JP6322276B2

JP6322276B2 - 波長変換装置

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Publication number: JP6322276B2
Application number: JP2016504033A
Authority: JP
Inventors: 穣治岡田; 庸亮折井; 聖治松原
Original assignee: Spectronix Corp
Current assignee: Spectronix Corp
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: WO2015125634A2; WO2015125634A3; JPWO2015125634A1

Description

本発明は、波長変換装置に関し、特に各種のレーザ加工に用いられるレーザ光源装置に組み込まれる波長変換装置に関する。

近年、レーザ光は様々な加工に用いられている。特に波長が５３２ｎｍから１０６４ｎｍ付近のレーザ光はエネルギー強度が大きく、金属やガラス等の切断または溶接等の各種の加工に好適に用いられている。また、波長が２００ｎｍから３５０ｎｍ付近の深紫外線領域のレーザ光は、電子材料や複合材料の加工に用いられ、その加工効率を向上させるため、パルス幅が短く従ってピークパワーが大きなレーザ光が求められている。

このようなレーザ光を出力するレーザ光源装置は、近赤外域の波長のレーザ光を出力する種光源と、種光源から出力されるレーザ光を増幅する光増幅器と、光増幅器で増幅されたレーザ光の波長を目的とする波長に変換する非線形光学素子を備えて構成されている。

非線形光学素子として、例えば種光源から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光を波長５３２ｎｍに波長変換するＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、波長５３２ｎｍのパルス光を波長２６６ｎｍに波長変換するＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）等が用いられる。

ＣＬＢＯ結晶のような非線形光学素子に長時間紫外線を照射し続けると、非線形光学素子の表面及び内部に光学損傷が生じて波長変換出力が低下するため、非線形光学素子を光軸と交差する平面上で移動させるステージを設けて、光学損傷が非線形光学素子に生じる前に、非線形光学素子への照射位置をずらすようにステージを移動させる波長変換装置が提案されている。

一例として、特許文献１には、基本波を発生する基本波光源と、基本波の照射を受けて基本波を通過させ、基本波の波長を変換する非線形光学素子と、非線形光学素子が配置され、非線形光学素子中を通過する基本波の通過経路が変更されるように、非線形光学素子を位相整合条件が乱されない平面内で連続移動させる移動部とを備えた波長変換装置が提案されている。

また、特許文献２には、出射側の光学窓での紫外線レーザの反射を低減させるために、光学ガラスに形成された反射防止膜が紫外線レーザにより劣化するという問題に対応して、紫外線レーザの出射側の光学窓をブリュースター角度に設置することで、出射側光学窓における紫外線レーザの反射を低減する構成が開示されている。

例えば、入射面が数ｍｍ角で光の伝播方向に十数ｍｍの直方体形状の非線形光学素子に、数ナノ秒のパルス幅で０．２〜０．３ｍｍのビーム径のレーザパルス光が入射し、入射スポット当り数千時間程度照射する場合には、数年で寿命となるので、数年単位で非線形光学素子を交換すればよい。

しかし、同じビーム径であっても数ピコ秒とパルス幅が短いレーザパルス光ではピークパワーがそれだけ増し、入射スポット当り数時間の照射で非線形光学素子に光学損傷が発生するようになるため、パルス幅が数ナノ秒のレーザパルス光と比較して極めて短い時間で寿命となり、非線形光学素子の交換頻度が増すという問題があった。尚、ピークパワーとはパルスエネルギーをパルス幅で割った値をいう。

そこで、本願発明者らは、非線形光学素子に入射するレーザパルス光のビーム径を拡径して、単位面積当たりのパワーを低減することによって、非線形光学素子の寿命を延ばすことを試行している。非線形光学素子の寿命が単位面積当たりのパワーと反比例するという特性を見出し、同じピークパワーのレーザパルス光であっても、単位面積当たりのパワーを下げることで非線形光学素子の寿命が飛躍的に延びると考えられるためである。

特開２０１０−１２８１１９号公報特許第４５１７６９８号公報

しかし、このようにレーザパルス光のピークパワーを低下させても、ピコ秒オーダーの短いパルス幅のレーザパルス光であるため、依然としてそのピークパワーが相対的に大きく、出射光学窓に備えた光学ガラスを含む光学素子が波長変換後の紫外線領域のレーザパルス光の通過によって次第に劣化し、交換頻度が増すという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、出射光学窓に備えた光学素子が劣化する場合でも、出力パルス光に対する光学素子の透過率の低下を抑制しつつ、その交換頻度を低減することができる波長変換装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による波長変換装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の請求項１に記載した通り、入射レーザ光の波長を変換する非線形光学素子を備えている波長変換装置であって、前記非線形光学素子が収容された収容部と、前記非線形光学素子で波長変換された波長変換光を出射する光学素子が保持された出射光学窓とがケーシングに設けられ、前記光学素子は、前記波長変換光の光軸に対してブリュースター角だけ傾斜した傾斜姿勢で、前記波長変換光の通過位置が変位可能に前記出射光学窓に取り付けられ、前記ケーシングにパージガス供給部が設けられ、前記パージガス供給部から供給されたパージガスを前記ケーシングから排気する排気口が前記出射光学窓近傍に形成されるとともに、前記排気口から排気されたパージガスを前記光学素子に導く風洞が形成されている点にある。

