JP2022065972A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなパルスエネルギーで高パルスエネルギーのビームと同等の非線形光学現象または非線形光学過程を実現するレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置は、光源と、前記光源から出射されたレーザ光が入射する共振器を構成する第１ミラー及び第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置される非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質と前記第１ミラー及び前記第２ミラーの少なくとも一方との間に配置され実効光学厚みを調整可能である分散媒質と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

非線形光学過程を利用した波長変換は、直接レーザ発振を得ることが困難な波長域の光を生成するのに特に有用である。一般的に、非線形光学過程は、非常に強い光と物質が相互作用する場合に起きる現象であり、第２高調波発生（ＳＨＧ：second harmonic generation）、第３高調波発生（ＴＨＧ：third harmonic generation）などが良く知られている。

非線形光学現象が進行する過程で、その非線形光学現象に関与する、入射レーザ光と発生レーザ光に含まれるすべての周波数成分の相対位相関係が所望の関係を満たすように分散媒質の光軸方向の位置または実効的厚みを調整可能にする構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特許第６６２８２８７号公報

非線形光学過程は、一般に高いピーク強度を必要とする。非線形光学現象を起こすために大きなパルスエネルギーまたは非常に短いパルス幅を要することは、産業上の多様な用途への適用の妨げとなっている。

一つの開示の側面では、小さなパルスエネルギーで高パルスエネルギーのビームと同等の非線形光学現象または非線形光学過程を実現するレーザ装置を提供することを目的とする。

開示の一態様では、レーザ装置は、
光源と、
前記光源から出射されたレーザ光が入射する共振器を構成する第１ミラー及び第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置される非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質と前記第１ミラー及び前記第２ミラーの少なくとも一方との間に配置され、実効光学厚みを調整可能である分散媒質と、
を有する。

上記の構成により、小さなパルスエネルギーで高パルスエネルギーのビームと同等の非線形光学現象または非線形光学過程を実現するレーザ装置を提供することができる。

実施形態のレーザ装置の模式図である。 分散媒質の実効的な光学厚みの調整例を示す図である。 分散媒質の実効的な光学厚みの調整例を示す図である。 共振器を構成するミラー間の距離に対して、光が折り返したときに同じ直径に戻るビームウエスト半径をプロットした図である。 共振器を構成するミラー間の距離に対して、光が折り返したときに同じ直径に戻るレイリー長をプロットした図である。 光をＮ回（Ｎ＝９）折り返すときのミラーとチャンバーの配置例を示す図である。 図４の配置でのビーム伝搬方向に対するビーム直径の変化を示す図である。

実施形態では、入射光を、非線形光学媒質内でビーム径を細くしぼることで光密度を増大させてピーク強度を高めるとともに、共振器内で１回以上、光を折り返すことで、光と非線形光学媒質との相互作用長を長くすることができる。さらに、共振器内で生じる分散の影響を考慮したうえで、非線形光学過程に関与するすべての周波数間の相対位相関係が所望の関係となるように制御する。これにより、小さいパルスエネルギーで高パルスエネルギーと同等の非線形光学現象または非線形光学過程を実現する。

図１は、実施形態のレーザ装置１０の平面模式図である。レーザ装置１０は、光源１０１と、光源１０１からのレーザ光Ｌinが入射する共振器１０２を構成する第１ミラー１１及び第２ミラー１２と、第１ミラー１１と第２ミラー１２との間に配置される非線形光学媒質１３と、非線形光学媒質１３と第１ミラー１１及び第２ミラー１２の少なくとも一方との間に配置され、その実効光学厚みが調整可能である分散媒質１６とを有する。この明細書と特許請求の範囲で、「実効光学厚み」とは、実際に光が進む距離（物理長）に媒質の屈折率を乗算したものである。

光源１０１は、特に高パルスエネルギーの光や極短パルス幅の光を出力する能力をもつ必要はなく、共振器１０２に光を入射することのできる任意のレーザダイオードであってもよい。また、光源１０１を用いずに、光ファイバ等で外部からレーザ光Ｌinを共振器１０２に入射してもよい。

共振器１０２を構成する第１ミラー１１と第２ミラー１２の位置は変更可能であり、２つのミラー間の距離ｄは調整可能である。後述するように、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間の距離ｄを変えることで、ビームウエスト径、レイリー長、及び相互作用長を可変できる。

