(57)【要約】  基本波（２）をこの基本波（２）よりも波長の短い高調波（３）に変換するための波長変換素子（１）であって、他の領域よりも屈折率の低い低屈折率領域（４）が形成されている。低屈折率領域（４）は熱レンズの形成領域に形成され、さらに基本波（２）の集光位置より出射側に形成されていることが、より望ましい。本発明の波長変換素子（１）は熱レンズによる屈折力を低減する低屈折率領域（４）を設けることで、高出力時にも安定な出力が得られる。一方、この波長変換素子（１）を用いた短波長光発生装置は、基本波光源と、基本波を集光する集光光学系（５）とを備えている。
2010146800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波をこの基本波よりも波長の短い高調波に変換するための波長変換素子であって、他の領域よりも屈折率の低い低屈折率領域が形成されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
低屈折率領域が、波長変換素子における熱レンズの形成領域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
低屈折率領域と他の領域との屈折率の差が１．０×１０−６〜１．０×１０−４であることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項４】
低屈折率領域が、波長変換素子における基本波の集光位置よりも出射側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項５】
低屈折率領域が、波長変換素子における基本波の集光位置から所定範囲に形成されるビームウェストの端部から、熱レンズの形成領域の中央までの間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項６】
低屈折率領域が、基本波ビームの中心に対し中心対称な領域であって、前記基本波の強度が１／ｅ２になる断面領域と同等またはそれより小さい領域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項７】
波長変換素子が、異なる２波長の２光子吸収により屈折率変化を生じる非線形光学結晶にて形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項８】
波長変換素子は、基本波が非線形光学結晶のＣ軸に対してほぼ垂直な方向に伝搬するように構成され、
低屈折率領域は、他の領域との屈折率の差について、前記非線形光学結晶のＣ軸方向の屈折率の差が、Ｃ軸と垂直な方向の屈折率の差よりも大きいように構成されていることを特徴とする請求項７記載の波長変換素子。
【請求項９】
非線形光学結晶は、Ｍｇがドープされたコングルエント組成のＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３と、Ｍｇがドープされたストイキオメトリック組成のＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３と、ＫＴｉＯＰＯ４とのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項１０】
波長変換素子は、基本波と高調波とのいずれかの吸収による熱レンズが形成されるか、または前記基本波と高調波の相互作用にもとづく吸収による熱レンズが形成されるものであることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項１１】
位相整合温度が１００℃以下であることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項１２】
基本波光源と、請求項１から１１までのいずれか１項記載の波長変換素子と、基本波を集光する集光光学系とを備えたことを特徴とする短波長光発生装置。
【請求項１３】
波長変換素子における基本波の集光位置から入射面までの距離が、前記集光位置から出射面までの距離よりも小さくなるように、前記集光位置が設定されていることを特徴とする請求項１２記載の短波長光発生装置。
【請求項１４】
基本波は、波長が６８０〜１２００ｎｍであることを特徴とする請求項１２記載の短波長光発生装置。
【請求項１５】
波長変換素子にビーム断面が円形の基本ビームが入射され、前記波長変換素子から断面が楕円形のビームが出射されることを特徴とする請求項１２記載の短波長光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換素子およびそれを用いた短波長光発生装置に関し、特に非線形光学効果を利用して高調波光を発生させる波長変換素子およびそれを用いた短波長光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光よりも短波長の光を発生させるための波長変換装置として、基本波レーザビーム光源から基本波レーザビームを発生させ、この基本波レーザビームを集光素子により波長変換素子に集光させ、波長変換素子の非線形効果により基本波レーザビームの波長変換を行うものが知られている。また、公知の別の波長変換装置として、基本波のビーム位置を非線形光学結晶の内部で移動させることで、パワー密度を低減し、それによって出力の安定化を図ったものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７２１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
公知の波長変換素子およびそれを用いた短波長光発生装置では、高出力時に出力が不安定になる、変換効率が変動する、といった問題があった。この問題を解決する方法として、上述の特許文献１の手法では、基本波のビーム位置を変化させて、平均パワー密度の低減を図っていた。しかしながら、このような構成では、基本波のビーム位置が変化することで高調波出力のビーム位置も同時に変化して、高調波のビーム品質が低下していた。このため、公知のものでは、高調波出力の集光特性が劣化し、集光点でのパワー密度が大幅に低下するという問題があった。【０００５】
そこで本発明は、高出力時にも安定に短波長光を発生可能な波長変換素子およびそれを用いた短波長光発生装置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】
【０００６】
前記に述べた課題を解決するために、本発明の波長変換素子は、基本波をこの基本波よりも波長の短い高調波に変換するため、他の領域よりも屈折率の低い低屈折率領域が形成されていることを特徴とする。【０００７】
本発明の短波長光発生装置は、波長変換素子に基本波を集光し、波長変換素子内部で基本波を波長の短い高調波に変換する短波長光発生装置であって、波長変換素子内部の基本波ビームが透過する領域に低屈折率領域が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の波長変換素子は、基本波ビームの伝搬領域内に低屈折率領域を備えたものである。したがって、本発明の波長変換素子およびそれを用いた短波長光発生装置は、高出力の高調波発生時に問題となる熱レンズの発生を抑制して、安定な短波長光の発生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の短波長光発生装置の構成図
【図２】短波長光発生装置の波長変換素子に熱レンズが形成される様子を示す図
【図３】波長変換素子における出力不安定現象を示す図
【図４】波長変換素子の低屈折率領域とそれ以外の領域との屈折率差と、波長変換素子の変換効率との関係を示す図
【図５】波長変換素子の集光点におけるビームウェストを定義する図
【図６】波長変換素子における集光点からの距離とビーム直径との関係を示す図
【図７】本発明の低屈折率領域の形成場所を表す図
【図８】図７に示す集光点と入射端面との距離を横軸にとるとともに、波長変換素子の内部における集光点と熱レンズの中心位置との距離とを縦軸にとって、両者の関係の計算結果を示す図
【図９Ａ】波長変換素子の製造方法の初期工程を説明するための図
【図９Ｂ】波長変換素子の製造方法の中期工程を説明するための図
【図９Ｃ】波長変換素子の製造方法の終期工程を説明するための図
【図１０】本発明の波長変換素子の特性の一例を示す図
【図１１Ａ】低屈折領域が形成されていない波長変換素子からの出射ビームを示す図である
【図１１Ｂ】低屈折率領域が形成されている波長変換素子からの出射ビームを示す図である
【図１２】波長変換素子の端面からの内部観察により低屈折率領域が形成されていることを確認する手法を示す図
【図１３】波長変換素子の製造方法の他の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［波長変換素子の不安定性］
非線形光学効果を利用した波長変換素子により、赤外領域の基本波を、紫外から可視の領域の高調波に変換できる。非線形光学効果は基本波のパワー密度に比例するため、効率よく高調波を発生させるためには、高パワー密度の基本波を必要とする。しかし、パワー密度の増加によって、他の非線形効果が顕著になり出力安定性を阻害する場合がある。本発明によれば、このハイパワー領域における出力の不安定性を抑制することができる。
【００１１】
本発明者らは、課題となっている出力不安定現象について原因を解明した。図２および図３を用いて出力不安定現象を説明する。図２に示すように、基本波２が、集光光学系５により波長変換素子１の内部に集光され、かつ発散状態で波長変換素子１から出射される。集光された基本波２は、波長変換素子１の非線形光学効果により高調波３に変換される。ここでは、２次の非線形光学効果を利用した第２高調波の発生について説明する。たとえば基本波２として波長１０６４ｎｍの赤外光を用い、ＳＨＧ素子としての波長変換素子１によって波長５３２ｎｍの高調波３を発生するものとする。
【００１２】
波長変換素子１の基板には、周期状の分極反転構造を有し、Ｍｇがドープされた、ＬｉＮｂＯ３が用いられた。波長変換として８Ｗ程度の基本波２に対し２．５Ｗ近くの高調波３を発生させたときに、出力される基本波２および高調波３のビーム形状が変動する現象が見られ、変換効率が不安定になった。
【００１３】
波長変換素子１の特性を評価すると、高調波３のパワー増大と共に波長変換素子１の温度が上昇し、出射する高調波３のビームの広がり角が小さくなることが観測された。これは、熱レンズ効果によって伝搬ビームが集光され、出射ビームとしての高調波３の広がり角が低下したのが原因と考えられる。特に、出力が不安定になる近傍の高調波３は、その出力ビームが波長変換素子１の内部における出力端面近傍で集光状態になっていることが観測された。
