JP4638697B2 - Wavelength conversion crystal unit - Google Patents
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Description
本発明は、高調波のレーザ光を発生する技術に係わり、より詳細には高調波の光ビームを生成するのに用いる波長変換結晶のユニットに関する。 The present invention relates to a technique for generating a harmonic laser beam, and more particularly, to a wavelength conversion crystal unit used for generating a harmonic light beam.
近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪みが小さいこと、高度の自動化が可能であることから、益々その重要度を増している。現在、レーザ溶接に最も多用されている固体レーザは、波長約1μmのレーザ光を発生するYAGレーザである。YAGレーザは母材としてYAG(Y3Al5O12)結晶に希土類活性イオン(Nd3+、Yb3+等)をドープしたものであり、代表的なNd:YAGレーザの基本波長は1064nmである。YAGレーザは、連続発振、パルス発振あるいはQスイッチによるジャイアントパルス発振で動作可能である。 In recent years, lasers are used in the manufacturing industry, particularly in the fields of welding, cutting and surface treatment. In fact, laser welding technology is becoming more and more important because it can realize high-precision and high-speed machining, low thermal strain on the workpiece, and high degree of automation. At present, the solid-state laser most frequently used for laser welding is a YAG laser that generates laser light having a wavelength of about 1 μm. The YAG laser is a YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) crystal doped with rare earth active ions (Nd 3+ , Yb 3+, etc.) as a base material. The fundamental wavelength of a typical Nd: YAG laser is 1064 nm. is there. The YAG laser can be operated by continuous oscillation, pulse oscillation, or giant pulse oscillation by a Q switch.
ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光との光学的な結合性が重要である。光学的な結合性が良くないと、反射率が高くなって、レーザエネルギーの吸収率が低下し、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長(たとえば1064nm)のYAGレーザ光は、銅や金等に対して光学的結合性が良くない。これらの金属に対しては、むしろ第2高調波(532nm)のYAGレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。 By the way, in the laser welding method, the optical connectivity between the material to be welded and the laser beam is important. If the optical connectivity is not good, the reflectivity increases, the laser energy absorption rate decreases, and it is difficult to obtain a good weld joint. In this respect, YAG laser light having a fundamental wavelength (for example, 1064 nm) does not have good optical connectivity with copper or gold. For these metals, it is rather known that the second harmonic (532 nm) YAG laser light has high optical coupling.
本出願人は、特許文献1で、第1のYAGレーザにより基本波長(1064nm)のYAGパルスレーザ光を生成するとともに、第2のYAGレーザにより第2高調波(532nm)のQスイッチレーザ光を生成し、両者を同軸上に重畳して被溶接材に照射する異波長重畳レーザ溶接法を開示している。さらに、本出願人は、ジャインアントパルスではなく(つまりQスイッチを使用しないで)ロングパルスの高調波レーザ光を生成してレーザ溶接に用いるレーザ溶接装置を提案している。ここで、ロングパルスは可変のパルス幅であり、典型的には1〜3msである。 In the patent document 1, the present applicant generates a YAG pulsed laser beam having a fundamental wavelength (1064 nm) with the first YAG laser and a second harmonic (532 nm) Q-switched laser beam with the second YAG laser. Disclosed is a different wavelength superposition laser welding method in which both materials are superimposed on the same axis and irradiated onto a material to be welded. Further, the present applicant has proposed a laser welding apparatus that generates a long pulse harmonic laser beam instead of a giant pulse (that is, without using a Q switch) and uses it for laser welding. Here, the long pulse has a variable pulse width and is typically 1 to 3 ms.
一般に、高調波レーザ光を生成する高調波レーザ装置は、光共振器内に活性媒体と一緒に波長変換結晶を配置して光共振器内で基本波長を高調波に変換する方式(共振器内部変換方式)を採用している。この方式は、基本波長の光ビームを光共振器内に閉じ込めたまま高調波の光ビームまたはレーザ光だけを光共振器の外へ取り出す。上記のようなレーザ溶接等のアプリケーションでは、高調波レーザ光の出力またはパワーが溶接加工を左右する溶接条件となる。このため、高調波レーザ光の出力が設定通りになるように光共振器内の光学系を調整する必要がある。
上記のような波長変換結晶は、光共振器内で基本波長の光ビームと光学的に結合して非線形光学効果により高調波の光ビームを生成する。このため、高調波の出力またはパワーを最適化ないし安定化するうえで、基本波の光軸と波長変換結晶の結晶軸とのアライメントまたは角度調整が重要である。 The wavelength conversion crystal as described above is optically coupled with a light beam having a fundamental wavelength in an optical resonator to generate a harmonic light beam by a nonlinear optical effect. For this reason, in order to optimize or stabilize the output or power of the harmonic, alignment or angle adjustment between the optical axis of the fundamental wave and the crystal axis of the wavelength conversion crystal is important.
