JP2760302B2

JP2760302B2 - 光波長変換装置

Info

Publication number: JP2760302B2
Application number: JP6332920A
Authority: JP
Inventors: 直史笠松
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH08171107A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非線形結晶を用いてレー
ザ光を効率よく第３高調波に変換するための光波長変換
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図４に示すようにレーザ発振器１
（例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ：波長１０６４ｎｍ）か
らのレーザ光（基本光：角周波数ω）を第１の非線形結
晶２に入射し位相整合をとると、この基本光の第２高調
波である５３２ｎｍの光（角周波数２ω）が発生し、さ
らに基本光とここで発生した第２高調波を第２の非線形
結晶３中に入射し位相整合をとることにより、基本光の
第３高調波である３５５ｎｍの光（角周波数３ω）が発
生する現象は第３高調波発生装置として知られている。

【０００３】しかし基本波レーザ光を、第１、第２の非
線形結晶２，３に入射するだけでは、基本波、第２高調
波２ω、第３高調波３ωと３つの波長の光が発生し、目
的とする第３高調波３ωの発生効率が低い。そのため第
３高調波出力をより大きく取るため、高出力レーザを用
いたり、ビームを集光する方法が取られていた。高出力
レーザを集光する場合、第２高調波で基本波からの変換
効率３０％から５０％程度、第３高調波では１０％から
３０％程度である。

【０００４】また、低出力のレーザ光でも、効率よく第
２高調波を発生する装置として、図５に示す第２高調波
発生装置も古くから知られていた。この装置は基本波レ
ーザ発振器内に基本波を第２高調波に変換する非線形結
晶２を配置し、基本波共振器は、リアーミラー側は基本
波を部分反射し第２高調波を全反射する第５のミラー５
で構成され、出力側は基本波は部分反射し第２高調波は
無反射の第６のミラー６で構成されている。この構成で
は、基本波はこの共振器内を往復し、共振器内の基本波
強度は著しく上がる。このため第２高調波を効率よく発
生できる。しかしこの基本波と第２高調波のレーザ出力
を第２の非線形結晶に入射してもなお、第３高調波の発
生効率は低い。低出力連続発振レーザの場合１％以下で
ある。

【０００５】さらに、図６に示すような構成の第３高調
波発生装置も知られている（特開平２−１２６２４２号
公報）。この装置は前記した図５の第２高調波発生装置
を拡張したもので、第７のミラー７と第８のミラー９よ
りなる基本レーザ共振器内に第１の非線形結晶２、第２
の非線形結晶３、レーザ媒質４を配列し、かつレーザ媒
質４と第１の非線形結晶２との間に基本波を無反射し第
２高調波と第３高調波を全反射する第１のミラー８を配
置し、また基本波共振器の外に第２高調波を全反射し第
３高調波に対し無反射の第９のミラー１０を配置したも
のである。この構成では、第１の非線形結晶２と第２の
非線形結晶３において、基本波ならびに第２高調波が共
振している状態を作り出すことができ、これにより、効
率よく第３高調波を発生することが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような構
成の光波長変換装置では、後述する特別な措置を講じな
い限り、いわゆるグリーンプロブレムが生じ、第２高調
波出力、基本波出力ともに時間的に不安定となり、安定
な第３高調波を得ることができないことがある。場合に
よっては、基本波と第２高調波は変調度で１００％にも
達する変動を生じることもあり、出力が０にまで落ち込
むことがある。その理由は、この従来の構成では、基本
的にレーザ共振器内波長変換の構成であるため、基本波
の縦モードが単一でない通常の場合、各々の縦モードの
第２高調波とその間の和周波が発生する。発生した和周
波は基本波縦モードに対する損失となり、和周波を介し
て縦モードが結合し出力の変調を受け、不安定となる。