【００１４】
図２に示すように、熱レンズ２１は、波長変換素子１内の同一ビーム内において、基本波２と高調波３とが混在することで発生する。波長変換素子１を構成する結晶は、基本波２を可視光照射により吸収し、そして可視光の非線形吸収を行う。このため、高調波３のパワー密度の増大とともに吸収係数が大きくなる。吸収により部分的な温度上昇が発生すると、図２に示すように熱レンズ２１が発生する。熱レンズ２１は凸レンズ効果を生じ、伝搬する光に集光作用を及ぼす。熱レンズ２１のレンズパワーが大きくなると、伝搬ビームが発散状態からコリメート状態、集光状態に変わる。非線形な吸収は、高調波３のパワー密度の増大とともにその吸収率を増加させるため、レンズパワーがさらに大きくなる。熱レンズ２１のレンズパワーが大きくなると、図３に示すように伝搬する基本波２、高調波３は集光されるため、波長変換素子１の出射端面近傍でパワー密度が増大し、さらに吸収が増えることで加速度的に光の吸収が増大する。光吸収にともなう発熱による温度上昇で、波長変換素子１の中で温度分布が生じ、波長変換素子１の位相整合条件が崩れるため、変換効率が低下する。これを繰り返すことで出力が大きく変動する。すなわち図３に示すように波長変換素子１の出射端面近傍で光吸収による不安定領域２２が形成され、高調波出力が不安定になる。つまり、図２の状態では、発散ビーム径が小さくなり基本波２のパワー密度の向上による変換効率の増大が生じ、一方、不安定領域２２が形成された図３の状態では、吸収の増大により出力が大きく変動する。
【００１５】
なお、以上においてはＭｇがドープされたＬｉＮｂＯ３結晶について説明したが、同様の現象は、他の非線形光学結晶、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰや、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｃなどがドープされたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３結晶や、ＭｇがドープされたＬｉＴａＯ３結晶でも発生する。
【００１６】
［本発明の波長変換素子およびそれを用いた装置］
本発明の波長変換素子は、熱レンズを介して発生する高出力特性の不安定性を低減したものである。以下、詳細に説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は、本発明の実施例の波長変換素子１、およびそれを用いた装置の構成図である。図１の装置では、基本波２を集光光学系５により波長変換素子１に集光し、基本波２を高調波３に波長変換している。そして、波長変換素子１における基本波２のビーム透過領域に、低屈折率領域４が形成されている。低屈折率領域４は、他の部分よりも屈折率の低い領域である。【００１８】
低屈折率領域４を形成した本発明の波長変換素子１の特性について説明する。本発明者らは、このような図１に示した本発明の波長変換素子１と、図２および図３に示した公知の波長変換素子１とについて、高出力特性を評価した。すなわち、波長１０６４ｎｍの基本波２を入射して、波長５３２ｎｍの高調波３を発生する実験を行い、出力の安定性について評価した。すると、公知の低屈折率領域を有しない波長変換素子１では、高調波３の出力が２．５Ｗの近傍で、出力が不安定になった。これに対して、低屈折率領域４を形成した本発明の波長変換素子１では、３Ｗ近傍まで安定な出力が得られ、公知のものに比べて高出力特性が１．２倍向上した。【００１９】
その要因は、図１の低屈折率領域４が凹レンズ効果を持つからである。すなわち、図２および図３に示される吸収による熱レンズ２１は、屈折率が高いため凸レンズとなる。これによって、波長変換素子１は伝搬ビームを集光し、そして吸収が非線形に増大するため、集光点近傍で不安定領域２２が形成される。これに対し、図１の低屈折率領域４は、凹レンズ効果を発揮するため、熱レンズ効果を相殺することができる。したがって、不安定領域２２の発生を抑制することができる。【００２０】
重要なことは、低屈折率領域４の屈折率分布は、発生する高調波３が熱レンズ２１によって集光されるのを抑制する効果が得られるような分布であること、である。上述のように、熱レンズ２１は、基本波２と高調波３とのビームどうしが重なる領域に形成される。周期状の分極反転構造を有した波長変換素子１によって基本波２を高調波３に変換する場合、周期構造の方向とほぼ同方向にビームを入射すると、基本波２と高調波３のビーム伝搬方向が一致するため、屈折率分布は、ビーム中心に対して対称に形成される。また熱レンズ２１の屈折率は、ビーム中心が最大で、その周辺に行くに従い減少する。その分布範囲は基本波２のビームの断面領域より小さい。よって、低屈折率領域４は、このように熱レンズ２１を相殺する分布をとることで、効果的に熱レンズ効果を抑制することができる。したがって、低屈折率領域４の断面は基本波２のビーム断面より小さな領域に位置し、その屈折率分布は、基本波２のビームの中心に対して対称の分布であることが望ましい。さらに屈折率分布としては、ビームの中心がもっとも屈折率が低く、その周辺に行くに従い基板の屈折率と同程度まで高くなることが望ましい。【００２１】
