JP4849417B2 - Wavelength conversion device and wavelength conversion laser device - Google Patents
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Description
本発明は、非線形光学結晶によりレーザの波長を変換する波長変換装置、およびこの波長変換装置を用いた波長変換レーザ装置に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion device that converts the wavelength of a laser using a nonlinear optical crystal, and a wavelength conversion laser device using the wavelength conversion device.
従来の波長変換装置は、所定の波長の光源と2個の同一な非線形光学結晶とを備えて構成されている。この2個の同一な非線形光学結晶は、3本の結晶軸方向を全く同一とし、一方の結晶だけc軸を光の進行方向(位相整合が満足される方向)を中心に180度回転させた状態をとるように配置されている(例えば、特許文献1参照)。 A conventional wavelength conversion device includes a light source having a predetermined wavelength and two identical nonlinear optical crystals. In these two identical nonlinear optical crystals, the three crystal axis directions are exactly the same, and the c-axis of only one crystal is rotated 180 degrees around the light traveling direction (the direction in which phase matching is satisfied). It arrange | positions so that a state may be taken (for example, refer patent document 1).
また、従来の別の波長変換装置は、使用レーザ波長に対して非線形光学材料を位相整合角のとれた方位で有効結晶以下の層に加工し、入射レーザ光の光軸に対して各層を180°回転させながら積層し、一体化させている(例えば、特許文献2参照)。 Further, another conventional wavelength conversion device processes a nonlinear optical material into a layer below an effective crystal with an orientation having a phase matching angle with respect to a laser wavelength to be used, and each layer is rotated 180 degrees with respect to the optical axis of incident laser light. The layers are laminated while being rotated and integrated (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような従来の波長変換装置においては、上述したように、2個の同一な非線形光学結晶は、3本の結晶軸方向を全く同一とし、一方の結晶だけc軸を光の進行方向を中心に180度回転させた状態をとるように配置されていた。すなわち、非線形光学結晶内部で生じるウォークオフ効果の方向が、逆方向となるように配置されていた。
However, the prior art has the following problems.
In such a conventional wavelength conversion device, as described above, two identical nonlinear optical crystals have the same three crystal axis directions, and only one crystal has the c axis as the center of the light traveling direction. It was arrange | positioned so that it might take the state rotated 180 degree. That is, the direction of the walk-off effect that occurs inside the nonlinear optical crystal is arranged in the opposite direction.
そのため、2つの非線形光学結晶の間にレンズを配置した場合には、後段の非線形光学結晶内部において、基本波レーザビームと前段の非線形光学結晶で発生した高調波レーザビームとの重なりが小さくなる。この結果、前段の非線形光学結晶での波長変換効率が低くなるという課題があった。 Therefore, when a lens is disposed between two nonlinear optical crystals, the overlap between the fundamental laser beam and the harmonic laser beam generated in the preceding nonlinear optical crystal is reduced inside the latter nonlinear optical crystal. As a result, there has been a problem that the wavelength conversion efficiency in the preceding nonlinear optical crystal is lowered.
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームの得られる波長変換装置および波長変換レーザ装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a wavelength conversion device and a wavelength conversion laser device that can obtain high wavelength conversion efficiency and a beam having a shape close to a circle. It is said.
本発明に係る波長変換装置は、波長変換用の2つの非線形光学結晶と、2つの非線形光学結晶の間に配置されるレンズとを有し、基本波レーザビームの高調波レーザビームを発生させる波長変換装置において、2つの非線形光学結晶を直列に並べ、2つの非線形光学結晶で生じるそれぞれのウォークオフの方向を基本波レーザビームの光軸に対して同一方向とし、かつ、後段に配置される非線形光学結晶を、レンズの位置から、レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置するものである。 The wavelength conversion device according to the present invention has two nonlinear optical crystals for wavelength conversion and a lens disposed between the two nonlinear optical crystals, and generates a harmonic laser beam of the fundamental laser beam. In the conversion device, two nonlinear optical crystals are arranged in series, and the directions of the respective walk-offs generated in the two nonlinear optical crystals are the same as the optical axis of the fundamental laser beam, and are arranged in the subsequent stage. The optical crystal is arranged at a position away from the lens position from the focal length of the lens.
