JP2002268106A

JP2002268106A - レーザ光波長変換装置及びその方法

Info

Publication number: JP2002268106A
Application number: JP2001064947A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shiraishi; 浩之白石; Genta Masada; 元太政田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】波長変換効率を向上し得る。波長変換素子の
レーザ光照射の集中による損傷を低減する。【解決手段】四ほう酸リチウム単結晶からなり、レー
ザ光入射面がタイプＩ(ooe)の位相整合条件を満たす面
である波長変換素子１１と、素子を挟むように互いに対
向しかつ単結晶中心を対称に設けられ、基本波のレーザ
光を反射しかつ素子による基本波の第２高調波のレーザ
光を透過する一対の第１及び第２凹面鏡１２，１３と、
第２凹面鏡で反射したレーザ光をこのレーザ光と平行に
再び第２凹面鏡に戻すように反射する第１全反射鏡１４
とを備えたレーザ光波長変換装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、四ほう酸リチウム
（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）単結晶からなる波長変換素子に基本波
のレーザ光を入射して第２高調波を発生させるレーザ光
波長変換装置及びその方法に関する。更に詳しくは、レ
ーザ光をそれぞれ異なる光路で複数回波長変換素子に入
射させることによりレーザ光による波長変換素子の損傷
を低減するとともに、高い波長変換効率を得ることので
きるレーザ光波長変換装置及びその方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光は一般に電波よりも周波数が高
いので情報収容能力が大きく、また波長が同一であり位
相が揃っているので単色性や指向性に優れる。またレー
ザ光は通常の光線に見られない干渉性を持っており、更
に極めて細く収束できるため、微小な面積にエネルギを
集中して、局部的、瞬間的に高温、高圧を実現できるな
どの特徴を有しており、通信及び情報関係、計測関係、
加工技術への応用、医学面への応用など多方面に応用さ
れている。

【０００３】非線形光学単結晶からなる波長変換素子と
Ｎｄ³⁺がドープされたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂ガーネット結晶（Ｙ
ＡＧ：Yttrium Aluminum Garnet）等の赤外固体レーザ
とを組合わせて作製される紫外光レーザ、可視光レーザ
等の短波長の固体レーザは、従来のＡｒやＫｒ、Ｈｅ−
Ｃｄレーザといったガスレーザや、ＡｒＦ、ＫｒＦとい
ったエキシマレーザに比べて安全性が高く、メンテナン
スが容易であり、価格が安く、小型化が容易であるため
活発な研究が行われている。

【０００４】これまで紫外光領域に波長変換する結晶と
してＢＢＯ（β-ＢａＢ₂Ｏ₄）やＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆
Ｏ₁₀）等が見出されている。しかし、ＢＢＯ結晶は水に
やや溶けて潮解性を有するため取扱いに難点があるとと
もに、大型結晶の作成が困難であった。また、ＣＬＢＯ
結晶も耐レーザ損傷が小さいため、耐久性の面で問題を
抱えていた。

【０００５】そこで本出願人は上記諸問題を解決するた
め、四ほう酸リチウムを波長変換素子として用いた波長
変換方法並びにレーザ装置を提案した（特開平９−２８
１５３５号）。この四ほう酸リチウム単結晶は、他の結
晶に比べて潮解性が小さく耐湿性に優れ、レーザ損傷し
きい値（レーザ耐力）が著しく大きく、赤外光領域から
紫外光領域のレーザ光を得るための波長変換結晶に適す
る。またレーザ入射光の波長に対する透明領域が広く、
良質の大型結晶の育成が可能で、加工性に優れる特性も
併せ持つ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、四ほう酸リチ
ウム単結晶は非線形光学定数が他の波長変換結晶に比べ
て小さいため、波長変換効率が低いという問題点があっ
た。この波長変換効率は効率が低い範囲内では入射光強
度に比例、結晶長の２乗に比例することが知られてい
る。そこで球面レンズにより入射ビーム径を集光させる
ことにより入射光のパワー密度を高めたり、結晶長を大
きくするなどして変換効率を向上させていた。しかし一
定以上の入射光のパワー密度を越えると結晶がレーザ照
射によって損傷を受けたり、レンズを透過することによ
りビーム品質が低下するおそれがあった。結晶長を大き
くすると、角度許容幅や波長許容幅等が狭くなる問題が
あった。また、一般的に径の大きい長尺の光学結晶の育
成は困難である。また、外部共振器を併用して繰返し入
射光を結晶内に透過させることにより変換効率を向上さ
せる方法もある。だが、この四ほう酸リチウム単結晶の
非線形光学定数は小さいため、従来の方法によって波長
変換効率を向上させるには限界があった。

