JP6272597B1 - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

波長変換装置（１）は、パルス発振された基本波である第１のビーム（２１）を、基本波の高調波である第２のビーム（２２）へ変換する第１の非線形媒質（１１）と、第２のビームと、第１の非線形媒質を透過した第１のビームとを基に、第３のビーム（２３）を発生させる第２の非線形媒質（１２）と、第１のビームから第２のビームへの変換効率を調節する調節手段（３０）とを備える。第１のビームのパルス発振周波数が変更された場合に、調節手段は、変換効率を調節することで、第１の非線形媒質の温度における第３のビームの強度の温度依存性が単一の極大値を示し、かつ極大値を示す第１の非線形媒質の温度と第２のビームの強度が極大値を示す第１の非線形媒質の温度とが同じである状態を維持する。

Description

本発明は、非線形媒質にて発生させた高調波を出力する波長変換装置に関する。

従来、基本波の第２高調波を発生させる非線形媒質と、基本波と第２高調波との和周波である第３高調波を発生させる非線形媒質とを備える波長変換装置が知られている。第２高調波は、基本波の波長の半分の波長の高調波である。第３高調波は、基本波の波長の３分の１の波長の高調波である。波長変換装置から出力される高調波の強度は、非線形媒質の温度に依存して変化することが知られている。波長変換装置では、出力される高調波の強度を向上させるとともに安定した強度の高調波が得られるように、非線形媒質の温度制御が行われることがある。

特許文献１には、第３高調波発生（Third Harmonic Generation，ＴＨＧ）結晶の出力を基に、第２高調波発生（Second Harmonic Generation，ＳＨＧ）結晶の温度を設定する技術が開示されている。ＳＨＧ結晶は、第２高調波を発生させる非線形媒質である。ＴＨＧ結晶は、第３高調波を発生させる非線形媒質である。ＳＨＧ結晶とＴＨＧ結晶とは、ＳＨＧ結晶の温度とＴＨＧ結晶から出力される第３高調波の強度との対応関係において第３高調波の強度の複数のピークが生じるように形成されている。ＳＨＧ結晶の温度は、複数のピークに対応する温度の中間の温度に設定される。波長変換装置から一定の強度以上の強度の第３高調波を出力可能とするＳＨＧ結晶の温度の範囲が拡張されることで、波長変換装置は、ＳＨＧ結晶の温度の変化による第３高調波の強度への影響を少なくすることができる。

特開２０１３−２０５４２６号公報

特許文献１の技術によると、第３高調波の強度のピークに対応する温度以外の温度にＳＨＧ結晶の温度が設定されることで、出力される第３高調波の強度は、ピーク時の強度より低下することとなる。これとは別に、第３高調波の強度のピークに対応する温度にＳＨＧ結晶の温度が設定された場合、一定の強度以上の強度の第３高調波を出力可能なＳＨＧ結晶の温度の範囲が縮小される。この場合、ＳＨＧ結晶の温度の変化による第３高調波の強度への影響が大きくなる。このため、波長変換装置は、出力される高調波の強度の向上と、高調波の強度の安定化との両立が困難となる。

パルスレーザビームである基本波から高調波への変換において、基本波のパルス発振周波数がある値であるときに、ＳＨＧ結晶の温度に対する第３高調波の強度のピークが単一のピークであったとする。この状態から、光源の平均パワーを一定としてパルス発振周波数の値が低い値へ変更された場合、ＳＨＧ結晶における基本波から第２高調波への変換効率は高くなる。変換効率が高くなることで、第３高調波の強度のピークが単一のピークから複数のピークへ変化する場合がある。この場合、ＳＨＧ結晶から射出される基本波の強度が低下することで、ＴＨＧ結晶で発生する第３高調波の強度が低くなることがある。また、第３高調波の強度のピークが複数のピークとなることで、ＳＨＧ結晶の温度変化による第３高調波の強度の変化が大きくなることがある。このため、波長変換装置は、出力される高調波の強度の向上と、高調波の強度の安定化との両立が困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力される高調波の強度の向上と安定化とを可能とする波長変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる波長変換装置は、パルス発振された基本波である第１のビームを、基本波の高調波である第２のビームへ変換する第１の非線形媒質と、第２のビームと、第１の非線形媒質を透過した第１のビームとを基に、第３のビームを発生させる第２の非線形媒質と、第１のビームから第２のビームへの変換効率を調節する調節手段を備える。第１のビームのパルス発振周波数が変更された場合に、調節手段は、変換効率を調節することで、第１の非線形媒質の温度における第３のビームの強度の温度依存性が単一の極大値を示し、かつ極大値を示す第１の非線形媒質の温度と第２のビームの強度が極大値を示す第１の非線形媒質の温度とが同じである状態を維持する。

本発明にかかる波長変換装置は、出力される高調波の強度の向上と安定化とが可能となるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置の概略構成を示す図 図１に示すＳＨＧ結晶におけるレーザビームについて説明する第１の図 図１に示すＳＨＧ結晶におけるレーザビームについて説明する第２の図 図１に示すＳＨＧ結晶の温度とレーザビームの強度との関係を示す第１の図 図１に示すＳＨＧ結晶の温度とレーザビームの強度との関係を示す第２の図 図１に示すＳＨＧ結晶の温度とレーザビームの強度との関係を示す第３の図 実施の形態１におけるＳＨＧ結晶の変換効率を調節する手順の例を示すフローチャート 図１に示すＳＨＧ結晶の温度変化とレーザビームの強度との関係の例を示す図 図１に示す移動機構による調節についての変形例を示す図 本発明の実施の形態２にかかる波長変換装置の概略構成を示す図 図１０に示すＳＨＧ結晶におけるレーザビームについて説明する第１の図 図１０に示すＳＨＧ結晶におけるレーザビームについて説明する第２の図 実施の形態２におけるＳＨＧ結晶の変換効率を調節する手順の例を示すフローチャート 本発明の実施の形態３にかかる波長変換装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態４にかかる波長変換装置の概略構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる波長変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置１の概略構成を示す図である。波長変換装置１は、パルス発振された基本波である第１のビームを、基本波の高調波である第２のビームへ変換する第１の非線形媒質である第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶１１と、第２のビームとＳＨＧ結晶１１を透過した第１のビームとを基に、第３のビームを発生させる第２の非線形媒質である第３高調波発生（ＴＨＧ）結晶１２とを備える。実施の形態１において、第３のビームは、基本波と高調波との和周波である。

波長変換装置１は、第１のビームであるレーザビーム２１を射出するレーザ光源１０を備える。以下の説明では、レーザビーム２１の波長を、第１の波長と称することがある。実施の形態１において、第１の波長は１０６４ｎｍとする。