第１ミラー１１と第２ミラー１２は、共振器１０２に入射した光が２つのミラー間を折り返すときに、入射したときの直径がミラー面で維持されるように設置されている。換言すると、共振器１０２は、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間で光が複数回折り返されても、折り返し点でビーム径がほぼ一定に維持される安定共振器である。安定共振器の内部に非線形光学媒質１３を配置して、入射光のビームウエストを細く絞りながら反復させることで、ピーク強度の増大を達成し、かつ、相互作用長またはレイリー長を長くすることができる。

第１ミラー１１と第２ミラー１２はそれぞれ、所定の曲率の凹面１１１と凹面１２１を有する。凹面１１１と凹面１２１の間で、反射された光は所定の位置にて、ビーム径が絞られる。凹面１１１と凹面１２１は、高反射膜でコートされていてもよい。凹面１１１と凹面１２１のいずれか一方で、高反射膜の一部に反射防止領域を形成して、モニタ光Ｌmoの透過部１０５を設けてもよい。ここで高反射とは、入射した光の９０％以上を反射することをいう。

第１ミラー１１と第２ミラー１２の間に、非線形光学媒質１３が配置されている。図１の構成例では、第１ミラー１１と第２ミラー１２は大気中に配置され、気体または液体の非線形光学媒質１３が容器１５内に封入されている。容器１５に収容される非線形光学媒質１３は、水素ガス、窒素ガス、希ガス、六フッ化硫黄（ＳＦ６）などである。

容器１５は、第１ミラー１１と対向する面に第１の透過部１５１を有し、第２ミラー１２と対向する面に第２の透過部１５２を有する。第１の透過部１５１と第２の透過部１５２は、透明な窓部として容器１５の一部に形成されていてもよい。

第１ミラー１１と第２ミラー１２の間を折り返す光は、第１の透過部１５１または第２の透過部１５２を通過して非線形光学媒質１３の中を伝搬し、第２の透過部１５２または第１の透過部１５１を通過して、非線形光学媒質１３から出る。第１ミラー１１の凹面１１１と、第２ミラー１２の凹面１２１によって、反復する光のビーム径は、非線形光学媒質１３の内部で入射時よりも細く絞られる。

非線形光学媒質１３の内部でビームウエストが細く絞られることで、ビームウエストで光密度が増大してピーク強度が高くなり、レーザ光と非線形光学媒質１３との相互作用が生じる。小さいパルスエネルギーの光を共振器１０２に入射する場合でも、非線形光学媒質１３の中にビームウエストが存在するように設計することで、非線形光学現象を効率的に起こすことができる。

第１ミラー１１と非線形光学媒質１３の間と、第２ミラー１２と非線形光学媒質１３の間の少なくとも一方に、分散媒質１６が配置されている。分散媒質１６は、その屈折率が周波数または波長に依存する媒質であり、固体、液体、気体を問わない。

図１の例では、大気中で固体の分散媒質１６が用いられているが、低屈折率のプラスチック薄膜や光学薄膜で形成されたケーシング内に、気体または液体の分散媒質を充填して用いてもよい。固体の分散媒質１６を用いる場合は、ガラス、ケイ酸塩、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等であってもよいし、ポリ塩化ビニル等の高分子またはプラスチックであってもよい。

分散媒質１６の実効光学厚みは、共振器１０２内の全光パスで生じる分散の影響を考慮したうえで、非線形光学過程に関与するすべての周波数成分の間の相対位相関係が所望の関係になるように決定されている。共振器１０２内で生じる分散の影響は、たとえば、容器１５の第１の透過部１５１と第２の透過部１５２を光が通過するときに受ける分散の影響、第１ミラー１１の凹面１１１と第２ミラー１２の凹面１２１で光が反射されるときに受ける分散の影響などである。

分散媒質１６の実効光学厚みは、上述したように、光が分散媒質１６を通る距離に屈折率を掛け合わせたものである。光が分散媒質１６中を通る距離を調整可能にするために、分散媒質１６として分散プレートや、１対のくさび型パーツ、電気光学変調素子等の組み合わせを用いることができる。

図２Ａと図２Ｂは、分散媒質１６の実効光学厚みの調整例を示す。図２Ａでは、プレート状、または直方体の分散媒質１６を、光軸ＯＸに対して傾けることで、実効光学厚みｔを変えている。図２Ｂのように、一対のくさび型のパーツを組み合わせた分散媒質１６を用いるときは、くさび型のパーツの少なくとも一方を、他方に対してくさびの稜線に沿った方向に相対的に動かす。これにより、分散媒質１６の入射面と出射面の位置、及び実効光学厚みｔを制御することができる。

