JP2005331599A

JP2005331599A - 波長変換レーザ装置

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Publication number: JP2005331599A
Application number: JP2004147959A
Authority: JP
Inventors: Toru Nagai; 亨永井; Yoshiaki Takatani; 芳明高谷; Mikio Muro; 幹雄室; Noriyuki Naito; 紀幸内藤; Takeshi Yoshida; 毅吉田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: JP4721654B2

Abstract

【課題】非線形光学結晶に２個の波長の異なるレーザ光を入力して長波長の差周波光を発生する波長変換レーザ装置において、差周波発生用非線形光学結晶の全体を有効に利用して差周波光出力を増大させるようにした小型な装置を提供する。
【解決手段】非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍を透過させるアパーチャ６，８を備え、アパーチャにおけるレーザ光の像を非線形光学結晶の入射面に像転送するイメージリレー７，９を備えて、台形状エネルギー分布を持ったレーザ光をアパーチャ位置に生成し、その分布形状を保持したまま入射面に射入させることにより、非線形光学結晶のボリュームを十分活用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数の異なる２つのレーザ光を非線形光学結晶に入射させて入射レーザ光の差周波のレーザ光を出力させる波長変換レーザ装置に関し、特に赤外線レーザを効率よく得ることができる波長変換レーザ装置に関する。

従来より、波長の異なる２つの励起光を非線形光学結晶中で混合すると励起光の周波数の差に対応する長い波長のコヒーレント光が発生するという差周波発生の原理を利用して、赤外光を発生するようにした赤外光発生装置が知られている。この赤外光発生装置は、波長の短い第１励起光（ポンプ光）が非線形光学結晶中で波長変換されて、波長可変の第２励起光（シグナル光）との差周波光を発生するので、赤外光の出力は短波長側のレーザ光によって決定される。

たとえば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ発生装置から得られる波長可変レーザをポンプ光とし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発生装置から得られる波長１．０６４μｍのレーザをシグナル光として差周波光（赤外光）を発生する装置が知られている。この装置では、赤外光の出力はＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの出力に依存するが、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザは波長０．５３２μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ第２高調波により励起する必要があるので、赤外光を高出力化するためには装置全体の大型化が避けられない。

これに対して、特許文献１には、短波長側のポンプ光としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、長波長側のシグナル光としてＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いることにより構成した、高出力かつコンパクトで波長チューニング可能な赤外光発生装置が開示されている。
図１２は、特許文献１に開示された赤外光発生装置のブロック図である。

開示された赤外発生装置では、パルス発生装置で発生するパルスにより２基のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を同期駆動する。１基のＮｄ：ＹＡＧレーザは波長１．０６４μｍのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、もう１基のＮｄ：ＹＡＧレーザはＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの励起光源としてパルスレーザをＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザに供給する。
Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザに入射したパルスレーザはレンズで構成されたテレスコープにより所定のビーム径を持つように調整された後、ビームスプリッターで分割されてＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ結晶の両側面に入射して両サイド励起する。
レーザ結晶は出力鏡と反射鏡の間に配置され、レーザ結晶と反射鏡の間に分散プリズムが設けられる。反射鏡は回動鏡であって、反射方向を調整することにより分散プリズムで波長分散した光のうち選択した光だけが出力鏡まで戻るようにして、選択した波長の光が共振器内で共振してレーザ発振するようにする。

Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザは、１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長を選択できる波長可変固体レーザで、発生した波長可変レーザ光をシグナル光として非線形光学結晶に供給する。
このように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが波長１．０６４μｍのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザが波長１．１５〜１．３５μｍの範囲で選択したレーザをシグナル光として非線形光学結晶に入射すると、ポンプ光とシグナル光の差周波数に係る５〜１４μｍの波長範囲の赤外光を選択的に発生する。
特開２００２−２８７１９０号公報

差周波発生用の非線形光学結晶としては、カルコパイライト結晶であるＡｇＧａＳ₂結晶、ＡｇＧａ₂Ｓ₄結晶、ＡｇＧａＳｅ結晶、ＡｇＳｅ結晶などが使用できる。差周波光は入射させるポンプ光をシグナル光で変調して出力するもので、出力光の強度は光学結晶に入射する光エネルギーに依存する。したがって、強い出力光を得るためには結晶の入射面に入射するレーザ光の強度をできるだけ大きくすることが好ましい。

