JP4008609B2 - レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、共振器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部波長変換のレーザ装置およびレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、特開平8-250797号公報に示された従来のレーザ装置を示す構成図である。図１４において、25は赤外光に対して高い反射率を有する共振器ミラー、2c、2dは固体レーザ活性媒質、9aは90度偏光方向回転ローテータ、4bは第２高調波発生用波長変換結晶、5bは基本波レーザビームのレーザ光軸、6bは基本波レーザビーム、3bは基本波レーザビームに対して、高い反射率を有する共振器折り返しミラーである。26は基本波および第2高調波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーである。第２高調波発生用波長変換結晶4bは、角度を変化させたり、温度を変化させることによりその屈折率を変化させることによって、位相整合をとらせる手段が設けてある。
【０００３】
図１４のように構成されたレーザ装置においては、共振器ミラー25、26、90度偏光方向回転ローテータ9a、固体レーザ活性媒質2c、2dによって発生した基本波レーザビームの一部は共振器内部に配置された第２高調波発生用波長変換結晶4bによって第２高調波発生用波長変換結晶に変換され、波長変換レーザビーム取り出しミラー3bから取り出される。ここで、共振器を構成する一方のミラー25は凸面鏡、もう一方の波長変換結晶4bに近い側のミラー26は凹面鏡であり、波長変換結晶4bは凹面鏡であるミラー26の作用により基本波レーザビーム6bの径が細くなった位置に置かれている。
【０００４】
図１４のように構成されたレーザ装置においてはレーザ活性媒質2c、2dの間に90度偏光方向回転ローテータ9aを配置しているため、2個のレーザ活性媒質内部に発生する複屈折、複レンズを補償し、レーザ発振の安定性、発振効率が向上する。
【０００５】
図１５はW.Koechner,”Solid State Laser Engineering”（3rd Edtion）にあるレーザ装置を示す構成図である。図１４において、25aは曲率が凹の共振器ミラー、8bは共振器のＱ値変調用素子、2eはレーザ活性媒質、5cは基本波レーザビームのレーザ光軸、3cは基本波レーザビームに対して高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては、高い透過率を有する共振器折り返しミラー兼波長変換レーザビーム取り出しミラー、4cは第２高調波発生用波長変換結晶、26aは基本波レーザビームと第２高調波レーザビームに対して高い反射率を有する曲率が凹の共振器ミラーである。ここで、波長変換結晶4Cは図１４の装置と同じく凹面鏡26aの作用により6cで示される基本波レーザビームが細くなった位置に置かれている。
【０００６】
図１５のように構成された第２高調波レーザビーム発生装置においては、共振器ミラー25a、26a、折り返しミラー3c、レーザ活性媒質2e、Ｑスイッチ素子8bにより発生した基本波Ｑパルスレーザビームの一部は、共振器内部に配置された第２高調波発生用波長変換結晶4cにより、第２高調波レーザビームに変換され、第２高調波レーザビーム取り出しミラー3cから取り出される。
【０００７】
図１４で示されたレーザも、図１５で示されたレーザも波長変換結晶は共振器を構成する凹面鏡の近くの、レーザビームが細くなった位置に置かれている。波長変換結晶の波長変換効率はビーム強度が高いほど高くなるため、通常、波長変換結晶はレーザビームが絞られた位置に置かれる。すなわち、共振器ミラーとしては凹面鏡を用いるのが通常である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された第２高調波レーザビーム発生装置においては、共振器ミラーとして、少なくとも波長変換結晶が配置されている側のミラーに凹面鏡を用いているため、共振器長さが長くなり、コンパクトな波長変換レーザ装置を構成することができず、また、共振器ミラーの振動に対する安定性が低い共振器しか構成できなかった。さらには、パルス幅の短い波長変換レーザビームを発生させることが難しかった。加えて、出力向上を図った場合、波長変換結晶部分のレーザ強度が高くなり過ぎて波長変換結晶にダメージが入り易いという欠点があった。また、非線形定数の小さい波長変換結晶を用いた場合には波長変換の効率が高いものが得難かった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、パルス幅が短く、高効率で、取扱いが容易で、再現性、安定性に優れ、波長変換結晶にダメージが入り難くいコンパクトな内部共振器型の波長変換レーザ装置を提供することである。
【００１０】
また第２の目的は、波長変換係数が小さい波長変換結晶を用いた場合でも高効率な波長変換レーザ装置を提供することである。
【００１１】
さらに第３の目的は、取り扱いが簡単で、安定に、微細で高精度かつ高速に加工できるレーザ加工装置を提供することである。
【００１２】
さらにまた第４の目的は、取り扱いが簡単で、安定、高効率なレーザ励起のレーザ装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ装置は、対を成す共振器ミラーによって構成される安定型共振器内部に、固体レーザ活性媒質、共振器Ｑ値変調用素子、波長変換結晶を配置し、上記安定型共振器を構成する上記波長変換結晶に近い側のミラーを凸面鏡としたものである。
また、対を成す共振器ミラーを共に凸面鏡としたものである。
【００１４】
また、波長変換結晶は第２高調波を発生する第２高調波波長変換結晶であるものである。
さらに、第２高調波発生要波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたものである。
【００１５】
さらに、共振器内部に少なくとも１個の偏光素子を挿入したものである。
【００１６】
また、Ｑパルス波長変換レーザビームの出力が５０Ｗ以上としたものである。
【００１７】
本発明に係るレーザ加工装置は、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを加工に用いたものである。
【００１８】
また、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを共振器外部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う外部波長変換の光源に用いたものである。
【００１９】
また、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを他のレーザ活性媒質の励起に用いたものである。
【００２０】
【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を示す構成図であり、図１において、1は基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラー、２は固体レーザ活性媒質、3は基本波レーザビームに対しては高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては高い透過率を有する第２高調波レーザビーム取りだしミラー兼共振器折り返しミラー、4は第２高調波発生用波長変換結晶、5は基本波レーザ発振のレーザ光軸を示す。6はレーザ発振の基本波レーザビームを示す。７は第２高調波レーザビームおよび基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーである。図１において、共振器ミラー1および7の曲率は凸であり、また、第２高調波発生用波長変換結晶4にはその角度を変化させたり、温度を変えることによって、波長変換結晶の屈折率を変化させる等の位相整合をとらせる手段が設けてある。
【００２１】
図１のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ共振器を構成するレーザ共振器ミラー1、7、ここでは図示していない励起源（半導体レーザやランプ）により励起された固体レーザ活性媒質2、基本波レーザビームに対しては折り返しミラーとして機能するミラー3、Ｑ値変調用素子8によって発生する基本波Ｑパルスレーザビームの一部は第２高調波発生用波長変換結晶4によって第２高調波レーザビームに変換される。発生した第２高調波レーザビーム（2ω）は、取り出しミラー3より取り出される。
