JP2007317871A - Laser apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光源を有し、外部共振器において波長を変換するレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device having a laser light source and converting a wavelength in an external resonator.
レーザ光源からのレーザ光を外部共振器に結合し、共振させるレーザ装置はよく知られており、主に共振器内部に配置された非線形光学結晶にて波長変換、特に第2高調波発生装置に用いられている(例えば特許文献1参照。)。 A laser device that couples a laser beam from a laser light source to an external resonator and resonates is well known, and is mainly used for wavelength conversion by a nonlinear optical crystal disposed inside the resonator, particularly for a second harmonic generation device. (See, for example, Patent Document 1).
一方、近年、医療分野において光線力学的治療(PDT:photodynamic therapy)が注目されている。この方法は、正常細胞よりがん細胞に吸収され易く、かつ、光吸収により活性酸素を発生しがん細胞を死滅させる作用を有する腫瘍親和性光感受性物質を、静脈注射により患者に投与し、この増感剤に吸収されやすい波長のレーザ光を照射してがん細胞を死滅させるものである。PDTは、従来のがん治療法との併用あるいは代替により、初期の表在性がん、例えば肺がん、食道がん、胃がん、子宮がんなどに対して治療効果があることが判明しており、以下の特徴がある。
(1)正常細胞の障害を最小限に抑えてがん細胞を破壊できる。
(2)治療後の臓器などの機能保持が可能で、治療後の「生活の質(QOF:quality of life)」が保たれる。
(3)必要に応じた再治療が可能である。
(4)体力の衰えた患者にも適用できる。
PDTに適した光源は波長が650nm付近の連続波レーザである。この波長は、治療に用いられる光感受性物質の吸収波長にあたり、また、連続波はパルス波に比べてピークパワーが小さいため通常細胞に与えるダメージを小さくすることができる点で有利である。
(1) Cancer cells can be destroyed with minimal damage to normal cells.
(2) The function of organs after treatment can be maintained, and the “quality of life (QOF)” after treatment can be maintained.
(3) Re-treatment as necessary is possible.
(4) Applicable to patients with weak physical strength.
A light source suitable for PDT is a continuous wave laser having a wavelength of around 650 nm. This wavelength is advantageous in that it corresponds to the absorption wavelength of the photosensitive substance used for the treatment, and the continuous wave has a smaller peak power than the pulse wave, so that damage to normal cells can be reduced.
従来、650nm付近の波長の連続波レーザとしては赤色半導体レーザが知られているが、赤色半導体レーザでは出力が小さすぎる。また、赤色半導体レーザから放射される光は発振線幅が広い波長範囲に亘っているため、光感受性物質への吸収効率が低く、光感受性物質に吸収されない光が多い。光感受性物質に吸収されない光のエネルギーは通常細胞にダメージを与えてしまう。そのため、発振線幅の狭いレーザが求められている。 Conventionally, a red semiconductor laser is known as a continuous wave laser having a wavelength near 650 nm, but the output of the red semiconductor laser is too small. Moreover, since the light emitted from the red semiconductor laser has a wide oscillation line width over a wide wavelength range, the absorption efficiency to the photosensitive material is low, and much light is not absorbed by the photosensitive material. The energy of light that is not absorbed by the photosensitizer usually damages the cells. Therefore, a laser having a narrow oscillation line width is demanded.
一方、1000nm以上の波長帯域では線幅の狭いレーザはよく知られているため、線幅の狭い650nm付近の波長を作り出すには、1300nmのレーザを外部共振器に導き、共振器内に配置された非線形光学結晶から第2高調波を発生させればよい。しかしながら、外部共振器によりこのような波長帯域の光を波長変換するレーザ装置を製造する際には、以下に説明するような問題がある。 On the other hand, lasers with a narrow line width are well known in the wavelength band of 1000 nm or more, so in order to create a wavelength near 650 nm with a narrow line width, a 1300 nm laser is guided to an external resonator and placed in the resonator. The second harmonic may be generated from the nonlinear optical crystal. However, when manufacturing a laser device that converts the wavelength of light in such a wavelength band using an external resonator, there are problems as described below.
このようなレーザ装置の組立調整作業において、外部共振器の共振を達成するためには、レーザ光源101からのレーザ光を光軸調整し、外部共振器にモードマッチングさせる作業が不可欠となる。光軸調整は通常、レーザ光源と外部共振器の間に配置されたミラーによって行われる。光軸は角度と平行移動の2つの成分があるため、これらを任意に設定するための光軸調整具として、最低2つのミラーが必要となる。
In such assembly adjustment work of the laser device, in order to achieve resonance of the external resonator, it is indispensable to adjust the optical axis of the laser light from the
調整手順の一例について、外部共振器を有するレーザ装置の一例の概略構成を示す図12を参照して説明する。図12に示すように、このレーザ装置は、レーザ光源101、位相変調器102、レンズ103、光軸調整具としての一対の調整用ミラー104a及び104b、外部共振器114、コリメータレンズ105、光検出素子106より構成される。外部共振器114は、入力結合鏡109、ミラー110、共振器ミラー111a及び111bより成り、共振器ミラー111a及び111bの間に非線形光学結晶112が配置される。また、光検出素子106からの出力が制御回路107及びオシロスコープ108に出力される。
An example of the adjustment procedure will be described with reference to FIG. 12 showing a schematic configuration of an example of a laser apparatus having an external resonator. As shown in FIG. 12, this laser device includes a
このような構成において、レーザ光源101から出射されるレーザ光は、レンズ103を介して調整用ミラー104a、104bで反射され、入力結合鏡109を介して外部共振器114へ導かれる。外部共振器114を構成するミラー110をアクチュエータ113によって前後に細かく往復することによって共振器長を微小に変化させながら、入力結合鏡109からの反射光を光検出素子106で受け、その出力信号をオシロスコープ108でモニターする。
ここでモードマッチング、すなわち光軸調整が全くなされていない場合は図13Aに示すように、一定の信号レベルが検出される。調整用ミラー104a及び104bの角度調整によって光軸を調整し、徐々にモードマッチング率を高くしていくと、共振器長が波長の整数倍となったときに共振器へ光が引き込まれることによって図13Bにおいて破線SDで囲んで示すように、電流値が低下するディップと呼ばれる信号が現れる。図13Cに示すようにこのディップが最も深くなったところでモードマッチングの調整が終了する。この作業において、ミラーの角度調整によってビームの光軸が変化すると同時に、入力結合鏡109で反射され光検出素子106へ向かうビームも向きを変える。
なお、図12に示すように、レーザ光源101とレンズ103との間に位相変調器102を配置することにより、モードマッチングされた後の使用状態において、モニター用のサイドバンドの光(光源の波長λに対し±Δλの波長を有する光)を生成し、これらの光を利用して外部共振器114での波長λの光の変換光率をモニターすることができる。この結果に基づいて例えば外部共振器114を構成するミラー110に取り付けたVCM(Voice Coil Motor)等のアクチュエータ113を調整することにより、例えば非線形光学結晶112による2次高調波の出力のばらつきを抑えることができる。
In such a configuration, the laser light emitted from the
If mode matching, that is, optical axis adjustment is not performed at all, a constant signal level is detected as shown in FIG. 13A. When the optical axis is adjusted by adjusting the angles of the adjusting
In addition, as shown in FIG. 12, by arranging the
現状のレーザ装置においては、入力結合鏡109と光検出素子106の間に配置されたコリメータレンズ105の後ろ側焦点位置付近に光検出素子106の受光面が位置している。このため調整にともなう光軸の変化によって受光面上におけるレーザ光が光軸と垂直の方向に移動して、受光面内からはずれてしまう。このときの信号の変化の一例を図14A〜Cに模式的に示す。レーザ光が受光面からはずれ、図14A及び図14Bにおいてそれぞれ実線d1、実線d2で示すように信号レベルが下がるとか、または、図14Cにおいて実線d3で示すように全く信号が得られなくなってしまう。このような場合は、受光位置が光軸からずれた分だけ光検出素子の位置をずらす作業を行う必要が生じる。
In the current laser apparatus, the light receiving surface of the
一方、光検出素子においては、近赤外線である1300nmに感度を持つ光検出素子であるInGaAsフォトダイオードの光応答速度が遅いという問題がある。
図15は、可視光で使用されるシリコンフォトダイオードとInGaAsフォトダイオードとにおける受光部直径に対する遮断周波数の変化を示す図である。なお、遮断周波数が高いほど光応答速度が速い。図15から分かるように、同じ受光部直径で比べるとInGaAsフォトダイオードがシリコンフォトダイオードに比べてはるかに光応答速度が遅いことがわかる。光検出素子の光応答速度が遅いと、サーボロッキングが不安定となり、ノイズの多いレーザとなってしまう。一例として、上述したようなサイドバンドの光を利用して出力モニターを行う場合は、20MHz以上、望ましくは50MHz程度の応答速度が必要となる。したがって、InGaAsフォトダイオードを用いてシリコンフォトダイオードと同等の光応答速度を得るためには、受光部直径が非常に小さいものを使わざるをえない。
このようにInGaAsフォトダイオードを光検出素子として用いる場合において、応答速度を早くするために受光部直径を小さくすると、上述したように、光軸調整中に光検出素子106の位置をずらす回数が非常に多くなり、このことが調整作業の困難さの原因となっている。また調整が可能であっても作業に時間がかかり、コストが甚大となるという問題がある。外部共振器114に配置する非線形光学結晶112が劣化するなどして交換する際にもこのような光軸調整は必要となるので、装置の製造過程のみではなく、メンテナンス、修理作業の際においても、このような調整作業の時間を短縮することが強く望まれている。
また近年、半導体のデザインルールの微細化により、レーザ装置が半導体工場内で使用されることが多くなっている。これらのレーザ装置に組み込まれているレーザ光源は寿命による交換作業が不可欠である。しかし半導体工場では装置の停止時間が半導体装置の製造コストに直結するため、短時間での交換、メンテナンス作業が要求されている。
On the other hand, in the light detection element, there is a problem that the light response speed of the InGaAs photodiode, which is a light detection element having sensitivity at 1300 nm which is near infrared, is slow.