本発明によれば、後段の非線形光学結晶内部において、基本波レーザビームと前段の非線形光学結晶で発生した高調波レーザビームとの重なりが大きくなるように、2つの非線形光学結晶および2つの非線形光学結晶の間のレンズの配置を工夫することにより、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームが得られる波長変換装置を提供することができる。 According to the present invention, the two nonlinear optical crystals and the two nonlinear optics are increased so that the overlap between the fundamental laser beam and the harmonic laser beam generated in the preceding nonlinear optical crystal is increased in the latter nonlinear optical crystal. By devising the arrangement of the lenses between the crystals, it is possible to provide a wavelength conversion device that can obtain high wavelength conversion efficiency and a beam having a shape close to a circle.
以下、本発明の波長変換装置および波長変換レーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a wavelength conversion device and a wavelength conversion laser device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における波長変換装置とレーザ光源とを備えた波長変換レーザ装置の側面図である。また、図2は、本発明の実施の形態1における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図2(a)、(b)、および(c)は、それぞれ、図1の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。
FIG. 1 is a side view of a wavelength conversion laser device including a wavelength conversion device and a laser light source according to
図1における波長変換レーザ装置は、基本波レーザビーム3を発生するレーザ光源2と、波長変換装置とで構成される。そして、波長変換装置は、直列に配置された2つの波長変換用の非線形光学結晶(以下、波長変換結晶とも称す)1A、1Bと、2つのレンズ6A、6Bと、基本波レーザビーム3を反射し高調波レーザビーム3Bを透過する分離ミラー8とを備えている。
The wavelength conversion laser device in FIG. 1 includes a
このような波長変換装置では、レーザビームをレンズ6A、6Bそれぞれにより、2つの波長変換結晶1A、1Bのそれぞれに集光して波長変換する。
In such a wavelength conversion device, the laser beam is condensed on each of the two
2つの波長変換結晶1A、1Bは、それぞれ温度調節器4A、4B上に、レーザ光源2の光軸に対して直列に並べて配置されている。また、2つのレンズ6A、6Bは、それぞれレンズホルダー7A、7B上に配置されている。さらに、分離ミラー8は、ミラーホルダー9上に配置されている。また、レーザ光源2、温度調節器4A、4B、レンズホルダー7A、7B、およびミラーホルダー9は、共通の基台5上に配置されている。
The two
レーザ光源2は、例えば、Nd:YAG(ネオジウム・ヤグ)やNd:YVO4(ネオジウム・ワイヴイオーフォー)を活性媒質としてもち、直線偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生する。また、2つの波長変換結晶1A、1Bは、例えば、リチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5、略称:LBO)等の非線形光学結晶からなる。
The
次に、図1に示した波長変換レーザ装置の動作について説明する。レーザ光源2から発生され、波長変換の基本波となる基本波レーザビーム3は、レンズ6Aにより適切なビーム径で波長変換結晶1A内部にビームウエストを持つように集光される。さらに、集光された基本波レーザビーム3は、前段に配置された波長変換結晶1Aに入射する。
Next, the operation of the wavelength conversion laser device shown in FIG. 1 will be described. A
温度調節器4Aにより波長変換結晶1Aの温度を調節することにより、波長変換結晶1Aに入射した基本波レーザビーム3は、位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム3の一部は、2倍高調波に波長変換された2倍高調波からなる高調波レーザビーム3Aとなる。
By adjusting the temperature of the
波長変換結晶1Aを通過した基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aは、レンズ6Bにより適切なビーム径で、波長変換結晶1B内部にビームウエストを持つように集光される。そして、集光された基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aは、後段に配置された波長変換結晶1Bに入射する。
The
温度調節器4Bにより波長変換結晶1Bの温度を調節することにより、波長変換結晶1Bに入射した基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aは、位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aの一部は、和周波に波長変換された3倍高調波からなる高調波レーザビーム3Bとなる。
By adjusting the temperature of the
波長変換結晶1Bを通過した基本波レーザビーム3、2倍高調波レーザビーム3A、および3倍高調波レーザビーム3Bは、分離ミラー8に入射する。そして、入射した3つのビームのうち、基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aは、反射されて図には記載していないダンパー等に入射し、3倍高調波レーザビーム3Bのみが透過し、波長変換レーザ装置の外部に取り出される。
The
次に、図2(a)〜(c)を用いて、波長変換結晶1A、1B、レンズ6Bの配置方法、およびレーザビームの伝搬について詳細に説明する。なお、ここでは、レーザ光源2として、直線偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用いた。
Next, the arrangement method of the
