JP2001109027A - Method of preventing decrease in transmittance due to coloring of nonlinear optical crystal for wavelength conversion - Google Patents

Method of preventing decrease in transmittance due to coloring of nonlinear optical crystal for wavelength conversion

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JP2001109027A
JP2001109027A JP28406199A JP28406199A JP2001109027A JP 2001109027 A JP2001109027 A JP 2001109027A JP 28406199 A JP28406199 A JP 28406199A JP 28406199 A JP28406199 A JP 28406199A JP 2001109027 A JP2001109027 A JP 2001109027A
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crystal
nonlinear optical
optical crystal
coloring
transmittance
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Japanese (ja)
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Shinji Motokoshi
伸二 本越
Takahisa Jitsuno
孝久 實野
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Kansai Electric Power Co Inc
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Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily prevent such a phenomenon that a nonlinear optical crystal used for wavelength conversion of a solid laser light is colored by the laser light and its transmittance decreases with time. SOLUTION: The nonlinear optical crystal used for wavelength conversion of a solid laser light is annealed in an environment containing water to permeate the water content into the crystal. Thus, decrease in the transmittance due to coloring of the crystal by repeated use can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、材料加工等の分野
で使用されるレーザー装置に関するものであり、固体レ
ーザー光の波長変換に用いられる非線形光学結晶の着色
による透過率の低下を防止することにより、非線形光学
結晶の長寿命化を可能にした波長変換用非線形光学結晶
のアニール処理技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser device used in the field of material processing and the like, and it is intended to prevent a decrease in transmittance due to coloring of a nonlinear optical crystal used for wavelength conversion of solid-state laser light. Accordingly, the present invention relates to a technique for annealing a nonlinear optical crystal for wavelength conversion, which enables a longer life of the nonlinear optical crystal.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体レーザーの高出力化に伴な
って、半導体レーザー励起固体レーザー(Diode
Pumped Solid State Laser,
DPSSL)を用いたレーザー装置の高効率化、小形化
が可能となり、材料加工等の各種のレーザー応用分野に
於いても、従前の気体レーザーに代って固体レーザーが
広く利用され出している。しかし、固体レーザーの大部
分は、その発振波長が近赤外領域にある。そのため、従
前のエキシマレーザー等を固体レーザーに置き替えるに
は、固体レーザーの出力波長を波長変換によって短かく
し、被加工物に対する吸収率を上げたり、集光サイズを
小さくして輝度を上げたりする必要がある。
2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in the output of semiconductor lasers, semiconductor laser pumped solid-state lasers (Diodes)
Pumped Solid State Laser,
A laser device using DPSSL) can be made more efficient and smaller, and a solid-state laser has been widely used in place of a conventional gas laser in various laser application fields such as material processing. However, most solid-state lasers have an oscillation wavelength in the near infrared region. Therefore, in order to replace a conventional excimer laser or the like with a solid-state laser, the output wavelength of the solid-state laser is shortened by wavelength conversion to increase the absorptance to the workpiece, or to increase the brightness by reducing the focusing size. There is a need.

【0003】而して、上記固体レーザー光の波長変換
は、これ迄その殆んどが所謂非線形光学結晶を用いて行
なわれており、具体的には、固体レーザー光のビーム中
に一辺が約5〜10mm程度の立方体状の非線形光学素
子(結晶)を設置し、非線形光学結晶が有する所謂非線
形感受率により入力レーザー光の高調波を発生し、基本
波長の1/2〜1/5に短縮した高調波レーザー光を出
力するようにしている。
Heretofore, most of the above-mentioned wavelength conversion of solid-state laser light has been performed using a so-called non-linear optical crystal. Specifically, one side of the solid-state laser light beam has approximately one side. A cubic nonlinear optical element (crystal) of about 5 to 10 mm is installed, and a harmonic of the input laser light is generated by the so-called nonlinear susceptibility of the nonlinear optical crystal, which is reduced to 1/2 to 1/5 of the fundamental wavelength. It outputs a harmonic laser light.

【0004】ところで、前記波長変換に用いる非線形光
学結晶は、非線形光学定数が大きくてレーザー光の変
換効率が高いこと、位相整合角や位相整合温度の幅が
広くてレーザー光の変換効率が安定していること、長
期の使用に耐えられること等の各要件を具備する必要が
あり、更に、化学的安定性が高いこと、機械的強度が高
いこと、基本波及び高調波の吸収が少ないこと、レーザ
ーに対する耐損傷性が高いこと等の要件が必要とされ
る。
The nonlinear optical crystal used for the wavelength conversion has a large nonlinear optical constant and high conversion efficiency of laser light, and has a wide phase matching angle and a wide range of phase matching temperature, so that the conversion efficiency of laser light is stable. It is necessary to have various requirements such as that it can withstand long-term use, and that it has high chemical stability, high mechanical strength, little absorption of fundamental and harmonics, Requirements such as high damage resistance to the laser are required.

