JPH09318985A

JPH09318985A - 波長変換装置

Info

Publication number: JPH09318985A
Application number: JP8133669A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kubota; 重夫久保田; Hisashi Masuda; 久増田; Buihiman Buerunaa; ヴェルナー・ヴィヒマン
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1997-12-12
Also published as: US5936761A

Abstract

(57)【要約】【課題】基本波を非線形光学結晶中に収束させて波長
変換を行う波長変換装置において、入力される基本波の
パワーが高くても、非線形光学結晶中に顕著なピークが
発生しないようにする。【解決手段】本発明に係る波長変換装置では、基本波
の収束点におけるスポット半径を０．００１４〜０．０
０２３ｃｍとし、非線形光学結晶の結晶長を０．５〜
１．２ｃｍとする。この範囲を満たすとき、入力される
基本波のパワーが高くても、非線形光学結晶中における
光強度分布はトップ・ハット型となり、ピークが発生す
るようなことはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベータ・バリウム
・ボレイト結晶等のような非線形光学結晶を用いた波長
変換装置に関し、特に、強度分布の一様性が必要とされ
る半導体露光装置等に好適な波長変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば第２高調波を発生させて波長変換
を行う波長変換装置では、基本波を非線形光学結晶中に
収束させて、非線形光学結晶による非線形光学過程によ
って、波長変換を行う。

【０００３】従来、波長変換装置において、入力される
基本波がガウス型強度分布を有し、非線形光学結晶が一
定のウォークオフを有しているとき、波長変換のための
最適収束条件は、Ｂｏｙｄ＆Ｋｌｅｉｎｍａｎの公式
（ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、１０
巻、３５９７ページ、１９６８年）によって求めてい
た。

【０００４】しかしながら、Ｂｏｙｄ＆Ｋｌｅｉｎｍａ
ｎの公式は、非線形過程における基本波の減衰、すなわ
ちデプリーションを無視している。そのため、入力され
る基本波のデプリーションが無視できないようなとき、
具体的には入力される基本波のパワーが高いようなとき
には、近似が著しく悪くなるという欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、デプリーシ
ョンが無視できないようなパワーの基本波を非線形光学
結晶に入力すると、デプリーションとウォークオフの相
乗効果によって、波長変換された光の強度分布が著しく
歪み、非線形光学結晶中における光強度に顕著なピーク
が発生することがある。

【０００６】そして、このような光強度のピークは、非
線形吸収の直接要因となり、非線形光学結晶に対する光
損傷の原因となる。また、非線形光学結晶中における光
の強度分布に著しい歪みがあると、例えば、第２高調波
を次段の波長変換の光源として使用する際に、変換効率
が低下してしまうという問題も生じる。したがって、波
長変換装置では、非線形光学結晶中における光の強度分
布の歪みを無くし、顕著なピークを持たないようにする
ことが、実用上大きな課題となる。

【０００７】しかしながら、波長変換装置の設計に利用
されているＢｏｙｄ＆Ｋｌｅｉｎｍａｎの公式は、デプ
リーションを考慮していないため、従来は、デプリーシ
ョンとウォークオフの相乗効果に起因する現象を解析す
ることが出来なかった。

【０００８】本発明は、このような従来の実情に鑑みて
提案されたものであり、デプリーションの影響を考慮
し、入力される基本波のパワーが高くても、波長変換さ
れた光の強度分布の歪みが抑制され、非線形光学結晶中
に顕著なピークが発生しないようにした波長変換装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明者は、Ｂｏｙｄ＆Ｋｌｅｉｎｍａｎの公式
の導出過程に基本波のデプリーションの効果を取り入
れ、計算機シミュレーションによって、非線形光学結晶
中における光の強度分布を算出した。そして、本発明者
は、この計算機シミュレーション結果から、非線形光学
結晶の結晶長等を適切に設定することにより、波長変換
の変換効率を損なわずに、非線形光学結晶中における光
の強度分布に顕著なピークを持たないようにすることが
可能なことを見出した。

【００１０】本発明はこのような知見に基づいて成され
たものであり、本発明に係る波長変換装置は、基本波を
非線形光学結晶中に収束させて波長変換を行う波長変換
装置であって、上記基本波の収束点におけるスポット半
径が０．００１４〜０．００２３ｃｍ、上記非線形光学
結晶の結晶長が０．５〜１．２ｃｍであり、上記基本波
として、非線形光学結晶中におけるデプリーションの影
響が無視できないようなパワーを有するレーザ光を使用
することを特徴とする。

【００１１】ここで、上記非線形光学結晶の結晶長を
ｌ、ウォークオフ角をρとし、上記基本波の波動ベクト
ルをｋとしたとき、０．５ρ（ｌｋ）^1/2 ＞１０である
ことが好ましい。また、上記非線形光学結晶の結晶長を
ｌとし、上記基本波の収束点におけるスポット半径をｗ
_x 、波動ベクトルをｋとしたとき、１＜ｌ／（ｋｗ_x ²）
＜１．７であることが好ましい。