また、波長変換結晶1Aとして、タイプ1位相整合により基本波レーザビーム3の一部を波長532nmの2倍高調波レーザビーム3Aに波長変換するリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5、略称:LBO)結晶を用いた。また、波長変換結晶1Bとして、タイプ2位相整合により基本波レーザビーム3と2倍高調波レーザビーム3Aの一部を和周波により波長355nmの3倍高調波レーザビーム3Bに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いた。
Further, as the
基本波レーザビーム3および3倍高調波レーザビーム3Bは、実線で示す光軸により光路が示されており、2倍高調波レーザビーム3Aは、破線で示す光軸により光路が示されている。また、波長変換結晶1A、1Bは、基本波レーザビーム3に対し、ほぼ垂直入射するように配置されている。
The fundamental
この場合、波長変換結晶1Aであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Zに垂直で、誘電主軸Xと誘電主軸Yからなる面内において誘電主軸Xからの角度φが約11.4°の方向に、誘電主軸Z方向の偏光方向を持った直線偏光の基本波レーザビーム3を通過させる。
In this case, the angle φ from the dielectric principal axis X in the plane consisting of the dielectric principal axis X and the dielectric principal axis Y is perpendicular to the dielectric principal axis Z of the lithium borate crystal that is the
ここで、波長変換結晶1Aの温度を調節することにより、基本波と2倍高調波のタイプ1位相整合条件を満たすこととなり、直線偏光の基本波レーザビーム3の一部が波長変換されて誘電主軸Xと誘電主軸Yからなる面内の偏光方向を持った直線偏光の2倍高調波レーザビーム3Aが発生する。
Here, by adjusting the temperature of the
この際、2倍高調波レーザビーム3Aは、ウォークオフ効果により波長変換結晶1Aの内部においては、誘電主軸X、誘電主軸Yからなるウォークオフ効果が生じる面10A内で、基本波レーザビーム3の光軸から誘電主軸Y方向にずれた光軸で発生する。また、2倍高調波レーザビーム3Aの波面は、基本波レーザビーム3と同じで保存されているため、2倍高調波レーザビーム3Aは、波長変換結晶1Aの外部では、基本波レーザビーム3の光軸と平行の光軸となって伝搬する。
At this time, the second
波長変換結晶1Aを通過した基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aは、レンズ6Bにより集光されて、波長変換結晶1Bに入射する。波長変換結晶1Bは、波長変換結晶1A内部でビームウエストを持ったレーザビームを、レンズ6Bにより再度波長変換結晶1B内部にビームウエストを持つようにするために、レンズ6Bから、レンズ6Bの焦点距離よりも離れた位置に配置されている。
The
この際、2倍高調波レーザビーム3Aの光軸は、レンズ6Bからレンズ6Bの焦点距離に相当する位置において、波長変換結晶1Aの誘電主軸X、誘電主軸Yからなる面内で基本波レーザビーム3の光軸と交差する。この結果、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸との位置関係は、レンズ6Bに入射する前の位置関係と入射後の位置関係とで、逆の位置関係となる。
At this time, the optical axis of the second
すなわち、波長変換結晶1Aの誘電主軸Xと誘電主軸Yからなる面内において、2倍高調波レーザビーム3Aの光軸が、基本波レーザビーム3の光軸より波長変換結晶1Aの誘電主軸Y側に寄っている状態(入射前の位置関係)から、2倍高調波レーザビーム3Aの光軸が、基本波レーザビーム3の光軸より波長変換結晶1Aの誘電主軸X側に寄っている状態(入射後の位置関係)に変わる。
That is, the optical axis of the second
次に、波長変換結晶1Bであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Xは、波長変換結晶1Aであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Zと同方向になるように配置されている。すなわち、波長変換結晶1Aのウォークオフ効果が生じる面10Aと波長変換結晶1Bのウォークオフ効果が生じる面10Bが同一面となり、波長変換結晶1Aのウォークオフ効果が生じる方向と、波長変換結晶1Bのウォークオフ効果が生じる方向とが基本波レーザビーム3の光軸から見て同方向になるように配置されている。
Next, the dielectric principal axis X of the lithium borate crystal that is the
そこで、波長変換結晶1Bの誘電主軸Yと誘電主軸Zからなる面内で、誘電主軸Zからの角度θが約42.5°の方向に誘電主軸X方向の偏光方向を持った直線偏光の基本波レーザビーム3と、誘電主軸YZ面内の偏光方向を持った直線偏光の2倍高調波レーザビーム3Aとを通過させる。
Therefore, in the plane consisting of the dielectric principal axis Y and the dielectric principal axis Z of the
さらに、波長変換結晶1Bの温度を調節することにより、基本波、2倍高調波と3倍高調波のタイプ2位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム3と2倍高調波レーザビーム3Aの一部が波長変換されて、誘電主軸X方向の偏光方向を持った直線偏光の3倍高調波レーザビーム3Bが発生する。
Further, by adjusting the temperature of the
この際、2倍高調波レーザビーム3Aは、ウォークオフ効果により波長変換結晶1Bの内部においては、誘電主軸Y、誘電主軸Zからなるウォークオフ効果が生じる面10B面内で、基本波レーザビーム3の光軸から誘電主軸Z方向にずれた光軸で伝搬する。なお、基本波レーザビーム3および3倍高調波レーザビーム3Bは、ウォークオフ効果を受けず、波長変換結晶1B内を同軸で伝搬する。
At this time, the second
以上のように、実施の形態1によれば、前段の波長変換結晶および後段の波長変換結晶をそれぞれの波長変換結晶で生じるウォークオフ効果の方向が同方向となるように配置し、また、前段の波長変換結晶と後段の波長変換結晶との間にレンズを配置し、かつ、後段の波長変換結晶をレンズの位置から、レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置している。 As described above, according to the first embodiment, the front-stage wavelength conversion crystal and the rear-stage wavelength conversion crystal are arranged so that the directions of the walk-off effect generated in the respective wavelength conversion crystals are the same direction. A lens is disposed between the wavelength conversion crystal and the latter wavelength conversion crystal, and the latter wavelength conversion crystal is disposed at a position farther from the lens position than the focal length of the lens.
