(57)【要約】【課題】短波長光を含む広い帯域の波長光を放出することが出来ると共に、より高い変化効率を有する、高出力波長変換レーザ装置に関する。【解決手段】波長変換レーザ装置は、第１波長を有する励起レーザビームを放出するレーザ発振機１１と、上記励起レーザビームを第１波長より低い第２波長を有するビームに変換する調和波発生部と、第２波長のビームを連続して選択可能な特定波長を有するビームに変換して出力する光パラメトリック発振部１５とを含む。光パラメトリック発振部１５は、上記第２波長から選択によって連続した波長を有する信号波ビームとアイドラ波ビームとを発生させるＯＰＯ結晶１６と、ＯＰＯ結晶１６の出力端に配置され上記信号波ビームから２次調和波ビームを発生させるＳＨＧ結晶１７と、ＯＰＯ結晶１６の入力端とＳＨＧ結晶１７の出力端にそれぞれ配置され上記出力されるビームを増幅させる一対の高反射ミラー１８ａ，１８ｂとを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長を有する励起レーザビームを放出するレーザ発振機と、
前記励起レーザビームを前記第１波長より短い第２波長を有するビームに変換する調和波発生部と、
前記第２波長のビームを連続して選択可能な特定波長を有するビームに変換して出力する光パラメトリック発振部とを含み、
前記光パラメトリック発振部は、前記第２波長から選択によって連続した波長を有する信号波ビームとアイドラ波ビームとを発生させるＯＰＯ結晶と、前記ＯＰＯ結晶の出力端に配置され前記信号波ビームから２次調和波ビームを発生させるＳＨＧ結晶と、前記ＯＰＯ結晶の入力端と前記ＳＨＧ結晶の出力端にそれぞれ配置され前記出力されるビームを増幅させる一対の高反射ミラーとを備えることを特徴とする波長可変レーザ装置。
【請求項２】
前記調和波発生部は、励起レーザビームから２次調和波のビームを発生させる励起レーザビーム用ＳＨＧ結晶と、前記２次調和波のビームから３次調和波のビームを発生させるＴＨＧ結晶とを含み、
前記第２波長を有するビームは前記３次調和波のビームであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
【請求項３】
前記励起レーザビームの第１波長は１０００〜１１００ｎｍで、
前記ＯＰＯ結晶により選択可能な連続した波長範囲は４００〜２０００ｎｍで、
前記光パラメトリック発振部から出力されるビームは２００〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の波長可変レーザ装置。
【請求項４】
前記光パラメトリック発振部における特定波長のビームの選択は、前記ＯＰＯ結晶に対する前記第２波長のビームの入射角を変更することにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
【請求項５】
前記光パラメトリック発振部は、前記ＯＰＯ結晶に対する前記第２波長のビームの入射角が変更されるよう前記ＯＰＯ結晶を回転させるＯＰＯ結晶用回転部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の波長可変レーザ装置。
【請求項６】
前記出力されるビームが一定の出射位置へ出力されるよう前記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶を用いて前記出力ビームの出射位置の変化を補償する光出射位置調整部をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の波長可変レーザ装置。
【請求項７】
前記光出射位置調整部は、
前記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶に対する第２波長のビームの入射角が変更されるよう前記ＳＨＧ結晶を回転させるＳＨＧ結晶用回転部と、
前記ＯＰＯ結晶の回転による前記出力されるビームの出射位置の変化が補償されるよう前記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶の回転量を制御する回転駆動制御部を含むことを特徴とする請求項６に記載の波長可変レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換レーザ装置に関する。より詳しくは、短波長光を含む広い帯域の波長光を放出することが出来ると共に、より高い変化効率を有する高出力波長変換レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、波長可変レーザは、純粋研究分野を越え医療装備、計測装備、多様なディスプレー及び光記録装置の分野など広い範囲に波及することが期待されている。しかし、一般的に波長可変レーザは、可視光線帯域を含む多様な波長範囲の確保と低い変換効率による出力に関する問題を抱えている。
