(57)【要約】【課題】レーザ光の変換効率及び強度を向上させることが可能なレーザ照射装置を提供する。【解決手段】レーザ照射装置１は、レーザ光源２から発射された基準レーザ光を複数の波長変換素子１０に対して順に透過させ、この透過によって波長変換された変換レーザ光を外部へ照射する。波長変換素子１０は、複数の水晶板１１を貼り合わせた構造とされ、反射膜１３，１４による繰り返し反射構造を有している。レーザ照射装置１では、レーザ光の光路順に隣り合う２つの波長変換素子１０，１０の間には、一方の波長変換素子１０の出射口１６から出射された基準レーザ光及び変換レーザ光を反射させて他方の波長変換素子１０の入射口１５へ入射させる接続用ミラー２４，２５が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学特性を有する水晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する、複数の波長変換素子を備え、
レーザ光源から発射された基準レーザ光を前記複数の波長変換素子に対して順に透過させ、この透過によって波長変換された変換レーザ光を外部へ照射するレーザ照射装置であって、
前記各波長変換素子は、それぞれ複数の水晶板を貼り合わせた構造とされ、
前記各波長変換素子の第１主面及び第２主面に、所定の波長を有する基準レーザ光、及び基準レーザ光の第２高調波である変換レーザ光を反射する反射膜がそれぞれ形成され、
前記各波長変換素子の第１主面または第２主面に、レーザ光の入射口がそれぞれ設けられ、前記各波長変換素子の第１主面または第２主面に、レーザ光の出射口がそれぞれ設けられ、当該入射口及び出射口は、前記反射膜が形成されていない箇所に設けられており、
レーザ光の光路順に隣り合う２つの波長変換素子の間には、一方の波長変換素子の出射口から出射された基準レーザ光及び変換レーザ光を反射させて他方の波長変換素子の入射口へ入射させる反射部材が設けられており、前記複数の波長変換素子に対して順に基準レーザ光及び変換レーザ光を透過させるように構成されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ照射装置において、
前記各波長変換素子は、それぞれ複数の水晶板を金属拡散層で貼り合わせた構造とされており、
前記金属拡散層は、前記水晶板の貼り合わせ面の一部の領域に形成されており、前記水晶板の貼り合わせ面には前記金属拡散層の存在しない開口領域が設けられていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ照射装置において、
前記反射膜は、誘電体多層膜によって形成されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ照射装置において、
前記各波長変換素子の入射口に対して前記基準レーザ光及び変換レーザ光が、ブリュースター角で入射されるように、前記各反射部材が配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ照射装置において、
前記各波長変換素子は、同一のパッケージ構成とされ、
前記各波長変換素子、及び前記各反射部材が、ケーシング内の所定位置に固定されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ照射装置において、
前記各波長変換素子は、前記ケーシング内にマトリックス状に配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製造加工や医療等の分野でレーザ照射装置が多用されている。これらの分野では、より微細な加工を行うためには波長の短いレーザが必要であり、紫外域における高出力なものとしてはエキシマレーザが実用化されている。しかしながら、希ガスレーザであるエキシマレーザは、安定性や安全性の面から煩雑なメンテナンスが必要となる。また、エキシマレーザは、装置が大型であるといった課題もある。このため、安定性や安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置が望まれている。
【０００３】
安定性や安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置を得るには、固体のレーザ発振素子（例えばＹＡＧレーザ）を用いることが好ましいが、２００ｎｍ以下の波長域では、固体のレーザ発振素子自体が存在しない。一方、波長変換素子を用いることによって、レーザ発振素子から出射されるレーザ光（基本波）の波長を変換し、より短波長のレーザ光を得ることが可能になる。例えば、ＹＡＧレーザから出射された基本波（１０６４ｎｍ：赤外光）を波長変換素子に透過させ、第２高調波（５３２ｎｍ：緑色光）に変換して出力するレーザ照射装置が知られている。
【０００４】
レーザ光の波長を変換するために用いられる波長変換素子には非線形光学特性を有する結晶（非線形結晶）が用いられ、一般的な非線形結晶材料としては、ＬＴ（ＬｉＴａＯ3）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ3）、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10）等が挙げられる。
【０００５】
しかしながら、これらの非線形結晶材料を用いた波長変換素子には、以下のような課題がある。
