JP3199836B2 - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

波長変換レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はレ−ザ光の波長を非線
形結晶によって高調波に変換する波長変換レーザ装置
関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、非線形結晶を用いてレ−ザ光の
波長を変換する波長変換レーザ装置は、図5に示すよう
に構成されていた。すなわち、同図中1はレ−ザ発振器
である。このレ−ザ発振器1は高反射ミラ−2と出力ミ
ラ−3とを離間対向して配置した光共振器4を有する。
この光共振器4内にはロッド状の固体レ−ザ媒質5が軸
線を上記光共振器4の光軸に一致させて配置されてい
る。この固体レ−ザ媒質5の側方には励起手段である、
励起ランプ6が平行に配置されている。さらに、光共振
器4内には上記固体レ−ザ媒質5と出力ミラ−3との間
にモ−ドロッキングを起こさせるためのモ−ドロッカ7
が配置されている。モ−ドロッカ7としては音響光学素
子や過飽和色素などが用いられている。
【0003】上記固体レ−ザ媒質5を励起ランプ6で励
起することで上記出力ミラ−3からはレ−ザ光Pを出力
させることができる。ここで、光共振器長をL、光の速
さをCとしたとき、周波数fは、f=C/2L、パルス
幅は固体レ−ザ媒質5の利得幅Δνの逆数(Δν-1)程
度の短パルス列のレ−ザ出力が得られる。
【0004】上記出力ミラ−3から出力された基本波長
のレ−ザ光Pは、出力変調器8を通り、第1のビ−ムス
プリッタ9で一部が分割される。第1のビ−ムスプリッ
タ9を透過したレ−ザ光Sは集光レンズ11で集束され
てSHGなどの非線形結晶12に入射する。この非線形
結晶12は光共振器4から出力される基本波長のレ−ザ
光Sを、波長が2分の1の高調波に変換する。上記非線
形結晶12から出射するレ−ザ光Sには高調波に基本波
が含まれているから、そのレ−ザ光Sは第2のビ−ムス
プリッタ13で反射する高調波と、透過する基本波とに
分離される。
【0005】上記第1のビ−ムスプリッタ9で分離され
たレ−ザ光Sの一部は光検出器14で強度が検出され
る。その検出信号は上記出力変調器8に入力される。そ
れによって、レ−ザ光Sの強度が制御されて非線形結晶
12に入射するレ−ザ光Sの強度を一定に保つようにな
っている。つまり、レ−ザ出力は種々の要因によって不
安定となるが、その出力を上記光検出器14で検出し、
その検出信号を出力変調器8にフィ−ドバックすること
で、出力の安定化を計っている。
【0006】このように出力の安定化を計る場合、高速
な応答性が望まれるので、出力変調器8としては一般的
に音響光学素子が用いられる。しかしながら、その応答
性はせいぜい100kHz程度である。光共振器長が2
m程度のレ−ザモ−ドロック周波数は、f=C/2L=
(3×108 )/(2×2)=75MHzとなる。した
がって、その周波数は音響光学素子の応答性に比べて大
きすぎるから、パルスごとの出力の安定化を計ることが
できない。
【0007】しかも、非線形結晶12としてSHGを用
いた場合、その出力は、非線形結晶12に入射するレ−
ザ光Sの強度の二乗にほぼ比例するので、たとえばレ−
ザ光Sの出力の安定性が図6(a)に示すように±10
%であれば、上記非線形結晶12から出力される高調波
の強度は図6(b)に示すように±20%程度に拡大さ
れてしまう。したがって、レ−ザ光Sのパルスごとの強
度を安定化させる必要がある用途の場合には使用できな
いということがある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このように、波長を高
調波に変換するために用いられる、非線形結晶からの出
力は、そこに入射するレ−ザ光の強度の二乗に比例する
ため、レ−ザ発振器から出力されるレ−ザ光の強度がわ
ずかでも変動すると、上記非線形結晶から出力される高
調波の強度変動が大きくなるということがあった。
【0009】この発明は上記事情に基づきなされたもの
で、その目的とするところは、レ−ザ発振器から出力さ
れるレ−ザ光の強度が変動しても、非線形結晶から出力
される高調波の強度を安定化できるようにした波長変換
レーザ装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明は、光共振器およびこの光共振器内に設けら
れたレ−ザ媒質からなるレ−ザ発振器と、このレ−ザ発
振器から出力されたレ−ザ光の波長を高調波に変換する
非線形結晶と、この非線形結晶と上記レ−ザ発振器との
間に設けられ上記レ−ザ発振器から出力されるレ−ザ光
の強度に応じて焦点距離が変化し上記非線形結晶に入射
するレ−ザ光のビ−ム径を変える自己集束素子とを具備
したことを特徴とする。
【0011】
【作用】上記構成によれば、レ−ザ発振器から出力され
るレ−ザ光の強度の変動に応じて非線形結晶に入射する
レ−ザ光の強度を変えることができるから、上記非線形
結晶から出射される高調波の強度を安定化することがで
きる。
