JP2004219878A - 波長変換レーザー装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体レーザー光源であるポンピングチャンバーユニット3から出射された基本波レーザー光は、第1の非線形光学結晶ユニット20で、第2高調波に変換される。第2の非線形光学結晶ユニット30で、第3(あるいは第4)高調波に変換される。非線形光学結晶ユニット容器内には、ドライな不活性ガスを充填し、湿度センサーで容器内の湿度を検出する。湿度センサーの出力をレーザー制御部に接続し、湿度が所定値を超えたら、レーザー発振を停止させる。密封構造部に欠陥が生じた場合に、非線形光学結晶の損傷を防止することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する分野】
本発明は、非線形光学結晶により波長変換を行う波長変換レーザー装置に関し、特に、非線形光学結晶の管理が容易にできるようにした波長変換レーザー装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
短波長レーザー装置では、一般的に、非線形光学結晶による波長変換を利用している。その中の紫外固体レーザー装置の一般的な構成は、次のようなものである。波長1064nmの基本波レーザー光を、Nd:YAGレーザーや、Nd:YVO4レーザーなどで発生する。基本波レーザー光から、非線形光学結晶により第2高調波を発生させる。さらに、第3高調波や第4高調波を発生させる。第2高調波発生用結晶としては、LBO結晶やKTP結晶が使われている。第3高調波発生用結晶としては、LBO結晶やBBO結晶やGdYCOB結晶が使われている。第4高調波発生用結晶としては、BBO結晶やCLBO結晶などが使われている。これらの非線形光学結晶のほとんどは、潮解性を有している。吸湿による劣化防止のために、それらが置かれた環境、特に湿度状態を考慮する必要がある。
【0003】
第4高調波発生用の非線形光学結晶CLBOは、相対湿度30%以上では結晶の急激な劣化が見られる。その対策として、Crystal Associated Inc.社で商品化されている結晶セルModel No.10031では、ドライガスをセル内に封じきる方法を採用している。また、非線形光学結晶をオイル中に浸した状態で使用するものもある。特許文献1に開示されている「高出力紫外線レーザー光発生装置」では、非線形光学結晶の紫外線導出端面に、潮解性のない保護膜を形成している。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−292638号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の結晶セル内にドライガスを単に封入したものでは、長時間の使用に耐えられないという問題がある。長時間の使用により密封構造部に何らかの欠陥が生じると、密封容器内の湿度が変化する。セル内の湿度が上昇した状態でレーザーを動作し続けると、非線形光学結晶の劣化が進み、ダメージを受けてしまう。波長変換効率が急激に悪化し、レーザー出力が著しく減少する。
【0006】
本発明は、上記従来の問題を解決して、非線形光学結晶の雰囲気の湿度変化を的確に捉えてレーザー光発生動作を制御することで、波長変換レーザー装置を長時間にわたって安心して使用できるようにすることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、所定の波長を有するレーザー光を受けてその高調波を発生する高調波生成手段を備えた波長変換レーザー装置の高調波生成手段に、レーザー光の通路である貫通孔のレーザー光入射側とレーザー光出射側に窓を有する密閉容器と、貫通孔内に設けられた非線形光学結晶と、貫通孔内に設けられた湿度センサーとを備えた構成とした。このように構成したことにより、非線形光学結晶の雰囲気の湿度変化を的確に捉えることができる。
【0008】
また、レーザー光源を制御する制御部を備え、制御部に湿度センサーの信号を送る構成とした。このように構成したことにより、非線形光学結晶の雰囲気の湿度が上がった場合に、レーザー光源を止めて非線形光学結晶の損傷を防止することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図4を参照しながら詳細に説明する。
【0010】
