JP2009218232A - レーザ光源装置及びこれを用いた画像生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】励起光源1、共振器20を構成する共振器ミラー2及び3を有し、共振器20内にレーザ媒質5を備え、励起光源1からの光でレーザ媒質5が励起されて、共振器20の発振により得られる光を出力する。レーザ媒質5として複屈折材料を用いる。レーザ媒質5の一方の端面5Bを共振光路と略垂直とし、複屈折性により偏光性を示す偏光膜6を設ける。端面5Bを垂直面としても複屈折材料なので透過率差を設定でき、共振器20内で発振する光として所望の偏光方向の光を選択的に発振、出射させることができる。
【選択図】図1
Description
このようなレーザ光源装置において、半導体レーザを励起光源として用いた固体レーザを使用する場合、干渉に起因する照明むらを改善するために、アレイレーザ等により1次元横マルチモードの励起光を使用して特に線状(例えば楕円状)の変換波を出力することが提案されている(例えば特許文献1参照。)。このような横マルチモードの光を例えば画像生成装置に用いる場合は、光変調装置に対して比較的均質に照明できることから画質を向上させることができる。また、横マルチモードであることからスペックルノイズを低減させることができるので、画像生成装置用の光源として装置構成を複雑化することなく高効率なレーザ光源装置を得ることが期待される。
所望の偏光以外の偏光による寄生発振を避ける目的では、一般に、偏光子を共振器内に挿入する方法や、ガラス板をブリュースター角で共振光路に挿入する方法がよく知られている。しかしながらこの場合はレーザ共振器の部品点数の増加をもたらす。
図1〜図9は、本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置の各例の概略構成図である。以下これら各実施形態に係るレーザ装置について説明する。
図1に示すように、本実施の形態に係るレーザ光源装置30は、励起光源1と、一対の共振器ミラー2及び3とを有し、共振器ミラー2及び3により構成される共振器20内に、レーザ媒質5を備える。
図示の例では、レーザ媒質5の共振器方向に沿う端面5Aから励起光を入射するエンドポンプ方式を採る場合を示す。励起光源1から出射する励起光の光路上に共振器ミラー2及び3が配置されて共振器20が構成される。そして励起光源1と共振器ミラー2との間にコリメータレンズ12、半波長板13が配置され、共振器ミラー2及び3の間に複屈折材料より成るレーザ媒質5が配置される。そしてレーザ媒質5の励起光源1側の端面5Aとは反対側の端面5Bが共振光路と略垂直面とされ、かつ、偏光膜6を備える面とされる。ここで共振器ミラー2は、励起光源1からの励起光を高透過率で透過し、レーザ媒質5において発振する光に対し高反射率を有する構成とする。また共振器ミラー3は、発振光をある程度の反射率で反射するが、部分的に透過する構成とする。
このとき、レーザ媒質5が複屈折性を有する材料すなわち異方性媒質であるので、偏光膜6とレーザ媒質5との屈折率差が偏光方向によって変化する。つまり、方向によって透過率を変化させることができる。このことを利用して、例えば図1中矢印p1で示すように紙面に沿い共振方向と直交する偏光成分が、矢印p2で示すように紙面に垂直で共振方向と直交する偏光成分に対し、透過率が大となるように偏光膜6を設計することができる。つまり、この偏光膜6を偏光選択素子として機能させることができる。
なお、共振器内で偏光選択作用を発現するには、所望の偏光と、寄生発振して欲しくない偏光との間で透過率の差があればよく、寄生発振を避けたい偏光に対する透過率がゼロであることは必ずしも必要ない。基本的には共振器内の基本波に対する透過率(反射率)による一周の損失(ロス)が少しでも低い方の偏光が発振するからである。ただし、発振させたい偏光に対しては十分に高透過な膜であることが望ましい。
透過率の差を大きくするためには、偏光膜を構成する多層膜の材料や層数等に制限が生じ、コストに影響する。また、製造上の膜特性のロット間ばらつきや、複屈折材料を用いる場合の軸ずれによる基板結晶の使用する方位に対する実効屈折率ばらつきなどを考えても、透過率の差は5%あれば十分に寄生発振を抑えられる。したがって、この透過率の差は0.5%以上5%以下であれば十分といえる。
