JPH08271942A - 波長変換方法、それを用いた波長変換装置および非回折性光束発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基本波を波長変換素子に入射するための精密
な位置合わせが不要であり、平行ビーム化および回折限
界の集光が可能で、且つ、波長の高効率変が可能な波長
変換装置の提供。 【構成】 基本波光源としてのＬＤを具え、非光導波路
型のバルク型の波長変換素子としてＱＰＭ ＳＨＧ素子
１０を具えている。このＱＰＭ ＳＨＧ素子は、分極反
転領域（ドメイン）が薄膜状であって、この薄膜状のド
メインを積層して周期的分極反転構造１２を構成してい
る。そして、半導体レーザから出射された光から、波長
変換素子に入射する基本波としての非回折性光束を発生
させる非回折性光束発生手段１４として、アキシコンレ
ンズ１４を具えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ；Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を光源とした基本波の波
長を変換するための波長変換方法およびそれを用いた波
長変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の波長変換装置の一例として、文献
１：「Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，１９９４年４月号，ｐｐ．６
０〜６５」に、光導波路を具え、擬似位相整合（ＱＰ
Ｍ；Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を利
用した光第２高調波発生（ＳＨＧ；Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａ
ｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いた例
が記載されている。この文献１に記載のＱＰＭによるＳ
ＨＧ素子（以下、ＱＰＭＳＨＧ素子とも略称する）の例
によれば、光導波路中に基本波を伝播させることによ
り、高いエネルギー密度を保ったまま長い距離を基本波
を波長変換素子（非線形光学結晶中）を伝播させること
ができる。その結果、高い変換効率を達成することがで
きる。また、波長変換された光（例えば、光第２高調波
（ＳＨ波））は、平行ビーム化および回折限界の集光が
可能であるという優れた特性を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光導波
路型の波長変換素子においては、基本波を光導波路に効
率よく入射させるために、精密な位置合わせが必要とな
る。

【０００４】一方、光導波路を設けないバルク型の波長
変換素子においては、精密な位置合わせは不要である
が、基本波を長い距離、基本波のエネルギー密度を高く
保ったまま、波長変換素子中（非線形光学結晶中）を伝
播させることは困難である。その結果、バルク型の波長
変換素子では、光導波路型の波長変換素子に比べて、変
換効率が低くなってしまうという問題点があった。

【０００５】このため、基本波を波長変換素子に入射す
るための精密な位置合わせが不要であり、且つ、波長の
高効率変換ができる波長変換方法および波長変換装置の
実現が望まれていた。

【０００６】また、波長変換方法および波長変換装置に
用いて好適な、より高い強度の非回折性光束を発生でき
る非回折性光束発生装置の実現が望まれていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

＜第１の発明＞この出願に係る第１の発明の波長変換方
法によれば、バルク型の波長変換素子に基本波を入射し
て波長変換を行うにあたり、この基本波として非回折性
光束を入射させることを特徴とする。

【０００８】また、第１の発明の波長変換方法におい
て、波長変換素子として、光第２高調波発生（ＳＨＧ）
素子を用いることにより、光第２高調波を発生させるこ
とが望ましい。

【０００９】また、第１の発明の波長変換方法におい
て、波長変換素子として、和周波発生（ＳＦＧ）素子を
用いることにより、和周波を発生させることが望まし
い。

【００１０】また、第１の発明の波長変換方法におい
て、波長変換素子として、差周波発生（ＤＦＧ）素子を
用いることにより、差周波を発生させることが望まし
い。

【００１１】また、第１の発明の波長変換方法におい
て、好ましくは、波長変換素子として、擬似位相整合
（ＱＰＭ）による波長変換素子を用い、光軸に関して対
称な形状を有する位相シフト板を用いて、基本波の一部
分の位相を遅らせることにより、当該波長変換素子の擬
似位相整合条件を緩和すると良い。

【００１２】＜第２の発明＞また、この出願に係る第２
の発明の波長変換装置によれば、非光導波路型のバルク
型の波長変換素子と、基本波光源としての半導体レーザ
（ＬＤ）とを具えた波長変換装置であって、半導体レー
ザから出射された光から、波長変換素子に入射する基本
波としての非回折性光束を発生させる非回折性光束発生
手段を具えてなることを特徴とする。

【００１３】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子を第２高調波発生（ＳＨＧ）素子とす
ることが望ましい。

【００１４】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子を和周波発生（ＳＦＧ）素子とするこ
とが望ましい。

【００１５】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子を差周波発生（ＤＦＧ）素子とするこ
とが望ましい。

【００１６】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子を擬似位相整合（ＱＰＭ）による波長
変換素子とすることが望ましい。

【００１７】また、より好ましくは、ＱＰＭを利用した
波長変換素子を具えた波長変換装置において、非回折性
光束発生手段の入力側に、波長変換素子の擬似位相整合
（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対してブラッグ条件を
満足する光学手段を具えてなると良い。

【００１８】また、より好ましくは、ＱＰＭを利用した
波長変換素子を具えた波長変換装置において、非回折性
光束発生手段の入力側であって、該非回折性光束発生手
段に入射する光のうちの一部分の光路上に、基本波の位
相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状を有す
る、位相シフト板を具えてなると良い。

【００１９】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子の出力側に、当該波長変換素子によっ
て波長変換された出射光を円筒状の平行光束にするため
のアキシコンレンズと、この円筒状の平行光束を限界集
光するための凸レンズと具えてなることが望ましい。

【００２０】また、より好ましくは、限界集光された出
射光を平行光束にするためのコリメータを具えてなると
良い。

【００２１】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、波長変換素子の出力側に、当該波長変換素子によっ
て波長変換された出射光を円筒状の平行光束にするため
のアキシコンレンズおよび該円筒状の平行光束を限界集
光するための凸レンズと等価な作用を有する単一のゾー
ンプレートを具えてなることが望ましい。

【００２２】また、より好ましくは、ゾーンプレートに
よって限界集光された出射光を平行光束にするためのコ
リメータを具えてなると良い。

【００２３】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、非回折性光束発生手段として、半導体レーザから出
射された平行光束を円環状のスポットに集光するための
第１光学系と、当該スポットに集光された光から非回折
性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長変
換装置であって、第１光学系は、軸はずれの凸レンズ
を、当該凸レンズのメリディオナル面と当該凸レンズの
外縁部との２つの交点のうちの当該凸レンズの焦点に近
い方の交点を通り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な
回転軸の周りに回転して得られる断面形状を有するトロ
イダルレンズを以って構成されていることが望ましい。

【００２４】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、非回折性光束発生手段として、半導体レーザから出
射された平行光束を円環状のスポットに集光するための
第１光学系と、このスポットに集光された光から非回折
性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長変
換装置であって、第１光学系は、軸はずれの凸レンズ
を、当該凸レンズのメリディオナル面と当該凸レンズの
外縁部との２つの交点のうちの当該凸レンズの焦点に近
い方の交点を通り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な
回転軸の周りに回転して得られる断面形状を有するトロ
イダルレンズと等価な作用を有するゾーンプレートを以
って構成されていることが望ましい。

【００２５】尚、軸はずれの凸レンズとは、当該凸レン
ズの光軸上からずれた位置に焦点を結ぶ凸レンズをい
う。また、メリディオナル面とは、レンズの光軸と当該
レンズの焦点とで決まる面をいう。

【００２６】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、非回折性光束発生手段として、半導体レーザから出
射された平行光束を円環状のスポットに集光するための
第１光学系と、このスポットに集光された光から非回折
性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長変
換装置であって、この第２光学系は、スポットに集光さ
れた光を円筒状の平行光束にするための筒状光束コリメ
ータと、この円筒状の平行光束を集光して非回折性光束
を発生するアキシコン光学系とを以って構成されてなる
ことが望ましい。

【００２７】また、より好ましくは、第２光学系として
筒状光束コリメータおよびアキシコン光学系を具えた波
長変換装置において、第２光学系は、アキシコン光学系
に入射する光のうちの一部分の光路上に、平行光束の位
相を遅らせまたは進ませるための、光軸に関して対称な
形状を有する位相シフト手段を具えてなると良い。

【００２８】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、非回折性光束発生手段として、半導体レーザから出
射された平行光束を円環状のスポットに集光するための
第１光学系と、このスポットに集光された光から非回折
性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長変
換装置であって、この第２光学系は、スポットに集光さ
れた光を円筒状の平行光束にするための筒状光束コリメ
ータおよびこの円筒状の平行光束を集光して非回折性光
束を発生するアキシコン光学系と等価な作用を有する単
一のゾーンプレートを以って構成されてなることが望ま
しい。

【００２９】また、より好ましくは、第２光学系として
単一のゾーンプレートを具えた波長変換装置において、
ゾーンプレートは、アキシコン光学系に入射する光のう
ちの一部分の光路上に、平行光束の位相を遅らせまたは
進ませるための光軸に関して対称な形状を有する位相シ
フト手段と等価な作用を有すると良い。

【００３０】また、より好ましくは、第２光学系として
単一のゾーンプレートを具えた波長変換装置において、
ゾーンプレートは、下記の（６）式を満足する位相分布
φ（ρ）を有すると良い。

【００３１】 φ（ρ）＝（π／λ）ρ² （Ａ² −Ｂ² ）｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）｝^-1・・・（６） 但し、ρは光軸に垂直な平面における光軸からの距離を
表し、ＡおよびＢはそれぞれ定数を表す。また、λは基
本波の波長を表し、ｚ₁ およびｚ₂ は、光軸上の非回折
性光束の始点および終点の当該ゾーンプレートからの距
離を表す。

【００３２】また、第２の発明の波長変換装置におい
て、非回折性光束発生手段として、半導体レーザから出
射された平行光束を円環状のスポットに集光するための
第１光学系と、このスポットに集光された光から非回折
性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長変
換装置であって、第２光学系は、非回折性光束が発生す
る領域の長さを、波長変換素子の素子長とすることが望
ましい。

【００３３】＜第３の発明＞また、この出願に係る第３
の発明の波長変換装置によれば、非光導波路型のバルク
型の波長変換素子と、基本波光源としての半導体レーザ
（ＬＤ）とを具えた波長変換装置であって、半導体レー
ザから出射された光から、波長変換素子に入射する基本
波としての非回折性光束を発生させる非回折性光束発生
手段を具え波長変換素子として、周期的分極反転領域を
設けた擬似位相整合（ＱＰＭ）による光第２高調波発生
（ＳＨＧ）素子を具え、非回折性光束発生手段として、
アキシコンレンズを具え、この周期的分極反転構造の反
転周期Λは、下記の式（１）を満足することを特徴とす
る。

【００３４】Λ＝２ｌ_C ／ｃｏｓθ・・・（１） 但し、ｌ_C は、擬似位相整合による光第２高調波発生素
子のコヒーレンス長を表し、θは、非回折性光束発生手
段から出射された波数ｋの光束が光軸となす角である。

【００３５】また、第３の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側に、波長変換素子の擬
似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対してブラ
ッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなることが
望ましい。

【００３６】また、第３の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
を有する位相シフト板を具えてなることが望ましい。

【００３７】＜第４の発明＞また、この出願に係る第４
の発明の波長変換装置によれば、非光導波路型のバルク
型の波長変換素子と、基本波光源としての半導体レーザ
（ＬＤ）とを具えた波長変換装置であって、半導体レー
ザから出射された光から、波長変換素子に入射する基本
波としての非回折性光束を発生させる非回折性光束発生
手段を具え波長変換素子として、周期的分極反転領域を
設けた擬似位相整合（ＱＰＭ）による和周波発生（ＳＦ
Ｇ）素子を具え、非回折性光束発生手段として、アキシ
コンレンズを具え、この周期的分極反転構造の反転周期
Λは、下記の式（２）を満足し、且つ、擬似位相整合に
よる和周波発生素子の位相不整合Δｋが下記の式（３）
を満足することを特徴とする。

【００３８】 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（２） Δｋ＝ｋ₃ −ｋ₂ −ｋ₁ ・・・（３） 但し、ｋ₁ は、第１の基本波の波数を表し、ｋ₂ は、第
２の基本波の波数を表し、ｋ₃ は、和周波の波数を表
す。また、θは、ｋ₁ およびｋ₂ が、光軸となす角度を
表す。

【００３９】また、第４の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側に、波長変換素子の擬
似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対してブラ
ッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなることが
望ましい。

【００４０】また、第４の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
を有する位相シフト板を具えてなることが望ましい。

