WO2014034567A1 - レーザ光源 - Google Patents

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crystal
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重博 長能
角井　素貴
耕田　浩
忍 玉置
靖臣 金内
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住友電気工業株式会社
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    • H01S3/1308—Stabilisation of the polarisation

Definitions

  • the present invention relates to a laser light source.
  • a laser light source used for laser processing or the like a laser light source to which an anti-reflection element ISO (Isolator) is attached is known.
  • an anti-reflection element ISO Isolator
  • the Faraday rotation crystal constituting the ISO for example, a TGG (Tb 3 Ga 5 O 12 ) crystal or a TSAG (Tb 3 (ScAl) 5 O 12 ) crystal having a positive thermo-optic constant is used.
  • TGG Tb 3 Ga 5 O 12
  • TSAG Tb 3 (ScAl) 5 O 12
  • Methods for controlling changes in beam propagation due to the thermal lens effect of these Faraday rotating crystals are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 describe a thermal lens of a TGG crystal or a TSAG crystal by arranging a DKDP (Deuterated Potassium Dihydrogen Phosphate) crystal having a negative thermo-optic constant on the optical path. A method of compensating for the effect is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a Faraday rotator applicable to ISO and capable of reducing the thermal lens effect.
  • the inventors have found the following problems. That is, when the change in beam propagation is controlled using a DKDP crystal, the following problems may occur.
  • the DKDP crystal is characterized in that it has polarization dependence except for light incident perpendicularly to its optical axis. Therefore, in order to pass randomly polarized laser light (laser light whose polarization direction changes with time) without causing polarization dependence, the propagation axis of the laser light propagating in the crystal and the optical axis of the DKDP crystal Must match.
  • the DKDP crystal is arranged perpendicular to the incident direction of the laser light, the light source element may be damaged by the return light generated at the incident end face of the DKDP crystal.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a laser light source having a structure for effectively suppressing a change in propagation state and a change expansion of a randomly polarized laser beam. It is an object.
  • the parameters that define the propagation state of the laser light include the beam diameter, the beam shape (cross-sectional shape), the position of the beam waist after collimation, and the like.
  • a laser light source includes, as a first aspect, a seed light source, a fiber laser, a collimator lens, an isolator including a Faraday rotation crystal having a positive thermo-optic constant, and a negative A nonlinear optical crystal having a thermo-optic constant is provided.
  • the fiber laser amplifies seed light emitted from the seed light source, for example, pulse light.
  • the collimator lens collimates the laser light emitted from the fiber laser.
  • the isolator has an incident end face on which the laser light collimated by the collimator lens is incident and an emission end face on which the laser light is emitted.
  • the Faraday rotation crystal is disposed between the incident end face and the outgoing end face.
  • the nonlinear optical crystal is disposed on the optical path of laser light propagating between the collimator lens and the isolator, or on the optical path of laser light emitted from the exit end face of the isolator. Further, the nonlinear optical crystal has a first end face (incident end face) on which laser light is incident and a second end face (exit end face) from which the laser light is emitted while facing the first end face.
  • the nonlinear optical crystal is arranged so as to maintain a specific posture.
  • an angle (incident angle) formed between a first propagation axis of laser light incident on the first end face of the nonlinear optical crystal (hereinafter referred to as “propagation axis before incidence”) and a perpendicular to the first end face is obtained.
  • a second propagation axis of laser light propagating in the nonlinear optical crystal (hereinafter referred to as “intracrystal propagation axis”) is greater than 0 ° and less than 90 °, and the optical axis of the nonlinear optical crystal is parallel.
  • the nonlinear optical crystal is arranged so that The propagation axis of the laser light emitted from the emission end face of the nonlinear optical crystal is hereinafter referred to as “post-emission propagation axis”.
  • the angle of the propagation axis of the laser light before incidence is greater than 0 ° and less than 90 ° with respect to the incident end face of the nonlinear optical crystal.
  • the amount of return light to the excitation light source or the like can be reduced or made completely zero.
  • the attitude of the nonlinear optical crystal is set so that the propagation axis of the laser beam in the crystal and the optical axis of the nonlinear optical crystal are parallel, the randomly polarized laser beam passes through the nonlinear optical crystal. Even in this case, the occurrence of polarization dependence can be suppressed (the birefringence phenomenon does not occur with respect to the laser light propagating in the nonlinear optical crystal).
  • the angle formed between the propagation axis before incidence of laser light and the perpendicular to the incident end face of the nonlinear optical crystal is 1 ° or more and 10 ° or less.
  • a propagation axis of laser light in a crystal (a state in which a nonlinear optical crystal is not provided as in the first aspect) Then, the thickness of the nonlinear optical crystal along the optical axis of the nonlinear optical crystal is preferably 5 mm or more and 30 mm or less.
  • the laser light source variably controls the incident position of the laser light on the incident end face of the nonlinear optical crystal.
  • a position control mechanism may be further provided, and nonlinear optics orthogonal to the propagation axis of the laser light in the crystal (in the state where the nonlinear optical crystal is not installed as in the first aspect, the optical axis of the nonlinear optical crystal).
  • the length of one side of the cross section of the crystal is preferably 0.7 mm or more and 20 mm or less.
  • the cross section has a square shape, a rectangular shape, or a first reference shape.
  • the shape is preferably continuously changing along.
  • the shape in which is arranged includes a stepped shape or a comb shape.
  • the nonlinear optical crystal may be arranged in an air atmosphere.
  • the beam diameter of the laser light incident on the incident end face of the nonlinear optical crystal is 0.5 mm or more. Is preferred.
  • the laser light source According to the laser light source according to the present invention, a change in propagation state and a change expansion of the randomly polarized laser light are effectively suppressed.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of a DKDP crystal. These are figures which show the further another example of a DKDP crystal.
  • FIG. 1 is a diagram showing an arrangement and configuration of an ISO (Isolator) used in a general laser light source.
  • an ISO (Isolator) 60 is provided at the rear stage of the light source unit 10A.
  • the light source unit 10A is a part having a main function of a laser light source, a seed light source that emits pulsed light (laser light), a fiber laser as an amplifying means that amplifies the seed light, and a waveform control means that performs waveform control of the pulsed light. Is included.
  • the light source unit 10A and the ISO 60 are connected by a delivery fiber 53, and a collimator lens 55 is also provided in front of the ISO 60.
  • an apparatus for performing laser processing includes a laser light source with high output and high peak power, an external optical system including a condensing optical system, a laser control system, software, and the like.
  • the return light is significant depending on the laser processing object. Therefore, TGG (Tb 3 Ga 5 O 12 ) crystal, TSAG (Tb 3 (ScAl) 5 O 12 ) crystal or the like is used for ISO 60 for the purpose of protecting the laser light source from being damaged by the return light.
  • the ISO 60 has an incident end face 60a on which laser light is incident and an exit end face 60b on which laser light is emitted, and between the incident end face 60a and the exit end face 60b.
  • a Faraday rotation crystal 601 and a birefringence crystal 602 such as the TGG crystal and the TSAG crystal.
  • the beam diameter is enlarged by providing the ISO 60.
  • L1, L2 propagation states
  • thermo-optic constant dn 1 / dT One method for compensating for the thermal lens effect caused by the positive thermo-optic constant dn 1 / dT is to provide a nonlinear optical crystal having a negative thermo-optic constant dn 2 / dT on the optical path of the laser light. . That is, by arranging nonlinear optical crystals having different signs, the thermo-optic constant becomes dn 1 / dT ⁇ dn 2 / dT, and the thermal lens effect is canceled out. Actually, there is no crystal with the opposite sign in which the absolute values of the thermo-optic constants coincide with each other, but a certain amount of compensation is possible by adjusting the crystal length or the like.
  • the DKDP crystal is a nonlinear optical crystal having a physical property value of ⁇ dn 2 / dT, as shown in FIG. 3, the DKDP crystal is a post stage of the delivery fiber 53, and is an ISO 60 using a TGG crystal or a TSAG crystal. It is effective to install in the front stage or the rear stage.
  • 3A shows an example in which the DKDP crystal 70 is arranged at the subsequent stage of the ISO 60
  • FIG. 3B shows an example in which the DKDP crystal 70 is arranged between the collimator lens 55 and the ISO 60.
  • the DKDP crystal 70 has an incident end face 70a through which laser light is entered and an outgoing end face 70b through which laser light is emitted.
  • the above-described method for compensating beam expansion depends on the polarization of the laser light source, and thus is not suitable for a randomly polarized laser light source.
  • an AR-coated (antireflection film) DKDP crystal by using an AR-coated (antireflection film) DKDP crystal, the output power of the laser light from the laser light source can be suppressed even if the ratio of the return light to the emitted light can be suppressed to 0.1% or less.
  • the (light intensity) or peak value is large, the influence is large.
  • the DKDP crystal 70 is disposed so that the incident end face 70a is perpendicular to the propagation axis before incidence of laser light, the light source element may be damaged.
  • the incident surface 70a is used before the laser light is incident.
  • a configuration in which the DKDP crystal 70 is disposed in a state inclined with respect to the propagation axis will be described.
  • FIG. 4 shows a configuration example of a laser light source 1 having a MOPA (Master oscillator power amplifier) structure.
  • the laser light source 1 includes a seed light source 10, a pulse generator 15 (waveform control means), an isolator 20, an optical fiber amplifier (fiber laser) 30, an output connector 50, a delivery fiber 53, and a collimator lens. 55 and ISO60.
  • the pulsed light emitted by controlling the seed light source 10 by the pulse generator 15 is amplified by the optical fiber amplifier 30. For this reason, the repetition frequency of the pulsed light depends on the performance of the pulse generator 15, but can be set in a wide range of several tens of kHz to 1 MHz.
  • the pulse waveform depends on the performance of the pulse generator 15 and the seed light source 10, and a pulse waveform having a plurality of peaks can be generated depending on the oscillation condition of the pulsed light.
