KR101058624B1 - 고체 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 장치 - Google Patents

고체 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

2개의 고체 레이저 소자(21, 22)를 구비한 대칭 공진기의 고체 레이저 소자(21, 22) 사이에, 초점 거리 f의 2매의 볼록 렌즈(61, 62)와 90도 선광자(5)를 배치하고, 2매의 렌즈(61, 62)의 간격을 2f보다 짧게 하고, 각 렌즈(61, 62)와 인접하는 고체 레이저 소자(21, 22)의 중심 거리를 거의 f로 하여, 고출력, 바람직하게는 100W 이상의 횡싱글 모드 발진이 안정적으로 가능한 고체 레이저 장치를 얻는 것이다. 또, 추가로 Q 스위치(3)와 편광 소자(4)를 구비하고, 출력된 기본파 레이저 광을 비선형 소자(91, 92)에 입사시켜 파장 변환함으로써, 고주파수, 바람직하게는 약 100KHz에서 고출력의 고조파 레이저 광을 얻을 수 있는 파장 변환 레이저 장치를 얻는 것이다.

Description

고체 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 장치{SOLID-STATE LASER DEVICE AND WAVELENGTH CONVERSION LASER DEVICE}
본 발명은 고체 레이저 소자로 고출력의 레이저 광을 발진하는 고체 레이저 장치 및 이 장치에서 발생한 레이저 광을 비선형 결정으로 파장 변환하여 출력하는 파장 변환 레이저 장치에 관한 것이다.
고체 레이저의 주요한 용도로서, 금속 재료나 실리콘 웨이퍼의 정밀 가공, 프린트 기판 재료의 미세 구멍 뚫기 가공 등을 들 수 있다. 상기와 같은 정밀 가공에서는 일반적으로 가공 재료에의 열 영향을 극력 피하여 고품질의 가공을 실현하기 위해서, Q 스위치로 고(高)피크 펄스 발진한 싱글 모드 고체 레이저와, 그러한 고체 레이저를 기본파 레이저 광원으로 한 파장 변환 레이저가 사용된다. 파장 변환 레이저로는 적외 파장의 기본파 레이저 광을 1/2의 파장으로 변환한 그린 레이저, 1/3 또는 1/4 파장으로 변환한 자외 레이저(이하, UV 레이저라 칭함)가 일반적이다.
상기 용도 중, 금속이나 실리콘 재료의 가공에는 고피크 펄스의 레이저가 적합하고, 펄스 폭이 짧고(단(短)펄스) 고에너지인 고체 레이저, 또는 파장 변환 레이저가 요구되고 있다. 한편, 수지 재료로 이루어진 프린트 기판의 구멍 뚫기 가공 용도에서는 높은 반복 주파수의 UV 레이저의 쪽이 수지 재료의 가공 효율이 높고 고속 가공이 가능하다는 점에서, 가능한 높은 반복 주파수에서 높은 평균 출력인 UV 레이저가 요구되고 있다. 고주파수, 고평균 출력의 UV 레이저를 얻기 위해서는 그 기틀이 되는 기본파 레이저로서, 고주파수, 고평균 출력의 펄스 고체 레이저가 필요하다. 결국, 횡(橫)싱글 모드 고체 레이저의 분야에 있어서, 단펄스, 고에너지화에 관한 기술의 향상과, 고주파, 고출력화에 관한 기술 향상의 두 가지 방법이 요구되고 있고, 양쪽의 요청을 만족하는 고체 레이저 기술이 있으면 가장 이상적이라 할 수 있다.
고출력 발진을 하는 고체 레이저 장치로는 Nd 원자를 도핑한 Y3Al5012 결정(통칭 YAG 결정)을 재료로 하는 로드(rod) 형상의 레이저 소자(이하, YAG 로드로 생략)를 사용한 Nd:YAG 레이저와, 마찬가지로 Nd 원자를 도핑한 YVO4 결정을 사용한 Nd:YVO4 레이저가 일반적이다. Nd:YVO4 레이저는 레이저 이득이 매우 높기 때문에, 고효율이고, 100kHz 정도의 높은 반복 주파수에서도 안정한 펄스 발진이 가능한 반면, 대형 결정의 육성이 곤란하기 때문에 고출력화에 한계가 있다. 한편, Nd:YAG 레이저는 대형의 YAG 로드의 작성이 가능하고, 고출력ㆍ고에너지의 펄스 레이저 발진이 가능한 반면, Nd:YVO4 결정만큼 레이저 이득이 높지 않기 때문에, 높은 반복 주파수에서의 펄스 발진이 불안정해지는 경향이 있어, 일반적으로는 50kHz 이하의 중간 정도의 반복 주파수 영역에서 실용화되고 있다.
현재 시판되고 있는 UV 레이저는, 고에너지 타입에서는 Nd:YAG 레이저를 기 본파 레이저로 한 것, 높은 반복 주파수 타입에서는 Nd:YVO4 레이저를 기본파 레이저로 한 것이 주류가 되고 있다. 그러나 결정 사이즈의 제약 등으로부터 Nd:YVO4 레이저에서 이 이상의 고출력화는 곤란하게 되어, 만약 고출력화가 용이한 Nd:YAG 레이저로 100kHz 정도의 높은 반복 주파수에서도 안정된 펄스 발진이 가능하게 되는 제품 기술이 있으면, 높은 반복 주파수의 분야에서도 보다 고출력의 UV 레이저를 얻을 수 있게 된다.
Nd:YAG 레이저로 높은 반복 주파수에서의 고출력 발진을 노리려면, YAG 로드 내에서의 여기(勵起) 밀도를 증가시키는 것이 유효하고, 그러기 위해서는 YAG 로드 내부에서 발생하는 강한 열 렌즈에 대응하여 안정적인 레이저 발진할 수 있는 공진기 기술과 여기 기술이 필요하게 된다. 이 점은 고에너지ㆍ고출력의 Nd:YAG 레이저를 만드는데 있어서도 동양(同樣)이다. 즉, Nd:YAG 레이저로 고에너지ㆍ고출력화를 도모하는데 있어서도, 고반복ㆍ고출력화를 도모하는데 있어서도, 모두 어떻게 강한 열 렌즈에서 안정적으로 레이저 발진이 가능할지의 기술이 열쇠가 된다.
다음으로, Nd:YAG 레이저에 있어서 고출력 횡싱글 모드 발진의 기술에 대하여 설명한다.
YAG 로드에는 여기 입력에 따라서 변화하는 열 렌즈가 있기 때문에, 공진기를 설계하는 경우는 YAG 로드 내부의 열 렌즈를 고려하여 안정형 발진하는 설계값으로 할 필요가 있다. YAG 로드의 열 렌즈는 여기 밀도에 따라서 변화하기 때문에, 여기 입력을 저입력으로부터 고입력으로 변화시키면, 그에 따라 YAG 로드의 열 렌 즈도 서서히 증대하는 특성을 갖지만, 하나의 공진기가 안정형 발진을 유지할 수 있기 위한, 내부에서 감쌀 열 렌즈의 강도에는 한계가 있어, 특정한 열 렌즈 범위에서밖에 레이저 발진을 할 수 없다. 이 열 렌즈 범위에는 상한과 하한이 존재하고, 그 값과 열 렌즈 범위의 넓이는 공진기의 설계값에 따라 다르다. 즉, 약한 열 렌즈 조건용으로 설계한 공진기에서는 강한 열 렌즈(=고(高)여기 입력)로는 레이저 발진하지 못하고, 강한 열 렌즈용으로 설계한 공진기에서는 약한 열 렌즈(=저(低)여기 입력)로는 레이저 발진할 수 없다. 이 레이저 발진 가능한 열 렌즈 범위를 이후, 공진기의 발진 영역이라 부르기로 한다.
이 발진 영역의 넓이는 공진기의 설계값에 따라서 변화하고, 주로 YAG 로드 내부에서 여기하고 있는 영역의 광축과 수직인 방향의 단면적과, 공진기 설계값으로 이론적으로 계산되는 YAG 로드 내에서 TEM00 빔의 단면적과의 비에 의해 정해진다. 예를 들어, 측면 여기 방식의 Nd:YAG 레이저이면, YAG 로드의 전체가 여기되기 때문에, YAG 로드의 원형 단면적에 대한 TEM00 빔의 단면적비에 따라서 발진 영역의 넓이가 정해진다. 따라서, YAG 로드 지름에 대해 충분히 가는 TEM00 빔 지름으로 발진하는 횡멀티 모드 발진의 경우는 넓은 발진 영역이 확보되지만, YAG 로드의 외경에 가까운 TEM00 빔 지름으로 발진하는 횡싱글 모드 발진의 경우는 좁은 발진 영역밖에 확보할 수 없다. 또한, YAG 로드 지름보다 충분히 작은 애퍼추어(aperture)를 공진기 내에 삽입하여 멀티 모드 성분의 발진을 억제하여, YAG 로드 지름에 대해 충분히 가는 빔 지름으로 횡싱글 모드 발진을 하는 것도 가능하다. 그러나 이 경우는 넓은 발진 영역을 확보할 수 있는 대신에 매우 낮은 효율로의 레 이저 발진을 피할 수 없게 되어 고출력 발진을 할 수 없게 된다. 상기는 YAG 로드 단면의 중심을 집중 여기하는 단면 여기의 경우도 동양이며, 여기 범위와 동등한 TEM00 빔 지름으로 횡싱글 모드 발진하는 공진기를 설계한 경우, 발진 영역의 폭은 알맞게 좁아진다.
결국, 고효율이고 고출력의 횡싱글 모드 발진기를 설계하는 경우, 여기 방식에 관계없이 반드시 좁은 발진 영역으로 되는 것을 피할 수 없게 되어, 특정한 좁은 여기 입력의 범위에서만 발진하는 첨예한 형상의 입출력 특성을 갖는 레이저가 된다. 집광성이 낮은 횡멀티 모드 발진의 경우는 넓은 발진 영역을 확보할 수 있어, 저여기 입력으로부터 고여기 입력까지 발진하는 폭넓은 입출력 특성의 고출력 레이저를 얻을 수 있으나, 고출력의 횡싱글 모드 발진의 경우는 집광성의 높이와 교환에 좁고 첨예한 입출력 특성의 레이저가 된다고도 할 수 있다.
그런데 발진 영역의 폭이 극단적으로 좁은 경우는 YAG 로드의 열 렌즈의 요동, 변동에 대해 민감한 특성으로 되어 안정적인 레이저 발진을 하지 못하여 고출력 발진을 바랄 수 없게 된다. 고출력 발진하기 위해 필요한 발진 영역의 폭 한계라는 것이 존재하지만, 통상 고효율로의 횡싱글 모드 발진을 하려고 하면 발진 영역의 폭이 한계값보다 낮아지기 때문에, 고여기 입력으로 발진하는 공진기를 설계해도 출력 포화 현상이 일어나서 목적으로 하는 고출력 발진을 얻을 수 없다. 이 한계를 회피하기 위해서, 좌우의 공진기 미러를 같은 곡률로 하여 대칭인 광학계 배치로 구성한 대칭 공진기 구성이 유효하다. 좌우 비대칭인 공진기 구성의 경우는 좁은 2개의 발진 영역이 저여기 입력측과 고여기 입력측으로 각각 분리되어 존재하 기 때문에, 각각의 발진 영역이 좁고 출력 포화 현상이 일어나 버린다. 그러나 대칭 공진기 구성의 경우는 2개의 발진 영역이 분리되지 않고 일체로 되어 2배 넓이의 발진 영역을 형성하기 때문에, 열 렌즈의 요동, 변동에 대해 충분히 안정적이어, 여기 입력의 증가에 따른 고출력의 횡싱글 모드 발진을 할 수 있게 된다.
또한, 어느 정도의 열 렌즈 조건에서 레이저 발진하는 공진기 설계로 할지는 주로 공진기 미러의 곡률, 배치 등의 설계값에 따라 정해지며, 강한 열 렌즈 조건(고여기 입력)으로 발진시키고 싶은 경우는 강한 곡률(짧은 곡률 반경)의 공진기 미러로 대칭 공진기 구성을 짜는 것이 일반적이다. 단, 매우 강한 열 렌즈 조건으로 발진시키는 경우, 공진기 미러 상에서의 빔 지름이 극단적으로 작아져서, 미러의 코팅의 내광(耐光) 강도 한계를 넘어 미러가 파손되게 될 우려가 생기게 된다. 이와 같은 한계를 회피하기 위해, YAG 로드의 열 렌즈를 부정하는 기능을 하는 열 렌즈 보상 광학계(오목 렌즈 등으로 구성)를 공진기 내에 내장하여, 보다 강한 열 렌즈 조건에서도 레이저 발진할 수 있도록 한 구성도 있다.
한편, YAG 로드에는 편광 방향에 따라 다른 2 종류의 열 렌즈가 발생하는 열복 렌즈의 문제가 있다. 여기한 YAG 로드 내에 온도 분포에 수반한 응력 발생에 의해 복굴절이 생기는 것에 의한 것으로, YAG 로드 단면의 지름 방향과 둘레 방향으로 편광면을 가지는 2종류의 광에 대해 각각의 열 렌즈를 느끼게 하는 현상이다. 그 결과, 공진기 안에서 2종류의 편광 모드가 각각의 열 렌즈 상태로 발진하기 때문에, 모드간의 경합이 발생하고, 특히 횡싱글 모드 발진의 경우는 발진 효율이 저하되어 매우 불안정한 발진 상태로 빠지는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해서는 동등하게 여기한 2개의 YAG 로드를 사용하고, YAG 로드 사이에 수정 로테이터(quartz rotator) 등의 90도 선광자(旋光子)를 배치하고, 2개의 편광 모드의 광이 각각 공진기 안을 1 왕복할 때에 느끼는 열 렌즈의 총합을 평균화하도록 한 복굴절 보상 기술이 유효하다. 양쪽 편광 모드가 같은 열 렌즈 상태로 서로 안정적으로 발진함으로써, 고효율의 횡싱글 모드 발진이 가능하게 된다.
특허 문헌 1의 도 1에는 이 복굴절 보상 기술을 사용한 종래의 공진기의 예가 개시되어 있다. 이 예에서는 또한, 전술한 오목 렌즈에 의한 열 렌즈 보상 수단을 양 로드의 외측에 배치하여 보다 강한 열 렌즈에서의 고출력 발진이 가능한 공진기 구성으로 되어 있다.
또, 보다 완전한 복굴절 보상을 실시하는 수단으로서, 상기 복굴절 보상의 기술에 YAG 로드 사이를 텔레스코프(telescope)에 의해 상전사(像轉寫) 연결하는 기술을 조합한 방법이 알려져 있다. 비특허 문헌 1의 Fig.5에는 90도 선광자에 의한 복굴절 보상의 기술에 덧붙여서, 2개의 YAG 로드 사이에 2매의 렌즈(초점 거리 f)로 이루어진 텔레스코프를, YAG 로드의 중심과 렌즈 사이의 광학적 거리를 f, 2매의 렌즈 사이의 광학적 거리를 2f로 규정하여 배치한 구성이 기재되어 있다. 이로 인해, 열복 렌즈의 영향을 완전히 해소하여, 최고 114W인 직선 편광의 횡싱글 모드 발진을 실현한 예가 개시되어 있다.
또, 비특허 문헌 2의 도 14의 구성과 같이, 상기 복굴절 보상 기술로 발진한 횡싱글 모드 레이저 광을, 여기한 YAG 로드에 통과시켜 출력 증폭하는 M0PA 기술과 조합하여 고출력의 횡싱글 모드 출력을 얻는 방법도 있다.
다음으로 파장 변환 레이저 기술에 대하여 설명한다.
일반적으로, UV 레이저를 대표로 하는 고출력의 파장 변환 레이저에 있어서는 직선 편광에서 발진된 고체 레이저의 출력광을 기본파 레이저 광으로 하여, 비선형 결정에 입사시킴으로써 파장이 1/N인 고조파 레이저 광으로 변환하여 출력한다. 비선형 결정으로는 LB0 결정(LiB305), KTP 결정(KTi0P04), CLB0 결정(CsLiB6O10) 등이 일반적이다. 1/2 파장으로 변환된 레이저 광을 2배파, 1/3, 1/4 파장으로 변환된 레이저 광은 각각 3배파, 4배파라 부른다. 기본파 레이저로는 Q 스위치로 펄스 발진된 횡싱글 모드의 직선 편광 레이저 발진기가 사용된다. 위에서 기술한 바와 같이, 특히 3배파를 대표로 하는 UV 레이저에서는 고에너지ㆍ고출력화 외에 고주파화ㆍ고출력화의 요청이 강하여, 그러기 위해서는 높은 반복 주파수에서도 안정적으로 레이저 발진하는 횡싱글 모드의 기본파 레이저가 필수이다. 현상은 높은 반복 주파수에서의 발진에 유리한 Nd:YVO4 레이저를 기본파로 한 UV 레이저 제품이 많으며, 예를 들어 100kHz의 반복 주파수에서 약 20W의 평균 출력의 3배파 레이저 등도 시판되고 있다. 한편, 고에너지 타입의 UV 레이저에서는 고출력화에 유리한 Nd:YAG 레이저를 기본파 레이저로 하는 경우가 많다.
