固体レーザ発振器
【課題】 共振器内部の光学部品への負荷を低減させて、光学部品の長期使用を可能とし、かつ安定なレーザ発振器を提供する。
【解決手段】 共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行う固体レーザ発振器であって、第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、固体レーザ媒質と、第２高調波（ＳＨＧ）用非線形光学結晶と、第３高調波（ＴＨＧ）用非線形光学結晶と、基本波レーザ光とＳＨＧレーザ光とを透過してＴＨＧレーザ光を反射する光分離用平面ミラーとが配置され、光分離用平面ミラーはＴＨＧ用非線形光学結晶の両側に設けられ、ＴＨＧ用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及びＳＨＧ用非線形光学結晶とを隔てており、ＴＨＧレーザ光はＴＨＧ用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出されることを特徴とする。
【解決手段】 共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行う固体レーザ発振器であって、第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、固体レーザ媒質と、第２高調波（ＳＨＧ）用非線形光学結晶と、第３高調波（ＴＨＧ）用非線形光学結晶と、基本波レーザ光とＳＨＧレーザ光とを透過してＴＨＧレーザ光を反射する光分離用平面ミラーとが配置され、光分離用平面ミラーはＴＨＧ用非線形光学結晶の両側に設けられ、ＴＨＧ用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及びＳＨＧ用非線形光学結晶とを隔てており、ＴＨＧレーザ光はＴＨＧ用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器に係り、特に、第３高調波レーザ光による光学部品への負荷を低減させた固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前より様々な物品の加工に用いる固体レーザ発振器は広く普及しており、このような固体レーザ発振器で用いるレーザとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等が知られている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは近赤外波長領域のレーザであり、鉄やアルミ等の加工に適している一方で、近赤外波長領域の吸収率が低い銅などの加工にはあまり適していない。
【０００３】
このため、β−ＢａＢ2Ｏ4（ＢＢＯ）、ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＬｉＮｂＯ3、等の非線形光学結晶を用いてＮｄ：ＹＡＧレーザの波長を変換し、加工対象となる物質に適した波長の高調波を発生させるという技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
非線形光学結晶で波長変換されたレーザ光のうち、基本となる波長の１／２の波長を持つレーザ光を第２高調波レーザ光（ＳＨＧ：Second harmonic generation）、１／３の波長を持つレーザ光を第３高調波レーザ光（ＴＨＧ：Third harmonic generation）と呼ぶ。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波レーザ光は波長が５３２ｎｍであり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波レーザ光は、波長が３５５ｎｍである。第３高調波レーザ光は、基本波レーザ光、第２高調波レーザ光と比べて幅広い物質の加工に適している。
【０００５】
このような第２高調波、第３高調波を得るための非線形光学結晶を用いた波長変換方式としては、内部波長変換方式（共振器内部波長変換方式）と、外部波長変換方式（多段集光器外部波長変換方式）とがある。
【０００６】
共振器内部波長変換方式は、共振器内部に非線形光学結晶を設置する方式である。共振器内部波長変換方式は多段集光器外部波長変換方式と比べてレーザ光の変換効率は高く、マルチモード時には１０％以上の変換効率で基本波レーザ光から第２高調波レーザ光へ変換することも可能である。その一方で、多段集光器型共振器を用いることが不可能であるため高出力が得られにくく、第２高調波レーザ光で最大１００Ｗ程度である。
【０００７】
多段集光器外部波長変換方式は、多段集光器外部に非線形光学結晶を設置する方式である。外部波長変換方式は、多段集光器を用いることができるため高出力が可能となり、第２高調波レーザ光で２００Ｗ以上の出力を得ることも可能である。その一方で、変換効率が低く、マルチモード時でも第２高調波へ変換できるのは５％程度である。
【０００８】
従来の共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器の一例が図３に示されている。同図において、１０は固体レーザ発振器、１１は第１の平面ミラー（基本波反射）、１２はＱスイッチ、１３は固体レーザ媒質、１４は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）、１５はレンズ（基本波透過、第２高調波透過）、１６は光分離用平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波透過）、１７ａは第３高調波用非線形光学結晶、１７ｂは第２高調波用非線形光学結晶、１８は第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波反射）である。
【０００９】
この例において基本波レーザ光、第１の平面ミラー１１と第２の平面ミラー１８との間で共振する。具体的には、固体レーザ媒質１３にて発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１２ａ、固体レーザ媒質１３、Ｑスイッチ１２ｂを透過することで増幅され、光分離用平面ミラー１４を透過し、レンズ１５ａを介して、光路に対して４５°の角度に設けられた光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられる。９０°曲げられた基本波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶１７ａを透過し、レンズ１５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１７ｂに入射し、その一部が第２高調波に波長変換される。第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを出た基本波レーザ光は、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過しその一部が第２高調波に変換され、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射し、光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられる。９０°曲げられた基本波レーザ光は、レンズ１５ａを介して光分離用平面ミラー１４、Ｑスイッチ１２ｂ、固体レーザ媒質１３、Ｑスイッチ１２ａを透過し、第１の平面ミラー１１にて反射される。
【００１０】
第２高調波レーザ光は、基本波レーザ光が第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過した際に、基本波レーザ光の一部が波長変換されることによって発生し、光分離用平面ミラー１４と第２の平面ミラー１８との間で共振する。具体的には、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂにて発生した第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射する。この際、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射することにより、その一部が第３高調波レーザ光に波長変換される。第３高調波用非線形光学結晶１７ａを出た第２高調波レーザ光は、光路に対して４５°の角度に設けられた光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられ、レンズ１５ａを介して光分離用平面ミラー１４にて折り返される。
【００１１】
