JP3634164B2 - Multipath wavelength conversion method and apparatus for laser light - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長可変レーザー、極短パルスレーザーなどの励起光源や、レーザー加工などに用いられる各種レーザーの波長を非線形結晶を用いて使用目的に応じた波長に効率よく変換するための波長変換方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の波長変換法では、レーザー光を一度だけ非線形結晶に入射し、波長変換されたレーザー光と変換されなかったレーザー光をプリズムやセパレーター(二色性ミラー)などの光学系で分離するが、変換されなかったレーザー光はその後利用されない。一般に波長変換効率を上げるため、レンズなどで入射レーザー光を集光してその強度を増し、非線形結晶に入射する。しかし、変換効率は、レーザー光のモード、ビーム広がり、波長幅、パルス時間波形などのビーム質や、非線形結晶の非線形定数、結晶品質、結晶長などの条件にも依存するため、入射強度を増しても変換効率はある程度の値で飽和してしまう。
【0003】
変換効率を上げる方法としては、変換されなかったレーザー光を分離した後、さらに別の非線形結晶を用いて波長変換する方法も考えられる。しかし、この場合、複数個の非線形結晶が必要になる。更に、変換されたレーザー光は、別々のビームとなるため、1本のビームにするためには、波長変換されたこれらのレーザー光を結合する必要がある。しかし、波長変換されたこれらのレーザー光を偏光も揃えて損失無く1本のビームに結合することは現在の技術では不可能である。
【0004】
さらに共振器を使って、入射レーザー光をこの共振器に共振させ、変換効率を上げる方法も考えられるが、この方法では、共振器に共振できるようなレーザー光波長が単一波長でビーム質の良いレーザー光と、共振状態を保つためのフィードバック装置が必要となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の波長変換法では波長変換されたレーザー光を偏光も揃った状態で1本のビームとして得るには変換効率に限界があった。また、システムによってはフィードバック装置などのシステムを必要としたり、入射レーザー光のビーム質に大きく依存するなど、適応出来る範囲が制限されていた。
【0006】
本発明は、一般に市販されている光学系を用いた簡単な装置構成で、これら従来の波長変換法に比べて高効率の波長変換を行うための波長変換方法及び装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、入射レーザー光をタイプIの非線形結晶で波長変換するステップと、前記波長変換するステップにおいて波長変換されたレーザー光と波長変換されなかったレーザー光とを分離するステップと、前記の分離された波長変換されなかったレーザー光を、同じ前記タイプIの非線形結晶に前記入射レーザー光に対して斜めから1回再入射し、且つ前記入射レーザー光と前記タイプIの非線形結晶内で斜め方向から交わらせて波長変換するステップとを備え、前記タイプIの非線形結晶において、入射及び再入射されるレーザー光の屈折率曲面上における大きさが同じであり、且つ前記入射及び再入射されるレーザー光のそれぞれのベクトルの先端を結ぶ線に対する前記屈折曲面上の原点からの垂線により表されるベクトルが前記波長変換されたレーザー光の屈折率曲面上のベクトルとなる条件を有することを特徴とするレーザー光のマルチパス波長変換方法により解決される。
【0008】
上記課題はまた、入射されたレーザー光の波長を変換するタイプIの非線形結晶と、前記非線形結晶において波長変換されなかったレーザー光を波長変換されたレーザー光と分離する手段と、前記分離する手段により分離された波長変換されなかったレーザー光を、同じ前記タイプIの非線形結晶に前記入射レーザー光に対して斜めから1回再入射し、且つ前記入射レーザー光と前記タイプIの非線形結晶内で斜め方向から交わらせる手段とを備え、前記タイプIの非線形結晶において、入射及び再入射されるレーザー光の屈折率曲面上における大きさが同じであり、且つ前記入射及び再入射されるレーザー光のそれぞれのベクトルの先端を結ぶ線に対する前記屈折曲面上の原点からの垂線により表されるベクトルが前記波長変換されたレーザー光の屈折率曲面上のベクトルとなる条件を有することを特徴とするレーザー光のマルチパス波長変換装置により解決される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【0010】
図1に本発明の波長変換法を用いた好適なシステムの一実施形態を示す。図2は、図1に示されるシステムにおける非線形結晶の光線軸(即ち結晶軸)方向と基本波レーザー光、第2高調波レーザー光の偏光を入射方向から見た図である。図1に示されるシステムでは非線形結晶としてタイプIIの結晶を用い、レーザーの基本波レーザー光を2パスで第2高調波に波長変換するシステムである。タイプIIの結晶を用いる場合には、基本波レーザー光の偏光は非線形結晶の常光線軸、異常光線軸方向の互いに垂直な2本のレーザービームを結合して入射し、波長変換するが、一般には、1本のレーザービームを、非線形光線軸に対して45°に偏光を傾けて入射する。偏光の常光線軸方向、異常光線軸方向の成分に分けると、互いに垂直な偏光を持つ2本のレーザービームを結合したものと等価になることを利用している。
【0011】
図1において、参照番号10は本発明の一実施形態のレーザー光のマルチパス波長変換装置を示す。当該マルチパス波長変換装置10は、レーザー装置100から出射されたレーザー光が入射されるポラライザー12、当該ポラライザー12を通過したレーザー光を第2高調波に変換する非線形結晶14、当該非線形結晶14で変換されなかった基本波レーザー光と変換された第2高調波レーザー光とを分離するセパレーター16、当該セパレーター16により分離された基本波レーザー光を所定の偏光を有するレーザー光にしてポラライザー12に入射するための45°入射ミラー18、λ/4波長板20、λ/2波長板22及び45°入射ミラー24を含む。
【0012】
図1に示されるレーザー光のマルチパス波長変換装置10の動作を図1及び図2に基づいて動作を説明する。レーザー装置100から出射した垂直方向に偏光したビーム(基本波レーザー光)30は、ポラライザー12をそのまま通過する(図1の32a参照)。また、ポラライザー12は、1パス目で波長変換されなかった水平偏光の基本波レーザー光32bを結合して、非線形結晶14に再入射させるための役割をも持っている。非線形結晶14の常光線軸o、異常光線軸eは、基本波レーザー光の偏光方向に対してそれぞれ45°傾くように配置している。前述したように、これらの偏光と非線形光線軸の関係を図2に示し、この図はレーザー光の入射方向から見た図である。基本波入射レーザー光32a、再入射される基本波レーザー光32bはそれぞれ非線形結晶14で第2高調波に変換されるが、第2高調波レーザー光34は図1及び図2に示されるようにどちらも非線形結晶14の異常光線軸e方向に偏光している。非線形結晶14を通過した基本波は非線形結晶14の常光線軸o、異常光線軸eの位相速度の違いにより図1に示されるように楕円偏光36となる。セパレーター16により、第2高調波レーザー光34と、波長変換されなかった基本波レーザー光36が分離され、第2高調波レーザー光38は1本のビームとして直進し、基本波レーザー光36はセパレーター16により反射される。反射された基本波レーザー光40は45°入射ミラー18により折り返された後、入/4波長板20により直線偏光42に補正される。しかし、偏光方向が傾いているためさらに入/2波長板22により偏光を回転し、1パス目で波長変換されなかった基本波レーザー光は水平方向44aに、2パス目でも波長変換されなかった基本波レーザー光は垂直方向44bに偏光したレーザー光となる。さらに45°入射ミラー24で折り返された基本波レーザー光は、ポラライザー12により、1パス目で波長変換されなかった水平偏光46aのレーザー光は基本波入射レーザー光30と結合して非線形結晶14に図2に示されるような角度関係で再入射する。2パス目でも波長変換されなかった垂直偏光46bの基本波レーザー光はポラライザー12を通過して利用されないレーザー光48となる。