【００１２】また、上記波長変換装置において、基本波
には、例えば、Ｑスイッチ固体レーザの第２高調波を使
用する。このとき、Ｑスイッチ固体レーザには、例え
ば、平均出力が５〜２０Ｗ、繰り返し周波数が１〜１０
ｋＨｚ、パルスの半値全幅が２０〜５０ｎｓのものを使
用する。また、Ｑスイッチ固体レーザとしては、例え
ば、出力されるレーザ光の波長幅を制御するために固体
レーザを用いて注入同期されたもの使用する。

【００１３】また、上記波長変換装置では、非線形光学
結晶に、例えば、ベータ・バリウム・ボレイト結晶を使
用する。そして、波長変換により、例えば第２高調波を
発生させる。具体的には、例えば、第２高調波として紫
外光を発生させる。

【００１４】以上のような波長変換装置では、デプリー
ションの影響を考慮して、非線形光学結晶の結晶長等を
設定しているので、入力される基本波のパワーが高くて
も、光強度分布の歪みが抑制され、非線形光学結晶中に
顕著なピークが発生するようなことがない。

【００１５】また、本発明に係る他の波長変換装置は、
基本波を非線形光学結晶中に収束させて波長変換を行う
波長変換装置であって、上記基本波の光源と上記非線形
光学結晶との間に、焦点距離可変のズームレンズを備え
ており、上記基本波のパワーに応じて、基本波のスポッ
ト半径を上記ズームレンズにより変化させることを特徴
とする。

【００１６】ここで、上記非線形光学結晶の結晶長を
ｌ、ウォークオフ角をρとし、上記基本波の波動ベクト
ルをｋとしたとき、０．５ρ（ｌｋ）^1/2 ＞１０である
ことが好ましい。また、上記非線形光学結晶の結晶長を
ｌとし、上記基本波の収束点におけるスポット半径をｗ
_x 、波動ベクトルをｋとしたとき、１＜ｌ／（ｋｗ_x ²）
＜１．７であることが好ましい。

【００１７】また、上記波長変換装置において、基本波
には、例えば、Ｑスイッチ固体レーザの第２高調波を使
用する。このとき、Ｑスイッチ固体レーザには、例え
ば、平均出力が５〜２０Ｗ、繰り返し周波数が１〜１０
ｋＨｚ、パルスの半値全幅が２０〜５０ｎｓのものを使
用する。また、Ｑスイッチ固体レーザとしては、例え
ば、出力されるレーザ光の波長幅を制御するために固体
レーザを用いて注入同期されたもの使用する。

【００１８】また、上記波長変換装置では、非線形光学
結晶に、例えば、ベータ・バリウム・ボレイト結晶を使
用する。そして、波長変換により、例えば第２高調波を
発生させる。具体的には、例えば、第２高調波として紫
外光を発生させる。

【００１９】以上のような波長変換装置では、デプリー
ションの影響を考慮して基本波のスポット半径を設定す
ることができるので、入力される基本波のパワーが高く
ても、基本波のスポット半径を変化させることにより光
強度分布の歪みを抑制し、非線形光学結晶中に顕著なピ
ークが発生しないようにすることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能
であることは言うまでもない。

【００２１】本発明が効果的に適用されるのは、ウォー
クオフの大きい非線形光学結晶中に、デプリーションが
無視できないような、平均パワーの高い基本波を入力し
て、波長変換を行うときである。そこで、本実施の形態
では、非線形光学結晶として、比較的にウォークオフの
大きい非線形光学結晶であるベータ・バリウム・ボレイ
ト結晶（ＢＢＯ）を使用し、このベータ・バリウム・ボ
レイト結晶に入力される基本波として、デプリーション
の影響が無視できないような平均パワーが高い波長５３
２ｎｍの緑色レーザ光を使用した。このとき、非線形光
学過程による波長変換によって、第２高調波として波長
２６６ｎｍの紫外光が発生することとなる。

【００２２】ここで、緑色レーザ光には、Ｑスイッチ・
ネオジミウム・ヤグレーザの第２高調波を使用した。Ｑ
スイッチ・ネオジミウム・ヤグレーザは、平均出力が６
Ｗ、パルスの半値全幅が３５ｎｓ、繰り返し周波数が１
〜１０ｋＨｚのレーザ光を出力するものが商品化されて
いる。ここで、Ｑスイッチ・ネオジミウム・ヤグレーザ
は、例えば、出力されるレーザ光の波長幅を制御するた
めに固体レーザを用いて注入同期される。そして、この
Ｑスイッチ・ネオジミウム・ヤグレーザからのレーザ光
を基本波として、非線形光学結晶であるリチウム・ボレ
イト結晶（ＬＢＯ）を用いて第２高調波を発生させるこ
とにより、平均パワーが３Ｗ以上の緑色レーザ光を得る
ことが出来る。

