JP4721654B2 - Wavelength conversion laser device - Google Patents

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本発明は、周波数の異なる2つのレーザ光を非線形光学結晶に入射させて入射レーザ光の差周波のレーザ光を出力させる波長変換レーザ装置に関し、特に赤外線レーザを効率よく得ることができる波長変換レーザ装置に関する。   The present invention relates to a wavelength conversion laser device that makes two laser beams having different frequencies incident on a nonlinear optical crystal and outputs a laser beam having a difference frequency between incident laser beams, and in particular, a wavelength conversion laser capable of efficiently obtaining an infrared laser. Relates to the device.

従来より、波長の異なる2つの励起光を非線形光学結晶中で混合すると励起光の周波数の差に対応する長い波長のコヒーレント光が発生するという差周波発生の原理を利用して、赤外光を発生するようにした赤外光発生装置が知られている。この赤外光発生装置は、波長の短い第1励起光(ポンプ光)が非線形光学結晶中で波長変換されて、波長可変の第2励起光(シグナル光)との差周波光を発生するので、赤外光の出力は短波長側のレーザ光によって決定される。   Conventionally, by mixing two pump lights with different wavelengths in a nonlinear optical crystal, infrared light can be generated using the principle of difference frequency generation, in which long wavelength coherent light corresponding to the difference in pump light frequency is generated. Infrared light generators that generate light are known. In this infrared light generator, the first pumping light (pump light) having a short wavelength is wavelength-converted in the nonlinear optical crystal and generates a difference frequency light with the second pumping light (signal light) having a variable wavelength. The output of infrared light is determined by the laser light on the short wavelength side.

たとえば、Ti:Sapphireレーザ発生装置から得られる波長可変レーザをポンプ光とし、Nd:YAGレーザ発生装置から得られる波長1.064μmのレーザをシグナル光として差周波光(赤外光)を発生する装置が知られている。この装置では、赤外光の出力はTi:Sapphireレーザの出力に依存するが、Ti:Sapphireレーザは波長0.532μmのNd:YAGレーザ第2高調波により励起する必要があるので、赤外光を高出力化するためには装置全体の大型化が避けられない。   For example, a device that generates a difference frequency light (infrared light) using a wavelength variable laser obtained from a Ti: Sapphire laser generator as pump light and a laser having a wavelength of 1.064 μm obtained from an Nd: YAG laser generator as signal light. It has been known. In this apparatus, the output of the infrared light depends on the output of the Ti: Sapphire laser, but the Ti: Sapphire laser needs to be excited by the second harmonic of the Nd: YAG laser having a wavelength of 0.532 μm. In order to increase the output, it is inevitable to increase the size of the entire apparatus.

これに対して、特許文献1には、短波長側のポンプ光としてNd:YAGレーザを用い、長波長側のシグナル光としてCr:forsteriteレーザを用いることにより構成した、高出力かつコンパクトで波長チューニング可能な赤外光発生装置が開示されている。
図12は、特許文献1に開示された赤外光発生装置のブロック図である。
On the other hand, Patent Document 1 discloses a high-power, compact, and wavelength tuning that is configured by using an Nd: YAG laser as the pump light on the short wavelength side and a Cr: forsterite laser as the signal light on the long wavelength side. A possible infrared light generator is disclosed.
FIG. 12 is a block diagram of the infrared light generator disclosed in Patent Document 1. In FIG.

開示された赤外発生装置では、パルス発生装置で発生するパルスにより2基のNd:YAGレーザ装置を同期駆動する。1基のNd:YAGレーザは波長1.064μmのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、もう1基のNd:YAGレーザはCr:forsteriteレーザの励起光源としてパルスレーザをCr:forsteriteレーザに供給する。
Cr:forsteriteレーザに入射したパルスレーザはレンズで構成されたテレスコープにより所定のビーム径を持つように調整された後、ビームスプリッターで分割されてCr:forsteriteレーザ結晶の両側面に入射して両サイド励起する。
レーザ結晶は出力鏡と反射鏡の間に配置され、レーザ結晶と反射鏡の間に分散プリズムが設けられる。反射鏡は回動鏡であって、反射方向を調整することにより分散プリズムで波長分散した光のうち選択した光だけが出力鏡まで戻るようにして、選択した波長の光が共振器内で共振してレーザ発振するようにする。
In the disclosed infrared generator, two Nd: YAG laser devices are synchronously driven by pulses generated by the pulse generator. One Nd: YAG laser is incident on the nonlinear optical crystal using a pulsed laser with a wavelength of 1.064 μm as pump light, and the other Nd: YAG laser is a pulsed laser as an excitation light source for a Cr: forsterite laser. To supply.
The pulse laser incident on the Cr: forsterite laser is adjusted to have a predetermined beam diameter by a telescope constituted by a lens, and then divided by a beam splitter and incident on both sides of the Cr: forsterite laser crystal. Side excitation.
The laser crystal is disposed between the output mirror and the reflecting mirror, and a dispersion prism is provided between the laser crystal and the reflecting mirror. The reflecting mirror is a rotating mirror that adjusts the direction of reflection so that only the selected light from the wavelength-dispersed light by the dispersion prism returns to the output mirror, and the light of the selected wavelength resonates in the resonator. So that laser oscillation occurs.

Cr:forsteriteレーザは、1.15〜1.35μmの範囲で波長を選択できる波長可変固体レーザで、発生した波長可変レーザ光をシグナル光として非線形光学結晶に供給する。
このように、Nd:YAGレーザが波長1.064μmのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、Cr:forsteriteレーザが波長1.15〜1.35μmの範囲で選択したレーザをシグナル光として非線形光学結晶に入射すると、ポンプ光とシグナル光の差周波数に係る5〜14μmの波長範囲の赤外光を選択的に発生する。
特開2002−287190号公報
The Cr: forsterite laser is a tunable solid-state laser that can select a wavelength in the range of 1.15 to 1.35 μm, and supplies the generated tunable laser light as signal light to the nonlinear optical crystal.
Thus, the Nd: YAG laser is incident on the nonlinear optical crystal using a pulse laser with a wavelength of 1.064 μm as pump light, and the laser selected by the Cr: forsterite laser within the wavelength range of 1.15 to 1.35 μm is used as signal light. When incident on the nonlinear optical crystal, it selectively generates infrared light having a wavelength range of 5 to 14 μm related to the difference frequency between the pump light and the signal light.
JP 2002-287190 A

差周波発生用の非線形光学結晶としては、カルコパイライト結晶であるAgGaS2 結晶、AgGa24 結晶、AgGaSe結晶、AgSe結晶などが使用できる。差周波光は入射させるポンプ光をシグナル光で変調して出力するもので、出力光の強度は光学結晶に入射する光エネルギーに依存する。したがって、強い出力光を得るためには結晶の入射面に入射するレーザ光の強度をできるだけ大きくすることが好ましい。 As the nonlinear optical crystal for generating the difference frequency, a chalcopyrite crystal such as AgGaS 2 crystal, AgGa 2 S 4 crystal, AgGaSe crystal, AgSe crystal, or the like can be used. The difference frequency light is generated by modulating the pump light to be incident with the signal light and outputting it. The intensity of the output light depends on the light energy incident on the optical crystal. Therefore, in order to obtain strong output light, it is preferable to increase the intensity of the laser light incident on the incident surface of the crystal as much as possible.

しかし、これら差周波用非線形光学結晶はある一定の強度を超えるレーザ光を入射させると破損する可能性があるため、適当な閾値を設定して閾値以上のエネルギーを持ったレーザ光が入射しないようにしなければならない。
ポンプ光やシグナル光として用いるレーザ光の空間エネルギー分布は正規分布型であるため、ピーク値が設定した閾値を越えないようにすると、結晶に入射するエネルギーの総量は大幅に減少する。使用するレーザビームの半値幅が小さいほど、ピークの周辺におけるエネルギーの減退量が大きく、結晶に注入できるエネルギー量が減少することになる。
However, these nonlinear optical crystals for difference frequency may be damaged when laser light exceeding a certain intensity is incident. Therefore, an appropriate threshold value is set so that laser light having energy higher than the threshold value is not incident. Must be.
Since the spatial energy distribution of laser light used as pump light or signal light is a normal distribution type, the total amount of energy incident on the crystal is greatly reduced if the peak value does not exceed the set threshold value. The smaller the half width of the laser beam to be used, the larger the amount of energy decrease around the peak, and the smaller the amount of energy that can be injected into the crystal.

また、出力光の強度は光学結晶に入射する光エネルギーに依存するから、結晶面における実際の入射面積ができるだけ大きいことが好ましいが、従来は結晶の入射面が長方形であるのに対して、光軸に垂直な面における光エネルギーが光軸にエネルギーのピークがある円形分布をしたレーザ光を入射させていたので、結晶の入射面や結晶ボリュームのうち周縁部の貢献が少なく、差周波光の出力を十分大きくすることができなかった。   In addition, since the intensity of the output light depends on the light energy incident on the optical crystal, it is preferable that the actual incident area on the crystal plane be as large as possible. Since the laser light having a circular distribution in which the optical energy in the plane perpendicular to the axis has an energy peak in the optical axis is incident, the contribution of the peripheral part of the crystal incidence plane and crystal volume is small, and the difference frequency light The output could not be increased sufficiently.

