JP2004241773A

JP2004241773A - 共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系

Info

Publication number: JP2004241773A
Application number: JP2004025531A
Authority: JP
Inventors: Gennadij Kusnezow; ゲンナディー・クズネツォフ
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2004-08-26
Also published as: DE10305268A1; EP1445842A2; DE10305268B4; EP1445842A3; US20040247001A1

Abstract

【課題】この発明は、共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系（１）に関する。
【解決手段】このレーザー光学系（１）は、第一の反射器と出力結合器（４）から成る第一の経路（２）と、第二の反射器（８）、周波数変換器（９）、および前記の出力結合器（４）から成る第二の経路（６）を有する。この出力結合器（４）は、プリズム（５）として形成され、周波数変換された出力ビーム（１０）が、このプリズムに入射して結合され、全反射面（１１）で内側に反射された後、その光軸（１３）と第一の経路（２）の主軸（３）とが一致する形で、分離射出面（１２）から光軸（１３）の方向に分離して射出される。このプリズム（５）によって、追加の鏡を必要とすることなく、より小さいコストで光軸（１３）の方向に分離して射出することができる。同時に、光学的な機能面の相対的な位置調整を行うためのコストが低減される。
【選択図】図１

Description

この発明は、共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系（Laseranordnung）に関し、その際レーザー共振器が、第一の反射器、能動媒質（aktives Medium）、および出力結合器から成る第一の経路（Arm ）と、第二の反射器、周波数変換器、および前記の出力結合器から成る第二の経路を有し、そして周波数変換された出力ビームが、この出力結合器によって分離して射出され、その際このレーザー共振器は、第一の経路と第二の経路の長さの和に一致する長さを持つものと見なされ、そしてこの出力結合器が、光学プリズムとして形成されており、周波数変換された出力ビームが、この光学プリズムに入射して結合され、その分離射出面から出力軸の方向に分離して射出されることが可能であるとともに、この出力軸と第一の経路の光軸が、互いに平行なものである。

このようなレーザー光学系は、例えば特許文献１で周知である。しかし、その場合、出力軸を光学軸と一致させることができず、平行にすることだけが可能であるというのが欠点であることが判明している。確かに、小さい角度であれば、出力軸と光軸を近似させることができるが、逆に言うと一致させることができないということである。さらに、特許文献１においてプリズムを利用すると、出力ビームの横断面を望ましくない楕円形としてしまい、そのことは実際に利用する際には欠点になることが分かっている。

また、共振器内で周波数変換を行う別のレーザー光学系が、特許文献２によって既に周知となっている。そこには、簡単な幾何学的な光学系、所謂Ｖ形の光学系（V-Anordnung ）の共振器が既に記載されている。そこでは、共振器は、高反射鏡と出力結合器から成る第一の経路を有する。この共振器の第二の経路は、出力結合器と別の高反射鏡から構成されている。第二の経路の光軸に沿って、周波数二倍器用クリスタルが配置されている。共振器内で生成された基本波長λ₁を持つレーザービームは、この波長に対して高い反射率を有する出力結合器によって反射され、周波数二倍器用クリスタルとして形成された周波数変換器に当る。二回の通り抜けの後、この第二の経路で周波数を二倍にされた、波長λ₂（この出力結合器は、この波長に対して最大の透過性を有する）を持つ出力ビームは、続いてさらに偏向されることなく出力結合器を通って出力軸の方向に射出される。

この共振器の構造形では、第一の経路の光軸と出力軸は、Ｖ形の光学系のために互いに一定の角度を成すというのが欠点であることが判明している。この二次元の光学系においては、ビームの出力方向がレーザークリスタルの光軸と一致しないので、光軸を所望の方向に設定するのに、大きな構築コストが必要となる。

特許文献３で、第一の経路のレーザービームが鏡によって偏向され、続いて出力結合器に至る、共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系が周知である。この場合、第二の経路で周波数変換されたビームは、その出力軸が第一の経路の光軸と平行に延びるように、出力結合器を通って射出される。