レーザ光源１０は、ＹＡＧレーザあるいはＹＶＯ４レーザである。ＹＡＧレーザは、レーザ媒質にイットリウム（Yttrium）、アルミニウム(Aluminum)およびガーネット（Garnet）が用いられた固体レーザである。ＹＶＯ４レーザは、レーザ媒質にイットリウム（Yttrium）および四酸化バナジウム（Vanadium tetraoxide，ＶＯ_４）が用いられた固体レーザである。１つの例では、レーザ光源１０は、Ｑスイッチ発振によりレーザビーム２１を発生させる。Ｑスイッチ発振は、レーザ媒質における励起状態の原子が増加してから発振を行わせることにより、発生させるレーザの強度を向上させる発振手法である。なお、レーザ光源１０は、ＹＡＧレーザおよびＹＶＯ４レーザ以外の固体レーザであっても良い。

集光光学系１３は、レーザ光源１０とＳＨＧ結晶１１との間に設けられている。集光光学系１３は、レーザビーム２１をＳＨＧ結晶１１にて収束させる光学素子であるレンズ１５を備える。集光光学系１３に含まれるレンズ１５は１つである場合に限られず、複数であっても良い。

ＳＨＧ結晶１１は、レーザ光源１０からのレーザビーム２１が入射されると、第２のビームであるレーザビーム２２を発生させる。ＳＨＧ結晶１１は、基本波であるレーザビーム２１を、第２高調波であるレーザビーム２２へ変換する。レーザビーム２２の波長である第２の波長は、第１の波長の半分である。実施の形態１において、第２の波長は５３２ｎｍとする。ＳＨＧ結晶１１は、発生させたレーザビーム２２を射出する。また、ＳＨＧ結晶１１は、レーザビーム２２へ変換されずに残されたレーザビーム２１を射出する。ＳＨＧ結晶１１には、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＫＴＰ結晶（ＫＴｉＰＯ_４）、ＢＢＯ結晶（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、あるいはその他の非線形光学結晶が用いられる。

集光光学系１４は、ＳＨＧ結晶１１とＴＨＧ結晶１２との間に設けられている。集光光学系１４は、レーザビーム２１，２２をＴＨＧ結晶１２にて収束させる光学素子であるレンズ１６を備える。集光光学系１４に含まれるレンズ１６は１つである場合に限られず、複数であっても良い。また、波長変換装置１において、集光光学系１４は設けられていなくても良い。

ＴＨＧ結晶１２は、ＳＨＧ結晶１１から入射されたレーザビーム２１とレーザビーム２２とを基に、第３のビームであるレーザビーム２３を発生させる。ＴＨＧ結晶１２は、基本波であるレーザビーム２１と第２高調波であるレーザビーム２２とを、和周波であり第３高調波であるレーザビーム２３へ変換する。レーザビーム２３の波長である第３の波長は、第１の波長の３分の１である。実施の形態１において、第３の波長は３５５ｎｍとする。ＴＨＧ結晶１２は、発生させたレーザビーム２３を射出する。また、ＴＨＧ結晶１２は、レーザビーム２３へ変換されずに残されたレーザビーム２１，２２を射出する。ＴＨＧ結晶１２には、ＬＢＯ結晶、ＹＣＯＢ結晶（ＹＣａ_４Ｏ（ＢＯ_３）_３）、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、あるいはその他の非線形光学結晶が用いられる。

波長分離素子１７は、第１の波長と第２の波長とを含む波長域の光を透過させ、かつ第３の波長を含む波長域の光を反射する特性を備える。波長分離素子１７は、ＴＨＧ結晶１２からのレーザビーム２１，２２，２３を、レーザビーム２３とレーザビーム２１，２２とに分離させる。波長分離素子１７の１つの例は、ダイクロイックミラーである。

波長変換装置１は、波長分離素子１７で反射したレーザビーム２３を射出する。ダンパ１８は、波長分離素子１７からのレーザビーム２１，２２を吸収する。波長分離素子１７からのレーザビーム２１，２２は、ダンパ１８にて熱エネルギーへ変換される。なお、波長分離素子１７は、第１の波長の光と第２の波長の光とを反射し、かつ第３の波長の光を透過させる特性を備えるものであっても良い。波長分離素子１７は、波長の違いに基づいて光を分離可能であれば良く、ダイクロイックミラー以外の光学素子であっても良い。波長分離素子１７は、波長による光の屈折率の違いを利用して光を分離させるプリズムであっても良い。

波長変換装置１は、ＳＨＧ結晶１１の温度を制御する温度制御器２４と、ＴＨＧ結晶１２の温度を制御する温度制御器２５とを備える。温度制御器２４は、ＳＨＧ結晶１１の温度をモニタして、あらかじめ設定された温度へＳＨＧ結晶１１の温度を調節する。温度制御器２５は、ＴＨＧ結晶１２の温度をモニタして、あらかじめ設定された温度へＴＨＧ結晶１２の温度を調節する。１つの例では、温度制御器２４，２５は、熱の供給と吸収とを行う熱電素子であるペルチェ素子と、温度センサであるサーミスタとを備える。ＳＨＧ結晶１１の設定温度とＴＨＧ結晶１２の設定温度とは、互いに独立して設定可能であるものとする。

さらに、波長変換装置１は、レーザビーム２１を収束させる光学素子であるレンズ１５を移動させる移動機構３０を備える。移動機構３０は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率を調節する調節手段である。移動機構３０は、レンズ１５を保持するホルダ３１を直線方向において移動させる。１つの例では、移動機構３０は、モータと、モータの回転運動を直線運動へ変換させる機構とを含む。

制御回路２６は、命令にしたがった処理を実行することで波長変換装置１の全体を制御するハードウェアである。制御回路２６は、ＳＨＧ結晶１１の設定温度にしたがって温度制御器２４を制御する。制御回路２６は、ＴＨＧ結晶１２の設定温度にしたがって温度制御器２５を制御する。また、制御回路２６は、レーザ光源１０の駆動と移動機構３０の駆動とを制御する。制御回路２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはマイクロコンピュータであっても良い。

光検出器２７は、移動機構３０による変換効率の調節の際においてレーザビーム２３の強度を検出する。光検出器２７は、移動機構３０による変換効率の調節の際に、波長変換装置１からのレーザビーム２３が入射する位置に設置される。なお、光検出器２７は、波長変換装置１の外部に設置されたものに限られず、波長変換装置１の内部に設けられたものであっても良い。波長変換装置１は、ＴＨＧ結晶１２から波長変換装置１の外部へ向かうレーザビーム２３の一部を分岐させる分光素子を備えていても良い。光検出器２７は、分光素子で分岐された光を検出しても良い。

ＳＨＧ結晶１１でのレーザビーム２２の発生における位相不整合Δｋは、次の式（１）で表される。式（１）において、ｋ_１はレーザビーム２１の波数ベクトルの大きさ、ｋ_２はレーザビーム２２の波数ベクトルの大きさ、λ_１はレーザビーム２１の波長である第１の波長とする。ｎ_１はレーザビーム２１についてのＳＨＧ結晶１１の屈折率、ｎ_２はレーザビーム２２についてのＳＨＧ結晶１１の屈折率とする。

ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２２の変換効率ηは、Δｋ＝０を満足するときに最大となる。Δｋ＝０は、ＳＨＧ結晶１１の位相整合を表す。ＳＨＧ結晶１１は、基本波の偏光方向と第２高調波の偏光方向とが互いに垂直となる場合の、いわゆるタイプ１の位相整合においてレーザビーム２２を発生させる。ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２２の変換効率ηは、ＳＨＧ結晶１１から射出したレーザビーム２２の強度を、ＳＨＧ結晶１１へ入射したレーザビーム２１の強度で除算した結果を表す。また、位相整合条件を満足するときのＳＨＧ結晶１１の温度は、ＳＨＧ結晶１１の位相整合温度と称される。

屈折率ｎ_１およびｎ_２はＳＨＧ結晶１１の温度に依存することから、式（１）で表される位相不整合Δｋは、ＳＨＧ結晶１１の温度に依存する。ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２２の変換効率ηと、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の強度Ｉ_１との関係は、次の式（２）で表される。式（２）において、ＬはＳＨＧ結晶１１の長さとする。なお、式（２）で表される関係は、ＳＨＧ結晶１１へ入射したレーザビーム２１の強度とＳＨＧ結晶１１から射出したレーザビーム２１の強度との差が無視し得る程度に小さく、レーザビーム２２の変換効率ηが低い場合に成り立つものとする。

式（２）によると、変換効率ηは、位相不整合Δｋと強度Ｉ_１とに比例する。位相不整合ΔｋはＳＨＧ結晶１１の温度に依存することから、変換効率ηはＳＨＧ結晶１１の温度に依存する。なお、式（２）の関係が成り立つ場合に比べてレーザビーム２２の変換効率ηが高い場合であっても、変換効率ηがＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２１の強度Ｉ_１とに依存することが知られている。また、ＴＨＧ結晶１２におけるレーザビーム２３の変換効率は、ＴＨＧ結晶１２の温度と、ＴＨＧ結晶１２へ入射するレーザビーム２１およびレーザビーム２２の各強度とに依存する。

図２は、図１に示すＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１について説明する第１の図である。以下の説明にて、Ｘ軸と、Ｙ軸と、Ｚ軸とは、互いに垂直な３つの軸とする。Ｚ軸は、波長変換装置１の光学系の光軸に平行な軸とする。Ｘ軸は、水平方向の軸とする。Ｙ軸は、垂直方向の軸とする。中心軸３２は、レーザビーム２１の光束の中心を表す。中心軸３２は、Ｚ軸に平行である。プラスＺ方向は、Ｚ軸に平行な方向であって、ＳＨＧ結晶１１の入射面３３から射出面３４へ向かう方向とする。マイナスＺ方向は、プラスＺ方向とは逆の方向とする。長さＬは、Ｚ軸方向におけるＳＨＧ結晶１１の長さであって、入射面３３と射出面３４との間の長さである。

ここで、次の式（３）に示すように、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを定義する。実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆは、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いを示す指標とする。式（３）において、ｗ（ｚ）は、Ｚ軸方向の位置ｚにおけるレーザビーム２１のビーム径とする。ｚ＝０は、入射面３３の位置を表す。ｚ＝Ｌは、射出面３４の位置を表す。１つの例では、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆは、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１のビーム径ｗ（ｚ）の平均値を表す。

１つの例では、ビーム径ｗ（ｚ）は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向におけるビームの強度分布の標準偏差σの４倍の幅であるＤ４σ幅とする。Ｄ４σ幅は、ビーム幅におけるＩＳＯ（International Organization for Standardization）の国際標準規格に定義されている。なお、ビーム径ｗ（ｚ）は、Ｄ４σ幅以外であっても良く、半値全幅あるいは１／ｅ^２幅であっても良い。実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆには、式（３）以外の定義によるものが使用されても良い。レーザビーム２１の収束度合いは、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆ以外の指標で示されても良い。

レーザビーム２１は、ＳＨＧ結晶１１の内部において一旦収束してから、拡散する。レーザビーム２１のビーム径ｗ（ｚ）は、入射面３３から進行するにしたがって縮小し、ビームウェスト３５にて最小となる。ビーム径ｗ（ｚ）は、ビームウェスト３５から射出面３４へ進行するにしたがって拡張する。図２において、レーザビーム２１が収束する位置であるビームウェスト３５の位置は、ｚ＝Ｌ／２の位置である。ｚ＝Ｌ／２の位置は、Ｚ軸方向におけるＳＨＧ結晶１１の中心位置である。なお、図２に示すレンズ１５には、平行光であるレーザビーム２１が入射している。レンズ１５へ入射するレーザビーム２１は、平行光に限られず、収束光あるいは拡散光であっても良い。

図３は、図１に示すＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１について説明する第２の図である。図２に示す状態から、移動機構３０は、レンズ１５をプラスＺ方向へ移動させることで、レンズ１５とＳＨＧ結晶１１との間の距離を変化させる。レンズ１５をプラスＺ方向へ移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるビームウェスト３５の位置は、ｚ＝Ｌ／２からプラスＺ方向へ移動する。移動機構３０は、Ｚ軸方向におけるＳＨＧ結晶１１の中心位置から、ビームウェスト３５の位置を移動させる。図３には、ｚ＝Ｌ／２とｚ＝Ｌとの間の位置にビームウェスト３５を移動させた状態を示している。ビームウェスト３５を移動させたことで、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆは、図２に示す状態に比べて増大する。このように、移動機構３０は、Ｚ軸方向へレンズ１５を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いを変化させる。

上記の式（２）で示されるように、変換効率ηは、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の強度Ｉ_１に比例する。実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆが増大したことで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いが低下するため、変換効率ηは低下することとなる。このように、移動機構３０は、ビームウェスト３５の位置を移動させることにより変換効率ηを調節する。変換効率ηが調節されることで、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度が調節される。なお、集光光学系１３に複数のレンズ１５が備えられている場合、移動機構３０は、各レンズ１５を個別に移動させても良い。複数のレンズ１５を個別に移動させる場合の変形例については後述する。

図４は、図１に示すＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２１，２２，２３の強度との関係を示す第１の図である。図４では、ＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２１，２２，２３の強度との関係をグラフで表している。グラフの横軸はＳＨＧ結晶１１の温度を表す。縦軸はレーザビーム２１，２２，２３の強度を表す。図４に示すレーザビーム２１，２２の強度は、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１，２２の強度とする。図４に示すレーザビーム２３の強度は、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度とする。

図４には、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆが最小値であるとき、すなわちＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いが最大である場合における温度と強度との関係を示している。ここでは、図２に示すようにビームウェスト３５がｚ＝Ｌ／２の位置にあるときに、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆは最小値となるものとする。

ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ１であるとき、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度がピークとなる。ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ１付近であるときに、ＳＨＧ結晶１１での変換効率ηが高くなる。変換効率ηが高いほど、ＳＨＧ結晶１１では多くのレーザビーム２１がレーザビーム２２へ変換されることとなるため、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１の強度は低下する。

