JP3170851B2 - レーザ光発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光発生装置に関
し、特に、非線形光学結晶素子により波長変換されたレ
ーザ光を発生させるようなレーザ光発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共振器内部の高いパワー密度を利用して
効率良く波長変換を行うことが従来より提案されてお
り、例えば、外部共振型のＳＨＧ（第２高調波発生）
や、レーザ共振器内部の非線形光学素子によるＳＨＧ等
が試みられている。

【０００３】レーザ共振器内第２高調波発生タイプの例
としては、共振器を構成する少なくとも１対の反射鏡の
間にレーザ媒質及び非線形光学結晶素子を配置したもの
が知られている。このタイプのレーザ光発生装置の場合
には、共振器内部の非線形光学結晶素子において、基本
波レーザ光に対して第２高調波レーザ光を位相整合させ
ることにより、効率良く第２高調波レーザ光を取り出す
ことができる。

【０００４】上記位相整合を実現する方法としては、基
本波レーザ光及び第２高調波レーザ光間にタイプＩ又は
タイプIIの位相整合条件を成り立たせるようにする。す
なわち、タイプＩの位相整合は、基本波レーザ光の常光
線を利用して、同一方向に偏光した２つの光子から周波
数が２倍の１つの光子を作るような現象を生じさせるこ
とを原理とするものである。これに対して、タイプIIの
位相整合は、互いに直交する２つの基本波固有偏光を非
線形光学結晶素子に入射することにより、２つの固有偏
光について位相整合条件を成り立たせるようにするもの
で、基本波レーザ光は非線形光学結晶素子の内部におい
て常光線及び異常光線に分かれて第２高調波レーザ光の
例えば異常光線に対して位相整合を生じる。

【０００５】共振器内で第２高周波レーザ光を発生さ
せ、さらにこれを後続の共振器（外部共振器）により内
部循環パワーを高めることにより効率の良い波長変換を
行う場合、従来は外部共振器中で単一周波数の第２高周
波をさらに波長変換する報告がなされている（ＵＳＰ５
０２７３６１）。この場合、外部共振器の共振器光路長
は、最初のレーザ共振器の光路長に対して基本的に任意
の値を選択することが可能である。しかるに、最初のレ
ーザ共振器から複数の縦モードが出力される場合、すべ
ての周波数成分を外部共振器に導入して効率の良い波長
変換を行うにあたっては、外部共振器の共振器光路長が
特定の値をとる必要がある。

【０００６】タイプIIの位相整合条件を用いて第２高調
波レーザ光を発生させようとする場合、基本波レーザ光
として非線形光学結晶素子の２つの固有偏光（常光線と
異常光線）が必要であるが、これら２つ以上の縦モード
を同時に発振させると和周波発生を介したレーザのモー
ド競合が発生し、基本波レーザ光、及び第２高調波レー
ザ光の発生を安定に継続し得なくなる虞れがある。

【０００７】すなわち、レーザ媒質において発生された
基本波レーザ光がタイプIIの位相整合条件を用いて第２
高周波レーザ光を発生する場合、和周波発生過程により
複数の発振モード間が和周波発生に伴う基本波損失とレ
ーザ利得の利用という２つの過程を通じて、縦モード毎
に増大、縮小を繰返すモード競合を起こして不安定にな
る虞れが例えばＴ．Ｂａｅｒ，ＪＯＳＡ．Ｂ，Ｖｏｌ．
３，ｐ．１１７５（１９８６）に指摘されている。

【０００８】そこで、本件出願人は、特開平１−２２０
８７９号公報において、非線形光学結晶素子によって第
２高調波レーザ光を発生するようになされたレーザ光源
において、基本波レーザ光の共振光路中に、１／４波長
板等の複屈折性素子を挿入することにより、出力レーザ
光として出射する第２高調波レーザ光を安定させるよう
にしたレーザ光源を提案している。

