JPH0895102A

JPH0895102A - レーザ光の波長変換装置

Info

Publication number: JPH0895102A
Application number: JP25445994A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Hayashi; 利光林
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-09-24
Filing date: 1994-09-24
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光の波長を変換する装置の部品点数を
削減して構成をコンパクト化し、かつ基本波や第２高調
波のアライメントを容易なものとする。【構成】レーザ管１と、このレーザ管の両側に配置さ
れる反射ミラー２及び出力ミラー３とで構成されるレー
ザ共振器内に、アナモルフィックプリズム４とＢＢＯ５
を配設し、ＢＢＯ５に入射されるレーザ光をアナモルフ
ィックプリズム４により楕円パターンとすることで、Ｂ
ＢＯ５における角度位相整合許容幅の小さい方向におけ
る角度位相整合を確保しながらレーザ光のパワー密度を
増大させ、波長変換効率を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を波長変換する
ための装置に関し、特にＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）を
利用した波長変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザを用いた加工の微細化、記
録密度向上、化学反応性増大を意図して、レ−ザの短波
長化が進められており、特にレーザダイオードの短波長
化が活発に進められている。しかし、現在の開発状況で
は、レーザダイオードの短波長化はブルー域が限度であ
り、これよりも短波長化の要求に応じてレーザダイオー
ドとの差別化を意図し、紫外域での実現が図れている。
この種のレーザとして、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、エキシマレ
−ザ等が用いられてきたが、出力、寿命、コンパクト性
に一長一短があった。

【０００３】このため、最近では発生されたレーザの波
長を短波長側に変換することで紫外域にまで至るレーザ
を得る試みがなされている。この種の波長変換装置は、
レーザと波長変換素子とで構成されており、レーザ光を
波長変換素子に入射させることにより波長を１／２にす
ることができる。このような波長変換装置は、レーザダ
イオードの改良に基づく短波長化と異なり、短波長化が
比較的に容易であり、しかも実績及び信頼性のあるレー
ザを選択できるため、波長変換素子の特性を十分に把握
するか、もしくは適切な波長変換素子を用いることによ
り、短い開発期間にて短波長レーザを開発することがで
きる。

【０００４】現在、その簡便性、効率において注目され
ているレ−ザとしてＡｒレ−ザ（波長５１４．５ｎｍ）
の共振器内に波長変換素子としてＢＢＯを配置して波長
変換する２５７ｎｍの紫外レーザ波長変換装置がある。
図７は、応用物理第６１巻第９号９３１−９３４／１９
９２「連続発振イオンレ−ザの高効率周波数逓倍」の第
２図から引用したこの種の波長変換装置（波長２５７ｎ
ｍの紫外波長変換装置）である。

【０００５】図７において、光共振器は、Ａｒレーザ管
２１と反射ミラー２２及び出力ミラー２３で構成され、
光の誘導放出の結果レーザ光が発生される。この光共振
器内には集光レンズ２６やシリンドリカルレンズ２７，
２８からなるレンズ系２４と共にＢＢＯ２５が配置され
ており、このＢＢＯ２５において波長変換が行われる。
その結果、出力ミラー２３より紫外光を出射し、出力を
得ている。波長変換効率はレーザ電場密度の２乗に比例
するため、集光レンズ２６にて変換効率を上げている。

【０００６】さらに、ＢＢＯ２５の角度位相整合許容幅
（波長変換効率が半分になるレ−ザの入射角のずれ）が
図７の水平方向（Ａｒレーザ偏光方向）と鉛直方向を比
較した場合、ＢＢＯ２５の光学軸Ｙ軸を水平方向にして
設置した第１種位相整合では、水平方向の角度位相整合
許容幅の方が鉛直方向の角度位相整合許容幅よりも小さ
いため、レーザビームをシリンドリカルレンズ２７にて
水平方向に伸びた楕円形状に絞れば変換効率は低下せ
ず、又レーザ電場密度は前記シリンドリカルレンズ２７
によって高められているので変換効率は上がる。