【０００７】本発明の目的は、波長変換効率を向上し得
るレーザ光波長変換装置及びその方法を提供することに
ある。本発明の別の目的は、波長変換素子のレーザ光照
射の集中による損傷を低減するレーザ光波長変換装置及
びその方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる波
長変換素子１１と、波長変換素子１１を挟むように互い
に対向しかつ単結晶中心を対称に設けられた一対の第１
及び第２凹面鏡１２，１３とを備え、第１及び第２凹面
鏡１２，１３の双方が基本波のレーザ光を反射しかつ波
長変換素子１１による基本波の第２高調波のレーザ光を
透過するように構成されたレーザ光波長変換装置であっ
て、四ほう酸リチウム単結晶のレーザ光入射面がタイプ
Ｉ(ooe)の位相整合条件を満たす面であり、第２凹面鏡
１３で反射したレーザ光をこのレーザ光と平行に再び第
２凹面鏡１３に戻すように反射する第１全反射鏡１４を
備え、第１凹面鏡１２がレーザ光源からのレーザ光を反
射し波長変換素子１１を透過して第２凹面鏡１３に向う
ように形成され、第２凹面鏡１３が波長変換素子１１を
透過してきたレーザ光を反射して第１全反射鏡１４に向
うように、かつ第１全反射鏡１４からのレーザ光を反射
し波長変換素子１１を透過して第１凹面鏡１２に向うよ
うに形成され、第１凹面鏡１２で反射して波長変換素子
１１に入射するレーザ光の光路と第２凹面鏡１３で反射
して波長変換素子１１に入射するレーザ光の光路とが異
なるように構成されたことを特徴とするレーザ光波長変
換装置である。請求項１に係る発明では、波長変換素子
１１を挟むように互いに対向しかつ単結晶中心を対称に
設けられた一対の第１及び第２凹面鏡１２，１３により
四ほう酸リチウム単結晶に複数回に渡って基本波のレー
ザ光を透過させるため、変換効率を向上できる。第１凹
面鏡１２で反射して波長変換素子１１に入射するレーザ
光の光路と第２凹面鏡１３で反射して波長変換素子１１
に入射するレーザ光の光路とが異なるため、結晶内の異
なる領域をレーザ光が透過する。このため、一箇所にレ
ーザ光が集中することによる結晶の損傷を回避すること
ができる。

【０００９】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、図１に示すように、第１凹面鏡１２で反射
したレーザ光をこのレーザ光と平行に再び第１凹面鏡１
２に戻すように反射する第２全反射鏡１６を更に備え、
第１凹面鏡１２が第２全反射鏡１６からのレーザ光を反
射し波長変換素子１１を透過して第２凹面鏡１３に向う
ように形成されたレーザ光波長変換装置である。請求項
２に係る発明では、第２全反射鏡１６により基本波のレ
ーザ光を繰返し波長変換素子に入射できる。

【００１０】請求項３に係る発明は、四ほう酸リチウム
単結晶からなりレーザ光入射面がタイプＩ(ooe)の位相
整合条件を満たす面である波長変換素子１１を挟むよう
に互いに対向しかつ単結晶中心を対称に一対の第１及び
第２凹面鏡１２，１３を設け、第１及び第２凹面鏡１
２，１３の双方が基本波のレーザ光を反射しかつ波長変
換素子１１による基本波の第２高調波のレーザ光を透過
するレーザ光波長変換方法であって、(a) レーザ光源か
らのレーザ光を第１凹面鏡１２で反射して波長変換素子
１１に第１光路で入射する工程と、(b) 波長変換素子１
１を透過したレーザ光を第２凹面鏡１３で反射して第１
全反射鏡１４に入射する工程と、(c) 入射したレーザ光
と平行なレーザ光を第１全反射鏡１４で反射して再び第
２凹面鏡１３に戻すように入射する工程と、(d) 入射し
たレーザ光を第２凹面鏡１３で反射して第１光路と異な
る第２光路で波長変換素子１１に入射する工程と、(e)
波長変換素子１１を透過したレーザ光を第１凹面鏡１２
に入射する工程とを含むレーザ光波長変換方法である。
請求項３に係る発明では、異なる光路により波長変換素
子にレーザ光を入射させることにより、結晶内の異なる
領域をレーザ光が透過する。このため、一箇所にレーザ
光が集中することによる結晶の損傷を回避することがで
きる。

