JP2023104418A - Nonlinear optical crystal, manufacturing method therefor, wavelength conversion element using the same, and ultraviolet laser device using the same - Google Patents

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吉廣 辻本
Yoshihiro Tsujimoto
一成 山浦
Kazunari Yamaura
ホン ヤン
Hong Yang
能孝 松下
Yoshitaka Matsushita
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Abstract

To provide a nonlinear optical crystal capable of generating light in the deep ultraviolet region, a manufacturing method therefor, a wavelength conversion element using the same, and an ultraviolet laser device using the same.SOLUTION: A nonlinear optical crystal of the present invention comprises at least an Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen, where Ln represents an element selected from a group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M represents germanium (Ge) and/or silicon (Si), and Q represents sulfur (S) and/or selenium (Se), and is a crystal having a crystal structure identical to La3Ga3Ge2S3O10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 令和3年10月8日公開 Angewandte Chemie International Edition,https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202112692Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law is filed Published on October 8, 2021 Angewandte Chemie International Edition, https://onlinelibrary. wiley. com/doi/abs/10.1002/ange. 202112692

本発明は、非線形光学結晶、その製造方法、それを用いた波長変換素子、および、それを用いた紫外レーザ装置に関する。 The present invention relates to a nonlinear optical crystal, a manufacturing method thereof, a wavelength conversion element using the same, and an ultraviolet laser device using the same.

高出力で集光性の高い紫外(UV:ultraviolet)レーザは、高精度な微細加工やアブレィティブ光分解、半導体マスクの検査など、様々な産業・医療の分野で重要な技術である。現在、必要とされている波長300nm以下のレーザ光源は、希ガスのハロゲン化物(XeCl、ArF、KrFなど)を用いたエキシマレーザであるが、これらには様々な欠点がある。例えば、装置の体積が非常に大きい、高電圧でのガス放電、定期的なメンテナンスが必要である。一方、非線形光学(NLO:nonlinear optical)結晶を用いた全固体紫外レーザは小型でメンテナンスフリーのため、エキシマレーザに代わる光源として注目されている。 Ultraviolet (UV) lasers with high output and high convergence are important technologies in various industrial and medical fields such as high-precision microfabrication, ablative photolysis, and inspection of semiconductor masks. Laser light sources with a wavelength of 300 nm or less that are currently required are excimer lasers using halides of rare gases (XeCl, ArF, KrF, etc.), but these have various drawbacks. For example, the volume of the device is very large, gas discharge at high voltage, regular maintenance is required. On the other hand, all-solid-state ultraviolet lasers using nonlinear optical (NLO) crystals are small and maintenance-free, and are attracting attention as light sources to replace excimer lasers.

紫外NLO結晶は、赤外レーザの周波数(Nd:YAGレーザでは1064nm)を非線形光学現象である第二高調波発生(SHG:second harmonic generation)現象により紫外周波数領域のレーザに変換でき、高いレーザビームの品質および出力において重要な役割を果たす。これまでβ-BaB、LiB、CsLiB10に代表されるホウ酸系の紫外NLO結晶が実用化されている(例えば、非特許文献1~3を参照)。 Ultraviolet NLO crystal can convert the frequency of infrared laser (1064 nm for Nd:YAG laser) into laser in the ultraviolet frequency region by the second harmonic generation (SHG) phenomenon, which is a nonlinear optical phenomenon, and emits a high laser beam. plays an important role in the quality and output of So far, boric acid-based ultraviolet NLO crystals typified by β-BaB 2 O 4 , LiB 3 O 5 and CsLiB 6 O 10 have been put into practical use (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 3).

しかしながら、近紫外もしくは深紫外領域において実用化に適した特性をもつ紫外用途のNLO材料を得ることは非常に困難である。紫外用途の非線形光学結晶に要求される条件として、
(i)大きな非線形光学定数(dij>d36(KDP)=0.39pm/V)、
(ii)適度に大きな複屈折(d~0.07-.10@1064nm)、
(iii)幅広い紫外光透過窓または短い吸収端と大きなバンドギャップ、
(iv)化学的・熱的安定性、
(v)大型単結晶育成の容易性
が挙げられる。非特許文献1~3のいずれの結晶も、これらの条件をすべて満足するものではなく、新物質探索が続いている。
However, it is very difficult to obtain NLO materials for UV applications with properties suitable for practical use in the near-UV or deep-UV regions. The requirements for nonlinear optical crystals for ultraviolet applications are:
(i) large nonlinear optical constants (d ij >d 36 (KDP)=0.39 pm/V);
(ii) moderately high birefringence (d n ~0.07-.10 @ 1064 nm);
(iii) a wide UV light transmission window or short absorption edge and large bandgap;
(iv) chemical and thermal stability,
(v) ease of growing large single crystals; None of the crystals in Non-Patent Documents 1 to 3 satisfy all of these conditions, and the search for new substances continues.

C.Chenら,Sci.Sin.B,1985,28,235-243C. Chen et al., Sci. Sin. B, 1985, 28, 235-243 S.Linら,J.App.Phys.,Vol.67,No.2,1990,634-638S. Lin et al. App. Phys. , Vol. 67, No. 2, 1990, 634-638 Y.Moriら,Appl.Phys.Lett.,1995,67,1818-1820Y. Mori et al., Appl. Phys. Lett. , 1995, 67, 1818-1820

以上から、本発明の課題は、深紫外域の光を発生可能な非線形光学結晶、その製造方法、それを用いた波長変換素子、および、それを用いた紫外レーザ装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a nonlinear optical crystal capable of generating light in the deep ultraviolet region, a method for manufacturing the same, a wavelength conversion element using the same, and an ultraviolet laser device using the same.

本発明による非線形光学結晶は、少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含み、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶からなり、これにより上記課題を解決する。
前記LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、六方晶系に属してもよい。
前記LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、P-62cの対称性を有し、格子定数a、bおよびcは、
a=1.01701±0.05nm
b=1.01701±0.05nm
c=0.75198±0.05nm
を満たしてもよい。
前記結晶は、LnGa(ただし、a+b+c+d+e=1である)で表され、パラメータa、b、c、dおよびeは、
0.1≦a≦0.18、
0.1≦b≦0.18、
0.05≦c≦0.13、
0.1≦d≦0.18、および、
0.43≦e≦0.55
を満たしてもよい。
前記パラメータa、b、c、dおよびeは、
0.14≦a≦0.15、
0.14≦b≦0.15、
0.09≦c≦0.10、
0.14≦d≦0.15、および、
0.47≦e≦0.48
を満たしてもよい。
前記ランタノイドは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、および、ルテチウム(Lu)からなる群から少なくとも一種選択されてもよい。
4.6eV以上5.0eV以下の範囲のバンドギャップを有してもよい。
波長1.064μmにおける非線形光学定数d22および-d16は、0.5pm/V以上0.7pm/V以下の範囲を満たしてもよい。
波長1.064μmにおける複屈折は、0.1以上0.15以下の範囲を満たしてもよい。
吸収端は、255nm以下であってもよい。
本発明による上記非線形光学結晶の製造方法は、少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含有する原料混合物を真空封入し、加熱することを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記加熱することは、前記原料混合物をフラックス法により液相成長させることであってもよい。
前記加熱することは、前記原料混合物を800℃以上1000℃以下の温度範囲で加熱してもよい。
本発明による波長変換素子は、上記非線形光学結晶からなり、これにより上記課題を解決する。
本発明による紫外レーザ装置は、基本波光を発するレーザ光出力部と、前記基本波光を、前記基本波光の波長よりも短い波長を有する紫外レーザ光に変換する波長変換部とを備え、前記波長変換部は、少なくとも上記波長変換素子を備え、これにより上記課題を解決する。
The nonlinear optical crystal according to the present invention includes at least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (where Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon (Si), Q is sulfur (S) and / or selenium (Se)) and has the same crystal structure as La3Ga3Ge2S3O10 It consists of crystals, thereby solving the above problems.
A crystal having the same crystal structure as the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 may belong to the hexagonal system.
A crystal having the same crystal structure as said La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 has P-62c symmetry and lattice constants a, b and c are
a=1.01701±0.05 nm
b=1.01701±0.05 nm
c=0.75198±0.05 nm
may be satisfied.
The crystal is represented by LnaGabMcQdOe , where a+ b + c +d+ e =1, and the parameters a, b, c, d and e are :
0.1≦a≦0.18,
0.1≤b≤0.18,
0.05≦c≦0.13,
0.1≦d≦0.18, and
0.43≤e≤0.55
may be satisfied.
Said parameters a, b, c, d and e are
0.14≦a≦0.15,
0.14≦b≦0.15,
0.09≦c≦0.10,
0.14≦d≦0.15, and
0.47≤e≤0.48
may be satisfied.
The lanthanoids include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium. (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).
It may have a bandgap in the range of 4.6 eV or more and 5.0 eV or less.
The nonlinear optical constants d 22 and −d 16 at a wavelength of 1.064 μm may satisfy the range of 0.5 pm/V or more and 0.7 pm/V or less.
The birefringence at a wavelength of 1.064 μm may satisfy the range of 0.1 to 0.15.
The absorption edge may be 255 nm or less.
The method for producing a nonlinear optical crystal according to the present invention includes at least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (wherein Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon (Si), and Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)). , thereby solving the above problem.
The heating may be liquid phase growth of the raw material mixture by a flux method.
The heating may heat the raw material mixture in a temperature range of 800° C. or higher and 1000° C. or lower.
A wavelength conversion element according to the present invention comprises the above nonlinear optical crystal, thereby solving the above problems.
An ultraviolet laser device according to the present invention includes a laser light output unit that emits fundamental wave light, and a wavelength conversion unit that converts the fundamental wave light into ultraviolet laser light having a wavelength shorter than the wavelength of the fundamental wave light. A part includes at least the wavelength conversion element described above, thereby solving the problem described above.

