JP2000305118A - 波長変換レーザ及びその波長変換条件決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力で高品質な波長変換レーザビームを高
効率かつ安定に発生させることのできる波長変換レーザ
及びその波長変換条件決定方法を得る。 【解決手段】 波長変換の基本波となる基本波レーザビ
ームを発生する基本波レーザ１０１、基本波レーザビー
ムの波長を変換する波長変換素子３０１、及び基本波レ
ーザビームの波長変換素子におけるビーム径を調整する
ビーム径調整手段４を備え、上記ビーム径を高効率波長
変換条件を満たすように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを高効率かつ安定に発生させる
ことのできる波長変換レーザ及びその波長変換条件決定
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３５は、例えば文献１（Optical Elec
tronics，４th ed.，Saunders College Publishing，a
division of Holt，Rinehart and Winston，Inc., 199
1，277頁）に示された従来の波長変換レーザを示す構成
図である。図３５において、１は波長変換の基本波とな
る基本波レーザビームを発生する基本波レーザ、２は基
本波レーザ１から発せられた基本波レーザビーム、３は
基本波レーザビーム２の波長を変換する波長変換素子、
４は基本波レーザビーム２のビーム径を調整するレンズ
からなるビーム径調整手段、５は波長変換レーザビーム
である。また、ｌは波長変換素子の長さ、ｗは波長変換
素子３内に集光された基本波レーザビーム２のビームウ
エスト半径である。

【０００３】従来の波長変換レーザは、上記のように構
成されており、基本波レーザ１から発せられた基本波レ
ーザビーム２は、ビーム径調整手段４により波長変換素
子３内に集光され、集光された基本波レーザビームのウ
エスト半径はｗとなる。波長変換素子３は、基本波レー
ザビーム２の波長を波長変換レーザビーム５の波長に変
換するように構成されており、波長変換素子３に集光さ
れた基本波レーザビーム２は、長さｌの波長変換素子３
を通過するうちに、その一部が波長変換され、波長変換
レーザビーム５となる。

【０００４】波長変換素子における波長変換効率につい
ては、文献２（R. C. Eckarｄｔ，H. Masuda，Y． X．
Fan，and R． L． Byer，IEEE J． Quantuｍ． Electro
n.，Vol． 26，1990，922-933頁）および文献３（G．
D． Boyd and D． A． Cleiｎｍan，J． Appl． Phys．
Vol． 39，１968，3597-3638頁）に詳しく理論式が記
載されている。図３６は従来の波長変換レーザにおける
波長変換レーザビームの平均パワーの実験値と理論計算
値を基本波レーザビームの平均パワーに対して示したも
のであり、実験値は理論値より低い値となった。

【０００５】また、図３７は従来の波長変換レーザにお
ける理論式により求めた波長変換効率の理論計算値を基
本波レーザビームのビームウエスト半径に対して示した
ものであり、ビームウエスト半径が小さいほど高波長変
換効率が期待された。また、理論式によれば、基本波レ
ーザビームのビームウエスト半径だけでなく、基本波レ
ーザビームの平均パワーが高いほど、ビーム品質が高い
ほど、周波数が低いほど、パルス幅が短いほど、また、
波長変換素子の長さが長いほど、高波長変換効率が期待
された。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の波長変換レーザでは、波長変換素子３に高出力
の基本波レーザビーム２を実際に入射させても、図３６
に示すように、文献２及び３に記載された理論式から計
算される波長変換効率を得ることができず、計算どおり
の高出力波長変換レーザビームを得ることができなかっ
た。

【０００７】また、従来の波長変換レーザでは、基本波
レーザビーム２の平均パワーを上げる、ビーム品質を上
げる、ビーム径を小さくする、周波数を低くする、パル
ス幅を短くする、あるいは、波長変換素子３の長さを長
くするなどの方法を用いると、波長変換レーザビーム５
の平均パワーが不安定になる、波長変換素子３が破壊す
るなどの問題が生じ、高出力の波長変換レーザビームを
安定に得ることができなかった。

【０００８】この発明は係る問題点を解決するためにな
されたものであり、高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを高効率に発生することのできる波長変換レーザを
得ることを目的としている。

【０００９】また、高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを安定に発生することのできる波長変換レーザを得
ることを目的としている。

【００１０】また、高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを高効率かつ安定に発生することのできる波長変換
レーザを得ることを目的としている。

【００１１】また、波長変換レーザにおいて高出力で高
品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させること
のできる波長変換レーザの波長変換条件決定方法を得る
ことを目的としている。

【００１２】さらに、波長変換レーザにおいて高出力で
高品質な波長変換レーザビームを安定に発生させること
のできる波長変換レーザの波長変換条件決定方法を得る
ことを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る波長変換
レーザは、波長変換の基本波となる基本波レーザビーム
を発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生
する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径
調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レー
ザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記
波長変換素子における基本波レーザビームを高効率波長
変換条件を満たすビームウエスト半径に設定することを
特徴とするものである。

【００１４】また、上記高効率波長変換条件は、基本波
レーザビームのビームウエスト半径を、波長変換効率理
論式と高効率波長変換条件計算式に基づいて求められる
波長変換効率の最高値付近の上限値と下限値を含む所定
範囲に設定することを特徴とするものである。

【００１５】また、上記高効率波長変換条件は、ビーム
品質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子
内におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルス
の半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータと
して設定することを特徴とするものである。

【００１６】また、上記波長変換素子に入射する基本波
レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさら
に備えたことを特徴とするものである。

【００１７】また、他の発明に係る波長変換レーザは、
波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する
基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波
レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段
と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビーム
の波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換
素子における基本波レーザビームを安定波長変換条件を
満たす値に設定することを特徴とするものである。

【００１８】また、さらに他の発明に係る波長変換レー
ザは、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発
生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する
基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整
手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビ
ームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長
変換素子における基本波レーザビームを高効率波長変換
条件及び安定波長変換条件を満たす値に設定することを
特徴とするものである。

【００１９】また、上記波長変換素子に入射する基本波
レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上
記波長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御す
る温度制御手段とをさらに備えたことを特徴とするもの
である。

