(57)【要約】【課題】良好なビーム品質を有した高調波出力を生成可能な波長変換型光源を得る。【解決手段】波長変換型光源であって、基本波光源１１と、基本波光源１１からの基本波２が入射されたときに基本波２の波長を高調波に変換させる波長変換素子１と、波長変換素子１に入射される前の基本波２の波面を、位相と伝搬ベクトルとの少なくともいずれかの異なる複数の波面に変換する波面変換素子１３、５３、６１とを備える。この波長変換型光源は、単数または複数の波長選択ミラー８４ａ〜８４ｄ、５１、５２を備えることができる。波長選択ミラー８４ａ〜８４ｄ、５１、５２は、波長変換素子１で変換されてこの波長変換素子１を透過した高調波を透過させるとともに、波長変換素子１で変換されずにこの波長変換素子１を透過した基本波を反射して波長変換素子１に再度透過させる。【選択図】図１
2011022288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波光源と、この基本波光源からの基本波が入射されたときにこの基本波の波長を高調波に変換させる波長変換素子と、前記波長変換素子に入射される前の基本波の波面を、位相と伝搬ベクトルとの少なくともいずれかの異なる複数の波面に変換する波面変換素子とを備えることを特徴とする波長変換型光源。
【請求項２】
単数または複数の波長選択ミラーを備え、この波長選択ミラーは、波長変換素子で変換されてこの波長変換素子を透過した高調波を透過させるとともに、波長変換素子で変換されずにこの波長変換素子を透過した基本波を反射して波長変換素子を再度透過させるものであることを特徴とする請求項１記載の波長変換型光源。
【請求項３】
波面変換素子は、複数の領域に分割された平行平板にて構成されるとともに、前記波面変換素子の基本波に対する屈折率をｎ１、隣接する領域どうしの厚みの差をＨ、基本波の波長をλとして、ｎ１×Ｈがλ／２の奇数倍であることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換型光源。
【請求項４】
波面変換素子は、頂角が１８０度より大きいプリズムまたは頂角が１８０度より小さいプリズムにて構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換型光源。
【請求項５】
他の波面変換素子を備え、この他の波面変換素子は、基本波と高調波とにおける位相と伝搬ベクトルとの少なくともいずれかの異なる複数の波面を、前記位相と伝搬ベクトルとの揃った波面に逆変換可能であることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換型光源。
【請求項６】
高調波は基本波の第２高調波であり、他の波面変換素子は、複数の領域に分割された平行平板にて構成されるとともに、前記他の波面変換素子の高調波に対する屈折率をｎ２、隣接する領域どうしの厚みの差をＨ２、基本波の波長をλとして、ｎ２×Ｈ２がλ／４の奇数倍であることにより、高調波を位相の揃った波面に逆変換可能であることを特徴とする請求項５記載の波長変換型光源。
【請求項７】
他の波面変換素子は、複数の領域に分割された平行平板にて構成されるとともに、前記他の波面変換素子の基本波に対する屈折率をｎ１、隣接する領域どうしの厚みの差をＨ、基本波の波長をλとして、ｎ１×Ｈがλ／２の奇数倍であることにより、基本波を位相の揃った波面に逆変換可能であることを特徴とする請求項５記載の波長変換型光源。
【請求項８】
他の波面変換素子は、波面変換素子が１８０度より頂角が大きいプリズムにて構成されている場合には頂角が１８０度より小さいプリズムにて構成され、波面変換素子が１８０度より頂角が小さいプリズムにて構成されている場合には頂角が１８０度より大きいプリズムにて構成されていることを特徴とする請求項４記載の波長変換型光源。
【請求項９】
波面変換素子と他の波面変換素子の頂角どうしが互いに補完的な関係にあって、波面変換素子の頂角と他の波面変換素子の頂角との和が２πであることを特徴とする請求項８記載の波長変換型光源。
【請求項１０】
プリズムの頂角は、１８０度より大きく１８４度以下であることを特徴とする請求項４または８または９記載の波長変換型光源。
【請求項１１】
波長変換素子は、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とともに、周期状の分極反転構造を有するものであることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項記載の波長変換型光源。
【請求項１２】
高調波の波長が４００〜６００ｎｍであることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項記載の波長変換型光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換型光源に関し、特に、非線形光学効果を利用して高調波光を発生させるようにした波長変換型光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