비특허 문헌 2의 도 14에는 상기와 같은 복굴절 보상 기술에 의해 발진한 기본파 레이저 광을, 추가로, 여기한 YAG 로드를 통과시켜 출력 증폭하는 M0PA 기술로 205W까지 고출력화하고 비선형 결정에 입사시킴으로써, 최고 64W의 3배파 출력 을 주파수 40-45kHz에서 얻은 예가 보고되고 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2003-8121호 공보(도 1)
비특허 문헌 1: M. Frede et al., "High power fundamental mode Nd: YAG laser with efficient birefringence compensation", 0pt. Express12, 3581-3589(2004)(Fig. 5)
비특허 문헌 2: Charles X. Wang et al., "High Power Q-switched TEM00 Mode Diode-Pumped Solid State Lasers with > 30W Output Power at 355㎚", Proc. of SPIE Vol. 6100. 610019, (2006)(도 14)
그러나 상기 고체 레이저, 특히 Nd:YAG 레이저에 관한 종래 기술은 모두 강한 열 렌즈 조건에서 안정적인 고출력 레이저 발진을 하기 위한 기술이나, 보다 고출력화 또는 강한 열 렌즈 조건에서의 레이저 발진을 목적으로 하는데 있어서 두 가지 문제가 존재하였다. 하나는 보다 고출력을 얻기 위한 여기 입력의 증가에 수반하여, 레이저 소자에 가해지는 열 부하나 레이저 공진의 이상(理想) 상태로부터의 이탈이 증대되어, 결과적으로 고출력 발진을 저해하는 요인이 생겨 출력 포화해 버리는 문제이다. 또 하나는 원리적으로 이상 상태에 가까운 레이저 공진이 가능하고 고출력 발진시의 저해 요인이 발생하지 않는 구성이더라도, 고출력(강한 열 렌즈)에 대응한 공진기 설계값을 취할 수 없는 문제이다.
특허 문헌 1을 예에서 설명한다. 특허 문헌 1의 구성에서는 열 렌즈 보상 수단으로서 공진기 내에 배치한 오목 렌즈의 초점 거리, 배치를 조정함으로써, 원리적으로 얼마든지 강한 열 렌즈 조건으로의 공진기 설계가 가능하다. 그러나 실제로 는 고출력 발진시에 레이저 공진이 이상적인 좌우 대칭 상태로부터 무너지는 것에 기인하는 고출력 발진의 저해 요인이 생긴다. 이 저해 요인이 여기 입력의 증가에 맞추어 증대하는 특성을 갖기 때문에, 어느 정도 높은 여기 입력으로 발진하는 공진기를 설계해도, 어느 일정 레벨보다 레이저 출력이 증가하지 않는 포화 현상에 빠져 버린다. 구체적으로, 복굴절 보상에 의한 대칭 공진기의 경우, 발진 영역의 중심에서 불안정형 발진에 빠지는 특이점 영역이 발생하고, 그 조건 부근에서의 고출력 발진을 방해받는 문제이다. 이것은 90도 선광자로 복굴절 보상한 것으로, 좌우의 YAG 로드에서 레이저 광이 느끼는 열 렌즈에 차(복열 렌즈의 차에 상당하고 약 20%의 차이)가 생기는 것에 의한, 공진기의 근소한 대칭성의 붕괴가 원인이고, 여기 입력에 대한 레이저 출력의 변화를 측정한 레이저 입출력 특성에 있어서, 특성의 중심에서 레이저 출력이 가장 높아지는 영역의 부근에 출력의 움푹 들어감(이것을 임시로 딥(dip)이라 칭함)이 생기는 현상으로 되어 나타난다. 특히 고여기 입력(강한 열 렌즈 조건)으로 발진하는 공진기 설계로 할수록 대칭성의 붕괴가 증가하고, 특이점 영역이 확대되어 고출력 발진을 저해하게 된다. 특허 문헌 1의 구성에 의한 공지예에서는 최대 208W의 횡싱글 모드 레이저 발진을 실현한 논문 보고가 있다. 그러나 우리의 실험에서는 같은 구성에서 안정적으로 횡싱글 모드 발진이 가능한 것은 120W 정도가 한계이고, 또한 여기 입력을 올려 고출력 발진을 노린 설계라 해도, 레이저 출력은 120W 정도에서 포화되어 버려 고출력의 횡싱글 모드 발진을 얻을 수 없었다.
또 하나의 문제에 대해서는 비특허 문헌 1을 예에서 설명한다. 비특허 문헌 1에서는 2개의 YAG 로드 사이에 삽입한 텔레스코프로 좌우의 YAG 로드 사이를 상전사 접속하여 레이저 공진의 대칭성 붕괴를 방지하고 있다. 이로 인해, 딥이 발생하지 않아 고출력 발진의 저해 요인이 생기지 않는다. 그러나 텔레스코프가 2개의 볼록 렌즈의 초점 거리를 모두 f, 렌즈 사이의 거리를 2f로 한정한 상전사 구성으로 되어 있기 때문에, 실제로는 고여기 입력에 대응한 공진기를 설계할 수 없는 문제가 생기고 있다. 이 구성에서는 좌우의 공진기 미러를 매우 곡률이 강한(곡률 반경이 짧은) 미러로 함으로써, 고여기 입력 대응의 공진기로 할 수 있다. 그러나 이 경우 미러 상에서의 빔 지름이 극단적으로 작아지기 때문에, 미러의 반사 코팅의 내광 강도의 한계를 넘어 미러가 파손되게 된다. 이 때문에, 어느 정도 이상의 고출력화에는 대응하지 못하여 횡싱글 모드로 100W 이상의 고출력 발진은 곤란하였다.
또, 이 구성에서는 각 YAG 로드의 양 단면에 각각 복수의 LD 광원으로부터의 여기광을 집광 조사하는 단면 여기 구성이 채택되고 있다. 이 경우, YAG 로드의 양 단면 부근에 국부적으로 여기광이 집중 흡수되기 때문에, 각각 국부적으로 강한 열 렌즈가 생기지만, 실제로는 복수의 LD광을 중첩하여 합성한 여기광의 강도 분포를 단일화하는 것이 매우 곤란하여, 각 열 렌즈가 모든 특성을 갖춘 한결같은 렌즈로는 되지 않는다. 그 결과, YAG 로드 사이를 텔레스코프로 상전사 접속해도 실제로는 레이저 공진의 비대칭성이 남아, 결국 전자의 문제인 고출력 발진의 저해 요인이 발생해 버리는 경우가 있었다. Nd:YAG 레이저로 높은 반복 주파수에서의 안정된 횡싱글 모드 발진을 실현하는데 있어서, 본래 여기 밀도가 높은 단면 여기 방식의 쪽이 유리하기는 하지만, 실용화하는데 있어서는 이 점이 장애가 되고 있다.
그 밖에, 상기 텔레스코프와 복굴절 보상 기술을 조합한 공진기에, 추가로 특허 문헌 1과 같은 열 렌즈 보상 수단을 조합한 방법도 생각할 수 있다. 그러나 공진기 내에 텔레스코프와 열 렌즈 보상용 오목 렌즈의 양쪽, 합계 4매 이상의 렌즈를 배치한 매우 복잡한 구성으로 되기 때문에, 사실상, 조정 가능한 공진기 구성이 아닌 산업 제품에 응용할 수 있는 기술이 아니다.
또, 비특허 문헌 2의 도 14에 있어서 기본파 발진기부와 같이, 복굴절 보상 기술로 발진한 횡싱글 모드 레이저 광을 M0PA 기술로 출력 증폭하는 방법이 있다. 그러나 복수의 증폭 유닛으로 출력 증폭할 때마다 빔 모드의 붕괴가 현저해져서, 고출력화는 가능해도 횡싱글 모드로의 고집광성이 손상되는 문제, 구성이 복잡하고 조정이 곤란한 문제가 있어, 산업 제품에 응용할 수 있는 기술이라고는 할 수 없다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 고출력, 바람직하게는 100W 이상의 횡싱글 모드 발진이 안정적으로 가능한 고체 레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
한편, 파장 변환 레이저에 있어서는 고주파수이고 고출력의 파장 변환 레이저의 실현이 곤란한 문제가 있었다. 구체적으로, 기본파 레이저 발진기로서 Nd:YAG 레이저를 사용한 경우는 고주파 발진시의 펄스 폭의 확대나 펄스 발진의 불안정화의 문제로 인하여, 고주파수에서의 파장 변환 효율이 현저하게 저하하고, 특히 80kHz를 넘는 고주파수에서 고출력의 고조파 레이저 광을 얻을 수 있는 파장 변환 레이저는 실현되고 있지 않다. 또, Nd:YVO4 레이저를 사용한 경우에도, 100kHz 이상의 고주파 발진은 가능하지만, YVO4 결정의 사이즈의 제약으로 고출력 발진이 불가능하여 고출력의 파장 변환 레이저의 실현은 곤란하였다. 예를 들어 3배파 레이저의 경우, 논문 등에서는 100kHz에서 최고 36W의 파장 변환을 한 예도 보고되고 있으나, 비선형 결정으로의 집광 강도를 올려 파장 변환 효율을 높여 비선형 결정의 수명을 희생한 결과에 의한 것이고, 제품 레벨의 기술로는 100kHz에서 20W 정도의 3배 고조파 출력이 한계였다. 결국, 어느 기본파 레이저의 경우에 있어서도, 제품 레벨의 품질로 100kHz에서 30W 이상의 고출력 발진을 하는 3배 고조파 레이저는 실현되고 있지 않다.
본 발명은 상술한 고체 레이저 장치를 사용하여, 고주파수, 바람직하게는 약 100kHz에서 고출력의 고조파 레이저 광을 얻을 수 있는 파장 변환 레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 고체 레이저 장치에 있어서는 2개의 고체 레이저 소자를 구비한 대칭 공진기의 고체 레이저 소자 사이에 초점 거리 f의 2매의 볼록 렌즈와 90도 선광자를 배치하고, 2매의 렌즈의 간격을 2f보다 짧게 하고, 각 렌즈와 인접하는 고체 레이저 소자의 중심 거리를 거의 f로 한 것이다.
또, 본 발명에 관한 파장 변환 레이저 장치에 있어서는 본 발명에 관한 고체 레이저 장치에 Q 스위치와 편광 소자를 추가로 구비하고, 출력된 기본파 레이저 광을 비선형소자에 입사시켜 파장 변환하는 것이다.
본 발명은 텔레스코프의 구성을 연구함으로써, 강한 열 렌즈 조건에서도 발진할 수 있는 공진기를 설계할 수 있어, 고출력 발진이 가능하다고 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 2는 종래의 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1의 구성과 종래 구성의 빔 지름 특성의 계산 결과를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1의 구성과 종래 구성의 레이저 출력 특성의 실험 결과를 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1의 텔레스코프와 종래 구성의 텔레스코프 도면이다.
도 6은 종래 구성의 텔레스코프를 공진기에 내장시킨 경우의 효과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1의 텔레스코프를 내장한 공진기의 도면이다.
도 8은 종래 구성으로 발진 가능한 열 렌즈 강도의 계산 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1의 고체 레이저 장치로 발진 가능한 열 렌즈 강도의 계산 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1의 고체 레이저 장치에서 모드 볼륨이 최대로 되는 조건을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 2를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 3을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 고체 레이저 장치에서 단면 여기를 행한 경우의 구성도이다.
도 14는 고체 레이저 장치에 있어서 단면 여기를 행한 경우 여기광의 강도 분포를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 고체 레이저 장치에서 단면 여기를 행한 경우 YAG 로드 내에 발생하는 열 렌즈를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 4를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 5를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서 고체 레이저 장치와 실시 형태 1에 있어서 고체 레이저 장치의 광학 부품의 위치 변동에 따른 광축의 어긋남을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 6을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 6에 있어서 고체 레이저 장치와 실시 형태 5에 있어서 고체 레이저 장치 등의 구성과 발진 영역을 비교하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 7을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 22는 본 발명의 실시 형태 8을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 23은 본 발명의 실시 형태 9를 나타내는 고체 레이저 장치의 텔레스코프의 구성도이다.
도 24는 본 발명의 실시 형태 10을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 25는 본 발명에 있어서 광학 소자의 위치 어긋남과 레이저 광의 광축의 어긋남을 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시 형태 10에 있어서 효과를 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 실시 형태 11을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 28은 본 발명의 실시 형태 11에 있어서 공진기 미러의 요철(凹凸)에 의한 영향을 나타내는 도면이다.
도 29는 본 발명의 실시 형태 12를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 30은 본 발명의 실시 형태 13을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 31은 본 발명의 실시 형태 14를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
도 32는 본 발명의 실시 형태 14에 있어서 포인팅 변동에 의한 영향을 나타내는 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시 형태 14에 있어서 빔 지름 변화에 의한 영향을 나타 내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 실시 형태 15를 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도이다.
이하에, 본 발명에 관한 고체 레이저 장치, 파장 변환 레이저 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 중에 기재된 거리에 대해서는 특별히 언급되지 않는 한 광학적 거리를 나타내는 것으로 한다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명에 관한 고체 레이저 장치의 실시 형태의 구성을 나타내는 도면이다. 이 고체 레이저 장치는 전반사(全反射) 미러(11)와 부분 반사 미러(12)로 공진기를 구성하고, 공진기의 내부에 2개의 고체 레이저 소자(21, 22)와 90도 선광자(5)와 2매의 렌즈(61, 62)를 동축 상에 배치하고 있다. 여기서, 전반사 미러(11)측의 고체 레이저 소자를 제1 고체 레이저 소자(21) 또는 왼쪽의 고체 레이저 소자(21)라 부르며, 부분 반사 미러(12)측의 고체 레이저 소자를 제2 고체 레이저 소자(22) 또는 오른쪽의 고체 레이저 소자(22)라 부른다. 또, 전반사 미러(11)측의 렌즈를 제1 렌즈(61)라 부르고, 부분 반사 미러(12)측의 렌즈를 제2 렌즈(62)라 부른다. 제1 고체 레이저 소자(21)와 제2 고체 레이저 소자(22)는 일례로서 모두 같은 사이즈의 YAG 로드이고, 동등한 여기 입력으로 여기되어 동등한 열 렌즈가 발생하고 있다(이후, 고체 레이저 소자를 YAG 로드라고도 부름). 전반사 미러(11)와 부 분 반사 미러(12)는 모두 곡률 반경 R의 미러이고, 2개의 고체 레이저 소자(21, 22)를 사이에 두고 광학적으로 좌우 대칭이 되도록 배치되어 대칭 공진기를 구성하고 있다(이후, 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)를 공진기 미러라고도 부름).
이 대칭 공진기와 제1 고체 레이저 소자(21), 제2 고체 레이저 소자(22) 및 양 고체 레이저 소자 사이에 설치한 90도 선광자(5)로 복굴절 보상형 공진기를 구성하고 있다. 또, 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62)는 모두 초점 거리 f의 볼록 렌즈이고, 제1 고체 레이저 소자(21)와 제2 고체 레이저 소자(22) 사이에 설치되어 텔레스코프를 구성하고 있다. 여기서, 제1 렌즈(61)와 그에 인접하는 제1 고체 레이저 소자(21)의 중심과의 광학적 거리는 렌즈(61, 62)의 초점 거리 f와 거의 같은 길이로 설정되며, 또 제2 렌즈(62)와 그에 인접하는 제2 고체 레이저 소자(22)의 중심과의 광학적 거리도 이와 같이 거의 f로 설정되어 있다. 또 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62)의 광학적 거리는 후술하는 2f 미만의 임의 길이 L2로 설정된다. 또한, 90도 선광자(5)의 설치 위치는 양 레이저 소자 사이이면 어디라도 좋지만, 통상은 내구성의 관점에서, 빔 지름이 굵은 제1 고체 레이저 소자(21)와 제1 렌즈(61) 사이, 또는 제2 고체 레이저 소자(22)와 제2 렌즈(62) 사이에 설치된다.
이 고체 레이저 발진기에서는 각 YAG 로드(21, 22)가 강한 열 렌즈를 가지기 때문에, 도 1에 있어서 발진 레이저 광(7)의 트레이스(trace)가 나타내는 바와 같이, YAG 로드(21, 22) 내부에서의 빔 지름이 가장 굵고 공진기 미러(11, 12) 상에서는 가늘어지는 전파(傳播) 상태의 레이저 광이 발진한다. 여기서, 고체 레이저 소자(21, 22) 내의 최대 횡싱글 모드 빔 지름을 2ωo로 하면, 이 2ωo가 YAG 로드(21, 22)의 외경 D에 대해 충분히 큰 값이 되도록 공진기를 설계로 한 경우에, 고효율의 횡싱글 모드의 레이저 광이 발진한다. 이 충분히 큰 값은 일반적으로는 YAG 로드의 외경의 70% 정도 크기이다. 단, 구성에 따라서는 60% 이상에서 횡싱글 모드 발진하는 경우도 있고, 일률적으로 수치 규정하는 것은 아니다.
좌우의 고체 레이저 소자(21, 22) 사이에 설치한 텔레스코프는 제1 고체 레이저 소자(21)의 중심과 제2 고체 레이저 소자(22)의 중심 2개 상이 서로 겹치는 상전사의 작용을 한다. 복굴절 보상형 공진기에서는 좌우의 YAG 로드에서 별개로 열 렌즈를 발진 레이저 광에 대해 느끼게 해 버리기 때문에, 공진기의 비대칭이 생겨 버린다. 그러나 텔레스코프로 좌우의 YAG 로드의 중심을 상전사하면, 다른 강도의 열 렌즈가 마치 동일 위치에서 발생하고 있는 것처럼 발진 레이저 광에 느끼게 하기 때문에, 공진기의 중심에서 2개의 다른 열 렌즈가 겹쳐 발생하고 있는 상태로 되어, 공진기의 비대칭성이 해소된다.
여기서, 비특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에서는 텔레스코프의 구성으로서, 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리 L2가, 각 렌즈의 초점 거리 f의 2배(2f)로 동일해지는 한정 배치로 하고 있다. 여기서, 2매의 렌즈로 상전사 광학계를 구성하는 경우, 상술한 바와 같이, 2매의 렌즈 사이의 거리를 2f로 하는 것이 일반적으로 채용되는 구성이고, 이로 인해 각 고체 레이저 소자의 중심과의 사이에서, 빔 지름뿐만 아니라 레이저의 파면(波面) 정보도 전사하는 완전한 상전사 조건의 텔레스코프가 구성된다. 그러나 이와 같은 구성에서는 저여기 입력(약한 열 렌즈 조건)으로 발진하는 공진기밖에 설계할 수 없는 문제가 있었다. 본 발명에서는 L2를 2f 이외의 거리로 해도 복굴절 보상형 공진기 중에서 상전사의 효과가 발휘되는 것을 발견하여, L2<2f의 조건으로 함으로써, 종래 얻을 수 없었던 고여기 입력(강한 열 렌즈)의 조건에서도 발진하는 고출력의 횡싱글 모드 발진기를 실현할 수 있었다.