【0013】
図2を再度参照すると、各基本波レーザー光32a、32bは非線形結晶14の光線軸に対してそれぞれ45°に偏光している。また、波長変換された第2高調波レーザー光34はすべて非線形結晶の異常光線軸e方向に偏光しており、偏光の揃った1本のビームとして得られる。
【0014】
図1に示す波長変換システムを用いて実施した例を以下に説明する。この実施例では、非線形結晶14としてKTPタイプIIの結晶を用い、レーザー装置100には基本波波長1064nmのNd:YAGレーザーを用いた。図3にこのシステムを用いて測定した波長変換特性を示す。基本波入射レーザー光の出力を増加すると得られる第2高調波も増加するが、入射レーザー光出力9mJを越えると、1パスでの波長変換効率は約26%でほぼ飽和していることがわかる。これに対して、2パスで波長変換した場合には約37%まで変換効率を向上させることができ、変換効率が約1.4倍改善された。これにより本発明の波長変換法の有効性を確認した。
【0015】
次に、本発明のレーザー光のマルチパス変換装置の別の好適な実施形態を図4を参照して以下に説明する。図4に別の構成例として、4パス波長変換の例を示す。この例でも非線形結晶には、タイプIIの非線形結晶を用いる。また、この構成の特徴はレーザー光を同軸上に折り返すため、光軸調整が容易であることである。なお、図4においては、レーザー光のパス200は一直線上にあるが図面の大きさの関係で途中で分割して示してある。図4において、参照番号50は本発明の別の一実施形態のレーザー光のマルチパス波長変換装置を示す。当該マルチパス波長変換装置50は、レーザー装置100から出射された基本波レーザー光が入射されるポラライザー52、当該ポラライザー52を通過した基本波レーザー光の偏光を回転させるファラデーローテータ54、当該ファラデーローテータ54からの基本波レーザー光の偏光を更に補正するためのλ/2波長板56、当該λ/2波長板56からの基本波レーザー光を通すポラライザー58、当該ポラライザー58からの基本波レーザー光の偏光を回転させるファラデーローテータ60、当該ファラデーローテータ60からの基本波レーザー光を通す一方第2高調波レーザー光を反射するセパレーター62、当該セパレーター62を通過した基本波レーザー光を第2高調波に変換する非線形結晶64、基本波レーザー光の偏光補正用λ/4波長板66、非線形結晶64で変換されなかった基本波レーザー光と変換された第2高調波レーザー光とを分離するセパレーター68、及び変換されなかった基本波レーザー光を反射させる0°入射ミラー70を含む。
【0016】
図4に示されるレーザー光のマルチパス波長変換装置50の動作を図4及び図5に基づいて説明する。なお、図5は非線形結晶の光線軸(即ち結晶軸)方向と基本波レーザー光、第2高調波レーザー光の偏光を入射方向から見た図である。レーザー装置100から出射した垂直偏光の基本波入射レーザー光72はポラライザー52、ファラデーローテータ54を通過する。なお、基本波レーザー光はポラライザー52を単に通過するだけであるので、基本波レーザー光は垂直偏光74のままである。ファラデーローテータ54により基本波レーザー光の偏光は45°回転しており(図4の76参照)、これを入/2波長板56により垂直偏光78に補正する。さらに基本波レーザー光は、ポラライザー58、ファラデーローテータ60、第2高調波レーザー光を反射するセパレーター62を通過する。この際、基本波レーザー光78はポラライザー58を単に通過するだけであるので、ポラライザー58の出口での基本波レーザー光の偏光は垂直偏光80のままである。ファラデーローテータ60では基本波レーザー光の偏光は45°回転して、ファラデーローテータ60の出口では図4の参照番号82で示される方向となる。基本波レーザー光はセパレーター62を単に通過するだけであるので、参照番号82で示される偏光方向、即ち図5に示される1パス目の基本波レーザー光偏光の角度で非線形結晶64に入射し、第2高調波レーザー光に波長変換される。前述したように、基本波レーザー光の偏光はファラデーローテータ60により45°回転しているため、非線形結晶64の常光線軸o、異常光線軸eをそれぞれ基本波レーザー光偏光に対して45°になるように配置する。この1パス目で波長変換された第2高調波レーザー光は基本波レーザー光用入/4波長板66、セパレーター68を通過して、異常光線軸e方向に偏光したビーム84として得られる。一方、波長変換されなかった基本波レーザー光はセパレーター68により折り返し反射され、再び非線形結晶64に入射される。この間にある、入/4波長板66は、非線形結晶64により基本波レーザー光の偏光が楕円偏光になっているため、折り返し非線形結晶を通過した後、元の偏光に戻すための偏光補正用である。
【0017】
また、折り返し基本波レーザー光、即ち2パス目の基本波レーザー光の偏光と非線形結晶64の各光線軸との角度関係は図5に示されるようになり、2パス目の基本波レーザー光は非線形結晶64により再び波長変換されるが、この2パス目で波長変換された第2高調波レーザー光は1パス目の第2高調波レーザー光の伝播方向に対して逆になっているため、セパレーター62により第2高調波レーザー光を同軸上に折り返し反射し、1パス目の第2高調波レーザー光84方向に導く。2パス目でも波長変換されなかった基本波レーザー光はセパレーター62、ファラデーローテータ60を通過するが、ファラデーローテータ60により偏光が入射レーザー光の垂直偏光に対して90°回転した水平偏光86になっており、ポラライザー58で0°入射ミラー70の方向に反射される。ポラライザー58で反射された基本波レーザー光88は0°入射ミラー70により折り返し反射され、再びポラライザー58で反射されてファラデーローテータ60へ導かれる。ファラデーローテータ60を通過した基本波レーザー光は1パス目と同様に45°偏光が回転するが、入射レーザー光の偏光に対しては90°に偏光している(図4の90参照)。三たび、即ち3パス目の基本波レーザー光は、その偏光と非線形結晶64の各光線軸との角度関係が図5に示されるようにして非線形結晶64に入射し、波長変換される。3パス目で波長変換された第2高調波レーザー光は1パス目と同様にセパレーター68より出射する。3パス目でも波長変換されなかった基本波レーザー光は1パス目と同様にセパレーター68により折り返され、さらに非線形結晶64によって波長変換される。なお、3パス目でも波長変換されなかった基本波レーザー光、即ち4パス目の基本波レーザー光と非線形結晶64の光線軸との角度関係は図5に示されるようになる。従って、4パス目で波長変換された第2高調波は、2パス目と同様にセパレーター62により反射され、1パス目と同様にセパレーター68より出射する。4パス目でも非線形結晶64において波長変換されなかった基本波レーザー光は、ファラデーローテータ60を通過して垂直偏光80となり、ポラライザー58、入/2波長板56、ファラデーローテータ54を通過する。ファラデーローテータ54を通過した基本波レーザー光は水平偏光92になり、ポラライザー52により反射され、利用されない基本波レーザー光94になる。
【0018】
図5を再度参照すると、各基本波レーザー光は非線形結晶64の光線軸に対してそれぞれ45°に偏光している。また、波長変換された第2高調波レーザー光はすべて非線形結晶の異常光線軸e方向に偏光しており、偏光の揃った1本のビームとして得られる。
【0019】
本発明は、非線形結晶がタイプIIに限られず、タイプIにも適用可能である。図6に非線形結晶としてタイプIを用いたときの本発明の好適なレーザー光のマルチパス波長変換装置の一実施形態を概略図示する。図6において、参照番号200は本発明の一実施形態のレーザー光のマルチパス波長変換装置を示す。当該レーザー光のマルチパス波長変換装置200は、タイプIを用いた非線形結晶202、1パス目で変換されなかった基本波レーザー光を非線形結晶202に再入射させるよう導くためのミラー204、206、208及び210、及び2パス目でも変換されなかった基本波レーザー光を受け取るビームダンパー212を備える。
