JP2007266537A - Internal resonator-type sum frequency mixing laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To materialize a laser equipment for producing a coherent beam with a wavelength of about 488 nm, and for simultaneously producing two coherent beams with wavelengths of 488 nm and 515 nm by using a semiconductor laser as an induction source in a semiconductor laser pumped solid-state laser to do internal resonator-type sum frequency mixing. <P>SOLUTION: An Nd:YAP crystal 6 and Yb:YAG crystal 7 are arranged in a laser resonator as a gain medium by using a first reflecting mirror 5 and a second reflecting mirror 14, which are excited by a semiconductor laser 1 to obtain laser oscillation with wavelengths of 930 nm and 1,030 nm. By use of a first LBO crystal 9 that is arranged in the laser resonator as a nonlinear optical medium, the sum frequency mixing of the laser beam with a wavelength of 930 nm and that with a wavelength of 1,030 nm is performed to produce a coherent beam with a wavelength of about 488 nm. Further, by use of a second LBO crystal 13, a second higher harmonic wave of the laser beam with the wavelength of 1,030 nm is produced, thus simultaneously producing a coherent beam with a wavelength of 515 nm as well. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、非線形光学結晶を使用してレーザ光の発振波長を変換するレーザに於いて、2種類のレーザ媒質を使用し、同時に発振する2つのレーザ光の和周波混合を共振器内で行なうことにより可視光領域の波長のレーザ光を発生する内部共振器型和周波レーザに関し、特に、従来から多方面で使用されてきたアルゴンレーザの波長488nmとほぼ同じ波長やこれに近い波長のレーザ光を発生するレーザ装置に関する。   The present invention uses a two-type laser medium in a laser for converting the oscillation wavelength of a laser beam using a nonlinear optical crystal, and performs sum frequency mixing of two laser beams that oscillate simultaneously in a resonator. In particular, an internal resonator type sum frequency laser that generates laser light having a wavelength in the visible light region, in particular, laser light having a wavelength substantially equal to or close to the wavelength of 488 nm of an argon laser conventionally used in various fields. The present invention relates to a laser device that generates

主な発振波長の1つが488nmであるアルゴンレーザは、分光装置、バイオ分析装置、医療装置、印刷機器、理化学実験、生物化学実験など多方面で使用されている。また、これらの応用の一部では、488nmの単一発振波長ではなく波長488nmと波長514nmの2波長を同時に発生するアルゴンレーザや、この2波長の他にこの近傍の波長の発振線を利用して、さらに多数の波長で同時に発振するアルゴンレーザも使用されている。
しかしながら、アルゴンレーザは放電現象を利用したガスレーザであるために、内部共振器型第2高調波発生を行なう半導体レーザ励起固体レーザで同程度のパワーのものに比べて、寸法や消費電力が著しく大きいという問題がある。そこで、アルゴンレーザに代わる固体レーザが望まれていたが、固体レーザ結晶には発振線がちょうど976nmとなるものはなく、最近まで488nmのコヒーレント光を発生する固体レーザは存在しなかった。しかしながら、最近になり、固体素子のみで構成された波長488nmのコヒーレント光を発生するレーザ装置が出現してきた。
An argon laser whose main oscillation wavelength is 488 nm is used in various fields such as a spectroscopic device, a bioanalyzer, a medical device, a printing device, a physics experiment, and a biochemistry experiment. In addition, in some of these applications, an argon laser that generates two wavelengths of 488 nm and 514 nm at the same time instead of a single oscillation wavelength of 488 nm, and an oscillation line of this nearby wavelength in addition to these two wavelengths are used. In addition, an argon laser that simultaneously oscillates at a larger number of wavelengths is also used.
However, since the argon laser is a gas laser that uses the discharge phenomenon, the size and power consumption are significantly larger than those of a semiconductor laser-pumped solid-state laser that generates an internal resonator type second harmonic and has the same power level. There is a problem. Therefore, a solid-state laser that replaces the argon laser has been desired. However, no solid-state laser crystal has an oscillation line of just 976 nm, and until recently there has been no solid-state laser that generates coherent light of 488 nm. However, recently, laser devices that generate coherent light with a wavelength of 488 nm, which is composed of only solid elements, have appeared.

特許文献1では、半導体基板の上に分布型ブラッグ反射層と量子井戸を利用した活性層を形成した半導体素子と、この素子の垂直方向に非線形光学媒質と反射鏡を配置したレーザ共振器で、半導体素子を電流注入によって励起し、近赤外域の波長のレーザ発振をさせ、非線形光学媒質で近赤外光を基本波とする第2高調波発生をおこない、可視のコヒーレント光を発生させている。特許文献1の中には具体的な波長は示されていないが、この特許の出願人である会社からは、特許文献1に示される技術を使用した波長が488nmのレーザ装置が製造・販売されていたことがある。   In Patent Document 1, a semiconductor element in which an active layer using a distributed Bragg reflection layer and a quantum well is formed on a semiconductor substrate, and a laser resonator in which a nonlinear optical medium and a reflecting mirror are arranged in the vertical direction of the element, The semiconductor element is excited by current injection, oscillates at a wavelength in the near-infrared region, generates a second harmonic having a near-infrared light as a fundamental wave in a nonlinear optical medium, and generates visible coherent light. . Although a specific wavelength is not shown in Patent Document 1, a laser device having a wavelength of 488 nm using the technique disclosed in Patent Document 1 is manufactured and sold by the company that applied for this patent. I had been there.

特許文献2では、半導体基板の上にエピタキシャル成長によって複数の活性層をスペーサ層で隔てた構造を設けて利得部分とした半導体素子に、外部から半導体レーザ光によって光励起して利得媒質とし、この半導体素子と外部に配置した反射鏡との間で近赤外域の波長で発振するレーザ共振器を構成し、共振器内に配置した非線形光学結晶によって第2高調波発生をおこない、可視光領域のコヒーレント光を出力するものである。特許文献2の実施例によれば、近赤外光の波長が976nmとなるよう半導体素子を設計したときに、波長488nmのコヒーレント光が得られている。この特許の出願人である会社からは、特許文献2に示される技術を使用した波長が488nmのレーザ装置が製造・販売されている。   In Patent Document 2, a semiconductor element having a gain portion by providing a structure in which a plurality of active layers are separated by a spacer layer by epitaxial growth on a semiconductor substrate is optically excited by a semiconductor laser beam from the outside to form a gain medium. A laser resonator that oscillates at a wavelength in the near infrared region between the reflector and the externally arranged mirror, generates second harmonics by a nonlinear optical crystal placed in the resonator, and generates coherent light in the visible light region. Is output. According to the example of Patent Document 2, coherent light having a wavelength of 488 nm is obtained when a semiconductor element is designed so that the wavelength of near-infrared light is 976 nm. The company that is the applicant of this patent manufactures and sells a laser device having a wavelength of 488 nm using the technique disclosed in Patent Document 2.

