CN1854875A - 光波长变换方法、光波长变换系统、程序与媒体以及激光振荡系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光波长变换方法，该方法以来自将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器的光为入射光，使它入射到非线性光学晶体，使1/2λ波长光出射，所述入射光的波长为1000nm以下，且所述入射光的峰值功率密度为提供最大变换效率的峰值功率密度的0.1～10倍。并且，将所述非线性光学晶体加热并保持在200～600℃。本发明的光波长变换方法及其光波长变换用程序用以提供用非线性光学晶体稳定地达成高变换效率，能够实现耐用的全固体紫外激光振荡器。预定基波依次入射到第一晶体与第二晶体，第一晶体的对应于基波的体损伤阈值大于第二晶体，第二晶体的对于所述基波的有效非线性常数大于所述第一晶体。本发明的光波长变换方法、光波长变换系统以及激光振荡系统用以提供能够高效率地获得高功率的二次谐波。

Description

光波长变换方法、光波长变换系统、程序与媒体 以及激光振荡系统

技术领域

本发明涉及用于激光振荡器的光波长变换方法、光波长变换系统、程序以及媒体。具体涉及对用作二次谐波发生元件的非线性光学晶体，特别是对单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇，以下称为“LB4”)入射相干光，将它变换为1/2波长光后出射的光波长变换方法、光波长变换系统、程序以及媒体。并且，本发明还涉及能高效率地获得高功率的二次谐波、三次谐波以及其它和频的光波长变换方法、光波长变换系统以及激光振荡系统。

背景技术

以短波长的激光作为对记录媒体的记录数据或从记录媒体读出数据的光源使用，具有可增大记录密度的优点。并且，用于材料的加工时，具有热影响小且能够精细加工的优点。而且，在医疗用光源或超大规模集成电路的光刻(lithography)用光源等中也适用短波长的激光。

如此，在各式各样的领域中需要短波长的激光。因此，业界期待稳定地出射短波长激光的小型、轻量、长寿命的光源。

但是，一直以来还没有出射500nm以下波长光的合适光源。例如，虽然知道用半导体激光器可出射达到波长400nm左右的激光，但存在输出功率非常低的问题。

已知的短波长且大输出功率的激光器有准分子激光器。准分子激光器于1970年苏联的Basov等用电子束激励液体氙(Xe)的方法首次实现，而且，在1976年，也成功于用放电激励的方式的振荡。放电激励方式的准分子激光器，在紫外线的脉冲重复振荡激光器上，用光学谐振腔放大ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)等化合物所发射的紫外光，并作为激光抽出。准分子激光器在高分子材料的烧蚀(ablation)加工、表面重整处理、刻标记、薄膜制作、药品制造、同位素分离等方面的应用为人们所期待。但是，准分子激光器例如为重复数百pps(pulse per second：脉冲/秒)的脉冲激光器时，在每10^-2秒只产生10^-9秒的脉冲光，与间隔(interval)相比激光器的发光时间明显短，因此，在应用领域上的加工或成膜过程中存在问题。并且，准分子激光器还存在其介质气体的寿命短、激光装置的小型化困难、保养性差、运行成本高、使用有毒气体等问题。总之，目前常温下长时间稳定产生紫外区光的半导体激光器等的实用化尚未实现。

于是，近年对二次谐波发生(SHG：secondary harmonic-wavegeneration)元件等非线性光学元件的研究越发活跃。由于SHG元件产生入射光波长的1/2波长光，例如，能够从红外区的激光产生紫外区的光，在各领域应用的工业价值极大。

已知的如SHG元件等作为波长变换元件使用晶体，例如有日本专利申请特开平3-65597号公报中公开的KTP(KTiOPO₄)，特开昭63-279231号公报中公开的BBO(β-BaB₂O₄)、CLBO(CsLiB₆O₁₀)、LBO(LiB₃O₅)、KDP(KH₂PO₄)。

但是，用KTP的波长变换元件不仅难以进行晶体的大型化，而且晶体内部存在折射率变化。因此，即使从一个晶体切割下来的KTP元件的折射率也不同而导致相位匹配角度不同，因此，存在难以实现高精度的波长变换元件的缺点。而且，KTP的晶体内容易形成所谓的“巢”，因此，存在难以批量提供优质KTP的缺点。

并且，采用BBO、CLBO的变换元件虽然具有高的变换效率，却存在因耐湿、耐激光损伤、双光子吸收等导致的输出功率不稳定等问题。

并且，用LBO的变换元件的最短SHG波长(倍频)为277nm，波长变换范围较窄。因此，不能产生Nd:YAG激光器的4倍频(266nm)。还存在不能形成大型晶体的缺点。

并且，用KDP的变换元件在重复频率高时，由于吸收热的影响产生相位不匹配，若非100Hz以下的低重复频率下就不能使用。在高重复频率下其损伤阈值极低。因此，很难用在重复频率超过1KHz的工业用(或产业用)激光振荡器上。

因此，本发明的申请人先前提出了用单晶的LB4(Li₂B₄O₇)作为变换元件的波长变换方法(日本专利申请特愿平8-250523号)。

这种单晶LB4对宽范围的波长透明度高，激光损伤小。并且，容易制造优质且大型的晶体。另外，其加工性好、潮解性小且操作性好，而且寿命长。

因此，采用LB4能够获得长期稳定工作、寿命长、加工性富裕、体积小、重量轻、价格低的光学变换元件。

波长变换元件的变换效率主要由晶体的非线性光学常数或相位匹配的所谓角度容许宽度的晶体的固有物理参数确定。但是，上述单晶LB4存在变换效率低于BBO或CLBO的缺点。因此，用变换效率低的单晶LB4作为发射紫外区光的波长变换元件被认为并不合适。

为了改善低的变换效率而获得平均输出功率高的出射光，可采用各种技术方法。一直以来，采用例如由透镜会聚入射光提高入射光的峰值功率密度的方法，增加晶体长度的方法，使用多个波长变换晶体的方法，以及使用具有高输出功率且光扩散度小的高质量光束特性的激光振荡器作为光源的方法等。

但是，用这种技术方法改善变换效率存在以下的局限。

首先，由透镜会聚入射光提高入射光的峰值功率密度的方法中，不能无限制地提高峰值功率密度，需考虑因入射光导致的激光损伤。

换言之，在波长变换元件的晶体元件的端面上，通常镀减反射用的防反射膜，但这种防反射膜的耐激光损伤性一般并不足够，当入射光的峰值功率密度过高时可能受损伤。并且，以更高的峰值功率密度入射的场合，可能会招致晶体元件自身的介质破坏。因此，对入射光的峰值功率密度，不得不考虑含防反射膜的特性的波长变换元件整体的激光损伤阈值而加以限制。

并且，随着入射光的峰值功率密度的提高获得高的变换效率时，也存在非线性光学晶体所固有的所谓双光子吸收的问题。这是，随着晶体自身的双光子吸收，在出射光束图案(beam pattern)的中心形成环形空穴，使输出极不稳定的现象。由于双光子吸收以与出射光的光束强度的平方成比例地增强，特别是在强度高的光束中心部上因吸收导致的晶体内部的加热的影响很大，折射率被改变且相位匹配受到破坏。

