(57)【要約】【課題】非線型光学結晶を利用した波長変換レーザにおいて調整や保守の容易なレーザ発振器を実現する。【解決手段】レーザ共振器を構成する一対の反射ミラーのうち少なくとも一方の反射ミラーと非線型波長変換結晶とを一体に保持したままで反射ミラーの傾きが調整できる機構を設けることにより、レーザ共振器の最適化のために反射ミラーの傾き調整を行なった場合でも基本波レーザビームと非線型光学結晶との相対的な角度を常に保持できるようにし、位相整合条件がくずれないようにする。これにより、レーザ出力を指標とした調整作業が容易であり、かつ保守の容易な非線型波長変換レーザ装置を実現する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光学媒体を電気光学的手段により励起して特定波長の光を出力するとともにこれを増幅するレーザ増幅出力手段と、当該レーザ増幅出力手段により出力された前記特定波長の光を反射往復させて内部にレーザ定在波を生成するレーザ発振手段と、当該レーザ発振手段と光学的に関連し、前記レーザ定在波と物理光学的に相互干渉して非線型波長変換効果をはじめとする光学的効果を発現せしめるための少なくとも１個の光学的要素を含むレーザ発生装置において、前記レーザ発振手段を互いに姿勢を調整可能にする姿勢調整手段を設けた一対の反射鏡にて構成し、当該姿勢調整手段により、前記一対の反射鏡の少なくとも一方と上記光学的要素とを一体として姿勢調整できるようにしたことを特徴とする非線型波長変換レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は固体レーザー装置に係り、特に非線型波長変換により高次の高調波レーザを安定に発生させるための波長変換型固体レーザ発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体レーザ装置においては対向した一対の反射鏡の内側にレーザ媒体を配置し、これを電気光学的に例えば励起用のクリプトンアークランプによる励起光の照射などにより励起させてレーザ媒体固有の波長の発光を得、これを一対の反射鏡により繰り返し往復反射させることでレーザ媒体内部に誘導放出現象を生じさせてこれを増幅する光共振器を形成している。
【０００３】
通常は上記の光共振器を構成する一方の反射鏡は前記のレーザ媒体固有の発振波長の光に対して反射率１００％の完全反射ミラーとし、他方を例えば９０％程度の反射率になるように誘電体多層膜をコーティングした部分反射ミラーとしており、光共振器内部に生成された光定在波の一部を部分反射ミラーを介して光共振器の外へレーザビームとして出力するようにしている。
【０００４】
これに加えて波長変換レーザの場合には光共振器内部に生成された光定在波または光共振器外部に出力されたレーザビーム出力波の光路中に別の波長変換媒体を挿入し、光共振器によって直接発振生成された基本波長のレーザビームと波長変換媒体とを物性光学的に相互干渉させることで高次高調波成分を発生させている。
【０００５】
このように波長変換媒体により基本波長の光を高次高調波へと変換するレーザを波長変換レーザと呼び、特にベータ・バリウム・ボレート（β−ＢａＢ２Ｏ４＝ＢＢＯ）やリチウム・トリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５＝ＬＢＯ）などの非線型光学効果を有する結晶を波長変換媒体として使用するレーザ装置を非線型波長変換レーザという。
【０００６】
非線型波長変換レーザでは例えば、ネオジム・イットリウム・アルミナム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２＝ＹＡＧ）をレーザ光学媒体に用いたＹＡＧレーザにて波長１０６４ｎｍの基本レーザビームを発振し、出力ミラーから射出したレーザビームを前記のＢＢＯ結晶などに照射して非線型光学効果による波長５３２ｎｍの２倍高調波を生成している。
【０００７】
この場合は光共振器内で発振している１０６４ｎｍの光のうち１０％のエネルギを光共振器外部に取り出して波長変換に使用する構成であり、波長変換効率はそれほど大きくすることができない。