【0020】
タイプIの結晶では基本波レーザー光の偏光は結晶の常光線軸o(あるいは異常光線軸e)方向に偏光していなければならないが、偏光をそろえて2本のビームを同軸上に結合できない。そこで、本実施形態においては、1パス目の基本波レーザー光と2パス目の基本波レーザー光を互いに斜めから入射させる必要がある。この場合の整合条件について図7を参照して説明する。図7はタイプI結晶における整合条件を説明するための図で、図において、参照番号250は第2高調波の異常光線の屈折率面を示し楕円の形状をしており、参照番号252は基本波の常光線の屈折率面を示し円の形状をしている。タイプIの非線形結晶における通常の整合の仕方は、第2高調波の異常光線の屈折率面250と基本波の常光線の屈折率面252とが交わる方向、即ち図7において参照番号254で示した方向にレーザー光を入射するようにする。このようにレーザー光を入射させると、基本波レーザー光と第2高調波レーザー光の位相速度方向が一致するからである。しかし、本発明は、上記のように、2本のレーザー光を偏光をそろえて同軸上に結合できず、2本の基本波レーザー光(入射基本波レーザー光、再入射基本波レーザー光)を斜め方向から交わらせ、第2高調波を発生させる必要がある。基本波レーザー光が常光線軸oに偏光していて、且つ第2高調波が異常光線軸eに偏光している場合の整合条件は、次のようになる。即ち、図7において、第2高調波の出射方向を示すベクトル256の先端は異常光線の屈折率面(楕円)250上にある必要がある。そして、図7のベクトル258が1パス目の入射基本波レーザー光の入射方向を示し、ベクトル260が2パス目(即ち再入射)基本波レーザー光の入射方向を示し、且つこれら2つのベクトル258及び260の先端は常光線の屈折率面(円)252上にあるとする。ベクトル258、ベクトル260、及びこれらベクトルの先端間を結ぶ線により形成される2等辺三角形において原点Oからこれらベクトルの先端間を結ぶ線への垂線にベクトル256がなるような関係を満たすよう1パス目の入射基本波レーザー光と2パス目(即ち再入射)基本波レーザー光とを非線形結晶202に入射すればよい。
【0021】
図6に示されるレーザー装置100からの1パス目の基本波レーザー光220(図7のベクトル258)と、2パス目(再入射)の基本波レーザー光222(図7のベクトル260)と、タイプIの非線形結晶202で変換され出射される第2高調波レーザー光224(図7のベクトル256)との三者の関係が図7を参照して説明した上記の整合条件を満たすように、ミラー204、206、208及び210は配置されている。
【0022】
このようにミラーが配置されているレーザー光のマルチパス波長変換装置200の動作を説明する。レーザー装置100からの1パス目の基本波レーザー光220はタイプIの非線形結晶202に図7のベクトル258の方向で入射される。非線形結晶202は、入射された1パス目の基本波レーザー光を変換して第2高調波224を図7のベクトル256の方向で出射する。非線形結晶202で変換されなかった基本波レーザー光226は、ミラー204、206、208及び210で反射して非線形結晶202に図7のベクトル260の方向で再入射される。非線形結晶202では、1パス目の基本波レーザー光222と再入射された2パス目の基本波レーザー光222が重ね合わされて、224の方向と同じ方向、即ち図7のベクトル254の方向に第2高調波を出射する。非線形結晶202で変換されなかった2パス目の基本波レーザー光228はビームダンパー212に受け取られる。
【0023】
上記の本発明の好適な実施形態から容易に理解されるように、本発明の基本原理は、非線形結晶で波長変換されたレーザー光と波長変換されなかったレーザー光を分離し、波長変換されなかったレーザー光は入射レーザー光と結合して同じ非線形結晶に再入射し、再変換することにあり、従って、波長変換効率を増加させることが可能となる。本発明の波長変換方法及び装置は、入射レーザー光の縦モードが単一モードでも多モードでもよく、共振器を必要とせず、フィードバック装置を必要とせず、非線形結晶をさらに付加する必要がなく、波長変換されたレーザー光は偏光が揃った1本のビームとして得られるため波長変換されたレーザービームの結合をも必要としない。特に、縦モードが多モードレーザー光であっても全体の波長変換効率が向上する点、また偏光の揃った1本の波長変換されたレーザー光が得られる点は本発明の著しい効果である。
【0024】
また、波長変換されなかったレーザー光は1回以上同じ非線形結晶に再入射(マルチパス波長変換)させるため、高い波長変換効率が期待できる。また、非線形結晶での変換効率に揺らぎがあって、波長変換効率が低下すると、波長変換されないレーザー光は増加するが、これを非線形結晶に戻すことによって、結晶中の基本波レーザー光出力がその分増加する。この結果、波長変換されるレーザー光の出力の変動が押さえられるというフイードバック効果がある。即ち、変換効率の変動がフィードバック効果により押さえられ、波長変換されたレーザー光出力が安定になる。
【0025】
さらに、レーザービーム強度が均一でない(即ち、ビーム方向に対して垂直な面上の単位面積当たりの光の強度が位置的に不均一である)場合、変換されなかった基本波レーザービームを反転や回転させて非線形結晶に再入射し、結晶中のレーザー光強度分布を平均化し補正することで、強度分布が一様な波長変換されたレーザー光を得ることも可能である。即ち、強度分布がそれほど一様でないレーザー光も平均化され、波長変換されたレーザービームを一様な強度分布にすることができる。なお、ビームを反転したり回転させたりする手段、方法は、当該技術分野では周知の技術であり、本発明において基本波レーザービームを反転あるいは回転させるためには周知のいずれのビーム反転あるいは回転技術を用いることができる。例えば、図1に示される構成において、ビーム反転をさせるには図8に示されるレーザービーム断面像の反転手段をセパレーター16とミラー18の間、ミラー18とミラー24の間、ミラー24とポラライザー12の間のうちのいずれかの間に挿入すればよい。図8に示されるビーム反転手段は、2つのレンズ300及び302より構成され、レーザービームが通過すると図に示されるように断面像が反転されるものである。
【0026】
また、例えば、図1に示される構成において、ビームを回転させるには、セパレーター16とポラライザー12との間の変換されない基本波レーザー光を戻す系を図9に示されるように構成すればよい。図9において、図1と同一の参照番号を付した構成要素は図1のものと同一であり、その機能等の説明は繰り返さない。図9において、ミラー310、312及び314は、基本波レーザー光のビーム320と、変換されなかった基本波レーザー光のビーム322が同一平面上になくねじれの位置にあるよう配置される。このような配置により、変換されなかった基本波レーザー光のビーム断面像は、セパレーター16とポラライザー12との間でミラー310、312及び314を経由する間に回転する。ミラー310、312及び314の配置に仕方により、90°等任意の所望の回転が得られる。
【0027】
図4の構成において、例えばビームを反転させるには、図4の0°入射ミラー70の代わりに図10に示される構成を用いればよい。図4において、参照番号58は図4のポラライザー58を示し、ポラライザー58からファラデーローテータ400、λ/2波長板402、ポラライザー404、45°入射ミラー406が順に直線状に配置され、この直線に対して直角方向に1対のレンズ408及び410及び45°入射ミラー412が続き、更に45°入射ミラー406と45°入射ミラー412とを結ぶ線に対して直角方向にλ/2波長板414及び45°入射ミラー416が続くよう配置されている。変換されずに戻ってきた基本波レーザー光は、図10においてポラライザー58の右側より入って反射されてファラデーローテータ400に向かい、ファラデーローテータ400、λ/2波長板402、ポラライザー404、45°入射ミラー406、1対のレンズ408及び410、45°入射ミラー412、λ/2波長板414、及び45°入射ミラー416を通り、再びポラライザー404に入射し反射して、λ/2波長板402及びファラデーローテータ400を通ってポラライザー58に戻る。レンズビーム断面像の反転は図8と同様に1対のレンズ408及び410により行われ、ファラデーローテータ400に入る基本波レーザー光の偏光と戻ってそれから出る基本波レーザー光の偏光が図10に示されるように、同じになるようファラデーローテータ400、λ/2波長板402及び414が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の波長変換法を用いた好適なシステムの一実施形態を示す。
