(57)【要約】【課題】  波長変換された光ビームを出射することができる波長変換結晶を提供する。【解決手段】  波長変換結晶１は、ＣＬＢＯ結晶であり、波長1547nmのレーザ光の基本波と７倍波を合成して波長193nmの８倍波を発生させるものである。このような波長変換素子においては、従来は、８倍波を発生するときのウォークオフのために、出射される８倍波はビーム断面が楕円形となっていた。波長変換結晶１の入射面は入射光に垂直であるが、その出射面１ａは、入射光に垂直な面に対して斜めにカットされている。そのため、出射光は出射側端面１ａで屈折し、出射光の、光軸に垂直なビーム断面は円形となる。【選択図】  図１
2006163256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶であって、出射光が出射する面が、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するように、前記入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットされていることを特徴とする波長変換結晶。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換結晶であって、前記出射光が出射する面が、前記出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とする波長変換結晶。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の波長変換結晶を、少なくとも１つ有することを特徴とする波長変換光学系。
【請求項４】
入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶と、前記波長変換結晶から放出された光の、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するようなプリズムとからなる波長変換光学系。
【請求項５】
請求項４に記載の波長変換光学系であって、前記プリズムの出射側端面が、出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とする波長変換光学系。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の波長変換光学系を、少なくとも１つ有することを特徴とする波長変換光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換し、又、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザから放出される長波長の光を、非線形光学結晶を用いて短波長の光（例えば８倍波）に変換して用いる方法が、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５３１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような非線形光学結晶のうち、ＬＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶等の波長変換結晶においては、ウォークオフによる光ビーム（以後単に「ビーム」という）の変形が問題となる。このうち、入射した光については、例え進行方向が波長変換結晶の異常方向でも、入射光全体が一様に影響を受けるので、波長変換結晶の出射側端面において、出射光の光軸が入射光の光軸に対して平行シフトして出射されるだけで、ビーム自体の変形は発生しない。
【０００５】
しかしながら、波長変換により発生する光については、波長変換結晶の入側で発生した変換光はウォークオフに伴う平行シフト量が大きく、波長変換結晶の出側で発生した変換光は、ウォークオフに伴う平行シフト量が小さくなる。このため、例えば円形断面の入射光を波長変換結晶に入射させた場合、波長変換により発生する光のビーム形状は楕円形となる。
【０００６】
従って、従来は、波長変換素子の出側に、シリンドリカルレンズを使用した光学系を設け、この光学系によりビーム形状を円形に戻すと共に、発散角及びビーム径を一様にすることが行われていた。その例を図６に示す。
【０００７】
図６（ａ）において、波長変換結晶３１から出射した楕円形のビームは、シリンドリカルレンズ３２と３３によって、発散角が狭い（小さい）側（結晶の出射端面上での楕円形ビームの超軸方向）がほぼコリメートされ、シリンドリカルレンズ３４によって、発散角が広い（大きい）側（結晶の出射端面上での楕円ビームの短軸方向）がコリメートされ、その結果所定のビーム径となるように調整される。
【０００８】
しかしながら、シリンドリカルレンズは通常の球面レンズより高価であり、多数のシリンドリカルレンズを使用すると光学系が高価となるという問題点がある。
【０００９】
図６（ｂ）は、ウォークオフが生じる方向と生じない方向でビーム径が一致する場所に、発散角調整用のシリンドリカルレンズ３２を置いて発散角を一様にしているので、それ以後のビーム形状はほぼ円形となり、球面レンズ３５と３６で所定のビーム径となるように調整するのみでよい。この場合は、シリンドリカルレンズは１個で済むが、一般に、ウォークオフが生じる方向と生じない方向でビーム径が一致する場所は、波長変換素子に近い場所であるので、シリンドリカルレンズの耐性が問題となる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、断面が円形状の、波長変換された光ビームを出射することができる波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を達成するための第１の手段は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶であって、出射光が出射する面が、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するように、前記入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットされていることを特徴とする波長変換結晶（請求項１）である。
【００１２】
