JP3936483B2

JP3936483B2 - 第２高調波発生用非線形光学結晶

Info

Publication number: JP3936483B2
Application number: JP02055099A
Authority: JP
Inventors: 孝友佐々木; 勇介森; 政志吉村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: JP2000221551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、第２高調波発生用非線形光学結晶とこれを用いた線色レーザー光発生方法、並びにレーザー光発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
近年、レーザー技術の急速の発展にともなって、近赤外の固体レーザー光を非線形光学結晶を用いて波長変換することが大きな技術課題になってきている。
固体レーザーは、スペクトル幅が狭く、出力が安定しており、メンテナンスが容易で小型化が可能であることから、レーザー加工やレーザー医療の手段として、そして表面改質、光情報処理への応用として注目されているものであり、このような固体レーザーの長所を生かすためにも波長変換技術が重要になっている。
【０００３】
このような波長変換のための理想的な非線形結晶については、▲１▼大きな非線形光学定数、▲２▼短い吸収端、▲３▼適度な複屈折率、を持つことがその要件となる。また、結晶としては、▲４▼機械的な特性に優れていることが実用上の観点より必要となる。
なお、▲３▼の適度な複屈折率とは、発生させたい波長に対して、最も波長変換が高効率で行われる非臨界位相整合条件を満たすような複屈折率のことである。複屈折率が理想値よりも小さいと波長変換が不可能になり、大きいと非臨界位相整合条件から離れるため変換効率が低下する。
【０００４】
非線形光学結晶についてはこれまでにも様々な試みがなされてきているが、その一つとしてカルシウムオキシボレート（ＣＯＢ）系の結晶が注目されるものとしてある。
たとえば、ＡｋａらによってＧｄＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃：ＧｄＣＯＢの非線形性が見出されており、その単結晶の育成と光学特性についての報告がなされている（１９９６年）。このＧｄＣＯＢについては、
・Ｃｚ法により育成可能であって、非水溶性であること
・ビッカース硬度：６００程度（水晶程度）であること
・ｄ_eff（ａｔ１０６４ｎｍ）：１．３ｐｍ／Ｖ（ＫＤＰの約３．４倍）
・位相整合限界波長８４０ｎｍであって、
Ｎｄ：ＹＡＧの第三高調波発生が不可能であること
が明らかにされている。
【０００５】
しかしながら、このＧｄＣＯＢについては、複屈折率が０．０３３と小さいことが大きな問題であった。
すなわち、ＧｄＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃（ＧｄＣＯＢ）結晶は育成が容易で機械的特性に優れているが、複屈折率が小さいため波長変換で発生できる波長が長くなる。そこで、この出願の発明者らは、複屈折率を大きくするための手段について検討を行い、ＧｄＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃（ＧｄＣＯＢ）結晶のＧｄをＹと置換させると複屈折率が大きくなることを見い出した。その結果、ＧｄＣＯＢ結晶はＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波しか発生できないが、ＧｄをＹと置換したＹＣＯＢではＮｄ：ＹＡＧレーザーの第３高調波発生が可能になった。
【０００６】
この新たに見出されたＹＣＯＢ結晶については、この出願の発明者らによってすでに具体的に提案がなされているところである。
ただ、これまでのＣＯＢ結晶については、複屈折率について自在に制御することは可能とされていないことから、この出願の発明者らは、波長変換のための非線形光学結晶としてのＣＯＢについてさらに検討を進め、機械的性質とともに光学特性、特に波長変換のための重要な要件としての複屈折率について最適化制御を可能とする新しい技術手段を提供することを課題としてきた。
【０００７】
その結果として、この出願の発明者らは、以上の課題を解決するものとして、次式
【０００８】
【化４】