第３高調波レーザ光は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射することにより、その一部が第３高調波レーザ光に波長変換されることで発生し、第３高調波を透過する光分離用平面ミラー１６にて共振器の外へ取り出される。具体的には、第３高調波用非線形光学結晶１７ａを出た第３高調波レーザ光は、レンズ１５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａを透過し、第３高調波レーザ光のみを透過する光分離用平面ミラー１６にて共振器の外へ取り出される。
【００１２】
また出願人は、先にこれらの２つの方式のメリットを兼ね備えた共振器内部波長変換方式を提案している（特許文献２参照）。この共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器によれば、多段集光器接続によって高出力化が可能となり、内部波長変換方式であるが故の高い変換効率も得られる。
【特許文献１】特開平１１−２８４２６９号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１，２に記載された固体レーザ発振器では、発生した第３高調波が第２高調波用非線形光学結晶などの光学部品を透過、もしくは反射することによって光学部品が損耗し、光学部品の寿命が短くなる要因になっている。
【００１４】
また、第３高調波が透過、もしくは反射する光学部品については、第３高調波を透過させるための誘電体多層膜を設ける必要があるが、誘電体多層膜が設けられることで各光学部品の耐久性が落ち、コストもかかる。
【００１５】
ここで、光学部品の劣化は第３高調波取出用の光分離用平面ミラー（図３においては符号１６）についても例外ではなく、第３高調波レーザ光を透過させて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光から分離するための平面ミラーは損耗が激しい。
【００１６】
一般的に、ほとんどの光学部品にはＡＲコート（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）と言われる反射防止膜が設けられているが、特定の波長のレーザをほぼ１００％反射させるための誘電体多層膜は、必要とされる反射率がＡＲコートよりも高く、反射を高めるためにはより多くの膜数が必要となる。また、設ける誘電体多層膜を増やすほどに光学部品のコストは上がり、部品寿命は短くなる。
【００１７】
本願はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、共振器内部の光学部品への負荷を低減させて、光学部品の長期使用を可能とし、かつ安定なレーザ発振器を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するために、本発明の固体レーザ発振器は、共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行うものである。
【００２０】
第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、基本波レーザ光を発生させる固体レーザ媒質と、前記基本波レーザ光が透過することで第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波用非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波用非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とを透過し、第３高調波レーザ光を反射する光分離用平面ミラーと、が配置されている。
【００２１】
前記光分離用平面ミラーは、前記第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられ、第３高調波用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及び第２高調波用非線形光学結晶とを隔てている。
【００２２】
前記第３高調波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出される。
【００２３】
このような構成によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００２４】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間の光路上には、第１の平面ミラー、固体レーザ媒質、光分離用平面ミラー、第３高調波用非線形光学結晶、光分離用平面ミラー、第２高調波用非線形光学結晶、第２平面ミラーの順に各光学部品が配置されているようにしてもよい。
【００２６】
前記固体レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、前記第３高調波用非線形光学結晶を挟むように一対のレンズが配置され、レンズと第３高調波用非線形光学結晶との間の間隔は、前記レンズの焦点距離と等しくなるように構成してもよい。
【００２７】
このような構成によれば、レンズの共焦点位置に第３高調波用非線形光学結晶を配置することにより、レーザ光の励起強度が小さい場合には結晶内ビーム径も小さくなり、レーザ光の励起強度が大きい場合には結晶内ビーム径も大きくなる。このため、第３高調波用非線形光学結晶内のエネルギー密度は励起強度によらずほぼ一定に保たれ、高出力化に伴う非線形光学結晶の破壊や劣化が防止され、また、レーザ光の高い安定性も実現される。
【発明の効果】
【００２８】
以上、本発明の固体レーザ発振器によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００２９】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下において、この発明に係る固体レーザ発振器の実施の一形態を添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述で限定されるものではない。
【００３１】
本発明の固体レーザ発振器の第１の実施形態が図１に示されている。同図において、１００は固体レーザ発振器、１０１は第１の平面ミラー（基本波反射）、１０２はＱスイッチ、１０３は固体レーザ媒質、１０４は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）、１０５はレンズ、１０６は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）、１０７ａは第３高調波用非線形光学結晶、１０７ｂは第２高調波用非線形光学結晶、１０８は第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射）、１０９は平面ミラー（第３高調波反射）である。
【００３２】
図１の例では、これらの光学部品は、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路上に、第１の平面ミラー側から、第１の平面ミラー１０１、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂ、光分離用平面ミラー１０４、レンズ１０５ａ、光分離用平面ミラー１０６ａ、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａ、レンズ１０５ｂ、光分離用平面ミラー１０６ｂ、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第２の平面ミラーの順で配置されている。ここで、光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂは、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路に対して４５°の角度で配置され、光分離用平面ミラー１０６ｂで反射された第３高調波レーザ光は、９０°に折れ曲がったレーザ光に対して直交するように設けられた平面ミラー１０９にて反射されて元の光路に戻る。また、光分離用平面ミラー１０６ａで反射された第３高調波レーザ光は、固体レーザ発振器の外に取り出される。
【００３３】
平面ミラーにはそれぞれ反射する波長、透過する波長に対応する誘電体多層膜が設けられている。具体的には、第１の平面ミラー１０１には、基本波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。光分離用平面ミラー１０４には、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第３高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜とが設けられている。第２の平面ミラー１０８には、基本波レーザ光を反射する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。平面ミラー１０９には、第３高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。