図１のように、光軸ＯＸに対して回転可能な分散媒質１６のみを用いてもよいし、くさび型ペアの分散媒質１６と組み合わせてもよい。あるいは、くさび型のパーツのペアを組み合わせた分散媒質１６のみを用いてもよい。分散媒質１６の実効光学厚みｔを調整することができれば、どのような構成であってもよい。

分散媒質１６の位置と実効光学厚みｔは、非線形光学過程に関与するすべての周波数成分、すなわち、入射レーザ光に含まれる複数の周波数成分と、非線形光学媒質１３の中で新たに生成される１以上の周波数成分の間の相対位相関係が、所定の相互作用長において所望の関係となるように決定される。より具体的には、非線形光学媒質１３の入射面と、非線形光学媒質１３の出射面とで、すべての周波数成分が位相整合条件を満たすように、分散媒質１６の位置と実効光学厚みｔは選択される。

共振器１０２への入射側に、第１光学系１７と、第２光学系１８の少なくとも一方が配置されていてもよい。第１光学系１７は、たとえばレンズ１７１とレンズ１７２を含み、共振器１０２に入射するレーザ光Ｌinの横モードを、共振器１０２の横モードと一致するように調整する。ここで、横モードが「一致」するとは、共振器１０２の中心を通る光路と厳密に同一になることを意味するのではなく、共振器１０２に入射するレーザ光Ｌinのビームウエスト径及びレイリー長が、共振器１０２によって定められるビームウエスト径及びレイリー長と概ね整合し、ビーム伝搬方向に対するビーム径の変化が同じになることを意味する。

第１光学系１７は、横モードマッチング手段として機能するとともに、共振器１０２に入射したレーザ光Ｌinのビームウエスト径及びレイリー長が、共振器１０２によって定められるビームウエスト径及びレイリー長と概ね整合するように、調整される。

第２光学系１８は、共振器１０２へのレーザ光Ｌinの入射角θを制御する。第２光学系１８として、ミラー、リフレクタ等を用いることができる。共振器１０２への入射角θは共振器１０２の光軸、または第１ミラー１１と第２ミラー１２の中心間を結ぶ軸に対するレーザ光Ｌinの入射角である。入射角θを調整することで、共振器１０２の内部でのレーザ光の折り返しの回数を変えることができる。

第１光学系１７で横モードが調整されたレーザ光Ｌinは、第２光学系１８によって、所定の入射角θで共振器１０２の内部へ導かれる。レーザ光Ｌinには、１以上の周波数成分が含まれている。たとえば、波長８００ｎｍのポンプ光と、波長１２００ｎｍの信号光が含まれていてもよい。

共振器１０２に入射した光は、入射側のミラー、たとえば第２ミラー１２の凹面１２１で反射され、ビーム径が細くしぼられた状態で非線形光学媒質１３の中を通過して、第１ミラー１１の凹面１１１に入射する。凹面１１１で反射された光は、再度、ビーム径が細く絞られた状態で非線形光学媒質１３を通過して、第２ミラー１２の凹面１２１で反射される。光が非線形光学媒質１３と相互作用する過程で、新たな周波数成分が生成される。

入射レーザ光に含まれる複数の周波数成分、及び非線形光学媒質１３中で新たに生成される周波数成分はすべて、互いに１０ＴＨｚ以上異なっていることが望ましい。非線形光学過程に関与するすべての周波数成分の間に１０ＴＨｚ以上の差をもたせることで、出力光Ｌoutは、１０ＴＨｚ以上の間隔の離散的なスペクトルを有する。

共振器１０２内で、光をＮ回（Ｎは１以上の整数）折り返すことで、非線形光学媒質１３の内部でビームウエストが細く絞られる場合でも、相互作用長またはレイリー長を伸ばすことができる。光が共振器１０２内で反復する過程で、光の一部をモニタ光Ｌmoとして透過部１０５から取り出して、光強度をモニタリングしてもよい。

共振器１０２内をＮ回折り返した光は、出力光Ｌoutとして共振器１０２から取り出される。出力光Ｌoutには非線形光学過程に関与したすべての周波数成分が含まれており、１０ＴＨｚ以上の間隔をもつ離散的なスペクトルが得られる。第１の透過部１５１と第２の透過部１５２による分散の影響や、反射で生じる分散の影響を考慮して分散媒質１６の実効光学厚みｔが決定されているので、出力光Ｌoutに含まれるすべての周波数成分の間の相対位相関係は、所望の位相関係になっている。

