(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラーを備えるレーザー発振器と、
高調波発生と位相共役ミラーとの各機能を備える非線形光学結晶を含み、前記レーザー発振器から入射したレーザー光の光強度を増強する外部共振器と、を備え、
前記非線形光学結晶が前記光強度の増強したレーザー光が入射して前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を辿ることで、前記ミラーと前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をし、前記レーザー発振によるレーザー光の波長および位相が受動的にロックされるとともに前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記外部共振器から出力するレーザー装置。
【請求項２】
前記外部共振器はリング共振器から構成され、前記非線形光学結晶は前記リング共振器の光軸上に位置する請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、ＢＢＯ（β-BaB２O４）、ＬＢＯ（LiB３O５）、または、ＣＬＢＯ（CsLiB６O10）から構成される請求項１または２に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記レーザー発振器は、励起光源としての半導体レーザーと、レーザー媒質としてのファイバーと、を備え、
前記ミラーは、前記半導体レーザーと、前記ファイバーとの間に配置される請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記ファイバーは、Prイオンを添加したフッ化物材料からなる請求項４に記載のレーザー装置。
【請求項６】
ミラーを備えるレーザー発振器からレーザー光を、高調波発生と位相共役ミラーとの各機能を備える非線形光学結晶を含む外部共振器に入射させて前記レーザー光の光強度を増強し、
前記非線形光学結晶に前記光強度の増強したレーザー光が入射して前記非線形光学結晶が前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を辿ることで、前記ミラーと前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をし、
前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記外部共振器から出力するレーザー発振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を得るためのレーザー装置およびレーザー発振方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視および紫外領域のレーザー光を得るためには、レーザー発振器に加え、非線形光学結晶を用いた高調波発生技術が広く用いられている。図２のように、レーザー発振器は、レーザー媒質５１を２枚の高反射率ミラー５２，５３で挟み込む共振器構造を有し、高調波発生用非線形光学結晶５４を介して高調波５５を得ている。高効率に可視および紫外領域のレーザー光を得るためには、レーザー共振器の高精度な調整とともに高調波発生用非線形光学結晶の角度、温度などの高精度なアライメント調整が必要である。
【０００３】
高効率に高調波を発生させるためには、大きな非線形光学定数を持つ非線形光学結晶を使用するとともにレーザー光の強度を高くする必要がある。そのために、図３のように非線形光学結晶５４をレーザー共振器内に設置した内部共振器型、または、非線形光学結晶のみを別の共振器内に設置した外部共振器型などが使用されている。内部共振器・外部共振器内ではレーザー光は２つまたは複数のミラーにより閉じ込められるので、共振器が無い場合に比べて３桁〜５桁程度レーザー強度を増強することが可能である。
【０００４】
非特許文献１は、高圧ガスや透明液体材料を位相共役ミラーに用いてレーザー発振させた実験例を紹介している。非特許文献２は、非線形光学結晶から発生した位相共役波を用いることで半導体レーザーの発振特性を改善させた実験例を紹介している。
【０００５】
