JP2006317724A

JP2006317724A - 波長変換光学系及びレーザ装置

Info

Publication number: JP2006317724A
Application number: JP2005140599A
Authority: JP
Inventors: Akira Tokuhisa; 章徳久
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】出力変動を少なくすることができると共に、ビーム品質の劣化を小さくすることができる波長変換光学系を提供する。
【解決手段】制御部１７は、予め定められた時間が経過する毎に、ＢＢＯシフト操作部１８、ＣＬＢＯシフト操作部１９、ダイクロイックミラー操作部２０に指令を出して、これらのシフトを行う。７倍波発生部９と８倍波発生部１０の１回のシフト量は、それぞれ７倍波発生部９、８倍波発生部１０に入射する入射光の直径より小さい値とし、例えば直径の１／２０の値とする。このようにすると、１０回のシフトにより、完全に入射光が７倍波発生部９、８倍波発生部１０の結晶に入射する位置が変わることになる。このように、微量ずつ、その分だけ頻繁にシフトを行っているので、８倍波発生部１０から出射される出射光の強度変化が小さく、かつ、ビーム品質の劣化も発生しにくくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として固体レーザから放出されるレーザ光をその高調波に変換する、波長変換光学系、及びこの波長変換光学系を有するレーザ装置に関するものである。

レーザ光は近年において種々の用途に用いられており、例えば、金属の切断や加工を行ったり、半導体製造装置におけるフォトリソグラフィー装置の光源として用いられたり、各種測定装置に用いられたり、外科、眼科、歯科等の手術および治療装置に用いられたりしている。

ところが、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、チャンバー内にアルゴンガス、フッ素ガス、ネオンガス等を封入して構成されるものであり、これらガスを密封する必要がある。さらに、各ガスの充填、回収を行う必要もあり、装置が大型化且つ複雑化しやすいという問題がある。又、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は所定のレーザ光発生性能を保持するために、定期的に内部ガスの交換を行ったり、オーバホールを行ったりする必要があるという問題もある。

よって、光源としてはこのような気体レーザでなく、固体レーザ（本明細書においては半導体レーザ（ダイオードレーザ）を含む概念である。）を用いることが好ましい。ところが、固体レーザから放出されるレーザ光の波長は、通常、上記波長に比べて長波長であり、例えば角膜治療装置に使用するには向いていない。そこで、このような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ることにより短波長の紫外光（例えば８倍波）に変換して用いる方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。このような目的に用いられる非線形光学素子としては、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が知られている。

特開２００１−３５３１７６号公報

波長変換結晶の内、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶は、特に高周波（短波長）の波長変換に使用され、深紫外領域の光を受けることが多い。そのため、長時間使用すると波長変換結晶そのものがダメージを受けて波長変換効率が低下するという問題点がある。

例えば、1547ｎｍの基本波からその８倍波である１９３ｎｍの深紫外光を発生させる波長変換光学系においては、７倍波発生部に用いられるＢＢＯ結晶の寿命が最も短く、約２０〜３０時間程度である。次に８倍波発生部に用いられるＣＬＢＯ結晶の寿命が短く約１００時間程度である。

従来、このような問題に対する対策として、使用時間が寿命とされる所定時間に達した場合、あるいは発生するパワーが低下した場合に、光の入射位置を変える（シフトさせる）ことにより、これらの結晶内での光の通過路を変化させ、ダメージを受けていない部分を新たな光路とすることにより、波長変換効率低下の回復を図り、ＢＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶を長時間使用することが行われてきた。

しかしながら、波長変換用結晶の劣化は徐々に起こるので、上記のような方法では、入射位置がシフトされるまでの間では、波長変換光学系が徐々に劣化し、入射位置がシフトされると元に戻るということが繰り返され、波長変換光学系の出力が一定とならないという問題点があった。このようなことを避けるために、波長変換光学系の出力をモニタし、出力を一定に保つように、基本波の強度を変化させる方法も考えられていた。

