DE69630562T2 - Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und Laservorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und Laservorrichtung Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Optoelektronik und insbesondere eine sichtbare Laserlichtquelle und mit einem Laser arbeitende Einheiten, bei denen eine sichtbare Laserlichtquelle eingesetzt wird, wie einen Laserdrucker, einen Feinteilchendetektor, eine optische Formungseinheit, ein optisches Aufzeichnungsgerät und dergleichen.
  • Stand der Technik
  • Mit dem Fortschritt im Zeitalter der hochentwickelten Informations- und Kommunikationstechnologie steigt der Bedarf an einer Anpassung an kurze Wellenlängen, um die Anforderungen einer verbesserten Aufzeichnungsdichte und einer hohen Druckgeschwindigkeit auf dem Gebiet der optischen Aufzeichnung, beispielsweise bei optischen Plattenlaufwerken und Laserdruckern, zu erfüllen. Als Lichtquellen, die in der Lage sind, Licht im blauen Bereich (mit einer Wellenlänge von 400 bis 480 nm) bereitzustellen, an dem bei kommerziellen Anwendungen ein hoher Bedarf besteht, sind jedoch nur Gaslaser, wie He-Cd-Laser (Helium-Cadmium-Laser) und Ar-Laser (Argonlaser) verfügbar, die beispielsweise zur Verwendung in optischen Plattenlaufwerken ungeeignet waren, weil sie sperrig sind und viel Leistung verbrauchen. Wenngleich die vorstehend erwähnten Gaslaser tatsächlich in manche Laserdrucker als eine Lichtquelle eingebaut sind, besteht aus dem erwähnten Grunde die Möglichkeit, daß sie zu einem Hindernis für künftige Verringerungen der Größe und des Leistungsverbrauchs von Laserdruckern werden.
  • Um das vorstehend erwähnte Problem zu lösen, wird eine Technologie vorgeschlagen, bei der die Erzeugung der zweiten Harmonischen (nachstehend als "SHG" abgekürzt) zur Verringerung der Wellenlänge verwendet wird. Es wurden Fortschritte bei Untersuchungen an der Technologie für die praktische Anwendung dieser SHG-Lichtquelle zusammen mit einer Erhöhung der Ausgangsleistung eines Halbleiterlasers erzielt. Weil bei dieser SHG-Lichtquelle anders als bei herkömmlichen Gaslasern keine Entladung erforderlich ist, besteht die Möglichkeit, daß (1) die Größe und (2) der Leistungsverbrauch der SHG-Lichtquelle verringert werden, und die SHG-Lichtquelle weist abhängig von der Ausgangsstabilität eine hohe Zuverlässigkeit und die lange Nutzungsdauer eines anregenden Halbleiterlasers auf (es lassen sich (3) eine Ausgangsstabilität und (4) eine lange Nutzungsdauer erzielen).
  • Es wird auch ein Verfahren zum Erhalten blauer Strahlung 12 als eine zweite Oszillationswelle, also einer SHG-Welle, von einer SHG-Lichtquelle mit der gleichen Ausgangswellenlänge wie der vorstehend erwähnte Gaslaser vorgeschlagen, wobei beispielsweise die Ausgabe eines Licht im Bereich des nahen Infrarots erzeugenden Halbleiterlasers 1, wie in 10 dargestellt ist, als die erste Oszillationswelle, also eine Grundwelle, verwendet wird und in einem monolithischen externen Resonator 44, der aus einem nicht-linearen optischen Kristall besteht, zur Resonanz gebracht wird (W. J. Kozlovsky und W. Lenth, "Generation of 41 mW of blue radiation by frequency doubling of a GaAlAs diode laser", Appl. Phys. Lett., Band 56, Nr. 23, S. 2291, 1990). Der nichtlineare optische Kristall (als "SHG-Kristall" bezeichnet, weil sich die nachstehenden Wellenlängenkonvertierungen alle auf SHG beziehen) ist KN (KNbO3: Kaliumniobat).
  • Mit der vorstehenden SHG-Lichtquelle sind jedoch die folgenden erheblichen technischen Probleme verbunden. Ein Problem besteht darin, daß es erforderlich ist, die Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers 1 einzustellen, die leicht durch Störungen einer Wellenlänge beeinflußt wird, bei der die SHG-Konvertierwirksamkeit eines KN-Kristalls maximal wird. Zu diesem Zweck muß ein optischer Isolator 42 eingefügt werden, um den Halbleiterlaser vor durch den KN-Kristall reflektiertem Licht zu schützen. Ein anderes Problem besteht darin, daß reflektiertes Licht vom Resonator durch einen optischen Detektor 45 empfangen werden muß, um die Länge eines den KN-Kristall enthaltenden externen Resonators in der Größenordnung der Wellenlänge der Grundwelle zu steuern, und die elektrische Ausgabe des optischen Detektors 45 wird einer Rückkopplungsschaltung 46 zugeführt, um die Ausgabe des Halbleiterlasers zum Erzielen einer stabilen Oszillation zu steuern. Es wird daher erwartet, daß es schwierig ist, Lösungen für diese technischen Probleme zu finden, die einer Kommerzialisierung entgegenstehen.
