JPH02202079A

JPH02202079A - レーザ装置

Info

Publication number: JPH02202079A
Application number: JP2219989A
Authority: JP
Inventors: Hideki Koyama; 英樹小山; Takayasu Mochizuki; 孝晏望月
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1990-08-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、励起されたレーザ媒体から射出された基本波
レーザ光を波長変換して該基本波レーザ光とは周波数の
異なった波長変換レーザ光を得るレーザ装置に関するも
のである。

［従来の技術］従来より、励起されたレーザ媒体から射出された基本波
レーザ光を波長変換して該基本波レーザ光とは周波数の
異なった波長変換レーザ光を得るレーザ装置として、第
２図に示す装置が知られている（例えば、特開昭６２−
１８９７８３号公報参照）。

この第２図において、符号１はレーザ媒体であり、この
レーザ媒体１の励起光供給側の端面（図の左端面）には
、一部反射膜１ａが形成されている。この一部反射膜１
ａは、図示しない半導体レーザ装置から射出される励起
光２は透過するが、この励起光２によって励起されて生
じた基本波レーザ光たる共振光線３および波長変換レー
ザ光６は全反射する性質のものである。

また、このレーザ媒体ｌの共振光線射出側の端面（図の
右端面）は、凸状球面に形成されており、前記レーザ媒
体１内から射出される共振光線３を集束光線にして発振
効率の向上等を図るように構成されている。

前記レーザ媒体ｌの共振光線射出側の先方には、一部透
過鏡４が配置されている。この一部透過鏡４は、レーザ
媒体１に面した反射面４ａが凹状球面をなしており、こ
の透過鏡４における反射面４ａと前記レーザ媒体ｌにお
ける一部反射膜１ａとによってレーザ共振光路が構成さ
れている。

さらに、前記レーザ媒体１と一部透過鏡４との間には、
前記レーザ媒体ｌによって生じた基本波レーザ光が入射
すると波長変換レーザ光を含む光を射出する非線形結晶
５が配置されている。

前記非線形結晶５は、該結晶５に基本波レーザ光が入射
したとき、この基本波レーザ光の一部を波長変換して該
基本波レーザ光の周波数の整数倍の周波数を有する波長
変換レーザ光（高調波）６にする。

また、基本波レーザ光に例えば周波数ω１、ω。

を有する直線偏光が含まれるときは、これらの光の一部
を各々の周波数の和もしくは差（ω１±ω、）の周波数
を有する光に波長変換するものである。

具体的には、例えば、ω１、ω、が同一の周波数とする
と、これらの２倍の周波数を有する第２高調波を得るも
のである。

一般に、非線形結晶を用いて基本波レーザ光から波長変
換レーザ光を得る場合、その変換効率は該非線形結晶に
入射する二つの直線偏光（周波数ω１．ω、）の各々の
パワー密度の積に比例する。

したがって、第２図に示したレーザ装置のように、非線
形結晶５をレーザ共振光路中に配置すれば、共振光路内
のパワー密度の大きなレーザ光を基本波レーザ光として
利用することができるため、効率良く波長変換レーザ光
を得ることができる。

ところで、前記第２高調彼等の波長変換レーザ光を得る
には位相整合をとることが必要である。

この位相整合は、ω１の波数ベクトルとω、の波数ベク
トルとの和と、（ω１＋ω、）の波数ベクトルとの差を
ゼロにすることである。

前記非線形結晶５として用いられる結晶には、この位相
整合をとる方式が異なる以下の２つのタイプの結晶があ
る。

■タイプＩ同一の偏波面を持つω１．ω、の周波数の直線偏光を結
晶軸に対して所定の角度をなす方向から入射させ、これ
らの直線偏光を結晶内において分離することなく波長変
換するようにしたタイプ。

■タイプ■ 互いに異なる偏波面を持つω１．ω、の周波数の直線偏
光を結晶軸に対して前記タイプＩの場合と異なる所定の
角度をなす方向から入射させ、これらの直線偏光が結晶
内において互いに分離されて生じた２本の直線偏光同士
が重なる部分で波長変換させるようにしたタイプ。

前記第２図に示したレーザ装置は、非線形結晶５として
タイプＩの結晶を用いたもので、このようにタイプＩの
結晶を用いたものでは、レーザ共振光路の方向に長い非
線形結晶を用いることによって波長変換効率を高めるこ
とができる。

また、前記レーザ媒体１で生じた基本波レーザ光が前記
レーザ媒体ｌの凸状球面１ｂによって集束されて前記非
線形結晶５に入射するので、前記非線形結晶５内の基本
波レーザ光のパワー密度を高くすることができ、これに
よって、該結晶５内での波長変換効率を高めることがで
きる。

