JPH06347847A - 波長変換素子 - Google Patents

波長変換素子

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JPH06347847A
JPH06347847A JP13702693A JP13702693A JPH06347847A JP H06347847 A JPH06347847 A JP H06347847A JP 13702693 A JP13702693 A JP 13702693A JP 13702693 A JP13702693 A JP 13702693A JP H06347847 A JPH06347847 A JP H06347847A
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JP
Japan
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wavelength conversion
conversion element
wave
element attachment
optical fiber
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Application number
JP13702693A
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English (en)
Inventor
Takeshi Miyai
剛 宮井
Fumio Nitanda
文雄 二反田
Kimio Tateno
公男 立野
Tetsuo Ando
哲生 安藤
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Hitachi Ltd
Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は光ファイバを用いることで高出力波
長変換型半導体レーザ出力においての分離された基本波
の取扱いに付いて簡便で確実な処理により安全性を高め
る手段を提供するものである。また、本発明はガイド光
の簡単な調整手段を提供するものである。 【構成】 励起光源である半導体レーザ11によって励
起されたレーザ結晶12は共振器において基本波の発振
を行なう。出力ミラー13を通して出射さた基本波は出
力端に取り付けられた波長変換素子アタッチメント20
で集光光学系22を通して非線形光学結晶21に集光さ
れる。非線形光学結晶21において一部の基本波は第二
次波に変換され、残りの基本波は僅かな吸収を除いて非
線形光学結晶21を透過する。透過した基本波は波長セ
パレータ24によってSH波の光軸より分離され、集光
光学系23によって光ファイバ30に集光される。光フ
ァイバ30によって伝搬された基本波はビームダム40
に集められ熱に変換される。ビームダムは昇温しないよ
うに常に循環水で冷却されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光エレクトロニクス分
野、特に光情報処理及びレーザ加工の分野に関わる。
【0002】
【従来の技術】波長変換技術は1961年に初めて実験的に
確認されて以来、数々の固体レーザ結晶、共振器構成及
び非線形光学結晶の組み合わせで多くの実験が試みられ
た。最近、半導体レーザの高出力化が達成されたこと
で、従来のランプ励起に代わって半導体レーザを励起光
源とするチューブレスの固体レーザ装置および波長変換
素子を有した固体レーザ装置が注目を集めるようになっ
た。半導体レーザ励起固体レーザ装置は(1)ランプ励起
に比較して寿命が長く、(2)投入電力に対する光出力の
変換効率が高く、レーザ結晶の吸収波長に励起波長を効
率よく一致させることが可能であるため消費電力が小さ
いといった特徴を持つ。また、励起光学系の光軸を共振
器の光軸と一致させレーザ結晶を端面から励起すること
によって固体レーザ発振のモ−ドボリュームとの重なり
を大きく取れ励起効率を高める方法が提案された(ディ
ー・エル・サイプス、「半導体レーザアレイの端面励起
による高効率なNd:YAGレーザ」アプライド・フィジック
ス・レター;D.L.Sipes,"Highlyefficient neodymium:
yttrium alminum garnet laser end pumped by asemico
nductor laser array",Appl.Phys.Lett.,vol.47,74(198
5))。このような半導体レーザ励起固体レーザの進出
と、高効率な非線形光学結晶であるKTPの開発により十
