JPH09258283A

JPH09258283A - 光波長変換方法および光波長変換装置

Info

Publication number: JPH09258283A
Application number: JP25052396A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Komatsu; 隆一小松; Tamotsu Sugawara; 保菅原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】長期的に安定して動作し、長寿命を示し、加
工性に富み、小型、軽量、低価格な光学変換素子を提供
する。【解決手段】単結晶四ほう酸リチウム（単結晶Ｌｉ₂
Ｂ₄Ｏ₇、または単結晶ＬＢＯ）を光学素子として使用
する。特に５００ｎｍ以下の波長の光を出射する光学変
換素子、および、この光学変換素子を用いた光学装置を
構成する。すなわち、所定の位相整合角度を満足するよ
うに、光軸に対して所定の面でカットした単結晶ＬＢＯ
の光入射面に所定の入射角度でコヒーレント光を入射さ
せ、入射光の波長のほぼ１／２の波長の光を射出させ
る。単結晶ＬＢＯは和周波混合によって、単結晶ＬＢＯ
の入射面に第１の波長の第１のコヒーレント光と第１の
コヒーレント光の１／２または１／４の波長の第２のコ
ヒーレント光とを所定の角度で入射させ、前記第１のコ
ヒーレント光の波長の１／３または１／５の波長のコヒ
ーレント光を出射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶四ほう酸リ
チウム（単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、または単結晶ＬＢ
Ｏ）、この単結晶ＬＢＯを用いた光学変換素子、およ
び、この光学変換素子を用いた光学装置に関する。ま
た、本発明は単結晶ＬＢＯの製造方法、単結晶ＬＢＯを
光学変換素子として用いた光学装置の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の単結晶ＬＢＯを光学変換素子と
して用いた光学装置として、第２高調波、第４高調波、
第５高調波などを発生する波長変換素子、この波長変換
素子を用いた各種のレーザー装置、光パラメトリック発
振装置、波長変換素子を用いたプリズム、そのプリズム
を用いた偏光装置、単結晶ＬＢＯを用いた光導波素子、
単結晶ＬＢＯを非線形光学変換素子として用いる装置な
どが知られている。

【０００３】波長が短いレーザー光を用いると記録密度
を大きくできるという利点を有している。そのため、記
録媒体へのデータ記録、記録媒体からデータの読みだし
の光源として、短い波長のレーザー光を出射する光源が
要望されている。また短い波長のレーザー光を材料の加
工に使用すると微細な加工が可能になる。さらに医療用
の光源、超ＬＳＩのリソグフィ用光源なども短い波長の
レーザー光を出射する光源が要望されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、５００
ｎｍ以下の波長の光を出射する光源の適切なものが存在
しない。たとえば、半導体レーザーは波長４００ｎｍ程
度までのレーザー光は出射できるものが知られてきた
が、出力が非常に低いという問題がある。短波長大出力
レーザとしては、エキシマレーザが知られている。エキ
シマレーザは、１９７０年にソビエト連邦のＢａｓｏｖ
らによって、液体キセノン（Ｘｅ）を電子ビームで励起
する方法で初めて実現され、さらに１９７６年に、放電
励起によって発振することにも成功した。放電励起方式
のエキシマレーザは、紫外線のパルス繰り返し発振レー
ザで、ＡｒＦ（１９３ｎｍ），ＫｒＦ（２４８ｎｍ），
ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）などの化合物が発する紫外光を
光共振器により増大させ、レーザ光として取り出したも
のである。エキシマレーザは、高分子材料のアブレーシ
ョン加工、表面改質、マーキング、薄膜作製、医薬品の
製造、同位体分離などに応用が期待されている。しかし
ながら、エキシマレーザは、例えば繰り返し数百ｐｐｓ
（ｐｕｌｓｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）のパルスレーザ
の場合、１０^-2秒毎に１０^-9秒間のパルス光しか発生せ
ず、インターバルに比べてレーザの発光時間が著しく短
いことから、応用分野における加工や成膜過程で問題が
ある。またエキシマレーザは、媒質ガスの寿命が短いこ
と、レーザ装置の小型化が困難であること、保守性が悪
いこと、運転コストが高いこと、有毒ガスを用いること
等の問題を有している。現在、常温で、長時間安定的
に、紫外線領域の光を発生する半導体レーザーなどの実
用化が達成されていない。

【０００５】そこで、第２高調波発生（ＳＨＧ：second
ary harmonic-wave generation）素子などの非線形光学
素子の研究が近年活発化している。ＳＨＧ素子は入射光
の波長の１／２の波長の光を発生するから、たとえば、
赤外線領域のレーザー光から紫外線領域の光を発生する
ことができ、各種応用分野への工業的価値はきわめて大
きい。特に、高密度情報記録・再生を行う光情報処理分
野、ディスプレイ、光計測、加工、医療、ＬＳＩ製造な
どの分野では、小型、軽量、長寿命且つ高安定な可視光
または紫外光が必要とされている。

【０００６】ＳＨＧ素子のような波長変換素子として用
いられている結晶としては、たとえば、特開平３−６５
５９７号公報に開示されているＫＴＰ（ＫＴｉＯＰ
Ｏ₄）が知られている。しかしながら、ＫＴＰを用いた
波長変換素子は、レーザ入射光の波長に対してＫＴＰの
透明領域が、０．２５〜４．５μｍで広い反面、１μｍ
以下では位相整合しないという不利益を有している。そ
の結果、ＫＴＰを用いた波長変換素子は、入射レーザー
光をＹＡＧレーザー光とした場合、その光の周波数の２
倍の周波数（１／２の波長）の光しか発生できない。し
かしながら、最近は、さらに高い高調波、たとえば、第
４高調波、第５高調波などの光を発生することが要望さ
れている。また、ＫＴＰを用いた波長変換素子は結晶の
大型化が難しいうえ、結晶内部で屈折率が変化する。し
たがって一個の結晶から切り出したＫＴＰ素子でも、屈
折率が異なるので位相整合角度が異なるから、高い精度
の波長変換素子を実現することが難しいという不利益を
有している。さらに、ＫＴＰは結晶内にいわゆる”巣”
が入りやすいので、高い品質のＫＴＰを大量に提供しに
くいという不利益を有している。

【０００７】ＳＨＧ素子のような波長変換素子として用
いられている他の結晶としては、たとえば、特開昭６３
−２７９２３１号公報に開示されているＢＢＯ（β−Ｂ
ａＢ ₂Ｏ₄）が知られている。しかしながら、ＢＢＯ
は、耐レーザ損傷はＫＴＰよりも大きいが、水に溶ける
という潮解性を有し、取扱性に難点があると共に、大型
結晶の作成が困難であるという不利益がある。

【０００８】本発明の目的は、長期的に安定して動作
し、長寿命を示し、加工性に富み、小型、軽量、低価格
な光学変換素子を提供することにある。本発明の目的
は、紫外線領域の光を効率よく提供可能な光学変換素子
（または光学変換装置）を提供することにある。本発明
の他の目的は、上記光学変換素子（または光学変換装
置）を用いて種々の光学装置、たとえば、ＹＡＧレーザ
ーの出力光の周波数（波長）の４倍、５倍の周波数（１
／４、１／５の波長）の光を含む紫外線領域への波長変
換が行える光学装置を提供することにある。本発明のさ
らに他の目的は、上記光学変換素子および、または、上
記光学装置を用いて種々の光学装置、たとえば、各種の
レーザー装置などを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の形態によ
れば、所定の位相整合角度を満足するように、光軸に対
して所定の面でカットした単結晶四ほう酸リチウム（Ｌ
ｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に所定の入射角度で、波長１
０００ｎｍ以下のコヒーレント光を入射させ、前記入射
光の波長の１／２の波長の光を射出させる、光波長変換
方法が提供される。好適には、前記単結晶四ほう酸リチ
ウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に、異なる波長の２
種のコヒーレント光を入射させ、これら２つのコヒーレ
ント光の波長の和周波混合の波長を有する光を射出させ
る。特定的には、前記第１のコヒーレント光の波長がｗ
であり、前記第２のコヒーレント光の波長が１／〔（１
／ｘ）−（１／ｗ）〕であるとき、前記単結晶Ｌｉ ₂Ｂ
₄Ｏ₇から波長ｘの光が出射される。より特定的には、
前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第１の波長の第１
のコヒーレント光と第１のコヒーレント光の１／２また
は１／４の波長の第２のコヒーレント光とを所定の角度
で入射させ、少なくとも前記第１のコヒーレント光の波
長の１／３または１／５の波長のコヒーレント光を出射
させる。

