CN101383477A - 激光二次谐波发生装置 - Google Patents

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CN101383477A CNA2008101305425A CN200810130542A CN101383477A CN 101383477 A CN101383477 A CN 101383477A CN A2008101305425 A CNA2008101305425 A CN A2008101305425A CN 200810130542 A CN200810130542 A CN 200810130542A CN 101383477 A CN101383477 A CN 101383477A
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Abstract

提供一种高效率、高稳定的激光谐波发生装置。在往复光路上形成掺杂了MgO或ZnO的PPLT(周期性极化了的钽酸锂)、PPSLT(周期性极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(周期性极化了的铌酸锂)、PPSLN(周期性极化了的化学计量铌酸锂)等的周期性极化了的非线性光学晶体。从该晶体的1个端面输入从光纤激光器中发射出的激光束，从相同的端面输出波长转换了的谐波。通过往复光路，使发热均匀化，由于在非线性光学晶体内使温度分布均匀化，所以在长度方向按相同条件维持波长转换整合条件。因此，能够产生高效率、高稳定的高频光束。

Description

激光二次谐波发生装置
技术领域
本发明提供一种使从激光器谐振器或其放大器输出的激光束向具有形成了周期性极化结构的化学计量结构的波长转换用非线性晶体的周期性极化结构的周期性方向入射、并在传播方向上产生与基波不同的波长的激光的高效、高稳定的谐波发生装置及转换装置。
背景技术
在电子工业中，DRAM、SRAM等的微细化在逐年推进，与此相伴，内部电路的光集成化也正在实现。此外，信息记录领域中的高密度记录也为人们所希望。对应于这些高集成化、高密度化、微细化，在激光器加工、表面检查等激光器应用装置中，激光束的连续输出、短波长化为人们所希望，并且长时间稳定性也是必需的。表示光束的聚光性品质度的M2参数被要求与作为单一横模式值的1无限接近的品质。已报告了一种谐波发生装置，其中：在短波长激光器的振荡中利用非线性光学晶体，在激光器光路上设置非线性的单晶体从而获得谐波分量，并且，对非线性光学晶体强制地施加电场，设置空间上的周期结构的极化，由此，形成周期性极化的非线性晶体，并且在周期结构的周期性方向上形成光的导波路，从外部将激光束导入导波路，随着在导波路内传播，入射光束被转换为谐波。
这些装置的波长转换效率在脉冲激光器中，由于峰值功率高，容易出现非线性现象，实现高的转换效率。但是，来自连续振荡输出的波长转换效率仍旧低。为此，现有技术提出了一种在连续激光器输出光路上形成谐振器、用压电元件等控制谐振器的长度以便在基波的入射光束中谐振、并用设置在谐振器内的非线性光学元件转换波长的二次谐波发生装置和光参量振荡器。但是，此结构伴随着用于在基波光束中以谐振器内的传播光束的相位共振状态进行控制的控制系统的复杂性，因此难于确保稳定性。
专利文献1美国专利第6,654,392号说明书
专利文献2美国专利第5,800,767号说明书
专利文献3美国专利第5,838,486号说明书
专利文献4特开平11-212127号公报
专利文献5特开2004-191963号公报
专利文献6特开2003-15176号公报
专利文献7特开2005-150252号公报
发明内容
所要解决的问题点在于，在激光器装置的谐波发生装置或波长转换装置中，实现高转换效率、结构的简化、输出的稳定化。
为了解决上述课题，本发明提供一种激光二次谐波发生装置，其特征在于，包括：激光光源，产生基波分量的激光；非线性光学晶体，将上述基波分量的激光转换为二次谐波，具有彼此对置的第1和第2端面，且具有在垂直该第1和第2端面的轴向方向上保持周期性方向、在与该轴向方向垂直的方向上保持极化方向的周期性极化结构；聚光光学系统，聚集上述基波分量的激光，并使其入射到上述非线性光学晶体；反射光学系统，用于将从第2端面发射的在上述非线性晶体内产生的二次谐波分量和上述基波分量的合成的光束通过第2端面返回到上述非线性晶体内；以及光束分割器，通过上述非线性晶体内的往复光路之后，从自第1端面输出的上述二次谐波分量和没有进行波长转换的上述基波分量中取出至少上述二次谐波分量的激光束。
