(57)【要約】【課題】途中段階で得られる第２高調波レーザ光を効率よく利用することができ、例えば、第３高調波レーザ光等のより高次の高調波レーザ光への変換を高効率化し、高出力化することができる固体レーザ発振器を提供する。【解決手段】固体レーザ媒質１ａ及び１ｂにおいて、例えば１０６４ｎｍの基本波レーザ光９が発生する。基本波レーザ光９は、平面ミラー４で反射された後、再度、Ｑスイッチ３ａ、固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄを通過する間に増幅され、更に、平面ミラー８で反射されて第２高調波共振用の平面ミラー１２及びレンズ６ａを通過した後、レーザ光分離用の平面ミラー７で反射され、第３高調波用の非線形光学結晶２ｂ及び第２高調波用の非線形光学結晶２ａに入射する。【選択図】図１
2008166452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器内部で２段階以上の波長変換を行う固体レーザ発振器であって、第１及び第２の平面ミラーで構成される基本波長のための第１の共振器と、前記第１及び第２の平面ミラーの間に配置される第３の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで波長変換されたレーザ光のための第２の共振器とが同一光軸上に重なって構成され、前記第１及び第３の平面ミラーとの間には基本波長のレーザ光を増幅するためのレーザ媒質が配置され、前記第３及び第２の平面ミラーとの間には、前記基本波長のレーザ光を波長変換するための第１の非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶によって波長変換されたレーザ光をより高次の波長変換をするための少なくとも１つ以上の非線形光学結晶と、レンズとが設けられ、前記レンズと前記第２の平面ミラーとの間の間隔は、前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】
共振器内部で２段階以上の波長変換を行う固体レーザ発振器であって、第１及び第２の平面ミラーで構成される基本波長のための第１の共振器が構成され、前記第１及び第２の平面ミラーの間に第３の平面ミラーと、前記第１の共振器の外側に第４の平面又は曲率を持ったミラーとが配置され、前記第３のミラーと前記第４のミラーとで波長変換されたレーザ光のための第２の共振器が構成され、前記第１の共振器と前記第２の共振器とが同一光軸上に重なって構成され、前記第１及び第３の平面ミラーとの間には基本波長のレーザ光を増幅するためのレーザ媒質が配置され、前記第３及び第２の平面ミラーとの間には、前記基本波長のレーザ光を波長変換するための第１の非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶によって波長変換されたレーザ光をより高次の波長変換するための少なくとも１つ以上の非線形光学結晶と、レンズとが設けられ、前記レンズと前記第２の平面ミラーとの間の間隔が、前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項３】
前記第３の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間には、複数個のレンズが夫々共焦点の位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項４】
前記第３の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間には、ｎ（ｎは自然数）組のレンズ対が配置され、前記レンズ対を構成する２枚のレンズの間には、前記少なくとも２つ以上の非線形光学結晶のうちのすべて、又は１つが配置されており、前記レンズと前記少なくとも２つ以上の非線形光学結晶のうちのすべて、又は１つの間の間隔は前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。
【請求項５】
前記第１及び第２の平面ミラー間には、光軸を折り曲げるための誘電多層膜が形成された１又は複数個の誘電多層膜ミラーが配置されており、前記誘電多層膜ミラーのうち少なくとも１つの誘電多層膜ミラーは、基本波長のレーザ光を反射すると共に、前記第２の非線形光学結晶により波長変換されたレーザ光を透過する第４の平面ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。
【請求項６】
前記第１及び第２の平面ミラー間には、光軸を折り曲げるための誘電多層膜が形成された１又は複数個の誘電多層膜ミラーが配置されており、前記誘電多層膜ミラーのうち少なくとも１つの誘電多層膜ミラーは、基本波長のレーザ光を透過すると共に、前記第２の非線形光学結晶により波長変換されたレーザ光を反射する第４の平面ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。
【請求項７】
前記第１及び第３の平面ミラー間には、複数個の固体レーザ媒質が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部共振器波長変換方式の固体レーザ発振器に関し、特に複数の非線形光学結晶により波長を２段階以上に変換する固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器は、加工用レーザとして広く実用化されている。この固体レーザ発振器は、近時、数百Ｗ級から数ｋＷ級へと急速に高出力化されており、これに伴い、その適用分野も、これまで利用されていた微細加工分野から自動車産業における溶接及び切断用途にまで拡大している。しかしながら、固体レーザ発振器の多くは、発振波長領域が１μｍ付近の近赤外域に限られており、このため、近赤外域の波長に対する反射率が高く、吸収率が低い銅及びシリコン等の一部の材料においては、加工効率が悪いという問題点がある。
