JP2017215538A - Laser and laser ultrasonic flaw detection device using the same - Google Patents

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昌信 内藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser emitting mid-infrared and a laser ultrasonic flaw detection device using the same.SOLUTION: The laser comprises: a first wavelength conversion element having a period polarization inversion structure (period Λ), and wavelength-converting at a temperature T a pump light (pump wavelength λ) into an idler light (idler wavelength λ) and a signal light (signal wavelength λ) to satisfy 1/λ=1/λ+1/λ; a second wavelength conversion element having a period polarization inversion structure (period Λ), and wavelength-converting at the temperature T the signal light (signal wavelength λ) into a difference frequency light (difference frequency wavelength λ) and the idler light (idler wavelength λ) to satisfy 1/λ=1/λ+1/λ; and a temperature control part heating the wavelength conversion elements to control the temperatures. The temperature control part controls the temperature T to exceed a degeneracy temperature Tat which the second wavelength conversion element parametrically oscillates.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置に関する。詳細には、本発明は、波長変換素子を用い、中赤外光を発する小型レーザおよびそれを用いたレーザ超音波探傷装置に関する。   The present invention relates to a laser and a laser ultrasonic flaw detector using the laser. More specifically, the present invention relates to a compact laser that emits mid-infrared light using a wavelength conversion element and a laser ultrasonic flaw detector using the same.

炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)は、強度と軽さを併せ持った大変ユニークで革新的な構造材料であり、その有用性は全世界的に認知され、航空機、カーなど様々な分野への応用が始まっているところである。このCFRP等カーボン複合材料開発のキーとなる技術の一つが、欠陥検出のための非破壊検査技術である。超音波探傷試験(LUT:Laser−Ultrasonic Testing)とは、検査部に短パルスレーザを照射し、材料に局所的な体積の膨張・収縮を起こして、超音波を発生させその伝搬を解析することで、材料表面や内部の欠陥を非破壊的に検出する方法のことである。LUTのキーテクノロジは多岐にわたるが、とりわけ、超音波生成用パルスレーザが重要で、CFRP検査に最適化された波長で、使いやすく信頼性の高いレーザが極めて重要であるが、現在CFRPのLUTに使用されているレーザは、大型で大変扱いにくく、信頼性の低いCOレーザである。 Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) is a very unique and innovative structural material that combines strength and lightness. Its usefulness is recognized worldwide, and it is used in various fields such as aircraft and cars. Application to is starting. One of the key technologies for developing carbon composite materials such as CFRP is nondestructive inspection technology for detecting defects. Ultrasonic flaw test (LUT: Laser-Ultrasonic Testing) is to irradiate a short pulse laser to the inspection part, cause local expansion and contraction of the volume of the material, generate ultrasonic waves and analyze their propagation This is a method for nondestructively detecting defects on the material surface and inside. LUT's key technologies are diverse, but in particular, pulsed lasers for ultrasonic generation are important, and lasers that are easy to use and reliable at wavelengths optimized for CFRP inspection are extremely important. The laser used is a large, very unwieldy, low reliability CO 2 laser.

最近、COレーザに代わるレーザとして、光パラメトリック発振(OPO:Optical Parametric Oscillation)を用いた中赤外光を発するレーザが開発された(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1は、周期分極反転構造が形成された、Mgを添加した化学量論組成のLiTaO単結晶を用い、OPO発振を行い、3.23μmの中赤外光がCFRPへのレーザダメージが少なく、感度の高い光源であることを報告している。しかしながら、非破壊検査の精度を向上させるためには、OPO発振効率のさらなる向上が求められる。 Recently, a laser that emits mid-infrared light using optical parametric oscillation (OPO) has been developed as a laser that replaces the CO 2 laser (see, for example, Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 1 uses a LiTaO 3 single crystal with a stoichiometric composition to which a periodically poled structure is formed, added Mg, performs OPO oscillation, and 3.23 μm of mid-infrared light causes laser damage to CFRP. It is reported that this is a light source with high sensitivity. However, in order to improve the accuracy of nondestructive inspection, further improvement in OPO oscillation efficiency is required.

OPO発振効率を向上させる別の中赤外光を発するレーザが開発された(例えば、非特許文献2および特許文献1を参照)。特許文献1および非特許文献2によれば、OPOと差周波発振(DFM:Different Frequency Mixing)とを組み合わせた中赤外光を発するレーザが開示される。   Another laser emitting mid-infrared light that improves the OPO oscillation efficiency has been developed (see, for example, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1). According to Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, a laser that emits mid-infrared light in combination of OPO and differential frequency mixing (DFM) is disclosed.

図1は、従来技術によるOPOとDFMとの組み合わせのレーザの原理を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing the principle of a conventional laser combining OPO and DFM.

図1(B)に示すように、特許文献1および非特許文献2によれば、OPOとDFMとを共振器内に配置した構成を開示する。ここで、OPOでは、図1(A)に示すように、ポンプ波(ωpump)がシグナル波(ωsignal)とアイドラ波(ωidler)とに変換される。目的とする中赤外光は、アイドラ波であるが、Manley−Roweの関係により、その変換効率は、波長3.2μm近傍の中赤外光生成の場合、アイドラ光とシグナル光のエネルギー比は1:2なので、最大33%に制限される。そこで、図1(B)に示すように、OPOに続いて、DFMを組み込むことにより、シグナル波が、アイドラ波と差周波波(ωdifference)とに変換される。これにより、アイドラ生成効率が改善する。 As shown in FIG. 1B, according to Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, a configuration in which an OPO and a DFM are arranged in a resonator is disclosed. Here, in the OPO, as shown in FIG. 1A, the pump wave (ω pump ) is converted into a signal wave (ω signal ) and an idler wave (ω idler ). The target mid-infrared light is an idler wave, but due to the Manley-Rowe relationship, the conversion efficiency is such that when the mid-infrared light near the wavelength of 3.2 μm is generated, the energy ratio between the idler light and the signal light is Since it is 1: 2, it is limited to a maximum of 33%. Therefore, as shown in FIG. 1B, a signal wave is converted into an idler wave and a difference frequency wave (ω difference ) by incorporating DFM after OPO. This improves idler generation efficiency.

実際に、非特許文献2によれば、OPOとDFMとを組み合わせたレーザにおけるアイドラ波の発振効率は、OPO単独によるそれよりも大きいことが示されている。しかしながら、このような構造を達成するためには、OPOとDFMとを別個に温度制御する必要があり、レーザそのものの小型化が求められている。また、特許文献1においても、具体的な構成が開示されていない。   Actually, Non-Patent Document 2 shows that the oscillation efficiency of idler waves in a laser in which OPO and DFM are combined is greater than that of OPO alone. However, in order to achieve such a structure, it is necessary to separately control the temperature of the OPO and the DFM, and the laser itself is required to be downsized. Also, Patent Document 1 does not disclose a specific configuration.

一方、二回連続で波長変換する別の波長変換レーザ装置が開発されている(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2によれば、入射光の波長とは異なる第1の波長の光に変換する第一の波長変換素子と、第一の波長変換素子により変換された光および第一の波長変換素子により変換されなかった基本波が入射されて第1の波長とは異なる第2の波長の光に変換する第二の波長変換素子とを備えた波長変換レーザ装置が開示されており、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子の少なくともいずれか一方が、ファンアウト構造の疑似位相整合素子か、チャープ構造の疑似位相整合素子であり、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子が同じ温度に制御されていることを特徴とする。   On the other hand, another wavelength conversion laser device that performs wavelength conversion twice in succession has been developed (for example, see Patent Document 2). According to Patent Document 2, the first wavelength conversion element that converts light having a first wavelength different from the wavelength of incident light, the light converted by the first wavelength conversion element, and the first wavelength conversion element A wavelength conversion laser device is disclosed that includes a second wavelength conversion element that receives a fundamental wave that has not been converted and converts it to light having a second wavelength different from the first wavelength. At least one of the conversion element and the second wavelength conversion element is a fan-out structure pseudo-phase matching element or a chirp structure pseudo-phase matching element, and the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element are It is characterized by being controlled to the same temperature.

しかしながら、特許文献2では、第一の波長変換素子と第二の波長変換素子とは、いずれも、第二高調波発生をし、OPOとDFMとの組み合わせではなく、中赤外光を発振することができない。   However, in Patent Document 2, the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element both generate second harmonics and oscillate mid-infrared light, not a combination of OPO and DFM. I can't.

特許第5520933号明細書Japanese Patent No. 5520933 特開2015−165260号公報JP2015-165260A

H. Hatanoら,J.Optics,17(2015)094011H. Hatano et al. Optics, 17 (2015) 094011 畑野秀樹ら,14p−2G−9「PP−MgSLTを用いたOPO+DFMによる高効率中赤外レーザー光源開発とCFRPのレーザー超音波探傷への応用」,第76回応用物理学会秋季学術講演会,2015Hideki Hatano et al., 14p-2G-9 “Development of high-efficiency mid-infrared laser light source by OPO + DFM using PP-MgSLT and application of CFRP to laser ultrasonic testing”, 76th JSAP Autumn Meeting, 2015

本発明の課題は、中赤外の光を発する小型レーザ、および、それを用いたレーザ超音波探傷装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a small laser emitting mid-infrared light and a laser ultrasonic flaw detector using the same.

