JP2002350912A

JP2002350912A - 光波長変換方法及び光波長変換システム

Info

Publication number: JP2002350912A
Application number: JP2001160948A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Sekine; 一郎関根; Hiroyuki Shiraishi; 浩之白石; Hirokazu Kato; 浩和加藤; Genta Masada; 元太政田; Noriko Watanabe; 紀子渡辺
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】非線形光学結晶である単結晶四ホウ酸リチウ
ムＬＢ４を用いて、安定的に高変換効率を達成し、実用
化に耐える全固体紫外レーザー発振器の製作を可能とす
る光波長変換方法及び光波長変換システムを提供する。【解決手段】波長５３２ｎｍのコヒーレント光を発振
するグリーンレーザー発振器１０と、このグリーンレー
ザー発振器１０からの光を入射光として入射するＬＢ４
結晶ボックス２３とを備える。ＬＢ４結晶ボックス２３
には、入射光を変換して２６６ｎｍの出射光を出射させ
る単結晶四ホウ酸リチウムＬＢ４が、位相整合角度を満
足するように配置されていると共に、このＬＢ４結晶を
２００〜６００℃に加熱保持する加熱装置が内蔵されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー発振器に
用いる光波長変換方法及び光波長変換システムに関す
る。更に詳しくは、第２高調波発生素子としての非線形
光学結晶である単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ
₄Ｏ₇、以下「ＬＢ４」という。）に、コヒーレント光を
入射し、これを１／２波長の光に変換して出射する光波
長変換方法、及び光波長変換システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】波長が短いレーザー光は、記録媒体への
データ記録、記録媒体からデータの読みだしの光源とし
て使用した場合に、記録密度を大きくできるという利点
を有している。また材料の加工の用途に使用した場合
に、熱影響が少なく、かつ精密な加工が可能となる利点
を有している。さらに医療用の光源、超ＬＳＩのリソグ
フィ用光源なども短い波長のレーザー光の利用が適して
いる。このように、様々な分野で、波長の短いレーザー
光が求められている。そのため、短い波長のレーザー光
を安定して出射する、小型、軽量、長寿命の光源が要望
されている。

【０００３】しかしながら、従来５００ｎｍ以下の波長
の光を出射する適切な光源が存在しなかった。たとえ
ば、半導体レーザーとしては波長４００ｎｍ程度までの
レーザー光は出射できるものが知られてきたが、出力が
非常に低いという問題がある。短波長大出力レーザーと
しては、エキシマレーザーが知られている。エキシマレ
ーザーは、１９７０年にソビエト連邦のＢａｓｏｖらに
よって、液体キセノン（Ｘｅ）を電子ビームで励起する
方法で初めて実現され、さらに１９７６年に、放電励起
によって発振することにも成功した。放電励起方式のエ
キシマレーザーは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザ
ーで、ＡｒＦ（１９３ｎｍ），ＫｒＦ（２４８ｎｍ），
ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）などの化合物が発する紫外光を
光共振器により増大させ、レーザー光として取り出した
ものである。エキシマレーザーは、高分子材料のアブレ
ーション加工、表面改質、マーキング、薄膜作製、医薬
品の製造、同位体分離などに応用が期待されている。し
かしながら、エキシマレーザーは、例えば繰り返し数百
ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）のパルスレ
ーザーの場合、１０^-2秒毎に１０^-9秒間のパルス光しか
発生せず、インターバルに比べてレーザーの発光時間が
著しく短いことから、応用分野における加工や成膜過程
で問題がある。またエキシマレーザーは、媒質ガスの寿
命が短いこと、レーザー装置の小型化が困難であるこ
と、保守性が悪いこと、運転コストが高いこと、有毒ガ
スを用いること等の問題を有している。このように、現
在、常温で、長時間安定的に、紫外線領域の光を発生す
る半導体レーザーなどの実用化は達成されていない。

