(57)【要約】【課題】波長変換部から高出力で出力光を出射する際に、出力される高調波のビーム径の変動の少ないレーザ光源装置を提供する。【解決手段】直線偏光されたレーザ光を出力する基本波レーザ光源と前記レーザ光を波長変換して高調波レーザ光を出力する周期的分極反転構造を有する波長変換部とを備えるレーザ光源装置において、前記直線偏光されたレーザ光のうち前記波長変換部の分極反転方向に垂直な方向と一致する偏光成分のみを通過するように、前記基本波レーザ光源と前記波長変換部との間に前記偏光分離素子を配置するレーザ光源装置。【選択図】図３
2012145621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光されたレーザ光を出力する基本波レーザ光源と前記レーザ光を波長変換して高調波レーザ光を出力する波長変換部とを備えるレーザ光源装置において、
前記直線偏光されたレーザ光は偏光分離素子を介して前記波長変換部に入力されるレーザ光源装置。
【請求項２】
前記波長変換部は周期的分極反転構造を有しており、
前記直線偏光されたレーザ光のうち前記波長変換部の分極反転方向に垂直な方向と一致する偏光成分のみを通過するように、前記基本波レーザ光源と前記波長変換部との間に前記偏光分離素子を配置する請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記基本波レーザ光源は、ファイバーレーザである請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記偏光分離素子は、入射された光をｓ偏光とｐ偏光とに分離できる偏光子である請求項１記載の光源装置。
【請求項５】
前記直線偏光されたレーザ光のｓ偏光成分が前記波長変換部の分極反転方向に垂直な方向と一致するように前記偏光分離素子を前記基本波レーザ光源と前記波長変換部との間に前記偏光分離素子を配置する請求項４に記載のレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、基本波長の光である基本波を非線形光学効果により波長変換して高調波を出力するための波長変換部を備えたレーザ光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、レーザ光を用いて治療すべき部位を光凝固、あるいは切開等を行うレーザ手術が行われている。このレーザ光を用いた手術では、患部に対して非接触で治療を施すことができる。このため、例えば眼科手術のように治療部位に直接触れることが好ましくない場合には、最も適した施術方法である。さらに、レーザ光を用いると、施術部位からの出血を防止できることや、細菌汚染の可能性が極めて低いこと、日帰り手術が可能であること等、多くの利点があるので、広く行われるようになった。
【０００３】
このようなレーザ手術に用いるレーザ光源は、緑色波長のレーザが良い。しかし、大出力で発光する緑色レーザは現実には存在しない。そこで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザから発せられる近赤外波長のレーザ光を、非線形光学効果を持つ波長変換により、緑色光レーザに変換した光源が用いられている。
【０００４】
このような光源は、ファイバーレーザ部、集光レンズ、周期分極反転構造を有する波長変換部、再コリメートレンズ、波長分離ミラー、ＩＲ吸収部、温度設定部、ＬＤ制御回路、温度制御回路とで構成されている。ファイバーレーザ部から偏波保持ファイバーを通して直線偏光で出力された波長１０６４ｎｍの基本波は、その基本波の偏光方向と波長変換部の分極方向とが一致するように波長変換部に基本波を入力する。このように基本波を波長変換部に入力することによって、この入力された基本波は、波長変換部にて波長５３２ｎｍの高調波に変換される。この高調波は、再コリメートレンズと波長分離ミラーとを通過し、光源装置の出力光として出射される。また、波長変換部の温度は、温度制御回路によって温度設定部を介して、所望の温度に一定になるように制御されている。また、ＬＤ制御回路は、ファイバーレーザ部から出力される基本波の光の量を制御するものである（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３３０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、波長変換部から出力される高調波が１．５Ｗを越えるような高出力になると、波長変換部から出力されるビーム径が変動してしまうという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、波長変換部から高出力で出力光を出射する際に、出力される高調波のビーム径の変動の少ないレーザ光源装置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】
【０００８】
