JP2007123635A

JP2007123635A - レーザ装置

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Publication number: JP2007123635A
Application number: JP2005315305A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Momiuchi; 正幸籾内; Yoshiaki Goto; 義明後藤; Taizo Kono; 泰造江野
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17
Also published as: CN101017950A; US20070098034A1

Abstract

【課題】
出力されるレーザ光線に対して変動のない正確なモニタリングを可能にして高精度のレーザ光線の出力制御を可能とする。
【解決手段】
レーザ光線５を分割して得られるモニタ光６を基にレーザ発振器の出力を制御するレーザ装置に於いて、レーザ光線を反射してモニタ光として分割する光束分割手段３を有し、該光束分割手段の表面Ｓ1 での反射光６ａと裏面Ｓ2 での反射光６ｂとの干渉を抑制する様、表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を設定した。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ装置、特にレーザ出力制御を行うレーザ装置に関するものである。

図５によりレーザの出力制御を行っている従来のレーザ装置について概略を説明する。

図５中、１はレーザ発振器、２は電源、制御部を含む駆動装置、３は板ガラス（ハーフミラー）等の光束分割手段、４は該光束分割手段３に対向して設けられた受光器である。

前記レーザ発振器１から出力されるレーザ光線５の光路中に前記光束分割手段３が４５゜の反射面を持つ様に配設され、該光束分割手段３は前記レーザ光線５の一部、例えば２％〜５％を反射し、該レーザ光線５の大部分を透過する。前記受光器４は前記光束分割手段３で反射された反射光６（以下モニタ光６）を受光し、受光強度信号として前記駆動装置２に入力する。

該駆動装置２は前記モニタ光６の光強度が一定となる様に前記レーザ発振器１を定出力制御（ＡＰＣ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）する。

前記光束分割手段３によって前記レーザ光線５を分割した場合、図６に示される様に、該レーザ光線５は前記光束分割手段３の表面Ｓ1 だけでなく裏面Ｓ2 でも反射する。裏面Ｓ2 での反射光６ｂは、表面Ｓ1 での反射光６ａに対して光束分割手段３の板厚を往復する分だけ光路長が長くなり、前記反射光６ａと前記反射光６ｂとの間で位相差が生じ、前記反射光６ａと前記反射光６ｂとが干渉する。

前記レーザ光線５が一定の条件で入射する場合、更に表裏両面での反射率が一定の場合、干渉の条件は一定となり、前記レーザ光線５に対する前記モニタ光６の比率も一定となり、該モニタ光６に基づきレーザ光線の定出力制御が可能である。

然し乍ら、前記レーザ光線５の入射条件は一定ではなく、波長、温度等により変化する。この為、表裏両面での反射率が変る等し、前記光束分割手段３のトータルした反射率も変化し、前記レーザ光線５に対する前記モニタ光６の比率も変化する。更に、前記レーザ光線５にＳ直線偏光、Ｐ直線偏光、更に円偏光等が混在する場合は、偏光状態で反射率が異なり、Ｓ直線偏光、Ｐ直線偏光、円偏光の混在比率が変化する場合は、やはり、トータルした反射率が変化し、、前記レーザ光線５に対する前記モニタ光６の比率も変化するという問題がある。

尚、出力光の一部をハーフミラーにより分割してモニタリングし、モニタリングした結果に基づき一定強度のレーザ光線を出力する様にしたレーザ装置として特許文献１に示されるものがある。特許文献１に示されるモニタリングに於いても、上述した様にハーフミラーの表裏２面の反射については考慮されていない。

特開平９−２５８２８０号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、出力されるレーザ光線に対して変動のない正確なモニタリングを可能にして高精度のレーザ光線の出力制御を可能とするものである。

本発明は、レーザ光線を分割して得られるモニタ光を基にレーザ発振器の出力を制御するレーザ装置に於いて、レーザ光線を反射してモニタ光として分割する光束分割手段を有し、該光束分割手段の表面での反射光と裏面での反射光との干渉を抑制する様、表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を設定したレーザ装置に係り、又前記光束分割手段の表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を、Ｒ1 ＜＜Ｒ2 、又はＲ1 ＞＞Ｒ2 と設定したレーザ装置に係り、更に又Ｒ1 ／Ｒ2 、又はＲ2 ／Ｒ1 が１／３以下であるレーザ装置に係るものである。

本発明によれば、レーザ光線を分割して得られるモニタ光を基にレーザ発振器の出力を制御するレーザ装置に於いて、レーザ光線を反射してモニタ光として分割する光束分割手段を有し、該光束分割手段の表面での反射光と裏面での反射光との干渉を抑制する様、表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を設定したので、表面での反射光と裏面での反射光との干渉によるモニタ光の変動が低減し、正確なモニタリングが可能となり、モニタ光に基づく高精度の出力制御が可能となるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１に於いて、本発明の原理について説明する。尚、図１中、図６中に示したものと同等のものには同符号を付してある。

