WO2012132866A1 - 波長変換素子および波長変換レーザ装置 - Google Patents

Abstract

　波長変換素子は、基本波である波長１０６４ｎｍの光を第２高調波である波長５３２ｎｍの光へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および波長５３２ｎｍの光の光を第４高調波である波長２６６ｎｍの光へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の波長変換結晶１００と、第１波長変換によって発生した波長５３２ｎｍの光を反射して、第２波長変換に供給するための第１の反射面Ｄ面１１０および第２の反射面Ｅ面１１１などで構成される。　こうした構成により、信頼性に優れ、簡易な構成で、第３高調波以上の高次高調波を効率よく発生することができる。

Description

波長変換素子および波長変換レーザ装置

　本発明は、第３高調波以上の高次高調波を発生するための波長変換素子および、これを用いた波長変換レーザ装置に関する。

　従来、第３高調波光以上の高次高調波を発生させる場合、通常、第２高調波を発生させるための第１の波長変換結晶に加え、第３高調波、もしくは第４高調波を発生させるための第２の波長変換結晶を使用する構成が一般的である。

　しかしながら、複数の波長変換結晶を使用する構成においては、複数の波長変換結晶自体が必要になることに加え、各波長変換結晶の角度および温度を調整するための調整手段、更には各波長変換結晶へ入射させる被波長変換光の入射角度、入射ビーム径を調整するための調整手段が必要であり、波長変換結晶および波長変換レーザ装置に要するコストが増加するという課題がある。

　加えて、複数の波長変換結晶の角度および温度、被波長変換光の入射角度、ビーム径を調整しなければならず、調整作業に手間を要するばかりでなく、各調整要素の適正値からのずれによって、高次高調波の出力やビーム強度分布、ビーム径が容易に変動してしまうという課題がある。

　これらの課題を解決するため、複数の波長変換結晶をオプティカルコンタクト等の手法を使用し、一体化する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、特定の結晶材料を使用し、単一の波長変換結晶を使用し、第３高調波を発生させる方法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開平１１－３８４５号公報 特開２０００－２２１５５０号公報

　このように従来、単一の波長変換素子を使用し、第３高調波以上の高次高調波を発生させる場合には、第２高調波を発生するための第１の波長変換結晶と、第３高調波以上の高次高調波を発生させる第２の波長変換結晶を各々準備し、第１の波長変換結晶と第２の波長変換結晶をオプティカルコンタクトその他の手法を用いて精確な角度で接合する必要がある。このため、波長変換素子の製作に著しくコストと労力を要するばかりではなく、熱膨張率の異なる結晶を接合するため、ヒートサイクルに伴う接合部の剥離等接合部における信頼性に課題がある。

　また、従来の単一の波長変換素子を使用し、第３高調波以上の高次高調波を発生させる構成においては、屈折率の異なる第１の波長変換結晶と第２の波長変換結晶を接合するため、接合部においてフレネル反射にともなう反射損失が発生するとともに、接合面の仕上げ状態によって散乱光が発生し、波長変換効率が低下するという課題がある。

　また、従来、単一の波長変換結晶を使用し、第３高調波を発生させる構成も開示されていたが、特定の波長変換結晶材料を使用した構成であり、発生可能な第３高調波の波長は、波長変換結晶材料の物性値で決まる特定の波長に限られるという課題がある。

　本発明の目的は、信頼性に優れ、簡易な構成で、第３高調波以上の高次高調波を効率よく発生することが可能な波長変換素子および、これを用いた波長変換レーザ装置を提供することである。

　上記目的を達成するために、本発明の第１態様に係る波長変換素子は、
　第１波長の光を第２波長の光へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および第２波長の光を第３波長の光へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
　第１波長変換によって発生した第２波長の光を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする。

　また本発明の第２態様に係る波長変換素子は、
　基本波を第２高調波へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および第２高調波を第４高調波へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
　第１波長変換によって発生した第２高調波を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする。

　本発明において、非線形光学結晶は、第４高調波を、第４高調波より高次の高調波へ変換する第３波長変換の第３位相整合条件をさらに満たしており、
　第２波長変換によって発生した第４高調波を反射して、第３波長変換に供給するための追加の反射手段をさらに備えることが好ましい。

　本発明において、非線形光学結晶は、セシウム・リチウム・ボレート系結晶であることが好ましい。

　また本発明の第３態様に係る波長変換素子は、
　基本波を第２高調波へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および基本波と第２高調波を和周波発生により第３高調波へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
　第１波長変換によって発生した第２高調波および第１波長変換で残存した基本波を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする。

　本発明において、非線形光学結晶は、第３高調波を、第３高調波より高次の高調波へ変換する第３波長変換の第３位相整合条件をさらに満たしており、
　第２波長変換によって発生した第３高調波を反射して、第３波長変換に供給するための追加の反射手段をさらに備えることが好ましい。

　本発明において、非線形光学結晶は、リチウム・トリボレート結晶であることが好ましい。

　本発明において、反射手段は、結晶方位が異なる少なくとも２つの反射面で構成されることが好ましい。

　本発明において、反射手段には、反射光の偏光方向を調整する偏光調整手段が設けられることが好ましい。

　本発明において、波長変換光が非線形光学結晶を出射する出射面において、波長変換光がＰ偏光として入射し、該出射面に対する波長変換光の入射角がブリュースター角となるように設定されていることが好ましい。

　本発明において、第１波長変換は、タイプＩＩ型の位相整合条件を満たすことが好ましい。

　本発明の第４態様に係る波長変換レーザ装置は、
　レーザ光を発生するレーザ光源と、
　該レーザ光の波長変換を行う、上記いずれかの波長変換素子と、を備えることを特徴とする。

　本発明において、レーザ光源は、光共振器と、光共振器の内部に配置されたレーザ媒質とを備え、
　前記波長変換素子は、光共振器の内部に配置されており、光共振器の光軸は少なくとも第１波長変換の位相整合方位に合致していることが好ましい。

　本発明において、第１波長変換は、タイプＩ型の位相整合条件を満たしており、
　光共振器の内部には、波長変換素子に入射するレーザ光の偏光方向を調整する偏光調整手段が設けられることが好ましい。

　本発明によれば、第１波長変換のための第１位相整合条件および第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶を用いて、第１波長変換によって発生した第２波長の光を第２波長変換に供給するための反射手段を備えることによって、信頼性に優れ、簡易な構成で、第３高調波以上の高次高調波を効率よく発生することができる。

本発明の実施の形態１による波長変換結晶の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による波長変換結晶をＢ面の法線方向から臨み、波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による波長変換結晶をＢ面の法線方向から臨み、波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。 本発明の実施の形態３による波長変換結晶をＢ面の法線方向から臨み、波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態５による波長変換結晶の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５による波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態５による波長変換結晶をＢ面の法線方向から臨み、波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。 本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態７による波長変換結晶の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態７による波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態７による波長変換結晶をＢ面の法線方向から臨み、波長変換結晶内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による波長変換結晶１００の構成を示す斜視図である。波長変換結晶１００は、非線形光学効果を示す結晶であり、本実施の形態においては、一例としてセシウム・リチウム・ボレート系結晶（ＣＬＢＯ結晶：ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を使用している。図１中、符号１０１、１０２、１０３で示す矢印は、各々ＣＬＢＯ結晶の誘電主軸であるＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸を表しており、Ｚ軸１０１はＣＬＢＯ結晶の光学軸と一致している。また、符号１０４で示す矢印は、波長変換結晶１００中での光線の主伝播方向を表すＺ’軸である。