【０００４】そこで、第２高調波発生（ＳＨＧ：second
ary harmonic-wave generation）素子などの非線形光学
素子の研究が近年活発化している。ＳＨＧ素子は入射光
の波長の１／２の波長の光を発生するから、たとえば、
赤外線領域のレーザー光から紫外線領域の光を発生する
ことができ、各種応用分野への工業的価値はきわめて大
きい。

【０００５】ＳＨＧ素子のような波長変換素子として用
いられている結晶としては、たとえば、特開平３−６５
５９７号公報に開示されているＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ
₄ ）、特開昭６３−２７９２３１号公報に開示されてい
るＢＢＯ（β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ ）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ
₆Ｏ₁₀）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）が知られている。しか
しながら、ＫＴＰを用いた波長変換素子は、結晶の大型
化が難しいうえ、結晶内部で屈折率が変化する。したが
って一個の結晶から切り出したＫＴＰ素子でも、屈折率
が異なるので位相整合角度が異なるから、高い精度の波
長変換素子を実現することが難しいという不利益を有し
ている。さらに、ＫＴＰは結晶内にいわゆる”巣”が入
りやすいので、高い品質のＫＴＰを大量に提供しにくい
という不利益を有している。また、ＢＢＯ、ＣＬＢＯを
用いた変換素子は、高い変換効率は有するものの、耐湿
性、耐レーザー損傷性、２光子吸収による出力の不安定
化などの問題を抱えている。また、ＬＢＯを用いた変換
素子は、最短のＳＨＧ波長（２倍波）が２７７ｎｍであ
り、波長変換範囲が狭い。そのため、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザーの４倍波（２６６ｎｍ）を発生させることができな
い。また、大型の結晶ができないという欠点もある。

【０００６】そこで、本件出願人は、先に単結晶のＬＢ
４（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）を変換素子として用いた波長変換方
法を提案した（特願平８−２５０５２３号）。この単結
晶ＬＢ４は、広範囲の波長に対して透明度が高く、レー
ザー光による損傷が少ない。また、良質で大型の結晶を
容易に製造できる。また、加工性に優れ、潮解性が小さ
く取り扱い性にも優れている。さらに、寿命も長い。し
たがって、ＬＢ４によれば、長期的に安定して動作し、
長寿命を示し、加工性に富み、小型、軽量、低価格な光
学変換素子とすることができるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】波長変換素子による変
換効率は、主に結晶の非線形光学定数や位相整合の角度
許容幅といった結晶の固有の物性値によって決まるもの
である。ところが、上記単結晶ＬＢ４は、ＢＢＯやＣＬ
ＢＯに比較して、変換効率が低いという欠点を有してい
る。そのため、変換効率の低い単結晶ＬＢ４は、紫外線
領域の光を出射する波長変換素子としては、不適切であ
ると考えられてきた。

【０００８】低い変換効率を改善して、平均出力の高い
出射光を得るために、様々な技術的手法が採用可能であ
る。たとえば、レンズによって入射光を集光させて入射
光のピークパワー密度を高める方法、結晶長を長くする
方法、波長変換結晶を複数個使用する方法、高出力でビ
ーム広がりの小さい高品質なビーム特性を有するレーザ
ー発振器を光源として使用する方法などが、従来から採
用されている。

【０００９】しかしながら、このような技術的手法によ
る変換効率の改善は、以下のように限界があるものであ
った。まず、レンズによって入射光を集光させて入射光
のピークパワー密度を高める方法では、ピークパワー密
度を無制限に高くできるものではなく、入射光によるレ
ーザー損傷を考慮しなければならない。すなわち、波長
変換素子の結晶素子の端面には、通常減反射用の反射防
止膜がコーテイングされているが、この反射防止膜の耐
レーザー損傷性は、一般にそれ程充分なものではなく、
入射光のピークパワー密度が高すぎると損傷してしまう
可能性がある。また、さらに高いピークパワー密度で入
射した場合には、結晶素子自身の誘電破壊を招くおそれ
がある。したがって、入射光のピークパワー密度は、反
射防止膜の特性を含めた波長変換素子全体のレーザー損
傷閾値を考慮して制限せざるを得ない。

