(57)【要約】【課題】  波長変換効率が高い波長変換方法を提供する。【解決手段】  位相整合結晶を用いて、入射する第１の光の周波数ω１（波長λ１）と第２の光の周波数ω２（波長λ２）の和の周波数ω３（波長λ３）の第３の光を発生させる際に、第１の光が前記位相整合結晶に対して常光線であり、第２の光が前記位相整合結晶に対して異常光線であるようにし、第１の光を前記位相整合結晶の入射面に対して垂直に入射させ、第２の光を前記位相整合結晶の入射面に対して入射角Δθで入射させ、第１の光の位相整合結晶内での進行方向と位相整合結晶の結晶方向とがなす角度をθｍとし、θｍを適当に選ぶことにより、位相整合結晶中での第１の光の伝搬方向と、第２の光の伝搬方向を同一にする。【選択図】  図１
2006317725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相整合結晶を用いて、入射する第１の光の周波数ω１（波長λ１）と第２の光の周波数ω２（波長λ２）の和の周波数ω３（波長λ３）の第３の光を発生させる波長変換方法であって、前記第１の光が前記位相整合結晶に対して常光線であり、前記第２の光が前記位相整合結晶に対して異常光線であるようにし、前記第１の光を前記位相整合結晶の入射面に対して垂直に入射させ、前記第２の光を前記位相整合結晶の入射面に対して入射角Δθで入射させ、前記第１の光の前記位相整合結晶内での進行方向と前記位相整合結晶の結晶軸（光学軸）とがなす角度をθｍとするとき、θｍが以下の（１）式を満足するように選定されていることを特徴とする波長変換方法。
【数１】
2006317725.tif 000019
但し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、ｍ１λ１＝ｍ２λ２＝ｍ３λ３、ｍ１＋ｍ２＝ｍ３の関係を満たす数であり、ｎｏ１は、前記第１の光に対する常光線の屈折率、ｎｏ２は、前記第２の光に対する常光線の屈折率、ｎｅ２は、前記第２の光に対する異常光線の屈折率、ｎｏ３は、前記第３の光に対する常光線の屈折率、ｎｅ３は、前記第３の光に対する異常光線の屈折率であり、θα、θβは、それぞれ、ウォークオフが無いと仮定した場合の前記位相整合結晶中での前記第２の光、第３の光の進行方向が前記位相整合結晶の結晶方向となす角であり、Ａを
【数２】
2006317725.tif 000020
として、
【数３】
2006317725.tif 000021
で決定される値である。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換方法であって、θｍが、さらに、以下のΦの絶対値を最小にするように選定されていることを特徴とする波長変換方法。
【数４】
2006317725.tif 000022
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の波長変換方法を、少なくとも１つの波長変換素子において用いていることを特徴とする波長変換光学系。
【請求項４】
レーザ光源と、請求項３に記載の波長変換光学系を有し、前記レーザ光源から放出されるレーザ光の周波数の整数倍の波長の光を放出することを特徴とするレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射する光と異なる波長の光を形成する波長変換方法及び波長変換光学系、及び、この波長変換光学系を使用したレーザ光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は近年において種々の用途に用いられており、例えば、金属の切断や加工を行ったり、半導体製造装置におけるフォトリソグラフィー装置の光源として用いられたり、各種測定装置に用いられたり、外科、眼科、歯科等の手術および治療装置に用いられたりしている。
【０００３】
ところが、通常このような目的に用いられるＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、チャンバー内にアルゴンガス、フッ素ガス、ネオンガス等を封入して構成されるものであり、これらガスを密封する必要がある。さらに、各ガスの充填、回収を行う必要もあり、装置が大型化且つ複雑化しやすいという問題がある。又、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は所定のレーザ光発生性能を保持するために、定期的に内部ガスの交換を行ったり、オーバホールを行ったりする必要があるという問題もある。
【０００４】
