(57)【要約】【課題】広い帯域幅の赤外光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を出射させることができる波長変換素子及びこれを用いたレーザ装置を提供すること。【解決手段】希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶からなり、一定方向に向かって入射される赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を出射させる波長変換素子であって、希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の希土類元素がガドリニウム及びイットリウムからなり、希土類元素に対するガドリニウムのモル比が一定方向に沿って変化している波長変換素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶からなり、一定方向に向かって入射される赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を出射させる波長変換素子であって、
前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の希土類元素がガドリニウム及びイットリウムからなり、
前記希土類元素に対する前記ガドリニウムのモル比が前記一定方向に沿って変化している、波長変換素子。
【請求項２】
前記モル比が、前記波長変換素子の少なくとも一部において前記一定方向に沿って単調に変化する、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記モル比の最大値と最小値との差が０．０２５より大きい、請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記モル比の最大値と最小値との差が０．０５より大きい、請求項３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記モル比が、発光強度が前記赤外光の発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長における波長変換効率が最大となるモル比を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
赤外光を出射する赤外光源と、
前記赤外光源から出射される前記赤外光を波長変換して緑色の第２高調波をレーザ光として出射させる波長変換素子とを備えるレーザ装置であって、
前記波長変換素子が請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子からなり、
前記赤外光源から出射される前記赤外光が前記一定方向に向かって入射されるように前記波長変換素子が配置されている、レーザ装置。
【請求項７】
前記モル比が、前記波長変換素子の少なくとも一部において前記赤外光源から離れるにつれて前記一定方向に向かって増加している、請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶からなり、一定方向に向かって入射される赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を出射させる波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法であって、
前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶の原料の融液から前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させる結晶成長工程を含み、
前記結晶成長工程において、前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の希土類元素がガドリニウム及びイットリウムからなり、前記希土類元素に対するガドリニウムのモル比が前記一定方向に沿って変化するように前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させる、波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記結晶成長工程において、前記モル比が、少なくとも一部において前記一定方向に沿って単調に変化するように前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させる、請求項８に記載の波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子及びこれを用いたレーザ装置並びに波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッドカーや電気自動車の普及に伴う銅の加工などに緑色のレーザ光が用いられるようになってきている。