従来より、光共振器内の所定位置で波長変換結晶を支持する波長変換結晶ユニットには、基本波の光軸に対する波長変換結晶の角度(向き)を調整するための角度調整機構が備わっている。しかしながら、従来の波長変換結晶ユニットにおける角度調整機構は、一方向(一般に水平面内)で波長変換結晶の角度を調整する1軸調整機能しかなかった。このため、調整の追い込みができず、波長変換結晶の角度を最適化するのが難しかった。 Conventionally, a wavelength conversion crystal unit that supports a wavelength conversion crystal at a predetermined position in an optical resonator has an angle adjustment mechanism for adjusting the angle (direction) of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the fundamental wave. . However, the angle adjustment mechanism in the conventional wavelength conversion crystal unit has only a uniaxial adjustment function for adjusting the angle of the wavelength conversion crystal in one direction (generally in a horizontal plane). For this reason, adjustment cannot be pursued, and it is difficult to optimize the angle of the wavelength conversion crystal.
また、波長変換結晶は、基本波の光軸となす角度だけでなく温度にも非常に敏感である。この点、従来の波長変換結晶ユニットは、常温たとえば25゜C付近で波長変換結晶の温度調整を行っている。しかしながら、常温の温調では、波長変換結晶の温度が周囲温度の影響を受けやすく、結晶温度のわずかな変動が高調波出力の大きな変動を招いていた。 Further, the wavelength conversion crystal is very sensitive not only to the angle formed with the optical axis of the fundamental wave but also to the temperature. In this regard, the conventional wavelength conversion crystal unit adjusts the temperature of the wavelength conversion crystal at room temperature, for example, around 25 ° C. However, in the temperature control at room temperature, the temperature of the wavelength conversion crystal is easily affected by the ambient temperature, and a slight change in the crystal temperature causes a large change in the harmonic output.
また、従来の波長変換結晶ユニットは、波長変換結晶を温度調整のために加熱または冷却するサーモモジュールたとえばペルチェ素子を波長変換結晶の下に設けて、サーモモジュールの裏面または下面を光共振器のベース部材に熱的に結合させる構成を採っている。しかしながら、このような温調機構のレイアウトは、波長変換結晶の高さ位置を制限し、ひいては光共振器内の他の光学部品の高さ位置まで制限し、さらには上記のような角度調整機構における調整方向(軸)の自由度も制限していた。 In addition, the conventional wavelength conversion crystal unit includes a thermo module for heating or cooling the wavelength conversion crystal for temperature adjustment, for example, a Peltier element below the wavelength conversion crystal, and the back or bottom surface of the thermo module is the base of the optical resonator. The structure which couple | bonds with a member thermally is taken. However, the layout of such a temperature control mechanism limits the height position of the wavelength conversion crystal, and thus limits the height position of other optical components in the optical resonator, and further, the angle adjustment mechanism as described above. The degree of freedom in the adjustment direction (axis) was also limited.
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、基本波の光軸に対する波長変換結晶の角度調整を可及的に追い込みできるようにした波長変換結晶ユニットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a wavelength conversion crystal unit that can adjust the angle of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the fundamental wave as much as possible. For the purpose.
本発明の別の目的は、基本波の光軸に対する波長変換結晶の角度を容易に最適化できる波長変換結晶ユニットを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion crystal unit capable of easily optimizing the angle of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the fundamental wave.
本発明の別の目的は、上記の目的をコンパクトな機構で実現する波長変換結晶ユニットを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion crystal unit that realizes the above object with a compact mechanism.
本発明の別の目的は、波長変換結晶が周囲温度から受ける影響を少なくして高調波レーザ光の安定化を図る波長変換結晶ユニットを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion crystal unit that stabilizes harmonic laser light by reducing the influence of the wavelength conversion crystal on the ambient temperature.