再有，一直以来，为了保护非线性晶体不受湿气影响或者进行随温度变化的相位匹配，将非线性光学晶体加热并保持在40～200℃左右。

而且，用透镜会聚入射光时，入射光束的扩散度增大，因此，会超过相位匹配的角度容许范围，反而降低变换效率。

在增加晶体长度的方法中，由于晶体长度加长时相位匹配的角度容许宽度变窄且晶体的吸收增大，当超过一定长度时，可见有变换效率逐渐趋于饱和的倾向。并且，在增加晶体长度的处置时存在光束图案产生畸变的问题。总之，不能说增加晶体长度的方法是有效的方法。

并且，使用多个波长变换晶体的方法是使不作波长变换地穿过晶体内部的光束入射到下一晶体而再利用的方法。按照这种方法，不仅提高变换效率，还可期待由多个晶体产生的波长变换光的干涉效果导致的输出功率增加。但是，按照这种方法时，存在入射光的光扩散度大或光束直径小时不能获得充分的干涉效果的问题。

另外，在具有高质量的光束特性的激光振荡器作为光源的方法中，为确实提高变换效率，最好使用高输出功率且光扩散度小的光束。但是，这样的振荡器很难低成本制造。

如上所述，关于别的问题，虽然已知有各种非线性光学晶体用作变换元件，但高效率地获得高功率的二次谐波等和频的方法尚未成熟。

换言之，为了获得高功率的二次谐波等和频，第一，需要使用可获得高变换效率的变换元件。第二，为了能够进行高功率的入射光的变换，需要使用对入射光有高的耐损伤性的变换元件。

但是，一般具有高变换效率的非线性光学晶体的耐损伤性较低，而具有高耐损伤性的非线性光学晶体有变换效率低的倾向。因此，未能获得同时具有足够的变换效率和耐损伤性的非线性光学晶体。

鉴于上述问题，本发明的课题在于：提供用非线性光学晶体，例如单晶焦硼酸锂LB4，制造稳定地达成高变换效率且耐用的全固体紫外激光振荡器的光波长变换方法、光波长变换系统、程序以及媒体(第一课题)。

并且，本发明的另一课题在于：提供对可利用的非线性光学晶体的限制条件加以补充，能高效率获得高功率的二次谐波等和频的光波长变换方法、光波长变换系统以及激光振荡系统(第二课题)。

发明的公开

为了解决上述第一课题，本发明提供这样的光波长变换方法，该方法以来自将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器的预定重复频率的光为入射光，使它入射到预定晶体长度的非线性光学晶体，使1/2λ波长的光出射，其特征在于：所述入射光的波长为1000nm以下，且所述入射光的峰值功率密度为提供最大变换效率的峰值功率密度的0.1～10倍。

并且，本发明提供这样的光波长变换方法，该方法以来自将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器的预定重复频率的光为入射光，使它入射到预定晶体长度的单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇)，使1/2λ波长的光出射，其特征在于：所述入射光的波长为1000nm以下，且所述入射光的峰值功率密度为由下式(1)提供的最佳峰值功率密度Pc的0.1～10倍。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

并且，本发明提供这样的光波长变换系统，该系统设有将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器，以及以来自该激光振荡器的预定重复频率的光为入射光，使1/2λ波长的光出射的预定晶体长度的非线性光学晶体，其特征在于：所述入射光的波长为1000nm以下，且所述入射光的峰值功率密度为提供最大变换效率的峰值功率密度的0.1～10倍。

并且，本发明提供这样的光波长变换系统，该系统设有将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器，以及以来自该激光振荡器的预定重复频率的光为入射光，使1/2λ波长的光出射的预定晶体长度的单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇)，其特征在于：所述入射光的波长为1000nm以下，且所述入射光的峰值功率密度为由下式(1)提供的最佳峰值功率密度Pc的0.1～10倍。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

上述各发明中的入射光的峰值功率密度是提供最大变换效率的峰值功率密度的0.1～10倍，0.1～5倍为理想，最好是0.5～2倍。

上述各发明中的入射光的波长为1000nm以下，可以为400～800nm，400～600nm较为理想，400～550nm则更理想，最好是480～540nm。

并且，上述各发明中的所述入射光的光扩散度以10mrad以下为理想，最好为0.3～4mrad。

并且，时间脉宽以100nsec以下为理想，最好为1×10^-3～80nsec。

而且，峰值功率密度最好为1MW/cm²以上。

本发明还提供一种可令计算机执行如下装置的功能的程序：受理对非线性光学晶体入射了波长为λ的预定重复频率的入射光后获得波长1/2λ的出射光时的由入射光的峰值功率密度和变换效率构成的数据组的输入装置；存储多个所述数据组的存储装置；用存储在所述存储装置中的多个数据组算出提供最大变换效率的峰值功率密度的运算装置；以及输出由运算装置获得的提供最大变换效率的峰值功率密度的输出装置。

并且，本发明提供可令计算机执行如下装置的功能的程序：受理对非线性光学晶体入射了波长λ的入射光后获得波长1/2λ的出射光时的由重复频率Rep和常数α、β构成的设定值的输入装置；用输入所述输入装置的设定值，基于下式(1)算出最佳峰值功率密度的运算装置；以及输出由运算装置获得的最佳峰值功率密度的输出装置。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

并且，本发明提供装有程序的计算机可读媒体，该程序令计算机执行如下装置的功能：受理对非线性光学晶体入射了波长为λ的预定重复频率的入射光后获得波长1/2λ的出射光时的由入射光的峰值功率密度和变换效率构成的数据组的输入装置；存储多个所述数据组的存储装置；用存储在所述存储装置中的多个数据组算出提供最大变换效率的峰值功率密度的运算装置；以及输出由运算装置获得的提供最大变换效率的峰值功率密度的输出装置。

而且，本发明还提供一种装有程序的计算机可读媒体，该程序令计算机执行如下装置的功能：受理对非线性光学晶体入射了波长λ的入射光后获得波长1/2λ的出射光时的由重复频率Rep和常数α、β构成的设定值的输入装置；用输入所述输入装置的设定值，基于下式(1)算出最佳峰值功率密度的运算装置；以及输出由运算装置获得的最佳峰值功率密度的输出装置。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

另外，作为本发明的计算机可读媒体，可采用硬盘、软磁盘、CD-ROM、半导体存储器、DVD等各种媒体。

并且，为解决上述第一课题，本发明提供一种光波长变换方法，该方法以来自将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器的光为入射光，使它入射到非线性光学晶体，使1/2λ波长光出射，其特征在于：将所述非线性光学晶体加热并保持在200～600℃。

本发明还提供一种光波长变换系统，该系统设有将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器，以来自该激光振荡器的光为入射光，使1/2λ波长光出射的非线性光学晶体，以及将该非线性光学晶体加热并保持在200～600℃的加热装置。

在上述各发明中，加热并保持的温度范围为200～400℃则更好。

并且，在上述各发明中入射光的波长范围可以为1000nm以下，400～800nm较理想，400～600nm则更理想，最好是480～540nm。

在上述各发明中，所述入射光的光扩散度为10mrad以下，最好为0.3～4mrad。

并且，时间脉宽为100nsec以下，但最好为1×10^-3～80nsec。

还有，峰值功率密度最好为1MW/cm²以上。

为解决上述第一课题，本发明还提供一种光波长变换方法，该方法以来自将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器的光为入射光，使它入射到单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇)，使1/2λ波长光出射，其特征在于：将所述单晶焦硼酸锂加热并保持在50～600℃。