このように共振器ミラー2をレーザ媒質5と一体化することによって、共振器ミラー2、レーザ媒質5及び偏光膜6の機能を1つの素子で実現できることとなり、図1に示す例と比べてより部品点数の削減を図ることができる。また、共振器レイアウトをより単純化でき、組み立て調整の簡易化、装置構成の簡易化に有利となる。
またこの場合、端面5Aにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述と同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。
図3に本発明の第2の実施の形態に係るレーザ光源装置30の概略構成図を示す。この例においては、共振器20内にレーザ媒質5と波長変換素子7とを配置する例を示す。そしてレーザ媒質5において発振する光を基本波として、波長変換素子7において2次高調波、3次高調波、パラメトリック発振、和周波混合等による変換波を発生して、外部に出力する例を示す。図3においては図1に示す例と同様に、共振器ミラー2をレーザ媒質5の励起光入射側の端面から離間して配置する例を示す。図3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。
なお、変換波の一部は共振器20内を往復することから、レーザ媒質5に設ける偏光膜6は基本波に加えて変換波に対しても高透過率となるように構成することが望ましい。
このように共振器ミラー2をレーザ媒質5と一体化することによって、共振器ミラー2、レーザ媒質5及び偏光膜6の機能を1つの素子で実現できることとなり、図3に示す例と比べてより部品点数の削減を図ることができる。また、共振器レイアウトをより単純化でき、組み立て調整の簡易化、装置構成の簡易化に有利となる。
またこの場合、端面5Aにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。
図5に本発明の第3の実施の形態に係るレーザ光源装置30の概略構成図を示す。この例においても、共振器20内にレーザ媒質5と波長変換素子7とを配置する。そしてレーザ媒質5において発振する光を基本波として、波長変換素子7において2次高調波、3次高調波、パラメトリック発振、和周波混合等による変換波を発生して、外部に出力する例を示す。図5においては図1及び図3に示す例と同様に、共振器ミラー2をレーザ媒質5の励起光入射側の端面から離間して配置する例を示す。図5において、図3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。
このように共振器ミラー2をレーザ媒質5と一体化し、かつ偏光膜6を設けることによって、共振器ミラー2、レーザ媒質5及び偏光膜6の機能を1つの素子で実現できることとなり、図5に示す例と比べてより部品点数の削減を図ることができる。また、共振器レイアウトをより単純化でき、組み立て調整の簡易化、装置構成の簡易化に有利となる。
なおこの場合は、図3に示す例と同様に、偏光膜6を、基本波に加えて変換波に対しても高透過となるように構成することが望ましい。
この場合においても、端面5Aにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。
上述の各実施の形態においては、エンドポンプ形式による励起方式としたが、本実施の形態においてはサイドポンプ方式による励起方式とする例を示す。図7は本実施の形態に係るレーザ装置30の概略構成図である。
この例においては、図7に示すように、共振器ミラー2及び3より構成される共振器20内に複屈折材料より成るレーザ媒質5が配置され、励起光源11から励起光を矢印Liで示すようにレーザ媒質5の側面5Sに照射する構成とされる。励起光源11としては例えば横マルチモードの光源を用いることができる。横マルチモードの光源を用いてサイドポンプ方式とする場合、励起光源11から出射される光の矢印aで示す長手方向と、レーザ媒質5から出射される発振光の矢印bで示す進行方向とが、略平行となるように配置される。そしてこの例においては、レーザ媒質5の一方の端面5Aに共振器ミラー2が配置され、他方の端面5Bが共振光路に略垂直面とされ、この端面5Bに偏光膜6が設けられる。共振器ミラー2は励起光及び発振光に対し共に高反射率とされ、より望ましくは全反射とされる。共振器ミラー3は上述の第1の実施の形態と同様に、発振光をある程度の反射率で反射するが部分的に透過する構成とする。
この場合も、端面5Aにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。
