(57)【要約】【課題】簡素な構成で、非線形光学結晶の寿命を短くすることなく基本波レーザ光から第３高調波レーザ光への変換効率を高め、高出力が得られる第３高調波発生レーザ装置及び第３高調波発生方法を提供する。【解決手段】基本波レーザ光の光軸上に、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光を発生させるＳＨＧ結晶４と、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とから第３高調波レーザ光を発生させる第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６と、基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について９０％以上の反射率を有する３波長反射ミラーと、を設ける。ＳＨＧ結晶４は第２高調波レーザ光を往復２方向で発生させ、第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６は夫々波長変換により第３高調波レーザ光を発生させる。【選択図】図１
2008226931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を含み基本波レーザ光を発生させる基本波発振器と、前記基本波レーザ光から第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と前記第２高調波レーザ光とから第３高調波レーザ光を発生させる第１及び第２の第３高調波非線形光学結晶と、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について所定の反射率を有する３波長反射ミラーと、を有し、前記３波長反射ミラーと、前記第１の第３高調波非線形光学結晶と、前記第２高調波非線形光学結晶と、前記第２の第３高調波非線形光学結晶と、が前記基本波レーザ光の光軸上に順次直列に配置されていることを特徴とする第３高調波発生レーザ装置。
【請求項２】
前記３波長反射ミラーの反射率は、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について９０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の第３高調波発生レーザ装置。
【請求項３】
前記３波長反射ミラーは、前記基本波発振器の一部を構成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の第３高調波発生レーザ装置。
【請求項４】
更に、前記基本波レーザ光の光軸上において前記レーザ媒質と前記第２の第３高調波非線形光学結晶との間に設けられ前記第３高調波レーザ光を他の波長のレーザ光から分離させる第３高調波分離光学系を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の第３高調波発生レーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の第３高調波発生レーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の第３高調波発生レーザ装置。
【請求項７】
基本波発振器により基本波レーザ光を発生させ、この基本波レーザ光から第２高調波非線形光学結晶により第２高調波レーザ光を発生させ、前記基本波レーザ光と前記第２高調波レーザ光とから第３高調波非線形光学結晶により第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波発生方法において、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について所定の反射率を有する３波長反射ミラーと、第１の前記第３高調波非線形光学結晶と、前記第２高調波非線形光学結晶と、第２の前記第３高調波非線形光学結晶と、を前記基本波レーザ光の光軸上に順次直列に配置することにより、前記３波長反射ミラーで反射された往復の光路において前記第３高調波レーザ光を発生させることを特徴とする第３高調波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ装置及びレーザ光の発生方法に関し、特に、高出力の和周波レーザ光を発生させる第３高調波発生レーザ装置及び第３高調波発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
第３高調波（ＴＨＧ：Third Harmonic Generation）レーザ光を発生するレーザ装置はレーザ加工装置及びレーザ直描装置等の分野において、その光源として広く用いられている。また、第３高調波レーザ光を得る方法については、以下のように非線形光学結晶を使用する方法が広く知られている。即ち、基本波レーザ発振器により発生させた基本波レーザ光を非線形光学結晶に入射して、波長変換により第２高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）レーザ光を発生させる。そして、基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光を非線形光学結晶に入射することにより、和周波の波長変換により第３高調波を発生させる方法である。以下、基本波光から第２高調波光を発生させる非線形光学結晶をＳＨＧ結晶と称し、基本波光及び第２高調波光から第３高調波光を発生させる非線形光学結晶をＴＨＧ結晶と称する。
【０００３】
