JP4305086B2 - レーザ共振器の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子を備えるレーザ共振器の組立方法に関するものである。

図４は一般的なレーザ共振器の一例を示すもので、レーザ共振器１は、反射ミラー２と透過ミラー３の間に固体レーザ媒質４（例えばＮｄ：ＹＡＧ等）を配置し、固体レーザ媒質４と透過ミラー３の間には、光路を折り返すよう複数の折り返しミラー５，５（図４では二枚）を配置している。

レーザ共振器１よりレーザ光を出射する際には、固体レーザ媒質４をクリプトンランプ等の励起源（図示せず）により励起状態として光を出射させ、その光を折り返しミラー５，５を介すると共に透過ミラー３及び反射ミラー２の間を往復させ、固体レーザ媒質４に対し入出射を繰り返させることにより光共振を起して光のエネルギーを増幅し、透過ミラー３を介しレーザ光を出射している。

ここで、レーザ光の波長を変更する際には、レーザ共振器１内の光路にＳＨＧ結晶等の波長変換素子６を配置しており、波長変換素子６の配置は、変換効率を好適にするためレーザ光の焦点位置に配置することが好ましい。なお、共振器内に波長変換素子（ＫＴＰ）を配置するものとして下記の非特許文献１が既に存在しており、又、本願発明に関連する先行文献として特許文献１がある。
テツオ コジマ，シュウイチ フジクラ，コウジ ヤスイ（Tetsuo Kojima，Shuichi Fujikawa，Koji Yasui），「ＬＤ励起内部共振器型２倍高調波Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの高出力と安定性の解析（High Power Performance and Stability Analysis of a Diode-Side-Pumped Intracavity-Frequency-Double CW Nd:YAG Laser）」，「オプティカル ソサエティ オブ アメリカ トップス，応用半導体レーザ（Optical Society of America（ＯＳＡ） TOPS，Advanced Solid State Lasers）」，第１９巻，ｐ．３１４−ｐ．３１７ 特開２００１−７４２７号公報

しかしながら、波長変換素子６をレーザ光の焦点位置に配置する際には、レーザ共振器１が透過ミラー３から反射ミラー２までの全体を一つの光学系として構成されると共に、計測器の測定はレーザ光を遮断して行うことにより、計測器では、レーザ共振器１内におけるビーム伝搬の状況把握やビーム形状（レーザ光の焦点位置）の計測が不可能なため、波長変換素子６をレーザ光の焦点位置に好適に配置できないという問題があった。又、波長変換素子６の拡張部分や折り返しミラー５，５を備えた複雑な光学系では、レーザ共振器１内におけるビーム伝搬やビーム形状（レーザ光の焦点位置）が複雑な光学設計により決定されるため、レーザ光の焦点位置の決定には複雑な計算が必要になるという問題があった。更に、波長変換素子６を加えてレーザ共振器１を組み立てる際には、全体を一つの光学系として構成されるため、ビーム伝搬の状況把握やビーム形状の計測の必要性により、新たに追加した拡張部分のみの設計の検証を容易に行うことができないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、波長変換素子をレーザ光の焦点位置に好適に配置し得るレーザ共振器の組立方法を提供することを目的としている。

本発明の請求項１は、レーザ媒質からレーザ光を出射する基本光学系を構成し、次に基本光学系に、像転写光学系を付加するレーザ共振器の組立方法であって、
前記基本光学系は、レーザ媒質と、該レーザ媒質の光軸上に位置する反射ミラーと、前記レーザ媒質から光を出射させる励起源とを備え、前記基本光学系を構成する際には、レーザ媒質の出射側に確認ミラーを配置してビーム径及び拡がり角度のビーム形状の計測を行い、確認ミラーを調整してレーザ光の出射側の焦点位置をレーザ光の基準点と定め、
前記像転写光学系は、第一の焦点距離を備えた第一のレンズと、第二の焦点距離を備えた第二のレンズと、レーザの波長を変更する波長変換素子とを備え、前記像転写光学系を構成する際には、前記確認ミラーを取り除いた後、レーザ光の基準点から第一の焦点距離を隔てた位置に第一のレンズを配置し、第一のレンズから第一の焦点距離と第二の焦点距離の合計距離を離れた位置に第二のレンズを配置し、レーザ光の基準点から第一のレンズ及び第二のレンズにより像転写の投影点を決定するよう、第二のレンズから第二の焦点距離を隔てた位置に像転写の投影点を定め、該投影点に前記波長変換素子を配置することを特徴とするレーザ共振器の組立方法、に係るものである。

