JP2006163256A - Wavelength converting crystal and wavelength conversion optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換し、又、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系に関するものである。 The present invention converts wavelength at least part of incident light into light having a frequency twice that of the incident light, and converts at least part of incident light into light having a frequency of the sum and difference thereof. The present invention relates to a crystal and a wavelength conversion optical system using the wavelength conversion crystal.
固体レーザから放出される長波長の光を、非線形光学結晶を用いて短波長の光(例えば8倍波)に変換して用いる方法が、例えば特開2001−353176号公報(特許文献1)に記載されている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-353176 (Patent Document 1) discloses a method in which long-wavelength light emitted from a solid-state laser is converted into short-wavelength light (for example, eighth harmonic) using a nonlinear optical crystal. Are listed.
このような非線形光学結晶のうち、LBO結晶やCLBO結晶等の波長変換結晶においては、ウォークオフによる光ビーム(以後単に「ビーム」という)の変形が問題となる。このうち、入射した光については、例え進行方向が波長変換結晶の異常方向でも、入射光全体が一様に影響を受けるので、波長変換結晶の出射側端面において、出射光の光軸が入射光の光軸に対して平行シフトして出射されるだけで、ビーム自体の変形は発生しない。 Among such nonlinear optical crystals, wavelength conversion crystals such as LBO crystals and CLBO crystals have a problem of deformation of a light beam (hereinafter simply referred to as “beam”) due to walk-off. Of these, the incident light is uniformly affected even if the traveling direction is the abnormal direction of the wavelength conversion crystal, so the optical axis of the emitted light is incident on the output side end face of the wavelength conversion crystal. The beam itself is merely shifted in parallel with respect to the optical axis, and the beam itself is not deformed.
しかしながら、波長変換により発生する光については、波長変換結晶の入側で発生した変換光はウォークオフに伴う平行シフト量が大きく、波長変換結晶の出側で発生した変換光は、ウォークオフに伴う平行シフト量が小さくなる。このため、例えば円形断面の入射光を波長変換結晶に入射させた場合、波長変換により発生する光のビーム形状は楕円形となる。 However, for light generated by wavelength conversion, the converted light generated on the entrance side of the wavelength conversion crystal has a large amount of parallel shift accompanying the walk-off, and the converted light generated on the exit side of the wavelength conversion crystal is accompanied by the walk-off. The parallel shift amount is reduced. For this reason, for example, when incident light having a circular cross section is incident on the wavelength conversion crystal, the beam shape of the light generated by the wavelength conversion is elliptical.
従って、従来は、波長変換素子の出側に、シリンドリカルレンズを使用した光学系を設け、この光学系によりビーム形状を円形に戻すと共に、発散角及びビーム径を一様にすることが行われていた。その例を図6に示す。 Therefore, conventionally, an optical system using a cylindrical lens is provided on the exit side of the wavelength conversion element, the beam shape is returned to a circular shape by this optical system, and the divergence angle and the beam diameter are made uniform. It was. An example is shown in FIG.
図6(a)において、波長変換結晶31から出射した楕円形のビームは、シリンドリカルレンズ32と33によって、発散角が狭い(小さい)側(結晶の出射端面上での楕円形ビームの超軸方向)がほぼコリメートされ、シリンドリカルレンズ34によって、発散角が広い(大きい)側(結晶の出射端面上での楕円ビームの短軸方向)がコリメートされ、その結果所定のビーム径となるように調整される。
In FIG. 6A, the elliptical beam emitted from the
しかしながら、シリンドリカルレンズは通常の球面レンズより高価であり、多数のシリンドリカルレンズを使用すると光学系が高価となるという問題点がある。 However, a cylindrical lens is more expensive than a normal spherical lens, and there is a problem that an optical system becomes expensive when a large number of cylindrical lenses are used.
図6(b)は、ウォークオフが生じる方向と生じない方向でビーム径が一致する場所に、発散角調整用のシリンドリカルレンズ32を置いて発散角を一様にしているので、それ以後のビーム形状はほぼ円形となり、球面レンズ35と36で所定のビーム径となるように調整するのみでよい。この場合は、シリンドリカルレンズは1個で済むが、一般に、ウォークオフが生じる方向と生じない方向でビーム径が一致する場所は、波長変換素子に近い場所であるので、シリンドリカルレンズの耐性が問題となる。
In FIG. 6B, the divergence angle is made uniform by placing the
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、断面が円形状の、波長変換された光ビームを出射することができる波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and includes a wavelength conversion crystal capable of emitting a wavelength-converted light beam having a circular cross section, and a wavelength conversion optical system using the wavelength conversion crystal. The issue is to provide.
