JP2001272704A - 波長変換装置およびその波長変換装置を備えたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長変換時の変換効率を向上させることがで
きる波長変換装置を提供すること。 【解決手段】 ＬＢＯ２０は、基本波光を基に第２高調
波光を生成して、この第２高調波光および基本波光を出
力する。凹面鏡１１０においては基本波光と第２高調波
光とによる色収差は発生しない。ＢＢＯ３０では、基本
波光と第２高調波光との和周波混合により第３高調波光
を生成して、この第３高調波光、基本波光および第２高
調波光を出力する。凹面鏡１２０においては基本波光と
第３高調波光とによる色収差は発生しない。ＢＢＯ４０
では、基本波光と第３高調波光との和周波混合により第
４高調波光を生成して、この第４高調波光、基本波光、
第２高調波光および第３高調波光を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波光を基に非
線形光学素子を用いて効率良く波長変換して、高次波長
のレーザ光を生成する波長変換装置およびその波長変換
装置を備えたレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造装置に用いられる露
光装置の光源は、微細加工を可能とすべく短波長化され
ている。この露光用光源の高出力化、短波長化について
は種々の研究がなされており、例えば波長変換手段によ
って短波長化するシステム（または装置あるいは方法）
が提案されている。

【０００３】図１２は、このようなシステムの構成を示
す構成図である。

【０００４】このシステムは、チタンサファイア（Ｔｉ
^３＋：ＡｌＯ３＝Ｔｉ：Ｓ）レーザ１と、非線形光学素
子としての、燐酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４＝ＫＤ
Ｐ）２、および２つのβ−バリウム・ボレート（β−Ｂ
ａＢ２Ｏ４＝ＢＢＯ）３、４と、２つのミラー５ａ、５
ｂとから構成されている。

【０００５】このシステムは、「Ｔｉ：Ｓ」１からレー
ザ発振されたレーザ光を基本波ω（たとえば波長７７２
ｎｍ）の基本波光とし、この基本波光がＫＤＰ２に入射
されると、ＫＤＰ２は、基本波光を基に第２高調波２ω
（波長３８６ｎｍ）の第２高調波光を生成し、この生成
した第２高調波光および残存する基本波光を出力する。
これら各光はＢＢＯ３に入射される。

【０００６】ＢＢＯ３では、入射した基本波光と第２高
調波光との和周波混合により第３高調波３ω（波長２５
７ｎｍ）の第３高調波光を生成し、この生成した第３高
調波光、残存する第２高調波および基本波光を出力す
る。これら各光は２つのミラー５ａ、５ｂを介してＢＢ
Ｏ４に入射される。

【０００７】ＢＢＯ４では、入射した３つの光のうち、
基本波光と第３高調波光との和周波混合により第４高調
波４ω（波長１９３ｎｍ）の第４高調波光を生成し、こ
の生成した第４高調波光、残存する第３高調波光、第２
高調波光および基本波光を出力する。

【０００８】そして、これらｎ次の高調波光をたとえば
分散プリズム（図示せず）によって波長分散することに
より、第４高調波光のみを得ることが可能となる。

【０００９】なお、ＢＢＯ３は、基本波光の偏光方向に
対し垂直な偏光方向の高調波光を入射する「タイプ II
」（の角度位相整合法により高調波光を生成する結
晶）になっている。

【００１０】一方、ＢＢＯ４は、基本波光の偏光方向と
平行（同一）な偏光方向の高調波光を入射する「タイプ
I 」（の角度位相整合法により高調波光を生成する結
晶）になっている。

【００１１】このように和周波混合によりｎ次の第ｎ高
調波光を生成する装置としては、上記装置以外に、「OP
TICS LETTERS / Vol.24,No.17 / September 1,1999,pp1
230-1232」に記載されたものが知られている。

【００１２】上記図１２に示したシステムでは、第２高
調波発生素子（ＳＨＧ）としてＫＤＰを用いているが、
第２高調波発生素子として、やはり非線形光学素子とし
てのリチウム・トリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５＝ＬＢＯ）
を用いても、上記同様にして、第４高調波光を得ること
ができる。

【００１３】図１３は、第２高調波発生素子としてＬＢ
Ｏを用いたシステムの構成を示す構成図である。

【００１４】このシステムは、「Ｔｉ：Ｓ」レーザ１０
と、非線形光学素子としてのＬＢＯ２０および２つのＢ
ＢＯ３０、４０から構成された波長変換部５０と、分散
プリズム６０とから構成されている。

【００１５】このシステムも、図１３に示したシステム
と同様に、「Ｔｉ：Ｓ」レーザ１０が波長変換部５０へ
基本波光（レーザ光）を出射すると、ＬＢＯ２０によっ
て、この基本波（ω）光を基に第２高調波（２ω）光を
生成し、この生成された第２高調波光および残存する基
本波光を出力し、ＢＢＯ３０によって、基本波光と第２
高調波光との和周波混合により第３高調波（３ω）光を
生成し、この生成した第３高調波光、残存する基本波光
および第２高調波光を出力し、さらにＢＢＯ４０によっ
て、基本波光と第３高調波光との和周波混合により第４
高調波（４ω）光を生成し、この生成した第４高調波
光、残存する基本波光および第２及び第３高調波光を出
力する。

【００１６】ここで、たとえば基本波光が波長７７２ｎ
ｍの場合は、第２高調波光は波長が３６８ｎｍとなり、
第３高調波光は波長が２５７ｎｍとなり、第４高調波光
は波長が１９３ｎｍとなる。

【００１７】これら基本波光および第２〜第４高調波光
は分散プリズム６０によって波長分散されるので、波長
１９３ｎｍの第４高調波光のみを得ることが可能とな
る。

【００１８】ところで、波長変換部５０は、原理的には
図１３に示した構成であるが、実際には図１４に示すよ
うに、各非線形光学素子に対する入射光が入射する方向
における所定位置にそれぞれ集光レンズ７１、７２、７
３が配置された構成になっている。

【００１９】これら集光レンズ７１〜７３は、一般的に
非線形光学素子においてはエネルギー密度が高くないと
波長が変換されないため（或いは変換効率が悪いた
め）、光を集光することにより光のエネルギー密度を高
めるために用いられる。つまり、非線形光学素子（結
晶）への入射光パワー密度が高いほど変換効率が高くな
るので、入射光を集光レンズにより集光して非線形光学
素子へ入射させるようにしている。

【００２０】ここで、波長変換部５０における上記各非
線形光学素子に対する入射光または出射光の偏光方向に
ついて、図１５を参照して説明する。

【００２１】図１５に示すように、ＬＢＯ２０の結晶構
成が「タイプ I 」、ＢＢＯ３０の結晶構成が「タイプ
II 」、ＢＢＯ４０の結晶構成が「タイプ I 」の場合、
基本波（ω）光がＳ偏光であれば、第２高調波（２ω）
光はＰ偏光、第３高調波（３ω）光はＳ偏光、第４高調
波（４ω）光はＰ偏光となる。ここで、Ｐ偏光を光軸に
対し水平方向の偏光、Ｓ偏光を光軸に対し垂直方向の偏
光とする。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１４に示した従来の波長変換部５０では、下記のような
問題点があった。

【００２３】（１）色収差による波長変換効率の低下 集光レンズ７２において基本波光と第２高調波光のそれ
ぞれの焦点距離が異なり（つまり色収差）、また、集光
レンズ７３において基本波光と第３高調波光のそれぞれ
の焦点距離が異なるため（つまり色収差）、前記各集光
レンズにおいて両者の光を同等に集光することが困難で
ある。

【００２４】このため非線形光学素子（結晶）において
エネルギー密度を高くすることができないので、第２高
調波光から第３高調波光への波長変換、および第３高調
波光から第４高調波光への波長変換の変換効率が低下す
る。

【００２５】（２）第２高調波光から第３高調波光への
波長変換の効率低下 非線形光学素子としての「タイプ II 」のＢＢＯ３０
は、「タイプ I 」のＢＢＯ４０と比較して非線形光学
係数が小さいため、第２高調波光から第３高調波光への
波長変換の変換効率が低い。一般的に、非線形光学係数
が大きい程、波長変換効率は向上する。

【００２６】（３）第３高調波光から第４高調波光への
波長変換の効率低下 ＢＢＯ３０においてウォークオフ（Ｗａｌｋ ｏｆｆ）
による出射角のズレが発生し、この出射角のズレに起因
して基本波光と第３高調波光とを同一点に集光させるこ
とができない。このため、上記（１）と同様に、エネル
ギー密度を高くすることができないので、その分、第３
高調波光から第４高調波光への波長変換の変換効率が低
下する。

