JPH09152639A - Method and device for optical harmonic generation - Google Patents

Method and device for optical harmonic generation

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JPH09152639A
JPH09152639A JP31236495A JP31236495A JPH09152639A JP H09152639 A JPH09152639 A JP H09152639A JP 31236495 A JP31236495 A JP 31236495A JP 31236495 A JP31236495 A JP 31236495A JP H09152639 A JPH09152639 A JP H09152639A
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light
harmonic
laser beam
laser
wavelength
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JP31236495A
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Japanese (ja)
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Kyoichi Deki
恭一 出来
Masahiro Horiguchi
昌宏 堀口
Yasushi Osako
康 大迫
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
Original Assignee
Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the method and device for optical harmonic generation which can lead high mean output out with high efficiency while preventing crystal destruction and crystal deterioration. SOLUTION: The laser light of wavelength λ emitted by a laser device 1 is branched by a half-mirror 5 into a 1st laser light and a 2nd laser light, which are made incident on nonlinear optical crystals 2a and 2b to generate higher harmonic lights of wavelength λ/2. The output lights of the nonlinear optical crystals 2a and 2b are spectrally diffracted by prisms 3a and 3b to extract higher harmonic lights of wavelength #;/2, and the polarization azimuth of one higher harmonic light is rotated by 90 deg. through a 1/2-wavelength plate 7; and the output lights of the prism 3a and 1/2-wavelength plate 7 are made incident on a polarization beam splitter 8 and the higher harmonic lights having mutually orthogonal polarization azimuths are put one over the other. Here, the polarization azimuths of the 1st and 2nd laser lights may be different from each other by using a polarization beam splitter instead of the half-mirror 5 without using the plate 7.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】パルスレーザが出力するレー
ザ光を波長変換して第2高調波、第4高調波、第5高調
波等を得る光高調波発生装置は、半導体装置製造におけ
る光源装置、あるいは光造形装置の光源等として、広い
適用範囲が予想されその実用化が期待されている。本発
明は、上記した光高調波発生装置および方法に関し、特
に、本発明は結晶破壊、結晶劣化を防止しながら高平均
出力を得ることができる光高調波発生装置および方法に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION An optical harmonic generator for wavelength-converting laser light output from a pulse laser to obtain a second harmonic, a fourth harmonic, a fifth harmonic, etc. is a light source device in semiconductor device manufacturing. Alternatively, as a light source for a stereolithography apparatus, a wide range of application is expected and its practical application is expected. The present invention relates to the above-described optical harmonic generation device and method, and more particularly, the present invention relates to an optical harmonic generation device and method capable of obtaining a high average output while preventing crystal breakage and crystal deterioration.

【0002】[0002]

【従来の技術】3次元物体モデルを形成する装置とし
て、光造形装置が知られている。光造形装置は、3次元
モデルの数値モデル(CADデータあるいは3次元計測
データ)を高さ方向に等間隔に水平面でスライスした図
形データ群に基づき3次元モデルを形成するものであ
り、上記スライス図形データに沿って光ビームを光硬化
性樹脂に照射し、スライス図形データ毎に薄板状固化層
を形成する工程を繰り返し、形成された薄板状固化層を
積層して任意の3次元モデルを形成するものである。上
記光造形装置の光源としては、高い繰り返し周波数で高
平均出力を発生する光源が必要とされ、その光源とし
て、非線形光学結晶による高調波発生技術を適用した紫
外線レーザ装置が検討されている。
2. Description of the Related Art A stereolithography apparatus is known as an apparatus for forming a three-dimensional object model. The stereolithography apparatus forms a three-dimensional model based on a figure data group obtained by slicing a numerical model (CAD data or three-dimensional measurement data) of the three-dimensional model on a horizontal plane at equal intervals in the height direction. The process of irradiating the photocurable resin with the light beam along the data and forming the thin plate solidified layer for each slice figure data is repeated, and the formed thin plate solidified layers are laminated to form an arbitrary three-dimensional model. It is a thing. A light source that generates a high average output at a high repetition frequency is required as a light source of the above-described stereolithography apparatus, and an ultraviolet laser device to which a harmonic generation technique using a nonlinear optical crystal is applied is being studied as the light source.

【0003】一方、半導体装置製造におけるリソグラフ
ィ装置の光源として、従来、エキシマレーザ装置が有力
視されていたが、エキシマレーザ装置は原料ガスとして
極めて反応性の高いハロゲンガスを使用するため、保守
性、ハンドリング等に問題があり、また、原料ガスの交
換頻度が高くランニング・コスト上の問題があった。こ
のため、近年においては、上記した非線形光学結晶を用
いて高調波を発生させる紫外線レーザ装置が注目される
ようになってきている。
On the other hand, conventionally, an excimer laser device has been regarded as a promising light source for a lithographic apparatus in the manufacture of a semiconductor device. However, since the excimer laser device uses a highly reactive halogen gas as a source gas, maintainability, There was a problem in handling, and there was a problem in running cost because the raw material gas was frequently exchanged. For this reason, in recent years, an ultraviolet laser device that generates harmonics using the above-mentioned nonlinear optical crystal has been receiving attention.