【０００３】
緑色のレーザ光は一般に、赤外レーザ光の波長を、波長変換素子を用いて半分にすることで得られる。このような波長変換素子として、例えばＧｄｘＹ１−ｘＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３（ｘ＝０．２５〜０．３５）で表される二次非線形光学結晶が知られている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９３６４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した特許文献１に記載の波長変換素子は以下に示す課題を有していた。
【０００６】
すなわち、高出力の赤外レーザ光においては、スペクトルの帯域幅が拡大する傾向がある。しかし、上記特許文献１に記載の波長変換素子では、広い帯域幅の赤外レーザ光を入射しても、波長変換素子から出射される緑色の第２高調波の帯域幅が狭くなっていた。そのため、上記特許文献１に記載の波長変換素子は、広い帯域幅の赤外レーザ光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を出射させることができなかった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い帯域幅の赤外光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を出射させることができる波長変換素子及びこれを用いたレーザ装置並びに波長変換素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶からなり、一定方向に向かって入射される赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を出射させる波長変換素子であって、前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の希土類元素がガドリニウム及びイットリウムからなり、前記希土類元素に対する前記ガドリニウムのモル比が前記一定方向に沿って変化している波長変換素子である。
【０００９】
この波長変換素子によれば、赤外光が波長変換素子の一定方向に向かって入射されると、赤外光が波長変換素子で波長変換されて波長変換素子から緑色の第２高調波が出射される。このとき、仮に、波長変換素子において、希土類元素に対するガドリニウムのモル比が一定方向に沿って一定であると、赤外光の帯域幅が広くても、波長変換素子は、赤外光のうちの特定の波長の光については最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波を出射させるが、赤外光のうちの残りの波長の光については十分に波長変換せず、緑色の第２高調波を十分に出射させない。その結果、波長変換素子からは、帯域幅の狭い緑色の第２高調波が出射されることになる。
【００１０】
これに対し、本発明の波長変換素子では、モル比が一定方向に沿って変化している。このため、異なるモル比ｘごとに、赤外光の波長のうち最も効率よく波長変換される波長が異なることになる。このため、本発明の波長変換素子は、広い帯域幅の赤外光が入射されると、赤外光のうちの特定の波長の光のみならず、その特定の波長以外の波長の光についても、最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波を出射させることが可能となる。その結果、波長変換素子からは、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を出射させることができる。
【００１１】
前記モル比は、前記波長変換素子の少なくとも一部において前記一定方向に沿って単調に変化することが好ましい。
【００１２】
この場合、波長変換素子の少なくとも一部においては、屈折率も一定方向に沿って単調に変化する。このため、モル比が、波長変換素子の少なくとも一部において一定方向に沿って単調に変化しない場合に比べて、入射される赤外光を、広い帯域に渡ってより均一な波長変換効率で第２高調波に変換させることが可能となる。
【００１３】
前記モル比の最大値と最小値との差は０．０２５より大きいことが好ましく、０．０５より大きいことがより好ましい。
【００１４】