FIG. 15 is a diagram showing a change in the cut-off frequency with respect to the diameter of the light receiving portion in the silicon photodiode and the InGaAs photodiode used for visible light. Note that the higher the cutoff frequency, the faster the optical response speed. As can be seen from FIG. 15, it can be seen that the InGaAs photodiode has a much slower optical response speed than the silicon photodiode when compared with the same light receiving portion diameter. When the light response speed of the light detection element is slow, servo locking becomes unstable, resulting in a noisy laser. As an example, when output monitoring is performed using sideband light as described above, a response speed of 20 MHz or higher, preferably about 50 MHz is required. Therefore, in order to obtain an optical response speed equivalent to that of a silicon photodiode using an InGaAs photodiode, a light receiving portion having a very small diameter must be used.
As described above, when the InGaAs photodiode is used as a light detection element and the light receiving portion diameter is reduced in order to increase the response speed, as described above, the number of times the position of the
In recent years, laser devices are increasingly used in semiconductor factories due to miniaturization of semiconductor design rules. It is essential to replace the laser light source incorporated in these laser devices according to its life. However, in the semiconductor factory, since the downtime of the apparatus is directly related to the manufacturing cost of the semiconductor device, replacement and maintenance work in a short time is required.
以上の問題に鑑みて、本発明は、上述したような外部共振器を備えるレーザ装置における光軸調整作業の簡易化を図ることを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present invention to simplify the optical axis adjustment work in a laser apparatus including an external resonator as described above.
上記課題を解決するため、本発明は、レーザ光源と、入力結合素子を有する外部共振器と、光検出素子と、この光検出素子により検出される光出力に基づいて外部共振器にレーザ光源からのレーザ光の光軸を合わせるための光軸調整具とを備えて成り、光源側に配置される光軸調整具と外部共振器の入力結合素子との間の特定位置と、光検出素子の受光面とが、幾何光学的な共役関係に配置されて成る構成とする。
また、本発明は、上述のレーザ装置において、光軸調整具を一対のミラーとすることを特徴とする。
更に、本発明は、上述のレーザ装置において、特定位置を、一対のミラーの間に設ける構成とすることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides a laser light source, an external resonator having an input coupling element, a light detection element, and a laser light source to the external resonator based on a light output detected by the light detection element. And an optical axis adjuster for aligning the optical axis of the laser beam, and a specific position between the optical axis adjuster arranged on the light source side and the input coupling element of the external resonator, The light receiving surface is arranged in a geometric optical conjugate relationship.
According to the present invention, in the above laser apparatus, the optical axis adjuster is a pair of mirrors.
Furthermore, the present invention is characterized in that the specific position is provided between the pair of mirrors in the laser apparatus described above.
上述の本発明によれば、外部共振器を有するレーザ装置において、この外部共振器にレーザ光源からのレーザ光の光軸を合わせる光軸調整具と、外部共振器の入力結合素子との間の特定位置を、光検出素子の受光面と幾何光学的な共役関係に配置するものである。
このような構成とすることによって、後述するように、光軸調整具により光軸を偏向又は移動した場合に、光検出素子の受光面上におけるレーザ光のスポット位置の移動量を低減化することができる。したがって、光軸調整作業の簡易化を図ることができる。
特に、光軸調整具として一対のミラーを用い、その間に光検出素子の受光面と共役関係にある特定位置を配置することによって、確実にレーザ光のスポット位置の移動量を低減化することができる。したがって、光スポットが光検出素子の受光領域からずれることを回避でき、光検出素子を移動させることなく光軸を調整することが可能となることから、光軸調整を要する組み立て製造作業、メンテナンス作業の格段な簡易化を図ることができる。
According to the above-described present invention, in the laser device having the external resonator, the optical axis adjuster for aligning the optical axis of the laser light from the laser light source to the external resonator and the input coupling element of the external resonator. The specific position is arranged in a geometric optical conjugate relationship with the light receiving surface of the light detection element.
By adopting such a configuration, as will be described later, when the optical axis is deflected or moved by the optical axis adjuster, the amount of movement of the spot position of the laser beam on the light receiving surface of the light detection element is reduced. Can do. Therefore, the optical axis adjustment work can be simplified.
In particular, by using a pair of mirrors as an optical axis adjuster and placing a specific position in a conjugate relationship with the light receiving surface of the light detection element between them, the amount of movement of the laser beam spot position can be reliably reduced. it can. Therefore, it is possible to avoid the light spot from deviating from the light receiving region of the light detection element, and the optical axis can be adjusted without moving the light detection element. Can be greatly simplified.
本発明によれば、外部共振器を備えるレーザ装置において、光軸調整作業の簡易化を図ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a laser apparatus provided with an external resonator, simplification of an optical axis adjustment work can be achieved.
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
まず、レーザ装置において2枚のミラーにより光軸調整を行う場合において、2つのミラーの変位量に対して、光検出素子上の光軸位置がどの程度変化するかについて、図1のレーザ装置の概略構成図を参照して説明する。
図1に示すレーザ装置においては、連続波を発振するレーザ光源101、光軸調整具としての一対の調整用ミラー104a及び104b、外部共振器114、光学レンズ115、光検出素子106を備える例を示す。外部共振器114は、入力結合鏡109、ミラー110、111a及び111bより成り、この例では共振器ミラーとするミラー111a及び111bの間に非線形光学結晶112が配置される。なお、図1において光軸調整前の光軸を破線A´、光軸調整後の光軸を実線A0で示す。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
First, in the case where the optical axis is adjusted by two mirrors in the laser device, how much the optical axis position on the light detection element changes with respect to the displacement amount of the two mirrors is shown in FIG. This will be described with reference to the schematic configuration diagram.
