TWI269924B - Optical wavelength conversion method, optical wavelength conversion system, program and medium, and laser oscillation system - Google Patents

Description

1269924 A7 B7 五、發明説明（1 ) 技術領域 本發明係有關於雷射振盪器用之光波長轉換方法、光 波長轉換系統、程式以及媒體。更詳言之，本發明係有關 於令同調光入射第2高次諧波產生元件所使用之非線形光 學結晶，尤其是單結晶四硼酸鋰（L i 2 B 4〇7，以下稱 作「L B 4」），使其轉換成1 / 2波長之光而射出的光 波長轉換方法、光波長轉換系統，以及程式及媒體。又， 本發明係有關於可有效率地獲得高功率之第2高次諧波、 第3高次諧波以及其他和頻波的光波長轉換方法、光波長 轉換系統以及雷射振盪系統。 背景技術 短波長的雷射光，在使用作記錄媒體之資料記錄、自 記錄媒體讀取資料之光源時，具有可使記錄密度變大的優 點。又在使用作材料加工用途時，具有熱影響較少，且可 精密加工之優點。甚至醫療用之光源、超L S I之微縮術 用光源等亦適用短波長的雷射光。 如此，在各種領域中，都需要短波長雷射光。因此， 能穩定地射出短波長雷射光、小型、輕巧、壽命長的光源 備受期望。 但在此同時，先前並不存在可射出波長在5 0 0 nm 以下之光的適切光源。例如，眾所周知的半導體雷射雖可 射出波長4 0 0 n m左右的雷射光，但卻有功率過低之問 題。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Hurl — — #! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -4 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 短波長大功率雷射，以準分子雷射（Excimer Laser) 爲人所周知。準分子雷射，最初係1 9 7 0年蘇聯的Basov 等人，電子束將液態氙（X e )激勵之方法而實現，再於 1 9 7 6年，藉由放電激勵法亦成功引發振盪。放電激勵 方式之準分子雷射，係以紫外線之脈衝重複振盪雷射，將 ArF(193nm) 、KrF(248nm)、 X e C 1 ( 3 0 8 n m )等化合物所激發的紫外光藉由光 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 共振器增大，再以雷射光的方式取出而得。準分子雷射， 被期待能適用於高分子材料之應用加工、表面改質、標 記、薄膜製作、醫藥品之製造，以及同位素分離等。但此 同時，準分子雷射，在例如重複數百p p s (pulse per second )之脈衝雷射時，每1 〇 — 2秒只會產生1 〇 - 9秒間 的脈衝光，和間隔相比雷射的發光時間明顯過短，在應用 領域中的加工或成膜過程會造成問題。又準分子雷射，尙 具有媒質氣體壽命短、雷射裝置較難小型化、維修性差、 運轉成本高、使用有毒氣體等問題。因此，現在，在常溫 下、能長時間穩定、產生紫外光領域之光的半導體雷射等 之實用化並沒有達成。 因此，近年來第2高次諧波產生（S H G ： secondary harmonic-wave generation)元件等非線形光學元件之硏究 日漸熱門。由於S H G元件可產生入射光之1 / 2波長的 光’在各種應用領域的工業價値非常大。 S H G元件這類波長轉換元件所使用的結晶，廣爲人 知的例如有，日本特開平3 - 6 5 5 9 7號公報所開示的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -5 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（3 ) KTP(KT1OPO4)、日本特開昭63— 2 7 9 2 3 1號公報所開示的B B〇（/3 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

BaB2〇4) 'CLBO(CsLiB5〇i〇)、 LB〇（Li B 3 Ο 5 ) 、KDP ( K H 2 P 0 4 )。 但在此同時，使用了 K T P的波長轉換元件，除了結 晶很難大型化，結晶內部會有折射率變化。因此即使是由 一個結晶切出的K T P元件，因折射率不同而使相位整合 角度相異，故高精度之波長轉換元件較難實現；再者， K T P結晶內很容易滲入所謂的”巢”，故較難提供大量 的高品質K T P，是爲其不利點。 又，使用了 BB〇、CLBO的波長轉換元件，雖然 具有高轉換效率，但仍具有耐溼性、耐雷射耗損性、2光 子吸收導致輸出不穩定等問題。 又’使用了 L B ◦的轉換元件，最短S H G波長（2 倍波）爲2 2 7 n m，波長轉換範圍狹窄。因此，無法令 其產生Nd:YAG雷射的4倍波（266nm)。又， 尙有結晶無法大型化之缺點。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又’使用了 K D P的轉換元件，高振盪下因吸熱之影 響而產生相位不整合，若非1 〇 〇 Η z以下的低振盪就無 法使用。又，在高振盪中，受損臨界値極低。因此，要使 用在超越1 KHz振盪之工業用（或產業用）雷射振盪器 中頗爲困難。 有鑑於此，本案申請人，曾提出了以單晶之L B 4 (L i 2 B 4〇7 )作爲轉換元件的波長轉換方法（日本特 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） - 6 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（4 ) 願平 8 — 2 5 0 5 2 3 號）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此單晶L B 4，對廣範圍波長之透明度高，雷射光所 致之耗損較少，且可輕易製造優質且大型之結晶，且加工 性優、潮解性小而使用性優，甚至壽命亦長。 因此，若以L B 4，則可製作能長期穩定運作、壽命 長、富有加工性、小型、輕量、價格低的光學轉換元件。 波長轉換元件的轉換效率，主要是取決於結晶的所謂 非線形光學定數和相位整合角度容許幅的結晶固有物性 値。不過，上記的單晶L B 4，具有轉換較B B ◦和 C L B〇爲低之缺點。因此，轉換效率低的單晶L B 4， 我們可以推想其並不適用於射出紫外線領域光的波長轉換 元件。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲了改善轉換效率低、以獲得平均輸出高的出射光， 可採用各種技術手法。例如，以透鏡將入射光聚光而提高 入射光之峰値功率密度之方法、增長結晶長度的方法、使 用多個波長轉換結晶之方法、光源使用具有高輸出且光束 張角小的高品質光束特性雷射振盪器之方法等，在先前都 被採用過。 但在此同時，這些以技術手法所獲得之轉換效率改 善，具有以下之極限。 首先，在以透鏡將入射光聚光而提高入射光之峰値功 率密度之方法中，峰値功率密度並非可無限制地提高，必 須考慮入射光所致的雷射耗損。 亦即，波長轉換元件之結晶元件的端面％雖然通常都 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1269924 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 會塗佈（coating)減反射用的反射防止膜，但該反射防止 膜的耐雷射耗損性，一般而言都不足夠，若入射光的峰値 功率密度過高則可能導致其受損。又，在有更高峰値功率 密度入射時，會導致結晶元件本身的介電崩毀。因此，入 射光的峰値功率密度，必須考慮包含了反射防止膜特性的 波長轉換元件整體的雷射受損臨界値的限制。 又，即使在藉由提高入射光之峰値功率密度而獲得高 轉換效率的情況下，非線形光學結晶所特有的2光子吸收 .問題依然存在。此爲結晶本身的2光子吸收，導致出射光 束紋理之中心呈甜甜圈狀的空穴形狀，而導致輸出極不穩 定之現象。2光子吸收，一般認爲係和出射光之光束強度 呈2次方比例增強，故在強度特高的光束中心部，因吸收 所致結晶內部加熱的影響增大，導致折射率變化而喪失了 相位整合性。 此外，先前技術中，爲了保護非線形結晶不要受潮， 或爲了以溫度進行相位整合，會將非線形光學結晶加熱保 持在40〜200 °C左右。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，若以透鏡使入射光聚光，則因入射光之張角增 大，故導致超過相位整合角度容許範圍，反而會使轉換效 率下降。 又，在增長結晶長度的方法中，由於結晶長度增長則 相位整合之角度容許幅度變窄，且增大結晶所致之吸收， 故一旦超過一定上限的長度，則轉換效率會馬上出現飽和 之傾向。此外，尙具有因結晶長尺化所伴隨之離散效應（ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8 - 1269924 A7 _____ B7_ 五、發明説明（6 ) walk-off)導致光束紋理發生歪斜之問題。因此，我們很難 說增長結晶長度的方法是個有效的方法。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外’使用多個波長轉換結晶之方法，係不轉換波長 而將通過結晶內的光束入射下個結晶而再利用之方法。若 根據此方法’不只可提升轉換效率，亦可期待藉著多個結 晶所產生的波長轉換光的干涉效果，而使輸出增加。可 是，若採用此方法，在入射光束張角大或光束直徑小時， 會有無法獲得足夠干涉效果之問題。 又’光源使用具有高品質光束特性雷射振盪器之方 法，確實，在提升轉換效率之觀點上，理想是使用高輸出 且光束張角小的光束，但在此同時，要以低價製作此種振 盪器甚爲困難。 又，其他的問題點，誠如上述，雖有已知各種非線形 光學結晶可被拿來當作轉換元件，但能有效率地獲得高功 率第二高次諧波等和頻波之手段，目前尙未達成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 亦即，爲了獲得高功率第二高次諧波等和頻波，首先 必須使用能獲得高轉換效率的轉換元件。其次，爲了使高 功率入射光之轉換變爲可能，必須要使用對入射光具有高 耐耗損性之轉換元件。 値得一提的是，一般而言，具備高轉換效率的非線形 光學結晶的耐耗損性低、而具備高耐耗損性的非線形光學 結晶則有轉換效率之傾向。因此，必須要找到同時具備足 夠之轉換效率與耐耗損性的非線形光學結晶才行。 本發明有鑑於上記問題點，第1課題在於提供一種光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 '乂297公釐） 1269924 A7 B7 五、發明説明（7 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 波長轉換方法、光波長轉換系統、程式以及媒體，使用例 如單晶四硼酸鋰L B 4作爲非線形光學結晶，達成穩定之 高轉換效率，並使經得起實用化之全固體紫外線雷射振盪 器之製作變爲可能。 此外’本發明的第2課題，在於提供一種光波長轉換 方法、光波長轉換系統及雷射振盪系統，補充可被利用之 非線形光學結晶的限制條件，使得有效獲得高功率第二高 次諧波等和頻波變爲可能。 發明之開示 本發明爲了解決上記第1課題，提供一種光波長轉換 方法，係屬於將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射振盪 器的所定振盪頻率光當作入射光，令其射入所定結晶長度 之非線形光學結晶，使射出光之波長爲1 / 2 λ之光波長 轉換方法，其特徵爲前記入射光之波長在1 0 0 〇 n m以 下，且前記入射光之峰値功率密度，爲賦予最大轉換效率 的峰値功率密度之〇 . 1〜1 〇倍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，本發明提供一種光波長轉換方法，係屬於將來自 振盪固有波長λ之同調光之雷射振盪器的所定振盪頻率光 當作入射光，令其射入所定結晶長度之單晶四硼酸鋰（ L i 2 Β 4 0 7 )，使射出光之波長爲1/2 λ之光波長轉 換方法，其特徵爲前記入射光之波長在1 〇 〇 〇 n m以 下，且前記入射光之峰値功率密度，爲下記式（1 )中所 賦予之最佳峰値功率密度P c之0 . 1〜1 0倍。 ϋ張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ~" -10- 1269924 A7 B7 五、發明説明（8 )

