JP2000221554A

JP2000221554A - 波長変換用光学素子

Info

Publication number: JP2000221554A
Application number: JP11022038A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Horiguchi; 昌宏堀口
Original assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Current assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶内部の温度勾配を効果的に減少させるこ
とにより変換効率を向上させ、高出力を得ることができ
る波長変換用光学素子を提供すること。【解決手段】非線形光学結晶を光軸方向に２つの結晶
片１ａ，１ｂに分割し、非線形光学結晶１ａ，１ｂの間
に熱接触がよい状態で熱伝導のよい光透過性素子（ＯＴ
Ｈ３）を挿入し、非線形光学結晶１ａ，１ｂで発生する
熱を上記光透過性素子３を介して外部に放出する。上記
光透過性素子３の厚みは、非線形光学結晶１ａから放出
され、上記光透過性素子３を通過して非線形光学結晶１
ｂに入射する波長変換光の位相と、上記非線形光学結晶
１ｂで発生する波長変換光の位相との差が略２πＮ（Ｎ
は整数）となるように設定する。また、光透過性素子と
しては、位相整合可能な２枚の結晶をＣ軸が直交するよ
うに貼り合わせたものを用いてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光源等に使用
される非線形光学結晶を用いた波長変換用の光学素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学結晶（以下、必要に応じて単
に結晶という）を用いて波長変換を行うことは１９６０
年代からすでに行われていた。特に、１９８０年代にな
ってＢＢＯ、ＣＬＢＯなどの新しい結晶が発見され、こ
れらの結晶を用いた紫外線への変換（主としてＹＡＧレ
ーザの４倍波、５倍波発生）が盛んに行われるようにな
った。紫外線への変換の際の問題点は、発生した紫外線
を変換結晶が吸収して結晶内の温度が一様にならないこ
とである（このような状態を以下「温度分布ができる」
という）。結晶の屈折率は温度によって変化するので、
温度分布が出来ると屈折率が場所によって変化する（屈
折率分布が生ずる）。

【０００３】一方、波長変換は屈折率が一致する（正確
には結晶内を進む複数の波長の光の伝搬速度が一致す
る）ことを利用して行われるため、屈折率分布があると
正確な位相整合が行われなくなり変換効率の低下を招
く。例えば、ＣＬＢＯ結晶を用いてＹＡＧレーザの４倍
波の発生を行うとき、紫外線出力が５Ｗを越えると、温
度分布によって変換効率が低下する。そこで、上記結晶
内の温度分布を少なくするため、高出力の紫外線への変
換を行うに際し、Ｎ₂ガス等を用いて結晶を外部から冷
却する方法を試みた。ＣＬＢＯ結晶をＮ₂ガス等を用い
て冷却し、該ＣＬＢＯ結晶に、２６ＷのＹＡＧレーザの
第２高調波を入射し波長変換を行ったところ、１０Ｗの
第４高調波を変換によって得ることが出来た。

【０００４】しかしながら、非線形光学結晶をＮ₂ガス
等を用いて冷却をした場合、結晶全体の温度は低下する
ものの、冷却のない場合と比べ結晶の中心部分（ここで
第４高調波が発生している）の温度勾配はほとんど変化
していないことがわかった。即ち、結晶外部を冷却して
も変換が行われている結晶の中心部分での温度勾配を減
少させる上ではほとんど効果が得られない。この問題
は、ＣＬＢＯだけではなく、ＢＢＯ，ＬＢＯなどの結晶
でも同様のことが起こる。これは、内部で発熱のある場
合、周辺の温度との差は常に一定となるからである。