【０００３】
このため、従来、ＬｉＢ３Ｏ５（リチウム・トリボレート；ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）及びβ−ＢａＢ２Ｏ４（バリウムボーレート；ＢＢＯ）等の非線形光学結晶を使用して、発振波長を第２高調波、第３高調波、更には、第４、第５高調波などと、より短波長の領域に変換して加工対象物の表面における反射率を低下させ、レーザ光の吸収を高めることにより、加工効率を向上させる方法が提案されている。このような非線形光学結晶を使用した波長変換には、共振器外部波長変換方式と、共振器内部波長変換方式とがある。
【０００４】
共振器外部波長変換方式は、基本波長のレーザ光（以下、基本波レーザ光という）から高調波レーザ光への変換効率が低く、高い変換効率を得るためには、非線形光学結晶に高いパワー密度で基本波レーザ光を集光しなければならない。このため、信頼性を考慮すると、単一発振器から得られる出力の上限は第２高調波レーザ光でも１００Ｗ超級となり、これよりも大きくすることは困難である。更に、第３高調波及び第４高調波など、より高次の波長変換では、ここで得られた第２高調波を利用することから、その出力もせいぜい５０Ｗ程度である。
【０００５】
一方、共振器内部波長変換方式は、共振器外部波長変換方式に比べて第２高調波レーザ光への変換効率が高く、信頼性の面でも優位にあるとされているが、この方式では、固体レーザ媒質中に生じる熱レンズ効果により、安定した共振状態を維持しつつ高出力化を実現することができないという問題点がある。この熱レンズ効果とは、固体レーザ媒質が励起されることにより加熱され、これにより生じる固体レーザ媒質の内部の温度分布により屈折率分布が生じ、固体レーザ媒質がレンズのように作用する現象である。
【０００６】
一般的な固体レーザ媒質は、基本波レーザ光はほとんど吸収しないが、波長変換されたレーザ光、特に短波長側に変換されたレーザ光に対しては高い吸収特性をもつ場合が多い。そこで、従来、共振器内部波長変換方式を採用している固体レーザ発振器においては、レーザ光の光路を１回以上折り返す構成とし、その光路を誘電多層膜ミラーによって基本波レーザ光と波長変換されたレーザ光とを分離して、波長変換されたレーザ光のみを共振器外に取り出すことにより、波長変換されたレーザ光が固体レーザ媒質に吸収されることを防止し、効率よく波長変換されたレーザ光を得ている。
【０００７】
図５は、第３高調波を得るための共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である（特許文献１）。図５に示すように、従来の固体レーザ発振器における共振器は、共振用ミラーである平面ミラー１０４と、共振器の光軸を曲げるための平面ミラー１０８との間に、Ｑスイッチ１０３ａ、基本波レーザ光１０９を増幅する固体レーザ媒質１０１ａ、Ｑスイッチ１０３ｂ、Ｑスイッチ１０３ｃ、基本波レーザ光１０９を増幅する固体レーザ媒質１０１ｂ及びＱスイッチ１０３ｄがこの順に１列に配置されている。これらは、Ｑスイッチ１０３ａ及び１０３ｂ並びに固体レーザ媒質１０１ａにより構成される共振部の長さと、Ｑスイッチ１０３ｃ及び１０３ｄ並びに固体レーザ媒質１０１ｂにより構成される共振部の長さとが等しくなるように配置されている。
【０００８】
また、平面ミラー１０８で反射した基本波レーザ光１０９の先には、レーザ光分離用として使用される平面ミラー１０７が配置され、この平面ミラー１０７で反射した基本波レーザ光１０９が向かう方向には、共振用ミラーである平面ミラー１０５が配置されている。更に、平面ミラー１０８と平面ミラー１０５との間には、レンズ１０６ａが配置され、平面ミラー１０７と平面ミラー１０５との間には、基本波レーザ光１０９を第２高調波レーザ光１１０に変換する非線形光学結晶１０２ａ、基本波レーザ光１０９と第２高調波レーザ光１１０とを光混合して第３高調波レーザ光１１１に変換する非線形光学結晶１０２ｂと、レンズ１０６ｂとがレーザ光軸上に配置されている。平面ミラー１０５は０度入射、基本波、第２高調波高反射平面ミラーである。レンズ１０６ａ、１０６ｂは基本波、第２高調波反射防止レンズである。また、平面ミラー１０７は４５度入射、基本波高反射、第３高調波反射防止平面ミラーである。
【０００９】
ここで、平面ミラー１０７は基本波レーザ光１０９に対しては高反射とする一方で、出力として取り出される第３高調波レーザ光１１１に対しては反射防止となるような誘電多層膜が形成されており、第２高調波レーザ光１１０に対しては目的に応じて反射防止膜であったり、高反射膜であったり、又は、特に規定しない場合もある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１５６６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。前述のように、２段階以上の高調波を共振器内部波長変換方式にて得る場合、途中段階で得られる高調波成分、特許文献１でいうところの第２高調波レーザ光は、目的のより高次の高調波へ変換する過程においては、１回のみが使用されるだけである。そのため、たとえ内部波長変換の構成であってもその変換効率は高くはならないという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、途中段階で得られる第２高調波レーザ光を効率よく利用することができ、例えば、第３高調波レーザ光等のより高次の高調波レーザ光への変換を高効率化し、高出力化することができる固体レーザ発振器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】
【００１３】