【００２２】
以上のように構成されたレーザ装置にあっては、波長変換結晶4は曲率が凸の共振器ミラー7の近傍に置かれており、共振器内のレーザビーム6が絞られた位置にはなっていない。しかしながら、以下に述べるように、図１の構成のレーザ装置にあっては、発振パルス幅が短くなってパルスピーク強度が高くなるので、波長変換結晶がビームが絞られた位置になくても高い波長変換効率が得られることがわかった。すなわち、通常の波長変換レーザではレーザビームが絞られた位置に波長変換結晶を配置するが、本発明では、波長変換結晶はビームの絞られた位置に置かないという点において従来では考えられなかった動作、効果を提供する。
【００２３】
図２はＱスイッチレーザの共振器長さに依存したＱスイッチパルス幅の変化を模式的に示したものだが、共振器長さが短いほどパルス幅は短くなる性質がある。図１に示した本発明の実施の形態１においては、以下に説明するように、ビーム品質を保ったまま共振器長さを短くできるため、より短いパルス幅のＱスイッチパルス光を発生させることができ、パルスピーク強度が高くなる。
【００２４】
また、高出力レーザの場合、波長変換結晶をビームが絞られた位置に置かなくてもビーム強度が高い。また、高出力レーザの場合はレーザ活性媒質の熱レンズが強いために波長変換結晶の位置でのビームがある程度細くなる。従って、高効率な波長変換ができる。特に、波長変換レーザ出力が５０Ｗ以上になる場合にこのような効果が顕著になる。また、このような高出力レーザにあっては波長変換結晶はビームが絞られた位置にない方がダメージを受け難いという効果がある。
【００２５】
以下に、高出力レーザにつきまとう熱レンズを持つレーザ活性媒質における、共振器ミラーの曲率、共振器長さに依存した、共振器から取り出されるビームの収束性の変化と、安定な発振が得られる領域の変化について独自に解析した内容を説明する。
【００２６】
固体レーザ装置を発振させた場合、主として励起により固体レーザ活性媒質に発熱が起こり、固体レーザ活性媒質が熱レンズをもつことが広く知られている。以下には、固体レーザ活性媒質が例えば、Nd：YAGのように、熱レンズ焦点距離が正の熱レンズを持つ場合に限って説明する。
【００２７】
図３から図５は、図３：凸ミラーを用いた共振器、図４：凹ミラーを用いた共振器長の長い共振器、図５：凹ミラーを用いた共振器長の短い共振器、の共振器内ビームモードの形とレーザ活性媒質位置の固有モードビーム径の計算値の励起強度に対する変化を模式的に示したものであり、図４と図５の共振器ミラーは同じ曲率である。また、図３から図５は、ロッド型のレーザ活性媒質を用いた場合について説明しており、固有モードビーム径の実線は、ロッド断面内の動径方向偏光成分（図６の偏光方向1）についての屈折率を用いて計算したものであり、点線はロッド断面内の周方向偏光成分（図６の偏光方向2）についての屈折率を用いて計算したものである。
【００２８】
レーザ共振器から取り出されるレーザビームのビーム収束性は、レーザ活性媒質位置の固有モードビーム径が大きいほど良くなり、小さいほど悪くなることが知られている。また、励起強度のうち、図４のP1や図５のP２のように動径方向の屈折率による活性媒質位置のビーム径（実線）と周方向の偏光成分の屈折率による活性媒質位置のビーム径（点線）が重なる位置において安定な発振が得られることが知られている。
【００２９】
図４と図５を比較すると、共振器長さが短い図５の共振器の方が、レーザ活性媒質位置の固有モードビーム径（図４のw0、図５のw1）が小さい。また、安定な発振が得られる両偏光によるビーム径の計算値（点線と実線）が等しくなる領域（図４のP1、図５のP2）が広い。結果として、図４に示した構成より図５に示した構成の方が取り出されるビーム収束性が悪い反面、安定な発振が得られる励起強度に対する領域が広い。
【００３０】
次に、図３と図４について説明する。図３のように、凸ミラーを用い、その曲率、ミラー間の距離を適当に選べば、ビームモードの形が図３のように共振器内にビームウエスト（ビームが絞られた部分）をもたない形となり、励起強度における安定発振領域の位置と幅（図３のP1と図４のP1）、安定発振領域におけるビームモードの径を図４とほぼ同程度としたまま、共振器長さを短いものとすることができる。３種類の共振器構成の発振特性をまとめると表１のようになる。表１から、凸ミラーを用いることにより、凹ミラーを用いた場合に比べて、発振特性（安定発振領域の幅、出力、ビーム収束性）を同程度に保ちつつ、共振器長さを短いものとすることができる。
【００３１】
【表１】
また、凹ミラーや平面ミラーだけを用いて共振器を構成し、なおかつ共振器長さを短く設定する場合に、共振器内部にレンズを入れる等の手段が考えられるが、レンズを共振器内部に挿入すると共振器ロスが増加し、また光学素子のアライメントが複雑になるという欠点がある。
【００３２】
以下に、凸ミラーを用いた共振器長さの短い共振器は、凹ミラーを用いた共振器長さの長い共振器に比べて、安定性が高く、精度の高いミラーのアライメントを必要としないことを示す具体的な計算例について説明する。図７の共振器1は曲率1mの凸ミラー2枚を用いた、共振器長さ780mmの共振器を模式的に示したものである。また、共振器2は曲率1mの凹ミラー2枚を用いた、共振器長さ1780mmの共振器を模式的に示したものである。これらの共振器は図３と図４で比較した共振器と同じように、ビーム収束性および安定動作領域が同じになる共振器である。図８は図７の共振器1、2について、ミラーの角度が動いた際に、共振器のレーザ活性媒質位置における光軸が、どの程度中心からずれるか示したものである。図８から共振器2に比べて、共振器1の方が、はるかにレーザ活性媒質位置での光軸ずれが小さいことがわかる。
【００３３】
レーザ出力は、レーザ活性媒質位置での光軸の位置ずれの大きさに依存して低下するため、共振器ミラーの振動による出力の変動等は、共振器1に比べ共振器2の方が大きい。また、共振器1に比べ、共振器2の方がミラーの角度を変化させつつ、最適位置（最高の出力が得られる位置）を探すアライメントの作業時において、共振器1に比べ、共振器2の方が高い精度を必要とすることがわかる。つまり、凸ミラーを用いて短い共振器を構成することによって、より、振動に強く、精度の高いアライメントを要求されない装置を構成することができる。
【００３４】
内部波長変換レーザ装置において共振器ミラー、波長変換結晶等の光学素子のアライメントを行う際、SHG結晶の位相整合条件を満たした上で、レーザ発振についても最適の条件を満たすよう、光学素子をアライメントせねばならない。すなわち、共振器内部に波長変換結晶を含まない基本波発振レーザ装置では共振器ミラーのアライメントが必要なだけであるが、波長変換レーザ装置の場合は加えて波長変換結晶のアライメントも必要となるため、精度の高いミラーアライメントが要求されないことは、ただの基本波発振だけに比べて、非常に有効である。また、波長変換結晶の角度変動に対して非常に強いため、非常に安定なレーザ装置を提供する。
【００３５】
上述のようなミラーの角度変化に対する光軸ずれの大きさに着目して、凸ミラーを用いた共振器の、凹ミラーを用いた共振器に対する優位性を示し、波長変換レーザに適用することで非常に安定なレーザを提供できることは本発明で初めて示された。
【００３６】
図１の実施の形態１においては、第２高調波発生用波長変換素子のみを共振器内部に配置し、第２高調波レーザビームを発生させた場合について示したが、例えば、第２高調波発生用波長変換結晶と第３高調波発生用波長変換結晶等、複数の波長変換結晶を配置して、共振器内部和周波発生装置を構成して、よりパルス幅の短いＱパルス和周波レーザビームを高効率に発生できるようにレーザ装置を構成しても良い。
【００３７】