(実施の形態)
本発明の実施の形態は、所定の波長を有するレーザー光を受けてその高調波を発生する非線形光学結晶を収容した密封容器内に、ドライな不活性ガスを充填し、密封容器内の湿度を検出する湿度センサーを設け、湿度センサーとレーザー制御部とを接続した波長変換レーザー装置である。
【0011】
図1は、本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の側断面の概略図である。図1において、ミラー1、2は、基本波レーザーの共振器を構成する反射鏡である。ポンピングチャンバーユニット3は、半導体レーザーにより励起される固体レーザー媒質(Nd:YAGやNd:YVO4など)を有するユニットである。Qスイッチ4、ブリュースター板5、シャッター6、第1集光レンズ7は、固体レーザーを構成する基本要素である。ヒーター8a,8b,8cは、固体レーザーを一定の温度に保持するための加熱手段である。温度センサー9は、固体レーザーの温度を検出する手段である。ケース11は、基本波ユニットの容器のケースである。ケース11は、断面がU字型で、基本波レーザー光を出力するための窓14を有するケースである。蓋体12は、基本波ユニットの容器の蓋である。蓋体12は、ケース11の上面を気密に覆う蓋である。容器13は、基本波ユニットを収納する容器である。容器13は、ケース11と蓋体12とで構成されている。
【0012】
第1非線形光学結晶ユニット20は、所定波長の基本波レーザー光(角振動数はω)を、第2高調波(角振動数2ωである2倍波)に変換するLBO結晶やKTP結晶などを内蔵しているユニットである。第2集光レンズ21は、第2高調波を集光するレンズである。分離ミラー22は、基本波と第2高調波を分離するハーフミラーである。出力窓23は、第2高調波を出力する窓である。ユニットケース24は、第1波長変換ユニットを収容するケースである。
【0013】
第2非線形光学結晶ユニット30は、第1波長変換ユニット(B)からのレーザー光を、第3高調波(あるいは第4高調波)に変換するユニットである。第2の非線形光学結晶ユニット30は、第1波長変換ユニット(B)からのレーザー光を、第3高調波(あるいは第4高調波)に変換するユニットである。コリメートレンズ31は、第3高調波(あるいは第4高調波)を平行光線にするレンズである。分離ミラー32は、第2高調波と第3(あるいは第4)高調波を分離するハーフミラーである。パワーメーター33は、第3あるいは第4高調波の出力を測定する手段である。出力窓34は、第3(あるいは第4)高調波を外部に出力する窓である。ユニットケース35は、第2波長変換ユニットを収容する容器である。
【0014】
図1に示す波長変換レーザー装置は、基本波ユニット(A)と、第1波長変換ユニット(B)と、第2波長変換ユニット(C)から構成されている。基本波ユニット(A)は、ミラー1、2と、ポンピングチャンバーユニット3と、Qスイッチ4と、ブリュースター板5と、シャッター6と、第1の集光レンズ7などの基本光学ユニットを備えている。基本波ユニット(A)を構成する部材は、容器13に収納されている。容器13の内部には、窒素などの不活性ガスが封止されている。ケース11の底部11aには、ヒーター8a、8b、8cが適宜埋設されている。容器13内の温度を監視する温度センサー9が、ポンピングチャンバーユニット3の近傍に配置されている。
【0015】
第1波長変換ユニット(B)は、第1の非線形光学結晶ユニット20と、集光レンズ21と、分離ミラー22を備えている。第1の非線形光学結晶ユニット20は、窓14を通して集光レンズ7により集光された基本波レーザー光を、第2高調波に変換するLBO結晶やKTP結晶などを内蔵している。分離ミラー22は、基本波と第2高調波を分離するハーフミラーである。これらの光学部品は、出力窓23を備えたユニットケース24内に収容されている。
【0016】
第2波長変換ユニット(C)は、第2の非線形光学結晶ユニット30と、コリメートレンズ31と、分離ミラー32と、パワーメーター33を備えている。第2の非線形光学結晶ユニット30と、コリメートレンズ31と、分離ミラー32と、パワーメーター33などの光学部品は、出力窓34を有するユニットケース35に収容されている。ここまでの構成は、従来の波長変換レーザー装置と同じである。
【0017】