由于通过非线性晶体内的往复光路，因而可以使激光的发热均匀化，由于在非线性光学晶体内使温度分布均匀化，所以在长度方向上按相同条件可以维持波长转换整合条件。因此，具有实现向谐波的转换效率的高效化和稳定化、装置的小型化的效果。
此外，其特征在于，在上述激光器光源和上述非线性光学晶体之间设置光隔离器。通过设置光隔离器，通过的振荡光束可以由在其后设置的光学系统反射而成为返回光，具有进入激光器光源而不会对振荡光束产生干扰的效果。
此外，其特征在于，设置用于使上述非线性光学晶体的温度稳定化的温度调节装置。此外，其特征在于，使上述非线性光学晶体内的往复光路同轴。此外，特征在于，上述非线性光学晶体可以是掺杂了具有周期性的极化结构的MgO或ZnO的PPLT(periodically poled LiTaO3：周期性极化了的钽酸锂)、PPSLT(periodically poled stoichiometric LiTaO3：周期性极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(periodically poled LiNbO3：周期性极化了的铌酸锂)、PPSLN(periodically poled stoichiometric LiNbO3：周期性极化了的化学计量铌酸锂)。
此外，其特征在于，上述激光器光源是产生连续振荡光的激光器光源。由于激光器光源是连续波，所以即便在连续波中，也能够进行实现高效化及稳定化的二次谐波发生。
此外，其特征在于，上述激光器光源是输出单一波长光谱振荡光的光纤振荡器或光纤放大器。此外，特征在于，上述连续振荡光的波长为700nm以上、1100nm以下的单一波长。
此外，其特征在于，上述非线性光学晶体具有导波路结构。通过设置导波路结构，由于导波路内封闭的基波光束能够维持高的强度，在非线性光学晶体内传播，且加长了相互作用长，所以就能够实现向更谐波的转换效率的高效化和稳定化。
另一方面，本发明提供一种将从激光器光源产生的基波分量的激光转换为二次谐波的装置，其特征在于，包括：非线性光学晶体，将上述基波分量的激光转换为二次谐波，具有彼此对置的第1和第2端面，且具有在垂直于该第1和第2端面的轴向上保持周期性方向、在与该轴向垂直的方向上保持极化方向的周期性极化结构；聚光光学系统，聚集上述基波分量的激光，并使其入射到上述非线性光学晶体；反射光学系统，用于将从第2端面发射的在上述非线性晶体内产生的二次谐波分量和上述基波分量的合成的光束通过第2端面返回到上述非线性晶体内；以及光束分割器，通过上述非线性晶体内的往复光路之后，从自第1端面输出的上述二次谐波分量和未进行波长转换的上述基波分量中取出至少上述二次谐波分量的激光束。由于通过非线性晶体内的往复光路，所以可以使激光的发热均匀化，由于在非线性光学晶体内使温度分布均匀化，所以能够在长度方向上按相同条件维持波长转换整合条件。因此，具有实现向谐波的转换效率的高效化和稳定化、装置的小型化的效果。
此外，其特征在于，上述非线性光学晶体是掺杂了具有周期性的极化结构的MgO或ZnO的PPLT(periodically poled LiTaO3：周期性极化了的钽酸锂)、PPSLT(periodically poled stoichiometric LiTaO3：周期性极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(periodically poled LiNbO3：周期性极化了的铌酸锂)、PPSLN(periodically poled stoichiometric LiNbO3：周期性极化了的化学计量铌酸锂)。
在本申请发明的激光二次谐波发生装置或激光波长转换装置中，具有实现向谐波的转换效率的高效化和稳定化、装置更小型化的效果。
附图说明
图1是根据本发明的谐波发生装置的说明图。
图2是表示在本发明中作为激光器光源使用的产生高品质光束的光纤激光器及光纤放大器装置的例子的图。
图3是表示具有周期性极化的非线性光学晶体中的、周期性方向、极化方向、偏振方向、光束前进方向的关系图。
附图标记的说明
