JPH10133244A

JPH10133244A - レーザ光発生装置

Info

Publication number: JPH10133244A
Application number: JP28530796A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kaneda; 有史金田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-05-22
Anticipated expiration: 2016-10-28
Also published as: JP3831993B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光共振器内部のビームパターンの変化に伴う
出力光のパワー低下が防止され安定した出力光を長時間
維持できるレーザ光発生装置を提供する。【解決手段】レーザ光発生装置１は、所定波長のレー
ザ光を発する一つ以上のレーザ光源２と、レーザ光源２
からのレーザ光を結合、共振させる光共振器３とを備
え、光共振器３は、二つ以上の反射鏡（Ｍ１〜Ｍ４）
と、レーザ光の波長を変換する位相整合のとれた非線形
光学結晶素子４とを備えるとともに、基本モード（ＴＥ
Ｍ₀₀モード）の共振周波数と横高次モード（ＴＥＭ_mnモ
ード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数でｍ＋ｎ≧１の
モード）の共振周波数とが重ならないように構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光源からの
レーザ光を、レーザ光源の外部に配された光共振器によ
って強めるとともに、この光共振器内に配された非線形
光学結晶素子によって波長変換した上で出力するレーザ
光発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高効率なレーザ光発生装置と
して、レーザ光源からのレーザ光を、該レーザ光源の外
部に配された光共振器に結合、共振させることによって
強めるとともに、この光共振器の光路中に配された非線
形光学結晶素子によって波長変換して出力するタイプの
レーザ光発生装置が存在する。

【０００３】かかるレーザ光発生装置としては、単数の
レーザ光源からの入力レーザ光をその２倍の周波数を持
つレーザ光に波長変換して出力するタイプ（共振型第二
高調波発生）のもの、或いは２つ以上のレーザ光源から
の各入力レーザ光を各々の周波数の和の周波数または差
の周波数を持つレーザ光に波長変換して出力するタイプ
（２重共振型和周波混合）のものが一般に知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
光発生装置は、上記共振型第二高調波発生のタイプとし
て、例えばレーザ光源から出力される波長５３２ｎｍの
入力レーザ光を光共振器で共振させ、かかる光共振器の
光路中に配置した非線形光学結晶素子によって入力レー
ザ光を、その２倍の周波数にあたる１／２波長に波長変
換し、波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光を出力光として
得るものが知られている。

【０００５】また、従来のレーザ光発生装置は、上記２
重共振型和周波混合のタイプとして、例えば第１のレー
ザ光源から出力される波長５３２ｎｍの入力レーザ光
と、第２のレーザ光源から出力される波長１０６４ｎｍ
の入力レーザ光とを、光共振器で同時に共振させ、かか
る光共振器の内部に配置した非線形光学結晶素子によっ
て、各々の周波数の和の周波数にあたる波長３５５ｎｍ
の紫外線レーザ光を出力光として得るものが知られてい
る。

【０００６】しかしながら、これら従来のレーザ光発生
装置は、上記いずれのタイプのものにおいても、その作
動時に、以下に述べる出力光のパワー低下現象がしばし
ば発生するという問題点を有していた。

【０００７】ここで、かかる問題点を解説するため、従
来のレーザ光発生装置の一構成例を図３を用いて説明す
る。図３に示すレーザ光発生装置１０１は、上記共振型
第二高調波発生のタイプのものであり、レーザ光源１０
２から出力される波長５３２ｎｍの入力レーザ光を光共
振器１０３で結合、共振させ、かかる光共振器１０３の
内部の光路中に配置した非線形光学結晶素子１０４によ
ってかかる波長５３２ｎｍの入力レーザ光を、その２倍
の周波数にあたる１／２波長に波長変換し、波長２６６
ｎｍの紫外線レーザ光を出力するものである。

【０００８】かかるレーザ光発生装置１０１において、
光共振器１０３は、４つのミラーＭ１乃至Ｍ４と、上記
レーザ光源１０２からの入力レーザ光を非線形波長変換
する非線形光学結晶素子１０４とを有している。ここ
で、ミラーＭ１は、入力結合鏡と呼ばれる半透鏡であ
り、インピーダンス整合をほぼ満たすよう構成されてい
る。なお、入力結合鏡は、一般に９８％〜９９.５％程
度の反射率を有するものが用いられる。一方、ミラーＭ
２乃至Ｍ４は、漏れが０．０５％以下の高反射鏡となっ
ている。