このような配置構成をとることにより、前段の波長変換結晶を出射した時点での基本波レーザビームの光軸に対する2倍高調波レーザビームの光軸の位置関係と、後段の波長変換結晶に入射する時点での基本波レーザビームの光軸に対する2倍高調波レーザビームの光軸の位置関係とが逆となる。 By adopting such an arrangement, the positional relationship of the optical axis of the second harmonic laser beam with respect to the optical axis of the fundamental laser beam at the time when the wavelength conversion crystal of the previous stage is emitted, and the incident light enters the wavelength conversion crystal of the subsequent stage. At this time, the positional relationship of the optical axis of the second harmonic laser beam with respect to the optical axis of the fundamental laser beam is reversed.
従って、後段の波長変換結晶を通過する時に、2倍高調波レーザビームの光軸が、ウォークオフ効果により、基本波レーザビームの光軸に近づく方向にずれ、基本波レーザビームと2倍高調波レーザビームとの重なりが大きくなる。この結果、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームが得られるという効果がある。 Therefore, the optical axis of the second harmonic laser beam is shifted in the direction approaching the optical axis of the fundamental laser beam due to the walk-off effect when passing through the wavelength conversion crystal in the latter stage, and the fundamental harmonic laser beam and the second harmonic. The overlap with the laser beam is increased. As a result, high wavelength conversion efficiency can be obtained and a beam having a shape close to a circle can be obtained.
なお、具体的な実験例の結果から、本実施の形態1の波長変換装置の効果をさらに詳しく説明する。以下の説明においては、条件を変えて、第1の実験例と第2の実験例を示し、それらの比較を行う。
In addition, the effect of the wavelength converter of this
第1の実験例
第1の実験例の構成は、先に説明した図2と同様であり、本発明の実施の形態1の技術的特徴である配置構成を備えたものである。この第1の実験例では、レーザ光源2として、Qスイッチパルス発振し、直線偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用いた。基本波レーザビーム3の条件は、平均パワー81W、パルス繰り返し周波数50kHz、パルス幅88ns、ビーム品質M2≒1.2であった。
First Experimental Example The configuration of the first experimental example is the same as that of FIG. 2 described above, and includes an arrangement configuration that is a technical feature of the first embodiment of the present invention. In this first experimental example, an Nd: YAG (Neodymium Yag) laser that oscillates in a Q switch pulse and generates a
波長変換結晶1Aとしては、タイプ1位相整合により2倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが15mmであるリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用いた。また、波長変換結晶1Bとしては、タイプ2位相整合により3倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが18mmであるリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用いた。さらに、波長変換結晶1Aの誘電主軸Zと波長変換結晶1Bの誘電主軸Xとが同方向になるように配置した。
As the
レンズ6Aおよび6Bとしては、基本波レーザビーム3に対する焦点距離114.5mmの溶融石英製レンズを用いた。波長変換結晶1Aは、レンズ6Aから118mm離れた位置に配置し、波長変換結晶1Bは、レンズ6Bから266mm離れた位置に配置した。さらに、基本波レーザビーム3の1/e2ウエスト半径がそれぞれ0.085mmおよび0.122mmとなり、ビームウエストが波長変換結晶1A、1B内部に来るようにした。
As the
波長変換結晶1A、1Bの方向として、図2のように波長変換結晶1Aであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Zと、波長変換結晶1Bであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Xとが同方向になるように配置した場合、分離ミラー8で基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aから分離した後の3倍高調波レーザビーム3Bの平均出力として、21Wが得られた。また、3倍高調波レーザビーム3Bのビーム断面形状の真円度は、80%以上であった。
As the directions of the
第2の実験例
これに対して、第2の実験例では、波長変換結晶1Bの方向のみが先の第1の実験例と異なり、その他の条件は同じにしている。すなわち、この第2の実験例は、2つの波長変換結晶1A、1Bで生じるそれぞれのウォークオフの方向を基本波レーザビーム3の光軸に対して同一方向としていない場合に相当する。