基本波ビームの波長を変換する機能を備えた波長変換装置として、従来、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、集光素子により基本波レーザビームを波長変換素子に対して集光させ、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ようにしたものが知られている。また、従来の波長変換装置として、特許文献１に記載されたように、基本波のビーム位置を非線形光学結晶内部で時間的に変化させて、出力の安定化を図るようにしたものが知られている。
【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】
すなわち、公知の波長変換装置では、高出力時に熱レンズが発生することにより出力が不安定になるといった問題があった。この問題を解決するために、特許文献１に記載の従来の装置では、基本波ビームの位置を時間的に変化させて熱レンズの発生を抑制する構成が取られていた。
【０００５】
しかしながら、従来の構成では、基本波ビームの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するため、高調波出力のビーム品質が低下し、回折限界に近い集光特性が得られないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題点を解決して、良好なビーム品質を有した高調波出力を生成可能な波長変換型光源を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため本発明の波長変換型光源は、基本波光源と、この基本波光源からの基本波が入射されたときにこの基本波の波長を高調波に変換させる波長変換素子と、前記波長変換素子に入射される前の基本波の波面を、位相と伝搬ベクトルとの少なくともいずれかの異なる複数の波面に変換する波面変換素子とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この波長変換型光源は、単数または複数の波長選択ミラーを備え、この波長選択ミラーは、波長変換素子で変換されてこの波長変換素子を透過した高調波を透過させるとともに、波長変換素子で変換されずにこの波長変換素子を透過した基本波を反射して波長変換素子を再度透過させるものであるようにすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、波面変換素子により基本波ビームを複数のビームに分割して波長変換を行うことで、波長変換素子内における基本波および高調波のパワー密度を低減し、高出力時にも安定な特性が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図２】図１における波面変換素子の立体図
【図３】波長変換素子の出力不安定現象を説明する図
【図４】波長変換素子の別の出力不安定現象を説明する図
【図５】本発明の実施の形態１の変形例の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図６】本発明の実施の形態１の他の変形例の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図７】波面変換素子の構成例を示す図
【図８】本発明の実施の形態２の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図９】本発明の実施の形態２の変形例の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図１０】本発明の実施の形態２における高調波変換効率のプリズム角度依存性を示す図
【図１１】本発明の実施の形態３の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図１２】本発明の実施の形態３の変形例の波長変換型光源の概略構成を示す図
【図１３】本発明の実施の形態３の他の変形例の波長変換型光源の概略構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、紫外領域から可視領域の高調波に変換することができる。非線形光学効果は基本波のパワー密度に比例するため、このような波長変換素子では、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。本発明では、これら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。以下、詳細に説明する。
【００１２】
最初に、課題となっている出力不安定現象について、図３および図４を参照して説明する。図３および図４は、波長変換素子によって高出力の紫外光〜可視光を発生した時に生じた不安定性現象を、本発明者が解析し、それによって明らかになった現象を説明するものである。
【００１３】
図３および図４の光学系では、基本波２を集光光学系５により波長変換素子１の内部に集光する。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。この変換された高調波３と、変換されなかった残余の基本波２とが、波長変換素子１から出力される。ここでは、波長変換素子１は、２次の非線形光学効果を利用して第２高調波を発生するものとする。たとえば、基本波２として１０６４ｎｍの赤外光を用いると、５３２ｎｍの高調波３を発生することになる。波長変換素子１を構成する基板として、周期状の分極反転構造を有する、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３を用いることができる。