【００２０】また、上記安定波長変換条件は、上記波長
変換素子の温度変化率とすることを特徴とするものであ
る。

【００２１】また、上記波長変換素子の断面方向の温度
変化率を９．２℃／ｍｍ以下に設定することを特徴とす
るものである。

【００２２】また、上記波長変換素子は、セシウム・リ
チウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ_{1 0}：ＣＬＢＯ）結晶
からなることを特徴とするものである。

【００２３】また、波長変換効率理論式より求めた波長
変換効率をη_theo、基本波レーザビームの入射平均強度
をＩ_in、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効
率波長変換条件となる波長変換効率ηは、 η＝η_theo×２．３９１１（Ｉ_in×ｌ）^-0.3618 であることを特徴とするものである。

【００２４】また、上記基本波レーザは、波長５３２ｎ
ｍの基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波
長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とするもの
である。

【００２５】また、上記基本波レーザビームのパワー
は、５０Ｗ以上であることを特徴とするものである。

【００２６】また、この発明に係る波長変換レーザの波
長変換条件設定方法は、波長変換の基本波となる基本波
レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レ
ーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整
するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介し
た基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子と
を備えた波長変換レーザにおいて、波長変換効率理論式
と高効率波長変換条件計算式を用いて上記波長変換素子
への上記基本波レーザビームの入射条件を決定すること
を特徴とするものである。

【００２７】さらに、他の発明に係る波長変換レーザの
波長変換条件決定方法は、波長変換の基本波となる基本
波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波
レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調
整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介
した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子
とを備えた波長変換レーザにおいて、上記波長変換素子
の温度変化率から上記波長変換素子への上記基本波レー
ザビームの入射条件を決定することを特徴とするもので
ある。

【００２８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１に係る波長変換レーザを示す構成図であ
る。図１において、１０１は波長変換の基本波となる例
えば波長５３２ｎｍの基本波レーザビーム２０１を発す
る半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからな
る基本波レーザ、３０１は基本波レーザビームの波長を
変換するセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆
Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子、４は基本
波レーザビームのビーム径を調整するレンズからなるビ
ーム径調整手段、５０１は例えば波長２６６ｎｍの波長
変換レーザビームである。また、ｌ_{30 1}は波長変換素子
の長さ、ｗ₂₀₁は波長変換素子３０１内に集光された基
本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径である。

【００２９】このように構成された波長変換レーザにお
いては、基本波レーザ１０１から発せられた基本波レー
ザビーム２０１は、ビーム径調整手段４により波長変換
素子３０１内に集光され、集光された基本波レーザビー
ムのウエスト半径はｗ₂₀₁となる。波長変換素子３０１
は、基本波レーザビーム２０１の第２高調波である波長
２６６ｎｍの波長変換レーザビーム５０１を発生するよ
うに構成されており、波長変換素子３０１に集光された
基本波レーザビーム２０１は、長さｌ₃₀₁の波長変換素
子３０１を通過するうちに、その一部が波長変換され、
波長変換レーザビーム５０１となる。

【００３０】ここで、高効率波長変換条件を求めるため
に必要な波長変換効率理論式について説明する。波長変
換素子３０１に入射する基本波レーザビーム２０１の平
均パワーをＰ１、波長変換効率をηとすると、波長変換
素子３０１により発生する波長変換レーザビーム５０１
の平均パワーＰ２は、Ｐ２＝η・Ｐ１で与えられる。波
長変換効率ηは、基本波レーザビーム２０１の平均パワ
ーＰ１に比例するため、波長変換因子γを用いて表せ
ば、η＝γ・Ｐ１となる。基本波レーザビーム２０１の
ビーム強度分布がガウス形状を有する場合、波長変換因
子γは、式（１）で与えられる。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、ωは基本波レーザビーム２０１の
角周波数、ｄ_effは波長変換素子３０１の実効非線形光
学定数、ｋは基本波レーザビーム２０１の波数、ｎは波
長変換レーザビーム５０１の波長における波長変換素子
３０１の屈折率、ε₀は真空中の誘電率、Ｃは光速、ｌ
は波長変換素子３０１の長さ、Δｋは基本波レーザビー
ム２０１と波長変換レーザビーム５０１の位相不整合
量、h（Ｂ,ξ）は集光因子である。また、Ｂはウォーク
オフパラメーターで、波長変換素子３０１のウォークオ
フ角をρとすると、ウォークオフパラメーターＢは、式
（２）で与えられる。

【００３３】

【数２】

【００３４】さらに、ξは集光パラメーターで、基本波
レーザビーム２０１の波長変換素子３０１内におけるウ
エスト半径をｗ₀とすれば、集光パラメーターξは、式
（３）で与えられる。

【００３５】

【数３】

【００３６】ここで、ｔ＝２Ｂ√（２ξ）とおけば、集
光因子ｈ（Ｂ,ξ）は、式（４）で表される。

【００３７】

【数４】

【００３８】また、ここで、基本波レーザ１０１として
パルスレーザを用いた場合のパルス周波数ｆｒｅｑ、パ
ルスの半値全幅ｄｔ時の波長変換効率η_pulseは、式
（５）となる。

【００３９】

【数５】

【００４０】また、波長変換素子３０１内を基本波レー
ザビーム２０１が伝搬するにつれて、基本波レーザビー
ム２０１の一部が波長変換レーザビーム５０１に変換さ
れて、基本波レーザビームの平均パワーが減衰すること
を考慮した場合の波長変換効率η_observeは、式（６）
となる。

【００４１】

【数６】

【００４２】以上説明したものが波長変換効率理論式で
ある。上記波長変換効率理論式を用いた以下における計
算では、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆
Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶の定数である実効非線形光学定数
ｄ_eff＝０．８５ｐｍ／Ｖ、ウォークオフ角ρ＝１．８
３°、屈折率ｎ＝１．４６を用いている。

【００４３】次に、高効率波長変換条件を求めるための
実験結果について説明する。図２は、図１の構成におい
て、ビーム品質Ｍ²＝１２の基本波レーザビーム２０１
の平均パワーＰ₂₀₁、ビームウエスト半径ｗ₂₀₁、パルス
周波数ｆ₂₀₁、パルス幅ｄｔ₂₀₁、および、波長変換素子
３０１の長さｌ₃₀₁をそれぞれ変化させて測定した実験
波長変換効率η_expの上記理論波長変換効率計算式によ
り計算した理論波長変換効率η_theoに対する割合を波長
変換素子３０１への基本波レーザビーム２０１の入射平
均強度Ｉ_inと波長変換結晶３０１の長さｌ₃₀₁の積に対
して示したものである。図２において、黒丸印は実験
値、直線は実験値の外挿線を表している。