【0012】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図1乃至図3を
参照して説明する。なお、図5に示す構成と同一部分に
は同一記号を付して説明を省略する。
【0013】すなわち、この発明の実施例においては、
レ−ザ発振器1から出力され、出力変調器8、第1のビ
−ムスプリッタ9および光検出器14によって強度がフ
ィ−ドバック制御されたレ−ザ光Sは自己集束素子22
に入射する。つまり、自己集束素子22は上記レ−ザ発
振器1と非線形結晶12との間に配置されている。
【0014】上記自己集束素子22は、ここに入射する
レ−ザ光Sの強度に応じてこのレ−ザ光Sを集束する焦
点距離を変化させる性質を有する。つまり、自己集束素
子22に入射するレ−ザ光Sの強度が図2(a)にP1
で示すように強い場合の焦点距離がF1 であるとする
と、図2(b)にP2 で示すようにレ−ザ光Sの強度が
低下したときには、レ−ザ光Sを集束する上記自己集束
素子22の焦点距離は上記F1 よりも長い距離F2 とな
る。そして、上記非線形結晶12は、上記焦点F1 より
も遠い位置で、上記焦点F2 上に中心をほぼ一致させて
配置されている。このような自己集束の性質を備えた物
質としては、CS2 液が知られている。したがって、上
記自己集束素子22としては、容器中に上記CS2 液を
充満させたものを用いればよい。なお、自己集束素子2
2がレ−ザ光Sを集束する焦点位置は、CS2 液が収容
される容器の厚さやその配置位置によって変えることが
できる。
【0015】一方、上記非線形結晶12から出力される
高調波の強度をP2wとすると、この強度P2wは、固体レ
−ザ媒質5を励起する励起ランプ6から出射される励起
光の強度Iw と、レ−ザ発振器1から出力されるレ−ザ
光Sの強度Pw に対して比例関係にある。つまり、(P
2w〜Iw ・Pw )の関係を有する。したがって、たとえ
ば励起光の強度Iw が減少すると、レ−ザ光Sの強度P
w が増大し、高調波の強度P2wはほぼ一定に保たれる。
【0016】つぎに、上記構成の波長変換レーザ装置
作用について説明する。図2(a)に示すように自己集
束素子22に入射するレ−ザ光Sの強度がP1 と強い場
合には、この自己集束素子22の焦点距離はF1 とな
る。そのため、自己集束素子22から出射した基本波長
のレ−ザ光Sは非線形結晶12の手前側で焦点を結んで
から、発散状態で上記非線形結晶12に入射することに
なる。レ−ザ光Sが発散状態で非線形結晶12に入射す
ると、非線形結晶12上におけるレ−ザ光Sのビ−ム径
が拡大されることになるから、この非線形結晶12が受
ける単位面積当りのレ−ザ強度が低下することになる。
【0017】このように、非線形結晶12に入射するレ
−ザ光Sの単位面積当りの強度が低下すると、この非線
形結晶12で波長変換されて出力する高調波の強度がP
1 よりも低下することになる。このときの高調波の強度
をP3 とする。
【0018】一方、レ−ザ発振器1から出力されるレ−
ザ光Sの強度が変動して図2(b)に示すようにP2
低下した場合には、その強度P2 のレ−ザ光Sが自己集
束素子22に入射することで、その焦点距離がF2 に変
化する。つまり、自己集束素子22の焦点距離F2 は図
2(a)の場合に比べて長くなるから、集束されたレ−
ザ光Sは非線形結晶12上で焦点を結ぶことになる。そ
れによって、非線形結晶12に入射するレ−ザ光Sのビ
−ム径が図2(a)の場合に比べて小さくなるから、こ
の非線形結晶12が受ける単位面積当りレ−ザ強度が高
くなる。
【0019】したがって、非線形結晶12で波長変換さ
れて出力する高調波の強度はP2 よりも増大することに
なる。上記自己集束素子22や非線形結晶12の配設置
状態を調節すれば、図2(b)において、非線形結晶1
2から出力される高調波の強度を図2(a)のときの強
度P3 と同じにすることができる。
【0020】つまり、レ−ザ発振器1から出力されるレ
−ザ光Sの強度が変動しても、自己集束素子22によっ
て非線形結晶12に入射するレ−ザ光Sの焦点距離が変
えられることで、上記非線形結晶12から出力される高
調波の強度を一定にすることができる。しかも、自己集
束素子22は高速で応答するから、周波数が100MH
z程度のモ−ドロックレ−ザにも適用することができ
る。
【0021】図3(a)〜(d)はこの発明と従来の技
との比較を示す。なお、図中実線はこの発明を示し、
鎖線は従来の技術を示す。同図(a)はレ−ザ発振器1
から出力されるレ−ザ光Sの強度と、焦点距離との関係
を示し、従来は集光レンズ11で集束していたので一定
であるが、この発明は自己集束素子22で集束するた
め、レ−ザ光Sの強度が高くなるにしたがい焦点距離が
短くなる。
【0022】同図(b)はレ−ザ発振器1から出力され
るレ−ザ光Sの強度と、非線形結晶12に入射するレ−
ザ光Sのビ−ム径との関係を示し、集光レンズ11で集
束される従来のビ−ム径は一定であるが、自己集束素子
22を用いたこの発明はレ−ザ光Sの強度が増大するに
したがいビ−ム径も大きくなる。
【0023】同図(c)はレ−ザ発振器1から出力され
るレ−ザ光Sの強度と、非線形結晶12に入射するレ−
