JPH0722686A - レーザ波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、非結晶光学結晶におけるレーザビー
ムによる発熱を分散させ、かつ位相整合に必要なレーザ
ビームの偏光方向と結晶方位とを保持して安定な波長変
換を行う。 【構成】レーザ共振器(1,2) 内における非線形光学結晶
(9) にレーザビームを透過させて高調波を発生させて波
長変換する際に、非線形光学結晶(9) のレーザビームの
入射側に配置された透過板(10)を、振動機構(11)により
振動させてレーザビームの光路をシフトさせる。このシ
フトにより非線形光学結晶(9) におけるレーザビームの
通過部分が拡大し、温度上昇は緩和される。又、レーザ
ビームの光路を振動的にシフトさせるので、レーザビー
ムの偏光方向と結晶方位との関係は変化せず、位相整合
条件を満たし続けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発振されたレーザビー
ムを非線形光学結晶に透過させることにより波長変換す
るレーザ波長変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ発振装置において、レーザビーム
の発振波長を非線形光学結晶に透過させて高調波を発生
させ、これにより波長変換することが行われている。こ
のような波長変換では、非線形光学結晶内におけるレー
ザビームのパワー密度の高い方が、波長変換効率が高
い。そこで、非線形光学結晶に入射するレーザビームを
レンズ等により集光してパワー密度を高くし、変換効率
を高くすることが行われている。

【０００３】このように波長変換に使用される非線形光
学結晶は、レーザビームの入出射端面が光学研磨され、
その上に反射防止コーティングが施されている。このよ
うに光学研磨された入出射端面や反射防止コーティン
グ、さらには結晶自体は、高いパワー密度のレーザビー
ムの照射によって損傷を受けてしまい、長時間安定して
波長変換を持続することは困難となっている。

【０００４】波長変換により赤外線のレーザビームを紫
外線の領域まで波長変換し、この紫外線領域のレーザビ
ームを加工等に利用することが試みられているが、これ
を実用化するあたっては、高いパワー密度のレーザビー
ムの照射による非線形光学結晶の劣化により安定して加
工ができなくなっている。

【０００５】このように非線形光学結晶の劣化により長
時間安定して波長変換を持続することができないので、
これを解決するために、非線形光学結晶自体の材料を改
良したり、表面コートの改良を行っているが、上記の如
く照射されるレーザビームのパワー密度が高い方が波長
変換効率が高くなるので、非線形光学結晶の損傷ぎりぎ
りまでレーザビームのパワー密度を高くして利用するこ
とが多い。このため、レーザ波長変換装置の信頼性は、
非線形光学結晶により低下する要因となっている。

【０００６】このようなことから波長の変換効率を改良
する技術として、特開平４−３９９７５号公報がある。
この技術は、平行平板を、その法線と傾いた方向が回転
軸の方向となるように回転可能に取り付けてある部材を
設け、レーザビームの非線形結晶を通過する位置を、円
形状に走査して温度分布を均一化したものとなってい
る。

【０００７】しかしながら、この技術では、温度分布の
均一化において見掛け上効果があるものの、その温度分
布は円形走査の中心位置では高い温度となり、円周位置
では低い温度分布を形成する。

【０００８】このため、非線形光学結晶を通過するレー
ザビームは、絶えず温度勾配方向が変化するところを通
過して波長変換を行うことになり、回転角の方向によっ
ては位相整合条件が結晶の温度勾配に基づく屈折率勾配
の存在のために最適角度からずれてしまう。このため、
位相整合角度の許容範囲が小さい非線形光学結晶では、
波長変換効率が低下する。

【０００９】従って、平行平板の回転中どの位置におい
ても波長変換作用を行う連続的レーザ出力の波長変換で
は、回転角方位によって位相整合角の中心位置から外
れ、波長変換効率が低下し、出力安定度の低下をもたら
す。

【００１０】又、他の技術として特開平４−８２２８４
号公報は、非線形光学結晶を回転可能に取り付け、非線
形光学結晶を回転させて温度の拡散を図り、温度上昇を
防止するものである。しかしながら、この技術では、上
記同様に結晶方位がレーザビームの偏光方向に対して回
転して定まらず、波長変換効率が低下する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにレーザビ
ームのパワー密度を高めて連続的にレーザビームの波長
変換を行うと、結晶の温度上昇や反射防止コーティング
が損傷し、高い信頼性が得られない。

