JP3944959B2

JP3944959B2 - Wavelength conversion laser device

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Publication number: JP3944959B2
Application number: JP20005497A
Authority: JP
Inventors: 進今野; 哲夫小島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: JPH1144897A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを非線形素子でなる波長変換素子により波長変換して、入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出すための波長変換レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば特開昭59-128525号公報に示された従来例１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1,1a,1bは入射基本波レーザビームである。3、3aは第１、第２の波長変換素子である。なお、図示していないが入射基本波1,1aに対して波長変換素子3,3aを位相整合させる手段が設けてある。4,4aは波長変換素子3,3aによって波長変換された波長変換レーザビームすなわち高調波のレーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5aはビームスプリッタ、6,6aは波長変換レーザビーム、13はビーム結合ポーラライザ、14は波長変換レーザビーム折り返しプリズムである。
【０００３】
従来例１による波長変換レーザ装置は上記のように構成され、入射基本波レーザビーム1は、波長変換素子3に位相整合条件を満たす角度で入射すると、波長変換素子3の非線形光学効果によりその一部が波長変換され、高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4として波長変換素子3の外部に出力される。高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4はビームスプリッタ5によって残留基本波レーザビーム1aと波長変換レーザビーム6に分離され、残留基本波レーザビーム1aは波長変換素子3aを通過して高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4aとなる。高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビーム4aとの合成ビームはビームスプリッタ5aにより残留基本波レーザビーム1bと波長変換レーザビーム6aに分離し、波長変換レーザビーム6aは波長変換ビーム折り返しプリズム14を通過した後、ビーム結合ポーラライザ13により波長変換レーザビーム6と結合される。
【０００４】
図10は例えば刊行物（「レーザ研究」第21巻,第8号,p.61〜69）に示された従来例２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図10において、15は入射基本波レーザビーム光源、1は入射基本波レーザビーム、2は入射基本波レーザビームの集光レンズ、3は波長変換素子、4は波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム、5はビームスプリッタ、1aは残留基本波レーザビーム、6は波長変換レーザビームである。
【０００５】
従来例２によるレーザビーム波長変換レーザ装置は上記のように構成され、入射基本波レーザビーム光源15から発生された入射基本波レーザビーム1は集光レンズ2によって集光され、波長変換素子3に入射する。波長変換素子3で波長変換されることによって発生した波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4は、ビームスプリッタ5によって、残留基本波レーザビーム1aと波長変換レーザビーム6に分離された後取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記図9のような従来例１による波長変換レーザ装置では、入射基本波レーザビーム1,1aは複数の波長変換素子3,3aに集光されないで入射するため、入射する基本波レーザビーム1,1aの波長変換素子3,3a中のパワー密度が低く、波長変換素子内の基本波入射レーザビームパワー密度が大きいほど波長変換効率が大きくなるので、結果として基本波レーザビームパワーから波長変換レーザビームパワーへの変換効率が低いという問題点があった。
【０００７】
また、上記図10のような従来例２による波長変換レーザ装置では、波長変換素子3を1個だけ用いるため、波長変換効率が低かった。また、上記図10のような構成で高い波長変換効率を得ようとした場合、波長変換素子3中の入射基本波パワー密度が大きいほど波長変換効率が大きくなるので、波長変換素子3中での集光強度を上げる必要が生じ、結果として結晶内部、および端面のダメージや結晶内部の色付きを引き起こす可能性が高くなるという問題点があった。
【０００８】
また、上記のような従来の波長変換レーザ装置では、例えば、波長変換素子3,3aとしてβ-バリウムボレート（β-BBO）を用いて波長532ｎｍの入射基本波レーザビーム1から波長266ｎｍの波長変換レーザビーム6を取り出す場合のように、入射基本波レーザビーム1の光軸に垂直な面内において、狭い位相整合許容角内でのみ波長変換特性を持つ波長変換素子3,3aを用いた場合、入射基本波レーザビーム1の波長変換素子3,3a位置の発散角が大きいと発散角の大きな成分は波長変換されないため、波長変換効率が下がってしまい、さらに、入射基本波レーザビーム1のうち波長変換された位相角方向に欠損が生じるという問題点があった。
【０００９】
さらに、入射基本波レーザビーム1の光軸に垂直な面内において、特定の方向に位相整合許容角の狭い波長変換特性を持つ波長変換素子3を用いて大きな波長変換効率を得るためには、発散角の小さいビーム品質の良い入射基本波レーザビームを光源に用いなければならないという問題点があった。一般に、ビーム品質の良いレーザビームは、ビーム品質の悪いレーザビームより高出力ビームを発生させるのが難しく、透過型光学素子の熱歪の影響を受けやすいという性質を持つため、結果として、高出力波長変換レーザビームを得るのが難しいという問題点があった。また、基本波入射レーザビーム1の波長変換素子3位置およびその近傍でのビーム集光径を小さくすると、波長変換素子3位置およびその近傍での基本波入射レーザビーム1の発散角が大きくなるため、集光径を小さくできないという問題点があった。その結果、入射基本波レーザビーム1のパワー密度を高めることができず、波長変換素子3が波長変換素子位置での基本波入射レーザビーム1のパワー密度が高いほど、高い波長変換効率を持つ場合には、高い波長変換効率を得ることができないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、複数個の波長変換素子を用い、その波長変換素子中の基本波レーザビームのパワー密度を高めることによって、高効率な波長変換が可能な波長変換レーザ装置を得ることを目的としている。
【００１１】
また、入射基本波レーザビームの光軸に垂直な面内において、特定の方向に位相整合許容角の狭い波長変換特性を持つ波長変換素子を用いた場合でも高い変換効率を得ること、および波長変換レーザビームのプロファイルを入射基本波レーザビームプロファイルに対して位相整合許容角が狭いために生じる欠損の少ないものにすることを目的としている。
【００１２】
また、ビーム品質の悪い入射基本波レーザビームを用いた場合や、集光面積を小さくした場合等、波長変換素子位置のビーム拡がり角が大きくなる場合に位相整合許容角が狭いために引き起こされる波長変換効率の低下を小さくすることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の構成に係る波長変換レーザ装置は、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、各々の後段に少なくとも１個の前記波長変換素子が配置されて、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームの集光径を順次に小さく収束させる複数の集光手段と、各々が各波長変換素子の後段に配置されて、前記複数の波長変換素子で波長変換された前記入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタと、を備え、波長変換素子毎に波長変換レーザビームを取り出すものである。
【００２１】
本発明の第２の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記集光手段として入射基本波レーザビームを反射集光して後段に配置した波長変換素子に入射する反射光学素子を用いたものである。
【００２３】
本発明の第３の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームをそれぞれ光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換素子3,3a,3bで波長変換された波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビームである。なお、図示していないが、入射基本波レーザビーム1,1a,1bに対して各波長変換素子3,3a,3bを位相整合させる手段が設けてある。位相整合させる手段としては、例えば、波長変換素子3,3a,3bを回転させて所定の入射角度とすることにより位相整合を行う装置、波長変換素子3,3a,3bを所定屈折率に対応する温度に保持して位相整合を行う装置、あるいはこれらを組み合わせた装置がある。
【００２５】
入射基本波レーザビーム1は、集光素子2によって集光され波長変換素子3へ入射する。波長変換素子3で一部が波長変換され、波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム4として取り出される。波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4はビームスプリッタ5により波長変換レーザビーム6と入射基本波レーザビーム1aに分離される。入射基本波レーザビーム1aは集光素子2aにより集光され、波長変換素子3aへ入射する。波長変換レーザビーム6aと残留基本波レーザビームの合成ビーム4aが取り出され、ビームスプリッタ5aにより波長変換レーザビーム6aと入射基本波レーザビーム1bに分離される。入射基本波レーザビーム1bは集光素子2bにより集光され、波長変換素子3bに入射する。波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム4bが取り出され、ビームスプリッタ5bにより波長変換レーザビーム6bと基本波レーザビーム1cに分離される。
【００２６】
上記のように構成された波長変換レーザ装置においては、ビーム集光素子2、2a、2bにより、基本波レーザビーム1、1a、1bを集光して波長変換素子3、3a、3bに入射するので、波長変換素子3、3a、3bの内部での基本波レーザビームパワー密度を高くすることができる。波長変換素子のうち、基本波レーザビームパワー密度が高いほど変換効率が高くなる性質を持つものを用いた場合、波長変換効率を高くすることができる。
【００２７】