Pc = a .Rep^ (1) r ί ► ml — — — — #! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (Rep :振盪頻率、^及/5 :係數） 又，本發明提供一種光波長轉換系統，係屬於具備振 盪固有波長λ之同調光的雷射振盪器，及將來自該振盪器 的所定振盪頻率光當作入射光、射出波長1 / 2 λ之光之 所定結晶長度非線形光學結晶之波長轉換系統，其特徵爲 前記入射光之波長在1 0 0 0 n m以下，且前記入射光之 峰値功率密度，爲賦予最大轉換效率的峰値功率密度之 0 . 1〜1 0倍。 又，本發明提供一種光波長轉換系統，係屬於具備振 盪固有波長λ之同調光的雷射振盪器，及將來自該振盪器 的所定振盪頻率光當作入射光、射出波長1 / 2 λ光的所 定結晶長度之單晶四砸酸錐（L i 2Β4Ο7)之光波長轉 換系統，其特徵爲前記入射光之波長在1 〇 〇 〇 n m以 下，且前記入射光之峰値功率密度，爲下記式（1 )中所 賦予之最佳峰値功率密度P c之〇 . 1〜1 〇倍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 P c = a .Rep0 (1) (尺6?:振盪頻率、^及）8:係數） 上記各發明中之入射光峰値功率密度，係賦予最大轉 換效率之峰値功率密度的0 . 1〜1 0倍，理想在0 . 1 〜5倍，更理想則在〇 . 5〜2倍。 又，上記各發明中之入射光波長在1 0 〇 〇 nm以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -11- 1269924 A7 B7 五、發明説明（9 ) 下，但理想則在4 0 0〜8 0 0 n m，較理想則在4 0 0 〜6 〇 〇 n m，更理想則在4 0 0〜5 5 0 n m，最理想 則在4 8 0〜5 4 0 n m。 又，上記各發明中，前記入射光之光束張角理想爲 .1 0 m I· a d以下，較理想則在〇 · 3〜4 m r a d。 再者，峰値功率密度，以1 M W/ c m 2以上爲理想。 又，本發明提供一種程式，係使電腦具備接受當波長 λ之所定振盪頻率入射光射入非線形光學結晶以獲得波長 1 / 2 λ出射光之際，入射光峰値功率密度與轉換效率所 成之組資料的輸入手段，及將前記組資料複數積蓄之記憶 手段，及使用前記記憶手段所積蓄之複數組資料運算出賦 予最大轉換效率之峰値功率密度的運算手段，及將運算手 段所得之賦予最大轉換效率的峰値功率密度輸出之輸出手 段的機能。 又，本發明提供一種程式，係使電腦具備接受當波長 λ之所定振盪頻率入射光射入非線形光學結晶以獲得波長 1/2λ出射光之際，振盪頻率Rep與係數α、^所成 之設定値的輸入手段，及使用前記輸入手段所輸入之設定 値、根據下記式（1 )運算出最佳峰値功率密度之運算手 段，及將根據運算手段所得之最佳峰値功率密度輸出之輸 出手段之機能。 p c = a . R e ρ ^ (1) (R e ρ :振盪頻率、a及:係數） 本紙張尺玉適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 頌 I -----J---:--衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 1269924 A7 B7 五、發明説明（10 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，本發明提供一種媒體，係保持了用以使電腦具備 接受當波長λ之所定振盪頻率入射光射入非線形光學結晶 以獲得波長1 / 2 λ出射光之際，入射光峰値功率密度與 轉換效率所成之組資料的輸入手段，及將前記組資料複數 積蓄之記憶手段，及使用前記記憶手段所積蓄之複數組資 料運算出賦予最大轉換效率之峰値功率密度的運算手段， 及將運算手段所得之賦予最大轉換效率的峰値功率密度輸 出之輸出手段之機能的程式並可被電腦所讀取。 甚至，本發明提供一種媒體，可保持用以使電腦具備 接受令波長λ之所定振盪頻率之入射光射入非線形光學結 晶獲得波長1 / 2 λ之出射光之際的振盪頻率R e ρ和係 數α、/3所成之設定値的設定手段，及使用前記輸入手段 所輸入之設定値、根據下記式（1 )運算出最佳峰値功率 密度之運算手段，及將根據運算手段所得之最佳峰値功率 密度輸出之輸出手段之機能的程式並可被電腦讀取之媒 體。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 P c = a . Rep^ (1) (Rep :振盪頻率、α及石：係數） 此外，本發明中可被電腦讀取之媒體，可採用硬碟、 軟碟、CD - ROM、半導體記憶體、DVD等各種媒 體。 又，本發明爲了解決上記第1課題，提供一種光波長 轉換方法，係屬於將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -13- 1269924 A7 _____B7 五、發明説明（彳彳） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 振盪器的所定振盪頻率光當作入射光，令其射入所定結晶 長度之非線形光學結晶，使射出光之波長爲1 / 2 a之光 波長轉換方法，其特徵爲將前記非線形光學結晶加熱保持 在 200 〜600。。。 又’本發明提供一種光波長轉換系統，其特徵爲具備 振盪固有波長之同調光的雷射振盪器，及將來自該雷射振 盪器的光作爲入射光、而射出波長1 / 2 λ之光的非線形 光學結He ’及將g亥非線形光學結晶加熱保持在2 0 0〜 6 0 0 °C的加熱手段。 上記各發明中，加熱保持的溫度，以2 0 0〜4 0 0 °C較爲理想。 又，上記各發明中之入射光波長理想在1 〇 〇 〇 nm 以下，但較理想則在4 0 0〜8 0 0 n m，更理想則在 4 0〇〜6 0 0 nm，最理想則在4 0 0〜5 5 0 nm。 又，上記各發明中，前記入射光之張角理想在1 0 mrad以下，較理想則在〇 . 3〜4mr a d。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，時間脈衝幅度理想在1 0 0 n s e c以下，較理 想則在 lxlO-3 〜80nsec。 最後，峰値功率密度，以1 M W/ c m 2以上爲理想。 又，本發明爲了解決上記第1課題，提供一種光波長 轉換方法，係屬於將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射 振盪器的所定振盪頻率光當作入射光，令其射入單晶四硼 酸鋰.（L i 2 Β 4〇7 )，使射出光之波長爲1 / 2 λ之光 波長轉換方法，其特徵爲將前記單晶四硼酸鋰加熱保持在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -14- 1269924 A7 B7 五、發明説明（12 ) 5 0 〜6 0 0 〇C。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 又’本發明提供一種光波長轉換系統，其特徵爲具備 振盪固有波長之同調光的雷射振盪器，及將來自該雷射振 盪器的光作爲入射光、而射出波長1 / 2 λ之光的單晶四 硼酸鋰（L i 2 Β 4〇7 )，及將該單晶四硼酸鋰 (L i2B4〇7)加熱保持在50〜600°C的加熱手 段。 上記各發明中，加熱保持的溫度，以1 〇 〇〜4 〇 〇 °C較爲理想。 又，上記各發明中之入射光波長理想在1 〇 〇 〇 nm 以下，但較理想則在4 〇 〇〜8 0 0 n m，更理想則在 400〜600nm，最理想則在480〜540nm。 又，上記各發明中，前記入射光之張角理想在1 〇 mr a d以下，較理想則在〇 . 3〜4mr a d。 又，時間脈衝幅度理想在1 〇 〇 n s e c以下，較理 想則在 1 x 1 0 - 3 〜8 0 n s e c。 最後，峰値功率密度，以1 M W/ c m 2以上爲理想。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，本發明爲了解決上記第2課題，提供一種光波長 轉換方法，係屬於將所定波長及時間脈衝幅的基本波，依 序入射至弟1非線形光學結晶及第2非線形光學結晶，以 產生前記基本波之第2高次諧波之光波長轉換方法，其特 徵爲前記第1非線形光學結晶，其對前記基本波的體積受 損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且前記第2非 線形光學結晶’其對即記基本波之有效非線形係數較前記 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 1269924 A7 B7 五、發明説明（13 ) 第1非線形光學結晶爲大。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，本發明提供一種光波長轉換方法，係屬於將所定 波長及時間脈衝幅的基本波及前記基本波之第2高次諧 波，依序入射至第1非線形光學結晶及第2非線形光學結 晶，以產生前記基本波之第3尚次諧波之光波長轉換方 法，其特徵爲前記第1非線形光學結晶，其對前記第2高 次諧波的體積受損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲 大，且前記第2非線形光學結晶，其對產生前記第3高次 諧波之有效非線形係數較前記第1非線形光學結晶爲大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，本發明提供一種光波長轉換方法，係屬於將所定 波長及時間脈衝幅的第1基本波及所定波長及時間脈衝幅 的第2基本波，依序入射至第1非線形光學結晶及第2非 線形光學結晶，以產生前記第1基本波及第2基本波之和 頻波之光波長轉換方法，其特徵爲前記第1非線形光學結 晶，其對前記第1基本波的體積受損臨界値較前記第2非 線形光學結晶爲大，且即記第2非線形光學結晶，其對產 生由前記第1基本波及第2基本波所成之和頻波之有效非 線形係數較前記第1非線形光學結晶爲大。 