JP3564705B2 - レーザ光発生装置 - Google Patents
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Description
【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】
また、レーザ光源からのレーザ光を基本波レーザ光として外部共振器内に導入して内部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ような外部共振器法も知られている。この外部共振器法においては、共振器のいわゆるフィネス値（共振のＱ値に相当）を例えば約１００〜１０００程度と大きくして共振器内部の光密度を入射光密度の数百倍にすることにより、共振器内の非線形光学結晶素子の非線形効果を有効に利用するわけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような外部共振器法を利用して第２高調波やさらに高次の高調波、あるいはいわゆる和周波等のレーザ光を発生させる場合には、共振器の光路長の変化（誤差）を波長の１／１０００〜１／１００００、すなわち１オングストローム以下もの極めて微細な範囲に抑制することが必要とされ、極めて高精度の位置制御が必要とされる。
【０００６】
従来においては、共振器長（光路長）を抑制する装置として、共振器の反射鏡をいわゆるＰＺＴ等を用いて成る積層圧電素子で支持し、この積層圧電素子に共振器長の変化に比例した誤差信号をフィードバックしてサーボループを構成することにより、共振器長を自動制御して安定化させていた。
【０００７】
しかしながら、積層圧電素子は、一般に、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数位置にて複共振が存在しており、また自己容量により全周波数領域で位相遅れがある。このような理由で、サーボ帯域を数十ｋＨｚまで拡げることは困難である。さらに、積層圧電素子は、駆動電圧が数百〜数千ボルトと非常に高電圧であるため、駆動電気回路が複雑化し、高価なものとなってしまう。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、非線形光学結晶素子を有する外部共振器にレーザ光を入射して高次の高調波（第２高調波以上）や和周波等のレーザ光を発生させるようなレーザ光発生装置において、共振器の光路長の変化（誤差）を波長の１／１０００〜１／１００００すなわちオングストローム以下に抑制させる制御が安定に行い得るようなレーザ光発生装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられた非線形光学結晶素子への入射レーザ光を共振動作させることにより波長変換されたレーザ光を発生させるレーザ光発生装置において、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
また本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられるレーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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波長変換されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
また本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源と同様に少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて上記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザ光と上記第２のレーザ光源から出射された第２の波長のレーザ光とを合波する合波手段と、上記合波手段を介した上記第１の波長のレーザ光と上記第２の波長のレーザ光との合波レーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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和周波混合されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
【００１０】
上記電磁アクチュエータは、ボイスコイル駆動タイプのアクチュエータであり、反射手段となる反射ミラーが嵌合固定された円筒状のコイルボビンの周囲にコイルがソレノイド状に巻回され、コイルの内側に導電体、磁性体を配置しない構造を有する。また、上記電磁アクチュエータは、上記コイルボビンの上下面に渦巻き状の板バネが取り付けられ、上記板バネは、永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持され、上記永久磁石は上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置されている。また、上記電磁アクチュエータは、上記永久磁石の外周が強磁性体のヨークに固定され、上記板バネの外周が上記ヨークで支持され、上記コイルボビン、コイル、板バネ、永久磁石、及びヨークが２枚のシールド板で挟みこまれて、閉磁路を構成している。したがって、上記電磁アクチュエータは、推力（光軸方向の駆動力）が大きく、位相回りの少ない伝達特性が得られる。また、移動部分を軽量化すること等により複共振周波数を１００ｋＨｚ以上にまで持っていける。このような構造の電磁アクチュエータによれば、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとすることができる。さらに、上記電磁アクチュエータの駆動電流は、数十〜数百ｍＡ程度で済む。
【００１１】
ここで上記波長変換は、和周波混合や第２高調波発生、第４高調波発生等を含む。上記レーザ媒質としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４ 、Ｎｄ：ＢＥＬ、ＬＮＰ等が用いられ、上記非線形光学結晶素子としては、ＫＴＰ、ＬＮ、ＱＰＭＬＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＮ等が用いられる。
【００１２】
上記電磁アクチュエータは、上記共振器の光路長の変化（反射面の位置誤差）を、波長の１／１０００〜１／１００００すなわち１オングストローム以下に抑制するように少なくとも一方の反射手段の光軸方向の位置を制御する。これは、共振器の光路長の変化を検出する手段からの信号、特に、共振器の反射率が極小となる位置に対する誤差を検出した信号に応じて、電磁アクチュエータにより上記反射手段を光軸方向に移動させ、この位置誤差検出信号が０となるように位置制御するものである。このような高精度の位置誤差検出は、基本波レーザ光を位相変調して共振器に入射し、共振器からの反射光の検出信号を上記位相変調信号で同期検波して誤差信号を取り出すことにより実現できる。
【００１３】
【作用】
共振器の光路長を高精度に制御するための駆動手段として電磁アクチュエータを用いているため、サーボ帯域を数十ｋＨｚまで拡げることができ、安定な制御が行われ、効率の高い波長変換が可能となる。また、電磁アクチュエータの駆動電流が少なくて済むため、回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
【００１４】
【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、レーザダイオード等の半導体レーザ素子やＳＨＧ（第２高調波発生）レーザ光源装置等のレーザ光源１１から、基本波レーザ光が出射される。この基本波レーザ光は、いわゆるＥＯ（電気光学）素子やＡＯ（音響光学）素子等を用いた位相変調器１２にて位相変調が施され、共振器反射光検出用の反射面１３を介し、集光用のレンズ１４を介して、外部共振器１５に入射されるようになっている。この外部共振器１５は、凹面鏡（の反射面）１６と平面鏡（の反射面）１７との間に、非線形光学結晶素子１８が配置されて構成されており、共振器１５の一対の反射面１６、１７の間の光路長ＬＲ が所定長となって後述するように光路位相差Δが２πの整数倍となるとき共振し、共振位相付近で反射率及び反射位相が大きく変化する。共振器１５の一対の反射面１６、１７の少なくとも一方、例えば反射面１７は、電磁アクチュエータ１９により光軸方向に駆動されるようになっている。
【００１５】
ここで、上記レーザ光源１１としてＳＨＧレーザ光源装置を用い、例えば波長が５３２ｎｍのシングルモードのグリーンレーザ光を発生して外部共振器１５に入力する場合、共振器１５内部の非線形光学結晶素子１８として、例えばＢＢＯ（バリウムボレート）を用い、その非線形光学効果により入力光（５３２ｎｍ）のレーザ光の第２高調波（入力光がＳＨＧレーザ光の場合には第４高調波）となる波長２６６ｎｍのレーザ光を発生させる。この場合、外部共振器１５の凹面鏡の反射面１６は入力光（波長５３２ｎｍ）のほとんどを反射し、また平面鏡の反射面１７は該入力光のほとんどを反射すると共に出力光（波長２６６ｎｍ）のほとんどを透過させるようなダイクロイックミラーである。
【００１６】
発振器２１は、上記光学的な位相変調器１２を駆動するための変調信号（例えば周波数ｆｍ ＝１０ＭＨｚ）を出力し、この変調信号はドライバ（駆動回路）２２を介して位相変調器１２に送られる。上記共振器１５に送られるレーザ光の反射光（戻り光）が反射面１３を介してフォトダイオード等の光検出器２３により検出され、この反射光検出信号が同期検波回路２４に送られる。同期検波回路２４には上記発振器２１からの変調信号が（必要に応じて波形整形や位相遅延等が施されて）供給され、上記反射光検出信号と乗算されることにより、同期検波が行われる。同期検波回路２４からの検波出力信号は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２５を介することにより後述する共振器光路長の誤差信号となる。この誤差信号がドライバ２６に送られ、このドライバ２６からの駆動信号により上記電磁アクチュエータ１９を駆動して反射面１７を光軸方向に移動させ、上記誤差信号を０とするようなサーボ制御を行わせることにより、外部共振器１２の光路長ＬＲ が反射率の極小点（共振点）となる長さに制御される。