【0005】しかし、これ等の各要件を全て備えた非線
形光学結晶を得ることは、現時点では不可能に近いこと
であり、そのため現実の非線形光学結晶を用いた波長変
換に於いては、結晶が強いレーザー光に晒されることに
起因して、様々な不都合が起生している。その中でも、
特に緊急に解決を要する問題は、結晶の着色によるレー
ザー光の透過率の低下の問題である。
However, it is almost impossible at the present time to obtain a nonlinear optical crystal having all of these requirements. Therefore, in actual wavelength conversion using a nonlinear optical crystal, the crystal is Various inconveniences have occurred due to exposure to intense laser light. Among them,
In particular, a problem that needs to be urgently solved is a problem of a decrease in the transmittance of laser light due to coloring of crystals.

【0006】即ち、前記透過率の低下は、結晶そのもの
が強いレーザー光に晒されて、使用時間に応じて着色さ
れることにより生ずるものであり、結晶内部に存在する
色中心(カラーセンター)などの欠陥が、レーザー光を
吸収することによって発生すると云われている。また、
この現象は、短い波長のレーザー光や高調波光を使用す
る場合に顕著に表われるが、一般的に用いられているY
AGレーザー(Yttrium Aluminium Garnet Laser)の第二
高調波の発生に用いられるKTP結晶(KTiOPO4
結晶)において、顕著に認められ、グレートラッキング
と呼ばれている。
That is, the decrease in the transmittance is caused by the fact that the crystal itself is exposed to intense laser light and is colored according to the use time, and a color center (color center) existing inside the crystal is used. Is said to be caused by absorbing laser light. Also,
This phenomenon is conspicuous when using short-wavelength laser light or harmonic light, but generally used Y light is used.
KTP crystal (KTiOPO 4 ) used for generation of second harmonic of AG laser (Yttrium Aluminum Garnet Laser)
Crystal), which is called gray tracking.

【0007】ところで、上述の着色による透過率の低下
を避けるため、従前から使用時間に伴って結晶の位置
を動かし、欠陥の影響が直接にビームに出ないようにし
たり、使用中結晶の温度を80°〜100℃まで上げ
て、結晶中の欠陥をアニール効果により除去しながら使
用すると云う対策が取られてきた。また、一部では、
グレートラッキングレジスタンスと称する特別の製法に
より製作した欠陥の極く少ない高価な結晶を用い、透過
率の低下を防止すると云う方策が取られている。
By the way, in order to avoid a decrease in the transmittance due to the above-mentioned coloring, the position of the crystal is moved with the use time so that the influence of the defect does not directly appear on the beam or the temperature of the crystal during use is reduced. Measures have been taken to increase the temperature up to 80 ° to 100 ° C. and use the crystal while removing defects in the crystal by an annealing effect. In some cases,
A measure is taken to prevent a decrease in transmittance by using an expensive crystal with extremely few defects manufactured by a special manufacturing method called gray tracking resistance.

【0008】上述のように、非線形光学結晶中に生じる
グレートラッキングと呼ばれる着色現象は、使用中の結
晶の温度を約 80℃〜100℃に上昇させることによ
り、ある程度その発生を防止することができる。しか
し、結晶の温度を絶えずある一定温度に保つためには、
小型オーブン等の加熱装置を別途に設ける必要があり、
波長変換機構の構造が複雑・大形化するだけでなく、レ
ーザー装置の立ち上げ時間が長くなる要因となると云う
難点がある。また、非線形光学結晶として、特別な製法
による結晶格子内の欠陥の少ない結晶を使用した場合に
は、透過率の低下は若干少なくできるもののこれをほぼ
零にすることは困難であり、逆に波長変換機構の製造コ
ストが大幅に高騰すると云う問題がある。
As described above, the coloring phenomenon called gray tracking that occurs in the nonlinear optical crystal can be prevented to some extent by raising the temperature of the crystal during use to about 80 ° C. to 100 ° C. . However, in order to keep the temperature of the crystal constant,
It is necessary to separately provide a heating device such as a small oven,
Not only does the structure of the wavelength conversion mechanism become complicated and large, but it also causes a problem that the startup time of the laser device is prolonged. In addition, when a crystal having few defects in the crystal lattice formed by a special manufacturing method is used as the nonlinear optical crystal, the decrease in transmittance can be slightly reduced, but it is difficult to reduce the transmittance to almost zero. There is a problem that the manufacturing cost of the conversion mechanism rises significantly.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従前の固体
レーザー光の波長変換用非線形光学結晶に於ける上述の
如き問題、即ち結晶の着色による透過率の低下を防止
するため、結晶温度をその使用中所定の温度以上に保持
する方法は、波長変換機構の大型化やレーザー装置の立
上り時間の長期化を招くこと、欠陥のより少ない特別
製法による結晶を使用しても、透過率の低下を大幅に改
善することができないうえ、波長変換機構の製造コスト
が高騰すること等の問題を解決せんとするものであり、
非線形光学結晶に所定の条件下でアニール処理を施すこ
とにより、強力なレーザー光内で長期間使用しても、結
晶の着色による透過率の低下の発生を略完全に防止でき
るようにした非線形光学結晶の着色による透過率低下防
止方法を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to reduce the crystal temperature in order to prevent the above-described problem in the conventional nonlinear optical crystal for wavelength conversion of solid-state laser light, that is, to reduce the transmittance due to the coloring of the crystal. The method of maintaining the temperature at or above a predetermined temperature during use causes an increase in the size of the wavelength conversion mechanism and an increase in the rise time of the laser device, and a decrease in transmittance even when using a crystal manufactured by a special method with fewer defects. Is not able to be significantly improved, and the problem that the production cost of the wavelength conversion mechanism rises is to be solved.
Annealing the nonlinear optical crystal under the specified conditions makes it possible to almost completely prevent the decrease in transmittance due to the coloring of the crystal even when used for a long time in a strong laser beam. It is an object of the present invention to provide a method for preventing a decrease in transmittance due to coloring of crystals.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】KTP結晶にレーザー光
を入射すると、レーザーの持つ光子エネルギーによって
電子の授受が行われる。 Fe3++h+ →Fe4+ (1) Ti4++e- →Ti3+ (2) チタンTiはKTP結晶の主成分であるが、鉄Feはそ
れに混入された不純物である。h及びeはホール(陽電
子)及び電子を表す。つまり、レーザーを照射すると、
不純物である鉄は、電子を放出(陽電子を形成)して4
価に変化する。一方、チタンは、浮遊(自由)電子をも
らい3価に変わる。透過率の劣化として確認されるの
は、チタンの3価への変化である。鉄、チタンとも、不
安定である変化後の価数(4価,3価)は、レーザー照
射時間とともに元の安定した3価,4価に戻る(上述の
式の逆の過程)。この元に戻る時間は、結晶によって異
なるが、100℃程度に加熱すると比較的早く元に戻る
ことが知られている。
When a laser beam is incident on a KTP crystal, electrons are transferred by the photon energy of the laser. Fe 3+ + h + → Fe 4+ (1) Ti 4+ + e → Ti 3+ (2) Titanium Ti is a main component of the KTP crystal, while iron Fe is an impurity mixed therein. h and e represent holes (positrons) and electrons. In other words, when irradiating the laser,
Iron, which is an impurity, emits electrons (forms positrons) and
Value. On the other hand, titanium receives floating (free) electrons and changes to trivalent. What is confirmed as the deterioration of the transmittance is the change of titanium to trivalent. The changed valences (tetravalent, trivalent) that are unstable in both iron and titanium return to the original stable trivalent, tetravalent with the laser irradiation time (the reverse process of the above equation). The time required to return to the original state varies depending on the crystal, but it is known that the state returns to the original state relatively quickly when heated to about 100 ° C.

