JP2010003755A - Wavelength conversion laser apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength conversion laser apparatus, wherein harmonic pulse laser beam is halved by a beam splitter and one laser beam is re-superimposed on original laser beam through a delay optical path means for doubling frequency, capable of matching the pointing and beam aperture of both beams at a junction of split beams for stable quality in laser beam of delayed merging, even if pointing of the original laser beam fluctuates, thereby realizing stable laser processing. <P>SOLUTION: By setting the length of optical path from a branch point of the laser beam of a beam splitter 2, with a delay optical path means 100, to a junction to 4f, two lenses 41 and 42 of focal length f are arranged on the optical path of the laser beam passing through the delay optical path means 100, and the optical path length between the two lenses is set to 2f. At the delay optical path means 100, the junction and the branching point of the laser beams are image-transfer connected. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体レーザ素子で発生されたレーザ光を非線形結晶で波長変換して出力する波長変換レーザ装置に関するものである。   The present invention relates to a wavelength conversion laser device that outputs a laser beam generated by a solid-state laser element after wavelength conversion by a nonlinear crystal.

波長変換レーザ装置は、非線形結晶に基本波レーザ光を入射し、波長が1/Nの高調波レーザ光に変換して出力するものである。1/2波長に変換されたレーザ光を2倍波、1/3、1/4波長に変換されたレーザ光は各々3倍波、4倍波と呼び、特に3倍波以上の高調波レーザ光は紫外波長の光に相当する為、UVレーザと呼ばれる。基本波レーザとしては、Qスイッチを用いた高出力のパルス発振が可能なNd:YAGレーザやNd:YVO4レーザが用いられる。基本波レーザ光を波長変換し高調波レーザ光が得られる割合(以降、波長変換効率と呼ぶ)は、非線形結晶に照射する基本波レーザ光のパルスピークの高さに依存する。すなわち、高ピークパルスの基本波レーザ光であれば高効率で波長変換され高出力の高調波レーザ光が得られるが、低ピークパルスの基本波レーザ光であれば低出力の高調波レーザ光しか得られない。   The wavelength conversion laser device is one in which a fundamental laser beam is incident on a nonlinear crystal, converted into a harmonic laser beam having a wavelength of 1 / N, and output. Laser light converted to 1/2 wavelength is referred to as 2nd harmonic, 1/3, and 1/4 wavelength, respectively, and 3rd harmonic and 4th harmonic respectively. Since the light corresponds to ultraviolet light, it is called a UV laser. As the fundamental laser, an Nd: YAG laser or Nd: YVO4 laser capable of high-power pulse oscillation using a Q switch is used. The ratio (hereinafter referred to as wavelength conversion efficiency) at which the fundamental laser beam is wavelength-converted to obtain a harmonic laser beam depends on the pulse peak height of the fundamental laser beam irradiated to the nonlinear crystal. That is, a high-peak pulse fundamental laser beam can be wavelength-converted with high efficiency to obtain a high-output harmonic laser beam, but a low-peak pulse fundamental laser beam can be obtained only with a low-output harmonic laser beam. I can't get it.

ここで、Qスイッチパルス固体レーザの特徴として、繰り返し周波数に応じてパルス幅が変化し、繰り返し周波数が高い程ロングパルスの発振をする特性を持つことがあげられる。更にパルスエネルギーは繰り返し周波数に反比例して繰り返し周波数が高い程パルスエネルギーが低下する関係があり、その結果、低繰り返し周波数では高エネルギー短パルス発振となり尖塔値の高い高ピークパルスが得られるが、高繰り返し周波数では低エネルギー長パルスの低ピークパルス発振となる。繰り返し周波数が高くなるほどパルスピークは指数関数的に低くなる特性を持つ。   Here, a characteristic of the Q-switched pulsed solid-state laser is that the pulse width changes according to the repetition frequency, and that the longer the repetition frequency is, the longer pulse oscillation occurs. Furthermore, pulse energy has a relationship that pulse energy decreases as the repetition frequency increases in inverse proportion to the repetition frequency.As a result, high energy short pulse oscillation occurs at a low repetition frequency, and a high peak pulse with a high spire value is obtained. At the repetition frequency, low peak pulse oscillation with a low energy long pulse occurs. The higher the repetition frequency, the lower the pulse peak exponentially.

波長変換レーザでは波長変換効率が基本波レーザ光のパルスピークに大きく依存し、パルスピークが低いと波長変換効率が低下する為、高繰り返し周波数では高出力の高調波レーザ光が得られない。繰り返し周波数が高いほど高調波レーザ光の出力は指数関数的に低くなる傾向を持つ。例えば、基本波レーザとしてQスイッチ発振のNd:YAGレーザを例にすると、繰り返し周波数50kHzと100kHzとで比較した場合、100kHzの方がパルス幅が1.5〜2倍程度長く、かつ1パルス当りのエネルギーが半分となる為、パルスピークは約1/3〜1/4に減少する。その結果、高調波レーザ光の出力も1/3〜1/4にまで低下する。   In the wavelength conversion laser, the wavelength conversion efficiency greatly depends on the pulse peak of the fundamental laser beam, and if the pulse peak is low, the wavelength conversion efficiency is lowered. Therefore, a high-power harmonic laser beam cannot be obtained at a high repetition frequency. As the repetition frequency is higher, the output of the harmonic laser beam tends to be exponentially lower. For example, when an Nd: YAG laser of Q-switch oscillation is used as an example of the fundamental laser, when comparing repetition rates of 50 kHz and 100 kHz, the pulse width is about 1.5 to 2 times longer at 100 kHz and per pulse. Therefore, the pulse peak is reduced to about 1/3 to 1/4. As a result, the output of the harmonic laser beam is also reduced to 1/3 to 1/4.

尚、繰り返し周波数に応じて基本波レーザのパルス幅が変化する割合はレーザ媒質の特性(誘導放出断面積等)によって決まり、Nd:YAGレーザよりも誘導放出断面積係数の高いNd:YVO4レーザの方が高繰り返し周波数での短パルス高ピーク発振が可能である。一方、高出力発振には大型サイズのレーザ結晶が実用化されているNd:YAGレーザが有利である。この為一般的には、高繰り返し周波数向けにはNd:YVO4レーザ、低周波高出力向けにはNd:YAGレーザが基本波レーザとして採用される。特に3倍波UVレーザでは、約50kHz以下の低繰り返し周波数仕様ではNd:YAGレーザが、50kHz以上の高繰り返し周波数仕様ではNd:YVO4レーザが使われることが多い。   Note that the rate at which the pulse width of the fundamental laser changes according to the repetition frequency is determined by the characteristics of the laser medium (stimulated emission cross section, etc.), and the Nd: YVO4 laser has a higher stimulated emission cross section coefficient than the Nd: YAG laser. It is possible to oscillate short pulses and high peaks at a high repetition frequency. On the other hand, an Nd: YAG laser in which a large-sized laser crystal has been put into practical use is advantageous for high-power oscillation. Therefore, in general, an Nd: YVO4 laser is used as a fundamental laser for a high repetition frequency, and an Nd: YAG laser is used for a low frequency and high output. In particular, a triple wave UV laser often uses an Nd: YAG laser for a low repetition frequency specification of about 50 kHz or less, and an Nd: YVO4 laser for a high repetition frequency specification of 50 kHz or more.

ところで、UVレーザの主要用途であるプリント基板の穴あけ加工において、装置の加工性能、生産能力を向上する為に、できるだけ繰り返し周波数が高く高出力のUVレーザ発振器が求められている。通常UVレーザによるプリント基板のビア加工では、基板材料に応じた最適エネルギー条件のパルスビームを数十〜百ショット程度照射して一穴を加工する為、出来るだけ高い繰り返し周波数で所定のショット数のパルスビームを照射することが加工の高速化につながる。現実的には繰り返し周波数100kHz程度での高出力UVレーザが求められており、Nd:YVO4レーザによる平均出力20Wの3倍波UVレーザが実用化されているが、更に高出力のUVレーザが求められている。   By the way, in the drilling of a printed circuit board, which is the main application of the UV laser, in order to improve the processing performance and production capacity of the apparatus, a UV laser oscillator having a repetition frequency as high as possible and a high output is required. Normally, via processing of a printed circuit board with a UV laser is performed by irradiating a pulse beam with an optimal energy condition of several tens to hundreds of shots according to the substrate material to process one hole. Irradiation with a pulsed beam leads to faster processing. In reality, there is a demand for a high-power UV laser with a repetition frequency of about 100 kHz, and a triple-wave UV laser with an average output of 20 W using an Nd: YVO4 laser has been put into practical use. It has been.

一方、色素レーザの出力を効率よく増幅する為のパルスストレッチ技術がある(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の図1に示されたように、色素レーザ発振器から出たパルスビームをビームスプリッターによって2分割し、一方のビームのみ2枚の球面ミラーからなる遅延光路で遅延伝搬させた後、再度ビームスプリッターで1本のビームに合成して、時間がわずかにずれた2つのパルスビームを重畳することで、擬似的にパルス幅を拡大する技術であり、これによりパルス幅を最適化することで出力増幅の高効率化を可能にしている。   On the other hand, there is a pulse stretch technique for efficiently amplifying the output of a dye laser (for example, see Patent Document 1). As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the pulse beam emitted from the dye laser oscillator is divided into two by a beam splitter, and only one beam is delayed and propagated by a delay optical path composed of two spherical mirrors. This is a technology that synthesizes a single beam with a beam splitter and superimposes two pulse beams that are slightly shifted in time to increase the pulse width in a pseudo manner. By this, the pulse width is optimized. This makes it possible to increase the efficiency of output amplification.

特開平1−142524号公報(第1図)JP-A-1-142524 (FIG. 1)

この技術を波長変換レーザに応用し、高調波パルスレーザ光をビームスプリッターで2分割して、一方のビームを伝搬時間が十分に長い遅延光路に通して遅延伝搬し再度元のビームと重畳して、タイミングのずれた2つのパルスビームを遅延合成することで、1つのパルスを2パルスに時分割して周波数を倍増する技術が考えられる。   This technology is applied to a wavelength conversion laser, the harmonic pulse laser beam is divided into two by a beam splitter, one beam is delayed and propagated through a delay optical path having a sufficiently long propagation time, and again superimposed on the original beam. A technique of doubling the frequency by time-dividing one pulse into two pulses by delay-combining two pulse beams with different timings can be considered.