【図2】図1に示されるシステムにおける非線形結晶の光線軸(即ち結晶軸)方向と基本波レーザー光、第2高調波レーザー光の偏光を入射方向から見た図である。
【図3】図1で示したシステムを用いて実施した波長変換特性の測定例で入射レーザー光出力に対する第2高調波出力及び波長変換効率を示す。
【図4】本発明のレーザー光のマルチパス変換装置の別の好適な実施形態を示す。
【図5】図4に示されるシステムにおける非線形結晶の光線軸(即ち結晶軸)方向と基本波レーザー光、第2高調波レーザー光の偏光を入射方向から見た図である。
【図6】本発明のレーザー光のマルチパス変換装置の更に別の好適な実施形態を示す。
【図7】図6のタイプIの非線形結晶における整合条件を説明するための図である。
【図8】図1に示す構成において、変換されなかった基本波レーザー光を反転させるための構成を示す図である。
【図9】図1に示す構成において、変換されなかった基本波レーザー光を回転させるための構成を示す図である。
【図10】図4に示す構成において、変換されなかった基本波レーザー光を反転させるための構成を示す図である。
【符号の説明】
10、50、200 レーザー光のマルチパス波長変換装置
12、52、58、404 ポラライザー
14、64、202 非線形結晶
16、62、68 セパレーター
18、24 45°入射ミラー
20、66 λ/4波長板
22、56、402、414 λ/2波長板
54、60、400 ファラデーローテータ
70 0°入射ミラー
100 レーザー装置
204、206、208、210、310、312、314 ミラー
212 ビームダンパー
300、302、408、410 レンズ
406、412、416 ミラー
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion method for efficiently converting wavelengths of various lasers used for excitation light sources such as tunable lasers and ultrashort pulse lasers, laser processing, etc. into wavelengths according to the purpose of use using a nonlinear crystal. And the apparatus.
[0002]
[Prior art]
In the conventional wavelength conversion method, laser light is incident on the nonlinear crystal only once, and the laser light that has been wavelength-converted and the laser light that has not been converted are separated by an optical system such as a prism or a separator (dichroic mirror). The unconverted laser light is not used thereafter. In general, in order to increase the wavelength conversion efficiency, the incident laser light is condensed by a lens or the like to increase its intensity and enter the nonlinear crystal. However, the conversion efficiency depends on beam quality such as laser beam mode, beam spread, wavelength width, pulse time waveform, and nonlinear crystal constants, crystal quality, crystal length, and other conditions. Even so, the conversion efficiency is saturated to some extent.
[0003]
As a method for increasing the conversion efficiency, it is also conceivable to separate the laser light that has not been converted and then perform wavelength conversion using another nonlinear crystal. However, in this case, a plurality of nonlinear crystals are required. Furthermore, since the converted laser beams become separate beams, it is necessary to combine these laser beams that have undergone wavelength conversion in order to obtain a single beam. However, it is impossible with the current technology to combine these wavelength-converted laser beams into a single beam with the same polarization and no loss.
[0004]
Furthermore, a method of using a resonator to resonate the incident laser light with this resonator and increasing the conversion efficiency is also conceivable. However, in this method, the laser light wavelength that can resonate with the resonator is a single wavelength and the beam quality is low. A good laser beam and a feedback device to keep the resonance state are required.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional wavelength conversion method, there is a limit to the conversion efficiency in order to obtain wavelength-converted laser light as a single beam with the polarizations aligned. In addition, depending on the system, the applicable range is limited, such as requiring a system such as a feedback device or being largely dependent on the beam quality of incident laser light.