  • Einrichtungen zum Lösen der vorstehenden technischen Probleme schließen ein Intracavity-Verdopplungs-SHG-Lasersystem ein, bei dem eine Oszillationswelle von einem Festkörperlaser als eine Grundwelle verwendet wird und ein SHG-Kristall im Resonator des Festkörperlasers angeordnet ist. Mit anderen Worten wird beim Intracavity-Verdopplungs-SHG-Lasersystem die Oszillationswellenlänge kaum durch Störungen in der Art des vorstehend erwähnten reflektierten Lichts beeinflußt, weil der den Festkörperlaser bildende Resonator Spiegel mit einem hohen Reflexionsgrad für die Wellenlänge einer Oszillationswelle von dem Festkörperlaser aufweist, die an seinen beiden Enden angeordnet sind. Das Intracavity-Verdopplungs-SHG-Lasersystem ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die SHG-Konvertierwirksamkeit, anders als ein SHG-System mit einem externen Resonator, kaum durch Schwankungen der Oszillationswellenlänge beeinflußt wird, die durch Änderungen der Länge eines Resonators in der Größenordnung der Wellenlänge infolge von Temperaturschwankungen und Schwingungen hervorgerufen werden.
  • Ein Laser, bei dem ein LiSAF-Kristall (Cr:LiSrAlF6; Lithiumstrontiumaluminiumfluorid mit Chromzusatz) als ein Laserkristall verwendet wird, der bei einer Wellenlänge von 750 bis 1000 nm oszilliert, wurde vor kurzem als ein durch einen Halbleiterlaser angeregter wellenlängenveränderlicher Festkörperlaser vorgeschlagen (US-A-4,811,349).
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Verfahren untersucht, bei dem ein nicht-linearer optischer Kristall unter Verwendung von Laserlicht von diesem mit einem Halbleiterlaser angeregten LiSAF-Kristall als eine erste Oszillationswelle (Grundwelle) veranlaßt wird, SHG-Licht mit einem blauen Farbbereich als eine zweite Oszillationswelle zu erzeugen, und zwei neue dabei auftretende Probleme gefunden.
  • 9 ist ein Strukturdiagramm für die Erzeugung der zweiten Harmonischen durch einen LiSAF-Kristall und einen nicht-linearen optischen Kristall. Ein erster Laserspiegel 3, der aus einem dielektrischen Mehrschichtfilm besteht, der 99% oder mehr einer vom LiSAF-Kristall 4 erzeugten Grundwelle reflektiert und Anregungslicht durchläßt, ist an der Oberfläche des LiSAF-Kristalls 4 gebildet, an der Anregungslicht 11 von einem Halbleiterlaser (nicht dargestellt) eingegeben wird, und ein Laserresonator ist zwischen dem ersten Laserspiegel und einem zweiten Laserspiegel 7 als ein gekrümmter Spiegel ausgebildet, der an dessen Ausgangsseite angeordnet ist. Im Resonator befinden sich ein SHG-Kristall 6 und ein doppelbrechender Kristall 5, der ein Element zum Steuern der Wellenlänge der Grundwelle ist, und SHG-Licht wird vom zweiten Laserspiegel 7 ausgegeben. Der zweite Laserspiegel 7 ist mit einer Beschichtung überzogen, um 99% oder mehr der Grundwelle zu reflektieren und das SHG-Licht durchzulassen.
  • Das erste Problem bei der Struktur aus 9 besteht darin, daß es nicht möglich ist, SHG-Licht wirksam zu erzeugen, weil sich die Strahltaille eines Resonatorstrahls 32 der erzeugten Grundwelle am ersten Laserspiegel 3 beim LiSAF-Kristall 4 befindet und er am nicht-linearen optischen Kristall 6 zur Erzeugung von SHG-Licht einen großen Durchmesser aufweist. Dies liegt daran, daß die SHG-Konvertierwirksamkeit im allgemeinen vom Strahldurchmesser der Grundwelle innerhalb des nicht-linearen optischen Kristalls abhängt und umso mehr SHG-Licht erzeugt werden kann, je kleiner der Strahldurchmesser ist.
  • Das zweite Problem besteht darin, daß ein Teil des SHG-Lichts 31 vom doppelbrechenden Kristall reflektiert wird, der ein Wellenlängen-Steuerelement 5 ist, weil das vom nicht-linearen optischen Kristall erzeugte SHG-Licht die Polarisationsrichtung der Grundwelle unter einem rechten Winkel kreuzt. Dies liegt daran, daß der doppelbrechende Kristall die Grundwelle durchläßt, weil er unter dem Brewster-Winkel zur Polarisation der Grundwelle geneigt ist, jedoch für die Polarisation des SHG-Lichts eine geringe Durchlässigkeit aufweist.
