DE69935146T2 - Nichtlinearer optischer kristall - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtlinearen optischen Kristall. Insbesondere betrifft die Erfindung einen nichtlinearen optischen Kristall, der sich als Wellenlängenkonversionskristall zur Erzeugung von Vakuum-Ultraviolettlicht oder dergleichen eignet, und ein Wellenlängenkonversionsverfahren unter Verwendung des Wellenlängenkonversionskristalls sowie ein Element und eine Wellenlängenkonversionsapparatur zur Verwendung bei dem Verfahren.
• HINTERGRUND
• Mit der Entwicklung der Lasertechnologie wurde es zu einer wichtigen Aufgabe, Festkörperlaser zu realisieren, die eine Leistung erbringen, welche Anwendungen der Lasertechnologie ermöglicht. Eine solche Aufgabe ist, Festkörper-Vakuum-Ultraviolett-Laserlichtquellen mit kürzerer Wellenlänge zu realisieren.
• Um eine Festkörper-Vakuum-Ultraviolett-Laserlichtquelle mit kurzer Wellenlänge zu realisieren, bedarf es eines nichtlinearen optischen Kristalls mit einem Doppelbrechungsindex von etwa 0,07 und einer Absorptionskante im Bereich von kurzen Wellenlängen mit 150-160 nm. Als nichtlineare optische Kristalle des Stands der Technik, die diese Eigenschaften erfüllen, sind die folgenden bekannt:
  Sr₂Be₂B₂O₇ (SBBO),
  KBe₂BO₃F₂ (KBBF).
• Diese bereits allgemein bekannten SBBO- und KBBF-Kristalle des Stands der Technik leiden jedoch an dem großen Problem, dass beide Kristalle schwer zu erhalten sind, da sie extrem schwer zu züchten sind.
• Ein K₂Al₂B₂O₇-Kristall ist von I. I. Kozhina et al., Vestn. Leningr. Univ., Fiz., Khim., Nr. 3, 1983, Seiten 40-46, bekannt, und ein Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung ist von Chuangtian Chen et al., Nature, Band 373, Nr. 6512, 1995, S. 322-324, bekannt, auf dem der Oberbegriff von Anspruch 2 basiert.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung stellt daher die Verwendung eines wie in Anspruch 1 definierten Kristalls als einen nichtlinearen optischen Kristall zur Verfügung. Insbesondere stellt die Erfindung die neue Verwendung eines nichtlinearen optischen Kristalls für die Festkörpererzeugung von Vakuum-Ultraviolettlicht zur Verfügung, wobei der Kristall die benötigten Eigenschaften besitzt und leicht durch Kristallzucht zu erhalten ist, im Gegensatz zu den SBBO- und KBBF-Kristallen des Stands der Technik, und ein Wellenlängenkonversionsverfahren unter Verwendung eines solchen nichtlinearen optischen Kristalls sowie ein Element und eine Wellenlängenkonversionsapparatur zur Verwendung bei dem Verfahren.
• Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung die Verwendung eines durch K₂Al₂B₂O₇ dargestellten Kristalls als einen nichtlinearen optischen Kristall und ein Wellenlängenkonversionsverfahren unter Verwendung dieses nichtlinearen optischen Kristalls sowie ein Element und eine Wellenlängenkonversionsapparatur zur Verwendung bei dem Verfahren zur Verfügung.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung leichter erfasst und verstanden werden, wenn sie in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
• 1 eine Querschnittsansicht der Konstruktion eines bei der Ausführungsform verwendeten Zuchtofens ist,
• 2 eine Darstellung ist, die ein Ergebnis einer Röntgenbeugung der Struktur eines KAB-Kristalls gemäß der Erfindung wiedergibt, und
• 3 eine Darstellung ist, die ein weiteres Ergebnis einer Röntgenbeugung, ähnlich der in 2 gezeigten, wiedergibt.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf einen durch K₂Al₂B₂O₇ dargestellten nichtlinearen optischen Kristall (der Einfachheit halber als KAB-Kristall bezeichnet) beschrieben, wobei dessen Verwendung gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt wird. Der KAB-Kristall hat eine Struktur, bei der die entsprechenden Sr- und Be-Stellen im allgemein bekannten SBBO-Kristall, d.h. bei Sr₂Be₂B₂O₇, durch K bzw. Al ersetzt sind, obwohl ein Unterschied bei der elektrischen Ladung zwischen den beiden Kristallen besteht.
