DE112013004263T5

DE112013004263T5 - Laserlichtquelle

Info

Publication number: DE112013004263T5
Application number: DE112013004263.0T
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Nagano; Motoki Kakui; Hiroshi Kohda; Shinobu Tamaoki; Yasuomi Kaneuchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-06-25
Also published as: US20150229094A1; JPWO2014034567A1; JP6142875B2; US9225138B2; WO2014034567A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, die im Stande ist, eine Schwankung bei dem Ausbreitungszustand zufällig polarisierten Laserlichts zu unterdrücken. Bei der Laserlichtquelle sind ein Isolator einschließlich eines Faraday-Rotationskristalls mit einer positiven thermooptischen Konstante und ein nichtlinearer optischer Kristall mit einer negativen thermooptischen Konstante in einer Reihenfolge entlang einer Bewegungsrichtung des Laserlichts angeordnet. Der nichtlineare optische Kristall ist in einem von dem normalen Einfall einfallenden Lichts abweichenden Zustand angeordnet, sodass eine Ausbreitungsachse des sich in dem Kristall ausbreitenden Lichts parallel zu einer optischen Achse des Kristalls ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle.
STAND DER TECHNIK
Eine Laserlichtquelle, die mit einem ISO (Isolator) als Antireflektionselement ausgestattet ist, ist als eine Laserlichtquelle bekannt, die für eine Laserbearbeitung und Anderes verwendet wird. Bei solch einer Laserlichtquelle ist ein zum Ausbilden des ISO verwendeter Faraday-Rotationskristall zum Beispiel ein TGG(Tb₃Ga₅O₁₂)-Kristall oder ein TSAG(Tb₃(ScAl)₅O₁₂)-Kristall mit einer positiven thermooptischen Konstante. Verfahren zum Steuern von Schwankungen der Strahlausbreitung aufgrund des thermischen Linseneffekts dieser Faraday-Rotationskristall sind beispielsweise in der Patentliteratur 1 bis 2 und nicht Patentliteratur 1 bis 2 offenbart. Insbesondere offenbaren die Patentliteratur 1 und die nicht Patentliteratur 1 bis 2 das Verfahren zum Anordnen eines DKDP-Kristalls (Deuterated Potassium Dihydrogen Phosphatedeuteriertes Kaliumdihydrogenphosphat) mit einer negativen thermooptischen Konstante oder Ähnlichem in dem optischen Pfad, wodurch der thermische Linseneffekt des TGG-Kristalls oder des TSAG-Kristalls kompensiert wird. Die Patentliteratur 2 offenbart einen Faraday-Rotator, der im Stande ist, den thermischen Linseneffekt zu reduzieren, und der bei dem ISO eingesetzt werden kann.
Patentliteratur

Patentliteratur 1: veröffentlichte US-Patentanmeldung 2011/0080663
Patentliteratur 2: offengelegte Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2005-283635

Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: CLEO2006, JThC35
Nicht-Patentliteratur 2: LIGO Laboratory/LIGO Scientfic collaboration, LIGO-T060267-00-D (20. August 2007)

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Die Erfinder haben an konventionellen Laserlichtquellen geforscht und das unten beschriebene Problem gefunden. Genauer gesagt kann das folgende Problem beim Steuern bzw. Kontrollieren der Schwankung der Strahlausbreitung bei der Verwendung des DKDP-Kristalls auftreten. Beispielsweise weist der DKDP-Kristall das Merkmal auf, eine Polarisationsabhängigkeit mit Ausnahme von senkrecht zu seiner optischen Achse einfallendem Licht zu erzeugen. Aus diesem Grund ist es notwendig, um zufällig polarisiertes Laserlicht (welches Laserlicht ist, bei dem die Polarisationsrichtung über die Zeit veränderlich ist) ohne Erzeugung der Polarisationsabhängigkeit hindurchgehen zu lassen, die Ausbreitungsachse des sich in dem Kristall ausbreitenden Laserlichts mit der optischen Achse des DKDP-Kristalls in Übereinstimmung zu bringen. Wenn der DKDP-Kristall andererseits senkrecht zu der Einfallsrichtung des Laserlichts angeordnet ist, kann eine optische Rückkopplung, die auf der Eingangsendfläche des DKDP-Kristalls erzeugt wird, das Lichtquellenelement beschädigen.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um das oben beschriebene Problem zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserlichtquelle mit einer Struktur zum effektiven Unterdrücken der Schwankung oder Schwankungsexpansion des Ausbreitungszustands von dem zufällig polarisiertem Laserlicht bereitzustellen. Parameter, um den Ausbreitungszustand des Laserlichts zu definieren, schließen den Strahldurchmesser, die Strahlform (Querschnittsform), die Position einer Strahleinschnürung nach dem Kollimieren usw. ein.
Lösung des Problems
Um das obige Problem zu lösen, weist eine Laserlichtquelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung als ersten Aspekt auf: eine Ausgangslichtquelle, einen Faserlaser, eine Kollimatorlinse, einen Isolator mit einem Faraday-Rotationskristall, der eine positive thermooptische Konstante aufweist, und einen nichtlinearen optischen Kristall, der eine negative thermooptische Konstante aufweist. Der Faserlaser verstärkt das Ausgangslicht, z. B. Pulse des Lichts oder Ähnliches, das von der Ausgangslichtquelle ausgestrahlt wird. Die Kollimatorlinse kollimiert Laserlicht, das von dem Faserlaser ausgestrahlt wird. Der Isolator weist eine Eingangsendfläche für das durch die Kollimatorlinse kollimierte einzutretende Laserlicht und eine Ausgangsendfläche für das auszutretende Laserlicht auf. In dem Isolator ist der Faraday-Rotationskristall zwischen der Eingangsendfläche und der Ausgangsendfläche angeordnet. Der nichtlineare optische Kristall ist in einem optischen Pfad des Laserlichts, das sich zwischen der Kollimatorlinse und dem Isolator ausbreitet, oder in einem optischen Pfad des Laserlichts angeordnet, das von der Ausgangsendfläche des Isolators ausgestrahlt wird. Der nichtlineare optische Kristall weist eine erste Endfläche (Eingangsendfläche) für das einzutretende Laserlicht und eine zweite Endfläche (Ausgangsendfläche) für das auszutretende Laserlicht auf, wobei die zweite Endfläche der ersten Endfläche gegenüberliegt. Insbesondere ist bei dem ersten Aspekt der nichtlineare optische Kristall so angeordnet, dass er eine bestimmte Haltung beibehält. Genauer gesagt ist der nichtlineare optische Kristall so angeordnet, dass ein Winkel (Einfallswinkel) zwischen einer ersten Ausbreitungsachse des Laserlichts, das dazu zu bringen ist, auf die erste Fläche des nichtlinearen optischen Kristalls einzufallen, auf die hiernach als „Voreinfallsausbreitungsachse” Bezug genommen wird, und einer Senkrechten zu der ersten Fläche größer als 0° und kleiner als 90° ist, und so dass eine zweite Ausbreitungsachse des Laserlichts, das sich in dem nichtlinearen optischen Kristall ausbreitet, auf die hiernach als „Ausbreitungsachse im Kristall” Bezug genommen wird, parallel zu einer optischen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls ist. Auf die Ausbreitungsachse des Laserlichts, das von der Ausgangsendfläche des nichtlinearen optischen Kristalls hervorgetreten ist, wird hiernach als „Nachaustrittsausbreitungsachse” Bezug genommen.
Da bei der Laserlichtquelle in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Winkel der Voreinfallsausbreitungsachse des Laserlichts zu der Eingangsendfläche des nichtlinearen optischen Kristalls größer als 0° und kleiner als 90° ist, kann die Lichtmenge der optischen Rückkopplung zu der Ausgangslichtquelle oder zu einer Pumplichtquelle in dem Faserlaser und Ähnliches vermindert oder vollständig zu 0 gemacht werden. Da die Haltung des nichtlinearen optischen Kristalls darüber hinaus so eingestellt ist, dass die Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall parallel zu der optischen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls ist, kann das Erzeugen einer Polarisationsabhängigkeit selbst in dem Fall unterdrückt werden, bei dem das zufällig polarisierte Laserlicht durch den nichtlinearen optischen Kristall hindurchgeht (d. h. das Doppelbrechungsphänomen tritt nicht bei dem sich in dem nichtlinearen optischen Kristall ausbreitendem Laserlicht auf).
