(57)【要約】【課題】二次高周波発生素子を用いたレーザ光源装置において、装置内で発生する汚染物質による出力低下を効果的に防止することができるレーザ光源装置を提供する。【解決手段】レーザ光源装置を、レーザ発振素子を有する第一の波長の光を放出するレーザ光源モジュールと、前記第一の波長の光の光路上に配置された第一の波長の光から第二の波長の光に変換する波長変換素子モジュールと、前記波長変換素子モジュールを通過した第一の波長の光と同時に放出される第二の波長の光の光路上に配置された波長選択素子と、前記波長選択素子によって前記第二の波長の光の光路とは別の光路を持った第一の波長の光の光路上に配置された反射ミラーと、前記反射ミラーから放射された前記別の光路を持った第一の波長の光によって活性化し汚染物質の分解を促進する光触媒材料からなる汚染物質分解素子と、を備えて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長のレーザ光を放出するためのレーザ光源モジュールと、
前記レーザ光源モジュールの出射光路上に配置され前記第一の波長のレーザ光を第二の波長のレーザ光に変換するための分極反転型デバイスモジュールと、
前記分極反転型デバイスモジュールに配置された光触媒材料からなる汚染物質分解素子と、
前記分極反転型デバイスモジュールの出射光路上に配置された前記第二の波長のレーザ光を透過し前記第一の波長のレーザ光を反射するための波長選択素子と、
前記波長選択素子とからの反射光を受けて前記染物質分解素子に前記第一の波長のレーザ光を反射するように設けられた反射ミラーとを備えたレーザ光源装置。
【請求項２】
前記レーザ光源モジュールは、レーザダイオード励起型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３】
前記分極反転型デバイスモジュールは、周期分極反転層を有した二次高調波発生素子からなる請求項１記載のレーザ光源装置
【請求項４】
前記光触媒材料は、金属酸化物でなる材料からなる請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記光触媒材料は、ＴｉＯ２を含む材料からなることを特徴とする請求項４記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記反射ミラーは、前記第一の波長のレーザ光から紫外光までの光を全反射する請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記反射ミラーの形状は、前記波長選択素子とからの反射光を前記汚染物質分解素子に集中して照射出来るような砲弾型をしている請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記波長選択素子と前記反射ミラーとの光軸上に前記第一の波長のレーザ光を短い波長に変換するための波長変換素子を備えた請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
前記波長変換素子は、アップコンバージョン材料または非線形光学材料からなる請求項８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、波長変換素子を利用したレーザ光源装置に関し、特に装置内で発生する汚染物質を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、グリーンレーザ光源には、半導体体レーザ素子光源での実現が難しく、ＡｒガスレーザやＫｒガスレーザ等のガスレーザ光源が使用されてきた。しかし、ガスレーザ光源では、エネルギー変換効率が０．１％と低く、また冷却機構が必要なため、装置の小型化が難しかった。そのため近年では、高効率で高出力が可能なＳＨＧ波長変換素子を用いたレーザダイオード励起ＳＨＧグリーンレーザ光源の開発が行われてきている。
【０００３】
図７および図８に代表的なＳＨＧ波長変換素子を用いたレーザダイオード励起ＳＨＧレーザ光源として、ファイバーレーザ方式とＤＰＳＳ（Diode-pumped solid-state）レーザ方式の概要図を示す。
【０００４】
