JP2018173523A - Wavelength conversion element and laser irradiation device - Google Patents
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Abstract
【課題】水晶を用いた波長変換素子において、水晶板の貼り合わせ枚数を抑制しつつ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させる。【解決手段】波長変換素子10−1は、複数の水晶板11を金属拡散層12で貼り合わせてなる疑似位相整合を有する。波長変換素子10−1には、第1方向に沿ってレーザ光を移行させながら、第1の主面と第2の主面との間でレーザ光を繰り返し反射させる第1プリズム13と、第1方向の両端部に配置され、第1方向の端部に到達したレーザ光を、第1の主面及び第2の主面内の第1方向と直交する方向である第2方向に沿って移行させ、かつ、レーザ光の進行方向が逆向きとなるように折り返し反射させる第2プリズム14とを備えている。波長変換素子10−1は、第1プリズム13によるレーザ光の繰り返し反射と、第2プリズム14によるレーザ光の折り返し反射とを交互に行わせ、レーザ光の進行経路を3次元空間内に形成する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To significantly improve the conversion efficiency of laser light while suppressing the number of bonded crystal plates in a wavelength conversion element using quartz. A wavelength conversion element 10-1 has pseudo-phase matching formed by bonding a plurality of crystal plates 11 with a metal diffusion layer 12. The wavelength conversion element 10-1 has a first prism 13 that repeatedly reflects the laser beam between the first main surface and the second main surface while transferring the laser light along the first direction, and a first prism 13. The laser beam, which is arranged at both ends in one direction and reaches the end in the first direction, is directed along the second direction, which is a direction orthogonal to the first direction in the first main surface and the second main surface. It is provided with a second prism 14 for shifting and folding back and reflecting the laser beam so that the traveling direction is opposite to that of the laser beam. The wavelength conversion element 10-1 alternately performs repeated reflection of the laser light by the first prism 13 and folded reflection of the laser light by the second prism 14, and forms a traveling path of the laser light in the three-dimensional space. .. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、入射光の波長を短波長に変換して出射する波長変換素子と、この波長変換素子を用いたレーザ照射装置に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion element that converts the wavelength of incident light into a short wavelength and emits it, and a laser irradiation apparatus using the wavelength conversion element.
近年、製造加工や医療等の分野でレーザ照射装置が多用されている。これらの分野では、より微細な加工を行うためには波長の短いレーザが必要であり、紫外域における高出力なものとしてはエキシマレーザが実用化されている。しかしながら、希ガスレーザであるエキシマレーザは、安定性および安全性の面から煩雑なメンテナンスが必要となる。また、エキシマレーザは、装置が大型であるといった課題もある。このため、安定・安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置が望まれる。 In recent years, laser irradiation apparatuses are frequently used in fields such as manufacturing and medical treatment. In these fields, a laser with a short wavelength is necessary to perform finer processing, and an excimer laser has been put to practical use as a high output in the ultraviolet region. However, an excimer laser, which is a rare gas laser, requires complicated maintenance in terms of stability and safety. In addition, the excimer laser has a problem that the apparatus is large. For this reason, a laser irradiation apparatus which is excellent in stability and safety and can be miniaturized is desired.
安定・安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置を得るには、固体のレーザ発振素子(例えばYAGレーザ)を用いることが好ましいが、200nm以下の波長域では、固体のレーザ発振素子自体が存在しない。しかしながら、波長変換素子を用いれば、レーザ発振素子から出射されるレーザ光(基本波)の波長を変換し、より短波長のレーザ光を得ることが可能となる。一般的には、YAGレーザから出射された基本波(1064nm:赤外光)を波長変換素子に透過させ、第2高調波(532nm:緑色光)に変換して出力するレーザ照射装置が知られている。 In order to obtain a laser irradiation apparatus that is excellent in stability and safety and can be miniaturized, it is preferable to use a solid laser oscillation element (for example, a YAG laser). However, in a wavelength region of 200 nm or less, the solid laser oscillation element itself is used. not exist. However, if a wavelength conversion element is used, it becomes possible to convert the wavelength of the laser beam (fundamental wave) emitted from the laser oscillation element and obtain a laser beam with a shorter wavelength. In general, there is known a laser irradiation apparatus that transmits a fundamental wave (1064 nm: infrared light) emitted from a YAG laser through a wavelength conversion element, converts the fundamental wave into a second harmonic (532 nm: green light), and outputs the second harmonic wave (532 nm: green light). ing.
レーザ光の波長を変換するために用いられる波長変換素子には非線形光学特性を有する結晶(非線形結晶)が用いられ、一般的な非線形結晶材料としては、LT(LiTaO3)、LN(LiNbO3)、LBO(LiB3O5)、KTP(KTiOPO4)、CLBO(CsLiB6O10)等が挙げられる。 A crystal having nonlinear optical characteristics (nonlinear crystal) is used for a wavelength conversion element used for converting the wavelength of laser light, and LT (LiTaO 3 ), LN (LiNbO 3 ) are generally used as nonlinear crystal materials. , LBO (LiB 3 O 5 ), KTP (KTiOPO 4 ), CLBO (CsLiB 6 O 10 ) and the like.
しかしながら、これらの非線形結晶材料を用いた波長変換素子には以下のような課題がある。
・LTは、260nm以下の波長のレーザに対し、レーザ透過時の吸収量が多く、また、レーザを照射した際の損傷が激しい。
・LN、LBOは、レーザを照射した際の損傷が激しく、また、300nm以下の波長への変換が困難である。
・KTPは、300nm以下の波長への変換が困難である。
・CLBO、LBOは、潮解性を有するため、湿度対策が必要となる。
・その他の非線形結晶材料の多くも、レーザに対する損傷に弱い、潮解性を有する、変換できる波長域に制限がある(波長の透過域が狭い)等の問題を有している。
However, wavelength conversion elements using these nonlinear crystal materials have the following problems.
-LT has a large amount of absorption during laser transmission with respect to a laser having a wavelength of 260 nm or less, and is severely damaged when irradiated with a laser.
-LN and LBO are severely damaged when irradiated with a laser, and are difficult to convert to a wavelength of 300 nm or less.
-KTP is difficult to convert to a wavelength of 300 nm or less.
-CLBO and LBO have deliquescent properties, so it is necessary to take measures against humidity.
Many other nonlinear crystal materials have problems such as weakness to damage to the laser, deliquescent properties, and limited wavelength range for conversion (a narrow wavelength transmission range).
一方、特許文献1,2には、非線形結晶材料として水晶を用いた波長変換素子が開示されている。水晶は、上述の波長変換素子に比べ、
・レーザ耐性が高い(損傷しにくい)、
・潮解性が無い、
・短波長の透過域が広い、
・熱耐久性が高い、
・安価、メンテナンスフリー、小型化が容易、
といった多くのメリットを有している。
On the other hand,
・ High laser resistance (hard to damage),
・ There is no deliquescence,
-Wide transmission range of short wavelength,
・ High heat durability
・ Inexpensive, maintenance-free, easy to downsize,
Has many merits.
非線形結晶材料としての水晶は、上述した多くのメリットを有している一方、変換効率が低いといったデメリットも有している(例えば、LTと比較すると変換効率は1/100程度)。 Quartz as a nonlinear crystal material has many merits described above, but also has a demerit that conversion efficiency is low (for example, conversion efficiency is about 1/100 compared with LT).
ここで、水晶を用いて波長変換素子を作製するには、分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を形成する。具体的には、図12に示すように、波長変換素子100は、複数の水晶板(x板)110を、結晶の分極が周期的に反転するように積層した(貼り合わせた)構造とすることが考えられる。波長変換素子100に、レーザ光源(レーザ発振素子)200からの基本波L1を照射すると、その透過光において第2高調波(波長が基本波の1/2)L2が得られる。尚、波長変換素子100における分極反転周期Λは、基本波L1の波長に応じて設定される。
Here, in order to produce a wavelength conversion element using quartz, quasi-phase matching formed with a domain-inverted structure is formed. Specifically, as shown in FIG. 12, the
水晶板による疑似位相整合を用いた波長変換素子では、水晶板の積層数(貼り合わせ枚数)を増加し、レーザ光が透過する水晶板の枚数を増加することで、波長変換素子としての変換効率を増加させることができる。但し、水晶を用いた波長変換素子では、実用レベルの変換効率を得るには数千オーダーの積層数が必要とされる。このように、水晶板の貼り合わせ枚数を単に増加させる構成では、波長変換素子が大型化するといった問題がある。 In wavelength conversion elements using quasi-phase matching by quartz plates, the number of quartz plates stacked (number of bonded substrates) is increased, and the number of quartz plates through which laser light is transmitted increases, so that the conversion efficiency as a wavelength conversion device Can be increased. However, a wavelength conversion element using quartz requires a number of layers on the order of several thousand to obtain a practical conversion efficiency. Thus, in the configuration in which the number of bonded quartz plates is simply increased, there is a problem that the wavelength conversion element is enlarged.
特許文献2では、水晶板の積層体の一方の主面に反射膜を、他方の主面に透過・反射膜(ダイクロイックミラー)を設け、上記積層体に入射されたレーザ光を、反射膜と透過・反射膜との間で繰り返し反射(多重反射)させる構成が開示されている。このような多重反射構造により、上記積層体における水晶板の積層数を抑制しながら、変換効率を向上させることができる。
In
しかしながら、特許文献2の構成では、レーザ光の反射を水晶板の主面内の一方向(反射方向)に沿って行うものとなっている。このため、波長変換素子に使用する水晶板の主面は、上記反射方向にのみサイズが大きくなる。
However, in the configuration of
また、水晶を用いた波長変換素子は、水晶ウェハを所定サイズにカットしてなる水晶板を貼り合わせて作成されるものであり、その水晶板の主面サイズは、当然ながら元の水晶ウェハのサイズに制限を受ける。そのため、水晶板の一方向(反射方向)に沿って反射の繰り返し回数を大幅に増やすことは困難であり、変換効率の向上にも水晶ウェハのサイズによる制限が生じる。 In addition, the wavelength conversion element using quartz is produced by bonding together a quartz plate obtained by cutting a quartz wafer into a predetermined size, and the principal surface size of the quartz plate is naturally the size of the original quartz wafer. Limited by size. For this reason, it is difficult to significantly increase the number of repetitions of reflection along one direction (reflection direction) of the quartz plate, and improvement in conversion efficiency is also limited by the size of the quartz wafer.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、水晶を用いた波長変換素子において、水晶板の貼り合わせ枚数を抑制しつつ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to greatly improve the conversion efficiency of laser light while suppressing the number of bonded quartz plates in a wavelength conversion element using crystal. .
