JP2849032B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば固体レーザ装
置などのレーザ装置に係り、特に、高出力で品質の良い
レーザビームを発生させるレーザ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図２９は、例えば、レーザ学会編、「レ
ーザハンドブック」（オーム社発行）、ｐ．２２２に示
された従来の固体レーザ装置を示す断面構成図である。
この図において、１は全反射ミラー、２は部分反射ミラ
ー、３は活性固体媒質を含む固体素子であり、ヤグレー
ザを例にとれば活性固体媒質としてＮｄ（Neodymium ）
をドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Ga
rnet）からなるレーザ媒質、４は光源であって、例えば
アークランプが適用されている。５は光源４を点灯する
電源、６は光源４の集光器であって、例えば断面形状が
楕円状で内面は光反射面により構成されている。７はミ
ラー１，２にて構成されたレーザ共振器内に発生したレ
ーザビーム、７０は外部に取り出されたレーザビーム、
１００は基台である。

【０００３】次に動作について説明する。光源４と固体
素子３を集光器６内に配置していて、光源４から投光さ
れた光は固体素子３中に集光状態にて入射される。これ
により、固体素子３にて活性固体媒質が励起されて所定
の波長の励起光が発生される。そして、この固体素子３
からなるレーザ媒質より発生されたレーザビーム７は、
ミラー１と２にて構成されるレーザ共振器間を往復する
間に増幅されて、所定値以上の大きさに達すると指向性
の良いレーザビーム７０として部分反射ミラー２からレ
ーザ共振器の外部に放出される。

【０００４】上記のような従来のレーザ装置では、固体
素子３に入射される光量が許容値を越えると固体素子３
は破壊する。例えばＮｄ：ＹＡＧ固体素子３を用いた場
合、固体素子３を破壊させずに安定的にレーザ出力を得
るためには、固体素子３の直径には関係なく長さ２５．
４ｍｍあたり発振効率５％として光源４への投入電力を
３ｋｗ程度に押さえる必要があることが経験的に知られ
ている。したがって、光源４への投入電力を増やしてレ
ーザ出力を増大させる場合、固体素子３を長くする必要
がある。たとえば１．５ｋＷのレーザ出力を得るために
は、発振効率５％として光源４に３０ｋＷの電力を投入
する必要がある。この場合、３０ｋＷの投入電力で安定
動作させるには２５４ｍｍの長さの固体素子３が必要と
なる。

【０００５】しかしながら、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体素子
３は結晶成長が難しく、特に長尺のものは工業的に生成
するのが困難である。例えば２０ｃｍ以上の固体素子３
を現在得ることは極めて困難で、また入手できたにして
も極めて高価なので固体レーザ装置が高価になる。また
長さ方向に品質が安定せず、品質の良いレーザビームを
得ることができなかった。

【０００６】したがって、例えば１．５ｋＷ等の高出力
のレーザビームを得るためには安価に得られる短い固体
素子３を複数本用いる必要がある。この方法として、図
３０に示すように複数の固体素子励起部分３Ａを使用す
る方法と、特開平４−７３９８１号公報に示された図３
１の集光器６内に複数の固体素子３を挿入する方法が知
られている。

【０００７】一方、図３２には、光励起部分３Ａからの
レーザビームをレーザ共振器内にて波長変換、例えば第
２高調波８などを含む高調波に変換して高出力なレーザ
ビームとして取り出す波長変換器１０を含むレーザ装置
が示されている。このような装置として、例えば特開平
２−７４８７号公報に記載された複数の波長変換素子を
適用したレーザ装置が知られている。このレーザ装置で
は波長変換素子が長さが異なる例えばＫＴＰ（Potassiu
m Titanyl Phosphorate ）にて形成された非線形光学結
晶にて形成され、基台１１０に角度調整自在に設置され
ている。基台１１０には非線形光学結晶４０ａ，４３ａ
をそれぞれ温度調節可能な加熱装置などの温度調節機構
が設けられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の光励起固体レー
ザ装置は以上のように構成されているので、上述した図
３０の装置に示すように複数の光励起部分３Ａ，３Ａを
用いてレーザビームの高出力化を図ると、固体素子３同
士を同軸上に調整することが困難となり、また、固体素
子３同士を調整された状態に長期にわたり安定に保つこ
とも困難であるなどの問題があった。

【０００９】また、図３１の装置に示すように複数の固
体素子３を並列してレーザビームの高出力化を図ると、
各々の固体素子３を同軸に調整することが困難であり、
また、折り返し光学系１１が複数必要となり固体レーザ
装置が複雑化し、さらに折り返し光学系１１の調整が困
難であるなどの問題があった。

【００１０】さらに、図３０，３１に示す装置では、各
々の固体素子３が集光器６の両壁部に形成されている貫
通孔に支持されているので、貫通孔が固体素子３の数の
２倍の数だけ必要になる。従って、これらの貫通孔から
漏れる光が損失となり発振の効率を下げるなどの問題が
あった。

【００１１】一方、図３２に示す波長変換器を含む装置
では、波長変換素子として実際に複数の非線形光学結晶
を配置して試験すると、等価的に同じ長さを有する長い
非線形光学結晶を用いた場合に比べて波長変換レーザビ
ームの発生効率が悪く、極端な場合には波長変換レーザ
ビームの発生が生じない場合があった。また、複数の非
線形光学結晶を用いることにより、それらの端面数が増
えるが、高出力の波長変換を実行する際に、これらの端
面にゴミがついて端面を破壊する問題が生じてきた。さ
らに、波長変換器から発生した波長変換レーザビームが
レーザ媒質、例えば固体素子３を加熱し、これによりレ
ーザ出力が不安定になる問題があった。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、複数の固体素子を用いながら互
いの光学調整が容易で、また、複雑な光学系を用いる必
要がなく、安定に高出力化を図ることができる固体レー
ザ装置を提供することを目的としており、さらに複数の
固体素子を用いながら集光器に形成する貫通孔の数を最
小限に押さえ効率良く光源の光を固体素子に導いて発振
することができるレーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るレ
ーザ装置は、内面が光源から投光された光を一部の箇所
に集中しないように反射する拡散型反射面で形成された
集光器を含み、レーザ媒質は、互いに対向する端部同士
が同軸上に挿入可能なスリーブ状の連結部材により連結
された状態で集光器内に設けられるとともに、両端部が
集光器に形成された貫通孔を介してレーザ光学系に臨
み、光源から投光された光で励起されてレーザビームを
発生する複数の固体素子からなり、かつスリーブ状の連
結部材内の固体素子同士の対向する端部間に波長板また
は旋光板を備えたものである。

【００１４】請求項２の発明に係るレーザ装置は、連結
部材が光反射部材で構成されるか、もしくは連結部材表
面に光源から投光された光を反射する光反射部材を備え
るように構成したものである。

【００１５】

【作用】請求項１の発明におけるレーザ装置は、光源を
点灯して得られる光を集光器内にて反射させて、光源か
ら発生された光を集光器内で連結された固体素子に効率
よく吸収させる。これにより、複数の固体素子が励起さ
れて励起光を両端部から発生する。このレーザ媒質から
発生された光はレーザ共振器を介して指向性の良いレー
ザビームとして取り出される。また、集光器の内面を拡
散反射面で形成し、光源からの光を集光器内面の各点で
拡散反射させて連結された固体素子表面に均一に導く。
さらに、スリーブ状の連結部材内にて固体素子端部を挿
入して複数の固体素子を連結し、複数の固体素子を同軸
上に軸ずれ無く安定に連結する。 さらに、連結部材内に
備えた波長板または旋光板で一方の固体素子中の偏光方
向を他方の固体素子中の偏光方向とねじれた関係となる
ようにして固体素子中で発生する偏光異方性を解消す
る。

【００１６】請求項２の発明におけるレーザ装置は、連
結部材を光反射部材で形成するか、もしくはその表面に
光源からの光反射部材を備え、連結部材で光源からの光
を反射させて再び集光器内で複数回反射後、固体素子に
入射させて固体素子を励起する。

【００１７】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の一実施例を図について説明する。図１
はこの発明の第１の実施例を示す断面図であり、従来技
術である図２９〜図３２の相当部分には同符号を付して
その説明を省略する。図１において、６１は光源４から
の光を反射する材質、例えば白色セラミックから形成さ
れる連結部材であり、断面円形状の２本の固体素子３，
３をそれらの対向する端部間を同軸上に連結可能なスリ
ーブ状の部材にて形成されている。本実施例における固
体素子３，３は、容易に入手できる例えば長さ１５０ｍ
ｍのＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム含有イットリウム−アル
ミニュウム−ガーネット）が適用されている。連結部材
６１にて同軸上に連結された固体素子３，３は、その両
端部が集光器６の貫通孔８１，８１を介して全反射ミラ
ー１または部分反射ミラー２に臨むように配置されてい
る。本実施例の集光器６は、内面が例えば白色セラミッ
クなどの反射体にて形成されており、反射された光が固
体素子３，３に集中しない拡散型反射面を形成してい
る。