【0004】図6は上記した非線形光学結晶を用いて高
調波を発生させる高調波発生装置の従来例を示す図であ
る。同図において、11は、例えば、Nd:YAGレー
ザ等から構成される波長λのレーザ光をパルス発振する
レーザ装置、12は非線形光学結晶であり、非線形光学
結晶12に波長λの光(基本波)が入射すると、非線形
光学結晶12は基本波λとその第2高調波である波長λ
/2の光を発生する。13はプリズムであり、プリズム
13は波長λの光と波長λ/2の光を分光し、同図に示
すように波長λの光と波長λ/2の光を出射する。この
波長λの光と波長λ/2の光のうち、波長λの光を遮蔽
板14により遮蔽することにより、波長λ/2の光だけ
を外部に取り出すことができる。すなわち、上記非線形
光学結晶12により、レーザ装置11が発振する波長λ
の光を波長λ/2の光に変換することができる。
FIG. 6 is a diagram showing a conventional example of a harmonic generator for generating a harmonic using the above-mentioned nonlinear optical crystal. In the figure, reference numeral 11 denotes a laser device that pulse-oscillates a laser beam having a wavelength λ, such as an Nd: YAG laser, and 12 denotes a non-linear optical crystal. ) Is incident, the nonlinear optical crystal 12 receives the fundamental wave λ and its second harmonic, the wavelength λ.
Generates / 2 light. Reference numeral 13 denotes a prism, and the prism 13 disperses the light having the wavelength λ and the light having the wavelength λ / 2, and emits the light having the wavelength λ and the light having the wavelength λ / 2 as shown in FIG. Of the light of wavelength λ and the light of wavelength λ / 2, by blocking the light of wavelength λ with the shield plate 14, only the light of wavelength λ / 2 can be extracted to the outside. That is, the wavelength λ at which the laser device 11 oscillates due to the nonlinear optical crystal 12
Can be converted into light of wavelength λ / 2.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】パルス発振するレーザ
の1ショットのエネルギーをE(J/pulse)、1sec の
間のショット数をN(pps:pulse per sec)としたとき、
その平均出力(W)は次式で表される。 W=E×N なお、上記Nの代わりに、1ショットの繰り返し周波数
をf(Hz)を用いて次の式で表すこともできる。 W=E×f すなわち、パルス発振するレーザ装置から高平均出力を
取り出すためには、1ショットのエネルギーを大きくす
るとともに、繰り返し周波数を高くしなければならな
い。すなわち、図6に示した光高調波発生装置におい
て、高平均出力を得るためには、高い繰り返し周波数で
高変換効率を確保する必要がある。
When the energy of one shot of a pulsed laser is E (J / pulse) and the number of shots during 1 second is N (pps: pulse per sec),
The average output (W) is expressed by the following equation. W = E × N Note that instead of the above N, the repetition frequency of one shot can be expressed by the following formula using f (Hz). W = E × f That is, in order to obtain a high average output from the laser device that oscillates in pulses, it is necessary to increase the energy of one shot and increase the repetition frequency. That is, in the optical harmonic generation device shown in FIG. 6, in order to obtain a high average output, it is necessary to secure high conversion efficiency at a high repetition frequency.

【0006】また、前記した光造形装置等においては、
光を走査して光硬化性樹脂に照射するため、繰り返し周
波数が低いと、走査速度が遅くなり処理時間が増大す
る。上記のようなパルスレーザの波長変換において、高
変換効率を阻害する要因としては、非線形光学結晶の入
力波(基本波入力)や結晶内部で発生する第2高調波に
よる加熱がもたらす位相ずれ(dephasing)、すなわち位
相不整合(phase mismatch)量の増大が知られている。
Further, in the above-mentioned optical modeling apparatus, etc.,
Since light is scanned to irradiate the photocurable resin, if the repetition frequency is low, the scanning speed becomes slow and the processing time increases. In the wavelength conversion of the pulse laser as described above, factors that impede the high conversion efficiency are phase shift (dephasing) caused by heating by the input wave (fundamental wave input) of the nonlinear optical crystal and the second harmonic generated inside the crystal. ), That is, an increase in the amount of phase mismatch is known.

【0007】図7は上記した非線形光学結晶内で生ずる
位相ずれの様子を示す図であり、同図に示すように、非
線形光学結晶内のZ1で生じた高調波と、Z2で生じた
高調波の位相が異なると干渉が生じ、この位相ずれ量が
増大すると相互に打ち消し合い高調波出力が低下し、変
換効率が低下する。
FIG. 7 is a diagram showing a phase shift occurring in the above-mentioned nonlinear optical crystal. As shown in FIG. 7, the harmonics generated in Z1 and the harmonics generated in Z2 in the nonlinear optical crystal are shown in FIG. When the phases are different from each other, interference occurs, and when the amount of phase shift increases, they cancel each other out and the harmonic output decreases, so that the conversion efficiency decreases.