上記の目的を達成するために、本発明の波長変換結晶ユニットは、光共振器内で基本波長を有する第1の光ビームとの非線形相互作用により高調波の第2の光ビームを生成するための波長変換結晶を所定位置で支持する波長変換結晶ユニットであって、前記波長変換結晶を保持する結晶保持部と、前記結晶保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を前記光ビームの光軸と直交して通る第1の直線を回転軸線とする第1の回転方向で前記波長変換結晶の角度を第1の調整感度で調整する第1の角度調整部と、前記結晶保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を前記光ビームの光軸および前記第1の直線と直交して通る第2の線を回転軸線とする第2の回転方向で前記波長変換結晶の角度を第2の調整感度で調整する第2の角度調整部とを有し、前記第1の調整感度と前記第2の調整感度との差が前記第1の回転方向において前記波長変換結晶の角度に対して前記第2の光ビームの出力が変動する感度と前記第2の回転方向において前記波長変換結晶の角度に対して前記第2の光ビームの出力が変動する感度との差に対応する。
In order to achieve the above object, the wavelength conversion crystal unit of the present invention generates a second light beam of higher harmonics by nonlinear interaction with a first light beam having a fundamental wavelength in an optical resonator. A wavelength conversion crystal unit that supports the wavelength conversion crystal at a predetermined position, a crystal holding unit that holds the wavelength conversion crystal, and a central portion of the wavelength conversion crystal that is held by the crystal holding unit. A first angle adjusting unit that adjusts an angle of the wavelength conversion crystal with a first adjustment sensitivity in a first rotation direction having a first straight line passing through the first optical axis as a rotation axis; and the crystal holding unit. Of the wavelength conversion crystal in a second rotation direction with a second axis passing through the central portion of the wavelength conversion crystal held in the direction perpendicular to the optical axis of the light beam and the first straight line. The second adjusting the angle with the second adjustment sensitivity It possesses a degree adjusting unit, an output of the first adjustment sensitivity and the second light beam with respect to the angle of the wavelength conversion crystal difference in the first rotational direction and the second adjustment sensitivity This corresponds to the difference between the varying sensitivity and the sensitivity with which the output of the second light beam varies with respect to the angle of the wavelength conversion crystal in the second rotation direction.
上記の構成においては、光ビームの光軸に対する波長変換結晶の角度(向き)を相直交する2つの回転方向でつまり2軸で任意かつ精細に調整することができるので、波長変換結晶の角度を極限まで追い込んで最適化することができる。 In the above configuration, the angle (orientation) of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the light beam can be arbitrarily and finely adjusted in two rotation directions that are orthogonal to each other, that is, the two axes. It can be optimized to the limit.
さらに、上記の構成によれば、第1の調整感度と第2の調整感度との差が第1の回転方向において波長変換結晶の角度に対して第2の光ビームの出力が変動する感度と第2の回転方向において波長変換結晶の角度に対して第2の光ビームの出力が変動する感度との差に対応するので、ユーザまたは作業員においては、同じ調整感覚で2軸の高調波出力変動の調整を行えるため、調整の追い込みを迅速かつ容易に行うことかできる。
Further, according to the above configuration, the difference between the first adjustment sensitivity and the second adjustment sensitivity is such that the output of the second light beam varies with respect to the angle of the wavelength conversion crystal in the first rotation direction. Since it corresponds to the difference between the sensitivity of the output of the second light beam fluctuating with respect to the angle of the wavelength conversion crystal in the second rotation direction, the user or the operator can output the biaxial harmonics with the same adjustment feeling. Since the fluctuation can be adjusted, the adjustment can be quickly and easily performed.
第1の角度調整部において、好適には、結晶保持部を第1の回転方向で回転可能に支持する回転支持部と、第1の回転方向において回転支持部に対する結晶支持部の相対的な位置を第1のリードで調整するための第1の送りねじ機構とを有し、第1の調整感度を第1のリードで規定する。また、好適には、第1の送りねじ機構による直線移動の変位を第1の回転方向における結晶保持部の変位に変換するための第1のリンクを有する構成や、第1の送りねじ機構の前進送りに抗して弾性変形する第1のバネを有する構成、あるいは回転支持部に対して結晶保持部を所望の位置で締結固定するための第1の締結用ねじを有する構成が採られてよい。 In the first angle adjustment unit, preferably, a rotation support unit that supports the crystal holding unit rotatably in the first rotation direction, and a relative position of the crystal support unit with respect to the rotation support unit in the first rotation direction. And a first feed screw mechanism for adjusting the first adjustment sensitivity by the first lead. Preferably, a configuration having a first link for converting the displacement of the linear movement by the first feed screw mechanism into the displacement of the crystal holding portion in the first rotation direction, and the first feed screw mechanism A configuration having a first spring that elastically deforms against forward feed or a configuration having a first fastening screw for fastening and fixing the crystal holding portion at a desired position with respect to the rotation support portion is adopted. Good.