【００１４】
しかしながら、本発明者が解析したところ、波長変換として、８Ｗ程度の基本波に対し２．５Ｗ近くの高調波を発生したときに、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。そのときの波長変換素子１の特性を評価すると、高調波３のパワーの増大と共に波長変換素子１の温度が上昇して、出射する高調波３のビームの広がり角が小さくなるのが観測された。これは、熱レンズ効果によって伝搬ビームが集光され、出射ビームの広がり角が低下したためである。
【００１５】
図３において、２１は熱レンズを表す。この熱レンズ２１は、図３に示すように、波長変換素子１内で基本波２を高調波３に変換したときに、同一ビーム内に基本波２と高調波３とが混在することで生じる。すなわち、波長変換素子１を構成する結晶は、可視光照射による基本波の吸収および可視光の非線形吸収を有するため、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生じると、図３に示すように熱レンズ２１が発生する。この熱レンズ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、さらに集光状態に変わる。非線形な吸収であることで、高調波のパワー密度の増大とともに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。
【００１６】
熱レンズ２１のレンズパワーが大きくなると、図４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８の近傍でパワー密度が増大し、加速度的に光の吸収が増大する。光吸収の発熱にもとづく温度上昇で、温度分布が生じ、基本波２の屈折率と高調波３の屈折率とが等しくなる条件である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。すなわち出射端面８の近傍で、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。
【００１７】
図３に示される状態では、発散ビーム径が小さくなり基本波のパワー密度の向上による変換効率の増大が生じるが、図４に示されるように不安定領域２２が形成された状態では、吸収の増大により出力が大きく変動する。
【００１８】
熱レンズ２１の発生を抑制する方法としてビーム断面積を増大する方法があるが、出力安定化の効果は小さい。その理由は、ビーム断面積を増大させることでパワー密度の低減によりレンズの屈折力は低下するが、レンズ体積が増大するため、全体の屈折力はあまり抑制されないためである。
【００１９】
なお、以上においては、波長変換素子１を構成する結晶として、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。
【００２０】
次に、本発明にもとづき、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する手法について説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の波長変換型光源の構成図である。基本波光源１１からの基本波２をレンズ１２によりコリメートした後、波面変換素子１３を通過させ、レンズ１４で集光する。波長変換素子１内で、基本波２は高調波に変換される。波面変換素子１３は、位相段差を設けた平行平板であり、図１に示される断面形状が、図１の紙面と垂直な方向に連続するように形成されたものである。その立体構造を図２に示す。
波面変換素子１３における段差での位相差は、基本波２の波長をλとして、λ／２である。具体的には、波面変換素子１３を構成する基板の材料の基本波波長λに対する屈折率をｎ１、その段差の長さをＨとしたときに、ｎ１×Ｈがλ／２の奇数倍になるように設計している。波面変換素子１３の段部の位相差にもとづく光路差によって、これを透過した基本波２の波面は、λ／２の位相差をもった二つの波面となる。
【００２２】
図１には、この図１の各位置における基本波２の強度分布と位相分布とを、（ａ１）〜（ａ４）に示している。（ａ２）に示すように、基本波２は、波面変換素子３によりビームの中央部でλ／２の位相差が与えられる。このような位相差を持つ基本波２を波長変換素子１の内部で集光すると、その中央部では干渉による打ち消し合いが起こるため、集光点近傍で２ピークの強度分布となる（ａ３）。集光したビームがその後に発散して大きくなると、打ち消し合いが解消されて、再び１ピークの強度分布となる（ａ４）。
【００２３】
