紫外激光装置的制作方法

1.本发明涉及一种输出紫外激光的紫外激光装置。


背景技术：

2.以往，作为光造形方式的3d打印机或紫外光的激光标记器等的激光光源，使用紫外激光装置。作为该紫外激光装置，目前使用he－cd激光装置(振荡波长325nm)或yag激光装置(振荡波长355nm)。
3.专利文献1公开了如下的紫外激光装置，其具有产生基波光的激光光源和将该基波光及其高次谐波光中的至少一方作为入射光而波长转换为紫外激光的波长转换晶体，其中，使所述基波光及其高次谐波光中的至少一方和所述紫外激光中的任一方透过且使另一方反射的反射面，在所述波长转换晶体的内部形成在相对于所述基波光及其高次谐波光中的至少一方的光轴倾斜的方向上(权利要求1)。
4.现有技术文献
5.专利文献1：日本特开2012－177806号公报
6.发明要解决的课题
7.he－cd激光装置为大型，为了得到50mw的输出，装置壳体例如为146
×
197
×
1400mm左右大小的装置，其效率不足0.01％。另外，由于镉原料蒸发，根据激光管的短寿命，必须每年进行一次维护。
8.yag激光装置由于其振荡波长位于近红外区，因此为了得到紫外光，需要最低进行2次使用非线性光学晶体的波长转换。波长转换的次数直接导致装置内的元件、成本的增加，并成为输出的稳定性和光束质量降低的主要原因。由于以上原因，因此，期望实现小型化、高亮度、高效率及长寿命的紫外激光装置。
9.专利文献1的紫外激光装置具有将入射光波长转换为紫外区波长的波长转换晶体，但该波长转换晶体在内部需要相对于光轴倾斜的反射面，该反射面由多个光学部件构成，因此波长转换晶体的结构变得复杂。


技术实现要素：

10.本发明鉴于上述现有技术的问题，其目的在于提供一种实现小型化、高亮度、高效率、长寿命的紫外激光装置。
11.本发明人等为了实现上述目的，对以下事项进行了深入研究，从而完成了本发明。
12.(1)为了实现高亮度，需要高输出和高光束质量，使用光纤激光器是最佳的。但是，在将一般的石英玻璃作为母材而掺杂稀土类的光纤激光器中，振荡波长成为近红外，为了成为紫外光，需要2次波长转换，效率和光束品质的降低成为课题。
13.(2)为了提高效率，考虑使用以在可见区具有振荡波长的氟化物为母材的光纤激光器。在氟化物光纤激光器中，波长转换一次就能得到紫外光，效率提高。
14.(3)为了有效地激励光纤激光器，优选将2个半导体激光器的输出合成，使用光纤
进行光传输并与光纤激光器耦合。
15.(4)当光纤自身的温度随着高输出而上升时，输出饱和进一步降低。与此相对，通过将热传导率高、线膨胀率接近于纤维(光纤)材料的金属材料用于壳体或套圈，纤维(光纤)的热高效地散热，能够提高激励输出，减轻输出的饱和降低。
16.(5)通过将外部谐振器内的具有高次谐波发生功能的非线性光学晶体用作基波谐振器反射镜，成为对准自由，输出稳定性提高。
17.为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一方面的紫外激光装置具备：激励用半导体激光器；光纤激光介质，其入射有来自所述激励用半导体激光器的激励激光并进行激光振荡；波长转换用外部谐振器，其对在所述光纤激光介质振荡的激光进行波长转换，从所述波长转换用外部谐振器输出至少0.1w的紫外区连续波。
18.根据该紫外激光装置，通过来自激励用半导体激光器的激励激光，光纤激光介质进行激光振荡，利用波长转换用外部谐振器进行该振荡的激光的波长转换，从而输出至少0.1w的紫外区连续波，实现小型化，能够实现高亮度、高效率、长寿命的紫外激光装置。
19.在上述紫外激光装置中，优选所述激励用半导体激光器的振荡波长为445
±
5nm，所述光纤激光介质由添加镨(pr)的氟化物材料构成。由此，波长转换1次就能得到紫外激光，效率提高。
