JP2007273558A - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器内部の光学部品への負荷を低減させて、光学部品の長期使用を可能とし、かつ安定なレーザ発振を可能とすること。
【解決手段】一対の共振器ミラー１，２間に、固体レーザ素子４、Ｑスイッチ５および非線形結晶３を配置し、固体レーザ素子４で発生された基本波レーザ光を、非線形結晶３で波長変換するとともに、Ｑスイッチ５によってＱスイッチパルス発振させて出力する波長変換レーザ装置において、一対の共振器ミラーのうちの一方または両方を一部のレーザ光を透過する部分反射ミラーとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体レーザ素子で発生されたレーザ光を非線形結晶で波長変換して出力する波長変換レーザ装置に関するものである。

波長変換レーザにおいては、非線形結晶に基本波レーザ光を入射することで、波長が1／Ｎの高調波レーザ光に変換して出力する。１／２波長に変換されたレーザ光を２倍波、１／３，１／４波長に変換されたレーザ光は各々３倍波、４倍波と呼ぶ。波長変換レーザの方式としては、レーザ共振器と非線形結晶を別々に配置した外部波長変換方式と、レーザ共振器の内部に非線形結晶を配置した内部波長変換方式がある。

内部波長変換方式においては、従来、共振器ミラーとしては、全反射ミラー（基本波レーザ光に対し全反射で、出力すべき高調波レーザ光に対し全透過である）を用い、これら全反射ミラーで構成される共振器内に、固体レーザ素子および非線形結晶を配置していた。

また、特許文献１においては、高反射ミラーと出力鏡との間に、Ｑスイッチおよびゲイン媒質を配し、出力鏡の外側に非線形光学結晶を配した外部波長変換方式のレーザ装置において、Ｑスイッチの連続発振時間が一定時間以上継続した場合に、１番目のレーザパルスを得るためのＱスイッチ休止期間と２番目以降のレーザパルスを得るためのＱスイッチ休止期間とを異ならせることで、一定のパルスレーザ出力を得るようにすることが示されている。

特開２００３−１１０１７６号公報（図１、図３）

しかしながら、上記従来技術では、共振器ミラーは双方とも全反射ミラーで構成されているので、高出力の高調波レーザ光を得ようとした場合、共振器内部の基本波レーザ光の内部強度が高くなりすぎ、固体レーザ素子や非線形結晶、ミラーを歪ませ、レーザ発振が安定しない、若しくはこれら光学部品が損傷に至る場合があるなどの問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、共振器内部の光学部品への負荷を低減させて、光学部品の長期使用を可能とし、かつ安定なレーザ発振が可能となる波長変換レーザ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一対の共振器ミラー間に、固体レーザ素子、Ｑスイッチおよび非線形結晶を配置し、固体レーザ素子で発生された基本波レーザ光を、前記ＱスイッチによってＱスイッチパルス発振させるとともに、非線形結晶で波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換レーザ装置において、前記一対の共振器ミラーのうちの一方または両方を、基本波レーザ光を一部透過する部分反射ミラーとしたことを特徴とする。

以上説明したとおり、この発明によれば、共振器ミラーのうちの一方または両方を部分反射ミラーとしたので、高調波光であるＵＶ光や可視光の出力は若干低下するものの、共振器内部の光学部品への負荷が減る為、発振が非常に安定するようになる。また、調整時等に共振器内部光強度が高くなり過ぎて光学部品が損傷するといったような故障も解消することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態の構成を示す図である。この波長変換レーザ装置は、レーザ発振器１０と、Ｑスイッチ５のオンオフ制御を行う制御回路２０とを備えている。レーザ発振器１０は、共振器の内部に非線形結晶３を配置した内部波長変換方式を採用しており、全反射ミラー（出力ミラー）１と部分反射（ＰＲ）ミラー（後部ミラー）２で共振器を構成し、共振器の内部に、非線形結晶３、固体レーザ素子、Ｑスイッチ５を配置している。この場合、固体レーザ素子４を中心に、部分反射ミラー２側にＱスイッチ５を、全反射ミラー１側に非線形結晶３を配置している。Ｑスイッチ５は、固体レーザ素子４をＱスイッチパルス発振させる。