しかし、波長変換用結晶が劣化すると、波長変換効率が低下するだけでなく、ビーム形状等のビーム品質が悪化するという問題が同時に発生する。すなわち、正常時においては、出力ビームの強度分布はガウス分布に近い分布をするが、波長変換結晶が劣化すると、その形状が崩れてサイドに強度分布の強い部分が発生したりする。この現象に対しては、基本波の強度を変化させる方法によっては対処が不可能であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、出力変動を少なくすることができると共に、ビーム品質の劣化を小さくすることができる波長変換光学系、及びこれを使用したレーザ装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、波長変換素子を用いて、入力される基本波からその高調波を発生させる波長変換光学系であって、少なくとも一つの波長変換素子への入射光の入射位置を、決められた時間毎に、前記入射光のスポットサイズの直径より少ない量だけシフトさせる機能を有することを特徴とする波長変換光学系である。

従来においては、波長変換素子が劣化してしまってから、入射光の位置をスポットサイズの直径以上だけシフトさせていた。本手段においては、１回のシフト量を入射光のスポットサイズの直径より少ない量とし、その代わり、従来に比して頻繁にシフトを行うようにしている。よって、波長変換素子が劣化しても、使用部分が徐々に劣化しない新しい部分に移っていくので、波長変換光学系の出力変動や、ビーム品質の劣化の程度を小さくすることができる。なお、「決められた時間」とは、後に述べるように一定の場合もあるし、他の制御によって決められた変化する時間の場合もある。同様、「シフト量」も一定の場合もあるし、他の制御によって変化する場合もある
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、前記決められた時間が、予め決められた一定時間であることを特徴とするものである。

予め決められた一定時間間隔でシフトを行うことにより、制御が簡単になる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記シフト量が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて少なくなるように制御されていることを特徴とするものである。

一般に波長変換素子においては、波長変換効率が悪い部分が早く劣化する傾向にある。よって、本手段においては、予め入射光が入射する各部分での波長変換効率が測定された波長変換素子を使用し、波長変換効率の良い部分ではシフト量を、波長変換効率が悪い部分のシフト量に比べて少なくするようにしている。従って、劣化が遅い部分を長い時間、劣化が早い部分を短い時間使用することができるようになり、波長変換素子を有効に使用することができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第２の手段又は第３の手段であって、波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、シフト量を増加させる機能を有することを特徴とするものである。

前記第２の手段、第３の手段によれば、波長変換光学系の出力はほぼ一定に保たれるはずであるが、シフト量とシフト時間間隔のマッチングが完全にとれていないと、波長変換光学系の出力が低下又は悪化する場合がある。本手段においては、出力モニタ装置をさらに有し、出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、シフト量を大きくする機能を有するので、波長変換光学系の出力の低下や、ビーム品質の低下を低減することができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第２の手段又は第３の手段であって、波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、シフト量を増加させる機能を有することを特徴とするものである。

前述のように、前記第２の手段、第３の手段によれば、波長変換光学系の出力はほぼ一定に保たれるはずであるが、シフト量とシフト時間間隔のマッチングが完全にとれていないと、波長変換光学系の出力が低下又は悪化する場合がある。本手段においては、この出力の低下又は悪化を補うために、基本波の強さを強める制御がなされる。本手段においては、基本波の強さが増大するにつれて、シフト量を大きくする機能を有する有するので、波長変換光学系の出力におけるビーム品質の低下を低減することができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段であって、前記シフト量が、予め決められた一定シフト量であることを特徴とするものである。

予め決められた一定シフト量でシフトを行うことにより、制御が簡単になる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記決められた時間が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて長くなるように制御されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第６の手段又は第７の手段であって、前記波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、前記決められた時間を短くする機能を有することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第６の手段又は第７の手段であって、波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、前記決められた時間を短くする機能を有することを特徴とするものである。

これら、第７の手段、第８の手段、第９の手段は、それぞれ前記第３の手段、第４の手段、第５の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１０の手段は、波長変換素子を用いて、入力される基本波からその高調波を発生させる波長変換光学系であって、少なくとも一つの波長変換素子への入射光の入射位置を、連続的にシフトさせる機能を有することを特徴とする波長変換光学系である。

前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１０の手段であって、入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記シフトの速度が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて遅くなるように制御されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１０の手段であって、波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、前記シフトの速度を速くする機能を有することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第１０の手段であって、波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、前記シフトの速度を速くする機能を有することを特徴とするものである。