20.另外，优选所述波长转换用外部谐振器具有：兼作所述波长转换用的高次谐波发生功能和光共轭反射镜的1个非线性光学晶体、多个高反射率反射镜、相位控制用反馈机构。通过使非线性光学晶体兼作光共轭反射镜，成为自由状态，不需要或容易进行装置内的光轴等的对准调整，另外，激光的输出稳定性提高。另外，通过相位控制用反馈机构，相对于外部气温等环境变化，激光的输出稳定性提高。
21.另外，优选具备用于在所述激励用半导体激光器与所述光纤激光介质之间进行光传输的光纤。由此，能够高效地从激励用半导体激光器向光纤激光介质进行光传输。
22.另外，优选的是，具备：插入到所述光纤激光介质的端部的套圈、收纳所述光纤激光介质并由所述套圈支承的壳体，所述壳体和所述套圈分别由与所述光纤激光介质的材料的热膨胀系数近似的金属材料构成。由此，光纤激光介质的热高效地散热，能够提高激励输出，能够减轻输出的饱和降低，能够实现高效率的输出。
23.上述紫外激光装置能够产生波长320nm以下的紫外激光。
24.发明的效果
25.根据本发明，能够实现达成小型化、高亮度、高效率、长寿命的紫外激光装置。
附图说明
26.图1是表示本实施方式的紫外激光装置的概略结构的光路图。
27.图2是概略地表示收纳图1的氟化物光纤的壳体的正面图(a)及侧面图(b)。
28.图3是表示安装在图2(a)的氟化物光纤的端部的套圈的图。
29.图4是表示本实施例的图1的紫外激光装置的输入输出特性的曲线图。
具体实施方式
30.以下，使用附图说明用于实施本发明的方式。图1是表示本实施方式的紫外激光装
置的概略结构的光路图。图2是概略地表示收纳有图1的光纤的壳体的正面图(a)及侧面图(b)。图3是表示安装在图2(a)的光纤的端部的套圈的图。
31.如图1所示，本实施方式的紫外激光装置40具备：使可见光的基波激光振荡的氟化物光纤10；产生激励氟化物光纤10的激光(波长441nm)的激励用半导体激光器1、1a；以及将基波激光的波长(637nm)变更为紫外区波长的外部谐振器20，输出振荡波长318nm的紫外激光。根据本实施方式，能够实现达成小型化、高亮度、高效率、长寿命的紫外激光装置。
32.为了实现高输出，通过长轴方向的透镜2、2a和短轴方向的透镜3、3a对2个半导体激光器1、1a的激光进行准直，通过偏振光分束器5对2个激光进行偏振合成，形成1个光束的激励激光。该激励激光由非球面的聚光透镜6聚光于石英光纤7，从石英光纤7射出后，由透镜8准直，由聚光透镜9聚光于氟化物光纤10的包层并输入，由此，形成进行激励激光向氟化物光纤10的传输的结构。通过该结构，能够降低光传输损耗，将半导体激光器1、1a的激光的80％以上输入到氟化物光纤10。在半导体激光器1a侧配置有波长板14。另外，透镜2、2a、3、3a也可以是适当的准直透镜和变形棱镜对的组合。另外，偏振光分束器5也可以是适当的偏振光过滤器。
33.激励激光向氟化物光纤10的传输通过石英光纤7进行。在激励激光的传输中，也可以使用不通过光纤的空间耦合，但如上所述，通过使其通过光纤，可以实现激励光束图案的均匀化，可以减轻由激励引起的损伤的问题。即使将激励光作为空间光，使用随机相位板等的光束均匀化方法，在本质上也是相同的。
34.作为氟化物光纤，有以zblan、zrf4及yf3为主要成分的光纤，但以alf3为主要成分的光纤是氟化物玻璃，同时谋求提高耐气候环境性(特别是耐水性)，因此氟化物光纤10优选以alf3为主要成分的光纤。另外，为了装置的小型化，作为氟化物光纤10，使用添加了高浓度的活性元素(稀土类元素、过渡元素等、或者稀土类离子(yb、nd、er、pr、dy、ce、tb等)的增益光纤，能够以30cm以下的光纤长度得到充分的基波输出。另外，在氟化物光纤10的输入侧的端面形成透过激励激光的防反射膜和反射基波激光的高反射膜，在输出侧的端面形成透过基波激光的防反射膜和反射激励激光的高反射膜。作为这些防反射膜、高反射膜的材料，例如可以使用tio2、ta2o5、al2o3、sio2、mgf2、hfo2。