【００４４】なお、上記ビーム品質Ｍ²とは、レーザビ
ームの収束性を表す指標として知られているもので、波
長λ、ビームウエスト直径φ₀、ビームの開き角（全
角）２θのビームのＭ²値は、同じ波長のガウスビーム
を同じ直径に絞った場合の開き角（全角）２θ₀に対す
る比で表され、Ｍ²＝θ／θ₀となる。

【００４５】図２からわかるように、黒丸印で示す実験
値は、両対数表示することにより、基本波レーザビーム
２０１の平均パワーＰ₂₀₁、ビームウエスト半径ｗ₂₀₁、
パルス周波数ｆ₂₀₁、パルス幅ｄｔ₂₀₁、および、波長変
換素子３０１の長さｌ₃₀₁にかかわらず、ほぼ直線上に
並ぶ。図における外挿線は、実験値を図上で直線近似し
て求めたもので、この外挿線を表す式η_exp／η_theo＝
２．３９１１（Ｉ_in×ｌ３０１）^-0.3618をこの発明に
おける高効率波長変換条件計算式とする。この高効率波
長変換条件計算式及び上記波長変換効率理論式を用いる
ことにより、波長変換レーザビーム出力をほぼ正確に計
算することができる。

【００４６】すなわち、この発明において、波長変換効
率理論式より求めた波長変換効率をη_theo、基本波レー
ザビームの入射平均強度をＩ_in、上記波長変換素子の長
さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換
効率ηを、 η＝η_theo×２．３９１１（Ｉ_in×ｌ）^-0.3618 としている。

【００４７】さらに、高効率波長変換条件について説明
する。図３は、図１の構成において、基本波レーザビー
ム２０１の平均パワーＰ₂₀₁＝１５０Ｗ、パルス周波数
ｆ₂₀₁＝１０ｋＨｚ、パルス幅ｄｔ₂₀₁＝８０ｎｓ、およ
び、波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁＝１５ｍｍとした
場合の上記波長変換効率理論式および高効率波長変換条
件計算式より計算した波長変換効率を基本波レーザビー
ム２０１のビームウエスト半径ｗ₂₀₁に対して示したも
のである。

【００４８】図３からわかるように、波長変換効率は，
ビームウエスト半径ｗ₂₀₁に対して上に凸の曲線とな
り、最高値ｈ０を持つ。波長変換効率が最高値ｈ０とな
るビームウエスト半径ｗ０で基本波レーザビーム２０１
を波長変換結晶３０１に入射させることが最高波長変換
条件である。また、波長変換効率の最高値ｈ０の９０％
の波長変換効率はｈ１であり、波長変換効率がｈ１とな
るビームウエスト半径はｗｌとｗｕの２点存在する。

【００４９】この発明においては、このｗｌとｗｕの間
のビームウエスト半径ｗ₂₀₁、すなわちｗｌ≦ｗ₂₀₁≦ｗ
ｕの関係を満たすビームウエスト半径ｗ₂₀₁で基本波レ
ーザビーム２０１を波長変換結晶３０１に入射させるこ
とを高効率波長変換条件とする。

【００５０】このような高効率波長変換条件を満たすこ
とにより、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを発生させることのできる波長変換レーザを得るこ
とができ、また、計算値通りの波長変換レーザ出力を得
ることができる。

【００５１】実施の形態２．上述した実施の形態１で述
べた高効率波長変換条件は、同波長のレーザ及び同種の
波長変換素子を用いる場合、基本波レーザビームの平均
パワー、波長変換素子内におけるウエスト半径、パルス
周波数、パルスの半値全幅、および波長変換素子の長さ
をパラメータとして変化する。

【００５２】以下、図１の構成において、波長５３２ｎ
ｍの基本波レーザ１０１およびセシウム・リチウム・ボ
レイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶からなる波
長変換素子３０１を用いた場合について、ビーム品質を
変えたときの各パラメータによって高効率波長変換条件
を表すビームウエスト半径について説明する。

【００５３】図４は、図１の構成において、ビーム品質
Ｍ²＝１、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓ
で平均パワー可変の基本波レーザ１０１および長さｌ
₃₀₁＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を用いた場合に対
して、平均パワーをパラメータとして計算した波長変換
効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対し
て示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍ
ｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム平均
パワーＰ₂₀₁＝５０，１００，１５０，２００，３０
０，４００，５００Ｗの場合のものである。

【００５４】また、図５は図４より求めた高効率波長変
換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ₂₀₁に対して
両対数表示で示したものである。図において、黒丸印
は、高効率波長変換条件の上限ｗｕ２、黒三角印は、高
効率波長変換条件の下限ｗｌ２を示しており、実線は、
高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求め
た外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上
で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の
高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ２＝０．０６４４
０２１×Ｐ₂₀₁ ^0.44567によって表され、高効率波長変換
条件の下限値は、ｗｌ２＝０．０１９３２８６×Ｐ₂₀₁
^0.4884によって表すことができる。

【００５５】本実施の形態２では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ２≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ２の関係を満たすよ
うに設定されているので、安定に、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換
レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件
を満たすようにビームウエスト半径を設定されているの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００５６】実施の形態３．図６は、実施の形態２のビ
ーム品質Ｍ²＝１をＭ²＝５に変えた時の平均パワーをパ
ラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビ
ーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、
図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下から
それぞれ基本波レーザビーム平均パワーＰ₂₀₁＝５０，
１００，１５０，２００，３００，４００，５００Ｗの
場合のものである。

【００５７】また、図７は図６より求めた高効率波長変
換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ₂₀₁に対して
両対数表示で示したものである。図において、黒丸印
は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ３、黒三角印は、
高効率波長変換条件の下限値ｗｌ３を示しており、実線
は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して
求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を
図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場
合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ３＝０．０７
３４１７６×Ｐ₂₀₁ ^0.44018によって表され、高効率波長
変換条件の下限値は、ｗｌ３＝０．００９６６４９６×
Ｐ₂₀₁ ^0.60726によって表すことができる。

