JP2008216531A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力な高調波レーザを安定的かつ高効率で発生させるレーザ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基本波を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から発生したレーザ光を略平行光とするためのコリメートレンズと、所望の焦点位置に前記平行光を集光する集光レンズと、前記集光レンズの出射側に配置された前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子の高調波出射面と前記波長変換素子の中心とに前記基本波の焦点を結ぶための共焦点反射ミラーとを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源を応用した照明装置、レーザ光応用計測装置、レーザ加工装置、あるいは医療分野に使用されるレーザメスに関する高出力レーザ技術に関するものである。特にレーザ光の第二高調波を用いるレーザ技術に関する。

近年、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの化合物半導体材料を使い、赤外、赤色、青色、紫色の半導体レーザが実現している。ところが、適切な材料が見つからないため、半導体レーザでは５５０ｎｍ近傍の緑色のレーザ発振は困難であり、半導体レーザによる緑色レーザは実現していない。そのため、従来から、緑色光の二倍の波長のレーザ光を光波長変換素子に通して第二高調波に変換し、緑色レーザ光とする技術が用いられている。

ところが波長変換素子を使うため、変換効率が課題となる。一般に、非線形効果を利用する波長変換素子の変換効率は、基本波の入射パワーに比例するので、入射パワーの低い（ワット以下）の基本波では変換効率が低くなる。そのため、Ｎｄ：ＹＡＧや、Ｎｄ：ＹＶＯ_４などに代表されるレーザ結晶とＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）やＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）などの非線形光学素子とを高反射ミラーと出力ミラーで挟んだ内部共振器構造を持つ波長変換素子を用いて、変換効率を向上していた（例えば、特許文献１参照。）。

しかしこのような非線形光学素子を用いた波長変換においては、非線形光学素子の光損傷閾値が低く、高出力の基本波を入力することができず、高出力な高調波を得ることが難しい。そのため、より高出力の高調波を得る目的で、基本波のシングルパス変換によりワット以上の変換を得る方法が考えられた。

これは、耐光損傷性に優れた強誘電体材料であるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃基材に周期分極反転を形成した周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃、以下ＰＰＭｇＬＮと略す）に冷却用の溝を設けることにより材料の高光損傷耐性と溝による冷却効果を利用して、高いパワーの基本波を入力して、ワット以上の高出力高調波の連続発振を実現している（例えば、特許文献２参照。）。
特開平７−１０６６８２号公報 特開２００６−３０８７３１号公報

しかしながら、ＰＰＭｇＬＮの周期分極反転を用いて疑似位相整合により高効率の波長変化を行う場合においては、冷却用の溝を基本波が通過する光路の外側に配置することになるので、冷却用の溝による冷却効果は低くなる。

以下、より詳しいメカニズムを説明する。ＰＰＭｇＬＮを用いて波長変換を高い変換効率で行うためには、入力基本波のエネルギー密度を上げるために入射基本波をＰＰＭｇＬＮ内に集光させる構成をとるが、ＰＰＭｇＬＮの変換効率が入力エネルギーに比例することから、集光位置で最も波長変換効率が高くなる。すなわち、基本波と第二高調派の相互作用（和周波）は、集光位置近傍で最も作用し、紫外域の第三高調波のエネルギー密度も集光位置近傍で最も高くなる。ＰＰＭｇＬＮは、紫外の吸収をもつため、結晶内部の光集光部で熱が発生し、熱によるＰＰＭｇＬＮの屈折率の変化が誘起され、基本波とＰＰＭｇＬＮの周期分極構造の波長整合が崩れ、高調波出力が不安定となる。この出力の不安定さを起こす現象は集光位置すなわち入射基本波のビームウエストの位置で発生しているので、表層に均一な溝を形成しても素子の内部にまで冷却効果が及ばない。そのため、従来の構成では、高出力な第二高調波を発生させるために入射基本波のエネルギーを上げると、第二高調波の出力が不安定になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、より高出力な高調波レーザを波長変換素子の効率性を低下させること無く、安定して発生させるレーザ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ装置は、基本波を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から発生したレーザ光を略平行光とするためのコリメートレンズと、所望の焦点位置に前記平行光を集光する集光レンズと、前記集光レンズの出射側に配置された前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子から戻される前記基本波を反射し、且つ前記波長変換素子の高調波出射面と前記波長変換素子の中心とに前記基本波の焦点を結ぶための共焦点反射ミラーとを備えたことを特徴としたものである。