【０００５】熱の伝導による温度差は熱の伝達する距離
に比例する。つまり短い距離の所に熱を吸収するものが
あれば、発熱部分の温度は低下する。したがって、図８
に示すように、非線形光学結晶１の入射側と出射側に熱
伝導の良い透明な材料２ａ，２ｂ（以下これをＯＴＨ：
Opticaly Transparent Heatsink という）を熱接触の良
い状態で取り付ければ、熱は距離の短い方向に伝達する
ので、非線形光学結晶１で発生した熱はＯＴＨ２ａ，２
ｂおよび放熱フィン４を通して外部に放出され、非線形
光学結晶内の温度勾配を減少させ、温度分布を小さくす
ることができる。この考え方に基づき、レーザー結晶お
よび共振器内での波長変換結晶の冷却を行う方法は、例
えば、米国特許５，７９６，７６６号に開示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、結晶外
部を冷却しただけでは、結晶の中心部分での温度勾配を
減少させるのにほとんど効果が得られないので、結晶内
の温度分布による屈折率分布のため、正確な位相整合が
行われなくなり変換効率の低下を招く。また、上記図８
に示した方法は、結晶の光軸方向の長さが短い場合には
有効であるが、結晶の光軸方向の長さがある程度以上長
くなると、この方法でも結晶内の温度勾配を小さくする
ことができず、変換効率が低下する。本発明は上記した
事情に鑑みなされたものであって、その目的とするとこ
ろは、結晶内部の温度勾配を効果的に減少させることに
より変換効率を向上させ、高出力を得ることができる波
長変換用光学素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記したように、熱の伝
導による温度差は熱の伝達する距離に比例し、短い距離
の所に熱を吸収するものがあれば発熱部分の温度は低下
する。そこで、本発明においては、変換用の非線形光学
素子（非線形光学結晶）を光が通る方向（光軸方向）に
短く分割し、分割した結晶片の間に光透過性素子（前記
したＯＴＨ）を熱接触の良い状態で挿入した。このよう
にすれば光軸方向に非線形光学素子の長さが長くなって
も結晶内に残る温度勾配を小さくし、屈折率分布を小さ
くすることができる。このため、変換効率を上げること
ができ、さらに強力な出力を得ることも可能になる。

【０００８】光透過性素子としては、使用する光の透
過率が良く、使用する光に対するダメージがないこと、
熱伝導率が非線形光学素子の熱伝導率より良いこと、
が必要であるが、特に、結晶片の間に挿入する光透過性
素子としては、上記光透過性素子の光入射側に隣接す
る第１の非線形光学素子から放出され、上記光透過性素
子を通過して該光透過性素子の光出射側に隣接する第２
の非線形光学素子に入射する波長変換光の位相と、上記
第２の非線形光学素子で発生する波長変換光の位相との
差が略０または２πＮ（Ｎは整数）となるように光透過
性素子の厚みが設定されていること、が必要である。上
記のように光透過性素子の厚みを設定することによ
り、第１の非線形光学素子で発生した波長変換光と、第
２の非線形光学素子で発生する波長変換光との位相を合
わせることができ（互いに打ち消し合わないような位相
関係にすることができ）、大きな出力光を得ることがで
きる。上記光透過性素子としては、後述するように所定
の厚みに加工した、例えばサファイア、水晶等を用いる
ことができる。

【０００９】また、入射光と波長変換光とが位相整合す
ることが可能な物質からなる第１の結晶部と第２の結晶
部からなり各々の結晶部の結晶軸のｃ軸と光軸とを含む
平面が図５（ａ）に示すように互いに直交するように隣
接して一体化した光透過性素子を用いることもできる。
上記第１、第２の結晶部からなる光透過性素子を用いる
場合にも、第１、第２の結晶部の光軸方向のそれぞれの
長さを、前記したように第１の非線形光学素子で発生し
た波長変換光と、第２の非線形光学素子で発生する波長
変換光とが互いに打ち消し合わないような位相関係とな
るように設定することにより、大きな出力光を得ること
が可能となる。すなわち、第１、第２の結晶部の光軸方
向の長さを、上記第１の非線形光学素子から複数の波長
のコヒーレント光が上記光透過性素子へ入射して該光透
過性素子を透過して第２の非線形光学素子に入射する
際、上記第１の結晶部で生ずる複数の波長の光の位相差
と上記第２の結晶部で生ずる複数の波長の光の位相差と
の和が略０または略２πＮ（Ｎは整数）となるように設
定する。

【００１０】なお、このように、第１、第２の結晶部か
らなる光透過性素子を用いることにより、前記したよう
に１枚の光透過性素子を用いる場合に比して、第１、第
２の結晶部の厚さの許容巾が大きくなり、光透過性素子
の製造が容易となる。また、上記第１の結晶部および第
２の結晶部を、各々の結晶のＣ軸と上記非線形光学素子
に入射するコヒーレント光が伝播する光軸方向とのなす
角度が図５（ｂ）に示すように９０°となるように成形
してもよい。このようにすることにより、結晶内におけ
る常光線と異常光線の方向を一致させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。（１）基本構成図１は本発明の実施例の波長変換用光学素子の基本構成
を示す図である。同図において、１ａ，１ｂは非線形光
学結晶であり、本実施例においては、非線形光学結晶が
光軸方向に２つの結晶片１ａ，１ｂに分割され、非線形
光学結晶１ａ，１ｂの間には、熱接触がよい状態で前記
したＯＴＨ３が挿入されている。上記非線形光学結晶１
ａ，１ｂとしては、ＢＢＯ，ＣＬＢＯ，ＬＢＯ等の各種
の波長変換用非線形光学結晶を用いることができる。