[0006]
The present invention provides a wavelength conversion method and apparatus for performing wavelength conversion with higher efficiency than those of the conventional wavelength conversion methods with a simple apparatus configuration using a commercially available optical system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problems include a step of wavelength-converting incident laser light with a type I nonlinear crystal, a step of separating the laser light wavelength-converted and the laser light not wavelength-converted in the wavelength conversion step, and the separation The laser light which has not been wavelength-converted is re-incident on the same type I nonlinear crystal once from the oblique direction with respect to the incident laser light, and the incident laser light and the type I nonlinear crystal are obliquely directed. In the type I nonlinear crystal, the size of the incident and re-incident laser light on the refractive index curved surface is the same, and the incident and re-incident laser A vector represented by a perpendicular from the origin on the refraction surface with respect to a line connecting the tips of the respective vectors of light is the wavelength. Is solved by the multi-pass wavelength conversion method of the laser light and having a conversion is vector become conditions on the refractive index curved surface of the laser beam.
[0008]
The above-described problem also includes a type I nonlinear crystal that converts the wavelength of incident laser light, means for separating laser light that has not been wavelength-converted in the nonlinear crystal from laser light that has undergone wavelength conversion, and means for separating the laser light. The laser light that has not been wavelength-converted and is re-incident on the same type I nonlinear crystal once from the oblique direction with respect to the incident laser light, and in the incident laser light and the type I nonlinear crystal. The type I nonlinear crystal has the same size on the refractive index curved surface of the incident and re-incident laser light, and the incident and re-incident laser light. A vector represented by a perpendicular from the origin on the refraction surface with respect to a line connecting the tips of the vectors is converted to the wavelength-converted laser beam. Is solved by the multi-pass wavelength converter of the laser light and having a condition which is a vector on the refractive index curved surface of over light.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 shows an embodiment of a preferred system using the wavelength conversion method of the present invention. FIG. 2 is a view of the light axis direction (that is, crystal axis) direction of the nonlinear crystal and the polarization of the fundamental wave laser beam and the second harmonic laser beam from the incident direction in the system shown in FIG. In the system shown in FIG. 1, a type II crystal is used as the nonlinear crystal, and the fundamental laser beam of the laser is wavelength-converted to the second harmonic in two passes. In the case of using a type II crystal, the polarization of the fundamental wave laser beam is converted by combining two laser beams perpendicular to each other in the normal ray axis and the extraordinary ray axis direction of the non-linear crystal. Is incident with a single laser beam tilted at 45 ° with respect to the nonlinear ray axis. When the components of polarized light in the normal ray axis direction and extraordinary ray axis direction are divided, it is utilized that it is equivalent to a combination of two laser beams having mutually perpendicular polarized light.
[0011]
In FIG. 1, reference numeral 10 indicates a laser beam multipath wavelength converter according to an embodiment of the present invention. The multipath wavelength converter 10 includes a polarizer 12 to which the laser beam emitted from the laser device 100 is incident, a nonlinear crystal 14 that converts the laser beam that has passed through the polarizer 12 to a second harmonic, and the nonlinear crystal 14. Separator 16 that separates the fundamental laser beam that has not been converted and the second harmonic laser beam that has been converted, and the fundamental laser beam separated by the separator 16 is made into a laser beam having a predetermined polarization and is incident on polarizer 12. A 45 ° incidence mirror 18, a λ / 4 wavelength plate 20, a λ / 2 wavelength plate 22, and a 45 ° incidence mirror 24.
[0012]
The operation of the laser beam multipath wavelength converter 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. The vertically polarized beam (fundamental laser beam) 30 emitted from the laser device 100 passes through the polarizer 12 as it is (see 32a in FIG. 1). The polarizer 12 also has a role for combining the horizontally polarized fundamental wave laser beam 32 b that has not been wavelength-converted in the first pass and re-entering the nonlinear crystal 14. The ordinary ray axis o and the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal 14 are arranged so as to be inclined by 45 ° with respect to the polarization direction of the fundamental laser beam. As described above, the relationship between the polarization and the nonlinear ray axis is shown in FIG. 2, which is a view seen from the incident direction of the laser beam. The fundamental wave incident laser beam 32a and the reentered fundamental wave laser beam 32b are converted into the second harmonic by the nonlinear crystal 14, respectively, while the second harmonic laser beam 34 is as shown in FIGS. Both are polarized in the direction of the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal 14. The fundamental wave that has passed through the nonlinear crystal 14 becomes elliptically polarized light 36 as shown in FIG. 1 due to the difference in phase velocity between the ordinary ray axis o and the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal 14. The separator 16 separates the second harmonic laser light 34 and the fundamental wave laser light 36 that has not been wavelength-converted. The second harmonic laser light 38 travels straight as one beam, and the fundamental laser light 36 is separated from the separator 16. 16 is reflected. The reflected fundamental laser beam 40 is turned back by the 45 ° incidence mirror 18 and then corrected to the linearly polarized light 42 by the incoming quarter-wave plate 20. However, since the polarization direction is inclined, the fundamental laser beam that has been further rotated by the input / 2 wavelength plate 22 and not wavelength-converted in the first pass was not wavelength-converted in the horizontal direction 44a even in the second pass. The fundamental laser beam is a laser beam polarized in the vertical direction 44b. Further, the fundamental laser light reflected by the 45 ° incidence mirror 24 is combined with the fundamental incident laser light 30 by the polarizer 12, and the laser light of the horizontally polarized light 46 a that has not been wavelength-converted in the first pass is combined with the nonlinear crystal 14. Re-incident with an angular relationship as shown in FIG. The fundamental laser beam of the vertically polarized light 46b that has not been wavelength-converted even in the second pass passes through the polarizer 12 and becomes a laser beam 48 that is not used.
[0013]
Referring again to FIG. 2, the fundamental laser beams 32 a and 32 b are polarized at 45 ° with respect to the optical axis of the nonlinear crystal 14. The wavelength-converted second harmonic laser beam 34 is all polarized in the direction of the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal, and is obtained as a single beam with uniform polarization.
[0014]
An example implemented using the wavelength conversion system shown in FIG. 1 will be described below. In this example, a KTP type II crystal was used as the nonlinear crystal 14, and an Nd: YAG laser having a fundamental wavelength of 1064 nm was used for the laser device 100. FIG. 3 shows the wavelength conversion characteristics measured using this system. When the output of the fundamental wave incident laser light is increased, the second harmonic obtained also increases. However, when the incident laser light output exceeds 9 mJ, the wavelength conversion efficiency in one pass is almost saturated at about 26%. . On the other hand, when the wavelength conversion is performed with two passes, the conversion efficiency can be improved up to about 37%, and the conversion efficiency is improved by about 1.4 times. This confirmed the effectiveness of the wavelength conversion method of the present invention.
