CN112051695A - 波长转换装置 - Google Patents

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CN112051695A CN202010497257.8A CN202010497257A CN112051695A CN 112051695 A CN112051695 A CN 112051695A CN 202010497257 A CN202010497257 A CN 202010497257A CN 112051695 A CN112051695 A CN 112051695A
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Abstract

一种波长转换装置，其具有腔室，该腔室包含RAMO4晶体、激光晶体和镜，所述RAMO4晶体含有由通式RAMO4所示的单晶体，其中，通式中，R表示选自Sc、In、Y及镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga及Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及Cd中的一个或多个二价元素。

Description

波长转换装置
技术领域
本申请涉及波长转换装置。
背景技术
以往，通过将由Nd：YAG激光器、Nd：YVO4激光器发出的光利用非线性光学效应来进行波长转换，从而得到绿色光等可见激光、或者得到将绿色光进一步转换而得的紫外激光的波长转换装置被大量地开发、实用化。这些转换光用于激光加工、激光显示器等。
作为使用了非线性光学效应的波长转换的方法之一，具有双折射率的非线性光学晶体的使用被广泛已知。作为非线性光学晶体，研究了各种无机氧化物系晶体。例如，具有三氧化硼(BO3)作为基本结构的GdCOB(化学式：GdCa4O(BO3)3)作为Nd：YAG激光器的二次谐波生成用的非线性光学晶体是优异的，双折射率比GdCOB更大的YCOB(化学式：YCa4O(BO3)3)也作为优异的非线性光学晶体进行了报道。
例如专利文献1中公开了YCOB对于Nd：YAG激光器的三次谐波产生是合适的。另外，专利文献2中公开了作为GdCOB与YCOB的混晶的GdYCOB，公开了利用Gd与Y的组成比来控制双折射率的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4100733号公报
专利文献2：日本特许第3936466号公报
发明内容
本申请提供以下的波长转换装置。
本申请的第一方式所述的波长转换装置具有腔室，该腔室包含RAMO4晶体、激光晶体和镜，所述RAMO4晶体含有由第一通式RAMO4所示的单晶体，其中，所述第一通式中，R表示选自Sc、In、Y及镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga及Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及Cd中的一个或多个二价元素。
关于本申请的第二方式所述的波长转换装置，在所述第一方式所述的波长转换装置中，所述激光晶体为Nd：YAG、Nd：YVO4、Yb：YAG或Yb：YVO4中的任一个。
关于本申请的第三方式所述的波长转换装置，在所述第一或第二方式所述的波长转换装置中，所述第一通式RAMO4中，所述R为Sc或In，所述A为Al或Ga，所述M为选自Mg、Co及Mn中的一个或两个以上的组合。
关于本申请的第四方式所述的波长转换装置，在所述第三方式所述的波长转换装置中，所述RAMO4晶体为由化学式InGaMgO4所示的晶体。
关于本申请的第五方式所述的波长转换装置，在所述第一或第二方式所述的波长转换装置中，所述RAMO4所示的晶体为由第二通式ScAlM’O4所示的晶体，所述第二通式中，M’表示选自Mg、Co及Mn中的一个或两个以上的组合。
关于本申请的第六方式所述的波长转换装置，在所述第五方式所述的波长转换装置中，所述RAMO4晶体为由化学式ScAlMgxCo1-xO4所示的晶体，所述化学式中的x为0.7≤x≤0.9。
附图说明
图1是示出本实施方式中的波长转换装置的构成的示意图。
图2是示出本实施方式的波长转换装置所使用的ScAlMgO4晶体的折射率色散的图。
图3是示出本实施方式的波长转换装置所使用的ScAlMgO4晶体的晶格模型的图。
图4是示出本实施方式的波长转换装置所使用的ScAlMgO4晶体的制造中使用的高频加热方式炉的构成的示意图。
附图标记说明
