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JP7012311B2 - 紫外レーザー装置 - Google Patents

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JP7012311B2
JP7012311B2 JP2020021206A JP2020021206A JP7012311B2 JP 7012311 B2 JP7012311 B2 JP 7012311B2 JP 2020021206 A JP2020021206 A JP 2020021206A JP 2020021206 A JP2020021206 A JP 2020021206A JP 7012311 B2 JP7012311 B2 JP 7012311B2
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正盛 中原
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Kimmon Koha Co Ltd
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Description

本発明は、紫外レーザー光を出力する紫外レーザー装置に関する。
従来、光造形方式の３Ｄプリンタや紫外光のレーザーマーカー等のレーザー光源として紫外レーザー装置が使われている。かかる紫外レーザー装置として、現状では、He-Cdレーザー装置（発振波長325nm）やYAGレーザー装置（発振波長355nm）が使用されている。
特許文献１は、基本波光を発生するレーザー光源と、当該基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方を入射光として紫外レーザー光に波長変換する波長変換結晶とを有する紫外レーザー装置であって、前記基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方と前記紫外レーザー光とのどちらか一方を透過させ且つどちから他方を反射させる反射面を、前記波長変換結晶の内部に前記基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方の光軸に対して傾斜する向きに形成したことを開示する（請求項１）。
特開2012-177806号公報
He-Cdレーザー装置は大型であり、50mWの出力を得るためには、装置筐体がたとえば、146×197×1400mm程度の大きさの装置になり、その効率は0.01％に満たない。また、カドミウム原料が蒸発することから、レーザー管の短寿命により年１回のメインテナンスが必ず必要となる。
YAGレーザー装置は、その発振波長が近赤外領域にあるため、紫外光を得るためには、非線形光学結晶を用いた波長変換を最低２回行う必要がある。波長変換の回数はそのまま装置内の素子、コストの増加につながり、出力の安定性やビーム品質を低下する要因となる。以上から、小型化を達成し、高輝度、高効率および長寿命の紫外レーザー装置が望まれている。
特許文献１の紫外レーザー装置は、入射光を紫外域波長に波長変換する波長変換結晶を有するが、この波長変換結晶は内部に光軸に対し傾斜した反射面が必要であり、この反射面は複数の光学部材から構成されるため、波長変換結晶の構成が複雑となる。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、小型化を達成し、高輝度・高効率・長寿命の紫外レーザー装置を提供することを目的とする。
本発明者等は上記目的を達成するために次の事項につき鋭意検討を行い、本発明に至ったのである。
(1)高輝度にするためには高出力と高ビーム品質が必要であり、ファイバーレーザーを使用することが最適である。しかし、一般の石英ガラスを母材に希土類をドープしたファイバーレーザーでは発振波長が近赤外になり、紫外光にするためには、２回の波長変換必要で効率やビーム品質の低下が課題となる。
(2)効率を上げるためには、可視域に発振波長があるフッ化物を母材にしたファイバーレーザーを使用することが考えられる。フッ化物ファイバーレーザーでは、波長変換が１回で紫外光が得られ効率が上がる。
(3)ファイバーレーザーを効率よく励起するために、２個の半導体レーザーの出力を合成し、光ファイバーを用いて光伝送しファイバーレーザーに結合することが好ましい。
(4)高出力に伴いファイバー自身の温度が上昇すると、出力が飽和しさらに低下する。これに対し熱伝導率が高く、ファイバー材料に近い線膨張率の金属材料をハウジングやフェルールに用いることで、ファイバーの熱が効率よく放熱され、励起出力を上げることができ、出力の飽和低下が軽減される。