　本実施の形態では、第１の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（２９．４ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）である。また、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（６１．９ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）である。従って、Ｚ’軸１０４の方位は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位との中間方位で定義され、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（４５．６５ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）となる。

　また、波長変換結晶１００の一方の端面１０７（Ａ面）は、その法線方向がＺ’軸１０４に一致するよう切り出されている。図中、１０８（Ｂ面）で示す波長変換結晶１０１の上面は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位の両方に対して平行な平面であり、本実施の形態では、誘電主軸であるＺ軸１０１と、光線の主伝播方向であるＺ’軸１０４の両方に対して平行となる。また、波長変換結晶１００の底面１０９（Ｃ面）は、波長変換結晶１００の上面であるＢ面１０８と平行となるよう形成されている。符号１１０（Ｄ面）は、波長変換結晶１００のもう一方の端面に形成された第１の反射面であり、符号１１１（Ｅ面）は、波長変換結晶１００のもう一方の端面に形成された第２の反射面である。

　次に、本実施の形態１による波長変換結晶１００に形成された各面の方位について、波長変換結晶１００の誘電主軸を基準に、ＸＹＺ直交座標系およびΘψ極座標系を用いて詳細に説明する。但し、偏角Θは、誘電体主軸の１つであるＺ軸１０１となす角度、偏角ψは、表記すべき方位のＸＹ平面上への写像が誘電体主軸の１つであるＸ軸１０２となす角度を表すものと定義する。

　Ａ面１０７の法線方向、即ちＺ’軸１０４の方位は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．５０５６，０．５０５６，０．６９９０）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（４５．６５ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）となる。

　Ｂ面１０８およびこれに平行なＣ面１０９の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．７０７１，－０．７０７１，０）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，－４５．０ｄｅｇ）となる。

　Ｄ面１１０の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（－０．０４５８，０．９４１９，０．３３２７）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（７０．５７ｄｅｇ，９２．７８ｄｅｇ）となる。

　Ｅ面１１１の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．７３１６，－０．１１４９，０．６７２０）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（４７．７８ｄｅｇ，－８．９３ｄｅｇ）となる。

　なお、本実施の形態による波長変換結晶１００のＡ面１０７には、波長１０６４ｎｍおよび波長２６６ｎｍの両方に対する反射防止コーティングが施されている。また、Ｄ面１１０およびＥ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となる２波長コーティングが施されている。

　次に、本実施の形態１による波長変換結晶１００を使用した波長変換方法について、図２および図３を用いて説明する。図２は、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。図３は、波長変換結晶をＢ面１０８の法線方向から臨み、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。図２と図３中、図１と同一符号は同一部分、もしくは相当部分を示している。

　図２および図３において、符号１０で示す実線は、波長１０６４ｎｍの基本波光で、図示してはいないがネオジウム（Ｎｄ）がドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）結晶をレーザ媒質として使用したＹＡＧレーザから出射される。符号１１で示す両矢印は、基本波光１０の偏光方向を表している。

　符号２０で示す点線は、波長変換結晶１００中において、第１の波長変換によって発生する波長５３２ｎｍの往路の第２高調波光であり、符号２１で示す両矢印は、往路の第２高調波光２０の偏光方向を表している。符合２２で示す点線は、Ｄ面１１０およびＥ面１１１において反射作用を受け、進行方向を折り返した復路の第２高調波光であり、符号２３で示す両矢印は、復路の第２高調波光の偏光方向を表している。また、符号４０で示す一点鎖線は、第２の波長変換によって発生する波長２６６ｎｍの第４高調波光であり、符号４１で示す両矢印は、第４高調波光４０の偏光方向を表している。

　なお、図示してはいないが、本実施の形態１の波長変換結晶１００であるＣＬＢＯ結晶は、ヒータおよび温度調整機構によって１５０℃近傍に維持されるとともに、結晶の設置角度の調整が可能な調整機構が設けられている。

　次に、本実施の形態１による波長変換結晶１００を使用した第１の波長変換について詳細に説明する。まず基本波光１０を、Ｂ面１０８（Ｃ面１０９）に対して平行な面内に維持し、偏光方向１１をＢ面１０８（Ｃ面１０９）に対して直交する方向に設定し、Ａ面１０７より波長変換結晶１００内へ入射させる。このとき、図３に示すように、基本波光１０のＡ面１０７に対する入射角、即ちＡ面１０７の法線方向であるＺ’軸１０４となす角度は２４．５２ｄｅｇに設定する。Ａ面の方位は前記の通り設定しているので、波長変換結晶１００のＡ面へ、入射角２４．５２度で入射する波長１０６４ｎｍのＢ面１０８（Ｃ面１０９）に垂直な直線偏光成分１１に対するＣＬＢＯ結晶１００の屈折率は、１．４８３となる。この屈折効果によって波長変換結晶１００中での基本波光１０の進行方向はスネルの法則に従い折り曲げられ、図３に示すようにＺ’軸に対し１６．２５ｄｅｇの角度をなす。

　波長変換結晶１００中の基本波光１０は、Ｂ面１０８（Ｃ面１０９）に平行な面内を伝播するため、基本波光１０の波長変換結晶１００中での伝播方位は、ＣＬＢＯ結晶１００の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（２９．４ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）となり、第１の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位と一致する。また、Ｂ面１０８（Ｃ面）に垂直な偏光方向は、タイプＩ型の位相整合において、常光の偏光方向と一致するため、上記の如く波長変換結晶１００へ入射した基本波光１０は、第１の波長変換によって効率よく波長５３２ｎｍの第２高調波光２０へ変換される。この際、第２高調波光２０は異常光となるため、往路の第２高調波光２０の偏光方向は、Ｂ面１０８（Ｃ面１０９）と平行な方向になる。

　次に、本実施の形態１による波長変換結晶１００を使用した第２の波長変換について詳細に説明する。波長変換結晶１００中を第２高調波光２０へ変換されながら伝播する基本波光１０は、Ｄ面１１０に到達する。前記の通り、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となる２波長コーティングが施されているので、Ｄ面１１０に到達した基本波光１０は、波長変換結晶１００の外部へ出射する。

　一方、波長５３２ｎｍの往路の第２高調波光２０は、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１の２面で反射作用を受け、進行方向を折り返し復路の第２高調波光２２となる。ここで、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１は前記方位にて形成されているため、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１の２面で反射作用を被る復路の第２高調波光２２の伝播方位は、往路と同じくＢ面１０８（Ｃ面１０９）に平行な面内で、Ｚ’軸１０４に対し１６．２５ｄｅｇの角度をなす。従って、復路の第２高調波光２２の波長変換結晶１００中での伝播方位は、ＣＬＢＯ結晶１００の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（６１．９ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）と平行になる。但し、第２の高調波光２０の伝播方位は、波長変換結晶１００の複屈折で発生するウォークオフの方位ではなく、平面波を仮定した場合の波面法線方向で定義する（以下、同様）。従って、復路の第２高調波光２２の伝播方位は、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位と一致する。

　また、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１は前記方位で形成されているため、往路の第２高調波光２０の偏光方向２１はＢ面１０８（Ｃ面１０９）に平行であったのに対し、復路の第２高調波光２２の大部分の偏光成分は、図２中、符号２３で示す如くＢ面１０８（Ｃ面１０９）に垂直な方向となる。Ｂ面１０８（Ｃ面）に垂直な偏光方向は、タイプＩ型の位相整合において、常光の偏光方向と一致するため、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１での反射作用によって進行方向を折り返された復路の第２高調波光２２は、第２の波長変換によって効率よく波長２６６ｎｍの第４高調波光４０へ変換される。この際、第４高調波光４０は異常光となるため、第４高調波光４０の偏光方向４１は、Ｂ面１０８（Ｃ面１０９）と平行な方向になる。