【００４１】＜第５の発明＞また、この出願に係る第５
の発明の波長変換装置によれば、非光導波路型のバルク
型の波長変換素子と、基本波光源としての半導体レーザ
（ＬＤ）とを具えた波長変換装置であって、半導体レー
ザから出射された光から、波長変換素子に入射する基本
波としての非回折性光束を発生させる非回折性光束発生
手段を具え波長変換素子として、周期的分極反転領域を
設けた擬似位相整合（ＱＰＭ）による差周波発生（ＤＦ
Ｇ）素子を具え、非回折性光束発生手段として、アキシ
コンレンズを具え、この周期的分極反転構造の反転周期
Λは、下記の式（４）を満足し、且つ、擬似位相整合に
よる差周波発生素子の位相不整合Δｋが下記の式（５）
を満足することを特徴とする。

【００４２】 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（４） Δｋ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ・・・（５） 但し、ｋ₁ は、第１の基本波の波数を表し、ｋ₂ は、第
２の基本波の波数を表し、ｋ₃ は、差周波の波数を表
す。また、θは、ｋ₁ およびｋ₂ が光軸となす角度を表
す。

【００４３】また、第５の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側に、波長変換素子の擬
似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対してブラ
ッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなることが
望ましい。

【００４４】また、第５の発明の波長変換装置におい
て、アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
を有する位相シフト板を具えてなることが望ましい。

【００４５】＜第６の発明＞また、この出願に係る第６
の発明の非回折性光束発生装置によれば、平行光束を円
環状のスポットに集光するための第１光学系と、このス
ポットに集光された光から非回折性光束を発生させるた
めの第２光学系とを具えた非回折性光束発生装置であっ
て、第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズを
以って構成されてなることを特徴とする。

【００４６】尚、軸はずれの凸レンズとは、当該凸レン
ズの光軸上からずれた位置に焦点を結ぶ凸レンズをい
う。また、メリディオナル面とは、レンズの光軸と当該
レンズの焦点とで決まる面をいう。

【００４７】＜第７の発明＞また、この出願に係る第７
の発明の非回折性光束発生装置によれば、平行光束を円
環状のスポットに集光するための第１光学系と、このス
ポットに集光された光から非回折性光束を発生させるた
めの第２光学系とを具えた非回折性光束発生装置であっ
て、第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズと
等価な作用を有するゾーンプレートを以って構成されて
なることを特徴とする。

【００４８】＜第８の発明＞また、この出願に係る第８
の発明の非回折性光束発生装置によれば、平行光束を円
環状のスポットに集光するための第１光学系と、このス
ポットに集光された光から非回折性光束を発生させるた
めの第２光学系とを具えた非回折性光束発生装置であっ
て、この第２光学系は、スポットに集光された光を円筒
状の平行光束にするための筒状光束コリメータと、この
円筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生するア
キシコン光学系とを以って構成されてなることを特徴と
する。

【００４９】＜第９の発明＞また、この出願に係る第９
の発明の非回折性光束発生装置によれば、平行光束を円
環状のスポットに集光するための第１光学系と、このス
ポットに集光された光から非回折性光束を発生させるた
めの第２光学系とを具えた非回折性光束発生装置であっ
て、この第２光学系は、スポットに集光された光を円筒
状の平行光束にするための筒状光束コリメータおよびこ
の円筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生する
アキシコン光学系と等価な作用を有する単一のゾーンプ
レートを以って構成されてなることを特徴とする。

【００５０】また、第９の発明の非回折性光束発生装置
において、ゾーンプレートは、下記の（６）式を満足す
る位相分布φ（ρ）を有することが望ましい。

【００５１】 φ（ρ）＝（π／λ）ρ² （Ａ² −Ｂ² ）｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）｝^-1・・・（６） 但し、ρは光軸に垂直な平面における当該光軸からの距
離を表し、ＡおよびＢはそれぞれ定数を表す。また、λ
は基本波の波長を表し、ｚ₁ およびｚ₂ は光軸上の非回
折性光束の始点および終点の当該ゾーンプレートからの
距離を表す。

【００５２】

【作用】この出願に係る第１の発明の波長変換方法によ
れば、バルク型の波長変換素子に基本波として非回折性
光束を入射させる。また、この出願に係る第２の発明の
波長変換装置によれば、波長変換素子に入射する基本波
としての非回折性光束を発生させる非回折性光束発生手
段を具えている。また、この出願に係る第３〜５の発明
の波長変換素子によれば、非回折性光束発生手段として
アキシコンレンズを具えている。

【００５３】その結果、この出願に係る各発明において
は、非回折性光束を基本波とすることにより、光導波路
を用いずに、基本波を高いエネルギー密度をともったま
ま、長い距離波長変換素子中（非線形光学結晶中）を伝
播させることができる。このため、光導波路を用いず
に、波長の高効率変換を実現することが可能となる。ま
た、光導波路を用いないため、基本波を光導波路に効率
よく入射させるための精密な位置合わせ技術が不要とな
る。

【００５４】＜非回折性光束について＞以下、図２を参
照して、非回折性光束（ベッセルビームとも称する）に
ついて説明する。

【００５５】従来、光導波路中では、光の強度分布が光
の伝播方向に垂直な全ての面で等しくなるようにして光
は伝播する。一方、非回折性光束は、光導波路中でな
く、自由空間中を、光の強度分布が光の伝播方向に垂直
な全ての面で等しくなるようにして伝播する。但し、こ
のような光は数学的には厳密には存在しないが、レーザ
光の様な可干渉性の強い光について、近似的に作り得る
ことが知られている。非回折性光束を発生させる方法の
一例が、例えば、文献２：「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉ
ｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ５８，Ｎｕｍｂ
ｅｒ１５ １３Ａｐｒｉｌ １９８７ ｐｐ．１４９９
−１５０１」または文献３：「応用物理第５９巻１９９
０年 ｐｐ．７４６−７５０」に開示されている。

【００５６】非回折性光束発生手段としては、例えばア
キシコンレンズや円環状のスリットを用いることができ
る。アキシコンレンズを用いた光学系で非回折性光束が
得られるということは、文献４：「Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，
１９９２年９月号 ｐｐ．８４−８９」に説明されてい
る。特に、文献４の８７頁に詳しい解説がある。この解
説によれば、アキシコンレンズを用いることにより、１
００％近い効率で非回折性光束を得ることができる。さ
らに、条件を揃えれば、数ミリ程度の距離を直径１μｍ
の光スポットを保ったまま伝播させることができる。

【００５７】また、光切性光束発生手段として、例え
ば、円環状のスリットを用いることもできる。この場合
は、アキシコンレンズのような特殊なレンズを使うこと
なく通常のレンズと円環状のスリットを用いて容易に非
回折性光束を得ることができる。但し、円環状のスリッ
トを用いた場合は、非回折性光束の光強度を強くするこ
とが困難である。そこで、様々な非回折性光束発生手段
が提案されている。例えば、文献５：「特開平４−１４
５１２号公報」にも非回折性光束発生手段の例が開示さ
れている。この出願に係る各発明では、従来の周知のい
ずれの非回折性光束発生手段を用いても良い。

【００５８】ここでは、非回折性光束をアキシコンレン
ズを用いて発生させる場合について説明する。図２に示
すように、アキシコンレンズとは、円錐形部分を有する
レンズである。屈折率ｎのガラスからなる頂角２Ａのア
キシコンレンズにＬＤの発振光（以下、単にレーザ光と
も称する）であって、コリメートされた平行光が入射す
る。尚、コリメートに必要な光学系は、従来周知の光学
系を用いることができる。アキシコンレンズを構成する
ガラスの屈折率ｎおよびアキシコンレンズの頂角２Ａ
は、レーザ光の波長と共に（近似的）非回折性光束のビ
ーム系や伝播長を決める因子となる。

【００５９】ここで、図２の光軸上右向きにｚ軸をと
り、このｚ軸と直交する面をｘｙ面とすると、図２の破
線Ｂの領域に分布する非回折性光束の電界は、定数項を
省略して、下記の（１１）式で表すことができる。

【００６０】 Ｅ(x,y,z,t)=exp[i(βz-ωt)] Ｊ₀ ( αr)・・・（１１） 但し、ｒ＝（ｘ₂ ＋ｙ₂ ）^1/2 、Ｊ₀ ( αr)は第１種０
次ベッセル関数、α²＋β² ＝（ω／Ｃ）² 、ωは非回
折性光束（ベッセルビーム）の角周波数、Ｃは真空中の
光の速度をそれぞれ表す。

【００６１】さらに、非回折性光束の直感的な説明をす
れば、非回折性光束は、波数ベクトルｋ₁ の光ビームと
波数ベクトルｋ₂ の光ビームとの光軸（ｚ軸）上の干渉
によって生ずると考えられる。両光ビームの波数ベクト
ルｋ₁ およびｋ₂ の方向とｚ軸とのなす角度をθとすれ
ば、波数ベクトルｋ₁ は（２π／λ）（ｃｏｓθ、ｓｉ
ｎθ）と表され、一方、波数ベクトルｋ₂ は（２π／
λ）（ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ）と表すことができる。但
し、λは波長を表す。

【００６２】そこで、ｚ軸上に形成される非回折性光束
を、光軸（ｚ軸）上についてその位相に注目して定数項
および振幅項を無視して表現すれば、下記の（１２）式
で表すことができる。

【００６３】 Ｅ(z)=exp[i(ωt-kzｃｏｓθ)]・・・（１２） 但し、ωは角周波数、ｋ＝２πｎ／λ、ｎは屈折率を表
す。

【００６４】（１２）式は、位相速度がω／（ｋｃｏｓ
θ）である点を除き通常の平面波と同じである。従っ
て、非回折性光束は、位相速度がω／（ｋｃｏｓθ）で
あって、ビーム径が細いままで拡がることなく伝播する
平面波であると近似的に考えることができる。

【００６５】アキシコンレンズを用いた場合、アキシコ
ンレンズを構成するガラスの屈折率をｎ、頂角の半値を
Ａとすれば、ｎ＝ｃｏｓ（Θ−θ）／ｃｏｓＡであるか
ら、θは下記の（１３）式 θ＝Θ−ｃｏｓ^-1（ｎｃｏｓΘ）・・・（１３） で表すことができる。

【００６６】そして、この非回折性光束を基本波として
波長変換素子に入射した場合の波長変換効率は、非回折
性光束の強度が強い程高くなる。

【００６７】ここで、図８を参照して、非回折性光束の
強度と非回折性光束発生手段（非回折性光束発生装置）
との関係について説明する。図８は、非回折性光束発生
手段の一例を示す。この光学系においては、先ず平行ビ
ームは第１光学系によって円環状のスポットに集光され
る。集光された光は第２光学系の筒状光束コリメータに
よって円筒状の平行光束となって、第２光学系のアキシ
コン光学系に入射する。そして、アキシコン光学系は非
回折性光束を発生させる。

【００６８】ところで、非回折性光束の強度は、非回折
性光束の存在範囲の長さＺ_MAX に反比例する。また、こ
の強度は、非回折性光束発生手段（または非回折性光束
発生装置とも称する）に入射する平行ビームのビーム径
Ｄ₀ が大きい程強くなる。また、この強度は、非回折性
光束発生手段の第２光学系によって集光された非回折性
光束を含むエアリーディスクの直径Ｗが小さい程強くな
る。従って、この強度は、Ｄ₀ ／Ｗに反比例する。ま
た、非回折性光束の強度は、非回折性光束を含むエアリ
ーディスクの光電場の平均エネルギーの（２π／λ）ｓ
ｉｎθに反比例する。即ち、平均エネルギーが大きい
程、非回折性光束に集束する光エネルギーが小さくな
る。

【００６９】このビーム径Ｄ₀ および波長λは、光源の
半導体レーザによって決まる。このため、非回折性光束
の強度を高くするには、存在範囲の長さＺ_MAX を大きく
することなく、エアリーディスクの直径Ｗおよび、第２
光学系で集束させた光ビーム（波数ベクトルｋ₁ の光ビ
ームと波数ベクトルｋ₂ の光ビーム）との光軸（ｚ軸）
とのなす角度θの少なくとも一方を小さくすれば良いこ
とになる。

【００７０】＜第１光学系について＞そこで、第２の発
明の波長変換素子において、非回折性光束発生手段の第
１光学系として、軸はずれの凸レンズを、当該凸レンズ
のメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との交点を
通り、光軸と平行な回転軸の周りに回転して得られる断
面形状を有するトロイダルレンズを以って構成すること
が望ましい。但し、この断面形状とは、回転軸を含む平
面で切った場合の断面形状を指す。尚、この場合の非回
折性光束発生手段は、第６の発明の非回折性光束発生装
置に相当する。