上述の構成によれば、光学素子が波長変換光の光軸に対してブリュースター角だけ傾斜した傾斜姿勢で取り付けられているので、波長変換光が光学素子に反射するようなことがない。また、当該光学素子は、波長変換光の通過位置が変位可能に出射光学窓に取り付けられているため、当該光学素子がある程度劣化して透過率が低下しても、波長変換光の通過位置を変位させることで、本来の光学素子の透過率で波長変換光を出力することができるようになる。従って、長期に渡り光学素子を交換する必要がないのである。

そして、潮解性を有する非線形光学素子の特性劣化を回避し、紫外線による各光学部材の劣化や汚れを回避するために、パージガス供給部からケーシングにアルゴンガスやクリーン・ドライ・エアー（以下、「ＣＤＡ」とも記す。）のようなパージガスが供給される。そのようなパージガスが排気口から排気されると、風洞によって光学素子に導かれて吹き付けられるので、装置が設置されている雰囲気中の塵埃等が光学素子に付着したり、紫外線や雰囲気中のハロゲン化合物の付着の影響で結晶化して白濁するような現象を回避することができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記光学素子は、前記傾斜姿勢を保持した状態で回転可能に、且つ、前記波長変換光の光軸に対して前記光学素子の回転中心が偏在するように、前記出射光学窓に取り付けられている点にある。

上述の構成によれば、波長変換光の通過位置で光学素子に経時的な劣化が生じても、光学素子に入射する波長変換光の光軸を移動させる必要はなく、当該光学素子を僅かに回転させるというシンプルな操作を行なうのみで、波長変換光が光学素子の未使用の領域を通過するようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、出射光学窓に備えた光学素子が劣化する場合でも、出力パルス光に対する光学素子の透過率の低下を抑制しつつ、その交換頻度を低減することができる波長変換装置を提供することができるようになった。

図１は、レーザ光源装置の機能ブロック構成図である。図２（ａ）は非線形光学素子に入射するレーザ光の従来のビーム径及びビームの入射位置の移動軌跡の説明図、図２（ｂ）はレーザ光のビーム径を長円または楕円形に拡径した場合のビーム径及びビームの入射位置の移動軌跡の説明図、図２（ｃ）レーザ光のビーム径を真円に拡径した場合のビーム径及びビームの入射位置の移動軌跡の説明図、図２（ｄ），図２（ｅ）は複数の非線形光学素子に対するビーム径及びビームの入射位置の移動軌跡の説明図である。図３（ａ）はケーシングに蓋体が取り付けられた状態の波長変換装置の平面図、図３（ｂ）はケーシングから蓋体の一部が外された状態の波長変換装置の平面図である。図４（ａ）はケーシングから全ての蓋体が外された状態の波長変換装置の平面図、図４（ｂ）は波長変換装置に注入されるパージガスの通流経路の説明図である。図５は、非線形光学素子の収容部から蓋体が外された状態の平面図である。図６（ａ）は位相整合角の説明図、図６（ｂ）はステージへの収容部の取付構造の説明図、図６（ｃ）は位相整合角の角度調整機構の説明図である。図７（ａ），図７（ｂ）は非線形光学素子の載置部への収容構造の説明図である。図８（ａ），図８（ｂ）は出射用光学窓の説明図である。

以下、本発明による波長変換装置が具現化されたレーザ光源装置の実施形態を説明する。図１には、レーザ光源装置１の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、ファイバ増幅部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａや波長変換部１Ｄ等を制御する制御部１００を備えて構成されている。

光源部１Ａには、種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。ファイバ増幅部１Ｂには、それぞれレーザダイオードで構成される励起用光源２１，３１及び合波器２２，３２を備えた二段のファイバ増幅器２０，３０と、光アイソレータＩＳＬ２，ＩＳＬ３と、光スイッチ素子４０等を備えている。また、ファイバ増幅器２０の後段にはバンドパスフィルタＢＰＦ１を備えている。

固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１，コリメータＣＬ２等を備えている。波長変換部１Ｄは、第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれに非線形光学素子６０，７０を備えている。第２波長変換部１Ｆは本発明による波長変換装置となる。