本発明に係る固体レーザ発振器は、共振器内部で２段階以上の波長変換を行う固体レーザ発振器であって、第１及び第２の平面ミラーで構成される基本波長のための第１の共振器と、前記第１及び第２の平面ミラーの間に配置される第３の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで波長変換されたレーザ光のための第２の共振器とが同一光軸上に重なって構成され、前記第１及び第３の平面ミラーとの間には基本波長のレーザ光を増幅するためのレーザ媒質が配置され、前記第３及び第２の平面ミラーとの間には、前記基本波長のレーザ光を波長変換するための第１の非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶によって波長変換されたレーザ光をより高次の波長変換をするための少なくとも１つ以上の非線形光学結晶と、レンズとが設けられ、前記レンズと前記第２の平面ミラーとの間の間隔は、前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、基本波レーザ光に対する共振器と、第２高調波レーザ光に対する共振器が、相互に同一光軸上で重なりあう共振器構成を取りつつ、各共振器が共振の安定条件を満足させることができるため、容易により高次の高調波レーザ光をも高出力化することができる。
【００１５】
前記第１の平面ミラーには基本波レーザ光に対して高反射となるような誘電多層膜が施され、前記第２の平面ミラーには基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光の両方に対して高反射となるような誘電多層膜が施され、更に、前記第３のミラーには基本波レーザ光に対して反射防止膜、第２高調波レーザ光に対して高反射膜の誘電多層膜が施されており、前記第３の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間には、前記第２高調波に変換するための非線形光学結晶と、複数個のレンズが夫々共焦点の位置に配置されていることが好ましい。これにより、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間で基本波レーザ光に対する共振器が形成されると同時に、前記第３のミラーと前記第２の平面ミラーとの間では、共焦点配置されるレンズを介して、第２高調波レーザ光に対する共焦点型の共振器が構成させることができる。
【００１６】
また、前記レーザ媒質と前記複数の非線形光学結晶との間に、波長変換されたすべての高調波レーザ光に対して反射防止膜、基本波レーザ光に対しては高反射膜が施された、基本波レーザ光の光軸を例えば９０度に曲げる第４のミラーが配置され、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで形成される共振器内から波長変換された高調波レーザ光が取り出される場合、取り出される高調波レーザ光の内、第２高調波レーザ光に対して高反射膜、より高次の高調波、例えば第３高調波に対しては反射防止膜が施される平面又は曲率がある第３のミラーを高調波レーザ光の光軸上に配置することで、前記第２のミラーと前記第３のミラーとの間で第２高調波に対する共振器を、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで形成される基本波レーザ光に対する共振器とを同一光軸上に重複して構成させることができる。このとき記第３のミラーの曲率は、前記第３のミラーが配置される位置において、前記第２高調波レーザ光の光波面の曲率と一致させることで、安定型共振器が得られる。
【００１７】
更に、前記第４のミラーは基本波レーザ光に対しては反射防止膜、波長変換されたすべての高調波レーザ光に対して高反射膜が施され、すべての波長変換された高調波レーザ光の光軸を例えば９０度に曲げ、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで形成される共振器内から波長変換された高調波レーザ光が取り出される場合、取り出される高調波レーザ光の内、第２高調波レーザ光に対して高反射膜、より高次の高調波、例えば第３高調波に対しては反射防止膜が施される曲率のある第３のミラーを高調波レーザ光の光軸上に配置することで、前記第２のミラーと前記第３のミラーとの間で第２高調波に対する共振器を、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーで形成される基本波レーザ光に対する共振器と重複して同一光軸上に構成させることができる。このとき、前記第３のミラーの曲率は、前記第３のミラーが配置される位置において、前記第２高調波レーザ光の光波面の曲率と一致させることで、安定型共振器が得られる。
【００１８】
前記第１及び第２の平面ミラー間には、複数個の固体レーザ媒質を等間隔に配置することができるため、容易に高出力化することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基本波レーザ光の共振用の２枚の平面ミラーのうち、一方の平面ミラーと前記基本波レーザ光の共振器の内側又は外側に、更に１枚のミラーを追加することで、１段階目で波長変換された第２高調波レーザ光に対する共振器を形成し、２重の共振器構成の中でより高次の第３、第４、又は第５高調波を効率よく取り出すことができる。このとき、形成される２つの共振器は、共に共振器内に共焦点で配置されたレンズを利用することで、安定型共振器を構成させることができ、その結果、高効率に変換され、より高次の高調波レーザ光を高出力化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器について、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の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。図１は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。