【００１８】次に動作について説明する。まず、図示し
ない電源５のスイッチがオンとされると、光源４が点灯
する。電源５によって点灯された光源４から光が投光さ
れ、投光された光は、直接もしくは集光器６内にて反射
した後に間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に
導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子３
の活性媒質を励起して励起光が発生される。レーザ媒質
より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射
ミーラ２にて構成される共振器間を往復する間に増幅さ
れて、所定以上の大きさに達すると指向性の良いレーザ
ビーム７０として外部に放出される。

【００１９】固体素子３は上述したように容易に入手で
きる例えば長さ１５０ｍｍのＮｄ：ＹＡＧが使用され
て、２個の固体素子３，３が白色セラミック等の反射部
材にて形成された連結部材６１にて同軸上に連結されて
いる。この場合、連結部材６１は光を反射するので、連
結された固体素子３，３の全体の光被照射部の長さは２
８０mm程度に設定されることになる。したがって、３０
ｋＷ以下の電力の光源５にて固体素子３，３の破壊を招
くことなく１ｋＷのレーザ出力を得ることができる。ま
た、上述のように、連結部材６１を使用して、固体素子
３，３を集光器６内にて連結することにより、集光器６
の貫通孔８０，８１の数を増加させる必要がない。

【００２０】ところで、レーザ励起に使用される集光器
６の内壁は９９％程度の高い反射率に設定されている。
したがって、光源４から投光された光は、集光器６内に
て反射を繰り返しながらその一部が固体素子３，３に吸
収される。そして、残りの光は、固体素子３，３を集光
器６に挿入するのに必要な貫通孔８１と光源４が挿入さ
れた貫通孔８０から外部に漏れ、さらに残りの光は集光
器６の反射面にて吸収される。

【００２１】この場合、貫通孔８０，８１を増加させず
に、固体素子３，３を集光器６内にて連結させたので、
光源４から投光された光が固体素子３，３に吸収される
前に集光器６の外部に漏れる確率が減少する。したがっ
て、固体素子３，３の励起の効率を著しく向上させるこ
とができる。

【００２２】次に、この実施例１の固体レーザ装置（図
１参照）と、従来の固体レーザ装置（図３０参照）との
励起効率を比較する。励起効率は光源４から投光された
光の集光器６内での固体素子３への衝突確率を計算して
導出した基礎式に基づいて比較計算される。計算結果を
図２（ａ），（ｂ）に示す。図２（ａ）は実施例１の固
体レーザ装置の励起効率を示し、図２（ｂ）は従来の固
体レーザ装置の励起効率を示している。

【００２３】図２（ａ），（ｂ）から明らかなように、
実施例１の固体レーザ装置の励起効率は従来の固体レー
ザ装置の励起効率より２倍程度高くなることがわかる。
すなわち、実施例１の貫通孔を従来の貫通孔の１／２と
することにより、励起効率を２倍程度高くすることがで
きる。

【００２４】図３（ａ），（ｂ）にはレーザ発振特性を
示すグラフが示されている。図３（ａ）は実施例１の固
体レーザ装置のレーザ発振特性を示し、図３（ｂ）は従
来の固体レーザ装置のレーザ発振特性を示している。図
３（ａ），（ｂ）から明らかなように、実施例１のレー
ザ発振効率は従来のレーザ発振効率の２倍程度になる。
すなわち、実施例１の固体レーザ装置によれば、少ない
投入電力によってレーザ出力１ｋＷを得ることができ
る。

【００２５】実施例２． 図４はこの発明の第２の実施例を示す断面図であって、
レーザ共振器内の固体素子３と部分反射ミラー２との間
に、例えばブリュースター板から成る偏光選択素子９０
が設けられ、連結部材６１内に波長板９１（または旋光
板）が設けられた実施例が示されている。また、本実施
例における固体素子３は、活性固体媒質としてＮｄがド
ープされたＹＬＦ（YLiF₄ ：リチウム・イットリウム・
フロライド）が適用されている。

【００２６】次に動作について説明する。偏光選択素子
９０はレーザビームが入射されると、図４上で紙面に対
して平行方向の直線偏光を選択して射出する。また、波
長板９１は入射した楕円偏光の方向を９０°変える。し
たがって、部分反射ミラー２にて反射されたレーザビー
ム７が偏光選択素子９０に入射すると、偏光選択素子９
０から図４上の紙面に対して平行方向の直線偏光が出射
される。出射された平行直線偏光は、図４上で右側の固
体素子３に入射する。これにより、平行直線偏光は右側
の固体素子３によって複屈折されて、右側の固体素子３
から楕円偏光として出射される。右側の固体素子３から
出射された楕円偏光は波長板９１に入射し、入射した楕
円偏光は波長板９１にて方向を９０度変えられて、図４
上において左側の固体素子３に入射する。

【００２７】左側の固体素子３に入射した楕円偏光は、
左側の固体素子３で複屈折されて、右側の固体素子３を
通過するときとは符号が反対の作用を受ける。これによ
り、左側の固体素子３からは、偏光方向が図４上におい
て紙面に対して垂直の直線偏光として出射される。出射
された垂直直線偏光は全反射ミラー１によって反射され
て、再度左側の固体素子３および右側の固体素子３を通
過することにより、図４上において紙面に対して平行な
直線偏光に変換される。そして、変換された直線偏光
は、偏光選択素子９０を損失なく通過する。このよう
に、本実施例によれば、偏光選択素子９０および波長板
９１を使用することにより、左側および右側の固体素子
３，３の複屈折に影響されずに安定した直線偏光を発生
させることができる。

【００２８】この場合、レーザ共振器の外部に例えば１
／４波長板を設けることにより、レーザ共振器から発生
した直線偏光は１／４波長板で円偏光されて異方性のな
いレーザ加工を行うことができる。

【００２９】本実施例において固体素子３にＮｄ：ＹＬ
Ｆを使用すると、固体素子３の複屈折を除去すると共
に、固体素子３の熱レンズも取り除くことができる。す
なわち、Ｎｄ：ＹＬＦ固体素子は偏光方向に垂直な方向
と平行な方向にて異なる符号を持つ熱レンズを発生す
る。これにより、図４上において説明した固体素子３，
３による複屈折の補償作用と同様に、偏光成分が二つの
固体素子３，３を通過する過程で固体素子３，３中に発
生する熱レンズが打ち消される。したがって、偏光成分
はレンズに影響されないので共振器の動作が安定化す
る。

【００３０】実施例３． 図５はこの発明の第３の実施例を示す断面図である。こ
の実施例と上述の実施例１，２との相異点は、全反射ミ
ラー１に替えてコリメート全反射ミラー２１を使用し、
さらに、部分反射ミラー２に替えて拡大反射ミラー２０
を使用した点である。本実施例の不安定型共振器を用い
ると、発生するレーザビーム７を全断面域において、ほ
ぼ均一な強度分布を持たせることができる。したがっ
て、高出力域の固体素子３にレーザビーム７の一部が吸
収されて固体素子３を加熱する場合、固体素子３を均一
に加熱する。これにより、レーザビーム７が固体素子３
に局所的に吸収されることを阻止することができるの
で、固体素子の破壊が防止される。さらにこの均一な強
度分布を持つレーザビーム７は位相が均一であるため、
外部に出射されたリング状のレーザビーム７０は多少の
回析リングを伴いながらも回析限界に近い集光スポット
に集光できる。したがって、このレーザビーム７０を用
いて効率の良いレーザ加工が実現できる。

【００３１】実施例４． 図６はこの発明の第４の実施例を示す断面図であり、上
述の実施例３の拡大反射ミラー２０に替えて、中央が部
分反射ミラー２２であり、周囲部は無反射部２３の拡大
出口ミラー２４を使用している。したがって、本実施例
の共振器は拡大出口ミラー２４とコリメート全反射ミラ
ー２１とから構成される。拡大出口ミラー２４を使用す
ると、中づまり状のほとんど回析限界に近いスポット状
に集光された集光性の良いレーザビーム７０をレーザ共
振器から出力することができる。したがって、このレー
ザビーム７０を用いて効率良いレーザ加工を実現でき
る。さらに、実施例３と比較すると同一の集光性を得る
ために必要なレーザビーム７の強度を下げることがで
き、またレーザビーム７が固体素子３に吸収された時の
固体素子３の発生熱量を少なくすることができる。した
がって、発熱を下げることができるので高出力域でも安
定に高品質レーザビーム７０を発生させることができ
る。