本手段においては、出射光が出射する面が、入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットされている。よって、出射する光は、出射側端面で屈折の影響を受けて出射方向が変化する。カットする面の角度を変えることにより、出射光の光軸方向から見た場合、出射光のビーム形状が円形であるようにすることができる。これにより、断面が円形の、ビーム形状の波長変換により生じた光を、波長変換結晶から取り出すことができ、そのため、ビーム成型用のシリンドリカルレンズを必要としない。
【００１３】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記出射光が出射する面が、前記出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１４】
本手段は、波長変換により生じた光がｐ偏光である場合に有効である。すなわち、出射光が出射する面が出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされている（すなわち、結晶内から出射側端面に入射する波長変換により生じた光がブリュースタ角で入射するようにカットされている）ので、この光が出射側端面で反射されることなく透過し、その結果、結晶端面における光量ロスを小さくすることができる。
【００１５】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段のいずれかの波長変換結晶を、少なくとも１つ有することを特徴とする波長変換光学系（請求項３）である。
【００１６】
本手段においては、ビーム成形のためのシリンドリカルレンズを無くしたり少なくしたりすることができるので、全体として、構成が簡単で安価なものとすることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための第４の手段は、入射した光の少なくとも一部をその倍の周波数を有する光に変換するか、あるいは、入射した複数の光の少なくとも一部をそれらの和及び差の周波数を有する光に変換する波長変換結晶であり、波長変換された光がウォークオフの影響を受ける波長変換結晶と、前記波長変換結晶から放出された光の、前記ウォークオフの影響による光ビームの形状変化を補償するようなプリズムとからなる波長変換光学系（請求項４）である。
【００１８】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記プリズムの出射側端面が、出射光に対してブリュースターカット面となるようにカットされていることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００１９】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段又は第５の手段のいずれかの波長変換光学系を、少なくとも１つ有することを特徴とする波長変換光学系（請求項６）である。
【００２０】
前記第１の手段から第３の手段においては、波長変換結晶の出射側端面を入射光の光軸に垂直な面に対して斜めにカットしていたが、これら、第４の手段から第６の手段においては、その代わりに、プリズムを波長変換結晶の光出射側に設けることにより、波長変換結晶の出射側端面を斜めにカットしたのと同じ効果を持たせている。よって、それぞれ、前記第１の手段から第３の手段と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、断面が円形状の、波長変換された光ビームを出射することができる波長変換結晶、及びこの波長変換結晶を用いた波長変換光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第１の例を示す図である。波長変換結晶１は、ＣＬＢＯ結晶であり、波長1547nmのレーザ光の基本波と７倍波とから波長193nmの８倍波を発生させる波長変換素子である。このような波長変換素子においては、従来は、８倍波を発生するときのウォークオフのために、出射される８倍波はビーム断面が楕円形となっていた。
【００２３】
波長変換結晶１の入射側端面は入射光に垂直であるが、その出射側端面１ａは、入射光に垂直な面に対して斜めにカットされている。そのため、出射光は出射側端面１ａで屈折し、出射光の、光軸に垂直なビーム断面は円形となる。
【００２４】
図２にこの関係を示す。なお、以下の図において、前述の図に示された構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。図２において、入射光は直径ａの円形ビームとして、波長変換結晶１の入射側端面に垂直に入射するものとする。波長変換結晶１の出射側端面１ａは、入射光の光軸に垂直な平面に対して、図に示すようにαだけ傾いた平面となるようにされている。すなわち、出射側端面１ａは紙面に垂直である。なお、以下の図２の説明において、単に上下、左右、水平とは、図２の紙面上における位置関係を示す。
【００２５】
波長変換結晶１内では、発生する８倍波のエネルギーの進行方向は、ウォークオフのために、入射光の入射方向に対して、紙面の下方向にβだけずれているので、８倍波の紙面上下方向の大きさが出側に行くほど大きくなる。出射側端面１ａから放出される出射光の最下点Ａと最上点Ｂとの上下方向の距離をｂとし、入射側端面から最下点Ａまでの水平方向の距離をｃとすると、
ｂ＝ａ＋ｃ・tanβ  …（１）
であり、従ってＡＢ間の距離ｄは
ｄ＝ｂ／cosα＝（ａ＋ｃ・tanβ）／cosα  …（２）
となる。
【００２６】
一方、屈折率をｎとすると、８倍波の出射側端面１ａに対する屈折角γは、
sinγ＝ｎ・sinα  …（３）
で決まる出射角γで決まる。式（１）、（２）、（３）を用いると、出射光のビーム径ｘは、
【００２７】
【数１】
2006163256.tif 000003
【００２８】
となる。
【００２９】
以上は紙面に平行な方向についての関係であるが、紙面に垂直な方向は、屈折に伴うビームの広がり、狭まりは無く、ビームの大きさはａのままである。
【００３０】
よって、
【００３１】
【数２】
2006163256.tif 000004
【００３２】
の関係が成り立つようにｃとαの関係を決めることにより、出射光の断面形状を円形とすることができる。
【００３３】