本実施形態の固体レーザ発振器は、共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、第３高調波変換を行う共振器を備えている。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器は、共振用ミラーである平面ミラー４と、共振器の光軸を曲げるための平面ミラー８との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄがこの順に１列に配置されている。これらのＱスイッチ及び固体レーザ媒質は、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さと、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さとが等しくなるように配置されている。平面ミラー４は０度入射、基本波高反射平面ミラーである。
【００２２】
また、平面ミラー８で反射した基本波レーザ光９の先には、レーザ光分離用として使用される平面ミラー７が配置され、この平面ミラー７で反射した基本波レーザ光９が向かう方向には、共振用ミラーである平面ミラー５が配置されている。更に、平面ミラー７と平面ミラー８との間には、レンズ６ａ及び第２高調波共振用の平面ミラー１２が配置されている。更に、平面ミラー７と平面ミラー５との間には、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光１０に変換する非線形光学結晶２ａと、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光１１に変換する非線形光学結晶２ｂと、レンズ６ｂとが、図１に示すとおり、レーザ光軸上に配置されている。平面ミラー５は０度入射、基本波、第２高調波、第３高調波高反射平面ミラーであり、平面ミラー７は４５度入射、基本波、第２高調波高反射、第３高調波反射防止平面ミラーであり、平面ミラー８は、４５度入射、基本波高反射ミラーであり、平面ミラー１２は０度入射、基本波反射防止、第２高調波高反射平面ミラーである。レンズ６ａ、６ｂは、基本波、第２高調波、第３高調波反射防止レンズである。
【００２３】
この共振器における固体レーザ媒質１ａ及び１ｂは、例えばＮｄ：ＹＡＧロッドであり、そのレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を透過する誘電多層反射防止膜が形成されている。また、非線形光学結晶２ａは、例えばレーザ光入射面に垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０、更に第３高調波レーザ光１１のすべてを透過する誘電多層反射防止膜が形成されているＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶である。更に、Ｑスイッチ３ａ乃至３ｄのレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を透過する誘電多層反射防止膜が施されている。
【００２４】
一方、平面ミラー４のレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を反射する誘電多層高反射膜が形成されており、平面ミラー５のレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９、第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１のすべてを反射する誘電多層高反射膜が形成されている。また、平面ミラー７には基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０に対して高反射、第３高調波レーザ光１１に対しては反射防止となるような誘電多層膜が施されている。
【００２５】
レンズ６ａ及び６ｂは、レーザ光入射面に垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０、及び、第３高調波レーザ光１１のすべてに対して高い透過率を示す誘電多層反射防止膜が施されているレンズである。レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置から先には、等間隔にレーザ媒質１ａ、１ｂが配置されている。非線形光学結晶２ａ及び２ｂはレンズ６ａ及び６ｂのほぼ中央の位置に配置されている。本実施形態の固体レーザ発振器においては、このように、共振器内に等価な１対のレンズを対向して配置することにより、１倍の望遠鏡が挿入されたレーザ媒質が等間隔である共振器を構成している。
【００２６】
一般にロッド型の固体レーザ発振器は、固体レーザ媒質であるロッドに励起光が入力されると発熱して熱レンズ効果を生じる。このため、安定して共振を得るためには、下記数式１を満たさなくてはならない。なお、下記数式１におけるｆＲは固体レーザ媒質であるロッドの熱レンズ焦点距離であり、Ｒ１及びＲ２は夫々共振器ミラーの曲率半径であり、Ｌ１及びＬ２は共振器ミラーと熱レンズ主平面との間の距離である。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
上記数式１から、例えば、共振器ミラーの曲率半径Ｒ１及びＲ２を無限大、即ち、共振器ミラーとして平面ミラーを使用した場合、共振器内に生じる熱レンズの焦点距離ｆＲが無限大、即ち、平面ミラーで構成される共振器内にレンズが配置されていないときには、ｇ１・ｇ２＝１となり上記数式１の安定条件を満たすことができない。一方で、波長変換で使用される非線形光学結晶の多くは、いわゆる固体レーザ媒質とは異なり、レンズ効果がほとんど生じない。そのため、共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器においては、非線形光学結晶で変換されたレーザ光に対して共振器を構成しても安定的に閉じ込めることができない。