【００７１】その結果、第１光学系によって焦点を結ぶ
円環状のスポットの直径Ｄ_f を第１光学系の有効口径の
１／２よりも小さくすることができる。スポットの直径
Ｄ_fを小さくすることにより、直径Ｗおよび角度θを小
さくすることができる。このため、光束のエネルギーを
光軸近傍に集中させて、強度を高くすることができる。

【００７２】また、この軸はずれの凸レンズを回転して
得られる断面形状を有するトロイダルレンズと等価な作
用を有するゾーンプレートを第１光学系として用いて
も、円環状のスポットの直径Ｄ_f をゾーンプレートの有
効口径Ｄ₀ の１／２よりも小さくすることができる。
尚、このゾーンプレートを具えた非回折性光束発生手段
は、第７の発明の非回折性光束発生装置に相当する。ま
た、ゾーンプレートを用いれば、原理的に球面収差の発
生を無くすることができる。

【００７３】この点、従来の非回折性光束発生装置にお
いては、例えば、上述の文献５に開示されているよう
に、円環状のスポットの直径は、第１光学系のトロイダ
ルレンズの有効口径の１／２になる。これは、このトロ
イダルレンズが通常の凸レンズをその外縁の一点を回転
軸として回転させて得られる断面形状を有しているから
である。このため、この文献５に開示の技術では、スポ
ットの直径を１／２よりも小さくすることができない。

【００７４】＜第２光学系について＞また、第２の発明
の波長変換素子において、非回折性光束発生手段の第２
光学系として、アキシコン光学系の他に、円環状のスポ
ットに集光された光を円筒状の平行光束にするための筒
状光束コリメータを設けることが望ましい。尚、この場
合の非回折性光束発生手段の構成は、第８の発明の非回
折性光束発生装置に相当する。その結果、平行光束のエ
ネルギーを平行光束の周辺部の円筒状の狭い領域に集束
させることができる。即ち、円筒の壁の厚さを薄くする
ことができる。このため、エネルギーを高くした光をア
キシコン光学系に入射することができる。このため、直
径Ｗおよび角度θを小さくすることができる。

【００７５】また、筒状光束コリメータとアキシコン光
学系との間の筒状の平行光束では位相差が発生しない。
従って、筒状光束コリメータとアキシコン光学系とは、
原理的に一体化することができる。

【００７６】そこで、第２の発明の波長変換素子におい
て、非回折性光束発生手段の第２光学系として、筒状光
束コリメータおよびアキシコン光学系と等価な作用を有
する単一のゾーンプレートを設けることが望ましい。単
一のゾーンプレートを設けることにより、バルクのレン
ズを設ける場合よりも第２光学系の構成を簡単にするこ
とができる。尚、この場合の非回折性光束発生手段の構
成は、第９の発明の非回折性光束発生装置に相当する。
また、ゾーンプレート用いれば、原理的に球面収差の発
生を無くすることができる。

【００７７】＜存在範囲について＞また、第２の発明の
波長変換装置において、非回折性光束の発生する領域
（存在範囲）の長さＺ_MAX を、波長変換素子の素子長
（有効長）と等しくすると良い。非回折性光束の強度
は、この領域の長さが短い程強い。しかし、素子の有効
長よりも領域の長さを短くすると、波長変換効率が低下
する。従って、領域の長さを素子長とすれば、変換効率
を最も高くすることができる。

【００７８】＜位相整合について＞ ・ＳＨＧの場合 この出願に係る第１および第２の発明において、バルク
型の波長変換素子であって、２次の非線形相互作用によ
り実現する光第２高調波発生（ＳＨＧ）素子に非回折性
光束を入射すれば、高精度の位置合わせを行わずに、高
効率の変換を行うことが可能となる。

【００７９】ここでは、特に、周期的分極反転構造を有
し、擬似位相整合（ＰＱＭ）を利用したＳＨＧについて
説明する。この場合は、第３の発明の波長変換装置に相
当する。

【００８０】基本波は、上述した（１２）式で与えられ
る非回折性光束であり、これを実数表示すれば、下記の
（１４）式で表すことができる。 Ｅ(z)=Ｅｃｏｓ（ωｔ−ｋ_f ｚｃｏｓθ）・・・（１４） 但し、ωは基本波の角周波数、ｋ_f は基本波の波数ベク
トルをそれぞれ表す。

【００８１】また、発生する光第２高調波（ＳＨ波）の
電界は、下記の（１５）式で表される。 Ｅ_sh(z)=Ｅ_shｃｏｓ（ω_shｔ−ｋ_shｚｃｏｓθ）・・・（１５） 但し、ω_shはＳＨ波の角周波数、ｋ_shはＳＨ波の波数ベ
クトルをそれぞれ表す。

【００８２】そして、電場Ｅによって誘起される電気分
極Ｐは、下記の（１６）式で表される。 Ｐ＝χ₁ Ｅ＋χ₂ ＥＥ＋χ₃ ＥＥＥ＋…・・・（１６） 但し、χ₁ 、χ₂ 、χ₃ …は、それぞれ、１次、２次、
３次…の電気感受率を表す。

【００８３】従って、２次の非線形分極Ｐ_shは、下記の
（１７）式で表される。 Ｐ_sh＝(1/2) χ₂ Ｅ² ｃｏｓ（ω_shｔ−２ｋ_f ｚｃｏｓθ）・・（１７） この２次の非線形分極成分を下記の（１８）式の波動方
程式の駆動成分として、着目する周波数（ここでは
ω_sh）について解くことによって非線形光学相互作用を
解析することができる。

【００８４】

【数１】

【００８５】従って、下記の（１９）式を解くことにな
る。 ▽×▽×Ｅ_shｃｏｓ（ω_shｔ−ｋ_shｚｃｏｓθ） ＋ω_sh ² εμＥ_shｃｏｓ（ω_shｔ−ｋ_shｚｃｏｓθ） ＝−ω_sh ² μＰ_sh・・・（１９） 相互作用はコリニアに生じ、ＳＨ成分への変換が緩やか
であるとすると（１９）式は、下記の（２０）式のよう
に表せる。

【００８６】

【数２】

【００８７】ＳＨ波への変換が小さければ、基本波のエ
ネルギーの減少分を無視することができる。その場合の
ＳＨ波の出力は下記の（２１）式のように表せる。 Ｐ_sh＝１／２（ε／μ₀ ）^1/2 Ｅ_sh ² Ａ ＝２（ε₀ ／μ₀ ）^3/2 ｛（ω² χ₂ ²ｌ² ）／（ｎ² ｎ_sh）｝ ｛Ｐ² ／Ａ｝｛（ｓｉｎ（Δｋｌ／２））／（Δｋｌ／２）² ｝ ・・・（２１） 但し、Δｋは、位相不整合成分を表し、Δｋ＝ｋ_shｃｏ
ｓθ−２ｋ_f ｃｏｓθで表される。また、ｎ、ｎ_shはそ
れぞれ基本波およびＳＨ波の屈折率、Ａはベッセルビー
ムの断面積、ｌは相互作用長を表し、μ、μ₀ はそれぞ
れ結晶中および真空中の透磁率、また、ε、ε₀ はそれ
ぞれ結晶中および真空中の誘電率を表す。

【００８８】従って、位相不整合整合量Δｋは、下記の
（２２）式のように表せる。 Δｋ＝ｋ_shｃｏｓθ−２ｋ_f ｃｏｓθ ＝（４π／λ）ｎ_shｃｏｓθ−２（２π／λ）ｎｃｏｓθ ＝（４π／λ）（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ・・・（２２） 従って、擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たすための手
記的分極反転構造の周期Λは、非線形光学結晶のコヒー
レンス長をｌ_C とすると、下記の（２３）式のように表
せる。

【００８９】 Λ＝２ｌ_C （１／ｃｏｓθ） ＝（λ／２）／［（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ］・・・（２３） 上記（２３）式を通常のコリメート光を基本光とする擬
似位整合によるＳＨＧ（いわゆる従来のＱＰＭ ＳＨ
Ｇ）と比較すると、非回折性光束を基本波とした場合
は、従来のＱＰＭ ＳＨＧと周期Λが（１／ｃｏｓθ）
倍になる点が異なるだけであることが分かる。

【００９０】・ＳＦＧの場合 また、この出願に係る第１および第２の発明において、
バルク型の波長変換素子であって、２次の非線形相互作
用により実現する和周波発生（ＳＦＧ）素子に非回折性
光束を入射すれば、高精度の位置合わせを行わずに、高
効率の変換を行うことが可能となる。

【００９１】ここでは、特に、周期的分極反転構造を有
し、擬似位相整合（ＰＱＭ）を利用したＳＦＧについて
説明する。この場合は、第４の発明の波長変換装置に相
当する。

【００９２】上述したＳＨＧ素子を用いた説明におい
て、上記の（２２）式において、バルクの非線形光学結
晶の位相不整合を表すΔｋ＝ｋ_sh−２ｋ_f を、下記の
（２４）式のように表し、 Δｋ＝ｋ_sh−ｋ_f −ｋ_f ・・・（２４） ｋ_f の代わりに、それぞれ和周波の第１の基本波（波長
λ₁ ）の波数ｋ₁ と第２の基本波（波長λ₂ ）の波数ｋ
₂ を代入すれば、ＳＦＧのための位相不整合は、下記の
（２５）式のように表せる。

【００９３】Δｋ_S ＝ｋ₃ −ｋ₂ −ｋ₁ ・・・（２５） 但し、ｋ₃ は和周波（波長λ₃ ）の波数を表す。

【００９４】従って、ＳＦＧのための周期Λは、下記の
（２６）式 Λ＝（２π／Δｋ_S ）／ｃｏｓθ・・・（２６） で表せる。

【００９５】・ＤＦＧの場合 また、この出願に係る第１および第２の発明において、
バルク型の波長変換素子であって、２次の非線形相互作
用により実現する差周波発生（ＤＦＧ）素子に非回折性
光束を入射すれば、高精度の位置合わせを行わずに、高
効率の変換を行うことが可能となる。

【００９６】ここでは、特に、周期的分極反転構造を有
し、擬似位相整合（ＱＰＭ）を利用したＤＦＧについて
説明する。この場合は、第５の発明の波長変換装置に相
当する。

【００９７】この場合は、上記の（２４）式中のｋ_f の
代わりに、それぞれ和周波の第１の基本波（波長λ₁ ）
の波数−ｋ₁ と第２の基本波（波長λ₂ ）の波数ｋ₂ を
代入すれば、ＳＦＧのための位相不整合は、下記の（２
７）式のように表せる。 Δｋ_D ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ・・・（２７） 但し、ｋ₃ 差周波（波長λ₃ ）の波数を表す。

【００９８】従って、ＳＦＧのための周期Λは、下記の
（２７ａ）式 Λ＝（２π／Δｋ_D ）／ｃｏｓθ・・・（２７ａ） で表せる。

【００９９】＜ブラッグロッキングについて＞擬似位相
整合（ＱＰＭ）を利用した波長変換素子を用いる場合、
周期分極反転構造の周期がＱＰＭ条件を厳密に満足して
いる限り、所定の変換効率が達成される。この周期Λは
上記の（２３）式に示すように波長λに依存する。とこ
ろで、基本波の光源としてＬＤを用いた場合、ＬＤの発
振波長は、周囲の温度や駆動電流により簡単に変動し、
これをＱＰＭ条件を安定的にしかも正確に満足する値に
規定することは一般的に困難である。そこで、光導波路
を具えたＱＰＭ ＳＨＧ素子を用いた波長変換装置にお
いて、ＬＤの波長変動の問題を解決するための方法が、
例えば、下記の文献６〜９に種々提案されている。文献
６：「米国特許第５，２４７，５２８号」、文献７：
「特開平５−６６４４０号公報」、文献８：「特開平５
−１１２９７号公報」、文献９：「特開平５−２５７１
８４号公報」これらの文献に開示の技術は、いずれも波
長変換素子から何らかの方法でブラッグ反射が起こっ
て、その反射光をＬＤに帰還させることにより、ＬＤの
発振波長を安定化（ブラッグロッキング）するものであ
る。