そこで、本発明の解決しようとする課題は、差周波用非線形光学結晶の全体を有効に利用して差周波光出力を増大させるようにした小型の波長変換レーザ装置を提供することである。また、差周波光を生成するために使用する波長可変レーザの光軸安定性とスペクトル狭線化の両立が可能な波長変換レーザ装置を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a small wavelength conversion laser device that increases the difference frequency light output by effectively using the entire difference frequency nonlinear optical crystal. It is another object of the present invention to provide a wavelength conversion laser device capable of achieving both optical axis stability and spectral line narrowing of a wavelength tunable laser used for generating difference frequency light.

上記課題を解決するため本発明の波長変換レーザ装置は、2つの波長の異なるレーザ光をポンプ光とシグナル光として入射すると入射レーザ光の差周波を持つレーザ光を出力する非線形光学結晶を備えた波長変換レーザ装置であって、非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍を透過させるアパーチャを備え、アパーチャにおけるレーザ光の像を非線形光学結晶の入射面に像転送するイメージリレーを備えることを特徴とする。
イメージリレーは、少なくともポンプ光の入射経路中に設けることが好ましいが、さらにシグナル光の入射経路中にも設けることがより好ましい。
In order to solve the above problems, the wavelength conversion laser device of the present invention includes a nonlinear optical crystal that outputs laser light having a difference frequency between incident laser light when laser light having two different wavelengths is incident as pump light and signal light. A wavelength conversion laser device comprising an aperture that transmits the vicinity of the optical axis of laser light incident on the nonlinear optical crystal, and an image relay that transfers an image of the laser light in the aperture to the incident surface of the nonlinear optical crystal. Features.
The image relay is preferably provided at least in the incident path of the pump light, but more preferably provided in the incident path of the signal light.

イメージリレーは、焦点距離f1の第1の凸レンズと焦点距離f2の第2の凸レンズを光軸上で焦点を共有するように配置したもので、第1凸レンズの前方、距離X1の位置にある基準面と、第2凸レンズの後方、距離X2の位置における像転送面の間に、
M=f2/f1
X2=M(f1+f2)−M2X1
という関係が成立する場合は、基準面に存在する2次元イメージがそのまま拡大縮小して像転送面の位置に転写される。なお、Mは倍率である。
In the image relay, a first convex lens having a focal length f1 and a second convex lens having a focal length f2 are arranged so as to share a focal point on the optical axis, and a reference located at a distance X1 in front of the first convex lens. Between the surface and the image transfer surface at the distance X2 behind the second convex lens,
M = f2 / f1
X2 = M (f1 + f2) −M 2 X1
When the above relationship is established, the two-dimensional image existing on the reference plane is enlarged and reduced as it is and transferred to the position of the image transfer plane. Note that M is a magnification.

レーザ装置から放射されるレーザ光は、エネルギーが光軸を中心とする正規分布をしているので、これをコリメータなどを用いて軸に垂直な方向に拡大しピーク付近のエネルギー分布を緩やかにした上でアパーチャに投射すると、アパーチャを通過するレーザ光は光軸に垂直な方向におけるエネルギー分布がほぼ台形状になる。イメージリレーを上式に従って適切に配置すると、アパーチャ位置(基準面)におけるエネルギー分布状態を非線形光学結晶の入射面(像転送面)に像転送することができるので、非線形光学結晶の入力エネルギ閾値に対して適当なマージンを持つようにエネルギーのピーク値を調整すれば、台形をしたエネルギー分布を持つことから、正規分布状態の場合と比較すると全体として著しく大きなエネルギーを結晶に注入することができる。したがって、本発明の波長変換レーザ装置によれば、高いエネルギー水準を持った出力光を得ることができる。
また、イメージリレーによれば、光軸方向に多少のずれが生じても基準面と像転送面の位置に変化がなく、基準面上の2次元像が像転送面上に転送される。したがって、レーザ装置の光軸が変動する場合にも像転送面におけるレーザ光の変動が小さく、安定したレーザ出力を得ることができる。
Since the laser light emitted from the laser device has a normal distribution with the energy centered on the optical axis, it is expanded in the direction perpendicular to the axis using a collimator, etc., and the energy distribution near the peak is moderated. When projected onto the aperture above, the energy distribution in the direction perpendicular to the optical axis of the laser light passing through the aperture has a substantially trapezoidal shape. If the image relay is appropriately arranged according to the above equation, the energy distribution state at the aperture position (reference plane) can be transferred to the incident surface (image transfer plane) of the nonlinear optical crystal, so that the input energy threshold of the nonlinear optical crystal can be set. On the other hand, if the peak value of the energy is adjusted so as to have an appropriate margin, since the trapezoidal energy distribution is obtained, significantly larger energy can be injected into the crystal as a whole as compared with the case of the normal distribution state. Therefore, according to the wavelength conversion laser device of the present invention, it is possible to obtain output light having a high energy level.
Further, according to the image relay, even if a slight shift occurs in the optical axis direction, the positions of the reference plane and the image transfer plane are not changed, and a two-dimensional image on the reference plane is transferred onto the image transfer plane. Therefore, even when the optical axis of the laser device fluctuates, the fluctuation of the laser beam on the image transfer surface is small, and a stable laser output can be obtained.

アパーチャのレーザ光通過部の形状は、非線形光学結晶の入射面の形状に対応する形状にすることができる。
イメージリレーを使ってアパーチャにおける像を光学結晶の入射面に像転送することができるから、光学結晶の入射面が長方形であるときはアパーチャの穴形状を相似の長方形として倍率を調整することにより、光学結晶入射面の全面にレーザ光を入射させてエネルギー効率を向上させることができる。また、光学結晶の隅部分まで十分に利用して変換効率を向上させることができる。
The shape of the aperture laser beam passage portion can be made to correspond to the shape of the incident surface of the nonlinear optical crystal.
Since the image at the aperture can be transferred to the entrance surface of the optical crystal using an image relay, when the entrance surface of the optical crystal is a rectangle, the aperture shape of the aperture is adjusted to a similar rectangle, and the magnification is adjusted. Energy efficiency can be improved by making laser light incident on the entire surface of the optical crystal incident surface. Further, the conversion efficiency can be improved by fully utilizing the corners of the optical crystal.

シグナル光用の波長可変レーザ発生装置における共振器内に減衰器を挿入して、シグナル光のスペクトル狭線化とエネルギー調整を行うことができるようにすることが好ましい。
出力する差周波光に対応してポンプ光とシグナル光の強度に最適な組み合わせがある。たとえば、ある差周波光に対してポンプ光が15mJに対してシグナル光が5mJであることが好ましいとすれば、シグナル光の出力装置の容量が20mJであっても、非線形光学結晶に入力するシグナル光は5mJに減衰させる必要がある。
一方、シグナル光のスペクトル幅は狭いほど、正確な差周波光を得ることができ、また変換効率も向上して差周波出力が大きくなる。
It is preferable to insert an attenuator in the resonator of the wavelength tunable laser generator for signal light so that the spectrum narrowing and energy adjustment of the signal light can be performed.
There is an optimal combination of pump light and signal light intensity corresponding to the output difference frequency light. For example, if it is preferable that the pump light is 15 mJ with respect to a certain difference frequency light and the signal light is 5 mJ, the signal input to the nonlinear optical crystal even if the capacity of the signal light output device is 20 mJ. Light needs to be attenuated to 5 mJ.
On the other hand, the narrower the spectral width of the signal light, the more accurate difference frequency light can be obtained, and the conversion efficiency is improved and the difference frequency output is increased.

従来方法では、シグナル光用レーザ発生装置の出力をフィルタで低減するが、この方法では大出力装置の波長分散状態を維持したまま出力が低下するので、スペクトル幅は狭くならない。
これに対して、レーザ装置の共振器内で光エネルギーを減衰させると、ゲインの高い中心波長付近のモードが選択的に発振しながら、全発振出力が低下するのでスペクトル幅は小さくなり、差周波出力を向上させることができる。
In the conventional method, the output of the signal light laser generator is reduced by a filter. However, in this method, the output is reduced while maintaining the chromatic dispersion state of the large output device, so that the spectrum width is not narrowed.
On the other hand, when the optical energy is attenuated in the resonator of the laser device, the mode near the center wavelength with a high gain is selectively oscillated, and the total oscillation output is reduced. The output can be improved.