并且，本发明还提供一种光波长变换系统，该系统设有将固有波长λ的相干光起振的激光振荡器，以来自该激光振荡器的光为入射光使1/2λ波长光出射的单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇)，以及将所述单晶焦硼酸锂加热并保持在50～600℃的加热装置。

在上述各发明中，加热并保持的温度范围为100～400℃则更好。

并且，在上述各发明中入射光的波长可以为1000nm以下，但是400～800nm较理想，在400～600nm则更理想，最好是480～540nm。

并且，在上述各发明中，所述入射光的光扩散度为10mrad以下，但最好为0.3～4mrad。

并且，时间脉宽为100nsec以下，但最好为1×10^-3～80nsec。

再有，峰值功率密度最好为1MW/cm²以上。

为解决上述第二课题，本发明提供一种光波长变换方法，该方法将预定波长与时间脉宽的基波依次入射到第一非线性光学晶体与第二非线性光学晶体，产生所述基波的二次谐波，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述基波的体损伤(bulk damage)阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的二次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

并且，本发明还提供一种光波长变换方法，该方法将预定波长与时间脉宽的基波与所述基波的二次谐波依次入射到第一非线性光学晶体与第二非线性光学晶体，产生所述基波的三次谐波，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述二次谐波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的三次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性晶体。

本发明还提供一种光波长变换方法，该方法将预定波长与时间脉宽的第一基波和预定波长与时间脉宽的第二基波依次入射到第一非线性光学晶体与第二非线性光学晶体，产生所述第一基波与第二基波的和频，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述第一基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于来自所述第一基波和第二基波的和频发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

本发明还提供一种光波长变换系统，该系统设有因预定波长与时间脉宽的基波入射而产生二次谐波的第一非线性光学晶体，以及因来自该第一非线性光学晶体的出射光入射而产生所述基波的二次谐波的第二非线性光学晶体，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的二次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

本发明提供一种光波长变换系统，该系统设有因预定波长与时间脉宽的基波和所述基波的二次谐波入射而产生三次谐波的第一非线性光学晶体，以及因来自该第一非线性光学晶体的出射光入射而产生所述三次谐波的第二非线性光学晶体，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述二次谐波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的三次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

并且，本发明还提供一种光波长变换系统，该系统设有因预定波长与时间脉宽的第一基波和预定波长与时间脉宽的第二基波入射而产生所述第一基波与第二基波的和频的第一非线性光学晶体，以及因来自该第一非线性光学晶体的出射光入射而产生所述和频的第二非线性光学晶体，其特征在于：所述第一非线性光学晶体的对应于所述第一基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，且所述第二非线性光学晶体的对于来自所述第一基波和第二基波的和频发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

本发明还提供一种激光振荡系统，该系统设有将预定波长与时间脉宽的基波起振的基波振荡器，以及被入射来自该基波振荡器的所述基波产生二次谐波的光波长变换系统，其特征在于：所述光波长变换系统为本发明的光波长变换系统。

并且，本发明提供一种激光振荡系统，该系统设有将预定波长与时间脉宽的基波和所述基波的二次谐波起振的基波振荡器，以及被入射来自该基波振荡器的所述基波与所述二次谐波产生三次谐波的光波长变换系统，其特征在于：所述光波长变换系统为本发明的光波长变换系统。

并且，本发明还提供一种激光振荡系统，该系统设有将预定波长与时间脉宽的第一基波和预定波长与时间脉宽的第二基波起振的基波振荡器，以及被入射来自该基波振荡器的所述第一基波与所述第二基波产生和频的光波长变换系统，其特征在于：所述光波长变换系统为本发明的光波长变换系统。

依据上述各发明，即使第一非线性光学晶体的变换效率低，也能由第二非线性光学晶体高效率地对通过的基波等加以变换。并且，即使第二非线性光学晶体的耐光致损伤性低，也能通过使入射光穿过耐光致损伤性高的第一非线性晶体，在降至第二非线性光学晶体所能接受的功率后，再使它入射到第二非线性光学晶体。

换言之，通过组合具有特定关系的不同种类的非线性光学晶体，能够实现彼此弥补缺点的、整体的高变换效率与高耐光致损伤性。因此，能够高效率地获得高功率的二次谐波等的和频。

上述各发明中的第一非线性光学晶体最好为单晶焦硼酸锂(Li₂B₄O₇)。LB4(Li₂B₄O₇)虽然变换效率低，但具有非常好的耐光致损伤性。

当第一非线性光学晶体采用了LB4时，第二非线性光学晶体最好为LiB₃O₅(LBO)、CsLiB₆O₁₀(CLBO)、KTiOPO₄(KTP)或β-BaB₂O₄(BBO)。

以下，参照实验结果就本发明的技术意义进行说明。

本发明人首先从实验求得非线性光学晶体即LB4晶体的入射光的峰值功率密度和变换效率之间的关系。结果如图1所示。在实验中所用的入射光的振荡器及LB4晶体的条件如以下所述。

首先，入射光的振荡器采用了组合Nd:YAG激光器和作为SHG元件的LBO晶体的结构。换言之，对LB4晶体的入射光是来自Nd:YAG激光器的近红外光(1064nm)经倍频的绿激光(532nm)。另外，用以获得重复频率5KHz以上的入射光的振荡器和用以获得重复频率100Hz以下的入射光的振荡器，采用不同的振荡器。

峰值功率密度是将入射光的平均输出功率除以重复频率、光束面积以及时间脉宽而获得。于是，在本实验中，通过调整供给YAG激光器的激励光的功率来调整了入射光的平均输出功率。并且，用会聚透镜调整了光束直径(光束面积)。

另一方面，使用了晶体长度为35mm或60mm的LB4晶体。再有，LB4晶体的截面积并不影响变换效率，但主要使用的是截面为15mm×15mm的LB4晶体。

图1中，符号X₁(涂黑的◇)表示晶体长度35mm、重复频率1Hz、光束直径5.5mm的数据。

符号X₁₀(涂黑的□)表示晶体长度35mm、重复频率10Hz、光束直径5.5mm或11mm(峰值功率密度小于200MW/cm²：11mm，峰值功率密度200MW/cm²以上：5.5mm)的数据。

符号X₁₀₀(涂黑的△)表示晶体长度35mm、重复频率100Hz、光束直径5.5mm或11mm(峰值功率密度小于100MW/cm²：11mm，峰值功率密度100MW/cm²以上：5.5mm)的数据。

符号Y₁₀(□)表示晶体长度60mm、重复频率10Hz、光束直径11mm的数据。

并且，符号Y₁₀₀(△)表示晶体长度60mm.重复频率100Hz、光束直径11mm的数据。

在测得以上的数据时对峰值功率密度作了调整，将时间脉宽固定于3nsec，使平均输出在0～26W的范围内变化。另外，光扩散度在光束直径5.5mm时约为1mrad，在光束直径11mm时约为0.5mrad。

