JP2580703B2 - Laser device - Google Patents

Laser device

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JP2580703B2
JP2580703B2 JP9981888A JP9981888A JP2580703B2 JP 2580703 B2 JP2580703 B2 JP 2580703B2 JP 9981888 A JP9981888 A JP 9981888A JP 9981888 A JP9981888 A JP 9981888A JP 2580703 B2 JP2580703 B2 JP 2580703B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は波長変換機能を備えたレーザ装置に関する
ものである。
The present invention relates to a laser device having a wavelength conversion function.

[従来の技術] 第5図はたとえばレーザハンドブック(オーム社、昭
和57年)に示された従来の固体レーザ装置を示す断面構
成図である。図において、(1)は固体素子であり、た
とえばYAGレーザをとればY3-X Ndx Al5 O12よりなるロ
ッド状の結晶、(2)は全反射ミラー、(3)は光源で
あり、例えば、フラッシュランプ(4)はフラッシュラ
ンプ(3)を点灯させるための電源、(5)は集光反射
ミラー、(6)はたとえばガラスでできた出口ミラー、
(7)は出口ミラー(6)の内面にもうけられたたとえ
ばTiO2よりなる部分反射膜、(8)は出口ミラー外面お
よび固体素子両側面にもうけられたたとえばSiO2よりな
る無反射膜、(9)はレーザ共振器内のレーザビーム、
(10)は外部に取り出されたレーザビーム、(12)は外
ワクである。
[Prior Art] FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional solid-state laser device disclosed in, for example, a laser handbook (Ohm Co., Ltd., 1982). In the figure, (1) is a solid element, e.g. Taking YAG laser Y 3-X Nd x Al 5 O 12 rods shaped crystals composed of, (2) total reflection mirrors, (3) is in a light source For example, the flash lamp (4) is a power supply for lighting the flash lamp (3), (5) is a condensing reflection mirror, (6) is an exit mirror made of, for example, glass,
(7) is a partially reflective film made of, for example, TiO 2 provided on the inner surface of the exit mirror (6); (8) is a non-reflective film made of, for example, SiO 2 provided on the outer surface of the exit mirror and on both side surfaces of the solid state element; 9) is a laser beam in a laser resonator,
(10) is a laser beam extracted outside, and (12) is an outside work.

次に動作について説明する。固体素子(1)は電源
(4)により点灯されたフラッシュランプ(3)からの
直接光および集光反射ミラー(5)よりの反射光により
励起され、レーザ媒質をなす。一方内面にもうけられた
部分反射膜(7)により部分反射率をもった出口ミラー
(6)と全反射ミラー(2)とからなるいわゆる安定型
共振器内に閉じこめられたレーザビーム(9)は、両ミ
ラー間を往復するごとにこのレーザ媒質により増幅さ
れ、ある一定以上の大きさになるとその一部が出口ミラ
ー(6)を通して外部にレーザビーム(10)として放出
される。
Next, the operation will be described. The solid state element (1) is excited by direct light from a flash lamp (3) turned on by a power supply (4) and reflected light from a converging / reflecting mirror (5) to form a laser medium. On the other hand, the laser beam (9) confined in a so-called stable resonator consisting of an exit mirror (6) having a partial reflectance and a total reflection mirror (2) by a partial reflection film (7) provided on the inner surface. Each time the laser medium reciprocates between the two mirrors, it is amplified by the laser medium, and when it becomes a certain size or more, a part thereof is emitted outside as a laser beam (10) through the exit mirror (6).