光源部１Ａとファイバ増幅部１Ｂと固体増幅部１Ｃとがアルミ等で構成される一つの金属ケースに収容され、波長変換部１Ｄが別の金属ケースに収容され、さらに波長変換部１Ｄの金属ケースに第２波長変換部１Ｆがさらに別の金属ケースに収容されている。尚、各ケースに収容される機能ブロック１Ａ〜１Ｄの区分けは特に制限されることはないが、第２波長変換部１Ｆは内部に収容される非線形光学素子の特性等によりパージガスによりパージ可能な金属ケースに収容されている必要がある。

種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「パルス光」とも記す。）が二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅され、さらに一段の固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。

種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を適用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。

種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に入力されることによって波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。

種光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ１を介して、初段のファイバ増幅器２０で増幅される。ファイバ増幅器２０，３０として、所定波長（例えば９７５ｎｍ）の励起用光源２１で励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。このようなファイバ増幅器２０の反転分布の寿命はミリ秒の位数であるため、励起用光源２１で励起されたエネルギーは１キロヘルツ以上の周波数のパルス光に効率的に転移されるようになる。

初段のファイバ増幅器２０で約３０デシベル増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２を介して後段のファイバ増幅器３０に入力されて約２５デシベル増幅される。後段のファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、コリメータＣＬ１によってビーム成形され、光アイソレータＩＳＬ３，ＩＳＬ４を通過した後に固体増幅器５０に導かれて約２５デシベル増幅される。

コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、音響光学素子が組み込まれ光スイッチ素子４０として機能する音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を非線形光学素子６０に導く光アイソレータＩＳＬ４が配置されている。

尚、上述の光アイソレータＩＳＬ１〜ＩＳＬ４は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。

固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬ２によってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。

光スイッチ素子４０を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。

固体増幅器５０で増幅されたパルス光は反射ミラーＭ２、光アイソレータＩＳＬ４で反射されて波長変換部１Ｄの非線形光学素子６０，７０に入射して所望の波長に変換された後に出力される。

第１波長変換部１Ｅには非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。

反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。

第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。

制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内の記憶部に記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。また、制御部１００には、位相整合等のために各種の制御情報を記憶する記憶部が接続されている。

尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータと記憶部及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。

具体的に、制御部１００はゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。

また、制御部１００は光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭ１に入射する。ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。

ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると回折された光がファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフするとファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ光の伝播が阻止される。

さらに、制御部１００は所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためにステージ７１を制御してステップ的に移動させる。例えば、制御部１００は、波長変換された紫外線の強度をモニタし、モニタした強度の履歴が所定のパターンに一致するとステージ７１を移動させてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトする。

パルス光の光軸に直交するＸ−Ｙ平面でステージ７１が移動可能となるように、ステージ７１は制御部１００によりモータドライバＤ３を介して制御されるＸ方向移動モータ及び／またはＹ方向移動モータに駆動連結されている。

種光源１０から出力された中心波長１０６４ｎｍの狭帯域のパルス光がファイバ増幅器２０に導かれて増幅される過程で自己位相変調やラマン散乱等によって不必要にスペクトル幅が広がり、さらに自然放出光ノイズ（以下、「ＡＳＥノイズ(amplified spontaneous emission noise)」と記す。）が発生して光パルスのＳ／Ｎ比が低下する。そのようなパルス光が後段のファイバ増幅器３０に導かれて増幅される過程でさらに広帯域化され、ＡＳＥノイズレベルが増大する。

波長変換部１Ｄで波長変換可能な波長範囲のパルス光を効率的に増幅して、所望の強度の深紫外のパルス光を得るために光スイッチ素子４０が設けられている。制御部１００は、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御するように構成されている。

制御部１００によって種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるようになり、固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。

光スイッチ素子４０として、ＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子を用いてもよく、マイクロマシーニング技術で製作した微少な搖動ミラー（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されたミラー）を用いて、ファイバ増幅器３０の出力が固体増幅器５０に伝播するか否かを微少な搖動ミラーの搖動角度によって切り替えるように構成してもよい。また、偏光状態を動的に切替えて光の透過と遮断を制御可能な偏光デバイスを用いてもよい。つまり、光スイッチ素子は動的光学素子で構成されていればよい。

また、ファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光を狭帯域化してＡＳＥノイズを除去するボリューム・ブラッグ・グレーティング（Volume Bragg Grating）のような回折格子を光スイッチ素子４０に代えて、或いは光スイッチ素子４０とともに用いてもよい。

固体増幅器５０で増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ４の入力側のエスケープポートから第１波長変換部１Ｅの非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶に入射して波長５３２ｎｍのパルス光に波長変換される。

さらに、パルス光はレンズＬ２，Ｌ３によって０．２〜０．３ｍｍのビーム径が２〜３ｍｍ程度に拡径された後に、第２波長変換部１Ｆの非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶に入射して波長２６６ｎｍのパルス光に波長変換され、複数の光学レンズを介して真円にビーム整形された後に出力される。尚、レンズＬ２，Ｌ３で拡径されたパルス光は、レーザ光源装置１の後段に配置された光学系で縮径され、単位面積当たりのパワーを増大した後に照射対象に照射される。