第2の角度調整部においても、好適には、回転支持部を第2の回転方向で回転可能に支持するために光共振器のベース部材に固定された固定支持部と、第2の回転方向において固定支持部に対する回転支持部の相対的な位置を第2のリードで調整するための第2の送りねじ機構とを有し、第2の調整感度を第2のリードで規定する。また、好適には、第2の送りねじ機構による直線移動の変位を第2の回転方向における結晶保持部の変位に変換するための第2のリンクを有する構成や、第2の送りねじ機構の前進送りに抗して弾性変形する第2のバネを有する構成、あるいは回転支持部に対して結晶保持部を所望の位置で締結固定するための第2の締結用ねじを有する構成が採られてよい。 Also in the second angle adjustment section, preferably, a fixed support section fixed to the base member of the optical resonator to support the rotation support section so as to be rotatable in the second rotation direction, and a second rotation direction. And a second feed screw mechanism for adjusting the relative position of the rotation support portion with respect to the fixed support portion by the second lead, and the second adjustment sensitivity is defined by the second lead. Preferably, a configuration having a second link for converting the displacement of the linear movement by the second feed screw mechanism into the displacement of the crystal holding portion in the second rotation direction, or the second feed screw mechanism A configuration having a second spring that elastically deforms against forward feed or a configuration having a second fastening screw for fastening and fixing the crystal holding portion at a desired position with respect to the rotation support portion is adopted. Good.
本発明の好適な一態様によれば、第1の直線が水平線で、第2の直線が鉛直線である。また、波長変換結晶を温度調節のために加熱または冷却するサーモモジュールが波長変換結晶の水平方向片側にほぼ平行に配置される。このサーモモジュールはたとえばペルチェ素子で構成されてよい。かかる温調レイアウトは、波長変換結晶の高さ位置を制限しなくて済む。また、一面に開口部を有する断熱性のハウジング内に波長変換結晶を結晶保持部と一緒に収容し、開口部にサーモモジュールを設ける構成も好ましい。このような断熱構造により、周囲への放熱を防止し、光共振器内の温度上昇を抑えることができる。 According to a preferred aspect of the present invention, the first straight line is a horizontal line and the second straight line is a vertical line. In addition, a thermo module for heating or cooling the wavelength conversion crystal for temperature adjustment is arranged substantially in parallel on one side in the horizontal direction of the wavelength conversion crystal. This thermo module may be composed of a Peltier element, for example. Such a temperature control layout does not require limiting the height position of the wavelength conversion crystal. In addition, a configuration in which the wavelength conversion crystal is accommodated together with the crystal holding part in a heat insulating housing having an opening on one surface, and a thermo module is provided in the opening is preferable. With such a heat insulating structure, heat dissipation to the surroundings can be prevented, and temperature rise in the optical resonator can be suppressed.
また、本発明における結晶温度制御部は、波長変換結晶の温度を45゜C〜55゜Cの範囲内に、最も好ましくは50゜C付近に保つように動作する。このように常温よりも一段高い設定温度での温度調整によれば、波長変換結晶の温度が周囲温度の影響を受けることなく一定値つまり設定温度に安定して維持されるので、温度変動に起因した高調波出力の変動を防止することができる。 The crystal temperature controller in the present invention operates so as to keep the temperature of the wavelength conversion crystal within the range of 45 ° C. to 55 ° C., most preferably around 50 ° C. In this way, according to the temperature adjustment at a set temperature that is one step higher than normal temperature, the wavelength conversion crystal temperature is stably maintained at a constant value, that is, the set temperature without being affected by the ambient temperature. The fluctuation of the higher harmonic output can be prevented.