分に実用可能な1W級の出力を備えた波長変換型レーザが
製品化されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図5は波長変換素子ア
タッチメント付き固体レーザ装置の構成と従来の基本波
処理の潜在的な危険性を説明するための図である。励起
光源11によって励起されたレーザ結晶12は共振器に
おいて発振を行なう(以後この固体レーザ発振波を基本
波と称す)。基本波は出力ミラー13を通して出力端よ
り出射される。出力端には波長変換素子アタッチメント
20が取り付けられており、基本波出力は集光光学系2
2を通して非線形光学結晶21に集光される。非線形光
学結晶21において一部の基本波は材料固有の変換効率
に応じて所望の第二次波に変換され、残りの基本波は僅
かな吸収を除いて非線形光学結晶を透過する。第二次波
のみを必要とする場合は波長セパレータ24を用いて非
線形光学結晶21の後段で基本波を第二次波の光軸より
分離する必要がある。例えば、第二次波を1W、変換効率
を10%とすると分離された基本波は10Wとなり大出力であ
る。このような大出力レーザを吸収率の高い可燃物に長
時間照射すると火災の危険性がある。このため図5に示
したように耐火レンガなどでビームを終端する必要があ
った。また、アタッチメント20より分割出射される基
本波を大気中で導波させると、光軸を人が通る、のぞき
込む、不注意に反射物が挿入されるなどにより失明の危
険性があった。また、機械的振動により光軸がずれるこ
とで耐火レンガから光軸がはずれ火災などの災害に到る
可能性潜在的に有していた。基本波の波長が近赤外など
の目に見えない波長であった場合危険性はさらに高くな
る。前述のように分離された基本波をアタッチメントの
外部に放出する手段の他に基本波をアタッチメント筐体
内部に閉じ込め熱に変換する手段がある。しかし、通常
非線形光学結晶の角度及び集光位置に対する位置あるい
は温度の許容誤差は小さく、アタッチメント筐体が吸収
した熱によって膨張することで、第二次波の出力を大き
く低下させる可能性を持ち信頼性を損なう。また、前述
のように第二次波はワット級の出力であるため、可視光
であっても光軸合わせなどの非定常な作業を行うのは危
険であった。そのため、外部よりHe-Neレーザなどのガ
イド光50を用いる手段がある。ガイド光とは本来加工
などに使用するレーザの波長が可視光でないため被加工
物上での位置決めを行うための照準用の可視レーザ光を
意味し、散乱および反射光が目に障害を及ぼさない程度
に低出力である必要がある。第二次波とガイド光は調整
前の段階ではビームの出射位置及び進行方向が異なるた
め、図5に示すように調整可能な鏡2枚によるビームス
テアリング等の光学系を用いる必要があり、光学系が
大掛かりで小型化が困難、固体レーザ装置を移動する
度に毎回光学調整をする必要があり不便であり作業性が
悪い等の問題点があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】前述のように従来の高出
力波長変換型固体レーザ装置では、波長変換後不必要と
なった基本波の処理と、ガイド光の複雑な光軸調整の2
つの問題が存在した。本発明では第二次波変換後不要と
なった前記基本波を波長変換部から導波する手段として
光ファイバを用いる手法を提案した。光ファイバで導波
された基本波はビームダムに集められた後熱に変換さ
れ、強制冷却あるいは自然熱放射及び伝導で処理され
る。従って波長変換部からビームダムに到るまでの間、
基本波は前述の災害を引き起こす可能性がなく、安全で
確実な処理が行えた。また、ガイド光をガイド用レーザ
光源より波長変換部に導波する手段として光ファイバを
用いる手法を提案した。ガイド用レーザ光源出射端に設
けられた光ファイバコネクタと波長変換部の光ファイバ
コネクタ間は無調整となりガイド光の確実な導波が可能
となった。また、本発明では波長変換素子において以下
の新しいはっきりとした特徴を具体化している。 (1)YAGレーザなどのレーザ装置出力端に配置し、前
記レーザ出力の波長変換機能を有するKTPなどの非線形
光学結晶を具備する波長変換素子アタッチメントについ
て、前記波長変換素子アタッチメントが1個または複数
の光ファイバコネクタを有することを特徴とする波長変
換素子アタッチメント及び波長変換素子アタッチメント
付き固体レーザ装置を提案した。 (2)ここで、前記の光ファイバコネクタに接続された
光ファイバに基本波である固体レーザ出力を導波するこ
とができる。 (3)この他、前記の光ファイバコネクタに接続された
光ファイバにHe-Neレーザなどの可視レーザ光を導波す