  • In JP-A-4 318 990 ist eine andere Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen offenbart, welche die im ersten Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale aufweist. Das zweite Problem, das vorstehend erörtert wurde, tritt auch bei dieser Vorrichtung auf.
  • In US-A-5,341,393 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen offenbart, bei der der Resonator durch einen Festkörper-Laserstab gebildet ist, der selbst die zweite Harmonische erzeugt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfinder haben herausgefunden, daß die vorstehenden Probleme durch Spezifizieren einer Kombination von Komponenten des Resonators zur Erzeugung von SHG-Licht gelöst werden können. Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis.
  • Mit anderen Worten ist die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die einen Halbleiterlaser als eine Anregungslichtquelle und einen Resonator mit einem von der Anregungslichtquelle angeregten Festkörperlaserkristall, ein Steuerelement zum Steuern der Wellenlänge einer vom Festkörperlaserkristall erzeugten ersten Oszillationswelle und einen nicht-linearen optischen Kristall zur Wellenlängenkonvertierung der ersten Oszillationswelle als Grundwelle in eine Welle der zweiten Harmonischen als zweite Oszillationswelle aufweist, wobei die Komponenten des Resonators, ausgehend von der Eingangsseite des Anregungslichts, in der Reihenfolge erster Laserspiegel, Festkörperlaserkristall, Wellenlängen-Steuerelement, nicht-linearer optischer Kristall und zweiter Laserspiegel angeordnet sind.
  • Wenn die Komponenten des Resonators ausgehend von der Eingangsseite der Anregungslichtquelle in der Reihenfolge erster Laserspiegel, Festkörperlaserkristall, Wellenlängen-Steuerelement, nicht-linearer optischer Kristall und zweiter Laserspiegel angeordnet sind, kann sich die Strahltaille der Grundwelle im Resonator am nicht-linearen optischen Kristall befinden, und eine zweite Harmonische kann wirksam erzeugt werden.
  • Wenn der erste Laserspiegel ein gekrümmter Spiegel ist, der 85% oder mehr des Anregungslichts durchläßt und 99% oder mehr der ersten Oszillationswelle reflektiert, und der zweite Laserspiegel ein ebener Spiegel ist, der 99% oder mehr der ersten Oszillationswelle reflektiert und 85% oder mehr der zweiten Oszillationswelle durchläßt, ist es möglich, den Verlust im Resonator zu verringern und weiterhin die zweite Harmonische wirksam zu erzeugen.
  • Weiterhin kann der zweite Laserspiegel an der Oberfläche des nicht-linearen opti schen Kristalls gebildet werden.
  • Wenn ein LiSAF-Kristall (Cr:LiSrAlF6; Lithiumstrontiumaluminiumfluorid mit Chromzusatz) als der vorstehend erwähnte Festkörperlaserkristall verwendet wird, können die erste Oszillationswelle mit einer Wellenlänge von 800 bis 900 nm und die zweite Oszillationswelle mit einem blauen Farbbereich (400 bis 450 nm) erzeugt werden.
  • Wenn ein LiSGAF-Kristall (Cr:LiSrGaF6; Lithiumstrontiumgalliumfluorid mit Chromzusatz) als der vorstehend erwähnte Festkörperlaserkristall verwendet wird, kann die erste Oszillationswelle mit einer Wellenlänge von 800 bis 1000 nm erzeugt werden, wodurch die zweite Oszillationswelle mit einer Wellenlänge von 400 bis 500 nm erzeugt werden kann.
  • Ein einzelner doppelbrechender Kristall, der unter dem Brewster-Winkel geneigt ist, wird als das Steuerelement zum Steuern der Wellenlänge der vom LiSAF-Kristall erzeugten ersten Oszillationswelle verwendet und ist zwischen dem LiSAF-Kristall und dem nichtlinearen optischen Kristall angeordnet, um eine Reflexion des SHG-Lichts zu verhindern, wie vorstehend beschrieben wurde, wodurch es möglich ist, den Verlust von SHG-Licht im Resonator zu verringern und SHG-Licht wirksam zu erzeugen.
  • Quarz (SiO2), LiNbO3 oder LiTaO3 kann als der doppelbrechende Kristall verwendet werden. Vorzugsweise kann eine einzelne Quarzplatte mit einer Dicke von 0,4 bis 3 mm als der doppelbrechende Kristall verwendet werden.