【０１００】そこで、この出願に係る各発明では、非回
折性光束発生手段の入力側に、波長変換素子の擬似位相
整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対してブラッグ条
件を満足する光学手段（例えば、多層膜反射構造や回折
格子）を設ければ、バルク型の波長変換素子を用いた場
合にも、ＬＤの発振波長を安定化させて、変換効率の向
上を図ることができる。

【０１０１】＜位相シフト板について＞ＱＰＭを利用し
た場合の波長変換素子は、通常、規則正しい周期構造を
有する。そのために、位相整合条件が厳しく、即ち波長
変換する基本波光の波長許容幅が狭いために、実用上の
障害の一つとなっていた。これは、以下に説明するよう
に、波長変換素子の周期誤差Δτが生じ得るためであ
る。

【０１０２】位相不整合をΔｋと表すと、通常、周期的
分極反転構造の周期Λは、下記の（２７）式 Λ＝４π／Δｋ・・・（２８） で表される。

【０１０３】しかし、通常上記の（２８）式は厳密に満
たされることは少なく、下記の（２８ａ）式のように周
期誤差Δτ（正、負いずれの場合もある）を持つ。 Λ＝Λ＋Δτ・・・（２８ａ） この原因は、波長変換素子の形成の時点で入り込む因子
の他、素子の温度によってもその屈折率が変化するため
に生じ得るものである。

【０１０４】今、仮に、例えばＳＨＧ素子の素子長をＬ
とし、Δｋ＝（４π／λ）（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ）とし
て、下記の（２９）式即ち（３０）式で与えられる範囲
以上に素子長Ｌを長くしても変換効率は却って低下して
しまう。

【０１０５】 （Ｌ／λ）Δτ＜（λ／４）／［（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ］・・・（２９） 即ち、 Ｌ＜（λ／４）（Λ／Δτ）／［（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ］・・・（３０） なぜならば、Δτは、ＱＰＭ条件を満足させるために設
けられた周期構造１周期あたりの寸法誤差であり、Ｌ／
Λは、全素子長にわたった周期の数であるから、（Ｌ／
Λ）Δτは、全素子長にわたった寸法誤差となる。即
ち、周期的反転構造を作りつけられた結晶（波長変換素
子）内において、この寸法誤差が基本波と波長変換され
た発生波（例えば第２高調波）との相互コヒーレンス長
を越えてしまうためである。

【０１０６】そこで、この出願に各発明において、非回
折性光束発生手段の入力側であって、該非回折性光束発
生手段に入射する光のうちの一部分の光路上に、基本波
の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状を有
する、位相シフト板を設ければ、位相整合条件の緩和を
図ることができる。位相シフト板としては、例えば、ア
キシコンレンズの入力端側に、一様な屈折率を持つ薄膜
を形成すれば良い。薄膜の屈折率および膜厚を制御する
ことにより、位相の遅れ量を適切に調節して位相整合条
件の緩和を図ることができる。位相シフト板（薄膜）
は、例えば、光軸を中心とした円形状としも良く、ま
た、光軸から離れた周辺部に、光軸を中心とした同心円
状に設けても良い。

【０１０７】位相シフト板により基本波の位相を遅らせ
れば、Δτによる位相ずれを補償して、ＱＰＭ条件を緩
和することが可能となる。その結果、素子長を長くする
ことができるので、より変換効率を向上させることが可
能となる。

【０１０８】例えば、下記の（３１）式に示す距離だ
け、基本波がＱＰＭ ＳＨＧ素子を伝播した場合、基本
波の位相とＳＨ波の位相との位相差が丁度πとなる。

【０１０９】 Ｌ＝（λ／４）（Λ／Δτ）／［（ｎ_sh−ｎ）ｃｏｓθ］・・・（３１） そこで、位相シフト板により、位相を例えばπだけ遅ら
せると、素子長を２倍程度にすることができる。変換効
率は素子長に２乗に比例するので、この場合、変換効率
は最大４倍とすることができる。

【０１１０】尚、ＳＨＧ素子を用いた場合は、位相不整
合Δｋは、下記の（３２）として表したが、ＳＦＧの場
合は下記の（３３）式、ＤＦＧの場合は下記の（３４）
式とすることにより、ＳＨＧと数学的に同様に扱うこと
ができる。

【０１１１】Δｋ ＝ｋ_sh−ｋ_f −ｋ_f ・・・（３２） Δｋ_S ＝ｋ₃ −ｋ₂ −ｋ₁ ・・・（３３） Δｋ_D ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ・・・（３４） 従って、ＳＦＧおよびＤＦＧの場合においても、位相シ
フト板を設ければ、ＳＨＧと同様にＱＰＭ条件を緩和し
て変換効率の向上を図ることができる。

【０１１２】また、位相をシフトさせる手段としては、
位相シフト板の他に、例えば、第２光学系を構成するゾ
ーンプレートに位相シフト板を等価な作用を持たせるこ
ともできる。

【０１１３】＜限界集光手段について＞第２の発明の波
長変換装置において、波長変換素子によって波長変換さ
れた出射光を限界集光するための限界集光手段として、
出射光を一旦筒状の平行光束にするためのコリメータ
と、円筒状の平行光束を集光するための集光手段を設け
ることが望ましい。

【０１１４】波長変換素子からの出射光は、光軸に垂直
な断面において円環状の光強度分布を有し、光軸上の光
強度は０である。この出射光を一旦、アキシコンレンズ
を用いて平行光束にする。平行光束にすることにより、
光強度分布を平行光束の周辺部に円筒状に集中させるこ
とができる。このため、出射光を光軸上の光強度を０に
したまま集光用の凸レンズに入射させることができる。
その結果、光強度がガウス分布の光強度を有する通常の
平行光束を集光した場合のスポットの半径よりも小さい
な超解像のスポットにこの出射光を限界集光することが
できる。

【０１１５】また、このアキシコンレンズと凸レンズと
の間の筒状の平行光束には位相差が発生しない。このた
め、このアキシコンレンズと凸レンズとを原理的に一体
化することができる。従って、このアキシコンレンズお
よび凸レンズの組合せと等価な作用を有する単一のゾー
ンプレートを用いても限界集光を行なうことができる。
また、ゾーンプレートを用いた場合は、球面収差が生じ
ない。

【０１１６】さらに、好ましくは、アキシコンレンズと
凸レンズとを組合せた限界集光光学系またはこのゾーン
プレートを用いて限界集光を行なった光を平行光束にす
るためのコリメータを設ければ、ビーム半径が充分に小
さい平行光束を得ることができる。この平行光束の断面
強度のプロファイルは、回折効果のために、光軸上の光
強度が０でない、ほぼ均一な光強度となる。

【０１１７】

【実施例】以下、図面を参照して、この出願に係る発明
の波長変換方法および波長変換装置の実施例について説
明する。尚、参照する図は、これらの発明が理解できる
程度に各構成成分の大きさ、形状及び配置関係を概略的
に示してあるにすぎない。従って、これらの発明は、図
示例にのみ限定されるものでないことは明らかである。
尚、図中、図面の理解を容易にするために、断面でない
部分にハッチングを付することもある。

【０１１８】＜第１実施例＞第１実施例においては、第
１の発明の波長変換方法、第２の発明の波長変換装置の
一例として、波長変換素子としてＳＨＧ素子を用いた例
について説明する。また、この実施例は、第３の発明の
波長変換装置の例にも相当する。

【０１１９】図１は、第１実施例の波長変換装置の説明
に供する構成図である。この実施例の波長変換装置は、
基本波光源としての半導体レーザ（ＬＤ）（図示せず）
を具えている。また、非光導波路型のバルク型の波長変
換素子としてＱＰＭ ＳＨＧ素子１０を具えている。こ
のＱＰＭ ＳＨＧ素子は、分極反転領域（ドメイン）が
薄膜状であって、この薄膜状のドメインを積層して周期
的分極反転構造１２を構成している。この周期的分極反
転構造の反転周期Λは、下記の式（１）を満足する。

【０１２０】Λ＝２ｌ_C ／ｃｏｓθ・・・（１） 但し、ｌ_C は、擬似位相整合による光第２高調波発生素
子のコヒーレンス長を表し、θは、アキシコンレンズ１
４から出射された波数ｋの光束が光軸となす角である。

【０１２１】そして、半導体レーザから出射された光か
ら、波長変換素子に入射する基本波（半導体レーザ光で
あって、波長変換される光）としての非回折性光束を発
生させる非回折性光束発生手段１４として、アキシコン
レンズ１４を具えている。

【０１２２】ＬＤから出射したレーザ光、コリメートさ
れて、アキシコンレンズ１４に、アキシコンレンズの入
力端面１６に垂直に入射する。そして、アキシコンレン
ズ１４によって発生した非回折性光束１８を含むように
ＳＨＧ素子１０を配置することにより、基本波としての
非回折性光束１８をＳＨＧ素子１０に入射させる。

【０１２３】尚、非回折性光束は、分極反転構造の界面
に必ずしも垂直に入射させなくとも良い。分極反転構造
の界面への入射角度を調整することで、実質的に分極反
転構造の周期を変えることができる。このことを利用し
て位相整合条件を整える手段とすることもできる。

【０１２４】＜変形例＞また、第１実施例では、ＱＰＭ
ＳＨＧ素子を用いた例について説明したが、ＳＨＧ素
子の代わりに、ＱＰＭによるＳＦＧ素子を用いることも
できる。その場合、周期的分極反転構造の周期Λを下記
の（２）式を満足する値とすると良い（第４の発明に相
当する。）。

【０１２５】 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（２） Δｋ＝ｋ₃ −ｋ₂ −ｋ₁ ・・・（３） 但し、ｋ₁ は、第１の基本波（波長λ₁ ）の波数を表
し、ｋ₂ は、第２の基本波（波長λ₂ ）の波数を表し、
ｋ₃ は、和周波の波数を表す。また、θは、ｋ₁ および
ｋ₂ が、光軸となす角度を表す。

【０１２６】図３に、変形例としてのＳＦＧ素子２０を
用いた波長変換装置の構成図を示す。図３に示すよう
に、この変形例では、ハーフミラー２２を用いて第１お
よび第２の基本波をアキシコンレンズ１４に入射して、
アキシコンレンズ１４によって発生した非回折性光束を
ＳＦＧ素子に入射することにより和周波を発生させる。

【０１２７】また、ＳＨＧ素子の代わりに、ＱＰＭによ
るＤＦＧ素子を用いることもできる。その場合、周期的
分極反転構造の周期Λを下記の（４）式を満足する値と
すると良い（第５の発明に相当する。）。

【０１２８】 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（４） Δｋ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ・・・（５） ＤＦＧ素子を用いた波長変化装置も、上記（４）式に示
す周期Λの値の他は、図３に示した波長変換素子と同一
の構成である。

【０１２９】ＳＦＧおよびＤＦＧにおいては、素子に入
射させる光が２種類であるため、導波路型の場合は位置
合わせに高精度が要求されていた。この点、この実施例
では、半透鏡を用いて平行な２光束を素子に入射させる
ことができる。従って、高精度の位置合わせは必要とし
ない。

【０１３０】＜第２実施例＞第２実施例の波長変換装置
は、第１実施例の波長変換装置の、アキシコンレンズ１
４の入力端側に、波長変換素子の擬似位相整合（ＱＰ
Ｍ）条件を満足する波長に対してブラッグ条件を満足す
る多層膜反射構造２４を具えている。多層膜反射構造２
４により、ＬＤの発振波長を安定化させて、変換効率の
向上を図ることができる。

【０１３１】図４に第２実施例の波長変換装置の構成を
示す。図４において、多層反射膜構造２４以外の構成
は、第１実施例と同一である。

【０１３２】尚、図３に示したＳＦＧ素子を用いた波長
変換装置（またはＤＦＧ素子を用いた波長変換装置）お
いても、第２実施例と同様に多層膜反射構造を設けるこ
とにより、ＬＤの発振波長を安定化させて、変換効率の
向上を図ることができる。

【０１３３】また、ブラッグ条件を満足させるための光
学手段としては、多層膜反射構造の他に、例えば回折格
子を用いても良い。

【０１３４】＜第３実施例＞第３実施例の波長変換装置
は、第１実施例の波長変換装置のアキシコンレンズ１４
に入射する光のうちの一部分の光路上に、基本波の位相
を遅らせるための、光軸に関して対称な形状を有する、
位相シフト板２６を具えてなる。この位相シフト板を設
けることにより、ＱＰＭ条件を緩和して変換効率の向上
を図ることができる。