【００５８】本実施の形態３では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ３≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ３の関係を満たすよ
うに設定されているので、安定に、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換
レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件
を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほ
ぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レー
ザ出力を得ることができる。

【００５９】実施の形態４．図８は、実施の形態２のビ
ーム品質Ｍ²＝１をＭ²＝１０に変えた時の平均パワーを
パラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザ
ビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであ
り、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下
からそれぞれ基本波レーザビーム平均パワーＰ₂₀₁＝５
０，１００，１５０，２００，３００，４００，５００
Ｗの場合のものである。

【００６０】また、図９は図８より求めた高効率波長変
換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ₂₀₁に対して
両対数表示で示したものである。図において、黒丸印
は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ４、黒三角印は、
高効率波長変換条件の下限値ｗｌ４を示しており、実線
は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して
求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を
図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場
合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ４＝０．０５
６２３４１×Ｐ₂₀₁ ^0.49797によって表され、高効率波長
変換条件の下限値は、ｗｌ４＝０．００５２８６８９×
Ｐ₂₀₁ ^0.69888によって表すことができる。

【００６１】本実施の形態４では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ４≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ４の関係を満たすよ
うに設定されているので、安定に、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換
レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件
を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほ
ぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レー
ザ出力を得ることができる。

【００６２】上記実施の形態２、３、４では、平均パワ
ー可変な基本波レーザを用いる場合について説明した
が、平均パワー一定の基本波レーザを用い、基本波レー
ザ１０１外部に例えば基本波レーザビームの波長に対す
る半波長板と偏光子からなるパワー調整装置（図示せ
ず）を設け、基本波レーザ１０１外部で波長変換素子３
０１に入射する基本波レーザビームの平均パワーを制御
しても良い。

【００６３】また、上記実施の形態２、３、４では、波
長５３２ｎｍ、ビーム品質Ｍ²＝１，５，１０、パルス
周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビ
ームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示した
が、その他の波長、ビーム品質、パルス周波数、パルス
幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いて
も良い。

【００６４】実施の形態５．図１０は、図１の構成にお
いて、平均パワー１００Ｗ、パルス周波数１０ｋＨｚ、
パルス幅８０ｎｓでビーム品質可変の基本波レーザ１０
１および長さｌ₃₀₁＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を
用いた場合に対して、ビーム品質をパラメータとして計
算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエ
スト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、上
からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のビーム品質Ｍ
２＝１，２，５，８，１０，１５，２０の場合のもので
ある。

【００６５】また、図１１は図１０より求めた高効率波
長変換条件を基本波レーザビームのビーム品質Ｍ²値に
対して両対数表示で示したものである。図において、黒
丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ５、黒三角印
は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ５を示している。
この場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ５および下
限値ｗｌ５は基本波レーザビームのビーム品質にかかわ
らずほぼ一定の値を示している。

【００６６】本実施の形態５では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、ビーム品質Ｍ²＝１の場合の高効率波長変換条件
の上限値ｗｕ５＝０．５０ｍｍおよび下限値ｗｌ５＝
０．１８ｍｍの間、すなわち０．１８ｍｍ≦ｗ₂₀₁≦
０．５ｍｍの関係を満たすように設定されているので、
安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生
させることのできる波長変換レーザを得ることができ
る。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウ
エスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件に
よる計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができ
る。

【００６７】実施の形態６．図１２は、実施の形態５の
平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時のビーム品質
をパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レー
ザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであ
り、図中の曲線は、上からそれぞれ基本波レーザビーム
２０１のビーム品質Ｍ²＝１，２，５，８，１０，１
５，２０の場合のものである。

【００６８】また、図１３は図１２より求めた高効率波
長変換条件を基本波レーザビームのビーム品質Ｍ²値に
対して両対数表示で示したものである。図において、黒
丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６、黒三角印
は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ６を示している。
この場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６および下
限値ｗｌ６は基本波レーザビームのビーム品質にかかわ
らずほぼ一定の値を示している。

【００６９】本実施の形態６では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁はビーム品質Ｍ²＝１の場合の高効率波長変換条件の
上限値ｗｕ６＝０．６８ｍｍおよび下限値ｗｌ６＝０．
２６ｍｍの間、すなわち０．２６ｍｍ≦ｗ₂₀₁≦０．６
８ｍｍの関係を満たすように設定されているので、安定
に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させ
ることのできる波長変換レーザを得ることができる。ま
た、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト
半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計
算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。

【００７０】実施の形態７．図１４は、実施の形態５の
平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時のビーム品質
をパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レー
ザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであ
り、図中の曲線は、上からそれぞれ基本波レーザビーム
２０１のビーム品質Ｍ２＝１，２，５，８，１０，１
５，２０の場合のものである。また、図１５は図１４よ
り求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビームのビ
ーム品質Ｍ²値に対して両対数表示で示したものであ
る。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限
値ｗｕ７、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗ
ｌ７を示している。この場合の高効率波長変換条件の上
限値ｗｕ７および下限値ｗｌ７は基本波レーザビームの
ビーム品質にかかわらずほぼ一定の値を示している。

【００７１】本実施の形態７では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁はビーム品質Ｍ²＝１の場合の高効率波長変換条件の
上限値ｗｕ６＝０．８２ｍｍおよび下限値ｗｌ６＝０．
３１ｍｍの間、すなわち０．３１ｍｍ≦ｗ₂₀₁≦０．８
２ｍｍの関係を満たすように設定されているので、安定
に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させ
ることのできる波長変換レーザを得ることができる。ま
た、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト
半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計
算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。

【００７２】上記実施の形態５、６、７では、ビーム品
質Ｍ２＝１の場合の高効率波長変換条件からビーム品質
にかかわらず高効率波長変換条件を決定したが、それぞ
れのビーム品質の場合対して高効率波長変換条件を満た
すように基本波レーザビームのビームウエスト半径を決
定しても良い。

【００７３】また、上記実施の形態５、６、７では、波
長５３２ｎｍ、平均パワー１００，２００，３００Ｗ、
パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レ
ーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示
したが、その他の波長、平均パワー、パルス周波数、パ
ルス幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用
いても良い。