さらに、複数個の波長変換素子3,3a,3bのそれぞれから発生した波長変換レーザビーム6,6a,6bを別々に取り出すため、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射することができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。また、後出の実施の形態で詳細に説明するが、残留基本波入射レーザビームのみに対して、偏光方向を回転する等の操作を施して、他の波長変換素子に入射させることができる。
【００２８】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、14、14a、14bは反射集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビームである。
【００２９】
このように構成されたものにおいては、基本波レーザビーム1、1a、1bは、反射集光素子14、14a、14bに入射し、集光されて波長変換素子3、3a、3bに入射して波長変換され、ビームスプリッタ5、5a、5bによって波長変換レーザビーム6、6a、6bと基本波レーザビーム1a、1b、1cに分離される。
【００３０】
図２に示すように、集光素子として、図１に示したレンズ等の透過光学素子2,2a,2bではなく、ミラー等の反射光学素子14,14a,14bを用いることにより、透過ロスによる透過光学素子の歪等の問題を避けたり、透過光学系だけを使用した場合に比べ、高いパワーを持つ基本波入射レーザビーム1を波長変換に使用できる。さらに、反射光学素子14,14a,14bの使用により、透過光学素子の透過ロスをなくし、基本波入射パワーの減衰を低減できる。
また、透過光学素子と反射光学素子を組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1、1a、1bは基本波レーザビーム、2,2aは集光素子、3,3a,3b,3cは波長変換素子、4、4aは基本波入射レーザビームと波長変換レーザビーム、5,5aはビームスプリッタ、6,6aは波長変換レーザビームである。
【００３２】
図１、２では、集光素子2,2a,2bまたは14,14a,14bの間に１個ずつ波長変換素子3,3a,3bを配置した場合を示したが、図３に示すように集光素子2,2aの間に２個以上の波長変換素子3,3a,3bを配置してもよいし、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個または４個以上用いてもよい。
【００３３】
集光素子2、2a、2bにはパワー密度の増大による波長変換効率の増大と、発散角の増大による位相整合条件の劣化という相反する２つの作用があるため、最大の波長変換効率の得られる最適な焦点距離が存在する。この最適焦点距離は、波長変換素子3,3a,3bの位相整合許容角に依存するので、位相整合許容角に異方性がある場合には集光素子の収束性にも異方性を持たせるとよい。集光素子の収束性に異方性を持たせるには、例えばシリンドリカルレンズと軸対象レンズを組み合わせればよい。
【００３４】
また、例えば、波長変換素子3,3a,3b,3cの位相整合許容角が１方向についてのみ狭いために、波長変換レーザビームのプロファイルが１方向に狭くなり、波長変換レーザビームが使用目的に適さない場合、波長変換ビームに対してシリンドリカルレンズやアナモルフィックプリズムを組み合わせたビーム整形素子を用いて出射ビームを整形してから取り出してもよい。
【００３５】
実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、7、7a、7bは光ファイバーバンドルであり、端末に結合器を備えている。
【００３６】
入射基本波レーザビーム1が集光素子2,2a,2bにより、波長変換素子3,3a,3bに繰り返し集光されて入射し、波長変換レーザビーム6,6a,6bとして取り出されるのは実施の形態１と同じであるが、図４においては別々に取り出された波長変換レーザビームを光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバー7、7a、7bに入射させ、結合させている。
【００３７】
複数のビームを１点に集光して加工等に用いる場合等、複数の波長変換レーザビームを１本のビームとして用いたい場合は、図４に示すように、取り出された波長変換レーザビーム6,6a,6bを光ファイバーバンドル7,7a,7b等を用いて結合して取り出してもよい。
【００３８】
実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1は基本波入射レーザビーム、2、2a,2bはレンズ等の集光素子、3,3a,3bは波長変換素子、8,8a,8bは集光位置を示す線である。
【００３９】
一般には、波長変換や、光学素子の透過ロス等による基本波入射レーザビームの減衰によって、波長変換を繰り返すごとに基本波入射レーザビームパワーが減衰し、波長変換素子位置のレーザビームパワー密度が低下し、そのため、基本波入射レーザビームパワー密度が大きいほど波長変換効率が高くなるような波長変換素子を用いた場合、２回目以降の波長変換になると、1回目の波長変換に比べて波長変換効率が低下する。
【００４０】
図５においては、１段目の波長変換素子3の集光位置8での集光径より、２段目の波長変換素子3aの集光位置8aの方が集光径が小さくなるように集光条件を設定している。さらに、２段目の波長変換素子3aの集光位置8aより、３段目の波長変換素子3bの集光位置8bの方が集光径が小さくなるように集光条件を設定している。
【００４１】
このように、波長変換素子3,3a,3bの通過ごとにその集光位置8,8a,8bのビーム径が小さくなるように集光条件を設定してやることにより、波長変換素子の集光位置8,8a,8bの基本波入射レーザビームパワー密度の低下を小さくすることができ、波長変換効率の低下を小さくできる。
【００４２】
また、その際、集光径を小さくし過ぎると、波長変換素子の集光位置8,8a,8bの基本波入射レーザビームの発散角が大きくなり、波長変換効率が落ちてしまうので、ビームの拡がり角が波長変換素子3,3a,3bの位相整合許容角内に収まるようビーム集光径を設定すれば、さらに高い波長変換効率を得ることができる。
【００４３】
実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の集光素子、3、3a、3bは波長変換素子の位相整合許容角が1方向について狭い波長変換特性を持つ波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、9,9a,9bは基本波入射レーザビームの偏光回転素子、10、10a、10bはそれぞれ、波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイル、12は波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル10、10a、10bを重ねて描いたプロファイルであり、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本にまとめた際のプロファイルである。
【００４４】
入射基本波レーザビーム1,1a,1bが、集光素子2、2a、2bによって繰り返し集光され、波長変換素子3、3a、3bに入射するのは、実施の形態１と同じであるが、本実施の形態においては、偏光回転素子9,9a,9bを用いて波長変換素子3,3a,3bへの入射前に基本波の偏光方向を回転するとともに、波長変換素子3、3a、3bについては入射基本波レーザビームの偏光方向に対応して、波長変換素子3,3a,3bを光軸に関して軸対称に回転するようにして、入射してくる基本波レーザビーム1,1a,1bに対して位相整合がとれるよう設定する。
その結果、波長変換素子3から得られた波長変換レーザビームは波長変換素子3の位相整合許容角が1方向について狭いため、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10のようなビームプロファイルを持つ。それに対し、波長変換素子3aは、波長変換素子3に対して位相整合許容角の方向が回転して配置されているため、波長変換素子3aから得られたレーザビームのプロファイルも10に対して回転し、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10aのようなプロファイルとなる。同様にして、波長変換素子3bから得られた波長変換レーザビームのプロファイルは10、10aに対して回転し、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10bのようなプロファイルとなる。したがって、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本にまとめた場合、そのプロファイルは、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して12のようなプロファイルとなる。
【００４５】
そのため、入射基本波レーザビームのうち、位相整合許容角の方向に対応し、変換されにくい成分が波長変換素子3、3a、3bでそれぞれ異なり、結果として波長変換レーザ装置全体としての波長変換効率が向上する。
【００４６】
また、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本のビームにまとめた場合、そのプロファイルは12のようになり、欠損の少ないプロファイルとなる。
【００４７】
なお、最初の偏光回転素子9は、波長変換素子3を回転させて位相整合をとり、省略することもできる。
【００４８】
なお、図６では波長変換素子を３個用いた場合について示したが、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個でも４個以上でもよい。
また、波長変換効率を最大にするよう、波長変換レーザビームを１本にまとめた場合にそのプロファイルを欠損の少ないものとし、変換効率を増すために、例えば２個用いる場合には90度回転する。４個用いる場合には45度ずつ回転するなど、それぞれの波長変換素子に入射する基本波入射レーザビームの偏光方向回転角度を基本波レーザビームのうち波長変換される部分の重なりが少なくなるよう設定してもよい。
【００４９】
また、図６では集光素子の間に波長変換素子がそれぞれ1個ずつ配置されているが、図３に示したように２個以上としてもよく、その場合に、それぞれの波長変換素子の間に偏光回転素子を挿入して基本波レーザビームの偏光方向を回転してもよい。
【００５０】
実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、10、10a、10bは波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイルである。12は波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル10、10a、10bを重ねて描いたものである。
【００５１】
入射基本波レーザビーム1が、集光素子2、2a、2bによって繰り返し集光され、波長変換素子3、3a、3bにおいて繰り返し波長変換され、ビームスプリッタ5、5a、5bによって波長変換レーザビームが取り出されるのは、実施の形態１と同じであるが、本実施の形態においては、波長変換素子3、3a、3bは、例えば入射ビームの光軸に対して互いに異なった角度で傾けることにより、基本波レーザビーム1,1a,1bがそれぞれ異なった角度で入射するように設定されており、入射基本波レーザビームのプロファイル11のうち、波長変換されない部分を減らすよう、また、波長変換レーザビーム6,6a,6bのプロファイル10,10a,10bが、できるだけ基本波入射レーザビームのプロファイル11全体を網羅するように配置されている。