Als ein zweiter Aspekt, der auf den ersten Aspekt anwendbar ist, ist der Winkel zwischen der Voreinfallsausbreitungsachse des Laserlichts und der Senkrechten zu der Eingangsendfläche des nichtlinearen optischen Kristalls vorzugsweise nicht weniger als 1° und nicht mehr als 10°.
Als ein dritter Aspekt, der auf mindestens einen des ersten und zweiten Aspekts anwendbar ist, ist eine Dicke des nichtlinearen optischen Kristalls entlang der Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall (die optische Achse des nichtlinearen optischen Kristalls in einem Zustand, in dem der nichtlineare optische Kristall nicht so wie bei dem ersten Aspekt installiert ist) nicht weniger als 5 mm und nicht mehr als 30 mm. Als ein vierter Aspekt, der auf mindestens einen des ersten bis zweiten Aspekts anwendbar ist, kann die Laserlichtquelle ferner einen Positionssteuermechanismus zum veränderlichen Steuern einer Position des Laserlichteinfalls auf die Eingangsendfläche des nichtlinearen optischen Kristalls aufweisen, und eine Länge einer Seite vom Querschnitt des nichtlinearen optischen Kristalls, senkrecht zu der Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall (die optische Achse des nichtlinearen optischen Kristalls in einem Zustand, in dem der nichtlineare optische Kristall nicht wie bei dem ersten Aspekt installiert ist), vorzugsweise nicht weniger als 0,7 mm und nicht mehr als 20 mm ist. Insbesondere ist bei diesem vierten Aspekt, wenn zueinander senkrechte Achsen auf dem Querschnitt des nichtlinearen optischen Kristall als eine erste Referenzachse und eine zweite Referenzachse definiert sind, eine Form des Querschnitts vorzugsweise ein Quadrat, ein Rechteck, eine Form, bei eine Vielzahl von rechteckigen Abschnitten mit unterschiedlichen Dicken entlang der ersten Referenzachse so angeordnet sind, dass sie entlang der zweiten Referenzachse benachbart sind, oder eine Form, bei der die Dicke entlang der ersten Referenzachse sich kontinuierlich entlang der zweiten Referenzachse ändert. Insbesondere schließt die Form als ein fünfter Aspekt, der auf den vierten Aspekt anwendbar ist, und bei der die Vielzahl von rechteckigen Abschnitten mit unterschiedlichen Dicken entlang der ersten Referenzachse entlang der zweiten Referenzachse angeordnet sind, eine gestufte Form oder eine Kammform ein.
Als ein sechster Aspekt, der auf mindestens einen des ersten bis fünften Aspekts anwendbar ist, ist zumindest ein Teil einer Umfangsfläche des nichtlinearen optischen Kristalls vorzugsweise durch ein elektrisch leitfähiges Silikon bedeckt. Andererseits kann der nichtlineare optische Kristall als ein siebter Aspekt, der auf mindestens einen des ersten bis fünften Aspekts anwendbar ist, in einer Luftatmosphäre angeordnet sein.
Darüber hinaus ist ein Strahldurchmesser des Laserlichts als ein achter Aspekt, der auf mindestens einen des ersten bis siebten Aspekts anwendbar ist, und der dazu gebracht wird, auf die Eingangsendfläche des nichtlinearen optischen Kristalls einzufallen, nicht weniger als 0,5 mm.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Die Laserlichtquelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unterdrückt die Schwankung oder Schwankungsexpansion des Ausbreitungszustands des zufällig polarisierten Laserlichts auf wirksame Weise.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A und 1B sind Zeichnungen, welche die Anordnung und Konfiguration der in einer allgemeinen Laserlichtquelle verwendeten ISO zeigt.
2 ist eine Zeichnung zum Erläutern der Strahlenausbreitung durch den thermischen Linseneffekt des ISO.
Die 3A und 3B sind Zeichnungen, die Beispiele für eine Anordnung des DKDP-Kristalls zeigen.
4 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Aufbaus einer Laserlichtquelle in der MOPA-Struktur.
5 ist eine Zeichnung zum Erläutern einer Beziehung zwischen dem DKDP-Kristall und zufällig polarisiertem Licht.
Die 6A bis 6C sind Zeichnungen zum Erläutern einer Anordnung des DKDP-Kristalls.
Die 7A und 7B sind Zeichnungen zum Erläutern von Beziehungen der Anordnung des DKDP-Kristalls und des ISO.
Die 8A bis 8C sind Zeichnungen (Teil 1), die Beispiele bezüglich Strahlexpansionsvergrößerungen zeigen.
Die 9A bis 9C sind Zeichnungen (Teil 2), die Beispiele bezüglich Strahlexpansionsvergrößerungen zeigen.
Die 10A und 10B sind Zeichnungen (Teil 1), die Beispiele bezüglich Strahlexpansionsvergrößerungen zeigen.
Die 11A und 11B sind Zeichnungen (Teil 2), die Beispiele bezüglich Strahlexpansionsvergrößerungen zeigen.
12 ist eine Zeichnung (Teil 3), die ein optisches Messsystem für ein Strahlprofil zeigt.
13 ist eine Zeichnung, die ein optisches Messsystem für ein Strahlprofil zeigt (mit angeordnetem DKDP-Kristall).
Die 14A und 14B sind Zeichnungen, welche die Beziehungen zwischen gepulsten Oszillationszuständen und Strahlexpansionsvergrößerungen zeigen.
15 ist eine Zeichnung, welche die Unterschiede von Strahlprofilen zeigt, die mit einer Anordnung mit dem und ohne den DKDP-Kristall korrespondieren.
16 ist eine Zeichnung zum Erläutern der Strahlausbreitung bzw. Strahlfortpflanzung, die mit einer Anordnung mit dem und ohne den DKDP-Kristall korrespondiert.
Die 17A und 17B sind Zeichnungen, zum Erläutern der Beziehungen zwischen Querschnittsformen des DKDP-Kristalls und der Unterdrückung einer Expansion des Strahldurchmessers.
Die 18A bis 18C sind Zeichnungen, die ein weiteres Beispiel des DKDP-Kristalls zeigen.
Die 19A und 19B sind Zeichnungen, die noch weitere Beispiele des DKDP-Kristalls zeigen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der folgenden Erfindung wird nachfolgenden im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden die gleichen Elemente ohne redundante Beschreibung durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. In der nachfolgenden Beschreibung wird der konventionelle Aufbau als erstes beschrieben, um das Problem bei diesem Aufbau zu verdeutlichen und danach wird die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 1A und 1B sind Zeichnungen, welche die Anordnung und den Aufbau des ISO (Isolator) zeigt, der in einer allgemeinen Laserlichtquelle verwendet wird. Wie in 1A gezeigt ist der ISO (Isolator) 60 bei einer zu einer Lichtquelleneinheit 10A nachfolgenden Stufe angeordnet. Die Lichtquelleneinheit 10A ist ein Teil, welcher die Hauptfunktion der Laserlichtquelle aufweist und eine Saatlichtquelle bzw. Ausgangslichtquelle zum Ausstrahlen gepulsten Lichts (Laserlicht), einen Faserlaser als Verstärkungsmittel zum Verstärken des Ausgangslichts und ein Wellenformsteuermittel zum Steuern der Wellenform des gepulsten Lichts einschließt. Eine Zuführfaser 53 verbindet die Lichtquelleneinheit 10A und den ISO 60 und eine Kollimatorlinse 55 ist ebenfalls bei einer vorausgehenden Stufe vor dem ISO 60 angeordnet.
Im Allgemeinen schließt eine Laserverarbeitungseinrichtung eine Laserlichtquelle mit einer hohen Ausgabe oder einer hohen Spitzenleistung, ein externes optisches System mit einem optischen Kondensorsystem, eine Lasersteuersystem, Software usw. ein. Die optische Rückkopplung ist auffällig von den Werkstücken abhängig, welche der Laserverarbeitung auszusetzten sind. Aus diesem Grund wird der ISO 60 unter Verwendung des TGG-Kristalls (Tb₃Ga₅O₁₂) oder des TSAG-Kristalls (Tb₃(ScAl)₅O₁₂) oder Ähnlichem hergestellt, um die Laserlichtquelle von der optischen Rückkopplung zu schützen, sodass sie nicht kaputt geht. Der ISO 60 weist, wie in 1B gezeigt, eine Eingangsendfläche 60a für das einzutretende Laserlicht und eine Ausgangsendfläche 60b für das auszutretende Laserlicht auf und weist einen Faraday-Rotationskristall 601, wie z. B. den zuvor genannten TGG-Kristall oder den TSAG-Kristall und doppelbrechende Kristalle 602 auf, die zwischen der Eingangsendfläche 60a und der Ausgangsendfläche 60b angeordnet sind.