なお、がブリュースタ角となるようにαを選定することにより、８倍波が出射側端面１ａに対してｐ偏光である場合には、出射側端面１ａでの反射がない状態で、出射光を出射側端面１ａから出射させることができる。前述のように、ビーム形状を円形とするためのパラメータは、ｃとαの２つがあるので、ブリュースタ角となるようにαを決定しても、ｃを調整することにより、出射光のビーム形状を円形とすることができる。
【００３４】
図１に示す波長変換結晶１においては、この関係が成り立つように、波長変換結晶１の長さと出射側端面１ａの傾きが決められている。従って、その後方に設けられた球面レンズ２に入射する８倍波のビーム形状はほぼ円形であり、発散角もほぼ一様となっているので、球面レンズ２により、円形断面形状を有する平行光に変えることができる。球面レンズ２を置く位置により、ビーム径を変えることができる。
【００３５】
図３は、本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第２の例を示す図である。図３において、波長変換結晶１の構造は、図１に示したものと同じであるが、その後に２枚の球面レンズ３、４を設けた光学系としている。このようにすると、球面レンズ３、４によりビームエキスパンダを構成できるので、短い光路長で大きなビーム径にすることができると共に、球面レンズを置く位置の制約をゆるめることができる。
【００３６】
図４は、本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第３の例を示す図である。この実施の形態においては、波長変換結晶１は、従来のものと同じように直方体の形状であるが、その出射側にプリズム５を設けて、８倍波の向きを偏向しているところが従来のものと異なっている。
【００３７】
このような波長変換結晶１とプリズム５を組み合わせた構成が、図１、図３に示した出射側端面１ａが斜めにカットされた波長変換結晶１と等価であることは、当業者には明らかであろう。
【００３８】
なお、図４においては、プリズム５を波長変換結晶１と離して配置しているが、これらを接するように配置してもよい。なお、図４においても、図１と同じように、球面レンズ２を置くことにより、円形断面形状を有する平行光を得ている。
【００３９】
図５は、本発明の実施の形態である８倍波発生光学系を示す図である。ファイバーアンプ等で増幅した基本波が波長変換結晶１１に入射し、基本波の一部の光が２倍波に波長変換される。波長変換結晶１１としては、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰなどがあるが、これらに限定されない。
【００４０】
波長変換結晶１１を出射した基本波と２倍波は、波長変換結晶１２に入射し、基本波と２倍波の一部が３倍波に波長変換される。波長変換結晶１２としては、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰなどあるが、これらに限定されない。
【００４１】
波長変換結晶１２を出射した基本波と２倍波と３倍波の光は、ダイクロイックミラー１３に入射し、基本波と２倍波は透過し、３倍波は反射される。ダイクロイックミラー１３を透過した２倍波はダイクロイックミラー１４で反射され、波長変換結晶１５に入射して、２倍波の一部が４倍波に波長変換される。波長変換結晶１５としては、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰなどあるが、これらに限定されない。
【００４２】
波長変換結晶１５を出射した４倍波は、ダイクロイックミラー１６で反射され、ダイクロイックミラー１３およびミラー１７を介しダイクロイックミラー１６を透過した３倍波とほぼ同軸になり、波長変換結晶１８に入射し、３倍波と４倍波の一部が７倍波に波長変換される。波長変換結晶１８としては、ＢＢＯなどがあるが、これに限定されない。
【００４３】
波長変換結晶１８を出射した７倍波はダイクロイックミラー１９で反射し、ダイクロイックミラー１３、１４とミラー２０、２１、２２を介して、ダイクロイックミラー１９を透過した基本波とほぼ同軸になり、波長変換結晶２３に入射し、基本波と７倍波の一部が、８倍波である193nmの光に波長変換される。波長変換結晶２３としては、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯなどあるが、これらに限定されない。
【００４４】
波長変換結晶２３は、図１に示したような構造とされており、８倍波発生時のウォークオフによるビーム形状の変形が補償されるようになっている。なお、波長変換結晶１５においても、発生した４倍波が、ウォークオフにより楕円形となるので、従来はこれを２つのシリンドリカルレンズによって補償していたが、波長変換結晶１５の出射側端面を図１に示すように斜めにカットすることにより補償を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第１の例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶における光線の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第２の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の１例である波長変換結晶とそれを使用した光学系の第３の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態である８倍波発生光学系を示す図である。
【図６】従来のウォークオフによるビーム変形を補償する方法の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…波長変換結晶、２…球面レンズ、３…球面レンズ、４…球面レンズ、５…プリズム、１１…波長変換結晶、１２…波長変換結晶、１３…ダイクロイックミラー、１４…ダイクロイックミラー、１５…波長変換結晶、１６…ダイクロイックミラー、１７…ミラー、１８…波長変換結晶、１９…ダイクロイックミラー、２０…ミラー、２１…ミラー、２２…ミラー、２３…波長変換結晶
【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】
2006163256.tif 000009
【図６】
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