本発明の高調波変換結晶ユニットによれば、上記のような構成と作用により、基本波の光軸に対する波長変換結晶の角度調整を可及的に追い込んで高調波の出力を設定通りにすることができる。また、基本波の光軸に対する波長変換結晶の角度を容易に最適化することも可能であり、2軸調整機能をコンパクトな機構で実現することも可能である。さらには、波長変換結晶が周囲温度から受ける影響を少なくして高調波レーザ光の安定化を図ることもできる。 According to the harmonic conversion crystal unit of the present invention, with the configuration and operation as described above, the angle adjustment of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the fundamental wave is driven as much as possible to set the output of the harmonic as set. Can do. Further, the angle of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the fundamental wave can be easily optimized, and the biaxial adjustment function can be realized with a compact mechanism. Furthermore, it is possible to stabilize the harmonic laser light by reducing the influence of the wavelength conversion crystal on the ambient temperature.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の一実施形態による波形変換結晶ユニットの適応可能な高調波レーザ装置の全体構成を上面図で模式的に示す。この高調波レーザ装置は、ほぼ平坦な上面を有するベースまたは支持台(図1では図示せず)上に折り返し配置型で一対の終端ミラー10,12、固体レーザ活性媒体14、Qスイッチ16、波長変換結晶18および中間ミラー20,22を配置している。
FIG. 1 is a top view schematically showing the overall configuration of a harmonic laser apparatus to which a waveform conversion crystal unit according to an embodiment of the present invention can be applied. This harmonic laser device is a folded arrangement type on a base or support base (not shown in FIG. 1) having a substantially flat upper surface, a pair of terminal mirrors 10, 12, a solid-state laser
両終端ミラー10,12は、中間ミラー20,22を介して光学的に向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー10と中間ミラー20の反射面には、YAGレーザの基本波(1064nm)に対して反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー12の反射面には、基本波(1064nm)に対して反射性の膜がコーティングされているだけでなく、第2高調波(532nm)に対して反射性の膜もコーティングされている。中間ミラー22は、高調波分離出力ミラーであり、その反射面には基本波(1064nm)に対して反射性の膜がコーティングされており、第2高調波(532nm)に対しては透過性の膜がコーティングされている。
Both end mirrors 10 and 12 are optically opposed via
活性媒体14は、たとえばNd:YAGロッドからなり、一方の終端ミラー10と中間ミラー20との間に配置され、電気光学励起部24によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部24は、活性媒質14に向けて励起光を発生するための励起光源(たとえば励起ランプまたはレーザダイオード)を有し、制御部(図示せず)の制御の下で該励起光源を励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質14を持続的または断続的にポンピングする。図示の構成例では電気光学励起部24からの励起光を活性媒質14の側面に照射するが、活性媒質14の端面に照射する方式(端面励起方式)も可能である。活性媒質14で生成される基本波長の光ビームは、中間ミラー20,22を介して両終端ミラー10,12の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー(光共振器)10,12、中間ミラー20,22、活性媒質14および電気光学励起部24によって基本波長(1064nm)の光ビームまたは基本波レーザ光LBを光共振器内に生成するYAGレーザ発振器が構成されている。
The
Qスイッチ16は、たとえば音響光学Qスイッチからなり、図示しないQスイッチドライバからの所定の周期で一時中断する高周波電気信号に応動してスイッチング動作する。このQスイッチング動作により、光共振器内で高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパルスの基本波レーザ光LBが生成される。
The
波長変換結晶18は、たとえば角柱状のLBO(LiB3O5)結晶からなり、高調波分離出力ミラー22と終端ミラー12との間に配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線型相互作用により第2高調波(532nm)の光ビームSHGを光共振器の光路上に生成する。
The
波長変換結晶18より終端ミラー12側に出た第2高調波の光ビームSHGは、終端ミラー12で戻されて、波長変換結晶18を通り抜ける。波長変換結晶18より終端ミラー12の反対側に出た第2高調波の光ビームSHGは、高調波分離出力ミラー22に入射し、このミラー22をまっすぐ透過して光共振器の外へ出力されるようになっている。
The second harmonic light beam SHG emitted from the