本発明によるレーザは、第1の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第1の波長変換素子であって、温度Tにおいて、ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λを有するアイドラ光とシグナル波長λを有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λと前記アイドラ波長λと前記シグナル波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす、第1の波長変換素子と、第2の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第2の波長変換素子であって、前記温度Tにおいて、前記シグナル波長λを有する前記シグナル光を、差周波波長λを有する差周波光と前記アイドラ波長λを有する前記アイドラ光とに波長変換し、ここで、前記シグナル波長λと前記差周波波長λと前記アイドラ波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす、第2の波長変換素子と、前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子を加熱し、温度を制御する温度制御部とを備え、前記温度制御部は、前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子の前記温度Tを、前記第2の波長変換素子が、前記ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λi’を有するアイドラ光とシグナル波長λs’を有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λと前記アイドラ波長λi’と前記シグナル波長λs’とが、関係1/λ=1/λs’+1/λi’および関係λs’=λi’を満たす場合の縮退温度Tよりも高くなるよう制御し、これにより上記課題を達成する。
前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子の周期分極反転構造は、ファンアウト構造であってもよい。
前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子は、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Mg、Zn、ScおよびIからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなってもよい。
前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子は、単一の単結晶からなってもよい。
前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子は、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなり、前記第1の周期Λは、30.5μm以上31.5μm以下の範囲であり、前記第2の周期Λは、32.5μm以上33.15μm以下の範囲であってもよい。
前記第1の周期Λは、30.8μm以上31.2μm以下の範囲であり、前記第2の周期Λは、32.7μm以上32.9μm以下の範囲であってもよい。
前記温度Tは、65℃以上150℃以下の範囲の温度であってもよい。
本発明による超音波によって被験物の探傷を試験するレーザ超音波探傷装置は、ポンプ波長λを有するポンプ光を発する励起源と、前記励起源からの前記ポンプ光を、アイドラ波長λを有するアイドラ光に波長変換し、前記アイドラ光を前記被験物に照射するレーザとを備え、前記レーザは、上述のレーザであり、これにより上記課題を解決する。
前記レーザは、前記アイドラ光が3.15μm以上3.25μm以下の波長を有する中赤外光を発してもよい。
前記被験物で発生した超音波を検出し、解析する解析部をさらに備えてもよい。
前記被験物は、炭素繊維強化プラスチックであってもよい。
前記励起源は、Nd:YAGレーザまたはNd:YVOレーザであってもよい。
The laser according to the present invention is a first wavelength conversion element having a periodically poled structure having a first period Λ 1, and has a pump light having a pump wavelength λ p and an idler wavelength λ i at a temperature T. Wavelength conversion into idler light and signal light having a signal wavelength λ s , where the pump wavelength λ p , the idler wavelength λ i, and the signal wavelength λ s are related 1 / λ p = 1 / λ s A first wavelength conversion element satisfying + 1 / λ i and a second wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure having a second period Λ 2 , wherein the signal wavelength λ s is changed at the temperature T. The signal light having a wavelength is converted into a difference frequency light having a difference frequency wavelength λ d and an idler light having the idler wavelength λ i , wherein the signal wavelength λ i , the difference frequency wavelength λ d, and the Idler The long lambda i, satisfying the relation 1 / λ s = 1 / λ i + 1 / λ d, and heated a second wavelength converting element, the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element, A temperature control unit for controlling temperature, wherein the temperature control unit sets the temperature T of the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element, and the second wavelength conversion element sets the pump wavelength. pump light having a lambda p, and wavelength-converted into a signal light having a 'idler light and the signal wavelength lambda s having a' idler wavelength lambda i, wherein wherein said pump wavelength lambda p and the idler wavelength lambda i ' The signal wavelength λ s ′ is controlled to be higher than the degenerate temperature T 0 when the relationship 1 / λ p = 1 / λ s ′ + 1 / λ i ′ and the relationship λ s ′ = λ i ′ are satisfied. The above-described problem is achieved.
The periodic polarization inversion structure of the first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element may be a fan-out structure.
The first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element is selected from the group consisting of stoichiometric lithium niobate, substantially stoichiometric lithium tantalate, Mg, Zn, Sc and I A substantially stoichiometric composition of lithium niobate containing at least one element and a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and In It may consist of a single crystal selected from the group consisting of lithium tantalate.
The first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element may be made of a single single crystal.
The first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element is a lithium tantalate having a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and In The first period Λ 1 is in the range of 30.5 μm to 31.5 μm, and the second period Λ 2 is in the range of 32.5 μm to 33.15 μm. May be.
The first period Λ 1 may be in the range of 30.8 μm to 31.2 μm, and the second period Λ 2 may be in the range of 32.7 μm to 32.9 μm.
The temperature T may be a temperature in the range of 65 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
A laser ultrasonic flaw detection apparatus for testing flaw detection of an object by ultrasonic waves according to the present invention has an excitation source that emits pump light having a pump wavelength λ p, and the pump light from the excitation source has an idler wavelength λ i . A laser that converts the wavelength into idler light and irradiates the test object with the idler light. The laser is the above-described laser, thereby solving the above-described problem.
The laser may emit mid-infrared light in which the idler light has a wavelength of 3.15 μm to 3.25 μm.
You may further provide the analysis part which detects and analyzes the ultrasonic wave which generate | occur | produced in the said test object.
The test object may be a carbon fiber reinforced plastic.
The excitation source may be an Nd: YAG laser or an Nd: YVO 4 laser.

本発明によるレーザは、第1の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第1の波長変換素子と、第2の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第2の波長変換素子と、これらを加熱し、温度を制御する温度制御部とを備え、温度制御部は、これらの温度Tを、第2の波長変換素子が、OPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くなるよう制御する。これにより、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子を同じ温度Tで動作させても、望まない第2の波長変換素子によるOPO発振を抑制できるので、高い変換効率を達成できる。また、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子は、単一の温度制御部によって同一温度に制御すればよいので、別個の温度制御部を不要とし、レーザ全体を小型化できる。このようなレーザを採用すれば、小型かつ高精度なレーザ超音波探傷装置を提供できる。 A laser according to the present invention includes a first wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure having a first period Λ 1 , a second wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure having a second period Λ 2 , and A temperature control unit for heating and controlling the temperature, and the temperature control unit controls the temperature T to be higher than the degenerate temperature T 0 when the second wavelength conversion element performs OPO oscillation. To do. Thereby, even if the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element are operated at the same temperature T, OPO oscillation caused by the second wavelength conversion element that is not desired can be suppressed, so that high conversion efficiency can be achieved. Further, since the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element need only be controlled to the same temperature by a single temperature control unit, separate temperature control units are unnecessary, and the entire laser can be reduced in size. If such a laser is employed, a small and highly accurate laser ultrasonic flaw detector can be provided.

従来技術によるOPOとDFMとの組み合わせのレーザの原理を示す図The figure which shows the principle of the laser of the combination of OPO and DFM by a prior art 本発明によるレーザを示す模式図Schematic showing a laser according to the invention. 本発明によるレーザ超音波探傷装置を示す模式図Schematic diagram showing a laser ultrasonic flaw detector according to the present invention. 実験で用いた光学系を示す図Diagram showing the optical system used in the experiment 実施例1のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser of Example 1, and phase matching temperature. 比較例2の実施例1のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength and phase matching temperature of the laser of Example 1 of the comparative example 2 実施例1のレーザの出力光のエネルギーの温度依存性を示す図The figure which shows the temperature dependence of the energy of the output light of the laser of Example 1. FIG. 実施例1のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the energy of the pump light of the laser of Example 1, and the energy of output light. 比較例2のレーザにおける第2の波長変換素子の出力光のエネルギーの温度依存性を示す図The figure which shows the temperature dependence of the energy of the output light of the 2nd wavelength conversion element in the laser of the comparative example 2. 比較例2のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the energy of the pump light of the laser of the comparative example 2, and the energy of output light 実施例3によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser by Example 3, and phase matching temperature. 実施例4によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser by Example 4, and phase matching temperature. 実施例5によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser by Example 5, and phase matching temperature. 実施例6によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser by Example 6, and phase matching temperature. 実施例7によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser by Example 7, and phase matching temperature.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明によるレーザを説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, a laser according to the present invention will be described.

図2は、本発明によるレーザを示す模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a laser according to the present invention.

図2(A)に示すように、本発明によるレーザ200は、少なくとも、第1の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第1の波長変換素子210と、第2の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第2の波長変換素子220と、これら第1の波長変換素子210と第2の波長変換素子220とを同時に加熱し、温度を制御する単一の温度制御部230とを備える。第1の波長変換素子210と第2の波長変換素子220との加熱を単一の温度制御部230が行うので、別個の温度制御部を不要とし、レーザ200全体を小型化できる。 As shown in FIG. 2A, a laser 200 according to the present invention has at least a first wavelength conversion element 210 having a periodically poled structure having a first period Λ 1 and a second period Λ 2 . A second wavelength conversion element 220 having a periodically poled structure, and a single temperature control unit 230 that simultaneously heats the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 to control the temperature. Prepare. Since the single temperature control unit 230 performs heating of the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220, a separate temperature control unit is unnecessary, and the entire laser 200 can be downsized.

第1の波長変換素子210は、疑似位相整合によりパラメトリック(OPO)発振する波長変換素子である。第1の波長変換素子210は、温度Tにおいて、ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λを有するアイドラ光とシグナル波長λを有するシグナル光とに波長変換する。ここで、ポンプ波長λとアイドラ波長λとシグナル波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす。 The first wavelength conversion element 210 is a wavelength conversion element that performs parametric (OPO) oscillation by quasi phase matching. The first wavelength conversion element 210 converts the wavelength of the pump light having the pump wavelength λ p into the idler light having the idler wavelength λ i and the signal light having the signal wavelength λ s at the temperature T. Here, the pump wavelength λ p , the idler wavelength λ i, and the signal wavelength λ s satisfy the relationship 1 / λ p = 1 / λ s + 1 / λ i .

詳細には、第1の周期Λは、ポンプ波長λとアイドラ波長λとシグナル波長λを用いて、次のように表される。
1/Λ=n(T)/λ−n(T)/λ−n(T)/λ
ここで、n(T)、n(T)およびn(T)は、それぞれ、温度Tにおける、ポンプ光、シグナル光およびアイドラ光の各波長に対する屈折率である。
Specifically, the first period Λ 1 is expressed as follows using the pump wavelength λ p , the idler wavelength λ i, and the signal wavelength λ s .
1 / Λ 1 = n p ( T) / λ p -n s (T) / λ s -n i (T) / λ i
Here, n p (T), n s (T), and n i (T) are refractive indexes for the wavelengths of the pump light, the signal light, and the idler light at the temperature T, respectively.