本発明による非線形光学結晶は、少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含み、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶からなる。このような結晶は、大きな非線形光学定数、大きな複屈折、短い吸収端、大きなバンドギャップ、ならびに、化学的・熱的安定性に優れており、非線形光学効果を奏し、第二高調波発生するため、波長変換素子に適用できる。さらに、このような波長変換素子を用いた紫外レーザ装置を提供できる。 The nonlinear optical crystal according to the present invention includes at least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (where Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon (Si ) , Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)) and has the same crystal structure as La3Ga3Ge2S3O10 made of crystals. Such a crystal has a large nonlinear optical constant, large birefringence, a short absorption edge, a large bandgap, and excellent chemical and thermal stability. , can be applied to the wavelength conversion element. Furthermore, it is possible to provide an ultraviolet laser device using such a wavelength conversion element.

本発明の非線形光学結晶の製造方法は、上述の非線形光学結晶を構成する元素を含有する原料混合物を真空中で加熱することによって得られる。特別な技術や装置を不要とするため、有利である。 The method for producing a nonlinear optical crystal of the present invention is obtained by heating in vacuum a raw material mixture containing the elements constituting the nonlinear optical crystal. This is advantageous because it does not require any special technique or equipment.

LaGaGe10で表される結晶のモデルを示す図A diagram showing a model of a crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 LaGaGe10で表される結晶の結晶構造から計算したCuKα線を用いた粉末X線回折を示す図FIG. 2 is a diagram showing powder X-ray diffraction using CuKα rays calculated from the crystal structure of a crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 . 本発明の非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いた紫外レーザ装置を示す模式図Schematic diagram showing an ultraviolet laser device using a wavelength conversion element made of the nonlinear optical crystal of the present invention. 本発明の非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いた別の紫外レーザ装置を示す模式図Schematic diagram showing another ultraviolet laser device using a wavelength conversion element made of the nonlinear optical crystal of the present invention. 例2~例5の試料のXRDパターンを示す図Figures showing the XRD patterns of the samples of Examples 2 to 5 例1の試料のTG曲線およびDTA曲線を示す図TG curve and DTA curve of the sample of Example 1. 例1の試料の拡散・吸収スペクトルを示す図Figure showing the diffusion/absorption spectrum of the sample of Example 1 例1の試料のSHG強度の粒径依存性を示す図FIG. 2 shows the grain size dependence of the SHG intensity of the sample of Example 1. 例6の試料の外観を示す図A diagram showing the appearance of the sample of Example 6 例6の試料のEDXスペクトルを示す図Figure showing the EDX spectrum of the sample of Example 6

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明による非線形光学結晶およびその製造方法について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is given to the same element, and the description is omitted.
(Embodiment 1)
Embodiment 1 describes a nonlinear optical crystal and a method for manufacturing the same according to the present invention.

本発明の非線形光学結晶は、少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含み、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶からなる。このような結晶は、大きな非線形光学定数、大きな複屈折、短い吸収端、大きなバンドギャップ、ならびに、化学的・熱的安定性に優れており、非線形光学効果を示し、波長変換素子に適用できる。 The nonlinear optical crystal of the present invention includes at least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (where Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon (Si), Q is sulfur (S) and / or selenium (Se)) and has the same crystal structure as La3Ga3Ge2S3O10 made of crystals. Such a crystal has a large nonlinear optical constant, a large birefringence, a short absorption edge, a large bandgap, excellent chemical and thermal stability, exhibits a nonlinear optical effect, and can be applied to a wavelength conversion device.

LaGaGe10で示される結晶は、本発明者らが新たに合成し、結晶構造解析により新規結晶であると確認した、本発明より以前において報告されていない結晶である。 The crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 is a crystal that has not been reported before the present invention, which was newly synthesized by the present inventors and confirmed to be a novel crystal by crystal structure analysis. .

図1は、LaGaGe10で表される結晶のモデルを示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a model of a crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 .

例示的なLaGaGe10で示される結晶として、本発明者らが合成したLaGaGe10結晶について行った単結晶構造解析によれば、LaGaGe10結晶は六方晶系に属し、P-62c空間群(International Tables for Crystallographyの190番の空間群)に属し、表1に示す結晶パラメータおよび原子座標位置を占める。 According to the single crystal structure analysis performed on the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal synthesized by the present inventors as an exemplary crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 , La 3 The Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal belongs to the hexagonal crystal system, belongs to the P-62c space group (190th space group of the International Tables for Crystallography), and occupies the crystal parameters and atomic coordinate positions shown in Table 1.

表1において、格子定数a、b、cは単位格子の軸の長さを示し、α、β、γは単位格子の軸間の角度を示す。原子座標は単位格子中の各原子の位置を、単位格子を単位とした0から1の間の値で示す。この結晶中には、La、Ga、Ge、S、Oの原子が存在し、Laは1種類の席La1に存在し、Gaは2種類の席Ga1およびGa2に存在し、Geは2種類の席Ga1およびGa2に存在する解析結果を得た。また、Sは1種類の席S1に存在し、OはO1からO3の3種類の席に存在する解析結果を得た。 In Table 1, the lattice constants a, b, and c indicate the lengths of the unit cell axes, and α, β, and γ indicate the angles between the unit cell axes. Atomic coordinates indicate the position of each atom in a unit cell with a value between 0 and 1 in units of the unit cell. In this crystal, there are atoms of La, Ga, Ge, S, O, La is present in one type of site La1, Ga is present in two types of sites Ga1 and Ga2, and Ge is present in two types. Analytical results were obtained which are present at positions Ga1 and Ga2. Further, an analysis result was obtained that S exists in one type of seat S1, and O exists in three types of seats from O1 to O3.

図1には、LaGaGe10結晶の側面図(a)、上面図(b)、局所配位環境(c)を示す。図1(a)に示されるように、LaGaGe10結晶は、三角柱、ならびに、GaOと(Ga/Ge)Sとからなる孤立ダイマーを有する。 FIG. 1 shows a side view (a), a top view (b), and a local coordination environment (c) of a La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal. As shown in FIG. 1(a), the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal has triangular prisms and lone dimers composed of GaO and (Ga/Ge)S 2 O 2 .

詳細には、Ga原子とGe原子とはワイコフ位置4fと6gに3:2の割合でランダムに分布しており、図1(A)、(B)に示すように、ホモレプティックとヘテロレプティックなGa/Ge配位環境が共存する。 Specifically, Ga atoms and Ge atoms are randomly distributed at Wyckoff positions 4f and 6g at a ratio of 3:2, and as shown in FIGS. A tick Ga/Ge coordination environment coexists.

ホモレプティックな配位環境は、S原子に対してO原子の濃度比が大きく、酸素アニオンだけを配位子とする。O原子濃度が、S原子濃度よりも多いため、大きなバンドギャップを有し得る。また、ホモレプティックな配位環境を有するため、紫外光透過性を向上し得る。 A homoleptic coordination environment has a large concentration ratio of O atoms to S atoms, and oxygen anions are the only ligands. Since the O atom concentration is higher than the S atom concentration, it can have a large bandgap. Moreover, since it has a homoleptic coordination environment, it can improve the ultraviolet light transmittance.

一方、ヘテロレプティックな配位環境は、酸素アニオンと硫黄アニオンとの両方を配位子とする。このような配位環境では、硫黄アニオン由来の分極率だけでなく、局所的な歪みが増大することにより、非線形光学定数および光学異方性が向上し得る。このように、本発明の結晶は、ホモレプティックとヘテロレプティックなGa/Ge配位環境が共存することにより、上述の(i)~(iii)の要件を満たした非線形光学結晶として機能する。 A heteroleptic coordination environment, on the other hand, has both oxygen and sulfur anions as ligands. In such a coordination environment, nonlinear optical constants and optical anisotropy can be improved by increasing local strain as well as polarizability derived from sulfur anions. Thus, the crystal of the present invention functions as a nonlinear optical crystal that satisfies the above requirements (i) to (iii) by coexistence of homoleptic and heteroleptic Ga/Ge coordination environments. .