しかし、これら差周波用非線形光学結晶はある一定の強度を超えるレーザ光を入射させると破損する可能性があるため、適当な閾値を設定して閾値以上のエネルギーを持ったレーザ光が入射しないようにしなければならない。
ポンプ光やシグナル光として用いるレーザ光の空間エネルギー分布は正規分布型であるため、ピーク値が設定した閾値を越えないようにすると、結晶に入射するエネルギーの総量は大幅に減少する。使用するレーザビームの半値幅が小さいほど、ピークの周辺におけるエネルギーの減退量が大きく、結晶に注入できるエネルギー量が減少することになる。

また、出力光の強度は光学結晶に入射する光エネルギーに依存するから、結晶面における実際の入射面積ができるだけ大きいことが好ましいが、従来は結晶の入射面が長方形であるのに対して、光軸に垂直な面における光エネルギーが光軸にエネルギーのピークがある円形分布をしたレーザ光を入射させていたので、結晶の入射面や結晶ボリュームのうち周縁部の貢献が少なく、差周波光の出力を十分大きくすることができなかった。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、差周波用非線形光学結晶の全体を有効に利用して差周波光出力を増大させるようにした小型の波長変換レーザ装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明の波長変換レーザ装置は、２つの波長の異なるレーザ光をポンプ光とシグナル光として入射すると入射レーザ光の差周波を持つレーザ光を出力する非線形光学結晶を備えた波長変換レーザ装置であって、非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍を透過させるアパーチャを備え、アパーチャにおけるレーザ光の像を非線形光学結晶の入射面に像転送するイメージリレーを備えることを特徴とする。
イメージリレーは、少なくともポンプ光の入射経路中に設けることが好ましいが、さらにシグナル光の入射経路中にも設けることがより好ましい。

イメージリレーは、焦点距離ｆ１の第１の凸レンズと焦点距離ｆ２の第２の凸レンズを光軸上で焦点を共有するように配置したもので、第１凸レンズの前方、距離Ｘ１の位置にある基準面と、第２凸レンズの後方、距離Ｘ２の位置における像転送面の間に、
Ｍ＝ｆ２／ｆ１
Ｘ２＝Ｍ（ｆ１＋ｆ２）−Ｍ²Ｘ１
という関係が成立する場合は、基準面に存在する２次元イメージがそのまま拡大縮小して像転送面の位置に転写される。なお、Ｍは倍率である。

レーザ装置から放射されるレーザ光は、エネルギーが光軸を中心とする正規分布をしているので、これをコリメータなどを用いて軸に垂直な方向に拡大しピーク付近のエネルギー分布を緩やかにした上でアパーチャに投射すると、アパーチャを通過するレーザ光は光軸に垂直な方向におけるエネルギー分布がほぼ台形状になる。イメージリレーを上式に従って適切に配置すると、アパーチャ位置（基準面）におけるエネルギー分布状態を非線形光学結晶の入射面（像転送面）に像転送することができるので、非線形光学結晶の入力エネルギ閾値に対して適当なマージンを持つようにエネルギーのピーク値を調整すれば、台形をしたエネルギー分布を持つことから、正規分布状態の場合と比較すると全体として著しく大きなエネルギーを結晶に注入することができる。したがって、本発明の波長変換レーザ装置によれば、高いエネルギー水準を持った出力光を得ることができる。
また、イメージリレーによれば、光軸方向に多少のずれが生じても基準面と像転送面の位置に変化がなく、基準面上の２次元像が像転送面上に転送される。したがって、レーザ装置の光軸が変動する場合にも像転送面におけるレーザ光の変動が小さく、安定したレーザ出力を得ることができる。

アパーチャのレーザ光通過部の形状は、非線形光学結晶の入射面の形状に対応する形状にすることができる。
イメージリレーを使ってアパーチャにおける像を光学結晶の入射面に像転送することができるから、光学結晶の入射面が長方形であるときはアパーチャの穴形状を相似の長方形として倍率を調整することにより、光学結晶入射面の全面にレーザ光を入射させてエネルギー効率を向上させることができる。また、光学結晶の隅部分まで十分に利用して変換効率を向上させることができる。

シグナル光用の波長可変レーザ発生装置における共振器内に減衰器を挿入して、シグナル光のスペクトル狭線化とエネルギー調整を行うことができるようにすることが好ましい。
出力する差周波光に対応してポンプ光とシグナル光の強度に最適な組み合わせがある。たとえば、ある差周波光に対してポンプ光が１５ｍＪに対してシグナル光が５ｍＪであることが好ましいとすれば、シグナル光の出力装置の容量が２０ｍＪであっても、非線形光学結晶に入力するシグナル光は５ｍＪに減衰させる必要がある。
一方、シグナル光のスペクトル幅は狭いほど、正確な差周波光を得ることができ、また変換効率も向上して差周波出力が大きくなる。

