TWI244813B - Wavelength conversion laser apparatus - Google Patents
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Description
1244813 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種藉由波長變換結晶進行高諧波的產 生之波長變換雷射裝置,特別是關於波長變換結晶之高$ 波射出侧端面及收容該波長變換結晶之容器的高諧波 窗的形狀。 【先前技術】 習知之波長變換雷射裝置,係藉由將波長變換結晶之 南諧波射出難面μ布儒斯特切mB⑽ster e 低波長變換結晶端面之高譜波的反射損失(參照例如專利 文獻1)。 (專利文獻υ美國專利5850407號說 圖及第i-B圖) 曰a .【發明内容】 (發明所欲解決之課題) 如習知之波長變換雷射般,使用 變換結晶時’高諧波之射出方向會相對於=波長 晶之光的光軸而傾斜,而有後面之導光系長結 難的問題。而且’因高諧波造成之波長變換結得困 化或雜質附著等而導致高諧波輸出降低時,如::: 結晶之t置移動,會有高諧波之光轴偏移的問題: 本發明係為解決上述問題而研創者,本# 的在提供一種波長變換雷射裝置, Λ 要目 晶變換波長且從波長變換結晶容器之射,用波長變換結 、出自射出的波長變 1244813 換雷射光(高譜波)之射出方向,朝通 射光之光轴方向接近,而且即使在波長變換之雷 窗射出的波長變換.射井二一換波長且從射出 (解決課題之手1射仏谐波)之絲的偏移。 本發明之波長變換雷射裝 _置有上述波長變換結晶置:'具;利=換結晶; 上述波長變換:曰:::光可射出之射出窗的容器;, 又換、,,口日日之射出側端面係相 4 射光形成布儒斯特角而傾斜,c換雷 其雷射光射入側之面愈带射井身十中二奋°。之射出窗係形成 棱鏡^日曰射出之波長變換雷射光之傾斜方向縮短的 光之:斜2所二從波長變換結晶射出之波長變換雷射 光細w ; 相對於通過波長變換結晶之雷射光的 頃斜方向,特別是與通過波長 士 a 、
光轴垂直的成分之方向。 道,之雷射光之I 用上明’波長變換結晶之射出側端面係相對於利 斯特Γ而=換結晶f換波長之波長變換雷射光形成布儒 射出窗内部配置有上述波長變換結晶之容器的 門 Ί、雷射光射入側之面與雷射光射出側之面 上述波長變換結晶射出之波長變換;. 方輪豆的稜鏡形狀,因此從波長變 · 布儒斯特角射出的波長變換雷射光,會因容器之射出= 316165 1244813 成上述稜鏡形狀,而朝通過波 方向折曲。因此,可使利用波長變;:::=的光轴 屮帟鉍山AA、木 又俠、、'口日日交換波長且從射 处曰之1光長^ f射光之射出方向’朝通過波長變換 二St 向接近’而且即使在波長變換結晶 射先=:::亦可減低從射出窗射一長變換雷 【實施方式】 (實施形態1)
第丨圖係顯示用以實施本發明之實施形態 換雷射裝置之整體構成之概略構成圖。 I :基本波產生部12中產生基本波。基本波產生部1:
Nd:YAG, 先’振i波長係H)64細。上述雷射❹器也可為為了射 輸出而使用放大器之構成。又,基本波產生部12也可為信 訂述Nd ·· YAG以外之Nd ··彻4,则·似,脉⑽〇
