(57)【要約】【課題】波長変換装置が設置される場所が航空機など分解調整や交換などの作業を行えない場所である状況であっても、発振器を長期間に亘って使用可能な波長変換装置を提供する。【解決手段】所定波長のレーザ光を反射する共振器を構成する一対のミラー５、６と、この一対のミラー５、６の共振器内に設けられ、入射面から入射された発振波長のレーザ光を変換し変換波長のレーザ光を出射面より出射する非線形光学結晶４と、この非線形光学結晶４の入射面に一方のミラー５から入射されるレーザ光の光路をこのレーザ光の光軸からシフトさせ、出射面から出射される透過光を他方のミラー６へ出射する光路シフト機構１２とを備え、この光路シフト機構１２は、非線形光学結晶４の入射面上に損傷部位が生じた場合、入射面上でこの損傷部位を回避した位置にレーザ光を入射させる。【選択図】図１
2011081075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長のレーザ光を反射する共振器を構成する一対のミラーと、
この一対のミラーの前記共振器内に設けられ、入射面から入射された発振波長のレーザ光を変換し変換波長のレーザ光を出射面より出射する非線形光学結晶と、
この非線形光学結晶の前記入射面に一方のミラーから入射されるレーザ光の光路をこのレーザ光の光軸からシフトさせ、前記出射面から出射される透過光を他方のミラーへ出射する光路シフト機構と、を備え、
この光路シフト機構は、前記非線形光学結晶の入射面上に損傷部位が生じた場合、前記入射面上でこの損傷部位を回避した位置に前記レーザ光を入射させることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記光路シフト機構は、
前記非線形光学結晶を挟んでそれぞれ対向配置され、前記入射面に対して前記一方のミラーからのレーザ光を光軸に傾斜する方向へ出射し、前記出射面からの出射光を前記光軸と平行に前記他方のミラーへ出射する光透過性の一対の平板状光学素子と、
この一対の平板状光学素子を、光軸直交面に対して傾斜させた状態で保持し、回転角度を調整可能な一対の回転ステージと、
これらの回転ステージを回転駆動する駆動手段と、を備え、
この駆動手段は、前記一対の回転ステージを所与の角度、回転させてから停止させ、前記光路をシフトさせることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記一対の平板状光学素子は、
一方の回転ステージに設けられ、前記一方のミラーからのレーザ光を前記光軸直交面に対して傾斜した受光角度で受光する面、およびこの面から入射したレーザ光を前記非線形光学結晶の前記入射面に対して垂直に出射する面を有する第１の光透過性平板と、
他方の回転ステージに設けられ、この第１の光透過性平板から前記非線形光学結晶内を通ってこの非線形光学結晶の前記出射面から出射されたレーザ光を前記受光角度と前記光軸直交面について対称な受光角度で受光する面、およびこの面から入射したレーザ光を前記他方のミラーの面に対して垂直に出射する面を有する第２の光透過光平板と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記光路シフト機構は、
前記一方のミラーから入射されるレーザ光の光軸を含む面および光軸直交面の双方に直交する面上でこの光軸と直交する方向に往復移動可能な直動ステージと、
この直動ステージを変位駆動する駆動手段と、を備え、
この駆動手段は、前記直動ステージを所与の距離だけ移動させてから停止させ、前記光路をシフトさせることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の波長変換装置として、非線形光学効果により波長変換したレーザ光を発生させる光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：オプティカル  パラメトリック  オシレータ）が知られている。
【０００３】
図４は従来の波長変換装置の構成図である。波長変換装置５０は励起光５６を受光し波長変換を行ってＯＰＯ出力光５７を出射する光パラメトリック発振器である。波長変換装置５０は、波長変換結晶５１と、この波長変換結晶５１を挟んで共振器を構成する全反射ミラー５２及び出力ミラー５３と、励起用のレーザ発振器５４と、集光用の集光レンズ５５とを用いる。
【０００４】