【００２９】
そこで、本実施形態の固体レーザ発振器においては、基本波レーザ光９の共振器内に１又は複数個のレンズを適切な位置に配置し、この配置されたレンズを利用して、波長変換されたレーザ光、例えば第２高調波レーザ光１０のための共振器を構成させるためのミラーを基本波レーザ光９の共振器の内部又は外部に追加することにより、基本波レーザ光９に対する共振器と波長変換されたレーザ光に対する共振器が重複して同一光軸上に構成され、より高次の波長変換レーザ光、例えば第３、第４、又は第５高調波レーザ光を高効率で得ることができる。
【００３０】
次に、本実施形態の固体レーザ発振器の動作について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器においては、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂにおいて、例えば１０６４ｎｍの基本波レーザ光９が発生する。そして、この基本波レーザ光９は、平面ミラー４で反射された後、再度、Ｑスイッチ３ａ、固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄを通過する間に増幅され、更に、平面ミラー８で反射されて第２高調波共振用の平面ミラー１２及びレンズ６ａを通過した後、レーザ光分離用の平面ミラー７で反射され、第３高調波用の非線形光学結晶２ｂ及び第２高調波用の非線形光学結晶２ａに入射する。
【００３１】
このとき、非線形光学結晶２ａにより、基本波レーザ光９の一部が例えば波長５３２ｎｍの第２高調波レーザ光１０に変換される。非線形光学結晶２ａを通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０は、レンズ６ｂを介して平面ミラー５で反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２ａをこの順に通過し、再度、非線形光学結晶２ａにより、基本波レーザ光９の一部が５３２ｎｍの第２高調波レーザ光１０に変換される。その後、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０が、同時に非線形光学結晶２ｂに入射することで光混合によって波長３５５ｎｍの第３高調波レーザ光１１に波長変換される。
【００３２】
基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０は平面ミラー７で反射される一方で、第３高調波レーザ光１１は平面ミラー７を通過して目的のレーザ出力として外部に取り出される。一方、平面ミラー７で反射された基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０のうち、基本波レーザ光９は第２高調波共振用の平面ミラー１２をも通過して、平面ミラー４にまで戻されて、基本波レーザ光９の共振器を構成するが、第２高調波レーザ光１０については平面ミラー１２で反射されて平面ミラー５にまで戻され、第２高調波レーザ光１０の共振器を同一光軸上で構成する。
【００３３】
本発明の第１の実施形態の固体レーザ発振器においては、第２高調波共振用の平面ミラー１２と共振用の平面ミラー５との間に、相互に等価な２枚のレンズ６ａと６ｂが共焦点となるような間隔で配置されているため、基本波レーザ光としての共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができる。これと同時に、第２高調波レーザ光に対しても、この共焦点に配置される２枚のレンズ６ａ、６ｂを介することにより安定な共振器が構成され、両者の共振器が共振用の平面ミラー５を共用することによって同一の光軸上で１つの共振器を構成している。
【００３４】
また、第２高調波レーザ光の共振器を構成するために延長した部分を除く範囲では、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂに対して対称に配置されているため、更に多くの固体レーザ媒質を同様に対称配置させることで、容易に高出力化することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様に、共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、第３高調波変換を行う共振器を備えている。図２は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。なお、図２においては、図１に示す共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３６】
図２に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器は、共振用ミラーである平面ミラー４と平面ミラー５との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ、Ｑスイッチ３ｄ、基本波レーザ光の光軸を曲げるための平面ミラー８、レンズ６ａ、レーザ光分離用ミラーである平面ミラー２７、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光１０に変換する非線形光学結晶２ａ、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光に変換するための非線形光学結晶２ｂ、及びレンズ６ｂが、レーザ光軸上に配置されている。
【００３７】
この第２実施形態の共振器でも、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さと、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さとが等しくなっている。また、レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー８が配置されており、非線形光学結晶２ａ及び２ｂはレンズ６ａ及び６ｂのほぼ中央の位置に配置されている。