【００１７】
電磁アクチュエータ１９としては、いわゆるボイスコイル駆動タイプのアクチュエータを使用でき、複共振周波数を数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上に持ってゆくことができ、サーボループの共振周波数が上昇することと位相回りが少ないことにより、サーボ帯域（カットオフ周波数）は例えば２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚにまで拡げることができる。また、電磁アクチュエータ１９は、駆動電流が数十〜数百ｍＡ程度と少なくて済むため、駆動電気回路が簡素化でき安価である。従って、レーザの外部共振器法を用いた非線形効果を有効に利用する方法において共振器長の変化を波長の１／１０００〜１／１００００すなわち１オングストローム以下に極めて安定に抑制するシステムを安価に供給することが可能となる。
【００１８】
次に、外部共振器１５、いわゆるファブリ−ペロー共振器へのレーザ光の導入及び誤差検出の原理について説明する。このような共振器は、光路位相差Δが２πの整数倍のとき共振し、共振位相付近で大きく反射位相が変化する。この位相変化を利用して共振器の周波数制御を行うことが、Ｄｒｅｖｅｒ Ｌｏｃｋｉｎｇとして、例えば、Ｒ．Ｗ．Ｐ．Ｄｒｅｖｅｒ， ｅｔ ａｌ． “Ｌａｓｅｒ Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ ３１．９７−１０５（１９８３）等において開示されている。この技術における誤差信号の検出原理を以下に説明する。
【００１９】
一般に、ファブリ−ペロー共振器内部に屈折率ｎ、厚みＬの非線形光学素子が存在するとき、光路位相差Δは４πｎＬ／λである。また、そのシングルパスの透過率をＴ、シングルパスのＳＨＧ変換効率をη、入射面反射率をＲ１ 、出射面反射率をＲ２ とすると、複素反射率ｒは、
【００２０】
【数１】
となる。ここで、Ｒｍ ＝Ｒ２ （Ｔ（１−η））２ である。このときのｒの絶対値（パワー反射率）を図２に、位相（反射位相）を図３にそれぞれ示す。この位相変化を利用して、外部共振器１５の共振周波数ｆｏ と基本波レーザ光源１１の周波数ｆｃ とを（整数倍の関係で）一致させる。
【００２１】
レーザ光源１１の周波数ｆｃ （例えば約５００〜６００ＴＨｚ）のレーザ光に対して上記位相変調器１２により周波数ｆｍ （例えば１０ＭＨｚ）の位相変調が施され、サイドバンドｆｃ ±ｆｍ が立てられる。共振周波数がｆｏ の外部共振器１５より戻ってきた光について、周波数ｆｃ 、ｆｃ ±ｆｍ 間のビートを検出することにより、極性を持った誤差信号が得られる。
【００２２】
すなわち、基本波レーザ光源１１の電場ＥをＥ０ ｅｘｐ（ｉωｃ ｔ） とするとき、変調後の電場はＥ０ ｅｘｐ（ｉ （ωｃ ｔ＋βｓｉｎ（ωｍ ｔ））） となる。ここで、ωｃ は基本波レーザ光の角周波数、ωｍ は上記位相変調器１２の変調信号の角周波数、βは変調指数である。この変調指数を充分小さく、例えばβ＜０．２とすると、実質的にはωｃ と２つのサイドバンドωｃ ±ωｍ だけを考えればよいことになる。従って、
【００２３】
【数２】
のようになる。この（２）式でＪ０ （β）、Ｊ１ （β）は、それぞれ０次、１次のベッセル関数である。
【００２４】
次に、外部共振器１５からの反射光の電場は、ωｃ と２つのサイドバンドωｃ ±ωｍ に対しての複素反射率が各項にかかるため、
【００２５】
【数３】
のようになる。ここで、β＜０．２であり、Ｊ０ （β）≒√（１−β２ ／２）、Ｊ１ （β）≒β／２であることより、
【００２６】
【数４】
となる。
【００２７】
従って、その強度｜Ｅ｜２ は、βの２次以上の項を無視すれば、
【００２８】
【数５】
となる。
【００２９】
このような反射光を元の変調信号（角周波数ωｍ ）に適当な位相を与えて同期検波すると、ｃｏｓ（ωｍ ｔ）、ｓｉｎ（ωｍ ｔ） の係数である上記（６）式、（７）式が求まる。これらの内で、ｓｉｎ（ωｍ ｔ） の係数である（７）式から上記誤差信号を得ることができる。
【００３０】
すなわち、図４が光検出器２３により検出された共振器１６からの戻り光（反射光）検出信号を示し、この光検出信号は、反射光強度信号である図５の成分と上記変調信号に対応する図６の成分とが重畳されたものである。図６の変調信号成分は、例えば中心周波数が上記変調信号周波数である１０ＭＨｚのＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を通すことにより取り出すことができる。この図６の変調信号成分に対して、元の変調信号に適当な位相を与えた信号乗算して同期検波することにより、図７に示すようなｓｉｎ（ωｍ ｔ） の信号成分が得られ、この信号を例えばＬＰＦ（ローパスフィルタ）により上記変調キャリア成分（１０ＭＨｚ）を除去することで、図７の太線に示すような誤差信号、すなわち上記（７）式の信号を得ることができる。なお、図８は参考のために、ｃｏｓ（ωｍ ｔ）の項の信号成分、及び上記（６）式の信号を示すものである。
【００３１】
次に、図９は、上記電磁アクチュエータ１９の具体的な構造の一例を示す一部切欠斜視図である。
この図９において、上記図１の反射面１７がコーティング等により形成された反射ミラー３１は、リング状あるいは円筒状のセラミック等の絶縁物で作られたコイルボビン３２に嵌合固定されている。このコイルボビン３２の周囲にコイル（いわゆるボイスコイル）３３がソレノイド状に巻回されている。このコイルボビン３２は、図１０に示すような渦巻き状（スパイラル状）の板バネ３３に取り付けられており、この渦巻き状の板バネ３３は、永久磁石（マグネット）３５を介してリング状のヨーク３６に固定支持されている。マグネット３５はコイルボビン３２の円筒状に巻回されたコイル３３を取り囲むように配置されており、このマグネット３５は、例えば内周側がＮ極、外周側がＳ極となるように着磁されている。マグネット３５の外周は、鉄等の強磁性体のヨーク３６に接着等により固定されている。板バネ３３は、例えばコイルボビン３２の上下面に接着等により固定され、これらの板バネ３３の外周がヨーク３６で支持され、これらの全ての部品が、２枚の鉄等の強磁性体のシールド板３７、３８で挟みこまれている。このシールド板３７、３８は、ヨーク３６と共に、マグネット３５からの磁束のリターン経路としての機能も有している。このシールド板３７、３８で全ての部品が囲まれているので、取扱いも極めて良好である。
【００３２】
この図９（及び図１０）に示すような構造を有する電磁アクチュエータによれば、コイル３３の内側に金属のような導電体、磁性体を一切配置していないにもかかわらず磁気回路が概ね閉磁路となっているため、推力（光軸方向の駆動力）が大きく、位相回りの少ない伝達特性が得られる。また、コイルボビン３２にセラミックを用いて移動部分を軽量化すること等により、複共振周波数を１００ｋＨｚ以上にまでも持っていける。
【００３３】
ここで図１１及び図１２は、実際に作成した電磁アクチュエータの伝達特性を示すボード線図であり、図１１がゲインを、図１２が位相をそれぞれ示している。この電磁アクチュエータのミラーホルダ（コイルボビン３２）はセラミック製で、コイル３３の抵抗値は８Ω、インダクタンスは５０μＨ、質量は１．２５ ｇであり、板バネ３３のバネ定数は５７０Ｎｍ／ｒａｄ 、粘性係数は０．０５７Ｎｍ／ｓｅｃである。これらの図１１、図１２において、ｆ０ は１００ｋＨｚ、また１００ｋＨｚ近くまで共振がみられない。なお、高域で位相が回っているのはコイルのインダクタンスの影響である。
【００３４】
次に、図１３は、サーボ制御系のブロック線図である。この図１３において、入力端子４１には初期位置あるいは目標位置の設定信号が供給され、減算器４２に送られる。減算器４２からの出力信号は、位相補償回路４３でサーボ位相補償が行われ、ドライバ４４で駆動信号となって、電磁アクチュエータ４５に送られる。これらのドライバ４４、電磁アクチュエータ４５が、上記図１のドライバ２６、電磁アクチュエータ１９に対応する。電磁アクチュエータ４５により上記共振器（１５）の反射面（１７）の光軸方向の位置が制御され、この位置を検出した信号が減算信号として減算器４２に送られ、上記目標位置信号から減算されることにより、位置誤差信号が出力される。この位置誤差信号が上記図７に示す誤差信号に対応する。
【００３５】
次に、図１４は、上述した誤差信号検出のための構成例を示すブロック線図である。この図１４において、入力端子４６には、上記図４に示したような光検出器２３からの反射光検出信号が入力され、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４７に送られて上記変調キャリア成分が除去される。このＬＰＦ４７からの出力信号は、加算器４８に送られてオフセット出力回路４９からのオフセットＤＣレベルが加算されることにより、上記図５に示すような反射信号（反射光強度信号）が得られ、出力端子５０より取り出される。
【００３６】
