(57)【要約】【課題】波長変換後のレーザ光の強度むらを抑制する。【解決手段】レーザ光の波長変換装置である。レーザ媒質１５と、これに入射させる励起レーザ光１３を透過すると共に、レーザ媒質１５から誘導放出されたレーザ光１３を高反射率で反射するエンドミラー１４と、レーザ媒質１５から誘導放出されたレーザ光１３を透過する出力ミラー１６とで構成されたレーザ共振器１１の、レーザ媒質１５から出力ミラー１６へのレーザ光１３の経路途中に、対をなす楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを、レーザ光１３の入射面１７ａａと波長変換後のレーザ光１９の出射面１７ｂｂが平行で、楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂ間の隙間が一定となるように配置する。対をなす楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂの少なくとも一方を、前記状態を維持したままで移動させて結晶長さを調整する手段を備える。【効果】波長変換効率を常に最大にしつつ、強度むらを抑制することができる。【選択図】図１
2012216637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶によりレーザ光の波長を変換するレーザ光の波長変換装置であって、
励起されてレーザ光を誘導放出するレーザ媒質と、
このレーザ媒質に入射させる励起レーザ光を透過すると共に、レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を高反射率で反射するエンドミラーと、
前記レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を透過する出力ミラーとで構成されたレーザ共振器の、
前記レーザ媒質から前記出力ミラーへのレーザ光の経路途中に、対をなす２個の楔形非線形光学結晶を、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面が可及的に平行で、かつ、２個の楔形非線形光学結晶間の隙間が可及的に一定の状態で配置すると共に、
これら対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、少なくともどちらか一方を、前記状態を維持したままで移動させて結晶長さを調整する手段を備えたことを特徴とするレーザ光の波長変換装置。
【請求項２】
非線形光学結晶によりレーザ光の波長を変換するレーザ光の波長変換装置であって、
励起されてレーザ光を誘導放出するレーザ媒質と、
このレーザ媒質に入射させる励起レーザ光を透過すると共に、レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を高反射率で反射するエンドミラーと、
前記レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を透過する出力ミラーとで構成されたレーザ共振器から出力されたレーザ光の経路中に、対をなす２個の楔形非線形光学結晶を、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面が可及的に平行で、かつ、２個の楔形非線形光学結晶間の隙間が可及的に一定の状態で配置し、
かつ、前記対をなす２個の楔形非線形光学結晶の出力側の波長変換後のレーザ光の経路中に基本波を除去するミラー設けると共に、前記対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、少なくともどちらか一方を、前記状態を維持したままで移動させて結晶長さを調整する手段を備えたことを特徴とするレーザ光の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換されたレーザ光を観察するモニターと、このモニターで観察された前記レーザ光の出力をフィードバックされて波長変換出力の変化に応じて最適な結晶長さに調整する制御部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器、又は光パラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator：以下、「ＯＰＯ」と言う。）装置におけるレーザ光の波長を変換する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばレーザ発振器の構成要素であるレーザ共振器は、エンドミラーと出力ミラーの間の、レーザ共振器内に閉じ込められるレーザ光の経路上に、レーザ媒質を配置した構成である。
【０００３】
このような構成のレーザ共振器から出力されたレーザ光を、非線形光学結晶に入射させてレーザ光の波長を変換する場合、非線形光学結晶は、入射レーザ光及び波長変換後のレーザ光のエネルギーの一部を吸収して発熱する。
【０００４】
この結果、非線形光学結晶内の温度分布が変化して位相整合の不一致が発生したり（図５参照）、波長を変換されたレーザ光が元の波長のレーザ光に戻る逆変換が生じることにより、非線形光学結晶での波長変換効率が低下する。図５は結晶内部の温度上昇による元のレーザ光（実線）と変換後のレーザ光（破線）の光強度の変化を示した図である。