又，本發明提供一種光波長轉換系統，係屬於具備讓 所定波長及時間脈衝幅的基本波入射而產生第2高次諧波 之第1非線形光學結晶’及讓來自該第1非線形光學結晶 之出射光入射以產生前記基本波之第2高次諧波之第2非 線形光學結晶的光波長轉換系統，其特徵爲前記第1非線 形光學結晶，其對前記基本波之體積受損臨界値較前記第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' ' " -16- 1269924 A7 B7 五、發明説明（14) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 2非線形光學結晶爲大，且前記第2非線形光學結晶，其 對前記基本波之第2高次諧波之產生的有效非線形係數較 前記第1非線形光學結晶爲大。 又’本發明提供一種光波長轉換系統，係屬於具備讓 所疋波長及時間脈衝幅的基本波及前記基本波之第2高次 諧波入射而產生第3高次諧波之第1非線形光學結晶，及 讓來自該第1非線形光學結晶之出射光入射以產生前記第 3尚次g皆波之第2非線形光學結晶的光波長轉換系統，其 特徵爲前記第1非線形光學結晶，其對前記第2高次諧波 之體積受損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且前 記第2非線形光學結晶，其對前記基本波之第3高次諧波 產生之有效非線形係數較前記第i非線形光學結晶爲大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又’本發明提供一種光波長轉換系統，係屬於具備將 所定波長及時間脈衝幅的第1基本波及所定波長及時間脈 衝幅的第2基本波以產生前記第1基本波及第2基本波之 和頻波的第1非線形光學結晶，及讓來自該第1非線形光 學結晶的出射光入射以產生前記和頻波之第2非線形光學 結晶之光波長轉換系統，其特徵爲前記第1非線形光學結 晶，其對前記第1基本波的體積受損臨界値較前記第2非 線形光學結晶爲大，且前記第2非線形光學結晶，其對產 生由前記第1基本波及第2基本波所成之和頻波之有效非 線形係數較前記第1非線形光學結晶爲大。 又，本發明提供一種雷射振盪系統，係屬於具備將所 定波長及時間脈衝幅之基本波振盪之基本波振盪器，及讓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 1269924 A7 __ _ B7 五、發明説明（15 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 來自該基本波振盪器之前記基本波入射以產生第2高次諧 波的光波長轉換系統之雷射振盪系統，其特徵爲前記光波 長轉換系統，係涉及本發明之光波長轉換系統。 又，本發明提供一種雷射振盪系統，係屬於具備將所 定波長及時間脈衝幅之基本波及前記基本波之第2高次諧 波振盪之基本波振盪器，及讓來自該基本波振盪器之前記 基本波及第2高次諧波入射以產生第3高次諧波的光波長 轉換系統之雷射振盪系統，其特徵爲前記光波長轉換系 統，係涉及本發明之光波長轉換系統。 又，本發明提供一種雷射振盪系統，係屬於具備將所 定波長及時間脈衝幅之第1基本波及所定波長及時間脈衝 幅之第2基本波振盪之基本波振盪器，及讓來自該基本波 振盪器之前記第1基本波及前記第2基本波入射以產生和 頻波的光波長轉換系統之雷射振盪系統，其特徵爲前記光 波長轉換系統，係涉及本發明之光波長轉換系統。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 右根據上記各發明’即使弟1非線形光學結晶之轉換 效率低，仍可將通過之基本波等，藉由第2非線形光學結 晶以高效率進行轉換。又，即使第2非線形光學結晶之耐 光損傷性低，仍可藉由讓入射光先通過耐光損傷性高的第 1非線形光學結晶，使功率下降至第2非線形光學結晶能 夠承受之程度，再入射至第2非線形光學結晶。 亦即，藉由組合具有特定關係之相異種類的非線形光 學結晶，可互補其缺點，其整體可實現高轉換效率及高耐 光損傷性。因此，有效率地獲得高功率的第2高次諧波等 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -18- 1269924 A7 B7 五、發明説明（16) 之和頻波將變爲可能。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 上記各發明中之第1非線形光學結晶，以單晶四硼酸 鋰（L i 2 B 4〇7 )爲理想。L B 4 ( L i 2 B 4〇7 )雖 然轉換效率較低，但卻具備非常優異的耐光損傷性。 又，第1非線形光學結晶採用L B 4時，第2非線形 光學結晶以LiB3〇5(LB〇）、CsLiB6〇lo (C L B 0 ) 、KTi〇P〇4(KTP)、或 /3 — B a B 2 0 4 ( B B〇）爲理想。 以下將佐以實驗結果說明本發明之技術上的意義。 本發明者，首先藉由實驗，求出身爲非線形光學結晶 的L B 4結晶，其入射光之峰値功率密度和轉換效率之關 係。結果示於圖1。實驗所用之入射光的振盪器，以及 L B 4結晶之條件，如以下所述。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 首先，入射光的振盪器，採用Nd:YAG雷射，及 以L B〇結晶當作S H G元件之組合。亦即，往L B 4結 晶的入射光，係由N d : Y A G雷射之近紅外光（ 1064nm)之2倍的綠光雷射（532nm)。此 外，分別使用了用以獲得振盪頻率5 Κ Η Z以上之入射光 之振盪器，以及用以獲得振盪頻率1 Ο Ο Η z以下之入射 光之振盪器。 峰値功率密度，係將入射光之平均輸出，以振盪頻 率、光束面積及時間脈衝幅除算而得。因此，在本實驗 中，藉由調整賦予Y A G雷射的激發光之功率以調整入射 光之平均輸出。此外，使用聚光透鏡調整光束直徑（光束 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19- 1269924 A7 B7 ___ 五、發明説明（17) 面積）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一*方面，L B 4結晶使用結晶長3 5mm ’或6 0 m m。此外，l B 4結晶之剖面積雖不會對轉換效率造成 影響，但主要使用的是剖面積爲1 5 m m X 1 5 m m的 L B 4結晶。 在圖1中，符號X i ( ♦)，係結晶長3 5 m m、振盪 頻率1Hz、光束直徑5 _ 5mm之資料。 又，符號X i 〇 ( )，係結晶長3 5 m m、振盪頻率 1 OHz、光束直徑5 · 5mm或1 1mm (峰値功率拾 度2 0 〇MW/Cm2未滿：1 1mm，峰値功率密度 200MW/cm2以上：5 _ 5mm)之資料。 又，符號X i 〇。（ ▲)，係結晶長3 5 m m、振盪頻 率l〇〇Hz、光束直徑5 . 5mm或1 1mm (峰値功 率密度1 00MW/cm2未滿：1 1mm，峰値功率密度 10〇MW/cm2以上：5 · 5mm)之資料。 又，符號Y i。（ □)，係結晶長6 0 m m、振盪頻率 1 0Hz、光束直徑1 1mm之資料。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，符號Y ^ 〇。（ △)，係結晶長6 0 m m、振盪頻 率1 00Hz、光束直徑1 1mm之資料。 以上資料取得之際的時間振盪幅固定在3 n s e c， 並令平均輸出在0〜2 6 W之範圍中變化，以調整峰値功 率密度。此外，光束張角，在光束直徑5 · 5 m m時約爲 lmr a d，光束直徑1 1mm時約爲〇 · 5mr a d。 又，符號Z 5 (鲁），係結晶長3 5 m m、振盪頻率5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'〆297公釐） -20 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（18 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Η z之資料。該資料取得之際的時間振盪幅固定爲2 5 ns e c，平均輸出固定在30W，令光束直徑在〇 · 4 〜1 · 0 m m之範圍內變化，以調整峰値功率密度。此 外，光束張角約在數mr a d (5mr a d)以下。 又，符號Z i。（ ◊)，係結晶長3 5 m m、振盪頻率 1 Ο Η z之資料。該資料取得之際的時間振盪幅固定爲 3〇nsec，平均輸出固定在30W，令光束直徑在 0 . 4〜1 _ 0 m m之範圍內變化，以調整峰値功率密 度。此外’光束張角約在數m rad ( 5 mrad)以下。 一般而言，如下記式（2 )所示，入射光之峰値功率 密度越大，轉換效率7?也越大。 T? = a.tanh2(b.P0·5) (2) (a及b係隨著主結晶之種類而定之係數） 如圖1之資料X i、X : 、X i Q。所示，將來自相同 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 振盪器之入射光射入結晶長3 5 mm之L B 4結晶時，入 射光峰値功率密度爲1 Ο Ο M W/ c m 2以下之資料，和振 盪頻率無關而彼此吻合。因此，就該範圍之資料所見，我 們可推測隨著峰値功率密度上升，原則上會如式（2 )所 言，轉換效率會沿著符號X Q之曲線上升。此外，由此範圍 之資料求出符號X 〇所示之曲線的a、b，則a = 3 2，b 二 Ο · Ο 8 5 〇 又，如資料Ζ 5、Ζ i Q所示，若振盪器不同，即使結 晶長皆爲3 5 m m，在全峰値功率密度範圍中，都和曲線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 1269924 A7 — —_ B7____ 五、發明説明（19 ) X Q錯開。但在此同時，若在低峰値功率密度下’則會獲得 和X ◦略同斜率之上升曲線。此外，錯開的原因，可想成主 要是因光束張角變大之故。 同樣地，如資料Y i。、Y i ◦ 〇所示，在結晶長爲6 0 m m之L B 4結晶之情況，入射光之峰値功率密度在5 0 MW/cm2以下之資料，和振盪頻率無關而彼此吻合。因 此，就該範圍之資料所見，我們可推測隨著峰値功率密度 上升，原則上會如式（2 )所言，轉換效率會沿著符號Y 〇 之曲線上升。此外，由此範圍之資料求出符號Y 〇所示之曲 線的 a 、b ，貝 ij a = 2 2 ，b = 0 · 1 8 。 但在此同時，本實驗發現，如資料X 1 〇、X 1 〇 〇、 Y ! q 〇、Z 5、Z !。所示，一旦入射光之峰値功率密度超 過一定値，轉換效率就會脫離式（2 )的理想曲線X 〇、 Y〇，反而會變成下降之現象。 又，由這些資料可知，振盪頻率越高，轉換效率轉而 下降的峰値功率密度很低。 又，結晶長度越長，轉換效率傾向越高。 本實驗中，如以上所述，除了調查令入射光之峰値功 率密度變化時的轉換效率，尙觀察了出射光的穩定性。其 結果爲，轉換效率只要稍微轉爲下降，自式（2 )所描述 之曲線X 〇、Υ 〇開始偏離的附近起，可看到造成出射光之 輸出不穩定的2光子吸收現象。