【０００９】図３は、上記特開平１−２２０８７９号公
報に開示されたレーザ光源、すなわちレーザ光発生装置
の一例を示している。この図３に示すレーザ光発生装置
は、Ｎｄ：ＹＡＧを用いたレーザ媒質（レーザロッド）
１０２の入射面に形成された反射面（ダイクロイックミ
ラー）１０３と、出力用凹面鏡１０４の内側の反射面
（ダイクロイックミラー）とから成る共振器１０１を有
しており、この共振器１０１内に、Ｎｄ：ＹＡＧのレー
ザ媒質１０２と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）より成る非
線形光学結晶素子１０６と、例えば水晶板により構成さ
れた１／４波長板である複屈折素子１０７とが配置され
ている。

【００１０】この共振器１０１内のレーザ媒質１０２
は、その入射面１０３に、励起用半導体レーザ１１１か
ら射出された励起用レーザ光が、コリメータレンズ１１
２、対物レンズ１１３を通って入射されることにより、
基本波レーザ光ＬＡ（ω）を発生する。この基本波レー
ザ光ＬＡ（ω）は、非線形光学結晶素子１０６、複屈折
素子１０７を通って凹面鏡１０４の反射面で反射され、
再び複屈折素子１０７、非線形光学結晶素子１０６、レ
ーザ媒質１０２を順次通って上記入射面（反射面）１０
３で反射される。従って、基本波レーザ光ＬＡ（ω）
は、共振器１０１のレーザ媒質１０２の入射面の反射面
１０３と出力用凹面鏡１０４の内側の反射面との間を往
復するように共振動作することになる。

【００１１】上記１／４波長板のような複屈折素子１０
７は、光の伝播方向に垂直な面内において、図４に示す
ように、異常光方向屈折率ｎe(7)の方向が、非線形光学
結晶素子１０６の異常光方向屈折率ｎe(6)の方向に対し
て所定の方位角θだけ、例えばθ＝４５°だけ傾くよう
な光軸位置に設定される。

【００１２】以上の構成において、基本波レーザ光ＬＡ
（ω）は共振光路を通って非線形光学結晶素子１０６を
通過する際に第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）を発生さ
せ、この第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）が凹面鏡１０
４を透過して、出力レーザ光として送出される。

【００１３】この状態において、基本波レーザ光ＬＡ
（ω）を形成する各光線は、非線形光学結晶素子１０６
に対して方位角θ＝４５°だけ傾いた方位に設定された
複屈折素子１０７を通ることにより、共振器１０１の各
部におけるレーザ光のパワーは所定のレベルに安定化さ
れる。これは、レーザ媒質１０２で発生した基本波レー
ザ光ＬＡ（ω）を非線形光学結晶素子１０６を通過する
ように共振動作させてタイプIIの第２高調波レーザ光を
発生させる際に、基本波レーザ光ＬＡ（ω）の互いに直
交する２つの固有偏光モード間の和周波発生によるカッ
プリングを複屈折素子１０７により抑制することによ
り、発振を安定化させるものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、さらに短波
長のレーザ光を得るために、共振器内第２高調波発生タ
イプのレーザ光発生装置からのＳＨＧレーザ光を、外部
共振器に入射して、さらに１／２波長の（元の基本波レ
ーザ光の１／４の波長の）レーザ光を得ることが研究さ
れている。

【００１５】ここで従来においては、外部共振器を利用
した波長変換には、主として縦シングルモードの入射光
が利用されてきた。しかるに、タイプIIの共振器内ＳＨ
Ｇを安定化させるために、上述した１／４波長板のよう
な複屈折素子１０７を用いた場合には、共振器１０１の
光路長をＬとするとき、縦モード間隔ｃ／２Ｌ（ｃは光
速）で２モードの発振が主として得られる。このＳＨＧ
レーザ光を外部共振器に入射して、ＳＨＧレーザ光を有
効に利用して、外部共振器により波長変換を行う場合、
外部共振器の光路長が上記Ｌより小さい場合は２モード
を同時に利用できず、効率の良い多段波長変換の障害と
なる。