  • Es ist bekannt, daß der Oszillationsschwellenwert im Resonator erhöht wird, wenn in den Resonator ein doppelbrechender Kristall als Wellenlängen-Steuerelement zum Steuern der Oszillationswellenlänge des Festkörperlaserkristalls eingefügt wird. Dies liegt daran, daß die Oszillationseigenschaften eines Laserresonators vom Verlust im Resonator abhängen, der durch Einfügen eines doppelbrechenden Kristalls erhöht wird, weshalb der Schwellenwert bis zum Erreichen der Oszillation hoch wird. Wenn die Transmissionswellenlängenbreite des Wellenlängen-Steuerelements gering ist, nimmt die Menge des vom Wellenlängen-Steuerelement reflektierten und nicht durchgelassenen Lichts zu, was zu einem erhöhten Verlust und einem hohen Oszillationsschwellenwert führt. 3 zeigt die Berechnung einer Transmissionswellenlängenbreite auf der Grundlage der Anzahl der Quarzplatten des unter dem Brewster-Winkel geneigten doppelbrechenden Kristalls. Es ist bei Betrachtung von 3 verständlich, daß die Transmissionswellenlängenbreite durch Erhöhen der Anzahl der Quarzplatten des doppelbrechenden Kristalls, also der Dicke des doppelbrechenden Kristalls, verringert wird. Es zeigt sich dadurch, daß die Transmissionswellenlängenbreite durch Verringern der Dicke des doppelbrechenden Kristalls vergrößert werden kann, wodurch es möglich wird, den Verlust und den Oszillationsschwellenwert zu verringern.
  • Weiterhin zeigt 4 ein Laseroszillations-Wellenlängenintervall in bezug auf die Dicke des doppelbrechenden Kristalls, wenn der doppelbrechende Kristall aus einer einzigen Quarzplatte besteht. Der hier verwendete Begriff "Laseroszillations-Wellenlängenintervall" bezeichnet das Intervall zwischen den Wellenlängen gleichzeitiger Laseroszillationen, das von der Verstärkungscharakteristik eines Lasermediums für jede Wellenlänge abhängt. Weil der Wellenlängenbereich der möglichen Laseroszillationen breit ist, wenn die Verstärkungs charakteristik breit ist, können entsprechend dem Transmissionswellenlängenintervall des Wellenlängen-Steuerelements gleichzeitige Laseroszillationen auftreten. Es ist aus 4 ersichtlich, daß das Intervall zwischen den Wellenlängen von Laseroszillationen schmaler wird, wenn die Dicke des doppelbrechenden Filters zunimmt. Dies liegt daran, daß das Intervall zwischen den benachbarten Wellenlängen möglicher Laseroszillationen schmal ist, wenn die Dicke groß ist, und ein Laser, der bei einer breiten Bandbreite oszillieren kann, wie ein LiSAF-Laser, bei zwei oder mehr Oszillationswellenlängen oszillieren kann. Weil ein allgemeiner Laserspiegel eine Reflexionsbandbreite von 50 nm aufweist, ist ein Oszillationswellenlängenintervall von 25 nm oder mehr, etwa die Hälfte der vorstehend erwähnten Reflexionsbandbreite, erforderlich, um zwei oder mehr gleichzeitige Oszillationen zu unterdrücken. Daher muß die Dicke des doppelbrechenden Kristalls nach 4 3 mm oder weniger betragen. Weil die Wellenlängensteuerung schwierig wird, wenn die Dicke des Kristalls zu gering ist, muß die Dicke des Kristalls nach 4 mindestens 0,4 mm betragen. Daher liegt die Dicke des doppelbrechenden Kristalls vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 3 mm.
  • Wenn weiterhin mindestens eines von LBO (LiB3O5), BBO (β-BaB2O4), CLBO (CsLiB6O10) und CBO (CsB3O5) mit einer verhältnismäßig breiten Phasenanpassungs-Halbwertsbreite als nicht-linearer optischer Kristall, der ein SHG-Kristall ist, verwendet wird, kann SHG-Licht selbst dann wirksam erzeugt werden, wenn die Oszillationswellenlängenbreite der Grundwelle groß ist.
  • Eine Stabilität und eine Größenverringerung können durch Anordnen von wenigstens zwei der den Resonator bildenden Komponenten auf demselben Bauteil und durch Anordnen der den Resonator bildenden Komponenten über einem Temperatursteuerelement erreicht werden. Eine kleine, Leistung sparende Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die für das SHG-System kennzeichnend ist, kann unter Verwendung dieser Mittel verwirklicht werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm zum Erklären einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist ein Diagramm zum Erklären einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 ist ein Diagramm zum Erklären des Vergleichs zwischen Transmissionswellenlängenbreiten, die sich entsprechend der Anzahl der Quarzkristalle eines doppelbrechenden Kristalls ändern.
  • 4 ist ein Diagramm zum Erklären des Oszillationswellenlängenintervalls in bezug auf die Dicke eines doppelbrechenden Kristalls.
  • 5 ist ein Diagramm zum Erklären eines Laserdruckers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 ist ein Diagramm zum Erklären eines Feinteilchendetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 ist ein Diagramm zum Erklären einer optischen Formungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 ist ein Diagramm zum Erklären eines optischen Aufzeichnungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 9 ist ein Diagramm zum Erklären einer vergleichenden Ausführungsform.
  • 10 ist ein Diagramm zum Erklären einer SHG-Lichtquelle aus dem Stand der Technik.
  • Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Ausführungsformen detailliert beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 ist ein Diagramm zum Erklären einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Von einem Halbleiterlaser 1 abgestrahlte Anregungsstrahlen 11 werden durch eine Konvergieroptik 2 konvergiert, um einen Festkörperlaserkristall 4 anzuregen. Ein von Spectra Diode Laboratory Co. hergestellter AlGaInP-Halbleiterlaser mit einer Ausgangsleistung von 500 mW und einer Oszillationswellenlänge von 670 nm wird als Halbleiterlaser 1 verwendet. Zwei zylindrische Linsen und eine Einzellinse (f = 30 mm) werden als Konvergieroptik 2 verwendet.
  • Der angeregte Festkörperlaserkristall 4 erzeugt einen ersten Laserstrahl als eine Grundwelle in einem Laserresonator, der einen ersten Laserspiegel 3 aufweist, welcher ein gekrümmter Spiegel auf der Eingangsseite ist, und einen zweiten Laserspiegel 7 aufweist, der an der Ausgangs-Endfläche eines SHG-Kristalls 6 ausgebildet ist und die erste Oszillationswelle reflektiert. In dem Laserresonator sind der Laserkristall 4, ein Wellenlängen-Steuerelement 5 und der SHG-Kristall 6 angeordnet. Auf den ersten Laserspiegel 3 ist eine hochreflektierende Beschichtung (nachstehend als HR-Beschichtung abgekürzt) aufgebracht, die für die Wellenlänge des Anregungslichts vom Halbleiterlaser eine Durchlässigkeit von 85% oder mehr und für die Wellenlänge der Grundwelle einen Reflexionsgrad von 99% oder mehr aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Resonatorstruktur ein konkav-ebener Resonator, wobei der erste Laserspiegel 3 einen Krümmungsradius von 25 mm aufweist und die Länge des Resonators 20 mm beträgt. Ein LiSAF-Kristall (∅ 3 × 5 mm), der 1,5 Mol-% Cr enthält, wird als Laserkristall 4 verwendet. Auf die Endfläche des Kristalls ist eine Antireflexionsbeschichtung (nachstehend als AR-Beschichtung abgekürzt) aufgebracht, die für die Wellenlänge des Anregungslichts und für die Wellenlänge der Grundwelle einen Reflexionsgrad von 2% oder weniger aufweist. Der SHG-Kristall 6 ist ein LBO-Kristall, der 3 × 3 × 5 mm mißt. Auf die Ausgangsseite, also die hintere Endfläche des LBO-Kristalls, sind eine HR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für die Wellenlänge der Grundwelle und eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 1% oder weniger für die Wellenlänge der SHG-Welle aufgebracht, und es ist dadurch der zweite Laserspiegel 7 gebildet. Auf die Eingangsseite, also die vordere Endfläche des LBO-Kristalls, ist eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 0,2% oder weniger für die Wellenlänge der Grundwelle aufgebracht. Ein doppelbrechender Kristall aus einer einzelnen Quarzplatte wird als das Wellenlängen-Steuerelement 5 verwendet, und er ist unter dem Brewster-Winkel zur optischen Achse geneigt und kann sich um die optische Achse drehen, so daß die Wellenlänge der Grundwelle zu einer Wellenlänge gesteuert wird, bei der die Konvertierwirksamkeit des LBO-Kristalls als der SHG-Krstall 6 maximal wird. Dadurch wurde eine SHG-Ausgangsleistung von 10 mW erhalten. Weiterhin sind der erste Laserspiegel 3, der Laserkristall 4 und das Wellenlängen-Steuerelement 5 am selben Bauteil 8 installiert, ist der SHG-Kristall 6 an einem Bauteil 9 installiert und sind diese Elemente an einem Peltier-Element 10 als einem Temperatursteuerelement befestigt, um die Temperatur des ganzen Resonators zu steuern.
  • Bei dieser Struktur befindet sich die Strahltaille der Grundwelle innerhalb des SHG-Kristalls 6, und erzeugtes SHG-Licht 12 wird wirksam ausgegeben, ohne durch das Wellenlängen-Steuerelement gestört zu werden. Der Resonator weist eine geringe Größe auf, und eine stabile SHG-Lichtquelle wird durch Steuern der Temperatur des ganzen Resonators verwirklicht.