図２（ａ）に示すように、入射面が５ｍｍ角程度の非線形光学素子（ＣＬＢＯ結晶）７０に０．２〜０．３ｍｍのビーム径のパルス光を照射する場合、数ナノ秒のパルス幅のパルス光であれば、結晶の光学損傷の発生を回避するために照射位置をパルス光の光軸に直交するＸＹ平面で移動させることで長期間継続して使用することができる。例えば、１スポット当り３０００時間程度使用できる。

しかし、同じビーム径であっても数ピコ秒から数百ピコ秒とパルス幅が短いレーザパルス光ではピークパワーがそれだけ増し、同様の方法によれば極めて短時間で結晶を交換しなければならなくなるため、パルス光のビーム径を拡径して単位面積当たりのパワーを低減させている。

図２（ｂ）には楕円または長円となるようにビーム径を拡径した例が示され、図２（ｃ）には真円となるようにビーム径を拡径した例が示されている。何れの場合も、ビーム径を拡径することにより同一照射位置で光学損傷が発生するまでの照射時間を延ばすことができるが、入射面が５ｍｍ角程度と狭いため、一つの非線形光学素子７０に対する寿命は相対的に短くなる。また、入射面のサイズが大きな非線形光学素子７０を製作するにも限界がある。

そこで、第２波長変換部１Ｆ、即ち本発明による波長変換装置は複数の非線形光学素子７０が収容可能に構成されている。
図２（ｄ）に示すように、複数の非線形光学素子７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを備えた構成によれば、ビーム径を拡径しながらも長期に渡り非線形光学素子を交換することなくレーザ光源装置１を稼働させることができる。

図２（ｅ）に示すように、ビームの入射位置の移動方向に長くなるように、非線形光学素子７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの入射面の形状を長方形に形成すると、無駄なく波長変換に利用できるようになる。

本実施形態では、非線形光学素子７０の入射面が５ｍｍ角に形成され、レーザパルス光のビーム径が２ｍｍに設定され、１スポット当り２０００時間、１結晶当り４０００時間の使用を可能にしている。

以下、第２波長変換部１Ｆについて詳述する。
図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）に示すように、第２波長変換部１Ｆは、隔壁７３０を介して２領域Ｒ１，Ｒ２に領域分割され、一方の領域Ｒ１に入射窓７２０が設けられるとともに他方の領域Ｒ２に出射窓７５０が設けられたケーシング７００に配置されている。ケーシング７００を覆う蓋体７７０，７８０によって一方のみ開放可能に構成されている。つまり、蓋体７７０によって領域Ｒ２が覆われ、蓋体７８０によって領域Ｒ１が覆われ、蓋体７８０を取り外すことによって領域Ｒ１が開放されても、領域Ｒ２の被覆状態は維持されるように構成されている。

ケーシング７００の一方の領域Ｒ１には、非線形光学素子７０が収容された収容部８０と、収容部８０を着脱自在に固定するとともに入射窓７２０から入射したレーザ光の光軸と直交する方向に非線形光学素子７０を収容部８０と一体に移動させるステージ７１が配置されている。

ケーシング７００の他方の領域Ｒ２には、収容部８０から出射して、隔壁７３０に形成された開口７４０を通過したレーザ光を出射窓７５０に導く光学系として反射ミラーＭ６，Ｍ５が配置され、出射窓７５０には波長変換されたレーザ光を外部に出射するとともに外気の流入を阻止する光学ガラスを含む光学素子６１０が保持された出射光学窓６００がケーシング７００に取り付けられている(図４（ａ）参照)。

尚、本実施形態で使用する「光学素子」との用語は、非晶質である光学ガラスのみならず結晶質であるフッ化カルシウムやフッ化マグネシウム等を材料とする素子をも含めた概念である。

非線形光学素子７０で波長変換された後、波長２６６ｎｍのパルス光が反射ミラーＭ６で反射され、さらに反射ミラーＭ５で反射されて出射窓７５０から出力される。非線形光学素子７０から出力された波長５３２ｎｍのパルス光は反射ミラーＭ６を透過して光ダンパ（図示せず）で減衰される。

反射ミラーＭ５と出射窓７５０との間にサンプラーとなる反射ミラーＭ１０が配置され、波長２６６ｎｍのパルス光のごく一部（０．５％程度）が反射されるように構成されている。反射ミラーＭ１０からの反射光はさらに反射ミラーＭ９で反射されて受光素子ＰＳ１に入射する。受光素子ＰＳ１によってそのパワーが検出される。受光素子ＰＳ１で検出されたパワーは制御部１００に入力され、その値に基づいて非線形光学素子７０の位相整合条件等が調整される。