【0008】図8は非線形光学結晶に光を入射したとき
の結晶内の温度分布を示す図であり、同図に示すよう
に、入力波の入射面から光軸方向に進むにしたがって結
晶内の温度は上昇し、この温度分布の不均一性が上記位
相ずれの要因となる。また、上記温度上昇は、入力波の
平均出力が大きいと増大し、さらに、同じ1ショットの
エネルギーでも、その繰り返し周波数が大きくなると
(すなわち平均出力が大きくなると)増大する。
FIG. 8 is a diagram showing the temperature distribution in the crystal when light is incident on the nonlinear optical crystal. As shown in the figure, the temperature inside the crystal increases as it goes in the optical axis direction from the incident surface of the input wave. The temperature rises, and the nonuniformity of the temperature distribution causes the phase shift. Further, the temperature rise increases when the average output of the input wave is large, and further, even when the energy of one shot is the same, it increases as the repetition frequency thereof increases (that is, when the average output increases).

【0009】図9は、非線形光学結晶から取り出される
1ショットのエネルギーと変換効率を示す図であり、同
図は、波長532nmの入力波(基本波入力)の1ショ
ットのエネルギーと、取り出される波長266nmの出
力波の1ショットのエネルギーとの関係、および、その
変換効率を示しており、同図の実線は繰り返し周波数が
10Hzの場合、点線は繰り返し周波数が100Hzの
場合を示している。同図から明らかなように、同一結晶
でも、平均出力を高めるため繰り返し周波数を高めると
繰り返し周波数が低い場合に較べて、基本波入力の1シ
ョットのエネルギーが大きい領域で変換効率が極端に低
下する。これは、上記のように、非線形光学結晶中での
基本波および第2高調波の吸収にともなう発熱に起因す
る位相ずれ(dephasing)の影響である。
FIG. 9 is a diagram showing the energy and conversion efficiency of one shot extracted from the nonlinear optical crystal. The figure shows the energy of one shot of an input wave (fundamental wave input) having a wavelength of 532 nm and the extracted wavelength. The relationship between the output wave of 266 nm and the energy of one shot and the conversion efficiency thereof are shown. The solid line in the figure shows the case where the repetition frequency is 10 Hz, and the dotted line shows the case where the repetition frequency is 100 Hz. As is clear from the figure, even with the same crystal, when the repetition frequency is increased to increase the average output, the conversion efficiency is extremely reduced in the region where the energy of one shot of the fundamental wave input is large compared to the case where the repetition frequency is low. . This is an effect of phase dephasing due to heat generation due to absorption of the fundamental wave and the second harmonic in the nonlinear optical crystal as described above.

【0010】一方、基本波を非線形光学結晶に入力して
も、得られる第2高調波の平均出力にはある程度の限界
がある。これは、非線形光学結晶への入射光のエネルギ
ー密度(J/cm2 )がある閾値を超えると非線形結晶が
損傷するためである。また、たとえ、入射光のエネルギ
ー密度が上記した結晶の損傷閾値以下であったとして
も、損傷閾値に近い場合には結晶劣化が早く進み、長時
間動作が困難となる。本発明は上記した問題を考慮して
なされたものであって、本発明の目的は、結晶内での発
熱による位相ずれ(dephasing)に起因する変換効率の低
下を防止し、かつ、結晶破壊、結晶劣化を防止すること
により、高効率で高平均化出力を取り出すことができる
光高調波発生方法および装置を提供することである。
On the other hand, even if the fundamental wave is input to the nonlinear optical crystal, the average output of the obtained second harmonic wave has a certain limit. This is because the nonlinear crystal is damaged when the energy density (J / cm 2 ) of the incident light on the nonlinear optical crystal exceeds a certain threshold value. Further, even if the energy density of the incident light is equal to or lower than the damage threshold value of the crystal described above, if the damage density is close to the damage threshold value, the crystal deterioration progresses rapidly and long-time operation becomes difficult. The present invention has been made in consideration of the above problems, the object of the present invention is to prevent the decrease in conversion efficiency due to the phase shift due to heat generation in the crystal (dephasing), and, crystal breakdown, An object of the present invention is to provide an optical harmonic generation method and device capable of extracting a highly averaged output with high efficiency by preventing crystal deterioration.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の請求項1〜4の発明においては、レーザ装
置が放出するレーザ光を2分割し、エネルギーが半減し
たレーザ光の各々を非線形光学結晶等からなる2つの高
調波発生手段に別々に入力して高調波光を発生させる。
そして、偏光方位が互いに異なった2つ高調波光を偏光
ビームスプリッタ等に入力し、両者を重ね合わせ加算す
る。
In order to solve the above-mentioned problems, in the inventions of claims 1 to 4, the laser light emitted from the laser device is divided into two, and each of the laser light whose energy is halved is The harmonic light is generated by being separately input to the two harmonic generating means composed of a nonlinear optical crystal or the like.
Then, the two harmonic lights having different polarization directions are input to a polarization beam splitter or the like, and both are superposed and added.