この場合、モル比の最大値と最小値との差が０．０２５以下である場合に比べて、波長変換素子から出射される第２高調波の帯域幅をより広くすることができる。
【００１５】
上記波長変換素子においては、前記モル比が、発光強度が前記赤外光の発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長における波長変換効率が最大となるモル比を含むことが好ましい。
【００１６】
この場合、モル比が、発光強度が赤外光の発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長における波長変換効率が最大となるモル比を含まない場合に比べて、波長変換素子から出射される第２高調波の出力を大きくすることができる。
【００１７】
また本発明は、赤外光を出射する赤外光源と、前記赤外光源から出射される前記赤外光を波長変換して緑色の第２高調波をレーザ光として出射させる波長変換素子とを備えるレーザ装置であって、前記波長変換素子が上記波長変換素子からなり、前記赤外光源から出射される前記赤外光が前記一定方向に向かって入射されるように前記波長変換素子が配置されている、レーザ装置である。
【００１８】
このレーザ装置によれば、赤外光源から出射される赤外光が波長変換素子において一定方向に向かって入射されると、波長変換素子が赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を発生させてレーザ光として出射させる。このとき、仮に、波長変換素子において、希土類元素に対するガドリニウムのモル比が一定方向に沿って一定であると、赤外光の帯域幅が広くても、波長変換素子は、赤外光のうちの特定の波長の光については最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波を出射させるものの、赤外光のうちの残りの波長の光については十分に波長変換せず、緑色の第２高調波を十分に出射させない。その結果、波長変換素子からは、帯域幅の狭い緑色の第２高調波が出射されることになる。
【００１９】
これに対し、本発明のレーザ装置において、波長変換素子は、モル比が一定方向に沿って変化している。このため、異なるモル比ごとに、赤外光の波長のうち最も効率よく第２高調波に波長変換される波長が異なることになる。このため、波長変換素子は、広い帯域幅の赤外光が入射されると、赤外光のうちの特定の波長の光のみならず、その特定の波長以外の波長の光についても、最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波を発生させることが可能となる。その結果、波長変換素子からは、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を発生させることができる。従って、本発明のレーザ装置は、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波をレーザ光として出射させることができる。
【００２０】
前記波長変換素子においては、前記モル比が、前記波長変換素子の少なくとも一部において前記赤外光源から離れるにつれて前記一定方向に向かって増加していることが好ましい。
【００２１】
モル比が小さいほど短波長側の赤外光の第２高調波への波長変換効率が高い。このため、短波長側の赤外光が、長波長側の赤外光に比べて第２高調波に変換されやすい。そして、第２高調波が波長変換素子を通過すると、短波長側の第２高調波の方が長波長側の第２高調波よりも、波長変換素子中で吸収されにくい。その結果、モル比が赤外光源から離れるにつれて一定方向に向かって減少している場合に比べて、出射される第２高調波の出力をより大きくすることができるので、レーザ光の出力をより大きくすることができる。
【００２２】
さらに本発明は、希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶からなり、一定方向に向かって入射される赤外光を波長変換して緑色の第２高調波を出射させる波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法であって、前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶の原料の融液から前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させる結晶成長工程を含み、前記結晶成長工程において、前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の希土類元素がガドリニウム及びイットリウムからなり、前記希土類元素に対するガドリニウムのモル比が前記一定方向に沿って変化するように前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させる、波長変換素子の製造方法である。