Mit Anstieg der Ausgangsleistung oder des Spitzenwerts des Laserlichts von der Lichtquelleneinheit 10A, erscheint der Einfluss des thermischen Linseneffekts in dem ISO auffälliger, der einen Ausbreitungszustand des Laserlichts verändert (den Strahlendurchmesser, die Querschnittsform des Strahls und Ähnliches). Dies wird mit 2 beschrieben. Die thermooptischen Konstanten dn₁/dT des TGG-Kristalls und TSAG-Kristalls, der als ISO 60 verwendet wird, weisen ein positives Vorzeichen auf. Aus diesem Grund wird der Ausbreitungszustand des Laserlichts durch den thermischen Linseneffekt dieser Faraday-Rotationskristalle verändert, wie bei einer konvexen GRIN-Linse (GRIN). Als Ergebnis verändert sich die Strahlausbreitung aufgrund des Vorhandenseins des ISO 60 von L1 zu L2 und die Strahleinschnürungsposition hinter dem ISO 60 verändert sich von Wα zu Wβ in 2. Wenn die Strahlen bei einem Messpunkt P verglichen werden, vergrößert sich der Strahldurchmesser, wie in 2 gezeigt, aufgrund der Präsens des ISO 60. Wenn diese Laserstrahlen in unterschiedlichen Ausbreitungszuständen (L1 und L2) durch eine Linse kondensiert werden, verursacht der Unterschied der einfallenden Wellenfront eine Veränderung der Fokusposition oder Ähnliches, was ein signifikantes Problem bei der präzisen Laserverarbeitung entstehen lässt.
Eines der Verfahren zum Kompensieren des thermischen Linseneffekts aufgrund der positiven thermooptischen Konstante dn₁/dT ist ein Verfahren, bei dem ein nichtlinearer optischer Kristall mit einer negativen optischen Konstante dn₂/dT in dem optischen Pfad des Laserlichts angeordnet wird. Genauer gesagt wird die thermooptische Konstante durch die Anordnung der nichtlinearen optischen Kristalle unterschiedlicher Vorzeichen dn₁/dT–dn₂/dT, was den thermischen Linseneffekt auslöscht. Tatsächlich gibt es keine Kristalle entgegengesetzten Vorzeichens mit dem gleichen Absolutwert der thermooptischen Konstanten, jedoch kann die Kompensation bis zu einem gewissen Grad durch Einstellen der Kristalllänge oder Ähnlichem ausgeführt werden. Da der DKDP-Kristall ein nichtlinearer optischer Kristall mit der physikalischen Eigenschaft –dn₂/dT ist, ist es beispielsweise wirksam, ihn bei einer vorangehenden Stufe oder bei einer nachfolgenden Stufe des ISO 60 unter Verwendung des TGG-Kristalls oder des TSAG-Kristalls hinter der Zuführfaser 53, wie in den 3A und 3B gezeigt, anzuordnen. 3A zeigt ein Beispiel, bei dem der DKDP-Kristall 70 hinter dem ISO 60 angeordnet ist und 3B zeigt ein Beispiel, bei dem der DKDP-Kristall 70 zwischen der Kollimatorlinse 55 und dem ISO 60 angeordnet ist. Der DKDP-Kristall 70 weist eine Eingangsendfläche 70a für das einzutretende Laserlicht und eine Ausgangsendfläche 70b für das auszutretende Laserlicht auf.
Jedoch ist das oben beschriebene Verfahren zum Kompensieren der Strahlexpansion von der Polarisation der Laserlichtquelle abhängig und somit nicht für die zufällig polarisierte Laserlichtquelle geeignet. Selbst wenn der Prozentsatz von optischer Rückkopplung zu Ausgangslicht durch Verwendung des DKDP-Kristalls auf 0,1% oder weniger eingeschränkt werden kann, der mit einer AR-Beschichtung (Antireflektionsfilm) bereitgestellt ist, ist der Einfluss davon signifikant, wenn die Ausgangsleistung (Lichtintensität) oder der Spitzenwert des Laserlichts von der Laserlichtquelle hoch ist. Es gab die Möglichkeit der Zerstörung des Lichtquellenelements insbesondere dann, wenn der DKDP-Kristall 70 so angeordnet war, dass dessen Eingangsendfläche 70A senkrecht zu der Voreinfallsausbreitungsachse des Laserlichts war.
Die nachfolgende Ausführungsform wird einen Aufbau beschreiben, bei dem der DKDP-Kristall 70 in einem Zustand angeordnet ist, bei dem die Eingangsfläche 70a in Bezug zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts geneigt ist, als ein Verfahren zum Vermeiden des Einflusses der optischen Rückkopplung in die Laserlichtquelle bei gleichzeitigem Unterdrücken der Strahlexpansion in der Laserlichtquelle, um das zufällig polarisierte Laserlicht auszustrahlen.
4 zeigt ein Aufbaubeispiel der Laserlichtquelle 1 in der MOPA-Struktur (Hauptoszillationsleistungsverstärker). Wie in 4 gezeigt weißt die Laserlichtquelle 1 eine Ausgangslichtquelle 10, einen Pulsgenerator 15 (Wellenformsteuermittel), einen Isolator 20, eine optische Faserverstärkungseinheit (Faserlaser) 30, einen Ausgangsverbinder 50, eine Zuführfaser 53, eine Kollimatorlinse 55 und den ISO 60 ein. Eine gepulste Lichtausgabe von der Ausgangslichtquelle 10 unter Steuerung des Pulsgenerators 15 wird durch die optische Faserverstärkereinheit 30 verstärkt. Aus diesem Grund ist die Wiederholungsfrequenz des gepulsten Lichts von der Leistung des Pulsgenerators 15 abhängig und kann in einem breiten Bereich von mehreren 10 kHz bis in etwa 1 MHz eingestellt werden. Die Pulswellenform ist von der Leistung des Pulsgenerators 15 abhängig und die Ausgangslichtquelle 10 und eine Pulswellenform mit mehreren Amplituden kann in Abhängigkeit der Oszillationszustände des gepulsten Lichts erzeugt werden. In einem Bereich 45 in 4 ist es ebenso möglich einen Aufbau einzusetzen, bei dem ein YbDF-Verstärker eingefügt wird oder auch einen Aufbau, bei dem ein Filter zum Durchlassen von Licht mit nur einer spezifischen Wellenlänge eingefügt wird, je nach Anforderung der Situation.
Das von der Ausgangslichtquelle 10 ausgestrahlte gepulste Licht bewegt sich durch den Isolator 20 und wird in der optischen Faserverstärkereinheit 30 verstärkt. In der Laserlichtquelle 1, die in 4 gezeigt wird, ist die optische Faserverstärkereinheit 30 aus pumpenden LDs 31, 35, optischen Kombinatoren 33, 37, YbDF (Yb-dotierte optische Fasern) 41, 42 und einem Isolator 43 zusammengesetzt. Das Licht, das in die optische Verstärkereinheit 30 durch den Isolator 20 eintritt, wird in dem YbDF 41 verstärkt, während das pumpende LD 31 Pumplicht in den YbDF 41 führt. Darüber hinaus bewegt sich das durch den YbDF 41 verstärkte Licht durch den Isolator 43 und wird weiter in dem YbDF 42 verstärkt, während Pumplicht von der Vielzahl von pumpenden LDs 35 in den YbDF 42 geführt wird. Auf diese Weise wird das gepulste Licht von der Ausgangslichtquelle 10 in der optischen Faserverstärkereinheit 30 verstärkt und dann ausgegeben. Es ist auch möglich, den YbDF-Verstärker oder Filter, wie oben beschrieben, in dem Bereich 45 anzuordnen, der zwischen dem YbDF 41 und dem Isolator 43 vorgesehen ist.
