(57)【要約】      （修正有）【課題】非線形波長変換素子の出射端面の光学損傷を抑制し、光源装置の効率、寿命の向上を図る。【解決手段】非線形光学結晶１０１の出射端面１０４に、非線形光学結晶と同種の結晶のカット角がわずかに異なり位相整合条件を満たさない結晶や、二次の光学的非線形を持たない結晶、同じ天頂角で方位角の異なる結晶などからなる波長変換に貢献しないエンドキャップ１０２を接合することにより、高調波による端面の損傷が基本波に対する光学損失となる事を回避する。【選択図】図１
2014032300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相整合を満たし、波長λ１の入力波もしくは波長λ１とλ２の入力波が入射し波長λ１の第二高調波であるλ３または波長λ１とλ２の和周波であるλ４または差周波であるλ５を発生する非線形光学結晶と上記非線形光学結晶の出射端面に接合され、波長変換に寄与せず、非線形光学結晶の出射端面の損傷を防ぐことを目的とするエンドキャップ材料とからなる非線形波長変換素子
【請求項２】
上記請求項１のエンドキャップは基本波（入力波）と高調波（出力波）を空間的に分離し、両方の波長が共存する事で引き起こされるレーザ損傷を防ぐ事を目的とするもの
【請求項３】
上記請求項１のエンドキャップは基本波（入力波）と高調波（出力波）を空間的に分離し、高調波（出力波）によって引き起こされる端面の損傷が基本波（入力波）の光路に重ならず、基本波（入力波）の光学損失の増加を防ぐ事を目的とするもの
【請求項４】
上記請求項１の非線形光学結晶とエンドキャップ材料は、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、キャピラリボンディング、ディフュージョンボンディング融着、透明度の高い接着剤のいずれかによって接合されている事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項５】
上記請求項１のエンドキャップ材料が複屈折を持ち、偏光の異なる入力波λ１／２と出力波λ３／４／５を空間的に分離する事を特徴とする請求項１の波長変換素子
【請求項６】
上記請求項５のエンドキャップ材料の厚みが、複屈折効果による入力波と出力波の空間的分離が基本波のビーム半径の２倍以上となる事を特徴とする請求項４の波長変換素子
【請求項７】
上記請求項５のエンドキャップ材料の厚みが、複屈折効果による入力波と出力波の空間的分離が出力波を入力波から分離する波長弁別素子上における入力波のビーム半径の２倍以上となる事を特徴とする請求項４の波長変換素子
【請求項８】
上記請求項５のエンドキャップ材料の偏光軸が非線形光学結晶のそれに対して１度以内に調整されて接合されている事を特徴とする波長変換素子
【請求項９】
上記請求項１の非線形波長変換素子の出射端面に反射防止コーティングが施されている事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１０】
上記請求項１の非線形波長変換素子の出射端面は基本波に対してブリュスタ角となり、反射損失を小さくするように加工されている事と特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１１】
上記請求項１の非線形光学結晶とエンドキャップ材料の入力波の波長と偏光に対する屈折率の差が少なく、Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））＾２で表される界面の反射率が０．１％以下となるように選ばれている事と特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１２】
上記請求項1の非線形光学結晶がβバリウムボレートである事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１３】
上記請求項１２の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がβバリウムボレートであり、カット角を変える事で位相整合条件を満たさなくした事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１４】
上記請求項１２の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がαバリウムボレートである事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１５】