The laser apparatus shown in FIG. 1 includes an example including a
このような構成において、調整用ミラー104a及び104bの角度変位量をそれぞれ(α1,β1)、(α2,β2)とする。ここでαはミラー104a、104bの反射面と光軸A0に沿う面内、すなわち図1の紙面内における角度変位、βは調整用ミラー104a及び104bの反射面に沿う一点鎖線s1及びs2で示す図1の紙面内の方向を回転軸とする角度変位とする。図1において、矢印α1、α2、β1、β2はそれぞれこの角度変位の+方向を示す。このとき、光検出素子106の受光面上における光軸に垂直な面内での移動量は、下記式(1)及び(2)により表される。光軸に垂直な面内で図1の紙面に沿う方向(矢印hで示す)の変位をDh、図1の紙面と直交する方向(矢印vで示す)をDvとして示す。fは光学レンズ115の焦点距離である。
In such a configuration, the angular displacement amounts of the adjustment mirrors 104a and 104b are (α1, β1) and (α2, β2), respectively. Here α is a
Dh=2f×tan(α1+α2)・・・(1)
Dv=2f×tan(β1+β2)・・・(2)
Dh = 2f × tan (α1 + α2) (1)
Dv = 2f × tan (β1 + β2) (2)
本発明によれば、光軸調整具として用いる例えば調整用ミラーのうち、光源に近いものと外部共振器の入力結合素子との間の任意の地点、特に好ましくは2つの調整用ミラーの間の特定位置と、光検出素子の受光面とが幾何光学的に共役となるように配置する。共役な位置とすることによって、以下に説明するように、調整用ミラーを角度変位させて光軸を調整する際の光検出素子の受光面でのレーザビームの移動量を小さくすることができる。 According to the present invention, for example, among the adjustment mirrors used as the optical axis adjustment tool, an arbitrary point between the one close to the light source and the input coupling element of the external resonator, particularly preferably between the two adjustment mirrors. The specific position and the light receiving surface of the light detection element are arranged so as to be geometrically conjugate with each other. By setting the conjugate position, the amount of movement of the laser beam on the light receiving surface of the photodetecting element when the optical axis is adjusted by angularly displacing the adjusting mirror can be reduced as described below.
図2は、本発明の実施形態例に係るレーザ装置の一例の概略構成図である。この例においては、連続波を発振するレーザ光源1と、入力結合素子9を有する外部共振器14と、光学レンズ5と、光検出素子6と、この光検出素子6により検出される光出力に基づいて外部共振器14にレーザ光源1からのレーザ光の光軸を合わせる、いわゆるモードマッチングさせるための光軸調整具、この場合調整用ミラー4a及び4bを備える構成とした例を示す。そしてこの例においては、光源1側の調整用ミラー4aと光結合素子9との間の特定位置C1が、光検出素子6の受光面と幾何光学的な共役の位置となるように配置する。この例においては特定位置C1を調整用ミラー4a及び4bの間に配置した例を示す。図2においては、光軸調整前の光軸を破線A1、光軸調整後の光軸を実線Aとして示す。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an example of a laser apparatus according to an embodiment of the present invention. In this example, a
ここで、図2に示すように、調整用ミラー4a及び4bから、光検出素子6の受光面と幾何光学的な共役の位置とする特定位置C1までの距離をそれぞれP1及びP2とする。なお、符号は光の進行方向を+とする。また、共役となる特定位置C1が光検出素子6の受光面に結像される横倍率をk、調整用ミラー4a及び4bの角度変位量をそれぞれ(α1,β1)、(α2,β2)とした場合(α及びβの符号は図1に示す例と同様とする)、光検出素子6の受光面上でのスポット位置の移動量Dは、下記の式(3)及び(4)で表される。この場合も、光軸Aに垂直な面内で図2の紙面に沿う方向(矢印hで示す)の変位をDh、図2の紙面と直交する方向(矢印vで示す)をDvとして示す。 Here, as shown in FIG. 2, the distances from the adjustment mirrors 4a and 4b to the specific position C1 which is a geometrically conjugate position with the light receiving surface of the light detecting element 6 are P1 and P2, respectively. In addition, a code | symbol makes the advancing direction of light +. Further, the lateral magnification at which the conjugate specific position C1 is imaged on the light receiving surface of the light detecting element 6 is k, and the angular displacement amounts of the adjustment mirrors 4a and 4b are (α1, β1), (α2, β2), respectively. In this case (the signs of α and β are the same as those in the example shown in FIG. 1), the movement amount D of the spot position on the light receiving surface of the light detecting element 6 is expressed by the following equations (3) and (4). Is done. Also in this case, the displacement in the direction (indicated by the arrow h) along the plane of FIG. 2 in the plane perpendicular to the optical axis A is indicated as Dh, and the direction orthogonal to the plane of the paper in FIG. 2 (indicated by arrow v) is indicated as Dv.
Dh=2k×{P1×tanα1−P2×tan(α2−α1)}・・・(3)
Dv=2k×{P1×tanβ1−P2×tan(β2−β1)}・・・(4)
Dh = 2k × {P1 × tan α1-P2 × tan (α2-α1)} (3)
Dv = 2k × {P1 × tan β1-P2 × tan (β2-β1)} (4)
このように、2枚の調整用ミラー4a及び4bを使って光軸を調整する際、それぞれ同じ向きに回転させると光軸の角度の変化を打ち消すことになるため、それぞれ逆の方向に回転させることが多い。もし、調整用ミラー4a及び4bの間に共役となる点が存在すれば、P1の符号が正、P2の符号が負となるために相殺され、移動量Dh、Dvの絶対値を小さくする効果がある。これに対し、調整用ミラー4a及び4bの間に共役となる点が存在しなければ、P1とP2が同符号となり、移動量の絶対値は大きくなることが分かる。
As described above, when adjusting the optical axis using the two
したがって、光検出素子6の受光面と幾何光学的に共役となる特定位置は、2つの調整用ミラーを用いる場合はその間とすることが望ましいことが分かる。特に、回転角度α1、α2、β1、β2が略同じである場合は調整用ミラー4a及び4bの中間点に位置することによって、光スポット位置の変動量Dを最小限とすることができる。
なお、特定位置C1を調整用ミラー4bと光結合素子9との間に配置する場合においても、従来と比べて光検出素子6の受光面上でのスポットの移動量を抑制することができるので、光軸調整作業の簡易化を図ることが可能である。
Therefore, it can be seen that the specific position that is geometrically conjugate with the light receiving surface of the light detection element 6 is preferably between the two adjustment mirrors. In particular, when the rotation angles α1, α2, β1, and β2 are substantially the same, the fluctuation amount D of the light spot position can be minimized by being positioned at the intermediate point between the adjustment mirrors 4a and 4b.
Even when the specific position C1 is disposed between the
なお、必要とする光軸調整量は、基本的には外部共振器14の入力結合素子9を配置する際の機械的な精度によって異なってくる。また非線形光学結晶12の交換の際には個々の非線形光学結晶12の入出射面の面精度によってもこの光軸調整量は変化する。
したがって、特定位置C1をどこに配置することが好ましいかは一概にいえないが、一対の調整用ミラー4a及び4bを用いる場合に、ほぼ同一の形状のミラーを用いるときは、後述するように、これらミラー4a及び4bの中間点から、ミラー4a及び4bの間隔の4分の1の範囲とすることが望ましいといえる。
一方、調整用ミラー4a及び4bの距離や大きさ、また曲率を設ける場合などにおいて、一方の調整用ミラーの光軸調整量が大となる場合においては、この光軸調整量が大とされる調整用ミラーの近傍に特定位置C1を配置することが望ましいといえる。
The required amount of optical axis adjustment basically varies depending on the mechanical accuracy when the
Therefore, it is generally unclear where the specific position C1 is preferably arranged, but when using a pair of adjustment mirrors 4a and 4b, when using mirrors having substantially the same shape, these will be described later. It can be said that it is desirable to set the range to a quarter of the distance between the
On the other hand, when the distance and size of the adjustment mirrors 4a and 4b and the curvature are provided, and the optical axis adjustment amount of one adjustment mirror is large, the optical axis adjustment amount is increased. It can be said that it is desirable to arrange the specific position C1 in the vicinity of the adjustment mirror.
