JP2005243879A

JP2005243879A - 高調波レーザビーム発生装置

Info

Publication number: JP2005243879A
Application number: JP2004050921A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okada; 康弘岡田; Masafumi Yorozu; 雅史萬
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】レーザ光源と波長変換装置とを含み、高調波への変換効率を高めることができる高調波レーザビーム発生装置を提供する。
【解決手段】高調波レーザビーム発生装置は、光共振器を有し、パルスレーザビームを出射するＱスイッチレーザ光源である第１のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源が出射するパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、前記第２のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを、前記第１のレーザ光源が有する光共振器内を往復する光の経路に沿って進行させる光学系と、前記第１のレーザ光源が有する光共振器から出射したレーザビームが入射するように配置され、入射したレーザビームの２次以上の高調波を発生させる波長変換装置とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高調波レーザビーム発生装置に関し、特に、波長変換素子により高調波レーザビームを発生させる高調波レーザビーム発生装置に関する。

レーザビームを出射するレーザ光源の１つとして、Ｑスイッチレーザが用いられている。Ｑスイッチレーザは、例えば、全反射鏡と部分反射鏡とからなる光共振器と、光共振器の内部に配置されたレーザ媒質及びＱスイッチ素子を含んで構成される。Ｑスイッチ素子が、光共振器内の損失を変化させることにより、レーザビームが発振できる状態と発振できない状態とを切り替える。Ｑスイッチ素子により、レーザビームが発振できる状態になると、レーザ媒質から自然放出された光が増幅されて、レーザ光源からパルスレーザビームが出射する。このようなＱスイッチレーザは、パルス周波数が数ｋＨｚ程度であり、パルスエネルギがｍＪ〜Ｊのオーダであり、パルス幅がｎｓのオーダのパルスレーザビームを出射する。

ところで、レーザ光源から出射したレーザビームを、波長変換素子を用いて高調波に変換する技術が知られている。波長変換素子として、例えば、ＢＢＯ（ＢｅｔａＢａｒｉｕｍＢｏｒａｔｅ、β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶が用いられる。ＢＢＯ結晶は、入射したレーザビームを、その２倍高調波に変換することができる。ＢＢＯ結晶から出射した２倍高調波を、さらにＢＢＯ結晶に入射させることにより、元のレーザビームの４倍高調波を発生させることができる。例えば、波長１０６４ｎｍであるＹＡＧレーザの基本波を、波長２６６ｎｍの４倍高調波に変換することができる。例えば、レーザ照射により加工対象物に凹部を形成するとき、照射するレーザビームの波長を短くすることにより、微細な加工が容易になる。

例えば、特許文献１に、上述のようなＱスイッチレーザから出射するパルスレーザビームを、波長変換素子で高調波に変換して、加工対象物に照射するレーザ加工装置が記載されている。

特開２００３−２９０９６３号公報

上述したようなＱスイッチレーザから出射したレーザビームを、ＢＢＯ結晶等の波長変換素子に入射させたとき、高調波への変換効率が低いので、充分な強度の高調波が得られない。

本発明の一目的は、レーザ光源と波長変換装置とを含み、高調波への変換効率を高めることができる高調波レーザビーム発生装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、光共振器を有し、パルスレーザビームを出射するＱスイッチレーザ光源である第１のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源が出射するパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、前記第２のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを、前記第１のレーザ光源が有する光共振器内を往復する光の経路に沿って進行させる光学系と、前記第１のレーザ光源が有する光共振器から出射したレーザビームが入射するように配置され、入射したレーザビームの２次以上の高調波を発生させる波長変換装置とを有する高調波レーザビーム発生装置が提供される。

Ｑスイッチレーザの光共振器に第２のレーザ光源から出射したレーザビームが注入され、このレーザビームが増幅されることにより、Ｑスイッチレーザからパルスレーザビームが出射する。このパルスレーザビームは、該光共振器にレーザビームを注入しないときに、Ｑスイッチレーザが出射することのできるパルスレーザビームに比べて、パルス幅が短く、ピーク強度が高くなる。該光共振器にレーザビームを注入することによりＱスイッチレーザから出射させたパルスレーザビームを、波長変換装置で高調波に変換することにより、高調波への変換効率を高めることができる。