1：激光器光源，2：光隔离器，3：二分之一波长板，4：光束分割器，5：聚光透镜，6：具有周期性极化的非线性光学晶体，6-1：(非线性光学晶体的)第1端面，6-2：第2端面，8：反射光学系统，9：输出光束，10：振荡光束，11：光束，16：含二次谐波分量和没有进行波长转换的基波分量的光束，17：平行光束，18：谐波光束，30：DFB激光器，31、37：激励用激光器二极管，32、38：放大光纤，33、39：输出功率，35、36：黑色光栅，51：光束的前进方向，52：(极化的)周期性方向，61：偏振方向，62：极化方向
优选实施方式
图1中示出了本发明的实施方式。激光器光源1优选为连续振荡激光器。从激光器光源1输出具有用于转换为谐波的基波波长的激光。
在激光器光源1为连续振荡的情况下，能够使用图2的实施例所示的结构。在图2a中，使来自控制了振荡波长的分布回归型(DFB)激光器30的振荡输出入射到放大光纤32。将来自激励用的激光器二极管31的激励功率与放大光纤32耦合。由此放大光纤放大的输出功率33能够作为接收波长转换的基波激光器光源使用。
为使连续振荡光纤激光器的输出向明确的方向偏振，能够通过使产生激光器输出的光纤本身具有偏振输出及偏振保持的功能来实现，在使用此的结构中，能够使用图2b这样的结构。作为波长选择用的反射元件，在放大光纤38的两端附近35、36的至少一个位置处形成1个以上黑色光栅，将来自激励用的激光器二极管37的激励功率与放大光纤38耦合。以由黑色光栅决定的振荡波长连续地使输出功率39起振。也可以根据需要，另外使用放大用光学光纤(未图示)来实现功率的放大。在这些这样的放大光纤32及38中，优选使用添加了Yb的光纤。波长能够从978nm至1100nm的范围内进行选择。
在基波光束的产生中，可以使用将具有可变波长特性的掺钛蓝宝石晶体作为放大介质的激光器光源及放大器。众所周知，为了用非线性光学晶体实现高效率波长转换，光束品质高是优选的，且在具有单一频率光谱的情况下得到最大的转换效率。振荡波长在700nm～1000nm是可变的。毫无疑问，即使在以脉冲模式使这些光源工作的情况下，利用周期性极化反转非线性晶体也能够得到高的波长转换效率。
来自激光器光源1的输出光束9入射到光隔离器2。即使没有光隔离器2也是可以的，但优选地设置光隔离器2，以使通过的振荡光束自设置在其后的光学系统反射，成为返回光，进入激光器光源1而不干扰振荡光束。通过了光隔离器2的振荡光束10通过二分之一波长板3来控制振荡光束10的直线偏振方向，成为光束11。二分之一波长板3被设置以使在设置在其后的周期性极化了的非线性光学晶体6中形成的往复光路与预定的偏振方向一致。在周期性极化了的非线性光学晶体6中，在垂直纸面方向上形成极化方向的情况下，为了以最大的效率产生非线性光学作用，偏振方向需要如用双圆所图示的那样，规定为垂直纸面的方向，即将偏振方向和极化方向规定为平行的。示出了此关系的是图3。非线性光学元件6的光束的前进方向51与极化的周期性方向52平行，偏振方向61与极化方向62平行。基波光束通过相对于光路倾斜为45度的光束分割器4，为了形成更微细的聚光点而用聚光透镜5进行聚光。
在非线性光学晶体6内形成有导波路的情况下，在非线性光学晶体6的大致第1端面6-1上形成聚光点，在导波路内封闭的基波光束维持高的强度，在非线性光学晶体内传播。在基波光束在此导波路内传播的期间，基波分量的一部分被转换成二次谐波的同时，朝向非线性光学晶体6的第2端面6-2。从第2端面6-2，基波分量和二次谐波分量作为发散性光束向空间射出。用凹面反射镜等反射光学系统8使发散性光束反射，使其返回到非线性光学晶体6的第2端面6-2。反射光学系统8的反射特性相对于基波和二次谐波的两波长具有高的反射特性。在形成有导波路的情况下，在反射光学系统8中使用了凹面反射镜的时候，选择其曲率半径，使其为非线性光学晶体6的第2端面6-2中的发散性光束的射出点与该凹面反射镜的反射面的距离，有效地进行使其返回到非线性光学晶体6内的导波路这样的反射。在使用无导波路的非线性光学晶体的情况下，配置聚光透镜5及反射光学系统8以使基波在晶体的中央附近具有聚光点。
优选地，上述非线性光学晶体为掺杂了具有周期性极化结构的MgO或ZnO的PPLT(periodically poled LiTaO3：周期性极化了的钽酸锂)、PPSLT(periodically poled stoichiometric LiTaO3：周期性极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(periodically poled LiNbO3：周期性极化了的铌酸锂)、PPSLN(periodically poled stoichiometric LiNbO3：周期性极化了的化学计量铌酸锂)。