近年、このような第３高調波発生レーザ装置に対して高出力化の要求が高まっている。第３高調波発生レーザ装置は従来から種々提案されており、例えば特許文献１に示すような構成が知られている。即ち、レーザ媒質とミラーとにより基本波レーザ発振器を構成し、これにより発振させた基本波レーザ光の光軸上にＳＨＧ結晶及びＴＨＧ結晶を夫々配置するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５０９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構成はＳＨＧ結晶とＴＨＧ結晶とを１個ずつ直列に配置する構成であるため、第３高調波レーザ光は１方向のみの波長変換でしか発生しない。そのため、基本波レーザ光から第３高調波レーザ光への変換効率は最大４０％程度にとどまっていた。この場合に、第３高調波レーザ光を更に高出力化しようとすると、基本波レーザ光の出力を増やす必要があるため、レーザ装置が大型化しコストが増加するという問題点があった。また、基本波から第３高調波への変換効率を高めるためには、ＴＨＧ結晶に入射するレーザビーム径をきわめて小さくする必要がある。換言すれば、ＴＨＧ結晶に入射するレーザ光のパワー密度を高める必要がある。これにより、ＴＨＧ結晶の寿命が短くなるため、ランニングコストが増加するという問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、簡素な構成で、非線形光学結晶の寿命を短くすることなく基本波レーザ光から第３高調波レーザ光への変換効率を高め、高出力が得られる第３高調波発生レーザ装置及び第３高調波発生方法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】
【０００７】
本発明に係る第３高調波発生レーザ装置は、レーザ媒質を含み基本波レーザ光を発生させる基本波発振器と、前記基本波レーザ光から第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と前記第２高調波レーザ光とから第３高調波レーザ光を発生させる第１及び第２の第３高調波非線形光学結晶と、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について所定の反射率を有する３波長反射ミラーと、を有し、前記３波長反射ミラーと、前記第１の第３高調波非線形光学結晶と、前記第２高調波非線形光学結晶と、前記第２の第３高調波非線形光学結晶と、が前記基本波レーザ光の光軸上に順次直列に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明においては、２個のＴＨＧ結晶を用いて、３波長反射ミラーで反射される基本波及び第２高調波レーザ光を往復の光路で第３高調波レーザ光に変換する。これにより、基本波から第３高調波への変換効率が高くなるため、高出力の第３高調波レーザ光を得ることができる。また、従来のレーザ装置と同一の変換効率で比較すると、ＴＨＧ結晶に入射するレーザビーム径を大きくすることができるため、ＴＨＧ結晶を長寿命化することができる。更に、ＳＨＧ結晶を２個のＴＨＧ結晶の間に配置することにより、２個のＴＨＧ結晶に供給される第２高調波レーザ光を１個のＳＨＧ結晶で発生させることができる。
【０００９】
この場合に、前記３波長反射ミラーの反射率は、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について９０％以上であるように構成することが望ましい。
【００１０】
また、前記３波長反射ミラーは、前記基本波発振器の一部を構成していてもよい。
【００１１】
更にまた、前記基本波レーザ光の光軸上において前記レーザ媒質と前記第２の第３高調波非線形光学結晶との間に設けられ前記第３高調波レーザ光を他の波長のレーザ光から分離させる第３高調波分離光学系を有することとしてもよい。
【００１２】
更にまた、前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧであるように構成することができる。
【００１３】
更にまた、前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４であるように構成することができる。
【００１４】
本発明に係る第３高調波発生方法は、基本波発振器により基本波レーザ光を発生させ、この基本波レーザ光から第２高調波非線形光学結晶により第２高調波レーザ光を発生させ、前記基本波レーザ光と前記第２高調波レーザ光とから第３高調波非線形光学結晶により第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波発生方法において、前記基本波、第２高調波及び第３高調波レーザ光の夫々について所定の反射率を有する３波長反射ミラーと、第１の前記第３高調波非線形光学結晶と、前記第２高調波非線形光学結晶と、第２の前記第３高調波非線形光学結晶と、を前記基本波レーザ光の光軸上に順次直列に配置することにより、前記３波長反射ミラーで反射された往復の光路において前記第３高調波レーザ光を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡素な構成で、非線形光学結晶の寿命を短くすることなく基本波レーザ光から第３高調波レーザ光への変換効率を高め、高出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の第３高調波発生レーザ装置を示す構成図である。
【００１７】
図１に示すように、レーザ媒質１が設けられており、その両側には、基本波レーザ光を全反射する基本波全反射ミラー２と、３波長反射ミラー３とが設けられている。これらのレーザ媒質１、基本波全反射ミラー２及び３波長反射ミラー３は基本波発振器を構成している。レーザ媒質１としては、例えばＮｄ：ＹＡＧが用いられる。３波長反射ミラー３は、基本波、第２高調波及び第３高調波の３波長のレーザ光を反射するミラーである。３波長反射ミラー３の反射率は、上記の３波長について第３高調波への変換効率の面から高い方が好ましく、例えば夫々９０％以上である。
【００１８】
この基本波発振器内において、レーザ媒質１と３波長反射ミラー３との間に、レーザ媒質１に近い順にＴＨＧ分離光学系７、第２のＴＨＧ結晶６、ＳＨＧ結晶４及び第１のＴＨＧ結晶５が設けられている。これらは全て基本波レーザ光の光軸上に配置されている。ここで、ＳＨＧ結晶４は基本波レーザ光を波長変換して第２高調波レーザ光を発生させる非線形光学結晶であり、第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６は基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とを波長変換して和周波である第３高調波レーザ光を発生させる非線形光学結晶である。また、ＴＨＧ分離光学系７は、３波長のうちの第３高調波レーザ光８のみを分離して外部へ取り出すものであり、例えばプリズムなどである。