  • a configuration in which a YbDF amplifier is inserted as necessary, or a configuration in which a filter for allowing only light of a specific wavelength to pass is applicable.
  • the pulsed light emitted from the seed light source 10 is amplified in the optical fiber amplifier 30 via the isolator 20.
  • the optical fiber amplifying unit 30 includes excitation LDs 31 and 35, optical combiners 33 and 37, YbDF (Yb-doped optical fibers) 41 and 42, and an isolator 43.
  • the light incident on the optical fiber amplifying unit 30 via the isolator 20 is amplified in the YbDF 41 when the pumping light is supplied to the YbDF 41 by the pumping LD 31.
  • the light amplified in the YbDF 41 is further amplified in the YbDF 42 by passing the isolator 43 and then supplying the excitation light to the YbDF 42 by the plurality of excitation LDs 35.
  • the pulsed light from the seed light source 10 is emitted after being amplified by the optical fiber amplifier 30.
  • a YbDF amplifier and a filter can be provided as described above.
  • the DKDP crystal 70 disposed in the subsequent stage of the laser light source 1 will be described. That is, the DKDP crystal 70 is disposed at the position shown in FIG. FIG. 5 shows the crystal orientation and arrangement in the DKDP crystal 70 when the laser beam emitted from the emission end face 60 b of the ISO 60 is perpendicularly incident on the DKDP crystal 70.
  • the DKDP crystal 70 is classified as a tetragonal system and has uniaxial optical anisotropy. Therefore, when the laser light incident on the DKDP crystal 70 is randomly polarized, it is necessary to make the laser light incident along the optical axis of the DKDP crystal 70 so as to have the same refractive index for any polarization. There is.
  • FIG. 5 shows the crystal orientation and arrangement in the DKDP crystal 70 when the laser beam emitted from the emission end face 60 b of the ISO 60 is perpendicularly incident on the DKDP crystal 70.
  • the DKDP crystal 70 is classified as a tetragonal system
  • the DKDP crystal 70 shows the relationship between the randomly polarized laser beam and the optical axis of the DKDP crystal 70, and the optical axis of the DKDP crystal 70 coincides with both the pre-incidence propagation axis and the intra-crystal propagation axis of the laser light. . Since the DKDP crystal 70 is a uniaxial tetragonal system, it has one optical axis and the optical axis coincides with the c-axis (crystal axis).
  • the incident end face 70a of the DKDP crystal 70 is perpendicular to the propagation axis before incidence of the laser light as long as high-power laser light or high-peak laser light is used. In this case, it is considered that the influence of the return light from the incident end face 70a of the DKDP crystal cannot be excluded. Therefore, as shown in FIG. 6, a method of disposing the DKDP crystal 70 in a state where the incident end face 70a is tilted with respect to the propagation axis before incidence of the laser light and eliminating the influence of the return light on the light source element is studied. .
  • DKDP_0 ° is a cube as a premise, and the optical axis (c-axis: G00) of DKDP_0 ° is parallel to the propagation axis before incidence of laser light.
  • c-axis: G00 the optical axis of DKDP_0 ° is parallel to the propagation axis before incidence of laser light.
  • the angle of the c-axis G01 of DKDP crystals 70 ( ⁇ c1) also theta 1 with respect to the incident before propagation axis of the laser beam Just leaning.
  • Incident laser light I in is incident on DKDP_ ⁇ 1 ( ⁇ c1 ) crystal 70 (incident angle of laser light I in is ⁇ 1 ) tilted by ⁇ 1 with respect to the propagation axis before incidence of the incident laser light.
  • the incident laser beam I in is refracted at a refraction angle ⁇ 2 of the equation (1) with respect to the perpendicular of the incident end face 70 a of the DKDP_ ⁇ 1 ( ⁇ c1 ) crystal 70 and propagates in the crystal.
  • FIG. 6C shows a part of the information described in FIG. 6B.
  • the refraction angle ⁇ 2 is derived by the equation (1).
  • the angle ( ⁇ c2 ) of the c-axis (G02) of the DKDP crystal 70 with respect to the normal to the incident end face 70a is adjusted to the same direction as the refraction angle ⁇ 2 .
  • FIG. 7A shows a schematic diagram when the laser light emitted from the ISO 60 is incident on the DKDP crystal 70.
  • the DKDP crystal 70 is installed so that the inclination angle becomes ⁇ crystal with respect to the propagation axis before incidence of laser light (DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c )).
  • DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) the angle ( ⁇ c ) of the c-axis with respect to the perpendicular of the incident end face 70a is the same as the refraction angle ⁇ 2 obtained from the equation (1)
  • the DKDP crystal 70 is arranged.
  • 70 can be a polarization-independent beam expansion compensation element. The same applies to the case where the DKDP crystal 70 is placed in front of the ISO 60 as shown in FIG.
  • the randomly polarized laser light passes through the DKDP crystal 70 arranged as follows, the occurrence of polarization dependence on the laser light is suppressed and the return is returned. Generation of light can also be suppressed.
  • the tilt angle of the incident end face 70a with respect to the propagation axis before laser light incidence (incident angle between the perpendicular to the incident end face 70a and the propagation axis before laser light incidence) ⁇ crystal is 0 ° ⁇ crystal ⁇
  • the 90 ° condition is satisfied, and the in-crystal propagation axis of the laser light propagating through the DKDP crystal 70 and the optical axis (c-axis) of the DKDP crystal 70 are arranged in parallel.
  • the practical range of the inclination angle ⁇ crystal is preferably 1 ° or more and 10 ° or less.
  • the average output of the laser beam is about 20 W, and the repetition frequency is variable from several tens of kHz to 1 MHz.
  • the laser light source 1 can freely control the pulse waveform by the pulse generator 15.
  • the main oscillation wavelength is 1.06 ⁇ m, which is randomly polarized light. 8 to 11 show pulse oscillation characteristics when the repetition frequency is 100 kHz to 1 MHz, the peak value is set to about 80 kW, and the pulse waveform is controlled.
  • FIG. 8 shows the results of controlling the pulse width for various pulse energies while the repetition frequency is constant at 200 kHz and the peak value of the pulsed light (laser light) is constant at about 80 kW.
  • 8A shows the case where the pulse energy is 10 ⁇ J
  • FIG. 8B shows the case where the pulse energy is 50 ⁇ J
  • FIG. 8C shows the case where the pulse energy is 100 ⁇ J.
  • FIG. 9 shows the result of controlling the pulse waveform so that the peak value of the pulsed light is constant about 80 kW and the average output is constant about 20 W for various repetition frequencies.
  • 9A shows a case where the repetition frequency is 500 kHz
  • FIG. 9B shows a case where the repetition frequency is 300 kHz
  • FIG. 9C shows a case where the repetition frequency is 200 kHz.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are examples in which multi-pulses are generated at a repetition frequency of 300 kHz while controlling to different pulse widths.
  • the total pulse energy in FIG. 10A is 61 ⁇ J, and the total pulse energy in FIG. 10B is 59 ⁇ J.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are examples in which multi-pulses are generated at a repetition frequency of 100 kHz while controlling to different pulse widths.
  • the total pulse energy in FIG. 11A is 174 ⁇ J, and the total pulse energy in FIG. 11B is 50 ⁇ J.
  • the pulse interval is 10 ns in any example, but each of FIG. 10 (A), FIG.
  • the pulse interval is displayed as 0.5 ns.
  • the magnification in the figure refers to the magnification of the beam diameter expanded by the thermal lens effect measured at a distance of 1.5 m, and the laser with respect to the beam diameter of low power that does not produce the thermal lens effect with an average output of several hundred mW or less. This is the ratio of the beam diameter when the peak value of light is 80 kW (average output of 16 W or more).
  • an optical measurement system shown in FIGS. 12 and 13 was used for the measurement of the beam diameter.
  • the optical measurement system 100 of FIG. 12 includes a light source unit 10A, an attenuation optical system 80, and a beam profiler 90.
  • the light source unit 10A includes a seed light source 10, a pulse generator 15, an isolator 20, an optical fiber amplifier (fiber laser) 30, and an output connector 50.
  • the laser light emitted from the output connector 50 enters the collimator lens 55 after passing through the delivery fiber 53.
  • the laser light from the collimator lens 55 is emitted from the emission end face 60 b of the ISO 60.
  • a DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal 70 is arranged at the subsequent stage of the ISO 60 in the optical measurement system of FIG.
  • the laser light emitted from the ISO 60 (or DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal 70) is attenuated by the attenuation optical system 80 using, for example, Fresnel reflection until the light intensity reaches a predetermined level. Is done. Then, the laser light attenuated to a predetermined light intensity is incident on the beam profiler 90. Therefore, the beam profiler 90 measures the beam diameter at a point 1.5 m away from the emission end face 60 b of the ISO 60.
  • FIG. 14 (A) shows a beam diameter measurement result of 1.5 m ahead in TGG type ISO using a TGG crystal.
  • the optical measurement system 100 of FIG. 12 is used (that is, a DKDP crystal is not used).
  • the magnification of the beam diameter on the vertical axis in FIG. 14A is the ratio of the beam diameter at the 80 kW peak value of each oscillation condition to the beam diameter at about several hundred mW, that is, low power.
  • six types of typical pulse oscillation conditions (P1 to P6) were prepared, and the beam expansion ratio was investigated in the range of repetition frequencies from 100 kHz to 1 MHz.
  • the crystal arrangement of the light spreading compensation element is DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) described above, the optical measurement system 101 shown in FIG. 13 is used, and other conditions are the same as those in FIG. FIG. 14B shows the measurement results.
  • the DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal 70 By arranging the DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal 70 on the optical path, the magnification of the beam diameter could be suppressed to 110% or less. It is thought that further suppression is possible by optimizing the thickness of the DKDP crystal.
  • the beam diameter of the laser light incident on the incident end face 70a of the DKDP crystal 70 is preferably 0.5 mm or more.