符号Z₅(涂黑的○)表示晶体长度35mm、重复频率5KHz的数据。测得这种数据时对峰值功率密度作了调整，将时间脉宽固定于25nsec，平均输出固定于30W，使光束直径在0.4～1.0mm的范围内变化。另外，光扩散度约为数mrad(5mrad以下)。

符号Z₁₀(◇)表示晶体长度35mm、重复频率10KHz的数据。测得这种数据时对峰值功率密度作了调整，将时间脉宽固定于30nsec，平均输出固定于30W，使光束直径在0.4～1.0mm范围内变化。另外，光扩散度约为数mrad(5mrad以下)。

一般，由下式(2)可知，随着入射光的峰值功率P增大变换效率η也上升。

η＝a·tanh²(b·P^0.5)    (2)

(式中，a与b是主要根据晶体种类与晶体长度确定的常数)

如图1的数据X₁、X₁₀、X₁₀₀所示，在对晶体长度35mm的LB4晶体入射了来自相同振荡器的入射光时，入射光的峰值功率密度100MW/cm²以下的数据，与重复频率无关地相一致。因此，只要判断是该范围内的数据，就可预见随着峰值功率密度的上升，原则上按照公式(2)，沿着符号X₀表示的曲线变化。若从该范围内的数据求出由符号X₀表示的曲线的系数a、b，则a＝32、b＝0.085。

如数据Z₅、Z₁₀所示，可见振荡器不同时，即使晶体长度均为35mm，在全峰值功率密度范围内也与曲线X₀错开。但是，在低峰值功率密度，得到了具有与X₀大致相同斜度的上升曲线。另外，错开的主要原因被认为是光扩散大的缘故。

同样地，如数据Y₁₀、Y₁₀₀所示，采用晶体长度60mm的LB4晶体时的入射光的峰值功率密度50MW/cm²以下的数据，与重复频率无关地相一致。因此，只要判断是该范围内的数据，即便使峰值功率密度上升，也能原则上按照公式(2)预测由符号Y₀表示的曲线。若从该范围内的数据求出由符号Y₀表示的曲线的系数a、b，则a＝22、b＝0.18。

但是，由该实验发现：如数据X₁₀、X₁₀₀、Y₁₀₀、Z₅以及Z₁₀所示，入射光的峰值功率密度超过一定值时，变换效率反而从公式(2)预测的理想的曲线X₀、Y₀背离，降低的现象。

并且，这些数据显示：重复频率越高，变换效率转入下降的峰值功率密度越低。

并且，也发现晶体长度越长变换效率越高的倾向。

如上所述，本实验中，调查了入射光的峰值功率密度被改变时的变换效率，同时观察了出射光的稳定性。结果，正好变换效率转变为降低，大约在对式(2)描述的曲线X₀、Y₀的背离产生时，发现了出射光的输出功率不稳定的双光子吸收的现象。使这种出射光不稳定的现象，在变换效率转入低下之前大致观察不到，在变换效率转入低下后，越提高峰值功率密度就越明显地被观察到。

换言之，本发明人发现：在激光振荡器的重复频率及LB4晶体的晶体长度一定的条件下给出最大变换效率的峰值功率密度，是达到“实际上不产生所谓双光子吸收等使输出功率不稳定的现象，供给最大限的出射光的输出功率的入射光的峰值功率密度的最佳值”(以下称为“最佳峰值功率密度”)。

接着，基于图1的数据X₁、X₁₀、X₁₀₀，对于晶体长度35mm的情况，研究了最佳峰值功率密度如何根据重复频率来变化后，得到如图2所示的大致为直线的曲线图。图2的横轴表示入射光的重复频率，纵轴表示入射光的峰值功率密度，两轴均为对数标度。

求出关于这种最佳峰值功率密度Pc的直线关系的公式为上述的公式(1)。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

这里，常数α、β是主要按照晶体的种类与晶体长度确定的常数，在图2所示的晶体长度35mm的LB4晶体的场合，α＝576、β＝-0.27。并且，在晶体长度60mm的LB4晶体的场合α＝154、β＝-0.25。

再有，如数据Z₅、Z₁₀所示，在入射光的光扩散度被改变时，会影响变换效率。这是由于入射光的光扩散度超过由LB4晶体的相位匹配条件确定的角度容许宽度时，会产生变换效率的损耗。

但是，在这种情况下，通过修正由光扩散度产生的影响，从理论上估计变换特性后，能够求得最佳峰值功率密度。但是，通过实验确认的结果，入射光的光扩散度超过10mrad时，就减少到入射光的光扩散度为1mrad时的变换效率的1/10左右。很难获得实用程度的出射光。

这样，入射光的峰值功率密度最好设为最佳峰值功率密度，但在实际应用中，能够采用以最佳峰值功率密度为基准的一定范围的峰值功率密度。

就是说，入射光的峰值功率密度最好为最佳峰值功率密度以下。这是由于峰值功率密度大于最佳峰值功率密度时，出射光的输出功率不稳定。但是，双光子吸收在超过了最佳峰值功率后慢慢显著，并非立即产生严重影响，因此，若为最佳峰值功率密度的10倍以下，则并不妨碍实际使用。并且，若为最佳峰值功率密度的2倍以下，则进而能抑制输出功率的不稳定。

为了尽量高效率地获得高的出射光功率，需要设为最佳峰值功率密度的0.1倍以上，但最好为0.5倍以上。

另外，考虑到延长非线性晶体的寿命，最好将入射光的峰值功率密度设为最佳峰值功率密度的0.8倍以下。因此，最理想的入射光的峰值功率密度为最佳峰值功率密度的0.5～0.8倍。

并且，以最佳峰值功率密度为界限，变换效率降低的同时输出功率不稳定的现象，波长越短越显著，特别是从所谓的绿光变换为紫外光时被明显观察到。因此，本发明在入射光的波长为1000nm以下时特别有效，但入射光的理想波长范围为400～800nm，400～600nm则更理想。

经本发明人进一步研究的结果，发现能够通过将非线性光学晶体加热并保持在50℃以上，增大该最佳峰值功率密度。如上所述，一直以来，为了保护非线性晶体不受湿气影响或进行随温度变化的相位匹配，加热并保持非线性光学晶体。但是，即便在这种场合加热的程度也未达到200℃，没有加热并保持过如本发明的200℃以上的范围。

如本发明所述，用表1和图3以及表2和图4说明加热至较高温度的效果。

表1是将入射光的平均重复频率定为10KHz、光束直径定为0.25mm、时间脉宽定为28nsec，并仅改变入射光的平均输出功率时的变换效率的调查结果。并且，图3是将表1所记载的数据，以横轴为入射光的平均输出功率、纵轴为变换效率绘制的曲线。

同样地，表2是将入射光的平均重复频率定为10KHz、光束直径定为0.35mm、时间脉宽定为28nsec，并仅改变入射光的平均输出功率时的变换效率的调查结果。并且，图4是将表1所记载的数据，以横轴为入射光的平均输出功率、纵轴为变换效率绘制的曲线。

如表2所示，入射光的平均输出功率对入射光的峰值功率密度成比例。并且，各表与图中的温度(Temp)表示LB4的加热并保持温度(RT为室温：约25℃)。

[表1]