低屈折率領域４と周辺領域との屈折率差Δｎによって、熱レンズ効果を相殺することができる。Δｎの大きさは、波長変換素子１の変換効率への影響を最小限に抑えるように設定することが必要である。熱レンズ２１の発生領域すなわちその分布は、高調波出力、位相整合温度などによって変わるので、低屈折率領域４はできるだけ広い範囲に形成する必要がある。なお、Δｎの値が光吸収による屈折率変化より大きくなると、波長変換素子１の変換効率を低下させる。図４に、低屈折率領域４とそれ以外の領域の屈折率差Δｎに対する波長変換素子１の変換効率の関係を示す。Δｎが１．０×１０−５以下であれば、変換効率の低下は非常に小さい。また１．０×１０−４を超えると、変換効率は５０％以上低下する。このことより、低屈折率領域４のΔｎは１．０×１０−４以下であることが好ましい。さらに好ましくは１．０×１０−５以下である。ただし、熱レンズ部分の屈折率変化が１．０×１０−５程度のため、Δｎが１．０×１０−６よりも小さくなると、熱レンズ効果を相殺できなくなる。よって、Δｎの範囲は、１．０×１０−６〜１．０×１０−４であることが望ましい。【００２２】
図１に示すように、低屈折率領域４は、基本波２の集光位置よりも波長変換素子１の出射側に形成されることで、所要の効果が得られる。なぜなら、図２に示すように、図３の不安定領域２２を形成する熱レンズ２１の発生箇所は、基本波２の集光位置よりも出射側だからである。図５に、低屈折率領域の形成箇所１２と、ビームウェスト１１と、集光点３２との位置関係を示す。ビームウェスト１１の位置よりも入射側に図１の低屈折率領域４を形成すると、集光点３２が出射側にシフトするが、熱レンズ２１の発生を抑制することはできない。またビームウェスト１１の位置に低屈折率領域４を形成した場合には、ビームの集光特性に影響を与えないため、熱レンズ２１の発生を抑制する効果はない。上述のように、伝搬するビームに集光効果を及ぼす熱レンズ２１が発生するのは、基本波２のビームの集光点３２よりも出射側である。ここで定義したビームウェスト１１は、基本波２のビームが実質的に広がらない領域である。【００２３】
図６に、図５に示す集光点３２からの距離とビームの直径との関係の例を示す。これは、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３の結晶を用いて、波長１０６４ｎｍの基本波２に対して集光径６０μｍで集光した場合の結果であり、結晶内部で集光点３２から±０．５ｍｍ程度の領域でビーム径がほとんど変化していない。ここでは、ビームウェスト１１の領域を、ビーム径がほとんど変化しない領域である集光点３２から±０．５ｍｍの範囲の領域とする。ビームウェスト１１の大きさは、集光スポットの大きさにほぼ比例して増大する。【００２４】
次に、図５に示す低屈折率領域の形成箇所１２について、図７を用いて説明する。低屈折率領域４による熱レンズ２１の屈折力を抑制する効果を実現するには、熱レンズ２１による屈折力に対抗する、熱レンズ２１と逆の屈折力が必要である。同時に熱レンズ２１が光の吸収により発生する現象であるため、熱レンズ２１の中心近傍で光のパワー密度を低減する効果も重要である。【００２５】
この２つの効果を同時に実現するには、図７に示すように、集光点３２から所定範囲に形成される図５のビームウェスト１１の端部から熱レンズ２１の中央までの間に、低屈折率領域４を形成するのが効果的である。これは、熱レンズ２１よりもビームウェスト１１に近い位置に低屈折率領域４を形成することで、熱レンズ２１の発生箇所の光のパワー密度を低減できるからである。【００２６】
図８は、図７に示す集光点３２と入射端面７との距離を横軸にとるとともに、波長変換素子１の内部における集光点３２と熱レンズ２１の中心位置との距離を縦軸にとって、両者の関係の計算結果を示したものである。熱レンズ２１の発生箇所は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板についての基本波２および高調波３の吸収係数と、集光スポットでの吸収による温度上昇が最大になる点の位置とにもとづいて計算したものである。この結果は、集光点３２を入射端面７に近づけるほど、熱レンズ２１と集光点３２との距離が拡大することを示している。低屈折率領域の形成箇所１２は、図８の斜線で示した領域であることが好適である。【００２７】
周期状の分極反転構造を備えた波長変換素子１は、結晶の異方性にもとづく非線形光学効果を利用するために、結晶軸によって結晶構造が異なる複屈折率材料にて形成されている。分極反転構造を利用する場合、最も高い非線形定数を有するＣ軸方向の偏光の基本波２を、同方向の高調波３に変換する。このため、低屈折率領域４の屈折率変化（基本波２および高調波３の熱レンズ効果を抑制する）としては、Ｃ軸方向の偏光に対するΔｎを減少させることが必要である。すなわち、波長変換素子１は、基本波２が非線形光学結晶のＣ軸に対してほぼ垂直な方向に伝搬するように構成され、かつ低屈折率領域４は、非線形光学結晶のＣ軸方向の屈折率低下量がＣ軸と垂直な方向の屈折率低下量より大きいように構成されていることが好適である。【００２８】
低屈折率領域４は、基本波２のビームの伝搬領域の内部におけるビームの中心軸の近傍に形成することが好適である。ビームの中心軸から外れると、出射するビームの品質を劣化させやすい。また熱レンズ２１の発生を抑制する効果が低下しやすい。ビーム径が数１０μｍであるため、低屈折率領域４は、ビームの中心軸に対し数μｍの精度で形成することが好適である。【００２９】