【００１６】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、共振器内ＳＨＧのような第２高調波発生
により得られたＳＨＧレーザ光を外部共振器に入射して
さらに高次の高調波（第４高調波以上）を発生させるよ
うなレーザ光発生装置において、上記第２高調波発生の
際の２モードの発振に基づくレーザ光を有効に利用で
き、効率を向上し得るようなレーザ光発生装置の提供を
目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ光発
生装置は、レーザ媒質において発生した基本波レーザ光
を共振器内部に設けられた第１の非線形光学結晶素子を
通過するように共振動作させることにより第２高調波レ
ーザ光を発生させ、当該共振器の固有偏光モードによる
第２高周波の縦モードの周波数差が、特にタイプIIの場
合共振器縦モード間隔の奇数倍となるような第１のレー
ザ共振器と、内部に非線形光学結晶素子を有し上記第１
の共振器からのレーザ光が供給され該第１の共振器の光
路長の整数倍の光路長を有する第２の共振器とを有する
ことにより、上述の課題を解決する。

【００１８】ここで、上記レーザ媒質としては、Ｎｄ：
ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4 、ＬＮＰ、Ｎｄ：ＢＥＬ等が用
いられ、上記非線形光学結晶素子としては、ＫＴＰ、Ｌ
Ｎ、ＢＢＯ、ＬＢＯ等が用いられる。上記第１のレーザ
共振器としては、励起光によって励起されるレーザ媒質
において発生した基本波レーザ光を共振器内部に設けら
れた非線形光学結晶素子を通過するように共振動作させ
ることにより、タイプIIの第２高調波レーザ光を発生さ
せると共に、共振器路に上記基本波レーザ光の２つの偏
光モード間の和周波発生によるカップリングを抑制する
光学手段を設けたものを使用できる。この光学手段に
は、１／４波長板等の複屈折素子が使用できる。

【００１９】

【作用】外部共振器である上記第２の共振器の光路長
を、２つの固有偏光モードの間の縦モードの周波数差が
共振器縦モード間隔の半分の奇数倍となるような第１の
レーザ共振器の光路長の整数倍とすることにより、第１
のレーザ共振器からのレーザ光の２モード以上を同時に
第２の共振器に導入することができ、多段の波長変換の
効率を上げることができる。特に、タイプIIの位相整合
の場合２つの固有偏光モード間の縦モードの周波数差が
共振器縦モード間隔の半分の奇数倍となるような第１の
レーザ共振器の光路長の整数倍とすることにより、第１
のレーザ共振器からのレーザ光の２モード以上を同時に
第２の共振器に導入することができ、多段の波長変換の
効率を上げることができる。

【００２０】

【実施例】図１は、本発明に係るレーザ光発生装置の一
実施例の概略構成を示す構成図である。この図１におい
て、励起光源素子としての半導体レーザ素子であるレー
ザダイオード１１から、励起光としてのレーザ光が出射
される。この励起レーザ光は、レンズ１２で集光され、
レーザ共振器１３の凹面鏡１４及び１／４波長板１５を
介して、例えばＮｄ：ＹＡＧを用いたレーザ媒質１６に
入射される。凹面鏡１４の内側の凹面が反射面１４Ｒと
なっている。レーザ媒質１６は、上記励起光の入射に応
じて基本波レーザ光ＬＡ（ω）を発生し、この基本波レ
ーザ光ＬＡ（ω）が、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）
を用いた非線形光学結晶素子１７を通って平面鏡１８に
達し、反射面１８Ｒで反射される。