　上記伝播方位における常光である波長５３２ｎｍの復路の第２高調波光２２、および異常光である波長２６６ｎｍの第４高調波光４０に対するＣＬＢＯ結晶１００の屈折率は、ともに１．４９７となるため、Ａ面１０７へ到達した復路の第２高調波光２２、および第４高調波光４０は、ともにＺ’軸１０４に対し２４．７７ｄｅｇの角度をなして、波長変換結晶１００の外部へ出射する。波長変換結晶１００を出射し、同一方向に伝播する第２高調波光２２と第４高調波光４０は、波長５３２ｎｍに対しては高反射、波長２６６ｎｍに対しては高透過となる２波長ミラー５０を使用することによって、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０のみを容易に取り出すことができる。

　本実施の形態１においては、上記の如く波長変換結晶１００の各面の方位を決定し、被波長変換光である基本波光１０の入射方向を定めている。そのため基本波光１０は、第１の波長変換に関して波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生の位相整合条件に合致する方位と偏光方向で波長変換結晶１００へ入射し、波長５３２ｎｍの第２高調波光２０へ効率よく変換されるとともに、第２高調波光２０は、Ｄ面１１０、Ｅ面１１１からなる２面での反射作用により光路を折り返し、復路の第２高調光２２の伝播方位、偏光方向２３を、第２の波長変換に関して波長５３２ｎｍを基本波とするタイプＩ型の第２高調波発生の位相整合条件に合致する方位と偏光方向へ反射せしめるので、単一の波長変換結晶１００を使用し、入射光である波長１０６４ｎｍの基本波光１０から、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０を効率よく発生させることができるという格別の効果を奏するものである。

　なお本実施の形態１においては、第１の波長変換として波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプＩ型の第２高調波発生、第２の波長変換として波長５３２ｎｍを基本波とするタイプＩ型の第２高調波発生を使用し、単一の波長変換結晶を用いて波長１０６４ｎｍの基本波光から波長２６６ｎｍの第４高調波光へ変換する構成について例示したが、被波長変換光である基本波の波長はこれに限るものではない。要は同一の波長変換結晶において、同一の温度で第２高調波光、および第２高調波光より高次の高調波光両者の発生が可能であれば、第２高調波光を発生する第１の波長変換、および第２高調波光より高次の高調波光を発生する第２の波長変換の位相整合方位と偏光方向に応じて、波長変換結晶各面の方位を決定してやれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。なお、任意の波長、方位、偏光方向に対する波長変換結晶の屈折率は、波長変換結晶の物性値によって決まるセルマイヤー方程式を使用し導出することができる。また第２高調波光を発生する第１の波長変換、および第２高調波光より高次の高調波光を発生する第２の波長変換の位相整合方位と偏光方向が明らかであれば、波長変換結晶に形成する反射面の方位は、幾何光学的手法に基づき解析的に求めることができる。

　ここで注意すべき点は、第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程においても、伝播方位が波長変換結晶１１０の光学軸と一致しない限り、複屈折の影響を被ることである。即ち、第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程においても、偏光方向は常光と異常光の２方向にのみ許容される。このため、第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程における複屈折の影響も考慮し、反射面の方位を設計する必要がある。

　例えば、本実施の形態１に示すように、第２の波長変換の位相整合がタイプＩ型である場合、位相整合条件を満たす被波長変換光（実施の形態１の場合、波長５３２ｎｍの第２高調波光）の偏光方向は１方向（実施の形態１の場合は常光）のみとなる。第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程において、常光と異常光の２つの偏光成分に分離して光線が伝播した場合、光線の伝播方位を第２の波長変換の位相整合方位へ一致させる第２の反射面Ｅ面１１１での反射作用によって、常光と異常光の２つに分離した偏光成分を単一の偏光成分へ合成することは困難である。このため、第１の反射面Ｄ面１１０による反射作用により決定される偏光成分は、可能な限り第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程において、常光、もしくは異常光のどちらか一方へ偏ることが望ましい。

　本実施の形態１においては、第１の反射面Ｄ面１１０の方位を前記の如く形成しているので、理論的には、第１の反射面Ｄ面１１０において反射作用を被る第２高調波光の偏光成分のうち９９％以上を、第１の反射面Ｄ面１１０から第２の反射面Ｅ面１１１へ至る伝播過程においても常光方向へ偏波させることができる。更に、第２の反射面Ｅ面１１１を前記の如く形成しているので、理論的には、第２の反射面Ｅ面１１１で反射される常光成分のうち９９％以上を、第２の波長変換の位相整合方位において、第２の波長変換の位相整合条件に合致する常光方向へ偏波せしめ、効率よく第２の波長変換を行うことができる。但し、前述した第１の反射面Ｄ面１１０、および第２の反射面Ｅ面１１１の法線方向のΘψ極座標表記は、少数点第２位以下を四捨五入したことを追記しておく（以下同様）。

　本実地の形態１においては、波長変換結晶１００に２面からなる反射面（Ｄ面１１０、Ｅ面１１１）を形成し、第２の波長変換の位相整合条件へ合致させる構成について示したが、第２の波長変換の位相整合条件へ合致させる反射面の数はこれに限るものではない。要は、被波長変換光の伝播方位を第２の波長変換の位相整合方位へ合致させる過程においても、複屈折効果を考慮し、第２の波長変換の位相整合条件に合致する偏光成分が最大となるよう、各反射面の方位を決定すればよい。波長変換結晶１００中での伝播方位が決まれば、常光、異常光の偏光方向は、誘電主軸との相対方位により一義的に求めることができる。

　また本実施の形態１においては、波長変換結晶１００にＣＬＢＯ結晶を使用し、第１の波長変換として波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、第２の波長変換として波長５３２ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、単一の波長変換結晶を用いて波長１０６４ｎｍの基本波光から波長２６６ｎｍの第４高調波光へ変換する構成について示したが、波長変換結晶の種類および波長変換時の位相整合のタイプは、これに限るものではない。要は、同一の波長変換結晶において、同一の温度で特定の波長に対し第２高調波光、および第２高調波光より高次の高調波の発生が可能な波長変換結晶であれば、第２高調波光、および第２高調波光より高次の高調波光を発生する位相整合方位、偏光方向に応じて幾何光学的手法に基づき波長変換結晶に形成する各面の方位を決定すれば、本実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

　なお実際の波長変換結晶に形成される各面の方位は、製造誤差により設計値からずれを生じる場合がある。このような場合には、波長変換結晶の設置角度および波長変換結晶の温度を、第２高調波より高次の高調波光の出力が最大となるよう適宜調整すればよい。

　実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２による波長変換結晶１００をＢ面１０８の法線方向から臨み、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。図４において、図１乃至図３と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。本実施の形態２においても、波長変換結晶１００には前記実施の形態１と同じく、約１５０℃に加熱されたＣＬＢＯ結晶を使用しており、第１の波長変換として波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、第２の波長変換として波長５３２ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、単一の波長変換結晶１００を用いて波長１０６４ｎｍの基本波光から波長２６６ｎｍの第４高調波光へ変換する構成について示している。即ち、波長変換結晶１００を構成するＡ面１０７、Ｂ面１０８、Ｄ面１０９、Ｅ面１１０の誘電体主軸を基準とした方位、波長変換結晶１００内部での基本波光１０、および第２高調波光２０、２２、および第４高調波光４０の伝播方位、偏光方向についても前記実施の形態１と同一である。