図１の実施の形態１においては、Ｑスイッチ素子を1個用いた場合について示したが、Ｑスイッチ素子を複数用いて、Ｑスイッチ素子の回折効率を高めて、高出力の内部波長変換レーザ装置においてもホールドオフ（共振器のQ値が低い状態において、レーザ発振を完全に止めること。）が得られるようにしてもよい。また、Ｑスイッチの回折効率がレーザビーム偏光方向とＱスイッチ素子の音波進行方向の関係によって変わる場合には、Ｑスイッチ素子２個を互いに音波進行方向が直交するように配置して回折効率を高めた構成としてもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２を示す構成図であり、図９においては、1aは基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラー、２a,2bは固体レーザ活性媒質、3aは基本波レーザビームに対しては高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては高い透過率を有する第２高調波レーザビーム取りだしミラー兼共振器折り返しミラー、4aは第２高調波発生用波長変換結晶、5aはレーザ発振の光軸を示す。6aはレーザ発振の基本波レーザビームである。７aは第２高調波レーザビームおよび基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーであり、9は90度偏光回転ローテータである。図９において、共振器ミラー1aおよび７aの曲率は凸であり、また、第２高調波発生用波長変換結晶4aにはその角度を変化させたり、温度を変えることによって、波長変換結晶の屈折率を変化させる等の位相整合をとらせる手段が設けてある。
【００３９】
図９のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ共振器を構成するレーザ共振器ミラー1a、７a、および基本波に対しては折り返しミラーとして機能するミラー3a、ここでは図示していない励起源（半導体レーザやランプ）によって励起された固体レーザ活性媒質2a、2b、Ｑスイッチ素子8a、偏光方向回転ローテータ9によって発生するＱパルス基本波レーザビームの一部は第２高調波発生用波長変換結晶4aによって第２高調波レーザビームに変換される。発生した第２高調波レーザビーム（2ω）は、ミラー3aより取り出される。
【００４０】
図９のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ活性媒質2a、2bの間に90度偏光方向回転ローテータ9を配置して、レーザ活性媒質2a、および2b内に発生する偏光方向に依存した熱複レンズを解消する構成としているため、従来より広い安定発振領域を確保することができ、なおかつ共振器ミラーとして、凸のミラーを用いているため、従来に比べて、よりコンパクトな装置を構成することができ、より短いパルス幅でピーク強度の高いＱスイッチ波長変換パルス光を高効率に発生させることができる。
【００４１】
図９の実施の形態２においても、２個以上の波長変換結晶を配置して共振器内部和周波発生装置を構成しても良く、また、Ｑスイッチ素子を複数用いても、Ｑスイッチ素子２個を互いに音波進行方向が直交するように配置してもよいことは言うまでもない。
【００４２】
また、実施の形態１および２では共振器ミラーとして両方のミラーを凸面鏡としたが、少なくとも波長変換結晶側のミラーを凸とすれば、もう一方のミラーが例えば平面鏡であっても凹面鏡であっても、上記した効果は多少下がるが、波長変換結晶がダメージを受け難いといった効果は全く変わらない。
【００４３】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３は図１、９に示したＱパルス波長変換構成において、波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたものである。以下に、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いて内部波長変換を行った場合に、凸ミラーを用いて短い共振器を構成した方が有利な理由を説明する。
【００４４】
波長変換結晶の有効波長変換係数deffは
【数１】
【数２】
（ここで、Ｐωは結晶中の基本波パワー、Ｐ2 ωは発生する第２高調波パワーである。）
の式に基づいて波長変換効率ｋと結び付けられる。数１の式より、有効波長変換係数の２乗が波長変換効率に比例するため、有効波長変換係数が小さいタイプII位相整合LBO結晶の波長変換効率は、KTP結晶の波長変換効率の数１０分の１程度、また、タイプI位相整合LBO結晶の数分の１程度の値となる。その反面タイプII位相整合LBO結晶は（1）耐光強度が高い。（2）ランダム偏光でも第２高調波発生ができる。（3）屈折率の温度変化が低い等の、高出力第２高調波発生において有利な特徴を持っている。
【００４５】
従来、この波長変換効率が低い特性のために第２高調波発生に用いられることは少なく、用いるためには、高品質な結晶を製造することが技術的に難しい上にコストがかかる、長い結晶を用いる必要があった。また、用いられても、KTP等に比べると、発生第２高調波出力は低かった。今回初めて、凸ミラーを用いた共振器構成にタイプII位相整合LBO結晶を組み合わせることが高出力化、高効率化、短パルス化に有利であることを見い出し、第２高調波出力120W以上で、回折限界の10倍以内という高収束性の第２高調波発生を実証した。
【００４６】
以下に短い共振器を用いることがＱパルス内部波長変換において高出力化、高効率化に有利である理由を理論的に説明する。図１０は、レート方程式
【００４７】
【数３】
【数４】
（ここで、φは光子密度、ｃは光速、σは誘導放出断面積、ｎは反転分布密度、Ｌは共振器ロス、ｋは波長変換係数に比例する定数、ｌｃは共振器長さ、ｌは活性媒質長さを表す。）
を連立して現実の系を再現するように、時間的境界条件（Ｑスイッチ素子によってもたらされる共振器ロスを周期的に変化させ、現実のＱスイッチレーザ発振に近い状況を計算で再現する。）を設定したシミュレータを用いて、共振器長さｌｃを変えて（0.5m、0.7m、1m、1.2m、1.5m）計算した第２高調波出力の計算結果である。図１０では、共振器長さが短いほど高い第２高調波出力が得られる特性となっており、特にkが3×10-7以下のkが小さい領域に短い共振器を用いた場合の方が高い出力が得られる領域が存在する。一般にKTP結晶やタイプI位相整合LBO結晶を用いた場合等にはこのような小さな波長変換係数の値にはなりにくいが、上述したように、タイプII位相整合LBO結晶を用いた場合には、このような小さな波長変換係数の値となりやすい。また、波長変換係数を大きくする方法として、より長い結晶を用いるという方法も考えられるが、長い結晶は高価で、また、波長変換結晶の位相整合許容角が狭いため取扱いが複雑になるという欠点がある。タイプII位相整合LBO結晶を波長変換素子として用いた場合、その波長変換係数が低いため、凸ミラーを用いて共振器長さを短くすることによって、第２高調波レーザビーム発生効率を高めることができる領域が存在する。この事実は上記のような計算コードによる計算結果と実験結果から、今回初めて明らかにされた。
【００４８】
実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。図１１において、10は図１や図９に示したレーザ装置、11はレーザビームの光軸、12はレーザビーム折り返しミラー、13はレーザビーム集光整形素子、14は加工対象である。
【００４９】
図１１のように構成された加工装置においては、図１や図９に示したレーザ装置10から発生したレーザビームは折り返しミラー12によって折り返され、13によって集光整形され、加工対象14に入射する。図１や図９に示したレーザ装置10から発生させた高収束かつ、安定で、高効率なレーザビーム11を用いているため、微細で精度のよい加工を提供する。
【００５０】
実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。図１２において、10aは図１や図９に示した第２高調波発生用レーザ装置、11aはレーザビーム光軸、13aはレーザビーム集光整形素子、15は、他の波長変換結晶としてのCLBO(CsLiB6O10)、BBO(B-BaB2O4)等の第４高調波発生用波長変換結晶、16は第４高調波レーザビームに対して全透過で、第2高調波レーザビームに対して全反射であるようなビームスプリッターミラーである。
【００５１】
図１２のように構成されたレーザ装置においては、10aから発生した第２高調波レーザビーム11aは、13aによって集光整形され、第４高調波発生用結晶15に入射し、一部、第4高調波レーザビームに変換される。発生した第4高調波レーザビームおよび、変換されなかった第２高調波レーザビームは、ビームスプリッターミラー22によって第4高調波レーザビーム17と第２高調波レーザビーム18に分離され取り出される。