Im Folgenden wird der DKDP-Kristall 70 beschrieben, der bei der zu der Laserlichtquelle 1 nachfolgenden Stufe angeordnet ist. Insbesondere ist der DKDP-Kristall 70 bei der in 3A gezeigten Position angeordnet. 5 zeigt die Kristallausrichtung und Anordnung des DKDP-Kristalls 70 in dem Fall, in dem das von der Ausgangsendfläche 60b des ISO 60 ausgestrahlte Laserlicht senkrecht zu dem DKDP-Kristall 70 einfällt. Der DKDP-Kristall 70 ist in das tetragonale System eingeteilt und weißt eine uniaxiale optische Anisotropie auf. Wenn das Laserlicht, das auf den DKDP-Kristall 70 einfällt, zufällig polarisiertes Licht ist, muss das Laserlicht aus diesem Grund entlang der optischen Achse des DKDP-Kristalls 70 einfallend gemacht werden, um den Brechungsindex für jede Polarisation gleich zu machen. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem zufällig polarisiertem Laserlicht und der optischen Achse des DKDP-Kristalls 70, bei dem sowohl die Voreinfallausbreitungsachse als auch die Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall mit der optischen Achse des DKDP-Kristalls 70 zusammenfallen. Da der DKDP-Kristall 70 das uniaxiale tetragonale System aufweist, weist er eine optische Achse auf und die optische Achse fällt mit der c-Achse (Kristallachse) zusammen.
Es ist anzunehmen, dass selbst wenn der DKDP-Kristall 70 mit der AR-Beschichtung bereitgestellt ist, der Einfluss der optischen Rückkopplung von der Eingangsendfläche 70a des DKDP-Kristalls nicht beseitigt werden kann, wenn die Eingangsendfläche 70a des DKDP-Kristall 70 senkrecht zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts ist, solange das Laserlicht hoher Leistung oder das Laserlicht hoher Amplitude verwendet wird. Nunmehr lasst uns ein Verfahren zum Beseitigen des Einflusses der optischen Rückkopplung auf das Lichtquellenelement durch Anordnen des DKDP-Kristalls 70 in einem Zustand untersuchen, in dem die Eingangsendfläche 70a in Bezug auf die Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts, wie in den 6A bis 6C gezeigt, geneigt ist. In den 6A bis 6C wird angenommen, dass DKDP_0° ein Würfel ist und die optische Achse des DKDP_0° (c-Achse: G00) parallel zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts ist. Als nächstes und wie in 6A gezeigt kann DKDP_θ₁ (θ_c1) ein Fall sein, bei dem der DKDP-Kristall 70 mit einem Winkel θ₁ im Verhältnis zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts geneigt ist.
Da der DKDP-Kristall 70 um θ₁ in Bezug auf die Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts geneigt ist, ist in diesem Fall der Winkel (θ_c1) der c-Achse G01 des DKDP-Kristalls 70 ebenfalls in Bezug auf die Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts um θ₁ geneigt.
Als nächstes erläutern wir unter Verwendung der 6B einen Fall, bei dem das Laserlicht der Wellenlänge λ1 in den DKDP_θ₁ (θ_c1) einfällt. Das einfallende Laserlicht I_in wird in den DKDP_θ₁(θ_c1)-Kristall 70 um θ₁ zu der Voreinfallausbreitungsachse des einfallenden Laserlichts geneigt einfallend gemacht (d. h. der Einfallswinkel des Laserlichts I_in ist θ₁). In diesem Fall wird das eingehende Laserlicht I_in entsprechend des Snellius'schen Gesetzes mit einem Brechungswinkel θ₂ in Gleichung (1) zu einer Senkrechten zu der Eingangsendfläche 70 des DKDP_θ₁(θ_c1)-Kristalls 70 gebrochen. [Gleichung 1]
Es tritt ein Offset bzw. Versatz abhängig von der Dicke des DKDP-Kristalls 70 (die Dicke entlang der Ausbreitungsachse des Laserlichts in den Kristall) zwischen dem austretenden Laserlicht I_out, DKDP-Kristall 70 ausgestrahlt wird, und dem eingehenden Laserlicht I_in auf (was eine Abweichung zwischen den Voreinfallausbreitungsachse und der Nachaustrittsausbreitungsachse ist), während das austretende Laserlicht I_out parallel zu dem eingehenden Laserlicht I_in ausgegeben wird. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass die c-Achse des DKDP-Kristalls 70 mit der Ausbreitungsachse in dem Kristall zusammenfallen oder parallel zu dieser sein muss, entlang der das gebrochene Laserlicht sich in dem DKDP_θ₁(θ₂)-Kristall 70 ausbreitet. Genauer gesagt muss die optische Achse des DKDP_θ₁(θ₂)-Kristalls 70, wie in 6B gezeigt, mit der Ausbreitungsachse in dem Kristall des zufälligen polarisierten Laserlichts zusammen fallen oder parallel zu dieser sein. 6C ist ein Auszug eines Teils der in 6B beschriebenen Information. Wenn das Laserlicht in einem Winkel θ₁ in den DKDP_θ₁(θ₂)-Kristall 70 einfällt, ist der Brechungswinkel θ₂ durch die Gleichung (1) ableitbar. Hierbei wird der Winkel (θ_c2) der c-Achse (G02) des DKDP-Kristalls 70 in Bezug zu der Senkrechten der Eingangsendfläche 70a auf die gleiche Richtung wie der Brechungswinkel θ₂ eingestellt.
7A zeigt eine schematische Ansicht für den Fall, bei dem das von dem ISO 60 ausgestrahlte Laserlicht in den DKDP-Kristall 70 einfällt. Zum Vorbeugen gegen die Fresnel Reflektion von der Eingangsendfläche 70a und der Ausgangsendfläche 70b des DKDP-Kristalls 70 wird der DKDP-Kristall 70 so eingestellt, dass sein Neigungswinkel zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts θ_crystal(DKDP_θ_crystal((θ_c)) ist. Wenn in diesem Fall der DKDP-Kristall 70 so angeordnet ist, dass der Winkel (θ_c) der c-Achse zu der Senkrechten der Eingangsendfläche 70a der gleiche Winkel ist wie der von der Gleichung (1) erhaltene Brechungswinkel θ₂, kann der DKDP-Kristall 70 ein polarisationsunabhängiges Strahlexpansionskompensationselement sein. Dieses trifft auf ähnliche Weise auch auf den Fall zu, bei dem der DKDP-Kristall 70 bei einer vorangehenden Stufe, wie in 7B gezeigt, vor dem ISO 60 angeordnet ist.
Von der oben beschriebenen geometrieoptischen Perspektive kann die Erzeugung einer Polarisationsabhängigkeit des Laserlichts unterdrückt werden und ebenso kann eine Erzeugung einer optischen Rückkopplung unterdrückt werden, wenn das zufällig polarisierte Laserlicht durch den DKDP-Kristall 70 hindurchgeht, der wie unten beschrieben angeordnet ist. Der DKDP-Kristall 70 ist angeordnet, sodass der Einfallswinkel θ_crystal der Eingangsendfläche 70a zu der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts (d. h. der Einfallswinkel zwischen der Senkrechten zu der Eingangsendfläche 70a und der Voreinfallausbreitungsachse des Laserlichts) die Bedingung 0° < θ_crystal < 90° erfüllt, und sodass die Ausbreitungsachse im Kristall des Laserlichts, das sich in dem DKDP-Kristall 70 ausbreitet, parallel zu der optischen Achse (c-Achse) des DKDP-Kristalls 70 ist.
Jedoch wird die optische Rückkopplungsleistung um den Einfallswinkel θ_crystal (Einfallswinkel) von 0° verglichen zu der übertragenden Lichtleistung groß. Darüber hinaus ist es in dem Fall zufälliger Polarisation notwendig, die optische Rückkopplungsleistung für zufällig polarisierten Licht auszugleichen (oder die übertragendende Lichtleistung für sowohl die s-Welle als auch die p-Welle auszugleichen) und einer vertikalen Reflektion vorzubeugen. Aus diesem Grund ist es praktischer Bereich des Einfallswinkels θ_crystal vorzugsweise nicht weniger als 1° und nicht mehr als 10°.