  • the thickness of the DKDP crystal 70 along the propagation axis of the laser beam in the crystal is preferably 5 mm or more and 30 mm or less.
  • the length of one side of the cross section of the DKDP crystal 70 orthogonal to the propagation axis of the laser light in the crystal is preferably 0.7 mm or more and 20 mm or less.
  • FIG. 15 shows the measurement results of the beam profile when the DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal (DKDP crystal 70), which is a light expansion compensation element, is arranged after the TGG type ISO (ISO 60).
  • the left side of FIG. 15 shows a beam profile (in the case of a pulsed light with a low power and a peak value of 80 kW at a repetition frequency of 200 kHz) in a configuration of only TGG ISO (when no DKDP crystal is arranged), and the right side of FIG. It is a beam profile in the case where a DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c) crystal is arranged immediately after the TGG type ISO (when the pulse frequency is low and the peak value is 80 kW at a repetition frequency of 200 kHz).
  • FIG. 16 shows the result of examining the beam propagation characteristics when the DKDP crystal is inserted.
  • TGG ISO pulse peak value 80 kW
  • the beam waist position is shifted to the TGG ISO side compared to the TGG ISO (Low power) (arrow toward the left in FIG. 16), and the waist is contracted ( An arrow heading downward in FIG. 16).
  • the beam propagation changed, and it was found that the beam diameter was greatly expanded at the position where the distance from the TGG type ISO was 1.5 m.
  • the DKDP crystal when a DKDP crystal is arranged in addition to the TGG type ISO (pulse peak value 80 kW), the DKDP crystal has an effect as a compensation element, and the beam propagation is comparable to that of the TGG type ISO (Low power). I understood.
  • the strength of the thermal lens effect appears depending on the combination of various pulse waveforms and ISO, and it has been confirmed that there are various cases regarding the conditions and the light expansion rate at which light expansion occurs.
  • a DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal suppression of light expansion was achieved under all of the light expansion conditions. From the above, it has been clarified that the DKDP_ ⁇ crystal ( ⁇ c ) crystal functions as a light expansion compensation element independent of random polarization.
  • the thermal conductivity in all directions has the same value in a cross section orthogonal to the optical axis (corresponding to the crystal c axis) of the DKDP crystal. That is, assuming that the cross section of the DKDP crystal is the xy plane, the thermal conductivity ⁇ x in the x-axis direction is equivalent to the thermal conductivity ⁇ y in the y-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 17A, in the DKDP crystal 70 having a square cross section, the heat dissipation capability in the x-axis direction and the y-axis direction are equal.
  • the beam expansion compensation ability in the x-axis direction and the y-axis direction are equal.
  • the laser beam is incident on the DKDP crystal 70 along the propagation axis AX
  • the beam shape B in on the incident end face 70a of the DKDP crystal 70 is a perfect circle
  • the laser beam emitted from the exit end face 70b A perfect circle is also maintained in the cross-sectional shape (beam shape B out on the emission end face 70b). Therefore, the DKDP crystal 70 in FIG. 17A makes it possible to compensate for beam expansion while maintaining a perfect circular state of the beam cross-sectional shape.
  • the beam diameter shown in FIG. 17A is shown as an example of a relative size with respect to the crystal size.
  • the beam diameter is e ⁇ 1/2 .
  • the thickness in the x-axis direction is approximately the same as the beam diameter of the incident laser beam (however, there is no power loss of the incident laser beam).
  • the thickness in the y-axis direction is sufficiently larger than the beam diameter of the incident laser light, and other than the incident end face and the outgoing end face in the DKDP crystal 70A. All surfaces or only both surfaces parallel to the yz plane are covered with a material 700 having a higher thermal conductivity than the DKDP crystal 70A.
  • the effective thermal conductivity in the vicinity of the incident region of the laser beam on the incident end surface has a relationship of ⁇ x > ⁇ y .
  • the surrounding material 700 includes, for example, conductive Si rubber, and the relationship between the effective thermal conductivity in the vicinity of the laser light incident region (the thermal conductivity in the x-axis direction of the DKDP crystal 70A covered with Si rubber and y The relationship of the thermal conductivity in the axial direction is ⁇ DKDP + Si x > ⁇ y .
  • the steady heat generation distribution due to laser irradiation in the DKDP crystal 70A becomes a state of spreading in the x-axis direction.
  • the beam expansion compensation capability in the x-axis direction of the DKDP crystal 70A is lower than that in the y-axis direction.
  • the cross-sectional shape of the laser light emitted from the exit end face of the DKDP crystal 70A is x-axis. It becomes an elliptical shape extending in the direction.
  • the periphery of the DKDP crystal 70A is made of a material having a lower conductivity than that of the DKDP crystal 70A or a gas
  • the relationship between the thermal conductivity in the x-axis direction and the thermal conductivity in the y-axis direction of the DKDP crystal 70A is ⁇ x ⁇ y .
  • the thermal conductivity of the air atmosphere is two orders of magnitude smaller than the thermal conductivity of the DKDP crystal 70A
  • the relationship of the effective thermal conductivity in the vicinity of the laser light incident region is ⁇ DKDP + Air x ⁇ y . That is, the heat dissipation capability in the x-axis direction is lower than that in the y-axis direction. As a result, the beam expansion compensation capability in the x-axis direction is improved.
  • the cross-sectional shape of the laser light emitted from the exit end face of the DKDP crystal 70A is y-axis. It becomes an elliptical shape extending in the direction.
  • the ratio of the x-axis and y-axis beam expansion compensation capabilities can be controlled by the z-axis crystal thickness, the shape of the xy plane (the cross section of the DKDP crystal), and the surrounding material. is there.
  • the cross-sectional shape of the DKDP crystal is not limited to the above-described square or rectangle.
  • a shape in which a plurality of rectangular regions are arranged along the y axis (second reference axis) so that rectangular regions having different thicknesses along the x axis (first reference axis) are adjacent to each other FIG. 18B ), FIG. 19A
  • a shape in which the thickness along the x-axis continuously changes along the y-axis see FIG. 19B).
  • the ratio of the beam expansion compensation capability in the x-axis direction and the beam expansion compensation capability in the y-axis direction can be freely adjusted by changing the laser light incident position to the DKDP crystal by making the cross-sectional shape of the DKDP crystal arbitrary.
  • the length of one side of the cross section of the DKDP crystal is preferably 0.7 mm or more and 20 mm or less.
  • FIG. 18A shows a positioning stage (position control mechanism) 800 for adjusting the incident position of the laser light on the DKDP crystal.
  • the positioning stage 800 includes a first stage 801 on which a DKDP crystal is installed, a second stage 802 that holds the first stage in a movable state, and a column portion 803 that holds the second stage 803 in a movable state. At least.
  • the first stage 801 is movable along the y-axis (horizontal direction S) relative to the second stage 802 with the DKDP crystal 70B installed.
  • the second stage 802 is movable along the x-axis (vertical direction H) with respect to the support column 803 while holding the first stage 801.
  • FIG. 18A shows a positioning stage (position control mechanism) 800 for adjusting the incident position of the laser light on the DKDP crystal.
  • the positioning stage 800 includes a first stage 801 on which a DKDP crystal is installed, a second stage 802 that holds the first stage in a mov
  • a structure for moving the DKDP crystal 70B on the xy plane is shown as a part of the positioning stage 800.
  • the positioning stage 800 moves the column portion 803 along the z axis.
  • a mechanism for tilting the support column 803 with respect to the x-axis is shown as a part of the positioning stage 800.
  • FIG. 18B is a diagram showing another example of the DKDP crystal, and the cross section of the DKDP crystal 70B shown in FIG. 18B has a plurality of thicknesses in the x-axis direction that vary along the y-axis direction. It has a structure in which rectangular regions I to III are arranged.
  • the region I is a rectangular region whose thickness in the x-axis direction is ⁇ 1 and the thickness in the y-axis direction is ⁇
  • the region II is a rectangular region whose thickness in the x-axis direction is ⁇ 2 and whose thickness in the y-axis direction is ⁇
  • Region III is a rectangular region having a thickness of ⁇ 3 in the x-axis direction and a thickness of ⁇ in the y-axis direction.
  • the outer peripheral surface of the DKDP crystal 70B is covered with a material having low thermal conductivity, or is exposed to an air atmosphere.
  • the incident beam shapes B in1 , B in2 , and B in3 in the regions I to III are drawn with dimensions relative to the crystal plate size, and are merely examples.
  • the effective thermal conductivity near the incident beam region in the region II and the region III is ⁇ DKDP + Air x2 ⁇ y1 , ⁇ DKDP + Air x3 ⁇ ⁇ y1 , and ⁇ DKDP + Air x3 ⁇ DKDP + Air x2 holds. That is, in the region I, the beam expansion compensation ability in the x-axis direction and the y-axis direction is equivalent, but the light is incident on the regions II and III having different ratios (aspect ratios) between the length in the x-axis direction and the length in the y-axis direction.
  • the beam expansion compensation capability in the x-axis direction in the region III is higher than that in the region II, even when the incident beam diameter to the DKDP crystal is a perfect circle, the beam shape emitted from the DKDP crystal is as shown in FIG. It becomes an ellipse crushed in the x-axis direction as follows. Note that the measurement position of the beam shape in FIG. 18C is, for example, the emission end face 70b of the DKDP crystal 70B (immediately after the emission of the laser light).
  • FIGS. 19A and 19B show still another example of the cross-sectional shape of the DKDP crystal.
  • DKDP crystal 70C shown in FIG. 19 (a) the thickness of the x-axis direction is prepared
  • DKDP crystal plate is beta 1, obtained by cutting by dry etching or dicing saw or the like (FIG. 19 ( The predetermined shape shown in A) can be realized).
  • a predetermined ⁇ is obtained while controlling the cutting depth as in ⁇ ′ 2 and ⁇ ′ 3. Cut while shifting by about the blade width in the y-axis direction until a width of 'is obtained.
