【加工】レーザーの波長変換

レーザーの特異な特長として、その波長を変換できることがあります。通常は、１つのレーザー媒質から１つの波長の光を取り出せますが、その光を発振後に別の波長に変換できます。

レーザー媒質から出る光は基本波とよばれます。その基本波をそのまま加工に用いることもありますが、それを変換して用いることもあります。特定材料への熱の吸収性や集光特性の点から、波長変換をしてより効率的な加工を求めるのです。通常は、より波長の短い高調波を用います。

例えば、Nd:YAG, Nd³⁺:YVO₄のからの基本波1064nmを変換素子を用いて波長変換し、2倍、3倍の振動数の光を作り出せます。周波数ω(=1/λ)を2倍にした光は第２高調波（SHG:Second Harmonic Generation, 532nm）、3倍にした光は第3高調波(THG:Third Harmonic Generation, 355nm)と呼ばれます。さらに振動数の高い第4高調波（FHG, 266nm）もあります。

この高調波を生み出す原理は、非線形結晶を透過させることで実現しています。

SHGの場合、ω₂=ω₁+ω₁で実現され、9398cm⁻¹+9398cm⁻¹=18796cm⁻¹≃532nmの光となります。

THGの場合、ω₃=ω₁+ω₂で実現され、9398cm⁻¹+18796cm⁻¹=28194cm⁻¹≃355nmの光となります。

FHGの場合、ω₄=ω₂+ω₂ですから、18796cm⁻¹+18796cm⁻¹=37592cm⁻¹≃266nmの光となります。

変換効率の点からみると、変換によって出力は低下します。よって、高調波の方が出力が小さくなります。変換効率の向上も課題となっています。

SHG, THGを発生させる光学素子としては、LBO結晶があります。また、FHGを発生させるには、KTP結晶とCLBO結晶が使われます。

多くのレーザーメーカーから高調波を発生させるレーザー光源が販売されています。波長変換部をモジュール化して光源と一体化したレーザーが多く見られます。

レーザー微細加工では、レーザーの短パルス化の他に、短波長化もトレンドとなっています。SHGやTHGでも出力が大きなレーザーが開発されており、より高速により高品質な加工ができるようになってきています。