JP4029120B2 - モリブデン酸鉛単結晶によるパルスレーザー光の短パルス化の方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体媒質中に強力なレーザー光を入射させた際に起こる誘導ラマン散乱効果をモリブデン酸鉛単結晶で発生させることで、入射したパルスレーザー光の時間幅を短くし、入射レーザー光と異なる単一波長のレーザー光に変換させて、この光のみを取り出すことが出来る方法に関する。本発明により、レーザー光を用いた加工分野において、被加工物の熱緩和の時間よりも短いパルス幅のレーザー光を用いることで、被加工物の変形を最小限に抑える非熱加工が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
短パルスレーザー光の発生方法としては、チタンサファイアレーザーを用いたチャープパルス法が代表的である。しかしながら、この方法では、高出力を得るために出力の低いモードロックレーザーの時間幅を光学素子（回折格子、プリズム、ファイバー等）で一旦広げ、順次光の強度を増幅させた後に、再度光学素子を用いて短パルス化する必要があり、複雑かつ光学素子の部品数が極めて多いレーザーシステムとなる。
【０００３】
これとは異なる方法として、誘導ラマン散乱光を用いる方法（たとえばＰｅｔｅｒ Ｇ．Ｚｅｖｅｒｅｖ ｅｔ．ａｌ，Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ｂａｒｉｕｍ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ９７（１９９３）ｐ５９−６４，Ｔ．Ｔ．Ｂａｓｉｅｖ ｅｔ．ａｌ，Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｆｏｒ Ｒａｍａｎ ｌａｓｅｒｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｏｉｌｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，ＴＯＰＳ ｖｏｌ．１９，（１９９８）ｐ５４６）では、前者とは異なり極端に短いパルス幅をもつレーザー光は発生できないが、誘導ラマン光の発生に使用する単結晶が１〜数個と部品数が少なくかつ、レーザー光を結晶に入射させるだけで、短パルス化が行なえるために、既に実施されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
誘導ラマン散乱光を用いる方法では、非線形効果を結晶内に誘起させるために、集光した高強度のレーザー光を結晶に入射させる必要がある。従って結晶の入出射面の光破壊を避けるために大型の単結晶を用いることが必須だが、既に実施された例において用いられた結晶は、天然に産出する炭酸カルシウム単結晶及びニオブ酸リチウム単結晶を除いて、大型の結晶を得ることが難しい。
【０００５】
さらに、天然の炭酸カルシウム結晶は、人工の結晶と比べて光学品質が劣り、内部欠陥が多いために光破壊を欠陥部で起こしやすい。また、ニオブ酸リチウム結晶を用いると、８７２、６３２、２５０ｃｍ^-1の３つのラマンシフトによって誘導ラマン散乱光は３本の強度が同程度のスペクトルをもつために、変換された短パルスレーザー光を分離できず、また散乱光の出力が分散されて不安定になったり、非熱加工の際のレンズによる集光で、色収差をおこし理想的な集光できず、この結果レーザー光の強度を上げることが出来ない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決し、簡単かつ廉価な短パルスレーザー光の発生方法を提供するためになされたもので、誘導ラマン効果を発生させる結晶として大型の人工モリブデン酸鉛単結晶を利用することにより、結晶端面の光破壊を引き起こしにくく、かつ１本のスペクトルを持つ誘導ラマン散乱光を発生させることができる方法に関する。
【０００７】
即ち、本発明は、パルスレーザー光の短パルス化法において、パルスレーザー光を１つあるいは複数のモリブデン酸鉛単結晶に入射し、その誘導ラマン効果により、波長が入射光パルスレーザー光の発振波長より短く、且つ波長分離が容易な極大値を持つ単一波長の散乱光を発生させることを特徴とする方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