  • the region IV and the region V equivalent to the region II and the region III in FIG. 18B are obtained.
  • the region IV is a rectangular region whose thickness in the x-axis direction is ⁇ ′ 2 and the thickness in the y-axis direction is ⁇ ′
  • the region V is ⁇ ′ 3 whose thickness in the x-axis direction is ⁇ ′ 3 and the thickness in the y-axis direction is ⁇ ′. This is a rectangular area.
  • the effective thermal conductivity in the vicinity of the incident beam region in the region IV and the region V is ⁇ DKDP + Air x4 ⁇ y1 , ⁇ DKDP + Air x5 ⁇ y1 , and the relationship of ⁇ DKDP + Air x5 ⁇ DKDP + Air x4 is established. Note that in order to realize the cross-sectional shape as shown in FIG. 19A, it is possible to cope with bonding of DKDP crystals having different crystal thicknesses, but handling becomes difficult at a minute size. If the above method is used, the handling problem is solved.
  • the periphery of the crystal excluding the entrance surface and the exit surface may be exposed to an air atmosphere other than the portion held by the stage or the like, or may be covered with conductive Si rubber.
  • a plurality of types having different aspect ratios can be obtained from a single DKDP crystal plate as the shape of the laser incident region. That is, with the positioning stage 800 shown in FIG. 18A, the laser incident position on the DKDP crystal is controlled to be scanned in the in-plane direction, so that the compensation capability in the x-axis direction and the compensation in the y-axis direction are related to beam expansion. The ability ratio can be easily changed. Therefore, due to the influence of the distortion of the beam shape (cross-sectional shape) inherent to the laser light source, the shape of the crystal constituting the ISO and the defects existing inside, the shape of the DKDP crystal and the defects existing inside, the holding method of the DKDP crystal, etc.
  • SYMBOLS 1 Laser light source, 10 ... Seed light source, 15 ... Pulse generator, 20, 43 ... Isolator, 30 ... Optical fiber amplifier (fiber laser), 50 ... Output connector, 60 ... ISO, 70, 70A-70D ... DKDP crystal, 80 ... attenuating optical system, 90 ... beam profiler, 100, 101 ... measuring optical system.

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Abstract

　本発明は、ランダム偏光のレーザ光の伝搬状態の変化抑制が可能なレーザ光源に関する。当該レーザ光源では、レーザ光の進行方向に沿って、正の熱光学定数を有するファラデー回転結晶を含むアイソレータと、負の熱光学定数を有する非線形光学結晶が順に配置される。非線形光学結晶は、入射光の垂直入射を避けた状態で結晶内伝搬光の伝搬軸と当該結晶の光学軸とが平行になるように、配置される。

Description

レーザ光源
　本発明は、レーザ光源に関するものである。
　レーザ加工等に用いられるレーザ光源として、反射防止素子のＩＳＯ(Isolator)が取り付けられたレーザ光源が知られている。このようなレーザ光源において、ＩＳＯを構成するファラデー回転結晶としては、例えば正の熱光学定数を有するＴＧＧ(Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２)結晶、あるいは、ＴＳＡＧ(Ｔｂ３(ＳｃＡｌ)５Ｏ１２)結晶がある。これらファラデー回転結晶の熱レンズ効果によるビーム伝搬の変化を制御する方法が、例えば、特許文献１～２および非特許文献１～２に開示されている。具体的に、特許文献１および非特許文献１～２には、負の熱光学定数を有するＤＫＤＰ(Deuterated Potassium Dihydrogen Phosphate)結晶等を光路上に配置することで、ＴＧＧ結晶あるいはＴＳＡＧ結晶の熱レンズ効果を補償する方法が開示されている。また、特許文献２には、ＩＳＯに適用可能な、熱レンズ効果の低減が可能なファラデー回転子が開示されている。
米国特許出願公開第２０１１／００８０６６３号 特開２００５－２８３６３５号公報
CLEO2006, JThC35 LIGO Laboratory/ LIGO Scientific collaboration, LIGO-T060267-00-D(August20, 2007)
　発明者らは、従来のレーザ光源について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、ＤＫＤＰ結晶を用いてビーム伝搬の変化を制御する場合には、以下の問題が起こる可能性がある。例えば、ＤＫＤＰ結晶は、その光学軸に対して垂直に入射した光以外は偏波依存性を生じるという特徴がある。そのため、偏波依存性を生じさせずにランダム偏光のレーザ光（時間経過とともに偏光方向が変化するレーザ光）を通過させるには、結晶内を伝搬するレーザ光の伝搬軸とＤＫＤＰ結晶の光学軸とを一致させることが必要である。その一方で、ＤＫＤＰ結晶をレーザ光の入射方向に対して垂直に配置した場合には、ＤＫＤＰ結晶の入射端面で生じる戻り光により光源要素を損傷させる可能性がある。
　本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、ランダム偏光のレーザ光の伝搬状態の変化や変化拡大を効果的に抑制するための構造を備えたレーザ光源を提供することを目的としている。なお、レーザ光の伝搬状態を規定するパラメータには、ビーム径、ビーム形状（断面形状）、コリメート後のビームウエストの位置などが含まれる。
　上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ光源は、第１の態様として、種光源と、ファイバレーザと、コリメータレンズと、正の熱光学定数を有するファラデー回転結晶を含むアイソレータと、負の熱光学定数を有する非線形光学結晶を備える。ファイバレーザは、種光源から出射された、たとえばパルス光などの種光を増幅する。コリメータレンズは、ファイバレーザから出射されたレーザ光をコリメートする。アイソレータは、コリメータレンズによりコリメートされたレーザ光が入射される入射端面と、レーザ光が出射される出射端面を有する。なお、当該アイソレータにおいて、ファラデー回転結晶は、入射端面と出射端面との間に配置される。非線形光学結晶は、コリメータレンズとアイソレータとの間を伝搬するレーザ光の光路上、または、アイソレータの出射端面から出射されたレーザ光の光路上に配置される。また、非線形光学結晶は、レーザ光が入射される第１の端面（入射端面）と、第１の端面に対向するとともにレーザ光が出射される第２の端面（出射端面）を有する。特に、この第１の態様において、非線形光学結晶は、特定の姿勢を維持するよう配置されている。すなわち、当該非線形光学結晶の第１の端面に入射されるレーザ光の第１の伝搬軸（以下、「入射前伝搬軸」という）と第１の端面に対する垂線とのなす角（入射角）が０°より大きく９０°未満であり、かつ、当該非線形光学結晶内を伝搬するレーザ光の第２の伝搬軸（以下、「結晶内伝搬軸」という）と当該非線形光学結晶の光学軸とが平行になるように、当該非線形光学結晶は配置されている。なお、非線形光学結晶の出射端面から出射されたレーザ光の伝搬軸を、以下、「出射後伝搬軸」という。