図１は、本発明の実施例による高調波レーザビーム発生装置の概略図である。レーザ光源１０が、全反射鏡５ａ、部分反射鏡５ｂ、レーザ媒質６、励起源７、偏光子３、ポッケルスセル４ａ、１／４波長板４ｂを含んで構成される。以下、レーザ光源１０について詳しく説明する。

全反射鏡５ａ及び部分反射鏡５ｂとが、反射面が互いに対向するように配置される。全反射鏡５ａは、反射面に入射した光のすべてを反射し、部分反射鏡５ｂは、反射面に入射した光の一部を透過させ、残りを反射させる。全反射鏡５ａと部分反射鏡５ｂとを、光が往復することができる。全反射鏡５ａ及び部分反射鏡５ｂが、光共振器５を構成する。

光共振器５の内部の、全反射鏡５ａから部分反射鏡５ｂまでの光路上に、例えばＹＡＧからなるレーザ媒質６が配置される。例えばフラッシュランプである励起源７が、レーザ媒質６にエネルギを供給することにより、レーザ発振に必要な反転分布が得られる。光共振器５の内部の、全反射鏡５ａからレーザ媒質６までの光路上に、偏光子３が配置される。偏光子３は、入射するＰ波を透過させ、入射するＳ波を反射させる。

光共振器５の内部の、全反射鏡５ａから偏光子３までの光路上に、１／４波長板４ｂ及びポッケルスセル４ａが配置される。１／４波長板４ｂは、それに２回入射した光の偏光面を、元の偏光面から９０度旋回させる。ポッケルスセル４ａは、所定電圧が印加されると、１／４波長板４ｂと同様に作用して、それに入射した光の偏光状態を変化させ、電圧が印加されないと、それに入射した光の偏光状態を変化させない。ポッケルスセル４ａ及び１／４波長板４ｂが、偏光面制御装置４を構成する。

偏光子３から、全反射鏡５ａに向けて出射して、偏光面制御装置４を通過し、全反射鏡５ａで反射され、再び偏光面制御装置４を通過し、偏光子３に戻る光を考える。この光は、ポッケルスセル４ａ及び１／４波長板４ｂを２回ずつ通過する。よって、偏光面制御装置４に（ポッケルスセル４ａに）電圧が印加されないとき、１／４波長板４ｂの作用により、この光の偏光面が９０度旋回する。一方、偏光面制御装置４に電圧が印加されているとき、１／４波長板４ｂ及びポッケルスセル４ａの作用により、この光の偏光面が１８０度旋回する。

レーザ媒質６から出射して、偏光子３を透過したＰ波を考える。偏光面制御装置４に電圧が印加されていない場合、この光は、全反射鏡５ａで反射されて、偏光子３まで戻ってきたとき、偏光面が９０度旋回されたＳ波となっている。このＳ波は偏光子３で反射されて、全反射鏡５ａと部分反射鏡５ｂとを往復する光路から外れる。このとき、光共振器５内で光の増幅が起こらない。

一方、偏光面制御装置４に電圧が印加されている場合、このＰ波は、全反射鏡５ａで反射されて、偏光子３まで戻ってきたとき、偏光面が１８０度回転されているので、Ｐ波のままである。このＰ波は偏光子３を透過し、レーザ媒質６を通過し、部分反射鏡５ｂで反射され、再びレーザ媒質６を通過して、偏光子３を透過する。このようにして、Ｐ波が、全反射鏡５ａと部分反射鏡５ｂとの間の往復を繰り返す。Ｐ波が往復を続け、レーザ媒質６を繰り返し通過することにより（レーザ媒質６内での誘導放出が繰り返されることにより）、光共振器５内で光が増幅される。増幅された光（レーザビーム）が、部分反射鏡５ｂから出射する。