全反射ミラー５２は励起光５６に対して透過量を最大にし、共振器での発振によって発生するＯＰＯ光５７に対し反射量を最大にさせるミラーである。出力ミラー５３は反射率が例えば８０％の部分反射ミラーであり、共振器での発振により発生するレーザ光の数十％例えば２０％を透過させる。
【０００５】
励起光５６は全反射ミラー５２側から集光レンズ５５により集光され波長変換結晶５１に入射される。光パラメトリック発振を持続させるために、励起光５６には高いピークパワーと平均出力とを要する。共振器でのレーザ光の強度は出力されるレーザ光の強度よりも大きい。
【０００６】
励起光５６の強度が何らかの原因で突発的に高くなる、あるいは波長変換結晶５１の照射面における光強度の分布が変動し、この照射面上で局所的に光強度が強くなるようなことが起きると、波長変換結晶５１の入射面及び出射面のうち、励起光５６入力側の入射面は損傷を受け、波長変換装置５０は波長変換を行うことが不可能となる。
【０００７】
この場合、損傷部を避けた位置にレーザ光が照射されるように波長変換結晶５１を再配置し、あるいは波長変換結晶５１自体を交換することになる。波長変換装置５０を分解し、波長変換結晶５１を正常の結晶と交換し、構成部品を組立てした後、波長変換装置５０を調整する作業が必要となる。
【０００８】
光学素子の劣化に対する対策として、従来、光学素子に対する入力レーザ光の照射位置を、この入力レーザ光の照射により劣化しない部分に移動させる移動手段を設けたレーザ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２２８２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来技術では、メンテナンスを行えない場所に波長変換装置が設置されている場合、この波長変換装置を分解し、調整することができない。例えば航空機に一旦波長変換装置５０が設置されると、波長変換装置５０を取外し、波長変換結晶５１の位置を調整し直すことは、スケジュール上、及び手続や費用の点で極めて困難かあるいは現実的には行えない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、波長変換装置が設置される場所が航空機など分解調整や交換を行えない場所である状況においても、発振器を長期間に亘って使用することを可能とする波長変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するため、本発明の一態様によれば、所定波長のレーザ光を反射する共振器を構成する一対のミラーと、この一対のミラーの前記共振器内に設けられ、入射面から入射された発振波長のレーザ光を変換し変換波長のレーザ光を出射面より出射する非線形光学結晶と、この非線形光学結晶の前記入射面に一方のミラーから入射されるレーザ光の光路をこのレーザ光の光軸からシフトさせ、前記出射面から出射される透過光を他方のミラーへ出射する光路シフト機構と、を備え、この光路シフト機構は、前記非線形光学結晶の入射面上に損傷部位が生じた場合、前記入射面上でこの損傷部位を回避した位置に前記レーザ光を入射させることを特徴とする波長変換装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、分解調整や交換などの作業を伴わずに、発振器を長期間に亘って使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の構成図である。
【図２】光路がシフトした後の図１の波長変換装置の光路を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の変形例に係る波長変換装置の構成図である。
【図４】従来の波長変換装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る波長変換装置について、図１乃至図３参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係る波長変換装置の構成図である。同図では、２枚の平板部材７、１０の各側面が示されている。波長変換装置１は、例えば波長２μｍのレーザ光を波長変換して波長４μｍのレーザ光を出射する光パラメトリック発振器である。
【００１７】
