JP2007298934A - 波長変換方法およびレーザー発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子でレーザービームを波長変換する時の波長変換効率を高めることが可能な波長変換方法を提供する。
【解決手段】レーザー発振器１から放出されたレーザービームを四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子２に入射させて高調波を発生させる際に、前記波長変換素子２への入射ビームとして、位相整合方向のビームサイズを結晶長とウオークオフ角の積以下となるようにタイトに集光されたレーザービームを用いる。これにより、ウオークオフ効果によって入射ビームと出力ビームの結晶内での分離が大きくなり、２光子吸収等による発熱の影響を回避しながら、結晶の長さに比例して増加する波長変換効率が得られるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に紫外（ＵＶ）レーザーを発生させることを目的として、非線形光学結晶から成る波長変換素子でレーザービームを効率良く波長変換するための波長変換方法に関し、特に、非線形光学結晶として四ホウ酸リチウム単結晶を用いた好適な波長変換方法に関する。

従来より、高出力のレーザー光をある種の非線形光学結晶に入射すると、高調波に変換されることが知られており、特に、第２高調波（ＳＨＧ）への変換効率は大きく、現在ＳＨＧレーザーとして実用化されている。
上記非線形光学結晶として、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＣＬＢＯ等が使用されているが、この内、特にＢＢＯ結晶は、広域に亘る大きな非線形感受率を持ち、且つ、耐レーザー損傷性に優れる等の好ましい理由から、現在では、このＢＢＯ結晶を波長変換素子として用い、レーザー発振器（光共振器）と組み合わせて波長変換装置を構成するケースが多い。

このような非線形光学結晶を用いた波長変換装置では、如何にして効率的な波長変換を行うかが大きな課題であり、その為には、優れた位相整合性や高い入力パワー密度の確保が必要とされている。

尚、波長変換素子にＢＢＯ結晶を用いた波長変換装置の一例として、特許文献１が開示されている。
特開平９−３１８９８５号公報

特許文献１は、ウオークオフの大きい非線形光学結晶（ＢＢＯ）中に、デプリーションが無視できないような平均パワーの高い基本波を入力して波長変換を行うものであるが、元来、ＢＢＯ結晶は波長変換効率が高いために、強いパワーのビームを入力すると、結晶の入射面に近い付近で波長変換が起こってしまうこと。加えて、ウオークオフ角度が大きいために出力レーザー強度分布が非対称となり、これにより、高い変換効率を得るために有効とされる結晶の長さが制限される等の問題を有していた。

また、近年、上記した非線形光学結晶以外の波長変換素子として、化学的安定性および耐レーザー損傷性等に優れる四ホウ酸リチウム単結晶が注目されるようになってきている。
この四ホウ酸リチウム単結晶は、他の結晶と比較して非線形光学定数が小さいため、波長変換効率が低いという波長変換素子としての本質的な問題を持っているが、良質の大型結晶を育成することが可能であり、且つ、加工性に優れることから、将来の波長変換素子として有望視されており、今後、波長変換効率を向上する何らかの好適な施策が望まれている。

本発明は、このような要望に鑑み成されたもので、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子でレーザービームを波長変換する時の波長変換効率を高めることが可能な波長変換方法を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、レーザー発振器から発振されたレーザービームを四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子に入射させて高調波を発生させる際に、前記波長変換素子への入射ビームとして、タイトに集光されたレーザービーム、即ち、Ｘ軸方向のビームサイズを波長変換素子の長さとウオークオフ角との積以下に集光されたレーザービームを用いたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の波長変換方法において、前記波長変換素子における位相整合方向をＸ軸方向とし、当該Ｘ軸方向とＣ軸方向の両方向に直交する方向をＹ軸方向とした時に、前記レーザービームにおけるＸ軸方向のビームサイズｄｘとＹ軸方向のビームサイズｄｙの比である楕円率（ｄｘ／ｄｙ）を０．１〜３としたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の波長変換方法において、前記レーザービームの楕円率を変化させるため、各々焦点距離が相違する一対のシリンドリカルレンズで構成されるＸ軸方向のテレスコープと、各々焦点距離が相違する一対のシリンドリカルレンズで構成されるＹ軸方向のテレスコープを使用し、Ｘ軸方向のビームサイズとＹ軸方向のビームサイズを任意形状に整形することを特徴としている。