【００３２】実施例５． 図７はこの発明の第５の実施例を示す断面図であり、上
述の実施例４に使用されている拡大出口ミラー２４の外
面に段差２５を形成した拡大出口ミラーが使用されてい
る。これにより、部分反射ミラー部２２を通過するレー
ザビーム７と無反射部２３を通過するレーザビーム７間
の位相差が打ち消されるので、位相のそろった中づまり
状のレーザビーム７０を得ることができる。この場合、
レーザビーム７０の集光性は実施例４より向上する。

【００３３】なお、上記実施例１〜５においては、固体
素子３，３がスリーブ状の連結部材６１に端部を挿入し
て結合するものを示したが、これに限らず例えば光学接
着剤により接着してお互いに連結するようにしてもよ
い。また、図４に示す波長板９１または旋光板も固体素
子３，３に光学接着剤により接着するように構成しても
よい。

【００３４】なお、上記いずれの実施例においても、固
体素子３の断面が円形のものについて説明したが円形に
限るものでなく、矩形、楕円など任意の形状であって
も、上記実施例の効果と同様の効果を奏する。

【００３５】また、上記いずれの実施例においても、特
に説明しなかったが、光学素子のうち特に指示のない部
分にも、レーザビーム７が通過する部分には無反射薄膜
を施して、共振器内のロスを減少させて、これにより、
効率の良いレーザ発振を実現させることができる。

【００３６】また、固体素子３の数は２本のものについ
て説明したが２本に限ることなく何本でも連結すればよ
く、多くのロッド３を連結することによりさらに高出力
化が図れる。なお、連結部材６１は前記実施例のように
光反射部材で形成する他に、その表面に光反射部材を設
けてもよい。

【００３７】実施例６． 図８はこの発明の第６の実施例を示す断面図であり、こ
の実施例において、上記実施例１〜５と異なる点は、粉
塵遮蔽容器６２に収容された複数の波長変換素子非線形
光学結晶４０，４３が設置されているとともに、これら
波長変換素子４０，４３にて波長変換されたレーザビー
ムの波長変換成分を反射する光学薄膜１９１が貼付さ
れ、かつ角度調整可能に設置された透過ミラー１９０が
設けられている点である。粉塵遮蔽容器６２は、排気口
１６１と、ビーム通過窓６２ａ，６２ａと、ファン１０
１と、フィルタ１０２とが設けられており、波長変換素
子４０，４３には、それぞれの両端面にレーザビームの
位相差を調整する光学薄膜４１，４２，４４，４５が設
けられている。さらに、本実施例の波長変換素子４
０，，４３は、それぞれ異なる製法、例えばフラックス
法および水溶法にてそれぞれ形成された長さの異なるリ
ン酸塩チタン酸カリウム（以下、ＫＴＰ素子と記す）の
非線形光学結晶が適用されている。光学薄膜４１，４
２，４４，４５は、例えば図９に示すように波長変換素
子の端面に施される通常の無反射コート４２１と、これ
にさらに例えば酸化マグネシム（ＭｇＯ）などの、ＫＴ
Ｐ結晶の屈折率とほぼ等しい屈折率の薄膜を所定の厚み
にて形成したベースコート４２２とから構成されてい
る。

【００３８】次に動作について説明する。まず、図示し
ない電源５のスイッチがオンとされると、光源４が点灯
する。電源５によって点灯された光源４から光が投射さ
れると、投光された光は直接もしくは集光器６内にて反
射した後に間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３
に導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子
３の活性媒質を励起して励起光が発生される。レーザ媒
質より発生された自然放出光は直接または全反射ミラー
１にて反射されて、透過ミラー１９０，光学薄膜１９１
を透過して波長変換素子４０，４３に入射する。波長変
換素子４０，４３に入射したレーザ光は、波長変換され
て基本波成分（基本波レーザビーム）７ａおよび波長変
換成分（波長変換レーザビーム８ａを含むレーザビーム
となって、部分反射ミラー２に入射する。

【００３９】部分反射ミラー２ではレーザビーム７の基
本波成分７ａを反射して波長変換成分８ａを透過して出
力する。反射されたレーザビーム７は波長変換素子４
０，４３にて再び波長変換されて、その中の基本波成分
は透過ミラー１９０、光学薄膜１９１を透過して再び固
体素子３０を介して全反射ミラー１にて反射される。反
射されたレーザビーム７は、固体素子３０からのレーザ
ビーム７とともに透過ミラー１９０，光学薄膜１９１を
透過して波長変換素子４０，４３にて波長変換されて部
分反射ミラー２に入射し、波長変換成分８ａのみ透過さ
れて出力される。以降、レーザビームの基本波成分７ａ
は、全反射ミラー１，２間にて増幅されて、さらに波長
変換素子４０，４３にて変換されて部分反射ミラー２か
ら出力される。波長変換成分８ａは部分反射ミラー２と
透過ミラー１９０，光学薄膜１９１との間にて反射され
て増幅され、部分反射ミラー２を透過して出力される。

【００４０】以上のような構成において、効率の良い波
長変換を実行するには、固体素子３からなるレーザ媒質
から発生される基本波レーザビーム７ａと波長変換され
た波長変換レーザビーム８ａとの波長変換素子４０，４
３内における進行速度、すなわち位相速度が一致するこ
とが必要であり、その条件が満たされているとき位相整
合が取られる。固体素子３における位相整合は固体素子
３の複屈折を利用して行われ、この複屈折の状態は波長
変換素子４０，４３へのレーザビーム７の入射角度およ
び結晶の温度に依存するため、波長変換素子４０，４３
の効率良い波長変換を行うには一般的には角度調整器に
より波長変換素子４０，４３の角度を変えたり、基台１
１０の温度を細かく調整することにより実現される。勿
論、本実施例の波長変換素子４０，４３もそれぞれ角度
調整可能に設けられ、基台１１０に温度調節機構が設け
られている。

【００４１】さらに、位相速度の一致する条件が満たさ
れたとき、すなわち位相整合が取られたときには、波長
変換の効率は、波長変換素子４０，４３の各部で発生し
た波長変換ビームが互いに強め合い、波長変換結晶の長
さの２乗に比例して増大する。したがって、一般的には
長い波長変換結晶を用いることにより極めて効率良く波
長変換を実現できる。しかし、この波長変換結晶も上記
固体素子３と同様に育成が難しく大型のものが得られな
い。例えば、本実施例にて使用しているリン酸塩チタン
酸カリウム（以下、ＫＴＰ結晶と記す）では、レーザ発
振に用いることができる結晶の最大長は１０ｍｍ程度で
あり、また長い結晶ほど高価である。そこで、本実施例
では、複数の波長変換素子（非線形光学結晶）４０，４
３を並べて実質的に長い波長変換長を得る波長変換器を
構成している。

【００４２】また、波長変換の効率を挙げる手段として
波長変換素子４０，４３に入射するレーザビーム７の強
度を上げることが考えられる。例えば、レンズにて集光
したり、パルス発振させたりすれば、波長変換素子４
０，４３に入射するビーム強度が増して波長変換効率が
上昇する。しかし、この場合には波長変換素子４０，４
３に入射するビームの強度が増したことにより、波長変
換素子の端面ならびに内部が強いレーザビーム７により
損傷を受ける場合があり、好ましくなく、本実施例では
透過ミラー１９０を介してレーザビーム７の強度を柔ら
げて複数の波長変換素子４０，４３に供給し、波長変換
動作を安定化している。

【００４３】詳しくは、透過ミラー１９０にてレーザビ
ーム７の基本波成分７ａを透過させ、光学反射薄膜１９
１にて波長変換成分８ａを全反射させる。これら選出ミ
ラー１９０，光学薄膜１９１がないときには、波長変換
レーザビームが固体素子３に入射し、これに吸収されて
レーザビーム７の動作が不安定になる。特に、複数の波
長変換素子４０，４３を用いて高出力の波長変換レーザ
ビーム、例えば２０Ｗ以上を発生させたときには、この
不安定さが顕著となる。本実施例では、透過ミラー１９
０の角度を調整して波長変換の効率を上昇させることが
できる。