Nun werden Beispiele der oben beschriebenen Ausführungsform unter Verwendung der MOPA-artigen Laserlichtquelle 1, wie in 4 gezeigt, gezeigt. In dieser Hinsicht ist die mittlere Ausgabeleistung des Laserlichts in etwa 20 W und die Wiederholungsfrequenz ist zwischen mehreren 10 kHz bis zu 1 MHz veränderlich. Die Laserlichtquelle 1 ist auf so eine Weise angeordnet, dass die Pulswellenform durch den Pulsgenerator 15 freigesteuert werden kann. Die Hauptausstrahlwellenlänge ist 1,06 μm und die Ausgabe ist zufällig polarisiertes Licht. Die 8A bis 11B zeigen Pulsoszillationseigenschaften unter Kontrolle der Pulswellenform bei den Einstellungen der Wiederholungsfrequenz in dem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz und dem Spitzenwert von in etwa 80 kW.
Die 8A bis 8C zeigen die Ergebnisse bei Steuerung der Pulsbreite im Verhältnis zu verschiedenen Pulsenergien unter der Bedingung, dass die Wiederholungsfrequenz konstant bei 200 kHz liegt und der Spitzenwert des gepulsten Lichts (Laserlicht) konstant bei in etwa 80 kW liegt. 8A zeigt das Ergebnis mit der Pulsenergie von 10 μJ; 8B das Ergebnis mit der Pulsenergie von 50 μJ; 8C das Ergebnis mit der Pulsenergie von 100 μJ. Die 9A bis 9C zeigen die Ergebnisse bei Steuerung der Pulsbreite, um die mittlere Ausgabeleistung unter der Bedingung, dass der Spitzenwert des gepulsten Lichts konstant bei in etwa 80 kW liegt, konstant bei in etwa 20 W im Verhältnis zu verschiedenen Wiederholungsfrequenzen zu machen. 9A zeigt das Ergebnis mit der Wiederholungsfrequenz von 500 kHz; 9B zeigt das Ergebnis mit der Wiederholungsfrequenz von 300 kHz; 9C zeigt das Ergebnis mit der Wiederholungsfrequenz von 200 kHz. Die 10A und 10B sind Bespiele für die Erzeugung mehrerer Pulse bei der Wiederholungsfrequenz von 300 kHz unter Einstellung verschiedener Pulsbreiten. Die Gesamtimpulsenergie in 10A ist 61 μJ und die Gesamtimpulsenergie in 10B ist 59 μJ. Die 11A und 11B sind Beispiele für die Erzeugung mehrere Pulse bei der Wiederholungsfrequenz von 100 kHz unter Einstellung unterschiedlicher Pulsbreiten. Die Gesamtimpulsenergie in 11A ist 174 μJ und die Gesamtimpulsenergie in 11B ist 50 μJ. Es ist anzumerken, dass bei der Erzeugung mehrere Pulse die erzeugten Pulse acht Pulse sind und das Pulsintervall bei allen Beispielen 10 ns ist, jedoch dass das gezeigte Pulsintervall in jeder der 10A und 10B und 11A und 11B 0,5 ns ist. Auf diese Weise und da die MOPA-artige Laserlichtquelle 1 es zulässt, dass der Pulsgenerator 15 unabhängig gesteuert wird, kann sie verschiedene Pulswellenformen erzeugen. Die Vergrößerung in den Zeichnungen bezieht sich auf eine Vergrößerung des Strahldurchmessers, der durch den thermischen Linseneffekt expandiert wird, wenn bei 1,5 m im Voraus gemessen, und ist ein Prozentsatz des Strahldurchmessers des Laserstrahls mit dem Spitzenwert von 80 kW (die mittlere Ausgangsleistung von nicht weniger als 16 W) zu dem Strahldurchmesser eines Strahls niedriger Leistung mit der mittleren Ausgabeleistung von nicht mehr als mehreren 100 mW, der frei von dem thermischen Linseneffekt ist. Optische Messsysteme, wie in den 12 und 13 gezeigt, wurden für diese Messung des Strahldurchmessers verwendet.
Das optische Messsystem 100 in 12 schließt die Lichtquelleneinheit 10A, ein optisches Dämpfungssystem 80 und eine Strahlprofilmesseinrichtung 90 ein. Die Lichtquelleneinheit 10A schließt die Ausgangslichtquelle 10, einen Pulsgenerator 15, einen Isolator 20, eine optische Faserverstärkereinheit (Faserlaser) 30 und einen Ausgangsverbinder 50 ein. Das von dem Ausgangsverbinder 50 ausgestrahlte Laserlicht geht durch die Zuführfaser 53 und tritt dann in die Kollimatorlinse 55 ein. Das Laserlicht von der Kollimatorlinse 55 tritt dann aus der Ausgangsendfläche 60b des ISO 60 aus. Bei dem optischen Messsystem 101 in 13 ist der DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristall 70 bei der nachfolgenden Stufe des ISO 60 zusätzlich zu dem optischen Messsystem in 12 angeordnet. In jedem der optischen Messsysteme 100, 101 wird das von dem ISO 60 (oder von dem DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristall 70) ausgestrahlte Laserlicht auf eine vorbestimme Lichtintensität gedämpft, beispielsweise durch das optische Dämpfungssystem 80 unter Verwendung der Fresnel-Reflektion. Dann fällt das auf die vorbestimmte Lichtintensität gedämpfte Laserlicht auf die Strahlprofilmesseinrichtung 90 ein. Folglich misst die Strahlprofilmesseinrichtung 90 den Strahldurchmesser an einem Punkt, der 0,5 m von der Ausgangsendfläche 60b des ISO 60 angeordnet ist.
14A zeigt die Strahldurchmessermessergebnisse an dem Punkt, der 1,5 m von dem TGG-artigen ISO, der den TGG-Kristall verwendet, entfernt ist. Diese Messung wurde unter Verwendung des optischen Messsystems 100 aus 12 ausgeführt (d. h. ohne Verwendung des DKDP-Kristalls). Die Expansionsvergrößerung des Strahldurchmessers entlang der vertikalen Achse aus 14A ist der Prozentsatz des Strahldurchmessers mit dem 80 kW Spitzenwert bei jedem Oszillationszustand zu dem Strahldurchmesser mit in etwa mehreren 100 mW oder der niedrigen Leistung. Sechs Arten (P1 bis P6) typisch gepulster Oszillationszustände wurden vorbereitet und die Strahlexpansionsprozentsätze wurden in dem Wiederholungsfrequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz untersucht. Als Ergebnis wurden drei Hauptarten von Strahlexpansionszuständen beobachtet, d. h. ein Fall eines Anstiegs des Expansionsprozentsatzes auf der Seite niedriger Frequenz, ein Fall eines Auftritts eines Spitzenwerts von 200 bis 300 kHz und ein Fall eines Anstiegs des Expansionsprozentsatzes bei Anstieg der Frequenz. Es ist von den Ergebnissen der 14A verständlich, dass der thermische Linseneffekt in Abhängigkeit der Pulswellenformen variiert. In diesem Fall war der maximale Expansionsprozentsatz 160%. Unter anderen Bedingungen gab es einen Fall von über 200%. Genauer gesagt wurde bestätigt, dass mit der Verwendung des TGG-artigen ISO eine Veränderung des Strahldurchmessers auftritt.
Das Folgende wird Verifikationsexperimente beschreiben, um die Schwankung der Strahlausbreitung aufgrund des thermischen Linseneffekts zu kompensieren, der durch den TGG-artigen ISO verursacht wird, und zwar durch Verwendung des DKDP-Kristalls. Die Kristallanordnung des Strahlexpansionskompensationselements war der zuvor genannte DKDP_θ_crystal(θ_c), das verwendete optische Messsystem war das in 13 gezeigte 101 und die anderen Bedingungen waren die gleichen wie in 14A. 14B zeigt die Messergebnisse. Es wurde bestätigt, dass der Expansionsprozentsatz des Strahldurchmessers auf 110% oder weniger durch Anordnen des DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristalls 70 in dem optischen Pfad gesteuert bzw. begrenzt werden konnte. Es wird angenommen, dass die Strahlexpansion weiter durch Optimieren der Dicke des DKDP-Kristalls unterdrückt werden kann.