(5)外部共振器内の高調波発生機能を持つ非線形光学結晶を基本波共振器ミラーとして利用することにより、アラインメントフリーとなって、出力安定性が向上する。
上記目的を達成するための紫外レーザー装置は、励起用半導体レーザーと、 前記励起用半導体レーザーからの励起レーザー光が入射しレーザー発振するファイバーレーザー媒質と、前記ファイバーレーザー媒質で発振したレーザー光の波長変換を行う波長変換用外部共振器と、を備える紫外レーザー装置であって、前記波長変換用外部共振器は、前記波長変換のための高調波発生機能と位相共役ミラーとを兼ねる１つの非線形光学結晶と、複数の高反射率ミラーと、位相制御用フィードバック機構と、を有し、前記波長変換用外部共振器内の前記非線形光学結晶は前記レーザー光が入射して前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を進行し、前記ファイバーレーザー媒質の、前記励起レーザー光が入力しかつ前記レーザー光が反射する端面まで戻ることで、前記ファイバーレーザー媒質と前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をするとともに前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記波長変換用外部共振器から少なくとも0.1Wの紫外域連続波を出力するものである。
この紫外レーザー装置によれば、励起用半導体レーザーからの励起レーザー光によりファイバーレーザー媒質がレーザー発振し、その発振したレーザー光の波長変換を波長変換用外部共振器で行うことで、少なくとも0.1Wの紫外域連続波を出力し、小型化を達成し、高輝度・高効率・長寿命の紫外レーザー装置を実現できる。
上記紫外レーザー装置において前記励起用半導体レーザーの発振波長が445±5nmであり、前記ファイバーレーザー媒質は、プラセオジム（Pr）添加のフッ化物材料から構成されることが好ましい。これにより、波長変換が１回で紫外レーザー光が得られ効率が向上する。
また、前記波長変換用外部共振器は、前記波長変換のための高調波発生機能と位相共役ミラーとを兼ねる１つの非線形光学結晶と、複数の高反射率ミラーと、位相制御用フィードバック機構と、を有する。非線形光学結晶が位相共役ミラーを兼ねることで、アラインメントフリーとなって装置内の光軸等のアラインメント調整が不要乃至容易であり、また、レーザー光の出力安定性が向上する。また、位相制御用フィードバック機構により、外気温等の環境の変化に対するレーザー光の出力安定性が向上する。
また、前記励起用半導体レーザーと前記ファイバーレーザー媒質との間を光伝送するための光ファイバーを備えることが好ましい。これにより、励起用半導体レーザーからファイバーレーザー媒質へ効率よく光伝送できる。
また、前記ファイバーレーザー媒質の端部に挿入されたフェルールと、前記ファイバーレーザー媒質を収容し前記フェルールで支持するハウジングと、を備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーレーザー媒質の素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成されることが好ましい。これにより、ファイバーレーザー媒質の熱が効率よく放熱され、励起出力を上げることができ、出力の飽和低下を軽減でき、高効率の出力を実現できる。
上記紫外レーザー装置は波長320nm以下の紫外レーザー光を発生することができる。
本発明によれば、小型化を達成し、高輝度・高効率・長寿命の紫外レーザー装置を実現できる。
本実施形態による紫外レーザー装置の概略的構成を示す光路図である。 図１のフッ化物ファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 図２（ａ）のフッ化物ファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。 本実施例による図１の紫外レーザー装置の入出力特性を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による紫外レーザー装置の概略的構成を示す光路図である。図２は、図１のファイバーを収容したハウジングを概略的に示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。図３は図２（ａ）のファイバーの端部に取り付けられたフェルールを示す図である。
図１のように、本実施形態による紫外レーザー装置４０は、可視光の基本波レーザー光を発振させるフッ化物ファイバー１０と、フッ化物ファイバー１０を励起するレーザー光（波長441nm）を発生する励起用半導体レーザー１，１Ａと、基本波レーザー光の波長（637nm）を紫外域波長に変更する外部共振器２０と、を備え、発振波長318nmの紫外レーザー光を出力させる。本実施形態により、小型化を達成し、高輝度・高効率・長寿命の紫外レーザー装置を実現できる。