　本実施の形態２の波長変換結晶１００においては、波長変換結晶１００内において発生した第４高調波光４０が、波長変換結晶１００外部へ出射するＦ面１１２が形成されている。ここでＦ面１１２は、Ｚ’軸１０４と４９．９９ｄｅｇの角度をなす向きに形成されており、Ｆ面１１２の法線の方位を、誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（８４．３６ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）となる。第４高調波光４０の偏光４１はＢ面１０８に平行であり、第４高調波光４０はＦ面１１２に対しＰ偏光で入射する。また、波長変換結晶１００内での第４高調波光４０の伝播方位はＢ面１０８に平行で、Ｚ’軸１０４と１６．２５ｄｅｇの角度をなしているため、第４高調波光４０のＦ面への入射角は３３．７４ｄｅｇとなる。波長変換結晶１００内において、上記伝播方位および偏光方向の第４高調波光４０に対する波長変換結晶１００の屈折率は１．４９７となるため、Ｆ面１１２に対する第４高調波光４０の入射角３３．７４ｄｅｇはブリュースター角となる。

　本実施の形態２においては、第４高調波光４０が波長変換結晶１００から出射するＦ面１１２の方位を、第４高調波光４０がＰ偏光で入射し、かつ第４高調波光４０の入射角度がブリュースター角と合致するよう形成したので、Ｆ面１１２に変質や異物付着のない理想的な条件においては、ほぼ１００％の第４高調波光４０を損失なく波長変換結晶１００の外部へ取り出すことができる。

　なお本実施の形態２においては、波長変換結晶１００にＣＬＢＯ結晶を使用し、波長１０６４ｎｍの基本波から、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０を発生させる構成について例示したが、基本波光の波長、波長変換結晶の種類、発生する高次高調波の次数についてはこれに限るものではない。要は波長変換結晶から取り出す高次高調波の伝播方位、偏光方向、高次高調波が感受する屈折率に応じ、出射面の角度がブリュースター角となるよう形勢すれば、本実施の形態２と同様な効果を得ることができる。

　実施の形態３．
　図５は、本発明の実施の形態３による波長変換結晶１００をＢ面１０８の法線方向から臨み、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。図５において、図１乃至図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。本実施の形態３においても、波長変換結晶１００は前記実施の形態１乃至２と同じく、約１５０℃に加熱されたＣＬＢＯ結晶であり、第１の波長変換として波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、第２の波長変換として波長５３２ｎｍを基本波とするタイプI型の第２高調波発生を使用し、単一の波長変換結晶１００を用いて波長１０６４ｎｍの基本波光から波長２６６ｎｍの第４高調波光へ変換する構成について示している。また、波長変換結晶１００を構成するＡ面１０７、Ｂ面１０８の誘電体主軸を基準とした方位は、前記実施の形態１乃至２と同一である。

　本実施の形態３の波長変換結晶１００のＤ面１１０は、Ａ面１０７に対して平行に形成されており、Ｄ面１１０には、波長５３２ｎｍの第２高調波光２０、２２に対する反射型の１／２波長板５１が、オプティカルコンタクトによって接合されている。なお、１／２波長板５１の光学軸は、Ｂ面１０８の法線に対し４５ｄｅｇの角度をなす向きで、Ｄ面に接合されている。

　本実施の形態においては、Ｄ面１１０がＡ面１０７と平行に形成されているので、Ｄ面１１０に接合された１／２波長板５１からの反射光である復路の第２高調波光２２の波長変換結晶１００中での伝播方位は、前記実施の形態１乃至２と同一になる。ここで、１／２波長板５１は、光学軸がＢ面１０８の法線に対し４５ｄｅｇの角度をなすようＤ面１１０に接合されている。従って、Ｂ面１０８に平行な往路の第２高調波光２０の偏光方向２１は、１／２波長板５１によって９０ｄｅｇ回転し、復路の第２高調波光２２の偏光方向２３は、Ｂ面１０８の法線方向と等しくなる。この結果、復路の第２高調波光２２の伝播方位、偏光方向２３は、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合条件と一致し、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０を効率よく発生させることができる。

　本実施の形態３に示すように、単一の波長変換結晶中において、第１の波長変換によって発生した第２高調波光を、第２の波長変換の位相整合方位へ反射せしめる方位に形成された一面に、第１の波長変換によって発生した第２高調波光の偏光方向を、第２の波長変換の位相整合条件に合致した偏光方向へ回転せしめる反射型の偏光回転素子を接合すれば、第１の波長変換によって発生した第２高調波光の方位および偏光方向を、第２の波長変換の位相整合条件に合致させるため、波長変換結晶中に形成する反射面が一面で良いので、簡易、かつ廉価な構成で、第１および第２の波長変換を単一の波長変換結晶を用いて実現することができる。

　なお本実施の形態３においては、波長変換結晶１００としてＣＬＢＯ結晶を使用し、波長１０６４ｎｍの基本波から、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０を発生させる構成について示したが、基本波光の波長、波長変換結晶の種類、発生する高次高調波の次数についてはこれに限るものではない。また、実際には波長変換結晶作成時の製造誤差により、偏光方向が設計値からずれる場合がある。このような場合には、適宜目的とする高次高調波の出力が最大となるよう接合する反射型の偏光回転素子の角度を調整すればよい。

　実施の形態４．
　図６は、本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に示す波長変換レーザ装置においては、図４において示した前記実施の形態２と各面の方位が同一に形成された波長変換結晶１００を使用している。なお、図示してはいないが、本実施の形態１の波長変換結晶１００であるＣＬＢＯ結晶は、ヒータおよび温度調整機構によって１５０℃近傍に維持されるとともに、結晶の設置角度を調整することができる調整機構が設けられる。また、本実施の形態の波長変換結晶１００のＡ面１０７には、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの両者に高透過となる２波長コーティングが施されており、Ｄ面１１０、およびＥ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となるような２波長コーティングが施されている。

　図６中、符号１は固体レーザ媒質であり、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶を使用している。符号２は固体レーザ媒質１の励起光源として使用する半導体レーザで、固体レーザ媒質１の側方に３台の半導体レーザ２が設置されている。符号３は、光共振器を構成する第１の反射鏡で、波長１０６４ｎｍに対し高反射となるコーティングが施されている。符号４は、光共振器を構成する第２の反射鏡で、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍ両者に対し高反射となるコーティングが施されている。符号５は、光共振器中に挿入された音響光学型のＱスイッチ素子である。符号６は、波長１０６４ｎｍに対する偏光選択素子で、本実施の形態では、石英の平行平面基板を波長１０６４ｎｍに対するブリュースター角で挿入している。なお、図示してはいないが、偏光選択素子６は、基本波光１０の光軸を回転軸に、角度の調整が可能な調整機構が設けられている。また、本実施の形態の２波長ミラー５０は、波長５３２ｎｍの第２高調波光２２には高透過となり、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０には高反射となる２波長コーティングが施されている。なお、２波長ミラー５０を透過した第２高調波光２２は、符号７で示されるダンパーへ入射する。