【００１２】これを解決するために非線形光学結晶を回
転させる方法では、位相整合の取れる偏光方向と結晶方
位との関係が満足されない場合が生じる。そこで本発明
は、非結晶光学結晶におけるレーザビームによる発熱を
分散させ、かつ位相整合に必要なレーザビームの偏光方
向と結晶方位とを保持して安定な波長変換ができるレー
ザ波長変換装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、レー
ザ共振器内におけるレーザビームを非線形光学結晶内に
透過させて高調波を発生させ、レーザビームの波長変換
を行うレーザ波長変換装置において、レーザ共振器内に
おける非線形光学結晶のレーザビームの入射側に配置さ
れたレーザビーム光路シフト用の透過板と、この透過板
を振動させる振動手段とを備えて上記目的を達成しよう
とするレーザ波長変換装置である。

【００１４】請求項２によれば、レーザ共振器により発
振したレーザビームを非線形光学結晶内に透過させて高
調波を発生させ、レーザビームの波長変換を行うレーザ
波長変換装置において、非線形光学結晶におけるレーザ
ビームの入射側に配置されたレーザビーム光路シフト用
の第１の透過板と、この第１の透過板を振動させる第１
の振動手段と、非線形光学結晶におけるレーザビームの
出射側に配置されたレーザビーム光路シフト用の第２の
透過板と、この第２の透過板を第１の透過板の振動に応
動して振動させる第２の振動手段とを備えて上記目的を
達成しようとするレーザ波長変換装置である。

【００１５】請求項３によれば、レーザ共振器により発
振したレーザビームを、このレーザ発振器外に配置され
た非線形光学結晶に透過させて高調波を発生させ、レー
ザビームの波長変換を行うレーザ波長変換装置におい
て、レーザ発振器内に配置されたレーザビーム光路シフ
ト用の透過板と、この透過板を振動させる振動手段とを
備えて上記目的を達成しようとするレーザ波長変換装置
である。

【００１６】

【作用】請求項１によれば、レーザ共振器内における非
線形光学結晶内にレーザビームを透過させて高調波を発
生させて波長変換する際に、非線形光学結晶のレーザビ
ームの入射側に配置された透過板を、振動手段により振
動させることによりレーザビームの光路をシフトさせ
る。このシフトにより非線形光学結晶におけるレーザビ
ームの通過部分が拡大し、温度上昇は緩和される。又、
レーザビームの光路を振動的にシフトさせるので、レー
ザビームの偏光方向と結晶方位との関係は変化せず、位
相整合条件を満たし続けることができる。

【００１７】請求項２によれば、非線形光学結晶内にレ
ーザビームを透過させて高調波を発生させて波長変換す
る際に、非線形光学結晶のレーザビームの入射側に配置
された透過板を振動させてレーザビームの光路をシフト
させ、非線形光学結晶の出射側で再び透過板を振動させ
てレーザビームの光路をシフトして元に戻す。請求項３
によれば、レーザ発振器内に透過板を配置し、この透過
板を振動させてレーザビームの光路をシフトする。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図面を
参照して説明する。図１はレーザ波長変換装置の構成図
である。レーザ共振器ミラー１、２は、周波数ｆ（波長
λ）で高い反射率を有し、周波数２ｆで透過率の高い分
光特性を有するもので、それぞれ対向配置されている。

【００１９】これらレーザ共振器ミラー１、２の間に
は、レーザロッド３が配置されている。このレーザロッ
ド３は、周波数ｆの光で発振利得を持っている。このレ
ーザロッド３には、レーザ励起用のランプ４が並設され
ている。

【００２０】又、レーザ共振器内におけるレーザロッド
３とミラー１との間には、Ｑスイッチ素子５及び偏光板
６が配置されている。なお、Ｑスイッチ素子５は、ドラ
イバ７により動作するものとなっている。

【００２１】又、レーザ共振器内におけるレーザロッド
３とミラー２との間には、モード制御用のアパーチャ
８、非線形光学結晶９、及びレーザビーム光路シフト用
としての平行平板透過板１０が配置されている。

【００２２】このうち平行平板透過板１０は、振動機構
１１に連結され、その回転軸が往復回動、つまり振動す
るものとなっている。具体的には、ガルバノミラースキ
ャナー等に用いられるスキャナ機構と同様の機構となっ
ている。

【００２３】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。レーザ励起用のランプ４が点灯してレー
ザロッド３が励起され、この励起によりレーザ発振利得
が得られると、レーザ遷移波長λでレーザ発振が起き
る。このときのレーザ発振光路は、平行平板透過板１
０、アパーチャ８、レーザロッド３、レーザ共振器ミラ
ー１、２等により決まる。

【００２４】ここで、平行平板透過板１０の法線方向
が、レーザビームの光軸と一致していれば、平行平板透
過板１０でのレーザビーム軸はアパーチャ８の中心軸上
にのって光軸のシフトは起こらない。