【0011】このように、レーザー照射後に結晶を加熱
することによって、元の状態に戻るのであれば、レーザ
ー照射中においても、結晶が加熱された状態にあれば、
劣化が起こってもすぐに元に戻り、劣化が抑制されるこ
とが予想される。従来のレーザー照射中結晶を約100
℃に加熱するようにした劣化防止方法は、前記式(
1),(2)の価数の変化を左右互いに起こすことによ
り、劣化を抑制するものである。
As described above, if the crystal returns to the original state by heating the crystal after the laser irradiation, if the crystal is in a heated state even during the laser irradiation,
It is expected that even if deterioration occurs, it will return to its original state immediately and the deterioration will be suppressed. About 100 crystals during conventional laser irradiation
The degradation prevention method of heating to ° C. is based on the above formula (
The deterioration is suppressed by causing the valence changes of 1) and (2) to occur on the left and right sides.

【0012】そこで、本願発明者等は、上記結晶使用中
の加熱による透過率の低下防止に替えて、予かじめ結晶
に簡単なアニール処理(熱処理)を施すことにより、処
理後の結晶に着色が生じないようにすることを着想し
た。また、本願発明者等は、この着想を具現化するため
に、先ず非線形光学結晶としてKTiOPO4 (KT
P)結晶を選定し、育成方法の夫々異なる複数のKTP
結晶について、基本波波長1064μmのNd:YAG
レーザー光の第2高調波(波長532μm、パルス幅3
μs、繰り返し周波数100Hz)の照射に対する結晶
の着色による透過率の低下を測定し、着色を生じ易い結
晶と着色を生じ難い結晶とを類別した。次に、前記類別
した夫々の結晶の元素分析を行ない、その差異を明らか
にすると共に、これ等の差異が着色の発生に及ぼす影響
を種々の角度から検討した。
Therefore, the inventors of the present invention applied a simple annealing treatment (heat treatment) to the crystal in advance, instead of preventing the transmittance from being lowered by heating during the use of the crystal, thereby coloring the crystal after the treatment. I thought that it would not occur. In order to realize this idea, the present inventors first use KTiOPO 4 (KT) as a nonlinear optical crystal.
P) Select multiple crystals and use multiple KTPs with different growth methods
For crystals, Nd: YAG with a fundamental wavelength of 1064 μm
Second harmonic of laser light (wavelength 532 μm, pulse width 3
The decrease in the transmittance due to the coloring of the crystal under irradiation of (μs, repetition frequency: 100 Hz) was measured, and the crystal that easily caused coloring and the crystal that hardly caused coloring were classified. Next, elemental analysis was performed on each of the classified crystals to clarify the differences, and the effects of these differences on the occurrence of coloring were examined from various angles.