【００１０】また、入射光のピークパワー密度向上によ
り高い変換効率が得られた場合でも、非線形光学結晶に
特有の２光子吸収という問題がある。これは、結晶自身
の２光子吸収により、出射光ビームパターンの中心にド
ーナツ状に穴があいた形状となり、出力が極めて不安定
になる現象である。２光子吸収は、出射光のビーム強度
の２乗に比例して強くなるため、特に強度が高いビーム
中心部では、吸収による結晶内部の加熱の影響が大き
く、屈折率が変化して位相整合性が崩れるものと考えら
れる。

【００１１】さらに、レンズによって入射光を集光させ
ると、入射ビームの広がりが増大するため、位相整合の
角度許容範囲を超えてしまい、かえって、変換効率の低
下につながる。

【００１２】また、結晶長を長くする方法では、結晶長
が長くなると位相整合の角度許容幅が狭くなることと、
結晶による吸収が増大することから、一定以上の長さを
越えると、変換効率が次第に飽和していく傾向が見られ
る。また、結晶の長尺化によりウォークオフによってビ
ームパターンに歪みが生じるという問題がある。このよ
うに、結晶長を長くする方法が有効な方法であるとは、
必ずしも言い難い。

【００１３】また、波長変換結晶を複数個使用する方法
は、波長変換されずに結晶内を通過してきたビームを次
の結晶に入射させて、再利用する方法である。この方法
によれば、変換効率を上げるだけでなく、複数個の結晶
によって発生した波長変換光の干渉効果により、出力増
加が期待される。しかし、この方法によると、入射光の
ビーム広がりが大きい場合やビーム径が小さい場合に、
充分な干渉効果が得られないという問題点がある。

【００１４】また、高品質なビーム特性を有するレーザ
ー発振器を光源とする方法であるが、確かに、変換効率
を上げる意味で高出力でビーム広がりの小さいビームを
使用することは理想である。しかしながら、そのような
発振器を低コストで製作することは困難である。

【００１５】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、非線形光学結晶である単結晶四ホウ酸リチウムＬ
Ｂ４を用いて、安定的に高変換効率を達成し、実用化に
耐える全固体紫外レーザー発振器の製作を可能とする光
波長変換方法、及び光波長変換システムを提供すること
を課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、固有の波長λのコヒーレント光を発振するレ
ーザー発振器からの光を入射光として、単結晶四ホウ酸
リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ ₇）に入射させ、１／２λの波長
の光を出射させる光波長変換方法であって、前記単結晶
四ホウ酸リチウムを５０〜６００℃に加熱保持すること
を特徴とする光波長変換方法を提供する。

【００１７】また、本発明は、固有の波長λのコヒーレ
ント光を発振するレーザー発振器と、このレーザー発振
器からの光を入射光として、１／２λの波長の光を出射
させる単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）と、こ
の単結晶四ホウ酸リチウムを５０〜６００℃に加熱保持
する加熱手段とを備えることを特徴とする光波長変換シ
ステムを提供する。

【００１８】上記各発明において、加熱保持の温度は、
１００〜４００℃とすることがより望ましい。また、上
記各発明における入射光の波長の望ましい範囲は１００
０ｎｍ以下であるが、より望ましくは４００〜８００ｎ
ｍ、更に望ましくは４００〜６００ｎｍ、最も望ましく
は４８０〜５４０ｎｍである。また、上記各発明におい
て、前記入射光のビーム広がりは１０ｍｒａｄ以下、よ
り望ましくは０．３〜４ｍｒａｄとすることが望まし
い。また、時間パルス幅は１００ｎｓｅｃ以下、より望
ましくは１×１０^-3〜８０ｎｓｅｃとすることが望まし
い。さらに、ピークパワー密度は、１ＭＷ／ｃｍ²以上
であることが望ましい。