  • (Ausführungsform 2)
  • 2 ist ein Diagramm eines Resonators zum Erklären einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anregungsoptik, die aus einem Halbleiterlaser und einer Konvergieroptik besteht, gleicht derjenigen aus Ausführungsform 1. Ein angeregter Laserkristall 4 erzeugt eine Grundwelle als eine erste Oszillationswelle in einem Laserresonator, der einen ersten Laserspiegel 3, welcher auf der Eingangsseite als ein gekrümmter Spiegel angeordnet ist, und einen zweiten Laserspiegel 7 als einen ebenen Spiegel aufweist. In dem Laserresonator sind der Laserkristall 4, ein SHG-Kristall 6 und ein Wellenlängen-Steuerelement 5 angeordnet. Auf den gekrümmten Laserspiegel als der erste Laserspiegel 3 ist eine HR-Beschichtung mit einer Durchlässigkeit von 85% oder mehr für die Wellenlänge des Anregungslichts und einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für die Wellenlänge der Grundwelle aufgebracht. Auf den ebenen Laserspiegel als der zweite Laserspiegel 7 sind eine HR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 99% oder mehr für die Wellenlänge der Grundwelle und eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 1% oder weniger für die Wellenlänge des SHG-Lichts aufgebracht. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Resonatorstruktur ein konkav-ebener Resonator, hat der gekrümmte Laserspiegel als der erste Laserspiegel 3 einen Krümmungsradius von 25 mm und beträgt die Länge des Resonators 20 mm. Ein 1,5 Mol-% Cr enthaltender LiSAF-Kristall (∅ 3 × 5 mm) wird als Laserkristall 4 verwendet. Auf beide Endflächen des Kristalls ist eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 2% oder weniger für die Wellenlänge der Grundwelle und die Wellenlänge des Anregungslichts aufgebracht. Der SHG-Kristall 6 ist ein LBO-Kristall, der 3 × 3 × 5 mm mißt. Auf beide Endflächen des LBO-Kristalls ist eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 0,2% oder weniger für die Wellenlänge der Grundwelle und 1% oder weniger für die Wellenlänge des SHG-Lichts aufgebracht. Ein doppelbrechender Kristall aus einer einzelnen 0,5 mm dicken Quarzplatte wird als das Wellenlängen-Steuerelement 5 verwendet, und er ist unter dem Brewster-Winkel zur optischen Achse geneigt und kann sich um die optische Achse drehen, so daß die Wellenlänge der Grundwelle zu einer Wellenlänge gesteuert wird, bei der die Konvertierwirksamkeit des LBO-Kristalls als der SHG-Kristall 6 maximal wird. Dadurch wurde eine SHG-Ausgangsleistung von 10 mW erhalten. Ebenso wie in Ausführungsform 1 wurde eine stabile SHG-Ausgangsleistung durch Installieren der Komponenten des Resonators an den gleichen Bauteilen erhalten, die die Temperatur des ganzen Resonators steuern.
  • (Vergleichende Ausführungsform)
  • 9 ist ein Diagramm eines Resonators zum Erklären einer vergleichenden Ausführungsform. Die Anregungsoptik, die aus einem Halbleiterlaser und einer Konvergieroptik besteht, gleicht derjenigen aus Ausführungsform 1.
  • Ein Laserkristall 4, der von Anregungsstrahlen 11 angeregt wird, die vom Halbleiterlaser abgestrahlt werden, erzeugt eine Grundwelle als eine erste Oszillationswelle in einem Laserresonator, der zwischen einem ersten Laserspiegel 3, welcher mit einer 99% oder mehr der Grundwelle reflektierenden HR-Beschichtung beschichtet ist und an der Eingangsseite, also der vorderen Endfläche des Laserkristalls 4 ausgebildet ist, und einem zweiten Laserspiegel 7 als ein gekrümmter Laserspiegel, der mit einer 1% oder weniger der Wellenlänge der SHG-Welle reflektierenden AR-Beschichtung und einer 99% oder mehr der Wellenlänge der Grundwelle reflektierenden HR-Beschichtung beschichtet ist und an der Ausgangsseite des Resonators angeordnet ist, ausgebildet ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist die Resonatorstruktur ein eben-konkaver Resonator, wobei der gekrümmte Laserspiegel als der zweite Laserspiegel 7 einen Krümmungsradius von 25 mm aufweist und die Länge des Resonators 20 mm beträgt. Ein 1,5 Mol-% Cr enthaltender LiSAF-Kristall (∅ 3 × 5 mm) wird als der Laserkristall 4 verwendet und ist auf seinen beiden Endflächen mit einer AR-Beschichtung überzogen, die für die Wellenlänge der Grundwelle und die Wellenlänge des Anregungslichts einen Reflexionsgrad von 2% oder weniger aufweist. Der SHG-Kristall 6 ist ein 3 × 3 × 5 mm messender LBO-Kristall. Auf beide Endflächen des LBO-Kristalls ist eine AR-Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 0,2% oder weniger für die Wellenlänge der Grundwelle und 1% oder weniger für die Wellenlänge der SHG-Welle aufgebracht. Ein doppelbrechender Kristall aus einer einzelnen 0,5 mm dicken Quarzplatte wird als das Wellenlängen-Steuerelement 5 verwendet und ist unter dem Brewster-Winkel zur optischen Achse geneigt, so daß er um die optische Achse drehbar ist, so daß die Wellenlänge der Grundwelle zu einer Wellenlänge gesteuert wird, bei der die Konvertierwirksamkeit des LBO-Kristalls als der SHG-Kristall 6 maximal wird. Die Strahltaille des Resonanzstrahls 32 der Grundwelle befindet sich jedoch am Laserspiegel des LiSAF-Kristalls 4, der Strahldurchmesser ist am nicht-linearen optischen Kristall 5 zur Erzeugung von SHG-Licht groß, und ein Teil des SHG-Lichts wird vom doppelbrechenden Kristall als das Wellenlängen-Steuerelement reflektiert. Dadurch wurde eine SHG-Ausgangsleistung von nur 5 mW erhalten.
