径を２３５から１５７０μｍの間で変動させた。レーザーは、連続波でも、パルス波でもよい。

ポンプモード直径を、２レンズ系を用いて変動させた。円錐屈折が確実に生じるように配列するために、まず、Ｈｅ−Ｎｅを用いてＣＣＤにロイドリングが観察されるまでＣＲＣ活性媒質を配列した。次いで、ポンプビームからＣＣＤ上にロイドリングが観察されるまで、ポンプをヘリウムネオンビームと同一直線になるように調整した。レーザーを、閾値を超えて動作させる場合には、レーザー出力もやはりＨｅ−Ｎｅビームと同一直線となるまで、キャビティミラーをさらに調整した。様々なＣＲＣレーザーのビーム品質について、焦点距離６．２ｍｍの非球面レンズを用いて、レーザー出力をコア径６μｍのシングルモードファイバに結合させることによって評価した。

上記の構成について、以下でさらに説明し、例示する。ＣＲ用にカットしたネオジム（Ｎｄ^３＋）ドープＫＧｄ（ＷＯ_４）_２結晶（Ｎｄ：ＫＧＷ）を活性媒質として２ミラーキャビティ（図３）に使用した。波長８０８ｎｍのマルチモードファイバ結合ダイオードレーザーを用い、凹面高反射器を介してレーザーを端面励起させた。平面出力カプラによって、反射した１０６７ｎｍレーザービームにπ位相のシフトが導入される。反射ビームがＣＲＣを通過して返る際に、この位相シフトは、結晶の擬ベクトルの向きをその逆値に変えるのと同じ効果を有する。

最初の実験では、ミラー隔離総距離を５０ｍｍに設定した。８０８ｎｍの入射ポンプパワー５Ｗで、１０６７ｎｍの出力パワー３．３Ｗのレーザーが得られ、入力ポンプパワーのレーザー発振閾値は４００ｍＷであった。Ｎｄ：ＫＧＷにおけるシングルパスポンプ吸収率を測定すると、入射ポンプパワーの９８％となった。出力パワー対入射ポンプパワーの測定値を線形適合させた結果、光対光スロープ効率は７４％となることが分かった（図４）。結晶の量子欠陥は、レーザー発振光子エネルギーに変換されない励起光子エネルギーの比率として定義され、約２４％である。この量子欠陥によって、この利得媒質で達成可能な理論上の最大効率が制限される。したがって、レーザー効率は、出力カプラを透過しない非常に低いキャビティ損失（約０．１％）によってのみ制限されたと推論される。円形対称分布プロファイルを有する単一の直線偏光出力が観察され、Ｍ^２≦１が測定された（図４）。優れたビーム品質を示すさらなる証拠として、本発明者らは、レーザービームの８５％超をフルパワーでシングルモードファイバに結合させることができた。

図４は、ミラー隔離総距離を５０ｍｍから８０ｍｍに変動させた場合の、長さが異なる２つのレーザーキャビティの、出力パワー７５対入射ポンプパワー７３の測定値をプロットした曲線７７および７９それぞれを示すグラフ７１である。ポンプモード直径は、４００μｍに設定した。両構成とも、スロープ効率は７４％である。挿入図は、５０ｍｍキャビティからの最大出力時のレーザー出力８１の３次元プロファイルである。効率および出力ビームプロファイルは、キャビティ長に関わらず一定のままであった。

さらに、図３の結晶と入力ミラーとの間隔Ｌ６１を、ミラー隔離間隔８０ｍｍのキャビティ内で変動させ、結晶入口面が湾曲入力ミラーから約５ｍｍから、キャビティの他方側端部が入力ミラーから約６０ｍｍとなるように変動させた。ポンプ焦点を結晶入口面に維持したまま、レーザーを正しく配列したとすると、出力パワー、およびビームプロファイルに関してレーザー性能に変動は観察されなかった。この挙動は、基本的なガウス型キャビティモードの直径は、キャビティ構成が異なると大きく変動するという確立されたガウス型レーザー理論とは全く対照的である。

ガウス型キャビティモードを仮定した単純な計算では、結晶のモード直径は、キャビティ内部の結晶の位置変更に応じて約１６０μｍから４５０μｍ超まで変動することを示す。これでは、レーザー出力の効率に大きく影響が及ぼされることになり、理論上最大で３７％から７１％まで変動することになる。