また、前記一部透過鏡４の反射面４ａを凹面状にしてい
ることから、モードの安定したレーザ共振光路が得られ
、一部透過鏡４の図中右方に、モードの安定した波長変
換レーザ光６を期待した効率で取り出すことができる。

ところで、前述のタイプＩの結晶とタイプ■の結晶とは
、波長変換効率に大きな差がある場合がある。

例えば、非線形結晶が比較的に変換効率の高い結晶であ
るＫＴＰ　（ＫＴ　ｉ　ＯＰＯ，）であった場合、タイ
プ■における変換効率はタイプＩにおける変換効率の約
５０倍という値を示す。

したがって、波長変換レーザ光を高い効率で得ようとす
るためには、タイプ■の結晶が用いられることも多い。

しかもこのような場合、タイプ■の結晶の特徴を活かし
てできるだけ高い変換効率を確保するとともに、モード
の安定した波長変換レーザ光を得ることが望まれる。

［発明が解決しようとする課題］ところが、例えば、第２図に示したレーザ装置において
、非線形結晶５にタイプ■の結晶を使用すると、期待し
た高い波長変換効率を得ることができないという問題が
あった。

この問題は、その原因の一つとして、タイプＨの結晶の
場合では、非線形結晶全体を波長変換に有効に働かせる
ことができないことが挙げられる。

第３図に示すように、タイプＨの結晶の場合は、入射す
る基本波レーザ光３が非線形結晶５内で直線偏光３ａと
直線偏光３ｂとに分離する。そして、直線偏光３ａと直
線偏光３ｂとの重なった部分（図に斜線で示した部分）
から波長変換レーザ光が得られるのであるが、この重な
る部分は、直線偏光３ａ、３ｂ相互のなす角度と直線偏
光３ａ、３ｂのビーム径によって決定され、結晶５の長
さ寸法自体には無関係であるため、結晶の長さを大きく
設定しても波長変換効率を高めることはできない。

また、前記タイプ■の結晶を用いたときに期待された波
長変換効率が得られないもう一つの理由としては、モー
ドの安定したレーザ共振光路を形成することができない
という点が挙げられる。

これは、前記タイプ■の非線形結晶５においては、入射
する基本波レーザ光３が該結晶５内において直線偏光３
ａと直線偏光３ｂとに分離されるが、第４図に示すよう
に、分離されたレーザ光３ａ、３ｂが一部透過鏡４にお
ける凹状球面の反射面４ａによって各々異なる方向に反
射してしまうことに起因している。

そこで、タイプ■の非線形結晶を用いてモードの安定し
たレーザ共振光路を形成することができる光学系として
、第５図または第６図に示すものが検討された。

第５図に示す光学系は、レーザ光が分離される側に位置
したレーザ媒体１の反射面を平面にしたものである。

第６図に示す光学系は、一部透過鏡４の反射面４ａを平
坦にしたものである。

ところが、第５図の装置では、基本波レーザ光たる共振
光線を効率良く非線形結晶５内に集束させることができ
ず、結局はタイプＨの特性を活かすことができなくて、
高い波長変換効率を得ることができないという問題があ
った。

また、第６図の装置では、共振光線３のビームウェスト
（＜びれ）の位置が図のＰ点に位置してしまうため、や
はり十分に結晶５内で集束させることかできず、第５図
の場合と同様に、結局はタイプＨの特性を活かしきれず
、高い波長変換効率を得ることができないという問題が
あった。

本発明は前述の背景のもとになされたものであり、タイ
プＨの非線形結晶を用いるにもかかわらず、モードの安
定した共振光路を得ることができ、しかも、非線形結晶
内にレーザ光を集束させることも可能で、結晶内におけ
る波長変換レーザ光の発生領域を増加させることができ
て、従って、モードの安定した波長変換レーザ光をより
一層高い効率で得ることのできるレーザ装置を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明に係るレーザ装置は、励起されたレーザ媒体から
射出された基本波レーザ光を、該基本波レーザ光の共振
光路中に設けた非線形結晶によって波長変換して、前記
基本波レーザ光とは周波数の異なった波長変換レーザ光
を得るもので、前記非線形結晶としては、いわゆるタイ
プ■の結晶を使用するものであるが、前述の目的を達成
する−ことから、前記非線形結晶の利用の仕方に工夫を
凝らしている。