On the other hand, in the second experimental example, only the direction of the
図3は、本発明の実施の形態1の第2の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図3(a)、(b)、および(c)は、それぞれ、先の図1の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。 FIG. 3 is a partially enlarged view of the wavelength conversion device in the second experimental example of the first embodiment of the present invention. More specifically, FIGS. 3A, 3 </ b> B, and 3 </ b> C each expand the nonlinear optical crystal portion for wavelength conversion of the wavelength conversion device included in the wavelength conversion laser device of FIG. 1. They are a top view, a side view, and a perspective view.
図3に示すように、従来の波長変換装置と同様に、波長変換結晶1Aの誘電主軸Zと、波長変換結晶1Bの誘電主軸Xとが、基本波レーザビーム3の光軸を中心に180度異なる同方向になるように、波長変換結晶1A、1Bを配置した場合は、3倍高調波レーザビーム3Bの平均出力は、2.7Wであった。先の第1の実験例の結果と比較すると、得られた平均出力は、約87%低かった。また、3倍高調波レーザビーム3Bのビーム形状の真円度は、70%以下であった。
As shown in FIG. 3, the dielectric principal axis Z of the
上述のような実験例の結果から、特に、2つの波長変換結晶の間にレンズを配置する場合には、本実施の形態1で説明した図2のような配置構成を有する波長変換装置を用いることにより、高出力な波長変換レーザビームを高効率に、かつ、高い真円度で発生することができることが明らかになった。 From the result of the experimental example as described above, in particular, when a lens is arranged between two wavelength conversion crystals, the wavelength conversion device having the arrangement as shown in FIG. 2 described in the first embodiment is used. Thus, it became clear that a high-power wavelength-converted laser beam can be generated with high efficiency and high roundness.
なお、上述の実験例においては、波長変換結晶1Aおよび波長変換結晶1Bとして、長さ15mmおよび長さ18mmの非線形光学結晶を用いたが、結晶長は、これに限るものではない。
In the above experimental example, nonlinear optical crystals having a length of 15 mm and a length of 18 mm are used as the
実施の形態2.
本実施の形態2では、前段に配置される波長変換結晶1Aを、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置した場合のさらなる効果について説明する。
In the second embodiment, a further effect will be described when the
図4は、本発明の実施の形態2における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図4(a)、(b)、および(c)は、それぞれ、先の図1の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。
FIG. 4 is a partially enlarged view of the wavelength conversion device according to
本実施の形態2では、波長変換結晶1Aは、誘電主軸Zを回転軸として、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置している。また、波長変換結晶1Bは、誘電主軸Xを回転軸として、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置している。他の構成は、先の実施の形態1と同様であるので、以下では主に、実施の形態1との相違点について説明する。
In the second embodiment, the
波長変換結晶1Aは、誘電主軸Zを回転軸として、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向(誘電主軸Xから誘電主軸Yの方向に傾ける方向)に傾けて配置している。従って、波長変換結晶1Aの端面での屈折により、波長変換結晶1Aの内部の基本波レーザビーム3は、波長変換結晶1Aの外部の基本波レーザビーム3の光軸に対して、波長変換結晶1Aのウォークオフ効果が発生する方向に傾いて伝搬する。
The
この結果、波長変換結晶1Aを通過して波長変換結晶1Aの外に出た基本波レーザビーム3は、波長変換結晶1Aの端面での屈折により、波長変換結晶1Aに入射する前の基本波レーザビーム3の光軸と平行な光軸で伝搬する。
As a result, the fundamental
また、波長変換結晶1Aの内部の2倍高調波レーザビーム3Aは、ウォークオフ効果により、誘電主軸Xと誘電主軸Yからなる面内で、基本波レーザビーム3の光軸よりさらに誘電主軸Y方向にずれた光軸で発生する。従って、波長変換結晶1Aから外に出た2倍高調波レーザビーム3Aは、その波面が基本波レーザビーム3と同じで保存されているため、波長変換結晶1Aの外部の基本波レーザビーム3の光軸とほぼ平行な光軸で伝搬する。
Further, the second
以上のように、実施の形態2によれば、前段の波長変換結晶は、誘電主軸Zを回転軸として、基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置されている。これにより、前段の波長変換結晶を通過して外に出た基本波レーザビームの光軸と2倍高調波レーザビームの光軸とのずれ量が、先の実施の形態1に示したずれ量(前段の波長変換結晶に対して基本波レーザビームを垂直入射させた場合に、前段の波長変換結晶を通過して外に出た基本波レーザビームの光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とのずれ量)と比べて小さくなる。