図５は、様々なポンプモード直径２３５、４００、８００、１１４０、および１５７０μｍ（参照番号８９、９１、９３、９５、および９７でそれぞれ示す）の入射ポンプパワー８５対出力ポンプパワー８７のグラフ８３である。ポンプモード直径２３５および４００μｍの両方で最良の性能が得られ、スロープ効率は約７４％であった。図６は、ポンプモード直径１０３対スロープ効率１０５をプロットしたグラフ１０１である。ＣＲレーザー１０７の値に関して、理論上の最大効率１０９、およびガウス型最大効率１１１をプロットしている。ポンプ直径が４００μｍを超えて増大するにつれて、効率は、線形に近い形で低減している。全てのケースにおいて、レーザー効率は、理論上のガウス型最大効率１１１を超えていることは明白である。レーザーのビーム品質を評価したところ、全てのケースで、測定値Ｍ^２≦１が観察された。

これらの結果は、ＣＲ用にカットされたＮｄ：ＫＧＷと同一寸法の通常のＮｄ：ＫＧＷ結晶を用いて実現されたものであり、上記観察と一致する。この従来のレーザーからは、レーザーを十分最適化した場合、良好なビーム品質を維持しながら最大出力パワー８００ｍＷが実現された。この出力パワーレベルを上回ると、ビーム品質は急速に劣化した。これは、キャビティ構成に関わらず、一定のスロープ効率および優れたビーム品質が得られたＣＲＬの本発明者らの観察とは対照的である。

レーザーの理論上の最大スロープ効率η_ｓは、
によって決まり、式中、η_ｐはポンプ効率、η_ｃはキャビティ効率、η_ｔは横効率（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、η_ｑは量子効率である。ポンプパワーを結晶前面で測定したところ、シングルパス吸収率９８％であり、したがってη_ｐ＝０．９８であった。Ｎｄ：ＫＧＷを用いて実現できる最大量子効率は、η_ｑ＝０．７５７であった。キャビティ効率（η_ｃ）は、出力パワーに寄与しないキャビティ損失、例えば、散乱損失および結晶欠陥によって低減する。こうした損失は、モード面積が増大するにつれて増大する（図６、参照番号１０９）。観察された効率は、こうした損失、および最大量子効率によってのみ制限されることは明白である。ポンプモードとレーザーモード間の不整合の測定値である横効率は、ガウス型レーザーでは最も重要となるものである。しかし、ＣＲＬの場合には、η_ｔは、実験で観察されたスロープ効率が物理的に可能となるには同じ単位（ｅｑｕａｌ ｕｎｉｔｙ）でなければならないので、ＣＲＬの場合、横効率には左右されない。したがって、ＣＲレーザーモードは、ポンプビームモード、およびキャビティモードに対して自己整合であり、したがってＣＲＬの動作を決定する規則は異なる。

図７および８に、ガウス型キャビティの安定限界を超えて動作させることができ、かつ優れたビーム品質を生じることができる単純な２ミラーキャビティ構成におけるダイオード励起円錐屈折Ｎｄ：ＫＧＷレーザーの結果を示す。このレーザーの動作が安定する最大キャビティ長を予測する単純なキャビティ設計規則を示し、また、出力のビーム品質の分析も示す。

この結晶は、３％Ｎｄ−ＫＧＷで、寸法３×４×１７ｍｍであり、光軸に沿って伝播するようにカットしたものであった。結晶面を１０６７ｎｍおよび８０８ｎｍでＡＲコーティングし、１８℃の水冷式ホルダ内に取り付けた。この結晶を、８０８ｎｍのマルチモードファイバ結合ダイオードレーザーによって、凹面高反射器を介して端面励起させた。ポンプを、モード直径２００μｍで結晶入口面に集光させた。ポンプビームは、円形対称で、Ｍ^２が約４０であった。Ｎｄ：ＫＧＷ内部のポンプビームの共焦点パラメータは、約２ｍｍとなるように計算した。このレーザーキャビティは、凹面高反射器と、透過率３％の平面出力カプラとを用いて形成した。曲率半径Ｒ＝３８、５０、７５、および１００ｍｍの異なる凹面高反射器を使用した。いずれの場合も、高反射器と、結晶入口面との間隔は、Ｒ／４となるように設定した。ほぼ円形対称のガウス型プロファイルを有するＭ^２＜１．０５の単一の出力が観察された。ビーム品質はキャビティ長に左右されることなく、安定構成および不安定構成のどちらにおいても、出力パワーを犠牲にすることなく優れたビーム品質を実現することができた。