【０００５】
また、非線形光学結晶に入射させるレーザ光のエネルギーや繰返し等の条件を変更した場合には、波長変換後のレーザ光が、常に最大の強度となる結晶長にはならないという問題もある。
【０００６】
このため、例えば図６に示すように、レーザ共振器１のレーザ媒質３と出力ミラー４の間に設けた非線形光学結晶５の出射面５ａを傾斜させ、この傾斜させた出射面５ａの傾きを制御することで、常に最大の波長効率が得られるようにする技術が提案されている（例えば特許文献１）。なお、図６中の２はエンドミラー、６は励起レーザ光、７はレーザ媒質３から誘導放出されたレーザ光、８は波長変換後のレーザ光を示す。
【０００７】
しかしながら、非線形光学結晶の出射面を傾斜させて、その傾きを制御する場合、非線形光学結晶の断面が傾斜状となるため、波長変換後のレーザ光には強度むらが発生するという問題があった。なお、波長変換後のレーザ光に発生する強度むらを抑制するには、非線形光学結晶に入射させるレーザ光の照射条件が限定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１７７４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、レーザ光の波長変換において、非線形光学結晶の出射面を傾斜し、この出射面の傾きを制御することで、常に最大の波長効率が得られるようにする技術では、波長変換後のレーザ光に強度むらが発生するという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザ光の波長変換装置は、
波長効率を常に最大にしつつ、波長変換後のレーザ光に発生する強度むらを抑制するために、
非線形光学結晶によりレーザ光の波長を変換するレーザ光の波長変換装置であって、
励起されてレーザ光を誘導放出するレーザ媒質と、
このレーザ媒質に入射させる励起レーザ光を透過すると共に、レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を高反射率で反射するエンドミラーと、
前記レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を透過する出力ミラーとで構成されたレーザ共振器の、
前記レーザ媒質から前記出力ミラーへのレーザ光の経路途中に、対をなす２個の楔形非線形光学結晶を、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面が可及的に平行で、かつ、２個の楔形非線形光学結晶間の隙間が可及的に一定の状態で配置すると共に、
これら対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、少なくともどちらか一方を、前記状態を維持したままで移動させて結晶長さを調整する手段を備えたことを主要な特徴としている。
【００１１】
上記構成の本発明では、対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面を可及的に平行に配置しつつ、結晶長さを可変とすることで、レーザ光の光軸方向における温度勾配により、屈折率が変わることによる波長変換効率の低下を抑制し、波長変換効率を常に最大にすることが可能になる。
【００１２】
また、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面が可及的に平行で、かつ、２個の楔形非線形光学結晶間の隙間が可及的に一定の状態とすることで、波長変換後のレーザ光の強度むらを抑制できる。
【００１３】
上記本発明を構成する前記対をなす２個の楔形非線形光学結晶は、前記レーザ共振器から出力されたレーザ光の経路中に配置しても良い。この場合、対をなす２個の楔形非線形光学結晶の出力側の波長変換後のレーザ光の経路中に基本波を除去するミラー設ける必要がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面が可及的に平行になるように配置しつつ、実効的な結晶長さを可変とすることにより、波長変換効率を常に最大にしつつ、強度むらを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザ共振器内に配置した第１の本発明のレーザ光の波長変換装置の概略構成を示した図である。
【図２】本発明のレーザ光の波長変換装置における結晶長さを説明する図で、（ａ）は常態における２個の楔形非線形光学結晶の位置関係を示した図、（ｂ）は（ａ）に比べて結晶長さが短い場合の位置関係、（ｃ）は（ａ）に比べて結晶長さが長い場合の位置関係を示す。
【図３】第２の本発明のレーザ光の波長変換装置の概略構成を示した図である。
【図４】レーザ共振器内に配置した第３の本発明のレーザ光の波長変換装置の概略構成を示した図である。
【図５】結晶内部の温度上昇による元のレーザ光と変換後のレーザ光の光強度の変化を示した図である。
【図６】従来のレーザ光の波長変換装置の概略構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明では、波長効率を常に最大にしつつ、波長変換後のレーザ光に発生する強度むらを抑制するという目的を、対をなす２個の楔形非線形光学結晶の、レーザ光の入射面と波長変換後のレーザ光の出射面を可及的に平行に配置しつつ、結晶厚みを可変とすることで実現した。