このように、偏光面制御装置４に電圧を印加することにより、レーザ光源１０からパルスレーザビームを出射させることができる。レーザ光源１０は、Ｑスイッチレーザの一構成例である。

図１に示す高調波レーザビーム発生装置では、以下に説明するように、レーザ光源１０の光共振器５内に、他のレーザ光源１から出射したパルスレーザビームを注入する。これにより、レーザ光源１０は、レーザ媒質６から自然放出する光の代わりに、注入されたパルスレーザビーム（このパルスレーザビームを種光と呼ぶ）を元に光を増幅して、パルスレーザビームを出射する。

レーザ光源１が、偏光子３に対するＳ波となるパルスレーザビームＰＬを出射する。レーザ光源１は、例えば、レーザ媒質にＹＶＯ_４を用いたモードロックレーザであり、数百ＭＨｚ程度のパルス周波数で、パルスエネルギが１ｎＪ程度、パルス幅が１０ｐｓ程度、１パルスの平均強度が１００Ｗ程度のパルスレーザビームを出射する。

レーザ光源１から出射したパルスレーザビームＰＬが、折り返しミラー２で反射されて、レーザ光源１０が有する光共振器５の内部に配置された偏光子３に入射する。パルスレーザビームＰＬが、偏光子３で反射されて、部分反射鏡５ｂから全反射鏡５ａに向かう方向に進行し、偏光面制御装置４に入射する。このようにして、光共振器５にパルスレーザビームＰＬ（種光）が注入される。種光が注入された状態で偏光面制御装置４に電圧が印加されたとき、レーザ光源１０は、種光を増幅することにより、パルスレーザビームを出射する。

なお、種光が注入されない状態で偏光面制御装置４に電圧が印加されたときも、レーザ光源１０は、レーザビームを出射することができる。このとき、レーザ光源１０は、例えば、１ｋＨｚ程度のパルス周波数で、パルスエネルギが１００ｍＪ程度、パルス幅が１ｎｓ程度、１パルスの平均強度が１００ＭＷ程度のパルスレーザビームを出射する。

レーザ光源１が出射するレーザビームのパルス幅は、長くとも、種光を注入しない場合にレーザ光源１０が出射するレーザビームのパルス幅の１／１０以下に設定される。また、レーザ光源１から出射されるレーザビームの波長と、レーザ光源１０が出射するレーザビームの波長とは、ほぼ等しくなるように選択される。

レーザ光源１０を出射したレーザビームが、波長変換装置８に入射する。波長変換装置８は、例えば、ＢＢＯ結晶を含む波長変換素子を２つ用いて構成され、入射したレーザビームを４倍高調波に変換する。ＢＢＯ結晶は、それに入射したレーザビームを２倍高調波に変換する。ＢＢＯ結晶から出射した２倍高調波を、さらにＢＢＯ結晶に入射させることにより、元のレーザビームの４倍高調波を発生させることができる。

次に、図２に示すタイミングチャートを参照して、光共振器５に注入された種光の、各時刻における光共振器５内での位置について説明する。図２のタイミングチャートの横軸が、光共振器５内の位置を示す。パルスが、偏光子３を起点に、共振器５内を１往復するまで（偏光子３から全反射鏡５ａに向けて出射し、全反射鏡５ａと部分反射鏡５ｂとで順次反射されて再び偏光子３に戻ってくるまで）に通過する位置が、図の左端から右端までに示されている。

なお、光共振器５内の同一の位置でも、そこをパルスが全反射鏡５ａから部分反射鏡５ｂに向かって通過するときと、部分反射鏡５ｂから全反射鏡５ａに向かって通過するときとでは、図において別の位置に表示される。図の左端と右端とは、パルスが部分反射鏡５ｂから全反射鏡５ａに向かって通過するときの、偏光子３の位置を示す。図の縦軸がｎｓ単位で示した時間を表す。図において、パルスは、時間の経過とともに左方から右方に移動するように表示され、右端に到達したら、再び左端に表示される。パルスは１ｎｓの間に、３０ｃｍ移動する。