また、入力端子４６に供給された上記反射光検出信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）５１により上記位相変調のキャリア周波数（例えばｆｍ ＝１０ＭＨｚ）の信号成分が取り出され、サンプルホールド回路５２に送られて一種の同期検波が施されて上記（５）式中のｓｉｎ（ωｍ ｔ）の項が取り出され、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）により変調キャリア成分が除去されることによって、上記（７）式に示すようなｓｉｎ（ωｍ ｔ）の係数の成分が誤差信号として出力端子５４より取り出される。サンプルホールド回路５２には、入力端子５５に供給された上記発振器２１からの変調信号（ｆｍ ＝１０ＭＨｚ）が、クロック生成回路５６でパルス信号に波形整形され、位相遅延回路５７で所定位相（例えば９０°）だけ遅延されて入力されている。この位相遅延された変調信号で上記ＢＰＦ５１からのキャリア周波数信号成分をサンプルホールドすることによって、上記ｓｉｎ（ωｍ ｔ）の信号成分を取り出すような同期検波が行われるわけである。
【００３７】
ここで、図１５は、上述した図９〜図１２と共に説明したような電磁アクチュエータを用いた場合における図１３に示すサーボ回路を含む系全体の閉ループ特性を示すボード線図であり、この図１５中の曲線Ａがゲインを、曲線Ｂが位相をそれぞれ示している。この場合、電気回路中のゲインを調整すること等によって２０ｋＨｚまでカットオフ周波数を上げることができ、このときの位相余裕は約３４°得られており、安定した閉ループ系が実現されていることが分かる。
【００３８】
次に、図１６は、上記サーボをかけずに電磁アクチュエータを駆動して上記反射面６６を光軸方向に振ったときの誤差信号（Ａ）及び反射光検出信号（Ｂ）をそれぞれ示しており、誤差信号（Ａ）のピークとピークとの間が略々１オングストロームに相当している。これに対して、図１７は、上記閉ループ系のサーボをかけた状態における誤差信号（Ａ）及び反射光検出信号（Ｂ）をそれぞれ示しており、誤差信号（Ａ）の変動分（いわゆる取り残り）が実に±０．１オングストローム以下に抑制され、反射光検出信号（Ｂ）が略々０を示して、上記外部共振器１５内にレーザ光のほとんど全てが導入されていることが分かる。
【００３９】
次に、図１８は、本発明に係るレーザ光発生装置の他の実施例を示し、レーザ光源６１から出射された基本波レーザ光は、位相変調器６２にて位相変調が施され、集光用のレンズ６４を介して、外部共振器６５に入射されるている。この外部共振器６５は、凹面鏡（の反射面）６６と凹面鏡（の反射面）６７との間に、非線形光学結晶素子６８が配置されて構成されており、これらの反射面６６、６７と平面鏡（の反射面）６３とで共振器６５の光路が形成されている。このような共振器６５の光路長ＬＲ が変化して上述したように光路位相差Δが２πの整数倍となるとき共振し、反射率及び反射位相が大きく変化する。この共振器６５の例えば反射面６６が、電磁アクチュエータ６９により光軸方向に駆動されるようになっている。
【００４０】
発振器２１からドライバ２６までの構成は、上述した図１の実施例と同様であるため、説明を省略する。また、電磁アクチュエータ６９の具体例としては、上述した図９、図１０と同様に構成すればよく、各部の動作及び効果は、上述した実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００４１】
以上説明した本発明に係るレーザ光発生装置の実施例の構成以外に、種々の構成が可能である。この本発明に係るレーザ光発生装置のいくつかの基本構成について、図１９〜図２３を参照しながら説明する。
【００４２】
先ず図１９は、上記レーザ光源として、共振器７１の一対の反射面７２、７３の間にＮｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質７４を配置して成るいわゆる固体レーザ発振器を用い、このレーザ光源からの例えば波長が１０６４ｎｍの基本波レーザを、外部共振器７５の一対の反射面７６、７７の間のＬＮ（ニオブ酸リチウム）等の非線形光学結晶素子７８に導入して、例えば波長が５３２ｎｍの第２高調波発生（ＳＨＧ）を行わせると共に、外部共振器７５の一方の反射面、例えば反射面７６を上述したような電磁アクチュエータ７９で光軸方向に位置制御するような、本発明の第１の基本構成を示している。
【００４３】
次に図２０は、上記レーザ光源として、共振器８１の一対の反射面８２、８３の間にＮｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質８４を配置して成る固体レーザ発振器を用い、このレーザ光源からの例えば波長が１０６４ｎｍの基本波レーザを、共振器８５の一対の反射面８６、８７の間のＬＮ等の非線形光学結晶素子８８に導入して、例えば波長が５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を得ると共に、上記レーザ光源の共振器８１の一方の反射面、例えば反射面８３を上述したような電磁アクチュエータ８９で光軸方向に位置制御するような本発明の第２の基本構成を示している。この第２の基本構成においては、レーザ光源からの基本波レーザ光の発振周波数が変化することで、外部共振器８５へのレーザ光の反射率を変化させ、外部共振器８５へのレーザ光の導入を高めた状態で安定化させることができる。
【００４４】
これらの図１９、図２０の基本構成において、レーザ媒質７４、８４としては、上記Ｎｄ：ＹＡＧ以外に、Ｎｄ：ＹＶＯ４ 、ＬＮＰ、Ｎｄ：ＢＥＬ等が使用できる。また、非線形光学結晶素子７８、８８としては、上記ＬＮ以外に、ＫＴＰ、ＱＰＭ ＬＮ、ＬＢＯ、ＢＢＯ等が使用できる。
【００４５】
ここで、上記レーザ光源としては、いわゆるＳＨＧレーザ発振器を用いることもでき、例えば上記図１９に示す第１の基本構成のレーザ光源をＳＨＧレーザ発振器に置き換えることで、図２１に示すような本発明の第３の基本構成を得ることができる。すなわち、この図２１において、ＳＨＧレーザ光発生用の共振器９１の一対の反射面９２、９３の間には、Ｎｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質９４と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４ ）等の非線形光学結晶素子９５とを配設し、レーザ媒質９４からの例えば波長１０６４ｎｍの基本波レーザを非線形光学結晶素子９５を通過させて共振させることにより、例えば波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を発生させて、このＳＨＧレーザ光を外部共振器７５に送るようにしている。この外部共振器７５の一対の反射面７６、７７の一方、例えば反射面７６が、上述したような電磁アクチュエータ７９で光軸方向に駆動制御される。外部共振器７５では、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子７８により入射レーザ光の第２高調波、すなわち元の基本波レーザ（波長１０６４ｎｍ）から見て第４高調波となる例えば波長が２６６ｎｍのレーザ光が発生され、外部共振器７５より取り出される。
【００４６】
なお、図示しないが、上記第２の基本構成に対応して、レーザ光源となるＳＨＧレーザ発振器の一対の反射鏡の一方を電磁アクチュエータで駆動するようにしてもよい。このように、レーザ光源として、レーザ共振器内第２高調波発生タイプのレーザ共振器を用いる場合に、固体レーザ発振器のようなホモジニアス・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１３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。
【００４７】
そこで本件出願人は、特願平２−１２５８５４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、ＳＨＧレーザ共振器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。
【００４８】
ここで、ＳＨＧレーザ光源の共振器の光路長を外部共振器の光路長の整数倍とすることで、ＳＨＧレーザ光の外部共振器への導入が効率良く行える。これは、基本波レーザ光とＳＨＧレーザ光との間にいわゆるタイプＩＩの位相整合条件を成立させるようにしたＳＨＧレーザ光源の共振器内に、１／４波長板のような複屈折性素子を挿入したことにより生じた基本波レーザ光の２つの固有偏光モードに基づくＳＨＧレーザ光の各縦モードを全て外部共振器内に導入するために必要とされることであり、ＳＨＧレーザ光源の共振器の光路長を外部共振器の光路長の整数倍とすることで、効率的に複数モードが入射される。
【００４９】
すなわち、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。
【００５０】
次に、図２２は、本発明に係るレーザ光発生装置の第４の基本構成として、２つの外部共振器７５ａ、７５ｂを直列に配設した例を示している。この図２２の例においては、基本波レーザ光源となる共振器７１からの波長が例えば１０６４ｎｍのレーザ光を、第１の外部共振器７５ａに導入して、ＬＮ等の非線形光学結晶素子７８ａの非線形光学効果により波長が例えば５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光に波長変換し、このＳＨＧレーザ光を、さらに第２の外部共振器７５ｂに導入して、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子７８ｂの非線形光学効果により波長が例えば２６６ｎｍの第４高調波発生（ＦＨＧ）レーザ光に波長変換している。そして、第１の外部共振器７５ａの一対の反射面７６ａ、７７ａの内の一方、例えば反射面７６ａを電磁アクチュエータ７９ａで光軸方向に変位させ、第２の外部共振器７５ｂの一対の反射面７６ｂ、７７ｂの内の一方、例えば反射面７６ｂを電磁アクチュエータ７９ｂで光軸方向に変位させて、各共振器７１、７５ａ、７５ｂ間の光路長条件を満足させるようにしている。
【００５１】