上記の課題を解決するために、本発明は、非線形光学特性を有する結晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する波長変換素子であって、前記結晶には水晶が用いられ、複数の水晶板を貼り合わせた構造とされており、前記波長変換素子の第1の主面及び第2の主面内の第1方向に沿ってレーザ光を反射させながら移行させ、前記第1の主面と前記第2の主面との間でレーザ光を繰り返し反射させる第1反射手段と、前記波長変換素子の前記第1方向の両端部に配置され、前記第1方向の端部に到達したレーザ光を、前記第1の主面及び前記第2の主面内の前記第1方向と直交する方向である第2方向に沿って反射させながら移行させる第2反射手段とを、備えており、前記第1反射手段によるレーザ光の繰り返し反射と、前記第2反射手段によるレーザ光の反射とを交互に行わせることによって、レーザ光の進行経路を3次元空間内に形成可能であることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a wavelength conversion element having a quasi-phase matching in which a domain-inverted structure is formed by a crystal having nonlinear optical characteristics. The quartz crystal plate is bonded, and the laser beam is reflected while being shifted along the first direction in the first main surface and the second main surface of the wavelength conversion element, and the first First reflection means for repeatedly reflecting laser light between the main surface and the second main surface, and disposed at both ends in the first direction of the wavelength conversion element, reaching the end in the first direction And a second reflecting means for causing the laser beam to move while being reflected along a second direction which is a direction perpendicular to the first direction in the first main surface and the second main surface. Repetitively reflecting laser light by the first reflecting means; By causing the serial and reflection of the laser light by the second reflection means alternately, and characterized in that it is formed a traveling path of the laser beam in three-dimensional space.
上記の構成によれば、波長変換素子にレーザ光を入射させると、該レーザ光は第1反射手段による繰り返し反射を受けて第1方向に沿って波長変換素子内を進行する。そして、第1方向の端部に到達したレーザ光は、第2反射手段によって第2方向に沿って移行するように反射される。上記反射を繰り返すことで、レーザ光の進行経路は、(第1方向×第2方向×素子厚み方向)の空間内に形成される3次元的経路となる。 According to the above configuration, when laser light is incident on the wavelength conversion element, the laser light is repeatedly reflected by the first reflecting means and travels in the wavelength conversion element along the first direction. And the laser beam which reached | attained the edge part of a 1st direction is reflected so that it may transfer along a 2nd direction by a 2nd reflection means. By repeating the reflection, the traveling path of the laser light becomes a three-dimensional path formed in a space of (first direction × second direction × element thickness direction).
波長変換素子に用いられる水晶板は、ある程度決まった平面サイズで製造されるため、2次元的経路のみで繰り返し反射させる構成では、レーザ光の反射回数の増加(すなわち、変換効率の増加)にも限界がある。これに対し、3次元的経路による繰り返し反射構造を用いることでレーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができる。 Since the quartz plate used for the wavelength conversion element is manufactured with a plane size that is determined to some extent, the configuration in which reflection is repeatedly performed using only a two-dimensional path also increases the number of reflections of laser light (that is, increases in conversion efficiency). There is a limit. On the other hand, the number of reflections of laser light can be dramatically increased by using a repetitive reflection structure using a three-dimensional path, and the conversion efficiency of laser light can be greatly improved.
また、上記波長変換素子では、前記第1反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第1プリズムであり、前記複数の第1プリズムは、所定の入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させ、かつ、前記波長変換素子内において前記第1の主面側から前記第2の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第2の主面側から前記第1の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させることが可能な構成となっており、前記第2反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第2プリズムであり、前記複数の第2プリズムは、前記第1方向から入射するレーザ光を、前記波長変換素子内において前記第1の主面側から前記第2の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第2の主面側から前記第1の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させ、かつ、前記第1方向と直交する方向である第2方向に沿って反射させながら移行させることが可能な構成とすることができる。 Further, in the wavelength conversion element, the first reflecting means is a plurality of first prisms arranged on a laser beam incident surface side and an emission surface side, respectively, and the plurality of first prisms have a predetermined incident angle. The laser light is repeatedly reflected between the first principal surface side prism and the second principal surface side prism of the wavelength conversion element, and the wavelength An optical path of laser light traveling from the first main surface side to the second main surface side in the conversion element, and an optical path of laser light traveling from the second main surface side to the first main surface side. The laser beam can be reflected so as to be parallel, and the second reflecting means is a plurality of second prisms respectively disposed on the incident surface side and the emission surface side of the laser light, The plurality of second prisms from the first direction A laser beam that travels from the first main surface side to the second main surface side in the wavelength conversion element, and the first main surface side from the second main surface side. The laser beam is reflected so that the optical path of the laser beam traveling to is parallel and can be shifted while being reflected along the second direction that is orthogonal to the first direction. Can do.
上記の構成によれば、第1反射手段にプリズムを用いることで、往路のレーザ光と復路のレーザ光とを平行にすることが可能であり、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす(レーザ光の変換効率を向上させる)ことが可能となる。 According to the above configuration, by using the prism as the first reflecting means, it is possible to make the outgoing laser beam and the returning laser beam parallel to each other, and while suppressing an increase in the area of the wavelength conversion element, the reflection is performed. It is possible to increase the number of repetitions of (to improve the conversion efficiency of laser light).
また、上記波長変換素子では、前記複数の第1プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対してブリュースター角となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっており、前記複数の水晶板は、貼り合わされる全ての水晶板の重心に対する近似直線が、該波長変換素子の光入射面に対してレーザ光がブリュースター角で入射された場合の屈折光の光路と平行となるように貼り合わされている構成とすることができる。 Further, in the wavelength conversion element, when the laser beams are incident on the plurality of first prisms at an incident angle that is a Brewster angle with respect to the incident surface from a predetermined position on the incident surface of the wavelength converting element, The plurality of quartz plates are configured such that the laser light can be repeatedly reflected between the first principal surface side prism and the second principal surface side prism of the wavelength conversion element. Is attached so that the approximate straight line with respect to the center of gravity of all the quartz plates to be bonded is parallel to the optical path of the refracted light when the laser light is incident on the light incident surface of the wavelength conversion element at the Brewster angle. It can be set as the structure united.
上記の構成によれば、ブリュースター角で入射されるレーザ光に対して繰り返し反射を行うことで、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす(レーザ光の変換効率を向上させる)ことが可能となる。入射角をブリュースター角に合わせることでレーザ光の反射を抑制し、変換効率の低下も抑制できる。また、水晶板の貼り合わせ枚数が多くなり、波長変換素子の厚みが大きくなる場合であっても、各水晶板の面積を必要以上に大きくすることなく、レーザ光を波長変換素子の入射面から出射面まで透過させることができる。 According to the above configuration, by repeatedly reflecting the laser beam incident at the Brewster angle, the number of repetitions of the reflection is increased while suppressing an increase in the area of the wavelength conversion element (the conversion efficiency of the laser beam is increased). Improvement). By matching the incident angle with the Brewster angle, reflection of the laser beam can be suppressed, and a decrease in conversion efficiency can also be suppressed. Further, even when the number of quartz plates to be bonded increases and the thickness of the wavelength conversion element increases, the laser light can be transmitted from the incident surface of the wavelength conversion element without increasing the area of each quartz plate more than necessary. It can be transmitted to the exit surface.
また、上記波長変換素子では、前記複数の第1プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対して垂直となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成とすることができる。 In the wavelength conversion element, the plurality of first prisms may receive the laser beam when a laser beam is incident from a predetermined position on the incident surface of the wavelength conversion element at an incident angle perpendicular to the incident surface. The light can be repeatedly reflected between the prism on the first main surface side and the prism on the second main surface side of the wavelength conversion element.
上記の構成によれば、垂直に入射されるレーザ光に対して繰り返し反射を行うことで、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす(レーザ光の変換効率を向上させる)ことが可能となる。 According to the above configuration, the number of repetitions of reflection is increased while the increase in the area of the wavelength conversion element is suppressed by repeatedly reflecting the vertically incident laser beam (improving the laser beam conversion efficiency). ) Is possible.
また、上記波長変換素子は、貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記第1プリズムおよび第2プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、前記前記第1プリズムおよび第2プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされる構成とすることができる。 Further, the wavelength conversion element has a package for sandwiching and fixing the plurality of bonded crystal plates and the first prism and the second prism from both sides, and the first prism and the second prism. The prism may be positioned with respect to the quartz plate by the package.
上記の構成によれば、プリズムをパッケージによって固定する構造とすることで、プリズムを水晶板に対して固定(接着)することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。 According to the above configuration, the prism can be positioned without being fixed (adhered) to the crystal plate by fixing the prism with the package. Therefore, when the prism design can be changed or the prism can be downsized, the prism can be easily replaced.
また、上記波長変換素子では、前記第1反射手段は、前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第1の主面側に形成され、所定の波長を有する基準レーザ光、および前記基準レーザ光の第2高調波である変換レーザ光の両方を反射する反射膜と、前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第2の主面側に形成され、前記基準レーザ光を反射し、前記変換レーザ光を透過させる反射/透過膜とからなり、前記第2反射手段は、プリズムである構成とすることができる。 In the wavelength conversion element, the first reflecting means is formed on the first main surface side of the laser light in the wavelength conversion element, and includes a reference laser light having a predetermined wavelength, and a first laser light of the reference laser light. A reflection film that reflects both of the converted laser light that is a second harmonic and a second main surface side of the laser light in the wavelength conversion element, reflects the reference laser light, and transmits the converted laser light The second reflecting means may be a prism.