【００１２】また、非線形光学結晶１ａの光入射側と、
非線形光学結晶１ｂの光出射側には、それぞれ前記図８
で説明したＯＴＨ２ａ，２ｂが熱接触の良い状態で取り
付けられている。さらにＯＴＨ３，２ａ，２ｂには、冷
却用のフィン４が取り付けられ、冷却用フィン４は例え
ば空冷や水冷等により冷却される。なお、上記冷却はか
ならずしも常温以下に保つことを意味しているわけでは
なく、例えばＣＬＢＯ結晶は加熱状態（１５０°Ｃ付
近）で使用されるので、このような場合には、ＯＴＨを
１５０°Ｃ付近に保ち、結晶内の温度が一様に１５０°
Ｃ付近に保たれるようにする。上記のような構成とする
ことにより、非線形光学結晶１ａ，１ｂの中心部分で発
生した熱は、ＯＴＨ３，２ａ，２ｂを介して外部に放出
され、非線形光学結晶１ａ，１ｂの中心部分付近の温度
分布を少なくすることができる。

【００１３】ここで、使用するＯＴＨ２ａ，２ｂ，３
は、前記したように、次の条件を満たす必要がある。使用する光の透過率が良く、使用する光（レーザー
光）に対するダメージのないこと。非線形光学結晶１ａ，１ｂより熱伝導率が良いこ
と。また、非線形光学結晶１ａ，１ｂの間に挿入するＯ
ＴＨ３としては、さらに、前記したように次の条件を満
たすことが必要である。非線形光学結晶１ａに入射した光（これを基本波光
という）と該非線形光学結晶１ａで発生した波長変換光
がＯＴＨ３を通過するとき、上記基本波光に対して、波
長変換光が受ける位相の変化分の差が２πの整数倍（２
πＮ：Ｎは整数）であること。

【００１４】通常、物質内をある波長の光が透過すると
きにはその物質固有の屈折率により位相変化をする。光
が結晶内を通る長さをＬ、屈折率をｎ、波長をλとする
と、入射光と出射光の位相差φは次の式で表される。 φ＝２・π・ｎ・Ｌ／λ ここで、ｎは波長によって変化する（分散特性）。上記
式から明らかなように、通常の物質では入射する光と出
射する光とは位相差が異なる。本実施例では、分割した
非線形光学結晶１ａ，１ｂの間にＯＴＨ３を挿入してお
り、非線形光学結晶１ａで波長変換により発生した光
（これを第１の波長変換光という）と、変換されずに残
った元の基本波光がＯＴＨ３を通過した後、非線形光学
結晶１ｂに入ることになる。非線形光学結晶１ｂでは、
変換されずに残った基本波光が波長変換され、波長変換
光（これを第２の波長変換光という）を発生する。

【００１５】したがって、ＯＴＨ３を通過して非線形光
学結晶１ｂに入射した第１の波長変換光の位相と、非線
形光学結晶１ｂで発生した第２の波長変換光の位相が同
位相（位相差が２πＮ：Ｎは整数）でないと、第１、第
２の変換光が互いに打ち消し合い、変換効率が低下す
る。もし、ＯＴＨ３を通過して非線形光学結晶１ｂに入
射した第１の変換光の位相と第２の変換光との位相が反
転していると、この２つの変換光は互いにうち消し合い
結果として変換がなされないことになる。

【００１６】図２、図３はＯＴＨ３による位相ずれの影
響を説明する図である。図２、図３は、第１の非線形光
学結晶１ａに入射する基本波光λ１（波長変換される元
の光：波長λ）と第１の非線形光学結晶１ａで発生する
第１の波長変換光λ２（波長λ／２）、ＯＴＨ３から出
射される基本波光λ１’と第１の波長変換光λ２’およ
び第２の非線形光学結晶１ｂに入射する基本波光λ
１’、第２の非線形光学結晶１ｂで発生する第２の波長
変換光λ３（波長λ／２）の位相を模式的に示したもの
である。