【０１３５】図５に第３実施例の波長変換装置の構成を
示す。図５において、位相シフト板２６以外の構成は、
第１実施例と同一である。

【０１３６】位相シフト板２６をアキシコンレンズの入
射端側から見た様子を図６の（Ａ）に示す。この実施例
では、位相シフト板の形状をアキシコンレンズの光軸を
中心とした同心円状のものを、中心部付近に設けてい
る。また、位相シフト板は、例えば、図６の（Ｂ）に示
すように、光軸を中心とした同心円状であって、且つ、
光軸から離れた光路の周辺部にドーナツ状に設けること
もできる。図６の（Ａ）および（Ｂ）では、位相シフト
板２６および２６ａの部分にハッチングを施して示す。

【０１３７】ＬＤ（図示せず）からのレーザ光は、通常
の凸レンズ（図示せず）により平行光束にされてアキシ
コンレンズ１４に入射する。アキシコンレンズ１４によ
って、入射光は光軸（ｚ軸）を含み、この光軸にに平行
な断面で見て、波数ベクトルｋ₁ およびｋ₂ の両光束が
光軸上で干渉して、ゾーン１およびゾーン２の光軸上に
非回折性光束を形成する。

【０１３８】ここで、アキシコンレンズ１４の入射面の
光軸の近傍のみに入射光の位相を遅らせるための、薄膜
からなる位相シフト板を設ける。その結果、位相シフト
板を通過しない光が到達するゾーン１には、通常の位相
にる非回折性光束が形成される。一方、位相シフト板を
通過した光が到達するゾーン２には、位相の遅れた非回
折性光束が形成される。この位相の遅れの大きさδは、
位相シフト板の屈折率とその厚さで決定される。この位
相の遅れについて以下に説明する。

【０１３９】アキシコンレンズから出射した波数ベクト
ルｋ₁ およびｋ₂ の光束を下記の（３５）式および（３
６）式で表し、光軸（ｚ軸）上の位置ベクトルｒを（３
７）式で表す。 ｋ₁ ＝ｋ（ｓｉｎθ、０、ｃｏｓθ）・・・（３５） ｋ₂ ＝ｋ（−ｓｉｎθ、０、ｃｏｓθ）・・・（３６） ｒ＝（０、０、ｚ）・・・（３７） 但し、ｋ＝２π／λ（λは波数ｋ₁ およびｋ₂ の光束の
波長）であり、θはｋ₁ およびｋ₂ の光束が光軸となす
角度である。

【０１４０】そして、波数ベクトルｋ₁ の光束のうち
の、位相シフト板を通過しなかった光束の位相部分は、
ωｔ−ｋｃｏｓθｚと表せる。一方、位相シフト板をつ
かした光束の位相部分は、ωｔ−ｋｃｏｓθｚ−δと表
せる。また、波数ベクトルｋ₂の光束についても、ｃｏ
ｓ関数の偶関数としての性質から、ｋ₁ の光束と同一の
式となる。

【０１４１】従って、位相シフト板を通過しなかった光
束が到達する領域１（ゾーン１）に形成される非回折性
光束は、光軸（ｚ軸）上についてのみ着目して振幅部分
を省略して書けば、下記の（３８）式のように表せる。 exp[i(ωt-kcosθz)]+exp[i(ωt-kcosθz)] =2exp[i ( ωt-kcosθz)] ・・・（３８） 従って、位相部分はωｔ−ｋｃｏｓθｚのままである。

【０１４２】一方、位相シフト板を通過した光が到達す
る領域２（ゾーン２）に形成される非回折性光束は、下
記の（３９）式のように表せる。 exp[i(ωt-kcosθz-δ)]+exp[i( ωt-kcosθz-δ)] =2exp[i ( ωt-kcosθz-δ)]・・・（３９） 従って、位相部分は、ωｔ−ｋｃｏｓθｚ−δと表せ
る。

【０１４３】このように、領域２では、領域１に比べて
位相がδだけ遅れるため、位相ずれΔτを補償してＱＰ
Ｍ条件を緩和することができる。

【０１４４】尚、図３に示したＳＦＧ素子を用いた波長
変換装置（またはＤＦＧ素子を用いた波長変換装置）お
いても、第３実施例同様に位相シフト板を設ければ、Ｑ
ＰＭ条件を緩和して変換効率の向上を図ることができ
る。

【０１４５】＜第４実施例＞第４実施例においては、図
８を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２の
発明の波長変換装置の一例について、特に、非回折性光
束発生手段について説明する。また、この実施例におけ
る非回折性光束発生手段は、第６および第８の発明の波
長変換装置の例にも相当する。

【０１４６】図８は、第４実施例の波長変換装置の非回
折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。但し、図８では、光学系および円環状のスポットを
斜視図で示す。

【０１４７】この実施例における非回折性光束発生手段
は、半導体レーザ（図示せず）から出射された平行光束
４０を円環状のスポット（集光像）４４に集光するため
の第１光学系４２としての第１トロイダルレンズ４２
と、このスポット４４に集光された光から非回折性光束
１８を発生させるための第２光学系４６とを具えてい
る。

【０１４８】この第１トロイダルレンズ４２の断面形状
は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レンズのメリディオ
ナル面と当該凸レンズの外縁部との２つの交点のうちの
当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通り、かつ、当該
凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに回転して得られ
るものである。

【０１４９】ここで、図９を参照して、このトロイダル
レンズ４２と円環状スポットの直径について説明する。
図９の（Ａ）に示すように、このトロイダルレンズ４２
が形成する円環状のスポット４４の直径ｒは、このトロ
イダルレンズ４２の有効口径Ｄ₀ の１／２以下にするこ
とができる。また、図９の（Ｂ）に、従来のトロイダル
レンズを示す。従来のトロイダルレンズは、通常の凸レ
ンズ（光軸上に焦点を結ぶ凸レンズ）を当該凸レンズの
外縁部の一点を通る回転軸の周りに回転させて得られる
断面形状を有している。このため、この従来のトロイダ
ルレンズが形成する円環状のスポットの直径ｒ₁ は、従
来のトロイダルレンズの有効口径の１／２となる。円環
上のスポットの直径が小さい程、図７に示した角度θを
小さくすることができる。このため、この第１トロイダ
ルレンズ４２を用いることにより、従来のトロイダルレ
ンズを用いた場合よりも強い強度の非回折性光束を得る
ことができる。

【０１５０】また、第２光学系は、円環状のスポットに
集光された光を円筒状の平行光束５０にするための筒状
光束コリメータ４８としての第２トロイダルレンズ４
８、この円筒状の平行光束５０を集光して非回折性光束
１８を発生するアキシコン光学系５２としてのアキシコ
ンレンズ５２とを以って構成されている。

【０１５１】この第１トロイダルレンズ４２と第２トロ
イダルレンズ４８とは、互いに共焦点となるように配置
する。従って、第２トロイダルレンズ４８にとっては、
円環状のスポット４４は円環状の光源とみなせる。この
ため、第２トロイダルレンズ４８に入射した光は、円筒
状の平行光束となる。その結果、光のエネルギーを平行
光束の周辺部の円筒状の領域に収束させ、エネルギー密
度を高くした上で、アキシコン光学系５２に入射させる
ことができる。その結果、アキシコン光学系５２によっ
て収束する光によって生じる非回折性光束の強度を強く
することができる。尚、第２トロイダルレンズ４８の焦
点距離はできるだけ短い方が望ましい。この焦点距離が
短い程、円筒状の平行光束の円筒の厚みを薄くできるた
めに、エネルギー密度をより高くすることができる。

【０１５２】＜第５実施例＞第５実施例においては、図
１０を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２
の発明の波長変換装置の一例について、特に、非回折性
光束発生手段について説明する。また、この実施例にお
ける非回折性光束発生手段は、第７および第８の発明の
波長変換装置の例にも相当する。

【０１５３】図１０は、第５実施例の波長変換装置の非
回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。

【０１５４】この実施例における非回折性光束発生手段
は、半導体レーザ（図示せず）から出射された平行光束
４０を円環状のスポット（集光像）４４に集光するため
の第１光学系５４としての第１ゾーンプレート５４と、
このスポット４４に集光された光から非回折性光束１８
を発生させるための第２光学系５６とを具えている。そ
して、この第１ゾーンプレート５４は、第４実施例の第
１トロイダルレンズ４２と等価な作用を有する。また、
この第２光学系５６は、第４実施例の第２トロイダルレ
ンズ４８と等価な作用を有する第２ゾーンプレート５８
と、アキシコン光学系としてのアキシコンレンズ５２と
以って構成されている。

【０１５５】また、この第１ゾーンプレート５４の位相
透過関数ｔ（ρ）は、下記の（４０）式で与えられる。

【０１５６】 ｔ（ρ）＝ｅｘｐ｛ｉｋφ（ρ）｝・・・（４０） 但し、ｋは、ｋ＝２π／λを満たす波数であり、λは基
本波の波長を表す。また、φは、位相差関数を表す。ま
た、ρは、光軸からの距離を表す。また、第１ゾーンプ
レートの中心を原点として光軸をｚ軸とし、第１ゾーン
プレートをｘｙ平面とすると、ρ＝（ｘ² ＋ｙ² ）^1/2
と表せる。

【０１５７】この第１ゾーンプレート５４によって、円
環状のスポット（集光像）を得るためには、入射平面波
の第１ゾーンプレートへの同一入射面（光軸および入射
光線を含むように決定される平面）内の入射位置ρにか
かわりなく、円環状のスポット上の１点までの光学的距
離が等しくなるように位相遅れの関数ψ（ρ）を決めれ
ば良い。この位相遅れの関数（位相分布関すとも称す
る）ψ（ρ）は、下記の（４１）式で定義される。

【０１５８】 ψ（ρ）＝（２π／λ）φ（ρ）・・・（４１） そして、この光学距離を等しくするためには、下記の
（４２）即ち（４３）式を満足する位相分布φ（ρ）に
すれば良い。

【０１５９】 ｛（Ｒ＋ｒ）² ＋Ｆ² ｝^1/2 ＝｛（ρ−ｒ）² ＋Ｆ² ｝^1/2 ＋φ（ρ） ・・・（４２） φ（ρ）＝｛（Ｒ＋ｒ）² ＋Ｆ² ｝^1/2 −｛（ρ−ｒ）² ＋Ｆ² ｝^1/2 ・・・（４３） 但し、Ｒはゾーンプレートの有効半径を表し、ｒは円環
状のスポットの半径を表し、また、Ｆはゾーンプレート
の焦点距離を表す。

【０１６０】また、｛（Ｒ＋ｒ）² ＋Ｆ² ｝^1/2 は、第
１ゾーンプレートの外縁部を通って円環状のスポットに
入射する光路における位相を表し、一方、｛（ρ−ｒ）
² ＋Ｆ² ｝^1/2 は、第１ゾーンプレートの中心からρ離
れた点を通って、円環状のスポットに入射する光路にお
ける位相を表している。

【０１６１】この（４３）式の位相差関数φ（ρ）を有
するゾーンプレートに平行平面波を入射させれば、この
ゾーンプレートから距離Ｆの位置に半径ｒの円環状のス
ポット（集光像）が形成される。

【０１６２】また、一般に、Ｆ＞＞（Ｒ−ｒ）かつＦ＞
＞（ρ−ｒ）であるので、（４３）式は、下記の（４
４）式のように簡単化される。

【０１６３】 φ（ρ）＝（１／Ｆ）｛ｒ² −ｒ（Ｒ＋ρ）＋（Ｒ² ＋ρ² ）／２｝ ・・・（４４） （４４）式を（４１）式に代入すると、下記の（４５）
式が得られる。

【０１６４】 ψ（ρ）＝（２π／λ）（１／Ｆ）｛ｒ² −ｒ（Ｒ＋ρ）＋（Ｒ² ＋ρ² ）／ ２｝ ・・・（４５） また、第１ゾーンプレート５４の焦点距離をＦ、第２ゾ
ーンプレート５８の焦点距離をｆとすると、第２ゾーン
プレートの焦点距離は、第１ゾーンプレートの焦点距離
に対して（Ｆ／ｆ）となる。従って、第２ゾーンプレー
トは、下記の（４６）式の位相遅れ関数で与えられる位
相分布を有すれば良い。