この場合、一例として、固体レーザ素子４としてはＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ等を使用している。また、非線形結晶３としては、ＳＨＧ結晶およびＴＨＧ結晶を使用し、２倍波、３倍波を出力するようにしている。ＳＨＧ結晶、ＴＨＧ結晶にはＬＢＯ結晶を使用している。ＬＢＯ結晶の他に、ＢＢＯ、ＫＴＰを用いても良い。なお、２倍波の場合は１個の非線形結晶（ＳＨＧ結晶）で変換可能あり、３倍波、４倍波の場合は２個の非線形結晶（ＳＨＧ結晶の他にＴＨＧ結晶またはＦＨＧ結晶）が必要となる。この固体レーザ素子４から発生される基本波レーザ光の発振波長は１．０６４μｍであり、２倍波（２ω）の波長は０．５３２μｍ、３倍波（３ω）の波長は０．３５５μｍ、４倍波の波長は０．２６６μｍである。２倍波の場合は、可視光（グリーン光）となる。波長０．４μｍ以下の光は紫外（ＵＶ）光であり、３倍波、４倍波はＵＶレーザと呼ばれている。

このレーザ発振器１０では、全反射ミラー１は、基本波レーザ光を全反射するとともに、２倍波または３倍波の高調波レーザ光を全透過する。部分反射ミラー１は、基本波レーザ光を一部透過する。図１のレーザ発振器１０では、２倍波または３倍波の高調波レーザ光は、全反射ミラー１を透過して出力される。なお、全反射ミラー１を基本波レーザ光および高調波レーザ光に対し全反射とするとともに、非線形結晶３と固体レーザ素子４との間に高調波光を偏向して出力可能な高調波取り出しミラー（図示せず）を配置し、全反射ミラー１で反射させた高調波レーザ光を高調波取り出しミラーで例えば９０度反射させて出力させるようにしてもよい。これらの場合、２倍波は途中でカットし、３倍波のＵＶレーザ光のみをレーザ加工に使用するようにしている。

このレーザ発振器１０において、基本波レーザのみの発振をした場合に、最大３０Ｗ程度の平均出力が得られる設計にしたとする。仮に、共振器ミラーを、従来のように、両方共全反射ミラーとした場合、この発振器は２倍発振で最大２０Ｗの２ω出力が、３倍発振で最大１０Ｗの３ω出力が得られる能力を持つ。従来は、なるべく波長変換効率を高めて高出力のＵＶレーザ光が得られるようにする為に、共振器ミラーは２枚とも全反射ミラーで構成していたが、本実施の形態では敢えて一方のミラーを、例えば基本波に対する透過率２％以上の部分透過ミラーとし、基本波を故意にリークさせている。

図２は、図１に示したレーザ発振器１０において、部分反射（ＰＲ）ミラー２の透過率を変化させたときに、共振器外に取り出される３倍波光（３ω）の出力Ｆ１と、基本波（ω）、２倍波（２ω）、３倍波（３ω）の出力の総和Ｆ２の実験結果を示すものである。ＰＲミラー２の透過率を０．２％→２％→１０％と増加するに従い、３倍波（３ω）出力Ｆ１は微減するが、ω、２ω、３ωの出力の総和Ｆ２は大きく増加している。総和Ｆ２の中で、基本波（ω）分のレーザ出力は、ＰＲミラー２を介して出力されたリーク光に対応しており、この基本波（ω）分のレーザ出力によって、ＰＲミラー２の透過率が増加するに従い、総和Ｆ２が増加している。すなわち、ＰＲミラー２の透過率が増加するに従い、総和Ｆ２および基本波（ω）分のレーザ出力が増加するということは、共振器内の基本波レーザ光の光強度は小さくなっていることになる。