도 2에 특허 문헌 1에 기재된, 종래의 텔레스코프를 포함하지 않는 복굴절 보상형 공진기의 구성을 나타낸다. 평판의 부분 반사 미러(312)와 평판의 전반사 미러(311)와 2개의 고체 레이저 소자(21, 22)에 의해 좌우 대칭인 공진기를 구성하고, 고체 레이저 소자(21, 22) 사이에 90도 선광자를 구비하고, 고체 레이저 소자(21, 22)와 공진기 미러(311, 312) 사이에 오목 렌즈(361, 362)를 구비한 구성이다. 도 1과 동양의 구성에 대해서는 같은 번호를 붙이고 있다. 도 3은 YAG 로드의 열 렌즈(여기서 열 렌즈의 초점 거리를 fo으로 하고, 이후 열 렌즈의 강도를 1/fo로 나타냄)와 YAG 로드 내의 횡싱글 모드 빔 지름의 관계를 시뮬레이션 계산한 결과를 나타낸 것이다. 도 3(a)는 특허 문헌 1 및 비특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에 따른 것이고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 것이다. 도 4는 도 3에 나타낸 구성에 대응한 레이저 입출력 특성의 실험 결과를 나타내는 것이다. 도 4(a)가 종래의 복굴절 보상형 공진기의 결과와 그 문제점을 나타내는 것이고, 도 4(b)가 복굴절형 공진기에 신규 구성의 텔레스코프를 조합한 결과와 종래 구성의 텔레스코프를 조합한 결과를 비교한 것이다.
도 3에 있어서, 설계 조건 A와 B는 도 2에 나타낸 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에 의한, 복굴절 보상형 공진기의 저여기 입력용의 설계값과 고여기 입력용의 설계값에 의한 것이다. 저여기용으로 할지 고여기용으로 할지는, 예를 들어 도 2의 오목 렌즈의 초점 거리를 변화시키는 것으로 대응시킬 수 있다. 설계 조건 C는 비특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에 의한 텔레스코프와 복굴절 보상형 공진기를 조합한 것이다. 설계 조건 D, E가 본 발명의 구성에 따른 것이고, 후술하는 효율을 최적화한 경우의 설계값과, 추가로 고여기 입력용의 설계값에 따른 것이다.
우선 설계 조건 A, B의 경우에 주목한다. 도 3의 시뮬레이션의 그래프 중에서, 로드내 빔 지름이 유한의 값을 취하는 열 렌즈의 범위가 있고, 이것이 안정형 발진 가능한 조건 범위를 나타내는 발진 영역이라 부르는 것이다. 이 발진 영역의 중심으로 빔 지름이 유한한 값을 취하지 않는 영역이 있고, 이것이 발진의 비대칭성에 기인하는 특이점 영역이다. 이 특이점 영역은 저여기 입력용(약한 열 렌즈 조건)의 설계값에서는 좁고, 고여기 입력용(강한 열 렌즈 조건)의 설계값에서는 넓어지는 경향을 가지고 있다.
이것에 대응하는 도 4(a)의 레이저 입출력 특성의 실험 결과를 비교하면, 저여기 입력(약한 열 렌즈 조건)용의 설계 조건 A에서 특이점은 발생하면서도 레이저 입출력 특성에 대해 영향은 나타나고 있지 않다. 그러나 고여기 입력(강한 열 렌즈 조건)용의 설계 조건 B에서는 특이점 영역의 폭 확대에 따라 레이저 입출력 특성이 2산으로 분열 발진 효율이 저하되고 있다. 이 2산(山)으로 갈라진 특성 형상의 골짜기 부분을 이후 딥이라 부른다. 즉, 특이점 영역의 폭이 좁을 때는 레이저 입출 력 특성에는 영향을 미치지 않으나, 어느 임계점을 넘어 충분히 넓은 특이점 영역이 되면, 레이저 입출력 특성에 딥이 발생하여 고출력의 레이저 발진을 할 수 없게 되는 것을 나타내고 있다. 도 4(a)에 있어서, 설계 조건 A와 B의 특성 사이에 세세하게 조건을 변경한 복수의 특성을 싣고 있지만, 이에 따르면 (1/fo)=0.010㎜-1보다 강한 열 렌즈 조건으로 설계한 공진기에서 딥이 발생하고 있어, 상기 임계점이 (1/fo)=0.010㎜-1임을 나타내고 있다. 이보다 강한 열 렌즈 조건에서는 종래의 복굴절 보상형 공진기에서는 딥이 발생해 버려 안정적으로 고출력의 횡싱글 모드 발진을 할 수 없게 된다. 이러한 제한으로 인하여, 우리의 실험 결과에서는 레이저 출력으로서 120W 정도가 한계였다.
또, 종래의 텔레스코프(L2=2f)를 내장한 복굴절 보상형 공진기의 빔 지름 특성의 계산 결과를, 도 3(a)의 설계 조건 C에 나타낸다. 계산상, 특이점 영역은 완전히 해소되어 있어 이상적인 횡싱글 모드 발진이 가능하다. 단, 설계 가능한 열 렌즈의 강도가 한정되어 있어 저출력 발진밖에 할 수 없었다. 상정되는 레이저 입출력 특성을 도 4(b)에 파선으로 나타낸다. 최고 출력으로는 약 100W가 한계이다.
이에 비해, 본 발명의 구성(L2<2f)에 의한 빔 지름 특성의 시뮬레이션 결과(도 3(b)의 설계 조건 D, E)를 보면, 특이점 영역이 발생하는 일 없이 종래 구성(L2=2f)의 2배 이상의 열 렌즈 조건에서 발진 가능함을 알 수 있다. 그에 대응한 레이저 입출력 특성의 실험 결과가 도 4(b)의 설계 조건 D, E이고, 각각 딥이 없는 원만한 1산의 특성으로 되어 있고, 여기 입력의 증가에 비례하여 고출력의 레이저 발진이 실현되고 있음을 알 수 있다. 그 결과, 부분 반사 미러의 투과율의 최적화와도 조합하여, 우리의 실험에서는 최고 200W 이상의 고출력의 횡싱글 모드 발진을 실현할 수 있었다.
이 점에 대한 이론적인 배경을 이하에서 좀 더 상세하게 설명한다. 도 5(a)에 비특허 문헌 1에 기재된 구성, 도 5(b)에 본 발명의 구성에서 2개 렌즈(61, 62)에 의한 텔레스코프의 모식도 및 그 광선 행렬을 나타낸다. 또한, 계산의 간단화를 위해서, 각각의 YAG 로드(21, 22)의 중심에 열 렌즈가 있는 것으로 하였다. 도 5(a)의 종래 기술의 텔레스코프 광선 행렬에 주목하면, 이 행렬식(ABCD) 중 B와 C의 값이 0으로 되어 있고, 이것은 좌우의 YAG 로드(21, 22)의 중심 사이에서 빔 지름 정보와 파면 정보의 양쪽을 전사하는 완전한 상전사 구성의 것으로 되어 있음을 나타내고 있다. 이 텔레스코프를 공진기 내에 내장한 경우의 모식도를 도 6(a)에 나타낸다. 이 도면에서, fφ, fτ은 YAG 로드의 복열 렌즈에 대응한 2 종류의 열 렌즈의 초점 거리를 나타내는 것이고, YAG 로드 단면의 둘레 방향으로 편광면을 갖는 φ 편광에 대한 열 렌즈의 초점 거리가 fφ, YAG 로드 단면의 지름 방향에 편광면을 갖는 τ 편광에 대한 열 렌즈의 초점 거리가 fτ이다.
복굴절 보상형 공진기에서는 왼쪽의 YAG 로드(21)에서 φ 편광, 오른쪽의 YAG 로드(22)에서 r 편광이 되는 레이저 광과, 왼쪽의 YAG 로드(21)에서 τ 편광, 오른쪽의 YAG 로드(22)에서 φ 편광이 되는 레이저 광의 2 종류의 레이저 광이 발 진하지만, 서로 좌우를 바꿔 넣은 것만으로 같은 특성을 가지는 레이저 광이므로, 단순화시키기 위해, 전자의 레이저 광만을 모식도로서 추출하였다. 이 경우, 텔레스코프의 좌우에 위치하는 초점 거리 fτ의 열 렌즈와 초점 거리 fφ의 열 렌즈가 전반(傳搬) 거리 0의 상태로 배열되어 있다고 간주할 수 있다. 즉, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 초점 거리 fφ의 렌즈와 fτ의 렌즈의 2개 렌즈가 같은 위치에 겹쳐 있는 상태와 등가이고, 이 공진기의 광선 행렬은 2개의 다른 열 렌즈가 공진기의 중심에 겹쳐 배치되어 있는 상태를 나타내고 있다. 그 결과, 공진기는 광학적으로 좌우 대칭인 구성으로 되어, 특이점이 없는 특성을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 구성(L2<2f)의 광선 행렬은 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 행렬식(ABCD) 중, B만이 0으로 되어 있고, 이것은 좌우의 YAG 로드(21, 22) 사이에서 빔 지름 정보만을 전사하고, 파면 정보는 전사하지 않는 부분적인 상전사 구성이라 할 수 있다. 이것을 공진기에 내장시킨 경우, 좌우의 YAG 로드(21, 22) 상에서 파면의 방향은 같게는 되지 않지만, 초점 거리 fτ의 열 렌즈와 초점 거리 fφ의 열 렌즈가 전반 거리 0의 상태로 배열되어 있는 즉 겹쳐 배치되는 특징은 유지된다. 결국 이 경우에서도, 공진기의 중심에 2개의 다른 열 렌즈가 겹쳐 배치된 대칭 공진기를 구성으로 하게 된다. 또한, 좌우의 YAG 로드(21, 22)에서 파면의 방향이 같게 되지 않는 것을 사용하여, 도 5(b)와 같이 텔레스코프로부터 양측의 YAG 로드(21, 22)에 입사하는 파면이 발산 파면이 되도록 구성하면, 종래 구성의 텔레스코프보다 강한 열 렌즈로 레이저 발진할 수 있다. 따라서, 복굴절 보상형 공진기의 비대칭성에 기인하는 특이점 문제에 대한 효과를 유지하면서, 강한 열 렌즈에 대응하는 설계 조건이 선택 가능하게 되는 메리트가 생긴다.
이론적으로는 L2를 짧게 할수록 강한 열 렌즈(고여기 입력)로의 레이저 발진이 가능하고, 이 점에 대하여 이하에서 설명한다. 우선 본 발명의 구성에 의한 텔레스코프를 포함하는 공진기의 모식도를 도 7에 나타낸다. 여기서 단순화시키기 위해, YAG 로드(21, 22)의 열 렌즈는 YAG 로드(21, 22)의 중심 위치에서 (1/frod)의 강도로 발생하고 있는 것으로 한다. 여기서, 열 렌즈의 초점 거리 frod는 φ 편광의 열 렌즈의 초점 거리 fφ와 r 편광의 열 렌즈의 초점 거리 fτ를 평균화한 것이기도 하다. 이 공진기의 1 왕복분의 광선 행렬은 하기와 같이 계산된다.
Figure 112009034809984-pct00001
이 (ABCD) 행렬을 사용하여, 공진기의 레이저 빔의 고유해(固有解; 빔 지름 2ω, 파면 곡률 r)를 하기 식으로 구할 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00002
이 ω의 값이 유한한 수치(실수해(實數解))를 갖는 frod의 범위가 발진 영역이고, 이 발진 영역의 중심 열 렌즈의 초점 거리를 fo으로 했을 때, 하기 fo의 해를 얻는다.
Figure 112009034809984-pct00003
이 때의 빔 지름이 횡싱글 모드 발진에 필요한 YAG 로드(21, 22)내 빔 지름 2ωo와 일치하고 있다고 했을 때, ωo는 R과 L1만의 함수가 되어, 빔 지름 2ωo를 얻는데 필요한 L1은 하기의 식이 된다.
Figure 112009034809984-pct00004
Figure 112009034809984-pct00005
여기서,
Figure 112009034809984-pct00006
(3) 식은 하기와 같이 변환할 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00007
이것이, 텔레스코프의 렌즈(61, 62)간 거리 L2와 발진 가능한 열 렌즈 강도의 관계를 나타내는 관계식이고, L2를 짧게 할수록 강한 열 렌즈(고여기 입력)로의 레이저 발진하는 것을 나타내고 있다.
(5) 식에 종래 구성의 텔레스코프 조건(L2=2f)을 적용시키면, 종래 구성의 경우 열 렌즈(1/fo)는 하기 식이 된다.
Figure 112009034809984-pct00008
도 8에 (6) 식에 의한 발진 영역의 열 렌즈(1/fo)의 계산 결과의 일례로서, 예를 들어 φ2㎜의 YAG 로드를 사용한 경우를 나타낸다. 공진기 미러의 곡률이 강할(곡률 반경 R이 작을)수록, 강한 열 렌즈 조건으로 발진할 수 있다. 그러나 현실적으로 채택할 수 있는 미러 곡률 반경의 상한(R=50㎜ 정도)을 고려하면, 열 렌즈 조건의 상한은 (1/fo)=0.005㎜-1 정도이고, 그 이상 강한 열 렌즈 조건으로 발진하는 레이저 공진기를 설계하는 것은 불가능하다.
이에 비해, 본 발명의 구성(L2<2f)에 의한 열 렌즈 (5) 식은 종래 구성보다 하기의 부분만큼 강한 열 렌즈 조건(=고여기 입력)으로 발진할 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00009
도 9에, 일례로서 공진기 미러의 곡률 반경 R을 50㎜로 한 경우, L2에 대한 발진 영역의 열 렌즈의 강도(1/fo)의 계산 결과, 및 상술한 설계 조건 C, D, E와 대응하는 점을 플롯한 결과를 나타낸다. 도 9에서, L2가 짧을수록, 강한 열 렌즈 조건으로 발진할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 종래 구성(L2=2f)인 설계 조건 C에 비해, 본 발명의 구성인 설계 조건 E에서는 약 3배의 강도인 열 렌즈로도 발진하는 것이 가능하게 된다. 또, 원리적으로 L2는 얼마든지 짧게 설정할 수 있기 때문에, 설계 조건 C에 비해 3배 이상의 강도의 열 렌즈로 발진하는 레이저 공진기도 설계 가능하다. 여기서, 여기 입력과 열 렌즈의 강도는 비례 관계에 있기 때문에, 3배 이상의 여기 입력으로 발진하는 레이저 공진기가 설계 가능하다 할 수 있다.
다음으로, L2의 최적화에 대하여 설명한다. 여기서는 초점 거리 frod의 열 렌즈를 가지는 YAG 로드로 레이저 발진한 경우, YAG 로드 내부에서 레이저 광의 전파 상태를 고려한다. YAG 로드의 열 렌즈는 로드 내의 온도 분포를 반영한 굴절률 분포에 기인하는 것이고, 통과하는 레이저 광의 파면을 수습 경향으로 변화시키는 볼록 렌즈의 작용을 한다. 따라서, YAG 로드에 입사한 레이저 광은 YAG 로드 내부에서 활 형상의 곡선을 그려 수습하면서 통과한다. 이 곡선의 내측, 즉 발진 레이저 광이 통과하는 영역이, YAG 로드 내부의 여기 에너지를 레이저 출력으로 변환하고 있는 영역이고, 이 영역의 볼륨(모드 볼륨이라 칭함)이 여기 영역에 대해 클수록 레이저 발진 효율이 향상된다. 모드 볼륨은 YAG 로드 내부에서 레이저 광의 전파 상태에 따라 크게 다르며, YAG 로드 내부에서 레이저 광의 전파 상태는 텔레스코프의 설계값에 의해 정해진다. 즉, 텔레스코프의 설계값에 의해 모드 볼륨이 좌우된다. 이 점을 이하에서 설명한다.
도 10(a)는 제2 YAG 로드(22)에 평행 파면의 레이저 광이 입사한 경우 YAG 로드(22) 내부에서 레이저 광의 전파 상태를 나타내는 모식도, 도 10(b)는 발산 파면의 레이저 광이 입사한 경우 YAG 로드(22) 내부에서의 레이저 광 전파 상태를 나타내는 모식도이다. 도 10에서는 제2 YAG 로드(22)만 기재하고 있으나, 제1 YAG 로드(21)도 제2 YAG 로드(22)와 좌우 대칭으로 동양인 레이저 광 전반 상태로 되어 있다. 도 10(a)는 정확히 종래 구성의 텔레스코프 배치(L2=2f)의 경우에 공진기 내에서 재현되는 전파 상태이고, YAG 로드(22)의 좌측 단면(입사 단면)에서 빔 지름이 최대로 되어, 우측으로 진행함에 따라 빔 지름이 축소하여 우측 단면에서 최소로 되고 있다. 도 10(b)는 본 발명의 구성(L2<2f)의 경우에 공진기 내에서 재현되는 전파 상태이고, YAG 로드(22)의 좌측 단면(입사 단면)으로부터 내부에 진행한 위치(x)에서 빔 지름이 팽창되는 전파 상태로 되어 있다. 이 위치(x)는 입사 파면의 곡률이 강할수록, YAG 로드(22)의 우측으로 이행하는 경향이 있다. 본 발명의 공진기 구성에서는 YAG 로드(22)로의 레이저 광의 입사 파면은 텔레스코프의 렌즈(61, 62) 사이 거리 L2에 의존하여, L2가 짧을수록 파면 곡률은 강해지기 때문에, YAG 로드(22) 내부에서의 빔 지름이 가장 팽창하는 위치(x)도 우측으로 이행하게 된다.
여기서 도 10(a)와 도 10(b)의 모드 볼륨을 비교한다. 서로 최대 빔 지름은 같아도 모드 볼륨은 후자가 커서, 보다 고효율의 레이저 발진이 가능함을 의미한다. 또한, 빔 지름이 최대로 되는 위치(x)에 따라 모드 볼륨이 변화하고, 이것은 모드 볼륨을 최대로 하는 최적의 위치가 존재하는 것을 의미하고 있다.