【０００９】また、上記ミラーＭ１及びミラーＭ２は平
面鏡であり、相互に約１０２ｍｍ隔てて配置されてい
る。一方、ミラーＭ３及びミラーＭ４は、それぞれ曲率
半径が５０ｍｍの凹面鏡となっており、相互に約５４ｍ
ｍ隔てて配置されている。そして、光共振器１０３で
は、上記各ミラーＭ１乃至Ｍ４に対する入力レーザ光の
入射角がそれぞれ１０度となるように各ミラーＭ１乃至
Ｍ４の角度が設定されている。

【００１０】さらに、この光共振器１０３では、非線形
光学結晶素子１０４として、βホウ酸バリウム結晶（Ｂ
ＢＯ）が用いられている。光共振器１０３では、この非
線形光学結晶素子１０４が上述した凹面鏡であるミラー
Ｍ３及びミラーＭ４の光路間の所定位置に配されてお
り、かかる凹面鏡によってフォーカシングされた入力レ
ーザ光が非線形光学結晶素子１０４内を通過するように
構成されている。光共振器１０３では、かかる構成とす
ることにより、後述する入力レーザ光の非線形波長変換
の効率を向上させることができる。

【００１１】なお、レーザ光発生装置１０１において
は、光共振器１０３が入力レーザ光に対して共振条件を
満たすように、具体的には光共振器１０３のラウンドト
リップの光路長（共振器長）が入力レーザ光の波長の整
数倍になるように精密に制御するための図示しない光路
長制御手段が備えられている。

【００１２】このような構成を有するレーザ光発生装置
１０１において、レーザ光源１０２から出力された波長
５３２ｎｍのレーザ光は、入力結合鏡であるミラーＭ１
に到達してこれを透過することにより光共振器１０３内
に入射され、次いでミラーＭ２に到達してミラーＭ４の
方向に反射される。そして、このレーザ光は、ミラーＭ
４に到達、反射して非線形光学結晶素子１０４を通過す
ることにより非線形波長変換され、波長が２６６ｎｍに
変わる。さらに、このレーザ光は、ミラーＭ３を反射し
てミラーＭ１に到達、反射して再び光共振器１０３内の
光路を循環する。

【００１３】レーザ光発生装置１０１では、レーザ光源
１０２からの入力レーザ光がこのように光共振器１０３
内を循環するとともに、レーザ光源１０２からレーザ光
が常時入力されて上記循環するレーザ光と入力結合鏡Ｍ
１で同一位相にて結合されることにより、光共振器１０
３内部のレーザ光のパワーが上昇される。一方で、レー
ザ光発生装置１０１では、各ミラーＭ２乃至Ｍ４が有限
の反射率を有しており、レーザ光の所定の漏れが生ずる
ことから、例えばミラーＭ３が出力鏡とされ、このミラ
ーＭ３から波長２６６ｎｍのレーザ光が取り出されて出
力されることになる。

【００１４】このレーザ光発生装置１０１は、上記光路
長制御手段の制御により光共振器１０３の共振条件が満
たされた状態では、光共振器１０３の内部の光パワーが
入力のパワーに対して５０倍乃至数百倍に強められるこ
とになる。

【００１５】また、レーザ光発生装置１０１は、光共振
器１０３の共振条件が満たされた状態において、凹面鏡
であるミラーＭ４により光がフォーカスされた非線形光
学結晶素子１０４中の光密度が１０ＭＷ／ｃｍ²に達
し、時としてこれを超える。レーザ光発生装置１０１で
は、この高い光密度を有効に利用することにより、これ
まで最高出力として１.５Ｗのパワーが得られている。

【００１６】なお、光共振器の外部に配するレーザ光源
を、波長５３２ｎｍの入力レーザ光を出力する第１のレ
ーザ光源と波長１０６４ｎｍの入力レーザ光を出力する
第２のレーザ光源の２つとし、光共振器でこれら各入力
レーザ光を同時に共振させることとすれば、上記２重共
振型和周波混合のタイプのレーザ光発生装置の構成とな
る。

【００１７】かかる２重共振型和周波混合のタイプのレ
ーザ光発生装置によれば、光共振器の２重共振条件が満
たされた状態において、各入力レーザ光が光共振器内部
の非線形光学結晶素子により各々の入力レーザ光の周波
数の和の周波数にあたる波長３５５ｎｍの紫外線レーザ
光に波長変換され、かかる紫外線レーザ光が出力鏡から
取り出されて出力されることになる。そして、この２重
共振型和周波混合のタイプのレーザ光発生装置では、こ
れまで最高出力として０．６６Ｗのパワーが得られてい
る。