ここで説明する例では、パルスレーザビームＰＬのパルス周波数を３５７ＭＨｚとし（つまり、パルス周期を２．８ｎｓとし）、共振器５の長さ（部分反射鏡５ｂの反射面から全反射鏡５ａの反射面までの距離）を１ｍとする。１つ目のパルスＰ１が偏光子３に入射した時点を時刻の原点とし、それから７ｎｓ後に、偏光面制御装置４に所定電圧が印加される（それまでは、偏光面制御装置４に電圧が印加されない）。

時刻０ｎｓから時刻７ｎｓの少し前までの期間の、パルスＰ１の挙動について説明する。タイミングチャートの時刻０の位置に示すように、Ｓ波である１つ目のパルスＰ１が、レーザ光源１から偏光子３に入射する。偏光子３で反射されたパルスＰ１が、偏光面制御装置４に入射し、全反射鏡５ａで反射され、偏光面制御装置４を通過する。偏光面制御装置４を通過したパルスＰ１は、偏光面が９０度旋回されたＰ波となっている。Ｐ波となったパルスＰ１が、偏光子３を透過して、レーザ媒質６を通過し、部分反射鏡５ｂで反射されて、再びレーザ媒質６を通過する。レーザ媒質６を通過したパルスＰ１が、時刻約６．７ｎｓに偏光子３に入射する。

２つ目のパルスＰ２が、時刻２．８ｎｓにおいて、レーザ光源１から偏光子３に入射し、３つ目のパルスＰ３が、時刻５．６ｎｓにおいて、レーザ光源１から偏光子３に入射する。パルスＰ２及びパルスＰ３が、パルスＰ１と同様にして、光共振器５内を進行する。なお、パルスＰ２及びＰ３の入射時点（時刻２．８ｎｓ及び５．６ｎｓ）の各パルスの配置については図示していない。

時刻７ｎｓに、偏光面制御装置４に（ポッケルスセル４ａに）所定電圧が印加される。この時点で、パルスＰ１は、偏光子３を透過して、ポッケルスセル４ａに向かって進行している。パルスＰ２は、レーザ媒質６を通過して、部分反射鏡５ｂに向かって進行している。パルスＰ３は、ポッケルスセル４ａから出射して、ポッケルスセル４ａから偏光子３に向かって進行している。パルスＰ１〜Ｐ３は、すべてＰ波であり、ポッケルスセル４ａより偏光子３側に位置する。

偏光面制御装置４に所定電圧が印加された時刻以後、パルスＰ１〜Ｐ３は、偏光子３側から偏光面制御装置４に入射する。偏光面制御装置４に所定電圧が印加されているので、偏光子３から偏光面制御装置４に入射し、全反射鏡５ａで反射され、偏光面制御装置４を通過して偏光子３に入射するパルスは、Ｐ波のままである。このようにして、パルスＰ１〜Ｐ３が、偏光面制御装置４側から偏光子３に常にＰ波として入射する。これにより、これらのパルスは、光共振器５内を往復し続けることができる。このようにして、３つのパルスＰ１〜Ｐ３を元に、光共振器５内で光が増幅され、部分反射鏡５ｂからパルスレーザビームが出射する。

種光を注入したときに出射されるレーザビームのパルス幅は、種光を注入しないときに出射されるレーザビーム（レーザ媒質６から自然放出される光を元に光が増幅されて出射するレーザビーム）のパルス幅に比べて、パルスレーザビームＰＬのそれに近づく。つまり、種光の注入により、種光を注入しないときと比べて、レーザ光源１０から出射されるレーザビームのパルス幅が短くなる。

なお、Ｓ波である４つ目のパルスＰ４が、時刻８．４ｎｓにおいて、レーザ光源１から偏光子３に入射する（パルスＰ４の入射時点の各パルスの配置については図示せず）。偏光面制御装置４に電圧が印加されているので、このパルスＰ４は、偏光子３から偏光面制御装置４に入射し、全反射鏡５ａで反射され、偏光面制御装置４を通過して偏光子３に入射するとき、Ｓ波のままである。よって、時刻１０ｎｓを少し過ぎた時点に示すように、このパルスＰ４は、偏光子３で反射されて、光共振器５の外に放出される。このように、偏光面制御装置４への電圧印加後に光共振器５に入射するパルスレーザビームＰＬは、レーザ媒質６に入射することなく、光共振器５の外に放出される。