【実施例】
【００１７】
以下、図１及び図２を用いて本発明のレーザ光の波長変換装置を詳細に説明する。
図１及び図２は第１の本発明のレーザ光の波長変換装置について説明する図である。
【００１８】
図１において、１１は入射した励起レーザ光１２に励起されてレーザ光１３を誘導放出するレーザ共振器であり、励起レーザ光１２の入射側から、エンドミラー１４、レーザ媒質１５、出力ミラー１６の順に配置されている。
【００１９】
このうち、レーザ媒質１５は、エンドミラー１４を透過してきた励起レーザ光１２に励起されてレーザ光１３を誘導放出するもので、レーザ発振器の場合はレーザ結晶が、また、ＯＰＯ装置の場合は非線形光学結晶が採用される。
【００２０】
前記エンドミラー１４は、前記レーザ媒質１５に入射させる励起レーザ光１２を透過するだけでなく、レーザ媒質１５から誘導放出されたレーザ光１３を高反射率で反射する作用をも有している。また、出力ミラー１６は、前記レーザ媒質１５から誘導放出されたレーザ光１３を所定の透過率で透過させる。
【００２１】
本発明の波長変換装置は、前記レーザ媒質１５から前記出力ミラー１６へのレーザ光１３の経路の途中に配置するもので、対をなす２個の楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂから構成されている。これら楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂとしては、ＢＢＯ（β−BaB2O4）、ＬＢＯ（LiB3O5）、ＫＴＰ（KTiOPO4）、ＤＫＤＰ（KD2PO4）等を採用する。
【００２２】
これら楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂは、レーザ媒質１５側（以下、一方という。）の楔形非線形光学結晶１７ａの入射面１７ａａと、出力ミラー１６側（以下、他方という。）の楔形非線形光学結晶１７ｂの出射面１７ｂｂが平行となるように設置されている。さらに、一方の楔形非線形光学結晶１７ａの出射面１７ａｂと他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの入射面１７ｂａの隙間が一定となるように設置されている。
【００２３】
前記隙間の平行度の許容範囲は、使用する楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂの角度許容幅に依存し、角度許容幅の１／４以下（最大出力の１０％）に抑えることが望ましい。また、隙間の許容範囲は、ビーム拡がり角が、ビーム径の０．５％以下となるような範囲に調整することが望ましい。例えば、ビーム径がφ５mm、ビーム拡がり角が１mradであれば、最大２５mmとなる。
【００２４】
加えて、本発明では、前記状態を維持しつつ、例えば両楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを、図２（ａ）に示す常態から、波長変換出力に応じて、図２（ｂ）に示すように結晶長さを短くしたり、図２（ｃ）に示すように結晶長さを長くできるように構成している。
【００２５】
この結晶長さを調整する手段としては、例えば図１に示すように、一方の楔形非線形光学結晶１７ａを１軸ステージ１８ａに設置して、他方の楔形非線形光学結晶１７ｂ方向への移動を可能にするような構成とすれば良い。
【００２６】
一方の楔形非線形光学結晶１７ａを移動した後の波長変換されたレーザ光１９は、例えばモニター１８ｂで観察し、その出力を制御部１８ｃにフィードバックして波長変換出力の変化に応じて最適な結晶長さに調整する。最適な結晶長さの調整は、例えば結晶長さを変化させ、出力の最大点を探すことにより行う。出力と結晶長さの関係は、図５等から知ることができる。
【００２７】
ところで、一方の楔形非線形光学結晶１７ａの出射面１７ａｂと他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの入射面１７ｂａの隙間は、大きすぎるとレーザ光の拡がり角によりビーム径が変化して光強度が低下し、波長の変換効率が変わってしまう。また、隙間があることで、表面反射により一方の楔形非線形光学結晶１７ａに入射するレーザ光１３や他方の楔形非線形光学結晶１７ｂから出射する波長変換後のレーザ光１９のエネルギーをロスしてしまう。従って、前記隙間は可能な限り狭くすることが望ましい。
【００２８】
前記エネルギーのロスをなくすためには、一方の楔形非線形光学結晶１７ａの出射面１７ａｂと他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの入射面１７ｂａに前記レーザ光１３と前記レーザ光１９の２つの波長の反射防止膜（ＡＲコーティング）を施すことが望ましい。
【００２９】