波面変換素子１３を用いない従来の波長変換型光源の構成に対して、図１に示された本発明の構成では、高出力耐性を２倍程度向上させることができる。この特徴について説明する。図３および図４に示すように、不安定領域２２の形成は、熱レンズ２１で集光される基本波２および高調波３のパワー密度の増大に大きく依存する。つまり、熱レンズ２１で基本波２が集光されその部分の素子１の温度が上昇することで、不安定領域２１が形成される。そこで、本発明では、上記のように、集光される基本波２を複数のピークに分割する。たとえば図１の構成では、その（ａ３）に示すように、熱レンズが形成されるおそれのある集光点において基本波ピークを２分割することで、パワー密度の低減を図るものである。ピーク強度が従来の半分以下に抑えられるため、図４に示される不安定領域２１の形成のおそれが半分程度に抑制される。さらに、熱レンズが発生して波長変換素子１の内部で基本波２が集光されても、集光点近傍で上記のように２ピークに分割されるため、これによって基本波２のパワー密度を低減して、不安定領域の形成を抑制することができる。
【００２４】
次に、高調波の強度分布および位相について説明する。波長変換素子１にて生成され出力される高調波の強度分布と位相を（ｂ３）、（ｂ４）に示す。基本波２の集光点（ｂ３）では、強度分布は基本波２とほぼ同じ２ピークとなる。ところが、出力部では（ｂ４）に示すような、中央部にλ／２だけ位相の異なる位相反転部が存在し、３ピークの強度分布になる。このようになる原因は、波面変換素子３により位相の異なる基本波２が発生し、位相の異なる基本波２が重なった部分では基本波２が干渉するためであると考えられる。基本波の干渉部分と非干渉部分とで発生した高調波が重ね合わさることで、（ｂ４）の強度分布パターンが発生すると考えられる。
【００２５】
次に、発生した高調波ビームの位相分布を同相の位相分布に平坦化し、集光特性を向上させるための手段について、図５を参照して説明する。図５に示すように、波長変換素子１から出力されるビームは発散しているが、これはレンズ１６によってコリメートされ、波面変換素子４１を通過したうえで、レンズ１７によって集光される。１８はその集光点である。
【００２６】
波面変換素子４１は、高調波の中央部が通過する箇所に凸部分が形成されることにより位相段差が形成された平行平板であり、図５に示される断面形状が、図５の紙面と垂直な方向に連続するように形成されたものである。
【００２７】
波面変換素子４１におけると凸部分での位相差について説明すると、波面変換素子４１を構成する基板の材料の高調波に対する屈折率をｎ２、凸部分の段差をＨ２として、ｎ２×Ｈ２をλ／４の奇数倍としたものである。高調波の中央部にこのような位相差を与えることで、高調波の位相面を同相に変換できる。つまり、位相波面を揃えることで、図５の（ｂ５）に示すように高調波成分の集光特性を向上させて、ほぼ１ピークに集光することが可能となる。
【００２８】
なお、図５では波面変換素子４１として中央が凸形状の平行平板を用いたが、これに代えて中央が凹形状でも同様の効果が得られる。
【００２９】
なお、基本波２を単一位相の波面に変換するには、図５の波面変換素子４１の代わりに、中央に段差を持つ２分割構造の波面変換素子を用いればよい。基本波２の集光特性を必要とする場合は、このような基本波２についての波面変換素子が有効である。
【００３０】
すなわち図６は、波面変換素子７１を用いて基本波２の波面を同相に揃える場合の構成を示している。この図６の構成は、図１の構成に、位相板を用いた波面変換素子７１を加えたものである。この波面変換素子７１は、波面変換素子１３と同様の構成である。波長変換素子１により高調波に変換された残りの基本波２を、波面変換素子７１を通すことで同位相のビームに変換する。
【００３１】
基本波２の波面を同相に変換するために、波面変換素子７１を構成する位相板の段差の長さＨは、波面変換素子７１を構成する基板の材料の基本波波長λに対する屈折率をｎ１としたときに、ｎ１×Ｈがλ／２の奇数倍になるように設計されている。これによって、波長変換素子１から出力した基本波２の位相波面を同相に変換することで、基本波２の集光特性を改善することが可能となる。
【００３２】
波長変換素子１による高調波の発生を行う場合、基本波２のビーム品質、波面精度を必要とする場合と、高調波の波面精度およびビーム品質を必要とする場合の２種類がある。前者は基本波２を主体的に使用する場合であり、後者は高調波を主体として使用する場合である。前者の例としては、後述するように、基本波２を再び波長変換して高調波発生の変換効率を上げる場合が挙げられる。その他、金属加工を行うときに基本波と高調波とを同時に照射して使用する場合がある。金属等の加工に使用する場合、基本波の吸収率を上げるため、高調波をわずかに混ぜて金属の表面状態を変化させる手法がある。この場合は、基本波のビーム品質が重要であり高調波は補助的に使用される。
【００３３】
波面変換素子１３、４１、７１に位相段差を持った素子を用いることの利点は、変換した後の基本波または高調波の位相波面を容易に同相に変換できる点にある。波長変換素子１で変換されなかった基本波２を再び波長変換する場合に、波面が乱れると、変換効率が大幅に低下する。本発明の構成では、位相差を有する基本波２のビームを波面変換素子７１の位相板の段差に通すことで、基本波２の位相を同相に戻すことができる。また、波長変換素子１で高調波に変換されなかった基本波２を集光して、高調波と基本波を同時に集光状態で用いて微細加工を行う場合にも有効である。基本波２の波面を同相に戻すことで、集光特性が改善し、微細加工が容易になる。また高調波についても、位相を調整する波面変換素子４１を設けることで、同相の波面に変換し、高い集光特性を実現できる。