　次に本実施の形態４の動作について説明する。第１の反射鏡３および第２の反射鏡４から構成される本実施の形態の波長変換レーザ装置の光共振器の光軸は、波長変換結晶１００内での光路が、第１の波長変換に関して波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波光発生に対するタイプＩ型の位相整合方位と合致するよう調整されている。また、光共振器内の基本波光１０の偏光方向は、波長変換結晶１００内での偏光方向が、前記実施の形態１において説明した波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波光発生に対するタイプＩ型の位相整合条件に合致するように、偏光選択素子６によって調整されている。

　半導体レーザ２から出射する励起光を固体レーザ媒質１へ照射することにより、固体レーザ媒質１を励起すると、固体レーザ媒質１は特定の波長領域で増幅作用を示す。固体レーザ媒質１から発生した自然放出光が、第１の反射鏡３と第２の反射鏡４で構成される光共振器内を往復し、励起された固体レーザ媒質１を通過する際に増幅作用を受けて、レーザ発振に至る。ここで、第１の反射鏡３、ならびに第２の反射鏡４は、ともに波長１０６４ｎｍに対する高反射コーティングが施されている。従って、本実施の形態の波長変換レーザ装置においては、発振波長として１０６４ｎｍが選択される。また、本実施の形態の波長変換レーザ装置においては、光共振器内に音響光学型のＱスイッチ５が挿入されており、Ｑスイッチ素子５を使用し、光共振器の損失を一定周期をもって増減させることにより、尖頭出力の高いＱスイッチパルスを発生させている。

　波長変換結晶１００内を通過する基本波光１０の方位および偏光方向は、第１の波長変換の位相整合条件と合致するため、効率よく第２高調波光２０へと変換される。また、本実施の形態の波長変換レーザ装置においては、基本波光１０を発生する光共振器の内部に波長変換結晶１００を設置しているため、第１の反射鏡３から第２の反射鏡４へ向かう往路の基本波、第２の反射鏡４から第１の反射鏡４へ向かう復路の基本波両者ともに第２高調波光２０へ変換される。第１の反射鏡３から第２の反射鏡４へ向かう往路の基本波によって発生した第２高調波光２０は、一旦、波長変換結晶１００のＡ面１０７から波長変換結晶１００外部へ出射し、第２の反射鏡４へ至る。第２の反射鏡４には、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍ両者に対する高反射コーティングが施されているため、第１の反射鏡３から第２の反射鏡４へ向かう往路の基本波光１０によって発生した第２高調波光２０は、第２の反射鏡４により進行方向が折り返され、再度波長変換結晶１００へ入射する。波長変換結晶１００へ再入射した第２高調波光２０は、Ｄ面１１０、ならびにＥ面１１１による反射作用を受け、方位、偏光方向ともに、第２の波長変換の位相条件に合致するため、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０へ効率よく変換される。

　本実施の形態４に示すように、単一の波長変換結晶を使用し、第１および第２の波長変換を行う構成において、波長変換結晶を、基本波光を発生する波長変換レーザ装置の光共振器内に設置し、光共振器内の基本波光の光軸方位および偏光方向を、第１の波長変換の位相整合条件と合致させれば、光共振器内を往復する往路の基本波光および復路の基本波光の両者を第１の波長変換に供することが可能になり、第１の波長変換の変換効率を向上させることができることに加え、第１の波長変換により往路の基本波光によって発生した高調波光および復路の基本波光により発生した高調波光ともに、第２の波長変換へ供することが可能になるので、第２の波長変換の変換効率も向上させることができるという効果がある。

　また、本実施の形態４においては、波長変換結晶を、基本波光を発生する波長変換レーザ装置の光共振器内に設置しているので、波長変換結晶へ入射する基本波光の強度を容易に高め、第１の波長変換の変換効率を効果的に向上させ、ひいては第２の波長変換の変換効率を向上させることができる。

　また、本実施の形態４の波長変換レーザ装置においては、単一の波長変換結晶を使用し、第１および第２の波長変換を行う構成としているので、第２の波長変換を行うための調整作業が不要となり、安定に第２の波長変換光を発生さることができる。

　なお、本実施の形態４においては、第１の波長変換のみを、波長変換レーザ装置の光共振器内で行う構成を示したが、例えば、第１の波長変換で第２高調波光を発生させ、第２の波長変換によって、第２高調波光と基本波の和周波を発生させる第３高調波発生等については、第１の波長変換、第２の波長変換ともに、波長変換レーザ装置の光共振器内で行う構成としてもよい。

　実施の形態５．
　図７は、本発明の実施の形態５による波長変換結晶１００の構成を示す斜視図である。図７において、図１乃至図６と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。本実施の形態５においても、波長変換結晶１００は前記実施の形態１乃至４と同じく、約１５０℃に加熱されたＣＬＢＯ結晶を使用している。本実施の形態５では、第１の波長変換として、波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプＩＩ型の位相整合で第２高調波発生を行い、第２の波長変換として、前記実施の形態１乃至４と同じく波長５３２ｎｍを基本波とするタイプＩ型の位相整合で第２高調波発生を行い、単一の波長変換結晶１００を使用し、波長１０６４ｎｍの基本波光から波長２６６ｎｍの第４高調波光へ変換する構成を示している。本実施の形態においては、第１の波長変換として、波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプＩＩ型の第２高調波発生を使用するので、波長変換結晶１００に形成された各面の方位は、前記実施の形態１乃至４とは異なる。

　図７中、符号１０４で示す矢印は、波長変換結晶１００中での光線の主伝播方向を表すＺ’軸である。本実施の形態では、第１の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩＩ型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（４２．６ｄｅｇ，０ｄｅｇ）である。また、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（６１．９ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）である。従って、Ｚ’軸１０４の方位は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位との中間方位で定義され、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（５０．０８ｄｅｇ，２５．６２ｄｅｇ）となる。

　また、波長変換結晶１００において、Ａ面１０７の法線方向は、第１の波長変換の位相整合方位と一致し、Ｆ面１１２の法線方向は、第２の波長変換の位相整合方位と一致するよう形成されている。また、Ｂ面１０８は、前記実施の形態１乃至５と同様、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位の両者に平行な平面である。Ｃ面１０９はＢ面１０８と平行に形成されている。

　次に、本実施の形態５による波長変換結晶１００に形成された各面の方位について、波長変換結晶１００の誘電主軸を基準に、ＸＹＺ直交座標系およびΘψ極座標系を用いて詳細に説明する。但し、偏角Θは、誘電体主軸の１つであるＺ軸１０１となす角度、偏角ψは、表記すべき方位のＸＹ平面上への写像が誘電体主軸の１つであるＸ軸１０２となす角度を表すものとする。

　Ａ面１０７の法線方向は、第１の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とした第２高調波発生に対するタイプＩＩ型の位相整合方位と一致するので、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．６７６９，０，０．７３６１）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（４２．６ｄｅｇ，０ｄｅｇ）となる。

　Ｂ面１０８およびこれに平行なＣ面１０９は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位の両者に平行なので、Ｂ面１０８およびＣ面１０９の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．７１８１，－０．２１９５，－０．６６０４）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（１３１．３３ｄｅｇ，－１６．９９ｄｅｇ）となる。

　第１の反射面Ｄ面１１０の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（－０．２８６３，－０．０９３８，０．９５３５）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（１７．５３ｄｅｇ，－１６１．８６ｄｅｇ）となる。

　第２の反射面Ｅ面１１１の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．９０２９，０．４０８０，０．１３５１）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（８２．２４ｄｅｇ，２４．３１ｄｅｇ）となる。

　なお、本実施の形態５による波長変換結晶１００のＡ面１０７には、波長１０６４ｎｍに対する反射防止コーティングが施され、Ｆ面１１２には、波長２６６ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。また、Ｅ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となる２波長コーティングが施されている。