共振器内で使用する減衰器には、回折格子、アパーチャなどが使えるが、光軸に対する入射面の傾きを調整することができるようにしたガラス板を利用することもできる。ガラス板に対する入射光の透過率はガラス面への入射角に依存するため、光軸に対するガラス面角度を変化させることによりガラス板を透過するレーザ光のエネルギーを調整してレーザ発生装置のレーザ出力を容易に制御することができる。   As the attenuator used in the resonator, a diffraction grating, an aperture, or the like can be used, but a glass plate that can adjust the inclination of the incident surface with respect to the optical axis can also be used. Since the transmittance of incident light to the glass plate depends on the angle of incidence on the glass surface, the laser output of the laser generator is adjusted by adjusting the energy of the laser light that passes through the glass plate by changing the glass surface angle with respect to the optical axis. Can be easily controlled.

なお、ガラス板はレーザ光路中に1対備え、その1対がレーザ光路に垂直な面に対して互いに面対称になるように配置してもよい。
光がガラス板を透過すると光軸が平行移動するが、対称配置した1対のガラス板を通るようにすると光軸が元の方向に戻るので、光学系の構造が単純になる。なお、簡単な歯車機構などを利用することにより1対のガラス板を面対称に角度調整を行うことができる。
Note that a pair of glass plates may be provided in the laser beam path, and the pair may be arranged so as to be symmetrical with respect to a plane perpendicular to the laser beam path.
When the light passes through the glass plate, the optical axis moves in parallel. However, when the light passes through a pair of symmetrically arranged glass plates, the optical axis returns to the original direction, so that the structure of the optical system becomes simple. Note that the angle of the pair of glass plates can be adjusted symmetrically by using a simple gear mechanism or the like.

また、波長可変レーザ発生装置の共振器における共振ミラー部は、波長分散方向に凹レンズ特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凹レンズと波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凹ミラー特性を持つシリンドリカル凹ミラーの組み合わせにより構成されることが好ましい。このような構成では、波長分散方向については凹レンズの作用により分散性能が向上する。一方、これと垂直な方向は出力の安定性に係る方向であるが、凹面鏡の作用で安定性が向上する。このように、2つの方向について共振器パラメータを独立に選択できるようにして、光軸安定性とスペクトル狭線化の両立が可能になる。   In addition, the resonant mirror part in the resonator of the wavelength tunable laser generator has a concave lens characteristic in the wavelength dispersion direction and does not have power in the direction perpendicular thereto, and a cylindrical concave lens that has no power in the wavelength dispersion direction and does not have power in the wavelength dispersion direction. It is preferable to be constituted by a combination of cylindrical concave mirrors having concave mirror characteristics. In such a configuration, the dispersion performance is improved by the action of the concave lens in the wavelength dispersion direction. On the other hand, the direction perpendicular to this is the direction related to the stability of the output, but the stability is improved by the action of the concave mirror. As described above, the resonator parameters can be independently selected for the two directions, so that both the optical axis stability and the spectrum narrowing can be achieved.

なお、上記組み合わせと光学的に等価である、波長分散方向にパワーを持たずこれに垂直な方向に凸レンズ特性を持つシリンドリカル凸レンズと波長分散方向に凸ミラー特性を示しこれに垂直な方向にパワーを持たないシリンドリカル凸ミラーの組み合わせにより構成しても同じ効果が得られることは明らかである。
そこで、本発明の波長変換レーザ装置は、波長可変レーザ光を出力する光共振器が、レーザ媒体から出力された光を波長にしたがって分散させる波長分散素子と、波長分散素子から入射する光の波長分散方向と垂直な方向に対して凹面を有して入射した光を反射させる反射鏡と、反射鏡と出力鏡の間に配置され波長分散方向に対して凹レンズ特性を有し波長分散素子により分散された光をさらに分散させる光学素子とを含み、反射鏡が波長分散方向に対して垂直な方向における光の光軸の変動を抑制し出力鏡側へ光を反射するように構成されることを特徴とする。
また、反射鏡が入射する光の波長分散方向に対して凸面を有して入射した光を反射させ、反射鏡と出力鏡の間に配置される光学素子が波長分散方向と垂直な方向に対して凸レンズ特性を有し波長分散方向と垂直な方向における光の光軸の変動を抑制し、反射鏡が、波長分散素子により分散された光をさらに分散させて出力鏡側へ光を反射するように構成されるものであってもよい。
It is optically equivalent to the above combination, a cylindrical convex lens having a convex lens characteristic in a direction perpendicular to the chromatic dispersion direction and a convex mirror characteristic in the chromatic dispersion direction and having a power in a direction perpendicular thereto. It is clear that the same effect can be obtained even if it is constituted by a combination of cylindrical convex mirrors that do not have.
Therefore, in the wavelength conversion laser device of the present invention, the optical resonator that outputs the wavelength tunable laser light disperses the light output from the laser medium according to the wavelength, and the wavelength of the light incident from the wavelength dispersive element. A reflecting mirror that has a concave surface in the direction perpendicular to the dispersion direction and reflects incident light, and is disposed between the reflecting mirror and the output mirror and has a concave lens characteristic in the chromatic dispersion direction and is dispersed by the wavelength dispersion element An optical element that further disperses the emitted light, and the reflector is configured to reflect the light toward the output mirror while suppressing fluctuations in the optical axis of the light in a direction perpendicular to the wavelength dispersion direction. Features.
In addition, the reflecting mirror reflects the incident light with a convex surface with respect to the wavelength dispersion direction of the incident light, and the optical element disposed between the reflecting mirror and the output mirror is perpendicular to the wavelength dispersion direction It has convex lens characteristics and suppresses fluctuations in the optical axis of light in the direction perpendicular to the wavelength dispersion direction, so that the reflector further disperses the light dispersed by the wavelength dispersion element and reflects the light to the output mirror side. It may be configured as follows.

AgGaS2 結晶、AgGaSe2結晶などの非線形光学結晶に、周波数ω1のレーザ光と周波数ω2のレーザ光を入力させると差周波数ω3(=ω1−ω2)のレーザ光(DFG)を出力する非線形光学現象は知られており、たとえば特許文献1にも、波長1.064μmのレーザ光と1.15〜1.35μmの波長可変レーザ光をAgGaS2 結晶など、カルコパイライト結晶からなる非線形光学結晶で混合して波長変換し、5〜14μmの範囲で波長調整した赤外光を得るようにした赤外光発生装置が開示されている。
本発明は、このような波長変換レーザ装置にイメージリレーを取り込むことにより出力を向上させたものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
AgGaS 2 crystals, nonlinear optical crystal such as AgGaSe 2 crystals, laser beam and the nonlinear optical phenomena for outputting laser light (DFG) of when the input laser light difference frequency ω3 frequency ω2 (= ω1-ω2) frequency .omega.1 For example, in Patent Document 1, a laser beam having a wavelength of 1.064 μm and a tunable laser beam having a wavelength of 1.15 to 1.35 μm are mixed with a nonlinear optical crystal made of chalcopyrite crystal such as AgGaS 2 crystal. Infrared light generators are disclosed that obtain wavelength-converted wavelength-adjusted infrared light in the range of 5 to 14 μm.
The present invention improves the output by incorporating an image relay into such a wavelength conversion laser device.
Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples.

図1は、本発明の1実施例に係る波長変換レーザ装置の概念的なブロック図である。
本実施例の波長変換レーザ装置は、図12に示した特許文献1に開示された赤外光発生装置を基礎として、さらにアパーチャとイメージリレーを加えたところに主な特徴があり、また、より効率を向上させるためにシグナル光用レーザ発生装置の内部構造に改良を加えたところに特徴がある。したがって、非線形光学結晶に入射するレーザのレーザ発生装置の基本構造については特許文献1に詳細な記載があるので、本明細書では主に発明の特徴点について詳しく説明する。
FIG. 1 is a conceptual block diagram of a wavelength conversion laser device according to one embodiment of the present invention.
The wavelength conversion laser device of the present embodiment is based on the infrared light generation device disclosed in Patent Document 1 shown in FIG. 12 and has a main feature in which an aperture and an image relay are further added. In order to improve efficiency, the internal structure of the signal light laser generator is improved. Therefore, since the basic structure of the laser generator for the laser incident on the nonlinear optical crystal is described in detail in Patent Document 1, the features of the invention will be mainly described in detail in this specification.