本発明の請求項２は、前記像転写光学系は、レーザ媒質から生じたレーザ光をコの字に折り返すよう、第一のレンズと第二のレンズの間に、第一の折り返しミラーと第二の折り返しミラーとを備えると共に、前記波長変換素子の出射側に共振器ミラーを備える請求項１に記載のレーザ共振器の組立方法、に係るものである。

このように本発明よれば、基本光学系において、レーザ媒質からレーザ光を出射してレーザ光の焦点位置に基準点を定めると共に、像転写光学系において、レーザ光の基準点から複数のレンズの焦点距離を用いて像転写の投影点を決定するので、基本光学系と像転写光学系で分けてビーム形状（レーザ光の焦点位置）を把握し、結果的に、レーザ光の焦点位置となる像転写の投影点を正確に決定して波長変換素子をレーザ光の焦点位置に好適に配置することができる。又、レーザ共振器が全体として複雑な構成であっても基本光学系と像転写光学系に分けて計算すると共に調整するので、複雑な計算を不要してレーザ共振器の光学設計を容易に行なうことができる。更に、基本光学系の基準点を考慮して新たな拡張部分のビーム形状の確認を行うので、拡張部分のみの設計の検証を容易に行うことができる。

本発明によれば、第一の焦点距離を備えた第一のレンズと、第二の焦点距離を備えた第二のレンズより、レーザ光の基準点を定めて転写し、レーザ光の焦点位置となるよう像転写の投影点を決定するので、レーザ光の焦点位置となる像転写の投影点を一層正確に決定し、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子を、投影点に適確に配置することができる。

本発明によれば、レーザ媒質の出射側に確認ミラーを配置してビーム径及び拡がり角度のビーム形状の計測を行い、確認ミラーを調整してレーザ光の出射側の焦点位置をレーザ光の基準点と定めると、基本光学系のみの構成を完結した状態でレーザ光を射出させてビーム伝搬の状況把握やビーム形状の計測を好適に行うことができる。

上記した本発明のレーザ共振器の組立方法によれば、レーザ光の焦点位置となる像転写の投影点を正確に決定し、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子を、レーザ光の焦点位置に好適に配置することができるという種々の優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

本形態例のレーザ共振器７は、固体レーザ媒質４（例えばＮｄ：ＹＡＧ等）を備える基本光学系と、基本光学系を拡張する像転写光学系とを備えている。

基本光学系は、固体レーザ媒質４の光軸上に反射ミラー２を配置すると共に側方にクリプトンランプ等の励起源（図示せず）を備えており、基本光学系の範囲を、反射ミラー２からレーザ光の出射側の焦点位置（基準点）までの構成としている。

像転写光学系は、固体レーザ媒質４から生じたレーザ光をコの字に折り返すよう第一の折り返しミラー８と第二の折り返しミラー９を備え、第一の折り返しミラー８の入射側位置には、像転写レンズ手段の第一の凸レンズ１０を配置すると共に、第二の折り返しミラー９の出射側位置には、像転写レンズ手段の第二の凸レンズ１１を配置し、更に、第二の凸レンズ１１の出射側位置にはＳＨＧ結晶等の波長変換素子６を配置し、更に又、波長変換素子６の出射側には共振器ミラー１２を備えており、像転写光学系の範囲を、レーザーの出射側の焦点位置（基準点）から出射側の構成としている。なお、共振器ミラー１２の出射側には透過ミラー（図示せず）を備えてもよい。

又、像転写光学系の像転写レンズ手段において、第一の凸レンズ１０は第一の焦点距離ｆ１を備えると共に、第二の凸レンズ１１は第二の焦点距離ｆ２を備えており、第一の凸レンズ１０と第二の凸レンズ１１の相関関係は、レーザ光の基準点から第一の焦点距離ｆ１を隔てた位置に第一の凸レンズ１０を配置し、第一の凸レンズ１０から第一の焦点距離ｆ１と第二の焦点距離ｆ２の合計距離（ｆ１＋ｆ２）を離れた位置に第二の凸レンズ１１を配置し、第二の凸レンズ１１から第二の焦点距離ｆ２を隔てた位置にレーザ光の像転写の投影点を決定しており、このレーザ光の像転写の投影点にＳＨＧ結晶等の波長変換素子６を位置している。