도 10(c)에, 제2 YAG 로드(22) 내부에서 레이저 광의 전파 상태와 모드 볼륨의 관계를 나타낸다. 그래프의 횡축은 로드 내부에서 빔이 가장 팽창하는 위치의 로드 단면으로부터의 거리(x)이고, YAG 로드의 전체 길이를 1로 규격화하고 있다. 그래프의 세로축은 모드 볼륨이다. 우선 (x=0)의 전파 상태(가)는 YAG 로드의 입사 단면에서 빔 지름이 최대인 종래 구성에 따른 것이다. 이에 비해, (x)의 값이 증가함에 따라 모드 볼륨도 증가해 가며, (x=0.5)의 전파 상태(나)에서 모드 볼륨은 최대로 되지만, 또한 큰 값(x=0.75)의 전파 상태(다)에서는 반대로 모드 볼륨은 감소하게 된다. 이 예에서는 모드 볼륨이 최대로 되는 전파 상태(나)에서는 전파 상태(가)보다 약 30% 모드 볼륨이 커서, 그 만큼 고효율의 발진을 할 수 있음을 의미하고 있다.
다음으로, 이 전파 상태(나)를 만족하는 텔레스코프의 설계값에 대하여 기술한다. 이 전파 상태는 YAG 로드(22)의 중심에서 빔 지름이 최대로 되어 있고, YAG 로드(22)의 중심을 경계로 좌우 대칭인 전파 상태로 되어 있다. 따라서, YAG 로드에 입사하는 레이저 광의 파면(1/r)이 YAG 로드의 열 렌즈(1/fo)의 절반과 균형적인 조건이다. 식 (2)에 이 조건을 부가하면 하기의 식이 도출된다.
Figure 112009034809984-pct00010
또, 이 때의 열 렌즈는 하기 식이다.
Figure 112009034809984-pct00011
또, (4) 식에서 정의한 파라미터 K는 공진기 파라미터 R, L1을 사용하면 하기와 같이 변형할 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00012
Figure 112009034809984-pct00013
이것을 사용하여, (7) 식은 하기와 같이 표기를 변형할 수도 있다.
Figure 112009034809984-pct00014
Figure 112009034809984-pct00015
또, ωO는 YAG 로드 반경 d의 0.6 ~ 0.7배로 모드 볼륨이 큰 횡싱글 모드 발진을 할 수 있다. 0.7배 이상의 경우도, 발진 레이저 광의 외연부가 YAG 로드의 외 경으로부터 돌출되게 되어 효율이 저하하게 되는 경우도 있으나, 횡싱글 모드 발진에는 유효하다. 또 0.6배 미만의 경우에서도 횡싱글 모드 발진시의 모드 볼륨은 저하되지만, 본 발명이 유효한 것에는 변함없다.
이상의 결과, 목적의 열 렌즈(1/fO)로 발진하는 레이저 공진기를 설계하는 경우, 공진기 미러(11, 12)의 곡률 반경 R은 (8) 식에서, 텔레스코프의 렌즈(61, 62) 사이의 거리 L2는 (7) 식으로 최적화할 수 있다. 이 (7) 식을 만족하는 설계값이 모드 볼륨을 최대화하여, 가장 효율이 좋은 횡싱글 모드 발진을 하기 위한 설계해이다.
또한, 이상의 설명은 횡싱글 모드 발진에 대한 유효성을 중심으로 설명해 왔으나, 횡멀티 모드 발진에 대해서도 본질적으로는 유효한 기술이다. 발진 영역의 특이점 조건에서 공진기 손실이 증대하면, 단일 차수 성분의 레이저 광밖에 발진하지 않는 횡싱글 모드 발진의 경우는 특히 민감하게 영향을 받아 레이저 입출력 특성의 딥 현상이 나타난다. 그러나 다수의 차수 레이저 광이 공생 발진하는 횡멀티 모드 발진에서는 어느 차수의 광이 특이점의 영향으로 손실을 받더라도, 다른 차수의 레이저 광이 보충하여 발진하기 때문에, 상대적으로 특이점에 대해 둔한 경향을 가지지만, 영향을 받는 것에는 변함없다. 특히, M2=10 이하 정도의 저차(低次) 멀티 모드라 불리는 저차수 발진에서는 횡싱글 모드 발진에 준하는 효과를 기대할 수 있다. 단, 어디까지나 횡싱글 모드에서 최대의 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.
또, 이상에서 기술해 온 텔레스코프를 구성하고 있는 렌즈(61, 62)의 배치 등의 설계값는 어디까지나 이론 계산으로 구한 이상값이고, 반드시 엄밀하게 이상의 설계값과 일치시킬 필요는 없다. 그렇다고는 해도, 지나치게 이상값과 동떨어진 설계값을 취하면, 본래의 레이저 발진의 특이점의 영향을 해소하는 효과를 얻을 수 없게 되어 버린다. 예를 들어, 텔레스코프의 렌즈(61, 62)와 YAG 로드(21, 22)의 중심으로부터의 광학적 거리가 렌즈(61, 62)의 초점 거리 f와 일치하지 않고 어긋나 버린 경우, 특이점 영역이 발생하여, 편차량에 비례하여 특이점 영역의 폭도 확대해 버리지만, 이 양이 충분히 작은 것이면 입출력 특성에 딥이 발생하는 일은 없어, 문제는 되지 않는다.
여기서, 앞에서 기술한 바와 같이, 종래 기술의 복굴절 보상형 공진기에 있어서 입출력 특성에 딥이 나타나기 시작하는 열 렌즈의 임계 조건이 판명되어 있다. 본질적으로는 YAG 로드의 열 렌즈가 강해지는 것에 따른 특이점 영역의 폭 확대가 딥의 발생 원인이기 때문에, 상기 임계 조건은 특이점 영역의 폭에 대한 임계 조건으로 치환할 수 있다. 본 발명에서 이상값으로부터 벗어난 설계값을 취한 경우 특이점 영역의 폭이, 이 임계량보다 작으면 딥은 발생하지 않아 문제가 되지 않는다.
우리의 시산(試算)으로는 텔레스코프의 렌즈와 YAG 로드의 중심 광학적 거리에 관한 설계값과 이상값의 차이는 약 10% 이하이면 문제없고, 10%를 넘으면 임계량을 넘어 딥이 발생할 우려가 있다. 즉, 이상값에 대해 ±10% 정도의 범위 내의 차가 되도록 설계값을 채택하면, 충분히 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
실시 형태 2.
도 11은 본 발명에 관한 고체 레이저 장치의 실시 형태 2의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1과 같은 구성의 부분에는 같은번호를 부여하고 있다. 본구성은 도 1의 구성과 같은 원리에 기초하여 같은 효과를 가지지만, YAG 로드 사이에 배치되는 렌즈(63)의 구성(매수, 배치)이 다르다. 이 구성의 동작 원리를 이하에서 기술한다.
우선, 도 1에 있어서는 한 쌍의 YAG 로드(21, 22)의 중심 사이를 상전사 접속하기 위해, 같은 초점 거리 f의 렌즈(61, 62)를 2매 사용하고, 렌즈(61, 62)간의 거리 L2는 렌즈의 초점 거리 f의 2배(2f)보다 짧은 임의의 거리로 하고 있다. 이 L2는 짧을수록 고여기 입력으로 발진하는 공진기를 구성하지만, 어느 정도 짧게 해도 제약은 없으며, 원리적으로는 0이어도 된다. 2매의 렌즈(61, 62)가 거리 0으로 배열되는 것은, 즉 2배의 강도(절반의 초점 거리)의 렌즈 1매로 합성하는 것을 의미한다. 따라서 이 상태는 좌우의 YAG 로드(21, 22)의 광학적 중간 위치에 1매의 렌즈(63)가 삽입되어 있고, 그 렌즈(63)와 좌우의 YAG 로드(21, 22)의 중심 광학적 거리는 각각 이 렌즈(63)의 초점 거리의 2배가 되어 있는 상태라 할 수 있다. 이 구성을 모식화한 것이 도 11이다. 한 쌍의 YAG 로드(21, 22) 사이에 초점 거리 f의 렌즈(63)가 1매 있고, 좌우의 YAG 로드(21, 22)의 중심과 렌즈(63) 사이의 광학적 거리는 각각 렌즈의 초점 거리 f의 2배(2f)로 되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 도 10(c)의 전반 상태(나)보다 여기 효율은 약간 저하되지만(본 구성의 경우, 도 10(c)에 있어서 모드 볼륨은 x=0.8 부근의 값이 됨), 상당히 고여기 입력에 적절한 구성으로 되어, 매우 고출력인 레이저 광을 얻을 수 있는 레이저 공진기가 될 수 있다고 하는 효과가 있다.
실시 형태 3.
도 12는 도 1에 나타낸 실시 형태 1에 관한 고체 레이저 장치에 있어서, YAG 로드의 여기 부분을 측면 여기 방식으로 구성한 장치의 도면이다. 도 12에 있어서, 제1 YAG 로드(21)는 제1 여기용 레이저 다이오드(LD; 501, 502)에 의해 측면 방향으로부터 여기광을 조사받고, 제2 YAG 로드(22)는 제2 여기용 레이저 다이오드(여기용 LD 또는 간단히 LD라고도 부름; 503, 504)에 의해 측면 방향으로부터 여기광을 조사받는 것으로, 각 YAG 로드 내부 전체가 거의 균일하게 여기되어 있다. 또한, 높은 반복 주파수에서의 펄스 레이저 발진을 하는 경우는 이 공진기에 Q 스위치 소자를 내장하고, 또 YAG 로드 내의 여기 밀도를 끌어올리기 위해, YAG 로드(21, 22)에는 가는 외경 치수의 것이 채용된다. 가능한 높은 반복 주파수에서의 펄스 발진을 하고 싶은 경우는 YAG 로드의 외경도 가능한 가는 편이 좋다.
한편, 이것과 대비되는 구성으로, 도 1의 고체 레이저 장치를 단면 여기 방식으로 구성한 장치를 도 13에 나타낸다. 도 13에 있어서, 벤드 미러(bend mirror; 511, 512, 513, 514)를 통하여, YAG 로드(21, 22), 공진기 미러(11, 12), 텔레스코프를 구성하는 제1 및 제2 렌즈(61, 62) 및 90도 선광자(5)로, 실시 형태 1과 동양의 레이저 공진기를 구성하고 있다. 벤드 미러(511 ~ 514)는 각각 적외 파장의 발진 레이저 광을 전반사하고, 808㎚ 부근의 파장의 여기광을 전투과하는 다이크로익 코팅(dichroic coating)이 실시되어 있다. 제1 여기용 LD(521, 522)로부터 발한 여 기광은 각각 집광 렌즈(531, 532)에 의해 벤드 미러(511, 512)의 이면으로부터, 제1 YAG 로드(21)의 양 단면에 집광되어 양 단면 중심부가 집중 여기되어 있다. 또, 제2 여기용 LD(523, 524)로부터 발한 여기광은 각각 집광 렌즈(533, 534)에 의해 벤드 미러(513, 514)의 이면으로부터, 제2 YAG 로드(22)의 양 단면에 집광되어, 동양으로 양 단면 중심부가 집중 여기되어 있다.
단, 고출력 발진하는 고체 레이저를 설계하는데 있어서, 각 단면을 여기하는 LD는 1개로는 여기 파워가 부족하여 복수의 LD를 중첩하여 집광 조사할 필요가 있다. 통상은 개별의 LD로부터 발한 여기광을 광화이버(541 ~ 544)로 광 전송하고, 그 복수의 여기광 전송 화이버를 하나로 묶어 화이버의 출사 단부에서 중첩하여, 집광 렌즈(531 ~ 534)에서 YAG 로드(21, 22) 단부의 중심으로 집광한다. 그 상태를 도 14에 나타낸다. 도 14(a)는 1개의 여기 LD로 여기한 경우의 도면, 도 14(b)는 복수의 여기 LD로 여기한 경우의 도면이고, 각각 YAG 로드 단부에 집광 조사하는 여기광의 강도 분포를 나타내고 있다. 도 14(a)에 있어서 단일 LD로의 여기의 경우는 YAG 로드 단면에 집광되는 여기광의 강도 분포는 원활한 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 나타내지만, 도 14(b)와 같이 복수의 LD를 집광 여기하는 경우는 중첩부의 정밀도나 개개의 LD의 특성의 편차 등에 의해, 복수의 피크를 가지는 비뚤어진 형상의 강도 분포가 되는 경향이 있다. 이 때문, YAG 로드 단면의 온도 분포가 반드시 똑같은 분포로는 되지 않아, 균질하고 변형이 없는 열 렌즈가 형성된다고는 할 수 없다.
또, YAG 로드로 흡수되는 여기 광량은 YAG 로드 단면 부근이 가장 강하고, YAG 로드 내부로 진행함에 따라 서서히 약해지지만, 이 흡수 분포는 개개의 여기 LD의 특성(예를 들어 발광 파장이나 발산각)에 따라 크게 변화하기 때문에, 형성되는 열 렌즈의 생성 방법에도 민감하게 영향을 미친다. 도 15(a)는 도 13의 구성에 있어서 벤드 미러와 레이저 광의 반환을 생략한 도면이지만, 그 결과, 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 각 YAG 로드(21, 22) 단면에 형성되는 각 열 렌즈 a ,b, c, d의 강도는 편차를 갖는 경우가 많고, 또 개개의 열 렌즈가 다른 수차 성분을 가지기 쉬운 경향이 있다. 그 때문에, 텔레스코프에 의해 2개의 YAG 로드의 열 렌즈가 전반 거리 0의 상태로 배열되어 있다고 간주할 수 있었다 해도, 도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 열 렌즈 a와 열 렌즈 c가 겹친 렌즈와 열 렌즈 b와 열 렌즈 d가 겹친 렌즈가 좌우에 존재하고 있는 상태와 등가로 되어 공진기의 좌우 대칭성이 무너져 버린다.
한편, 도 12의 측면 여기 방식의 경우는 확산한 여기광으로 YAG 로드(21, 22) 전체를 고르게 조사 여기하기 때문에, YAG 로드 내부의 온도 분포가 균질화되어 수차가 적은 균등한 열 렌즈가 형성되는 특징이 있다. 이와 같은 여기 방식의 차이를 생각하면, 단면 여기 방식에서는 도 13과 같이 2개의 YAG 로드 사이를 텔레스코프로 상전사 접속해도, 개개의 단면에서 열 렌즈의 편차나 수차에 의해 공진기의 좌우 대칭성이 무너져 버리기 때문에, 실시 형태 1에 나타내는 효과를 충분히 얻지 못하여 측면 여기 방식이 효과적이라 할 수 있다. 2개의 YAG 로드 사이를 상전사 접속하는 본 발명에 관한 다른 실시 형태에서도 측면 여기 방식이 유효하다.
또한, 상기 실시 형태에서는 여기 광원으로서 레이저 다이오드를 예로 들어 설명하였으나, 여기 광원은 레이저 다이오드로 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 램프 등에서도 동양의 효과를 얻을 수 있음은 분명하다.
실시 형태 4.
실시 형태 1에서는 2개의 YAG 로드 사이에 2매의 볼록 렌즈를 구비한 것이고, 실시 형태 2에서는 2개의 YAG 로드 사이에 1매의 볼록 렌즈를 구비한 것이었다. 본 실시 형태는 2개의 YAG 로드에 볼록 렌즈의 작용을 갖게 하여 볼록 렌즈를 필요로 하지 않은 고체 레이저 장치이다. 도 16은 도 1에 나타낸 고체 레이저 장치에 있어서 텔레스코프를 구성하는 2매의 볼록 렌즈(61, 62)를 YAG 로드와 일체화한 구성의 고체 레이저 장치의 구성도이고, 텔레스코프 이외의 구성은 실시 형태 1과 동양이다. 제1 및 제2 YAG 로드(121, 122)의 대향하는 단면에, 각각 곡률 반경 Ra의 구면(球面) 가공을 실시하여 볼록 렌즈를 형성하고 있다. 또, 각 YAG 로드(121, 122) 사이에는 90도 선광자(5)가 배치되어 있다.
여기서, 각 YAG 로드(121, 122)의 길이를 LO, 굴절률 nO, YAG 로드 단부의 볼록 렌즈의 초점 거리를 f로 한다. 이 경우, 초점 거리 f가 구면 가공한 YAG 로드(121, 122)의 단부로부터 중심까지의 광학적 거리, 즉 YAG 로드(121, 122)의 길이의 절반의 광학 길이 LO/(2nO)와 동일해질 때, 2개의 YAG 로드(121, 122)의 중심 사이가 상전사 접속하도록 작용한다.
YAG 로드단의 볼록 렌즈를 곡률 반경 Ra로 구면 가공한 경우의 초점 거리 f는 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112009034809984-pct00016
이 초점 거리 f가 YAG 로드(121, 122)의 절반의 광학 길이에 동일한 것으로 하여, 하기 조건이 필요하게 된다.
Figure 112009034809984-pct00017
(11) 식, (12) 식에서, 하기 곡률 반경 Ra로의 조건식을 얻을 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00018
또, 이 공진기에서는 실시 형태 1(도 1)과 달리 독립된 볼록 렌즈가 없기 때문에, YAG 로드단에 형성된 볼록 렌즈로서 작용하는 구면 가공부 사이의 거리, 즉 YAG 로드의 구면 가공 부분만을 잘라낸 렌즈를 가정했을 때의 이 렌즈의 주점(主点) 사이의 거리 L3이, 도 1의 고체 레이저 장치에 있어서 렌즈 사이 거리 L2에 상당한다. 따라서, L3을 짧게 할수록, 고여기 입력 조건으로 발진하는 레이저 공진기를 설계할 수 있다. 도 5에 나타낸 종래의 텔레스코프와 같이 완전 상전사 조건에 상당하는 L3의 거리는 이하의 식으로 구해진다.