【００１０】本発明の第２の形態によれば、所定の位相
整合角度を満足するように、光軸に対して所定の面でカ
ットした単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の
光入射面に、異なる波長の２種のコヒーレント光を入射
させ、これら２つのコヒーレント光の波長の和周波混合
の波長を有する光を射出させる、光波長変換方法が提供
される。

【００１１】本発明の第３の形態によれば、所定の位相
整合角度を満足するように、光軸に対して所定の面でカ
ットした屈折率変動が１０^-5／ｍｍ以下、および／また
は、転位密度が約１×１０³個／ｃｍ²以下の単結晶四
ほう酸リチウム（単結晶Ｌｉ ₂Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に
所定の入射角度で、所定の波長のコヒーレント光を入射
させ、前記入射光の波長の１／２の波長の光を射出させ
る、光波長変換方法が提供される。

【００１２】本発明の第４の形態によれば、光軸に対し
て所定の面でカットされ、光入射面に所定の位相整合角
度を満足するように異なる波長の第１および第２のコヒ
ーレント光が入射された場合、これら２つのコヒーレン
ト光の波長の和周波混合を行った波長の光を光出射面か
ら出射させる単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ
₄Ｏ ₇）を有する光波長変換装置が提供される。

【００１３】本発明の第５の形態によれば、上記波長変
換装置と、第１の波長を有する前記第１のコヒーレント
光を出射する第１の光源と、第２の波長を有する前記第
２のコヒーレント光を出射する第２の光源と、前記第１
の光と前記第２の光を前記波長変換装置に導く光学素子
とを有し、前記第１のコヒーレント光の波長と前記第２
のコヒーレント光の波長の和周波混合した波長の光を出
射するレーザー装置が提供される。好適には、前記第２
の光源は、上記波長変換装置を有し、前記第１の光源か
ら出射される第１のコヒーレント光を前記波長変換装置
に入射し、該波長変換装置から入射光の波長の１／２の
波長の光を射出する。

【００１４】本発明の第６の形態によれば、光軸に対し
て所定の面でカットされ、屈折率変動が１０^-5／ｍｍ以
下、および／または、転位密度が約１×１０³個／ｃｍ
²以下の単結晶四ほう酸リチウム（単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ
₇）が提供される。

【００１５】本発明の第７の形態によれば、上記単結晶
Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇を有し、該単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の光入
射面に、所定の位相整合角度を満足するように、所定の
入射角度で、所定の波長のコヒーレント光を入射させ、
前記入射光の波長の１／２の波長の光を射出させる、光
波長変換装置が提供される。

【００１６】本発明の第８の形態によれば、上記波長変
換装置と、第１の波長を有する前記第１のコヒーレント
光を出射する第１の光源と、第２の波長を有する前記第
２のコヒーレント光を出射する第２の光源と、前記第１
の光と前記第２の光を前記波長変換装置に導く光学素子
とを有し、前記第１のコヒーレント光の波長と前記第２
のコヒーレント光の波長の和周波混合した波長の光を出
射するレーザー装置が提供される。

【００１７】本発明の第９の形態によれば、所定の位相
整合角度を満足するように、光軸に対して所定の面でカ
ットした単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の
光入射面に、異なる波長の２種のコヒーレント光を入射
させ、これら２つのコヒーレント光の波長の和周波混合
の波長を有する光を射出させる光波長変換装置と、第１
の波長を有する前記第１のコヒーレント光を出射する第
１の光源と、第２の波長を有する前記第２のコヒーレン
ト光を出射する第２の光源と、前記第１の光と前記第２
の光を前記波長変換装置に導く光学素子とを有し、前記
第１のコヒーレント光の波長と前記第２のコヒーレント
光の波長の和周波混合した波長の光を出射するレーザー
装置が提供される。

【００１８】本発明の第１０の形態によれば、第１のコ
ヒーレント光を出射する第１の光源と、第１のコヒーレ
ント光の波長の１／２または１／４の波長の第２のコヒ
ーレント光を出射する第２の光源と、前記第１の光源か
ら第１のコヒーレント光と、前記第２の光源からの第２
のコヒーレント光とが入射される上記光学変換素子とを
有し、前記光学変換素子から少なくとも前記第１のコヒ
ーレント光の１／３または１／５の波長のコヒーレント
光を出射するレーザー装置が提供される。

【００１９】本発明の第１１の形態によれば、溶融させ
た多結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ ₂Ｂ₄Ｏ₇）を所定の
引き上げ方位でチョクラルスキー法で引き上げて単結晶
四ほう酸リチウムを製造する方法において、融液表面と
融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を３０℃／ｃｍ〜２０
０℃／ｃｍ、それより上部の温度勾配を５℃／ｃｍ〜５
０℃／ｃｍ、引き上げ速度を０．１ｍｍ／時間〜２ｍｍ
／時間で、引き上げ、屈折率変動が１０^-5／ｍｍ以下、
および／または、転位密度が約１×１０³個／ｃｍ²以
下の単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇を製造することを特徴とする
単結晶四ほう酸リチウムの製造方法が提供される。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の上記および他の目的およ
び特徴は、添付図面に関連づけた下記の好適実施例の記
述から一層明瞭になる。

【００２１】本願の発明者は、単結晶・四ほう酸リチウ
ム（単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇または単結晶ＬＢＯと略す）
を研究した結果、単結晶ＬＢＯは、レーザ入射光の波長
に対する透明領域が広く、耐レーザ損傷性が大きく、良
質の大型結晶の作成が容易であり、加工性に優れ、潮解
性が小さく取り扱いも容易な優れた、光学変換素子とし
ての利用価値を見出した。以下、本発明の単結晶ＬＢ
Ｏ、および、この単結晶ＬＢＯを光学変換素子に用いた
場合の種々の好適実施形態（EMBODIMENTS）を下記に詳
細に述べる。

【００２２】なお、「本発明の単結晶ＬＢＯ（または本
実施例の単結晶ＬＢＯ）という場合、下記の方法で製造
した単結晶ＬＢＯをいい、「通常の単結晶ＬＢＯ」とい
うとき、ＳＡＷ素子などに使用する従来の単結晶ＬＢＯ
を言う。「単結晶ＬＢＯ」と特に断らない場合、両者を
意味する。

【００２３】単結晶ＬＢＯの基本事項以下、主として本発明の光学変換素子としての単結晶Ｌ
ＢＯの基本的事項について述べる。

【００２４】製造方法本発明の好適な単結晶ＬＢＯの製造方法（育成方法）を
述べる。図１に示すチョクラルスキー法（ＣＺ法）によ
る単結晶ＬＢＯの引き上げ装置１１０を用いて、多結晶
ＬＢＯから本発明の単結晶ＬＢＯを製造する。引き上げ
装置１１０は、多結晶のＬＢＯが融解されている白金坩
堝１０１を有する。Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇は酸化物の中では低
融点なので白金坩堝で育成が可能である。白金坩堝１０
１の周囲には、断熱材１０２，１０３を介して、白金坩
堝１０１内の多結晶ＬＢＯを融解させるためのヒータ１
０４、例えば抵抗加熱ヒータが設けられている。白金坩
堝１０１の上部には、断熱壁１０５，１０６が二重に設
けられており、種結晶が取り付けられる引き上げ軸１０
７が、断熱壁１０５，１０６を貫通している。この引き
上げ装置１１０を用いて、多結晶ＬＢＯから光学変換素
子としての用途に応じた特性を示す単結晶ＬＢＯを育成
し、その後、使用目的に応じて、単結晶ＬＢＯを光軸に
対して所定の角度でカットするなどの加工を行う。単結
晶ＬＢＯの育成条件の１例について述べる。所定モル比
の多結晶ＬＢＯを白金坩堝１０１内に充填し、ヒータ１
０４で融解した後、引き上げ方位（１１０）で単結晶Ｌ
ＢＯを引き上げる。このとき、融液表面と融液直上１０
ｍｍの間の温度勾配を３０℃／ｃｍ〜２００℃／ｃｍ、
好ましくは５０〜１５０°Ｃ／ｃｍ、それより上部の温
度勾配を５℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍ、好ましくは、１０
〜４０°Ｃ／ｃｍとし、単結晶ＬＢＯの直胴部を引き上
げる際の引き上げ速度を０．１ｍｍ／時間〜２ｍｍ／時
間、好ましくは、０．３〜１ｍｍ／時間とする。