【００２７】（４）第４高調波光のビームが縦長 非線形光学素子である結晶中の光軸に対し、縦方向（Ｓ
偏光方向）の波長の光に対しては許容角度が広く、一
方、横方向（Ｐ偏光方向）の波長の光に対しては許容角
度が狭いため、波長変換する際に、横方向はシビアな調
整が必要であり、一方、縦方向はラフな調整で良い。こ
のため、ラフな調整で良い縦方向（Ｓ偏光方向）の波長
の光の方が変換され易く、その結果、第４高調波光のビ
ームプロファイルが縦長になり易い。なお、ＢＢＯ「タ
イプ II 」に比べてＢＢＯ「タイプI 」の結晶では特に
波長変換後のビームプロファイルが縦長になり易い。

【００２８】すなわち、図１５に示すように、Ｓ偏光方
向を有する基本波光とＰ偏光方向を有する第２高調波光
との和周波混合により第３高調波光が生成されるとき
は、生成される第３高調波光の偏光方向はＳ偏光方向と
なる。このとき、第３高調波光のビームが縦長のビーム
プロファイルになる。

【００２９】さらに基本波光（Ｓ偏光）と第３高調波光
（Ｓ偏光）との和周波混合により第４高調波光が生成さ
れるときに、ＢＢＯ「タイプ II 」を用いた波長変換で
は第３高調波光は縦長ビームにはならず、ＢＢＯ「タイ
プ I 」で第４高調波光が縦長になる一方、ＢＢＯ「タ
イプ I 」を用いると第３高調波光が縦長、第４高調波
光は特に縦長となる。

【００３０】そこで、本発明は、波長変換時の変換効率
を向上させることができる波長変換装置を提供すること
を第１の解決課題とする。

【００３１】また、本発明は、波長変換時の変換効率を
向上させ、しかも所望の第４高調波光のビームを約円形
状にすることができる波長変換装置を提供することを第
２の解決課題とする。

【００３２】さらに、本発明は、波長変換時の変換効率
の向上、又は、波長変換時の変換効率を向上させると共
に所望の第４高調波光のビームを約円形状にすることに
より、効率良く短波長のレーザ光を出力することができ
るレーザ装置を提供することを第３の解決課題とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段、作用および効果】上記第
１の解決課題を達成するため、第１の発明では、（ｎ−
１）個（ｎは２以上の整数）の非線形光学素子を有し、
入射した基本波光を基に前記非線形光学素子によってｎ
次の高調波光を生成する波長変換装置において、前記
（ｎ−１）個の非線形光学素子のうち少なくとも１つ以
上の非線形光学素子の出力側に配置され、当該非線形光
学素子によって生成された高調波光および前記基本波光
を反射させて次段の非線形光学素子へ集光させる凹面鏡
を具備したことを特徴とする。

【００３４】また、第２の発明では、第１の発明におい
て、前記凹面鏡は、（ｎ−１）次までの各高調波光それ
ぞれを生成する非線形光学素子の出力側に配置されてい
ることを特徴とする。

【００３５】次に、第１及び第２発明を図１を参照して
説明する。

【００３６】基本波光がＬＢＯ２０（非線形光学素子）
に入射すると、ＬＢＯ２０は、基本波光を基に第２高調
波光を生成して、この生成した第２高調波光および残存
する基本波光を出力する。これら各光は、凹面鏡１１０
を介してＢＢＯ３０（非線形光学素子）に入射される。
凹面鏡１１０においては、基本波光と第２高調波光とに
よる色収差は発生しない。

【００３７】ＢＢＯ３０では、入射した基本波光と第２
高調波光との和周波混合により第３高調波光を生成し
て、この生成した第３高調波光、残存する基本波光およ
び第２高調波光を出力する。これら基本波光および各高
調波光は、凹面鏡１２０を介してＢＢＯ４０（非線形光
学素子）に入射される。凹面鏡１２０においては、基本
波光と第３高調波光とによる色収差は発生しない。

【００３８】ＢＢＯ４０では、入射した基本波光および
各高調波光のうち、基本波光と第３高調波光との和周波
混合により第４高調波光を生成して、この生成した第４
高調波光、残存する基本波光、第２高調波光および第３
高調波光を出力する。

【００３９】以上説明したように、第１の発明および第
２の発明によれば、凹面鏡によって色収差が生じないよ
うにしているので、基本波光から第４高調波光へ効率良
く波長変換することができる。

【００４０】次に、上記第１の解決課題を達成するた
め、第３の発明では、（ｎ−１）個（ｎは２以上の整
数）の非線形光学素子を有し、入射した基本波光を基に
前記非線形光学素子によってｎ次の高調波光を生成する
波長変換装置において、前記（ｎ−１）個の非線形光学
素子のうち少なくとも１つ以上の非線形光学素子の出力
側に配置され、当該非線形光学素子によって生成された
高調波光および前記基本波光による色収差を除去する色
消しレンズを具備したことを特徴とする。

【００４１】また、第４の発明では、第３の発明におい
て、前記色消しレンズは、（ｎ−１）次までの各高調波
光それぞれを生成する非線形光学素子の出力側に配置さ
れていることを特徴とする。

【００４２】第３及び第４発明を図２を参照して説明す
る。

【００４３】基本波光と第２高調波光をＢＢＯ３０へ集
光させるときに、色消しレンズ２１０によってこれらの
光による色収差を除去し、また、基本波と第３高調波光
をＢＢＯ４０へ集光させるときに、色消しレンズ２２０
によってこれらの光による色収差を除去する。

【００４４】以上説明したように、第３の発明および第
４の発明によれば、上記第１の発明と同様に、色消しレ
ンズによって色収差を除去するようにしているので、基
本波光から第４高調波光へ効率良く波長変換することが
できる。

【００４５】次に、上記第１の解決課題を達成するた
め、第５の発明では、入射した基本波光を基にｎ（ｎは
２以上の整数）次の高調波光を生成する波長変換装置に
おいて、前記基本波光、又は、前記基本波光および該基
本波光と同一の偏光方向を有する高調波光が入射したと
きに、第２高調波光または和周波混合により生成される
高調波光であって、当該基本波光の偏光方向に対し所定
の角度異なる偏光方向を有する高調波光を生成する（ｎ
−１）個の非線形光学素子と、前記（ｎ−１）個の非線
形光学素子のうち少なくとも１つ以上の非線形光学素子
によって生成された高調波光を、前記基本波光と同一の
偏光方向とすべく回転させて出力する旋光子とを具備し
たことを特徴とする。

【００４６】第５の発明を図４を参照して説明する。

【００４７】ＬＢＯ２０の結晶構成が「タイプ I 」、
ＢＢＯ３３０（非線形光学素子）の結晶構成が「タイプ
I 」、ＢＢＯ４０の結晶構成が「タイプ I 」の場合、
ＬＢＯ２０によってＳ偏光の基本波光からＰ偏光の第２
高調波光が生成されるものの、このＰ偏光の第２高調波
光は旋光子３１０Ａによって９０度回転されるので、基
本波光および第２高調波光は共に、ＢＢＯ３３０に入射
する時点でＳ偏光になっている。

【００４８】また、ＢＢＯ３３０によって基本波光と第
２高調波光との和周波混合によりＰ偏光の第３高調波光
が生成されるものの、このＰ偏光の第３高調波光は、旋
光子３２０Ａによって９０度回転されるので、基本波光
および第３高調波光は共に、ＢＢＯ４０に入射する時点
でＳ偏光になっている。

【００４９】そして、ＢＢＯ４０によって基本波光と第
３高調波光との和周波混合によりＰ偏光の第４高調波光
が生成される。最終的に、基本波光はＳ偏光、第２高調
波光はＳ偏光、第３高調波光はＳ偏光および第４高調波
光はＰ偏光となっている。

【００５０】以上説明したように、第５の発明によれ
ば、上記第１の発明と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００５１】また、第５の発明では、第３高調波光を生
成する非線形光学素子として、「タイプ II 」のものと
比較して非線形光学係数が大きい「タイプ I 」のもの
を使用することが可能となり、この「タイプ I 」の非
線形光学素子を用いた場合には、第２高調波光から第３
高調波光への波長変換の変換効率を向上させることがで
きる。

【００５２】次に、上記第１の解決課題を達成するた
め、第６の発明では、第５の発明において、前記旋光子
から出力された高調波光を反射させて次段の非線形光学
素子へ集光させる凹面鏡を、更に具備したことを特徴と
する。

【００５３】また、第８の発明では、第５の発明におい
て、前記旋光子は、（ｎ−１）次までの各高調波光それ
ぞれを生成する非線形光学素子の出力側に配置され、当
該非線形光学素子によって生成された高調波光を、前記
基本波光と同一の偏光方向とすべく回転させて出力する
ことを特徴とする。

【００５４】さらに、第９の発明では、第７の発明にお
いて、前記凹面鏡は、（ｎ−１）次までの各高調波光そ
れぞれを生成する非線形光学素子の出力側に配置された
前記旋光子の出力側に配置され、当該旋光子から出力さ
れた高調波光を反射させて次段の非線形光学素子へ集光
させることを特徴とする。

