JPH09146132A - 加工用短波長固体レーザ装置 - Google Patents

加工用短波長固体レーザ装置

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JPH09146132A
JPH09146132A JP8007795A JP779596A JPH09146132A JP H09146132 A JPH09146132 A JP H09146132A JP 8007795 A JP8007795 A JP 8007795A JP 779596 A JP779596 A JP 779596A JP H09146132 A JPH09146132 A JP H09146132A
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JP
Japan
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wavelength
laser
processing
short
laser device
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Application number
JP8007795A
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Inventor
Ryuichi Komatsu
隆一 小松
Tamotsu Sugawara
保 菅原
Masakuni Takahashi
正訓 高橋
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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Priority to EP96115141A priority patent/EP0767396B1/en
Publication of JPH09146132A publication Critical patent/JPH09146132A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】短波長の加工用レーザ光を安定して出力するこ
とができ、カラーセンタなどが発生しない高出力の加工
用短波長固体レーザ装置を提供する。 【解決手段】本発明に係る加工用短波長固体レーザ装置
は、四ほう酸リチウム(Li247 )単結晶から成
る波長変換素子21を有する加工用短波長固体レーザ装
置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、加工用短波長固体
レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】エキシマレーザは、1970年にソビエ
ト連邦のBasovらによって、液体Xeを電子ビーム
で励起する方法で初めて実現された。さらに1976年
には、放電励起によって発振することにも成功し、産業
用レーザとして使用されるようになった。放電励起方式
のエキシマレーザは、紫外線のパルス繰り返し発振レー
ザで、ArF(193nm),KrF(248nm),
XeCl(308nm)などの化合物が発する紫外光を
光共振器により増大させ、レーザ光として取り出したも
のである。
【0003】短波長レーザ光による加工の特徴は、アブ
レーションである。これは、短波長レーザ光を加工物に
照射すると瞬間的に強い発光と衝撃音と共に、加工物が
分解して飛散し、熱影響のない蒸散加工ができることで
ある。この現象は、1982年にR.Srinivas
an等により発見され、光アブレーションと呼ばれてい
る。ポリイミド、ポリマーなどの高分子材料、あるいは
セラミックス、ガラスなどの加工(アブレーション加
工)、表面改質、マーキングまたは蒸散した物質による
薄膜作成などの他に、医薬品の製造、同位体分離、レー
ザレーダなど多くの研究が進められている。
【0004】しかし、エキシマレーザの短所として、1)
発光時間が短いという短パルス性がある。例えば繰り返
し数百pps(pulse per second)の
パルスレーザの場合、10-2秒毎に10-9秒間のパルス
光しか発生せず、インターバルに比べてレーザの発光時
間が著しく短いことから、加工あるいは成膜上の障害に
なっている。
【0005】また、エキシマレーザのその他の短所とし
ては、2)媒質ガスの短寿命性、3)装置の小型化が困難で
あること、4)メンテナンスが煩雑、5)運転コストが高い
等々の問題がある。一方、波長変換単結晶を用いた短波
長固体レーザは、このエキシマレーザーの波長帯での上
記短所を克服する可能性があるが、その出力が低いこと
が問題になっていた。
【0006】従来の波長変換単結晶素子として、KTP
(KTiOPO4 )や、BBO(β−BaB24 )な
どが知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、KTPから
成る波長変換素子は、レーザ入射光の波長に対してKT
Pの透明領域が、0.25〜4.5μmで広いが、1μ
m以下では位相整合しない。つまり2倍波までしか出せ
ないという課題を有する。したがって、加工用短波長固
体レーザ装置の短波長化が困難であるという課題を有す
る。また、結晶の大型化が難しいうえ、結晶内部で屈折
率が変化する。したがって一個の結晶から切り出した素
子でも、屈折率が異なるので位相整合角度が異なる。さ
らに、結晶内にいわゆる”す”が入りやすいという課題
を有する。
【0008】また、BBOでは、耐レーザ損傷は、KT
Pよりも大きいが、水にやや溶けて潮解性を有し、取扱
性に難点があると共に、大型結晶の作成が困難であると
いう課題を有する。さらに、紫外光をBBOへ入射する
と、結晶の劣化によってカラーセンタが発生すると言う
課題を有している。カラーセンタとは、単結晶内の吸収
帯の発生によって検出される透明な結晶内部の点状の欠
陥のことである。
【0009】このように、波長変換素子を用いた加工用
短波長固体レーザ装置は提案されてはいるものの、この
加工用短波長固体レーザ装置に適した波長変換素子を提
供するものではなかった。本発明は、このような実状に
鑑みて成され、短波長の加工用レーザ光を安定して出力
することができ、カラーセンタなどが発生しない高出力
の加工用短波長固体レーザ装置を提供することを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、エキシマ
レーザ波長域でのエキシマレーザの有する上記短所をな
くし、発生するレーザ光の出力を高くする方法に関して
鋭意検討した結果、四ほう酸リチウム(以下、Li2
47 ともいう)を波長変換単結晶として用い、これを
組み込んだ短波長固体レーザでエキシマレーザの代替を
行えば、エキシマレーザの短所を克服する新規な加工用
レーザ光源として用いることができることを見い出し、
本発明を完成させるに至った。
【0011】すなわち、本発明に係る加工用短波長固体
レーザ装置は、四ほう酸リチウム単結晶から成る波長変
換素子を有する加工用短波長固体レーザ装置である。本
発明に係る加工用短波長固体レーザ装置では、波長変換
素子として、四ほう酸リチウムを用いている。
【0012】本発明者らの発見によれば、四ほう酸リチ
ウムは、たとえばNd:YAGレーザ(波長1064n
m)から、コヒーレンスが高い4倍波(266nm)、
5倍波(213nm)の波長の光を作り出すことができ
る。この5倍波(213nm)は、KrFエキシマレー
ザ(248nm)よりも短波長である。
【0013】4倍波あるいは5倍波の波長の光を作り出