参考文献1では、波長1047nmのNd:YLFレーザと、波長912nmのNd:GdVOレーザを一つの半導体レーザによって励起し、2つのレーザを同時に発振させ、これらのレーザ共振器の共通の光路上に和周波混合を行なうための非線形光学結晶を配置して、波長487nmのコヒーレント光を発生させた例が報告されている。 In Reference Document 1, an Nd: YLF laser having a wavelength of 1047 nm and an Nd: GdVO 4 laser having a wavelength of 912 nm are excited by one semiconductor laser, and the two lasers are simultaneously oscillated. An example in which a nonlinear optical crystal for performing sum frequency mixing is arranged to generate coherent light having a wavelength of 487 nm has been reported.

米国特許 第6243407号明細書、”High power laser devices”US Pat. No. 6,243,407, “High power laser devices”. 米国特許 第5991318号明細書、”Intracavity frequency−converted optically−pumped semiconductotr laser”U.S. Pat. No. 5,991,318, “Intracavity frequency-converted optically-pumped semiconductor laser”.

参考文献1Reference 1

Conference on Laser and Electro−Optics 2005、講演番号 CMAA7、”Generation of continuous−wave blue light by sum−frequency mixing of diode pumped dual−wavelength lasers” Conference on Laser and Electro-Optics 2005, Lecture Number CMAA7, “Generation of continuous light by sum-frequency mixing of diodes pumping”

特許文献1と特許文献2の技術は、波長488nmのコヒーレント光を発生する小型の装置を実現できるという利点がある。しかしながら、最も重要な利得媒質の製造に高度な半導体素子製造プロセスが必要であるために、製造することはもとより、そのための半導体素子を入手することする容易ではない。また、半導体素子は一般に大量生産すれば製造コストが下がるものであるが、半導体産業で一般に言われる大量生産とよばれる数量にくらべて、波長488nmのレーザの需要数は著しく小さいので、これらの特許文献に示されている半導体素子の製造するためのコストは非常に高くなると推測される。   The techniques of Patent Document 1 and Patent Document 2 have an advantage that a small device that generates coherent light having a wavelength of 488 nm can be realized. However, since an advanced semiconductor device manufacturing process is required to manufacture the most important gain medium, it is not easy to obtain a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device. In addition, the manufacturing cost of semiconductor devices is generally reduced when mass-produced, but the demand for lasers with a wavelength of 488 nm is significantly smaller than the quantity generally called mass production generally referred to in the semiconductor industry. It is estimated that the cost for manufacturing the semiconductor elements shown in the literature is very high.

また、参考文献1に示されている技術では、Nd:GdVOが波長912nmの発振線だけではなく、波長1063nmにおいてより強い発振線をもっているため、この波長に近い波長1047nmのNd:YLFレーザを発振させながら、Nd:GdVOの波長1063nmにおける発振を押さえる必要があった。このために、多数の反射鏡を用いて2つのレーザ共振器に共通ではない光路を設けて、そこに波長選択のためにプリズムを配置することによって、波長489nmのコヒーレント光発生の実験をおこなっていた。この方式は、多数の反射鏡を必要とすること、波長選択素子が必要であること、複雑な共振器構成であること等の理由から、小型化や低価格化が困難であると考えられる。 In the technique shown in Reference Document 1, Nd: GdVO 4 has a stronger oscillation line at a wavelength of 1063 nm as well as an oscillation line with a wavelength of 912 nm. Therefore, an Nd: YLF laser with a wavelength of 1047 nm close to this wavelength is used. While oscillating, it was necessary to suppress the oscillation of Nd: GdVO 4 at a wavelength of 1063 nm. For this purpose, an experiment is conducted to generate coherent light having a wavelength of 489 nm by providing an optical path that is not common to the two laser resonators using a large number of reflecting mirrors and arranging a prism therefor for wavelength selection. It was. This method is considered difficult to reduce in size and cost because it requires a large number of reflecting mirrors, requires a wavelength selection element, and has a complicated resonator configuration.

また、上記例では発振波長は488nmだけであり、アルゴンレーザのように複数の波長を、同時に発生させてはいない。   In the above example, the oscillation wavelength is only 488 nm, and a plurality of wavelengths are not simultaneously generated unlike an argon laser.

本発明は、固体レーザ結晶、励起用の半導体レーザ、非線形光学結晶など主要部品が、技術的に確立したものだけを使用して、従来の波長488nmのアルゴンレーザと同等のコヒーレント光を発生することができる半導体励起固体レーザを、小型でかつ生産コストを抑えることが可能な構成で実現することを目的としている。   The present invention generates coherent light equivalent to a conventional argon laser having a wavelength of 488 nm by using only those that are technically established such as solid laser crystals, semiconductor lasers for excitation, and nonlinear optical crystals. An object of the present invention is to realize a semiconductor-pumped solid-state laser that can be manufactured with a configuration that is small in size and can reduce production costs.