光共振器の外には、高調波分離出力ミラー22より取り出された第2高調波の光ビームSHGを被加工物(たとえば被溶接物)Wに向けて伝送ないし照射するための光学系として、たとえばミラー26,28が設けられている。被加工物Wは任意の金属からなるものでよいが、特に銅または金の場合に大なる利点が得られる。
Outside the optical resonator, as an optical system for transmitting or irradiating the second harmonic light beam SHG extracted from the harmonic
波長変換結晶18は、この実施形態における波長変換結晶ユニット30に着脱可能に支持されている。この波長変換結晶ユニット30は、後述するように、光共振器の光軸つまり基本波の光軸に対する波長変換結晶18の角度(向き)の最適化を簡単な操作で容易に行える角度調整機構を備えている。
The
以下、波長変換結晶ユニット30の構成および作用を詳細に説明する。図2〜図6に、波長変換結晶ユニット30の構成を示す。図2は縦断面図、図3は左側面図、図4は正面図、図5は背面図、図6は上面図である。
Hereinafter, the configuration and operation of the wavelength
この波長変換結晶ユニット30は、波長変換結晶18を固定して収容する結晶ハウジング32と、光共振器の光軸(光路)に対するこの結晶ハウジング32の向き(特に波長変換結晶18の角度)を波長変換結晶18の中心部を通る互いに直交する水平線および鉛直線を回転軸線として第1および第2の方向で調整するための後述する第1および第2の角度調整機構とを有している。
The wavelength
結晶ハウジング32は、断熱部材たとえば樹脂からなり、矩形のボックス状に形成され、ハウジング内に設けた熱伝導率の高い材質たとえば銅からなる皿状の結晶ホルダ34に四角柱またはロッド状の波長変換結晶18を着脱可能に取付固定している(図2)。結晶ホルダ34はその結晶取付面を横に向けて配置され、波長変換結晶18は結晶ハウジング32内の中心部に配置される。波長変換結晶18の両端面と対向する結晶ハウジング32および結晶ホルダ34の側壁には、光ビーム(LB,SHG)を通すための開口32a,34aがそれぞれ形成されている(図6)。
The
結晶ホルダ34の裏面には、たとえばペルチェ素子からなるサーモモジュール36が接続されている。物理的に、サーモモジュール36は、結晶ハウジング32の開口部32bに設けられており、放熱面を結晶ハウジング32内(結晶ホルダ34)に向け、吸熱面を結晶ハウジング32の外に向けている(図2、図6)。機能的に、サーモモジュール36は、ケーブル38を介して温調用の電源回路(図示せず)に接続されており、該電源回路からの駆動信号に応じて結晶ハウジング32の外(吸熱面)から熱を吸収して結晶ハウジング32の中(結晶ホルダ34)に放熱するように動作する。結晶ホルダ34には波長変換結晶18の温度を検出するための温度センサ40が取り付けられている(図2)。この温度センサ40の出力信号は信号線(図示せず)を介して温調用の制御部(図示せず)に送られ、該制御部が波長変換結晶18の温度を設定温度に一致させるように上記電源回路を通じてサーモモジュール36の吸熱/放熱動作を制御する。
A
この実施形態では、波長変換結晶18の温度を常温よりも一段高い45゜C〜55゜C(最も好ましくは50゜C)に設定し、上記のようなサーモモジュール36、温度センサ40、制御部および電源回路によりフィードバック式の温度制御が行われる。このように常温よりも一段高い設定温度での温度調整によれば、波長変換結晶18の温度が周囲温度(通常35゜C以下)の影響を受けることなく一定値つまり設定温度に安定して維持される。これにより、温度変動に起因した第2高調波SHGの出力変動を防止することができる。
In this embodiment, the temperature of the
しかも、この実施形態では、樹脂製の結晶ハウジング32により結晶ホルダ34および波長変換結晶18を外部から熱的に遮断しているので、大気への放熱を防止し、共振器内の温度上昇を抑えることができる。また、サーモモジュール36は、波長変換結晶18の横つまり水平方向片側に配置されるため、レイアウトの面で波長変換結晶18の高さ位置を制限することがない。
In addition, in this embodiment, since the
結晶ハウジング32は、サーモモジュール36を介して鉛直方向に延びる板状のハウジング支持部42に複数本のボルト44で固定されている(図2〜図4)。ハウジング支持部42は、熱伝導率の高い材質たとえばアルミニウムからなり、その下端部にてサーモモジュール36の裏面(吸熱面)と密着している。
The
ハウジング支持部42は、水平面内で回転可能な回転支持部46に支持され、かつ回転支持部46に対して水平線Hを回転軸線として一定範囲(たとえば±3゜)以内で回転可能に取り付けられている(図2)。ここで、水平線Hは、結晶ハウジング32内で結晶ホルダ34に装着されている波長変換結晶18の中心部を基本波の光軸と直交して通る。この水平線H上で、回転支持部46側の丸孔(軸受)46aにハウジング支持部42の丸棒(回転軸)42aが回転可能に挿着されている。
The
図5に示すように、回転軸線Hよりも上方の位置で、回転支持部46に形成されたネジ孔46bに調整用の送りねじ48が貫通してねじ込められ、この送りねじ48の先端部がハウジング支持部42側のバネ受け部42bを所定の斜め角度φ1で押圧するようになっている。一方で、バネ受け部42bには、回転支持部48に取り付けられたコイルバネ50によって調整用送りネジ48の前進送りに対抗する復元力が与えられる。調整用送りねじ48のねじ込み量または送り量を加減することで、回転軸線Hを回転中心とする回転方向θYにおいてハウジング支持部42の向き、ひいては結晶ハウジング32内に収容されている波長変換結晶18の角度(向き)を調整できるようになっている。このように、送りねじ48よる直線移動の変位を回転方向θYにおける結晶ハウジング32の変位(つまり波長変換結晶18の変位)に変換するためのリンクが構成されている。
As shown in FIG. 5, at a position above the rotation axis H, an
上記のような回転支持部46と結晶ハウジング32との間に構築される第1の角度調整機構において、ボルト52は、ハウジング支持部42と回転支持部46とを接続するコイルバネ54(図3)のバネ力を調整するためのもので、回転支持部46の裏面側からハウジング支持部42側のねじ孔42c(図4)に螺着されている。また、ボルト56は、ハウジング支持部42を回転支持部46に固定するための締結用ねじであり、調整用送りねじ48によるθY方向の角度調整の完了後に締められて回転支持部46の背面側からハウジング支持部42のねじ孔42d(図4)に螺着される。
In the first angle adjusting mechanism constructed between the