ω、２ω、３ωの出力の総和Ｆ２を共振器外へのレーザ光の結合効率（共振器透過率）に換算すると、図３に示すようになる。この図３によれば、ＰＲミラー２の透過率を２％以上と設定すると、共振器の結合効率が１０％以上相当の発振器となる。このクラス、例えば基本波（ω）の出力１０Ｗ以上、３倍波（３ω）の出力３Ｗ以上のクラスの発振器では共振器結合効率を１０％以下とした場合、共振器内部光強度が強くなりすぎてしまい、内部の光学部品が歪んで、レーザ発振が不安定となる。

結合効率は、以下のように定義される。
結合効率＝（共振器の外に取り出したレーザ光のパワーの総和）／（共振器内部で発振しているレーザ光のパワー）
通常の波長変換なしの基本波レーザでは、部分反射（ＰＲ）ミラーの透過率が結合効率になる。即ち、出力１００Ｗ、ＰＲミラー透過率１０％のレーザであれば、共振器内部で１０００Ｗのレーザ光が発振しており、結合効率は１０％となる。
ＴＨＧレーザであれば、３倍波（３ω）の他、２倍波（２ω）、基本波（ω）も共振器の外に取り出すため、（３ω＋２ω＋ωのパワーの総和）／（共振器内部で発振しているレーザ光のパワーの総和）が結合効率になる。この場合、直接、共振器内部で発振しているレーザ光のパワーの総和を測定することができないので、以下の方法で結合効率を求める。同じ構成の発振器において、波長変換素子を除き基本波発振させた場合、同じ投入電力に対し、ＰＲミラーの透過率を変化させたときに、（３ω＋２ω＋ωのパワーの総和）と同じ基本波出力が得られたときのＰＲミラーの透過率を、結合効率とする。本実施の形態の場合、ＰＲミラーの基本波透過率を２％としたときの（３ω＋２ω＋ωのパワーの総和）と、波長変換素子を除き、投入電力を同じとした場合、ＰＲミラーの基本波透過率を１０％としたときに、基本波出力が上述の（３ω＋２ω＋ωのパワーの総和）と略等しくなったということである。

例えば、図４は基本波発振器において、共振器結合効率が２％の場合（ｄ１）と、１０％の場合（ｄ２）と、３０％の場合（ｄ３）における、励起入力とレーザ出力の関係を示すものである。図４によれば、共振器結合効率が３０％のときは、入出力関係はほぼリニアになっているが、共振器結合効率を低く設定（１０％以下）すると、発振特性は高励起入力側で飽和する様な歪な特性となるので、共振器結合効率は、少なくとも１０％以上の結合効率が望ましい。図３によれば、共振器結合効率１０％は、ＰＲミラーの透過率２％に相当する。波長変換レーザの場合も同様で、波長変換による共振器結合効率が１０％以下の場合は特性が歪となり、レーザ発振が不安定となる。そこで、本実施の形態では、共振器ミラーの一方を例えば２％以上の透過率を持つ部分反射ミラーとしている。

このように、実施の形態では、共振器ミラーの一方を例えば２％以上の透過率を持つ部分反射ミラーとしているので、高調波光であるＵＶ光の出力は若干低下するものの、共振器内部の光学部品への負荷が減る為、発振が非常に安定するようになる。また、調整時等に共振器内部光強度が高くなり過ぎて光学部品が損傷するといったような故障も解消することができる。

つぎに、図５を用いてＱスイッチ５のオンオフ制御について説明する。制御回路２０では、図５に示すように、レーザ加工中は、Ｑスイッチ５に出力するＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｅ１をＯＮにし、加工ヘッドやワークの移動などの加工休止中には、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｅ１をＯＦＦにする。また、制御回路２０では、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｅ１がＯＮのときには、パルス状のＱスイッチ動作信号を出力してＱスイッチパルス発振モードとして高出力パルスＵＶ発振させ、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｅ１がＯＦＦのときには、Ｑスイッチ動作信号をオフにして、連続モードでＣＷレーザ発振させる。