第2の波長変換素子220は、疑似位相整合により差周波(DFM)発振する波長変換素子である。第2の波長変換素子220は、温度Tにおいて、シグナル波長λを有するシグナル光を、差周波波長λを有する差周波光とアイドラ波長λを有するアイドラ光とに波長変換する。ここで、シグナル波長λと差周波波長λとアイドラ波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす。 The second wavelength conversion element 220 is a wavelength conversion element that oscillates in a difference frequency (DFM) by quasi phase matching. The second wavelength conversion element 220 converts the wavelength of the signal light having the signal wavelength λ s into the difference frequency light having the difference frequency wavelength λ d and the idler light having the idler wavelength λ i at the temperature T. Here, the signal wavelength λ i , the difference frequency wavelength λ d and the idler wavelength λ i satisfy the relationship 1 / λ s = 1 / λ i + 1 / λ d .

詳細には、第2の周期Λは、差周波波長λとアイドラ波長λとシグナル波長λを用いて、次のように表される。
1/Λ=n(T)/λ−n(T)/λ−n(T)/λ
ここで、n(T)、n(T)およびn(T)は、それぞれ、温度Tにおける、差周波光、シグナル光およびアイドラ光の各波長に対する屈折率である。
Specifically, the second period Λ 2 is expressed as follows using the difference frequency wavelength λ d , the idler wavelength λ i and the signal wavelength λ s .
1 / Λ 2 = n s (T) / λ s −n d (T) / λ d −n i (T) / λ i
Here, n d (T), n s (T), and n i (T) are the refractive indexes for the respective wavelengths of the difference frequency light, the signal light, and the idler light at the temperature T, respectively.

温度制御部230は、第1の波長変換素子210および第2の波長変換素子220を温度Tに加熱するが、温度Tが、第2の波長変換素子220がOPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くなるように制御する。第2の波長変換素子220が、OPO発振するとは、ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λi’(λ≠λi’)を有するアイドラ光とシグナル波長λs’(λ≠λs’)を有するシグナル光とに波長変換することをいう。ここで、ポンプ波長λとアイドラ波長λi’とシグナル波長λs’とが、関係1/λ=1/λs’+1/λi’および関係λs’=λi’を満たす場合の温度が縮退温度Tである。 The temperature control unit 230 heats the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 to the temperature T. The temperature T is a degenerate temperature T 0 when the second wavelength conversion element 220 performs OPO oscillation. Control to be higher. When the second wavelength conversion element 220 oscillates OPO, pump light having a pump wavelength λ p is converted from idler light having an idler wavelength λ i ′i ≠ λ i ′ ) and a signal wavelength λ s ′s ≠ λ s ′ ) refers to wavelength conversion to signal light having λ. Here, if the pump wavelength lambda p and idler wavelength lambda i 'the signal wavelength lambda s' and but satisfying the relation 1 / λ p = 1 / λ s '+ 1 / λ i' and the relationship λ s '= λ i' temperature of is degenerate temperature T 0.

このような温度制御部230は、温度制御機構(内部あるいは外部)を備えたヒータ、ペルチエ温度制御器等であり得、40℃以上200℃以下の温度範囲に加熱可能であれば足りる。   Such a temperature control unit 230 may be a heater, a Peltier temperature controller, or the like provided with a temperature control mechanism (internal or external), as long as it can be heated to a temperature range of 40 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

本願発明者らは、差周波発振を目的とする第2の波長変換素子220が、所定の条件において、第1の波長変換素子210に入射するポンプ光によってパラメトリック発振し、これが発振効率の低下につながることを発見した。そこで、上述の第1の波長変換素子210および第2の波長変換素子220の温度Tを、第2の波長変換素子220がOPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くすることによって、第2の波長変換素子220のOPO発振が抑制されるので、全体の発振効率を向上させることができる。 The inventors of the present application conducted a parametric oscillation of the second wavelength conversion element 220 for the purpose of the difference frequency oscillation under the predetermined conditions by the pump light incident on the first wavelength conversion element 210, which reduced the oscillation efficiency. I found it connected. Accordingly, the temperature T of the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 described above is set to be higher than the degenerate temperature T 0 when the second wavelength conversion element 220 performs OPO oscillation. Since the OPO oscillation of the wavelength conversion element 220 is suppressed, the overall oscillation efficiency can be improved.

より詳細には、図2(B)に示すように、第1の波長変換素子210に入射するポンプ波長λおよびポンプ周波数ωを有するポンプ光は、第1の波長変換素子210において、アイドラ波長λおよびアイドラ周波数ωを有するアイドラ光と、シグナル波長λおよびシグナル周波数ωを有するシグナル光とに波長変換される。 More specifically, as shown in FIG. 2B, pump light having a pump wavelength λ p and a pump frequency ω p incident on the first wavelength conversion element 210 is converted into idler in the first wavelength conversion element 210. Wavelength conversion is performed into idler light having a wavelength λ i and an idler frequency ω i and signal light having a signal wavelength λ s and a signal frequency ω s .

次いで、波長変換されたアイドラ光とシグナル光とは、第2の波長変換素子220に入射し、アイドラ光は、第2の波長変換素子220を透過し、シグナル光は、第2の波長変換素子220において、差周波波長λおよび差周波周波数ω有する差周波光と、アイドラ波長λおよびアイドラ周波数ω有するアイドラ光とに波長変換される。 Next, the wavelength-converted idler light and signal light are incident on the second wavelength conversion element 220, the idler light is transmitted through the second wavelength conversion element 220, and the signal light is transmitted through the second wavelength conversion element 220. At 220, wavelength conversion is performed into difference frequency light having difference frequency wavelength λ d and difference frequency frequency ω d and idler light having idler wavelength λ i and idler frequency ω i .

ここで、温度制御部230が、第1の波長変換素子210と第2の波長変換素子220の温度Tを縮退温度Tよりも高くなるように制御するので、第2の波長変換素子220は、ポンプ光、アイドラ光およびシグナル光のいずれが入射しても、OPO発振することはない。 Here, since the temperature control unit 230 controls the temperature T of the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 to be higher than the degenerate temperature T 0 , the second wavelength conversion element 220 is Even if any of pump light, idler light and signal light is incident, OPO oscillation does not occur.

その結果、第1の波長変換素子210に入射したポンプ光のポンプ周波数ωは、理想的な、第1の波長変換素子210によって変換されたアイドラ光のアイドラ周波数ωと、第2の波長変換素子220によって変換されたアイドラ光のアイドラ周波数ωと、第2の波長変換素子220によって変換された差周波光の差周波周波数ωとの和となる。ここで、第1の波長変換素子210の第1の周期Λおよび第2の波長変換素子220の第2の周期Λの調整によっては、差周波周波数ωとアイドラ周波数ωとが、実質的に等しくなるようにすることもできる。このような場合には、理論的な変換効率が100%となる。 As a result, the pump frequency ω p of the pump light incident on the first wavelength conversion element 210 is equal to the ideal idler frequency ω i of the idler light converted by the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength. This is the sum of the idler frequency ω i of the idler light converted by the conversion element 220 and the difference frequency frequency ω d of the difference frequency light converted by the second wavelength conversion element 220. Here, depending on the second period lambda 2 of the adjustment of the first period lambda 1 and the second wavelength conversion element 220 of the first wavelength converting element 210, and a difference frequency frequency omega d and idler frequency omega i, It can also be made substantially equal. In such a case, the theoretical conversion efficiency is 100%.

ここで、レーザ200が中赤外の光を発するレーザである場合には、少なくともアイドラ光のアイドラ波長λが、中赤外(例えば、3μm〜3.5μm)となるように、ポンプ光の波長λ、第1の周期Λおよび/または第2の周期Λを設計すればよい。 Here, when the laser 200 is a laser that emits mid-infrared light, at least the idler wavelength λ i of the idler light has a mid-infrared (for example, 3 μm to 3.5 μm). The wavelength λ p , the first period Λ 1 and / or the second period Λ 2 may be designed.

第1の周期Λおよび/または第2の周期Λは、固定値であってもよいし、ある幅を持っていてもよい。例えば、ある幅を持っている場合には、第1の波長変換素子210および/または第2の波長変換素子220の周期分極反転構造は、ファンアウト構造となる。ファンアウト構造とすれば、第1の波長変換素子210および/または第2の波長変換素子220の発振波長が、第1の周期Λおよび/または第2の周期Λの幅に応じて可変となるので、スライド機構などを設けて、第1の波長変換素子210と第2の波長変換素子220とを所望の周期を選択するようにすればチューニング可能な可変波長レーザを提供できる。 The first period Λ 1 and / or the second period Λ 2 may be a fixed value or may have a certain width. For example, when having a certain width, the periodic polarization inversion structure of the first wavelength conversion element 210 and / or the second wavelength conversion element 220 is a fan-out structure. With the fan-out structure, the oscillation wavelength of the first wavelength conversion element 210 and / or the second wavelength conversion element 220 is variable according to the width of the first period Λ 1 and / or the second period Λ 2. Therefore, a tunable variable wavelength laser can be provided by providing a slide mechanism or the like and selecting a desired period for the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220.

第1の波長変換素子210および/または第2の波長変換素子220は、周期分極反転構造を形成可能で、180°ドメインを有する強誘電体単結晶であるが、好ましくは、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Mg、Zn、ScおよびIからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなる。これらの単結晶であれば、良質な単結晶が入手でき、大口径の素子を提供でき、レーザダメージ耐性もあり、高い発振効率を可能とする。   The first wavelength conversion element 210 and / or the second wavelength conversion element 220 is a ferroelectric single crystal that can form a periodically poled structure and has a 180 ° domain, but preferably has a ratio composition niobium. Lithium oxide, substantially stoichiometric lithium tantalate, substantially stoichiometric lithium niobate containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and I, and Mg, It consists of a single crystal selected from the group consisting of lithium tantalate having a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Zn, Sc and In. If these single crystals are used, high-quality single crystals can be obtained, large-diameter elements can be provided, laser damage resistance can be provided, and high oscillation efficiency can be achieved.