図７は、安定キャビティ１１９、および凹面高反射器の曲率半径が７５ｍｍの安定境界付近のキャビティ１２１の両方の、出力パワー１１７対入射ポンプパワー１１５の組合せを示すグラフ１１３である。安定共振器の場合では、ミラー隔離総距離は４７ｍｍであり、一方、安定境界付近のキャビティの場合では、ミラー隔離距離は７９ｍｍであった。出力特性は、どちらの場合もほぼ同一であり、スロープ効率はそれぞれ４５％および４６％であったことが分かる。この比較的低いスロープ効率は、現時点で利用可能な出力カプラの透過性が低いためである。

図８は、最大キャビティ長対曲率半径１２５をプロットしたグラフ１２３である。この図は、従来のガウス型安定限界を超えて動作したレーザーの出力パワーおよびビーム品質が改善されていることを示す。

本発明の別の実施形態を、図９を参照しながら述べる。図７および８を参照しながら説明した例と同様に、結晶は３％ＮｄドープＫＧＷで、寸法３×４×１７ｍｍであり、光軸に沿って伝播するようにカットしたものであった。結晶面を１０６７ｎｍおよび８０８ｎｍでＡＲコーティングし、１８℃の水冷式ホルダ内に取り付けた。この結晶を、８０８ｎｍのマルチモードファイバ結合ダイオードレーザーによって、曲率半径７５ｍｍの凹面高反射器を介して端面励起させた。３％の平面出力カプラで、第２のキャビティミラーを形成した。ミラー隔離距離を４７ｍｍで固定し、湾曲高反射器から結晶入口面までの間隔を１８ｍｍに設定した。結晶入口面に集光させるポンプを、モード直径１００、２００、３００、および４００μｍに変動させた。ポンプビームは、円形対称、かつ大幅にマルチモード化させた（Ｍ^２＞４０）。図９は、ポンプモード直径２００、３００、１００、および４００ミクロン（それぞれ曲線１３９、１４１、１４３、および１４５）での出力パワー１３７対入射ポンプパワー１３５を示す。全てのケースにおいて、出力ビームは、Ｍ^２＜１．０５の円形対称ガウス型プロファイルを有するように特徴付けられた。全てのケースにおいて、出力特性はほぼ同一であり、スロープ効率は、ポンプスポット寸法の増大に伴って４０から４８％まで増大したことが分かる。この比較的低いスロープ効率は、現時点で利用可能な出力カプラの透過性が低いためである。注目すべきことに、閾値はポンプ直径とはほぼ無関係であった。このことは、あらゆるレーザー間で基本的なガウス型キャビティモードは変動しないままであるので、閾値はポンプ寸法に強く依存するはずであるという確立されたダイオード端面励起固体レーザー理論とは全く対照的である。

円錐屈折素子活性媒質に基づいたレーザーによって、モード整合、熱管理、およびポンプビーム品質における要件に関して、共振器設計に簡易性、および融通性が得られる。上記結果は、端面励起固体バルクレーザーのパワーおよび輝度封止（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｓｅａｌｉｎｇ）への代替ルートを開くものである。

上記は、カスケード円錐屈折特有のケースを示すものであり、このケースは提示のＣＲレーザーの基礎を成す。特に、円錐屈折はこれまで、「興味をそそる光現象に過ぎず、その応用は考えられない」とされてきたため、上記観察は、フォトニクス分野で極めて重要なものである。

以下は、本発明によるデバイスの使用例である。

バイオフォトニクス（Ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）
レーザーのバイオフォトニクスへの応用は最適化されていないと広く認識されており、最適なレーザータイプを考慮せず、利用可能な光源を単に使用して応用されている。このことはまた、レーザー顕微解剖についても言える。３Ｄ顕微解剖および電顕外科に求められる一要件は、１×１０６Ｗよりも高いピークパワーがサブピコ秒持続する超短パルスである。また、このパワー範囲では、ファイバレーザーでは損傷閾値を超えてしまうことが知られている。このパワーレベルは、追加の増幅を行わないコンパクトな構成では実現することができない。しかし、円錐屈折レーザーは、かかるパラメータを非常にコンパクトな構成で生成する能力を有し得る。

光ピンセット（Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｉｎｇ）
本発明はまた、光ピンセット用の低コスト高パワーＣＷレーザーシステムとして使用することができる。