【００１８】しかしながら、これら従来のレーザ光発生
装置では、該装置作動後の一定時間経過後に、出力光の
パワーが低下してしまう現象が頻繁に生じていた。この
出力光のパワー低下現象は、光共振器内部を循環するレ
ーザ光のビームパターンに変化が起こり、これに伴って
発生するものであった。

【００１９】具体的には、従来のレーザ光発生装置にお
いては、光共振器内に入射されたレーザ光のビームパタ
ーンにしばしば変化が見られ、かかる変化前の状態の共
振器基本モードであるＴＥＭ₀₀モードと空間的にモード
マッチされたレーザ光源からの入力レーザ光との結合が
悪化し、結果的に光共振器から出力される紫外光のパワ
ーが数分で低下してしまう、という問題を有していた。

【００２０】レーザ光発生装置におけるこのビームパタ
ーンの変化現象は、その原因が正確には解明されていな
かった。そして、レーザ光発生装置におけるこのビーム
パターンの変化現象は、光共振器内に配される非線形光
学結晶素子のサンプルによって、発生するケースと発生
しないケースとがあったことから、現状では非線形光学
結晶素子の結晶内部に起因する現象ということしか分か
っていない。そして、このビームパターン変化の原因に
関しては、「非線形光学結晶素子のダメージから引き起
こされる、共振器固有モードに対する『収差』効果であ
る。」と一般に考えられてきた。

【００２１】以下に、上述した従来のレーザ光発生装置
１０１におけるビームパターンの変化現象の概要につい
て説明する。

【００２２】レーザ光発生装置１０１では、上述のよう
に、光共振器１０３における各ミラーＭ２乃至Ｍ４が有
限の透過率を持つ。この透過率は、一般に０.０５％以
下と小さい値であるが、光共振器１０３が共振している
状態では内部のパワーが高いので、図３に示すように、
これら各ミラーから透過してくるリーク（ｌｅａｋ）、
すなわち漏れ光を種々の方法により観察することが可能
である。そして、レーザ光発生装置１０１では、この漏
れ光を観察することで、光共振器１０３内のビームパタ
ーンを検出することができる。

【００２３】本発明者は、上記構成を有するレーザ光発
生装置１０１を用いて光共振器１０３内のビームパター
ンを検出する実験を行ったところ、かかるレーザ光発生
装置１０１を作動させた後の数分間で、光共振器１０３
内のビームパターンが図４の（Ａ）乃至（Ｉ）に示すよ
うに順次変化してゆき、これに伴って出力光のパワーが
低下する現象が観察された。

【００２４】本発明者は、このビームパターンの変化が
生じるときの光共振器１０３の横モード間隔を算出し
た。また、本発明者は、上記光路長制御手段を作動さ
せ、光共振器１０３の共振器長を変化させることによ
り、この横モード間隔を変えてビームパターンの変化を
観察したことより、このパターンが光共振器１０３の固
有モードのうちの、基本モード（ＴＥＭ₀₀モード）と横
高次モード（ＴＥＭ_mnモード、ここでｍ，ｎはそれぞれ
０又は正の整数であり、ｍ＋ｎ≧１と表現される。）と
の重ね合わせであることを確認した。

【００２５】具体的には、図４に示すこれら９つのビー
ムパターンは、光共振器１０３の基本モード（ＴＥＭ₀₀
モード）と、３次の横高次モードの一つであるHermite-
gaussianモード（ＴＥＭ₁₂モード）との重ね合わせによ
って得られるものであることが判明した。さらに具体的
には、これらのビームパターンは、時間の経過につれて
上記ＴＥＭ₁₂モードの含まれる割合が、ビームパワーに
して５％から４５％にまで増大してゆくことが判明し
た。

【００２６】周知のように、上記ＴＥＭ₀₀モードとＴＥ
Ｍ₁₂モードとでは、その共振周波数が異なる。したがっ
て、レーザ光発生装置１０１においては、光共振器１０
３の共振器長を上記ＴＥＭ₀₀モードが出現するよう設定
している限り、上記ＴＥＭ₁₂モードが同時には出現しな
いはずであるが、光共振器１０３内でそれらが同時に出
現し、この結果出力光のパワー低下が生じている以上、
この現象が生じる原因を解明し、かかる現象を避ける手
段を講じる必要がある。