これら、第１０の手段、第１１の手段、第１２の手段、第１３の手段は、それぞれ、前記第１の手段、第３の手段、第４の手段、第５の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１の手段から第１３の手段のいずれかであって、前記シフトが２次元的なシフトであることを特徴とするものである。

シフトを２次元的に行うことによって、波長変換素子の多くの領域を有効に活用することができる。

前記課題を解決するための第１５の手段は、前記第１の手段から第１４の手段のいずれかであって、前記波長変換光学系において、最終段の波長変換を行う第１の波長変換素子と、その１段前の波長変換を行う第２の波長変換素子とが、機械的に位置合わせされて、それらの相対位置関係が固定され、前記第１の波長変換素子における波長変換は、前記第２の波長変換素子を通った光のみによって行われ、前記入射光の位置のシフトは、前記第２の波長変換素子に対して行われることを特徴とするものである。

通常の場合、波長変換素子への入射光の入射位置を変えると、出射光の出射位置も変わり、他のビームとの位置調整が必要となる。しかし、本手段が前提とするような波長変換光学系においては、最終段の波長変換を行う第１の波長変換素子と、その１段前の波長変換を行う第２の波長変換素子とが、機械的に位置合わせされて、それらの相対位置関係が固定され、かつ、第１の波長変換素子における波長変換は、第２の波長変換を通った光のみによって行われるので、第２の波長変換素子への入射光の入射位置を変えると、第１の波長変換素子への入射位置も同時に変わり、かつ、他の経路を通ったビームとの位置合わせの必要がない。よって、このような波長変換光学系においては、前記第１の手段から第１４の手段は、特に有効である。

前記課題を解決するための第１６の手段は、前記レーザ光源からの光、又はそれを光増幅器によって増幅した光を、前記入力される基本波とし、前記第１の手段から第１５の手段のいずれかの波長変換光学系において形成された高調波を出力するレーザ装置である。

本手段は、出力の低下を低減できると共に、ビーム形状が劣化することも低減することができる。

本発明によれば、出力変動を少なくすることができると共に、ビーム品質の劣化を小さくすることができる波長変換光学系、及びこれを使用したレーザ装置を提供することができる。

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第１の例である波長変換光学系の概要を示す図である。波長変換部２は基本波発生部１から出力され、ＥＤＦ増幅器４で光増幅された波長1547ｎｍのレーザ光の波長変換を行う。波長変換部２には、複数の波長変換手段、すなわち、２倍波発生部６、３倍波発生部７、４倍波発生部８、７倍波発生部９、８倍波発生部１０の各高調波発生部が設けられ、それぞれの高調波発生部間に、高調波を次の高調波発生部へ伝播させるための光学素子が配置されている。

この実施の形態では、各高調波発生部とも非線形光学結晶を用いている。具体的には、２倍波発生部６、３倍波発生部７、４倍波発生部８にはＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶を、７倍波発生部９にはβ−ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）結晶を、８倍波発生部１０にはＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（ＣＬＢＯ）結晶を用いている。これら、２倍波発生部６、３倍波発生部７、４倍波発生部８、７倍波発生部９、８倍波発生部１０は、それぞれ波長７７３ｎｍ、５１６ｎｍ、３８７ｎｍ、２２１ｎｍ、１９３ｎｍの光を発生する。

すなわち、入射した波長1547ｎｍのレーザ光は、レンズＬ１により集光されて２倍波発生部６に入射する。２倍波発生部６からは、この基本波と共に、２倍の周波数の光（２倍波）が出力される。これらの光は、レンズＬ２により集光されて３倍波発生部７に入って合成され、基本波、２倍波と共に、基本波の３倍の周波数（３倍波）が出力される。このうち、３倍波は、ダイクロイックミラーＭ１により反射され、レンズＬ３、Ｌ４を介して反射ミラーＭ２で反射された後、ダイクロイックミラーＭ３を通過して、後に述べる基本波の４倍の周波数を持つ光（４倍波）と合成される。レンズＬ３、Ｌ４は、３倍波を７倍波発生部９に集光するようになっている。