[発明が解決しようとする課題] 従来のレーザ装置は以上のように安定型共振器をもち
いているため発生するレーザビームは発散角の大きいい
わゆる高次モードである。この高次モードの度合の指標
としては、共振器内に発生しうる位相のそろった最低次
モードの断面直径とレーザ媒質直径との比がある。この
例では最低次モードは正規分布をもつ、いわゆるガウス
ビームとなるため、その強度が中心の1/e2となる点で定
義した断面直径φは両ミラー間の距離L、レーザビー
ムの波長λとして と計算される。一方、レーザ媒質の断面直径は8mmであ
るから両者の比は約15と大変大きく、この値から経験的
に100次以上の高次モードが通常発生する。従って、そ
のレーザビームの発散角は10mradである。この発散角の
大小はレザービームの集光性能そのものといえる。これ
は焦点距離fの集光レンズによる集光スポット段Φsは
概略的に発散角θに対して φsf・θ で表され、したがて発散角の大小に比例して集光スポッ
ト径の大小が決定されるためである。ここでの10mradと
いう値を市販のCO2レーザと比較すると、約10倍であ
り、したがって従来の固体レーザ装置の集光特性はCO2
レーザ装置の1/10であるといえる。
[Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional laser device uses the stable resonator as described above, the generated laser beam is a so-called higher-order mode having a large divergence angle. As an index of the degree of the higher-order mode, there is a ratio between the cross-sectional diameter of the lowest-order mode having a uniform phase that can be generated in the resonator and the diameter of the laser medium. In this example, the lowest-order mode is a so-called Gaussian beam having a normal distribution. Therefore, the sectional diameter φ 0 defined at a point where the intensity is 1 / e 2 of the center is the distance L between the two mirrors, the wavelength of the laser beam. as λ Is calculated. On the other hand, since the cross-sectional diameter of the laser medium is 8 mm, the ratio between the two is very large, about 15, and from this value, empirically, higher-order modes of 100th or higher are usually generated. Therefore, the divergence angle of the laser beam is 10 mrad. The magnitude of the divergence angle can be said to be the laser beam focusing performance itself. This is because the converging spot stage Φs by the converging lens having the focal length f is roughly represented by φsf · θ with respect to the divergence angle θ, so that the size of the converging spot diameter is proportional to the divergence angle. Because it is decided. Compared to commercially available CO 2 laser a value of 10mrad herein, is about 10 times, thus focusing characteristics of the conventional solid-state laser apparatus CO 2
It can be said that it is 1/10 of the laser device.

この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたものたで発散角が小さく、集光性能のよいレーザビ
ームを得ることのできるレーザ装置を得ることを目的と
する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to obtain a laser device which has a small divergence angle and can obtain a laser beam having good light-collecting performance.

[課題を解決するための手段] この発明に係るレーザ装置はネガティブブランチの不
安定型レーザ共振器をもちいるとともに、レーザビーム
を共振器内に発生されるレーザビームより短い波長のレ
ーザビームに変換する波長変換素子を共振器内に形成さ
れた焦点近傍に設置したものである。
[Means for Solving the Problems] A laser device according to the present invention uses an unstable type laser resonator having a negative branch and converts a laser beam into a laser beam having a shorter wavelength than a laser beam generated in the resonator. The wavelength conversion element is provided near a focal point formed in a resonator.

[作用] この発明に係るネガティブブランチの不安定型レーザ
共振器は、大断面積で高品質のレーザビームを発生さ
せ、また、共振器内に形成された焦点にきわめて細くし
ぼられたスポットを発生させ、そのスポット近傍に設置
された波長変換素子により効率よくレーザビームが高調
波に変換され、発散角の小さいレーザビームが得られ
る。
[Action] The negative branch unstable laser resonator according to the present invention generates a high-quality laser beam with a large cross-sectional area and generates a very narrow spot at a focal point formed in the resonator. The laser beam is efficiently converted into a harmonic by the wavelength conversion element installed near the spot, and a laser beam with a small divergence angle is obtained.