従来方法では、シグナル光用レーザ発生装置の出力をフィルタで低減するが、この方法では大出力装置の波長分散状態を維持したまま出力が低下するので、スペクトル幅は狭くならない。
これに対して、レーザ装置の共振器内で光エネルギーを減衰させると、ゲインの高い中心波長付近のモードが選択的に発振しながら、全発振出力が低下するのでスペクトル幅は小さくなり、差周波出力を向上させることができる。

共振器内で使用する減衰器には、回折格子、アパーチャなどが使えるが、光軸に対する入射面の傾きを調整することができるようにしたガラス板を利用することもできる。ガラス板に対する入射光の透過率はガラス面への入射角に依存するため、光軸に対するガラス面角度を変化させることによりガラス板を透過するレーザ光のエネルギーを調整してレーザ発生装置のレーザ出力を容易に制御することができる。

なお、ガラス板はレーザ光路中に１対備え、その１対がレーザ光路に垂直な面に対して互いに面対称になるように配置してもよい。
光がガラス板を透過すると光軸が平行移動するが、対称配置した１対のガラス板を通るようにすると光軸が元の方向に戻るので、光学系の構造が単純になる。なお、簡単な歯車機構などを利用することにより１対のガラス板を面対称に角度調整を行うことができる。

また、波長可変レーザ発生装置の共振器における共振ミラー部は、波長分散方向に凹レンズ特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凹レンズと波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凹ミラー特性を持つシリンドリカル凹ミラーの組み合わせにより構成されることが好ましい。このような構成では、波長分散方向については凹レンズの作用により分散性能が向上する。一方、これと垂直な方向は出力の安定性に係る方向であるが、凹面鏡の作用で安定性が向上する。このように、２つの方向について共振器パラメータを独立に選択できるようにして、光軸安定性とスペクトル狭線化の両立が可能になる。

なお、上記組み合わせと光学的に等価である、波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凸レンズ特性を持つシリンドリカル凸レンズと波長分散方向に凸ミラー特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凸ミラーの組み合わせにより構成しても同じ効果が得られることは明らかである。

ＡｇＧａＳ₂結晶、ＡｇＧａＳｅ₂結晶などの非線形光学結晶に、周波数ω１のレーザ光と周波数ω２のレーザ光を入力させると差周波数ω３（＝ω１−ω２）のレーザ光（ＤＦＧ）を出力する非線形光学現象は知られており、たとえば特許文献１にも、波長１．０６４μｍのレーザ光と１．１５〜１．３５μｍの波長可変レーザ光をＡｇＧａＳ₂結晶など、カルコパイライト結晶からなる非線形光学結晶で混合して波長変換し、５〜１４μｍの範囲で波長調整した赤外光を得るようにした赤外光発生装置が開示されている。
本発明は、このような波長変換レーザ装置にイメージリレーを取り込むことにより出力を向上させたものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の１実施例に係る波長変換レーザ装置の概念的なブロック図である。
本実施例の波長変換レーザ装置は、図１２に示した特許文献１に開示された赤外光発生装置を基礎として、さらにアパーチャとイメージリレーを加えたところに主な特徴があり、また、より効率を向上させるためにシグナル光用レーザ発生装置の内部構造に改良を加えたところに特徴がある。したがって、非線形光学結晶に入射するレーザのレーザ発生装置の基本構造については特許文献１に詳細な記載があるので、本明細書では主に発明の特徴点について詳しく説明する。

本実施例の波長変換レーザ装置は、短周波数ω１のレーザ光を発生する第１のレーザ装置１とこれより長い周波数ω２のレーザ光を発生する第２のレーザ装置２と非線形光学結晶３を備え、さらにこれら２つのレーザ装置と非線形光学結晶の間にそれぞれアパーチャとイメージリレーを備える。
非線形光学結晶３はＡｇＧａＳ₂結晶などの光混合型非線形光学結晶で、周波数ω１とω２のレーザ光を入力するとそれらの周波数の差の周波数ω３（＝ω１−ω２）を持った差周波光（ＤＦＧ）を出力する。
光学結晶３から放射される差周波光は、基本的にポンプ光の波長変換作用によって発生するもので、差周波光のエネルギーはポンプ光のエネルギーに依存する。また、差周波光の周波数はポンプ光とシグナル光の周波数差であるから、シグナル光の周波数を変化させることにより調整することができる。