【０００８】
一方、ＹＡＧレーザの光共振器を形成する２個の反射鏡の一方を１０６４ｎｍの光に対して完全反射するようにし、もう一方（出力側）のミラーは１０６４ｎｍの光を完全反射するとともに５３２ｎｍの光を完全透過するようにしておいて、光共振器内部の基本定在波の光路の中に直接ＢＢＯ結晶などの波長変換媒体を挿入する方法もある。
【０００９】
この場合は１０６４ｎｍの基本レーザビームは光共振器の内部に完全に閉じ込められることになるので光共振器内の基本定在波の電磁場ポテンシャルが前者に比べて大きく、ＢＢＯ結晶の非線型光学効果による波長変換の効率が飛躍的に向上するため前記５３２ｎｍの光を完全透過する出力ミラーを通して高い出力の２次高調波を取り出すことが可能である。
【００１０】
上記の公知例として特開平０５−９５１４４ではレーザ光学媒体としてＹＡＧと同じ波長出力を有するネオジム・イットリウム・オルソバナデート（Ｎｄ−ＹＶＯ４＝ＹＶＯ４）を、２次高調波発生用の波長変換媒体にポタジウム・チタニル・ポスペート（ＫＴｉＯＰＯ＝ＫＴＰ）を使用し、光共振器の内部にＫＴＰを挿入して５３２ｎｍの２次高調波レーザを生成する構成を記述している。
【００１１】
このほか先の２つの方法を組み合わせて波長２６６ｎｍの４次高調波を発生する紫外線レーザ装置もある。
【００１２】
この場合は共振器内部に２次高調波発生用のＢＢＯを挿入して出力ミラーから５３２ｎｍのレーザビームを射出し、これを別に設けた４次高調波発生用のＢＢＯに照射して最終的に２６６ｎｍの紫外線レーザビームを生成するようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これら光共振器の構成要素である反射ミラー、波長変換媒体である光学結晶、基本波ビームや高次高調波ビームの形状を整形するためのレンズやピンホールなどの光学素子を配置する目的で通常は位置姿勢調整機能つきの位置決めステージやミラーホルダーを使用することが一般的であった。
【００１４】
たとえば光共振器を構成する２枚の反射ミラーは厳密に角度を調整して光共振器が最も効率良く、かつ安定に基本定在波を発振し続けるようにする必要がある。
【００１５】
また、波長変換媒体として使われることの多いＢＢＯ結晶やＬＢＯ結晶などは角度依存性を有し、波長変換効率を最適化するために、照射するレーザビームに対する結晶の傾きを厳密に角度調整する必要がある。
【００１６】
実際の非線型波長変換レーザでは上記の調整を最適に行なうことができるように、調整の必要な夫々の光学要素を位置決めステージやミラーホルダーで保持しており、レーザを発振させて得られる出力ビームの形状や出力を指標として最適化調整を行なっている。
【００１７】
上記の方法では時に、ある光学要素の最適調整が別の光学要素の最適位置と矛盾することがあり、そのような場合に出力ビームを指標とした調整作業ではシステム全体を最適な光学配置に調整することがきわめて困難であって、試行錯誤を繰り返しながらの長時間の調整作業を行なうことも多い。
【００１８】
このうち最も困難な場合を以下に説明する。
【００１９】
レーザビームの中心を光軸と呼び、光軸が通過する経路を光学パスと呼ぶが、反射ミラーを調整して基本波発振の最適化を行なうと反射ミラーの傾きの変化に応じて光共振器内の定在波の光軸角度や出力ビームの光軸角度が変化する。
【００２０】
一方、波長変換媒体である非線型光学結晶は基本波ビームの光学パスに一致するように位置決めして配置されており、基本波ビームの光軸に対して厳密に角度調整されている。
【００２１】
基本波ビームの最適化調整の際に光共振器の反射ミラーを角度調整するとその光軸の角度が変わってしまうために波長変換ができなくなり、結果として調整の指標である２次高調波レーザの出力が低下するので調整作業そのものができなくなってしまう。
【００２２】
