JP2009031684A - Laser device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To correct a change of a beam shape caused by variation and inequality generated in a growth condition and a working process of a nonlinear optical crystal in a laser device. <P>SOLUTION: The laser device is provided with a light source 20, a nonlinear optical crystal 2, a lens group 30 having a positive focal length as a whole in a walk-off direction of the nonlinear optical crystal 2, a cylindrical lens 6 having a positive focal length in a direction nearly orthogonal to the walk-off direction and a cylindrical lens 8 having a positive focal length in the walk-off direction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、非線形光学結晶を用いて波長を変換するレーザー装置に関する。   The present invention relates to a laser device that converts a wavelength using a nonlinear optical crystal.

レーザー光は、一般に、電波よりも周波数が高いので情報収容能力が大きく、また、波長が同一であり位相がそろっているので単色性や指向性に優れ、通常の光線にみられない干渉性をもっている。さらに、極めて細く収束できるため、微小な面積にエネルギーを集中して、局部的、瞬間的に高温、高圧を実現できるなどの特徴を有している。このため、通信及び情報関係、計測関係、加工技術への応用、医学面への応用など、多方面に応用されている。
レーザー光の波長を変換して例えば第2高調波を発生することができる非線形光学結晶からなる波長変換素子は、例えば、半導体の微細加工に用いられるステッパなどの半導体露光装置に適用されるレーザー光源や、安定な高出力レーザー光を発振できるレーザー光発生装置などに採用されている。
Laser light is generally higher in frequency than radio waves, so it has a large capacity for information, and has the same wavelength and the same phase, so it has excellent monochromaticity and directivity, and has coherence not found in ordinary light. Yes. Furthermore, since it can be converged very finely, it has the characteristics that energy can be concentrated on a small area and high temperature and high pressure can be realized locally and instantaneously. For this reason, it is applied in various fields such as communication and information, measurement, processing technology, and medical applications.
A wavelength conversion element made of a nonlinear optical crystal capable of converting a wavelength of laser light to generate, for example, a second harmonic, is a laser light source applied to a semiconductor exposure apparatus such as a stepper used for fine processing of semiconductors, for example. And laser light generators that can oscillate stable high-power laser light.

近年、このようなレーザー光源やレーザー光発生装置(例えば、半導体検査装置に用いられる光源)に関して、レーザー光の高出力化、短波長化の研究がなされている。
レーザー光の高出力化、短波長化を達成する手段として、現在、様々な手法が取られているが、これらの中で最も有望なものの一つに、固体レーザーからの出力光を非線形光学結晶の波長変換により短波長化し、短波長領域、特に紫外光領域のレーザー光を得る方法が挙げられる。固体レーザーは、半導体レーザーよりも、高効率でかつ安価に提供することが可能であり、また、KrFやArF等を用いるガスレーザーに比べて信頼性が高いと考えられる。
In recent years, regarding such a laser light source and a laser light generator (for example, a light source used in a semiconductor inspection apparatus), research on increasing the output power and shortening the wavelength of laser light has been made.
Various methods are currently being used to achieve higher output and shorter wavelength of laser light. One of the most promising methods is to use output light from a solid-state laser as a nonlinear optical crystal. There is a method of obtaining a laser beam in a short wavelength region, particularly an ultraviolet light region by shortening the wavelength by the wavelength conversion. Solid lasers can be provided more efficiently and cheaply than semiconductor lasers, and are considered to be more reliable than gas lasers using KrF, ArF, or the like.

ここで、例えば、波長1064nmのレーザー光を発振するネオジム:イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザー(以下、Nd:YAGレーザーと称する。)の第4高調波、すなわち、波長266nmのレーザー光は、小型化が可能で比較的安価にて供給されるため、次世代半導体検査装置の光源や、青色波長帯域の記録再生用光を用いる次世代光記録媒体のマスタリング用光源等として有望である。   Here, for example, the fourth harmonic of a neodymium: yttrium aluminum garnet laser (hereinafter referred to as an Nd: YAG laser) that oscillates a laser beam having a wavelength of 1064 nm, that is, a laser beam having a wavelength of 266 nm is reduced in size. Since it is possible and supplied at a relatively low cost, it is promising as a light source for a next-generation semiconductor inspection apparatus, a light source for mastering a next-generation optical recording medium using recording / reproducing light in the blue wavelength band, and the like.

実際に波長266nmの深紫外線レーザー光を得るには、まず、波長1064nmの基本波からのSHG(Second Harmonic Generation:第2高調波発生)により波長532nmの第2高調波を得、さらにSHGによって、半分の波長を有する波長266nm、すなわち第4高調波のレーザー光を得るという方法が実施されている。   In order to actually obtain a deep ultraviolet laser beam having a wavelength of 266 nm, first, a second harmonic having a wavelength of 532 nm is obtained by SHG (Second Harmonic Generation) from a fundamental wave having a wavelength of 1064 nm, and further, by SHG, A method of obtaining a laser beam having a wavelength of 266 nm having a half wavelength, that is, a fourth harmonic is being implemented.

この第4高調波の発生過程を、図18を参照して説明する。
図18に示すように、Nd:YAGレーザー発振器等の光源(図示を省略する)から発振された波長1064nmのレーザー光Laは、非線形光学結晶101、例えばホウ酸リチウム結晶(以下、LBO結晶と称する)を通過する。この際、第2高調波である波長532nmのレーザー光Lbが発生する。次に非線形光学結晶101から出射されるレーザー光Lbは別の非線形光学結晶102、例えばβ‐ホウ酸バリウム結晶(以下、BBO結晶と称する)を通過して、第4高調波である波長266nmのレーザー光Lcが発生する。
The process of generating the fourth harmonic will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 18, a laser beam La having a wavelength of 1064 nm oscillated from a light source (not shown) such as an Nd: YAG laser oscillator is a nonlinear optical crystal 101, for example, a lithium borate crystal (hereinafter referred to as an LBO crystal). ) At this time, a laser beam Lb having a wavelength of 532 nm, which is the second harmonic, is generated. Next, the laser light Lb emitted from the nonlinear optical crystal 101 passes through another nonlinear optical crystal 102, for example, a β-barium borate crystal (hereinafter referred to as a BBO crystal), and has a wavelength of 266 nm which is the fourth harmonic. Laser light Lc is generated.

図19は、波長532nmのレーザー光が波長266nmのレーザー光に変換される過程を示す説明図である。この例においては波長532nmのレーザー光を基本波、波長266nmのレーザー光をその第2高調波として説明する。基本波である波長532nmのレーザー光Lbは、レーザー光入射面103Aから非線形光学結晶103に入射し、非線形光学結晶103中で第2高調波の266nmのレーザー光を発生させながら光軸方向(すなわち図中z方向)に進行する。発生した波長266nmのレーザー光は結晶中で異常光線となるため基本波と別の方向、すなわちウォークオフ方向へとずれて進行する。このため、第2高調波である波長266nmのレーザー光はウォークオフを生じる。図19中、光軸に沿う光の進行方向をz方向、ウォークオフ方向をx方向、これらと直交する方向をy方向としてそれぞれ矢印で示す。   FIG. 19 is an explanatory diagram illustrating a process in which laser light having a wavelength of 532 nm is converted into laser light having a wavelength of 266 nm. In this example, laser light having a wavelength of 532 nm will be described as a fundamental wave, and laser light having a wavelength of 266 nm will be described as its second harmonic. A laser beam Lb having a wavelength of 532 nm, which is a fundamental wave, is incident on the nonlinear optical crystal 103 from the laser beam incident surface 103A and generates a second harmonic 266 nm laser beam in the nonlinear optical crystal 103 (that is, the optical axis direction (that is, It proceeds in the z direction in the figure. The generated laser beam with a wavelength of 266 nm becomes an extraordinary ray in the crystal and thus travels in a direction different from the fundamental wave, that is, in the walk-off direction. For this reason, laser light having a wavelength of 266 nm, which is the second harmonic, causes a walk-off. In FIG. 19, the traveling direction of light along the optical axis is indicated by arrows with the z direction, the walk-off direction as the x direction, and the direction orthogonal to these as the y direction.

このため、波長266nmのレーザー光は非線形光学結晶103中を伝搬する間にウォークオフ方向(図中x方向)に広がっていく。一方、ウォークオフの生じない方向(すなわち図中y方向)については、ほぼ広がりは生じない。したがって図19に示すように、入射レーザー光Lbがほぼ円形をなす場合、非線形光学結晶103の出射面103Bから出射される波長266nmのレーザー光Lcは、レーザー出射面103Bではウォークオフ方向(すなわち、図中x方向)に偏平なビーム形状となる。   For this reason, the laser beam having a wavelength of 266 nm spreads in the walk-off direction (x direction in the figure) while propagating through the nonlinear optical crystal 103. On the other hand, the direction in which no walk-off occurs (that is, the y direction in the figure) does not substantially expand. Accordingly, as shown in FIG. 19, when the incident laser beam Lb is substantially circular, the laser beam Lc having a wavelength of 266 nm emitted from the exit surface 103B of the nonlinear optical crystal 103 is in the walk-off direction (ie, the laser exit surface 103B) The beam shape is flat in the x direction in the figure.

出射される波長266nmのレーザー光のプロファイルは、図中y方向についてはガウシアン分布となるが、x方向については、トップハット形状となる。このように、ウォークオフによりビームプロファイルがトップハット形状となる概念図を図20に示す。図20においては、横軸をx方向とし、非線形光学結晶の入射面である入射位置p1から出射面である出射位置p8までの各位置p1〜p8における各ビームプロファイルを示し、縦軸は強度(任意単位)である。入射位置p1で発生した波長266nmのレーザー光は、この入射位置p1付近ではガウシアン分布である。そして出射位置p8に向かって基本波が光軸方向に伝搬しながら各位置で波長266nmの第2高調波が発生する。各位置で発生した第2高調波レーザー光は次々にウォークオフによりx方向にずれながら進行する。このため、これらが重なり合い、出射位置p8では結果的に横方向に広がり、強度がある範囲で一定となるいわゆるトップハット形状のビームプロファイルとなる。ただし、完全なトップハット形状ではなく、両端はそれぞれガウシアン分布の片側の形状となる。   The profile of the emitted laser beam having a wavelength of 266 nm has a Gaussian distribution in the y direction in the figure, but has a top hat shape in the x direction. FIG. 20 shows a conceptual diagram in which the beam profile becomes a top hat shape by the walk-off. In FIG. 20, the horizontal axis represents the x direction, and each beam profile at each of the positions p1 to p8 from the incident position p1 that is the incident surface of the nonlinear optical crystal to the output position p8 that is the output surface is shown. Arbitrary unit). The laser beam having a wavelength of 266 nm generated at the incident position p1 has a Gaussian distribution in the vicinity of the incident position p1. Then, a second harmonic wave having a wavelength of 266 nm is generated at each position while the fundamental wave propagates in the optical axis direction toward the emission position p8. The second harmonic laser beam generated at each position proceeds while being shifted in the x direction by walk-off one after another. For this reason, they overlap, resulting in a beam profile having a so-called top hat shape that spreads in the lateral direction as a result at the emission position p8 and becomes constant within a certain range. However, it is not a complete top hat shape, and both ends have a shape on one side of a Gaussian distribution.