而使出射光不穩定之現 象，在轉換效率轉爲下降之前幾乎觀察不到，在轉換效率 轉爲下降後，只要峰値功率密度越爲上升，就越爲明顯。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） " " -22- !!?1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1269924 A7 B7 五、發明説明（20) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 亦即，本發明者，在雷射振盪器之振盪頻率、以及 L B 4結晶之結晶長度爲一定之條件下，發現能賦予最大 轉換效率的峰値功率密度，係「2光子吸收這種使輸出不 穩定之現象在實質上不會發生、而能給予最大極限之出射 光輸出的入射光峰値功率密度的最佳値」（以下稱爲「最 佳峰値功率密度」）。 接著，根據圖1之資料X i、X ^。、X :。。，在結晶 長3 5 m m時，調查隨著振盪頻率變化、最佳峰値功率密 度會如何變化時發現，如圖2所示，可得幾乎直線之圖 形。圖2之橫軸係入射光的振盪頻率，縱軸係入射光之峰 値功率密度，分別取其對數値而呈現。 然後，求出此最佳峰値功率密度P c的直線式發現， 就是上述之式（1 )。 P c = a . Rep^ (1) (Rep:振盪頻率、α及/3:係數） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此處，係數α、/3主要是會隨著結晶種類及結晶長度 而定之係數，圖2所示之結晶長3 5 m m之L Β 4結晶的 情況下，α = 5 7 6、/3 = — 0 _ 2 7。又，結晶長6 0 m m之L Β 4結晶的情況下，a = 1 5 4、冷= -0.25。 此外，如資料Ζ 5、Z i Q所示，當入射光之光束張角 改變時，也會對轉換效率產生影響。這是因爲當入射光之 光束張角超過L B 4結晶之相位整合條件所決定之角度容 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23- 1269924 A7 B7 五、發明説明（21 ) 許幅度時，會發生轉換效率之漏失。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 可是，該情況下，亦可藉由補正因光束張角所致之影 響，在理論上評估轉換效率，應該可以求出最佳峰値功率 密度。可是，根據實驗所確認之結果，一旦入射光之光束 張角超過1 Omr a d，則每lmr a d入射光之光束張 角會減少1 / 1 0轉換效率。要得到實用等級之出射光非 常困難。 因此，入射光之峰値功率密度，雖以最佳峰値功率密 度爲理想，但實用上，可將最佳峰値功率密度當作基準， 採用其一定範圍內之峰値功率密度。 亦即，入射光之峰値功率密度，以最佳峰値功率密度 以下爲理想。這是因爲若峰値功率密度大於最佳峰値功率 密度，則會使出射光之輸出不穩定。可是在此同時，2光 子吸收現象在超過最佳峰値功率密度後會緩緩趨於顯著， 而不是立即造成重大影響，故若爲最佳峰値功率密度之 1 0倍以下，在實用上不會有抵觸。又，若爲最佳峰値功 率密度之2倍以下，更可抑制輸出之不穩定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，爲了能盡量有效率地獲得高功率的出射光，雖必 須要在最佳峰値功率密度的0 . 1倍以上，但以0 . 5倍 以上爲理想。 此外，若考慮非線形光學結晶的長壽命化，入射光之 峰値功率密度以最佳峰値功率密度之〇 . 8倍以下爲理 想。因此，最理想之入射光峰値功率密度，爲最佳峰値功 率密度之0 . 5〜0 . 8倍。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -24- 1269924 A7 B7 五、發明説明（22) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，最佳峰値功率密度之交界，一旦轉換效率下降伴 隨著輸出不穩定化之現象，波長越短，尤其是從所謂綠光 轉換至紫外光之際會顯著觀察到。因此，本發明雖在入射 光波長1 0 0 0 n m以下時特別有效，但入射光的理想波 長範圍在4 0 0〜8 0 0 nm，較理想則是4 0 0〜 6 0 0 n m 〇 本發明者再次檢討之結果，發現將非線形光學結晶加 熱保持在5 0 °C以上，可使該最佳峰値功率密度變大。如 上述，先前以來，爲了保護非線形光學結晶避免受潮，或 爲了藉由溫度進行相位整合，會對非線形光學結晶進行加 熱保持。可是，即使該情況下加熱之程度約爲2 0 0 °C不 到，故本發明並未進行2 0 0 °C以上之加熱保持。 本發·明將加熱至較高溫的效果，以表1和圖3，以及 表2和圖4說明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表1係將入射光之平均振盪頻率固定在ΙΟΚΗζ， 光束直徑固定0 . 2 5mm，時間脈衝幅固定在2 8 n s e c，僅使入射光之平均輸出變化時所調查之結果。 又，圖3係將表1所記載之資料，以入射光平均輸出爲橫 軸，轉換效率爲縱軸所得之圖表。 同樣地，表2係將入射光之平均振盪頻率固定在1 〇 KHz，光束直徑固定〇 · 3 5mm，時間脈衝幅固定在 2 8 n s e c，僅使入射光之平均輸出變化時所調查之結 果。又，圖4係將表2所記載之資料，以入射光平均輸出 爲橫軸，轉換效率爲縱軸所得之圖表。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 1269924 A7 B7 五、發明説明（23) 此外，入射光之平均輸出’如袠2所示和入射光之峰 値功率密度成正比。此外’各表及圖中之溫度（TemP )係 表示LB4之加熱保溫度（RT爲室溫，約25°C)。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） -26- 1269924 A7 B7 五、發明説明（24) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Temp:200°C 轉換效率 r ""Ί ^-----< |2.72 | 卜 寸 16.05 1 |6·70 | |7.7 8 1 M5___ I M3___ M5_ |10.70 | OO r—H 12.29 |12.54 | CNJ \ < r- cn 出射光 [W] H 〇 cn CO o cn 〇 〇〇 r- o τ—H CSI τ—H cn 寸 r—I VO 1—< OO τ—i 卜 CNl Γ ΟΟ CN) CNJ 寸 CNJ 〇 CO P 〇 un r—Η 轉換效率 r—-ί 1 1 | 2.72 I 卜 —ϋ 1 8.06 1 -1,-,,7,j_ CO ON OS. oo a^. [10.93 | CO as r—H Ρ. S (D Η 1出射光| [W] τ—H 〇 1 0.33 1 〇 VO 卜 o CN| o CO r-H r-H CNl CO H csl τ—H 卜 r-H CNJ CO CNJ Τ e m ρ: 1 0 0 °C 轉換效率 r "π ί 」 2.36 1 4.04 1 1 5.48 1 oo \ 1 ΛΟ _ 6,,,771 L 7.,,56 1 oo L 8-74 J 9.25 (9.94 1 | 10.32 1 出射光 [W] 0.13 I 0.32 0.57 | 0.72 I | 0.87 1 Γ 1.06 1 CNl \ < CN| 寸 H VO 1.82 1^91 Ρ ο \ο 轉換效率 I 1 i j 〇〇 CM 1 3.66 1 I 5-09 1 1 5.67 j | 6.46 | o 卜· 卜 oo r—H oo 8.67 | 6.67 I ε 0J Η 出射光 [W] 0.12 1 0.29 _1 CO o ^s〇 VD 〇 CO oo o On 〇 H CO CO VO Csl CS r-H Η 轉換效率 r—i U—1 CO σ> CO CNl m CO as cn 4.42 寸 oo VO wn Csl VO 寸 CO | 4.06 I 1 ! . ε (D Η 出射光 [W] 0.09 VO o 0.25 Ί 0.36 Ί 0.46 0.54 Ί 0.73 On 〇 0.81 0.66 .卜. 入射光1 [W] 6.69 CN ON 卜 VO On 10*41 r-H 1^0 oo csl 14.03 16.25 卜 18.30 19.28 20.25 ; cn CNl II 22.25 I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -27- [269924 A7 B7 五、發明説明（25) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 CNI撇 Temp:3 85 〇C 1轉換效率1 Γ 1 1 1 oo CNl M4__ |5.20 I _1 卜 8.02 I 8.85 I 19.43 I 10.57 oo uo X ' i CO ON r—H :12.25 o CO cn 14.33 出射光 [W] |0.08 1 \ < CNl o 寸 o o 卜 o 寸 oo o CO o cn C<l H 〇 r—H 卜 VO \ i r—H 寸 CN oo V"· Ή C<l 艺 CM 2.83 Temp:300°C 轉換效率 Γ—1 承 1 1 1............2.45 1 VO cn o CO | 6.23 1 1 6.89 1 \ 7.78 1 | 8.49 1 VD r—H On 10.06 I oo o uo CO CNl 1 < U-) CNl 1......i CO 1出射光1 1 1 ί J | 0.09 1 0.22 1 1 0.45 | 0.67 0.81 | l.oo | oo H VD CO H 1.59 ON 卜 τ—H 1-94 | 2.05 1 2.36 1 2.70 Temp:200°C 轉換效率 1 1 1 , J oo H CN| oo cs CO 4.51 5.67 O CO 7.00 7.84 8.22 9.18 csi o 10.35 10.73 oo CO r—H 12.41 1出射光1 [W] 0.08 o CS| o σ\ CO o o 寸 o 〇 ON r—H csi CNl VO 寸 H H 卜 r- r-H r-H 寸 CNl 2.45 | T e m p: 1 0 0 °C 轉換效率 Γ—1 t 1 cn VO 1 2.95 1 VO \ < 寸 in 1 5.70 1 | 6.30 1 cn oo ^sD 寸 CO CO CN OO 8.85 1 9.01 1 | 9.33 1 I lo.oo | 出射光 [W] 0.06 oo t—H o 1 0.36 1 | 0.56 1 | 0.67 I | 0.81 | 1 0-95 1 1 1.09 1 o CO r-H 1 1.46 1 1 1.54 1 | 1.66 | oo oo τ—H Temp: RT 轉換效率 1—1 承 L—1 CO r—H | 2.62 I | 3.82 I 1 4,74 1 | 5.28 | 5.68 CO oo | 6.20 1 CO o 1 5.27 I 出射光 1"" ' 1 ί J I 0.06 1 l < o 1 0.33 I o 0.62 | 10.73 I t—*H oo o | 0.92 1 \ < !i | 0.87 I 入射光 峰値功率密度 [MW/cm2] CN| CO H On 口 ON VO CNl o ID cn oo cn r-H CNl 寸 O 寸 oo On 寸 CNl cn VO VD ON CO s oo cn VO 寸 卜 vo oo o 平均輸出| [W] 卜 cn ON 寸 H 卜 卜 oo On On oo o oo r—i ON CNl r—H ON CO o\ 寸 OO 卜 \ 1 oo 卜 \ i oo oo oo On (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -28- 1269924 A7 B7 五、發明説明（26) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 由表1及圖3可知，在室溫條件下，入射光之輸出約 1 4 W所對應之峰値功率密度爲最佳峰値功率密度。