【００２３】
この製造方法によれば、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を発生させることができる波長変換素子を製造することができる。
【００２４】
前記結晶成長工程において、前記モル比が、少なくとも一部において前記一定方向に沿って単調に変化するように前記希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶を成長させることが好ましい。
【００２５】
この場合、得られる波長変換素子の少なくとも一部において、屈折率も一定方向に沿って単調に変化する。このため、波長変換素子の少なくとも一部においてモル比が一定方向に沿って段階的に変化する場合に比べて、入射される赤外光を、広い帯域に渡ってより均一な波長変換効率で第２高調波に変換させることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明において、「赤外光」とは、スペクトルにおけるピーク波長が７８０〜２０００ｎｍの範囲内にある光をいう。
【００２７】
また、本発明において、「緑色の第２高調波」とは、スペクトルにおけるピーク波長が上記赤外光のスペクトルにおけるピーク波長の１／２となる光をいう。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、広い帯域幅の赤外光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を出射させることができる波長変換素子及びこれを用いたレーザ装置並びに波長変換素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の波長変換素子の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１の波長変換素子中の希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の位置と、希土類元素に対するＧｄのモル比との関係を示す図である。
【図３】図１の波長変換素子に入射される赤外光のスペクトルを示す図である。
【図４】図１の波長変換素子から出射される第２高調波のスペクトルを示す図である。
【図５】本発明のレーザ装置の一実施形態を示す概略図である。
【図６】実施例１及び比較例１の波長変換素子に入射される赤外光のスペクトルを示すグラフである。
【図７】実施例１の波長変換素子から出射される第２高調波のスペクトルを示すグラフである。
【図８】比較例１の波長変換素子から出射される第２高調波のスペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜波長変換素子＞
以下、本発明の波長変換素子の一実施形態について図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の波長変換素子の一実施形態を示す側面図、図２は、図１の波長変換素子中の希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶中の位置と、希土類元素に対するＧｄのモル比との関係を示す図、図３は、図１の波長変換素子に入射される赤外光のスペクトルを示す図、図４は、図１の波長変換素子から出射される第２高調波のスペクトルを示す図である。
【００３１】
図１に示すように、波長変換素子１００は、一定方向Ａに向かって入射される赤外光Ｂを波長変換して緑色の第２高調波Ｓを出射させるものであり、希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶（以下、「ＲＣＯＢ結晶」と呼ぶ）からなる。ＲＣＯＢ結晶において、希土類元素は、ガドリニウム及びイットリウムからなる。波長変換素子１００は、第１端面Ｅ１及び第２端面Ｅ２を有しており、希土類元素に対するガドリニウムのモル比が、第１端面Ｅ１から第２端面Ｅ２に向かう一定方向Ａに沿って変化している。ここで、一定方向Ａは、赤外光Ｂと第２高調波Ｓの位相整合が生じる方向であり、具体的には結晶軸のｙ軸方向である。
【００３２】