【００５２】
図１や図９に示したレーザ装置から発生した第２高調波レーザビームは、高出力かつ、高収束性でなおかつ、短パルスなので、高効率な第４高調波レーザビーム発生装置を提供する。
【００５３】
図１２には第４高調波レーザビームを発生させる過程についてのみ示したが、第４高調波発生に限る必要はなく、第２高調波レーザビームとともに、基本波レーザビームも和周波発生用結晶へ入射させることにより、第３高調波レーザビーム発生を行っても良いし、第４高調波と基本波レーザビームを和周波発生用結晶へ入射させて、第５高調波発生を行ってもよい。その他、どのような和周波発生、高調波発生を行ってもよい。
【００５４】
実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態６を示す構成図である、図１３において、10bは図１や図９に示した第２高調波発生用レーザ装置、11bは第２高調波レーザビーム光軸、13bは第２高調波レーザビーム集光整形素子、19、19a、19bは第２高調波レーザビームに対して全透過、Ti：Sapphireレーザビームに対しては、全反射であるようなTi：Sapphireレーザ共振器ミラー、20は他のレーザ活性媒質であるTi：Sapphire結晶、21はTi：Sapphireレーザビームの光軸、22はTi：Sapphire結晶に吸収されなかった第２高調波レーザビーム、24はTi：Sapphireレーザ光部分透過であるTi：Sapphireレーザ光取り出しミラーである。
【００５５】
図１３のように構成されたレーザ装置においては、10bによって発生した第２高調波レーザビームすなわちグリーン光は13bによって集光整形され、19を透過した後、一部Ti：Sapphire結晶に吸収される。Ti：Sapphire結晶に吸収されたグリーン光はTi：Sapphire結晶を励起し、Ti：Sapphireレーザの発振が共振器ミラー19、19a、19b、24によって構成される共振器内でおこる。発生したTi：Sapphireレーザ光は取り出しミラー24から取り出される。
【００５６】
図１３のように構成されたレーザ装置においては、10bによって発生する高出力、高効率、高収束性のグリーン光をTi：Sapphireレーザ励起に用いるため、Ti：Sapphire結晶を効率良く、高い強度で励起することができる励起装置を提供する。ここでは他の活性媒質を励起してレーザ発振器を構成した場合について説明したが、増幅器を構成してもよいのは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５８】
この発明に係るレーザ装置は、対を成す共振器ミラーによって構成される安定型共振器内部のレーザ光軸上に、固体レーザ活性媒質、共振器Ｑ値変調用素子、および非線形光学結晶である波長変換結晶を配置してＱパルス波長変換レーザビームを発生するレーザ装置において、上記安定型共振器を構成する上記波長変換結晶に近い側の共振器ミラーを凸面鏡としたため、共振器長さが短くコンパクトな装置を構成でき、パルス幅の短いＱパルス波長変換レーザビームを発生することができる。また、波長変換効率を高めることができ、ミラーの振動に強い安定な装置が得られる。さらに、アライメントについての高い精度を要求されない装置が得られる。さらにまた、波長変換結晶がダメージを受け難い装置が得られる。
【００５９】
また、第２高調波発生用波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたため、タイプII位相整合LBO結晶は波長変換係数が小さい結晶であるにもかかわらず高効率な波長変換ができ、波長変換結晶へのダメージなく、安定な発振を長時間にわたって行うことのできる装置を提供できる。
【００６０】
また、共振器内部に少なくとも1個の偏光素子を挿入したため、安定な発振を得ることのできる領域を広く保つことができ、安定で高効率な発振を得ると同時に、パルス幅の短い波長変換パルスレーザビームを発生することができる。また、波長変換効率を高めることができる。
【００６１】
また、Ｑパルス波長変換レーザビームの出力を５０Ｗ以上としたため、効率が良く、高出力にもかかわらず波長変換結晶にダメージの入り難いものが提供できる。
【００６２】
また、上記レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを加工に用いることを特徴とするレーザ加工装置であるため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを加工に用いることができ、取り扱いが簡単で、安定な、微細で高精度かつ高速な加工を提供する。
【００６３】
また、上記波長変換レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを外部波長変換に用いたため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを外部波長変換の光源に用いることができ、従来得られなかった高収束性、高繰り返しのＱパルス波長変換レーザビームを高効率に発生させ、なおかつ、長時間安定に動作させることができる。
【００６４】
また、上記波長変換レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを他のレーザ活性媒質励起に用いたため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを他レーザ活性媒質の励起光源に用いることができるため、取り扱いが簡単で、従来得られなかった高収束性の他レーザ活性媒質から発生するレーザビームを高効率に発生させ、なおかつ、長時間安定に動作させることができる。
【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】共振器長さに対するパルス幅の変化を模式的に示す図である。
【図３】凸ミラーを用いたレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図４】凹ミラーを用いた長いレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図５】凹ミラーを用いた、短いレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図６】レーザ活性媒質（ロッド型）断面内の２方向偏光方向を示す図である。
【図７】共振器ミラーとして凸ミラーを用いた場合と凹ミラーを用いた場合を比較するための共振器を示す図である。
【図８】図７の２つの共振器における、ミラーの角度変化のレーザ活性媒質位置でのビームのずれの大きさを比較した図である。
【図９】本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１０】内部波長変換Ｑスイッチレーザの共振器長さを変えて、波長変換係数に対する第２高調波出力を計算した結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態６によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１４】従来のレーザ装置を示す構成図である。
【図１５】他の従来のレーザ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1、1a、7、7a、25、25a、26、26a 共振器ミラー
2、2a、2b、2c、2d、2e レーザ活性媒質
4、4a、4b、4c 波長変換結晶
5、5a、5b、5c レーザ光軸
8、8a、8b 共振器Ｑ値変調用素子
9、9a：90度偏光方向回転ローテーター
10、10a、10b レーザ装置
15 他の波長変換結晶としての第４高調波発生用波長変換結晶
20 他のレーザ活性媒質としてのTi：Sapphire結晶
【発明の属する技術分野】