ＳＨＧ結晶１１の設定温度をＴａ１として、ＳＨＧ結晶１１の実際の温度がＴａ１付近にて変化した場合において、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１，２２の強度の変化は比較的少ない。ＴＨＧ結晶１２へ入射されるレーザビーム２１，２２の強度の変化が小さいことで、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度の変化も小さくなる。

また、図４に示す関係では、ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ１であるとき、ＳＨＧ結晶１１にて多くのレーザビーム２１がレーザビーム２２へ変換されることで、ＴＨＧ結晶１２でのレーザビーム２３の発生に利用可能なレーザビーム２１の強度が低くなっている。このため、ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ１であるときにおけるレーザビーム２３の強度Ｐａ１は、ピーク時の強度Ｐｂ１と比べて低下する。ＴＨＧ結晶１２では、レーザビーム２３の発生に利用可能なレーザビーム２１の強度が低くなることで、レーザビーム２３の発生に利用されずに残されるレーザビーム２２の強度が高くなる。

レーザビーム２３の強度の１つのピークは、Ｔａ１より低い温度であるＴｂ１_１において現れている。かかるピークにおいて、レーザビーム２３の強度はＰｂ１となる。また、レーザビーム２３の強度のもう１つのピークは、Ｔａ１より高い温度であるＴｂ１_２において現れている。図４では、レーザビーム２３の強度のピークが２つである例を示している。レーザビーム２３の強度のピークは、２つより多いこともあり得る。このように、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆが最小である場合、ＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２３の強度との対応関係において、Ｔａ１付近の温度では、レーザビーム２３の強度のピークが複数現れることとなる。

ＳＨＧ結晶１１の設定温度をＴｂ１_１とした場合、ＳＨＧ結晶１１の実際の温度がＴｂ１_１付近にて変化したときのレーザビーム２１，２２の強度の変化は、設定温度がＴａ１である場合の変化と比べて大きくなる。ＴＨＧ結晶１２へ入射されるレーザビーム２１，２２の強度の変化が大きくなることで、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度の変化も大きくなる。

実施の形態１の波長変換装置１は、レーザビーム２１のビーム径の調節の初期段階にて、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆが最小値となるように、移動機構３０によりレンズ１５の位置を調節する。これにより、移動機構３０は、レーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係におけるレーザビーム２３の強度のピークが複数のピークである状態を設定する。移動機構３０は、かかる状態からレンズ１５を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１における実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させる。なお、初期段階における調節は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを最小値とする調節に限られない。初期段階における調節では、レーザビーム２３の強度のピークが複数のピークである状態を設定可能であれば良く、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを最小値以外の値としても良い。

図５は、図１に示すＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２１，２２，２３の強度との関係を示す第２の図である。図５には、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを最小値から大きくした場合における温度と強度との関係を示している。このとき、図３に示すように、ビームウェスト３５はｚ＝Ｌ／２とｚ＝Ｌとの間の位置にあるものとする。初期段階のときと比べて、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度は低下している。レーザビーム２２の強度の低下に伴い、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１の強度は増大している。

ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ２であるとき、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度がピークとなる。このとき、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１の強度は、図４に示す関係のうち温度がＴａ１であるときの強度に比べて増大している。ＴＨＧ結晶１２では、レーザビーム２３の発生に利用可能なレーザビーム２１の強度が初期段階に比べて増大するとともに、レーザビーム２３の発生に利用されずにＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２２の強度が初期段階に比べて低下する。

図５に示す関係において、レーザビーム２３の強度のピークは１つである。ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係におけるレーザビーム２３の強度のピークは、移動機構３０での調節により、単一のピークとされる。すなわち、移動機構３０での調節により、ＳＨＧ結晶１１の温度についてのレーザビーム２３の強度の温度依存性は、単一の極大値を有している。ここで、温度依存性は、非線形媒質の温度とビームの強度との関係とする。極大値は、非線形媒質の温度を横軸、ビームの強度を縦軸として温度依存性を表したグラフのうち、ピークにおける強度の値である。移動機構３０は、ＳＨＧ結晶１１の変換効率ηを調節することで、レーザビーム２３の強度のピークを、複数のピークから、極大値を示す単一のピークへ変化させる調節を行う。

変換効率ηの値は、ＳＨＧ結晶１１へ入射するレーザビーム２１の強度、あるいはレーザビーム２１の断面形状に依存する。ＳＨＧ結晶１１の変換効率ηがある一定の値である場合において、ＳＨＧ結晶１１の温度がＴｂ２であるときにレーザビーム２３の強度がピークとなる。ピークにおける強度である極大値は、Ｐｂ２である。レーザビーム２３の強度が極大値であるＰｂ２となるときのＳＨＧ結晶１１の温度であるＴｂ２と、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度が極大値となるときのＳＨＧ結晶１１の温度であるＴａ２とは、同じである。ＳＨＧ結晶１１の温度がＴｂ２であるときの変換効率ηを、図４の関係の場合における温度がＴｂ１_１であるときの変換効率ηと同等とすることで、レーザビーム２３のピーク時の強度であるＰｂ２を、図４に示すピーク時の強度であるＰｂ１と同等の強度とすることができる。

ＳＨＧ結晶１１の設定温度をＴａ２として、ＳＨＧ結晶１１の実際の温度がＴａ２付近にて変化した場合において、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１，２２の強度の変化は比較的少ない。ＴＨＧ結晶１２へ入射されるレーザビーム２１，２２の強度の変化が小さいことで、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度の変化も小さくなる。

図６は、図１に示すＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２１，２２，２３の強度との関係を示す第３の図である。図６には、図５に示す対応関係の状態から、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆをさらに大きくした場合における温度と強度との関係を示している。ＳＨＧ結晶１１の変換効率ηは、図５に示す対応関係のときと比べて低下している。

ＳＨＧ結晶１１の温度がＴａ３であるとき、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度がピークとなる。レーザビーム２３の強度がピークとなるときの温度であるＴｂ３は、Ｔａ３と同じとなる。ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２２の強度は、図５の場合に比べて低下している。ＴＨＧ結晶１２においてレーザビーム２３の発生に利用可能なレーザビーム２２の強度が低下していることで、ＴＨＧ結晶１２において発生するレーザビーム２３の強度は、図５の場合に比べて低下する。

図６に示す関係において、レーザビーム２３の強度のピークは１つである。ＴＨＧ結晶１２において発生するレーザビーム２３の強度は、図５の場合に比べて低下する。レーザビーム２３の強度のピークであるＰｂ３は、図５に示すレーザビーム２３の強度のピークであるＰｂ２より小さくなることから、Ｐｂ３＜Ｐｂ２の関係が成り立つ。図６の場合、波長変換装置１は、図５の場合と比べて、出力されるレーザビーム２３の強度が低下することとなる。

波長変換装置１は、図５に示すように、移動機構３０での調節により、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係におけるレーザビーム２３の強度のピークが単一のピークとされている。波長変換装置１は、レーザビーム２３の発生に利用可能なレーザビーム２１の強度を増大できることで、出力されるレーザビーム２３の強度を向上できる。また、波長変換装置１は、レーザビーム２２の強度がピークとなるときの温度をＳＨＧ結晶１１の設定温度とすることで、かかる設定温度付近での温度変化があった場合におけるレーザビーム２３の強度の変化を低減できる。