次に、光軸調整具として調整用ミラーの代わりに、図3に示すようなウェッジ板21を用いる例についえ説明する。
図3に示すように、ウェッジ板21の入射面と出射面の成すウェッジ角をθとし、屈折率をnとすると、このウェッジ板21を通過する光ビームの偏角δは、
δ=(n−1)×θ
となる。
ウェッジ板単体では、光軸を中心としてこのウェッジ板を回転させたとき、光ビームは円を描く。一方、同じウェッジ板を2枚向かい合わせにし、それぞれ光軸を中心に適当な角度に回転させて用いると、偏角が最大2×(n−1)×θから0までの3次元の任意の方向に光ビームを偏光させることができ、ミラー2枚と同等の光軸調整作用が得られる。
以下これについて図面を参照して説明する。
図4A及びBは、光軸と直交する面を有するウェッジ板を2枚用意し、この光軸と直交する面を対向させた一対のウェッジ板ユニット22a及び22bの概略断面構成図である。
図4Aにおいては、入射光の光軸Bがほぼ平行移動した状態、図4Bにおいては、ウェッジ板22a及び22bを回転させて入射光の光軸Bを下向きに偏向させた場合を示す。
Next, an example in which a
As shown in FIG. 3, when the wedge angle formed by the entrance surface and the exit surface of the
δ = (n−1) × θ
It becomes.
In the single wedge plate, when the wedge plate is rotated about the optical axis, the light beam draws a circle. On the other hand, when two identical wedge plates are faced to each other and rotated by an appropriate angle around the optical axis, an arbitrary three-dimensional deviation angle of 2 × (n−1) × θ to 0 is obtained. The light beam can be polarized in the direction, and an optical axis adjusting action equivalent to that of two mirrors can be obtained.
This will be described below with reference to the drawings.
4A and 4B are schematic cross-sectional configuration diagrams of a pair of
4A shows a state where the optical axis B of the incident light is substantially translated, and FIG. 4B shows a case where the
各ウェッジ板を回転させて光軸を種々の角度に偏向、又は平行移動した状態を図5A〜Eに示す。図5A〜Eにおいては、光軸の移動する様子をx軸(水平方向)及びy軸(垂直方向)の座標により示したものである。図5Aにおいては、ウェッジ板22A及び22Bを通過後に光軸Bがx−y座標の原点に垂直となるように配置した場合を示す。図5Bに示すように、各ウェッジ板22a、22bをそれぞれ矢印wa、wbで示すように、それぞれ光の進行方向に向かって右向き、左向きに90°回転させると、光軸Bはx軸方向正側に角度θx0偏向する。図5Cに示すように、更に各ウェッジ板22a及び22bをそれぞれ矢印wa、wbで示すように更に90°回転させると、光軸Bはy軸方向負側にy0平行移動する。図5Dに示すように、各ウェッジ板22a及び22bを90°更に回転させると、光軸Bはx軸方向負側に角度θx0偏向する。そして図5Eに示すように、各ウェッジ板22a及び22bを更に90°回転させると、光軸Bは図5Aに示す元の位置に戻る。
また、図5Bに示すウェッジ板22a及び22bを同じ向きに90°回転するとy軸方向に角度を偏向させることができ、回転角度を調整することによって、偏向角度を調整することができる。また、図5Cに示すウェッジ板22a及び22bを同一方向に回転させるとx−y平面内への平行移動が可能である。
FIGS. 5A to 5E show states in which each wedge plate is rotated to deflect or translate the optical axis at various angles. 5A to 5E show the movement of the optical axis by the coordinates of the x-axis (horizontal direction) and the y-axis (vertical direction). FIG. 5A shows a case where the optical axis B is arranged so as to be perpendicular to the origin of the xy coordinates after passing through the wedge plates 22A and 22B. As shown in FIG. 5B, when the
Further, when the
図5A〜Eにおいて説明した構成では、各ウェッジ板22a及び22bの間隔を調整可能とすることによって、平行移動量を調整することができる。この場合は、ウェッジ板2枚のみで光軸調整具を構成することができる。
一方、同様のウェッジ板2枚を1組とするウェッジ板ユニットを2組設けることによって、角度及び平行移動の調整を各ウェッジ板の回転機構のみによって行うことが可能となる。
5A to 5E, the amount of parallel movement can be adjusted by making the distance between the
On the other hand, by providing two sets of wedge plate units each consisting of two similar wedge plates, the angle and parallel movement can be adjusted only by the rotation mechanism of each wedge plate.
図6においては、本発明の実施形態例に係るレーザ装置において、2組のウェッジ板ユニットを光軸調整具として用いる構成の一例の概略構成図を示す。図6において、図2と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、上述の図5A〜Eにおいて説明した構成のウェッジ板ユニット22及び23を用いるもので、これらウェッジ板ユニット22及び23の間の特定位置C2に、光検出素子6の受光面と幾何光学的に共役となる点を設ける構成とする。この例においては、特定位置C2をウェッジ板ユニット22及び23のほぼ中間位置に配置する例を示す。ウェッジ板ユニット22及び23による光軸の偏向及び平行移動による光検出素子6の受光面での光スポットの位置変動量は前述の一対のミラーを用いる場合と同様の式(3)及び(4)が適用可能である。したがって、このような構成とすることによって、図2に示す例と同様に、光検出素子6の受光面上での光スポット位置の移動量Dを小さくすることが可能である。
In FIG. 6, the schematic block diagram of an example of a structure which uses two sets of wedge board units as an optical-axis adjustment tool in the laser apparatus which concerns on the embodiment of this invention is shown. In FIG. 6, parts corresponding to those in FIG. In this example, the
なお、ウェッジ板ユニット22及び23が同一の形状のウェッジ板の組み合わせより構成される場合は、ウェッジ板ユニット22及び23の略中間位置に共役となる特定位置C2を配置することが好ましい。
In addition, when the
図7は、本発明の他の実施形態例によるレーザ装置の一例の概略構成図である。図7において、図2と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、レーザ光源1から射出される光を、光ファイバー32を介して、光軸調整具として用いるコリメータレンズ34に入射する場合を示す。このコリメータレンズ34は図示しないチルト回転機構及び平行移動機構を有するコリメータレンズユニット35に配置される。光ファイバー32の出射端の光結合素子33はこのコリメータレンズユニット35の一端に固定される。コリメータレンズユニット35のチルト回転機構及び平行移動機構により、矢印tで示す回転方向、また矢印m1及びm2で示す方向にコリメータレンズ34の出射角度偏向及び光軸平行移動が可能とされる。このように、光源1から出射される光が光ファイバー32によりコリメータレンズ34に入射される構成とすることによって、コリメータレンズ34の回転及び平行移動に対して結合効率を損なうことなく光を入射させることができるという利点を有する。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an example of a laser apparatus according to another embodiment of the present invention. In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG.
In this example, a case where light emitted from the
そしてこの例においては、このチルト回転機構の回転中心C3を、光検出素子6の受光面と幾何光学的に共役な位置となるように配置する。このような構成とすることによって、上述の図1及び図6に示す例と同様に、光検出素子6の受光面上での光スポット位置の移動量Dを小さくすることが可能である。特に、チルト回転調整の回転中心C3が光検出素子6の受光面と共役となる位置にあるため、チルト調整によっては受光面上での光スポットの移動はない。光軸に垂直な面内での平行移動調整によるずれのみが、スポット移動に関係するので、光軸調整作業を大幅に簡易化することが可能となる。 In this example, the rotation center C3 of the tilt rotation mechanism is disposed so as to be geometrically conjugate with the light receiving surface of the light detection element 6. By adopting such a configuration, it is possible to reduce the movement amount D of the light spot position on the light receiving surface of the light detection element 6 as in the example shown in FIGS. 1 and 6 described above. In particular, since the rotation center C3 of the tilt rotation adjustment is at a position conjugate with the light receiving surface of the light detection element 6, there is no movement of the light spot on the light receiving surface depending on the tilt adjustment. Since only the shift due to the parallel movement adjustment in the plane perpendicular to the optical axis is related to the spot movement, the optical axis adjustment work can be greatly simplified.
以上説明したように、本発明によれば、外部共振器へのモードマッチングすなわち光軸調整の際に、光検出素子の位置を殆ど動かす必要がなくなり、調整作業時間を大幅に短縮することができることとなる。また、必ずしも熟練作業者でなくとも調整が可能になる。したがって、組み立て製造時及びメンテナンス時も含めた調整作業にかかる時間及び人員の両方を削減することが可能であり、大幅なコストの低減化が可能となる。 As described above, according to the present invention, it is not necessary to move the position of the light detection element at the time of mode matching to the external resonator, that is, the optical axis adjustment, and the adjustment work time can be greatly shortened. It becomes. Further, adjustment is possible even if not necessarily a skilled worker. Therefore, it is possible to reduce both the time and personnel required for adjustment work including assembly and maintenance, and it is possible to greatly reduce the cost.