図３Ａは、共振器１０２を構成するミラー間の距離ｄに対して、光が折り返すときに同じ直径に戻るビームウエスト半径（ｗ）をプロットした図である。点線が波長１２００ｎｍの光の集光特性、実線は波長８００ｎｍの光の集光特性である。図３Ｂは、共振器１０２を構成するミラー間の距離ｄに対して、光が折り返すときに同じ直径に戻るレイリー長をプロットした図である。レイリー長は、ビームの断面積がビームウエスト断面積の２倍になるときのビームウエストからの距離であり、ビームの拡散を無視し得る距離である。

図３Ａと図３Ｂで、第１ミラー１１の凹面１１１と、第２ミラーの凹面１２１の曲率半径は１５０ｍｍ、入射レーザ光に含まれるポンプ光の波長は８００ｎｍである。図３Ａと図３Ｂから、ミラー間の距離ｄを変えることで、ビームウエスト半径（または直径）とレイリー長を制御できることがわかる。

図１の配置構成で、ミラー間の距離ｄを３００ｍｍに近づけることで、集光位置でのビーム直径を０．１２ｍｍ（ビームウエスト半径は０．０６ｍｍ）まで絞ることができる。

折り返しのない典型的な構成では、レイリー長とのバランスから、ビーム直径が０．３ｍｍ～０．４ｍｍであることが多い。これに比べて、実施形態の構成を採用することで、ビーム半径を典型的な構成の約１／３に絞って、ビーム断面積を、約１／９まで小さくすることができる。換言すると、ビームウエストでの光密度を約９倍にすることができる。

波長λでのレイリー長Ｚｒは、ビームウエスト半径ｗを用いて、
Ｚｒ＝πｗ^２／λ
と表される。断面積が１／９になることで、レイリー長Ｚｒも１／９になるが、実施形態の構成でビームを９回折り返すことで、折り返しのない典型的な構成と同等の相互作用長を得ることができる。つまり、およそ１ケタ低いパルスエネルギーで、折り返しのない典型的な構成と同等の効果を得ることができる。

図４は、レーザ光を９回折り返す場合の、レーザ装置１０の具体的な配置例を示す。図３Ａと図３Ｂの結果に基づいて、波長８００ｎｍのポンプ光を入射する場合、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間の距離ｄを２９７．３ｍｍに設定する。このミラー間の距離ｄのときに、ビームウエストの直径は０．１２ｍｍ、レイリー長は１４ｍｍである。容器１５の光軸方向の長さＬ１は、３０ｍｍに設定する。第１の透過部１５１または第２の透過部１５２を通って容器１５内の非線形光学媒質１３に入射した光は、拡散する前に、ピーク強度が高められた状態で非線形光学媒質１３と相互作用する。

図４では、容器１５の全体が、真空チャンバー２１内に配置されている。ビームが細く絞られる容器１５の近傍を真空にすることで、容器１５を断熱でき、空気放電も防止できる。真空チャンバー２１の光軸方向の長さＬ２は、たとえば１３２ｍｍである。９回の折り返しパスで、レーザ光を出力する最後のパスを除く８つの折り返しパスに、それぞれ適切な角度で分散媒質１６が配置されている。

図４の配置設計により、共振器１０２に入射した光を、非線形光学媒質１３中のビームウエスト位置で光密度を格段に高め、かつ、Ｎ回の折り返しでレイリー長をＮ倍（Ｎは１以上の整数）にして、相互作用長を伸ばすことができる。

図５は、図４の配置設計において、ビームの伝搬方向に対するビーム径の変化をプロットした図である。横軸はＺ位置、すなわち伝搬方向の距離である。縦軸はビーム直径である。周期的に表れるグレーの領域は、容器１５がカバーする範囲Ｒcellである。

共振器１０２に入射した光は、第１ミラー１１の凹面１１１、または第２ミラー１２の凹面１２１によって集光され、容器１５の内部でビームウエストが最小になる。容器１５の内部でのビームウエストの直径ｗ０（ｗ０＝２×ｗ）は、０．１２ｍｍである。共振器１０２内で光が折り返すたびに、ビーム直径は入射レーザ光の直径に戻って、それ以上は拡散しない。このことより、第１ミラー１１と第２ミラー１２で、安定共振器が形成されていることがわかる。

周回型の共振器でビームウエストの直径が、たとえば０．３～０．４ｍｍに絞られる典型構成と比較して、非線形光学媒質１３の中で光密度を約９倍に高めることができ、およそ１ケタ低いパルスエネルギーで、同じ非線形光学効果を得ることができる。

ビームウエストの直径を細く絞ることでレイリー長も短くなるが、共振器１０２内を折り返す回数Ｎ（図５の例ではＮ＝９）を適切に設定することで、相互作用長を確保することができる。