即ち、波長変換のために共振光路に設ける非線形結晶は
、単独では使用せず、対をなす非線形結晶によって非線
形結晶対を構成して使用する。

そして、対をなす非線形結晶相互は、前記共振光路中に
直列に配置して、一方の結晶で分離された直線偏光を他
方の結晶内で再び結合する構成としている。

［作用］本発明に係るレーザ装置では、タイプ■の非線形結晶を
対にして使用しており、しかも互いに対をなす非線形結
晶相互は共振光路中に直列に配置して、一方の非線形結
晶で分離された直線偏光を、他方の非線形結晶内で再び
結合する構成としたため、非線形結晶によって二つの直
線偏光に分離する現象が一対の非線形結晶間に制限され
る。

そのため、二つの直線偏光に分離することによるモード
の乱れを防止することができるとともに、レーザ媒体に
光を集束させる手段を設けて非線形結晶内で集束させる
ことも可能で、集束によるパワー密度の向上を図って、
−層波長変換効率を高めることもできる。

また、非線形結晶を対にして使っており、波長変換に拘
る部分、即ち、分離した直線偏光相互の重なる部分が、
対をなす非線形結晶のそれぞれに得られるため、その分
、波長変換効率を増倍させることもできる。

したがって、タイプ■の非線形結晶の本来の特性をより
十分に活かして、モードの安定した波長変換レーザ光を
より一層高い効率で得ることができる。

［実施例コ第１図および第７図は本発明に係るレーザ装置の第１実
施例を示したもので、第１図は縦断面図、第７図は横断
面図である。

このレーザ装置は、レーザ媒体ｌｌ、一部透過鏡１２、
非線形結晶対１３などを具備してなる。

前記レーザ媒体１１は、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザロッド
であり、励起光１５として波長８０８ｎｍのレーザ光（
半導体レーザ装置等によって与えられる）の照射を受け
ると、波長１．０６μｍの基本波レーザ光を生ずるもの
である。このレーザ媒体１１の励起光供給側の端面（図
中の左端面）には、一部反射膜１１ａが形成されている
。

この一部反射膜１１ａは、図示しない半導体レーザ装置
から射出された励起光１５（波長：８０８ｎｍ）は透過
するが、レーザ媒体１１内で生じた基本波レーザ光１６
（いわゆる共振光線で、波長が１．０６μｍのもの）及
び第２高調波１７（いわゆる波長変換レーザ光で、波長
が５３２０ｍのもの）は全反射する性質のものである。

また、前記レーザ媒体１１は、共振光線射出側の端面（
図中の右端面）ｌｌｂが、平面に形成されている。

前記一部透過鏡１２は、前記レーザ媒体１１の共振光線
射出側の先方に配置されている。この−部反射鏡１２は
、レーザ媒体１１に面した反射面１２ａが凹状球面をな
しており、この一部透過鏡１２における反射面１２ａと
前記レーザ媒体１１における一部反射膜１１ａとによっ
て、基本波レーザ光に対するレーザ共振光路が構成され
ている。

この一部透過鏡１２の反射面１２ａは、曲率半径が１０
０ｍｍに設定されている。

前記非線形結晶対１３は、前記レーザ媒体１１から射出
された基本波レーザ光（以下、基本波または共振光路と
呼ぶ）１６が入射すると、基本波１６の一部を波長変換
して、波長変換レーザ光（第２高調波）１７を含む光を
射出するもので、前記レーザ媒体１１と一部透過鏡１２
との間に配置されている。

この非線形結晶対１３は、互いに対をなす一対の非線形
結晶１３ａ、１３ｂによって形成されている。

非線形結晶ｔａａ、１３ｂは、それぞれ前述のタイプ■
のＫＴＰ結晶で、長さ寸法りが同一にされている（Ｌ＝
５ｍｍ）。

また、これらの結晶１３ａ、１３ｂは、共振光線１６が
これらの結晶１３ａ、１３ｂの結晶軸に対してφ−２６
°　θ＝９０°　（ただし、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ
軸を結晶軸としたとき、入射光とＺ軸とのなす角度をθ
、入射光のＸＹ平面への投影像がＸ軸となす角度をφと
する）の角度をなす方向から入・出射するように、その
人・出射面が形成されているものである。

それゆえ、第１図における紙面に平行な面内において、
基本波たる共振光線１６を直線偏光１６ａと直線偏光１
６ｂとに分離する。

分離された直線偏光１６ａと直線偏光１６ｂとはほぼ同
一のビーム径となり、互いのビームの間隔は約９０μｍ
となる。

また、非線形結晶ｔａａ、１３ｂ相互の関係について説
明すると次のようである。

結晶１３ａ、１３ｂ相互は、一方の結晶によって分離さ
れた直線偏光１６ａ、１６ｂが他方の結晶によって再び
結合されるように、互いの結晶軸の方向設定等に工夫を
凝らして対向配置させである。