特許文献１は、共振系内の発振レーザー光ないし波長変換光の往復光路内に光屈折性効果を備える非線形媒質からなる位相共役光発生素子を挿入しかつその近傍に光ファイバーの一端を置き、発振レーザー光や波長変換光をポンピング光としかつこの一端から位相共役光発生素子に入射するガイド光に対して正確に逆方向の経路を辿る位相共役光を発生させて光ファイバーの一端に高エネルギ密度で注入してその他端から取り出すようにしたレーザー装置を開示する（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３４２１８２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】吉田國雄・吉田英次「ＹＡＧレーザー構成法のルネッサンス」（レーザー研究 第２１巻第８号 ８〜１５頁）平成５年８月
【非特許文献２】尾松孝茂「フォトリフラクティブ位相共役鏡を用いた高出力半導体レーザーのビーム品質制御」（レーザー研究 第３０巻第４号 １７７〜１８１頁）平成１４年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のような内部共振器・外部共振器を用いた高調波発生レーザー装置は、安定かつ高出力で動作させるためには、非線形光学結晶の精密なアラインメントに加え、共振器の光軸や共振器長の高精度な制御・調整が必要であり、複雑かつ高精度な制御および調整が要求される。
【０００９】
特許文献１のレーザー装置は、位相共役光発生素子がレーザー共振系に含まれる構成（図１）でレーザー発振のみに寄与するものであり、また、位相共役光発生素子と波長変換用の非線形光学結晶とが別々に配置され、位相共役光発生素子はレーザー発振に寄与しない構成（図３）である。
【００１０】
また、非特許文献１，２のように、位相共役ミラーを用いたレーザー共振器は、レーザー共振器内におけるレーザー発振のみに寄与するものである。
【００１１】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、非線形光学結晶を位相共役ミラーとして用いることで、複雑かつ高精度な制御・調整が不要でかつ安定したレーザー光出力が可能なレーザー装置およびレーザー発振方法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】
【００１２】
本発明は、上記目的達成のために本発明者等が鋭意調査・検討した結果得られた知見に基づいてなされたものである。すなわち、光学材料にレーザー光を入射させ、内部にレーザー光の波長に相当する周期の粗密分布を形成することにより位相共役波が発生することが公知であるところ、この粗密分布形成の原理は、光音響効果、フォトリフラクティブ効果、誘導ブリリアン散乱等の非線形光学効果として説明され、位相共役波は光学材料に入射した一のレーザー光に対し発生する。かかる位相共役波の特徴は、入射レーザー光の空間位相分布を反転した位相分布を持ち、かつ、入射レーザー光の光軸と真逆に伝搬する光を受動的に発生することである。このため、位相共役波を形成する光学材料は位相共役ミラーと称されるが、この位相共役ミラーをレーザー共振器の一方のミラーに用いることで、受動的に光軸が調整される結果、光学材料の精密なアラインメント調整や共振器の光軸や共振器長の制御・調整が不要できかつ安定したレーザー光出力が期待できるという知見を得て本発明に至ったものである。
【００１３】
上記目的を達成するためのレーザー装置は、ミラーを備えるレーザー発振器と、高調波発生と位相共役ミラーとの各機能を備える非線形光学結晶を含み、前記レーザー発振器から入射したレーザー光の光強度を増強する外部共振器と、を備え、
前記非線形光学結晶が前記光強度の増強したレーザー光が入射して前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を辿ることで、前記ミラーと前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をし、前記レーザー発振によるレーザー光の波長および位相が受動的にロックされるとともに前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記外部共振器から出力する。
【００１４】
このレーザー装置によれば、外部共振器内の非線形光学結晶による位相共役ミラーで反射した位相共役波がレーザー共振器から入射したレーザー光の光軸を真逆に伝搬し、レーザー発振器のミラーに至るまで受動的に光軸が調整され、位相共役ミラーとレーザー発振器のミラーとが自動的に正対してレーザー発振をするので、レーザー発振器で発振するレーザー光の波長および位相が受動的にロックされる。これにより、非線形光学結晶の精密なアラインメントや共振器の光軸等の高精度な制御・調整が無くとも安定してレーザー光が出力する。このように、外部共振器内に配置した非線形光学結晶による位相共役ミラーと、レーザー発振器内のミラーとの間でレーザー発振させることで、安定したレーザー光を出力させることができる。