低屈折率領域４を、その断面が基本波２のビーム断面（最大パワーが１／ｅ２になる面積）とほぼ一致するように形成することで、または基本波２のビームの断面積以下に形成することで、熱レンズ２１の発生をもっとも効果的に抑制できる。これは、熱レンズ２１が基本波２と高調波３のビーム強度分布に従い形成されるため、これを相殺するには熱レンズ２１と同等の領域に低屈折率領域４を形成するのが効果的だからである。【００３０】
なお、ここでは、基本波２の集光ビームの位置である集光点３２が波長変換素子１内部となるように設定したが、集光点３２を波長変換素子１の入射端面７に位置させた構成とすることで、高出力耐性をさらに向上させることができる。集光点３２を波長変換素子１の入射端面７に位置させると、波長変換素子１の内部における基本波２および高調波３のパワー密度が減少するとともに、熱レンズ２１と集光点３２との距離が大きくなる。このため、熱レンズ２１の中心でパワー密度が大きく低減して、高出力耐性を向上させることが可能になる。【００３１】
次に、本発明の波長変換素子を製造するための方法について、図９Ａ〜図９Ｃを用いて説明する。【００３２】
波長変換素子１の高出力耐性を向上させるために、基本波２のビームの伝搬領域内部に低屈折率領域４を精度良く形成する必要がある。ビーム半径は数１０μｍ程度であり、屈折率差は１０−４以下であり、結晶内部にこのような低屈折率領域４を精度良く形成するのは難しい。本発明の波長変換素子１は、２光子吸収特性を利用して低屈折率領域４が形成されたことを特徴とする。【００３３】
Ｍｇなどの金属をドーピングした強誘電体材料に光を照射することで、２光子吸収による屈折率変化が生じることが知られている。材料としては、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のコングルエントおよびストイキオメトリック組成の材料、またはＫＴｉＯＰＯ４を挙げることができる。２つの光子エネルギーによりバンドギャップの広い準位に電子を移動させる方式で、２光子吸収を利用したホログラム素子などにより屈折率分布を安定に保存できる。本発明では、基本波２と高調波３の２光子を用いた２光子吸収による低屈折率領域４の形成を利用する。【００３４】
まず、図９Ａに示すように、非線形光学結晶に外部から電界を印加して周期状の分極反転構造３1を形成する。次に、図９Ｂに示すように、分極反転構造３１を有した波長変換素子１の内部に、集光光学系５を用いて基本波２を集光する。波長変換素子１の内部に集光位置３０が存在する。波長変換素子１の温度を、基本波２の屈折率と高調波３の屈折率とが等しくなる温度である位相整合温度に設定することで、高調波３が効率よく出射する。高調波３は波長変換素子１における入射側から出射側に向かって徐々に増加するため、高調波３のパワー密度が最大になるのは、基本波２の集光位置３０よりも出射面側にずれる。２光子吸収を利用して形成される低屈折率領域４は、その形成される位置が高調波３のパワー密度に依存して、高調波３のパワー密度が最大になる点を中心に形成される。【００３５】
しかしながら、この状態で形成される低屈折率領域４は、その体積が小さく、光の伝搬方向に十分な長さが取れないため、その効果が少ない。そこで、熱レンズ２１を相殺する効果を高める方法として、低屈折率領域４の体積を増大させることが必要である。そのための手法が、図９Ｃに示される、低屈折率領域４の長さ３８を増大させる方法である。【００３６】
図９Ｃに示すように、基本波２を発生させる図外の基本波光源、集光光学系５、波長変換素子１に加え、波長変換素子１の温度制御を行うペルチェ素子３７も組み込んで固定することで、光源モジュールを完成させる。光源モジュールを完成させることで、波長変換素子１と基本波２のビーム位置との関係が固定される。この後に、基本波２のビームの伝搬領域に低屈折率領域４を形成すれば、基本波２のビームと高調波３のビームとの位置合わせは不要になる。さらに、２光子吸収を利用することで、基本波２のビームの中心に精度よく低屈折率領域４を形成できる。この状態で、波長変換素子１の温度を変化させることで、低屈折率領域４の体積を増大させることが可能である。【００３７】
すなわち、波長変換素子１の内部で基本波２の一部が高調波３に変換されると、基本波２と高調波３とが同時に存在する領域が形成される。この領域では２つの波長の光による２光子吸収が発生し、これによって低屈折率領域４が形成される。しかしながら、波長変換素子１で高調波３を発生するだけでは、低屈折率領域４の体積すなわち長さ３８が十分でない。そこで、ペルチェ素子３７を用いて、波長変換素子１の温度を上述の位相整合温度の近傍で変化させる。波長変換素子１の温度を変化させると、同波長変換素子１の内部における高調波３の強度分布が変化する。この現象を利用することで、高調波３のパワー密度が最大となる位置を波長変換素子１の長さ方向に移動させることが可能となる。すなわち、波長変換素子１の内部で基本波２を高調波３に変換し、かつ波長変換素子１の温度を高調波３が発生する位相整合温度の近傍で変化させることで、長い範囲で低屈折率領域４を形成することが可能になる。【００３８】