【００１７】図２、図３において、第１の非線形光学結
晶１ａに基本波光λ１が入射すると、第１の非線形光学
結晶１ａ内で第１の波長変換光λ２が発生する。上記基
本波光λ１と第１の波長変換光λ２の位相関係は、同図
に示すように基本波光λ１の位相角が０〜２π変化する
間に、第１の波長変換光λ２の位相角が０〜４π変化す
る関係にある。ここでは、このような位相関係を光λ１
とλ２とが「位相ずれがない」ということとし、上記基
本波光λ１の位相角が０のときの波長変換光λ２の位相
角を位相ずれ角ということとする。第１の非線形光学結
晶１ａから出射する変換されずに残った基本波光λ１と
第１の波長変換光λ２はＯＴＨ３に入射する。ＯＴＨ３
に入射した光の位相は前記したように変化するので、Ｏ
ＴＨ３から出射する基本波光λ１’、第１の波長変換光
λ２’の位相は、例えば図２、図３に示すようになる。

【００１８】ＯＴＨ３から出射する基本波光λ１’と第
１の波長変換光λ２’は第２の非線形光学結晶１ｂに入
射し、第２の非線形光学結晶１ｂにおいて、基本波光λ
１’（第１の非線形光学結晶１ａで変換されずに残った
光）より、第２の波長変換光λ３が発生する。ここで、
第２の非線形光学結晶１ｂで発生する第２の波長変換光
λ３と上記基本波光λ１’とは位相ずれがないので、第
１、第２の波長変換光λ２’，λ３の位相は、図２、図
３に示すようになる。

【００１９】また、図２の場合には、第１、第２の波長
変換光λ２’，λ３の位相がほぼπずれており、第１、
第２の波長変換光λ２’，λ３が互いに打ち消し合い、
それを合成した発生光は小さくなる。一方、図３の場合
には、第１、第２の波長変換光λ２’，λ３の位相がほ
ぼ２πずれており、それを合成した発生光は大きくな
る。以上のように、ＯＴＨ３を通過して第２の非線形光
学結晶１ｂに入射した第１の波長変換光λ２’の位相
と、第２の非線形光学結晶１ｂで発生した第２の波長変
換光λ３の位相が同位相（位相差が２πＮ：Ｎは整数）
となるようなＯＴＨ３を用いないと、大きな出力光を得
ることができない。

【００２０】上記のような特性を持つＯＴＨは次のよう
にして実現することができる。 (a) ＯＴＨの厚みを調整する。波長変換に際し、ＯＴＨ
を通過する基本波光と波長変換光（２倍波光）の位相ず
れ角φは次の（１）式で表され、λ₂＝λ₁／２の場
合、位相ずれ角φは次の（２）式となる。但し、ｎ₁は
ＯＴＨの基本波光に対する屈折率、ｎ₂はＯＴＨの波長
変換光に対する屈折率、λ１は基本波光の波長、λ２は
波長変換光の波長、ＬはＯＴＨの光軸方向の長さ（厚
さ）である。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、位相ずれ角φが２πＮとなるＯＴ
Ｈの光軸方向の長さをＬｏとしたとき、非線形光学結晶
１ａで発生する２倍波と非線形光学結晶１ｂで発生する
２倍波とが同じ振幅の場合、上記位相ずれ角φが２πＮ
のときの非線形光学結晶１ｂの出射光の強度に対して非
線形光学結晶１ｂの出射光の強度が９５％以上となるＯ
ＴＨの光軸方向の長さの誤差ΔＬは次のように計算され
る。非線形光学結晶１ｂからの出射光の強度は、前記し
た第１の波長変換光と第２の波長変換光の合成で表され
るが、一般に同じ周波数で位相がφずれた光の合成は次
の（３）式で表される。

【００２３】

【数２】

【００２４】すなわち、位相がずれていない場合に比
べ、位相がφずれた場合、その合成波の振幅はcos （φ
／２）減少し、強度はcos²（φ／２）となる。したがっ
て、非線形光学結晶１ｂの出射光の強度が、位相がずれ
ていないときの強度の９５％となる第１の波長変換光と
第２の波長変換光の位相差は０．４５１rad と計算さ
れ、位相ずれ角が２πＮのときの出射光の強度に対して
非線形光学結晶１ｂの出射光の強度が９５％となる位相
ずれ角φ’は０．４５１rad となる。したがって、Ｌo
＋ΔＬでの位相ずれ角φ’が０．４５１となるΔＬは次
の（４）式で計算される。すなわち、ＯＴＨの光軸方向
の長さ（厚さ）の誤差を（４）式で求まるΔＬ以内とす
れば（ＯＴＨの光軸方向の長さはＬo ±ΔＬ）、非線形
光学結晶１ｂの出力光の強度を位相ずれ角が２πＮのと
きの強度に対して９５％以上とすることができる。