【0013】その結果、結晶中に存在する水分(OH
基)が結晶の着色に重要な関係を持っており、OH基の
多い結晶ほど着色を生じ難いと云うことを知得した。ま
た、当該知得に基づいて、逆にOH基が少なくて着色が
生じ易い結晶に熱処理(アニール)を施すことによって
水分を与え、これにより着色を生じ難い結晶に転換する
ことを着想した。即ち、結晶中に含まれるFe等の不純
物は、単元素では存在しにくいため、酸素またはOHと
容易に結びつく。 Fe+H2 O→FeOH+H (3) また、一旦FeOHの形態になると、更に強いレーザー
光を用いなければ、ホールの形成は起きないと考えられ
る。一方、主成分であるチタンに対しては、酸素欠損を
埋める役割、または水との電子の授受が、Fe等の不純
物の場合よりも容易に行われるものと考えられ、不純物
によるホールの形成を長時間抑制することができる。
As a result, the water (OH) existing in the crystal
Group) has an important relationship with the coloring of the crystals, and it is known that the crystals having more OH groups are less likely to be colored. In addition, based on the knowledge, the inventors have conceived that, on the contrary, a crystal having a small number of OH groups and being easily colored is subjected to a heat treatment (annealing) to give water to thereby convert the crystal into a crystal which is less likely to be colored. That is, impurities such as Fe contained in the crystal are unlikely to be present as a single element, and are easily associated with oxygen or OH. Fe + H 2 O → FeOH + H (3) Also, once in the form of FeOH, it is considered that the formation of holes does not occur unless a stronger laser beam is used. On the other hand, it is considered that the role of filling oxygen deficiency or the transfer of electrons with water to titanium, which is the main component, is easier than in the case of impurities such as Fe. It can be suppressed for a long time.

【0014】本願発明は、発明者等の上記知見と着想に
基づいて創作されたものであり、請求項1の発明は、固
体レーザー光の波長変換に用いる非線形光学結晶を、水
分を含んだ環境条件下でアニールすることにより、繰り
返し使用による結晶の着色による透過率の低下を防止す
ることを発明の基本構成とするものである。
The invention of the present application has been made based on the above findings and ideas of the present inventors. The invention of claim 1 is to provide a nonlinear optical crystal used for wavelength conversion of solid-state laser light by using an environment containing moisture. An object of the present invention is to prevent a decrease in transmittance due to coloring of a crystal due to repeated use by annealing under conditions.

【0015】請求項2の発明は、請求項1の発明に於い
て、80℃以上の温度下の顕度を制御した雰囲気内に於
いて、少なくとも2時間以上非線形光学結晶をアニール
するようにしたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the nonlinear optical crystal is annealed for at least 2 hours or more in an atmosphere whose visibility is controlled at a temperature of 80 ° C. or more. Things.

【0016】請求項3の発明は、請求項1の発明に於い
て、非線形光学結晶をKTP、KDP、LBO、BBO
又はCLBOの何れかとしたものである。
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the nonlinear optical crystal is made of KTP, KDP, LBO, BBO.
Or CLBO.

【0017】請求項4の発明は、請求項1の発明に於い
て、非線形光学結晶を固体レーザー光の波長を基本波長
の1/2〜1/5の波長に変換するものとしたものであ
る。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the nonlinear optical crystal converts the wavelength of the solid-state laser light into a wavelength of 1/2 to 1/5 of the fundamental wavelength. .

【0018】[0018]

【作用】結晶中の水分濃度が少なくて、欠陥即ち着色を
生じやすい結晶を水分含有雰囲気内でアニールすると、
結晶内部にまで雰囲気中の水分が浸透し、この浸透した
水分が、強いレーザー光が当たった時に生じる結晶の欠
陥の生成を阻害することにより、透過率の低下が防止さ
れる。尚、前記結晶内へ浸透した水分(OH基)が結晶
の着色を防止する機構については、未だ明らかではない
が、前述の如く格子欠陥を生成する機構か、又は生成し
た格子欠陥の緩和課程に、浸透したOH基が何等かの寄
与をしているのではないかと推定されている。また、本
発明と同様の効果は、紫外線レーザー光の照射を受けた
石英ガラスでも観測されており、適当な濃度のOH基を
含む石英ガラスは、強いレーザー光に対して着色を起こ
し難いことが判っている。
When a crystal having a low water concentration in a crystal and easily causing defects, that is, coloring, is annealed in a water-containing atmosphere,
Moisture in the atmosphere penetrates into the inside of the crystal, and the permeated water impedes the generation of crystal defects that occur when intense laser light is applied, thereby preventing a decrease in transmittance. It is to be noted that the mechanism of preventing the water (OH group) penetrating into the crystal from discoloring the crystal is not yet clear, but the mechanism for generating the lattice defect as described above or the process of relaxing the generated lattice defect is not clear. It is presumed that the permeated OH groups may make some contribution. In addition, the same effect as that of the present invention has been observed in quartz glass irradiated with ultraviolet laser light, and quartz glass containing an appropriate concentration of OH group is unlikely to be colored by strong laser light. I know.