完全な形でパルス周波数を倍増するには元のパルス周波数の周期の半分の時間に相当する長い遅延時間(例えば50kHzのパルス周波数であれば10μ秒の遅延時間)を与える必要があり、空間伝搬でこれほどの長さの遅延時間を作る場合3000m規模の光路長となり実際に構成することは困難であるが、そのような長い遅延時間でなくても、レーザ加工時のワークの熱影響が時間的に独立する数百ナノ秒程度の時間間隔を置いたダブルパルスに変換すれば、擬似的に2倍の繰り返し周波数に変換したのと同等の効果を得ることが出来る。数百ナノ秒程度の遅延時間であれば約100mの光路長で十分であり、実現可能な長さである。また、パルスを時分割して周波数を変換しているだけである為、元の高調波レーザ光の平均出力は保持される。   To double the pulse frequency in a complete form, it is necessary to give a long delay time corresponding to half the period of the original pulse frequency (for example, a delay time of 10 μs for a pulse frequency of 50 kHz), and spatial propagation When creating a delay time as long as this, the optical path length is on the order of 3000 m, and it is difficult to actually configure it. However, even if such a long delay time is not used, the thermal effect of the workpiece during laser processing is time consuming. If it is converted into a double pulse having a time interval of about several hundred nanoseconds that are independent of each other, it is possible to obtain an effect equivalent to that converted into a double repetition frequency in a pseudo manner. If the delay time is about several hundred nanoseconds, an optical path length of about 100 m is sufficient, and is a feasible length. Further, since the frequency is only converted by time-dividing the pulse, the average output of the original harmonic laser beam is maintained.

先に述べた様に、基本波レーザ光の繰り返し周波数を2倍にして高繰り返し周波数の高調波レーザ光を得る場合、波長変換効率の低下により平均出力は約1/4に低下してしまうが、高調波レーザ光のパルスを時分割してパルス周波数を倍増する場合は平均出力は変化しない。高い繰り返し周波数の高調波パルスレーザ光を得るのに非常に効率的な手法と言える。この遅延合成によるパルス周波数倍増技術と、高出力化に有利なNd:YAGレーザを基本波レーザとする波長変換レーザとを組み合わせることで、高繰り返し周波数で高出力の高調波レーザ光を合成することができる。   As described above, when a harmonic laser beam having a high repetition frequency is obtained by doubling the repetition frequency of the fundamental laser beam, the average output is reduced to about ¼ due to a decrease in wavelength conversion efficiency. When the pulse of the harmonic laser beam is time-divided and the pulse frequency is doubled, the average output does not change. It can be said that this is a very efficient method for obtaining high-frequency harmonic pulsed laser light. Combining this pulse frequency doubling technology by delayed synthesis with a wavelength conversion laser that uses an Nd: YAG laser, which is advantageous for high output, as a fundamental laser, synthesizes high-power harmonic laser light at a high repetition rate. Can do.

例えば波長変換レーザとして3倍波UVレーザを例にした場合、Nd:YAGレーザを基本波とするUVレーザでは50kHzで40W以上の高出力UVレーザが設計可能であり、このレーザ発振器に遅延合成技術を適用することで、原理的には繰り返し周波数100kHzで40W以上の高出力UVレーザを作り出すことが出来、Nd:YVO4レーザによるUVレーザ発振器よりも高出力のUVレーザ装置を作ることが考えられる。   For example, when a third harmonic wave UV laser is taken as an example of the wavelength conversion laser, a high power UV laser of 50 W or more at 50 kHz can be designed with a UV laser having an Nd: YAG laser as a fundamental wave. In principle, it is possible to produce a high-power UV laser of 40 W or more at a repetition frequency of 100 kHz, and it is conceivable to produce a UV laser device having a higher output than a UV laser oscillator using an Nd: YVO4 laser.

しかしながら遅延合成でパルス周波数を倍増する場合、非常に長距離の遅延光路が必要となる為、遅延光路を通過したビームの品質が低下したり、ポインティング変動が激しくなってしまう等の問題があった。上述したように、遅延光路としては少なくとも100m程度の光路長が必要であり、2枚の対向配置したミラーによる多重折返し光路によってそのような長距離の遅延光路を実現できるが、このような遅延光路をビームが通過する際、元のレーザビームのわずかなポインティング変動やビーム発散角の変化が遅延合成するビームに非常に大きな影響を与えてしまうという問題である。   However, when the pulse frequency is doubled by delay synthesis, a very long delay optical path is required, which causes problems such as deterioration of the quality of the beam that has passed through the delay optical path and severe pointing fluctuations. . As described above, the optical path length of at least about 100 m is required as the delay optical path, and such a long-distance optical path can be realized by a multiple folded optical path using two opposingly arranged mirrors. When the beam passes through the beam, a slight pointing variation of the original laser beam and a change in the beam divergence angle have a great influence on the delayed synthesized beam.

この発明に係る波長変換レーザ装置においては、高調波パルスレーザ光を遅延光路を用いて遅延合成し、2倍の繰り返し周波数のパルスビームに変換する技術において、遅延光路の始点から終点までの間を像転写接続するようにしたものである。   In the wavelength conversion laser device according to the present invention, in the technique of delay-synthesizes the harmonic pulse laser beam using the delay optical path and converts it into a pulse beam having a double repetition frequency, the path from the start point to the end point of the delay optical path is obtained. An image transfer connection is made.

この発明は、遅延光路の始点と終点が像転写接続するように構成される為、元のレーザビームのポインティングが変動しても遅延光路の終点、すなわち分割ビームの合流点では常に両ビームのポインティング、ビーム径が一致する為、遅延合成したビームの品質が安定し、安定性の高いレーザ加工が実現できる。   Since the present invention is configured so that the start point and the end point of the delay optical path are connected by image transfer, even if the pointing of the original laser beam fluctuates, the pointing of both beams is always performed at the end point of the delay optical path, that is, at the junction of the split beams. Since the beam diameters match, the quality of the delayed synthesized beam is stable, and highly stable laser processing can be realized.

以下に、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a wavelength conversion laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

実施の形態1.
図1は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態1の構成を示す図である。Nd:YAGレーザの3倍波UVレーザである波長変換レーザ発振器1から出射された高調波パルスレーザビーム10(図1の太い実線)は、ベンドミラー3aによりビーム分岐手段である偏光ビームスプリッター2に導かれ、偏光ビームスプリッター2で2方向に分岐される。ビーム分岐手段としては、偏光子を用いても良い。偏光ビームスプリッター2に対してS偏光となる偏光成分が反射ビームとなり、P偏光成分が透過ビームとなる。ここで、レーザビーム10が偏光ビームスプリッター2に入射するときの入射光軸と、偏光ビームスプリッター2の反射面の法線がなす面に対して、垂直な偏光成分がS偏光、平行な偏光成分がP偏光である。本発明では、偏光ビームスプリッター2で分岐したビームの一方を遅延させるので、遅延させるビームを遅延ビーム12、遅延させないビームを順ビーム11と呼ぶことにする。図1では透過したビームを遅延させるので、反射ビームが順ビーム11(図1の破線)、透過ビームが遅延ビーム12となる。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion laser device according to a first embodiment of the present invention. A harmonic pulse laser beam 10 (thick solid line in FIG. 1) emitted from a wavelength conversion laser oscillator 1 which is a third harmonic UV laser of an Nd: YAG laser is applied to a polarization beam splitter 2 which is a beam branching means by a bend mirror 3a. The light is guided and branched in two directions by the polarization beam splitter 2. A polarizer may be used as the beam branching means. For the polarization beam splitter 2, the polarization component that becomes S-polarized light becomes a reflected beam, and the P-polarized component becomes a transmitted beam. Here, the polarization component perpendicular to the plane formed by the incident optical axis when the laser beam 10 is incident on the polarization beam splitter 2 and the normal line of the reflection surface of the polarization beam splitter 2 is S-polarized light and parallel polarization components. Is P-polarized light. In the present invention, since one of the beams branched by the polarization beam splitter 2 is delayed, the beam to be delayed is referred to as a delayed beam 12 and the beam not to be delayed is referred to as a forward beam 11. In FIG. 1, since the transmitted beam is delayed, the reflected beam becomes the forward beam 11 (broken line in FIG. 1), and the transmitted beam becomes the delayed beam 12.

偏光ビームスプリッター2を透過した遅延ビーム12は遅延光路100を通過し、再度偏光ビームスプリッター2の側面に入射するが、P偏光なので再び透過する。そして、偏光ビームスプリッター2で反射された順ビーム11と合流して、一本のビームに重畳される。ここでは、偏光ビームスプリッター2は2つのビームを合成する手段として機能している。重畳されたビームは、ベンドミラー3bで加工レンズ8に導かれ、そのまま加工レンズ8で加工テーブル4上に配置された加工ワーク9上に集光、照射されレーザ加工に利用される。   The delayed beam 12 that has passed through the polarization beam splitter 2 passes through the delay optical path 100 and enters the side surface of the polarization beam splitter 2 again, but is transmitted again because it is P-polarized light. Then, it merges with the forward beam 11 reflected by the polarization beam splitter 2 and is superimposed on one beam. Here, the polarization beam splitter 2 functions as a means for combining two beams. The superimposed beam is guided to the processing lens 8 by the bend mirror 3b, and is condensed and irradiated on the processing workpiece 9 arranged on the processing table 4 by the processing lens 8 as it is and used for laser processing.

ここで、遅延光路100を通過する遅延ビーム12の伝播時間をtとすると、順ビーム11に対し遅延ビーム12は遅延時間tの遅れを持って順ビーム11に合流する。この為、図2に示したように、時間間隔tのダブルパルス波形が形成され、擬似的に2倍の繰り返し周波数のパルスビームに遅延合成される。尚、光速は3.0×10^8m/sであるから、例えば100mの光路長の遅延光路であれば333n秒の遅延時間が得られる。高調波パルスレーザのパルス幅を50n秒程度とすると、約50n秒の幅のパルスが333n秒の時間間隔で2つ並んだダブルパルス波形となる。
尚、遅延時間tが短く、従来の特許文献1にあるように2つのパルスが半分重なるように重畳する場合はロングパルスを合成する為のパルス幅変換技術となる。
Here, when the propagation time of the delay beam 12 passing through the delay optical path 100 is t, the delay beam 12 merges with the forward beam 11 with a delay of the delay time t with respect to the forward beam 11. For this reason, as shown in FIG. 2, a double pulse waveform with a time interval t is formed and is delayed and synthesized into a pulse beam with a double repetition frequency in a pseudo manner. Since the speed of light is 3.0 × 10 ^ 8 m / s, for example, a delay time of 333 nsec can be obtained if the optical path length is 100 m. Assuming that the pulse width of the harmonic pulse laser is about 50 nsec, a double pulse waveform in which two pulses having a width of about 50 nsec are arranged at a time interval of 333 nsec is obtained.
In addition, when the delay time t is short and the two pulses are overlapped so as to overlap half as in the conventional patent document 1, this is a pulse width conversion technique for synthesizing a long pulse.