【００２５】

【数３】

【００２６】図４は、ＯＴＨに適した物質の厚みの許容
差を、ＹＡＧレーザ光の第２高調波５３２ｎｍを第４高
調波２６６ｎｍに波長変換する場合について計算した結
果を示す図である。同図において、ｎ (ω) は基本波光
に対するＯＴＨの屈折率、ｎ（２ω）は２倍波に対する
ＯＴＨの屈折率であり、「最小のＬo 」は計算により求
めたＯＴＨの光軸方向の長さの最小値（μｍ）、ΔＬは
計算により求めた出射光の強度が位相ずれ角が２πＮの
ときの９５％以上となるＯＴＨの光軸方向の長さの誤差
（μｍ）である。また、参考として同図に各ＯＴＨ材料
の熱伝導率と、非線形光学結晶ＣＬＢＯ，ＢＢＯ，ＬＢ
Ｏの熱伝導率を示した。

【００２７】同図に示すサファイア、水晶、石英ガラ
ス、ＣａＦ₂、４硼酸リチウム等が、レーザ光の透過率
が良く、レーザ光に対するダメージが少ないので、ＯＴ
Ｈとして利用するのに好適である。但し、ＯＴＨとして
利用する場合には、少なくとも非線形光学結晶の熱伝導
率より熱伝導率が高いことが必要であり、また、要求さ
れる加工精度を考慮するとΔＬが大きいことが望まし
い。熱伝導率が高いという点からはサファイアが最も望
ましいが、サファイアのΔＬは０．５μｍであり、厚さ
を０．５μｍ以下で制御する必要がある。

【００２８】(b) 位相整合可能な材料を２枚用い、２枚
の厚さを調整する。位相整合可能な結晶を９０°カット
したものを２枚用意して２枚の結晶の厚さを調整し、図
５（ａ）（ｂ）に示すように結晶のｃ軸と光軸を含む平
面が互いに直交するように２枚を接合する。これをＯＴ
Ｈとして用いることにより、ＯＴＨから放出される２つ
の波長の光の位相ずれ角をほぼ０とすることが出来る。
図５（ａ）は、結晶のｃ軸と入射する光の光軸のなる角
度が９０°でない場合を示し、第１の結晶３ａのｃ軸ｃ
１と光軸Ｏのなす角度がθ１であり、第２の結晶３ｂの
ｃ軸ｃ２と光軸Ｏとのなす角度がθ２である。また、第
１の結晶３ａのｃ軸ｃ１と光軸Ｏとを含む平面Ｐ１と、
第２の結晶３ｂのｃ軸ｃ２と光軸Ｏとを含む平面Ｐ２と
は互いに直交している。

【００２９】上記２枚の結晶の各結晶での２つの波長の
位相ずれ角をそれぞれφ１，φ２とすると、φ１，φ２
は次の式（５）（６）で表される。ここで、Ｌ１，Ｌ２
は第１の結晶３ａ、第２の結晶３ｂの光軸方向の長さ、
ｎo は上記結晶における常光線の屈折率、ｎe は異常光
線の屈折率であり、ｎo （ω）は、基本波光の常光線の
屈折率、ｎe （２ω，θ１）は、第１の結晶３ａにおけ
る２倍波光の異常光線の屈折率、ｎe （ω，θ２）は、
第２の結晶３ｂにおける基本波光の異常光線の屈折率、
ｎo （２ω）は、２倍波光の常光線の屈折率であり、上
記ｎe （２ω，θ１）、ｎe （ω，θ２）は（７）式か
ら求められる。また、λ１は基本波光の波長、λ２は２
倍波光の波長である。ここで、（７）式において、Ｎ_e
（ω）はｃ軸に対応した異常光線の屈折率である。