【００３８】
レーザ光分離用の平面ミラー２７には基本波レーザ光９に対して高反射、第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１に対しては反射防止となるような誘電多層膜が施されており、基本波レーザ光９のみがレーザ媒質１ａ及び１ｂを通って平面ミラー４まで戻される。レーザ光分離用の平面ミラー２７を透過した第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１の光軸上には、第２高調波レーザ光１０を共振させるための凹面ミラー２２が配置されており、この凹面ミラー２２には第２高調波レーザ光１０に対しては高反射、第３高調波レーザ光１１に対しては反射防止の誘電多層膜が施されている。このとき、凹面ミラー２２の凹面の曲率は第２高調波レーザ光１０の波面曲率に一致させているため、この凹面ミラー２２とレンズ６ｂ及び平面ミラー５によって第２高調波レーザ光１０に対する共振器が構成され、目的の第３高調波レーザ光１１のみがレーザ出力として取り出される。即ち、曲率ミラー２２は、０度入射、第２高調波高反射、第３高調波反射防止曲率ミラーである。平面ミラー２７は、４５度入射、基本波高反射、第２高調波、第３高調波反射防止平面ミラーである。
【００３９】
本発明の第２の実施形態の固体レーザ発振器においては、第２高調波共振用の凹面ミラー２２と共振用の平面ミラー５との間に、レンズ６ｂが配置されると同時にこの凹面ミラー２２の凹面曲率は共振の条件を満足する様な曲率としているため、第２高調波レーザ光に対しても安定的な共振器が構成される。
【００４０】
このとき、相互に等価な２枚のレンズ６ａと６ｂとが共焦点となるような間隔で配置されているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができ、両者の共振器が共振用の平面ミラー５を共用することによって１つの共振器を構成している。なお、本実施形態の固体レーザ発振器における効果は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様である。
【００４１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。前述の第１及び第２の実施形態の固体レーザ発振器においては、Ｑスイッチ３ｄとレンズ６ａとの間に、基本波レーザ光９の光軸を曲げるための平面ミラー８が配置され、レンズ６ａの後にレーザ光分離用の平面ミラー７又は平面ミラー２７が配置されているが、本発明は光軸を曲げることに限定されるものではなく、正反射の共振用ミラーを用いて光軸を曲げずに基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０との共振器を同一光軸上であれば直線的に配置しても良い。図３はこの基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０との共振器を同一光軸上に直線的に配置した実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。なお、図３においては、図１に示す共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４２】
図３に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器では、共振用ミラーである平面ミラー４と平面ミラー３５との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ、Ｑスイッチ３ｄ、平面ミラー３２、レンズ６ａ、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光８に変換する非線形光学結晶２ａ、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光に変換するための非線形光学結晶２ｂ及びレンズ６ｂが、レーザ光軸上で直線的に配置されている。
【００４３】
この共振器でも、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さと、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さとが等しくなっている。また、レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー３５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー３２が配置されており、非線形光学結晶２ａ及び２ｂはレンズ６ａ及び６ｂのほぼ中央の位置に配置されている。
【００４４】
更に、平面ミラー３２は、レンズ６ａを通過した基本波レーザ光９、第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１が垂直に入射するように配置されており、そのレーザ光入射面には、基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０を透過すると共に第３高調波レーザ光１１を正反射する誘電多層膜が形成されている。ここで、平面ミラー３５は、共振用ミラーであると同時にレーザ光分離用ミラーであり、そのレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０を正反射し、目的の第３高調波レーザ光１１を透過する誘電多層膜が形成されている。即ち、平面ミラー３２は、０度入射、基本波反射防止、第２高調波、第３高調波高反射平面ミラー、平面ミラー３５は、０度入射、基本波、第２高調波高反射、第３高調波反射防止平面ミラー、平面ミラー４５は、０度入射、基本波高反射、第２高調波、第３高調波反射防止平面ミラーである。