【０００７】これを回避する特別な措置としてはレーザ
共振器内に波長選択素子（エタロン、ブリュースター
板、複屈折フィルタ）等を挿入して、縦モードを単一に
する方法が一般的であるが波長選択素子は、挿入損失
を発生し、基本波ならびに高調波の出力の低下につなが
る。また、装置構成も複雑となり、調整が難しい。また
この方法では基本波レーザの発振条件と、第１、第２の
非線形結晶に対する基本波のフォーカシング（集光度）
の条件の両方を同時に最適設計する必要があり、設計面
でも難しく、しかも装置構成も複雑になる。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は、第３高調波の光を効率
よくかつ安定して発生でき、しかも設計上複雑化される
ことがない光波長変換装置を得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基本波を第２
高調波に変換する第１の非線形結晶と、第２高調波と基
本波を光混合して第３高調波に変換する第２の非線形結
晶とを、基本波に対しては無反射かつ第２高調波、第３
高調波に対しては全反射する第１のミラーと、基本波と
第３高調波に対して無反射かつ第２高調波に対して全反
射する第２のミラー間に配置し、第２高調波に対しての
外部共振器を構成し、前記第１のミラーと第２のミラー
は前記外部共振器の長さに等しい曲率半径を有すること
を特徴とする。

【００１０】本発明においては、第１のミラーの外側
に、基本波を前記外部共振器に入射する基本波レーザ発
振器と、このレーザ発振器を前記外部共振器と光学的に
分離する光アイソレータとを備える。また、第２のミラ
ーは、光軸位置を微調整可能に構成することが好まし
い。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【作用】請求項１の発明では、基本波レーザ光は、第
１、第２のミラーで構成される第２高調波の外部共振器
を１度だけ通過する。その際発生した第２高調波はこの
外部共振器内を往復し、第１の非線形結晶中で共鳴型第
２高調波発生現象を引き起こし、効率良く第２高調波を
発生する。発生した第２高調波と基本波は第２の非線形
結晶中で光混合し、効率よく第３高調波を発生する。

【００１４】この場合、請求項２の構成では、基本波レ
ーザは、外部共振と光アイソレータで分離され、基本波
レーザは基本光の戻り光や第２高調波で変調を受けず、
したがって、レーザ共振器内波長変換となり、グリーン
プロブレムの発生はなく、出力的にも安定である。ま
た、レーザ発振条件とフォーカシングの条件を独立に設
計できるため、設計上の複雑さがない。

【００１５】また、第２の発明（請求項５）において
は、基本波レーザは第３、第４のミラーで構成される基
本波に対する外部共振器を往復し、第１の非線形結晶中
で効率よく第２高調波を発生する。また、発生した第２
高調波は、第３、第２のミラーで構成される第２高調波
に対する外部共振器を往復し、共鳴型第２高調波発生を
第１の非線形結晶中で行い、また、第２の非線形結晶中
で、ともに効率よく発生した基本波と第２高調波の光混
合を行い、効率よく第３高調波を発生する。

【００１６】更に、第１の発明と同様、基本波は外部共
振器と分離されているため出力変動を受けず、グリーン
プロブレムの発生もないうえ、基本波に対しても外部共
振器を組んでいるため、第１の発明よりさらに高効率が
期待できる。その反面第１の発明より、調整は若干複雑
になるが、設計上の複雑さはなく、利点を生かしたまま
高効率化できる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の実施例を示す構成図であり、全て
の素子を、基本波を射出する基本波レーザ発振器１の光
軸上に直線配置した構成の光波長変換装置の例を示して
いる。第１の非線形結晶２は基本波を第２高調波に変換
する。また、第２の非線形結晶３は第２高調波と基本波
を光混合して第３高調波に変換する。そして、これら第
１および第２の非線形結晶２，３を挟むように、基本波
に対しては無反射かつ第２高調波、第３高調波に対して
は全反射する第１のミラー８と、基本波と第３高調波に
対して無反射かつ第２高調波に対して全反射する第２の
ミラー１１を前記基本波レーザ発振器１の光軸上に配置
して第２高調波に対しての外部共振器を構成する。