【0019】本発明では、簡単な熱処理によって、波長
変換用の非線形光学結晶内部のOH基濃度を容易に制御
することができ、しかも、この結晶内のOH基の濃度が
着色を防止する上で重要な機能を果していることが明ら
かになった。ちなみに、その逆の課程、すなはち着色し
にくい結晶を水分の存在しない雰囲気(真空中)でアニ
ールすることにより脱水すると、結晶が着色を生じ易い
ものに転換されることも確認されており、熱処理により
自由に結晶の着色性を制御することができる。尚、前記
熱処理により水分が結晶中に取り込まれることは、ガラ
ス等の温度を上げると、各種のガスが透過し易くなるこ
とからも推測できるが、熱処理前後の結晶中のOH基濃
度の測定は、現在のところ未だ行なえていない。
According to the present invention, the OH group concentration in the nonlinear optical crystal for wavelength conversion can be easily controlled by a simple heat treatment. It turned out to be an important function. By the way, it has been confirmed that, in the reverse process, when a crystal that is hardly colored is dehydrated by annealing in an atmosphere free of moisture (in vacuum), the crystal is converted into a material that is easily colored. The coloring property of the crystal can be freely controlled by the heat treatment. It should be noted that the fact that moisture is taken into the crystal by the heat treatment can be inferred from the fact that when the temperature of the glass or the like is increased, various gases are easily transmitted, but the measurement of the OH group concentration in the crystal before and after the heat treatment is not possible. Has not done so far.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図1は本発明の実施の概要説明図
であり、図1に於いて1はアニール炉(熱処理炉)、2
はヒータ、3は支持体、4は被処理物(非線形光学結
晶)、5は大気連通孔、6は蒸気供給孔であって、アニ
ール炉1にはこの他に、温度計、圧力計、制御盤等が設
けられている。被処理物(非線形光学結晶)4のアニー
ルに際しては、先ず支持体上に結晶4を載置し、バルブ
5aを開放した状態でヒータ2を作動させ、アニール炉
1内の温度を80℃〜600℃に上昇させたあと、この
温度状態を約2〜24時間継続して保持する。その後、
ヒータ2を遮断すると共にアニール炉1内を開放し、炉
内温度を自然冷却により下降させる。これにより、結晶
4のアニール処理、即ち波長変換用非線形光学結晶4の
着色による透過率の低下防止処理が完了する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic explanatory view of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an annealing furnace (heat treatment furnace);
Is a heater, 3 is a support, 4 is an object to be processed (non-linear optical crystal), 5 is an air communication hole, 6 is a steam supply hole, and the annealing furnace 1 has a thermometer, a pressure gauge, and a control. A board and the like are provided. At the time of annealing the object to be processed (non-linear optical crystal) 4, first, the crystal 4 is placed on a support, the heater 2 is operated with the valve 5 a opened, and the temperature in the annealing furnace 1 is set to 80 ° C. to 600 ° C. After the temperature is raised to ° C., this temperature state is maintained for about 2 to 24 hours. afterwards,
The heater 2 is shut off, the inside of the annealing furnace 1 is opened, and the furnace temperature is lowered by natural cooling. This completes the annealing process of the crystal 4, that is, the process of preventing the transmittance from being lowered by coloring the nonlinear optical crystal 4 for wavelength conversion.

【0021】尚、図1の実施形態に於いては、ヒータ2
として電気ヒータを使用しているが、ヒータ2の種類や
アニール炉1の種類等は如何なるものであってもよい。
また、図1の実施形態では、アニール炉1内の雰囲気を
大気とし、大気(空気)A中に含有されている水分の存
在下で結晶4をアニールするようにしているが、バルブ
6aを開放して蒸気供給孔6から蒸気Sを炉内へ供給
し、より高い或いは低い水分含有率の雰囲気下で結晶4
をアニール処理するようにしてもよい。換言すれば、結
晶4をアニール処理するための雰囲気は、水分を適宜量
含んでいれば十分であり、水分含有率は最適化できるも
のである。更に、アニール炉1内の雰囲気としては、空
気A以外にN2 、Ar、He、CO2 等の不活性ガスで
あってもよいことは勿論である。
In the embodiment of FIG. 1, the heater 2
Although an electric heater is used as the heater, any kind of heater 2 and annealing furnace 1 may be used.
In the embodiment of FIG. 1, the atmosphere in the annealing furnace 1 is set to the atmosphere, and the crystal 4 is annealed in the presence of moisture contained in the atmosphere (air) A. However, the valve 6a is opened. Then, steam S is supplied from the steam supply hole 6 into the furnace, and the crystals 4 are grown in an atmosphere having a higher or lower moisture content.
May be annealed. In other words, it is sufficient that the atmosphere for annealing the crystal 4 contains an appropriate amount of moisture, and the moisture content can be optimized. Further, the atmosphere in the annealing furnace 1 may be an inert gas such as N 2 , Ar, He, CO 2 other than the air A.

【0022】前記結晶のアニール温度(熱処理温度)
は、80℃以上の温度が最適である。温度が約80℃以
下であると、大気中の水分は結晶の外表面での吸着・脱
離しか行なわれず、十分な着色防止効果が得られない。
また、アニール処理の上限温度はアニールする結晶の種
類によって夫々異なり、KTP結晶の場合には温度が約
600℃を超えると、結晶構造の改質が生じて非線形光
学結晶として機能が阻害されるため、アニール温度を6
00℃以上にすることはできない。
Annealing temperature of the crystal (heat treatment temperature)
The optimal temperature is 80 ° C. or higher. If the temperature is lower than about 80 ° C., moisture in the atmosphere is only adsorbed and desorbed on the outer surface of the crystal, and a sufficient coloring prevention effect cannot be obtained.
In addition, the upper limit temperature of the annealing process varies depending on the type of the crystal to be annealed. In the case of a KTP crystal, if the temperature exceeds about 600 ° C., the crystal structure is modified and the function as a nonlinear optical crystal is hindered. , Annealing temperature 6
It cannot be higher than 00 ° C.