非线性光学晶体是MgO:PPSLT和MgO:PPSLN的情况下，其大多表示二次谐波的波长为比532nm(绿光)等短波长的情况，以此光为介质吸收基波的功率的作用。由此，如现有技术所述，在以单一路径构成光学的配置的情况下，非线性晶体的入射端面侧和出射端面侧的光束内吸收功率不同，在晶体的光轴方向上产生温度分布。此情况成为偏离温度相位整合条件的原因，波长转换效率变低。对于非线性晶体内的温度，使用作为公知技术的电子冷却(ETC)技术和加热器能够将温度范围控制在±0.1度左右。
经过往复光路从第1端面输出端面6-1出来的、包含二次谐波分量和没有进行波长转换的基波分量的光束16，再次通过聚光透镜5成为平行光束17，利用至少对二次谐波分量以高的反射率进行反射的光束分割器4选择地从基波分量中分离反射二次谐波分量，作为谐波光束18取出到外部，将其应用于目的用途。基波分量通过光束分割器4，在设置了隔离器2的情况下，利用隔离器2，使其不返回到激光器光源1，在内部作为偏振方向不同的分量被排除。
在此，在此改善了的往复光束通过方法中，由于与沿非线性光学晶体6各长度方向的每一处的光吸收相伴的发热量，因往复路径而被平均化，从而形成均匀的温度分布。即，在第1端面6-1的附近，入射的基波光束强、转换光束弱，但在返回光束中，基波光束弱、转换光束强，另一方面，第2端面6-2附近的发热量，在入射方向随着二次谐波分量的增加，基波分量减少，返回光也相同。按场所根据各波长分量产生的、通过吸收的发热在导波路整个区域均等化。因此，由于使周期性极化了的非线性光学晶体内的温度分布均匀化，所以在长度方向上以相同条件能够维持波长转换整合条件，所以，可以覆盖周期性极化了的非线性光学晶体的整个长度进行高效的波长转换。此情况与过去的仅单方向通过的方法相比可知，能够非常稳定且容易地实现温度分布的均匀化，由于高转换效率化、输出稳定化、装置结构的容易，因而获得了比过去的通过单一路径构成的结构大得多的效果，例如成本方面的经济效果等。通过使往复路径为同轴位置，温度分布也成为同心圆状的分布，在光束的稳定化上表现出效果。
再有，在图1的例子中，虽然采用在反射光学系统8中使用凹面镜，反射到非线性光学元件6的第2端面6-2并返回的结构，但代替此结构，也可以用凸透镜和平面镜构成。此情况下，配置用于使光束平行的凸透镜，使其焦点位置与(导波路)第2端面6-2一致，并且设置用于对通过凸透镜变平行了的光束进行反射的平面镜。此外，即便不将激光器光源1应用在连续振荡激光器而应用在脉冲激光器、可变波长激光器中，也能够获得效果。
【实施例】
在非线性光学晶体中采用MgO:PPSLT，设晶体的长度(第1端面-第2端面间的长度)为40mm。使用根据本发明的二次谐波发生装置的结构，该装置使来自基于单一模式的光纤激光器及其放大器结构的输出功率9.4W、基波的波长为1064nm的单一频率的激光器光源的激光入射到往复光路，作为单一频率、单一模式、波长532nm的激光器输出，得到3.7W。向二次谐波的转换效率按光功率转换效率为39％。因此，在连续振荡输出的波长转换效率中得到高的值。
当实际中使用M2仪器，用M2值测量上述结构中的二次谐波的光束品质时，得到x方向的M2＝1.12、y方向的M2＝1.13。在仅通过单光路时的转换功率低的条件下，为x方向的M2＝1.23、y方向的M2＝1.19。因此，x、y方向的M2，在使用往复光路的本发明中，均可以得到高品质的二次谐波，并且实现高的转换效率。
根据本发明，提供一种激光器波长转换装置，将从光纤激光器发射出的激光束，在掺杂了MgO或ZnO的PPLT、PPSLT、PPLN或PPSLN等的周期性极化了的非线性光学晶体中形成往复光路，从入射端面导入基波激光束，具有使波长转换了的谐波相同的端面成为输出端面的结构，由此实现激光束的转换效率的高效化和稳定化、装置小型化，得到实用的谐波的连续振荡光束。
在本发明的波长转换装置中，在周期地极化了的非线性光学晶体的导波路中形成往复光路，能够得到连续振荡的激光束高效率地波长转换的连续振荡输出。与过去为了得到短波长连续激光需要使用氪和氩的离子气体激光器的大功率驱动的短波长激光器振荡器比较，能够大幅度地提高电力效率，进一步实现装置的小型化，能够广泛地应用在使用短波长的连续振荡输出的激光器微细加工、微细图形曝光、高精度微细检查、高密度信息记录等的激光器应用中。
以上说明了本发明的几个实施例。很明显，在不脱离权利要求范围所述的发明技术思想的情况下，还能够对它们实施变更。
产业上的可利用性