【００２５】ところが、平行平板透過板１０が振動機構
１１の振動駆動により図２に示すように角度ａに傾け
ば、発振光軸は、アパーチャ７の中心軸位置Ａから横方
向に平行にシフトし、その光軸位置はＡ１となる。

【００２６】又、平行平板透過板１０が角度ｂに傾け
ば、発振光軸は、アパーチャ８の中心軸位置Ａから横方
向に平行にシフトし、その光軸位置はＡ２となる。この
ようにして平行平板透過板１０が角度ａ〜ｂの範囲で高
速に往復回動、つまり振動すると、非線形光学結晶９を
透過するレーザビームの光路は、その振動範囲に広が
る。

【００２７】一方、レーザビームの偏光方向に関して
は、偏光板６で規定されている。又、非線形光学結晶９
の結晶方向も位相整合の取れる方位に設定されており、
この状態で平行平板透過板１０が上記の如く振動してレ
ーザビームの光路をシフトさせても、レーザ発振偏光方
向と非線形光学結晶９との関係は変化せず、高調波発生
の位相整合条件を保持し続けることができる。

【００２８】従って、レーザビームは、非線形光学結晶
９により高調波に変換され、波長変換されたレーザビー
ム１２として出力される。このように上記第１の実施例
においては、レーザ共振器内における非線形光学結晶９
内にレーザビームを透過させて高調波を発生させて波長
変換する際に、非線形光学結晶９のレーザビームの入射
側に配置された平行平板透過板１０を、振動機構１１に
より振動させることによりレーザビームの光路をシフト
させるので、非線形光学結晶９におけるレーザビームの
スポットの通過部分がシフトし、レーザビームの照射さ
れる面積が拡大されたのと同等となり、これにより非線
形光学結晶９における温度上昇を固定ビーム条件よりも
緩和することができる。

【００２９】このことは、非線形光学結晶９の結晶表面
はもとより、結晶内部における平均光エネルギー密度の
低下が図れ、結晶母材の劣化速度と表面コートの劣化速
度を遅くできる。

【００３０】又、非線形光学結晶９の内部の温度上昇に
よって結晶と通過レーザビームとの位相不整合条件の誘
起の緩和にも役立つ。すなわち、一方向にレーザビーム
を振動させて走査させると、平行平板透過板１０の振動
走査方向の範囲内で走査端部を除いては、レーザビーム
照射部分における温度分布の均一化を図ることができ
る。

【００３１】従って、この方向に非線形光学結晶９の位
相整合条件の角度敏感な結晶方位を向けて配置すれば、
それと直角方向には角度許容範囲のより広い結晶方位を
向けて配置することで、波長変換効率の高い条件を実現
できる。これにより、角度整合がより一層理想に近くな
り、高調波への変換効率を高くできる。

【００３２】そして、走査方向が円形に走査した場合に
おける非線形光学結晶の角度許容範囲との不整合も回避
できる。次に本発明の第２の実施例について説明する。

【００３３】図３はレーザ波長変換装置の構成図であ
る。このレーザ波長変換装置は、レーザ共振器外に非線
形光学結晶を配置した場合の適用例を示している。レー
ザ共振器ミラー２０、２１は、ダイクロイックミラー２
２を介して対向配置されている。

【００３４】これらレーザ共振器ミラー２０、２１の間
には、レーザロッド２３、Ｑスイッチ素子２４及び第２
高調波発生用の非線形光学結晶２５が配置されている。
このうちレーザロッド２３にはレーザ励起用のランプ２
６が並設され、Ｑスイッチ素子２４はそのドライバ２７
に接続されている。

【００３５】ダイクロイックミラー２２の出力光路上に
は、集光レンズ２８、非線形光学結晶２９及びコリメー
タレンズ３０が配置されている。又、この光路上におけ
る集光レンズ２８と非線形光学結晶２９との間には、平
行平板透過板３１が配置されるとともに、非線形光学結
晶２９とコリメータレンズ３０との間には、平行平板透
過板３２が配置されている。

【００３６】これら平行平板透過板３１、３２は、それ
ぞれ振動機構３３、３４によりその回転軸が往復回動、
つまり振動するものとなっている。これら振動機構３
３、３４は、振動制御装置３５により動作制御されてお
り、平行平板透過板３２によるレーザビームのシフト
は、平行平板透過板３１によるシフトに対して１８０度
反対になっている。

【００３７】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。レーザ励起用のランプ２６が点灯してレ
ーザロッド２３が励起され、この励起によりレーザ発振
利得が得られると、レーザ遷移波長λでレーザ発振が起
きる。