【００３４】
なお、上記においては、基本波２の波面を変換する波面変換素子１３、７１として、図１、図２に示すような２つの領域間に位相段差を有するものについて説明し、これは図７（ａ）にも示すとおりのものであるが、図７（ｂ）に示すような４つの領域や、さらに複数の領域をもった波面変換素子も利用することができる。領域の数を増やすことで、ビームの分割数を増加させて高出力耐性をより強化することができる。複数の領域に分割する場合、隣接する領域間の段差における基本波波長についての屈折率をｎ１とすると、ｎ１と位相段差の長さＨとの積は、基本波の波長をλとして、λ／２の奇数倍になっている必要がある。上述のように、波面変換素子１３によりλ／２の位相差を設けることで、集光ビームを複数ピークに変換することが可能になる。
【００３５】
なお、上述のように、波長変換素子１が分極反転構造を有する光学素子である場合に、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である場合に、特に効果を発揮することができる。Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃなどの金属を添加することで、２光子吸収による屈折率変化を大きくすることができ、かつ屈折率変化の安定性を向上させることができる。このため、これらの金属を添加したＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４が有効である。
【００３６】
ここでは、波長変換素子１として、非線形光学効果を利用した波長変換を利用するもの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構造、あるいは、光とマイクロ波などの速度を整合させる構造の素子を利用することも可能である。
【００３７】
また、ここでは、波長変換の一例として、赤外光（１０６４ｎｍ）から可視光（５３２ｎｍ）への変換を行うもの、すなわち第２高調波を発生させるものを例としたが、第２高調波以外にも、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振をさせるものにも、それが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、適用することができる。熱レンズ効果は、波長の短い光に対して顕著になるので、５３２ｎｍ以下の可視光または紫外光を発生する場合には、本発明の構造は特に有効である。本発明によれば、高調波の波長が４００〜６００ｎｍであることが特に有効である。
【００３８】
（実施の形態２）
図８に示すように、基本波光源１１から出た基本波２をレンズ１２を用いてコリメートし、波面変換素子である第１のプリズム５３で波面変換した後、レンズ１４によって波長変換素子１の内部に集光する。第１のプリズム５３は、図示のように両端部に比べて中央部が薄く形成されて、その頂角が１８０度を超えるものであり、その断面形状が、図８の紙面と垂直な方向に連続するように形成されたものである。これにより、基本波２の波面１０５は、第１のプリズム５３で２つの異なる領域に変換される。
【００３９】
１０７は、第１のプリズム５３の前における波面１０５の伝搬ベクトルである。第１のプリズム５３の後では、波面１０６が、伝搬ベクトル１０８の異なる２つの領域に分割される。そのため、基本波２は、波長変換素子１の内部の集光位置で、２つの集光スポット５８、５８に分かれて集光される、２ピークの強度分布となる。その後、一対のレンズ１６、１７に挟まれた第２のプリズム５４によって、再び平行な伝搬ベクトル１１０を持った波面１０９に変換され、集光光学系としてのレンズ１７により１ピークの強度分布を有するビーム６０に整形される。１１１は、レンズ１６と第２のプリズム５４との間の波面で、１１２はその伝搬ベクトルである。このようにプリズムを用いると、波面変換素子としての第１のプリズム５３で波面変換された基本波およびこの基本波から波長変換された高調波を、もう一つの波面変換素子としての第２のプリズム５４により１ピークの強度分布に再変換することが可能である。
【００４０】
上述のように、第１のプリズム５３の中央部の頂角は１８０度より大きく、第２のプリズム５４の中央部の頂角は１８０度より小さい。第２のプリズム５４も、第１のプリズム５３と同様に、図示の断面形状が図８の紙面と垂直な方向に連続するように形成されたものである。
【００４１】
図９は、実施の形態２の変形例を示す。ここでは、図８の波長変換型光源における頂角が１８０度より大きい第１のプリズム５３の代わりに、頂角が１８０度より小さいルーフプリズム６１を用いるとともに、図８の波長変換型光源における頂角が１８０度より小さい第２のプリズム５４の代わりに、頂角が１８０度より大きいプリズム６２を用いた構成となっている。他の構成は、図８のものと同じである。
【００４２】
このようなものであると、同様に波面変換素子であるルーフプリズム６１により２ピークの強度分布に変換した後、再び１ピークの強度分布に変換して、パワー密度の高い高調波を実現することができる。