【００２７】しかしながら、本発明者が上述の現象につ
いて観察を続けた結果、このビームパターンの変化に
は、図４に示すように規則性があること、また、光共振
器１０３内の非線形光学結晶素子１０４の結晶の方向を
１８０度替えると、図５（図５（Ａ）に対する（Ｂ））
に示すように、ビームパターンの変化の現れ方もまた１
８０度反転するということが明らかになった。

【００２８】以上の観察により、本発明者は、このビー
ムパターンの変化の原因がフォトリフラクティブ効果、
すなわち、入力レーザ光が非線形光学結晶素子１０４で
あるＢＢＯに入射する際に、その入射強度によって、当
該ＢＢＯの屈折率が変化する現象によるものであるとの
確信を得るに至った。

【００２９】本発明は、上述の問題点を解決するために
提案されたものであって、光共振器内部のビームパター
ンの変化を最小限に抑えることにより出力光パワーの低
下を防止し、安定した出力を長時間維持することのでき
るレーザ光発生装置を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明に係るレーザ光発生装置は、所定波長のレーザ光を発
する一つ以上のレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ
光を結合、共振させる光共振器とを備え、光共振器は、
二つ以上の反射鏡と、レーザ光の波長を変換する位相整
合のとれた非線形光学結晶素子とを備えるとともに、そ
の基本モード（ＴＥＭ₀₀モード）の共振周波数と、横高
次モード（ＴＥＭ_mnモード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正
の整数でｍ＋ｎ≧１のモード）の共振周波数とが重なら
ないように構成される。

【００３１】レーザ光発生装置は、光共振器の基本モー
ドの共振周波数と、横高次モードの共振周波数とが相互
に重ならないようにしたので、共振器内部の非線形光学
結晶素子のフォトリフラクティブ効果によるビームパタ
ーンの変化を最小限に抑えることにより出力光パワーの
低下を防止し、安定した出力を長時間維持することがで
きる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用したレーザ光
発生装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳
細に説明する。

【００３３】まず、レーザ光発生装置における光共振器
で用いられる用語の概念等について明らかにしながら、
本発明に係るレーザ光発生装置の構成の概要を説明す
る。

【００３４】まず、上記横モード間隔のメカニズムにつ
いて簡単に説明する。一般に、光ビームがフォーカスさ
れ、スポットに集束し、そして発散するときには、Ｇｏ
ｕｙシフトと呼ばれる位相の変化（位相シフト）が発生
する。図３で示した従来のレーザ光発生装置１０１にお
いても、その光共振器１０３のミラーＭ３及びミラーＭ
４が凹面鏡であり、これら各凹面鏡の光路間に配置され
た非線形光学結晶素子１０４に対し、ミラーＭ４からの
フォーカスされた光ビームが透過されかつこの光ビーム
がミラーＭ３に向かって発散してゆくことから、この光
共振器１０３において上記Ｇｏｕｙシフトが当然に発生
することとなる。

【００３５】一方、光共振器の固有モードのうちの上記
横高次モード（ＴＥＭ_mnモード）においては、一般に基
本モード（ＴＥＭ₀₀モード）とは異なる位相シフトが生
じる。

【００３６】具体的には、 Δφ_mn＝ｍφ_H＋ｎφ_V ・・・・（式１）なる横高次モード特有の位相シフトΔφ_mnが生じる。こ
こに、上記式１の左辺及び右辺におけるｍ，ｎは、光軸
と直交する方向の横モードの次数であり、ＴＥＭ_mnモー
ドのｍ，ｎに対応する。そして、ここでは便宜的に、ｍ
を水平方向の次数、ｎを垂直方向の次数としている。ま
た、φ_H及びφ_Vは、各々水平方向、垂直方向のモード間
隔である。なお、この式から、基本モードであるＴＥＭ
₀₀モードについては、ｍ及びｎが０となることから、か
かる位相シフトΔφ_mnはＴＥＭ₀₀モードのそれに対する
シフト量であることが確認される。

【００３７】一般に、光共振器の共振周波数はラウンド
トリップでの位相シフトが２πの丁度整数倍になってい
るときであるから、上式において、もし位相シフトΔφ
_mnが２πの丁度整数倍であれば、ＴＥＭ₀₀モードとＴＥ
Ｍ_mnモードの共振条件が相互に同じになってしまう。し
たがって、この場合は、ＴＥＭ₀₀モードが共振している
ときに、わずかな励起効率でもＴＥＭ_mnモードが共振し
てしまうことになる。