以上の構成によれば、タイトに集光したビーム（基本波）を入射すると、ウオークオフにより結晶内部において入射光と波長変換光を分離することができ、２光子吸収の発熱による波長変換効率の低下が防止できる。
このため、波長変換素子として波長変換効率の低い四ホウ酸リチウム単結晶を用いても、結晶長さに比例した波長変換効率が得られるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、波長変換素子として用いたＬＢ４結晶は、ＢＢＯ結晶等と比べて波長変換効率が低くいものの、基本波としてタイトに集光したビームを入射することにより、長尺結晶の効果を有効に生かし、その長さに比例して変換効率が増加する安定した波長変換を実現することが可能となる。

本発明は、レーザー発振器から発振されたレーザービームを効率良く波長変換する好適な波長変換方法であり、以下、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
本実施形態では、波長変換素子として波長変換効率の低い四ホウ酸リチウム単結晶（ＬＢ４：Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）を使用し、このＬＢ４結晶に入射される基本波として、入力パワー密度が４００ＭＷ／ｃｍ²などの高入力レベルのグリーンレーザービーム（波長５３２ｎｍ）を使用している。
グリーンレーザー光を波長変換素子に入射させると、その非線形光学過程による波長変換により、第２高調波（２倍波）として波長２６６ｎｍのＵＶレーザー光が得られる。

基本波として、タイトに集光された真円に近いレーザービームを用いるのが好ましいが、本実施形態では、レーザービームの楕円率を０．１〜３の範囲に規定し、この範囲を満足する楕円率のレーザービームを、タイトに集光された円形ビームとして用いている。

ここで、レーザービームの楕円率を０．１〜３としたのは、楕円率０．１以下では、位相整合方向のビーム広がりが大きくなることによって位相整合のロスが大きくなり、一方、楕円率が３を超えると、波長変換結晶内において、ウオークオフ時の入射光と波長変換光の重なりが大きくなり、２光子吸収による発熱のために高出力時、即ち、高入力パワー密度において波長変換効率が低下するためである。

ところで、レーザー発振器から発振されたレーザービームの断面形状は真円ではなく、楕円率が凡そ０．５〜２の楕円形状となる場合が多い。
従って、本実施形態では、レーザー発振器から発振されるレーザービームの断面形状（楕円率）に応じて、ＬＢ４結晶に入射されるレーザービームをレーザー発振器と波長変換素子の間に設置した集光光学系にて所望のビーム形状に整形して使用している。

例えば、発振されたレーザービームの楕円率が１、即ち、真円に近い形状では、球面レンズを用いてビームの縦・横を同時に集光して使用し、レーザービームの楕円率が０．１や３に近い形状では、シリンドリカルレンズを使用してビーム形状の縦横比を適宜調整して使用するようにしている。

図１は、波長変換方法の一実施形態が適用される波長変換装置を示している。 この波長変換装置は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、グリーンレーザービームを発振するレーザー発振器１と、このレーザー発振器１の前方に一直線状に並設されたＸ軸方向のテレスコープ８、Ｙ軸方向のテレスコープ９、および波長変換素子２としてのＬＢ４結晶とを組み合わせて構成されている。

レーザー発振器１の前方（図１（ａ）右方）には、Ｘ軸方向のテレスコープ８が縦向きに設置されている。
このテレスコープ８は、一対のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）４、５が所定の距離（両方のシリンドリカルレンズ４、５の焦点距離を足し合わせた距離）だけ離れて対向した構造であって、一方（レーザー発振器１に近い方）のシリンドリカルレンズ４と他方（レーザー発振器１から離れた方）のシリンドリカルレンズ５では、その焦点距離が相違し、各シリンドリカルレンズ４、５の焦点距離を適宜選定することにより、Ｘ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）を拡大したり縮小したりすることができるようになっている。

例えば、シリンドリカルレンズ５の焦点距離をシリンドリカルレンズ４の焦点距離より小さく設定すれば、図１（ａ）に示すように、テレスコープ８を通過したレーザービームのＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）が各焦点距離で決まる所定の倍率で縮小されることになる。
尚、このレーザービームがＹ軸方向のテレスコープ９を通過しても、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）は変化しないようになっている。

また、テレスコープ８の前方（図１（ｂ）右方）には、Ｙ軸方向のテレスコープ９が横向きに設置されている。このテレスコープ９は、一対のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）６、７が所定の距離（両方のシリンドリカルレンズ６、７の焦点距離を足し合わせた距離）だけ離れて対向した構造を有し、一方（レーザー発振器１に近い方）のシリンドリカルレンズ６と他方（レーザー発振器１から離れた方）のシリンドリカルレンズ７とでは、それぞれ焦点距離が相違しており、上記したＸ軸方向のテレスコープ８の場合と同様に、各シリンドリカルレンズ６、７の焦点距離を適宜選定することにより、Ｙ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）を拡大したり縮小したりすることができる。