波長266nmにおけるBBO結晶のウォークオフ角は4.8°である。また、結晶の長さは、変換された波長266nmのレーザー光の必要な出力を得るため、6mm程度である。
ウォークオフ角をα、結晶の長さをlzとすると、x方向のビームの長さωxは下記の式(1)で表される。
ωx=tanα×lz・・・(1)
したがって、x方向のビームの長さはtan4.8°×6mm=0.5mmとなる。
The walk-off angle of the BBO crystal at a wavelength of 266 nm is 4.8 °. The length of the crystal is about 6 mm in order to obtain the necessary output of the converted laser beam having a wavelength of 266 nm.
Assuming that the walk-off angle is α and the crystal length is lz, the beam length ωx in the x direction is expressed by the following equation (1).
ωx = tan α × lz (1)
Therefore, the length of the beam in the x direction is tan 4.8 ° × 6 mm = 0.5 mm.

例えば、波長532nmの基本波がビーム径90μmの円形のガウシアンビームで長さlz=6mmのBBO結晶に入射すると、発生した波長266nmのレーザー光のy方向のビーム径は64μm程度となり、x方向のビーム径は上記の通り0.5mmとなる。x方向のビームプロファイルはウォークオフにより両端にガウシアン分布の片側の形状を持った形状、すなわち図20において説明したトップハット形状となる。   For example, when a fundamental wave with a wavelength of 532 nm is incident on a BBO crystal with a length of 1z = 6 mm as a circular Gaussian beam with a beam diameter of 90 μm, the beam diameter in the y direction of the generated laser light with a wavelength of 266 nm is about 64 μm, The beam diameter is 0.5 mm as described above. The beam profile in the x direction becomes a shape having a shape of one side of the Gaussian distribution at both ends by the walk-off, that is, the top hat shape described in FIG.

BBO結晶から出射された波長266nmのレーザー光は、ニアフィールドではx方向の長さが0.5mm、y方向の長さが64μmのx方向に長い形状であり、x方向よりもy方向の発散角が大きいためにファーフィールドにおいては、y方向に長い形状となる。装置などの光源として使用する場合、このままの形状のビームでは利用しづらい。このため、ビーム整形光学系にてコリメートされた縦横比1:1のビームとして射出するのが望ましい。   The laser beam having a wavelength of 266 nm emitted from the BBO crystal has a shape that is longer in the x direction in the near field, with a length in the x direction of 0.5 mm and a length in the y direction of 64 μm. Since the corner is large, the far field has a long shape in the y direction. When used as a light source for an apparatus or the like, it is difficult to use a beam of this shape. For this reason, it is desirable to emit as a beam having an aspect ratio of 1: 1 collimated by the beam shaping optical system.

従来においては、このようにビームを整形するには例えばアナモルフィックプリズムペアによって縦横比1:1のビームを得ている(例えば特許文献1参照。)。アナモルフィックプリズムペアを用いる場合の構成図を図21に示す。この場合、非線形光学結晶104より射出したビームが共振器ミラー105を通り、レンズ106にてx方向、y方向のビームがコリメートされ、アナモルフィックプリズム107及び108(アナモルフィックプリズムペア)によってx方向のみが拡大される。これにより、縦横比1:1としたビームを得る。
アナモルフックプリズムは通常、2枚または4枚の偏角プリズムから構成され、予め設定された拡大または縮小率となるように個々のプリズムの角度や位置が調整されたうえで固定されている。
Conventionally, in order to shape the beam in this way, a beam having an aspect ratio of 1: 1 is obtained by, for example, an anamorphic prism pair (see, for example, Patent Document 1). FIG. 21 shows a configuration diagram when an anamorphic prism pair is used. In this case, the beam emitted from the nonlinear optical crystal 104 passes through the resonator mirror 105, and the beam in the x direction and the y direction is collimated by the lens 106, and x by the anamorphic prisms 107 and 108 (anamorphic prism pair). Only the direction is magnified. Thereby, a beam having an aspect ratio of 1: 1 is obtained.
The anamorphic prism is usually composed of two or four declination prisms, and is fixed after adjusting the angle and position of each prism so as to obtain a preset enlargement or reduction ratio.

特開2002−62555号公報JP 2002-62555 A

本発明者等は、上述した波長変換を行うレーザー装置においては、非線形光学結晶例えばBBO結晶に入射する基本波のビームパラメータや、非線形光学結晶の温度、位相整合などが同一条件の場合でも、出力される第2高調波のビームパラメータにばらつきが生じることを見出した。ここでビームパラメータとは、ビーム形状、もしくはビームの強度分布、またはビーム発散角を示す。この原因は、結晶の育成条件や加工工程により、下記の(a)〜(e)等が生じるためだと考えられる。
(a)内部屈折率の不均一性
(b)光軸方向の長さの加工精度による光路長のばらつき
(c)内部散乱体の影響
(d)内部吸収率の不均一性
(e)位相整合条件のばらつき
このようなビームパラメータのばらつきは特にx方向で顕著である。
In the laser apparatus that performs wavelength conversion as described above, the present inventors output even if the beam parameters of the fundamental wave incident on the nonlinear optical crystal, for example, the BBO crystal, the temperature of the nonlinear optical crystal, and the phase matching are the same conditions. It has been found that the second harmonic beam parameter varies. Here, the beam parameter indicates a beam shape, a beam intensity distribution, or a beam divergence angle. This is considered to be because the following (a) to (e) are caused by the crystal growth conditions and processing steps.
(A) Nonuniformity of internal refractive index (b) Variation of optical path length due to processing accuracy of length in optical axis direction (c) Influence of internal scatterer (d) Nonuniformity of internal absorption rate (e) Phase matching Variation in Conditions Such variation in beam parameters is particularly remarkable in the x direction.

たとえば、結晶の長さが光軸方向に設計値からずれた場合、すなわち上記(b)の場合を考える。設計上の結晶の長さが6.0mmであったときはx方向のビーム径が上記のように0.5mmである。ところが製造工程において例えば結晶の長さに−0.3mmの誤差が生じ、結晶の長さが5.7mmとなったとすると、式1から、x方向のビーム径は0.48mmとなり、5%縮小する。一方、y方向にはウォークオフがなく、結晶内における基本波のビーム径により、発生する第2高調波のビーム径が決まるため、結晶の長さにはほとんど影響されない。したがってたとえば結晶の長さに誤差があれば、ビームの縦横比が1:1となるように設計されたビーム整形光学系を通過すると、出力されるビームが縦横比1:1からずれてしまう。これを補正して縦横比1:1のビームとするには、例えばアナモルフィックプリズムの拡大率を変化させることが考えられる。しかし通常、アナモルフィックプリズムは、ある決められた角度・位置に接着あるいは金枠などに固定されているため、ビームのばらつきに対応させて拡大率を変化させることは困難である。   For example, consider the case where the length of the crystal deviates from the design value in the optical axis direction, that is, the case of (b) above. When the length of the designed crystal is 6.0 mm, the beam diameter in the x direction is 0.5 mm as described above. However, if, for example, an error of -0.3 mm occurs in the length of the crystal in the manufacturing process and the length of the crystal becomes 5.7 mm, the beam diameter in the x direction becomes 0.48 mm from Equation 1 and is reduced by 5%. To do. On the other hand, since there is no walk-off in the y direction and the beam diameter of the second harmonic generated is determined by the beam diameter of the fundamental wave in the crystal, it is hardly affected by the length of the crystal. Therefore, for example, if there is an error in the length of the crystal, the output beam deviates from 1: 1 when passing through a beam shaping optical system designed so that the aspect ratio of the beam is 1: 1. In order to correct this and obtain a beam with an aspect ratio of 1: 1, for example, it is conceivable to change the magnification of the anamorphic prism. However, since the anamorphic prism is usually bonded or fixed to a metal frame or the like at a predetermined angle and position, it is difficult to change the magnification according to the variation of the beam.

このような理由から、従来は、x方向のビームパラメータのばらつきによる縦横比の調整ができないという問題がある。
その他の上記(a)、(c)、(d)、(e)の理由によってもx方向のビーム径が変化し、出力されるビームが縦横比1:1からずれてしまう。
For these reasons, there is a problem that the aspect ratio cannot be adjusted due to variations in beam parameters in the x direction.
The beam diameter in the x direction also changes due to the other reasons (a), (c), (d), and (e), and the output beam deviates from an aspect ratio of 1: 1.

また、本発明者等は、ある条件下、例えば500mW以上の出力とするときにおいては第2高調波のビームパラメータが数分から数時間の間で経時変化することも発見した。この経時変化もx方向で顕著である。アナモルフィックプリズムを用いたビーム整形光学系を用いた場合、たとえ経時変化を起こす前のビームの縦横比を1:1に調整したとしても、ビームパラメータの経時変化によって1:1からずれてしまう。アナモルフィックプリズムは前述のように拡大率を変化させることができないため、これを補正することができない。   In addition, the present inventors have also found that the beam parameter of the second harmonic changes with time between several minutes to several hours under certain conditions, for example, when the output is 500 mW or more. This change with time is also remarkable in the x direction. When a beam shaping optical system using an anamorphic prism is used, even if the beam aspect ratio before the change with time is adjusted to 1: 1, the beam parameter deviates from 1: 1 due to the change with time of the beam parameter. . Since the anamorphic prism cannot change the enlargement ratio as described above, this cannot be corrected.

更に、本発明者等は、ビームパラメータのみでなく、ビームポインティングも変化することを発見した。これは、非線形光学結晶が基本波および第2高調波を吸収することで熱レンズ効果が発生することが原因である。一例として、第2高調波のビームポインティングが変動する様子を図22に示す。このように、ビームポインティングが変化すると、たとえば光軸上に設置されたアパーチャーによりビームがけられ、有効なパワーが減少してしまうという問題がある。   Furthermore, the present inventors have found that not only beam parameters but also beam pointing changes. This is because the nonlinear optical crystal absorbs the fundamental wave and the second harmonic to generate a thermal lens effect. As an example, FIG. 22 shows how the beam pointing of the second harmonic fluctuates. As described above, when the beam pointing is changed, for example, the beam is formed by the aperture installed on the optical axis, and the effective power is reduced.

以上の問題に鑑みて、本発明は、非線形光学結晶により波長変換を行うにあたって、非線形光学結晶の育成条件や加工工程において生じるばらつきや不均一性に起因するビーム形状の変化を補正することが可能なレーザー装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention can correct changes in the beam shape caused by variations or non-uniformity in the growth conditions of the nonlinear optical crystal and processing steps when performing wavelength conversion using the nonlinear optical crystal. It is an object to provide a simple laser device.