【００１９】
次に、本実施形態の動作について説明する。レーザ媒質１、基本波全反射ミラー２及び３波長反射ミラー３で構成される基本波発振器は、その内部で基本波光を発振させる。基本波全反射ミラー２の側からＳＨＧ結晶４に入射する基本波レーザ光は、その一部がＳＨＧ結晶４により第２高調波レーザ光に波長変換され出射される。この第２高調波レーザ光とＳＨＧ結晶４において波長変換されなかった基本波レーザ光とは、第１のＴＨＧ結晶５に入射する。第１のＴＨＧ結晶５は、入射した基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とからその一部を波長変換して第３高調波レーザ光を発生させる。第１のＴＨＧ結晶５から出射された第３高調波レーザ光は、３波長反射ミラー３で反射された後元の光路を戻り、ＴＨＧ分離光学系７を経由して外部へ出力される。
【００２０】
第１のＴＨＧ結晶５で波長変換されなかった基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光は、３波長反射ミラー３で反射されて元の光路を戻る。基本波レーザ光は、再びＳＨＧ結晶４においてその一部が第２高調波レーザ光に波長変換される。ここで波長変換されなかった基本波及び第２高調波レーザ光は、第２のＴＨＧ結晶６に入射し第３高調波レーザ光に波長変換される。変換された第３高調波レーザ光は、第１のＴＨＧ結晶５で発生した第３高調波レーザ光と同様に、ＴＨＧ分離光学系７を経由して外部へ出力される。
【００２１】
本実施形態においては、３波長反射ミラー３により基本波、第２高調波及び第３高調波のレーザ光を反射し、第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６により往復の光路で第３高調波レーザ光への波長変換が行われる。このため、基本波レーザ光を効率よく第３高調波光に変換することができ、第３高調波レーザ光の高出力化を図ることができる。ここで、ＳＨＧ結晶４を第１のＴＨＧ結晶５と第２のＴＨＧ結晶６との間に配置することにより、往復２方向の第２高調波レーザ光を１個のＳＨＧ結晶４で発生させることができる。
【００２２】
また、本実施形態においては、ＴＨＧ結晶を２個使用しているが、同じ出力の従来のレーザ装置と比べて装置を小型化することができるため、製造コストを低く抑えることが可能となる。更に、第３高調波への変換効率が高くなるため、従来のレーザ装置と同じ出力とすると第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６に入射するレーザビーム径が大きくなる。これにより、第１のＴＨＧ結晶５及び第２のＴＨＧ結晶６に入射するレーザ光のエネルギ密度が小さくなるため、ＴＨＧ結晶を長寿命化することができる。従って、レーザ装置のランニングコストを低く抑えることができる。
【００２３】
なお、本実施形態ではレーザ媒質をＮｄ：ＹＡＧとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、レーザ媒質はＮｄ：ＹＶＯ４であってもよく、また他の媒質であってもよい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態の第３高調波発生レーザ装置を示す構成図である。なお、図２について以下に示す事項以外は第１の実施形態と同様であるので、図２において、図１と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２５】
本実施形態において、図２に示すように基本波部分反射ミラー９はレーザ媒質１を挟んで基本波全反射ミラー２と向かい合うように設けられている。これらのレーザ媒質１、基本波全反射ミラー２及び基本波部分反射ミラー９は基本波発振器を構成している。この基本波発振器の外側で基本波部分反射ミラー９を透過する基本波レーザ光の光軸上に、基本波部分反射ミラー９に近い順にＴＨＧ分離光学系７、集光レンズ１０、第２のＴＨＧ結晶６、ＳＨＧ結晶４、第１のＴＨＧ結晶５及び３波長凹面反射ミラー１１が設けられている。３波長凹面反射ミラー１１は、基本波、第２高調波及び第３高調波の３波長のレーザ光を反射する凹面鏡である。３波長凹面反射ミラー１１の反射率は、基本波レーザ光、第２高調波レーザ光及び第３高調波レーザ光の夫々について高い方が好ましく、例えば夫々９０％以上である。
【００２６】
次に、本実施形態の動作について説明する。上記の基本波発振器は、その内部で基本波レーザ光を発振させる。発振した基本波レーザ光は、基本波部分反射ミラー９からその一部が透過し基本波発振器の外部へ出射される。出射された基本波レーザ光は、ＴＨＧ分離光学系７及び集光レンズ１０を経由して第２のＴＨＧ結晶６に入射する。その後、上述の第１実施形態と同様にＳＨＧ結晶４及び第２のＴＨＧ結晶６により第３高調波光への波長変換が行われる。その後、３波長凹面反射ミラー１１により３波長のレーザ光は夫々反射され、ＳＨＧ結晶４及び第２のＴＨＧ結晶６により復路での第３高調波光への波長変換が行われる。そして、第３高調波レーザ光８は、ＴＨＧ分離光学系７により他の波長のレーザ光と分離され外部へ出力される。本実施形態における効果は、上述の第１の実施形態と同様である。
【００２７】
以上、本発明の好適な実施形態を図面につき説明したが、具体的な構成は上述の各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る第３高調波発生レーザ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る第３高調波発生レーザ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１；レーザ媒質
２；基本波全反射ミラー
３；３波長反射ミラー
４；ＳＨＧ結晶
５；第１のＴＨＧ結晶
６；第２のＴＨＧ結晶
７；ＴＨＧ分離光学系
８：第３高調波レーザ光
９；基本波部分反射ミラー
１０；集光レンズ
１１；３波長凹面反射ミラー
【図１】
2008226931.tif 000003
【図２】
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