光束分割手段３の表面Ｓ1 、裏面Ｓ2 にはそれぞれ低反射の第１反射防止膜８、第２反射防止膜９を形成している。

図１は表面Ｓ1 、裏面Ｓ2 の１回のみの反射を考慮した場合を示しており、前記表面Ｓ1 、及び前記裏面Ｓ2 での振幅反射率をそれぞれｒ1 、ｒ2 （ri^２＝Ｒi）とし、又前記第１反射防止膜８を含み前記表面Ｓ1 での入射時の振幅透過率をｔ1 、射出時の振幅透過率をｔ1 ′とするとモニタ光６の複素振幅は次式で表される。

Ｄ＝Ａ・ｒ1 ＋Ａ・ｔ1 ・ｒ2 ・ｔ1 ′・ｅ^ｉφ …（１）

ここで、φ＝ｎ・ｌ・２π／λであり、
又、Ｄ：反射光の複素振幅、Ａ：入射光の複素振幅、ｎ：光束分割手段の屈折率、ｌ：入射光５中の光路差、λ：波長、φ：位相項である。

ｔ1 、ｔ1 ′≒１と仮定すると、モニタする前記モニタ光６の強度は、
｜Ｄ｜^２＝Ａ^２｜ｒ1 ＋ｒ2 ・ｅ^ｉφ｜^２
となり、反射光の強度の変化量は振幅反射率ｒ1 、ｒ2 で決定される。

反射光の強度と振幅反射率ｒ1 、ｒ2 との関係は、図２で示される。
図２より、反射光の強度（ｍａｘ）：｜ｒ1 ＋ｒ2 ｜^２
反射光の強度（ｍｉｎ）：｜ｒ1 −ｒ2 ｜^２
となる。

従って、反射光６ａと反射光６ｂとの干渉を抑制し、モニタ光６の出力変動を少なくする為には、上記強度（ｍａｘ）と強度（ｍｉｎ）との差を小さくすればよい。

よって、Ｒ1 ＜＜Ｒ2 、又はＲ1 ＞＞Ｒ2 （Ｒ1 ／Ｒ2 又はＲ2 ／Ｒ1 の値は≦１／３から略下限値であることが、好ましい。）となる様に、前記第１反射防止膜８、第２反射防止膜９の反射率を設定することで、前記モニタ光６の出力変動の低減が実現できる。

以下、具体例について説明する。例えば前記光束分割手段３がガラスであり反射防止膜がない場合、表面Ｓ1 、裏面Ｓ2 の反射率Ｒ1 ，Ｒ2 はそれぞれ４％〜５％である（ｒ1 ，ｒ2 はそれぞれ０．２）。反射率Ｒ1 ，Ｒ2 をそれぞれ４％として、
反射光の強度（ｍａｘ）：｜ｒ1 ＋ｒ2 ｜^２＝｜０．２＋０．２｜^２＝０．１６
反射光の強度（ｍｉｎ）：｜ｒ1 −ｒ2 ｜^２＝｜０．２−０．２｜^２＝０
変動幅は、０．１６−０＝０．１６＝１６％

一方、前記表面Ｓ1 に反射防止膜を施し反射率Ｒ1 を０．５％（ｒ1 ≒０．０７１）にすると、
反射光の強度（ｍａｘ）：｜ｒ1 ＋ｒ2 ｜^２＝｜０．０７１＋０．２｜^２＝０．０７３
反射光の強度（ｍｉｎ）：｜ｒ1 −ｒ2 ｜^２＝｜０．０７１−０．２｜^２＝０．０１７
変動幅は、０．０７３−０．０１７＝０．０５６＝５．６％

よって、ガラスの片面のみに反射防止膜をつけることでモニタ光６の変動幅を大幅に低減できる。

又、実際には、前記レーザ光線５の出力を高めることが望ましく、ｒ1 、ｒ2 のいずれか一方を０に近づけることでトータルの反射率を下げ、又前記モニタ光６の出力変動の低減を実現する。

次に、本発明を実施したレーザ装置の一例を図３を参照して説明する。

図３中、図５中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

先ずレーザ発振器１について説明する。

前記レーザ発振器１は、半導体レーザからのレーザ光線の周波数を変換する内部共振型ＳＨＧ方式のＬＤ励起固体レーザであり、ＬＤ発光器１１及び該ＬＤ発光器１１から発せられた励起光を増幅して出力する光共振部１０を具備している。

該光共振部１０は第１の誘電体反射膜１３が形成されたレーザ結晶１４、非線形光学媒質（ＮＬＯ）１５、第２の誘電体反射膜１６が形成された凹面鏡１７を具備している。前記光共振部１０に於いてレーザ光線をポンピングし、共振、増幅して出力している。尚、前記レーザ結晶１４としては、Ｎｄ：ＹＶＯ4 、前記非線形光学媒質１５としてはＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ：リン酸チタニルカリウム）が挙げられる。