【0023】前記結晶4のアニール時間は、アニール温
度とも関係するが2〜24時間程度が最適である。アニ
ール時間が2時間未満の場合には、結晶内へ水分(OH
基)が十分に浸透しない場合があり、また、アニール時
間が24時間を越えると、前記結晶内へ浸透した水分濃
度がほぼ飽和するからである。
The annealing time of the crystal 4 depends on the annealing temperature, but is optimally about 2 to 24 hours. If the annealing time is less than 2 hours, water (OH
This is because the base may not sufficiently penetrate, and if the annealing time exceeds 24 hours, the concentration of the water permeated into the crystal is substantially saturated.

【0024】前記被処理物(非線形光学結晶)4として
は、固体レーザー光の波長変換に使用されている結晶で
あれば如何なるものであってもよく、水溶性結晶にも非
水溶性結晶にも本発明を適用することができる。本実施
形態に於いては、所謂KTiOPO4 結晶(KTP結晶
と呼ぶ)を被処理物(非線形光学結晶)4としている
が、KH2 PO4 結晶(KDP結晶と呼ぶ)やLiB3
5 (LBO結晶と呼ぶ)、β- BaB2 4 (BBO
結晶と呼ぶ)、CsLiB6 10(CLBO結晶と呼
ぶ)等を被処理物4としてもよい。
The object to be processed (nonlinear optical crystal) 4 may be any crystal as long as it is used for wavelength conversion of solid-state laser light, and may be either a water-soluble crystal or a water-insoluble crystal. The present invention can be applied. In the present embodiment, a so-called KTiOPO 4 crystal (called a KTP crystal) is used as the object to be processed (non-linear optical crystal) 4, but a KH 2 PO 4 crystal (called a KDP crystal) or a LiB 3 crystal is used.
O 5 (referred to as LBO crystal), β-BaB 2 O 4 (BBO
Crystals), CsLiB 6 O 10 (referred to as CLBO crystals), and the like may be used as the object 4.

【0025】また、後述するように、本実施形態に於い
ては、アニール処理を施した非線形光学結晶の透過率
を、所謂固体レーザー光の第2高調波を照射した場合だ
けについてしか測定していないが、本発明に係るアニー
ル処理を施した非線形光学結晶が、第2高調波以外の他
の高調波の照射に対しても、優れた着色防止効果を奏す
るものであることは勿論である。
As will be described later, in the present embodiment, the transmittance of the non-linear optical crystal subjected to the annealing is measured only when the second harmonic of a so-called solid laser beam is irradiated. However, it is needless to say that the non-linear optical crystal subjected to the annealing treatment according to the present invention has an excellent coloring prevention effect even when irradiated with a harmonic other than the second harmonic.

【0026】[0026]

【実施例】図2は、本発明によりアニール処理を施した
後の非線形光学結晶4の透過率の測定方法を示すもので
ある。図2に於いて、7は試験用レーザー光発生装置、
8a・8bは反射板、9はコリメートレンズ、10a・
10bはビームスリッター、11a・11bは光ダイオ
ード、12はダンパー、13は光軸調整用レーザー光発
生装置、14a・14bは反射体である。
FIG. 2 shows a method for measuring the transmittance of a nonlinear optical crystal 4 after annealing according to the present invention. In FIG. 2, 7 is a test laser light generator,
8a and 8b are reflection plates, 9 is a collimating lens, and 10a and
10b is a beam slitter, 11a and 11b are photodiodes, 12 is a damper, 13 is a laser beam generator for adjusting the optical axis, and 14a and 14b are reflectors.

【0027】透過率を測定する非線形光学結晶4には、
予かじめ湿度約70〜80%の大気雰囲気中で、約40
0℃の温度でもって12時間アニール処理を施したKT
P結晶(約5mm×5mm×5mm)を用いた。
The nonlinear optical crystal 4 for measuring the transmittance includes:
Preliminary humidity of about 70-80% in the atmosphere, about 40
KT annealed at 0 ° C for 12 hours
A P crystal (about 5 mm × 5 mm × 5 mm) was used.

【0028】試験用レーザー光発生装置7には、Nd:
YAGレーザーを備えたものを用い、当該レーザー光発
生装置7からのレーザー光の第2高調波(波長532μ
m、パルス幅3μs、出力0.2J、繰り返し周波数1
00Hz)を、反射板8a・8bを経てコリメートレン
ズ9で直径3mmのレーザー光ビームに縮小したあと、
結晶4へ照射(照射強度200Mw/cm2 )した。
尚、試験用レーザー光の最大照射時間は、後述の図3に
示す如く約1.5×104 sec間である。また、N
d:YAGレーザー光の基本波の波長は、1,064μ
mである。
The test laser light generator 7 includes Nd:
A laser equipped with a YAG laser is used, and the second harmonic (wavelength 532 μm) of the laser light from the laser light generator 7 is used.
m, pulse width 3 μs, output 0.2 J, repetition frequency 1
00 Hz) is reduced to a laser beam having a diameter of 3 mm by the collimating lens 9 through the reflection plates 8a and 8b.
The crystal 4 was irradiated (irradiation intensity: 200 Mw / cm 2 ).
The maximum irradiation time of the test laser beam is about 1.5 × 10 4 seconds as shown in FIG. 3 described later. Also, N
d: The wavelength of the fundamental wave of the YAG laser beam is 1,064 μm.
m.