図７は、実施の形態１におけるＳＨＧ結晶１１の変換効率を調節する手順の例を示すフローチャートである。図２に示す移動機構３０は、ビームウェスト３５がｚ＝Ｌ／２の位置となるようにレンズ１５の位置を設定して、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを最小値とする。これにより、ステップＳ１において、移動機構３０は、第３のビームであるレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係における強度のピークが複数のピークである状態を設定する。ステップＳ１の設定により、レーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係は、図４に例示される対応関係とされる。

ステップＳ１の設定が行われた状態におけるレーザビーム２３の強度の最大値を、Ｐｍａｘとする。図４に示す関係では、Ｐｍａｘは、ＳＨＧ結晶１１の温度がＴｂ１_１であるときのレーザビーム２３の強度であるＰｂ１である。

ステップＳ２では、移動機構３０は、ｚ＝Ｌ／２の位置からプラスＺ方向へレンズ１５を移動させることで、第１のビームであるレーザビーム２１のＳＨＧ結晶１１における実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させる。移動機構３０は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１から第２のビームであるレーザビーム２２への変換効率ηを調節する。なお、ステップＳ２では、移動機構３０は、プラスＺ方向に代えてマイナスＺ方向へレンズ１５を移動させても良い。この場合も、移動機構３０は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させることができる。

ステップＳ３では、設定温度にしたがって温度制御器２４がＳＨＧ結晶１１の温度を制御して、設定温度に対応するレーザビーム２３の強度を光検出器２７が測定する。光検出器２７は、ＳＨＧ結晶１１の設定温度ごとのレーザビーム２３の強度を測定する。ステップＳ４では、ＳＨＧ結晶１１の設定温度と光検出器２７で測定されたレーザビーム２３の強度との対応関係において、レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークであるか否かが判断される。

強度のピークが単一ではない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、強度のピークはなお複数のピークであるため、ステップＳ２の手順へ戻る。移動機構３０は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆの拡張による変換効率ηの調節を再度行う。

強度のピークが単一である場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、ステップＳ５の手順へ進む。ステップＳ５では、レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ以上か否かが判断される。ΔＰは、レーザビーム２３の強度低下の許容量とする。なお、図５に例示される対応関係は、レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ以上であるときのレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係とする。図６に例示される対応関係は、レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ未満であるときのレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係とする。ΔＰは、任意に設定可能であるものとする。

レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ以上である場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、ステップＳ６において、制御回路２６は、ＳＨＧ結晶１１の設定温度に、レーザビーム２３の強度がピークとなるときの温度を設定する。これにより、波長変換装置１は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηの調節を終了する。

レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ未満である場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ７において、移動機構３０は、マイナスＺ方向へレンズ１５を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを縮小させる。移動機構３０は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを縮小させることで、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを再度調節する。そして、ステップＳ３の手順へ戻る。

１つの例では、図７に示す手順による波長変換装置１の調節は、波長変換装置１の出荷時において実施される。かかる調節は、波長変換装置１の出荷時以外において実施されても良く、波長変換装置１のメンテナンス時に実施されても良い。波長変換装置１は、図７に示す手順による調節のための機能の全部あるいは一部を、ＣＰＵあるいはマイクロコンピュータにて解析および実行されるプログラム上で実行しても良い。波長変換装置１は、プログラムが格納されたメモリを備えていても良い。波長変換装置１は、図７に示す手順による調節のための機能の全部あるいは一部を、ワイヤードロジックによるハードウェア上で実行しても良い。

図８は、図１に示すＳＨＧ結晶１１の温度変化とレーザビーム２３の強度との関係の例を示す図である。図８では、ＳＨＧ結晶１１の温度変化とレーザビーム２３の強度との関係をグラフで表している。グラフの横軸は、ＳＨＧ結晶１１の温度変化を表す。温度の単位はセルシウス度とする。縦軸は、ＴＨＧ結晶１２から射出されるレーザビーム２３の強度を表す。強度の単位は任意とする。破線のグラフは、図７に示す手順による波長変換装置１の調節が実施される前における関係を表している。実線のグラフは、図７に示す手順による波長変換装置１の調節が実施された後における関係を表している。

図８に示すように、波長変換装置１の調節前における関係では、レーザビーム２３の強度には２つのピークが現れている。１つのピークは、−０．５℃付近の温度変化において現れている。かかるピークにおける強度は、レーザビーム２３の強度の最大値となる。もう１つのピークは、０．５℃付近の温度変化において現れている。波長変換装置１の調節前における関係では、レーザビーム２３の強度が最大値の９０％以上となる場合におけるＳＨＧ結晶１１の温度範囲は、±０．２℃程度である。

波長変換装置１の調節後における関係では、レーザビーム２３の強度には１つのピークが現れている。かかるピークは、０℃付近の温度変化において現れている。波長変換装置１の調節後における関係では、レーザビーム２３の強度が最大値の９０％以上となる場合におけるＳＨＧ結晶１１の温度範囲は、±０．６℃程度である。最大値の９０％以上の強度のレーザビーム２３を射出可能とする温度範囲は、調節前に比べて拡張されている。このように、波長変換装置１は、図７に示す手順による調節により、ＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減可能とし、レーザビーム２３の強度を安定化させることができる。

さらに、波長変換装置１の調節後におけるレーザビーム２３の強度の最大値は、調節前におけるレーザビーム２３の強度の最大値と同等となる。波長変換装置１は、図７に示す手順による調節がなされても、高い強度のレーザビーム２３を出力できる。

１つの例において、ＳＨＧ結晶１１が、タイプ１の非臨界位相整合（noncritical phase matching，ＮＣＰＭ）条件で波長変換を行うＬＢＯ結晶であって、レーザビーム２１の第１の波長が１０６４ｎｍである場合、ＳＨＧ結晶１１の設定温度はおよそ１５０℃とされる。ＮＣＰＭ条件での波長変換では、基本波と高調波との進行方向のずれであるウォークオフを低減可能とし、角度許容幅を広くすることが可能となる。このようにＳＨＧ結晶１１の設定温度と室温との温度差が大きい場合、ＳＨＧ結晶１１の温度を精度良く制御することが難しいため、ＳＨＧ結晶１１の温度は設定温度から変化し易くなる。実施の形態１の波長変換装置１は、ＳＨＧ結晶１１の温度が変化し易い場合においても、レーザビーム２３の強度を安定化させることができ、かつ高い強度のレーザビーム２３を出力できる。

実施の形態１によると、波長変換装置１は、レンズ１５を移動させる移動機構３０によりレーザビーム２３の強度のピークを単一のピークとする調節を行う。波長変換装置１は、移動機構３０による調節により、ＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減可能とする。また、波長変換装置１は、高い強度のレーザビーム２３を出力できる。これにより、波長変換装置１は、出力される高調波の強度の向上と安定化とが可能となるという効果を奏する。