波長変換装置１は、入力されたレーザ光２を集光する集光レンズ３と、波長２μｍのレーザ光を波長４μｍのレーザ光へ波長変換する機能を有する波長変換結晶４（非線形光学結晶）と、この波長変換結晶４を挟んで設けられ互いに対を成して共振器を構成する全反射ミラー５（一方のミラー）及び出力ミラー６（他方のミラー）と、この全反射ミラー５及び波長変換結晶４の間に集光レンズ３からの光ビームの光軸と交叉して設けられた第１の平行平板７（第１の平板状光学素子）と、出力ミラー６及び波長変換結晶４の間にこの光軸と交叉して設けられた第２の平行平板８（第２の平板状光学素子）とを備える。平行平板７、８はともに光透過性の光学素子であり、材質は例えばガラスである。
【００１８】
更に波長変換装置１は、平行平板７、８が光軸と交叉する各軸芯線を中心としてこれらの平行平板７、８を回転可能に支持する中空の一対の回転ステージ９、１０と、これらの回転ステージ９、１０を所望する回転位置まで回転させてから停止させるステージ駆動装置１１（駆動手段）とを備える。平行平板７、８と、回転ステージ９、１０と、ステージ駆動装置１１とは光路シフト機構１２を構成する。
【００１９】
集光レンズ３は波長２μｍのレーザ光の光ビームを形成する。波長変換結晶４はＺＧＰ（ＺｎＧｅＰ２）等により形成された非線形光学結晶である。波長変換結晶４は直方体の形状を有する。波長変換結晶４は、６面のうちの一面を光ビームが入射される入射面とし、この一面と対向する他の一面を、結晶内を透過させた変換波長のレーザ光を出射させる出射面として組込まれている。
【００２０】
全反射ミラー５は励起光に対し透過量を最大にし、共振器内部での発振により発生するＯＰＯ光に対して反射量を最大にさせるミラーである。つまり全反射ミラー５は、波長２μｍのレーザ光に対して全透過させ、波長４μｍのレーザ光に対して全反射させる。出力ミラー６は反射率が例えば８０％の部分反射ミラーであり、共振器内部での発振により発生する波長４μｍのレーザ光の例えば２０％を透過させる。
【００２１】
一対の平行平板７、８は互いに波長変換結晶４を挟んで対向配置され、平板状に加工形成された光透過性の光学素子である。平行平板７の６面のうち面積の大きい対向２面がそれぞれレーザ光の入射面及びレーザ光の出射面として用いられている。これらの入射面及び出射面は互いに平行に形成されており、入射面及び出射面には、発振波長の光に対して反射を防止するためのコーティングが施されている。
【００２２】
平行平板７は、全反射ミラー５からのレーザ光を光軸直交面に対して傾斜した受光角度で受光する入射面と、この入射面から入射したレーザ光を波長変換結晶４の入射面に対して垂直に出射する出射面とを有する。平行平板８は平行平板７から波長変換結晶４内を通って波長変換結晶４の出射面から出射されたレーザ光を平行平板７の受光角度と光軸直交面について対称な受光角度で受光する入射面と、この入射面から入射したレーザ光を出力ミラー６の面に対して垂直に出射する出射面とを有する。これらの平行平板７、８が一対となって、波長変換結晶４の入射面に対して全反射ミラー５からのレーザ光を光軸に傾斜する方向へ出射し、波長変換結晶４の出射面からの出射光をこの光軸と平行に出力ミラー６へと出射するようになっている。
【００２３】
回転ステージ９、１０は、一対の平行平板７、８を、光軸直交面に対して傾斜させた状態で保持する部材である。回転ステージ９、１０の面は、全反射ミラー５から透過出力するレーザ光の光軸と直交する。回転ステージ９、１０の回転軸は、予めこの光軸とほぼ同軸状にされ、あるいは光軸からややずらされている。これらの回転ステージ９、１０は円環状の枠材あるいは筒状の部材であり、いずれもレーザ光を通過させる中空部を有する。
【００２４】
ステージ駆動装置１１は、図示しないステッピングモータ、ＤＣモータ又はアクチュエータと、動力伝達部材と、モータやアクチュエータへ回転方向、回転量の信号を与えるドライバプログラムを記憶するメモリと、このドライバプログラムを実行するプロセッサとを有する。回転ステージ９、１０には、動力伝達部材を介してモータ等のシャフトから、光軸周りに回転するための駆動力を与えられるようになっている。この駆動力が回転ステージ９、１０に加えられていない間は、回転が停止するようにされている。
【００２５】
また、回転ステージ９には、平行平板７の入射面のあおり角を所望する角度に設定する図示しないあおり機構が設けられている。あおり機構は、一例として、一端部を回転ステージ９の周縁部に固定され、他端部を回転ステージ９の中心側に位置させて外側（全反射ミラー５側）及び内側（波長変換結晶４側）に揺動可能にした板状の台座と、この台座の他端部に対して内側へ向かう復元力を付勢するバネと、この他端部をバネ復元力に抗して状態で回転ステージ９上にねじ込まれたスクリューと、台座に平行平板７を固定するツメ状の係止具とを備える。スクリューのねじ込み度合いを調整することにより、台座の傾きを変え、光軸に対する平行平板７のあおり角度を調整するようにしている。回転ステージ１０にも、平行平板８の入射面のあおり角を設定するための平行平板７の構成と実質同じ構成のあおり機構が設けられる。