等雷射結晶之雷射振盪器。 藉由聚光透鏡UA將所產生之基本波聚光至波長變換 結晶14,而以波長變換結曰曰曰14進行波長變換,以產生高 言皆波(波長變換雷射光)。此時使用之波長變換結晶14係為 未施以無反射塗層,亦即沒有無反射塗層之τγρΕ工之 LB0(LiB305)結曰曰曰。由於未對波長變換'结曰曰曰】4施以無反射 塗層:因此可防正所產生之高諧波使無反射塗層劣化或損 傷所導致之高譜波之輸出降低。此時產生之高譜波係第2 次南谐波’波長為532ηιτι。 316165 7 1244813 又,第2次高諧波產生用結晶(波長變換結晶μ)之劣 化速度比以下說明之第3次高諸波產生用結晶(波長變換 結晶3)慢,因此使用用於第3次高譜波產生用結晶之波長 變換結晶保持裳置(以下詳細說明)的必要性較低。缺而, 較強之條件下使用時等,亦可使用同樣之波長 •交換結晶保持裝置。 使用聚光透鏡13Β將通過波長變換結晶14之兩射 ^亦即在波長變換結晶14產生之第2次高諧波、田及未 波長變換之基本波聚光至诚异增施 4 反來无至波長茭換結晶3 ,藉由和頻率之 f ’而產生f 3次高譜波(波長355細)。此時使用 長變換結晶3係沒有無反射塗層之丁γρΕ _ 結晶。與波長變換結晶14同樣地’由於未對=LlB3(^5) 3施以益反射+ ^ , 、 、/長·交換結晶 ,、反射金層,因此可防止所產生之高諧 -“化或損傷所導致之高諧波之輪出降低。’、’、 基本次高諧波係藉由分離鏡…5 一 土本波及4 2次㊆諧波分離並使用在加1等。 - 以下’說明波長變換結晶3及收容波長 波長變換結晶保持裝置丨。 义換、、·〇日日3之 波長變換結晶3係由第2圖及第 結晶保持裝置1所保持。 θ斤不之波長變換 第2圖係斜看波長變換結 3圖係以與光轴平行之面切斷的剖:置1之斜,。第 密閉容器2之内部配詈右、、由且龄 " 波長變換結晶 密閉容哭9 - / 、艾換結晶3。波長變換έ士曰 山閉公為2具備有供基本波及 义換、。口日日 乐ζ人呵#波(射入光)9射入 316]65 8 1244813 的射入窗4。盅土 光,亦即:’具備有供通過波長變換結晶3之雷射 光)1 〇射出之身:义換結晶3產生之高諧波(波長變換雷射 内部具備有·窗5。又,在波長變換結晶密閉容器2之 調節㈣電=行用以取得波長變換時之相位整合之溫度 熱電元“=^如帕耳帖(peItier)元件);及用以控制 地 电、.泉8。波長變換結晶密閉容器2係精度佳 機:的結二使波長變換結晶3的位置移動之移動 結晶保持裝置ί _遍a)11上,而構成波長變換 波長變換結晶3之射出側端面之高證波射 波而劣化或附著雜質導致射出高譜波之輸出降低時; 位移器U使波長變換結晶3離開劣化的地點,使^ 一特別疋,因波長4〇〇nm以下之紫外線之反應性較言, 故回5自波1〇之波長在400nm以下時,為了拉長維持周期, 必須要有上述劣化或雜質附著之因應對策。 士將射入窗4及射出窗5安裝在波長變換結晶密閉容器 ^係使用〇形環7來使波長變換結晶密閉容器2内部 密閉。此時,藉由封入乾燥空氣、氧、氮等,可抑制波: 變換結晶3之端面的雜質附著速度及劣化速度。又,在^ 實施形態中係使波長變換結晶密閉容器2完全密閉,但也 可設置小的出入口使氣體持續流動。 又將波長’交換結晶3收容在波長變換結晶密閉容器 2恰,將波長變換結晶3配置成使波長變換結晶3盥 316165 9 1244813 窗5之距離比波長變換結晶3與射入窗4之距離長的話, I增大射出窗5上之高料(例如紫料)1()之光束直徑。 ^产可及ΤΙ因高諧波1〇造成之附著至射出窗5之雜質附 耆速度及射出窗5之劣化速度。 波長變換結晶3之高諧波射出側端 端面)係相對於通過波長變換結晶3之雷射光9〇\^彳 斜預定角度θ3(但…9。。),以使:、=^ 換诚真々a ρ 7从使、·'工波長.交換結晶3變 、、之波長變換雷射光(第3次高堦油$ 斯特角t射出m # )攸该而面以布儒i 斯特角。亦 《疋相對於波長變換雷射光成為布儒 行針對第二,換結晶3之高諧波射出側端面係進 弟3 -人向堦波之布儒斯特切割。 曰曰曰二:出布儒斯特切割:可減低在波長變換結 3之射出側而^反射知失。