さらに、回転支持部46の下面から垂直下方に回転軸46cが延びており、光共振器の支持台60の上面に形成されている軸受(図示せず)にこの回転軸46cが回転可能に挿着されている。これにより、回転支持部46は、回転軸46cの軸線Mを回転中心とする回転方向θXにおいて(支持台60上の水平面内で)回転変位できるようになっている。この回転軸線Mは、結晶ハウジング32内で結晶ホルダ34に保持されている波長変換結晶18の中心部を鉛直方向に通るような位置に設けられている。
Further, a
一方で、回転支持部46は、支持台60に固定されている固定支持部62とバネ部材を介して連結されている。より詳細には、図5および図6に示すように、回転支持部46の下端部には傾斜面64aを有するバネ受け部64が一体に設けられており、このバネ受け部64と固定支持部62との間にコイルバネ66が設けられる。そして、固定支持部62に形成されるネジ孔62aを貫通して上方から調整用の送りねじ68がねじ込まれて、送りねじ68の先端部がバネ受け部64の傾斜面64aに当接し、コイルバネ66を圧縮する方向にバネ受部64を押圧する。送りねじ68のねじ込み量または送り量を加減することで、回転軸線Mを回転中心とする回転方向θXにおいて回転支持部46の向き、ひいては結晶ハウジング32内に収容されている波長変換結晶18の角度を一定範囲(たとえば±3゜)内で任意に調整することができる。このように、送りねじ68よる直線移動の変位を回転方向θXにおける結晶ハウジング32の変位(つまり波長変換結晶18の変位)に変換するためのリンクが構成されている。
On the other hand, the
上記のような回転支持部46と固定支持部62との間に構築される第2の回転機構において、ボルト70は、回転支持部46を支持台60に固定するための締結用ねじであり、調整ネジ68によるθX方向の角度調整の完了後に締められて回転支持部46側から支持台60のネジ孔(図示せず)に螺着される。なお、ボルト70を通すために回転支持部46には回転方向(θX方向)に長く延びる長孔46dが形成されている(図6)。
In the second rotation mechanism constructed between the
上記のように、この実施形態の波長変換結晶ユニット30では、結晶ハウジング32内の結晶ホルダ34に装着されている波長変換結晶18の中心部をそれぞれ水平方向および鉛直方向に通る水平回転軸Hおよび垂直回転軸Mを回転中心として、基本波の光軸に対する波長変換結晶18の角度(向き)を相直交する2つの回転方向θY,θXでつまり2軸で任意かつ精細に調整することができる。このことにより、波長変換結晶18の角度を極限まで追い込んで最適化することができる。
As described above, in the wavelength
しかも、この実施形態では、第1(θY方向)の角度調整機構において調整用の送りねじ48を1回転させたときの角度変化量ΔθYを同方向における第2高調波出力変動の感度に対応させるとともに、第2(θX方向)の角度調整機構において調整用の送りねじ68を1回転させたときの角度変化量Δθ2を同方向における第2高調波出力変動の感度に対応させており、これによって2軸の調整感度を均一化して結晶角度の最適化を容易に行えるようにしている。
Moreover, in this embodiment, the angle change amount Δθ Y when the
より詳細には、この種の波長変換結晶(LBO結晶、KTP結晶等)は、基本波の光軸となす角度に対する高調波出力変動の感度が軸によって異なる。たとえば、図7に示す例では、相対的に、θY方向における高調波出力変動の感度は低く、θX方向における高調波出力変動の感度は高くなっている。この実施形態では、そのような両方向(θX,θY)における高調波出力変動の感度の違いに対応させて、第1(θY方向)および第2(θX方向)の角度調整機構における調整感度に違いを持たせている。すなわち、第1(θY方向)の角度調整機構における調整用送りねじ48のリードL48よりも第2(θX方向)の角度調整機構における調整用送りねじ68のリードL68を小さな値に設定し、たとえばL48=0.8mm、L68=0.5mmに設定する。また、第1(θY方向)の角度調整機構においてハウジング支持部42側のバネ受け部42bに作用する調整用送りねじ48の傾き角度φ1(図5)よりも第2(θX方向)の角度調整機構において回転支持部46側のバネ受け部64に作用する調整用送りねじ68の傾き角度φ2(図5)を大きな値に設定し、たとえばφ1=45゜,φ2=60゜に設定する。このように2軸の角度調整感度に適度の違いをもたせることで、結果的には単位操作量(たとえば調整用送りねじの1回転)に対する2軸の高調波出力変動の調整感度をほぼ同一にすることができる。このことにより、ユーザまたは作業員においては、同じ調整感覚で2軸の高調波出力変動の調整を行えるため、調整の追い込みを迅速かつ容易に行うことかできる。
More specifically, this type of wavelength conversion crystal (LBO crystal, KTP crystal, etc.) differs in sensitivity to harmonic output fluctuations with respect to the angle formed with the optical axis of the fundamental wave. For example, in the example shown in FIG. 7, the sensitivity of the harmonic output fluctuation in the θ Y direction is relatively low, and the sensitivity of the harmonic output fluctuation in the θ X direction is relatively high. In this embodiment, in the first (θ Y direction) and second (θ X direction) angle adjustment mechanisms in correspondence with the difference in sensitivity of harmonic output fluctuations in both directions (θ X, θ Y ). The adjustment sensitivity is different. That is, the lead L 68 of the
なお、図7の特性では、第1(θY方向)および第2(θX方向)のそれぞれにおいて高調波出力が最大値になるような角度θYM、θXMに合わせるのが結晶角度の最適化となる。 In the characteristics of FIG. 7, the optimum crystal angle is adjusted to the angles θ YM and θ XM so that the harmonic output becomes the maximum value in each of the first (θ Y direction) and the second (θ X direction). It becomes.