本実施例の波長変換レーザ装置は、短周波数ω1のレーザ光を発生する第1のレーザ装置1とこれより長い周波数ω2のレーザ光を発生する第2のレーザ装置2と非線形光学結晶3を備え、さらにこれら2つのレーザ装置と非線形光学結晶の間にそれぞれアパーチャとイメージリレーを備える。
非線形光学結晶3はAgGaS2 結晶などの光混合型非線形光学結晶で、周波数ω1とω2のレーザ光を入力するとそれらの周波数の差の周波数ω3(=ω1−ω2)を持った差周波光(DFG)を出力する。
光学結晶3から放射される差周波光は、基本的にポンプ光の波長変換作用によって発生するもので、差周波光のエネルギーはポンプ光のエネルギーに依存する。また、差周波光の周波数はポンプ光とシグナル光の周波数差であるから、シグナル光の周波数を変化させることにより調整することができる。
The wavelength conversion laser device of this embodiment includes a first laser device 1 that generates laser light having a short frequency ω1, a second laser device 2 that generates laser light having a longer frequency ω2, and a nonlinear optical crystal 3. Furthermore, an aperture and an image relay are provided between these two laser devices and the nonlinear optical crystal, respectively.
The nonlinear optical crystal 3 is a light mixing type nonlinear optical crystal such as an AgGaS 2 crystal. When laser beams having frequencies ω1 and ω2 are input, a difference frequency light (DFG) having a frequency ω3 (= ω1−ω2) of a difference between the frequencies. ) Is output.
The difference frequency light emitted from the optical crystal 3 is basically generated by the wavelength conversion action of the pump light, and the energy of the difference frequency light depends on the energy of the pump light. Further, since the frequency of the difference frequency light is the frequency difference between the pump light and the signal light, it can be adjusted by changing the frequency of the signal light.

たとえば、第1レーザ装置1としてNd:YAGレーザを用いて、波長1.064μmのパルスレーザを相対的に大きなエネルギーを持ったポンプ光として光学結晶3に入力し、ポンプ光より長波長の1.15〜1.35μmの範囲のレーザ光を発生するCr:forsteriteレーザを第2レーザ装置として、たとえば波長1.284μmに調整した出力レーザを波長変換に寄与するシグナル光として光学結晶3に入力すると、光学結晶3からは入力したレーザ光の他に波長6.21μmの差周波光が出力する。これら出力光をGeフィルター4に通して波長分別し、長波長の差周波光(赤外光)のみを外部に取り出すようにすれば、波長変換レーザ装置は赤外光発生装置となる。   For example, an Nd: YAG laser is used as the first laser device 1 and a pulse laser having a wavelength of 1.064 μm is input to the optical crystal 3 as pump light having a relatively large energy, and 1.. When a Cr: forsterite laser that generates laser light in the range of 15 to 1.35 μm is used as the second laser device, for example, an output laser adjusted to a wavelength of 1.284 μm is input to the optical crystal 3 as signal light contributing to wavelength conversion, The optical crystal 3 outputs difference frequency light having a wavelength of 6.21 μm in addition to the input laser light. If these output lights are passed through the Ge filter 4 for wavelength separation and only the long-wavelength difference frequency light (infrared light) is extracted to the outside, the wavelength conversion laser device becomes an infrared light generator.

本実施例の波長変換レーザ装置は、第1レーザ装置1の出力をコリメータ5など拡幅装置で光軸に垂直な方向に拡幅してピーク付近のエネルギー分布を緩やかにした後に、アパーチャ6で出力レーザの光軸付近の平坦部分を切り出す。
第1レーザ装置1から出力されるレーザ光のエネルギーはガウス分布をしており、軸付近で最大値をとり周辺に行くにつれて急激に強度が低下する。したがって、出力レーザ光をそのまま光学結晶3に投入する場合は、ピークにおけるエネルギーが結晶の損傷閾値に対して十分安全な水準以下である必要があることからピーク値をあまり高くすることができない上、エネルギーがガウス分布することから光軸から離れた領域のエネルギー水準が低くなるので、光学結晶3に入力するエネルギーの総量を大きくすることができない。
In the wavelength conversion laser device of the present embodiment, the output of the first laser device 1 is widened in a direction perpendicular to the optical axis by a widening device such as a collimator 5 to moderate the energy distribution near the peak, and then the output laser is output by the aperture 6. Cut out a flat part near the optical axis.
The energy of the laser beam output from the first laser device 1 has a Gaussian distribution, takes a maximum value in the vicinity of the axis, and rapidly decreases in intensity as it goes to the periphery. Therefore, when the output laser beam is directly applied to the optical crystal 3, the peak value cannot be made very high because the energy at the peak needs to be below a sufficiently safe level with respect to the damage threshold of the crystal. Since the energy is Gaussian distributed, the energy level in the region away from the optical axis is lowered, so that the total amount of energy input to the optical crystal 3 cannot be increased.

本実施例では、出力レーザの光軸付近でエネルギー分布が緩やかになっている部分を拡幅によりさらに平坦にしてからアパーチャ6に投影する。アパーチャ6はその平坦な光軸部分を切り出すので、アパーチャ6を透過した後のレーザ光のエネルギー分布はほぼ台形状になり、レーザ光のエネルギーが横断方向に平均化されている。図1には、第1レーザ装置1の出力レーザがコリメータ5を通る間にエネルギー分布の変化する様子が記入されている。
アパーチャ6を透過したレーザはイメージリレー7により光学結晶3の入射面上に像転送される。
In this embodiment, a portion where the energy distribution is gentle near the optical axis of the output laser is further flattened by widening, and then projected onto the aperture 6. Since the aperture 6 cuts out the flat optical axis portion, the energy distribution of the laser light after passing through the aperture 6 has a substantially trapezoidal shape, and the energy of the laser light is averaged in the transverse direction. FIG. 1 shows a state in which the energy distribution changes while the output laser of the first laser device 1 passes through the collimator 5.
The laser beam transmitted through the aperture 6 is image-transferred onto the incident surface of the optical crystal 3 by the image relay 7.

図2はイメージリレーの構成を説明する図面である。
イメージリレーは、焦点距離f1の第1凸レンズLs1と焦点距離f2の第2凸レンズLs2を光軸を同じくして光軸上で焦点を共有するように配置したもので、第1凸レンズLs1の前方で距離X1の位置にある基準面(A面)と、第2凸レンズLs2の後方で距離X2の位置における像転送面(B面)の間に、
M=f2/f1
X2=M(f1+f2)−M2X1
という関係が成立するようにしたものである。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the image relay.
In the image relay, a first convex lens Ls1 having a focal length f1 and a second convex lens Ls2 having a focal length f2 are arranged so as to share the focal point on the optical axis with the same optical axis, and in front of the first convex lens Ls1. Between the reference surface (A surface) at the position of the distance X1 and the image transfer surface (B surface) at the position of the distance X2 behind the second convex lens Ls2.
M = f2 / f1
X2 = M (f1 + f2) −M 2 X1
The relationship is established.

イメージリレーを用いると、基準面における2次元イメージがそのままM倍に拡大縮小して像転送面に転写される。
なお、イメージリレーによる像転送では、図に点線で示したように、光軸方向に多少のずれが生じても基準面と像転送面の位置に変化がなく、基準面上の2次元像が像転送面上に転送される。したがって、光学系を構成する場合には、イメージリレーを堅牢な光学的構造として利用することができる。
When the image relay is used, the two-dimensional image on the reference surface is directly enlarged and reduced by M times and transferred to the image transfer surface.
In the image transfer by the image relay, as shown by the dotted line in the figure, the position of the reference plane and the image transfer plane does not change even if a slight deviation occurs in the optical axis direction, and the two-dimensional image on the reference plane is Transferred onto the image transfer surface. Therefore, when configuring an optical system, the image relay can be used as a robust optical structure.

アパーチャ6の位置を基準面とし非線形光学結晶3の入射面を像転送面として、イメージリレー7を上式に従って適切に配置すると、アパーチャ6におけるエネルギー分布状態を非線形光学結晶3の入射面に像転送することができる。
したがって、アパーチャ6とイメージリレー7を通って光学結晶3に入射するレーザ光の台形状エネルギー分布の台形上面におけるエネルギー値が光学結晶の損傷閾値に対して適当な値になるように調整すれば、入射エネルギーの全領域に亘ってエネルギー水準を可能な限度に近付けることができ、結晶への入力エネルギーの総量は著しく大きくなる。
When the position of the aperture 6 is the reference plane, the incident surface of the nonlinear optical crystal 3 is the image transfer surface, and the image relay 7 is appropriately arranged according to the above formula, the energy distribution state in the aperture 6 is transferred to the incident surface of the nonlinear optical crystal 3. can do.
Therefore, if the energy value on the trapezoidal top surface of the trapezoidal energy distribution of the laser light incident on the optical crystal 3 through the aperture 6 and the image relay 7 is adjusted to be an appropriate value with respect to the damage threshold of the optical crystal, The energy level can be approached as much as possible over the entire range of incident energy, and the total amount of input energy to the crystal is significantly increased.

また、イメージリレーによる像転送は光軸方向が多少ずれても像転送面における変化が小さいため、レーザ装置の光軸が変動する場合にも像転送面におけるレーザ光の変動が小さい。
このようにアパーチャとイメージリレーを利用することにより、非線形光学結晶3のボリュームを有効に活用して、結晶から出力される差周波光の強度を大いに強化することができる。
In addition, since image transfer by an image relay has a small change on the image transfer surface even if the optical axis direction is slightly deviated, the fluctuation of the laser beam on the image transfer surface is small even when the optical axis of the laser device changes.
By utilizing the aperture and the image relay in this way, the intensity of the difference frequency light output from the crystal can be greatly enhanced by effectively utilizing the volume of the nonlinear optical crystal 3.