図1(C)に示すように、ワイコフ位置4fにあるGa原子とGe原子((Ga/Ge)1と称する)は、4つのO原子と四面体配位しており、2つの(Ga/Ge)1O四面体が、孤立ダイマー(Ga/Ge)1を形成する。一方、ワイコフ位置6fにあるGa原子とGe原子((Ga/Ge)2と称する)は、2つのS原子と2つのO原子と四面体配位しており、3つの(Ga/Ge)2S四面体は、2つのO原子と頂点共有し、ab面内に環状構造の(Ga/Ge)2Sを形成する。(Ga/Ge)1O四面体と(Ga/Ge)2S四面体とは、LaS反四角柱によって互いに分離されており、c軸に沿った3つのO原子と面共有している。 As shown in FIG. 1(C), a Ga atom and a Ge atom (referred to as (Ga/Ge)1) at Wyckoff position 4f are tetrahedrally coordinated with four O atoms, and two (Ga/ Ge) 1O4 tetrahedra form lone dimers (Ga/Ge)12O7 . On the other hand, the Ga and Ge atoms at Wyckoff position 6f (referred to as (Ga/Ge)2) are tetrahedrally coordinated with two S and two O atoms, resulting in three (Ga/Ge)S The 2 O 2 tetrahedron shares vertices with two O atoms to form the ring structure (Ga/Ge) 2 S 6 O 3 in the ab plane. The (Ga/Ge) 1O4 and ( Ga/Ge) 2S2O2 tetrahedra are separated from each other by LaS2O6 antisquare prisms and are plane-sharing with three O atoms along the c-axis. are doing.

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、X線回折や中性子線回折により同定することができる。本発明で示すLaGaGe10結晶のX線回折結果と同一の回折を示す物質として、LnGa10で示される結晶がある。ここで、Lnは、Yおよびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、Geおよび/またはSiであり、Qは、Sおよび/またはSeである。ランタノイド元素は、例示的には、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、および、ルテチウム(Lu)からなる群から選択される。当然ながら、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、LaGaGe10結晶そのものも含む。 A crystal having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 can be identified by X-ray diffraction or neutron diffraction. As a substance showing the same X-ray diffraction result as the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal shown in the present invention, there is a crystal shown by Ln 3 Ga 3 M 2 Q 3 O 10 . wherein Ln is an element selected from the group consisting of Y and lanthanides, M is Ge and/or Si, and Q is S and/or Se. Lanthanide elements are illustratively lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Of course, crystals having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 also include La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystals themselves.

さらに、LaGaGe10結晶において構成元素が他の元素と置き換わることにより格子定数や原子位置が変化した結晶がある。ここで、構成元素が他の元素で置き換わるものとは、例えば、LaGaGe10結晶中のLaの一部または全てが、La以外のYおよびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Geの一部または全てがSiで置換したもの、Sの一部または全てがSeで置換したものがある。これらの置換は結晶中の全体の電荷が中性となるように置換される。これらの元素置換の結果、結晶構造が変わらないものは、LaGaGe10結晶である。元素の置換により、非線形光学結晶の非線形特性、化学的安定性、熱的安定性が変化するので、結晶構造が保たれる範囲に置いて、用途に応じて適時選択すると良い。 Furthermore, there are crystals in which lattice constants and atomic positions are changed by replacing constituent elements with other elements in La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystals. Here, the constituent element is replaced with another element, for example, part or all of La in the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal is selected from the group consisting of Y other than La and lanthanoids Some or all of Ge is replaced with Si, and some or all of S is replaced with Se. These substitutions are made so that the overall charge in the crystal is neutral. A La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal has the same crystal structure as a result of these element substitutions. Substitution of elements changes the nonlinear characteristics, chemical stability, and thermal stability of the nonlinear optical crystal, so it is preferable to place them in a range in which the crystal structure is maintained, and to select them appropriately according to the application.

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、その構成成分が他の元素で置き換わることによって格子定数は変化するが、結晶構造と原子が占めるサイトとその座標によって与えられる原子位置は骨格原子間の化学結合が切れるほどには大きく変わることはない。本発明では、X線回折や中性子線回折の結果をP-62cの空間群でリートベルト解析して求めた格子定数および原子座標から計算されたGa-OおよびLa-Oの化学結合の長さ(近接原子間距離)が、表1に示すLaGaGe10結晶の格子定数と原子座標から計算された化学結合の長さと比べて±5%以内の場合は同一の結晶構造と定義してLaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶かどうかの判定を行う。この判定基準は、実験によればLaGaGe10結晶において化学結合の長さが±5%を越えて変化すると化学結合が切れて別の結晶となるためである。 A crystal having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 is given by the crystal structure, the sites occupied by the atoms, and their coordinates, although the lattice constant changes due to the replacement of the constituents with other elements. The atomic positions that are bound do not change so much that the chemical bonds between the backbone atoms are broken. In the present invention, the chemical bond length of Ga-O and La-O calculated from the lattice constant and atomic coordinates obtained by Rietveld analysis of the results of X-ray diffraction and neutron diffraction in the space group of P-62c (distance between adjacent atoms) is within ±5% of the chemical bond length calculated from the lattice constant and atomic coordinates of the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal shown in Table 1, the same crystal It is determined whether or not the crystal has the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 by defining the structure. This criterion is because, according to experiments, if the length of chemical bonds in the La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal changes by more than ±5%, the chemical bonds are broken and the crystal becomes a different crystal.

図2は、LaGaGe10で表される結晶の結晶構造から計算したCuKα線を用いた粉末X線回折を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing powder X-ray diffraction using CuKα rays calculated from the crystal structure of a crystal represented by La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 .

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶の簡便な判定方法として、新たな物質について測定したX線回折結果から計算した格子定数と表1の結晶構造データを用いて計算した回折のピーク位置(2θ)が主要ピークについて一致したときに当該結晶構造が同じものと特定することができる。 As a simple determination method for crystals having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 , the lattice constant calculated from the X-ray diffraction results measured for a new substance and the crystal structure data in Table 1 are used. The same crystal structure can be identified when the calculated diffraction peak positions (2θ) match for the main peaks.

例えば、比較対象となる物質を粉末として得た場合、図2と比較対象となる物質とを比べることにより、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶かどうかの簡易的な判定ができる。LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶の主要ピークとしては、回折強度の強い10本程度で判定すると良い。このような観点から、表1は、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶を特定する上において基準となるもので重要である。 For example, when the substance to be compared is obtained as a powder, it can be easily determined whether the crystal has the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 by comparing the substance to be compared with FIG. can make a definitive judgment. As the main peaks of the crystal having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 , it is preferable to determine about 10 peaks with high diffraction intensity. From this point of view, Table 1 is important as it serves as a reference for identifying crystals having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 .

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、好ましくは、六方晶系に属する。これにより、結晶が安定化するため、大きな非線形光学効果を示し得る。 Crystals having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 preferably belong to the hexagonal system. This stabilizes the crystal and can exhibit a large nonlinear optical effect.

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、好ましくは、P-62cの対称性を有し、格子定数a、bおよびcは、
a=1.01701±0.05nm
b=1.01701±0.05nm
c=0.75198±0.05nm
を満たす。これにより、結晶が安定化するため、大きな非線形光学定数となり、大きな非線形光学効果を示し得る。
Crystals having a crystal structure identical to La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 preferably have a symmetry of P-62c, with lattice constants a, b and c of
a=1.01701±0.05 nm
b=1.01701±0.05 nm
c=0.75198±0.05 nm
meet. This stabilizes the crystal, resulting in a large nonlinear optical constant and a large nonlinear optical effect.

LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、LnGa(ただし、a+b+c+d+e=1であり、M元素およびQ元素は上述したとおりである)で表され、パラメータa、b、c、dおよびeは、好ましくは、
0.1≦a≦0.18、
0.1≦b≦0.18、
0.05≦c≦0.13、
0.1≦d≦0.18、および、
0.43≦e≦0.55
を満たす。このようなパラメータを満たす結晶からなる非線形光学結晶は、上述した結晶が安定化するため、優れた非線形光学効果を示す。
A crystal having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 is Lna Ga b Mc Q d O e (where a + b + c + d + e = 1, and the M and Q elements are as described above). ) and the parameters a, b, c, d and e are preferably
0.1≦a≦0.18,
0.1≤b≤0.18,
0.05≦c≦0.13,
0.1≦d≦0.18, and
0.43≤e≤0.55
meet. A nonlinear optical crystal composed of a crystal that satisfies such parameters exhibits an excellent nonlinear optical effect because the above crystal is stabilized.

特に、パラメータa、b、c、dおよびeが、
0.14≦a≦0.15、
0.14≦b≦0.15、
0.09≦c≦0.10、
0.14≦d≦0.15、および、
0.47≦e≦0.48
を満たす結晶は、結晶構造が安定化し、高い非線形光学効果を示し、大きな非線形光学定数、大きな複屈折有するため好ましい。
In particular, parameters a, b, c, d and e are
0.14≦a≦0.15,
0.14≦b≦0.15,
0.09≦c≦0.10,
0.14≦d≦0.15, and
0.47≤e≤0.48
A crystal that satisfies is preferable because it has a stable crystal structure, exhibits a high nonlinear optical effect, and has a large nonlinear optical constant and a large birefringence.