【０００３】
現在までガスレーザ（ＣＯ２、ＨｅＮｅなど）、固体レーザ（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｎｄ：ＹＡＧなど）、半導体レーザ（ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮなど）、ファイバレーザ（Ｅｒ：Ｆｉｂｅｒなど）などの様々なレーザが開発され応用されているが、上記の波長変換レーザの問題を十分に解決するものではない。
【０００４】
従来の例として、波長可変用の固体レーザとして、転移金属（例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉなど）のイオンを活性物質として採用した種々のレーザが開発されたが、可変波長領域が限られているという問題が有る。
【０００５】
また、非線形媒質の２次調和波発生（ｓｅｃｏｎｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）原理を用いた波長変換技術が開発されている。しかし、これは基本波の１/２波長のみを生成するため、連続した可変波長レーザを得るには限界があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述の従来技術の問題を解決するためのもので、その目的は、より広い帯域の波長光を確保可能でありながら、相対的に高い変換効率を有する高出力波長可変レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の技術的課題を解決すべく、本発明は、第１波長を有する励起レーザビームを放出するレーザ発振機と、上記励起レーザビームを上記第１波長より短い第２波長を有するビームに変換する調和波発生部と、上記第２波長のビームを連続して選択可能な特定波長を有するビームに変換して出力する光パラメトリック発振（ＯＰＯ）部とを含む波長可変レーザ装置を提供する。ここで、上記光パラメトリック発振部は、上記第２波長から選択によって連続した波長を有する信号（ｓｉｇｎａｌ）波ビームとアイドラ（ｉｄｌｅｒ）波ビームとを発生させるＯＰＯ結晶と、上記ＯＰＯ結晶の出力端に配置され上記信号波ビームから２次調和波ビームを発生させるＳＨＧ結晶と、上記ＯＰＯ結晶の入力端と上記ＳＨＧ結晶の出力端にそれぞれ配置され上記出力されるビームを増幅させる一対の高反射ミラーとを含む。
【０００８】
本発明の一実施形態において、上記調和波発生部は、励起レーザビームから２次調和波のビームを発生させる励起レーザビーム用ＳＨＧ結晶と、上記２次調和波のビームから３次調和波のビームを発生させるＴＨＧ結晶を含むことが出来る。この場合に、上記第２波長を有するビームは上記３次調和波のビームと理解することが出来る。
【０００９】
本実施形態において、紫外線帯域を含む広い範囲のビームを選択的に変更するため、上記励起レーザビームの第１波長は１０００〜１１００ｎｍであることが好ましい。この場合に、上記ＯＰＯ結晶により選択可能な連続した波長範囲は４００〜２０００ｎｍで、上記光パラメトリック発振部から出力されるビームは２００〜２０００ｎｍとなり得る。
【００１０】
上記光パラメトリック発振部から得られるビームの波長は、位置または温度などの多様な因子により調整して選択することが出来る。これは、上記ＯＰＯ結晶に対する上記第２波長ビームの入射角を変更することにより行わうことが好ましい。このような構成のために、上記光パラメトリック発振部は、上記ＯＰＯ結晶に対する上記第２波長ビームの入射角が変更されるよう上記ＯＰＯ結晶を回転させるＯＰＯ結晶用回転駆動部をさらに含むことが出来る。
【００１１】
上記出力されるビームが一定の出射位置へ出力されるよう上記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶を用いて上記出力ビームの出射位置の変化を補償する光出射位置調整部をさらに含むことが好ましい。
【００１２】