上記請求項１２の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がほぼ同じ天頂角θ（±５度)でカットされたβバリウムボレートであるが、方位角φが非線形光学結晶のそれと３０度（±５度）異なっており（φの絶対値に関しては座標の取り方によって複数の定義のしかたがあり、ここでは絶対値は議論しない）実効非線形定数がゼロとなっていて、面内の熱膨張係数などの機械的特性が整合していながら、波長変換には寄与しない事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１６】
上記請求項１の非線形光学結晶がセシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）である事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１７】
上記請求項１６の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がＣＬＢＯであり、カット角を変える事で位相整合条件を満たさなくした事を特徴とする非線形波長変換素子
【請求項１８】
上記請求項１６の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がほぼ同じ天頂角θ（±５度）でカットされたＣＬＢＯであるが、方位角φが非線形光学結晶のそれと４５度（±５度）異なっており、実効非線形定数がゼロとなっていて、面内の熱膨張係数などの機械的特性が整合していながら、波長変換には寄与しない事を特徴とする非線形波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非線形波長変換技術を用いたレーザ光源に関するものであり、その光源装置
の寿命を延伸する事に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学結晶における非線形波長変換を用いたレーザ光源は近年盛んに産業応用がなされ、その信頼性が課題となっていた。本発明は、非線形光学結晶の出射端面に波長変換に貢献しないエンドキャップ材料を接合し、高調波による端面の損傷が基本波に対する光学損失となる事を回避する為の手段を提供するものである。
【０００３】
非線形光学結晶における非線形波長変換を用いたレーザ光源の信頼性を制限しているものの一つにレーザ光を小さなスポットに絞って照射される非線形光学結晶の端面の損傷があるが、この損傷は大きな損傷ではなくとも特に共振器を用いた波長変換レーザ装置の場合には装置の効率を大幅に低下させている。
【０００４】
特に、赤外から可視域の基本波を用いて紫外光を発生させる応用においては光子エネルギの高い紫外光による損傷がより顕著となり、端面の損傷の多くの場合は紫外光によって引き起こされ、その端面における基本波（入力光）に対する光学損失が装置の性能低下の主因となる。
【０００５】
又、紫外光と可視光が同時に端面に入射する事でより顕著に損傷が発生する事例も存在した。本発明は上記問題を解決し非線形波長変換レーザ光源の装置寿命を大幅に延伸することを目的とする。以下、従来のレーザ光源について説明する。
【０００６】
紫外域で用いる事の可能な非線形光学結晶の非線形光学定数は高々数ｐｍ／Ｖ程度であり、規格化変換効率は１０―４／Ｗのオーダーである。すなわち１Ｗの高調波の出力を得るためには１００Ｗの基本波の入力が必要である事を意味する。高い尖塔値を持つパルス光源の場合にはそれでも実用的な変換効率を得る事は可能であるが、連続波レーザ光源の場合には光共振器構造による基本波の増強が不可欠である。この増強のためには光共振器の光学損失が小さい事が不可欠であり、光学損失が増加し、増強率が低下してしまい変換効率が下がって高調波出力が低下してしまう事がレーザ光源装置の寿命を制限する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】US5027361:“Efficient laser harmonic generation employing a low-loss external opticalresonator”