上記の構成によれば、第1反射手段に使用される反射膜および反射/透過膜は形成が容易であり、また、レーザに対して特に高精度の位置合わせも要求されない。このため、波長変換素子の構成を簡略化でき、製造コストも抑制できる。 According to the above configuration, the reflecting film and the reflecting / transmitting film used for the first reflecting means can be easily formed, and particularly high-precision alignment with the laser is not required. For this reason, the structure of a wavelength conversion element can be simplified and manufacturing cost can also be suppressed.
また、上記波長変換素子は、貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、前記プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされる構成とすることができる。 Further, the wavelength conversion element has a package for sandwiching and fixing the plurality of bonded crystal plates and the prism from both sides, and the prism is positioned with respect to the crystal plate by the package. Can be configured.
上記の構成によれば、プリズムをパッケージによって固定する構造とすることで、プリズムを水晶板に対して固定(接着)することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。 According to the above configuration, the prism can be positioned without being fixed (adhered) to the crystal plate by fixing the prism with the package. Therefore, when the prism design can be changed or the prism can be downsized, the prism can be easily replaced.
また、本発明のレーザ照射装置は、レーザ光源と波長変換素子とを有し、前記レーザ光源から発射される基準レーザ光を前記波長変換素子に透過させ、該透過によって波長変換された変換レーザ光を外部に照射するレーザ照射装置であって、前記波長変換素子は、
上記記載された波長変換素子であることを特徴としている。
The laser irradiation apparatus of the present invention has a laser light source and a wavelength conversion element, transmits a reference laser beam emitted from the laser light source to the wavelength conversion element, and converts the converted laser light by the transmission. The wavelength conversion element is a laser irradiation apparatus that irradiates to the outside,
It is the wavelength conversion element described above.
本発明の波長変換素子およびレーザ照射装置は、波長変換素子に入射させられたレーザ光の進行経路を、(第1方向×第2方向×素子厚み方向)の空間内に形成される3次元的経路とすることで、レーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができるといった効果を奏する。 In the wavelength conversion element and the laser irradiation apparatus of the present invention, the traveling path of the laser light incident on the wavelength conversion element is formed in a three-dimensional space formed in a space of (first direction × second direction × element thickness direction). By using the path, it is possible to dramatically increase the number of reflections of the laser beam and to greatly improve the conversion efficiency of the laser beam.
〔実施の形態1〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施の形態1に係る波長変換素子10−1の平面図であり、(a)は波長変換素子10−1の第1の主面における反射手段の配置を示す図であり、(b)は波長変換素子10−1の第2の主面における反射手段の配置を第1の主面側から透過して示す図である。図2は、図1の波長変換素子10−1をY2方向側から見た断面図であり、(a)は図1のA−A断面図、(b)は図1のB−B断面図、(c)は図1のC−C断面図である。図3は、図1の波長変換素子10−1をX2方向側から見た断面図であり、(a)は図1のD−D断面図、(b)は図1のE−E断面図である。尚、ここでの説明において、X方向(X1およびX2方向)およびY方向(Y1およびY2方向)は、波長変換素子10−1の主面内で互いに直交する2方向である。
[Embodiment 1]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of the wavelength conversion element 10-1 according to the first embodiment, and FIG. 1A is a diagram illustrating the arrangement of reflecting means on the first main surface of the wavelength conversion element 10-1. (B) is a figure which permeate | transmits and shows arrangement | positioning of the reflection means in the 2nd main surface of the wavelength conversion element 10-1 from the 1st main surface side. 2 is a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-1 of FIG. 1 as viewed from the Y2 direction side, where (a) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. (C) is CC sectional drawing of FIG. 3 is a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-1 of FIG. 1 as viewed from the X2 direction side, where (a) is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along the line EE of FIG. It is. In the description here, the X direction (X1 and X2 directions) and the Y direction (Y1 and Y2 directions) are two directions orthogonal to each other within the main surface of the wavelength conversion element 10-1.
波長変換素子10−1は、図1に示すように、複数の水晶板11を金属拡散層12によって貼り合わせてなる構造である。すなわち、水晶板11は、拡散接合によって貼り合わされる。また、波長変換素子10−1において、水晶板11は、図12に示すような疑似位相整合を形成するように貼り合わされている。尚、図2,3は図面の簡略化のため、水晶板11の枚数を大幅に少なくして描画しているが、実際には、数百枚程度の枚数で水晶板11が貼り合わされる。金属拡散層12による水晶板11の具体的な貼り合わせ構造については後述する。
As shown in FIG. 1, the wavelength conversion element 10-1 has a structure in which a plurality of
波長変換素子10−1は多重反射構造を有しており、そのため、第1の主面(図2,3では上面)および第2の主面(図2,3では下面)の両方に、第1反射手段である複数の第1プリズム13と、第2反射手段である複数の第2プリズム14とが配置されている。尚、本実施の形態において、プリズム(第1および第2プリズム13,14)の材質としては石英ガラス等が使用可能であり、また、プリズムの幅方向サイズは1mm以上であることが好ましい。また、波長変換素子10−1の主面のサイズは、例えば25mm×30mmである。
The wavelength conversion element 10-1 has a multiple reflection structure. Therefore, both the first main surface (upper surface in FIGS. 2 and 3) and the second main surface (lower surface in FIGS. 2 and 3) A plurality of
複数の第1プリズム13は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面の中央付近領域において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第1プリズム13は、Y方向に直交する断面が直角二等辺三角形となる三角柱プリズムであり、その長手方向はY方向である。
The plurality of
各第1プリズム13は、図2に示すように、三角柱の3つの側面のうちの一つの側面13aが、最上層および最下層の水晶板11の表面と接触するように配置されている。そして、残り2つの側面13b,13cのなす角が90°に設定されている。また、第1の主面および第2の主面のそれぞれにおいて、第1プリズム13の配置ピッチをP1とした場合、第1の主面に配置される第1プリズム13と、第2の主面に配置される第1プリズム13とは、その配列方向(X方向)にP1/2ずれて配置されている。
As shown in FIG. 2, each
複数の第2プリズム14は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第2プリズム14は、X方向に直交する断面が直角二等辺三角形となる三角柱プリズムである。第2プリズム14は、第1の主面では、第1プリズム13の配置領域のX1方向側の端部領域のみに配列されており、第2の主面では、第1プリズム13の配置領域のX2方向側の端部領域のみに配列されている。
The plurality of
各第2プリズム14は、図3に示すように、三角柱の3つの側面のうちの一つの側面14aが、最上層および最下層の水晶板11の表面と接触するように配置されている。そして、残り2つの側面14b,14cのなす角が90°に設定されている。また、第1の主面および第2の主面のそれぞれにおいて、第2プリズム14の配置ピッチをP2とした場合、第1の主面に配置される第2プリズム14と、第2の主面に配置される第2プリズム14とは、その配列方向(Y方向)にP2/2ずれて配置されている。第1プリズム13の長手方向(Y方向)の長さは、第2プリズム14の配置領域の配列方向(Y方向)の長さよりも長くされている。
As shown in FIG. 3, each of the
第1プリズム13および第2プリズム14は、水晶板11に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。
The
波長変換素子10−1では、第1の主面の所定の入射位置から所定の入射角度(図1〜図3の例では0°、すなわち垂直入射)にてレーザ光(基本波L1:図2(a),図3(a)参照)が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第1の主面において、図1に示されるA−A断面とD−D断面との交差箇所が基本波L1の入射位置とされている。尚、この入射位置には第1プリズム13および第2プリズム14は設けられていない。代わりに、この入射位置には反射防止膜15が設けられていることが好ましい。また、図示は省略しているが、貼り合わされる水晶板11間においても、レーザ光の透過領域に反射防止膜が設けられていることが好ましい。
In the wavelength conversion element 10-1, laser light (fundamental wave L1: FIG. 2) from a predetermined incident position on the first main surface at a predetermined incident angle (0 ° in the example of FIGS. 1 to 3, ie, vertical incident). When (a) and FIG. 3 (a)) are incident, it is designed to obtain a desired wavelength conversion effect. Specifically, on the first main surface, the intersection of the AA cross section and the DD cross section shown in FIG. 1 is the incident position of the fundamental wave L1. Note that the