上記課題を解決するため、本発明によるレーザー装置は、光源と、非線形光学結晶と、非線形光学結晶のウォークオフ方向に全体として正の焦点距離を持つレンズ群と、ウォークオフ方向と略直交する方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズと、ウォークオフ方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズと、を備える。   In order to solve the above problems, a laser apparatus according to the present invention includes a light source, a nonlinear optical crystal, a lens group having a positive focal length as a whole in the walk-off direction of the nonlinear optical crystal, and a direction substantially orthogonal to the walk-off direction. A cylindrical lens having a positive focal length and a cylindrical lens having a positive focal length in the walk-off direction.

本発明のレーザー装置において、レンズ群及びシリンドリカルレンズのうち1以上の面間隔を可変とすることが望ましい。
更に、本発明のレーザー装置においては、前記レーザー装置の内部に形成される前記ウォークオフ方向のビームウェスト位置近傍に、ウォークオフ方向と略直交する方向に延長するスリットを設ける。
このスリットを設ける場合は、レンズ群、シリンドリカルレンズ及びスリットのうち1以上の面間隔を可変とすることが望ましい。
In the laser apparatus of the present invention, it is desirable that one or more surface intervals of the lens group and the cylindrical lens are variable.
Furthermore, in the laser device of the present invention, a slit extending in a direction substantially perpendicular to the walk-off direction is provided in the vicinity of the beam waist position in the walk-off direction formed inside the laser device.
When this slit is provided, it is desirable that one or more surface intervals of the lens group, the cylindrical lens, and the slit be variable.

上述の本発明のレーザー装置において非線形光学結晶から出射される第2高調波は、全体としてウォークオフ方向に正の焦点距離を持つレンズ群により集光され、ビームウェストを形成する。そしてウォークオフ方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズによりコリメートされる。非線形光学結晶より射出するウォークオフ方向のプロファイルはトップハット形状をしているため、上記レンズ群にて形成されるビームはトップハットのフーリエ変換であるsincx関数の形状となる。このビームウェストがウォークオフ方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズによりコリメートされると、再びフーリエ変換されることによりトップハット形状のビームに戻る。一方、ウォークオフ方向に直交する方向の成分については、このウォークオフ方向と直交する方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズによってコリメートされる。
したがって、上記のレンズ群、シリンドリカルレンズの位置を調整することによって、非線形光学結晶の育成条件や加工工程において生じるばらつきや不均一性に起因するビームの形状の変化を抑え、良好なビーム形状の第2高調波を出射することが可能となる。
The second harmonic emitted from the nonlinear optical crystal in the above-described laser device of the present invention is collected by a lens group having a positive focal length in the walk-off direction as a whole to form a beam waist. Then, it is collimated by a cylindrical lens having a positive focal length in the walk-off direction. Since the profile in the walk-off direction emitted from the nonlinear optical crystal has a top hat shape, the beam formed by the lens group has a shape of a sinc 2 x function that is a Fourier transform of the top hat. When this beam waist is collimated by a cylindrical lens having a positive focal length in the walk-off direction, the beam waist is again Fourier transformed to return to a top-hat shaped beam. On the other hand, the component in the direction orthogonal to the walk-off direction is collimated by a cylindrical lens having a positive focal length in the direction orthogonal to the walk-off direction.
Therefore, by adjusting the positions of the above-mentioned lens group and cylindrical lens, it is possible to suppress changes in the shape of the beam due to variations or non-uniformities in the growth conditions and processing steps of the nonlinear optical crystal, and to achieve a good beam shape. It becomes possible to emit the second harmonic.

またこの構成において、上記のレンズ群、シリンドリカルレンズの面間隔を可変とする場合、すなわち例えば光軸に沿う方向に移動調整が可能なステージ上等にレンズ群等を配置することによって、きわめて簡易な作業によりビーム形状の補正を行うことが可能となる。   Further, in this configuration, when the distance between the surfaces of the lens group and the cylindrical lens is variable, that is, for example, by arranging the lens group on a stage that can be moved and adjusted in the direction along the optical axis. The beam shape can be corrected by the work.

また、ビームウェスト位置近傍において、ウォークオフ方向と直交する方向に延長するスリットを設ける場合は、このスリットを通すことでビームの中央部のピークのみ残し、両脇のサイドローブを遮ることができる。したがって、得られるビームの形状をガウシアンビームに近い形状とすることができ、高品質のビームを出力することができる。
このようにスリットを設ける場合は、レンズ群、シリンドリカルレンズ及びこのスリットのうち1以上の面間隔を可変とすることによって、同様に、きわめて簡易な作業によりビーム形状の補正を行うことが可能となる。
本発明のレーザー装置によれば、上述した非線形光学結晶の育成条件や加工に起因するビーム形状の変化に加え、経時変化や出力変化により生じるビーム形状の変化を補正することも可能となる。
Further, when a slit extending in the direction orthogonal to the walk-off direction is provided in the vicinity of the beam waist position, by passing through this slit, only the peak at the center of the beam is left and the side lobes on both sides can be blocked. Therefore, the shape of the obtained beam can be made close to a Gaussian beam, and a high-quality beam can be output.
In the case where the slit is provided in this way, it is possible to correct the beam shape by a very simple operation by changing the lens group, the cylindrical lens, and one or more surface intervals of the slit. .
According to the laser apparatus of the present invention, in addition to the beam shape change caused by the growth conditions and processing of the nonlinear optical crystal described above, it is also possible to correct the beam shape change caused by the change with time and the output change.

本発明のレーザー装置によれば、非線形光学結晶による波長変換レーザーにおいて、非線形光学結晶の育成条件や加工に起因するビーム形状の変化を補正し、所望の縦横比に調整することができる。   According to the laser apparatus of the present invention, in a wavelength conversion laser using a nonlinear optical crystal, it is possible to correct a change in beam shape caused by growth conditions or processing of the nonlinear optical crystal and adjust it to a desired aspect ratio.

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。
[1]第1の実施の形態例
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係るレーザー装置の構成と作用を説明する。図1に示すように、このレーザー装置50は、基本波レーザー光を出射する光源20と、非線形光学結晶2とを備える。図1及び以下の各図においては、前述の図19及び図21と同様に、非線形光学結晶2のウォークオフ方向をx方向として示し、これとは直交する方向をy方向、また光軸に沿う光の進行方向をz方向として示す。そしてこのレーザー装置50においては、非線形光学結晶2のウォークオフ方向、すなわちx方向に全体として正の焦点距離を持つレンズ群30、この例においてはレンズ3及び4と、ウォークオフ方向と略直交する方向すなわちy方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズ6と、ウォークオフ方向すなわちx方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズ8とを備える。
この例においては、光源20から出射される基本波を非線形光学結晶2に集光するレンズ10を光源20と非線形光学結晶2との間に配置する。
また、この場合、レーザー装置の内部に形成される前記ウォークオフ方向のビームウェスト位置の近傍に、ウォークオフ方向と略直交する方向すなわちy方向に延長するスリット7を設ける。
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.
[1] First Embodiment First, the configuration and operation of a laser apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the laser device 50 includes a light source 20 that emits a fundamental laser beam and a nonlinear optical crystal 2. In FIG. 1 and the following drawings, the walk-off direction of the nonlinear optical crystal 2 is shown as the x direction, and the direction orthogonal to this is along the y direction and along the optical axis, as in FIGS. 19 and 21 described above. The traveling direction of light is shown as the z direction. In the laser device 50, the lens group 30 having a positive focal length as a whole in the walk-off direction of the nonlinear optical crystal 2, that is, the x direction, in this example, the lenses 3 and 4 are substantially orthogonal to the walk-off direction. A cylindrical lens 6 having a positive focal length in the direction, that is, the y direction, and a cylindrical lens 8 having a positive focal length in the walk-off direction, that is, the x direction are provided.
In this example, a lens 10 that condenses the fundamental wave emitted from the light source 20 on the nonlinear optical crystal 2 is disposed between the light source 20 and the nonlinear optical crystal 2.
In this case, a slit 7 extending in the direction substantially orthogonal to the walk-off direction, that is, the y-direction, is provided in the vicinity of the beam waist position in the walk-off direction formed inside the laser device.

本発明のレーザー装置に用いる非線形光学結晶としては、一般的な非線形光学結晶、又は非線形光学結晶に周期分極反転処理等の加工を施した非線形光学素子を利用することができる。波長変換の種類は例えば、SHG(第2高調波発生)、THG(第3高調波発生)等、或いは、和周波発生や光パラメトリック発振等がある。使用材料としては、KTiOPO(KTP)、β−BaB(BBO)、LiB(LBO)、LiTaO、LiNbO、そのコングルーエント(一様融液)組成、そのストイキオメトリック(化学量論的)組成や、Mg、Zn等の添加物を添加した材料が挙げられる。 As the nonlinear optical crystal used in the laser apparatus of the present invention, a general nonlinear optical crystal or a nonlinear optical element obtained by subjecting the nonlinear optical crystal to processing such as periodic polarization inversion processing can be used. Examples of wavelength conversion include SHG (second harmonic generation), THG (third harmonic generation), etc., or sum frequency generation, optical parametric oscillation, and the like. The materials used include KTiOPO 4 (KTP), β-BaB 2 O 4 (BBO), LiB 3 O 5 (LBO), LiTaO 3 , LiNbO 3 , their congruent (uniform melt) composition, their stoichiometric properties. Examples include a metric (stoichiometric) composition and materials to which additives such as Mg and Zn are added.

例えば、C−LiNbO、C−LiTaO、S−LiNbO、S−LiTaO、MgO:C−LiNbO、MgO:C−LiTaO、ZnO:C−LiNbO、ZnO:C−LiTaO、MgO:S−LiNbO、MgO:S−LiTaO、ZnO:S−LiNbO、ZnO:S−LiTaO、などの結晶材料を用いることができる。
また、それらに分極反転処理をほどこした、PP−C−LiNbO、PP−C−LiTaO、PP−S−LiNbO、PP−S−LiTaO(PPLST)、PP−MgO:C−LiNbO、PP−MgO:C−LiTaO、PP−ZnO:C−LiNbO、PP−ZnO:C−LiTaO、PP−MgO:S−LiNbO、PP−MgO:S−LiTaO、PP−ZnO:S−LiNbO、PP−ZnO:S−LiTaO、PP−KTiOPOなどの結晶素子を挙げることができる。
For example, C—LiNbO 3 , C—LiTaO 3 , S—LiNbO 3 , S—LiTaO 3 , MgO: C—LiNbO 3 , MgO: C—LiTaO 3 , ZnO: C—LiNbO 3 , ZnO: C—LiTaO 3 , Crystal materials such as MgO: S—LiNbO 3 , MgO: S—LiTaO 3 , ZnO: S—LiNbO 3 , ZnO: S—LiTaO 3 can be used.
They also in Hodokoshita polarization reversal processing, PP-C-LiNbO 3, PP-C-LiTaO 3, PP-S-LiNbO 3, PP-S-LiTaO 3 (PPLST), PP-MgO: C-LiNbO 3 , PP-MgO: C-LiTaO 3, PP-ZnO: C-LiNbO 3, PP-ZnO: C-LiTaO 3, PP-MgO: S-LiNbO 3, PP-MgO: S-LiTaO 3, PP-ZnO: S-LiNbO 3, PP-ZnO : it can be mentioned crystalline element such as S-LiTaO 3, PP-KTiOPO 4.