この発明は、共振器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部波長変換のレーザ装置およびレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、特開平8-250797号公報に示された従来のレーザ装置を示す構成図である。図１４において、25は赤外光に対して高い反射率を有する共振器ミラー、2c、2dは固体レーザ活性媒質、9aは90度偏光方向回転ローテータ、4bは第２高調波発生用波長変換結晶、5bは基本波レーザビームのレーザ光軸、6bは基本波レーザビーム、3bは基本波レーザビームに対して、高い反射率を有する共振器折り返しミラーである。26は基本波および第2高調波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーである。第２高調波発生用波長変換結晶4bは、角度を変化させたり、温度を変化させることによりその屈折率を変化させることによって、位相整合をとらせる手段が設けてある。
【０００３】
図１４のように構成されたレーザ装置においては、共振器ミラー25、26、90度偏光方向回転ローテータ9a、固体レーザ活性媒質2c、2dによって発生した基本波レーザビームの一部は共振器内部に配置された第２高調波発生用波長変換結晶4bによって第２高調波発生用波長変換結晶に変換され、波長変換レーザビーム取り出しミラー3bから取り出される。ここで、共振器を構成する一方のミラー25は凸面鏡、もう一方の波長変換結晶4bに近い側のミラー26は凹面鏡であり、波長変換結晶4bは凹面鏡であるミラー26の作用により基本波レーザビーム6bの径が細くなった位置に置かれている。
【０００４】
図１４のように構成されたレーザ装置においてはレーザ活性媒質2c、2dの間に90度偏光方向回転ローテータ9aを配置しているため、2個のレーザ活性媒質内部に発生する複屈折、複レンズを補償し、レーザ発振の安定性、発振効率が向上する。
【０００５】
図１５はW.Koechner,”Solid State Laser Engineering”（3rd Edtion）にあるレーザ装置を示す構成図である。図１４において、25aは曲率が凹の共振器ミラー、8bは共振器のＱ値変調用素子、2eはレーザ活性媒質、5cは基本波レーザビームのレーザ光軸、3cは基本波レーザビームに対して高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては、高い透過率を有する共振器折り返しミラー兼波長変換レーザビーム取り出しミラー、4cは第２高調波発生用波長変換結晶、26aは基本波レーザビームと第２高調波レーザビームに対して高い反射率を有する曲率が凹の共振器ミラーである。ここで、波長変換結晶4Cは図１４の装置と同じく凹面鏡26aの作用により6cで示される基本波レーザビームが細くなった位置に置かれている。
【０００６】
図１５のように構成された第２高調波レーザビーム発生装置においては、共振器ミラー25a、26a、折り返しミラー3c、レーザ活性媒質2e、Ｑスイッチ素子8bにより発生した基本波Ｑパルスレーザビームの一部は、共振器内部に配置された第２高調波発生用波長変換結晶4cにより、第２高調波レーザビームに変換され、第２高調波レーザビーム取り出しミラー3cから取り出される。
【０００７】
図１４で示されたレーザも、図１５で示されたレーザも波長変換結晶は共振器を構成する凹面鏡の近くの、レーザビームが細くなった位置に置かれている。波長変換結晶の波長変換効率はビーム強度が高いほど高くなるため、通常、波長変換結晶はレーザビームが絞られた位置に置かれる。すなわち、共振器ミラーとしては凹面鏡を用いるのが通常である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された第２高調波レーザビーム発生装置においては、共振器ミラーとして、少なくとも波長変換結晶が配置されている側のミラーに凹面鏡を用いているため、共振器長さが長くなり、コンパクトな波長変換レーザ装置を構成することができず、また、共振器ミラーの振動に対する安定性が低い共振器しか構成できなかった。さらには、パルス幅の短い波長変換レーザビームを発生させることが難しかった。加えて、出力向上を図った場合、波長変換結晶部分のレーザ強度が高くなり過ぎて波長変換結晶にダメージが入り易いという欠点があった。また、非線形定数の小さい波長変換結晶を用いた場合には波長変換の効率が高いものが得難かった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、パルス幅が短く、高効率で、取扱いが容易で、再現性、安定性に優れ、波長変換結晶にダメージが入り難くいコンパクトな内部共振器型の波長変換レーザ装置を提供することである。
【００１０】
また第２の目的は、波長変換係数が小さい波長変換結晶を用いた場合でも高効率な波長変換レーザ装置を提供することである。
【００１１】
さらに第３の目的は、取り扱いが簡単で、安定に、微細で高精度かつ高速に加工できるレーザ加工装置を提供することである。
【００１２】
さらにまた第４の目的は、取り扱いが簡単で、安定、高効率なレーザ励起のレーザ装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ装置は、対を成す共振器ミラーによって構成される安定型共振器内部に、固体レーザ活性媒質、共振器Ｑ値変調用素子、波長変換結晶を配置し、上記安定型共振器を構成する上記波長変換結晶に近い側のミラーを凸面鏡としたものである。
また、対を成す共振器ミラーを共に凸面鏡としたものである。
【００１４】
また、波長変換結晶は第２高調波を発生する第２高調波波長変換結晶であるものである。
さらに、第２高調波発生要波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたものである。
【００１５】
さらに、共振器内部に少なくとも１個の偏光素子を挿入したものである。
【００１６】
また、Ｑパルス波長変換レーザビームの出力が５０Ｗ以上としたものである。
【００１７】
本発明に係るレーザ加工装置は、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを加工に用いたものである。
【００１８】
また、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを共振器外部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う外部波長変換の光源に用いたものである。
【００１９】
また、上記レーザ装置から発生した波長変換レーザビームを他のレーザ活性媒質の励起に用いたものである。
【００２０】
【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を示す構成図であり、図１において、1は基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラー、２は固体レーザ活性媒質、3は基本波レーザビームに対しては高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては高い透過率を有する第２高調波レーザビーム取りだしミラー兼共振器折り返しミラー、4は第２高調波発生用波長変換結晶、5は基本波レーザ発振のレーザ光軸を示す。6はレーザ発振の基本波レーザビームを示す。７は第２高調波レーザビームおよび基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーである。図１において、共振器ミラー1および7の曲率は凸であり、また、第２高調波発生用波長変換結晶4にはその角度を変化させたり、温度を変えることによって、波長変換結晶の屈折率を変化させる等の位相整合をとらせる手段が設けてある。
【００２１】
図１のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ共振器を構成するレーザ共振器ミラー1、7、ここでは図示していない励起源（半導体レーザやランプ）により励起された固体レーザ活性媒質2、基本波レーザビームに対しては折り返しミラーとして機能するミラー3、Ｑ値変調用素子8によって発生する基本波Ｑパルスレーザビームの一部は第２高調波発生用波長変換結晶4によって第２高調波レーザビームに変換される。発生した第２高調波レーザビーム（2ω）は、取り出しミラー3より取り出される。
【００２２】
以上のように構成されたレーザ装置にあっては、波長変換結晶4は曲率が凸の共振器ミラー7の近傍に置かれており、共振器内のレーザビーム6が絞られた位置にはなっていない。しかしながら、以下に述べるように、図１の構成のレーザ装置にあっては、発振パルス幅が短くなってパルスピーク強度が高くなるので、波長変換結晶がビームが絞られた位置になくても高い波長変換効率が得られることがわかった。すなわち、通常の波長変換レーザではレーザビームが絞られた位置に波長変換結晶を配置するが、本発明では、波長変換結晶はビームの絞られた位置に置かないという点において従来では考えられなかった動作、効果を提供する。