例えば、シリンドリカルレンズ７の焦点距離をシリンドリカルレンズ６の焦点距離より大きくすれば、図１（ｂ）に示すように、テレスコープ９を通過したレーザービームのＹ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）が所定の倍率で拡大されることになる。この場合も、Ｘ軸方向のテレスコープ８によってＹ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）が変化することはない。

このように、上記構成の集光光学系を用いることにより、レーザー発振器１から発振されたレーザービームをＬＢ４結晶による効率的な波長変換を行うための最も好ましい条件に調整することができる。

さらに、このＹ軸方向のテレスコープ９の前方（図１（ａ）右方）には、図１（ｃ）に示すように、ＬＢ４結晶からなる波長変換素子２が設置されており、この波長変換素子２の長さ（Ｌ）は、図１（ａ）に示すように、この波長変換素子２に入射するレーザービームのＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）と波長変換素子２のウォークオフ角（ρ）との間で不等式ｄｘ≦ρＬが成り立つように設定されている。

係る条件を満足して、結晶長を長くすると共に、この波長変換素子２にタイトに集光された高入力レベルのレーザービームを入射することにより、結晶の長さに比例して波長変換効率が増加する安定した波長変換装置を得ることができる。

また、ＬＢ４結晶は、従来、主として使用されているＢＢＯ結晶等と相違し、ＣＺ法にて長尺結晶を容易に育成でき、且つ、加工性も良いため、本発明にとって極めて有効な波長変換素子と成り得るのである。

本発明による波長変換方法の効果を確認するため、繰返し周波数が３０ｋＨｚ、出力が３０ＷのＮｄ：ＹＬＦレーザーの２倍波（波長５２３ｎｍのグリーンレーザー）を用い、長さ４０ｍｍのＬＢ４結晶から成る波長変換素子２による波長変換試験を行った。

図２は入力パワー密度に対する波長変換効率を示している。図２において、横軸は入力グリーンレーザーのピークパワー密度、縦軸は波長変換効率である。

レーザービームとして、円形ビーム（イ）：ｄｘ＝０．３４ｍｍ、ｄｙ＝０．２３ｍｍ、および横長の楕円ビーム（ロ）：ｄｘ＝１．５５ｍｍ、ｄｙ＝０．１８ｍｍ、楕円ビーム（ハ）：ｄｘ＝１．５５ｍｍ、ｄｙ＝０．１ｍｍを用いた。 尚、円形ビーム（イ）の楕円率（ｄｘ／ｄｙ）は１．５、楕円ビーム（ロ）の楕円率は８．５、楕円ビーム（ハ）の楕円率は１５．５である。

図２から明らかなように、楕円形ビーム（ロ）、および楕円ビーム（ハ）を入射した場合、パワー密度が概ね１００ＭＷ／ｃｍ²以下の低入力レベル範囲内において高い波長変換効率が得られているが、入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ²以上の高入力レベルになると、波長変換効率が急激に低下してしまうことが分かる。
これに対し、円形ビーム（イ）の場合は、入力パワー密度が４００ＭＷ／ｃｍ²の高入力レベルにおいても波長変換効率が低下することなく、入力パワーの広範囲に亘って高い波長変換効率が得られることが分かる。

これは、以下のような理由によるものと考えられる。
即ち、ＬＢ４結晶は、そのウォークオフ角（ρ）が約２７ｍｒａｄと微小であるため、図１（ａ）に示すように、出射端面２ｂにおけるレーザービームのウォークオフによるズレは、波長変換素子の長さ（Ｌ）とウォークオフ角（ρ）との積（ρＬ）で近似することができる。
既述したように、本発明では、タイトに集光されたビームを用いることにより、レーザービームのＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）がこの積（ρＬ）以下になるようにしているため、波長変換素子２内において、入射光と波長変換光の両光路がウオークオフ効果によって相対的に大きく分離することになり、２光子吸収が起こった時に入射光が発熱の影響を受け難くなっており、その結果、波長変換素子２による波長変換効率が向上したためで、後述するように安定的に高レベルのＵＶレーザー出力を発生させることができるようになる。