また、この実施形態の波長変換結晶ユニット30における第1(θY方向)および第2(θX方向)の角度調整機構は、波長変換結晶18の横つまり水平方向片側に延在しており、波長変換結晶18の前後の方向で占めるスペースは非常に小さい。このため、共振器の光路長を増大させることなく、つまりコンパクトな構成で上記のような2軸調整を実現している。
Further, the first (θ Y direction) and second (θ X direction) angle adjustment mechanisms in the wavelength
以上、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるわけではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.
たとえば、上記の実施形態では波長変換結晶18の温調するためのサーモモジュールにペルチェ素子を用いたが、他の方式のサーモモジュールたとえば温調水等の媒体を用いるタイプや抵抗発熱素子のような発熱素子を用いるタイプも可能である。また、上記した実施形態はQスイッチ方式の高調波レーザ装置に係るものであったが、Qスイッチを使用しないロングパルス方式の高調波レーザ装置にも本発明を適用することができる。また、本発明は、第2高調波の光ビームを生成する高調波レーザ装置に限るものでもなく、他の高調波たとえば第3高調波や第4高調波の光ビームを生成する高調波レーザ装置にも適用可能である。
For example, in the above embodiment, the Peltier element is used for the thermo module for adjusting the temperature of the
10,12 終端ミラー
14 活性媒体
18 波長変換結晶
20 中間ミラー
22 高調波分離出力ミラー
24 電気光学励起部
30 波長変換結晶ユニット
32 結晶
34 結晶保持部
36 サーモモジュール
40 温度センサ
42 ハウジング支持部
42a 回転軸
42b バネ受け部
46 回転支持部
46a 軸受
46c 回転軸
48 調整用送りねじ
50 コイルバネ
56 ボルト(締結用ねじ)
60 支持台
62 固定支持部
64 バネ受け部
66 コイルバネ
68 調整用送りねじ
72 ボルト(締結用ねじ)
DESCRIPTION OF
60
Claims (15)
前記波長変換結晶を保持する結晶保持部と、
前記結晶保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を前記光ビームの光軸と直交して通る第1の直線を回転軸線とする第1の回転方向で前記波長変換結晶の角度を第1の調整感度で調整する第1の角度調整部と、
前記結晶保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を前記光ビームの光軸および前記第1の直線と直交して通る第2の線を回転軸線とする第2の回転方向で前記波長変換結晶の角度を第2の調整感度で調整する第2の角度調整部と
を有し、
前記第1の調整感度と前記第2の調整感度との差が前記第1の回転方向において前記波長変換結晶の角度に対して前記第2の光ビームの出力が変動する感度と前記第2の回転方向において前記波長変換結晶の角度に対して前記第2の光ビームの出力が変動する感度との差に対応する、
波長変換結晶ユニット。 A wavelength conversion crystal unit for supporting a wavelength conversion crystal for generating a second light beam of higher harmonics by a nonlinear interaction with a first light beam having a fundamental wavelength in an optical resonator at a predetermined position;
A crystal holding unit for holding the wavelength conversion crystal;
The angle of the wavelength conversion crystal is set in a first rotation direction with a first straight line passing through a central portion of the wavelength conversion crystal held by the crystal holding unit orthogonal to the optical axis of the light beam as a rotation axis. A first angle adjustment unit for adjusting with the first adjustment sensitivity;
In the second rotation direction with the second axis passing through the central portion of the wavelength conversion crystal held by the crystal holding unit orthogonal to the optical axis of the light beam and the first straight line as the rotation axis have a second angle adjusting section for adjusting the angle of the wavelength conversion crystal in the second adjustment sensitivity,
The difference between the first adjustment sensitivity and the second adjustment sensitivity is that the output of the second light beam varies with respect to the angle of the wavelength conversion crystal in the first rotation direction and the second adjustment sensitivity. Corresponding to the difference in sensitivity with which the output of the second light beam varies with respect to the angle of the wavelength converting crystal in the rotation direction;
Wavelength conversion crystal unit.
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