　次に、本実施の形態５による波長変換結晶１００を使用した波長変換方法について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施の形態５による波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。図９は、本実施の形態５による波長変換結晶をＢ面１０８の法線方向から臨み、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。図８と図９中、図１乃至図７と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。

　本実施の形態５では、第１の波長変換がタイプＩＩ型の位相整合であるため、波長１０６４ｎｍのランダム偏光の基本波光１０をＡ面１０７より垂直入射させる。Ａ面１０７は、その法線が第１の波長変換の位相整合方位と一致するよう形成されているため、基本波光１０をＡ面１０７に垂直入射させれば、波長変換結晶１００内での基本波光１０の伝播方位も第１の波長変換の位相整合方位と一致させることができる。また、波長変換結晶１００中では、偏光方向は常光と異常光方向にのみ許容されるため、偏光方向が概ね均一に分布するランダム偏光の基本波光１０は、波長変換結晶１００内で略均等に常光と異常光に分配され、タイプＩＩ型の位相整合により、効率よく波長５３２ｎｍの第２高調波光２０を発生させることができる。タイプＩＩ型の位相整合により発生した第２高調波光２０は異常光となるため、その伝播方位は基本波光１０と同一であり、その偏光方向は、ＣＬＢＯ結晶の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（４７．４０ｄｅｇ，１８０．０ｄｅｇ）となる。

　波長変換結晶１００中を伝播する基本波光１０および往路の第２高調波光２０は、Ｄ面１１０に入射し、波長変換結晶１００外部との屈折率差により全反射作用を受け、伝播方位へ変えてＥ面１１１へ入射する。Ｅ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となる２波長コーティングが施されているので、波長１０６４ｎｍの基本波光１０はＥ面１１１より波長変換結晶１００外部へ出射する。一方、波長５３２ｎｍの第２高調波光２０は、Ｄ面１１０およびＥ面１１１の２面で反射作用を受け、進行方向を折り返し復路の第２高調波光２２となる。ここで本実施の形態５の波長変換結晶１００では、Ｄ面１１０およびＥ面１１１の方位が前記の如く形成されているため、復路の第２高調波光２２の伝播方位は、ＣＬＢＯ結晶１００の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（６１．９ｄｅｇ，４５．０ｄｅｇ）となり、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位と一致する。

　また、第１の反射面Ｄ面の方位を前記の如く形成しているため、理論的にはＤ面１１０に入射する第２高調波光２０の偏光成分のうち９６％以上を、Ｄ面１１０からＥ面１１１へ至る伝播過程においても、異常光方向へ偏波させることができる。更に、第２の反射面Ｅ面１１１を前記の如く形成しているので、理論的には、第２の反射面Ｅ面１１１で反射される異常光成分のうち９９％以上を、第２の波長変換の位相整合方位において、第２の波長変換の位相整合条件に合致する常光方向へ偏波せしめ、効率よく第２の波長変換を行うことができる。即ち、第１の波長変換によって発生する第２高調波光２０のうち、理論的には９５％以上の第２高調波光を、ＣＬＢＯ結晶の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，－４５．０ｄｅｇ）と表記される偏光方向２３へ偏波させることができる。

　この偏波方向は、第２の波長変換の位相整合方位において常光と一致するため、復路の第２高調波光２２の伝播方位および偏光方向２３は、第２の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長５３２ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合条件に合致する。従って、上記の如く形成された波長変換結晶１００を使用しても、前記実施の形態１乃至実施の形態４と同じく、単一の波長変換結晶１００を使用し、入射光である波長１０６４ｎｍの基本波光１０から、波長２６６ｎｍの第４高調波光４０へ効率よく変換することができる。但し、本実施の形態による第４高調波光４０の偏光方向４１は、第２の波長変換の位相整合方位において異常光となるため、波長変換結晶１００のＢ面１０８の法線に対し、４１．５３ｄｅｇの角度をなしている。

　本実施の形態５に示すように、第１の波長変換にタイプＩＩ型の位相整合を使用しても、前記実施の形態１乃至実施の形態４と同様な効果が得られるばかりでなく、ランダム偏光である基本波光を被波長変換光として使用することが可能になるので、基本波光の光源に直線偏光の選択手段が不要になるばかりでなく、波長変換結晶へ基本波光を入射させる際に、偏光方法を位相整合条件に合わせる必要がなく、入射光の調整も簡易になるという効果がある。

　更に、波長変換結晶としてＣＬＢＯ結晶を使用した場合、波長１０６４ｎｍを基本波とした第２高調波発生において、タイプＩ型の位相整合時の実効非線形光学定数が０．３８ｐｍ／Ｖであるのに対し、タイプＩＩ型の位相整合時の実効非線形光学定数は０．６８ｐｍ／Ｖとなる。そのため第１の波長変換にタイプＩＩ型の位相整合を使用すれば、第２高調波発生時の波長変換効率を更に向上させることができるという格別な効果を奏する。

　実施の形態６．
　図１０は、本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に示す波長変換レーザ装置においては、図７乃至図９において示した前記実施の形態５と各面の方位が同一に形成された波長変換結晶１００を使用している。なお、図示してはいないが、本実施の形態１の波長変換結晶１００であるＣＬＢＯ結晶は、ヒータおよび温度調整機構によって１５０℃近傍に維持されるとともに、結晶の設置角度を調整することができる調整機構が設けられている。また、本実施の形態の波長変換結晶１００のＡ面１０７には、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの両者に高透過となる２波長コーティングが施されている。Ｆ面１１２には、波長２６６ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。また、Ｅ面１１１には、波長１０６４ｎｍに対しては高透過、波長５３２ｎｍに対しては高反射となるような２波長コーティングが施されている。

　本実施の形態６による波長変換レーザ装置も、前記実施の形態４と同じく、波長変換結晶１００を、基本波光１０を発生する波長変換レーザ装置の光共振器中に設置するとともに、波長変換結晶１００中での基本波光１０の光軸を、第１の波長変換に関して結晶温度１５０℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩＩ型の位相整合方位と一致させている。

　また本実施の形態６においても、前記実施の形態４と同じく、基本波光１０から往路の第２高調波光２０、復路の第２高調波光２２から第４高調波光４０への波長変換効率を効果的に高めることができるばかりでなく、基本波光１０はランダム偏光でよいので、基本波光１０の偏光方向を規定する偏光選択素子が不要になり、調整が容易になることに加え、波長変換レーザ装置のコスト低減が可能になるという効果がある。更に、基本波光１０の発生時に、直線偏光を選択する必要がないので、脱偏光にともなう共振器損失を低減し、効率よく基本波光１０を発生させることが可能になり、ひいては、第２高調波光２０、第４高調波光４０への波長変換効率を効果的に向上させることができるという格別な効果を奏する。

　実施の形態７．
　図１１は、本発明の実施の形態７による波長変換結晶１００の構成を示す斜視図である。図１１において、図１乃至図１０と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。本実施の形態７においては、波長変換結晶１００として、２７℃のほぼ室温に温度調整されたリチウム・トリボレート結晶（ＬＢＯ結晶：ＬｉＢ_３Ｏ_５）を使用している。また、本実施の形態７においては、第１の波長変換として、波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプＩ型の位相整合で第２高調波発生を行い、第２の波長変換として、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍのタイプII型の位相整合によって和周波発生を行い、単一の波長変換結晶１００を使用し、波長１０６４ｎｍの基本波光から波長３５５ｎｍの第３高調波光へ変換する構成を示す。