図1に示したように、遅延光路100は、対向配置した2枚の全反射ミラー31、32からなる多重折返し光路ユニット5をレーザ光軸上に直列に2つ並べて形成している。折り返し光路ユニット5は、2枚の全反射ミラー31、32の間を数十回多重反射する光路を形成することによってコンパクトな構成で長距離光路を実現している。例えば、2枚の全反射ミラー31、32は1mの距離を置いて対向配置され、平行に向き合うように厳密に角度調整されている。全反射ミラー31の側部から全反射ミラー32に向けて遅延ビーム12を導入し、全反射ミラー31、32間を25回折返し反射して全反射ミラー32の側部から出射するように遅延ビーム12の入射角度を調整する。これにより、1ユニット当たり50mの距離の遅延光路が実現できる。そして、図1に示したように折返し光路ユニットを2個用い、ベンドミラー3c、3d、3eで偏光ビームスプリッター2を透過した遅延ビーム11を第1の折り返し光路ユニット5aに入射させ、第1の折り返し光路ユニット5aから出てきたビームを第2の折り返し光路ユニット5bに導き、第2の折り返し光路ユニット5bから出てきたビームを再度偏光ビームスプリッター2へ入射させることで、合計100m以上の長距離遅延光路100が形成できる。   As shown in FIG. 1, the delay optical path 100 is formed by arranging two multiple folded optical path units 5 composed of two total reflection mirrors 31 and 32 facing each other in series on the laser optical axis. The folded optical path unit 5 realizes a long-distance optical path with a compact configuration by forming an optical path that multiple-reflects several tens of times between the two total reflection mirrors 31 and 32. For example, the two total reflection mirrors 31 and 32 are arranged to face each other with a distance of 1 m, and the angle is strictly adjusted so as to face each other in parallel. The delayed beam 12 is introduced from the side of the total reflection mirror 31 toward the total reflection mirror 32, and is reflected so as to be reflected 25 times between the total reflection mirrors 31 and 32 and emitted from the side of the total reflection mirror 32. The incident angle of 12 is adjusted. Thereby, a delay optical path having a distance of 50 m per unit can be realized. Then, as shown in FIG. 1, two folded optical path units are used, and the delayed beam 11 transmitted through the polarization beam splitter 2 by the bend mirrors 3c, 3d, and 3e is incident on the first folded optical path unit 5a. A long distance of 100 m or more is obtained by guiding the beam coming out from the folding optical path unit 5a to the second folding optical path unit 5b and allowing the beam coming out from the second folding optical path unit 5b to enter the polarization beam splitter 2 again. A delayed optical path 100 can be formed.

更に、図1に示したように、遅延光路100の内部には、第1の折り返し光路ユニット5aの手前と、第2の折り返し光路ユニット5bの手前との2箇所に、焦点距離fの凸レンズ41,42が配置されている。この2枚の凸レンズ41、42は像転写光路を形成し、遅延光路100の始点から終点までの間を像転写接続している。   Further, as shown in FIG. 1, a convex lens 41 having a focal length f is provided in the delay optical path 100 at two locations, in front of the first return optical path unit 5a and in front of the second return optical path unit 5b. , 42 are arranged. The two convex lenses 41 and 42 form an image transfer optical path, and an image transfer connection is made between the start point and the end point of the delay optical path 100.

ここで像転写について説明する。図3に、像転写光路の種類とその模式図を示す。図3の分岐点および合流点はそれぞれ、偏光ビームスプリッター2におけるレーザビーム10が順ビーム11と遅延ビーム12に分岐する点、および偏光ビームスプリッター2における順ビーム11と遅延ビーム12が合流する点を示しており、図1に示したように実際には略同じ位置の点を示している。図3(a)はレンズ2枚構成による像転写光路であり、レンズ41、42が共に焦点距離fの凸レンズ、その間の距離が2f、遅延光路の全光路長が4fに設定してある。この場合、上記光路系は倒立の像転写光路を形成する。このときの光路系の光線行列は(A,B,C,D)=(−1,0,0,−1)で表される。光路の始点と終点で、像が反転することから“倒立”と称される。図1の遅延光路は、この倒立の像転写光路により構成されている。それに対し、図3(b)は正立の像転写光路と呼ばれ、図3(a)の像転写光路を2個直列に並べて構成している。この光路系の光線行列は(A,B,C,D)=(1,0,0,1)であり、倒立型のように像が反転することはない。   Here, image transfer will be described. FIG. 3 shows types of image transfer optical paths and their schematic views. 3 are the points where the laser beam 10 in the polarization beam splitter 2 branches into the forward beam 11 and the delay beam 12, respectively, and the points where the forward beam 11 and the delay beam 12 in the polarization beam splitter 2 merge. In fact, as shown in FIG. 1, the points at substantially the same position are shown. FIG. 3A shows an image transfer optical path having a two-lens configuration, in which both lenses 41 and 42 are convex lenses having a focal length f, the distance between them is 2f, and the total optical path length of the delay optical path is 4f. In this case, the optical path system forms an inverted image transfer optical path. The ray matrix of the optical path system at this time is represented by (A, B, C, D) = (− 1, 0, 0, −1). This is called “inverted” because the image is inverted at the start and end points of the optical path. The delay optical path in FIG. 1 is constituted by this inverted image transfer optical path. On the other hand, FIG. 3B is referred to as an upright image transfer optical path, and the two image transfer optical paths in FIG. 3A are arranged in series. The ray matrix of this optical path system is (A, B, C, D) = (1, 0, 0, 1), and the image is not inverted unlike the inverted type.

図1の構成における遅延光路100を、図3と同様な模式図で表した場合、図4(a)に示したように、分岐点→第1のレンズ41→第1の折り返し光路ユニット5a→第2のレンズ42→第2の折り返し光路ユニット→合流点、の順番で光路が構成されている。ここで、2枚のレンズ41,42の焦点距離をfとし、1つの折り返し光路ユニット5の光路長をほぼ2fとすることで、2枚のレンズ41,42間の光学距離が2f、分岐点から合流点までの光学距離が4fとすることができ、倒立の像転写光路が形成される。 なお、図4(b)に示したように、分岐点→第1の折り返し光路ユニット5a→第1のレンズ41→第2の折り返し光路ユニット5b→第2のレンズ42→合流点、との順番にしても図3(a)に示した像転写の条件を満たすので、同様の効果が得られる。   When the delay optical path 100 in the configuration of FIG. 1 is represented by a schematic diagram similar to FIG. 3, as shown in FIG. 4A, the branch point → the first lens 41 → the first folded optical path unit 5a → The optical path is configured in the order of the second lens 42 → the second folded optical path unit → the confluence. Here, by setting the focal length of the two lenses 41 and 42 to f and the optical path length of one folded optical path unit 5 to about 2f, the optical distance between the two lenses 41 and 42 is 2f and the branch point. Can be set to 4f, and an inverted image transfer optical path can be formed. As shown in FIG. 4B, the order of branch point → first folding optical path unit 5a → first lens 41 → second folding optical path unit 5b → second lens 42 → confluence point. However, since the image transfer condition shown in FIG. 3A is satisfied, the same effect can be obtained.

また、図1の構成では、偏光ビームスプリッター2で透過したP偏光成分のレーザビームを遅延ビーム12としたが、偏光ビームスプリッター2で反射したS偏光成分のレーザビームを遅延ビーム12としても良い。この場合の、波長変換レーザ装置の構成を図5に示す。図5に示したように、偏光ビームスプリッター2で透過したP偏光成分は、順ビーム11として、ベンドミラー3f、3bにより、加工レンズ8を経て加工ワーク9へ導かれる。一方、偏光ビームスプリッター2で反射したS偏光成分は、遅延ビーム12として、ベンドミラー3g、3hで遅延光路100に導かれる。遅延光路100から出てきた遅延ビーム12は、偏光ビームスプリッター2に入射され、再び反射されて、順ビーム11と合流して、一本のビームに重畳される。以下の実施の形態においては、偏光ビームスプリッター2で反射されるビームを順ビーム11、透過されるビームを遅延ビーム12として説明するが、図5のように反射ビームを遅延ビーム、透過ビームを順ビームとして用いても良い。   In the configuration of FIG. 1, the P-polarized component laser beam transmitted by the polarizing beam splitter 2 is used as the delayed beam 12, but the S-polarized component laser beam reflected by the polarized beam splitter 2 may be used as the delayed beam 12. The configuration of the wavelength conversion laser device in this case is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the P-polarized component transmitted by the polarizing beam splitter 2 is guided as a forward beam 11 by the bend mirrors 3 f and 3 b to the workpiece 9 via the machining lens 8. On the other hand, the S-polarized component reflected by the polarization beam splitter 2 is guided as a delayed beam 12 to the delayed optical path 100 by the bend mirrors 3g and 3h. The delayed beam 12 coming out from the delayed optical path 100 is incident on the polarization beam splitter 2, reflected again, merges with the forward beam 11, and is superimposed on one beam. In the following embodiment, the beam reflected by the polarizing beam splitter 2 will be described as a forward beam 11 and the transmitted beam will be described as a delayed beam 12. However, as shown in FIG. It may be used as a beam.

次に、図3(b)に示した正立の像転写光路を用いた波長変換レーザ装置の構成を図6に示す。図1との違いは遅延光路のみであるので、遅延光路101について説明する。
図6に示したように、折返し光路ユニットを4個、レンズを4枚用いて、遅延光路101を構成する。ベンドミラー3c、3d、3e、3i、3j、3k、3lで偏光ビームスプリッター2を透過した遅延ビーム11を以下の通りに導く。まず、遅延ビーム11を第1のレンズ41に入射させ、第1のレンズ41を透過したビームを第1の折り返し光路ユニット5aに入射させる。その後、第1の折り返し光路ユニット5a→第2のレンズ42→第2の折り返し光路ユニット5b→第3のレンズ43→第3の折り返し光路ユニット5c→第4のレンズ44→第4の折り返し光路ユニット5d、の順番にビームを導き、第4の折り返し光路ユニット5bから出てきたビームを再度偏光ビームスプリッター2へ入射させている。
ここで、4枚のレンズ41,42,43,44の焦点距離をfとし、1つの折り返し光路ユニット5の光路長をほぼ2fとすることで、第1のレンズ41と第2のレンズ42間および第3のレンズ43と第4のレンズ44間の光学距離をそれぞれ2f、分岐点から合流点までの光学距離を8fとすることができ、図3(b)に示した正立の像転写光路が形成される。
Next, FIG. 6 shows a configuration of a wavelength conversion laser device using the upright image transfer optical path shown in FIG. Since only the delay optical path is different from FIG. 1, only the delay optical path 101 will be described.
As shown in FIG. 6, the delay optical path 101 is configured by using four folded optical path units and four lenses. The delayed beam 11 transmitted through the polarization beam splitter 2 by the bend mirrors 3c, 3d, 3e, 3i, 3j, 3k, and 3l is guided as follows. First, the delayed beam 11 is incident on the first lens 41, and the beam transmitted through the first lens 41 is incident on the first folded optical path unit 5a. Thereafter, the first folding optical path unit 5a → the second lens 42 → the second folding optical path unit 5b → the third lens 43 → the third folding optical path unit 5c → the fourth lens 44 → the fourth folding optical path unit. The beams are guided in the order of 5d, and the beam emitted from the fourth folded optical path unit 5b is made incident on the polarization beam splitter 2 again.
Here, the focal length of the four lenses 41, 42, 43, 44 is set to f, and the optical path length of one folded optical path unit 5 is set to about 2 f, so that the distance between the first lens 41 and the second lens 42 is increased. Further, the optical distance between the third lens 43 and the fourth lens 44 can be set to 2f, and the optical distance from the branch point to the junction can be set to 8f. The erect image transfer shown in FIG. An optical path is formed.