なおここで、「C」は「congruent(一様融液)組成」、「S」は「Stoichiometric(化学量論的)組成」を意味する。また、「PP」は「Periodical Poling(周期分極反転)」を意味し、非線形光学結晶に対し電圧印加等による周期分極制御により周期分極反転構造をもつ非線形光学素子が得られる。これらの材料は、使用波長に合わせて、位相整合条件を満たす適切な角度で加工され、あるいは適切な周期分極反転構造を作ることによって(擬似)位相整合条件が満たされる。   Here, “C” means “congruent composition” and “S” means “Stoichiometric composition”. “PP” means “Periodical Poling”, and a nonlinear optical element having a periodically poled structure can be obtained by controlling the periodically polarized light by applying voltage to the nonlinear optical crystal. These materials are processed at an appropriate angle satisfying the phase matching condition according to the wavelength used, or the (pseudo) phase matching condition is satisfied by making an appropriate periodic polarization inversion structure.

上述の構成のレーザー装置50において、光源20から出射される基本波のレーザービームはレンズ10により非線形光学結晶2に集光される。ここで基本波は波長変換され第2高調波となり、非線形光学結晶2の出射面から発する。このとき第2高調波は、前述の図20において説明したように、非線形光学結晶2内で進行する際に各位置でウォークオフ方向に発生するので、出射された第2高調波のx方向のプロファイルはトップハットに近い形状となる。図2においては、このトップハット形状のビーム強度を立体的に表わす。   In the laser apparatus 50 having the above-described configuration, the fundamental laser beam emitted from the light source 20 is focused on the nonlinear optical crystal 2 by the lens 10. Here, the fundamental wave is wavelength-converted to become a second harmonic, and is emitted from the exit surface of the nonlinear optical crystal 2. At this time, the second harmonic is generated in the walk-off direction at each position when traveling in the nonlinear optical crystal 2 as described above with reference to FIG. The profile has a shape close to a top hat. In FIG. 2, the beam intensity of the top hat shape is three-dimensionally represented.

この波長変換されたレーザービームの伝搬は以下の通りである。まず波長変換されたビームのx方向すなわちウォークオフ方向の成分のビームについて説明する。非線形光学結晶2の出射面から発したビームは、この場合x方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ3と負のシリンドリカルレンズ4の組合せによるレンズ群30により集光され、ビームウェストを点Wで示す位置に形成する。そしてx方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ8によりコリメートされる。非線形光学結晶2より射出するx方向のプロファイルは前述の図20において説明したトップハット形状であるため、シリンドリカルレンズの組合せによるレンズ群30にて形成されるビームはトップハットのフーリエ変換であるsincx関数の形状となる。このビーム形状を図3Aに模式的に示す。このビームウェストがシリンドリカルレンズ8によりコリメートされると、再びフーリエ変換されることによりトップハット形状のビームに戻る。 The propagation of the wavelength-converted laser beam is as follows. First, the x-direction beam of the wavelength-converted beam, that is, the walk-off component beam will be described. In this case, the beam emitted from the exit surface of the nonlinear optical crystal 2 is condensed by the lens group 30 of the combination of the positive cylindrical lens 3 and the negative cylindrical lens 4 having curvature in the x direction, and the beam waist is indicated by a point W. Form in position. Then, it is collimated by a positive cylindrical lens 8 having a curvature in the x direction. Since the profile in the x direction emitted from the nonlinear optical crystal 2 has the top hat shape described with reference to FIG. 20, the beam formed by the lens group 30 by the combination of the cylindrical lenses is sinc 2 which is the Fourier transform of the top hat. The shape is an x function. This beam shape is schematically shown in FIG. 3A. When this beam waist is collimated by the cylindrical lens 8, it is again Fourier transformed to return to a top hat shaped beam.

ビームウェスト位置Wにおいて、図3Aに示すビームの中央部のピークのみ残し、両脇の小さなピーク(サイドローブ)を図3Bに示すようにy方向に延長するスリット7で遮ると、図3Cに示すように、サイドローブを消去したガウシアンビームに近い形状となる。こうすることによって、これより先のビームはガウシアンビームと同等に伝搬し、高品質のビームを得ることができる。
なお、スリットはビームウェスト位置近傍であればよく、すなわち、上述のサイドローブを消去し得る範囲であれば、ビームウェスト位置から多少ずれていてもよい。
In the beam waist position W, only the peak at the center of the beam shown in FIG. 3A is left, and small peaks (side lobes) on both sides are blocked by the slits 7 extending in the y direction as shown in FIG. 3B. Thus, the shape is close to that of a Gaussian beam from which side lobes have been eliminated. By doing so, the beam ahead is propagated in the same manner as the Gaussian beam, and a high-quality beam can be obtained.
The slit may be in the vicinity of the beam waist position, that is, may be slightly deviated from the beam waist position as long as the side lobe described above can be erased.

次にy方向すなわちウォークオフ方向に直交する方向の成分のビーム伝搬について説明する。非線形光学結晶2の射出面から発したビームは、y方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ6によってコリメートされる。   Next, beam propagation of a component in the direction perpendicular to the y direction, that is, the walk-off direction will be described. The beam emitted from the exit surface of the nonlinear optical crystal 2 is collimated by a positive cylindrical lens 6 having a curvature in the y direction.

図4においては、x方向とy方向のビーム径を等しくした場合、すなわち縦横比を1:1としたビーム強度を立体的に表した図を示す。なお、ビーム径とは、ピークパワー密度に対して1/eとなるビームの直径のことである。
なお、x方向及びy方向のビームはそれぞれ、y方向及びx方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを通過するが、曲率を持つ方向に直交する成分に対しては集光または発散の作用がないので説明を省略する。
FIG. 4 shows a three-dimensional representation of the beam intensity when the beam diameters in the x and y directions are equal, that is, the aspect ratio is 1: 1. The beam diameter is a beam diameter that is 1 / e 2 with respect to the peak power density.
The beams in the x direction and the y direction pass through cylindrical lenses having curvatures in the y direction and the x direction, respectively, but there is no condensing or diverging effect on components orthogonal to the direction having the curvature. Is omitted.

ところで、x方向に曲率を持つ正と負のシリンドリカルレンズ3及び4を有するレンズ群30のレンズ間隔Lを可変とすると、x方向の合成焦点距離を変化させることができる。非線形光学結晶2より発する第2高調波ビームのx方向のビーム径にばらつきがあったとしても、スリット7を設ける位置Wに形成されるビームウェスト径をある一定の値(設計値)に調整することができる。スリット7におけるビームウェスト径が一定であれば、コリメートレンズ8によってコリメートされるビーム径も一定となるため、コリメートされたx方向とy方向のビーム径の比率(縦横比)を容易に所望の値(例えば1:1)にすることができる。   By the way, if the lens interval L of the lens group 30 having the positive and negative cylindrical lenses 3 and 4 having curvature in the x direction is variable, the combined focal length in the x direction can be changed. Even if the beam diameter in the x direction of the second harmonic beam emitted from the nonlinear optical crystal 2 varies, the beam waist diameter formed at the position W where the slit 7 is provided is adjusted to a certain value (design value). be able to. If the beam waist diameter in the slit 7 is constant, the beam diameter collimated by the collimating lens 8 is also constant, so that the ratio (aspect ratio) of the collimated beam diameter in the x and y directions can be easily set to a desired value. (For example, 1: 1).

また、例えば結晶に内部屈折率の不均一性などがあった場合、トップハット形状が乱れて非対称形のビーム形状となる場合がある。この場合のビーム強度分布の一例を図5に示す。通常のトップハット形状のビームを集光すると、図3Aに示すようにトップハットのフーリエ変換であるsincx関数の形状となるが、図5に示すような非対称形のビームを集光した場合、図6Aに示すように、sincx関数からはずれた非対称な強度分布となる。非対称性は主にサイドローブと呼ばれる左右の小さなピークの強度の差として現れる。このサイドローブを図6Bに示すようにy方向に延長するスリット7で遮り、中心部のピークのみを取り出すことで、図6Cに示すように、強度分布の対称性がよい高品質なビームを得ることができる。
このように、スリットを設けることで、内部屈折率の不均一性などによるビーム品質の劣化を防ぐことができる。また、第2高調波のビームポインティングの数分から数時間の範囲で生じる経時変化についても、上記の構成により補正することができ、強度分布の対称性を改善することができる。
For example, when the crystal has non-uniformity in the internal refractive index, the top hat shape may be disturbed, resulting in an asymmetric beam shape. An example of the beam intensity distribution in this case is shown in FIG. When a normal top hat-shaped beam is condensed, the shape of the sinc 2 x function, which is the Fourier transform of the top hat, is obtained as shown in FIG. 3A, but when an asymmetric beam as shown in FIG. 5 is condensed. As shown in FIG. 6A, an asymmetric intensity distribution deviating from the sinc 2 x function is obtained. Asymmetry appears mainly as a difference in intensity between the left and right small peaks called side lobes. This side lobe is shielded by a slit 7 extending in the y direction as shown in FIG. 6B, and only the peak at the center is taken out, thereby obtaining a high-quality beam with good intensity distribution symmetry as shown in FIG. 6C. be able to.
Thus, by providing the slit, it is possible to prevent the beam quality from being deteriorated due to the nonuniformity of the internal refractive index. In addition, the temporal change occurring in the range of several minutes to several hours of beam pointing of the second harmonic can be corrected by the above configuration, and the symmetry of the intensity distribution can be improved.