図１０は、波長変換素子１の温度を位相整合温度から変化させた場合の、高調波出力の変化と、波長変換素子１内部における高調波３のパワー密度が最大となる位置との関係を計算した結果を示す。波長変換素子１については、５ｍｏｌのＭｇをドープさせたＬｉＮｂＯ３の物理定数を用いた。パワー密度最大の位置は、基本波２の集光位置３０から出射側に向かう距離をｍｍ単位で示したものである。ここでは、波長変換素子１は全長２６ｍｍで、基本波２の集光位置３０は中心位置すなわち端から１３ｍｍの位置である。高調波出力の温度依存性が左右非対称になっているのは、基本波２および高調波３の吸収による温度分布によるものであり、これは別の実験結果と一致している。図から分かるように、高調波出力が半減するときの半値全幅は１．２℃程度である。このとき、高調波３のパワー密度の最大位置を、基本波２の集光位置３０から２．１ｍｍ〜２．８ｍｍの範囲すなわち０．７ｍｍの範囲で変化させることが可能である。すなわち、低屈折率領域４の長さ３８を０．７ｍｍ以上の範囲で形成可能である。さらに、波長変換素子１の温度を全幅まで変化させると、高調波３のパワー密度の最大位置を２．８ｍｍ動かすことができる。ただし、全幅以上動かすと高調波出力が大幅に低減するため、低屈折率領域４のΔｎが低下する。このため全幅以上に温度を可変しても、低屈折率領域４は増大せず、熱レンズ２１の低減効果は変わらない。実験によると、波長変換素子１の温度を位相整合温度の半値全幅以上変化させることで、熱レンズ抑制効果が大幅に増大し、高出力特性を２．５Ｗから３Ｗまで向上させることが可能であった。【００３９】
図１０から分かるように、高調波出力が最大となる温度のときに、パワー密度最大の位置は集光位置３０よりもっとも離れた場所にある。したがって温度変化の範囲は、高調波出力が最大となる、位相整合温度から温度が高い側の半値全幅までとした範囲と、位相整合温度から温度が低い側の半値全幅までとした範囲との、少なくともいずれかとするのが好ましい。【００４０】
次に、上述の位相整合温度との関係について説明する。２光子吸収による屈折率変化方法は、電子をトラップ準位に動かすことで屈折率変化を得ているため、温度を上げると、電子の動きが活発になりトラップされた準位から電子が放出されることで、低屈折率領域４のΔｎが減少する。このため、高温での低屈折率領域４の形成は難しい。Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃなどを添加したＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、またはストイキオのＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３においては、１００℃近傍に閾値がある。このため、波長変換素子１の温度を１００℃以上に上げると、低屈折率領域４のΔｎが増大し、熱レンズ２１の抑制効果が大幅に低減する。これは、低屈折率領域４の形成プロセスにおいても同様の効果を及ぼす。したがって、波長変換素子１の位相整合温度は１００℃以下に設計する必要がある。【００４１】
光照射による低屈折率領域４すなわち屈折率分布の形成に際しては、２光子吸収によって深い準位の電子（ホール）がイオン化され、伝導帯を移動して再結合する。その結果、結晶内に電荷の分布が発生し、内部電界を生み、電気光学効果によって屈折率が変化する。エネルギー準位が深いため、比較的安定な電界分布を形成できる。電荷の移動は結晶の自発分極の方向に発生するため、結晶のＣ軸方向に電界分布が形成され、電気光学効果を介してＣ軸方向の偏光に対する屈折率分布を生じる。すなわち、結晶のＣ軸に垂直な伝搬ビームに対して、ビーム断面屈折率はＣ軸方向の低下が大きくなる。【００４２】
この結果、出射されるビームは、図１１Ａの低屈折率領域４が形成されていない状態の円ビームから、図１１Ｂの低屈折率領域４が形成された状態の、Ｃ軸方向を長軸とする楕円ビームとなる。つまり、本発明の波長変換素子１は、円形の入射光に対して、出射光が楕円ビームになるという特徴がある。ビームが楕円化することで、熱レンズ効果によるビームの集光に収差が生じ、熱レンズ２１による集光スポットのパワー密度が低下する。それによって、高出力時における不安定領域２２の発生が低減されるという効果もある。【００４３】
低屈折率領域４の形成を行うと、波長変換素子１の位相整合温度が低下する。形成された低屈折率領域４の屈折率を測定したところ、その位相整合温度の低下の度合は０．２〜０．４℃程度であった。この値より波長変換素子１の結晶内部の温度変化を求め、屈折率変化に換算した結果、低屈折率領域４と他の部分との屈折率差Δｎは、１×１０−５〜４×１０−５程度であった。この値は、図４に示した特性を満足する屈折率変化が得られていることを示すものであった。【００４４】
低屈折率領域４の安定性について説明する。低屈折率領域４はイオンの分布によって発生するが、結晶温度の上昇によってイオン発生が増大することで、電荷分布が消滅する。このため、結晶温度の上昇は、低屈折率領域４の消滅につながる。実験を行ったところ、結晶温度が１００℃程度で低屈折率領域４の屈折率変化が低下し、１２０℃では消滅した。したがって、本発明の波長変換素子１は、低屈折率領域４を形成した後は、１００℃以上に温度を上げないようにすることが好ましい。また紫外線などフォトンエネルギーの高い光を照射することでも、低屈折率領域４の分布に変化を及ぼす。このため、低屈折率領域４の形成後は紫外光が当たらない構成が好ましい。このことからも、位相整合温度を１００℃以下に設定するのが好ましい。【００４５】