図6の構成における遅延光路101を、図3と同様な模式図で表した場合、図7(a)のようになる。正立の像転写を形成するには、第1のレンズ41と第2のレンズ42との光学距離、第3のレンズ43と第4のレンズ44の光学距離、および分岐点から合流点までの光学距離が、図7(a)に示した所定の距離になっていれば良いので、他の構成も考えられる。例えば、図7(b)に示したように、分岐点→第1の折り返し光路ユニット5a→第1のレンズ41→第2の折り返し光路ユニット5b→第2のレンズ42→第3の折り返し光路ユニット5c→第3のレンズ43→第4の折り返し光路ユニット5d→第4のレンズ44→合流点、としても良い。また、図7(c)に示したように、分岐点→第1のレンズ41→第1の折り返し光路ユニット5a→第2のレンズ42→第2の折り返し光路ユニット5b→第3の折り返し光路ユニット5c→第3のレンズ43→第4の折り返し光路ユニット5d→第4のレンズ44→合流点、としても良い。また、図7(c)において、第2の折り返し光路ユニット5bと第3の折り返し光路ユニット5cを一体として、光路長4fの折り返し光路ユニットとしても良い。いずれにしても、4枚のレンズを用いて正立型像転写光路を形成するには、図3(b)に示す光学距離を満足すれば良い。   When the delay optical path 101 in the configuration of FIG. 6 is represented by a schematic diagram similar to FIG. 3, it is as shown in FIG. In order to form an erect image transfer, the optical distance between the first lens 41 and the second lens 42, the optical distance between the third lens 43 and the fourth lens 44, and from the branch point to the confluence Since the optical distance only needs to be the predetermined distance shown in FIG. 7A, other configurations are also conceivable. For example, as shown in FIG. 7B, the branch point → the first folding optical path unit 5a → the first lens 41 → the second folding optical path unit 5b → the second lens 42 → the third folding optical path unit. 5c → third lens 43 → fourth folding optical path unit 5d → fourth lens 44 → junction point. As shown in FIG. 7C, the branch point → the first lens 41 → the first folding optical path unit 5a → the second lens 42 → the second folding optical path unit 5b → the third folding optical path unit. 5c → third lens 43 → fourth folding optical path unit 5d → fourth lens 44 → junction point. In FIG. 7C, the second folded optical path unit 5b and the third folded optical path unit 5c may be integrated to form a folded optical path unit having an optical path length of 4f. In any case, in order to form an upright image transfer optical path using four lenses, the optical distance shown in FIG.

尚、図6に示した遅延光路101は、4枚のレンズを用いて正立型の像転写光路を形成した例であるが、3枚のレンズで形成することも可能である。図8(a)に、3枚のレンズで正立型像転写光路を構成した遅延光路102の構成図を、図8(b)にその模式図を示す。図6に比較しレンズの配置が異なっており、図6(a)に示したように、第1の折り返し光路ユニット5aと第2の折り返し光路ユニット5bの間に焦点距離fの第1のレンズ41を配置し、第2の折り返し光路ユニット5bと第3の折り返し光路ユニット5cの間に焦点距離f/2の第2のレンズ45を配置し、第3の折り返し光路ユニット5cと第4の折り返し光路ユニット5eの間に焦点距離fの第3のレンズ43を配置する構成となっている。これにより、図8(b)に示したように、第1のレンズ41と第2のレンズ45間の光学距離、および第2のレンズ45と第3のレンズ43間の光学距離を2fとし、分岐点と合流点間の光学距離を8fとなり、光線行列は(A,B,C,D)=(1,0,0,1)となるので、正立型像転写光路が形成できる。   The delay optical path 101 shown in FIG. 6 is an example in which an erect image transfer optical path is formed by using four lenses, but it can also be formed by three lenses. FIG. 8A shows a configuration diagram of a delay optical path 102 in which an erect image transfer optical path is configured by three lenses, and FIG. 8B shows a schematic diagram thereof. The arrangement of the lenses is different from that in FIG. 6, and as shown in FIG. 6A, the first lens having a focal length f between the first folded optical path unit 5a and the second folded optical path unit 5b. 41, and a second lens 45 having a focal length f / 2 is disposed between the second folding optical path unit 5b and the third folding optical path unit 5c, and the third folding optical path unit 5c and the fourth folding optical path unit 5c. A third lens 43 having a focal length f is arranged between the optical path units 5e. Accordingly, as shown in FIG. 8B, the optical distance between the first lens 41 and the second lens 45 and the optical distance between the second lens 45 and the third lens 43 are set to 2f. Since the optical distance between the branch point and the merge point is 8f and the ray matrix is (A, B, C, D) = (1, 0, 0, 1), an erect image transfer optical path can be formed.

次に、本発明の効果について説明する。
本発明の特徴は、遅延光路の始点から終点までの間を像転写接続するように構成している点であり、これにより遅延合成する順ビーム11と遅延ビーム12のビーム径の差異、ポインティング変動の影響を解消し、優れたビーム品質の合成パルスビームを形成することができる。この点について以下で説明する。
Next, the effect of the present invention will be described.
A feature of the present invention is that an image transfer connection is made between the start point and the end point of the delay optical path, whereby the difference in beam diameter between the forward beam 11 and the delay beam 12 to be delayed and combined, and pointing fluctuations. The combined pulse beam with excellent beam quality can be formed. This will be described below.

図9に遅延合成した際のポインティング変化の影響とビーム径の変化について、特許文献1の技術を適用した場合(以下、従来方式と呼ぶ)と本発明との間で比較した。図9(a)が従来方式の遅延光路99のケース、図9(b)が倒立の像転写光学系を適用した場合の本発明、図9(c)が正立の像転写光学系を適用した場合の本発明のケースである。ここで、従来方式の遅延光路99は、例えば図1の遅延光路100において2枚のレンズ41,42が無い構成である。それぞれのケースにおいて、元のレーザビーム10が角度ポインティング変化した場合の変化光軸を、順ビーム11は破線で、遅延ビーム12は実線で、本来の光軸を一点鎖線で表している。また、遅延合成後の光路中に設置した仮想ターゲット6上の2つの円は、仮想ターゲット6上に照射される順ビーム11のビームスポット111と遅延ビーム12のビームスポット112を表しており、その円の大きさはビーム径を表している。   FIG. 9 compares the effect of the pointing change and the change of the beam diameter upon delay synthesis between the case where the technique of Patent Document 1 is applied (hereinafter referred to as the conventional method) and the present invention. 9A shows the case of the conventional delay optical path 99, FIG. 9B shows the present invention when an inverted image transfer optical system is applied, and FIG. 9C applies the upright image transfer optical system. This is the case of the present invention. Here, the conventional delay optical path 99 has a configuration in which the two lenses 41 and 42 are not provided in the delay optical path 100 of FIG. In each case, the change optical axis when the original laser beam 10 changes in the angle pointing, the forward beam 11 is indicated by a broken line, the delay beam 12 is indicated by a solid line, and the original optical axis is indicated by a one-dot chain line. In addition, two circles on the virtual target 6 installed in the optical path after delayed synthesis represent the beam spot 111 of the forward beam 11 and the beam spot 112 of the delayed beam 12 that are irradiated on the virtual target 6. The size of the circle represents the beam diameter.

図9(a)の従来方式の場合、元のレーザビーム10にわずかな角度ポインティング変化が生じると、遅延ビーム12は遅延光路99内の非常に長い光路を経てくるため、遅延ビーム12の光軸は大きく変化してしまい順ビーム11の光軸と大きく分離してしまう。その結果、例え一本のビームに重畳するように光軸調整をしても、温度変化や周囲の振動による機械変動での経時的なずれにより、時間経過と共に元のレーザビーム10のポインティングが変化し、遅延合成ビームの光軸が2つに分離してしまう現象が発生する。一方、図9(b)(c)では像転写光学系が適用されている為、元のレーザビーム10にポインティング変化が生じても、偏光ビームスプリッター2の合流点において遅延ビーム12の光軸と順ビーム11の光軸は常に一致するように変化する。尚、図9(b)は倒立型の像転写である為、遅延ビーム12の光軸は順ビーム11の光軸とは逆方向の傾き成分を持つ為、合流点から離れるに従って遅延ビーム12と順ビーム11は僅かながら分離してしまう。しかし、合流点からワークまでの光路長は数mもしくは1m以下であり、遅延ビーム12と順ビーム11との照射位置のずれはほとんど問題にならないレベルである。図9(c)の場合は正立型の像転写であり、遅延合成後の光路のどの位置でも遅延ビーム12と順ビーム11の光軸は常に一致し、完全なビーム合成が為される。   In the case of the conventional method shown in FIG. 9A, when the slight angle pointing change occurs in the original laser beam 10, the delayed beam 12 passes through a very long optical path in the delayed optical path 99. Greatly changes and is largely separated from the optical axis of the forward beam 11. As a result, even if the optical axis is adjusted so as to be superimposed on a single beam, the pointing of the original laser beam 10 changes over time due to a change over time due to temperature fluctuations and mechanical fluctuations due to ambient vibrations. As a result, a phenomenon occurs in which the optical axis of the delayed combined beam is separated into two. On the other hand, in FIGS. 9B and 9C, since the image transfer optical system is applied, even if a pointing change occurs in the original laser beam 10, the optical axis of the delayed beam 12 at the confluence of the polarization beam splitter 2 The optical axis of the forward beam 11 changes so as to always coincide. 9B shows an inverted type image transfer, and therefore the optical axis of the delayed beam 12 has a tilt component in the opposite direction to the optical axis of the forward beam 11, so that the delayed beam 12 The forward beam 11 is slightly separated. However, the optical path length from the merging point to the work is several meters or 1 m or less, and the deviation of the irradiation position between the delayed beam 12 and the forward beam 11 is at a level that hardly causes a problem. In the case of FIG. 9C, the image transfer is an upright type, and the optical axes of the delayed beam 12 and the forward beam 11 always coincide with each other at any position in the optical path after the delay synthesis, and complete beam synthesis is performed.

補足として、図10に遅延光路長と合流点での光軸変異量との関係を示す。これは、元のレーザビーム10に100μradのポインティング変化が生じたと仮定した場合の計算結果である。図10に示したように、従来方式の場合は遅延光路長に比例して光軸変異量が増大し、例えば遅延光路長が100メートルの場合に合流点での光軸変異量は10mmに達する。一方、像転写光路を適用した場合の光軸変異量は0であり光軸が変動しないことがわかる。   As a supplement, FIG. 10 shows the relationship between the delay optical path length and the optical axis variation at the confluence. This is a calculation result when it is assumed that a pointing change of 100 μrad has occurred in the original laser beam 10. As shown in FIG. 10, in the case of the conventional method, the optical axis variation increases in proportion to the delay optical path length. For example, when the delay optical path length is 100 meters, the optical axis variation at the confluence reaches 10 mm. . On the other hand, when the image transfer optical path is applied, the optical axis variation is 0, indicating that the optical axis does not vary.