なお、本明細書中において、実質的に「定比組成である」とは、LiO/(Ta+LiO)またはLiO/(Nb+LiO)のモル分率が完全に0.50ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成LiO/(Ta+LiO)または(LiO/(Nb+LiO)のモル分率=0.490〜0.5)を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。このような実質的に定比組成であるタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム単結晶は、例えば、特許第3551242号に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製され得る。 In the present specification, the phrase “having a stoichiometric composition” substantially means a mole of Li 2 O / (Ta 2 O 5 + Li 2 O) or Li 2 O / (Nb 2 O 5 + Li 2 O). Although the fraction is not completely 0.50, the composition Li 2 O / (Ta 2 O 5 + Li 2 O) or (Li 2 O / (Nb 2 O 5 + Li 2 O) closer to the stoichiometric ratio than the congruent composition. ) = 0.490 to 0.5), and the deterioration of the device characteristics due to this is such an extent that it does not become a problem in normal device design. Such a lithium tantalate or lithium niobate single crystal having a substantially stoichiometric composition can be produced, for example, by the Czochralski method using a double crucible described in Japanese Patent No. 3551242.

また、Mg、Zn、ScおよびIからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含むことにより、光損傷を低減できるので、発振効率を向上できる。なお、添加量は、光損傷の低減の観点から、好ましくは、0.1mol%以上3.0mol%以下の範囲である。   In addition, by including at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and I, optical damage can be reduced, so that the oscillation efficiency can be improved. The addition amount is preferably in the range of 0.1 mol% or more and 3.0 mol% or less from the viewpoint of reducing photodamage.

第1の波長変換素子210および第2の波長変換素子220の周期分極反転構造は、例えば、リソグラフィを用いた、特許第3511204号等に知られる電子ビーム照射法あるいは電界印加法によって製造される。   The periodically poled structures of the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 are manufactured by, for example, an electron beam irradiation method or an electric field application method known from Japanese Patent No. 3511204 using lithography.

第1の波長変換素子210および第2の波長変換素子220が単一の単結晶からなってもよい。これにより、共振器長を短くすることができるので、さらなる小型化を可能にする。   The first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 may be made of a single single crystal. Thereby, since the resonator length can be shortened, further miniaturization is enabled.

第1の波長変換素子210および/または第2の波長変換素子220は、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなる場合、好ましくは、第1の周期Λは、30.5μm以上31.5μm以下の範囲であり、第2の周期Λは、32.5μm以上33.15μm以下の範囲である。これにより、レーザ200は、ポンプ波長λが約1μm(例示的には1064nmのYAGレーザ)を有する場合、波長3μm以上3.5μm以下の範囲の中赤外の光を発することができる。 The first wavelength conversion element 210 and / or the second wavelength conversion element 220 is a lithium tantalate having a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and In Preferably, the first period Λ 1 is in the range of 30.5 μm to 31.5 μm, and the second period Λ 2 is in the range of 32.5 μm to 33.15 μm. It is. Thereby, the laser 200 can emit mid-infrared light in the wavelength range of 3 μm to 3.5 μm when the pump wavelength λ p has about 1 μm (exemplarily a YAG laser of 1064 nm).

より好ましくは、第1の波長変換素子210および第2の波長変換素子220の周期分極反転構造の周期が固定であり、第1の周期Λは、30.8μm以上31.2μm以下の範囲から選択され、第2の周期Λは、32.7μm以上32.9μm以下の範囲から選択される。これにより、レーザ200は、波長3.15μm以上3.25μm以下の範囲の中赤外の光を発することができ、とりわけ、CFRPのレーザ超音波探傷に有利である。 More preferably, the period of the periodically poled structure of the first wavelength conversion element 210 and the second wavelength conversion element 220 is fixed, and the first period Λ 1 is from 30.8 μm to 31.2 μm. The second period Λ 2 is selected from the range of 32.7 μm to 32.9 μm. Thereby, the laser 200 can emit mid-infrared light having a wavelength of 3.15 μm or more and 3.25 μm or less, and is particularly advantageous for laser ultrasonic inspection of CFRP.

さらに、この場合、温度Tは、65℃以上150℃以下の温度範囲に制御される。この範囲であれば、第2の波長変換素子220がOPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くなるので、OPO発振を抑制し、レーザ200の発振効率を高めることができる。 Further, in this case, the temperature T is controlled in a temperature range of 65 ° C. or more and 150 ° C. or less. Within this range, the second wavelength conversion element 220 becomes higher than the degenerate temperature T 0 when OPO oscillation occurs, so that OPO oscillation can be suppressed and the oscillation efficiency of the laser 200 can be increased.

あるいは、第1の波長変換素子210の周期分極反転構造の周期が固定であり、第2の波長変換素子220の周期分極反転構造がファンアウト構造であり、第1の周期Λは、30.8μm以上30.95μm以下の範囲から選択され、第2の周期Λは、32.7μm以上33.15μm以下の範囲を満たす。これにより、レーザ200は、温度Tおよび/または第2の波長変換素子220の上記第2の周期Λを適宜選択するだけで、波長3μm以上3.5μm以下の範囲の中赤外の光を発することができ、波長チューニングが可能となる。 Alternatively, the period of the periodic polarization inversion structure of the first wavelength conversion element 210 is fixed, the periodical polarization inversion structure of the second wavelength conversion element 220 is a fan-out structure, and the first period Λ 1 is 30. It is selected from the range of 8 μm or more and 30.95 μm or less, and the second period Λ 2 satisfies the range of 32.7 μm or more and 33.15 μm or less. As a result, the laser 200 generates mid-infrared light in the wavelength range of 3 μm to 3.5 μm simply by appropriately selecting the temperature T and / or the second period Λ 2 of the second wavelength conversion element 220. The wavelength tuning can be performed.

さらに、この場合、温度Tは、少なくとも室温(30℃)以上100℃以下の温度範囲であれば、第2の波長変換素子220がOPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くなるので、OPO発振を抑制し、レーザ200の発振効率を高めることができる。第2の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造を有する場合を例示したが、第1の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造であり、第2の波長変換素子の周期分極反転構造の周期が固定であっても、同様にチューニング可能なレーザとなることは言うまでもない。また、これらを組み合わせて、さらに複雑なチューニング可能なレーザとしてもよい。 Further, in this case, the temperature T is higher than the degenerative temperature T 0 when the second wavelength conversion element 220 performs OPO oscillation in the temperature range of at least room temperature (30 ° C.) to 100 ° C. Oscillation can be suppressed and the oscillation efficiency of the laser 200 can be increased. Although the case where the periodic polarization reversal structure of the second wavelength conversion element has a fan-out structure is illustrated, the periodic polarization reversal structure of the first wavelength conversion element is a fan-out structure, and the periodic polarization of the second wavelength conversion element It goes without saying that even if the period of the inversion structure is fixed, the laser can be similarly tuned. Further, these may be combined to form a more complex tunable laser.

図2(A)では、本発明のレーザ200は、第1の波長変換素子210、第2の波長変換素子220および温度制御部230に加えて、入力カプラ240および出力カプラ250を備える。これにより、共振器を構成できる。また、本発明のレーザ200の光の出射側には、フィルタ260が設置され、これにより、所望の波長を有する光(ここでは、アイドラ波長λを有するアイドラ光および差周波波長λを有する差周波光)のみを取り出すことができる。 In FIG. 2A, the laser 200 of the present invention includes an input coupler 240 and an output coupler 250 in addition to the first wavelength conversion element 210, the second wavelength conversion element 220, and the temperature control unit 230. Thereby, a resonator can be constituted. Further, a filter 260 is installed on the light emission side of the laser 200 of the present invention, so that light having a desired wavelength (here, idler light having an idler wavelength λ i and difference frequency wavelength λ d is provided). Only the difference frequency light) can be taken out.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明によるレーザ超音波探傷装置を説明する。
図3は、本発明によるレーザ超音波探傷装置を示す模式図である。
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, a laser ultrasonic flaw detector according to the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a laser ultrasonic flaw detector according to the present invention.

本発明によるレーザ超音波探傷装置300は、少なくとも、ポンプ波長λを有するポンプ光を発する励起源310、および、励起源310からのポンプ光をアイドラ波長λを有するアイドラ光に波長変換し、被験物320に照射するレーザ200を備える。ここで、レーザ200は、実施の形態1で説明したレーザ200と同様であるため、説明を省略する。 The laser ultrasonic flaw detector 300 according to the present invention includes at least a pump source 310 that emits pump light having a pump wavelength λ p , and wavelength-converts the pump light from the pump source 310 into idler light having an idler wavelength λ i , A laser 200 for irradiating the test object 320 is provided. Here, since the laser 200 is the same as the laser 200 described in Embodiment 1, the description thereof is omitted.

励起源310は、ポンプ波長λを有する光が、レーザ200においてアイドラ波長λを有する光に変換される限り制限はないが、例示的には、波長1064nmを有する光を発するYAGレーザまたはNd:YVOレーザである。これらは入手可能であり、励起源として優れている。このようなレーザを励起源310に使用すれば、波長3μm以上3.5μm以下の範囲の波長を有する中赤外光をアイドラ光として得ることができる。このような中赤外光は、被験物320が炭素繊維強化プラスチック(CFRP)である場合に被験物320へのダメージを生じることなく高い感度で、被験物320における欠陥、剥離、亀裂等の探傷を可能にするため好ましい。図3において、励起源310とレーザ200とは、被験物320に振動を発生させるパルスレーザとして機能する。 The excitation source 310 is not limited as long as the light having the pump wavelength λ p is converted into the light having the idler wavelength λ i in the laser 200, but illustratively a YAG laser or Nd that emits light having the wavelength 1064 nm : YVO 4 laser. These are available and are excellent as excitation sources. If such a laser is used for the excitation source 310, mid-infrared light having a wavelength in the range of 3 μm to 3.5 μm can be obtained as idler light. Such mid-infrared light has high sensitivity without causing damage to the test object 320 when the test object 320 is a carbon fiber reinforced plastic (CFRP), and flaw detection, flaws, cracks, etc. in the test object 320 are detected. Is preferable in order to make possible. In FIG. 3, the excitation source 310 and the laser 200 function as a pulse laser that generates vibrations in the test object 320.

本発明によるレーザ超音波探傷装置300は、パルスレーザによって発生した被験物320の振動を検出する別のレーザ330をさらに備えることが好ましい。例えばレーザ330は、He−Ndレーザ、ファイバレーザ、帰還形半導体レーザ等の周波数が安定なレーザであり得る。   The laser ultrasonic inspection device 300 according to the present invention preferably further includes another laser 330 that detects the vibration of the test object 320 generated by the pulse laser. For example, the laser 330 can be a laser with a stable frequency, such as a He—Nd laser, a fiber laser, and a feedback semiconductor laser.