前記課題を達成するための第1の手段は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶であって、出射光が出射する面が、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するように、前記入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットされていることを特徴とする波長変換結晶(請求項1)である。 The first means for achieving the above object is to convert at least a part of incident light into light having a frequency twice that of the incident light, or to add at least a part of a plurality of incident lights to their sum and difference. A wavelength conversion crystal that converts light having a frequency of a wavelength of which the wavelength-converted light is affected by a walk-off, and a surface from which the emitted light exits is a light beam caused by the influence of the walk-off. A wavelength conversion crystal (Claim 1) characterized by being cut obliquely with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the incident light so as to compensate for a shape change.
本手段においては、出射光が出射する面が、入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットされている。よって、出射する光は、出射側端面で屈折の影響を受けて出射方向が変化する。カットする面の角度を変えることにより、出射光の光軸方向から見た場合、出射光のビーム形状が円形であるようにすることができる。これにより、断面が円形の、ビーム形状の波長変換により生じた光を、波長変換結晶から取り出すことができ、そのため、ビーム成型用のシリンドリカルレンズを必要としない。 In this means, the surface from which the emitted light is emitted is cut obliquely with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the incident light. Therefore, the outgoing direction of the outgoing light changes under the influence of refraction at the outgoing side end face. By changing the angle of the cut surface, the beam shape of the emitted light can be made circular when viewed from the optical axis direction of the emitted light. Thereby, the light generated by the wavelength conversion of the beam shape having a circular cross section can be extracted from the wavelength conversion crystal, and therefore, a cylindrical lens for beam shaping is not required.
前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、前記出射光が出射する面が、前記出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とするもの(請求項2)である。 The second means for solving the problem is the first means, wherein the surface from which the emitted light is emitted is cut so as to be a Brewster cut surface with respect to the emitted light. (Claim 2).
本手段は、波長変換により生じた光がp偏光である場合に有効である。すなわち、出射光が出射する面が出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされている(すなわち、結晶内から出射側端面に入射する波長変換により生じた光がブリュースタ角で入射するようにカットされている)ので、この光が出射側端面で反射されることなく透過し、その結果、結晶端面における光量ロスを小さくすることができる。 This means is effective when the light generated by the wavelength conversion is p-polarized light. That is, the surface from which the emitted light is emitted is cut so that it becomes a Brewster cut surface with respect to the emitted light (that is, the light generated by wavelength conversion incident from the inside of the crystal to the emission side end surface is incident at the Brewster angle. Therefore, this light is transmitted without being reflected by the emission side end face, and as a result, the light quantity loss at the crystal end face can be reduced.
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段又は第2の手段のいずれかの波長変換結晶を、少なくとも1つ有することを特徴とする波長変換光学系(請求項3)である。 A third means for solving the problem includes at least one wavelength conversion crystal of either the first means or the second means (Claim 3). It is.
本手段においては、ビーム成形のためのシリンドリカルレンズを無くしたり少なくしたりすることができるので、全体として、構成が簡単で安価なものとすることができる。 In this means, since the cylindrical lens for beam shaping can be eliminated or reduced, the overall configuration can be simple and inexpensive.
前記課題を解決するための第4の手段は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶と、前記波長変換結晶から放出された光の、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するようなプリズムとからなる波長変換光学系(請求項4)である。 According to a fourth means for solving the above-mentioned problem, at least part of the incident light is converted into light having a frequency twice that of the incident light, or at least part of the plurality of incident light is summed and differenced between them. A wavelength conversion crystal that converts light having a frequency of a wavelength of which the wavelength-converted light is affected by a walk-off, and a light beam generated by the walk-off of the light emitted from the wavelength conversion crystal. A wavelength conversion optical system comprising a prism that compensates for a change in shape of the light source.
前記課題を解決するための第5の手段は、前記第4の手段であって、前記プリズムの出射側端面が、出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とするもの(請求項5)である。 A fifth means for solving the above-mentioned problem is the fourth means, characterized in that the exit-side end face of the prism is cut so as to be a Brewster cut face with respect to the emitted light. (Claim 5).
前記課題を解決するための第6の手段は、前記第4の手段又は第5の手段のいずれかの波長変換光学系を、少なくとも1つ有することを特徴とする波長変換光学系(請求項6)である。 A sixth means for solving the problem includes at least one wavelength conversion optical system of either the fourth means or the fifth means (Claim 6). ).
前記第1の手段から第3の手段においては、波長変換結晶の出射側端面を入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットしていたが、これら、第4の手段から第6の手段においては、その代わりに、プリズムを波長変換結晶の光出射側に設けることにより、波長変換結晶の出射側端面を斜めにカットしたのと同じ効果を持たせている。よって、それぞれ、前記第1の手段から第3の手段と同様の作用効果を奏する。 In the first means to the third means, the emission side end face of the wavelength conversion crystal is cut obliquely with respect to the plane perpendicular to the optical axis of the incident light. Instead, by providing a prism on the light emission side of the wavelength conversion crystal, the same effect as that obtained by obliquely cutting the emission side end surface of the wavelength conversion crystal is obtained. Therefore, the same effects as the first to third means are obtained.