また、図11に順ビーム11と遅延ビーム12の合流点でのビーム径の差異を従来方式と本発明の方式とでシミュレーション計算にて比較した結果を示す。遅延光路長は100メートル、元のレーザビームのビーム径はφ5mm、レーザビームの波長は355nmとして計算した。遅延ビームは遅延光路長に応じてビーム径が拡大する為、長距離の遅延光路を組んだ場合ビーム径はかなり増大してしまう。上記の計算では、従来方式の場合、遅延ビームは順ビームの2倍以上のビーム径にまで拡大してしまう。一方、像転写光路を適用した本発明の場合は、分離点でのビーム径がそのまま合流点に転写される為、長距離の遅延光路でもビーム径は変化せず、順ビームと遅延ビームは同じビーム径で合成される。   FIG. 11 shows the result of comparison of the difference in beam diameter at the junction of the forward beam 11 and the delayed beam 12 by simulation calculation between the conventional method and the method of the present invention. The delay optical path length was 100 meters, the original laser beam diameter was 5 mm, and the laser beam wavelength was 355 nm. Since the beam diameter of the delayed beam expands according to the delay optical path length, the beam diameter increases considerably when a long-distance delay optical path is assembled. In the above calculation, in the case of the conventional method, the delayed beam expands to a beam diameter that is twice or more that of the forward beam. On the other hand, in the case of the present invention to which the image transfer optical path is applied, the beam diameter at the separation point is transferred as it is to the merging point, so the beam diameter does not change even in the long-distance delay optical path, and the forward beam and the delayed beam are the same. Synthesized by beam diameter.

すなわち、パルス周波数変換技術として遅延合成技術を適用する場合、長距離の遅延光路が必要となるが、その際ポインティング変動の影響が顕著になってしまう。しかし像転写接続した遅延光路では、原理的に遅延光路の長さによらず合流点での光軸変異量は0であり、元のレーザビームのポインティング変動の影響は受けないことを意味している。   That is, when the delay synthesis technique is applied as the pulse frequency conversion technique, a long-distance delay optical path is required, but at that time, the influence of pointing fluctuation becomes significant. However, in the delay optical path connected by image transfer, in principle, the optical axis variation at the confluence is zero regardless of the length of the delay optical path, meaning that it is not affected by the pointing variation of the original laser beam. Yes.

このように長距離の遅延光路を組んでも、像転写光路を適用した本実施の形態の構成ではポインティング変動の影響を受けず、かつ、ビーム径も順ビームと遅延ビームとが同一の状態で合成される為、高品質で安定したパルスビームを合成することができ、高品質のレーザ加工が実現できる。   Even if a long-distance optical path is assembled in this way, the configuration of the present embodiment using the image transfer optical path is not affected by pointing fluctuations, and the beam diameter is synthesized with the forward beam and the delayed beam in the same state. Therefore, a high quality and stable pulse beam can be synthesized, and high quality laser processing can be realized.

尚、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば本実施の形態と同等の効果が得られる。具体的には遅延光路全体のABCD光線行列をメートル単位で数値計算したときの行列値Bの値が10以内の値であれば効果的である。通常、光軸が数mm以上変位し光学部品の中心から外れたり、ビームの裾野が光学部品のエッジに照射したりするとビームが不安定となり問題が発生するが、一般的な波長変換レーザのポインティング変動量が0.1μrad以下であることを考えるとBの値が10以内であれば変位量は1mm以下に抑制され、問題ない範囲に収まると言える。   Note that the image transfer optical path does not have to be completely image transfer connected between the branching point and the confluence of the delay optical path. An effect is obtained. Specifically, it is effective if the value of the matrix value B when the ABCD ray matrix of the entire delay optical path is numerically calculated in units of meters is a value within 10 or less. Normally, if the optical axis is displaced by several mm or more and deviates from the center of the optical component, or if the base of the beam irradiates the edge of the optical component, the beam becomes unstable and a problem occurs. Considering that the fluctuation amount is 0.1 μrad or less, if the value of B is within 10, the displacement amount is suppressed to 1 mm or less, and it can be said that it falls within the range of no problem.

また、上記実施の形態では、波長変換レーザ発振器としてNd:YAGレーザの3倍波UVレーザを適用して説明してきたが、2倍波グリーンレーザや4倍波UVレーザ等の他の高調波レーザでも効果が期待でき、3倍波レーザに限定するものではない。   In the above embodiment, the Nd: YAG laser triple wave UV laser has been described as the wavelength conversion laser oscillator. However, other harmonic lasers such as a double wave green laser and a fourth wave UV laser are used. However, the effect can be expected, and the present invention is not limited to the triple wave laser.

実施の形態2.
図12は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態2を示す図であり、図12(a)は波長変換レーザ装置の構成図であり図12(b)は遅延光路の模式図である。図1と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図1の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路内に1/2波長板等の90度偏光回転手段を設置し、遅延ビームが1つの折り返し光路ユニットを2回繰返して通過するようにした点が異なる。この構成の動作原理を以下で述べる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a second embodiment of the wavelength conversion laser device according to the present invention, FIG. 12 (a) is a configuration diagram of the wavelength conversion laser device, and FIG. 12 (b) is a schematic diagram of a delay optical path. is there. Parts having the same configuration as in FIG. This configuration is based on the same principle as the configuration of FIG. 1 and has the same effect. However, a 90-degree polarization rotating means such as a half-wave plate is installed in the delay optical path, and the delay beam has one folded optical path unit. The difference is that it is passed twice. The operating principle of this configuration is described below.

まず、図12(a)においては、レーザビーム10が偏光ビームスプリッター2に入射後、S偏光成分は反射され順ビーム11となり、P偏光成分は透過して遅延ビーム12となって遅延光路103に入射する。遅延ビーム12は、遅延光路103内に設置された1/2波長板20を通過しS偏光の遅延ビーム12aに変換され、ベンドミラー3cにより焦点距離fのレンズ41に導かれ、レンズ41と光路長が略2fの折返し光路ユニット5aを通過し、ベンドミラー3d、3eにより偏光ビームスプリッター2の側面に入射される。このとき遅延ビーム12aの偏光はS偏光である為、偏光ビームスプリッター2で反射されて再度遅延光路103に入射する。そして、再度1/2波長板20を通過して、今度は分岐された直後と同じP偏光の遅延ビーム12に変換される。そのまま遅延光路103を同じように通過して、偏光ビームスプリッター2の側面に入射した遅延ビーム12は、P偏光であるので偏光ビームスプリッター2を透過し、順ビーム11に合流し重畳される。すなわち、遅延光路103内に1/2波長板20を挿入することで遅延ビーム12は遅延光路を2回繰り返して通過することになる。なお、1/2波長板20の挿入位置は遅延光路中であればどこでも良い。   First, in FIG. 12A, after the laser beam 10 is incident on the polarization beam splitter 2, the S-polarized component is reflected and becomes the forward beam 11, and the P-polarized component is transmitted and becomes the delayed beam 12 in the delay optical path 103. Incident. The delayed beam 12 passes through a half-wave plate 20 installed in the delayed optical path 103, is converted to an S-polarized delayed beam 12a, and is guided to a lens 41 having a focal length f by a bend mirror 3c. The light passes through the folded optical path unit 5a having a length of about 2f, and is incident on the side surface of the polarization beam splitter 2 by the bend mirrors 3d and 3e. At this time, since the polarization of the delayed beam 12a is S-polarized light, it is reflected by the polarization beam splitter 2 and enters the delayed optical path 103 again. Then, the light passes through the half-wave plate 20 again and is converted to the same P-polarized delayed beam 12 just after being branched. The delayed beam 12 that passes through the delayed optical path 103 in the same manner and is incident on the side surface of the polarization beam splitter 2 is P-polarized light, so that it passes through the polarization beam splitter 2 and is merged and superimposed on the forward beam 11. That is, by inserting the half-wave plate 20 into the delay optical path 103, the delay beam 12 passes through the delay optical path twice. The insertion position of the half-wave plate 20 may be anywhere in the delayed optical path.

また遅延光路内のレンズ41は、遅延ビームが遅延光路を2回繰り返し通過することで、遅延光路の分岐点から合流点までの間が像転写接続されるような設計値になっている。遅延光路103の模式図を図12(b)に示す。図12(b)に示したように、レンズ41の焦点距離はf、折り返し光路ユニット5aの光路長は略2fなので、遅延光路1周分の光路長をLとした場合、L=2fの関係を満たすように設計されている。これにより、遅延光路を2回通過することによる分岐から合流までの全遅延光路長は2L(=4f)となり、またレンズ41を2回通過する間の光路長は2fとなるので、分岐点から合流点までの間を像転写接続する条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは1枚であるが、見かけ上遅延光路上には2枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。
尚、レンズ41の位置は、図13では折り返し光路ユニット5aの手前としているが、折り返し光路ユニット5aの後に配置しても、像転写接続の条件は満たされる。
The lens 41 in the delay optical path has a design value such that the delayed beam passes through the delay optical path twice so that the image transfer connection is made between the branch point of the delay optical path and the junction. A schematic diagram of the delay optical path 103 is shown in FIG. As shown in FIG. 12B, the focal length of the lens 41 is f, and the optical path length of the folded optical path unit 5a is approximately 2f. Therefore, when the optical path length for one delay optical path is L, L = 2f. Designed to meet. As a result, the total delay optical path length from branching to merging by passing through the delay optical path twice is 2L (= 4f), and the optical path length while passing through the lens 41 twice is 2f. The condition for image transfer connection up to the junction is satisfied. That is, although there is only one actual lens, the configuration is equivalent to the arrangement of two lenses apparently on the delay optical path.
Although the position of the lens 41 is in front of the folding optical path unit 5a in FIG. 13, the image transfer connection condition is satisfied even if it is arranged after the folding optical path unit 5a.