さらに、イメージリレー7による像転送では、アパーチャ6の開口におけるレーザ出力形状を維持したまま光学結晶3の入射面に移転することができるので、アパーチャ6の開口の形状を光学結晶3の入射面と相似形にして像転送の倍率を調整することにより、入射面の全体にレーザエネルギーを注入することができる。たとえば、入射面が矩形であればアパーチャ開口も相似の矩形にすれば、入射面の全面にレーザ光が入射して、光学結晶3のボリューム全体が作用して効率良く差周波光生成を行うことができる。
従来は矩形の入射面に対して円形断面のレーザ光を入射していたのと比較すると、エネルギー分布を平坦化しかつアパーチャ開口を適合する形状にすることによってほぼ4倍の効率向上になる。
Further, in the image transfer by the image relay 7, the shape of the aperture of the aperture 6 can be changed to the incident surface of the optical crystal 3 since the laser output shape at the aperture of the aperture 6 can be transferred to the incident surface of the optical crystal 3. By adjusting the image transfer magnification to a similar shape, laser energy can be injected into the entire incident surface. For example, if the incident surface is rectangular, if the aperture opening is a similar rectangle, the laser light is incident on the entire surface of the incident surface, and the entire volume of the optical crystal 3 acts to efficiently generate the difference frequency light. Can do.
Compared to the conventional case where a laser beam having a circular cross section is incident on a rectangular incident surface, the efficiency is improved by a factor of about 4 by flattening the energy distribution and making the aperture aperture suitable.

第2レーザ装置2は、第1レーザ装置1より低周波数のパルスレーザをシグナル光として非線形光学結晶3に供給する装置である。
本実施例では、第2レーザ装置2にCr:forsteriteをレーザ媒体とするCr:forsteriteレーザ装置を利用する。第2レーザ装置2は、Cr:forsteriteレーザ媒体21を挟んで設けられた出力鏡22と反射鏡24の間に分散プリズム23を収納した共振器を備える。
The second laser device 2 is a device that supplies a pulse laser having a frequency lower than that of the first laser device 1 to the nonlinear optical crystal 3 as signal light.
In this embodiment, a Cr: forsterite laser device using Cr: forsterite as a laser medium is used for the second laser device 2. The second laser device 2 includes a resonator in which a dispersion prism 23 is accommodated between an output mirror 22 and a reflecting mirror 24 provided with a Cr: forsterite laser medium 21 interposed therebetween.

なお、図1には記載していないが、図12にあるものと同様に、同じパルス発生装置により同期駆動されるもう1基のNd:YAGレーザをCr:forsteriteレーザ媒体の励起光源として使用する。また、回動鏡やレーザ媒体の姿勢などを調整することにより出力レーザの波長を1.15〜1.35μmの範囲で選択することができる。
本実施例のCr:forsteriteレーザ装置2は、出力レーザをより狭帯域化し光軸を安定化するため、共振器内にさらに減衰器25を組み込んである。
Although not shown in FIG. 1, as in FIG. 12, another Nd: YAG laser that is synchronously driven by the same pulse generator is used as an excitation light source for a Cr: forsterite laser medium. . Further, the wavelength of the output laser can be selected in the range of 1.15 to 1.35 μm by adjusting the posture of the rotating mirror and the laser medium.
The Cr: forsterite laser apparatus 2 of this embodiment further incorporates an attenuator 25 in the resonator in order to narrow the output laser band and stabilize the optical axis.

シグナル光の強度は強ければよいのではなく、差周波光出力に応じてポンプ光の強度と釣り合う値があるので、たとえば15mJのポンプ光に対して5mJなど適当な値になるように調整しなければならない。普通には、出力光の経路中にフィルタを挿入して適当な値に低減させるが、この方法では発振光の波長スペクトルはガウス分布状態で得られた後で比例的に低減させるので、出力光において、分散した波長変動幅がそのまま保存され、スペクトル線幅は狭化されない。   The intensity of the signal light does not have to be strong, but there is a value that balances with the intensity of the pump light according to the difference frequency light output. For example, 5 mJ should be adjusted to an appropriate value for 15 mJ pump light. I must. Normally, a filter is inserted in the path of the output light to reduce it to an appropriate value. However, in this method, the wavelength spectrum of the oscillation light is proportionally reduced after being obtained in a Gaussian distribution state. In FIG. 5, the dispersed wavelength fluctuation width is preserved as it is, and the spectral line width is not narrowed.

ここで、シグナル光の周波数ω2のスペクトル幅が狭いほど差周波光のパワーが大きくなる。
図3は、非線形光学結晶で差周波光を生成させるときのシグナル光のスペクトル線幅と差周波光の出力の関係を説明するグラフである。図は、波長1.064μmのポンプ光と波長1.284μmのシグナル光から波長6.21μmの差周波光を得る場合について、横軸にシグナル光の周波数ω2のスペクトル線幅を示し、縦軸にこれに対する差周波光出力をプロットしてある。
Here, the power of the difference frequency light increases as the spectrum width of the frequency ω2 of the signal light is narrower.
FIG. 3 is a graph for explaining the relationship between the spectral line width of the signal light and the output of the difference frequency light when the difference frequency light is generated by the nonlinear optical crystal. The figure shows the spectral line width of the frequency ω2 of the signal light on the horizontal axis and the vertical axis on the case where the difference frequency light of wavelength 6.21 μm is obtained from the pump light of wavelength 1.064 μm and the signal light of wavelength 1.284 μm. The difference frequency light output is plotted against this.

図から、スペクトル線幅が殆ど無い場合に350μJ程度の出力が見込まれるのに対して、スペクトル線幅が1nmになると出力は200μJと半減し、さらに2nmになると120μJまで低下することが分かる。
したがって、入力エネルギーが一定の場合は、シグナル光の周波数ω2のスペクトル幅が狭い方が高い差周波光出力が得られる。さらに、AgGaS2 のように損傷閾値の小さい非線形光学結晶を使用する場合は、それに入力できるレーザのエネルギーは制限されるため、スペクトル幅の狭線化は差周波光出力の向上に有効な手段となる。
From the figure, it can be seen that an output of about 350 μJ is expected when there is almost no spectral line width, whereas the output is halved to 200 μJ when the spectral line width becomes 1 nm, and decreases to 120 μJ when the spectral line width becomes 2 nm.
Therefore, when the input energy is constant, a higher difference frequency light output is obtained when the spectrum width of the signal light frequency ω2 is narrower. Furthermore, when using a nonlinear optical crystal with a small damage threshold such as AgGaS 2 , the energy of the laser that can be input to it is limited. Therefore, narrowing the spectral width is an effective means for improving the differential frequency light output. Become.

図4は、本実施例における第2レーザ装置2に使用される共振器であって、内部に減衰器を導入して出力調整をするようにした共振器について説明する図面である。
本実施例では、Nd:YAGレーザによりレーザ媒体21をできるだけ大きな一定の強度で励起することによりパルスの時間変動、いわゆるジッタの発生を抑制し、さらに共振器内に減衰器25を入れて共振する光を低減させて出力を直接に低下させる。このように、本実施例のレーザ装置2では、共振器内部で共振する光を直接減衰させてレーザ装置の出力を20mJから5mJに低下させる。
なお、共振器内で共振するP偏光光を低減させる場合は、励起光の周波数分布の裾の部分に当る光は共振することができなくなる。したがって、出力光のスペクトルが中心に集まりスペクトル線幅が狭くなるので出力光の狭帯域化が可能である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a resonator used in the second laser apparatus 2 in the present embodiment, in which the output is adjusted by introducing an attenuator therein.
In this embodiment, the Nd: YAG laser excites the laser medium 21 with a constant intensity as large as possible to suppress the time fluctuation of the pulse, that is, the occurrence of so-called jitter. Further, the attenuator 25 is inserted in the resonator to resonate. Reduce output directly by reducing light. As described above, in the laser apparatus 2 of the present embodiment, the light resonating inside the resonator is directly attenuated to reduce the output of the laser apparatus from 20 mJ to 5 mJ.
When the P-polarized light that resonates in the resonator is reduced, the light impinging on the bottom of the frequency distribution of the excitation light cannot resonate. Accordingly, the spectrum of the output light gathers at the center, and the spectral line width becomes narrow, so that the output light can be narrowed.

