JPH05341334A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入射光を集光して入射光強度を増すと同時
に、効率良く、安定に高出力の波長変換レーザビームを
長期にわたり得ることのできる波長変換装置を得る。 【構成】 非線形光学素子３の両側に、非線形光学素子
３における位相整合許容角の広い方向のみ集光するシリ
ンドリカルレンズ６を設け、さらに上記非線形光学素子
３の両側に、波長変換レーザビーム７を透過し、基本レ
ーザビーム２を反射すると同時に非線形光学素子３の位
相整合許容角よりはずれた角度で非線形光学素子３に入
射させる第１反射ミラー４と、第１反射ミラー４で折り
返された基本レーザビーム２を非線形光学素子３の位相
整合許容角で非線形光学素子３に入射させる第２反射ミ
ラー５とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波長変換されたレーザ
ビームを高出力域においても効率良く、時間変動なく安
定に、さらに長時間にわたり安定して発生させる波長変
換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば雑誌（Opt Letters 第1
6巻 1991年9月1日発行 Bulk-darkening threshold of
flux-grown KTiOPO₄ ）及び特開平４ー７２６８６号公
報に示された、従来のレーザビーム波長変換装置を示す
側面図である。図６において、１は基本レーザビームを
発生するレーザ発振器であり、例えばNd:YAGレーザの第
二高調波発生グリーンレーザ、２はレーザ発振器１から
発生された基本レーザビーム（基本波）、３は波長変換
素子となる非線形光学素子であり、例えばほう酸バリウ
ム BBO(b-BaB₂O₄)、９０は光学素子３の角度調節器、１
００は光学基板である。

【０００３】従来のレーザビーム波長変換装置は上記の
ように構成され、基本レーザビーム２は波長変換素子３
にある角度で入射すると、波長変換素子３の非線形効果
によりその一部が波長変換され、高調波レーザビーム７
として外部に変換される。図７に得られたビーム形状を
示す。

【０００４】波長変換効率は入射レーザビームのパワー
密度に比例して増大する。そのため、入射基本波の反射
ロスは少ないほうが良い。また、結晶内の進行方向に沿
った各点で発生した波長変換レーザビームが互いに打ち
消し合わないようになる条件、いわゆる位相整合条件を
満たすには、結晶にある特定の方角からレーザビームを
入射させる必要がある。この入射角度（位相整合角度）
は結晶の温度変動に従って変化するため、高出力域で効
率良く波長変換を実行するには、光学素子角度調節器９
０により入射光２の波長変換素子３への入射角度を細か
く調整する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のレ
ーザビーム波長変換装置では、変換効率は光強度に比例
して増加し、入力光が小さい場合、そのままでは波長変
換出来ず、球面レンズ等でビームスッポト径を調整しな
ければならないが、位相整合条件の問題でビームの絞り
角を大きくするとかえって変換効率が低下するなどの問
題があった。一方、効率を上げるために、光路を折り返
す方法が考えられているが、この場合、波長変換素子の
吸収率は入射基本波に対しては小さく無視できるが、波
長変換レーザビームについては大きい。このことから、
レーザビームを集光して非線形素子に入射させたり、入
射光の出力をあげることにより結晶内での入射ビームの
パワー密度を上昇させて波長変換効率をあげて高出力の
波長変換レーザビームを得ようとすると、高出力の波長
変換レーザビームの一部が非線形素子に吸収され、非線
形素子を温度上昇させ、その温度上昇により非線形素子
の位相整合状態が崩れ、波長変換出力が減少し、従って
入射レーザビームの出力に比例して波長変換レーザビー
ムは上昇せず、結果として高出力の波長変換レーザビー
ムを得ることはむつかしかった。例えば BBO結晶による
グリーンレーザビームの紫外レーザビームへの波長変換
の実験例では、レーザビームの出力は入射グリーン出力
の10ｗ以上に対して飽和してしまい、平均出力として最
高で 2ｗ程度が得られているに過ぎない。また非線形素
子の温度上昇による波長変換レーザビームの減少と、そ
の減少による非線形素子の温度下降による波長変換レー
ザビームの出力の再上昇の繰り返しが短時間で起こり、
これにより波長変換レーザビームの出力が短時間内に大
きく変動し不安定になるという問題もあった。さらに長
期間の運転により、波長変換レーザビームの非線形素子
への吸収により結晶内にカラーセンターが生成され、結
晶に色が付き非線形素子の吸収率が増大し、波長変換レ
ーザビームの出力が減少するばかりでなく、極端な場合
には発振が止ってしまうこともあった。