　上記第１の態様に係るレーザ光源によれば、非線形光学結晶の入射端面に対してレーザ光の入射前伝搬軸の角度が０°より大きく９０°未満となっているため、種光源やファイバレーザ内の励起光源などへの戻り光の光量を低減あるいは完全にゼロにさせられる。さらに、レーザ光の結晶内伝搬軸と非線形光学結晶の光学軸とが平行になるよう、当該非線形光学結晶の姿勢が設定されているため、ランダム偏光のレーザ光が当該非線形光学結晶内を通過する場合であっても、偏波依存性の発生が抑制され得る（非線形光学結晶内を伝搬するレーザ光に対して複屈折現象は発生しない）。
　上記第１の態様に適用可能な第２の態様として、レーザ光の入射前伝搬軸と非線形光学結晶の入射端面に対する垂線とのなす角は、１°以上１０°以下であるのがより好ましい。
　上記第１および第２の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第３の態様として、レーザ光の結晶内伝搬軸（上記第１の態様のように非線形光学結晶が設置されていない状態では当該非線形光学結晶の光学軸）に沿った、非線形光学結晶の厚みは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるのが好ましい。なお、上記第１～第２の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第４の態様として、当該レーザ光源は、非線形光学結晶の入射端面上におけるレーザ光の入射位置を可変に制御する位置制御機構をさらに備えてもよく、レーザ光の結晶内伝搬軸（上記第１の態様のように非線形光学結晶が設置されていない状態では当該非線形光学結晶の光学軸）に直交する、非線形光学結晶の断面の一辺の長さは、０．７ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であるのが好ましい。特に、この第４の態様において、非線形光学結晶の断面上の互いに直交する軸を第１の基準軸および第２の基準軸とするとき、当該断面の形状は、正方形、長方形、第１の基準軸に沿った厚みが異なる矩形部分が隣接するように第２の基準軸に沿って複数の矩形部分が配置された形状、あるいは、第１の基準軸に沿った厚みが第２の基準軸に沿って連続的に変化する形状であるのが好ましい。具体的には、上記第４の態様に適用可能な第５の態様として、第１の基準軸に沿った厚みが異なる矩形部分が隣接するように第２の基準軸に沿って複数の矩形部分が配置された形状は、階段状の形状または櫛型形状を含む。
　上記第１～第５の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第６の態様として、非線形光学結晶の外周面のうち少なくとも一部は、導電性シリコーンで覆われているのが好ましい。一方、上記第１～第５の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第７の態様として、非線形光学結晶は、空気雰囲気中に配置されてもよい。
　さらに、上記第１～第７の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第８の態様として、非線形光学結晶の入射端面に入射されるレーザ光のビーム径は、０．５ｍｍ以上であるのが好ましい。
　本発明に係るレーザ光源によれば、ランダム偏光のレーザ光の伝搬状態の変化や変化拡大が効果的に抑制される。
は、一般的なレーザ光源で用いられるＩＳＯの配置および構成を示す図である。 は、ＩＳＯの熱レンズ効果によるビーム伝搬について説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶の配置の例を示す図である。 は、ＭＯＰＡ構成のレーザ光源の構成を説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶とランダム偏光との関係について説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶の配置について説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶とＩＳＯの配置の関係について説明するための図である。 は、ビーム拡大倍率についての実施例を示す図（その１）である。 は、ビーム拡大倍率についての実施例を示す図（その２）である。 は、ビーム拡大倍率についての実施例を示す図（その１）である。 は、ビーム拡大倍率についての実施例を示す図（その２）である。 は、ビームプロファイルの測定光学系を示す図（その３）である。 は、ビームプロファイルの測定光学系（ＤＫＤＰ結晶が配置された場合）を示す図である。 は、パルス発振条件とビーム拡光倍率との関係を示す図である。 は、ＤＫＤＰ結晶を配置の有無に対応するビームプロファイルの違いを示す図である。 は、ＤＫＤＰ結晶を配置の有無に対応するビーム伝搬について説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶の断面形状とビーム径の拡大抑制との関係について説明するための図である。 は、ＤＫＤＰ結晶の他の例を示す図である。 は、ＤＫＤＰ結晶のさらに他の例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。以下の説明では、まず従来の構成について説明し、その構成における問題点を示した後に、本願発明における実施形態を説明する。
　図１は、一般的なレーザ光源で用いられるＩＳＯ（Isolator）の配置および構成を示す図である。図１（Ａ）に示されたように、ＩＳＯ（Isolator）６０は、光源部１０Ａの後段に設けられる。光源部１０Ａは、レーザ光源の主機能を有する部分であり、パルス光（レーザ光）を出射する種光源、種光を増幅する増幅手段としてのファイバレーザ、パルス光の波形制御を行う波形制御手段が含まれる。なお、光源部１０ＡとＩＳＯ６０との間は、デリバリーファイバ５３により接続され、さらにＩＳＯ６０の前段にはコリメータレンズ５５も設けられている。
　一般的にレーザ加工を行う装置には、大出力や高ピークパワーのレーザ光源、集光光学系を含む外部光学系、レーザ制御系、ソフトウェア等が含まれる。レーザ加工の加工対象物によっては戻り光が顕著である。そのため、戻り光によるレーザ光源破損を保護する目的で、ＩＳＯ６０には、ＴＧＧ（Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）結晶、あるいは、ＴＳＡＧ（Ｔｂ３（ＳｃＡｌ）５Ｏ１２）結晶等が用いられる。なお、ＩＳＯ６０は、図１（Ｂ）に示されたように、レーザ光が入射される入射端面６０ａとレーザ光が出射される出射端面６０ｂを有するとともに、入射端面６０ａと出射端面６０ｂとの間に配置された、上記ＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶などのファラデー回転結晶６０１、複屈折結晶６０２を有する。
　ここで、光源部１０Ａからのレーザ光の出力パワーやピーク値の増大とともにＩＳＯにおける熱レンズ効果の影響が顕著に表れ、レーザ光の伝搬状態（ビーム径やビームの断面形状など）が変化する。この点について図２で説明する。ＩＳＯ６０として用いられるＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶は熱光学定数ｄｎ１／ｄＴが正の符号を有している。そのため、これらファラデー回転結晶の熱レンズ効果により凸形状のグリンレンズ（ＧＲＩＮ）と同様に、レーザ光の伝搬状態が変更される。この結果、ＩＳＯ６０があることによりビーム伝搬はＬ１からＬ２へ変化し、ＩＳＯ６０後のビームウエスト位置は図２のＷαからＷβへシフトすることになる。そして、図２に示されたたように、測定点Ｐで両者を比較すると、ＩＳＯ６０が設けられることで、ビーム径が拡大する。このように異なる伝搬状態（Ｌ１，Ｌ２）のレーザ光をレンズで集光した場合、入射波面が異なるため焦点位置の変動等が生じ、精密なレーザ加工には大きな問題となる。
　正の熱光学定数ｄｎ１／ｄＴに起因する熱レンズ効果を補償する方法の一つに、負の熱光学定数ｄｎ２／ｄＴを有する非線形光学結晶を、レーザ光の光路上に設ける方法がある。すなわち、符号の異なる非線形光学結晶を配置することにより、熱光学定数はｄｎ１／ｄＴ－ｄｎ２／ｄＴとなり、熱レンズ効果が相殺される。実際には熱光学定数の絶対値が一致している逆符号の結晶は存在しないが、結晶長さ等を調整することで、ある程度の補償は可能である。例えば、ＤＫＤＰ結晶は－ｄｎ２／ｄＴの物性値を有する非線形光学結晶であるため、図３に示されたように、デリバリーファイバ５３の後段であって、ＴＧＧ結晶またはＴＳＡＧ結晶を用いたＩＳＯ６０の前段または後段に設置することは有効である。なお、図３（Ａ）では、ＩＳＯ６０の後段にＤＫＤＰ結晶７０が配置された例を示し、図３（Ｂ）は、コリメータレンズ５５とＩＳＯ６０との間にＤＫＤＰ結晶７０が配置された例を示す。また、ＤＫＤＰ結晶７０は、レーザ光が入社される入射端面７０ａとレーザ光が出射される出射端面７０ｂを有する。
　しかしながら、上記のビーム拡光を補償する方法はレーザ光源の偏光に依存するため、ランダム偏光のレーザ光源には不向きであった。また、ＡＲコート（反射防止膜）されたＤＫＤＰ結晶を用いることで、出射光に対する戻り光の割合が０．１％以下となるように抑制できたとしても、レーザ光源からのレーザ光の出力パワー（光強度）やピーク値が大きい場合には、その影響が大きい。特に、レーザ光の入射前伝搬軸に対して入射端面７０ａが垂直となるようにＤＫＤＰ結晶７０が配置されると、光源要素を破損させる可能性があった。
　そこで、以下の実施形態では、ランダム偏光のレーザ光を出射するレーザ光源においてもビーム拡大を抑制しつつレーザ光源内への戻り光の影響を回避する方法として、入射面７０ａをレーザ光の入射前伝搬軸に対して傾斜させた状態でＤＫＤＰ結晶７０を配置する構成について説明する。
　図４には、ＭＯＰＡ（Master oscillator power amplifier）構造のレーザ光源１の構成例が示されている。図４に示されたように、レーザ光源１は、種光源１０、パルスジェネレータ１５（波形制御手段）、アイソレータ２０、光ファイバ増幅部（ファイバレーザ）３０、出力コネクタ５０、デリバリーファイバ５３、コリメータレンズ５５及びＩＳＯ６０を備える。パルスジェネレータ１５により種光源１０をコントロールして出射されたパルス光は、光ファイバ増幅部３０において増幅される。このため、パルス光の繰り返し周波数は、パルスジェネレータ１５の性能に依存するが、数十ｋＨｚから１ＭＨｚ程度の広い範囲で設定することができる。また、パルス波形は、パルスジェネレータ１５及び種光源１０の性能に依存し、パルス光の発振条件によっては、複数のピークを有したパルス波形を生成することが可能である。図４中の領域４５では、必要に応じてＹｂＤＦ増幅器が挿入された構成や、特定の波長の光のみを通過させるためのフィルタが挿入された構成も適用可能である。