上記入射位置から波長変換素子10−1に垂直入射されたレーザ光は、波長変換素子10−1の第2の主面を透過し、最初に第2の主面側に配置された第1プリズム13の一つ(図1(b),図2(a)における右端の第1プリズム13)に入射する。第1プリズム13に入射したレーザ光は、2つの側面13b,13cにおいて折り返し反射され、第2の主面から波長変換素子10−1に再び垂直入射される。この時、側面13b,13cに対するレーザ光の入射角は45°であり、レーザ光は第1プリズム13において全反射される。また、第1プリズム13による反射の前後では、第1の主面側から第2の主面側に進むレーザ光の光路(以下、往路レーザ光)と、第2の主面側から第1の主面側に進むレーザ光(以下、復路レーザ光)の光路とが平行となる。第2の主面側に配置された第1プリズム13によって折り返し反射されたレーザ光は、波長変換素子10−1の第1の主面を透過し、第1の主面側に配置された第1プリズム13の一つに入射し、同様に折り返し反射される。
The laser beam perpendicularly incident on the wavelength conversion element 10-1 from the incident position is transmitted through the second main surface of the wavelength conversion element 10-1, and is first disposed on the second main surface side first. 1 (the
第1プリズム13によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しのたびに、第1プリズム13の配列方向(X方向)に沿ってP1/2ずつ光路がずれる。そのため、図2(a)に示すように、波長変換素子10−1に入射されたレーザ光は、第1の主面側に配置された第1プリズム13と第2の主面側に配置された第1プリズム13との間で反射を繰り返しながら素子内をX2方向に進行する。尚、図2においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。
The laser beam reflected back by the
図2(a)に示されるレーザ光(図1中のA−A断面内を進行するレーザ光)は、X2方向側の最後の第1プリズム13(図1(a),図2(a)における左端の第1プリズム13)で反射を受けた後、波長変換素子10−1の第2の主面を透過し、第2の主面側に配置された第2プリズム14の一つ(図1(b)における下端,図3(b)における右端の第2プリズム14)に入射する。
The laser beam shown in FIG. 2A (the laser beam traveling in the AA cross section in FIG. 1) is the last
第2プリズム14に入射したレーザ光は、2つの側面14b,14cにおいて折り返し反射され、第2の主面から波長変換素子10−1に再び垂直入射される(図3(b)参照)。この時、側面14b,14cに対するレーザ光の入射角は45°であり、レーザ光は第2プリズム14において全反射される。また、第2プリズム14による反射の前後でも、第1の主面側から第2の主面側に進むレーザ光の光路(往路レーザ光)と、第2の主面側から第1の主面側に進むレーザ光(往路レーザ光)の光路とが平行となる。第2プリズム14によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しによって、第2プリズム14の配列方向(Y方向)に沿ってP2/2光路がずれる。
The laser light incident on the
図2(a)に示されるレーザ光は、第2プリズム14による反射によってP2/2光路がずれるため、今度は、図2(b)に示されるレーザ光(図1中のB−B断面内を進行するレーザ光)として素子中を進行する。すなわち、再び第1の主面側に配置された第1プリズム13と第2の主面側に配置された第1プリズム13との間で反射を繰り返しながら素子内をX1方向に進行する。素子内をX1方向に進行するレーザ光は、X1方向側の端部に到達すると、第1の主面側に配置された第2プリズム14によって再び反射を受ける(図3(a)参照)。
Since the P2 / 2 optical path of the laser beam shown in FIG. 2A is shifted due to reflection by the
波長変換素子10−1に入射されたレーザ光は、第1プリズム13および第2プリズム14によって繰り返し反射を受けながら素子内を進行し、最終的には図2(c)に示すように、波長変換素子10−1の第2の主面から素子外に出射される。この出射レーザ光には、基本波L1が波長変換されてなる第2高調波L2と、最後まで変換されずに残った基本波L1とが含まれるが、透過・反射板(例えばダイクロイックミラー)の使用によって第2高調波L2を基本波L1から分離し、第2高調波L2のみを波長変換波として利用できる。
The laser light incident on the wavelength conversion element 10-1 travels in the element while being repeatedly reflected by the
尚、図1〜3の例では、レーザ光を最後に折り返し反射する第1プリズム13は第1の主面側に設けられており、出射レーザ光は波長変換素子10−1の第2の主面から出射されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ光を最後に折り返し反射する第1プリズム13が第2の主面側に設けられ、出射レーザ光が第1の主面から出射される構成であってもよい。尚、この場合には、X2方向側に設けられる第2プリズム14は、第2の主面側ではなく、第1の主面側に設けられる。
In the example of FIGS. 1 to 3, the
このように、第1プリズム13および第2プリズム14を用いて多重反射構造を行う波長変換素子10−1は、各水晶板11に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板11の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。
As described above, the wavelength conversion element 10-1 that performs the multiple reflection structure using the
また、波長変換素子10−1にレーザ光を入射させると、該レーザ光は第1プリズム13による繰り返し反射を受けてX方向(第1方向)に沿って素子内を進行する。そして、X方向の端部に到達したレーザ光は、第2プリズム14によってY方向(第2方向)に沿って移行されつつ、X方向に逆向きで折り返し反射される。上記反射を繰り返すことで、レーザ光の進行経路は、(X方向×Y方向×素子厚み方向)の空間内に形成される3次元的経路となる。
When laser light is incident on the wavelength conversion element 10-1, the laser light is repeatedly reflected by the
波長変換素子10−1に用いられる水晶板11は、ある程度決まった平面サイズ(例えば25mm×30mm)で製造されるため、2次元的経路のみで繰り返し反射させる構成では、レーザ光の反射回数の増加(すなわち、変換効率の増加)にも限界がある。これに対し、3次元的経路による繰り返し反射構造を用いることでレーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができる。
Since the
また、波長変換素子10−1では、レーザ光の反射手段として第1プリズム13および第2プリズム14を用いることにより、第1の主面から第2の主面に向かうレーザ光(往路レーザ光)と、第2の主面から第1の主面に向かうレーザ光(復路レーザ光)とが平行となるように反射を行うことができる。これにより、水晶板11の貼り合わせ枚数を多くしても反射回数が減ることはなく、より小さな面積内でより多数の繰り返し反射を行うことができ、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす(レーザ光の変換効率を向上させる)ことが可能となる。
Further, in the wavelength conversion element 10-1, the
尚、波長変換素子10−1は、多重反射されながら素子内を進行するレーザ光の透過領域を確保するため、その有効面積は多重反射構造を用いない波長変換素子に比べて大面積化することが要求される。言い換えれば、反射の繰り返し回数をより増やすためには大面積に作成された水晶板11を用いることが必要となる。
The wavelength conversion element 10-1 has a larger effective area than a wavelength conversion element that does not use a multiple reflection structure, in order to secure a transmission region for laser light that travels in the element while being multiple reflected. Is required. In other words, it is necessary to use the
水晶は、従来の波長変換素子で用いられている他の非線形結晶(LT,LN等)に比べ、大面積に作成することが比較的容易である。非線形結晶に水晶を用いた場合、多重反射構造を用いた波長変換素子10−1も作成しやすく、このことも波長変換素子に水晶を用いることのメリットであると言える。 Quartz is relatively easy to make in a large area compared to other nonlinear crystals (LT, LN, etc.) used in conventional wavelength conversion elements. When quartz is used for the nonlinear crystal, it is easy to create a wavelength conversion element 10-1 using a multiple reflection structure, which can be said to be an advantage of using quartz for the wavelength conversion element.
続いて、金属拡散層12による水晶板11の具体的な貼り合わせ構造について図4を参照して説明する。図4は、波長変換素子10−1における金属拡散層12の配置パターンの一例を示す。但し、波長変換素子10−1において、金属拡散層12による水晶板11の貼り合わせは必須の構成ではなく、水晶板11同士を直接接合するものであってもよい。
Next, a specific bonding structure of the
金属拡散層12は、図4に示すように、水晶板11の主面(貼り合わせ面)に対して全面に形成されるものではなく、一部の領域に形成される。すなわち、水晶板11の主面には金属拡散層12の存在しない領域(開口領域)が設けられる。また、金属拡散層12は主に水晶板11の主面の外周部に形成され、水晶板11の内部領域の殆どは金属拡散層12の存在しない開口領域とされることが好ましい。
As shown in FIG. 4, the
水晶板を用いた波長変換素子において、水晶板の貼り合わせを接着層や金属拡散層を用いて水晶板の主面全体で行った場合、波長変換素子を透過するレーザ光は水晶板だけでなく接着層や金属拡散層をも透過する必要がある。そして、レーザ光が接着層や金属拡散層を透過する際の吸収や、接着層または金属拡散層と水晶板との界面での反射等により、レーザ光の透過率が低下する。接着剤を用いる方法では、水晶板間のギャップ制御が難しい、レーザ光の波長によっては透過率が大きく低下する等の問題がある。このレーザ光の低下は、特にUV硬化型の接着剤を用いた場合には顕著である。 In a wavelength conversion element using a crystal plate, when the crystal plate is bonded to the entire main surface of the crystal plate using an adhesive layer or a metal diffusion layer, the laser beam that passes through the wavelength conversion element is not limited to the crystal plate. It is also necessary to pass through the adhesive layer and the metal diffusion layer. Then, the transmittance of the laser light decreases due to absorption when the laser light passes through the adhesive layer or the metal diffusion layer, reflection at the interface between the adhesive layer or the metal diffusion layer and the crystal plate, or the like. In the method using an adhesive, there are problems that it is difficult to control the gap between the quartz plates, and the transmittance is greatly lowered depending on the wavelength of the laser beam. This decrease in laser light is particularly noticeable when a UV curable adhesive is used.