本発明のレーザ装置によれば、高出力な波長変換レーザを安定的かつ高効率で発生することが出来る。

以下に、本発明のレーザ装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、周期分極構造を有した波長変換素子を用いた高調波レーザ装置に関して述べる。図１は本願の実施の形態１のレーザ装置の構成図である。基本波を発生するレーザ光源１は、本実施例では、１０６４ｎｍの波長の赤外光を発するＮｄ：ＹＡＧ結晶を使ったＤＰＳＳ（Ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）レーザを用いた。基本波を発生するレーザ光源としては、縦モード／横モードともにシングルモードであることが望ましいが、特に、ＤＰＳＳレーザである必要はない。レーザ光源１で発生した基本波３１はコリメートレンズ２で略平行光とした後、集光レンズ３で所望の位置に集光する。ここでは、集光レンズ３にはｆ＝３０ｍｍの凸レンズを使い、集光レンズ３から約２０ｍｍの位置に周期分極構造を持ったＰＰＭｇＬＮ波長変換素子４を配置した。

波長変換素子の原理構成図を図２に示す。ここで、波長変換素子４には、ＭｇＯを５ｍｏｌ％添加したニオブ酸リチウム基板のＺ板を使用した。この基材はＺ軸方向に均一に分極されており（４１）、周期構造を持った電極を表面に形成し電界を印加することにより電界印加部の分極方向を逆転させ（４２）周期的な分極反転形状を形成した。分極の反転周期は、１０６４ｎｍの基本波に擬似位相整合させるため約７ｕｍの周期とし、素子長さは２０ｍｍとした。基本波入射面１１には基本波３１と高調波３２の両方を透過する反射防止膜２１を成膜し、高調波出射面１２には基本波３１を反射するとともに、高調波３２を透過する波長選択膜２２を成膜した。また、集光レンズ３の集光位置がこの波長変換素子４の高調波出射面中央に来るように、集光レンズ３と波長変換素子４との調整を行った。

波長選択膜２２で反射した基本波３１を再度反射するために、波長変換素子の入射面側外部に共焦点反射ミラー５を配置した。この共焦点反射ミラー５の焦点はそれぞれ、波長変換素子の高調波出射面１２と、波長変換素子の中心になるように設計／配置を行い、さらに、この共焦点反射ミラー５の放物面ミラー面１３に、基本波３１を反射するとともに、高調波３２を透過する波長選択膜２３を成膜し、裏面は、前記高調波３２を反射する高調波反射膜２４を形成した平面ミラー１４とした。

次に図３および図４を用いて波長変換の動作および、変換効率に関して説明を行う。本実施の形態では、基本波３１が波長変換素子４を三回通過し効率よく波長変換を行う。一回目の通過の状態を図３（ａ）に、二回目の通過の状態を図３（ｂ）に、三回目の通過の状態を図３（ｃ）に示す。また、基本波３１が波長変換素子４を通過した積算距離を相対位置として、図４に各状態での基本波のエネルギーおよび波長変換された高調波のエネルギーおよび各相対位置での単位長さ辺りの変換効率を示している。なお、この説明においては、レーザ光源１からの基本波出力として１０Ｗを用いた。

まず、１回目の通過時の波長変換の状態に関して説明を行う。図３（ａ）に示すように集光レンズ３により集光された基本波３１は、集光位置が波長変換素子の高調波出射面１２にあるため、波長変換素子４を進む間、光束は狭まり続ける。そのため図４に示すように、エネルギー密度が上昇し、単位長さ辺りの変換効率は著しく増加する。相対位置２０ｍｍの位置すなわち、波長変換素子４の高調波出射面１２の位置では約２．４Ｗが高調波に変換され、基本波のエネルギーは約７．６Ｗとなる。この高調波出射面で２．４Ｗの高調波成分は波長選択膜２２により取り出され、残りの７．６Ｗの基本波は反射され、２回目の通過を行う。

図３（ｂ）および図４に示すように、２回目の変換では、光束が最も狭い状態から徐々に広がるためすぐに変換効率のピークを迎え、徐々に変換効率は低下し、相対位置４０ｍｍの位置すなわち、波長変換素子４の基本波入射面１１の位置では、７．６Ｗの基本波のうち１．４Ｗが高調波となり、６．２Ｗが基本波として外部に出ていく。このうち高調波は、共焦点反射ミラー５の裏面の平面ミラー１４に形成した高調波反射膜２４で反射され、波長変換素子４の高調波出射面側に出て行く。