相對 於此，將L B 4加熱保持在6 0 °C時，入射光之輸出約 1 7 W所對應之峰値功率密度爲最佳峰値功率密度。而若 更提高加熱保持溫度，則得知在測定範圍內無法觀察到轉 換效率之極大値，峰値功率密度會更加上升。 又，由表1及圖3可知，在室溫條件下，入射光之輸 出約1 6 W所對應之峰値功率密度（約5 7 M W/ c m 2 ) 爲最佳峰値功率密度。相對於此，將L B 4加熱保持在 1 0 0 °C以上時，得知在測定範圍內無法觀察到轉換效率 之極大値，峰値功率密度會更加上升。再次得知L B 4之 加熱保持溫度越高，轉換效率越會上升。 如此藉由加熱，不但可減輕會導致轉換效率變化的2 光子吸收之發熱影響，亦可使最佳峰値功率密度上升，亦 即2光子吸收這種使輸出不穩定之現象在實質上不會發 生，而使可獲得穩定輸出的入射光峰値功率密度之上升變 爲可能。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此加熱保持之效果，雖然溫度越高效果越好，但有必 要在2 0 0 °C以上。藉此，除了可減輕2光子吸收所影響 之轉換效率下降問題，轉換效率下降現象消失，而可穩定 地獲得高輸出。 另一方面，加熱保持溫度若高於6 0 0 °C則不理想。 若高於6 0 0 °C，則防止熱從加熱手段周圍流出之斷熱手 段會過於龐大，實用上不理想。 ^紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 -29 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（27) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又’加熱保持溫度以4 0 0 C以下爲理想。加熱保持 溫度若超過4 0 0 t，則降低2光子吸收影響的效果無法 顯著，在實用上的利益變小之故。 此外，入射光之光束張角若超過L B 4結晶之相位整 合條件所決定之角度容許幅度則轉換效率會下降。因此， 理想的入射光之光束張角爲1 〇mr a d以下，較理想之 入射光之光束張角爲0 · 3〜4mr a d。 此外，理想的時間脈衝幅爲1 Ο Ο n s e c以下，較 理想的時間脈衝幅爲1 x 1 Ο — 3〜8 Ο n s e c以下。 一般而言振盪越高的脈衝幅度越廣，脈衝能量亦越 小。相反地，低振盪中，脈衝幅可變窄，脈衝能量可變 大。因此，在獲得所望之峰値功率密度的範圍中，可定出 上限値。 再者，入射光之峰値功率密度，以1 M W/ c m 2以上 爲理想。此外，入射光之峰値功率密度，以不使結晶體積 受損（介電崩壞）、或是鍍膜、結晶端面受損之範圍爲上 限。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖面的簡單說明 圖1係入射光之峰値功率密度和轉換效率之關係。 圖2係不圖振盪頻率下，調查最佳峰値功率密度會如 何變化之圖表。 圖3係不同L B 4結晶加熱溫度下，調查入射光之平 均輸出和轉換效率之關係。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -30 - 1269924 A7

五、發明説明（28) 圖4係不同L B 4結晶加熱溫度下，調查入射光之平 均輸出和轉換效率之關係。 圖5係採用涉及本發明之光波長轉換方法的紫外線雷 射振盪器之實施形態的構成圖。 圖6係以涉及本發明之程式而發揮機能的電腦系統之 一例構成圖。 圖7係以涉及本發明之程式而發揮機能的電腦系統之 其他例構成圖。 圖8係涉及本發明之其他實施形態的雷射震盪系統的 構成圖。 圖9係第1結晶所致峰値功率密度的變化情形。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 兀件對照表 10 綠光雷射振盪器 1 1 主振盪器 1 2 轉換器 2 〇 波長轉換系統 2 1 分光器 2 2 分光器 2 3 L B 4結晶盒 2 4 菱鏡 2 5 光束阻擋器 3 1 運算裝置 3 2 輸入裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -31 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1269924 Μ ____Β7_ 五、發明説明（29) 記憶裝置 顯示器 印表機 運算裝置 輸入裝置 基本波振盪器 光波長轉換系統 分光器 分光器 弟1結晶 第2結晶 菱鏡 光束阻擋器 用以實施發明的最佳形態 以下茲佐以圖面說明本發明之實施形態。本發明並+ 限定於以下實施形態。 圖5係明採用涉及本發明之光波長轉換方法的g %，線 雷射振盪器之實施形態的構成圖。圖5之紫外線雷射丨辰_ 器，係由綠光雷射振盪器1〇和波長轉換系統2 〇 m » 成。 綠光雷射振盪器1 0，係由N d : Y A G雷射所成之 主振盪器1 1，及將主振盪器1 1所射出的基本波彳 1 064nm)轉換成2倍波之綠光（5 3 2 nm)的轉 3 3 3 4 3 5 4 1 4 2 5 0 6 0 6 1 6 2 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -32- 1269924 A7 _ B7 五、發明説明（30) 換器1 2所構成。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，波長轉換系統2 〇，係由用以將轉換器1 2所射 出之綠光不經波長轉換而將所通過之基本波分離之分光器 2 1、22，及將分光器2 1、22所分離之綠光作爲入 射光入射的L B 4結晶盒2 3，及將L B 4結晶盒2 3所 射出之光分離的菱鏡2 4，及用以吸收分光器2 1所分離 之基本波的光束阻擋器（beam dumper) 2 5所構成。 此處，L B 4結晶盒2 3內，除了將單晶四硼酸鋰 L B 4以滿足相位整合角度而配置，還內藏有將該L B 4 結晶加熱保持在6 0 0 土 1 °C的加熱裝置。 本實施型態之紫外光雷射振盪器，綠光會被L B 4結 晶盒2 3轉換成2倍波、亦即基本波的4倍波之紫外光 (2 6 6 n m )，並藉由菱鏡2 4，可僅將被轉換的紫外 光分離出來。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此時，L B 4結晶盒2 3的最佳峰値功率密度，會比 未加熱而直接在常溫下使用時的値還大。而由分光器2 2 入射L B 4結晶盒2 3的綠光之峰値功率密度，爲該最佳 峰値功率密度的〇 . 5〜2倍。 若根據本實施型態，在最佳峰値功率密度上升的同 時，入射光的峰値功率密度係屬於該最佳峰値功率密度以 下、近似最佳峰値功率密度。因此，即使入射光之峰値功 率密度變高也可獲得穩定之輸出。因此，使用單晶四硼酸 鋰L B 4，可達成有穩定的高轉換率，並經得起實用化之 全固體紫外光雷射振盪器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -33- 1269924 A7 _______B7 五、發明説明（31 ) 圖6係以涉及本發明之程式而發揮機能的電腦系統之 一例構成圖。圖6中，符號3 1係運算裝置，符號3 2係 輸入裝置’符號3 3係積蓄輸入裝置3 2所輸入之資料的 記憶裝置’符號3 4係顯示運算裝置3 1之運算結果的顯 示器’符號3 5係將運算裝置3 1的運算結果列印出來的 印表機。 本實施型態之電腦系統中，在所定之振盪頻率、所定 之結晶長的條件下，可按照以下之程序求出令波長；I之入 射光射入非線形光學結晶以得波長1 / 2 λ之出射光的波 長轉換系統上最佳峰値功率密度。 首先，將由入射光之峰値功率密度與轉換效率所成之 組資料自輸入裝置3 2輸入。輸入方法，可藉由人工手 動，亦可將測定轉換效率之測定裝置的傳送訊號等不透過 人手直接輸入。然後，該被輸入之組資料會被複數積蓄在 記憶裝置3 3。 接著，運算裝置3 1會自積蓄在記憶裝置3 3內之複 數組資料之轉換效率資料中，抽出最大之轉換效率。然 後，求出賦予該最大轉換效率的峰値功率密度。此外，此 時，亦可自藉由對應於組資料之近似式所賦予之連續資料 中，抽出最大轉換效率與此時的峰値功率密度。藉此’可 不被個別之轉換效率等之誤差所影響，而求出賦予最大轉 換效率的峰値劝率密度。 運算裝置3 1所求出之賦予最大轉換效率的峰値功率 密度，亦即最佳峰値功率密度，除了會顯示在顯示器 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) C· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -34- 1269924 A7 B7 ___ 五、發明説明（32) 3 4，亦會藉由印表機3 5列印出來。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 若根據本實施型態，操作者可藉由參考被顯示及列印 之最佳峰値功率密度，在所定之振盪頻率、所定之結晶長 的條件下，在操作令波長；I之入射光射入非線形光學結晶 以得波長1 / 2 λ之出射光的波長轉換系統時，設定適切 的峰値功率密度。又，若將最大峰値功率密度之輸出直接 輸入雷射振盪器，則亦可自動控制入射光之峰値功率密 度。 圖7係以涉及本發明之程式而發揮機能的電腦系統之 其他例構成圖。圖7中，符號4 1係運算裝置，符號4 2 係輸入裝置，符號4 4係顯示運算裝置4 1之運算結果的 顯示器，符號4 5係將運算裝置4 1的運算結果列印出來 的印表機。 本實施型態之電腦系統中，在所定之振盪頻率、所定 之結晶長的條件下，可按照以下之程序求出令波長λ之入 射光射入非線形光學結晶以得波長1 / 2 λ之出射光的波 長轉換系統上最佳峰値功率密度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 首先，將振盪頻率R e ρ與係數α、/3所成之設定 値’以人手自輸入裝置4 2輸入。此外，此時的^及， 係根據實驗結果等事先求出。接著，運算裝置4 1，將根 據下記式（1 )而運算最佳峰値功率密度