　種光源１０から出射されたパルス光は、アイソレータ２０を経て光ファイバ増幅部３０において増幅される。図４に示されたレーザ光源１において、光ファイバ増幅部３０は、励起用ＬＤ３１，３５、光コンバイナ３３，３７、ＹｂＤＦ（Ｙｂ添加光ファイバ）４１，４２、アイソレータ４３により構成されている。アイソレータ２０を経て光ファイバ増幅部３０に入射した光は、励起用ＬＤ３１により励起光がＹｂＤＦ４１に供給されることで該ＹｂＤＦ４１において増幅される。さらに、ＹｂＤＦ４１において増幅された光は、アイソレータ４３を経た後に、複数の励起用ＬＤ３５により励起光がＹｂＤＦ４２に供給されることで、ＹｂＤＦ４２においてさらに増幅される。このように、種光源１０からのパルス光は、光ファイバ増幅部３０において増幅された後に出射される。なお、ＹｂＤＦ４１とアイソレータ４３との間に設けられている領域４５では、上述のようにＹｂＤＦ増幅器やフィルタを設けることも可能である。
　次に、このレーザ光源１の後段に配置されるＤＫＤＰ結晶７０について説明する。すなわち、ＤＫＤＰ結晶７０は、図３（Ａ）に示された位置に配置される。図５では、ＩＳＯ６０の出射端面６０ｂから出射されたレーザ光がＤＫＤＰ結晶７０に垂直に入射した場合の、ＤＫＤＰ結晶７０における結晶方位と配置を示す。ＤＫＤＰ結晶７０は正方晶系に分類され、一軸性の光学異方性を有している。そのために、ＤＫＤＰ結晶７０へ入射されるレーザ光がランダム偏光である場合、いずれの偏波に対しても同じ屈折率となるように、ＤＫＤＰ結晶７０の光学軸に沿ってレーザ光を入射させる必要がある。図５には、ランダム偏光のレーザ光とＤＫＤＰ結晶７０の光学軸の関係を示しており、レーザ光の入射前伝搬軸および結晶内伝搬軸の双方ともＤＫＤＰ結晶７０の光学軸は一致している。なお、ＤＫＤＰ結晶７０は、一軸性の正方晶系であるため、一つの光学軸を有するとともに、その光学軸はｃ軸（結晶軸）と一致している。
　なお、ＤＫＤＰ結晶７０にＡＲコートが付与されたとしても、大出力レーザ光や高ピークレーザ光を利用している限り、ＤＫＤＰ結晶７０の入射端面７０ａがレーザ光の入射前伝搬軸に対して垂直であると、ＤＫＤＰ結晶の入射端面７０ａからの戻り光の影響は排除できないと考えられる。そこで、図６に示されたように、入射端面７０ａをレーザ光の入射前伝搬軸に対して傾けた状態でＤＫＤＰ結晶７０を配置し、戻り光による光源要素への影響を無くす方法を検討する。図６（Ａ）～（Ｃ）では、前提としてＤＫＤＰ＿０°は立方体であり、ＤＫＤＰ＿０°の光学軸（ｃ軸：Ｇ００）は、レーザ光の入射前伝搬軸と平行である。次に、図６（Ａ）に示されるように、ＤＫＤＰ結晶７０の角度をレーザ光の入射前伝搬軸に対してθ１度傾けた場合をＤＫＤＰ＿θ１（θｃ１）とする。この場合、ＤＫＤＰ結晶７０をθ１だけレーザ光の入射前伝搬軸に対して傾けたので、ＤＫＤＰ結晶７０のｃ軸Ｇ０１の角度（θｃ１）もレーザ光の入射前伝搬軸に対してθ１だけ傾いている。
　次に、図６（Ｂ）を用いて、ＤＫＤＰ＿θ１（θｃ１）に波長λ１のレーザ光が入射された場合について説明する。入射レーザ光Ｉｉｎを、該入射レーザ光の入射前伝搬軸に対してθ１だけ傾けられたＤＫＤＰ＿θ１（θｃ１）結晶７０（レーザ光Ｉｉｎの入射角がθ１）に入射させる。この場合、スネルの法則に従い、入射レーザ光Ｉｉｎは、ＤＫＤＰ＿θ１（θｃ１）結晶７０の入射端面７０ａの垂線に対して式（１）の屈折角θ２で屈折し結晶内を伝搬する。
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　ＤＫＤＰ結晶７０から出射される出射レーザ光Ｉｏｕｔと入射レーザ光Ｉｉｎとの間には、ＤＫＤＰ結晶７０厚さ（レーザ光の結晶内伝搬軸に沿った厚み）に依存したオフセット（入射前伝搬軸と出射後伝搬軸とのずれ）が生じるが、出射レーザ光Ｉｏｕｔは入射レーザ光Ｉｉｎと平行に出射される。ここで重要な点として、ＤＫＤＰ結晶７０のｃ軸は、屈折したレーザ光がＤＫＤＰ＿θ１（θ２）結晶７０内を伝搬している結晶内伝搬軸と一致または平行である必要がある。すなわち、図６（Ｂ）に示されたように、ＤＫＤＰ＿θ１（θｃ２）結晶７０の光学軸は、ランダム偏光のレーザ光の結晶内伝搬軸と一致または平行である必要がある。図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）に記載された情報のうち一部を抜き出したものである。ここで、ＤＫＤＰ＿θ１（θ２）結晶７０に角度θ１でレーザ光が入射された場合、屈折角θ２は式（１）により導かれる。ここで、ＤＫＤＰ結晶７０のｃ軸（Ｇ０２）の、入射端面７０ａの垂線に対する角度（θｃ２）は、屈折角θ２と同じ向きに調整される。
　図７（Ａ）に、ＩＳＯ６０から出射されたレーザ光がＤＫＤＰ結晶７０に入射された場合の概略図を示す。ＤＫＤＰ結晶７０の入射端面７０ａや出射端面７０ｂからのフレネル反射を防ぐために、ＤＫＤＰ結晶７０は、レーザ光の入射前伝搬軸に対して傾き角がθｃｒｙｓｔａｌになるよう設置される（ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)）。このとき、入射端面７０ａの垂線に対するｃ軸の角度（θｃ）が式（１）から求められた屈折角θ２と同じ角度となるようにＤＫＤＰ結晶７０を配置をすることで、当該ＤＫＤＰ結晶７０は、偏光無依存のビーム拡光補償素子と成り得る。このことは、図７（Ｂ）に示されたように、ＤＫＤＰ結晶７０がＩＳＯ６０の前段に設置された場合も同様である。
　このように、幾何光学的観点からは、以下のように配置されたＤＫＤＰ結晶７０をランダム偏光のレーザ光が通過することで、該レーザ光に対する偏波依存性の発生が抑制されるとともに、戻り光の発生も抑制され得る。なお、ＤＫＤＰ結晶７０は、レーザ光の入射前伝搬軸に対する入射端面７０ａの傾斜角（入射端面７０ａに対する垂線とレーザ光の入射前伝搬軸とのなす入射角）θｃｒｙｓｔａｌが０°＜θｃｒｙｓｔａｌ＜９０°の条件を満たし、かつ、ＤＫＤＰ結晶７０中を伝搬するレーザ光の結晶内伝搬軸とＤＫＤＰ結晶７０の光学軸（ｃ軸）とが平行となるように、配置される。
　しかしながら、傾斜角θｃｒｙｓｔａｌ（入射角）が０°付近では戻り光パワーが透過光パワーに比べ大きくなる。また、ランダム偏光においても同等の戻り光パワー（ｓ波、ｐ波いずれも同等の透過光パワー）で、かつ、垂直反射を避ける必要がある。そのため、現実的な傾斜角θｃｒｙｓｔａｌの範囲としては、１°以上１０°以下であることが好ましい。
　ここで、図４に示されたＭＯＰＡ型レーザ光源１を用いた上記実施形態の実施例を示す。このとき、レーザ光の平均出力は２０Ｗ程度とし、繰り返し周波数は数十ｋＨｚから１ＭＨｚに可変である。また、レーザ光源１は、パルスジェネレータ１５によりパルス波形を自在に制御することができる。また、メインの発振波長は１．０６μｍであり、ランダム偏光である。図８～図１１は、繰り返し周波数は１００ｋＨｚ～１ＭＨｚとし、ピーク値を８０ｋＷ程度となるように設定し、パルス波形を制御したときのパルス発振特性を示す。
　図８は、繰り返し周波数を２００ｋＨｚ一定、パルス光（レーザ光）のピーク値を約８０ｋＷ一定とした上で、種々のパルスエネルギーについてパルス幅を制御した結果を示す。なお、図８（Ａ）はパルスエネルギーが１０μＪの場合、図８（Ｂ）はパルスエネルギーが５０μＪの場合、図８（Ｃ）はパルスエネルギーが１００μＪの場合を示す。図９は、パルス光のピーク値を約８０ｋＷ一定とし、種々の繰り返し周波数について平均出力がおよそ２０Ｗ一定となるようにパルス波形を制御した結果を示す。なお、図９（Ａ）は繰り返し周波数が５００ｋＨｚの場合、図９（Ｂ）は繰り返し周波数が３００ｋＨｚの場合、図９（Ｃ）は繰り返し周波数が２００ｋＨｚの場合を示す。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、それぞれ異なるパルス幅に制御しながら繰り返し周波数３００ｋＨｚでマルチパルスを生成した例である。図１０（Ａ）の全パルスエネルギーは６１μＪ、図１０（Ｂ）の全パルスエネルギーは５９μＪである。また、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、それぞれ異なるパルス幅に制御しながら繰り返し周波数１００ｋＨｚでマルチパルスを生成した例である。図１１（Ａ）の全パルスエネルギーは１７４μＪであり、図１１（Ｂ）の全パルスエネルギーは５０μＪである。なお、マルチパルス生成時は、８パルスでいずれの例でもパルス間隔は１０ｎｓであるが、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）のぞれぞれでは、パルス間隔は０．５ｎｓで表示されている。このように、ＭＯＰＡ型レーザ光源１は、パルスジェネレータ１５を独立して制御することができることから、様々なパルス波形を生成させられる。なお、図中の倍率とは、１．５ｍ先で計測した熱レンズ効果により拡大したビーム径の倍率を指し、平均出力が数百ｍＷ以下の熱レンズ効果が生じないＬｏｗパワーのビーム径に対するレーザ光のピーク値を８０ｋＷ（平均出力１６Ｗ以上）としたときのビーム径の比率である。このビーム径の測定には図１２と図１３に示す光学測定系を用いた。
　図１２の光学測定系１００では、光源部１０Ａ、減衰光学系８０及びビームプロファイラ９０が含まれる。光源部１０Ａには、種光源１０、パルスジェネレータ１５、アイソレータ２０、光ファイバ増幅部（ファイバレーザ）３０及び出力コネクタ５０が含まれる。出力コネクタ５０から出射されたレーザ光は、デリバリーファイバ５３を通過した後にコリメータレンズ５５に入射される。そして、コリメータレンズ５５からのレーザ光はＩＳＯ６０の出射端面６０ｂから出射される。また、図１３の光学測定系１０１では、図１２の光学測定系において、ＩＳＯ６０の後段にＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶７０が配置されている。いずれの測定光学系１００、１０１においても、ＩＳＯ６０（又はＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶７０）から出射されたレーザ光は、例えばフレネル反射を用いた減衰光学系８０により所定の光強度となるまで減衰される。そして、所定の光強度に減衰されたレーザ光がビームプロファイラ９０に入射される。したがって、ビームプロファイラ９０は、ＩＳＯ６０の出射端面６０ｂから１．５ｍ離れた地点でのビーム径を測定している。