【００２３】このように得られた平均パワー３Ｗ以上の
緑色レーザ光では、繰り返し周波数が７ｋＨｚで半値全
幅が２５ｎｓのパルス波形が観測されており、そのピー
クパワーは１７ｋＷに達している。そして、このような
高出力の緑色レーザをベータ・バリウム・ボレイト結晶
内に収束させて第２高調波を発生させると、顕著なデプ
リーションの影響が現れることが、実験的にも確認され
ている。そこで、以下、平均パワーが３Ｗ以上の緑色レ
ーザ光を基本波として使用した第２高調波発生について
説明する。

【００２４】なお、実験的には平均出力が１０Ｗ程度の
Ｑスイッチ・ネオジミウム・ヤグレーザも開発されてい
るので、近いうちに、Ｑスイッチ・ネオジミウム・ヤグ
レーザからのレーザ光を基本波として第２高調波を発生
させることにより、６Ｗ程度の緑色レーザ光も得られる
見通しである。そこで、以下の説明では、デプリーショ
ンの影響が無視できないような例として、基本波の平均
入力パワーが６Ｗまでの範囲について計算機シミュレー
ションを行った結果を示す。

【００２５】ここで、記載の範囲を６Ｗまでにとどめた
のは、Ｑスイッチ固体レーザとして、繰り返し周波数が
高く、且つ平均出力が１０Ｗを越えるようなものが未だ
開発されていないため、６Ｗを越えるような緑色レーザ
光が直ぐには得られないからである。しかし、この記載
の範囲は、本発明の適用範囲を制限するものではない。
すなわち、平均パワーが６Ｗを越えるような基本波を非
線形光学結晶に入力することができるならば、当然の事
ながら、本発明は、基本波の平均入力パワーが６Ｗを越
えるような範囲においても適用可能である。

【００２６】以下、図１に基づいて、ベータ・バリウム
・ボレイト結晶を用いて第２高調波を発生させたときの
パワー変換効率と、ベータ・バリウム・ボレイト結晶の
結晶長との関係について説明する。

【００２７】図１は、基本波として平均パワー３Ｗの緑
色レーザ光をベータ・バリウム・ボレイト結晶に入力し
て第２高調波を発生させた場合について、ベータ・バリ
ウム・ボレイト結晶の結晶長に対応した最適スポット半
径を示している。ここで、最適スポット半径とは、第２
高調波発生におけるパワー変換効率が最大となるとき
の、基本波の収束点におけるウォークオフ方向のスポッ
ト半径である。また、図１は、基本波の収束点における
スポット半径を最適スポット半径としたときの、第２高
調波発生におけるパワー変換効率についても示してい
る。

【００２８】この図１から分かるように、パワー変換効
率は、デプリーションの影響により飽和傾向が見られる
ものの、基本的には結晶長に応じて増加する。換言する
と、パワー変換効率は、結晶長が短くなると減少してし
まう。したがって、パワー変換効率の観点から、使用で
きる結晶長には下限がある。一方、発生するウォークオ
フ量は結晶長に比例するから、ウォークオフの観点か
ら、使用できる結晶長には上限がある。このように、パ
ワー変換効率の観点と、ウォークオフの観点とから、結
晶長には上限及び下限があり、具体的には、結晶長の範
囲は、０．５〜１．２ｃｍ程度が好ましいこととなる。

【００２９】そこで、以下の説明では、結晶長が０．６
ｃｍのベータ・バリウム・ボレイト結晶を使用した例
と、結晶長が１．０ｃｍのベータ・バリウム・ボレイト
結晶を使用した例とについて説明する。ここで、最適ス
ポット半径は、図１に示すように、結晶長が０．６ｃｍ
のベータ・バリウム・ボレイト結晶を使用するときには
０．００１４５ｃｍとなり、結晶長が１．０ｃｍのベー
タ・バリウム・ボレイト結晶を使用するときには０．０
０１８５ｃｍとなる。

【００３０】ところで、ウォークオフ量の度合いを示す
ウォークオフ・パラメータＢは、非線形光学結晶の結晶
長をｌ、ウォークオフ角をρとし、基本波の波動ベクト
ルをｋとしたとき、下記式（１）で表される。

【００３１】Ｂ＝０．５ρ（ｌｋ）^1/2 ・・・（１）そして、非線形光学結晶としてベータ・バリウム・ボレ
イト結晶を使用し、基本波として波長５３２ｎｍの緑色
レーザ光を使用したとき、ウォークオフ角ρは８４．３
×１０^-3ｒａｄであり、基本波の波動ベクトルｋは１．
９８×１０⁵ ｃｍ^-1となる。したがって、結晶長が０．
６ｃｍのとき、ウォークオフ・パラメータＢは１４．５
となり、また、結晶長が１．０ｃｍのとき、ウォークオ
フ・パラメータＢは１８．８となる。すなわち、結晶長
が０．６ｃｍのときも、結晶長が１．０ｃｍのときも、
ウォークオフ・パラメータＢが１０を越えるようなウォ
ークオフが大きい条件となる。