一般にモードロックレーザー等から発生したパルスレーザー光をラマン活性物質に照射すると３次の非線形効果によって複数のスペクトルに分岐した誘導ラマン散乱光に変換される。散乱光の光パルス幅は、入射光パルスに比べて短くなり、さらにラマンシフトによって入射光と異なる波長のレーザー光として単結晶から発生する。スペクトルの数、すなわち光学フォノン分岐の数が少なく高い強度の散乱光を発生できる単結晶は、低い対称性と高い屈折率を示し内部振動モードが存在する共有結合型の結晶であること、及びモリブデン酸鉛単結晶は従来技術による結晶の大型化が容易で育成技術が確立していることの知見から本発明に達した。
【０００９】
すなわち本発明は、鉛（Ｐｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、酸素（Ｏ）からなる高屈折率の共有結合型の単結晶で、その結晶系・点群は正方晶系４／ｍに属し、結晶を構成する（ＭｏＯ４）^2-イオンによる内部振動モードの対称性はＳ₄（群論において用いられる対称性を示す記号）の低次の対称性を示し、大型化が容易な単結晶を短パルスレーザー光の発生に用いることを特徴とし、レーザー光を結晶に入射させるだけで、短パルス化を行なう簡単な方法を提供するものである。本発明においては、入射させるパルスレーザー光の波長が、単結晶の透過領域にある範囲で適用可能である。
【００１０】
【実施例】
本発明の一具体例を実験模式的に図１によって説明する。光源１として発振波長１．０６４マイクロメートル、パルス幅３５０ピコ秒（半値全幅）の半導体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用い、単結晶７として端面１０×１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのモリブデン酸鉛結晶を用いた。レーザー光は、１／２波長板２及び偏光子３によって任意の強度に設定された後に、反射鏡４及びダイクロイックミラー５で導かれた後に、焦点距離２００ｍｍのレンズ６を通って、単結晶７に照射される。単結晶７で発生した誘導ラマン散乱光は、入射されたレーザー光と逆方向に進んだ後に、ダイクロイックミラー５を通って、パルス幅測定用光検出器８あるいは分光器９に至る。
【００１１】
図１において、光源１のレーザー光の偏光方向Ｅと単結晶７の結晶ｃ軸の方向がＥ//ｃ（偏光方向とｃ軸方向が平行）あるいはＥ⊥ｃ（偏光方向とｃ軸方向が垂直）になるように単結晶７を室温・大気中にて保持し、この際に得られる誘導ラマン散乱光を測定した結果を図２に示した。この結果、それぞれの配置においてラマンシフト９５０ｃｍ^-1、時間幅４１．８ピコ秒（半値全幅：ＦＷＨＭ）の極大値スペクトルをもつ波長１．１８４マイクロメートル（１１８４ｎｍ）の誘導ラマン散乱光を観測した。
【００１２】
【発明の効果】
本発明により、簡単かつ廉価にピコ秒オーダーのレーザーパルス光を発生できる方法であり、非熱加工用レーザー装置に適用することができ、レーザー光照射時の被加工物の発熱による変形を最小限に抑えることが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一具体例の実験模式図である。
【図２】 本発明の実験例 を示すグラフである。
【符号の説明】
１ レーザー光源
２ １／２波長板
３ 偏光子
４ 反射鏡
５ ダイクロイックミラー
６ 集光用レンズ
７ モリブデン酸鉛単結晶
８ パルス幅測定用光検出器
９ 分光器

Claims (4)

1. パルスレーザー光を固体媒質中に入射して誘導ラマン散乱効果により短パルスレーザー光を発生させるパルスレーザー光の短パルス化の方法において、パルスレーザー光を室温で大気中に保持された１つ又は複数のモリブデン酸鉛単結晶に入射し、その誘導ラマン効果により入射パルスレーザー光の発振波長と異なる波長を有し、且つ波長分離が容易な極大値を持つ単一波長の短パルスレーザー光を発生させることを特徴とする前記方法。
2. ピコ秒オーダーの時間幅をもつレーザー光を発生させることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 入射光パルスの発振波長がモリブデン酸鉛単結晶の透過光領域にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 発振波長１．０６４マイクロメートル、パルス時間幅３５０ピコ秒の半導体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光をモリブデン酸鉛結晶に入射し、その誘導ラマン効果により、パルス時間幅４１．８ピコ秒の極大値スペクトルをもつ波長１．１８４マイクロメートル（１１８４ｎｍ）の短パルスレーザーを得る、請求項１記載の方法。

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