そのため、波長変換レーザビーム6のプロファイルは、10のような位置を占めるのに対し、波長変換レーザビーム6a、6bのプロファイルは、基本波入射レーザビームプロファイル11に対し、10a、10bのような位置を占める。そのため、取り出された波長変換レーザビームを1本のビームにまとめた場合、まとめられた波長変換レーザビームのプロファイルは、基本波入射レーザビームのプロファイル11に対し、12のような位置を占めることになり、波長変換素子3,3a,3bを傾けないで配置した場合に比べて、より多くの部分を占めることができる。また、波長変換効率を大きくすることができる。
【００５２】
なお、図７では波長変換素子を３個用いた場合についてしるしたが、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個でも４個以上でもよい。
【００５３】
図８は、図７に示した実施の形態の波長変換ビームプロファイルを得るための、波長変換素子の位置と角度について詳細に説明したものである。図において、1は入射基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ、3、3a、3b、3c、3dは各配置における波長変換素子とその配置に対応して入射基本波レーザビームの発散角のどの部分が波長変換されるかを模式的に示したもの、8、8aは基本入射レーザビームの集光点の位置、10、10a、10bは波長変換レーザビームのプロファイルを模式的に示したもの、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイルを模式的に示したものである。
【００５４】
波長変換素子3、3cのように集光位置8,8aより前に波長変換素子を配置した場合、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3のように傾けると10のようなプロファイルが得られ、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3cのように傾けると10bのようなプロファイルが得られる。
また、波長変換素子3b、3dのように集光位置より後ろに波長変換素子を配置した場合、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3bのように傾けると10bのようなプロファイルが得られ、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3dのように傾けると10のようなプロファイルが得られる。
また、波長変換素子がどの位置に配置されていても、波長変換素子3aのように基本波レーザビームの光軸に対して傾けずに配置されていれば10aのようなプロファイルが得られる。
【００５５】
このような波長変換素子の配置において、例えば波長変換素子3、3a、3bの３配置や、3c,3a,3dの３配置、3,3c,3bの３配置のように、波長変換素子位置を集光点前に少なくとも1箇所、集光点より後部に少なくとも1箇所選び、集光点より前の位置に配置された波長変換素子と集光点より後ろの位置に配置された波長変換素子のうち、少なくとも1つずつを、基本波レーザビームの光軸に対して同じ方向に傾けて配置することによって、波長変換レーザビームのプロファイルを位相整合許容角が狭いことによって生じる欠損の少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５６】
また、例えば波長変換素子3、3a、3cの３配置や3、3b、3cの３配置のように、波長変換素子位置を集光点前に少なくとも2箇所選び、集光点より前の位置の波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向のうち、すくなくとも2つの波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向を逆方向とすることによって、波長変換レーザビームのプロファイルを欠損の少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５７】
また、例えば波長変換素子3、3b、3dの３配置のように、波長変換素子位置を集光点の後ろに少なくとも２箇所選び、集光点より後ろの位置に配置された波長変換素子のうち少なくとも２つの波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向を逆とすることによって、波長変換レーザビームのプロファイルの欠損を少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５８】
また、上記の実施の形態において、波長変換素子3aのようにレーザビームの最も良く集光されている部分であるウエストを含む位置に波長変換素子を配置してもよいし、波長変換素子3、3b、3c、3dのようにウエストを含まない位置に配置してもよい。
【００５９】
また、上記の実施の形態においては、３配置の場合について示したが、波長変換素子3,3bの組み合わせ、波長変換素子3c,3dの組み合わせ、波長変換素子3b,3dの組み合わせ、波長変換素子3,3cの組み合わせのように得られる波長変換レーザビームに重なりの無い、または重なりがあっても重なる部分の小さいプロファイルが得られる波長変換素子配置を２つ選んでもよいし、４つ以上選んでもよい。
【００６０】
また、図７には波長変換素子の位相整合許容角が１方向について狭い場合について示したが、かならずしもこれに限るものではなく、異方性がなくてもよいし、位相整合許容角が２つ以上の方向について狭くてもよい。
【００６１】
また、波長変換素子として、例えば第２高調波発生結晶のような波長変換結晶を用いる場合、端面に対して、入射光が垂直に入射した場合に位相整合がとれるように結晶がカットされていてもよいし、他のカットの仕方であってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の第１の構成によれば、前記複数の集光手段による基本波レーザビームの集光径を順次に小さくしたので、基本波入射レーザビーム強度が、波長変換素子による波長変換や光学素子通過による透過ロス等によって波長変換素子通過ごとに減衰していく場合でも、基本波入射レーザビームパワー密度の低下を小さくすることができ、波長変換効率を高めることができる。
さらに複数の波長変換素子で波長変換された入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタを備え、ビームスプリッタにより波長変換レーザビームと入射基本波レーザビームに分離されるので、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射することができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。
前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームを別々に取り出すので、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射させることができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。また、残留基本波入射レーザビームのみに対して、偏光方向を回転する等の操作を施して、他の波長変換素子に入射させることができる。
【００７０】
本発明の第２の構成によれば、前記集光手段として反射光学素子を用いたので、ビームの導光系の光学素子と集光素子を兼ねることができる。また、レンズ等の透過光学素子を用いた場合に対して、透過ロスがないため、損失の少ない伝送が可能である。また、透過ビームの吸収に起因する熱歪がないため、レンズ等の透過光学素子を用いた場合より高出力のビームの集光にも用いることができる。
【００７２】
本発明の第３の構成によれば、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームをそれぞれ光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したので、発生した複数の波長変換レーザビームを結合して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態７に係わり波長変換素子の位置と角度について説明する説明図である。
【図９】本発明の従来例１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の従来例２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1,1a,1b,1c 基本波レーザビーム、2,2a,2b 集光素子、3,3a,3b,3c 波長変換素子、4,4a,4b 波長変換レーザビームと基本波レーザビーム、5,5a,5b ビームスプリッタ、6,6a,6b 波長変換レーザビーム、7 光ファイバー、8,8a,8b ビーム集光位置を示す線、9,9a,9b 偏光回転素子、10,10a,10b 波長変換レーザビームのプロファイルの模式図、11 基本波入射レーザビームのプロファイルの模式図、12 複数の波長変換素子から発生した波長変換レーザビームを1本にまとめたプロファイルの模式図、13 ビーム結合ポーラライザ、14、14a、14b 反射集光素子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a wavelength conversion laser device for converting a wavelength of a laser beam by a wavelength conversion element formed of a nonlinear element and extracting a wavelength conversion laser beam having a wavelength different from that of an incident fundamental wave laser beam.
[0002]
[Prior art]
  FIG. 9 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Conventional Example 1 disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-128525. In the figure, reference numerals 1, 1a and 1b denote incident fundamental wave laser beams. Reference numerals 3 and 3a denote first and second wavelength conversion elements. Although not shown, means for phase matching the wavelength conversion elements 3 and 3a with respect to the incident fundamental waves 1 and 1a is provided. 4 and 4a are wavelength-converted laser beams converted by the wavelength conversion elements 3 and 3a, that is, a combined beam of the harmonic laser beam and the residual fundamental laser beam, 5 and 5a are beam splitters, and 6 and 6a are wavelength-converted laser beams. , 13 is a beam combining polarizer, and 14 is a wavelength conversion laser beam folding prism.