光軸が大きくずれた、この共振器の二次元構造は、この光学系においても、前記の鏡がさらに必要であり、そのため製造コストが高くなるというのが欠点であることが判明している。

さらに、また特許文献４により、周波数変換された出力ビームが、プリズム光学系を用いて分離して射出されることが周知である。しかし、周波数変換された出力ビームを光軸に対して平行とするためには、追加の鏡が必要である。

別の反射器部品を用いて、出力軸の方向に向いている周波数変換されたビームを、その軸が第一の経路の軸と一致するように偏向することが考えられる。しかし、それに対しては、追加コストが必要となり、そのため実際にはそのような光学系を避けるということになっている。
ドイツ特許公開第３９１４０７０号明細書ドイツ特許登録第１９６８０４６３号明細書米国特許公開第５９３６９８３号明細書米国特許公開第６０６１３７０号明細書

この発明の課題は、周波数変換された出力ビームの軸が第一の経路の光軸と一致するようなコンパクトなレーザー光学系を構築し、その際第一の経路内においても、出力ビームを分離して射出した後においても、追加の鏡を不要とするような手段を実現することである。

この課題は、この発明によって、請求項１の特徴にもとづくレーザー光学系により解決される。従属請求項は、特にこの目的に適ったレーザー光学系の改良形態に関するものである。

すなわち、この発明では、光学プリズムを、周波数変換された出力ビームが、少なくとも一つの全反射面で内側に反射された後に、分離射出面から分離して射出されることが可能なように構成したレーザー光学系が規定されており、その際出力軸と第一の経路の光軸とが一致するものである。これによって、簡単な方法で周波数変換された出力ビームを、第一の経路の光軸と一致する軸の方向に分離して射出することが実現可能となり、それに対して第一の経路のレーザービームまたは周波数変換された出力ビームを偏向するために、追加の構成部品を必要としないものである。その場合、プリズムの入射面は、この入射面が分散鏡（Dispersionspiegel ）を形成するようにコーティングされている。これによって、基本波長λ₁のレーザービームは、ほぼ全反射される一方、出力結合器への戻り経路上の周波数変換された出力ビームは、ほぼ妨害されることなくプリズムに入射する。周波数変換された出力ビームは、まず全反射面上で偏向され、それから分離射出面において、ある屈折角で、第一の経路の光軸と一致する、共振器の出力軸の方向にプリズムから射出される。これによって、プリズムが、出力結合器の機能ならびに周波数変換された出力ビームを所望の方向へ偏向する機能を果たし、そのことによって必要な構成部品の数が削減されるので、共振器を製造および調整するためのコストが大幅に低減される。同時に、プリズムの機能面の相対的な位置が不変となり、調整が不要となるので、レーザーの全体構造が小型化および簡略化される。

この場合、プリズムがただ一つの全反射面を有することによって、特に簡単な変化形態が実現される。そのことによって、プリズムの簡単な実施形態が実現されると同時に、それにより比較的低いコストで製造することができる。この場合、同時に構造の大きさを小さくすることができ、それはレーザーのコンパクトな構造形を実現可能とするものである。このことは、プリズムにおけるビームの入射面への入射角i と全反射面への入射角i'₀（i'₀＞i₀でなければならない、この場合、i₀＝arcsin 1/nで、n ＝プリズムの材質の屈折率である）が、プリズムの入射面と射出面における入射／射出角が一致するという条件の元で、互いに以下の関係にある場合に実現可能である。

i ＋i₀＝９０° ［１］

この場合、プリズムの入射面と全反射面間の角度αは、以下のとおりである。

α＝i'₀＋arcsin｛(sin i)/n ｝［２］

例えば、これらのことから、ｎ＝１．４６１（λ＝５３２nm）とi ＝４５°の水晶プリズムにおいて、角度７３°５７’のαに対して、i'₀＝４５°（i'₀＞i₀＝４３．２°）となる。