【００３８】一方、一般にレーザ光発生装置では、光共
振器の光路のラウンドトリップ、すなわち一周の近軸光
の伝搬行列が定義可能である。すなわち、光共振器にお
いては、入射時のビームと上記１ラウンドトリップ後の
ビームとが同じ波面となることが光共振器内で各種固有
モードを発生、維持させるための必要十分条件となるの
で、光共振器のラウンドトリップの伝搬行列の固有ベク
トルを求めることでかかる固有モードを特定することが
可能となる。そして、上述のＧｏｕｙ位相シフトは、こ
のラウンドトリップの伝搬行列の二つのパラメータから
以下のように求めることができる。

【００３９】すなわち、Ｇｏｕｙ位相シフトは、伝搬行
列を

【００４０】

【数１】

【００４１】としたときに、 COS^-1（（Ａ＋Ｄ）／２）・・・・（式２）と表される。

【００４２】なお、レーザ光発生装置において、一般に
光共振器の光軸を含む平面に垂直な方向と水平な方向と
では、非線形光学結晶素子の両端側に配される球面（凹
面）ミラーの実効的な焦点距離が変わってくる。このた
め、レーザ光発生装置において、光共振器の光軸を含む
平面に垂直な方向と水平な方向とでは、結果的に伝搬行
列も異なり、その結果上記式２から算出されるＧｏｕｙ
位相シフトも異なることになる。

【００４３】本発明者は、各種実験等を行った結果、レ
ーザ光発生装置において、上述した式１の位相シフトΔ
φ_mnが２πの整数倍であるときに上記基本モードと横高
次モードとの共振条件が重なり、紫外光の出力の急速な
低下が引き起こされることを確認した。

【００４４】従って、本発明のレーザ光発生装置におい
ては、この位相シフトΔφ_mnが２πの整数倍近くとなら
ないように光共振器を構成することで上記出力光のパワ
ー低下の解決を図るものである。

【００４５】もっとも、現実には、全ての整数ｍおよび
ｎに対して２πの整数倍近くとならないようにすること
は不可能である。また、実際には、大きなｍまたはｎ、
すなわち高次の横モードに関しては、光共振器の有限な
開口径等によって共振が制限されるのであまり問題とな
らず、比較的小さいｍおよびｎ、すなわち比較的低次の
横モードに関しての共振周波数の重なり（縮退）を解く
ことがむしろ重要となる。

【００４６】本発明者は、実際にレーザ光発生装置にお
ける光共振器を設計し、これに対して各横高次モードの
位相シフトΔφ_mnを計算し、この位相シフトΔφ_mnを２
πで割った剰余における少数点以下の値を評価する、と
いう形で実験を行った。この評価は、上記少数点以下の
値がどのくらい１に近いか（または０に近いか）につい
て、光共振器の共振器幅から考慮する。

【００４７】以下に示す実施の形態においては、レーザ
光発生装置における光共振器について、そのフィネスを
実用的な値である約３００と仮定している。従って、光
共振器における共振器幅は、片側（半幅）で縦モード間
隔（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ；ＦＳ
Ｒ）の約π／３００として仮定していることになる。

【００４８】これに対して本発明者は、ある程度の余裕
をみて、この共振器幅の５倍程度、すなわち上記縦モー
ド間隔（ＦＳＲ）の±１５／３００程度離れていること
が望ましいものと考えた。これは、レアケースではある
が、上記共振器幅（ＦＳＲの約π／３００）の３倍以上
離れた光共振器であっても、基本モードに対する横高次
モードの共振が発生した例が観察されたからである。

【００４９】このことから、以下に示す実施の形態で
は、レーザ光発生装置を構成する光共振器のフィネスが
約３００となっており、それゆえ横高次モードの上記位
相シフトΔφ_mnを２πで割った少数点以下の部分が０．
０５と０．９５との間に入っていることが目安となる。

【００５０】本実施の形態におけるレーザ光発生装置１
は、レーザ光源からのレーザ光を、レーザ光源の外部に
配された光共振器によって強めるとともに、この光共振
器内に配された非線形光学結晶素子によって波長変換す
るものであり、図１に示すように、所定波長のレーザ光
を発する少なくとも１つのレーザ光源２と、このレーザ
光源２からの入力レーザ光を結合、共振させる光共振器
３と、この光共振器３の共振器長を調整するための図示
しないミラー位置決め装置とを備えている。