Der Strahldurchmesser des auf die Eingangsendfläche 70a des DKDP-Kristalls einfallenden Laserlichts ist vorzugsweise nicht weniger als 0,5 mm. Darüber hinaus ist die Dicke des DKDP-Kristalls 70 entlang der Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall vorzugsweise nicht weniger als 5 mm und nicht mehr als 30 mm. Darüber hinaus ist die Länge einer Seite eines Querschnitts des DKDP-Kristalls 70, die senkrecht zu der Ausbreitungsachse des Laserlichts im Kristall ist, vorzugsweise nicht weniger als 0,7 mm und nicht mehr als 20 mm.
15 zeigt die Messergebnisse der Strahlprofile mit und ohne Anordnung des DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristalls (DKDP-Kristall 70) als Strahlexpansionskompensationselement bei der nachfolgenden Stufe zu dem TGG-artigen ISO (ISO 60). Die Strahlprofile auf der linken Seite der 15 sind jene in dem Aufbau mit nur dem TGG-artigen ISO (ohne Anordnung des DKDP-Kristalls), welche die Strahlprofile für die Fälle des gepulsten Niedrigenergielichts und dem Spitzenwert von 80 kW bei der Wiederholungsfrequenz von 200 kHz sind, und die Strahlprofile auf der rechten Seite sind jene in dem Aufbau, bei dem der DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristall direkt hinter dem TGG-artigen ISO angeordnet ist, was die Strahlprofile in den Fällen des gepulsten Lichts niedriger Leistung und dem Spitzenwert von 80 kW bei der Wiederholungsfrequenz von 200 kHz sind. Wie durch 15 zu erkennen, wurde bestätigt, dass die Strahlexpansion durch Anordnen des DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristalls unterdrückt wurde und dass die gleiche Zirkularität wie im Fall der niedrigen Leistung erreicht worden ist. Durch dieses Ergebnis wurde bestätigt, dass die Unterdrückung bei Aufrechterhaltung der hohen Strahlqualität durch Verwendung des DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristalls erreicht werden konnte.
Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Untersuchung zu den Strahlausbreitungseigenschaften mit dem eingefügten DKDP-Kristall in 16 gezeigt. Bezüglich des TGG-artigen ISO (der Pulsspitzenwert von 80 kW), verlagerte sich die Strahleinschnürungsposition im Vergleich mit dem TGG-artigen ISO (niedrige Leistung) in Richtung der TGG-artigen ISO-Seite (wie durch einen nach links zeigenden Pfeil in 16 angedeutet) und die Einschnürung zog sich zusammen (wie durch einen in 16 nach unten gerichteten Pfeil angedeutet). Als Ergebnis schwankte die Strahlausbreitung und es wurde festgestellt, dass der Strahldurchmesser signifikant expandierte, und zwar bei der Position, bei der Abstand von dem TGG-artigen ISO 1,5 m war. Andererseits wurde festgestellt, dass wenn der DKDP-Kristall zusätzlich zu dem TGG-artigen ISO angeordnet war (der Pulsspitzenwert von 80 kW), der DKDP-Kristall gut als Kompensationselement funktionierte und die Strahlausbreitung näherungsweise gleich der in dem Fall des TGG-artigen ISO (niedrige Leistung) war.
Wie oben beschrieben wurde bestätigt, dass der thermische Linseneffekt in Abhängigkeit der Kombinationen verschiedener Pulswellenformen mit dem ISO stark oder schwach auftrat und es mehrere Fälle bezüglich den Auftrittsbedingungen der Strahlexpansion und der Strahlexpansionsprozentsätze gab. Im Gegensatz hierzu wurde bestätigt, dass die Unterdrückung der Strahlexpansion bei all jenen Strahlexpansionsbedingungen durch Verwendung des DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristalls erreicht worden sind. Von den obigen wurde deutlich, dass der DKDP_θ_crystal(θ_c)-Kristall als Strahlexpansionskompensationselement wirkt, das unabhängig von dem zufällig polarisierten Licht ist.
Die folgenden Zeichnungen sind zur Erklärung der Beziehungen zwischen Querschnittsformen des DKDP-Kristalls und der Unterdrückung der Expansion des Strahldurchmessers.
Da der DKDP-Kristall das tetragonale System aufweist, haben die Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit in allen Richtungen den gleichen Wert in dem zur optischen Achse des DKDP-Kristalls (zusammenfallend mit der c-Achse des Kristalls) senkrechten Querschnitt. Wenn genauer gesagt angenommen wird, dass der Querschnitt des DKDP-Kristalls die xy-Ebene ist, ist der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit in der x-Achsenrichtung, σ_x gleich dem Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der y-Achsenrichtung σ_y. Daher sind in dem Fall des DKDP-Kristalls 70 mit dem in 17A gezeigten rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt die Wärmeableitungsfähigkeiten in der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung gleich. In diesem Fall sind die Kompensationsleistungen bei der Strahlexpansion in der x-Achsenrichtung und in der y-Achsenrichtung in dem DKDP-Kristall 70 gleich. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem das Laserlichts entlang der Ausbreitungsachse AX in den DKDP-Kristall 70 einfallend gemacht wird, wenn die Strahlform B_in auf der Eingangsendfläche 70a des DKDP-Kristalls 70 ein echter Kreis ist, die Querschnittsform des von der Ausgangsendfläche 70b ausgestrahlten Laserlichts (die Strahlform B_out auf der Ausgangsendfläche 70b) ebenfalls als echter Kreis aufrechterhalten. Aus diesem Grund ermöglicht der DKDP-Kristall 70 in 17A die Kompensation der Strahlexpansion bei Beibehaltung des echten Kreiszustands der Strahlquerschnittsform. Der Strahldurchmesser, der in 17A gezeigt wird, wird als ein Beispiel relative Größe zu der Kristallgröße gezeigt. Der Strahldurchmesser ist als
definiert.
Im Fall des in 17A gezeigten DKDP-Kristalls 70 ist dessen Dicke in der x-Achsenrichtung in etwa gleich dem Strahldurchmesser des eintreffenden Laserlichts (unter der Voraussetzung, dass es keinen Energieverlust bei dem eintreffenden Laserlicht gibt). Im Gegensatz dazu ist in dem Fall des in 17B gezeigten DKDP-Kristalls 70a dessen Dicke in der y-Achsenrichtung ausreichend größer als der Strahldurchmesser des eintreffenden Laserlichts und alle Seiten mit Ausnahme der Eingangsendfläche und der Ausgangsendfläche des DKDP-Kristalls 70a oder nur die beiden zu der yz-Ebenen parallelen Seiten sind durch ein Material 700 bedeckt, das einen Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit aufweist, der höher als der des DKDP-Kristalls 70a ist. In diesem Fall hält die Beziehung σ_x > σ_y bezüglich der effektiven Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Bereich des Einfalls von Laserlicht auf die Eingangsendfläche. Das umgebende Material 700 kann beispielsweise elektrische leitfähiger Si-Kautschuk sein und die Beziehung zwischen den effektiven bzw. tatsächlichen Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Einfallsbereich des Laserlichts (die Beziehung zwischen den Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der x-Achsenrichtung und des Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der y-Achsenrichtung des DKDP-Kristalls 70a, der durch den Si-Kautschuk bedeckt ist) ist σ^DKDP+Si _x > σ_y. Unter dieser Bedingung ist die Wärmeableitfähigkeit in der x-Achsenrichtung höher als die in der y-Achsenrichtung und somit nimmt eine stationäre Wärmeverteilung bei Laserstrahlen in dem DKDP-Kristalls 70a eine sich in der x-Achsenrichtung ausbreitende Komponenten an. Im Ergebnis wird die Strahlexpansionsleistung in der x-Achsenrichtung des DKDP-Kristalls 70a niedriger als die in der y-Achsenrichtung. Selbst wenn die Strahlform des Laserlichts, die entlang der Ausbreitungsachse AX einfällt, ein echter Kreis auf der Eingangsendfläche des DKDP-Kristalls 70a ist, wird die Querschnittsform des Laserlichts, das von der Ausgangsendfläche des DKDP-Kristalls 70a ausgestrahlt wird, jedoch eine elliptische Form aufweisen, die in der x-Achsenrichtung verlängert ist.