反射ミラーＭ１０，Ｍ９に対するパルス光の入射角は、１０°以下に設定されていることが好ましく、６°以下に設定されていることがさらに好ましい。一般に、非線形光学素子を含めてミラーやレンズ等の光学素子は、深紫外光が照射される過程で次第に劣化する。深紫外光は通常は直線偏光しており、反射ミラーＭ１０，Ｍ９にはＰ偏光もしくはＳ偏光の何れかのみの成分をもつ光が入射される。

しかし、光学素子の劣化と共に偏光が徐々に解消される現象が生じ、Ｐ偏光とＳ偏光の両方の偏光成分をもつ光が入射するようになる。反射ミラーＭ１０，Ｍ９への入射角度が大きい場合には、受光素子ＰＳ１に入射するパワーが偏光解消と共に変化してしまうという問題がある。そこでＰ偏光とＳ偏光の差が少なく、偏光解消が生じても正しくそのパワーを検出できるように、上述の入射角に設定されている。

図には示していないが、反射ミラーＭ６と反射ミラーＭ５との間に平凹レンズを配置し、反射ミラーＭ５と反射ミラーＭ１０との間に平凸レンズを配置することにより、非線形光学素子７０からの出力光のビーム歪を補正するように構成されている。

非線形光学素子７０としてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を用いる場合には、従来のＢＢＯ結晶よりもウォークオフが小さいという特性を利用して、非線形光学素子７０の上流側にビーム整形のためのレンズを配置することもできる。深紫外光による光学レンズの劣化の問題が生じないため、後者の構成の方が好ましい。

図７（ａ），（ｂ）には、収容部８０に収容される三つの非線形光学素子７０（７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）が載置部に固定されている状態が示されている。載置部は区画部材８４０と熱源８７０とを備えて構成されている。載置部は少なくとも各非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃを位置決め区画する金属製の区画部材８４０を備え、区画部材８４０の下方に接触配置された熱源８７０の熱が区画部材８４０を介して各非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃに伝達可能に構成されている。

区画部材８４０として無電解ニッケルメッキ等の表面処理を施した無酸素銅が用いられ、熱源８７０としてセラミックヒータが用いられ、区画部材８４０と非線形光学素子７０（７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）との接触部には非線形光学素子７０（７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）の温度を計測する単一または複数の温度センサが配置されている。

区画部材８４０に形成された各区画は非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃと略同サイズに形成され、非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、各区画に収容された後に上方から同じく無電解ニッケルメッキ等の表面処理を施した無酸素銅で形成された固定板８５０で被覆され、ボルト８６０で固定される。非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃと区画部材８４０とが当接して、熱源８７０からの熱伝達が良好に行なえるように構成されている。

その結果、各非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃに温度ばらつきが発生しないように、所定の温度にほぼ均一に加熱されるようになる。尚、区画部材８４０は、３つの非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃを互いに当接して配置するように、幅広の一区画のみの区画に形成することも可能である。また、本実施形態では、載置部に３つの非線形光学素子７０ａ，７０ｂ，７０ｃが載置される例を示しているが、載置部に載置される非線形光学素子７０の数は複数であればよく、その数が制限されることはない。

図５に示すように、非線形光学素子７０（７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）が固定された載置部は、収容部８０を構成する金属製の収容部ケーシング８００の底部に設けられた固定部８３０に左右一対の側板８８０で挟みつけられた状態でボルト固定される。

収容部ケーシング８００のうち、非線形光学素子７０の入射面側に光学ガラスを含む光学素子を配した入射光学窓８２０が形成され、非線形光学素子７０の出射面側に開放状態の出射窓８２５が形成されている。

図６（ｂ），（ｃ）に示すように、収容部８０は、ステージ７１により入射光の光軸に直交するＸ軸方向に移動可能に、天板８１、側板８２、底板８３の３つの部材で構成される保持部を介してステージ７１に着脱自在に取り付けられている。未使用の複数の非線形光学素子７０が収容された収容部８０を準備しておけば、複数の非線形光学素子７０が収容部８０に収容された状態で一括して取替できるようになる。

ステージ７１は、基台７１１と、基台７１１上に配置された一対のガイドレール７１３と、一対のガイドレール上をスライド移動する移動盤７１２を備えている。移動盤７１２には、上述の保持部の底板８３がボルト固定されている。

基部が移動盤７１２に固定された一対のＬ字アーム７１７の先端側に、内周部に斜歯が形成されたウォームホイール７１６が固定され、基台７１１に設置されたモータ７１４の出力軸に形成されたウォーム７１５とウォームホイール７１６とが噛合するように構成されている。