【００１１】請求項４に係る発明は、請求項３に係る発
明であって、(e)工程に続いて、(f)第１凹面鏡１２でレ
ーザ光を反射して第２全反射鏡１６に入射する工程と、
(g)入射したレーザ光と平行なレーザ光を第２全反射鏡
１６で反射して再び第１凹面鏡１２に戻すように入射す
る工程と、(h) 入射したレーザ光を第１凹面鏡１２から
第１及び第２光路と異なる第３光路で波長変換素子１１
に入射する工程とを含み、(b)工程から(h)工程を少なく
とも１回繰返すレーザ光波長変換方法である。請求項４
に係る発明では、(b)工程から(h)工程を少なくとも１回
繰返すことにより更に変換効率を向上できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる四ほう酸リチ
ウムの単結晶は、ボレート系化合物であり、点群４ｍ
ｍ、空間群Ｉ４₁ｃｄに属する負の一軸性光学結晶であ
り、赤外光領域から紫外光領域まで透明性を示す。位相
整合角度θm＝６５．０°において、タイプＩ(ooe)の位
相整合条件により、５３２ｎｍの可視光から２６６ｎｍ
の紫外光への波長変換が可能である。ここで位相整合角
度θmとは、光軸（ｃ軸）からの角度によって指定さ
れ、波長変換結晶に基本波のレーザ光を入射した場合
に、基本波と第２高調波に対する屈折率が等しく、従っ
て、両波の位相が等しくなるときの角度である。しか
し、この四ほう酸リチウム単結晶は非線形光学定数が
０．１６ｐｍ／Ｖと他の波長変換結晶と比べて小さいこ
とが欠点として挙げられる。一般に波長変換結晶では有
効非線形定数が結晶の方位（θ，φ）に強く依存してい
るため、結晶の光軸と入力ビームの入射方向を含む面と
平行な方向と、結晶の光軸と入力ビームの入射方向を含
む面と垂直な方向では位相整合の角度許容幅が異なる。
ここで角度許容幅とは、位相整合角度から微小角度を降
ったときに波長変換されたレーザ光の出力が正確な位相
整合角度での半波長レーザ光出力の半分になるときの角
度の幅をいう。

【００１３】四ほう酸リチウムの有効非線形定数はｄ₃₁
ｓｉｎθで与えられ、φに依存しないという特徴があ
る。そのためθ軸の方向とφ軸の方向とで位相整合の角
度許容幅が著しく異なる。θ軸方向の角度許容幅は０．
０２９ｄｅｇ・ｃｍであるため、ビーム入射のずれやビ
ーム広がり角をその厳しい角度許容幅の範囲以内に制限
する必要がある。しかし、φ軸方向の角度許容幅は広い
ために事実上無視でき、図３に示すように、位相整合条
件としては位相整合角度θmのみを考慮すればよく、ｃ
軸を回転軸としたφ方向の回転は考慮する必要がないた
め、有限の角度範囲内でビームを入射させることが可能
である。

【００１４】次に本発明のレーザ装置の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１に示すように、本発明のレ
ーザ光波長変換装置１０は、四ほう酸リチウム単結晶か
らなる波長変換素子１１と、第１及び第２凹面鏡１２，
１３と、第１全反射鏡１４と、第２全反射鏡１６とを備
える。

【００１５】四ほう酸リチウム単結晶は図２に示すよう
に、レーザ光入射面がタイプＩ(ooe)の位相整合条件を
満たす面となるように切出されている。図２は図１のＡ
−Ａ線断面図を示す。なお、図１及び図２に示す四ほう
酸リチウム単結晶はその形状を直方体としているが、四
ほう酸リチウム単結晶の端面をブリュースター角度に切
出して、図４に示すようにレーザ光波長変換装置に使用
してもよい。図１に戻って、第１及び第２凹面鏡１２，
１３は波長変換素子１１を挟むように互いに対向しかつ
単結晶中心を対称に設けられる。この第１及び第２凹面
鏡１２，１３は双方が基本波のレーザ光を反射しかつ波
長変換素子１１による基本波の第２高調波のレーザ光を
透過するように構成される。第１全反射鏡１４は第２凹
面鏡１３で反射したレーザ光をこのレーザ光と平行に再
び第２凹面鏡１３に戻すように反射するように構成され
る。第２全反射鏡１６は第１凹面鏡１２で反射したレー
ザ光をこのレーザ光と平行に再び第１凹面鏡１２に戻す
ように反射するように構成される。