上記課題を解決するための構成は、直線偏光されたレーザ光を出力する基本波レーザ光源と前記レーザ光を波長変換して高調波レーザ光を出力する波長変換部とを備えるレーザ光源装置において、前記直線偏光されたレーザ光は偏光分離素子を介して前記波長変換部に入力されることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、ファイバーレーザ部と波長変換部の間に、基本波の主成分の偏光方向に対し、基本波の主成分の偏光面内で９０℃傾いた偏光方向を有する光を除去する偏光子を設けることによって、その偏光方向が偏光面内で９０℃傾いた偏光方向を有する光が、波長変換部に入力されることを抑えることができる。
その結果として、波長変換部から出力される高調波のビーム径の変動を抑えることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ファイバーレーザ部から出力された基本波が波長変換部入射する部分の拡大図
【図２】（ａ）波長変換部から出力される高調波のビーム径の時間的変動を示す図（ｂ）ファイバーレーザ部から出力される基本波副成分の光量の時間的変動を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザ光源装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態１における偏光子と波長変換部と基本波との関係を説明する斜視図
【図５】（ａ）本実施形態における波長変換部から出力される高調波のビーム径の時間的変動を示す図（ｂ）本実施形態におけるファイバーレーザ部から出力される基本波副成分の光量の時間的変動を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、従来の構成において、波長変換部から出力される高調波のビーム径が変動する理由について説明する。
【００１２】
図１に、ファイバーレーザ部から出力された基本波１０６が波長変換部１１０に入射する部分の拡大図を示す。ここで、基本波１０６は、図中のＺ軸方向から波長変換部１１０に入射するように配置されている。一方、波長変換部はＹ軸方向に分極反転した部位（斜線部）と分極していない部位とをＺ軸方向に整列するように配置されている。このように形成された波長変換部１１０に、その分極方向の偏光が入力されると高調波が発生するので、基本波１０６には、波長変換部１１０の分極方向（Ｙ軸方向）と一致する直線偏光の光を用いる。
【００１３】
しかしながら、ファイバーレーザ部から出力される基本波が、偏波保持ファイバーへの熱的外乱等によって直線偏光の方向が揺ぐ。そのため、ファイバーレーザ部からの基本波は直線偏光ではあるが、その偏光方向が波長変換部１１０の分極方向（Ｙ軸方向）と常に一致せず、Ｙ軸方向を中心としたわずかな変動を生ずる。このため、波長変換部１１０の入射側から見ると、基本波１０６は、Ｙ軸方向の偏光をもった基本波主成分１０６ａ（ｓ偏光）とＸ軸方向の偏光をもった基本波副成分１０６ｂ（ｐ偏光）とが合成した光となる。発明者らが基本波副成分１０６ｂの最大変動を実測した結果、その変動は基本波全体の約１０％であった。このように、ファイバーレーザは基本波の偏光方向が変動するため、基本波主成分を一定に制御するためには、基本波の出力自体を増減する制御が行われる。
【００１４】
次に、発明者らは、高調波の出力が１．５Ｗ一定となるようにＡＰＣ制御された光源装置の波長変換部１１０から出力される高調波のビーム径の時間的変動と基本波の基本波副成分１０６ｂの光量の時間的変動を測定した。なお、基本波副成分１０６ｂを直接観察することは難しいので、波長変換部を透過した基本波に偏光子を挿入して基本波副成分１０６ｂを取り出し、その時間変化を計測した。
【００１５】
光源装置内の波長変換部から出力される高調波のビーム径の時間的変動を図２（ａ）に示す。ビーム径の絶対値は２ｍｍであるが、変動を明確に示すため、発光初期のビーム径を１００％として無次元化した。図からわかるように、高調波のビーム径は、時間の経過に従い分単位で周期的が長くなる変動をしている。
【００１６】
一方、ファイバーレーザ部から出力された基本波の基本波副成分１０６ｂの光量の時間的変動を図２（ｂ）に示す。図からわかるように、基本波副成分も、高調波のビーム径の時間的変動と非常に良く似た変動しており、両図を見ると、出力光のビーム径の時間的変動の山と谷が基本波の基本波副成分の谷と山に同期している。発明者らは、この同期現象から、基本波副成分の変動がそのまま出力光のビーム径の時間的変動に影響することを見出した。
【００１７】