【００３２】まず、実施例１として、結晶長が０．６ｃ
ｍのベータ・バリウム・ボレイト結晶中に、波長５３２
ｎｍの緑色レーザ光からなる基本波を収束させて、第２
高調波として波長２６６ｎｍの紫外光を発生させたとき
について説明する。

【００３３】ここで、基本波の収束点におけるスポット
半径は、ウォークオフ方向の半径を０．００１７５ｃｍ
とし、これに直交する方向の半径を０．００４ｃｍとし
た。

【００３４】以上のような条件で、基本波の平均入力パ
ワーを３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ又は６Ｗとしたとき、基本波の
光軸上における第２高調波の強度分布を求めた結果を図
２に示す。この図２において、横軸は、基本波の光軸上
におけるベータ・バリウム・ボレイト結晶内の位置を示
しており、縦軸は、第２高調波として発生した紫外光の
強度分布の尖頭値を示している。なお、図２に示した第
２高調波の強度分布をウォークオフ方向に結晶端に向か
って投影すると、結晶端における紫外光の強度分布を近
似したものとなる。

【００３５】図２に示すように、第２高調波の強度分布
は、基本波の平均入力パワーが３Ｗのときに最も平坦に
近くなり、基本波の平均入力パワーが大きくなるに従っ
て顕著なピークが現れるようになっている。

【００３６】ここで、第２高調波の強度が最大となるの
は、入力された基本波のパワーによらず、結晶先端付近
である。そして、その最大値は、図３に示すように、基
本波の平均入力パワーに対して２次関数的に増加する。
例えば、基本波の平均入力パワーが６Ｗの場合、第２高
調波強度の最大値は、１４０ＭＷ／ｃｍ² に達する。こ
こで、波長２６６ｎｍにおけるベータ・バリウム・ボレ
イト結晶の二光子吸収係数は０．９ＧＷ／ｃｍであるか
ら、ベータ・バリウム・ボレイト結晶による二光子吸収
は１２．６％ｃｍ^-1になる。このように、結晶先端付近
では、第２高調波の吸収が無視できないレベルになる。
一方、結晶後端付近における第２高調波の強度は、図２
に示したように、基本波の平均入力パワーにあまり依存
せず、ほぼ一定値となる。

【００３７】したがって、図２に示した例では、基本波
のパワーが増加するに従って、第２高調波として発生し
た紫外光の強度分布は、著しく歪むことになる。そし
て、第２高調波として発生した紫外光の強度分布が歪
み、強度分布に顕著なピークが生じると、上述のような
二光子吸収による自己発熱を局所的に招き、位相整合ず
れや光損傷の原因となってしまう。

【００３８】ところで、上述したように、第２高調波の
強度分布は、基本波のパワーによらず、結晶先端付近で
最大となっている。そして、第２高調波の強度分布が最
大となる結晶内の位置Ｚ_max は、ベータ・バリウム・ボ
レイト結晶のウォークオフ角をρとし、基本波の収束点
におけるスポットのウォークオフ方向の半径をｗ_xとす
ると、近似的に下記式（２）で表される。

【００３９】Ｚ_max ＝２ｗ_x／ρ ・・・（２）そして、ベータ・バリウム・ボレイト結晶では、ρ＝８
４．３×１０^-3ｒａｄであるから、ｗ_x ＝０．００１７
５ｃｍのとき、Ｚ_max ＝０．０４ｃｍである。この位置
は、０．６ｃｍの結晶長に対して十分に結晶入力端に近
い位置である。

【００４０】ここで、ウォークオフ・パラメータＢにつ
いて説明する。

【００４１】まず、基本波の波動ベクトルをｋ、スポッ
ト半径をｗ_xとして、コンフォーカル・パラメータｂを
下記式（３）に示すように定義する。

【００４２】ｂ＝ｋｗ_x ² ・・・（３）そして、このコンフォーカル・パラメータｂを用いて、
フォーカシング・パラメータξを下記式（４）に示すよ
うに定義する。

【００４３】 ξ＝ｌ／ｂ＝ｌ／（ｋｗ_x ²）・・・（４）このとき、上記式（１）に示したウォークオフ・パラメ
ータＢの定義式は、下記式（５）のように表される。

【００４４】Ｂ＝０．５ρ（ｌｋ）^1/2＝０．５ρ（ｌ／ｗ_x）ξ^-1/2 ・・・（５）上記式（２）及び式（５）より、第２高調波の強度分布
が最大となる結晶内の位置Ｚ_maxは、下記式（６）のよ
うに表される。