これに対し、本実施の形態1に係る波長変換素子10−1では、水晶板11は金属拡散層12によって貼り合わされ、しかも、水晶板11の主面には金属拡散層12の存在しない領域(開口領域)が設けられる。このため、波長変換素子10−1において、金属拡散層12の存在しない開口領域をレーザ透過領域として使用することで、金属拡散層12による吸収や反射を無くし、波長変換素子10−1に対してレーザ光を効率よく透過させることができる。
On the other hand, in the wavelength conversion element 10-1 according to the first embodiment, the
また、金属拡散層12は、主に水晶板11の主面の外周部に形成され、水晶板11の内部領域の殆どは金属拡散層12の存在しない開口領域とされる。これにより、波長変換素子10−1の内部領域をレーザ透過領域として使用しやすくなる。また、水晶板11の外周部で貼り合わせを行うことで、波長変換素子10−1の機械的強度も確保しやすくなるといった効果もある。
The
波長変換素子10−1では、水晶板11の貼り合わせを金属拡散層12による拡散接合によって行うことで、接着剤を用いた貼り合わせを行う場合に比べて以下のような利点もある。すなわち、接着剤を用いた貼り合わせでは、接着剤の存在しない開口領域を形成するために水晶板の一部領域に接着剤を塗布しても、貼り合わせ時の加圧によって接着剤が塗布領域以上に拡がり、設計通りの開口領域を得ることが困難となる。拡散接合では、金属拡散層が不所望に拡がることはなく、設計通りの開口領域を得ることが容易である。
In the wavelength conversion element 10-1, the
金属拡散層12による拡散接合は、例えば、以下の工程にて実施される。
Diffusion bonding using the
まず、接合される2枚の水晶板11には、それぞれの接合面において下地膜および接合膜が形成される。下地膜は、水晶板11の平坦平滑面(鏡面加工)に下地金属(TiやNi等)を物理的気相成長させて形成される。接合膜は、下地膜上にAuやPt等の拡散接合可能な金属を物理的気相成長させて積層形成される。
First, a base film and a bonding film are formed on the bonded surfaces of the two
こうして、下地膜および接合膜が形成された2枚の水晶板11を重ね合せると、接合膜同士が拡散接合され、2枚の水晶板11同士が貼り合わされる。この場合、下地膜および接合膜が金属拡散層12となる。接合膜の厚みは、40nm〜1μmの範囲とすることが好ましく、水晶板11同士を密着させるためには、40nm〜500nmの範囲とすることがさらに好ましい。そして、金属拡散層12の厚みは、80nm〜2μmの範囲とすることが好ましく、80nm〜1000nmの範囲とすることがさらに好ましい。金属拡散層12の厚みを80nm以上とすることで、金属の柔軟性により水晶板11に反りがあっても、この反りを吸収することができ、積層数を多くすることができる。また、接合面に異物等があっても柔軟に接合することが可能となる。また、金属拡散層12の厚みを1000nm以下とすることで、金属膜の膜応力による水晶板11の反りを少なくすることができ、貼り合わせの積層数を多くすることが可能となる。
Thus, when the two
また、図4に示す金属拡散層12は水晶板11の外周全体を囲むようには形成されておらず、貼り合わされた水晶板11の内部領域(ギャップ空間)を外部と通気させるための通気部12aが設けられている。これは、通気部12aを設けることで水晶板11間に密封空間を形成しない構造とし、該密封空間に水分が封入されることを防止するためである。水晶板11間に水分が封入された密封空間が存在すると、温度によっては結露が発生する恐れがあり、この結露にレーザ光が当たると不所望な屈折が生じて、透過レーザにおけるエネルギ損失が生じる。また、貼り合せ面の外周部に開口部(通気部12a)を設けることで、貼り合せ面の応力を緩和することが可能となり、積層数を多くした場合の素子の変形を防止することが可能となる。
Further, the
また、水晶板11のギャップ空間での結露を防止する方法としては、貼り合わされた水晶板11のギャップ空間を、真空もしくは窒素等の不活性ガスが充填された密閉空間とする方法もある。このようにすれば、該密封空間に水分が封入されることは無く、結露を防止することができる。
Further, as a method for preventing condensation in the gap space of the
〔実施の形態2〕
実施の形態1で示した波長変換素子10−1のように、複数の水晶板11を金属拡散層12によって貼り合わせ、かつ、金属拡散層12の存在しない開口領域を設ける構造では、この開口領域において、貼り合わされる水晶板11の間にギャップ空間が形成される。このギャップ空間内の媒質(ギャップ内媒質)と水晶板11との屈折率が異なる場合、ギャップ内媒質と水晶板11との界面で反射が生じ、この反射によって透過レーザにおけるエネルギ損失が生じる可能性がある。
[Embodiment 2]
As in the wavelength conversion element 10-1 shown in the first embodiment, in a structure in which a plurality of
上記反射を防止する有効な手段としては、波長変換素子に入射されるレーザ光の入射角(水晶板11の主面に対する入射角)をブリュースター角とすることが考えられる。このように、波長変換素子にブリュースター角でレーザ光を入射させることで、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。 As an effective means for preventing the reflection, it is conceivable that the incident angle of the laser light incident on the wavelength conversion element (incident angle with respect to the main surface of the quartz plate 11) is the Brewster angle. As described above, by causing the laser beam to be incident on the wavelength conversion element at the Brewster angle, energy loss due to reflection can be significantly suppressed.
図5,図6は、レーザ光の入射角をブリュースター角とする場合に対応する波長変換素子10−2の平面図および断面図である。図5は、本実施の形態2に係る波長変換素子10−2の平面図であり、(a)は波長変換素子10−2の第1の主面における反射手段の配置を示す図であり、(b)は波長変換素子10−2の第2の主面における反射手段の配置を第1の主面側から透過して示す図である。図6は、図5の波長変換素子10−2をY2方向側から見た断面図であり、(a)は図5のA−A断面図、(b)は図5のB−B断面図、(c)は図5のC−C断面図である。尚、ここでの説明において、X方向(X1およびX2方向)およびY方向(Y1およびY2方向)は、波長変換素子10−2の主面内で互いに直交する2方向である。 5 and 6 are a plan view and a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-2 corresponding to the case where the incident angle of the laser light is set to the Brewster angle. FIG. 5 is a plan view of the wavelength conversion element 10-2 according to the second embodiment, and FIG. 5A is a diagram illustrating the arrangement of the reflecting means on the first main surface of the wavelength conversion element 10-2. (B) is a figure which permeate | transmits and shows the arrangement | positioning of the reflection means in the 2nd main surface of the wavelength conversion element 10-2 from the 1st main surface side. 6 is a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-2 in FIG. 5 as viewed from the Y2 direction side, where (a) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 5 and (b) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. (C) is CC sectional drawing of FIG. In the description here, the X direction (X1 and X2 directions) and the Y direction (Y1 and Y2 directions) are two directions orthogonal to each other within the main surface of the wavelength conversion element 10-2.
波長変換素子10−2は多重反射構造を有しており、そのため、第1の主面(図6では上面)および第2の主面(図6では下面)の両方に、第1反射手段である複数の第1プリズム16と、第2反射手段である複数の第2プリズム17とが配置されている。
The wavelength conversion element 10-2 has a multiple reflection structure. Therefore, both the first main surface (upper surface in FIG. 6) and the second main surface (lower surface in FIG. 6) are provided with the first reflecting means. A plurality of
複数の第1プリズム16は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面の中央付近領域において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第1プリズム16は、Y方向に直交する断面が四角形となる四角柱プリズムであり、その長手方向はY方向である。
The plurality of
各第1プリズム16は、図6に示すように、四角柱の4つの側面のうちの一つの側面16aが、最上層および最下層の水晶板11の表面と接触するように配置されている。そして、レーザ光の反射面として利用される2つの側面16b,16cのなす角は90°に設定されている。
As shown in FIG. 6, each
複数の第2プリズム17は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。第2プリズム17は、第1の主面では、第1プリズム16の配置領域のX1方向側の端部領域のみに配列されており、第2の主面では、第1プリズム16の配置領域のX2方向側の端部領域のみに配列されている。
The plurality of
各第2プリズム17は、図6に示すように、一つの側面17aが、最上層および最下層の水晶板11の表面と接触するように配置されている。そして、レーザ光の反射面として利用される2つの側面17b,17cのなす角が90°に設定されている。
As shown in FIG. 6, each
第1プリズム16および第2プリズム17は、水晶板11に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。
The
図5,6に示す波長変換素子10−2では、第1の主面の所定の入射位置から入射角α(図6(a)参照)がブリュースター角であるレーザ光(基本波L1)が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第1の主面において、図5に示されるA−A断面の右端側に基本波L1の入射位置が設けられている。尚、この入射位置には第1プリズム16および第2プリズム17は設けられていない。また、入射角αをブリュースター角とすることで、上記入射位置において反射防止膜も必要とせず、水晶板11間における反射防止膜も必要としない。
In the wavelength conversion element 10-2 shown in FIGS. 5 and 6, the laser light (fundamental wave L1) whose incident angle α (see FIG. 6A) is a Brewster angle from a predetermined incident position on the first main surface. It is designed to obtain a desired wavelength conversion effect when it is incident. Specifically, on the first main surface, the incident position of the fundamental wave L1 is provided on the right end side of the AA cross section shown in FIG. Note that the
上記入射位置から波長変換素子10−2にブリュースター角で入射されたレーザ光は、波長変換素子10−2の第2の主面を透過し、第2の主面側に配置された第1プリズム16の一つ(図6では、右端の第1プリズム16)に入射する。第1プリズム16に入射したレーザ光は、2つの側面16b,16cにおいて折り返し反射され、第2の主面から波長変換素子10−2に再びブリュースター角で入射される。この時、側面16b,16cに対するレーザ光の入射角は45°であり、レーザ光は第1プリズム16において全反射される。また、第1プリズム16による反射の前後では、第1の主面側から第2の主面側に進むレーザ光の光路(往路レーザ光)と、第2の主面側から第1の主面側に進むレーザ光(復路レーザ光)の光路とが平行となる。第2の主面側に配置された第1プリズム16によって折り返し反射されたレーザ光は、波長変換素子10−2の第1の主面を透過し、第1の主面側に配置された第1プリズム16の一つに入射し、同様に折り返し反射される。
The laser light incident on the wavelength conversion element 10-2 at the Brewster angle from the incident position passes through the second main surface of the wavelength conversion element 10-2 and is arranged on the second main surface side. The light enters one of the prisms 16 (the
第1プリズム16によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しのたびに、第1プリズム16の配列方向(X方向)に沿って所定ピッチずつ光路がずれる。具体的には、第1の主面および第2の主面のそれぞれにおける第1プリズム16の配置ピッチをP1とした場合、折り返し反射されるレーザ光はP1/2ずつ光路がずれる。そのため、図6(a)に示すように、波長変換素子10−2に入射されたレーザ光は、第1の主面側に配置された第1プリズム16と第2の主面側に配置された第1プリズム16との間で反射を繰り返しながら素子内をX2方向に進行する。尚、図6においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。
The laser beam reflected and reflected by the
図6(a)に示されるレーザ光(図5中のA−A断面内を進行するレーザ光)は、X2方向側の最後の第1プリズム16(図5(a),図6(a)における左端の第1プリズム16)で反射を受けた後、波長変換素子10−2の第2の主面を透過し、第2の主面側に配置された第2プリズム17の一つ(図1(b)における下端,図3(b)における右端の第2プリズム17)に入射する。
The laser light shown in FIG. 6A (laser light traveling in the AA cross section in FIG. 5) is the last
第2プリズム17に入射したレーザ光は、2つの側面17b,17cにおいて折り返し反射され、第2の主面から波長変換素子10−2に再びブリュースター角で入射される(図6(b)参照)。この時、側面17b,17cに対するレーザ光の入射角は45°であり、レーザ光は第2プリズム17において全反射される。また、第2プリズム17による反射の前後でも、第1の主面側から第2の主面側に進むレーザ光の光路(往路レーザ光)と、第2の主面側から第1の主面側に進むレーザ光(往路レーザ光)の光路とが平行となる。第2プリズム17によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しによって、第2プリズム17の配列方向(Y方向)に沿って所定ピッチずつ光路がずれる。具体的には、第1の主面および第2の主面のそれぞれにおける第2プリズム17の配置ピッチをP2とした場合、折り返し反射されるレーザ光はP2/2ずつ光路がずれる。
The laser light incident on the