【0012】本発明の請求項1〜4の発明においては、
上記のように、レーザ光を第1のレーザ光と第2のレー
ザ光に分岐し、第1および第2のレーザ光から第1およ
び第2の高調波光を発生させ、互いに異なった偏光方位
を持つ第1、第2の高調波光を統合するようにしたの
で、非線形光学結晶の変換効率を最大値近傍に設定で
き、かつ、一つの高調波発生手段に入射するレーザ光の
エネルギーレベルを非線形光学結晶の損傷閾値より充分
低い値とすることができ、非線形光学結晶の損傷を防止
することができるとともに、長時間の安定動作が可能と
なり信頼性を向上させることができる。
In the invention of claims 1 to 4 of the present invention,
As described above, the laser light is split into the first laser light and the second laser light, the first and second harmonic light are generated from the first and second laser lights, and the polarization directions different from each other are generated. Since the first and second harmonic light beams are integrated, the conversion efficiency of the nonlinear optical crystal can be set near the maximum value, and the energy level of the laser light incident on one harmonic wave generation means can be set to the nonlinear optical wave. It can be set to a value sufficiently lower than the crystal damage threshold value, damage to the nonlinear optical crystal can be prevented, and stable operation for a long time becomes possible and reliability can be improved.

【0013】なお、請求項1,3の発明は、レーザ光を
分岐したのち、一方の高調波光の偏光方位を他方の高調
波光の偏光方位と異なる方位に変換しているので、直線
偏光のレーザ光を出射するレーザ装置を用いる場合に適
しており、また、請求項2,4の発明においては、レー
ザ光を分岐する際、レーザ光を互いに異なった偏光方位
もつ第1と第2のレーザ光に分岐しているので、ランダ
ム偏光もしくは直交偏光のレーザ光を出射するレーザ装
置を用いる場合に適している。
In the inventions of claims 1 and 3, after the laser light is branched, the polarization azimuth of one harmonic light is converted into an azimuth different from the polarization azimuth of the other harmonic light. It is suitable when using a laser device that emits light. Further, in the invention of claims 2 and 4, when the laser light is branched, the first and second laser lights having different polarization directions from each other are used. It is suitable for the case of using a laser device that emits randomly polarized laser light or orthogonally polarized laser light.

【0014】[0014]

【発明の実施形態】図1は本発明の第1の実施例を示す
図である。同図において、1は波長532nm(以下、
波長λという)の光をパルス発振するレーザ装置であ
り、レーザ装置1は、例えば、図2に示すように、波長
1064nmの光をパルス発振するNd:YAGレーザ
1aと非線形光学結晶1bから構成することができ、レ
ーザ装置1が出射する波長1064nmの光を非線形光
学結晶1bに入射して、第2高調波(波長532nm)
を得る。非線形光学結晶1bを出た光は不図示のプリズ
ム等で分光され、レーザ装置1からは第2高調波(波長
532mm)のみを取り出すようにしている(波長10
64mmの光は遮蔽板等で遮蔽される)。なお、上記レ
ーザ装置1の出射光は直線偏光であり、その偏光方位
は、例えば同図に示すように紙面に対して上下方向であ
る(同図では太矢印で示されている)。
1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a wavelength of 532 nm (hereinafter,
The laser device 1 is a laser device that pulse-oscillates light having a wavelength λ), and the laser device 1 includes, for example, as shown in FIG. 2, an Nd: YAG laser 1a that pulse-oscillates light having a wavelength of 1064 nm and a nonlinear optical crystal 1b. The second harmonic (wavelength 532 nm) can be obtained by making the light of wavelength 1064 nm emitted by the laser device 1 incident on the nonlinear optical crystal 1b.
Get. The light emitted from the nonlinear optical crystal 1b is dispersed by a prism (not shown) or the like, and only the second harmonic (wavelength 532 mm) is extracted from the laser device 1 (wavelength 10).
The 64 mm light is blocked by a shield plate or the like). The emitted light of the laser device 1 is linearly polarized light, and its polarization direction is, for example, in the vertical direction with respect to the paper surface as shown in the figure (indicated by a thick arrow in the figure).