【００３４】
Ｑスイッチは１０２、レーザの損失を調整して増幅させるための装置であり、図１の例においては、固体レーザ媒質１０３の両側に１つずつ設けられている。固体レーザ媒質１０３にて発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２を通すことで増幅される。
【００３５】
固体レーザ媒質１０３としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＡＧ、ルビーなどがある。これらの固体レーザ媒質１０３を光源（図示せず）を用いて励起させることで、固体レーザ媒質１０３から基本波レーザ光が発生する。
【００３６】
レンズ１０５ａ及びレンズ１０５ｂは、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを挟むように配置され、共に、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに焦点を合わせるように設置されている。また、レンズ１０５ａには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜とが設けられ、レンズ１０５ｂには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第３高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜とが設けられている。
【００３７】
第２高調波用非線形光学結晶は、基本波レーザ光が透過することで、基本波レーザ光の一部を基本波レーザ光の２倍の波長である第２高調波レーザ光に変換させる。
【００３８】
第３高調波用非線形光学結晶は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで、これらのレーザ光の一部を基本波レーザ光の３倍の波長である第３高調波レーザ光に変換させる。
【００３９】
同図の例において、固体レーザ発振器１００から第３高調波レーザ光を取り出す流れを詳細に説明する。固体レーザ媒質１０３で発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２ａを通過して第１の平面ミラー１０１で折り返され、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂを通過する間に増幅され、光分離用平面ミラー１０４、光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂを透過し、レンズ１０５ａ、１０５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射する。固体レーザ媒質１０３にて発生する基本波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであれば波長１０６４ｎｍのレーザ光である。
【００４０】
基本波レーザ光が第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射することにより、基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換される。第２高調波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であれば、波長５３２ｎｍである。
【００４１】
第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過した基本波レーザ光、及び第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１０８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過し、再度基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換される。次いで、光分離用平面ミラー１０６ｂを透過し、レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射する。
【００４２】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを透過した第２高調波レーザ光は、レンズ１０５ａを介して光分離用平面ミラー１０４にて反射され、光分離用平面ミラー１０４と第２の平面ミラー１０８にとの間で共振する。
【００４３】
第３高調波は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射し、入射したレーザ光の一部が波長変換されることによって発生する。第３高調波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であれば、波長３５５ｎｍである。
【００４４】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａにて発生した第３高調波レーザ光は、光分離用平面ミラー１０６ａ側、即ちこの図では左方向に発生したものは、光路と４５°の角度で配置された光分離用平面ミラー１０６ａによって外部に取り出される。また、レンズ１０５ｂ側、即ちこの図では右方向に発生した第３高調波レーザ光は、レンズ１０５ｂを介して、光路と４５°の角度で配置された光分離用平面ミラー１０６ｂで反射され、平面ミラー１０９にて折り返される。ここで、平面ミラー１０９を、平面ミラー１０９に向かって進む第３高調波レーザ光と、平面ミラー１０９に反射して折り返された第３高調波レーザ光との位相が重なるような位置に配置することにより、高出力の第３高調波を取り出しやすくなる。平面ミラー１０９にて反射された第３高調波は、再度レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを通過し、光分離用平面ミラー１０６ａによって固体レーザ共振器１００の外に取り出される。
【００４５】
このような図１の構成によれば、第３高調波レーザ光が固体レーザ媒質１０３、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第１の平面ミラー１０１、第２の平面ミラー１０８を透過、もしくは反射することなく固体レーザ発振器の外に取り出されるため、これらの光学部品の負荷が減少し、光学部品の長期使用が可能となり、光学部品に関するコストも抑えられる。
【００４６】
また、共振器内部に非線形光学結晶を配置する共振器内部波長変換方式を採用したことにより、光学部品の損耗を抑えながらも、高出力の第３高調波レーザ光を得ることが可能となる。特に、平面ミラー１０９にて第３高調波レーザ光の位相を調整することで、第３高調波が固体レーザ発振器の外に取り出される際の取出効率が高くなり、従来の固体レーザ発振器と同等の第３高調波レーザ光の取出効率、及び変換効率が得られる。
【００４７】
また、レンズ１０５ａ，１０５ｂを適切な位置に配置したことにより、第３高調波用非線形光学結晶内においてレーザ光のエネルギーが減少しにくくなり、第３高調波レーザ光の高出力化が容易となる。
【００４８】
更に、第３高調波レーザ光を取り出すための光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂについても、第３高調波レーザ光を透過させず反射させることで取り出すため、透過で取り出す場合と比べて平面ミラーの負荷が減る。
【００４９】
即ち、光分離用平面ミラー１０６ｂにて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光と、第３高調波レーザ光とを分離して共振させることで、３つの波長のレーザ光が集光して透過、または反射する場合と比べて光学部品への負荷が軽減される。これにより、各光学部品の寿命が延び、長期使用が可能となるものである。
【００５０】
本発明の固体レーザ発振器の第２の実施形態が図２に示されている。同図において、符号１０１〜１０８は図１と同様であり、１１０は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）である。
【００５１】