[0015]
Next, another preferred embodiment of the laser beam multipath conversion apparatus of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 4 shows an example of 4-pass wavelength conversion as another configuration example. In this example, a type II nonlinear crystal is used as the nonlinear crystal. In addition, the feature of this configuration is that the optical axis can be easily adjusted because the laser light is folded back on the same axis. In FIG. 4, the laser beam path 200 is on a straight line, but is divided in the middle due to the size of the drawing. In FIG. 4, reference numeral 50 denotes a laser beam multipath wavelength conversion device according to another embodiment of the present invention. The multipath wavelength converter 50 includes a polarizer 52 to which the fundamental laser beam emitted from the laser device 100 is incident, a Faraday rotator 54 that rotates the polarization of the fundamental laser beam that has passed through the polarizer 52, and the Faraday rotator 54. Λ / 2 wavelength plate 56 for further correcting the polarization of the fundamental laser beam from the polarizer, the polarizer 58 that passes the fundamental laser beam from the λ / 2 wavelength plate 56, and the polarization of the fundamental laser beam from the polarizer 58 A Faraday rotator 60 that rotates the separator, a separator 62 that passes the fundamental laser light from the Faraday rotator 60 and reflects the second harmonic laser light, and converts the fundamental laser light that has passed through the separator 62 into the second harmonic. Nonlinear crystal 64, for polarization correction of fundamental laser beam A λ / 4 wavelength plate 66, a separator 68 that separates the fundamental laser light that has not been converted by the nonlinear crystal 64 and the converted second harmonic laser light, and 0 ° that reflects the fundamental laser light that has not been converted. An incident mirror 70 is included.
[0016]
The operation of the laser beam multipath wavelength converter 50 shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a view of the direction of the light axis of the nonlinear crystal (that is, the crystal axis) and the polarization of the fundamental laser beam and the second harmonic laser beam as seen from the incident direction. Vertically polarized fundamental wave incident laser light 72 emitted from the laser device 100 passes through a polarizer 52 and a Faraday rotator 54. Since the fundamental laser beam simply passes through the polarizer 52, the fundamental laser beam remains the vertically polarized light 74. The polarization of the fundamental laser beam is rotated by 45 ° by the Faraday rotator 54 (see 76 in FIG. 4), and this is corrected to the vertical polarization 78 by the input / 2 wavelength plate 56. Further, the fundamental laser beam passes through the polarizer 58, the Faraday rotator 60, and the separator 62 that reflects the second harmonic laser beam. At this time, since the fundamental laser beam 78 simply passes through the polarizer 58, the polarization of the fundamental laser beam at the exit of the polarizer 58 remains the vertically polarized light 80. In the Faraday rotator 60, the polarization of the fundamental laser beam is rotated by 45 °, and in the direction indicated by reference numeral 82 in FIG. Since the fundamental laser beam simply passes through the separator 62, it is incident on the nonlinear crystal 64 at the polarization direction indicated by reference numeral 82, that is, the angle of the fundamental laser beam polarization in the first pass shown in FIG. The wavelength is converted into second harmonic laser light. As described above, since the polarization of the fundamental laser beam is rotated 45 ° by the Faraday rotator 60, the ordinary ray axis o and the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal 64 are set to 45 ° with respect to the polarization of the fundamental laser beam. Arrange so that The second harmonic laser light wavelength-converted in the first pass is obtained as a beam 84 polarized in the direction of the extraordinary ray axis e after passing through the fundamental wave laser input quarter-wave plate 66 and the separator 68. On the other hand, the fundamental laser light that has not been wavelength-converted is reflected back by the separator 68 and is incident on the nonlinear crystal 64 again. Since the polarization of the fundamental laser beam is elliptically polarized by the nonlinear crystal 64, the input / 4 wavelength plate 66 in the meantime is used for polarization correction for returning to the original polarization after passing through the folded nonlinear crystal. is there.
[0017]
The angle relationship between the polarization of the folded fundamental wave laser beam, that is, the second-pass fundamental laser beam and each beam axis of the nonlinear crystal 64 is as shown in FIG. Although the wavelength conversion is again performed by the nonlinear crystal 64, the second harmonic laser beam wavelength-converted in the second pass is opposite to the propagation direction of the second harmonic laser beam in the first pass. The second harmonic laser beam is folded and reflected coaxially by the separator 62 and guided toward the second harmonic laser beam 84 in the first pass. The fundamental laser light that has not been wavelength-converted even in the second pass passes through the separator 62 and the Faraday rotator 60. The Faraday rotator 60 turns the polarized light into a horizontally polarized light 86 rotated by 90 ° with respect to the vertical polarization of the incident laser light. And reflected by the polarizer 58 in the direction of the 0 ° incident mirror 70. The fundamental laser beam 88 reflected by the polarizer 58 is reflected back by the 0 ° incidence mirror 70, reflected again by the polarizer 58, and guided to the Faraday rotator 60. The fundamental laser beam that has passed through the Faraday rotator 60 is rotated by 45 ° as in the first pass, but is polarized by 90 ° with respect to the polarization of the incident laser beam (see 90 in FIG. 4). Three times, that is, the third-pass fundamental laser light is incident on the nonlinear crystal 64 and wavelength-converted as shown in FIG. 5 in terms of the angular relationship between the polarization and each ray axis of the nonlinear crystal 64. The second harmonic laser light wavelength-converted in the third pass is emitted from the separator 68 as in the first pass. The fundamental laser beam that has not been wavelength-converted even in the third pass is folded back by the separator 68 as in the first pass, and further wavelength-converted by the nonlinear crystal 64. Note that the angular relationship between the fundamental laser beam that has not been wavelength-converted even in the third pass, that is, the fundamental laser beam in the fourth pass and the beam axis of the nonlinear crystal 64 is as shown in FIG. Accordingly, the second harmonic converted in wavelength in the fourth pass is reflected by the separator 62 as in the second pass, and is emitted from the separator 68 as in the first pass. Fundamental laser light that has not undergone wavelength conversion in the nonlinear crystal 64 even in the fourth pass passes through the Faraday rotator 60 to become vertically polarized light 80, and passes through the polarizer 58, the input / 2 wavelength plate 56, and the Faraday rotator 54. The fundamental laser beam that has passed through the Faraday rotator 54 becomes horizontal polarized light 92, is reflected by the polarizer 52, and becomes a fundamental laser beam 94 that is not used.
[0018]
Referring back to FIG. 5, each fundamental laser beam is polarized at 45 ° with respect to the ray axis of the nonlinear crystal 64. The second harmonic laser light whose wavelength has been converted is all polarized in the direction of the extraordinary ray axis e of the nonlinear crystal, and is obtained as a single beam with uniform polarization.
[0019]
The present invention is not limited to the type II nonlinear crystal and can be applied to type I. FIG. 6 schematically shows a preferred embodiment of a laser multipath wavelength conversion apparatus of the present invention when using type I as a nonlinear crystal. In FIG. 6, reference numeral 200 indicates a laser beam multipath wavelength converter according to an embodiment of the present invention. The multi-pass wavelength converter 200 for laser light includes a non-linear crystal 202 using Type I, mirrors 204 and 206 for guiding the fundamental wave laser light not converted in the first pass to re-enter the non-linear crystal 202, 208 and 210, and a beam damper 212 for receiving the fundamental laser beam that has not been converted in the second pass.