【００４３】
図８および図９の構成では、プリズム５３、６１を用いることで、熱レンズが発生するおそれがある、基本波２の集光位置で、強度分布を２ピークに分割することができて、パワー密度を低減することができる。その結果、実施の形態１と同様に、高出力耐性を大幅に増大することができる。第１の実施例と異なる点は、波面変換素子をプリズム５３、６１とすることで、基本波および高調波の波面を、伝搬ベクトルの異なる複数の波面に変換することにある。伝搬ベクトルを伝搬方向の異なる複数のベクトルにすることで、集光点を複数に分離することができる。
【００４４】
波面変換素子としてプリズム５３、６１を用いて伝搬ベクトルを変換することの利点は、プリズム５３、６１の角度を変えることで、集光スポット５８、５８どうしの間隔を自由に設計できることにある。基本波２の出力が大きくなると、集光点で２つのビームに分割しても、一般には、熱的な分離が不十分になり、２つのビーム間で熱的な干渉が発生し、高出力耐性が劣化する。しかし、プリズム５３、６１を用いると、ビーム間隔をビーム出力や材料の熱伝導度に対応して適切に設計できるため、高出力耐性を確実に向上することができる。
【００４５】
図８の構成と図９の構成との差を比較した結果について説明する。両者は、ともに強度分布を２ピークに変換することで高出力特性を改善したが、異なる特性となった。
【００４６】
まず、高出力特性について説明する。高出力耐性を向上させるには、集光位置近傍での熱レンズ効果を抑制する必要がある。このため、両者において、基本波の集光スポットを２つに分割しパワー密度を低減する構成とした。しかしながら、両者間で変換効率に差がでた。すなわち、図８の構成の方がより高い効率が得られた。これは、実験で判明したことであるが、プリズム６１の頂角が１８０度より小さい図９の構成では、図示のように、波長変換素子１におけるの集光スポット５８、５８までの範囲で、プリズム６１を通過し異なる伝搬ベクトルを有する２つの光が重なる部分６３が発生する。この光が重なる部分６３では、干渉が起こるため、基本波２の強度分布に干渉パターンが発生する。その干渉部分で発生した高調波は、その他の部分で発生した高調波と位相整合が取れなくなり、それによって全体の効率が低下する。
【００４７】
一方、図８の第１のプリズム５３の頂角が１８０度より大きい構成では、この第１のプリズム５３を通過した基本波２は２つの異なる伝搬ベクトルを有する光に分離されるが、その光は互いに分離して干渉することがないため、高調波への変換効率を低下させることがない。したがって、プリズム型の波面変換素子を用いる場合は、波長変換素子１への入射側に設けられるプリズムは、図８に示すように頂角が１８０度より大きい構成が好ましい。
【００４８】
次に、プリズム５３、６１の頂角の大きさについて述べる。プリズムの頂角と１８０度との差をΔθとすると、Δθの増大とともに波長変換素子１での変換効率は低下する。その関係を示したのが図１０である。図１０は、Δθを角度で表して、その増大に伴う変換効率の低下の様子を示している。図１０から判るように、変換効率の低下を１０％以下に抑えるには、Δθの角度を４度以下にする必要がある。したがって、たとえば図８の第１のプリズム５３の頂角は、１８０度より大きく、１８４度以下であることが望ましい。
【００４９】
次に波長変換素子１の出射側に設けられたプリズム５４、６２について述べる。この出射側のプリズム５４、６２の役割は、入射側のプリズム５１、６１で異なる伝搬ベクトルに分割された複数の波面を同一の伝搬ベクトルの波面に変換することにある。このため、出射側のプリズム５４、６２の頂角は、入射側のプリズム５３、６１の頂角に対し補完的な角度であることが好ましい。すなわち、入射側のプリズム５３、６１の頂角をθ１、出射側のプリズム５４、６２の頂角をθ２とすると、θ１＋θ２＝２π（３６０度）の関係が成り立つことが好ましい。これは、入射側のプリズム５３、６１で２つの伝搬ベクトル１０８に分離された波面１０６を出射側で同一方向の伝搬ベクトル１１０に変換するためには、入射側のプリズム５３、６１と出射側のプリズム５４、６２との頂角の和が２πになることが必要条件であることを意味している。ただし、実際には、入射側のプリズム５３、６１通過するのは基本波であり、出射側のプリズム５４、６２を通過するのは高調波なので、色分散による屈折率差を考慮する必要がある。
【００５０】
次に、プリズムの頂点の精度について述べる。プリズムの頂点は、理想的には面積ゼロであることが好ましい。しかし、実際には有限の幅を持つ。このため頂点の幅の部分を通過した光が迷光となって、変換効率を低下させる。これを防止するには、プリズムを通過するビーム径が頂点の幅に対して十分大きければよい。好ましくは、頂点の幅に対して１００倍以上のビーム径とすることで、光の損失を１％以下に低減することができる。
【００５１】
図８および図９では、プリズムとして、基本波２を２つの異なる伝搬ベクトルを有する光に分離するものについて例示したが、基本波２を４つの異なる伝搬ベクトルおよびさらに複数の異なる伝搬ベクトルを有する光に分離することができるプリズムを用いることもできる。分離数を増やすことで、ビームの分割数を増加させて高出力耐性をより強化させることができる。