たとえば、第１レーザ装置１としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、波長１．０６４μｍのパルスレーザを相対的に大きなエネルギーを持ったポンプ光として光学結晶３に入力し、ポンプ光より長波長の１．１５〜１．３５μｍの範囲のレーザ光を発生するＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを第２レーザ装置として、たとえば波長１．２８４μｍに調整した出力レーザを波長変換に寄与するシグナル光として光学結晶３に入力すると、光学結晶３からは入力したレーザ光の他に波長６．２１μｍの差周波光が出力する。これら出力光をＧｅフィルター４に通して波長分別し、長波長の差周波光（赤外光）のみを外部に取り出すようにすれば、波長変換レーザ装置は赤外光発生装置となる。

本実施例の波長変換レーザ装置は、第１レーザ装置１の出力をコリメータ５など拡幅装置で光軸に垂直な方向に拡幅してピーク付近のエネルギー分布を緩やかにした後に、アパーチャ６で出力レーザの光軸付近の平坦部分を切り出す。
第１レーザ装置１から出力されるレーザ光のエネルギーはガウス分布をしており、軸付近で最大値をとり周辺に行くにつれて急激に強度が低下する。したがって、出力レーザ光をそのまま光学結晶３に投入する場合は、ピークにおけるエネルギーが結晶の損傷閾値に対して十分安全な水準以下である必要があることからピーク値をあまり高くすることができない上、エネルギーがガウス分布することから光軸から離れた領域のエネルギー水準が低くなるので、光学結晶３に入力するエネルギーの総量を大きくすることができない。

本実施例では、出力レーザの光軸付近でエネルギー分布が緩やかになっている部分を拡幅によりさらに平坦にしてからアパーチャ６に投影する。アパーチャ６はその平坦な光軸部分を切り出すので、アパーチャ６を透過した後のレーザ光のエネルギー分布はほぼ台形状になり、レーザ光のエネルギーが横断方向に平均化されている。図１には、第１レーザ装置１の出力レーザがコリメータ５を通る間にエネルギー分布の変化する様子が記入されている。
アパーチャ６を透過したレーザはイメージリレー７により光学結晶３の入射面上に像転送される。

図２はイメージリレーの構成を説明する図面である。
イメージリレーは、焦点距離ｆ１の第１凸レンズＬｓ１と焦点距離ｆ２の第２凸レンズＬｓ２を光軸を同じくして光軸上で焦点を共有するように配置したもので、第１凸レンズＬｓ１の前方で距離Ｘ１の位置にある基準面（Ａ面）と、第２凸レンズＬｓ２の後方で距離Ｘ２の位置における像転送面（Ｂ面）の間に、
Ｍ＝ｆ２／ｆ１
Ｘ２＝Ｍ（ｆ１＋ｆ２）−Ｍ²Ｘ１
という関係が成立するようにしたものである。

イメージリレーを用いると、基準面における２次元イメージがそのままＭ倍に拡大縮小して像転送面に転写される。
なお、イメージリレーによる像転送では、図に点線で示したように、光軸方向に多少のずれが生じても基準面と像転送面の位置に変化がなく、基準面上の２次元像が像転送面上に転送される。したがって、光学系を構成する場合には、イメージリレーを堅牢な光学的構造として利用することができる。

アパーチャ６の位置を基準面とし非線形光学結晶３の入射面を像転送面として、イメージリレー７を上式に従って適切に配置すると、アパーチャ６におけるエネルギー分布状態を非線形光学結晶３の入射面に像転送することができる。
したがって、アパーチャ６とイメージリレー７を通って光学結晶３に入射するレーザ光の台形状エネルギー分布の台形上面におけるエネルギー値が光学結晶の損傷閾値に対して適当な値になるように調整すれば、入射エネルギーの全領域に亘ってエネルギー水準を可能な限度に近付けることができ、結晶への入力エネルギーの総量は著しく大きくなる。

また、イメージリレーによる像転送は光軸方向が多少ずれても像転送面における変化が小さいため、レーザ装置の光軸が変動する場合にも像転送面におけるレーザ光の変動が小さい。
このようにアパーチャとイメージリレーを利用することにより、非線形光学結晶３のボリュームを有効に活用して、結晶から出力される差周波光の強度を大いに強化することができる。