【0015】2a,2bは第1、第2の非線形光学結晶
であり、非線形光学結晶2a,2bは偏光方位が同図太
矢印の波長λの光が入射したとき、偏光方位が同図太矢
印方向の波長λの光と、偏光方位が紙面に対して直交方
向(同図では黒点を付けた丸印で示されている)である
波長266nm(以下、波長λ/2という)の光を出射
する。5はハーフミラー、6aは全反射ミラーであり、
レーザ装置1の波長λの出射光は、ハーフミラー5で分
岐され、第1のレーザ光が上記第1の非線形光学結晶2
aに入射し、第2のレーザ光が全反射ミラー6aで反射
して上記第2の非線形光学結晶に入射し、それぞれの非
線形光学結晶2a,2bは同図に示す偏光方位の波長λ
の光と波長λ/2の光を出射する。なお、上記非線形光
学結晶の各々の結晶長は、分岐され半減化したレーザ光
のエネルギーに対して変換効率が最大となるように最適
化されていることが重要な前提条件となる。
Reference numerals 2a and 2b denote first and second non-linear optical crystals, and the non-linear optical crystals 2a and 2b have polarization directions when the light of wavelength λ having a polarization direction indicated by a thick arrow in the figure is incident. Direction light with wavelength λ and light with wavelength 266 nm (hereinafter referred to as wavelength λ / 2) whose polarization direction is orthogonal to the paper surface (indicated by a circle with a black dot in the figure). To do. 5 is a half mirror, 6a is a total reflection mirror,
The emitted light of the wavelength λ of the laser device 1 is branched by the half mirror 5, and the first laser light is converted into the first nonlinear optical crystal 2 described above.
a, the second laser light is reflected by the total reflection mirror 6a and then enters the second nonlinear optical crystal, and the respective nonlinear optical crystals 2a and 2b have wavelengths λ of polarization directions shown in FIG.
And the light of wavelength λ / 2 are emitted. It is an important precondition that the crystal length of each of the nonlinear optical crystals is optimized so that the conversion efficiency is maximized with respect to the energy of the laser light branched and halved.

【0016】第1,第2の非線形光学結晶2a,2bか
ら出射する光は第1、第2のプリズム3a,3bに入射
し、プリズム3a,3bは波長λの光と波長λ/2の光
を分光する。プリズム3a,3bが出射する光の内、波
長λの光は遮蔽板4a,4bで遮蔽され、偏光方位が紙
面に対して垂直な波長λ/2の光が取り出され、この波
長λ/2の光は、それぞれ偏光ビームスプリッタ8およ
び全反射ミラー6bに入射する。
Light emitted from the first and second nonlinear optical crystals 2a and 2b is incident on the first and second prisms 3a and 3b, and the prisms 3a and 3b emit light of wavelength λ and light of wavelength λ / 2. Spectrally. Of the light emitted from the prisms 3a and 3b, the light having the wavelength λ is blocked by the shielding plates 4a and 4b, and the light having the wavelength λ / 2 whose polarization direction is perpendicular to the paper surface is extracted. The light respectively enters the polarization beam splitter 8 and the total reflection mirror 6b.

【0017】全反射ミラー6bに入射した光はさらに1
/2波長板7に入射して、その偏光方位が同図に示すよ
うに90°回転され偏光ビームスプリッタ8に入射す
る。上記プリズム3aおよび1/2波長板7から波長λ
/2の光が偏光ビームスプリッタ8に入射すると、偏光
ビームスプリッタ8はそれぞれの光の偏光方位を変えず
2つの光を統合し、その結果、同図に示すように偏光方
位が直交する波長λ/2の光が偏光ビームスプリッタ8
から出射する。
The light incident on the total reflection mirror 6b is further 1
The light enters the 1/2 wavelength plate 7, and its polarization direction is rotated by 90 ° as shown in FIG. From the prism 3a and the half-wave plate 7, the wavelength λ
When the light of / 2 enters the polarization beam splitter 8, the polarization beam splitter 8 integrates the two lights without changing the polarization directions of the respective lights, and as a result, as shown in FIG. / 2 light is polarized beam splitter 8
Emitted from

【0018】図3は本実施例の動作を説明する図であ
り、同図は前記図9に示した特性を持つ非線形光学結晶
に本実施例を適用した場合を示しており、同図の横軸は
非線形光学結晶への入射光(波長532nm)の1ショ
ットのエネルギー、縦軸は非線形光学結晶の出射光(波
長266nm)の1ショットのエネルギーおよび変換効
率を示している。レーザ装置1が出射する光の1ショッ
トのエネルギーをE3とし、また、ハーフミラー5によ
り分岐された第1のレーザ光の1ショットのエネルギー
をE1、第2のレーザ光の1ショットのエネルギーをE
2とする(ハーフミラー等におけるロスを考慮しなけれ
ばE3=E1+E2)。上記エネルギーE1,E2の光
が非線形光学結晶2a,2bに入射すると、非線形光学
結晶2a,2bから第2高調波が発生し、そのときに発
生する第2高調波の1ショットのエネルギーは、図3か
らaとbとなる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of this embodiment, which shows the case where this embodiment is applied to the nonlinear optical crystal having the characteristics shown in FIG. The axis shows the energy of one shot of incident light (wavelength 532 nm) to the nonlinear optical crystal, and the axis of ordinate shows the energy and conversion efficiency of one shot of the emitted light (wavelength 266 nm) of the nonlinear optical crystal. The energy of one shot of the light emitted from the laser device 1 is E3, the energy of one shot of the first laser light branched by the half mirror 5 is E1, and the energy of one shot of the second laser light is E3.
It is set to 2 (E3 = E1 + E2 unless the loss in the half mirror is taken into consideration). When the light of the above energies E1 and E2 is incident on the nonlinear optical crystals 2a and 2b, a second harmonic is generated from the nonlinear optical crystals 2a and 2b, and the energy of one shot of the second harmonic generated at that time is From 3 to a and b.