【００３８】このレーザビームは、非線形光学結晶２５
を透過することにより周波数２ｆの高調波に変換され、
これがダイクロイックミラー２２から放出される。この
周波数２ｆに変換されたレーザビームは、集光レンズ２
８により集光されて非線形光学結晶２９に入射し、ここ
で周波数４ｆの高調波に変換される。

【００３９】ここで、平行平板透過板３１は、振動機構
３３の振動駆動により振動しているので、上記第１の実
施例と同様に、非線形光学結晶２９を透過するレーザビ
ームの光路は、その振動範囲に広がる。

【００４０】そして、非線形光学結晶２９を透過し、周
波数４ｆの高調波に変換されたレーザビームは、平行平
板透過板３２に入射し、ここで元の光路位置に戻る。一
方、レーザビームの偏光方向に関しては、非線形光学結
晶２９の結晶方向も位相整合の取れる方位に設定されて
おり、この状態で平行平板透過板３１、３２が上記の如
く振動してレーザビームの光路をシフトさせても、レー
ザ発振偏光方向と非線形光学結晶２９の結晶方位関係は
変化せず、高調波発生の位相整合条件を保持し続けるこ
とができる。

【００４１】従って、レーザビームは、各非線形光学結
晶２５、２９により周波数４ｆの高調波に変換され、波
長変換されたレーザビーム３６として出力される。この
ように上記第２の実施例によれば、レーザ共振器外に配
置された非線形光学結晶２９に対してレーザビームをシ
フトするに適用することができる。この場合、周波数２
ｆに変換する非線形光学結晶２５よりも波長の短い周波
数４ｆに変換する非線形光学結晶２９に対する方が、損
傷が起きやすいので、この結晶２９に対する損傷を減少
できる。

【００４２】なお、非線形光学結晶２５に対しても、振
動する平行平板透過板を配置して入射するレーザビーム
をシフトさせてもよい。このように周波数４ｆまで短波
長化を行う技術は、紫外線レーザの発生に効果がある。
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのような波長１．０６μｍ
の発振波長を周波数４ｆまで高調波発生で短波長化する
と、２６６ｎｍの紫外線が得られる。

【００４３】従来であれば、エキシマレーザを利用して
大出力を得、大型の材料処理等に用いたが、これらの用
途の一部を本実施例のように固体レーザでも適用できる
ものとなる。

【００４４】従って、同一のレーザ発振器を用いて赤外
線から紫外線までの領域の波長を発生でき、加工する材
料に応じた波長を使って微細な加工ができる。次に本発
明の第３の実施例について説明する。

【００４５】図４はレーザ波長変換装置の構成図であ
る。このレーザ波長変換装置は、レーザ共振器内に平行
平板透過板を配置し、レーザ共振器外に非線形光学結晶
を配置した場合の適用例を示している。

【００４６】レーザ共振器ミラー４０、４１は、ビーム
スプリッタ４２を介して対向配置されている。これらレ
ーザ共振器ミラー４０、４１の間には、レーザロッド４
３、平行平板透過板４４及び第２高調波発生用の非線形
光学結晶４５が配置されている。このうちレーザロッド
４３にはレーザ励起用のランプ４６が並設されている。

【００４７】ビームスプリッタ４２の出力光路上には、
第４高調波発生用の非線形光学結晶４７及び平行平板透
過板４８が配置されている。各平行平板透過板４４、４
８は、それぞれ振動機構によりその回転軸が往復回動、
つまり振動するものとなっている。なお、平行平板透過
板４８によるレーザビームのシフトは、平行平板透過板
４４によるシフトに対して１８０度反対になっている。

【００４８】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。レーザ励起用のランプ４６が点灯してレ
ーザロッド４３が励起され、レーザ発振利得が得られる
と、レーザ遷移波長λでレーザ発振が起きる。

【００４９】ここで、平行平板透過板４４は振動してい
るので、非線形光学結晶４５を透過するレーザビームの
光路は、その振動範囲に広がる。このレーザビームは、
非線形光学結晶４５を透過することにより周波数２ｆの
高調波に変換され、これがビームスプリッタ４２から放
出される。

【００５０】この周波数２ｆに変換されたレーザビーム
は、続いて非線形光学結晶４７に入射し、ここで周波数
４ｆの高調波に変換される。この非線形光学結晶４７に
入射するレーザビームは、平行平板透過板４４の振動範
囲に広がっている。