なお、この例においては共振器ミラー2をレーザ媒質5の一方の端面5A側に固定する例を示すが、この限りではなくレーザ媒質5と別体に設けてもよい。その場合、端面5Aに偏光膜を設けてもよく、図7に示す例と同様の効果が得られる。
図8に、本発明の第5の実施の形態に係るレーザ光源装置の概略構成図を示す。図8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、共振器20内にレーザ媒質5に加えて波長変換素子7を配置して、レーザ媒質5からの発振光を基本波として波長変換素子7において第2高調波、第3高調波等の変換波を発生して外部に出力する例を示す。この場合、偏光膜6は基本波に加えて変換波に対しても高透過とすることが望ましい。また、第2及び第3の実施の形態と同様に、共振器ミラー2を基本波に対して高反射とし、共振器ミラー3を基本波に対し高反射、望ましくは全反射とし、変換波を高透過として構成する。
そしてこの場合、レーザ媒質5と偏光膜6とを一体化することで、部品点数の削減を図ることができ、共振器レイアウトの単純化により組み立て調整の簡易化、装置構成の簡易化に有利となる。
なお、図8に示す例においては共振器ミラー2をレーザ媒質5と別体に設ける例を示すが、もちろんレーザ媒質の端面5Aに膜構造等として一体化することも可能である。この場合は更に部品点数の削減を図ることができる。
この場合においても、端面5Aにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。また、このように共振器ミラー2をレーザ媒質5と別体とする場合に、偏光膜6をレーザ媒質の端面5Aに設けることも可能である。この場合においても、偏光膜6を端面5Bに設ける場合と同様の効果を得ることができる。
図9は、本発明の第6の実施の形態に係るレーザ光源装置30である。この例においては、第4及び第5の実施の形態と同様にサイドポンプ励起方式とすると共に、共振器20内にレーザ媒質5及び波長変換素子7を配置する。そしてレーザ媒質5及び波長変換素子7を共に複屈折材料より構成し、その端面5B、7Bを共振方向に略垂直面として、偏光膜6及び8をそれぞれ設ける例を示す。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。
またこの例においては、共振器ミラー2、レーザ媒質5及び偏光膜6を1つの素子とし、更に波長変換素子7及び偏光膜8を1つの素子として取り扱うことできるので、部品点数の削減を図ることができ、共振器レイアウトの単純化により組み立て調整の簡易化、装置構成の簡易化に有利となる。もちろん、波長変換素子7のみに偏光膜8を設ける構成としてもよい。その場合においても、同様に寄生発振を抑える効果を得ることができる。
この場合、端面5Aに一体化した共振器ミラー2としての高反射膜を偏光膜としてもよい。また端面7Bに共振器ミラー3を一体化して設ける場合も同様である。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。また、共振器ミラー2は、レーザ媒質5と別体に設けてもよく、その場合に、レーザ媒質5の共振器ミラー2側の端面に偏光膜を設けてもよい。また、波長変換素子7に設ける偏光膜8も、レーザ媒質5側の端面に設けることもできる。
なお、上述の第3及びこの第6の実施の形態において、波長変換素子7のレーザ媒質5側の端面に偏光膜を設ける場合において、共振器ミラー3を波長変換素子7の端面7Bに一体に設けることも可能である。この場合は、より部品点数の削減を図って、小型で装置構成の簡易なレーザ光源装置を提供することができる。
またこの場合、端面7Bにつけた共振器ミラーとしての高反射膜を偏光膜としても良い。すなわち、寄生発振させたくない偏光に対し透過率を高く(反射率を低く)し、所望の偏光に対し透過率を低く(反射率を高く)すればよい。透過率差の値についての議論は前述同様で、透過率の差は0.5%以上5%以下であることが望ましい。
図10は、第4の実施の形態の比較例として、レーザ媒質105の一方の端面を傾斜面、例えばブリュースター面とする例を示す。図10に示すように、この比較例では、サイドポンプ励起方式を採る場合で、励起光源111から出射される励起光がレーザ媒質105に照射される。レーザ媒質105の一方の端面105Bはブリュースター面とされる。レーザ媒質105の他の端面に対向して共振器ミラー102が配置され、端面105Bから出射される発振光の光路上に共振器ミラー103が配置される。このように、ブリュースター面を利用して例えば矢印p11で示す偏光方向の光を選択的に分離して偏光による寄生発振を抑えることができる。しかしながらこの場合、光路が折れ曲がるので共振器のレイアウトが複雑となり、各光学部品の配置を調整する光学調整が煩雑となる。また、励起光源111やレーザ媒質105の大きさ、またレーザ媒質105の材料で決まるブリュースター角の大きさ等の条件によって、励起光源111の配置や電源供給用の配線部品等の配置が煩雑或いは困難となる恐れがある。