【００２５】融液表面と融液直上１０ｍｍの間の雰囲気
の温度勾配を３０℃／ｃｍ〜２００℃／ｃｍとする理由
を述べる。温度勾配が３０℃／ｃｍ未満であると引き上
げられるＬＢＯが多結晶化しやすくなる。温度勾配が２
００℃／ｃｍより大きいと熱歪みによって、引き上げら
れた単結晶ＬＢＯ中に転位が生じやすくなる。

【００２６】融液直上１０ｍｍより上部の雰囲気の温度
勾配を５℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍとする理由を述べる。
温度勾配を小さくすることで、育成後期の熱膨張差によ
るクラックを抑制できる。

【００２７】引き上げ速度を０．１ｍｍ／時間〜２ｍｍ
／時間とする理由を述べる。この値より引き上げ速度を
高めると、表面弾性波素子などに用いる通常のＬＢＯ結
晶のように、結晶中に白濁、すなわち「巣」が発生しや
すくなる。通常のＬＢＯの製造方法およびその特性につ
いては後述する。

【００２８】本発明の単結晶ＬＢＯ育成方法では、直径
１インチ以上の単結晶を育成することができる。実施例
によれば、直径４インチの単結晶を育成できた。

【００２９】転位密度後で種々の実験結果を示すように、通常の単結晶ＬＢＯ
でも、ＫＴＰ、ＢＢＯなどに比較して優れた光学変換素
子と機能することが見出された。しかしながら、より望
ましい光学変換素子としての観点から考察すると、通常
の単結晶ＬＢＯをＳＡＷデバイスの基板材料として用い
る場合には問題とならなかった転位や不純物の取り込み
などの欠陥が、レーザ光を吸収・散乱させて、波長変換
素子の波長変換効率がそれほど高くない（出射光のビー
ム品質が高くない）。もちろん、通常の単結晶ＬＢＯで
も、ＫＴＰ、ＢＢＯよりは高い光学的特性を示すが、よ
り高い非線形光学定数が望まれた。

【００３０】上述した製造条件で製造した本発明の単結
晶ＬＢＯは転位密度は小さい。研究の結果、転位密度が
小さい本発明の単結晶ＬＢＯを光学変換素子として用い
ると、通常の単結晶ＬＢＯより、レーザ光を吸収したり
散乱させることが少なく、光学的特性を適正に発揮でき
ることが見出された。すなわち、転位密度の小さな本発
明の単結晶ＬＢＯを波長変換素子に用いると、レーザ光
の吸収・散乱が小さくなり、変換効率が高くなる（出射
光のビーム品質が高くなる）ことが見出された。以上の
育成方法および条件で多結晶ＬＢＯから本発明の単結晶
ＬＢＯを育成すると、転位密度が１×１０³個／ｃｍ²
以下と小さい値になる。屈折率変動を測定すると、１０
^-5／ｍｍ以下であった。転位密度の測定方法は、たとえ
ばエッチングによるエッチピットの観察やＸ線トポグラ
フ法による観察により行われる。光波長変換素子に用い
る本発明の単結晶ＬＢＯの転位密度は、０〜１×１０²
個／ｃｍ²以下が好ましい。なお、ＳＡＷデバイスの基
板材料などに用いる通常の単結晶ＬＢＯの転位密度は１
×１０³個／ｃｍ²より大きく、白濁、いわゆる「巣」
が存在する場合が多い。もちろん、このような単結晶Ｌ
ＢＯを用いても、ＢＢＯ、ＫＴＰより光学変換素子とし
ての機能が上であることも判った。

【００３１】光学的特性本発明者の研究によれば、図２に示すように、単結晶Ｌ
ＢＯの光軸（ｃ軸）に対して特定の角度で、所定波長の
レーザ光を照射した場合に、波長変換を行うことができ
ることを見出した。その角度の基準として、位相整合角
度θｍが用いられる。基本波を光学軸に対してある角度
θｍで入射すると、基本波と同じ方向に位相整合された
２次高調波が発生する。この角度θｍを位相整合角度と
言う。単結晶ＬＢＯは、負の一軸結晶である。そして、
位相整合条件はタイプＩの結晶である。したがって、図
２に示すように、位相整合条件としては、位相整合角度
θｍのみを考慮すれば良いことを見出した。

【００３２】特徴１．単結晶ＬＢＯは組成が均一であるから、結晶の上部
と下部で組成ズレを起こさない。２．単結晶ＬＢＯは、波長変換素子を構成する他の公知
の結晶に比較して潮解性が低く、安定であり、取扱性に
優れている。ちなみに潮解性が大きい場合には、光学変
換素子を密閉容器などに収容し、湿度を制御する必要が
あるから、装置構成が複雑になり、寸法も大きくなる。
しかし、単結晶ＬＢＯはその問題が起こらない。３．単結晶ＬＢＯは、結晶の硬さも水晶と同程度であ
り、研磨および切断などの加工性も良好である。４．単結晶ＬＢＯは、波長変換素子を構成する他の結晶
に比較して製造価格も安価である。５．単結晶ＬＢＯは、常誘電体であるので分極処理が不
要である。しかも、双晶を用いて疑似位相整合（ＱＰ
Ｍ；Quasi-phase Matching）に似た現象を生じさせ、入
射光の波長を高効率で波長変換することができる。な
お、この場合、Ｃ⁺軸の向きを１８０度回転させた方式
の波長変換を、疑似位相整合（ＱＰＭ）による波長変換
と呼ぶ。このＱＰＭの特徴は、周期長の設定により位相
整合波長を自由に設定できることである。また、単結晶
ＬＢＯは双晶により複数の周期を作りつけることによ
り、位相整合波長域を広げることができる。さらに単結
晶ＬＢＯは、位相整合に必要な温度許容幅は２倍以上に
大きくなる。さらにまた単結晶ＬＢＯは、バルク状で
も、光導波路状でも使用できる。さらに単結晶ＬＢＯ
は、非線形光学定数ｄ（３３）を用いることができる。
これらＱＰＭは、双晶によりＣ ⁺軸の向きを１８０度回
転させて作成するので、強誘電体にしか適用できないと
考えられていたが、本発明者の研究により、常誘電体の
本発明の単結晶ＬＢＯでも適用できることを見出した。以上の特徴は、単結晶ＬＢＯを光学変換素子として実用
化するためには特に重要である。

【００３３】単結晶ＬＢＯの用途１．波長変換素子本発明者は、本発明の単結晶ＬＢＯの光学特性について
研究した結果、ＫＴＰやＢＢＯと同等以上の波長変換が
可能であることを見い出した。特に、単結晶ＬＢＯを用
いた波長変換素子を用いることにより、たとえば、代表
的な例として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎ
ｍ）から、コヒーレンスが高い４倍波（２６６ｎｍ）、
５倍波（２１３ｎｍ）の波長の光を作り出すことに成功
した。４倍波あるいは５倍波の波長の光を作り出すこと
ができれば、既に大出力の装置が開発されている赤外レ
ーザを用いて、紫外線領域またはそれに近い領域のレー
ザ光を容易に作り出すことができる。したがって、さら
に微細加工が可能になると共に、マーキング、リソグラ
フィ、各種半導体プロセス、医療などの多様な分野への
応用が可能になる。本発明者は、単結晶ＬＢＯを波長変
換素子（装置）として用いた場合に、入射する光の波長
に対する透明領域が、他の結晶に比べて広く、波長変換
素子として実用的に適していることを見い出した。透明
領域が広くなければ、特定の波長の光に対してのみしか
波長変換素子として用いることができないが、本発明に
係る波長変換素子は、広領域の光に対して波長変換素子
として用いることができる。単結晶ＬＢＯを波長変換素
子に用いた場合、非線形光学定数が小さいが、良質の大
型結晶を作り易く（現在では、直径４インチの単結晶Ｌ
ＢＯの作成が可能である）、大型結晶にすることで、変
換効率を上げることができる。レーザ出力は、入射光の
強度の２乗、結晶長の長さの２乗に比例して効率が上が
る。本発明者は、単結晶ＬＢＯを波長変換素子として用
いた場合に、耐レーザ損傷しきい値が、他の結晶に比べ
て著しく大きく、波長変換素子として実用的に適してい
ることを見い出した。耐レーザ損傷しきい値が小さい
と、小さなレーザのエネルギーによっても結晶が損傷す
るおそれがあり、波長変換素子としての耐久性が問題に
なる。本発明に係る波長変換素子では、耐レーザ損傷し
きい値が大きく、より大出力のレーザ出力が可能になる
と共に、耐久性に優れている。