以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上記の構成例に限定されない。第１ミラー１１と第２ミラー１２の凹面１１１、及び１２１の曲率半径は１５０ｍｍに限定されず、共振器１０２の内部に配置される非線形光学媒質１３の中でビームウエストが絞られる現実的な範囲、たとえば１００ｍｍ～２００ｍｍの範囲で、適宜、設定され得る。

共振器１０２内での光の折り返し回数Ｎは９回に限定されず、第２光学系１８の制御により、必要な相互作用長を確保するための任意の回数に設定可能である。容器１５の第１の透過部１５１と第２の透過部１５２を、容器１５に入射する光の入射角がブリュースター角になるように角度調整して、反射ロスを低減してもよい。ブリュースター角θｂは、Ｐ偏波の反射がゼロになる角度であり、θb＝ｔａｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）を満たす角度である。ここで、ｎ₁は入射前の媒質（たとえば空気）での光の屈折率、ｎ₂は第１の透過部１５１または第２の透過部１５２を通過する光の屈折率である。

第１の透過部１５１または第２の透過部１５２をブリュースター角で配置することで、光損失を抑制することができる。また、凹面１１１を有する第１ミラー１１と、凹面１２１を有する第２ミラー１２を用いることによる非点収差の影響を低減することができる。

実施形態のレーザ装置１０では、パルスエネルギーが小さく、パルス繰り返しの高い汎用的なレーザダイオードを光源１０１として利用することができる。平均出力パワーは、パルスエネルギーと繰り返し周波数の積で表されることから、低エネルギーのパルスを入射する場合でも、繰り返し周波数を高めて、平均出力パワーを上げることができる。

実施形態のレーザ装置１０は、非線形光学過程による波長変換、高調波発生、光パラメトリック発生（和周波発生）、光パラメトリック増幅（差周波発生）、ラマン散乱による波長シフトなどに用いることができる。また、１０ＴＨｚ以上の間隔をもつ離散スペクトルを出力する際に、離散スペクトルに含まれる各周波数の間の相対位相関係を所望の位相関係に調整することができる。このためレーザ装置１０は、半導体リソグラフィなど、高品質のレーザ発振を直接得ることが困難な波長域で高い平均出力パワーのコヒーレント光を要する産業分野で、特に有用である。

１０ レーザ装置
１１ 第１ミラー
１１１ 凹面
１２ 第２ミラー
１２１ 凹面
１３ 非線形光学媒質
１５ 容器
１５１ 第１の透過部
１５２ 第２の透過部
１７ 第１光学系
１８ 第２光学系
１０１ 光源
１０２ 共振器
１０５ 透過部

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光が入射する共振器を構成する第１ミラー及び第２ミラーと、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置される非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質と前記第１ミラー及び前記第２ミラーの少なくとも一方との間に配置され、実効光学厚みを調整可能である分散媒質と、
   を有する、レーザ装置。
2. 前記レーザ光は、複数の周波数で構成されるレーザ光であり、
   前記複数のレーザ光は、それぞれの周波数が１０ＴＨｚ以上異なる、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記非線形光学媒質は気体または液体であり、
   前記非線形光学媒質を収納し、前記第１ミラーの側に配置される第１の透過部と、前記第２ミラーの側に配置される第２の透過部と、を備える容器をさらに有し、
   前記レーザ光は、前記第１の透過部、及び前記第２の透過部を透過して前記非線形光学媒質の内部を通過する、請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記分散媒質の前記実効光学厚みは、前記レーザ光に含まれる周波数成分、または前記非線形光学媒質の中で生成される周波数成分の相対位相関係を、前記第１の透過部、及び前記第２の透過部による分散の影響を含めて、所望の関係になるように調整可能である、請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザ光は、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間でＮ回（Ｎは１以上の整数）折り返され、前記非線形光学媒質を通過して、前記共振器から出力される、請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
6. 前記第１ミラーと前記第２ミラーの少なくとも一方は、位置が可変であり、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間の距離を変えることで、前記非線形光学媒質を通過するレーザ光のビームウエスト径またはレイリー長を調整可能である、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記第１ミラーと前記第２ミラーは凹面ミラーである、請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 前記レーザ光のビームウエスト径及びレイリー長を、前記共振器によって定められるビームウエスト径及びレイリー長に整合させる第１光学系
   をさらに有する、請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 前記レーザ光の前記共振器への入射角度を調整する第２光学系
   をさらに有する、請求項１～８のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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