[実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図において、(1)は固体素子で、たとえばYAGレー
ザを例にとればY3-X Ndx Al5 O12よりなるロッド状の結
晶、(2)は全反射ミラー、(3)はフラッシュラン
プ、(4)はフラッシュランプ(3)を点灯させるため
の電源、(5)は集光反射ミラー、(6)はたとえばガ
ラスでできた出口ミラー、(7)は出口ミラー(6)の
内面中央にもうけられたたとえばTiO2よりなる部分反射
膜、(8)は出口ミラー内面の部分反射膜(7)の外周
上、及び出口ミラー(6)の外面さらに固体素子(1)
の端面にもうけられた、例えばSiO2よりなる無反射膜、
(9)、(11)は出口ミラー(6)と全反射ミラー
(2)とからなるレーザ共振器内に発生したレーザビー
ム、(10)はレーザ共振器外部にとり出されたレーザビ
ーム、(12)は外ワク、(13)は共振器内に形成された
焦点、(30)はたとえばKTP結晶よりなる波長変換素子
である。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In Figure 1, (1) is a solid element, e.g. Taking YAG laser in Example Y 3-X Nd x Al 5 O 12 rods shaped crystals composed of, (2) total reflection mirrors, (3) A flash lamp, (4) a power supply for lighting the flash lamp (3), (5) a condenser mirror, (6) an exit mirror made of glass, for example, and (7) an exit mirror (6). A partial reflection film made of, for example, TiO 2 provided at the center of the inner surface, (8) is on the outer periphery of the partial reflection film (7) on the inner surface of the exit mirror, and the outer surface of the exit mirror (6), and furthermore, the solid state device (1).
An anti-reflection film made of, for example, SiO 2
(9) and (11) are laser beams generated in a laser resonator comprising an exit mirror (6) and a total reflection mirror (2), (10) is a laser beam extracted outside the laser resonator, and (12) ) Is an external device, (13) is a focus formed in the resonator, and (30) is a wavelength conversion element made of, for example, a KTP crystal.

次に動作について説明する。固体素子(1)は電源
(4)により消灯されたフラッシュランプ(3)からの
直接光、および集光反射ミラー(5)よりの反射光によ
り励起され、レーザ媒質をなす。一方、出口ミラー
(6)と全反射ミラー(2)とからなるレーザ共振器内
に発生したレーザビーム(9)、(11)はこのレーザ媒
質により増幅され、ある一定以上の大きさになると、そ
の一部がレーザビーム(10)として外部にとり出され
る。
Next, the operation will be described. The solid-state element (1) is excited by the direct light from the flash lamp (3) turned off by the power supply (4) and the reflected light from the condenser mirror (5) to form a laser medium. On the other hand, the laser beams (9) and (11) generated in the laser resonator composed of the exit mirror (6) and the total reflection mirror (2) are amplified by the laser medium and have a certain size or more. A part thereof is taken out as a laser beam (10).