その手段として、ネオジムを添加した第1レーザ結晶を利得媒質として用いて波長が0.91μmから0.95μmの間の第1波長でレーザ発振する半導体レーザ励起固体レーザにおいて、前記半導体レーザ励起固体レーザの共振器内部にイッテルビウムを添加した第2レーザ結晶を利得媒質として配置し、前記第1波長のレーザ光によって前記第2のレーザ結晶を励起して、前記レーザ共振器内で波長が1.02μm〜1.05μmの範囲にある第2波長でもレーザ発振をさせ、前記レーザ共振器内に、前記第1波長と前記第2波長のレーザ光に対して和周波混合が可能な第1非線形光学媒質を配置し、波長が0.48μmから0.50μmの範囲にある第3波長のコヒーレント光を出力する。   As the means, in the semiconductor laser pumped solid-state laser that uses the first laser crystal doped with neodymium as a gain medium and oscillates at a first wavelength between 0.91 μm and 0.95 μm, the semiconductor laser pumped solid-state laser The second laser crystal with ytterbium added inside the resonator is disposed as a gain medium, and the second laser crystal is excited by the laser light of the first wavelength, and the wavelength is 1.02 μm within the laser resonator. First nonlinear optical medium capable of laser oscillation even at a second wavelength in the range of ˜1.05 μm and capable of sum frequency mixing with the laser light of the first wavelength and the second wavelength in the laser resonator The third wavelength coherent light having a wavelength in the range of 0.48 μm to 0.50 μm is output.

ここで、第1レーザ結晶にネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト(構造式はNd:YAlO、別名はネオジウム添加イットリウム・オルソアルミネート、略称はNd:YAPまたはNd:YALO)を使用すれば第1波長が930nmとなるように動作する。このネオジムを添加したレーザ結晶を励起する波長は0.79μmから0.82μmの範囲にある場合が多いので、技術的に確立しているとともに比較的安価で入手できる半導体レーザを、このレーザ結晶の励起に利用できる。 Here, if neodymium-doped yttrium aluminum perovskite (structural formula is Nd: YAlO 3 , also known as neodymium-doped yttrium orthoaluminate, abbreviated as Nd: YAP or Nd: YALO) is used as the first laser crystal. It operates so that the wavelength is 930 nm. Since the wavelength for exciting the laser crystal to which this neodymium is added is often in the range of 0.79 μm to 0.82 μm, a semiconductor laser that has been established technically and can be obtained at a relatively low cost is used. Can be used for excitation.

次に、第2レーザ結晶にイッテルビウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット(構造式Yb:YAl12、略称はYb:YAG)を使用すれば、この結晶を波長930nmのレーザ光で励起することにより、第2波長が1030nmとなるレーザ発振が起こる。 Next, when ytterbium-doped yttrium aluminum garnet (structural formula Yb: Y 3 Al 5 O 12 , abbreviated Yb: YAG) is used for the second laser crystal, the crystal is excited with a laser beam having a wavelength of 930 nm. As a result, laser oscillation with the second wavelength of 1030 nm occurs.

これら2つの波長のレーザ光をレーザ共振器内に配置した非線形光学媒質で和周波混合をおこなうことにより第3波長が、アルゴンレーザの主要発振波長の一つとほぼ同じの波長約488nmのコヒーレント光を発生できる。   By performing sum-frequency mixing with a nonlinear optical medium in which these two wavelengths of laser light are arranged in a laser resonator, the third wavelength is a coherent light having a wavelength of about 488 nm, which is substantially the same as one of the main oscillation wavelengths of an argon laser. Can occur.

さらに、第1波長と第2波長の和周波混合を行なうための第1非線形光学結媒質の他に、第2波長の第2高調波発生のための非線形媒質も合わせてレーザ共振器内に配置することにより、第3波長コヒーレント光とを同時に、第2高調波発生によって発生する第4波長が0.51μmから0.53μmの範囲にあるコヒーレント光を発生できる。   Further, in addition to the first nonlinear optical coupling medium for performing the sum frequency mixing of the first wavelength and the second wavelength, a nonlinear medium for generating the second harmonic of the second wavelength is also arranged in the laser resonator. As a result, the third wavelength coherent light can be simultaneously generated with the fourth wavelength generated by the second harmonic generation in the range of 0.51 μm to 0.53 μm.

ここで、第4波長のコヒーレント光の波長は、第1レーザ結晶にNd:YAPを、第2レーザ結晶にYb:YAGを使用すればアルゴンレーザのもう一つの主要発振波長である514.5nmに近い約515nmとなる。   Here, the wavelength of the fourth wavelength of coherent light is 514.5 nm, which is another main oscillation wavelength of the argon laser when Nd: YAP is used for the first laser crystal and Yb: YAG is used for the second laser crystal. Nearly about 515 nm.

また、第3波長のコヒーレント光と第4波長のコヒーレント光を同時に発生が可能な構成のレーザ装置において、2つの非線形光学媒質の温度をそれぞれ独立に温度制御しさらにその設定温度を切り替えられるようにすることにより、2つの非線形光学媒質の内、一方の和周波混合あるいは第2高調波発生のための位相整合条件から外すよう温度を変化させることにより、2つのコヒーレント光の一方を選択して出力することができる。   In addition, in the laser device having a configuration capable of simultaneously generating the third wavelength coherent light and the fourth wavelength coherent light, the temperature of the two nonlinear optical media can be controlled independently and the set temperature can be switched. By changing the temperature so that one of the two nonlinear optical media is removed from the phase matching condition for the sum frequency mixing or second harmonic generation, one of the two coherent lights is selected and output. can do.

以上に述べた手段により、波長0.8μm帯の半導体レーザ、固体レーザ結晶、非線形光学結晶など主要部品が、技術的に確立した部品のみを使用して、従来の波長488nmのアルゴンレーザと同等のコヒーレント光を発生することができる半導体励起固体レーザを、小型でかつ生産コストを抑えることが可能な構成で実現できる。 By the means described above, main parts such as a semiconductor laser having a wavelength of 0.8 μm, a solid-state laser crystal, and a nonlinear optical crystal are equivalent to a conventional argon laser having a wavelength of 488 nm using only technically established parts. A semiconductor-pumped solid-state laser capable of generating coherent light can be realized with a small size and a configuration capable of suppressing production costs.

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。先ず、図1を参照しながら実施例1について説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, Embodiment 1 will be described with reference to FIG.