【００１６】このように構成された装置では、先ずレー
ザ光源からのレーザ光を第１凹面鏡１２で反射して波長
変換素子１１に第１光路で入射する（(a)工程）。(a)工
程では、レーザ光源より発振されたレーザ光は第１凹面
鏡１２により反射され、図２に示すように、波長変換素
子１１のレーザ光入射面に入射される。本実施の形態で
は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から出力される１０６４
ｎｍの赤外光を波長変換して得られた５３２ｎｍの緑色
可視光をレーザ光源としている。

【００１７】次いで、波長変換素子１１を透過したレー
ザ光を第２凹面鏡１３で反射して第１全反射鏡１４に入
射する（(b)工程）。(b)工程では、波長変換素子１１を
透過したレーザ光のうち、波長変換された第２高調波は
第２凹面鏡１３を透過し、波長変換されなかった基本波
は反射する。第２凹面鏡１３を通過した第２高調波は図
示しない集光手段により束ねられ、各種用途に使用す
る。この第２高調波は２６６ｎｍの紫外光である。次
に、入射したレーザ光と平行なレーザ光を第１全反射鏡
１４で反射して再び第２凹面鏡１３に戻すように入射す
る（(c)工程）。(c)工程では、第２凹面鏡１３を反射し
たレーザ光は第１全反射鏡１４により１８０°偏向さ
れ、入射したレーザ光と平行な光路で再び第２凹面鏡１
３へ反射される。図１では第１全反射鏡１４を一対の４
５°全反射鏡により構成している。

【００１８】入射したレーザ光を第２凹面鏡１３で反射
して第１光路と異なる第２光路で波長変換素子１１に入
射する（(d)工程）。(d)工程では、上記(a)工程で波長
変換素子に入射した第１光路と異なる第２光路で入射す
る。これにより、波長変換素子に入射するレーザ光の集
中を分散できるため、レーザ光による結晶の損傷を低減
することができる。波長変換素子１１を透過したレーザ
光を第１凹面鏡１２に入射する（(e)工程）。(e)工程で
は、波長変換素子１１を透過したレーザ光のうち、波長
変換された第２高調波は第１凹面鏡１２を透過し、波長
変換されなかった基本波は反射する。第１凹面鏡１２を
通過した第２高調波は上記(b)工程で透過した第２高調
波と同様に図示しない集光手段により束ねられ、各種用
途に使用する。

【００１９】第１凹面鏡１２でレーザ光を反射して第２
全反射鏡１６に入射する（(f)工程）。入射したレーザ
光と平行なレーザ光を第２全反射鏡１６で反射して再び
第１凹面鏡１２に戻すように入射する（(g)工程）。(f)
工程及び(g)工程では、第１凹面鏡１２を反射したレー
ザ光は第２全反射鏡１６により上記(c)工程と同様に１
８０°偏向され、入射したレーザ光と平行な光路で再び
第１凹面鏡１２へと戻される。図１では第２全反射鏡１
６を一対の４５°全反射ミラーにより構成している。

【００２０】入射したレーザ光を第１凹面鏡１２から第
１及び第２光路と異なる第３光路で波長変換素子１１に
入射する（(h)工程）。(h)工程では、上記(a)工程及び
(d)工程で波長変換素子に入射した第１光路及び第２光
路と異なる第３光路で入射する。

【００２１】このように上記(b)工程から(h)工程を少な
くとも１回繰返すことにより、レーザ光源より発振され
た基本波のレーザ光を波長変換素子に異なる光路で複数
回に渡って透過させることができるため、更に変換効率
が向上できる。なお、本実施の形態では第１及び第２全
反射鏡１４，１６に４５°全反射ミラーを２枚組合わせ
たものを用いたが、１８０°直角プリズムやコーナキュ
ーブを用いてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、異
なる光路で複数回に渡って基本波のレーザ光を四ほう酸
リチウム単結晶からなる波長変換素子に入射するように
レーザ光波長変換装置を構成したので、波長変換効率を
向上でき、波長変換素子のレーザ光照射の集中による損
傷も低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ光波長変換装置の構成図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】結晶中の位相整合角度の定義を示す概略図。