Wenn andererseits der DKDP-Kristall 70A durch ein Material mit der elektrischen Leitfähigkeit umgeben ist, die niedriger als die des DKDP-Kristalls 70a ist, oder durch ein Gas, ist die Beziehung zwischen dem Koeffizient thermischer Leitfähigkeit in der x-Achsenrichtung und dem Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der y-Achsenrichtung in dem DKDP-Kristall 70A σ_s < σ_y. Wenn der DKDP-Kristall 70A beispielsweise durch die Luftatmosphäre (der Koeffizient thermischer Leitfähigkeit der Luftatmosphäre ist zwei Größenordnungen niedriger als der des DKDP-Kristalls 70a) umgeben ist, ist die Beziehung der effektiven Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Einfallsbereich des Laserlichts (d. h. die Beziehung zwischen dem Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der x-Achsenrichtung und den Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit in der y-Achsenrichtung des DKDP-Kristalls 70a in der Luftatmosphäre) σ^DKDP+Air _x < σ_y. Genauer gesagt wird die Wärmeableitfähigkeit in der x-Achsenrichtung niedriger als die in der y-Achsenrichtung. Dies ergibt eine Verbesserung bei der Strahlexpansionskompensationsleistung in der x-Achsenrichtung. Wenn die Strahlform des Laserlichts, das entlang der Ausbreitungsachse AX einfällt, ein echter Kreis auf der Eingangsendfläche des DKDP-Kristalls 70a ist, wird die Querschnittsform des Laserlichts, das von der Ausgangsendfläche des DKDP-Kristalls 70a ausgestrahlt wird, jedoch eine elliptische Form aufweisen, die in der y-Achsenrichtung verlängert ist.
Auf diese Weise kann das Verhältnis der Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeiten auf der x-Achse und der y-Achse durch die Form auf der xy-Ebene (dem Querschnitt des DKDP-Kristalls) und durch das umgebende Material genauso wie durch die Kristalldicke entlang der z-Achse gesteuert werden.
Die Querschnittform des DKDP-Kristalls ist nicht auf die oben beschriebene quadratische oder rechteckige beschränkt. Beispielsweise kann die Querschnittsform eine Form sein, bei der eine Vielzahl von rechteckigen Bereichen unterschiedlicher Dicken entlang der x-Achse (erste Referenzachse) so angeordnet sind, dass sie entlang der y-Achse (zweite Referenzachse) benachbart sind (vergleiche 18B oder 19A) oder kann eine Form sein, bei der die Dicke entlang der x-Achse sich kontinuierlich entlang der y-Achse verändert (vergleiche 19B). Wenn die Querschnittsform des DKDP-Kristalls eine beliebige Form ist und die Einfallsposition des Laserlichts in den DKDP-Kristalls sich verändern kann, können das Verhältnis der Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeit in der x-Achsenrichtung und der Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeit in der y-Achsenrichtung frei eingestellt werden. In diesem Fall ist die Länge einer Seite des Querschnitts von dem DKDP-Kristall vorzugsweise nicht weniger als 0,7 mm und nicht mehr als 20 mm.
18A zeigt eine Positionierbühne (Positionssteuerungsmechanismus) 800 zum Einstellen der Einfallsposition des Laserlichts in dem DKDP-Kristall. Diese Positionierbühne 800 weist mindestens eine erste Bühne 801, auf welcher der DKDP-Kristall zu montieren bzw. halten ist, eine zweite Bühne 802 zum Halten der ersten Bühne in einem beweglichen Zustand und ein Standbein 803 zum Halten der zweiten Bühne in einem beweglichen Zustand. Die erste Bühne 801 ist mit dem DKDP-Kristall 70B darauf montiert entlang der y-Achse (horizontale Richtung S) relativ zu der zweiten Bühne 802. Die zweite Bühne 802 ist mit der ersten Bühne 801, die durch sie gehalten wird entlang der x-Achse (vertikale Richtung H) relativ zu dem Standbein 803 bewegbar. 18A zeigt die Struktur zum Bewegen des DKDP-Kristalls 70b auf der xy-Ebene als ein Teil der Positionierbühne 800 und die Positionierbühne 800 schließt ebenfalls einen Mechanismus zum Bewegen des Standbeins 803 entlang der z-Achse ein und schließt ferner einen Mechanismus zum Neigen des Standbeins 803 in Bezug zu der x-Achse ein.
Im nachfolgenden wird die Steuerung der Anisotropie der effektiven Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Laserlichteinfallsbereich auf der xy-Ebene (dem Querschnitt des DKDP-Kristalls) beschrieben.
18B ist eine Zeichnung, die ein weiteres Beispiel des DKDP-Kristalls zeigt, und der Querschnitt des DKDP-Kristalls 70b, der in 18B gezeigt wird, weißt eine Struktur auf, bei der eine Vielzahl von rechteckigen Bereichen I bis III mit unterschiedlichen Dicken in x-Achsenrichtung entlang der y-Achsenrichtung angeordnet sind. Insbesondere ist der Bereich I ein rechteckiger Bereich mit der Dicke β₁ in der x-Achsenrichtung und die Dicke α in der y-Achsenrichtung; der Bereich II ist ein rechteckiger Bereich mit der Dicke β₂ in der x-Achsenrichtung und der α in der y-Achsenrichtung; der Bereich III ist ein rechteckiger Bereich mit der Dicke β₃ in der x-Achsenrichtung und der Dicke α in der y-Achsenrichtung. Die Umfangsfläche des DKDP-Kristalls 70b ist durch ein Material mit einem niedrigen Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit bedeckt oder der Luftatmosphäre ausgesetzt. In 18B werden einfallenden Strahlformen B_in1, B_in2, B_in3 in den Bereichen I bis III in relativer Größe zu Kristallplattengrößen als nur ein Bespiel veranschaulicht. Die Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit σ_x1 und σ_y1 in dem Bereich I sind gleich (σ_x1 = σ_y1), da α = β₁ ist. Da andererseits die Bereiche II und III miteinander durch α > β₂ > β₃ in Beziehung stehen sind die effektiven Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Einfallstrahlbereich in dem Bereich II und dem Bereich III σ^DKDP+Air _x2 < σ_y1 und σ^DKDP+Air _x3 < σ_y1, und die Beziehung σ^DKDP+Air _x3 < σ^DKPK+Air _x2 hält. Genauer gesagt sind die Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeiten in der x-Achsenrichtung und in der y-Achsenrichtung in dem Bereich I gleich, jedoch wird die Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeit in der x-Achsenrichtung dadurch verbessert, dass man den Strahl in den Bereich II und den Bereich III mit dem anderen Verhältnis der Länge in der x-Achsenrichtung und der Länge in der y-Achsenrichtung (oder dem anderen Größenverhältnis) eintreten lässt. Da die Strahlexpansionskompensationsleistungsfähigkeit in der x-Achsenrichtung in dem Bereich III höher ist als die in dem Bereich II, und zwar selbst dann, wenn der Einfallsstrahldurchmesser in den DKDP-Kristall ein echter Kreis ist, wird die Form des aus dem DKDP-Kristall austretenden Strahls eine Ellipse sein, die in der x-Achsenrichtung, wie in 18C gezeigt abgeflacht ist. Die Messposition der Strahlformen in 18C ist beispielsweise die Ausgangsendfläche 70b des DKDP-Kristalls 70B (unmittelbar nach Austritt des Laserlichts).