As described above, according to the second embodiment, the wavelength conversion crystal in the previous stage is arranged with the dielectric main axis Z as the rotation axis and tilted in the direction in which the walk-off effect is generated with respect to the optical axis of the fundamental laser beam. ing. As a result, the amount of deviation between the optical axis of the fundamental laser beam that has passed through the wavelength conversion crystal in the previous stage and the optical axis of the second harmonic laser beam is the amount of deviation described in the first embodiment. (When the fundamental laser beam is perpendicularly incident on the previous wavelength conversion crystal, the optical axis of the fundamental laser beam and the second
従って、後段の波長変換結晶に入射する基本波レーザビームの光軸と2倍高調波レーザビームの光軸とのずれ量が小さくなり、後段の波長変換結晶内部での基本波レーザビームと2倍高調波レーザビームの重なりが大きくなる。このため、前段に配置される波長変換結晶を、基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置することにより、後段の波長変換結晶で、より高い波長変換効率が得られるとともに、より円形に近い形状のビームが得られるという効果が得られる。 Therefore, the amount of deviation between the optical axis of the fundamental laser beam incident on the latter wavelength conversion crystal and the optical axis of the second harmonic laser beam is reduced, and twice that of the fundamental laser beam in the latter wavelength conversion crystal. The overlap of the harmonic laser beams is increased. For this reason, by arranging the wavelength conversion crystal arranged in the front stage to be inclined in the direction in which the walk-off occurs with respect to the optical axis of the fundamental laser beam, higher wavelength conversion efficiency can be obtained with the wavelength conversion crystal in the subsequent stage. In addition, an effect of obtaining a beam having a shape closer to a circle can be obtained.
なお、具体的な実験例の結果から、本実施の形態2の波長変換装置の効果をさらに詳しく説明する。以下の説明においては、条件を変えて、第3〜第5の実験例を示し、それらの比較を行う。 The effects of the wavelength converter according to the second embodiment will be described in more detail based on the results of specific experimental examples. In the following description, the third to fifth experimental examples are shown under different conditions, and comparisons are made.
第3の実験例
第3の実験例の構成は、先に説明した図4と同様であり、本発明の実施の形態2の技術的特徴である配置構成を備えたものである。なお、レーザ光源2および基本レーザビームの条件は、先の第1、第2の実験例と同一である。
Third Experimental Example The configuration of the third experimental example is the same as that of FIG. 4 described above, and includes an arrangement configuration that is a technical feature of the second embodiment of the present invention. The conditions of the
波長変換結晶1Aとしては、タイプ1位相整合により2倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが15mmであるリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用いた。また、波長変換結晶1Bとしては、タイプ2位相整合により3倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが18mmであるリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用いた。さらに、波長変換結晶1Aの誘電主軸Zと波長変換結晶1Bの誘電主軸Xとが同方向になるように配置した。
As the
また、波長変換結晶1Aは、誘電主軸Zを回転軸として、波長変換結晶1A外部の基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に20度傾けて配置した。さらに、波長変換結晶1Bは、誘電主軸Xを回転軸として、波長変換結晶1B外部の基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に20度傾けて配置した。
Further, the
レンズ6Aおよび6Bとしては、基本波レーザビーム3に対する焦点距離114.5mmの溶融石英製レンズを用いた。波長変換結晶1Aは、レンズ6Aから118mm離れた位置に配置し、波長変換結晶1Bは、レンズ6Bから266mm離れた位置に配置した。さらに、基本波レーザビーム3の1/e2ウエスト半径がそれぞれ0.085mmおよび0.122mmとなり、ビームウエストが波長変換結晶1A、1B内部に来るようにした。
As the
波長変換結晶1Aの屈折率は、約1.6であり、2倍高調波レーザビーム3Aは、ウォークオフ効果により波長変換結晶1Aの内部においては、誘電主軸XY面内で基本波レーザビーム3の光軸から誘電主軸Y方向に約7.03mrad(ミリラジアン)ずれた光軸で発生する。このことから、波長変換結晶1Aの出射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1037mmずれる。