図3では、本発明によるレーザ超音波探傷装置300は、被験物320で発生する超音波を検出し、解析する解析部340をさらに備える。解析部340は、超音波をファブリ・ペロー干渉計、フォトダイオード、増幅器などの光検出に用いられる光学部品を備え、超音波の画像解析等を行う中央演算処理装置や、結果をオシロスコープ等で可視化する表示部を備えてもよい。   In FIG. 3, the laser ultrasonic flaw detector 300 according to the present invention further includes an analysis unit 340 that detects and analyzes ultrasonic waves generated in the test object 320. The analysis unit 340 includes optical components used for light detection, such as a Fabry-Perot interferometer, a photodiode, and an amplifier, and a central processing unit that performs ultrasonic image analysis, etc., and visualizes the results with an oscilloscope, etc. A display unit may be provided.

図3では、図示しないが、ミラー、コリメートレンズ、集光レンズ、ビームスプリッタ、1/4波長板、フィルタ等の光学系を含んでよいことは言うまでもない。   Although not shown in FIG. 3, it goes without saying that optical systems such as a mirror, a collimating lens, a condenser lens, a beam splitter, a quarter-wave plate, and a filter may be included.

本発明によるレーザ超音波探傷装置300の動作について簡単に説明する。ここで、理解をしやすくるため、励起源310が、波長1064nmを有するYAGレーザであり、レーザ200が、YAGレーザをアイドラ波長3.2μmを有するアイドラ光に変換し、被験物320がCFRPであり、レーザ330がHe−Ndレーザであるものとする。   The operation of the laser ultrasonic inspection device 300 according to the present invention will be briefly described. Here, for easy understanding, the excitation source 310 is a YAG laser having a wavelength of 1064 nm, the laser 200 converts the YAG laser into idler light having an idler wavelength of 3.2 μm, and the test object 320 is CFRP. It is assumed that the laser 330 is a He—Nd laser.

レーザ超音波探傷装置300において、励起源310が発するポンプ波長λを有するポンプ光(YAGレーザ)が、レーザ200に入射し、レーザ200は、YAGレーザをアイドラ波長約3.2μmを有するアイドラ光に変換する。このアイドラ光がパルスレーザとして機能する。 The laser ultrasonic flaw detection apparatus 300, a pump light having a pump wavelength lambda p that the excitation source 310 is emitted (YAG laser) is incident on a laser 200, a laser 200, idler light having an idler wavelength of about 3.2μm to YAG laser Convert to This idler light functions as a pulse laser.

レーザ200からのパルスレーザは、例えば、ビームスプリッタ(図示せず)、ミラー(図示せず)などの光学系を介して、被験物320の表面に照射される。被験物320の表面にパルスレーザが照射されると、被験物320の表面に広帯域の超音波が発生する。この超音波は、被験物320の表面から内部を伝播して裏面まで達し、反射され、再びエコーとして表面に戻る。なお、ビームスプリッタによりパルスレーザの一部を解析部340に導き、オシロスコープのトリガ信号として使用してもよい。ここで、本発明では、被験物320がCFRPにおいては、レーザ200が波長3.2μmの中赤外光のパルスレーザを発するので、CFRPにダメージを生じさせることなく、超音波を発生させることができる。   The pulse laser from the laser 200 is irradiated onto the surface of the test object 320 via an optical system such as a beam splitter (not shown) or a mirror (not shown). When the surface of the test object 320 is irradiated with a pulse laser, a broadband ultrasonic wave is generated on the surface of the test object 320. This ultrasonic wave propagates from the surface of the test object 320 to reach the back surface, is reflected, and returns to the surface as an echo again. A part of the pulse laser may be guided to the analysis unit 340 by a beam splitter and used as a trigger signal for the oscilloscope. Here, in the present invention, when the test object 320 is CFRP, the laser 200 emits a mid-infrared pulse laser having a wavelength of 3.2 μm, so that ultrasonic waves can be generated without causing damage to the CFRP. it can.

一方、レーザ330は、被験物320の表面に戻ってきたエコーを検出するように機能するが、レーザ330から発せられた連続発振レーザは、ミラー(図示せず)、ビームスプリッタ(図示せず)、1/4波長板(図示せず)等の光学系を介して被験物320の表面に照射される。この反射光は、再度、1/4波長板、ビームスプリッタ、レンズ(図示せず)等の光学系を経て、解析部340のファブリ・ペロー干渉計、フォトダイオードに入射され、電気信号に変換される。電気信号は適宜増幅器などにより増幅され、低周波ノイズを除去して、オシロスコープに入力される。   On the other hand, the laser 330 functions to detect an echo that has returned to the surface of the test object 320. However, a continuous wave laser emitted from the laser 330 includes a mirror (not shown) and a beam splitter (not shown). The surface of the test object 320 is irradiated through an optical system such as a quarter-wave plate (not shown). The reflected light is again incident on the Fabry-Perot interferometer and photodiode of the analysis unit 340 through an optical system such as a quarter-wave plate, a beam splitter, and a lens (not shown), and is converted into an electrical signal. The The electric signal is appropriately amplified by an amplifier or the like to remove low frequency noise and input to an oscilloscope.

被験物320の裏面で反射されてきたエコーによって、被験物320の表面が超音波振動すると、表面の空間的に位置は超音波の周期で変位する。そのため、レーザ330からのレーザ(光)は、被験物320の表面で反射される際に、変位に伴うドップラーシフトを受け、波長が変化する。このような波長の変化を、解析部340において例えばファブリ・ペロー干渉計を通すことにより、強度の変化に変換できる。   When the surface of the test object 320 is ultrasonically vibrated by the echo reflected from the back surface of the test object 320, the spatial position of the surface is displaced with the period of the ultrasonic wave. Therefore, when the laser (light) from the laser 330 is reflected by the surface of the test object 320, the wavelength changes due to Doppler shift accompanying displacement. Such a change in wavelength can be converted into a change in intensity by passing it through, for example, a Fabry-Perot interferometer in the analysis unit 340.

被験物320の表面および裏面で反射を繰り返すエコーが表面に戻る際に、解析部340の例えばフォトダイオードの出力信号は大きく変化することになる。この信号を例えばオシロスコープ上で表示させれば、被験物320の空洞、亀裂、不純物等の欠陥の有無を判別できる。一定の時間間隔で信号強度が変化する場合には、被験物320が欠陥を有さないと判別できる。一定の時間間隔よりも短い時間で信号強度が変化する場合、被験物320が欠陥を有しており、欠陥箇所でエコーが反射されていると判別できる。   When an echo that repeatedly reflects on the front and back surfaces of the test object 320 returns to the front surface, the output signal of, for example, a photodiode of the analysis unit 340 changes greatly. If this signal is displayed on an oscilloscope, for example, the presence or absence of defects such as cavities, cracks, and impurities of the test object 320 can be determined. When the signal intensity changes at regular time intervals, it can be determined that the test object 320 has no defect. When the signal intensity changes in a time shorter than a certain time interval, it can be determined that the test object 320 has a defect and the echo is reflected at the defective part.

実施の形態2では、エコーの検出方法としてファブリ・ペロー干渉計を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、マイケルソン干渉計、さらにはダイナミックホログラムを組み合わせてもよい。   In the second embodiment, the case where a Fabry-Perot interferometer is used as an echo detection method has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a Michelson interferometer or a dynamic hologram may be combined.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
実施例1では、第1の波長変換素子(図2の210)および第2の波長変換素子(図2の220)が、Mgを1mol%添加した定比組成のタンタル酸リチウム単結晶(Mg:SLTと称する)からなり、第1の波長変換素子の第1の周期Λが30.9μm、3mm×3mm×24mm長の角柱状であり、第2の波長変換素子の第2の周期Λが32.88μm、3mm×3mm×20mm長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部(図2の230)としてヒータに配置したレーザを構築した。第1の波長変換素子は、OPO素子であり、第2の波長変換素子は、DFM素子であった。図中では、第1の波長変換素子をOPO、および、第2の波長変換素子をDFMと省略して示す場合がある。
[Example 1]
In Example 1, the first wavelength conversion element (210 in FIG. 2) and the second wavelength conversion element (220 in FIG. 2) are lithium tantalate single crystals (Mg: The first wavelength Λ 1 of the first wavelength conversion element is a prismatic shape having a length of 30.9 μm, 3 mm × 3 mm × 24 mm, and the second period Λ 2 of the second wavelength conversion element. Was a prismatic shape having a length of 32.88 μm, 3 mm × 3 mm × 20 mm, and a laser in which these were arranged in the heater as a single temperature control unit (230 in FIG. 2) was constructed. The first wavelength conversion element was an OPO element, and the second wavelength conversion element was a DFM element. In the drawing, the first wavelength conversion element may be abbreviated as OPO, and the second wavelength conversion element may be abbreviated as DFM.

ここで、Mg:SLTに関する屈折率分散式(例えば、Dolevら,Appl.Phys.B,2009,96,423−432、および、Limら、Japanese Journal of Applied Physics,52,2013,032601を参照)を用いて、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図5に示す。   Here, the refractive index dispersion formula for Mg: SLT (see, for example, Dolev et al., Appl. Phys. B, 2009, 96, 423-432, and Lim et al., Japan Journal of Applied Physics, 52, 2013, 032601) Was used to calculate the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm. The results are shown in FIG.

図4は、実験で用いた光学系を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing an optical system used in the experiment.