次に、上述の実施形態例におけるレーザ装置について、より具体的な寸法形状を検討した第1〜第5の実施形態例について説明する。
〔1〕第1の実施形態例
図8に本発明の第1の実施形態例に係るレーザ装置の概略構成図を示す。図8において、図2と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、レーザ光源1として、波長1300nm、M2=1、射出口において直径1mmのビームウェストを持つ連続波レーザを用いる。レーザ光源1の射出光路上に、光学レンズ2が配置される。この光学レンズ2は、レーザ光源1側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径151.1mm、厚さ2.5mm、材質はBK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離は300mmであり、後述する外部共振器14にレーザ光源1からのレーザ光をモードマッチングさせる作用を有する。そしてこの例においては、光軸調整具として一対の調整用ミラー4a及び4bを用いる。外部共振器14のレーザ光の入射位置には、入力結合素子9例えば半透鏡より成る入力結合鏡が配置される。この入力結合素子9の外部共振器14側の面には半透過膜が形成される。また、入力結合素子9と光検出素子6との間に配置される光学レンズ5は、入力結合素子9側に凸面を向けた平凸レンズを用いる。この場合、その曲率半径は23.4mm、厚さ2.5mm、材質はBK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離46.5mmであり、光検出素子6の受光面に集光する作用を有する。光検出素子6としては、InGaAsより成るPIN(P-Intrinsic-N)フォトダイオードであり、受光面の大きさは直径0.8mmである。C4は光学レンズ5によって光検出素子6の受光面と共役となる特定位置を示す。
Next, the first to fifth embodiments in which more specific dimensions and shapes are studied for the laser device in the above-described embodiment will be described.
[1] First Embodiment FIG. 8 shows a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 8, parts corresponding to those in FIG. In this example, a continuous wave laser having a beam waist having a wavelength of 1300 nm, M 2 = 1, and a diameter of 1 mm at the exit is used as the
外部共振器14は、入力結合素子9と、その他のミラー10、11a及び11bより構成される。入力結合素子9は両面とも平面であり、材質は合成石英、厚さは3mmである。ミラー10は平面ミラー、ミラー11a及び11bは曲率半径125mmの凹面ミラーである。入力結合素子9及びミラー10、11a及び11bへの入射角はそれぞれ10°に設定されている。また、ミラー11a及び11bの間には非線形光学結晶12として例えば厚さ4mmのBBO(β−BaB2O4)結晶が配置される。
ここで、各部の距離及び光路長を以下の通り設定する。
The
Here, the distance and optical path length of each part are set as follows.
レーザ光源1の射出口からレンズ2までの距離 a1=300mm
レンズ2からミラー4aまでの距離 a2=18.3mm
ミラー4bから入力結合素子9の共振器側の面までの距離 a3=74mm
入力結合素子9の共振器側の面からレンズ5までの距離 a4=100mm
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 a5=55.7mm
ミラー4aからC4までの距離 p1=70mm
ミラー4bからC4までの距離 p2=−70mm
入力結合素子9とミラー10との間の光路長 w1=132mm
ミラー10とミラー11aとの間の光路長 w2=150mm
ミラー11a及び11bの間の光路長 w3=150mm
ミラー11bと入力結合素子9の間の光路長 w4=150mm
Distance from the exit of the
Distance from
Distance from
Distance from the resonator-side surface of the
Distance from
Distance from
Distance from
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between the
以上の構成において、特定位置C4におけるレーザビームの直径は0.43mm、位置C4が光検出素子6の受光面に結像する倍率kは−0.23であるため、光検出素子6の受光面でのレーザビーム直径は0.1mmとなる。
この第1の実施形態例において、調整用ミラー4a及び4bを用いてモードマッチ調整をしたときの光検出素子6の受光面上でのビームの移動量を計算する。光源1側の調整用ミラー4aを図8の紙面内で時計回りに0.5°、共振器側の調整用ミラー4bを図8の紙面内で反時計回りに0.5°傾けた場合、上記式(3)により、レーザビームの移動量は0.28mmとなる。調整開始前に光検出素子6の受光面の中心にレーザビームが位置していれば、調整によってもレーザビームがこの受光面内にとどまることが分かる。したがって、この場合は光検出素子6の位置を移動することなく、モードマッチング調整が可能となる。
In the above configuration, the diameter of the laser beam at the specific position C4 is 0.43 mm, and the magnification k at which the position C4 forms an image on the light receiving surface of the light detecting element 6 is −0.23. The laser beam diameter at is 0.1 mm.
In the first embodiment, the amount of beam movement on the light receiving surface of the light detection element 6 when the mode matching adjustment is performed using the adjustment mirrors 4a and 4b is calculated. When the
一方、本発明構成とすることなく、光学レンズ5の後側焦点位置に光検出素子6の受光面を配置する従来構成と同様の配置とする場合は、その移動量を求めると、上記式(1)により0.8mmとなり、レーザビームが光検出素子6の受光面からはずれてしまう。なお、この場合は光学レンズ5と光検出素子6の受光面までの距離は、a5=44.8mmである。
On the other hand, when the arrangement is the same as the conventional arrangement in which the light receiving surface of the light detection element 6 is arranged at the rear focal position of the
また、特定位置C4を調整用ミラー4a及び4bの中間から共振器14側の調整用ミラー4b側にずらして配置した場合については以下の通りである。各部の距離を以下の通り設定する。
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 a5=57.7mm
ミラー4aからC4までの距離 p1=100mm
ミラー4bからC4までの距離 p2=−40mm
以上の設定とし、その他の部品の距離及び光路長は上述の例と同様としたとき、特定位置C4におけるビーム直径は0.39mm、位置C4が受光面に結像する倍率kは−0.28であるため、光検出素子6の受光面でのビーム直径は0.11mmとなる。このとき上記の例と同様に、光源1側の調整用ミラー4aを図8の紙面内で時計回りに0.5°、共振器14側の調整用ミラー4bを図8の紙面内で反時計回りに0.5°傾けた場合、上記式(3)によりレーザビームの移動量は0.10mmとなり、上述の例すなわち調整用ミラー4a及び4bの中間に特定位置C4を配置する場合と同様に、レーザビームが光検出素子6の受光面内にとどまる。
The case where the specific position C4 is shifted from the middle of the adjustment mirrors 4a and 4b to the
Distance from
Distance from
Distance from
When the above settings are made and the distances and optical path lengths of the other components are the same as in the above example, the beam diameter at the specific position C4 is 0.39 mm, and the magnification k at which the position C4 forms an image on the light receiving surface is −0.28. Therefore, the beam diameter on the light receiving surface of the photodetecting element 6 is 0.11 mm. At this time, similarly to the above example, the
一方、特定位置C4を他方の調整用ミラー4a側に移動した場合について説明する。この例においては、各部の距離を以下の通り設定する。
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 a5=54.3mm
ミラー4aからC4までの距離 p1=40mm
ミラー4bからC4までの距離 p2=−100mm
以上の設定とし、その他の部品の距離及び光路長は上述の例と同様としたとき、特定位置C4におけるレーザビームの直径は0.47mm、位置C4が受光面に結像する倍率kは−0.20であるため、光検出素子6の受光面でのレーザビームの直径は0.09mmとなる。上記の例と同様に、光源1側の調整用ミラー4aを図8の紙面内で時計回りに0.5°、共振器14側の調整用ミラー4bを紙面内で反時計回りに0.5°傾けた場合、上記式(3)によりレーザビームの移動量は0.56mmとなり、同様にレーザビームが光検出素子6の受光面内にとどまる。
したがって、これらの結果から、特定位置は調整用ミラー4a及び4bの中間位置から、これらの間の距離の4分の1程度の範囲に設定することによって、光軸調整の際に光検出素子6の受光面内でのレーザビームの移動を十分に抑制することができて、光検出素子6の位置を移動することなく、モードマッチング調整が可能となる。
On the other hand, the case where the specific position C4 is moved to the
Distance from
Distance from
Distance from
When the above settings are made and the distances and optical path lengths of the other components are the same as in the above example, the diameter of the laser beam at the specific position C4 is 0.47 mm, and the magnification k at which the position C4 forms an image on the light receiving surface is −0. .20, the diameter of the laser beam on the light receiving surface of the light detecting element 6 is 0.09 mm. Similar to the above example, the
Therefore, from these results, the specific position is set to a range of about a quarter of the distance between them from the intermediate position between the adjustment mirrors 4a and 4b. The movement of the laser beam within the light receiving surface can be sufficiently suppressed, and the mode matching adjustment can be performed without moving the position of the light detection element 6.
