〈발명의 개시〉
본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 소정의 결정 길이의 비선형 광학 결정에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기 로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 소정의 결정 길이의 단결정 사붕산리튬(Li2B4O7)에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 하기 수학식 1로 주어지는 최적 피크 파워 밀도 Pc의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)
또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 소정의 결정 길이의 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 입사광의 파장이 1000nm 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 소정의 결정 길이의 단결정 사붕산리튬(Li2B4O7)을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 하기 수학식 1로 주어지는 최적 피크 파워 밀도 Pc 의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
[수학식 1]
Pc=α·Repβ
(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)
상기 각 발명에서의 입사광의 피크 파워 밀도는 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배, 바람직하게는 0.1∼5배, 보다 바람직하게는 0.5∼2배이다.
상기 각 발명에서의 입사광의 파장은 1000㎚ 이하이지만, 바람직하게는 400∼800㎚, 보다 바람직하게는 400∼600㎚, 더욱 바람직하게는 400∼550㎚, 가장 바람직하게는 480∼540㎚이다.
또한, 상기 각 발명에서, 상기 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직하게는 0.3∼4mrad로 하는 것이 바람직하다.
또한, 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직하게는 1×10-3∼80nsec로 하는 것이 바람직하다.
또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장이 λ로 소정의 반복 주파수의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율로 이루어지는 조(組) 데이터를 접수하는 입력 수단과, 상기 조 데이터를 복수 축적하는 기억 수단과, 상기 기억 수단에 축적된 복수의 조 데이터 를 이용하여 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 제공한다.
또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 반복 주파수 Rep와 상수 α, β로 이루어지는 설정값을 접수하는 입력 수단과, 상기 입력 수단에 입력된 설정값을 이용하여, 하기 수학식 1에 기초하여 최적 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최적 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 제공한다.
[수학식 1]
Pc=α·Repβ
(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)
또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장이 λ로 소정의 반복 주파수의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율로 이루어지는 조 데이터를 접수하는 입력 수단과, 상기 조 데이터를 복수 축적하는 기억 수단과, 상기 기억 수단에 축적된 복수의 조 데이터를 이용하여 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 반복 주파수 Rep와 상수 α, β로 이루어지는 설정값을 접수하는 입력 수단과, 상기 입력 수단에 입력된 설정값을 이용하여, 하기 수학식 1에 기초하여 최적 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최적 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공한다.
[수학식 1]
Pc=α·Repβ
(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)
또, 본 발명에서의 컴퓨터 판독 가능한 매체로서는 하드디스크, 플렉시블 디스크, CD-ROM, 반도체 메모리, DVD 등의 다양한 매체를 채용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 비선형 광학 결정에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 비선형 광학 결정을 200∼600℃로 가열 유지하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시 키는 비선형 광학 결정과, 이 비선형 광학 결정을 200∼600℃로 가열 유지하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
상기 각 발명에서, 가열 유지의 온도는 200∼400℃로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 각 발명에서의 입사광의 파장의 바람직한 범위는 1000㎚ 이하이지만, 보다 바람직하게는 400∼800㎚, 더욱 바람직하게는 400∼600㎚, 가장 바람직하게는 480∼540㎚이다.
또한, 상기 각 발명에서, 상기 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직하게는 0.3∼4mrad로 하는 것이 바람직하다.
또한, 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직하게는 1×10-3∼80nsec로 하는 것이 바람직하다.
또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 단결정 사붕산리튬(Li2B4O7)에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 단결정 사붕산리튬을 50∼600℃로 가열 유지하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시 키는 단결정 사붕산리튬(Li2B4O7)과, 이 단결정 사붕산리튬을 50∼600℃로 가열 유지하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
상기 각 발명에서, 가열 유지의 온도는 100∼400℃로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 각 발명에서의 입사광의 파장의 바람직한 범위는 1000㎚ 이하이지만, 보다 바람직하게는 400∼800㎚, 더욱 바람직하게는 400∼600㎚, 가장 바람직하게는 480∼540㎚이다.
또한, 상기 각 발명에서, 상기 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직하게는 0.3∼4mrad로 하는 것이 바람직하다.
또한, 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직하게는 1×10-3∼80nsec로 하는 것이 바람직하다.