また、第2高調波のビームポインティングの経時変化が大きい場合や、共振器の筐体の歪み等に起因する比較的大きいばらつきに対しては、以下の手順によりレーザー装置から射出するビームポインティングの変動をなくすことができる。
まず、結晶の温度を変化させて補正する。すなわち非線形光学結晶2の温度を制御するヒートシンク、ペルチェ素子等の温度制御手段を設ける。これにより、ある程度のビームポインティングの変動を抑制できる。
また、ビームポインティングの方位を例えば4分割フォトダイオード等の検出手段を設けて検出する。そして検出されたビームポインティングの変位を、ビーム整形光学系を構成するレンズを移動することによって補正する。この移動は例えばレンズの光軸に垂直な面内で移動させる移動機構を設け、その移動量として、検出した変位に対応する移動量をフィードバックする構成としてもよい。すなわちビームポインティングの変動を抑制するようにレンズを適切量偏芯させる構成とする。レンズの偏芯によって結晶から射出するビームの変動をキャンセルすることによって、最終的にレーザー装置から射出するビームポインティングの経時変化を回避もしくは十分に抑制することができる。
In addition, when the time-dependent change of the second harmonic beam pointing is large, or for a relatively large variation due to distortion of the resonator housing, the variation of the beam pointing emitted from the laser device by the following procedure Can be eliminated.
First, correction is performed by changing the temperature of the crystal. That is, a temperature control means such as a heat sink and a Peltier element for controlling the temperature of the nonlinear optical crystal 2 is provided. Thereby, a certain amount of beam pointing fluctuation can be suppressed.
Further, the beam pointing direction is detected by providing detection means such as a quadrant photodiode. Then, the detected beam pointing displacement is corrected by moving the lens constituting the beam shaping optical system. For this movement, for example, a moving mechanism for moving in a plane perpendicular to the optical axis of the lens may be provided, and the moving amount corresponding to the detected displacement may be fed back as the moving amount. That is, the lens is decentered by an appropriate amount so as to suppress fluctuations in beam pointing. By canceling the fluctuation of the beam emitted from the crystal due to the eccentricity of the lens, it is possible to avoid or sufficiently suppress the temporal change of the beam pointing finally emitted from the laser device.

さらに熱レンズ効果によって第2高調波の発散角が変化することもあるが、これはフォトダイオードの信号をモニタすることによって検出できる。上述の方法と同様に例えばレンズの間隔を変化させることによって、発散角の変化も補正することができる。   Furthermore, the divergence angle of the second harmonic may change due to the thermal lens effect, but this can be detected by monitoring the signal of the photodiode. Similar to the above-described method, for example, the change in the divergence angle can be corrected by changing the lens interval.

このように、本実施の形態のレーザー装置によれば、レンズの間隔を変更することで、また必要に応じて非線形光学結晶の温度制御手段やビームの変位を検出する検出手段、また光軸と垂直な面内でレンズ等を移動する移動手段を設け、検出した変位をフィードバックして移動手段の移動量を制御することで、最終的にレーザー装置から射出するビームのビームパラメータを一定に保つことができる。
なお、レンズの距離の調整は、接着剤等を使わずにネジ止め等の取り外し可能な固定方法により各部を固定して、調整時にその都度固定し直してもよい。また、光軸に沿う方向に可動性を有するレール等を設け、その上に各部を配置するとか、或いは光軸に沿う方向に移動するモータステージ上に各部を配置する等の構成としてもよく、この場合は、容易にレンズ間の距離を調整することが可能となる。
As described above, according to the laser device of the present embodiment, the temperature of the nonlinear optical crystal, the detection means for detecting the displacement of the beam, and the optical axis can be changed by changing the lens interval. By providing a moving means to move the lens etc. in a vertical plane and controlling the amount of movement of the moving means by feeding back the detected displacement, the beam parameter of the beam finally emitted from the laser device can be kept constant. Can do.
The distance of the lens may be adjusted by fixing each part by a detachable fixing method such as screwing without using an adhesive or the like, and may be fixed again at the time of adjustment. Also, it is possible to provide a configuration such as providing a rail having mobility in the direction along the optical axis and arranging each part thereon, or arranging each part on a motor stage that moves in the direction along the optical axis, In this case, the distance between the lenses can be easily adjusted.

[2]第2の実施の形態例
図7は、本発明の第2の実施形態に係るレーザー装置の概略構成図である。図7において、図1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、非線形光学結晶2を、4枚のミラーを交叉して配置するいわゆるボウタイ型の外部共振器構成の共振器1内に配置する場合を示す。この共振器1には、図示しない例えば波長532nmの光源からレーザー光が入射される。レーザー光の出力としては、例えば1Wの連続レーザーを用いることができる。非線形光学結晶2としては例えばBBO結晶を用いて、その光軸方向の長さlzは例えば6.0mmとする。
共振器1はインプットミラー11、アウトプットミラー12、ミラー13及び14より構成される。アウトプットミラー12は、共振器1の内側に凹面を向けその反対の面は平面とされる平凸レンズより構成される。曲率半径は100mm、厚さ3mm、材質は合成石英であり、光軸に対してx方向、すなわち非線形光学結晶2のウォークオフ方向に10°傾いて設置される。アウトプットミラー12は、共振器1を構成するとともに、非線形光学結晶2より射出される波長変換された例えば波長266nmのレーザービームを共振器1の外部へ通過させる。
[2] Second Embodiment FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG. In this example, a case where the nonlinear optical crystal 2 is arranged in the resonator 1 having a so-called bow-tie type external resonator configuration in which four mirrors are arranged crossing each other is shown. Laser light is incident on the resonator 1 from a light source having a wavelength of 532 nm (not shown). As the output of the laser beam, for example, a continuous laser of 1 W can be used. As the nonlinear optical crystal 2, for example, a BBO crystal is used, and the length lz in the optical axis direction is set to, for example, 6.0 mm.
The resonator 1 includes an input mirror 11, an output mirror 12, and mirrors 13 and 14. The output mirror 12 is composed of a plano-convex lens having a concave surface facing the inside of the resonator 1 and a surface opposite to the concave surface. The radius of curvature is 100 mm, the thickness is 3 mm, and the material is synthetic quartz, which is installed with an inclination of 10 ° with respect to the optical axis in the x direction, that is, the walk-off direction of the nonlinear optical crystal 2. The output mirror 12 constitutes the resonator 1 and allows a wavelength-converted laser beam having a wavelength of 266 nm, for example, emitted from the nonlinear optical crystal 2 to pass outside the resonator 1.

アウトプットミラー12から第2高調波が出射される外部の光路上には、シリンドリカルレンズ4、6、スリット7及びシリンドリカルレンズ8が配置される。シリンドリカルレンズ4は共振器側1に凸面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、例えば曲率半径が33mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
シリンドリカルレンズ6は共振器側に平面を向けたy方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は71.9mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
Cylindrical lenses 4 and 6, a slit 7, and a cylindrical lens 8 are disposed on the external optical path from which the second harmonic is emitted from the output mirror 12. The cylindrical lens 4 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with a convex surface directed toward the resonator side 1. For example, the curvature radius is 33 mm, the thickness is 2 mm, and the material is synthetic quartz.
The cylindrical lens 6 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the y direction with the plane facing the resonator, and has a curvature radius of 71.9 mm, a thickness of 2 mm, and a synthetic quartz material.

スリット6はビームウェスト位置Wの近傍に配置され、y方向に延長するスリットである。x方向の幅は0.1mmとする。ここにx方向のビームウェストが形成される。
シリンドリカルレンズ7は共振器側に平面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は90mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
The slit 6 is a slit that is disposed in the vicinity of the beam waist position W and extends in the y direction. The width in the x direction is 0.1 mm. A beam waist in the x direction is formed here.
The cylindrical lens 7 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with the plane facing the resonator side, and has a radius of curvature of 90 mm, a thickness of 2 mm, and a material of synthetic quartz.

ここで、非線形光学結晶2からアウトプットミラー12までの距離をa1、アウトプットミラー12からシリンドリカルレンズ4までの距離をa2、シリンドリカルレンズ4からシリンドリカルレンズ6までの距離をa3、シリンドリカルレンズ6からスリット7までの距離をa4、スリット7からシリンドリカルレンズ8までの距離をa5、波長266nmにおける合成石英の屈折率をnとすると、以下の通りとする。
a1:75mm
a2:可変
a3:可変
a4:可変
a5:179mm
n:1.499683
ここで、非線形光学結晶2の長さlzに対して採りうる距離a2、a3及びa4の値の一例を下記の表1に示す。lz=6mmの場合はa2=35mm、a3=44mm、a4=38mmとする。
なお、ここで距離とは、レンズ間においてはレンズの面間隔、非線形光学結晶との距離とはその出射面との間隔、スリットとの距離とは、スリット内の中心点、この場合ビームウェスト位置Wとの間隔を指す。
Here, the distance from the nonlinear optical crystal 2 to the output mirror 12 is a1, the distance from the output mirror 12 to the cylindrical lens 4 is a2, the distance from the cylindrical lens 4 to the cylindrical lens 6 is a3, and the slit from the cylindrical lens 6 to the slit Assuming that the distance to 7 is a4, the distance from the slit 7 to the cylindrical lens 8 is a5, and the refractive index of synthetic quartz at a wavelength of 266 nm is n, it is as follows.
a1: 75mm
a2: Variable a3: Variable a4: Variable a5: 179mm
n: 1.499683
Here, an example of values of the distances a2, a3, and a4 that can be taken with respect to the length lz of the nonlinear optical crystal 2 is shown in Table 1 below. When lz = 6 mm, a2 = 35 mm, a3 = 44 mm, and a4 = 38 mm.
Here, the distance is the distance between the lenses between the lenses, the distance from the nonlinear optical crystal is the distance from the exit surface, and the distance from the slit is the center point in the slit, in this case the beam waist position. The interval with W.

Figure 2009031684
Figure 2009031684

共振器1の内部における波長532nmのビーム径が最も小さくなる位置、すなわちビームウェストの位置に非線形光学結晶2、この場合BBO結晶が配置される。ここで波長532nmのビーム形状は円形であり、ビーム径は90μmである。BBO結晶により波長変換されて発生する波長266nmのx方向のビーム径は、上記式(1)より0.5mm、y方向のビーム径は64μmとなる。非線形光学結晶2から射出されたビーム形状を図8に示す。波長266nmのビームはアウトプットミラー13を通り、共振器1の外部へ射出される。   The nonlinear optical crystal 2, in this case, the BBO crystal, is disposed at a position where the beam diameter of the wavelength of 532 nm is the smallest in the resonator 1, that is, at the position of the beam waist. Here, the beam shape with a wavelength of 532 nm is circular, and the beam diameter is 90 μm. The beam diameter in the x direction at a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the BBO crystal is 0.5 mm from the above formula (1), and the beam diameter in the y direction is 64 μm. The shape of the beam emitted from the nonlinear optical crystal 2 is shown in FIG. A beam having a wavelength of 266 nm passes through the output mirror 13 and is emitted to the outside of the resonator 1.

共振器から射出されるビームのx方向の成分のビーム伝搬について説明すると、負のレンズ作用を有する球面ミラーであるアウトプットミラー13と、x方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ4とのレンズ群30により、スリット7を配置する位置Wにおいて、x方向のビームウェストが形成される。x方向のビームウェスト径は70μmである。ここに配置されたスリット7により、図3において説明した例と同様に、サイドローブが除かれる。次にシリンドリカルレンズ8により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。   The beam propagation of the component in the x direction of the beam emitted from the resonator will be described. The lens group of the output mirror 13 which is a spherical mirror having a negative lens action and the positive cylindrical lens 4 having a curvature in the x direction. 30, a beam waist in the x direction is formed at the position W where the slit 7 is disposed. The beam waist diameter in the x direction is 70 μm. The side lobe is removed by the slit 7 arranged here, similarly to the example described in FIG. Next, the beam is collimated by a cylindrical lens 8 into a beam having a beam diameter of 1 mm.