指標としている２次高調波レーザの出力が低下した原因が、基本波発振の最適点からのずれによるものなのか、あるいは基本波ビームの光軸の変化によるものなのかを判断することができないので光共振器と波長変換媒体までを含む光学系全体の最適化調整はこのように極めて困難であり、偶然に頼った試行錯誤を繰り返さざるを得ないのが実情であった。
【００２３】
このため真の最適化調整は現実的に不可能に近く、調整後のわずかな温度の変化や状態の変化でレーザ出力が不安定になったり、あるいはビームの形状が劣化したりと長期間の安定稼動にも問題が生じていた。
【００２４】
本発明は上記の従来技術の問題点を解消するためになされたもので，光学調整が容易で光学要素の最適化を簡単に実現でき、結果的に長期間の安定稼動を可能とする非線型波長変換レーザ装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る非線型波長変換レーザ装置においては，レーザ光学媒体を電気光学的手段により励起して特定波長の光を出力するとともにこれを増幅するレーザ増幅出力手段と、当該レーザ増幅出力手段により出力された前記特定波長の光を反射往復させて内部にレーザ定在波を生成するレーザ発振手段と、当該レーザ発振手段と光学的に関連し、前記レーザ定在波と物理光学的に相互干渉して非線型波長変換効果をはじめとする光学的効果を発現せしめるための少なくとも１個の光学的要素を含むレーザ発生装置において、前記レーザ発振手段を互いに姿勢を調整可能にする姿勢調整手段を設けた一対の反射鏡にて構成し、当該姿勢調整手段により、前記一対の反射鏡の少なくとも一方と上記光学的要素とを一体として姿勢調整できるようにしたものである。
【００２６】
【作用】
以下本発明の作用につき説明する。
【００２７】
レーザー発振器の光共振器内では対向する一対の反射ミラーを節とした基本定在波が発振しており、その光軸は必ず両端の反射ミラーの反射面に対して垂直である。
【００２８】
一方の反射ミラーを部分反射ミラーとして基本定在波の一部を光共振器の外へ取り出す場合でも通常は光共振器内の基本定在波の光軸と一致した光軸のレーザビームとして出力されることになる。
【００２９】
以上のように波長変換のもとになる基本波長のレーザビームの光軸の向きが光共振器の反射ミラーによって決まるので光共振器を調整して基本レーザビームの発振を最適化する際には反射ミラーの角度調整につれて常に反射ミラーと垂直になる方向に光軸も変化することになる。
【００３０】
一方、基本波レーザビームの光軸に位置決めされて基本波レーザビームを波長変換し、高次高調波を生成する非線型光学結晶は基本波レーザビームの光軸と厳密に角度調整してそのまま保持する必要があるため位置姿勢調整機能を有する位置決め用のホルダーなどに固定されている。
【００３１】
ここで反射ミラーと非線型光学結晶用の位置決めホルダーとを結合しておけば反射ミラーの調整に合わせて位置決めホルダーの向きも同じように変化し、結局反射ミラーと位置決めホルダーとの相対的な角度は常に同じに保つことができる。
【００３２】
すなわち位置決めホルダーに保持される非線型光学結晶を光共振器の調整に関わりなく、常に基本波レーザビームの光軸と一定の角度に保持することができる。
【００３３】
このようにして光共振器を基本波レーザビームが最適となるように調整した後に、位置決めホルダーにて非線型光学結晶を基本波レーザビームの光軸に対して最適となるように角度調整すれば基本波レーザビームと非線型光学結晶の両方を容易に最適化できる。
【００３４】
位置決めホルダーによって一度非線型光学結晶の角度を最適化しておけば、その後なんらかの要因で光共振器の再調整が必要になった場合でも、反射ミラーの調整に応じて基本波レーザビームと非線型光学結晶との相対角度が変わることがなく、波長変換された２次高調波レ−ザビームの出力変化は単純に光共振器の状態すなわち基本波レーザビームの変化に依存するのみである。
【００３５】
このことから２次高調波レーザビームの出力を指標にして基本波レーザビームの調整を行なうが可能となる。
【００３６】
【発明の実施例】
以下、本発明の実施例につき図１に従って説明する。
図１は本発明の一実施例の全体構成図である。
【００３７】