半導体レーザ1は、波長が813nmのレーザ光19を発生するもので、最大出力が2W、そして活性領域の幅が100μmである。半導体レーザ光19はレンズ2、第1シリンドリカルレンズ3、第2シリンドリカルレンズ4によってNd:YAP結晶6の位置において集光し、その断面は直径が約0.2mmのほぼ円形になる。この半導体レーザ1の出力光が第1レーザ結晶であるNd:YAP結晶6を励起する。   The semiconductor laser 1 generates laser light 19 having a wavelength of 813 nm, the maximum output is 2 W, and the width of the active region is 100 μm. The semiconductor laser light 19 is condensed at the position of the Nd: YAP crystal 6 by the lens 2, the first cylindrical lens 3, and the second cylindrical lens 4, and the cross section thereof becomes a substantially circular shape having a diameter of about 0.2 mm. The output light of the semiconductor laser 1 excites the Nd: YAP crystal 6 that is the first laser crystal.

図1に示すように、Nd:YAP結晶6の入射面に設けられた第1反射鏡5、Nd:YAP結晶6、Yb:YAG結晶7、石英ガラス板8、第1のLBO(三ホウ酸リチウム、LiB)結晶9、第2反射鏡10の順に直線状に並べて配置することによりレーザ共振器が構成されている。 As shown in FIG. 1, the first reflecting mirror 5, the Nd: YAP crystal 6, the Yb: YAG crystal 7, the quartz glass plate 8, the first LBO (triboric acid) provided on the incident surface of the Nd: YAP crystal 6. A laser resonator is configured by arranging lithium, LiB 3 O 5 ) crystal 9 and second reflecting mirror 10 in a straight line.

第1反射鏡5はNd:YAP結晶6の、半導体レーザ光19が最初に入射する面の上には誘電体多層膜をコーティングによって設けたものである。第1反射鏡には、波長930nmと波長1030nmにおいて99.8%以上の高反射率となり、かつ、波長1079nmと波長1340nmにおいて透過率が30%以上となる特性をもたせてある。さらに、この反射鏡には半導体レーザ光19の波長である813nmにおいて低反射となる特性も持たせてある。   The first reflecting mirror 5 is formed by coating a dielectric multilayer film on the surface of the Nd: YAP crystal 6 on which the semiconductor laser light 19 first enters. The first reflecting mirror has a characteristic that the reflectance is 99.8% or higher at wavelengths of 930 nm and 1030 nm, and the transmittance is 30% or higher at wavelengths of 1079 nm and 1340 nm. Further, this reflecting mirror has a characteristic of low reflection at 813 nm which is the wavelength of the semiconductor laser light 19.

Nd:YAP結晶6は、ネオジムの濃度が1原子%で、その厚みを1.2mmとしてある。また、厚み方向は結晶のc軸方向と同じになるようにカットしたものである。半導体レーザ光19の波長813nmに対して、このNd:YAP結晶6の吸収係数は約6cm−1となる。そのためNd:YAPは入射する半導体レーザ光19の約50%を吸収する。
第2固体レーザ結晶のYb:YAG結晶7は、光軸方向の長さが0.2mmで、またイッテルビウムの濃度は0.5原子%である。この濃度と厚みによれば、波長930nmのレーザ光が1回通過するときの吸収率は約0.5%となる。
The Nd: YAP crystal 6 has a neodymium concentration of 1 atomic% and a thickness of 1.2 mm. The thickness direction is cut so as to be the same as the c-axis direction of the crystal. The absorption coefficient of the Nd: YAP crystal 6 is about 6 cm −1 with respect to the wavelength 813 nm of the semiconductor laser light 19. Therefore, Nd: YAP absorbs about 50% of the incident semiconductor laser beam 19.
The Yb: YAG crystal 7 of the second solid-state laser crystal has a length in the optical axis direction of 0.2 mm, and the ytterbium concentration is 0.5 atomic%. According to this concentration and thickness, the absorption rate when a laser beam having a wavelength of 930 nm passes once is about 0.5%.

石英ガラス板8は、厚みが0.5mmの石英ガラスでできた平行平板で、共振器の光軸に対してブリュースター角である約55.4°の傾きを持たせて配置してある。この石英ガラス板8により、これに対してs偏光となる波長930nmと波長1030nmの光の偏光成分に対してのみ反射損失を与え、2つの波長で共にp偏光成分でのみ発振させている。   The quartz glass plate 8 is a parallel plate made of quartz glass having a thickness of 0.5 mm, and is arranged with an inclination of about 55.4 ° which is a Brewster angle with respect to the optical axis of the resonator. By virtue of this quartz glass plate 8, a reflection loss is given only to the polarization components of light having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm, which are s-polarized light, and oscillation is performed only with the p-polarized component at both wavelengths.

第1のLBO結晶9は、光軸方向の長さが8mmで、カット方位がφ=16.9°、θ=90°であり、波長930nmのレーザ光と波長1030nmのレーザ光の和周波混合の位相整合が可能なものである。LBO結晶はそのz軸が波長930nmと波長1030nmの両レーザ光の電界と同じ向きになるように配置してある。この和周波混合により、波長が約488nmのコヒーレント光が、その電界方向がLBO結晶のXY面と平行になるように発生する。そして488nm出力光20として出力される。   The first LBO crystal 9 has a length in the optical axis direction of 8 mm, a cut orientation of φ = 16.9 °, θ = 90 °, and a sum frequency mixing of a laser beam having a wavelength of 930 nm and a laser beam having a wavelength of 1030 nm Phase matching is possible. The LBO crystal is arranged so that its z-axis is in the same direction as the electric fields of both laser beams having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm. By this sum frequency mixing, coherent light having a wavelength of about 488 nm is generated so that the electric field direction is parallel to the XY plane of the LBO crystal. Then, it is output as 488 nm output light 20.

第2反射鏡10は、石英ガラスの凹面に誘電体多層膜のコーティングを施したもので、その凹面の曲率半径は−100mmとしてある。第2反射鏡10には、波長930nmと波長1030nmの両方において99.8%以上の高い反射率となり、かつ、波長1079nmと波長1340nmにおいて透過率が30%以上となる特性をもたせてある。また、第2反射鏡10には、和周波混合によって発生するコヒーレント光の波長488nmに対して低反射となる特性にもしてある。そして、第1反射鏡5との距離が約22mmの位置に配置してある。   The second reflecting mirror 10 is a quartz glass concave surface coated with a dielectric multilayer film, and the concave surface has a radius of curvature of −100 mm. The second reflecting mirror 10 has such a characteristic that a high reflectance of 99.8% or more is obtained at both wavelengths 930 nm and 1030 nm, and a transmittance is 30% or more at wavelengths 1079 nm and 1340 nm. Further, the second reflecting mirror 10 has a characteristic of low reflection with respect to the wavelength 488 nm of coherent light generated by sum frequency mixing. And the distance with the 1st reflective mirror 5 is arrange | positioned in the position of about 22 mm.