　ここで、図１４（Ａ）にＴＧＧ結晶を用いたＴＧＧ型ＩＳＯにおける１．５ｍ先のビーム径測定結果を示す。この測定は、図１２の光学測定系１００が利用される（すなわち、ＤＫＤＰ結晶は用いていない）。図１４（Ａ）における縦軸のビーム径の拡大倍率とは、各発振条件の８０ｋＷピーク値でのビーム径と、数百ｍＷ程度、すなわちＬｏｗパワーでのビーム径の比率である。また、代表的なパルス発振条件を６種類（Ｐ１～Ｐ６）用意し、ビーム拡光率は、繰り返し周波数１００ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲で調査された。その結果、低周波側で拡大倍率が増大するケース、２００～３００ｋＨｚでピークが現れるケース、周波数増大に伴って拡大倍率が増加するケースの主に３タイプの拡光条件が観察された。図１４（Ａ）の結果から、パルス波形に依存して熱レンズ効果が変わっていることが分かる。このケースにおいては、最大で１６０％の拡光率が得られた。その他の条件においては、２００％を超える場合もあった。すなわち、ＴＧＧ型ＩＳＯを用いることで、ビーム径の変化が生じていることが確認された。
　次に、ＴＧＧ型ＩＳＯによって生じた熱レンズ効果によるビーム伝搬の変化に対して、ＤＫＤＰ結晶を用いて補償する検証実験について説明する。拡光補償素子の結晶配置は、前述したＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θc)とし、図１３に示された光学測定系１０１を用い、他の条件は図１４（Ａ）と同様である。図１４（Ｂ）はその測定結果を示す。ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶７０を光路上に配置することにより、ビーム径の拡大倍率を１１０％以下に抑制することができた。ＤＫＤＰ結晶の厚さを最適化することにより、さらに抑制することが可能であると考えられる。
　なお、ＤＫＤＰ結晶７０の入射端面７０ａに入射されるレーザ光のビーム径は、０．５ｍｍ以上であるのが好ましい。また、レーザ光の結晶内伝搬軸に沿った、ＤＫＤＰ結晶７０の厚みは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるのが好ましい。さらに、レーザ光の結晶内伝搬軸に直交する、ＤＫＤＰ結晶７０の断面の一辺の長さは、０．７ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であるのが好ましい。
　図１５では、ＴＧＧ型ＩＳＯ（ＩＳＯ６０）の後段に拡光補償素子であるＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶（ＤＫＤＰ結晶７０）を配置した場合と配置しない場合のビームプロファイルの測定結果を示す。図１５の左側は、ＴＧＧ型ＩＳＯのみ（ＤＫＤＰ結晶を配置しない場合）の構成におけるビームプロファイル（繰り返し周波数２００ｋＨｚで、Ｌｏｗパワーのパルス光とピーク値８０ｋＷの場合）を示し、図１５の右側は、ＴＧＧ型ＩＳＯの直後にＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶が配置された構成におけるビームプロファイル（繰り返し周波数２００ｋＨｚで、Ｌｏｗパワーのパルス光とピーク値８０ｋＷの場合）である。図１５から分かるように、ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶を配置することによりビーム拡光は抑制されるとともに、Ｌｏｗパワーと同様の真円度を得ることが確認された。このことから、ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶を用いることにより、高いビーム品質を保持しつつ抑制できることが確認された。
　さらに、ＤＫＤＰ結晶が挿入された場合のビーム伝搬特性を調べた結果を図１６に示す。ＴＧＧ型ＩＳＯ（パルスピーク値８０ｋＷ）は、ＴＧＧ型ＩＳＯ（Ｌｏｗパワー）に比べてビームウエスト位置がＴＧＧ型ＩＳＯ側へシフトし（図１６の左方へ向かう矢印）、ウエストが収縮している（図１６の下方へ向かう矢印）。その結果ビーム伝搬が変化し、ＴＧＧ型ＩＳＯからの距離が１．５ｍとなる位置では、ビーム径が大幅に拡大していることが分かった。一方、ＴＧＧ型ＩＳＯに加えてＤＫＤＰ結晶を配置した場合（パルスピーク値８０ｋＷ）では、ＤＫＤＰ結晶が補償素子としての効果が働き、ＴＧＧ型ＩＳＯ（Ｌｏｗパワー）と同程度のビーム伝搬であることが分かった。
　以上のように、様々なパルス波形とＩＳＯの組み合わせにより熱レンズ効果の強弱が現れ、拡光が発生する条件及び拡光率に関して種々のケースがあることが確認された。これに対して、ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶を用いることにより、それら全ての拡光条件において拡光の抑制を達成することが確認できた。以上のことから、ＤＫＤＰ_θｃｒｙｓｔａｌ(θｃ)結晶は、ランダム偏光無依存の拡光補償素子として機能することが明らかになった。
　次に、ＤＫＤＰ結晶の断面形状とビーム径の拡大抑制との関係について説明するための図である。
　ＤＫＤＰ結晶は正方晶系であるため、当該ＤＫＤＰ結晶の光学軸（結晶ｃ軸に一致）に直交する断面において全方向の熱伝導率は同じ値を有する。すなわち、ＤＫＤＰ結晶の断面をｘ－ｙ平面と仮定すれば、ｘ軸方向の熱伝導率σxは、ｙ軸方向の熱伝導率σyと等価である。したがって、図１７（Ａ）に示されたように断面が正方形のＤＫＤＰ結晶７０では、ｘ軸方向およびｙ軸方向における放熱能力は同等である。この場合、ＤＫＤＰ結晶７０において、ｘ軸方向およびｙ軸方向のビーム拡大の補償能力は等しい。例えば、レーザ光が伝搬軸ＡＸに沿ってＤＫＤＰ結晶７０に入射される場合、当該ＤＫＤＰ結晶７０の入射端面７０ａ上におけるビーム形状Ｂｉｎが真円であれば、出射端面７０ｂから出射されるレーザ光の断面形状（出射端面７０ｂ上におけるビーム形状Ｂｏｕｔ）も真円が維持される。そのため、図１７（Ａ）のＤＫＤＰ結晶７０は、ビーム断面形状の真円状態を保持しつつビーム拡大を補償することを可能にする。なお、図１７（Ａ）に示されたビーム径は、結晶サイズに対する相対的なサイズの一例として示されている。また、ビーム径はｅ－１／２とする。
　なお、図１７（Ａ）に示されたＤＫＤＰ結晶７０では、ｘ軸方向の厚みは入射レーザ光のビーム径と同程度（但し、入射レーザ光のパワーロスが無い状態）である。これに対して、図１７（Ｂ）に示されたＤＫＤＰ結晶７０Ａでは、ｙ軸方向の厚みは入射レーザ光のビーム径に比べて十分に大きく、当該ＤＫＤＰ結晶７０Ａにおける入射端面と出射端面以外の全ての面、あるいは、ｙ―ｚ平面に平行な両面のみが、当該ＤＫＤＰ結晶７０Ａよりも高い熱伝導率を有した材料７００で覆われている。この場合、入射端面上におけるレーザ光の入射領域付近の実効熱伝導率は、σｘ＞σｙの関係が成り立つ。周囲の材料７００には、例えば、導電性Ｓｉゴムが挙げられ、レーザ光の入射領域付近の実効熱伝導率の関係（Ｓｉゴムで覆われたＤＫＤＰ結晶７０Ａのｘ軸方向の熱伝導率とｙ軸方向の熱伝導率の関係）は、σＤＫＤＰ＋Ｓｉ ｘ＞σｙである。この条件下では、ｘ軸方向の放熱能力はｙ軸方向のそれに比べて高いために、ＤＫＤＰ結晶７０Ａ内でのレーザ照射による定常的な発熱分布はｘ軸方向に拡がった様相となる。その結果、ＤＫＤＰ結晶７０Ａのｘ軸方向のビーム拡大補償能力は、ｙ軸方向のそれに比べて低くなる。ただし、伝搬軸ＡＸに沿って入射されるレーザ光のビーム形状がＤＫＤＰ結晶７０Ａの入射端面上において真円であっても、ＤＫＤＰ結晶７０Ａの出射端面から出射されるレーザ光の断面形状はｘ軸方向に伸びた楕円形状となる。
　一方、ＤＫＤＰ結晶７０Ａの周囲を当該ＤＫＤＰ結晶７０Ａよりも低い導電率を有した材料、あるいは気体とした場合、ＤＫＤＰ結晶７０Ａにおけるｘ軸方向の熱伝導率とｙ軸方向の熱伝導率の関係はσｘ＜σｙとなる。例えば、ＤＫＤＰ結晶７０Ａの周囲を空気雰囲気とした場合（空気雰囲気の熱伝導率はＤＫＤＰ結晶７０Ａの熱伝導率に比べて２桁小さい）、レーザ光の入射領域付近の実効熱伝導率の関係（空気雰囲気中のＤＫＤＰ結晶７０Ａのｘ軸方向の熱伝導率とｙ軸方向の熱伝導率の関係）は、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ＜σｙとなる。すなわち、ｘ軸方向の放熱能力はｙ軸方向のそれに比べて低下する。その結果、ｘ軸方向のビーム拡大補償能力が向上することになる。ただし、伝搬軸ＡＸに沿って入射されるレーザ光のビーム形状がＤＫＤＰ結晶７０Ａの入射端面上において真円であっても、ＤＫＤＰ結晶７０Ａの出射端面から出射されるレーザ光の断面形状はｙ軸方向に伸びた楕円形状となる。
　このように、ｚ軸の結晶厚みとともに、ｘ－ｙ平面（ＤＫＤＰ結晶の断面）の形状、および周囲を覆う材料により、ｘ軸およびｙ軸のビーム拡大補償能力の比率を制御することが可能である。
　なお、ＤＫＤＰ結晶の断面形状は、上述のような正方形や長方形には限定されない。例えば、ｘ軸（第１の基準軸）に沿った厚みが異なる矩形領域が隣接するようにｙ軸（第２の基準軸）に沿って複数の矩形領域が配置された形状（図１８（Ｂ）、図１９（Ａ）参照）、あるいは、ｘ軸に沿った厚みがｙ軸に沿って連続的に変化する形状（図１９（Ｂ）参照）であってもよい。ＤＫＤＰ結晶の断面形状を任意の形状とし、ＤＫＤＰ結晶へのレーザ光入射位置を変更することにより、ｘ軸方向のビーム拡大補償能力とｙ軸方向のビーム拡大補償能力の比率を自在に調整できる。この場合、ＤＫＤＰ結晶の断面の一辺の長さは、０．７ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であるのが好ましい。