減衰器25には、回折格子やアパーチャを使用することができるが、本実施例ではBK7などの光学ガラスで形成したガラス板を使用する。
透明な平板ガラスは入射角度により反射率が変化する。図5はBK7製のガラス板表面に対するP偏光光の入射角度と表面における反射率との関係を示すグラフである。BK7の屈折率は波長1.3μm付近で1.504であるからBK7のブリュースター角は56.4°となる。
ブリュースター角56.4°のところで表面反射率は0になり全入射光が透過する。一方、入射角度0°における表面反射率は0.04であって1回の通過では透過光は殆ど減衰しないが、共振器内では極めて多数回往復するのでガラス板を何度も通過するうちに透過光は指数関数的に低減して、出力光の強度は十分低下する。
Although a diffraction grating and an aperture can be used for the attenuator 25, a glass plate formed of optical glass such as BK7 is used in this embodiment.
The reflectance of transparent flat glass changes depending on the incident angle. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the incident angle of P-polarized light on the surface of a glass plate made of BK7 and the reflectance at the surface. Since the refractive index of BK7 is 1.504 near the wavelength of 1.3 μm, the Brewster angle of BK7 is 56.4 °.
At a Brewster angle of 56.4 °, the surface reflectance becomes zero and all incident light is transmitted. On the other hand, the surface reflectance at an incident angle of 0 ° is 0.04, and the transmitted light is hardly attenuated by one pass. However, since it reciprocates many times in the resonator, it passes through the glass plate many times. The transmitted light is reduced exponentially, and the intensity of the output light is sufficiently reduced.

そこで、図4に示すように、ガラス板を共振器内の光軸中に回動可能に介装して、光軸に対するガラス板の傾きを調節して入射角θを変化させることにより光の透過率を調整して、出力光の強度を制御することができる。
なお、図6に示すように、光線が1枚のガラス板25を透過する場合は、光軸が平行にずれる現象が発生する。しかも、このずれ量はガラス板の傾きにより変化する。
Therefore, as shown in FIG. 4, a glass plate is rotatably provided in the optical axis in the resonator, and the incident angle θ is changed by adjusting the inclination of the glass plate with respect to the optical axis, thereby changing the light angle. The intensity of output light can be controlled by adjusting the transmittance.
In addition, as shown in FIG. 6, when a light ray permeate | transmits the one glass plate 25, the phenomenon in which an optical axis shifts | deviates parallel occurs. Moreover, the amount of deviation varies depending on the inclination of the glass plate.

そこで、図7に示すように、同じガラス板25’を光軸に沿って面対称に配置して、光線が2枚のガラス板を共に透過するように構成すると、ガラス板の傾きにかかわらず、光軸のずれが反対方向に同量発生して相殺され、2枚のガラス板を透過した光の光軸は初めの光軸の延長上に来るようになる。したがって、このように1対のガラス板を対称に配置した構成を用いることにより共振器光学系が簡単に構築できる。
なお、この方式を採用するときには、1対のガラス板25,25’を等角に傾ける機構が必要になるが、たとえば図8に示すようなラック・ピニオンなどにより簡単に実現することができる。
Therefore, as shown in FIG. 7, when the same glass plate 25 ′ is arranged in plane symmetry along the optical axis so that light rays pass through the two glass plates, the glass plate is inclined regardless of the inclination of the glass plate. The optical axis shift is generated in the opposite direction by the same amount and canceled, and the optical axis of the light transmitted through the two glass plates comes to be on the extension of the initial optical axis. Therefore, a resonator optical system can be easily constructed by using a configuration in which a pair of glass plates are arranged symmetrically in this way.
When this method is adopted, a mechanism for tilting the pair of glass plates 25 and 25 'at an equal angle is required, but this can be easily realized by, for example, a rack and pinion as shown in FIG.

このように、共振器内に減衰器25を組み込んで共振器内で往復する光の強度を直接的に調整することにより、出力光の強度を調節することができ、しかも出力が小さくなったときに出力光の狭帯域化を可能として、出力光の品質を高めることができる。
さらに、1対のBK7ガラス板を対称配置した減衰器を使用するときは、1枚のガラス表面における反射損失が0〜0.04の範囲で変化するので、1対のガラス板を1回通過するだけで0〜0.16がで反射損失を変化させることができ、大幅な出力光の強度調整が可能になる。
As described above, when the attenuator 25 is incorporated in the resonator and the intensity of light reciprocating in the resonator is directly adjusted, the intensity of the output light can be adjusted and the output is reduced. In addition, the output light can be narrowed, and the quality of the output light can be improved.
Furthermore, when using an attenuator in which a pair of BK7 glass plates are arranged symmetrically, the reflection loss on the surface of one glass changes in the range of 0 to 0.04, so it passes through a pair of glass plates once. By simply doing this, the reflection loss can be changed from 0 to 0.16, and the output light intensity can be greatly adjusted.

また、本実施例に使用する第2レーザ装置の共振器は、反射鏡部分に光学系を付与することにより、さらに光軸安定化とスペクトル狭線化を図っている。
図9は、共振器部分の構成を図解する概念図である。
図9(a)は、レーザ媒体21の入射面の法線と入射光軸を含む面における光の走行軌跡を描いた図面、図9(b)はレーザ媒体の入射面の法線と入射光軸を含む面に属する方向から光の走行軌跡を描いた図面である。図9(a)を平面図とすると、図9(b)は立面図となる。
分散プリズム23を透過する光の軌跡は、簡略のため直線で表現してある。
Further, the resonator of the second laser device used in the present embodiment further stabilizes the optical axis and narrows the spectrum by providing an optical system to the reflecting mirror portion.
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the resonator portion.
FIG. 9A is a drawing depicting the normal of the incident surface of the laser medium 21 and the traveling locus of the light on the surface including the incident optical axis, and FIG. 9B is the normal of the incident surface of the laser medium and the incident light. It is drawing which showed the run locus | trajectory of light from the direction which belongs to the surface containing an axis | shaft. If FIG. 9A is a plan view, FIG. 9B is an elevation view.
The locus of light passing through the dispersion prism 23 is represented by a straight line for simplicity.

回動反射鏡24の前方にレンズ26が配置されている。
回動反射鏡24は、図9(a)の波長分散方向に対しては平面鏡であり、図9(b)の波長分散方向と垂直な方向に対しては凹面鏡となる円柱鏡、レンズ26は、図9(a)の光軸方向に対しては凹レンズ、図9(b)の光軸方向に対しては板ガラスとなる円柱レンズである。
従来は、共振器ミラーはフラットな反射鏡を用いるのが一般的であったが、平面鏡では光軸が変動しやすく、波長を変更するたびに再アライメントをする必要があった。また、凹面の球面鏡を用いて光軸を安定化しようとすると、スペクトル線幅が広がってしまう問題があった。
A lens 26 is disposed in front of the rotating reflecting mirror 24.
The rotating reflecting mirror 24 is a plane mirror in the wavelength dispersion direction of FIG. 9A, and a cylindrical mirror that is a concave mirror in the direction perpendicular to the wavelength dispersion direction in FIG. 9B is a concave lens with respect to the optical axis direction of FIG. 9A, and a cylindrical lens that is a plate glass with respect to the optical axis direction of FIG. 9B.
Conventionally, a flat reflecting mirror is generally used as the resonator mirror, but the optical axis of the plane mirror is likely to fluctuate, and it is necessary to realign each time the wavelength is changed. Further, when trying to stabilize the optical axis using a concave spherical mirror, there is a problem that the spectral line width is widened.

図9(a)において、レーザ媒体21から発生する共振光は分散プリズム23によって波長に従って分散した軌跡を描いて凹レンズ26に入射しさらに分散方向を強めて反射鏡24に入射する。入射光のうち元の軌跡を辿ってレーザ媒体21に戻ることができるのは、反射鏡24の反射面にほぼ垂直に入射した光線だけであるので、反射鏡の傾きによって放射するレーザ光の波長を決定することができる。このとき、凹レンズ26により分散傾向を強化した結果として、共振器内で共振できる光線は目的の波長にごく近いものばかりとなるので、スペクトル線の狭線化ができる。   In FIG. 9A, the resonance light generated from the laser medium 21 draws a locus dispersed according to the wavelength by the dispersion prism 23, enters the concave lens 26, and further enters the reflecting mirror 24 with the dispersion direction strengthened. Of the incident light, only the light ray that has entered the original trajectory and can be returned to the laser medium 21 is incident on the reflecting surface of the reflecting mirror 24 substantially perpendicularly. Therefore, the wavelength of the laser light emitted by the inclination of the reflecting mirror Can be determined. At this time, as a result of strengthening the dispersion tendency by the concave lens 26, only the light rays that can resonate in the resonator are very close to the target wavelength, so that the spectral lines can be narrowed.