而且,由於波長變換結晶 波造成波長*心士 面積會變大,因此可減少因高諧 附著速度广…晶3之射出側端面的損傷機率及雜質的 又 ( 手総拖姓此時之布儒斯特切割的方向,係設定為m ::出:晶3射出之第3次高諧波(從波長變換处曰3二 之射出高語油Ί Λ、, 八夂伏、、、口日日J射出 為p偏光。在第3Γ於波長變換結晶3之射 晶3射出之射出^之例中’第3次高諧波(從波長變換結 第4圖顯偏光係與紙面平… 例如,波長變細日\ 3之布儒斯特切割的狀態。 波長變換結晶3二 TYPEI^LB〇結晶時,藉由 之⑽:YAG雷射之第3次高譜波(波長 3)6165 10 1244813 355]_)產生時,波長變換結晶3之射出側端面 過波長變換結晶3的雷射光9 〇之光軸的傾斜角乂對:通 (1)所示之布儒斯特角(Θ】)之定義 3從式 ㊀]=tarf](n2/ni) ⑴ 及式(2)所示之斯奈爾定律(Snell,s ]aw) ii]Sin( Θ ])=n2sin( θ 2) (2) 可得 (9 3=90 ° — θ 2 =90。- Sin-】(n]/n2xsin(tan-](n2/ni》) ==57.9° 〇 广h為相對於第3次高諧波之波長變換結晶3ό 為相對於第3次高諧波之波長變換結 益2内環境氣體之折射率,且η] = 1 〇,〜叫⑼。 又’以下將波長變換結晶3之射出锏山 町側糕面之相對於通 過波長變換結晶3的雷射井90 > # ^ / ⑽7^9ϋ之先軸的傾斜角度稱之 為切割角度。 此時,從波長變換結晶3射出之筮 ®之乐3次高諧波10之光 軸相對於水平的傾斜(94為: θ 4=θ siiy](l/n2xsin(^ })) =25.9。 〇 又更正確地.兒,Θ 4為相對於通過波長變換結晶3 的雷射光90之光軸的傾斜,在通過波長變換結晶3的雷射 光90之光軸配置於水平方向時,係與相對於水平之傾斜相 316165 1244813 再者,如第5圖所示,藉由結晶位移器11使波長變拖 朝與通過波長變換結晶3的雷射光 , =仏時,從波長變換結晶3射出之第^ 贫1 01之光軸的移動距離d 2為: ^ 2=0 ]X tan(^ 4)/tan(^ 3) s 0.3χ Θ j 〇 又帛3 -人南諸;皮1 〇〇 _移動前之波長變換雷射光, 弟3次高諧波⑻為移動後之波長變換雷射光。 …在習知,構成中,如上述產生之高諧波(從波長變換結' :t出之第3次高諧波)之相對於通過波長變換結晶^ 以光9 〇之光軸的傾斜,及結晶位移器i i使結晶移動& 之光軸移動會成為問題。 其-人,以第6圖說明波長變換結晶密閉容器2之古% 波射出窗5的形狀。在本實施形態中,係使用由對於; 波之^射率與波長變換結晶3相等或相近之材料所構成: 射出向5,亚對其雷射光射人側之面施以與波長變換处 之高諧波射出側端面相同之角度Θ 3之切割。例如:二 TYPE II之 LB〇4士 曰吝斗 + U、,·。日日產生N d. YA G雷射之第3次高諧波 長355nm)時,波長變換結晶3之折射率1.60,而水晶且 有與波長變換結晶3相近之折射率。亦即,水晶之對於里' 系偏光之折射率在波長3 5 5nm下為1 ·57。 又,射出窗5之雷射光射出側之面係與通過波長變換 結晶3之雷射光9〇之光軸大致垂直,射出窗$係形成並雷 射光射入側之面501與雷射光射出側之面5〇2之距離朝= 316165 12 1244813 波長變換結晶3射屮> 6J_ 傾斜方向(第6圖中^出高諧波(波長變換雷射光)]〇之 又,在此所謂:;員示之方向)縮短㈣ 射光1〇之傾斜方向係;t長變換結晶3射出之波長變換雷 光90之光軸的傾斜方二目較,過波長變換結晶3之雷射 之雷射光90之光轴垂直^疋才曰與通過波長變換結晶3 A所示之方向。 