[0003]
  The wavelength conversion laser device according to the conventional example 1 is configured as described above. When the incident fundamental wave laser beam 1 is incident on the wavelength conversion element 3 at an angle satisfying the phase matching condition, the wavelength conversion laser apparatus 1 has its nonlinear optical effect. The wavelength-converted portion is output to the outside of the wavelength conversion element 3 as a combined beam 4 of a harmonic wavelength conversion laser beam and a residual fundamental laser beam. The combined beam 4 of the harmonic wavelength conversion laser beam and the residual fundamental laser beam is separated into a residual fundamental laser beam 1a and a wavelength conversion laser beam 6 by a beam splitter 5, and the residual fundamental laser beam 1a is converted into a wavelength conversion element 3a. And a combined beam 4a of a harmonic converted wavelength laser beam and a residual fundamental laser beam. A combined beam of the harmonic wavelength conversion laser beam and the residual fundamental laser beam 4a is separated into a residual fundamental laser beam 1b and a wavelength conversion laser beam 6a by a beam splitter 5a, and the wavelength conversion laser beam 6a is converted into a wavelength conversion beam folding prism. After passing through 14, it is combined with the wavelength conversion laser beam 6 by the beam combining polarizer 13.
[0004]
  FIG. 10 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Conventional Example 2 disclosed in, for example, a publication (“Laser Research” Vol. 21, No. 8, p. 61-69). In FIG. 10, 15 is an incident fundamental wave laser beam light source, 1 is an incident fundamental wave laser beam, 2 is a condenser lens for the incident fundamental wave laser beam, 3 is a wavelength conversion element, and 4 is a wavelength conversion laser beam and a residual fundamental wave laser. A beam combined with the beam, 5 is a beam splitter, 1a is a residual fundamental laser beam, and 6 is a wavelength-converted laser beam.
[0005]
  The laser beam wavelength conversion laser device according to Conventional Example 2 is configured as described above, and the incident fundamental wave laser beam 1 generated from the incident fundamental wave laser beam light source 15 is condensed by the condenser lens 2 and is applied to the wavelength conversion element 3. Incident. The combined beam 4 of the wavelength converted laser beam and the residual fundamental laser beam generated by wavelength conversion by the wavelength conversion element 3 is separated into the residual fundamental laser beam 1a and the wavelength converted laser beam 6 by the beam splitter 5. It is taken out after.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  In the wavelength conversion laser device according to Conventional Example 1 as shown in FIG. 9, the incident fundamental wave laser beam 1, 1a is incident on the plurality of wavelength conversion elements 3, 3a without being focused. As the power density in the wavelength conversion elements 3 and 3a of 1a is lower and the fundamental wave incident laser beam power density in the wavelength conversion element is larger, the wavelength conversion efficiency increases. As a result, the wavelength conversion laser beam is converted from the fundamental laser beam power. There was a problem that the conversion efficiency to power was low.
[0007]
  Further, in the wavelength conversion laser device according to Conventional Example 2 as shown in FIG. 10, the wavelength conversion efficiency is low because only one wavelength conversion element 3 is used. Also, when trying to obtain high wavelength conversion efficiency with the configuration shown in FIG. 10, the wavelength conversion efficiency increases as the incident fundamental wave power density in the wavelength conversion element 3 increases. There is a problem in that it is necessary to increase the light collecting intensity, and as a result, there is a high possibility of causing damage to the inside and end faces of the crystal and coloring inside the crystal.
[0008]
  In the conventional wavelength conversion laser apparatus as described above, for example, wavelength conversion from the incident fundamental wave laser beam 1 having a wavelength of 532 nm to the wavelength of 266 nm is performed using β-barium borate (β-BBO) as the wavelength conversion elements 3 and 3a. As in the case of taking out the laser beam 6, in the plane perpendicular to the optical axis of the incident fundamental laser beam 1, when using the wavelength conversion elements 3 and 3a having wavelength conversion characteristics only within a narrow phase matching allowable angle, If the divergence angle at the position of the wavelength conversion elements 3 and 3a of the incident fundamental laser beam 1 is large, the component having a large divergence angle is not wavelength-converted, resulting in a decrease in wavelength conversion efficiency. There is a problem that a defect occurs in the converted phase angle direction.