【００２１】ＫＴＰのような非線形光学結晶素子１７
は、タイプIIの位相整合により、上記基本波レーザ光Ｌ
Ａ（ω）の２倍の周波数の第２高調波レーザ光ＬＡ（２
ω）を発生する。特に、１μｍ付近の基本波の第２高周
波発生の際には比較的大きな非線形定数と小さいウォー
クオフ角から効率が良く、多用される。例えば基本波レ
ーザ光ＬＡ（ω）の波長λを１０６４ｎｍとすると、第
２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）の波長はλ／２の５３２
ｎｍとなる。凹面鏡１４の反射面１４Ｒは、上記励起光
（例えば波長８０８ｎｍ）を透過し、レーザ媒質１６で
発生した基本波レーザ光ＬＡ（ω）を反射するような特
性を有し、平面鏡１８の反射面１８Ｒは、基本波レーザ
光ＬＡ（ω）を反射し、第２高調波レーザ光ＬＡ（２
ω）を透過するような特性を有している。これらの反射
面１４Ｒ、１８Ｒは、いわゆるダイクロイックミラーに
より形成できる。従って、レーザ媒質１６で発生した基
本波レーザ光ＬＡ（ω）は、レーザ共振器１３の反射面
１４Ｒと反射面１８Ｒとの間を往復進行し、レーザ光の
発振が行われる。

【００２２】ここで、１／４波長板１５は、本件出願人
が、先に特開平１−２２０８７９号公報において開示し
た技術に基づき用いられる複屈折性素子であり、非線形
光学結晶素子１７に対して方位角θ＝４５°だけ傾いた
方位に設定された１／４波長板１５を通ることにより、
共振器１３の各部におけるレーザ光のパワーを安定化す
るためのものである。

【００２３】このようなレーザ共振器内第２高調波発生
タイプのレーザ共振器１３の基本波レーザ光ＬＡ（ω）
の、同じ横モードに対して、隣合う縦モードの間の周波
数差である縦モード間隔Δｆは、レーザ共振器１３の一
対の対向する反射面１４Ｒ、１８Ｒ間の光路長（実効共
振器長）をＬとするとき、 Δｆ＝ｃ／２Ｌ （ｃは光速） ・・・（１） となる。さらに、上述した１／４波長板１５をレーザ共
振器１３内に挿入した構成のタイプII共振器内ＳＨＧの
場合には、２つの固有偏光モード（例えばＰモードとＳ
モード）の各偏光の光路差はλ／２となるため、これら
の２つの固有偏光モードにおける縦モードの周波数差
が、共振器縦モード間隔の半分Δｆ／２の奇数倍となる
とき有利である。

【００２４】すなわち、図２のＡ、Ｂは、２つの固有偏
光モードの各スペクトルをそれぞれ示しており、これら
Ａ、Ｂの各固有偏光モードのスペクトルにおけるそれぞ
れの縦モード間隔Δｆがいずれもｃ／２Ｌであるが、一
方の固有偏光モードの縦モードと他方の固有偏光モード
の縦モードとの周波数差は、Δｆ／２（＝ｃ／４Ｌ）の
奇数倍（１、３、５、・・・倍）となっている。例えば
図２の例において、一方のスペクトルＡの縦モードの周
波数をｆA と他方のスペクトルＢの縦モードの周波数ｆ
B との間の周波数差ｆB −ｆA は、ｃ／４Ｌとなってい
る。これに対してＳＨＧレーザ光は一方向の偏光として
取り出されるから、これらの各固有偏光モードのそれぞ
れの縦モードの周波数が２倍にされて図２のＣに示すよ
うなスペクトルとなり、隣接する縦モードの周波数間隔
はｃ／２Ｌとなる。

【００２５】ここで、固体レーザ発振器のようにホモジ
ニアス・ライン・ブローディングのレーザ発振器の場合
は、ゲインカーブ（利得の周波数特性曲線）のピークに
最も近いモードの偏光の発振が生じ、そこでゲインが飽
和するため、シングルモード発振が生じるはずである
が、実際にはホールバーニング効果によって多モード発
振が生じてしまうことがある。これは、レーザ共振器１
３内に定在波が存在し、その定在波の節の部分でゲイン
が充分に飽和しないために、これとは異なるモードの発
振が生じるからである。このような基本波レーザ光の同
一偏光モード内に縦マルチモードが存在すると、同一偏
光モード内でモードカップリングに起因するモードホッ
プノイズが発生する虞れがある。