The refractive index of the
このような基本波レーザビーム3および2倍高調波レーザビーム3Aを、レンズ6Bに通すと、レンズ6Bからレンズ6Bの焦点距離114.5mm離れた位置において、波長変換結晶1Aの誘電主軸X、誘電主軸Yからなる面内で、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とが交差する。
When the
この結果、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸との位置関係は、レンズ6Bに入射する前の位置関係と入射後の位置関係とで、逆の位置関係となる。すなわち、波長変換結晶1Aの誘電主軸Xと誘電主軸Yからなる面内において、2倍高調波レーザビーム3Aの光軸が基本波レーザビーム3の光軸より波長変換結晶1Aの誘電主軸Y側に寄っている状態から、2倍高調波レーザビーム3Aの光軸が基本波レーザビーム3の光軸より波長変換結晶1Aの誘電主軸X側に寄っている状態に変わる。
As a result, the positional relationship between the optical axis of the
波長変換結晶1Bの入射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1372mmずれて入射する。波長変換結晶1Bの屈折率は、約1.6であり、2倍高調波レーザビーム3Aは、ウォークオフ効果により波長変換結晶1Bの内部においては、誘電主軸YZ面内で基本波レーザビーム3の光軸から誘電主軸Z方向に約9.3mradずれた光軸で伝搬する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶1B内での基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aとの重なりは、64.90%と計算された。
At the incident end of the
第4の実験例
これに対して、第4の実験例では、波長変換結晶1Aの方向のみが先の第3の実験例と異なる場合について説明する。すなわち、この第4の実験例は、前段に配置される波長変換結晶1Aを、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフの生じる方向とは逆の方向に傾けて配置した場合に相当する。
On the other hand, in the fourth experimental example, a case where only the direction of the
図5は、本発明の実施の形態2の第5の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図5(a)、(b)、および(c)は、それぞれ、先の図1の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。
FIG. 5 is a partially enlarged view of the wavelength conversion device in the fifth experimental example of
波長変換結晶1Aは、誘電主軸Zを回転軸として、波長変換結晶1A外部の基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向と逆方向に20度傾けて配置している。その他の構成は、先の第1の実験例と同じである。
The
この場合、波長変換結晶1Aの出射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1040mmずれて入射する。また、波長変換結晶1Bの入射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1376mmずれて入射する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶1B内での基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aとの重なりは、64.76%と計算され、先の第3の実験例と比較して約0.2%低かった。
In this case, at the emission end of the
第5の実験例
さらに、別の第5の実験例として、先の図2のように、波長変換結晶1A、波長変換結晶1Bを傾けずに基本波レーザビーム3に対しほぼ垂直入射するように配置する場合について説明し、前段に配置される波長変換結晶1Aを、基本波レーザビーム3の光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置した場合との比較を行う。
Fifth Experimental Example Further, as another fifth experimental example, as shown in FIG. 2, the
この第5の実験例の場合、波長変換結晶1Aの出射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1055mmずれて入射する。また、波長変換結晶1Bの入射端においては、基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aの光軸とは、0.1395mmずれて入射する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶1B内での基本波レーザビーム3の光軸と2倍高調波レーザビーム3Aとの重なりは、64.12%と計算され、先の第3の実験例と比較して約1.2%低かった。
In the case of the fifth experimental example, at the emission end of the
上述のような実験例の結果から、特に、2つの波長変換結晶の間にレンズを配置する場合には、本実施の形態2で説明した図4のような配置構成を有する波長変換装置を用いることにより、後段の波長変換結晶内部での基本波レーザビームと波長変換レーザビームとの重なりが大きくなる。この結果、高出力な波長変換レーザビームを、さらに高効率に、かつ、さらに高い真円度で発生することができることが明らかになった。 From the results of the experimental examples as described above, in particular, when a lens is arranged between two wavelength conversion crystals, the wavelength conversion device having the arrangement configuration shown in FIG. 4 described in the second embodiment is used. As a result, the overlap between the fundamental wave laser beam and the wavelength conversion laser beam inside the wavelength conversion crystal in the latter stage is increased. As a result, it became clear that a high-power wavelength-converted laser beam can be generated with higher efficiency and higher roundness.