的成/刀之方向。亦即第6圖令箭頭 如此’在本貫施形熊 、 波長變換結晶3之射出4 7曰曰作為射出窗5,對< 才出側古而面與射出窗5之古二比、士 0丄 之面,施以相對於通過波長變換結晶 同側 的傾斜相同(皆為傾斜角声 田射先90之光軸 窗5之高諧波的射入角八3刀°'。此時,相對於射出 3 . 角度Θ5與相對於射出窗5(水晶)之第 ^ 4波(波長3551叫之布儒斯特角的差為Q 4 h -人尚諧波之反射率為夫 、 、、. 弟3 -π 、卜· 1 /〇。然而,此時對於偏来方6 不同之波長5 3 2 _之光線(第2次^ m向 反射率。因此’亦可對射出窗5施以對於波=32具有, 對於波長532nm盥波早lf)“ _ 長32nm,或 塗層。又,為、料田 (基本波)之兩方無反射之 哭2之内面二埶反射光所造成之波長變換結晶密閉容 2之内面的加熱,亦可不對射出窗$施以 射塗層,而對波長變換結晶⑨、之無反 之部位附近施以冷卻水。此日士二1反射光所照射到 此%•’可對從射出窗5及射 身广斤照射到之波長變換結晶密閉容八反 塗裝等,以有效率地吸收反射光。 ,内面4刀進订 “’從波長變換結晶密閉容器2(射出窗5)射出之高 3 J6J65 13 1244813 諧波20相對^t 土、 T於水平(通過波長變換έ士 S 3+身+止ΟΛ 轴)的傾斜Θ 6係8。皮,j、、、°曰曰3之由射先90之光 形成傾斜面時的傾钭A ’妗未在結晶密閉容器射出窗5 i以下。 '斜θ4=25.9。相比較,將減低至32分之 晶3移動5:圖!^ ’藉由結晶位移器11使波長變換結 波20之光轴的敕Γ變換結晶密閉容器2射出之高諧 >< k與未在社曰幻二(先軸之偏移!…為:心_56 量,即第5圖;;::::器射出窗5形成傾斜面時的移動( 低。 述占2 = 0·3Χ占】相比較,明顯地減
使波ΐ = 1本實施形態5藉由結晶位移哭U 便波長變換結晶3 ^ σσ 11 2(射出窗5)射出之古^ °將攸波長變換結晶密閉容器 偏牙夕旦占间拍波(波長變換雷射光束)2〇之光軸 偏私里占3,減低至實用之範圍内。又 軸之 晶密閉容器2(射出窗qJ+aj ^ 將仗波長纟史換結 過波長變換社皆波2〇之相對於水平(通 換、、、°θθ3之雷射光9〇之光軸)的傾钭m二. 用之範圍内,因此可容层#罢、“,'斜^減低至實< J奋易地配置波長變換後之 又,波長變換結晶密 /、、、先。 盆對於產生的〜“ 射出窗5的材質,以 理想,但亦可如本實施形態以折射矣之:二寺較為 例如,利用ΤΥΡΕ„Μβ〇ά士^來貫施。 之3次高增分以且^ 日日產生Nd·· YAG雷射 之3 -人^白波(波長355細)時,如射出 田釘 上述尚谐波的折射率在波長變換結晶3之貝之對方、 内,則可使波長變換結晶密閉容:的土 以 、町出固5)射出之高證 316165 14 1244813 波20之相對於水平(通 軸)的傾斜06為.^ 长又換…日日3之雷射光90之光 波長變換姓曰u 6= ·7,且在藉由結晶位移器11使 叉瓦又換結晶3如筮7闰Λ ^ 。 W 乐7圖如不移動占】時,佶射Φ古二比、士 20之絲的移動距仏= 及光二t:上述射出高譜波20之相對於水平的傾斜θ6 光射出側更為縮小,亦可使射出窗5之雷射 面仗與通過波長變換結晶3之雷射# Qn + 1 ± 垂直.,朝與波長變換社曰田射先90之光軸 若干角度。邊一之射出側端面相反之方向傾斜· 波長=2=::雷射光射入側之面的傾斜角度以與 但並不限二端面之傾斜角度相等較為理想, 、此。