Nd:YAP結晶6は半導体レーザ1から放射された半導体レーザ光19によって励起され、Nd:YAP結晶6を利得媒質としてレーザ共振器内で波長930nmのレーザ発振が起こる。Nd:YAPは波長930nm、1079nm、1340nmなどで発振が可能なレーザ結晶であるが、第1反射鏡5と第2反射鏡10に先に述べた波長特性をもたせることにより、波長930nmでのみ選択的に発振する。   The Nd: YAP crystal 6 is excited by the semiconductor laser light 19 emitted from the semiconductor laser 1, and laser oscillation with a wavelength of 930 nm occurs in the laser resonator using the Nd: YAP crystal 6 as a gain medium. Nd: YAP is a laser crystal that can oscillate at wavelengths of 930 nm, 1079 nm, 1340 nm, etc., but can be selected only at a wavelength of 930 nm by providing the first reflecting mirror 5 and the second reflecting mirror 10 with the wavelength characteristics described above. Oscillates.

レーザ共振器内部の930nmレーザ光の循環パワーを直接測定することは困難であるが第2反射鏡10を通過する930nmレーザ光のパワーから推測すると、半導体レーザ1の出力がその最大パワーの2Wのときに、波長930nmの共振器内部パワーは約15Wと見積もれる。   Although it is difficult to directly measure the circulating power of the 930 nm laser light inside the laser resonator, when estimated from the power of the 930 nm laser light passing through the second reflecting mirror 10, the output of the semiconductor laser 1 is 2 W, which is the maximum power. Sometimes, the internal power of the resonator with a wavelength of 930 nm is estimated to be about 15 W.

波長930nmで発振するNd:YAPレーザの光は、レーザ共振器を共振する間にその一部がYb:YAG結晶7に吸収される。Yb:YAG結晶7のこの波長における吸収率を考慮すると、波長930nmのNd:YAPレーザ光は、レーザ共振器を一往復する間に150mWが吸収されていると見積もれる。この波長930nm光の励起により、Yb:YAG結晶7を利得媒質として波長1030nmで発振を開始する。   A part of the Nd: YAP laser light oscillated at a wavelength of 930 nm is absorbed by the Yb: YAG crystal 7 while resonating the laser resonator. Considering the absorptance at this wavelength of the Yb: YAG crystal 7, it is estimated that 150 mW of Nd: YAP laser light having a wavelength of 930 nm is absorbed during one round trip of the laser resonator. Oscillation is started at a wavelength of 1030 nm by using the Yb: YAG crystal 7 as a gain medium by excitation of the light having a wavelength of 930 nm.

第1のLBO結晶9は、波長930nmと波長1030nmのレーザ共振器内を共振する2つのレーザ光を、和周波混合により波長約488nmのコヒーレント光に変換する。この波長約488nmのコヒーレント光は第2反射鏡10を透過し488nm出力光20として取り出される。半導体レーザの出力が2Wの時に、488nm出力光20の光パワーは約20mWであった。   The first LBO crystal 9 converts two laser beams resonating in a laser resonator having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm into coherent light having a wavelength of about 488 nm by sum frequency mixing. The coherent light having a wavelength of about 488 nm passes through the second reflecting mirror 10 and is extracted as 488 nm output light 20. When the output of the semiconductor laser was 2 W, the optical power of the 488 nm output light 20 was about 20 mW.

次に、図2を参照しながら実施例2について説明する。図2に於いて、前記実施例のものに対応する部分には同様の符号を付し、その詳しい説明を省略する。実際、実施例2の中で示されている構成要素は、ダイクロイックミラー12と第2反射鏡11以外を除いて、実施例1で示されたものと同じのものである。   Next, Example 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same reference numerals are given to portions corresponding to those of the above embodiment, and detailed description thereof is omitted. Actually, the components shown in the second embodiment are the same as those shown in the first embodiment except for the dichroic mirror 12 and the second reflecting mirror 11.

ダイクロイックミラー12は、石英ガラス板8に誘電体多層膜によるコーティングを施したもので、入射角が約55.4°で使用するように設計してある。ダイクロイックミラー12には波長930nmと波長1030nmの両方のレーザ光のs偏光成分に対して100%に近い反射率を持つとともに、また両方の波長のレーザ光のp偏光成分に対して透過率が10%以上となる特性をももたせてある。さらに、波長488nmのコヒーレント光の特にp偏光成分に対して透過率が高くなるようにもなる特性をももたせてある。   The dichroic mirror 12 is a quartz glass plate 8 coated with a dielectric multilayer film, and designed to be used at an incident angle of about 55.4 °. The dichroic mirror 12 has a reflectivity close to 100% with respect to the s-polarized component of both 930 nm and 1030 nm laser beams, and has a transmittance of 10 for the p-polarized component of the laser beams with both wavelengths. It has the characteristic which becomes more than%. In addition, the coherent light having a wavelength of 488 nm, in particular, has a characteristic that the transmittance becomes high with respect to the p-polarized component.

波長930nmと波長1030nmの両方のレーザ共振器は、ダイクロイックミラー12を経由して第1反射鏡5と第2反射鏡11の間に構成される。ダイクロイックミラーの偏光特性により、2つの波長のレーザ発振光は直線偏光となる。   Both laser resonators having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm are configured between the first reflecting mirror 5 and the second reflecting mirror 11 via the dichroic mirror 12. Due to the polarization characteristics of the dichroic mirror, the laser oscillation light of two wavelengths becomes linearly polarized light.