また、図３に示すように、楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂとほぼ同じ屈折率をもつ液状またはグリース状の屈折率整合剤等で満たされたケース２０内に楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを配置しても良い。この場合、楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂの表面で起こる前記レーザ光１３と前記レーザ光１９の反射を全て低減させて変換効率を上げることができる。なお、図３中の２０ａは、ケース２０におけるレーザ光１３の入射部とレーザ光１９の出射部に設けたウィンドウである。
【００３０】
上記構成の本発明では、対をなす一方の楔形非線形光学結晶１７ａの入射面１７ａａと、他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの出射面１７ｂｂを平行に配置しつつ、例えば楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを図２（ａ）の常態から（ｂ）（ｃ）に示すように移動させることで、結晶長さを変更することができる。
【００３１】
この結晶長さの調整は、前述のように、レーザ共振器１１の後段に設けたモニター１８ｂで、波長変換後のレーザ光１９の出力を観察して結晶長さをフィードバック制御することによって行う。
【００３２】
従って、結晶長さを維持しつつ、レーザ光１３の光軸方向における温度勾配により、屈折率が変わることによる波長変換効率の低下を抑制し、常に、波長変換効率を最大にすることが可能になる。また、前記楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂの相対位置関係により、波長変換後のレーザ光１９の強度を均一に維持することが可能になる。
【００３３】
前記対をなす一方の楔形非線形光学結晶１７ａの入射面１７ａａと、他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの出射面１７ｂｂが平行でない場合は、以下の許容範囲を超えると変換効率が極端に減少して波長変換後の強度ムラを発生するので、可及的に平行となるように配置することが望ましい。
【００３４】
非線形光学結晶には角度許容幅があり、例えばＢＢＯの場合、５３２nmの波長が変換後に２６６nmとなるとき角度は０．３７mrad・cm（０．０２１度）である。これは変換後の出力が半分になる範囲（半値全幅）であり、結晶長さが５mmの場合、０．０１度となる。
【００３５】
従って、一方の楔形非線形光学結晶１７ａの入射面１７ａａと、他方の楔形非線形光学結晶１７ｂの出射面１７ｂｂが平行でない場合の角度は、前記角度許容幅の１／４以下（最大出力の１０％）を許容範囲とすることが望ましい。
【００３６】
ＢＢＯは特に角度許容幅が狭い結晶であり、ＣＬＢＯの場合の角度許容幅（５３２nm→２６６nm）は１．０８mrad・cmであり、許容範囲はＢＢＯの３倍程度となる。
【００３７】
本発明は、上記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００３８】
例えば、上記の例では、対をなす２個の楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂは、レーザ共振器１１の内部に設置したものを示したが、図４に示すように、レーザ共振器１１の外部に設置しても良い。
【００３９】
但し、図４に示すように、レーザ共振器１１から出力された励起レーザ光１２の経路中に対をなす２個の楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを配置する場合は、楔形非線形光学結晶１７ｂの出力側の波長変換後のレーザ光２０の経路中に基本波を除去するミラー２１を設ける必要がある。
【００４０】
また、上記の例では、結晶長さの制御を、波長変換後のレーザ光１９の出力をモニター１８ｂによって観察することで行うものを示したが、これに換えて楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂに温度センサーを設けて楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂの温度を計測し、この計測温度の平均値に基づいて制御しても良い。
【００４１】
また、上記の例では、一方の楔形非線形光学結晶１７ａのみを移動させるものについて説明したが、他方の楔形非線形光学結晶１７ｂを移動させるもの、両方の楔形非線形光学結晶１７ａ，１７ｂを移動させるものでも良い。
【符号の説明】
【００４２】
１１    レーザ共振器
１２    励起レーザ光
１３    レーザ光
１４    エンドミラー
１５    レーザ媒質
１６    出力ミラー
１７ａ，１７ｂ    楔形非線形光学結晶
１７ａａ，１７ｂａ    入射面
１７ａｂ，１７ｂｂ    出射面
１８ａ    １軸ステージ
１８ｂ    モニター
１８ｃ    制御部
１９    波長変換後のレーザ光
２１    ミラー
【図１】
2012216637.tif 000003
【図２】
2012216637.tif 000004
【図３】
2012216637.tif 000005
【図４】
2012216637.tif 000006
【図５】
2012216637.tif 000007
【図６】
2012216637.tif 000008