【００３４】２．各種レーザー装置本発明に係る単結晶ＬＢＯを用いる波長変換方法とし
て、単結晶ＬＢＯにレーザ光を透過させることにより、
当該レーザ光の波長を変換するが、単結晶ＬＢＯを用い
た波長変換素子に２種または３種以上のレーザ光を同時
に照射し、それらのレーザ光の波長の和周波または差周
波のレーザー光を得るレーザー装置を構成することもで
きることを見出した。

【００３５】３．光パラメトリック発振装置本発明者は単結晶ＬＢＯを波長変換素子に用いて光パラ
メトリック発振を行うこともできることも見い出した。

【００３６】以下、単結晶ＬＢＯを光学変換素子として
用いる光学装置のそれぞれに適した、単結晶ＬＢＯの具
体的な例（ＥＸＡＭＰＬＥ）を、その用途の装置に関連
づけて詳細に説明する。

【００３７】第１実施例本発明の第１実施例として、第２高調波素子（波長変換
素子）として用いる単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇（単結晶ＬＢ
Ｏ）について述べる。本実施例の単結晶ＬＢＯの製造（育成）図１に示した引き上げ装置１１０を用いて、所定モル比
（化学量論組成）の純度９９．９９重量％の多結晶ＬＢ
Ｏ、１３００ｇを、直径９０mm、高さ１００mmの白金坩
堝１０１に充填し、チョコラルスキー（ＣＺ）法で単結
晶ＬＢＯを育成した。図２は単結晶ＬＢＯの位相整合角
度の定義を示すグラフである。この図の内容は前述し
た。

【００３８】本実施例の単結晶ＬＢＯの加工図３に示すように、光学軸（Ｃ軸）に対するカット面３
２の角度が４５度であるように、単結晶ＬＢＯをカット
し、入出射面であるカット面３２を光学研磨し、１５mm
×１５mm×１０mmの単結晶ＬＢＯの光学変換素子３０Ａ
を作成した。この光学変換素子３０Ａは、レーザー光な
どのコヒーレントな光ｉが入射すると、入射波長の半分
の波長の光ｏを出射させる、第２高調波発生（ＳＨＧ）
用光学変換素子（波長変換素子）として機能する。した
がって、本発明の単結晶ＬＢＯを、たとえば、波長５３
２ｎｍ（０．５３２μｍ）の入射光が入射すると、その
半分の波長２６６ｎｍ（０．２６６μｍ）の光を出射す
る第２高調波（ＳＨＧ）用波長変換素子３０Ａとして使
用できる。

【００３９】本実施例の単結晶ＬＢＯの屈折率変動Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ干渉計で本実施例の単結晶ＬＢ
Ｏの屈折率変動を測定したところ、１０^-6／ｍｍであっ
た。

【００４０】実験例１実験例１として、波長変換素子３０Ａに、後述する光パ
ラメトリック発振器（Spectra Physics社製）から４８
６〜１２６５ｎｍの範囲のレーザー光を入射させたとこ
ろ、２４３〜６３３ｎｍの範囲の第２高調波の可干渉
（コヒーレント）な光が得られた。透過波面での干渉縞
の乱れは観察されなかった。位相整合角度図４は、図３に示す４５度カット面３２に直交する方向
へのレーザー光入射角度を０度とし、ｃ軸方向をプラ
ス、（１１０）方向をマイナスとして単結晶ＬＢＯを回
転させたときに、光パラメトリック発振器から発生させ
た各レーザー光の波長で、位相整合したときのレーザー
光の入射角度を示している。この入射角度から、各波長
における位相整合角度θｍを求めることができる。図４
は、本実験例の単結晶ＬＢＯに、位相整合条件を満足さ
せて、所定の波長のコヒーレント光を入射させると、そ
の波長の半分の波長の光が出射されることを示してい
る。以下の実験例、実施例においては、代表例として、
ＹＡＧレーザーからの波長１０６４ｎｍのコヒーレント
光を用いる場合が多いが、１０６４ｎｍの入射コヒーレ
ント光に限らず、本実験例の単結晶ＬＢＯは、図４に図
解した範囲の入射光の波長の半分の波長の光を出射する
性能を有していることが確かめられた。ＫＴＰ、ＢＢＯ
などは通常、ＹＡＧレーザーからの波長１０６４ｎｍの
コヒーレント光を半分の波長に変換できることが、知ら
れているが、本発明の単結晶ＬＢＯを用いた本実験例に
よれば、波長１０６４ｎｍのコヒーレント光に限らず、
任意波長のコヒーレント光を半分の波長の光に変換でき
ることが検証された。しかも、最短波長２０９ｎｍまで
変換できることが検証された。以下の単結晶ＬＢＯを用
いた装置、たとえば、波長変換装置、レーザー装置など
においては、好適実施例においては、上述した好適条件
の単結晶ＬＢＯを用いた場合を例示するが、本発明の種
々の単結晶ＬＢＯを用いることができる。図２に図解し
たように、所定角度からレーザー光を結晶に照射する
と、スネルの法則に従い、レーザー光は屈折率に応じて
結晶中を屈折して進む。位相整合角度θｍは、たとえ
ば、単結晶ＬＢＯをＳＨＧ用波長変換素子として用いる
ときは、二次高調波を発生した時の屈折したレーザ光と
ｃ軸との角度である。図４に例示したグラフから明らか
なように、波長１０６４ｎｍのレーザー光を単結晶ＬＢ
Ｏの面３２に入射させるときの入射角度は約プラス１９
度である。すなわち、波長１０６４ｎｍのレーザー光を
出射するＹＡＧレーザーの基本波を入射したときには、
入射角度が約プラス１９度で位相整合する。単結晶ＬＢ
Ｏの屈折率は約１．６なので、屈折角度は約１２度であ
る。従って、ｃ軸との角度、すなわち、位相整合角度は
約３３度として求められる。同様な方法で、各波長毎の
位相整合角度を決定できる。

【００４１】各波長と位相整合角度との関係を表１に示
す。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１の内容は、本発明の単結晶ＬＢＯを用
いてある波長の光をその半分の波長の光に波長変換した
ときの単結晶ＬＢＯの屈折率と位相整合角度を示してい
る。入射波長は、光パラメトリック発振装置からのコヒ
ーレント光を用いた。さらに、波長１０６４．０ｎｍの
光はＹＡＧレーザーからの光も用い、５３２．０ｎｍの
光はＹＡＧレーザーの光をＳＨＧとしてのＫＴＰを用い
て半分の波長にしたものを用いた。位相整合方法には、
本発明者が行った複屈折を利用した角度位相整合と屈折
率の温度依存性を利用した温度位相整合方法がある。も
ちろん後者の位相整合方法を適用することも可能であ
る。

【００４４】表１と図４の内容図４のグラフは、上述した入射光１０６４ｎｍをその半
分の波長＝５３２ｎｍに波長変換するだけでなく、本研
究者の研究により、本実施例の単結晶ＬＢＯを用いれ
ば、その他の入射光に対しても、入射角度を図４に図解
した値にして本実施例の単結晶ＬＢＯに入射させること
により、入射光の波長の半分の波長の光を本発明の単結
晶ＬＢＯから出射できることを示している。従来、入射
光１０６４ｎｍ以外の入射光に対する波長変換の研究は
行われていない。表１は図４に図解したグラフの具体的
な数値のいくつか例示している。ただし、表１において
は、図４の入射角度に代えて、位相整合角度で表してい
る。このように、いくつかの波長における単結晶ＬＢＯ
の屈折率を測定し、操作過程を適合させることによって
Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ方程式が求められる。なお、Ｓｅｌ
ｌｍｅｉｅｒ方程式を解くことによって各波長における
屈折率が算出でき、位相整合角度を求めるという方法も
ある。

【００４５】図５は、上述した単結晶ＬＢＯを波長変換
素子として用いて、５３２ｎｍの入射波長を半分の波長
２６６ｎｍの出射波長に変換するときの、位相整合角度
θｍと入射角度との関係を幾何学的に表わした図であ
る。