入射光	Temp：RT		Temp：60℃		Temp：100℃		Temp：150℃		Temp：200℃
											出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率
	[W]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]											[％]
5.51											0.09	1.63	0.12	2.18	0.13	2.36	0.15	2.72	0.15	2.72
	6.69	0.16	2.39
7.92											0.25	3.16	0.29	3.66	0.32	4.04	0.33	4.17	0.33	4.17
	9.16	0.36	3.93
10.41											0.46	4.42	0.53	5.09	0.57	5.48	0.6	5.77	0.63	6.05
	11.64	0.54	4.64	0.66	5.67	0.72	6.18	0.76	6.53	0.78											6.70
12.85											0.73	5.68	0.83	6.46	0.87	6.77	0.92	7.16	1	7.78
	14.03	0.9	6.42	0.99	7.06	1.06	7.56	1.13	8.06	1.2											8.55
15.16											0.81	5.34	1.16	7.65	1.26	8.31	1.32	8.71	1.43	9.43
	16.25	0.66	4.06	1.33	8.18	1.42	8.74	1.52	9.35	1.6											9.85
17.30													1.5	8.67	1.6	9.25	1.71	9.89	1.85	10.70
	18.30			1.22	6.67	1.82	9.94	2	10.93	2.17											11.86
19.28															1.99	10.32	2.3	11.93	2.37	12.29
	20.25									2.54											12.54
21.23																			2.74	12.91
	22.25									3.05											13.71

[表2]

入射光		Temp：RT		Temp：100℃		Temp：200℃		Temp：300℃		Temp：385℃
												平均输出功率	峰值功率密度	出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率	出射光	变换效率
[W]	[MW/cm2]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]	[％]	[W]	[％]
												3.7	13.2	0.06	1.63	0.06	1.63	0.08	2.18	0.09	2.45	0.08	2.18
4.9	17.6
												6.1	21.9	0.16	2.62	0.18	2.95	0.20	3.28	0.22	3.61	0.21	3.44
7.5	26.9
												8.7	31.0	0.33	3.82	0.36	4.16	0.39	4.51	0.45	5.20	0.45	5.20
9.9	35.5
												10.8	38.5	0.51	4.74	0.56	5.21	0.61	5.67	0.67	6.23	0.70	6.51
11.8	42.1	0.62	5.28	0.67	5.70	0.74	6.30	0.81	6.89	0.84	7.15
												12.9	46.0	0.73	5.68	0.81	6.30	0.90	7.00	1.00	7.78	1.03	8.02
13.9	49.8	0.81	5.83	0.95	6.83	1.09	7.84	1.18	8.49	1.23	8.85
												14.9	53.2	0.92	6.20	1.09	7.34	1.22	8.22	1.36	9.16	1.40	9.43
15.8	56.6	1.11	7.03	1.30	8.23	1.45	9.18	1.59	10.06	1.67	10.57
												16.5	59.1	0.87	5.27	1.46	8.85	1.67	10.12	1.79	10.85	1.91	11.58
17.1	61.3			1.54	9.01	1.77	10.35	1.94	11.35	2.04	11.93
												17.8	63.8			1.66	9.33	1.91	10.73	2.05	11.52	2.18	12.25
18.8	67.4			1.88	10.00	2.14	11.38	2.36	12.55	2.50	13.30
												19.8	70.8					2.45	12.41	2.70	13.67	2.83	14.33

从表1与图3可知：在室温条件下，对应入射光的输出功率约为14W的峰值功率密度成为最佳峰值功率密度。与之相对，将LB4加热并保持在60℃时，对应于入射光的输出功率约为17W的峰值功率密度成为最佳峰值功率密度。再提高加热并保持温度时，在测定范围内观察不到变换效率的极大值，可知最佳峰值功率密度还在高处。

从表2与图4可知：在室温条件下，对应于入射光的输出功率约为16W的峰值功率密度(约57MW/cm²)成为最佳峰值功率密度。与之相对，将LB4加热并保持在100℃以上时，在测定范围内观察不到变换效率的极大值，可知最佳峰值功率密度还在高处。进而可知，越提高LB4的加热并保持的温度，其变换效率越上升。

如此，可发现：随着加热，不仅减轻了带来折射率变化的双光子吸收导致的发热的影响，还使最佳峰值功率密度上升，换言之，实质上消除了所谓双光子吸收的使输出功率不稳定的现象，能使输出功率稳定的入射光的峰值功率密度上升。

这种加热并保持产生的效果，在加热并保持温度越是高温就越显著，但需要在200℃以上。从而，能够减轻因双光子吸收导致的影响，且消除变换效率的降低，同时使变换效率的降低的现象消失，获得稳定的高输出功率。

另一方面，最好不要使加热并保持温度高于600℃。当温度高于600℃时，用以防止对加热装置周边的热流出的隔热装置规模大，并不实际。

加热并保持温度最好为400℃以下。这是因为即使加热并保持温度高于400℃，也不会使减少双光子吸收的影响的效果明显增大，实用上效益不大。

另外，当入射光的光扩散度超过由LB4晶体的相位匹配条件所确定的角度容许宽度时变换效率降低。因此，理想的入射光的光扩散度为10mrad以下，而0.3～4mrad则更理想。

并且，理想的时间脉宽为100nsec以下，而1×10^-3～80nsec则更理想。

一般，重复频率越高脉宽越宽，脉冲能量也越小。相反，重复频率低时，使脉宽变窄，使脉冲能量增大。因此，在获得所需的最大密度的范围内，上限值被确定。

而且，入射光的峰值功率密度最好为1MW/cm²以上。另外，入射光的峰值功率密度以不发生晶体的体损伤(介质破坏)或镀膜或晶体端面损伤的范围为其上限。

附图的简单说明

图1是表示入射光的峰值功率密度和变换效率之间的关系的曲线图。

图2是调查了最佳峰值功率密度如何对应于重复频率变化后得出的曲线图。

图3是表示关于对应于LB4晶体的加热温度的入射光的平均输出功率和变换效率之间的关系的调查结果的示图。

图4是表示关于对应于LB4晶体的加热温度的入射光的平均输出功率和变换效率之间的关系的调查结果的示图。

图5是表示采用本发明的光波长变换方法的紫外激光振荡器的一

实施方式的结构图。

图6是一例按照本发明的程序工作的计算机系统的结构图。

图7是另一例按照本发明的程序工作的计算机系统的结构图。

图8是表示本发明另一实施方式的激光振荡系统的结构图。

图9是表示峰值功率密度如何根据第一晶体变化的曲线图。

本发明的最佳实施方式

以下，参照附图就本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限于以下的实施方式。

图5是表示采用本发明的光波长变换方法的紫外激光振荡器的一实施方式的结构图。图5的紫外激光振荡器由绿激光振荡器10和波长变换系统20构成。

绿激光振荡器10的结构包括：由Nd:YAG激光器构成的主振荡器11，以及将从主振荡器11出射的基波(1064nm)变换为倍频波的绿光(532nm)的变换器12。

并且，波长变换系统20由以下部分构成：用以从未经波长变换而穿过的基波中分离出从变换器12出射的绿光的分离器21、22，被入射由分离器21、22分离的绿光为入射光的LB4晶体盒23，分离从LR4晶体盒23出射的出射光的棱镜24，以及用以吸收由分离器21分离的基波的光束阻尼器(beam damper)25。