図７にファイバーレーザ方式を示す。密閉筐体１１２内に主にファイバーレーザ部１００とＳＨＧ波長変換部１０１から構成されている。ファイバーレーザ部１００は、レーザダイオード１０２から出射されたレーザ光がＹｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３によって、１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、例えば１０６４ｎｍに励起され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー両端に配置された第１及び第２のブラッグ回折格子１０４、１０５によって共振器構造を形成することで、１０６４ｎｍのレーザ光がＳＨＧ波長変換部１０１に出射される。ＳＨＧ波長変換部１０１では、この出射した基本波レーザ光をコリメートレンズ１０６によって平行光にし、集光レンズ１０７によって、ＳＨＧ波長変換素子１０８内部に集光され、５３２ｎｍのレーザ光へ変換される。その後、この５３２ｎｍのレーザ光、および変換されなかった１０６４ｎｍのレーザ光成分がダイクロイックミラー１０９によって分離する。そして、分離された５３２ｎｍのレーザ光は光出射窓１１０を通過して、密閉筐体１１２の外部へ出力される。ここで分離されて不要光となった１０６４ｎｍのレーザ光成分はＩＲブロック１１０によって処理される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
次に、図８にＤＰＳＳレーザ方式を示す。密閉筐体内２０９に主にレーザダイオード部２００と共振器部２０１から構成されている。レーザダイオード部２００は、レーザダイオード２０２からのレーザ光、例えば８０８ｎｍのレーザ光を集光レンズ２０３によって、共振器部２０１に出射される。共振器部２０１は、Ｎｄをドープした固体レーザ媒体であるＹＡＧ結晶２０４（以下、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と表記）と、このＮｄ：ＹＡＧ結晶２０４の前方側および後方側に配置された第一および第二の共振器ミラー２０５，２０６と、ＳＨＧ波長変換素子２０７とで形成されている。レーザダイオード部２００から出射された光はＮｄ：ＹＡＧ結晶２０４と第一および第二の共振ミラー２０５，２０６によって９４５ｎｍのレーザ光として発振が行われ、この９４５ｎｍのレーザ光はＳＨＧ波長変換素子２０７によって、半分の４７３ｎｍに変換される。そして、この４７３ｎｍのレーザ光のみが、光出射窓２０８を通過して、密閉筐体２０９の外部へ出力される（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
これらのＳＨＧ波長変換素子を用いたレーザダイオード励起ＳＨＧレーザ光源は、一般にクラス４のレーザダイオードを使用するため、レーザ光源の筐体内は密閉構造を有していなければならない。そして、使用される集光レンズなどの各種レンズや共振器ミラーやＳＨＧ波長変換素子等の光学素子はこの密閉筐体内に接着剤（例えば、シリコン系やエポキシ系やＵＶ系等）で固定されている。集光レンズなどは一度レンズホルダーに接着剤で固定した後に、そのレンズホルダーを密閉筐体内にネジなどで固定している。高温下でこのレーザダイオード励起ＳＨＧレーザ光源を使用する場合には、これらの接着剤等から密閉筐体内に発生するガス状の汚染物質（以下、単に汚染物質と言う）が光学素子等に固着し、出力低下を招いていた。そのため、共振器部内に光触媒効果を有する機能膜２１０を共振ミラー２０６の両端に設けることで、汚染物質を化学的に分解する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開２００１−１４４３５４号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４６１６号公報
【特許文献３】特開２００１−７０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、出力レーザ光の光路上に光触媒効果を有する機能膜を設けているため、この機能膜自体により出力ロスが生じるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するものであり、レーザ光源を有する密閉された筐体内部で発生する汚染物質を低減して出力ロス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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ光源装置は、第一の波長のレーザ光を放出するためのレーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールの出射光路上に配置され前記第一の波長のレーザ光を第二の波長のレーザ光に変換するための分極反転型デバイスモジュールと、前記分極反転型デバイスモジュールに配置された光触媒材料からなる汚染物質分解素子と、前記分極反転型デバイスモジュールの出射光路上に配置された前記第二の波長のレーザ光を透過し前記第一の波長のレーザ光を反射するための波長選択素子と、前記波長選択素子とからの反射光を受けて前記染物質分解素子に前記第一の波長のレーザ光を反射するように設けられた反射ミラーとを備えたを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザ装置によれば、出力光の光路上に光触媒効果を有する機能膜を設けず、別の光路上に光触媒材料を設けてレーザ装置内で発生する汚染物質を防止するので、出力ロスの少ないレーザ光源装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明のレーザ光源装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施例のレーザ光源装置は、レーザダイオード１と、ファイバーレーザ部２と、コリメートレンズ３と集光レンズ４と、周期的な分極反転領域が形成された分極反転型デバイス５を有する分極反転型デバイスモジュール６と、波長選択フィルタ７と、全反射ミラー８と、光触媒材料からなる汚染物質分解素子９で構成されている。
レーザダイオード１から励起された波長の励起光（ここでは、９１５ｎｍ）がファイバーレーザ部２に入射され、ファイバーレーザ部２で１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の波長の光（ここでは、１０６４ｎｍ）である第一の波長の光が生成される。具体的な発生原理について説明する。ファイバーレーザ部２としては、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０の両端に第１および第２のブラッグ回折格子１１、１２がライディングされることでファブリーペロー共振器が形成されている。ここでレーザダイオード１からの９１５ｎｍの波長の励起光は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０内のＹｂイオンによって励起され、１０６４ｎｍで第一の波長の光が生成される。なお、本実施例ではファイバーレーザ方式を用いて、波長１０６４ｎｍの第一の波長の励起光の発振を行っているが、同様の構成でブラッグ回折格子の特性を変化させることにより、他の波長の励起光の発振をさせたり、ＹＡＧレーザや半導体レーザといった他のレーザ媒体を用いても良い。
【００１２】
ファイバーレーザ部２から出射された１０６４ｎｍのレーザ光はコリメートレンズ３によって平行光にされ、集光レンズ４によって分極反転型デバイス５の端面を通り分極反転領域内に集光される。分極反転領域を伝播して、１０６４nmのレーザ光の成分が高調波（ここでは、第二の波長である５３２ｎｍの波長の光）に変換され、この第二の波長の光および変換されなかった第一の波長の光が分極反転型デバイス５の出射端面より出射される。その後、変換されなかった第一の波長の光は波長選択フィルタ７によって取り除かれ、第二の波長の光である二次高調波のみが外部へと出射される。従来は、この変換されなかった第一の波長の光はその後不要光として赤外吸収ブロック等で処理されていた。本実施例では、この変換されなかった第一の波長の光は全反射ミラー８によって分極反転型デバイスモジュール６内に構成された光触媒材料からなる汚染物質分解素子９に照射される構成をしている。この光触媒材料からなる汚染物質分解素子９の詳細については図２を使って説明をする。
【００１３】
図２は分極反転型デバイスモジュール６の模式図を示した図である。分極反転型デバイス５としては、例えばＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ3などの強誘電体基板の表面に櫛形電極、裏面には平面電極を形成し、電極に電圧を印加することで周期状の分極反転領域を形成している。分極反転型デバイス５は、ベースプレート１３に上面に導電性銀ペースト１４で固着され、ベースプレート１３下面には電子的に温度を可変することのできる温度可変手段１５（ここでは、ペルチェ素子）が熱伝導接着シート１６で固着され、そのペルチェ素子１５の反対面には廃熱用のフィン１７と熱伝導接着シート１８で固着されている。また、ベースプレート１３下面のペルチェ素子１５が固着されていない領域に光触媒材料からなる汚染物質分解素子９が構成されている。
【００１４】
ここで、本実施例のレーザ光源装置を高温状況下で使用した場合には、導電性銀ペースト１４に使用されている希釈液や熱伝導接着シートの接着層に使われている接着剤等から炭化水素等のアウトガスが発生してしまい、分極反転型デバイス５等の光学素子に固着してしまう恐れがある。特に、分極反転型デバイス５の端面にアウトガスの固着が起きてしまうと極端に出力低下が起きてしまうために、本実施例ではこの分極反転型デバイス５の近傍に配置している。そして、図1、及び図２に示すように分極反転型デバイス５で変換されなかった第一の波長の光を全反射ミラー８によって光触媒材料からなる汚染物質分解素子９に照射させ、その第一の波長の光の活性化によって、光触媒材料は光触媒効果を示す。この光触媒材料からなる汚染物質分解素子９は、揮発性有機化合物などの汚染物質の酸化分解を促進するものを言い、一般的に光触媒材料としては、Ｔｉ（チタン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）などの金属酸化膜が使用されている。本実施例では、第一の波長（１０６４ｎｍ）で触媒活性効果を示すＰｄ／ＴｉＯ2、もしくはＰｄ／ＲｕＯ２／ＴｉＯ2を使用している。