さらに具体的に説明すると、これらの結晶１３ａ、１３
ｂ相互は、共振光路上に直列配置されており、互いに対
向する面（互いに平行な関係にある）におけるビームの
分離幅がほぼ等しく、しかも、一方の結晶において分離
した２本のビームを含む面と、他方の結晶において分離
した２本のビームを含む面とは、互いに同一平面上に位
置している。

このような配置は、具体的には、次のような手順で決定
することができる。

まず、共振光路上に結晶１３ａ、１３ｂのそれぞれを直
列配置し、そして一方の結晶の位置を固定しておいて、
共振光路を軸として他方の結晶を回転させる。そして、
この回転に応じたモードの安定性の変化やパワーの変化
を観察し、パワーが最大になり、しかもモードの安定し
た位置で他方の結晶の回転を止め、それを双方の最適の
位置関係とする。

この第１実施例の装置によれば、前記一部透過鏡１２の
図中（第１図もしくは第７図）の右方に第２高調波（波
長：５３２ｎｍ）を含む波長変換レーザ光１７を得るこ
とができる。

この場合に、波長変換に拘わる非線形結晶対１３は、一
方の非線形結晶で分離された直線偏光を、他方の非線形
結晶内で再び結合する構成としたため、非線形結晶を利
用した場合の分離によるモードの乱れを防止することが
できて、モードの安定した共振光路を得ることができる
。

また、前記非線形結晶１３ａ、１３ｂの双方に直線偏光
１６ａ、１６ｂの重なり部分１８ａ、１８ｂが形成され
、これらの重なり部分１８ａ、１８ｂの双方から波長変
換レーザ１７が発生することになる。

そのため、例えば、前述の結晶１３ａと同じ人・出射面
を有しかつ長さが２倍の単一の非線形結晶によって波長
変換を行う場合と比較して、波長変換効率が２倍に増大
し、タイプ■の非線形結晶の本来の特性をより十分に活
かして、モードの安定した波長変換レーザ光をより一層
高い効率で得ることができる。

また、非線形結晶によって二つの直線偏光に分離する現
象が一対の非線形結晶間に制限されることから、レーザ
媒体に光を集束させる手段を設けて非線形結晶内で集束
させることも可能で、集束によるパワー密度の向上を図
って、−層波長変換効率を高めることもできる。

非線形結晶内で集束させる例を、以下に示す。

第８図および第９図は、本発明に係るレーザ装置の第２
実施例を示したもので、第８図は該装置の縦断面図、第
９図は同横断面図である。

この実施例は、前述の第１実施例におけるレーザ媒体１
１の代わりに、新規構成のレーザ媒体２１を導入したも
のである。

このレーザ媒体２１は、非線形結晶対１３側に面した端
面２１ｂを凸状球面に形成したもので、この凸状球面の
曲率半径は５ｍｍに設定されている。

このようなレーザ媒体２１を導入すると、該レーザ媒体
２【内から射出される基本波１６を、凸状球面である端
面２１ｂによって集束光線にして、非線形結晶対１３内
に入射させることができ、前述の第１実施例と比較して
、共振光線１６のパワー密度をより高くすることができ
、基本波の励起効率を高めるとともに、第２高調波変換
効率をより一層高くすることができる。

第１０図および第１１図は、本発明に係るレーザ装置の
第３実施例を示したもので、第１０図は第３実施例の縦
断面図、第２図は同横断面図である。

この実施例は、前述の第１実施例における非線形結晶対
１３の代わりに、新規構成の非線形結晶対３３を導入し
たものである。

そして、この非線形結晶対３３は、前述の第１実施例に
おける非線形結晶１３ａの代わりに、新規構成の非線形
結晶３３ａを導入したものである。

この非線形結晶３３ａは、前記非線形結晶１３ａにおけ
るレーザ媒体ｌｌ側の端面（第１図における左端面）の
形状を凸状球面に改良したもので、その他は、結晶１３
ａと同じである。

この非線形結晶３３ａにおける凸状球面３４は、集光機
能を持ち、前述の第２実施例の場合と同様に共振光線１
６のパワー密度を高めることができ、もって、基本波の
励起効率を高めるとともに、第２高調波変換効率をより
一層高くすることができる。

なお、以上の各実施例では、半導体レーザによる端面励
起の場合を掲げたが、本発明はこれらに限られるもので
はなく、半導体レーザ以外による端面励起、あるいは、
端面励起以外の、例えば、フラッシュランプによる側面
励起にも適用することができる。