100 波长转换装置
110 激发用激光二极管
120 聚光透镜
130 镜涂层
140 激光晶体
150 RAMO4晶体
160 输出镜
170 准直透镜
180 激光
190 腔室
400 高频加热方式炉
410 原料
420 坩埚
421 坩埚支承轴
422 耐火材
430 绝热材
440 加热线圈
450 晶体提拉轴
451 籽晶保持器
452 晶种
具体实施方式
关于作为Nd：YAG激光器的振荡波长的1064nm下的双折射率，GdCOB为0.034、YCOB为0.041。并且，在作为它们的混晶的GdYCOB中，能够根据Gd与Y的组成比来控制的双折射率的范围为0.034至0.041之间。因此，GdYCOB不适于比Nd：YAG激光器的三次谐波更高次的高次谐波产生。此处，作为适于Nd：YAG激光器的四次谐波产生的晶体，可举出具有0.050的双折射率的CLBO(化学式：CsLiB6O10)。然而，CLBO晶体脆，并具有潮解性。因此，为了实现波长转换装置的长寿命化，存在必须在干燥气氛下封装、在加热状态下使用等问题。为了将这些光高次谐波产生更稳定且高效率地进行，要求双折射率适度地大、且可基于组成比来控制双折射率、并且机械稳定、化学稳定、热稳定的晶体。
本申请的目的是解决所述现有的课题，提供稳定且高效率地进行光高次谐波产生的波长转换装置。
以下，对于本申请的实施方式的波长转换装置，参照附图来进行说明。
本实施方式中，对于使用了包含由第一通式RAMO4所示的单晶体的RAMO4晶体的波长转换装置进行说明。需要说明的是，通式中，R表示选自Sc、In、Y及镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga及Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及Cd中的一个或多个二价元素。
图1是示出本实施方式中的波长转换装置的构成的示意图。图1所示的波长转换装置100具有激发激光二极管110、聚光透镜120、镜涂层130、激光晶体140、RAMO4晶体150、输出镜160、和准直透镜170。
由激发激光二极管110发出的激发光被聚光透镜120聚光，并入射至在端面施加有透射激发光的镜涂层130的激光晶体140。需要说明的是，本构成中，激发光是从激光晶体140的端面(施加有镜涂层130的面)入射，但也可以从激光晶体140的侧面入射激发光。该情况下，镜涂层130也可以为全反射镜。另外，也可以替代镜涂层130而将具有同样的反射特性的镜与激光晶体140相邻地配置。
本实施方式中，激光晶体140为Nd：YAG，但也可以使用Nd：YVO4、Yb：YAG、Yb：YVO4等。由此，可以与实用的固体激光器的振荡波长相对应。被入射的激发光激发的激光晶体140发出规定波长的光(基波)。该光透射RAMO4晶体150，被配置于其前方的输出镜160反射。
本实施方式的波长转换装置100中，由在端面施加有镜涂层130的激光晶体140、RAMO4晶体150、和输出镜160构成腔室(光谐振器)190，光在腔室190内重复往返，每次透射激光晶体140时都会因受激发射而被放大。
另外，光透射RAMO4晶体150中时，由于其非线性光学效应，产生波长与基波不同的极化波，具有满足相位匹配条件的波长的极化波的振幅被放大。
输出镜160为将基波和激发光全反射而透射具有期望波长的极化波的结构。透射输出镜160的光利用准直透镜170将行进方向调整为平行。通过以上，可以得到波长转换为期望的波长的激光180。
如本实施方式所示那样，在激光晶体140为Nd：YAG的情况下，该激光晶体140被波长808nm的激发激光二极管110激发而产生波长1064nm的红外光。然后，在RAMO4晶体满足一半的波长532nm的相位匹配条件的情况下，波长转换为波长532nm的光。即产生二次谐波，得到绿色的激光180。
另外，在RAMO4晶体满足1/3的波长355nm的相位匹配条件的情况下，进行向波长355nm的波长转换。即产生三次谐波，得到紫外(UV-A)的激光180。
进而，在RAMO4晶体满足1/4的波长266nm的相位匹配条件的情况下，进行向波长266nm的波长转换。即产生四次谐波，得到深紫外(UV-C)的激光180。
上述是否满足各种相位匹配条件，很大程度上依赖于RAMO4晶体所具有的双折射率Δn。双折射率Δn是指寻常光(Ordinary Ray)的折射率no和非寻常光(Extra-ordinaryRay)的折射率ne的差。如果双折射率Δn小，则不能进行波长转换，如果过大，则由于偏离相位匹配条件而转换效率降低。