図6(a)に示されるレーザ光は、第2プリズム17による反射によってP2/2光路がずれるため、今度は、図6(b)に示されるレーザ光(図5中のB−B断面内を進行するレーザ光)として素子中を進行する。すなわち、再び第1の主面側に配置された第1プリズム16と第2の主面側に配置された第1プリズム16との間で反射を繰り返しながら素子内をX1方向に進行する。素子内をX1方向に進行するレーザ光は、X1方向側の端部に到達すると、第1の主面側に配置された第2プリズム17によって再び反射を受ける。
Since the P2 / 2 optical path of the laser light shown in FIG. 6A is shifted by reflection by the
波長変換素子10−2に入射されたレーザ光は、第1プリズム16および第2プリズム17によって繰り返し反射を受けながら素子内を進行し、最終的には図6(c)に示すように、波長変換素子10−2の第2の主面から素子外に出射される。この出射レーザ光には、基本波L1が波長変換されてなる第2高調波L2と、最後まで変換されずに残った基本波L1とが含まれるが、透過・反射板(例えばダイクロイックミラー)の使用によって第2高調波L2を基本波L1から分離し、第2高調波L2のみを波長変換波として利用できる。
The laser light incident on the wavelength conversion element 10-2 travels inside the element while being repeatedly reflected by the
このように、第1プリズム16および第2プリズム17を用いて多重反射構造を行う波長変換素子10−2は、各水晶板11に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板11の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。また、波長変換素子10−2でも、四角柱形状である第1プリズム16を用いることにより、第1の主面から第2の主面に向かうレーザ光(以下、往路レーザ光)と、第2の主面から第1の主面に向かうレーザ光(以下、復路レーザ光)とが平行となるように反射を行うことができる。これにより、より小さな面積内でより多数の繰り返し反射を行うことができ、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす(レーザ光の変換効率を向上させる)ことが可能となる。
As described above, the wavelength conversion element 10-2 that performs the multiple reflection structure using the
尚、波長変換素子10−2のように、レーザ光を水晶板11の主面に対して垂直でなく斜めに入射する場合、図6に示すように、レーザの入射角に合わせて水晶板11を斜めにずらした貼り合わせとしてもよい。ここでの「斜めにずらした貼り合わせ」とは、全ての水晶板11が同一形状かつ同一寸法であり、貼り合わされる全ての水晶板11の重心に対する近似直線が、水晶板11の主面に対して斜めに傾くような貼り合わせ構造を意味する。また、上記近似直線は、入射されるレーザ光の入射角αをブリュースター角とした場合に、水晶板11中を進行する屈折光の光路と平行となるように設定されることが好ましい。
When the laser light is incident on the main surface of the
このように、レーザの入射角に合わせて水晶板11を斜めにずらした貼り合わせとすることにより、各水晶板11の面積を低減することができ、波長変換素子10−2の小型化および軽量化に寄与する。また、本形態では、同じ形状で同じ面積の水晶板11を用いることで、加工が容易になり材料効率も高まるため、コストダウンにも有効である。
As described above, by bonding the
〔実施の形態3〕
実施の形態1,2で示した波長変換素子10−1,10−2は、第1反射手段として第1プリズム13,16を用いた構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第1反射手段として反射膜(透過・反射膜を含む)を用いることも可能である。
[Embodiment 3]
The wavelength conversion elements 10-1 and 10-2 shown in the first and second embodiments exemplify a configuration using the
図7,図8は、第1反射手段として反射膜を用いた波長変換素子10−3の平面図および断面図である。図7は、本実施の形態3に係る波長変換素子10−3の平面図であり、(a)は波長変換素子10−3の第1の主面における反射手段の配置を示す図であり、(b)は波長変換素子10−3の第2の主面における反射手段の配置を第1の主面側から透過して示す図である。図8は、図7の波長変換素子10−3をY2方向側から見た断面図であり、(a)は図7のA−A断面図、(b)は図7のB−B断面図、(c)は図7のC−C断面図である。尚、ここでの説明において、X方向(X1およびX2方向)およびY方向(Y1およびY2方向)は、波長変換素子10−3の主面内で互いに直交する2方向である。 7 and 8 are a plan view and a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-3 using a reflective film as the first reflecting means. FIG. 7 is a plan view of the wavelength conversion element 10-3 according to the third embodiment. FIG. 7A is a diagram illustrating the arrangement of the reflecting means on the first main surface of the wavelength conversion element 10-3. (B) is a figure which permeate | transmits and shows the arrangement | positioning of the reflection means in the 2nd main surface of the wavelength conversion element 10-3 from the 1st main surface side. 8 is a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-3 in FIG. 7 as viewed from the Y2 direction side, where (a) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and (b) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. (C) is CC sectional drawing of FIG. In the description here, the X direction (X1 and X2 directions) and the Y direction (Y1 and Y2 directions) are two directions orthogonal to each other within the main surface of the wavelength conversion element 10-3.
波長変換素子10−3は多重反射構造を有しており、そのため、第1の主面(図8では上面)には、第1反射手段の一部である反射膜18と、第2反射手段である複数の第2プリズム17とが配置されている。第2の主面(図8では下面)には、第1反射手段の一部である透過・反射膜19と、第2反射手段である複数の第2プリズム17とが配置されている。
The wavelength conversion element 10-3 has a multiple reflection structure. Therefore, on the first main surface (upper surface in FIG. 8), the
反射膜18は、第1の主面の中央領域に広範囲に成膜され、基本波(基準レーザ光)L1と、第2高調波(基本波が波長変換素子を通過する過程で波長変換されて発生する変換波:変換レーザ光)L2との両方を反射する特性を有する。また、透過・反射膜19は、第2の主面の中央領域に広範囲に成膜され、基本波L1を反射し、第2高調波L2を透過する特性を有する。
The
反射膜18は、基本波L1と第2高調波L2との両方に対して高い反射率(例えば、反射率99%以上)を有することが好ましい。反射膜18の材質は特に限定されるものではなく、金属反射膜等も使用可能であるが、上記のような高い反射率を実現するには誘電体多層膜を用いることが好ましい。
The
また、透過・反射膜19は、基本波L1に対して高い反射率(例えば、反射率99%以上)を有し、第2高調波L2に対して高い透過率(例えば、透過率99%以上)を有することが好ましい。上記のような光学特性を実現するには、透過・反射膜19には誘電体多層膜を用いることが好ましい。
The transmission /
複数の第2プリズム17は、実施の形態2における波長変換素子10−2と同様の構成とすることができる。第2プリズム17は、第1の主面では、反射膜18の形成領域のX1方向側の端部領域のみに配列されており、第2の主面では、透過・反射膜19の形成領域のX2方向側の端部領域のみに配列されている。
The plurality of
図7,8に示す波長変換素子10−3では、第1の主面の所定の入射位置から入射角α(図8(a)参照)がブリュースター角であるレーザ光(基本波L1)が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第1の主面において、図7に示されるA−A断面の右端側に基本波L1の入射位置が設けられている。尚、この入射位置には反射膜18および第2プリズム17は設けられていない。また、入射角αをブリュースター角とすることで、上記入射位置において反射防止膜も必要としない。
In the wavelength conversion element 10-3 shown in FIGS. 7 and 8, laser light (fundamental wave L1) having an incident angle α (see FIG. 8A) from a predetermined incident position on the first main surface is a Brewster angle. It is designed to obtain a desired wavelength conversion effect when it is incident. Specifically, on the first main surface, the incident position of the fundamental wave L1 is provided on the right end side of the AA cross section shown in FIG. Note that the reflecting
上記入射位置から波長変換素子10−3にブリュースター角で入射されたレーザ光は、反射膜18と透過・反射膜19との間で反射を繰り返しながら素子内をX2方向に進行する。尚、図8においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。
Laser light incident at a Brewster angle on the wavelength conversion element 10-3 from the incident position travels in the element in the X2 direction while being repeatedly reflected between the
図8(a)に示されるレーザ光(図7中のA−A断面内を進行するレーザ光)は、反射膜18による最後の反射を受けた後、波長変換素子10−3の第2の主面を透過し、第2の主面側に配置された第2プリズム17の一つ(図7(b)における下端,図8(a)における下端の第2プリズム17)により反射されながらY方向に移行する。こうして反射されたレーザ光は、今度は、図8(b)に示されるレーザ光(図7中のB−B断面内を進行するレーザ光)として素子中を進行する。すなわち、再び反射膜18と透過・反射膜19との間で反射を繰り返しながら素子内をX1方向に進行する。素子内をX1方向に進行するレーザ光は、X1方向側の端部に到達すると、第1の主面側に配置された第2プリズム17によって折り返し反射を受ける。
The laser light shown in FIG. 8A (laser light traveling in the AA cross section in FIG. 7) is subjected to the second reflection of the wavelength conversion element 10-3 after receiving the final reflection by the
基本波L1が水晶板11を透過する際には、基本波L1が波長変換されて第2高調波L2が発生する。波長変換素子10−3では、発生した第2高調波L2は、透過・反射膜19を透過して互いに平行な複数のレーザ光(図8(a)〜(c)のそれぞれでは、3本のレーザ光)として出射される。こうして出射される第2高調波L2は、例えば集光レンズ等によって集光することで、増幅された波長変換波として利用できる。
When the fundamental wave L1 passes through the
尚、本実施の形態3に係る波長変換素子10−3において、第2プリズム17によって折り返し反射されるレーザ光は、レーザ光をY方向に沿って移行させる光路長が、基本波L1の波長の整数倍である必要がある。これは、透過・反射膜19から複数のレーザ光として出射される第2高調波L2の位相を揃えるための条件である。透過・反射膜19から出射される第2高調波L2の位相がそろっていなければ、第2高調波L2を集光レンズによって集光しても、増幅された波長変換波として利用することはできない。
In the wavelength conversion element 10-3 according to the third embodiment, the laser light that is reflected back by the
また、波長変換素子10−3への入射後、最後まで変換されることのない基本波L1は、最終的には、最後の第2プリズム17(図7(b)における上端,図8(c)における左端の第2プリズム17)で反射された後、波長変換素子10−3の第1の主面から出射される。このため、反射膜18は、基本波L1の出射部には形成されず、この部分は開口されている。
Further, the fundamental wave L1 that is not converted to the end after being incident on the wavelength conversion element 10-3 is finally the last second prism 17 (the upper end in FIG. 7B, FIG. 8C). ) And then is emitted from the first main surface of the wavelength conversion element 10-3. For this reason, the
このように、反射膜18、透過・反射膜19および第2プリズム17を用いて多重反射構造を行う波長変換素子10−3は、各水晶板11に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板11の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。また、第1反射手段に使用される反射膜18および透過・反射膜19は、実施の形態1,2における第1プリズム13,16に比べ、形成が容易であり、また、レーザに対して特に高精度の位置合わせも要求されない。このため、波長変換素子10−3の構成を簡略化でき、製造コストも抑制できる。
As described above, the wavelength conversion element 10-3 that performs the multiple reflection structure using the
〔実施の形態4〕
実施の形態1〜3に係る波長変換素子10−1ないし10−3において、第1プリズム13,16および第2プリズム14,17は、水晶板11に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。しかしながら、このような接着によるプリズム固定方法では、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能となった場合、プリズムのみの交換が不可能であり、素子全体の交換が必要となる。
[Embodiment 4]
In the wavelength conversion elements 10-1 to 10-3 according to the first to third embodiments, the
本実施の形態4では、プリズムのみの交換を可能とする波長変換素子の構成について説明する。図9は、本実施の形態4に係る波長変換素子10−4の断面図である。 In the fourth embodiment, a configuration of a wavelength conversion element that allows replacement of only a prism will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view of the wavelength conversion element 10-4 according to the fourth embodiment.