新たなレーザー源
ＤＰＳＳ（ダイオード励起固体）バルクレーザーの利得媒質としてのＣＲ素子。
典型的な希土類イオンをドープした二軸結晶利得媒質を、ＣＲ現象を利用する方向にカットしたものに基づいたレーザーによって、非常に広いスペクトル範囲をカバーすることが可能な新世代の超効率自己整合型ＤＰＳＳバルクレーザーが得られる。

こうしたレーザーの効率は、基本的な実現可能最大量子効率限界（図６）によってのみ限定されることが実証されてきている。したがって、ＣＲレーザー源の構築によって、より高効率、高パワー、より優れたビーム品質、より高い信頼性、および保守低減を実現することができる。設計および製造の小型化、簡易化の結果、現在市場で入手可能な同等性能のレーザーに比べて低コスト化が可能となる。

以下の表に、ＣＲレーザー、および既存技術の性能の比較を示す。

高ピークパワーレーザーの最新の業界技術は、現時点では、回折品質がほぼ限られた２５ｋＷ薄型ディスクレーザーである。ファイバでは高強度によってピークパワーが制限されるので、高いピークパワーを得るには、ファイバよりもディスク概念の方がより適している。しかし、最新の業界技術では、既存の最良のビーム品質としてファイバもやはり使用することになろう。ＣＲレーザーによって、パワーおよび品質においてこれらの最新技術性能の両レベルを組み合わせる可能性が得られ、一方で、コスト、効率、保守性、および信頼性に関してはダイオードに比肩するものである。

レーザー効率における新たな最新技術
ＣＲ発振器の効率は、際立っている。市販の高パワーディスクレーザーおよびファイバレーザーでは、今日、１０〜１５％の電力変換効率が示されている。非常に優れたビーム品質が生成されること、およびＣＲ生成ビームの非ガウス的な振舞いをおそらくは関連付けると、ＣＲレーザーは、遙かに高い効率に達する可能性を有する。

本発明による単純な２ミラーキャビティにおける超高効率のＮｄ：ＫＧＷレーザーによって、マルチモードダイオード光源からの近赤外の低品質ビーム（Ｍ２約４０）によるわずか５Ｗの入射ポンプパワーで、１ミクロンスペクトル領域で出力パワー３．４Ｗを生じることができる。結果として得られるこのレーザーの光対光効率は、約７０％（スロープ効率７４％）であった。さらに、レーザー効率は、結晶の量子欠陥加熱によってしか制限されず、これは、Ｎｄドープ結晶に基本的な制限である。ポンプ源のビームが低品質であったにも関わらず、レーザー出力は最高品質（Ｍ２約１）のものとなることが実証された。また、レーザー出力をシングルモードファイバに結合する結合効率も８５％を達成することができた。

量子欠陥が低レベルのＣＲ結晶（Ｙｂドープ結晶など）を用いると、既存の最新技術による効率の少なくとも２倍の効率が実現されることが予測される。

新たな最新技術固体レーザーにおける簡易性、小型性、およびコスト
図１０ａおよび１０ｂに、ＣＲレーザーが複雑でないこと、およびビーム品質の改善を示す。このことによって、より迅速な製造、よりコンパクトなデバイスが大幅に低いコストで得られることにつながることが期待される。

ａ）１ミクロンでＣＷ高パワー高輝度動作する典型的な固体バルクレーザー１４７（Ｎｄ：ＹＡＧに基づく）の簡略概略図。この共振器は、４つのミラー（３つの高反射器ＨＲ１５１、およびＯ／Ｐカプラ１５３）からなり、活性媒質１５５を２つのダイオードバーによって両端面から励起させて、低品質のポンプ源ビームを補償している。材料の熱負荷によって、輝度スケーリングがさらに制限される。ポンプビームのビーム品質を改善するいかなる試み、例えばファイババルク複合方式によっても、構成がさらに複雑になる。

ｂ）ＣＷ高パワー高輝度動作するＣＲ結晶技術に基づいた固体バルクレーザー（Ｎｄ：ＫＧＷに基づく）の典型図。共振器は、２つのミラー（１つの高反射器ＨＲ１５９、および３％Ｏ／Ｐカプラ１６５）だけからなり、活性媒質１６３は、ただ１つのダイオードバー１６１によって励起されている。この場合、ポンプビーム品質に関わらず均一な励起を実現することができるので、温度管理は問題とならず、これは全てＣＲ結晶技術のおかげである。