【００４６】波長変換機能単結晶ＬＢＯに限らず、ＫＴＰも，ＢＢＯもＳＨＧとし
て機能する。しかしながら、後述するように、単結晶Ｌ
ＢＯは、２つの異なる波長のコヒーレント光の和または
差をとることにより（以下、総称して、和周波混合と呼
ぶ）、ＹＡＧレーザーの出射光の波長１０６４ｎｍの１
／３または１／５の波長を出射することができるが、Ｋ
ＰＴはそのような波長変換機能を有しない。ＢＢＯは、
２つの異なる波長のコヒーレント光の和または差をとる
ことにより、単結晶ＬＢＯと同様、ＹＡＧレーザーの出
射光の波長１０６４ｎｍの１／３または１／５の波長を
出射することが可能であるが、ウォークオフ角度が大き
いので、大型の結晶を使用できず、変換効率を高くでき
ない。これに対して、本発明の転位密度の低い単結晶Ｌ
ＢＯを用いると、高い変換効率で、所定の波長の入射コ
ヒーレント光の１／３または１／５の光を出射できる。
代表的には、ＹＡＧレーザーの出射光の波長１０６４ｎ
ｍの１／３または１／５の波長を安定に出射することが
できる。

【００４７】耐レーザー光損傷本実施例の単結晶ＬＢＯから成る波長変換素子の耐レー
ザー光損傷を、以下の測定方法により測定したところ、
表２に示すように、数十ＧＷ／ｃｍ²〜１００ＧＷ／ｃ
ｍ²であり、本実施例の単結晶ＬＢＯの耐レーザ光損傷
がＢＢＯの５倍以上であることが確認された。耐レーザ
光損傷は、結晶に照射しているレーザーの出力を除々に
大きくし、目視で結晶が損傷を受けたことを確認し、そ
の出力を測定すると共に、結晶の所定位置でのレーザビ
ーム径を測定し、単位面積当りの出力を計算により求め
ることにより行った。

【００４８】

【表２】

【００４９】透明度本実施例の単結晶ＬＢＯを用いた波長変換素子３０に入
射するレーザー光の波長に対する透明領域を調べたとこ
ろ、表２に示すように、１７０ｎｍ〜３５００ｎｍの波
長の光に対して透明性があり、透明領域が広いことが確
認された。

【００５０】取扱性、加工性など本実施例の単結晶ＬＢＯから成る波長変換素子３０Ａ
は、表２に示すように、潮解性も極小であり、研磨性も
良好であり、取扱性に優れていることが確認できた。

【００５１】単結晶の大きさ大型結晶の可能性について調べたところ、直径４インチ
以上の単結晶ＬＢＯの生成が可能であることが確認でき
た。

【００５２】耐劣化性本実施例の単結晶ＬＢＯから成る波長変換素子３０Ａ
は、紫外光に対してＢＢＯよりも劣化しにくいので、寿
命が長い。

【００５３】参考例１本実施例の単結晶ＬＢＯと通常の単結晶ＬＢＯとを対比
検討した。通常の単結晶ＬＢＯを、図１に示す引き上げ
装置１１０を用いて単結晶ＬＢＯを育成した。ただし、
第１実施例の育成条件とは育成条件を変えた。参考例１
では、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を２
５０°Ｃ／ｃｍ、それより上部の温度勾配を７０°Ｃ／
ｃｍとし、単結晶の直胴部を引き上げる際の引き上げ速
度を２．５ｍｍ／時間とした。すなわち、参考例１で
は、第１実施例の引き上げ条件に対して、温度勾配を大
きくし、引き上げ速度を速くした。上記の条件以外は、
前記実施例１と同様にして参考例１の単結晶ＬＢＯを育
成した。その後、その単結晶ＬＢＯを、本実施例と同
様、図３に図解したようにカットし、その単結晶ＬＢＯ
の入射面を光学的に研磨した。結晶の大きさはほぼ同じ
である。このような通常の単結晶ＬＢＯに、ＹＡＧレー
ザーの第２高調波、波長５３２ｎｍの出射光を入射した
ところ、本実施例の単結晶ＬＢＯと同様、半分の波長の
レーザー光が認められ、通常の単結晶ＬＢＯも本実施例
の単結晶ＬＢＯと同様に光波長変換機能を有しているこ
とが判った。しかしながら、通常の単結晶ＬＢＯには白
濁が介在しており、出射光の強度は本実施例の単結晶Ｌ
ＢＯによる出射光の強度より弱かった。通常の単結晶Ｌ
ＢＯの結晶内部の屈折率変動をＭａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ
干渉計が測定したところ、屈折率変動は約１０^-4／ｍｍ
であった。本実施例の単結晶ＬＢＯの屈折率変動、１０
^-6／ｍｍより変動が大きい。

【００５４】以上のように、本実施例によれば、所定の
位相整合角度を満足するように、光軸に対して所定の面
でカットした通常の単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ
₄Ｏ ₇）の光入射面に所定の入射角度で、波長１０００
ｎｍ以下のコヒーレント光を入射させ、前記入射光の波
長のほぼ１／２の波長の光を射出させることができる。

【００５５】第２実施例本発明の第２実施例として、単結晶ＬＢＯを第２高調波
用波長変換素子として用いる例を述べる。

【００５６】本実施例の単結晶ＬＢＯの製造方法図１に示した引き上げ装置１１０を用いて、本実施例の
単結晶ＬＢＯを育成した。すなわち、所定モル比の純度
９９．９９％の多結晶ＬＢＯ、１３００ｇを直径９０ｍ
ｍ，高さ１００ｍｍの白金坩堝１０１内に充填し、ヒー
タで融解したのち、引き上げ方位（１１０）で直径２イ
ンチの単結晶ＬＢＯを引き上げた。第２実施例における
引き上げ条件は、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温
度勾配を８０°Ｃ／ｃｍ、それより上部の温度勾配を３
０°Ｃ／ｃｍとし、単結晶ＬＢＯの直胴部を引き上げる
際の引き上げ速度を０．５ｍｍ／時間とした。このよう
にして育成した単結晶ＬＢＯの転位密度を、エッチング
法によって測定したところ、５×１０個／ｃｍ²であっ
た。充分小さな転位密度である。

【００５７】加工この単結晶ＬＢＯの第２次高調波特性を評価するため
に、本実施例の単結晶ＬＢＯを、位相整合角θｍ≒１７
°を満足するようカットし、当該単結晶の入出射面を光
学研磨した。結晶の大きさは、直径１０mmおよび長さ２
５mmとした。この単結晶に、出力１００ｍＪ，波長５３
２ｎｍのレーザー光を照射し、透過した光を観察、評価
した。その結果、この光は第４次高調波である波長２６
６ｎｍの出射光であり、本実施例で得られた単結晶ＬＢ
Ｏは波長変換特性に優れた材料であることが確認でき
た。また、レーザー光入射出力とレーザ光出射出力とか
ら、波長変換効率を計算により求めた結果、約１５％で
あった。

【００５８】参考例２参考例２として、ＳＡＷ素子などに使用する通常の単結
晶ＬＢＯの製造条件に従って単結晶ＬＢＯを製造した。
すなわち、図１に示す引き上げ装置１１０を用いて単結
晶ＬＢＯを育成した。ただし、第２実施例の育成条件と
は育成条件を変えた。すなわち、参考例２では、融液表
面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を２５０°Ｃ／ｃ
ｍ、それより上部の温度勾配を７０°Ｃ／ｃｍとし、単
結晶の直胴部を引き上げる際の引き上げ速度を２．５ｍ
ｍ／時間とした。すなわち、参考例１では、第２実施例
の引き上げ条件に対して、温度勾配を大きくし、引き上
げ速度を速くした。上記の条件以外は、前記実施例２と
同様にして参考例の単結晶ＬＢＯを育成した。エッチン
グ法を用いて測定したところ、参考例２の単結晶ＬＢＯ
の転位密度は２×１０⁴個／ｃｍ²であり、単結晶ＬＢ
Ｏ中に白濁が観察された。したがって、参考例２で示し
た条件が製造した通常の単結晶ＬＢＯは、光学変換素子
としては品質が低い。第２次高調波特性を評価するため
に、比較例の単結晶ＬＢＯを、第２実施例と同様にカッ
トし、当該単結晶の入出射面を光学研磨した。結晶の大
きさも同じである。この単結晶に、出力１００ｍＪ，波
長５３２ｎｍのレーザー光を照射し、透過した光を観
察、評価した。その結果、波長２６６ｎｍの光は観察さ
れたが、波長変換効率は低かった。波長変換効率を計算
により求めたが、約９％であり、参考例２による単結晶
ＬＢＯは本実施例の単結晶ＬＢＯに比較して、変換効率
に劣ることが確認された。換言すれば、本実施例の単結
晶ＬＢＯは光学変換素子として用いた場合、変換効率が
高いことを示している。