この波長変換素子１００によれば、赤外光Ｂが波長変換素子１００の一定方向Ａに向かって入射されると、赤外光Ｂが波長変換素子１００で波長変換されて波長変換素子１００から緑色の第２高調波Ｓが出射される。このとき、仮に、波長変換素子１００において、希土類元素に対するガドリニウムのモル比が、一定方向Ａに沿って一定であると、赤外光Ｂの帯域幅Δλ（＝λ２−λ１）が広くても（図３参照）、波長変換素子１００は、赤外光Ｂのうちの特定の波長の光については最も効率よく波長変換して第２高調波Ｓを出射させるものの、赤外光Ｂのうちの残りの波長の光については十分に波長変換せず、第２高調波Ｓを十分に出射させない。その結果、波長変換素子１００からは、帯域幅Ｗ２の狭い緑色の第２高調波Ｓが出射されることになる（図４の破線参照）。なお、図３において、λ１、λ２は、発光強度が赤外光Ｂの波長λ０における発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長であり、λ１はλ２より短い。
【００３３】
これに対し、波長変換素子１００においては、モル比が一定方向Ａに沿って変化している。このため、異なるモル比ごとに、赤外光Ｂの波長のうち最も効率よく第２高調波Ｓに波長変換される波長が異なることになる。このため、波長変換素子１００は、広い帯域幅Δλの赤外光Ｂが入射されると（図３参照）、赤外光Ｂのうちの特定の波長の光のみならず、その特定の波長以外の波長の光についても、最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波Ｓを出射させることが可能となる。その結果、波長変換素子１００からは、発生する緑色の第２高調波Ｓの重ね合わせにより、十分に広い帯域幅Ｗ１の緑色の第２高調波Ｓを出射させることができる（図４の実線参照）。
【００３４】
以下、上記波長変換素子１００について詳細に説明する。
【００３５】
波長変換素子１００は、上述したようにＲＣＯＢ結晶からなり、希土類元素はガドリニウム及びイットリウムからなる。ＲＣＯＢ結晶は、例えば下記式で表される。
ＧｄｘＹ１−ｘＣａｐＯ（ＢＯｑ）ｒ
【００３６】
上記式中、ｘは０より大きく１より小さい値である。ｘは、入射する赤外光Ｂのスペクトルにおけるピーク波長に応じて決定される。例えば、ｘは、入射する赤外光Ｂのスペクトルにおけるピーク波長を最も効率よく第２高調波Ｓに波長変換する値とされる。
【００３７】
ｐは、３．７〜４．３であり、通常は４である。
【００３８】
ｑは２．９〜３．１であり、通常は３である。
【００３９】
ｒは２．７〜３．３であり、通常は３である。
【００４０】
ここで、モル比ｘが大きくなるほど、最も効率よく第２高調波Ｓに波長変換される赤外光Ｂの波長が長くなり、モル比ｘが小さくなるほど、最も効率よく第２高調波Ｓに波長変換される赤外光Ｂの波長が短くなる。
【００４１】
波長変換素子１００においては、モル比ｘが第１端面Ｅ１から第２端面Ｅ２に向かう一定方向Ａに沿って変化していればよく、単調に変化してもよいし、単調に変化していなくてもよいが、単調に変化していることが好ましい（図２参照）。この場合、波長変換素子１００において、屈折率も一定方向Ａに沿って単調に変化する。このため、モル比ｘが一定方向Ａに沿って単調に変化しない場合に比べて、入射される赤外光Ｂを、広い帯域に渡ってより均一な波長変換効率で第２高調波Ｓに変換させることが可能となる。なお、波長変換素子１００においては、モル比ｘが一定方向Ａに沿って単調に変化する場合、モル比ｘが第１端面Ｅ１から第２端面Ｅ２の全体に渡って単調に変化していてもよく、第１端面Ｅ１から第２端面Ｅ２の一部において単調に変化していてもよい。
【００４２】
また、モル比ｘは一定方向Ａに向かって、例えば以下の（１）〜（５）のように変化してもよい。
（１）増加した後、一定になり、その後さらに増加する
（２）減少した後、一定になり、さらに減少する
（３）増加又は減少した後、一定になる
（４）一定になった後、増加又は減少する
（５）段階的に増加又は減少する
【００４３】
波長変換素子１００において、モル比ｘの最大値ｘ２と最小値ｘ１との差（Δｘ）は特に制限されるものではないが、０．０２５より大きいことが好ましい。
【００４４】
この場合、波長変換素子１００において、Δｘが０．０２５以下である場合に比べて、波長変換素子１００から、より広い帯域幅の緑色の第２高調波Ｓを出射させることができる。
【００４５】
ここで、Δｘは、０．０２５より大きければよいが、出射される第２高調波Ｓの帯域幅をより広くする観点からは、０．０３０以上であることが好ましく、０．０５０より大きいことがより好ましい。但し、Δｘが大きくなりすぎると単結晶となりにくいため、Δｘは０．０６０以下であることが好ましく、０．０５０以下であることがより好ましい。
【００４６】
また、波長変換素子１００においては、モル比ｘが、発光強度が赤外光Ｂの発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長λ１、λ２における波長変換効率が最大となるモル比を含んでいても含んでいなくてもよいが、含んでいることが好ましい。