【００３０】

【数４】

【００３１】また、図５（ｂ）は、結晶のｃ軸と入射す
る光の光軸Ｏとのなす角度が９０°の場合を示し、第１
の結晶３ａのｃ軸ｃ１は、光軸Ｏと直交する平面上にあ
り、また、第２の結晶３ｂのｃ軸ｃ２は、光軸Ｏと直交
する平面上にあり、ｃ１軸とｃ２軸は直交している。上
記図５（ｂ）において、２枚の結晶の各結晶での２つの
波長の位相ずれ角をそれぞれφ１，φ２とすると、φ
１，φ２は次の式（８）（９）で表される。ここで、Ｌ
１，Ｌ２は、第１の結晶３ａ、第２の結晶３ｂの光軸方
向の長さ、ｎoは上記結晶における常光線の屈折率、ｎe
は異常光線の屈折率であり、ｎo （ω）は、基本波光
の常光線の屈折率、ｎe （ω）は、基本波光の異常光線
の屈折率、ｎo （２ω）は、２倍波光の常光線の屈折
率、ｎe （２ω）は、２倍波光の異常光線の屈折率であ
る。また、λ１は基本波光の波長、λ２は２倍波光の波
長である。

【００３２】

【数５】

【００３３】ここで、上記図５（ａ）（ｂ）において、
φ１＋φ２＝０となるＬ１，Ｌ２の組み合わせが存在す
れば、ＯＴＨから出射する２つの波長の光の位相ずれ角
は０となる。すなわち、第１の結晶で２つの波長の間に
位相ずれが生じても、第２の結晶でその位相ずれを解消
することができ、ＯＴＨから出射する光の位相ずれ角は
０となる。例えば、図５（ｂ）のように２枚の結晶を組
み合わせ、上記結晶として前記図３に示した４硼酸リチ
ウムを使用し、ＹＡＧレーザの２倍波の波長変換を行う
場合には、上記Ｌ１，Ｌ２をＬ１＝約５ｍｍ、Ｌ２＝約
１ｍｍとすることにより、φ１＋φ２＝０とすることが
できる。４硼酸リチウムは紫外線に対して透明であり、
レーザー耐力が強く、ＹＡＧレーザの４倍波の変換にも
位相整合が可能であるが、波長変換係数が小さいため、
実際の波長変換にはほとんど利用されていない。

【００３４】しかし、４硼酸リチウムの熱伝導率は前記
図４に示したように１．５Ｗ／ｍＫであり、ＢＢＯの熱
伝導率（０．８Ｗ／ｍＫ）よりは大きい。一方、ＢＢＯ
は変換係数が大きく、小電力の変換には優れた特性を発
揮するが、吸収係数が大きく、上記のように熱伝導率が
低いため、従来の方法では、大電力（１Ｗを越える）の
変換を行う際、温度上昇のため変換効率が低下する。そ
こで、前記図１に示したように、ＢＢＯ結晶を分割し、
その間に２枚の４硼酸リチウム結晶からなるＯＴＨを挿
入することにより、ＢＢＯ結晶内の温度分布を少なくす
ることができ、大電力（１Ｗを越える）の変換を行うこ
とが可能となる。

【００３５】例えば、上記ＢＢＯを用いて、ＹＡＧレー
ザの第２高調波５３２ｎｍを波長変換し、第４高調波２
６６ｎｍを発生させる場合には、前記図５（ｂ）に示し
たように４硼酸リチウムをｃ軸を含む面でカットしたも
のを２枚用意する。そして、一つの結晶片を所定の厚さ
（例えば前記した５ｍｍ）にし、もう一つの結晶片を別
の厚さ（例えば前記した１ｍｍ）にする。このように加
工された結晶をｃ軸が直交するするように貼り合わせ
る。この貼り合わせた結晶をＯＴＨとして使用し、ＢＢ
Ｏの間に熱接触をよくして挿入すれば、ＢＢＯの温度分
布を改善することができ、大電力の変換が可能となる。
また、ＯＴＨを通過した２つの波長の光（ＹＡＧの第２
高調波５３２ｎｍと第４高調波２６６ｎｍ）の位相差を
ほぼ０とすることができるので、ＯＴＨから出射しＢＢ
Ｏに入射した波長変換光と、該ＢＢＯで発生する波長変
換光の位相差を略０とすることができ、効率の良い変換
を行うことが可能となる。