Pc = a.Rep 石 （1) (Rep :振盪頻率、α及0 ••係數） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -35- 1269924 A7 B7_____ 五、發明説明（33) 然後，運算裝置4 1所求出之最佳峰値功率密度’除 了會顯示在顯示器4 4，亦會藉由印表機4 5列印出來° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 若根據本實施型態，操作者可藉由參考被顯示及列印 之最佳峰値功率密度，在所定之振盪頻率、所定之結晶長 的條件下，在操作令波長λ之入射光射入非線形光學結晶 以得波長1 / 2 λ之出射光的波長轉換系統時’設定適切 的峰値功率密度。又，若將最大峰値功率密度之輸出直接 輸入雷射振盪器，則亦可自動控制入射光之峰値功率密 度。 接著，茲佐以圖8及圖9說明本發明之其他實施形 態。 圖8係涉及本發明之其他實施形態的雷射震盪系統的 構成圖。圖8之雷射振盪系統，係由基本波振盪器5 0及 光波長轉換系統6 0所構成。 基本波振盪器5 0，係例如單獨以N d : Y A G雷射 等雷射振盪器，或由雷射振盪器和將該雷射振盪器所振盪 之光波長轉換之轉換器所構成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，光波長轉換系統6 0，係由用以將基本波振盪器 5 0所射出之波長λ的基本波，和其他波長之光分離之分 光器6 1、62，及將被分光器6 1、6 2分離之基本波 當作入射光I 〇入射之第1結晶6 3，及第1結晶6 3之出 射光I ^所射入之第2結晶6 4，及將第2結晶6 4之出射 光I 2分離之菱鏡6 5，及用以吸收分光器6 1所分離出之 基本波波長以外之光的光束阻擋器6 6所構成。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 36- 1269924 A7 ____ B7 五、發明説明（34) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此處，第1結晶6 3及第2結晶6 4，係不同種類之 非線形光學結晶，且對基本波λ，皆以滿足其相位整合角 度而配置。 第1結晶6 3及第2結晶6 4可使用的非線形光學結 晶，例如可爲L Β 4 ( L i 2 Β 4〇7 ) 、K T P ( KT i OPO4) 、BB〇（y3 — B a Β 2 Ο 4 )、 CLBO (CsLiBsOio) 、：LB 〇（Li B 3 0 5 ) 、K D P ( K Η 2 P〇4 )等，而從這些非線形光 學結晶中，如以下說明，可就轉換效率及耐損傷性的觀 點，分別選擇當作第1結晶6 3及第2結晶6 4。 首先，兩結晶的選擇，第1結晶6 3要比第2結晶 6 4具備更高的耐光損傷性。具體而言，在比較對前記基 本波之體積受損臨界値時，以第1結晶6 3具有比第2結 晶6 4還大之體積受損臨界値的條件來選擇。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此體積受ί貝臨界値’係表71^發生體積受損之入射光的 峰値功率密度（峰値之峰値功率密度）的臨界値。所謂體 積受損，係入射光導致結晶之化學鍵結破壞所造成之損 傷。 體積受損臨界値，係入射光波長越短或時間脈衝幅越 長則越低。但不同結晶之體積受損臨界値在某波長、時間 脈衝幅下相比較，則其大小關係，即使在其他波長、時間 脈衝幅之條件下也不會改變。 例如，主要的非線形光學結晶，波長爲1 0 6 4 n m，時間脈衝幅1 n s e c下的體積受損臨界値雖爲以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -37 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（35) 下之値，但其大小關係，即使在其他條件下亦不會改變， 如以下所示。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (1 0 6 4 n m，時間脈衝幅1 n s e c下的體積受損臨 界値） ， LB4 ··〜9〇GW/cm2 LB◦:〜45GW/cm2 CLB ◦:〜26GW/cm2 KDP :〜1 4GW/cm2 BB〇：〜1 3GW/cm2 KTP:〜〇_6W/cm2 (體積受損臨界値之大小關係）

LB4>LB0>CLB0>KDP>BB0>KTP 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，光損傷中，除了體積受損以外，尙還有自結晶 表面產生的表面損傷，一般而言體積受損臨界値，會比表 面受損之臨界値大。因此，導致結晶破壞的入射光之峰値 功率密度，通常會隨著表面受損而決定。但在此同時，表 面受損臨界値，因會隨著表面之硏磨狀態、吸水之有無、 入射光之聚光程度等而變化，故比較南客觀地衡量。因 此，在評估耐光損傷性時，使用體積受損臨界値較爲適 當。 接著，兩結晶的選擇，第2結晶6 4要具備比第1結 晶6 3還高的轉換效率。具體而言，在比較對前記基本波 之有效非線形係數時，以第第2結晶6 4具有比第1結晶 6 3還大之有效非線形係數的關係來選擇。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -38- 1269924 A7 B7 五、發明説明（36) 所謂有效非線形係數，係由非線形光學結晶之非線形 係數和入射角度來計算之實效轉換係數。入射角度，因隨 著入射光不同而選擇能使其相位整合者，故若入射光波長 決定，才能實質上地去比較各結晶之有效非線形係數。 例如，主要的非線形光學結晶，波長爲1 〇 6 4 n m 下的有效非線形係數爲以下之値，其大小關係如下所示。 (1 0 6 4 n m下的有效非線形係數和相位整合角度） LB4:0.08pm/V、31° LB〇：1.05pm/V、90° ( typel) C L B Ο ： Ο . 4 7 pm/V、29.4。（ typel) 0.95 pm/V、42.9° ( typell) B B 0 ： 1 . 6 4 pm/V、22.9° (typel) 1.25 pm/V、33.1° ( typell) KDP :0.27 pm/V、41.2°( typel) 0-34 pm/V、59.2° ( typell) K T P ： 3 . 2 4 pm/V、90° ( typell) (1 0 6 4 n m下的有效非線形係數大小關係） KTP>BBO>LBO>CLBO>KDP> L B 4 第1結晶6 3，若選擇體積受損臨界値最大的L B 4 時，雖然第2結晶6 4可有多種選擇，但在第2結晶6 4 之有效非線形係數比第1結晶6 3 ( L B 4 )之有效非線 形係數還大之波長範圍內，必須要限制入射光之波長範圍 而使用。各種結晶之有效非線形係數，比L B 4的有效非 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） " >39- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1269924 A7 _B7 五、發明説明（37) 線形係數爲大之波長範圍如以下所示。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (獲得比L B 4大之有效非線形係數的入射光波長範圍） LB〇：2000 〜500nm CLB〇：2000 〜472nm BB〇： 1400 〜409nm KDP : 1300 〜500nm KTP : 2000 〜990nm 本實施型態之雷射振盪系統，係將波長λ之入基本波 的入射光I Q射入第1結晶6 3。然後，由第1結晶6 3射 出的光I i，係由波長λ / 2的第2高次諧波，及未被轉換 而通過之波長λ的基本波所構成。此時，出射光I 1所含之 基本波的峰値功率密度，因部分轉換成第2高次諧波’故 會比入射光I。的峰値功率密度還小。因此，入射光1 ◦的 峰値功率密度可設定成比直接入射第2結晶6 4時還要 高。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此時，如圖9所不’藉由第1結晶6 3保護％ 2結晶 6 4的效果，並不侷限在第1結晶6 3的轉換效率範圍 內。亦即如僵9的實線所示，入射光I。在光束直徑範圍 內，能量分布係光束中心呈最大峰値功率密度’而該高峰 値功率密度的光束中心附近的光，最容易造成結晶損傷。 但另一方面，該高峰値功率密度的光束中心附近的光，是 最容易被轉換的。因此，出射光1 1所含之基本波的峰値功 率密度，如圖9虛線所示，在光束中心附近大大降低。因 此，可大幅降低對第2結晶6 4造成的影響。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -40 - 1269924 A7 B7 五、發明説明（38) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，因第1結晶6 3的轉換效率較低，入射光I Q中的 基本波（波長λ )的大部分都直接通過、含在出射光I i 內，但由於第2結晶6 4的轉換效率高，故出射光I 2的成 分中，可獲得高功率的第2高次諧波（波長λ / 2 )。然 後，菱鏡6 5會將出射光I 2內殘存之基本波分離，僅萃取 出第2高次諧波。此外，亦可使用分光器代替菱鏡6 5。 若根據本實施型態，因使用了耐光損傷性與轉換效率 間具有特定關係的第1結晶6 3及第2結晶6 4，故可互 補各結晶的缺點，整體來看可實線高轉換效率及高耐光損 傷性。因此，能有效率地獲得高功率的第2高次諧波。 此外，本實施型態雖是有關於產生第2高次諧波，但 本發明可廣泛應用在和頻波之產生。例如在產生第3高次 諧波時，圖8之實施形態所提及雷射振盪系統中，分光器 6 1、6 2可改爲反射基本波與第2高次諧波兩者的鏡 子，並去除光束阻擋器6 6之構成。或將分光器6 1、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 2、光束阻擋器6 6之任何一者去除，由同時產生基本 波及第2高次諧波的振盪器，直接將基本波和第2高次諧 波入射第1結晶6 3之構成亦可。 實施例 (實施例1 ) 於圖8的雷射振盪系統中，第1結晶6 3採用5 m m x5mm剖面且長度35mm之LB4，第2結晶64採 用5mmx 5mm剖面且長度7mm之BB〇。然後，以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^ 1269924 A7 B7 五、發明説明（39) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 平均功率30W、振盪10kHz、脈衝幅30 nsec ' 光 束直徑0 . 5 m m、波長5 3 2的綠光雷射作爲入射光I 〇 而射入，產生第2高次諧波。 此時，入射光I。的平均峰値功率密度雖爲5 1 M W/ c m 2，但出射光I :內殘存的基本波（5 3 2 n m )的功 率爲28.5W，平均峰値功率密度爲48.4MW/ c m 2。然後，出射光I 2的成分中，可獲得輸出6 . 3 W 的穩定紫外光（266nm)。 此外，若將平均峰値功率密度爲48.4MW/cm2 的普通光束（5 3 2 n m )入射B B〇，則會導致體積受 損。但是，本實施例的情況，如圖9之說明，因實質地降 低峰値功率密度，故不會產生體積受損。 (比較例1 ) 於圖8之雷射振盪系統中，第1結晶6 3及第2結晶 6 4兩者皆使用5mmx 5mm剖面且長度7mm之 B B〇。入射光I 〇的條件則和實施例1相同。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此例中，因B B〇受到入射光I。損傷，故無法使用。 (實施例2 ) 於圖8的雷射振盪系統中，第1結晶6 3採用5 m m x 5mm剖面且長度3 5mm之LB4，第2結晶6 4採 用5mmx 5mm剖面且長度1 〇mm之CLB〇。然 後，和實施例1相同以平均功率3 0 W、振盪1 〇 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -42 - 1269924 A7 B7_ 五、發明説明（40) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) kHz、脈衝幅30ns e c、光束直徑0 · 5mm、波 長5 3 2的綠光雷射作爲入射光I Q而射入，產生第2高次 諧波。 此時，入射光I。的平均峰値功率密度雖爲5 1 M W / c m 2，但出射光I i內殘存的基本波（5 3 2 n m )的 功率爲28.5W，平均峰値功率密度爲48.4MW/ c m 2。然後，出射光I 2的成分中，可獲得輸出6 · 5 W 的穩定紫外光（2 6 6 n m )。 此外，若將平均峰値功率密度爲48·4MW/cm2 的普通光束（5 3 2 nm)入射CLBO，則會導致體積 受損。但是，本實施例的情況，如圖9之說明，因實質地 降低峰値功率密度，故不會產生體積受損。 (比較例2 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於圖8之雷射振盪系統中，第1結晶6 3及第2結晶 6 4兩者皆使用5mmx 5mm剖面且長度1 〇mm之 C L B〇。入射光I 〇的條件則和實施例1、2相同。 此例中，因C L B 0受到入射光I。損傷，故無法使 用。 (比較例3 ) 於圖8之雷射振盪系統中，第1結晶6 3及第2結晶 6 4兩者皆使用5 mmx 5 mm剖面且長度3 5 mm之 L B 4。入射光I。的條件則和實施例1、2相同。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -43- 1269924 Μ Β7_ 五、發明説明（41) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此例中，入射光I。的平均峰値功率密度雖爲5 1 M W / c m 2，但出射光I i內殘存的基本波（5 3 2 n m )的 功率爲28.5W，平均峰値功率密度爲48·4MW/ cm2。然後，出射光I 2的成分中，可獲得輸出3W的紫 外光（266nm)。 該出射光I 2的輸出穩定，亦無造成體積受損，但和實 施例1之6 . 3 W或實施例2的6 . 5 W相比較則爲偏低 値。 (實施例3) 於圖8的實施形態所提及的雷射振盪系統中，採用以 反射基本波及第2高次諧波兩者之鏡子取代分光器6 1、 6 2，並去除光束阻擋器6 6之構成的雷射振盪系統，進 行和頻波之產生。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於該雷射振盪系統中，第1結晶6 3採用5 m m X 5 mm剖面且長度35mm之LB4,第2結晶64採用5 mmx 5mm剖面且長度1 5mm之LBO。然後，波長 1 〇 6 4 nm，平均功率1 0W的基本波雷射，及波長 5 3 2 n m、平均功率1 0 W的第2高次諧波作爲入射光 I ◦而射入，令其產生第3高次諧波的波長3 5 5 n m的紫 外光。 該入射光I Q中，振盪爲1 0 k Η Z，基本波雷射、第 2高次諧波雷射的脈衝幅及光束直徑，分別爲3 0 nsec、0.3mm，27nsec、〇.2mmo 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210XM7公釐） 一 -44- 1269924 A7 _ B7 五、發明説明（42) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 此時，入射光I ◦中的基本波雷射、第2高次諧波雷射 的平均峰値功率密度，雖分別爲4 7 M W/ c m 2，1 1 8 M W / c m 2，但出射光I ^內殘存的基本波與第2高次諧 波的功率分別爲9 . 5 W、9 · 5 W，平均峰値功率密度 分別爲 45 M W/ c m 2 > 1 1 2 MW/cm2。然 後，出射光I 2的成分中，可獲得輸出5W的穩定第3高次 諧波（3 5 5 n m )。 此外，若將平均峰値功率密度1 1 2 M W/ c m 2的 普通光束（5 3 2 nm)入射LB〇，則會導致體積受 損。但是，本實施例的情況，如圖9之說明’因實質地降 低峰値功率密度，故不會產生體積受損。 (比較例4 ) 於和實施例3相同之雷射振盪系統中’第1結晶6 3 及第2結晶6 4兩者皆使用5mmx 5mm剖面且長度 1 0 m m之L B〇。入射光I 〇的條件則和實施例3相同。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此例中，因入射光I 〇中的第2高次諧波（5 3 2 n m )導致L B ◦緩緩受到體積損傷，故使用時間受到限 制，無法穩定地長時間使用。 (比較例5 ) 於和實施例3相同之雷射振盪系統中’第1結晶6 3 及第.2結晶6 4兩者皆使用5 m m X 5 m m剖面且長度 3 5 m m之L B 4。入射光I 〇的條件則和實施例3相同。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） -45- 1269924 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（43) 此例中，出射光I 2的成分，可獲得輸出2 w的穩定第 3高次諧波（3 5 5 n m )。 該出射光I 2的輸出穩定，亦無造成體積受損，但和實 施例3之5 W相比較則爲偏低値。 (實施例4 ) 於圖8的實施形態所提及的雷射振盪系統中，採用以 反射第1基本波及第2基本波兩者之鏡子取代分光器 6 1、6 2，並去除光束阻擋器6 6之構成的雷射振盪系 統，進行和頻波之產生。 於該雷射振靈系統中，第1結晶6 3採用5mmx 5 m m剖面且長度2〇ιπώι之LB4 ’弟2結晶6 4採用5 mmx 5mm剖面且長度1 5mm之ΒΒΟ。然後，波長 3 5 5 nm，平均功率5W的Nd : YAG雷射之第3高 次諧波（第1基本波），及波長8 2 8 n m、平均功率5 W的T i ·· sapphire雷射（第2基本波）作爲入射光I 〇而 射入，令其產生和頻波的波長2 4 8 n m的紫外光雷射。 該入射光I ◦中，振盪爲1 0 k Η z，第1基本波（ 355nm)、第2基本波（828nm)的脈衝幅及光 束直徑，分別爲25nsec、0 · 2mm，15 nsec、0.2mm〇 此時，入射光I ◦中的第1基本波（3 5 5 n m )、第 2基本波（8 2 8 n m )的平均峰値功率密度’雖分別爲 6 4 MW/cm2，106 MW/cm2，但出射光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-46- 1269924 A7 B7 五、發明説明（4# I 1內殘存的第1基本波（3 5 5 nm)與第2基本波（ 828nm)的功率分別爲4 .85W、4 . 85W，平 均峰値功率密度分別爲6 2 M W/ c m 2、1 〇 3 MW / c m 2。然後，出射光I 2的成分中，可獲得輸出Ο · 8 W的穩定和頻波（2 4 8 n m )。 此外，若將平均峰値功率密度6 2 M W/ c m 2的普通 光束（3 5 5 n m )入射B B 〇，則會導致體積受損。但 是，本實施例的情況，如圖9之說明，因實質地降低峰値 功率密度，故不會產生體積受損。 (比較例6 ) 於和實施例4相同之雷射振盪系統中’第1結晶6 3 及第2結晶6 4兩者皆使用5 m m X 5 m m剖面且長度 1 5 m m之B B〇。入射光I 〇的條件則和實施例4相同。 此例中，因入射光I 〇中的第1基本波（3 5 5 nm) 導致Β Β Ο緩緩受到體積損傷，故使用時間受到限制，無 法穩定地長時間使用。 (比較例7 ) 於和實施例3相同之雷射振盪系統中’第1結晶6 3 及第2結晶6 4兩者皆使用5mmx 5mm剖面且長度 2 0 m m之L B 4。入射光I q的條件則和實施例4相同。 此例中，出射光I 2的成分，可獲得輸出〇 . 4 W的穩 定和頻波（248nm)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

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五、發明説明（W 該出射光I 2的輸出穩定，亦無造成體積受損，但和實 施例4之0 . 8 W相比較則爲偏低値。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 產業上利用的可能性 如以上詳述，若根據本發明之波長轉換方法及波長轉 換系統，因將屬於最佳峰値功率密度以下、近似最佳峰値 功率密度的入射光做波長轉換，故可使用非線形光學結晶 單晶尤其是L B 4，達成穩定的高轉換效率。因此，若根 據本發明，可實現經得起實用化的全固體紫外線雷射振盪 器。 又，若根據本發明的程式及媒體，因可輕易求出最佳 峰値功率密度，所定振盪頻率、所定結晶長度之條件下， 在操作令波長λ之入射光射入非線形光學結晶以得波長1 / 2 λ之出射光的波長轉換系統時，設定適切的峰値功率 密度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，若根據本發明之波長轉換方法及波長轉換系統， 因可提升最佳峰値功率密度，故即使入射光之峰値功率密 度較高亦可獲得穩定之輸出。因此，可使用單晶四硼酸鋰 L Β 4等非線形光學結晶，達成穩定地高輸出、實現經得 起實用化的全固體紫外線雷射振盪器。 甚至，若根據本發明，藉由組合具有特定關係的異種 類非線形光學結晶，互補其缺點，整體而言可實現高轉換 效率及高耐光損傷性。因此，可有效率地獲得高功率的第 2高次諧波等和頻波。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -48-

Claims (1)