【００１９】以下、本発明の技術的意義を、実験結果を
参照しつつ説明する。本発明者は、まず、非線形光学結
晶であるＬＢ４結晶について、入射光のピークパワー密
度と変換効率との関係を実験により求めた。結果を図１
に示す。実験に用いた入射光の発振器、及びＬＢ４結晶
の条件は、以下のとおりである。まず、入射光の発振器
としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーとＳＨＧ素子としてＬ
ＢＯ結晶とを組み合わせたものを用いた。すなわち、Ｌ
Ｂ４結晶への入射光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーからの近
赤外光（１０６４ｎｍ）の２倍波であるグリーンレーザ
ー（５３２ｎｍ）である。なお、繰り返し周波数５ＫＨ
ｚ以上の入射光を得るための発振器と、繰り返し周波数
１００Ｈｚ以下の入射光を得るための発振器とは、別の
ものを用いた。ピークパワー密度は、入射光の平均出力
を繰り返し周波数、ビーム面積及び時間パルス幅で除し
たものである。そこで、この実験では、ＹＡＧレーザー
に与える励起光のパワーを調整することにより入射光の
平均出力を調整した。また、集光レンズを用いて、ビー
ム径（ビーム面積）を調整した。一方、ＬＢ４結晶は、
結晶長３５ｍｍのもの、又は６０ｍｍのものを用いた。
なお、ＬＢ４結晶の断面積は変換効率に影響を与えない
が、主として断面が１５ｍｍ×１５ｍｍのＬＢ４結晶を
用いた。

【００２０】図１において、符号Ｘ₁（黒塗りの◇）
は、結晶長３５ｍｍ、繰り返し周波数１Ｈｚ、ビーム径
５．５ｍｍのデータである。また、符号Ｘ₁₀（黒塗りの
□）は、結晶長３５ｍｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚ、ビ
ーム径５．５ｍｍ又は１１ｍｍ（ピークパワー密度２０
０ＭＷ／ｃｍ²未満：１１ｍｍ，ピークパワー密度２０
０ＭＷ／ｃｍ²以上：５．５ｍｍ）のデータである。ま
た、符号Ｘ₁₀₀（黒塗りの△）は、結晶長３５ｍｍ、繰
り返し周波数１００Ｈｚ、ビーム径５．５ｍｍ又は１１
ｍｍ（ピークパワー密度１００ＭＷ／ｃｍ²未満：１１
ｍｍ，ピークパワー密度１００ＭＷ／ｃｍ²以上：５．
５ｍｍ）のデータである。また、符号Ｙ₁₀（□）は、結
晶長６０ｍｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚ、ビーム径１１
ｍｍのデータである。また、符号Ｙ₁₀₀（△）は、結晶
長６０ｍｍ、繰り返し周波数１００Ｈｚ、ビーム径１１
ｍｍのデータである。以上のデータを得る際の時間パル
ス幅は３ｎｓｅｃに固定し、平均出力を０〜２６Ｗの範
囲で変化させて、ピークパワー密度を調整した。なお、
ビーム広がりは、ビーム径５．５ｍｍのときが約１ｍｒ
ａｄ、ビーム径１１ｍｍのときが約０．５ｍｒａｄであ
った。

【００２１】また、符号Ｚ₅（黒塗りの○）は、結晶長
３５ｍｍ、繰り返し周波数５ＫＨｚのデータである。こ
のデータを得る際の時間パルス幅は２５ｎｓｅｃに、平
均出力は３０Ｗに固定し、ビーム径を０．４〜１．０ｍ
ｍの範囲で変化させて、ピークパワー密度を調整した。
なお、ビーム広がりは、約数ｍｒａｄ（５ｍｒａｄ以
下）であった。また、符号Ｚ₁₀（◇）は、結晶長３５ｍ
ｍ、繰り返し周波数１０ＫＨｚのデータである。このデ
ータを得る際の時間パルス幅は３０ｎｓｅｃに、平均出
力は３０Ｗに固定し、ビーム径を０．４〜１．０ｍｍの
範囲で変化させて、ピークパワー密度を調整した。な
お、ビーム広がりは、約数ｍｒａｄ（５ｍｒａｄ以下）
であった。