ザ光Sの強度、つまり非線形結晶12の励起強度との関
係を示す。鎖線で示す従来の技術はレ−ザ光Sの強度が
増大するにつれて非線形結晶12を励起する強度も増大
するが、この発明によれば、レ−ザ光Sの強度が増大す
ると、非線形結晶12を励起する強度が低下する。
【0024】同図(d)はレ−ザ発振器1から出力され
るレ−ザ光Sの強度と、非線形結晶12から出力される
高調波の強度との関係を示す。従来はレ−ザ光Sの強度
が増大するにつれて非線形結晶12から出力される高調
波の強度も増大するが、この発明によれば、非線形結晶
12から出力される高調波の強度をほぼ一定にすること
ができる。
【0025】図4はこの発明の他の実施例を示す。この
実施例は自己集束素子22の出射側に補正レンズ31を
設けるようにしたもので、このような構成によれば、自
己集束素子22から出射したレ−ザ光Sの焦点距離、つ
まり非線形結晶12に入射するレ−ザ光Sのビ−ム径
を、上記補正レンズ31によって補正することができ
る。
【0026】なお、この発明は上記各実施例に限定され
るものでなく、たとえばノ−マルパルスやQスイッチな
どモ−ドロックレ−ザ以外のレ−ザにもこの発明を適用
することができる。また、非線形結晶はSHG以外の結
晶、たとえば3倍波や4倍波に変換するものであっても
よい。また、自己集束素子を用いて高調波の強度を安定
化させる場合、レ−ザ発振器から出力されるレ−ザ光の
強度を制御する出力変調器はなくてもよい。
【0027】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明は、レ−ザ発
振器と非線形結晶との間に、レ−ザ発振器から出力され
るレ−ザ光の強度に応じて焦点距離が変化し上記非線形
結晶に入射するレ−ザ光のビ−ム径を変える自己集束素
子を設けるようにした。
【0028】そのため、レ−ザ発振器から出力されるレ
−ザ光の強度が変動しても、上記非線形結晶に入射する
レ−ザ光の強度をほぼ一定にできるから、それによって
非線形結晶から出射する高調波の強度を一定に維持する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例の全体構成図。
【図2】(a)は自己集束素子に入射するレ−ザ光の強
度が強い場合の説明図、(b)は同じく強度が弱い場合
の説明図。
【図3】(a)〜(d)は従来とこの発明のレ−ザ発振
器から出力されるレ−ザ光の強度と種々のパラメ−タと
の関係を示す説明図。
【図4】この発明の他の実施例を示す全体構成図。
【図5】従来の全体構成図。
【図6】(a)はレ−ザ発振器から出力されるレ−ザ光
の強度分布図、(b)は従来の非線形結晶から出力され
るレ−ザ光の強度分布図。
【符号の説明】
1…レ−ザ発振器、4…光共振器、5…固体レ−ザ媒
質、12…非線形結晶、22…自己集束素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−141631(JP,A) 特開 昭63−148242(JP,A) Soviet Journal of Quantum Electroni cs,Vol.8,No.2,pp. 272−273(1978)Yu.G.Grin ’,Yu.N.Karamzin an d A.P.Sukhorukov (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/37 - 1/39 H01S 3/108 - 3/109 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光共振器およびこの光共振器内に設けら
    れたレ−ザ媒質からなるレ−ザ発振器と、このレ−ザ発
    振器から出力されたレ−ザ光の波長を高調波に変換する
    非線形結晶と、この非線形結晶と上記レ−ザ発振器との
    間に設けられ上記レ−ザ発振器から出力されるレ−ザ光
    の強度に応じて焦点距離が変化し上記非線形結晶に入射
    するレ−ザ光のビ−ム径を変える自己集束素子とを具備
    したことを特徴とする波長変換レーザ装置
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US9841655B2 (en) * 2015-07-01 2017-12-12 Kla-Tencor Corporation Power scalable nonlinear optical wavelength converter
KR102173445B1 (ko) * 2019-06-07 2020-11-03 포항공과대학교 산학협력단 빔 파워 생성 및 안정화 시스템

Non-Patent Citations (1)

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Soviet Journal of Quantum Electronics,Vol.8,No.2,pp.272−273(1978)Yu.G.Grin’,Yu.N.Karamzin and A.P.Sukhorukov

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