【００４５】Ｚ_max＝２ｗ_x／ρ＝ｌξ^-1/2／Ｂ・・・（６）ここで、パワー変換効率が最大となるようなときには、
フォーカシング・パラメータξは、後述するように概ね
１となる。したがって、ウォークオフ・パラメータＢ
を、Ｂ＞１０とすることにより、Ｚ_max は結晶長の１／
１０程度になる。

【００４６】以上のように、基本波のパワーが十分に大
きく、かつ非線形光学結晶のウォークオフ角ρと結晶長
ｌとの兼ね合いでウォークオフ・パラメータＢがＢ＞１
０を満たすとき、すなわち０．５ρ（ｌｋ）^1/2 ＞１０
のとき、第２高調波の強度分布が最大となる結晶内の位
置Ｚ_maxは、結晶入力端の近傍となる。

【００４７】ところで、非線形光学結晶に入力される基
本波の収束点は、通常、非線形光学結晶の中心付近に設
定される。したがって、結晶入力端におけるスポットサ
イズは、典型的には、収束点におけるスポットサイズの
２^1/2 倍となる。そのため、ウォークオフが小さいと、
非線形光学結晶の中心付近における第２高調波の強度が
著しく大きくなり、第２高調波の強度分布の平坦化が困
難となる。これに対して、上述のように、ウォークオフ
が大きいと、第２高調波の強度分布が最大となる結晶内
の位置Ｚ_max が結晶入力端の近傍になるため、第２高調
波の強度分布が平坦化されやすくなる。

【００４８】つぎに、基本波の収束点におけるウォーク
オフ方向のスポット半径を０．００１６ｃｍとし、その
他の条件は図２の場合と同様として、基本波の光軸上に
おける第２高調波の強度分布を求めた結果を図４に示
す。このときは、図２の場合に比べて基本波の収束をや
や強くした結果、基本波の平均入力パワーが４Ｗのとき
に、強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００４９】また、基本波の収束点におけるウォークオ
フ方向のスポット半径を０．００１５ｃｍとし、その他
の条件は図２の場合と同様として、基本波の光軸上にお
ける第２高調波の強度分布を求めた結果を図５に示す。
このときは、図４の場合に比べて基本波の収束をやや強
くした結果、基本波の平均入力パワーが５Ｗのときに、
強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００５０】また、基本波の収束点におけるウォークオ
フ方向のスポット半径を０．００１４ｃｍとし、その他
の条件は図２の場合と同様として、基本波の光軸上にお
ける第２高調波の強度分布を求めた結果を図６に示す。
このときは、図５の場合に比べて基本波の収束をやや強
くした結果、基本波の平均入力パワーが６Ｗのときに、
強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００５１】図２及び図４〜図６の結果を総合すると、
第２高調波である紫外光の強度分布を平坦にするために
は、基本波のパワーの増加に応じて、より小さいスポッ
トに基本波を収束させるようにすることが望ましいこと
がわかる。

【００５２】一般に、基本波のパワーが増加すると、非
線形光学結晶の入力端付近における基本波のデプリーシ
ョンが強くなるため、発生する紫外光の強度分布の歪み
は大きくなる傾向を示す。しかし、基本波をより小さい
スポットに収束させると、回折効果により非線形光学結
晶の入力端付近でのスポットサイズが相対的に大きくな
るので、上述のような強度分布の歪みが大きくなる傾向
を打ち消すことが出来る。したがって、上述のように、
基本波のパワーの増加に応じて、より小さいスポットに
基本波を収束させるようにすることにより、第２高調波
の強度分布を平坦にすることが可能となる。

【００５３】つぎに、実施例２として、結晶長が１．０
ｃｍのベータ・バリウム・ボレイト結晶中に、波長５３
２ｎｍの緑色レーザ光からなる基本波を収束させて、第
２高調波として波長２６６ｎｍの紫外光を発生させたと
きについて説明する。

【００５４】ここで、基本波の収束点におけるスポット
半径は、ウォークオフ方向の半径を０．００２１ｃｍと
し、これに直交する方向の半径を０．００４ｃｍとし
た。

【００５５】以上のような条件で、基本波の平均入力パ
ワーを３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ又は６Ｗとしたとき、基本波の
光軸上における第２高調波の強度分布を求めた結果を図
７に示す。この図７において、横軸は、基本波の光軸上
におけるベータ・バリウム・ボレイト結晶内の位置を示
しており、縦軸は、第２高調波として発生した紫外光の
強度分布の尖頭値を示している。このときは、基本波の
平均入力パワーが３Ｗのときに、強度分布が最も平坦に
近くなっている。