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W. J. Kozlovsky, C. D. Nabors, and R. L. Byer, "Efficientsecond harmonic generation of a diode-laser-pumped CW Nd:YAGlaser using monolithic MgO:LiNbO3 external resonant cavities,"IEEE Journal of Quantum Electronics QE-24, 913-919 (1988)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
波長変換レーザ装置、殊に図２にその構成例を示すような連続波のレーザ装置で光共振器を用いて効率よく高調波を発生させる装置において、本発明は基本波に対する共振器全体の光学損失を低く保つことを目的とする。
単一周波数の基本波１が入力結合ミラー１０５に入射し、一部が反射されて受光素子８に入る。受光素子８より誤差信号を生成し精密位置決め素子９に帰還する事で共振器を共振に保つ。入力結合ミラー１０５と高反射ミラー１０６で構成される共振器の中には数十倍から数百倍に増強された基本波のパワー６が循環する。この共振器内部に配され、共振効果により増強された基本波が入射する非線形波長変換素子７によって発生された高調波３は共振器ミラー１０６を透過または何らかの波長弁別素子によって分離され共振器の外へ取り出される。この増強の度合いは共振器内の光学損失とほぼ反比例の関係にあり、より高い度合いの増強のため、すなわち高い変換効率及び高い高調波出力のためには共振器の光学損失を低く保つ事が重要である。ところが、共振器内の強い光強度、それに合わせて高い光子エネルギを持つ高調波によって波長変換素子の端面が長時間の使用により徐々に損傷を受け、光学損失を増加させる事で高調波出力、変換効率が低下しレーザ光源装置の寿命を制限している。
【００１０】
図３には一般にウォークオフと呼ばれる複屈折の効果による基本波と高調波の強度分布の関係を示す。結晶内で異常光と呼ばれる偏光を持つ光線は波数ベクトルとポインティングベクトルが平行ではなく、波面法線とエネルギが伝搬する方向が異なる。この様子を示しているのが図３である。こうして得られる従来の図４に示すような光強度分布の場合、出射端面または出射端面上に施される反射防止コーティングが高調波または高調波と基本波が同時に存在することによって損傷し、基本波に対する光学損失が増加することがある。その増加した損失がわずか数％であっても光共振器の光学損失としては非常に大きく、波長変換レーザ装置にとっては改善の余地があった。従って、少なくとも基本波に対しての光学損失を増加させず、波長変換効率を低下させない手段が強く望まれており本発明では波長変換素子の出射端面にいて基本波と高調波を空間的に分離し、上記の問題の解決を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
非線形結晶の端面に非線形波長変換に寄与しない媒質（エンドキャップ）を接合する。接合面は光学的に透明である必要があるため、エンドキャップは非線形結晶と出来るだけ近い屈折率を持つ事が必要である。また、熱膨張率など機械的特性も近いものである事が望ましい。実施例の一つではエンドキャップは非線形波長変換には寄与しないが複屈折は持ち、偏光の異なる高調波と基本波を空間的に遠ざける効果を持つ。従ってエンドキャップの出射面では基本波と高調波が空間的に分離されており、反射防止コーティングの施される端面では基本波と高調波が重ならない。非線形結晶の端面にはエンドキャップが接合され、反射防止コーティングはエンドキャップの出射端面に施される事で反射防止コーティングの損傷を防止するもしくは高調波による反射防止コーティングの損傷が基本波に対する光学損失とならないようにする。また、同じ目的でエンドキャップの出射端面は基本波に対してブリュスタ角となるように加工されていてもかまわない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により高調波による端面の損傷で基本波の光学損失が増加することはなく、また、高調波と基本波の両方によって起こる端面の損傷は起こらなくなり、レーザ光源装置の寿命を大幅に延伸することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】エンドキャップ付き波長変換デバイスの構成図
【図２】共振器型波長変換器の概要
【図３】従来技術の複屈折性の結晶内で発生された高調波がウォークオフによって一方向に広がり扁平なビームとなって出射端面より出射する様子
【図４】従来技術の波長変換デバイス出射面における基本波と高調波のビームパターン
【図５】エンドキャップ付き波長変換デバイス出射端面における基本波と高調波のビームパターン