【００４７】
この場合、モル比ｘが、発光強度が赤外光Ｂの発光ピーク強度の１／ｅ２となるときの２つの波長λ１、λ２における波長変換効率が最大となるモル比を含まない場合に比べて、波長変換素子１００から出射される第２高調波Ｓの出力をより大きくすることができる。
【００４８】
＜波長変換素子の製造方法＞
次に、波長変換素子１００の製造方法について説明する。
【００４９】
波長変換素子１００を製造するに際しては、まずＲＣＯＢ結晶の原料の融液からＲＣＯＢ結晶を成長させる結晶成長工程を含む。
【００５０】
結晶成長工程においては、希土類元素に対するガドリニウムのモル比ｘが一定方向Ａに沿って変化するようにＲＣＯＢ結晶を成長させる。
【００５１】
この製造方法によれば、広い帯域幅の赤外光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波Ｓを出射させることができる波長変換素子１００を製造することができる。
【００５２】
以下、波長変換素子１００の製造方法について具体的に説明する。
【００５３】
（原料）
原料としては、ガドリニウムの酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、イットリウムの酸化物（Ｙ２Ｏ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）及び酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を用いる。
【００５４】
（融液）
原料の融液は、原料を混合して加熱溶融することにより得ることができる。
【００５５】
（結晶成長）
ＲＣＯＢ結晶の成長は、例えばチョクラルスキー法を用いて行うことができる。チョクラルスキー法では、まず棒状の種結晶を用意し、種結晶の一端を融液に浸漬した後、回転させながら引き上げることによってＲＣＯＢ結晶を成長させる。
【００５６】
このとき、回転速度は、通常は４〜１２ｒｐｍとすればよい。
【００５７】
また種結晶の引上げ速度は、通常は０．５〜４ｍｍ／ｈとすればよい。
【００５８】
ＲＣＯＢ結晶においては、一定方向Ａに沿ってモル比ｘを変化させるが、このときのモル比ｘの最大値をｘ２、最小値をｘ１とするには、得られるＲＣＯＢ結晶の形状を特定する必要がある。そこで、以下、ＲＣＯＢ結晶の形状を特定する方法について説明する。
【００５９】
まず波長変換素子１００に入射させる赤外光Ｂのスペクトルを測定する（図３参照）。そして、測定したスペクトルにおいて、発光強度が、波長λ０における発光ピーク強度の１／ｅ２となる２つの波長λ１及びλ２（λ１＜λ２）を求める。このとき、λ２−λ１＝Δλを赤外光Ｂの帯域幅とする。
【００６０】
一方、ＲＣＯＢ結晶において、室温におけるモル比ｘと、第２高調波Ｓへの波長変換効率が最大となる赤外光Ｂの波長λとの関係は、本発明者らの実験により下記式（１）で表されることが分かっている。
λ＝１８５ｘ＋１０１５・・・（１）
【００６１】
上記式（１）に基づき、先に求めたλ１及びλ２から、対応するモル比ｘ１及びｘ２が下記のように求められる。
ｘ１＝（λ１−１０１５）／１８５
ｘ２＝（λ２−１０１５）／１８５
【００６２】
上記より、ＲＣＯＢ結晶における組成ずれΔｘ（＝ｘ２−ｘ１）を以下のようにして求めることができる。
Δｘ＝（λ２−λ１）／１８５・・・（１Ａ）
【００６３】
一方、固化率の差Δｓと、組成ずれΔｘ（＝ｘ２−ｘ１）との関係は下記式（２）で表される。ここで、固化率の差Δｓとは、ＲＣＯＢ結晶の作製に使用された原料の質量に対するＲＣＯＢ結晶の質量の比である。
Δｓ＝２８．４Δｘ・・・（２）
【００６４】
上記式（１Ａ）及び（２）より、Δｓを以下のようにして求めることができる。
Δｓ＝（λ２−λ１）×２８．４／１８５
【００６５】
次に、上記のようにして求めたΔｓを達成できるように、下記式（３）に基づいてＲＣＯＢ結晶の形状を決定する。
Δｓ＝πｒ２ｄＬ／ｍ・・・（３）
（上記式（３）中、ｒはＲＣＯＢ結晶の半径（ｍｍ）、ｄはＲＣＯＢ結晶の密度（ｇ／ｃｍ３）、ＬはＲＣＯＢ結晶の長さ（ｍｍ）、ｍはＲＣＯＢ結晶の原料の質量（ｇ）を表す。）
【００６６】
なお、上記式（２）において、「２８．４」は、本発明者が実験により求めた値である。具体的には、「２８．４」は、結晶成長条件の異なる５つのＲＣＯＢ結晶Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５を作製し、各結晶ごとにΔｓ／Δｘの値を算出し、その平均をとることにより求めたものである。５つのＲＣＯＢ結晶を作製したときの結晶成長条件、固化率ｓ１，ｓ２、Δｓ（＝ｓ２−ｓ１）の値、及び、Δｓ／Δｘの値は以下の通りである。