  • (Ausführungsform 3)
  • 5 ist ein Diagramm zum Erklären eines Anwendungsbeispiels, bei dem die vorliegende Erfindung in einem Laserdrucker verwendet wird. Die von der Vorrichtung 100 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die in Ausführungsform 1 beschrieben ist, abgestrahlte SHG-Ausgabe 33 durchläuft einen akustooptischen Modulator (nachstehend als AO-Modulator abgekürzt) 401, einen Reflexionsspiegel 402, einen Strahlaufweiter 403, einen drehbaren Polygonspiegel 404 und eine fθ-Linse 405 und wird auf eine photoempfindliche Trommel 406 konvergiert. Der AO-Modulator 401 moduliert die SHG-Ausgabe 33 entsprechend Bildinformationen, und der drehbare Polygonspiegel 404 tastet in einer horizontalen Richtung (in der Zeichnungsebene) ab.
  • Mit dieser Kombination werden Sekundärinformationen als Teil-Potentialdifferenzen auf der photoempfindlichen Trommel 406 aufgezeichnet. Die photoempfindliche Trommel 406 dreht sich, wobei entsprechend den Potentialdifferenzen Toner an ihr haftet, und sie reproduziert Informationen auf Aufzeichnungspapier.
  • (Ausführungsform 4)
  • 6 ist ein Diagramm zum Erklären eines Detektors zum Detektieren feiner Teilchen auf einem Si-Wafer als ein Anwendungsbeispiel, in dem die vorliegende Erfindung in einem Feinteilchendetektor angewendet wird. Die von der Vorrichtung 100 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die in Ausführungsform 1 beschrieben ist, abgestrahlte SHG-Ausgabe 33 wird in einen optischen Kopf 500 eingegeben, durch einen Reflexionsspiegel 502 und eine Konvergierlinse 503 zur Beugungsgrenze konvergiert und auf den Si-Wafer 501 gestrahlt. Lichtstrahlen 505, die von Licht gestreut werden, das bis in die Größenordnung einer Wellenlänge von 0,4 μm konvergiert wurde, werden von einem optischen Detektor 504 empfangen, ihre Intensitäten werden aufgezeichnet, und der optische Kopf 500 bewegt sich von einem zentralen Abschnitt zu einem Endabschnitt des Si-Wafers 501, wobei die Verteilung der feinen Teilchen auf dem Si-Wafer gemessen wird. Es können feine Teilchen mit einem Durchmesser von bis zu 1/10 der Wellenlänge der SHG-Welle detektiert werden.
  • (Ausführungsform 5)
  • 7 ist ein Diagramm zum Erklären eines Anwendungsbeispiels, in dem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer optischen Formungseinheit angewendet wird. Die in Ausführungsform 1 beschriebene Vorrichtung 100 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen wird als eine Lichtquelle verwendet. Ein mit blauem Licht aushärtendes Harz 601 wird in einen Behälter eingebracht, und es wird durch einen Spiegel 602 bewirkt, daß die von der Vorrichtung 100 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die in Ausführungsform 1 beschrieben ist, abgestrahlte SHG-Ausgabe 33 die Oberfläche einer Flüssigkeit zweidimensional abtastet. An diesem Punkt härtet nur ein Oberflächenabschnitt des mit blauem Licht aushärtenden Harzes 601, der Licht absorbiert. Nach Abschluß der Bildung einer Schicht wird eine Hebeeinrichtung 604 abgesenkt, um die nächste Schicht kontinuierlich zu bilden. Mit diesem Vorgang kann ein Volumenmodell 605 mit einer gewünschten Form gebildet werden.