レーザ共振器についてさらに詳しくは説明する。出口
ミラー(6)と全反射ミラー(2)とはいわゆるネガテ
ィブブランチの不安定型共振器を構成している。レーザ
ビーム(11)は固体素子(1)で増幅されたのち、全反
射ミラー(2)により集光されるとともに固体素子
(1)により増幅され、レーザビーム(9)となり、こ
のレーザビーム(9)の周囲部は出口ミラー(6)内面
周囲部の無反射膜の作用により、そのほとんどが外部に
放出され、また中央部はその一部が出口ミラー(6)内
面中央部の部分反射膜の作用により外部にとり出され、
のこりの部分はレーザビーム(11)として再びレーザ共
振器内を往復する。したがって、外部のレーザビーム
(10)は中づまり状となっている。また、このような不
安定型共振器では位相のそろった最低次モードと高次モ
ードとの損失の差が安定型共振器にくらべて非常に大き
く、かつ毎往復ごとにレーザビームは拡大されるため、
数回往復後、発生するレーザビームは大断面積の最低次
モードのもののみとなる。また、出口ミラー(6)の外
面の曲率半径と内面の曲率半径より小さくメニスカス状
にし、出射ビームをほぼ平行にしている。これらのこと
から結局等位相の中づまり状平行レーザビーム(10)が
得られる。このレーザビームは共振器内に形成される焦
点(13)近傍に設置された波長変換素子(30)により第
2高周波に変換される。波長変換の効率は波長変換素子
(30)に入射するレーザビームの強度にほぼ比例する
が、この発明では等位相の高品質ビームの作用により極
めて細く集光された焦点の近傍に波長変換素子(30)が
設置してあるため、出射レーザビーム(10)のほとんど
は波長変換された第2高周波である。出射レーザビーム
の発散角θは波長λ、出射ビームの外径Dとして と表わされるが、この発明では従来例で述べたのと同じ
大きさのレーザ媒質から直径8mmのレーザ媒質と同径の
レーザビームが得られ、また波長が本発明では半分であ
るため、その発散角(本発明のものθ、従来のものθ
とする)を比較すると、 ときわめて小さくすることができ、したがって、極めて
集光性のよいレーザビームが得られることになる。な
お、上記実施例では出口ミラー内面中央部が部分反射率
をもつものを示したが、これは全反射を示すものでもよ
く、この場合はリング状のレーザビームが発生され、そ
のリング形状に寄因する回折効果により集光性能は悪化
するが従来例にくらべれば十分に高品質なレーザビーム
を発生することができる。
The laser resonator will be described in more detail. The exit mirror (6) and the total reflection mirror (2) constitute a so-called negative branch unstable resonator. The laser beam (11) is amplified by the solid-state element (1), then condensed by the total reflection mirror (2) and amplified by the solid-state element (1) to become a laser beam (9). Most of the peripheral part of the outer mirror is emitted to the outside by the action of the anti-reflection film on the inner peripheral part of the exit mirror (6), and a part of the central part is a part of the partial reflective film on the central part of the inner surface of the exit mirror (6). Taken out by the action,
The remaining portion reciprocates inside the laser resonator as a laser beam (11). Therefore, the external laser beam (10) is jammed. Also, in such an unstable type resonator, the difference in loss between the lowest-order mode and the higher-order mode with the same phase is much larger than that of the stable type resonator, and the laser beam is expanded every round-trip. ,
After several round trips, the generated laser beam is only the one in the lowest mode with a large cross-sectional area. The exit mirror (6) has a meniscus shape smaller than the radius of curvature of the outer surface and the radius of curvature of the inner surface, and makes the exit beam substantially parallel. From these facts, an in-phase parallel laser beam (10) having the same phase is obtained. This laser beam is converted into a second high frequency by a wavelength conversion element (30) provided near a focal point (13) formed in the resonator. The efficiency of the wavelength conversion is substantially proportional to the intensity of the laser beam incident on the wavelength conversion element (30). In the present invention, the wavelength conversion element ( Most of the emitted laser beam (10) is the wavelength-converted second high frequency wave because of the installation of (30). The divergence angle θ of the output laser beam is expressed as wavelength λ and the outer diameter D of the output beam. However, in the present invention, a laser beam having the same diameter as that of a laser medium having a diameter of 8 mm is obtained from a laser medium having the same size as that described in the conventional example, and the divergence is obtained because the wavelength is half in the present invention. Angle (θ 1 of the present invention, θ 1 of the conventional
0 )) Therefore, a laser beam having a very good condensing property can be obtained. Although the exit mirror has a partial reflectivity at the center of the inner surface of the exit mirror, the exit mirror may exhibit a total reflection. In this case, a ring-shaped laser beam is generated, and the shape of the laser beam depends on the ring shape. Although the light-gathering performance is deteriorated due to the diffraction effect, a sufficiently high-quality laser beam can be generated as compared with the conventional example.