実施例2で用いられる第2反射鏡11に波長488nmにおいて高反射率となる点が実施例1で使用した第2反射鏡とは異なる。第1のLBO結晶9によって和周波混合により発生する波長約488nmのコヒーレント光は、波長930nmと波長1030nmのレーザ発振光がレーザ共振器を往復することから、第1のLBO結晶9から対向する2方向に発生する。第2反射鏡11の方向に発生した波長約488nmのコヒーレント光は、第2反射鏡11に於いて反射し、ダイクロイックミラー12の他方向に発生した波長約488nmのコヒーレント光と重なりあって、ダイクロイックミラーを通過し、488nm出力光20として出力される。実施例2は実施例1にくらべて1個だけではあるが部品点数が多く、さらに折り返し共振器であるために製造時の調整が難しくなるが、和周波混合によって発生する波長約488nmのコヒーレント光をより効率的に取り出すことができる。   The second reflecting mirror 11 used in the second embodiment is different from the second reflecting mirror used in the first embodiment in that the second reflecting mirror 11 has a high reflectance at a wavelength of 488 nm. The coherent light having a wavelength of about 488 nm generated by the sum frequency mixing by the first LBO crystal 9 is opposite to the first LBO crystal 9 because the laser oscillation light having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm reciprocates the laser resonator. Occurs in the direction. The coherent light having a wavelength of about 488 nm generated in the direction of the second reflecting mirror 11 is reflected by the second reflecting mirror 11 and overlaps with the coherent light having a wavelength of about 488 nm generated in the other direction of the dichroic mirror 12. The light passes through the mirror and is output as 488 nm output light 20. The second embodiment has only one component compared to the first embodiment, but has a large number of parts and is difficult to adjust at the time of manufacture because it is a folded resonator. However, coherent light having a wavelength of about 488 nm generated by sum frequency mixing is difficult. Can be taken out more efficiently.

次に、図3を参照しながら実施例3について説明する。図3に於いて、前記実施例のものに対応する部分には同様の符号を付し、その詳しい説明を省略する。図3に示される実施例の構成要素のうち、第2のLBO結晶13と第2反射鏡14を除いて、実施例1で使われていたものと同じである。   Next, Example 3 will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same reference numerals are given to portions corresponding to those in the above embodiment, and detailed description thereof is omitted. Among the components of the embodiment shown in FIG. 3, except for the second LBO crystal 13 and the second reflecting mirror 14, they are the same as those used in the first embodiment.

第2のLBO結晶13は、第1のLBO結晶9と同じ材料のLiBからできており、その長さは8mmである。ただし、そのカット方位が波長1030nmの基本波光とする第2高調波発生が可能なφ=13.9°、θ=90°としてある。第2反射鏡14は実施例1で使用した第2反射鏡10がもつ反射特性をもつとともに、さらに波長515nmに対して低反射となる特性も持たせてある。 The second LBO crystal 13 is made of LiB 3 O 5 which is the same material as the first LBO crystal 9 and has a length of 8 mm. However, φ = 13.9 ° and θ = 90 ° capable of generating a second harmonic wave whose cut direction is fundamental light having a wavelength of 1030 nm. The second reflecting mirror 14 has the reflection characteristics of the second reflecting mirror 10 used in the first embodiment, and also has a characteristic of low reflection with respect to a wavelength of 515 nm.

実施例1と同様に、半導体レーザ光19によりNd:YAP結晶6が励起され、第1反射鏡5と第2反射鏡14の間に構成されるレーザ共振器でNd:YAP結晶6を利得媒質として波長930nmのレーザ発振が起こる。次に、レーザ共振器内を循環する波長930nmのレーザ光により、Yb:YAG結晶7が励起され、第1反射鏡5と第2反射鏡14の間に構成されるレーザ共振器で、Yb:YAG結晶7を利得媒質として波長1030nmのレーザ発振が起こる。   Similar to the first embodiment, the Nd: YAP crystal 6 is excited by the semiconductor laser light 19, and the Nd: YAP crystal 6 is gain medium by the laser resonator formed between the first reflecting mirror 5 and the second reflecting mirror 14. As a result, laser oscillation with a wavelength of 930 nm occurs. Next, a Yb: YAG crystal 7 is excited by a laser beam having a wavelength of 930 nm circulating in the laser resonator, and is configured between the first reflecting mirror 5 and the second reflecting mirror 14. Laser oscillation with a wavelength of 1030 nm occurs using the YAG crystal 7 as a gain medium.

同時に発振する2つのレーザの波長930nmと波長1030nmのレーザ光は、レーザ共振器内に配置した第1のLBO結晶9により和周波混合され、波長約488nmのコヒーレント光を発生し、488nm出力光20として取り出される。また、波長1030nmのレーザ光は、この和周波混合に使われる一方、第2のLBO結晶13によって第2高調波である波長515nmのコヒーレント光に変換され、変換されたコヒーレント光は515nm出力光21として出力される。   The laser light having a wavelength of 930 nm and a wavelength of 1030 nm of the two lasers that oscillate simultaneously is sum-frequency mixed by the first LBO crystal 9 disposed in the laser resonator to generate coherent light having a wavelength of about 488 nm. As taken out. The laser light with a wavelength of 1030 nm is used for this sum frequency mixing, while it is converted by the second LBO crystal 13 into coherent light with a wavelength of 515 nm, which is the second harmonic, and the converted coherent light is 515 nm output light 21. Is output as

実施例3では、2つのLBO結晶を使用したが、これに加えて、第1波長の930nmを基本波とする第2高調波発生が可能な第3のLBO結晶をレーザ共振器内に配置することにより波長465nmのコヒーレント光を発生させると、上記2波長の出力光と合わせて3波長のコヒーレント光を同時に出力することができるレーザ装置になることは容易に推測できる。   In Example 3, two LBO crystals were used. In addition, a third LBO crystal capable of generating a second harmonic having a fundamental wavelength of 930 nm of the first wavelength is disposed in the laser resonator. Thus, when coherent light having a wavelength of 465 nm is generated, it can be easily estimated that a laser apparatus capable of simultaneously outputting three wavelengths of coherent light together with the above two wavelengths of output light is obtained.

次に、図4を参照しながら実施例4について説明する。図2に於いて、前記実施例のものに対応する部分には同様の符号を付し、その詳しい説明を省略する。図4に示される実施例の構成要素のうち、第1の電子冷却素子15、第2の電子冷却素子16、第1の温度制御器17、第2の温度制御器18を除いた構成要素は、図3を用いて説明した実施例3と同じである。   Next, Example 4 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same reference numerals are given to portions corresponding to those of the above embodiment, and detailed description thereof is omitted. Among the components of the embodiment shown in FIG. 4, the components excluding the first electronic cooling element 15, the second electronic cooling element 16, the first temperature controller 17, and the second temperature controller 18 are as follows. This is the same as the third embodiment described with reference to FIG.