図２の例では、これらの光学部品は、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路上に、第１の平面ミラー側から、第１の平面ミラー１０１、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂ、光分離用平面ミラー１０４、レンズ１０５ａ、光分離用平面ミラー１０６ａ、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａ、光分離用ミラー１１０、レンズ１０５ｂ、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第２の平面ミラーの順で配置されている。ここで、光分離用平面ミラー１０６ａは第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路に対して４５°の角度で設置され、光分離用平面ミラー１０６ａで折り曲げられた第３高調波レーザ光は、固体レーザ発振器の外に取り出される。
【００５２】
図２の例において、固体レーザ発振器１００から第３高調波レーザ光を取り出す流れを詳細に説明する。固体レーザ媒質１０３で発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２ａを通過して第１の平面ミラー１０１で反射され、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂを通過する間に増幅される。基本波レーザ光は、次いで、光分離用平面ミラー１０４、光分離用平面ミラー１０６ａ，１１０を透過し、レンズ１０５ａ、１０５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射し、基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に変換されることで、第２高調波が発生する。
【００５３】
第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過した基本波レーザ光、及び第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１０８にて反射され、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過し、再度基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換され、光分離用平面ミラー１１０を透過し、レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射する。基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射することによって、入射したそれらレーザ光の一部が第３高調波レーザ光に変換されることで、第３高調波が発生する。
【００５４】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａにて発生した第３高調波レーザ光は、光分離用平面ミラー１０６ａ側、即ちこの図では左向きに発生したものは、光分離用平面ミラー１０６ａにて外部に取り出される。また、光分離用平面ミラー１１０側、即ちこの図では右向きに発生したものは、光分離用平面ミラー１１０にて反射され、再度第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを通過して、光分離用平面ミラー１０６ａによって外部に取り出される。
【００５５】
このような構成を採用することにより、第３高調波レーザ光が固体レーザ媒質１０３、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第１の平面ミラー１０１、第２の平面ミラー１０８を透過、もしくは反射されることなく固体レーザ発振器の外に取り出されるため、これらの光学部品の負荷が減少して光学部品の長期使用が可能となる。また、ミラー等に設ける透過誘電体多層膜の数も少なくて済むためコストも安価となる。加えて、図１の例よりも平面ミラーによる反射が１回少ないため、第３高調波レーザ光のエネルギーのロスが少ないものとなる。
【００５６】
更に、図１の例と同様に、第３高調波レーザ光を取り出すための光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂについても、第３高調波レーザ光を透過させず反射させることで取り出すため、透過で取り出す場合と比べて平面ミラーの負荷が減る。
【００５７】
即ち、光分離用平面ミラー１１０にて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光と、第３高調波レーザ光とを分離して共振させることで、３つの波長のレーザ光が集光して透過、または反射する場合と比べて光学部品への負荷が軽減される。これにより、各光学部品の寿命が延び、長期使用が可能となるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上述べたように、本発明の固体レーザ発振器によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００５９】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【００６０】
更に、レンズの共焦点位置に第３高調波用非線形光学結晶を配置することにより、レーザ光の励起強度が小さい場合には結晶内ビーム径も小さくなり、レーザ光の励起強度が大きい場合には結晶内ビーム径も大きくなる。このため、第３高調波用非線形光学結晶内のエネルギー密度は励起強度によらずほぼ一定に保たれ、高出力化に伴う非線形光学結晶の破壊や劣化が防止され、また、レーザ光の高い安定性も実現される。
【００６１】
このような固体レーザ発振器の具体的な用途としては、アニール、表面改質、露光等のエキシマレーザが使用されている分野において、エキシマレーザと同様に用いることが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の固体レーザ発振器の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の固体レーザ発振器の第２の実施形態を示す図である。
【図３】従来の固体レーザ発振器の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 固体レーザ発振器
１１ 第１の平面ミラー（基本波反射）
１２ Ｑスイッチ
１３ 固体レーザ媒質
１４ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）
１５ レンズ
１６ 光分離用平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波透過）
１７ａ 第３高調波用非線形光学結晶
１７ｂ 第２高調波用非線形光学結晶
１８ 第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波反射）
１００ 固体レーザ発振器
１０１ 第１の平面ミラー（基本波反射）
１０２ Ｑスイッチ
１０３ 固体レーザ媒質
１０４ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）
１０５ レンズ
１０６ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）
１０７ａ 第３高調波用非線形光学結晶
１０７ｂ 第２高調波用非線形光学結晶
１０８ 第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射）
１０９ 平面ミラー（第３高調波反射）
１１０ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器に係り、特に、第３高調波レーザ光による光学部品への負荷を低減させた固体レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前より様々な物品の加工に用いる固体レーザ発振器は広く普及しており、このような固体レーザ発振器で用いるレーザとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等が知られている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは近赤外波長領域のレーザであり、鉄やアルミ等の加工に適している一方で、近赤外波長領域の吸収率が低い銅などの加工にはあまり適していない。
【０００３】
このため、β−ＢａＢ2Ｏ4（ＢＢＯ）、ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＬｉＮｂＯ3、等の非線形光学結晶を用いてＮｄ：ＹＡＧレーザの波長を変換し、加工対象となる物質に適した波長の高調波を発生させるという技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