よって、レーザ光源としてはこのような気体レーザでなく、固体レーザを用いることが好ましい。ところが、固体レーザから放出されるレーザ光の波長は、通常、上記波長に比べて長波長であり、例えば角膜治療装置に使用するには向いていない。そこで、このような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ることにより短波長の紫外光（例えば８倍波）に変換して用いる方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。このような目的に用いられる非線形光学素子としては、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が知られている。
【０００５】
【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】
【０００６】
特許文献１に記載される方法では、４倍波と７倍波を発生させる波長変換素子において、４倍波と７倍波にウォークオフが発生し、その結果、発生する４倍波と７倍波のビームが楕円形となってしまうという問題点がある。光ビームが楕円形となると、次の波長変換に使用する際に光の利用効率が悪くなるので、シリンドリカルレンズを用いた光学系によりビーム形状を修正しているが、このような光学系が必要となり、全体の光学系が複雑となるという問題点がある。これは、結晶に対して偏光状態が常光線の状態となる２つの入射光から、偏光状態が異常光線の状態となる光を形成するような位相整合条件（Type Ｉの位相整合と呼ばれる）で波長変換を行うときに生じる問題点である。
【０００７】
これに対し、結晶に対して偏光状態が常光線と異常光線の状態となる２つの入射光から、常光線又は異常光線の状態となる光を形成するような位相整合条件（Type IIの位相整合と呼ばれる）で波長変換を行う場合、異常光線のウォークオフの発生により、結晶中での２つの入射光の進行方向がずれてしまい、これにより相互作用長が短くなって、変換効率が低下するという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、波長変換効率が高い波長変換方法及び波長変換光学系、さらには、この波長変換光学系を使用したレーザ光源装置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】
【０００９】
前記課題を解決するための第１の手段は、位相整合結晶を用いて、入射する第１の光の周波数ω１（波長λ１）と第２の光の周波数ω２（波長λ２）の和の周波数ω３（波長λ３）の第３の光を発生させる波長変換方法であって、前記第１の光が前記位相整合結晶に対して常光線であり、前記第２の光が前記位相整合結晶に対して異常光線であるようにし、前記第１の光を前記位相整合結晶の入射面に対して垂直に入射させ、前記第２の光を前記位相整合結晶の入射面に対して入射角Δθで入射させ、前記第１の光の前記位相整合結晶内での進行方向と前記位相整合結晶の結晶軸（光学軸）とがなす角度をθｍとするとき、θｍが以下の（１）式を満足するように選定されていることを特徴とする波長変換方法である。
【００１０】
【数１】
2006317725.tif 000003
【００１１】
但し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、ｍ１λ１＝ｍ２λ２＝ｍ３λ３、ｍ１＋ｍ２＝ｍ３の関係を満たす数であり、ｎｏ１は、前記第１の光に対する常光線の屈折率、ｎｏ２は、前記第２の光に対する常光線の屈折率、ｎｅ２は、前記第２の光に対する異常光線の屈折率、ｎｏ３は、前記第３の光に対する異常光線の屈折率、ｎｅ３は、前記第３の光に対する常光線の屈折率であり、θα、θβは、それぞれ、ウォークオフが無いと仮定した場合の前記位相整合結晶中での前記第２の光、第３の光の進行方向が前記位相整合結晶の結晶方向となす角であり、Ａを
【００１２】
【数２】
2006317725.tif 000004
【００１３】
として、
【００１４】
【数３】
2006317725.tif 000005
【００１５】
で決定される値である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、波長変換結晶の入射面に常光線である第１の光ω１が垂直に入射し、異常光線である第２の光ω２が入射角Δθで入射するとし、その結果発生する第３の光ω３が、第１の光の進行方向（すなわち波長変換結晶の入射面に対して垂直な方向）とΦの角度をもって進行するとする。そして、波長変換結晶の結晶軸（光学軸）が第１の光の進行方向となす角度をθｍとする。波長変換効率を最大にするには、波長変換結晶中で、第１の光と第２の光が同軸で進むようにすればよい。
【００１７】
図１（ｂ）において、第１の光をω１、第２の光をω２、第３の光をω３で示し、結晶軸と第１の光のなす角をθｍ、結晶軸とウォークオフが無いと仮定した場合の第２の光の進行方向とのなす角をθα、結晶軸とウォークオフが無いと仮定した場合の第３の光の進行方向とのなす角をθβとする。このとき、前述の式との関係では、Δθ＝θｍ−θαとなる。
【００１８】
一般に、Type IIの位相整合における位相整合は以下の（２）式と（３）式が両立するときに成り立つ。