Figure 112009034809984-pct00019
이에 비해, 하기 L3의 조건을 만족한 경우에, 이 공진기는 실시 형태 1의 고체 레이저 장치와 동양의 효과를 얻어 고출력의 횡싱글 모드 발진이 가능하게 된다.
Figure 112009034809984-pct00020
본 실시 형태에 있어서는 상기와 같이, 별도 볼록 렌즈를 사용하지 않고 심플한 구성으로 2개의 YAG 로드 사이를 상전사 접속할 수 있기 때문에, 실시 형태 1(도 1)이나 실시 형태 2(도 11)에 비해 구성 요소가 단순화되어 컴팩트하고 고장이 적은 고출력의 횡싱글 모드 고체 레이저가 실현된다.
실시 형태 5.
실시 형태 1 및 2에서는 같은 곡률을 가진 미러에 의해 공진기를 구성하고 있었으나, 본 실시 형태는 평면 미러에 의해 공진기를 구성한 고체 레이저 장치이다. 도 17은 도 1에 나타낸 고체 레이저 장치에 있어서, 공진기 미러를 평면 미러로 한 경우의 구성을 나타낸 구성도이다. 도 17에 있어서, YAG 로드(21, 22), 텔레스코프를 구성하는 제1 및 제2 렌즈(61, 62) 및 90도 선광자(5)의 배치는 실시 형태 1과 동양이지만, 공진기 미러(311, 312)를 평면 미러로 하고 있다. 또, 평면 미러(311, 312)와 YAG 로드(21, 22) 및 2매의 렌즈(61, 62)는 실시 형태 1과 동양으 로 대칭하게 배치되어 있다.
종래의 복굴절 보상형 공진기나, 텔레스코프 사이의 거리를 2f로 한정한 상전사광학계를 내장한 공진기에서는 평면 미러로 공진기를 구성하면 강한 열 렌즈 조건으로의 레이저 발진이 불가능하여 고출력의 레이저 발진기를 설계할 수 없었다. 그러나 도 1과 같이 텔레스코프를 구성하는 제1 및 제2 렌즈(61, 62) 사이의 거리가 좁은 상전사 광학계를 내장한 공진기 구성에서는 제1 및 제2 렌즈(61, 62) 사이의 거리를 조정하는 것만으로, 공진기 미러의 곡률에 관계없이 얼마든지 강한 열 렌즈에 대응한 공진기를 설계할 수 있기 때문에, 평면 미러에 의한 공진기 구성으로도 고출력의 레이저 발진기를 설계할 수 있다.
즉, 실시 형태 1에 있어서는 (5) 식에 의해, 텔레스코프의 2매의 렌즈(61, 62) 사이 거리 L2를 짧게 할수록 강한 열 렌즈(고여기 입력)로의 레이저 발진하는 것을 나타내고 있었으나, 본 실시 형태에서는 공진기 미러가 평면이므로, (5) 식 중의 공진기 미러(11, 12)의 곡률 반경 R이 무한대(∞)인 경우를 상정하면 된다. (5) 식에 있어서 R=∞로 하면, (5) 식은 이하와 같이 된다.
Figure 112009034809984-pct00021
(5)' 식에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서도 텔레스코프의 렌즈(61, 62) 사이 거리 L2를 짧게 할수록, 강한 열 렌즈(고여기 입력)로의 레이저 발진이 가능함을 알 수 있다.
다음으로, 공진기 미라를 평면 미러로 구성하는 경우의 잇점에 대하여 이하 설명한다.
도 18은 YAG 로드(21, 22)나 제1 및 제2 렌즈(61, 62) 등의 공진기내 광학 부품의 위치 변동에 대한 발진 광축의 변화의 모습을 나타낸 도면이다. 도 18에 있어서는 90도 선광자(5)는 생략하고 있다. 공진기 주위의 환경 온도의 변화나 진동, 레이저 발진기의 광체로의 외력 등으로, 공진기 내의 광학 부품은 반드시 미소한 위치 변동을 일으킬 수 있으나, 그 때 레이저 광축이 변화하는 현상이 되어 나타난다. 위치 변동의 발생에 의한 영향이 큰 광학 부품으로는 YAG 로드와 텔레스코프를 구성하는 렌즈를 생각할 수 있다. 모두 위치 변동해도, 그 영향은 유사한 것이 되기 때문에, 이하 텔레스코프를 구성하는 제1 렌즈(61)가 위치 변동한 경우에 대하여 설명한다. 도 18(a)는 평면 미러(311, 312)에 의한 공진기 구성의 경우, 도 18(b)는 곡률을 갖는 구면 미러(11, 12)에 의한 공진기 구성의 경우, 제1 렌즈(61)의 위치 변동에 의한 출사하는 레이저 광의 광축(9)의 변화이다. 도 18(b)에 나타낸 바와 같이, 구면 미러(11, 12)에 의한 구성의 경우는 출사하는 레이저 광의 광축(9)은 이상 광축(1점 쇄선)에 대해 위치와 각도의 양쪽이 변화되어 있다. 한편, 도 18(a)에 나타낸 바와 같이, 평면 미러(311, 312)에 의한 구성의 경우는 광축(9)은 제1 렌즈(61)의 위치 변화에 의한 오프셋 변동뿐이고 각도 변화는 발생하고 있지 않다.
정밀 레이저 가공을 하는데 있어서, 레이저 광의 포인팅 안정성은 중요한 문제이고, 가공 워크에 집광하는 레이저 광의 조사 위치가 시간 변동하면 정밀 가공 을 할 수 없게 된다. 이 포인팅 변화는 레이저 발진기의 출구에서 레이저 광축의 위치 변화 성분과 각도 변화 성분으로 분리하여 생각할 수 있다. 레이저 발진기로부터 가공 워크까지의 광로계의 설계에 따라 다르지만, 일반적으로 레이저의 포인팅 변화로 큰 영향을 미치는 것은 레이저 광축의 각도 변화 성분의 쪽이다. 도 18(a)의 평면 미러에 의한 구성의 경우, 광축의 각도 변화는 일어나지 않고 오프셋 변동뿐이기 때문에, 레이저 가공에의 영향이 한정적이어서 안정적인 정밀 가공을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 나타낸 구성의 경우, 도 10(c)의 전반 상태(나)보다 여기 효율은 저하된다고(본 구성의 경우, 도 10(c)에 있어서 모드 볼륨은 x=1.0 부근의 값이 됨) 하는 점에 있어서는 실시 형태 1의 구성에 대해 디메리트를 가지고 있다. 그러나 본 실시 형태의 구성에서는 실시 형태 1의 구성과 동양으로 고여기 입력에 대응하는 것도 가능함과 동시에, 상술한 바와 같이, 레이저 광의 포인팅 안정성이 실시 형태 1의 구성보다 더욱 향상된다고 하는 효과를 얻을 수 있다고 하는 특징이 있다. 또, 실시 형태 4에 나타낸 고체 레이저 소자와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성의 고체 레이저 장치로의 평면 미러의 적용도 가능하다.
실시 형태 6.
도 19는 본 실시 형태에 관한 고체 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 실시 형태 5의 도 17에 나타낸 평면 미러에 의한 공진기의 내부 구성(공진기 미러(311, 312) 사이의 구성)을 2개 직렬로 배열하고, 양단에 평면 미러의 공진기 미러(311, 312)를 배치한 공진기 구성이다. 도 19에 있어서, 좌측에 배치된 YAG 로 드(21a, 22a), 2매의 렌즈(61a, 62a) 및 90도 선광자(5a)와, 우측에 배치된 YAG 로드(21b, 22b), 2매의 렌즈(61b, 62b) 및 90도 선광자(5b)는 대칭으로 배치된다. 또, 전반사 미러(311)와 이 미러에 인접하는 YAG 로드(21a)의 중심 사이의 거리, 및 부분 반사 미러(312)와 이 미러에 인접하는 YAG 로드(22b)의 중심 사이의 거리를 L1로 하면, 서로 인접하는 YAG 로드(22a)의 중심과 YAG 로드(21b)의 중심과의 거리 L은 L1의 2배로 설정된다.
도 19에 나타낸 공진기에서는 공진기 내부에서 발진하는 레이저 광의 전반상황은 도 17의 공진기를 그대로 2개 직렬로 배열한 상태와 동일해지며, 두 개의 구성 요소의 각각이 도 17의 공진기와 같은 특성의 공진기 유닛으로서 작용한다. 이로 인해, 발진 영역의 폭이나 목적의 열 렌즈값 등 특성은 같은 상태를 유지한 채로, 레이저 출력만이 약 2배의 고출력 레이저 장치가 된다.
도 20에, 도 17에서 나타낸 YAG 로드 2개의 기본 구성과, 단순히 YAG 로드 개수를 배증한 구성, 및 도 19에 나타낸 기본 구성을 2단 연결한 본 실시 형태의 구성에 의한 발진 영역의 비교를 나타낸다. 도 20(a-1)이 기본 구성을 나타내고, 도 20(a-2)이 기본 구성에 의한 발진 영역의 특성을 나타내고 있다. 또, 도 20(b-1)이 YAG 로드 개수를 단순 배증한 공진기의 구성을 나타내고, 도 20(b-2)이 이 구성에서의 특성을 나타내고 있다. 또한, 도 20(c-1)이 본 실시예의 구성을 나타내고, 도 20(c-2)이 그 특성을 나타내고 있다. 도 20(b-1) 구성의 경우, 공진기 내의 YAG 로드 개수의 증가에 수반하여, 공진기 내에서 레이저 광이 느끼는 열 렌즈량의 총합도 단순히 증가하기 때문에, 여기 입력 P의 변화에 대한 열 렌즈의 변화가 배증한다. 그 때문에 도 20(b-2)에 나타낸 바와 같이, 발진 영역의 폭 Wb는 도 20(a-1)에 나타낸 기본 구성의 발진 영역의 폭 Wa에 비해 절반으로 되어 버린다(Wb=Wa/2). 그러나 도 20(c)의 구성에서는 공진기의 왼쪽 절반과 오른쪽 절반이 각각 도 20(a)의 기본 구성과 같은 공진기의 주기 구성 요소(이하, 공진기 유닛이라 부름)를 구성하여, 각 YAG 로드의 열 렌즈 변화에 대한 부하를 각각의 공진기 유닛이 분담하여 짊어지기 때문에, 도 20(c-1)에 나타낸 바와 같이, 발진 영역의 폭 Wc는 도 20(a-1)에 나타낸 기본 구성의 폭 Wa와 완전히 동일하게 된다(Wc=Wa).
따라서, 본 실시 형태의 구성에 의하면, 발진 영역의 폭이 좁아지는 일 없이, 공진기 내의 레이저 이득이 배증하여, 레이저 출력도 약 2배로 향상시킬 수 있다. 또한, 공진기 내에서의 레이저 이득이 증가하기 때문에 보다 높은 반복 주파수에서의 Q 스위치 펄스 레이저 발진도 가능하게 된다.
또한, 상기는 도 17에 나타낸 기본 구성을 2단 연결한 경우에 대하여 설명해 왔으나, 3단 이상의 복수단을 연결해도 동양의 효과를 기대할 수 있어, 연결 단수에 따른 레이저 출력의 향상과 Q 스위치 펄스 발진시의 반복 주파수의 향상을 기대할 수 있다. 또, 모든 연결단을 공진기 내부에서 연결하는 것이 아니라, 공진기의 밖에 동양의 배치를 배열하고, 이들을 증폭단으로서 사용하는 M0PA 구성으로 해도 된다. 또, 실시 형태 4에 나타낸 고체 레이저 소자와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성을 적용하는 것도 가능하다.
실시 형태 7.
도 21은 본 실시 형태에 관한 고체 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 실시 형태 1의 도 1에 나타낸 바와 같은 구면 미러 구성에 의한 공진기를, 실시 형태 6의 도 19에 나타낸 바와 같이 2단 연결한 경우의 구성이다. 양 단에는 곡률 반경 R의 구면 미러(11, 12)를 배치하여 공진기를 구성하고 있고, 공진기 중심부에는 초점 거리 fm의 렌즈(13)를 배치하고 있다. 이 초점 거리 fm은 공진기 미러(11, 12)의 곡률 반경 R에 대해 f=R/2의 값이 되도록 설계되어 있고, 공진기 미러(11, 12)가 오목 미러인 경우는 이 렌즈(13)는 오목 렌즈이고, 공진기 미러(11, 12)가 오목 미러인 경우는 이 렌즈(13)는 볼록 렌즈가 된다. 도 21은 공진기 미러(11, 12)가 볼록 미러, 렌즈(13)가 오목 렌즈인 경우를 나타내고 있다. 또, 공진기 미러(11, 12), YAG 로드(21a, 22a, 21b, 22b), 렌즈(61a, 62a, 61b, 62b), 90도 선광자(5a, 5b)의 배치는 실시 형태 6(도 19)과 동양이다.
이와 같은 구성을 구비하는 것에 의해, 실시 형태 6과 동양으로, 좌우의 공진기 유닛의 기본 구성과 같은 발진 영역 특성을 가지며, 또한 레이저 출력이 약 2배인 고출력 레이저 장치를 실현할 수 있다.
또한, 중심의 초점 거리 fm의 렌즈(13)는 어디까지나 렌즈에 입사하는 곡률 반경 R의 레이저 파면의 발산각을 반전하는 작용의 광학 부품으로서 채용하고 있는 것이고, 예를 들어 2매 세트의 렌즈에 의한 텔레스코프 등, 같은 파면 반전의 작용을 하는 광학 부품이면 반드시 단일의 렌즈가 아니어도 된다. 또, 실시 형태 6과 동양으로, 3단 이상의 복수단을 연결해도, 공진기 외부에 같은 구성을 배열하여 증 폭단으로서 사용하는 M0PA 구성으로 해도 된다. 또, 공진기 미러가 구면 미러인 실시 형태 2(도 11)의 구성이나 실시 형태 4(도 16)의 구성도, 본 실시 형태에 적용하여 복수단 연결함으로써 레이저 출력을 향상시킬 수 있다.
실시 형태 8.
도 22는 실시 형태 5의 도 17에 나타낸 기본 구성을 2단 배열하고, 또한 4매의 벤드 미러(421 ~ 424)로 링 형상으로 연결한 공진기 구성을 가진 고체 레이저 장치의 구성도이다. 도 22에 있어서, 4매 벤드 미러 중에서 1매 벤드 미러(422)를 부분 반사 미러로 하고, 다른 벤드 미러(421, 423, 424)를 전반사 미러로 하고 있다. 또, 상측에 배치된 YAG 로드(21a, 22a), 2매의 렌즈(61a, 62a) 및 90도 선광자(5a)와, 하측에 배치된 YAG 로드(21b, 22b), 2매의 렌즈(61b, 62b) 및 90도 선광자(5b), 및 4매 벤드 미러는 대칭으로 배치된다. 또, 벤드 미러(422)와 벤드 미러(425) 사이에는 레이저 광의 진행 방향을 규정하는 아이솔레이터(isolator; 425)가 삽입되어 있다. 도 22에 있어서는 검은 화살표 방향으로 레이저 광의 진행 방향이 규제되고 있다. 이 경우, 부분 반사 미러인 벤드 미러(422)로부터는 흰색 화살표 방향으로 레이저 광이 출사된다.
상기 구성에 의해 본 실시 형태에 관한 레이저 장치는 실시 형태 6과 같은 발진 특성을 갖는 링 공진기가 된다. 링 공진기 자체는 단일 종(縱)모드 발진을 하고 싶은 경우에 자주 사용되는 수법이지만, 이것에 고여기 입력으로의 레이저 발진을 가능하게 하는 실시 형태 6의 구성을 조합함으로써 상당히 고출력의 단일 종모드의 횡싱글 모드 발진이 가능하게 된다.
또한, 링 공진기 중에서 연결하는 기본 구성의 단수는 반드시 2단으로 할 필요는 없으며, 3단 이상의 연결로 추가로 고출력 발진이 가능한 구성으로 해도 된다. 이 경우, 각 공진기 유닛의 거리가 모두 동일해지도록 배치하면 된다. 또, 4매의 벤드 미러 중, 전부를 부분 반사 미러로 해도 되고, 아이솔레이터의 삽입 위치도 레이저 광로 중이면 어디라도 좋다. 또, 아이솔레이터를 삽입하지 않는 구성도 가능하고, 이 경우 레이저 광은 도 19에 있어서, 벤드 미러(422)로부터 흰색 화살표와 파선 화살표의 2 방향으로 출사되게 된다. 또, 실시 형태 4에서 나타낸 YAG 로드와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성을 적용해도 된다.
실시 형태 9.
도 23은 2매의 렌즈로 텔레스코프를 구성하는 실시 형태 1 및 실시 형태 3 ~ 8에 관한 고체 레이저 장치에 있어서, 텔레스코프를 구성하는 2개의 렌즈(61, 62)의 제어에 관한 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 텔레스코프를 구성하는 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62)는 공통의 가이드(60)를 따라 이동 가능한 홀더로 유지되어 있다. 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62)는 각각 볼 나사 등의 제1 이동 수단(31)과 제2 이동 수단(32)에 의해 가이드(60)를 따라 광 축(1점 쇄선) 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 이동 수단(31, 32)은 제어 수단(33)에 의해 그 동작이 제어된다. 제어 수단(33)은 별도 입력되는 여기 입력 지령값에 기초하여 여기 입력과 그에 대한 최적의 L2의 값과의 조합 테이블을 기억한 기억부로부터 최적의 L2를 선택하고, 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62) 사이의 거리가 이 최적의 L2가 되도록, 이동 수단(31, 32) 을 제어한다. 여기서는 2매의 렌즈(61, 62)를 함께 이동시키기 위해 이동 수단을 각 렌즈에 마련하였으나, 어느 1매의 렌즈만을 이동 가능하게 해도 된다.