【００７４】また、さらに、上記実施の形態２〜７で
は、長さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（Ｃ
ｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子
３０１を用いる場合についてのみ示したが、その他の長
さまたはその他の結晶からなる波長変換素子を用いても
良い。

【００７５】実施の形態８．図１６は、図１の構成にお
いて、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ²＝１、パル
ス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザ
を用いた場合に対して、波長変換素子３０１の長さをパ
ラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビ
ーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、
図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下から
それぞれ波長変換素子３０１の長さｌ ₃₀₁＝５，１０，
１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。ま
た、図１７は図１６より求めた高効率波長変換条件を波
長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して示したものであ
る。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限
値ｗｕ８、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗ
ｌ８を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限
値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変
換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示してい
る。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ８
＝０．０３３７１４×ｌ₃₀₁によって表され、高効率波
長変換条件の下限値は、ｗｌ８＝０．０１２×ｌ₃₀₁に
よって表すことができる。

【００７６】本実施の形態８では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ８≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ８の関係を満たすよ
うに設定されているので、安定に、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換
レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件
を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほ
ぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レー
ザ出力を得ることができる。

【００７７】実施の形態９．図１８は、実施の形態８の
平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時の波長変換素
子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効
率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して
示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍ
の点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さ
ｌ₃₀₁＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合
のものである。

【００７８】また、図２０は図１９より求めた高効率波
長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して
示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長
変換条件の上限値ｗｕ９、黒三角印は、高効率波長変換
条件の下限値ｗｌ９を示しており、実線は、高効率波長
変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線
は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた
外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の
上限値は、ｗｕ９＝０．０４５７１４×ｌ₃₀₁によって
表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ９＝０．
０１６９１４×ｌ ₃₀₁によって表すことができる。

【００７９】本実施の形態９では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ９≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ９の関係を満たすよ
うに設定されているので、安定に、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換
レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件
を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほ
ぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レー
ザ出力を得ることができる。

【００８０】実施の形態１０．図２０は、実施の形態８
の平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時の波長変換
素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換
効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対し
て示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍ
ｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長
さｌ₃₀₁＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場
合のものである。

【００８１】また、図２１は図２０より求めた高効率波
長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して
示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長
変換条件の上限値ｗｕ１０、黒三角印は、高効率波長変
換条件の下限値ｗｌ１０を示しており、実線は、高効率
波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破
線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求め
た外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件
の上限値は、ｗｕ１０＝０．０５４９１４×ｌ ₃₀₁によ
って表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１０
＝０．０２０５１４×ｌ₃₀₁によって表すことができ
る。

【００８２】本実施の形態１０では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１０≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１０の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００８３】実施の形態１１．図２２は、実施の形態８
のビーム品質Ｍ²＝１をＭ²＝１０に変えた時の波長変換
素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換
効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対し
て示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍ
ｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長
さｌ₃₀₁＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場
合のものである。

【００８４】また、図２３は図２２より求めた高効率波
長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して
示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長
変換条件の上限値ｗｕ１１、黒三角印は、高効率波長変
換条件の下限値ｗｌ１１を示しており、実線は、高効率
波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破
線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求め
た外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件
の上限値は、ｗｕ１１＝０．０３３７１４×ｌ ₃₀₁によ
って表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１１
＝０． ００８５１４３×ｌ₃₀₁によって表すことができ
る。

【００８５】本実施の形態１１では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１１≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１１の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００８６】実施の形態１２．図２４は、実施の形態１
１の平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時の波長変
換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変
換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対
して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２
ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の
長さｌ₃₀₁＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの
場合のものである。

【００８７】また、図２５は図２６より求めた高効率波
長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して
示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長
変換条件の上限値ｗｕ１２、黒三角印は、高効率波長変
換条件の下限値ｗｌ１２を示しており、実線は、高効率
波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破
線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求め
た外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件
の上限値は、ｗｕ１２＝０．０５４×ｌ₃₀₁によって表
され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１２＝０．
０１４２８６×ｌ₃₀₁によって表すことができる。

【００８８】本実施の形態１２では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１２≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１２の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００８９】実施の形態１３．図２６は、実施の形態１
１の平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時の波長変
換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変
換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対
して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２
ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の
長さｌ₃₀₁＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの
場合のものである。

【００９０】また、図２７は図２６より求めた高効率波
長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁に対して
示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長
変換条件の上限値ｗｕ１３、黒三角印は、高効率波長変
換条件の下限値ｗｌ１３を示しており、実線は、高効率
波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破
線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求め
た外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件
の上限値は、ｗｕ１３＝０．０６４×ｌ₃₀₁によって表
され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１３＝０．
０１８９１４×ｌ₃₀₁によって表すことができる。

【００９１】本実施の形態１３では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１３≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１３の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００９２】上記実施の形態８〜１３では、波長５３２
ｎｍ、平均パワー１００，２００，３００Ｗ、ビーム品
質Ｍ²＝１，１０、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅
８０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励
起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの
場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワ
ー、ビーム品質、パルス周波数、パルス幅の基本波レー
ザビームを発する基本波レーザを用いても良い。

【００９３】また、上記実施の形態８〜１３では、セシ
ウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢ
Ｏ）結晶からなる波長変換素子を用いる場合についての
み示したが、その他の結晶からなる波長変換素子を用い
ても良い。

【００９４】実施の形態１４．図２８は、図１の構成に
おいて、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ²＝１、パ
ルス幅８０ｎｓでパルス周波数可変の基本波レーザ１０
１および長さｌ₃₀₁＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を
用いた場合に対して、平均パワーをパラメータとして計
算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエ
スト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウ
エスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レ
ーザビーム２０１のパルス周波数ｆ₁₄＝１，３，５，
７，１０，１５，２０ｋＨｚの場合のものである。

【００９５】また、図２９は図２８より求めた高効率波
長変換条件を基本波レーザビーム２０１のパルス周波数
に対して両対数表示で示したものである。図において、
黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１４、黒三
角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１４を示して
おり、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直
線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件
の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示してい
る。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１
４＝１．４３５４２×ｆ₁₄ ^ー0.45716によって表され、
高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１４＝０．５６３
８９７×ｆ₁₄ ^-0.48906によって表すことができる。