【００１９】
【数４】
2006317725.tif 000006
【００２０】
個々に、ｋｏ１は第１の光（常光線）の波数、ｋｅ２は第２の光（異常光線）の波数（θαの関数）、ｋｅ３は第３の光（異常光線）の波数（θβの関数）である。これらの値は、
【００２１】
【数５】
2006317725.tif 000007
【００２２】
として求められる。（３）式にこれらを代入し、λ２＝（ｍ１／ｍ２）λ１、λ３＝（ｍ１／ｍ３）λ１の関係を適用すると、
【００２３】
【数６】
2006317725.tif 000008
【００２４】
が得られる。
【００２５】
一方、（３）、（４）式からθβを消去することができる。すなわち、θｍとθαを決定すればθβは一意的に定まる。すなわち、θβはθｍとθαの関数である。ω２は異常光線であるため，ウォークオフの効果により結晶中の伝播方向がω１の伝播方向に近づく。本手段の骨子は、θｍを適切に選択することにより、ウォークオフ後のω２の伝播方向をω１の伝播方向と同軸とし、変換効率を上げることである。すなわち、ω２のウォークオフの角度をρとすると、θｍ＝θα＋ρとなるようにすればよい。ρは
【００２６】
【数７】
2006317725.tif 000009
【００２７】
であるので、結局、
【００２８】
【数８】
2006317725.tif 000010
【００２９】
となり、これから
【００３０】
【数９】
2006317725.tif 000011
【００３１】
が導かれる。
【００３２】
同様、（４）式にｋｏ１、ｋｅ２、ｋｅ３を代入してθβについて解くと、
【００３３】
【数１０】
2006317725.tif 000012
【００３４】
として、
【００３５】
【数１１】
2006317725.tif 000013
【００３６】
が得られる。よって、（１）式における変数はθｍのみとなり、（１）式が成り立つようにθｍを決定することが位相整合条件を満足させながらω１とω２の進行方向を同一にすることの条件となる。（１）式を解析的に解くことは困難であるが、数値計算により、（１）式を満足するθｍを決定することは容易である。ω１とω２の進行方向を同一にすることにより、これらの相互作用長が長くなり、波長変換効率を向上させることができる。なお、このとき、Δθは、
【００３７】
【数１２】
2006317725.tif 000014
【００３８】
として求めることができる。
【００３９】
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、θｍが、さらに、以下のΦの絶対値を最小にするように選定されていることを特徴とする波長変換方法である。
【００４０】
【数１３】
2006317725.tif 000015
【００４１】
前記第１の手段では、結晶内における第１の光と第２の光の進行方向を同一とすることにより変換効率を上げていたが、本手段においては、これに加え、発生する第３の光の進行方向を、できるだけ第１の光と第２の光の進行方向に近づけることにより、さらに変換効率を上げることを主眼とするものである。
【００４２】
第３の光ω３も異常光線であるため、ウォークオフの効果により結晶中の進行方向が、ω１の進行方向に近づく。ウォークオフ後のω３の結晶軸に対する角度をθ’βとすると、θ’β＝θβ＋ρβとなる。但し、
【００４３】
【数１４】
2006317725.tif 000016
【００４４】
であるため、
【００４５】
【数１５】
2006317725.tif 000017
【００４６】
となる。よって、ウォークオフ後のω３の進行方向とω１の進行方向との差Φは、
【００４７】
【数１６】
2006317725.tif 000018
【００４８】
となり、この絶対値を最小にするようにθｍを選べば（θβがθｍの関数であることは前述のとおりである）、ウォークオフ後のω３の進行方向とω１の進行方向との差を最小にでき、変換効率を高めることができる。（１）式の拘束の下で、（２）式のΦの絶対値を最小にするようにθｍを決定する方法は、山登り法等の周知の最適化手法を任意に選定して使用することができる。
【００４９】
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の手段である波長変換方法を、少なくとも１つの波長変換素子において用いていることを特徴とする波長変換光学系である。
【００５０】
本手段においては、波長変換効率の高い波長変換光学系とすることができる。
【００５１】
前記課題を解決するための第４の手段は、レーザ光源と、前記第３の手段である波長変換光学系を有し、前記レーザ光源から放出されるレーザ光の周波数の整数倍の波長の光を放出することを特徴とするレーザ光源装置である。
【００５２】