これに対し、本発明によれば、レーザ媒質又は波長変換素子の端面を略垂直面として偏光膜を設けるのみの簡易な構成で共振器レイアウトを簡易化し、装置構成の小型化、簡易化を図ることができる。
偏光膜としては、例えば高屈折率材料と低屈折率材料との積層構造による多層膜構成とすることができる。そしてその屈折率差、膜厚や層数等を適切に選定することによって偏光方向によって、方向により透過率差を生じさせる構造とすることができる。
また、高屈折率材料としては、例えばTa2O5、TiO2、Nb2O5、ZnS、PbF2、Si、Ge、PbTe、HfO2などが使われる。他にZrO2、HfO2も屈折率が比較的高い材料である。
なお、SiO2、Ta2O5、TiO2、Nb2O5などはレーザ用の高耐力膜としても利用されており、これらを用いる場合は耐久性に有利となる。
また、それらに分極反転処理をほどこした、PP−C−LiNbO3、PP−C−LiTaO3、PP−S−LiNbO3、PP−S−LiTaO3(PPSLT)、PP−MgO:C−LiNbO3、PP−MgO:C−LiTaO3、PP−ZnO:C−LiNbO3、PP−ZnO:C−LiTaO3、PP−MgO:S−LiNbO3、PP−MgO:S−LiTaO3、PP−ZnO:S−LiNbO3、PP−ZnO:S−LiTaO3、PP−KTiOPO4などの結晶素子を挙げることができる。
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。
また、波長変換素子の大きさは、共振器内部での基本波及び変換波のビームサイズよりも適切量大きいサイズとすることが望ましい。
波長変換素子の大きさは、共振器内部での基本波及び変換波のビームサイズよりも適切量大きいサイズであることが必要である。しかしながら、上述した各種材料の非線形光学結晶や非線形光学素子、特に周期分極反転構造を設ける非線形光学結晶は、実用上その大型化には限界がある。このため、基本波の入射する端面の有効径を大きくすることなく調整することが望ましく、すなわち調整が容易となるように、装置構成が簡易であることが望ましい。上述したように励起方向と変換波の出射方向とを平行とする場合は、光学的な調整が容易となる。すなわち、角度を適切に選定する場合は波長変換素子の調整も簡易化されるという利点がある。
次に、本発明の第7の実施の形態として、本発明に係るレーザ光源装置を利用した画像生成装置の実施の形態について図11を参照して説明する。
図11に示すようにこの画像生成装置100は、本発明構成によるレーザ光源装置30と、照明光学系40、例えば回折格子型の1次元光変調装置51及び光選択部52を含む光変調部55、投射光学部53、走査素子54を有する走査光学部56から構成される。レーザ光源装置30としてはこの場合、横マルチモードの1次元状のレーザ光を出力するレーザ光源装置を用いる。このレーザ光源装置30は、レーザ媒質を複屈折材料としてその端面を略垂直面として偏光膜を設ける構成とする。或いは、波長変換素子を有し、レーザ媒質又は波長変換素子の少なくともいずれか一方を複屈折材料とし、その端面を略垂直として偏光膜を設ける構成とする。具体的には例えば上述の図1、図2又は図7に示す構成、或いは変換波を出力する場合は図3〜図6、図8、又は図9に示す構成とする。そしてこのレーザ光源装置30から出射されて照明光学系40において光束形状等を整えられたレーザ光Loは、例えば回折格子型構成の1次元光変調装置51に線状の光ビームとして照射される。
上述の構成による画像生成装置100によれば、レーザ光源装置30として本発明構成のレーザ光源装置を用いることから、小型の構成とし、寄生発振が抑制された安定で高効率のレーザ光、例えば変換波を利用することができる。したがって照明むらの少ない良質な画質をもって画像を生成することが可能となる。