【００９６】本実施の形態１４では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１４≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１４の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【００９７】本実施の形態１４では、波長５３２ｎｍ、
平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ ²＝１、パルス幅８
０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起
波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場
合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワー、
ビーム品質、パルス幅の基本波レーザビームを発する基
本波レーザを用いても良い。

【００９８】また、さらに、本実施の形態１４では、長
さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉ
Ｂ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子を用い
る場合についてのみ示したが、その他の長さまたはその
他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。

【００９９】実施の形態１５．図３０は、図１の構成に
おいて、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ²＝１、パ
ルス幅周波数１０ｋＨｚでパルス幅可変の基本波レーザ
１０１および長さｌ_{30 1}＝１５ｍｍの波長変換素子３０
１を用いた場合に対して、平均パワーをパラメータとし
て計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１の
ウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線
は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基
本波レーザビーム２０１のパルス幅ｄｔ₁₅＝２０，４
０，６０，８０，１００，１５０，２００ｎｓの場合の
ものである。

【０１００】また、図３１は図３０より求めた高効率波
長変換条件を基本波レーザビーム２０１のパルス周波数
に対して両対数表示で示したものである。図において、
黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１５、黒三
角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１５を示して
おり、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直
線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件
の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示してい
る。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１
５＝３．５１１６４×ｄｔ₁₅ ^-0.44357によって表され、
高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１５＝１．６９６
８×ｄｔ₁₅ ^-0.51088によって表すことができる。

【０１０１】本実施の形態１５では、図１の構成におい
て、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ
₂₀₁は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の
間、すなわちｗｌ１５≦ｗ₂₀₁≦ｗｕ１５の関係を満た
すように設定されているので、安定に、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長
変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換
条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したの
で、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変
換レーザ出力を得ることができる。

【０１０２】本実施の形態１５では、波長５３２ｎｍ、
平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ ²＝１、パルス周波
数１０ｋＨｚの基本波レーザビームを発する半導体レー
ザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レー
ザの場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パ
ワー、ビーム品質、パルス周波数の基本波レーザビーム
を発する基本波レーザを用いても良い。

【０１０３】また、さらに、本実施の形態１５では、長
さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉ
Ｂ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子を用い
る場合についてのみ示したが、その他の長さまたはその
他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。

【０１０４】実施の形態１６．図３２は、図１の構成に
おいて基本波レーザビームの平均パワー、ビーム品質、
パルス周波数、パルス幅、ビームウエスト半径ｗ₂₀₁、
および波長変換素子３０１の長さｌ₃₀₁を変化させて行
った実験結果から計算した波長変換素子３０１のレーザ
ビーム出力側端面の断面方向温度変化率を断面方向の距
離に対して示したものである。図において、実線は、波
長変換素子３０１に損傷が生じなかった波長変換条件の
場合の温度変化率、破線は、波長変換素子３０１に損傷
が生じた波長変換条件の場合の温度変化率を示してい
る。

【０１０５】波長変換素子３０１の温度変化率は、波長
変換レーザビーム５０１を吸収することにより発熱し、
波長変換結晶３０１の内部に温度分布が発生するものと
して計算した。温度分布の計算においては、実験で求め
た波長変換レーザビーム５０１の平均パワーまたは前記
波長変換効率理論式および高効率波長変換条件計算式よ
り計算した波長変換レーザビーム５０１の平均パワーの
内波長変換素子３０１の吸収率に従う分のみが波長変換
素子３０１に吸収され、また、波長変換素子３０１内に
おける波長変換レーザビーム５０１の平均パワーは、基
本波レーザビーム２０１の入射端面からの距離の２乗に
比例して増加し、波長変換レーザビーム５０１の出射端
面で波長変換素子３０１外部の波長変換レーザビーム５
０１の平均パワーに達するものとした。

【０１０６】また、波長変換素子３０１内部温度の計算
においては、波長変換素子３０１の形状を断面円形の円
柱形状で近似し、波長変換素子３０１における波長変換
レーザビーム５０１の吸収率１％／cｍ、熱伝導率１．
２Ｗ／（ｍ・ｋ）として、端面断熱、側面定温の条件で
計算を行った。

【０１０７】図における温度変化率は、いずれも最大値
を持ち、波長変換素子３０１に損傷が生じなかった波長
変換条件における最大温度変化率の最大値は９．２℃／
ｍｍ、波長変換素子３０１に損傷が生じた波長変換条件
における最大温度変化率の最小値は９．６℃／ｍｍであ
る。図の１点鎖線は、温度変化率９．２℃／ｍｍを示す
ものであり、波長変換素子３０１の断面方向最大温度変
化率が一点鎖線以下の場合には、どの波長変換条件にお
いても波長変換素子３０１に損傷が起きていないことよ
り、波長変換素子３０１の断面方向最大温度変化率を
９．２℃／ｍｍ以下にすることが安定波長変換条件とな
る。

【０１０８】このように安定波長変換条件を満たすよう
に波長変換条件設定することにより、安定に、高出力で
高品質な波長変換レーザビームを発生させることのでき
る波長変換レーザを得ることができる。

【０１０９】実施の形態１７．図３３はこの発明の実施
の形態１７である波長変換レーザを示すもので、図にお
いて、１１７は波長５３２ｎｍ、平均パワー１０５．８
Ｗ、ビーム品質Ｍ²＝８、パルス周波数１０ｋＨｚ、パ
ルス幅８０ｎｓの基本波レーザビーム２１７を発する半
導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基
本波レーザであり、３１７は長さｌ₃₁₇＝１５ｍｍのセ
シウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀：ＣＬ
ＢＯ）結晶からなる波長変換素子、４はレンズからなる
ビーム径調整手段、５１７は波長２６６ｎｍの波長変換
レーザビーム、６は基本波レーザビーム２１７の波長５
３２ｎｍにおける半波長板と偏光子からなるパワー調整
装置である。７は波長変換素子３１７を囲むように配置
されレーザビームの通過部に開口の空いた温度制御装置
で有り、波長変換素子側面の温度を１４０℃に保つ。８
は基本波レーザビーム２１７に対して高透過率かつ波長
変換レーザビーム５１７に対して高反射率を持つハーモ
ニックミラーからなる異波長レーザビーム分離手段であ
り、基本波レーザビーム２１７と波長変換レーザビーム
５１７を分離する。また、図において、ｗ₂₁₇は波長変
換素子３１７内に集光された基本波レーザビーム２１７
のビームウエスト半径であり、０．３０１４ｍｍに設定
している。