[0009]
  Furthermore, in order to obtain a large wavelength conversion efficiency by using the wavelength conversion element 3 having a wavelength conversion characteristic with a narrow phase matching allowable angle in a specific direction in a plane perpendicular to the optical axis of the incident fundamental laser beam 1. There is a problem that an incident fundamental wave laser beam with a small beam angle and good beam quality must be used as a light source. In general, a laser beam with good beam quality is more difficult to generate a high-power beam than a laser beam with poor beam quality, and is more susceptible to the thermal distortion of transmissive optical elements. There was a problem that it was difficult to obtain a wavelength-converted laser beam. In addition, if the beam condensing diameter at the wavelength conversion element 3 position in the vicinity of the wavelength conversion element 3 of the fundamental wave incident laser beam 1 is reduced, the divergence angle of the laser beam 1 at the wavelength conversion element 3 position and its vicinity increases. There is a problem that the diameter of the condensed light cannot be reduced. As a result, the power density of the incident fundamental wave laser beam 1 cannot be increased, and the wavelength conversion element 3 has higher wavelength conversion efficiency as the power density of the fundamental wave incident laser beam 1 at the position of the wavelength conversion element is higher. However, there is a problem that high wavelength conversion efficiency cannot be obtained.
[0010]
  The present invention has been made to solve such a problem, and uses a plurality of wavelength conversion elements, and by increasing the power density of the fundamental laser beam in the wavelength conversion elements, highly efficient wavelength conversion is achieved. An object of the present invention is to obtain a wavelength conversion laser device capable of satisfying the requirements.
[0011]
  In addition, high conversion efficiency is obtained even when a wavelength conversion element having a wavelength conversion characteristic with a narrow phase matching allowable angle in a specific direction is used in a plane perpendicular to the optical axis of the incident fundamental laser beam, and wavelength conversion An object of the present invention is to make the profile of the laser beam have few defects due to a narrow phase matching allowable angle with respect to the incident fundamental wave laser beam profile.
[0012]
  Also, the wavelength caused by the narrow phase matching allowable angle when the beam divergence angle at the wavelength conversion element increases, such as when an incident fundamental laser beam with poor beam quality is used or when the focusing area is reduced. The purpose is to reduce the decrease in conversion efficiency.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  A wavelength conversion laser device according to a first configuration of the present invention includes a plurality of wavelength conversion elements sequentially disposed in a path of an incident fundamental wave laser beam,At least one of the wavelength conversion elements is disposed in each subsequent stage,A plurality of condensing means for successively converging a condensing diameter of the incident fundamental wave laser beam passing through the plurality of wavelength conversion elements;A plurality of beam splitters, each disposed behind each wavelength conversion element, for changing the path of the incident fundamental laser beam wavelength-converted by the plurality of wavelength conversion elements;WithExtract the wavelength conversion laser beam for each wavelength conversion elementIs.
[0021]
  First of the present invention2The wavelength conversion laser device according to the configuration ofReflects and concentrates the incident fundamental laser beam and enters the wavelength conversion element arranged in the subsequent stage.A reflective optical element is used.
[0023]
  First of the present invention3The wavelength conversion laser device according to the configuration is configured such that each wavelength conversion laser beam generated from the plurality of wavelength conversion elements is incident on an optical fiber having an optical fiber bundle or a coupler, and coupled.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
  FIG. 1 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, 1, 1a, 1b, 1c are fundamental wave laser beams, 2, 2a, 2b are incident fundamental wave laser beam condensing elements such as condensing lenses, 3, 3a, 3b are wavelength conversion elements, 4, 4a, 4b is a combined beam of the wavelength conversion laser beam converted by the wavelength conversion elements 3, 3a and 3b and the residual fundamental laser beam, 5, 5a and 5b are beam splitters, and 6, 6a and 6b are wavelength conversion laser beams. is there. Although not shown, means for phase-matching each wavelength conversion element 3, 3a, 3b with respect to the incident fundamental wave laser beam 1, 1a, 1b is provided. As means for phase matching, for example, a device that performs phase matching by rotating the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b to a predetermined incident angle, the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b correspond to a predetermined refractive index. There are devices that perform phase matching while maintaining temperature, or devices that combine these.
[0025]
  The incident fundamental laser beam 1 is condensed by the condensing element 2 and enters the wavelength conversion element 3. A part of the wavelength is converted by the wavelength conversion element 3 and extracted as a combined beam 4 of the wavelength conversion laser beam and the residual fundamental laser beam. The combined beam 4 of the wavelength conversion laser beam and the residual fundamental laser beam is separated by the beam splitter 5 into the wavelength conversion laser beam 6 and the incident fundamental laser beam 1a. The incident fundamental laser beam 1a is condensed by the condensing element 2a and enters the wavelength converting element 3a. A combined beam 4a of the wavelength converted laser beam 6a and the residual fundamental wave laser beam is taken out and separated into the wavelength converted laser beam 6a and the incident fundamental wave laser beam 1b by the beam splitter 5a. The incident fundamental laser beam 1b is condensed by the condensing element 2b and enters the wavelength conversion element 3b. A combined beam 4b of the wavelength converted laser beam and the residual fundamental laser beam is taken out and separated into the wavelength converted laser beam 6b and the fundamental laser beam 1c by the beam splitter 5b.
[0026]
  In the wavelength conversion laser device configured as described above, the fundamental laser beams 1, 1a, and 1b are condensed by the beam condensing elements 2, 2a, and 2b and are incident on the wavelength conversion elements 3, 3a, and 3b. Therefore, the fundamental laser beam power density inside the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b can be increased. In the case of using a wavelength conversion element having a property that the conversion efficiency becomes higher as the fundamental laser beam power density is higher, the wavelength conversion efficiency can be increased.
[0027]
  In addition, since the wavelength conversion laser beams 6, 6a, 6b generated from each of the plurality of wavelength conversion elements 3, 3a, 3b are separately extracted, the wavelength conversion laser beam generated by one wavelength conversion element is converted into another wavelength conversion. The amount of light passing through the element can be reduced, deterioration of the wavelength conversion element, such as coloring and damage, can be prevented, and as a result, the damage threshold can be increased, so that a stronger fundamental wave incident laser beam can be incident. Therefore, it is possible to generate a wavelength conversion laser beam with higher output. Also, attenuation of the wavelength conversion laser beam due to transmission loss when passing through another wavelength conversion element can be avoided. Further, as will be described in detail in the following embodiments, only the residual fundamental wave incident laser beam can be made incident on other wavelength conversion elements by performing operations such as rotating the polarization direction.
[0028]
Embodiment 2. FIG.
  FIG. 2 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, 1, 1a, 1b and 1c are fundamental laser beams, 14, 14a and 14b are reflection condensing elements, 3 , 3a, 3b are wavelength conversion elements, 5, 5a, 5b are beam splitters, and 6, 6a, 6b are wavelength conversion laser beams.