図4に示す光学系により、温度と出力光のエネルギーとの関係、ならびに、ポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を調べた。実験に用いた共振器はシグナル波に対する単共振型発振器(SRO)として構成した。共振器ミラーは平行平板型で共振器長は約110mmとした。ポンプ光の光源(励起源)は、Q−SW型YAGレーザ(Quantel社Centurionレーザ)であった。ポンプ光の波長は1.064nmであり、パルス幅9ns(FWHM)、繰り返し周波数100Hzおよびパルスエネルギー28.8mJで使用した。ポンプ光のビームは、ウエスト直径2.4mmφ(1/e)のトップハット形状を有した。 With the optical system shown in FIG. 4, the relationship between the temperature and the energy of the output light and the relationship between the energy of the pump light and the energy of the output light were examined. The resonator used in the experiment was configured as a single resonance oscillator (SRO) for signal waves. The resonator mirror was a parallel plate type, and the resonator length was about 110 mm. The light source (excitation source) of the pump light was a Q-SW type YAG laser (Quantel Centurion laser). The wavelength of the pump light was 1.064 nm, the pulse width was 9 ns (FWHM), the repetition frequency was 100 Hz, and the pulse energy was 28.8 mJ. The beam of pump light had a top hat shape with a waist diameter of 2.4 mmφ (1 / e 2 ).

ポンプ光のビーム(パルス光)は、ビーム整形および光量調節のための光学系を経て、共振器に入射した。次いで、共振器で波長変換された出射光を、赤外光分離フィルタを経て、Spectrogen社製LP2500フィルタ(2500nmより短波長の光をカットする)を通して、中赤外光のみを取り出し、12A−Pセンサで検出した。第2の波長変換素子(DFM素子)のOPO光(1.9〜2.4μm帯)の一部は、アイドラ分離フィルタの反射光として取り出し。PE50型センサで検出した。結果を図7および図8に示す。   The pump light beam (pulse light) is incident on the resonator through an optical system for beam shaping and light amount adjustment. Next, the emitted light that has been wavelength-converted by the resonator is passed through an infrared light separation filter, passed through a Spectrogen LP2500 filter (cuts light having a wavelength shorter than 2500 nm), and only mid-infrared light is extracted. 12A-P Detected with a sensor. Part of the OPO light (1.9 to 2.4 μm band) of the second wavelength conversion element (DFM element) is taken out as reflected light of the idler separation filter. Detected with a PE50 type sensor. The results are shown in FIG. 7 and FIG.

[比較例2]
比較例2では、第1の波長変換素子の第1の周期Λが31.1μmであり、第2の波長変換素子の第2の周期Λが32.85μmであり、いずれも、3mm×3mm×20mm長の角柱状であり、それぞれ別個の温度制御部に配置した以外は、実施例1と同様であった。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element is 31.1 μm, the second period Λ 2 of the second wavelength conversion element is 32.85 μm, both of which are 3 mm × It was the same as in Example 1 except that it was a prismatic shape with a length of 3 mm × 20 mm and was arranged in a separate temperature control unit.

実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。また、図4に示す実験系を用いて、温度と出力光のエネルギーとの関係、ならびに、ポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を調べた。ポンプ光のパルスエネルギーが36mJであり、ポンプ光のビームは、ウエスト直径1.9mmφ(強度1/e)であった。これらの結果を図6、図9および図10に示す。 Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. Further, using the experimental system shown in FIG. 4, the relationship between the temperature and the energy of the output light and the relationship between the energy of the pump light and the energy of the output light were examined. The pulse energy of the pump light was 36 mJ, and the pump light beam had a waist diameter of 1.9 mmφ (intensity 1 / e 2 ). These results are shown in FIG. 6, FIG. 9, and FIG.

[実施例3]
実施例3では、第1の波長変換素子の第1の周期Λがそれぞれ30.9μm、90.95μm、31.0μm、31.05μmおよび31.1μmの3mm×3mm×24mm長の角柱状であり、第2の波長変換素子の第2の周期Λがそれぞれ32.68μm、32.73μm、32.78μm、32.82μm、32.85μmおよび32.88μmの3mm×3mm×20mm長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部(図2の230)に配置したレーザを構築した。実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図11に示す。
[Example 3]
In Example 3, the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element is a prismatic shape of 3 mm × 3 mm × 24 mm length of 30.9 μm, 90.95 μm, 31.0 μm, 31.05 μm and 31.1 μm, respectively. A second wavelength conversion element having a second period Λ 2 of 32.6 mm, 32.73 mm, 32.78 mm, 32.82 mm, 32.85 mm, and 32.88 mm, each having a length of 3 mm x 3 mm x 20 mm A laser was constructed in which these were arranged in a single temperature control unit (230 in FIG. 2). Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. The results are shown in FIG.

[実施例4]
実施例4では、第1の波長変換素子の第1の周期Λが30.8μmの3mm×3mm×24mm長の角柱状であり、第2の波長変換素子の第2の周期Λが32.70μm以上33.15μm以下の範囲を満たすファンアウト構造を有する3mm×3mm×20mm長の角柱状であり、これらを単一の温度制御部(図2の230)に配置したレーザを構築した。実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図12に示す。
[Example 4]
In Example 4, the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element is a prismatic shape of 3 mm × 3 mm × 24 mm length of 30.8 μm, and the second period Λ 2 of the second wavelength conversion element is 32. A laser having a prismatic shape of 3 mm × 3 mm × 20 mm long having a fan-out structure satisfying a range of .70 μm to 33.15 μm and arranged in a single temperature control unit (230 in FIG. 2) was constructed. Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. The results are shown in FIG.

[実施例5]
実施例5では、第1の波長変換素子の第1の周期Λが30.85μmとした以外は、実施例4と同様であった。実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図13に示す。
[Example 5]
Example 5 was the same as Example 4 except that the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element was 30.85 μm. Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. The results are shown in FIG.

[実施例6]
実施例6では、第1の波長変換素子の第1の周期Λが30.9μmとした以外は、実施例4と同様であった。実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図14に示す。
[Example 6]
Example 6 was the same as Example 4 except that the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element was 30.9 μm. Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. The results are shown in FIG.

[実施例7]
実施例7では、第1の波長変換素子の第1の周期Λが30.95μmとした以外は、実施例4と同様であった。実施例1と同様に、ポンプ波長1.064μmである場合の発振波長と位相整合温度との関係を算出した。結果を図15に示す。
[Example 7]
Example 7 was the same as Example 4 except that the first period Λ 1 of the first wavelength conversion element was 30.95 μm. Similar to Example 1, the relationship between the oscillation wavelength and the phase matching temperature when the pump wavelength was 1.064 μm was calculated. The results are shown in FIG.

図5は、実施例1のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the oscillation wavelength of the laser of Example 1 and the phase matching temperature.

図5によれば、単一温度80℃(T)において、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子も、発振波長(すなわちアイドラ波長)が3.24μmで位相整合条件を満たす、すなわち、3.24μmのアイドラ光を発することが示される。さらに、第2の波長変換素子によるパラメトリック発振は見られるものの、64℃(T)で縮退状態となり、それ以上の温度ではパラメトリック発振しないことが分かった。 According to FIG. 5, at a single temperature of 80 ° C. (T), the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element also have a phase matching condition with an oscillation wavelength (ie, idler wavelength) of 3.24 μm. It is shown to emit idler light of 3.24 μm. Furthermore, although parametric oscillation was observed due to the second wavelength conversion element, it was found that the degenerate state occurred at 64 ° C. (T 0 ), and no parametric oscillation occurred at higher temperatures.

第1の波長変換素子は、ポンプ波長λ(1.064μm)とアイドラ波長λ(3.242μm)とシグナル波長λ(1.584μm)とが、関係1/λ=1/λ+1/λを満たし、第2の波長変換素子は、シグナル波長λ(1.584μm)と差周波波長λ(3.098μm)とアイドラ波長λ(3.242μm)とが、関係1/λ=1/λ+1/λを満たしていた。一方、縮退状態では、ポンプ波長λ(1.064μm)とアイドラ波長λi’(2.128μm)とシグナル波長λs’(2.128μm)とが、関係1/λ=1/λs’+1/λi’および関係λs’=λi’を満たした。 In the first wavelength conversion element, the relationship between the pump wavelength λ p (1.064 μm), the idler wavelength λ i (3.224 μm), and the signal wavelength λ s (1.584 μm) is 1 / λ p = 1 / λ s. Satisfying + 1 / λ i , and the second wavelength conversion element has a relationship of a signal wavelength λ i (1.584 μm), a difference frequency wavelength λ d (3.098 μm), and an idler wavelength λ i (3.242 μm). / Λ s = 1 / λ i + 1 / λ d was satisfied. On the other hand, in the degenerate state, the relationship between the pump wavelength λ p (1.064 μm), the idler wavelength λ i ′ (2.128 μm), and the signal wavelength λ s ′ (2.128 μm) is 1 / λ p = 1 / λ s. “ + 1 / λ i” and the relationship λ s ′ = λ i ′ were satisfied.

図6は、比較例2の実施例1のレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oscillation wavelength of the laser of Example 1 of Comparative Example 2 and the phase matching temperature.

図6によれば、第1の波長変換素子の温度が30℃であり、第2の波長変換素子の温度が80℃である場合に、発振波長(すなわちアイドラ波長)が3.23μmで位相整合条件を満たす、すなわち、3.23μmのアイドラ光を発することが示される。さらに、第2の波長変換素子によるパラメトリック発振は見られるものの、71℃で縮退状態となり、それ以上の温度ではパラメトリック発振しないことが分かった。この場合には、第1の波長変換素子と第2の波長変換素子とを別個のヒータ等によりそれぞれ異なる温度に制御する必要があるため、レーザを小型化できない。   According to FIG. 6, when the temperature of the first wavelength conversion element is 30 ° C. and the temperature of the second wavelength conversion element is 80 ° C., the oscillation wavelength (ie, idler wavelength) is 3.23 μm and phase matching is performed. It is shown that the condition is satisfied, that is, the idler light of 3.23 μm is emitted. Furthermore, although parametric oscillation was observed due to the second wavelength conversion element, it was found that the degenerate state occurred at 71 ° C., and no parametric oscillation occurred at higher temperatures. In this case, since it is necessary to control the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element to different temperatures by separate heaters or the like, the laser cannot be reduced in size.