통상, 예를 들어 200W의 레이저 출력을 얻을 수 있도록 설계한 공진기로 100W의 레이저 출력을 얻고 싶은 경우, 여기 입력을 조정하여 레이저 출력을 목적의 값에 맞추어 넣지만, 이 경우 레이저 빔의 발산각, 펄스 안정성 등의 빔 품질도 변화되게 된다. 따라서, 상기에서 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62) 사이의 거리 L2를 변화시킴으로써, 저여기 입력으로 발진하는 공진기로부터 고여기 입력으로 발진하는 공진기까지 공진기의 형태를 변화시킬 수 있음을 사용하여, 여기 입력의 증감에 맞추어 텔레스코프의 렌즈간 거리 L2를 제어하도록 하였다. 그 결과, 여기 입력을 변화시켜 약한 출력의 레이저 발진을 하고 싶은 경우에도, 레이저 빔의 발산각, 펄스 안정성 등의 빔 품질을 일정하게 유지할 수 있게 되었다.
또한, 여기에서는 제1 렌즈(61)와 제2 렌즈(62)는 공통의 가이드(60)를 따라 이동 가능하게 하였으나, 각 렌즈가 레이저 광의 광축을 따라 이동할 수 있으면 공통의 가이드가 아니라도 된다. 단, 공통의 가이드를 따라 각 렌즈를 이동하도록 하는 편이, 렌즈가 광축상으로부터 어긋나게 되어 공진기의 얼라인먼트가 무너져 버리는 리스크를 최소화할 수 있어, 신뢰성이 높은 제어가 가능하게 된다. 또한, 텔레스코프의 렌즈만을 이동시키는 것으로 YAG 로드의 중심과 렌즈 사이의 광학적 거리가 변화되어 상전사의 이상 조건을 무너뜨려 버리지만, 앞에서 기술한 바와 같이, 이상값으로부터의 이탈량이 ±10% 이내의 범위에서 렌즈를 이동하는 부분에는 문제가 되지 않는다.
실시 형태 10.
실시 형태 5의 도 18에 있어서, 공진기 미러가 곡률을 가진 미러인 경우, 광학 부품의 위치 변동에 영향을 받기 쉬운 점에 대하여 설명하였으나, 본 실시 형태는 이 점을 해소하기 위한 고체 레이저 장치이다. 도 24는 본 발명에 관한 고체 레이저 장치의 실시 형태 10의 구성을 나타내는 도면이다. 공진기의 기본 구성은 실시 형태 1(도 1)과 같지만, 각 광학 소자의 유지 구조에 특징을 갖는다. 도 24(a)가 고체 레이저 소자와 텔레스코프를 포함하는 캐비티 모듈(cavity module)에 관한 부분 구성도이고, 도 24(b)가 공진기 미러를 포함하는 공진기 전체의 구성도이다.
우선 도 24(a)에 있어서, 제1 고체 레이저 소자(21)와 제2 고체 레이저 소자(22)는 각각 제1 여기 유닛(23), 제2 여기 유닛(24)의 내부에 고정 유지되어 있다. 여기 유닛은, 예를 들어 도 24(a)에 나타낸 바와 같이 2개의 판형상체의 사이에 YAG 로드를 끼워 넣는 구성이고, YAG 로드의 주위에는 도시하고 있지 않은 여기 광원이나 집광기 등이 마련되어 있다. 각 여기 유닛(23, 24)과, 제1 렌즈(61), 제2 렌즈(62)는 제1 광학 기대(optical base; 25) 상에서 일체가 되도록 고정되어 캐비티 모듈(20)을 형성하고 있다. 또, 90도 선광자(5)도 제1 여기 유닛(23), 또는 제2 여기 유닛(24)의 렌즈(61, 62)측의 측부에 고정되어 캐비티 모듈(20) 내에서 유지되어 있다. 이 캐비티 모듈(20)은 공진기 미러를 고정하는 제2 광학 기대(26)와는 분리 독립된 구성으로 되어 있다.
도 24(b)에 이 캐비티 모듈(20)과 제2 광학 기대(26)의 구성을 나타냈다. 캐 비니 모듈(20)은 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)를 유지하는 제2 광학 기대(26) 상에 틈새를 두고, 3개의 지지 부재(201, 202, 203)를 통하여 간접적으로 고정되고 있다. 3개의 지지 부재는 구면 베어링(spherical bearing)을 내장하여, 제2 광학 기대(26)와 캐비티 모듈(20)이 각도 방향으로 접동 가능(slidable)하도록 접속 지지하고 있다. 또, 이 캐비티 모듈(20)은 제2 광학 기대(26)상으로부터 착탈 가능하고, 위치 결정 핀(211, 212, 213)의 접촉면에 프레스(press)하면서 고정하는 것에 의해, 위치 재현성 좋게 장착할 수 있도록 하고 있다. 여기에서, 위치 결정 핀(211, 212)은 레이저 광의 광축과 직교하는 방향의 캐비티 모듈(20)의 위치를 결정할 수 있도록, 도 24(b)에 있어서, 캐비티 모듈(20)의 바로 앞측에 배치되어 있다. 또, 위치 결정 핀(213)은 레이저 광의 광축 방향의 캐비티 모듈(20)의 위치를 결정할 수 있도록, 도 24(b)에 있어서, 캐비티 모듈(20)의 부분 반사 미러(12)측에 배치되어 있다.
그런데 레이저 발진기의 사용의 편리함을 높이기 위한 하나의 컨셉으로, 레이저 발진기를 어떠한 장소에 이송하여 가져가더라도 이송 전과 같은 상태로 무조정으로 기동시키는 핸드프리의 사상이 있다. 고출력의 레이저 발진기의 경우, 통상은 이동 설치시마다 재조정이 필요하지만, 빈번히 레이아웃의 변경을 필요로 하는 생산 설비 중에 적용되는 경우는 이동 설치해도 무조정으로 기동하여, 즉시 가동할 수 있는 레이저 발진기로 하는 것에는 큰 메리트가 있다. 본 발명의 공진기에 있어서도 핸드 프리를 달성하기 위해서는 공진기 중에서 특히 위치 어긋남에 대해 민감한 감도를 갖는 광학 부품의 위치 안정성을 집중적으로 높이는 것이 유효하다.
본 발명의 공진기는 공진기 미러(11, 12)의 위치 어긋남에 대해서는 비교적으로 넓은 유도(裕度)를 가지지만, 텔레스코프의 렌즈(61, 62)의 위치 어긋남에 대해서는 민감한 특성을 갖는다. 특히, 좌우의 YAG 로드(21, 22)의 중심축과 텔레스코프의 렌즈(61, 62)의 중심축이 어긋나는 것에 대해 매우 민감하고, 이 2개의 축이 항상 일치하는 상태를 유지하는 것이 안정성의 향상이나 핸드 프리(hand-free)의 달성에 있어서 중요하다.
도 25는 공진기 내의 광학 소자의 위치 어긋남에 대한, 레이저 광의 발진 상태를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 도 25(a)는 위치 어긋남이 없는 오리지널 상태를 나타낸 것이고, 도 25(b)는 YAG 로드(21, 22)나 공진기 미러(11, 12)의 중심축(2점 쇄선)에 대해 2개의 렌즈(61, 62)의 중심축(1점 쇄선)이 아랫쪽으로 어긋난 케이스이다. 또, 도 25(c)는 YAG 로드(21, 22)나 텔레스코프를 구성하는 제1 및 제2 렌즈(61, 62)의 중심축(1점 쇄선)에 대해, 2개의 공진기 미러(11, 12)의 중심축(2점 쇄선)이 윗쪽으로 위치 어긋난 케이스이다. 특히, YAG 로드(21, 22)의 위치에서 레이저 광의 광축(파선)의 변화에 대해 주목한다. 레이저 광의 광축과 YAG 로드(21, 22)의 중심축의 어긋남이 클수록, YAG 로드(21, 22) 내를 통과하지 않고 커트되는 레이저 광의 성분이 증가하여 레이저 출력이 저하되는 것을 의미한다. 양 케이스를 비교하면, 도 25(c)에 나타낸 바와 같은 공진기 미러가 위치 어긋난 케이스에서는 레이저 광의 광축은 YAG 로드의 중심축에 대해 거의 어긋나지 않아 레이저 출력이 저하되지 않는데 비해, 도 25(b)에 나타낸 바와 같은 렌즈가 위치 어긋난 케이스에서는 레이저 광의 광축이 YAG 로드의 중심축으로부터 크게 어긋나게 되 어 그 만큼 레이저 출력이 큰 폭으로 저하되는 것을 나타내고 있다.
도 26은 레이저 발진기를 반송할 때에, 레이저 발진기에 어떠한 외력이 가해져서 변형되는가를 나타낸 모식도이다. 도 26(a)는 광학 기대 상에 여기 유닛을 직접 고정한 경우의 구성, 도 26(c)은 본 발명의 구성이다. 횡싱글 모드로 발진하는 레이저 공진기의 경우, 일반적으로 긴 공진기 길이를 필요로 하기 때문에, 공진기 미러(61, 62)를 고정하는 제2 광학 기대(26)도 광축 방향으로 늘어나는 가늘고 긴 형상을 이루고 있다. 이와 같은 직사각 형상의 장치를 반송하는 경우, 통상은 무게의 균형이 잡히도록 좌우의 지점에 힘 F를 가하여 들어 올리게 된다. 그 때, 도 26에 나타내는 바와 같이, 광학 기대(26)는 자중에 의해 중앙부가 만곡하여 움푹 들어가서 변형되는 경향을 가지지만, 그와 같은 변형에 대해, 도 26(a)에 나타낸 구성의 경우는 YAG 로드(21, 22)의 축과 텔레스코프의 렌즈(61, 62)의 중심축이 어긋나 버려, 레이저 출력이 저하하는 등의 영향을 받게 된다. 도 26(b)에, YAG 로드(21, 22)와 렌즈(61, 62)의 중심축의 어긋남을 나타냈다. 도 26(b)에 있어서, 제2 광학기 제26 만곡에 의해, 공진기 미러(11, 12)의 중심축(1점 쇄선)보다 YAG 로드(21, 22)의 중심축(파선)이 아랫쪽에 위치하고, 또한 YAG 로드(21, 22)의 중심축(파선)보다 렌즈(61, 62)의 중심축(2점 쇄선)이 아랫쪽에 위치하게 된다.
한편, 도 26(c)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 구성의 경우는 외력이 가해지는 제2 광학 기대(26)와 캐비티 모듈(20)이 독립된 구조로 되어 있기 때문에, 외력 F에 의해 제2 광학 기대(26)가 변형되어도, 각도 방향으로 접동 가능한 구면 베어링(201, 202, 203)에 의한 지지 부재를 통하여 고정된 캐비티 모듈(20)에 는 외력이 가해지지 않아 캐비티 모듈(20)은 변형되지 않는다. 제2 광학 기대(26)의 변형에 따라 캐비티 모듈(20)의 위치는 아주 작게 변화되지만, 특히 민감한 부분인 YAG 로드(21, 22)의 중심축과 렌즈(61, 62)의 중심축의 위치 관계는 항상 유지되기 때문에, 레이저 출력에의 영향이 작고, 반송시의 외력에 대해 강한 뛰어난 안정성을 갖게 할 수 있다. 도 26(d)에, YAG 로드(21, 22)와 렌즈(61, 62)의 중심축의 관계를 나타냈다. 도 26(d)에 있어서, 제2 광학기 제26 만곡에 의해, 공진기 미러(11, 12)의 중심축(1점 쇄선)보다 YAG 로드(21, 22)의 중심축(2점 쇄선)과 렌즈(61, 62)의 중심축(2점 쇄선)이 아랫쪽에 위치하지만, 캐비티 모듈(20)의 제1 광학 기대(25)가 만곡하지 않기 때문에, YAG 로드(21, 22)의 중심축(2점 쇄선)과 렌즈(61, 62)의 중심축(2점 쇄선)의 위치 관계에 어긋남은 거의 발생하지 않는다.
또한, 본 실시 형태에서는 캐비티 모듈(20)을 제2 광학 기대(26) 상에 접속하는 구면 베어링(201, 202, 203)으로 이루어진 지지 부재는 3개로 하였으나, 광학 기대(26)와 캐비티 모듈(20)이 분리된 구조로 되어 있으면, 4개 이상의 지지 부재를 사용해도 된다. 또, 구면 베어링 이외의 접동 부재이어도 된다.
또, 본 발명에서는 위치 결정 핀(211, 212, 213)을 위치 결정의 기준으로 하여 광학 기대(26)상으로부터 캐비티 모듈(20)을 착탈 가능한 구성으로 하였다. 고체 레이저 발진기에 있어서, 여기 광원의 레이저 다이오드는 소모 부품이고 수명에 따라 교환이 필요하다. 특히, YAG 로드의 측면으로부터 여기광을 조사하여 여기하는 측면 여기형의 고체 레이저 발진기에서는 여기 유닛의 내부에 레이저 다이오드를 내장하고 있는 경우가 많고, 레이저 당오드의 교환에는 여기 유닛 전체의 교환 이 필요하다. 종래 기술에서는 각 여기 유닛을 개별적으로 교환하고 있었으나, 부품 정밀도의 문제로 각 여기 유닛마다 YAG 로드의 중심축의 위치가 미묘하게 다르기 때문에, 렌즈의 중심축과 YAG 로드의 중심축의 위치 재현성이 낮아 교환 후는 재조정이 필요하게 되어 있었다.
본 발명과 같이, 캐비티 모듈 내에 여기 유닛과 텔레스코프를 일체 배치하여, 특별히 정밀한 조정을 필요로 하는 YAG 로드와 렌즈의 중심축과의 조정을 미리 별도 장치 등으로 끝낸 캐비티 모듈을 그대로 교환함으로써, 교환 후의 텔레스코프 재조정이 필요없게 된다. 또, 본 발명의 공진기는 YAG 로드와 공진기 미러의 중심축과의 위치 어긋남에 대해서는 비교적 넓은 유도를 갖는다. 구체적으로, 양자의 상대적 위치가 0.2㎜ 정도 어긋났다 해도, YAG 로드로의 광축의 변화량은 수㎛ 레벨이고 레이저 출력에는 거의 영향을 주지 않는다. 여기서, 위치 결정 핀 등의 접촉면을 사용한 캐비티 모듈의 위치 재현성은 0.2㎜ 이내이고, 캐비티 모듈 전체를 위치 결정 핀에 따라 교환함으로써, 결과적으로 공진기 미러 등의 재조정을 거의 필요로 하지 않는 무조정 교환이 가능하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는 실시 형태 1(도 1)에 나타낸 공진기의 구성으로 설명을 하였으나, 실시 형태 2(도 11)에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 경우에도, 렌즈와 YAG 로드의 중심축의 어긋남을 효과적으로 방지할 수 있다.
실시 형태 11.
도 27은 본 발명에 관한 파장 변환 레이저 장치의 실시 형태 11의 구성을 나 타내는 도면이다. 본 구성은 도 1의 고체 레이저 장치를 기본 구성으로 하여, 공진기 내부에 Q 스위치(3)와 편광 소자(4)를 삽입하고, Q 스위치(3)를 Q 스위치 제어 수단(41)에 의해 원하는 주파수로 온ㆍ오프하는 것에 의해 직선 편광의 Q 스위치 펄스 발진이 가능하도록 한 것이다. 또 공진기를 구성하는 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)는 모두 같은 곡률 반경 R의 볼록 미러이다. 도 27에 있어서, Q 스위치(3)는 전반사 미러(11)와 제1 YAG 로드(21) 사이에 삽입하였으나, 특별히 도 27로 규정되는 것이 아니며, 공진기 내이면 어디에 배치해도 된다. 편광 소자(4)도 특별히 도 27로 규정되는 것은 아니지만, 일반적으로는 도 27에 나타낸 바와 같이 고체 레이저 소자에 대해 부분 반사 미러측에 배치하는 것이 바람직하다. 또, Q 스위치(3) 및 편광 소자(4) 모두 레이저 광에 의한 손상 방지의 관점에서, 가능한 빔 지름이 굵어지는 YAG 로드 부근에 배치하는 것이 바람직하다.
레이저 가공을 하는데 있어서, 가공의 생산성을 올리기 위해서는 고주파수에서 가능한 짧은 펄스 폭의 고출력 펄스 레이저 발진기를 필요로 하는 용도가 있다. 고출력의 펄스 레이저 발진에 유리한 Nd:YAG 레이저로 이와 같은 요청에 대응하기 위해서는 하기와 같은 방책이 유효하다.
(1) 고주파 발진의 실현에 대해서는 YAG 로드의 세경화(細徑化)나 여기 입력의 증강에 의한 여기 밀도의 향상.
(2) 단펄스 발진의 실현에 대해서는 여기 밀도의 향상과 공진기 길이의 단축.
특히, 여기 밀도의 향상에 대해서는 펄스 폭뿐만 아니라 고주파 발진시의 레 이저 펄스의 안정성에도 강하게 영향을 주기 때문에 중요한 파라미터라 할 수 있고, 레이저 발진 주파수의 고주파화와 단펄스화의 양쪽을 실현하기 위해서는 YAG 로드의 여기 밀도의 향상이 불가결하다 할 수 있다. 여기 밀도를 올리는 것은 YAG 로드의 열 렌즈를 강하게 하는 것과 등가이고, 강한 열 렌즈 조건으로 발진하는 공진기가 필요하게 된다. 그러나 상기 실시 형태 1에서도 기술한 바와 같이, 종래의 공진기 기술에서는 강한 열 렌즈 조건으로 고출력의 횡싱글 모드 발진을 할 수 없었다. 즉, 종래 기술의 공진기에서는 YAG 로드의 여기 밀도를 끌어올리더라도 안정적으로 고출력 발진할 수 할 수 없었다. 본 발명의 공진기 구성에서는 강한 열 렌즈 조건에서도 문제없이 고출력 발진할 수 있기 때문에, YAG 로드의 여기 밀도의 향상에도 대응할 수 있고, 그 결과 본 발명의 구성으로 함으로써, 비로소 100kHz 이상의 고주파수에서도 안정적인 펄스 발진을 할 수 있는 고출력 펄스 레이저 공진기를 실현할 수 있었다.