【００５９】第３実施例本発明の第３実施例として、単結晶ＬＢＯを５倍高調波
用波長変換素子に用いる場合を述べる。

【００６０】本実施例の単結晶ＬＢＯの製造図１に示した引き上げ装置１１０を用いて、所定モル比
（化学量論組成）の純度９９．９９重量％の多結晶ＬＢ
Ｏ、１３００ｇを、直径９０mm、高さ１００mmの白金坩
堝１０１に充填し、ＣＺ法で単結晶ＬＢＯを育成した。
引き上げ条件は第１実施例または第２実施例といずれの
ものと同じでよい。本実施例の単結晶ＬＢＯの加工育成した単結晶ＬＢＯを、（１１０）面と（００１）面
とにカットし、入出射面である（１１０）面を光学研磨
し、１５mm×１５mm×３０mmの単結晶ＬＢＯから成る波
長変換素子３０Ｂを作成した。

【００６１】実験例２基本波ω（入射波長λ2 ＝１０６４ｎｍ）のレーザ光
（出力１Ｊ）と、光パラメトリック発振器（Spectra P
hysics社製）から発生させた基本レーザー光の４倍の周
波数、４ω（入射波長の１／４の波長λ1 ＝２６６ｎ
ｍ）の補助レーザ光（出力２５０ｍＪ）とを同時に波長
変換素子３０Ｂに入射させたところ、二つの光の混合
（和周波）によって、入射波長λ2 ＝１０６４ｎｍの５
倍の周波数：５ω（１／５の波長２１３ｎｍ）の光（出
力１５０ｍＪ）が発生した。すなわち、単結晶ＬＢＯを
用いた波長変換素子３０Ｂから、１０６４ｎｍ／５≒２
１３ｎｍの波長の光が発生した。この時の位相整合角度
を実験例１と同様にして求めたところ、約７９度であっ
た。和周波による最短波長は２０９ｎｍであり、その時
の位相整合角度は、約９０度であった。各入射波長と位
相整合角度との関係を下記の表３に示す。

【００６２】

【表３】

【００６３】波長ｘ＝２０９ｎｍの出射光を得る場合、
前記第１のコヒーレント光の波長は、任意のｗ（ｎ
ｍ）、たとえば、９８１（ｎｍ）であり、前記第２のコ
ヒーレント光の波長は、１／〔（１／ｘ）−（１／
ｗ）〕（ｎｍ）、たとえば、２６６（ｎｍ）である。さ
らに、単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第１の波長の第
１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光のほぼ１／
２またはほぼ１／４の波長の第２のコヒーレント光とを
所定の角度で入射させ、少なくとも前記第１のコヒーレ
ント光の波長のほぼ１／３またはほぼ１／５の波長のコ
ヒーレント光を出射させることができる。表３に示す位
相整合角度は、単結晶ＬＢＯの屈折率を１．６として計
算して求めたので、厳密な意味では正確ではない。なぜ
なら、結晶の屈折率は、温度や入射波長などによって変
化するからである。しかしながら、上記表の値は、正確
な値に近い値であり、上記の表の値に±１０度の範囲に
正確な位相整合角度があると考えられる。もちろん、屈
折率が正確に求められれば、実験例１に示した手法によ
り、容易に正確な位相整合角度を求めることができる。
位相整合方法としては、複屈折を利用した角度位相整合
と屈折率の温度依存性を利用した温度位相整合を適用し
た。もちろん後者の単結晶ＬＢＯに温度位相整合方法を
適用することも可能である。いくつかの波長における単
結晶ＬＢＯの屈折率を測定し、操作過程を適合させるこ
とによってＳｅｌｌｍｅｉｅｒ方程式が求められる。Ｓ
ｅｌｌｍｅｉｅｒ方程式を解くことによって各波長にお
ける屈折率が算出でき、位相整合角度を求める方法もあ
る。

【００６４】参考例３参考例１または参考例２で述べた通常の単結晶ＬＢＯを
１／５波長変換に用いた。その結果、本実施例の単結晶
ＬＢＯと同様、位相整合角度＝約７９度であり、和周波
による最短波長は２０９ｎｍであり、その時の出力は５
０〜１２０ｍＪであった。通常の単結晶ＬＢＯは白濁が
介在しており、Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ干渉計による屈
折率変動の測定結果は１０^-4／ｍｍであった。白濁がな
く、屈折率変動が１０^-6／ｍｍの本実施例の単結晶ＬＢ
Ｏを用いて１／５波長変換した場合、安定な５倍高調波
が得られた。すなわち、通常の単結晶ＬＢＯを用いても
５倍高調波が得られるが、本実施例の単結晶ＬＢＯを用
いたほうが、安定し、変換効率の高い５倍高調波が得ら
れることを示している。

【００６５】比較例１本発明の単結晶ＬＢＯの波長変換素子３０ＢをＫＴＰで
構成した以外は、前記実験例２と同様にして、変換波長
特性、耐レーザ損傷、透明領域、潮解性、良質の大型結
晶の可能性について調べた。結果を表２に示す。この結
果から、本発明の単結晶ＬＢＯを波長変換素子３０Ｂに
用いた場合の優位性が確認された。

【００６６】比較例２本発明の単結晶ＬＢＯを波長変換素子３０ＢをＢＢＯで
構成した以外は、前記実験例１と同様にして、変換波長
特性、耐レーザ損傷、透明領域、潮解性、良質の大型結
晶の可能性について調べた。結果を表２に示す。この結
果から本発明の単結晶ＬＢＯを用いた波長変換素子３０
Ｂの優位性が確認された。ＢＢＯは、フラックス法で育
成するので、不純物を取り込み易く、収率は低いが、本
発明の単結晶ＬＢＯは収率が高い。また、ＢＢＯに紫外
光を照射すると、結晶の劣化によってカラーセンタが発
生するという問題があるが、本発明の単結晶ＬＢＯを用
いた波長変換素子３０Ｂはその問題がない。

【００６７】比較例３本発明の単結晶ＬＢＯを波長変換素子３０ＢをＫＤＰで
構成した以外は、前記実験例１と同様にして、変換波長
特性、耐レーザ損傷、透明領域、潮解性、良質の大型結
晶の可能性について調べた。結果を表２に示す。その結
果、本発明の単結晶ＬＢＯの優位性が確認された。

【００６８】以上のごとく、本実施例によれば、和周波
混合現象を利用して、たとえば、波長ｘ＝２０９ｎｍの
出射光を得る場合、前記第１のコヒーレント光の波長
は、任意のｗ（ｎｍ）、たとえば、９８１（ｎｍ）であ
り、前記第２のコヒーレント光の波長は、１／〔（１／
ｘ）−（１／ｗ）〕（ｎｍ）、たとえば、２６６（ｎ
ｍ）である。また、前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面
に第１の波長の第１のコヒーレント光と第１のコヒーレ
ント光のほぼ１／２またはほぼ１／４の波長の第２のコ
ヒーレント光とを所定の角度で入射させ、少なくとも前
記第１のコヒーレント光の波長のほぼ１／３またはほぼ
１／５の波長のコヒーレント光を出射させることができ
る。好適には、光軸に対して所定の面でカットした、屈
折率変動が１０^-5／ｍｍ以下、および／または、転位密
度が約１×１０³個／ｃｍ²以下の単結晶四ほう酸リチ
ウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）を用いる。

【００６９】第４実施例本実施例は、単結晶ＬＢＯが、上述したように、４倍ま
たは５倍の波長変換機能を有することを用いて、単結晶
ＬＢＯを波長変換素子として用い、赤外線領域の光から
紫外線領域の光を射出するレーザー装置を実現した例で
あり、図６を参照して示す。図６に示したレーザ装置１
００は、赤外線領域の波長１０６４ｎｍの可干渉光（コ
ヒーレント光）を出射する固体レーザであるＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ１０と、波長２６６ｎｍのコヒーレント光を出
射する二次光源２０と、本発明の単結晶ＬＢＯからなる
波長変換素子３０Ｂと、ハーフミラー４０とを有する。