【００２３】
図２はＱスイッチレーザの共振器長さに依存したＱスイッチパルス幅の変化を模式的に示したものだが、共振器長さが短いほどパルス幅は短くなる性質がある。図１に示した本発明の実施の形態１においては、以下に説明するように、ビーム品質を保ったまま共振器長さを短くできるため、より短いパルス幅のＱスイッチパルス光を発生させることができ、パルスピーク強度が高くなる。
【００２４】
また、高出力レーザの場合、波長変換結晶をビームが絞られた位置に置かなくてもビーム強度が高い。また、高出力レーザの場合はレーザ活性媒質の熱レンズが強いために波長変換結晶の位置でのビームがある程度細くなる。従って、高効率な波長変換ができる。特に、波長変換レーザ出力が５０Ｗ以上になる場合にこのような効果が顕著になる。また、このような高出力レーザにあっては波長変換結晶はビームが絞られた位置にない方がダメージを受け難いという効果がある。
【００２５】
以下に、高出力レーザにつきまとう熱レンズを持つレーザ活性媒質における、共振器ミラーの曲率、共振器長さに依存した、共振器から取り出されるビームの収束性の変化と、安定な発振が得られる領域の変化について独自に解析した内容を説明する。
【００２６】
固体レーザ装置を発振させた場合、主として励起により固体レーザ活性媒質に発熱が起こり、固体レーザ活性媒質が熱レンズをもつことが広く知られている。以下には、固体レーザ活性媒質が例えば、Nd：YAGのように、熱レンズ焦点距離が正の熱レンズを持つ場合に限って説明する。
【００２７】
図３から図５は、図３：凸ミラーを用いた共振器、図４：凹ミラーを用いた共振器長の長い共振器、図５：凹ミラーを用いた共振器長の短い共振器、の共振器内ビームモードの形とレーザ活性媒質位置の固有モードビーム径の計算値の励起強度に対する変化を模式的に示したものであり、図４と図５の共振器ミラーは同じ曲率である。また、図３から図５は、ロッド型のレーザ活性媒質を用いた場合について説明しており、固有モードビーム径の実線は、ロッド断面内の動径方向偏光成分（図６の偏光方向1）についての屈折率を用いて計算したものであり、点線はロッド断面内の周方向偏光成分（図６の偏光方向2）についての屈折率を用いて計算したものである。
【００２８】
レーザ共振器から取り出されるレーザビームのビーム収束性は、レーザ活性媒質位置の固有モードビーム径が大きいほど良くなり、小さいほど悪くなることが知られている。また、励起強度のうち、図４のP1や図５のP２のように動径方向の屈折率による活性媒質位置のビーム径（実線）と周方向の偏光成分の屈折率による活性媒質位置のビーム径（点線）が重なる位置において安定な発振が得られることが知られている。
【００２９】
図４と図５を比較すると、共振器長さが短い図５の共振器の方が、レーザ活性媒質位置の固有モードビーム径（図４のw0、図５のw1）が小さい。また、安定な発振が得られる両偏光によるビーム径の計算値（点線と実線）が等しくなる領域（図４のP1、図５のP2）が広い。結果として、図４に示した構成より図５に示した構成の方が取り出されるビーム収束性が悪い反面、安定な発振が得られる励起強度に対する領域が広い。
【００３０】
次に、図３と図４について説明する。図３のように、凸ミラーを用い、その曲率、ミラー間の距離を適当に選べば、ビームモードの形が図３のように共振器内にビームウエスト（ビームが絞られた部分）をもたない形となり、励起強度における安定発振領域の位置と幅（図３のP1と図４のP1）、安定発振領域におけるビームモードの径を図４とほぼ同程度としたまま、共振器長さを短いものとすることができる。３種類の共振器構成の発振特性をまとめると表１のようになる。表１から、凸ミラーを用いることにより、凹ミラーを用いた場合に比べて、発振特性（安定発振領域の幅、出力、ビーム収束性）を同程度に保ちつつ、共振器長さを短いものとすることができる。
【００３１】
【表１】
【００３２】
以下に、凸ミラーを用いた共振器長さの短い共振器は、凹ミラーを用いた共振器長さの長い共振器に比べて、安定性が高く、精度の高いミラーのアライメントを必要としないことを示す具体的な計算例について説明する。図７の共振器1は曲率1mの凸ミラー2枚を用いた、共振器長さ780mmの共振器を模式的に示したものである。また、共振器2は曲率1mの凹ミラー2枚を用いた、共振器長さ1780mmの共振器を模式的に示したものである。これらの共振器は図３と図４で比較した共振器と同じように、ビーム収束性および安定動作領域が同じになる共振器である。図８は図７の共振器1、2について、ミラーの角度が動いた際に、共振器のレーザ活性媒質位置における光軸が、どの程度中心からずれるか示したものである。図８から共振器2に比べて、共振器1の方が、はるかにレーザ活性媒質位置での光軸ずれが小さいことがわかる。
【００３３】
レーザ出力は、レーザ活性媒質位置での光軸の位置ずれの大きさに依存して低下するため、共振器ミラーの振動による出力の変動等は、共振器1に比べ共振器2の方が大きい。また、共振器1に比べ、共振器2の方がミラーの角度を変化させつつ、最適位置（最高の出力が得られる位置）を探すアライメントの作業時において、共振器1に比べ、共振器2の方が高い精度を必要とすることがわかる。つまり、凸ミラーを用いて短い共振器を構成することによって、より、振動に強く、精度の高いアライメントを要求されない装置を構成することができる。
【００３４】
内部波長変換レーザ装置において共振器ミラー、波長変換結晶等の光学素子のアライメントを行う際、SHG結晶の位相整合条件を満たした上で、レーザ発振についても最適の条件を満たすよう、光学素子をアライメントせねばならない。すなわち、共振器内部に波長変換結晶を含まない基本波発振レーザ装置では共振器ミラーのアライメントが必要なだけであるが、波長変換レーザ装置の場合は加えて波長変換結晶のアライメントも必要となるため、精度の高いミラーアライメントが要求されないことは、ただの基本波発振だけに比べて、非常に有効である。また、波長変換結晶の角度変動に対して非常に強いため、非常に安定なレーザ装置を提供する。
【００３５】
上述のようなミラーの角度変化に対する光軸ずれの大きさに着目して、凸ミラーを用いた共振器の、凹ミラーを用いた共振器に対する優位性を示し、波長変換レーザに適用することで非常に安定なレーザを提供できることは本発明で初めて示された。
【００３６】
図１の実施の形態１においては、第２高調波発生用波長変換素子のみを共振器内部に配置し、第２高調波レーザビームを発生させた場合について示したが、例えば、第２高調波発生用波長変換結晶と第３高調波発生用波長変換結晶等、複数の波長変換結晶を配置して、共振器内部和周波発生装置を構成して、よりパルス幅の短いＱパルス和周波レーザビームを高効率に発生できるようにレーザ装置を構成しても良い。
【００３７】
図１の実施の形態１においては、Ｑスイッチ素子を1個用いた場合について示したが、Ｑスイッチ素子を複数用いて、Ｑスイッチ素子の回折効率を高めて、高出力の内部波長変換レーザ装置においてもホールドオフ（共振器のQ値が低い状態において、レーザ発振を完全に止めること。）が得られるようにしてもよい。また、Ｑスイッチの回折効率がレーザビーム偏光方向とＱスイッチ素子の音波進行方向の関係によって変わる場合には、Ｑスイッチ素子２個を互いに音波進行方向が直交するように配置して回折効率を高めた構成としてもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２を示す構成図であり、図９においては、1aは基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラー、２a,2bは固体レーザ活性媒質、3aは基本波レーザビームに対しては高い反射率を有し、第２高調波レーザビームに対しては高い透過率を有する第２高調波レーザビーム取りだしミラー兼共振器折り返しミラー、4aは第２高調波発生用波長変換結晶、5aはレーザ発振の光軸を示す。6aはレーザ発振の基本波レーザビームである。７aは第２高調波レーザビームおよび基本波レーザビームに対して高い反射率を有する共振器ミラーであり、9は90度偏光回転ローテータである。図９において、共振器ミラー1aおよび７aの曲率は凸であり、また、第２高調波発生用波長変換結晶4aにはその角度を変化させたり、温度を変えることによって、波長変換結晶の屈折率を変化させる等の位相整合をとらせる手段が設けてある。