特定の例において、上記光出射位置調整部は、上記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶に対する第２波長ビームの入射角が変更されるよう上記ＳＨＧ結晶を回転させるＳＨＧ結晶用回転部と、上記ＯＰＯ結晶の回転による上記出力されるビームの出射位置の変化が補償されるよう上記光パラメトリック発振部のＳＨＧ結晶の回転量を制御する回転駆動制御部を含むことが出来る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ＯＰＯ結晶とＳＨＧ結晶を組み合わせることにより可変波長帯域を拡張するのみならず、ＯＰＯ結晶とＳＨＧ結晶の組合せをＯＰＯキャビティ構造の内部に配置することにより最終出力ビームの変換効率を高めることが出来る。また、ＯＰＩキャビティ内に配置されたＳＨＧ結晶を用いて波長選択によるＯＰＯ結晶の位置調整による光出射位置の変化を適切に補償して所望の範囲に維持することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態による波長可変レーザ装置２０を示す概略図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態による波長可変レーザ装置２０は、励起レーザビームを提供するレーザ発振機１１、第１のＳＨＧ結晶１２とＴＨＧ結晶１３を有する調和波発生部及び光パラメトリック発振（ＯＰＯ）部１５を含む。また、第１及び第２のミラー１４ａ，１４ｂのように光経路変更に求められる適切な光学系をさらに含んでいてもよい。
【００１６】
レーザ発振機１１は、最終的に所望する出力ビームの波長範囲によって適切に選択され得る。レーザ発振機１１としては、紫外線帯域と可視光線帯域を含む波長のビームを得るため、１０００〜１１００ｎｍの励起ビームを提供するレーザ発振機を使用することが好ましい。代表的な例として、レーザ発振機１１には、本実施形態のように約１０６４ｎｍを提供するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振機を用いることが出来る。
【００１７】
上記調和波発生部は、上記励起レーザビームを、より低い波長を有する調和波ビームに変換する。上記調和波発生部は、本実施形態のように第１のＳＨＧ結晶１２とＴＨＧ結晶１３を含むことが出来る。レーザ発振機１１として本実施形態のようにＮｄ：ＹＡＧレーザ発振機を使用する場合に、レーザ発振機１１から出射された約１０６４ｎｍの励起ビームは、第１のＳＨＧ結晶１２により１／２波長の約５３２ｎｍのビームに変換され、再度ＴＨＧ結晶１３を経て、約３５５ｎｍのビームを提供することが出来る。
【００１８】
第１及び第２のミラー１４ａ，１４ｂを通して上記調和波発生部のＴＨＧ結晶１３から得られた３５５ｎｍのビームは、光パラメトリック発振部１５に提供されることが出来る。
【００１９】
光パラメトリック発振部１５は、一定の波長範囲を選択的に可変とするＯＰＯ結晶１６、第２のＳＨＧ結晶１７及び出力されるビームを増幅させる一対の第１及び第２の高反射ミラー１８ａ，１８ｂを含む。第１及び第２の高反射ミラー１８ａ，１８ｂは、最終出力ビームの増幅のためのキャビティ構造を提供する。
【００２０】
ＯＰＯ結晶１６は、上記第２波長から選択によって連続した波長を有する信号（ｓｉｇｎａｌ）波ビームとアイドラ（ｉｄｌｅｒ）波ビームを発生させる。ＯＰＯ結晶１６としては、ＢａＢ２Ｏ４結晶のような公知の非線形結晶を使用することが出来る。
【００２１】
ＯＰＯ結晶１６に入射されるビームの振動数（ω）は、連続して選択可能な信号（ｓｉｇｎａｌ）波ビームとアイドラ（ｉｄｌｅｒ）波ビームの各振動数の和（ωｓ＋ωｉ）と定義されることが出来る。ここで、信号波の振動数（ωｓ）はアイドラ波の振動数（ωｉ）より大きい。即ち、ＯＰＯ結晶１６により、可視光線帯域の信号波ビームと上記信号波より長い波長を有する赤外線帯域のアイドラ波ビームを得ることが出来る。
【００２２】
本実施形態のように、約３５５ｎｍがＯＰＯ結晶１６に入射される場合に、選択可能な波長範囲は約４００〜１１００ｎｍとなり得る。このような範囲において所望の波長のビームを選択するための波長変換は、ＯＰＯ結晶１６に対する入射角及び温度変化のような公知の手段により実施されることが出来る。温度変化方式は、温度の安定化のための時間がかかるという短所があるため、入射角の変化方式を使用することが好ましい。
【００２３】
このように、ＯＰＯ結晶１６を用いて一定の帯域で所望の波長光を選択することが出来るが、ＯＰＯ結晶１６のみから選択できる波長範囲は制限的で、必要な波長範囲が排除されることがある。本実施形態のように、約４００〜２０００ｎｍの波長範囲の場合に、短波長の可視光線の一部帯域及び紫外線帯域のビームを得ることが出来ないという短所がある。このような短波長帯域の拡張は、第２のＳＨＧ結晶１７により実現することが出来る。
【００２４】
本実施形態において、第２のＳＨＧ結晶１７は、ＯＰＯ結晶１６から得られた短波長のビーム、即ち一部信号波ビームから２次調和波のビームを発生させることにより約２００ｎｍまでの紫外線ビームを得ることができ、残りの他のＯＰＯビーム成分は、第２のＳＨＧ結晶１７を通過する過程で変化されないことがある。結果として、２００〜２０００ｎｍのビームを選択的に提供することが出来る。特に、最近、紫外線領域のレーザの需要（例えば、医療用及び産業用）の増加を考えた際に、本実施形態による紫外線まで含む波長可変領域の拡張は非常に有益な長所であると言える。