【０００６】本発明は、かかる問題点を解決するために
なされたものであり、変換効率を下げることなく、入射
光を集光して入射光強度を増すと同時に、高出力域にお
いて結晶の温度上昇による位相整合のずれ、温度の短時
間変動による不安定発振、結晶内のカラーセンターの発
生が少なく、効率良く、安定に高出力の波長変換レーザ
ビームを長期にわたり得ることのできる波長変換装置を
得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る波長変換装
置は、非線形光学素子の両側に、非線形光学素子におけ
る位相整合許容角の広い方向のみ集光するシリンドリカ
ルレンズを設け、さらに上記非線形光学素子の両側に、
波長変換レーザビームを透過し、基本レーザビームを反
射すると同時に非線形光学素子の位相整合許容角よりは
ずれた角度で非線形光学素子に入射させる第１反射ミラ
ーと、第１反射ミラーで折り返された基本レーザビーム
を非線形光学素子の位相整合許容角で非線形光学素子に
入射させる第２反射ミラーとを設けたものである。

【０００８】また、本発明に係る別の波長変換装置は、
非線形光学素子の両側に、基本レーザビームを反射する
と同時に上記非線形光学素子の位相整合許容角で上記非
線形光学素子に入射させるとともに、上記非線形光学素
子における位相整合許容角の広い方向のみ集光する第１
円筒ミラー、及び上記非線形光学素子により波長変換さ
れた波長変換レーザビームを透過し、基本レーザビーム
を反射すると同時に上記非線形光学素子の位相整合許容
角よりはずれた角度で上記非線形素子に入射させ、第１
円筒形ミラーに平行レーザビームを提供する第２円筒形
ミラーを備えたものである。

【０００９】

【作用】本発明における波長変換装置は、シリンドリカ
ルレンズを用い、レーザビームを非線形光学素子におけ
る位相整合許容角の広い方向のみ集光することで位相整
合条件を満足しながら入射光強度を増加することがで
き、高い変換効率を得ることができる。また、非線形光
学素子の両側に設けられた反射ミラー間を複数回往復し
て波長変換を続け、往復する光路の複数箇所から波長変
換レーザビームを選択的に外部に取りだす際に、基本波
のみが上記非線形素子内を通るように構成されているの
で、非線形光学素子の温度上昇が抑えられ、効率良く、
安定して高出力の波長変換レーザビームが得られる。さ
らに、上記シリンドリカルレンズにより往復する光路毎
に上記基本波を集光でき、高効率の波長変換レーザビー
ムが得られる。

【００１０】また、本発明における別の波長変換装置
は、上記反射ミラーの代わりに円筒形ミラーを用い、反
射ミラーとシリンドリカルレンズの２つの働きを同時に
持たせているので、部品点数が簡略化でき、コスト低減
が可能となる。

【００１１】

【実施例】

実施例１．図１（ａ）（ｂ）は各々本発明の一実施例を
示す上面構成図及び側面構成図であり、１、２、３、
７、９０、１００は上記従来装置と全く同一のものであ
る。６は非線形光学素子３の両面に配置され、非線形光
学素子３における位相整合許容角の広い方向のみのビー
ム径を絞るシリンドリカルレンズであり、各シリンドリ
カルレンズは非線形光学素子内に焦点をもち、しかも共
焦点に配置している。４、５は各々第１及び第２反射ミ
ラーで、ミラー４は入射基本レーザビーム２を反射さ
せ、波長変換されたレーザビームを全透過させる波長選
択光学薄膜４０、及び波長変換レーザビームに対する無
反射光学薄膜を備えている。また、ミラー４は基本レー
ザビーム２を非線形素子３の位相整合許容角よりはずれ
た角度で非線形素子３に入射させる。ミラー５は入射基
本レーザビーム２を反射させる反射薄膜５０を備え、さ
らにミラー４で折り返された基本レーザビーム２を非線
形素子３の位相整合許容角で非線形素子３に入射させ
る。