また、図9(b)において、図面に平行な方向にレーザ光軸が変動するときは、反射鏡24がこの変動方向に凹面表面を持っていれば、光軸の変動が小さくなるので、光軸は安定化する。なお、レンズ26はこの方向に対しては平面鏡と等価の働きをするので、光軸安定化には関係しない。
反射鏡24とレンズ26をこのような構造とすると、2つの方向について共振器パラメータを独立に設定できるので、光軸の安定化とスペクトル線の狭線化を共に達成することができる。
In FIG. 9B, when the laser optical axis fluctuates in a direction parallel to the drawing, if the reflecting mirror 24 has a concave surface in this fluctuating direction, the fluctuation of the optical axis becomes small. The axis stabilizes. In addition, since the lens 26 functions equivalent to a plane mirror in this direction, it is not related to optical axis stabilization.
When the reflecting mirror 24 and the lens 26 have such a structure, the resonator parameters can be set independently in two directions, so that both stabilization of the optical axis and narrowing of the spectral line can be achieved.

なお、図9(a)と図9(b)に示された凹面円柱形をした回動反射鏡24を光学的に等価な凸面円柱レンズと入れ換え、凹面円柱レンズ26を光学的に等価な凸面鏡と入れ換えても同等の効果を得ることができることはいうまでもない。なお、この場合は凸面鏡を後ろに配置して回動反射鏡とする。
また、レーザ媒体21と分散プリズム23の間に、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズを組み合わせて構成するテレスコープや、楔形プリズムを組み合わせたアナモルフィックプリズムなどを挿入して、分散プリズム23に入射するビームを波長分散方向に拡大することにより、波長分散性をさらに高めて、スペクトル狭線化をさらに促進することができる。
9A and 9B is replaced with an optically equivalent convex cylindrical lens, and the concave cylindrical lens 26 is replaced with an optically equivalent convex mirror. Needless to say, the same effect can be obtained even if it is replaced. In this case, a convex mirror is disposed behind to form a rotating reflecting mirror.
Further, a telescope configured by combining a cylindrical concave lens and a cylindrical convex lens, an anamorphic prism combined with a wedge-shaped prism, or the like is inserted between the laser medium 21 and the dispersion prism 23, and a beam incident on the dispersion prism 23 is inserted. By enlarging in the wavelength dispersion direction, it is possible to further enhance wavelength dispersion and further promote spectrum narrowing.

上記第2レーザ装置2で波長選択して出力鏡22から放射されたシグナル光は、図1に示すように、アパーチャ8で光軸の極く近傍の部分だけを切り出され、イメージリレー9により非線形光学結晶3の入射面に像転送される。なお、イメージリレー9と非線形光学結晶3入射面との間には反射鏡10とビームスプリッタ11が介装されていて、ポンプ光と同じ位置に入射させることができる。
なお、ポンプ光の場合と同様に、アパーチャ8の形状を非線形光学結晶3の入射面と相似形にすれば、さらに有効にシグナル光を注入するようにすることができる。
As shown in FIG. 1, the signal light emitted from the output mirror 22 with the wavelength selected by the second laser device 2 is cut out only in the very vicinity of the optical axis by the aperture 8 and is nonlinear by the image relay 9. The image is transferred to the incident surface of the optical crystal 3. A reflecting mirror 10 and a beam splitter 11 are interposed between the image relay 9 and the incident surface of the nonlinear optical crystal 3, and can be incident at the same position as the pump light.
As in the case of pump light, if the shape of the aperture 8 is similar to the incident surface of the nonlinear optical crystal 3, signal light can be injected more effectively.

第2レーザ装置2から放射されたシグナル光は、波長に従って分散されているが、アパーチャ8によりこの出力光の光軸付近の一部を切り出すことにより、スペクトル線の狭線化をすることができる。
また、第2レーザ装置2から放射されたシグナル光のエネルギーはガウス分布を持っているが、アパーチャ8におけるシグナル光のエネルギー分布はほぼ台形状になっているので、非線形光学結晶3に入射するエネルギーは十分大きく、ポンプ光の波長変換作用を効果的に行うことができる。
The signal light emitted from the second laser device 2 is dispersed according to the wavelength, but by cutting out a part near the optical axis of the output light by the aperture 8, the spectral line can be narrowed. .
Further, the energy of the signal light emitted from the second laser device 2 has a Gaussian distribution, but the energy distribution of the signal light in the aperture 8 is substantially trapezoidal, so that the energy incident on the nonlinear optical crystal 3 Is sufficiently large and can effectively perform the wavelength conversion action of the pump light.

なお、図10は本実施例の波長変換レーザ装置に用いられるアパーチャの例を示す断面図である。
アパーチャに入射するレーザのうち開口を透過しないものが反射するに任せると、反射したレーザが周囲の物品に当って損傷を与えたりするので、影響を宥める何らかの処置をする必要がある。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of an aperture used in the wavelength conversion laser device of this embodiment.
If the laser that does not transmit through the aperture is reflected by the laser incident on the aperture, the reflected laser hits the surrounding article and damages it. Therefore, it is necessary to take some measures to give up the influence.

図10に示したアパーチャは、孔体31と吸収体32とカバー33で構成される。孔体31には入射ビームの光軸付近を切り出すことができる取込開口34が設けられ、取込開口31の外周縁は鏡面仕上げの円錐状傾斜面35になっており、カバー33の中央に入射ビームのほぼ全量を透過する大きな入射口36が設けられ、吸収体32は孔体31の周囲に設けられ、カバー33の裏に円錐状の傾斜面を持った凹みを形成するように構成される。
吸収体33とカバー34は、中心部の入り口で広く周辺に進むにつれて狭くなっていて、入射した光を入射方向に戻さず全部吸収する黒体構造を形成する。
The aperture shown in FIG. 10 includes a hole 31, an absorber 32, and a cover 33. The hole 31 is provided with a taking-in opening 34 that can cut out the vicinity of the optical axis of the incident beam. The outer peripheral edge of the taking-in opening 31 is a mirror-like conical inclined surface 35, and is formed at the center of the cover 33. A large incident port 36 that transmits almost the entire amount of the incident beam is provided, the absorber 32 is provided around the hole 31, and is configured to form a recess having a conical inclined surface on the back of the cover 33. The
The absorber 33 and the cover 34 are narrow at the entrance of the center and gradually become wider, forming a black body structure that absorbs all incident light without returning it to the incident direction.

入射口36内に入射した光のうち取込開口35を透過しない光成分は全て傾斜面36で反射して黒体構造に入射して吸収されるので、他の部品類を損傷することが無い。
なお、取込開口34を矩形など円形以外の形状とするときは、開口34の形状に合わせて外周縁の傾斜面35や黒体構造を形成する傾斜面の形状を変更することはいうまでもない。
Of the light incident on the entrance 36, all light components that do not pass through the take-in opening 35 are reflected by the inclined surface 36 and are incident on the black body structure and absorbed, so that other components are not damaged. .
In addition, when making the intake opening 34 into a shape other than a circle such as a rectangle, it goes without saying that the shape of the inclined surface 35 of the outer peripheral edge or the inclined surface forming the black body structure is changed in accordance with the shape of the opening 34. Absent.

また、図11は本実施例の波長変換レーザ装置に用いられる別例のアパーチャの断面図である。
図11に示すアパーチャは、図10のものと比較すると低負荷の場合に利用されるもので、構造がより簡便になっていて、孔体37とカバー38の2部品で構成される。孔体37には取込開口が設けられ、取込開口の周囲に円錐形の反射壁が形成され、カバー38には入射ビームを受け入れる入射口が設けられることは図10のものと同じである。
図11のアパーチャは、孔体の外周に設けた雄ネジとカバーの内周に設けた雌ネジで螺合して固定するもので、孔体とカバーの間に空間を黒体構造39として反射した入射光を吸収させ、他の部品類を損傷しないようにしている。
FIG. 11 is a cross-sectional view of another example aperture used in the wavelength conversion laser device of the present embodiment.
The aperture shown in FIG. 11 is used when the load is lower than that of FIG. 10, has a simpler structure, and is composed of two parts, a hole 37 and a cover 38. The hole body 37 is provided with an intake opening, a conical reflecting wall is formed around the intake opening, and the cover 38 is provided with an entrance opening for receiving an incident beam as in FIG. .
The aperture of FIG. 11 is fixed by screwing with a male screw provided on the outer periphery of the hole and a female screw provided on the inner periphery of the cover, and the space between the hole and the cover is reflected as a black body structure 39. The incident light is absorbed so that other components are not damaged.

本実施例の波長変換レーザ装置は、アパーチャを備えて光混合を行う非線形光学結晶に入射するレーザ光の光軸近傍を透過させることによりアパーチャ透過光の波長分散性を向上させエネルギー分布の均等化を図り、さらにイメージリレーを備えてアパーチャにおけるレーザ光の像を非線形光学結晶の入射面に像転送することにより、より大きなエネルギーを光学結晶に注入することができる。したがって、得られる差周波光の強度と品質が向上する。また、損傷閾値が低い光学結晶を利用する場合でも、十分に強い差周波光を発生させることができる。   The wavelength conversion laser device of this embodiment improves the wavelength dispersion of the aperture transmitted light by equalizing the energy distribution by transmitting the vicinity of the optical axis of the laser light incident on the nonlinear optical crystal that has the aperture and performs optical mixing. Further, an image relay is provided to transfer an image of the laser beam in the aperture to the incident surface of the nonlinear optical crystal, so that larger energy can be injected into the optical crystal. Therefore, the intensity and quality of the obtained difference frequency light are improved. Even when an optical crystal having a low damage threshold is used, sufficiently strong difference frequency light can be generated.