一方y方向の成分のビームは、共振器から射出されたビームはシリンドリカルレンズ6により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。よって縦横比1:1のビームが得られる。得られたビーム形状を図9に示す。   On the other hand, the beam in the y direction is collimated by the cylindrical lens 6 into a beam having a beam diameter of 1 mm. Therefore, a beam with an aspect ratio of 1: 1 can be obtained. The obtained beam shape is shown in FIG.

ここで、例えば非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzに製造誤差が生じ、lz=5.7mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する266nmのビームは、上記式(1)よりx方向のビーム径が0.475mmとなり、ビーム伝搬が変化してしまう。しかし、上記距離a2、a3及びa4の値を上記表1に示すように変更すると、ビームウェスト位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、70μmとなり、それ以降は同様に伝搬し、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。   Here, for example, a case where a manufacturing error occurs in the length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 5.7 mm will be described. The beam of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 has a beam diameter in the x direction of 0.475 mm from the above equation (1), and the beam propagation changes. However, if the values of the distances a2, a3 and a4 are changed as shown in Table 1, the beam waist diameter in the x direction formed at the beam waist position W becomes 70 μm, as in the case where no error occurs. Thereafter, the beam propagates in the same manner, and a beam with a beam diameter of 1 mm and an aspect ratio of 1: 1 is obtained in both the x and y directions.

これに対し、距離a3、a4及びa5を変更しないと、x方向のビーム径が0.95mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:0.95となってしまう。   On the other hand, if the distances a3, a4, and a5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 0.95 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 0.95.

また、非線形光学結晶2の光軸方向の長さに製造誤差が生じ、lz=6.3mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶により波長変換されて発生する266nmのビームは上記式(1)よりx方向のビーム径が0.525mmとなりビーム伝搬が変化してしまう。しかし、a3、a4及びa5の値を表1に示すように変更すると位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、70μmとなり、それ以降は同様に伝搬し、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。
これに対し、a3、a4及びa5を変更しないと、x方向のビーム径が1.05mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:1.05となってしまう。
Further, a case where a manufacturing error occurs in the length of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 6.3 mm will be described. A beam of 266 nm generated by wavelength conversion by a nonlinear optical crystal has a beam diameter in the x direction of 0.525 mm from the above equation (1), and the beam propagation changes. However, when the values of a3, a4, and a5 are changed as shown in Table 1, the beam waist diameter in the x direction formed at the position W becomes 70 μm, as in the case where no error occurs, and thereafter, the propagation propagates similarly. A beam with a beam diameter of 1 mm and an aspect ratio of 1: 1 can be obtained in both the x and y directions.
On the other hand, if a3, a4, and a5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 1.05 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 1.05.

したがって、レンズ群30のレンズ間の距離a2、更にレンズ6及びスリット7の間隔a3、a4を調整することによって、縦横比を所望の値に補正し、良好なビーム形状とすることができる。   Therefore, by adjusting the distance a2 between the lenses of the lens group 30 and the distances a3 and a4 between the lens 6 and the slit 7, the aspect ratio can be corrected to a desired value and a good beam shape can be obtained.

[3]第3の実施の形態
図10は、本発明の第3の実施形態に係るレーザー装置の概略構成図である。図10において、図1及び図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。
この例においても、非線形光学結晶2をボウタイ型の共振器1内に設ける例であり、図中に示していない波長532nmのレーザー光源からレーザー光が入射される。またレーザー光としては例えば出力1Wの連続光を用い得る。非線形光学結晶2としては例えばBBO結晶を用いて、光軸方向の長さlzは6.0mmとする。共振器1のアウトプットミラー13は、内側に凹面を向けその反対の面は平面であり、曲率半径を100mm、厚さ3mm、材質は合成石英とし、光軸に対してx方向すなわちウォークオフ方向に10°傾いて設置される。
[3] Third Embodiment FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a third embodiment of the present invention. 10, parts corresponding to those in FIG. 1 and FIG.
This example is also an example in which the nonlinear optical crystal 2 is provided in the bow-tie resonator 1, and laser light is incident from a laser light source having a wavelength of 532 nm not shown in the drawing. As the laser light, for example, continuous light with an output of 1 W can be used. As the nonlinear optical crystal 2, for example, a BBO crystal is used, and the length lz in the optical axis direction is 6.0 mm. The output mirror 13 of the resonator 1 has a concave surface facing inward, and the opposite surface is a plane. The radius of curvature is 100 mm, the thickness is 3 mm, the material is synthetic quartz, and the x direction relative to the optical axis, that is, the walk-off direction. Installed at an angle of 10 °.

この例においてもアウトプットミラー13は共振器1を構成するとともに、非線形光学結晶2より射出される波長変換された266nmのビームを共振器1の外部へ通過させる。シリンドリカルレンズ4は共振器1側に平面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は25mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
シリンドリカルレンズ5は共振器1側に凹面を向けたx方向に曲率を持つ平凹型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は25mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
Also in this example, the output mirror 13 constitutes the resonator 1 and allows the wavelength-converted 266 nm beam emitted from the nonlinear optical crystal 2 to pass outside the resonator 1. The cylindrical lens 4 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with the plane directed toward the resonator 1, and has a radius of curvature of 25 mm, a thickness of 2 mm, and a synthetic quartz material.
The cylindrical lens 5 is a plano-concave cylindrical lens having a curvature in the x direction with the concave surface facing the resonator 1, and has a radius of curvature of 25 mm, a thickness of 2 mm, and a synthetic quartz material.

シリンドリカルレンズ6は共振器1側に平面を向けたy方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は71.9mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
スリット7はx方向のビームウェスト位置Wに配置され、y方向に延長するスリットであり、x方向の幅は0.1mmである。ここにx方向のビームウェストが形成される。
シリンドリカルレンズ8は共振器側に平面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は90mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。
The cylindrical lens 6 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the y direction with the plane directed toward the resonator 1, and has a radius of curvature of 71.9 mm, a thickness of 2 mm, and a material of synthetic quartz.
The slit 7 is a slit that is disposed at the beam waist position W in the x direction and extends in the y direction. The width in the x direction is 0.1 mm. A beam waist in the x direction is formed here.
The cylindrical lens 8 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with the plane facing the resonator side, and has a radius of curvature of 90 mm, a thickness of 2 mm, and a synthetic quartz material.

ここで、非線形光学結晶2からアウトプットミラー12までの距離をb1、アウトプットミラー12からシリンドリカルレンズ4までの距離をb2、シリンドリカルレンズ4からシリンドリカルレンズ5までの距離をb3、シリンドリカルレンズ5からシリンドリカルレンズ6までの距離をb4、シリンドリカルレンズ6からスリット7までの距離をb5、スリット7からシリンドリカルレンズ8までの距離をb6、波長266nmにおける合成石英の屈折率をnとすると、以下の通りとする。
b1:63mm
b2:35mm
b3:可変
b4:可変
b5:可変
b6:179mm
n:1.499683
ここで、非線形光学結晶2の長さlzに対して採りうる距離b3、b4及びb5の値の一例を下記の表2に示す。lz=6mmの場合はb3=45mm、b4=6.5mm、b5=14mmとする。
Here, the distance from the nonlinear optical crystal 2 to the output mirror 12 is b1, the distance from the output mirror 12 to the cylindrical lens 4 is b2, the distance from the cylindrical lens 4 to the cylindrical lens 5 is b3, and the cylindrical lens 5 to the cylindrical lens 5 is cylindrical. Assuming that the distance to the lens 6 is b4, the distance from the cylindrical lens 6 to the slit 7 is b5, the distance from the slit 7 to the cylindrical lens 8 is b6, and the refractive index of synthetic quartz at a wavelength of 266 nm is n, .
b1: 63mm
b2: 35mm
b3: variable b4: variable b5: variable b6: 179 mm
n: 1.499683
Here, an example of values of the distances b3, b4, and b5 that can be taken with respect to the length lz of the nonlinear optical crystal 2 is shown in Table 2 below. When lz = 6 mm, b3 = 45 mm, b4 = 6.5 mm, and b5 = 14 mm.

Figure 2009031684
Figure 2009031684

共振器1の内部における532nmのビーム径が最も小さくなる位置、すなわちビームウェストの位置に非線形光学結晶2、この場合BBO結晶が配置される。ここで波長532nmのレーザーのビーム形状は円形であり、ビーム径は90μmである。BBO結晶により波長変換されて発生する波長266nmのレーザー光のx方向のビーム径は上記式(1)より0.5mm、y方向のビーム径が64μmである。非線形光学結晶2から射出されたビーム形状を図11に示す。波長266nmのレーザービームはアウトプットミラー12を通り、共振器1の外へ射出される。
共振器1から射出されたビームのx方向の成分のビーム伝搬について説明すると、負レンズの作用を持つ凹面ミラーであるアウトプットミラー12、x方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ4及びx方向に曲率を持つ正のシリンドリカルレンズ5により、位置Wにx方向のビームウェストが形成される。x方向のビームウェスト径は70μmである。ここに配置されたスリット7により図3において説明した例と同様にサイドローブが除かれる。次にシリンドリカルレンズ8により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。
The nonlinear optical crystal 2, in this case, the BBO crystal, is disposed at the position where the beam diameter of 532 nm is the smallest in the resonator 1, that is, at the position of the beam waist. Here, the beam shape of the laser having a wavelength of 532 nm is circular, and the beam diameter is 90 μm. The beam diameter in the x direction of laser light having a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the BBO crystal is 0.5 mm from the above formula (1), and the beam diameter in the y direction is 64 μm. The shape of the beam emitted from the nonlinear optical crystal 2 is shown in FIG. A laser beam having a wavelength of 266 nm passes through the output mirror 12 and is emitted out of the resonator 1.
The beam propagation of the component in the x direction of the beam emitted from the resonator 1 will be described. The output mirror 12, which is a concave mirror having the function of a negative lens, the positive cylindrical lens 4 having a curvature in the x direction, and the x direction. A beam waist in the x direction is formed at the position W by the positive cylindrical lens 5 having a curvature. The beam waist diameter in the x direction is 70 μm. The side lobes are removed by the slits 7 disposed in the same manner as in the example described in FIG. Next, the beam is collimated by a cylindrical lens 8 into a beam having a beam diameter of 1 mm.

一方y方向の成分のビームは、共振器1から射出されたビームはシリンドリカルレンズ6により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。よって縦横比1:1のビームが得られる。得られたビーム形状を図12に示す。   On the other hand, the beam of the component in the y direction is collimated into a beam having a beam diameter of 1 mm by the cylindrical lens 6 from the beam emitted from the resonator 1. Therefore, a beam with an aspect ratio of 1: 1 can be obtained. The obtained beam shape is shown in FIG.