【００２５】
本実施形態による第２のＳＨＧ結晶１７の配列は、変換効率の観点で非常に有益な長所をさらに提供する。キャビティを考えず、単純にＯＰＯ結晶の出力端にＳＨＧ結晶を配置した場合（キャビティの外部に配置された形態）、上述の可変領域のための波長変換過程においてＯＰＯ結晶１６から得られたビームのうち第２のＳＨＧ結晶１７により２次調和波ビームから得られた短波長ビームは、非常に低い変換効率を有し得る。
【００２６】
より具体的に説明すると、本実施形態において、各過程での変換効率は、Ｎｄ：ＹＡＧのビームの強さを１００％とした時、第１ＳＨＧ（４０％）→ＴＨＧ（１５％）→ＯＰＯ（５％）→第２ＳＨＧ（１．５％）と仮定することが出来る。即ち、１００という強さの励起レーザビームが、波長可変のための複数の非線形結晶を通過しながら、最終的に１.５％程度の低い最終変換効率を表す。
【００２７】
このような低い最終変換効率は、第２のＳＨＧ結晶１７をＯＰＯ用キャビティの内部に配置することにより、大きく向上させることが出来る。即ち、本発明において、第２のＳＨＧ結晶１７は、ＯＰＯ用キャビティを提供する第１及び第２の高反射ミラー１８ａ，１８ｂの間に配置される。
【００２８】
このような配列によると、ＯＰＯ用キャビティ内で、ＯＰＯ結晶１６と第２のＳＨＧ結晶１７により変換されたビームは、ＯＰＯ用キャビティの条件によって増幅することが出来るため、ＯＰＯ結晶１６の変換効率と類似な水準の変換効率を有すると言える。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧのビームの強さを１００とした時、第１ＳＨＧ（４０％）→ＴＨＧ（１５％）→ＯＰＯ＋第２ＳＨＧ（４％）の変化過程を経るものと解釈することが出来る。即ち、最終出力ビームにおいて、ＯＰＯ用キャビティの内部に第２のＳＨＧ結晶１７を配置することにより、ＯＰＯ用キャビティの外部に配置された形態の２．５倍以上の改善された変換効率を得ることが出来る。
【００２９】
本実施形態において、上記調和波発生部が励起レーザビームから２次調和波のビームを発生させる励起レーザビーム用のＳＨＧ結晶１２と、上記２次調和波のビームから３次調和波のビームを発生させるＴＨＧ結晶１３を有するものと例示したが、最終出力ビームの所望の波長及び／または励起レーザビームの波長によって、これらとは異なるように選択されることが出来る。
【００３０】
本発明による波長可変レーザ装置は、ＯＰＯ結晶から出力されたビームをさらにＳＨＧ結晶を通して変換させることによって、より低い波長のビームまでその波長選択領域を拡張することが出来るのみならず、追加のＳＨＧ結晶をＯＰＯ用キャビティの内部に配置することにより、最終変換効率を大きく向上させることが出来る。
【００３１】
また、追加のＳＨＧ結晶は、ＯＰＯ結晶の波長選択方式によって別の長所を提供することが出来る。より具体的に、上記ＯＰＯ結晶の波長選択をビームの入射角を調整する方式で行う場合に、出射ビームの位置が変更されるという問題を、ＯＰＯ結晶の出力端に配置されたＳＨＧ結晶を用いて緩和させることが出来る。このような実施形態について図２を参照して説明する。
【００３２】
図２は、本発明の特定の実施形態による波長可変レーザ装置に採用可能な光出射位置調整機能を有する光パラメトリック発振部を表した概略図である。
【００３３】
図２に図示された光パラメトリック発振部２５は、図１に図示された形態と類似に、入射ビームλ１を他の波長のＯＰＯビームλ２に変換させるＯＰＯ結晶２６と、上記ＯＰＯビームλ２から２次調和波ビームλ３を発生させるＳＨＧ結晶２７と、ＯＰＯ結晶２６の入力端とＳＨＧ結晶２７の出力端にそれぞれ配置され、上記出力されるビームを増幅させる第１及び第２の高反射ミラー２８ａ，２８ｂを含む。
【００３４】
本実施形態では、先に説明したように、ＯＰＯ結晶２６は光経路と直交する軸に沿って回転するよう回転部３１に装着される。回転部３１を用いてＯＰＯ結晶２６に対する波長光の入射角を変更することにより、上記所望の波長のＯＰＯビームλ２を選択することが出来る。
【００３５】
このようなＯＰＯ結晶２６の回転過程で、ＯＰＯ結晶２６に対する入射ビームλ１の入射角が変化するため、ＯＰＯ波長光の出射位置Ｌ２は、以前の出射位置Ｌ１とは異なる。
【００３６】