• Der KAB-Kristall besitzt einen Doppelbrechungsindex von etwa 0,07, was etwa dem des allgemein bekannten SBBO-Kristalls entspricht. Demnach ist zu erwarten, dass der KAB-Kristall Vakuum-Ultraviolettlicht erzeugt. Der KAB-Kristall kann leicht durch Verfahren wie das Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung gezüchtet werden.
• Das Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung ist eine Art von Verfahren zur Züchtung aus einer Lösung und ist durch TSSG (Top Seeded Solution Growth) gekennzeichnet, d.h., durch das Verfahren, bei dem ein Impfkristall, der an einem rotierenden Schaft befestigt ist, unmittelbar unter die Oberfläche einer Lösung getaucht wird, um den Übersättigungsgrad mittels einer Temperaturabnahme zu erhöhen, so dass ein Kristall wächst. Darüber hinaus ist das Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung gekennzeichnet durch Schmelzen eines Flussmittels und eines Ausgangsmaterials.
• Da der Schmelzpunkt des KAB-Kristalls hoch ist, ist es stärker bevorzugt, den KAB-Kristall durch das Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung (Lösungszuchtverfahren) als durch ein Verfahren zur Züchtung aus der Schmelze (Schmelzzuchtverfahren) zu züchten.
• Bei diesem Verfahren zur Züchtung aus Schmelzlösung kann das Kristallwachstum viel leichter durch Verwendung eines Flussmittels wie Bleioxid, Natriumfluorid (NaF), Cäsiumfluorid (CsF), Bleifluorid oder Kaliumchlorid erreicht werden.
• Demgemäß ist der KAB-Kristall leicht zu züchten und in praktischer Hinsicht überlegen und als ein praktisch nichtlinearer optischer Kristall zur Erzeugung von Vakuum-Ultraviolettlicht extrem nützlich.
• Tatsächlich wird dieser Kristall als ein Element für die Wellenlängenkonversion oder für eine Wellenlängenkonversionsapparatur, die in diesem Element enthalten ist, verwendet.
• Im Übrigen muss nicht erwähnt werden, dass unvermeidliche Spurenelemente in die Zusammensetzung des Kristalls der Erfindung durch ein Zuchtverfahren oder ein Ausgangsmaterial eingetragen werden können, wenn dies nicht zu vermeiden ist.
• Diese Erfindung wird nun nachstehend detaillierter mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben.
• BEISPIEL
• Ausgangsmaterialien zum Beispiel mit den folgenden Zusammensetzungen wurden zur Zucht eines Kristalls in dem in 1 gezeigten Zuchtofen verwendet:
  K₂CO₃ (34 Mol-%),
  Al₂O₃ (19 Mol-%),
  B₂O₃ (45 Mol-%),
  KCl (2 Mol-%).
• Der in 1 gezeigte Zuchtofen besitzt einen Aufbau wie ein zylindrischer Widerstandsofen. Bei diesem Ofen ist dessen Heizelement vertikal in fünf Schichten unterteilt, von denen jede unabhängig gesteuert werden kann. Eine Vorrichtung zum Einstellen des Temperaturprogramms, die in der Lage ist, die Temperatur in Einheiten von mindestens 0,1°C zu steuern, wird als Steuerteil für das Heizelement verwendet, und ein Quarzrohr befindet sich zwischen dem Heizelement und einem Tiegel, so dass ein steiler Temperaturgradient nahe dem Tiegel verhindert wird. Der Tiegel besteht aus Platin und ist so angeordnet, dass er durch eine am Boden des Ofens liegende Hebeeinrichtung nach oben und nach unten bewegt werden kann, so dass der Tiegel mit einem Ausgangsmaterial in einem beheizten Zustand beschickt werden kann. Zur Korrektur einer Änderung der Temperatur der Lösungsoberfläche ist außerdem ein Lösungsoberflächenheizelement enthalten, um eine Temperaturabnahme aufgrund von Verdampfung nahe der Lösungsoberfläche zu verhindern, wodurch eine optimale Temperaturverteilung für das Kristallwachstum zur Verfügung gestellt wird. Bei einer Temperatur von über 1000°C wurde das Ausgangsmaterial in der Luftatmosphäre geschmolzen und dann abgekühlt, um einen Mikrokristall wachsen zu lassen. Die Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung betrug 0,2-0,3°C/Tag, und die Rotationsgeschwindigkeit war 30 U/Minute (die Rotationsrichtung wurde in Intervallen von 3 Minuten umgekehrt).