【００４４】つまり、光学反射薄膜１９１が施された透
過ミラー１９０に完全な全透過性をもたらすことは難し
く、したがって、何割かの部分反射が発生することにな
る。この部分反射されたレーザビーム７はミラー１，２
にて構成される共振器内から外部に出てしまい損失とな
る。複数の波長変換素子４０，４３を用いた場合、光学
薄膜１９１にて反射したレーザビーム７も波長変換素子
４０，４３の数だけ増大し、この透過ミラー１９０の角
度を調整して、透過ミラー１９０と全反射ミラー１の
間、あるいは波長変換素子４０，４３の端面と透過ミラ
ー１９０の間で共振条件を満たすようにすることによ
り、光学薄膜１９１による損失は無くなり、したがっ
て、基本波成分７ａは共振器内に完全に閉じ込められ、
強い強度となって波長変換素子４０に入射して効率良く
波長変換が実施される。

【００４５】さらに、本実施例では、波長変換素子４
０，４３に光学薄膜４１，４２，４４，４５が施されて
いるために、レーザビーム７の基本波成分７ａと波長変
換成分８ａとの位相差を打ち消して、さらに効率よい位
相整合を実現している。例えば、本実施例の波長変換素
子４０，４３に適用されているＫＴＰ結晶はその屈折率
が１．７５であり、これとほぼ同じ屈折率を有するＭｇ
Ｏ薄膜４２２は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波に
対して屈折率が１．７、波長変換成分に対する屈折率が
１．７８である。したがって、厚み１ミクロン当たり
０．０５波長の位相差が発生する。また、波長変換素子
４０，４３の間の大気の屈折率差によるレーザビーム７
の基本波成分７ａと波長変換成分８ａとの間の位相差が
０．５波長であるとすると、このＭｇＯ薄膜４２２の厚
みを１０ミクロンと調整することにより、波長変換素子
４０，４３との間でのレーザビーム７の基本波成分７ａ
と波長変換成分８ａとの位相差を除去することができ
る。この結果、波長変換されたレーザビーム７での基本
波成分７ａと波長変換成分８ａとが互いに強め合うよう
に作用して波長変換効率をさらに高めることができる。

【００４６】つまり、位相差を調整する光学薄膜４１，
４２，４４，４５が施されていない波長変換素子を複数
並べた従来の波長変換器（例えば図３２の例）では、結
晶の数を増すごとに予想とは逆に波長変換の効率が減少
する。その原因として、波長変換素子の間の大気の屈折
率がレーザビーム７の基本波成分７ａと波長変換成分８
ａとではそれぞれ異なり、このために１つの波長変換素
子で波長変換したレーザビーム７と次の波長変換素子で
波長変換したレーザビーム７との間に位相差が発生し、
互いに打ち消し合ってしまっていた。また、無反射コー
ト４２１のみを波長変換素子に施した場合、無反射コー
トの膜の屈折率がレーザビーム７の基本波成分７ａと波
長変換成分８ａとでそれぞれ異なり、上記と同様に、波
長変換したレーザビーム同士が互いに打ち消し合ってい
た。

【００４７】この場合、図３２に例示した特開平２−７
４８７号公報では、２つの波長変換素子４０，４３から
発生されるレーザビーム７の偏光方向が直交するように
波長変換素子４０，４３の角度を調整しているが、ここ
でも示されている通り、波長変換素子４０，４３の温度
変換に対して極めて敏感となり、動作が安定せず、好ま
しくない。さらに、この場合には、２つの波長変換素子
４０，４３から発生されるレーザビーム７が打ち消さな
い代わりに、強め合うこともない。したがって、この場
合、波長変換レーザビームは結晶の長さの２乗ではな
く、長さの１乗に比例して増大することになり、複数の
波長変換素子を用いて、波長変換長を長くする効果が十
分に発揮されない。

【００４８】そこで、本実施例では上述のようにＫＴＰ
結晶とほぼ屈折率が等しいＭｇＯ薄膜のベースコート４
２２を波長変換素子４０，４３の間でのレーザビーム７
の位相差を打ち消すような厚みにして、位相差を調整し
ている。この場合、本実施例ではそれぞれのレーザビー
ム７の方向、つまり、それぞれの波長変換素子４０，４
３の両端面に光学薄膜４１，４２，４４，４５が施され
て、それぞれの方向のレーザビーム７の位相差を調整し
ている。しかし、本発明においては、いずれか一つに位
相調整用の光学薄膜を施してもよい。要は、端面の光学
薄膜を含めて波長変換素子４０，４３を通過する場合の
レーザビーム７の基本波成分７ａと波長変換成分８ａの
位相差を打ち消す状態、つまり、それらの波長の整数倍
にして位相補償された状態にすればよい。したがって、
本実施例では波長変換素子４０，４３の形状および組
成、つまり波長変換素子４０，４３の長さを変え、か
つ、異なる製法によりＫＴＰ結晶結晶を生成したものを
適用している。

【００４９】すなわち、本実施例ではフラックス法およ
び水溶法の異なる製法により微妙に組成が異なる非線形
光学結晶４０，４３が形成され、このためレーザビーム
７の基本波成分７ａと波長変換成分８ａの間の位相差に
より発生するウォークオフ角と言われる進行方向の誤差
角の大きさとその方向が波長変換素子により異なる。こ
の違いは、波長変換素子ビーム間の位相差となるから、
２つの製法で製作された波長変換素子４０，４３を組み
合わせて、位相差が打ち消し合う、もしくは位相差を波
長の整数倍にして打ち消すように構成している。

【００５０】さらに、波長変換素子４０，４３の形状に
ついても、特に長さによる位相差の違いがあるために、
異なる長さの非線形光学結晶を組み合わせて位相差を有
効に打ち消すように構成している。さらに、光学薄膜４
１，４２，４４，４５の構成によっても位相差は異な
る。つまり、波長変換素子４０，４３の両端面には無反
射コート４２１がそれぞれ設けられる。無反射コート膜
４２１の構成は、用いる薄膜材料、薄膜の厚みによる無
数の組み合わせがあり、それぞれがこれを通過するレー
ザビーム７の基本波成分７ａおよび波長変換成分８ａの
間に異なる位相差を与える。したがって、少なくとも一
か所の薄膜構成を他のものと異なるようにして位相差を
打ち消すように構成している。

【００５１】つまり、波長変換素子４０，４３の組成、
形状を少なくとも一つ、もしくは光学薄膜の無反射コー
ト４２１の薄膜構成を少なくとも一か所異なるように構
成し、さらにベースコート４２２にて位相差を調整する
ように構成することにより、それぞれの波長変換素子を
４０，４３通過するレーザビーム７の基本波成分７ａと
波長変換成分８ａの位相差を打ち消し、もしくは波長の
整数倍にすることにより、それぞれを通過したレーザビ
ーム７が互いに強め合い効率良い波長変換を行うことが
できる。

【００５２】一方、本実施例では波長変換素子４０，４
３が粉塵遮蔽容器６２に収容されているので、さらに波
長変換の効率を高めることができる。つまり、波長変換
素子４０，４３の端面近傍にゴミが浮遊すると、これら
ゴミはレーザビーム７により、加熱、燃焼して、その反
作用によりロケット的に推進力を与えられて、これらが
波長変換素子端面に強く衝突して、端面を破壊し、波長
変換の効率を低減させ、極端な場合には発振を止めてし
まう。これは波長変換素子を複数用いて高出力の波長変
換レーザビームを得る場合に特に顕著に現れる。これは
出力が増大してゴミが燃焼される確率が上昇したことに
加えて複数の波長変換素子を用いたために波長変換素子
の端面の数が増加し、端面にゴミが衝突する確率が上昇
したためである。さらに波長変換レーザビームは一般的
に可視光であり、ゴミに対する吸収率が高いためである
と予測できる。

【００５３】本実施例では、波長変換素子４０，４３を
粉塵遮蔽容器６２にて覆うとともに、外気をファン１０
１により取り込み、この外気中に含まれるゴミをゴミフ
ィルタ１０２により除去してクリーン化した雰囲気を波
長変換素子４０，４３の近傍に導いている。この結果、
本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧの固体素子３からのレーザ
ビーム７をＫＴＰ結晶の波長変換素子４０，４３にて波
長変換するレーザ装置にて現状の世界最高値である２０
Ｗ以上のレーザ出力を安定して得られるようになった。

【００５４】なお、本実施例では位相調整用のベース薄
膜４２２を波長変換素子４０，４３に施した場合を例に
挙げて説明したが、例えば、図１０に示すようにベース
薄膜と同様の光学部品４６、例えばサファイヤを独立さ
せて波長変換素子４０，４３との間に設置するようにし
てもよい。この場合、波長変換素子４０，４３の構成を
変更することなくレーザビーム７の基本波成分７ａと波
長変換成分８ａの位相差を容易に打ち消すことができ
る。

【００５５】また、本実施例においては透過ミラー１９
０の一端面に反射用の光学薄膜１９１を形成したが、こ
の光学薄膜１９１を波長変換素子４０の端面に光学薄膜
４１の代わりに貼付して用いるようにしてもよい。