【００５１】レーザ光源２は、波長５３２ｎｍのレーザ
光を出射するものである。この実施の形態では、レーザ
光源が１つとなっており、レーザ光発生装置１がいわゆ
る共振型第二高調波発生のタイプとなっているが、本発
明ではこれに限定されるものではなく、後述のように、
レーザ光源を複数として、レーザ光発生装置１をいわゆ
る２重共振型和周波混合のタイプとしてもよい。

【００５２】光共振器３は、４枚の反射鏡からなるいわ
ゆるｂｏｗ−ｔｉｅ型光共振器であり、４つのミラーＭ
１乃至Ｍ４と、上記レーザ光源２からの入力レーザ光を
非線形波長変換する非線形光学結晶素子４を有してい
る。ここで、光共振器３では、ミラーＭ１及びミラーＭ
２を曲率半径が無限大の平面鏡とし、ミラーＭ３及びミ
ラーＭ４を曲率半径が５０ｍｍの凹面鏡とし、各ミラー
に対するレーザ光の入射角がいずれも１０°になるよう
に設定した。

【００５３】ミラーＭ１は、入力結合鏡と呼ばれる半透
鏡であり、インピーダンス整合をほぼ満たすよう構成さ
れている。なお、ミラーＭ１は、この実施の形態では、
入力結合鏡として約９９％の反射率を有する平面鏡を用
いることとした。

【００５４】一方、ミラーＭ２乃至Ｍ４は、漏れが０．
０５％以下の高反射鏡となっており、光共振器３では、
このうちミラーＭ３から出力光が取り出されるように構
成されている。

【００５５】光共振器３では、上記入力結合鏡であるミ
ラーＭ１からミラーＭ２までの光路長Ｗ₁と、かかるミ
ラーＭ２からミラーＭ４までの光路長Ｗ₂と、上記ミラ
ーＭ１からミラーＭ３までの光路長Ｗ₃とを足し合わせ
た長さが２３０ｍｍとなる（Ｗ₁＋Ｗ₂＋Ｗ₃＝２３０ｍ
ｍ）ように各ミラー同士の間隔が設定されている。

【００５６】また、光共振器３では、ミラーＭ３及びミ
ラーＭ４が上記ミラー位置決め装置と接続されている。
光共振器３では、ミラーＭ３及びミラーＭ４が該ミラー
位置決め装置により図１に示すＡＢ方向に同時に同じ量
（距離）だけ移動させられ、これにより、ミラーＭ３と
ミラーＭ４間の光路長Ｗ₄が５３ｍｍから約６０ｍｍま
で変化させることが出来るようになっている。

【００５７】レーザ光発生装置１では、このミラー位置
決め装置が上記ミラーＭ３及びミラーＭ４を図１に示す
ＡＢ方向に双方同じ量（距離）だけ移動させることによ
って光共振器３のアラインメントが保たれるようになっ
ている。なお、レーザ光発生装置１では、上記光路長Ｗ
₄が上述のように変化されることに伴い、その副次的な
効果として、光共振器３の横モード間隔が変化すること
になる。

【００５８】そして、光共振器３では、上記非線形光学
結晶素子４がこの２つの凹面鏡であるミラーＭ３及びミ
ラーＭ４間の光路中に配されている。この非線形光学結
晶素子４は、非線形波長変換を行うためのものであり、
この実施の形態では位相整合のとれた長さ３ｍｍのβホ
ウ酸バリウム結晶（ＢＢＯ）を用いることとした。光共
振器３では、上述した凹面鏡であるミラーＭ４によって
フォーカシングされた入力レーザ光が非線形光学結晶素
子４内を通過するように構成されており、かかる構成と
することにより後述する入力レーザ光の非線形波長変換
の効率を向上させることができる。

【００５９】以上のような共振器３においては、その全
損失（入力結合等を含む）を２％程度と仮定すると、そ
のフィネスが約３００程度となる。

【００６０】このような構成を有するレーザ光発生装置
１において、レーザ光源２から出力された波長５３２ｎ
ｍのレーザ光は、入力結合鏡であるミラーＭ１に到達し
てこれを透過することにより光共振器３内に入射され、
次いでミラーＭ２に到達してミラーＭ４の方向に反射さ
れる。そして、このレーザ光は、ミラーＭ４に到達、反
射して非線形光学結晶素子４を通過することにより非線
形波長変換され、波長が２６６ｎｍに変わる。さらに、
このレーザ光は、ミラーＭ３を反射してミラーＭ１に到
達、反射して再び上記光路を循環する。