ダイクロイックミラーＭ１を通過した基本波と２倍波のうち、２倍波は、ダイクロイックミラーＭ４で反射され、レンズＬ５により集光されて４倍波発生部８に入射する。そして、４倍波発生部８からは、２倍波と共に４倍波が出力される。そして、２つのシリンドリカルレンズ１１ａ、１１ｂを組み合わせて１つのレンズ作用を持たせた光学素子により、７倍波発生部９に集光される。即ち、４倍波は、ダイクロイックミラーＭ３で反射され、前述の３倍波と合成されて７倍波発生部９に入力される。よって、７倍波発生部９からは３倍波、４倍波と共に、基本波の７倍の周波数を持つ光（７倍波）が出力される。

これらの光は、２つのシリンドリカルレンズ１２ａ、１２ｂを組み合わせて１つのレンズ作用を持たせた光学素子を介して、ダイクロイックミラーＭ５に入力され、７倍波のみが反射されて８倍波発生部１０に入力される。２つのシリンドリカルレンズ１２ａ、１２ｂを組み合わせた光学素子は、この７倍波を８倍波発生部１０に集光させるようになっている。

ダイクロイックミラーＭ４を透過した基本波は、反射ミラーＭ６、Ｍ７、Ｍ８と、レンズＬ６、Ｌ７からなる光学系と、ダイクロイックミラーＭ５を通過し、レンズＬ６、Ｌ７の働きにより、８倍波発生部１０に集光される。よって、８倍波発生部１０には基本波と７倍波が入力されることになり、基本波と７倍波の他に、基本波の８倍の周波数を持つ光（８倍波）が出力される。

このように、図１に示される波長変換部２では、基本波、２倍波、３倍波の集光には通常のレンズを使用し、４倍波、７倍波の集光には２つのシリンドリカルレンズを組み合わせた光学素子を使用している。シリンドリカルレンズを用いるのは、４倍波発生部８、７倍波発生部９から出力される４倍波、７倍波は、それぞれウォークオフのために楕円形になっているので、これらを円形にして、次の波長変換素子において変換効率を上げるためである。なお、図１において、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂは、シリンドリカルレンズの保持手段である。

図１に示す波長変換光学系においては、出力される８倍波は、ハーフミラー１５によりその一部が反射され、光量モニタリング装置１６に導かれる。光量モニタリング装置１６は、出力される８倍波のパワーをモニタリングし、その出力を制御装置１７に伝送する。

制御装置１７は、ＢＢＯシフト操作部１８、ＣＬＢＯシフト操作部１９、ダイクロイックミラー操作部２０に指令を出し、それぞれ、７倍波発生部９のＢＢＯ結晶の入射光が入射する位置のシフト、８倍波発生部１０のＣＬＢＯ結晶の入射光が入射する位置のシフト、及びダイクロイックミラーＭ５に入射光が入射する位置のシフトを行う機能を有している。

すなわち、制御部１７は、予め定められた時間（例えば１時間）が経過する毎に、ＢＢＯシフト操作部１８、ＣＬＢＯシフト操作部１９、ダイクロイックミラー操作部２０に指令を出して、これらのシフトを行う。７倍波発生部９と８倍波発生部１０の１回のシフト量は、それぞれ７倍波発生部９、８倍波発生部１０に入射する入射光の直径より小さい値とし、例えば直径の１／２０（ビーム直径が100μｍの場合でシフト量５μｍ）の値とする。このようにすると、１０回のシフトにより、完全に入射光が７倍波発生部９、８倍波発生部１０の結晶に入射する位置が変わることになる。このように、微量ずつ、その分だけ頻繁にシフトを行っているので、８倍波発生部１０から出射される出射光の強度変化が小さく、かつ、ビーム品質の劣化も発生しにくくなる。

なお、７倍波発生部９と８倍波発生部１０の１回当たりのシフト量は異なる値にしてもよく、かつ、７倍波発生部９と８倍波発生部１０をシフトさせるタイミングは、別々としてもよい。さらに、ある時間間隔をおいてシフトさせるのではなく、連続的にシフトし、シフト速度を一定してもよい。なお、ダイクロイックミラーＭ５も損傷を受けるのでシフトする。のシフトは、基本波と７倍波のビーム光路を一致させるために行われる。なお、シフトは２次元方向について行うことが好ましい、すなわち、所定方向へのシフトが完了したら、入射光の直径だけ、今までシフトした方向と直角な方向にシフトし、その位置で、前述の所定方向と逆方向への微量ずつのシフトを行うようして、これを繰り返すようにすればよい。