さらに、アパーチャの形状を光学結晶の入射面と相似形にして像転送をするようにすると、光エネルギーをより効率よく入射させることができる。
また、シグナル光用のレーザ装置の共振器内に減衰器を設けたり、反射鏡の構成を改良したり、ビーム拡大機構を組み込むことによって、レーザ装置の出力光のスペクトル線幅を狭化するなど、品質を向上させることができ、波長変換レーザ装置の出力光の強度増強やスペクトル幅の狭線化などを図ることができる。
Furthermore, if the aperture shape is similar to the incident surface of the optical crystal for image transfer, light energy can be incident more efficiently.
Also, the spectral line width of the output light of the laser device is narrowed by providing an attenuator in the resonator of the laser device for signal light, improving the configuration of the reflecting mirror, or incorporating a beam expansion mechanism, etc. Therefore, the quality can be improved, the intensity of the output light of the wavelength conversion laser device can be increased, and the spectral width can be narrowed.

本発明の1の実施例に係る波長変換レーザ装置を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the wavelength conversion laser apparatus which concerns on one Example of this invention. 本実施例に使用するイメージリレーの構成を説明する図面である。It is drawing explaining the structure of the image relay used for a present Example. 本実施例において非線形光学結晶で差周波光を生成させるときのシグナル光のスペクトル線幅と差周波光の出力の関係を説明するグラフである。It is a graph explaining the relationship between the spectral line width of the signal light and the output of the difference frequency light when the difference frequency light is generated by the nonlinear optical crystal in this example. 本実施例におけるシグナル光レーザ装置に使用される減衰器を導入した共振器の説明図である。It is explanatory drawing of the resonator which introduce | transduced the attenuator used for the signal light laser apparatus in a present Example. ガラス板表面に対するP偏光光の入射角度と表面反射率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle of P polarized light with respect to the glass plate surface, and surface reflectance. 本実施例において共振器内に設ける減衰器の1例に関する作用図である。It is an effect | action figure regarding one example of the attenuator provided in a resonator in a present Example. 本実施例において共振器内に設ける減衰器の別例に関する作用図である。It is an effect | action figure regarding another example of the attenuator provided in a resonator in a present Example. 本実施例において減衰器の駆動機構の例を示す機構図である。It is a mechanism figure which shows the example of the drive mechanism of an attenuator in a present Example. 本実施例に使用する共振器の構成を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the structure of the resonator used for a present Example. 本実施例に使用するアパーチャの1例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining an example of the aperture used for a present Example. 本実施例に使用するアパーチャの別例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining another example of the aperture used for a present Example. 従来技術における波長変換レーザ装置のブロック図である。It is a block diagram of the wavelength conversion laser apparatus in a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1レーザ装置
2 第2レーザ装置
3 非線形光学結晶
4 Geフィルター
5 コリメータ
6 アパーチャ
7 イメージリレー
8 アパーチャ
9 イメージリレー
10 反射鏡
11 ビームスプリッタ
21 レーザ媒体
22 出力鏡
23 分散プリズム
24 反射鏡
25,25’ 減衰器(もしくはガラス板)
26 レンズ
31 孔体
32 吸収体
33 カバー
34 取込開口
35 円錐状傾斜面
36 入射口
37 孔体
38 カバー
39 黒体構造部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st laser apparatus 2 2nd laser apparatus 3 Nonlinear optical crystal 4 Ge filter 5 Collimator 6 Aperture 7 Image relay 8 Aperture 9 Image relay 10 Reflective mirror 11 Beam splitter 21 Laser medium 22 Output mirror 23 Dispersion prism 24 Reflective mirrors 25 and 25 '' Attenuator (or glass plate)
26 Lens 31 Hole 32 Absorber 33 Cover 34 Take-in Open 35 Conical Inclined Surface 36 Entrance 37 Hole 38 Cover 39 Black Body Structure

Claims (5)

2つの波長の異なるレーザ光を非線形光学結晶に入射させて差周波光を出力する波長変換レーザ装置であって、前記レーザ光の少なくとも一方が波長可変レーザ光で、該波長可変レーザ光を出力する光共振器を備え、
該光共振器は、出力側から順に、
一定の透過率を有する出力鏡と、
ーザ媒体と、
該レーザ媒体から出力された光を波長にしたがって分散させる波長分散素子と、
入射する光の波長分散方向と垂直な方向に対して凹面を有して入射した光を反射させる反射鏡とを含み
該共振器は、さらに、前記反射鏡と前記出力鏡の間に配置され、波長分散方向に対して凹レンズ特性を有し、前記波長分散素子により分散された光をさらに分散させる光学素子を含み、
前記反射鏡は、波長分散方向に対して垂直な方向における光の光軸の変動を抑制して、前記出力鏡側へ前記光を反射する、
波長変換レーザ装置。
A wavelength conversion laser device that outputs laser light having two different wavelengths incident on a nonlinear optical crystal and outputs difference frequency light, wherein at least one of the laser beams is a wavelength tunable laser beam and outputs the wavelength tunable laser beam. With an optical resonator,
The optical resonator, in order from the output side,
An output mirror having a constant transmittance;
And Les over The media,
A wavelength dispersion element that disperses the light output from the laser medium according to the wavelength;
A reflecting mirror having a concave surface with respect to a direction perpendicular to the direction of wavelength dispersion of incident light and reflecting incident light ;
The resonator further includes an optical element that is disposed between the reflecting mirror and the output mirror, has a concave lens characteristic with respect to a wavelength dispersion direction, and further disperses light dispersed by the wavelength dispersion element,
The reflecting mirror suppresses fluctuations in the optical axis of light in a direction perpendicular to the wavelength dispersion direction, and reflects the light to the output mirror side .
Wavelength conversion laser device.
2つの波長の異なるレーザ光を非線形光学結晶に入射させて差周波光を出力する波長変換レーザ装置であって、前記レーザ光の少なくとも一方が波長可変レーザ光で、該波長可変レーザ光を出力する光共振器を備え、
該光共振器は、出力側から順に、
一定の透過率を有する出力鏡と、
ーザ媒体と、
該レーザ媒体から出力された光を波長にしたがって分散させる波長分散素子と、
入射する光の波長分散方向に対して凸面を有して入射した光を反射させる反射鏡とを含み、
該共振器は、さらに、前記反射鏡と前記出力鏡の間に配置され、波長分散方向と垂直な方向に対して凸レンズ特性を有し、前記波長分散方向と垂直な方向における光の光軸の変動を抑制する光学素子を含み、
前記反射鏡は、前記波長分散素子により分散された光を、さらに分散させて、前記出力鏡側へ前記光を反射する、
波長変換レーザ装置。
A wavelength conversion laser device that outputs laser light having two different wavelengths incident on a nonlinear optical crystal and outputs difference frequency light, wherein at least one of the laser beams is a wavelength tunable laser beam and outputs the wavelength tunable laser beam. With an optical resonator,
The optical resonator, in order from the output side,
An output mirror having a constant transmittance;
And Les over The media,
A wavelength dispersion element that disperses the light output from the laser medium according to the wavelength;
A reflecting mirror that has a convex surface with respect to the wavelength dispersion direction of the incident light and reflects the incident light;
The resonator is further disposed between the reflecting mirror and the output mirror, has a convex lens characteristic with respect to a direction perpendicular to the wavelength dispersion direction, and an optical axis of light in the direction perpendicular to the wavelength dispersion direction. Including optical elements that suppress fluctuations ,
The reflecting mirror further disperses the light dispersed by the wavelength dispersion element and reflects the light to the output mirror side .
Wavelength conversion laser device.
前記光共振器から出力されるレーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光軸近傍部分を透過させるアパーチャをさらに備える、
請求項1または2記載の波長変換レーザ装置。
An aperture that is disposed on the optical path of the laser beam output from the optical resonator and transmits a portion near the optical axis of the laser beam;
The wavelength conversion laser device according to claim 1 or 2 .
前記反射鏡が、反射面の傾きによって放射する光の波長を選択する回動反射鏡である、
請求項1または2記載の波長変換レーザ装置。
The reflecting mirror is a rotating reflecting mirror that selects the wavelength of light emitted by the inclination of the reflecting surface.
The wavelength conversion laser device according to claim 1 or 2 .
前記光共振器が、該光共振器内で往復する光の強度を調整する減衰器を備える、
請求項1または2記載の波長変換レーザ装置。
The optical resonator comprises an attenuator for adjusting the intensity of light reciprocating in the optical resonator;
The wavelength conversion laser device according to claim 1 or 2 .
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