本発明の非線形光学結晶は、上述したように、ホモレプティックな配位環境と、ヘテロレプティックな配位環境とを有するため、大きな非線形光学定数と位相整合とを維持したまま、紫外光透過性に優れる。 Since the nonlinear optical crystal of the present invention has a homoleptic coordination environment and a heteroleptic coordination environment as described above, it can transmit ultraviolet light while maintaining a large nonlinear optical constant and phase matching. Excellent in nature.

本発明の非線形光学結晶は、組成および元素の選択により、より好ましくは、4.6eV以上5.0eV以下の範囲のバンドギャップを有する。これにより、吸収端が255nm以下となるため、幅広い紫外光透過窓を有するため、深紫外域の光を発生に有利である。吸収端は255nm以下であれば特に制限はないが、220nm以上であってよい。 The nonlinear optical crystal of the present invention more preferably has a bandgap in the range of 4.6 eV or more and 5.0 eV or less by selecting composition and elements. As a result, since the absorption edge is 255 nm or less, it has a wide ultraviolet transmission window, which is advantageous for generating light in the deep ultraviolet region. The absorption edge is not particularly limited as long as it is 255 nm or less, but may be 220 nm or more.

本発明の非線形光学結晶は、より好ましくは、波長1.064μmにおける非線形光学定数d22および-d16は、0.5pm/V以上0.7pm/V以下の範囲を満たす。これらバンドギャップ、吸収端ならびに非線形光学定数を満たす代表的な結晶は、LnがLaであり、MがGeであるLaGaGe10結晶、LnがPrであり、MがGeであるPrGaGe10結晶であり、LnがNdであり、MがGeであるNdGaGe10結晶がある。 The nonlinear optical crystal of the present invention more preferably satisfies the range of 0.5 pm/V or more and 0.7 pm/V or less for nonlinear optical constants d22 and -d16 at a wavelength of 1.064 μm. Typical crystals that satisfy these band gaps, absorption edges and nonlinear optical constants are La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystals in which Ln is La and M is Ge, Ln is Pr and M is Ge. is a Pr 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal where Ln is Nd and M is Ge .

本発明の非線形光学結晶は、β-BaB、LiB等と異なり潮解性を有さないため、取り扱いが容易である。また、少なくとも800℃までの高温においても分解することなく安定であり、上述の(iv)の要件を満たした非線形光学結晶として機能する。 Unlike β-BaB 2 O 4 , LiB 3 O 5 and the like, the nonlinear optical crystal of the present invention does not have deliquescence and is easy to handle. Moreover, it is stable without decomposition even at high temperatures up to at least 800° C., and functions as a nonlinear optical crystal that satisfies the above requirement (iv).

本発明の非線形光学結晶は、多結晶粉末であってもよいし、単結晶であってもよい。多結晶粉末であれば、単結晶を製造するための原料粉末として使用できる。また、単結晶であれば、後述するように、波長変換素子として機能する。 The nonlinear optical crystal of the present invention may be polycrystalline powder or single crystal. A polycrystalline powder can be used as a raw material powder for producing a single crystal. Also, if it is a single crystal, it functions as a wavelength conversion element, as will be described later.

このような本発明の非線形光学結晶の製造方法について説明する。
本発明の非線形光学結晶が多結晶粉末である場合、少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含有する原料混合物を真空封入し、加熱すればよい。
A method for manufacturing such a nonlinear optical crystal of the present invention will be described.
When the nonlinear optical crystal of the present invention is a polycrystalline powder, at least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides). , M is germanium (Ge) and/or silicon (Si), and Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)). .

原料混合物の出発原料として、Lnを含有する単体または化合物(Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素である)、Gaを含有する単体または化合物、Mを含有する単体または化合物(Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)である)、Qを含有する単体または化合物(Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を使用するとよい。 As starting materials for the raw material mixture, an element or compound containing Ln (Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides), an element or compound containing Ga, an element or compound containing M, Compounds (M is germanium (Ge) and/or silicon (Si)), elements or compounds containing Q (Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)) may be used.

Lnを含有する単体は、Lnの金属であってよい。Lnを含有する化合物は、ケイ化物、酸化物、炭酸塩、窒化物、酸窒化物、塩化物、フッ化物、硫化物、セレン化物、および酸フッ化物から選ばれる単体または2種以上の混合物であってよい。 The element containing Ln may be the metal of Ln. The compound containing Ln is a single substance or a mixture of two or more selected from silicides, oxides, carbonates, nitrides, oxynitrides, chlorides, fluorides, sulfides, selenides, and oxyfluorides. It's okay.

Gaを含有する単体は、Ga金属であってよい。Gaを含有する化合物は、ケイ化物、酸化物、炭酸塩、窒化物、酸窒化物、塩化物、フッ化物、硫化物、セレン化物、および酸フッ化物から選ばれる単体または2種以上の混合物であってよい。 The element containing Ga may be Ga metal. The compound containing Ga is a single substance or a mixture of two or more selected from silicides, oxides, carbonates, nitrides, oxynitrides, chlorides, fluorides, sulfides, selenides, and oxyfluorides. It's okay.

Mを含有する単体は、M金属であってよい。Mを含有する化合物は、ケイ化物、酸化物、炭酸塩、窒化物、酸窒化物、塩化物、フッ化物、硫化物、セレン化物、および酸フッ化物から選ばれる単体または2種以上の混合物であってよい。 The element containing M may be an M metal. The compound containing M is a single substance or a mixture of two or more selected from silicides, oxides, carbonates, nitrides, oxynitrides, chlorides, fluorides, sulfides, selenides, and oxyfluorides. It can be.

Qを含有する単体は、Q元素単体であってよい。Qを含有する化合物は、Ln、Ga、あるいは、Mの硫化物および/またはセレン化物であってよい。Lnを含有する化合物、Gaを含有する化合物、Mを含有する化合物として、硫化物あるいはセレン化物を選択した場合には、これらを省略することができる。 A simple substance containing Q may be a simple substance of the Q element. The Q-containing compounds may be Ln, Ga, or M sulfides and/or selenides. When a sulfide or selenide is selected as the Ln-containing compound, the Ga-containing compound, or the M-containing compound, these can be omitted.

なお、原料混合物中の酸素は、化合物として酸素を含有する酸化物、酸窒化物または酸フッ化物を用いることにより取り入れてよい。不純物の抑制の観点から、Lnを含有する化合物は、好ましくは、Lnの酸化物であり、Gaを含有する化合物は、好ましくは、Gaの酸化物であり、Mを含有する化合物は、好ましくは、Mの酸化物であり、QについてはQ元素単体、または、Ln、Ga、およびMの硫化物またはセレン化物である。 Oxygen in the raw material mixture may be introduced by using an oxide, oxynitride, or oxyfluoride containing oxygen as a compound. From the viewpoint of suppressing impurities, the compound containing Ln is preferably an oxide of Ln, the compound containing Ga is preferably an oxide of Ga, and the compound containing M is preferably , M, and for Q, the Q element alone, or the sulfides or selenides of Ln, Ga, and M.

真空封入は、好ましくは、0.001Pa以上100Pa以下の範囲の真空度となるよう行う。これにより、純度のよい非線形光学結晶が得られる。なお好ましくは、真空封入は、1.0Pa以上10Pa以下の範囲の真空度となるよう行う。 Vacuum sealing is preferably carried out so that the degree of vacuum is in the range of 0.001 Pa or more and 100 Pa or less. As a result, a nonlinear optical crystal with good purity is obtained. Preferably, the vacuum sealing is performed so that the degree of vacuum is in the range of 1.0 Pa or more and 10 Pa or less.

原料混合物の加熱の温度は、原料混合物が溶解し、互いに反応すれば特に制限はないが、例示的には、800℃以上1500℃以下の温度範囲である。この範囲であれば、反応が促進し、本発明の非線形光学結晶が得られる。より好ましくは、加熱の温度は、800℃以上1000℃以下の温度範囲である。 The temperature for heating the raw material mixture is not particularly limited as long as the raw material mixture melts and reacts with each other. Within this range, the reaction is promoted and the nonlinear optical crystal of the present invention is obtained. More preferably, the heating temperature is in the temperature range of 800°C or higher and 1000°C or lower.

原料混合物の加熱の時間は、特に制限はないが、例示的には、5時間以上48時間以下の時間であってよい。この範囲であれば、反応が進む。好ましくは、18時間以上30時間以下の時間である。 The heating time of the raw material mixture is not particularly limited, but may be, for example, 5 hours or more and 48 hours or less. Within this range, the reaction proceeds. Preferably, the time is 18 hours or more and 30 hours or less.

本発明の非線形光学結晶が単結晶である場合、上述の原料混合物を真空封入し、加熱する際に、フラックス法による液相成長を採用すればよい。フラックスとしては、ハロゲン化金属塩を使用できる。このようなハロゲン化金属塩は、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属のハロゲン化物、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属のハロゲン化物がある。ハロゲン化物としては、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物等挙げられるが、塩化物が好ましい。 When the nonlinear optical crystal of the present invention is a single crystal, liquid phase growth by a flux method may be employed when the above raw material mixture is sealed in a vacuum and heated. A metal halide salt can be used as the flux. Such metal halide salts include alkali metal halides such as lithium, sodium and potassium, and alkaline earth metal halides such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium. Halides include fluorides, chlorides, bromides, iodides and the like, with chlorides being preferred.