制御部１００によって制御されるモータ７１４が回転することにより、移動盤７１２がガイドレール上をスライド移動する。即ち、図２（ｄ）で説明したように、非線形光学素子７０に照射されるパルス光の位置がパルス光の光軸に直交するＸＹ平面上のＸ方向に移動するように構成されている。

収容部８０の一側面が保持部の側板８２にボルト８５ａ，８５ｂで固定され、天板８１に備えた調整用ビス８４ａ，８４ｂでその取付角度を調整可能に構成されている。

側板８２に固定されたピンＰが収容部８０の一側面に形成された穴に嵌め込まれた状態で、ボルト８５ａ，８５ｂを仮止めし、左右の調整用ビス８４ａ，８４ｂの締付加減によってピンＰ周りに収容部８０が搖動するように構成されている。そして、調整後にボルト８５ａ，８５ｂが締め付けられる。

つまり、保持部と、ピンＰと、調整用ビス８４ａ，８４ｂによって、ステージ７１を基準にして非線形光学素子７０のＣ軸と入射レーザ光の光軸Ｌとの成す角度を機械的に調整可能な角度調整機構が構成されている。

非線形光学素子７０で波長変換する際に高い変換効率を得るためには、入力光と波長変換光の位相ベクトルが一致している必要があり、このずれが大きくなると変換効率が急激に低下する。非線形光学素子７０のＣ軸の角度を調整し、非線形光学素子７０の温度を調整することによって、両位相ベクトルを一致させる、つまり位相整合させることができる。

図６（ａ）には、非線形光学素子の結晶の光軸（Ｃ軸）と入射レーザ光の光軸との成す角度θとの関係が示されている。この角度を調整するために、上述の角度調整機構が設けられている。

深紫外光へ波長変換するＣＬＢＯ結晶のような非線形光学素子７０は潮解性を示し、空気中に放置すると水分を吸収してダメージを受ける。また、上述したように、非線形光学素子７０及びレンズ、ミラー、窓部材等の光学素子に深紫外光が照射されるとその影響を受けて次第に劣化する。例えば、光学素子に雰囲気中の塵埃等が付着すると汚れが生じ、また深紫外光の影響で白濁することがある。

そこで、ケーシング７００に収容された波長変換素子７０及び光学素子の劣化を回避するために波長変換装置１Ｆにパージガス供給機構を設け、アルゴンガスやＣＤＡ(Clean Dry Air)のようなパージガスを供給するように構成されている。

図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、ケーシングの一方の領域Ｒ１にパージガス供給部９１０が設けられ、パージガス供給部９１０に供給されたパージガスは、流量調整用のオリフィス９１５により３系統に流量調整された後に、２系統のガス供給管９２０，９３０を介して収容部８０に供給され、１系統のガス供給管９４０を介して他方の領域Ｒ２に供給されるように構成されている。ガス供給管９２０，９３０の他端は収容部ケーシング８００の側壁に形成されたパージガス通流口８０１，８０２（図５参照）に接続され、ガス供給管９４０の他端はケーシング７００の隔壁７３０に形成されたパージガス通流口７９０に接続される。

パージガス供給部９１０には、外部からパージガスを供給するガス管を連結する装着部が設けられ、ガス管を離脱した際に装着部を密閉する蓋体が設けられている。

また、収容部８０と隔壁７３０に形成した開口７４０とが蛇腹状の金属製のフレキシブルチューブ８００で接続され、収容部８０に供給されたパージガスがフレキシブルチューブ８００を介してケーシング７００の他方の領域Ｒ２に供給されるように構成されている。

非線形光学素子７０を交換するためにケーシング７００から蓋体７８０を外しても、ケーシング７００の一方の領域Ｒ１のみ大気開放され、蓋体７７０で覆われた他方の領域Ｒ２が外気に極力触れないような状態に維持される。

その結果、他方の領域Ｒ２に配置されている光学素子が外気に晒されることが殆ど無く、その状態でフレキシブルチューブ８００を収容部８０の口金８１０から離脱させて、使用済みの非線形光学素子７０が収容された収容部８０及び保持部８１，８２，８３をステージ７１から取り外し、新たな非線形光学素子７０が収容された収容部８０及び保持部８１，８２，８３をフレキシブルチューブ８００と接続した後にステージ７１に装着すれば非線形光学素子７０それ自体も外気に晒されることが殆ど無い。つまり、収容部８０は角度調整機構と一体で交換される。

その状態でパージガス供給部９１０から収容部８０にパージガスを供給すると、パージガスは収容部８０からフレキシブルチューブ８００を介してケーシング７００の他方の領域Ｒ２に流出し、非線形光学素子７０を含む重要な光学素子が外気に晒されることが無い状態で主要な交換作業を終了することができる。