【００５６】また、基本波の収束点におけるウォークオ
フ方向のスポット半径を０．００１９５ｃｍとし、その
他の条件は図７の場合と同様として、基本波の光軸上に
おける第２高調波の強度分布を求めた結果を図８に示
す。このときは、図７の場合に比べて基本波の収束をや
や強くした結果、基本波の平均入力パワーが４Ｗのとき
に、強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００５７】また、基本波の収束点におけるウォークオ
フ方向のスポット半径を０．００１８５ｃｍとし、その
他の条件は図７の場合と同様として、基本波の光軸上に
おける第２高調波の強度分布を求めた結果を図９に示
す。このときは、図８の場合に比べて基本波の収束をや
や強くした結果、基本波の平均入力パワーが５Ｗのとき
に、強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００５８】また、基本波の収束点におけるウォークオ
フ方向のスポット半径を０．００１７５ｃｍとし、その
他の条件は図７の場合と同様として、基本波の光軸上に
おける第２高調波の強度分布を求めた結果を図１０に示
す。このときは、図９の場合に比べて基本波の収束をや
や強くした結果、基本波の平均入力パワーが６Ｗのとき
に、強度分布が最も平坦に近くなっている。

【００５９】つぎに、以上のような実施例１及び実施例
２の結果に基づいて、第２高調波の強度分布を平坦化す
るために、基本波の収束点におけるスポット半径をどの
ように設定すれば良いか説明する。

【００６０】図１１に、結晶長が０．６ｍｍ又は１．０
ｍｍのとき、基本波の平均入力パワー３〜６Ｗに対し
て、第２高調波の強度分布が最も平坦になるときのスポ
ット半径をプロットした図を示す。

【００６１】図１１に示すように、結晶長が０．６ｍｍ
のときも、結晶長が１．０ｍｍのときも、基本波の平均
入力パワーが増加するに従って、平坦化に最適なスポッ
ト半径は小さくなる傾向を示す。

【００６２】そして、結晶長が０．６ｃｍのとき、パワ
ー変換効率が最大となる最適スポット半径は、上述した
ように、基本波の平均入力パワーによらず０．００１４
５ｃｍであり、これは、図１１に示すように、基本波の
平均入力パワーが６Ｗのとき、第２高調波の強度分布が
最も平坦化するときのスポット半径に一致する。一方、
結晶長が１．０ｃｍのとき、パワー変換効率が最大とな
る最適スポット半径は、上述したように、基本波の平均
入力パワーによらず０．００１８５ｃｍであり、これ
は、図１１に示すように、基本波の平均入力パワーが５
Ｗのとき、第２高調波の強度分布が最も平坦化するとき
のスポット半径に一致する。

【００６３】以上の結果から明らかなように、基本波の
収束点におけるスポット半径を適切に設定することによ
って、具体的には、０．００１４〜０．００２３ｃｍ程
度の範囲内でスポット半径を選定することによって、ベ
ータ・バリウム・ボレイト結晶中におけるデプリーショ
ンの影響が無視できないような高いパワーの基本波を入
力しても、第２高調波の強度分布を平坦化することが可
能となる。

【００６４】なお、基本波の収束点におけるスポット半
径を変化させるには、基本波の光源とベータ・バリウム
・ボレイト結晶との間に、焦点距離可変のズームレンズ
を配置すればよい。

【００６５】例えば、スポット半径の上限が０．００１
８ｃｍで、スポット半径の下限が０．００１４ｃｍのと
き、スポット半径の上限と下限の比は１．３となる。そ
こで、例えば、図１２に示すように、一対の単凸レンズ
１０，１２に単凹レンズ１１を組み合わせた倍率１．３
倍の望遠レンズを、基本波を集光するための主レンズで
ある単凸レンズの前に配置し、全体としてズームレンズ
１３を構成すればよい。そして、このズームレンズ１３
中の単凸レンズ１０及び単凸レンズ１２を一体として、
固定された単凹レンズ１１に対して、図１２中矢印Ａ１
に示すように、光軸に沿って前後に動かすことにより、
ベータ・バリウム・ボレイト結晶に入射する基本波のス
ポットサイズを連続的に変化させることができる。ここ
で、このようなズームレンズのレンズデータの具体例を
表１に示す。

【００６６】

【表１】

【００６７】以上のように、基本波の光源とベータ・バ
リウム・ボレイト結晶との間に焦点距離可変のズームレ
ンズを配して、基本波のパワー等に応じて、基本波のス
ポット半径をズームレンズにより変化させることによ
り、第２高調波の強度分布の最適化を図ることができ
る。

【００６８】つぎに、第２高調波の強度分布が最も平坦
化するときのフォーカシング・パラメータξ（以下、最
適フォーカシング・パラメータと称する。）について説
明する。

【００６９】図１３に、実施例１及び実施例２に基づい
て、結晶長が０．６ｍｍ又は１．０ｍｍのとき、基本波
の平均入力パワー３〜６Ｗに対して最適フォーカシング
・パラメータをプロットした図を示す。

【００７０】図１３に示すように、結晶長が０．６ｃｍ
のときの最適フォーカシング・パラメータは、結晶長が
１．０ｃｍのときの最適フォーカシング・パラメータよ
りも、常に小さくなっている。しかし、結晶長が０．６
ｃｍのときの最適フォーカシング・パラメータと、結晶
長が１．０ｃｍのときの最適フォーカシング・パラメー
タとは、両者とも、最適フォーカシング・パラメータの
平均値から±１０％の範囲内にある。