【００５６】さらに、本実施例においては波長変換素子
４０，４３のみを粉塵遮蔽容器６２に収容する場合を例
に挙げて説明したが、固体素子３およびミラー１，２を
含む他の光学系を覆う粉塵遮蔽容器６２に収容するよう
に構成してもよい。また、粉塵が多い雰囲気に装置を設
置する場合には、粉塵遮蔽容器６２内に例えば不活性ガ
スであるＮ２（窒素）、Ａｒ（アルゴン）などを導入し
てもよい。この場合、ファン１０１およびフィルタ１０
２を除去することもできる。さらに、排気口１６１を除
去して容器を密閉し、この場合、容器内部を真空状態に
してもよい。

【００５７】実施例７． 図１１はこの発明の第７の実施例を示す断面図であり、
本実施例において、上記実施例６と異なる点は、レーザ
ビーム７が通過するそれぞれの空間にレーザビーム７を
全透過する透過体３０１を設けた点である。これら透過
体３０１は、例えば、サファイヤ、ＢＫ−７、水晶、活
性素子を含まないＹＡＧなどにて形成されており、光学
素子の間の大気にさらされている空間が最小限になるよ
うにそれぞれの光学素子間に配置されて、特に損傷を受
けやすい波長変換素子４０，４３および固体素子３の端
面にゴミが付着することによる損傷を防ぐゴミ付着防止
手段を形成する。

【００５８】次に動作について説明する。それぞれの透
過体３０１は、レーザ媒質となる活性媒質をドープした
Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦなどの固体素子３ある
いはＫＴＰ結晶などの波長変換素子４０，４３に比較し
て格段に光照射に対して強く、その端面にゴミが付着す
ることによる損傷は実用上問題にならない。また、透過
体３０１は強い強度のレーザビーム７が光路上の大気を
加熱し、これにより大気が揺らぎ、これがレーザビーム
７の光軸を揺らがせて不安定なることを防止することが
できる。本実施例では、この光軸の揺らぎの防止によ
り、レーザビーム７が安定化することにより、波長変換
の効率がさらに向上する。つまり、上記実施例６にて説
明したように波長変換素子４０，４３へ入射するレーザ
ビーム７の角度がある範囲内に収まって、いわゆる位相
整合が取られたときに波長変換の効率が最大となる。し
たがって、光軸が揺らいで、波長変換素子４０，４３へ
の入射角度が揺らぐと、波長変換レーザビームの出力も
揺らぎ、時間平均した波長変換レーザビームの出力は減
少する。

【００５９】そこで、本実施例では光路上に透過体３０
１を配置したために、透過体３０１にてレーザビーム７
のほとんどを通過させてそのとき発生する熱を外部に放
出し、大気の加熱による対流の発生を防止する。また、
一部の透過体３０１にて吸収される光も、透過体３０１
のわずかな温度上昇をもたらすのみで、その熱は透過
体３０１の小さい熱伝導率によりゆっくりと基台などへ
伝送して放散される。例えば、サファイヤガラスなどに
て透過体３０１を形成した場合、長さ１００ｍｍにおい
て、１ｋＷの通過レーザビームのうち１Ｗ程度を吸収す
るが、これらの熱は側面が大気と接しているのみでも十
分に放散される量である。

【００６０】さらに、発生されたレーザビーム７による
熱以外にも、光源４の光による大気の揺らぎを防止する
ことができる。光源４からの光は集光器６内に閉じ込め
られ、固体素子３にその一部が吸収されるが、吸収され
たないレーザビーム７は固体素子３の端面から放出さ
れ、ホルダー３００内の大気を加熱し、これを揺らがせ
る。これは本実施例では、ホルダー３００内に挿入され
た透過体３０１により容易に除去することができる。特
に、集光器６の内面を反射率の高い、セラミック、白色
の樹脂の拡散反射体で構成した場合には、光は集光器６
内で広い範囲に拡散され、したがって、固体素子３に入
射しない光の成分は、集光器６内を多数回往復した後
に、そのほとんどが強い強度の光として固体素子３を介
してその端面から発せられることになる。この場合に、
ホルダー３００内に挿入された透過体３０１による熱放
散効果が特に顕著となる。

【００６１】なお、本実施例では固体素子３の端面から
発生された光源４の光を透過体３０１により透過させる
構成を示したが、図１２に示すように固体素子３の端面
から光源４の光が出射しないように固体素子３の端面に
基本波レーザビーム７ａに対して透過性を有し、光源４
の光に対して反射性を有する波長選択薄膜４９を施すよ
うにしてもよい。

【００６２】また、本実施例では波長変換素子４０，４
３を含むレーザ装置を例に説明したが、透過体３０１お
よび波長選択薄膜４９は、上記実施例１〜５に適用して
もよい。つまり、高い強度を有するレーザビームを発生
するレーザ装置に適用して、その効果を発揮できること
は言うまでもない。

【００６３】また、図１１の実施例では光学部品のほと
んどの透き間に透過体３０１を配置した構成を示した
が、共振器の構成によっては全箇所に配置する必要がな
いことは言うまでもない。

【００６４】実施例８． 図１３はこの発明の第８の実施例を示す断面図であり、
この実施例において上記実施例６，７と異なる点は、折
り返し反射ミラー２００を介してレーザ発生部３ａと波
長変換部４０ａとが所定の角度をおいて対向している点
である。折り返し反射ミラー２００はレーザ発生部３ａ
からの基本波レーザビーム７ａに対して全反射となる全
反射ミラー１に、波長変換部４０ａからの波長変換され
たレーザビーム７の波長変換成分８ａに対して全透過と
なる光学薄膜１９１が施されて形成されている。また、
波長変換部４０ａを介して折り返し反射ミラー２００に
対向して全反射ミラー１が設けられている。

【００６５】したがって、本実施例によれば、波長変換
部４０ａにて波長変換された高出力の波長変換成分８ａ
がレーザ発生部３ａに戻ることがないので、固体素子３
を加熱することがなく、これによる固体素子３の破壊を
有効に防止することができる。この結果、本実施例で
は、上記実施例にて用いられた光学薄膜１９１が施され
た透過ミラー１９０を省くことができ、これによる波長
変換されたレーザビーム７のロス等を防止することがで
きる。

【００６６】実施例８． 図１３はこの発明の第８の実施例を示す断面図であり、
この実施例において上記実施例と異なる点は、折り返し
反射ミラー２００を介してレーザ発生部３ａと波長変換
部４０ａとが所定の角度をおいて対向している点であ
る。折り返し反射ミラー２００はレーザ発生部３ａから
の基本波レーザビーム７ａに対して全反射となる全反射
ミラー１に、波長変換部４０ａからの波長変換されたレ
ーザビーム７の波長変換成分８ａに対して全透過となる
光学薄膜４１，４２，４４，４５が施されて形成されて
いる。また、波長変換部４０ａを介して折り返し反射ミ
ラー２００に対向して全反射ミラー１が設けられてい
る。

【００６７】したがって、本実施例によれば、波長変換
部４０ａにて波長変換された高出力の波長変換成分８ａ
がレーザ発生部３ａに戻ることがないので、固体素子３
を加熱することがなく、これによる固体素子３の破壊を
有効に防止することができる。この結果、本実施例で
は、上記実施例にて用いられた光学薄膜１９１が施され
た透過ミラー１９０を省くことができ、これによる波長
変換されたレーザビーム７のロス等を防止することがで
きる。

【００６８】実施例９． 図１４はこの発明の第９の実施例、特に請求項２７の発
明によるレーザパターン解析方法の実施例を示すフロー
チャートである。例えば、図１３に示す折り返し共振器
を用いたレーザ装置では、レーザビーム７のビームパタ
ーンが軸対称とならないビーム変形が生じる場合があ
り、このような場合に、本願発明の発明者らは計算機シ
ミュレーションにより独自のレーザパターン解析方法に
てレーザ装置を解析して、ビーム変形を解決した。この
ビームパターン解析方法は、基本的には独立した偏光成
分、例えば、直交するＳ波およびＰ波を独立して計算
し、Ｓ波およびＰ波にてエネルギーの授受がある光学成
分が存在する場合に、その変換量によりＳ波およびＰ波
を補正して、正確なビームパターンを得る方法である。