【００２６】そこで本件出願人は、特願平２−１２５８
５４号の明細書及び図面において、基本波レーザ光の２
つの偏光モード間の和周波発生によるカップリングを抑
制する光学素子であるいわゆるエタロン等をレーザ共振
器内に設けたり、上記ホールバーニング効果による多モ
ード発振を抑制するためにレーザ媒質１６を１／４波長
板１５に近接配置すること等を提案している。また、特
願平３−１７０６８号の明細書及び図面において、基本
波レーザ光の２つの固有偏光モード間のカップリングを
抑制する光学素子を設けると共にレーザ媒質を往復する
基本波レーザ光が円偏光となるように偏光を調整する調
整素子とを備えることを提案している。これらの技術に
より、レーザ共振器１３におけるホールバーニング効果
を抑制したりモードホップノイズの発生を防止したりす
ることが望ましい。

【００２７】次に、このようなレーザ共振器内第２高調
波発生タイプのレーザ共振器１３から出射されたＳＨＧ
（第２高調波発生）レーザ光ＬＡ（２ω）は、モードマ
ッチング用のレンズ１９を介して第２の共振器（外部共
振器）２０に入射される。この外部共振器２０は、平面
鏡２１と、例えばβ−ＢＢＯ（バリウム・ボレート）等
の非線形光学結晶素子２２と、凹面鏡２３とにより構成
されており、これらの平面鏡２１の反射面２１Ｒと凹面
鏡２３の反射面２３Ｒとは、この場合の励起光である波
長が５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光ＬＡ（２ω）の殆ど全
てを反射する。また、光出力側の凹面鏡２３の反射面２
３Ｒは、非線形光学結晶素子２２により発生された波長
が２６６ｎｍの第４高調波（ＦＨＧ）レーザ光ＬＡ（４
ω）を透過するようになっている。

【００２８】ここで、ＳＨＧレーザ光ＬＡ（２ω）に対
して高い反射率の反射面２１Ｒを有する平面鏡２１を介
して励起光であるＳＨＧレーザ光ＬＡ（２ω）を共振器
２０内に導入するために、この共振器２０の光路長ｌを
上記共振器１３の光路長Ｌの整数倍としている。これ
は、共振器２０の透過率の周波数特性を考慮するとき、
該共振器２０の縦モード間隔ｃ／２ｌ毎に共振があり、
各共振点では、入力光のパワーが共振器中に吸収されて
内部に蓄積され、出力光も増大して透過率は極大となる
から、図２のＤに示すような周波数特性の透過率とな
る。この図２のＤに示すような透過率が極大となる位置
に、上述した図２のＣに示すＳＨＧレーザ光ＬＡ（２
ω）のスペクトルの各モードを含ませる（入れる）た
め、 （ｃ／２ｌ）・ｍ＝ｃ／２Ｌ （ｍは整数） ・・・（２） としたものである。この（２）式を整理すると、ｌ＝ｍ
・Ｌとなり、共振器２０の光路長ｌを上記共振器１３の
光路長Ｌのｍ（整数）倍とすることになる。

【００２９】共振器の光路長は短いほど一般に小さいビ
ーム径を得やすいことを考慮して、外部共振器２０の光
路長ｌを上記共振器１３の光路長Ｌに等しく（ｌ＝Ｌ）
してやることで、第１の共振器１３からの出射レーザ光
の各固有モードの全ての成分を第２の共振器２０内に導
入することができ、さらに、外部共振器２０内に設けら
れた非線形光学結晶素子２２により、多段の波長変換を
効率良く行うことができる。