波長変換素子10−4は、水晶板11に対して第1プリズム13および第2プリズム14を接着固定せず、図9に示すように、水晶板11を金属拡散層12で貼り合わせてなる積層体(以下、水晶板積層体)と第1プリズム13および第2プリズム14とをパッケージ20にて挟持して、これらの相対位置関係を保持する構成である。
The wavelength conversion element 10-4 is a laminate in which the
パッケージ20は、第1の主面側に配置される第1パッケージ部材201と、第2の主面側に配置される第2パッケージ部材202とから構成されている。第1パッケージ部材201および第2パッケージ部材202は、その両端にフランジ部20aを有しており、このフランジ部20aをボルト21で締結することにより、水晶板積層体、第1プリズム13および第2プリズム14を間に挟持して保持できる構成となっている。また、パッケージ20には、波長変換素子10−4におけるレーザ光の入射位置と出射位置とに対応して、レーザ入射窓(図示せず)とレーザ出射窓(図示せず)とが形成されている。
The
尚、図9に示すパッケージ20は、実施の形態1における第1プリズム13および第2プリズム14を保持する形状のものを例示しているが、パッケージ20の形状を変えれば、異なる形状のプリズムを水晶板積層体に対して位置合わせした状態で保持することも可能である。例えば、実施の形態2における第1プリズム16および第2プリズム17や、実施の形態3における第2プリズム17を保持する形状とすることもできる。
Note that the
このように、パッケージ20を用いれば、プリズムを水晶板積層体に対して固定(接着)することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。
Thus, if the
〔実施の形態5〕
本実施の形態5では、本発明が適用されたレーザ照射装置について図10,図11を参照して説明する。
[Embodiment 5]
In the fifth embodiment, a laser irradiation apparatus to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
図10は、実施の形態2に示す波長変換素子10−2を用いたレーザ照射装置50−1の概略構成を示す図である。レーザ照射装置50−1は、レーザ光源(レーザ発振素子)51からの基本波(基準レーザ光)L1を波長変換素子10−2に照射し、第2高調波(波長が基本波の1/2:変換レーザ光)L2を得る構成である。 FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a laser irradiation apparatus 50-1 using the wavelength conversion element 10-2 shown in the second embodiment. The laser irradiation apparatus 50-1 irradiates the wavelength conversion element 10-2 with the fundamental wave (reference laser light) L1 from the laser light source (laser oscillation element) 51, and the second harmonic (wavelength is 1/2 of the fundamental wave). : Conversion laser beam) L2.
図10に示すレーザ照射装置50−1において、波長変換素子10−2に入射されるレーザ光(基本波L1)は、波長変換素子10−2の入射面(第1の主面)に対し、所定の入射位置から所定の入射角度(ブリュースター角)で入射される必要がある。このため、レーザ照射装置50−1では、レーザ光源51は、波長変換素子10−2に対してレーザ光を正確に入射できるように適切に位置決めされる。尚、レーザ照射装置50−1は、レーザ光源51を高精度に位置決めするための微調整手段を有していてもよい。
In the laser irradiation apparatus 50-1 shown in FIG. 10, the laser beam (fundamental wave L1) incident on the wavelength conversion element 10-2 is relative to the incident surface (first main surface) of the wavelength conversion element 10-2. It is necessary to enter at a predetermined incident angle (Brewster angle) from a predetermined incident position. For this reason, in the laser irradiation apparatus 50-1, the
レーザ照射装置50−1においては、波長変換素子10−2から出射されるレーザ光は、基本波L1と第2高調波L2とを含んでいる。このため、レーザ照射装置50−1は、波長変換素子10−2の後段に透過・反射板(例えばダイクロイックミラー)52を設け、基本波L1と第2高調波L2とを分離して、分離した第2高調波L2のみを出力レーザ光として利用する構成とされている。尚、図10における透過・反射板52は、第2高調波L2を透過し、基本波L1を反射するものを例示しているが、これとは逆に、第2高調波L2を反射し、基本波L1を透過するものであってもよい。
In the laser irradiation apparatus 50-1, the laser beam emitted from the wavelength conversion element 10-2 includes a fundamental wave L1 and a second harmonic L2. For this reason, the laser irradiation apparatus 50-1 is provided with a transmission / reflection plate (for example, a dichroic mirror) 52 in the subsequent stage of the wavelength conversion element 10-2 to separate the fundamental wave L1 and the second harmonic L2 and separate them. Only the second harmonic L2 is used as output laser light. In addition, although the transmission /
また、レーザ照射装置50−1においては、波長変換素子10−2で繰り返し反射を受けた後に出射される第2高調波L2は、完全には重ならず、幾分拡がって出射される場合がある。このため、レーザ照射装置50−1では、波長変換素子10−2の後段に集光レンズ53が設けられていてもよい。これにより、波長変換素子10−2から出射される第2高調波L2は、集光レンズ53によって集光され、増幅された波長変換波として利用できる。尚、図10では、集光レンズ53を透過・反射板52の後段に配置した場合を例示しているが、集光レンズ53を透過・反射板52の前段に配置してもよい。
Further, in the laser irradiation apparatus 50-1, the second harmonic L2 emitted after being repeatedly reflected by the wavelength conversion element 10-2 may not be completely overlapped and may be emitted with some expansion. is there. For this reason, in the laser irradiation apparatus 50-1, the condensing
尚、図10に示すレーザ照射装置50−1において、波長変換素子10−2を、実施の形態1に示す波長変換素子10−1に代えてもよい。 In the laser irradiation apparatus 50-1 shown in FIG. 10, the wavelength conversion element 10-2 may be replaced with the wavelength conversion element 10-1 shown in the first embodiment.
図11は、実施の形態3に示す波長変換素子10−3を用いたレーザ照射装置50−2の概略構成を示す図である。レーザ照射装置50−2は、レーザ光源(レーザ発振素子)51からの基本波L1を波長変換素子10−2に照射し、第2高調波(波長が基本波の1/2)L2を得る構成である。レーザ照射装置50−2において、波長変換素子103に入射されるレーザ光(基本波L1)の入射角はブリュースター角とすることが好ましい。この場合、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。 FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a laser irradiation apparatus 50-2 using the wavelength conversion element 10-3 shown in the third embodiment. The laser irradiation apparatus 50-2 is configured to irradiate the wavelength conversion element 10-2 with the fundamental wave L1 from the laser light source (laser oscillation element) 51 to obtain the second harmonic (wavelength is ½ of the fundamental wave) L2. It is. In the laser irradiation apparatus 50-2, the incident angle of the laser light (fundamental wave L1) incident on the wavelength conversion element 103 is preferably a Brewster angle. In this case, energy loss due to reflection can be significantly suppressed.