以上の説明においては、一定時間間隔で一定シフト量だけのシフトを行っていたが、これらのうちいずれかを可変にしてもよい。すなわち、ＢＢＯやＣＬＢＯ等の波長変換結晶においては、入射光の位置によって波長変換効率に差がある場合があり、一般的に波長変換効率が悪い部分は劣化が激しい。よって、予め、７倍波発生部９や８倍波発生部１０の入射光位置に対する波長変換効率を測定してマップを作っておき、波長変換効率が高い部分では、１回のシフト量を少なくするか、シフト時間間隔を長くするようにして、この部分を長時間使用し、波長変換効率が低い部分では、１回のシフト量を多くするか、シフト時間間隔を短くするようにして、この部分を短時間使用するようにすれば、８倍波発生部１０から出射される出射光の強度変化がをさらに小さく、かつ、ビーム品質の劣化もさらに発生しにくくすることができる。シフトを連続的に行う場合には、シフト速度を変えるようにすることは言うまでもない。

さらに、この実施の形態においては、出力される８倍波は、ハーフミラー１５によりその一部が反射され、光量モニタリング装置１６に導かれる。光量モニタリング装置１６は、出力される８倍波のパワーをモニタリングし、その出力を制御装置１７に伝送する。

制御装置１７は、出力される８倍波のパワーが低下するに従って、７倍波発生部９や８倍波発生部１０の１回あたりのシフト量を多くしたり、シフト時間間隔を短くする（あるいは連続シフトのシフト速度を変える）。このようにすることにより、出力される８倍波のパワーの低下を防止することができ、かつ８倍波のビーム品質の劣化を防止することができる。

出力される８倍波のビーム形状をモニタし、その形状を制御装置に伝送し、例えば、ビーム形状をガウス分布で近似した場合にその分散σが当初の２０％増となったら、制御装置が７倍波発生部９や８倍波発生部１０の１回当たりのシフト量を通常に比べて多くしたり、シフト時間間隔を短くする。このようにすることにより、出力される８倍波のパワー低下を防止することができ、かつ、ビーム品質の劣化を防止することができる。

又、図に示すように、制御装置１７が、出力される８倍波のパワーが一定となるように、励起用光源部５に指令を出し、励起用光源からの出力光の強さを操作するようにしてもよい。この場合は、確実に８倍波のパワーを一定に保つことができる。そして、励起用光源部５の出力を監視し、励起用光源部５の出力が大きくなる（すなわち、ＥＤＦ部４の出力が大きくなる）に従って、７倍波発生部９や８倍波発生部１０の１回あたりのシフト量を多くしたり、シフト時間間隔を短くする（連続シフトの場合はシフト速度を速くする）。このようにすることによっても、出力される８倍波のパワーの低下を防止することができ、かつ８倍波のビーム品質の劣化を防止することができる。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例である波長変換光学系の概要を示す図である。図において、楕円形で示されるのはコリメータレンズや集光レンズであり、その説明を省略する。又、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○中に点のある印で示し、基本波をω、ｎ倍波をｎωで示す。この例においては、図示しないＤＦＢレーザから放出される基本波（波長1547nm）を、第１のＥＤＦＡ増幅器３１と第２のＥＤＦＡ増幅器３２で増幅しているが、一つのＥＤＦＡ増幅器で増幅した光を、偏光ビームスプリッタによりＰ偏光とＳ偏光の２つに分けて使用することも可能である。

図に示すように、第１のＥＤＦＡ増幅器３１で増幅されたＰ偏光の基本波は、第１の２倍波形成光学素子（ＰＰＬＮ結晶）３３に入射し、第１の２倍波形成光学素子３３からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。この基本波と２倍波を、３倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）３４に入射させる。３倍波形成光学素子３４からは、基本波と２倍波と共に、Ｓ偏光の３倍波が発生する。なお、２倍波形成光学素子３３としては、ＰＰＬＮ結晶に限らず、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＡＡＮＰ結晶等を用いることもできる。