また、収容部８０をフレキシブルチューブ８００と接続しているため、ステージ７１への収容部８０の取付作業時に、外気が流入することが殆ど無い状態で収容部８０の姿勢を自由に変化させることができるようになり良好な作業性が確保できる。

さらに、収容部８０を取り替えた後、パージガス供給部９１０から収容部８０にパージガスを供給した状態で、上述の角度調整機構によって非線形光学結晶７０のＣ軸と入射レーザ光の光軸との成す角度を調整できるようになり、仮にそのための調整時間が長くなっても非線形光学結晶を含む重要な光学素子が外気に晒されることなく、潮解の問題や劣化の問題も解消される。

他方の領域Ｒ２には、フレキシブルチューブ８０を介して開口７４０から供給されたパージガスを反射ミラーＭ６の表裏両面に導くガイド板Ｇ３と、ガス供給管９４０から供給されたパージガスを反射ミラーＭ５の表裏両面に導くガイド板Ｇ４が設置されている。これら２枚のガイド板Ｇ３，Ｇ４によって案内されたパージガスによって当該他方の領域Ｒ２に配置された各光学素子がクリーンに保たれる。

収容部８０の交換手順を詳述する。予めパージガスを供給した状態でケーシング７００に形成された排気口７６０をシールネジで閉塞しておき、使用済みの収容部８０に接続されている一方のガス供給管９２０を取り外してパージガス通流口８０１をシールネジで閉塞する。真空パックから取り出した交換用の収容部８０のパージガス通流口８０１のシールネジを緩めて当該ガス供給管９２０を接続する。

次に、フレキシブルチューブ８００を使用済みの収容部８０の口金８１０から離脱させて当該収容部８０の出射窓８２５を蓋で閉塞し、他方のガス供給管９３０を取り外してパージガス通流口８０２をシールネジで閉塞する。さらに収容部８０を保持部８１，８２，８３と一体でステージ７１から離脱させる。その結果、使用済みの収容部８０は、大気が流入することなく密閉される。

交換用の収容部８０の他方のパージガス通流口８０２のシールネジを緩めてガス供給管９３０を接続し、当該収容部８０の出射窓８２５の蓋を取り外して、フレキシブルチューブ８００を接続固定し、排気口７６０のシールネジを緩め、その後信号線を接続する。

図５に示すように、収容部８０には、ガス供給管９２０から収容部８０に供給されたパージガスを非線形光学素子７０の入射面に導くガイド板Ｇ３と、ガス供給管９３０から収容部８０に供給されたパージガスを非線形光学素子７０の出射面に導くガイド板Ｇ４を備えている。

ガス供給管９２０，９３０から供給されたパージガスは、案内板Ｇ３，Ｇ４によって非線形光学素子７０の入射面及び出射面に効率的に分配され、出射窓８２０から流出する。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、ケーシング７００に形成された出射窓７５０に取り付けられた出射光学窓６００は、円盤状の光学素子６１０と、光学素子６１０を保持する傾斜面を備えた光学素子保持部６３０で構成されている。光学素子６１０は傾斜面に形成された開口の段差部に回転可能に嵌め込まれ、上方から留金６２０で固定されている。

この状態で光学素子６１０は、波長変換光の光軸Ｌに対してブリュースター角（図中、符号φで示す。）だけ傾斜した傾斜姿勢となる。また、波長変換光の通過位置Ｌｏが光学素子６１０の中心位置Ｌｃに対して下方に偏在するように配置されている。光学素子６１０は、傾斜姿勢を保持した状態で回転可能に、且つ、波長変換光の光軸Ｌに対して光学素子の回転中心が偏在するように取り付けられている。

光学素子６１０が波長変換光の光軸に対してブリュースター角だけ傾斜した傾斜姿勢で取り付けられているので、波長変換光が光学素子６１０に反射するようなことがない。

また、光学素子６１０を回転させることにより、波長変換光の通過位置が変位可能になるため、光学素子６１０がある程度劣化して透過率が低下しても、波長変換光の通過位置を変位させることで、本来の光学素子６１０の透過率で波長変換光を出力することができるようになる。

尚、光学素子６１０は、波長変換光の通過位置が変位可能になる態様で取り付けられていればよく、上述のような構成に限るものではない。

さらに、パージガスをケーシング７００から排気する排気口７６０が出射窓７５０の上部近傍に形成され、排気口７６０から排気されたパージガスが光学窓６００の光学素子６１０に導く風洞６５０が配置されている。

排気口７６０は、ケーシング７００の外側から回転操作可能なシールネジ機構６６０によって開閉操作可能に構成されている。シールネジ機構６６０の操作部を反時計周りに回転操作すると排気口７６０が開放され、シールネジ機構６６０の操作部を時計回りに回転操作すると、弁体６６０ａによって排気口７６０が閉塞される（図８（ａ）に二点鎖線で示されている。）