【００３９】
図９のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ共振器を構成するレーザ共振器ミラー1a、７a、および基本波に対しては折り返しミラーとして機能するミラー3a、ここでは図示していない励起源（半導体レーザやランプ）によって励起された固体レーザ活性媒質2a、2b、Ｑスイッチ素子8a、偏光方向回転ローテータ9によって発生するＱパルス基本波レーザビームの一部は第２高調波発生用波長変換結晶4aによって第２高調波レーザビームに変換される。発生した第２高調波レーザビーム（2ω）は、ミラー3aより取り出される。
【００４０】
図９のように構成された波長変換レーザ装置においては、レーザ活性媒質2a、2bの間に90度偏光方向回転ローテータ9を配置して、レーザ活性媒質2a、および2b内に発生する偏光方向に依存した熱複レンズを解消する構成としているため、従来より広い安定発振領域を確保することができ、なおかつ共振器ミラーとして、凸のミラーを用いているため、従来に比べて、よりコンパクトな装置を構成することができ、より短いパルス幅でピーク強度の高いＱスイッチ波長変換パルス光を高効率に発生させることができる。
【００４１】
図９の実施の形態２においても、２個以上の波長変換結晶を配置して共振器内部和周波発生装置を構成しても良く、また、Ｑスイッチ素子を複数用いても、Ｑスイッチ素子２個を互いに音波進行方向が直交するように配置してもよいことは言うまでもない。
【００４２】
また、実施の形態１および２では共振器ミラーとして両方のミラーを凸面鏡としたが、少なくとも波長変換結晶側のミラーを凸とすれば、もう一方のミラーが例えば平面鏡であっても凹面鏡であっても、上記した効果は多少下がるが、波長変換結晶がダメージを受け難いといった効果は全く変わらない。
【００４３】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３は図１、９に示したＱパルス波長変換構成において、波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたものである。以下に、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いて内部波長変換を行った場合に、凸ミラーを用いて短い共振器を構成した方が有利な理由を説明する。
【００４４】
波長変換結晶の有効波長変換係数deffは
【数１】
の式に基づいて波長変換効率ｋと結び付けられる。数１の式より、有効波長変換係数の２乗が波長変換効率に比例するため、有効波長変換係数が小さいタイプII位相整合LBO結晶の波長変換効率は、KTP結晶の波長変換効率の数１０分の１程度、また、タイプI位相整合LBO結晶の数分の１程度の値となる。その反面タイプII位相整合LBO結晶は（1）耐光強度が高い。（2）ランダム偏光でも第２高調波発生ができる。（3）屈折率の温度変化が低い等の、高出力第２高調波発生において有利な特徴を持っている。
【００４５】
従来、この波長変換効率が低い特性のために第２高調波発生に用いられることは少なく、用いるためには、高品質な結晶を製造することが技術的に難しい上にコストがかかる、長い結晶を用いる必要があった。また、用いられても、KTP等に比べると、発生第２高調波出力は低かった。今回初めて、凸ミラーを用いた共振器構成にタイプII位相整合LBO結晶を組み合わせることが高出力化、高効率化、短パルス化に有利であることを見い出し、第２高調波出力120W以上で、回折限界の10倍以内という高収束性の第２高調波発生を実証した。
【００４６】
以下に短い共振器を用いることがＱパルス内部波長変換において高出力化、高効率化に有利である理由を理論的に説明する。図１０は、レート方程式
【００４７】
【数３】
を連立して現実の系を再現するように、時間的境界条件（Ｑスイッチ素子によってもたらされる共振器ロスを周期的に変化させ、現実のＱスイッチレーザ発振に近い状況を計算で再現する。）を設定したシミュレータを用いて、共振器長さｌｃを変えて（0.5m、0.7m、1m、1.2m、1.5m）計算した第２高調波出力の計算結果である。図１０では、共振器長さが短いほど高い第２高調波出力が得られる特性となっており、特にkが3×10-7以下のkが小さい領域に短い共振器を用いた場合の方が高い出力が得られる領域が存在する。一般にKTP結晶やタイプI位相整合LBO結晶を用いた場合等にはこのような小さな波長変換係数の値にはなりにくいが、上述したように、タイプII位相整合LBO結晶を用いた場合には、このような小さな波長変換係数の値となりやすい。また、波長変換係数を大きくする方法として、より長い結晶を用いるという方法も考えられるが、長い結晶は高価で、また、波長変換結晶の位相整合許容角が狭いため取扱いが複雑になるという欠点がある。タイプII位相整合LBO結晶を波長変換素子として用いた場合、その波長変換係数が低いため、凸ミラーを用いて共振器長さを短くすることによって、第２高調波レーザビーム発生効率を高めることができる領域が存在する。この事実は上記のような計算コードによる計算結果と実験結果から、今回初めて明らかにされた。
【００４８】
実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。図１１において、10は図１や図９に示したレーザ装置、11はレーザビームの光軸、12はレーザビーム折り返しミラー、13はレーザビーム集光整形素子、14は加工対象である。
【００４９】
図１１のように構成された加工装置においては、図１や図９に示したレーザ装置10から発生したレーザビームは折り返しミラー12によって折り返され、13によって集光整形され、加工対象14に入射する。図１や図９に示したレーザ装置10から発生させた高収束かつ、安定で、高効率なレーザビーム11を用いているため、微細で精度のよい加工を提供する。
【００５０】
実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。図１２において、10aは図１や図９に示した第２高調波発生用レーザ装置、11aはレーザビーム光軸、13aはレーザビーム集光整形素子、15は、他の波長変換結晶としてのCLBO(CsLiB6O10)、BBO(B-BaB2O4)等の第４高調波発生用波長変換結晶、16は第４高調波レーザビームに対して全透過で、第2高調波レーザビームに対して全反射であるようなビームスプリッターミラーである。
【００５１】
図１２のように構成されたレーザ装置においては、10aから発生した第２高調波レーザビーム11aは、13aによって集光整形され、第４高調波発生用結晶15に入射し、一部、第4高調波レーザビームに変換される。発生した第4高調波レーザビームおよび、変換されなかった第２高調波レーザビームは、ビームスプリッターミラー22によって第4高調波レーザビーム17と第２高調波レーザビーム18に分離され取り出される。
【００５２】
図１や図９に示したレーザ装置から発生した第２高調波レーザビームは、高出力かつ、高収束性でなおかつ、短パルスなので、高効率な第４高調波レーザビーム発生装置を提供する。
【００５３】
図１２には第４高調波レーザビームを発生させる過程についてのみ示したが、第４高調波発生に限る必要はなく、第２高調波レーザビームとともに、基本波レーザビームも和周波発生用結晶へ入射させることにより、第３高調波レーザビーム発生を行っても良いし、第４高調波と基本波レーザビームを和周波発生用結晶へ入射させて、第５高調波発生を行ってもよい。その他、どのような和周波発生、高調波発生を行ってもよい。
【００５４】
実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態６を示す構成図である、図１３において、10bは図１や図９に示した第２高調波発生用レーザ装置、11bは第２高調波レーザビーム光軸、13bは第２高調波レーザビーム集光整形素子、19、19a、19bは第２高調波レーザビームに対して全透過、Ti：Sapphireレーザビームに対しては、全反射であるようなTi：Sapphireレーザ共振器ミラー、20は他のレーザ活性媒質であるTi：Sapphire結晶、21はTi：Sapphireレーザビームの光軸、22はTi：Sapphire結晶に吸収されなかった第２高調波レーザビーム、24はTi：Sapphireレーザ光部分透過であるTi：Sapphireレーザ光取り出しミラーである。