　図１１中、符号１０４で示す矢印は、波長変換結晶１００中での光線の主伝播方向を表すＺ’軸である。本実施の形態では、第１の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とする第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，１１．３ｄｅｇ）である。また、第２の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの和周波発生に対するタイプII型の位相整合方位は、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（４２．６ｄｅｇ，９０．０ｄｅｇ）である。従って、Ｚ’軸１０４の方位は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位との中間方位で定義され、誘電主軸を基準としたΘψ極座標表示で、（Θ，ψ）＝（６０．７２ｄｅｇ，４１．６７ｄｅｇ）となる。

　また、波長変換結晶１００において、Ａ面１０７の法線方向は、第１の波長変換の位相整合方位と一致し、Ｆ面１１２の法線方向は、第２の波長変換の位相整合方位と一致するよう形成されている。また、Ｂ面１０８は、前記実施の形態１乃至７と同様、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位の両者に平行な平面である。Ｃ面１０９はＢ面１０８と平行に形成されている。

　次に、本実施の形態７による波長変換結晶１００に形成された各面の方位について、波長変換結晶１００の誘電主軸を基準に、ＸＹＺ直交座標系およびΘψ極座標系を用いて詳細に説明する。

　Ａ面１０７の法線方向は、第１の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とした第２高調波発生に対するタイプＩ型の位相整合方位と一致するので、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．９８０６，０．１９５９，０）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，１１．３ｄｅｇ）となる。

　Ｂ面１０８およびこれに平行なＣ面１０９は、第１の波長変換の位相整合方位と第２の波長変換の位相整合方位の両者に平行なので、Ｂ面１０８およびＣ面１０９の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．１４５５，－０．７２８３，０．６６９７）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（４７．９６ｄｅｇ，－７８．７０ｄｅｇ）となる。

　第１の反射面Ｄ面１１０の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（－０．６６５４，－０．１３２６，０．７３４６）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（４２．７２ｄｅｇ，－１６８．７３ｄｅｇ）となる。

　第２の反射面Ｅ面１１１の法線方向は、ＸＹＺ直交座標系で表記すると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０．０４１６，０．３７０９，０．９２７７）であり、Θψ極座標系では、（Θ，ψ）＝（２１．９２ｄｅｇ，８３．６０ｄｅｇ）となる。

　なお、本実施の形態７による波長変換結晶１００のＡ面１０７には、波長１０６４ｎｍに対する反射防止コーティングが施され、Ｆ面１１２には、波長３５５ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。また、Ｄ面１１０およびＥ面１１１には、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの両者に対し高反射となる２波長コーティングが施されている。

　次に、本実施の形態７による波長変換結晶１００を使用した波長変換方法について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、本実施の形態７による波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を模式的に示す斜視図である。図１３は、本実施の形態７による波長変換結晶をＢ面１０８の法線方向から臨み、波長変換結晶１００内での光線の伝播方向および偏光方向を示す模式図である。図１２と図１３中、図１乃至図１１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。

　本実施の形態７の波長変換結晶１００においては、Ａ面１０７の法線が、第１の波長変換の位相整合方位と一致するよう形成されているので、波長１０６４ｎｍの基本波光１０は、Ａ面１０７に対し垂直入射すればよい。但し、波長変換結晶１００のＡ面１０７へ基本波光１０を入射させる際には、第１の波長変換の位相整合条件に合致するよう基本波光１０の偏光方向１１を合致させる必要がある。

　第１の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍを基本波とするタイプI型の位相整合による第２高調波発生においては、基本波光１０の偏光方向１１を位相整合方位に対する常光の方向へ一致させる必要がある。ＬＢＯ結晶は二軸性の光学結晶であり、第１の波長変換の主変換面を誘電主軸で表記するとＸＹ面となる。従って、第１の波長変換の常光の偏光方向は誘電主軸のＺ軸と平行になる。このため、波長変換結晶１００へ入射する基本波光１０の偏光方向１１は、基本波光１０の進行方向を臨み、Ｂ面１０８の法線方向に対し反時計回りの向きへ、４７．９６ｄｅｇ回転させれば良い。実際には、図１３に示すように、基本波光１０が波長変換結晶１００へ入射する手前に、偏光方向調整手段５２を設け、本実施の形態７の第2の波長変換によって発生する波長３５５ｎｍの第３高調波光３０の出力が最大となるよう基本波光１０の偏光方向を調整してやればよい。なお、本実施の形態７では、偏光方向調整手段５２として、波長１０６４ｎｍに対する透過型の１／２波長板を使用している。また、図示してはいないが、偏光方向調整手段５２として使用する１／２波長板には、基本波光１０を回転軸とする回転機構が設けられている。

　上記の如く基本波光１０を波長変換結晶１００へ入射させれば、第１の波長変換の位相整合条件に合致するため、効率よく波長５３２ｎｍの第２高調波光２０へ変換することができる。なお、基本波光１０と第２高調波光２０の波長変換結晶１００中での伝播方位は同一であり、基本波光１０の偏光方向１１は常光、第２高調波光２０の偏光方向２１は異常光となるため、基本波光１０の偏光方向１１は光学軸Ｚ１０１に平行となる。一方、第２高調波光２０の偏光方向２１は、ＬＢＯ結晶の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，１０１．３ｄｅｇ）となる。

　本実施の形態における波長変換結晶１００のＤ面１１０およびＥ面１１１には、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの両者に対し高反射となる２波長コーティングが施されている。そのため波長１０６４ｎｍの基本波光１０、波長５３２ｎｍの第２高調波光２０ともに、Ｄ面１１０およびＥ面１１１による２回反射によって進行方向を折り曲げられ、復路の基本波光１２および復路の第２高調波光２２となり、同一方位に伝播する。ここで本実施の形態７の波長変換結晶１００では、Ｄ面１１０およびＥ面１１１の方位が前記の如く形成されているため、復路の基本波光１２および復路の第２高調波光２２の伝播方位は、ＬＢＯ結晶の誘電主軸を基準としたΘψ極座標で表記すると、（Θ，ψ）＝（４２．６ｄｅｇ，９０．０ｄｅｇ）となり、第２の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの和周波発生におけるタイプＩＩ型の位相整合方位と一致する。

　また、Ｄ面１１０を前記の如く形成しているため、理論的にはＤ面１１０で反射した基本波光１０の９９％以上を、Ｄ面１１０からＥ面１１１へ至る伝播過程において異常光方向へ、また、理論的にはＤ面１１０で反射した第２高調波光２０の９９％以上を、Ｄ面１１０からＥ面１１１へ至る伝播過程において常光方向へ、偏波させることができる。更に、Ｅ面１１１を前記の如く形成しているため、理論的にはＥ面１１０で反射する常光の９９％以上を、第２の波長変換の位相整合方位において異常光方向へ、また、理論的にはＥ面１１０で反射する異常光の９９％以上を、第２の波長変換の位相整合方位において常光方向へ、偏波させることができる。

　従って、Ｄ面１１０とＥ面１１１での２回反射によって、第１の波長変換によって発生した第２高調波光２０のうち、理論的には９８％以上の第２高調波光２０を、誘電主軸を基準としたΘψ極座標で、（Θ，ψ）＝（４７．４ｄｅｇ、－９０．０ｄｅｇ）と表記される偏光方向２３へ、また、第１の波長変換で残存した基本光１０のうち、理論的には９８％以上の基本波光１０を、誘電主軸を基準としたΘψ極座標で、（Θ，ψ）＝（９０．０ｄｅｇ，０．０ｄｅｇ）と表記される偏光方向１３へ、偏波させることができる。