또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제2 과제를 해결하기 위해서, 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변 환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파 및 상기 기본파의 제2 고조파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 기본파의 제3 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제2 고조파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제3 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 기본 파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제2 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파 및 상기 기본파의 제2 고조파가 입사되어 제3 고조파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 제3 고조파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제2 고조파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제3 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파가 입사되어 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 합 주파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파와 상기 기본파의 제2 고조파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 기본파 및 상기 제2 고조파가 입사되어 제3 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파와 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 제1 기본파 및 상기 제2 기본파가 입사되어 합 주파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.
상기 각 발명에 따르면, 제1 비선형 광학 결정의 변환 효율이 낮아도, 통과한 기본파 등을 제2 비선형 광학 결정에 의해 높은 효율로 변환할 수 있다. 또한, 제2 비선형 광학 결정의 내광손상성이 낮아도, 내광손상성(耐光損傷性)이 높은 제1 비선형 계수를 입사광이 통과함으로써, 제2 비선형 광학 결정이 견딜 수 있는 파워로 저하시키고 나서, 제2 비선형 광학 결정에 입사시킬 수 있다.
즉, 특정한 관계에 있는 서로 다른 종류의 비선형 광학 결정을 조합함으로써, 서로의 결점을 보충하여, 전체적으로, 높은 변환 효율 및 높은 내광손상성을 실현할 수 있다. 따라서, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 효율적으로 얻을 수 있게 된다.
상기 각 발명에서의 제1 비선형 광학 결정은 단결정 사붕산리튬(Li2B4O7)인 것이 바람직하다. LB4(Li2B4O7)는 변환 효율이 비교적 낮지만, 매우 우수한 내광손상성을 구비하고 있기 때문이다.
또한, 제1 비선형 광학 결정으로서 LB4를 이용하는 경우, 제2 비선형 광학 결정은 LiB3O5(LBO), CsLiB6O10(CLBO), KTiOPO4(KTP), 또는 β-BaB2O4(BBO)인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 기술적 의의를 실험 결과를 참조하여 설명한다.
본 발명자는, 우선 비선형 광학 결정인 LB4 결정에 대하여, 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율과의 관계를 실험에 의해 구하였다. 결과를 도 1에 도시한다. 실험에 이용한 입사광의 발진기, 및 LB4 결정의 조건은 다음과 같다.
우선, 입사광의 발진기로서는 Nd:YAG 레이저와, SHG 소자로서 LBO 결정을 조합한 것을 이용하였다. 즉, LB4 결정에의 입사광은 Nd:YAG 레이저로부터의 근적외광(1064㎚)의 2배파인 그린 레이저(532㎚)이다. 또, 반복 주파수 5㎑ 이상의 입사 광을 얻기 위한 발진기와, 반복 주파수 100㎐ 이하의 입사광을 얻기 위한 발진기는, 다른 것을 이용하였다.
피크 파워 밀도는 입사광의 평균 출력을 반복 주파수, 빔 면적 및 시간 펄스 폭으로 나눈 것이다. 따라서, 이 실험에서는 YAG 레이저에 제공하는 여기광의 파워를 조정함으로써 입사광의 평균 출력을 조정하였다. 또한, 집광 렌즈를 이용하여, 빔 직경(빔 면적)을 조정하였다.
한편, LB4 결정은 결정 길이가 35㎜인 것, 또는 60㎜인 것을 이용하였다. 또, LB4 결정의 단면적은 변환 효율에 영향을 주지 않지만, 주로 단면이 15㎜×15㎜의 LB4 결정을 이용하였다.
도 1에서, 부호 X1(◆)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 1㎐, 빔 직경 5.5㎜의 데이터이다.
또한, 부호 X10(■)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 10㎐, 빔 직경 5.5㎜ 또는 11㎜(피크 파워 밀도 200㎿/㎠ 미만: 11mm, 피크 파워 밀도 200㎿/㎠ 이상: 5.5㎜)의 데이터이다.
또한, 부호 X100(▲)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 100㎐, 빔 직경 5.5㎜ 또는 11㎜(피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 미만: 11㎜, 피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 이상: 5.5㎜)의 데이터이다.
또한, 부호 Y10(□)은 결정 길이 60㎜, 반복 주파수 10㎐, 빔 직경 11㎜의 데이터이다.
또한, 부호 Y100(△)은 결정 길이 60㎜, 반복 주파수 100㎐, 빔 직경11㎜의 데이터이다.
이상의 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 3nsec로 고정하여, 평균 출력을 0∼26W의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 빔 직경 5.5㎜일 때가 약 1mrad, 빔 직경 11㎜일 때가 약 0.5mrad이었다.