【００１５】
上述のレーザー装置において、前記非線形光学結晶は、位相共役波発生機能に加え、高調波発生機能を兼ね備えることで、簡単な構成により安定した高出力の可視領域および紫外領域のレーザー光を得ることができる。
上記目的を達成するためのレーザー発振方法は、ミラーを備えるレーザー発振器からレーザー光を、高調波発生と位相共役ミラーとの各機能を備える非線形光学結晶を含む外部共振器に入射させて前記レーザー光の光強度を増強し、前記非線形光学結晶に前記光強度の増強したレーザー光が入射して前記非線形光学結晶が前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を辿ることで、前記ミラーと前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をし、前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記外部共振器から出力する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザー装置およびレーザー発振方法によれば、非線形光学結晶を位相共役ミラーとして用いることで、複雑かつ高精度な制御・調整が不要でかつ安定したレーザー光出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態によるレーザー装置を概略的に示す光路図である。
【図２】従来のレーザー発振器の共振器構造を概略的に示す光路図である。
【図３】高調波発生のための非線形光学結晶をレーザー共振器内に設置した従来例を概略的に示す光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態によるレーザー装置を概略的に示す光路図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態によるレーザー装置２０は、励起用半導体レーザー１と、集光レンズ２と、ミラー３と、レーザー媒質４と、マッチングレンズ５と、平面ミラー６，７と、凹面ミラー８，９と、非線形光学結晶１０と、ピエゾ素子１１と、受光素子１２と、制御部１３と、を備える。
【００２０】
励起用半導体レーザー１と、集光レンズ２と、ミラー３と、レーザー媒質４とがレーザー発振器２１を構成する。集光レンズ２は、励起用半導体レーザー１からの光を、ミラー３を介してレーザー媒質４内に集光する。
【００２１】
また、平面ミラー６，７と凹面ミラー８，９とは、波長変換を行うための外部共振器としてリング共振器２２を構成する。非線形光学結晶１０は、凹面ミラー８，９の共焦点の位置に配置されるようにしてリング共振器２２内に設けられ、たとえば、ＢＢＯ（β-BaB2O4）、ＬＢＯ（LiB3O5）、または、ＣＬＢＯ（CsLiB6O10）からなり、高調波を発生させるとともに、位相共役波を発生させる。
【００２２】
レーザー媒質４から放出された基本波レーザー光は、図１の実線で示す矢印方向に進み、マッチングレンズ５を介して非線形光学結晶１０を含むリング共振器２２へと導かれる。マッチングレンズ５は、入射させるレーザー光のモードがリング共振器２２内のモードに重なるように配置され、凹面ミラー８，９の共焦点の位置に集光し非線形光学結晶１０の位置で光強度が最大になるように位置調整される。
【００２３】
また、リング共振器２２内で光強度を増強するために、リング共振器２２を構成する平面ミラー６，７と凹面ミラー８，９とは、基本波レーザー光の波長に対して99.9%以上の高い反射率を有する。この高光強度のレーザー光が非線形光学結晶１０に入射することで、非線形光学結晶１０は、非線形光学効果により位相共役波を発生し、位相共役ミラーとして機能する。
【００２４】
非線形光学結晶１０で発生した位相共役波は、非線形光学結晶１０に入射するレーザー光と正確に真逆の方向に進行し、図１の破線で示す矢印方向に、凹面ミラー８，ミラー７で反射し，ミラー６を透過し、マッチングレンズ５、レーザー媒質４を経て、ミラー３に至る。このため、位相共役ミラーとなる非線形光学結晶１０とミラー３とは、自動的に正対し、レーザー共振してレーザー発振に至る。このようにして、レーザー発振した基本波レーザー光は、波長および位相が受動的にロックされるとともに、非線形光学結晶１０により第二高調波が発生し、凹面ミラー９から光路１５に沿って外部へ出射する。これにより、第二高調波による紫外領域のレーザー光が出力するとともに、未波長変換波による可視領域のレーザー光が出力する。
【００２５】