ＹＡＧなどのレーザ光学媒体とこれを電気光学的に励起するためのクリプトンアークランプを内蔵し、レーザ光学媒体を電気的に励起することで射出口からレーザ光学媒体特有の波長の励起光を射出するようになっている光学ユニット２と、これを挟むように光学ベース１の上に対向して配置された第一の反射ミラー４および第二の反射ミラー５とによって光共振器が構成される。
【００３８】
第一の反射ミラー４はＹＡＧの基本発振波長１０６４ｎｍの光を完全反射し、その２倍高調波である５３２ｎｍの光を完全透過するように光学コーティングされ、第二の反射ミラー５は１０６４ｎｍの波長の光を完全反射するように光学コーティングされている。
【００３９】
また、光共振器によって励起発振される波長１０６４ｎｍのＹＡＧ基本レーザビームのビーム径を制限して光学的なノイズ成分を除去する目的のピンホール６と光共振器内で高速に基本波のレ−ザ発振を遮断・開放し、パルス上のレーザビームを生成する目的の音響光学素子１０が光共振器内に設けてある。
【００４０】
非線型波長変換レーザにおいては基本波レーザビームの発振エネルギのピーク値が高くなるにつれ、非線型光学結晶による波長変換の効率が非線型的に大きくなるため通常は本実施例のごとく音響光学素子を用いてパルス上のレーザ発振を生成させ、パルスごとのエネルギのピーク値が最大になるようにしている。
【００４１】
図１に示す光軸７は、上記の方法で励起発振される基本波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザビームの光共振器内での光軸であり、ピンホール６によって制約されてピンホール６の中心を通り、かつ第一の反射ミラー４に垂直となるただひとつの光学パスに沿って励起発振される。
【００４２】
第二の反射ミラー５はホルダーｈ１に保持されていて、つまみの調整によって自由に傾きを調整できるようになっている。
【００４３】
また第一の反射ミラー４も同じく傾きの調整を行なうためにベース１上に設けられた位置決めステージ３に固定してある。
【００４４】
位置決めステージ３は調整つまみＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を適宜回転させることで方向ｙ、ｚへの微小な移動とθｘ、θｙ、θｚの方向の微小な傾き調整が可能なようになっており、これにより第一の反射ミラー４の傾きを調節することが可能になっている。
【００４５】
以上が基本波レーザの光共振器の構成であるが、本実施例ではこれにより励起発振された１０６４ｎｍの波長の基本レーザビームから第二、第四高調波へと波長変換し、最終的に波長２６６ｎｍの紫外線レーザビームを生成するためにこれに加えて第二高調波発生用のＢＢＯ結晶８と第四高調波発生用のＢＢＯ結晶９を夫々ホルダーｈ２とｈ３に保持して設けている。
【００４６】
これらのＢＢＯ結晶は図１では点線で示してある。
【００４７】
ホルダーｈ２とｈ３はともに第二の反射ミラー５を保持するホルダーｈ１と同じ機構のものであり、調整用つまみによって保持するＢＢＯ結晶８と９の傾きを調整することができる。
【００４８】
第二高調波発生用のＢＢＯ結晶８は光共振器を構成する第一と第二の反射ミラー４と５の内側に配置して光共振器内の強度の高い基本レーザビームから波長変換するようにし、第四高調波発生用のＢＢ０結晶９は光共振器内で波長変換生成された５３２ｎｍの第二高調波レーザビームを第一の反射ミラー４を透過して一旦射出した後にこれを照射して第四高調波へと変換するようになっている。
【００４９】
図１に示す光軸１１は２回の波長変換を経て最終的に２６６ｎｍの紫外線レーザとして出力される出力レーザビームの光軸である。
【００５０】
本実施例の特徴は、第一の反射ミラー４を傾き調整するための位置決めステージ３の上にピンホール６、第二高調波発生用のＢＢＯ結晶８を保持したホルダーｈ２、および第四高調波発生用のＢＢＯ結晶９を保持したホルダーｈ３を配置したことであり、これにより第一の反射ミラーを傾き調整するために位置決めステージ３の調整つまみＴ１〜Ｔ５を回転させた際に第一の反射ミラー４だけでなく、ピンホール６、ホルダーｈ２、ホルダーｈ３がすべて一体となって傾くため第一の反射ミラー６に対する第二高調波発生用のＢＢＯ結晶８と第四高調波発生用のＢＢＯ結晶９の相対的な角度が反射ミラーの調整に関わらず常に一定に保持できることである。