次に、図３を参照し、上述したような構成のＱスイッチレーザ光源に、モードロックレーザ光源から出射した種光を注入して、Ｑスイッチレーザ光源からパルスレーザビームを出射させた実験、及び、種光を注入せずにＱスイッチレーザ光源からパルスレーザビームを出射させた実験について説明する。

Ｑスイッチレーザ光源のレーザ媒質はＹＡＧであり、モードロックレーザ光源のレーザ媒質はＹＶＯ_４である。両レーザ光源とも、出射するレーザビームの波長は１０６４ｎｍである。モードロックレーザ光源のパルス周波数は１１９ＭＨｚであり（パルス周期は８．４ｎｓであり）、パルス幅は１０ｐｓであり、出力は４Ｗである。

図３は、Ｑスイッチレーザ光源から出射したパルスレーザビームの強度の時間変化を、種光を注入しない場合と注入した場合とについて示したグラフである。グラフの横軸がｎｓ単位で示した時刻であり、縦軸が任意単位で示した強度である。なお、種光を注入しない場合より、注入した場合の方が、ポッケルスセルへの電圧印加からパルスの出射開始までの期間が短くなる。種光はレーザ媒質内で自然放出される光に比べて強度が高いので、種光を注入した場合の方が、レーザビームが早く出射する。

種光を注入しない場合の結果がグラフＣ１である。ポッケルスセルへ電圧が印加されると、時刻３０ｎｓ〜５０ｎｓの辺りに示すように、パルス幅数ｎｓ程度のパルスが出射される。なお、３つのパルスが出射されているが、これは各々異なる縦モードに対応する。光共振器の配置等によって、ポッケルスセルへの１回の電圧印加時に、複数の縦モードのレーザビームが出射される。

種光を注入した場合の結果がグラフＣ２である。ポッケルスセルへ電圧が印加されると、時刻０ｎｓ〜２０ｎｓの辺りに示すように、パルス幅１ｎｓ未満の多数のパルスが出射される。種光を注入することにより、パルス幅が短くなることがわかる。時刻２ｎｓ〜３ｎｓ辺りに示されているパルスのピーク強度は、種光を注入しなかった場合に出射されたパルスのピーク強度の２倍程度である。種光を注入することにより、ピーク強度の高いパルスを出射させることができることがわかる。

図２を参照して説明したように、ポッケルスセルへの電圧印加時に、Ｑスイッチレーザ光源の光共振器内に複数個の種光のパルスが存在する。このため、各種光のパルスが増幅されたレーザビームが、順次Ｑスイッチレーザ光源から出射される。また、種光のパルスが増幅されたレーザビームが、光共振器の部分反射鏡に到達したとき、部分反射鏡からそのレーザビームの一部が出射される。光共振器から出射されなかったレーザビームが、光共振器内を往復し、部分反射鏡に戻ってきたとき、再びその一部が出射される。このため、各種光のパルスが増幅されたレーザビームが、光共振器内を往復する度にＱスイッチレーザ光源から出射される。このようにして、種光を注入した場合、ポッケルスセルへの１回の電圧印加時に、多数のパルスが出射される。

次に、図４を参照し、Ｑスイッチレーザ光源から出射したパルスレーザビームを、波長変換装置に入射させ、４倍高調波に変換した実験について説明する。Ｑスイッチレーザ光源に種光を注入する場合と注入しない場合とについて実験を行った。Ｑスイッチレーザ光源のポッケルスセルに１回電圧を印加したときに出射するレーザビームの強度を、ホトダイオードで測定した。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）がそれぞれ、種光を注入しない場合及び注入した場合について、Ｑスイッチレーザ光源から出射した基本波及び波長変換素子から出射した４倍高調波の強度を示すグラフである。両グラフとも、横軸がｎｓ単位で示した時刻であり、縦軸が任意単位で示した強度である。なお、測定のノイズの強度が、縦軸の０．０１程度である。