【０１６５】 ψ₂ （ρ）＝（Ｆ／ｆ）ψ（ρ）・・・（４６） 上述した位相遅れ関数を有する第１および第２ゾーンプ
レートを形成するにあたっては、例えば、コンピュータ
によるホログラム作成法（以下、「ＣＧＨ」とも称す
る）によるのが最も確実である。第５実施例におけるＲ
＞２ｒである条件を満たす第１ゾーンプレートは、ＣＧ
Ｈの設計のパラメータを変更することによって容易に実
現することができる。

【０１６６】＜第６実施例＞第６実施例においては、図
１１を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２
の発明の波長変換装置の一例について、特に、非回折性
光束発生手段について説明する。また、この実施例にお
ける非回折性光束発生手段は、第７、第８および第１０
の発明の波長変換装置の例にも相当する。また、第６実
施例では、非回折性光束の発生領域を特に制限する場合
について説明する。

【０１６７】図１１は、第６実施例の波長変換装置の非
回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。

【０１６８】この実施例における非回折性光束発生手段
は、半導体レーザ（図示せず）から出射された平行光束
４０を円環状のスポット（集光像）４４に集光するため
の第１光学系５４としての第１ゾーンプレート５４と、
このスポット４４に集光された光から非回折性光束１８
を発生させるための第２光学系５６とを具えている。そ
して、この第１ゾーンプレート５４は、第５実施例で説
明したものと同一のものである。また、この第２光学系
５６は、第４実施例の第２トロイダルレンズ４８と同一
の筒状光束コリメータ４８を有し、また、アキシコン光
学系としてのゾーンプレート６０を以って構成されてい
る。

【０１６９】そして、このゾーンプレート６０には、第
２トロイダルレンズ４８から円筒状の平行光束を入射さ
せた時に、非回折性光束の発生する範囲を限定するよう
に位相分布を持たせてある。

【０１７０】以下、このゾーンプレート６０の位相分布
について説明する。この実施例では、このゾーンプレー
トの中心を座標の原点として、この中心を通る光軸上に
ｚ軸を対応させる。

【０１７１】先ず、アキシコン光学系の位相遅れ関数ψ
（ρ）を、ゾーンプレートをＣＧＨとして形成すること
を前提として導く。

【０１７２】先ず、一般の球面レンズについて検討す
る。一般の球面レンズの位相遅れ関数ψ（ρ）は、波長
λの光に対して下記の（４７）式で与えられる。

【０１７３】 ψ（ρ）＝（２π／λ）φ（ρ） ＝（２π／λ）｛（ρ² ＋ｆ² ）｝^1/2 ＝（２π／λ）ｆ｛１−（１／２）（ρ／ｆ）² ｝^1/2 ・・・（４７） 但し、ρは、球面レンズ上の点の中心からの距離を表
し、ｆは球面レンズの焦点距離を表す。

【０１７４】この（４７）式の定数項を無視すると、下
記の（４８）式が得られる。

【０１７５】 ψ（ρ）＝（２π／λ）（ρ² ／２ｆ）・・・（４８） この球面レンズによって集光されるエネルギーは、エア
リーディスクの中心に全エネルギーの８４％が集中す
る。このときのエアリーディスクの半径ｒ_D は、下記の
（４９）式で与えられる。

【０１７６】 ｒ_D ＝２．４４λｆ／（２Ｒ）・・・（４９） 但し、Ｒは球面レンズの半径を表す。

【０１７７】一般の球面レンズの焦点深度ｄは、焦点距
離ｆが球面レンズの半径方向（中心からの距離ρ）に依
存しないので、下記の（５０）式で与えられる。

【０１７８】ｄ＝λ（ｆ／２Ｒ）² ・・・（５０） 一方、光学系の焦点距離が半径方向（中心からの距離
ρ）に依存するゾーンプレートの場合、即ち、焦点距離
がρの関数ｆ（ρ）として表される場合には、この光学
系の位相遅れ関数ψ（ρ）は、上記の（４８）に代わっ
て下記の（５１）式で与えられる。

【０１７９】 ψ（ρ）＝（２π／λ）｛ρ² ／２ｆ（ρ）｝・・・（５１） ここで、ｆ（ρ）の簡単な例として、アキシコンレンズ
の場合のようにｆ（ρ）＝ａρ（但し、ａは定数を表
す）を代入すると、（５１）式は、下記の（５２）式で
表される。

【０１８０】 ψ（ρ）＝（２π／λ）（ρ／ａ）・・・（５２） このゾーンプレートの焦点の範囲は、光軸（ゾーンプレ
ートの中心を原点としたｚ軸）に沿って、０＜ｚ＜ａＲ
の範囲となる。また、焦点の光強度のピークの半値幅
は、ａλである。そして、この光強度は全エネルギーの
ａλ／Ｒである。従って、ｆ（ρ）＝ａρでは、焦点に
集光できるエネルギーの強度は非常に小さな値であると
いえる。

【０１８１】そこで、ｆ（ρ）を下記の（５３）式で与
える場合を考える。

【０１８２】 ｆ（ρ）＝ｆ₀ ＋ａρ^b （但し、ｆ₀ 、ｂは定数を表す）・・・（５３） ａが正の定数の場合は、このゾーンプレートの焦点の範
囲は、光軸に沿ってｆ₀＜ｚ＜ｆ₀ ＋ａＲ^b の範囲とな
る。また、焦点深度はδｚ＝ａＲ^b となる。

【０１８３】また、定数ｂは、光線の中心部の光強度の
強度分布を与えるパラメータである。例えば、中心部の
強度分布を均一にするためには、エネルギー保存則によ
り、焦点距離ｆおよびｆ＋δｆに対応するゾーンプレー
トの円環領域が均一に光軸上に集光できなければならな
い。

【０１８４】また、このゾーンプレートに均一強度Ｐ₀
の平面波が入射する場合、ｚ軸上に均一強度Ｐ_z で集光
されるとすると、下記の（５４）式が成り立つ。

【０１８５】Ｐ_z δｚ＝２πＰ₀ ρδρ・・・（５４） さらに、Ｐ₀ ＝（ａ／π）Ｐ_z と定義して、（５４）式
に代入すると、下記の（５５）式が得られる。

【０１８６】δｚ＝２ａρδρ・・・（５５） （５５）式から下記の（５６）式が得られる。

【０１８７】δｆ（ρ）＝２ａρδρ・・・（５６） 次に、（５６）式をｚ＝ｚ₁ からｚ＝ｚ₂ まで積分する
と、ｆ（Ａ）＝ｚ₁ 、ｆ（Ｂ）＝ｚ₂ であるから、ｆ
（ρ）は、下記の（５７）式で与えられる。但し、Ａ＝
Ｆｒ／（２ｆ＋Ｆ）およびＢ＝ｒ（Ｆ＋ｒ）／Ｆであ
り、Ｆは第１光学系の焦点距離を表し、ｆは第２光学系
の筒状光束コリメータの焦点距離を表し、ｒは第１光学
系によって収束する円環状のスポットの半径を表す。

【０１８８】 ｆ（ρ）＝（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ／（Ａ² −Ｂ² ）＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）／ （Ａ² −Ｂ² ） ＝｛１／（Ａ² −Ｂ² ）｝｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）｝・・・（５７） 即ち、上記の（５３）式において、ｂ＝２とすれば、均
一強度が得られることが分かる。

【０１８９】次に、この（５７）式を上記の（５１）式
に代入すると、下記の（５８）式が得られる。

【０１９０】 ψ（ρ）＝（π／λ）（ρ² ／ｆ（ρ）） ＝（π／λ）ρ² （Ａ² −Ｂ² ）｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）｝^-1・・・（５８） 従って、上記の（５８）式で与えられる位相分布を有す
るゾーンプレートを第２光学系のアキシコン光学系とし
て用いれば、所望の領域（ｚ₁ からｚ₂ の間）に存在範
囲が制限された非回折性光束を得ることができる。

【０１９１】特に、この存在範囲を、波長変換素子の有
効長程度とした場合は、波長変換効率を極大にすること
ができる。これは、存在範囲が短い程、非回折性光束の
光エネルギーが強くなり、一方、波長変換素子の有効長
が長い程、波長変換効率を高くすることができるからで
ある。

【０１９２】＜第７実施例＞第７実施例においては、図
１２を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２
の発明の波長変換装置の一例について、特に、非回折性
光束発生手段について説明する。また、この実施例にお
ける非回折性光束発生手段は、第７、第９および第１０
の発明の波長変換装置の例にも相当する。また、第７実
施例では、非回折性光束の発生領域を特に制限する場合
について説明する。

【０１９３】図１２は、第７実施例の波長変換装置の非
回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。

【０１９４】この実施例における非回折性光束発生手段
は、半導体レーザ（図示せず）から出射された平行光束
４０を円環状のスポット（集光像）４４に集光するため
の第１光学系５４としての第１ゾーンプレート５４と、
このスポット４４に集光された光から非回折性光束１８
を発生させるための第２光学系６２とを具えている。そ
して、この第１ゾーンプレート５４は、第５実施例で説
明したものと同一のものである。

【０１９５】そして、この実施例では、この第２光学系
６２を、筒状光束コリメータおよびアキシコン光学系と
等価な作用を有する単一のゾーンプレート６２を以って
構成している。

【０１９６】この単一のゾーンプレート６２は、上述し
た第５実施例において、位相差関数φ₂ （ρ）の（４
６）式で与えられた位相分布と、上述した第６実施例に
おいて位相遅れ関数（位相分布関数）ψ（ρ）の（５
８）式で与えられた位相分布とを有する。このため、こ
のゾーンプレート６２の位相差関数Φ（ρ）は、下記の
（５９）式で与えられる。

【０１９７】 Φ（ρ）＝（２π／λ）φ₂ （ρ）＋ψ・・・（５９） （５９）式に、（４６）式および（５８）式を代入する
と、下記の（６０）式が与えられる。

【０１９８】 Φ（ρ）＝（２π／λ）（Ｆ／ｆ）［（１／ｆ）｛ｒ² −ｒ（Ｒ−ρ）＋（Ｒ ² ＋ρ² ）／２｝］＋ψ（ρ）・・・（６０） このように単一のゾーンプレートを用いて簡単な構成
で、範囲を限定して非回折性光束を発生させることがで
きる。

【０１９９】＜第８実施例＞第８実施例においては、図
１３を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２
の発明の波長変換装置の一例について、特に、非回折性
光束発生手段について説明する。また、この実施例にお
ける非回折性光束発生手段は、第７および第９の発明の
波長変換装置の例にも相当する。また、第８実施例で
は、第２光学系に、位相シフト手段と等価な作用を付加
した場合について説明する。

【０２００】図１３は、第８実施例の波長変換装置の非
回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。

【０２０１】この実施例における非回折性光束発生手段
は、半導体レーザ（図示せず）から出射された平行光束
４０を円環状のスポット（集光像）４４に集光するため
の第１光学系５４としての第１ゾーンプレート５４と、
このスポット４４に集光された光から非回折性光束１８
を発生させるための第２光学系６４とを具えている。ま
た、この第１ゾーンプレート５４は、第５実施例で説明
したものと同一のものである。

【０２０２】また、この第２光学系６４は、単一のゾー
ンプレート６４からなる。この単一のゾーンプレート６
４は、上記の（６０）式で与えられる位相差関数Φ
（ρ）に、位相をシフトする関数Δ（ρ）を付加した位
相分布を有する。従って、このゾーンプレート６４の位
相差関数Ψ（ρ）は下記の（６１）式で与えられる。

【０２０３】 Ψ（ρ）＝Φ（ρ）＋Δ（ρ） ＝（２π／λ）（Ｆ／ｆ）［（１／ｆ）｛ｒ² −ｒ（Ｒ−ρ）＋（Ｒ ² ＋ρ² ）／２｝］＋ψ（ρ）＋Δ（ρ）・・・（６１） 尚、Δ（ρ）は、下記の（６２）式の場合と（６３）式
の場合の２通りの例が考えられる。この（６２）式の場
合は、上述した第３実施例の説明において用いた図６の
（Ａ）の位相シフト板の位相分布に相当する。一方、こ
の（６３）式の場合は、図６の（Ｂ）の位相シフト板の
位相分布に相当する。また、Δ（ρ）は、位相を遅らす
場合または位相を進ませる場合を含む。

【０２０４】 ｉ） Δ（ρ）＝（２π／λ）Δ（ａ＜ρ＜ｓの場合、ｓはａ＜ｓ＜ｂ） ＝０ （ｓ＜ρ＜ｂの場合） ・・・（６２） ii） Δ（ρ）＝０ （ａ＜ρ＜ｓの場合、ｓはａ＜ｓ＜ｂ） ＝（２π／λ）Δ（ｓ＜ρ＜ｂの場合） ・・・（６３） また、この実施例では、ゾーンプレートに位相シフト板
と等価な作用も持たせたので、擬似位相整合条件を緩和
することができる。その結果、波長変換素子の有効長
（相互作用長）をより長くすることができる。このた
め、波長変換効率を向上させることができる。