【００１８】また、この外部共振器と基本波レーザ発振
器１との間には光アイソレータ１２が介挿される。さら
に、前記第２のミラー１１は、図示は省略するが圧電素
子と組み合わせた構成としており、その光軸上の位置を
微調整可能とする。また、ここでは第１のミラー８と第
２のミラー１１の各対向面はそれぞれ若干凹状をした曲
面に形成されている。

【００１９】この構成によれば、基本波レーザ発振器１
として、たとえば１０６４ｎｍの基本波を発振するＱス
イッチＮｄ−ＹＡＧレーザ（出力５００ｍＪ／パルス、
パルス幅１０ｎｓｅｃ程度）とし、第１、第２の各非線
形結晶２，３としてβ−ＢａＢ２０４結晶が用いられ
る。この結晶は紫外域まで透明であり、３５５ｎｍの光
に対しても位相整合可能でかつ吸収は少ない。これによ
り、図２に示すように、第１の非線形結晶２は１０６４
ｎｍ基本光に対し、位相整合角θｍ＝２３度（ｚ軸から
の角度）で第１種位相整合し、第２高調波５３２ｎｍを
発生する。ただし、基本波の偏光方向は紙面に垂直で、
結晶に対し常光となり、第２高調波はそれに垂直で紙面
内に偏光方向を持つ。

【００２０】そして、第１の非線形結晶２で発生した第
２高調波は、第２高調波に対し全反射する第１のミラー
８、第２のミラー１１からなる外部共振器内を往復す
る。第２のミラー１１は圧電素子などで微調可能である
ため、両ミラーの間隔、ミラーの傾き角を可変できる。
そのため、第１、第２のミラー８，１１で反射され元の
第２高調波と同じ方向に進む第２高調波の位相と、その
時点で基本波より発生する第２高調波の位相の差を０も
しくは２πの整数倍に調整することが可能である。ま
た、基本波のパルス幅が１０ｎｓｅｃ程度であり、パル
スが持続している間に第２高調波が往復しなければなら
ない。第２高調波の外部共振器の長さ（第１のミラー８
と第２のミラー１１の間隔）を３０ｃｍ程度に取れば、
第２高調波の往復回数を５回にとれる。この往復回数で
あれば十分外部共振器効果は発現する。

【００２１】このとき、反射して戻ってきた第２高調波
は、基本波より誘起された２ωの角周波数をもつ第２高
調波の発生源である非線形分極と強く共鳴相互作用を引
き起こし、非線形分極をより一層強めることができる。
この効果が共振器往復により強められ、発生する第２高
調波は強められる。

【００２２】効率良く発生した第２高調波と、一度で通
過する基本波は第２の非線形結晶３でθｍ＝３９度のと
き位相整合し、第３高調波を効率５０％以上の高変換効
率で発生する。従来の１０％から３０％程度の場合と比
較すると格段に向上されることが判る。

【００２３】また、第１のミラー８と第２のミラー１１
の曲率半径を、おのおの共振器長に等しい５０ｃｍにと
れば、共焦点系を構成できる。このとき共振器の中央付
近に第１の非線形結晶２と第２の非線形結晶３を配置す
ると、第２高調波のビーム径を最小すなわちエネルギー
密度を最大にとれ、なおかつ第２高調波のビームの広が
り角は最小となるため、第２の非線形結晶３においての
第３高調波への変換効率を高くとれる。その理由は、一
般に波長変換の際の変換効率は混合する光のエネルギー
密度に比例し、ビーム広がり角の小さい（平面波に近
い）場合に最大をとることが知られているためである。

【００２４】このように、第１実施例の光波長変換装置
によれば、第３高調波の光を効率よくしかも安定して発
生することが可能である一方、第１及び第２の非線形結
晶２，３と、第１及び第２のミラー８，１１で構成され
る第２高調波の外部共振器の設計のみ行えば良く、構造
を複雑にすることなく、しかも基本波レーザ発振器１の
構成とは独立に設計できるという利点がある。