这里，在LR4晶体盒23中，可满足相位匹配角度地配置了单晶焦硼酸锂LB4，同时装有将这种LB4晶体加热并保持在600±1℃的加热装置。

本实施方式的紫外激光振荡器中，由LB4晶体盒23，使绿光变换为其倍频波即基波的4倍频波的紫外光(266nm)。然后，用棱镜24只将被波长变换的紫外光抽出。

这时，LB4晶体盒23的最佳峰值功率密度成为比在未加热的常温状态照常使用时更大的值。另外，从分离器22入射到LB4晶体盒23的绿光的峰值功率密度为该最佳峰值功率密度的0.5～2倍。

依据本实施方式，使最佳峰值功率密度上升，并以该最佳峰值功率密度以下的、接近最佳峰值功率密度的峰值功率密度的光为入射光。因此，即使提高入射光的峰值功率密度也能获得稳定的输出功率。因此，能够用单晶焦硼酸锂LB4，作为达成稳定的高变换效率，且实际耐用的全固体紫外激光振荡器。

图6是按照本发明的程序工作的计算机系统的一实施方式的结构图。图6中，符号31表示运算装置，符号32表示输入装置，符号33表示对从输入装置32输入的数据加以存储的存储装置，符号34表示显示运算装置31的运算结果的显示器，符号35表示打印输出运算装置31的运算结果的打印机。

在本实施方式的计算机系统中，在预定重复频率、预定晶体长度的条件下，能够按以下顺序求得对非线性光学晶体入射了波长λ的入射光后获得波长1/2λ的出射光的波长变换系统的最佳峰值功率密度。

首先，从输入装置32输入由入射光的峰值功率密度和变换效率构成的数据组。输入方法可以为人工输入，也可以为不经人手地将来自测定变换效率的测定装置的传送信号等原样输入。将多个这种被输入的数据组在存储装置33中存储。

接着，运算装置31从存储在存储装置33的多个数据组的变换效率数据中抽出最大的变换效率。然后，求出供给该最大的变换效率的峰值功率密度。这时，也可以从对应于数据组的近似式所供给的连续数据中，抽出最大变换效率和当时的最大功率密度。从而，能够不受个别的变换效率等的误差影响地、求出提供最大变换效率的峰值功率密度。

由运算装置31求出的、提供最大变换效率的峰值功率密度即最佳峰值功率密度显示在显示器34上，并由打印机35打印输出。

依据本实施方式，通过参照被显示及打印输出的最佳峰值功率密度，操作员能够在预定重复频率、预定晶体长度的条件下，进行使波长λ的入射光入射到非线性光学晶体后获得波长1/2λ的出射光的波长变换系统的操作时，设定合适的峰值功率密度。若以最大峰值功率密度的输出功率直接输入到激光振荡器，则能自动控制入射光的峰值功率密度。

图7是另一例按照本发明的程序工作的计算机系统的结构图。图7中，符号41表示运算装置，符号42表示输入装置，符号44表示显示运算装置41的运算结果的显示器，符号45表示打印并输出运算装置41的运算结果的打印机。

在本实施方式的计算机系统中，能够在预定重复频率、预定晶体长度的条件下，按照以下顺序求得使波长λ的入射光入射到非线性光学晶体后获得波长1/2λ的出射光的波长变换系统的最佳峰值功率密度。

首先，将由重复频率Rep和常数α、β构成的设定值，从输入装置42人工输入。此时的α与β，预先基于实验结果等求得。

接着，基于下式(1)，运算装置41算出最佳峰值功率密度。

Pc＝α·Rep^β    (1)

(式中，Rep：重复频率、α与β：常数)

由运算装置41求得的最佳峰值功率密度，被显示于显示器44，并由打印机45打印输出。

依据本实施方式，通过参照被显示并打印输出的最佳峰值功率密度，操作员能够在预定重复频率、预定晶体长度的条件下，对进行使波长λ的入射光入射到非线性光学晶体后获得波长1/2λ的出射光的波长变换系统的操作时合适的峰值功率密度加以设定。若以最大峰值功率密度的输出功率直接输入到激光振荡器，则也能自动控制入射光的峰值功率密度。

接着，参照图8与图9，就本发明的另一实施方式进行说明。

图8是表示本实施方式的激光振荡系统的结构图。图8的激光振荡系统由基波振荡器50和光波长变换系统60构成。

基波振荡器50例如由Nd:YAG激光器等激光振荡器单独构成，或者由激光振荡器和对在激光振荡器中振荡的光进行波长变换的变换器构成。

光波长变换系统60由以下部分构成：用以从其它波长光中分离出从基波振荡器50出射的波长λ的基波的分离器61、62，被入射分离器61、62分离的基波为入射光I0的第一晶体63，被入射来自第一晶体63的出射光I1的第二晶体64，分离从第二晶体64出射的出射光I2的棱镜65，以及用以吸收由分离器61分离的基波波长以外的光的光束阻尼器66。

这里，第一晶体63与第二晶体64为不同种类的非线性光学晶体，它们均对应于基波λ配置成满足相位匹配角度。

可用作第一晶体63或第二晶体64的非线性光学晶体，例如有LB4(Li₂B₄O₇)、KTP(KTiOPO₄)、BBO(β-BaB₂O₄)、CLBO(CsLiB₆O₁₀)、LBO(LiB₃O₅)、KDP(KH₂PO₄)等，在这些非线性光学晶体中，如以下说明，基于变换效率与耐损伤性的观点，分别选择第一晶体63与第二晶体64。

首先，在所选择的两晶体中，使第一晶体63具有比第二晶体64高的耐光致损伤性。具体地说，在比较了对应于所述基波的体损伤阈值的场合，通过使第一晶体63具有比第二晶体64更大的体损伤阈值的关系进行选择。

这种体损伤阈值由使体损伤产生的入射光的峰值功率密度(峰值的峰值功率密度)的阈值表示。所谓体损伤是指因入射光破坏晶体化学键而产生的损伤。

体损伤阈值在入射光的波长越短且时间脉宽越长时越低。其中，将不同晶体的体损伤阈值在某一波长、时间脉宽上进行比较时，其大小关系即使在其它波长、时间脉宽的条件下也不变。

例如，主要的非线性光学晶体在波长1064nm、时间脉宽1nsec时的体损伤阈值为以下的值，但其大小关系在其它条件下也不改变，成为以下的值。

(1064nm、时间脉宽1nsec时的体损伤阈值)

LB4：～90GW/cm²

LBO：～45GW/cm²

CLBO：～26GW/cm²

KDP：～14GW/cm²

BBO：～13GW/cm²

KTP：～0.6GW/cm²

(体损伤阈值的大小关系)

LB4＞LBO＞CLBO＞KDP＞BBO＞KTP

另外，光致损伤除了体损伤外还有从晶体表面产生的表面损伤，一般体损伤的阈值比表面损伤的阈值大。因此，引起晶体破坏的入射光的峰值功率密度，通常由表面损伤确定。但是，由于表面损伤阈值随着表面的研磨状态、吸水的有无、入射光的会聚程度等改变，难以客观地比较。因此，在耐光致损伤性的评价中，采用体损伤阈值最为合适。