第1の電子冷却素子15と第2の電子冷却素子16は、ペルチェ効果を利用した素子で、供給する電流の方向を変えることにより加熱動作と冷却動作を切り替えることができるものである。また、第1の温度制御器17と第2の温度制御器18は電子冷却素子を加熱と冷却のための両方の駆動ができるものである。第1の電子冷却素子15は第1の温度制御器17で駆動され、和周波混合のための第1のLBO結晶9を温度制御している。第2の電子冷却素子16は第2の温度制御器18で駆動され、第2高調波発生のための第2のLBO結晶13を温度制御している。これらの電子冷却素子と温度制御器によって、2つのLBO結晶は独立に温度制御することができる。   The first electronic cooling element 15 and the second electronic cooling element 16 are elements that utilize the Peltier effect, and can switch between a heating operation and a cooling operation by changing the direction of the supplied current. The first temperature controller 17 and the second temperature controller 18 can drive both the electronic cooling element for heating and cooling. The first electronic cooling element 15 is driven by a first temperature controller 17 to control the temperature of the first LBO crystal 9 for sum frequency mixing. The second electronic cooling element 16 is driven by the second temperature controller 18 to control the temperature of the second LBO crystal 13 for generating the second harmonic. The temperature of the two LBO crystals can be controlled independently by these electronic cooling elements and the temperature controller.

第1のLBO結晶9と第2のLBO結晶13は、温度を約25℃に設定したときに位相整合がとれるように配置する角度を調整してある。両方のLBO結晶の温度が25℃に設定してあるときは、実施例3と同様に、第3波長が約488nmのコヒーレント光と第4波長が515nmのコヒーレント光の両方が発生し、488nm出力光20と515nm出力光21の両方が同時に出力される。   The angle at which the first LBO crystal 9 and the second LBO crystal 13 are arranged so as to achieve phase matching when the temperature is set to about 25 ° C. is adjusted. When the temperatures of both LBO crystals are set to 25 ° C., as in Example 3, both coherent light having a third wavelength of about 488 nm and coherent light having a fourth wavelength of 515 nm are generated, and a 488 nm output is obtained. Both light 20 and 515 nm output light 21 are output simultaneously.

第2のLBO結晶13の温度を約25℃に保ったまま第1のLBO結晶9の温度を約17℃だけ上昇させて約42℃にした時には、和周波混合の位相整合がとれなくなり波長488nmのコヒーレント光の発生が停止して、波長515nm出力光21だけが出力される。逆に、第1のLBO結晶9の温度を約25°に保ったまま、第2のLBO結晶13の温度を約17℃だけ上昇させ約42℃にしたときは、第2高調波発生の位相整合がとれなくなって波長515nmのコヒーレント光の発生が停止し、488nm出力光20のみが出力される。   When the temperature of the first LBO crystal 9 is increased by about 17 ° C. to about 42 ° C. while the temperature of the second LBO crystal 13 is maintained at about 25 ° C., the phase matching of sum frequency mixing cannot be achieved and the wavelength of 488 nm. Generation of the coherent light is stopped, and only the output light 21 having a wavelength of 515 nm is output. Conversely, when the temperature of the second LBO crystal 13 is increased by about 17 ° C. to about 42 ° C. while the temperature of the first LBO crystal 9 is maintained at about 25 °, the phase of the second harmonic generation occurs. Matching is lost and the generation of coherent light with a wavelength of 515 nm stops, and only the 488 nm output light 20 is output.

このようにして、これらの一方のコヒーレント光のみが出力される状態を、2つのLBO結晶の温度を変化させることによって、488nm出力光20と515nm出力光のどちらか一方だけが出力される状態を切り替えることができる。   In this way, a state in which only one of these coherent lights is output is a state in which only one of the 488 nm output light 20 and the 515 nm output light is output by changing the temperatures of the two LBO crystals. Can be switched.

実施例1〜4では、第1のレーザ結晶としてNd:YAPを使用しているが、Nd:YAG、Nd:YVO、Nd:GdVO、Nd:GGG(Nd:GdGa12)、Nd:YLF(Nd:LiYF)などの、波長が0.91μm〜0.95μmで発振が可能で、かつ1.00μm〜1.05μmでは吸収が生じないNdイオンを添加したレーザ結晶でも同様の効果が得られる。これらの結晶は単結晶でなくともセラミック結晶と呼ばれる多結晶であっても、やはり同様の効果が得られる。 In Examples 1 to 4, Nd: YAP is used as the first laser crystal, but Nd: YAG, Nd: YVO 4 , Nd: GdVO 4 , Nd: GGG (Nd: Gd 3 Ga 5 O 12 ) The same applies to a laser crystal added with Nd ions such as Nd: YLF (Nd: LiYF 4 ), which can oscillate at a wavelength of 0.91 μm to 0.95 μm and does not absorb at 1.00 μm to 1.05 μm. The effect is obtained. Even if these crystals are not single crystals but polycrystals called ceramic crystals, the same effect can be obtained.

また、実施例1〜4では、第2のレーザ結晶にYb:YAGを使用したが、Yb:YVO、Yb:GdVO、Yb:GGG(Yb:GdGa12)、Yb:YLF(Yb:LiYF)などの、波長が1.02μm〜1.05μmで発振が可能で、かつ波長0.91m〜0.95μmで励起が可能なYbイオンを添加したレーザ結晶でも同様の効果が得られる。これらの結晶は単結晶でなくともセラミックック結晶と呼ばれる多結晶であっても、やはり同様の効果が得られる。 In Examples 1 to 4, Yb: YAG was used for the second laser crystal, but Yb: YVO 4 , Yb: GdVO 4 , Yb: GGG (Yb: Gd 3 Ga 5 O 12 ), Yb: YLF. The same effect can be obtained with a laser crystal to which Yb ions such as (Yb: LiYF 4 ) can be oscillated at a wavelength of 1.02 μm to 1.05 μm and can be excited at a wavelength of 0.91 m to 0.95 μm. can get. Even if these crystals are not single crystals but polycrystals called ceramic crystals, the same effect can be obtained.