【0029】光軸調整用レーザー光発生装置13にはH
e−Neレーザーが用いられており、反射体14a・1
4b、コリメートレンズ9、ビームスリッター10aを
経て結晶4へ入射されている。透過率の測定は、測定資
料である結晶4の前・後に於いて照射中のレーザー光の
一部をビームスリッター10a・10bによって取り出
し、その取り出した各レーザー光のエネルギーをPIN
光ダイオード11a・11bを用いて夫々測定した。そ
して測定した入・出力側のエネルギーの比から透過率を
求め、照射時間に対する透過率から結晶の劣化の割合を
求めた。
The laser light generator 13 for adjusting the optical axis has H
An e-Ne laser is used, and the reflectors 14a and 1
4b, the collimator lens 9, and the beam splitter 10a, and then enter the crystal 4. In the measurement of the transmittance, a part of the laser light being irradiated before and after the crystal 4 as the measurement data is extracted by the beam slitters 10a and 10b, and the energy of each extracted laser light is determined by PIN.
The measurement was performed using the photodiodes 11a and 11b, respectively. Then, the transmittance was determined from the ratio of the measured energy on the input and output sides, and the rate of crystal deterioration was determined from the transmittance with respect to the irradiation time.

【0030】図3は、図2に示した測定方法により測定
した透過率の変化の状況を示すものであり、結晶4に対
するレーザー光(第2高調波)の照射強度は200Mw
/cm2 に選定されている。図3に於いて、曲線Uは、
前記実施例に記載した如きアニール処理を施した非線形
光学結晶4の透過率の変化状況を示すものであり、レー
ザー光照射開始(T=0)初期の透過率約0.8は略そ
のままの値に継続して保持されており、所謂結晶の着色
による透過率の低下が、殆んど生じていないことが判
る。
FIG. 3 shows the state of the change in the transmittance measured by the measuring method shown in FIG. 2. The irradiation intensity of the laser beam (second harmonic) on the crystal 4 is 200 Mw.
/ Cm 2 . In FIG. 3, the curve U is
This shows the change in the transmittance of the nonlinear optical crystal 4 subjected to the annealing treatment as described in the above embodiment, and the transmittance of about 0.8 at the initial stage of the start of laser beam irradiation (T = 0) is a value that is substantially unchanged. It can be seen that almost no decrease in transmittance due to the so-called coloring of crystals has occurred.

【0031】これに対して、曲線Vは、本発明によるア
ニール処理を施していない非線形光学結晶(KTP結
晶、5mm×5mm×5mm)4の透過率の変化を示す
ものであり、1.25×104 (sec)間の使用後に
は、透過率が約0.68にまで低下する。
On the other hand, the curve V shows the change in the transmittance of the nonlinear optical crystal (KTP crystal, 5 mm × 5 mm × 5 mm) 4 which has not been subjected to the annealing treatment according to the present invention. After use for 10 4 (sec), the transmittance drops to about 0.68.

【0032】また、曲線Wは、前記実施例に於いてアニ
ール処理(400℃、12時間)をした非線形光学結晶
(KTP結晶、5mm×5mm×5mm)4を、真空中
で再度アニール処理(400℃、約72時間)し、結晶
内の水分を脱水せしめたときの透過率の変化を示すもの
である。この曲線Wから、真空中でアニール処理を施す
ことにより結晶内の水分(OH基)濃度が減少し、これ
によって着色を防止する効果が低下することが判る。
The curve W indicates that the nonlinear optical crystal (KTP crystal, 5 mm × 5 mm × 5 mm) 4 that has been annealed (400 ° C., 12 hours) in the above embodiment is again annealed (400 mm) in a vacuum. C. for about 72 hours) to dehydrate the water in the crystal and show the change in transmittance. From this curve W, it can be seen that by performing the annealing treatment in a vacuum, the concentration of water (OH group) in the crystal is reduced, thereby reducing the effect of preventing coloring.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明に於いては、非線形光学結晶を水
分含有雰囲気下でアニール処理すると云う極く簡単な処
理操作によって、結晶の着色による透過率の低下をほぼ
完全に防止することができる。その結果、従前のように
高価な特殊製法による結晶を使用したり、或いは使用中
の結晶を継続して所定温度に加熱するためのオーブン装
置を使用する必要が全く無くなり、固体レーザー光の波
長変換用結晶の大幅な寿命延長が、低コストで実現でき
ることになる。本発明は上述の通り、所謂非線形光学結
晶のグレートラッキングを極く簡単に制御する方策を見
い出したものであり、本発明によって固体レーザーの実
用化上の大きな課題の1つが取り除かれ、固体レーザー
の一般への応用に画期的な道筋が示されたことになる。
本発明はこのように優れた実用的効用を奏するものであ
る。
According to the present invention, it is possible to almost completely prevent a decrease in transmittance due to coloring of the crystal by a very simple processing operation of annealing the nonlinear optical crystal in a moisture-containing atmosphere. . As a result, there is no need to use an expensive crystal manufactured by a special manufacturing method as in the past, or to use an oven device for continuously heating the crystal in use to a predetermined temperature. The life of the crystal for use can be greatly extended at low cost. As described above, the present invention has found a method for controlling gray tracking of a so-called nonlinear optical crystal extremely easily. According to the present invention, one of the major problems in practical use of solid-state lasers has been eliminated. This shows an epoch-making path for general application.
The present invention has such excellent practical utility.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.