本発明によれば、断面が円形状の、波長変換された光ビームを出射することができる波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wavelength conversion crystal capable of emitting a wavelength-converted light beam having a circular cross section, and a wavelength conversion optical system using the wavelength conversion crystal.
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の1例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第1の例を示す図である。波長変換結晶1は、CLBO結晶であり、波長1547nmのレーザ光の基本波と7倍波とから波長193nmの8倍波を発生させる波長変換素子である。このような波長変換素子においては、従来は、8倍波を発生するときのウォークオフのために、出射される8倍波はビーム断面が楕円形となっていた。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a first example of a wavelength conversion crystal and an optical system using the same, which is an example of an embodiment of the present invention. The
波長変換結晶1の入射側端面は入射光に垂直であるが、その出射側端面1aは、入射光に垂直な面に対して斜めにカットされている。そのため、出射光は出射側端面1aで屈折し、出射光の、光軸に垂直なビーム断面は円形となる。
The incident-side end face of the
図2にこの関係を示す。なお、以下の図において、前述の図に示された構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。図2において、入射光は直径aの円形ビームとして、波長変換結晶1の入射側端面に垂直に入射するものとする。波長変換結晶1の出射側端面1aは、入射光の光軸に垂直な平面に対して、図に示すようにαだけ傾いた平面となるようにされている。すなわち、出射側端面1aは紙面に垂直である。なお、以下の図2の説明において、単に上下、左右、水平とは、図2の紙面上における位置関係を示す。
FIG. 2 shows this relationship. In the following drawings, the same reference numerals are given to the components shown in the above-mentioned drawings, and the description thereof may be omitted. In FIG. 2, incident light is assumed to be incident perpendicularly to the incident side end face of the
波長変換結晶1内では、発生する8倍波のエネルギーの進行方向は、ウォークオフのために、入射光の入射方向に対して、紙面の下方向にβだけずれているので、8倍波の紙面上下方向の大きさが出側に行くほど大きくなる。出射側端面1aから放出される出射光の最下点Aと最上点Bとの上下方向の距離をbとし、入射側端面から最下点Aまでの水平方向の距離をcとすると、
b=a+c・tanβ …(1)
であり、従ってAB間の距離dは
d=b/cosα=(a+c・tanβ)/cosα …(2)
となる。
In the
b = a + c · tan β (1)
Therefore, the distance d between AB is d = b / cos α = (a + c · tan β) / cos α (2)
It becomes.
一方、屈折率をnとすると、8倍波の出射側端面1aに対する屈折角γは、
sinγ=n・sinα …(3)
で決まる出射角γで決まる。式(1)、(2)、(3)を用いると、出射光のビーム径xは、
On the other hand, when the refractive index is n, the refraction angle γ with respect to the emission
sinγ = n · sinα (3)
Determined by the emission angle γ determined by. Using equations (1), (2), and (3), the beam diameter x of the emitted light is
となる。 It becomes.
以上は紙面に平行な方向についての関係であるが、紙面に垂直な方向は、屈折に伴うビームの広がり、狭まりは無く、ビームの大きさはaのままである。 The above is the relationship with respect to the direction parallel to the paper surface. However, in the direction perpendicular to the paper surface, the beam does not spread or narrow due to refraction, and the beam size remains a.
よって、 Therefore,
の関係が成り立つようにcとαの関係を決めることにより、出射光の断面形状を円形とすることができる。 By determining the relationship between c and α so that the relationship is established, the cross-sectional shape of the emitted light can be made circular.