　第２の波長変換の主変換面はＹＺ面となるため、理論的には９８％以上の復路の基本波光１２の偏光方向１３は常光、理論的には９８％以上の復路の第２高調波光２２の偏光方向２３は異常光となるため、復路の基本波光１２と復路の第２高調波光２２は伝播方位、偏光方向ともに、第２の波長変換に関して結晶温度２７℃時の波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの和周波発生におけるタイプＩＩ型の位相整合条件に合致しており、単一の波長変換結晶１００を使用し、入射光である波長１０６４ｎｍの基本波光１０から、波長３５５ｎｍの第３高調波光３０へ効率よく変換することができる。なお、第２の波長変換によって発生する第３高調波光３０は、常光となるため、偏光方向３１は復路の基本波光１２の偏光方向１３と等しくなる。波長変換結晶１００の外部へ出射した第３高調波光３０は、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍは透過し、波長３５５ｎｍは反射する３波長ミラー５３を使用すれば容易に分離することができる。

　なお、本実施の形態７で示した波長変換結晶１００を波長変換レーザ装置の光共振器内に設置すれば、前記実施の形態４および実施の形態７と同様、波長変換効率の向上が可能であることは言うまでもない。また、本実施の形態７では、波長１０６４ｎｍの基本波光１２を第２の波長変換である和周波発生にも使用するので、第１の波長変換、第２の波長変換ともに、波長変換レーザ装置の光共振器内で行うことにより、更に波長変換効率の向上が可能になる。

　本実施の形態７に示すように、第２の波長変換のスキームは第２高調波発生に限るものではなく、第１の波長変換で発生させた第２高調波と基本波の和周波を発生させてもよい。また、同一の温度での発生が可能な第３の波長変換スキームがあれば、波長変換結晶に反射面を適宜追加し、反射光の方位、偏光方向が第３の波長変換スキームの位相整合条件に合致するよう適切な方位に反射面を形成することによって、単一の波長変換結晶を使用して３段階以上の波長変換を行うことも原理的に可能である。前記実施の形態で示したＣＬＢＯ結晶を使用すれば、波長変換結晶の各面を適切な方位で形成することにより、３段階の波長変換を単一の波長変換結晶内で実現することにより、単一の波長変換結晶を使用し、波長２１３ｎｍの第５高調波を発生させることも可能である。

　なお、上記実施の形態では、波長変換結晶としてＣＬＢＯ結晶またはＬＢＯ結晶を使用した場合を例示したが、結晶の種類、波長、波長変換のスキームはこれに限るものではない。波長変換結晶の各面を適切な方位で形成し、反射面として利用することにより、同一の温度で位相整合が可能な、高調波、和周波、差周波等、あらゆる波長変換スキームを利用した２段階以上の波長変換を単一の波長変換結晶で実現することが可能になる。

　また、上記実施の形態においては、単一波長の基本波を波長変換結晶へ入射させる構成を示したが、２波長以上の複数の被波長変換光を波長変換結晶へ入射し、第１の波長変換として和周波または差周波を発生させ、更に第２の波長変換により、第１の波長変換で発生させた和周波または差周波の高調波を発生させてもよいし、あるいは、第１の波長変換で一方の被波長変換光の高調波を発生させ、第２の波長変換により第１の波長変換で発生させた高調波と別の被波長変換光との和周波または差周波を発生させることもできる。

　本発明は、信頼性に優れ、簡易な構成で、第３高調波以上の高次高調波を効率よく発生することができる点で、産業上極めて有用である。

　１　固体レーザ媒質、　２　半導体レーザ、　３　第１の反射鏡、　４　第２の反射鏡、　５　Ｑスイッチ素子、　６　偏光選択素子、　７　ダンパー、　１０　基本波光、　１１　基本波光の偏光方向、　１２　復路の基本波光、　１３　復路の基本波光の偏光方向、　２０　往路の第２高調波光、　２１　往路の第２の高調波光の偏光方向、　２２　復路の第２高調波光、　２３　復路の第２高調波光の偏光方向、　３０　第３高調波光、　３１　第３高調波光の偏光方向、　４０　第４高調波光、　４１　第４高調波光の偏光方向、　５０　２波長ミラー、　５１　１／２波長板、　１００　波長変換結晶、　１１０　第１の反射面（Ｄ面）、　１１１　第２の反射面（Ｅ面）、　１１２　高次高調波の出射面（Ｆ面）。

Claims (14)

1. 　第１波長の光を第２波長の光へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および第２波長の光を第３波長の光へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
   　第１波長変換によって発生した第２波長の光を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする波長変換素子。
2. 　基本波を第２高調波へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および第２高調波を第４高調波へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
   　第１波長変換によって発生した第２高調波を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする波長変換素子。
3. 　非線形光学結晶は、第４高調波を、第４高調波より高次の高調波へ変換する第３波長変換の第３位相整合条件をさらに満たしており、
   　第２波長変換によって発生した第４高調波を反射して、第３波長変換に供給するための追加の反射手段をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の波長変換素子。
4. 　非線形光学結晶は、セシウム・リチウム・ボレート系結晶であることを特徴とする請求項２または３記載の波長変換素子。
5. 　基本波を第２高調波へ変換する第１波長変換のための第１位相整合条件、および基本波と第２高調波を和周波発生により第３高調波へ変換する第２波長変換のための第２位相整合条件の両方を満たす単一の非線形光学結晶と、
   　第１波長変換によって発生した第２高調波および第１波長変換で残存した基本波を反射して、第２波長変換に供給するための反射手段と、を備えることを特徴とする波長変換素子。
6. 　非線形光学結晶は、第３高調波を、第３高調波より高次の高調波へ変換する第３波長変換の第３位相整合条件をさらに満たしており、
   　第２波長変換によって発生した第３高調波を反射して、第３波長変換に供給するための追加の反射手段をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の波長変換素子。
7. 　非線形光学結晶は、リチウム・トリボレート結晶であることを特徴とする請求項５または６記載の波長変換素子。
8. 　反射手段は、結晶方位が異なる少なくとも２つの反射面で構成されることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の波長変換素子。
9. 　反射手段には、反射光の偏光方向を調整する偏光調整手段が設けられることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の波長変換素子。
10. 　波長変換光が非線形光学結晶を出射する出射面において、波長変換光がＰ偏光として入射し、該出射面に対する波長変換光の入射角がブリュースター角となるように設定されていることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の波長変換素子。
11. 　第１波長変換は、タイプＩＩ型の位相整合条件を満たすことを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の波長変換素子。
12. 　レーザ光を発生するレーザ光源と、
    　該レーザ光の波長変換を行う、請求項１～１１のいずれかに記載の波長変換素子と、を備えることを特徴とする波長変換レーザ装置。
13. 　レーザ光源は、光共振器と、光共振器の内部に配置されたレーザ媒質とを備え、
    　前記波長変換素子は、光共振器の内部に配置されており、光共振器の光軸は少なくとも第１波長変換の位相整合方位に合致していることを特徴とする請求項１２記載の波長変換レーザ装置。
14. 　第１波長変換は、タイプＩ型の位相整合条件を満たしており、
    　光共振器の内部には、波長変換素子に入射するレーザ光の偏光方向を調整する偏光調整手段が設けられることを特徴とする請求項１３記載の波長変換レーザ装置。

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