非線形光学結晶で波長変換されたレーザ光のうち、基本となる波長の１／２の波長を持つレーザ光を第２高調波レーザ光（ＳＨＧ：Second harmonic generation）、１／３の波長を持つレーザ光を第３高調波レーザ光（ＴＨＧ：Third harmonic generation）と呼ぶ。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波レーザ光は波長が５３２ｎｍであり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波レーザ光は、波長が３５５ｎｍである。第３高調波レーザ光は、基本波レーザ光、第２高調波レーザ光と比べて幅広い物質の加工に適している。
【０００５】
このような第２高調波、第３高調波を得るための非線形光学結晶を用いた波長変換方式としては、内部波長変換方式（共振器内部波長変換方式）と、外部波長変換方式（多段集光器外部波長変換方式）とがある。
【０００６】
共振器内部波長変換方式は、共振器内部に非線形光学結晶を設置する方式である。共振器内部波長変換方式は多段集光器外部波長変換方式と比べてレーザ光の変換効率は高く、マルチモード時には１０％以上の変換効率で基本波レーザ光から第２高調波レーザ光へ変換することも可能である。その一方で、多段集光器型共振器を用いることが不可能であるため高出力が得られにくく、第２高調波レーザ光で最大１００Ｗ程度である。
【０００７】
多段集光器外部波長変換方式は、多段集光器外部に非線形光学結晶を設置する方式である。外部波長変換方式は、多段集光器を用いることができるため高出力が可能となり、第２高調波レーザ光で２００Ｗ以上の出力を得ることも可能である。その一方で、変換効率が低く、マルチモード時でも第２高調波へ変換できるのは５％程度である。
【０００８】
従来の共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器の一例が図３に示されている。同図において、１０は固体レーザ発振器、１１は第１の平面ミラー（基本波反射）、１２はＱスイッチ、１３は固体レーザ媒質、１４は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）、１５はレンズ（基本波透過、第２高調波透過）、１６は光分離用平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波透過）、１７ａは第３高調波用非線形光学結晶、１７ｂは第２高調波用非線形光学結晶、１８は第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波反射）である。
【０００９】
この例において基本波レーザ光、第１の平面ミラー１１と第２の平面ミラー１８との間で共振する。具体的には、固体レーザ媒質１３にて発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１２ａ、固体レーザ媒質１３、Ｑスイッチ１２ｂを透過することで増幅され、光分離用平面ミラー１４を透過し、レンズ１５ａを介して、光路に対して４５°の角度に設けられた光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられる。９０°曲げられた基本波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶１７ａを透過し、レンズ１５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１７ｂに入射し、その一部が第２高調波に波長変換される。第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを出た基本波レーザ光は、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過しその一部が第２高調波に変換され、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射し、光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられる。９０°曲げられた基本波レーザ光は、レンズ１５ａを介して光分離用平面ミラー１４、Ｑスイッチ１２ｂ、固体レーザ媒質１３、Ｑスイッチ１２ａを透過し、第１の平面ミラー１１にて反射される。
【００１０】
第２高調波レーザ光は、基本波レーザ光が第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過した際に、基本波レーザ光の一部が波長変換されることによって発生し、光分離用平面ミラー１４と第２の平面ミラー１８との間で共振する。具体的には、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂにて発生した第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射する。この際、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射することにより、その一部が第３高調波レーザ光に波長変換される。第３高調波用非線形光学結晶１７ａを出た第２高調波レーザ光は、光路に対して４５°の角度に設けられた光分離用平面ミラー１６にて反射されることで９０°曲げられ、レンズ１５ａを介して光分離用平面ミラー１４にて折り返される。
【００１１】
第３高調波レーザ光は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１７ａに入射することにより、その一部が第３高調波レーザ光に波長変換されることで発生し、第３高調波を透過する光分離用平面ミラー１６にて共振器の外へ取り出される。具体的には、第３高調波用非線形光学結晶１７ａを出た第３高調波レーザ光は、レンズ１５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、第２の平面ミラー１８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１７ｂを透過し、レンズ１５ｂを介して第３高調波用非線形光学結晶１７ａを透過し、第３高調波レーザ光のみを透過する光分離用平面ミラー１６にて共振器の外へ取り出される。
【００１２】
また出願人は、先にこれらの２つの方式のメリットを兼ね備えた共振器内部波長変換方式を提案している（特許文献２参照）。この共振器内部波長変換方式の固体レーザ発振器によれば、多段集光器接続によって高出力化が可能となり、内部波長変換方式であるが故の高い変換効率も得られる。
【特許文献１】特開平１１−２８４２６９号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１，２に記載された固体レーザ発振器では、発生した第３高調波が第２高調波用非線形光学結晶などの光学部品を透過、もしくは反射することによって光学部品が損耗し、光学部品の寿命が短くなる要因になっている。
【００１４】
また、第３高調波が透過、もしくは反射する光学部品については、第３高調波を透過させるための誘電体多層膜を設ける必要があるが、誘電体多層膜が設けられることで各光学部品の耐久性が落ち、コストもかかる。
【００１５】
ここで、光学部品の劣化は第３高調波取出用の光分離用平面ミラー（図３においては符号１６）についても例外ではなく、第３高調波レーザ光を透過させて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光から分離するための平面ミラーは損耗が激しい。
【００１６】
一般的に、ほとんどの光学部品にはＡＲコート（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）と言われる反射防止膜が設けられているが、特定の波長のレーザをほぼ１００％反射させるための誘電体多層膜は、必要とされる反射率がＡＲコートよりも高く、反射を高めるためにはより多くの膜数が必要となる。また、設ける誘電体多層膜を増やすほどに光学部品のコストは上がり、部品寿命は短くなる。
【００１７】
本願はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、共振器内部の光学部品への負荷を低減させて、光学部品の長期使用を可能とし、かつ安定なレーザ発振器を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するために、本発明の固体レーザ発振器は、共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行うものである。
【００２０】