[0029]
  In such a configuration, the fundamental laser beams 1, 1a, 1b are incident on the reflective condensing elements 14, 14a, 14b, and are collected and incident on the wavelength converting elements 3, 3a, 3b. The wavelength is converted and separated into wavelength-converted laser beams 6, 6a, 6b and fundamental laser beams 1a, 1b, 1c by beam splitters 5, 5a, 5b.
[0030]
  As shown in FIG. 2, by using the reflecting optical elements 14, 14a, 14b such as mirrors instead of the transmitting optical elements 2, 2a, 2b such as the lens shown in FIG. The fundamental wave incident laser beam 1 having high power can be used for wavelength conversion compared to the case of avoiding problems such as distortion of the transmission optical element or using only the transmission optical system. Further, by using the reflective optical elements 14, 14a, 14b, the transmission loss of the transmissive optical element can be eliminated, and the attenuation of the fundamental wave incident power can be reduced.
  Further, a transmission optical element and a reflection optical element may be used in combination.
[0031]
Embodiment 3 FIG.
  FIG. 3 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, 1, 1a, 1b are fundamental wave laser beams, 2, 2a are condensing elements, 3, 3a, 3b, 3c are wavelength conversion elements, 4, 4a are fundamental wave incident laser beams and wavelength conversion laser beams, 5 , 5a are beam splitters, and 6, 6a are wavelength-converted laser beams.
[0032]
  1 and 2 show the case where the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b are arranged one by one between the light collecting elements 2, 2a, 2b or 14, 14a, 14b, but as shown in FIG. Two or more wavelength conversion elements 3, 3a, 3b may be arranged between the optical elements 2, 2a, and the number of wavelength conversion elements is not limited to three, but two or four or more are used. Also good.
[0033]
  Condensing elements 2, 2a, and 2b have the two conflicting effects of increasing wavelength conversion efficiency due to increased power density and deterioration of phase matching conditions due to increased divergence angle, so maximum wavelength conversion efficiency can be obtained. There is an optimal focal length. This optimum focal length depends on the phase matching allowable angle of the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b. Therefore, if the phase matching allowable angle has anisotropy, the convergence property of the condensing element also has anisotropy. It is good to make it. In order to make the convergence property of the condensing element anisotropic, for example, a cylindrical lens and an axial target lens may be combined.
[0034]
  Further, for example, since the phase matching allowable angle of the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b, and 3c is narrow only in one direction, the wavelength conversion laser beam profile is narrowed in one direction, and the wavelength conversion laser beam is suitable for the intended use. If not, the output beam may be shaped after being extracted using a beam shaping element in which a cylindrical lens or an anamorphic prism is combined with the wavelength conversion beam.
[0035]
Embodiment 4 FIG.
  FIG. 4 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 4 of the present invention, in which 1, 1a, 1b, and 1c are fundamental wave laser beams, and 2, 2a, and 2b are incident light beams such as a condenser lens. Fundamental laser beam condensing element, 3, 3a, 3b are wavelength conversion elements, 4, 4a, 4b are combined beams of wavelength conversion laser beam and residual fundamental laser beam, 5, 5a, 5b are beam splitters, 6, 6a 6b is a wavelength-converted laser beam, 7, 7a, and 7b are optical fiber bundles, each having a coupler.
[0036]
  The incident fundamental laser beam 1 is repeatedly condensed and incident on the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b by the condensing elements 2, 2a, 2b, and is extracted as the wavelength conversion laser beams 6, 6a, 6b. Although the same as in the first embodiment, in FIG. 4, wavelength conversion laser beams extracted separately are incident on optical fibers 7, 7 a, 7 b to which optical fiber bundles or couplers are attached, and are combined.
[0037]
  When it is desired to use a plurality of wavelength converted laser beams as a single beam, for example, when a plurality of beams are focused on one point and used for processing or the like, as shown in FIG. , 6a, 6b may be combined and taken out using optical fiber bundles 7, 7a, 7b or the like.
[0038]
Embodiment 5 FIG.
  FIG. 5 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 5 of the present invention. In the figure, 1 is a fundamental wave incident laser beam, 2, 2a, 2b are condensing elements such as lenses, 3, 3a, 3b is a wavelength conversion element, and 8, 8a, and 8b are lines indicating condensing positions.
[0039]
  In general, due to wavelength conversion or attenuation of the fundamental wave incident laser beam due to transmission loss of the optical element, the fundamental wave incident laser beam power is attenuated each time wavelength conversion is repeated, and the laser beam power density at the position of the wavelength conversion element decreases. Therefore, when a wavelength conversion element is used in which the wavelength conversion efficiency increases as the fundamental wave incident laser beam power density increases, the wavelength conversion efficiency in the second and subsequent wavelength conversions is greater than the wavelength conversion efficiency in the first time. Decreases.
[0040]
  In FIG. 5, the condensing diameter is smaller at the condensing position 8a of the second wavelength conversion element 3a than the condensing diameter at the condensing position 8 of the first wavelength conversion element 3. Light conditions are set. Further, the condensing condition is set so that the condensing diameter is smaller at the condensing position 8b of the third-stage wavelength conversion element 3b than at the condensing position 8a of the second-stage wavelength conversion element 3a.
[0041]
  In this way, by setting the condensing condition so that the beam diameter of the condensing position 8, 8a, 8b becomes small every time the wavelength converting element 3, 3a, 3b passes, the condensing position 8 of the wavelength converting element 8 , 8a, 8b can reduce the decrease in power density of the fundamental wave incident laser beam, and can reduce the decrease in wavelength conversion efficiency.
[0042]
  At that time, if the condensing diameter is too small, the divergence angle of the fundamental incident laser beam at the condensing positions 8, 8a, 8b of the wavelength conversion element is increased, and the wavelength conversion efficiency is lowered. If the beam condensing diameter is set so that the divergence angle is within the phase matching allowable angle of the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b, higher wavelength conversion efficiency can be obtained.
[0043]
Embodiment 6 FIG.
  FIG. 6 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. Optical elements 3, 3a, and 3b are wavelength conversion elements having a narrow wavelength conversion characteristic in one direction where the phase matching allowable angle of the wavelength conversion element is narrow in one direction, and 4, 4a, and 4b are combined beams of the wavelength conversion laser beam and the residual fundamental laser beam 5, 5a, 5b are beam splitters, 6, 6a, 6b are wavelength-converted laser beams, 9, 9a, 9b are polarization rotation elements of the incident laser beam, and 10, 10a, 10b are wavelength-converted laser beams 6, respectively. , 6a, 6b, 11 is the profile of the fundamental incident laser beam 1, 12 is the profile of the wavelength converted laser beams 6, 6a, 6b superimposed on the profiles 10, 10a, 10b, and the wavelength converted laser beam 6 , 6a, 6b are combined into one profile
[0044]
  The incident fundamental wave laser beams 1, 1a, 1b are repeatedly condensed by the condensing elements 2, 2a, 2b and incident on the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b, as in the first embodiment. In the present embodiment, the polarization rotation elements 9, 9a, 9b are used to rotate the polarization direction of the fundamental wave before entering the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b, and the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b Corresponds to the polarization direction of the incident fundamental laser beam, and the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b are rotated axially symmetrically with respect to the optical axis so that the incident fundamental wave laser beams 1, 1a, 1b To achieve phase matching.