高出力にするために、２個の半導体レーザー１，１Ａのレーザー光を長軸方向のレンズ２，２Ａおよび短軸方向のレンズ３，３Ａでコリメートし、２つのレーザー光を偏光ビームスプリッター５で偏波合成し１つのビームの励起レーザー光にする。かかる励起レーザー光は、非球面の集光レンズ６で石英ファイバー７に集光され、石英ファイバー７から出射してから、レンズ８によりコリメートされ、集光レンズ９によりフッ化物ファイバー１０のクラッドに集光され入力することで、励起レーザー光のフッ化物ファイバー１０への伝送を行う構造にする。かかる構造により、光伝送ロスを低減し、半導体レーザー１，１Ａのレーザー光の８０％以上をフッ化物ファイバー１０に入力できる。半導体レーザー１Ａ側には波長板１４が配置される。なお、レンズ２，２Ａ，３，３Ａは、適切なコリメートレンズとアナモルフィックプリズムペアの組合せでもよい。また、偏光ビームスプリッター５は、適切な偏光フィルタでもよい。
励起レーザー光のフッ化物ファイバー１０への伝送は石英ファイバー７を通して行われる。励起レーザー光の伝送には光ファイバーによらない空間的な結合を用いることもできるが、上述のように光ファイバーを通すことで励起ビームパターンの均質化が図られ、励起によるダメージの問題を軽減できる。これは励起光を空間光として、ランダム位相板等のビーム均質化手法を用いても本質的には同じである。
フッ化物ファイバーとしては、ZBLANや、ZrF4及びYF3を主成分としたものがあるが、AlF3を主成分としたものがフッ化物ガラスでありながら耐候性（特に耐水性）の向上が図られていることから、フッ化物ファイバー１０は、AlF3を主成分としたものが望ましい。また、装置の小型化のために、フッ化物ファイバー１０として高濃度の活性元素（希土類元素、遷移元素等、あるいは希土類イオン（Yb,Nd,Er,Pr,Dy,Ce,Tb等））が添加された利得ファイバーを使用し、30cm以下のファイバー長で充分な基本波出力を得ることができる。なお、フッ化物ファイバー１０の入力側の端面には励起レーザー光を透過する反射防止膜と基本波レーザー光を反射する高反射膜が形成され、出力側の端面には基本波レーザー光を透過する反射防止膜と励起レーザー光を反射する高反射膜が形成される。
また、励起によるフッ化物ファイバー１０の温度上昇による基本波出力の飽和を防止するために、図２（ａ）（ｂ），図３のように、フッ化物ファイバー１０の両端に金属製のフェルール３１，３２を取り付け、また、フッ化物ファイバー１０のハウジング３０に放熱効果の高い金属を用いファイバーの温度上昇を抑える。かかる構成は、本発明者らが先に特願2019-138108で提案したものである。
すなわち、図２（ａ）（ｂ）に示すように、フッ化物ファイバー１０の両端にフェルール３１，３２を接着し、フェルール３１，３２とフッ化物ファイバー１０をハウジング３０内にフェルール３１，３２がハウジング３０の両側の側板３０ｃ，３０ｄに熱伝導性ペーストを用いて熱抵抗を極力抑えて接触させた状態で収容される。ハウジング３０は、図２（ａ）（ｂ）の上下に半割された構造で、上部３０ａと下部３０ｂとを突き合わせたとき、フェルール３１，３２が各側板３０ｃ，３０ｄに形成された半円状の切欠部に位置し挟み込まれるようにして支持される。フッ化物ファイバー１０は、図２，図３のように、フェルール３１，３２の貫通孔内に接着剤を適用して挿入される。
フェルール３１，３２を、高熱伝導性材料である金属（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など）から構成することで、(1)ファイバーの端部からの効率的な熱伝導、(2)細く機械的強度が弱いために折れやすいファイバー端の保護、(3)ファイバー端面の研磨作業の容易化、(4)ファイバー端面への誘電体コーティング膜の形成の容易化を実現できる。
また、ハウジング３０は、高熱伝導性材料である金属材料（たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、それらの合金など)から構成され、熱抵抗を極力抑えた形でハウジング３０の側板３０ｃ，３０ｄに接触したフェルール３１，３２からフッ化物ファイバー１０で生じた熱を効率よく伝導し、放熱することができる。このため、ハウジング３０は放熱器としても機能する。ハウジング３０から放熱された熱は、ハウジング３０に設けられたペルチエ素子等により排出することで、フッ化物ファイバー１０に蓄積される熱を効果的に排出することができる。
また、ハウジング３０およびフェルール３１，３２は、フッ化物ファイバー１０の素材の熱膨張係数と一致または近似した材料から構成することで、装置の高出力動作時の熱蓄積により生じる熱膨張係数の違いに起因する、ファイバー端面や誘電体多層膜コーティング面の破損を防ぐことができる。