例如,如上所述,當射出窗 =1°(波長變換雷射光)之折射率,與波長= 異時:可:出射高出t波10之折射率 為:利用波^^士5之雷射光射入側之面的傾斜角度設定 波10)以#,晶3變換之波長變換雷射光(射出高諧< 布而斯特角射入至雷射光射入側之面的傾斜角 亦即相對於波長變換雷射光形成佈儒斯特角的傾斜角 寸射出南谐波之相對於水平(通過波長變換έ士曰 之雪身+也ο λ J穴、、、。曰曰j 〇之光軸)的傾斜β 6,及從波長變換結 哭2射Φ + a ^ 日日在閉容 口口射出之向谐波20之光軸的移動距離5 3不合, 但是,Α φ、么 θ 今令。 - 马更進一步減小該等傾斜β 6及移動距離6 3,亦可 使射出自5之雷射光射出側之面從相對於通過波長變換社 3】6]65 1244813 之射出 曰曰3之雷射光90之光軸垂直,朝與波長變換結 側端面相反之方向傾斜若干角度。 又藉由將射出窗5之雷射光射入側之面的傾斜角度 =定為利用波長變換結晶3變換波長之波長變換雷射光以 ^而斯特角射入至雷射光射入側之面的傾斜角&,% & 在射出窗5之雷射光射入側之面的反射。 ±又,以上係針對波長變換結晶3為LiB3〇5(LBO)結晶 時之情形加以說明,但並不限定於此,亦可為例如
CsLiB6〇10(CLBO)結晶或 ΒΒΟ(々-BaB2〇4)結晶。又,、法具 變換結晶14亦同。 (實施形態2) 在上述實施形態中,係針對射出窗5之雷射光射出側 之面與通過波長變換結晶3之雷射光90之光軸大致垂直, 對於利用波長變換結晶3變換波長之波長變換雷射光之折 射率與波長變換結晶3之折射率與射出窗5之折射率大致 ^等且波長變換結晶3之射出侧端面之傾斜角度與射出 囪5之雷射光射入侧之面的傾斜角度大致相等之情形加以 說明,但並不限定於此。 ^例如,射出窗5之雷射光射入側之面與通過波長變換 、σ曰曰3之雷射光9〇之光軸大致垂直,對於利用波長變換妗 =3變換波長之波長變換雷射光之波長變換結晶3之折射 率與射出窗5之折射率大致相等,且射出窗5之雷射光射 出侧之面朝與波長變換結晶3之射出側端面相反之方向傾 斜與波長變換結晶3之射入側端面的傾斜角度大致相等的 3^6165 16 1244813 角度亦可’此時亦可獲得與上述實施㈣ (實施形態3) 同奴之效果。 之波長晶:變換,長 之折射率的關係,且不考慮與波長變換結出窗5 面的傾斜角戶的閱私 ^。 θ日之射入側端 针角度的關係,而將波長變換結 出窗$形成為其雷射光射入側之面與雷射光射 1=2之射 的距離朝從波長變換結晶3射出之波長變換:之面間 方向縮短的稜鏡形狀。 、田射先之傾斜( 以上述方式構成時,從波長變換結晶3之 布儒斯特角射出之波長變換+ 射出側端面以 形狀之_5朝通== 以 的方向曲折。因此,可使利用波長變換二射之光轴 從射出窗5射出的波長變換雷射光2 〇、之°射曰曰^換波長且 :好趟結晶3之雷射光9〇之光軸方向接近方:且:月通過 1用結晶位移器u使波長變換結晶3移 卩使在 低從射出窗5射出的波長變換雷射光如亦可減^ 例如波長變換結晶密閉容器2之射$冑々偏私。 英的咖Silica)時,對於例如则:γΑ(}雷射=用合成石 波之波長355nm的折射率為148。此時,=3次高諧 斜角度設定為56_5。時,可使結晶移動時之、出窗5之傾 大致為G。此時從波長變換結晶㈣容 =動量 之高言皆波20之相對於水平(通過波長變換結曰^ 5)射出 9〇之光軸)的傾斜0 6為3.2。。同樣地,將射:雷射光 % ^自5之傾 17 1244813 料角度設定為 〇,此時之光轴移動量^ I使南譜波20之傾斜^大致為 再者,射出窗?Γn】0x 〇、。 之折射率〜~時,對於波長355麵 :時,可使結晶移動時:Z;動度設定為5“ 南諧波20的傾斜。里h大致為〇。此時之 傾斜角度設定為5] 4。'”0± 6 .。同樣地,將射出窗5之 為。