【００５５】第６、第８及び第９の発明を図３を参照し
て説明する。

【００５６】基本波光（Ｓ偏光）がＬＢＯ２０に入射す
ると、ＬＢＯ２０は、基本波光を基に第２高調波光（Ｐ
偏光）を生成して、この生成した第２高調波光および残
存する基本波光を出力する。これら各光は、λ／２板３
１０を透過し、凹面鏡１１０に反射してＢＢＯ３３０に
入射される。

【００５７】このとき、Ｐ偏光の第２高調波光のみの偏
光方向がλ／２板３１０によって９０度回転され、第２
高調波光はＳ偏光となる。また凹面鏡１１０において
は、Ｓ偏光の基本波光とＳ偏光となった第２高調波光と
による色収差は発生しない。

【００５８】ＢＢＯ３３０では、入射した基本波光（Ｓ
偏光）と第２高調波光（Ｓ偏光）との和周波混合により
偏光方向がＰ偏光の第３高調波光を生成して、この生成
した第３高調波光（Ｐ偏光）、残存する基本波光（Ｓ偏
光）および第２高調波光（Ｓ偏光）を出力する。これら
基本波光および各高調波光は、λ／２板３２０を透過
し、凹面鏡１１２０に反射してＢＢＯ４０に入射され
る。

【００５９】このとき、Ｐ偏光の第３高調波光のみの偏
光方向がλ／２板３２０によって９０度回転され、第３
高調波光はＳ偏光となる。また凹面鏡１２０において
は、Ｓ偏光の基本波光とＳ偏光となった第３高調波光と
による色収差は発生しない。

【００６０】ＢＢＯ４０では、入射した基本波光（Ｓ偏
光）および各高調波光（Ｓ偏光）のうち、基本波光と第
３高調波光との和周波混合により偏光方向がＰ偏光の第
４高調波光を生成して、この生成した第４高調波光、残
存する基本波光、第２高調波光および第３高調波光を出
力する。これによって、基本波光から第４高調波光へ波
長変換されたことになる。

【００６１】以上説明したように、第６の発明、第８の
発明及び第９の発明によれば、上記第５の発明と同様の
作用効果を得ることができる。

【００６２】次に、上記第１の解決課題を達成するた
め、第７の発明では、第５の発明において、前記旋光子
は、第２高調波光を生成する非線形光学素子によって生
成された第２高調波光を、前記基本波光と同一の偏光方
向とすべく回転させて出力することを特徴とする。

【００６３】第７の発明に係る波長変換装置では、第５
の発明に係る波長変換装置の構成において、λ／２板３
１０および凹面鏡１１０のみを配置する一方、λ／２板
３２０および凹面鏡１２０に代替して集光レンズまたは
色消しレンズを配置した構成になっている。

【００６４】この第７の発明によれば、第３高調波光を
生成する非線形光学素子として、「タイプ II 」のもの
と比較して非線形光学係数が大きい「タイプ I 」のも
のを使用することが可能となり、この「タイプ I 」の
非線形光学素子を用いた場合には、第２高調波光から第
３高調波光への波長変換の変換効率を向上させることが
できる。

【００６５】次に、上記第１の解決課題を達成するた
め、第１０の発明では、入射した基本波光を基にｎ（ｎ
は４以上の整数）次の高調波を生成する波長変換装置に
おいて、前記基本波光、又は、前記基本波光および該基
本波光と同一の偏光方向を有する高調波光が入射したと
きに、第２高調波光または和周波混合により生成される
高調波光であって、当該基本波光の偏光方向に対し所定
の角度異なる偏光方向を有する高調波光を生成する（ｎ
−１）個の非線形光学素子と、前記各非線形光学素子の
うちの第３高調波光を生成する第３高調波用非線形光学
素子から出力された当該第３高調波光および前記基本波
光を分離させる第１の光学手段と、該第１の光学手段に
より分離された第３高調波光を前記基本波光と同一の偏
光方向とすべく回転させる旋光子と、前記第１の光学手
段により分離された基本波光と、前記旋光子により回転
された第３高調波光とを、第４高調波光を生成する第４
高調波用非線形光学素子へ集光させる第２の光学手段と
を具備したことを特徴とする。

【００６６】また、第１１の発明では、第１０の発明に
おいて、第２高調波光を生成する第２高調波用非線形光
学素子によって生成された第２高調波光を前記基本波光
と同一の偏光方向とすべく回転させると共に、該回転さ
れた第２高調波光を前記第３高調波用非線形光学素子へ
出力する第３の光学手段を、更に具備したことを特徴と
する。

【００６７】次に、第１０及び第１１の発明を図５を参
照して説明する。

【００６８】ＬＢＯ２０によってＳ偏光の基本波光から
Ｐ偏光の第２高調波光が生成されるものの、このＰ偏光
の第２高調波光はλ／２板３１０によって９０度回転さ
れるので、基本波光および第２高調波光は共に、凹面鏡
１１０に反射してＢＢＯ３３０に入射する時点でＳ偏光
になっている。ここでは、λ／２板３１０および凹面鏡
１１０で第３の光学手段が構成されている。

【００６９】ＢＢＯ３３０から出力された第３高調波光
および基本波光は、全反射鏡４３０で全反射してビーム
スプリッタ４１０（第１の光学手段）に入射する。

【００７０】ビームスプリッタ４１０においては、基本
波光は透過するものの、第３高調波光は全反射する。こ
の透過した基本波光は、集光レンズ４８０を透過し、Ｂ
ＢＯ４０で集光されるようにビームスプリッタ４２０を
透過する。一方、ビームスプリッタ４１０で全反射した
Ｐ偏光の第３高調波光は、全反射鏡４４０、４５０を介
してλ／２板４６０（旋光子）に入射する。

【００７１】λ／２板４６０では、入射したＰ偏光の第
３高調波光を、基本波光の偏光方向と同一のＳ偏光に変
換すべく９０度回転させると共に、該Ｓ偏光の第３高調
波光を出力する。この第３高調波光（Ｓ偏光）は、集光
レンズ４７０を通過した後、ビームスプリッタ４２０
（第２の光学手段）に入射して全反射する。

【００７２】ビームスプリッタ４２０からは、透過した
基本波光（Ｓ偏光）と反射した第３高調波光（Ｓ偏光）
とが出射されていることになる。このことは、ＢＢＯ３
３０におけるウォークオフ（Ｗａｌｋ ｏｆｆ）による
基本波光と第３高調波光との出射角度差が修正されるこ
とを意味する。したがって、基本波光と第３高調波光と
が、それぞれ独立して（別々に）ＢＢＯ４０における同
一点に集光される。

【００７３】ＢＢＯ４０では、基本波光（Ｓ偏光）と第
３高調波光（Ｓ偏光）との和周波混合によりＰ偏光の第
４高調波光を生成して出射する。

【００７４】以上説明したように、第１０の発明および
第１１の発明によれば、上記第５の発明と同様の作用効
果を得ることができる。

【００７５】また、第１０の発明および第１１の発明で
は、第３高調波光を生成する非線形光学素子においてウ
ォークオフによる出射角のズレが発生して、基本波光と
第３高調波光とが同一点に集光されないような事象が発
生したとしても、当該ウォークオフによる基本波光と第
３高調波光との出射角度差を修正すると共に、当該各光
を別々にして第４高調波光を生成する非線形光学素子へ
集光させているので、基本波光と第３高調波光とによる
色収差の影響を除去することができる。

【００７６】したがって、ウォークオフを修正し、同一
点に集光することで、第３高調波光から第４高調波光へ
の波長変換の変換効率を向上させることができる。

【００７７】次に、上記第２の解決課題を達成するた
め、第１２の発明では、第１０または第１１の発明にお
いて、前記第１の光学手段と前記旋光子との間に配置さ
れ、前記第１の光学手段により分離された第３高調波光
のビームを当該偏光方向に拡大すると共に、該ビームが
拡大された第３高調波光を前記旋光子へ出力するビーム
拡大手段を、更に具備したことを特徴とする。

【００７８】次に、第１２の発明を図７及び図８を参照
して説明する。

【００７９】この第１２の発明に係る波長変換装置は、
第１０または第１１の発明に係る波長変換装置の構成に
おいて、全反射鏡４４０と全反射鏡４５０との間にビー
ムエキスパンダ５１０（ビーム拡大手段）を配置した構
成になっている。

【００８０】全反射鏡４４０に反射したＰ偏光の第３高
調波光がビームエキスパンダ５１０に入射すると、ビー
ムエキスパンダ５１０は、当該第３高調波光のビームを
横方向（Ｐ偏光方向）に拡大する。