〔2〕第2の実施形態例
この例においては、図8に示す構成として、レーザ光源1や光学レンズ2及び5などを以下に示す通り変更した。レーザ光源1として、波長532nm、M2=1、射出口において直径1mmのビームウェストを持つ連続波レーザを用いる。光学レンズ2はレーザ光源1側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径249.35mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離480mmであり、外部共振器14にレーザ光源1からのレーザ光をモードマッチングさせる作用を有する。光学レンズ5は入力結合素子9側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径34.1mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離65.6mmであり、光検出素子6の受光面にレーザ光を集光する作用を有する。光検出素子6の受光面の大きさは直径2mmである。
なお、その他の構成、特に外部共振器14を構成するミラー9,10、11a、11b及び非線形光学結晶12の材料、構成、寸法は上述の第1の実施形態例と同様とする。
すなわち、入力結合素子9は両面とも平面であり、材質は合成石英、厚さは3mmである。ミラー10は平面ミラー、ミラー11a及び11bは曲率半径125mmの凹面ミラーである。入力結合素子9及びミラー10、11a及び11bへの入射角はそれぞれ10°に設定されている。また、ミラー11a及び11bの間には非線形光学結晶12として例えば厚さ4mmのBBO(β−BaB2O4)結晶が配置される。
ここで、各部の距離及び光路長を以下の通り設定する。
[2] Second Embodiment In this example, the
The other configurations, in particular, the materials, configurations, and dimensions of the
That is, the
Here, the distance and optical path length of each part are set as follows.
レーザ光源1の射出口からレンズ2までの距離 a1=480mm
レンズ2から調整用ミラー4aまでの距離 a2=200mm
ミラー4bから入力結合素子9の共振器側の面までの距離 a3=74mm
入力結合素子9の共振器側の面からレンズ5までの距離 a4=100mm
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 a5=88.2mm
ミラー4aからC4までの距離 p1=70mm
ミラー4bからC4までの距離 p2=−70mm
入力結合素子9とミラー10との間の光路長 w1=132mm
ミラー10とミラー11aとの間の光路長 w2=150mm
ミラー11a及び11bの間の光路長 w3=150mm
ミラー11bと入力結合素子9の間の光路長 w4=150mm
Distance from the exit of the
Distance from
Distance from
Distance from the resonator-side surface of the
Distance from
Distance from
Distance from
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between the
この場合、特定位置C4におけるレーザビームの直径は0.54mm、C4が光検出素子6の受光面に結像する倍率kは−0.37であるため、光検出素子6の受光面でのレーザビーム直径は0.2mmとなる。
この第2の実施形態例において、調整用ミラー4a及び4bを用いてモードマッチ調整をしたときの光検出素子6の受光面上でのレーザビームの移動量を計算する。調整用ミラー4aを図8の紙面内で時計回りに0.5°、調整用ミラー4bを図8の紙面内で反時計回りに0.5°傾けた場合、上記式(3)により、レーザビームの移動量Dは0.45mmとなる。調整開始前に光検出素子6の受光面の中心にレーザビームが位置していれば、調整によってもレーザビームが光検出素子6の受光面内にとどまる。したがって、光検出素子6の位置を変更する必要がなく、簡単に光軸調整を行うことが可能であることが分かる。
In this case, the diameter of the laser beam at the specific position C4 is 0.54 mm, and the magnification k at which C4 forms an image on the light receiving surface of the light detecting element 6 is −0.37. The beam diameter is 0.2 mm.
In the second embodiment, the amount of movement of the laser beam on the light receiving surface of the light detecting element 6 when the mode matching is adjusted using the adjusting mirrors 4a and 4b is calculated. When the
なお、本発明構成とすることなく、光学レンズ5の後側焦点位置に光検出素子6の受光面を配置した場合の移動量を求めると、上記式(1)により2.3mmとなり、光検出素子6の受光面からレーザビームの位置がはずれてしまう。このときレンズ5から光検出素子6までの距離はa5=65mmである。
If the light receiving surface of the light detection element 6 is arranged at the rear focal position of the
〔3〕第3の実施形態例
図9に本発明の第3の実施形態例に係るレーザ装置の一例の概略構成図を示す。図9において、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、光学レンズ2を調整用ミラー4bと外部共振器14の入力結合素子9との間に配置した例を示す。この例においては、レーザ光源1として、波長532nm、M2=1、射出口において直径1mmのビームウェストを持つ連続波レーザである。光学レンズ2は、調整用ミラー4b側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径249.35mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離118.5mmであり、外部共振器14の入力結合素子9と後述する外部共振器14に光源1からのレーザ光をモードマッチさせる作用を有する。入力結合素子9は、上述の第1及び第2の実施形態例と同様に、外部共振器9側に半透過膜が形成された半透鏡である。光学レンズ5は入力結合素子9側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径34.1mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離108.2mmであり、光検出素子6に集光する作用を有する。光検出素子6は受光面の直径が2mmのフォトダイオードである。ここで、C5は光学レンズ2、入力結合素子9の半透面による反射、光学レンズ5によって光検出素子6の受光面と共役となる特定位置である。
[3] Third Embodiment FIG. 9 shows a schematic configuration diagram of an example of a laser apparatus according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 9, parts corresponding to those in FIG. In this example, an example in which the
外部共振器14のミラー10、11a及び11bの材料構成、非線形光学結晶12の材料、寸法は前述の第1及び第2の実施形態例と同様の構成とする。
すなわち、入力結合素子9は両面とも平面であり、材質は合成石英、厚さは3mmである。ミラー10は平面ミラー、ミラー11a及び11bは曲率半径125mmの凹面ミラーである。入力結合素子9及びミラー10、11a及び11bへの入射角はそれぞれ10°に設定されている。また、ミラー11a及び11bの間には非線形光学結晶12として例えば厚さ4mmのBBO(β−BaB2O4)結晶が配置される。
ここで、各部の距離及び光路長を以下の通り設定する。
The material configuration of the
That is, the
Here, the distance and optical path length of each part are set as follows.
レーザ光源1の射出口からレンズ2までの距離 b1=330mm
ミラー4bから光学レンズ2までの距離 b2=50mm
レンズ2から入力結合素子9の共振器側の面までの距離 b3=66.3mm
入力結合素子9の共振器側の面からレンズ5までの距離 b4=141mm
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 b5=88.2mm
ミラー4aからC5までの距離 p1=60mm
ミラー4bからC5までの距離 p2=−60mm
入力結合素子9とミラー10との間の光路長 w1=150mm
ミラー10とミラー11aとの間の光路長 w2=150mm
ミラー11a及び11bの間の光路長 w3=132mm
ミラー11bと入力結合素子9の間の光路長 w4=150mm
Distance from the exit of the
Distance from
Distance from
Distance from the resonator-side surface of the
Distance from
Distance from
Distance from
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between the
なお、入力結合素子9は、光学レンズ2側からミラー10側に透過する光に対しては焦点距離−271.3mm、光学レンズ2側からの光を光学レンズ5側に反射する光に対しては焦点距離−42.8mmのレンズとして作用する。
特定位置C5におけるレーザビームの直径は1.02mm、位置C5が光検出素子6の受光面に結像する倍率kは−0.49であるため、光検出素子6の受光面でのビーム直径は0.5mmとなる。
この第3の実施形態例において、調整用ミラー4a及び4bを用いてモードマッチング調整をしたときの光検出素子6の受光面上でのレーザビームの移動量を計算する。調整用ミラー4aを図9の紙面内で時計回りに0.5°、調整用ミラー4bを図9の紙面内で反時計回りに0.5°傾けると、上記式(3)によりレーザビームの移動量は0.51mmとなる。調整開始前に光検出素子9の受光面の中心にビームが位置していれば、調整によってもビームが受光面内にとどまる。
The
Since the diameter of the laser beam at the specific position C5 is 1.02 mm and the magnification k at which the position C5 forms an image on the light receiving surface of the light detecting element 6 is −0.49, the beam diameter on the light receiving surface of the light detecting element 6 is 0.5 mm.