さらに、図２３に示す本発明の第５の基本構成は、いわゆる和周波混合により波長変換を行う例を示している。すなわち、上記図２１と共に説明したようなＳＨＧレーザ光源としてのレーザ共振器９１からの波長が例えば５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を、いわゆるダイクロイックミラー等の合波ミラー９７を介して外部共振器８５に送っており、ＳＨＧレーザ光源の共振器９１の一対の反射面９２、９３の一方、例えば反射面９３を上述したような電磁アクチュエータ９６にて光軸方向に変位制御している。また、上記図２０に示したようなレーザ共振器８１からの波長が例えば１０６４ｎｍのレーザ光を、ミラー（反射面）９８で偏向して合波ミラー９７を介して外部共振器８５に送っている。この外部共振器８５においては、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子８８の非線形光学効果により、これらの５３２ｎｍのレーザ光と波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波混合されて、例えば波長３５５ｎｍのレーザ光が発生され、外部に取り出される。
【００５２】
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、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧからの基本波レーザ光の波長は、１０６４ｎｍの成分の他にも、９５６ｎｍのレーザ光成分、あるいは１３１８ｎｍのレーザ光成分を用いるようにしてもよい。また、レーザ光源としては、上記固体レーザの他に、いわゆるレーザダイオード等の半導体レーザ、あるいはＨｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザ等を用いるようにしてもよい。さらに、上記図２３に示すような和周波混合を行うときの各光源からのレーザ光として、上記図２２に示したような外部共振器からのレーザ光を用いるようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明からも明かなように、本発明に係るレーザ光発生装置によれば、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられた非線形光学結晶素子への入射レーザ光を共振動作させて波長変換されたレーザ光を発生させるときに、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータでなる移動手段により、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとして、光軸方向に移動させるので、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、高効率変換を行おうとするときにも、安定した制御を行うことができる。このため、共振器内の非線形光学結晶素子の非線形効果を有効に利用することができる。また、電磁アクチュエータの駆動電流が少なくて済むため、回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
【００５４】
また、本発明に係るレーザ光発生装置は、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられるレーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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波長変換されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、上記移動手段として複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータを用い、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとするので、安定な制御が行われ、効率の高い波長変換が可能となり、サーボ回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
さらにまた、本発明に係るレーザ光発生装置は、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源と同様に少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて上記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザ光と上記第２のレーザ光源から出射された第２の波長のレーザ光とを合波する合波手段と、上記合波手段を介した上記第１の波長のレーザ光と上記第２の波長のレーザ光との合波レーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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和周波混合されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、上記移動手段として複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータを用い、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとするので、安定な制御が行われ、効率の高い和周波混合が可能となる。
【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】該実施例に用いられる共振器の光路位相差に対するパワー反射率の変化を示す特性図である。
【図３】該実施例に用いられる共振器の光路位相差に対する反射位相の変化を示す特性図である。
【図４】共振器からの反射光の検出信号を示す波形図である。
【図５】反射光検出信号のパワー成分を示す波形図である。
【図６】反射光検出信号の変調信号成分を示す波形図である。
【図７】反射光検出信号の変調信号成分のｓｉｎ（ωｍ ｔ）の項を示す波形図である。
【図８】反射光検出信号の変調信号成分のｃｏｓ（ωｍ ｔ）の項を示す波形図である。
【図９】電磁アクチュエータの具体例を示す一部切欠斜視図である。
【図１０】電磁アクチュエータの具体例に用いられる渦巻き状板バネを示す概略斜視図である。
【図１１】電磁アクチュエータの具体例の伝達特性のゲインを示すボード線図である。
【図１２】電磁アクチュエータの具体例の伝達特性の位相を示すボード線図である。
【図１３】サーボ制御系の概略構成を示すブロック線図である。
【図１４】共振器の光路長の誤差信号を検出するための回路の概略構成を示すブロック線図である。
【図１５】閉ループサーボの系全体の周波数特性を示すボード線図である。
【図１６】サーボをかけないで共振器の反射面を光軸方向に振ったときの誤差信号及び反射光検出信号を示す波形図である。
【図１７】サーボをかけた状態での誤差信号及び反射光検出信号を示す波形図である。
【図１８】本発明に係るレーザ光発生装置の他の実施例の概略構成を示す構成図である。
【図１９】本発明に係るレーザ光発生装置の第１の基本構成の例を示す模式図である。
【図２０】本発明に係るレーザ光発生装置の第２の基本構成の例を示す模式図である。
【図２１】本発明に係るレーザ光発生装置の第３の基本構成の例を示す模式図である。
【図２２】本発明に係るレーザ光発生装置の第４の基本構成の例を示す模式図である。
【図２３】本発明に係るレーザ光発生装置の第５の基本構成の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１１・・・・・レーザ光源
１２・・・・・位相変調器
１５・・・・・外部共振器
１６、１７・・・・・反射面
１８・・・・・非線形光学結晶素子
１９・・・・・電磁アクチュエータ
【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】
また、レーザ光源からのレーザ光を基本波レーザ光として外部共振器内に導入して内部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ような外部共振器法も知られている。この外部共振器法においては、共振器のいわゆるフィネス値（共振のＱ値に相当）を例えば約１００〜１０００程度と大きくして共振器内部の光密度を入射光密度の数百倍にすることにより、共振器内の非線形光学結晶素子の非線形効果を有効に利用するわけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような外部共振器法を利用して第２高調波やさらに高次の高調波、あるいはいわゆる和周波等のレーザ光を発生させる場合には、共振器の光路長の変化（誤差）を波長の１／１０００〜１／１００００、すなわち１オングストローム以下もの極めて微細な範囲に抑制することが必要とされ、極めて高精度の位置制御が必要とされる。
【０００６】
従来においては、共振器長（光路長）を抑制する装置として、共振器の反射鏡をいわゆるＰＺＴ等を用いて成る積層圧電素子で支持し、この積層圧電素子に共振器長の変化に比例した誤差信号をフィードバックしてサーボループを構成することにより、共振器長を自動制御して安定化させていた。
【０００７】
しかしながら、積層圧電素子は、一般に、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数位置にて複共振が存在しており、また自己容量により全周波数領域で位相遅れがある。このような理由で、サーボ帯域を数十ｋＨｚまで拡げることは困難である。さらに、積層圧電素子は、駆動電圧が数百〜数千ボルトと非常に高電圧であるため、駆動電気回路が複雑化し、高価なものとなってしまう。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、非線形光学結晶素子を有する外部共振器にレーザ光を入射して高次の高調波（第２高調波以上）や和周波等のレーザ光を発生させるようなレーザ光発生装置において、共振器の光路長の変化（誤差）を波長の１／１０００〜１／１００００すなわちオングストローム以下に抑制させる制御が安定に行い得るようなレーザ光発生装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられた非線形光学結晶素子への入射レーザ光を共振動作させることにより波長変換されたレーザ光を発生させるレーザ光発生装置において、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