【００６１】レーザ光発生装置１では、レーザ光源２か
らの入力レーザ光がこのように光共振器３内を循環する
とともに、レーザ光源２からレーザ光が常時入力されて
上記循環するレーザ光と入力結合鏡Ｍ１で同一位相にて
結合されることにより、光共振器３内部のレーザ光の出
力が上昇される。そして、レーザ光発生装置１では、有
限の反射率を有するミラーＭ３からかかる光共振器３内
で出力上昇されたレーザ光の所定の漏れが生じ、このミ
ラーＭ３から波長２６６ｎｍのレーザ光が取り出されて
出力されることになる。

【００６２】本発明者は、以上のような構成を有するレ
ーザ光発生装置１において、上記ミラー位置決め装置の
操作により光共振器３の上記ミラーＭ３とミラーＭ４間
の光路長Ｗ₄を０．１ｍｍ刻みで変化させながら、レー
ザ光源２から出力される波長５３２ｎｍのレーザ光を光
共振器３に入力させて、ビームパターンの変化及び出力
光のパワー低下の有無を観察する実験を行った。

【００６３】その結果、上記ミラーＭ３とミラーＭ４間
の光路長Ｗ₄＝５５ｍｍの時に上述したビームパターン
の変化及び出力光のパワー低下現象がもっとも顕著に起
こった。これに対し、Ｗ₄＝５４．５ｍｍの時やＷ₄＝５
５．５ｍｍの時には、上記各現象が観察されなかった。

【００６４】ここに、上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の
光路長Ｗ₄とＴＥＭ₁₂モードの間隔（相対値）との関係
を示した図２に注目すると、Ｗ₄＝５５ｍｍの場合に基
本モード（ＴＥＭ₀₀モード）と上記ＴＥＭ₁₂モードとの
横モード間隔が縮退することがわかる。なお、かかる図
２において、横軸は上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の光
路長Ｗ₄の値を表し、一方、縦軸はＴＥＭ₁₂モードの間
隔を２πで規格化した値を表している。すなわち、図２
における縦軸の絶対値は、周波数間隔を上記縦モード間
隔（ＦＳＲ）で規格化しているものと考えることができ
る。

【００６５】そして、上述のように、Ｗ₄＝５４．５ｍ
ｍ，５５．５ｍｍでビームパターンの変化が起こりにく
くなることから考えて、この光共振器３に関しては、横
高次モードの共振周波数が縦モード間隔（ＦＳＲ）の５
％程度以上、基本モード（ＴＥＭ₀₀モード）の共振周波
数から離れていることが必要といえる。この光共振器３
のフィネス（Ｆ）が約３００程度であることを考える
と、この幅は、ＦＳＲ×１５／Ｆ程度となる。

【００６６】一方、本発明者は、他の実施の形態とし
て、レーザ光源を複数とすることにより、レーザ光発生
装置１をいわゆる２重共振型和周波混合のタイプとし、
これに対してビームパターンの変化の有無を観察する実
験をも行った。具体的には、図１に示す光共振器３及び
ミラー位置決め装置をそのまま用い、一方レーザ光源に
ついて図示しない波長５３２ｎｍのレーザ光とその２倍
の１０６４ｎｍのレーザ光とによる２つのレーザ光源を
用い、これら各レーザ光を上記光共振器３で同時に共振
させ、３５５ｎｍのレーザ光をミラーＭ３から出力光と
して発生させるとともに、各ミラーからの漏れ光を検出
することによりビームパターンの変化の有無を観察し
た。かかる実験においては、上記ミラーＭ３とＭ４間の
光路長Ｗ₄を微調整し、横モード間隔を変えることによ
って、０．４Ｗの紫外光パワーを１００時間以上維持さ
せることが出来た。

【００６７】なお、以上の実施の形態においては、ミラ
ー位置決め装置によって光共振器３のミラーＭ３とミラ
ーＭ４との間の光路長Ｗ₄を調整することによって横モ
ード間隔を変化させ、上記課題を解決するものとした
が、この発明にあってはこれに限定されるものではな
く、光共振器の設計によって、この横モード間隔を変化
させることにより、基本モードと横高次モードとの縮
退、近接を回避することが出来る。かかる光共振器の設
計において考慮されるパラメータとしては、各反射鏡の
曲率半径、光路の長さ（すなわち各ミラー同士の間
隔）、非線形光学結晶素子の結晶の長さ、かかる結晶の
屈折率、各反射鏡に対するレーザ光の入射角があげられ
る。