・ＬＴは、２６０ｎｍ以下の波長のレーザに対し、レーザ透過時の吸収量が多く、また、レーザを照射した際の損傷が激しい。
・ＬＮ、ＬＢＯは、レーザを照射した際の損傷が激しく、また、３００ｎｍ以下の波長への変換が困難である。
・ＫＴＰは、３００ｎｍ以下の波長への変換が困難である。
・ＣＬＢＯ、ＬＢＯは、潮解性を有するため、湿度対策が必要となる。
・その他の非線形結晶材料の多くも、レーザに対する損傷に弱い、潮解性を有する、変換できる波長域に制限がある（波長の透過域が狭い）等の問題を有している。
【０００６】
一方、例えば、特許文献１、２には、非線形結晶材料として水晶を用いた波長変換素子が開示されている。水晶は、上述の波長変換素子に比べ、
・レーザ耐性が高い（損傷しにくい）、
・潮解性が無い、
・短波長の透過域が広い、
・熱耐久性が高い、
・安価、メンテナンスフリー、小型化が容易、
といった多くのメリットを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２３３１４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、非線形結晶材料としての水晶は、多くのメリットを有している一方、変換効率が低いといったデメリットも有している（例えば、ＬＴと比較すると変換効率は１／１００程度）。
【０００９】
水晶を用いて波長変換素子を作製するには、分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を形成する。具体的には、図６に示すように、波長変換素子１００は、複数の水晶板（Ｘ板）１１０を、結晶の分極が周期的に反転するように積層した（貼り合わせた）構造とすることが考えられる。波長変換素子１００に、レーザ光源（レーザ発振素子）２００からの基本波Ｌ１を照射すると、その透過光において第２高調波（波長が基本波の１／２）Ｌ２が得られる。尚、波長変換素子１００における分極反転周期Λは、基本波Ｌ１の波長に応じて設定される。
【００１０】
水晶板による疑似位相整合を用いた波長変換素子では、水晶板の積層数（貼り合わせ枚数）を増加し、レーザ光が透過する水晶板の枚数を増加することで、波長変換素子としての変換効率を増加させることができる。ただし、水晶を用いた波長変換素子では、実用レベルの変換効率を得るには数千オーダーの積層数が必要とされる。このように、水晶板の貼り合わせ枚数を単に増加させる構成では、波長変換素子が大型化するといった問題がある。
【００１１】
特許文献２には、水晶板の積層体の一方の主面に反射膜を、他方の主面に透過・反射膜（ダイクロイックミラー）を設け、積層体に入射されたレーザ光を、反射膜と透過・反射膜との間で繰り返し反射（多重反射）させる構成が開示されている。このような多重反射構造により、積層体における水晶板の積層数を抑制しながら、変換効率を向上させることが可能である。しかしながら、特許文献２に記載の構成では、反射膜および透過・反射膜の反射面が水晶板の主面と平行な面となるため、多重反射の回数を増やすと、これに伴って上記積層体の必要面積（水晶板の主面面積）も大きくなり、波長変換素子の大面積化に繋がるといった課題がある。また、特許文献２に記載の構成では、入射光が屈折し、反射しながら素子内を進むため、同一面積の素子においては、貼り合わせ枚数を多くしても反射回数が減り、レーザ光が波長変換素子を通る長さは変わらないため、変換効率を高くできないといった課題もある。
【００１２】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水晶板の配置構成を工夫することによって、レーザ光の変換効率及び強度を向上させることが可能なレーザ照射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】
【００１３】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、非線形光学特性を有する水晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する、複数の波長変換素子を備え、レーザ光源から発射された基準レーザ光を前記複数の波長変換素子に対して順に透過させ、この透過によって波長変換された変換レーザ光を外部へ照射するレーザ照射装置であって、前記各波長変換素子は、それぞれ複数の水晶板を貼り合わせた構造とされ、前記各波長変換素子の第１主面及び第２主面に、所定の波長を有する基準レーザ光、及び基準レーザ光の第２高調波である変換レーザ光を反射する反射膜がそれぞれ形成され、前記各波長変換素子の第１主面または第２主面に、レーザ光の入射口がそれぞれ設けられ、前記各波長変換素子の第１主面または第２主面に、レーザ光の出射口がそれぞれ設けられ、当該入射口及び出射口は、前記反射膜が形成されていない箇所に設けられており、レーザ光の光路順に隣り合う２つの波長変換素子の間には、一方の波長変換素子の出射口から出射された基準レーザ光及び変換レーザ光を反射させて他方の波長変換素子の入射口へ入射させる反射部材が設けられており、前記複数の波長変換素子に対して順に基準レーザ光及び変換レーザ光を透過させるように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、各波長変換素子において、反射膜を用いた繰り返し反射構造により、水晶板の枚数を抑制しながらレーザ光の変換効率を高めることができる。そのような波長変換素子を複数配置し、反射部材を用いてレーザ光を複数の波長変換素子に対して順に透過させることによって、レーザ光の変換効率をさらに高めるとともに、変換レーザ光の強度を高めることができる。