【００２２】一般に、下記式（１）に示すように、入射
光のピークパワーＰが増すほど、変換効率ηが上がるこ
とが知られている。 η＝ａ・ｔａｎｈ²（ｂ・Ｐ^0.5）（１）（但し、ａ及びｂは、主として結晶の種類及び結晶長に
応じて定まる定数）

【００２３】図１のデータＸ₁、Ｘ₁₀、Ｘ₁₀₀に示すよう
に、結晶長３５ｍｍのＬＢ４結晶に同じ発振器からの入
射光を入射させた場合、入射光のピークパワー密度１０
０ＭＷ／ｃｍ²以下のデータは、繰り返し周波数にかか
わらず一致している。そのため、この範囲のデータを見
る限りでは、ピークパワー密度を上昇させるに従い、原
則通り式（１）に従って、符号Ｘ₀で示すカーブをたど
るものと予想される。なお、符号Ｘ₀で示すカーブの
ａ，ｂをこの範囲のデータから求めると、ａ＝３２、ｂ
＝０．０８５である。また、データＺ₅、Ｚ₁₀に示すよ
うに、発振器が異なると同じ結晶長３５ｍｍでも、全ピ
ークパワー密度範囲において、カーブＸ₀とずれが見ら
れる。しかしながら、低いピークパワー密度において、
Ｘ₀と、ほぼ同じ傾きの上昇カーブが得られた。なお、
ずれの原因は、主として、ビーム広がりが大きいためと
考えられる。同様に、データＹ₁₀、Ｙ₁₀₀に示すよう
に、結晶長６０ｍｍのＬＢ４結晶の場合、入射光のピー
クパワー密度５０ＭＷ／ｃｍ²以下のデータは、繰り返
し周波数にかかわらず一致している。そのため、この範
囲のデータを見る限りでは、ピークパワー密度を上昇さ
せても、原則通り式（１）に従って、符号Ｙ₀で示すカ
ーブをたどるものと予想される。なお、符号Ｙ₀で示す
カーブのａ，ｂをこの範囲のデータから求めると、ａ＝
２２、ｂ＝０．１８である。

【００２４】しかしながら、データＸ₁₀、Ｘ₁₀₀、
Ｙ₁₀₀、Ｚ₅及びＺ₁₀に示すように、入射光のピークパワ
ー密度が一定の値を超えると、式（１）で予想される理
想的なカーブＸ₀、Ｙ₀から離れて、かえって変換効率が
低下する現象がこの実験により見出された。また、これ
らのデータより、繰り返し周波数が高くなるほど、変換
効率が低下に転じるピークパワー密度が低いことも明ら
かとなった。また、結晶長が長いほど変換効率が高い傾
向も見られた。

【００２５】本実験においては、以上のように、入射光
のピークパワー密度を変化させたときの変換効率を調べ
る一方、出射光の安定性も観察した。その結果、ちょう
ど変換効率が低下に転じて、式（１）に従うカーブ
Ｘ₀、Ｙ₀からの乖離が生じるあたりから、出射光の出力
が不安定になる２光子吸収の現象が見出された。そし
て、この出射光が不安定になる現象は、変換効率が低下
に転じる以前にはほとんど観察されず、変換効率が低下
に転じた後は、ピークパワー密度を上昇させればさせる
ほど、より顕著に観察されることが見出された。すなわ
ち、本発明者は、レーザー発振器の繰り返し周波数、及
びＬＢ４結晶の結晶長が一定の条件下で、最大の変換効
率を与えるピークパワー密度は、「２光子吸収という出
力を不安定化させる現象を実質上生じさせることなく、
最大限の出射光の出力を与える入射光のピークパワー密
度の最適値」（以下「最適ピークパワー密度」とい
う。）にあたることを見出したものである。