【００１５】
ここで、分極反転型デバイスモジュール６は、例えば図３に示す工程で製造することができる。図３（ａ）に示すようにベースプレート１３下面に金属マスクを使ったスパッタ成膜によって光触媒材料からなる汚染物質分解素子９を形成する。そして、光触媒材料からなる汚染物質分解素子が形成されていない領域に熱伝導性接着シートを貼り、その上に図３（ｂ）に示すようにペルチェ素子１６を配置させる。次に図３（ｃ）のようにペルチェ素子１６の反対面に熱伝導接着シート１８を貼り、廃熱用のフィン１７を取り付ける。そして、図３（ｄ）のようにベースプレート１３の上面に導電性銀ペースト１４を塗り、分極反転型デバイス５をその上に配置し、分極反転型モジュールが完成する。
【００１６】
図４は、レーザ光源装置の高温通電耐久試験の結果で、試験条件としては、ＬＤ入力電流８．５Ａ、環境温度５０度、ペルチェ設定温度３０度、試験時間１００時間で行った。ここで、図４（ａ）は、図1に示す本発明の構成を有するレーザ光源の出力特性、図４（ｂ）は、従来のレーザ光源装置の出力特性である。横軸は時間、縦軸は時間ｔ＝０の第二の波長（５３２ｎｍ）の光出力で規格化した数値を示す。上記２種類のレーザ光源装置においては、光触媒モジュールを除いては同様の構成を有している。図４（ａ）および（ｂ）から、筐体内に光触媒モジュールを配置したことで、出力の低下が発生していないことがわかる。図４（ｂ）の出力低下の原因として、レーザ光源装置の不良解析をした結果、分極反転型デバイスの端面に炭化水素の固着物が析出された。この結果からも、光触媒モジュールを用いることで、筐体内で発生する汚染物質量が減少したことが分かる。
【００１７】
このように、変化されずに不要光となった第一の波長の光の出射先に光触媒を配置することで、光触媒を活性化して、レーザ光源内の汚染物質を分解することができる。汚染物質がこのように揮発性有機化合物である場合には、光触媒等に接触することで効率よく酸化分解され、水蒸気と二酸化炭素に転嫁することになる。これらは少量ではレーザ光源装置にとっては無害であり、光触媒自体は消耗せず、性能低下をきたさないという利点もある。従って、使用する部品・部材にある程度の汚染を許容することが可能となり、製造コストを低減できる。また、部品・部材の洗浄度を厳しく管理するのであれば、レーザ装置の寿命を増大することができる。このように本発明を用いることにより、本来不必要であった第一の波長の光を使用し、光触媒を活性化することにより、レーザ装置内の汚染物質を除去することができる。また、レーザ光源が今後更なる高出力になった際にも、不要光を用い、出力光である変換された第二の波長とは別光路上に構成されているので、高エネルギーによる劣化等の心配はなく、光触媒材料からなる汚染物質分解素子に照射させるための光学系を最適化すれば良く、直接出力光に影響は与えない。
【００１８】
（実施の形態２）
本発明の他の実施例について図５を用いて説明する。図５に本実施例におけるレーザ光源装置を示す。本実施例におけるレーザ光源装置は、全反射ミラー８と光触媒材料からなる汚染物質分解素子９の光路の間に波長変換素子１９を配置し、分極反転型デバイス５で変換されなかった第一の波長の光を全反射ミラー８と波長変換素子１９によって、第一の波長より短い波長の光に変換し、その変換された光を分極反転型デバイスモジュール６内に構成した光触媒材料からなる汚染物質分解素子９に照射する構成をしている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００１９】
波長変換素子１９としては、本実施例ではアップコンバージョン蛍光ガラスで構成している。アップコンバージョン蛍光ガラスは、１０６４ｎｍの波長の光より波長の短い光（ここでは、５５０ｎｍと６６０ｎｍの光）を発生するものでＹb３＋−Ｅｒ３＋系の材料から構成している。本実施例では、アップコンバージョン蛍光ガラスを用いて波長変換させているが、その他の手法で行っても問題ない。
【００２０】
本実施例では、前記光触媒材料からなる汚染物質分解素子９の通常環境下での使用において、酸、アルカリ、水、有機溶剤に溶解せず、フッ化水素、塩素、硫化水素など反応性の強いガスとも反応しない、きわめて安定な物質であるＴｉＯ2を使用している。また、ＴｉＯ2は、光触媒として耐久性、耐摩耗性に優れており、経済性、安全性、実用性などで他の光触媒材料に比べて多くの利点を有している。
【００２１】