ることができる。 (4)前述のように波長変換素子アタッチメントは複数
の光ファイバコネクタを有するため基本波を導波する手
段と、可視レーザを導波する手段を兼ね備えることがで
きる。 本発明は分離された基本波の取扱いに付いて簡便で確実
な処理により安全性を高める手段を提供するものであ
る。また、本発明はガイド光の簡単な調整手段を提供す
るものである。
【0005】
【作用】本発明により、波長変換素子アタッチメント及
び波長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装置にお
いて、基本波およびガイド光の導波に光ファイバを用い
安全で簡便な作業手段を確立することができた。
【0006】
【実施例】
(実施例1)図1は本発明の一実施例を説明するための
図である。励起光源である半導体レーザ11によって励
起されたレーザ結晶12は共振器において基本波の発振
を行なう。このときレーザ結晶12の励起光入射側端面
には励起波長に対して反射率1%以下で固体レーザ発振波
長に対して99.9%以上のダイクロイックコーティングに
よりミラーを形成し、出力ミラーは凹面部に反射率95%
のコーティングを施して形成した。共振器は前記2つの
ミラーによって形成されている。出力ミラー13を通し
て出射さた基本波は出力端に取り付けられた波長変換素
子アタッチメント20で集光光学系22を通して非線形
光学結晶21に集光される。非線形光学結晶21におい
て一部の基本波は第二次波に変換され、残りの基本波は
僅かな吸収を除いて非線形光学結晶21を透過する。こ
のときレーザ結晶12としてNd:YAG、非線形光学結晶2
1としてKTPを用いた。従って、基本波波長は1064nm、
第二次波は光第2高調波(以下単にSH波;Second Harm
onic波と称す)であるため532nmであった。透過した基
本波は波長セパレータ24によってSH波の光軸より分
離され、集光光学系23によって光ファイバ30に集光
される。このとき波長セパレータ23のコーティングの
反射率の仕様は532nmに対して1%以下1064nmに対して99%
以上のダイクロイックであった。また、光ファイバ30
のコア径は100μmであり、結合効率70%の機能を得るた
め集光レンズ23の開口数(N.A.)は0.3であった。光フ
ァイバ30によって伝搬された基本波は内部に黒色加工
を施されたステンレス製のビームダム40に集められ吸
収されて熱に変換される。ビームダム40は昇温しない
ように常に循環水で冷却されている。なおこのとき基本
波とSH波の分離角は分離可能な範囲で任意である。ま
た、光ファイバ30のコア径と集光レンズ23の開口数
は前記機能を果たす範囲で任意である。
【0007】(実施例2)図2は本発明の一実施例を説
明するための図である。固体レーザ装置10から出射さ
た基本波は出力端に取り付けられた波長変換素子アタッ
チメント20で集光光学系22を通して非線形光学結晶
21に集光される。非線形光学結晶21において一部の
基本波は第二次波に変換され、残りの基本波は僅かな吸
収を除いて非線形光学結晶21の出射側端面に到達す
る。このとき非線形光学結晶21の出射側端面は光軸に
対て45゜にカットされたのち光学的に研磨されてお
り、結晶光学面には実施例1において波長セパレータ2
3に施したのと同様のダイクロイックコーティングが施
されている。コーティングによって反射された基本波は
光ファイバ30に導波され実施例1と同様に処理され
る。
【0008】(実施例3)図3は本発明の一実施例を説
明するための図である。ガイド用He-Neレーザ50の出
力は光ファイバ30によって導波され、波長変換素子ア
タッチメント20に結合されている。光ファイバコネク
タ31と波長フィルタはガイド光とSH波の光軸が一致
するように位置合わせされている。このとき波長フィル
タ24は基本波を透過しガイド光に対して全反射のもの
を用いた。なお、非線形光学結晶21後段でガイド光を
結合する場合は波長フィルタ24はSH波を透過し、ガ
イド光を反射するものを用いる必要がある。ガイド光は
可視の赤色半導体レーザでも良い。また、実施例1また
は2と組み合わせても良い。 (実施例4)図4は本発明の一実施例を説明するための
図である。固体レーザ装置10は励起用半導体レーザ周
辺11とレーザヘッド筐体を循環水で強制冷却を行って
いる。そのため水流による振動が駆動中常時存在し、長
期使用においてガイド光をSH波に結合する波長フィル
タ24の位置ずれを発生する。このため、本発明では実
施例3で説明したガイド光用光ファイバコネクタ31に
可動部を設け光軸の微調整機能を付加した。調整機構は
x,yテーブルとθテーブルとからなり、x,yテーブルは0.