図９は、図１に示す移動機構３０による調節についての変形例を示す図である。変形例において、移動機構３０は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１のビーム径を変化させることにより、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηを調節する。

変形例において、波長変換装置１は、図１に示す集光光学系１３に代えて、複数のレンズ１５を含む集光光学系３６を備える。図９に示す集光光学系３６は、光学素子である３つのレンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを備える。各レンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、ホルダ３１にて保持されている。

移動機構３０は、Ｚ軸方向において各レンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを個別に移動させることができる。移動機構３０は、各レンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを個別に移動させることで、ビームウェスト３５を移動させずに、ビームウェスト３５におけるビーム径を拡張および縮小可能とする。なお、集光光学系３６に備えられる光学素子の数は、３つに限られず、２つあるいは４つ以上であっても良い。

移動機構３０は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１のビーム径を変化させることで、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを変化させる。変形例においても、ビームウェスト３５を移動させる場合と同様に、移動機構３０による波長変換装置１の調節を行うことができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかる波長変換装置４０の概略構成を示す図である。波長変換装置４０には、図１に示すレンズ１５を移動させる移動機構３０に代えて、第１の非線形媒質であるＳＨＧ結晶１１を移動させる移動機構４１が設けられている。実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

移動機構４１は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率を調節する調節手段である。移動機構４１は、ＳＨＧ結晶１１を保持するホルダ４２を直線方向において移動させる。１つの例では、移動機構４１は、モータと、モータの回転運動を直線運動へ変換させる機構とを含む。制御回路２６は、移動機構４１の駆動を制御する。

図１１は、図１０に示すＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１について説明する第１の図である。図１２は、図１０に示すＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１について説明する第２の図である。

図１１に示す状態から、移動機構４１がＳＨＧ結晶１１をプラスＺ方向へ移動させると、ＳＨＧ結晶１１におけるビームウェスト３５の位置は、マイナスＺ方向へ移動する。ビームウェスト３５を移動させたことで、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆは、図１１に示す状態に比べて増大する。このように、移動機構４１は、Ｚ軸方向へＳＨＧ結晶１１を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いを変化させる。実施の形態２では、移動機構４１は、ＳＨＧ結晶１１以降におけるレーザビーム２１の拡がりを変化させずに、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の収束度合いを変化させることができる。

図１３は、実施の形態２におけるＳＨＧ結晶１１の変換効率を調節する手順の例を示すフローチャートである。図１１に示す移動機構４１は、ビームウェスト３５の位置がＺ軸方向におけるＳＨＧ結晶１１の中心位置となるようにＳＨＧ結晶１１の位置を設定して、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを最小値とする。これにより、ステップＳ１１において、移動機構４１は、第３のビームであるレーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係における強度のピークが複数のピークである状態を設定する。ステップＳ１１の設定により、レーザビーム２３の強度とＳＨＧ結晶１１の温度との対応関係は、図４に例示される対応関係とされる。ステップＳ１１の設定が行われた状態におけるレーザビーム２３の強度の最大値を、Ｐｍａｘとする。

ステップＳ１２では、移動機構４１は、マイナスＺ方向へＳＨＧ結晶１１を移動させることで、第１のビームであるレーザビーム２１のＳＨＧ結晶１１における実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させる。移動機構４１は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１から第２のビームであるレーザビーム２２への変換効率ηを調節する。なお、ステップＳ１２では、移動機構４１は、マイナスＺ方向に代えてプラスＺ方向へＳＨＧ結晶１１を移動させても良い。この場合も、移動機構４１は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを拡張させることができる。

ステップＳ１３では、設定温度にしたがって温度制御器２４がＳＨＧ結晶１１の温度を制御して、設定温度に対応するレーザビーム２３の強度を光検出器２７が測定する。光検出器２７は、ＳＨＧ結晶１１の設定温度ごとのレーザビーム２３の強度を測定する。ステップＳ１４では、ＳＨＧ結晶１１の設定温度と光検出器２７で測定されたレーザビーム２３の強度との対応関係において、レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークであるか否かが判断される。

強度のピークが単一ではない場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、強度のピークはなお複数のピークであるため、ステップＳ１２の手順へ戻る。移動機構４１は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆの拡張による変換効率ηの調節を再度行う。

強度のピークが単一である場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１５の手順へ進む。ステップＳ１５では、レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ以上か否かが判断される。

レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ以上である場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６において、制御回路２６は、ＳＨＧ結晶１１の設定温度に、レーザビーム２３の強度がピークとなるときの温度を設定する。これにより、波長変換装置４０は、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηの調節を終了する。

レーザビーム２３のピーク時の強度がＰｍａｘ−ΔＰ未満である場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）、ステップＳ１７において、移動機構４１は、プラスＺ方向へＳＨＧ結晶１１を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを縮小させる。移動機構４１は、実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを縮小させることで、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを再度調節する。そして、ステップＳ１３の手順へ戻る。

実施の形態２によると、波長変換装置４０は、ＳＨＧ結晶１１を移動させる移動機構４１によりレーザビーム２３の強度のピークを単一のピークとする調節を行う。波長変換装置４０は、移動機構４１による調節により、ＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減可能とする。また、波長変換装置４０は、高い強度のレーザビーム２３を出力できる。これにより、波長変換装置４０は、出力される高調波の強度の向上と安定化とが可能となるという効果を奏する。

実施の形態３．
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる波長変換装置５０の概略構成を示す図である。波長変換装置５０において、第１の非線形媒質であるＳＨＧ結晶１１と第２の非線形媒質であるＴＨＧ結晶１２とは、光共振器６１の内部に設けられている。実施の形態１および２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

波長変換装置５０は、励起光６０を射出する励起光源５１と、励起光６０により励起され、第１のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２１を射出するレーザ媒質５６とを備える。また、波長変換装置５０は、レーザ媒質５６と、ＳＨＧ結晶１１と、ＴＨＧ結晶１２とが内部に配置された光共振器６１を備える。２つの共振ミラー５５，５９は、光共振器６１を構成する。

励起光源５１の１つの例は、半導体レーザである。実施の形態３において、励起光６０の波長は８０８ｎｍであるものとする。制御回路２６は、励起光源５１の駆動を制御する。励起光源５１から射出された励起光６０は、光ファイバ５２を伝搬する。励起光学系５４は、光ファイバ５２の射出端５３から射出された励起光６０を収束させる。共振ミラー５５は、励起光６０の波長を含む波長域の光を透過させ、かつ第１の波長および第２の波長を含む波長域の光を反射する特性を備える。共振ミラー５５は、励起光学系５４からの励起光６０を透過させる。