また本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられるレーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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波長変換されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
また本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源と同様に少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて上記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザ光と上記第２のレーザ光源から出射された第２の波長のレーザ光とを合波する合波手段と、上記合波手段を介した上記第１の波長のレーザ光と上記第２の波長のレーザ光との合波レーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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和周波混合されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとしてセラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる。
【００１０】
上記電磁アクチュエータは、ボイスコイル駆動タイプのアクチュエータであり、反射手段となる反射ミラーが嵌合固定された円筒状のコイルボビンの周囲にコイルがソレノイド状に巻回され、コイルの内側に導電体、磁性体を配置しない構造を有する。また、上記電磁アクチュエータは、上記コイルボビンの上下面に渦巻き状の板バネが取り付けられ、上記板バネは、永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持され、上記永久磁石は上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置されている。また、上記電磁アクチュエータは、上記永久磁石の外周が強磁性体のヨークに固定され、上記板バネの外周が上記ヨークで支持され、上記コイルボビン、コイル、板バネ、永久磁石、及びヨークが２枚のシールド板で挟みこまれて、閉磁路を構成している。したがって、上記電磁アクチュエータは、推力（光軸方向の駆動力）が大きく、位相回りの少ない伝達特性が得られる。また、移動部分を軽量化すること等により複共振周波数を１００ｋＨｚ以上にまで持っていける。このような構造の電磁アクチュエータによれば、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとすることができる。さらに、上記電磁アクチュエータの駆動電流は、数十〜数百ｍＡ程度で済む。
【００１１】
ここで上記波長変換は、和周波混合や第２高調波発生、第４高調波発生等を含む。上記レーザ媒質としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４ 、Ｎｄ：ＢＥＬ、ＬＮＰ等が用いられ、上記非線形光学結晶素子としては、ＫＴＰ、ＬＮ、ＱＰＭＬＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＮ等が用いられる。
【００１２】
上記電磁アクチュエータは、上記共振器の光路長の変化（反射面の位置誤差）を、波長の１／１０００〜１／１００００すなわち１オングストローム以下に抑制するように少なくとも一方の反射手段の光軸方向の位置を制御する。これは、共振器の光路長の変化を検出する手段からの信号、特に、共振器の反射率が極小となる位置に対する誤差を検出した信号に応じて、電磁アクチュエータにより上記反射手段を光軸方向に移動させ、この位置誤差検出信号が０となるように位置制御するものである。このような高精度の位置誤差検出は、基本波レーザ光を位相変調して共振器に入射し、共振器からの反射光の検出信号を上記位相変調信号で同期検波して誤差信号を取り出すことにより実現できる。
【００１３】
【作用】
共振器の光路長を高精度に制御するための駆動手段として電磁アクチュエータを用いているため、サーボ帯域を数十ｋＨｚまで拡げることができ、安定な制御が行われ、効率の高い波長変換が可能となる。また、電磁アクチュエータの駆動電流が少なくて済むため、回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
【００１４】
【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、レーザダイオード等の半導体レーザ素子やＳＨＧ（第２高調波発生）レーザ光源装置等のレーザ光源１１から、基本波レーザ光が出射される。この基本波レーザ光は、いわゆるＥＯ（電気光学）素子やＡＯ（音響光学）素子等を用いた位相変調器１２にて位相変調が施され、共振器反射光検出用の反射面１３を介し、集光用のレンズ１４を介して、外部共振器１５に入射されるようになっている。この外部共振器１５は、凹面鏡（の反射面）１６と平面鏡（の反射面）１７との間に、非線形光学結晶素子１８が配置されて構成されており、共振器１５の一対の反射面１６、１７の間の光路長ＬＲ が所定長となって後述するように光路位相差Δが２πの整数倍となるとき共振し、共振位相付近で反射率及び反射位相が大きく変化する。共振器１５の一対の反射面１６、１７の少なくとも一方、例えば反射面１７は、電磁アクチュエータ１９により光軸方向に駆動されるようになっている。
【００１５】
ここで、上記レーザ光源１１としてＳＨＧレーザ光源装置を用い、例えば波長が５３２ｎｍのシングルモードのグリーンレーザ光を発生して外部共振器１５に入力する場合、共振器１５内部の非線形光学結晶素子１８として、例えばＢＢＯ（バリウムボレート）を用い、その非線形光学効果により入力光（５３２ｎｍ）のレーザ光の第２高調波（入力光がＳＨＧレーザ光の場合には第４高調波）となる波長２６６ｎｍのレーザ光を発生させる。この場合、外部共振器１５の凹面鏡の反射面１６は入力光（波長５３２ｎｍ）のほとんどを反射し、また平面鏡の反射面１７は該入力光のほとんどを反射すると共に出力光（波長２６６ｎｍ）のほとんどを透過させるようなダイクロイックミラーである。
【００１６】
発振器２１は、上記光学的な位相変調器１２を駆動するための変調信号（例えば周波数ｆｍ ＝１０ＭＨｚ）を出力し、この変調信号はドライバ（駆動回路）２２を介して位相変調器１２に送られる。上記共振器１５に送られるレーザ光の反射光（戻り光）が反射面１３を介してフォトダイオード等の光検出器２３により検出され、この反射光検出信号が同期検波回路２４に送られる。同期検波回路２４には上記発振器２１からの変調信号が（必要に応じて波形整形や位相遅延等が施されて）供給され、上記反射光検出信号と乗算されることにより、同期検波が行われる。同期検波回路２４からの検波出力信号は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２５を介することにより後述する共振器光路長の誤差信号となる。この誤差信号がドライバ２６に送られ、このドライバ２６からの駆動信号により上記電磁アクチュエータ１９を駆動して反射面１７を光軸方向に移動させ、上記誤差信号を０とするようなサーボ制御を行わせることにより、外部共振器１２の光路長ＬＲ が反射率の極小点（共振点）となる長さに制御される。
【００１７】
電磁アクチュエータ１９としては、いわゆるボイスコイル駆動タイプのアクチュエータを使用でき、複共振周波数を数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上に持ってゆくことができ、サーボループの共振周波数が上昇することと位相回りが少ないことにより、サーボ帯域（カットオフ周波数）は例えば２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚにまで拡げることができる。また、電磁アクチュエータ１９は、駆動電流が数十〜数百ｍＡ程度と少なくて済むため、駆動電気回路が簡素化でき安価である。従って、レーザの外部共振器法を用いた非線形効果を有効に利用する方法において共振器長の変化を波長の１／１０００〜１／１００００すなわち１オングストローム以下に極めて安定に抑制するシステムを安価に供給することが可能となる。
【００１８】
次に、外部共振器１５、いわゆるファブリ−ペロー共振器へのレーザ光の導入及び誤差検出の原理について説明する。このような共振器は、光路位相差Δが２πの整数倍のとき共振し、共振位相付近で大きく反射位相が変化する。この位相変化を利用して共振器の周波数制御を行うことが、Ｄｒｅｖｅｒ Ｌｏｃｋｉｎｇとして、例えば、Ｒ．Ｗ．Ｐ．Ｄｒｅｖｅｒ， ｅｔ ａｌ． “Ｌａｓｅｒ Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ ３１．９７−１０５（１９８３）等において開示されている。この技術における誤差信号の検出原理を以下に説明する。
【００１９】