これらの光を、２波長波長板３５を通すことにより、２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板として、例えば結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。一方の波長の光（２倍波）に対しては、偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対しては、λ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットする。そして、共にＳ偏光となった２倍波と３倍波を、５倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）３６に入射させる。５倍波形成光学素子３６からは、２倍波と３倍波と共にＰ偏光の５倍波が発生する。なお、Ｐ偏光の基本波はそのまま５倍波形成光学素子３６を透過する。

５倍波形成光学素子３６から発生する５倍波は、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できない。よって、シリンドリカルレンズ３７、３８により、この楕円形の断面形状を円形に整形する。なお、５倍波形成光学素子３６としては、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることもできる。

一方、第２のＥＤＦＡ増幅器３２で増幅されたＳ偏光の基本波は、ミラーＭを介して（ミラーＭは必ずしも必要ない）第２の２倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）３９に入射し、第２の２倍波形成光学素子３９からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。なお、ＬＢＯ結晶の代わりにＯＯｅ変換のＰＰＬＮ結晶を使用してもよい。この基本波と２倍波を、前述のＰ偏光の５倍波と、ダイクロイックミラー４０により合成する。この例では、ダイクロイックミラー４０は、基本波と２倍波を反射し、５倍波を透過できるようなものとなっている。この光の合成には、バルク型光学素子を用いることが可能であり、例えば、色分解・合成ミラー（ダイクロイックミラー）、反射型及び透過型回折光学素子を用いることが可能である。

合成されたＳ偏光の基本波、Ｐ偏光の２倍波、Ｐ偏光の５倍波は、７倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）４１に入射し、７倍波形成光学素子４１からは、これらの光と共に、Ｓ偏光の７倍波が発生する。これらの光は、８倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）４２に入射し、ここでＳ偏光の基本波とＳ偏光の７倍波が合成されてＰ偏光の８倍波が発生する。

この実施の形態においては、８倍波の形成に７倍波形成光学素子４１で発生した７倍波と、７倍波形成光学素子４１を透過した基本波を使用しているので、図１に示した実施の形態のように、ダイクロイックミラーＭ５を使用して基本波と７倍波の光路を合わせる必要がない。よって、７倍波形成光学素子４１と８倍波形成光学素子４２は同一のホルダ機構４３に固定され、その相対的な位置は変化しないようになっている。

この例においては、制御装置４４が設けられ、予め定められた時間毎に、ホルダーシフト装置４５に指令を出して予め定められたシフト量だけ、ホルダ機構４３ごと７倍波形成光学素子４１と８倍波形成光学素子４２をシフトさせ、７倍波形成光学素子４１に入射する入射光の位置を変えている。シフト量は７倍波形成光学素子４１に入射する入射光のビーム径より小さく（例えばビーム径の１／２０（ビーム直径が100μｍの場合シフト量５μｍ））とし、頻繁にシフトを行っている。その作用効果は、図１に示した実施の形態における作用効果と同等のものであるが、この場合、ホルダ機構４３をシフトさせても７倍波形成光学素子４１と８倍波形成光学素子４２の位置関係は変わらないので、その分機構を簡単にできる。

なお、位相変換結晶の波長変換効率に応じてシフト量やシフト時間間隔を変えたり、８倍波のパワーをモニタして、それにより、シフト量やシフト時間間隔を変えたり、８倍波のパワーを一定に保つように光源を制御して、基本波の強さに応じてシフト量やシフト時間間隔を変える制御は、図２に示す実施の形態においても可能であることは明らかであるが、図１に示したものと殆ど同じであるので、説明を省略する。

又、本発明の実施の形態であるレーザ装置そのものは、周知のレーザ装置と変わるところが無く、例えば特許文献１に記載されるようなものがあり、ただ、波長変換光学系として本発明のものを使用しているところのみが異なっているだけであるので、その説明を省略する。