1269924 农 Α8 Β8 C8 D8 參"Τ μ nj J —一 一 ,____； 六、申請專利範圍 第9 1 1 1 0537號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閲脅背面之注意事項再填寫本頁) - 民國95年4月25 日修正 1 . 一種光波長轉換方法，係屬於 將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射振盪器的光當 作入射光，令其入射非線形光學結晶，使射出光之波長爲 1/2 λ之光波長轉換方法，其特徵爲 前記入射光之波長爲1 0 0 0 nm以下，且前記入射 光之峰値功率密度，爲賦予最大轉換效率之峰値功率密度 的0 · 1〜1 0倍， 前記非線形光學結晶係單晶四硼酸鋰（ L i 2B4O7) 0 2 . —種光波長轉換方法，係屬於 將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射振盪器的光當 作入射光，令其入射所定結晶長之單晶四硼酸鋰（ L i 2 Β 4 0 7 )，使射出光之波長爲1/2 λ之光波長轉 換方法，其特徵爲 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 前記入射光之波長爲1 0 0 0 nm以下，且前記入射 光之峰値功率密度，爲下記式（1 )中賦予最佳峰値功率 密度P c的〇 . 1〜1 〇倍， P c = a .Rep^ (1) (Rep :振盪頻率、α及/3 :係數） 3 ·如申請專利範圍第1或2項之光波長轉換方法’ 其中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1269924 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲·#背面之注意事項再填寫本頁) 前記入射光之光束張角在1 〇mr a d以下，時間脈 衝幅在1 0 0 n s e c以下，峰値功率密度在imW/ c m 2以上。 4 · 一種光波長轉換系統，係屬於 具備振盪固有波長λ之同調光的雷射振盪器，及將來 自該振盪器的所定振盪頻率光當作入射光、射出波長1 / 2 λ光的所定結晶長度之單晶四硼酸鋰（L i 2 Β 4〇7 ) 之光波長轉換系統，其特徵爲 前記入射光之波長在1 〇 〇 〇 n m以下，且前記入射 光之峰値功率密度，爲下記式（1 )中所賦予之最佳峰値 功率密度Pc之〇·1〜1〇倍， Pc = a .Rep^ (1) (Rep :振盪頻率、α及/9 ··係數）。 5 · —種記錄有程式之電腦可讀取之媒體，該程式係 令電腦成爲以下手段而發揮機能： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 接受當波長λ之所定振盪頻率入射光射入單晶四硼酸 鋰（L i 2 Β 4〇7 )以獲得波長1 / 2 Α出射光之際，入 射光峰値功率密度與轉換效率所成之組資料的輸入手段， 及 將前記組資料複數積蓄之記憶手段，及 使用前記記憶手段所積蓄之複數組資料運算出賦予最 大轉換效率之峰値功率密度的運算手段，及 將運算手段所得之賦予最大轉換效率的峰値功率密度 輸出之輸出手段。 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2- A8 B8 C8 D8 1269924 夂、申請專利範圍 6 · —種記錄有程式之電腦可讀取之媒體，該程式係 令電腦成爲以下手段而發揮機能： 接受當波長λ之所定振盪頻率入射光射入單晶四硼酸 鋰（L i 2 Β 4〇7 )以獲得波長1 / 2 λ出射光之際，振 盪頻率R e ρ與係數α、点所成之設定値的輸入手段，及 使用前記輸入手段所輸入之設定値、根據下記式 (1 )運算出最佳峰値功率密度之運算手段，及 將根據運算手段所得之最佳峰値功率密度輸出之輸出 手段 Pc = a . Rep^ (1) (Rep:振盪頻率、α及/9:係數）。 7 . —種光波長轉換方法，係屬於將來自振盪固有波 長λ之同調光之雷射振盪器的所定振盪頻率光當作入射 光’令其射入所定結晶長度之單晶四硼酸鋰 (L i 2 B 4 0 7 )，使射出光之波長爲1/2 λ之光波長 轉換方法，其特徵爲 將前記單晶四硼酸鋰（L i 2 Β 4〇7 )加熱保持在 200 〜600。。， 前記入射光波長在1 0 0 0 nm以下。 8 ·如申請專利範圍第7項之光波長轉換方法，其中 前記入射光之光束張角在1 〇mr a d以下，時間脈 衝幅度理想在1 〇 〇 n s e c以下，峰値功率密度，以1 M W / c ιγι 2 以上。 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董） I I I I I I I I I I I I κι 丁 J_ I I n I _ (請先閲·#背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -3- 1269924 A8 68 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 c、申請專利乾圍 9 · 一種光波長轉換系統，其特徵爲具備振盪固有波 長之同調光的雷射振盪器，及將來自該雷射振盪器的光作 爲入射光、而射出波長1 / 2 λ之光的單晶四硼酸鋰（ L i 2 Β 4 0 7 )，及將該單晶四硼酸鋰（L i 2 B 4〇7 ) 加熱保持在2 0 0〜6 0 0 °C的加熱手段， 前記入射光波長在1 0 0 0 nm以下。 1 0 · —種光波長轉換方法，係屬於 將來自振盪固有波長λ之同調光之雷射振盪器的所定 振盪頻率光當作入射光，令其射入單晶四硼酸鋰（ L i 2 Β 4 0 7 )，使射出光之波長爲1/2 λ之光波長轉 換方法，其特徵爲 將前記單晶四硼酸鋰加熱保持在5 〇〜6 0 〇 °C， 前記入射光波長在1 0 0 0 nm以下。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項之光波長轉換方法， 其中 前記入射光之光束張角在1 Omr a d以下，時間脈 衝幅度理想在1 0 0 n s e c以下，峰値功率密度，以1 M W / c m 2 以上。 1 2 · —種光波長轉換系統，其特徵爲具備振盪固有 波長之同調光的雷射振盪器，及將來自該雷射振器的光 作爲入射光、而射出波長1/ 2 λ之光的單晶四硼酸鋰 (L i 2 Β 4 0 7 )，及將該單晶四硼酸鋰加熱保持在5 〇 〜6 0 0 °C的加熱手段， 前記入射光波長在1 0 0 0 n m以下。 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4規格（210X297公釐） l·------I — .#-----1------ψ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -4- 1269924 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 七、申請專利範圍 1 3 · —種光波長轉換方法，係屬於 將所定波長及時間脈衝幅的基本波，依序入射至第i 非線形光學結晶及第2非線形光學結晶，以產生前記基本 波之第2高次諧波之光波長轉換方法，其特徵爲 前記第1非線形光學結晶，其對前記基本波的體積受 損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且 前記第2非線形光學結晶，其對前記基本波之有效非 線形係數較前記第1非線形光學結晶爲大； 前記第1非線形光學結晶係單晶四硼酸鋰（ L12B4O7) 前記第2非線形光學結晶係l i B 3 0 5、 CsL i B6〇i〇、KTi 〇p〇4 、或石― B a B 2 〇 4 0 1 4 · 一種光波長轉換方法，係屬於 將所定波長及時間脈衝幅的第1基本波及所定波長及 時間脈衝幅的第2基本波，依序入射至第1非線形光學結 晶及第2非線形光學結晶，以產生前記第1基本波及第2 基本波之和頻波之光波長轉換方法，其特徵爲 則記第1非線形光學結晶，其對前記第1基本波的體 積受損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且 前記第2非線形光學結晶，其對產生由前記第1基本 波及第2基本波所成之和頻波之有效非線形係數較前記第 1非線形光學結晶爲大； 則日己弟1非線形光學結晶係單晶四硼酸鋰（ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公羡） -----------，譬-----Γ1Τ:------0— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 1269924 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 L i 2 B 4 0 7 ); 前記第2非線形光學結晶係L i B 3〇5、 C sL i Be〇10、KT i 〇P〇4 、或石一 B a B 2 〇 4 〇 1 5 · —種光波長轉換系統，係屬於 具備讓所定波長及時間脈衝幅的基本波入射而產生第 2局次δ皆波之第1非線形光學結晶，及讓來自該第1非線 形光學結晶之出射光入射以產生前記基本波之第2高次諧 波之第2非線形光學結晶的光波長轉換系統，其特徵爲 則曰Β第1非線形光學結晶，其對前記基本波之體積受 損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且 前記第2非線形光學結晶，其對前記基本波之第2高 次諧波之產生的有效非線形係數較前記第1非線形光學結 晶爲大 » 前記第1非線形光學結晶係單晶四硼酸鋰（ L 12Β4Ο7); 前記第2非線形光學結晶係L i Β 3〇5、 CsL i B6〇i〇、KT i 〇P〇4、或 yS — B a B 2 〇 4 o 1 6 · —種光波長轉換系統，係屬於 具備將所定波長及時間脈衝幅的第1基本波及所定波 長及時間脈衝幅的第2基本波以產生前記第1基本波及第 2基本波之和頻波的第1非線形光學結晶，及讓來自該第 1非線形光學結晶的出射光入射以產生前記和頻波之第2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） L-------------Γ T ：______爹 (請先聞令背面之注意事項再填寫本頁) -6- 1269924 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 非線形光學結晶之光波長轉換系統，其特徵爲 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 前記第1非線形光學結晶，其對前記第1基本波的體 積受損臨界値較前記第2非線形光學結晶爲大，且 前記第2非線形光學結晶，其對產生由前記第1基本 波及第2基本波所成之和頻波之有效非線形係數較前記第 1非線形光學結晶爲大； 前記第1非線形光學結晶係單晶四硼酸鋰（ L 12B4O7); 前記第2非線形光學結晶係L i B 3〇5、 CsL i B6〇i〇、KT i〇P〇4、或石― B a B 2 〇 4 〇 1 7 · —種雷射振盪系統，係屬於具備將所定波長及 時間脈衝幅之基本波振盪之基本波振盪器，及讓來自該基 本波振盪器之前記基本波入射以產生第2高次諧波的光波 長轉換系統之雷射振盪系統，其特徵爲 前記光波長轉換系統，係申請專利範圍第1 5項之光 波長轉換系統。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 8 · —種雷射振盪系統，係屬於具備將所定波長及 時間脈衝幅之第1基本波及所定波長及時間脈衝幅之第2 基本波振盪之基本波振盪器，及讓來自該基本波振盪器之 前記第1基本波及前記第2基本波入射以產生和頻波的光 波長轉換系統之雷射振盪系統，其特徵爲 前記光波長轉換系統，係申請專利範圍第1 6項之光 波長轉換系統。 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） -7-