　図１８（Ａ）は、ＤＫＤＰ結晶へのレーザ光の入射位置を調整するための位置決めステージ（位置制御機構）８００を示す。この位置決めステージ８００は、ＤＫＤＰ結晶が設置される第１ステージ８０１と、第１ステージを移動可能な状態で保持する第２ステージ８０２と、第２ステージ８０３を移動可能な状態で保持する支柱部８０３を、少なくとも備える。第１ステージ８０１は、ＤＫＤＰ結晶７０Ｂが設置された状態で、第２ステージ８０２に対してｙ軸（水平方向Ｓ）に沿って移動可能である。第２ステージ８０２は、第１ステージ８０１を保持した状態で、支柱部８０３に対してｘ軸（垂直方向Ｈ）に沿って移動可能である。図１８（Ａ）では、位置決めステージ８００の一部として、ｘ－ｙ面上においてＤＫＤＰ結晶７０Ｂを移動させるための構造が示されているが、位置決めステージ８００は、支柱部８０３をｚ軸に沿って移動させるための機構、更には、支柱部８０３をｘ軸に対して傾けるための機構も含まれる。
　以下、ｘ－ｙ面（ＤＫＤＰ結晶の断面）でのレーザ光入射領域付近の実効熱伝導率の異方性制御について説明する。
　図１８（Ｂ）は、ＤＫＤＰ結晶の他の例を示す図であり、図１８（Ｂ）に示されたＤＫＤＰ結晶７０Ｂの断面は、ｙ軸方向に沿ってｘ軸方向の厚みが異なる複数の矩形領域I～IIIが配置された構造を有する。すなわち、領域Iは、ｘ軸方向の厚みがβ１、ｙ軸方向の厚みがαの矩形領域、領域IIは、ｘ軸方向の厚みがβ２、ｙ軸方向の厚みがαの矩形領域、領域IIIは、ｘ軸方向の厚みがβ３、ｙ軸方向の厚みがαの矩形領域である。なお、ＤＫＤＰ結晶７０Ｂの外周面は熱伝導率の低い材質で覆われるか、あるいは、空気雰囲気にさらされる。また、図１８（Ｂ）において、領域I～IIIにおける入射ビーム形状Ｂｉｎ１、Ｂｉｎ２、Ｂｉｎ３は、結晶板サイズと相対的な寸法で描かれており、一例にすぎない。領域Iにおける熱伝導率σｘ１とσｙ１は、α＝β１であるため等しい（σｘ１＝σｙ１）。一方、領域II、領域IIIは、α＞β２＞β３の関係であるため、領域IIおよび領域IIIにおける入射ビーム領域付近の実効熱伝導率は、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ２＜σｙ１、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ３＜σｙ１であり、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ３＜σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ２の関係が成り立つ。すなわち、領域Iではｘ軸方向およびｙ軸方向のビーム拡大補償能力は等価であるが、ｘ軸方向の長さとｙ軸方向の長さの比（アスペクト比）の異なる領域II、領域IIIへ入射することにより、ｘ軸方向のビーム拡光補償能力が向上する。領域IIIのｘ軸方向のビーム拡大補償能力は、領域IIに比べて高いため、ＤＫＤＰ結晶への入射ビーム径が真円であっても、ＤＫＤＰ結晶から出射したビーム形状は、図１８（Ｃ）のようにｘ軸方向に潰れた楕円となる。なお、図１８（Ｃ）のビーム形状の測定位置は、例えば、ＤＫＤＰ結晶７０Ｂの出射端面７０ｂ（レーザ光の出射直後）である。
　さらに、図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）に、ＤＫＤＰ結晶における断面形状の更に他の例を示す。図１９（a）に示されたＤＫＤＰ結晶７０Ｃは、ｘ軸方向の厚さがβ１であるＤＫＤＰ結晶板を用意し、ドライエッチングやダイシングソー等で切削加工することで得られる（図１９（Ａ）に示された所定の形状が実現できる）。なお、ダイシングソーを用いる場合、図１８（Ｂ）の領域IIおよび領域IIIと同等の形状を作製するには、γ’2、γ’3のように切削深さをコントロールしつつ、所定のα’の幅が得られるまでｙ軸方向にブレード幅程度毎にずらしながら切削する。また、深さ方向のコントロールには、必要に応じて多段切削をしても構わない。上記手法を用いることで、図１８（Ｂ）の領域IIおよび領域IIIと等価な領域IVおよび領域Vが得られる。なお、領域IVは、ｘ軸方向の厚みがβ’ ２、ｙ軸方向の厚みがα’の矩形領域、領域Vは、ｘ軸方向の厚みがβ’ ３、ｙ軸方向の厚みがα’の矩形領域である。領域IVおよび領域Vにおける入射ビーム領域付近の実効熱伝導率は、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ４＜σｙ１、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ５＜σｙ１であり、σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ５＜σＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘ４の関係が成り立つ。なお、図１９（Ａ）に示されたような断面形状を実現するためには異なる結晶厚のＤＫＤＰ結晶の張り合わせでも対応できるが、微小サイズではハンドリングが難しくなる。上記手法を用いれば、ハンドリングの問題は解消される。なお、入射面と出射面を除いた結晶周囲は、ステージ等に保持される箇所以外は空気雰囲気中にさらされるか、あるいは、導電性を有したＳｉゴムで覆われてもよい。
　この手法は、レーザ入射領域の形状として、アスペクト比の異なる複数種類の形状を一枚のＤＫＤＰ結晶板から得られる。すなわち、図１８（Ａ）に示された位置決めステージ８００で、ＤＫＤＰ結晶へのレーザ入射位置を面内方向に走査制御することで、ビーム拡大に関して、ｘ軸方向の補償能力とｙ軸方向の補償能力の比率を簡便に変更することが可能である。よって、レーザ光源固有のビーム形状（断面形状）の歪み、ＩＳＯを構成する結晶の形状や内部に存在する欠陥、ＤＫＤＰ結晶の形状や内部に存在する欠陥、ＤＫＤＰ結晶の保持方法等の影響により、ビーム形状が真円から崩れてしまう場合において、上記手法を用いることは大変有効である。なお、図１９（Ｂ）に示された楔型形状の断面を有するＤＫＤＰ結晶７０Ｄにおいても、図１９（Ａ）と同様に異方性を有したビーム拡大補償を実現することが可能である。図１９（Ｂ）に示されたＤＫＤＰ結晶７０Ｄは、σｘ１＝σｙ１となる領域IからσＤＫＤＰ＋Ａｉｒ ｘＮ＜σｙ１となるＮ個の領域が、ｙ軸方向に沿って配置された断面構造を有する。また、各領域のｘ軸方向の厚みはｙ軸方向に沿って連続的に変化する一方、ｙ軸方向の厚みはｙ１に設定されている。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。
　１…レーザ光源、１０…種光源、１５…パルスジェネレータ、２０，４３…アイソレータ、３０…光ファイバ増幅部（ファイバレーザ）、５０…出力コネクタ、６０…ＩＳＯ、７０、７０Ａ～７０Ｄ…ＤＫＤＰ結晶、８０…減衰光学系、９０…ビームプロファイラ、１００，１０１…測定光学系。

Claims (8)

  1. 　種光源と、
    　前記種光源から出射されたパルス化種光を増幅するファイバレーザと、
    　前記ファイバレーザから出射されたレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、
    　前記コリメータレンズによりコリメートされた前記レーザ光が入射される入射端面と、前記レーザ光が出射される出射端面を有するアイソレータであって、前記入射端面と前記出射端面との間に配置された、正の熱光学定数を有するファラデー回転結晶を含むアイソレータと、
    　前記コリメータレンズと前記アイソレータとの間を伝搬するレーザ光の光路上、または、前記アイソレータの出射端面から出射されたレーザ光の光路上に配置された、負の熱光学定数を有する非線形光学結晶であって、前記レーザ光が入射される第１の端面と、前記第１の端面に対向するとともに前記レーザ光が出射される第２の端面を有する非線形光学結晶と、
    　を備え、
    　前記非線形光学結晶の前記第１の端面に入射されるレーザ光の第１の伝搬軸と前記第１の端面に対する垂線とのなす角が０°より大きく９０°未満であり、かつ、前記非線形光学結晶内を伝搬するレーザ光の第２の伝搬軸と前記非線形光学結晶の光学軸とが平行になるように、前記非線形光学結晶が配置された
    　ことを特徴とするレーザ光源。
  2. 　前記レーザ光の前記第１の伝搬軸と前記第１の端面に対する垂線とのなす角は、１°以上１０°以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
  3. 　前記レーザ光の前記第２の伝搬軸に沿った、前記非線形光学結晶の厚みは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光源。
  4. 　前記非線形光学結晶の前記第１の端面上における前記レーザ光の入射位置を可変に制御する位置制御機構をさらに備え、
    　前記レーザ光の前記第２の伝搬軸に直交する、前記非線形光学結晶の断面の一辺の長さは、０．７ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、
    　前記非線形光学結晶の前記断面上の互いに直交する軸を第１の基準軸および第２の基準軸とするとき、前記断面の形状は、正方形、長方形、前記第１の基準軸に沿った厚みが異なる矩形部分が隣接するように前記第２の基準軸に沿って複数の矩形部分が配置された形状、あるいは、前記第１の基準軸に沿った厚みが前記第２の基準軸に沿って連続的に変化する形状であることを特徴とする請求項１～３の何れか一項記載のレーザ光源。
  5. 　前記第１の基準軸に沿った厚みが異なる矩形部分が隣接するように前記第２の基準軸に沿って複数の矩形部分が配置された形状は、階段状の形状または櫛型形状を含むことを特徴とする請求項４記載のレーザ光源。
  6. 　前記非線形光学結晶の外周面のうち少なくとも一部は、導電性シリコーンで覆われていることを特徴とする請求項１～５の何れか一項記載のレーザ光源。
  7. 　前記非線形光学結晶は、空気雰囲気中に配置されていることを特徴とする請求項１～５の何れか一項記載のレーザ光源。
  8. 　前記非線形光学結晶の前記第１の端面に入射されるレーザ光のビーム径は、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１～７の何れか一項記載のレーザ光源。
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