[0020]
In the type I crystal, the polarization of the fundamental laser beam must be polarized in the normal ray axis o (or extraordinary ray axis e) direction of the crystal, but the two beams cannot be coaxially combined with each other. Therefore, in the present embodiment, it is necessary to make the first-pass fundamental laser beam and the second-pass fundamental laser beam incident obliquely to each other. The matching conditions in this case will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram for explaining the matching condition in the type I crystal. In the figure, reference numeral 250 indicates the refractive index surface of the extraordinary ray of the second harmonic and has an elliptical shape, and reference numeral 252 indicates the basic. It shows the refractive index surface of the ordinary ray of the wave and has a circular shape. The normal matching method in the type I nonlinear crystal is indicated by the reference numeral 254 in FIG. 7 in the direction in which the refractive index surface 250 of the extraordinary ray of the second harmonic intersects the refractive index surface 252 of the ordinary ray of the fundamental wave. So that the laser beam is incident in the direction. This is because when the laser light is incident in this way, the phase velocity directions of the fundamental laser beam and the second harmonic laser beam coincide. However, in the present invention, as described above, two laser beams cannot be combined on the same axis with the same polarization, and two fundamental laser beams (incident fundamental laser beam, re-incident fundamental laser beam) It is necessary to generate the second harmonic by crossing from the diagonal direction. The matching conditions when the fundamental laser beam is polarized on the ordinary ray axis o and the second harmonic is polarized on the extraordinary ray axis e are as follows. That is, in FIG. 7, the tip of the vector 256 indicating the emission direction of the second harmonic needs to be on the extraordinary ray refractive index surface (ellipse) 250. 7 indicates the incident direction of the first-pass incident fundamental laser beam, vector 260 indicates the incident direction of the second-pass (ie, re-incident) fundamental laser beam, and these two vectors 258. , 260 are on the ordinary refractive index surface (circle) 252. One pass so that the vector 256 is perpendicular to the line connecting the leading ends of the vectors from the origin O to the isosceles triangle formed by the vectors 258, 260 and the lines connecting the leading ends of the vectors. The incident fundamental laser beam of the eye and the second pass (that is, re-incidence) fundamental laser beam may be incident on the nonlinear crystal 202.
[0021]
First-pass fundamental laser light 220 (vector 258 in FIG. 7) and second-pass (re-incident) fundamental laser light 222 (vector 260 in FIG. 7) from the laser device 100 shown in FIG. In order that the ternary relationship with the second harmonic laser beam 224 (vector 256 in FIG. 7) converted and emitted by the type I nonlinear crystal 202 satisfies the above matching condition described with reference to FIG. The mirrors 204, 206, 208 and 210 are arranged.
[0022]
The operation of the laser beam multipath wavelength converter 200 in which the mirrors are arranged in this way will be described. The fundamental laser beam 220 of the first pass from the laser device 100 is incident on the type I nonlinear crystal 202 in the direction of the vector 258 in FIG. The nonlinear crystal 202 converts the incident first-pass fundamental laser light and emits the second harmonic 224 in the direction of the vector 256 in FIG. The fundamental laser beam 226 that has not been converted by the nonlinear crystal 202 is reflected by the mirrors 204, 206, 208, and 210 and reenters the nonlinear crystal 202 in the direction of the vector 260 in FIG. 7. In the non-linear crystal 202, the fundamental laser beam 222 of the first pass and the fundamental laser beam 222 of the second pass incident again are overlapped, and the second crystal 225 is superposed in the same direction as the direction of 224, that is, the direction of the vector 254 in FIG. The second harmonic is emitted. The second-pass fundamental laser beam 228 that has not been converted by the nonlinear crystal 202 is received by the beam damper 212.
[0023]
As can be easily understood from the preferred embodiments of the present invention described above, the basic principle of the present invention is to separate the laser light wavelength-converted from the nonlinear crystal and the laser light not wavelength-converted, and not wavelength-converted. The laser beam is combined with the incident laser beam and re-enters the same non-linear crystal for re-conversion, so that the wavelength conversion efficiency can be increased. In the wavelength conversion method and apparatus of the present invention, the longitudinal mode of the incident laser light may be single mode or multimode, does not require a resonator, does not require a feedback device, and does not need to further add a nonlinear crystal, Since the wavelength-converted laser light is obtained as a single beam with uniform polarization, it is not necessary to combine the wavelength-converted laser beams. In particular, even if the longitudinal mode is a multimode laser beam, the overall wavelength conversion efficiency is improved, and the fact that one wavelength-converted laser beam with uniform polarization is obtained is a remarkable effect of the present invention.
[0024]
In addition, since the laser light that has not been wavelength-converted is re-incident (multipath wavelength conversion) once or more in the same nonlinear crystal, high wavelength conversion efficiency can be expected. Also, if the conversion efficiency in the nonlinear crystal fluctuates and the wavelength conversion efficiency decreases, the laser light that is not wavelength-converted increases, but by returning it to the nonlinear crystal, the fundamental wave laser light output in the crystal is reduced. Increase by minutes. As a result, there is a feedback effect that fluctuations in the output of the laser light subjected to wavelength conversion can be suppressed. That is, the fluctuation of the conversion efficiency is suppressed by the feedback effect, and the wavelength-converted laser light output becomes stable.
[0025]
Further, when the laser beam intensity is not uniform (that is, the intensity of light per unit area on the surface perpendicular to the beam direction is positionally nonuniform), the fundamental laser beam that has not been converted is inverted or By rotating and re-entering the nonlinear crystal and averaging and correcting the laser light intensity distribution in the crystal, it is possible to obtain wavelength-converted laser light having a uniform intensity distribution. That is, laser light with a non-uniform intensity distribution is averaged, and the wavelength-converted laser beam can be made uniform. The means and method for reversing and rotating the beam are well known in the art, and any known beam reversal or rotation technique for reversing or rotating the fundamental laser beam in the present invention. Can be used. For example, in the configuration shown in FIG. 1, in order to invert the beam, the laser beam cross-sectional image inversion means shown in FIG. 8 is used between the separator 16 and the mirror 18, between the mirror 18 and the mirror 24, and between the mirror 24 and the polarizer 12. What is necessary is just to insert between either. The beam reversing means shown in FIG. 8 includes two lenses 300 and 302, and when the laser beam passes, the cross-sectional image is reversed as shown in the figure.
[0026]
Further, for example, in the configuration shown in FIG. 1, in order to rotate the beam, a system for returning the fundamental wave laser beam that is not converted between the separator 16 and the polarizer 12 may be configured as shown in FIG. In FIG. 9, the components with the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in FIG. 1, and the description of the functions and the like will not be repeated. In FIG. 9, the mirrors 310, 312, and 314 are arranged such that the fundamental laser beam 320 and the unconverted fundamental laser beam 322 are not on the same plane but are twisted. With this arrangement, the beam cross-sectional image of the fundamental laser beam that has not been converted rotates between the separator 16 and the polarizer 12 while passing through the mirrors 310, 312, and 314. Depending on how the mirrors 310, 312 and 314 are arranged, any desired rotation, such as 90 °, can be obtained.