【００３６】（２）その他の変形例 (a) 以上説明した実施例では、非線形光学結晶を２つに
分割し、非線形光学結晶の間に１つのＯＴＨを挿入する
場合について説明したが、非線形光学結晶を３以上に分
割し、その間にＯＴＨを挿入してもよい。すなわち、非
線形光学結晶−ＯＴＨ−非線形光学結晶−ＯＴＨ−非線
形光学結晶の様に繰り返し構造を取ることも可能であ
る。このような構造を採ることにより、さらに大きな変
換出力光を得ようとする場合には、非線形光学結晶の光
軸方向の長さを細分化することによって、非線形光学結
晶を効率的に冷却し、非線形光学結晶に生ずる温度分布
を少なくすることができる。

【００３７】(b) ＯＴＨの両側に配置する非線形光学結
晶を結晶軸の方向を互いに逆転させて配置する。このよ
うな構成を採ることにより、ウォークオフを補償するこ
とが出来、さらに変換効率を高めることができる。一般
に、複屈折性の結晶では図６に示すように、常光線の光
ビームは位相の伝搬する方向に進むが、異常光線の光ビ
ームは、位相の伝搬する方向と光ビームの進む方向とが
異なる。このズレの角度をウォークオフ角といい、結晶
軸と光軸とのなす角をθ、常光線の屈折率をｎo 、異常
光線の屈折率をｎe としたとき、ウォークオフ角ρは次
の式で表される。 ρ＝±arctan｛（ｎo ／ｎe ）²tanθ｝±θ

【００３８】このため、例えば、ＹＡＧレーザの第２高
調波を入射させ、Ｔｙｐｅ１の位相整合条件を持つ非線
形光学結晶を用いて、第４高調波を発生させる場合、入
射する第２高調波は常光線の偏光であるのに対し、発生
する第４高調波は異常光線の偏光となるため、入射する
光ビームと発生する光ビームとは伝搬するに従いズレを
生ずるようになる。非線形光学結晶の入射部分で発生し
た高調波が、結晶後端部で発生する高調波と完全にずれ
ると光の電界の重ね合わせができなくなり、変換効率は
極端に低下する。完全にズレない場合でも、ビームが重
なっていない部分では重ね合わせができないので、ウオ
ークオフによるズレはビーム径に対して十分小さくなけ
ればならない。

【００３９】このような問題を解消するため、図７に示
すように、第１の非線形光学結晶１ａと第２の非線形光
学結晶１ｂの結晶軸の方向を逆にする。これにより、同
図に示すように、第１の非線形光学結晶１ａで受けるウ
オークオフを第２の非線形光学結晶１ｂでうち消すこと
ができ、結果としてウォークオフのない高調波などを発
生させることができる。ウオークオフが大きくなると常
光線と異常光線のビームが重ならない部分が生ずるので
変換が有効に行われなくなるが、図７に示すように非線
形光学結晶１ａ，１ｂの間にＯＴＨ３を挿入し、ＯＴＨ
３の両側の非線形光学結晶の結晶軸の方向を逆にするこ
とにより、温度分布が少なく、かつ変換効率の高い非線
形素子を作ることができる。

【００４０】また、結晶の角度許容幅は結晶の長さに逆
比例して小さくなるので、非線形光学結晶の長さを短く
して上記図７の構成を繰り返すことによって、温度分布
が少なく、変換効率が高いばかりでなく、角度許容幅の
大きな非線形光学素子を作ることも可能になる。角度許
容幅が大きくなると、使用条件（角度精度）が楽になる
ので、実用化の上では極めて重要な要素である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
非線形光学結晶の間に、非線形光学素子の熱伝導率より
大きい光透過性素子を挿入したので、非線形光学結晶内
の温度分布を少なくすることができ、変換効率の向上を
図ることができる。また、上記光透過性素子の厚みを、
上記光透過性素子の光入射側に隣接する第１の非線形光
学素子から放出され、上記光透過性素子を通過して該光
透過性素子の光出射側に隣接する第２の非線形光学素子
に入射する波長変換光の位相と、上記第２の非線形光学
素子で発生する波長変換光の位相との差が略２πＮ（Ｎ
は整数）となるように設定することにより、第１の非線
形光学結晶内で発生した波長変換光と第２の非線形光学
結晶内で発生した波長変換光が互いに打ち消し合うこと
がなく、高出力を得ることができる。