さらに、実施例1〜4では、和周波混合や第2高調波発生を行なう非線形光学媒質としてLBOを使用しているが、位相整合が可能なKTiOPO、KNbOや、BiBやその他の非線形光学結晶、あるいはLiNbOやLiTaOなどの非線形光学定数の大きな結晶に擬似位相整合のために人工的に周期的分極反転構造を設けた素子を使用しても同様の効果が得られる。 Further, in Examples 1 to 4, LBO is used as a nonlinear optical medium for performing sum frequency mixing and second harmonic generation. However, KTiOPO 4 , KNbO 3 , BiB 3 O 6, and others that can perform phase matching are used. The same effect can be obtained by using a non-linear optical crystal having a large nonlinear optical constant, such as LiNbO 3 or LiTaO 3, and an element having an artificially periodically poled structure for quasi-phase matching.

本発明の実施例1を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Example 1 of this invention. 本発明の実施例2を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Example 2 of this invention. 本発明の実施例3を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Example 3 of this invention. 本発明の実施例4を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Example 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体レーザ
2 レンズ
3 第1シリンドリカルレンズ
4 第2シリンドリカルレンズ
5 第1反射鏡
6 Nd:YAP結晶
7 Yb:YAG結晶
8 石英ガラス板
9 第1のLBO結晶
10 第2反射鏡
11 第2反射鏡
12 ダイクロイックミラー
13 第2のLBO結晶
14 第2反射鏡
15 第1の電子冷却素子
16 第2の電子冷却素子
17 第1の温度制御器
18 第2の温度制御器
19 半導体レーザ光
20 488nm出力光
21 515nm出力光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser 2 Lens 3 1st cylindrical lens 4 2nd cylindrical lens 5 1st reflective mirror 6 Nd: YAP crystal 7 Yb: YAG crystal 8 Quartz glass plate 9 1st LBO crystal 10 2nd reflective mirror 11 2nd reflective mirror 12 dichroic mirror 13 second LBO crystal 14 second reflecting mirror 15 first electronic cooling element 16 second electronic cooling element 17 first temperature controller 18 second temperature controller 19 semiconductor laser light 20 488 nm output light 21 515nm output light

Claims (5)

内部共振器型和周波混合レーザであって、
第1及び第2の反射器により構成されるレーザ共振器と、
利得媒質として前記レーザ共振器内に配置された、0.91μmから0.95μmの間の第1波長でレーザ発振するベくネオジムが添加された第1レーザ結晶と、
前記第1レーザ結晶を励起するためのレーザエネルギ源と、
前記第1波長のレーザ光により励起される利得媒質として前記レーザ共振器内に配置された、1.02μmから1.05μmの間の第2波長でレーザ発振するベくイッテルビウムが添加された第2レーザ結晶と、
前記第1波長と前記第2波長のレーザ光に対して和周波混合を行うために前記レーザ共振器内に配置された第1非線形光学媒質とを有することにより、
波長が0.48μmから0.50μmの範囲にある第3波長のコヒーレント光を出力するようにしたことを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
An internal resonator type sum frequency mixing laser,
A laser resonator composed of first and second reflectors;
A first laser crystal, which is disposed in the laser resonator as a gain medium, to which is added neodymium that oscillates at a first wavelength between 0.91 μm and 0.95 μm, and
A laser energy source for exciting the first laser crystal;
A second medium added with ytterbium, which is disposed in the laser resonator as a gain medium excited by the laser beam having the first wavelength and oscillates at a second wavelength between 1.02 μm and 1.05 μm, is added. A laser crystal;
By having a first nonlinear optical medium disposed in the laser resonator for performing sum frequency mixing on the laser light of the first wavelength and the second wavelength,
An internal resonator type sum frequency mixed laser characterized in that coherent light having a third wavelength in the range of 0.48 μm to 0.50 μm is output.
第2波長のレーザ光の第2高調波発生を可能にするために前記レーザ共振器内に配置された第2非線形光学媒質を更に有し、波長が0.51μmから0.53μmの範囲にある第4波長のコヒーレント光をも発生するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の内部共振器型和周波混合レーザ。   A second nonlinear optical medium disposed in the laser resonator to enable generation of the second harmonic of the laser light having the second wavelength, and having a wavelength in the range of 0.51 μm to 0.53 μm; 2. The internal resonator type sum frequency mixed laser according to claim 1, wherein coherent light having a fourth wavelength is also generated. 前記第1非線形光学媒質及び前記第2非線形光学媒質の温度をそれぞれ独立に制御する手段を更に有し、前記非線形光学媒質の温度を制御することにより、前記第3波長のコヒーレント光及び前記第4波長のコヒーレント光のいずれか一方を選択的に取り出せるようにしたことを特徴とする請求項2に記載の内部共振器型和周波混合レーザ。   The apparatus further includes means for independently controlling the temperatures of the first nonlinear optical medium and the second nonlinear optical medium, and by controlling the temperature of the nonlinear optical medium, the coherent light of the third wavelength and the fourth 3. The internal resonator type sum frequency mixed laser according to claim 2, wherein either one of the coherent lights having wavelengths can be selectively extracted. 前記第1レーザ結晶がネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイトを含み、前記第2レーザ結晶がイッテルビウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネットを含み、前記第1レーザ結晶を励起する手段が半導体レーザであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の内部共振器型和周波混合レーザ。   The first laser crystal includes neodymium-doped yttrium aluminum perovskite, the second laser crystal includes ytterbium-doped yttrium aluminum garnet, and the means for exciting the first laser crystal is a semiconductor laser. The internal resonator type sum frequency mixing laser according to any one of claims 1 to 3. 前記第1非線形光学媒質及び前記第2非線形媒質の少なくともいずれか一方が、三ホウ酸リチウムを含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載の内部共振器型和周波混合レーザ。   5. The internal resonator type sum frequency mixed laser according to claim 1, wherein at least one of the first nonlinear optical medium and the second nonlinear medium contains lithium triborate. 6. .
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