すことができれば、既に大出力の装置が開発されている
赤外レーザを用いて、紫外線領域またはそれに近い領域
のレーザ光を容易に作り出すことができ、このレーザ光
を加工用レーザとして用いることで、アブレーション加
工が可能になる。
【0014】また、四ほう酸リチウムは、大口径の単結
晶を育成することが可能であるため、同じ大きさの結晶
ではBBO単結晶に比べて波長変換効率は劣るものの、
波長変換効率はレーザの入力パワーの二乗、結晶長の二
乗に比例することから、大きな単結晶を育成できる四ほ
う酸リチウムの方が大きな結晶体を使用することがで
き、結果的に波長変換効率を高めることができる。
【0015】さらに、四ほう酸リチウムは、耐レーザ損
傷がBBOに比べて10倍以上大きいので大きなパワー
のレーザを入射できるという利点もある。さらに、BB
Oは長時間紫外線を照射するとカラーセンタが発生する
が、四ほう酸リチウムは、BBOよりも結晶が紫外線に
よる劣化に強く、素子が長持ちする。さらにまた、四ほ
う酸リチウムに紫外線を照射しても、カラーセンタが発
生することは、ほとんどない。
【0016】したがって、この四ほう酸リチウムから成
る波長変換素子を用いたレーザ装置は、加工用短波長固
体レーザ装置として好適に用いることができる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を、図面に基づいて説
明する。図1は本発明の実施例で用いた引き上げ装置を
示す断面図、図2は本発明に係る加工用短波長固体レー
ザ装置の概略図である。
【0018】実施例1 図1は本実施例で用いた四ほう酸リチウム単結晶の引き
上げ装置10であって、四ほう酸リチウムが融解される
直径90mm、高さ100mmの白金坩堝1を有してい
る。この白金坩堝1の周囲には、断熱材2,3を介し
て、坩堝内の四ほう酸リチウムを融解させるためのヒー
タ4(例えば抵抗加熱ヒータ)が設けられている。一
方、白金坩堝1の上部には、断熱壁5,6が二重に設け
られており、種結晶が取り付けられる引き上げ軸7が、
この断熱壁5,6を貫通するようになっている。
【0019】このような引き上げ装置10を用いて、ま
ず最初に、四ほう酸リチウム単結晶を育成した。すなわ
ち、四ほう酸リチウム(Li247 )多結晶体13
00gを白金坩堝内に充填し、ヒータで融解した後、
[001],[110],[100]方向に2インチ径
またはそれ以上の径を持つ四ほう酸リチウム単結晶を引
き上げた。
【0020】このときの育成条件として、融液表面と融
液直上10mmの間の温度勾配を80℃、それより上部
の温度勾配を30℃/cm、単結晶の直胴部を引き上げ
る際の引き上げ速度を0.5mm/時間、種結晶の回転
数を2rpmとした。次に、育成した単結晶を、C軸か
ら79度傾けて縦×横が20×20mmで長さが50mmの
ロッド状にカットし、その両端面にある入出射面を光学
研磨した。
【0021】次に、図2に示すように、このようにして
得られたロッド状の四ほう酸リチウム単結晶から成る波
長変換素子21を、出力1.5J、10Hz、10nsec
のYAGレーザ22および2倍波・4倍波発生ユニット
23の前方に配置した。YAGレーザから発生させた波
長1064nmおよび出力1.5Jのレーザ光を、2倍
波・4倍波発生ユニット23に通すことにより、波長4
ω(266nm)および110mJの光と、波長ω(1
064nm)および400mJの光とが生成される。そ
れらの光を四ほう酸リチウムから成る波長変換素子21
に通すことで、二つの光の混合(和周波)によって、5
ω(213nm)の紫外光(70mJ)が発生した。所
望の波長以外の波長はプリズムなどのフィルターを使っ
て分離し、所望の光(5ω)のみを1mm厚さのガラス2
4に照射した。
【0022】この5倍波の光が照射されたガラス24の
部分にプルームが立ち、ガラスがアブレーションされた
ことが確認された。また、その2,3分後には、その5
倍波の光によりガラスを貫通させた。その際に、四ほう
酸リチウム単結晶から成る波長変換素子には何ら異常は
観察されなかった。
【0023】なお、本実施例では、四ほう酸リチウム単
結晶の研磨面には、無反射コートが施されていない。し
たがって、この反射コートを施すと、5倍波の出力はさ
らに強力なものとなることが期待される。比較例1 波長変換素子として、縦×横が5×5mmで長さが5mmの
ロッド状のBBOを用いた以外は、前記実施例1と同様
にして、図2に示す構成のレーザ装置を構成し、実施例
1と同様なアブレーション加工を行った。
【0024】出力光としては、100mJの5ωの紫外
光が観察されたが、BBOは、位相整合の角度、温度許
容幅が小さく、さらに紫外吸収があるので自己加熱し、
高パワーの4ω、5ωの光の長時間安定した発生は非常
に困難である。そして、100時間の試験でカラーセン
タが生じ、結晶が劣化したことが確認された。すなわ
ち、長期間の出力の安定性が要求される加工用短波長固
体レーザ装置では、BBOを波長変換素子として用いた
場合には、問題があることが確認された。
【0025】また、BBOは、フラックス法で育成する
ので、不純物を取り込み易く、収率は低い。したがっ
て、製造コストが増大する。なお、本発明は、上述した
実施例に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変する
ことができる。
【0026】たとえば、加工用短波長固体レーザ装置と
して用いる光源としては、上記実施例に限定されず、ル
ビーレーザ、ガラスレーザ、アレキサンドライトレー
ザ、ガーネットレーザ、サファイヤレーザ、半導体レー
ザなどを用いることができる。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の加工用短波
長固体レーザ装置によれば、既に大出力の装置が開発さ
れている赤外レーザなどを光源として用いて、その光を
四ほう酸リチウムから成る波長変換素子で短波長化する
ことで、紫外線領域またはそれに近い領域のレーザ光を
容易に作り出すことができる。したがって、このレーザ
光を加工用レーザとして用いることで、アブレーション
加工が可能になる。
【0028】また、四ほう酸リチウムは、大口径の単結
晶を育成することが可能であるため、同じ大きさの結晶
ではBBO単結晶に比べて波長変換効率は劣るものの、
波長変換効率はレーザの入力パワーの二乗、結晶長の二
乗に比例することから、大きな単結晶を育成できる四ほ
う酸リチウムの方が大きな結晶体を使用することがで
き、結果的に波長変換効率を高めることができる。
【0029】さらに、四ほう酸リチウムは、耐レーザ損
傷がBBOに比べて10倍以上大きいので大きなパワー
のレーザを入射できるという利点もある。さらに、BB
Oは長時間紫外線を照射するとカラーセンタが発生する
が、四ほう酸リチウムは、BBOよりも結晶が紫外線に
よる劣化に強く、素子が長持ちする。さらにまた、四ほ
う酸リチウムに紫外線を照射しても、カラーセンタが発
生することは、ほとんどない。
【0030】したがって、この四ほう酸リチウムから成
る波長変換素子を用いたレーザ装置は、エキシマレーザ
の有する諸欠点を有さない加工用短波長固体レーザ装置
として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施例で用いた引き上げ装置を
示す断面図である。
【図2】図2は本発明に係る加工用短波長固体レーザ装
置の概略構成図である。
【符号の説明】
1… 白金坩堝 2,3… 断熱材 4… ヒータ 5,6… 断熱壁 7… 引き上げ軸 10… 引き上げ装置 21… 波長変換素子 22… YAGレーザ 23… 2倍波・4倍波発生ユニット 24… ガラス