接着，在所选择两晶体中，使第二晶体64具有比第一晶体63高的变换效率。具体地说，在比较了对所述基波的有效非线性常数的场合，通过使第二晶体64具有比第一晶体63更大的有效非线性常数的关系进行选择。

所谓有效非线性常数是指：从非线性光学晶体的非线性常数和入射角度计算的有效的变换系数。入射角度选择成对应于入射光的波长可相位匹配，因此，只要确定入射光的波长，就能够实质地进行各晶体的有效非线性常数的比较。

例如，主要的非线性光学晶体在波长1064nm处的有效非线性常数为如下的值，其大小关系如下所示。

(1064nm处的有效非线性常数和相位匹配角)

LB4：0.08pm/V、31°

LBO：1.05pm/V、90°(I型)

CLBO：0.47pm/V、29.4°(I型)、

0.95pm/V、42.9°(II型)

BBO：1.64pm/V、22.9°(I型)

1.25pm/V、33.1°(II型)

KDP：0.27pm/V、41.2°(I型)

0.34pm/V、59.2°(II型)

KTP：3.24pm/V、90°(II型)

(1064nm处的有效非线性常数的大小关系)

KTP＞BBO＞LBO＞CLBO＞KDP＞LB4

当选择的第一晶体63为体损伤阈值最大的LB4时，可选择各种非线性晶体作为第二晶体64，但在第二晶体64的有效非线性常数大于第一晶体63(LB4)的有效非线性常数的波长范围内，需限定入射光的波长范围而使用。各晶体的有效非线性常数大于LB4的有效非线性常数的波长范围为如下的范围。

(可获得比LB4大的有效非线性常数的入射光的波长范围)

LBO：2000～500nm

CLBO：2000～472nm

BBO：1400～409nm

KDP：1300～500nm

KTP：2000～990nm

本实施方式的激光振荡系统中，对第一晶体63有波长λ的基波即入射光I0入射。于是来自第一晶体63的出射光I1由波长λ/2的二次谐波和未经变换而穿过的波长λ的基波构成。这时，出射光I1中所含的基波的峰值功率密度为入射光I0的峰值功率密度中减去变换为二次谐波的分量。因此，与直接入射到第二晶体64的场合相比，可较高地设定入射光I0的峰值功率密度。

在这种情况下，如图9所示，通过第一晶体63保护第二晶体64的效果不会停止在第一晶体63的变换效率的范围内。就是说，如图9实线所示，在入射光I0的光束直径的范围内，功率密度分布成光束中心成为最大峰值功率密度。而且，具有这种高的峰值功率密度的光束中心附近的光，最易造成晶体的损伤。另一方面，具有这种高的峰值功率密度的光束中心附近的光，最易被变换。因此，如图9的虚线所示，出射光I1中所含的基波的峰值功率密度在光束中心附近有大幅降低。因此，能够大幅减少给予第二晶体64的影响。

并且，由于第一晶体63的变换效率较低，入射光I0中的基波(波长λ)的相当一部分原样穿过并含于出射光I1当中，但由于第二晶体64的变换效率高，能够获得高功率的二次谐波(波长λ/2)作为出射光I2。然后，能够由棱镜65分离出射光I2中残留的基波，只取出二次谐波。再有，可用分离器取代棱镜65。

依据本实施方式，由于采用了对于耐光致损伤性和变换效率有特定关系的第一晶体63和第二晶体64，能够彼此弥补各晶体的缺点，实现整体上的高变换效率与高耐光致损伤性。因此，能够高效率地获得高功率的二次谐波。

再有，本实施方式用以产生二次谐波，但本发明可广泛用于和频的产生。例如产生三次谐波时，在图8的实施方式的激光振荡系统中，可采用：以反射各基波和二次谐波的反射镜取代分离器61、62，并除去了光束阻尼器66的结构。或者，也可采用把分离器61、62、光束阻尼器66都除去，由同时产生基波和二次谐波的振荡器，将基波和二次谐波直接入射到第一晶体63的结构。

实施例

(实施例1)

在图8的激光振荡系统中，第一晶体63采用截面为5mm×5mm、长35mm的LB4，第二晶体64采用截面为5mm×5mm、长7mm的BBO。然后，以平均功率30W、重复频率10kHz、脉宽30nsec、光束直径0.5mm、波长532nm的绿激光为入射光I0入射，产生二次谐波。

这时，入射光I0的平均峰值功率密度为51MW/cm²，但出射光I1中残留的基波(532nm)的功率为28.5W、平均峰值功率密度成为48.4MW/cm²。而且，获得了输出功率为6.3W的稳定的紫外光(266nm)作为出射光I2。

另外，将平均峰值功率密度为48.4MW/cm²的普通光束(532nm)入射BBO时，会产生体损伤。但是，在本实施例的情况下，如图9所示，由于实际的峰值功率密度降低，所以没有产生体损伤。

(比较例1)

在图8的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长7mm的BBO。入射光I0的条件与实施例1相同。

这时，BBO因入射光I0而受到体损伤而不能使用。

(实施例2)

图8的激光振荡系统中，第一晶体63采用截面为5mm×5mm、长35mm的LB4，第二晶体64采用截面为5mm×5mm、长10mm的CLBO。然后，以与实施例1相同条件的平均功率30W、重复频率10kHz、脉宽30nsec、光束直径0.5mm、波长532nm的绿激光为入射光I0入射，产生二次谐波。

这时，入射光I0的平均峰值功率密度为51MW/cm²，但出射光I1中残留的基波(532nm)的功率成为28.5W、平均峰值功率密度成为48.4MW/cm²。而且，获得了输出功率6.5W的稳定的紫外光(266nm)作为出射光I2。

再有，将平均峰值功率密度为48.4MW/cm²的普通光束(532nm)入射CLBO时，会产生体损伤。但是，在本实施例中，如图9所示，由于峰值功率密度有实质上的降低，所以没有产生体损伤。

(比较例2)

在图8的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长10mm的CLBO。入射光I0的条件与实施例1、2相同。

这时，CLBO因入射光I0受到体损伤而不能使用。

(比较例3)

在图8的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长35mm的LB4。入射光I0的条件与实施例1、2相同。

这时，入射光I0的平均峰值功率密度为51MW/cm²，但出射光I1中残留的基波(532nm)的功率成为28.5W，平均峰值功率密度成为48.4MW/cm²。而且，获得了输出功率为3W的紫外光(266nm)作为出射光I2。

该出射光12的输出稳定，也不会产生体损伤，但与实施例1的6.3W或实施例2的6.5W相比，其功率值较低。

(实施例3)

本实施例的激光振荡系统产生和频，其结构中：用反射基波和二次谐波的反射镜取代图8的实施例的激光振荡系统的分离器61、62，并除去了光束阻尼器66。

在这种激光振荡系统中，第一晶体63采用截面为5mm×5mm、长35mm的LB4，第二晶体64采用截面为5mm×5mm、长15mm的LBO。然后，以波长1064nm、平均功率10W的基波激光和波长532nm、平均功率10W的二次谐波为入射光I0入射，产生三次谐波即波长355nm的紫外激光。