これに対し、横長の楕円ビームを用いた場合は、波長変換素子２内において入射光と変換光の両光路の重なりの度合が極めて大きくなることから、２光子吸収が起こった時に入射光が発熱の影響を受け易くなっており、２光子吸収が顕著になる入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ²を超える高入力レベル範囲において、発熱が位相整合性に大きく影響を及ぼすことによる位相整合性の崩れから、図２に示すように、入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ²を越えた時点で波長変換効率が急激に低下し始めたものと考えられる。

尚、図２において、入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ²から１６０ＭＷ／ｃｍ²の範囲において、横長楕円ビーム（ロ）、（ハ）の波長変換効率は円形ビーム（イ）の場合より高いが、これらは何れも２光子吸収による熱の影響を受けているパワー密度範囲であるから、この範囲での波長変換は不安定な状態となっており、従って、当パワー密度範囲において、楕円ビーム（ロ）、（ハ）に比べて波長変換効率は幾分劣るものの、波長変換の安定性においては、円形ビーム（イ）を使用した方が十分勝ると言える。

次に、図３は結晶長に対する変換効率の特性を示している。図３において、横軸はＬＢ４結晶の長さを示し、縦軸は変換効率を示している。
ここで、レーザービームは、上記した波長変換試験の場合と同様、円形ビーム（イ）、および横長の楕円ビーム（ロ）と楕円ビーム（ハ）を用いた。尚、各レーザービーム（イ）〜（ハ）の楕円率は図２の符号のものに対応し、同じ値としている。

図３から明らかなように、楕円ビーム（ロ）、および楕円ビーム（ハ）を入射した場合、結晶長の長さに関係なく変換効率は殆ど増加せず、よって、長尺結晶の効果は得られていないが、円形ビーム（イ）の場合は、結晶長さに比例して高い変換効率が得られていることが分かる。
これは、基本波をタイトに集光することにより、結晶内において入射光と波長変換光が分離されるため、長尺結晶であっても、２光子吸収による熱の影響を受けにくくなっているからであり、これより、本発明では、長尺結晶を使用することが変換効率アップに極めて有効であると言える。

このように、波長変換素子として用いたＬＢ４結晶は、従来のＢＢＯ結晶等と比べて波長変換効率が低く、結晶の単位長さ当たりから発生するＵＶレーザー出力は低いが、既述したように、本発明では、タイトに集光された高入力レベルのレーザービームを入射することにより、長尺結晶の効果を有効に生かして、その長さに比例して波長変換効率が増加する安定した波長変換を実現することができる。

従来、レーザービームの品質を劣化させる要因と考えられてきたウオークオフ効果であるが、本発明では、波長変換効率を増加させるため、位相不整合の要因となる２光子吸収の発熱を入射光路から遠ざける手段として積極的に活用したものである。

本発明に係る波長変換方法の一実施形態が適用される波長変換装置を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は波長変換素子斜視図。 入力グリーンレーザーのピークパワー密度と波長変換効率との関係を示す図。 波長変換素子の結晶長に対する変換効率の関係を示す図。

符号の説明

１ レーザー発振器
２ 波長変換素子（四ホウ酸リチウム単結晶）
４、５、６、７ シリンドリカルレンズ
８ Ｘ軸方向のテレスコープ
９ Ｙ軸方向のテレスコープ

Claims (4)

1. レーザー発振器から発振されたレーザービームを四ホウ酸リチウム単結晶から成る波長変換素子に入射させて高調波を発生させる際に、
   波長変換素子における位相整合方向をＸ軸方向とし、当該Ｘ軸方向とＣ軸方向の両方向に直交する方向をＹ軸方向とした時に、レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを結晶長さとウオークオフ角との積以下に集光したことを特徴とする波長変換方法。
2. 前記波長変換素子における位相整合方向をＸ軸方向とし、当該Ｘ軸方向とＣ軸方向の両方向に直交する方向をＹ軸方向とした時に、前記レーザービームの断面の楕円率（ｄｘ／ｄｙ）を０．１〜３としたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換方法。
3. 前記レーザービームにおいて、各々焦点距離が相違する一対のシリンドリカルレンズで構成されるＸ軸方向のテレスコープと、各々焦点距離が相違する一対のシリンドリカルレンズで構成されるＹ軸方向のテレスコープを使用し、Ｘ軸方向のビームサイズとＹ軸方向のビームサイズを任意形状に整形することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の波長変換方法。
4. 前記請求項１から請求項３に記載された、何れかの波長変換方法を用いたレーザー発振器。

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