これは、以下のようなメカニズムで生じていると考えられる。すなわち、図１で説明したとおり、基本波の偏向方向が変動するため、基本波副成分が生じ、この基本波副成分の大きさは時間と共に変動する。そのため、波長変換部には、高調波を生み出すための基本波主成分とこの基本波副成分とが入力される。ところが、従来の光源装置では、基本波主成分から変換された高調波の出力を用いてＡＰＣ制御を行うので、基本波副成分の変動分だけ、波長変換部に入力される基本波の光量が変動することとなる。その結果、波長変換部内部では、基本波レーザ光が通過する部分は通過光量が変動するため、通過に伴う発熱量が変化して波長変換部の屈折率が変動する。この屈折率変動により、熱レンズ効果が生じて波長変換部内部を通過する基本波主成分のビーム径に影響を与える。これが基本波副成分の変動により高調波のビーム径が変動する原因である。
【００１８】
これは、ファイバーレーザと波長変換素子とを組み合わせたレーザ光源に特有の問題である。１．５Ｗと高出力のレーザを実現するには、ファイバーレーザの出力を大きくする必要がある。しかし、以上の現象により、ファイバーレーザ出力を大きくするほど、高調波レーザのビーム径変動が顕著になる。従来は、この種のレーザ光源の出力がさほど大きくないため、この問題は知られていなかった。
【００１９】
以上、説明したようにビーム径変動のメカニズムが明らかになった。すなわち、高調波のビーム径の変動を抑えるには、波長変換部へ入力されるファイバーレーザ部から出力される基本波の基本波副成分を除去すればよい。
【００２０】
（実施の形態１）
以下に、本発明の光源装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００２１】
［光源装置の構成に関する説明］
図３は、本発明の実施の形態１における光源装置の構成を示すブロック図である。図に示すように、ファイバーレーザ部１０１は、基本波１０６を出力する。このファイバーレーザ部１０１は、半導体レーザ１０２とＹｂドープファイバーを用いたファイバー１０３、全反射ファイバブラッググレーティング（以下、全反射ＦＢＧ）１０４と、一部反射ＦＢＧ１０５とで構成される。
【００２２】
本実施例では、ファイバーレーザ部１０１の半導体レーザ１０２は、波長９１５ｎｍのレーザ光を出力するものを用いた。半導体レーザ１０２が出力するレーザ光は、全反射ＦＢＧ１０４に入射し、ファイバー１０３を介して、全反射ＦＢＧ１０４と一部反射ＦＢＧ１０５間で共振する。その結果、半導体レーザ１０２からファイバー１０３に入力されたレーザ光は、ファイバー１０３にて励起されることにより、スペクトル幅が狭帯域化した基本波１０６として、一部反射ＦＢＧ１０５から波長１０６４ｎｍのレーザ光が出力される。このときの基本波１０６は直線偏光の光である。
【００２３】
本発明の特徴は、基本波１０６の偏光が波長変換部１１０の分極方向に一致する偏光のみを透過するように偏光子１０７を配置した構成にある。この構成詳細は、図４にて後述する。ファイバーレーザ部１０１から出力された基本波１０６は、偏光子１０７に入力された後、集光レンズ１０９により集光され、波長変換部１１０に入力される。本実施形態における波長変換部１１０は、分極反転構造を形成したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子（ＭｇＬＮ素子）を用いた。
【００２４】
波長変換部１１０に入力された基本波１０６は、波長変換部１１０を通過すると、基本波１０６の一部が高調波１１１に変換される。この高調波１１１は、高調波１１１に変換されなかった基本波１０６とともに波長変換部１１０から出力される。波長変換部１１０から出力された高調波１１１と高調波１１１に変換されなかった基本波１０６は、再コリメートレンズ１１２により並行光あるいは適当なＮＡに調整される。これらの光は、高調波１１１と基本波１０６とに帯域分離する波長分離ミラー１１４に導かれ、高調波１１１のみ選択して出力するように構成されている。なお、波長分離ミラー１１４で分離された基本波１０６は、ＩＲ吸収体１１８に導かれ吸収される。波長分離ミラー１１４によって分離された高調波１１１は、モニタリングフィルタミラー１１７に入力される。高調波１１１の大部分は、モニタリングフィルタミラー１１７を通過して、光ファイバーや導光板（図示せず）などで治療位置や加工位置に導光される。
【００２５】
一方、一部の高調波１１１が、モニタリングフィルタミラー１１７によって反射され、高調波出力検出部１１３に入力される。高調波出力検出部１１３では、入力された高調波１１１の光量を検出し、電気信号に変換して出力する。高調波出力検出部１１３が出力した光量検出信号は、ＬＤ制御部３００に入力される。このＬＤ制御部３００によって、レーザ駆動部１５０を介して、高調波１１１の出力を一定にするＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う。
【００２６】