ＵＶレーザでは、常時高出力ＵＶ発振していると、紫外劣化や光学部品へのゴミ付着で．非常に短い寿命で部品が劣化してしまう。そこで、図５に示すように、高出力のＵＶレーザ光を発振したいときだけＱスイッチパルス発振モードとし、休止時はＱスイッチ５をＯＦＦにしＣＷ発振モードに切り替えることで、微弱ＵＶ光しか発振しない休止状態にしておく。すなわち、波長変換効率は、非線形結晶３に入射する基本波光のパルスピーク強度に比例するため、基本波をＱスイッチパルス発振した時はパルスピーク強度が大きいので高い効率で高出力ＵＶレーザ光が発振するが、ＣＷ発振モードの時はピーク強度が小さいので変換効率が激減し、微弱なＵＶレーザ光しか発振しない。

ところが、従来のＵＶレーザ発振器では、ＣＷモードにした場合、波長変換効率が極端に低下する一方、共振器ミラーが両方共全反射ミラーで構成されているので、殆どの光が内部に閉じこめられて共振器結合効率が極端に低下し、共振器内部光強度の平均が著しく増大して高負荷となる。従って、従来構成では、Ｑスイッチパルス発振モードからＣＷモードへの切換え時に、非線形結晶３や光学部品への負荷が大きく変動するため、出力が不安定となったり、光学部品が損傷したりする場合がある。

これに対し、図１に示す実施の形態の構成では、ＣＷ発振時も常時基本波光の一部が部分反射ミラー２を介して共振器外へリークしているため、共振器内部光強度の平均が極端に大きくなることはない。従って、発振モード切換え時の負荷変動が小さく、レーザ発振が常に安定となる。

なお、上記では、共振器ミラーのうちの後部ミラー２側を基本波に対し部分反射ミラーとしたが、出力ミラー１側を基本波に対し部分反射ミラーとしてもよい。さらに、出力ミラー１および後部ミラー２の両方を基本波に対し部分反射ミラーとしてもよい。この場合、両方の部分反射ミラー（出力ミラー１および後部ミラー２）におけるトータルでの透過率が２％以上あるようにすればよい。

以上のように、本発明にかかる波長変換レーザ装置は、一対の共振器ミラー間に、固体レーザ素子、Ｑスイッチおよび非線形結晶を配置した内部波長変換方式のＵＶ光レーザ装置、可視光レーザ装置などに有用である。

この発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態の構成を示す図である。 部分反射ミラーの透過率とレーザ出力との関係を示す図である。 部分反射ミラーの透過率と結合効率との関係を示す図である。 結合効率をパラメータとした励起入力とレーザ出力の関係を示す図である。 Ｑスイッチ制御の際の各種信号を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 全反射ミラー（出力ミラー）
２ 部分反射ミラー（後部ミラー）
３ 非線形結晶
４ 固体レーザ素子
５ Ｑスイッチ
１０ レーザ発振器
２０ 制御回路

Claims (4)

1. 一対の共振器ミラー間に、固体レーザ素子、Ｑスイッチおよび非線形結晶を配置し、固体レーザ素子で発生された基本波レーザ光を、前記ＱスイッチによってＱスイッチパルス発振させるとともに、非線形結晶で波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換レーザ装置において、
   前記一対の共振器ミラーのうちの一方または両方を、基本波レーザ光を一部透過する部分反射ミラーとしたことを特徴とする波長変換レーザ装置。
2. 一対の共振器ミラーのうちの一方を部分反射ミラーとした場合、その部分反射ミラーの透過率は、２％以上であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
3. 一対の共振器ミラーのうちの両方を部分反射ミラーとした場合、両方の部分反射ミラーにおけるトータルでの透過率が２％以上であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
4. 前記Ｑスイッチを動作させて固体レーザ素子をＱスイッチパルス発振させる第１の制御と、前記Ｑスイッチを非動作として固体レーザ素子を連続発振させる第２の制御とを交互に実行する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の波長変換レーザ装置。

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