【００１２】上記のように構成された波長変換装置にお
いては、レーザ発振器１から発生した基本レーザビーム
２は、シリンドリカルレンズ６により非線形素子３内で
位相整合許容角の広い方向成分のみが集光され波長変換
され、共焦点に配置した他方のシリンドリカルレンズ６
により平行ビームにもどされて進行し、波長変換された
レーザビームは光学薄膜４０の作用によりそのほとんど
が波長変換レーザビーム７として外部にとり出される。
入射レーザビーム２のうち波長変換されなっかた成分は
光学薄膜４０の作用によりそのほとんどがミラー４によ
り反射され、再び非線形素子３を紙面左方向に通過する
がこの時は位相整合条件が合わないので波長変換せず、
ほとんど減衰することなく光学薄膜５０の作用によりミ
ラー５で全反射され、再びシリンドリカルレンズ６で集
光され、紙面右方向に波長変換しながら進み、波長変換
されたビーム７を外部に出射する。こうして入射光２は
基本レーザビームのみがミラー４、５の作用により複数
回非線形素子３を往復し、各往復ごとにシリンドリカル
レンズ６により非線形素子３中で集光され、外部では平
行光線で進行し、外部に波長変換レーザビーム７を出射
する。さらに波長変換素子外部において波長変換レーザ
ビームを重ね合わせて任意形状のビームパターンを作
る。例えば図２に示すよう配置すればリソグラフィー用
の光源として最適な矩形状のビームパターンを得ること
ができる。

【００１３】このように構成された波長変換装置におい
ては、レーザビームを、シリンドリカルレンズにより、
非線形光学素子における位相整合許容角の広い方向のみ
集光することで位相整合条件を満足しながら入射光強度
を増加することができ、高い変換効率を得ることができ
る。また、反射ミラー間を複数回往復して波長変換を続
ける際に、基本波のみが非線形素子内を通るように構成
されているので、非線形光学素子の温度上昇が抑えら
れ、効率良く、安定して高出力の波長変換レーザビーム
が得られる。さらに、上記シリンドリカルレンズによっ
て、往復する光路毎に上記基本波を集光でき、高効率の
波長変換レーザビームを得ることができる。

【００１４】実施例２．図３は反射ミラー４、５及びシ
リンドリカルレンズ６の変わりに、非線形光学素子３に
おける位相整合許容角の広い方向のみ集光する第１円筒
形ミラー８０、及び第１円筒形ミラーに平行レーザビー
ムを提供する第２円筒形ミラー８１を使用したものであ
り、図３（ａ）（ｂ）は各々本発明の実施例２を示す上
面構成図及び側面構成図であり、１、２、３、７、９
０、１００は上記従来装置と全く同一のものである。８
０は非線形光学素子３の外側に配置され、基本レーザビ
ームを反射すると同時に反射した基本レーザビーム２の
角度は非線形光学素子３の位相整合許容角にあわせて入
射され、位相整合許容角の広い方向に集光する第１円筒
形反射ミラーである。８１は非線形光学素子３の外側に
配置され、第１円筒形ミラー８０で反射された基本レー
ザビーム２を平行光線にして非線形光学素子の位相整合
角から外れた角度で非線形光学素子３に入射し、再び第
１円筒ミラー８０に照射し、波長変換レーザビームは通
過する第２円筒形ミラーである。５０は反射光学薄膜、
４０は波長選択反射光学薄膜である。

【００１５】上記のように構成された波長変換装置にお
いては、レーザ発振器１から発生した基本レーザビーム
２は第１円筒ミラー８０で非線形光学素子３の位相整合
許容角に合わせて反射されると同時に非線形光学素子３
の位相整合許容角の広い方向に集光される。第１円筒ミ
ラー８０で反射及び集光された基本レーザビーム２は非
線形光学素子３の位相整合許容角で入射される。非線形
光学素子３で波長変換された波長変換レーザビームは第
２円筒ミラー８１の波長選択反射光学薄膜４０を通過す
る。第１円筒ミラー８０で反射した基本レーザビーム２
は第２円筒ミラー８１で反射され非線形光学素子３の位
相整合許容角からはずれた角度で非線形光学素子３に入
射する。この時第２円筒ミラー８１は基本レーザビーム
を平行ビームに変える。

【００１６】基本レーザビーム２は第１円筒ミラー８０
で反射された時だけ非線形素子３の位相整合条件に一致
し波長変換レーザビーム７を発生し、この波長変換レー
ザビームは第２円筒ミラー８１から外部に出力される。
基本レーザビームは第１円筒ミラー８０と第２円筒ミラ
ー８１を数回往復しその都度第２円筒ミラー８１から波
長変換レーザビーム７を出力し、そのビームパターンは
実施例１と同様、図２のような形になる。 以上のよう
にして基本レーザビームのみミラー間を往復させること
で実施例１と同等の効果が得られると共に、部品点数が
簡略化でき、コスト低減が可能となる。