【０２０５】＜第９実施例＞第９実施例においては、図
１４を参照して、第１の発明の波長変換方法および第２
の発明の波長変換装置の一例について、特に、波長変換
素子から出射した光を限界集光するための限界集光手段
について説明する。

【０２０６】図１４は、第９実施例の波長変換装置の非
回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を示
す。但し、図１４では、非回折性光束発生手段の図示を
省略する。非回折性光束発生手段としては、例えば、前
述の各実施例で用いたいずれの手段を用いも良い。

【０２０７】第９実施例の波長変換装置は、波長変換素
子の出力端側に、当該波長変換素子によって波長変換さ
れた出射光を円筒状の平行光束にするためのアキシコン
レンズ６６および、この円筒状の平行光束を限界集光す
るための第１凸レンズ６８を具えている。さらに、限界
集光された出射光を平行光束にするためのコリメータと
しての第２凸レンズ７０を具えている。

【０２０８】第１凸レンズ６６の焦点距離をｆ₂ とする
と、第１凸レンズ６６に入射した平行光束は、第１凸レ
ンズの後方ｆ₂ の距離に焦点を結ぶ。この実施例では、
光軸上の光強度が０である円筒状の平行光束を集光する
ので、通常の平行光束（ガウス光束）を集光する場合よ
りも焦点の半径（エアリーディスク）を超解像によって
小さくすることができる。尚、ガウス光束を集光する場
合は、第１凸レンズの開口比（ＮＡ値）で決まる半径
（エアリーディスクの半径）以下の大きさには集光する
ことができる。

【０２０９】さらに、第２凸レンズ７０の焦点距離ｆ₃
をｆ₂ よりも充分小さな値とすると、半径の小さな平行
光束を得ることができる。また、回折効果のため、平行
光束の半径が小さい程、中心部分の光強度も０ではなく
ほぼ均一な断面強度のプロファイルを持つ平行光束を得
ることができる。

【０２１０】＜第１０実施例＞第１０実施例において
は、図１５を参照して、第１の発明の波長変換方法およ
び第２の発明の波長変換装置の一例について、特に、波
長変換素子から出射した光を限界集光するための限界集
光手段について説明する。

【０２１１】図１５は、第１０実施例の波長変換装置の
非回折性光束発生手段の光軸に沿った断面での構成図を
示す。但し、図１５では、非回折性光束発生手段の図示
を省略する。非回折性光束発生手段としては、例えば、
前述の各実施例で用いたいずれの手段を用いも良い。

【０２１２】第１０実施例の波長変換装置は、波長変換
素子（例えばＳＨＧ素子）の出力端側に、当該波長変換
素子によって波長変換された出射光を円筒状の平行光束
にするためのアキシコンレンズおよびこの円筒状の平行
光束を限界集光するための第１凸レンズと等価な作用を
有する単一のゾーンプレート７２を具えている。このゾ
ーンプレート７２の位相分布は、例えば、上述した第７
実施例に用いた単一のゾーンプレート６２と同様の位相
分布を有する。これは、第９実施例におけるアキシコン
レンズ６６と第１凸レンズ６８との間の平行光束では位
相の遅れが生じないため、アキシコンレンズと第１凸レ
ンズとを光学的に一体化することができるためである。
この実施例では、ＣＧＨによって作成した、単一のゾー
ンプレートを用いると良い。ＣＧＨＤによるゾーンプレ
ートを用いれば一体化を容易に行なうことができ、さら
に、構成部品数を少なくすることができるので、装置全
体の小型化および信頼性の向上を図ることができる。

【０２１３】上述した各実施例では、この出願に係る各
発明を特定の材料を使用し、特定の条件で構成した例に
ついて説明したが、これらの発明を多くの変更および変
形を行うことができる。例えば、上述した実施例では、
周期構造を有する波長変換素子を用いたが、これらの発
明においては、例えば、波長変換素子として、非線形光
学結晶の複屈折を利用する角度位相整合型の波長変換素
子を利用しても良い。

【０２１４】また、上述した各実施例では、ＱＰＭを利
用した波長変換装置について説明したが、第１および第
２の出願においては、必ずしもＱＰＭを利用しなくとも
良い。

【０２１５】また、バルク型の波長変換素子（例えばＳ
ＨＧ素子）の作成方法は、文献１の第６２〜６３頁に記
載されているように、ＬｉＮｂＯ₃ （ニオブ酸リチウ
ム）やＬｉＴａＯ₃ （タンタル酸リチウム）を用いて既
に確立されている。さらに、波長変換素子の材料は、Ｌ
ｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃ に限られず、例えば文献１
０：「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１１（１９７０）ｐｐ．４８
３−４８５」に開示されている半導体積層結晶を用いて
も良い。

【０２１６】

【発明の効果】この出願に係る第１の発明の波長変換方
法によれば、バルク型の波長変換素子に基本波として非
回折性光束を入射させる。また、この出願に係る第２の
発明の波長変換装置によれば、波長変換素子に入射する
基本波としての非回折性光束を発生させる非回折性光束
発生手段を具えている。また、この出願に係る第３〜５
の発明の波長変換素子によれば、非回折性光束発生手段
としてアキシコンレンズを具えている。

【０２１７】その結果、この出願に係る第１〜第５の各
発明においては、非回折性光束を基本波とすることによ
り、光導波路を用いずに、基本波を高いエネルギー密度
をともったまま、長い距離波長変換素子中（非線形光学
結晶中）を伝播させることができる。このため、光導波
路を用いずに、平行ビーム化および回折限界の集光が可
能となり、波長の高効率変換を実現することが可能とな
る。また、光導波路を用いないため、基本波を光導波路
に効率よく入射させるための精密な位置合わせ技術が不
要となる。

【０２１８】また、非回折性光束を基本波として波長変
換素子に入射して波長変換された出射光を、アキシコン
レンズおよび凸レンズを用いれば、限界集光させること
ができる。また、コリメータを用いれば、限界集光させ
た出射光を平行光束にして利用することもできる。

【０２１９】また、この出願に係る第６の発明の非回折
性光束発生装置によれば、第１光学系として、軸はずれ
の凸レンズを回転させて得られる断面形状を有するトロ
イダルレンズを設ける。また、第７の発明の非回折性光
束発生装置では、このトロイダルレンズと等価な単一の
ゾーンプレート設ける。また、第８の発明の非回折性光
束発生装置によれば、第２光学系として、アキシコン光
学系の他に筒状光束コリメータを設ける。また、第９の
発明の非回折性光束発生装置によれば、このアキシコン
光学系および筒状光束コリメータと等価な単一のゾーン
プレートを設ける。

【０２２０】このため、これら第６〜第９の発明によれ
ば、非回折性光束の光強度をより強くすることができ
る。そして、これら第６〜第９の発明の非回折性光束発
生装置を、単独でもしくは任意に組合せて、第２の発明
の波長変換装置の非回折性光束発生手段として用いれ
ば、非回折性光束則の光強度を強くすることにより波長
変換効率を向上させることができる。さらに、非回折性
光束の発生する範囲を、波長変換素子の有効長に限定す
るように、非回折性光束発生手段を設けることにより、
波長変換効率をより向上させることができる。

【０２２１】さらに、位相シフト手段を設けることによ
り、位相整合条件を緩和することができる。その結果、
波長変換素子の素子長（有効長）をより長くすることが
できるので、波長変換効率をより高くすることができ
る。また、位相整合条件を緩和することにより、波長変
換装置の長期信頼性の向上および環境変化に対する装置
の動作の安定性の向上が期待できる。

【０２２２】従って、この出願に係る波長変換方法およ
び装置は、例えば、近年の光ディスクメモリの高密度化
や画像処理技術といった多くの応用分野で用いて好適で
ある。また、特に、波長変換そしてＳＨＧ素子を用いれ
ば、例えば光ディスク装置、レーザプリンタ、その他の
光応用装置の光源の短波長可に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の波長変換装置の説明に供する構成
図である。

【図２】アキシコンレンズによる非回折性光束の発生の
説明に供する図である。

【図３】変形例の波長変換装置の説明に供する構成図で
ある。

【図４】第２実施例の波長変換装置の説明に供する構成
図である。

【図５】第３実施例の波長変換装置の説明に供する構成
図である。

【図６】位相シフト板の形状の説明に供する図である。

【図７】非回折性光束発生手段（装置）の作用の説明に
供する概念図である。

【図８】第４実施例の波長変換装置における非回折性光
束発生手段の説明に供する図である。

【図９】（Ａ）は、第４実施例の波長変換装置における
非回折性光束発生手段の第１光学系の説明に供する図で
あり、（Ｂ）は、従来のトロイダルレンズの説明に供す
る図である。

【図１０】第５実施例の波長変換装置における非回折性
光束発生手段の説明に供する図である。

【図１１】第６実施例の波長変換装置における非回折性
光束発生手段の説明に供する図である。

【図１２】第７実施例の波長変換装置における非回折性
光束発生手段の説明に供する図である。

【図１３】第８実施例の波長変換装置における非回折性
光束発生手段の説明に供する図である。

【図１４】第９実施例の波長変換装置における限界集光
手段の説明に供する図である。

【図１５】第１０実施例の波長変換装置における限界集
光手段の説明に供する図である。

【符号の説明】

１０：波長変換素子（ＳＨＧ素子） １２：周期的分極反転構造 １４：アキシコンレンズ １６：入力端面 １８：非回折性光束 ２０：ＳＦＧ素子 ２２：半透鏡 ２４：多層膜反射構造 ２６、２６ａ：位相シフト板 ３０：光軸 ４０：平行光束 ４２：第１トロイダルレンズ（第１光学系） ４４：円環状スポット ４６：第２光学系 ４８：第２トロイダルレンズ（筒状光束コリメータ） ５０：円筒状の平行光束 ５２：アキシコンレンズ（アキシコン光学系） ５４：第１ゾーンプレート（第１光学系） ５６：第２光学系 ５８：第２ゾーンプレート（筒状光束コリメータ） ６０：ゾーンプレート ６２：ゾーンプレート（第２光学系） ６４：ゾーンプレート（第２光学系） ６６：アキシコンレンズ ６８：第１凸レンズ ７０：第２凸レンズ ７２：ゾーンプレート