【表１】
2020140034.tif 000003
【００６７】
＜レーザ装置＞
次に、本発明のレーザ装置の一実施形態について図５を参照しながら説明する。図５は、本発明のレーザ装置の一実施形態を示す概略図である。なお、図１〜図４と同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６８】
図５に示すように、レーザ装置２００は、赤外光Ｂを出射する赤外光源２１０と、赤外光源２１０から出射される赤外光Ｂを波長変換して緑色の第２高調波Ｓをレーザ光として出射させる波長変換素子１００とを備えている。
【００６９】
このレーザ装置２００によれば、赤外光源２１０から出射される赤外光Ｂが波長変換素子１００において一定方向Ａに向かって入射されると、波長変換素子１００が赤外光Ｂを波長変換して緑色の第２高調波Ｓを発生させてレーザ光として出射させる。このとき、仮に、波長変換素子１００において、希土類元素に対するガドリニウムのモル比ｘが一定方向Ａに沿って一定であると、赤外光Ｂの帯域幅が広くても、波長変換素子１００は、赤外光Ｂのうちの特定の波長の光については最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波Ｓを出射させるが、赤外光Ｂのうちの残りの波長の光については十分に波長変換せず、緑色の第２高調波Ｓを十分に出射させない。その結果、波長変換素子１００からは、帯域幅の狭い緑色の第２高調波Ｓが出射されることになる。
【００７０】
これに対し、レーザ装置２００において、波長変換素子１００は、モル比ｘが一定方向Ａに沿って変化している。このため、異なるモル比ごとに、赤外光Ｂの波長のうち最も効率よく波長変換される波長が異なることになる。このため、波長変換素子１００は、広い帯域幅の赤外光Ｂが入射されると、赤外光Ｂのうちの特定の波長の光のみならず、その特定の波長以外の波長の光についても、最も効率よく波長変換して緑色の第２高調波Ｓを発生させることが可能となる。その結果、波長変換素子１００からは、発生する緑色の第２高調波Ｓの重ね合わせにより、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波Ｓを出射させることができる。従って、レーザ装置２００は、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波Ｓをレーザ光として出射させることができる。
【００７１】
（赤外光源）
赤外光源２１０としては、ＲＣＯＢ結晶において変化するモル比のいずれかの値において最も効率よく第２高調波Ｓに波長変換される波長（以下、「波長変換最大効率波長」と呼ぶ）を発光ピーク波長とする赤外光を出射する光源を用いることができる。例えば波長変換最大効率波長が５３２ｎｍであれば、波長１０６４ｎｍを発光ピーク波長とするレーザ光を赤外光Ｂとして出射するレーザ装置を用いることができ、波長変換最大効率波長が５４８ｎｍであれば、波長１０９６ｎｍを発光ピーク波長とするレーザ光を赤外光Ｂとして出射するレーザ装置を用いることができる。
【００７２】
レーザ装置としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ又はディスクレーザを用いることができる。
【００７３】
（波長変換素子）
波長変換素子１００においては、モル比ｘが赤外光源２１０から離れるにつれて一定方向Ａに向かって増加していても、減少していてもよいが、増加していることが好ましい。
【００７４】
この場合、モル比が小さいほど短波長側の赤外光Ｂの第２高調波Ｓへの波長変換効率が高い。このため、短波長側の赤外光Ｂが、長波長側の赤外光Ｂに比べて第２高調波Ｓに変換されやすい。そして、第２高調波Ｓが波長変換素子１００を通過すると、短波長側の第２高調波Ｓの方が長波長側の第２高調波Ｓよりも、波長変換素子１００中で吸収されにくい。その結果、モル比ｘが赤外光源２１０から離れるにつれて一定方向Ａに向かって減少している場合に比べて、出射される第２高調波Ｓの出力をより大きくすることができるので、レーザ光の出力をより大きくすることができる。
【００７５】
レーザ装置２００は、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波Ｓをレーザ光として出射させることができるので、それ単独で、銅の加工のみならず、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）の加工などの用途にも用いることができる。
【００７６】