なお、上述の実験例においては、波長変換結晶1Aおよび波長変換結晶1Bとして、長さ15mmおよび長さ18mmの非線形光学結晶を用いたが、結晶長は、これに限るものではない。
In the above experimental example, nonlinear optical crystals having a length of 15 mm and a length of 18 mm are used as the
また、上述の実施の形態1および2においては、直線偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を用いる場合について示した。しかしながら、基本波レーザビーム3の偏光、波長は、これに限るものでなく、例えば、ランダム偏光の基本波レーザビーム3を用いてもよい。
In the first and second embodiments described above, the case where the
また、波長変換結晶1Aとして、タイプ1位相整合により基本波レーザビーム3の一部を波長532nmの2倍高調波レーザビーム3Aに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用い、波長変換結晶1Bとして、タイプ2位相整合により基本波レーザビーム3と2倍高調波レーザビーム3Aの一部を和周波により波長355nmの3倍高調波レーザビーム3Bに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いる場合について示した。しかしながら、位相整合タイプ、高調波レーザビームの波長、および結晶の種類は、これに限るものでない。
Further, as the
例えば、波長変換結晶1Aおよび波長変換結晶1Bとして、タイプ2位相整合により基本波レーザビーム3の一部を波長532nmの2倍高調波レーザビーム3Aに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いる同波長を発生する波長変換結晶を用いてもよい。
For example, as the
要は、波長変換結晶1Bとして入射する2つの波長のレーザビームの相互作用が影響するものを用い、波長変換結晶1Aおよび1Bをそれぞれの波長変換結晶で生じるウォークオフ効果の方向が、光軸に対し同方向となるように配置し、また、波長変換結晶1Aと1Bの間にレンズ6Bを配置し、かつ、波長変換結晶1Bをレンズ6Bからレンズ6Bの焦点距離よりも離れた位置に配置することにより、上述の実施の形態1および2と同様の効果が得られる。
In short, the
1A、1B 非線形光学結晶(波長変換結晶)、2 レーザ光源、3 基本波レーザビーム、3A、3B 高調波レーザビーム、4A、4B 温度調節器、5 基台、6A、6B レンズ、7A、7B レンズホルダー、8 分離ミラー、9 ミラーホルダー、10A、10B ウォークオフ効果が生じる面、X、Y、Z 非線形光学結晶の誘電主軸。 1A, 1B nonlinear optical crystal (wavelength conversion crystal), 2 laser light source, 3 fundamental wave laser beam, 3A, 3B harmonic laser beam, 4A, 4B temperature controller, 5 base, 6A, 6B lens, 7A, 7B lens Holder, 8 Separating mirror, 9 Mirror holder, 10A, 10B Surface where walk-off effect occurs, X, Y, Z Dielectric principal axis of nonlinear optical crystal.
Claims (3)
前記2つの非線形光学結晶を直列に並べ、前記2つの非線形光学結晶で生じるそれぞれのウォークオフの方向を前記基本波レーザビームの光軸に対して同一方向とし、かつ、後段に配置される非線形光学結晶を、前記レンズの位置から、前記レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置することを特徴とする波長変換装置。 In a wavelength conversion device that includes two nonlinear optical crystals for wavelength conversion and a lens disposed between the two nonlinear optical crystals, and generates a harmonic laser beam of a fundamental laser beam,
The two nonlinear optical crystals are arranged in series, and the walk-off directions generated by the two nonlinear optical crystals are set to the same direction with respect to the optical axis of the fundamental laser beam, and the nonlinear optics is arranged in the subsequent stage. A wavelength conversion device, wherein the crystal is disposed at a position away from a focal length of the lens from a position of the lens.
前段に配置される非線形光学結晶を、前記基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置することを特徴とする波長変換装置。 In the wavelength converter of Claim 1,
A wavelength conversion device, wherein the nonlinear optical crystal disposed in the preceding stage is disposed so as to be inclined in a direction in which a walk-off occurs with respect to an optical axis of the fundamental laser beam.
前記波長変換装置に供給する基本波レーザビームを発生させる光源と
を備えたことを特徴とする波長変換レーザ装置。 The wavelength converter according to claim 1 or 2,
A wavelength conversion laser device comprising: a light source that generates a fundamental laser beam supplied to the wavelength conversion device.
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