単結晶を製造する場合も、真空封入の真空度、加熱の温度、加熱時間は、上述した条件を採用できる。また、加熱時の昇温速度は、1℃/分以上10分以下の温度範囲を採用できる。加熱後、450℃以上650℃以下の温度範囲まで0.01℃/分以上5℃/分以下の範囲の降温速度で徐冷することが好ましい。これにより、単結晶の成長が促進し得る。このように、既存のフラックス法を採用することによりブロック状の単結晶を育成できるので、大型化も可能であり、上述の(v)の要件を満たし得る。 Also in the case of manufacturing a single crystal, the above-described conditions can be adopted for the vacuum degree of vacuum sealing, the heating temperature, and the heating time. Moreover, a temperature range of 1° C./minute or more and 10 minutes or less can be adopted as the temperature increase rate during heating. After heating, it is preferable to slowly cool down to a temperature range of 450° C. or higher and 650° C. or lower at a temperature drop rate in the range of 0.01° C./min or higher and 5° C./min or lower. This can promote the growth of single crystals. In this way, since block-shaped single crystals can be grown by adopting the existing flux method, it is possible to increase the size and satisfy the above requirement (v).

(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1で説明した非線形光学結晶を用いた紫外レーザ装置について説明する。
本発明の紫外レーザ装置は、基本波光を発するレーザ光出力部と、レーザ光出力部からの基本波光を、基本波光の波長よりも短い波長を有する紫外レーザ光に変換する波長変換部とを備える。この波長変換部は、少なくとも実施の形態1で説明した非線形光学結晶からなる波長変換素子を備える。レーザ光出力部は、可視光から赤外光の波長を有するレーザ光を発するものであれば特に制限はなく、このようなレーザ光出力部は、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、ファイバレーザ等周知の光源を使用できる。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 describes an ultraviolet laser device using the nonlinear optical crystal described in Embodiment 1. FIG.
An ultraviolet laser device of the present invention includes a laser light output section that emits fundamental wave light, and a wavelength conversion section that converts the fundamental wave light from the laser light output section into ultraviolet laser light having a wavelength shorter than the wavelength of the fundamental wave light. . This wavelength conversion section includes at least a wavelength conversion element made of the nonlinear optical crystal described in the first embodiment. The laser light output unit is not particularly limited as long as it emits laser light having a wavelength from visible light to infrared light. of light sources can be used.

図3は、本発明の非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いた紫外レーザ装置を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an ultraviolet laser device using a wavelength conversion element made of the nonlinear optical crystal of the present invention.

図3では、波長1064nmのレーザ光から波長266nmの紫外光を発する紫外レーザ装置を説明する。紫外レーザ装置300において、レーザ光出力部310は、波長1064nmを有するレーザ光(基本波光)を出力するNd:YAGレーザ311を備える。 FIG. 3 illustrates an ultraviolet laser device that emits ultraviolet light with a wavelength of 266 nm from laser light with a wavelength of 1064 nm. In the ultraviolet laser device 300, the laser light output unit 310 includes an Nd:YAG laser 311 that outputs laser light (fundamental wave light) having a wavelength of 1064 nm.

波長変換部320は、実施の形態1で説明した非線形光学結晶からなる波長変換素子321、322を備える。非線形光学結晶は、実施の形態1で説明した非線形光学結晶の単結晶体であるため説明を省略する。ここでは、簡単のため、波長変換素子321、322がいずれも実施の形態1で説明した非線形光学結晶からなる場合を説明するが、いずれか一方に本発明の非線形光学結晶を用い、一方に、例えば、非特許文献1~3に代表されるβ-BaB、LiB、CsLiB10に代表されるホウ酸系の紫外NLO結晶を用いてもよい。 The wavelength conversion section 320 includes wavelength conversion elements 321 and 322 made of the nonlinear optical crystal described in the first embodiment. Since the nonlinear optical crystal is the single crystal of the nonlinear optical crystal described in the first embodiment, the description thereof is omitted. Here, for the sake of simplicity, the case where both the wavelength conversion elements 321 and 322 are made of the nonlinear optical crystal described in Embodiment 1 will be described. For example, boric acid-based ultraviolet NLO crystals typified by β-BaB 2 O 4 , LiB 3 O 5 , and CsLiB 6 O 10 typified by Non-Patent Documents 1 to 3 may be used.

レーザ光出力部310が発するレーザ光(基本波光)は、波長変換部320の波長変換素子321に入射する。図3では、基本波を増幅する光増幅器を介して波長変換部320に入射するように構成される。例えば、このような光増幅器には、この波長帯域で高い利得を有するイッテルビウム(Yb)ドープファイバ光増幅器を使用できる。 The laser light (fundamental wave light) emitted by the laser light output section 310 enters the wavelength conversion element 321 of the wavelength conversion section 320 . In FIG. 3, the fundamental wave is configured to enter the wavelength converter 320 via an optical amplifier that amplifies the fundamental wave. For example, such optical amplifiers can be ytterbium (Yb) doped fiber optical amplifiers, which have high gain in this wavelength band.

波長変換部320は、波長変換素子321および波長変換素子322を備え、波長変換素子321は、基本波の波長λ1=1064nm(角周波数ω)をλ1/2=532nm(角周波数2ω)に波長変換し、第二高調波発生し、波長変換素子322は、λ1/2=532nmをλ1/4=266nm(角周波数4ω)に波長変換し、第四高調波発生する。このようにして、紫外レーザ装置300は、波長266nmの高出力の紫外光(紫外レーザ光)を出力できる。 The wavelength conversion unit 320 includes a wavelength conversion element 321 and a wavelength conversion element 322. The wavelength conversion element 321 converts the wavelength λ1=1064 nm (angular frequency ω) of the fundamental wave to λ1/2=532 nm (angular frequency 2ω). The wavelength conversion element 322 converts λ1/2=532 nm into λ1/4=266 nm (angular frequency 4ω) to generate the fourth harmonic. Thus, the ultraviolet laser device 300 can output high-output ultraviolet light (ultraviolet laser light) with a wavelength of 266 nm.

なお、図3では、波長変換素子321と波長変換素子322との間に波長板を示すが、必須ではない。波長板を用いることにより、波長変換素子321で波長変換された第二高調波光の偏光面と、波長変換素子321で波長変換されず残存する基本波の偏光面とを同一面にできるので、波長変換素子322における変換効率を向上させることができる。 Although a wave plate is shown between the wavelength conversion element 321 and the wavelength conversion element 322 in FIG. 3, it is not essential. By using the wave plate, the plane of polarization of the second harmonic light wavelength-converted by the wavelength conversion element 321 and the plane of polarization of the fundamental wave remaining without being wavelength-converted by the wavelength conversion element 321 can be made the same plane. Conversion efficiency in the conversion element 322 can be improved.

波長変換部320の後段に波長変換素子322で波長変換された第四高調波(すなわち紫外光)と、残存する基本波および第二高調波とを、プリズム、ダイクロイックミラー、ビームスプリッタ等の光学素子(図示せず)を用いて分離してもよい。当然ながら、上述のレーザ光の光路上に必要に応じて集光レンズ等の光学レンズなどを用いた光学的な調整を行ってもよい。 After the wavelength conversion unit 320, the fourth harmonic (i.e., ultraviolet light) wavelength-converted by the wavelength conversion element 322 and the remaining fundamental and second harmonics are converted into optical elements such as prisms, dichroic mirrors, and beam splitters. (not shown) may be used to separate. Of course, optical adjustment using an optical lens such as a condensing lens may be performed on the optical path of the laser light as required.

図4は、本発明の非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いた別の紫外レーザ装置を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing another ultraviolet laser device using a wavelength conversion element made of the nonlinear optical crystal of the present invention.

図4では、1064nmのレーザ光から193nmの深紫外光を発する紫外レーザ装置を説明する。紫外レーザ装置400では、レーザ光出力部410が、波長1064nmを有するレーザ光(基本波光)を出力するNd:YAGレーザ311に加えて、波長704nmを有するレーザ光を出力するTi:サファイアレーザ422を備える。 FIG. 4 illustrates an ultraviolet laser device that emits deep ultraviolet light of 193 nm from laser light of 1064 nm. In the ultraviolet laser device 400, the laser light output unit 410 includes an Nd:YAG laser 311 that outputs laser light (fundamental wave light) having a wavelength of 1064 nm, and a Ti: sapphire laser 422 that outputs laser light having a wavelength of 704 nm. Prepare.

波長変換部420は、実施の形態1で説明した非線形光学結晶からなる波長変換素子321、322に加えて、β-BaBからなる波長変換素子421を備える。 The wavelength conversion section 420 includes a wavelength conversion element 421 made of β-BaB 2 O 4 in addition to the wavelength conversion elements 321 and 322 made of the nonlinear optical crystal described in the first embodiment.