図2は、本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の非線形光学結晶セルの概略断面図である。図2において、セル本体40は、第1非線形光学結晶ユニット20または第2非線形光学結晶ユニット30に対応するものである。設置台41は、非線形光学結晶の台である。貫通孔42は、レーザー光の通路である。非線形光学結晶43は、LBO結晶などである。非線形光学結晶押え44は、非線形光学結晶を台に抑える部材である。ヒーター45は、セルを一定の温度に保持するための加熱手段である。
【0018】
開口部46は、セル本体の開口である。セル蓋体50は、セルの蓋である。湿度センサー51は、セルの湿度を測定する手段である。ハーメチックシール端子52は、導線の取出し口である。湿度検出回路基板53は、湿度計の回路基板である。凹部54は、セル蓋体に湿度センサーを収納する部分である。図4の湿度検出増幅回路55は、湿度計の回路である。セル窓60a,60bは、レーザー光の出入り口である。非線形光学結晶セル窓押え70a,70bは、窓の取り付け部材である。Oリング80a,80b,80c,80d,80eは、気密保持部材である。
【0019】
第1または第2の非線形光学結晶ユニットを総称して、単に非線形光学結晶ユニット(NLU)と称する。非線形光学結晶ユニット(NLU)は、水平方向にレーザー光の通路となる貫通孔42を有する断面U字状のセル本体40と、このセル本体40の開口部46を密閉状態に覆うセル蓋体50とよりなる。貫通孔42を形成するセル本体40の中央部に、設置台41が設けられている。設置台41上に、高調波生成用の非線形光学結晶43が載置されている。非線形光学結晶43は、結晶押え44により、セル本体40に固定されている。
【0020】
セル蓋体50の底部面、即ち貫通孔42と対向する面には、凹部54が形成されている。この凹部54内に、貫通孔42から離間した位置、即ちレーザー光を遮らない部位に、湿度センサー51が取り付けられている。この湿度センサー51は、電気的絶縁を図るため、ハーメチックシール端子52を介して、セル本体40の外部(即ちセル蓋体50上)に形成された湿度検出回路基板53に接続されている。
【0021】
貫通孔42の左右両端は、非線形光学結晶ユニット(NLU)を密封するセル窓60a,60bと、これらのセル窓をセル本体40に固定するための窓押え70a,70b、セル窓60a,60bと窓押え70a,70b及びセル本体40との間、及びセル本体40とセル蓋体50との間にはOリング80a,80b,80c,80d,80eが介在している。このように密閉されたユニット(NLU)内には、ArやN2などの不活性ガスが封入されている。セル本体40には、ユニットを一定の温度に保つためのヒーター45が埋設されている。
【0022】
Oリング80a,80b,80c,80d,80eは、高温に耐え得るものを使用する。ガス放出とガス透過が極めて少なく、シールの長寿命化が可能な、デュポンダウエラストマー社製のカルレッツ材質のものを使用している。レーザー光の通路に設置されているセル窓60a,60bには、高出力レーザーに耐え得る合成石英ガラスもしくはCaF2を用いる。
【0023】
湿度センサー51としては、センサー部からのガス放出を防ぐために、ガラス基板上に蒸着されている電気容量型湿度センサー素子を用いる。この湿度センサー51は耐久性がある。湿度センサー素子は、貫通孔内の湿度を検出するために、貫通孔を遮らない部位の蓋体一側面に取り付けられている。湿度センサー51は、レーザー光の通路を遮らない媒質内に配置されているため、レーザー装置の使用に何ら支障をきたすものでない。湿度センサー素子は、セル蓋体50と電気的に絶縁するためのハーメチックシール端子52を介して、蓋体他側面に設けられた湿度検出回路基板53と接続されている。
【0024】
図3は、本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の非線形光学結晶セルの蓋体概略断面図である。図4は、本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の湿度監視装置の概略ブロック図である。図3と図4において、湿度計56は、湿度を測定する手段である。スイッチ57は、レーザー光源をオンオフするスイッチである。レーザー制御部58は、レーザー光源を制御する装置である。ユニット(NLU)内の湿度センサー51からの出力は、湿度検出回路基板53に設けられた湿度検出増幅回路55を介して、湿度計56に接続されている。湿度検出増幅回路55の出力は、スイッチ57を介して、レーザー装置の動作を遮断するレーザー制御部58に接続されている。