【００７０】二次光源２０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレ
ーザから発せされた波長１０６４ｎｍのレーザ光を、波
長変換素子、たとえば、入射光の半分の波長の光に変換
するβ−ＢａＢ2 Ｏ4 （ＢＢＯ）単結晶を用いた波長変
換素子を２度波長変換して、または本発明のＳＨＧ用単
結晶ＬＢＯから成る波長変換素子に２度通過させて、波
長１０６４ｎｍの１／４の波長、２６６ｎｍのレーザ光
に変換して出力する。第１の光路では、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザ１０から発せられた波長１０６４ｎｍのレーザ光が
ハーフミラー４０を透過して波長変換素子３０Ｂに入射
する。第２の光路では、二次光源２０からの波長２６６
ｎｍのレーザ光がハーフミラー４０で反射されて、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ１０からレーザ光とともに、波長変換
素子３０Ｂに入射する。すなわち、第１の光路及び第２
の光路から波長変換素子３０Ａに照射されたレーザ光
は、当該波長変換素子３０Ｂを通過すると、和周波され
て、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１０からレーザ光の波長１０６
４ｎｍの約１／５の波長、２１３ｎｍの短波長レーザ光
に変換されることになる。

【００７１】このように、レーザ装置１００は、常温で
赤外線領域の光、波長１０６４ｎｍを射出する固体レー
ザーである、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１０と、波長１０６
４ｎｍの１／４の波長の光を発する二次光源２０と、単
結晶ＬＢＯを用いた波長変換素子３０Ｂによって、赤外
線領域の光、波長１０６４ｎｍから、その１／５の波
長、すなわち、２１３ｎｍの紫外線領域の短波長レーザ
光を出射させることができる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１
０は、透明で絶縁体の結晶、ＹＡＧを母体として不純物
イオンＮｄを混入させている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１０
は常温で連続的に赤外線領域の光、波長１．０５〜１．
１２μｍのうち、特に、１．０６４μｍの光を強く発振
する。

【００７２】また上述したように、単結晶ＬＢＯは、広
範囲の波長にたいして透明度が高く、レーザー光による
損傷が少ない。また、良質で大型の結晶を容易に製造で
きる。さらに、単結晶ＬＢＯは、加工性に優れ、潮解性
が小さく取り扱い性にも優れている。単結晶ＬＢＯは寿
命も長い。上述したＮｄ：ＹＡＧレーザー１０と、この
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１０の光を用いた二次光源２０
と、上述した単結晶ＬＢＯを用いた波長変換素子３０Ｂ
と、ハーフミラー４０からなる、本発明に係るレーザ装
置１００は、小型化で、動作が安定しており、長寿命で
ある。しかも、常温で、高いエネルギーの、短波長の紫
外光線、上述した例では、波長２１３ｎｍのレーザー光
が得られる。このレーザー装置１００は、エキシマレー
ザに代替えできる。すなわち、このようなレーザ装置１
００は、印刷や製版、光計測、超ＬＳＩなどのリソグラ
フィ等の分野への応用が期待できる。

【００７３】第５実施例本発明の第５実施例として、本発明の単結晶ＬＢＯを第
５高調波用波長変換素子として用いた、他のレーザー装
置について述べる。製造方法図１に示した引き上げ装置１１０を用いて、ＣＺ法で単
結晶ＬＢＯを育成した。育成方向はｃ軸引き上げでは気
泡の介在が多く、ｃ軸から垂直方向にある（１００），
（１１０）方向では気泡の介在が少なかった。加工育成結晶から、（１００），（００１）面試料（およそ
３０ｍｍ＊３０ｍｍ＊４０ｍｍ）を作製した。

【００７４】動作実験図６に示したレーザー装置に類似する図７に示したレー
ザー装置で、実験を行い、まずＮｄ：ＹＡＧレーザー
（図示せず）の基本波（ω）を２倍波・４倍波発生ユニ
ット４２へ入射させ、それを本発明の単結晶ＬＢＯを用
いた波長変換素子３０Ｃへ入射させて、波長変換素子３
０Ｃから５倍波を発生させた。この時の条件は、１０Ｈ
ｚ，１０ｎｓｅｃでＮｄ：ＹＡＧレーザーの基本波出
力：４００ｍＪ，４倍波：１１０ｍＪを、位相整合角７
９度に入射させ、５倍波出力７０ｍＪを得た。次に、結
晶を（００１）方向に回転させながら、光パラメトリッ
ク発振器４１で１０６４ｎｍの波長を徐々に変えて単結
晶ＬＢＯに当てながら、変換波長を測定した。（１０
０）面試料に殆ど垂直に入射する条件で、最短波長は２
０９ｎｍであった。以上のとおり、本発明の単結晶ＬＢ
Ｏを波長変換素子３０Ｃに用いたレーザー装置には、広
い波長範囲にわたって変化するレーザー光が確認され
た。

【００７５】第６実施例本発明の第６実施例として、本発明の単結晶ＬＢＯを第
５高調波用波長変換素子として用いた、さらに他のレー
ザー装置について述べる。製造方法図１に示した引き上げ装置１１０を用いて、ＣＺ法で単
結晶ＬＢＯを育成した。育成方向はｃ軸引き上げでは気
泡の介在が多く、ｃ軸から垂直方向にある（１００），
（１１０）方向では気泡の介在が少なかった。加工育成結晶から切り出して、（００１）面から７９度傾け
た面を光入射面とした単結晶ＬＢＯを作成した。その単
結晶の寸法は、２０mm×２０mm×４５mmであった。

【００７６】動作実験この本実施例の単結晶試料を、図８に示すように、波長
変換素子３０Ｄとして、フィルター６０，６２間に配置
し、ＹＡＧロッド５０、Ｑスイッチ５２、ミラー５４，
５５で構成されるＹＡＧレーザ１０ａから周波数ωの基
本波を出力させ、ＳＨＧ用結晶５６，５８を通して変換
素子３０Ｄの光入射面に光を入射させた。ＳＨＧ結晶５
６，５８は、たとえば単結晶ＬＢＯまたはＢＢＯなどで
構成される。７９度切断の単結晶試料３０Ｄをステージ
に載せて、図２に示したｃ軸方向に回転させた所、７９
度±１０度で５倍波（５ω）の発生を確認した。その出
力光の最大の強度は、ＹＡＧレーザー（１．５Ｊ、１０
ＨＺ）を用いて、１２０ｍＪであった。

【００７７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、長
期的に安定して動作し、長寿命を示し、加工性に富み、
小型、軽量、低価格な光学変換素子が提供される。また
本発明によれば、紫外線領域の光を効率よく提供可能な
光学変換素子（または光学変換装置）が提供される。さ
らに本発明によれば、上記光学変換素子（または光学変
換装置）を用いて種々の光学装置、たとえば、ＹＡＧレ
ーザーの出力光の周波数（波長）の４倍、５倍の周波数
（１／４、１／５の波長）の光を含む紫外線領域への波
長変換が行える光学装置が提供される。また本発明によ
れば、上記光学変換素子および、または、上記光学装置
を用いて種々の光学装置、たとえば、各種のレーザー装
置などが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の単結晶・四ほう酸リチウム（Ｌ
ｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、ＬＢＯ）を製造する引き上げ装置を示す
断面図である。