波長変換部420は、図3と同様に、波長変換素子321は、基本波の波長λ1=1064nm(角周波数ω)をλ1/2=532nm(角周波数2ω)に波長変換し、第二高調波発生し、波長変換素子322は、λ1/2=532nmをλ1/4=266nm(角周波数4ω)に波長変換し、第四高調波発生する。ここで、波長変換素子321からの第二高調波は、ビームスプリッタなどの光学素子によって分割されて、Ti:サファイアレーザ411を励起し、波長704nmのレーザ光を励起する。 3, the wavelength conversion element 321 converts the wavelength λ1=1064 nm (angular frequency ω) of the fundamental wave to λ1/2=532 nm (angular frequency 2ω), and converts the second harmonic wave The wavelength conversion element 322 wavelength-converts λ1/2=532 nm into λ1/4=266 nm (angular frequency 4ω) to generate the fourth harmonic. Here, the second harmonic wave from the wavelength conversion element 321 is split by an optical element such as a beam splitter to excite a Ti:sapphire laser 411 to excite laser light with a wavelength of 704 nm.

Ti:サファイアレーザ411からのレーザ光と、波長変換素子322からの第四高調波(波長266nmを有する光)とは、波長変換素子421に入射する。波長変換素子421は、β-BaBからなるため、704nmのレーザ光と波長266nmの第四高調波とから和周波発生し、波長193nmを有する光に変換される。このようにして、紫外レーザ装置400は、波長193nmの高出力の深紫外光(紫外レーザ光)を出力できる。 The laser light from the Ti:sapphire laser 411 and the fourth harmonic (light having a wavelength of 266 nm) from the wavelength conversion element 322 enter the wavelength conversion element 421 . Since the wavelength conversion element 421 is made of β-BaB 2 O 4 , the laser light of 704 nm and the fourth harmonic wave of 266 nm are sum-frequency generated and converted into light having a wavelength of 193 nm. Thus, the ultraviolet laser device 400 can output high-output deep ultraviolet light (ultraviolet laser light) with a wavelength of 193 nm.

なお、図3、図4に示す紫外レーザ装置は例示に過ぎず、レーザ光出力部における波長として1.5μm帯を用いた場合には、本発明の非線形光学結晶を用いた波長変換素子を備える波長変換部を、第二高調波、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振など実現可能な波長変換素子と適宜組み合わせてもよく、このような改変は当業者であれば理解する。 The ultraviolet laser device shown in FIGS. 3 and 4 is merely an example, and when a 1.5 μm band is used as the wavelength at the laser light output section, a wavelength conversion element using the nonlinear optical crystal of the present invention is provided. The wavelength conversion section may be appropriately combined with a wavelength conversion element capable of second harmonic generation, sum frequency generation, difference frequency generation, parametric oscillation, or the like, and such modifications will be understood by those skilled in the art.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[合成に使用した原料]
合成に使用した原料粉末は、硫化ランタン粉末(La、Alfa Aesar製、純度99%)、酸化ランタン粉末(La、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)、酸化ガリウム粉末(Ga、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)、酸化ゲルマニウム粉末(GeO、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)、ゲルマニウム粉末(株式会社高純度化学製、99.99%)、硫黄粉末(株式会社高純度化学製、99.99%)、酸化セリウム粉末(Ce、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)、酸化プラセオジウム粉末(Pr11、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)、酸化ネオジウム粉末(Nd、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)であった。これらの原料粉末は、アルゴン充填したグローブボックス内にて保管された。
[Raw materials used for synthesis]
The raw material powders used in the synthesis are lanthanum sulfide powder ( La2S3 , manufactured by Alfa Aesar, purity 99%), lanthanum oxide powder ( La2O3 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%), and gallium oxide. Powder (Ga 2 O 3 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%), germanium oxide powder (GeO 2 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%), germanium powder (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.99%), sulfur powder (Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.99%), cerium oxide powder (Ce 2 O 3 , Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%), praseodymium oxide powder (Pr 6 O 11 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%), and neodymium oxide powder (Nd 2 O 3 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%). These raw material powders were stored in an argon-filled glove box.

フラックスとして、塩化バリウム(BaCl、株式会社レアメタリック製、純度99.9%)および塩化ナトリウム(NaCl、株式会社レアメタリック製、純度99.99%)を用いた。これらの塩化物は、使用前に、ドライオーブンにて260℃で一昼夜加熱された。 Barium chloride (BaCl 2 , manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.9%) and sodium chloride (NaCl, manufactured by Rare Metallic Co., Ltd., purity 99.99%) were used as fluxes. These chlorides were heated overnight at 260° C. in a dry oven before use.

[例1~例5:多結晶粉末]
例1~例5では、本発明の非線形光学結晶の多結晶粉末を合成した。表2に示す設計組成となるように原料粉末を秤量した。秤量した原料粉末をめのう乳鉢と乳棒とで十分に混合し、ペレット成型した。これを石英管に配置し、真空度(1Pa)まで真空引きし、石英管を封しした。真空封入した石英管を石英管炉に配置し、表2の条件で焼成した。
[Examples 1 to 5: Polycrystalline powder]
In Examples 1 to 5, polycrystalline powders of the nonlinear optical crystal of the present invention were synthesized. Raw material powders were weighed so as to have the design composition shown in Table 2. The weighed raw material powders were thoroughly mixed with an agate mortar and pestle to form pellets. This was placed in a quartz tube, evacuated to a degree of vacuum (1 Pa), and the quartz tube was sealed. The vacuum-sealed quartz tube was placed in a quartz tube furnace and fired under the conditions shown in Table 2.

得られた例1の試料について、放射光X線回折(SXRD)測定を行った。測定には、SPring-8のNIMS BL15XUビームラインに搭載された一次元検出器を用い、室温(25℃)で測定した。放射光X線を波長0.65298Åに単色化し、ガラスキャピラリ管(内径0.2mm)に試料を装填した。回折データは、2~60°の範囲について0.003°刻みで収集され、RIETAN-FPプログラムを用いたリートベルト法による解析を行った。結果は、図2および表1に示すとおりであった。このことから、例1の試料は、六方晶系に属し、空間群P-62c(International Tables for Crystallographyの190番の空間群)に属するLaGaGe10結晶であることが分かった。 Synchrotron radiation X-ray diffraction (SXRD) measurement was performed on the obtained sample of Example 1. The measurement was carried out at room temperature (25° C.) using a one-dimensional detector mounted on the NIMS BL15XU beamline at SPring-8. A synchrotron radiation X-ray was monochromatized to a wavelength of 0.65298 Å, and a sample was loaded into a glass capillary tube (inner diameter 0.2 mm). Diffraction data were collected in steps of 0.003° over the range 2-60° and analyzed by the Rietveld method using the RIETAN-FP program. The results were as shown in FIG. 2 and Table 1. From this, it can be concluded that the sample of Example 1 is a La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystal that belongs to the hexagonal system and belongs to the space group P-62c (the 190th space group of the International Tables for Crystallography). Do you get it.

得られた例2~例5の試料について、メノウ乳鉢を用いて粉砕し、CuのKα線を用いた粉末X線回折測定(株式会社リガク製、MiniFlex-600回折系を使用)を行った。結果を図5および表3に示す。 The obtained samples of Examples 2 to 5 were pulverized using an agate mortar and subjected to powder X-ray diffraction measurement using the Kα line of Cu (MiniFlex-600 diffraction system manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used). The results are shown in FIG. 5 and Table 3.

得られた例1~例5の試料の熱的安定性を調べるため、熱分析装置(株式会社リガク製、TG-DTA8122システム)を用い、熱重量分析(TGA)を行った。アルミナるつぼに試料を充填し、酸素フロー(1.0L/分)をしながら、昇温速度10℃/分で1000℃まで試料を加熱し、降温速度10℃/分で室温まで冷却した際の質量変化を調べた。結果を図6に示す。 In order to examine the thermal stability of the obtained samples of Examples 1 to 5, thermogravimetric analysis (TGA) was performed using a thermal analysis apparatus (TG-DTA8122 system manufactured by Rigaku Corporation). Fill the sample in an alumina crucible, heat the sample to 1000 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min while oxygen flow (1.0 L / min), and cool to room temperature at a temperature decrease rate of 10 ° C. / min. Mass change was investigated. The results are shown in FIG.

得られた例1~例5の試料の反射特性を調べるため、積分球を搭載した紫外可視分光高度計(株式会社島津製作所製、UV-2600)を用いて、拡散反射モードにて、波長220nm~1200nmの範囲のUV-vis-NIRスペクトルを測定した。紫外光源には重水素ランプを、可視近赤外光源にはハロゲンランプを使用した。記録された反射率スペクトルは、Kubelka-Munk関数により吸収データに変換された。結果を図7に示す。スペクトルから吸収端およびバンドギャップを求めた。結果を表3に示す。 In order to examine the reflection characteristics of the samples obtained in Examples 1 to 5, an ultraviolet-visible spectrophotometer equipped with an integrating sphere (manufactured by Shimadzu Corporation, UV-2600) was used in the diffuse reflection mode at wavelengths from 220 nm. UV-vis-NIR spectra in the range of 1200 nm were measured. A deuterium lamp was used as the ultraviolet light source, and a halogen lamp was used as the visible and near-infrared light source. The recorded reflectance spectra were converted to absorption data by the Kubelka-Munk function. The results are shown in FIG. The absorption edge and bandgap were obtained from the spectrum. Table 3 shows the results.