また、レーザ媒体としては、Ｎｄ　：　ＹＡＧに限られ
るものではなく、他のレーザ媒体、例えば、Ｎｄ：ＹＬ
Ｆ、Ｎｄ：ＢＥＬ、Ｎｄ：Ｃｒ：ＧＳＧＧ、Ｎｄ　　：
ＹＡＬＯ，Ｅｒ　　：ＹＡＧＳ　Ｅｒ　　：ＹＬＦ、Ｅ
　ｒ　　：　ＹＳＧＧ、Ｅ　ｒ　　：　　ＹＡＬＯ，Ｈ
ｏ　　：ＹＡＧ、Ｈｏ　：　ＹＬＦ、Ｎｄ　ニガラス、
Ｅｒニガラス等でも良く、さらにはガスレーザでも良い
。

さらに、波長変換効率を高める、あるいは出力安定性を
良くする目的で、共振光路内にブリュースター板、４分
の１波長板、エタロン仮、Ｑスイッチ素子等を配置して
も良く、さらにはレーザ媒体に応力を加えるなどして、
基本波の偏向を制御しても良い。

また、非線形結晶もＫＴＰに限られるものではなく、タ
イプ■のβ−ＢａＢ、Ｏ，や、タイプ■のＫＮｂＯ，、
ＫＤＰＳＵｒｅａ等でも良い。

ただし、この場合、基本波レーザ光および波長変換レー
ザ光に対して透明でかつ位相整合がとれる結晶でなけれ
ばならない。

また、以上の各実施例では、非線形結晶対として同じ結
晶を２個用いる場合を例に掲げたが、本発明はこれに限
られるものではな（、タイプ■のＫＴＰとタイプ■のβ
−ＢａＢ、Ｏ，など、異なる結晶の組み合わせでも良い
。

ただし、その場合、分離した二つの直線偏向の間隔が両
方の結晶において等しくなるように長さの決めれた結晶
でなければならない。

さらに、共振光路中に設ける非線形結晶対は、前述の実
施例ではいずれも一つであったが、これに限るものでは
なく、要求される変換効率等の条件によっては、複数に
しても良い。

さらに、直列配置した１組の非線形結晶の間隙は必ずし
も設けな（でも良く、当接させることも可能である。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明に係るレーザ装
置では、タイプＨの非線形結晶を対にして使用しており
、しかも互いに対をなす非線形結晶相互は共振光路中に
直列に配置して、一方の非線形結晶で分離された直線偏
光を、他方の非線形結晶内で再び結合する構成としたた
め、非線形結晶によって二つの直線偏光に分離する現象
が一対の非線形結晶間に制限される。

そのため、二つの直線偏光に分離することによるモード
の乱れを防止することができるとともに、レーザ媒体に
光を集束させる手段を設けて非線形結晶内で集束させる
ことも可能で、集束によるパワー密度の向上を図って、
−周波長変換効率を高めることもできる。

したがって、タイプＨの非線形結晶の本来の特性をより
十分に活かして、モードの安定した波長変換レーザ光を
より一層高い効率で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は従来
のレーザ装置の説明図、第３図はタイプ■の非線形結晶
の説明図、第４図は一部透過鏡の近傍の光路図、第５図
は及び第６図はそれぞれ従来のタイプ■の非線形結晶に
よる光学系の説明図、第７図は本発明の第１実施例の横
断面図、第８図は本発明の第２実施例の縦断面図、第９
図は本発明の第２実施例の横断面図、第１０図は本発明
の第３実施例の縦断面図、第１１図は本発明の第３実施
例の横断面図である。１．１１．２１・・・・・・レーザ媒体、２，１５・・
・・・・励起光、３，１６・・・・・・共振光線、４，
１２・・・・・・−部透過鏡、５．１３ａ、１３ｂ、３
３ａ−＝−・非線形結晶、６，１７・・・・・・出力光
。

Claims

【特許請求の範囲】励起されたレーザ媒体から射出された基本波レーザ光を
、該基本波レーザ光の共振光路中に設けた非線形結晶対
によって波長変換して、前記基本波レーザ光とは周波数
の異なった波長変換レーザ光を得るレーザ装置であって
、前記非線形結晶対は、偏波面の異なった直線偏光を結晶
内で２方向に分離してこの分離の際に２本の直線偏光が
重なる部分で波長変換するタイプの非線形結晶同士を対
にしたもので、対をなす非線形結晶相互は、前記共振光路中に直列に配
置して、一方の結晶で分離された直線偏光を他方の結晶
内で再び結合することを特徴としたレーザ装置。