【００６９】図１４において、まず、ステップＳＴ１０
にて解析対象の光学系の設定条件を設定する。例えば、
ミラー１，２００，１の距離およびその反射率ないし角
度などと、固体素子励起部分３ａの位置および励起効率
と、波長変換器４０ａの位置およびその変換効率と、透
過ミラー１９０がある場合はその位置および反射率など
をそれぞれ設定する。次いで、ステップＳＴ１２にて設
定した光学系の中の最初の光学ゾーンを設定する。次い
で、ステップＳＴ１４，ＳＴ１６にて光学系に存在する
あらゆるビームモードを励起するべくノイズ成分を用意
する。つまり、ビームパターンは独立した２方向の偏光
成分Ｓ波およびＰ波成分に対してそれぞれランダムパタ
ーンとして用意する。

【００７０】次いで、実際のレーザビームの強度分布で
あるビームパターンは、この独立したＳ波およびＰ波の
成分の強度和で表されるから、ステップＳＴ１８にて、
ステップＳＴ１４，ＳＴ１６の用意したランダムパター
ンのＳ波およびＰ波を合成して、そのビームパターンを
ステップＳＴ２０にて一旦、記録する。次に、ステップ
ＳＴ２２にて、設定した光学ゾ−ンにビームを偏光する
素子があるか否かを判定して、偏光する素子がある場合
はステップＳＴ２４，ＳＴ２６へ進み、偏光する素子が
ない場合にはステップＳＴ２８，ＳＴ３０へ進む。

【００７１】ステップＳＴ２４，ＳＴ２６ではその光学
ゾーンでの合成する前のＳ波、Ｐ波の成分をそれぞれ波
動計算する。Ｓ波、Ｐ波の成分は直交する偏光成分であ
り、通常の光学素子中の伝播ではお互い干渉しないため
に、それぞれ独立して例えばフレネル積分を計算して波
動計算を実行する。これにより、ステップＳＴ３２にて
Ｐ波成分のうちＰ波への変換成分ＰＯｎＰが計算され、
ステップＳＴ３４にてＰ波成分のうちのＳ波への変換成
分ＳＯｎＰが計算される。同様に、ステップＳＴ３６に
てＳ波成分のうちＰ波への変換成分ＰＯｎＳが計算さ
れ、ステップＳＴ３８にてＳ波成分のうちＳ波への変換
成分ＳＯｎＳがそれぞれ計算される。

【００７２】例えば、光学系中に偏光間でエネルギーの
やり取りを行う波長変換素子や励起されて熱的に歪んだ
ＹＡＧロッドのような複屈折素子が存在する場合には、
偏光成分間でエネルギーがやり取りされるので、これを
計算する。例えばＳ波の直線偏光のレーザビームが上記
のような複屈折素子に入射すると、楕円偏光となって出
射され、したがってＰ波が減少してＳ波が発生する。こ
のＰ波の減少変化、Ｓ波の増加変化等を電場計算により
計算される。

【００７３】こうしてＳ波およびＰ波各成分の変化が計
算されると、ステップＳＴ４０，ＳＴ４２にてこれらを
それぞれ合成して偏光変換光学素子を通過後のＳ波およ
びＰ波の電場をそれぞれ独立して求め、次いで、ステッ
プＳＴ４４にて、これらの強度和をとる。ステップＳＴ
２８，ＳＴ３０では偏光素子がないので、Ｓ波およびＰ
波それぞれの波動計算が行われて、ステップＳＴ４６に
てこれらの強度和が求められる。これらステップＳＴ４
４またはＳＴ４６にてＳ波およびＰ波の強度が求められ
ると、ステップＳＴ４８にて全光学ゾーンについてのビ
ームパターンが得られたか否かが判定される。全ゾーン
についての演算が終了していない場合には、ステップＳ
Ｔ５０に進み、次のゾーンを設定し、上記ステップＳＴ
２２〜ステップＳＴ４６を繰り返す。

【００７４】そして、ステップＳＴ４８にて全ゾーンの
レーザパターンの演算が終了すると、ステップＳＴ５２
にて、これと以前に記録したビームパターンを比較す
る。この結果により、ステップＳＴ５４にてパターンが
安定したか否かを判定して、パターンが安定しない場合
にはステップＳＴ２０に戻り、上記演算を再び実行す
る。パターンが安定したら、ステップＳＴ５６に進み、
その合成ビームパターンを出力して印字またはディスプ
レイなどに表示する。この結果、その出力によりＰ波お
よびＳ波のそれぞれの成分をステップＳＴ５８にて比較
して偏光状態を計算し、解析を終了する。

【００７５】図１５には上記により解析されたビームパ
ターンの例が示されている。図１５（ａ）は図１３に示
す共振器から発生するレーザビームの強度分布、つまり
ビームパターンの計算結果を示すものであり、ＹＡＧレ
ーザの複屈折性によりビームの対称性が失われているの
がわかる。これは固体素子３の熱歪みにより発生する複
屈折性、すなわち固体素子３の円周方向と径方向で固体
素子の屈折率が異なることが原因である。実験において
も、これとほぼ等しいビームパターンが得られた。

【００７６】この対称性の崩れを解消するために、上記
実施例である図４に示された複数の固体素子３，３を連
結部材６１により同軸上に連結されたレーザ媒質を一本
の固体素子３の代わりに用いた。これは、図１６に示す
ように一本の固体素子３の代わりに、複数の固体素子
３，３をホルダ６１０により結合するとともに、その間
に挿入された偏光回転板９１ａにより構成した。偏光回
転板９１ａは、例えば水晶により構成された２分の１波
長板、９０度偏光回転板からなる。

【００７７】この構成によれば、上述したように図中左
の固体素子３を通過する偏光成分が偏光回転板９１ａに
より９０度回転させられ、図中右側の固体素子３を通過
する。こうして、例えばＰ波成分が左の固体素子３を通
過することにより受けた複屈折の影響が、この偏光成分
が右側の固体素子３中ではＳ波として伝播することによ
りキャンセルされることになる。

【００７８】この構成では、複数の固体素子はホルダ６
１０により連結され一体化されているので、従来の固体
素子と容易に変更できるとともに、複数の固体素子３の
光軸調整が不要であるという特徴を有している。また、
固体素子の端はホルダ３００により支持されている。つ
まり、本実施例では、図１６に示す構成を採用すること
により、図１５（ｂ）に示すように、軸対称なビームパ
ターンが安定に得られるという計算結果を得ることがで
き、実際に実験によってもほぼ同一の軸対称なビームパ
ターンを得ることができた。

【００７９】なお、本実施例では波長変換素子を含むレ
ーザ装置を例に挙げて説明したが、その目的は高い強度
を有するレーザビームの発生に関連したものであり、主
要部の構成は波長変換素子を含まないレーザ装置に適用
しても同様の効果を発揮できることは言うまでもない。
特に後述する種々の共振器構成のいずれに適用しても高
い効果を発揮するものである。

【００８０】実施例１０． 図１７はこの発明の第１０の実施例を示す断面図であ
り、本実施例において上記各実施例と異なる点は、レー
ザ共振器に集光性の高い不安定型共振器を用いた点であ
る。上記各実施例では全反射ミラー１と部分反射ミラー
２による共振器内に光を閉じ込める、いわゆる安定型共
振器が適用されていたが、本実施例では、出力の大きな
領域では開放型の共振器、例えば不安定型共振器を用い
た構成である。すなわち、図１７において、２０は拡大
反射ミラーであり、内面に無反射薄膜２７が施されて、
中央部に全反射薄膜２６が施されており、この全反射薄
膜２６の反射により共振器内でレーザビームを集光す
る、いわゆるネガティブブランチ形式の不安定型共振器
が形成されている。この集光点を波長変換素子の近くに
配置することにより、効率の良い波長変換が実行され
る。

【００８１】実施例１１． 図１８はこの発明の第１１の実施例を示す断面図であ
り、本実施例において上記実施例１０と異なる点は、拡
大反射ミラー２０にさらに位相整合をとるための工夫が
施された、いわゆるは位相整合ミラー２９が用いられて
いる点である。位相整合ミラー２９は、内面に無反射薄
膜２７が施された上に、その中央部に部分反射薄膜２６
０が施されており、上記と同様に、この部分反射薄膜２
６０にてレーザビーム７の基本波成分７ａのみを反射し
て共振器内でレーザビームが集光する、いわゆるネガテ
ィブブランチ形式の不安定型共振器が形成されている。
この集光点を波長変換素子の近くに配置して上記と同様
に効率の良い波長変換が実行される。

【００８２】この場合、レーザビームは位相整合ミラー
２９の中央部と周囲部で薄膜の構成が異なることにより
位相差を受けることがある。これについては、例えば図
に示すように、位相整合ミラー２９の外面に段差２８を
施して位相差を除去する。これにより、上述したように
位相整合ミラー２９を透過したレーザビーム７の基本波
成分７ａと波長変換成分８ａが互いに打ち消すことのな
い品質の良いレーザビームを得ることができる。