第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、基本波レーザ光を発生させる固体レーザ媒質と、前記基本波レーザ光が透過することで第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波用非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波用非線形光学結晶と、前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とを透過し、第３高調波レーザ光を反射する光分離用平面ミラーと、が配置されている。
【００２１】
前記光分離用平面ミラーは、前記第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられ、第３高調波用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及び第２高調波用非線形光学結晶とを隔てている。
【００２２】
前記第３高調波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出される。
【００２３】
このような構成によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００２４】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間の光路上には、第１の平面ミラー、固体レーザ媒質、光分離用平面ミラー、第３高調波用非線形光学結晶、光分離用平面ミラー、第２高調波用非線形光学結晶、第２平面ミラーの順に各光学部品が配置されているようにしてもよい。
【００２６】
前記固体レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、前記第３高調波用非線形光学結晶を挟むように一対のレンズが配置され、レンズと第３高調波用非線形光学結晶との間の間隔は、前記レンズの焦点距離と等しくなるように構成してもよい。
【００２７】
このような構成によれば、レンズの共焦点位置に第３高調波用非線形光学結晶を配置することにより、レーザ光の励起強度が小さい場合には結晶内ビーム径も小さくなり、レーザ光の励起強度が大きい場合には結晶内ビーム径も大きくなる。このため、第３高調波用非線形光学結晶内のエネルギー密度は励起強度によらずほぼ一定に保たれ、高出力化に伴う非線形光学結晶の破壊や劣化が防止され、また、レーザ光の高い安定性も実現される。
【発明の効果】
【００２８】
以上、本発明の固体レーザ発振器によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００２９】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下において、この発明に係る固体レーザ発振器の実施の一形態を添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述で限定されるものではない。
【００３１】
本発明の固体レーザ発振器の第１の実施形態が図１に示されている。同図において、１００は固体レーザ発振器、１０１は第１の平面ミラー（基本波反射）、１０２はＱスイッチ、１０３は固体レーザ媒質、１０４は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）、１０５はレンズ、１０６は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）、１０７ａは第３高調波用非線形光学結晶、１０７ｂは第２高調波用非線形光学結晶、１０８は第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射）、１０９は平面ミラー（第３高調波反射）である。
【００３２】
図１の例では、これらの光学部品は、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路上に、第１の平面ミラー側から、第１の平面ミラー１０１、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂ、光分離用平面ミラー１０４、レンズ１０５ａ、光分離用平面ミラー１０６ａ、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａ、レンズ１０５ｂ、光分離用平面ミラー１０６ｂ、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第２の平面ミラーの順で配置されている。ここで、光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂは、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路に対して４５°の角度で配置され、光分離用平面ミラー１０６ｂで反射された第３高調波レーザ光は、９０°に折れ曲がったレーザ光に対して直交するように設けられた平面ミラー１０９にて反射されて元の光路に戻る。また、光分離用平面ミラー１０６ａで反射された第３高調波レーザ光は、固体レーザ発振器の外に取り出される。
【００３３】
平面ミラーにはそれぞれ反射する波長、透過する波長に対応する誘電体多層膜が設けられている。具体的には、第１の平面ミラー１０１には、基本波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。光分離用平面ミラー１０４には、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第３高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜とが設けられている。第２の平面ミラー１０８には、基本波レーザ光を反射する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。平面ミラー１０９には、第３高調波レーザ光を反射する誘電体多層膜が設けられている。
【００３４】
Ｑスイッチは１０２、レーザの損失を調整して増幅させるための装置であり、図１の例においては、固体レーザ媒質１０３の両側に１つずつ設けられている。固体レーザ媒質１０３にて発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２を通すことで増幅される。
【００３５】
固体レーザ媒質１０３としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＡＧ、ルビーなどがある。これらの固体レーザ媒質１０３を光源（図示せず）を用いて励起させることで、固体レーザ媒質１０３から基本波レーザ光が発生する。
【００３６】
レンズ１０５ａ及びレンズ１０５ｂは、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを挟むように配置され、共に、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに焦点を合わせるように設置されている。また、レンズ１０５ａには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜とが設けられ、レンズ１０５ｂには、基本波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第２高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜と、第３高調波レーザ光を透過する誘電体多層膜とが設けられている。
【００３７】
第２高調波用非線形光学結晶は、基本波レーザ光が透過することで、基本波レーザ光の一部を基本波レーザ光の２倍の波長である第２高調波レーザ光に変換させる。
【００３８】
第３高調波用非線形光学結晶は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで、これらのレーザ光の一部を基本波レーザ光の３倍の波長である第３高調波レーザ光に変換させる。
【００３９】
同図の例において、固体レーザ発振器１００から第３高調波レーザ光を取り出す流れを詳細に説明する。固体レーザ媒質１０３で発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２ａを通過して第１の平面ミラー１０１で折り返され、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂを通過する間に増幅され、光分離用平面ミラー１０４、光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂを透過し、レンズ１０５ａ、１０５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射する。固体レーザ媒質１０３にて発生する基本波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであれば波長１０６４ｎｍのレーザ光である。
【００４０】