【００８１】このようにして拡大された第３高調波光
（Ｐ偏光）は、全反射鏡４５０を介してλ／２板４６０
に入射し、このλ／２板４６０によって基本波光（Ｓ偏
光）と同一の偏光方向に変換されるべく９０度回転され
出力される。このようにしてＳ偏光となった第３高調波
光が、集光レンズ４７０を経てビームスプリッタ４２０
に反射してＢＢＯ４０に集光する。

【００８２】一方、ビームスプリッタ４１０を透過した
基本波光（Ｓ偏光）は、集光レンズ４８０を経てビーム
スプリッタ４２０を透過してＢＢＯ４０に集光する。

【００８３】ＢＢＯ４０では、ビームが横方向（Ｐ偏光
方向）に拡大された第３高調波光と基本波光とにより和
周波混合して第４高調波光を生成して、出射する。

【００８４】ここで、図７に示すＢＢＯ４０におけるＢ
−Ｂ方向から見た基本波光および第３高調波光のビーム
プロファイルの一例を図８に示す。この図８から明らか
なように、第３高調波光のビームが横方向（Ｐ偏光方
向）に拡大されているので、波長変換される範囲（基本
波光と第３高調波光とが重なる範囲）、すなわち和周波
混合により生成される第４高調波光のビームを円に近い
ビームプロファイルにすることができる。

【００８５】以上説明したように、第１２の発明によれ
ば、第１０の発明と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００８６】また、第１２の発明では、ビーム拡大手段
によって、第１の光学手段により分離された第３高調波
光のビームを横方向（Ｐ偏光方向）に拡大すると共に、
旋光子によって当該第３高調波光を基本波光（Ｓ偏光）
と同一の偏光方向に変換し、さらに、第３高調波光と該
基本波光とを別々に第４高調波光を生成する非線形光学
素子へ集光させるようにしているので、基本波光と第３
高調波光との和周波混合により生成される第４高調波光
のビームを円に近いビームプロファイルにすることがで
きる。

【００８７】次に、上記第１又は第２の解決課題を達成
するため、第１３の発明では、第５乃至第１２の発明の
うちの何れかの発明において、前記非線形光学素子は、
入射した基本波光の偏光方向に対し９０度異なる偏光方
向を有する高調波光を生成して出力することを特徴す
る。

【００８８】この第１３の発明では、第２高調波光を生
成する非線形光学素子、第３高調波光を生成する非線形
光学素子、および第４高調波光を生成する非線形光学素
子は、それぞれ基本波光の偏光方向と平行（同一）な偏
光方向の高調波光を入射するタイプ I（の角度位相整合
法により高調波光を生成する結晶）となっている。

【００８９】次に、上記第３の解決課題を達成するた
め、第１４の発明に係るレーザ装置は、基本波光として
のレーザ光をレーザ発振するレーザ光発振手段と、該レ
ーザ発振手段からレーザ発振された基本波光に基づいて
高調波光を生成する請求項１乃至１２のうちの何れかの
請求項記載の波長変換装置とを具備したことを特徴とす
る。

【００９０】第１４の発明を、図１乃至図３、図５、図
７及び図１０を参照して説明する。

【００９１】レーザ装置６００は、ネオジム活性イオ
ン：セリウム添加フッ化イットリウム・リチウム（ＹＬ
Ｆ）レーザ６１０と、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）レ
ーザ６２０と、波長変換装置６３０と、プリズム６４０
とから構成されている。

【００９２】ＹＬＦレーザ６１０及びＴｉ：Ｓレーザ６
２０は、励起源によってレーザ媒質が励起されることに
より基本波光としてのレーザ光をレーザ発振する。ここ
では、ＹＬＦレーザ６１０及びＴｉ：Ｓレーザ６２０に
よってレーザ光発振手段が構成されている。

【００９３】波長変換装置６３０は、図１に示した波長
変換装置１００、図２に示した波長変換装置２００、図
３に示した波長変換装置３００、図５に示した波長変換
装置４００、および図７に示した波長変換装置５００の
うちの、何れかの波長変換装置であり、入射した基本波
光からｎ次の高調波光たとえば第４高調波光に波長変換
する。

【００９４】プリズム６４０は、分散プリズムであり、
基本波光、第２高調波光、第３高調波光、第４高調波光
を、それぞれの波長に応じた進行方向へ分散させる。

【００９５】以上説明したように、第１４の発明によれ
ば、波長変換時の変換効率の向上、又は、波長変換時の
変換効率を向上させると共に所望の第４高調波光のビー
ムを約円形状にすることにより、効率良く短波長のレー
ザ光を出力することができるレーザ装置を提供すること
ができる。

【００９６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１乃至図
１１の添付図面を参照して説明する。

【００９７】なお、図１乃至図８及び図１０において、
ωは基本波光、２ωは第２高調波光、３ωは第３高調波
光、および４ωは第４高調波光をそれぞれ示している。

【００９８】また以降の説明において、基本波光（Ｓ偏
光）、第ｎ高調波光（Ｓ偏光またはＰ偏光）と表記され
ていた場合は、その光は括弧内のＳ偏光またはＰ偏光の
偏光方向を有していることを示している。例えば、基本
波光（Ｓ偏光）と表記されている場合は、基本波光はＳ
偏光であることを示し、また、第３高調波光（Ｐ偏光）
と表記されている場合は、第３高調波光はＰ偏光である
ことを示している。

【００９９】［第１の実施の形態］この実施形態では、
上記「発明が解決しようとする課題」の欄に記載した主
として問題点（１）を解決するようにした装置を想定し
ている。

【０１００】図１は、本実施形態に係る波長変換装置１
００の構成を示す構成図である。

【０１０１】この波長変換装置１００は、図１４に示し
た従来の波長変換部５０の構成において、集光レンズ７
２、７３を削除し、凹面鏡１１０、１２０を追加した構
成になっている。なお、同図において、図１４に示した
構成要素と同一の機能を果たす部分には同一符号を付し
ている。

【０１０２】この実施形態においても、従来と同様に、
ＬＢＯ２０は「タイプ I 」で第２高調波光を生成する
ものであり、ＢＢＯ３０は「タイプ II 」で第３高調波
光を生成するものであり、ＢＢＯ４０は「タイプ I 」
で第４高調波光を生成するものである。

【０１０３】凹面鏡１１０はＬＢＯ２０とＢＢＯ３０と
の間に配置され、一方、凹面鏡１２０はＢＢＯ３０とＢ
ＢＯ４０との間に配置されている。

【０１０４】これら凹面鏡１１０、１２０は色収差を無
くすために用いている。すなわち、図１４に示した従来
の構成の如く、前段の非線形光学素子（結晶）から出力
された各波長の光を、集光レンズを介して、第３高調波
光用結晶であるＢＢＯ３０あるいは第４高調波光用結晶
であるＢＢＯ４０へ集光させる場合には、複数の波長の
光が混在するため、前記集光レンズでは色収差が生じ
る。そこで、集光レンズに代替して、色収差を発生させ
ない凹面鏡１１０、１２０を採用している。

【０１０５】係る構成の波長変換装置１００による波長
変換について説明する。

【０１０６】図１に示すように、基本波光がＬＢＯ２０
に入射すると、ＬＢＯ２０は、基本波光を基に第２高調
波光を生成して、この生成した第２高調波光および残存
する基本波光を出力する。これら各光は、凹面鏡１１０
を介してＢＢＯ３０に入射される。凹面鏡１１０におい
ては、基本波光と第２高調波光とによる色収差は発生し
ない。

【０１０７】ＢＢＯ３０では、入射した基本波光と第２
高調波光との和周波混合により第３高調波光を生成し
て、この生成した第３高調波光、残存する基本波光およ
び第２高調波光を出力する。これら基本波光および各高
調波光は、凹面鏡１２０を介してＢＢＯ４０に入射され
る。凹面鏡１２０においては、基本波光と第３高調波光
とによる色収差は発生しない。

【０１０８】ＢＢＯ４０では、入射した基本波光および
各高調波光のうち、基本波光と第３高調波光との和周波
混合により第４高調波光を生成して、この生成した第４
高調波光、残存する基本波光、第２高調波光および第３
高調波光を出力する。

【０１０９】ここで、上記基本波光および各高調波光の
偏光方向は、図１５に示した従来の如く、基本波光はＳ
偏光、第２高調波光はＰ偏光、第３高調波光はＳ偏光お
よび第４高調波光はＰ偏光となっている。

【０１１０】なお、上記実施形態では、基本波光と第２
高調波光とによる色収差と、基本波光と第３高調波光と
による色収差を同時に除去するようにしているが、これ
に限定されることなく、前者または後者の何れかの色収
差のみを除去するようにしても良い。

【０１１１】この場合、一方のみの色収差を除去するよ
うにした場合は、両者の色収差を除去する場合と比較し
て波長変換効率は低下するものの、図１４に示した従来
の場合と比較して波長変換効率は向上する。しかし、波
長変換効率の観点からは、両者の色収差を除去するよう
にした方が好ましい。