図３（ｃ）に示すように、残りの６．２Ｗの基本波は、共焦点反射ミラーの放物面ミラー面１３上の波長選択膜２３で反射され波長変換素子４の中心で焦点を結ぶように３回目の通過を行う。図４に示すように、変換のピークは波長変換素子の略中心部の位置となり、相対位置約５０ｍｍのところで３回目の通過は最大の変換効率となる。この３回目の通過により相対位置６０ｍｍすなわち波長変換素子４の高調波出射面１２の位置で、６．２Ｗの基本波の内１．８Ｗが高調波に変換され、波長選択膜２２を介して高調波が外部に出射される。３回の通過で合計５．６Ｗの基本波が高調波に変換され、波長変換素子４の高調波出射面１２から出射され、残りの４．４Ｗの基本波が波長選択膜２２で反射される。

図５に従来例と本実施例における波長変換素子中の単位長さ辺りの変換効率の分布を示す。横軸に波長変換素子のレーザ伝湾方向すなわち図４におけるＸ軸方向の素子に対する位置を、縦軸に各位置での波長変換素子１ｍｍ長さ辺りの波長変換効率を図示している。波長変換効率は基本波のエネルギー密度に比例するため、この単位長さ辺りの変換効率の分布は基本波のエネルギー密度を代表しており、従来例では最も冷却が困難な中心で基本波のエネルギー密度が最大となっているのに比較して、本実施例の構成では、各通過時の波長変換における最大変換効率位置が異なり、波長変換素子全体にわたり比較的均等に基本波のエネルギー密度が分布している。変換効率を比較すると、従来例では、約４１％であるの対して、本実施例では、波長変換素子を３回基本波が通ることにより効率よく波長変換が行われ、約５６％と波長変換効率も向上している。

次に図６および図７を用いて、波長選択膜２２の構成および機能に関して説明を行う。図６は波長選択膜２２の構成と動作を示しており、本実施例では、波長選択膜２２は、低屈折率誘電体６１としてＳｉＯ₂と、高屈折率誘電体６２としてＮｂ₂Ｏ₅から構成されており、計２３層、積層した構造とした。各々の層の光学膜厚（ｄ×ｎ）は反射波長帯域のλ／４を基本構造とした。すなわち、本実施例では、基本波１０６４ｎｍを反射せしめるために、１０６４ｎｍ／４＝２６６ｎｍの光学膜厚を基本とし、さらに、リップルを低減して高調波の透過率を向上するため、最上部と、最下部の低屈折率誘電体層のみλ／８＝１３３ｎｍとし、各層の膜厚を調整した。図７に本実施例における波長選択膜２２の透過率の波長分散特性を示す。１０６４ｎｍの基本波の透過率は０．１％以下、５３２ｎｍの高調波の透過率は９９％以上となっている。このように、基本波３１は、波長選択膜２２の各層と干渉を起こし、９９．９％以上が波長変換素子４側に反射され、高調波３２は、９９％以上が波長選択膜２２を透過する構成としている。

次に波長選択膜２２の要件を図８、図９を用いて説明する。図８は、波長選択膜２２の基本波長の透過率を０．１％、１．０％、５．０％、１０．０％、２０．０％としたときの、基本波の入力エネルギーに対して、高調波出射面１２からの基本波のもれ量を高調波３２との比率として示した図である。ここで、本実施例のように透過率が０．１％以下であれば、高調波出射面１２からの基本波３１のもれはほとんど無視することができることがわかる。それに対して、５％以上の透過率の場合には、特に、基本波の入力エネルギーが低い状態で、高調波出射面１２から高調波３２に対して２０％を超える基本波３１がもれていることがわかる。通常、レーザ装置としては、波長変換素子からの出射エネルギーをフォトダイオードなどで検知し、基本波の出力を調整することにより、高調波３２の出力を調整するが、フォトダイオードは、フォトンのエネルギーを測定するのみで、波長分散を測定しないため、この高調波出射面１２からの基本波のもれ量が多くなると、高調波の出力の測定精度が悪化し、レーザ装置としては高調波３２の出力調整が図れず、好ましくない。

図８から波長選択膜２２の透過率を１％以下にすることにより、実効的な基本波の入力範囲（３〜１５Ｗ）において、基本波のもれ量の割合を５％以下にコントロール可能となる。したがって、波長変換素子の高調波出射面１２の波長選択膜２２の特性としては、基本波の透過率を少なくとも、１％以下にすることが望ましく。さらには、本実施例のように０．１％以下にすることがより望ましい。