这种入射光I0中，重复频率为10kHz，基波激光、二次谐波激光的脉宽与光束直径分别为30nsec、0.3mm、27nsec、0.2mm。

这时，入射光I0的基波激光、二次谐波激光的平均峰值功率密度分别为47MW/cm²、118MW/cm²，但出射光I1中残留的基波和二次谐波的功率分别为9.5W、9.5W，平均峰值功率密度分别成为45MW/cm²、112MW/cm²。于是，获得了输出功率为5W的稳定的三次谐波(355nm)作为出射光I2。

再有，将平均峰值功率密度为112MW/cm²的普通光束(532nm)入射LBO时，会产生体损伤。但是，在本实施例的情况下，如图9所示，由于实际的峰值功率密度降低，所以没有产生体损伤。

(比较例4)

在与实施例3相同的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mn×5mm、长10mm的LBO。入射光I0的条件与实施例3相同。

在这种情况下，由于LBO会因入射光I0中的二次谐波(532nm)慢慢地受到体损伤，使用时间受到限制而不能稳定地长时间使用。

(比较例5)

在与实施例3相同的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长35nm的LB4。入射光I0的条件与实施例3相同。

在这种情况下，获得了输出功率为2W的稳定的三次谐波(355nm)作为出射光I2。

这种出射光I2的输出稳定，也不会产生体损伤，但与实施例3的5W相比，其功率值较低。

(实施例4)

本实施例的激光振荡系统产生和频，其结构中：用反射第一基波和第二基波的反射镜取代图8的实施例的激光振荡系统的分离器61、62，并除去了光束阻尼器66。

在这种激光振荡系统中，第一晶体63采用截面为5mm×5mm、长20mm的LB4，第二晶体64采用截面为5mm×5mm、长15mm的BBO。然后，以波长355nm、平均功率5W的Nd:YAG激光的三次谐波(第一基波)和波长828nm、平均功率5W的Ti：蓝宝石激光(第二基波)为入射光I0入射，产生和频即波长248nm的紫外激光。

在这种入射光I0中，重复频率为10kHz，第一基波(355nm)、第二基波(828nm)的脉宽与光束直径分别为25nsec、0.2mm、15nsec、0.2mm。

这时，入射光I0的第一基波(355nm)、第二基波(828nm)的平均峰值功率密度分别为64MW/cm²、106MW/cm²，但出射光I1中残留的第一基波(355nm)和第二基波(828nm)的功率分别为4.85W、4.85W，平均峰值功率密度分别成为62MW/cm²、103MW/cm²。于是，获得了输出功率0.8W的稳定的和频(248nm)作为出射光I2。

另外，将平均峰值功率密度为62MW/cm²的普通光束(355nm)入射到BBO时，会产生体损伤。但是，在本实施例的情况下，如图9所示，由于实际的峰值功率密度降低，所以没有产生体损伤。

(比较例6)

在与实施例4相同的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长15mm的BBO。入射光I0的条件与实施例4相同。

在这种情况下，因入射光I0中的第一基波(355nm)的作用，BBO慢慢地受到体损伤，因此，其使用时间受到限制，不能稳定地长时间使用。

(比较例7)

在与实施例4相同的激光振荡系统中，第一晶体63和第二晶体64均采用截面为5mm×5mm、长20mm的LB4。入射光I0的条件与实施例4相同。

在这种情况下，获得了输出功率为0.4W的稳定的和频(248nm)作为出射光I2。

这种出射光I2的输出稳定，也不会产生体损伤，但与实施例4的0.8W相比，其功率值较低。

工业上的利用可能性

如上所述，依据本发明的波长变换方法与波长变换系统，在最佳峰值功率密度以下，由于对最佳峰值功率密度附近的峰值功率密度的入射光进行波长变换，能用非线性光学晶体单晶体特别是用焦硼酸锂LB4，达成稳定的高变换效率。因此，依据本发明，能够实现耐用的全固体紫外激光振荡器。

并且，采用本发明的程序与媒体，由于能够容易地求得最佳峰值功率密度，操作员在预定重复频率、预定晶体长度的条件下，进行对非线性光学晶体入射波长λ的入射光后获得波长1/2λ的出射光的波长变换系统的操作时，能够设定合适的峰值功率密度。

并且，依据本发明的波长变换方法与波长变换系统，由于能够使最佳峰值功率密度上升，即使提高入射光的峰值功率密度也能获得稳定的输出功率。因此，能够用单晶焦硼酸锂LB4等非线性光学晶体，达成稳定的高变换效率，可实现耐用的全固体紫外激光振荡器。

而且，依据本发明，通过组合具有特定关系的不同种类的非线性光学晶体，能够弥补彼此的缺点，实现整体的高变换效率与高耐光致损伤性。因此，能够高效率地获得高功率的二次谐波等和频。

Claims (8)

1.一种光波长变换方法，该方法将预定波长与时间脉宽的基波依次入射到第一非线性光学晶体与第二非线性光学晶体，产生所述基波的二次谐波，其特征在于：

所述第一非线性光学晶体的对应于所述基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，并且

所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的二次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

2.一种光波长变换方法，该方法将预定波长和时间脉宽的第一基波与预定波长和时间脉宽的第二基波依次入射到第一非线性光学晶体与第二非线性光学晶体，产生所述第一基波与第二基波的和频，其特征在于：

所述第一非线性光学晶体的对应于所述第一基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，并且

所述第二非线性光学晶体的对于来自所述第一基波和第二基波的和频发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光波长变换方法，其特征在于：

所述第一非线性光学晶体为单晶焦硼酸锂(Li2B4O7)。

4.如权利要求3所述的光波长变换方法，其特征在于：

所述第二非线性光学晶体为LiB3O5、CsLiB6O10、KTiOPO4或β-BaB2O4。

5.一种光波长变换系统，该系统设有因预定波长与时间脉宽的基波入射而产生二次谐波的第一非线性光学晶体，以及因来自该第一非线性光学晶体的出射光入射而产生所述基波的二次谐波的第二非线性光学晶体，其特征在于：

所述第一非线性光学晶体的对应于所述基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，并且

所述第二非线性光学晶体的对于所述基波的二次谐波发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

6.一种光波长变换系统，该系统设有因预定波长和时间脉宽的第一基波与预定波长和时间脉宽的第二基波入射而产生所述第一基波与第二基波的和频的第一非线性光学晶体，以及因来自该第一非线性光学晶体的出射光入射而产生所述和频的第二非线性光学晶体，其特征在于：

所述第一非线性光学晶体的对应于所述第一基波的体损伤阈值大于所述第二非线性光学晶体，并且

所述第二非线性光学晶体的对于来自所述第一基波和第二基波的和频发生的有效非线性常数大于所述第一非线性光学晶体。

7.一种激光振荡系统，该系统设有将预定波长与时间脉宽的基波起振的基波振荡器和被入射来自该基波振荡器的所述基波而产生二次谐波的光波长变换系统，其特征在于：

所述光波长变换系统为权利要求5所述的光波长变换系统。

8.一种激光振荡系统，该系统设有将预定波长和时间脉宽的第一基波与预定波长和时间脉宽的第二基波起振的基波振荡器，以及被入射来自该基波振荡器的所述第一基波与所述第二基波而产生和频的光波长变换系统，其特征在于：

所述光波长变换系统为权利要求6所述的光波长变换系统。

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