【００２５】本発明が適用可能な参考例を図３に基づい
て説明する。基本波レーザ発振器１の光軸上に第１及び
第２の非線形結晶２，３が配置される。これら第１の非
線形結晶２は基本波を第２高調波に変換し、第２の非線
形結晶３は第２高調波と基本波を光混合して第３高調波
に変換することは前記実施例と同じである。そして、こ
れら第１および第２の非線形結晶２，３を挟むように、
基本波に対して基本波の外部共振器内損失と等しい透過
率を持ち、第２高調波と第３高調波に対しては全反射す
る第３のミラー１３と、基本波に対し全反射し、第３高
周波に対して無反射の第４のミラー１４を配置して基本
波に対する外部共振器を構成する。さらに、前記第４の
ミラー１４の内側に、基本波と第３高調波に対して無反
射かつ第２高調波に対して全反射する第２のミラー１１
を配置し第２高調波に対しての外部共振器を構成する。
また、これらの外部共振器と基本波レーザ発振器１との
間には光アイソレータ１２が介挿される。

【００２６】この構成によれば、基本波レーザ発振器１
として、たとえば１０６４ｎｍの基本波を発振する連続
発振単一横モードＮｄ：ＹＡＧレーザ（出力２０Ｗ）と
し、第１の非線形結晶２、第２の非線形結晶３としてβ
−ＢａＢ２０４結晶が用いられる。基本波に対する第２
高調波、第３高調波の位相整合条件は第１実施例と同様
である。基本波レーザ光は、第３のミラー１３、第４の
ミラー１４で構成される基本波に対する外部共振器に入
射し、その中を往復する。第３のミラー１３はこの共振
器内の基本波レーザの損失に相当する透過率をもち、第
２高調波に対しては全反射するため、基本波は最も効率
よく、この基本波に対する外部共振器に注入され往復す
る。共振器内の基本波のエンハンスメントフォクター
（外部共振器内で循環している基本波パワーに対する入
射基本波パワーの比）は容易に数１０から数１００倍に
まで高めることができる。

【００２７】第１の非線形結晶中２では基本波レーザは
第２高調波に変換され、発生した第２高調波は第３のミ
ラー１３と第２のミラー１１とで構成される第２高調波
に対する外部共振器内を往復する。したがって、第１の
非線形結晶２では基本波の強度と第２高調波が同時に高
い状態にあり、前記の共鳴型第２高調波発生（第２高調
波のみが強度が高い場合）をさらに上回る効率の第２高
調波を発生する。

【００２８】ここで、外部共振器のミラーの曲率半径、
共振器長を適切に設定することで、第１の非線形結晶２
の位置で基本波のビーム径が最も小さくなるようにすれ
ば、第１実施例において説明したのと同様に変換効率を
高くとることができる。また第２の非線形結晶３では、
基本波と第１の非線形結晶２で効率よく発生した第２高
調波とが光混合し、第３高調波を発生する。基本波の強
度、第２高調波の強度がともに高いため、第３高調波へ
の変換効率４０％程度と著しく上がる。

【００２９】この参考例においては、第３高調波の光を
効率よくしかも安定して発生することが可能である一
方、第１及び第２の非線形結晶２，３と、第３，第４及
び第２のミラー１３，１４，１１で構成される外部共振
器の設計のみ行えば良く、構造を複雑にすることなく、
しかも基本波レーザ発振器１の構成とは独立に設計でき
るという利点がある。更に、前記実施例に比較した場
合、若干構成が複雑となるが、低出力連続発振レーザの
場合、さらに高効率で第３高調波を発生できる。