또한, 부호 Z5(●)는 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 5㎑의 데이터이다. 이 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 25nsec로, 평균 출력은 30W로 고정하고, 빔 직경을 0.4∼1.0㎜의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 약 수mrad(5mrad 이하)이었다.
또한, 부호 Z10(◇)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 10㎑의 데이터이다. 이 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 30nsec로, 평균 출력은 30W로 고정하여, 빔 직경을 0.4∼1.0㎜의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 약 수mrad(5mrad 이하)이었다.
일반적으로, 하기 수학식 2에 나타내는 바와 같이 입사광의 피크 파워 P가 증가할수록, 변환 효율 η이 높아지는 것이 알려져 있다.
(단, a 및 b는 주로 결정의 종류 및 결정 길이에 따라 정해지는 상수)
도 1의 데이터 X1, X10, X100로 도시한 바와 같이 결정 길이 35㎜의 LB4 결정에 동일한 발진기로부터의 입사광을 입사시킨 경우, 입사광의 피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 이하의 데이터는 반복 주파수에 관계없이 일치하고 있다. 그 때문에, 이 범위의 데이터만으로는 피크 파워 밀도를 상승시킴에 따라, 원칙대로 수학식 2에 따라, 부호 X0으로 나타내는 커브를 찾아가는 것으로 예상된다. 또, 부호 X0으로 나타내는 커브의 a, b를 이 범위의 데이터로부터 구하면, a=32, b=0.085이다.
또한, 데이터 Z5, Z10로 도시한 바와 같이 발진기가 다르면 동일한 결정 길이 35㎜라도, 전체 피크 파워 밀도 범위에서, 커브 X0과 어긋남이 보인다. 그러나, 낮은 피크 파워 밀도에 있어서, X0과, 거의 동일한 기울기의 상승 커브가 얻어졌다. 또, 어긋남의 원인은, 주로 빔 발산이 크기 때문이라고 생각된다.
마찬가지로, 데이터 Y10, Y100으로 나타내는 바와 같이, 결정 길이 60㎜의 LB4 결정인 경우, 입사광의 피크 파워 밀도 50㎿/㎠ 이하의 데이터는 반복 주파수에 관계없이 일치하고 있다. 그 때문에, 이 범위의 데이터만으로는 피크 파워 밀도를 상승시켜도, 원칙대로 수학식 2에 따라, 부호 Y0으로 나타내는 커브를 찾아가는 것으로 예상된다. 또, 부호 Y0으로 나타내는 커브의 a, b를 이 범위의 데이터로부터 구하면, a=22, b=0.18이다.
그러나, 데이터 X10, X100, Y100, Z5 및 Z10로 나타내는 바와 같이, 입사광의 피 크 파워 밀도가 일정한 값을 초과하면, 수학식 2에서 예상되는 이상적인 커브 X0, Y0으로부터 멀어져, 오히려 변환 효율이 저하되는 현상이 이 실험에 의해 발견되었다.
또한, 이들 데이터보다, 반복 주파수가 높아질수록, 변환 효율이 저하로 바뀌는 피크 파워 밀도가 낮은 것도 분명하게 되었다.
또한, 결정 길이가 길수록 변환 효율이 높은 경향도 볼 수 있었다.
본 실험에서는, 이상과 같이 입사광의 피크 파워 밀도를 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사하는 한편, 출사광의 안정성도 관찰하였다. 그 결과, 변환 효율이 저하로 바뀌어, 수학식 2에 따른 커브 X0, Y0으로부터의 괴리가 발생하는 부근에서, 출사광의 출력이 불안정하게 되는 2광자 흡수의 현상이 발견되었다. 그리고, 이 출사광이 불안정하게 되는 현상은 변환 효율이 저하로 바뀌기 이전에는 거의 관찰되지 않고, 변환 효율이 저하로 바뀐 후에는 피크 파워 밀도를 상승시키면 시킬수록, 보다 현저하게 관찰되는 것이 발견되었다.
즉, 본 발명자는 레이저 발진기의 반복 주파수, 및 LB4 결정의 결정 길이가 일정한 조건 하에서, 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도는 「2광자 흡수라는 출력을 불안정화시키는 현상을 실질적으로 일으키지 않고 최대한의 출사광의 출력을 제공하는 입사광의 피크 파워 밀도의 최적값」(이하, 「최적 피크 파워 밀도」라고 함)에 대응하는 것을 발견한 것이다.