以下，使用作为RAMO4晶体之一的ScAlMgO4晶体的例子进行说明。图2是示出该实施方式中的ScAlMgO4晶体的折射率色散的图。折射率使用J.A.Woollam公司制的M-2000，通过光谱椭圆偏振仪法评价来测定。在波长245nm～1700nm、常温的条件下，以多个角度实施反射穆勒测定及透射穆勒测定，通过拟合来导出折射率。需要说明的是，一部分没有测定值的波长区域的折射率进行了基于多项式近似的外插。
如图2所示，在Nd：YAG激光器的振荡波长1064nm下的ScAlMgO4晶体的寻常光的折射率no为1.822，非寻常光的折射率ne为1.761，并且双折射率Δn为0.061。这与作为以往的代表性的非线性光学晶体的GdCOB(化学式：GdCa4O(BO3)3)的双折射率Δn＝0.034、YCOB(化学式：YCa4O(BO3)3)的双折射率Δn＝0.041、CLBO(化学式：CsLiB6O10)的双折射率Δn＝0.050相比，是较大的值。
此外，ScAlMgO4晶体在1064nm下的寻常光的折射率no＝1.822和在320nm下的非寻常光的折射率ne＝1.822一致。因此，通过调整ScAlMgO4单晶的角度、温度，可以在320nm附近的波长区域中满足相位匹配条件来进行波长转换。另外，1064nm下的双折射率Δn越大，则更短波长侧的非寻常光的折射率ne与1064nm下的寻常光的折射率no越一致，从而可以进行向更短波长的波长转换。
CLBO晶体作为可产生Nd：YAG激光器的四次谐波(266nm)为止的晶体而已知，可以说双折射率Δn比CLBO晶体大的RAMO4晶体适于向更短波长的波长转换、即高次谐波的产生。
需要说明的是，为了作为非线性光学晶体进行应用，除了光学特性以外，还要求晶体育成在工业上是可行的，以及晶体是机械稳定、化学稳定、热稳定的。针对于此，RAMO4晶体(例如ScAlMgO4晶体)由于可以用基于切克劳斯基(Czochralski)法的晶体提拉装置来育成块状晶体，所以在工业上可以进行晶体育成。详细的制法如后所述。
并且，RAMO4晶体(例如ScAlMgO4晶体)的机械性能、化学性能、热性能如下所示那样优异。例如ScAlMgO4晶体的莫氏硬度为4～5[mohs′]，作为非线性光学晶体具有充分的强度。ScAlMgO4晶体不具有水溶性、潮解性，并且对使用环境的湿度没有限制。ScAlMgO4晶体的熔点约为1900[℃]，并且对热非常稳定。即，RAMO4晶体(例如ScAlMgO4晶体)是机械稳定、化学稳定、热稳定的晶体，适合非线性光学晶体。
图3是表示本实施方式的RAMO4晶体的一例的ScAlMgO4晶体的晶格模型的图。ScAlMgO4晶体具有由近似岩盐结构的ScOx层和纤锌矿结构的AlMgOx层交替层叠而成的结构，具有在与石墨、六方晶BN同样的(0001)面(劈开面)上晶体劈开的性质。该劈开性在以(0001)面为基准将晶体加工成规定的形状时合适地起作用。
ScAlMgO4晶体的a轴的晶格常数为0.3246nm，c轴的晶格常数为2.5160nm。该a轴与c轴的晶格常数的较大的差异成为良好的非线性光学特性(各向异性)的一个原因。
此处，对于RAMO4晶体而言，如果将构成的元素置换为其他元素，或者变更组成比，则晶格常数变化。由于双折射率Δn与晶格常数之间存在相关性，因此通过改变RAMO4晶体的构成元素和组成比，可以自由地控制双折射率Δn。
例如，当通式RAMO4的R为Sc或In，A为Al或Ga，M为选自Mg、Co和Mn中的一个或两个以上的组合时，可以实现各种晶格常数和各种双折射率Δn。这些晶体的化学式和a轴的晶格常数、1064nm下的双折射率Δn的计算值示于表1。
[表1]
Figure BDA0002522219750000071
如表1所示，当变更RAMO4晶体的构成元素时，晶体的双折射Δn分布在0.036至0.061的范围内。因此，通过制作这些晶体的混晶并调整组成比，可以将双折射率Δn控制在0.036至0.061之间的任意值。
以往，具有双折射率Δn＝0.034的GdCOB晶体作为能够产生Nd：YAG激光器的二次谐波(532nm)的晶体而已知，具有双折射率Δn＝0.041的YCOB晶体作为能够产生Nd：YAG激光器的三次谐波(355nm)的晶体而已知，具有双折射率An＝0.050的CLBO晶体作为能够产生Nd：YAG激光器的四次谐波(266nm)的晶体而已知。鉴于这些，可以说上述RAMO4晶体可得到适合于Nd：YAG激光器的从二次谐波到四次谐波的任意波长的双折射率。
在上述组合中，具有双折射率Δn＝0.036的InGaMgO4在Nd：YAG激光器的二次谐波(532nm)的产生中，在室温下满足相位匹配角度为90°的非临界相位匹配条件。因此，最适合于Nd：YAG激光器的二次谐波(532nm)的产生。