In the third embodiment, the amount of movement of the laser beam on the light receiving surface of the light detection element 6 when the mode matching adjustment is performed using the adjustment mirrors 4a and 4b is calculated. When the
これに対し、本発明構成とすることなく、光学レンズ5の焦点位置に光検出素子6の受光面を配置した場合のレーザビーム移動量を求めると、上記式(1)により3.8mmとなり、光検出素子6の受光面から外れてしまう。このとき、光学レンズ5と光検出素子6の受光面との距離はb5=106.2mmである。
On the other hand, when the laser beam movement amount in the case where the light receiving surface of the light detection element 6 is arranged at the focal position of the
〔4〕第4の実施形態例
図10に本発明の第4の実施形態例に係るレーザ装置の概略構成図を示す。この例においては、光軸調整具として、2枚のウェッジ板より成るウェッジ板ユニットを2組用いる場合を示す。図10において、図6と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、レーザ光源1として波長532nm、M2=1、射出口において直径1mmのビームウェストを持つ連続波レーザを用いる。光源1とウェッジ板ユニット22との間に配置される光学レンズ2は、レーザ光源1側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径249.35mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離480mmであり、外部共振器14にレーザ光源1からのレーザ光をモードマッチングさせる作用を有する。外部共振器14の入力結合素子9は、共振器14側の面に半透過膜が形成される半透鏡より構成される。入力結合素子9と光検出素子6との間に配置される光学レンズ5は、入力結合素子9側に凸面を向けた平凸レンズとする。この光学レンズ5は曲率半径34.1mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離65.6mmであり、光検出素子6にレーザ光を集光する作用を有する。光検出素子6はフォトダイオードであり、受光面の大きさは直径2mmである。C6は光学レンズ5によって光検出素子6の受光面と共役となる特定位置を示す。
[4] Fourth Embodiment FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. In this example, a case where two sets of wedge plate units each made up of two wedge plates are used as the optical axis adjuster is shown. 10, parts corresponding to those in FIG. 6 are given the same reference numerals, and redundant description is omitted.
In this example, a continuous wave laser having a beam waist having a wavelength of 532 nm, M 2 = 1, and a diameter of 1 mm at the exit is used as the
外部共振器14のミラー10、11a及び11bの材料構成、非線形光学結晶12の材料、寸法は前述の第1及び第2の実施形態例と同様の構成とする。
すなわち、入力結合素子9は両面とも平面であり、材質は合成石英、厚さは3mmである。ミラー10は平面ミラー、ミラー11a及び11bは曲率半径125mmの凹面ミラーである。入力結合素子9及びミラー10、11a及び11bへの入射角はそれぞれ10°に設定されている。また、ミラー11a及び11bの間には非線形光学結晶12として例えば厚さ4mmのBBO(β−BaB2O4)結晶が配置される。
ここで、各部の距離及び光路長を以下の通り設定する。
The material configuration of the
That is, the
Here, the distance and optical path length of each part are set as follows.
レーザ光源1の射出口からレンズ2までの距離 c1=480mm
レンズ2からウェッジ板ユニット22までの距離 c2=200mm
ウェッジ板ユニット23から入力結合素子9の共振器側の面までの距離
c3=74mm
入力結合素子9の共振器側の面からレンズ5までの距離 c4=100mm
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 c5=88.2mm
ウェッジ板ユニット22からC6までの距離 p3=70mm
ウェッジ板ユニット23からC6までの距離 p4=−70mm
入力結合素子9とミラー10との間の光路長 w1=132mm
ミラー10とミラー11aとの間の光路長 w2=150mm
ミラー11a及び11bの間の光路長 w3=150mm
ミラー11bと入力結合素子9の間の光路長 w4=150mm
Distance from the exit of the
Distance from
Distance from
c3 = 74mm
Distance from the resonator-side surface of the
Distance from
Distance from
Distance from
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between the
この場合、特定位置C6におけるレーザビームの直径は0.54mm、位置C6が光検出素子6の受光面に結像する倍率kは−0.37であるため、光検出素子6の受光面でのレーザビーム直径は0.2mmとなる。
この第4の実施形態例において、ウェッジ板ユニット22及び23を用いてモードマッチ調整をしたときの光検出素子6の受光面上でのレーザビームの移動量を計算する。ウェッジ板ユニット22により図10の紙面内で光軸が時計回りに1°、ウェッジ板ユニット23により図10の紙面内で光軸が反時計回りに1°傾いた場合、レーザビームの移動量は0.45mmとなる。調整開始前に光検出素子6の受光面の中心にレーザビームが位置していれば、調整によってもレーザビームが光検出素子6の受光面内にとどまる。従って、光軸調整にあたって、光検出素子6の位置を移動する必要がなく、光軸調整作業の簡易化を図ることができる。
In this case, the diameter of the laser beam at the specific position C6 is 0.54 mm, and the magnification k at which the position C6 forms an image on the light receiving surface of the light detecting element 6 is −0.37. The laser beam diameter is 0.2 mm.
In the fourth embodiment, the movement amount of the laser beam on the light receiving surface of the light detecting element 6 when the mode match adjustment is performed using the
これに対し、本発明構成とすることなく、光学レンズ5の後側焦点位置に光検出素子6の受光面を配置した場合の移動量を求めると2.3mmとなり、光検出素子6の受光面からはずれてしまう。このとき光学レンズ5と光検出素子6との距離c5=65mmである。
On the other hand, when the light receiving surface of the light detecting element 6 is arranged at the rear focal position of the
〔5〕第5の実施形態例
図11に本発明の第5の実施形態例に係るレーザ装置の概略構成図を示す。この例においては、光軸調整具として、コリメータレンズと、このコリメータレンズをチルト回転機構及び平行移動機構により回転調整、位置調整を可能としたコリメータレンズユニットにより構成する例を示す。図11において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、光源1として、波長532nmの連続波レーザを用いる。そしてコア径3.5μmのシングルモードの光ファイバー32によりレーザ光が伝送される構成とする。ファイバー射出端の光結合素子33はコリメータユニット35の光入力端に固定される。コリメータレンズ34はファイバー33の射出端側に平面、共振器14側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径1.56mm、厚さ1mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離3mmであり、外部共振器14に光源1からのレーザ光をモードマッチングさせる作用を有する。入力結合素子9は、共振器14側の面に半透過膜が形成された半透鏡とする。光学レンズ5は入力結合素子9側に凸面を向けた平凸レンズであり、曲率半径34.1mm、厚さ2.5mm、材質BK7(Schott (株)社製、商品名)、焦点距離65.6mmであり、光検出素子6に集光する作用を有する。光検出素子6はフォトダイオードであり、受光面の大きさは直径2mmである。C7は光学レンズ5によって光検出素子6の受光面と共役となる特定位置であり、コリメータレンズ34の凸面の頂点に位置している。コリメータユニット35は、特定位置C7を回転中心にした水平方向、垂直方向のチルト回転機構および光軸に垂直な面内での水平、垂直方向の平行移動機構を備える。また、CM2,CM3,CM4は全反射ミラーであり、CM1とともに光共振器を構成している。
[5] Fifth Embodiment FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. In this example, an example in which a collimator lens and a collimator lens unit in which the collimator lens can be rotated and adjusted by a tilt rotation mechanism and a parallel movement mechanism are shown as an optical axis adjustment tool. In FIG. 11, parts corresponding to those in FIG.