一般に、ファブリ−ペロー共振器内部に屈折率ｎ、厚みＬの非線形光学素子が存在するとき、光路位相差Δは４πｎＬ／λである。また、そのシングルパスの透過率をＴ、シングルパスのＳＨＧ変換効率をη、入射面反射率をＲ１ 、出射面反射率をＲ２ とすると、複素反射率ｒは、
【００２０】
【数１】
【００２１】
レーザ光源１１の周波数ｆｃ （例えば約５００〜６００ＴＨｚ）のレーザ光に対して上記位相変調器１２により周波数ｆｍ （例えば１０ＭＨｚ）の位相変調が施され、サイドバンドｆｃ ±ｆｍ が立てられる。共振周波数がｆｏ の外部共振器１５より戻ってきた光について、周波数ｆｃ 、ｆｃ ±ｆｍ 間のビートを検出することにより、極性を持った誤差信号が得られる。
【００２２】
すなわち、基本波レーザ光源１１の電場ＥをＥ０ ｅｘｐ（ｉωｃ ｔ） とするとき、変調後の電場はＥ０ ｅｘｐ（ｉ （ωｃ ｔ＋βｓｉｎ（ωｍ ｔ））） となる。ここで、ωｃ は基本波レーザ光の角周波数、ωｍ は上記位相変調器１２の変調信号の角周波数、βは変調指数である。この変調指数を充分小さく、例えばβ＜０．２とすると、実質的にはωｃ と２つのサイドバンドωｃ ±ωｍ だけを考えればよいことになる。従って、
【００２３】
【数２】
【００２４】
次に、外部共振器１５からの反射光の電場は、ωｃ と２つのサイドバンドωｃ ±ωｍ に対しての複素反射率が各項にかかるため、
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
従って、その強度｜Ｅ｜２ は、βの２次以上の項を無視すれば、
【００２８】
【数５】
【００２９】
このような反射光を元の変調信号（角周波数ωｍ ）に適当な位相を与えて同期検波すると、ｃｏｓ（ωｍ ｔ）、ｓｉｎ（ωｍ ｔ） の係数である上記（６）式、（７）式が求まる。これらの内で、ｓｉｎ（ωｍ ｔ） の係数である（７）式から上記誤差信号を得ることができる。
【００３０】
すなわち、図４が光検出器２３により検出された共振器１６からの戻り光（反射光）検出信号を示し、この光検出信号は、反射光強度信号である図５の成分と上記変調信号に対応する図６の成分とが重畳されたものである。図６の変調信号成分は、例えば中心周波数が上記変調信号周波数である１０ＭＨｚのＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を通すことにより取り出すことができる。この図６の変調信号成分に対して、元の変調信号に適当な位相を与えた信号乗算して同期検波することにより、図７に示すようなｓｉｎ（ωｍ ｔ） の信号成分が得られ、この信号を例えばＬＰＦ（ローパスフィルタ）により上記変調キャリア成分（１０ＭＨｚ）を除去することで、図７の太線に示すような誤差信号、すなわち上記（７）式の信号を得ることができる。なお、図８は参考のために、ｃｏｓ（ωｍ ｔ）の項の信号成分、及び上記（６）式の信号を示すものである。
【００３１】
次に、図９は、上記電磁アクチュエータ１９の具体的な構造の一例を示す一部切欠斜視図である。
この図９において、上記図１の反射面１７がコーティング等により形成された反射ミラー３１は、リング状あるいは円筒状のセラミック等の絶縁物で作られたコイルボビン３２に嵌合固定されている。このコイルボビン３２の周囲にコイル（いわゆるボイスコイル）３３がソレノイド状に巻回されている。このコイルボビン３２は、図１０に示すような渦巻き状（スパイラル状）の板バネ３３に取り付けられており、この渦巻き状の板バネ３３は、永久磁石（マグネット）３５を介してリング状のヨーク３６に固定支持されている。マグネット３５はコイルボビン３２の円筒状に巻回されたコイル３３を取り囲むように配置されており、このマグネット３５は、例えば内周側がＮ極、外周側がＳ極となるように着磁されている。マグネット３５の外周は、鉄等の強磁性体のヨーク３６に接着等により固定されている。板バネ３３は、例えばコイルボビン３２の上下面に接着等により固定され、これらの板バネ３３の外周がヨーク３６で支持され、これらの全ての部品が、２枚の鉄等の強磁性体のシールド板３７、３８で挟みこまれている。このシールド板３７、３８は、ヨーク３６と共に、マグネット３５からの磁束のリターン経路としての機能も有している。このシールド板３７、３８で全ての部品が囲まれているので、取扱いも極めて良好である。
【００３２】
この図９（及び図１０）に示すような構造を有する電磁アクチュエータによれば、コイル３３の内側に金属のような導電体、磁性体を一切配置していないにもかかわらず磁気回路が概ね閉磁路となっているため、推力（光軸方向の駆動力）が大きく、位相回りの少ない伝達特性が得られる。また、コイルボビン３２にセラミックを用いて移動部分を軽量化すること等により、複共振周波数を１００ｋＨｚ以上にまでも持っていける。
【００３３】
ここで図１１及び図１２は、実際に作成した電磁アクチュエータの伝達特性を示すボード線図であり、図１１がゲインを、図１２が位相をそれぞれ示している。この電磁アクチュエータのミラーホルダ（コイルボビン３２）はセラミック製で、コイル３３の抵抗値は８Ω、インダクタンスは５０μＨ、質量は１．２５ ｇであり、板バネ３３のバネ定数は５７０Ｎｍ／ｒａｄ 、粘性係数は０．０５７Ｎｍ／ｓｅｃである。これらの図１１、図１２において、ｆ０ は１００ｋＨｚ、また１００ｋＨｚ近くまで共振がみられない。なお、高域で位相が回っているのはコイルのインダクタンスの影響である。
【００３４】
次に、図１３は、サーボ制御系のブロック線図である。この図１３において、入力端子４１には初期位置あるいは目標位置の設定信号が供給され、減算器４２に送られる。減算器４２からの出力信号は、位相補償回路４３でサーボ位相補償が行われ、ドライバ４４で駆動信号となって、電磁アクチュエータ４５に送られる。これらのドライバ４４、電磁アクチュエータ４５が、上記図１のドライバ２６、電磁アクチュエータ１９に対応する。電磁アクチュエータ４５により上記共振器（１５）の反射面（１７）の光軸方向の位置が制御され、この位置を検出した信号が減算信号として減算器４２に送られ、上記目標位置信号から減算されることにより、位置誤差信号が出力される。この位置誤差信号が上記図７に示す誤差信号に対応する。
【００３５】
次に、図１４は、上述した誤差信号検出のための構成例を示すブロック線図である。この図１４において、入力端子４６には、上記図４に示したような光検出器２３からの反射光検出信号が入力され、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４７に送られて上記変調キャリア成分が除去される。このＬＰＦ４７からの出力信号は、加算器４８に送られてオフセット出力回路４９からのオフセットＤＣレベルが加算されることにより、上記図５に示すような反射信号（反射光強度信号）が得られ、出力端子５０より取り出される。
【００３６】
また、入力端子４６に供給された上記反射光検出信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）５１により上記位相変調のキャリア周波数（例えばｆｍ ＝１０ＭＨｚ）の信号成分が取り出され、サンプルホールド回路５２に送られて一種の同期検波が施されて上記（５）式中のｓｉｎ（ωｍ ｔ）の項が取り出され、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）により変調キャリア成分が除去されることによって、上記（７）式に示すようなｓｉｎ（ωｍ ｔ）の係数の成分が誤差信号として出力端子５４より取り出される。サンプルホールド回路５２には、入力端子５５に供給された上記発振器２１からの変調信号（ｆｍ ＝１０ＭＨｚ）が、クロック生成回路５６でパルス信号に波形整形され、位相遅延回路５７で所定位相（例えば９０°）だけ遅延されて入力されている。この位相遅延された変調信号で上記ＢＰＦ５１からのキャリア周波数信号成分をサンプルホールドすることによって、上記ｓｉｎ（ωｍ ｔ）の信号成分を取り出すような同期検波が行われるわけである。
【００３７】
ここで、図１５は、上述した図９〜図１２と共に説明したような電磁アクチュエータを用いた場合における図１３に示すサーボ回路を含む系全体の閉ループ特性を示すボード線図であり、この図１５中の曲線Ａがゲインを、曲線Ｂが位相をそれぞれ示している。この場合、電気回路中のゲインを調整すること等によって２０ｋＨｚまでカットオフ周波数を上げることができ、このときの位相余裕は約３４°得られており、安定した閉ループ系が実現されていることが分かる。
【００３８】
次に、図１６は、上記サーボをかけずに電磁アクチュエータを駆動して上記反射面６６を光軸方向に振ったときの誤差信号（Ａ）及び反射光検出信号（Ｂ）をそれぞれ示しており、誤差信号（Ａ）のピークとピークとの間が略々１オングストロームに相当している。これに対して、図１７は、上記閉ループ系のサーボをかけた状態における誤差信号（Ａ）及び反射光検出信号（Ｂ）をそれぞれ示しており、誤差信号（Ａ）の変動分（いわゆる取り残り）が実に±０．１オングストローム以下に抑制され、反射光検出信号（Ｂ）が略々０を示して、上記外部共振器１５内にレーザ光のほとんど全てが導入されていることが分かる。
【００３９】
次に、図１８は、本発明に係るレーザ光発生装置の他の実施例を示し、レーザ光源６１から出射された基本波レーザ光は、位相変調器６２にて位相変調が施され、集光用のレンズ６４を介して、外部共振器６５に入射されるている。この外部共振器６５は、凹面鏡（の反射面）６６と凹面鏡（の反射面）６７との間に、非線形光学結晶素子６８が配置されて構成されており、これらの反射面６６、６７と平面鏡（の反射面）６３とで共振器６５の光路が形成されている。このような共振器６５の光路長ＬＲ が変化して上述したように光路位相差Δが２πの整数倍となるとき共振し、反射率及び反射位相が大きく変化する。この共振器６５の例えば反射面６６が、電磁アクチュエータ６９により光軸方向に駆動されるようになっている。
【００４０】