本手段においては、波長変換効率が高いので、強力なレーザ光を放出することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、波長変換効率が高い波長変換方法及び波長変換光学系、さらには、この波長変換光学系を使用したレーザ光源装置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】
【００５４】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態の１例である波長変換方法を説明するための図である。この実施の形態では、波長変換素子としてＢＢ０結晶を用いている。ＢＢＯ結晶は、380Ｋの温度に保たれている。波長変換素子は、波長が1547nmの基本波の２倍波２ωと３倍波３ωを合成して、その５倍波５ωを出力する。ＢＢＯ結晶の結晶軸は紙面に平行とし、２倍波２ωはＢＢＯ結晶の端面に垂直入射し、３倍波３ωはＢＢＯ結晶の端面に斜入射するようにされている。このとき、２倍波２ωはＢＢＯ結晶に対し常光線となり、３倍波３ωはＢＢＯ結晶に対し異常光線となる。
【００５５】
２倍波２ωは、ＢＢＯ結晶への入射後には進行方向を変えずに通過する。ＢＢＯ結晶の結晶軸を、２倍波２ωの進行方向に対して69.56°傾け、３倍波３ωの入射角を2.9°とすると、ウォークオフの影響のため、３倍波３ωは入射方向に対して2.9°傾いてＢＢＯ結晶中を進行するので、２倍波２ωと３倍波３ωの進行方向は同じとなる。従って、２倍波２ωと３倍波３ωが作用する距離が長くなり、変換効率が向上する。
【００５６】
発生する５倍波５ωは、２倍波２ωの進行方向に対して1.72°の方向に出射するが、ウォークオフの影響により２倍波の進行方向に対して-1.35°の方向に進行する。このように、発生する５倍波５ωと、２倍波２ω及び３倍波３ωの進行方向が近くなるので、この効果によっても変換効率を向上させることができる。すなわち、従来のTypeＩと言われる、常光線からなる２倍波と３倍波を同軸入射させて５倍波を形成する方法では、２倍波と３倍波の進行方向と、発生する５倍波の進行方向には-4.6°の差が出てしまうが、これに対し、小さな進行方向の差とすることができる。
【００５７】
図３は、同一光軸上を進行する２倍波２ωと３倍波３ωを分離し、３倍波３ωを波長変換素子（ＢＢＯ結晶）に斜入射させる光学系を示す図である。図の左側から入射する２倍波２ω、３倍波３ωの偏光状態は、Ｐ偏光・Ｓ偏光、Ｓ偏光・Ｐ偏光、Ｓ偏光・Ｓ偏光の組み合わせであれば、どのような組合せでも構わない。
【００５８】
これらの２倍波２ω、３倍波３ωを、偏光制御素子１を用いて、２倍波をＳ偏光（紙面に垂直な振動面を有するもの）、３倍波をＰ偏光（紙面に平行な振動面を有するの）とする。続いて、光路分離素子２により、２倍波２ωと３倍波３ωが距離ｈの間隔で平行に進行するようにする。光路分離素子２として最も簡単なものとして、平板のガラスや石英を、光の進行方向に対して斜めに配置したものが考えられ、その角度と厚さにより、距離ｈを決定することができる。プリズムや回折格子を組み合わせて用いても同様の作用を行わせることができる。
【００５９】
そして、これらの２倍波２ωと３倍波３ωを集光レンズ３により、波長変換素子４の端面に集光させる。集光レンズ３の光軸、及び波長変換素子４の中心軸を２倍波２ωの光軸と合わせておくことにより、２倍波２ωを波長変換素子４の端面に垂直入射させ、３倍波３ωを、波長変換素子４の端面に斜入射させることができる。
【００６０】
図４は、本発明の実施の形態の例であるレーザ光源装置の光学系の概要を示す図である。図４において楕円形で示されるのはコリメータレンズや集光レンズであり、その説明を省略する。又、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○中に点のある印で示し、基本波をω、ｎ倍波をｎωで示す。
【００６１】
この実施の形態においては、図示しないＤＦＢレーザから放出される基本波（波長1547nm）を、第１のＥＤＦＡ増幅器１１と第２のＥＤＦＡ増幅器１２で増幅しているが、一つのＥＤＦＡ増幅器で増幅した光を、偏光ビームスプリッタによりＰ偏光とＳ偏光の２つに分けて使用することも可能である。
【００６２】
図４に示すように、第１のＥＤＦＡ増幅器１１で増幅されたＳ偏光の基本波は、第１の２倍波形成光学素子（ＰＰＬＮ結晶）１３に入射し、第１の２倍波形成光学素子１３からは、基本波と共にＳ偏光の２倍波が発生する。この基本波と２倍波を、３倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）１４に入射させる。３倍波形成光学素子１４からは、基本波と２倍波と共に、Ｐ偏光の３倍波が発生する。なお、２倍波形成光学素子１３としては、ＰＰＬＮ結晶に限らず、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＡＡＮＰ結晶等を用いることもできる。
【００６３】