【００４５】
本発明の第３の実施形態の固体レーザ発振器においては、平面ミラー３２を透過した基本波レーザ光は、レンズ６ａを介して基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光１０に変換する非線形光学結晶２ａ、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光に変換するための非線形光学結晶２ｂに入射する。非線形光学結晶２ａ及び２ｂを通過した基本波レーザ光９は、レンズ６ｂを介して平面ミラー３５に入射する。
【００４６】
ここで、基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０は平面ミラー３５で正反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２ａ、２ｂ及びレンズ６ａを通過し、このうち基本波レーザ光９は平面ミラー３２をも通過して平面ミラー４にまで戻る。一方で、第２高調波レーザ光１０は、平面ミラー３２で反射され、レンズ６ａ，６ｂを介して平面ミラー３５との間で共振器を構成する。目的の第３高調波１１については、平面ミラー３５を透過して外部に取り出される。このように、平面ミラー３５は基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０の共振用ミラーとして作用すると同時に、目的の第３高調波レーザ光１１を分離して取り出すレーザ光分離用ミラーとしての働きも兼ねる。
【００４７】
本発明の第３の実施形態の固体レーザ発振器でも、平面ミラー３２と平面ミラー３５との間には、相互に等価な２枚のレンズ６ａと６ｂとが共焦点となる様な間隔で配置されているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができる。なお、本実施形態の固体レーザ発振器における効果は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様である。
【００４８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。前述の第１乃至第３の実施形態の固体レーザ発振器においては、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光の共振用ミラーが共用されているが、本発明はこれに限定されるものでは無く、それぞれの共振用ミラーが個別に配置されていても良い。図４は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。なお、図４においては、図１及び図３に示す共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図４に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器では、共振用ミラーである平面ミラー４と平面ミラー４５との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ、Ｑスイッチ３ｄ、平面ミラー３２、レンズ６ａ、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光８に変換する非線形光学結晶２ａ、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光に変換するための非線形光学結晶２ｂ及びレンズ６ｂが、レーザ光軸上に直線的に配置されている。
【００５０】
この共振器でも、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さと、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さとが等しくなっている。また、レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー４５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー１２が配置されており、非線形光学結晶２ａ及び２ｂはレンズ６ａ及び６ｂのほぼ中央の位置に配置されている。
【００５１】
この平面ミラー４５は、レンズ６ｂを通過した基本波レーザ光９に対しては高反射で、第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１に対して反射防止の誘電多層膜が形成されており、平面ミラー４５を透過した第２高調波１０及び第３高調波１１の先には凹面ミラー２２が配置されている。この凹面ミラー２２は、第２の実施例と同様、第２高調波レーザ光１０に対しては高反射、第３高調波レーザ光１１に対しては反射防止の誘電多層膜が施されており、凹面の曲率は第２高調波レーザ光１０の波面曲率に一致させている。
【００５２】
本発明の第４の実施形態の固体レーザ発振器においては、平面ミラー３２を透過した基本波レーザ光は、レンズ６ａを介して基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光１０に変換する非線形光学結晶２ａ、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光１０とを光混合して第３高調波レーザ光に変換するための非線形光学結晶２ｂに入射する。非線形光学結晶２ａ及び２ｂを通過した基本波レーザ光９は、レンズ６ｂを介して平面ミラー４５に入射する。
【００５３】