発振器２１からドライバ２６までの構成は、上述した図１の実施例と同様であるため、説明を省略する。また、電磁アクチュエータ６９の具体例としては、上述した図９、図１０と同様に構成すればよく、各部の動作及び効果は、上述した実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００４１】
以上説明した本発明に係るレーザ光発生装置の実施例の構成以外に、種々の構成が可能である。この本発明に係るレーザ光発生装置のいくつかの基本構成について、図１９〜図２３を参照しながら説明する。
【００４２】
先ず図１９は、上記レーザ光源として、共振器７１の一対の反射面７２、７３の間にＮｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質７４を配置して成るいわゆる固体レーザ発振器を用い、このレーザ光源からの例えば波長が１０６４ｎｍの基本波レーザを、外部共振器７５の一対の反射面７６、７７の間のＬＮ（ニオブ酸リチウム）等の非線形光学結晶素子７８に導入して、例えば波長が５３２ｎｍの第２高調波発生（ＳＨＧ）を行わせると共に、外部共振器７５の一方の反射面、例えば反射面７６を上述したような電磁アクチュエータ７９で光軸方向に位置制御するような、本発明の第１の基本構成を示している。
【００４３】
次に図２０は、上記レーザ光源として、共振器８１の一対の反射面８２、８３の間にＮｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質８４を配置して成る固体レーザ発振器を用い、このレーザ光源からの例えば波長が１０６４ｎｍの基本波レーザを、共振器８５の一対の反射面８６、８７の間のＬＮ等の非線形光学結晶素子８８に導入して、例えば波長が５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を得ると共に、上記レーザ光源の共振器８１の一方の反射面、例えば反射面８３を上述したような電磁アクチュエータ８９で光軸方向に位置制御するような本発明の第２の基本構成を示している。この第２の基本構成においては、レーザ光源からの基本波レーザ光の発振周波数が変化することで、外部共振器８５へのレーザ光の反射率を変化させ、外部共振器８５へのレーザ光の導入を高めた状態で安定化させることができる。
【００４４】
これらの図１９、図２０の基本構成において、レーザ媒質７４、８４としては、上記Ｎｄ：ＹＡＧ以外に、Ｎｄ：ＹＶＯ４ 、ＬＮＰ、Ｎｄ：ＢＥＬ等が使用できる。また、非線形光学結晶素子７８、８８としては、上記ＬＮ以外に、ＫＴＰ、ＱＰＭ ＬＮ、ＬＢＯ、ＢＢＯ等が使用できる。
【００４５】
ここで、上記レーザ光源としては、いわゆるＳＨＧレーザ発振器を用いることもでき、例えば上記図１９に示す第１の基本構成のレーザ光源をＳＨＧレーザ発振器に置き換えることで、図２１に示すような本発明の第３の基本構成を得ることができる。すなわち、この図２１において、ＳＨＧレーザ光発生用の共振器９１の一対の反射面９２、９３の間には、Ｎｄ：ＹＡＧ等のレーザ媒質９４と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４ ）等の非線形光学結晶素子９５とを配設し、レーザ媒質９４からの例えば波長１０６４ｎｍの基本波レーザを非線形光学結晶素子９５を通過させて共振させることにより、例えば波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を発生させて、このＳＨＧレーザ光を外部共振器７５に送るようにしている。この外部共振器７５の一対の反射面７６、７７の一方、例えば反射面７６が、上述したような電磁アクチュエータ７９で光軸方向に駆動制御される。外部共振器７５では、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子７８により入射レーザ光の第２高調波、すなわち元の基本波レーザ（波長１０６４ｎｍ）から見て第４高調波となる例えば波長が２６６ｎｍのレーザ光が発生され、外部共振器７５より取り出される。
【００４６】
なお、図示しないが、上記第２の基本構成に対応して、レーザ光源となるＳＨＧレーザ発振器の一対の反射鏡の一方を電磁アクチュエータで駆動するようにしてもよい。このように、レーザ光源として、レーザ共振器内第２高調波発生タイプのレーザ共振器を用いる場合に、固体レーザ発振器のようなホモジニアス・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１３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。
【００４７】
そこで本件出願人は、特願平２−１２５８５４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、ＳＨＧレーザ共振器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。
【００４８】
ここで、ＳＨＧレーザ光源の共振器の光路長を外部共振器の光路長の整数倍とすることで、ＳＨＧレーザ光の外部共振器への導入が効率良く行える。これは、基本波レーザ光とＳＨＧレーザ光との間にいわゆるタイプＩＩの位相整合条件を成立させるようにしたＳＨＧレーザ光源の共振器内に、１／４波長板のような複屈折性素子を挿入したことにより生じた基本波レーザ光の２つの固有偏光モードに基づくＳＨＧレーザ光の各縦モードを全て外部共振器内に導入するために必要とされることであり、ＳＨＧレーザ光源の共振器の光路長を外部共振器の光路長の整数倍とすることで、効率的に複数モードが入射される。
【００４９】
すなわち、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。
【００５０】
次に、図２２は、本発明に係るレーザ光発生装置の第４の基本構成として、２つの外部共振器７５ａ、７５ｂを直列に配設した例を示している。この図２２の例においては、基本波レーザ光源となる共振器７１からの波長が例えば１０６４ｎｍのレーザ光を、第１の外部共振器７５ａに導入して、ＬＮ等の非線形光学結晶素子７８ａの非線形光学効果により波長が例えば５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光に波長変換し、このＳＨＧレーザ光を、さらに第２の外部共振器７５ｂに導入して、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子７８ｂの非線形光学効果により波長が例えば２６６ｎｍの第４高調波発生（ＦＨＧ）レーザ光に波長変換している。そして、第１の外部共振器７５ａの一対の反射面７６ａ、７７ａの内の一方、例えば反射面７６ａを電磁アクチュエータ７９ａで光軸方向に変位させ、第２の外部共振器７５ｂの一対の反射面７６ｂ、７７ｂの内の一方、例えば反射面７６ｂを電磁アクチュエータ７９ｂで光軸方向に変位させて、各共振器７１、７５ａ、７５ｂ間の光路長条件を満足させるようにしている。
【００５１】
さらに、図２３に示す本発明の第５の基本構成は、いわゆる和周波混合により波長変換を行う例を示している。すなわち、上記図２１と共に説明したようなＳＨＧレーザ光源としてのレーザ共振器９１からの波長が例えば５３２ｎｍのＳＨＧレーザ光を、いわゆるダイクロイックミラー等の合波ミラー９７を介して外部共振器８５に送っており、ＳＨＧレーザ光源の共振器９１の一対の反射面９２、９３の一方、例えば反射面９３を上述したような電磁アクチュエータ９６にて光軸方向に変位制御している。また、上記図２０に示したようなレーザ共振器８１からの波長が例えば１０６４ｎｍのレーザ光を、ミラー（反射面）９８で偏向して合波ミラー９７を介して外部共振器８５に送っている。この外部共振器８５においては、ＢＢＯ等の非線形光学結晶素子８８の非線形光学効果により、これらの５３２ｎｍのレーザ光と波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波混合されて、例えば波長３５５ｎｍのレーザ光が発生され、外部に取り出される。
【００５２】
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、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧからの基本波レーザ光の波長は、１０６４ｎｍの成分の他にも、９５６ｎｍのレーザ光成分、あるいは１３１８ｎｍのレーザ光成分を用いるようにしてもよい。また、レーザ光源としては、上記固体レーザの他に、いわゆるレーザダイオード等の半導体レーザ、あるいはＨｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザ等を用いるようにしてもよい。さらに、上記図２３に示すような和周波混合を行うときの各光源からのレーザ光として、上記図２２に示したような外部共振器からのレーザ光を用いるようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明からも明かなように、本発明に係るレーザ光発生装置によれば、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられた非線形光学結晶素子への入射レーザ光を共振動作させて波長変換されたレーザ光を発生させるときに、上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータでなる移動手段により、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとして、光軸方向に移動させるので、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、高効率変換を行おうとするときにも、安定した制御を行うことができる。このため、共振器内の非線形光学結晶素子の非線形効果を有効に利用することができる。また、電磁アクチュエータの駆動電流が少なくて済むため、回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