【００２６】このように、入射光のピークパワー密度
は、最適ピークパワー密度とすることが最も望ましい
が、実用上、最適ピークパワー密度を基準とする、一定
範囲のピークパワー密度を採用することができる。すな
わち、入射光のピークパワー密度は、最適ピークパワー
密度以下とすることが望ましい。最適ピークパワー密度
より大きいピークパワー密度とすると、出射光の出力が
不安定化するからである。しかしながら、２光子吸収
は、最適ピークパワーを越えた後徐々に顕著になり、直
ちに重大な影響を与えるわけではないので、最適ピーク
パワー密度の１０倍以下とすれば、実用上差し支えな
い。また、最適ピークパワー密度の２倍以下とすれば、
さらに、出力の不安定化を抑制することができる。ま
た、できるだけ高い出射光のパワーを効率よく得るため
に、最適ピークパワー密度の０．１倍以上とすることが
必要であるが、０．５倍以上とすることが望ましい。な
お、非線形結晶の長寿命化を考慮すると、入射光のピー
クパワー密度を最適ピークパワー密度の０．８倍以下と
することが望ましい。したがって、最も望ましい入射光
のピークパワー密度は、最適ピークパワー密度の０．５
〜０．８倍である。

【００２７】また、最適ピークパワー密度を境として、
変換効率が低下すると共に出力が不安定化する現象は、
波長が短い程、特にいわゆるグリーン光から紫外光に変
換する際に顕著に観察される。したがって、本発明は、
入射光の波長が１０００ｎｍ以下の時に特に有効なもの
であるが、入射光の望ましい波長範囲は、４００〜８０
０ｎｍ、より望ましい波長範囲は４００〜６００ｎｍで
ある。

【００２８】本発明者はさらに検討を進めた結果、ＬＢ
４結晶を５０℃以上に加熱保持することによって、この
最適ピークパワー密度を大きくできることを見出した。
なお、従来から、ＬＢ４以外の非線形光学結晶を４０〜
２００℃程度に加熱保持することが行われている。しか
し、この場合の目的は、湿気から保護するため、あるい
は温度による位相整合を行うためであり、最適ピークパ
ワー密度に与える加熱の影響、特にＬＢ４における加熱
の効果は知られていなかった。本発明のように、ＬＢ４
を加熱することによる効果を、表１及び図２を用いて説
明する。表１は、入射光の平均繰り返し周波数を１０Ｋ
Ｈｚに、ビーム径を０．２５ｍｍに、時間パルス幅を２
８ｎｓｅｃに固定し、入射光の平均出力のみを変化させ
たときの変換効率を調べた結果である。すなわち、入射
光の平均出力は入射光のピークパワー密度に比例してい
る。また、図２は表１に記載したデータを横軸を入射光
の平均出力、縦軸を変換効率としてまとめたグラフであ
る。なお、表及び図中の温度（Ｔｅｍｐ）は、ＬＢ４の
加熱保持温度（ＲＴは室温：約２５℃）を示すものであ
る。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１及び図２から明らかなように、室温条
件においては、入射光の出力が約１４Ｗに対応するピー
クパワー密度が、最適ピークパワー密度となっている。
これに対して、ＬＢ４を６０℃に加熱保持した場合に
は、入射光の出力が約１７Ｗに対応するピークパワー密
度が、最適ピークパワー密度となっている。そして、さ
らに加熱保持温度を高めると、測定範囲内では変換効率
の極大値が観察されず、最適ピークパワー密度がさらに
上昇していることがわかる。