光操作性
ＣＲ素子通過後に出現する特有の円錐形ビームを、非常に特殊な特性を有する光ピンセットとして使用することができる。ドーナツ形ビーム断面を用いて対象物を取り囲み、それらの環境内で個々に動かすことが可能となるため、既存の技術で見られる困難な単一細胞ソーティングを解決することができる。

本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書に改良形態および改変形態を組み込むことができる。

Claims (20)

1. 入力ビームを光軸に沿って投射する入力光源と光素子とを備える光学システムであって、
   前記入力ビームがガウス型ビームのプロファイルを持ち、
   前記光素子は、前記入力ビームから円錐屈折ビームを生成するように構成された第１の円錐屈折素子を備え、
   前記光素子は、前記円錐屈折ビームに位相シフトを印加するように構成された復元光素子を備え、
   前記光素子は、前記入力ビームからの前記円錐屈折ビームが前記復元光素子を用いて復元されるように配置され、それにより復元された復元ビームが前記入力ビームと実質的に同一のガウス型ビームのプロファイルを持つ、光学システム。
2. 前記第１の円錐屈折素子が、第１の擬ベクトルを印加することによって円錐屈折ビームを生成するように構成され、前記復元光素子が、前記円錐屈折ビームに逆向きの第２の擬ベクトルを印加することによって前記入力ビームを復元するように構成される、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記第２の擬ベクトルが、前記第１の擬ベクトルとは実質的に逆向きである、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記第２の擬ベクトルが、複数の擬ベクトルを含み、それらの向きの総計によって前記位相シフトを与える、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記第１の素子が、入力ビームが透過して前記円錐屈折ビームを生成する所定の光路長を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学システム。
6. 前記復元光素子が、前記円錐屈折ビームが透過して前記復元ビーム生成する所定の光路長を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学システム。
7. 前記復元光素子が、第２の円錐屈折素子である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学システム。
8. 前記復元光素子が、前記円錐屈折ビームの光経路に沿って配置された１つまたは複数の追加の円錐屈折素子を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学システム。
9. 前記復元素子が、反射器を備え、前記反射器が、前記第１の円錐屈折素子を介して前記円錐屈折ビームを反射し返し、それによって前記円錐屈折ビームに位相シフトを印加し、前記入力ビームを復元する、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学システム。
10. 前記第１の円錐屈折素子及び前記復元光素子を介して位相シフトが印加される前記経路長が実質的に同一である、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学システム。
11. 前記位相シフトが、１８０°である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学システム。
12. 前記光源が、コヒーレント源ビームを供給する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学システム。
13. 前記光源が、非コヒーレントビームを供給する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学システム。
14. 前記ビームが、偏光されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学システム。
15. 前記ビームが、円形偏光されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学システム。
16. 前記第１の円錐屈折素子が、円錐屈折が可能となる方向にカットした希土類イオンドープ二軸結晶を備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学システム。
17. 前記結晶が、ネオジムがドープされたカリウムガドリニウムタングステン酸塩結晶である、請求項１６に記載の光学システム。
18. ガウス型ビームのプロファイルを持つ入力ビームから円錐屈折ビームを生成するように構成された第１の円錐屈折素子、及び
    反射器、第２の円錐屈折素子、又は反射器と第２の円錐屈折素子の組み合わせのいずれか一つを備える復元光素子を備えるレーザー用利得媒質であって、
    前記復元光素子は、前記円錐屈折ビームに位相シフトを印加して前記円錐屈折ビームを復元するように配置され、それにより復元された復元ビームが前記入力ビームと実質的に同一のガウス型ビームのプロファイルを持つ、利得媒質。
19. ガウス型ビームのプロファイルを持つ入力ビームから円錐屈折ビームを生成するように構成された第１の円錐屈折素子、及び
    反射器、第２の円錐屈折素子、又は反射器と第２の円錐屈折素子の組み合わせのいずれか一つを備える復元光素子を備え、
    前記復元光素子は、前記円錐屈折ビームに位相シフトを印加して前記円錐屈折ビームを復元するように配置され、それにより復元された復元ビームが前記入力ビームと実質的に同一のガウス型ビームのプロファイルを持つ利得媒質を有するレーザー。
20. 前記レーザーがキャビティを備え、当該キャビティは、前記キャビティの第１の端部にある入力ミラーと、前記キャビティの第２の端部に配置された出力ミラーとの間に配置される光学素子を備え、前記レーザーが、前記キャビティの前記第１の端部から励起され、前記出力ミラーが、前記光素子を介して前記ビームを位相シフトを付加して反射し返す、請求項１９に記載のレーザー。