【0025】
上記のように構成された本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の動作を説明する。最初に、図1を参照しながら、波長変換レーザー装置の機能の概略を説明する。レーザー光源として、固体レーザー媒質を用いる。基本波レーザー光源であるポンピングチャンバーユニット3から出射された1064nmの基本波レーザー光は、集光レンズ7により集光され、窓14を介して第1の非線形光学結晶ユニット20に入射される。第1の非線形光学結晶ユニット20は、窓14を通して集光レンズにより集光された基本波レーザー光を、LBO結晶やKTP結晶などで、第2高調波即ち波長532nmのレーザー光に変換する。第1の非線形光学結晶ユニット20に入射した基本波レーザー光の一部は、第1の非線形光学結晶ユニット20により、第2高調波に波長変換され、非線形光学結晶から出射される。分離ミラー22は、基本波と第2高調波を分離する。
【0026】
さらに、集光レンズ21から出力窓23を通じて入射した基本波レーザー光と第2高調波は、第2の非線形光学結晶ユニット30に入射する。第2の非線形光学結晶ユニット30は、第1波長変換ユニット(B)からのレーザー光を、波長355nmの第3高調波(あるいは波長266nmの第4高調波)に変換する。非線形光学結晶により、第1波長変換ユニット(B)からのレーザー光を、第3あるいは第4高調波に波長変換し、出力窓34から出力する。分離ミラー32は、第2高調波と第3(あるいは第4)高調波を分離する。第3高調波生成用の非線形光学結晶として、LBO結晶や、BBO結晶や、GdYCOB結晶を用いることができる。第4高調波生成用の非線形光学結晶として、BBO結晶や、CLBO結晶を用いることができる。温度センサー9の出力に基づいて、温度制御装置(図示せず)を介して、ヒーター8a,8b,8cの温度を制御することにより、容器内を常に所望の温度に保つ。ここまでの機能は、従来の波長変換レーザー装置と同じである。
【0027】
図2と図3を参照しながら、非線形光学結晶ユニット(NLU)の動作を説明する。非線形光学結晶ユニットに入射したレーザー光は、高調波に変換され、非線形光学結晶から出射される。セル本体40に埋設されているヒーター45で、ユニットを一定の温度に保つ。湿度センサー51は、貫通孔内の湿度を検出する。セル本体40の開口部46を介して、湿度センサー51をセル本体40に設置することができる。湿度センサー51と湿度検出回路基板53を、セル蓋体50に配設しているため、蓋体を取り付ける際に、湿度センサー51を非線形光学結晶ユニットの適切な位置に固定できる。これらの部品の点検作業も容易である。
【0028】
図4を参照しながら、湿度監視装置の動作を説明する。ユニット(NLU)内の湿度センサー51からの出力は、湿度検出回路基板53に設けられた湿度検出増幅回路55を介して、湿度計56に接続されている。湿度検出増幅回路55の出力は、スイッチ57を介して、レーザー装置の動作を遮断するレーザー制御部58に接続されている。非線形光学結晶ユニット(NLU)に湿度センサー51を配設したため、レーザー装置の使用者は、非線形光学結晶ユニット(NLU)内の湿度を湿度計56で監視することができる。湿度が所定値を超えて変化したなら、手動で(あるいは自動的に)スイッチ57を開放し、レーザー発振を停止させることができる。
【0029】
上記のように、本発明の実施の形態では、波長変換レーザー装置を、所定の波長を有するレーザー光の高調波を発生する非線形光学結晶を収容した密封容器内に、ドライな不活性ガスを充填し、密封容器内の湿度を検出する湿度センサーを設け、湿度センサーとレーザー制御部とを接続する構成としたので、湿度が上がった場合には、直ちにレーザーの発振を停止して、非線形光学結晶の損傷を防止することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、所定の波長を有するレーザー光を受けて高調波を発生する高調波生成手段を備えた波長変換レーザー装置の高調波生成手段に、レーザー光の通路である貫通孔のレーザー光入射側とレーザー光出射側に窓を有する密閉容器と、貫通孔内に設けられた非線形光学結晶と、貫通孔内に設けられた湿度センサーとを備えた構成としたので、非線形光学結晶を封入したセル内に設けた湿度センサーでセル内の湿度を常時監視して、セル内の湿度変化を的確に捉えることができ、安心して波長変換レーザー装置を使用できる。なお、基本波レーザー光ばかりでなく、第2高調波又は第3高調波のレーザー光を、上記の所定の波長を有するレーザー光とし、更にそれより高次の高調波生成用のユニットに導くようにしても、本発明の効果が得られることは容易に理解されよう。