【００３１】このように、加熱によって、屈折率変化を
もたらす２光子吸収による発熱の影響を軽減するだけで
なく、最適ピークパワー密度を上昇させること、すなわ
ち、２光子吸収という出力を不安定化させる現象を実質
的に生じさせることなく、安定に出力を得られる入射光
のピークパワー密度を上昇させることが可能となること
が見出された。

【００３２】この加熱保持による効果は、加熱保持温度
が高温であればあるほど高いが、５０℃以上とすること
が必要である。５０℃から２光子吸収の影響を軽減する
効果が顕著に現れ始めるからである。また、１００℃以
上とすることが望ましい。これにより、２光子吸収によ
る影響が軽減されて変換効率の低下を解消できると共
に、変換効率の低下する現象が消失し、安定に高い出力
を得ることができる。一方、加熱保持温度を６００℃よ
りも高くすることは望ましくない。６００℃よりも高い
温度となると、加熱手段周辺への熱流出を防止するため
の断熱手段が大がかりとなり、実用的でないからであ
る。また、加熱保持温度は４００℃以下とすることが望
ましい。加熱保持温度を４００℃より高くしても、２光
子吸収の影響低減効果が顕著に大きくならず、実用上の
利益が小さいからである。

【００３３】なお、入射光のビーム広がりがＬＢ４結晶
の位相整合条件によって決まる角度許容幅を超えてしま
うと変換効率が低下する。したがって、望ましい入射光
のビーム広がりは１０ｍｒａｄ以下、より望ましい入射
光のビーム広がりは０．３〜４ｍｒａｄである。また、
望ましい時間パルス幅は１００ｎｓｅｃ以下、より望ま
しい時間パルス幅は１×１０^-3〜８０ｎｓｅｃである。
一般に高繰り返しになるほどパルス幅は広がり、パルス
エネルギーも小さくなる。逆に、低繰り返しでは、パル
ス幅を狭くでき、パルスエネルギーを大きくできる。そ
のため、所望のピーク密度が得られる範囲で、上限値が
定まる。さらに、入射光のピークパワー密度は、１ＭＷ
／ｃｍ²以上であることが望ましい。なお、入射光のピ
ークパワー密度は、結晶のバルク損傷（誘電破壊）、あ
るいはコーティング膜、又は結晶端面の損傷が起きない
範囲が上限となる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明するが、本発明は以下の実施形態に限定さ
れるものではない。図３は、本発明に係る光波長変換方
法を採用した紫外レーザー発振器の実施形態を示す構成
図である。図３の紫外レーザー発振器は、グリーンレー
ザー発振器１０と波長変換システム２０とから構成され
ている。グリーンレーザー発振器１０は、Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザーからなる主発振器１１と、主発振器１１から出
射される基本波（１０６４ｎｍ）を、２倍波であるグリ
ーン光（５３２ｎｍ）に変換する変換器１２とから構成
されている。また、波長変換システム２０は、変換器１
２から出射されるグリーン光を、波長変換されずに通過
した基本波から分離するためのセパレータ２１、２２
と、セパレータ２１、２２により分離されたグリーン光
が入射光として入射されるＬＢ４結晶ボックス２３と、
ＬＢ４結晶ボックス２３から出射する出射光を分離する
プリズム２４と、セパレータ２１により分離された基本
波を吸収するためのビームダンパ２５とから構成されて
いる。ここで、ＬＢ４結晶ボックス２３には、単結晶四
ホウ酸リチウムＬＢ４が、位相整合角度を満足するよう
に配置されていると共に、このＬＢ４結晶を６００±１
℃に加熱保持する加熱装置が内蔵されている。