  As a result, the wavelength conversion laser beam obtained from the wavelength conversion element 3 has a narrower phase matching allowable angle in one direction than the wavelength conversion element 3, so that a beam profile such as 10 is applied to the fundamental wave incident laser beam profile 11. Have. On the other hand, since the wavelength conversion element 3a is arranged with the direction of the phase matching allowable angle rotated with respect to the wavelength conversion element 3, the profile of the laser beam obtained from the wavelength conversion element 3a is also rotated with respect to 10. However, the profile is 10a with respect to the fundamental incident laser beam profile 11. Similarly, the profile of the wavelength conversion laser beam obtained from the wavelength conversion element 3b rotates with respect to 10 and 10a, and becomes a profile like 10b with respect to the fundamental wave incident laser beam profile 11. Therefore, when the wavelength conversion laser beams 6, 6 a, 6 b are combined into one, the profile is a profile like 12 with respect to the fundamental wave incident laser beam profile 11.
[0045]
  Therefore, among the incident fundamental wave laser beam, the components that correspond to the direction of the phase matching allowable angle and are difficult to convert are different in the wavelength conversion elements 3, 3a, and 3b, respectively. As a result, the wavelength conversion efficiency of the entire wavelength conversion laser device is increased. improves.
[0046]
  Further, when the wavelength-converted laser beams 6, 6a, and 6b are combined into one beam, the profile becomes 12, which is a profile with few defects.
[0047]
  Note that the first polarization rotation element 9 can be omitted by rotating the wavelength conversion element 3 to achieve phase matching.
[0048]
  Although FIG. 6 shows the case where three wavelength conversion elements are used, the number of wavelength conversion elements is not limited to three, and may be two or four or more.
  Further, in order to maximize the wavelength conversion efficiency, when the wavelength conversion laser beams are combined into one, the profile is made to have few defects, and in order to increase the conversion efficiency, for example, when two are used, it is rotated by 90 degrees. . When using four, the rotation angle of the polarization direction of the fundamental wave incident laser beam incident on each wavelength conversion element is set so that the overlapping of the wavelength converted portion of the fundamental wave laser beam is reduced. May be.
[0049]
  Further, in FIG. 6, one wavelength conversion element is arranged between the condensing elements, but two or more wavelength conversion elements may be provided as shown in FIG. 3, and in that case, between the wavelength conversion elements. The polarization direction of the fundamental laser beam may be rotated by inserting a polarization rotation element.
[0050]
Embodiment 7 FIG.
  FIG. 7 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to a seventh embodiment of the present invention. In the figure, reference numerals 1, 1 a, 1 b, and 1 c denote fundamental wave laser beams; Fundamental laser beam condensing element, 3, 3a, 3b are wavelength conversion elements, 4, 4a, 4b are combined beams of wavelength converted laser beam and residual fundamental laser beam, 5, 5a, 5b are beam splitters, 6, 6a , 6b are wavelength-converted laser beams, 10, 10a and 10b are profiles of the wavelength-converted laser beams 6, 6a and 6b, and 11 is a profile of the fundamental wave incident laser beam 1. Reference numeral 12 shows the profile 10, 10a, 10b of the wavelength-converted laser beams 6, 6a, 6b superimposed on each other.
[0051]
  The incident fundamental wave laser beam 1 is repeatedly focused by the focusing elements 2, 2a, 2b, wavelength-converted repeatedly by the wavelength converting elements 3, 3a, 3b, and the wavelength-converted laser beam is extracted by the beam splitters 5, 5a, 5b. In this embodiment, the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b are fundamentally inclined by tilting them at different angles with respect to the optical axis of the incident beam, for example. The wave laser beams 1, 1a, 1b are set so as to be incident at different angles, so as to reduce the portion of the incident fundamental wave laser beam profile 11 that is not wavelength-converted, and the wavelength-converted laser beam 6, The profiles 10, 10a, 10b of 6a, 6b are arranged so as to cover the entire profile 11 of the fundamental wave incident laser beam as much as possible.
  Therefore, the profile of the wavelength-converted laser beam 6 occupies a position such as 10, whereas the profile of the wavelength-converted laser beams 6a and 6b is a position such as 10a and 10b with respect to the fundamental incident laser beam profile 11. Occupy. Therefore, when the extracted wavelength conversion laser beams are combined into one beam, the combined wavelength conversion laser beam profile occupies a position such as 12 with respect to the profile 11 of the fundamental wave incident laser beam. Wavelength conversion element 3, 3a,ThreeCompared to the case where b is not tilted, more parts can be occupied. In addition, the wavelength conversion efficiency can be increased.
[0052]
  Although FIG. 7 illustrates the case where three wavelength conversion elements are used, the number of wavelength conversion elements is not limited to three, and may be two or four or more.
[0053]
  FIG. 8 illustrates in detail the position and angle of the wavelength conversion element for obtaining the wavelength conversion beam profile of the embodiment shown in FIG. In the figure, 1 is an incident fundamental laser beam, 2, 2a, 2b are condenser lenses, 3, 3a, 3b, 3c, 3d are wavelength conversion elements in each arrangement and incident fundamental laser beams corresponding to the arrangement. This figure schematically shows which part of the divergence angle is wavelength-converted, 8, 8a is the position of the focal point of the basic incident laser beam, and 10, 10a, 10b are the profile of the wavelength-converted laser beam. What is shown, 11 schematically shows the profile of the fundamental wave incident laser beam 1.
[0054]
  When the wavelength conversion element is arranged before the converging position 8, 8a as in the case of the wavelength conversion element 3 or 3c, a profile like 10 is obtained when the wavelength conversion element 3 is tilted with respect to the optical axis of the fundamental laser beam. And tilting like the wavelength conversion element 3c with respect to the optical axis of the fundamental laser beam, a profile such as 10b is obtained.
  In addition, when the wavelength conversion element is arranged behind the condensing position like the wavelength conversion elements 3b and 3d, a profile like 10b is formed when the wavelength conversion element 3b is tilted with respect to the optical axis of the fundamental laser beam. A profile such as 10 is obtained when tilted like the wavelength conversion element 3d with respect to the optical axis of the fundamental laser beam.
  Further, regardless of the position of the wavelength conversion element, a profile such as 10a can be obtained if the wavelength conversion element 3a is not inclined with respect to the optical axis of the fundamental laser beam as in the wavelength conversion element 3a.
[0055]
  In such an arrangement of the wavelength conversion elements, for example, the wavelength conversion element positions are set like three arrangements of the wavelength conversion elements 3, 3a, 3b, three arrangements of 3c, 3a, 3d, and three arrangements of 3, 3c, 3b. Select at least one point before the condensing point and at least one point after the condensing point, and the wavelength converting element arranged at the position before the condensing point and the wavelength converting element arranged at the position after the condensing point Among them, by disposing at least one at a time in the same direction with respect to the optical axis of the fundamental laser beam, the profile of the wavelength conversion laser beam is reduced in defects caused by a narrow phase matching allowable angle, Wavelength conversion efficiency can be improved.