さらに、イメージリレー７による像転送では、アパーチャ６の開口におけるレーザ出力形状を維持したまま光学結晶３の入射面に移転することができるので、アパーチャ６の開口の形状を光学結晶３の入射面と相似形にして像転送の倍率を調整することにより、入射面の全体にレーザエネルギーを注入することができる。たとえば、入射面が矩形であればアパーチャ開口も相似の矩形にすれば、入射面の全面にレーザ光が入射して、光学結晶３のボリューム全体が作用して効率良く差周波光生成を行うことができる。
従来は矩形の入射面に対して円形断面のレーザ光を入射していたのと比較すると、エネルギー分布を平坦化しかつアパーチャ開口を適合する形状にすることによってほぼ４倍の効率向上になる。

第２レーザ装置２は、第１レーザ装置１より低周波数のパルスレーザをシグナル光として非線形光学結晶３に供給する装置である。
本実施例では、第２レーザ装置２にＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅをレーザ媒体とするＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ装置を利用する。第２レーザ装置２は、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ媒体２１を挟んで設けられた出力鏡２２と反射鏡２４の間に分散プリズム２３を収納した共振器を備える。

なお、図１には記載していないが、図１２にあるものと同様に、同じパルス発生装置により同期駆動されるもう１基のＮｄ：ＹＡＧレーザをＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ媒体の励起光源として使用する。また、回動鏡やレーザ媒体の姿勢などを調整することにより出力レーザの波長を１．１５〜１．３５μｍの範囲で選択することができる。
本実施例のＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ装置２は、出力レーザをより狭帯域化し光軸を安定化するため、共振器内にさらに減衰器２５を組み込んである。

シグナル光の強度は強ければよいのではなく、差周波光出力に応じてポンプ光の強度と釣り合う値があるので、たとえば１５ｍＪのポンプ光に対して５ｍＪなど適当な値になるように調整しなければならない。普通には、出力光の経路中にフィルタを挿入して適当な値に低減させるが、この方法では発振光の波長スペクトルはガウス分布状態で得られた後で比例的に低減させるので、出力光において、分散した波長変動幅がそのまま保存され、スペクトル線幅は狭化されない。

ここで、シグナル光の周波数ω２のスペクトル幅が狭いほど差周波光のパワーが大きくなる。
図３は、非線形光学結晶で差周波光を生成させるときのシグナル光のスペクトル線幅と差周波光の出力の関係を説明するグラフである。図は、波長１．０６４μｍのポンプ光と波長１．２８４μｍのシグナル光から波長６．２１μｍの差周波光を得る場合について、横軸にシグナル光の周波数ω２のスペクトル線幅を示し、縦軸にこれに対する差周波光出力をプロットしてある。

図から、スペクトル線幅が殆ど無い場合に３５０μＪ程度の出力が見込まれるのに対して、スペクトル線幅が１ｎｍになると出力は２００μＪと半減し、さらに２ｎｍになると１２０μＪまで低下することが分かる。
したがって、入力エネルギーが一定の場合は、シグナル光の周波数ω２のスペクトル幅が狭い方が高い差周波光出力が得られる。さらに、ＡｇＧａＳ₂のように損傷閾値の小さい非線形光学結晶を使用する場合は、それに入力できるレーザのエネルギーは制限されるため、スペクトル幅の狭線化は差周波光出力の向上に有効な手段となる。

図４は、本実施例における第２レーザ装置２に使用される共振器であって、内部に減衰器を導入して出力調整をするようにした共振器について説明する図面である。
本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザによりレーザ媒体２１をできるだけ大きな一定の強度で励起することによりパルスの時間変動、いわゆるジッタの発生を抑制し、さらに共振器内に減衰器２５を入れて共振する光を低減させて出力を直接に低下させる。このように、本実施例のレーザ装置２では、共振器内部で共振する光を直接減衰させてレーザ装置の出力を２０ｍＪから５ｍＪに低下させる。
なお、共振器内で共振するＰ偏光光を低減させる場合は、励起光の周波数分布の裾の部分に当る光は共振することができなくなる。したがって、出力光のスペクトルが中心に集まりスペクトル線幅が狭くなるので出力光の狭帯域化が可能である。