図９は、波長選択膜２２の基本波の透過率を１％以下とするために必要な条件を検討した結果を図示したものある。ここで、波長選択膜２２を構成する低屈折率と高屈折率の誘電体として、（ＭｇＦ₂，ＴｉＯ₂）、（ＳｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅）、（Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅），（ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃）の４種類の構成を検討した。それぞれの構成において、波長選択膜２２の膜層数Ｓを７層から５５層まで変化させ、そのときの基本波の透過率を測定し、低屈折率誘電体の屈折率ｎ_L、高屈折率誘電体の屈折率ｎ_H、および膜層数Ｓとした場合に、Ｓ×ｌｎ（ｎ_H／ｎ_L）と基本波の透過率Ｔの関係をまとめたものが図９である。図からわかるように、膜構成材料に関係なく、Ｓ×ｌｎ（ｎ_H／ｎ_L）とｌｏｇＴは直線関係となり、透過率を１％以下にするためには、Ｓ×ｌｎ（ｎ_H／ｎ_L）を６以上にする必要がある。Ｓ×ｌｎ（ｎ_H／ｎ_L）が６より小さな値をとる場合には、波長選択膜２２の透過率が１％を超え、図８で説明したように、レーザ装置としての高調波３２の出力調整が困難となり好ましくない。

本実施例では、上記４種類の構成の膜種で必要条件の検討を行ったが、使用する誘電体材料を限定するものではなく、さらには、３種類以上の誘電体材料を用いても同様な構成をとることができることは自明である。３種類以上の誘電体材料からなる波長選択膜２２の場合は、最も屈折率の低い誘電体膜の屈折率をｎ_L、最も屈折率の高い誘電体膜の屈折率をｎ_Hとしたときに、
Ｓ×ｌｎ（ｎ_H／ｎ_L）＞６
を満たすものであれば、膜層数、膜種は限定せず、どのような構成をとっても良い。

図１０で本実施例と従来例の高調波出力特性の比較を行う。従来の構成では、基本波の入力を上げても、高調波３２の出力は３Ｗ程度までしかあげることができず、それ以上の基本波を入力すると、高調波３２の出力が不安定になるなどの、現象が確認された。それに対して、本実施例の構成をとることにより、従来構成に比して、変換効率が高く、さらには、高い基本波の入力に対しても、安定して、高出力な高調波出力を得ることができた。

（実施の形態２）
本実施の形態では、基本波のレーザ光源として半導体レーザを用いた、周期分極構造を有した波長変換素子を用いた高調波レーザ装置に関して述べる。図１１は実施の形態２のレーザ装置の構成図である。基本波のレーザ光源として、半導体レーザ９１を用いており、それ以外の構成においては、実施の形態１と同等であるため、構成の詳細説明は省略する。半導体レーザは、通常、横モード（空間モード）がマルチモードのものが多い。前述の通り、本願のレーザ光源の構成においては、効率の観点からは、基本波を発生するレーザ光源としては、縦モード／横モードともにシングルモードであることが望ましい。一部の半導体レーザにおいては、縦モード／横モードシングルのものが作られており、これら縦モード／横モードともにシングルモードの半導体レーザを用いた構成は可能であり、光源として半導体レーザを用いても良い。

（実施の形態３）
本実施の形態では、基本波のレーザ光源としてファイバレーザを用いた、周期分極構造を有した波長変換素子を用いた高調波レーザ装置に関して述べる。

図１２は実施の形態３のレーザ装置の構成図である。基本波のレーザ発生装置として、励起用半導体レーザ９２、高反射ファイバグレーティング９３、希土類ドープダブルクラッド偏波保持ファイバ９４、出力用ファイバグレーティング９５から構成するファイバレーザ光源を用いた構成とする。それ以外の構成に関しては、実施の形態１と同等であるため、詳細な説明は省略する。

本実施例の具体的な構成としては、９１５ｎｍのマルチモードの赤外半導体レーザを励起用レーザ９２として利用し、Ｙｂをドープしたパンダタイプのダブルクラッド偏波保持ファイバを希土類ドープダブルクラッド偏波保持ファイバ９４として利用した。ファイバグレーティングは１０６４ｎｍ反射のものを利用し、高反射ファイバグレーティング９３の反射率は９９％以上、出力用ファイバグレーティング９５は１０％の反射率として、ファイバグレーティング９３と９５で１０６４ｎｍの波長の共振器を構成した。