レーザ媒質５６と、Ｑスイッチ素子５７と、波長分離素子５８と、ＴＨＧ結晶１２と、ＳＨＧ結晶１１とは、２つの共振ミラー５５，５９の間の光路に設けられている。レーザ媒質５６は、励起光６０の吸収によって励起状態となり、励起状態からのエネルギー状態の遷移に伴い自然放出光を発生する。レーザ媒質５６は、２つの共振ミラー５５，５９の間を往復する自然放出光を誘導放出により増幅させて、基本波であるレーザビーム２１を射出する。レーザ媒質５６は、ネオジウムあるいはイッテルビウムがドープされたレーザ結晶であるＹＡＧ結晶あるいはＹＶＯ４結晶である。

Ｑスイッチ素子５７は、Ｑスイッチ発振によりレーザビーム２１を発生させる。なお、波長変換装置５０において、Ｑスイッチ素子５７は設けられていなくても良い。

波長分離素子５８は、Ｑスイッチ素子５７とＴＨＧ結晶１２との間に設けられている。波長分離素子５８は、第３の波長を含む波長域の光を透過させ、かつ第１の波長と第２の波長とを含む波長域の光を反射する特性を備える。波長分離素子５８は、ＴＨＧ結晶１２からのレーザビーム２１，２２，２３を、レーザビーム２３とレーザビーム２１，２２とに分離させる。また、波長分離素子５８は、Ｑスイッチ素子５７からのレーザビーム２１，２２をＴＨＧ結晶１２へ進行させる。波長分離素子５８の１つの例は、ダイクロイックミラーである。

波長変換装置５０は、波長分離素子５８を透過したレーザビーム２３を射出する。なお、波長分離素子５８は、第３の波長の光を反射し、かつ第１の波長の光と第２の波長の光とを透過させる特性を備えるものであっても良い。波長分離素子５８は、波長の違いに基づいて光を分離可能であれば良く、ダイクロイックミラー以外の光学素子であっても良い。波長分離素子５８は、波長による光の屈折率の違いを利用して光を分離させるプリズムであっても良い。

共振ミラー５９は、第１の波長および第２の波長を含む波長域の光を反射する特性を備える。ＳＨＧ結晶１１には、共振ミラー５９からのレーザビーム２１，２２と、ＴＨＧ結晶１２からのレーザビーム２１，２２とが入射する。ＳＨＧ結晶１１は、レーザビーム２１を、第２のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２２へ変換する。ＳＨＧ結晶１１は、発生させたレーザビーム２２と、レーザビーム２２へ変換されずに残されたレーザビーム２１とを射出する。また、ＳＨＧ結晶１１は、ＴＨＧ結晶１２あるいは共振ミラー５９から入射したレーザビーム２２を透過させる。

ＴＨＧ結晶１２には、波長分離素子５８からのレーザビーム２１，２２と、ＳＨＧ結晶１１からのレーザビーム２１，２２とが入射する。ＴＨＧ結晶１２は、レーザビーム２１，２２を、第３のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２３へ変換する。ＴＨＧ結晶１２は、発生させたレーザビーム２３と、レーザビーム２３へ変換されずに残されたレーザビーム２１，２２とを射出する。

レーザビーム２１，２２は、２つの共振ミラー５５，５９の間を往復する。２つの共振ミラー５５，５９は、ＳＨＧ結晶１１にてビームウェストを形成するように曲率半径が設定された曲面形状としても良い。

さらに、波長変換装置５０は、実施の形態２と同様に、ＳＨＧ結晶１１を移動させる移動機構４１を備える。調節手段である移動機構４１は、ＳＨＧ結晶１１を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率を調節する。なお、波長変換装置５０は、移動機構４１に代えて、図１に示す移動機構３０を備えていても良い。この場合、調節手段である移動機構３０は、実施の形態１と同様に、レーザビーム２１を収束させる光学素子であるレンズ１５を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを調節する。移動機構３０は、実施の形態１の変形例と同様に、光学素子である複数のレンズ１５を個別に移動させることにより変換効率ηを調節しても良い。

実施の形態３によると、波長変換装置５０は、実施の形態１および２と同様に、出力される高調波の強度の向上と安定化とが可能となるという効果を奏する。

実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４にかかる波長変換装置７０の概略構成を示す図である。波長変換装置７０には、図１０に示す実施の形態２におけるレーザ光源１０に代えて、パルスレーザ光源７１と周波数制御器７２とが設けられている。波長変換装置７０のうちパルスレーザ光源７１および周波数制御器７２以外の構成は、実施の形態２にかかる波長変換装置４０におけるレーザ光源１０以外の構成と同様であるものとする。実施の形態１および２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

パルスレーザ光源７１は、第１のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２１を射出するレーザ光源である。周波数制御器７２は、パルスレーザ光源７１の駆動タイミングを調節することで、パルスレーザ光源７１からレーザビーム２１を射出させる周波数であるパルス発振周波数を制御する。制御回路２６は、周波数制御器７２を制御する。ＳＨＧ結晶１１は、レーザビーム２１を、第２のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２２へ変換する。ＴＨＧ結晶１２は、レーザビーム２１，２２を、第３のビームでありパルスレーザビームであるレーザビーム２３へ変換する。

さらに、波長変換装置７０は、実施の形態２と同様に、ＳＨＧ結晶１１を移動させる移動機構４１を備える。移動機構４１は、ＳＨＧ結晶１１を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηを調節する調節手段である。実施の形態４では、移動機構４１は、実施の形態２と同様に変換効率ηを調節することに加えて、レーザビーム２１のパルス発振周波数が変更された場合にも変換効率ηを調節する。移動機構４１は、レーザビーム２１のパルス発振周波数が変更された場合に、変換効率ηを調節することで、ＳＨＧ結晶１１の温度におけるレーザビーム２３の強度の温度依存性が単一の極大値を示し、かつ当該極大値を示すＳＨＧ結晶１１の温度とレーザビーム２２の強度が極大値を示すＳＨＧ結晶１１の温度とが同じである状態を維持する。

パルスレーザ光源７１の平均出力が一定である場合、パルス発振周波数が高いほど、パルスレーザ光源７１から射出されるパルスごとのレーザビーム２１の強度は低下する。パルス発振周波数が高くなることにより、ＳＨＧ結晶１１へ入射するレーザビーム２１の強度が低下した場合、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηは低くなる。また、パルスレーザ光源７１の平均出力が一定である場合、パルス発振周波数が低いほど、パルスレーザ光源７１から射出されるパルスごとのレーザビーム２１の強度は上昇する。パルス発振周波数が低くなることにより、ＳＨＧ結晶１１へ入射するレーザビーム２１の強度が上昇した場合、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηは高くなる。

ここで、ある値であるＦ１がパルス発振周波数に設定されている場合において、図１３に示す手順により波長変換装置７０が調節されたとする。図１３に示す手順による調節がなされている波長変換装置７０において、パルス発振周波数がＦ１より高い値であるＦ２へ変更された場合、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηは低くなる。変換効率ηが低くなることで、レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークであることは維持される一方、レーザビーム２３の強度の最大値がＰｍａｘより低くなる場合がある。この場合、波長変換装置７０から出力されるレーザビーム２３の強度が低くなることがある。