【０１１２】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、凹面鏡によって色収差を発生させないようにしてい
るので、基本波光と第２高調波光とを同一点に集光させ
ることができると共に 基本波光と第３高調波光とを同
一点に集光させることができ、よって波長変換効率を向
上させることができる。

【０１１３】たとえばチタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）レ
ーザの波長７７２．４ｎｍの基本波光から１９３ｎｍの
第４高調波光に効率良く波長変換することができる。

【０１１４】［第２の実施の形態］この第２の実施形態
では、第１の実施形態と同様に、上記「発明が解決しよ
うとする課題」の欄に記載した主として問題点（１）を
解決するようにした装置を想定している。

【０１１５】図２は第２の実施形態に係る波長変換装置
２００の構成を示す構成図である。

【０１１６】この波長変換装置２００は、図１４に示し
た従来の波長変換部５０の構成において、集光レンズ７
２、７３を削除し、色消しレンズ２１０、２２０を追加
した構成になっている。なお、同図において、図１２に
示した構成要素と同一の機能を果たす部分には同一符号
を付している。

【０１１７】この第２の実施形態においても、従来と同
様に、ＬＢＯ２０は「タイプ I 」で第２高調波光を生
成するものであり、ＢＢＯ３０は「タイプ II 」で第３
高調波光を生成するものであり、ＢＢＯ４０は「タイプ
I 」で第４高調波光を生成するものである。

【０１１８】色消しレンズ２１０はＬＢＯ２０とＢＢＯ
３０との間に配置され、基本波光と第２高調波光とによ
る色収差を除去する。一方、色消しレンズ２２０はＢＢ
Ｏ３０とＢＢＯ４０との間に配置され、基本波光と第３
高調波光とによる色収差を除去する。

【０１１９】係る構成の波長変換装置２００は、基本的
には上記第１の実施形態と同様の波長変換動作を実施す
るものの、以下の点で第１の実施形態と異なっている。

【０１２０】すなわち、基本波光と第２高調波光をＢＢ
Ｏ３０へ集光させるときに、色消しレンズ２１０によっ
てこれらの光による色収差を除去し、また、基本波と第
３高調波光をＢＢＯ４０へ集光させるときに、色消しレ
ンズ２２０によってこれらの光による色収差を除去す
る。

【０１２１】このように色消しレンズによって色収差を
除去するようにしているので、基本波光から第４高調波
光に効率良く波長変換することができる。

【０１２２】ここで、上記基本波光および各高調波光の
偏光方向は、上記第１の実施形態と同様の偏光方向にな
っている。

【０１２３】なお、上記第２の実施形態では、基本波光
と第２高調波光とによる色収差と、基本波光と第３高調
波光とによる色収差を同時に除去するようにしている
が、これに限定されることなく、上記第１の実施形態と
同様に前者または後者の何れかの色収差のみを除去する
ようにしても良い。

【０１２４】この場合も上記第１の実施形態と同様に、
一方のみの色収差を除去するようにした場合は、両者の
色収差を除去する場合と比較して波長変換効率は低下す
るものの、図１４に示した従来の場合と比較して波長変
換効率は向上する。しかし波長変換効率の観点からは、
両者の色収差を除去するようにした方が好ましい。

【０１２５】以上説明したように、第２の実施形態によ
れば、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ること
ができる。

【０１２６】［第３の実施の形態］この第３の実施形態
では、上記「発明が解決しようとする課題」の欄に記載
した主として問題点（１）及び（２）を解決するように
した装置を想定している。

【０１２７】図３は第３の実施形態に係る波長変換装置
３００の構成を示す構成図である。

【０１２８】この波長変換装置３００は、図１に示した
第１の実施形態の波長変換装置１００の構成において、
λ／２板３１０、３２０を追加し、ＢＢＯ３０をＢＢＯ
３３０に変更した構成になっている。なお、同図におい
て、図１に示した構成要素と同一の機能を果たす部分に
は同一符号を付している。

【０１２９】λ／２板３１０は、ＬＢＯ２０と凹面鏡１
１０との間に配置され、入射した第２高調波光の偏光方
向を９０度回転させて出射する。λ／２板３２０は、Ｂ
ＢＯ３３０と凹面鏡１２０との間に配置され、入射した
第３高調波光の偏光方向を９０度回転させて出射する。

【０１３０】ＢＢＯ３３０は、非線形光学素子であり、
ＢＢＯ４０と同様の機能を有している。したがって、こ
の実施形態では、ＬＢＯ２０は「タイプ I 」、ＢＢＯ
３３０は「タイプ I 」、ＢＢＯ４０は「タイプ I 」と
なっている。

【０１３１】係る構成の波長変換装置３００による波長
変換について説明する。

【０１３２】図３に示すように、基本波光（Ｓ偏光）が
ＬＢＯ２０に入射すると、ＬＢＯ２０は、基本波光を基
に第２高調波光（Ｐ偏光）を生成して、この生成した第
２高調波光および残存する基本波光を出力する。これら
各光は、λ／２板３１０を透過し、凹面鏡１１０に反射
してＢＢＯ３３０に入射される。

【０１３３】このとき、Ｐ偏光の第２高調波光のみの偏
光方向がλ／２板３１０によって９０度回転され、第２
高調波光はＳ偏光となる。また凹面鏡１１０において
は、Ｓ偏光の基本波光とＳ偏光となった第２高調波光と
による色収差は発生しない。

【０１３４】ところで、ＢＢＯ３３０では、入射した基
本波光（Ｓ偏光）と第２高調波光（Ｓ偏光）との和周波
混合により偏光方向がＰ偏光の第３高調波光を生成し
て、この生成した第３高調波光（Ｐ偏光）、残存する基
本波光（Ｓ偏光）および第２高調波光（Ｓ偏光）を出力
する。これら基本波光および各高調波光は、λ／２板３
２０を透過し、凹面鏡１１２０に反射してＢＢＯ４０に
入射される。

【０１３５】このとき、Ｐ偏光である第３高調波光のみ
の偏光方向がλ／２板３２０によって９０度回転され、
第３高調波光はＳ偏光となる。また凹面鏡１２０におい
ては、Ｓ偏光である基本波光とＳ偏光となった第３高調
波光とによる色収差は発生しない。

【０１３６】ＢＢＯ４０では、入射した基本波光（Ｓ偏
光）および各高調波光（Ｓ偏光）のうち、基本波光と第
３高調波光との和周波混合により偏光方向がＰ偏光の第
４高調波光を生成して、この生成した第４高調波光、残
存する基本波光、第２高調波光および第３高調波光を出
力する。これによって、基本波光から第４高調波光へ波
長変換されたことになる。

【０１３７】ここで、上述した波長変換装置３００にお
ける上記各非線形光学素子に対する入射光または出射光
の偏光方向について、図４を参照して説明する。

【０１３８】なお、図４において、旋光子３１０Ａ、３
２０Ａはそれぞれ図３に示したλ／２板３１０、３２０
に対応する。

【０１３９】図４に示すように、ＬＢＯ２０の結晶構成
が「タイプ I 」、ＢＢＯ３３０の結晶構成が「タイプ
I 」、ＢＢＯ４０の結晶構成が「タイプ I 」の場合、
上述したようにＬＢＯ２０によってＳ偏光の基本波光か
らＰ偏光の第２高調波光が生成されるものの、このＰ偏
光の第２高調波光は旋光子３１０Ａ（λ／２板３１０）
によって９０度回転されるので、基本波光および第２高
調波光は共に、ＢＢＯ３３０に入射する時点でＳ偏光に
なっている。

【０１４０】また、ＢＢＯ３３０によって上述した和周
波混合によりＰ偏光の第３高調波光が生成されるもの
の、このＰ偏光の第３高調波光は、旋光子３２０Ａ（λ
／２板３２０）によって９０度回転されるので、基本波
光および第３高調波光（および図示しない第２高調波
光）は共に、ＢＢＯ４０に入射する時点でＳ偏光になっ
ている。

【０１４１】そして、ＢＢＯ４０によって上述した和周
波混合によりＰ偏光の第４高調波光が生成される。最終
的に、基本波光はＳ偏光、第２高調波光はＳ偏光、第３
高調波光はＳ偏光および第４高調波光はＰ偏光となって
いる。

【０１４２】なお、上記第３の実施形態では、第２高調
波光の偏光方向を９０度回転させるλ／２板３１０と、
該第２高調波光を反射させる凹面鏡１１０との組み合わ
せと、第３高調波光の偏光方向を９０度回転させるλ／
２板３２０と、該第３高調波光を反射させる凹面鏡１２
０との組み合わせの、２通りの組み合わせを採用してい
るが、これに限定されることなく、λ／２板３１０およ
び凹面鏡１１０のみを配置する一方、λ／２板３２０お
よび凹面鏡１２０に代替して集光レンズまたは色消しレ
ンズを配置しても良い。