【００７１】ここで、最適フォーカシング・パラメータ
の平均値は、基本波の平均入力パワーをＰ［Ｗ］とする
と、下記式（７）に示すように近似できる。

【００７２】ξ＝０．７＋０．１４Ｐ・・・（７）そして、図１３から分かるように、結晶長が０．６ｍｍ
又は１．０ｍｍのとき、最適フォーカシング・パラメー
タは、下記式（８）に示す範囲内となる。

【００７３】１＜ξ＜１．７・・・（８）換言すれば、基本波のパワー等に応じて、ｌ／（ｋ
ｗ_x ²）で表されるフォーカシング・パラメータξを、上
記式（８）に示す範囲内で変化させることにより、第２
高調波の強度分布の最適化を図ることができる。

【００７４】つぎに、基本波のスポット半径と、第２高
調波発生のパワー変換効率との関係について説明する。

【００７５】図１４に、第２高調波発生のパワー変換効
率と、基本波の平均入力パワーとの関係を示す。この図
１４では、結晶長が０．６ｍｍの実施例１の場合につい
て、基本波のスポット半径をパラメータとして、パワー
変換効率と平均入力パワーの関係を示している。

【００７６】図１４に示すように、基本波の平均入力パ
ワーが１Ｗ以上の領域では、デプリーションに起因する
パワー変換効率の飽和が見られるが、実施例１で挙げた
ようなスポット半径の範囲では、スポット半径によるパ
ワー変換効率の変化は殆ど無視できる程度である。した
がって、上述のように、第２高調波の強度分布の平坦化
を図るためにスポット半径を変化させても、パワー変換
効率が損なわれるようなことはない。

【００７７】最後に、本発明を適用して、基本波の平均
入力パワーに応じてスポット半径を最適化したときの第
２高調波の強度分布を図１５に示す。この図１５では、
結晶長を１．０ｍｍとした実施例２について、基本波の
平均入力パワーに応じて、上述のようにスポット半径を
最適化したときの、第２高調波の強度分布の尖頭値を示
している。このように、結晶長、基本波のパワー及びス
ポット半径を最適化することにより、第２高調波の強度
分布は、顕著なピークを持たずに平坦なものとなり、い
わゆるトップ・ハット型となる。

【００７８】なお、以上の説明では、基本波として緑色
レーザ光を使用し、その第２高調波として紫外光を発生
させる例を挙げたが、本発明は、これに限られるもので
はない。すなわち、本発明は、基本波を非線形光学結晶
中に収束させて波長変換を行う波長変換装置に対して広
く適用可能である。

【００７９】また、以上の説明では、非線形光学結晶と
して、ベータ・バリウム・ボレイト結晶を例に挙げた
が、本発明を適用した波長変換装置において、非線形光
学結晶は、これに限られるものではない。すなわち、本
発明を適用した波長変換装置に使用される非線形光学結
晶には、入力された基本波を非線形光学過程によって波
長変換することが可能な非線形光学結晶が広く使用可能
である。

【００８０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
では、デプリーションの影響も考慮して、非線形光学結
晶内の光強度分布が平坦化する最適収束条件が見出して
いる。したがって、本発明に係る波長変換装置では、非
線形光学結晶内での光の強度分布の歪みが少なく、非線
形光学結晶中における光強度に顕著なピークが発生する
ようなことがない。すなわち、本発明によれば、非線形
光学結晶内での光強度分布がトップ・ハット型となる波
長変換装置を提供することが出来る。

【００８１】また、本発明に係る波長変換装置では、デ
プリーションの影響が無視できないような大パワーの基
本波を入力しても、非線形光学結晶中における光強度に
顕著なピークが発生するようなことがない。したがっ
て、本発明によれば、高い出力が得られ、しかも、局所
的な線形吸収及び非線形吸収に起因する非線形光学結晶
の自己発熱や光損傷が少なく、信頼性に優れた高い波長
変換装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基本波の平均入力パワーが３Ｗのときについ
て、最適スポット半径の結晶長依存性、及び第２高調波
発生におけるパワー変換効率の結晶長依存性を示す図で
ある。

【図２】結晶長が０．６ｃｍ、スポット半径が０．００
１７５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖
頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図３】結晶長が０．６ｃｍ、スポット半径が０．００
１７５ｃｍのときについて、第２高調波強度の最大値
と、基本波の平均入力パワーとの関係を示す図である。