【００５１】
光共振器内のＹＡＧ基本波レーザビームは、これを制約するピンホール６を通りかつ第一の反射ミラー４に垂直なただひとつの光学パスに沿って励起発振され、位置決めステージ３によってピンホール６および第一の反射ミラー４を微小移動あるいは微小回転させることで光学ユニット２や第二の反射ミラー５に対するＹＡＧ基本波レーザビームの光学パスの位置と傾きを変えることができる。
【００５２】
このようにしてＹＡＧ基本波レーザビームの発振が最適となるような光学パスを探りつつ、これに合わせて第二の反射ミラー５を従属的に傾き調整するとＹＡＧ基本波レーザの発振を最適に調整することができる。
【００５３】
こうして定めたＹＡＧ基本波レーザビームの光軸７に対して次に、第二高調波発生用のＢＢＯ結晶８の角度が波長変換に最適となるよう、ホルダーｈ２のつまみにより傾きの調整を行なうが、この際には調整の結果ＢＢＯ結晶８によって波長変換され、第一の反射ミラー４を透過して出力される波長５３２ｎｍの第二高調波の出力や形状を観察しながらこれが良好な状態となるようにする。
【００５４】
次に第四高調波発生用のＢＢＯ結晶９はこれに照射する５３２ｎｍの第二高調波の光軸に対して傾き調整を行なうが、今度はＢＢＯ結晶９により波長変換されて射出される波長２６６ｎｍの紫外線レーザビーム１１の出力や形状を指標とし、これを最適化するように行なえば良い。
【００５５】
以上のような手順にて、一旦第一の反射ミラー４すなわち光軸７に対するＢＢＯ結晶８と９の傾きを決めてしまった後は、何らかの要因で光共振器の再調整が必要になって位置決めステージ３による反射ミラーの再調整を行なっても光軸７に対するＢＢＯ結晶８と９の相対的な傾きが変わることがなく、最終的に出力される２６６ｎｍの第四高調波レーザビームの出力と形状は単純に光共振器の調整によるＹＡＧ基本波レーザ発振の状態のみによって決まる。
【００５６】
このため、最終出力ビームを観察しながら調整作業を容易に行なうことができ、その結果光共振器とＢＢＯ結晶の角度を含むレーザ発振器全体の配置を容易に最適化することが可能である。
【００５７】
図２は本発明の別の実施例を示し、基本的には図１の場合と同等の構成である。
【００５８】
図１との違いは、光学ユニット２および第二の反射ミラー５、音響光学素子１０など、図１において光学ベース１に設置されていた光学要素を位置決めステージ３の上に配置し、逆に第一の反射ミラー４、ピンホール６、ＢＢＯ結晶８と９を光学ベース１の上に設置したものであり、両者の相対的な関係は同じである。
【００５９】
本実施例によると、非線型波長変換結晶を用いた紫外線レーザ発振器を短時間で容易に最適化調整することが可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明により、非線型波長変換レーザ装置の最適化調整が容易となり、その結果長期間にわたり安定で信頼性が高く、かつ再調整など保守の容易な非線型波長変換レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例であり、非線型波長変換レーザ発振器の模式図である。
【図２】図１と同じく本発明の別の実施例である。
【記号の説明】
１：光学ベース
２：光学ユニット
３：位置決めステージ
４：第一の反射ミラー
５：第二の反射ミラー
６：ピンホール
７：ＹＡＧ基本波レーザビームの光軸
８：第二高調波発生用のＢＢＯ結晶
９：第四高調波発生用のＢＢＯ結晶
１０：音響光学素子
１１：第四高調波の光軸
Ｔ１〜Ｔ５：位置決めステージの調整つまみ
ｘ、ｙ、ｚ：位置決めステージの移動方向
θｘ、θｙ、θｚ：位置決めステージの傾き調整方向
ｈ１、ｈ２、ｈ３：ホルダー
【図１】
2004146398.tif 000003
【図２】
2004146398.tif 000004