なお、レーザ装置２００をレーザ加工装置として使用する場合には、例えば赤外光源２１０から出射される赤外光をコリメートして波長変換素子１００に入射させる第１コリメートレンズを設置するとともに、波長変換素子１００から出射される第２高調波Ｓをコリメートする第２コリメートレンズを設置すればよい。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００７８】
（実施例１）
原料として、ＣａＣＯ３粉末、Ｂ２Ｏ３粉末、Ｇｄ２Ｏ３粉末及びＹ２Ｏ３粉末を準備した。次に、これらの原料をイリジウム坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下において、１５００℃で加熱溶融して融液とした。
【００７９】
そして、希土類元素・カルシウムオキシボレート結晶（ＧｄＹＣＯＢ）からなる棒状の種結晶を用い、種結晶の下端を融液に漬けた後、上方に引き上げてＲＣＯＢ結晶の成長を行った。
【００８０】
このとき、２ｋＷのファイバレーザを光源として用いることを想定し、結晶成長させるべきＲＣＯＢ結晶の形状を以下のようにして特定した。
【００８１】
まず、使用したファイバレーザから出射される赤外光のスペクトルを測定した。その結果、赤外光のスペクトルは図６に示す通りであった。図６のスペクトルにおいて、出力（強度）がピークの１／ｅ２となる２つの波長λ１及びλ２（λ１＜λ２）はそれぞれ１０６８ｎｍ及び１０７４ｎｍであり、帯域幅Δλ（＝λ２−λ１）は６ｎｍであった。
【００８２】
一方、ＲＣＯＢ結晶において、室温におけるモル比ｘと、第２高調波Ｓへの波長変換効率が最大となる赤外光Ｂの波長λとの関係は、本発明者らの実験により下記式（１）で表されることが分かっている。
λ＝１８５ｘ＋１０１５・・・（１）
【００８３】
上記式（１）に基づき、先に求めたλ１及びλ２から、対応するモル比ｘ１及びｘ２を求めたところ、モル比ｘ１及びｘ２はそれぞれ以下の通りであった。
ｘ１＝０．２８６
ｘ２＝０．３１９
【００８４】
一方、固化率の差Δｓと、組成ずれΔｘ（＝ｘ２−ｘ１）との関係を表す下記式（２）から、ＲＣＯＢ結晶の固化率の差Δｓを求めたところ、Δｓは０．９３７であった。
Δｓ＝２８．４（ｘ２−ｘ１）・・・（２）
【００８５】
そこで、下記式（３）でΔｓが０．９３７になるようにＲＣＯＢ結晶の形状を決定した。
Δｓ＝πｒ２ｄＬ／ｍ・・・（３）
（上記式（３）中、ｒはＲＣＯＢ結晶の半径（ｍｍ）、ｄはＲＣＯＢ結晶の密度（ｇ／ｃｍ３）、ＬはＲＣＯＢ結晶の長さ（ｍｍ）、ｍはＲＣＯＢ結晶の原料の質量（ｇ）を表す。）
【００８６】
具体的には、ｒは２５ｍｍ、ｄは３．５ｇ／ｃｍ３、Ｌは５０ｍｍ、ｍは２００ｇとした。また、ＲＣＯＢ結晶を成長させるに際しては、モル比ｘが、上から下に向かって単調に増加するように変化させた。
【００８７】
こうして成長したＲＣＯＢ結晶を加工して、３ｍｍ×３ｍｍ×２５ｍｍの四角柱状の波長変換素子を作製した。このとき、一方の端面におけるモル比ｘがｘ１となるように且つ他方の端面におけるモル比ｘがｘ２となるようにＲＣＯＢ結晶を加工した。
【００８８】
（比較例１）
モル比ｘがＲＣＯＢ結晶の長さ方向（引上げ方向）に沿って一定（＝０．３０３）となるようにしたこと以外は実施例１と同様にして四角柱状の波長変換素子を作製した。
【００８９】
（発生する第２高調波のスペクトルの測定）
上述したファイバレーザを、赤外光を出射する赤外光源として用い、実施例１及び比較例１の波長変換素子の一端面でモル比ｘが最小となり、他端面でモル比ｘが最大となるように、且つ、赤外光の入射方位が波長変換素子における一定方向と一致するように、波長変換素子に対してファイバレーザを配置した。そして、波長変換素子の一端面にファイバレーザから赤外光を入射し、そのとき波長変換素子の他端面から出射される光のうち第２高調波のスペクトルを測定した。結果を図７及び図８に示す。
【００９０】
図７に示す結果より、実施例１の第２高調波のスペクトルの帯域幅は８ｎｍであった。一方、図８に示す結果より、比較例１の第２高調波のスペクトルの帯域幅は３ｎｍであった。従って、実施例１の第２高調波のスペクトルの帯域幅の方が、比較例１の第２高調波のスペクトルの帯域幅よりも十分に広くなっていることが分かった。
【００９１】
以上のことから、本発明の波長変換素子によれば、広い帯域幅の赤外光を入射しても、十分に広い帯域幅の緑色の第２高調波を発生させることができることが確認された。
【符号の説明】
【００９２】
１００…波長変換素子
２００…レーザ装置
２１０…赤外光源
Ａ…一定方向
Ｂ…赤外光
Ｓ…第２高調波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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