ここで、像転写レンズ手段における第一の凸レンズ１０と第二の凸レンズ１１の相関関係を、図１を簡略化した図２（第一の折り返しミラー８及び第二の折り返しミラー９を無くした状態）を用いて説明すると、第一の凸レンズ１０と第二の凸レンズ１１を、第一の焦点距離ｆ１と第二の焦点距離ｆ２の合計距離（ｆ１＋ｆ２）の間隔で配置した場合には、ビーム形状のビーム径はｆ１／ｆ２で、ビーム形状の拡がり角度はｆ２／ｆ１で転写される。仮に、第一の凸レンズ１０の第一の焦点距離ｆ１と、第二の凸レンズ１１の第二の焦点距離ｆ２が同じであるとしてｆ１とｆ２を１対１の比にすると、基準点から投影点までの間で全く対称的なビーム軌跡が形成されることになり、投影点では、レーザ光の焦点位置が転写されるよう、基準点と全く同じビーム径及びビーム拡がり角が転写される。なお、このようなレーザ光のガウスビーム（伝搬方向に垂直な断面内の波動の振幅分布がガウス関数で表される光ビーム）では、凸レンズを透過した際に凸レンズ後焦点距離でビームの波面の曲率半径が一義的に決まるという性質があり、この曲率半径は、凸レンズ前集光位置がどの位置にあるかで変化し、特に凸レンズ前集光位置と凸レンズとの間の距離が焦点距離と等しい場合に無限大（平行光）になるということが判っている。

又、図２に示す如く、第一の凸レンズ１０の入射側に所定距離ｄ１を仮定すると共に、第二の凸レンズ１１の入射側に所定距離ｄ２を仮定する際には、所定距離ｄ１と所定距離ｄ２は
ｄ２＝（２×ｆ１−ｆ２）×（ｆ２／ｆ１）
の関係式で導き出される相対位置で、ビーム形状のビーム径がｆ１／ｆ２で、ビーム形状の拡がり角度がｆ２／ｆ１で転写される。

以下、本発明を実施する形態例の作用を説明する。

レーザ共振器７を組み立てる際には、初めに基本光学系を構成するよう、図３に示す如く、固体レーザ媒質４、反射ミラー２、励起源（図示せず）等を配置すると共に、固体レーザ媒質４の出射側に確認ミラー１３を配置して調整し、ビーム伝搬の状況把握やビーム径及び拡がり角度のビーム形状の計測を行ってレーザ光の出射側の焦点位置である基準点を定める。ここで、図１〜図３において、基準点は、所定の膜を備えた確認ミラーの側面に位置している。

次に、像転写光学系を構成するよう、図１に示す如く、第一の折り返しミラー８、第二の折り返しミラー９、第一の凸レンズ１０、第二の凸レンズ１１等を配置し、レーザ光の基準点から第一の凸レンズ１０及び第二の凸レンズ１１の焦点距離ｆ１，ｆ２を用いて像転写の投影点を決定し、投影点にＳＨＧ結晶等の波長変換素子６を配置する。ここで、第一の凸レンズ１０と第二の凸レンズ１１の相関関係は、先に示した関係で設定されている。又、組み立てる手順としては、像転写光学系の構成の、第一の折り返しミラー８、第二の折り返しミラー９、第一の凸レンズ１０、第二の凸レンズ１１、波長変換素子６等を予め配置しておき、基本光学系に新たな拡張部分を付加するようにしてもよい。更に、図１、図２において、投影点は、波長変換素子６の中央に位置している。

このように、本形態例によれば、基本光学系において、固体レーザ媒質４からレーザ光を出射してレーザ光の焦点位置に基準点を定めると共に、像転写光学系において、レーザ光の基準点から第一の凸レンズ１０及び第二の凸レンズ１１の焦点距離ｆ１，ｆ２を用いて像転写の投影点を決定するので、基本光学系と像転写光学系で分けてビーム形状（レーザ光の焦点位置）を把握し、結果的に、レーザ光の焦点位置となる像転写の投影点を正確に決定して波長変換素子６をレーザ光の焦点位置に好適に配置することができる。