【００１７】なお、実施例２における紫外透過の第２円
筒ミラー８１の石英もしくはガラスの基盤の形を図４の
ように波長変換レーザビーム７が平行光線で外部に取り
出せる曲率を付けると長距離の伝搬が容易になる。

【００１８】実施例３．図５は本発明のさらに他の実施
例を示すものであり、図に示すように集光用のシリンド
リカルレンズ６は光路に合わせて複数個配置してもよ
い。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば波長変換
装置において、非線形光学素子の両側に、非線形光学素
子における位相整合許容角の広い方向のみ集光するシリ
ンドリカルレンズを設け、さらに上記非線形光学素子の
両側に、波長変換レーザビームを透過し、基本レーザビ
ームを反射すると同時に非線形光学素子の位相整合許容
角よりはずれた角度で非線形光学素子に入射させる第１
反射ミラーと、第１反射ミラーで折り返された基本レー
ザビームを非線形光学素子の位相整合許容角で非線形光
学素子に入射させる第２反射ミラーとを設けたので、入
射光を集光して入射光強度を増し、高効率で、安定に高
出力の波長変換レーザビームを長期にわたり得ることが
できる。

【００２０】また、本発明の別の波長変換装置において
は、非線形光学素子の両側に、基本レーザビームを反射
すると同時に上記非線形光学素子の位相整合許容角で上
記非線形光学素子に入射させるとともに、上記非線形光
学素子における位相整合許容角の広い方向のみ集光する
第１円筒ミラー、及び上記非線形光学素子により波長変
換された波長変換レーザビームを透過し、基本レーザビ
ームを反射すると同時に上記非線形光学素子の位相整合
許容角よりはずれた角度で上記非線形素子に入射させ、
第１円筒形ミラーに平行レーザビームを提供する第２円
筒形ミラーを設けたので、上記効果に加え、部品点数が
簡略化でき、コスト低減が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す上面構成図及び側面構
成図である。

【図２】本発明の実施例１に係わる波長変換レーザビー
ムを示す説明図である。

【図３】本発明の実施例２を示す上面構成図及び側面構
成図である。

【図４】本発明の実施例２に係わる第２円筒ミラーの他
の例を示す上面構成図である。

【図５】本発明の実施例３を示す上面構成図及び側面構
成図である。

【図６】従来の波長変換装置を示す側面図である。

【図７】従来の波長変換レーザビームを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２ 基本レーザビーム ３ 非線形光学素子 ４ 第１反射ミラー ５ 第２反射ミラー ６ シリンドリカルレンズ ７ 波長変換レーザビーム ８０ 第１円筒形ミラー ８１ 第２円筒形ミラー

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

フロントページの続き (72)発明者 小島 哲夫 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社中央研究所内 (72)発明者 岡本 達樹 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社中央研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを非線形光学素子により波
   長変換して入射光と波長の異なる波長変換レーザビーム
   を取り出す波長変換装置において、上記非線形光学素子
   の両側に設けられ、上記非線形光学素子における位相整
   合許容角の広い方向のみ集光するシリンドリカルレン
   ズ、上記非線形光学素子により波長変換された波長変換
   レーザビームを透過し、基本レーザビームを反射すると
   同時に上記非線形光学素子の位相整合許容角よりはずれ
   た角度で上記非線形光学素子に入射させる第１反射ミラ
   ー、及び第１反射ミラーで折り返された上記基本レーザ
   ビームを上記非線形光学素子の位相整合許容角で上記非
   線形光学素子に入射させる第２反射ミラーを備えたこと
   を特徴とする波長変換装置。
2. 【請求項２】 レーザビームを非線形光学素子により波
   長変換して入射光と波長の異なる波長変換レーザビーム
   を取り出す波長変換装置において、基本レーザビームを
   反射すると同時に上記非線形光学素子の位相整合許容角
   で上記非線形光学素子に入射させるとともに、上記非線
   形光学素子における位相整合許容角の広い方向のみ集光
   する第１円筒ミラー、及び上記非線形光学素子により波
   長変換された波長変換レーザビームを透過し、基本レー
   ザビームを反射すると同時に上記非線形光学素子の位相
   整合許容角よりはずれた角度で上記非線形素子に入射さ
   せ、第１円筒形ミラーに平行レーザビームを提供する第
   ２円筒形ミラーを備えたことを特徴とする波長変換装
   置。