【００３０】なお、前記実施例と参考例の各ミラー、及
び従来技術で説明した各ミラーにおける光の反射特性を
図７にまとめて示している。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、第１、第
２の非線形結晶と第１、第２のミラーで第２高調波の外
部共振器を構成し、これに基本波レーザ発振器からの基
本波を入射させる構成としているので、基本波レーザ光
は外部共振器を１度だけ通過し、その際発生した第２高
調波はこの外部共振器内を往復し、第１の結晶中で共鳴
型第２高調波発生現象を引き起こし、かつ発生された第
２高調波と基本波は第２の非線形結晶中で光混合し、効
率よく第３高調波を発生するため、基本波を第３高調波
に無駄無く高効率に変換できる。

【００３２】また、外部共振器構成するミラーを微調可
能とすることで、ミラーの間隔やミラーの傾き角が可変
でき、第２高調波に対して共鳴相互作用を生じさせ、第
２高調波の効率を高め、更に第３高調波の効率を格段に
向上することができる。

【００３３】また、第１及び第２のミラーの曲率半径を
外部共振器の長さに等しく設定することで共焦点系が構
成でき、かつ共振器の中央付近に第１及び第２の非線形
結晶を配置すると、これらの非線形結晶において第２高
調波のビーム径を最小とすることができ、第２の非線形
結晶における第３高調波への変換効率を高くすることが
できる。

【００３４】また、本発明は、第１、第２の非線形結晶
と第３、第４のミラーで基本波に対する外部共振器を構
成し、第３，第４のミラーで第２高調波に対する外部共
振器を構成しているので、基本波は基本波外部共振器に
おいて第１の非線形結晶中で効率よく第２高調波を発生
し、発生した第２高調波は第２高調波外部共振器におい
て第２の非線形結晶中で効率よく第３高調波を発生する
ことができる。

【００３５】また、この場合、基本波に対しても外部共
振器を組んでいるため、前記発明よりさらに高効率が期
待できる。一方、前記発明より、調整は若干複雑になる
が、設計上の複雑さはなく、利点を生かしたまま高効率
化できる。さらに、この場合においても、第３及び第２
のミラーの曲率半径を第２高調波の外部共振器の長さに
等しく設定することで共焦点系が構成でき、かつ共振器
の中央付近に第１及び第２の非線形結晶を配置すること
で第３高調波への変換効率を高くすることができる。

【００３６】更に、本発明では、レーザ発振器に対して
外部共振器を構成して光波長変換を行うため、グリーン
プロブレムに起因する出力不安定の無い、安定な第３高
調波を発生できるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光波長変換装置の実施例の構成図であ
る。

【図２】結晶の位相整合角を説明するための図である。

【図３】本発明の光波長変換装置の参考例の構成図であ
る。

【図４】従来の光波長変換装置の第１例の構成図であ
る。

【図５】従来の光波長変換装置の第２例の構成図であ
る。

【図６】従来の光波長変換装置の第３例の構成図であ
る。

【図７】本発明及び従来の各構成におけるミラーの反射
特性をまとめて示す図である。

【符号の説明】

１基本波レーザ発振器２第１非線形結晶３第２非線形結晶４レーザ媒質５第５ミラー６第６ミラー７第７ミラー８第１ミラー９第８ミラー１０第９ミラー１１第２ミラー１２光アイソレータ１３第３ミラー１４第４ミラー

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波を第２高調波に変換する第１の非
線形結晶と、第２高調波と基本波を光混合して第３高調
波に変換する第２の非線形結晶とを、基本波に対しては
無反射かつ第２高調波、第３高調波に対しては全反射す
る第１のミラーと、基本波と第３高調波に対して無反射
かつ第２高調波に対して全反射する第２のミラー間に配
置し、第２高調波に対しての外部共振器を構成し、前記
第１のミラーと第２のミラーは前記外部共振器の長さに
等しい曲率半径を有することを特徴とする光波長変換装
置。
【請求項２】第１のミラーの外側に、基本波を前記外
部共振器に入射する基本波レーザ発振器と、このレーザ
発振器を前記外部共振器と光学的に分離する光アイソレ
ータとを備える請求項１の光波長変換装置。
【請求項３】第２のミラーは、光軸位置を微調整可能
に構成してなる請求項１または２の光波長変換装置。