한편, 이하에서 공진기 길이의 단축에 의한 단펄스화에 대해 설명한다. 도 27에서는 공진기 미러(11, 12)로서 모두 볼록 미러를 사용한 케이스를 도시하였으나, 본래는 정의 곡률(볼록 미러)과 부의 곡률(오목 미러)의 어느 것이라도 취할 수 있다. 같은 곡률 반경 R이면, 오목 미러, 볼록 미러의 어느 쪽을 채용한 경우라도, YAG 로드의 중심과 공진기 미러 사이의 광학적 거리 L1을 조정함으로써, 서로 같은 여기 입력으로 똑같이 횡싱글 모드 발진하는 같은 발진 특성의 레이저 공진기를 설계할 수 있다. 도 28에, 볼록 미러로 공진기를 설계한 경우와 오목 미러로 설 계한 경우를 비교하였다. 도 28(a)이 볼록 미러(11, 12)인 경우, 도 28(b)이 오목 미러(111, 112)인 경우이다. 양자의 설계값을 비교하면, 볼록 미러의 경우가 공진기 길이는 짧다. 각각 횡싱글 모드 발진하기 위한 YAG 로드(21, 22)의 중심과 공진기 미러 사이의 광학적 거리 L1은 상기 (4) 식과 (4)' 식으로 구해진다. 양 식을 비교하면, 볼록 미러 구성의 L1은 오목 미러 구성의 경우보다 정확히 곡률 반경 R의 부분(공진기 전체 길이에서는 2R)만큼 짧아져 있음을 알 수 있다. 펄스 폭은 개략 공진기 길이에 비례하기 때문에, 공진기 길이가 짧아지는 만큼 단펄스 발진하는 것이 가능하게 된다. 또, 오목 미러 구성의 경우는 공진기 내에서 발생한 기생 발진광을 습득하기 쉬워 발진의 괴란(壞亂) 요인이 되어, 주발진 성분의 횡싱글 모드 레이저 광의 출력을 저하시키는 경향이 있어, 고출력 발진에 있어서도 볼록 미러 구성이 유리하다.
일례로서 본 구성에서는 YAG 로드의 외경을 φ2㎜ 이하로 하고, 여기 입력으로서 YAG 로드 1개당 500W 이상의 레이저 다이오드의 출력광(파장 808㎚)을 YAG 로드에 조사한 경우에, 100kHz의 주파수에서 180W 이상의 횡싱글 모드 펄스 레이저를 펄스 폭 100ns 이하로 안정적으로 발진할 수 있었다.
또한, 본 실시 형태에서는 실시 형태 1(도 1)에 나타낸 고체 레이저 장치의 구성으로 설명을 하였으나, 실시 형태 2(도 11)에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 경우나, 실시 형태 4(도 16)에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 경우나, 실시 형태 5(도 17)에 나타낸 바와 같은 공진기 미러를 평면 미러로 구성하는 경우에 있어서도, 고출력의 펄스 레이저를 출력할 수 있다. 또, 실시 형태 6, 7, 8에서 나타낸 바와 같은 복수의 공진기 유닛의 연결 구성에 의한 고체 레이저 장치에도 적용할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 나타낸 공진기에 Q 스위치를 내장시켜 높은 반복 주파수에서의 펄스 레이저 발진을 하는 경우, 본래라면, 광축 주변의 국부적 범위를 집중 여기하여 여기 밀도를 높게 하기 쉬운 단면 여기 방식이 유리하다. 그러나 고출력화를 위해 다수의 여기용 LD를 필요로 하는 구성의 경우는 실시 형태 1과 같은 효과를 충분히 얻을 수 없게 되어, 오히려 측면 여기 여기 방식으로 가느다란 외경의 YAG 로드를 여기하는 것과 같은 도 12에 나타낸 구성이 높은 반복 주파수에 대응하는 것이 가능하다.
실시 형태 12.
도 29는 본 발명에 관한 파장 변환 레이저 장치의 실시 형태 12의 구성을 나타내는 도면이다. 이 파장 변환 레이저 장치는 기본파 레이저 발진기와 파장 변환 유닛으로 이루어지며, 기본파 레이저 발진기부는 도 27의 고체 레이저 장치와 같은 구성이다. 물론, 기본파 레이저 발진기부를, 도 11에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 구성으로 해도 되며, 도 16에 나타낸 바와 같이 고체 레이저 소자와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성으로 해도 된다. 파장 변환 유닛은 생성하는 고조파의 종류에 따라서 구성이 다르지만, 여기서는 일례로서 3배 고조파를 생성하는 파장 변환 레이저 장치의 경우의 구성을 나타냈다.
도 29에 있어서, 기본파 레이저 발진기에서는 Q 스위치(3)의 펄스 동작에 의 해, 고주파수의 펄스 레이저 광이 발진하고 부분 반사 미러(412)로부터 출력된다. 일반적으로, 부분 반사 미러(412)는 제작의 용이성 등으로 인하여 이면이 평평(flat)한 볼록 미러로 구성되어 있는 경우가 많으며, 도 29에서는 이면이 평평한 볼록 미러로 기재하였다. 이와 같은 이면이 평평한 볼록 미러나, 도 1에 기재한 바와 같은 양면 모두 구면인 메니스커스(meniscus) 형상의 미러의 경우, 부분 반사 미러는 투과하는 레이저 광에 대해 초점 거리 fPR의 렌즈로서 작용한다. 그 때문에, 렌즈의 작용을 고려하여 광로 설계할 필요가 있다.
상술한 바와 같이, 부분 반사 미러는 초점 거리 fPR의 렌즈로서 작용하므로, 기본파 레이저 광(70)은 부분 반사 미러(412)를 통과한 직후에 일단 집광하고, 그 후 발산성의 파면으로 바뀐다. 그리고, 제1 집광 렌즈(81)를 통과하여 제1 비선형 결정(91) 상에 집광되어 2배 고조파를 생성하고, 추가로 제2 집광 렌즈(82)로 제2 비선형 결정(92) 상에 기본파 레이저 광과 2배 고조파를 동시에 집광하여 3배 고조파광을 생성한다. 제1 비선형 결정(91), 제2 비선형 결정(92)으로는 LB0 결정을 사용하고 있다.
본 실시 형태에서는 기본파 레이저 발진기로서 도 27의 고체 레이저 장치를 사용한 것에 특징이 있다. 도 27의 구성을 채용함으로써, 고주파수에서 고출력의 펄스 레이저 광을 기본파 레이저로서 파장 변환 레이저에 사용할 수 있기 때문에, 고주파수에서 고출력의인 UV 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 상기는 3배 고조파 레이저의 경우의 구성예에 대하여 기술한 것이지 만, 2배파의 경우는 1개의 비선형 결정(SHG 결정)으로 변환 가능하고, 3배파의 경우는 2개의 비선형 결정(SHG 결정과 THG 결정), 4배파의 경우도 2개의 결정(SHG 결정과 FHG 결정)이 필요하다. SHG 결정으로는 LB0 결정, KTP 결정이, THG 결정으로는 LB0 결정, FHG 결정으로는 CLB0 결정이 일반적이다.
가공 용도로부터의 요청에 대응하여 100kHz 이상의 고주파수에서 고출력인 특성을 갖는 파장 변환 레이저를 실현하기 위해서는 100kHz의 고주파수에서 안정적으로 단펄스 발진하는 고출력의 기본파 레이저가 필수이다. 본 구성에서는 도 27의 고체 레이저 장치를 기본파 레이저로 사용한 것에 의해, 100kHz 이상의 고주파수에서 30W 이상의 3배파 평균 출력을 제품 레벨의 비선형 결정 수명으로 비로소 실현할 수 있었다. 또한, 실시 형태 6, 7, 8에서 나타낸 바와 같은 복수의 공진기 유닛의 연결 구성에 의한 고체 레이저 장치에도 적용할 수 있다.
실시 형태 13.
도 30은 본 발명에 관한 파장 변환 레이저 장치의 실시 형태 13의 구성을 나타내는 도면이다. 실시 형태 12의 도 29의 구성에 덧붙여, 부분 반사 미러(412)의 직후에 스파셜 필터(spatial filter; 71)를 설치하고 있다. 고체 레이저 발진기에서는 횡싱글 모드의 메인 빔 외에 기생광이 발진하여, 메인 빔의 주위에 동심원상의 간섭광(72)이 발생하는 경우가 있다. 이 간섭광(72)은 제1 집광 렌즈(81)로 집광 부근에 집광되어 비선형 결정(91)을 유지하는 홀더 부재나, 비선형 결정의 엣지부에 조사하고 열로서 흡수된다. 그 결과, 정밀한 온도 조정을 필요로 하는 비선형 결정의 온도 상태가 변동되게 되어, 안정적인 파장 변환이 행해지지 않게 되는 경 우가 있다.
스파셜 필터(71)는 그와 같은 괴란 요인이 되는 간섭광(72)을 비선형 결정(91)에 조사하기 이전에 차단하여 파장 변환의 괴란을 방지한다. 또, 이 간섭광(72)은 발진기로부터 출사할 때의 발산각이 기본파 레이저 광(70)과는 전혀 다르기 때문에, 기본파 레이저 광(70)의 빔 지름이 커지는 위치에서는 기본파 레이저 광(70)과 간섭광(72)은 겹쳐 분리할 수 없게 된다. 부분 반사 미러(412)의 직후인, 기본파 레이저 광(70)이 집광되는 웨스트 위치 부근이 가장 효율적으로 기본파 레이저 광(70)과 간섭광(72)을 분리할 수 있는 위치이다. 이 기본파 레이저 광(70)의 웨스트는 부분 반사 미러(412)의 이면과, 거기로부터 부분 반사 미러(412)의 투과 레이저 광에 대한 초점 거리 fPR만큼 떨어진 위치와의 사이에 형성되기 때문에, 이 사이의 위치에 기본파 레이저 광(70)의 빔 지름보다 큰 개구 형태를 갖는 스파셜 필터(71)를 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 30에 나타낸 바와 같이 고체 레이저 소자 사이에 2매의 렌즈가 배치된 파장 변환 레이저 장치의 구성으로 설명을 하였으나, 실시 형태 2에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 구성, 실시 형태 4에 나타낸 바와 같은 YAG 로드와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성, 및 실시 형태 5에 나타낸 바와 같은 공진기 미러가 평면 미러인 구성이더라도, 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다. 또, 실시 형태 6, 7, 8에서 나타낸 바와 같은 복수의 공진기 유닛의 연결 구성에 의한 고체 레이저 장치에도 적용할 수 있다.
실시 형태 14
도 31은 본 발명에 관한 파장 변환 레이저 장치의 실시 형태 14의 구성을 나타내는 도면이다. 실시 형태 12의 도 29와는 기본파 발진기 이후의 광로 설계가 다르다. 도 31에 있어서, 부분 반사 미러(412)와 제1 비선형 결정(91) 사이에는 제1 집광 렌즈(83)와 제2 집광 렌즈(84)의 2매의 렌즈가 설치되어 있다. 또 제1 비선형 결정(91)과 제2 비선형 결정(92) 사이에는 제3 집광 렌즈(85)와 제4 집광 렌즈(86)가 설치되어 있다. 제2 고체 레이저 소자(22)와 제1 비선형 결정(91), 제2 비선형 결정(92)은 각각 상전사 연결이 되도록 각 구간의 광학계가 설계되어 있다.
각 비선형 결정과 고체 레이저 소자 사이를 상전사 연결하는 것에는 2가지의 이유가 있다. 하나는 기본파 레이저 광의 포인팅 변동에 대한 안정성 향상이고, 다른 하나는 여기 입력을 변화시켰을 때의 빔 지름의 변화에 대한 신뢰성 확보이다. 우선 전자에 대하여 설명한다.
기본파 레이저 발진기로서 사용되고 있는 고체 레이저 발진기는 항상 일정한 상태의 레이저 광을 출사하는 것이 아니라, 짧은 시간 동안에, 출사하는 레이저 광의 위치, 각도가 어떤 비율로 변동하고 있다. 이 변동을 포인팅 변동이라 부른다. 이 포인팅 변동이 크면 레이저 광이 비선형 결정에 조사하는 위치가 변동해 버리기 때문에, 비선형 결정 내의 온도 상태가 안정되지 않는다. 이 포인팅 변동의 원인은 주로 레이저 광의 발생원인 YAG 로드 등의 고체 레이저 소자의 진동이고, 고체 레이저 소자를 유지하는 부재의 고유 진동이나, 냉각수에 의한 고체 레이저 소자의 수류 진동을 그 요인으로 들 수 있다. 따라서, 고체 레이저 소자의 미소 진동을 기 점으로 하여 레이저 광의 출사 각도가 변동하여 포인팅 변동으로 되어 나타난다.
한편, 비선형 결정은 그 온도에 따라서 파장 변환 효율(기본파 레이저 광을 고조파 레이저 광으로 변환하는 비율)이 변화하기 때문에, 온도에 대해서는 매우 민감한 특성을 갖는다. 그 때문에, 정밀한 온도 제어 장치로 항상 온도 제어되고 있지만, 결정 내부에도 레이저 광의 조사점을 중심으로 한 온도 분포가 발생하고 있어, 파장 변환에 최적인 온도 상태를 유지하려면, 조사하는 레이저 광 상태도 안정적인 것이 불가결하다. 따라서, 비선형 결정에 조사하는 레이저 광의 위치가 변동하면, 비선형 결정 내의 온도 분포가 안정되지 않아 파장 변환 효율이 불안정하게 되어 버린다. 즉, 고조파 레이저 광의 출력이 안정되지 않게 된다. 안정적인 파장 변환 레이저로 하려면, 항상 비선형 결정의 일정한 위치에 레이저 광을 조사하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 비해, 기본파 레이저 광에는 포인팅 변동이 존재하기 때문에, 완전히 일정한 상태로 레이저 광을 조사하는 것은 불가능하다. 그러나 광로 설계에 의해, 포인팅 변동의 영향이 크게 나타나는 광로계와 영향이 작은 광로계가 존재한다.
도 32는 실시 형태 12의 구성과 본 구성의 광로계에서 포인팅 변동에 대한 영향을 비교한 도면이다. 도 32(a)는 실시 형태 12의 구성에서 레이저 광축의 변화를 나타낸 모식도이고, 도 32(b)는 본 구성에 의한 모식도이다. 광로 설계에 따라서는 기본파 레이저 광의 근소한 포인팅 변동이 비선형 결정상에 증폭되어 나타나 버리는 경우가 있다. 도 32(a)에 있어서, 제2 고체 레이저 소자(22)가 윗쪽으로 어긋난 경우, 레이저 광의 포인팅 변동은 실선 화살표와 같이 어긋나게 되며, 비선형 결정(91, 92)에서 특히 크게 어긋나서 파장 변환 효율이 불안정하게 되어 버린다. 또, 제2 고체 레이저 소자가 아랫쪽으로 어긋난 경우 포인팅의 변동은 파선 화살표와 같이 되어, 동양으로 비선형 결정(91, 92)에서 매우 큰 차가 된다. 한편, 도 32(b)에 나타낸 바와 같은 상전사 연결한 광로계의 경우는 상전사 연결한 2점에서의 포인팅 변동량은 서로 같게 되기 때문에, 비선형 결정(91, 92)에서의 포인팅 변동량은 제2 고체 레이저 소자(22)의 상하의 어긋남에 의한 포인팅 변동량과 동등하게 되도록 억제된다. 이로 인해, 도 32(a)에 비해, 비선형 결정(91, 92)에 있어서 포인팅 변동은 작아진다.
따라서, 도 32(b)에 나타낸 바와 같이, 포인팅 변동원인 고체 레이저 소자(22)의 중심과 비선형 결정(91) 사이를 상전사 연결시킨 광로계는 포인팅 변동의 영향을 억제하는데 있어서 유효한 광로계라 할 수 있다. 본 구성에서는 기본파 레이저 발진기 내의 모든 고체 레이저 소자(21, 22)와 각 비선형 결정(91, 92)이 모두 상전사 연결되어 있다. 그 결과, 모든 YAG 로드(21, 22)를 기점으로 하는 포인팅 변동이라도, 각 비선형 결정에서의 영향은 최소화되게 되어 안정성이 뛰어난 파장 변환 레이저를 실현할 수 있다.
다음으로, 여기 입력 변화시의 신뢰성 문제에 대하여 설명한다. 도 33은 여기 입력을 변화했을 때의 YAG 로드(21, 22) 내에서 빔 지름의 변화와 비선형 결정(91, 92) 내에서 빔 지름의 변화의 모습을 나타낸 것이다. 도 33(a)는 실시 형태 12의 광로 구성에 따른 것이고, 도 33(b)는 본 발명의 상전사 연결에 의한 광로 구성의 것이다. YAG 로드의 내부에서, 빔 지름은 여기 입력의 변화에 대해 정확히“U 자”를 그린 것 같은 특성 형상을 이루어, 도 3과 동양으로 빔 지름이 유한한 값을 갖는 범위를 발진 영역이라 부른다. 발진 영역의 하한 부근과 상한 부근에서는 빔 지름이 커지며, 발진 영역의 중심에서 빔 지름이 최소로 된다.