さらに、図6によれば、単一温度56℃において、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子も、発振波長(すなわちアイドラ波長)が3.19μmで位相整合条件を満たす、すなわち、3.19μmのアイドラ光を発することが示されるが、この場合には、動作温度(56℃)が第2の波長変換素子がパラメトリック発振する場合の縮退温度(71℃)よりも低いため、レーザは、3.19μmのアイドラ光に加えて、第2の波長変換素子によるパラメトリック発振の光(ここでは、2.8μmおよび1.99μm)も発するため、中赤外光への変換効率は著しく低減することが示される。   Furthermore, according to FIG. 6, at a single temperature of 56 ° C., the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element also have a phase matching condition with an oscillation wavelength (that is, idler wavelength) of 3.19 μm, 3. It is shown to emit idler light of 19 μm, but in this case, the operating temperature (56 ° C.) is lower than the degenerate temperature (71 ° C.) when the second wavelength conversion element parametrically oscillates. Emits parametrically oscillated light (2.8 μm and 1.99 μm here) in addition to the 3.19 μm idler light, so the conversion efficiency to mid-infrared light is significantly reduced. Is shown to do.

図7は、実施例1のレーザの出力光のエネルギーの温度依存性を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the temperature dependence of the energy of the output light of the laser of Example 1. In FIG.

図7では、ポンプ光のエネルギーが28.8mJである場合のレーザからのアイドラ波長3.24μmを有するアイドラ光(出力光)のエネルギーの温度依存性を示す。図7によれば、温度80℃近傍において、アイドラ光はもっとも高いエネルギーを有した。このことは、図5に示す結果に良好に一致した。   FIG. 7 shows the temperature dependence of the energy of idler light (output light) having an idler wavelength of 3.24 μm from the laser when the energy of the pump light is 28.8 mJ. According to FIG. 7, the idler light has the highest energy in the vicinity of the temperature of 80 ° C. This agreed well with the results shown in FIG.

図8は、実施例1のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the energy of pump light and the energy of output light of the laser according to the first embodiment.

図8では、温度制御部が第1の波長変換素子および第2の波長変換素子を40℃または80℃に加熱した際の、ポンプ光のエネルギーとアイドラ波長3.24μmを有するアイドラ光(出力光)との関係を示す。図8によれば、温度80℃におけるアイドラ光のエネルギーは、温度40℃のそれよりも顕著に大きかった。このことは、図5に示す結果に良好に一致し、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子が単一温度で制御され、中赤外の光を発するレーザとして機能することを示す。   In FIG. 8, when the temperature controller heats the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element to 40 ° C. or 80 ° C., the energy of the pump light and the idler light having the idler wavelength of 3.24 μm (output light) ). According to FIG. 8, the energy of idler light at a temperature of 80 ° C. was significantly larger than that at a temperature of 40 ° C. This is in good agreement with the results shown in FIG. 5 and indicates that the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element are controlled at a single temperature and function as a laser emitting mid-infrared light. .

図9は、比較例2のレーザにおける第2の波長変換素子の出力光のエネルギーの温度依存性を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the temperature dependence of the energy of the output light of the second wavelength conversion element in the laser of Comparative Example 2.

図9では、ポンプ光のエネルギーが36mJである場合の第2の波長変換素子からのアイドラ波長3.23μmを有するアイドラ光(出力光)のエネルギーの温度依存性を示す。図9によれば、温度80℃近傍において、アイドラ光はもっとも高いエネルギーを有した。このことは、図6に示す結果に良好に一致した。   FIG. 9 shows the temperature dependence of the energy of idler light (output light) having an idler wavelength of 3.23 μm from the second wavelength conversion element when the energy of the pump light is 36 mJ. According to FIG. 9, the idler light has the highest energy in the vicinity of the temperature of 80 ° C. This agreed well with the results shown in FIG.

図10は、比較例2のレーザのポンプ光のエネルギーと出力光のエネルギーとの関係を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the energy of the pump light and the energy of the output light of the laser of Comparative Example 2.

図10では、第1の波長変換素子を30℃に、第2の波長変換素子を80℃にそれぞれ加熱した際の、ポンプ光のエネルギーとアイドラ波長3.23μmを有するアイドラ光(出力光)との関係を示す。参考のため、図10には、第1の波長変換素子のみの結果、すなわち、第1の波長変換素子を室温(30℃)に維持した際の、第1の波長変換素子におけるポンプ光のエネルギーとアイドラ波長3.23μmを有するアイドラ光との関係も示す。   In FIG. 10, energy of pump light and idler light (output light) having an idler wavelength of 3.23 μm when the first wavelength conversion element is heated to 30 ° C. and the second wavelength conversion element is heated to 80 ° C. The relationship is shown. For reference, FIG. 10 shows the result of only the first wavelength conversion element, that is, the energy of the pump light in the first wavelength conversion element when the first wavelength conversion element is maintained at room temperature (30 ° C.). And the relationship between idler light having an idler wavelength of 3.23 μm.

図10によれば、第1の波長変換素子のみの場合よりも、第1の波長変換素子と第2の波長変換素子とを用いることにより、アイドラ光のエネルギーが増大し、OPOとDFMとのフォトンリサイクリングが有効であることが分かる。なお、図8と図10とを単純に比較はできないが、単一温度において同様の出力エネルギーが得られることから、本発明の単一温度で制御したレーザが有効であり、別個の温度制御を不要とし、小型化できることが示された。   According to FIG. 10, the energy of idler light is increased by using the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element, compared with the case of only the first wavelength conversion element, and the OPO and DFM It can be seen that photon recycling is effective. Although FIG. 8 and FIG. 10 cannot be simply compared, since a similar output energy can be obtained at a single temperature, the laser controlled at a single temperature of the present invention is effective, and separate temperature control is possible. It was shown that it is unnecessary and can be miniaturized.

以上から、本発明によるレーザにおいて、第1の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第1の波長変換素子と、第2の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第2の波長変換素子と、これらを温度Tに加熱し、温度を制御する単一の温度制御部とを備え、温度制御部は、これらの温度Tを、第2の波長変換素子が、OPO発振する場合の縮退温度Tよりも高くなるよう制御することが有効であることが示された。 From the above, in the laser according to the present invention, the first wavelength conversion element having the periodic polarization inversion structure having the first period Λ 1 and the second wavelength conversion having the periodic polarization inversion structure having the second period Λ 2. And a single temperature controller that controls the temperature by heating the element to a temperature T. The temperature controller degenerates the temperature T when the second wavelength conversion element performs OPO oscillation. it has been shown to control to be higher than the temperature T 0 is valid.

図11は、実施例3によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the laser oscillation wavelength and the phase matching temperature according to the third embodiment.

図11によれば、第1の波長変換素子(OPO)の位相整合条件のカーブと、第2の波長変換素子(DFM)の位相整合条件のカーブとが交差する温度(T)に設定することにより、単一の動作温度(T)で第1の波長変換素子および第2の波長変換素子がともに位相整合条件を満たし、波長3.2μ近傍の中赤外の光を発することができることが分かる。さらに、動作温度Tが、第2の波長変換素子がOPO発振する場合の縮退温度(T)よりも高くなる条件を満たす位相整合条件を選択するだけで、高い変換効率を確実にすることができることが示された。 According to FIG. 11, the temperature (T) at which the curve of the phase matching condition of the first wavelength conversion element (OPO) and the curve of the phase matching condition of the second wavelength conversion element (DFM) intersect is set. Thus, it is understood that both the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element satisfy the phase matching condition and can emit mid-infrared light in the vicinity of a wavelength of 3.2 μm at a single operating temperature (T). . Furthermore, high conversion efficiency can be ensured only by selecting a phase matching condition that satisfies the condition that the operating temperature T is higher than the degenerate temperature (T 0 ) when the second wavelength conversion element performs OPO oscillation. It was shown that it can be done.

具体的には、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子がともにMg:SLT単結晶からなる場合、第1の周期Λは、30.8μm以上31.2μm以下の範囲であり、第2の周期Λは、32.7μm以上32.9μm以下の範囲であればよいことが分かる。さらには、この場合、温度Tは、65℃以上150℃以下の範囲の温度であれば、第2の波長変換素子のパラメトリック発振する場合の縮退温度(T)よりも高くなるので、波長約3.2μmの中赤外の光を発するレーザを提供できることが分かった。 Specifically, when both the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element are made of Mg: SLT single crystal, the first period Λ 1 is in the range of 30.8 μm to 31.2 μm, It can be seen that the second period Λ 2 may be in the range of 32.7 μm or more and 32.9 μm or less. Furthermore, in this case, the temperature T is higher than the degenerate temperature (T 0 ) in the case of parametric oscillation of the second wavelength conversion element if the temperature is in the range of 65 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. It has been found that a laser emitting 3.2 μm mid-infrared light can be provided.

図12は、実施例4によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図13は、実施例5によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図14は、実施例6によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
図15は、実施例7によるレーザの発振波長と位相整合温度との関係を示す図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the laser oscillation wavelength and the phase matching temperature according to the fourth embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the laser oscillation wavelength and the phase matching temperature according to the fifth embodiment.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the laser oscillation wavelength and the phase matching temperature according to Example 6.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the laser oscillation wavelength and the phase matching temperature according to Example 7.

図12〜図15には、位相整合温度が30℃以上100℃以下の範囲の結果を示すが、位相整合温度が100℃を超えても動作可能な範囲があることは理解されたい。また、図12〜図15の結果は、いずれも、第1の波長変換素子および第2の波長変換素子の温度(すなわち、図中の位相整合温度)が、第2の波長変換素子のパラメトリック発振する場合の縮退温度よりも高くなるよう設計されており、第2の波長変換素子のパラメトリック発振は見られない条件で算出されている。図12〜図15において、アイドラ波長は、第1の波長変換素子によるパラメトリック発振に基づくアイドラ波長を有する光と、第2の波長変換素子による差周波発振によるアイドラ波長を有する光との両方の条件を満たしている。   12 to 15 show the results in the range where the phase matching temperature is 30 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. 12 to 15 show that the temperature of the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element (that is, the phase matching temperature in the figure) is the parametric oscillation of the second wavelength conversion element. It is designed to be higher than the degenerate temperature in the case of performing the calculation, and is calculated under the condition that the parametric oscillation of the second wavelength conversion element is not seen. 12 to 15, the idler wavelength is a condition for both light having an idler wavelength based on parametric oscillation by the first wavelength conversion element and light having an idler wavelength due to difference frequency oscillation by the second wavelength conversion element. Meet.