35.另外，为了防止由激励引起的氟化物光纤10的温度上升引起的基波输出的饱和，如图2(a)、(b)和图3所示，在氟化物光纤10的两端安装金属制的套圈31、32，另外，在氟化物光纤10的壳体30中使用散热效果高的金属，抑制光纤的温度上升。该结构是本发明人先前在日本特愿2019－138108中提出的结构。
36.即，如图2(a)、(b)所示，将套圈31、32粘接在氟化物光纤10的两端，将套圈31、32和氟化物光纤10以套圈31、32与壳体30的两侧的侧板30c、30d使用热传导性膏极力抑制热阻地接触的状态收纳在壳体30内。壳体30是在图2(a)、(b)的上下被分割为两部分的构造，在使上部30a和下部30b对接时，套圈31、32位于形成于各侧板30c、30d的半圆状的切口部并被夹入而被支承。如图2、图3所示，使用粘接剂将氟化物光纤10插入套圈31、32的贯通孔内。
37.通过由作为高导热性材料的金属(例如铜、铝、不锈钢、镍以及它们的合金等)构成套圈31、32，能够实现(1)从光纤的端部高效地进行热传导；(2)保护因细且机械强度弱而容易折断的光纤端；(3)光纤端面的研磨作业的容易化；(4)向光纤端面形成电介质涂敷膜的容易化。
38.另外，壳体30由作为高热传导性材料的金属材料(例如，铜、铝、不锈钢、镍以及它们的合金等)构成，能够以极力抑制热阻的方式从与壳体30的侧板30c、30d接触的套圈31、32高效地传导由氟化物光纤10产生的热，进行散热。因此，壳体30也作为散热器起作用。从壳体30散出的热通过设置在壳体30的珀耳帖元件等排出，由此，能够有效地排出蓄积在氟化物光纤10中的热。
39.另外，壳体30及套圈31、32由与氟化物光纤10的原材料的热膨胀系数一致或近似的材料构成，由此，能够防止因装置的高输出动作时的热蓄积而产生的热膨胀系数的不同所引起的光纤端面或电介质多层膜涂覆面的破损。
40.如上所述，构成壳体30及套圈31、32的各材料具有与氟化物光纤10的原材料近似的热膨胀系数，且具有高的热传导率，从而能够避免因光纤的热蓄积而引起的问题。
41.在氟化物光纤10的输出侧配置有透镜11，对从氟化物光纤10输出的基波激光进行准直，基波激光经由反射镜12、13入射到在外部谐振器20前置的匹配透镜14，接着入射到外部谐振器20。为了使基波激光与外部谐振器20内的模式一致，组合透镜而构成匹配透镜14。
42.外部谐振器20由反射镜15～18构成用于进行波长转换的谐振器，并具有配置在反射镜17、18之间并具有用于波长转换的高次谐波发生功能的非线性光学晶体19。非线性光学晶体19兼用作光共轭反射镜，与不使用基波的射出反射镜而使用基波谐振器和外部谐振器时相比，能够使波长转换输出较高地稳定化，得到高输出的紫外激光。非线性光学晶体19如专利文献1那样在内部不需要反射面等，结构简单。另外，反射镜15～18相对于基波激光的波长具有99.9％以上的高反射率。
43.通过非线性光学晶体19作为相位共轭镜发挥作用，在非线性光学晶体19中产生的相位共轭波与入射到非线性光学晶体19的激光正确地向反向的方向行进，返回到作为激光介质的氟化物光纤10。因此，成为相位共轭镜的非线性光学晶体19和氟化物光纤10自动且被动地正对，进行激光谐振而达到激光振荡。这样，激光振荡的基波激光，通过被动地锁定波长及相位，不需要复杂的光轴等的对准调整，输出稳定性提高。另外，通过非线性光学晶体19产生二次谐波，并从反射镜18沿着光路21向外部射出，从而输出基于二次谐波的紫外区的激光。这样，能够简便且稳定地得到高输出的可见区及紫外区的激光。该结构是本发明人先前在日本特愿2019－127329中提出的结构。