【0031】
また、レーザー光源を制御する制御部を備え、制御部に湿度センサーの信号を送る構成としたので、非線形光学結晶の雰囲気の湿度が上がった場合に、レーザー光源を止めて非線形光学結晶の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の概略側面図、
【図2】本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の非線形光学結晶セルの概略断面図、
【図3】本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の非線形光学結晶セルの蓋体概略断面図、
【図4】本発明の実施の形態における波長変換レーザー装置の湿度監視装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
1,2 ミラー
3 ポンピングチャンバーユニット
4 Qスイッチ
5 ブリュースター板
6 シャッター
7 第1集光レンズ
8a,8b,8c ヒーター
9 温度センサー
11 ケース
12 蓋体
13 容器
20 第1非線形光学結晶ユニット
21 第2集光レンズ
22 分離ミラー
23 出力窓
24 ユニットケース
30 第2非線形光学結晶ユニット
31 コリメートレンズ
32 分離ミラー
33 パワーメーター
34 出力窓
35 ユニットケース
40 セル本体
41 設置台
42 貫通孔
43 非線形光学結晶
44 非線形光学結晶押え
45 ヒーター
46 開口部
50 セル蓋体
51 湿度センサー
52 ハーメチックシール端子
53 湿度検出回路基板
54 セル蓋体の凹部
55 湿度検出増幅回路
56 湿度計
57 スイッチ
58 レーザー制御部
60a,60b セル窓
70a,70b 窓押え
80a,80b,80c,80d,80e Oリング
NLU 非線形光学結晶ユニット
Claims (8)
- 所定の波長を有するレーザー光を受けてその高調波を発生する高調波生成手段を備えた波長変換レーザー装置において、前記高調波生成手段は、レーザー光の通路である貫通孔のレーザー光入射側とレーザー光出射側に窓を有する密閉容器と、前記貫通孔内に設けられた非線形光学結晶と、前記貫通孔内に設けられた湿度センサーとを備えたことを特徴とする波長変換レーザー装置。
- 前記密閉容器は、前記貫通孔が形成された筐体本体と、内側の側面が前記貫通孔と対向している蓋体とからなることを特徴とする請求項1に記載の波長変換レーザー装置。
- 前記湿度センサーを、前記蓋体の内側の側面に取り付けたことを特徴とする請求項2に記載の波長変換レーザー装置。
- 前記湿度センサーは、前記貫通孔を遮らない位置に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の波長変換レーザー装置。
- 前記湿度センサーは、前記蓋体の外側の側面に設けられた回路基板に接続されていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の波長変換レーザー装置。
- 前記レーザー光源を制御する制御部を備え、前記制御部に前記湿度センサーの信号を送ることを特徴とする請求項1に記載の波長変換レーザー装置。
- 前記非線形光学結晶は、LBO,KTP,BBO,GdYCOB,CLBOのいずれかひとつであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の波長変換レーザー装置。
- 前記湿度センサーは、電気容量型センサー素子を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の波長変換レーザー装置。
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