なお、がブリュースタ角となるようにαを選定することにより、8倍波が出射側端面1aに対してp偏光である場合には、出射側端面1aでの反射がない状態で、出射光を出射側端面1aから出射させることができる。前述のように、ビーム形状を円形とするためのパラメータは、cとαの2つがあるので、ブリュースタ角となるようにαを決定しても、cを調整することにより、出射光のビーム形状を円形とすることができる。
In addition, by selecting α so as to have a Brewster angle, when the eighth harmonic wave is p-polarized with respect to the emission
図1に示す波長変換結晶1においては、この関係が成り立つように、波長変換結晶1の長さと出射側端面1aの傾きが決められている。従って、その後方に設けられた球面レンズ2に入射する8倍波のビーム形状はほぼ円形であり、発散角もほぼ一様となっているので、球面レンズ2により、円形断面形状を有する平行光に変えることができる。球面レンズ2を置く位置により、ビーム径を変えることができる。
In the
図3は、本発明の実施の形態の1例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第2の例を示す図である。図3において、波長変換結晶1の構造は、図1に示したものと同じであるが、その後に2枚の球面レンズ3、4を設けた光学系としている。このようにすると、球面レンズ3、4によりビームエキスパンダを構成できるので、短い光路長で大きなビーム径にすることができると共に、球面レンズを置く位置の制約をゆるめることができる。
FIG. 3 is a diagram showing a second example of a wavelength conversion crystal which is an example of an embodiment of the present invention and an optical system using the same. In FIG. 3, the structure of the
図4は、本発明の実施の形態の1例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第3の例を示す図である。この実施の形態においては、波長変換結晶1は、従来のものと同じように直方体の形状であるが、その出射側にプリズム5を設けて、8倍波の向きを偏向しているところが従来のものと異なっている。
FIG. 4 is a diagram showing a third example of a wavelength conversion crystal and an optical system using the same, which is an example of an embodiment of the present invention. In this embodiment, the
このような波長変換結晶1とプリズム5を組み合わせた構成が、図1、図3に示した出射側端面1aが斜めにカットされた波長変換結晶1と等価であることは、当業者には明らかであろう。
It will be apparent to those skilled in the art that such a combination of the
なお、図4においては、プリズム5を波長変換結晶1と離して配置しているが、これらを接するように配置してもよい。なお、図4においても、図1と同じように、球面レンズ2を置くことにより、円形断面形状を有する平行光を得ている。
In FIG. 4, the
図5は、本発明の実施の形態である8倍波発生光学系を示す図である。ファイバーアンプ等で増幅した基本波が波長変換結晶11に入射し、基本波の一部の光が2倍波に波長変換される。波長変換結晶11としては、LBO、PPLN、PPKTPなどがあるが、これらに限定されない。
FIG. 5 is a diagram showing an eighth harmonic generation optical system according to an embodiment of the present invention. The fundamental wave amplified by a fiber amplifier or the like is incident on the
波長変換結晶11を出射した基本波と2倍波は、波長変換結晶12に入射し、基本波と2倍波の一部が3倍波に波長変換される。波長変換結晶12としては、LBO、PPLN、PPKTPなどあるが、これらに限定されない。
The fundamental wave and the second harmonic wave emitted from the
波長変換結晶12を出射した基本波と2倍波と3倍波の光は、ダイクロイックミラー13に入射し、基本波と2倍波は透過し、3倍波は反射される。ダイクロイックミラー13を透過した2倍波はダイクロイックミラー14で反射され、波長変換結晶15に入射して、2倍波の一部が4倍波に波長変換される。波長変換結晶15としては、LBO、PPLN、PPKTPなどあるが、これらに限定されない。
The fundamental wave, the second harmonic wave, and the third harmonic wave emitted from the
波長変換結晶15を出射した4倍波は、ダイクロイックミラー16で反射され、ダイクロイックミラー13およびミラー17を介しダイクロイックミラー16を透過した3倍波とほぼ同軸になり、波長変換結晶18に入射し、3倍波と4倍波の一部が7倍波に波長変換される。波長変換結晶18としては、BBOなどがあるが、これに限定されない。
The fourth harmonic wave emitted from the
波長変換結晶18を出射した7倍波はダイクロイックミラー19で反射し、ダイクロイックミラー13、14とミラー20、21、22を介して、ダイクロイックミラー19を透過した基本波とほぼ同軸になり、波長変換結晶23に入射し、基本波と7倍波の一部が、8倍波である193nmの光に波長変換される。波長変換結晶23としては、LBO、CLBO、BBOなどあるが、これらに限定されない。
The 7th harmonic wave emitted from the
波長変換結晶23は、図1に示したような構造とされており、8倍波発生時のウォークオフによるビーム形状の変形が補償されるようになっている。なお、波長変換結晶15においても、発生した4倍波が、ウォークオフにより楕円形となるので、従来はこれを2つのシリンドリカルレンズによって補償していたが、波長変換結晶15の出射側端面を図1に示すように斜めにカットすることにより補償を行うようにしてもよい。
The
1…波長変換結晶、2…球面レンズ、3…球面レンズ、4…球面レンズ、5…プリズム、11…波長変換結晶、12…波長変換結晶、13…ダイクロイックミラー、14…ダイクロイックミラー、15…波長変換結晶、16…ダイクロイックミラー、17…ミラー、18…波長変換結晶、19…ダイクロイックミラー、20…ミラー、21…ミラー、22…ミラー、23…波長変換結晶
DESCRIPTION OF
Claims (6)
A wavelength conversion optical system comprising at least one wavelength conversion optical system according to claim 4 or 5.
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