  • (Ausführungsform 6)
  • 8 ist ein Diagramm zum Erklären eines Anwendungsbeispiels, bei dem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf ein optisches Aufzeichnungsgerät angewendet wird. Es wird ein optisches Plattenlaufwerk eines magnetooptischen Aufzeichnungssystems verwendet. Ein von der Vorrichtung 100 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die in Ausführungsform 1 beschrieben ist, abgestrahlter SHG-Lasersrahl 33 wird durch einen Strahlaufweiter 701 aufgeweitet und wird dann zu parallelen Strahlen. Ein Teil der von einem Strahlteiler 702 reflektierten Strahlen wird von einem Photodetektor 708 zur Überwachung des SHG-Laserstrahls 33 empfangen, um die Ausgabe zu steuern. Die durch den Strahlteiler 702 hindurchtretenden Strahlen werden durch eine Konvergieroptik 704 auf ein Medium 705 konvergiert. Das reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 702 teilweise reflektiert und durch einen Strahlteiler 706 in zwei Strahlen aufgeteilt, die dann von zwei Photodetektoren 707 empfangen werden, um eine Autofokussierung und eine Signaldetektion auszuführen. Ein festes Magnetfeld wird auf das Medium 705 einwirken gelassen, der SHG-Laserstrahl 33 wird moduliert, und die Fokustemperatur wird auf die Curie-Temperatur des Mediums 705 erhöht, um die Magnetisierung zur Aufzeichnung umzukehren. Wenn der Laserstrahl eingeschaltet ist, erfolgt eine Aufzeichnung durch Umkehren der Magnetisierung des Mediums. Die Aufzeichnungsfrequenz wird auf 10 MHz gelegt. Während der Signalwiedergabe wird derselbe SHG-Laserstrahl verwendet, um ein gut wiedergegebenes Signal zu erhalten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Intracavity-Verdopplungs-SHG-Lasersystem eingesetzt, bei dem ein in der Wellenlänge veränderlicher Laser, insbesondere ein LiSAF-Laserkristall, verwendet wird, wobei die Komponenten des Resonators von der Eintrittsseite des Anregungslichts betrachtet in der Reihenfolge erster Laserspiegel, Laserkristall, Wellenlängen-Steuerelement, SHG-Kristall und zweiter Laserspiegel angeordnet sind. Daher befindet sich die Strahltaille der Grundwelle innerhalb des SHG-Kristalls, wird erzeugtes SHG-Licht ausgegeben, ohne daß es durch das Wellenlängen-Steuerelement gestört wird und kann eine hochwirksame Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen geringer Größe verwirklicht werden. Weiterhin wird eine stabile SHG-Lichtquelle durch Steuern der Temperatur des gesamten Resonators implementiert.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie auf den vorstehenden Seiten beschrieben wurde, können gemäß der vorliegenden Erfindung eine kleine, hochwirksame Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und mit einem Laser arbeitende Einheiten davon, wie ein Laserdrucker, ein Feinteilchendetektor, eine optische Formungseinheit, ein optisches Aufzeichnungsgerät und dergleichen, bereitgestellt werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen mit – einem Halbleiterlaser (1) als Anregungslichtquelle, und – einem Resonator mit einem ersten Laserspiegel (3), einem zweiten Laserspiegel (7), einem von der Anregungslichtquelle angeregten Festkörperlaserkristall (4), einem Steuerelement (5) zum Steuern der Wellenlänge einer von dem Festkörperlaserkristall (4) erzeugten ersten Oszillationswelle und einem nicht-linearen optischen Kristall (6) zur Wellenlängenkonvertierung der ersten Oszillationswelle als Grundwelle in eine Welle der zweiten Harmonischen als zweite Oszillationswelle, – dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Resonators, ausgehend von der Eingangsseite des Anregungslichts, in folgender Reihenfolge angeordnet sind: erster Laserspiegel (3), Festkörperlaserkristall (4), Steuerelement (5), nicht-linearer optischer Kristall (6) und zweiter Laserspiegel (7).
  2. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach Anspruch 1, wobei der erste Laserspiegel (3) ein gekrümmter Spiegel ist, der 85% oder mehr der Wellenlänge der Anregungslichtquelle transmittiert und 99% oder mehr der ersten Oszillationswelle reflektiert, und wobei der zweite Laserspiegel (7) ein ebener Spiegel ist, der 99% oder mehr der ersten Oszillationswelle reflektiert und 85% oder mehr der zweiten Oszillationswelle transmittiert.
  3. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Laserspiegel (7) an einer Oberfläche des nicht-linearen optischen Kristalls (6) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festkörperlaserkristall (4) aus LiSAF (Cr:LiSrAlF6; Lithiumstrontiumaluminiumfluorid mit Chromzusatz) oder LiSGAF (Cr:LiSrGaF6; Lithiumstrontiumgalliumfluorid mit Chromzusatz) besteht.
  5. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Steuerelement (5) zum Steuern der Wellenlänge der von dem Festkörperlaserkristall erzeugten ersten Oszillationswelle ein unter dem Brewster-Winkel geneigter einzelner doppelbrechender Kristall ist.
  6. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als nicht-linearer optischer Kristall (6) mindestens eine der Substanzen LBO (LiB3O5), BBO (β-BaB2O4), CLBO (CsLiB6O10) und CBO (CsB3O5) verwendet wird.
  7. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei (3, 4) der den Resonator (3, 7) bildenden Komponenten auf dem gleichen Bauteil (2) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die den Resonator (3, 7) bildenden Komponenten über einem Temperatursteuerelement (10) angeordnet sind.
  9. Mit einem Laser arbeitende Einheit unter Verwendung der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Mit einem Laser arbeitende Einheit nach Anspruch 9, bei der es sich um einen Laserdrucker oder einen Feinteilchendetektor oder eine optische Formiereinheit oder ein optisches Aufzeichnungsgerät handelt.
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