【００８３】なお、本実施例および上記各実施例では、
共振器内に光を閉じ込め、この共振器内に波長変換器４
０ａを配置する構成を示したが、本発明では波長変換器
４０ａを共振器の外部に配置してもよい。例えば、図１
９は図８に示した波長変換器４０ａをミラー１，２にて
構成された安定型共振器の外部に配置した構成例であ
り、図２０は図１７に示したミラー１，２０にて構成さ
れた不安定型共振器の外部に波長変換器４０ａを配置し
た構成例であり、さらに図２１は図１８に示したミラー
１，２９にて構成された不安定型共振器の外部に波長変
換器４０ａを配置した構成例である。

【００８４】また、図２２，２３は図２０，２１に示し
た不安定型共振器を用いた例にさらに固体素子３のミラ
ー２０，２９に対向する端部にレーザビームを透過する
透過体３０１を設けたそれぞれ構成例である。これらの
場合、ミラー２０，２９は、集光器６内、つまり固体素
子３に集光点が発生する共振器であるので、固体素子３
に入射する反射したレーザビームの強度が強くなり、集
光点で気中破壊が生じることがある。したがって、図２
２，２３ではさらに固体素子３の出口近傍の光路中に実
施例９にて説明した透過体３０１を配置して固体素子３
の加熱および破壊を防止している。

【００８５】なお、波長変換器４０ａを共振器の外部に
配置しない場合、例えば、図５〜図７の実施例の場合に
ついても本実施例と同様に透過体３０１を固体素子３の
出口近傍から光路に沿って配置するように構成してもよ
い。要は、共振器内にてレーザビームが集中し得る部分
に透過体３０１を配置することにより、固体素子３また
は波長変換素子４０，４３などの光学素子の破壊を防止
して、レーザ発振および波長変換の効率を高めるように
構成すればよい。

【００８６】実施例１２． 図２４，２５はこの発明の第１２の実施例の要部の構成
を示す図であり、本実施例では光源、つまりレーザ媒質
の励起源として半導体レーザを用いた場合について説明
する。図２４（ａ）において、４００は半導体レーザで
あり、例えば、ＡｌＧａＡｓ（Aluminium Galium Arsen
ic）などの半導体を発振源とするレーザダイオードにて
構成されている。この半導体レーザ４００は電源５に接
続され、集光器６の両側部に発光部を内側に向けてそれ
ぞれ固設されている。集光器６は、半導体レーザ４００
が設置された発光部に沿って上下方向に分割可能に形成
され、その分割部には図２４（ｂ）に示すように板状の
ガラス部材４０１が挿入されている。このガラス部材４
０１は同図（Ｃ）に示すように平板状の部材からなり、
その一方の側端部から半導体レーザ４００の発光部から
のレーザ光が入射されて、その面に沿って光を伝送して
他方の側端部から固体素子３に向かって光を投射する光
伝送路を形成している。

【００８７】図２５（ａ）には、半導体レーザ４００を
取り除いた場合の集光器６の側面図が示されている。本
実施例では集光器６は、さらに左右に分割可能に構成さ
れており、これにより、図２５（ｂ）に示すように固体
素子３を通過するビームパターンを確認して半導体レー
ザ４００がガラス部材４０１ならびに固体素子３に正し
く入射するようにその出射位置、角度などを調整するこ
とができるように構成されている。

【００８８】本実施例では、特に、半導体レーザ４００
を用いた場合に、集光器６から固体素子３を通して出射
するレーザビームの波長範囲が狭くなるので、上記実施
例である図１２に示した固体素子３の端面の波長選択薄
膜４９などの固体素子３周辺の素子の設計が容易とな
り、これらを簡略化できることにより、安価な構成で上
述の各効果を有効に発揮できる優れた面がある。

【００８９】実施例１３． 図２６は、この発明の第１４の実施例を示す断面図であ
り、本実施例では波長変換レーザビームの具体的な応用
例、つまりレーザプロセッシン装置、さらに詳細にはホ
ログラフィ生成装置を示したものである。この図におい
て、波長変換レーザビーム８を発生する部分は、実施例
８にて説明したレーザ装置と同様の構成であり、ここで
は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの固体素子３にて発生したレー
ザビーム７を複数のＫＴＰ結晶４０，４３により構成さ
れた波長変換器４０ａにて波長変換したグリーンの波長
変換レーザビーム８を用いてホログラフィを生成する装
置について説明する。

【００９０】部分反射ミラー２を透過した波長変換レー
ザビーム８ａは全反射ミラー１，１にて全反射されてレ
ーザミラー１１１に入射する。レーザミラー１１１は、
角度調整自在に調整された透過ミラーであり、波長変換
レーザビーム８ａを所定の角度にてプリズム３２に導入
する角度調整ミラーである。プリズム３２は波長変換レ
ーザビーム８ａの入射角度に応じてその出射角度を変え
て出射することにより波長を選択する波長選択素子であ
る。このプリズム３２からの波長変換レーザビーム８ａ
はレーザ媒質である固体素子３１を励起する。固体素子
３１は、例えばチタンをドープしたサファイヤである。
固体素子３１から発生されたレーザビーム１６は部分反
射ミラー２１を透過して放出される。この実施例では、
レーザビーム１６は、レーザミラー１１１，２１ａと、
例えばプリズム３２からなる波長選択素子とにより構成
されるレーザ共振器中を往復し、一定の大きさ以上に増
幅されると、レーザミラー２１ａから放出される。つま
り、レーザミラー１１１にはレーザビームに対して透過
性、レーザビーム１６に対して全反射性を有する波長選
択光学薄膜が施されている。同様に、レーザミラー２１
ａには、レーザビーム１６に対して部分反射性を有し波
長変換レーザビーム８ａに対して全反射性を有する光学
薄膜が施されている。

【００９１】本実施例では固体素子３１は、広い範囲の
波長のレーザ出力を発生できるレーザ媒質である。プリ
ズム３２を通過する光路が波長により異なるために、そ
れぞれの波長の光路に垂直になるようにレーザミラー１
１１の傾きを調整すると、その波長のレーザビームに対
して共振器の損失が小さくなり、結果として、その特定
の波長のみが発振されることになる。

【００９２】こうして波長を選択されて発生したレーザ
ビーム１６は波長変換素子４６にて波長変換される。波
長変換素子４６は、両面に無反射薄膜４７，４８が施さ
れた例えばＢＢＯ（BaB₂O₄：ホウ素酸バリウム）からな
る非線形光学結晶であり、入射したレーザビーム１６を
紫外レーザビーム１７に変換する。この紫外レーザビー
ム１７は透過ミラー１９０を透過して全反射ミラー１に
入射する。透過ミラー１９０ａは、レーザビーム１６を
全反射する光学薄膜１９２が施された透過ミラーであ
る。全反射ミラー１は、所定の角度を以て設置され、紫
外レーザビーム１７を、ホログラフィ形成部いわゆる全
反射ホログラフィの装置に向かって全反射する。

【００９３】ホログラフィ形成部は、紫外レーザビーム
１７をプリズム３３に入射し、その底面で紫外レーザビ
ーム１７を反射するときにマスク３５のホログラフィ干
渉パターンを感光性の基板３４に記録する。こうして干
渉パターンを作成した感光性基板３４はホログラムと呼
ばれる。次に図２７に示すように、このホログラム３４
をプリズム３３の下に張りつけて、マスクの像を例えば
半導体基板３６上に再生すれば、いわゆる半導体露光が
実現される。

【００９４】このような半導体露光では、大きな光源を
用いてホログラム３４と半導体基板３６の距離を短くす
ると、極めて微細なパターンを半導体基板３６の上に転
写できる。この微細度は光源の大きさに反比例し、ホロ
グラム３４と半導体基板３６の距離に比例する。

【００９５】しかし、微細度を向上させ、波長で決まる
限界程度に至ると、光学器の焦点深度が極端に浅くな
り、アスペクト比の大きい立体形状のパターンが転写で
きず、また、ホログラム３４と半導体基板３６の間の距
離が転写パターンの大きさに大きく影響を与えてしま
う。

【００９６】本実施例では、これを波長可変レーザビー
ムを用いて解決している。ホログラフィにおいて、ホロ
グラムを作成したときに使用した波長と異なる波長を有
するレーザビームを用いると、元のパターンと同じもの
がホログラムから異なる距離離れた空間に転写されると
いう特徴があることを理論的に見いだした。

【００９７】この理論に基づけば、レーザビーム１７の
波長を例えば大から小、もしくは小から大へと変化させ
ると、図２８に示すように感光材３７内に、集光性が異
なる形状で多重に光を入射させることができる。感光材
３７は一定以上の強度の光が入射すると、感光する特徴
があるために焦点近傍の細長い部分、すなわち幅が狭
く、長い部分のみが感光され、したがってアスペクト比
の大きいパターンを形成することができることになる。