風洞６５０の外部にシールネジ機構６６０の操作部が設けられているので、風洞６５０を取り外すことなくパージガスの流量を調整することができ、またパージガスの供給が停止した場合でも速やかにケーシング７００を密閉状態に操作することができる。

設備が計画停電等で停止し、パージガスを供給することができない場合や熱源８７０によって非線形光学素子を１００℃以上に加熱した乾燥状態に維持できない場合には、シールネジ機構６６０によって排気口７６０を閉塞し、パージガス供給部９１０に備えた装着部に蓋体を装着すれば、湿度の影響を受けやすい非線形光学素子であっても確実に乾燥状態に保つことができる。

風洞６５０によって出射光学窓６００を構成する光学素子６１０の外面にパージガスが案内されるので、例えば波長変換された紫外線レーザパルス光が当該光学素子６１０を通過する場合でも外気に含まれる有害成分等の影響で白濁するような事態の発生を効果的に阻止することができるようになる。

ケーシング７００に形成された出射窓７５０に取り付けられた出射光学窓６００が単一である態様以外に、ケーシング７００に複数の出射光学窓６００が構成される態様であっても同様である。例えば、ケーシング内部に設けた光学素子で紫外線レーザパルス光が複数に分岐され、それぞれが個別の出射光学窓６００から出射されるような場合等には、それぞれの出射光学窓６００から出力される紫外線レーザパルス光の波長の異同は問わず、それぞれの出射光学窓６００に対して、排気口７６０から排気されたパージガスが導かれるように構成すればよい。

この場合、ケーシング７００に形成された同じ出射窓７５０から複数本の紫外線レーザパルス光が出力されるような構成であってもよいし、ケーシング７００に形成された複数の出射窓７５０からそれぞれ紫外線レーザパルス光が出力されるように構成されていてもよく、各出射光学窓６００に導かれるパージガスは、同一の排気口７６０から排気されたパージガスであってもよいし、ケーシング７００の異なる位置に形成された排気口７６０から排気されたパージガスが夫々の出射光学窓６００に導かれるように構成されていてもよい。また、各出射光学窓６００を覆う風洞６５０も個別に設けられていてもよいし、共用されていてもよい。

ケーシング７００に設けられたパージガス供給部９１０の下方にコネクタが配置され、制御部１００と第２波長変換部１Ｆとを接続する信号線や給電線が接続される。当該コネクタと収容部８０との間を接続する信号線ＳＣによって温度センサの信号が制御部１００に出力され、制御部から熱源８７０に制御信号が出力される。また、当該コネクタからステージ７１のモータ７１４に制御信号が出力され、ステージ７１が移動制御される。

本発明による波長変換装置が組み込まれるレーザ光源装置は、発振波長が１０６４ｎｍとなる種光源に限定されるものでもなく、例えば、１０３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、９７６ｎｍ等、用途によって適宜異なる波長の種光源を選択することが可能である。さらに、非線形光学素子を介してこれらの波長を基本波とする高調波、和周波、差周波を発生させることも可能である。非線形光学素子として、上述以外の非線形光学素子を用いることも可能である。例えば、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＢＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶、ＳＢＢＯ結晶、ＫＡＢＯ結晶、ＢＡＢＯ結晶等を用いることができる。

尚、本発明は、複数の波長変換素子７０が収容された波長変換装置以外に、単一の波長変換素子７０が収容された波長変換装置にも適用可能であることは言うまでもない。

上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。

１：レーザ光源装置
１Ｆ：波長変換装置
１０：種光源
２０，３０：ファイバ増幅器
４０：光スイッチ素子
５０：固体増幅器
６０：非線形光学素子（ＬＢＯ結晶）
７０：非線形光学素子（ＣＬＢＯ結晶）
７１：ステージ
８０：収容部
６００：出射光学窓
６１０：光学素子

Claims

入射レーザ光の波長を変換する非線形光学素子を備えている波長変換装置であって、
前記非線形光学素子が収容された収容部と、前記非線形光学素子で波長変換された波長変換光を出射する光学素子が保持された出射光学窓とがケーシングに設けられ、
前記光学素子は、前記波長変換光の光軸に対してブリュースター角だけ傾斜した傾斜姿勢で、前記波長変換光の通過位置が変位可能に前記出射光学窓に取り付けられ、
前記ケーシングにパージガス供給部が設けられ、前記パージガス供給部から供給されたパージガスを前記ケーシングから排気する排気口が前記出射光学窓近傍に形成されるとともに、前記排気口から排気されたパージガスを前記光学素子に導く風洞が形成されている波長変換装置。
前記光学素子は、前記傾斜姿勢を保持した状態で回転可能に、且つ、前記波長変換光の光軸に対して前記光学素子の回転中心が偏在するように、前記出射光学窓に取り付けられている請求項１記載の波長変換装置。