【００２６】
ステージ駆動装置１１には、通信インターフェースなどを介して操作用の装置が接続可能にされている。この装置にはアプリケーションプログラムが実装されており、このアプリケーションプログラムに対して所望の回転方向、回転量が人を介して指令されることによって、波長変換装置１の外部から回転ステージ９、１０の回転角度を調節することが可能になっている。このステージ駆動装置１１は、波長変換結晶４の入射面上に損傷部位が生じた場合、回転ステージ９、１０を回転させてレーザ光の光路をシフトさせ、入射面においてこの損傷部位を回避した位置にレーザ光を入射させるようになっている。
【００２７】
上述の構成の波長変換装置１は例えば航空機に搭載され波長変換動作を行う。この波長変換装置１に対して集光レンズ３を介して外部から波長２μｍのレーザ光が入射されると、全反射ミラー５及び出力ミラー６を共振器ミラーとして共振状態となる。波長変換結晶４の２次の非線形光学効果によって波長の異なる２つの信号波光及び補助波光が発生する。これらの光のうちの一方又は両方は出力ミラー６で反射されて光軸上を戻り、全反射ミラー５との間を往復して共振し増幅される。
【００２８】
集光レンズ３によって光ビームが入射面に照射されると、面上のスポット位置の電力パワー密度が高くなる。使い続けると、スポット照射される位置に、針で突いたような傷が生じる。傷の検出は、例えば光強度を検知する強度検知手段を波長変換装置１の出力側に設けておくことによって実行される。強度検知手段の強度検知情報を監視する検出制御手段が予め決めた閾値をレーザ光の検知強度が下回ったことを検出すると、ステージ駆動装置１１に対して、いずれか同じ方向に所定角だけ回転ステージ９、１０を回すように指令する。あるいは一定時間が経過した後、回転ステージ９、１０を回す指令を出力するようにする。
【００２９】
図２は平行平板７、８が回転した後の波長変換装置１での光路を説明するための図である。同図中、上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素を表す。
【００３０】
波長変換結晶４の両端側に設置された２枚の平行平板７、８はともに例えば１８０度程度回転させられる。ステージ駆動装置１１は、回転ステージ９、１０をともに同じ方向に回転させた後これらの回転を止める。回転後の平行平板７、８の位置では、全反射ミラー５から出射されたレーザ光が平行平板７の受光面にて屈折し、この平行平板７の内部を通った屈折光は平行平板７の他の境界面にて屈折して出射され、出射光は波長変換結晶４の入射面に対して垂直に入射する。透過光は、この波長変換結晶４内を通り、出射面から平行平板８に入射する。受光面が全反射ミラー５からのレーザ光の光軸に直交する光軸直交面に対して傾斜した状態で平行平板８は波長変換結晶４から入射された光を受光する。受光面にて屈折した屈折光は再度平行平板８の他の境界面にて屈折して出射される。このようにしてステージ駆動装置１１は光路をシフトさせる。
【００３１】
一例として、波長変換装置１は航空機の分析装置に組込まれる。この分析装置は、出射光を試料ガスが封入された真空容器内に導いてから分子間の相互作用を起こさせる。相互作用により発生するイオンを質量分析計が質量分析することによって、波長４μｍ程度のスペクトルを吸収するという特性を持つ気体物質を特定し、あるいは特定の気体の濃度の分析を行える。
【００３２】
航空機の分析装置に波長変換装置１が一旦据え付けられた後、分解し、レーザ光のスポット位置を変えてから組立てることは、航空機のスケジュール上できない。調整作業を行って光パラメトリック発振器の動作を復活させるためには時間を要する。本実施形態に係る波長変換装置１によれば、航空機に搭載した状態で航空機内の機器操作パネルなどから、光路シフト機構１２の回転量を指定することができ波長変換結晶４を使い続けることが可能となる。
【００３３】
また、複数の異なる波長帯の波長をピークとして含む多波長のレーザ光を発振出力することによって、試料ガスに含まれる複数の種類の気体を特定することもできる。この場合、波長変換装置１を複数段設けることによって複数の異なる波長ピークを有する多波長のレーザ光を出力し、分子間の相互作用の結果得られる結果物質を試料分析することによって上記と同様の分析などに使うことができる。