基本波レーザ光が第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射することにより、基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換される。第２高調波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であれば、波長５３２ｎｍである。
【００４１】
第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過した基本波レーザ光、及び第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１０８にて折り返され、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過し、再度基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換される。次いで、光分離用平面ミラー１０６ｂを透過し、レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射する。
【００４２】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを透過した第２高調波レーザ光は、レンズ１０５ａを介して光分離用平面ミラー１０４にて反射され、光分離用平面ミラー１０４と第２の平面ミラー１０８にとの間で共振する。
【００４３】
第３高調波は、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射し、入射したレーザ光の一部が波長変換されることによって発生する。第３高調波レーザ光は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であれば、波長３５５ｎｍである。
【００４４】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａにて発生した第３高調波レーザ光は、光分離用平面ミラー１０６ａ側、即ちこの図では左方向に発生したものは、光路と４５°の角度で配置された光分離用平面ミラー１０６ａによって外部に取り出される。また、レンズ１０５ｂ側、即ちこの図では右方向に発生した第３高調波レーザ光は、レンズ１０５ｂを介して、光路と４５°の角度で配置された光分離用平面ミラー１０６ｂで反射され、平面ミラー１０９にて折り返される。ここで、平面ミラー１０９を、平面ミラー１０９に向かって進む第３高調波レーザ光と、平面ミラー１０９に反射して折り返された第３高調波レーザ光との位相が重なるような位置に配置することにより、高出力の第３高調波を取り出しやすくなる。平面ミラー１０９にて反射された第３高調波は、再度レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを通過し、光分離用平面ミラー１０６ａによって固体レーザ共振器１００の外に取り出される。
【００４５】
このような図１の構成によれば、第３高調波レーザ光が固体レーザ媒質１０３、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第１の平面ミラー１０１、第２の平面ミラー１０８を透過、もしくは反射することなく固体レーザ発振器の外に取り出されるため、これらの光学部品の負荷が減少し、光学部品の長期使用が可能となり、光学部品に関するコストも抑えられる。
【００４６】
また、共振器内部に非線形光学結晶を配置する共振器内部波長変換方式を採用したことにより、光学部品の損耗を抑えながらも、高出力の第３高調波レーザ光を得ることが可能となる。特に、平面ミラー１０９にて第３高調波レーザ光の位相を調整することで、第３高調波が固体レーザ発振器の外に取り出される際の取出効率が高くなり、従来の固体レーザ発振器と同等の第３高調波レーザ光の取出効率、及び変換効率が得られる。
【００４７】
また、レンズ１０５ａ，１０５ｂを適切な位置に配置したことにより、第３高調波用非線形光学結晶内においてレーザ光のエネルギーが減少しにくくなり、第３高調波レーザ光の高出力化が容易となる。
【００４８】
更に、第３高調波レーザ光を取り出すための光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂについても、第３高調波レーザ光を透過させず反射させることで取り出すため、透過で取り出す場合と比べて平面ミラーの負荷が減る。
【００４９】
即ち、光分離用平面ミラー１０６ｂにて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光と、第３高調波レーザ光とを分離して共振させることで、３つの波長のレーザ光が集光して透過、または反射する場合と比べて光学部品への負荷が軽減される。これにより、各光学部品の寿命が延び、長期使用が可能となるものである。
【００５０】
本発明の固体レーザ発振器の第２の実施形態が図２に示されている。同図において、符号１０１〜１０８は図１と同様であり、１１０は光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）である。
【００５１】
図２の例では、これらの光学部品は、第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路上に、第１の平面ミラー側から、第１の平面ミラー１０１、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂ、光分離用平面ミラー１０４、レンズ１０５ａ、光分離用平面ミラー１０６ａ、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａ、光分離用ミラー１１０、レンズ１０５ｂ、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第２の平面ミラーの順で配置されている。ここで、光分離用平面ミラー１０６ａは第１の平面ミラー１０１と第２の平面ミラー１０８とを結ぶ光路に対して４５°の角度で設置され、光分離用平面ミラー１０６ａで折り曲げられた第３高調波レーザ光は、固体レーザ発振器の外に取り出される。
【００５２】
図２の例において、固体レーザ発振器１００から第３高調波レーザ光を取り出す流れを詳細に説明する。固体レーザ媒質１０３で発生した基本波レーザ光は、Ｑスイッチ１０２ａを通過して第１の平面ミラー１０１で反射され、Ｑスイッチ１０２ａ、固体レーザ媒質１０３、Ｑスイッチ１０２ｂを通過する間に増幅される。基本波レーザ光は、次いで、光分離用平面ミラー１０４、光分離用平面ミラー１０６ａ，１１０を透過し、レンズ１０５ａ、１０５ｂを介して第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂに入射し、基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に変換されることで、第２高調波が発生する。
【００５３】
第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過した基本波レーザ光、及び第２高調波レーザ光は、第２の平面ミラー１０８にて反射され、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂを通過し、再度基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光に波長変換され、光分離用平面ミラー１１０を透過し、レンズ１０５ｂを介して、第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射する。基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが第３高調波用非線形光学結晶１０７ａに入射することによって、入射したそれらレーザ光の一部が第３高調波レーザ光に変換されることで、第３高調波が発生する。
【００５４】
第３高調波用非線形光学結晶１０７ａにて発生した第３高調波レーザ光は、光分離用平面ミラー１０６ａ側、即ちこの図では左向きに発生したものは、光分離用平面ミラー１０６ａにて外部に取り出される。また、光分離用平面ミラー１１０側、即ちこの図では右向きに発生したものは、光分離用平面ミラー１１０にて反射され、再度第３高調波用非線形光学結晶１０７ａを通過して、光分離用平面ミラー１０６ａによって外部に取り出される。
【００５５】
このような構成を採用することにより、第３高調波レーザ光が固体レーザ媒質１０３、第２高調波用非線形光学結晶１０７ｂ、第１の平面ミラー１０１、第２の平面ミラー１０８を透過、もしくは反射されることなく固体レーザ発振器の外に取り出されるため、これらの光学部品の負荷が減少して光学部品の長期使用が可能となる。また、ミラー等に設ける透過誘電体多層膜の数も少なくて済むためコストも安価となる。加えて、図１の例よりも平面ミラーによる反射が１回少ないため、第３高調波レーザ光のエネルギーのロスが少ないものとなる。