【図４】本発明のレーザ光波長変換装置の別の構成図。

【符号の説明】

１０レーザ光波長変換装置１１波長変換素子１２第１凹面鏡１３第２凹面鏡１４第１全反射鏡１６第２全反射鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変
換素子(11)と、前記波長変換素子(11)を挟むように互い
に対向しかつ前記単結晶中心を対称に設けられた一対の
第１及び第２凹面鏡(12,13)とを備え、前記第１及び第２凹面鏡(12,13)の双方が基本波のレー
ザ光を反射しかつ前記波長変換素子(11)による前記基本
波の第２高調波のレーザ光を透過するように構成された
レーザ光波長変換装置であって、前記四ほう酸リチウム単結晶のレーザ光入射面がタイプ
Ｉ(ooe)の位相整合条件を満たす面であり、前記第２凹面鏡(13)で反射したレーザ光をこのレーザ光
と平行に再び前記第２凹面鏡(13)に戻すように反射する
第１全反射鏡(14)を備え、前記第１凹面鏡(12)がレーザ光源からのレーザ光を反射
し前記波長変換素子(11)を透過して前記第２凹面鏡(13)
に向うように形成され、前記第２凹面鏡(13)が前記波長変換素子(11)を透過して
きたレーザ光を反射して前記第１全反射鏡(14)に向うよ
うに、かつ前記第１全反射鏡(14)からのレーザ光を反射
し前記波長変換素子(11)を透過して前記第１凹面鏡(12)
に向うように形成され、前記第１凹面鏡(12)で反射して前記波長変換素子(11)に
入射するレーザ光の光路と前記第２凹面鏡(13)で反射し
て前記波長変換素子(11)に入射するレーザ光の光路とが
異なるように構成されたことを特徴とするレーザ光波長
変換装置。
【請求項２】第１凹面鏡(12)で反射したレーザ光をこ
のレーザ光と平行に再び前記第１凹面鏡(12)に戻すよう
に反射する第２全反射鏡(16)を更に備え、前記第１凹面鏡(12)が前記第２全反射鏡(16)からのレー
ザ光を反射し波長変換素子(11)を透過して第２凹面鏡(1
3)に向うように形成された請求項１記載のレーザ光波長
変換装置。
【請求項３】四ほう酸リチウム単結晶からなりレーザ
光入射面がタイプＩ(ooe)の位相整合条件を満たす面で
ある波長変換素子(11)を挟むように互いに対向しかつ前
記単結晶中心を対称に一対の第１及び第２凹面鏡(12,1
3)を設け、前記第１及び第２凹面鏡(12,13)の双方が基本波のレー
ザ光を反射しかつ前記波長変換素子(11)による前記基本
波の第２高調波のレーザ光を透過するレーザ光波長変換
方法であって、 (a) レーザ光源からのレーザ光を前記第１凹面鏡(12)で
反射して前記波長変換素子(11)に第１光路で入射する工
程と、 (b) 前記波長変換素子(11)を透過したレーザ光を前記第
２凹面鏡(13)で反射して第１全反射鏡(14)に入射する工
程と、 (c) 入射したレーザ光と平行なレーザ光を前記第１全反
射鏡(14)で反射して再び前記第２凹面鏡(13)に戻すよう
に入射する工程と、 (d) 入射したレーザ光を前記第２凹面鏡(13)で反射して
前記第１光路と異なる第２光路で前記波長変換素子(11)
に入射する工程と、 (e) 前記波長変換素子(11)を透過したレーザ光を前記第
１凹面鏡(12)に入射する工程とを含むレーザ光波長変換
方法。
【請求項４】前記(e)工程に続いて、 (f) 第１凹面鏡(12)でレーザ光を反射して第２全反射鏡
(16)に入射する工程と、 (g) 入射したレーザ光と平行なレーザ光を前記第２全反
射鏡(16)で反射して再び第１凹面鏡(12)に戻すように入
射する工程と、 (h) 入射したレーザ光を前記第１凹面鏡(12)から第１及
び第２光路と異なる第３光路で波長変換素子(11)に入射
する工程とを含み、 (b)工程から(h)工程を少なくとも１回繰返す請求項３記
載のレーザ光波長変換方法。