【００４２】また、上記光透過性素子を、結晶軸を直交
させた位相整合可能な第１の結晶部および第２の結晶部
から構成し、上記第１の結晶部の長さと上記第２の結晶
部の長さを、上記非線形光学素子から複数の波長のコヒ
ーレント光が上記光透過性素子へ入射して該光透過性素
子を透過して再び非線形光学結晶に入射する際、上記第
１の結晶部で生ずる複数の波長の光の位相差と上記第２
の結晶部で生ずる複数の波長の光の位相差との和が略０
または略２πＮ（Ｎは整数）となるように設定すること
により、上記と同様、第１の非線形光学結晶内で発生し
た波長変換光と第２の非線形光学結晶内で発生した波長
変換光が互いに打ち消し合うことがなく、高出力を得る
ことができる。また、１枚の光透過性素子を用いる場合
と比べ、厚さの許容巾を大きくすることができ、製造が
容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の波長変換用光学素子の基本構
成を示す図である。

【図２】ＯＴＨ３による位相ずれの影響を説明する図
（１）である。

【図３】ＯＴＨ３による位相ずれの影響を説明する図
（２）である。

【図４】ＯＴＨに適した物質の厚みの許容差の計算結果
を示す図である。

【図５】位相整合可能な２枚の結晶を用いたＯＴＨにお
ける２枚の結晶の結晶軸の方向を説明する図である。

【図６】複屈折性の結晶における常光線と異常光線の光
ビームの方向を説明する図である。

【図７】ウオークオフによるビームのずれをなくした波
長変換用光学素子の構成を示す図である。

【図８】非線形光学結晶の光入射側と光出射側にＯＴＨ
を取り付けた光学素子の構成を示す図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ非線形光学素子２ａ，２ｂ，３ＯＴＨ４放熱用フィン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの波長のコヒーレント光
が入射し、入射したコヒーレント光とは波長が異なるコ
ヒーレント光を発生し、入射したコヒーレント光および
波長変換されたコヒーレント光とを放出する波長変換用
の光学素子であって、上記光学素子は、上記波長変換に係る非線形光学素子
と、上記非線形光学素子が光軸方向に少なくとも２層形成さ
れるように、該非線形光学素子と交互に隣接する光透過
性素子から構成され、上記光透過性素子の熱伝導率は上記非線形光学素子の熱
伝導率より大きく、また、上記光透過性素子の厚みは、上記光透過性素子の
光入射側に隣接する第１の非線形光学素子から放出さ
れ、上記光透過性素子を通過して該光透過性素子の光出
射側に隣接する第２の非線形光学素子に入射する波長変
換光の位相と、上記第２の非線形光学素子で発生する波
長変換光の位相との差が略２πＮ（Ｎは整数）となるよ
うに設定されていることを特徴とする波長変換用光学素
子。
【請求項２】少なくとも１つの波長のコヒーレント光
が入射し、入射したコヒーレント光とは波長が異なるコ
ヒーレント光を発生し、入射したコヒーレント光および
波長変換されたコヒーレント光とを放出する波長変換用
の光学素子であって、上記光学素子は、上記波長変換に係る非線形光学素子
と、上記非線形光学素子が光軸方向に少なくとも２層形成さ
れるように、該非線形光学素子と交互に隣接する光透過
性素子から構成され、上記光透過性素子は、第１の結晶部および第２の結晶部
が、各々の結晶部の結晶軸のｃ軸と光軸とを含む面が互
いに直交するように隣接して一体となったものであり、上記第１の結晶部および第２の結晶部は、上記非線形光
学素子に入射するコヒーレント光と波長変換されたコヒ
ーレント光とが位相整合条件を満たすことが可能で、か
つ、熱伝導率が上記非線形光学素子の熱伝導率より大き
い結晶であり、上記第１の結晶部の長さと上記第２の結晶部の長さは、
上記非線形光学素子から複数の波長のコヒーレント光が
上記光透過性素子へ入射して該光透過性素子を透過して
再び非線形光学素子に入射する際、上記第１の結晶部で
生ずる複数の波長の光の位相差と上記第２の結晶部で生
ずる複数の波長の光の位相差との和が略０または２πＮ
（Ｎは整数）となるように設定されていることを特徴と
する波長変換用光学素子。
【請求項３】上記第１の結晶部および第２の結晶部
は、各々の結晶のＣ軸と上記非線形光学素子に入射する
コヒーレント光が伝播する光軸方向とのなす角度が９０
°となるように成形されていることを特徴とする請求項
２の波長変換用光学素子。