以上のように、ハウジング３０およびフェルール３１，３２を構成する各材料は、フッ化物ファイバー１０の素材と近似する熱膨張係数を有し、かつ、高い熱伝導率を有することで、ファイバーの熱蓄積に起因する問題を回避することができる。
フッ化物ファイバー１０の出力側にはレンズ１１が配置され、フッ化物ファイバー１０から出力する基本波レーザー光をコリメートし、基本波レーザー光は、ミラー１２，１３を介して外部共振器２０に前置されたマッチングレンズ１４に入射し、次に、外部共振器２０へ入射する。マッチングレンズ１４は、基本波レーザー光と外部共振器２０内のモードを合わせるためにレンズを組合せて構成される。
外部共振器２０は、ミラー１５～１８が波長変換を行うための共振器を構成し、ミラー１７，１８の間に配置され波長変換のため高調波発生機能を持つ非線形光学結晶１９を有する。非線形光学結晶１９は位相共役ミラーを兼用することで、基本波の出射ミラーを使わず、基本波共振器と外部共振器とを用いるときよりも波長変換出力を高く安定化させ、高出力の紫外レーザー光を得ることができる。非線形光学結晶１９は、特許文献１のように内部に反射面などは不要で、簡単な構成で済む。なお、ミラー１５～１８は、基本波レーザー光の波長に対し99.9％以上の高反射率を有する。
非線形光学結晶１９が位相共役ミラーとして機能することで、非線形光学結晶１９で発生した位相共役波は、非線形光学結晶１９に入射するレーザー光と正確に真逆の方向に進行し、レーザー媒質であるフッ化物ファイバー１０まで戻る。このため、位相共役ミラーとなる非線形光学結晶１９とフッ化物ファイバー１０とは、自動的に正対し、レーザー共振してレーザー発振に至る。このようにして、レーザー発振した基本波レーザー光は、波長および位相が受動的にロックされることで、複雑な光軸等のアライメント調整が不要ととなり、出力安定性が向上する。また、非線形光学結晶１９により第二高調波が発生し、ミラー１８から光路２１に沿って外部へ出射することにより、第二高調波による紫外域のレーザー光が出力する。このようにして、簡便かつ安定に高出力の可視域および紫外域のレーザー光を得ることができる。かかる構成は、本発明者らが先に特願2019-127329で提案したものである。
また、外部共振器２０は、図１のように、ピエゾ素子２２と、受光部２３と、制御部２４とを有する位相制御用フィードバック機構を備え、ミラー１８からの反射光の一部がミラー１５を透過し、この一部透過光を受光部２３が受光する。リング共振器２０の共振器長は基本波波長の倍数であることが条件で、そのためにPound-Drever-Hall法やHansch-Couillaud法などを用い、リング共振器２０内の基本波の偏光の差を受光部２３で測定し、この測定結果に基づいて制御部２４がピエゾ素子２２に対し電気信号を送り、ピエゾ素子２２がミラー１６を駆動して共振器長を一定に制御することで、外気温等の環境の変化に対し波長変換出力を安定化させている。
（実施例）
次に、図１～図３の本実施形態による紫外レーザー装置を実施例により具体的に説明するが、本発明は、かかる実施例に限定されるものではない。
本実施例の紫外レーザー装置の発振器部を構成する励起用の２台の半導体レーザー１，１Ａは発振波長が441nm、定格出力3.5Wで、銅製のブロックに取付けられている。また、出力及び励起波長を安定化するために半導体レーザー１，１Ａをペルチェ素子で温度制御する。
励起レーザー光をフッ化物ファイバー１０にコア径20μmの石英ファイバー７により伝送する。なお、石英ファイバー７のコア径は、フッ化物ファイバー１０の内のクラッドＮＡに調整可能であれば、１５～５０μｍの範囲内であってよく、特に、１５，３０，４０，５０μｍでもよい。
フッ化物ファイバー１０は、Ｐｒ（プラセオジム）を3000ppmドープした全長17cmの光ファイバーから構成され、出力を安定化するためにフッ化物ファイバー１０のハウジング３０を、ペルチェ素子により温度を25℃の一定温度に制御している。なお、Prの添加濃度とファイバー全長は装置全体設計の要請により調整することがあり、添加濃度は1000～5000ppmの間に、ファイバー長は10～30cmの範囲内、特に、10,15,17,20,25,30cmに調整する。
フッ化物ファイバー１０は、両端に金属製フェルール３１，３２を接着し、端面を研磨し反射防止膜、高反射膜を蒸着している。また、フッ化物ファイバー１０における励起光による蓄熱を軽減するために、フッ化物ファイバー１０を格納するハウジング３０には銅を使用し、フッ化物ファイバー１０のフェルール３１，３２にはニッケルを使用した。フッ化物ファイバー１０の熱伝導率は0.898W/mK、ニッケルは91w/mK、銅は403W/mKである。また、同じく線膨張率は、フッ化物ファイバーが18.6×10-6/Ｋ、ニッケルは13.4×10-６/K、銅は16.5×10-６/Kである。