44.另外，如图1所示，外部谐振器20具备相位控制用反馈机构，该相位控制用反馈机构具有压电元件22、受光部23和控制部24，来自反射镜18的反射光的一部分透过反射镜15，受光部23接收该一部分透过光。在环形谐振器20的谐振器长度是基波波长的倍数的条件下，为此，使用pound－drever－hall法或hansch－couillaud法等，由受光部23测定环形谐振器20内的基波的偏振光的差，基于该测定结果，控制部24对压电元件22发送电信号，压电元件22驱动反射镜16，将谐振器长度控制为一定，由此，相对于外部气温等环境的变化，使波长转换输出稳定化。
45.(实施例)
46.接着，通过实施例具体说明图1～图3的本实施方式的紫外激光装置，但本发明不限于该实施例。
47.构成本实施例的紫外激光装置的振荡器部的激励用的两台半导体激光器1、1a以振荡波长为441nm、额定输出为3.5w的方式安装在铜制的块上。另外，为了使输出及激励波
长稳定化，用珀耳帖元件对半导体激光器1、1a进行温度控制。
48.将激励激光通过芯径20μm的石英光纤7传输到氟化物光纤10。另外，石英纤维7的芯径只要能够调整为氟化物光纤10内的包层na，则可以在15～50μm的范围内，特别是可以为15μm、30μm、40μm、50μm。
49.氟化物光纤10由掺杂了3000ppm的pr(镨)的全长17cm的光纤构成，为了使输出稳定，通过珀尔帖元件将氟化物光纤10的壳体30的温度控制在25℃的恒定温度。另外，有时根据装置整体设计的要求来调整pr的添加浓度和光纤全长，将添加浓度调整为1000～5000ppm之间，将光纤长度调整为10～30cm的范围内，特别是调整为10cm、15cm、17cm、20cm、25cm、30cm。
50.氟化物光纤10在两端粘接金属制套圈31、32，研磨端面，蒸镀防反射膜、高反射膜。另外，为了减轻由氟化物光纤10中的激励光引起的蓄热，收纳氟化物光纤10的壳体30使用铜，氟化物光纤10的套圈31、32使用镍。氟化物光纤10的热传导率为0.898w/mk，镍为91w/mk，铜为403w/mk。另外，同样地，关于线膨胀率，氟化物光纤为18.6
×
10
－6
/k，镍为13.4
×
10
－6
/k，铜为16.5
×
10
－6
/k。
51.外部谐振器20具有由四个反射镜15～18构成的bow－tie型的环形谐振器；由bbo(β－bab2o4)构成的波长转换晶体(非线性光学晶体)19。另外，反射镜15～18分别安装在反射镜支架上，各反射镜支架具有调整xy方向(角度调整)的调整机构，波长转换晶体19安装在支架上，支架具有调整位置、旋转(左右上下)的调整机构。
52.根据本实施例的紫外激光装置，振荡部的大小为宽175mm、进深360mm、高106mm，能够实现小型化，如图4所示的输入输出特性那样，能够利用2台额定3.5w的442nm半导体激光器(ld)，以318nm的振荡波长输出0.1w以上的连续波紫外激光。
53.以上说明了用于实施本发明的方式和实施例，但本发明不限于此，在本发明的技术思想的范围内可以进行各种变形。本发明的范围由后述的权利要求表示。例如，图1的紫外激光装置的结构是一个例子，当然也可以是其他结构。
54.另外，作为构成图2、图3的套圈31、32以及壳体30的材料，只要是热膨胀系数与光纤的热膨胀系数近似，例如具有90w/mk以上的高热传导率的材料，也可以使用其他材料。
55.另外，图1的非线性光学晶体19也可以是bbo(β－bab2o4)以外的光学材料，例如也可以是lbo(lib3o5)或clbo(cslib6o
10
)。
56.产业上的可利用性
57.根据本发明，能够实现达成小型化、高亮度、高效率、长寿命的紫外激光装置，因此，能够提供一种使用便利性比以往的he－cd激光装置或yag激光装置好且抑制了成本的紫外激光装置。
58.符号说明
59.1、1a 半导体激光器
60.5 偏振光分束器
61.7 石英光纤
62.10 氟化物光纤
63.14 匹配透镜
64.15～18 反射镜
65.19 非线性光学晶体(波长转换晶体)
66.20 外部谐振器
67.30 壳体
68.31、32 套圈
69.40 紫外激光装置