【０００７】しかしながら、ＢＢＯ２５の角度許容幅
は、０．０１度で非常に小さいため、図７のように多く
の光学部品からなるレンズ系２４を配置してＡｒレーザ
の発振調整を行うと、入射角は簡単に０．０１度以上ず
れ、第２高調波である紫外発振（２５７ｎｍ）を見失っ
てしまうばかりか、基本波（５１４．５ｎｍ）すら容易
にレーザ光軸の発散を招き、発振停止を起こしてしまっ
ていた。この原因としては、２枚のシリンドリカルレン
ズ２７，２８、および集光レンズ２６等の多くの光学部
品を挿入しなければならなかったことによる。

【０００８】このような問題に鑑み、図８に示す装置で
は、導波路構造を用いて高効率化を図っている。これは
特開平３−２４５１３０号公報に記載されているもので
ある。この装置では、図７の装置で問題とされた発振停
止に対し、光が発散しないよう光を反射させる通路を作
り、導波路構造としている。即ち、ＢＢＯ基板３１上に
ＢＳＢＯ薄膜３２をエピタキシャルを成長させ、導波路
型波長変換素子を作成し前記ＢＳＢＯ薄膜３２端面に、
ＹＡＧレーザ装置３３から出力されるＹＡＧレーザ光を
入射させる。ＹＡＧレーザ光は、レーザパワー密度の減
衰をほとんど招くことなく導波路内を伝搬する。そし
て、一部が波長変換され、第２高調波を得る。前記ＢＳ
ＢＯ薄膜３２は、ＢＢＯの結晶中のバリウムを２価の金
属であるストロンチウムで置換したものである。１．０
６ミクロンの常光屈折率は１．７７５０である。ＢＢＯ
の常光屈折率は１．６５７０であり、両者間には０．１
１８０の屈折率差が生じ、この結果光導波路を構成する
ことが可能となる。

【０００９】しかし、このような、導波路型波長変換装
置は、同心円状でしかもミクロンオーダの小さな導波路
を作ることが難しく、どうしても直方体の導波路としか
なり得ないことから、第２高調波のビームパターンはレ
ーザダイオードのビームパターンと同様に、楕円できれ
いなガウシアンモードにはならず、第２高調波のアライ
メントが困難になるという問題がある。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、部品点数を削減して構
成をコンパクト化するとともに、基本波や第２高調波の
アライメントを容易に行うことができる波長変換装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光の波長
変換装置は、レーザ光をＢＢＯを透過して波長変換する
波長変換装置において、ＢＢＯに入射されるレーザ光の
光束断面形状を楕円形状にするアナモルフィックプリズ
ムを備えることを特徴とする。

【００１２】例えば、レーザ管と、このレーザ管の両側
に配置される反射ミラー及び出力ミラーとで構成される
レーザ共振器内に、ＢＢＯとアナモルフィックプリズム
を配設する。

【００１３】この場合、複数個のアナモルフィックプリ
ズムを同一方向を向けて配設する。或いは複数個のアナ
モルフィックプリズムを互いに反対方向に対向させ、か
つＢＢＯを挟む位置にそれぞれ配置する。

【００１４】

【作用】ＢＢＯに入射されるレーザ光をアナモルフィッ
クプリズムにより楕円パターンとすることで、ＢＢＯに
おける角度位相整合許容幅の小さい方向における角度位
相整合を確保しながらレーザ光のパワー密度を増大さ
せ、波長変換効率を改善する。

【００１５】

【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は本発明の第１実施例の構成図であり、Ａｒ
レーザ管１と、このＡｒレーザ管の光軸上に配置した反
射ミラー（共振ミラー）２及び出力ミラー３とで光共振
器を構成し、Ａｒレーザ管１で得られる利得に基づいて
誘導放出を行って所要周波数のレーザ光を発生させる。
また、前記Ａｒレーザ管１と出力ミラー３との間の光軸
上には、アナモルフィックプリズム４とＢＢＯ５が直列
配置されており、前記出力ミラー３を通して出力される
レーザ光がこれらのアナモルフィックプリズム４とＢＢ
Ｏ５を通過し、このＢＢＯ５において波長変換が行われ
る。

【００１６】前記アナモルフィックプリズム４は、例え
ば図２に示すように、筒状をしたハウジング１１内に２
個の直角プリズム１２ｐ１３を所要の角度で光軸方向に
対向配置したものであり、図の右端から入射した断面形
状が円形をした基本パターンのレーザ光束を各直角プリ
ズム１２，１３で屈折することで、左端から出射される
レーザ光束の断面形状を楕円パターンに変形する。この
構成では、レーザ光束のＸ，Ｙ方向のうち、Ｙ方向はそ
のままでＸ方向のみを縮小し、楕円パターンを作成す
る。そして、この楕円パターンとされたレーザ光を前記
ＢＢＯ５に透過させる。