これらの光を、光路分離素子１５を通すことにより、図３に示したように、２倍波と３倍波の光路を分離する。そして、これらの光を、集光レンズＬにより、図３に示したように、５倍波形成光学素子（ＢＢＯ結晶）１６の端面に集光して入射させる。５倍波形成光学素子６からは、２倍波と３倍波と共にＰ偏光の５倍波が発生する。なお、Ｓ偏光の基本波はそのまま５倍波形成光学素子１６を透過する。
【００６４】
従来の光学系においては、５倍波形成光学素子１６から発生する５倍波は、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できないので、シリンドリカルレンズにより、この楕円形の断面形状を円形に整形していたが、本実施の形態においては、５倍波の伝搬方向が光軸方向に近いので、このような必要がない。
【００６５】
一方、第２のＥＤＦＡ増幅器１２で増幅されたＳ偏光の基本波は、ミラーＭを介して（ミラーＭは必ずしも必要ない）第２の２倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）１９に入射し、第２の２倍波形成光学素子１９からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。なお、ＬＢＯ結晶の代わりにＯＯｅ変換のＰＰＬＮ結晶を使用してもよい。この基本波と２倍波を、前述のＰ偏光の５倍波と、ダイクロイックミラー２０により合成する。この例では、ダイクロイックミラー２０は、基本波と２倍波を反射し、５倍波を透過できるようなものとなっている。この光の合成には、バルク型光学素子を用いることが可能であり、例えば、色分解・合成ミラー（ダイクロイックミラー）、反射型及び透過型回折光学素子を用いることが可能である。
【００６６】
合成されたＳ偏光の基本波、Ｐ偏光の２倍波、Ｐ偏光の５倍波は、７倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）２１に入射し、７倍波形成光学素子２１からは、これらの光と共に、Ｓ偏光の７倍波が発生する。これらの光は、８倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）２２に入射し、ここでＳ偏光の基本波とＳ偏光の７倍波が合成されてＰ偏光の８倍波が発生する。もし、８倍波のみを８倍波形成光学素子２２から放出される他の波長の光から分離したい場合は、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズムを使用することにより、これらを分離すればよい。
【００６７】
なお、この実施の形態において非常に特徴的なことは、７倍波形成光学素子２１と８倍波形成光学素子２２との間に、ウォークオフ修正のためのシリンドリカルレンズを有しないで、７倍波形成光学素子２１から放出された光をそのまま８倍波形成光学素子２２に入射させているこ（７倍波形成光学素子２１と８倍波形成光学素子２２の直列接続と称している）。
【００６８】
これは、７倍波形成光学素子２１としてＣＬＢＯ結晶を使用する場合には、ＢＢＯ結晶を使用する場合に比較して、７倍波のウォークオフが小さいため、７倍波形成光学素子２１に入射するビームの径を大きくし、かつ、７倍波形成光学素子２１の長さを短くしてやれば、７倍波形成光学素子２１から放出される７倍波の断面形状は円からさほどずれず、そのまま８倍波形成光学素子２２に入射させても十分に波長変換に寄与させることができるからである。
【００６９】
以上述べた例においては、本発明の波長変換方法を５倍波発生用の波長変換素子に用いたが、他の波長変換素子、例えば３倍波発生用の波長変換素子、７倍波発生用の波長変換素子、さらには図４には使用されていない４倍波発生用の波長変換素子等に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である波長変換方法を説明するための図である。
【図３】同一光軸上を進行する２倍波２ωと３倍波３ωを分離し、３倍波３ωを波長変換素子に斜入射させる光学系を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の例であるレーザ光源装置の光学系の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…偏光制御素子、２…光路分離素子、３…集光レンズ、４…波長変換素子、１１…ＥＤＦＡ増幅器、１２…ＥＤＦＡ増幅器、１３…２倍波形成光学素子、１４…３倍波形成光学素子、１５…光路分離素子、１６…５倍波形成光学素子、１９…２倍波形成光学素子、２０…ダイクロイックミラー、２１…７倍波形成光学素子、２２…８倍波形成光学素子、Ｌ…集光レンズ
【図１】
2006317725.tif 000023
【図２】
2006317725.tif 000024
【図３】
2006317725.tif 000025
【図４】
2006317725.tif 000026