波長変換装置７０は、パルス発振周波数が過去の調節時におけるＦ１より高い値であるＦ２へ変更された場合に、図１３に示す手順により、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを再調節可能とする。レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークであることが維持されていることから、再調節では、図１３に示すステップＳ１１からステップＳ１４までをスキップして、ステップＳ１５からの手順が実施されても良い。

一方、図１３に示す手順による調節がなされている波長変換装置７０において、パルス発振周波数がＦ１より低い値であるＦ３へ変更された場合、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηは高くなる。変換効率ηが高くなることで、レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークから複数のピークへ変化している場合がある。この場合、ＳＨＧ結晶１１から射出されるレーザビーム２１の強度が低下することで、ＴＨＧ結晶１２で発生するレーザビーム２３の強度が低くなることがある。また、レーザビーム２３の強度のピークが複数のピークとなることで、ＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化が大きくなることがある。

波長変換装置７０は、パルス発振周波数が過去の調節時におけるＦ１より低い値であるＦ３へ変更された場合に、図１３に示す手順により、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを再調節可能とする。レーザビーム２３の強度のピークが単一のピークから複数のピークへ変化している場合があることから、再調節では、実施の形態２と同様に、ステップＳ１１からの手順が実施される。

このように、波長変換装置７０は、パルス発振周波数が変更された場合に、ＳＨＧ結晶１１における変換効率ηを再調節することで、高い強度のレーザビーム２３を出力可能とし、かつＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減できる。

なお、波長変換装置７０は、移動機構４１に代えて、図１に示す移動機構３０を備えていても良い。この場合、波長変換装置７０には、図１に示す実施の形態１におけるレーザ光源１０に代えて、パルスレーザ光源７１と周波数制御器７２とが設けられる。波長変換装置７０のうちパルスレーザ光源７１および周波数制御器７２以外の構成は、実施の形態１にかかる波長変換装置１におけるレーザ光源１０以外の構成と同様であるものとする。

調節手段である移動機構３０は、レーザビーム２１が射出される周波数が変更された場合に、レーザビーム２１を収束させる光学素子であるレンズ１５を移動させることで、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１からレーザビーム２２への変換効率ηを調節する。実施の形態１と同様に、移動機構３０は、図２および図３に示すようにビームウェスト３５の位置を移動させて、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを変化させる。これにより、移動機構３０は、変換効率ηを調節する。

実施の形態１の変形例と同様に、移動機構３０は、光学素子である複数のレンズ１５を個別に移動させても良い。図９に示す例では、移動機構３０は、３つのレンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを備える集光光学系３６において、Ｚ軸方向において各レンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを個別に移動させる。移動機構３０は、各レンズ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを個別に移動させることで、ビームウェスト３５におけるビーム径の拡張と縮小とを可能とする。移動機構３０は、ビームウェスト３５を移動させずに、ＳＨＧ結晶１１におけるレーザビーム２１の実効ビーム径Ｗ_ｅｆｆを変化させる。これにより、移動機構３０は、変換効率ηを調節する。

実施の形態３の波長変換装置５０は、Ｑスイッチ素子５７におけるＱスイッチ発振の周波数を変更した場合に、実施の形態４の波長変換装置７０と同様に変換効率ηを再調節しても良い。波長変換装置５０の調節手段である移動機構４１あるいは移動機構３０は、レーザビーム２１が射出される周波数が変更された場合に、変換効率ηを調節する。波長変換装置５０は、高い強度のレーザビーム２３を出力可能とし、かつＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減できる。

実施の形態４によると、波長変換装置７０は、レーザビーム２１が射出される周波数が変更された場合に、調節手段により変換効率ηを調節する。波長変換装置７０は、変換効率ηを調節することで、ＳＨＧ結晶１１の温度変化によるレーザビーム２３の強度の変化を低減可能とする。また、波長変換装置７０は、高い強度のレーザビーム２３を出力できる。これにより、波長変換装置７０は、出力される高調波の強度の向上と安定化とが可能となるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，４０，５０，７０ 波長変換装置、１０ レーザ光源、１１ ＳＨＧ結晶、１２ ＴＨＧ結晶、１３，１４，３６ 集光光学系、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１６ レンズ、１７，５８ 波長分離素子、１８ ダンパ、２１，２２，２３ レーザビーム、２４，２５ 温度制御器、２６ 制御回路、２７ 光検出器、３０，４１ 移動機構、３１，４２ ホルダ、３２ 中心軸、３３ 入射面、３４ 射出面、３５ ビームウェスト、５１ 励起光源、５２ 光ファイバ、５３ 射出端、５４ 励起光学系、５５，５９ 共振ミラー、５６ レーザ媒質、５７ Ｑスイッチ素子、６０ 励起光、６１ 光共振器、７１ パルスレーザ光源、７２ 周波数制御器。

Claims (10)

1. パルス発振された基本波である第１のビームを、前記基本波の高調波である第２のビームへ変換する第１の非線形媒質と、
   前記第２のビームと、前記第１の非線形媒質を透過した前記第１のビームとを基に、第３のビームを発生させる第２の非線形媒質と、
   前記第１のビームから前記第２のビームへの変換効率を調節する調節手段と
   を備え、
   前記第１のビームのパルス発振周波数が変更された場合に、前記調節手段は、前記変換効率を調節することで、前記第１の非線形媒質の温度における前記第３のビームの強度の温度依存性が単一の極大値を示し、かつ前記極大値を示す前記第１の非線形媒質の温度と前記第２のビームの強度が極大値を示す前記第１の非線形媒質の温度とが同じである状態を維持することを特徴とする波長変換装置。
2. 前記調節手段は、前記第３のビームの強度のピークを、複数のピークから前記極大値を示す単一のピークへ変化させる調節を行うことを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記第１のビームは、前記第１の非線形媒質にて収束し、
   前記調節手段は、前記第１のビームが収束する位置を移動させることにより前記変換効率を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記第１の非線形媒質にて前記第１のビームを収束させる光学素子を備え、
   前記調節手段は、前記光学素子と前記第１の非線形媒質との間の距離を変化させることにより前記変換効率を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
5. 前記調節手段は、前記光学素子を移動させる移動機構であることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
6. 前記調節手段は、前記第１の非線形媒質を移動させる移動機構であることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
7. 前記調節手段は、前記第１のビームの中心軸の方向における前記第１の非線形媒質の中心位置から、前記第１のビームが収束する位置を移動させることを特徴とする請求項３から６のいずれか１つに記載の波長変換装置。
8. 前記調節手段は、前記第１の非線形媒質における前記第１のビームのビーム径を変化させることにより前記変換効率を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
9. 前記第１のビームを射出するパルスレーザ光源を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の波長変換装置。
10. 励起光を射出する励起光源と、
    前記励起光により励起され、前記第１のビームを射出するレーザ媒質と、
    前記レーザ媒質と、前記第１の非線形媒質と、前記第２の非線形媒質とが内部に配置された光共振器と
    を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の波長変換装置。

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