【００５１】そして、非線形光学結晶４７を透過し、周
波数４ｆの高調波に変換されたレーザビームは、平行平
板透過板４８に入射し、ここで元の光路位置に戻る。一
方、レーザビームの偏光方向に関しては、非線形光学結
晶４５、４７の結晶方向が位相整合の取れる方位に設定
されており、この状態で平行平板透過板４４が上記の如
く振動してレーザビームの光路をシフトさせても、レー
ザ発振偏光方向と非線形光学結晶４５、４７との関係は
変化せず、高調波発生の位相整合条件を保持し続けるこ
とができる。

【００５２】従って、レーザビームは、非線形光学結晶
４５、４７により周波数４ｆの高調波に変換され、波長
変換されたレーザビーム４９として出力される。このよ
うに上記第３実施例によれば、レーザ共振器内に平行平
板透過板４４を配置し、レーザ共振器外に配置した非線
形光学結晶４７に対してレーザビームの透過部分を拡大
することができ、非線形光学結晶４７の温度上昇を防止
できる。又、レーザ発振偏光方向と非線形光学結晶４
５、４７との関係は変化せず、高調波発生の位相整合条
件を保持し続けることができる。

【００５３】以上、上記各実施例により説明したよう
に、非線形光学結晶の入射側に平行平板透過板を配置
し、この平行平板透過板を往復回転振動させることによ
り、レーザビームを非線形光学結晶の入射面で一方向に
拡大して走査し、単位面積当たりの平均入射パワーをの
低減を図るとともに、非線形光学結晶の温度分布を一方
向に平坦化し、その方向には結晶の位相整合角の許容角
度の狭い方位で結晶を配置し、入射集光レーザビームに
より結晶及び表面損傷の防止と波長変換効率の向上を図
ることができる。

【００５４】なお、本発明は、上記一実施例に限定され
るものでなくその要旨を変更しない範囲で変形してもよ
い。例えば、第１の実施例に示す非線形光学結晶８とミ
ラー２との間に平行平板透過板を配置し、平行平板透過
板９によりシフトしたレーザビームを元の光軸位置に戻
すようにしてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、非
結晶光学結晶におけるレーザビームによる発熱を分散さ
せ、かつ位相整合に必要なレーザビームの偏光方向と結
晶方位とを保持して安定な波長変換ができるレーザ波長
変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるレーザ波長変換装置の第１の実
施例を示す構成図。

【図２】同装置によるレーザビームのシフト作用を示す
図。

【図３】本発明に係わるレーザ波長変換装置の第２の実
施例を示す構成図。

【図４】本発明に係わるレーザ波長変換装置の第３の実
施例を示す構成図。

【符号の説明】

１，２，２０，２１，４０，４１…レーザ共振器ミラ
ー、 ３，２３，４３…レーザロッド、 ４，２６…ランプ、 ５，２４…Ｑスイッチ素子、 ６…偏光板、 ８…アパーチャ、 ９，２９，４５，４７…非線形光学結晶、 １０，３１，３２，４４，４８…平行平板透過板、 １１，３３，３４…振動機構、 ２２…ダイクロイックミラー、 ３５…振動制御装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ共振器内におけるレーザビームを
   非線形光学結晶内に透過させて高調波を発生させ、前記
   レーザビームの波長変換を行うレーザ波長変換装置にお
   いて、 前記レーザ共振器内における前記非線形光学結晶のレー
   ザビームの入射側に配置されたレーザビーム光路シフト
   用の透過板と、この透過板を振動させる振動手段とを具
   備したことを特徴とするレーザ波長変換装置。
2. 【請求項２】 レーザ共振器により発振したレーザビー
   ムを非線形光学結晶内に透過させて高調波を発生させ、
   前記レーザビームの波長変換を行うレーザ波長変換装置
   において、 前記非線形光学結晶におけるレーザビームの入射側に配
   置されたレーザビーム光路シフト用の第１の透過板と、
   この第１の透過板を振動させる第１の振動手段と、前記
   非線形光学結晶におけるレーザビームの出射側に配置さ
   れたレーザビーム光路シフト用の第２の透過板と、この
   第２の透過板を前記第１の透過板の振動に応動して振動
   させる第２の振動手段とを具備したことを特徴とするレ
   ーザ波長変換装置。
3. 【請求項３】 レーザ共振器により発振したレーザビー
   ムを、このレーザ発振器外に配置された非線形光学結晶
   に透過させて高調波を発生させ、前記レーザビームの波
   長変換を行うレーザ波長変換装置において、 前記レーザ発振器内に配置されたレーザビーム光路シフ
   ト用の透過板と、この透過板を振動させる振動手段とを
   具備したことを特徴とするレーザ波長変換装置。