前記ＬＤ発光器１１は、例えば励起光として波長８０９ｎｍの直線偏光のレーザ光線を射出する為のものであり、発光素子として半導体レーザ１１ａが使用されている。尚、レーザ発光手段は半導体レーザに限ることなく、レーザ光線を生じさせることができれば、何れのレーザ発光手段をも採用することができる。

前記レーザ結晶１４は光の増幅を行う為のものである。該レーザ結晶１４には、発振線が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ4 が使用される。その他、Ｎｄ3+イオンをドープしたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）等が採用され、ＹＡＧは、９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ等の発振線を有している。又、発振線が７００ｎｍ〜９００ｎｍのＴｉ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）等を使用することができる。

前記第１の誘電体反射膜１３は、前記ＬＤ発光器１１からのレーザ光線に対して高透過であり、且つ前記レーザ結晶１４の発振波（基本波）に対して高反射であると共に、波長変換光、例えば第２次高調波（ＳＨＧ：ＳＥＣＯＮＤＨＡＲＭＯＮＩＣＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ）に対しても高反射となっている。

前記凹面鏡１７は、前記レーザ結晶１４に対向する様に構成されており、前記凹面鏡１７の前記レーザ結晶１４側は、適宜の半径を有する凹球面鏡の形状に加工されており、前記第２の誘電体反射膜１６が形成されている。該第２の誘電体反射膜１６は、前記レーザ結晶１４の発振波（基本波）に対して高反射であり、ＳＨＧに対して高透過となっている。

上述した様に、前記レーザ結晶１４の前記第１の誘電体反射膜１３と、前記凹面鏡１７の前記第２の誘電体反射膜１６とを組合わせ、前記ＬＤ発光器１１からのレーザ光線を集光レンズ（図示せず）を介して前記レーザ結晶１４にポンピングさせると、該レーザ結晶１４の前記第１の誘電体反射膜１３と、前記第２の誘電体反射膜１６との間で光が往復し、光を長時間閉込めることができるので、光を共振させて増幅させることができる。

前記レーザ結晶１４の前記第１の誘電体反射膜１３と、前記凹面鏡１７とから構成された前記光共振部１０内に前記非線形光学媒質１５が挿入されている。該非線形光学媒質１５にレーザ光線の様に強力なコヒーレント光が入射すると、光周波数を２倍にする第２次高調波（ＳＨＧ）が発生する。該第２次高調波（ＳＨＧ）の発生は、ＳＥＣＯＮＤＨＡＲＭＯＮＩＣＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮと呼ばれている。従って、前記レーザ発振器１からは、波長５３２ｎｍのレーザ光線が射出される。

前記したレーザ発振器１では前記非線形光学媒質（以下波長変換素子）１５を、前記レーザ結晶１４と前記凹面鏡１７とから構成された光共振部１０内に挿入しているので、内部型ＳＨＧと呼ばれており、変換出力は、励起光電力の２乗に比例するので、光共振器内の大きな光強度を直接利用できるという効果がある。

前記波長変換素子１５で発生した第２次高調波（以下波長変換光）は前記波長変換素子１５の前記凹面鏡１７側の端面、及び前記レーザ結晶１４側の端面の両方から射出される。前記凹面鏡１７側の端面から射出された波長変換光は、直接前記第２の誘電体反射膜１６、前記凹面鏡１７を透過して射出される。又、前記レーザ結晶１４側から射出された波長変換光は前記レーザ結晶１４を透過して前記第１の誘電体反射膜１３で反射され、前記波長変換素子１５、前記第２の誘電体反射膜１６、前記凹面鏡１７を透過して射出される。

次に、上記レーザ発振器１を具備したレーザ装置について説明する。

前記ＬＤ発光器１１、前記レーザ結晶１４、前記非線形光学媒質１５、凹面鏡１７等は一体化されたレーザ発振器１として構成され、電子冷凍素子（ＴＥＣ）等の冷却器１９に設置される。

駆動装置２は入出力部２１を介して前記ＬＤ発光器１１、前記冷却器１９を駆動制御可能であり、前記ＬＤ発光器１１、前記レーザ結晶１４、前記非線形光学媒質１５の温度を検出する温度センサ２２が設けられ、該温度センサ２２及び受光器４は前記入出力部２１を介して前記駆動装置２に接続されている。

尚、図３中、２３は前記凹面鏡１７に対向して設けられたフィルタであり、該フィルタ２３は前記レーザ発振器１から漏出る不要な励起光や基本波等の赤外光をカットし、ＳＨＧ光のみを出射させる。又、２４はケースであり、該ケース２４のレーザ光線射出窓には光束分割手段３が光路に対して所定の角度、例えば約１０°以下の角度を有する様に設けられ、前記光束分割手段３で反射されたモニタ光６が前記受光器４に入射する様になっている。