【００５６】
更に、図１の例と同様に、第３高調波レーザ光を取り出すための光分離用平面ミラー１０６ａ，１０６ｂについても、第３高調波レーザ光を透過させず反射させることで取り出すため、透過で取り出す場合と比べて平面ミラーの負荷が減る。
【００５７】
即ち、光分離用平面ミラー１１０にて基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光と、第３高調波レーザ光とを分離して共振させることで、３つの波長のレーザ光が集光して透過、または反射する場合と比べて光学部品への負荷が軽減される。これにより、各光学部品の寿命が延び、長期使用が可能となるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上述べたように、本発明の固体レーザ発振器によれば、第３高調波レーザ光は固体レーザ媒質、第２高調波発生用非線形光学結晶、第１の平面ミラー、第２の平面ミラーなどに触れずに固体レーザ発振器の外へ取り出されるため、これらの光学部品にかかる負荷が減少し光学部品の長期使用が可能となる。
【００５９】
また、第３高調波レーザ光の取出に用いる光分離用平面ミラーについても、第３高調波レーザ光を反射させることで取り出しているため、第３高調波レーザ光を透過させて取り出す場合と比べて、光分離用平面ミラーの損耗も抑えられる。このため、従来の固体レーザ発振器と比べて光学部品の寿命が延び、コストも抑えられる。
【００６０】
更に、レンズの共焦点位置に第３高調波用非線形光学結晶を配置することにより、レーザ光の励起強度が小さい場合には結晶内ビーム径も小さくなり、レーザ光の励起強度が大きい場合には結晶内ビーム径も大きくなる。このため、第３高調波用非線形光学結晶内のエネルギー密度は励起強度によらずほぼ一定に保たれ、高出力化に伴う非線形光学結晶の破壊や劣化が防止され、また、レーザ光の高い安定性も実現される。
【００６１】
このような固体レーザ発振器の具体的な用途としては、アニール、表面改質、露光等のエキシマレーザが使用されている分野において、エキシマレーザと同様に用いることが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の固体レーザ発振器の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の固体レーザ発振器の第２の実施形態を示す図である。
【図３】従来の固体レーザ発振器の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 固体レーザ発振器
１１ 第１の平面ミラー（基本波反射）
１２ Ｑスイッチ
１３ 固体レーザ媒質
１４ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）
１５ レンズ
１６ 光分離用平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波透過）
１７ａ 第３高調波用非線形光学結晶
１７ｂ 第２高調波用非線形光学結晶
１８ 第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射、第３高調波反射）
１００ 固体レーザ発振器
１０１ 第１の平面ミラー（基本波反射）
１０２ Ｑスイッチ
１０３ 固体レーザ媒質
１０４ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波反射）
１０５ レンズ
１０６ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）
１０７ａ 第３高調波用非線形光学結晶
１０７ｂ 第２高調波用非線形光学結晶
１０８ 第２の平面ミラー（基本波反射、第２高調波反射）
１０９ 平面ミラー（第３高調波反射）
１１０ 光分離用平面ミラー（基本波透過、第２高調波透過、第３高調波反射）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行う固体レーザ発振器であって、
第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、
基本波レーザ光を発生させる固体レーザ媒質と、
前記基本波レーザ光が透過することで第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波用非線形光学結晶と、
前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波用非線形光学結晶と、
前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とを透過し、第３高調波レーザ光を反射する光分離用平面ミラーと、が配置され、
前記光分離用平面ミラーは、前記第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられ、第３高調波用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及び第２高調波用非線形光学結晶とを隔てており、
前記第３高調波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出されることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】
前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間の光路上には、第１の平面ミラー、固体レーザ媒質、光分離用平面ミラー、第３高調波用非線形光学結晶、光分離用平面ミラー、第２高調波用非線形光学結晶、第２平面ミラーの順に各光学部品が配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、前記第３高調波用非線形光学結晶を挟むように一対のレンズが配置され、レンズと第３高調波用非線形光学結晶との間の間隔は、前記レンズの焦点距離と等しい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ発振器。
【請求項１】
共振用の第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間で波長変換を行う固体レーザ発振器であって、
第１の平面ミラーと第２の平面ミラーとの間の光路上には、
基本波レーザ光を発生させる固体レーザ媒質と、
前記基本波レーザ光が透過することで第２高調波レーザ光を発生させる第２高調波用非線形光学結晶と、
前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とが透過することで第３高調波レーザ光を発生させる第３高調波用非線形光学結晶と、
前記基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とを透過し、第３高調波レーザ光を反射する光分離用平面ミラーと、が配置され、
前記光分離用平面ミラーは、前記第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられ、第３高調波用非線形光学結晶と、固体レーザ媒質及び第２高調波用非線形光学結晶とを隔てており、
前記第３高調波レーザ光は、第３高調波用非線形光学結晶の両側に設けられた光分離用平面ミラーのいずれか一方によって共振器の外に取り出されることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】
前記第１の平面ミラーと前記第２の平面ミラーとの間の光路上には、第１の平面ミラー、固体レーザ媒質、光分離用平面ミラー、第３高調波用非線形光学結晶、光分離用平面ミラー、第２高調波用非線形光学結晶、第２平面ミラーの順に各光学部品が配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、前記第３高調波用非線形光学結晶を挟むように一対のレンズが配置され、レンズと第３高調波用非線形光学結晶との間の間隔は、前記レンズの焦点距離と等しい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１３５３８０（Ｐ２０１０−１３５３８０Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０７３７４（Ｐ２００８−３０７３７４）
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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