【０１１０】上記のように構成された波長変換レーザに
おいては、上記基本波レーザビーム２１７の条件及び波
長変換結晶３１７の長さｌ₃₁₇＝１５ｍｍより求まる高
効率波長変換条件０．１４ｍｍ≦ｗ₂₁₇≦０．５９ｍｍ
を満たしており、また、基本波レーザビームの最高平均
パワー１０５．８Ｗにおける波長変換素子３１７のレー
ザビーム出力側端面の断面方向温度変化率は８．６℃／
ｍｍであり、安定波長変換条件９．２℃／ｍｍ以下も満
たしている。

【０１１１】図３４は波長変換レーザビーム５１７の実
験で求めた平均パワーおよび前記波長変換効率理論式お
よび高効率波長変換条件計算式から計算した平均パワー
を基本波レーザビーム２１７の平均パワーに対して示し
たものである。図３３の波長変換レーザは、上記のよう
に高効率波長変換条件、安定波長変換条件を満たすよう
に構成したので、最高２０．５Ｗという高出力の波長２
６６ｎｍの波長変換レーザビームを安定にかつ高ビーム
品質で発生することができた。また、前記波長変換効率
理論式および高効率波長変換条件計算式から平均パワー
を計算したので、波長変換レーザビームの平均パワーの
実験値は計算値とほぼ同じ値となった。

【０１１２】

【発明の効果】この発明に係る波長変換レーザにおいて
は、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生
する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基
本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手
段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビー
ムの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変
換素子における基本波レーザビームを高効率波長変換条
件を満たすビームウエスト半径に設定するので、高出力
で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させる
ことができる。

【０１１３】また、上記高効率波長変換条件は、基本波
レーザビームのビームウエスト半径を、波長変換効率理
論式と高効率波長変換条件計算式に基づいて求められる
波長変換効率の最高値付近の上限値と下限値を含む所定
範囲に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザ
ビームを高効率に発生させることができる。

【０１１４】また、上記高効率波長変換条件は、ビーム
品質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子
内におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルス
の半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータと
して設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを高効率に発生させることができる。

【０１１５】また、上記波長変換素子に入射する基本波
レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさら
に備えたので、高出力で高品質な波長変換レーザビーム
を高効率に発生させることができる。

【０１１６】また、他の発明に係る波長変換レーザにお
いては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを
発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生す
る基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調
整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザ
ビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波
長変換素子における基本波レーザビームを安定波長変換
条件を満たす値に設定するので、高出力で高品質な波長
変換レーザビームを安定に発生させることができる。

【０１１７】また、さらに他の発明に係る波長変換レー
ザにおいては、波長変換の基本波となる基本波レーザビ
ームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから
発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビー
ム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波
レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、
上記波長変換素子における基本波レーザビームを高効率
波長変換条件及び安定波長変換条件を満たす値に設定す
るので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効
率でかつ安定に発生させることができる。

【０１１８】また、上記波長変換素子に入射する基本波
レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上
記波長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御す
る温度制御手段とをさらに備えたので、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させ
ることができる。

【０１１９】また、上記安定波長変換条件は、上記波長
変換素子の温度変化率とするので、高出力で高品質な波
長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させるこ
とができる。

【０１２０】また、上記波長変換素子の断面方向の温度
変化率を９．２℃／ｍｍ以下に設定するので、高出力で
高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発
生させることができる。

【０１２１】また、上記波長変換素子は、セシウム・リ
チウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ_{1 0}：ＣＬＢＯ）結晶
からなるので、より高出力で高品質な波長変換レーザビ
ームを高効率でかつ安定に発生させることができる。

【０１２２】また、波長変換効率理論式より求めた波長
変換効率をη_theo、基本波レーザビームの入射平均強度
をＩ_in、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効
率波長変換条件となる波長変換効率ηを、η＝η_theo×
２．３９１１（Ｉ_in×ｌ）^-0.3618としたので、高出力
で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に
発生させることができる。

【０１２３】また、上記基本波レーザは、波長５３２ｎ
ｍの基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波
長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザとしたので、高出力で高品質
な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させ
ることができる。

【０１２４】また、上記基本波レーザビームのパワー
は、５０Ｗ以上としたので、高出力で高品質な波長変換
レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることがで
きる。

【０１２５】また、この発明に係る波長変換レーザの波
長変換条件決定方法においては、波長変換の基本波とな
る基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記
基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム
径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手
段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変
換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、波長変換効
率理論式と高効率波長変換条件計算式を用いて上記波長
変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定
するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高
効率に発生させることができる。

【０１２６】さらに、他の発明に係る波長変換レーザの
波長変換条件決定方法においては、波長変換の基本波と
なる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上
記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビー
ム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整
手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長
変換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、上記波長
変換素子の温度変化率から上記波長変換素子への上記基
本波レーザビームの入射条件を決定するので、高出力で
高品質な波長変換レーザビームを安定に発生させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る波長変換レー
ザを示す構成図である。