【0019】上記非線形光学結晶2aの出射光はプリズ
ム3aを介して偏光ビームスプリッタ8に入射し、ま
た、非線形光学結晶2bの出射光はプリズム3b,全反
射ミラー6b、1/2波長板7を介して偏光ビームスプ
リッタ8に入射し、両者の光の偏光方位は直交している
ので、偏光スプリッタ8が出射する1ショットの光のエ
ネルギーはa+bとなる。ここで、従来のように、1シ
ョットエネルギーがE3である入射光(基本波)を分割
せず、非線形光学結晶に入射されると、図3より第2高
調波の1ショットエネルギーはcとなる。
The light emitted from the nonlinear optical crystal 2a enters the polarization beam splitter 8 through the prism 3a, and the light emitted from the nonlinear optical crystal 2b passes through the prism 3b, the total reflection mirror 6b and the half wave plate 7. Since the polarization azimuths of the two lights that are incident on the polarization beam splitter 8 are orthogonal to each other, the energy of one shot of light emitted by the polarization splitter 8 is a + b. Here, when the incident light (fundamental wave) whose one-shot energy is E3 is not split as in the conventional case and is incident on the nonlinear optical crystal, the one-shot energy of the second harmonic becomes c according to FIG. .

【0020】同図から明らかなように、a+b>cであ
り、また、上記のようにE3=E1+E2であるから変
換効率の高効率化が実現できることが分かる。一方、非
線形光学結晶内での温度上昇の影響が小さい場合は、基
本波の1ショットエネルギーに対する第2高調波の1シ
ョットエネルギー、変換効率は図4のようになる。上記
したように、基本波の1ショットエネルギーがある閾値
Ethを超えると、非線形光学結晶は損傷し、基本波の1
ショットエネルギーがEth以下であっても、Ethに近い
場合には結晶劣化が早く進み、長時間動作が困難とな
る。すなわち、第2高調波の1ショットエネルギーを図
4に示すfに近い値にすることができない。
As is clear from the figure, since a + b> c and E3 = E1 + E2 as described above, it can be seen that high conversion efficiency can be realized. On the other hand, when the influence of the temperature rise in the nonlinear optical crystal is small, the one-shot energy of the second harmonic with respect to the one-shot energy of the fundamental wave and the conversion efficiency are as shown in FIG. As described above, when one shot energy of the fundamental wave exceeds a certain threshold Eth, the nonlinear optical crystal is damaged and
Even if the shot energy is equal to or less than Eth, if the shot energy is close to Eth, crystal deterioration progresses rapidly and long-time operation becomes difficult. That is, the one-shot energy of the second harmonic cannot be set to a value close to f shown in FIG.

【0021】しかしながら、本発明においては、同図か
ら明らかなように、f≒d+eであり、また、E4≦E
th、E5<<Ethであるから、結晶を損傷させることな
く、fに近い値の第2高調波の1ショットエネルギーを
得ることができることが分かる。しかも、E4≦Eth、
E5<<Ethであるので、結晶劣化を起こすことなく長
時間稼働が可能となる。
However, in the present invention, as is clear from the figure, f≈d + e, and E4 ≦ E.
Since th and E5 << Eth, one shot energy of the second harmonic having a value close to f can be obtained without damaging the crystal. Moreover, E4 ≦ Eth,
Since E5 << Eth, it is possible to operate for a long time without causing crystal deterioration.

【0022】図5は本発明の第2の実施例を示す図であ
り、本実施例は、ランダム偏光もしくは直交偏光の光を
出射するレーザ装置に適用するに好適な実施例を示して
いる。同図において、前記図1に示したものと同一のも
のには同一の符号が付されており、本実施例において
は、図1のハーフミラー5に変えて偏光ビームスプリッ
タ9を用い、レーザ装置1が出射するランダム偏光もし
くは直交偏光の光を偏光方位が互いに直交する第1、第
2の光に分岐するとともに、図1における1/2波長板
7を除去したものである。
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and this embodiment shows an embodiment suitable for being applied to a laser device which emits randomly polarized light or orthogonally polarized light. In the figure, the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. In this embodiment, a polarization beam splitter 9 is used instead of the half mirror 5 of FIG. The light of 1 or 2 randomly polarized or orthogonally polarized is split into first and second lights whose polarization directions are orthogonal to each other, and the half-wave plate 7 in FIG. 1 is removed.