另一方面，当RAMO4晶体是ScAlMgO4、ScAlCoO4、ScAlMnO4或它们的混晶、即由第二通式ScAlM’O4(M’表示选自Mg、Co和Mn中的一个或两个以上的组合)所表示的晶体时，能够将双折射率Δn控制在0.049至0.061之间，即适度大的值。以往，具有双折射率Δn＝0.050的CLBO晶体作为能够产生Nd：YAG激光器的四次谐波(266nm)的晶体而已知，由此，可以说通式ScAlM’O4所表示的晶体适合于Nd：YAG激光器的四次谐波(266nm)的产生。
进而，作为RAMO4晶体，还优选晶体育成的稳定性高的ScAlMgO4和ScAlCoO4的混晶。该RAMO4晶体成为由化学式ScAlMgxCo1-xO4所表示的晶体(0＜x＜1)。化学式中的组成比x变化时的a轴的晶格常数和1064nm下的双折射率An的计算值示于表2。
[表21
Figure BDA0002522219750000081
根据表2，在表示Mg与Co的组成比的x为0.7～0.9的情况下，双折射率An为0.059～0.060之间，在Nd：YAG激光器的三次谐波(355nm)的产生时，在室温下满足相位匹配角度为90°的非临界相位匹配条件。因此，该构成最适于Nd：YAG激光器的三次谐波(355nm)的产生。
需要说明的是，可应用于本申请的RAMO4晶体150不限定于以ScAlMgO4晶体为代表的上述例举的元素的组合、其组成比。另外，激光晶体140的振荡波长不限定于Nd：YAG的1064nm。
另外，镜涂层130和输出镜160可使用对规定波长的光具有高反射率的各种材质。另外，聚光透镜120以及准直透镜170可使用使规定的波长的光透射的各种材质。另外，在基于相位匹配的光高次谐波产生时，也可以产生和频、差频。
(关于RAMO4晶体的育成)
上述RAMO4晶体150可以用基于切克劳斯基法(以下也称为“CZ法”)的晶体提拉装置来制作。
用于制作本实施方案的RAMO4晶体150的装置(晶体提拉装置)的实例包括高频加热型炉或电阻加热方式炉。以下，对利用高频加热方式炉制造作为RAMO4晶体之一的ScAlMgO4晶体的情况进行说明。然而，如上所述，RAMO4晶体不限于ScAlMgO4晶体。另外，也可以使用电阻加热方式炉来代替高频加热方式炉。
图4是示出用于制造本实施方案的ScAlMgO4晶体的高频加热方式炉的构成的示意图。在图4中，高频加热方式炉400具有原料410、坩埚420、坩埚支承轴421、耐火材422、绝热材430、加热线圈440、晶体提拉轴450、籽晶保持器451和晶种452。需要说明的是，虽然图4中未示出，但高频加热方式炉400也可以具有基于CZ法的晶体提拉所必需的室、真空泵、气体导入口、气体排出口、高频电源、温度或气体流量的控制装置等。
原料410是氧化钪(Sc2O3)、氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)的混合物。为了提高填充密度，在使混合物烧结后填充到坩埚420中，使其加热熔融。
坩埚420为铱制，填充有原料410。坩埚420的材质不限于此，只要是具有在原料410的熔融温度下的耐热性和与原料410的耐反应性的材质，就可以使用各种材质。例如，作为优选的材质，还可以举出铂、钨、钼、钽等。
坩埚支承轴421为钨制，并且具有以设定速度旋转、升降的功能。坩埚支承轴421的材质不限于此，可以使用具有在该部分的加热温度下的耐热性、和支承原料410和坩埚420的强度的各种材质。需要说明的是，如果坩埚420不需要旋转、升降，则也可以为省略坩埚支承轴421的构成。
耐火材422是氧化锆制，对坩埚420和坩埚支承轴421中的任一个的材质都具有耐反应性。
绝热材430是氧化锆制，包围坩埚420的周围。在绝热材430的坩埚420的上方和下方，分别设置有用于插入晶体提拉轴450和坩埚支承轴421的贯通孔。
耐火材422和绝热材430的材质不限于此，可以使用具有在该部位的加热温度下的耐热性、和与周围气氛的耐反应性的各种材质。
加热线圈440是铜制的管(铜管)，以包围绝热材430的方式配置，在铜管的内部循环有冷却水。当在加热线圈440中流过高频电流时，产生高频磁通。由于高频磁通而在坩埚420中产生涡电流，坩埚420的表面发热。由此，坩埚420内的原料410被加热。
需要说明的是，虽然未图示，但高频加热方式炉400还具有使加热线圈440升降的机构。