【０１４３】この場合は、上述した「発明が解決しよう
とする課題」の欄に記載した主として問題点（２）のみ
を解決することができる。

【０１４４】すなわち、非線形光学係数が「タイプ II
」と比較して大きい「タイプ I 」を有しているＢＢＯ
３３０が配置され、また、その「タイプ I 」用に適用
されるべく第２高調波光の偏光方向をＰ偏光から基本波
光の偏光方向と同一のＳ偏光に変換するλ／２板３１０
が配置され、さらに基本波光（Ｓ偏光）と第２高調波光
（Ｓ偏光）とによる色収差を発生させない凹面鏡１１０
が配置されているので、第２高調波光から第３高調波光
への波長変換の変換効率を向上させることができる。

【０１４５】以上説明したように、第３の実施形態によ
れば、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ること
ができる。

【０１４６】また、第３の実施形態によれば、第３高調
波光を生成するＢＢＯ３３０は、「タイプ II 」のもの
と比較して非線形光学係数が大きい「タイプ I 」のも
のを使用しているので、第２高調波光から第３高調波光
への波長変換の変換効率を向上させることができる。

【０１４７】［第４の実施の形態］この第４の実施形態
では、上記「発明が解決しようとする課題」の欄に記載
した主として問題点（１）〜（３）を解決するようにし
た装置を想定している。

【０１４８】図５は第４の実施形態に係る波長変換装置
４００の構成を示す構成図である。

【０１４９】この波長変換装置４００は、図３に示した
第３の実施形態の波長変換装置３００の構成において、
λ／２板３２０および凹面鏡１２０を削除し、コリメー
トレンズ３４０と、ビームスプリッタ４１０、４２０
と、全反射鏡４３０、４４０、４５０と、λ／２板４６
０と、集光レンズ４７０、４８０とを追加した構成にな
っている。これら追加した各構成要素は、ＢＢＯ３３０
とＢＢＯ４０との間に配置されている。なお、同図にお
いて、図３に示した構成要素と同一の機能を果たす部分
には同一符号を付している。

【０１５０】コリメートレンズ３４０は入射した入射光
を平行光にして出射する。

【０１５１】ビームスプリッタ４１０、４２０は、基本
波光は透過させるものの、第３高調波光については全反
射させる光学特性となるように設定されている。

【０１５２】全反射鏡４３０、４４０、４５０は入射光
を全反射させるものであり、λ／２板４６０は、上記λ
／２板３２０と同様に、第３高調波光を９０度回転させ
る旋光子である。集光レンズ４７０、４８０は入射光を
集光させる。

【０１５３】係る構成の波長変換装置４００による波長
変換について説明する。

【０１５４】ＢＢＯ３３０によって第３高調波光（Ｐ偏
光）を生成する処理までは、図３に示した第３の実施形
態と同様の波長変換動作が実施されるので、ここでは、
その変換動作の説明は省略する。

【０１５５】ところで、ＢＢＯ３３０から出射された基
本波光（Ｓ偏光）および第２高調波光（Ｓ偏光）、およ
び第３高調波光波（Ｐ偏光）は、コリメートレンズ３４
０にて平行光とされた後、全反射鏡４３０で全反射して
ビームスプリッタ４１０に入射する。

【０１５６】ビームスプリッタ４１０においては、基本
波光は透過するものの、第３高調波光は全反射する。こ
の透過した基本波光は、集光レンズ４８０を透過し、Ｂ
ＢＯ４０で集光されるようにビームスプリッタ４２０を
透過する。一方、ビームスプリッタ４１０で全反射した
Ｐ偏光の第３高調波光は、全反射鏡４４０、４５０を介
してλ／２板４６０に入射する。

【０１５７】λ／２板４６０では、入射したＰ偏光の第
３高調波光を、基本波光の偏光方向と同一のＳ偏光に変
換すべく９０度回転させると共に、該Ｓ偏光の第３高調
波光を出力る。この第３高調波光（Ｓ偏光）は、集光レ
ンズ４７０を通過した後、ビームスプリッタ４２０に入
射して全反射する。

【０１５８】ビームスプリッタ４２０からは、透過した
基本波光（Ｓ偏光）と反射した第３高調波光（Ｓ偏光）
とが出射されていることになる。このことは、ＢＢＯ３
３０におけるウォークオフ（Ｗａｌｋ ｏｆｆ）による
基本波光と第３高調波光との出射角度差が修正されるこ
とを意味する。したがって、基本波光と第３高調波光と
が、それぞれ独立して（別々に）ＢＢＯ４０における同
一点に集光される。

【０１５９】すなわち、基本波光および第３高調波光は
それぞれ異なるビーム形状、ビーム広がりを有している
ので、基本波光および第３高調波光をそれぞれ異なる焦
点距離のレンズで集光することで、ＢＢＯ４０の結晶で
のビームマッチングを最適にしている。

【０１６０】ＢＢＯ４０では、基本波光（Ｓ偏光）と第
３高調波光（Ｓ偏光）との和周波混合によりＰ偏光の第
４高調波光を生成して出射する。なお、ＢＢＯ４０にお
いては、ビームスプリッタ４２０からの基本波光および
第３高調波光がそれぞれ同一点に集光している。

【０１６１】ここで、図５に示すＢＢＯ４０におけるＡ
−Ａ方向から見た基本波光および第３高調波光のビーム
プロファイルの一例を図６に示す。

【０１６２】図６から明らかなように、基本波光に比べ
第３高調波光のビームが縦長であり、しかも波長変換さ
れる範囲（基本波光と第３高調波光とが重なる範囲）が
縦長であるため、和周波混合により生成される第４高調
波光のビームも縦長のビームプロファイルになる。

【０１６３】以上説明したように、第４の実施形態によ
れば、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ること
ができる。

【０１６４】また、第４の実施形態では、凹面鏡１１０
によって、基本波光および第２高調波光による色収差を
発生させないようにしているので、第２高調波光から第
３高調波光への波長変換の変換効率を向上させることが
できる。

【０１６５】また、第４の実施形態では、仮にＢＢＯ３
３０においてウォークオフによる出射角のズレが発生し
て、基本波光と第３高調波光とが同一点に集光されない
ような事象が発生したとしても、当該ウォークオフによ
る基本波光と第３高調波光との出射角度差を修正すると
共に、当該各光を別々にしてＢＢＯ４０へ集光させてい
るので、基本波光と第３高調波光とによる色収差の影響
を除去することができる。

【０１６６】したがって、ウォークオフを修正し、同一
点に集光することで、第３高調波光から第４高調波光へ
の波長変換の変換効率を向上させることができる。

【０１６７】さらには、第４の実施形態では、上述した
ように第２高調波光から第３高調波光への波長変換、お
よび第３高調波光から第４高調波光への波長変換の変換
効率を向上させることができるので、従来の場合と比較
して、大幅に波長変換効率を向上させることができる。

【０１６８】［第５の実施の形態］この第５の実施形態
では、上記「発明が解決しようとする課題」の欄に記載
した問題点（１）〜（４）の全てを解決するようにした
装置を想定している。

【０１６９】図７は第５の実施形態に係る波長変換装置
５００の構成を示す構成図である。

【０１７０】この波長変換装置５００は、図５に示した
第４の実施形態の波長変換装置４００の構成において、
ビームエキスパンダ５１０を追加した構成になってい
る。なお、同図において、図５に示した構成要素と同一
の機能を果たす部分には同一符号を付している。

【０１７１】ビームエキスパンダ５１０は、全反射鏡４
４０と全反射鏡４５０との間に配置され、入射した光の
ビームを横方向（つまりＰ偏光方向）にエキスパンド
（拡大）する。

【０１７２】第５の実施形態では、基本的には上記第４
の実施形態と同様の波長変換動作を実施するものの、ビ
ームエキスパンダ５１０によって第３高調波光のビーム
を横方向（Ｐ偏光方向）に拡大する点で第４の実施形態
と異なっている。

【０１７３】すなわち、全反射鏡４４０に反射したＰ偏
光の第３高調波光がビームエキスパンダ５１０に入射す
ると、ビームエキスパンダ５１０は、当該第３高調波光
のビームを横方向（Ｐ偏光方向）に拡大する。

【０１７４】このようにしてビームが拡大された第３高
調波光（Ｐ偏光）は、全反射鏡４５０を介してλ／２板
４６０に入射し、このλ／２板４６０によって基本波光
（Ｓ偏光）と同一の偏光方向に変換されるべく９０度回
転され出力される。このようにしてＳ偏光となった第３
高調波光が、集光レンズ４７０を経てビームスプリッタ
４２０に反射してＢＢＯ４０に集光する。