【0023】上記偏光ビームスプリッタ9により分岐さ
れた第1のレーザ光は、前記した第1の実施例と同様、
非線形光学結晶2aに入射して波長λ/2の光が発生
し、プリズム3aを介して偏光ビームスプリッタ8に入
射する。また、偏光ビームスプリッタ9により分岐され
た第2のレーザ光は、前記した第1の実施例と同様、非
線形光学結晶2bに入射して波長λ/2の光が発生し、
プリズム3b、全反射ミラー7を介して偏光ビームスプ
リッタ8に入射する。
The first laser light split by the polarization beam splitter 9 is the same as in the first embodiment.
Light having a wavelength λ / 2 is generated by incidence on the nonlinear optical crystal 2a, and is incident on the polarization beam splitter 8 via the prism 3a. The second laser light split by the polarization beam splitter 9 is incident on the nonlinear optical crystal 2b to generate light of wavelength λ / 2, as in the first embodiment.
The light enters the polarization beam splitter 8 via the prism 3b and the total reflection mirror 7.

【0024】本実施例においては、偏光ビームスプリッ
タ9を用いて光を分岐しているので、第1の光と第2の
光により生じた上記波長λ/2の光の偏光方位は、同図
に示すように、互いに直交している。このため、第1の
実施例のように1/2波長板7を使用することなく、互
いに直交した波長λ/2の光を得ることができる。偏光
ビームスプリッタ8に互いに直交する2つの波長λ/2
の光が入射すると、偏光ビームスプリッタ8は、第1の
実施例と同様、2つの光を統合し、偏光方位が直交する
波長λ/2の光が偏光ビームスプリッタ8から出射す
る。
In this embodiment, since the light is split by using the polarization beam splitter 9, the polarization azimuth of the light of the wavelength λ / 2 generated by the first light and the second light is as shown in FIG. , They are orthogonal to each other. Therefore, it is possible to obtain lights having wavelengths λ / 2 orthogonal to each other without using the ½ wavelength plate 7 as in the first embodiment. Two wavelengths λ / 2 orthogonal to each other to the polarization beam splitter 8
When the light of (1) is incident, the polarization beam splitter 8 integrates the two lights as in the first embodiment, and the light of wavelength λ / 2 whose polarization directions are orthogonal to each other is emitted from the polarization beam splitter 8.

【0025】本実施例においても、レーザ装置1が出射
する光を分岐して、第1、第2の非線形光学結晶に入射
して波長λ/2の光を得て、これを偏光ビームスプリッ
タ8で統合しているので、前記図3で説明したのと同
様、結晶に損傷させることなく、高い変換効率で高出力
を得ることができ、また、結晶劣化を起こすことなく長
時間稼働が可能となる。
Also in this embodiment, the light emitted from the laser device 1 is branched and is incident on the first and second nonlinear optical crystals to obtain light of wavelength λ / 2, which is then polarized by the polarization beam splitter 8. As described above with reference to FIG. 3, it is possible to obtain high output with high conversion efficiency without damaging the crystal, and it is possible to operate for a long time without crystal deterioration. Become.

【0026】なお、上記第1、第2の実施例ではレーザ
光を2つに分岐した各光路中に非線形光学結晶を各1設
けて第2高調波を発生させる場合を示したが、本発明は
上記実施例に限定されるものではなく、例えば、上記各
光路中に複数の非線形光学結晶を設けて第4高調波、第
5高調波等を発生させる等、種々の変形をすることがで
きる。
In the first and second embodiments, the case where the nonlinear optical crystal is provided in each of the optical paths where the laser light is branched into two to provide the second harmonic is shown. Is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made, for example, by providing a plurality of nonlinear optical crystals in each of the optical paths to generate the fourth harmonic, the fifth harmonic, and the like. .

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、レーザ光を第1のレーザ光と第2のレーザ光に分岐
し、第1および第2のレーザ光から第1および第2の高
調波光を発生させ、互いに異なった偏光方位を持つ第
1、第2の高調波光を統合するようにしたので、一つの
高調波発生手段に入射するレーザ光のエネルギーレベル
を従来の技術に比べてほぼ半減させることができるの
で、非線形光学結晶内の温度上昇による位相ずれ(depha
sing) を軽減し、高変換効率を得ることができる。ま
た、該エネルギーレベルを非線形光学結晶の損傷閾値よ
り充分低い値とすることができ、非線形光学結晶の損
傷、劣化を防止しながら高平均出力を得ることができ
る。このため、高出力で長時間の安定動作が可能とな
り、また、信頼性を向上させることができる。
As described above, in the present invention, the laser light is split into the first laser light and the second laser light, and the first and second laser lights are divided into the first and second harmonics. Since the wave light is generated and the first and second harmonic lights having different polarization directions are integrated, the energy level of the laser light incident on one harmonic generating means is almost equal to that of the conventional technique. Since it can be halved, the phase shift (depha
sing), and high conversion efficiency can be obtained. Further, the energy level can be set to a value sufficiently lower than the damage threshold of the nonlinear optical crystal, and high average output can be obtained while preventing damage and deterioration of the nonlinear optical crystal. Therefore, a high output and stable operation for a long time are possible, and reliability can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】波長532nmの光を放出するレーザ装置の一
例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a laser device that emits light having a wavelength of 532 nm.