【００５２】
本発明によれば、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせた態様とすることもできる。すなわち、たとえば、図１に示した波面変換素子１３と、図８に示したプリズム５３とを併用して、基本波２の波面を、位相と伝搬ベクトルとがともに異なる複数の波面に変換することも可能である。
【００５３】
（実施の形態３）
次に、ミラーにより基本波を反射させて波長変換素子内を複数回通過させることで、変換効率の向上を図るようにしたものについて説明する。
【００５４】
図１１に示す本発明の実施の形態３の波長変換型光源は、基本波２を出射する基本波光源１１と、基本波２を所定の位置で所定のビームウエスト径に集光する集光レンズ１４と、基本波２を第２高調波３ａ〜３ｅに変換する長さＬの波長変換素子１と、上述の実施の形態１で用いたのと同じ波面変換素子１３とを有する。基本波光源１１からの基本波２であるレーザ光は、集光レンズ１４によって波長変換素子１の内部に集光されて、その一部が第２高調波３ａに変換される。８４ａは凹面構造の波長選択ミラーであって、波長変換素子１から出射されたビームに含まれる第２高調波３ａを透過させて出力させるとともに、同ビームに含まれる基本波２を波長変換素子１への透過方向に反射させ、かつ反射させた基本波２を素子１の内部における所定の位置に所定のビーム径で集光させるように構成されたものである。
【００５５】
波長選択ミラー８４ａで反射されたうえで波長変換素子１を透過したビームのために、波長選択ミラー８４ａと同様の構成の波長選択ミラー８４ｂが設けられている。波長選択ミラー８４ｂに入射するビームは、基本波２と、波長選択ミラー８４ａによって反射された基本波２が素子１の内部を透過したことで生成された第２高調波３ｂとを含んでいる。波長選択ミラー８４ｂの機能は、波長選択ミラー８４ａと同じである。以下、同様に、第２高調波３ｃを透過させる波長選択ミラー８４ｃ、第２高調波３ｄを透過させる波長選択ミラー８４ｄが設けられている。３ｅは、最後に素子１から出射される第２高調波で、波長選択ミラーを透過しない状態で出力される。
【００５６】
繰り返しになるが、本実施の形態３による波長変換のしくみを詳しく説明する。レーザ光源にて構成された基本波光源１１から出射された基本波２は、波長変換素子１に入射し、所定の位置で所定のビームウエスト径に集光され、一部が第２高調波３ａに変換されながら波長変換素子１内を伝搬する。出射端面８に到達した基本波２と第２高調波３ａとは、波長変換素子１より出射し、波長選択ミラー８４ａに到達する。このようにして素子１を透過するパスを一パス目とする。
【００５７】
波長選択ミラー８４ａでは、第２高調波３ａは透過するが、基本波２は反射されて再度波長変換素子１内に入射し、所定のビームウエスト径に集光されながら、二パス目として素子１内を伝搬する。以後、この二パス目において、先の一パス目と同様に、基本波２は、第２高調波３ｂに変換されながら波長変換素子１内を伝搬して、波長選択ミラー８４ｂに到達する。そこで、同様に第２高調波３ｂは波長選択ミラー８４ｂを透過し、基本波２は反射され、再度波長変換素子１内に入射される。
【００５８】
同様のことが、以降の折り返した各パスに関しても展開される。すなわち、基本波２は波長選択ミラー８４ｃ、８４ｄで反射されたうえで、素子１の内部で集光され、各パス内を伝搬し、そのときに変換された第２高調波３ｃ、３ｄは波長選択ミラー８４ｃ、８４ｄで透過され、外部に取り出される。最後の第２高調波３ｅは、素子１から出射されて、残った基本波２とともに外部に取り出される。
【００５９】
以上の通り、基本波２は波長変換素子１内をジグザグに伝搬しながら第２高調波３ａ〜３ｅに変換され、そのうちの第２高調波３ａ〜３ｄは波長選択ミラー８４ａ〜８４ｄで波長変換素子１の外に取り出される。なお、上記したパスの数は、任意に設定することができる。また、波長変換素子１は、図示しないペルチェ素子により、波長変換に最適な温度に温度調整されている。
【００６０】
このように、基本波２を集光しながら、波長変換素子１内を複数回通過させることで、変換効率の向上を図ることができる。
【００６１】
しかしながら、この場合においても、基本波光源１１の出力を増大させていくと、図３、図４で示したものと同様の出力の不安定性が生じる。これを抑制するために、図１１の構成では、同様に波面変換素子１３を設けている。波面変換素子１３を用いることで、基本波２を集光点近傍で２ピークあるいは波面変換素子の構成によっては複数ピークの分布に変換できる。これによって集光点およびその近傍でのパワー密度を低減し、熱レンズ効果を抑制することで、高出力耐性を向上することができる。
【００６２】
図１２に示すように、図１１の構成に対して、図６に示したものと同様の基本波２の波面を同相に戻すための波面変換素子７１をさらに追加した構成を、適用することもできる。基本波２を波長変換素子１内に往復させて波長変換する場合は、基本波２のパワーは、変換により徐々に低下する。低下した時に波面変換素子７１により同相のビームに戻すことで、集光点でのパワー密度が向上して変換効率をさらに向上させることが可能となる。
【００６３】