外部共振器２０は、４枚のミラー１５～１８によるbow-tie型のリング共振器と、ＢＢＯ（β-BaB2O4）からなる波長変換結晶（非線形光学結晶）１９とを有する。また、ミラー１５～１８はそれぞれミラーホルダーに取り付けられ、各ミラーホルダーはXY方向（角度調整）を調整する調整機構を有し、波長変換結晶１９はホルダーに取り付けられ、ホルダーは位置・回転（左右上下）を調整する調整機構を有する。
本実施例の紫外レーザー装置によれば、発振部の大きさが幅175mm、奥行360mm、高さ106mmとなって小型化を達成することができ、図４に示す入出力特性のように、3.5W定格の442nm半導体レーザー（LD）２台で、318nmの発振波長で0.1W以上の連続波紫外レーザー光を出力することができた。
以上のように本発明を実施するための形態および実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。たとえば、図１の紫外レーザー装置の構成は、一例であって、他の構成であってもよいことはもちろんである。
また、図２，図３のフェルール３１，３２およびハウジング３０を構成する材料として、熱膨張係数がファイバーの熱膨張係数に近似し、たとえば90W/mK以上の高熱伝導率を有するものであれば、他の材料も使用可能である。
また、図１の非線形光学結晶１９は、ＢＢＯ（β-BaB2O4）以外の光学材料であってもよく、たとえば、ＬＢＯ（LiB３O５）やＣＬＢＯ（CsLiB６O10）であってもよい。
本発明によれば、小型化を達成し、高輝度・高効率・長寿命の紫外レーザー装置を実現できるので、従来のHe-Cdレーザー装置やYAGレーザー装置よりも使い勝手がよくコストを抑えた紫外レーザー装置を提供できる。
１，１Ａ 半導体レーザー
５ 偏光ビームスプリッター
７ 石英ファイバー
１０ フッ化物ファイバー
１４ マッチングレンズ
１５～１８ ミラー
１９ 非線形光学結晶（波長変換結晶）
２０ 外部共振器
３０ ハウジング
３１，３２ フェルール
４０ 紫外レーザー装置

Claims (6)

  1. 励起用半導体レーザーと、
    前記励起用半導体レーザーからの励起レーザー光が入射しレーザー発振するファイバーレーザー媒質と、
    前記ファイバーレーザー媒質で発振したレーザー光の波長変換を行う波長変換用外部共振器と、を備える紫外レーザー装置であって、
    前記波長変換用外部共振器は、前記波長変換のための高調波発生機能と位相共役ミラーとを兼ねる１つの非線形光学結晶と、複数の高反射率ミラーと、位相制御用フィードバック機構と、を有し、
    前記波長変換用外部共振器内の前記非線形光学結晶は前記レーザー光が入射して前記位相共役ミラーとして機能し、前記入射したレーザー光が前記位相共役ミラーで反射し真逆の光路を進行し、前記ファイバーレーザー媒質の、前記励起レーザー光が入力しかつ前記レーザー光が反射する端面まで戻ることで、前記ファイバーレーザー媒質と前記位相共役ミラーとが自動的に正対してレーザー発振をするとともに前記レーザー発振によるレーザー光の高調波が前記非線形光学結晶で発生し前記波長変換用外部共振器から少なくとも0.1Wの紫外域連続波を出力する紫外レーザー装置。
  2. 前記励起用半導体レーザーの発振波長が445±5nmであり、
    前記ファイバーレーザー媒質は、プラセオジム（Pr）添加のフッ化物材料から構成される請求項１に記載の紫外レーザー装置。
  3. 前記非線形光学結晶は、ＢＢＯ（β-BaB ２ O ４ ）、ＬＢＯ（LiB ３ O ５ ）、または、ＣＬＢＯ（CsLiB ６ O 10 ）である請求項１または２に記載の紫外レーザー装置。
  4. 前記励起用半導体レーザーと前記ファイバーレーザー媒質との間を光伝送するための光ファイバーを備える請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外レーザー装置。
  5. 前記ファイバーレーザー媒質の端部に挿入されたフェルールと、前記ファイバーレーザー媒質を収容し前記フェルールで支持するハウジングと、を備え、前記ハウジングおよび前記フェルールはそれぞれ、前記ファイバーレーザー媒質の素材の熱膨張係数に近似した金属材料から構成される請求項１乃至４のいずれかに記載の紫外レーザー装置。
  6. 波長320nm以下の紫外レーザー光を発生する請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外レーザー装置。
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