【図3】本発明の第1の実施例の動作を説明する図であ
る。
FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the first exemplary embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例の動作を説明する図であ
る。
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図6】高調波発生装置の従来例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a conventional example of a harmonic generator.

【図7】非線形光学結晶内で生ずる位相ずれの様子を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing how a phase shift occurs in a nonlinear optical crystal.

【図8】非線形光学結晶に光を入射したときの結晶内の
温度分布を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a temperature distribution in a crystal when light is incident on the nonlinear optical crystal.

【図9】非線形光学結晶から取り出されるエネルギーと
変換効率を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing energy extracted from a nonlinear optical crystal and conversion efficiency.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ装置 1a Nd:YAGレーザ 1b 非線形光学結晶 2a,2b 非線形光学結晶 3a,3b プリズム 4a,4b 遮蔽板 5 ハーフミラー 6a,6b 全反射ミラー 7 1/2波長板 8,9 偏光ビームスプリッタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser device 1a Nd: YAG laser 1b Nonlinear optical crystal 2a, 2b Nonlinear optical crystal 3a, 3b Prism 4a, 4b Shielding plate 5 Half mirror 6a, 6b Total reflection mirror 7 1/2 wavelength plate 8, 9 Polarizing beam splitter

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ光を第1のレーザ光と第2のレー
ザ光に分岐し、 第1のレーザ光から第1の高調波を発生させ、 第2のレーザ光から第2の高調波を発生させ、 上記第2の高調波光の偏光方位を上記第1の高調波光の
偏光方位と異なる方位に変換したのち、上記第1の高調
波光と上記偏光方位を変換した第2の高調波光を統合す
ることを特徴とする光高調波発生方法。
1. A laser beam is split into a first laser beam and a second laser beam, a first harmonic is generated from the first laser beam, and a second harmonic is generated from the second laser beam. After generating and converting the polarization azimuth of the second harmonic light to an azimuth different from the polarization azimuth of the first harmonic light, the first harmonic light and the second harmonic light whose polarization azimuth are converted are integrated. An optical harmonic generation method characterized by:
【請求項2】 レーザ光を互いに異なる偏光方位を持つ
第1のレーザ光と第2のレーザ光に分岐し、 第1のレーザ光から第1の高調波を発生させ、 第2のレーザ光から第2の高調波を発生させ、 上記第1の高調波光と第2の高調波光を統合することを
特徴とする光高調波発生方法。
2. A laser beam is split into a first laser beam and a second laser beam having polarization directions different from each other, a first harmonic is generated from the first laser beam, and a second laser beam is generated. An optical harmonic generation method characterized in that a second harmonic is generated and the first harmonic light and the second harmonic light are integrated.
【請求項3】 レーザ光を放出するレーザ装置と上記レ
ーザ装置が放出するレーザ光を第1のレーザ光と第2の
レーザ光とに分岐する分岐手段と、 第1のレーザ光から第1の高調波光を発生させる第1の
高調波発生手段と、 第2のレーザ光から第2の高調波光を発生させる第2の
高調波発生手段と、 上記第2の高調波光の偏光方位を上記第1の高調波光の
偏光方位とは異なる方位に変換する偏光方位変換手段
と、 上記第1の高調波光と上記偏光方位を変換した第2の高
調波光を統合する光統合手段とを備えたことを特徴とす
る光高調波発生装置。
3. A laser device for emitting a laser beam, a branching unit for branching the laser beam emitted by the laser device into a first laser beam and a second laser beam, and a first laser beam to a first laser beam. First harmonic generating means for generating harmonic light, second harmonic generating means for generating second harmonic light from the second laser light, and polarization orientation of the second harmonic light as the first harmonic Polarization direction conversion means for converting the polarization direction of the higher harmonic light into a direction different from the polarization direction, and light integrating means for integrating the first higher harmonic light and the second higher harmonic light with the changed polarization direction. Optical harmonic generator.
【請求項4】 レーザ光を放出するレーザ装置と上記レ
ーザ装置が放出するレーザ光を、互いに異なる偏光方位
を持つ第1のレーザ光と第2のレーザ光とに分岐する分
岐手段と、 第1のレーザ光から第1の高調波光を発生させる第1の
高調波発生手段と、 第2のレーザ光から第2の高調波光を発生させる第2の
高調波発生手段と、 上記第1の高調波光と第2の高調波光を統合する光統合
手段とを備えたことを特徴とする光高調波発生装置。
4. A laser device for emitting a laser beam, and a branching unit for branching the laser beam emitted by the laser device into a first laser beam and a second laser beam having different polarization directions from each other. First harmonic generation means for generating a first harmonic light from the laser light, second harmonic generation means for generating a second harmonic light from the second laser light, and the first harmonic light And an optical integrating means for integrating the second harmonic light, the optical harmonic generating device.
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