【０００９】
で表わされる波長変換結晶とその具体例として、前記式中のＭ¹およびＭ²が、Ｇｄ、Ｙ、ＬａおよびＬｕから選択された波長変換結晶を、第２高調波に変換するのに有効な手段であることを見出し、これを提供することを可能とした（特願平１０−８２３０９号）。
このものは、ＧｄＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃のＧｄＣＯＢについて、ＧｄをＹに置換する場合だけでなく、Ｌｕ、Ｌａなどの希土類元素もＧｄサイトに導入することができ、格子定数を変化することができることを焼結体のＸ線回折観察により確認したことを手がかりとしている。格子定数と屈折率とは相関があるので、格子定数が変化するということは結晶の複屈折率が変化していることを意味する。そこで、さらに検討を進め、Ｇｄ、Ｙ、Ｌｕ、Ｌａの比率を変えることにより、複屈折率を自由に制御することができることを見い出している。たとえば複屈折率は、Ｌｕ＞Ｙ＞Ｇｄ＞Ｌａの順で変化する。
【００１０】
しかしながら、上記の新しい波長変換結晶については、第２高調波への変換についてはあまり充分に検討されていないのが実情である。
この第２高調波への変換については、現在、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生のための波長変換結晶として、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）結晶が利用されている。しかし、ＬＢＯ結晶は、水溶性の結晶であるため、その寿命や信頼性が十分ではなく、しかも結晶を１４８度もの高温に加熱しなければならず、育成が困難であることから品質上の問題があり、また、育成コストも高いという問題があた。したがって、ＬＢＯ結晶に代わる、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生のための波長変換結晶の開発が求められてきた。特に、室温での非臨界位相整合条件におけるＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生はこれまで実用化されておらず、これを可能とする波長変換結晶の開発が、強く望まれてきた。
【００１１】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、ＣＯＢ結晶の複屈折率について最適化制御を可能として、従来、第２高調波発生に用いられてきたＬＢＯ結晶に代わる、新しい第２高調波発生のための手段を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、次式
【００１３】
【化５】

【００１４】
で表わされる二次非線形光学結晶に通過させることにより、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波へ変換することを特徴とするレーザー光発生方法を提供する。また、この出願の発明は、第２には、次式
【００１５】
【化６】

【００１６】
で表わされる二次非線形光学結晶を、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波発生用手段として備えていることを特徴とするレーザー光発生装置を提供する。さらにこの出願の発明は、前記第２の発明の装置において、前記非線形光学結晶が、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波とともに第３高調波発生用手段とされているレーザー光発生装置も提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、以上のとおりの特徴と背景をもつものであるが、以下に実施例を示し、詳しく発明の実施の形態について説明する。
前記のとおり、この出願の発明者らは、Ｇｄ部分を置換したＧｄ_xＹ_1-xＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃結晶で室温における非臨界位相整合条件下での第３高調波の発生を実現しているが、この出願の発明では、同様のことを、前記組成の非線形光学結晶として、第２高調波発生（波長：５３２ｎｍのグリーン光）においても可能としているのである。
【００１８】
ここで、組成比Ｘは、０．２５〜０．３５と限定された範囲であることが留意される。なかでも、Ｘ＝０．２８もしくはその近傍が第２高調波発生に最適であることも留意される。
たとえばＧｄの割合が２８％（Ｘ＝０．２８）付近で確実に第２高調波が非臨界位相整合条件で発生することになる。図１は、その第２高調波発生を例示したものである。
【００１９】
これまで実用レベではＬＢＯ結晶を１４８度に加熱した状態でのみ可能であったが、この発明の結晶は室温で可能としていることにおいて画期的である。特性としては、角度に対する安定性（角度許容幅）が他の結晶に比べ著しく向上していることが、図２のこの発明の結晶のデータから、また、従来の場合と比較した次の表１からよくわかる。角度許容幅とは、１ｃｍの素子に対して、出力が半減するまでの角度の幅を表わしている。
【００２０】
【表１】