Darüber hinaus zeigen die 19A und 19B noch andere Beispiele für die Querschnittsform des DKDP-Kristalls. Der DKDP-Kristall 70C, der in 19A gezeigt wird, wird durch Vorbereiten einer DKDP-Kristallplatte mit der Dicke β₁ in der x-Achsenrichtung und durch Ätzend durch Trockenätzen oder durch Schneiden mit einer Trennsäge erhalten, um die in 19A gezeigte vorbestimmte Form zu realisieren. Wenn die Trennsäge verwendet wird, können die zu dem Bereich II und dem Bereich III in 18B gleichwertige Formen durch Ausführen von Schnitten bei Steuerung der Schnitttiefe, wie z. B. γ'₂, γ'₃ und Verlagern der Säge durch Schritte von in etwa Blattbreite in der y-Achsenrichtung bis die vorbestimmte Breite α' erreicht wird. Die Steuerung in der Tiefenrichtung kann je nach Notwendigkeit durch Schneiden in mehreren Schritten erreicht werden. Die Verwendung der oben genannten Technik ermöglicht es uns, den Bereich IV und den Bereich V zu erhalten, die gleichwertig bzw. äquivalent zu dem Bereich II und dem Bereich III in 18B sind. Der Bereich IV ist ein rechteckiger Bereich mit der Dicke β'₂ in der x-Achsenrichtung und der α' y-Achsenrichtung und der Bereich V ist ein rechteckiger Bereich mit der Dicke β'₃ in der x-Achsenrichtung und der Dicke α' in der y-Achsenrichtung. Die effektiven Koeffizienten thermischer Leitfähigkeit um den Einfallsstrahlbereich in dem Bereich IV und dem Bereich V sind σ^DKDP+Air _x4 < σ_y1 und σ^DKDP+Air _x5 < σ_y1 und die Beziehung σ^DKDP+Air _x5 < σ^DKDP+Air _x4 halt. Die in 19A gezeigte Querschnittsform kann auch durch Verbinden bzw. Kleben von DKDP-Kristallen unterschiedlicher Kristalldicken realisiert werden, jedoch wäre die Handhabung bei mikroskopischer Größe schwieriger. Das Problem der Handhabung kann durch Annehmen der vorgenannten Technik gelöst werden. Der Umfang des Kristalls mit Ausnahme der Eingangsfläche und der Ausgangsfläche kann mit Ausnahme des auf der Bühne oder Ähnlichem gehalten Abschnitts der Luftatmosphäre ausgesetzt sein oder kann durch einen elektrisch leitfähigen Si-Kautschuk bedeckt sein.
Diese Technik erlaubt es uns, eine Vielzahl von Formtypen unterschiedlicher Seitenverhältnisse aus einer DKDP-Kristallplatte für die Form des Lasereinfallsbereichs zu erhalten. Genauer gesagt ist es durch Scannen und Steuern der Lasereinfallsposition in dem DKDP-Kristall in Richtungen in der Ebene durch die in 18A gezeigte Positionierbühne 800 ermöglicht, das Verhältnis der Kompensationsleistungsfähigkeit in der x-Achsenrichtung und der Kompensationsleistungsfähigkeit in der y-Achsenrichtung für die Strahlexpansion auf einfache Weise zu verändern. Die Verwendung der oben genannten Technik ist in den Fällen sehr wirksam, in denen die Strahlform von einem echten Kreis abweicht, und zwar aufgrund des Einflusses der Verzerrung der Strahlform (Querschnittsform), die für die Laserlichtquelle charakteristisch ist, Defekte, die bei der Form des den ISO ausbildenden Kristalls vorhanden sind oder in diesem vorhanden sind, Defekte, die bei der Form des DKDP-Kristalls vorhanden sind oder in diesem vorhanden sind, das Verfahren des Haltens des DKDP-Kristalls usw. Es ist auch möglich, die gleiche Strahlenexpansionskompensation mit einer Anisotropie wie in 19A zu erreichen, und zwar dadurch, dass der DKDP-Kristall 70D einen Querschnitt mit einer in 19B gezeigten Keilform aufweist. Der in 19B gezeigte DKDP-Kristall 70D weist eine Querschnittsform auf, bei der N Bereiche in der Beziehung o^DKDP+Air _xN < σ_y1 entlang der y-Achsenrichtung von dem Bereich I mit σ_x1 = σ_y1 angeordnet sind. Die Dicken der jeweiligen Bereiche in der x-Achsenrichtung verändern sich kontinuierlich entlang der y-Achsenrichtung, während ihre Dicken in der y-Achsenrichtung auf y1 eingestellt sind.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben beschrieben und es ist anzumerken, dass es keinesfalls beabsichtigt ist, dass die vorliegende Erfindung auf die obige Ausführungsform beschränkt ist und auf vielerlei Weise modifiziert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Laserlichtquelle;
10: Ausgangslichtquelle;
15: Pulsgenerator;
20, 43: Isolatoren;
30: optischer Faserverstärkereinheit (Faserlaser);
50: Ausgangsverbinder;
60: ISO;
70 und 70A bis 70D: DKDP-Kristalle;
80: optisches Dämpfungssystem;
90: Strahlprofilmesseinrichtung;
100, 101: Optische Messsysteme.

Claims

Laserlichtquelle mit: einer Ausgangslichtquelle; einem Faserlaser zum Verstärken gepulsten Ausgangslichts, das von der Ausgangslichtquelle ausgestrahlt wird; einer Kollimatorlinse zum Kollimieren von Laserlicht, das von dem Faserlaser ausgestrahlt wird; einem Isolator, der eine Eingangsendfläche für das einzutretende Laserlicht, das durch die Kollimatorlinse kollimiert worden ist, und eine Ausgangsendfläche für das auszutretende Laserlicht aufweist, wobei der Isolator einen Faraday-Rotationskristall mit einer positiven thermooptischen Konstante aufweist, der zwischen der Eingangsendfläche und der Ausgangsendfläche angeordnet ist; und einem nichtlinearen optischen Kristall mit einer negativen thermooptischen Konstante, der auf einem optischen Pfad des Laserlichts, das sich zwischen der Kollimatorlinse und dem Isolator ausbreitet, oder auf einem optischen Pfad des Laserlichts angeordnet ist, das von der Ausgangsendfläche des Isolators ausgestrahlt wird, wobei der nichtlineare optische Kristall eine erste Endfläche für das einzutretende Laserlicht und eine zweite Endfläche für das auszutretende Laserlicht aufweist, und die zweite Endfläche der ersten Endfläche gegenüberliegt, wobei der nichtlineare optische Kristall angeordnet ist, sodass ein Winkel zwischen einer ersten Ausbreitungsachse des in die erste Endfläche des nichtlinearen optischen Kristalls einfallenden Laserlichts und einer Senkrechten zu der ersten Endfläche größer als 0° und kleiner als 90° ist, und sodass eine zweite Ausbreitungsachse des Laserlichts, das sich in dem nichtlinearen optischen Kristall ausbreitet, parallel zu einer optischen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls ist.
Laserlichtquelle nach Anspruch 1, bei welcher der Winkel zwischen der ersten Ausbreitungsachse des Laserlichts und der Senkrechten zu der ersten Endfläche nicht weniger als 1° und nicht mehr als 10° ist.
Laserlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Dicke des nichtlinearen optischen Kristalls entlang der zweiten Ausbreitungsachse des Laserlichts nicht weniger als 5 mm und nicht mehr als 30 mm ist.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Positionssteuermechanismus zum veränderlichen Steuern einer Einfallsposition des Laserlichts auf die erste Endfläche des nichtlinearen optischen Kristalls, wobei eine Länge einer Seite von einem Querschnitt des nichtlinearen optischen Kristalls senkrecht zu der zweiten Ausbreitungsachse des Laserlichts nicht weniger als 0,7 mm und nicht mehr als 20 mm ist, und wobei, wenn zueinander senkrechte Achsen auf dem Querschnitt des nichtlinearen optischen Kristalls als eine erste Referenzachse und eine zweite Referenzachse definiert sind, eine Form des Querschnitts ein Quadrat, ein Rechteck, eine Form, in der eine Vielzahl von rechteckigen Abschnitten mit unterschiedlichen Dicken entlang der ersten Referenzachse angeordnet sind, sodass sie entlang der zweiten Referenzachse benachbart sind, oder eine Form ist, bei der die Dicke entlang der ersten Referenzachse sich kontinuierlich entlang der zweiten Referenzachse verändert.
Laserlichtquelle nach Anspruch 4, bei der die Form, bei der die Vielzahl von rechteckigen Abschnitten mit unterschiedlichen Dicken entlang der ersten Referenzachse entlang der zweiten Referenzachse angeordnet sind, eine gestufte Form oder eine Kammform aufweist.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zumindest ein Teil einer Umfangsfläche des nichtlinearen optischen Kristalls durch ein elektrisch leitfähiges Silikon bedeckt ist.
Laserlichtquelle nach einem de Ansprüche 1 bis 5, bei der das nichtlineare optische Kristall in einer Luftatmosphäre angeordnet ist.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein Strahldurchmesser des Laserlichts, das auf die erste Endfläche des nichtlinearen optischen Kristall einfallend gemacht ist, nicht weniger als 0,5 mm beträgt.