[0027]
In the configuration of FIG. 4, for example, in order to invert the beam, the configuration shown in FIG. 10 may be used instead of the 0 ° incidence mirror 70 of FIG. In FIG. 4, reference numeral 58 indicates the polarizer 58 of FIG. 4. From the polarizer 58, the Faraday rotator 400, the λ / 2 wave plate 402, the polarizer 404, and the 45 ° incidence mirror 406 are arranged linearly in this order. A pair of lenses 408 and 410 and a 45 ° incidence mirror 412 follow in a perpendicular direction, and λ / 2 wave plates 414 and 45 in a direction perpendicular to a line connecting the 45 ° incidence mirror 406 and the 45 ° incidence mirror 412. An incident mirror 416 is arranged to follow. In FIG. 10, the fundamental laser beam that has returned without being converted enters and reflects from the right side of the polarizer 58 and is reflected toward the Faraday rotator 400. 406 passes through a pair of lenses 408 and 410, a 45 ° incident mirror 412, a λ / 2 wavelength plate 414, and a 45 ° incident mirror 416, and is incident again on the polarizer 404 to be reflected, and the λ / 2 wavelength plate 402 and the Faraday Return to the polarizer 58 through the rotator 400. The reversal of the lens beam cross-sectional image is performed by a pair of lenses 408 and 410 as in FIG. 8, and the polarization of the fundamental laser light entering and returning from the Faraday rotator 400 is shown in FIG. As shown, the Faraday rotator 400 and the λ / 2 wave plates 402 and 414 are provided to be the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an embodiment of a preferred system using the wavelength conversion method of the present invention.
FIG. 2 is a view of the light axis direction (ie crystal axis) direction of the nonlinear crystal and the polarization of the fundamental wave laser beam and the second harmonic laser beam as seen from the incident direction in the system shown in FIG.
FIG. 3 is a measurement example of wavelength conversion characteristics implemented using the system shown in FIG. 1 and shows second harmonic output and wavelength conversion efficiency with respect to incident laser light output.
FIG. 4 shows another preferred embodiment of the laser beam multipath conversion apparatus of the present invention.
5 is a view of the direction of the light axis (that is, the crystal axis) of the nonlinear crystal and the polarization of the fundamental laser light and the second harmonic laser light from the incident direction in the system shown in FIG.
FIG. 6 shows still another preferred embodiment of the laser beam multipath conversion apparatus of the present invention.
7 is a diagram for explaining matching conditions in the type I nonlinear crystal of FIG. 6; FIG.
8 is a diagram showing a configuration for inverting fundamental wave laser light that has not been converted in the configuration shown in FIG. 1; FIG.
9 is a diagram showing a configuration for rotating fundamental wave laser light that has not been converted in the configuration shown in FIG. 1; FIG.
10 is a diagram showing a configuration for inverting fundamental wave laser light that has not been converted in the configuration shown in FIG. 4; FIG.
[Explanation of symbols]
10, 50, 200 Laser path multipath wavelength converter
12, 52, 58, 404 Polarizer
14, 64, 202 Nonlinear crystal
16, 62, 68 Separator
18, 24 45 ° incidence mirror
20, 66 λ / 4 wave plate
22, 56, 402, 414 λ / 2 wave plate
54, 60, 400 Faraday rotator
70 ° incidence mirror
100 laser equipment
204, 206, 208, 210, 310, 312, 314 Mirror
212 Beam damper
300, 302, 408, 410 Lens
406, 412, 416 Mirror

Claims (2)

入射レーザー光をタイプIの非線形結晶で波長変換するステップと、
前記波長変換するステップにおいて波長変換されたレーザー光と波長変換されなかったレーザー光とを分離するステップと、
前記の分離された波長変換されなかったレーザー光を、同じ前記タイプIの非線形結晶に前記入射レーザー光に対して斜めから1回再入射し、且つ前記入射レーザー光と前記タイプIの非線形結晶内で斜め方向から交わらせて波長変換するステップとを備え、
前記タイプIの非線形結晶において、入射及び再入射されるレーザー光の屈折率曲面上における大きさが同じであり、且つ前記入射及び再入射されるレーザー光のそれぞれのベクトルの先端を結ぶ線に対する前記屈折曲面上の原点からの垂線により表されるベクトルが前記波長変換されたレーザー光の屈折率曲面上のベクトルとなる条件を有する
ことを特徴とするレーザー光のマルチパス波長変換方法。
Wavelength converting incident laser light with a type I nonlinear crystal;
Separating the wavelength-converted laser beam and the wavelength-converted laser beam in the wavelength converting step;
The separated laser light which has not been wavelength-converted is re-incident on the same type I nonlinear crystal once from the oblique direction with respect to the incident laser light, and the incident laser light and the type I nonlinear crystal And a step of wavelength conversion by intersecting from the diagonal direction,
In the type I nonlinear crystal, the size of the incident and re-incident laser light on the refractive index curved surface is the same, and the line with respect to the line connecting the tips of the respective vectors of the incident and re-incident laser light A multi-pass wavelength conversion method for laser light, characterized in that a vector represented by a perpendicular from an origin on a refractive curved surface is a vector on a refractive index curved surface of the wavelength-converted laser light.
入射されたレーザー光の波長を変換するタイプIの非線形結晶と、
前記非線形結晶において波長変換されなかったレーザー光を波長変換されたレーザー光と分離する手段と、
前記分離する手段により分離された波長変換されなかったレーザー光を、同じ前記タイプIの非線形結晶に前記入射レーザー光に対して斜めから1回再入射し、且つ前記入射レーザー光と前記タイプIの非線形結晶内で斜め方向から交わらせる手段とを備え、
前記タイプIの非線形結晶において、入射及び再入射されるレーザー光の屈折率曲面上における大きさが同じであり、且つ前記入射及び再入射されるレーザー光のそれぞれのベクトルの先端を結ぶ線に対する前記屈折曲面上の原点からの垂線により表されるベクトルが前記波長変換されたレーザー光の屈折率曲面上のベクトルとなる条件を有する
ことを特徴とするレーザー光のマルチパス波長変換装置。
A type I nonlinear crystal that converts the wavelength of the incident laser light;
Means for separating laser light that has not been wavelength-converted in the nonlinear crystal from wavelength-converted laser light;
The laser light separated by the separating means and not wavelength-converted is re-incident on the same type I non-linear crystal once obliquely with respect to the incident laser light, and the incident laser light and the type I Means for crossing in an oblique direction in the nonlinear crystal,
In the type I nonlinear crystal, the size of the incident and re-incident laser light on the refractive index curved surface is the same, and the line with respect to the line connecting the tips of the respective vectors of the incident and re-incident laser light A multi-pass wavelength conversion apparatus for laser light, characterized in that a vector represented by a perpendicular line from the origin on the refractive surface is a vector on a refractive index curved surface of the wavelength-converted laser light.
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