다음으로, 도 1의 데이터 X1, X10, X100에 기초하여, 결정 길이 35㎜인 경우에 대하여, 반복 주파수에 따라, 최적 피크 파워 밀도가 어떻게 변화하는지를 조사한 바, 도 2에 도시한 바와 같이 거의 직선의 그래프가 얻어졌다. 도 2의 횡축은 입사광의 반복 주파수, 종축은 입사광의 피크 파워 밀도로, 각각 대수눈금으로 되어 있다.
그리고, 이 최적 피크 파워 밀도 Pc에 대한 직선의 식을 구한 것이 상술한 수학식 1이다.
[수학식 1]
Pc=α·Repβ
(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)
여기서, 상수 α, β는 주로 결정의 종류 및 결정 길이에 따라 정해지는 상수로, 도 2에 도시한 결정 길이 35㎜의 LB4 결정인 경우에는 α=576, β=-0.27이었다. 또한, 결정 길이 60㎜의 LB4 결정인 경우에는 α=154, β=-0.25이었다.
또, 데이터 Z5, Z10으로 나타내는 바와 같이 입사광의 빔 발산이 변하였을 때에는 변환 효율에 영향을 준다. 이것은 입사광의 빔 발산이 LB4 결정의 위상 정합 조건에 의해 결정되는 각도 허용 폭을 초과한 경우에, 변환 효율의 손실을 발생하기 때문이다.
그러나, 이 경우도, 빔 발산에 의한 영향을 보정함으로써, 변환 특성을 이론적으로 평가하여, 최적 피크 파워 밀도를 구할 수 있다. 단, 실험에 의해 확인한 결과, 입사광의 빔 발산이 10mrad를 초과하면, 입사광의 빔 발산이 1mrad인 경우의 변환 효율의 1/10 정도로 감소한다. 실용 레벨의 출사광을 얻는 것이 곤란하다.
이와 같이 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도로 하는 것이 가장 바람직하지만, 실용상, 최적 피크 파워 밀도를 기준으로 하는, 일정 범위의 피크 파워 밀도를 채용할 수 있다.
즉, 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도 이하로 하는 것이 바람직하다. 최적 피크 파워 밀도보다 큰 피크 파워 밀도로 하면, 출사광의 출력이 불안정화하기 때문이다. 그러나, 2광자 흡수는 최적 피크 파워를 초과한 후 서서히 현저하게 되어, 곧바로 중대한 영향을 주는 것은 아니기 때문에, 최적 피크 파워 밀도의 10배 이하로 하면, 실용상 지장은 없다. 또한, 최적 피크 파워 밀도의 2배 이하로 하면, 또한 출력의 불안정화를 억제할 수 있다.
또한, 가능한 높은 출사광의 파워를 효율적으로 얻기 위해서, 최적 피크 파워 밀도의 0.1배 이상으로 하는 것이 필요하지만 0.5배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 비선형 결정의 장기 수명화를 고려하면, 입사광의 피크 파워 밀도를 최적 피크 파워 밀도의 0.8배 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 가장 바람직한 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도의 0.5∼0.8배이다.
또한, 최적 피크 파워 밀도를 경계로, 변환 효율이 저하됨과 함께 출력이 불안정화하는 현상은, 파장이 짧을수록, 특히 소위 그린광으로부터 자외광으로 변환될 때에 현저히 관찰된다. 따라서, 본 발명은 입사광의 파장이 1000㎚ 이하일 때에 특히 유효한 것이지만, 입사광의 바람직한 파장 범위는 400∼800㎚, 보다 바람 직한 파장 범위는 400∼600㎚이다.
본 발명자는, 검토를 진행시킨 결과, 비선형 광학 결정을 50℃ 이상에서 가열 유지함으로써, 이 최적 피크 파워 밀도를 크게 할 수 있는 것을 발견하였다. 상술된 바와 같이, 종래부터 습기로부터 비선형 결정을 보호하기 위해서, 또는 온도에 의한 위상 정합을 행하기 위해서, 비선형 광학 결정을 가열 유지하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이 경우에도 가열의 정도는 약 200℃ 미만이고, 본 발명과 같이 200℃ 이상으로 가열 유지하는 것은 행해지고 있지 않았다.
본 발명과 같이 비교적 고온에서 가열함에 따른 효과를 표 1과 도 3, 및 표 2와 도 4를 이용하여 설명한다.