【００１７】ＢＢＯ５を透過されるレーザ光は、ＢＢＯ
５によってここでは波長が１／２となるように波長変換
が行われ、紫外光とされて出力ミラー３を通して出力さ
れる。ＢＢＯ５における波長変換効率はレーザ電場密度
の二乗に比例するため、レーザビームをアナモルフィッ
クプリズム４により基本波ビームパターンを楕円ビーム
パターンにすることで、波長変換効率を上げることがで
きる。

【００１８】図３はこのＢＢＯ５における波長変換効率
を示す図であり、水平方向（Ａｒレーザ偏光方向）と鉛
直方向を比較した場合、ＢＢＯ５の光学軸Ｙ軸を水平方
向にして設置する第１種位相整合では、水平方向の角度
位相整合許容幅（θＺＸ）の方が、鉛直方向の角度位相
整合許容幅（θＺＹ）よりも小さい。したがって、変換
効率を上げるために基本波のパワー密度を上げてレーザ
ビームを均一に絞ったとしても、そのビーム径に反比例
してレーザビームが広がるため、ＢＢＯのような角度許
容が小さい（θＺＸ＝０．０１度）場合には０．０１度
を越えるレーザ出力成分は波長変換されなくなる。した
がって、パワー密度を上げるためには、鉛直方向（θＺ
Ｙ）のみからビームを絞り変換効率を上げることにな
る。

【００１９】したがって、この実施例では、レーザビー
ムをアナモルフィックプリズム４により鉛直方向に絞っ
た楕円ビームパターンにしてＢＢＯ５を透過させて波長
変換を行い、その結果波長変換効率を向上させることが
可能となるため、シリンドリカルレンズやその他のレン
ズが不要となり、部品点数を削減して小型でコンパクト
な波長変換装置が実現できる。また、基本波と第２高調
波（角度位相整合）のアライメントが容易になる。

【００２０】図４は本発明の第２実施例の構成図であ
り、第１実施例と等価な部分には同一符号を付してあ
る。この実施例ではＡｒレーザ管１と出力ミラー３との
間に第１及び第２と２個のアナモルフィックプリズム４
Ａ，４Ｂを同一方向を向けて直列に配置している。この
ように２個のアナモルフィックプリズムを直列に使用す
ることで、レーザ光は第１のアナモルフィックプリズム
４Ａで楕円パターンとされ、第２のアナモルフィックプ
リズム４Ａで更にその短軸方向が縮小された楕円パター
ンとされる。したがって、この楕円パターンのレーザ光
がＢＢＯ５を透過されて波長変換されるため、前記実施
例よりも更に高効率な波長変換が実現できる。

【００２１】図５は本発明の第３実施例の構成図であ
り、前記各実施例と等価な部分には同一符号を付してあ
る。この実施例では第１及び第２のアナモルフィックプ
リズム４Ａ，４ＢをＢＢＯ５を挟んで、しかも互いに反
対側に向けて対向配置している。このため、レーザ光は
第１のアナモルフィックプリズム４Ａにより楕円パター
ンに変形されてＢＢＯ５を透過されるため、第１実施例
と同様に波長変換効率が改善される。そして、波長変換
されたレーザ光は、第２のアナモルフィックプリズム４
Ｂを逆方向に透過することで円形の基本パターンに戻さ
れるため、結果としてレーザ光は基本パターンの円形ビ
ームとして出力されることになり、以降におけるレーザ
光を利用し易いものにできる。

【００２２】なお、前記第１実施例ないし第３実施例で
は、Ａｒレーザ管を利用してレーザ光を発生させている
が、ＹＡＧレーザ、色素レーザ、半導体レーザ等の光の
誘導放出により光子を増幅する利得媒質を利用してレー
ザ光を発生するように構成してもよい。このように構成
しても、前記各実施例において説明したと同様な効果を
得ることができる。