図４（Ａ）に示すグラフＣ３ａ及び図４（Ｂ）に示すグラフＣ４ａが、それぞれ、種光を注入しない場合及び種光を注入した場合の基本波の強度を示す。グラフＣ３ａ及びグラフＣ４ａに示すように、種光を注入しない場合及び注入した場合における基本波の強度変化の概形は、ほぼ等しい。２つの基本波は、ともに１００ｎｓ程度の幅のパルス状であり、時間的に平均した強度が両者でほぼ等しい。

なお、グラフＣ３ａ及びＣ４ａは、それぞれ図３に示したグラフＣ１及びＣ２に対応するが、図４に示した実験では、測定器の時間分解能を低く設定しているため、図３に示したような短い時間間隔における強度変化が平均化されている。そのため、種光を注入しない場合と注入した場合とで、基本波の強度がほぼ同様に変化するように観測されている。なお、グラフＣ３ａ及びＣ４ａ上の細かい凹凸（グラフＣ３ａの５０〜１５０ｎｍ辺りの細かい凹凸と、グラフＣ４ａの０〜１００ｎｍ辺りの細かい凹凸）の形状を比較すると、グラフＣ４ａの凹凸の方が、短い時間間隔で変化している。これは、種光の注入により、短いパルス幅のパルスが発生していることに対応する。

図４（Ａ）に示すグラフＣ３が、種光を注入しなかった場合の４倍高調波の強度を示す。この場合の４倍高調波の強度は、高々ノイズと同程度（縦軸の０．０１程度）である。このように、種光を注入せずにＱスイッチレーザ光源から出射したレーザビームを波長変換装置に入射させた場合は、波長変換装置から４倍高調波がほとんど出射しなかった。

図４（Ｂ）に示すグラフＣ４が、種光を注入した場合の４倍高調波の強度を示す。この場合の４倍高調波の強度は、最大で縦軸の１程度に達する。これは、種光を注入しない場合に得られた４倍高調波の強度の１００倍程度である。このように、種光を注入することにより、波長変換装置から出射する４倍高調波の強度を、著しく増加させることができた。種光を注入しない場合と注入した場合とで、基本波の平均的な強度がほぼ等しいので、種光を注入したことにより、４倍高調波への変換効率が１００倍程度に向上したと言える。

以上説明したように、図１に示した高調波レーザビーム発生装置は、Ｑスイッチレーザに種光を注入して出射させたパルスレーザビームを、波長変換装置に入射させることにより、高調波への変換効率を向上させ、強度の高い高調波を出射させることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の実施例による高調波レーザビーム発生装置の概略図である。光共振器内の種光の位置を示すタイミングチャートである。種光を注入しない場合と注入した場合に、Ｑスイッチレーザ光源から出射されるパルスレーザビームの強度を示すグラフである。図４（Ａ）は、種光を注入しない場合に、波長変換装置から出射される４倍高調波の強度を示すグラフであり、図４（Ｂ）は、種光を注入した場合に、波長変換装置から出射される４倍高調波の強度を示すグラフである。

符号の説明

１レーザ光源
２折り返しミラー
３偏光子
４ａポッケルスセル
４ｂ１／４波長板
４偏光面制御装置
５ａ全反射鏡
５ｂ部分反射鏡
５光共振器
６レーザ媒質
７励起源
８波長変換装置

Claims

光共振器を有し、パルスレーザビームを出射するＱスイッチレーザ光源である第１のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源が出射するパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記第２のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを、前記第１のレーザ光源が有する光共振器内を往復する光の経路に沿って進行させる光学系と、
前記第１のレーザ光源が有する光共振器から出射したレーザビームが入射するように配置され、入射したレーザビームの２次以上の高調波を発生させる波長変換装置と
を有する高調波レーザビーム発生装置。