1mm、θテーブルは0.1°の精度で調整可能とした。この
結果取付後のガイド光の位置ずれ補正が容易となった。
また、前記調整機構は取付時の微調機構も兼ねる。ガイ
ド光は可視の赤色半導体レーザでも良い。また、実施例
1または2と組み合わせても良い。
【0009】
【発明の効果】不必要な基本波の処理やガイド光の結合
に光ファイバを用いたことで固定光学系を組む必要がな
く装置を著しく小型化できた。また、非定常作業に於け
る不慮の事故を未然に防ぐ手段を提案した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図2】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図3】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図4】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図5】波長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装
置の構成と従来の基本波処理の潜在的な危険性を説明す
るための図である。
【符号の説明】
10;固体レーザ装置、11;励起光源、12;レーザ
結晶、13;出力ミラー、20;波長変換素子アタッチ
メント、21;非線形光学結晶、22;集光光学系、2
3;集光光学系またはコリメータ、24波長セパレータ
または波長フィルタ、30;光ファイバ、31;光ファ
イバコネクタ、40;ビームダム、50;ガイド用レー
ザ光源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立野 公男 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 安藤 哲生 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ装置出力端に配置し、前記レーザ
    出力の波長変換機能を有する非線形光学結晶を具備する
    波長変換素子アタッチメントにおいて、前記波長変換素
    子アタッチメントが1個または複数の光ファイバコネク
    タを有することを特徴とする波長変換素子アタッチメン
    ト及び波長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光ファイバコネクタに
    接続された光ファイバに基本波である固体レーザ出力を
    導波することを特徴とする波長変換素子アタッチメント
    及び波長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の光ファイバコネクタに
    接続された光ファイバに可視レーザ光を導波することを
    特徴とする波長変換素子アタッチメント及び波長変換素
    子アタッチメント付き固体レーザ装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の可視レーザがHe-Neレ
    ーザであることを特徴とする波長変換素子アタッチメン
    ト及び波長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装
    置。
  5. 【請求項5】 請求項2及び3に記載の機能を兼ね備え
    ることを特徴とする波長変換素子アタッチメント及び波
    長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装置。
  6. 【請求項6】 前記固体レーザ装置がYAGレーザである
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかの項に記載の
    波長変換素子アタッチメント及び波長変換素子アタッチ
    メント付き固体レーザ装置。
  7. 【請求項7】 波長変換素子がチタン酸燐酸カリウム(K
    TP;KTiOPO4)であることを特徴とする請求項1〜6のい
    ずれかの項に記載の波長変換素子アタッチメント及び波
    長変換素子アタッチメント付き固体レーザ装置。
JP13702693A 1993-06-08 1993-06-08 波長変換素子 Pending JPH06347847A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007005410A (ja) * 2005-06-21 2007-01-11 Kawasaki Heavy Ind Ltd 中赤外光−紫外光発生装置
JP2007128017A (ja) * 2005-10-03 2007-05-24 Osaka Univ Uvレーザ発生装置
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WO2018012135A1 (en) * 2016-07-13 2018-01-18 Sharp Kabushiki Kaisha Compact and effective beam absorber for freqency converted laser

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