【００２１】
また、基本波（赤外光、波長：１０６４ｎｍ）と第２高調波（緑光）の進行方向が全く同じ（ウォークオフ角が０度）なので、相互作用長が長くなる。また、その特徴として、次のステージでさらに高次の高調波発生を行うときに、入射光がうまく重なり合って入射できるので、波長変換に有利となる。
もう一つ重要なことは、Ｇｄの組成がＸ＝０．２８付近では第３高調波の非臨界位相整合条件を満たす方向と同方向に第２高調波も出力できるという点である。これは世界で初めて確認されたことである。基本波から第３高調波までを同時に、直接発生させることはできないが、この同方向性を利用すると次のような応用が期待できる。
【００２２】
１．素子数が多くなるのを望まない共振器内部にこの結晶を一つだけ挿入し、第２高調波及び、第３高調波を発生させる。
２．結晶にレーザー媒質（Ｎｄ：ネオジウム，Ｙｂ：イッテルビウム）をドーピングして、さらにレーザー発振の機能も加えて単一素子を使ってレーザー発振から紫外光の発生までを行う。
【００２３】
この出願の発明の緑色レーザー光線発生方法（および紫外レーザー光線発生方法）において用いられる、レーザー発振装置の概要を図３に示すことができる。たとえばこの装置においては、Ｎｄ：ＹＡＧ赤外レーザー光発振器（１）より出力される波長１０６４ｎｍの近赤外光（２）は、凸レンズ（３）で細く絞られ、この発明の非線形光学結晶（４）により、波長５３２ｎｍの第２高調波（または波長３５５ｎｍの第３高調波）へ波長変換され、緑色レーザー光線発生（または紫外レーザー光線）（５）として、凸レンズ（６）でレーザー径を制御され、かつ、出力される。
【００２４】
たとえば以上のとおりの手段をもつ装置を、この発明のレーザー光発生装置とすることができるのである。
また、結晶の育成については、その手法は特に限定されることはないが、たとえば高周波誘導加熱型Ｃｚ法により育成することができる。
【００２５】
【実施例】
結晶の育成は、高周波誘導加熱型Ｃｚ法により行った。原料としては、ＣａＣＯ₃、Ｂ₂Ｏ₃とともに、Ｇｄ₂Ｏ₃およびＹ₂Ｏ₃を用いた。
Ｉｒ（イリジウム）坩堝で、Ａｒ（アルゴン）雰囲気中において、たとえば約１５００℃の温度において育成した。
【００２６】
Ｇｄの割合（Ｘ）を変化させてＸ＝０．３０以下の各種組成物の結晶を育成した。
得られた結晶は、均一な組成であって、固溶体であることが確認された。
図２に例示したように、この実施例においては、第２高調波発生（ｔｙｐｅ２）について、Ｘ＝０．２８付近で、位相整合角度が９０°の非臨界位相整合条件を室温において満たすことが確認された。
【００２７】
また、Ｇｄの組成（Ｘ）が２８％付近の結晶では、第３高調波の非臨界位相整合条件を満たす方向と同方向に第２高調波もほぼ非臨界位相整合条件にて出力できることも確認された。
なお、参考として、図４に、Ｘ＝０．２８付近での第３高調波発生（ｔｙｐｅ１）が確認されるデータを示した。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この発明によって、新しい第２高調波発生用の非線形光学結晶と、これを用いた第２高調波発生方法と装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第２高調波発生における組成（Ｘ）と位相整合角度との関係を例示した図である。
【図２】外部角と規格化第２高調波出力との関係を示した図である。
【図３】第２高調波の発生方法とその装置の構成を例示した概要図である。
【図４】第３高調波発生における組成（Ｘ）と位相整合角度との関係を例示した図である。
【符号の説明】
１Ｎｄ：ＹＡＧ赤外レーザー光発振器
２近赤外光
３凸レンズ
４非線形光学結晶
５緑色レーザー光線発生または紫外レーザー光線
６凸レンズ

Claims

次式

で表わされる二次非線形光学結晶に通過させることにより、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波へ変換することを特徴とするレーザー光発生方法。
次式

で表わされる二次非線形光学結晶を、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波発生用手段として備えていることを特徴とするレーザー光発生装置。
請求項２の装置において、非線形光学結晶が、レーザー入射方位が結晶のｙ軸において非臨界位相整合条件下で第２高調波とともに第３高調波発生用手段とされていることを特徴とするレーザー光発生装置。