,此時之光_動量:使 :,在上述各圖中,第2次 光; · 料結晶射出之高言皆波(波長㈣(入先)9,從波長 長變換結晶密閉容器4 先)】〇,從射出窗(波 換結晶之雷射光二 結晶位移器而移動前胸及從波;二:以^ =r晶位移器_後_的各雷;==高 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明之實施形態】 置之整體構成之概略構成圖。 、文奐运射裝 第2圖係使用在本發明之實施形態]之 裝置的波長變換結晶保持裝置之構成的斜視圖。、又、雷射 第3圖係使用在本發明之實施形態i之波長變換 裝置的波長變換結晶保持裝置之構成的剖視圖。 田、_ 第4圖係用以說明使用在本發明之實施形態1之' . 變換雷射裝置的波長變換結晶之高諧波射出側端面 18 a^4813 的前視圖。 第5圖係本發明之實祐 t 之產4含二比、士 、形悲1之波長變換处曰砂壬 生π㉔波之光軸移動 、、、口日日私動時 箓a ®〆丄 月形的說明圖0 圖係本發明之實施形態丨古真織 态之射出窗之形狀的說明圖。 / 、、又換結晶密閉容 第7圖係本發明之實施形熊、^ 之從波長變換結晶密閉 之波長變換結晶移動時 形的說明圖。 之面谐波之光軸移動之情 【主要元件符號說明 1 2 3、 5 7 9 10 11 13 20 30 31 50 51 90 波長變換結晶保持裝置 射入窗 熱電元件 熱電元件控制用線 波長變換結晶密閉容器 14波長變換結晶 * 射出窗 6 〇料 8 射入光 從波長變換結晶射 結晶位移器 之射出高譜波 聚光透鏡 12基本波產生部 Ρ以山★ 15 分離鏡 攸射出窗射出之射出高諧波 波長變換結晶(與姓曰 波長變換处曰移器而移動前) 私山= (错結晶位移器而移動後) 自(稭結晶位移器而移動前) 身出窗(藉結晶位移器而移動後) k過波長變換結晶之雷射光 ^16165 19 1244813 100 從波長變換結晶射出之射出高階波(藉結晶位移器 而移動前) 101 從波長變換結晶射出之射出高階波(藉結晶位移器 而移動後) 20 316165
Claims (1)
1244813 十、申請專利範圍: L 一種波長變換雷射裝置,係具備有: 部配置有上述波長變換結晶,且具有利用:、成:':内 結晶變換波長之波長變換雷射光可射出之二長變換 器,其特徵為:上述波長變換 射出窗的容 於上述波長變換1二=:射出側端面係相對 —(長义換雷射先形成布儒斯特角而傾 合益之射出窗係形成其雷射光射入側之+ ^ 出側之面間的距離朝從上述波長變換結晶=射=射 變換雷射光之傾斜方向縮短的稜鏡形狀。 之/長 2. 請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置,1中,射 固之雷射光射出側的面係相對於通過波 :雷射光之光轴大致垂直,且對於波長變換雷射光:: =換結晶的折射率與射出窗之折射率大致相等,而且 二=波長變換結晶之雷射光的光軸之波長變換 二Γ面的Γ則端面的傾斜角度,與射出窗之雷射光射人 側之面的傾斜角度大致相等。 其中,波 3. 如申請專利範圍苐】項之波長變換雷射裝置 長變換雷射光之波長係在400nm以下。 其中,具 4. 如申請專利範圍第】項之波長變換雷射裝置 備有使波長變、:44τ Θ u 文換、、、口日日之位置移動的移動機構 其中,波 5. 如t請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置’六T Η 晶 ί LlB3〇5、CSL]B6〜或 1腿2〇4 結晶。 瓦磁:W把圍第】項之波長變換雷射裝置,其中,波 i义、、、D BB之射出側端面未施以無反射塗層。
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