이에 비해, 비선형 결정에서의 빔 지름은 광로계의 설계에 따라 다른 특성을 나타낸다. 도 33(b)의 상전사 연결에 의한 광로계의 경우는 YAG 로드에서의 빔 지름 변화 특성과 상사(相似)의 형상을 이루어, 발진 영역의 하한과 상한 부근에서는 빔 지름이 크고, 발진 영역의 중심에서 최소로 된다. 여기서, 발진 영역의 중심에서 빔 지름이 목적한 스폿 지름으로 되도록 설계된다. 한편, 도 33(a)의 실시 형태 12의 광로계의 경우는 여기 입력이 증가함에 따라 빔 지름이 작아지고, 발진 영역의 상한 부근에서 빔 지름이 최소로 되는 특성이 되는 경우가 있다. 통상, 상술한 바와 같은 발진 영역의 중심에서 빔 지름이 목적의 스폿 지름이 되도록 설계하기 때문에, 발진 영역의 중심 조건보다 강한 여기 입력으로 하면 결정에서의 빔 지름이 더욱 소경화되어 간다. 그 때문에, 여기 입력을 지나치게 넣었을 경우, 결정 내에서 레이저 광이 지나치게 집광하여, 결정의 파괴 역치를 초과하게 되어 결정이 파괴될 우려가 생긴다. 따라서, 실시 형태 12의 구성에 의한 광로계에서는 여기 입력을 변화한 경우, 비선형 결정을 파괴할 우려를 수반하지만, 상전사 연결에 의한 광로계의 경우는 여기 입력을 높이더라도 빔 지름이 확대되기 때문에, 그러한 우려는 생기지 않는다. 따라서, 본 발명의 상전사 연결에 의한 광로계는 부품의 파손 방지라고 하는 신뢰성의 관점에서도 뛰어난 특성을 갖는다 할 수 있다.
다음으로, 상전사 연결하기 위한 광로 설계 조건에 대하여 이하 구체적으로 설명한다. 고체 레이저 소자와 비선형 결정 사이를 상전사 연결하기 위해서는 그 나름대로의 광로 설계 조건을 만족할 필요가 있고, 본 구성에서는 도 31에 나타낸 바와 같이 부분 반사 미러(412)와 제1 비선형 결정(91) 사이에 2매의 집광 렌즈(83, 84)를 배치하는 구성으로 하였다. 본래는 1매의 집광 렌즈이어도 되지만, 우리의 계산으로는 1매의 집광 렌즈 구성으로는 상전사 연결을 만족하는 현실적인 설계값는 존재하지 않으며, 2매 이상의 집광 렌즈가 필요했다. 3매 이상의 집광 렌즈로 구성해도 되지만, 여기서는 가장 간단한 구성인 2매의 집광 렌즈 구성의 경우에 대하여 도시하고 있다.
우선, 도 31에 있어서, 제1 집광 렌즈(83)의 초점 거리를 fa, 제2 집광 렌즈(84)의 초점 거리를 fb로 하고, 부분 반사 미러(412)로부터 제1 집광 렌즈(83)까지의 광학적 거리를 La, 양 집광 렌즈(83, 84) 사이의 광학적 거리를 Lb, 제2 집광 렌즈(84)로부터 제1 비선형 결정(91)의 중심까지의 광학적 거리를 Lc로 한다. 또, 부분 반사 미러(412)는 곡률 반경 R(절대값)의 볼록 미러이고, 투과 레이저 광에 렌즈로서 작용할 때의 초점 거리를 fPR로 한다. 제2 고체 레이저 소자(22)의 중심과 부분 반사 미러(412) 사이의 광학적 거리는 L1이다. 이 광로계의, 제2 고체 레이저 소자(22)로부터 제1 비선형 결정(91)까지의 사이의 광선 행렬은 다음 식이다.
Figure 112009034809984-pct00022
한편, 이 광로계는 발진 영역의 중심에서 열 렌즈 조건시에, 정확히 레이저 광의 웨스트 위치에 있도록 제2 비선형 결정(92)이 배치되어 있다. 그 때의 웨스트에서 빔 지름이, 제2 고체 레이저 소자(22) 내에서 빔 지름 ω0의 Ms배라는 조건을 부가하면, 상기 광선 행렬은 하기를 만족할 필요가 있다.
Figure 112009034809984-pct00023
여기서, ro는 발진 영역의 중심 조건에 있어서 제2 고체 레이저 소자(22)의 중심에서 레이저 광의 파면 곡률 반경이고, (1) ~ (3) 식으로부터 얻어지는 하기 식으로 계산할 수 있다.
Figure 112009034809984-pct00024
Lb와 Lc를 임의의 거리로 하면, (16), (17) 식을 만족하는 조건은 하기와 같다.
Figure 112009034809984-pct00025
Figure 112009034809984-pct00026
Figure 112009034809984-pct00027
La, Lb, Lc, fa, fb의 각 파라미터가 (19) ~ (21)의 식을 만족함으로써, 제2 YAG 로드(22)로부터 제1 비선형 결정(91)까지의 광로를 상전사 연결로 할 수 있다.
다음으로, 제1 비선형 결정(91)과 제2 비선형 결정(92) 사이의 상전사 광로를 구한다. 도 31에 있어서, 제3 집광 렌즈(85)의 초점 거리를 fc, 제4 집광 렌즈(86)의 초점 거리를 fd, 제1 비선형 결정(91)의 중심으로부터 제3 집광 렌즈(85)까지의 광학적 거리를 Ld, 제3 집광 렌즈(85)로부터 제4 집광 렌즈(86)까지의 광학적 거리를 Le, 제4 집광 렌즈(86)로부터 제2 비선형 결정(92)의 중심까지의 광학적 거리를 Lf로 하면, 이 동안의 광선 행렬은 다음 식이 된다.
Figure 112009034809984-pct00028
발진 영역의 중심에서 열 렌즈 조건시, 정확히 제2 비선형 결정(92)은 레이저 광의 웨스트 위치에 있도록 배치되어 있고, 또한 그 때의 웨스트에서 빔 지름이 제2 고체 레이저 소자(22)에서 빔 지름 ωo의 Mt배라 하고, 다음 식의 조건을 부과한다.
Figure 112009034809984-pct00029
(22), (23) 식에서, 이것들을 만족하는 해는 임의의 거리 Ld와 임의의 초점 거리 fc에 대해 다음 식의 조건을 만족할 필요가 있다.
Figure 112009034809984-pct00030
Figure 112009034809984-pct00031
fc, fd, Ld, Le, Lf의 각 설계값이 상기 조건을 만족할 때, 제1 비선형 결 정(91)과 제2 비선형 결정(92) 사이의 광학계는 상전사 접속의 광로가 된다.
이상의 조건을 만족하는 설계값을 취하는 것에 의해, 제1 고체 레이저 소자(21), 제2 고체 레이저 소자(22), 제1 비선형 결정(91), 제2 비선형 결정(92)의 모두를 상전사 접속하는 설계로 할 수 있어, 매우 안정된 파장 변환 레이저 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 31에 나타낸 바와 같이 고체 레이저 소자 사이에 2매의 렌즈가 배치된 파장 변환 레이저 장치의 구성으로 설명을 하였으나, 실시 형태 2에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 구성, 실시 형태 4에 나타낸 바와 같은 YAG 로드와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성 및 실시 형태 5에 나타낸 바와 같은 공진기 미러가 평면 미러인 구성이더라도, 동양의 효과를 얻을 수 있음은 물론이다. 또, 실시 형태 6, 7, 8에서 나타낸 바와 같은 복수의 공진기 유닛의 연결 구성에 의한 고체 레이저 장치에도 적용할 수 있다.
실시 형태 15.
그런데 실시 형태 14에 있어서는 2개의 YAG 로드(21, 22)와 제1, 제2 비선형 결정(91, 92)의 각 구간을 상전사 연결하는 구성에 대하여 나타냈다. 그러나 그러기 위해서는 부분 반사 미러(412)와 제1 비선형 결정(91) 사이에 2매 이상의 집광 렌즈, 제1 비선형 결정(91)과 제2 비선형 결정(92) 사이에도 2매 이상의 집광 렌즈를 배치할 필요가 있어 구성으로서 복잡하고 긴 전송 거리를 필요로 하는 디메리트도 생긴다. 그와 같은 경우, 예를 들어 제2 YAG 로드(22)와 제2 비선형 결정(92) 사이만을 상전사 접속하는 구성으로 해도 된다. 구체적으로, 도 34에 나타내는 바 와 같이, 부분 반사 미러(412)와 제1 비선형 결정(91) 사이에 2매의 집광 렌즈(87, 88)를 배치하고, 제1 비선형 결정(91)과 제2 비선형 결정(92) 사이에 1매의 집광 렌즈(89)를 배치한다. 집광 렌즈(87, 88)는 제2 YAG 로드(22)의 중심을 제2 비선형 결정(91)의 중심으로 전사하도록 배치하고, 렌즈(89)는 레이저 광을 제2 비선형 결정에 집광하도록 배치한다.
3배파나 4배파 레이저의 경우, 제2 비선형 결정(92)에 비해 제1 비선형 결정(91)은 비교적 완만한 온도 특성을 가져, 그 만큼 결정 내부의 온도 변화나 포인팅 변동에 대해서도 영향을 받기 어렵다. 따라서, 온도 변화에 특히 민감한 특성을 가지는 제2 비선형 결정(92)에서의 포인팅 변동을 중점적으로 억제하도록 하면, 제1과 제2 비선형 결정(91, 92) 사이에는 집광 렌즈를 1매만 배치한 간소한 구성으로, 상술한 실시 형태와 동양의 높은 안정성을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 34에 나타낸 바와 같이 고체 레이저 소자 사이에 2매의 렌즈가 배치된 파장 변환 레이저 장치의 구성으로 설명을 하였으나, 실시 형태 2에 나타낸 바와 같은 고체 레이저 소자 사이에 1매의 렌즈밖에 없는 구성, 실시 형태 4에 나타낸 바와 같은 YAG 로드와 텔레스코프의 렌즈를 일체화한 구성 및 실시 형태 5에 나타낸 바와 같은 공진기 미러가 평면 미러인 구성이라도 동양의 효과를 얻을 수 있음은 물론이다. 또, 실시 형태 6, 7, 8에서 나타낸 바와 같은 복수의 공진기 유닛의 연결 구성에 의한 고체 레이저 장치에도 적용할 수 있다.
본 발명에 관한 고체 레이저 장치는 고출력이 요구되는 분야, 특히 파장 변 환 레이저 장치의 기본파 광의 발생 수단으로서 사용되기에 적합하다.

Claims (27)

  1. 공진기를 구성하는 부분 반사 미러 및 전반사(全反射) 미러와,
    상기 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에 레이저 광축을 따라 대칭으로 배치된 2개의 로드(rod) 형상의 고체 레이저 소자와,
    이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 초점 거리 f의 2개 볼록 렌즈 및 90도 선광자(旋光子)를 구비하고,
    상기 2개의 렌즈의 거리는 2f보다 작고, 각 렌즈와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과 그 인접하는 렌즈와의 거리는 0.9 × f 내지 1.1 × f 인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 90도 선광자는 상기 2개의 렌즈 중 한쪽과 당해 렌즈에 인접하는 상기 고체 레이저 소자 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러는 같은 곡률을 가진 미러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러는 모두 평면 미러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러의 곡률 반경을 R로 하고,
    상기 고체 레이저 소자의 중심에서 횡(橫)싱글 모드 성분의 레이저 빔 반경을 ω0으로 했을 때,
    상기 2매의 렌즈 사이의 거리는
    0.9 × (
    Figure 112011011173245-pct00071
    ) 내지 1.1 × (
    Figure 112011011173245-pct00072
    )
    Figure 112011011173245-pct00073
    인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 반경 ω0는 상기 고체 레이저 소자의 반경의 0.6 ~ 0.7배인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러의 곡률 반경을 R로 하고,
    이 부분 반사 미러와 당해 부분 반사 미러에 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리 또는 상기 전반사 미러와 당해 전반사 미러에 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리를 L1로 했을 때,
    상기 2매의 렌즈 사이의 거리는 상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러가 볼록 미러인 경우는
    0.9 × (
    Figure 112011011173245-pct00074
    ) 내지 1.1 × (
    Figure 112011011173245-pct00075
    )
    이고, 상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러가 오목 미러인 경우는
    0.9 × (
    Figure 112011011173245-pct00076
    ) 내지 1.1 × (
    Figure 112011011173245-pct00077
    )
    인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  8. 공진기를 구성하는 같은 곡률의 부분 반사 미러 및 전반사 미러와,
    상기 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에 레이저 광축을 따라서 대칭으로 배치된 2개의 로드 형상의 고체 레이저 소자와,
    이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 초점 거리 f의 볼록 렌즈 및 90도 선광자를 구비하고,
    상기 렌즈와 상기 각 고체 레이저 소자의 중심과의 거리는 0.9 × 2f 내지 1.1 × 2f 인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  9. 공진기를 구성하는 부분 반사 미러 및 전반사 미러와,
    상기 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에 레이저 광축을 따라서 대칭으로 배치되고, 서로 대향하는 각 단면에 볼록 렌즈로서 작용하도록 곡률 반경 Ra의 곡면 가공이 실시된, 길이 L0 굴절률 n0의 2개 로드 형상의 고체 레이저 소자와,
    이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 90도 선광자를 구비하고,
    상기 곡률 반경은
    Figure 112009034809984-pct00035
    이고, 상기 2개의 고체 레이저 소자의 거리 L3은
    Figure 112009034809984-pct00036
    인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러는 같은 곡률을 가진 미러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러는 모두 평면 미러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  12. 공진기를 구성하는 평면 미러인 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에, 레이저 광축을 따라서 배치된 2개의 로드 형상의 고체 레이저 소자와, 이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 초점 거리 f의 2개 볼록 렌즈 및 90도 선광자를 구비하고, 상기 2개의 렌즈의 거리는 2f보다 작고, 각 렌즈와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리는 0.9 × f 내지 1.1 × f 인 공진기의 주기적 구성 요소를 복수 구비하고,
    상기 부분 반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과 그 부분 반사 미러의 거리 및 상기 전반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과 그 전반사 미러의 거리는 동일하고,
    상기 각 공진기의 주기적 구성 요소 사이에서 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심 사이의 거리는 상기 부분 반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리의 2배와 동등한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  13. 공진기를 구성하는 같은 곡률의 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에, 레이저 광축을 따라서 배치된 2개의 로드 형상의 고체 레이저 소자와, 이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 초점 거리 f의 2개 볼록 렌즈 및 90도 선광자를 구비하고, 상기 2개의 렌즈의 거리는 2f보다 작고, 각 렌즈와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리는 0.9 × f 내지 1.1 × f 인 공진기의 주기적 구성 요소를 복수 구비하고,
    상기 부분 반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과 그 부분 반사 미러의 거리 및 상기 전반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과 그 전반사 미러의 거리는 동일하고,
    상기 각 공진기의 주기적 구성 요소의 사이에서 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심 사이의 거리는 상기 부분 반사 미러와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리의 2배와 동등하고,
    서로 인접하는 상기 공진기의 주기적 구성 요소의 중간 위치에, 상기 부분 반사 미러의 곡률 반경을 R로 한 경우, 초점 거리가 R/2로 되는 렌즈를 배치한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  14. 평면 미러인 1매의 부분 반사 미러와 복수의 전반사 미러에 의해 링 공진기가 구성되어 있고,
    상기 공진기 내의 레이저 광축을 따라서 배치된 2개의 로드 형상의 고체 레이저 소자와, 이 2개의 고체 레이저 소자 사이의 레이저 광축 상에 배치된 초점 거리 f의 2개 볼록 렌즈 및 90도 선광자를 구비하고, 상기 2개의 렌즈의 거리는 2f보다 작고, 각 렌즈와 인접하는 상기 고체 레이저 소자의 중심과의 거리는 0.9 × f 내지 1.1 × f인 공진기의 주기적 구성 요소를 복수 구비하고,
    상기 공진기의 주기적 구성 요소는 서로 인접하는 각 공진기의 주기적 구성 요소 사이의 거리가 모두 동일해지도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  15. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2매의 렌즈의 한쪽, 또는 양쪽을, 공진기의 광축 방향으로 이동시키는 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    여기(勵起) 입력 지령값에 따라 상기 이동 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  17. 청구항 3 또는 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 고체 레이저 소자와 상기 렌즈와 상기 90도 선광자를 배치한 제1 광학 기대(optical base)와,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러를 배치한 제2 광학 기대를 구비하고,
    상기 제1 광학 기대는 상기 제2 광학 기대 상에 각도 방향으로 접동 가능(slidable)한 지지 부재를 통하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 광학 기대는 3개의 상기 지지 부재를 통하여 상기 제2 광학 기대 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제2 광학 기대 상에, 상기 제1 광학 기대의 측면에 대해 접촉면을 가진 위치 결정 수단을 구비하고,
    이 위치 결정 수단의 접촉면을 기준으로 하여 상기 제1 광학 기대의 상기 제2 광학 기대 상의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  20. 청구항 3, 청구항 5 내지 청구항 8 또는 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 반사 미러 및 전반사 미러는 모두 볼록 미러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  21. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분 반사 미러와 전반사 미러 사이에 배치된 Q 스위치와,
    이 Q 스위치의 온ㆍ오프를 제어하는 Q 스위치 제어 수단과,
    상기 부분 반사 미러와 당해 부분 반사 미러에 인접하는 상기 고체 레이저 소자 사이에 배치된 편광 소자를 구비하고,
    직선 편광의 펄스 레이저 광을 출력하도록 한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  22. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 고체 레이저 소자의 측면으로부터 여기광을 조사하는 측면 여기 방식인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  23. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    발진하는 레이저 광이 횡싱글 모드인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  24. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 고체 레이저 장치와,
    이 고체 레이저 장치로부터 출력된 레이저 광의 광축 상에 배치되고, 이 레이저 광을 고조파광으로 변환하는 비선형 결정을 구비한 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 부분 반사 미러는 투과 레이저 광에 대해 초점 거리 fPR의 렌즈로서 작용하는 것이고,
    상기 부분 반사 미러의 레이저 광이 투과하는 측의 면과 당해 면으로부터 거리 fPR만큼 떨어진 위치 사이에 배치되고, 투과한 레이저 광의 빔 지름보다 큰 개구 를 가진 스파셜 필터(spatial filter)를 구비한 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 부분 반사 미러와 상기 비선형 결정 사이에 배치되고, 상기 부분 반사 미러측의 상기 고체 레이저 소자와 당해 비선형 결정을 상전사(像轉寫) 연결하는 복수의 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 비선형 결정을 복수 구비하고,
    이 각 비선형 결정 사이에 배치되어, 당해 인접하는 2개의 비선형 결정 사이를 상전사 연결하는 복수의 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
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