この構成をとることにより、Ｙｂをドープしたパンダタイプのダブルクラッド偏波保持ファイバが９１５ｎｍの励起光を吸収し、１０６４ｎｍの波長のレーザを発振する。ファイバレーザは縦モード、横モード共にシングルのレーザを発生するため、本願の基本波の光源には最適である。

本実施の形態３では、Ｙｂをドープした希土類ドープダブルクラッドファイバを利用したが、その他、ＮｄやＥｒをドープしたファイバを利用しても良い。また、共振器を構成するファイバグレーティングの波長を１０６４ｎｍとしたが、使用するファイバ種や、目的の波長に合わせて、ファイバグレーティングの波長を自由に選択できることは言うまでも無い。

本発明にかかるレーザ装置は、極めて高出力に波長変換レーザを安定的かつ高効率で発生する効果を有するので、高出力レーザを必要とする各種応用装置、例えばレーザ光源照明装置、レーザ光を用いた計測装置、あるいは医療分野等で利用される高出力レーザ光源として有用である。

実施の形態1の構成図 波長変換素子の原理構成図 実施の形態の構成において、動作を示す図 実施の形態の構成において、各位置での変換効率を示す図 従来例と本実施例における波長変換素子中の単位長さ辺りの変換効率の分布を示す図 波長選択膜の構成と動作を示す図 本実施例における波長選択膜の透過率の波長分散特性を示す図 波長選択膜の基本波の透過率と基本波のもれの割合の関係を示す図 波長選択膜の層数および構成材料と透過率の関係を示す図 本実施例と従来技術との高調波出力特性の比較を示す図 実施の形態２の構成図 実施の形態３の構成図 従来技術の構成を示す斜視図

符号の説明

１ 基本波を発生するレーザ光源
２ コリメートレンズ
３ 集光レンズ
４ 波長変換素子
５ 共焦点反射ミラー
１１ 基本波入射面
１２ 高調波出射面
１３ 放物面ミラー
１４ 平面ミラー
２１ 基本波とその高調波の両方を透過する反射防止膜
２２ 波長選択膜
２３ 波長選択膜
２４ 高調波反射膜
３１ 基本波
３２ 高調波
４１ 周期分極構造のＺ軸方向の分極
４２ 周期分極構造の分極反転部
６１ 低屈折率誘電体
６２ 高屈折率誘電体
９１ 半導体レーザ
９２ 励起用半導体レーザ
９３ 高反射ファイバグレーティング
９４ 希土類ドープダブルクラッド偏波保持ファイバ
９５ 出力用ファイバグレーティング

Claims (7)

1. 基本波を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から発生したレーザ光を略平行光とするためのコリメートレンズと、
   所望の焦点位置に前記平行光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズの出射側に配置された前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、
   前記波長変換素子から戻される前記基本波を反射し、且つ前記波長変換素子の高調波出射面と前記波長変換素子の中心とに前記基本波の焦点を結ぶための共焦点反射ミラーとを備えたレーザ装置。
2. 前記波長変換素子は、前記集光レンズの焦点位置に、その高調波出射面を配置した請求項1に記載のレーザ装置。
3. 前記波長変換素子は、その基本波入射面に基本波とその高調波の両方を透過する反射防止膜が形成され、前記基本波入射面と反対の位置にある高調波出射面に前記基本波を反射するとともに前記高調波を透過する波長選択膜を形成した請求項1に記載のレーザ装置。
4. 前記共焦点反射ミラーは、一方の面に前記波長選択膜を持つ放物面鏡が形成され、その反対の面に前記高調波を反射する高調波反射膜を持つ平面鏡が形成されている請求項1に記載のレーザ装置。
5. 前記共焦点反射ミラーは、前記波長変換素子の前記波長選択膜から反射される基本波を受ける様に、前記波長変換素子に対してその放物面鏡が形成された面を配置した請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記波長選択膜の基本波透過率が１％以下である請求項３ないしは請求項５記載のレーザ装置。
7. 前記波長選択膜が、少なくとも二種類以上の誘電体膜の積層構造からなり、前記誘電体膜の内で最も屈折率の低い誘電体膜の屈折率をｎ_L、最も屈折率の高い誘電体膜の屈折率をｎ_H、積層構造の積層数をSとすると、
   S × ｌｎ (ｎ_H／ｎ_L) ＞ 6
   の関係を満たす請求項６記載のレーザ装置。

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