そして、光学プリズムの入射面と射出面が、ビームの軸に対してブルースター角を成す場合、この発明の同様の結果を期待できる別の変化形態を実現することができ、その場合ｐ偏光された分離して射出されるビームに対して起こる損失を最小化することができる。これに関しては、一つの全反射に対する条件［１］は、もはや有効ではなく、その結果二つの全反射面が必要となる。この場合の条件は、以下のとおりである。

i ＋i'₀＋i''₀＝１８０° ［３］

この場合、i ＝β＝arctan nは、ブルースター角であり、i'₀，i''₀は、第一および第二の全反射面における対応する全反射角であり、i'₀＞i₀、i''₀＞i₀である。この場合、入射面と第一の全反射面間の角度α₁、ならびに射出面と第二の全反射面間の角度α₂に関して、以下の条件が適用される。

α₁＝i'₀＋arctan 1/n
α₂＝i''₀−arctan 1/n ［４］

これらのことから、先に引用した、ｎ＝１．４６１とi'₀＝４５°の水晶プリズムに対して、i''₀＝７９°２３’、α₁＝７９°２３’、α₂＝４５°となる。

また、例えば二次、三次、または四次高調波に周波数逓倍するための周波数変換器を実装することによって、この発明の特に有利な改良形態が実現される。この場合、特に以下の特徴を考慮する必要がある。レーザー共振器が、二次高調波を生成するものと見なされる場合、基本波長λ₁のビームの偏光が、プリズムの入射面に対してｓ偏光として実現される場合にのみ、光学的な損失を最小とすることが可能である。その場合、入射面における分散コーティング（Dispersionsbeschichtung ）に関して、波長λ₁に対しては、より高い反射率を、通常ｐ偏光されている変換された波長λ₂に対しては、より高い透過性を、より良好に、かつより効果的に実現することができる。さらに、射出面は、ｐ偏光されたビームに対して、最小の損失で通過可能な面となる。この損失は、i ＝βでは零となる。通常、波長λ₁と、波長λ₃またはλ₄の偏光が互いに平行となる、共振器で三次または四次の高調波を生成する場合には、周波数変換器とプリズム間に、１／１λ₁と１／２λ₃または１／１λ₁と１／２λ₄の位相差板を組み合わせたものを配置することができる。この場合、λ₁の偏光方向は変化せず、同時にλ₃またはλ₄の偏光が９０°低下し、その結果周波数変換されたビームは、またもやｐ偏光されたビームとして、最小の損失でプリズムを通過する。

この発明は、種々の実施形態を許容するものである。その基本原理を、さらに明確にするために、それらの中の一つを図面に表すとともに、以下に説明する。各図面は、原理図として描かれている。

図１は、この発明にもとづく、第一の経路２を持つ、共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系１の原理構造を示している。まず、基本波長λ₁と偏光

の生成されたビームは、第一の経路２から方向３で、出力結合器４として配備されたプリズム５に当り、その際このレーザービームは、反射され、偏向鏡７によって第二の経路６の方向で、反射器８の方に偏向される。図１のＡに描かれているとおり、例えば二倍に逓倍された波長λ₂と偏光

を持つ、周波数変換器９’によって変換された戻り方向の出力ビーム１０は、改めて出力結合器４に当り、その図示されていないコーティングは、波長λ₂に対しては、透過性を持つ。これとは異なり、図１のＢは、波長λ₃またはλ₄を持つ三次または四次高調波を生成するためのレーザー光学系１の変化形態を示しており、そのため位相差板の組み合わせ１４と、さらに周波数変換器９’には別の周波数変換器９''が配備されている。ｐ偏光

（図１のＡ）、

（図１のＢ）の周波数変換された出力ビーム１０は、プリズム５に入射し、そして全反射面１１に当って、そこで分離射出面１２の方向に偏向される。それから、周波数変換された出力ビーム１０は、プリズム５から、第一の経路２の方向３と一致する光軸１３の方向に射出される。これらのことによって、必要な構成部品の数が低減され、それらの互いの相対的な調整が不要となるので、実際の利用が大幅に簡略化される。

図２は、図１に描かれたプリズム５の拡大図を示す。出力結合器４の入射面１５へのビームの入射角i が描かれている。プリズム５の全反射面１１への入射角は、i'₀で示されており、その際入射面１５と射出面１６の入射／射出角i は一致するとともに、それらの角度の和は、i ＋i₀＝９０°である。