２光子吸収を利用して形成される低屈折率領域４は、基本波２および高調波３の強度分布に沿って形成されるため、それぞれの電界分布の積に近い形で形成される。このため、伝搬するビーム断面とほぼ同じ強度分布が形成でき、このため熱レンズ効果を効率良く相殺できるという特徴を持つ。【００４６】
なお、低屈折率領域４が形成されていることは、幾つかの方法で分析できる。先ほど述べたように、出射ビームの楕円化によって低屈折率領域４が形成できていることを確認できる。また図１２に示すように、波長変換素子１の入射端面７または出射端面８より観察することで、低屈折率領域４が形成されていることを確認できる。その楕円率は数％〜１０％程度である。すなわち、波面測定器、干渉顕微鏡などで波長変換素子１に平行光を透過させ、図１２に示すように波長変換素子１の入射端面７、出射端面８から観察すると、波長変換素子１の結晶の内部に低屈折率領域４を観測することができる。低屈折率領域４の屈折率変化は小さいが、低屈折率領域４の長さ３８が長いので、屈折率変化が積算され入射端面７、出射端面８からの観察が可能となる。【００４７】
なお、連続光のみならず、パルス光でも同様の効果が得られる。【００４８】
波長変換素子１として、上述の分極反転構造を有する光学素子、例えばＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、ＭｇをドープしたＬｉＴａＯ３（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、ＫＴｉＯＰＯ４で、特に効果を発揮することができる。２光子吸収による屈折率変化は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃなどの金属を添加することで、大きくすることができる。かつ、このような金属の添加によって、屈折率変化の安定性が向上する。このため、このような金属を添加したＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４が有効である。【００４９】
なお、上記においては、波長変換素子１の一例として、非線形光学効果を利用した波長変換素子について説明したが、分極反転構造を有する光学素子で、分極反転構造の周期を利用して、光の位相を整合させるもの、或いは、光とマイクロ波などの速度を整合させる光学素子などを使用することも可能である。【００５０】
また、上記においては、波長変換の一例として、赤外光（１０６４ｎｍ）から可視光（５３２ｎｍ）への変換を例にして説明したが、このような第２高調波の発生以外の、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振などについても、分極反転構造の周期を利用して光の位相を整合させる構造を利用しているものであれば、本発明を適用することができる。【００５１】
これまでの波長変換素子１を製造するための方法に関しては、基本波２を波長変換素子１の中央近傍に集光させた例について説明したが、波長変換素子１の入射部近傍に集光させることもできる。その場合は、高出力耐性をさらに向上できる。波長変換素子１の温度を変化させて２光子吸収による低屈折率領域４を形成した場合、入射部近傍に集光点３２を持ってくると、集光点３２から２ｍｍ程度出口側に離れた点に低屈折率領域４が形成される。これに対して、熱レンズ２１が形成される位置は、図８に示されるように集光位置３０より９ｍｍ近く離れて存在する。すると、低屈折率領域４による凹レンズ効果により、熱レンズ２１における基本波２のパワー密度低減効果が顕著になり、高出力耐性を大幅に向上させることができる。【００５２】
低屈折率領域４の長さ３８を増大させる別の方法として、基本波２のビームの集光位置３０に対して、波長変換素子１を動かす方法もある。【００５３】
低屈折率領域４を広い範囲に形成する方法として、図１３に示す方法もある。この図１３に示す方法は、波長の異なる２つのビームを交差状に照射することで、低屈折率領域４を形成するものである。すなわち、波長変換素子１に入射される基本波２（１０６４ｎｍ）が、集光光学系５により波長変換素子１の内部に集光される。これに対し、波長変換素子１の側方から、波長３２０〜６００ｎｍの照射光６１を、波長変換素子１の内部における基本波２の伝搬領域に照射する。すると、２光子吸収により屈折率を変化させることができ、これを利用して低屈折率領域４を形成する。【００５４】
照射光６１のパワーは、波長にもよるが、５００ｎｍ近傍の光で１Ｗ程度、４００ｎｍ近傍の光では数１００ｍＷ程度必要である。同時に照射する基本波２を数Ｗ程度とすることで、屈折率変化を実現できる。２光子吸収で発生した屈折率変化は安定であり、このためその後に波長変換素子１を長時間動作させても屈折率変動が小さい。【００５５】
照射光６１の波長は、上述のように、基本波２の波長が１０６４ｎｍであるときに、３２０〜６００ｎｍであることが好ましい。照射光６１の波長が３２０ｎｍ以下では、基板の透過率が低いため、基板表面で吸収されて基本波２のビームまで到達しない。このため、２光子吸収効果が得られない。一方６００ｎｍ以上になると、基本波２と照射光６１とによるフォトンエネルギーの和が小さくなり、２光子吸収効果が得られなくなる。【００５６】