図12に示した構成は、倒立型の像転写構成の遅延光路であるが、次に正立型の像転写構成の遅延光路を説明する。
図13は、図12と同様に遅延光路を2回通過する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図13(a)は波長変換レーザ装置の構成図であり図13(b)は遅延光路の模式図である。図13(a)に示したように、構成は略図1と同じであり、1/2波長板20を遅延光路104内に配置した点が異なる。遅延光路104中に1/2波長板を配置することで、図12と同様に、遅延ビーム12は遅延光路を2回通過することになる。2枚のレンズ41,42の焦点距離をf、2つの折り返し光路ユニット5a,5bの光路長を約2f、遅延光路104の光路長をLとすると、遅延光路104の模式図は図13(b)のようになる。図13(b)に示したように、L=4fであり、2枚のレンズ41,42間の光路長は2fとなるので、全遅延光路長は2L=8fとなり、分岐点から合流点までの間を正立で像転写接続する条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは2枚であるが、見かけ上遅延光路上には4枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。
尚、図14では、2枚のレンズ41、42を第1の折り返しユニット5aの前後に配置しているが、第2の折り返し光路ユニット5bの前後に配置しても、像転写接続の条件は満たされる。
The configuration shown in FIG. 12 is a delayed optical path of an inverted image transfer configuration. Next, a delayed optical path of an upright image transfer configuration will be described.
FIG. 13 is a diagram showing a wavelength conversion laser device having a delay optical path having an upright image transfer configuration when passing through the delay optical path twice as in FIG. 12, and FIG. 13 (a) is a wavelength conversion laser. FIG. 13B is a schematic diagram of a delay optical path. As shown in FIG. 13A, the configuration is substantially the same as in FIG. 1, except that the half-wave plate 20 is arranged in the delay optical path 104. By arranging the half-wave plate in the delay optical path 104, the delay beam 12 passes through the delay optical path twice as in FIG. If the focal length of the two lenses 41 and 42 is f, the optical path length of the two folded optical path units 5a and 5b is about 2f, and the optical path length of the delayed optical path 104 is L, a schematic diagram of the delayed optical path 104 is shown in FIG. )become that way. As shown in FIG. 13B, since L = 4f and the optical path length between the two lenses 41 and 42 is 2f, the total delay optical path length is 2L = 8f, from the branch point to the junction. The condition for image transfer connection in an upright manner is satisfied. That is, although there are two actual lenses, the configuration is equivalent to the arrangement of four lenses on the apparent delay optical path.
In FIG. 14, the two lenses 41 and 42 are arranged before and after the first folding unit 5a. However, even if the lenses 41 and 42 are arranged before and after the second folding optical path unit 5b, the image transfer connection condition is as follows. It is filled.

図12または図13に示した構成により、遅延ビーム12は遅延光路104を2回繰り返して通過する為、倒立型像転写の場合は実施の形態1の図1と比べて、正立型の像転写の場合は実施の形態1の図6と比べて、折り返し光路ユニットの数や像転写用のレンズの数を半減することができ、コンパクトな構成で図1または図6と同等の長距離遅延光路を実現できる。   With the configuration shown in FIG. 12 or 13, the delayed beam 12 passes through the delayed optical path 104 twice, so that in the case of inverted image transfer, the upright image is compared with FIG. 1 of the first embodiment. In the case of transfer, the number of folding optical path units and the number of lenses for image transfer can be halved as compared with FIG. 6 of the first embodiment, and a long distance delay equivalent to that of FIG. 1 or FIG. An optical path can be realized.

尚、本実施例における1/2波長板20は、偏光方向を90度回転させる手段であれば、ローテータや1/4板を2枚用いる等の他の手段であっても良く、本構成に限定するものではない。また、レンズ41の1枚で像転写光路を形成する構成について述べたが、遅延光路の始点と終点を像転写接続する構成であればレンズ2枚構成でも3枚構成でもよく、本実施例の構成に限定するものではない。また、実施の形態1で述べたように、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば良い。   The half-wave plate 20 in the present embodiment may be other means such as two rotators or two quarter plates as long as the polarization direction is rotated by 90 degrees. It is not limited. In addition, the configuration in which the image transfer optical path is formed by one lens 41 has been described. However, as long as the start point and the end point of the delay optical path are connected by image transfer, a two-lens configuration or a three-lens configuration may be used. The configuration is not limited. In addition, as described in the first embodiment, the image transfer optical path does not have to be completely image transfer connected between the branch point of the delay optical path and the junction point, and the optical path system that provides substantially image transfer. If it is good.

実施の形態3.
図14は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態3を示す図で、図14(a)は波長変換レーザ装置の構成図であり、図14(b)は遅延光路の模式図である。図1と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図1の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路内に2枚の1/4波長板と2枚の全反射ミラーを設置し、遅延ビームが遅延光路を往復して通過するようにした点が異なる。図1の構成に対し、よりコンパクトな構成で長距離の遅延光路を実現するのが目的という点で図6の構成と同じ効果を奏するものであるが、図6とは異なる光路構成で同様の効果を実現したものである。この点について以下で述べる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a third embodiment of the wavelength conversion laser device according to the present invention, FIG. 14 (a) is a configuration diagram of the wavelength conversion laser device, and FIG. 14 (b) is a schematic diagram of a delay optical path. is there. Parts having the same configuration as in FIG. This configuration is based on the same principle as the configuration of FIG. 1 and has the same effect. However, two quarter-wave plates and two total reflection mirrors are installed in the delay optical path so that the delay beam passes through the delay optical path. It is different in that it passes back and forth. 1 has the same effect as the configuration of FIG. 6 in that the purpose is to realize a long-distance delay optical path with a more compact configuration, but the optical path configuration different from that of FIG. 6 has the same effect. The effect is realized. This point is described below.

図14(a)において、レーザビーム10のP偏光成分が偏光ビームスプリッター2を透過し、遅延光路105に導かれ遅延ビーム12となる。遅延ビーム12は第1の1/4波長板51を通過して円偏光に変換さる。円偏光に変換された遅延ビーム12bは、ベンドミラー3cにより光路長fの第1の折り返し光路ユニット7aに導かれ、第1の折り返し光路ユニット7aを通過した後、ベンドミラー3d,3eにより焦点距離fのレンズ42と、光路長fの第2の折返し光路ユニット7bを順番に通過する。第2の折り返し光路ユニット7bを通過した遅延ビーム12aは、第1の全反射ミラー61で反射される。反射された遅延ビーム12bは、逆に第2の折返し光路ユニット7b、レンズ42、第1の折り返し光路ユニット7bの順番に通過して、第1の1/4波長板51でS偏光の遅延ビーム12cに変換され、偏光ビームスプリッター2に帰還する。遅延ビーム12cはS偏光なので、偏光ビームスプリッター2で一旦順ビーム11と逆方向に反射され、第2の1/4波長板52を通過して円偏光に変換される。円偏光に変換された遅延ビーム12bは、第2の全反射ミラー62で逆方向に折返し反射され、再度第2の1/4波長板52を通過し、今度は元のP偏光に変換される。P偏光に戻された遅延ビーム12は、再度偏光ビームスプリッター2の側面に入射し、今度はP偏光である為そのまま透過し順ビーム11と合流して一本のビームに重畳される。   In FIG. 14A, the P-polarized component of the laser beam 10 passes through the polarization beam splitter 2 and is guided to the delay optical path 105 to become the delay beam 12. The delayed beam 12 passes through the first quarter-wave plate 51 and is converted into circularly polarized light. The delayed beam 12b converted into circularly polarized light is guided to the first folding optical path unit 7a having the optical path length f by the bend mirror 3c, passes through the first folding optical path unit 7a, and then is bent by the bend mirrors 3d and 3e. It passes through the lens 42 of f and the second folded optical path unit 7b having the optical path length f in order. The delayed beam 12 a that has passed through the second folded optical path unit 7 b is reflected by the first total reflection mirror 61. On the contrary, the reflected delayed beam 12b passes through the second folded optical path unit 7b, the lens 42, and the first folded optical path unit 7b in this order, and is delayed by the first quarter wavelength plate 51 with S polarization. 12c and returned to the polarization beam splitter 2. Since the delayed beam 12c is S-polarized light, it is reflected once in the direction opposite to the forward beam 11 by the polarization beam splitter 2, passes through the second quarter-wave plate 52, and is converted to circularly polarized light. The delayed beam 12b converted to circularly polarized light is reflected back in the reverse direction by the second total reflection mirror 62, passes through the second quarter-wave plate 52 again, and is then converted to the original P-polarized light. . The delayed beam 12 returned to the P-polarized light again enters the side surface of the polarization beam splitter 2, and since it is now a P-polarized light, it is transmitted as it is and merges with the forward beam 11 and is superimposed on one beam.

図14(a)の遅延光路105の模式図を図14(b)に示す。遅延ビーム12は、分岐点→第1の折り返しユニット7a→レンズ42→第2の折り返しユニット7b→第1の全反射ミラー61→第2の折り返しユニット7b→レンズ42→第1の折り返しユニット7a→合流点(分岐点)→第2の全反射ミラー62→合流点、の順番に通過する。図14(b)に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態1の図1の折り返し光路ユニット5の光路長の半分の約fとすることで、第1の全反射ミラーを介してレンズ42を2回通過する間の光路長は2fとなり、遅延光路105の全遅延光路長は4fとなる。レンズ42の焦点距離はfなので、分岐点から合流点までを倒立型像転写接続する設計条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは1枚であるが、見かけ上遅延光路上には2枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。   A schematic diagram of the delay optical path 105 in FIG. 14A is shown in FIG. The delayed beam 12 has a branching point → the first folding unit 7a → the lens 42 → the second folding unit 7b → the first total reflection mirror 61 → the second folding unit 7b → the lens 42 → the first folding unit 7a → It passes in the order of confluence (branch point) → second total reflection mirror 62 → confluence. As shown in FIG. 14B, by setting the optical path length of the folded optical path unit to about f which is half the optical path length of the folded optical path unit 5 of FIG. Thus, the optical path length during two passes through the lens 42 is 2f, and the total delay optical path length of the delay optical path 105 is 4f. Since the focal length of the lens 42 is f, the design condition for the inverted image transfer connection from the branch point to the junction is satisfied. That is, although there is only one actual lens, the configuration is equivalent to the arrangement of two lenses apparently on the delay optical path.

図14に示した構成により、遅延ビーム12は遅延光路105を往復して通過する為、実施の形態1の図1と比べて、光路長が半分の折り返し光路ユニットを用いることができるとともに像転写用のレンズの数が半分の1枚でよく、コンパクトな構成または寸法で図1と同等の長距離遅延光路を実現できる。   With the configuration shown in FIG. 14, since the delayed beam 12 reciprocates through the delayed optical path 105, a folded optical path unit whose optical path length is half that of FIG. 1 of the first embodiment can be used and image transfer is performed. Only one half of the number of lenses may be used, and a long-distance delay optical path equivalent to that shown in FIG. 1 can be realized with a compact configuration or size.