• Mittels des oben beschriebenen Zuchtverfahrens wurde ein Kristall mit einer Größe von etwa 3 mm erhalten.
• Das Ergebnis einer Analyse mittels Plasmaemissionsspektrometrie (ICP) zeigte, dass dieser Kristall die Zusammensetzung K₂Al₂B₂O₇ besaß. Wie aus dem Ergebnis der in den 2 und 3 gezeigten 4-Achsen-Röntgenbeugung zu sehen ist, wurde bestätigt, dass die Struktur des erhaltenen Kristalls ähnlich der Struktur des SBBO-Kristalls war, wobei jedoch dessen Sr- und Be-Stellen zu 100% durch K bzw. Al ersetzt sind.
• Bei der Untersuchung der Wellenlängenkonversionseigenschaften (Nichtlinearität) des Kristalls wurde, wenn der Kristall mit dem Fundamentallicht (Wellenlänge 1064 nm) eines Nd:YAG-Lasers bestrahlt wurde, das Auftreten eines Lichts der zweiten Oberschwingung (532 nm) bestätigt.
• Durch Messung des Doppelbrechungsindex dieses Kristalls mittels eines Ölimmersionsverfahrens wurde ferner bestätigt, dass der Wert 0,07 betrug und etwa dem des SBBO-Kristalls entsprach.
• Es ist anzumerken, dass, da die kürzeste SHG-Wellenlänge des KBBF-Kristalls des Stands der Technik 185 nm oder weniger beträgt und die des SBBO-Kristalls des Stands der Technik 200 nm oder weniger beträgt, der KAB-Kristall dieser Erfindung auf etwa 200 nm phasenabgeglichen werden kann.
• Darüber hinaus ist die Zucht des KAB-Kristalls dieser Erfindung sehr viel einfacher und wesentlich effizienter, verglichen mit SBBO und KBBF.
• Im Übrigen betrug die Vicker-Härte des gezüchteten KAB-Kristalls etwa 300, und aus dem Ergebnis des Wasserbeständigkeitstests mittels Immersion bei Raumtemperatur wurde bestätigt, dass der KAB-Kristall selbst nach Ablauf von zehn Tagen oder mehr sich nicht auflöste.
• Gemäß der Erfindung werden die Verwendung eines K₂Al₂B₂O₇-(KAB)-Kristalls als ein Vakuum-Ultraviolettlicht erzeugender nichtlinearer optischer Kristall, der leicht zu züchten ist und von hohem praktischem Nutzen ist, und ein Wellenlängenkonversionsverfahren unter Verwendung dieses Kristalls sowie ein Element und eine Wellenlängenkonversionsapparatur zur Verwendung bei dem Verfahren zur Verfügung gestellt.

Claims (5)

1. Verwendung eines durch die Formel K₂Al₂B₂O₇ dargestellten Kristalls als ein nichtlinearer optischer Kristall.
2. Ein Verfahren zur Bildung eines durch die Formel K₂Al₂B₂O₇ dargestellten nichtlinearen optischen Kristalls, wobei das Verfahren das Züchten des Kristalls durch Zucht aus Lösung durch Verwendung eines Flussmittels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmittel wenigstens ein Material ist, ausgewählt aus Bleioxid, Natriumfluorid, Cäsiumfluorid und Kaliumchlorid.
3. Ein Verfahren zur Durchführung einer Wellenlängenkonversion, umfassend die Verwendung eines durch die Formel K₂Al₂B₂O₇ dargestellten nichtlinearen optischen Kristalls.
4. Ein Wellenlängenkonversionselement mit einer Konstruktion, die einen durch die Formel K₂Al₂B₂O₇ dargestellten nichtlinearen optischen Kristall enthält.
5. Eine Wellenlängenkonversionsapparatur mit einer Konstruktion, in der ein Wellenlängenkonversionselement gemäß Anspruch 4 enthalten ist.