【図４】結晶長が０．６ｃｍ、スポット半径が０．００
１６ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖頭
値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図５】結晶長が０．６ｃｍ、スポット半径が０．００
１５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖頭
値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図６】結晶長が０．６ｃｍ、スポット半径が０．００
１４５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖
頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図７】結晶長が１．０ｃｍ、スポット半径が０．００
２０５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖
頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図８】結晶長が１．０ｃｍ、スポット半径が０．００
１９５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖
頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図９】結晶長が１．０ｃｍ、スポット半径が０．００
１８５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の尖
頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図１０】結晶長が１．０ｃｍ、スポット半径が０．０
０１７５ｃｍのときについて、第２高調波の強度分布の
尖頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【図１１】第２高調波の強度分布が最も平坦になるとき
のスポット半径と、基本波の平均入力パワーとの関係を
示す図である。

【図１２】スポット半径を変化させるためのズームレン
ズの一例を示す図である。

【図１３】最適フォーカシング・パラメータと、基本波
の平均入力パワーとの関係を示す図である。

【図１４】第２高調波発生におけるパワー変換効率と、
基本波の平均入力パワーとの関係を示す図である。

【図１５】基本波の平均入力パワーの変化に応じてスポ
ット半径を最適化したときの、第２高調波の強度分布の
尖頭値と、結晶内の位置との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０単凸レンズ、１１単凹レンズ、１２単凸
レンズ、１３ズームレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波を非線形光学結晶中に収束させて
波長変換を行う波長変換装置において、上記基本波の収束点におけるスポット半径が０．００１
４〜０．００２３ｃｍ、上記非線形光学結晶の結晶長が
０．５〜１．２ｃｍであり、上記基本波として、非線形光学結晶中におけるデプリー
ションの影響が無視できないようなパワーを有するレー
ザ光を使用することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】上記非線形光学結晶の結晶長をｌ、ウォ
ークオフ角をρとし、上記基本波の波動ベクトルをｋと
したとき、０．５ρ（ｌｋ）^1/2＞１０であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】上記非線形光学結晶の結晶長をｌとし、
上記基本波の収束点におけるスポット半径をｗ_x、波動
ベクトルをｋとしたとき、１＜ｌ／（ｋｗ_x ²）＜１．７であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項４】上記基本波として、Ｑスイッチ固体レー
ザの第２高調波を使用することを特徴とする請求項１記
載の波長変換装置。
【請求項５】上記Ｑスイッチ固体レーザの平均出力が
５〜２０Ｗ、繰り返し周波数が１〜１０ｋＨｚ、パルス
の半値全幅が２０〜５０ｎｓであることを特徴とする請
求項４記載の波長変換装置。
【請求項６】上記Ｑスイッチ固体レーザとして、出力
されるレーザ光の波長幅を制御するために固体レーザを
用いて注入同期されたもの使用することを特徴とする請
求項４記載の波長変換装置。
【請求項７】上記非線形光学結晶が、ベータ・バリウ
ム・ボレイト結晶であることを特徴とする請求項１記載
の波長変換装置。
【請求項８】上記波長変換として、第２高調波を発生
させることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項９】上記第２高調波として、紫外光を発生さ
せることを特徴とする請求項８記載の波長変換装置。
【請求項１０】基本波を非線形光学結晶中に収束させ
て波長変換を行う波長変換装置において、上記基本波の光源と上記非線形光学結晶との間に、焦点
距離可変のズームレンズを備えており、上記基本波のパワーに応じて、基本波のスポット半径を
上記ズームレンズにより変化させることを特徴とする波
長変換装置。
【請求項１１】上記非線形光学結晶の結晶長をｌ、ウ
ォークオフ角をρとし、上記基本波の波動ベクトルをｋ
としたとき、０．５ρ（ｌｋ）^1/2＞１０であることを特徴とする請求項１０記載の波長変換装
置。
【請求項１２】上記非線形光学結晶の結晶長をｌと
し、上記基本波の収束点におけるスポット半径をｗ_x、
波動ベクトルをｋとしたとき、１＜ｌ／（ｋｗ_x ²）＜１．７であることを特徴とする請求項１０記載の波長変換装
置。
【請求項１３】上記基本波として、Ｑスイッチ固体レ
ーザの第２高調波を使用することを特徴とする請求項１
０記載の波長変換装置。
【請求項１４】上記Ｑスイッチ固体レーザの平均出力
が５〜２０Ｗ、繰り返し周波数が１〜１０ｋＨｚ、パル
スの半値全幅が２０〜５０ｎｓであることを特徴とする
請求項１３記載の波長変換装置。
【請求項１５】上記Ｑスイッチ固体レーザとして、出
力されるレーザ光の波長幅を制御するために固体レーザ
を用いて注入同期されたもの使用することを特徴とする
請求項１３記載の波長変換装置。
【請求項１６】上記非線形光学結晶が、ベータ・バリ
ウム・ボレイト結晶であることを特徴とする請求項１０
記載の波長変換装置。
【請求項１７】上記波長変換として、第２高調波を発
生させることを特徴とする請求項１０記載の波長変換装
置。
【請求項１８】上記第２高調波として、紫外光を発生
させることを特徴とする請求項１７記載の波長変換装
置。