本実施例では、波長変換素子１９によって、５５０ｎｍ、および６６０ｎｍの波長の光に変換しているが、光触媒材料が最も効率的に活性化させるためには一般的に紫外光に変換することが望ましい。例えば、光触媒であるＴｉＯ2を活性化させるためには、ＴｉＯ2にバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射する必要があるためである。ＴｉＯ2には、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型の３種類の結晶構造がある。これらのバンドギャップの値はルチル型で３．０ｅＶ、アナターゼ型とブルッカイト型で３．２ｅＶであるため、それ以上のエネルギーを持った光が必要となる。ここで、アナターゼ型とブルッカイト型のバンドギャップエネルギーを波長に換算すると３８８ｎｍ以下、ルチル型では４１３ｎｍ以下の短波長の光となる。光触媒としては、アナターゼ型のほうがルチル型より高い光触媒活性を示すことが知られており、より効果的に汚染物質を除去するためにはアナターゼ型を使用することが好ましい。このように、熱触媒材料を最も効率的に活性化させるためには、波長変換素子１９によって、紫外光の波長の光に変換することがより望ましい。
【００２２】
本実施例のようなレーザ光源装置は、本来不必要であった第一の波長の光を利用し、光触媒を活性化することによって、レーザ光源装置内の汚染物質を除去することができる。また、出力光である変換された第二の波長とは別光路上に光触媒モジュールを構成しているので、出力光の劣化も起こらない。
（実施の形態３）
本発明の他の実施例について図６を用いて説明する。図６に本実施例におけるレーザ光源装置を示す。本実施例におけるレーザ光源装置は、波長選択フィルタ７と光触媒材料からなる汚染物質分解素子９の光路の間に砲弾型のリフレクター２０を配置し、分極反転型デバイス５で変換されずに不要光となった第一の波長の光をこのリフレクター２０によって、分極反転型デバイスモジュール６内に構成した光触媒材料からなる汚染物質分解素子９全面に照射する構成をしている。ここで、砲弾型のリフレクター２０を用いたが、光触媒材料からなる汚染物質分解素子９に反射光を効率的に照射するできる機能を持つであれば、砲弾型のリフレクター以外のものでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明にかかるレーザ装置は、装置内で発生する汚染物質による出力低下を効果的に防止することができ、安定な信頼性で使用可能とする技術として有用である。また本発明にかかるレーザ光源装置は、安定した出力を必要とするレーザ光源に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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図
【図２】本発明の実施の形態１における分極反転型デバイスモジュールの模式図を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における分極反転型デバイスモジュールの作製方法を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における高温通電試験結果を示す図
【図５】本発明の実施の形態２におけるレーザ光源装置の構成を示す図
【図６】本発明の実施の形態３におけるレーザ光源装置の構成を示す図
【図７】従来のレーザ光源装置の構成を示す図
【図８】従来のレーザ光源装置の構成を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１、１０２、２０２  レーザダイオード
２  ファイバーレーザ部
３  コリメートレンズ
４、２０３  集光レンズ
５  分極反転型デバイス
６  分極反転型デバイスモジュール
７  波長選択フィルタ
８  全反射ミラー
９  光触媒材料からなる汚染物質分解素子
１０、１０３  Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
１１、１２、１０４、１０５  ブラッグ回折格子
１３  ベースプレート
１４  導電性銀ペースト
１６、１８  熱伝導接着シート
１５  温度可変手段
１７  廃熱用のフィン
１９  波長変換素子
２０  リフレクター
１００  ファイバーレーザ部
１０１  ＳＨＧ波長変換部
１０８、２０７  ＳＨＧ波長変換素子
１０９  ダイクロイックミラー
１１０、２０８  光出射窓
１１１  ＩＲブロック
１１２、２０９  密閉筐体
２００  レーザダイオード部
２０１  共振器部
２０４  ＹＡＧ結晶
２０５、２０６  共振器ミラー
２１０  機能膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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