減衰器２５には、回折格子やアパーチャを使用することができるが、本実施例ではＢＫ７などの光学ガラスで形成したガラス板を使用する。
透明な平板ガラスは入射角度により反射率が変化する。図５はＢＫ７製のガラス板表面に対するＰ偏光光の入射角度と表面における反射率との関係を示すグラフである。ＢＫ７の屈折率は波長１．３μｍ付近で１．５０４であるからＢＫ７のブリュースター角は５６．４°となる。
ブリュースター角５６．４°のところで表面反射率は０になり全入射光が透過する。一方、入射角度０°における表面反射率は０．０４であって１回の通過では透過光は殆ど減衰しないが、共振器内では極めて多数回往復するのでガラス板を何度も通過するうちに透過光は指数関数的に低減して、出力光の強度は十分低下する。

そこで、図４に示すように、ガラス板を共振器内の光軸中に回動可能に介装して、光軸に対するガラス板の傾きを調節して入射角θを変化させることにより光の透過率を調整して、出力光の強度を制御することができる。
なお、図６に示すように、光線が１枚のガラス板２５を透過する場合は、光軸が平行にずれる現象が発生する。しかも、このずれ量はガラス板の傾きにより変化する。

そこで、図７に示すように、同じガラス板２５’を光軸に沿って面対称に配置して、光線が２枚のガラス板を共に透過するように構成すると、ガラス板の傾きにかかわらず、光軸のずれが反対方向に同量発生して相殺され、２枚のガラス板を透過した光の光軸は初めの光軸の延長上に来るようになる。したがって、このように１対のガラス板を対称に配置した構成を用いることにより共振器光学系が簡単に構築できる。
なお、この方式を採用するときには、１対のガラス板２５，２５’を等角に傾ける機構が必要になるが、たとえば図８に示すようなラック・ピニオンなどにより簡単に実現することができる。

このように、共振器内に減衰器２５を組み込んで共振器内で往復する光の強度を直接的に調整することにより、出力光の強度を調節することができ、しかも出力が小さくなったときに出力光の狭帯域化を可能として、出力光の品質を高めることができる。
さらに、１対のＢＫ７ガラス板を対称配置した減衰器を使用するときは、１枚のガラス表面における反射損失が０〜０．０４の範囲で変化するので、１対のガラス板を１回通過するだけで０〜０．１６がで反射損失を変化させることができ、大幅な出力光の強度調整が可能になる。

また、本実施例に使用する第２レーザ装置の共振器は、反射鏡部分に光学系を付与することにより、さらに光軸安定化とスペクトル狭線化を図っている。
図９は、共振器部分の構成を図解する概念図である。
図９（ａ）は、レーザ媒体２１の入射面の法線と入射光軸を含む面における光の走行軌跡を描いた図面、図９（ｂ）はレーザ媒体の入射面の法線と入射光軸を含む面に属する方向から光の走行軌跡を描いた図面である。図９（ａ）を平面図とすると、図９（ｂ）は立面図となる。
分散プリズム２３を透過する光の軌跡は、簡略のため直線で表現してある。

回動反射鏡２４の前方にレンズ２６が配置されている。
回動反射鏡２４は、図９（ａ）の波長分散方向に対しては平面鏡であり、図９（ｂ）の波長分散方向と垂直な方向に対しては凹面鏡となる円柱鏡、レンズ２６は、図９（ａ）の光軸方向に対しては凹レンズ、図９（ｂ）の光軸方向に対しては板ガラスとなる円柱レンズである。
従来は、共振器ミラーはフラットな反射鏡を用いるのが一般的であったが、平面鏡では光軸が変動しやすく、波長を変更するたびに再アライメントをする必要があった。また、凹面の球面鏡を用いて光軸を安定化しようとすると、スペクトル線幅が広がってしまう問題があった。

図９（ａ）において、レーザ媒体２１から発生する共振光は分散プリズム２３によって波長に従って分散した軌跡を描いて凹レンズ２６に入射しさらに分散方向を強めて反射鏡２４に入射する。入射光のうち元の軌跡を辿ってレーザ媒体２１に戻ることができるのは、反射鏡２４の反射面にほぼ垂直に入射した光線だけであるので、反射鏡の傾きによって放射するレーザ光の波長を決定することができる。このとき、凹レンズ２６により分散傾向を強化した結果として、共振器内で共振できる光線は目的の波長にごく近いものばかりとなるので、スペクトル線の狭線化ができる。