【００３５】本実施形態の紫外レーザー発振器では、Ｌ
Ｂ４結晶ボックス２３により、グリーン光が、その２倍
波、すなわち基本波の４倍波である紫外光（２６６ｎ
ｍ）に変換される。そして、プリズム２４によって、波
長変換された紫外光のみを取り出すことができる。この
とき、ＬＢ４結晶ボックス２３の最適ピークパワー密度
は、加熱をせずに常温のまま用いる場合よりも大きい値
となっている。そして、セパレータ２２からＬＢ４結晶
ボックス２３に入射されるグリーン光のピークパワー密
度は、この最適ピークパワー密度の０．５〜２倍である

【００３６】本実施形態によれば、最適ピークパワー密
度を上昇させると共に、この最適ピークパワー密度以下
であって、最適ピークパワー密度に近いピークパワー密
度の入射光とした。そのため、入射光のピークパワー密
度を高くしても安定な出力を得ることができる。したが
って、単結晶四ホウ酸リチウムＬＢ４を用いて、安定的
に高変換効率を達成し、実用化に耐える全固体紫外レー
ザー発振器とすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の波長変換
方法及び波長変換システムによれば、最適ピークパワー
密度を上昇させることができるので、入射光のピークパ
ワー密度を高くしても安定な出力を得ることができる。
したがって、単結晶四ホウ酸リチウムＬＢ４結晶を用い
て、安定的に高変換効率を達成し、実用化に耐える全固
体紫外レーザー発振器とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】入射光のピークパワー密度と変換効率との
関係を示すグラフである。

【図２】ＬＢ４結晶の加熱温度に応じた、入射光の
平均出力と変換効率との関係を調べた結果を示すグラフ
である。

【図３】本発明の実施形態に係る紫外レーザー発振
器の構成図である。

【符号の説明】

１０…グリーンレーザー発振器、２０…波長変換システ
ム、２３…ＬＢ４結晶ボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤浩和埼玉県さいたま市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者政田元太埼玉県さいたま市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者渡辺紀子埼玉県さいたま市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内Ｆターム(参考） 2K002 AA04 AB12 CA02 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固有の波長λのコヒーレント光を発振
するレーザー発振器からの光を入射光として、単結晶四
ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）に入射させ、１／２λ
の波長の光を出射させる光波長変換方法であって、前記単結晶四ホウ酸リチウムを５０〜６００℃に加熱保
持することを特徴とする光波長変換方法。
【請求項２】前記単結晶四ホウ酸リチウムを１００
〜４００℃に加熱保持することを特徴とする請求項１に
記載の光波長変換方法。
【請求項３】前記入射光の波長が、１０００ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
の光波長変換方法。
【請求項４】前記入射光の波長が、４００〜８００
ｎｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記
載の光波長変換方法。
【請求項５】前記入射光のビーム広がりが１０ｍｒ
ａｄ以下、時間パルス幅が１００ｎｓｅｃ以下、ピーク
パワー密度が１ＭＷ／ｃｍ²以上であることを特徴とす
る請求項１から請求項４の何れかに記載の光波長変換方
法。
【請求項６】固有の波長λのコヒーレント光を発振
するレーザー発振器と、このレーザー発振器からの光を
入射光として、１／２λの波長の光を出射させる単結晶
四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）と、この単結晶四ホ
ウ酸リチウムを５０〜６００℃に加熱保持する加熱手段
とを備えることを特徴とする光波長変換システム。
【請求項７】前記加熱手段が前記単結晶四ホウ酸リ
チウムを１００〜４００℃に加熱保持することを特徴と
する請求項６に記載の光波長変換システム。
【請求項８】前記固有の波長λが１０００ｎｍ以下
であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の
光波長変換システム。
【請求項９】前記固有の波長λが４００〜８００ｎ
ｍであることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載
の光波長変換システム。
【請求項１０】前記入射光のビーム広がりが１０ｍ
ｒａｄ以下、時間パルス幅が１００ｎｓｅｃ以下、ピー
クパワー密度が１ＭＷ／ｃｍ²以上であることを特徴と
する請求項６から請求項１０の何れかに記載の光波長変
換システム。