Kurtz-Perry法により、QスイッチNd:YAGレーザからのレーザ光(λ=1064nm)を用い、例1~例5の試料の第二高調波発生(SHG)を調べた。例1~例5の試料を粉砕し、粒径範囲(38μm~55μm、55μm~88μm、88μm~105μm、105μm~155μm、155μm~200μm)にふるい分けした。ベンチマーク材料としてKHPO(KDP)使用した。結果を図8に示す。 The samples of Examples 1-5 were investigated for second harmonic generation (SHG) by the Kurtz-Perry method using laser light (λ=1064 nm) from a Q-switched Nd:YAG laser. Samples of Examples 1-5 were ground and sieved to particle size ranges (38-55 μm, 55-88 μm, 88-105 μm, 105-155 μm, 155-200 μm). KH 2 PO 4 (KDP) was used as a benchmark material. The results are shown in FIG.

また、非線形光学定数および複屈折を算出した。算出には、まず電子構造をGGA(Generalized Gradient Approximation)-PBE(Perdew―Burke-Emzerhof)法(J.P.Perdewら,Phys.Rev.Lett.1996,77,3865)を用いた第一原理計算で得てから行った。第一原理計算はパッケージプログラムとして、CASTEP(CAmbridge Serial Total Enegy Package)ソフトウェア(S.J.Clarkら,Z.Kristallogr.,2005,220,567)をインストールしたコンピュータで行った。得られた電子構造をもとに、複屈折は誘電関数の実部から算出、非線形光学定数はLength-gauge formalism(C.Aversaら,Phys.Rev.B 1995,52,14636)を用いて算出した。結果を表3に示す。 Also, the nonlinear optical constant and birefringence were calculated. For the calculation, the electronic structure was first subjected to GGA (Generalized Gradient Approximation)-PBE (Perdew-Burke-Emzerhof) method (JP Perdew et al., Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865). I got it by calculation and went. The first-principles calculation was performed on a computer installed with CASTEP (CAmbridge Serial Total Energy Package) software (SJ Clark et al., Z. Kristallogr., 2005, 220, 567) as a package program. Based on the obtained electronic structure, the birefringence is calculated from the real part of the dielectric function, and the nonlinear optical constant is calculated using Length-gauge formalism (C. Aversa et al., Phys. Rev. B 1995, 52, 14636). bottom. Table 3 shows the results.

以上の結果をまとめて説明する。
図5は、例2~例5の試料のXRDパターンを示す図である。
The above results will be summarized and explained.
FIG. 5 shows the XRD patterns of the samples of Examples 2-5.

いずれのXRDパターンも、図2に示すXRDパターンに一致することが分かった。このことから、例2の試料は、LaGaGe10結晶であり、例3~例5の試料は、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶を主成分とすることが分かった。主成分とする量は、不純物のピークを考慮すると、80質量%以上であった。 Both XRD patterns were found to match the XRD pattern shown in FIG. Thus, the sample of Example 2 is La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystals, and the samples of Examples 3-5 have the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 . It was found that the main component was crystals. Considering the impurity peak, the amount of the main component was 80% by mass or more.

図6は、例1の試料のTG曲線およびDTA曲線を示す図である。 6 shows the TG and DTA curves of the sample of Example 1. FIG.

例1のTG曲線は、800℃まで変化しなかったが、さらに1200℃まで加熱すると、約880℃の小さなステップを経て950℃で約3.5%の急激な重量増加を示した。これらの挙動は、TG測定後のX線回折分析(図示せず)で確認したところ、酸硫化物相の分解に起因することが分かった。例2~例5のTG曲線も同様の挙動を示したことから、例1~例5の試料は、少なくとも800℃までの高温においても分解することなく熱安定性に優れることが示された。 The TG curve of Example 1 did not change up to 800°C, but upon further heating to 1200°C showed a sharp weight gain of about 3.5% at 950°C via a small step of about 880°C. These behaviors were confirmed by X-ray diffraction analysis (not shown) after TG measurement, and found to be caused by decomposition of the oxysulfide phase. Since the TG curves of Examples 2 to 5 showed similar behavior, it was shown that the samples of Examples 1 to 5 have excellent thermal stability without decomposition even at high temperatures up to at least 800°C.

図7は、例1の試料の拡散・吸収スペクトルを示す図である。 7 is a diagram showing the diffusion/absorption spectrum of the sample of Example 1. FIG.

図7によれば、例1の試料の吸収端は250nmであり、バンドギャップは4.7eVであった。表3に示すように、例3~例5の試料の吸収端も330nm以下であり、3.5eVより大きなバンドギャップを有した。特に、組成を調整することにより、本発明の結晶は、4.6eV以上5.0eV以下の大きなバンドギャップを有することを確認した。 According to FIG. 7, the absorption edge of the sample of Example 1 was 250 nm and the bandgap was 4.7 eV. As shown in Table 3, the absorption edges of the samples of Examples 3-5 were also below 330 nm and had bandgaps greater than 3.5 eV. In particular, it was confirmed that the crystal of the present invention has a large bandgap of 4.6 eV or more and 5.0 eV or less by adjusting the composition.

図8は、例1の試料のSHG強度の粒径依存性を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing the particle size dependence of the SHG intensity of the sample of Example 1. FIG.

図8によれば、例1の試料のSHG強度は、粒径の増加とともに増加し、粒径125μm以上の領域でプラトーに達した。図示しないが、例2~例5の試料のSHG強度も同様の挙動を示した。この挙動は、LaGaGe10結晶においてタイプI位相整合条件が満たされていることを示しており、例1~例5の試料は、非線形光学結晶であり、第二高調波発生することが示された。注目すべきは、例1の試料において、150μ~200μmの粒径の範囲のSHG強度は、ベンチマークであるKDPのそれの2.0倍であり、優れた非線形光学結晶であり、波長変換素子として機能することが分かった。 According to FIG. 8, the SHG intensity of the sample of Example 1 increased with increasing grain size and reached a plateau in the grain size range of 125 μm and above. Although not shown, the SHG intensities of the samples of Examples 2 to 5 showed similar behavior. This behavior indicates that the type I phase-matching condition is satisfied in La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 crystals, and the samples of Examples 1-5 are nonlinear optical crystals and second harmonic It was shown that waves are generated. It should be noted that in the sample of Example 1, the SHG intensity in the grain size range of 150 μm to 200 μm is 2.0 times that of the benchmark KDP, which is an excellent nonlinear optical crystal and can be used as a wavelength conversion element. Found it to work.

算出された非線形光学定数d22および-d16の値は、SHG強度(2.0×KDP)とよい一致を示した。複屈折の値は、酸硫化物相の位相整合と矛盾しないことを確認した。 The calculated values of nonlinear optical constants d22 and -d16 showed good agreement with the SHG intensity (2.0×KDP). The birefringence values were confirmed to be consistent with the phase matching of the oxysulfide phase.

[例6~例10:単結晶]
例6~例10では、本発明の非線形光学結晶の単結晶を合成した。表4に示す設計組成となるように原料粉末をアルゴン充填したグローブボックス内で秤量し、アルミナるつぼに充填した。真空度1Paの石英管内にてアルミナるつぼを火炎封入した。アルミナるつぼをマッフル炉に入れ、昇温速度5℃/分にて850℃まで加熱し、850℃で24時間保持し、その後、降温速度0.08℃/分で550℃まで降温した。その後、マッフル炉の電源を切り、室温まで放冷した。生成物を超音波洗浄し、フラックスを除去し、真空ろ過した。
[Examples 6 to 10: single crystals]
In Examples 6 to 10, single crystals of the nonlinear optical crystal of the present invention were synthesized. Raw material powders were weighed in an argon-filled glove box so as to have the designed composition shown in Table 4, and filled in an alumina crucible. An alumina crucible was flame-sealed in a quartz tube with a degree of vacuum of 1 Pa. The alumina crucible was placed in a muffle furnace, heated to 850°C at a temperature increase rate of 5°C/min, held at 850°C for 24 hours, and then cooled to 550°C at a temperature decrease rate of 0.08°C/min. After that, the muffle furnace was turned off and allowed to cool to room temperature. The product was ultrasonically cleaned, de-fluxed and vacuum filtered.

得られた例6~例10の試料の外観を観察した。結果を図9に示す。また、例6~例10の試料について、エネルギー分散型X線分光装置(EDX、Oxford Instruments製、SwiftED3000)を搭載した卓上顕微鏡(株式会社日立ハイテク製、TM3000)を用いて、組成分析を行った。結果を図10に示す。 The appearance of the obtained samples of Examples 6 to 10 was observed. The results are shown in FIG. Further, the samples of Examples 6 to 10 were subjected to composition analysis using a desktop microscope (TM3000, manufactured by Hitachi High-Tech Co., Ltd.) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX, manufactured by Oxford Instruments, SwiftED3000). . The results are shown in FIG.

図9は、例6の試料の外観を示す図である。 9 is a diagram showing the appearance of the sample of Example 6. FIG.