【図２】図２は単結晶ＬＢＯ中の位相整合角度の定義を
示す概略図である。

【図３】図３は本発明の一実施例に係る単結晶ＬＢＯの
カット面と位相整合角度との関係を示す図である。

【図４】図４は本発明の一実施例における単結晶ＬＢＯ
で位相整合したときのレーザ光の入射角度と基本波との
関係を示す図である。

【図５】図５は本発明の一実施例に係る単結晶ＬＢＯを
第２高調波用波長変換素子として利用する場合の位相整
合角度と入射光角度との関係を示す図である。

【図６】図６は本発明の第３実施例としての、単結晶Ｌ
ＢＯを第５高調波用波長変換素子として用いたレーザ装
置を示す構成図である。

【図７】図７は本発明の第４実施例としての、単結晶Ｌ
ＢＯを第５高調波用波長変換素子として用いた他のレー
ザ装置の構成図である。

【図８】図８は本発明の第５実施例としての、単結晶Ｌ
ＢＯを波長変換素子として用いたシングルパス型レーザ
装置の構成図である。

【符号の説明】

１…白金るつぼ、２，３，５，６…断熱材、４…ヒータ
ー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の位相整合角度を満足するように、光
軸に対して所定の面でカットした単結晶四ほう酸リチウ
ム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に所定の入射角度で、
波長１０００ｎｍ以下のコヒーレント光を入射させ、前
記入射光の波長の１／２の波長の光を出射させる、光波
長変換方法。
【請求項２】前記単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇）の光入射面に、異なる波長の２種のコヒーレント
光を入射させ、これら２つのコヒーレント光の波長の和
周波混合の波長を有する光を射出させる、請求項１記載
の光波長変換方法。
【請求項３】前記第１のコヒーレント光の波長がｗであ
り、前記第２のコヒーレント光の波長が１／〔（１／
ｘ）−（１／ｗ）〕であるとき、前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇から波長ｘの光が出射される、請求項２記載の光波
長変換方法。
【請求項４】前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第１
の波長の第１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光
の１／２または１／４の波長の第２のコヒーレント光と
を所定の角度で入射させ、少なくとも前記第１のコヒー
レント光の波長の１／３または１／５の波長のコヒーレ
ント光を出射させる、請求項３記載の光波長変換方法。
【請求項５】所定の位相整合角度を満足するように、光
軸に対して所定の面でカットした単結晶四ほう酸リチウ
ム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に、異なる波長の２種
のコヒーレント光を入射させ、これら２つのコヒーレン
ト光の波長の和周波混合の波長を有する光を射出させ
る、光波長変換方法。
【請求項６】前記第１のコヒーレント光の波長がｗであ
り、前記第２のコヒーレント光の波長が１／〔（１／
ｘ）−（１／ｗ）〕であるとき、前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇から波長ｘの光を出射させる、請求項５記載の光波
長変換方法。
【請求項７】前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第１
の波長の第１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光
の１／２または１／４の波長の第２のコヒーレント光と
を所定の角度で入射させ、少なくとも前記第１のコヒー
レント光の波長の１／３または１／５の波長のコヒーレ
ント光を出射させる、請求項６記載の光波長変換方法。
【請求項８】所定の位相整合角度を満足するように、光
軸に対して所定の面でカットした屈折率変動が１０^-5／
ｍｍ以下、および／または、転位密度が約１×１０³個
／ｃｍ²以下の単結晶四ほう酸リチウム（単結晶Ｌｉ₂
Ｂ₄Ｏ₇）の光入射面に所定の入射角度で、所定の波長
のコヒーレント光を入射させ、前記入射光の波長の１／
２の波長の光を射出させる、光波長変換方法。
【請求項９】前記単結晶四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇）の光入射面に、異なる波長の２種のコヒーレント
光を入射させ、これら２つのコヒーレント光の波長の和
周波混合の波長を有する光を射出させる、請求項８記載
の光波長変換方法。
【請求項１０】波長がｗの第１のコヒーレント光と、波
長が１／〔（１／ｘ）−（１／ｗ）〕の第２のコヒーレ
ント光を前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇に入射させ、それら
の和周波混合によって波長ｘの出射光を出射させる、請
求項９記載の光波長変換方法。
【請求項１１】前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第
１の波長の第１のコヒーレント光と、第１の光の波長の
１／２または１／４の波長の第２のコヒーレント光と
を、所定の角度で入射させ、少なくとも前記第１の光の
波長の１／３または１／５の波長の光を出射させる、請
求項１０記載の光波長変換方法。
【請求項１２】光軸に対して所定の面でカットされ、光
入射面に所定の位相整合角度を満足するように異なる波
長の第１および第２のコヒーレント光が入射された場
合、これら２つのコヒーレント光の波長の和周波混合を
行った波長の光を光出射面から出射させる単結晶四ほう
酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）を有する光波長変換装
置。
【請求項１３】前記第１のコヒーレント光の波長がｗで
あり、前記第２のコヒーレント光の波長が１／〔（１／
ｘ）−（１／ｗ）〕であるとき、前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇から波長ｘの光を出射させる、請求項１２記載の光
波長変換装置。
【請求項１４】所定の波長の第１のコヒーレント光と第
１のコヒーレント光の１／２または１／４の波長の第２
のコヒーレント光とを前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇に入射
させ、前記第１のコヒーレント光の波長の１／３または
１／５の波長の光を出射させる、請求項１３記載の光波
長変換装置。
【請求項１５】請求項１２記載の波長変換装置と、第１の波長を有する前記第１のコヒーレント光を出射す
る第１の光源と、第２の波長を有する前記第２のコヒーレント光を出射す
る第２の光源と、前記第１の光と前記第２の光を前記波長変換装置に導く
光学素子とを有し、前記第１のコヒーレント光の波長と前記第２のコヒーレ
ント光の波長の和周波混合した波長の光を出射するレー
ザー装置。
【請求項１６】前記第２の光源は、請求項８記載の波長
変換装置１個または２個を有し、前記第１の光源から出射される第１のコヒーレント光を
前記波長変換装置に入射し、該波長変換装置から入射光
の波長の１／２または１／４の波長の光を射出する請求
項１５記載のレーザー装置。
【請求項１７】光軸に対して所定の面でカットされ、屈
折率変動が１０^-5／ｍｍ以下、および／または、転位密
度が約１×１０³個／ｃｍ²以下の単結晶四ほう酸リチ
ウム（単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）。
【請求項１８】請求項１７記載の単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇
を有し、該単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の光入射面に、所定の
位相整合角度を満足するように、所定の入射角度で、所
定の波長のコヒーレント光を入射させ、前記入射光の波
長の１／２の波長の光を射出させる、光波長変換装置。
【請求項１９】請求項１７記載の単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇
の光入射面に異なる波長の第１および第２のコヒーレン
ト光が入射された場合、これら２つのコヒーレント光の
波長の和周波混合を行った波長の光を光出射面から出射
させる請求項１８記載の光波長変換装置。
【請求項２０】波長がｗの第１のコヒーレント光と、波
長が１／〔（１／ｘ）−（１／ｗ）〕の第２のコヒーレ
ント光を前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇に入射させ、それら
の和周波混合によって波長ｘの出射光を得る、請求項１
９記載の光波長変換装置。
【請求項２１】前記単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇の入射面に第
１の波長の第１のコヒーレント光と、第１の光の波長の
１／２または１／４の波長の第２のコヒーレント光と
を、所定の角度で入射させ、少なくとも前記第１の光の
波長の１／３または１／５の波長の光を出射させる、請
求項２０記載の光波長変換装置。
【請求項２２】第１のコヒーレント光の波長の１／２の
第２のコヒーレント光を出射する非線形結晶を用いた第
１の波長変換装置と、前記第２のコヒーレント光の波長
をさらに１／２にした第３のコヒーレント光を出射する
請求項１８記載の第２の波長変換装置とを有する、レー
ザ装置。
【請求項２３】請求項１９記載の波長変換装置と、第１の波長を有する前記第１のコヒーレント光を出射す
る第１の光源と、第２の波長を有する前記第２のコヒーレント光を出射す
る第２の光源と、前記第１の光と前記第２の光を前記波長変換装置に導く
光学素子とを有し、前記第１のコヒーレント光の波長と前記第２のコヒーレ
ント光の波長の和周波混合した波長の光を出射するレー
ザー装置。
【請求項２４】第１のコヒーレント光を出射する第１の
光源と、第１のコヒーレント光の波長の１／２または１／４の波
長の第２のコヒーレント光を出射する第２の光源と、前記第１の光源から第１のコヒーレント光と、前記第２
の光源からの第２のコヒーレント光とが入射される光学
変換素子とを有し、前記光学変換素子から少なくとも前記第１のコヒーレン
ト光の１／３または１／５の波長のコヒーレント光を出
射するレーザー装置。
【請求項２５】溶融させた多結晶四ほう酸リチウム（Ｌ
ｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）を所定の引き上げ方位でチョクラルスキ
ー法で引き上げて単結晶四ほう酸リチウムを製造する方
法において、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を３０℃／
ｃｍ〜２００℃／ｃｍ、それより上部の温度勾配を５℃
／ｃｍ〜５０℃／ｃｍ、引き上げ速度を０．１ｍｍ／時間〜２ｍｍ／時間で、引
き上げ、屈折率変動が１０^-5／ｍｍ以下、および／または、転位
密度が約１×１０³個／ｃｍ²以下の単結晶Ｌｉ₂Ｂ₄
Ｏ₇を製造することを特徴とする単結晶四ほう酸リチウ
ムの製造方法。