図12〜図15によれば、第1の波長変換素子の第1の周期を、30.8μm以上30.95μm以下の範囲から選択される値に固定とし、第2の波長変換素子の第2の周期を、32.7μm以上33.15μm以下の範囲を満たす幅を有するファンアウト構造とすることにより、少なくとも温度30℃以上100℃以下の範囲において、3μm以上3.5μm以下の範囲の中赤外の光を発することができる。本発明によるレーザは、温度Tおよび/または第2の波長変換素子の第2の周期Λを適宜選択するだけで、波長3μm以上3.5μm以下の範囲の中赤外の光を発することができ、波長チューニングが可能となることが示された。 12 to 15, the first period of the first wavelength conversion element is fixed to a value selected from the range of 30.8 μm or more and 30.95 μm or less, and the second period of the second wavelength conversion element is set. Is a fan-out structure having a width satisfying a range of 32.7 μm or more and 33.15 μm or less, so that at least a range of 3 ° C. Can emit outside light. The laser according to the present invention emits mid-infrared light in the wavelength range of 3 μm or more and 3.5 μm or less simply by appropriately selecting the temperature T and / or the second period Λ 2 of the second wavelength conversion element. It was shown that wavelength tuning is possible.

なお、アイドラ光の波長と、差周波光の波長とが交差する温度を採用すれば、理論的に100%の変換効率を達成できる。しかしながら、例えば、CFRPを被験物とする際には、差周波光も中赤外の波長範囲を有するため、レーザ超音波探傷においてはその精度に大きな影響を及ぼさないため、厳密な制御は求められない場合もある。   If a temperature at which the wavelength of the idler light and the wavelength of the difference frequency light intersect is adopted, a conversion efficiency of 100% can be achieved theoretically. However, for example, when CFRP is used as a test object, the difference frequency light also has a mid-infrared wavelength range, so that it does not significantly affect the accuracy in laser ultrasonic flaw detection, so strict control is required. There may be no.

また、実施例4〜7では、第2の波長変換素子の周期分極反転構造がファンアウト構造を有するように設計したが、逆であっても、同様にチューニング可能なレーザとなることは言うまでもない。また、これらを組み合わせて、さらに複雑なチューニング可能なレーザとしてもよい。   In Examples 4 to 7, the periodic polarization inversion structure of the second wavelength conversion element is designed to have a fan-out structure, but it goes without saying that the laser can be similarly tuned even if the reverse is true. . Further, these may be combined to form a more complex tunable laser.

本発明によるレーザは、とりわけ、波長変換を利用した中赤外光のレーザ光の発振に有利であり、温度制御部が1つでよいので、小型レーザである。このようなレーザは、超音波探傷装置に適用され、CFRPの欠陥の検出に好ましい。   The laser according to the present invention is particularly advantageous for oscillation of mid-infrared laser light using wavelength conversion and is a small laser because only one temperature control unit is required. Such a laser is applied to an ultrasonic flaw detector and is preferable for detecting a defect in CFRP.

200 レーザ
210 第1の波長変換素子
220 第2の波長変換素子
230 温度制御部
240 入力カプラ
250 出力カプラ
260 フィルタ
300 レーザ超音波探傷装置
310 励起源
320 被験物
330 別のレーザ
340 解析部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 Laser 210 1st wavelength conversion element 220 2nd wavelength conversion element 230 Temperature control part 240 Input coupler 250 Output coupler 260 Filter 300 Laser ultrasonic flaw detector 310 Excitation source 320 Test object 330 Another laser 340 Analysis part

Claims (12)

第1の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第1の波長変換素子であって、温度Tにおいて、ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λを有するアイドラ光とシグナル波長λを有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λと前記アイドラ波長λと前記シグナル波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす、第1の波長変換素子と、
第2の周期Λを有する周期分極反転構造を有する第2の波長変換素子であって、前記温度Tにおいて、前記シグナル波長λを有する前記シグナル光を、差周波波長λを有する差周波光と前記アイドラ波長λを有する前記アイドラ光とに波長変換し、ここで、前記シグナル波長λと前記差周波波長λと前記アイドラ波長λとは、関係1/λ=1/λ+1/λを満たす、第2の波長変換素子と、
前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子を加熱し、温度を制御する温度制御部と
を備え、
前記温度制御部は、前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子の前記温度Tを、前記第2の波長変換素子が、前記ポンプ波長λを有するポンプ光を、アイドラ波長λi’を有するアイドラ光とシグナル波長λs’を有するシグナル光とに波長変換し、ここで、前記ポンプ波長λと前記アイドラ波長λi’と前記シグナル波長λs’とが、関係1/λ=1/λs’+1/λi’および関係λs’=λi’を満たす場合の縮退温度Tよりも高くなるよう制御する、レーザ。
A first wavelength conversion element having a periodically poled structure having a first period Λ 1, wherein at a temperature T, pump light having a pump wavelength λ p is converted into idler light having an idler wavelength λ i and signal wavelength λ wavelength conversion to signal light having s , where the pump wavelength λ p , the idler wavelength λ i, and the signal wavelength λ s satisfy the relationship 1 / λ p = 1 / λ s + 1 / λ i A first wavelength conversion element;
A second wavelength conversion element having a periodic polarization reversal structure having a second period Λ 2 , wherein the signal light having the signal wavelength λ s at the temperature T is converted into a difference frequency having a difference frequency wavelength λ d. Wavelength conversion to light and the idler light having the idler wavelength λ i , where the signal wavelength λ i , the difference frequency wavelength λ d, and the idler wavelength λ i are related 1 / λ s = 1 / a second wavelength conversion element satisfying λ i + 1 / λ d ;
A temperature control unit that heats the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element and controls temperature;
The temperature control unit converts the temperature T of the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element, and pump light having the pump wavelength λ p by the second wavelength conversion element to the idler wavelength λ wavelength conversion to idler light having i ′ and signal light having signal wavelength λ s ′ , where the pump wavelength λ p , the idler wavelength λ i ′, and the signal wavelength λ s ′ have the relationship 1 / A laser that controls to be higher than the degenerate temperature T 0 when satisfying λ p = 1 / λ s ′ + 1 / λ i ′ and the relationship λ s ′ = λ i ′ .
前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子の周期分極反転構造は、ファンアウト構造である、請求項1に記載のレーザ。   2. The laser according to claim 1, wherein the periodic polarization inversion structure of the first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element is a fan-out structure. 前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子は、定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、Mg、Zn、ScおよびIからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される単結晶からなる、請求項1に記載のレーザ。   The first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element is selected from the group consisting of stoichiometric lithium niobate, substantially stoichiometric lithium tantalate, Mg, Zn, Sc and I A substantially stoichiometric composition of lithium niobate containing at least one element and a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and In The laser according to claim 1, comprising a single crystal selected from the group consisting of lithium tantalate. 前記第1の波長変換素子および前記第2の波長変換素子は、単一の単結晶からなる、請求項1に記載のレーザ。   The laser according to claim 1, wherein the first wavelength conversion element and the second wavelength conversion element are made of a single single crystal. 前記第1の波長変換素子および/または前記第2の波長変換素子は、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される少なくとも1以上の元素を含む実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる単結晶からなり、
前記第1の周期Λは、30.5μm以上31.5μm以下の範囲であり、
前記第2の周期Λは、32.5μm以上33.15μm以下の範囲である、請求項2に記載のレーザ。
The first wavelength conversion element and / or the second wavelength conversion element is a lithium tantalate having a substantially stoichiometric composition containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc and In Consisting of a single crystal consisting of
The first period Λ 1 ranges from 30.5 μm to 31.5 μm,
The laser according to claim 2, wherein the second period Λ 2 is in a range of 32.5 μm to 33.15 μm.
前記第1の周期Λは、30.8μm以上31.2μm以下の範囲であり、
前記第2の周期Λは、32.7μm以上32.9μm以下の範囲である、請求項5に記載のレーザ。
The first period Λ 1 ranges from 30.8 μm to 31.2 μm,
The laser according to claim 5, wherein the second period Λ 2 is in a range of 32.7 μm to 32.9 μm.
前記温度Tは、65℃以上150℃以下の範囲の温度である、請求項6に記載のレーザ。   The laser according to claim 6, wherein the temperature T is a temperature in a range of 65 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. 超音波によって被験物の探傷を試験するレーザ超音波探傷装置であって、
ポンプ波長λを有するポンプ光を発する励起源と、
前記励起源からの前記ポンプ光を、アイドラ波長λを有するアイドラ光に波長変換し、前記アイドラ光を前記被験物に照射するレーザと
を備え、
前記レーザは、請求項1に記載のレーザである、レーザ超音波探傷装置。
A laser ultrasonic flaw detector for testing flaw detection of a test object by ultrasonic waves,
An excitation source emitting pump light having a pump wavelength λ p ;
A laser that converts the wavelength of the pump light from the excitation source into idler light having an idler wavelength λ i and irradiates the test object with the idler light;
The laser ultrasonic flaw detector, which is the laser according to claim 1.
前記レーザは、前記アイドラ光が3.15μm以上3.25μm以下の波長を有する中赤外光を発する、請求項8に記載のレーザ超音波探傷装置。   The laser ultrasonic flaw detector according to claim 8, wherein the laser emits mid-infrared light having a wavelength of 3.15 μm to 3.25 μm. 前記被験物で発生した超音波を検出し、解析する解析部をさらに備える、請求項8に記載のレーザ超音波探傷装置。   The laser ultrasonic flaw detector according to claim 8, further comprising an analysis unit that detects and analyzes ultrasonic waves generated in the test object. 前記被験物は、炭素繊維強化プラスチックである、請求項9に記載のレーザ超音波探傷装置。   The laser ultrasonic flaw detector according to claim 9, wherein the test object is a carbon fiber reinforced plastic. 前記励起源は、Nd:YAGレーザまたはNd:YVOレーザである、請求項8に記載のレーザ超音波探傷装置。 The laser ultrasonic flaw detector according to claim 8, wherein the excitation source is an Nd: YAG laser or an Nd: YVO 4 laser.
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