波長変換部１１０の波長変換効率を最適に保つためには、予め定められた最適温度に波長変換部の温度を保たなければならない。そのため、波長変換部１１０は、ＣＰＵ部２００が指定した最適温度になるように、温度設定部１１５の上に配置されている。波長変換部１１０の温度は、この温度設定部１１５を介して、サーミスタなどの温度センサ１１６で検出される。温度センサ１１６で検出された温度は温度制御部４００へ伝達され、温度センサ１１６の検出温度が設定温度になるように、温度設定部１１５への駆動電流と駆動極性の制御を、温度制御部４００が行う。温度設定部１１５は、温度制御部４００が出力した駆動電流によって、波長変換部１１０を加熱冷却して、温度センサ１１６が出力する温度信号を所定の設定温度にすることができる。本実施例では、ペルチェ素子と波長変換部を支持固定するアルミ台とで温度設定部１１５を構成した。
【００２７】
［偏光子１０７と波長変換部１１０と基本波１０６との関係の説明］
以下に、本発明の特徴であるファイバーレーザ部１０１のレーザ出力側に配置した偏光子１０７と波長変換部１１０との関係について説明する。説明を簡単にするため、図３で示した集光レンズ１０９は省略している。図４は、本発明の実施の形態１における光源装置内の偏光子１０７と波長変換部１１０と基本波１０６との関係を説明する斜視図である。
【００２８】
ファイバーレーザ部１０１から出力された基本波１０６は、波長変換部１１０の前（すなわちファイバーレーザ部１０１と波長変換部１１０との間）に設けた偏光子１０７によって、基本波主成分１０６ａと基本波副成分１０６ｂに分光される。偏光子１０７を透過した基本波主成分１０６ａの光路（図中のＡ）を、波長変換部１１０の分極反転の周期構造の方向（図中のＢ）と一致するように配置することが重要である。この配置により、偏光子１０７に入力された基本波１０６の基本波副成分１０６ｂが除去され基本波主成分１０６ａのみが偏光子１０７が通過する。従って、波長変換部１１０には、基本波主成分１０６ａのみが偏光子１０７を通過し、（集光レンズ１０９（図１中に図示）により集光されて）、入力される。
【００２９】
本実施の形態で用いた偏光子１０７は、具体的には多層膜ミラーであり、基本波１０６の光路に対して４５°の角度で挿入してある。多層膜には、４５°入射の波長１０６４ｎｍでは、ミラーに対して平行な偏光をもったｐ偏光は反射、ミラーに対して垂直な偏光をもったｓ偏光は透過する特性を持たせているため、図４に示したようにミラーを挿入すると、基本波主成分１０６ａは透過、基本波副成分１０６ｂは反射し、基本波主成分１０６ａと基本波副成分１０６ｂを分離することができる。本実施形態で偏光子１０７は多層膜ミラーを用いたが、これに限るものはなく、偏光分離できる素子であれば良い。たとえばグラントムソンあるいはローションプリズム等の偏光ビームスプリッタによっても、偏光分離することが出来るので、多層膜ミラーと同様に使用することができる。
【００３０】
次に、この構成による効果を説明する。図５（ａ）は、本発明の実施の形態１における光源装置内の波長変換部から出力される高調波のビーム径の時間的変動を示す図である。このときの高調波の出力は１．５Ｗでビーム径は２ｍｍである。図５（ａ）は、図２（ａ）と比較を容易にするために無次元化している。偏光子１０７の効果は、図２（ａ）と図５（ａ）とを比較すると明らかである。基本波１０６と波長変換部１１０との間の光路に偏光子１０７を挿入することで、基本波副成分１０６ｂの変動に同期したビーム径の変動は、大幅に抑えられている。また、偏光子１０７を用いた場合は、レーザ発光から３０分以上経つと、ビーム径の変動が極めて少なくなり、非常に安定した出力光が得られている。なお、図５（ｂ）に本実施形態においても基本波副成分１０６ｂの時間変化を示す。図２（ｂ）と同様の変動をしていることが分かる。しかし、本発明のように、ファイバーレーザ部１０１と波長変換部１１０との間に偏光子１０７を設けることにより、基本波副成分１０６ｂによる高調波１１１のビーム径の変動を効果的に抑圧することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の光源装置は、高調波のビーム径の変動を低く抑えることができるので、例えば眼科用治療装置のような医療用途だけではなく、精度の必要とされるレーザ加工装置やレーザマーキング装置等の光源装置として有用である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  ファイバーレーザ部
１０２  半導体レーザ
１０３  ファイバ
１０４  全反射ＦＢＧ
１０５  一部反射ＦＢＧ
１０６  基本波
１０６ａ  基本波主成分
１０６ｂ  基本波副成分
１０７  偏光子
１０９  集光レンズ
１１０  波長変換部
１１１  高調波
１１２  再コリメートレンズ
１１３  高調波出力検出部
１１４  波長分離ミラー
１１５  温度設定部
１１６  温度センサ
１１７  モニタリングフィルタミラー
１１８  ＩＲ吸収体
１５０  ＬＤ駆動部
２００  ＣＰＵ部
３００  ＬＤ制御部
【図１】
2012145621.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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