図14に示した構成は、倒立型の像転写構成の遅延光路であるが、次に正立型の像転写構成の遅延光路を説明する。
図15は、図14と同様に遅延光路を往復する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図15(a)は波長変換レーザ装置の構成図であり図15(b)は遅延光路の模式図である。図15(a)に示したように、構成は略図14と同じであり、遅延光路106内の2つの折り返し光路ユニットの光路長が、実施の形態1と同様に約2fである点と、第1の1/4波長板51と第1の折り返し光路ユニット5aの間に、焦点距離fのレンズ41を挿入している点が異なる。遅延光路106中に2つの1/4波長板51,52と全反射ミラー61,62を配置することで、図14と同様に、遅延ビーム12は遅延光路を往復することになる。よって、遅延ビーム12は、分岐点→第1のレンズ41→第1の折り返しユニット5a→第2のレンズ42→第2の折り返しユニット5b→第1の全反射ミラー61→第2の折り返しユニット5b→第2のレンズ42→第1の折り返しユニット5a→第1のレンズ41→合流点(分岐点)→第2の全反射ミラー62→合流点、の順番に通過する。
The configuration shown in FIG. 14 is a delayed optical path of an inverted image transfer configuration. Next, a delayed optical path of an upright image transfer configuration will be described.
FIG. 15 is a diagram showing a wavelength conversion laser device having a delay optical path having an upright image transfer configuration when reciprocating along the delay optical path as in FIG. 14, and FIG. FIG. 15B is a schematic diagram of the delay optical path. As shown in FIG. 15 (a), the configuration is substantially the same as in FIG. 14, and the optical path lengths of the two folded optical path units in the delay optical path 106 are about 2f as in the first embodiment, and The difference is that a lens 41 having a focal length f is inserted between the first quarter-wave plate 51 and the first folded optical path unit 5a. By arranging the two quarter-wave plates 51 and 52 and the total reflection mirrors 61 and 62 in the delay optical path 106, the delay beam 12 reciprocates in the delay optical path as in FIG. Therefore, the delayed beam 12 is changed from the branch point → the first lens 41 → the first folding unit 5a → the second lens 42 → the second folding unit 5b → the first total reflection mirror 61 → the second folding unit 5b. The light passes through the second lens 42, the first folding unit 5a, the first lens 41, the joining point (branch point), the second total reflection mirror 62, and the joining point.

また、図15(b)に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態1の図1の折り返し光路ユニット5の光路長と同じ約2fとすることで、2つのレンズ41,42間の光路長は2fとなり、遅延光路106の全遅延光路長は8fとなる。2枚のレンズ41、42の焦点距離はfなので、分岐点から合流点までを正立型像転写接続する設計条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは2枚であるが、見かけ上遅延光路上には4枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。   Further, as shown in FIG. 15B, the optical path length of the folded optical path unit is set to about 2f, which is the same as the optical path length of the folded optical path unit 5 of FIG. The optical path length between them is 2f, and the total delay optical path length of the delay optical path 106 is 8f. Since the focal length of the two lenses 41 and 42 is f, the design condition for erect image transfer connection from the branch point to the junction is satisfied. That is, although there are two actual lenses, the configuration is equivalent to the arrangement of four lenses on the apparent delay optical path.

図15に示した構成により、遅延ビーム12は遅延光路106を往復して通過する為、実施の形態1の図6と比べて、折り返し光路ユニットの数および像転写用のレンズの数を半分にすることができ、コンパクトな構成または寸法で図6と同等の長距離遅延光路を実現できる。   With the configuration shown in FIG. 15, since the delayed beam 12 reciprocates through the delayed optical path 106, the number of folded optical path units and the number of lens for image transfer are halved compared to FIG. 6 of the first embodiment. A long distance delay optical path equivalent to that of FIG. 6 can be realized with a compact configuration or size.

尚、上記実施の形態では1枚のレンズや2枚のレンズ構成での像転写接続構成について説明したが、それ以外の枚数のレンズを用いた構成や、全反射ミラー61を球面ミラーとしレンズと組合せて像転写光学系を形成する構成も考えられ、上記のような構成に限定するものではない。一例として、球面ミラーを用いた場合の遅延光路を、図16を用いて説明する。   In the above embodiment, the image transfer connection configuration using one lens or two lenses has been described. However, the configuration using other lenses, the total reflection mirror 61 as a spherical mirror, and the lens. A configuration in which an image transfer optical system is formed in combination is also conceivable and is not limited to the above configuration. As an example, a delay optical path when a spherical mirror is used will be described with reference to FIG.

図16は、図15と同様に遅延光路を往復する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図16(a)は波長変換レーザ装置の構成図であり図16(b)は遅延光路の模式図である。図16(a)に示したように、構成は略図15と同じであり、遅延光路106内の第1の全反射ミラーが曲率半径fの球面ミラー63に置き換わっている点と、第1の1/4波長板51と第1の折り返し光路ユニット5aの間にレンズ41を挿入していない点が異なる。遅延光路106中に2つの1/4波長板51、52と全反射ミラー62、球面ミラー63を配置することで、図15と同様に、遅延ビーム12は遅延光路を往復することになる。この場合、遅延ビーム12は、分岐点→第1の折り返しユニット5a→レンズ42→第2の折り返しユニット5b→球面ミラー63→第2の折り返しユニット5b→レンズ42→第1の折り返しユニット5a→合流点(分岐点)→全反射ミラー62→合流点、の順番に通過する。   FIG. 16 is a diagram showing a wavelength conversion laser device provided with a delay optical path having an upright image transfer configuration when reciprocating along the delay optical path as in FIG. 15, and FIG. 16 (a) is a diagram of the wavelength conversion laser device. FIG. 16B is a schematic diagram of a delay optical path. As shown in FIG. 16A, the configuration is substantially the same as in FIG. 15, and the first total reflection mirror in the delay optical path 106 is replaced with a spherical mirror 63 having a radius of curvature f. A difference is that the lens 41 is not inserted between the quarter-wave plate 51 and the first folded optical path unit 5a. By arranging the two quarter-wave plates 51 and 52, the total reflection mirror 62, and the spherical mirror 63 in the delay optical path 106, the delay beam 12 reciprocates in the delay optical path as in FIG. In this case, the delayed beam 12 has a branch point → first folding unit 5a → lens 42 → second folding unit 5b → spherical mirror 63 → second folding unit 5b → lens 42 → first folding unit 5a → join. Pass in the order of point (branch point) → total reflection mirror 62 → confluence.

また、図16(b)に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態1の図1の折り返し光路ユニット5の光路長と同じ約2fとすることで、レンズ42と球面ミラー間の光路長は2fとなり、遅延光路106の全遅延光路長は8fとなる。レンズ42の焦点距離および球面ミラーの曲率半径は共にfなので、図8(b)と同等の構成となり、分岐点から合流点までを正立型像転写接続する設計条件が満たされる。   Also, as shown in FIG. 16 (b), the optical path length of the folded optical path unit is set to about 2f, which is the same as the optical path length of the folded optical path unit 5 of FIG. The total optical path length of the delay optical path 106 is 8f. Since the focal length of the lens 42 and the radius of curvature of the spherical mirror are both f, the configuration is the same as in FIG. 8B, and the design condition for erect image transfer connection from the branch point to the junction is satisfied.

なお、実施の形態1で述べたように、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば良い。   As described in the first embodiment, the image transfer optical path does not have to be completely image transfer connected between the branch point of the delay optical path and the merging point. If it is good.

実施の形態4.
図17は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態4の構成を示す図である。図1と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図1の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路を密封筐体で覆った構造となっている点が異なる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 17 is a diagram showing the configuration of the wavelength conversion laser device according to the fourth embodiment of the present invention. Parts having the same configuration as in FIG. This configuration has the same effect based on the same principle as the configuration of FIG. 1, but is different in that the delayed optical path is covered with a sealed housing.

図17において、2つの折返し光路ユニット5a,5bと2つの像転写用のレンズ41,42を備える遅延光路100は、全体が密閉筐体70に覆われている。遅延ビーム12は密閉筐体70に設けられた第1のウィンドー71から遅延ユニット内に進入し、第2のウィンドー72から出射して、偏光ビームスプリッター2を通り抜けて、順ビーム11と合流する。   In FIG. 17, the entire delay optical path 100 including the two folded optical path units 5 a and 5 b and the two image transfer lenses 41 and 42 is covered with a sealed casing 70. The delayed beam 12 enters the delay unit from the first window 71 provided in the sealed casing 70, exits from the second window 72, passes through the polarization beam splitter 2, and merges with the forward beam 11.

ここで、2つの折返し光路ユニット5a,5bからなる遅延光路は全長で100m以上の光路長を持ち、例えば図1のような光路がむき出しの構成の場合は、光路中の空気の揺らぎによる収差変動の影響を強く受けてしまう。通常の数m程度の光路では、図18(a)の順ビームに示したように、収差変動の影響を受けることはまず無いが、100m規模の長距離光路の場合は、図18(a)の遅延ビームに示したようにパルスのばらつきが発生し無視できない影響が生じる。このような遅延光路100内での収差変動は像転写光学系でもキャンセルすることはできず、合流点でのビームのポインティングがゆらゆらと揺らぐ現象となって現れ、加工ビームのパルス安定性が低下してしまう。   Here, the delayed optical path composed of the two folded optical path units 5a and 5b has an optical path length of 100 m or more in total length. For example, in the case where the optical path is exposed as shown in FIG. 1, aberration fluctuations due to air fluctuations in the optical path. It will be strongly influenced by. In a normal optical path of about several meters, as shown in the forward beam of FIG. 18A, there is almost no influence of aberration fluctuation, but in the case of a long distance optical path of 100 m scale, FIG. As shown in the delayed beam, pulse variations occur and an influence that cannot be ignored occurs. Such aberration fluctuations in the delay optical path 100 cannot be canceled even by the image transfer optical system, and appear as a phenomenon that the pointing of the beam fluctuates at the merging point, and the pulse stability of the machining beam decreases. End up.

光路中の収差変動の原因は温度差のついた空気の対流によるものであり、装置周辺の空調設備からの気流などで変動してしまう。従って、遅延光路部を密閉筐体で覆い、装置周辺からの気流の影響を受けなくすることが効果的である。図18(b)に密閉筐体を適用しない方式の場合と密閉筐体を適用した場合とで、遅延ビームのパルスばらつきを比較した。ここで、パルスのばらつきとして、図18(a)の遅延ビームで示したようにパルスの高さのばらつきΔPを指標として用いる。図18(b)において、一番左が(1)通常設計の遅延光路でかつ非密閉すなわち図1において像転写用のレンズ41,42が無い場合、中央が(2)実施の形態1の図1に相当する像転写接続で非密閉の場合、一番右が(3)像転写接続の遅延光路でかつ密閉筐体を適用したすなわち図17の構成の場合である。ケース(1)に比べ、ケース(2)のように像転写接続するだけでもパルスばらつきは半減するが、更にケース(3)のように密閉筐体を適用することで、パルスばらつきはケース(1)の1/4程度に低減される。その結果、レーザ加工の品質が安定するなどの効果が得られる。   The cause of aberration fluctuations in the optical path is due to convection of air with a temperature difference, and fluctuates due to airflow from the air conditioning equipment around the apparatus. Therefore, it is effective to cover the delay optical path part with a sealed casing so as not to be affected by the air current from the periphery of the apparatus. In FIG. 18B, the pulse variation of the delayed beam was compared between the case where the sealed casing is not applied and the case where the sealed casing is applied. Here, as shown in FIG. 18A, the pulse height variation ΔP is used as an index as the pulse variation. In FIG. 18B, the leftmost is (1) a normally designed delay optical path and is not sealed, that is, if there are no image transfer lenses 41 and 42 in FIG. 1, the center is (2) the diagram of the first embodiment. When the image transfer connection corresponding to 1 is not sealed, the rightmost is (3) the delay optical path of the image transfer connection and the sealed housing is applied, that is, the configuration of FIG. Compared to the case (1), the pulse variation is halved only by image transfer connection as in the case (2). However, by applying a sealed housing as in the case (3), the pulse variation is reduced to the case (1). ). As a result, effects such as stabilization of the quality of laser processing can be obtained.