更にまた、画像生成装置以外においても、レーザアニール装置、露光装置等の各種レーザプロセス装置におけるレーザ光源装置に本発明を適用することができ、出力光の均一化と安定化を図ることができる。これらの装置においてレーザ光源装置を1以上用いる場合は、その少なくとも1つのレーザ光源装置に本発明を適用することで、上述した出力光の均一化、安定化や、装置の小型化、コストの低減化等の効果を得ることが可能である。
また上述したように、波長変換素子を用いる内部共振型波長変換構成とする場合、波長変換素子において生じる高調波は2次高調波に限定されるものではなく、3次以上の高調波でもよく、また和周波発生による高調波発生、パラメトリック発振による変換を行う場合にも適用可能である。
1.小型で部品点数少ない。
2.共振器レイアウトが単純である。
3.レーザ結晶や波長変換結晶の加工を煩雑にせず、また共振器調整工程も複雑化することがない。
という効果が得られ、ひいてはそれらによる低コスト化を図ることができる。
Claims (7)
- 励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、
前記共振器ミラーにより構成される共振器内に、レーザ媒質を備え、
前記励起光源からの光で前記レーザ媒質が励起されて、前記共振器の発振により得られる光を出力する構成とされ、
前記レーザ媒質として、複屈折材料が用いられ、
前記レーザ媒質の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記複屈折材料の複屈折性により偏光性を示す偏光膜が設けられる
レーザ光源装置。 - 請求項1記載のレーザ光源装置において、
前記共振器ミラーにより構成される共振器内に、前記レーザ媒質と波長変換素子とを備え、
前記共振器の発振により得られる光を基本波として前記波長変換素子に照射して変換波を出力する構成とされるレーザ光源装置。 - 請求項2記載のレーザ光源装置において、
前記波長変換素子として、複屈折材料が用いられ、
前記波長変換素子の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記複屈折材料の複屈折性により偏光性を示す偏光膜が設けられるレーザ光源装置。 - 請求項1記載のレーザ光源装置において、
前記レーザ媒質又は波長変換素子の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記基本波に対する高反射膜が形成されて、前記共振器ミラーとされるレーザ光源装置。 - 励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、
前記共振器ミラーにより構成される共振器内に、レーザ媒質と波長変換素子とを備え、
前記共振器の発振により得られる光を基本波として前記波長変換素子に照射して変換波を出力する構成とされ、
前記波長変換素子として、複屈折材料が用いられ、
前記波長変換素子の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記複屈折材料の複屈折性により偏光性を示す偏光膜が設けられる
レーザ光源装置。 - レーザ光源装置と、該レーザ光源装置から出射される光を情報に対応して変調する光変調部と、投射光学部とを備え、
前記レーザ光源装置は、励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、前記共振器ミラーにより構成される共振器内にレーザ媒質を備え、
前記励起光源からの光で前記レーザ媒質が励起されて、前記共振器の発振により得られる光を出力する構成とされ、
前記レーザ媒質として、複屈折材料が用いられ、
前記レーザ媒質の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記複屈折材料の複屈折性により偏光性を示す偏光膜が設けられる
画像生成装置。 - レーザ光源装置と、該レーザ光源装置から出射される光を情報に対応して変調する光変調部と、投射光学部とを備え、
前記レーザ光源装置は、励起光源と、一対の共振器ミラーとを有し、前記共振器ミラーにより構成される共振器内にレーザ媒質と波長変換素子とを備え、
前記共振器の発振により得られる光を基本波として前記波長変換素子に照射して変換波を出力する構成とされ、
前記波長変換素子として、複屈折材料が用いられ、
前記波長変換素子の一方の端面が共振光路と略垂直とされ、かつ、前記複屈折材料の複屈折性により偏光性を示す偏光膜が設けられる
画像生成装置。
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