【０１７５】一方、ビームスプリッタ４１０を透過した
基本波光（Ｓ偏光）は、集光レンズ４８０を経てビーム
スプリッタ４２０を透過してＢＢＯ４０に集光する。

【０１７６】ＢＢＯ４０では、ビームが横方向（Ｐ偏光
方向）に拡大された第３高調波光と基本波光とにより和
周波混合して第４高調波光を生成して、出射する。

【０１７７】ここで、図７に示すＢＢＯ４０におけるＢ
−Ｂ方向から見た基本波光および第３高調波光のビーム
プロファイルの一例を図８に示す。

【０１７８】図８から明らかなように、第３高調波光の
ビームが横方向（Ｐ偏光方向）に拡大されているので、
波長変換される範囲（基本波光と第３高調波光とが重な
る範囲）、すなわち和周波混合により生成される第４高
調波光のビームを円に近いビームプロファイルにするこ
とができる。

【０１７９】因みに、図６に示す第３高調波光のビーム
プロファイルと図８に示す第３高調波光のビームプロフ
ァイルとを比較して明らかなように、横方向（Ｐ偏光方
向）に拡大された第３高調波光の方が、円に近づいてい
るのが分かる。

【０１８０】ここで、ビームエキスパンダ５１０の構成
例を図９に示す。

【０１８１】ビームエキスパンダ５１０は、図９（ａ）
に示すように、全反射鏡４４０側にプリズム５１１が配
置され、全反射鏡４５０側にプリズム５１２が配置され
た構成になっている。また、プリズム５１１の入射面お
よび出射面には、第３高調波光（Ｐ偏光）に対しての反
射防止膜５１１ａ、５１１ｂがコーティングされてい
る。同様に、プリズム５１２の入射面および出射面に
は、第３高調波光（Ｐ偏光）に対しての反射防止膜５１
２ａ、５１２ｂがコーティングされている。

【０１８２】全反射鏡４４０からの第３高調波光のビー
ムは、プリズム５１１およびプリズム５１２を経てＰ偏
光方向に拡大される。

【０１８３】また、他のビームエキスパンダ５１０とし
ては、図９（ｂ）に示すように、全反射鏡４４０側にシ
リンドリカル凹レンズ５１３が配置され、全反射鏡４５
０側にシリンドリカル凸レンズ５１４が配置された構成
になっている。

【０１８４】この場合も、上記同様に、全反射鏡４４０
からの第３高調波光のビームは、シリンドリカル凹レン
ズ５１３およびシリンドリカル凸レンズ５１４を経てＰ
偏光方向に拡大される。

【０１８５】さらに他のビームエキスパンダ５１０は、
図９（ｃ）に示すように、全反射鏡４４０側にシリンド
リカル凸レンズ５１５が配置され、全反射鏡４５０側に
シリンドリカル凸レンズ５１５が配置された構成になっ
ている。

【０１８６】この場合も、上記同様に、全反射鏡４４０
からの第３高調波光のビームは、シリンドリカル凸レン
ズ５１５およびシリンドリカル凸レンズ５１６を経てＰ
偏光方向に拡大される。

【０１８７】以上説明したように、第５の実施形態によ
れば、上記第４の実施形態と同様の作用効果を得ること
ができる。

【０１８８】また、第５の実施形態では、ビームエキス
パンダ５１０によって、ビームスプリッタ４１０により
分離された第３高調波光のビームを横方向（Ｐ偏光方
向）に拡大すると共に、λ／２板４６０によって当該第
３高調波光を基本波光（Ｓ偏光）と同一の偏光方向に変
換した後、該基本波光とは別にＢＢＯ４０へ集光させる
ようにしているので、基本波光と第３高調波光との和周
波混合により生成される第４高調波光のビームを円に近
いビームプロファイルにすることができる。

【０１８９】［第６の実施の形態］次に、本発明に係る
レーザ装置について説明する。

【０１９０】この波長変換装置では、入射される基本波
光はレーザ光であれば良く、狭帯域化されたレーザ光で
なくても良い。また、基本波光としてのレーザ光を発振
させるためのレーザ媒質は、気体、固体、液体（色素）
のうちの何れの媒質であっても良い。

【０１９１】ここでは、レーザ媒質として固体である場
合のレーザ装置（いわゆる固体レーザ装置）について説
明する。

【０１９２】図１０は第６の実施形態に係るレーザ装置
６００の構成を示す構成図である。

【０１９３】レーザ装置６００は、ネオジム活性イオ
ン：セリウム添加フッ化イットリウム・リチウム（ＹＬ
Ｆ）レーザ６１０と、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）レ
ーザ６２０と、波長変換装置６３０と、プリズム６４０
とから構成されている。

【０１９４】ＹＬＦレーザ６１０及びＴｉ：Ｓレーザ６
２０は、詳細については後述するが、励起源によってレ
ーザ媒質が励起されることにより基本波光としてのレー
ザ光をレーザ発振する。

【０１９５】波長変換装置６３０は、図１に示した第１
の実施形態の波長変換装置１００、図２に示した第２の
実施形態の波長変換装置２００、図３に示した第３の実
施形態の波長変換装置３００、図５に示した第４の実施
形態の波長変換装置４００、および図７に示した第５の
実施形態の波長変換装置５００のうちの、何れかの波長
変換装置であり、入射した基本波光からｎ次の高調波光
たとえば第４高調波光に波長変換する。

【０１９６】プリズム６４０は、分散プリズムであり、
基本波光、第２高調波光、第３高調波光、第４高調波光
を、それぞれの波長に応じた進行方向へ分散させる。

【０１９７】なお、図１０には図示していないが、プリ
ズム６４０から出射された波長の異なる各光のうち、例
えば第４高調波光のみを透過させる光学部品たとえばレ
ンズを配置することによって、当該第４高調波光のみを
得ることができる。

【０１９８】次に、ＹＬＦレーザ６１０及びＴｉ：Ｓレ
ーザ６２０を図１１を参照して説明する。なお、図１１
において、点線の左側がＹＬＦレーザ６１０の構成を示
しており、一方、点線の右側がＴｉ：Ｓレーザ６２０の
構成を示している。

【０１９９】ミラーＭ１とアウトプットカプラ（Ｏ・
Ｃ）６１１とで構成される光共振器間に、レーザ媒質と
してのチタンサファイア（Ｔｉ^３＋：Ａｌ２Ｏ３）（以
下、「Ｔｉ：Ｓ」という。）６１２と、波長選択素子と
してのグレーティング（いわゆる斜入射型の回折格子）
６１３とが配置されている。また、「Ｔｉ：Ｓ」６１２
とグレーティング６１３は、ミラーＭ１とミラー（同調
ミラー）Ｍ２とで構成される光共振器間にも配置されて
いる。

【０２００】励起源としてのネオジム活性イオン：セリ
ウム添加フッ化イットリウム・リチウム（以下、「Ｎ
ｄ：ＹＬＦ」という。）６２１からレーザ光を出射する
と、このレーザ光は、ミラー６２２およびミラー６２３
に反射して、レンズ６２４およびミラーＭ１を通過して
「Ｔｉ：Ｓ」６１２へ照射される。

【０２０１】このようにして「Ｎｄ：ＹＬＦ」レーザ６
２１からのレーザ光が「Ｔｉ：Ｓ」６１２に照射される
と、「Ｔｉ：Ｓ」６１２は光励起して光を発生する。こ
の光は、グレーティング６１３に入射し、一部の光は回
折され、その他の光は反射する。

【０２０２】グレーティング６１３によって回折された
光（回折光）は、ミラーＭ２で全反射して、グレーティ
ング６１３および「Ｔｉ：Ｓ」６１２を経て、ミラーＭ
１に入射する。そして、ミラーＭ１とミラーＭ２間で光
が共振することにより、回折角に応じた所望の波長λ１
（選択波長）の光が選択される。

【０２０３】一方、ミラーＭ２に入射した所望の波長λ
１以外の不所望の波長λ２の光はグレーティング６１３
には戻らず外部へ漏れる。この波長λ２の光を検出した
フォトダイオード６３２からの出力信号が増幅器６３５
を介してコンピュータ６３３に入力されると、コンピュ
ータ６３３は、受信した信号に基づいて、フォトダイオ
ード６３２により検出される光（不所望の波長λ２の
光）の光量が最小となるように、ピエゾ素子６３４への
印加電圧を制御する。

【０２０４】そして、印加された印加電圧に応じてピエ
ゾ素子６３４が伸縮するのに伴ってアウトプットカプラ
６１１が移動して、ミラーＭ１とアウトプットカプラ６
１１とで構成される光共振器の共振器長が、上記所望の
波長λ１の整数倍の距離に設定される。この結果、当該
光共振器には定在波が形成されることになり、シングル
モードでレーザ発振される。