표 1은 입사광의 평균 반복 주파수를 10㎑로, 빔 직경을 0.25㎜로, 시간 펄스 폭을 28nsec로 고정하여, 입사광의 평균 출력만을 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사한 결과이다. 또한, 도 3은 표 1에 기재한 데이터를, 횡축을 입사광의 평균 출력, 종축을 변환 효율로서 정리한 그래프이다.
마찬가지로, 표 2는 입사광의 평균 반복 주파수를 10㎑로, 빔 직경을 0.35㎜로, 시간 펄스 폭을 28nsec로 고정하여, 입사광의 평균 출력만을 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사한 결과이다. 또한, 도 4는 표 1에 기재한 데이터를, 횡축을 입사광의 평균 출력, 종축을 변환 효율로서 정리한 그래프이다.
또, 입사광의 평균 출력은 표 2에 도시한 바와 같이 입사광의 피크 파워 밀도에 비례하고 있다. 또한, 각 표 및 도면 중의 온도(Temp)는, LB4의 가열 유지 온도(RT는 실온: 약 25℃)를 나타내는 것이다.
표 1 및 도 3으로부터 분명한 바와 같이, 실온 조건에 있어서는 입사광의 출력이 약 14W에 대응하는 피크 파워 밀도가, 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 이에 대하여, LB4를 60℃로 가열 유지한 경우에는 입사광의 출력이 약 17W에 대응하는 피크 파워 밀도가 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 그리고, 또한 가열 유지 온도를 높이면, 측정 범위 내에서는 변환 효율의 극대치가 관찰되지 않고, 최적 피크 파워 밀도가 더욱 상승하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 2 및 도 4로부터 분명한 바와 같이, 실온 조건에 있어서는 입사광의 출력이 약 16W에 대응하는 피크 파워 밀도(약 57㎿/㎠)가, 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 이에 대하여, LB4를 100℃ 이상으로 가열 유지한 경우에는 측정 범위 내에서는 변환 효율의 극대치가 관찰되지 않고, 최적 피크 파워 밀도가 더욱 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, LB4를 가열 유지하는 온도가 높아질수록, 보다 변환 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 가열에 의해, 굴절율 변화를 가져오는 2광자 흡수에 의한 발열의 영향을 경감시킬 뿐만아니라, 최적 피크 파워 밀도를 상승시키는 것, 즉 2광자 흡수라는 출력을 불안정화시키는 현상을 실질적으로 일으키지 않고 안정적으로 출력을 얻을 수 있는 입사광의 피크 파워 밀도를 상승시킬 수 있는 것이 발견되었다.
이 가열 유지에 의한 효과는 가열 유지 온도가 고온일수록 높지만, 200℃ 이상으로 할 필요가 있다. 이에 의해, 2광자 흡수에 의한 영향이 경감되어 변환 효율의 저하를 해소 가능함과 함께, 변환 효율이 저하되는 현상이 소실되어, 안정적으로 높은 출력을 얻을 수 있다.
한편, 가열 유지 온도를 600℃보다 높게 하는 것은 바람직하지 않다. 600℃보다 높은 온도로 되면, 가열 수단 주변으로의 열 유출을 방지하기 위한 단열 수단이 대규모로 되어, 실용적이지 않기 때문이다.
또한, 가열 유지 온도는 400℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 가열 유지 온도를 400℃보다 높게 해도, 2광자 흡수의 영향 저감 효과가 현저히 커지지 않고, 실용상의 이익이 작기 때문이다.
또, 입사광의 빔 발산이 LB4 결정의 위상 정합 조건에 의해 결정되는 각도 허용 폭을 초과하면 변환 효율이 저하된다. 따라서, 바람직한 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직한 입사광의 빔 발산은 0.3∼4mrad이다.
또한, 바람직한 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직한 시간 펄스 폭은 1×10-3∼80nsec이다.
일반적으로 고반복이 될수록 펄스 폭은 넓어지고, 펄스 에너지도 작아진다. 반대로, 저반복에서는 펄스 폭을 좁게 할 수 있으며, 펄스 에너지를 크게 할 수 있다. 그 때문에, 원하는 피크 밀도가 얻어지는 범위에서, 상한치가 정해진다.
또한, 입사광의 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 또, 입사광의 피크 파워 밀도는 결정의 벌크 손상(유전 파괴), 또는 코팅막, 또는 결정 단부면의 손상이 일어나지 않는 범위가 상한이 된다.