また、図９（ｂ）において、図面に平行な方向にレーザ光軸が変動するときは、反射鏡２４がこの変動方向に凹面表面を持っていれば、光軸の変動が小さくなるので、光軸は安定化する。なお、レンズ２６はこの方向に対しては平面鏡と等価の働きをするので、光軸安定化には関係しない。
反射鏡２４とレンズ２６をこのような構造とすると、２つの方向について共振器パラメータを独立に設定できるので、光軸の安定化とスペクトル線の狭線化を共に達成することができる。

なお、図９（ａ）と図９（ｂ）に示された凹面円柱形をした回動反射鏡２４を光学的に等価な凸面円柱レンズと入れ換え、凹面円柱レンズ２６を光学的に等価な凸面鏡と入れ換えても同等の効果を得ることができることはいうまでもない。なお、この場合は凸面鏡を後ろに配置して回動反射鏡とする。
また、レーザ媒体２１と分散プリズム２３の間に、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズを組み合わせて構成するテレスコープや、楔形プリズムを組み合わせたアナモルフィックプリズムなどを挿入して、分散プリズム２３に入射するビームを波長分散方向に拡大することにより、波長分散性をさらに高めて、スペクトル狭線化をさらに促進することができる。

上記第２レーザ装置２で波長選択して出力鏡２２から放射されたシグナル光は、図１に示すように、アパーチャ８で光軸の極く近傍の部分だけを切り出され、イメージリレー９により非線形光学結晶３の入射面に像転送される。なお、イメージリレー９と非線形光学結晶３入射面との間には反射鏡１０とビームスプリッタ１１が介装されていて、ポンプ光と同じ位置に入射させることができる。
なお、ポンプ光の場合と同様に、アパーチャ８の形状を非線形光学結晶３の入射面と相似形にすれば、さらに有効にシグナル光を注入するようにすることができる。

第２レーザ装置２から放射されたシグナル光は、波長に従って分散されているが、アパーチャ８によりこの出力光の光軸付近の一部を切り出すことにより、スペクトル線の狭線化をすることができる。
また、第２レーザ装置２から放射されたシグナル光のエネルギーはガウス分布を持っているが、アパーチャ８におけるシグナル光のエネルギー分布はほぼ台形状になっているので、非線形光学結晶３に入射するエネルギーは十分大きく、ポンプ光の波長変換作用を効果的に行うことができる。

なお、図１０は本実施例の波長変換レーザ装置に用いられるアパーチャの例を示す断面図である。
アパーチャに入射するレーザのうち開口を透過しないものが反射するに任せると、反射したレーザが周囲の物品に当って損傷を与えたりするので、影響を宥める何らかの処置をする必要がある。

図１０に示したアパーチャは、孔体３１と吸収体３２とカバー３３で構成される。孔体３１には入射ビームの光軸付近を切り出すことができる取込開口３４が設けられ、取込開口３１の外周縁は鏡面仕上げの円錐状傾斜面３５になっており、カバー３３の中央に入射ビームのほぼ全量を透過する大きな入射口３６が設けられ、吸収体３２は孔体３１の周囲に設けられ、カバー３３の裏に円錐状の傾斜面を持った凹みを形成するように構成される。
吸収体３３とカバー３４は、中心部の入り口で広く周辺に進むにつれて狭くなっていて、入射した光を入射方向に戻さず全部吸収する黒体構造を形成する。

入射口３６内に入射した光のうち取込開口３５を透過しない光成分は全て傾斜面３６で反射して黒体構造に入射して吸収されるので、他の部品類を損傷することが無い。
なお、取込開口３４を矩形など円形以外の形状とするときは、開口３４の形状に合わせて外周縁の傾斜面３５や黒体構造を形成する傾斜面の形状を変更することはいうまでもない。

また、図１１は本実施例の波長変換レーザ装置に用いられる別例のアパーチャの断面図である。
図１１に示すアパーチャは、図１０のものと比較すると低負荷の場合に利用されるもので、構造がより簡便になっていて、孔体３７とカバー３８の２部品で構成される。孔体３７には取込開口が設けられ、取込開口の周囲に円錐形の反射壁が形成され、カバー３８には入射ビームを受け入れる入射口が設けられることは図１０のものと同じである。
図１１のアパーチャは、孔体の外周に設けた雄ネジとカバーの内周に設けた雌ネジで螺合して固定するもので、孔体とカバーの間に空間を黒体構造３９として反射した入射光を吸収させ、他の部品類を損傷しないようにしている。