In this example, a continuous wave laser having a wavelength of 532 nm is used as the
外部共振器14のミラー10、11a及び11bの材料構成、非線形光学結晶12の材料、寸法は前述の第1及び第2の実施形態例と同様の構成とする。
すなわち、入力結合素子9は両面とも平面であり、材質は合成石英、厚さは3mmである。ミラー10は平面ミラー、ミラー11a及び11bは曲率半径125mmの凹面ミラーである。入力結合素子9及びミラー10、11a及び11bへの入射角はそれぞれ10°に設定されている。また、ミラー11a及び11bの間には非線形光学結晶12として例えば厚さ4mmのBBO(β−BaB2O4)結晶が配置される。
The material configuration of the
That is, the
ここで、各部の距離及び光路長を以下の通り設定する。
ファイバー32射出端からレンズ34までの距離 d1=2.4mm
レンズ34から入力結合素子9の共振器側の面までの距離 d2=167mm
入力結合素子9の共振器側の面からレンズ5までの距離 d3=77mm
レンズ5から光検出素子6の受光面までの距離 d4=88.2mm
入力結合素子9とミラー10との間の光路長 w1=132mm
ミラー10とミラー11aとの間の光路長 w2=150mm
ミラー11a及び11bの間の光路長 w3=150mm
ミラー11bと入力結合素子9の間の光路長 w4=150mm
Here, the distance and optical path length of each part are set as follows.
Distance from
Distance from the
Distance from the resonator side surface of the
Distance from
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between
Optical path length between the
特定位置C7におけるレーザビームの直径は0.58mm、位置C7が光検出素子6の受光面に結像する倍率kは−0.37であるため、光検出素子6の受光面でのレーザビーム直径は0.21mmとなる。
この第5の実施形態例において、コリメータユニット35のチルト調整により外部共振器14へのモードマッチ調整を行った場合、その回転中心が、光検出素子6の受光面と共役となる点C7と一致しているため、光検出素子6の受光面上でレーザビームは移動しない。
Since the diameter of the laser beam at the specific position C7 is 0.58 mm and the magnification k at which the position C7 forms an image on the light receiving surface of the light detecting element 6 is −0.37, the laser beam diameter on the light receiving surface of the light detecting element 6 is Is 0.21 mm.
In the fifth embodiment, when the mode matching adjustment to the
これに対し、本発明構成とすることなく、光学レンズ5の後側焦点位置に光検出素子6の受光面を配置した場合、コリメータレンズユニット35のチルト回転機構により0.9°以上レーザビームの偏向を行うと、光検出素子6の受光面からレーザビームがはずれてしまう。このとき、光学レンズ5と光検出素子6との間の距離はd4=65mmである。
On the other hand, when the light receiving surface of the light detecting element 6 is arranged at the rear focal position of the
以上説明したように、本発明によれば、レーザ装置の光軸調整作業の際に光検出素子の位置を変更する必要がなく、極めて簡単な作業で光軸調整を行うことが可能となる。
特に、従来は調整が非常に困難であった波長1300nmから波長650nmへの波長変換を行う外部共振器を有するレーザ装置において、その波長帯域に適用できるInGaAs等のフォトダイオードを光検出素子として用いる場合に、その受光面の面積が直径1mm程度と比較的小さくても、上述したようにこの光検出素子の位置を変更することなく光軸調整が可能であり、上述の波長帯域のレーザ装置における光軸調整作業を格段に簡易化することが可能である。
一方、光検出素子の受光面上での光スポットの移動量が小さくなるため、従来のレーザ装置と比較してより受光面積の小さい光検出を使用することが可能となる。フォトダイオードは一般に受光面積が小さいほど安価であるため、より安価な光検出素子を使用することができ、コストダウンに有効である。
また、半導体製造プロセスにおいて使用されるレーザ装置においても本発明構成を採用することによって、その組み立て調整、修理メンテナンス作業の簡易化を図ることができる。このため、半導体工場における製造装置の停止期間の短縮を図ることができ、半導体製造のコストへの悪影響を回避することが可能となる。
As described above, according to the present invention, it is not necessary to change the position of the light detection element during the optical axis adjustment operation of the laser apparatus, and the optical axis adjustment can be performed with an extremely simple operation.
In particular, in a laser device having an external resonator that performs wavelength conversion from a wavelength of 1300 nm to a wavelength of 650 nm, which has been very difficult to adjust in the past, a photodiode such as InGaAs that can be applied to the wavelength band is used as a light detection element. In addition, even if the area of the light receiving surface is as small as about 1 mm in diameter, the optical axis can be adjusted without changing the position of the photodetecting element as described above. It is possible to greatly simplify the axis adjustment work.
On the other hand, since the amount of movement of the light spot on the light receiving surface of the light detecting element is reduced, it is possible to use light detection with a smaller light receiving area compared to the conventional laser device. Since the photodiode is generally cheaper as the light receiving area is smaller, a cheaper photodetecting element can be used, which is effective for cost reduction.
Also, by adopting the configuration of the present invention in a laser device used in a semiconductor manufacturing process, it is possible to simplify assembly adjustment and repair maintenance work. For this reason, it is possible to shorten the stop period of the manufacturing apparatus in the semiconductor factory, and to avoid an adverse effect on the cost of semiconductor manufacturing.
なお、本発明は、上述の図1〜図11に示す例に限定されるものではなく、各光学部品の材料、寸法形状や配置、機能等において、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。また、パルスレーザ光源を用いるレーザ装置においても、例えばフォトダイオードにパルスレーザ光を受光させる際にミラーを回転させて調整する場合などに本発明を適用することによって、その光軸調整作業の簡易化を図ることが可能である。 The present invention is not limited to the examples shown in FIGS. 1 to 11 described above, and various materials, dimensions, arrangements, functions, and the like of the respective optical components can be used without departing from the configuration of the present invention. Needless to say, modifications and changes are possible. Also, in a laser apparatus using a pulse laser light source, the optical axis adjustment work can be simplified by applying the present invention to, for example, adjusting a mirror by rotating a mirror when receiving a pulse laser beam by a photodiode. Can be achieved.
1.レーザ光源、4.光軸調整具、4a,4b.調整用ミラー、5.光学レンズ、6.光検出素子、9.入力結合素子、10.ミラー、11a,11b.ミラー、12.非線形光学結晶、14.外部共振器、21.ウェッジ板、22a,22b,23a,23b.ウェッジ板、22,23.ウェッジ板ユニット、32.光ファイバー、33.光結合素子、34.コリメータレンズ、35.コリメータレンズユニット 1. 3. laser light source; Optical axis adjuster, 4a, 4b. 4. Adjustment mirror, Optical lens, 6; 8. a light detection element; Input coupling element, 10. Mirror, 11a, 11b. Mirror, 12. Nonlinear optical crystal, 14. External resonator, 21. Wedge plates, 22a, 22b, 23a, 23b. Wedge plate, 22, 23. Wedge plate unit, 32. Optical fiber, 33. Optical coupling element, 34. Collimator lens, 35. Collimator lens unit
Claims (11)
前記光源側に配置される前記光軸調整具と前記外部共振器の入力結合素子との間の特定位置と、光検出素子の受光面とが、幾何光学的な共役関係に配置されて成ることを特徴とするレーザ装置。 In order to align the optical axis of the laser light from the laser light source with the external resonator based on a laser light source, an external resonator having an input coupling element, a light detection element, and a light output detected by the light detection element With an optical axis adjuster,
A specific position between the optical axis adjuster arranged on the light source side and the input coupling element of the external resonator, and a light receiving surface of the photodetecting element are arranged in a geometric optical conjugate relationship. A laser device characterized by the above.
前記特定位置が、前記2組のウェッジ板ユニットの間に設けられることを特徴とする請求項5記載のレーザ装置。 Two sets of the wedge plate units are provided,
6. The laser device according to claim 5, wherein the specific position is provided between the two sets of wedge plate units.
前記コリメータレンズにチルト回転機構及び平行移動機構が備えられることを特徴とする請求項1記載のレーザ装置。 The optical axis adjuster is a collimator lens;
2. The laser device according to claim 1, wherein the collimator lens includes a tilt rotation mechanism and a parallel movement mechanism.
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---|---|---|---|---|
WO2014030344A1 (en) | 2012-08-23 | 2014-02-27 | Sbiファーマ株式会社 | Photodynamic diagnosis apparatus provided with collimator |
JP2018530768A (en) * | 2015-07-15 | 2018-10-18 | ヌブル インク | Applications, methods, and systems for laser delivery addressable arrays |
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2006
- 2006-05-25 JP JP2006145604A patent/JP2007317871A/en active Pending
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