【００３４】
このように、本実施形態に係る波長変換装置１では、波長変換結晶４が何らかの原因で損傷を受けた場合、光路シフト機構１２が光路をシフトさせ、波長変換結晶４の入射面上で損傷部位を回避した位置にレーザ光を入射させるため、損傷部が避けられ、波長変換装置１を使い続けることができる。ＯＰＯ結晶が何らかの原因で損傷を受けた場合でも、外部制御によって平板素子を回転することができるため、波長変換結晶４の入射位置を変えることができ、損傷部を回避できるようになる。従って波長変換装置１が設置される場所が航空機など分解調整や交換を行えない場所である状況においても、レーザ発振器を長期間に亘って使用することができるようになる。
【００３５】
入射面上の傷のついた部分を避けるよう外的制御によって、損傷部の位置をずらすための具体的手法が提供される。
【００３６】
（変形例）
上記実施形態では、波長変換結晶４の両端に設置した並行平板７、８を使用して励起光の入射位置を変えているが、この代わりに、波長変換結晶４を互いに直交するＸ方向及びＹ方向に直動可能なＸＹステージに設置するよう波長変換装置を構成してもよい。この場合、波長変換装置は、ＸＹ平面が光軸と直交するように、ＸＹステージを設置し、このＸＹステージが波長変換結晶４を移動させるようにする。
【００３７】
図３は本発明の一実施形態の変形例に係る波長変換装置の構成図である。既出の符号はそれらと同じ要素を表す。光路シフト機構１４は、光軸を含む垂直面上で天地方向に往復移動可能な直動ステージ１３と、この直動ステージ１３を所望する距離だけ移動させてから停止させるステージ駆動装置１１とを備えている。直動ステージ１３は、一例として、天地方向に延びる図示しない軌道と、この軌道上で進退可能に案内される転動あるいは摺動用部材とからなり、ステージ駆動装置を構成するモータやアクチュエータからの駆動力によって上下動し、駆動力が加えられない間は停止するようにされている。
【００３８】
このような構成の波長変換装置１Ａに対して集光レンズ３を介して外部からレーザ光が入射されると、全反射ミラー５及び出力ミラー６を共振器ミラーとして共振が起きる。集光レンズ３からの光ビームが波長変換結晶４の入射面に照射され続けた結果、スポット照射される位置に、針で突いたような傷が生じる。傷が検出され、又は一定時間が経過した時点で、上記実施形態の例と同様にステージ駆動装置１１に対して距離情報が指令されるようにする。
【００３９】
図３に示すように、ステージ駆動装置１１は、直動ステージ１３を指令された距離だけ例えば上方向に動かし移動を止める。この位置では、全反射ミラー５から出射されたレーザ光が直接波長変換結晶４の入射面に対して入射する。この波長変換結晶４内を通って、出射面から透過光が出力ミラー６へ入射し、反射されて全反射ミラー５へレーザ光が戻る。その後、反射が繰返されて所望する波長のレーザ光が増幅出力される。このようにしてステージ駆動装置１１は波長変換結晶４をずらしてから光路をシフトさせて、ミラー共振を起こさせる。照射光学系の光軸と、結像光学系の光軸とが相対的にシフトされるようになる。
【００４０】
この変形例に係る波長変換装置によれば、平行平板７、８側を固定して波長変換結晶４側を動かすようにしても光路をシフトさせることができる。
【００４１】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記の実施形態では、一対の平板状光学素子としては例えば光透過性のプリズムレンズを用いてもよい。４μｍの波長は一例であり、異なる波長のレーザ光を波長変換することもでき、強度の大きい特定波長のレーザ光を出力することによってレーザ溶接に使うことも可能である。
【００４２】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１，１Ａ…波長変換装置、２…レーザ光、３…集光レンズ、４…波長変換結晶（非線形光学結晶）、５…全反射ミラー（一方のミラー）、６…出力ミラー（他方のミラー）、７，８…平行平板（平板状光学素子）、９，１０…回転ステージ、１１…ステージ駆動装置（駆動手段）、１２，１４…光路シフト機構、１３…直動ステージ。
【図１】
2011081075.tif 000003
【図２】
2011081075.tif 000004
【図３】
2011081075.tif 000005
【図４】
2011081075.tif 000006