また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部(7)
と周囲部(8)とを通過するレーザビーム間の位相差は
小さく問題とならなかったが、部分反射膜(7)の構成
によってはこれが問題となることも考えられ、その場合
は両レーザビーム間の位相差を打消す手段を設けてもよ
く、たとえば第2図に示すように、出口ミラー外面に段
差(70)をもうけて実現できる。
In the above embodiment, the central part (7) of the inner surface of the exit mirror is used.
The phase difference between the laser beams passing through the laser beam and the surrounding portion (8) was small and did not cause a problem. However, this may be a problem depending on the configuration of the partial reflection film (7). Means for canceling the phase difference between them may be provided. For example, as shown in FIG. 2, it can be realized by providing a step (70) on the outer surface of the exit mirror.

また上記実施例ではレーザミラーを固体素子と別にも
うけるものを示したが、第3図に示すように固体素子
(1)の端面を加工し全反射膜(20)を形成して、一体
化してもよい。
In the above embodiment, the laser mirror is provided separately from the solid-state element. However, as shown in FIG. 3, the end face of the solid-state element (1) is processed to form a total reflection film (20), which is integrated. Is also good.

また上記実施例では全反射ミラーからは集光状のレー
ザビームが反射されてくる例を示したが、第4図に示す
ように平行状のレーザビームが反射されるようにしても
よい。
Further, in the above embodiment, an example is shown in which a converging laser beam is reflected from the total reflection mirror, but a parallel laser beam may be reflected as shown in FIG.

また固体レーザ装置についてのべたがレーザ媒質をも
ちいたものであれば何でもよく、また波長変換素子につ
いても固体にかぎるものでなく、レーザビームを、共振
器内に発生されるレーザビームより短かい波長のレーザ
ビームに変換するものであれば、液体、気体のものでも
よいことはいうまでもない。
Any solid laser device may be used as long as it uses a laser medium, and the wavelength conversion element is not limited to a solid.A laser beam having a shorter wavelength than the laser beam generated in the resonator is used. It is needless to say that a liquid or a gas may be used as long as the laser beam is converted into a laser beam.

[発明の効果] 以上のように、この発明によればネガティブブランチ
の不安定型共振器を用いるとともに、共振器内の焦点近
傍に、レーザビームを共振器内に発生されるレーザビー
ムより短かい波長のレーザビームに変換する波長変換素
子を備えたため、極めて効率よく低発散角の高品質レー
ザビームが得られる効果がある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, an unstable resonator having a negative branch is used, and a laser beam having a shorter wavelength than a laser beam generated in the resonator is provided near a focal point in the resonator. Since the wavelength conversion element for converting the laser beam into the laser beam is provided, a high-quality laser beam having a low divergence angle can be obtained very efficiently.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示す断
面構成図、第2図、第3図、及び第4図は各々この発明
の他の実施例によるレーザ装置を示す断面構成図、並び
に第5図は従来のレーザ装置を示す断面構成図である。 (1)……固体素子、(2)……全反射ミラー (3)……光源、(6)……出口ミラー (7)……部分反射膜、(9)(10)(11)……レーザ
ビーム (13)……焦点、(30)……波長変換素子 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
FIG. 1 is a sectional view showing a laser device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2, 3, and 4 are sectional views showing a laser device according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 is a sectional view showing a conventional laser device. (1) Solid state device (2) Total reflection mirror (3) Light source (6) Exit mirror (7) Partially reflective film (9) (10) (11) Laser beam (13) Focus, (30) Wavelength conversion element In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数のミラーによりネガティブブランチと
なるように構成された不安定型共振器、及び上記共振器
内に形成された焦点近傍に設置され、レーザビームを上
記共振器内に発生されるレーザビームより短い波長のレ
ーザビームに変換する波長変換素子を備えたレーザ装
置。
An unstable resonator configured to be a negative branch by a plurality of mirrors, and a laser installed near a focal point formed in the resonator and configured to generate a laser beam in the resonator A laser device provided with a wavelength conversion element for converting a laser beam having a shorter wavelength than the beam.
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