図9によれば、例6の試料は、無色透明なブロック結晶であり、その大きさは、0.5×0.5×0.8mmであった。図示しないが、例7~例10の試料も同様に無色透明なブロック結晶であり、同様の大きさを有した。 According to FIG. 9, the sample of Example 6 was a colorless and transparent block crystal with a size of 0.5×0.5×0.8 mm 3 . Although not shown, the samples of Examples 7 to 10 were similarly colorless and transparent block crystals and had similar sizes.

図10は、例6の試料のEDXスペクトルを示す図である。 10 shows the EDX spectrum of the sample of Example 6. FIG.

図10によれば、例6の試料は、La/Ga/Ge/Sのモル比が3.00/2.91/2.08/3.01であり、単結晶構造解析で得られた化学組成に良好に一致し、表5に示すように、LaGaGe10と同一の結晶構造を有するLaGaGe10単結晶であることが分かった。例7の試料も同様にLaGaGe10単結晶であり、例8の試料は、CeGaGe10単結晶であり、例9の試料は、PrGaGe10単結晶であり、例10の試料は、NdGaGe10単結晶であった。 According to FIG. 10, the sample of Example 6 has a molar ratio of La/Ga/Ge/S of 3.00/2.91/2.08/3.01 and the chemistry obtained by single crystal structure analysis. It was found to be a La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 single crystal having a good match to the composition and having the same crystal structure as La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 as shown in Table 5. The sample of Example 7 is similarly La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 single crystal, the sample of Example 8 is Ce 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 single crystal, and the sample of Example 9 is Pr 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 single crystal and the sample of Example 10 was Nd 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 single crystal.

上述したように、フラックス法を用いブロック状の単結晶が得られることが分かった。このような単結晶もまた非線形光学効果を有するため、第二高調波発振する波長変換素子に適用できる。特に、組成によっては吸収端が255nm以下となるので、深紫外光を発する紫外レーザ装置を提供できる。 As described above, it has been found that block-shaped single crystals can be obtained using the flux method. Since such a single crystal also has a nonlinear optical effect, it can be applied to a wavelength conversion element that oscillates second harmonics. In particular, depending on the composition, the absorption edge is 255 nm or less, so that an ultraviolet laser device that emits deep ultraviolet light can be provided.

本発明の非線形光学結晶は、従来とは異なり、大きな非線形光学定数、大きな複屈折、幅広い紫外光透過窓、短い吸収端と大きなバンドギャップ、化学的・熱的安定性を有し、第二高調波発生を可能にし、波長変換素子として機能する。さらに、このような波長変換素子を用いれば、紫外レーザ装置を提供できる。 Unlike conventional nonlinear optical crystals, the nonlinear optical crystal of the present invention has a large nonlinear optical constant, large birefringence, a wide ultraviolet light transmission window, a short absorption edge, a large bandgap, chemical and thermal stability, and a second harmonic. It enables wave generation and functions as a wavelength conversion element. Furthermore, by using such a wavelength conversion element, an ultraviolet laser device can be provided.

300、400 紫外レーザ装置
310、410 レーザ光出力部
311 Nd:YAGレーザ
320、420 波長変換部
321、322、421 波長変換素子
411 Ti:サファイアレーザ
300, 400 UV laser device 310, 410 Laser light output section 311 Nd: YAG laser 320, 420 Wavelength conversion section 321, 322, 421 Wavelength conversion element 411 Ti: Sapphire laser

Claims (15)

少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含み、LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶からなる、非線形光学結晶。 At least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (where Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon ( Si ) , Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)), and comprises a crystal having the same crystal structure as La3Ga3Ge2S3O10 . 前記LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、六方晶系に属する、請求項1に記載の非線形光学結晶。 2. The nonlinear optical crystal according to claim 1, wherein the crystal having the same crystal structure as La3Ga3Ge2S3O 10 belongs to the hexagonal system. 前記LaGaGe10と同一の結晶構造を有する結晶は、P-62cの対称性を有し、格子定数a、bおよびcは、
a=1.01701±0.05nm
b=1.01701±0.05nm
c=0.75198±0.05nm
を満たす、請求項1または2に記載の非線形光学結晶。
A crystal having the same crystal structure as said La 3 Ga 3 Ge 2 S 3 O 10 has P-62c symmetry and lattice constants a, b and c are
a=1.01701±0.05 nm
b=1.01701±0.05 nm
c=0.75198±0.05 nm
3. The nonlinear optical crystal according to claim 1, which satisfies:
前記結晶は、LnGa(ただし、a+b+c+d+e=1である)で表され、パラメータa、b、c、dおよびeは、
0.1≦a≦0.18、
0.1≦b≦0.18、
0.05≦c≦0.13、
0.1≦d≦0.18、および、
0.43≦e≦0.55
を満たす、請求項1~3のいずれかに記載の非線形光学結晶。
The crystal is represented by LnaGabMcQdOe , where a+ b + c +d+ e =1, and the parameters a, b, c, d and e are :
0.1≦a≦0.18,
0.1≤b≤0.18,
0.05≦c≦0.13,
0.1≦d≦0.18, and
0.43≤e≤0.55
The nonlinear optical crystal according to any one of claims 1 to 3, which satisfies
前記パラメータa、b、c、dおよびeは、
0.14≦a≦0.15、
0.14≦b≦0.15、
0.09≦c≦0.10、
0.14≦d≦0.15、および、
0.47≦e≦0.48
を満たす、請求項4に記載の非線形光学結晶。
Said parameters a, b, c, d and e are
0.14≦a≦0.15,
0.14≦b≦0.15,
0.09≦c≦0.10,
0.14≦d≦0.15, and
0.47≤e≤0.48
5. The nonlinear optical crystal according to claim 4, satisfying:
前記ランタノイドは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、および、ルテチウム(Lu)からなる群から少なくとも一種選択される、請求項1~5のいずれかに記載の非線形光学結晶。 The lanthanoids include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium. (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and at least one selected from the group consisting of lutetium (Lu), according to any one of claims 1 to 5 nonlinear optical crystal. 4.6eV以上5.0eV以下の範囲のバンドギャップを有する、請求項1~6のいずれかに記載の非線形光学結晶。 7. The nonlinear optical crystal according to claim 1, having a bandgap in the range of 4.6 eV or more and 5.0 eV or less. 波長1.064μmにおける非線形光学定数d22および-d16は、0.5pm/V以上0.7pm/V以下の範囲を満たす、請求項1~7のいずれかに記載の非線形光学結晶。 8. The nonlinear optical crystal according to claim 1, wherein nonlinear optical constants d22 and -d16 at a wavelength of 1.064 μm satisfy the range of 0.5 pm/V or more and 0.7 pm/V or less. 波長1.064μmにおける複屈折は、0.1以上0.15以下の範囲を満たす、請求項1~8のいずれかに記載の非線形光学結晶。 9. The nonlinear optical crystal according to claim 1, wherein the birefringence at a wavelength of 1.064 μm satisfies the range of 0.1 to 0.15. 吸収端は、255nm以下である、請求項1~9のいずれかに記載の非線形光学結晶。 10. The nonlinear optical crystal according to claim 1, wherein the absorption edge is 255 nm or less. 少なくとも、Ln元素、Ga元素、M元素、Q元素および酸素(ただし、Lnは、イットリウム(Y)およびランタノイドからなる群から選択される元素であり、Mは、ゲルマニウム(Ge)および/またはケイ素(Si)であり、Qは、硫黄(S)および/またはセレン(Se)である)を含有する原料混合物を真空封入し、加熱することを包含する、請求項1~10のいずれかに記載の非線形光学結晶の製造方法。 At least Ln element, Ga element, M element, Q element and oxygen (where Ln is an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanides, M is germanium (Ge) and/or silicon ( Si) and Q is sulfur (S) and/or selenium (Se)). A method for manufacturing a nonlinear optical crystal. 前記加熱することは、前記原料混合物をフラックス法により液相成長させることである、請求項11に記載の製造方法。 12. The manufacturing method according to claim 11, wherein said heating is liquid phase growth of said raw material mixture by a flux method. 前記加熱することは、前記原料混合物を800℃以上1000℃以下の温度範囲で加熱する、請求項11または12に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 11 or 12, wherein the heating heats the raw material mixture in a temperature range of 800°C or higher and 1000°C or lower. 請求項1~10のいずれかに記載の非線形光学結晶からなる波長変換素子。 A wavelength conversion element comprising the nonlinear optical crystal according to any one of claims 1 to 10. 基本波光を発するレーザ光出力部と、
前記基本波光を、前記基本波光の波長よりも短い波長を有する紫外レーザ光に変換する波長変換部と
を備え、
前記波長変換部は、少なくとも請求項14に記載の波長変換素子を備える、紫外レーザ装置。
a laser light output unit that emits fundamental wave light;
a wavelength conversion unit that converts the fundamental wave light into ultraviolet laser light having a wavelength shorter than the wavelength of the fundamental wave light,
An ultraviolet laser device, wherein the wavelength conversion section comprises at least the wavelength conversion element according to claim 14 .
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