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 四ほう酸リチウム単結晶から成る波長変
    換素子を有する加工用短波長固体レーザ装置。
JP8007795A 1995-09-20 1996-01-19 加工用短波長固体レーザ装置 Pending JPH09146132A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8007795A JPH09146132A (ja) 1995-09-20 1996-01-19 加工用短波長固体レーザ装置
US08/710,714 US5805626A (en) 1995-09-20 1996-09-20 Single-crystal lithium tetraborate and method making the same, optical converting method and converter device using the single-crystal lithium tetraborate, and optical apparatus using the optical converter device
DE69628709T DE69628709T2 (de) 1995-09-20 1996-09-20 Frequenzumwandler und Frequenzumwandlungsverfahren mit Lithiumtetraborat, und optische Vorrichtung mit diesem Frequenzumwandler
EP02019711A EP1315027A3 (en) 1995-09-20 1996-09-20 Optical converting method using a single-crystal lithium tetraborate
EP96115141A EP0767396B1 (en) 1995-09-20 1996-09-20 Optical converting method and converter device using the single-crystal lithium tetraborate, and optical apparatus using the optical converter device

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP24212095 1995-09-20
JP8007795A JPH09146132A (ja) 1995-09-20 1996-01-19 加工用短波長固体レーザ装置
JP7-242120 1996-01-19

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JPH09146132A true JPH09146132A (ja) 1997-06-06

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ID=26342165

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JP (1) JPH09146132A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350913A (ja) * 2001-05-25 2002-12-04 Mitsubishi Materials Corp 光波長変換方法、光波長変換システム、プログラム及び媒体
JP2008181151A (ja) * 2001-05-29 2008-08-07 Mitsubishi Materials Corp 全固体紫外レーザー発振器

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Effective date: 20020604