【図2】本発明によるアニール処理を施した非線形光学
結晶の透過率の測定方法の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for measuring the transmittance of a nonlinear optical crystal subjected to an annealing process according to the present invention.

【図3】本発明によりアニール処理をした非線形光学結
晶等の透過率の変化状況を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing a change in transmittance of a nonlinear optical crystal or the like annealed according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1はアニール炉、2はヒータ、3は支持体、4は被処理
物(非線形光学結晶) 5は大気連通孔、6は蒸気供給孔、7は試験用レーザー
光発生装置、8は反射板、9はコリメートレンズ、10
はビームスリッター、11は光ダイオード、12はダン
パー、13は光軸調整用レーザー光発生装置、14は反
射体。
1 is an annealing furnace, 2 is a heater, 3 is a support, 4 is an object to be processed (non-linear optical crystal) 5 is an air communication hole, 6 is a vapor supply hole, 7 is a test laser light generator, 8 is a reflector, 9 is a collimating lens, 10
Is a beam slitter, 11 is a photodiode, 12 is a damper, 13 is a laser beam generator for adjusting the optical axis, and 14 is a reflector.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年10月7日(1999.10.
7)
[Submission date] October 7, 1999 (1999.10.
7)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0015[Correction target item name] 0015

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0015】請求項2の発明は、請求項1の発明に於い
て、80℃以上の温度下の湿度を制御した雰囲気内に於
いて、少なくとも2時間以上非線形光学結晶をアニール
するようにしたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the nonlinear optical crystal is annealed for at least two hours in an atmosphere where the humidity is controlled at a temperature of 80 ° C. or more. It is.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500085552 本越 伸二 大阪市西区靭本町1丁目8番4号 大阪科 学技術センタービル内 財団法人レーザー 技術総合研究所内 (72)発明者 本越 伸二 大阪市西区靱本町1丁目8番4号 大阪科 学技術センタービル 財団法人レーザー技 術総合研究所内 (72)発明者 實野 孝久 大阪府吹田市山田丘2丁目6番地 大阪大 学レーザー核融合研究センター内 Fターム(参考) 2K002 AA04 AB12 CA02 CA04 DA01 FA30 GA05 HA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (71) Applicant 500085552 Shinji Motokoshi 1-8-4 Utsuhoncho, Nishi-ku, Osaka City Osaka Science and Technology Center Building Laser Technology Research Institute Foundation (72) Inventor Shinji Motokoshi Osaka City 1-8-4 Utsumotocho, Nishi-ku Osaka Science and Technology Center Building Laser Technology Research Institute (72) Inventor Takahisa Mineno 2-6-6 Yamadaoka, Suita City, Osaka Pref. Osaka University Laser Fusion Research Center F Terms (reference) 2K002 AA04 AB12 CA02 CA04 DA01 FA30 GA05 HA20

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体レーザー光の波長変換に用いる非線
形光学結晶を、水分を含んだ環境条件下でアニールする
ことにより、繰り返し使用による結晶の着色による透過
率の低下を防止することを特徴とする波長変換用非線形
光学結晶の着色による透過率低下防止方法。
1. A non-linear optical crystal used for wavelength conversion of solid-state laser light is annealed under an environmental condition containing moisture to prevent a decrease in transmittance due to coloring of the crystal due to repeated use. A method for preventing a decrease in transmittance due to coloring of a nonlinear optical crystal for wavelength conversion.
【請求項2】 80℃以上の温度下の顕度を制御した雰
囲気内に於いて、少なくとも2時間以上非線形光学結晶
をアニールするようにした請求項1に記載の波長変換用
非線形光学結晶の着色による透過率低下防止方法。
2. The coloring of the nonlinear optical crystal for wavelength conversion according to claim 1, wherein the nonlinear optical crystal is annealed for at least 2 hours in an atmosphere in which the visibility is controlled at a temperature of 80 ° C. or more. To prevent the transmittance from decreasing.
【請求項3】 非線形光学結晶をKTP、KDP、LB
O、BBO又はCLBOの何れかとした請求項1に記載
の波長変換用非線形光学結晶の着色による透過率低下防
止方法。
3. The nonlinear optical crystal is made of KTP, KDP, LB.
The method for preventing a decrease in transmittance due to coloring of a nonlinear optical crystal for wavelength conversion according to claim 1, wherein the method is any of O, BBO, and CLBO.
【請求項4】 非線形光学結晶を固体レーザー光の波長
を基本波長の1/2〜1/5の波長に変換するものとし
た請求項1に記載の波長変換用非線形光学結晶の着色に
よる透過率低下防止方法。
4. The transmittance by coloring the nonlinear optical crystal for wavelength conversion according to claim 1, wherein the nonlinear optical crystal converts the wavelength of the solid-state laser light into a wavelength of 1/2 to 1/5 of the fundamental wavelength. Drop prevention method.
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