【０２０５】このようにしてレーザ発振されたレーザ光
は、基本波光として波長変換装置６３０へ出射される。

【０２０６】以上説明したように、第６の実施形態によ
れば、グレーティング６１３で回折した回折光を反射さ
せるミラーＭ２で反射する所望の波長以外の波長（不所
望の波長）の光をフォトダイオード６３２で検出し、こ
の検出した光の光量が最小となるように、光共振器の共
振器長を制御して、確実にシングルモードでレーザ発振
させると共に、波長変換装置によって、安定したシング
ルモードでレーザ発振されたレーザ光（つまり基本波
光）から第４高調波光を効率良く得ることができる。

【０２０７】すなわち、波長変換時の変換効率の向上、
又は、波長変換時の変換効率を向上させると共に所望の
第４高調波光のビームを約円形状にすることにより、効
率良く短波長のレーザ光を出力することができるレーザ
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は第１の実施形態に係る波長変換装置１０
０の構成を示す構成図である。

【図２】図２は第２の実施形態に係る波長変換装置２０
０の構成を示す構成図である。

【図３】図３は第３の実施形態に係る波長変換装置３０
０の構成を示す構成図である。

【図４】図４は第３の実施形態における各非線形光学素
子に対する入射光または出射光の偏光方向を説明するた
めの図である。

【図５】図５は第４の実施形態に係る波長変換装置４０
０の構成を示す構成図である。

【図６】図６は第４の実施形態での第３高調波光のビー
ムプロファイルを説明するための図である。

【図７】図７は第５の実施形態に係る波長変換装置５０
０の構成を示す構成図である。

【図８】図８は第５の実施形態での第３高調波光のビー
ムプロファイルを説明するための図である。

【図９】図９は波長変換装置５００に用いられるビーム
エキスパンダ５１０の構成例を示す図である。

【図１０】図１０は第６の実施形態に係るレーザ装置６
００の構成を示す構成図である。

【図１１】図１１はレーザ装置６００に用いられるＹＬ
Ｆレーザ及６１０びＴｉ：Ｓレーザ６２０の構成を示す
構成図である。

【図１２】図１２は従来の波長変換システムの構成を示
す構成図である。

【図１３】図１３は従来の他の波長変換システムの構成
を示す構成図である。

【図１４】図１４は図１３に示した従来の波長変換シス
テムの波長変換部の構成を示す構成図である。

【図１５】図１５は図１４に示した従来の波長変換部に
おける各非線形光学素子に対する入射光または出射光の
偏光方向を説明するための図である。

【符号の説明】

２０ ＬＢＯ（タイプ I ） ３０ ＢＢＯ（タイプ II ） ４０、３３０ ＢＢＯ（タイプ I ） ７１、４７０、４８０ 集光レンズ １００、２００、３００、４００、５００ 波長変換装
置 １１０、１２０ 凹面鏡 ２１０、２２０ 色消しレンズ ３１０、３２０、４６０ λ／２板 ４１０、４２０ ビームスプリッタ ４３０、４４０、４５０ 全反射鏡 ５１０ ビームエキスパンダ ６００ レーザ装置

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K002 AA04 AB12 AB27 BA01 CA02 DA01 EA30 GA04 GA10 HA20

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ｎ−１）個（ｎは２以上の整数）の非線
   形光学素子を有し、入射した基本波光を基に前記非線形
   光学素子によってｎ次の高調波光を生成する波長変換装
   置において、 前記（ｎ−１）個の非線形光学素子のうち少なくとも１
   つ以上の非線形光学素子の出力側に配置され、当該非線
   形光学素子によって生成された高調波光および前記基本
   波光を反射させて次段の非線形光学素子へ集光させる凹
   面鏡を具備したことを特徴とする波長変換装置。
2. 【請求項２】前記凹面鏡は、 （ｎ−１）次までの各高調波光それぞれを生成する非線
   形光学素子の出力側に配置されていることを特徴とする
   請求項２記載の波長変換装置。
3. 【請求項３】（ｎ−１）個（ｎは２以上の整数）の非線
   形光学素子を有し、入射した基本波光を基に前記非線形
   光学素子によってｎ次の高調波光を生成する波長変換装
   置において、 前記（ｎ−１）個の非線形光学素子のうち少なくとも１
   つ以上の非線形光学素子の出力側に配置され、当該非線
   形光学素子によって生成された高調波光および前記基本
   波光による色収差を除去する色消しレンズを具備したこ
   とを特徴とする波長変換装置。
4. 【請求項４】前記色消しレンズは、 （ｎ−１）次までの各高調波光それぞれを生成する非線
   形光学素子の出力側に配置されていることを特徴とする
   請求項３記載の波長変換装置。
5. 【請求項５】入射した基本波光を基にｎ（ｎは２以上の
   整数）次の高調波光を生成する波長変換装置において、 前記基本波光、又は、前記基本波光および該基本波光と
   同一の偏光方向を有する高調波光が入射したときに、第
   ２高調波光または和周波混合により生成される高調波光
   であって、当該基本波光の偏光方向に対し所定の角度異
   なる偏光方向を有する高調波光を生成する（ｎ−１）個
   の非線形光学素子と、 前記（ｎ−１）個の非線形光学素子のうち少なくとも１
   つ以上の非線形光学素子によって生成された高調波光
   を、前記基本波光と同一の偏光方向とすべく回転させて
   出力する旋光子とを具備したことを特徴とする波長変換
   装置。
6. 【請求項６】前記旋光子から出力された高調波光を反射
   させて次段の非線形光学素子へ集光させる凹面鏡を、更
   に具備したことを特徴とする請求項５記載の波長変換装
   置。
7. 【請求項７】前記旋光子は、 第２高調波光を生成する非線形光学素子によって生成さ
   れた第２高調波光を、前記基本波光と同一の偏光方向と
   すべく回転させて出力することを特徴とする請求項５記
   載の波長変換装置。
8. 【請求項８】前記旋光子は、 （ｎ−１）次までの各高調波光それぞれを生成する非線
   形光学素子の出力側に配置され、当該非線形光学素子に
   よって生成された高調波光を、前記基本波光と同一の偏
   光方向とすべく回転させて出力することを特徴とする請
   求項５記載の波長変換装置。
9. 【請求項９】前記凹面鏡は、 （ｎ−１）次までの各高調波光それぞれを生成する非線
   形光学素子の出力側に配置された前記旋光子の出力側に
   配置され、当該旋光子から出力された高調波光を反射さ
   せて次段の非線形光学素子へ集光させることを特徴とす
   る請求項７記載の波長変換装置。
10. 【請求項１０】入射した基本波光を基にｎ（ｎは４以上
    の整数）次の高調波を生成する波長変換装置において、 前記基本波光、又は、前記基本波光および該基本波光と
    同一の偏光方向を有する高調波光が入射したときに、第
    ２高調波光または和周波混合により生成される高調波光
    であって、当該基本波光の偏光方向に対し所定の角度異
    なる偏光方向を有する高調波光を生成する（ｎ−１）個
    の非線形光学素子と、 前記各非線形光学素子のうちの第３高調波光を生成する
    第３高調波用非線形光学素子から出力された当該第３高
    調波光および前記基本波光を分離させる第１の光学手段
    と、 前記第１の光学手段により分離された第３高調波光を前
    記基本波光と同一の偏光方向とすべく回転させる旋光子
    と、 前記第１の光学手段により分離された基本波光と、前記
    旋光子により回転された第３高調波光とを、第４高調波
    光を生成する第４高調波用非線形光学素子へ集光させる
    第２の光学手段とを具備したことを特徴とする波長変換
    装置。
11. 【請求項１１】第２高調波光を生成する第２高調波用非
    線形光学素子によって生成された第２高調波光を前記基
    本波光と同一の偏光方向とすべく回転させると共に、該
    回転された第２高調波光を前記第３高調波用非線形光学
    素子へ出力する第３の光学手段を、更に具備したことを
    特徴とする請求項１０記載の波長変換装置。
12. 【請求項１２】前記第１の光学手段と前記旋光子との間
    に配置され、前記第１の光学手段により分離された第３
    高調波光のビームを当該偏光方向に拡大すると共に、該
    ビームが拡大された第３高調波光を前記旋光子へ出力す
    るビーム拡大手段を、更に具備したことを特徴とする請
    求項１０または１１記載の波長変換装置。
13. 【請求項１３】前記非線形光学素子は、 入射した基本波光の偏光方向に対し９０度異なる偏光方
    向を有する高調波光を生成して出力することを特徴する
    請求項５乃至１２のうちの何れかの請求項記載の波長変
    換装置。
14. 【請求項１４】基本波光としてのレーザ光をレーザ発振
    するレーザ光発振手段と、 前記レーザ発振手段からレーザ発振された基本波光に基
    づいて高調波光を生成する請求項１乃至１２のうちの何
    れかの請求項記載の波長変換装置とを具備したことを特
    徴とするレーザ装置。