本発明の実施の形態の第１の例である波長変換光学系の概要を示す図である。本発明の実施の形態の第２の例である波長変換光学系の概要を示す図である。

符号の説明

１…基本波発生部、２…波長変換部、４…ＥＤＦ部、５…励起用光源部、５ａ…励起用光源、５ｂ…励起用光源、５ｃ…励起用光源、６…２倍波発生部、７…３倍波発生部、８…４倍波発生部、９…７倍波発生部、１０…８倍波発生部、１１ａ…シリンドリカルレンズ、１１ｂ…シリンドリカルレンズ、１２ａ…シリンドリカルレンズ、１２ｂ…シリンドリカルレンズ、１３ａ…保持手段、１３ｂ…保持手段、１４ａ…保持手段、１４ｂ…保持手段、１５…ハーフミラー、１６…光量モニタリング装置、１７…制御装置、１８…ＢＢＯシフト操作部、１９…ＣＬＢＯシフト操作部、２０…ダイクロイックミラー操作部、２１…集光位置調整装置、３１…第１のＥＤＦＡ増幅器、３２…第２のＥＤＦＡ増幅器、３３…第１の２倍波発生光学素子、３４…３倍波形成光学素子、３５…２波長波長板、３６…５倍波形成光学素子、３７…シリンドリカルレンズ、３８…シリンドリカルレンズ、３９…第２の２倍波形成光学素子、４０…ダイクロイックミラー、４１…７倍波形成光学素子、４２…８倍波形成光学素子、４３…ホルダ機構、４４…制御装置、４５…ホルダーシフト装置、Ｌ１…レンズ、Ｌ２…レンズ、Ｌ３…レンズ、Ｌ４…レンズ、Ｌ６…レンズ、Ｌ７…レンズ、Ｍ１…ダイクロイックミラー、Ｍ２…反射ミラー、Ｍ３…ダイクロイックミラー、Ｍ４…ダイクロイックミラー、Ｍ５…ダイクロイックミラー、Ｍ６…反射ミラー、Ｍ７…反射ミラー、Ｍ８…反射ミラー

Claims

波長変換素子を用いて、入力される基本波からその高調波を発生させる波長変換光学系であって、少なくとも一つの波長変換素子への入射光の入射位置を、決められた時間毎に、前記入射光のスポットサイズの直径より少ない量だけシフトさせる機能を有することを特徴とする波長変換光学系。
前記決められた時間が、予め決められた一定時間であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記シフト量が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて少なくなるように制御されていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換光学系。
波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、シフト量を増加させる機能を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の波長変換光学系。
波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、シフト量を増加させる機能を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の波長変換光学系。
前記シフト量が、予め決められた一定シフト量であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記決められた時間が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて長くなるように制御されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換光学系。
前記波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、前記決められた時間を短くする機能を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の波長変換光学系。
波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、前記決められた時間を短くする機能を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の波長変換光学系。
波長変換素子を用いて、入力される基本波からその高調波を発生させる波長変換光学系であって、少なくとも一つの波長変換素子への入射光の入射位置を、連続的にシフトさせる機能を有することを特徴とする波長変換光学系。
入射光の入射位置がシフトされる波長変換素子は、各入射部分に入射光を入射させた場合の波長変換効率が予め測定されたものであり、前記シフトの速度が、前記波長変換効率が良い部分では、前記波長変換効率が悪い部分に比べて遅くなるように制御されていることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換光学系。
波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置をさらに有し、前記出力モニタ装置の出力が低下又は悪化するにつれて、前記シフトの速度を速くする機能を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長変換光学系。
波長変換光学系からの出力をモニタする出力モニタ装置と、前記基本波の強さを可変にすることにより波長変換光学系からの出力を一定に制御する装置をさらに有し、前記基本波の強さが増大するにつれて、前記シフトの速度を速くする機能を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長変換光学系。
前記シフトが２次元的なシフトであることを特徴とする請求項１から請求項１３のうちいずれか１項に記載の波長変換光学系。
前記波長変換光学系において、最終段の波長変換を行う第１の波長変換素子と、その１段前の波長変換を行う第２の波長変換素子とが、機械的に位置合わせされて、それらの相対位置関係が固定され、前記第１の波長変換素子における波長変換は、前記第２の波長変換素子を通った光のみによって行われ、前記入射光の位置のシフトは、前記第２の波長変換素子に対して行われることを特徴とする請求項１から請求項１４のうちいずれか１項に記載の波長変換光学系。
前記レーザ光源からの光、又はそれを光増幅器によって増幅した光を前記入力される基本波とし、請求項１から請求項１５のうちいずれか１項に記載の波長変換光学系において形成された高調波を出力するレーザ装置。