ここで、例えば非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzに製造誤差が生じ、lz=5.7mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する波長266nmのビームは上記式(1)よりx方向のビーム径が0.475mmとなり、ビーム伝搬が変化してしまう。しかし、上記距離b3、b4及びb5の値を、上記表2に示すように変更すると、位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、70μmとなり、それ以降は同様に伝搬する。したがって、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。
これに対し、距離b3、b4及びb5を変更しない場合は、x方向のビーム径が0.95mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:0.95となってしまう。
Here, for example, a case where a manufacturing error occurs in the length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 5.7 mm will be described. A beam with a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 has a beam diameter in the x direction of 0.475 mm from the above equation (1), and the beam propagation changes. However, when the values of the distances b3, b4, and b5 are changed as shown in Table 2, the beam waist diameter in the x direction formed at the position W becomes 70 μm as in the case where no error occurs, and thereafter Propagates in the same way. Therefore, a beam with an aspect ratio of 1: 1 having a beam diameter of 1 mm is obtained in both the x and y directions.
On the other hand, when the distances b3, b4, and b5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 0.95 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 0.95.

また、非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzに製造誤差が生じ、lz=6.3mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する266nmのビームは、上記式(1)よりx方向のビーム径が0.525mmとなりビーム伝搬が変化してしまう。しかし、b3、b4及びb5の値を上記表2に示すように変更すると、位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、70μmとなり、それ以降は同様に伝搬する。これにより、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。
この場合においても距離b3、b4及びb5を変更しないと、x方向のビーム径が1.05mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:1.05となってしまう。
Further, a case where a manufacturing error occurs in the length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 6.3 mm will be described. The beam of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 has a beam diameter in the x direction of 0.525 mm from the above equation (1), and the beam propagation changes. However, if the values of b3, b4, and b5 are changed as shown in Table 2 above, the beam waist diameter in the x direction formed at the position W becomes 70 μm, as in the case where no error occurs, and thereafter the same Propagate. As a result, a beam with an aspect ratio of 1: 1 having a beam diameter of 1 mm is obtained in both the x and y directions.
Even in this case, if the distances b3, b4, and b5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 1.05 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 1.05.

したがって、レンズ群30のレンズ間の距離b3、更にレンズ5、6及びスリット7の間隔b4、b5を調整することによって、縦横比を所望の値に補正し、良好なビーム形状とすることができる。   Therefore, by adjusting the distance b3 between the lenses of the lens group 30 and the distances b4 and b5 between the lenses 5 and 6 and the slit 7, the aspect ratio can be corrected to a desired value and a good beam shape can be obtained. .

[3]第4の実施の形態
図13は、本発明の第4の実施形態に係るレーザー装置の概略構成図である。図13において、図1、図7及び図10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、図中に示していない波長532nmのレーザー光源から非線形光学結晶2にレーザー光が入射される。レーザー光としては例えば平均出力1Wのパルス光を用い、非線形光学結晶2としてはBBO結晶を用いることができる。非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzは6.0mmとする。非線形光学結晶2の出射光路上に、シリンドリカルレンズ4及び5、スリット7、シリンドリカルレンズ6及び8が配置される。
[3] Fourth Embodiment FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 13, parts corresponding to those in FIGS. 1, 7, and 10 are given the same reference numerals, and redundant description is omitted.
In this example, laser light is incident on the nonlinear optical crystal 2 from a laser light source having a wavelength of 532 nm not shown in the drawing. For example, pulsed light with an average output of 1 W can be used as the laser light, and BBO crystal can be used as the nonlinear optical crystal 2. The length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction is 6.0 mm. Cylindrical lenses 4 and 5, a slit 7, and cylindrical lenses 6 and 8 are disposed on the outgoing optical path of the nonlinear optical crystal 2.

シリンドリカルレンズ4は、非線形光学結晶2側に凸面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は27mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。シリンドリカルレンズ5は非線形光学結晶2側に凹面を向けたx方向に曲率を持つ平凹型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は25mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。位置Wに配置されるy方向に延長するスリット7は、そのx方向の幅を0.12mmとする。この位置Wにx方向のビームウェストが形成される。   The cylindrical lens 4 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with a convex surface facing the nonlinear optical crystal 2, and has a radius of curvature of 27 mm, a thickness of 2 mm, and a material of synthetic quartz. The cylindrical lens 5 is a plano-concave cylindrical lens having a curvature in the x direction with a concave surface facing the nonlinear optical crystal 2 side. The curvature radius is 25 mm, the thickness is 2 mm, and the material is synthetic quartz. The slit 7 extending in the y direction arranged at the position W has a width in the x direction of 0.12 mm. A beam waist in the x direction is formed at this position W.

シリンドリカルレンズ6は非線形光学結晶2側に平面を向けたy方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は98.5mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。シリンドリカルレンズ8は非線形光学結晶2側に平面を向けたx方向に曲率を持つ平凸型のシリンドリカルレンズであり、曲率半径は99mm、厚さ2mm、材質は合成石英である。   The cylindrical lens 6 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the y direction with the plane directed to the nonlinear optical crystal 2 side. The curvature radius is 98.5 mm, the thickness is 2 mm, and the material is synthetic quartz. The cylindrical lens 8 is a plano-convex cylindrical lens having a curvature in the x direction with the plane directed to the nonlinear optical crystal 2 side. The curvature radius is 99 mm, the thickness is 2 mm, and the material is synthetic quartz.

非線形光学結晶2からシリンドリカルレンズ4までの距離をc1、シリンドリカルレンズ4からシリンドリカルレンズ5までの距離をc2、シリンドリカルレンズ5からスリット7までの距離をc3、スリット7からシリンドリカルレンズ6までの距離をc4、シリンドリカルレンズ6からシリンドリカルレンズ8までの距離をc5、波長266nmにおける合成石英の屈折率をnとすると、以下の通りとする。
c1=85.7mm
c2:可変
c3:可変
c4:可変
c5:可変
n=1.499683
ここで、非線形光学結晶2の長さlzに対して採りうる距離c2、c3、c4及びc5の値の一例を下記の表3に示す。lz=6mmの場合はc2=34.5mm、c3=27mm、c4=40.5mm、c5=150mmとする。
The distance from the nonlinear optical crystal 2 to the cylindrical lens 4 is c1, the distance from the cylindrical lens 4 to the cylindrical lens 5 is c2, the distance from the cylindrical lens 5 to the slit 7 is c3, and the distance from the slit 7 to the cylindrical lens 6 is c4. When the distance from the cylindrical lens 6 to the cylindrical lens 8 is c5 and the refractive index of synthetic quartz at a wavelength of 266 nm is n, the following is assumed.
c1 = 85.7 mm
c2: Variable c3: Variable c4: Variable c5: Variable n = 1.499683
Here, an example of values of distances c2, c3, c4 and c5 that can be taken with respect to the length lz of the nonlinear optical crystal 2 is shown in Table 3 below. When lz = 6 mm, c2 = 34.5 mm, c3 = 27 mm, c4 = 40.5 mm, and c5 = 150 mm.

Figure 2009031684
Figure 2009031684

この場合、図示しないレーザー光源からの波長532nmのレーザー光が非線形光学結晶2に入射し、その内部において円形のビームウェストを形成し、ビーム径は90μmである。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する波長266nmのレーザー光のx方向のビーム径は上記式(1)より0.5mm、y方向のビーム径が64μmである。非線形光学結晶2から射出された第2高調波光のビーム形状を図14に示す。   In this case, a laser beam having a wavelength of 532 nm from a laser light source (not shown) is incident on the nonlinear optical crystal 2 to form a circular beam waist therein, and the beam diameter is 90 μm. The beam diameter in the x direction of laser light having a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 is 0.5 mm from the above formula (1), and the beam diameter in the y direction is 64 μm. The beam shape of the second harmonic light emitted from the nonlinear optical crystal 2 is shown in FIG.

非線形光学結晶2から射出されたビームのx方向の成分のビーム伝搬について説明すると、x方向に曲率を持つ正と負のシリンドリカルレンズ4及び5により、位置Wにx方向のビームウェストが形成される。x方向のビームウェスト径は77μmである。ここに配置された幅100μmのスリットにより、図3において説明した例と同様にサイドローブが除かれる。次にシリンドリカルレンズ8により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。
一方y方向の成分のビームはシンドリカルレンズ6により、ビーム径1mmのビームにコリメートされる。よって縦横比1:1のビームが得られる。得られたビーム形状を図15に示す。
The beam propagation of the component in the x direction of the beam emitted from the nonlinear optical crystal 2 will be described. A beam waist in the x direction is formed at the position W by the positive and negative cylindrical lenses 4 and 5 having a curvature in the x direction. . The beam waist diameter in the x direction is 77 μm. The side lobe is removed by the slit having a width of 100 μm arranged in the same manner as in the example described in FIG. Next, the beam is collimated by a cylindrical lens 8 into a beam having a beam diameter of 1 mm.
On the other hand, the beam in the y-direction component is collimated by the cylindrical lens 6 into a beam having a beam diameter of 1 mm. Therefore, a beam with an aspect ratio of 1: 1 can be obtained. The obtained beam shape is shown in FIG.

ここで、例えば非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzに製造誤差が生じ、lz=5.7mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する波長266nmのビームは上記式(1)よりx方向のビーム径が0.475mmとなりビーム伝搬が変化してしまう。しかし、上記距離c2、c3、c4及びc5の値を上記表3に示すように変更すると、位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、77μmとなり、それ以降は同様に伝搬する。したがって、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。
これに対し、距離c2、c3、c4及びc5を変更しないと、x方向のビーム径が0.95mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:0.95となってしまう。
Here, for example, a case where a manufacturing error occurs in the length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 5.7 mm will be described. A beam having a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 has a beam diameter of 0.475 mm in the x direction from the above formula (1), and the beam propagation changes. However, if the values of the distances c2, c3, c4 and c5 are changed as shown in Table 3 above, the beam waist diameter in the x direction formed at the position W becomes 77 μm, as in the case where no error occurs. After that, it propagates in the same way. Therefore, a beam with an aspect ratio of 1: 1 having a beam diameter of 1 mm is obtained in both the x and y directions.
On the other hand, if the distances c2, c3, c4, and c5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 0.95 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 0.95.