【図６】エンドキャップ付き波長変換デバイス出射端面における基本波と高調波のビームパターンのエンドキャップのウォークオフ方向が非線形波長変換結晶のウォークオフ方向と90度異なる場合
【符号の説明】
【００１４】
１      基本波
２      残留（変換されずに残った）基本波
３      高調波
４      基本波の強度分布
５      高調波の強度分布
６      共振器入力結合ミラー
７      非線形波長変換素子
８      受光素子
９      精密位置決め素子
１０１  非線形光学結晶
１０２  エンドキャップ
１０３  入射端面
１０４  出射端面
１０５  共振器入力結合ミラー
１０６  高反射共振器ミラー
２０１  基本波の偏光(紙面に垂直)
２０２  高調波の偏光(紙面に平行)
３０１  基本波のビームパターンと位置
３０２  基本波のビームパターンと位置
３０３  エンドキャップが無い場合の高調波のビームパターンと位置
３０４  エンドキャップが無い場合の基本波のビームパターンと位置
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は非線形光学結晶とエンドキャップ材料が接合された波長変換素子と、ウォークオフの様子を示している。エンドキャップ材料は波長変換に寄与せず、且つウォークオフ効果を持つ。
【００１６】
例えば、βバリウムボレートが非線形光学結晶として用いられる場合には、波長変換に寄与しないエンドキャップ材料は、紫外線発生に用いられる事の多いβバリウムボレート（ＢＢＯ）など、同種の非線形光学結晶のカット角がわずかに異なり位相整合条件を満たさないものであったり、二次の光学的非線形性を持たないαバリウムボレート（α−ＢＢＯ）であってもよい。重要なのは非線形光学結晶とエンドキャップ材料の屈折率が大きく異ならないことである。これは接合面における残留反射を極力小さくすることを目的とする。
【００１７】
その意味ではＢＢＯ結晶のカット角を変えても常光の屈折率は変わらないのでカット角の異なるＢＢＯをエンドキャップ材料として用いることは理にかなっており、また、屈折率が同じで二次の光学的非線形性を持たないα−ＢＢＯ結晶もまた好適なエンドキャップ材料といえる。
【００１８】
さらに、天頂角θが同じ一軸性結晶のβ−ＢＢＯでも方位角φが３０度異なると実効非線形光学定数がゼロになるのでエンドキャップ材料としても好適であると言える。この場合は双方の偏光に対して屈折率が全く同じであるばかりでなく、熱膨張係数などの機械的特性も全く同じになるのでエンドキャップ材料としては非常に好適である。
【００１９】
仮にエンドキャップが同じカット角のα−ＢＢＯであったり、方位角の異なるβ−ＢＢＯの場合には、例えば波長５３２ｎｍの基本波から波長２６６ｎｍの高調波を発生させる場合であれば、ウォークオフ角は非線形光学結晶を同じく、８５ｍｒａｄである。典型的には基本波は非線形結晶に対してガウシアン半径約３０から５０ミクロンのビームに集光される。このサイズは共振型波長変換装置においては共振器の光学構成によって決定され、産業的にも十分な再現性が確保される。
【００２０】
しかるに、エンドキャップ材の厚みを適切に選択する事で高調波と基本波のビームがエンドキャップ出射端面上で重ならない、もしくはその重なりがきわめて小さいという状態を作り出す事が可能である。相対的なビームの移動量は厚みに比例し、たとえばウォークオフ角ρ、厚みｔであれば異常光の平行移動量はρｔとなる。
【００２１】
上述のようにたとえば半径５０ミクロンの基本波(入力光)の光路に影響を及ぼさないようにするために５０から１００ミクロン程度移動させればよいので、ρ=８５ｍｒａｄである事からｔ＝２ｍｍ前後でよい事になる。また、ビームの平行移動量をさらに大きくし、先の光学素子においてのビームの重なりを避けるためには適宜エンドキャップ材の厚みを適切に選択する事により対応が可能である。エンドキャップの出射端面には光学損失を低く保つために反射防止コーティングが施されてもかまわない。あるいは、その端面が基本波に対してブリュスタ入射となるように加工されていてもかまわない。施される反射防止コーティングは従来非線形光学結晶に直接施されていたものと同じコーティングであったり、あるいは無コートのブリュスタカットでも同様の表面処理であっても、高調波と基本波はエンドキャップ出射端面上では重なっていないため、高調波もしくは高調波と基本波の両方によって起こる端面もしくはコーティングの損傷は防ぐ事が出来るか、少なくとも基本波の光学損失を増加させる事はない。