低屈折率領域４を長いサイズで形成する方法としては、照射光６１の照射位置を波長変換素子１の長さ方向に沿って移動させる方法や、照射光６１を線状ビームにして基本波２と交差させる方法などがある。【００５７】
このようにして低屈折率領域４を形成する場合に、波長変換素子１として、分極反転構造を有する非線形光学結晶、例えばＭｇ：ＬｉＮｂＯ３（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、Ｍｇ：ＬｉＴａＯ３（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、ＫＴｉＯＰＯ４を用いると、特に効果を発揮することができる。【００５８】
なお、上記においては、波長変換の一例として、赤外光（１０６４ｎｍ）から可視光（５３２ｎｍ）への変換を説明したが、このような第２高調波の発生以外の、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振などの場合にも、分極反転構造の周期を利用して光の位相を整合させる構造を利用しているものであれば、本発明を適用することができる。【００５９】
本発明の波長変換素子１によると、基本波２の光路に低屈折率領域４を備えることで、光吸収により発生する熱レンズ２１のレンズパワーを低減することができて、大出力の高調波３の光を発生させても、安定した出力を得ることができる。また、公知の技術である、高出力時に出力が不安定になることを回避する目的で公知の基本波２のビーム位置を変化させるための駆動部分を設けること、は必要とされない。したがって、本発明の短波長発生装置は、構成が単純で、その製造が容易である。さらにビーム位置が固定しているため、ビームを集光しても安定な集光特性が得られるという効果がある。【００６０】
本発明の波長変換素子１によると、非線形光学結晶に基本波２または高調波３の少なくともいずれかに対する吸収、または基本波２と高調波３の相互作用による吸収を有する結晶を用いることで、高出力の高調波発生時に熱レンズ２１を発生することができる。熱レンズ２１の発生は、基本波２のビームの発散を抑制するため、光のパワー密度が増大し変換効率の向上が可能となる。同時に、熱レンズ２１を形成する高屈折率部分を本発明にもとづく低屈折率領域４で相殺することで、高出力時において安定した出力を実現できるという効果が得られる。【００６１】
本発明では、低屈折率領域４において、異常光に対する屈折率変化が大きくなる。これによって伝搬ビームが扁平ビームに変換される。これにより熱レンズ２１の影響を受けにくくすることができて、高出力時の耐性を向上することができるという効果が得られる。【００６２】
本発明では、位相整合温度および波長変換素子１の保存温度を１００℃以上に上げないことが好適である。本発明者らの検討結果によれば、低屈折率領域４の屈折率は、１００℃以上では安定に維持することが難しい。これに対し、１００℃以下で使用することで、安定した低屈折率領域４を維持することができる。【００６３】
本発明の波長変換素子１においては、非線形光学結晶として、Ｓｃが２ｍｏｌ以上またはＭｇ、Ｚｎ、Ｉｎが５ｍｏｌ以上添加された、コングルエント組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３と、Ｓｃが０．５ｍｏｌ以上またはＭｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、が１ｍｏｌ以上添加された定比（ストイキオメトリック）組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３との、何れかを使用することが望ましい。これらの波長変換素子によれば、耐光損傷強度に優れるため、高出力特性を実現できるという効果が得られる。さらに、光損傷に強いため、室温近傍で高出力の可視光発生が可能である。【００６４】
本発明の波長変換素子１の非線形光学結晶としては、Ｍｇが５．５ｍｏｌ以上添加されたコングルエント組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３や、Ｍｇが１ｍｏｌ程度添加された定比（ストイキオメトリック）組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３を使用することが好ましい。金属添加物の量を多くすることで、高出力耐性を向上させる効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の波長変換素子によれば、長時間に渡り連続的に高調波光を発生させても、出力低下が発生せず安定した出力が得られることが可能である。このような高出力特性に優れた波長変換素子を提供することで、レーザモジュールの信頼性が向上して、ディスプレイ等の民生用途に適した短波長光発生装置を実現することができる。
【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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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