本実施形態では、このような出射位置の変化量△αを、ＳＨＧ結晶２７の回転調整を通して補償するために、光出射位置調整部を採用する。上記光出射位置調整部は、上記２次調和波ビームλ３の出射位置変化をモニタリングして、その変化量△αによる出射位置の変化を補償することが出来る。このような出射位置の補償は、ＳＨＧ結晶用回転部３２を用いて行うことが出来る。
【００３７】
ＳＨＧ結晶用回転部３２は、上記ＯＰＯビームλ２の入射角が変更されるようＳＨＧ結晶２７を回転させて、２次調和波ビームλ３を所望の位置に調整することが出来る。ＳＨＧ用回転部３２は、ＯＰＯ用回転部３１と類似な回転器具であってもよい。但し、ＳＨＧ用回転部３２は、ＯＰＯ用回転部３１の回転による出射位置の変化を補償するために駆動されるため、その回転軸と平行な回転軸を有するが、逆方向に回転する。
【００３８】
本実施形態に採用された光出射位置調整部は、ＯＰＯ用回転部３１の回転による出射位置の変化が補償されるようＳＨＧ用回転部３２の回転量を制御する回転駆動制御部を含む。ＳＨＧ用回転駆動制御部は、ＳＨＧ結晶２７から出力された光の一部Ｌｄを検出するビーム分配器３４と、検出された光Ｌｄで決められる回転制御信号ＳｄによってＳＨＧ用回転部３２を駆動させる電子制御部３５を含む。本実施形態のように、ビーム分配器３４の位置は出射位置が変更できる任意の他の地点に設置することが出来る。
【００３９】
本実施形態において、光学部材用回転駆動制御部は、空間フィルター３３を用いて出射位置の変化情報を提供する。空間フィルター３３は、上記出力ビームの出力方向によって形成されたスリットを有する構造であることが出来る。上記２次調和波ビームλ３の出射位置の変化に応じてスリットを通過する出力量が変更するため、それによって出射位置情報を提供することが出来る。
【００４０】
本実施形態において、空間フィルター３３は、ＳＨＧ用結晶２７とビーム分配器３４との間に配置されているが、上記ビーム分配器３４からサンプリングされた光Ｌｄが出射位置に関する情報を有することが出来れば、空間フィルター３３は、ビーム分配器３４と電子制御部３５との間に配置されることも出来る。また、電子制御部３５は、ＯＰＯ結晶２６の回転γ１による出射位置変化量△ｄを検出する出力モニター３５ａと、上記検出された出射位置変化量△ｄに応じてＳＨＧ結晶２７の入射角を変更するための制御信号Ｓｄを生成してＳＨＧ用回転部３２へ伝送する駆動制御部３５ｂを含むことが出来る。
【００４１】
このように、図２に図示された光パラメトリック発振部を採用した波長可変レーザ装置は、ＯＰＯ結晶の回転を通した波長選択過程にも拘らず、光出射位置調整部により出力ビームの出射位置を維持することが出来る。
【００４２】
図２に図示された実施形態に限定されず、当業者の必要に応じて出射位置補償のためにＳＨＧ結晶の回転のための光学系構成をさらに含むこと、または代替することが出来る。
【００４３】
このように、所望の波長を得るためのＯＰＯ結晶の角度が変わると出力ビームの位置が変わるため、正確な出射ビームの位置が求められる分野に適用され難いという点がある。しかし、図２に図示された形態のようにＳＨＧ結晶の角度を適切に調整することにより出力ビームの位置を正確に維持することが出来る。
【００４４】
所望の波長変換のためにＳＨＧ結晶を、特定の入射角を有する位置に変更しても、ＯＰＯ結晶とＳＨＧ結晶の屈折率及び波長変換のための結晶角度をそれぞれ異なるよう調整することができ、ＳＨＧ結晶の長さを最適化することにより出力ビームの位置を適切な範囲で維持することが出来る。
【００４５】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により様々な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属すると言える。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態による波長可変レーザ装置を示す概略図である。
【図２】本発明の特定実施形態による波長可変レーザ装置に採用可能な光出射位置調整機能を有する光パラメトリック発振部を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  励起レーザ発振機
１２  第１のＳＨＧ結晶
１３  ＴＨＧ結晶
１４ａ，１４ｂ  第１及び第２のミラー
１５，２５  光パラメトリック発振部
１６，２６  ＯＰＯ結晶
１７  第２のＳＨＧ結晶
１８ａ，１８ｂ  ＯＰＯキャビティ用高反射ミラー
２７  ＳＨＧ結晶
２８ａ，２８ｂ  高反射ミラー
３１  回転部
３２  ＳＨＧ結晶用回転部
３３  空間フィルター
３４  ビーム分配器
３５  電子制御部
３５ａ  出力モニター
３５ｂ  駆動制御部
【図１】
2008268945.tif 000003
【図２】
2008268945.tif 000004