【００５４】
また、本発明に係るレーザ光発生装置は、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられるレーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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波長変換されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、上記移動手段として複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータを用い、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとするので、安定な制御が行われ、効率の高い波長変換が可能となり、サーボ回路構成を簡略化でき、コストダウンが図れる。
さらにまた、本発明に係るレーザ光発生装置は、少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源と同様に少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて上記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、上記第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザ光と上記第２のレーザ光源から出射された第２の波長のレーザ光とを合波する合波手段と、上記合波手段を介した上記第１の波長のレーザ光と上記第２の波長のレーザ光との合波レーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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和周波混合されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、上記共振器のフィネス値を１００〜１０００とし、上記移動手段として複共振周波数が数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上の電磁アクチュエータを用い、サーボ帯域を２０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとするので、安定な制御が行われ、効率の高い和周波混合が可能となる。
【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】該実施例に用いられる共振器の光路位相差に対するパワー反射率の変化を示す特性図である。
【図３】該実施例に用いられる共振器の光路位相差に対する反射位相の変化を示す特性図である。
【図４】共振器からの反射光の検出信号を示す波形図である。
【図５】反射光検出信号のパワー成分を示す波形図である。
【図６】反射光検出信号の変調信号成分を示す波形図である。
【図７】反射光検出信号の変調信号成分のｓｉｎ（ωｍ ｔ）の項を示す波形図である。
【図８】反射光検出信号の変調信号成分のｃｏｓ（ωｍ ｔ）の項を示す波形図である。
【図９】電磁アクチュエータの具体例を示す一部切欠斜視図である。
【図１０】電磁アクチュエータの具体例に用いられる渦巻き状板バネを示す概略斜視図である。
【図１１】電磁アクチュエータの具体例の伝達特性のゲインを示すボード線図である。
【図１２】電磁アクチュエータの具体例の伝達特性の位相を示すボード線図である。
【図１３】サーボ制御系の概略構成を示すブロック線図である。
【図１４】共振器の光路長の誤差信号を検出するための回路の概略構成を示すブロック線図である。
【図１５】閉ループサーボの系全体の周波数特性を示すボード線図である。
【図１６】サーボをかけないで共振器の反射面を光軸方向に振ったときの誤差信号及び反射光検出信号を示す波形図である。
【図１７】サーボをかけた状態での誤差信号及び反射光検出信号を示す波形図である。
【図１８】本発明に係るレーザ光発生装置の他の実施例の概略構成を示す構成図である。
【図１９】本発明に係るレーザ光発生装置の第１の基本構成の例を示す模式図である。
【図２０】本発明に係るレーザ光発生装置の第２の基本構成の例を示す模式図である。
【図２１】本発明に係るレーザ光発生装置の第３の基本構成の例を示す模式図である。
【図２２】本発明に係るレーザ光発生装置の第４の基本構成の例を示す模式図である。
【図２３】本発明に係るレーザ光発生装置の第５の基本構成の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１１・・・・・レーザ光源
１２・・・・・位相変調器
１５・・・・・外部共振器
１６、１７・・・・・反射面
１８・・・・・非線形光学結晶素子
１９・・・・・電磁アクチュエータ
Claims (10)
- 少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられた非線形光学結晶素子への入射レーザ光を共振動作させることにより波長変換されたレーザ光を発生させるレーザ光発生装置において、
上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、
上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとして上記セラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。 - 上記電磁アクチュエータは、上記永久磁石の外周が強磁性体のヨークに固定され、上記板バネの外周が上記ヨークで支持され、上記コイルボビン、コイル、板バネ、永久磁石、及びヨークが２枚のシールド板で挟みこまれて閉磁路を構成していることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 上記非線形光学結晶素子は、ＢＢＯ（バリウムボレート）であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 上記共振器へのレーザ光に対して位相変調を施しておき、共振器からの反射位相を検出して得られた誤差信号により上記電磁アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 上記共振器内部の非線形光学結晶により入射レーザ光を波長変換して、波長２６６ｎｍのレーザ光を発生させることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 上記共振器内部のＢＢＯへ波長５３２ｎｍのレーザ光を入射し、波長２６６ｎｍのレーザ光を発生させることを特徴とする請求項３記載のレーザ光発生装置。
- ＳＨＧ（第２高調波発生）レーザ光源からのレーザ光を上記共振器内部の非線形光学結晶素子へ入射し、上記共振器の光路長を、上記ＳＨＧレーザ光源の共振器光路長の整数倍とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられるレーザ光源と、
このレーザ光源からのレーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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波長変換されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、
上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段を光軸方向に移動させる移動手段を設けて成り、
上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとして上記セラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。 - 少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
上記第１のレーザ光源と同様に少なくとも一対の反射手段を用いて構成される共振器内部に設けられたレーザ媒質に励起光を入射して共振動作させることによりレーザ光を発生させると共に上記一対の反射手段の少なくとも一方の反射手段が移動手段により光軸方向に移動させられて上記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
上記第１のレーザ光源から出射された第１の波長のレーザ光と上記第２のレーザ光源から出射された第２の波長のレーザ光とを合波する合波手段と、
上記合波手段を介した上記第１の波長のレーザ光と上記第２の波長のレーザ光との合波レーザ光が入射され少なくとも一対の反射手段を用いて構成される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和周波混合されたレーザ光を発生させる外部共振器とを有して成り、
上記移動手段として、反射手段となる反射ミラーを嵌合固定したセラミック製コイルボビンの周囲にコイルをソレノイド状に巻回し、上記セラミックス製コイルボビンの上下面に板バネを取り付け、上記板バネを永久磁石を介してリング状のヨークに固定支持し、上記永久磁石を上記コイルボビンに巻回されたコイルを取り囲むように配置してサーボ帯域を２０ｋHz〜数十ｋHzとして上記セラミック製コイルボビンを移動するボイスコイル駆動タイプの電磁アクチュエータを用いる
ことを特徴とするレーザ光発生装置。 - 上記セラミック製コイルボビンは、リング状或いは円筒状であることを特徴とする請求項１、８又は９記載のレーザ光発生装置。
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