尚、上記で説明した密閉筐体とは、外気の気流を遮断する構造となっていれば良く、ガス封入チャンバーや真空容器のような厳密なリークレート管理を要する容器である必要は無い。板金部材の張り合わせによるカバー構造でも十分である。また、図17では実施の形態1の図1に密閉筐体70を適用したが、その他の実施の形態に適用しても同様の効果が得られる。   The sealed casing described above is not limited to a container requiring strict leak rate management, such as a gas-filled chamber or a vacuum container, as long as it has a structure that blocks the flow of outside air. A cover structure by bonding sheet metal members is also sufficient. In FIG. 17, the sealed casing 70 is applied to FIG. 1 of the first embodiment, but the same effect can be obtained even when applied to other embodiments.

この発明に係る波長変換レーザ装置は、高繰り返し周波数で高出力でのレーザ加工が要求される分野のレーザパルス合成手段として用いられるのに適している。   The wavelength conversion laser device according to the present invention is suitable for use as a laser pulse synthesizing means in a field where laser processing with a high repetition frequency and a high output is required.

この発明の実施の形態1を示す波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1である波長変換レーザ装置によるパルスビームを示す図である。It is a figure which shows the pulse beam by the wavelength conversion laser apparatus which is Embodiment 1 of this invention. 像転写光路の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of an image transfer optical path. この発明の実施の形態1である波長変換レーザ装置の倒立型像転写の遅延光路の模式図である。It is a schematic diagram of the delay optical path of the inverted image transfer of the wavelength conversion laser device according to the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1を示す他の波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the other wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1を示す他の波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the other wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1である波長変換レーザ装置の正立型像転写の遅延光路の模式図である。It is a schematic diagram of the delay optical path of the upright image transfer of the wavelength conversion laser device according to the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1である他の波長変換レーザ装置の正立型像転写の遅延光路の構成図および模式図である。It is the block diagram and schematic diagram of the delay optical path of the erect image transfer of the other wavelength conversion laser apparatus which is Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、光軸およびビーム径の変化を比較した図である。It is the figure which compared the change of an optical axis and a beam diameter with the wavelength conversion laser apparatus of Embodiment 1 of this invention and what applied the prior art. この発明の実施の形態1の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、光軸変化量の計算結果を比較したグラフである。It is the graph which compared the calculation result of the optical axis variation | change_quantity by what applied the wavelength conversion laser apparatus of Embodiment 1 of this invention, and a prior art. この発明の実施の形態1の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、ビーム径変化量の計算結果を比較したグラフである。It is the graph which compared the calculation result of the beam diameter variation | change_quantity by what applied the wavelength conversion laser apparatus of Embodiment 1 of this invention, and a prior art. この発明の実施の形態2を示す波長変換レーザ装置の構成図および倒立型像転写の遅延光路の模式図である。It is the block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 2 of this invention, and the schematic diagram of the delay optical path of an inverted type image transfer. この発明の実施の形態2を示す波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。It is the block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 2 of this invention, and the schematic diagram of the delay optical path of an erect image transfer. この発明の実施の形態3を示す波長変換レーザ装置の構成図および倒立型像転写の遅延光路の模式図である。It is the block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 3 of this invention, and the schematic diagram of the delay optical path of an inverted type image transfer. この発明の実施の形態3を示す波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。It is the block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 3 of this invention, and the schematic diagram of the delay optical path of an erect image transfer. この発明の実施の形態3を示す他の波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。It is the block diagram of the other wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 3 of this invention, and the schematic diagram of the delay optical path of an erect image transfer. この発明の実施の形態4を示す波長変換レーザ装置の構成図である。It is a block diagram of the wavelength conversion laser apparatus which shows Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4の波長変換レーザ装置とこの発明の実施の形態1のものと従来技術を適用したものとで、パルス安定性の実験結果を比較した図である。It is the figure which compared the experimental result of pulse stability with the wavelength conversion laser apparatus of Embodiment 4 of this invention, the thing of Embodiment 1 of this invention, and the thing to which a prior art is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1 波長変換レーザ発振器
2 偏光ビームスプリッター
5、7 折り返し光路ユニット
10 レーザビーム
11 順ビーム
12 遅延ビーム
20 1/2波長板
41 第1のレンズ
42、45 第2のレンズ
43 第3のレンズ
44 第4のレンズ
51 第1の1/4波長板
52 第2の1/4波長板
61 第1の全反射ミラー
62 第2の全反射ミラー
63 球面ミラー
70 密閉筐体
71 第1のウィンドー
72 第2のウィンドー
100,101,102,103,104 遅延光路
111 順ビームのビーム径
112 遅延ビームのビーム径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wavelength conversion laser oscillator 2 Polarizing beam splitter 5, 7 Folding optical path unit 10 Laser beam 11 Forward beam 12 Delayed beam 20 1/2 wavelength plate 41 1st lens 42, 45 2nd lens 43 3rd lens 44 4th Lens 51 first quarter wave plate 52 second quarter wave plate 61 first total reflection mirror 62 second total reflection mirror 63 spherical mirror 70 hermetically sealed casing 71 first window 72 second Window 100, 101, 102, 103, 104 Delayed optical path 111 Beam diameter of forward beam 112 Beam diameter of delayed beam

Claims (10)

高調波レーザビームを出力する波長変換レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された高調波レーザビームを複数のレーザビームに分岐するレーザビーム分岐手段と、
前記分岐された複数のレーザビームを重畳させて合成するレーザビーム合成手段と、
前記分岐された複数のレーザビームのうち少なくとも1つのレーザビームの光路長を他のレーザビームの光路長よりも長くする遅延光路手段と、
前記遅延光路手段に配置され前記分岐手段のレーザビームの分岐点と前記合成手段のレーザビームの合流点との間を像転写接続する像転写手段とを、
備えた波長変換レーザ装置。
A wavelength conversion laser oscillator that outputs a harmonic laser beam;
Laser beam branching means for branching the harmonic laser beam output from the laser oscillator into a plurality of laser beams;
Laser beam synthesis means for superposing and synthesizing the plurality of branched laser beams;
Delay optical path means for making the optical path length of at least one laser beam out of the plurality of branched laser beams longer than the optical path lengths of the other laser beams;
An image transfer unit disposed in the delay optical path unit and configured to transfer an image between a branch point of the laser beam of the branch unit and a converging point of the laser beam of the combining unit;
Provided wavelength conversion laser device.
前記像転写手段は、
倒立型像転写を行うものである、
請求項1に記載の波長変換レーザ装置。
The image transfer means includes
Inverted image transfer
The wavelength conversion laser device according to claim 1.
前記像転写手段は、
前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を4fとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離fのレンズを2つ配置するとともに、その2つのレンズ間の光路長が2fとなるようにしたものである、
請求項2に記載の波長変換レーザ装置。
The image transfer means includes
When the optical path length of the laser beam from the branch point to the confluence by the delay optical path means is 4f, two lenses having a focal length f are arranged on the optical path of the laser beam passing through the delay optical path means, The optical path length between the two lenses is 2f.
The wavelength conversion laser device according to claim 2.
前記像転写手段は、
正立型像転写を行うものである、
請求項1に記載の波長変換レーザ装置。
The image transfer means includes
For upright image transfer,
The wavelength conversion laser device according to claim 1.
前記像転写手段は、
前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を8fとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離fのレンズを4つ配置するとともに、前記4つのレンズを前記分岐点側のレンズとそれに隣接するレンズ間の光路長を2f、前記合流点側のレンズとそれに隣接するレンズ間の光路長を2fとなるようにしたものである、
請求項4に記載の波長変換レーザ装置。
The image transfer means includes
When the optical path length of the laser beam from the branch point to the converging point by the delay optical path means is 8f, four lenses having a focal length f are arranged on the optical path of the laser beam passing through the delay optical path means, In the four lenses, the optical path length between the lens on the branch point side and the adjacent lens is 2f, and the optical path length between the lens on the confluence point and the adjacent lens is 2f.
The wavelength conversion laser device according to claim 4.
前記像転写手段は、
前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を8fとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離fの2つのレンズおよび焦点距離f/2のレンズを、焦点距離fのレンズ、焦点距離f/2のレンズ、焦点距離fのレンズの順番に配置するとともに、前記焦点距離fのレンズと前記焦点距離f/2のレンズ間の光路長を2fとなるようにしたものである、
請求項4に記載の波長変換レーザ装置。
The image transfer means includes
When the optical path length of the laser beam from the branch point to the converging point by the delay optical path means is 8f, two lenses having a focal length f on the optical path of the laser beam passing through the delay optical path means and the focal length f / 2 are arranged in the order of a lens having a focal length f, a lens having a focal length f / 2, and a lens having a focal length f, and an optical path length between the lens having the focal length f and the lens having the focal length f / 2. Is 2f,
The wavelength conversion laser device according to claim 4.
前記遅延光路手段は、
前記分岐されたレーザビームをミラーで反射させ前記合成手段へ導くことでこのレーザビームの光路長を延長するものであり、
前記像転写手段は、
前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を8fとした場合、前記ミラーを曲率半径fの球面ミラーとし、この球面ミラーの入射および出射するレーザビームの光路上に焦点距離fのレンズを配置するとともに、前記レンズと前記球面ミラー間の光路長を2fとなるようにしたものである、
請求項4に記載の波長変換レーザ装置。
The delay optical path means includes
The branched laser beam is reflected by a mirror and guided to the combining means to extend the optical path length of the laser beam,
The image transfer means includes
When the optical path length of the laser beam from the branch point to the converging point by the delay optical path means is 8f, the mirror is a spherical mirror having a radius of curvature f, and is on the optical path of the laser beam incident and emitted by the spherical mirror. A lens having a focal length f is disposed, and an optical path length between the lens and the spherical mirror is set to 2f.
The wavelength conversion laser device according to claim 4.
前記遅延光路手段を覆いレーザビームの入射または出射用のウィンドーが設けられた密閉筐体を備えた、
請求項1から7のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
A sealed housing provided with a window for entering or exiting a laser beam covering the delay optical path means,
The wavelength conversion laser device according to claim 1.
前記波長変換レーザ発振器は、Nd:YAGレーザを基本波レーザとして高調波レーザビームを出力するものである、
請求項1から8のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
The wavelength conversion laser oscillator outputs a harmonic laser beam using an Nd: YAG laser as a fundamental laser.
The wavelength conversion laser apparatus in any one of Claim 1 to 8.
前記遅延光路手段の光線行列(A,B,C,D)をメートル単位で表した場合、この光線行列のBの値が10以内である、
請求項1から9のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
When the ray matrix (A, B, C, D) of the delay optical path means is expressed in meters, the value of B of this ray matrix is within 10;
The wavelength conversion laser device according to claim 1.
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