レーザ照射装置50−2においては、波長変換素子10−3から出射される第2高調波L2は、複数のレーザ光として出射される。この時、波長変換素子10−3内の奇数列の光路から出射される第2高調波L2(例えば、図8(a),(c)における出射光)は互いに平行であり、偶数列の光路から出射される第2高調波L2(例えば、図8(b)における出射光)も互いに平行である。しかしながら、奇数列の光路から出射される第2高調波L2と、偶数列の光路から出射される第2高調波L2とは、X方向において逆向きの出射光となっている。このため、レーザ照射装置50−2は、反射板54を備えており、反射板54によって偶数列の光路から出射される第2高調波L2を反射することで、全ての第2高調波L2が平行となるようにしている。尚、反射板54は、奇数列の光路から出射される第2高調波L2を反射することで、全ての第2高調波L2を平行とするものであってもよい。
In the laser irradiation apparatus 50-2, the second harmonic L2 emitted from the wavelength conversion element 10-3 is emitted as a plurality of laser beams. At this time, the second harmonics L2 (for example, the emitted lights in FIGS. 8A and 8C) emitted from the odd-numbered optical paths in the wavelength conversion element 10-3 are parallel to each other, and the even-numbered optical paths The second harmonics L2 emitted from (for example, the emitted light in FIG. 8B) are also parallel to each other. However, the second harmonic L2 emitted from the odd-numbered optical paths and the second harmonic L2 emitted from the even-numbered optical paths are emitted in opposite directions in the X direction. For this reason, the laser irradiation apparatus 50-2 is provided with the reflecting
また、レーザ照射装置50−2では、波長変換素子10−3および反射板54の後段に集光レンズ55が配置される。集光レンズ55は、互いに平行とされた全ての第2高調波L2を集光する。すなわち、波長変換素子10−3から出射される第2高調波L2は、集光レンズ55によって集光され、増幅された波長変換波として利用できる。
Further, in the laser irradiation apparatus 50-2, a
また、図10に示すレーザ照射装置50−2において、集光レンズ55は、その光軸方向に沿って平行移動可能であり、焦点位置を調整可能な構成であってもよい。
Moreover, in the laser irradiation apparatus 50-2 shown in FIG. 10, the condensing
レーザ照射装置50−1および50−2において、レーザ光源51は固体レーザ発振素子であることが好ましく、例えばYAGレーザを用いることが好ましい。YAGレーザから照射される基本波L1の波長は1064nmであり、第2高調波L2の波長は532nmである。尚、図10,11では、使用する波長変換素子の数を一つとした場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ光の光路に沿って複数の波長変換素子を配置する構成であってもよい。
In the laser irradiation apparatuses 50-1 and 50-2, the
例えば、図10に示すレーザ照射装置50−1において、波長変換素子10−2をレーザ光の光路に沿って複数配置すれば、波長が1064nmの基本波L1を、532nm,266nm,…と順次変換することができ、最終的には紫外光域の短波長レーザ光を得ることができる。このことは、図11に示すレーザ照射装置50−2においても同様である。 For example, in the laser irradiation apparatus 50-1 shown in FIG. 10, if a plurality of wavelength conversion elements 10-2 are arranged along the optical path of the laser light, the fundamental wave L1 having a wavelength of 1064 nm is sequentially converted to 532 nm, 266 nm,. Finally, a short wavelength laser beam in the ultraviolet region can be obtained. This also applies to the laser irradiation apparatus 50-2 shown in FIG.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
10−1〜10−3 波長変換素子
11 水晶板
12 金属拡散層
12A,12B 金属パターン
13,16 第1プリズム
14,17 第2プリズム
15 反射防止膜
18 反射膜
19 透過・反射膜
20 パッケージ
201 第1パッケージ部材
202 第2パッケージ部材
50−1,50−2 レーザ照射装置
51 レーザ光源
52 透過・反射板
53 集光レンズ
54 反射板
55 集光レンズ
L1 基本波(基準レーザ光)
L2 第2高調波(変換レーザ光)
10-1 to 10-3
L2 Second harmonic (conversion laser light)
Claims (8)
前記結晶には水晶が用いられ、複数の水晶板を貼り合わせた構造とされており、
前記波長変換素子の第1の主面及び第2の主面内の第1方向に沿ってレーザ光を反射させながら移行させ、前記第1の主面と前記第2の主面との間でレーザ光を繰り返し反射させる第1反射手段と、
前記波長変換素子の前記第1方向の両端部に配置され、前記第1方向の端部に到達したレーザ光を、前記第1の主面及び前記第2の主面内の前記第1方向と直交する方向である第2方向に沿って反射させながら移行させる第2反射手段とを、備えており、
前記第1反射手段によるレーザ光の繰り返し反射と、前記第2反射手段によるレーザ光の反射とを交互に行わせることによって、レーザ光の進行経路を3次元空間内に形成可能であることを特徴とする波長変換素子。 A wavelength conversion element having a quasi-phase matching in which a domain-inverted structure is formed by a crystal having nonlinear optical characteristics,
Quartz is used for the crystal and has a structure in which a plurality of quartz plates are bonded together.
The laser beam is transferred while being reflected along the first direction in the first main surface and the second main surface of the wavelength conversion element, and between the first main surface and the second main surface. First reflecting means for repeatedly reflecting laser light;
Laser light that is disposed at both ends in the first direction of the wavelength conversion element and reaches the end in the first direction is changed to the first direction in the first main surface and the second main surface. Second reflecting means for shifting while reflecting along a second direction which is a direction orthogonal to each other,
The traveling path of the laser beam can be formed in a three-dimensional space by alternately performing the repeated reflection of the laser beam by the first reflecting unit and the reflection of the laser beam by the second reflecting unit. And a wavelength conversion element.
前記第1反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第1プリズムであり、
前記複数の第1プリズムは、所定の入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させ、かつ、前記波長変換素子内において前記第1の主面側から前記第2の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第2の主面側から前記第1の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させることが可能な構成となっており、
前記第2反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第2プリズムであり、
前記複数の第2プリズムは、前記第1方向から入射するレーザ光を、前記波長変換素子内において前記第1の主面側から前記第2の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第2の主面側から前記第1の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させ、かつ、前記第1方向と直交する方向である第2方向に沿って反射させながら移行させることが可能な構成となっていることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 1,
The first reflecting means is a plurality of first prisms respectively disposed on the incident surface side and the emitting surface side of the laser light,
The plurality of first prisms convert the laser light into the first principal surface side prism and the second principal surface side prism when the laser light is incident at a predetermined incident angle. Between the first main surface side and the second main surface side in the wavelength conversion element, and the first main surface side from the first main surface side. The laser beam can be reflected so that the optical path of the laser beam traveling to the main surface side of the
The second reflecting means is a plurality of second prisms respectively disposed on the incident surface side and the emitting surface side of the laser beam,
The plurality of second prisms include an optical path of laser light that travels laser light incident from the first direction from the first main surface side to the second main surface side in the wavelength conversion element; The laser beam is reflected so that the optical path of the laser beam traveling from the main surface side of the second light to the first main surface side is parallel, and along the second direction which is a direction orthogonal to the first direction. A wavelength conversion element characterized in that it can be shifted while being reflected.
前記複数の第1プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対してブリュースター角となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっており、
前記複数の水晶板は、貼り合わされる全ての水晶板の重心に対する近似直線が、該波長変換素子の光入射面に対してレーザ光がブリュースター角で入射された場合の屈折光の光路と平行となるように貼り合わされていることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 2,
The plurality of first prisms convert the laser light into the wavelength conversion element when the laser light is incident at a Brewster angle with respect to the incident surface from a predetermined position on the incident surface of the wavelength conversion element. Of the first principal surface side prism and the second principal surface side prism can be repeatedly reflected,
In the plurality of quartz plates, an approximate straight line with respect to the center of gravity of all the quartz plates to be bonded is parallel to the optical path of the refracted light when the laser beam is incident on the light incident surface of the wavelength conversion element at a Brewster angle. The wavelength conversion element characterized by being bonded so that it may become.
前記複数の第1プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対して垂直となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第1の主面側のプリズムと前記第2の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっていることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 2,
The plurality of first prisms, when a laser beam is incident from a predetermined position on the incident surface of the wavelength conversion element at an incident angle perpendicular to the incident surface, causes the laser beam to be emitted from the wavelength conversion element. A wavelength conversion element characterized in that it can be repeatedly reflected between a prism on the first main surface side and a prism on the second main surface side.
貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記第1プリズムおよび第2プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、
前記第1プリズムおよび第2プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to any one of claims 2 to 4,
A plurality of bonded quartz plates and the first prism and the second prism are sandwiched from both sides and fixed;
The wavelength conversion element, wherein the first prism and the second prism are positioned with respect to the crystal plate by the package.
前記第1反射手段は、
前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第1の主面側に形成され、所定の波長を有する基準レーザ光、および前記基準レーザ光の第2高調波である変換レーザ光の両方を反射する反射膜と、
前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第2の主面側に形成され、前記基準レーザ光を反射し、前記変換レーザ光を透過させる反射/透過膜とからなり、
前記第2反射手段は、プリズムであることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 1,
The first reflecting means includes
A reflective film that is formed on the first principal surface side of the laser light in the wavelength conversion element and reflects both the reference laser light having a predetermined wavelength and the converted laser light that is the second harmonic of the reference laser light When,
A reflection / transmission film that is formed on the second principal surface side of the laser light in the wavelength conversion element, reflects the reference laser light, and transmits the converted laser light;
The wavelength conversion element, wherein the second reflecting means is a prism.
貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、
前記プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされることを特徴とする波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 6,
Having a package for sandwiching and fixing the plurality of bonded quartz plates and the prism from both sides;
The wavelength conversion element, wherein the prism is positioned with respect to the crystal plate by the package.
前記波長変換素子は、前記請求項1から7のいずれか一項に記載された波長変換素子であることを特徴とするレーザ照射装置。 The laser irradiation apparatus includes a laser light source and a wavelength conversion element, transmits a reference laser light emitted from the laser light source to the wavelength conversion element, and irradiates the converted laser light wavelength-converted by the transmission to the outside. And
The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the wavelength conversion element is the wavelength conversion element according to claim 1.
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