図１２の構成においては、波面変換素子７１は、波長変換素子１の変換効率を調整する素子として利用できる。すなわち、波長変換素子１の内部に基本波２を複数回通過させて利用する場合、基本波光源１１から出射直後は、基本波２のパワーが大きいために高調波出力が大きくなり、したがって熱レンズの影響を受けやすい。最初の段階で熱レンズの影響を受けると、その後の基本波２のビーム品質が劣化するため、全体の効率を低下させてしまう。
【００６４】
これに対処するために、最初のうちは、変換効率を小さくし、かつ熱レンズの発生を極力抑える。すなわち、基本波光源１１の近傍に波面変換素子１３を設けることで、変換効率の低減と、ビーム分割にもとづく熱レンズ発生の抑制とを達成することができる。また、光路の途中に別の波面変換素子７１を設置して波面を元の単一波面に戻すことで、変換ロスにより少なくなった基本波２のパワー密度を増大させて、変換効率を向上させることが可能となる。
【００６５】
なお、図１１、図１２では位相段差をもった波面変換素子１３、７１を用いた例について説明したが、これに代えて、図８および図９で示したようなプリズムを用いた構成とすることも可能である。プリズムを用いる場合は、素子１の内部における集光スポット間隔を大きくとることができるため、高出力耐性の向上効果が優れたものとすることができる。波面変換素子１３、７１とプリズムとを併用した構成とすることもできる。
【００６６】
また、図１１、図１２では小形の凹面ミラー構造の複数の波長選択ミラー８４ａ〜８４ｄにより基本波を反射させる構成を採用したが、図１３に示すように、波長変換素子１を一対の大形の凹面ミラー５１、５２で挟み込む構成とすることもできる。この場合に、図示のように一方の凹面ミラー５１は基本波２も高調波３も反射するミラーとし、他方のミラー５２は、基本波２は反射させ高調波３は透過させる波長選択型のミラーとすると、高調波３を一方向にのみ出射させることができる。
【００６７】
基本波光源１１は、例えば励起用に半導体レーザを使用して波長１０６４ｎｍの基本波を出力する、レーザ活性物質として希土類元素のＹｂがドープされたファイバレーザを使用してもよい。このようなファイバレーザにおいては、ファイバ励起用の半導体レーザは、例えば最大光出力１０Ｗ、波長９１５ｎｍのレーザ光によりファイバレーザを励起することが考えられる。この時に、ファイバレーザからの波長１０６４ｎｍの基本波を入力光として波長変換素子１に入射させると、波長５３２ｎｍの緑色の第２高調波が発生する。
【００６８】
なお、本実施の形態３において、波長変換素子１は、例えばＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、およびこの材料に分極反転構造を形成したものを、使用することができる。他のリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）や、Ｍｇ：ＬｉＴａＯ３など、およびこれらの材料に分極反転構造を形成したものを使用してもよい。本実施の形態３においては、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）、ＫＴＰを用いることで、特に効果を発揮することができる。
【００６９】
波長変換素子１は、上述の非線形光学効果を利用した素子のほかに、分極反転構造の周期を利用して光の位相を整合させるようにした素子や、或いは、光とマイクロ波などの速度を整合させるようにした素子などを適用することも可能である。
【００７０】
上記においては、波長変換の一例として、赤外光（１０６４ｎｍ）から第２高調波としての可視光（５３２ｎｍ）への変換について説明したが、第２高調波発生以外にも、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振など、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であれば使用することができる。上述のように、本発明によれば、高調波の波長が４００〜６００ｎｍであることが特に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明にかかる波長変換型光源によれば、高出力時の出力不安定性を改善して、安定出力の高出力の短波長光源を提供することが可能となる。このような高調波光の出力変動を防止した短波長光源を提供することで、レーザモジュールの信頼性が向上し、このためディスプレイ等の民生用途や、レーザ加工、レーザアニールなどの産業用途に適した波長変換光源を実現することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１  波長変換素子
２  基本波
３  高調波
１１  基本波光源
１３  波面変換素子
４１  波面変換素子
５１  凹面ミラー
５２  凹面ミラー
５３  第１のプリズム
５４  第２のプリズム
６１  プリズム
６２  プリズム
７１  波面変換素子
８４ａ〜８４ｄ  波長選択ミラー
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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