又、波長変換素子６の拡張部分や折り返しミラー８，９等を備えた複雑な光学系であっても、レーザ光の焦点位置に基準点を定める構成を、基本光学系として予め組み立て、次に、波長変換素子６の拡張部分を備えた構成を、像転写光学系として分けて組み立てるので、基本光学系の簡単な光学設計によりレーザ共振器７内のビーム形状（レーザ光の焦点位置）を決定し、且つレーザ光の投影点を決定する際には、像転写光学系の第一の凸レンズ１０及び第二の凸レンズ１１により投影点を決定して像転写し、結果的に、波長変換素子６を配置する際には、全体として複雑な構成であっても基本光学系と像転写光学系に分けて決定すると共に調整することにより、複雑な計算等を不要してレーザ共振器７の光学設計を容易に行なうことができる。

更に、基本光学系を予め組み立てることにより、基本光学系のみの構成を完結した状態でレーザ光を射出させて確認ミラー１３でビーム伝搬の状況把握やビーム形状の計測を行い、且つ波長変換素子６の拡張部分を加えるよう像転写光学系を組み立てることにより、基本光学系の基準点を考慮して新たな拡張部分のビーム形状の確認を行うので、拡張部分のみの設計の検証を容易に行うことができる。

本発明の像転写光学系の第一の凸レンズ１０と第二の凸レンズ１１の相関関係によれば、第一の焦点距離ｆ１を備えた第一の凸レンズ１０と、第二の焦点距離ｆ２を備えた第二の凸レンズ１１より、レーザ光の基準点を定めて転写し、レーザ光の焦点位置となるよう像転写の投影点を決定するので、レーザ光の焦点位置となる像転写の投影点を一層正確に決定し、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子６を、投影点に適確に配置することができる。

固体レーザ媒質４の出射側に確認ミラー１３を配置してビーム径及び拡がり角度のビーム形状の計測を行い、確認ミラー１３を調整してレーザ光の出射側の焦点位置をレーザ光の基準点と定めると、基本光学系のみの構成を完結した状態でレーザ光を射出させて確認ミラー１３でビーム伝搬の状況把握やビーム形状の計測を好適に行うことができる。

なお、本発明のレーザ共振器の組立方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、他の折り返しミラーを備えてもよいこと、波長変換素子はＳＨＧ結晶に限定されるものではないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態例であって基礎光学系に像転写光学系を追加して構成した状態を示す概略図である。 像転写レンズ手段を説明するために図１を簡略化した状態を示す概略図である。 本発明を実施する形態例であって基礎光学系を最初に構成した状態を示す概略図である。 従来例を示す概略図である。

２ 反射ミラー
４ 固体レーザ媒質（レーザ媒質）
６ 波長変換素子
７ レーザ共振器
８ 第一の折り返しミラー
９ 第二の折り返しミラー
１０ 第一の凸レンズ（第一のレンズ）
１１ 第二の凸レンズ（第二のレンズ）
１２ 共振器ミラー
１３ 確認ミラー
ｆ１ 第一の凸レンズの焦点距離
ｆ２ 第二の凸レンズの焦点距離

Claims (2)

1. レーザ媒質からレーザ光を出射する基本光学系を構成し、次に基本光学系に、像転写光学系を付加するレーザ共振器の組立方法であって、
   前記基本光学系は、レーザ媒質と、該レーザ媒質の光軸上に位置する反射ミラーと、前記レーザ媒質から光を出射させる励起源とを備え、前記基本光学系を構成する際には、レーザ媒質の出射側に確認ミラーを配置してビーム径及び拡がり角度のビーム形状の計測を行い、確認ミラーを調整してレーザ光の出射側の焦点位置をレーザ光の基準点と定め、
   前記像転写光学系は、第一の焦点距離を備えた第一のレンズと、第二の焦点距離を備えた第二のレンズと、レーザの波長を変更する波長変換素子とを備え、前記像転写光学系を構成する際には、前記確認ミラーを取り除いた後、レーザ光の基準点から第一の焦点距離を隔てた位置に第一のレンズを配置し、第一のレンズから第一の焦点距離と第二の焦点距離の合計距離を離れた位置に第二のレンズを配置し、レーザ光の基準点から第一のレンズ及び第二のレンズにより像転写の投影点を決定するよう、第二のレンズから第二の焦点距離を隔てた位置に像転写の投影点を定め、該投影点に前記波長変換素子を配置することを特徴とするレーザ共振器の組立方法。
2. 前記像転写光学系は、レーザ媒質から生じたレーザ光をコの字に折り返すよう、第一のレンズと第二のレンズの間に、第一の折り返しミラーと第二の折り返しミラーとを備えると共に、前記波長変換素子の出射側に共振器ミラーを備える請求項１に記載のレーザ共振器の組立方法。

Images