【００５５】
図１３のように構成されたレーザ装置においては、10bによって発生した第２高調波レーザビームすなわちグリーン光は13bによって集光整形され、19を透過した後、一部Ti：Sapphire結晶に吸収される。Ti：Sapphire結晶に吸収されたグリーン光はTi：Sapphire結晶を励起し、Ti：Sapphireレーザの発振が共振器ミラー19、19a、19b、24によって構成される共振器内でおこる。発生したTi：Sapphireレーザ光は取り出しミラー24から取り出される。
【００５６】
図１３のように構成されたレーザ装置においては、10bによって発生する高出力、高効率、高収束性のグリーン光をTi：Sapphireレーザ励起に用いるため、Ti：Sapphire結晶を効率良く、高い強度で励起することができる励起装置を提供する。ここでは他の活性媒質を励起してレーザ発振器を構成した場合について説明したが、増幅器を構成してもよいのは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５８】
この発明に係るレーザ装置は、対を成す共振器ミラーによって構成される安定型共振器内部のレーザ光軸上に、固体レーザ活性媒質、共振器Ｑ値変調用素子、および非線形光学結晶である波長変換結晶を配置してＱパルス波長変換レーザビームを発生するレーザ装置において、上記安定型共振器を構成する上記波長変換結晶に近い側の共振器ミラーを凸面鏡としたため、共振器長さが短くコンパクトな装置を構成でき、パルス幅の短いＱパルス波長変換レーザビームを発生することができる。また、波長変換効率を高めることができ、ミラーの振動に強い安定な装置が得られる。さらに、アライメントについての高い精度を要求されない装置が得られる。さらにまた、波長変換結晶がダメージを受け難い装置が得られる。
【００５９】
また、第２高調波発生用波長変換結晶として、タイプII位相整合のLBO(LiB3O5)結晶を用いたため、タイプII位相整合LBO結晶は波長変換係数が小さい結晶であるにもかかわらず高効率な波長変換ができ、波長変換結晶へのダメージなく、安定な発振を長時間にわたって行うことのできる装置を提供できる。
【００６０】
また、共振器内部に少なくとも1個の偏光素子を挿入したため、安定な発振を得ることのできる領域を広く保つことができ、安定で高効率な発振を得ると同時に、パルス幅の短い波長変換パルスレーザビームを発生することができる。また、波長変換効率を高めることができる。
【００６１】
また、Ｑパルス波長変換レーザビームの出力を５０Ｗ以上としたため、効率が良く、高出力にもかかわらず波長変換結晶にダメージの入り難いものが提供できる。
【００６２】
また、上記レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを加工に用いることを特徴とするレーザ加工装置であるため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを加工に用いることができ、取り扱いが簡単で、安定な、微細で高精度かつ高速な加工を提供する。
【００６３】
また、上記波長変換レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを外部波長変換に用いたため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを外部波長変換の光源に用いることができ、従来得られなかった高収束性、高繰り返しのＱパルス波長変換レーザビームを高効率に発生させ、なおかつ、長時間安定に動作させることができる。
【００６４】
また、上記波長変換レーザ装置を用いて発生した波長変換レーザビームを他のレーザ活性媒質励起に用いたため、従来得られなかった高出力かつ高収束性のレーザビームを他レーザ活性媒質の励起光源に用いることができるため、取り扱いが簡単で、従来得られなかった高収束性の他レーザ活性媒質から発生するレーザビームを高効率に発生させ、なおかつ、長時間安定に動作させることができる。
【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】共振器長さに対するパルス幅の変化を模式的に示す図である。
【図３】凸ミラーを用いたレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図４】凹ミラーを用いた長いレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図５】凹ミラーを用いた、短いレーザ共振器におけるモードの形および、安定発振領域の励起強度内における位置と幅を示す図である。
【図６】レーザ活性媒質（ロッド型）断面内の２方向偏光方向を示す図である。
【図７】共振器ミラーとして凸ミラーを用いた場合と凹ミラーを用いた場合を比較するための共振器を示す図である。
【図８】図７の２つの共振器における、ミラーの角度変化のレーザ活性媒質位置でのビームのずれの大きさを比較した図である。
【図９】本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１０】内部波長変換Ｑスイッチレーザの共振器長さを変えて、波長変換係数に対する第２高調波出力を計算した結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態６によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１４】従来のレーザ装置を示す構成図である。
【図１５】他の従来のレーザ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1、1a、7、7a、25、25a、26、26a 共振器ミラー
2、2a、2b、2c、2d、2e レーザ活性媒質
4、4a、4b、4c 波長変換結晶
5、5a、5b、5c レーザ光軸
8、8a、8b 共振器Ｑ値変調用素子
9、9a：90度偏光方向回転ローテーター
10、10a、10b レーザ装置
15 他の波長変換結晶としての第４高調波発生用波長変換結晶
20 他のレーザ活性媒質としてのTi：Sapphire結晶
Claims (9)
- 対を成す共振器ミラーによって構成される安定型共振器内部のレーザ光軸上に、固体レーザ活性媒質、共振器Ｑ値変調用素子、および非線形光学結晶である波長変換結晶を配置してＱパルス波長変換レーザビームを発生するレーザ装置において、上記安定型共振器を構成する上記波長変換結晶に近い側の共振器ミラーを凸面鏡としたことを特徴とするレーザ装置。
- 上記対を成す共振器ミラーを共に凸面鏡としたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
- 上記波長変換結晶は第２高調波を発生する第２高調波波長変換結晶であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
- 上記第２高調波波長変換結晶がタイプ II 位相整合の LBO （ LiB 3 O 5 ) 結晶であることを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
- 上記安定型共振器内部に偏光素子を挿入したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ装置。
- 上記Ｑパルス波長変換レーザビームの出力が５０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ装置。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ装置により発生するレーザビームを用いて加工することを特徴とするレーザ加工装置。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ装置により発生したレーザビームを他の波長変換結晶を通過させてさらに波長変換を行うことを特徴とするレーザ装置。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ装置により発生したレーザビームを他のレーザ活性媒質の励起に用いたことを特徴とするレーザ装置。
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