【図２】 この発明の高効率波長変換計算式の説明図で
ある。

【図３】 この発明の高効率波長変換条件の説明図であ
る。

【図４】 この発明の実施の形態２に係る波長変換レー
ザの動作説明図である。

【図５】 この発明の実施の形態２に係る高効率波長変
換条件説明図である。

【図６】 この発明の実施の形態３に係る波長変換レー
ザの動作説明図である。

【図７】 この発明の実施の形態３に係る高効率波長変
換条件説明図である。

【図８】 この発明の実施の形態４に係る波長変換レー
ザの動作説明図である。

【図９】 この発明の実施の形態４に係る高効率波長変
換条件説明図である。

【図１０】 この発明の実施の形態５に係る波長変換レ
ーザの動作説明図である。

【図１１】 この発明の実施の形態５に係る高効率波長
変換条件説明図である。

【図１２】 この発明の実施の形態６に係る波長変換レ
ーザの動作説明図である。

【図１３】 この発明の実施の形態６に係る高効率波長
変換条件説明図である。

【図１４】 この発明の実施の形態７に係る波長変換レ
ーザの動作説明図である。

【図１５】 この発明の実施の形態７に係る高効率波長
変換条件説明図である。

【図１６】 この発明の実施の形態８に係る波長変換レ
ーザの動作説明図である。

【図１７】 この発明の実施の形態８に係る高効率波長
変換条件説明図である。

【図１８】 この発明の実施の形態９に係る波長変換レ
ーザの動作説明図である。

【図１９】 この発明の実施の形態９に係る高効率波長
変換条件説明図である。

【図２０】 この発明の実施の形態１０に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図２１】 この発明の実施の形態１０に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図２２】 この発明の実施の形態１１に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図２３】 この発明の実施の形態１１に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図２４】 この発明の実施の形態１２に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図２５】 この発明の実施の形態１２に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図２６】 この発明の実施の形態１３に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図２７】 この発明の実施の形態１３に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図２８】 この発明の実施の形態１４に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図２９】 この発明の実施の形態１４に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図３０】 この発明の実施の形態１５に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図３１】 この発明の実施の形態１５に係る高効率波
長変換条件説明図である。

【図３２】 この発明の安定波長変換条件の説明図であ
る。

【図３３】 この発明の実施の形態１７に係る波長変換
レーザを示す図である。

【図３４】 この発明の実施の形態１７に係る波長変換
レーザの動作説明図である。

【図３５】 従来の波長変換レーザを示す構成図であ
る。

【図３６】 従来の波長変換レーザの動作説明図であ
る。

【図３７】 従来の波長変換条件説明図である。

【符号の説明】

１，１０１，１１７ 基本波レーザ、２，２０１，２１
７ 基本波レーザビーム、３，３０１，３１７ 波長変
換素子、４ ビーム径制御手段、５，５０１，５１７
波長変換レーザビーム、６ パワー調整装置、７ 温度
制御装置、８ 異波長レーザビーム分離手段、ｗ，ｗ
₂₀₁，ｗ₂₁₇ ビームウエスト半径、ｌ，ｌ₃₀₁，ｌ₃₁₇
波長変換素子の長さ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤川 周一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 BA02 BA03 CA02 DA01 GA04 GA06 HA20

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長変換の基本波となる基本波レーザビ
   ームを発生する基本波レーザと、 上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビ
   ーム径を調整するビーム径調整手段と、 上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波
   長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子
   における基本波レーザビームを高効率波長変換条件を満
   たすビームウエスト半径に設定することを特徴とする波
   長変換レーザ。
2. 【請求項２】 上記高効率波長変換条件は、基本波レー
   ザビームのビームウエスト半径を、波長変換効率理論式
   と高効率波長変換条件計算式に基づいて求められる波長
   変換効率の最高値付近の上限値と下限値を含む所定範囲
   に設定することを特徴とする請求項１に記載の波長変換
   レーザ。
3. 【請求項３】 上記高効率波長変換条件は、ビーム品
   質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子内
   におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルスの
   半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータとし
   て設定することを特徴とする請求項２に記載の波長変換
   レーザ。
4. 【請求項４】 上記波長変換素子に入射する基本波レー
   ザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさらに備
   えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
   載の波長変換装置。
5. 【請求項５】 波長変換の基本波となる基本波レーザビ
   ームを発生する基本波レーザと、 上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビ
   ーム径を調整するビーム径調整手段と、 上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波
   長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子
   における基本波レーザビームを安定波長変換条件を満た
   す値に設定することを特徴とする波長変換レーザ。
6. 【請求項６】 波長変換の基本波となる基本波レーザビ
   ームを発生する基本波レーザと、 上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビ
   ーム径を調整するビーム径調整手段と、 上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波
   長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子
   における基本波レーザビームを高効率波長変換条件及び
   安定波長変換条件を満たす値に設定することを特徴とす
   る波長変換レーザ。
7. 【請求項７】 上記波長変換素子に入射する基本波レー
   ザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上記波
   長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御する温
   度制御手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項５
   または６に記載の波長変換レーザ。
8. 【請求項８】 上記安定波長変換条件は、上記波長変換
   素子の温度変化率とすることを特徴とする請求項５ない
   し７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
9. 【請求項９】 上記波長変換素子の断面方向の温度変化
   率を９．２℃／ｍｍ以下に設定することを特徴とする請
   求項８に記載の波長変換レーザ。
10. 【請求項１０】 上記波長変換素子は、セシウム・リチ
    ウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀：ＣＬＢＯ）結晶か
    らなることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに
    記載の波長変換レーザ。
11. 【請求項１１】 波長変換効率理論式より求めた波長変
    換効率をη_theo、基本波レーザビームの入射平均強度を
    Ｉ_in、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率
    波長変換条件となる波長変換効率ηは、 η＝η_theo×２．３９１１（Ｉ_in×ｌ）^-0.3618 であることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換レ
    ーザ。
12. 【請求項１２】 上記基本波レーザは、波長５３２ｎｍ
    の基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波長
    変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項
    １ないし１１のいずれかに記載の波長変換レーザ。
13. 【請求項１３】 上記基本波レーザビームのパワーは、
    ５０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１ないし１２
    のいずれかに記載の波長変換レーザ。
14. 【請求項１４】 波長変換の基本波となる基本波レーザ
    ビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザか
    ら発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビ
    ーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本
    波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え
    た波長変換レーザにおいて、波長変換効率理論式と高効
    率波長変換条件計算式を用いて上記波長変換素子への上
    記基本波レーザビームの入射条件を決定することを特徴
    とする波長変換レーザの波長変換条件決定方法。
15. 【請求項１５】 波長変換の基本波となる基本波レーザ
    ビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザか
    ら発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビ
    ーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本
    波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え
    た波長変換レーザにおいて、上記波長変換素子の温度変
    化率から上記波長変換素子への上記基本波レーザビーム
    の入射条件を決定することを特徴とする波長変換レーザ
    の波長変換条件決定方法。