【００６８】したがって、本発明のレーザ光発生装置で
は、上記光共振器における各パラメータの調整を行うこ
とにより、有限次までの横モードの縮退あるいは近接を
設計上回避することが可能である。この設計において
は、上述のように、比較的高次、具体的には５次（例え
ばＴＥＭ₅₀モードやＴＥＭ₄₁モード）程度以上の横高次
モードは、光共振器の各ミラーのアパーチャなどによっ
て必然的に抑制されるのであまり問題とはならず、むし
ろ４次以下の比較的低次の横高次モードを抑制するよう
に構成することが必要となる。

【００６９】

【実施例】次に、上述の各パラメータを変更した場合の
上記光共振器３の他の設計例を示す。

【００７０】各反射鏡の曲率半径、仕様Ｍ１：平面鏡（入力結合鏡）Ｍ２：平面鏡Ｍ３：曲率半径５０ｍｍの凹面鏡（出力側）Ｍ４：曲率半径５０ｍｍの凹面鏡（各反射鏡Ｍ１乃至Ｍ
４の配置は上記光共振器３と同じ）光路の長さ（ミラー同士の間隔）平面鏡Ｍ１と平面鏡Ｍ２との光路長Ｗ₁ ：３５ｍｍ凹面鏡Ｍ３と凹面鏡Ｍ４との光路長Ｗ₄ ：６７ｍｍ凹面鏡Ｍ３と凹面鏡Ｍ４との間に配される非線形光学結
晶素子の仕様種類：ＢＢＯ結晶長さ：３ｍｍ屈折率：１．６７各反射鏡に対するレーザ光の入射角：各７．５度このような構成の光共振器では、横モード周波数は８
次、すなわちｍ＋ｎ≦８までの横高次モードが、基本モ
ード（ＴＥＭ₀₀モード）とのラウンドトリップでの位相
シフト量につき、２πの整数倍から５％以上離れている
ことが確認された。

【００７１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明に
係るレーザ光発生装置は、光共振器における基本モード
の共振周波数と、横高次モードの共振周波数とが重なら
ないようにしたので、共振器内部の非線形結晶のフォト
リフラクティブ効果による出力光の低下を最小限に抑
え、安定した出力を長時間維持することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光共振器の概要を示す構成図である。

【図２】光共振器の光路長と、ＴＥＭ₁₂モードとの関係
を実測して示した図である。

【図３】従来の光共振器の概要を示した構成図である。

【図４】光共振器内のビームパターンが経時的に変化す
る様子を表したレーザビーム漏れ光の投影図である。

【図５】非線形光学結晶素子の向きを１８０度変えた場
合にビームパターンの形状が１８０度反転する様子を示
した投影図である。

【符号の説明】

１レーザ光発生装置、２レーザ光源、３光共振
器、４非線形光学結晶素子、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４
ミラー（反射鏡）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長のレーザ光を発する一つ以上の
レーザ光源と、上記レーザ光源からのレーザ光を結合、共振させる光共
振器とを備え、上記光共振器は、二つ以上の反射鏡と、レーザ光の波長
を変換する位相整合のとれた非線形光学結晶素子とを備
えるとともに、該光共振器の基本モード（ＴＥＭ₀₀モー
ド）の共振周波数と、該光共振器の横高次モード（ＴＥ
Ｍ_mnモード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数でｍ＋ｎ
≧１のモード）の共振周波数とが重ならないように構成
されることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２】上記光共振器は、上記基本モードの共振
周波数に対する４次までの上記横高次モード（上記ＴＥ
Ｍ_mnにおいてｍ＋ｎ≦４のモード）の共振周波数の全て
が、該光共振器の縦モード間隔の絶対値の１５／Ｆ（Ｆ
は光共振器のフィネス）以上、ＴＥＭ₀₀モードの共振周
波数から離れた値となるように構成されることを特徴と
する請求項１に記載のレーザ光発生装置。
【請求項３】上記レーザ光が上記光共振器内で共振す
るように光共振器を制御する光共振器制御手段が備えら
れ、上記光共振器は、上記基本モードの共振周波数と、上記
横高次モードの共振周波数とが重ならないように上記光
共振器制御手段により制御されることを特徴とする請求
項１に記載のレーザ光発生装置。
【請求項４】上記光共振器制御手段は、上記光共振器
の光路長を伸縮させる光路長調整手段であることを特徴
とする請求項３に記載のレーザ光発生装置。