作为本发明的活用实例，由于以二次谐波的短波长、且高效率地得到连续振荡的基波输出，所以能够应用在激光器微细加工装置，半导体存储器的硅晶片冗余性电路的导电性连接的电路元件的切断，另外，多层结构电子元件的层内部中的去除切断，液晶显示面板和等离子体显示装置的缺陷修正，在基板表面形成的电容器、电阻、电感等的调整、电路基板的功能调整，另外，半导体基板的激光器精密加工、DVD原版盘制作(マスタリング)，硅晶片的缺陷检查，平版印刷用网线缺陷检查等。这样，由于能够在连续振荡中实现高频波长转换，能够在连续输出中实施在过去脉冲输出中进行的作用，所以能够提高作业效率；由于产生简单地进行微小缺陷检测等的优点，所以对于能够实现的来自现有技术的改善点的贡献大。

Claims (11)

1、一种激光二次谐波发生装置，包括:
激光器光源，产生基波分量的激光；
非线性光学晶体，将上述基波分量的激光转换为二次谐波，具有彼此对置的第1端面和第2端面，且具有在与该第1端面和第2端面垂直的轴向上保持周期性方向、在与该轴向垂直的方向上保持极化方向的周期性极化结构；
聚光光学系统，聚集上述基波分量的激光，并使其入射到上述非线性光学晶体；
反射光学系统，用于将从第2端面发射的在上述非线性晶体内产生的二次谐波分量和上述基波分量的合成光束通过第2端面返回到上述非线性晶体内；以及
光束分割器，通过上述非线性晶体内的往复光路之后，从由第1端面输出的上述二次谐波分量和未进行波长转换的上述基波分量中取出至少上述二次谐波分量的激光束。
2、根据权利要求1所述的激光二次谐波发生装置，在上述激光器光源和上述非线性光学晶体之间设有光隔离器。
3、根据权利要求1或2所述的激光二次谐波发生装置，设有用于使上述非线性光学晶体的温度稳定的温度调节装置。
4、根据权利要求1至3任一项所述的激光二次谐波发生装置，上述非线性光学晶体内的往复光路同轴。
5、根据权利要求1至4任一项所述的激光二次谐波发生装置，上述非线性光学晶体为掺杂了具有周期性极化结构的MgO或ZnO的PPLT(periodically poled LiTaO3:周期性极化了的钽酸锂)、PPSLT(periodicallypoled stoichiometric LiTaO3:周期性极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(periodically poled LiNbO3:周期性极化了的铌酸锂)、PPSLN(periodicallypoled stoichiometric LiNbO3:周期性极化了的化学计量铌酸锂)。
6、根据权利要求1至5任一项所述的激光二次谐波发生装置，上述激光器光源为产生连续振荡光的激光器光源。
7、根据权利要求6所述的激光二次谐波发生装置，上述激光器光源为输出单一波长光谱振荡光的光纤激光振荡器或光纤放大器。
8、根据权利要求6或7所述的激光二次谐波发生装置，上述连续振荡光的波长为700nm以上、1100nm以下的单一波长。
9、根据权利要求1～8任一项所述的激光二次谐波发生装置，上述非线性光学晶体具有导波路结构。
10、一种激光波长转换装置，将由激光器光源产生的基波分量的激光转换为二次谐波，包括:
非线性光学晶体，将上述基波分量的激光转换为二次谐波，具有彼此对置的第1端面和第2端面，且具有在与该第1端面和第2端面垂直的轴向上保持周期性方向、在与该轴向垂直的方向上保持极化方向的周期性极化结构；
聚光光学系统，聚集上述基波分量的激光，并使其入射到上述非线性光学晶体；
反射光学系统，用于将从第2端面发射的在上述非线性晶体内产生的二次谐波分量和上述基波分量的合成的光束通过第2端面返回到上述非线性晶体内；以及
光束分割器，在通过上述非线性晶体内的往复光路之后，从由第1端面输出的上述二次谐波分量和未进行波长转换的上述基波分量中取出至少上述二次谐波分量的激光束。
11、根据权利要求10所述的激光波长转换装置，上述非线性光学晶体为掺杂了具有周期性的极化结构的MgO或ZnO的PPLT(periodicallypoled LiTaO3:周期性的极化了的钽酸锂)、PPSLT(periodically poledstoichiometric LiTaO3:周期性的极化了的化学计量钽酸锂)、PPLN(periodically poled LiNbO3:周期性的极化了的铌酸锂)、PPSLN(periodically poled stoichiometric LiNbO3:周期性的极化了的化学计量铌酸锂)。
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