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルク型の波長変換素子に基本波を入射
   して波長変換を行うにあたり、 該基本波として非回折性光束を入射させることを特徴と
   する波長変換方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の波長変換方法におい
   て、 前記波長変換素子として、光第２高調波発生（ＳＨＧ）
   素子を用いることにより、光第２高調波を発生させるこ
   とを特徴とする波長変換方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の波長変換方法におい
   て、 前記波長変換素子として、和周波発生（ＳＦＧ）素子を
   用いることにより、和周波を発生させることを特徴とす
   る波長変換方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の波長変換方法におい
   て、 前記波長変換素子として、差周波発生（ＤＦＧ）素子を
   用いることにより、差周波を発生させることを特徴とす
   る波長変換方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の波長変換方法におい
   て、 前記波長変換素子として、擬似位相整合（ＱＰＭ）によ
   る波長変換素子を用い、 光軸に関して対称な形状を有する位相シフト板を用い
   て、基本波の一部分の位相を遅らせることにより、当該
   波長変換素子の擬似位相整合条件を緩和することを特徴
   とする波長変換方法。
6. 【請求項６】 非光導波路型のバルク型の波長変換素子
   と、基本波光源としての半導体レーザ（ＬＤ）とを具え
   た波長変換装置であって、 前記半導体レーザから出射された光から、前記波長変換
   素子に入射する基本波としての非回折性光束を発生させ
   る非回折性光束発生手段を具えてなることを特徴とする
   波長変換装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の波長変換装置におい
   て、 前記波長変換素子を第２高調波発生（ＳＨＧ）素子とし
   たことを特徴とする波長変換装置。
8. 【請求項８】 請求項６に記載の波長変換装置におい
   て、 前記波長変換素子を和周波発生（ＳＦＧ）素子としたこ
   とを特徴とする波長変換装置。
9. 【請求項９】 請求項６に記載の波長変換装置におい
   て、 前記波長変換素子を差周波発生（ＤＦＧ）素子としたこ
   とを特徴とする波長変換装置。
10. 【請求項１０】 請求項６に記載の波長変換装置におい
    て、 前記波長変換素子を擬似位相整合（ＱＰＭ）による波長
    変換素子としたことを特徴とする波長変換装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記非回折性光束発生手段の入力側に、前記波長変換素
    子の擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対し
    てブラッグ条件を満足する光学手段を具えてなることを
    特徴とする波長変換装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記非回折性光束発生手段の入力側であって、該非回折
    性光束発生手段に入射する光のうちの一部分の光路上
    に、基本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称
    な形状を有する、位相シフト板を具えてなることを特徴
    とする波長変換装置。
13. 【請求項１３】 非光導波路型のバルク型の波長変換素
    子と、基本波光源としての半導体レーザ（ＬＤ）とを具
    えた波長変換装置であって、 前記半導体レーザから出射された光から、前記波長変換
    素子に入射する基本波としての非回折性光束を発生させ
    る非回折性光束発生手段を具え 前記波長変換素子として、周期的分極反転領域を設けた
    擬似位相整合（ＱＰＭ）による光第２高調波発生（ＳＨ
    Ｇ）素子を具え、 前記非回折性光束発生手段として、アキシコンレンズを
    具え、 該周期的分極反転構造の反転周期Λは、下記の式（１）
    を満足する。ことを特徴とする波長変換装置。 Λ＝２ｌ_C ／ｃｏｓθ・・・（１） 但し、ｌ_C は、擬似位相整合による前記光第２高調波発
    生素子のコヒーレンス長を表し、θは、前記非回折性光
    束発生手段から出射された波数ｋの光束が光軸となす角
    である。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側に、前記波長変換素子
    の擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対して
    ブラッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなるこ
    とを特徴とする波長変換装置。
15. 【請求項１５】 請求項１３に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
    コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
    本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
    を有する位相シフト板を具えてなることを特徴とする波
    長変換装置。
16. 【請求項１６】 非光導波路型のバルク型の波長変換素
    子と、基本波光源としての半導体レーザ（ＬＤ）とを具
    えた波長変換装置であって、 前記半導体レーザから出射された光から、前記波長変換
    素子に入射する基本波としての非回折性光束を発生させ
    る非回折性光束発生手段を具え、 前記波長変換素子として、周期的分極反転領域を設けた
    擬似位相整合（ＱＰＭ）による和周波発生（ＳＦＧ）素
    子を具え、 前記非回折性光束発生手段として、アキシコンレンズを
    具え、 該周期的分極反転構造の反転周期Λは、下記の式（２）
    を満足し、且つ、 擬似位相整合による前記和周波発生素子の位相不整合Δ
    ｋが下記の式（３）を満足することを特徴とする波長変
    換装置。 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（２） Δｋ＝ｋ₃ −ｋ₂ −ｋ₁ ・・・（３） 但し、ｋ₁ は、第１の基本波の波数を表し、 ｋ₂ は、第２の基本波の波数を表し、 ｋ₃ は、和周波の波数を表す。また、θは、ｋ₁ および
    ｋ₂ が、光軸となす角度を表す。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側に、前記波長変換素子
    の擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対して
    ブラッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなるこ
    とを特徴とする波長変換装置。
18. 【請求項１８】 請求項１６に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
    コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
    本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
    を有する位相シフト板を具えてなることを特徴とする波
    長変換装置。
19. 【請求項１９】 非光導波路型のバルク型の波長変換素
    子と、基本波光源としての半導体レーザ（ＬＤ）とを具
    えた波長変換装置であって、 前記半導体レーザから出射された光から、前記波長変換
    素子に入射する基本波としての非回折性光束を発生させ
    る非回折性光束発生手段を具え前記波長変換素子とし
    て、周期的分極反転領域を設けた擬似位相整合（ＱＰ
    Ｍ）による差周波発生（ＤＦＧ）素子を具え、 前記非回折性光束発生手段として、アキシコンレンズを
    具え、 該周期的分極反転構造の反転周期Λは、下記の式（４）
    を満足し、且つ、 擬似位相整合による前記差周波発生素子の位相不整合Δ
    ｋが下記の式（５）を満足することを特徴とする波長変
    換装置。 Λ＝（２π／Δｋ）／ｃｏｓθ・・・（４） Δｋ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ・・・（５） 但し、ｋ₁ は、第１の基本波の波数を表し、 ｋ₂ は、第２の基本波の波数を表し、 ｋ₃ は、差周波の波数を表す。また、θは、ｋ₁ および
    ｋ₂ が光軸となす角度を表す。
20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側に、前記波長変換素子
    の擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満足する波長に対して
    ブラッグ条件を満足する多層膜反射構造を具えてなるこ
    とを特徴とする波長変換装置。
21. 【請求項２１】 請求項１９に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記アキシコンレンズの入射端側であって、当該アキシ
    コンレンズに入射する光のうちの一部分の光路上に、基
    本波の位相を遅らせるための、光軸に関して対称な形状
    を有する位相シフト板を具えてなることを特徴とする波
    長変換装置。
22. 【請求項２２】 請求項６に記載の波長変換装置におい
    て、 前記波長変換素子の出力側に、当該波長変換素子によっ
    て波長変換された出射光を円筒状の平行光束にするため
    のアキシコンレンズと、該円筒状の平行光束を限界集光
    するための凸レンズと具えてなることを特徴とする波長
    変換装置。
23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の波長変換装置にお
    いて、 限界集光された出射光を平行光束にするためのコリメー
    タを具えてなることを特徴とする波長変換装置。
24. 【請求項２４】 請求項６に記載の波長変換装置におい
    て、 前記波長変換素子の出力側に、当該波長変換素子によっ
    て波長変換された出射光を円筒状の平行光束にするため
    のアキシコンレンズおよび該円筒状の平行光束を限界集
    光するための凸レンズと等価な作用を有する単一のゾー
    ンプレートを具えてなることを特徴とする波長変換装
    置。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の波長変換装置にお
    いて、 限界集光された出射光を平行光束にするためのコリメー
    タを具えてなることを特徴とする波長変換装置。
26. 【請求項２６】 請求項６に記載された波長変換装置に
    おいて、 前記非回折性光束発生手段として、前記半導体レーザか
    ら出射された平行光束を円環状のスポットに集光するた
    めの第１光学系と、該スポットに集光された光から非回
    折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長
    変換装置であって、 前記第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
    ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
    の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
    り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
    回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズを
    以って構成されてなることを特徴とする波長変換装置。
27. 【請求項２７】 請求項６に記載の波長変換装置におい
    て、 前記非回折性光束発生手段として、前記半導体レーザか
    ら出射された平行光束を円環状のスポットに集光するた
    めの第１光学系と、該スポットに集光された光から非回
    折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長
    変換装置であって、 前記第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
    ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
    の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
    り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
    回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズと
    等価な作用を有するゾーンプレートを以って構成されて
    なることを特徴とする波長変換装置。
28. 【請求項２８】 請求項６に記載された波長変換装置に
    おいて、 前記非回折性光束発生手段として、前記半導体レーザか
    ら出射された平行光束を円環状のスポットに集光するた
    めの第１光学系と、該スポットに集光された光から非回
    折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長
    変換装置であって、 該第２光学系は、前記スポットに集光された光を円筒状
    の平行光束にするための筒状光束コリメータと、 該円筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生する
    アキシコン光学系とを以って構成されてなることを特徴
    とする波長変換装置。
29. 【請求項２９】 請求項２８に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記第２光学系は、前記アキシコン光学系に入射する光
    のうちの一部分の光路上に、前記平行光束の位相を遅ら
    せまたは進ませるための、光軸に関して対称な形状を有
    する位相シフト手段を具えてなることを特徴とする波長
    変換装置。
30. 【請求項３０】 請求項６に記載された波長変換装置に
    おいて、 前記非回折性光束発生手段として、前記半導体レーザか
    ら出射された平行光束を円環状のスポットに集光するた
    めの第１光学系と、該スポットに集光された光から非回
    折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長
    変換装置であって、 該第２光学系は、前記スポットに集光された光を円筒状
    の平行光束にするための筒状光束コリメータおよび該円
    筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生するアキ
    シコン光学系と等価な作用を有する単一のゾーンプレー
    トを以って構成されてなることを特徴とする波長変換装
    置。
31. 【請求項３１】 請求項３０に記載の波長変換装置にお
    いて、 前記ゾーンプレートは、前記アキシコン光学系に入射す
    る光のうちの一部分の光路上に、前記平行光束の位相を
    遅らせまたは進ませるための、光軸に関して対称な形状
    を有する位相シフト手段と等価な作用を有することを特
    徴とする波長変換装置。
32. 【請求項３２】 請求項３０に記載の波長変換装置にお
    いて、前記ゾーンプレートは、下記の（６）式を満足す
    る位相分布φ（ρ）を有することを特徴とする波長変換
    装置。 φ（ρ）＝（π／λ）ρ² （Ａ² −Ｂ² ）｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂
    A² −ｚ₁ Ｂ² ）｝^-1・・・（６） 但し、ρは光軸に垂直な平面における光軸からの距離を
    表し、ＡおよびＢはそれぞれ定数を表す。また、λは基
    本波の波長を表し、ｚ₁ およびｚ₂ は、光軸上の非回折
    性光束の始点および終点の当該ゾーンプレートからの距
    離を表す。
33. 【請求項３３】 請求項６に記載の波長変換装置におい
    て、 前記非回折性光束発生手段として、前記半導体レーザか
    ら出射された平行光束を円環状のスポットに集光するた
    めの第１光学系と、該スポットに集光された光から非回
    折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた波長
    変換装置であって、 前記第２光学系は、前記非回折性光束が発生する領域の
    長さを、前記波長変換素子の素子長とすることを特徴と
    する波長変換装置。
34. 【請求項３４】 平行光束を円環状のスポットに集光す
    るための第１光学系と、該スポットに集光された光から
    非回折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた
    非回折性光束発生装置であって、 前記第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
    ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
    の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
    り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
    回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズを
    以って構成されてなることを特徴とする非回折性光束発
    生装置。
35. 【請求項３５】 平行光束を円環状のスポットに集光す
    るための第１光学系と、該スポットに集光された光から
    非回折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた
    非回折性光束発生装置であって、 前記第１光学系は、軸はずれの凸レンズを、当該凸レン
    ズのメリディオナル面と当該凸レンズの外縁部との２つ
    の交点のうちの当該凸レンズの焦点に近い方の交点を通
    り、かつ、当該凸レンズの光軸と平行な回転軸の周りに
    回転して得られる断面形状を有するトロイダルレンズと
    等価な作用を有するゾーンプレートを以って構成されて
    なることを特徴とする非回折性光束発生装置。
36. 【請求項３６】 平行光束を円環状のスポットに集光す
    るための第１光学系と、該スポットに集光された光から
    非回折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた
    非回折性光束発生装置であって、 該第２光学系は、前記スポットに集光された光を円筒状
    の平行光束にするための筒状光束コリメータと、 該円筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生する
    アキシコン光学系とを以って構成されてなることを特徴
    とする非回折性光束発生装置。
37. 【請求項３７】 平行光束を円環状のスポットに集光す
    るための第１光学系と、該スポットに集光された光から
    非回折性光束を発生させるための第２光学系とを具えた
    非回折性光束発生装置であって、 該第２光学系は、前記スポットに集光された光を円筒状
    の平行光束にするための筒状光束コリメータおよび該円
    筒状の平行光束を集光して非回折性光束を発生するアキ
    シコン光学系と等価な作用を有する単一のゾーンプレー
    トを以って構成されてなることを特徴とする非回折性光
    束発生装置。
38. 【請求項３８】 請求項３７に記載の非回折性光束発生
    装置において、前記ゾーンプレートは、下記の（６）式
    を満足する位相分布φ（ρ）を有することを特徴とする
    波長変換装置。 φ（ρ）＝（π／λ）ρ² （Ａ² −Ｂ² ）｛（ｚ₁ −ｚ₂ ）ρ² ＋（ｚ₂ Ａ² −ｚ₁ Ｂ² ）｝^-1・・・（６） 但し、ρは光軸に垂直な平面における当該光軸からの距
    離を表し、ＡおよびＢはそれぞれ定数を表す。また、λ
    は基本波の波長を表し、ｚ₁ およびｚ₂ は光軸上の非回
    折性光束の始点および終点の当該ゾーンプレートからの
    距離を表す。