本実施例の波長変換レーザ装置は、アパーチャを備えて光混合を行う非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍を透過させることによりアパーチャ透過光の波長分散性を向上させエネルギー分布の均等化を図り、さらにイメージリレーを備えてアパーチャにおけるレーザ光の像を非線形光学結晶の入射面に像転送することにより、より大きなエネルギーを光学結晶に注入することができる。したがって、得られる差周波光の強度と品質が向上する。また、損傷閾値が低い光学結晶を利用する場合でも、十分に強い差周波光を発生させることができる。

さらに、アパーチャの形状を光学結晶の入射面と相似形にして像転送をするようにすると、光エネルギーをより効率よく入射させることができる。
また、シグナル光用のレーザ装置の共振器内に減衰器を設けたり、反射鏡の構成を改良したり、ビーム拡大機構を組み込むことによって、レーザ装置の出力光のスペクトル線幅を狭化するなど、品質を向上させることができ、波長変換レーザ装置の出力光の強度増強やスペクトル幅の狭線化などを図ることができる。

本発明の１の実施例に係る波長変換レーザ装置を説明するブロック図である。本実施例に使用するイメージリレーの構成を説明する図面である。本実施例において非線形光学結晶で差周波光を生成させるときのシグナル光のスペクトル線幅と差周波光の出力の関係を説明するグラフである。本実施例におけるシグナル光レーザ装置に使用される減衰器を導入した共振器の説明図である。ガラス板表面に対するＰ偏光光の入射角度と表面反射率との関係を示すグラフである。本実施例において共振器内に設ける減衰器の１例に関する作用図である。本実施例において共振器内に設ける減衰器の別例に関する作用図である。本実施例において減衰器の駆動機構の例を示す機構図である。本実施例に使用する共振器の構成を説明する概念図である。本実施例に使用するアパーチャの１例を説明する断面図である。本実施例に使用するアパーチャの別例を説明する断面図である。従来技術における波長変換レーザ装置のブロック図である。

符号の説明

１第１レーザ装置
２第２レーザ装置
３非線形光学結晶
４Ｇｅフィルター
５コリメータ
６アパーチャ
７イメージリレー
８アパーチャ
９イメージリレー
１０反射鏡
１１ビームスプリッタ
２１レーザ媒体
２２出力鏡
２３分散プリズム
２４反射鏡
２５，２５’ 減衰器（もしくはガラス板）
２６レンズ
３１孔体
３２吸収体
３３カバー
３４取込開口
３５円錐状傾斜面
３６入射口
３７孔体
３８カバー
３９黒体構造部

Claims

２つの波長の異なるレーザ光をポンプ光とシグナル光として入射すると入射レーザ光の差周波を持つレーザ光を出力する非線形光学結晶を備えた波長変換レーザ装置であって、前記入射レーザ光の少なくとも一方について、前記非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍部分を透過させるレーザ光通過部を備えたアパーチャを備え、該レーザ光通過部におけるレーザ光の像を前記非線形光学結晶の入射面に像転送するイメージリレーを備えることを特徴とする波長変換レーザ装置。
前記アパーチャの入射面上流にレーザビームの拡幅装置を備えて、該アパーチャに入射するレーザ光のエネルギー分布が光軸付近で穏やかなピークを持つように変成することを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ装置。
前記アパーチャのレーザ光通過部は、前記非線形光学結晶の入射面の形状に対応する形状にすることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換レーザ装置。
前記アパーチャは、前記レーザ光通過部の周囲に入射光を光軸から放射状に反射する反射体を備え、該反射した入射光を吸収する吸収体を設けることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
前記ポンプ光とシグナル光の少なくとも一方が波長可変レーザであって、該波長可変レーザのレーザ光発生装置における共振器内に減衰器を挿入したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
前記減衰器は、光軸に対して角度を調整できるガラス板であることを特徴とする請求項５記載の波長変換レーザ装置。
前記ガラス板は、光軸に垂直な面を挟んで対称に配置された１対のガラス板であることを特徴とする請求項６記載の波長変換レーザ装置。
前記レーザ光のいずれかが波長可変レーザであって、該波長可変レーザを発生するレーザ装置の共振器における共振反射鏡が、波長分散方向に凹レンズ特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凹レンズと波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凹ミラー特性を持つシリンドリカル凹ミラーの組み合わせ、もしくは波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凸レンズ特性を持つシリンドリカル凸レンズと波長分散方向に凸ミラー特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凸ミラーの組み合わせにより構成して、２つの方向について共振器パラメータを独立に選択できるようにしたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。