【００９８】上記で説明した波長の変換は、レーザミラ
ー１１１の角度を調整して実行できる。さらにレーザミ
ラーの角度変化に合わせて、波長変換素子４６の角度も
しくは温度を調整して一定出力の紫外レーザビーム１７
が発生されるようにしてもよい。

【００９９】また、上記実施例では、ホログラム作成は
一波長で行い、再生時に複数の波長で行う方法を示した
が、作成を複数の波長で行い、再生を一波長で行って
も、さらにホログラム作成、再生時、共に複数の波長で
行ってもよい。

【０１００】なお、ここで説明した波長変換レーザビー
ムの実施例は、本発明中で述べた種々のレーザ装置と組
み合わせて用いることができ、さらに、その主要部であ
るホログラムに可変波長レーザビームを照射して、焦点
深度の高い露光を行うという原理は本発明で説明してい
ない他のレーザ装置にも適用できるものである。

【０１０１】また、上記いずれの実施例においても特に
説明しなかったが、光学素子のうち特に指示のない部分
にもレーザビームが通過する部分には通常の光学素子の
ように無反射薄膜を施せば共振器内のロスが減少し、効
率の良い波長変換を実現することができる。

【０１０２】さらに、いずれの実施例についても波長変
換素子を含むレーザ装置を例に挙げて説明したが、その
目的は高い強度を有するレーザビームの発生に関連した
ものであり、主要部の構成は波長変換素子を含まないレ
ーザ装置についても適用してよい。また、いずれの実施
例についても固体レーザ装置を例に説明したが、その目
的は高い強度を有するレーザビーム発生に関連したもの
であり、主要部の構成は、他のガス、色素、イオンレー
ザなど他のレーザ媒質を有するレーザ装置に適用しても
よい。

【０１０３】また、上記実施例で示したレーザ装置の応
用例として、半導体露光に関する応用例のみを示した
が、本発明はこれに限ることなく、レーザ加工、色素レ
ーザの励起、ディスプレイ用の証明光源など通常のレー
ザのあらゆる応用分野に適用してもよい。

【０１０４】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、連結部材にて互いに同軸上に連結され集光器内にお
さめられた複数の固体素子を、内面が光反射面よりなる
集光器内におさめ、これを光源から投光された光で励起
してレーザ媒質とし、このレーザ媒質から発生された光
をレーザ共振器で所望のレーザビームとして取り出し、
このように、安価な短い固体素子を連結して長い固体素
子とすることで、光源からの強い光の照射にも破壊しに
くくすることができるように構成したので、レーザ共振
器を用いて高出力のレーザビームを得ることができる。
また、複数の固体素子同士を連結するように構成したの
で、固体素子間の配置が安定して高出力用のレーザビー
ムを安定に得ることができる。さらに集光器内の孔部の
数を増大させることなく複数の固体素子を設けるように
構成したので、効率良く光源の光を固体素子に導いてこ
れを励起することができる。したがって、高効率のレー
ザ発振が実現できると効果がある。また、集光器内面を
拡散反射面で構成し、光源から投光された光は均一に集
光器内に広がり固体素子を均一に励起するように構成し
たので、一部に過剰吸収されて固体素子が破壊すること
なく、高出力域でも安定なレーザ媒質を発生させること
ができ、レーザ共振器を介して、高出力なレーザビーム
を安定に得られる効果がある。 さらに、スリーブ状の連
結部材内に固体素子端部を挿入して複数の固体素子を連
結するように構成したので、複数の固体素子の配置が安
定し、安定なレーザ発振を補償することができる効果が
ある。 さらに、連結部材内の複数の固体素子間に波長板
または旋光板を備え、固体素子による複屈折の補償作用
により、ビーム変形の影響を打ち消すことができるよう
に構成したので、高品質なレーザビームを高出力域にお
いて安定に得られる効果がある。

【０１０５】請求項２の発明によれば、連結部材が光反
射部材で構成されるかもしくは連結部材表面に光源から
投光された光を反射する反射部材を備えるように構成し
たので、連結部材で光源の光が反射し再び集光器内を往
復して固体素子に導くことができ、効率の良いレーザ発
振が実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１のレーザ装置を示す断面図
である。

【図２】この発明の実施例１のレーザ装置の動作説明図
である。

【図３】この発明の実施例１のレーザ装置の動作説明図
である。

【図４】この発明の実施例２のレーザ装置を示す断面図
である。

【図５】この発明の実施例３のレーザ装置を示す断面図
である。

【図６】この発明の実施例４のレーザ装置を示す断面図
である。

【図７】この発明の実施例５のレーザ装置を示す断面図
である。

【図８】この発明の実施例６のレーザ装置を示す断面図
である。

【図９】図８の実施例における波長変換素子を示す図で
ある。

【図１０】図８の実施例におけるレーザ装置の他の構成
例を示す断面図である。

【図１１】この発明の実施例７のレーザ装置を示す断面
図である。

【図１２】この発明の実施例７のレーザ装置を示す断面
図である。

【図１３】この発明の実施例８のレーザ装置を示す断面
図である。

【図１４】この発明の実施例９のレーザパターン解析方
法を示すフローチャートである。

【図１５】図１４の実施例における解析結果を示す図で
ある。

【図１６】図１４の実施例におけるレーザ装置を示す断
面図である。

【図１７】この発明の実施例１０のレーザ装置を示す断
面図である。

【図１８】この発明の実施例１１の固体レーザ装置を示
す断面図である。

【図１９】図８の実施例に対応するレーザ装置の他の例
を示す断面図である。

【図２０】図１７の実施例に対応するレーザ装置の他の
例を示す断面図である。

【図２１】図１８の実施例に対応するレーザ装置の他の
例を示す断面図である。

【図２２】図２０に対応する他の実施例のレーザ装置を
示す断面図である。

【図２３】図２１に対応する他の実施例のレーザ装置を
示す断面図である。

【図２４】この発明の実施例１２のレーザ装置の要部の
構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面
図、（ｃ）は要部の斜視図である。

【図２５】図１２の実施例における部分図であり、
（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【図２６】この発明の実施例５の固体レーザ装置を示す
断面図である。

【図２７】この発明の実施例１３のレーザプロッセシン
グ装置を示す断面図である。

【図２８】この発明の実施例１３のレーザプロセッシン
グ装置を示す断面図である。

【図２９】従来の実施例のレーザ装置を示す断面図であ
る。

【図３０】従来の実施例のレーザ装置を示す断面図であ
る。

【図３１】従来の実施例のレーザ装置を示す断面図であ
る。

【図３２】従来の実施例のレーザ装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 全反射ミラー ２ 部分反射ミラー ３ 固体素子 ４ 光源 ５ 電源 ６ 集光器 ７ レーザビーム ２０ 拡大反射ミラー ２１ コリメート全反射ミラー ２２ 部分反射ミラー ２３ 無反射部 ２４ 拡大出口ミラー ２５ 段差 ４０，４３ 波長変換素子（非線形光学結晶） ４１，４２，４４，４５ 光学薄膜 ６１ 連結部材 ６２ 粉塵遮蔽容器 ７０ レーザビーム ８０，８１ 貫通孔 ９０ 偏光選択素子 ９１ 波長板または旋光板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−94791（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−62791（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−292782（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−222234（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−73686（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−291654（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−130454（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−180654（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−73568（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/23 H01S 3/08 H01S 3/092 - 2/093

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光を発生するレーザ媒質と、該レー
   ザ媒質を励起する励起源と、該励起源により励起された
   レーザ媒質からレーザビームを取り出すレーザ光学系と
   を有するレーザ装置において、前記励起源は、光源と、
   内面が光源から投光された光を一部の箇所に集中しない
   ように反射する拡散型反射面で形成された集光器とを含
   み、前記レーザ媒質は、互いに対向する端部同士が同軸
   上に挿入可能なスリーブ状の連結部材により連結された
   状態で前記集光器内に設けられるとともに、両端部が前
   記集光器に形成された貫通孔を介して前記レーザ光学系
   に臨み、前記光源から投光された光で励起されてレーザ
   ビームを発生する複数の固体素子からなり、かつ前記ス
   リーブ状の連結部材内の前記固体素子同士の対向する端
   部間に波長板または旋光板を備えたことを特徴とするレ
   ーザ装置。
2. 【請求項２】 前記連結部材は光反射部材で形成される
   か若しくは表面に光反射部材を備えたことを特徴とする
   請求項１記載のレーザ装置。