【００３０】ここで、図２のＤに示す透過率特性の共振
の半値幅をａ、極大位置の間隔をｂとするとき、いわゆ
るフィネスＦは、Ｆ＝ｂ／ａと定義されるが、外部共振
器２０の光路長に許容される誤差は、略々Ｌ／Ｆ以下と
なる。これは、共振器２０の光路長をＬ＋ΔＬとすると
きの許容誤差ΔＬを考察すると、 ｂ＝ｃ／（２（Ｌ＋ΔＬ）） ≒ｃ／２Ｌ （ΔＬ＜＜Ｌ） ・・・（３） ＳＨＧレーザ光の縦モード間隔と外部共振器の透過率極
大点の周波数幅の差が略々ｂ／Ｆ以下のとき、効率的に
複数モードが入射される（共振器２０内に導入される）
ことから、 ｜ｃ／２Ｌ−ｃ／（２（Ｌ＋ΔＬ））｜＜ｂ／Ｆ ・・・（４） ∴｜ΔＬ｜＜Ｌ／Ｆ ・・・（５） となる。

【００３１】典型的な一例として、このフィネスＦを約
３００とし、共振器２０の光路長Ｌを８０ｍｍとすると
きの許容誤差ΔＬは、約０．２６ｍｍとなり、実現上さ
ほどの困難はない。なお、これは初期の位置合わせであ
り、２つの共振器１３、２０の縦モードマッチングに
は、この他にディザ法、Pound-Drever法等のロッキング
が必要である。

【００３２】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、例えば、共振器の光路に沿った両端の
一対の反射ミラーの他に、共振器の光路中に折り返し反
射ミラーを設けた構造の共振器を用いてもよい。また、
レーザ媒質や非線形光学結晶素子は、Ｎｄ：ＹＡＧやＫ
ＤＰ，ＢＢＯ，ＫＴＰに限定されないことは勿論であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るレーザ光発生装置によれば、非線形光学結晶素
子を内部に有する共振器の２つの固有偏光モードの内の
縦モードの周波数差が共振縦モード間隔の半分の奇数倍
となるようなＳＨＧ（第２高調波発生）レーザ共振器か
らのＳＨＧレーザ光を、内部に非線形光学結晶素子を有
する外部共振器に入射すると共に、この外部共振器の光
路長を、上記ＳＨＧレーザ共振器の光路長の整数倍とす
ることにより、ＳＨＧレーザ共振器からのレーザ光の２
モード以上を同時に外部共振器に導入することができ、
多段の波長変換の効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ光発生装置の一実施例の概
略構成を示す構成図である。

【図２】該実施例の説明に用いられる周波数特性図であ
る。

【図３】レーザ光発生装置の従来例の概略構成を示す構
成図である。

【図４】図３の従来例に用いられる複屈折性素子の方位
角の説明図である。

【符号の説明】

１１・・・・・レーザダイオード １３・・・・・第１のレーザ共振器 １４、２３・・・・・凹面鏡 １５・・・・・１／４波長板 １６・・・・・レーザ媒質 １７・・・・・第１の非線形光学結晶素子 １８、２１・・・・・平面鏡 ２０・・・・・第２の共振器 ２２・・・・・第２の非線形光学結晶素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質において発生した基本波レー
   ザ光を共振器内部に設けられた第１の非線形光学結晶素
   子を通過するように共振動作させることにより第２高調
   波レーザ光を発生させる共振器内の２つの固有偏光モー
   ドの間の縦モードの周波数差が、共振器縦モード間隔の
   半分の奇数倍となるような第１のレーザ共振器と、 内部に第２の非線形光学結晶素子を有し上記第１のレー
   ザ共振器からのレーザ光が供給され該第１のレーザ共振
   器の光路長の整数倍の光路長を有する第２の共振器とを
   有して成ることを特徴とするレーザ光発生装置。