【００２３】図６は本発明の第４実施例の要部を示す模
式的な斜視図である。ここでは、ＢＢＯ５の両側に一対
の多重反射シリンドリカルミラー６Ａ，６Ｂを対向配置
した構成としている。この構成では、レーザ光は一方の
多重反射シリンドリカルミラー６Ａを通してＢＢＯ５に
入射され、これを透過すると他方の多重反射シリンドリ
カルミラー６Ｂで反射されて逆方向からＢＢＯ５に入射
され、更にこれを透過して一方の多重反射シリンドリカ
ルミラー６Ａで反射される。以後、これを複数回繰り返
しながらＢＢＯ５を透過され、波長変換が行われる。こ
の結果、極めて簡単な構成で直接波長変換を実現するこ
とが可能となる。

【００２４】なお、この第４実施例では、レーザ光を楕
円パターンにした方が波長変換効率が高いために多重反
射シリンドリカルミラーを用いているが、楕円パターン
にこだわらない場合には、楕円ミラー、真円ミラー、フ
ラットミラー等を用いて多重反射を行うように構成して
もよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、レーザ光
を波長変換するためのＢＢＯに入射されるレーザ光の光
束断面形状を楕円形状にするアナモルフィックプリズム
を備えているので、ＢＢＯにおける角度位相整合許容幅
の小さい方向における角度位相整合を確保しながらレー
ザ光のパワー密度を増大させ、波長変換効率を高めるこ
とができる。これにより、波長変換装置を構成する部品
点数を削減し、小型でコンパクトに構成することができ
る。また、基本波や第２高調波のアライメントを容易な
ものにできる。

【００２６】また、複数個のアナモルフィックプリズム
を同一方向を向けて配設することにより、レーザ光の光
束の楕円形状を更に偏平なものにでき、波長変換効率を
更に高めることができる。

【００２７】あるいは、複数個のアナモルフィックプリ
ズムを互いに反対方向に対向させ、かつＢＢＯを挟む位
置にそれぞれ配置することより、ＢＢＯに入射されるレ
ーザ光の光束を楕円にして波長変換効率を高める一方
で、レーザ光の光束を円形に戻して出力することがで
き、レーザ光を利用し易くすることができる。

【００２８】また、アナモルフィックプリズムは、ＢＢ
Ｏの角度許容が小さい方向と直角な方向に沿って楕円パ
ターンを形成するように配置することで、前記したＢＢ
Ｏにおける角度位相整合許容幅の小さい方向における角
度位相整合を確保しながらレーザ光のパワー密度を増大
させ、波長変換効率を高めることが可能とされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図である。

【図２】アナモルフィックプリズムの一例を示す断面図
である。

【図３】ＢＢＯにおける波長変換効率を説明するための
図である。

【図４】本発明の第２実施例の構成図である。

【図５】本発明の第３実施例の構成図である。

【図６】本発明の第４実施例の構成図である。

【図７】従来の波長変換装置の一例の構成図である。

【図８】従来の波長変換装置の他の例の構成図である。

【符号の説明】

１Ａｒレーザ管２反射ミラー３出力ミラー４，４Ａ，４Ｂアナモルフィックプリズム５ＢＢＯ６Ａ，６Ｂ多重反射シリンドリカルミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光をＢＢＯを透過して波長変換す
るレーザ光の波長変換装置において、前記ＢＢＯに入射
されるレーザ光の光束断面形状を楕円形状にするアナモ
ルフィックプリズムを備えることを特徴とするレーザ光
の波長変換装置。
【請求項２】レーザ管と、このレーザ管の両側に配置
される反射ミラー及び出力ミラーとで構成されるレーザ
共振器内に、ＢＢＯとアナモルフィックプリズムを配設
してなる請求項１のレーザ光の波長変換装置。
【請求項３】複数個のアナモルフィックプリズムを同
一方向を向けて配設してなる請求項１または２のレーザ
光の波長変換装置。
【請求項４】複数個のアナモルフィックプリズムを互
いに反対方向に対向させ、かつＢＢＯを挟む位置にそれ
ぞれ配置してなる請求項１または２のレーザ光の波長変
換装置。
【請求項５】アナモルフィックプリズムは、ＢＢＯの
角度許容が小さい方向と直角な方向に沿って楕円パター
ンを形成するように配置する請求項１ないし４のいずれ
かのレーザ光の波長変換装置。