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LASER DAMAGE EVALUATION METHOD OF OPTICAL MATERIAL

Patent code P110004191
File No. Y04-P014-1
Posted date Jul 8, 2011
Application number P2008-143602
Publication number P2008-233104A
Patent number P4637934
Date of filing May 30, 2008
Date of publication of application Oct 2, 2008
Date of registration Dec 3, 2010
Priority data
  • P2003-329114 (Sep 19, 2003) JP
Inventor
  • (In Japanese)神村 共住
  • (In Japanese)中村 亮介
  • (In Japanese)中井 貞雄
  • (In Japanese)佐々木 孝友
  • (In Japanese)森 勇介
  • (In Japanese)吉村 政志
  • (In Japanese)兼松 泰男
  • (In Japanese)吉田 國雄
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title LASER DAMAGE EVALUATION METHOD OF OPTICAL MATERIAL
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser damage evaluation method of an optical material capable of nondestructively and inexpensively evaluating laser damage of an optical material in a short time without contacting it.
SOLUTION: In relation to a pulse laser beam and an optical material wherein, when variation of the transmittance of the optical material is investigated while increasing light incident energy, the material shows behavior where the transmittance is decreased by linear absorption and thereafter nonlinearly decreased; when the light incident energy is further increased, a phenomenon resulted in destruction occurs, and the behavior nonlinearly decreasing the transmittance is changed in accordance with crystalline quality of the optical material; and it is determined that the nonlinear transmission decrease is caused by absorption of two photons; incident laser beam intensity and transmitted laser beam intensity are measured by changing incident pulse laser beam intensity, and incident light intensity and transmitted laser beam intensity obtained by changing incident pulse laser intensity in a plurality of crystalline materials of the same kind having a previously-obtained laser damage threshold value are compared with the results obtained by measurement to nondestructively evaluate laser damage resistance accompanying laser beam irradiation.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来より、レーザー光源は、情報・通信、超微細加工や医療分野で幅広く利用されており、そこではレーザー光の波長変換、集光・反射や増幅素子として光学結晶等の光学材料が用いられているが、レーザー出力が大きくなるにつれて光学素子や非線形光学結晶などの光学材料に生じるレーザー損傷が問題となる。とくに、高調波を発生する波長変換素子ではより高い出力が求められるが、それら波長変換素子はレーザー損傷閾値以下で使用する必要があり、レーザー損傷閾値を知る必要性が高い。しかしながらこれまで、非線形光学結晶の品質については評価基準がなく、全固体紫外レーザー光源の開発では実際に波長変換素子を用いて光を発生させなければ、必要とするレーザーの性能を満足するのに結晶が耐え得るのかが分からなかった。

これまでの光学材料、たとえば光学結晶の結晶性評価の経緯としては、転位密度や、X線トポグラフ観察などの結晶学的な手法が一般的に広く用いられているが、結晶の局所的部分のみの評価、特殊なサンプルの加工が必要であり、レーザーに関係した特性との相関性がないなどの技術的課題を有している。

そこで、レーザーに関係した特性との相関性という意味で、たとえば図8に示すように、Nd:YAGパルスレーザー(60)から出射したレーザー光を非線形光学結晶であるKTP結晶(61)に照射して第2高調波を発生させ、さらにCLBO結晶(62)を用いて第4高調波である266nm光を発生させて、その266nmレーザー光をアテニュエータ(63)を介してレンズ(焦点距離100mm)(64)で集光して非線形光学結晶などの試料(65)に照射し、レーザー損傷の有無を、He-Neレーザー(66)から出射されたHe-Neレーザー光を試料(65)に照射することで確認し(レーザー損傷が発生すればそのHe-Neレーザー光が試料を透過せずに損傷部分のクラックで散乱する)、損傷が発生した時の入射エネルギー強度をパワーメータ(図示省略)で計測し、ビーム径およびパルス幅から単位面積・時間当たりのレーザー強度を算出して損傷閾値とするレーザー損傷耐力測定が行われているが、その場合、非線形光学結晶といった試料の破壊値を測定しており、評価した試料は実際にレーザー装置に使用することは不可能であった。

また非破壊でレーザー損傷閾値を測定する方法として、非線形光学結晶であるCLBO結晶の結晶性を測定するのにビッカース硬度から推定する方法(特許文献1)も見出されたが、このビッカース硬度から推定する方法では結晶表面とその極近傍の内部での内部レーザー損傷閾値との相関を利用するため、表面近傍のみの評価か、均質で薄板の良質な材料については結晶全体の品質を正確に測定することができるが、通常の材料では結晶全体の品質分布が分からなかった。また、光学材料の非線形光学定数(二光子吸収係数・光誘起屈折率変化)の測定に関しては、Zスキャン法が確立されているが、そのZスキャン法は二光子吸収係数・光誘起屈折率変化などの物性値を正確に測定するために用いられている手法で、通常は解析が困難であり不確定なパラメータが発生する可能性がある厚板材料は用いずに薄板、薄膜試料を用いている。
【特許文献1】
特開2003-161683

Field of industrial application (In Japanese)

この出願の発明は、光学結晶等の光学材料のレーザー損傷評価方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、非破壊・非接触であって短時間で安価に光学材料のレーザー損傷耐力を評価することのできる光学材料のレーザー損傷評価方法に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
光入射エネルギーを増加させながらその透過率の変化を調べたときに、透過率が線形吸収による減少の後、非線形的に減少する挙動を示し、さらに光入射エネルギーを増加させると、破壊となる現象が生じ、且つ非線形的に減少する挙動が光学材料の結晶品質により異なり、その非線形的な透過率減少が二光子吸収によると判断されるパルスレーザー光と光学材料について、入射パルスレーザー光強度を変化させて入射レーザー光強度と透過レーザー光強度を測定し、予め求めておいたレーザー損傷閾値の分かった同種の複数の結晶材料における入射パルスレーザー強度を変化させた入射光強度と透過レーザー光強度を測定した結果と比較して、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とするレーザー損傷評価方法。

【請求項2】
 
光学材料に、Nd:YAGレーザーより出射したレーザー光を波長変換して得られた高調波パルスレーザー光を集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項3】
 
光学材料に、パルスレーザー光を紫外レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項4】
 
光学材料に、パルスレーザー光をフェムト秒レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項1に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項5】
 
CLBO光学結晶に、Nd:YAGレーザーより出射したレーザー光を波長変換して得られた波長が266nmであってパルス幅が5~6nsのパルスレーザー光を集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項2に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項6】
 
CaF2結晶に、波長が775nmであってパルス幅が100fsのフェムト秒パルスレーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項4に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項7】
 
石英ガラスに、波長が266nmであってパルス幅が4~5nsのパルスレーザー光を紫外レーザーにより集光させ、レーザー光照射にともなうレーザー損傷耐力を非破壊で評価することを特徴とする請求項3に記載のレーザー損傷評価方法。

【請求項8】
 
光学材料に対して、前記パルスレーザー光をスキャンさせ、光学材料内の多数の位置において透過率の低下を測定し、その結果を三次元でマッピングすることで光学材料の材料内全体について品質を評価することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載のレーザー損傷評価方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2008143602thum.jpg
State of application right Registered
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