前記半導体レーザ１１ａから射出された励起光は、前記レーザ結晶１４により基本光に変換され、更に前記非線形光学媒質１５で波長変換され波長変換光が発生する。波長変換光の一部は、前記非線形光学媒質１５の前記第２の誘電体反射膜１６側の端面から直接該第２の誘電体反射膜１６を経て照射されるが、波長変換光の残りは前記レーザ結晶１４を透過し、第１の誘電体反射膜１３で反射され、前記非線形光学媒質１５を透過して前記第２の誘電体反射膜１６を経て照射される。前記レーザ結晶１４には波長板作用があるので、波長変換光の残りが前記レーザ結晶１４を透過することで、射出される波長変換光の残りはＰ直線偏光成分、Ｓ直線偏光成分を含む楕円偏光となる。

前記レーザ発振器１から射出される波長変換光（レーザ光線５）の一部は前記光束分割手段３により反射され、該光束分割手段３で反射された前記モニタ光６は前記受光器４で受光され、受光信号が前記入出力部２１を介して前記駆動装置２に送出される。該駆動装置２は受光信号を基に前記入出力部２１を介して前記ＬＤ発光器１１の出力を制御する。又、該ＬＤ発光器１１、前記レーザ結晶１４、前記非線形光学媒質１５の温度は前記温度センサ２２により検出され、該温度センサ２２の検出温度に基づき前記冷却器１９が前記入出力部２１を介して駆動制御され、前記ＬＤ発光器１１、前記レーザ結晶１４、前記非線形光学媒質１５が所定温度に維持される様に冷却される。

前記レーザ光線５は楕円偏光となっており、又前記レーザ結晶１４の波長板作用は該レーザ結晶１４の温度によって変化するので、前記レーザ光線５のＰ直線偏光成分、Ｓ直線偏光成分の割合も変化する。

Ｐ直線偏光、Ｓ直線偏光はそれぞれ反射面に対する入射角度により反射率が変化するという特性を持っている。図４は、Ｐ直線偏光、Ｓ直線偏光の入射角の変化に対応した反射率の変化を示している。図４から、Ｐ直線偏光、Ｓ直線偏光共に入射角が０から略１０°迄は反射率が略一定であり、Ｓ直線偏光については入射角が９０°迄漸次増加し、Ｐ直線偏光については約５６°迄反射率が減少し、約５６°で反射率が略０となり、以降９０°迄増加し、入射角９０°でＳ直線偏光と反射率が一致する。

本レーザ装置では、前記レーザ光線５にＰ直線偏光、Ｓ直線偏光が混在する場合の、前記光束分割手段３での反射率の変動を避ける為に、該光束分割手段３に対する前記レーザ光線５の入射角を小さく、例えば約１０°以下の角度を有する様に設けられる。

入射角を小さくした場合、前記レーザ光線５の前記光束分割手段３の表面Ｓ1 での反射光６ａと裏面Ｓ2 の反射光６ｂとが干渉を生じ易くなり、干渉によりトータルのモニタ光６の反射率の変動が問題となる。

上記した様に、本発明では表面Ｓ1 の反射率Ｒ1 、裏面Ｓ2 の反射率Ｒ2 を、Ｒ1 ＜＜Ｒ2 、又はＲ1 ＞＞Ｒ2 とするので、干渉によるトータル反射率変動も低減でき、高精度のレーザ光線の出力制御が可能となる。

本発明の原理を示す説明図である。光束分割手段に於ける反射光の強度と振幅反射率ｒ1 、ｒ2 との関係を示す図である。本発明が実施されるレーザ装置の一例を示す概略構成図である。偏光に対応する入射角と反射率の関係を示す線図である。従来例を示す概略図である。従来例に於ける光束分割手段の反射光の状態を示す説明図である。

符号の説明

１レーザ発振器
２駆動装置
３光束分割手段
４受光器
５レーザ光線
６モニタ光
１０光共振部
１１ＬＤ発光器

Claims

レーザ光線を分割して得られるモニタ光を基にレーザ発振器の出力を制御するレーザ装置に於いて、レーザ光線を反射してモニタ光として分割する光束分割手段を有し、該光束分割手段の表面での反射光と裏面での反射光との干渉を抑制する様、表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を設定したことを特徴とするレーザ装置。
前記光束分割手段の表面の反射率Ｒ1 と裏面での反射率Ｒ2 を、Ｒ1 ＜＜Ｒ2 、又はＲ1 ＞＞Ｒ2 と設定した請求項１のレーザ装置。
Ｒ1 ／Ｒ2 、又はＲ2 ／Ｒ1 が１／３以下である請求項１のレーザ装置。