図３は、二つの全反射面１８，１９を持つ、別のプリズム１７を示している。光学プリズム１７の入射面２０と射出面２１は、ビームの軸に対してブルースター角βを成す。この場合、入射面２０と第一の全反射面１８間の角度α₁、および射出面２１と第二の全反射面１９間の角度α₂に関して、条件：α₁＝i'₀＋arctan 1/n；α₂＝i''₀−arctan 1/nが適用される。

Ａ．二次高調波を生成するための、プリズムを持つレーザー光学系Ｂ．三次高調波（四次高調波）を生成するための、プリズムと位相差板の組み合わせを持つレーザー光学系一つの全反射面を持つ、図１に描かれたプリズム二つの全反射面を持つ、別のプリズム

符号の説明

１この発明にもとづく、共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系
２第一の経路
３方向
４出力結合器
５，１７プリズム
６第二の経路
７偏向鏡
８反射器
９’，９'' 周波数変換器
１０出力ビーム
１１全反射面
１２分離射出面
１３光軸
１４位相差板の組み合わせ
１５，２０入射面
１６，２１射出面
１８第一の全反射面
１９第二の全反射面
α₁，α₂，β，γ，i ，i'₀，i''₀ 角度
λ₁，λ₂ 波長

偏光

Claims

共振器内で周波数変換を行うレーザー光学系であって、その際レーザー共振器（１）が、第一の反射器、能動媒質、および出力結合器（４）から成る第一の経路（２）と、第二の反射器（８）、周波数変換器（９）、および前記の出力結合器（４）から成る第二の経路（６）を有し、そして周波数変換された出力ビーム（１０）が、この出力結合器（４）によって分離して射出され、その際このレーザー共振器（１）が、第一の経路（２）と第二の経路（６）の長さの和に一致する長さを持つものと見なされ、そしてこの出力結合器（４）が、光学プリズム（５，１７）として形成されており、周波数変換された出力ビーム（１０）が、この光学プリズムに入射して結合され、その分離射出面（１２）から出力軸の方向に分離して射出されることが可能であるとともに、この出力軸と第一の経路（２）の光軸（１３）が、互いに平行であるレーザー光学系において、
この光学プリズム（５，１７）が、周波数変換された出力ビーム（１０）を少なくとも一つの全反射面（１１）で内側に反射した後に、分離射出面（１２）から分離して射出することが可能なように構成され、その際この出力軸と第一の経路（２）の光軸（１３）とが一致することを特徴とするレーザー光学系。
前記のプリズム（５）が、ちょうど一つの全反射面（１１）を有し、その際このプリズム（５，１７）における、ビームの入射面への入射角がi で、全反射面への入射角がi'₀であり、n がこのプリズムの材質の屈折率に対応する場合に、このプリズムの入射面と全反射面間の角度αに関して、α＝i'₀＋arcsin｛(sin i)/n ｝が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のレーザー光学系（１）。
前記の光学プリズム（１７）の入射面（２０）と射出面（２１）が、ビームの軸に対してブルースター角（β）を成すことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー光学系（１）。
前記のプリズム（１７）が、二つの全反射面（１８，１９）を有し、その際i'₀がこのプリズム（５，１７）内の第一の全反射面における入射角であり、i''₀がこのプリズム（５，１７）内の第二の全反射面における入射角であり、n がこのプリズムの材質の屈折率に対応する場合において、その入射面（２０）と第一の全反射面（１８）間の角度α₁，およびその射出面（２１）と第二の全反射面（１９）間の角度α₂に関して、α₁＝i'₀＋arctan 1/n、およびα₂＝i''₀−arctan 1/nという関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のレーザー光学系（１）。
前記の周波数変換器（９' ）が、二次高調波を生成するために配備されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のレーザー光学系（１）。
前記の周波数変換器（９' ，９''）が、位相差板の組み合わせ（１４）とともに、三次または四次高調波を生成するために配備されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のレーザー光学系（１）。