また、非線形光学結晶2の光軸方向の長さlzに製造誤差が生じ、lz=6.3mmとなった場合について説明する。非線形光学結晶2により波長変換されて発生する波長266nmのビームは上記式(1)よりx方向のビーム径が0.525mmとなりビーム伝搬が変化してしまう。しかし、距離c2、c3、c4及びc5の値を上記表3に示すように変更すると、位置Wに形成されるx方向のビームウェスト径は、誤差が生じない場合と同様、77μmとなり、それ以降は同様に伝搬する。この場合も、x方向、y方向ともビーム径1mmの縦横比1:1のビームが得られる。
これに対し、距離c2、c3、c4及びc5を変更しないと、x方向のビーム径が1.05mm、y方向のビーム径が1mmとなり、縦横比が1:1.05となってしまう。
Further, a case where a manufacturing error occurs in the length lz of the nonlinear optical crystal 2 in the optical axis direction and lz = 6.3 mm will be described. The beam having a wavelength of 266 nm generated by wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 2 has a beam diameter in the x direction of 0.525 mm from the above formula (1), and the beam propagation changes. However, when the values of the distances c2, c3, c4 and c5 are changed as shown in Table 3, the beam waist diameter in the x direction formed at the position W becomes 77 μm, as in the case where no error occurs, and thereafter Propagates in the same way. Also in this case, a beam with a beam diameter of 1 mm and an aspect ratio of 1: 1 can be obtained in both the x and y directions.
On the other hand, if the distances c2, c3, c4, and c5 are not changed, the beam diameter in the x direction is 1.05 mm, the beam diameter in the y direction is 1 mm, and the aspect ratio is 1: 1.05.

したがって、この例においても、レンズ群30のレンズ間の距離c2、更にレンズ5及びスリット7の間隔c3、スリット7とレンズ6との間隔c4、レンズ6及び8の間隔c5を調整することによって、縦横比を所望の値に補正し、良好なビーム形状とすることができる。   Therefore, also in this example, by adjusting the distance c2 between the lenses of the lens group 30, the distance c3 between the lens 5 and the slit 7, the distance c4 between the slit 7 and the lens 6, and the distance c5 between the lenses 6 and 8. The aspect ratio can be corrected to a desired value to obtain a good beam shape.

なお、本発明においては、上述の各実施の形態において説明した例のほか、例えば光路を折り曲げるミラー等、種々の他の光学素子を付加してもよいことはいうまでもない。
例えば、図16においては、図7において説明した第1の実施の形態例と同様の構成として、スリット7とシリンドリカルレンズ8との間に光路を略90°折り曲げるミラー9を設ける場合の概略構成図を示す。図16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。
この例においても、上述の図7に示す例と同様に、距離a2〜a4を変更することによって、ビームプロファイルの変化を補正して、良好なビーム形状とすることが可能である。
In the present invention, it goes without saying that in addition to the examples described in the above embodiments, various other optical elements such as a mirror for bending the optical path may be added.
For example, in FIG. 16, as a configuration similar to that of the first embodiment described in FIG. 7, a schematic configuration diagram in the case of providing a mirror 9 that bends the optical path by approximately 90 ° between the slit 7 and the cylindrical lens 8 is illustrated. Indicates. In FIG. 16, parts corresponding to those in FIG.
Also in this example, similarly to the example shown in FIG. 7 described above, by changing the distances a <b> 2 to a <b> 4, it is possible to correct a change in the beam profile and obtain a good beam shape.

更に、本発明において、上述したように、筐体の歪等によって比較的大きいビームポインティングの変化が生じた場合などにおいて、レンズ等を光軸と直交する面内で移動する構成としてもよい。この場合のレーザー装置の一例の概略構成図を図17に示す。図17において、図6及び図16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。
図17に示すように、この例においては、スリット7とミラー9との間に凹レンズ21、ミラー9とシリンドリカルレンズ8との間に凸レンズ22を配置して、これらが光軸と直交する面内で移動可能な構成とする。図示しないが移動手段としてはステッピングモーターや2軸アクチュエーター等種々の駆動装置を用い得る。
また、ミラー9を例えば半透過ミラーとして、一部を4分割フォトダイオード等の検出手段23に受光させ、制御装置24において例えばレンズ21及び22の矢印m1,m2で示す方向の移動量を検出し、図示しない移動手段に信号Sm1,Sm2として出力する構成とし、いわばビームポインティングの変動をフィードバックさせる構成とすることも可能である。
このような構成として移動手段によりレンズを偏心させることにより、より大きいビームポインティングの変動を補正することが可能となる。
Furthermore, in the present invention, as described above, the lens or the like may be moved in a plane perpendicular to the optical axis when a relatively large change in beam pointing occurs due to distortion of the housing or the like. FIG. 17 shows a schematic configuration diagram of an example of the laser apparatus in this case. In FIG. 17, parts corresponding to those in FIGS. 6 and 16 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
As shown in FIG. 17, in this example, a concave lens 21 is arranged between the slit 7 and the mirror 9, and a convex lens 22 is arranged between the mirror 9 and the cylindrical lens 8, and these are in an in-plane orthogonal to the optical axis. It can be moved with Although not shown, various driving devices such as a stepping motor and a biaxial actuator can be used as the moving means.
Further, the mirror 9 is a semi-transmission mirror, for example, and a part thereof is received by the detection means 23 such as a quadrant photodiode, and the control device 24 detects the amount of movement of the lenses 21 and 22 in the directions indicated by the arrows m1 and m2, for example. It is also possible to use a configuration in which signals Sm1 and Sm2 are output to a moving means (not shown), that is, a configuration in which variations in beam pointing are fed back.
With such a configuration, the lens is decentered by the moving means, thereby making it possible to correct larger fluctuations in beam pointing.

以上のように、本発明によれば、非線形光学結晶の製造誤差などによりウォークオフ方向のビーム径が変化しても、つねに所望の縦横比(たとえば1:1)のビームが得られる。もちろん、同様の方法で、発散角の変化にも対応することができる。熱レンズ効果によるポインティングの経時変化に対しても、スリットを設けることで補正可能である。更に、筐体の歪等にも起因するような比較的大きいビームポインティングのずれに対しては、レンズ等を光軸に垂直な面内で移動させ、いわばレンズを偏心させる構成とすることでこのずれを解消することができ、ビームポインティングを常に一定に保つことができる。   As described above, according to the present invention, a beam having a desired aspect ratio (for example, 1: 1) can always be obtained even if the beam diameter in the walk-off direction changes due to a manufacturing error of the nonlinear optical crystal. Of course, it is possible to cope with changes in the divergence angle in the same manner. It is possible to correct the change with time of the pointing due to the thermal lens effect by providing a slit. Furthermore, for a relatively large beam pointing shift caused by the distortion of the housing, the lens is moved in a plane perpendicular to the optical axis, so that the lens is decentered. The deviation can be eliminated, and the beam pointing can always be kept constant.

なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他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。非線形光学結晶により変換される変換波は第2高調波に限定されることなく、第3高調波、和周波混合、パラメトリック発振によるもの等種々の波長変換態様とし得る。   The present invention is not limited to the configuration described in the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made without departing from the configuration of the present invention. The converted wave converted by the nonlinear optical crystal is not limited to the second harmonic wave, but can be various wavelength conversion modes such as a third harmonic wave, sum frequency mixing, and parametric oscillation.

本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. A〜Cは、本発明の実施の形態に係るレーザー装置においてビーム形状の補正態様を説明する説明図である。FIGS. 8A to 8C are explanatory diagrams for explaining a beam shape correction mode in the laser apparatus according to the embodiment of the present invention. FIGS. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. A〜Cは、本発明の実施の形態に係るレーザー装置においてビーム形状の補正態様を説明する説明図である。FIGS. 8A to 8C are explanatory diagrams for explaining a beam shape correction mode in the laser apparatus according to the embodiment of the present invention. FIGS. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 第2高調波のビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam profile of a 2nd harmonic. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 従来のレーザー装置の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the conventional laser apparatus. 非線形光学結晶内の変換波の伝搬態様を示す図である。It is a figure which shows the propagation aspect of the conversion wave in a nonlinear optical crystal. 非線形光学結晶におけるウォークオフの概念図である。It is a conceptual diagram of the walk-off in a nonlinear optical crystal. 従来のレーザー装置の位置英の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the position English of the conventional laser apparatus. ビームポインティングの経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of beam pointing.

符号の説明Explanation of symbols

1.共振器、2.非線形光学結晶、3.シリンドリカルレンズ、4.シリンドリカルレンズ、5.シリンドリカルレンズ、6.シリンドリカルレンズ、7.スリット、8.シリンドリカルレンズ、ミラー、10.レンズ、11.ミラー、12.アウトプットミラー、13.ミラー、14.ミラー、20.光源、30.レンズ群   1. Resonator, 2. 2. nonlinear optical crystal; 3. Cylindrical lens, 4. Cylindrical lens, Cylindrical lens, 6. 6. Cylindrical lens, Slit, 8. Cylindrical lens, mirror, 10. Lens, 11. Mirror, 12. Output mirror, 13. Mirror, 14. Mirror, 20. Light source, 30. Lens group

Claims (6)

光源と、
非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶のウォークオフ方向に全体として正の焦点距離を持つレンズ群と、
前記ウォークオフ方向と略直交する方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズと、
前記ウォークオフ方向に正の焦点距離を持つシリンドリカルレンズと、を備える
ことを特徴とするレーザー装置。
A light source;
A nonlinear optical crystal;
A lens group having a positive focal length as a whole in the walk-off direction of the nonlinear optical crystal;
A cylindrical lens having a positive focal length in a direction substantially orthogonal to the walk-off direction;
And a cylindrical lens having a positive focal length in the walk-off direction.
前記レンズ群及びシリンドリカルレンズのうち1以上の面間隔が可変とされることを特徴とする請求項1記載のレーザー装置。   The laser device according to claim 1, wherein one or more surface intervals of the lens group and the cylindrical lens are variable. 前記レーザー装置の内部に形成される前記ウォークオフ方向のビームウェスト位置近傍に、前記ウォークオフ方向と略直交する方向に延長するスリットが設けられることを特徴とする請求項1記載のレーザー装置。   2. The laser device according to claim 1, wherein a slit extending in a direction substantially orthogonal to the walk-off direction is provided in the vicinity of a beam waist position in the walk-off direction formed inside the laser device. 前記レンズ群、前記シリンドリカルレンズ、前記スリットのうち1以上の面間隔が可変とされることを特徴とする請求項3記載のレーザー装置。   4. The laser device according to claim 3, wherein one or more surface intervals of the lens group, the cylindrical lens, and the slit are variable. 前記レーザー装置内に設ける1以上の光学素子を光軸に垂直な面内で移動可能とする調整機構が設けられたことを特徴とする請求項1記載のレーザー装置。   2. The laser device according to claim 1, further comprising an adjustment mechanism that allows one or more optical elements provided in the laser device to move in a plane perpendicular to the optical axis. 前記非線形光学結晶から出射される変換光の一部を受光してビームプロファイルの変化が検出され、前記ビームプロファイルの変化に対応して前記調整機構による移動量が制御されることを特徴とする請求項5記載のレーザー装置。   A part of the converted light emitted from the nonlinear optical crystal is received to detect a change in a beam profile, and a movement amount by the adjusting mechanism is controlled in response to the change in the beam profile. Item 6. The laser device according to Item 5.
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