ここで、基本波レーザ光９は平面ミラー４５で正反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２ａ、２ｂ、レンズ６ａ及び平面ミラー３２を通過して平面ミラー４にまで戻る。一方で、第２高調波レーザ光１０及び第３高調波レーザ光１１は平面ミラー４５を透過し、このうち第２高調波レーザ光１０については、その先に配置されている凹面ミラー２２によって正反射され、再度、平面ミラー４５を透過後レンズ６ａ，６ｂを介して、平面ミラー３２との間で共振器を構成する。目的の第３高調波１１については、凹面ミラー２２を透過して外部にレーザ出力として取り出される。このように、平面ミラー４５と凹面ミラー２２は、夫々、基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光１０の共振用ミラーとして作用すると同時に、目的の第３高調波レーザ光１１を分離して取り出すレーザ光分離用ミラーとしての働きも兼ねる。
【００５４】
本発明の第４の実施形態の固体レーザ発振器では、基本波レーザ光の共振用ミラーとして平面ミラー４と平面ミラー４５が配置される一方で、第２高調波レーザ光１０の共振器ミラーとして平面ミラー３２と凹面ミラー２２が同一光軸上に直線的に配置され、各ミラーは先の実施例とは異なり共用してはいないが、平面ミラー３２と平面ミラー４５との間に、相互に等価な２枚のレンズ６ａと６ｂとが共焦点となるような間隔で配置されているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができる。なお、本実施形態の固体レーザ発振器における効果は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様である。
【００５５】
前述の第１乃至第４の実施形態の固体レーザ発振器においては、共振器内に２個の固体レーザ媒質１ａ及び１ｂを配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、共振器を対称型共振器構成にして共焦点配置のレンズ対（レンズ６ａ及び６ｂ）により共振器を延長しているため、光学部品の損傷限界が許す限り、等間隔に何個でも固体レーザ媒質を配置することができる。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド以外にも、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ及びＮｄ：ＹＶＯ４等の固体レーザ媒質を使用することもできる。
【００５６】
更に、前述の第１乃至第４の実施形態の固体レーザ発振器においては、第３高調波を発生させるために、共振器内に非線形光学結晶を２個配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、変換効率の向上、第４又は第５高調波の発生のために、非線形光学結晶を更に多く配置してもよい。この非線形光学結晶２ａ、２ｂとしては、前述のＬＢＯ以外に、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＫＴＰ及びＢＢＯ等を使用することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本発明の実施例として、図１に示す共振器を備えた固体レーザ発振器（実施例）と、図５に示す従来の構成の共振器を備えた固体レーザ発振器（比較例）について、実際に第３高調波レーザ光の出力を測定した。その際、固体レーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧロッドとし、非線形光学結晶はＬＢＯとした。
【００５８】
図６は従来の固体レーザ発振器と本発明の実施例の固体レーザ発振器の特性を比較するグラフであり、横軸に励起強度をとり、縦軸に第３高調波レーザ光の出力をとって、本発明の実施例の優位性を示すグラフ図である。図６に示すように、本実施例の固体レーザ発振器は、比較例の固体レーザ発振器に比べると、同一励起強度に対して２倍以上もの第３高調波レーザ光の出力を得ていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。
【図５】従来の共振器内部波長変換方式の第３高調波固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。
【図６】本発明と従来の共振器内部波長変換方式の第３高調波固体レーザ発振器におけるレーザ出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ａ、１ｂ、１０１ａ、１０１ｂ；固体レーザ媒質
２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ；非線形光学結晶
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ；Ｑスイッチ
４，５，７，８；平面ミラー
６ａ、６ｂ；レンズ
１０６ａ、１０６ｂ；レンズ
１０７；平面ミラー
９、１０９  ；基本波レーザ光
１０、１１０  ；第２高調波レーザ光
１１、１１１  ；第３高調波レーザ光
１２；平面ミラー
２２；曲率ミラー
２７；平面ミラー
３２，３５，４５；平面ミラー
１０１ａ、１０１ｂ；固体レーザ媒質
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ；Ｑスイッチ
１０４、１０５、１０７、１０８；平面ミラー
１０９；基本波レーザ光
１１０；第２高調波レーザ光
１１１；第３高調波レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008166452.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008166452.tif 000008
【図６】
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