また、リング共振器２２において凹面ミラー９からの反射光の一部がミラー６を透過し、この一部透過光を受光素子１２が受光する。リング共振器２２の共振器長は基本波波長の倍数であることが条件で、そのためにPound-Drever-Hall法やHansch-Couillaud法などを用い、リング共振器２２内の基本波の偏光の差を受光素子１２で測定し、この測定結果に基づいて制御部１３がピエゾ素子１１に対し電気信号を送り、ピエゾ素子１１が平面ミラー７を駆動して共振器長を制御することで、外気温等の環境の変化に対し波長変換出力を安定化させている。
【００２６】
本実施形態のレーザー装置によれば、外部共振器（リング共振器）２２内に位相共役ミラーとなる非線形光学結晶１０を配置することで、安定したレーザー光を出力させることができ、非線形光学結晶の精密なアラインメント調整やレーザー共振器２１の光軸等の高精度な制御・調整が無くとも安定してレーザー光が出力する。
【００２７】
また、高調波発生と位相共役波発生の両機能を兼ね備えた非線形光学結晶を用いることで、紫外領域および可視領域のレーザー光が安定して高出力し、これらに伴い装置の簡略化、低コスト化が可能になる。また、外気温等の環境の変化に伴うリング共振器の変動が抑制されるため、安定かつ高出力のレーザー動作ができる。
【００２８】
本実施形態によるレーザー装置の作用効果についてさらに説明する。リング共振器内に高調波発生のために非線形光学結晶を配置することは公知であるが、その構成が位相共役ミラーを構成することは、本願の出願前には公知ではなかった。ましてやリング共振器内の位相共役ミラーから反射される光が精密かつ正確にレーザー媒質としての光ファイバーのコアに戻ることについてはまったく予想できないことであった。すなわち、図１のレーザー装置２０において、リング共振器２２内の非線形光学結晶１０による位相共役ミラーからレーザー発振器２１内のレーザー媒質４の光ファイバーを介してミラー３まで光が正確かつ精密に戻ることが自動的に行われることについて、本願が初めて明らかにしたのである。
【００２９】
また、連続波レーザー光や微弱なパルスレーザー光では位相共役ミラーを構成できないか、あるいは、その構成が容易ではないが、リング共振器内で高光強度のレーザー光を得ることで、位相共役ミラーを確実に構成できる。さらに、リング共振器内の多重反射光が同一光路を通ることは保証できないが、それらの光路のうち、最も効果の高い光路を自動的に選択することができる。
【００３０】
たとえば、同様の径で、焦点距離10mmのレンズを用いて、４μｍコアの光ファイバーに集光する場合、大きく見積もって2μｍの集光横ずれ（50%以上のロス）があると、レーザー発振ができなくなる。横ずれ量は、焦点距離f、光ビームの傾き角θとすると、fθで示され、2μｍの横ずれに相当する光ビームの傾き角は、0.2mrad（1度は17.5mrad）、つまり、およそ1/100度の傾き誤差も許されないのであるが、この1/100度以下の角度調整が、特別な操作もなく自動的に実行されるのである。
【００３１】
（実施例）
本実施例では、図１のレーザー媒質４は、Prイオンを添加したフッ化物ファイバーからなるが、他のレーザー媒質を使用してもよい。励起用半導体レーザー１として発振波長４４５ｎｍの半導体レーザーを使用した。発振波長は、レーザー媒質４の吸収波長に従い適時選択される。非線形光学結晶１０は、ＢＢＯを用いた。
【００３２】
図１の半導体レーザー１からの発振波長４４５ｎｍの光をレンズ２により集光しレーザー媒質４に入射させて励起し、レーザー媒質４から波長６３８ｎｍの基本波レーザー光が出射し、その基本波レーザー光が、マッチングレンズ５を介してリング共振器２２に入射し、ミラー９から波長３１９ｎｍの第二高調波が出力した。半導体レーザー１のパワー４０９７ｍＷに対し波長変換された波長３１９ｎｍのレーザー光の出力４１３ｍＷを得た。
【００３３】
以上のように本発明を実施するための形態および実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、簡単な構成でレーザー光が安定して出力することから、レーザー装置の簡略化、低コスト化が可能になる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 励起用半導体レーザー
２ 集光レンズ
３ ミラー
４ レーザー媒質
５ マッチングレンズ
６，７ 平面ミラー
８，９ 凹面ミラー
１０ 非線形光学結晶
２０ レーザー装置
２１ レーザー発振器
２２ リング共振器、外部共振器
【図１】
0006842725.tif 000002
【図２】
0006842725.tif 000003
【図３】
0006842725.tif 000004