晶体提拉轴450是氧化铝制，具有以设定的速度旋转、升降的功能。提晶轴450的材质不限于此，可以使用具有在该部分的加热温度下的耐热性、和与周围气氛的耐反应性的各种材质。籽晶保持器451为铱制，连接到晶体提拉轴450，并且能够在前端设置晶种452。籽晶保持器451的材质不限于此，可以使用具有在原料的熔融温度下的耐热性和对晶种452的耐反应性的各种材质。
晶种452为ScAlMgO4制，形状为正四棱柱，只要能够加工，则形状不限于此，可以使用圆柱、具有切口的棱柱等各种形状。
在进行原料410的加热熔融和晶体的育成时，将高频加热方式炉400内部的气氛置换为不活泼气体气氛。具体而言，将高频加热方式炉400内抽真空后，导入规定的气体使之成为常压。气体从位于高频加热方式炉400外的气体供给源(未图示)供给到该高频加热方式炉400的内部。
作为气体种类，作为不活泼气体主要使用氮气，但不限于此，也可以使用氩气等。
置换成上述气体气氛后，使原料410加热熔融，进行晶体育成。首先，在接通电源后，至达到原料410熔融温度为止，以不对坩埚420施加大的负荷的程度，花时间逐渐增加对加热线圈440施加的功率来进行加热。加热时间依赖于坩埚420的大小，在坩埚420的外径为80mm～150mm的情况下，优选为15小时～60小时。确认原料410熔融后，为了防止所育成的晶体的氧缺乏，向炉内导入氧。炉内的氧浓度优选为0.1体积％～10体积％。
接着，实施接种工序。一边使晶体提拉轴450以一定速度旋转，一边使其慢慢下降，直到晶种452与熔融的原料410接触。晶种452与熔融的原料410接触后，待机直到熔融的原料410的熔液温度稳定在适于晶体提拉的温度。
接着，实施晶体育成工序。一边以一定速度旋转晶体提拉轴450，一边以一定速度上升。此处，优选晶体提拉轴450的旋转速度为1rpm～10rpm，提拉速度为0.1mm/h～1.5mm/h。在晶体提拉轴450的上端，具备负载传感器(load cell)(未图示)，可进行提拉中的晶体的重量测定。提拉开始后，基于由该重量测定值计算的晶体直径，调整供给至加热线圈440的功率。然后，通过自动直径控制(Automatic Diameter Control(ADC))控制成期望的晶体形状。
将晶体提拉至期望的长度后，从原料410分离晶体，停止向炉内导入氧。接着，实施冷却工序。以不对坩埚420和提拉的晶体施加大的负荷的程度，花时间逐渐减少对加热线圈440施加的功率来进行冷却。冷却的时间依赖于坩埚420的大小，但在坩埚420的外径为80mm～150mm时，优选为20小时～70小时。冷却结束后，从高频加热方式炉400内取出晶体，加工成规定的形状。
发明效果
根据本申请，能够提供稳定且高效率地进行光高次谐波产生的波长转换装置。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供稳定且高效率地进行光高次谐波产生的波长转换装置。由波长转换装置得到的转换光在激光加工、激光显示器等中有用。

Claims (6)

1.一种波长转换装置，其具有腔室，该腔室包含RAMO4晶体、激光晶体和镜，所述RAMO4晶体含有由第一通式RAMO4所示的单晶体，
其中，所述第一通式中，R表示选自Sc、In、Y及镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga及Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn及Cd中的一个或多个二价元素。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述激光晶体为Nd：YAG、Nd：YVO4、Yb：YAG或Yb：YVO4中的任一个。
3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述第一通式RAMO4中，所述R为Sc或In，所述A为Al或Ga，所述M为选自Mg、Co及Mn中的一个或两个以上的组合。
4.根据权利要求3所述的波长转换装置，其中，所述RAMO4晶体为由化学式InGaMgO4所示的晶体。
5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述RAMO4晶体为由第二通式ScAlM’O4所示的晶体，所述第二通式中，M’表示选自Mg、Co及Mn中的一个或两个以上的组合。
6.根据权利要求5所述的波长转换装置，其中，所述RAMO4晶体为由化学式ScAlMgxCo1- xO4所示的晶体，所述化学式中的x为0.7以上且0.9以下。
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