[0056]
  In addition, for example, at least two wavelength conversion element positions are selected before the condensing point, such as three arrangements of the wavelength converting elements 3, 3a, 3c and three arrangements of 3, 3b, 3c. Of the directions tilted with respect to the optical axis of the fundamental laser beam of the wavelength conversion element, the direction of tilt with respect to the optical axes of the fundamental wave laser beams of at least two wavelength conversion elements is reversed, thereby converting the wavelength converted laser beam. Therefore, the wavelength conversion efficiency can be improved.
[0057]
  In addition, among the wavelength conversion elements arranged at positions after the condensing point, at least two wavelength converting element positions are selected behind the condensing point, such as three arrangements of wavelength converting elements 3, 3b, and 3d. By reversing the direction of inclination of the at least two wavelength conversion elements with respect to the optical axis of the fundamental laser beam, the loss of the profile of the wavelength conversion laser beam can be reduced, and the wavelength conversion efficiency can be improved.
[0058]
  In the above embodiment, the wavelength conversion element may be disposed at a position including a waist that is a portion where the laser beam is best condensed like the wavelength conversion element 3a. You may arrange | position in the position which does not contain a waist like 3b, 3c, 3d.
[0059]
  Further, in the above-described embodiment, the case of three arrangements has been described, but the combination of the wavelength conversion elements 3 and 3b, the combination of the wavelength conversion elements 3c and 3d, the combination of the wavelength conversion elements 3b and 3d, and the wavelength conversion element 3 , 3c combination, the wavelength conversion laser beam can be obtained either without overlapping, or even if there is overlap, two wavelength conversion element arrangements that can obtain a small profile of the overlapping portion may be selected, or four or more may be selected .
[0060]
  FIG. 7 shows the case where the phase matching allowable angle of the wavelength conversion element is narrow in one direction, but this is not necessarily limited to this, and there may be no anisotropy, and there are two phase matching allowable angles. The above direction may be narrow.
[0061]
  When a wavelength conversion crystal such as a second harmonic generation crystal is used as the wavelength conversion element, the crystal is cut so that phase matching can be achieved when incident light is incident on the end face perpendicularly. Alternatively, other cutting methods may be used.
[0062]
【The invention's effect】
  According to the first configuration of the present invention, since the condensing diameters of the fundamental wave laser beams by the plurality of condensing means are sequentially reduced, the fundamental wave incident laser beam intensity is changed by the wavelength conversion element or the optical element by the wavelength conversion element. Even when the wavelength conversion element is attenuated by transmission loss due to passage or the like, the decrease in the fundamental wave incident laser beam power density can be reduced, and the wavelength conversion efficiency can be increased.
  In addition, it is equipped with a plurality of beam splitters that change the path of the incident fundamental laser beam that has been wavelength-converted by a plurality of wavelength conversion elements, and is separated into the wavelength converted laser beam and the incident fundamental laser beam by the beam splitter. The amount of the wavelength conversion laser beam generated by the conversion element can pass through other wavelength conversion elements can be reduced, and deterioration such as coloring and damage of the wavelength conversion element can be prevented. A fundamentally incident laser beam with high intensity can be incident, and a higher-power wavelength-converted laser beam can be generated. Moreover, attenuation of the wavelength conversion laser beam due to transmission loss when passing through another wavelength conversion element can be avoided.
  Since each wavelength conversion laser beam generated from the plurality of wavelength conversion elements is separately extracted, the amount of the wavelength conversion laser beam generated by one wavelength conversion element can pass through other wavelength conversion elements can be reduced. Degradation such as coloring and damage of the conversion element can be prevented, and as a result, the damage threshold is increased, so that a higher-intensity fundamental wave incident laser beam can be incident, and a higher-power wavelength-converted laser beam is generated. be able to. Moreover, attenuation of the wavelength conversion laser beam due to transmission loss when passing through another wavelength conversion element can be avoided. Further, only the residual fundamental wave incident laser beam can be made incident on another wavelength conversion element by performing an operation such as rotating the polarization direction.
[0070]
  First of the present invention2According to the configuration, since the reflection optical element is used as the light condensing means, the optical element of the beam light guide system can be used as the light condensing element. Further, since there is no transmission loss compared to the case where a transmission optical element such as a lens is used, transmission with less loss is possible. Further, since there is no thermal distortion due to absorption of the transmitted beam, it can be used for condensing a beam with a higher output than when a transmission optical element such as a lens is used.
[0072]
  First of the present invention3According to the configuration, since each wavelength conversion laser beam generated from the plurality of wavelength conversion elements is incident on an optical fiber having an optical fiber bundle or a coupler attached thereto, the plurality of wavelength conversions generated are combined. A laser beam can be used in combination.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a wavelength conversion laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a wavelength conversion laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a wavelength conversion laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the position and angle of a wavelength conversion element according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Conventional Example 1 of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to Conventional Example 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
  1,1a, 1b, 1c Fundamental laser beam, 2,2a, 2b Condenser, 3,3a, 3b, 3c Wavelength converter, 4,4a, 4b Wavelength converted laser beam and fundamental laser beam, 5,5a , 5b Beam splitter, 6,6a, 6b Wavelength conversion laser beam, 7 Optical fiber, 8,8a, 8b Beam focusing position line, 9,9a, 9b Polarization rotation element, 10,10a, 10b Wavelength conversion laser beam Schematic diagram of the profile, 11 Schematic diagram of the profile of the fundamental incident laser beam, 12 Schematic diagram of the profile that combines the wavelength-converted laser beams generated from multiple wavelength conversion elements, 13 Beam-coupled polariser, 14, 14a, 14b Reflective condensing element.

Claims

レーザビームを非線形素子からなる波長変換素子により波長変換して入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波長変換レーザ装置において、
前記入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、
各々の後段に少なくとも１個の前記波長変換素子が配置されて、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームの集光径を順次に小さく収束させる複数の集光手段と、
各々が各波長変換素子の後段に配置されて、前記複数の波長変換素子で波長変換された前記入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタと、を備え波長変換素子毎に波長変換レーザビームを取り出す波長変換レーザ装置。In the wavelength conversion laser device for extracting a wavelength conversion laser beam having a wavelength different from that of the incident fundamental wave laser beam by converting the wavelength of the laser beam by a wavelength conversion element composed of a nonlinear element,
A plurality of wavelength conversion elements sequentially arranged in the path of the incident fundamental laser beam;
A plurality of condensing means for sequentially converging the condensing diameter of the incident fundamental wave laser beam passing through the plurality of wavelength converting elements , wherein at least one wavelength converting element is disposed at each subsequent stage ;
A plurality of beam splitters, each disposed downstream of each wavelength conversion element, for changing the path of the incident fundamental laser beam wavelength-converted by the plurality of wavelength conversion elements, and wavelength converting for each wavelength conversion element A wavelength conversion laser device that extracts a laser beam .

集光手段は、入射基本波レーザビームを反射集光して後段に配置した波長変換素子に入射する反射光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。2. The wavelength conversion laser device according to claim 1, wherein the condensing means is a reflection optical element that reflects and condenses an incident fundamental wave laser beam and enters a wavelength conversion element disposed at a subsequent stage .

波長変換素子毎に発生した波長変換レーザビームを光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換レーザ装置。 3. The wavelength conversion laser device according to claim 1, wherein a wavelength conversion laser beam generated for each wavelength conversion element is incident on an optical fiber having an optical fiber bundle or a coupler and coupled.