【００２２】
非線形結晶とエンドキャップの接合はこの界面が光学的に透明であり、且つ強固である事が重要である。このためには材料の屈折率が大きく違わない事、また機械的特性が大きく異ならない事が重要である事は上記したが、接合法自体もこれらの特性を満たすために注意深く選択する必要がある。可能性のある方法としてはオプティカルコンタクト、表面活性化接合、キャピラリボンディング、ディフュージョンボンディング、融着、接着などが考えられる。
【００２３】
上記の構成により、波長変換素子の出射端面では基本波と高調波の空間的な分離が実現する。このような構成では、まず、高調波と基本波が同時に照射する事で起こる端面もしくはコーティングの損傷は防止でき、また、高調波のみによって起こされる端面またはコーティングの損傷はその損傷痕が基本波のパスと重ならず、いずれの損傷の場合も基本波の光学損失を増加させる事は無い。これにより光学損傷の増加による変換効率の低下を抑止する事が出来、レーザ光源装置の寿命を延伸する事が可能になる。
【実施例】
【００２４】
以下に本発明の実施例を示す。
【実施例１】
【００２５】
本発明ではβバリウムボレート（ＢＢＯ）を用いて波長５３２ｎｍの基本波（入力光、グリーン光）から波長２６６ｎｍの第二高調波（紫外光）を発生する場合を例に説明するが、本発明の範囲はこれに限られるわけではもちろん無く、広く一般的に適用可能である。効率よく第二高調波を発生させるためには位相整合条件を満たす、すなわち基本波と第二高調波の位相速度を等しくする必要があり、これはＢＢＯでは自然複屈折を利用して達成される。具体的にはθ＝４７．５度の伝搬方向では波長５３２ｎｍの常光と波長２６６ｎｍの異常光の屈折率が等しくなり、波長２６６ｎｍの第二高調波が効果的に発生される。ＢＢＯ結晶の複屈折により波長２６６ｎｍの異常光は約８５ｍｒａｄのウォークオフを持ち、ＢＢＯ結晶のＣ軸を含む平面内で常光として伝搬する波長５３２ｎｍの常光から離れていく。
この過程の概念を図３に示す。結晶の全長に渡って発生する波長２６６ｎｍの異常光は結果として扁平なパターンを持ち、エンドキャップを持たない波長変換素子の出射端面では図４に示すようなパターンとなる。これに対して、本発明では非線形波長変換素子は非線形光学結晶と、それに接合されたエンドキャップからなる。エンドキャップは波長変換に貢献しないがウォークオフにより紫外光とグリーン光を空間的に分離する効果を持つ。
【００２６】
図５は本発明の実施例の一つの場合の波長変換素子出射端面における基本波と高調波のビームパターンと位置を示している。エンドキャップの異常光の偏光方向は非線形波長変換結晶の異常光の偏光方向と同じであり、エンドキャップのウォークオフ方向は非線形結晶のウォークオフ方向と同じである。エンドキャップによって高調波は基本波の位置からそのビームパターンの長軸方向に相対的に、図中Ｄ＝ρｔで示される量だけ移動している。ここに、ρはエンドキャップ内の異常光のウォークオフ角、ｔはエンドキャップの厚みである。Ｄが基本波のビーム半径と同じ程度かそれより大きい場合、波長変換素子出射端面においては基本波と高調波は殆ど重ならず、端面、特に端面に施される反射防止コーティングの二波長共存による損傷を防ぐ事が出来る。また、高調波による端面もしくは無反射コーティングの損傷による光学損失は基本波に影響せず、基本波に対する光学損失は低く保つ事が出来る。
【実施例２】
【００２７】
図６は本発明の別の実施例の波長変換素子出射端面における基本波と高調波のビームパターンと位置を示している。エンドキャップの異常光の偏光方向は非線形波長変換結晶の常光の偏光方向と同じであり、エンドキャップのウォークオフ方向は非線形結晶のウォークオフ方向と直交している。エンドキャップによって基本波は高調波の位置から高調波のビームパターンの短軸方向に相対的に、図中Ｄ＝ρｔで示される量だけ移動している。ここに、ρはエンドキャップ内の異常光のウォークオフ角、ｔはエンドキャップの厚みである。Ｄが基本波のビーム半径と同じ程度かそれより大きい場合、波長変換素子出射端面においては基本波と高調波は重ならず、端面、特に端面に施される反射防止コーティングの二波長共存による損傷を防ぐ事が出来る。また、高調波による端面もしくは無反射コーティングの損傷による光学損失は基本波に影響せず、基本波に対する光学損失は低く保つ事が出来る。
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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