【００１５】
上記構成のレーザ照射装置において、前記各波長変換素子は、それぞれ複数の水晶板を金属拡散層で貼り合わせた構造とされており、前記金属拡散層は、前記水晶板の貼り合わせ面の一部の領域に形成されており、前記水晶板の貼り合わせ面には前記金属拡散層の存在しない開口領域が設けられていることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、金属拡散層の存在しない開口領域をレーザ光の透過領域として使用することで、各波長変換素子においてレーザ光を効率よく透過させることができる。また、貼り合わせに接着剤でなく金属拡散層を用いることで、設計通りの開口領域を容易に得ることができる。
【００１７】
上記構成のレーザ照射装置において、前記反射膜は、誘電体多層膜によって形成されていることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、基準レーザ光の反射率、及び変換レーザ光の反射膜が、ともに高い反射膜を容易に得ることができる。
【００１９】
上記構成のレーザ照射装置において、前記各波長変換素子の入射口に対して前記基準レーザ光及び変換レーザ光が、ブリュースター角で入射されるように、前記各反射部材が配置されていることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、貼り合わされる水晶板の間の空隙内に存在する媒質の屈折率が、水晶板の屈折率と異なる場合であっても、入射角をブリュースター角に設定することで、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。
【００２１】
上記構成のレーザ照射装置において、前記各波長変換素子は、同一のパッケージ構成とされ、前記各波長変換素子、及び前記各反射部材が、ケーシング内の所定位置に固定されていることが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、各波長変換素子が同一構成のため、波長変換素子の製造コストを低減できる。また、ケーシングへの波長変換素子の装着作業を容易に行うことができ、波長変換素子の交換作業も容易に行うことができる。
【００２３】
上記構成のレーザ照射装置において、前記各波長変換素子は、前記ケーシング内にマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、水晶板の大面積化を行う代わりに、ケーシング内に波長変換素子を規則的に配置することによって、水晶板の積層数を抑制しながら波長変換素子による変換効率を増大させることができ、しかも、レーザ照射装置の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のレーザ照射装置によれば、各波長変換素子において、反射膜を用いた繰り返し反射構造により、水晶板の枚数を抑制しながらレーザ光の変換効率を高めることができる。そのような波長変換素子を複数配置し、反射部材を用いてレーザ光を複数の波長変換素子に対して順に透過させることによって、レーザ光の変換効率をさらに高めるとともに、変換レーザ光の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のレーザ照射装置に備えられる波長変換素子の一例を示す断面図である。
【図３】波長変換素子の変形例を示す断面図である。
【図４】波長変換素子における金属拡散層の配置パターンの一例を示す平面図である。
【図５】波長変換素子における金属拡散層の配置パターンの変形例を示す平面図である。
【図６】非線形結晶として水晶を用いた波長変換素子の基本構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るレーザ照射装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るレーザ照射装置は、非線形光学特性を有する水晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する、複数の波長変換素子を備えており、レーザ光源から発射された基準レーザ光を複数の波長変換素子に対して順に透過させ、この透過によって波長変換された変換レーザ光を外部へ照射するように構成されている。
【００２８】
レーザ照射装置１は、図１に示すように、レーザ光源（レーザ発振素子）２からの基本波Ｌ１を、ケーシング２０内に設置された複数の波長変換素子１０に対して順に透過させることによって、第２高調波（波長が基本波の１／２）Ｌ２を得る構成になっている。レーザ照射装置１において、レーザ光源２は固体レーザ発振素子であることが好ましく、例えばＹＡＧレーザを用いることが好ましい。ＹＡＧレーザから照射される基本波Ｌ１の波長は１０６４ｎｍであり、第２高調波Ｌ２の波長は５３２ｎｍである。
【００２９】
ここで、レーザ照射装置１の詳細について説明する前に、レーザ照射装置１に備えられる波長変換素子１０について、図２〜図５を参照して説明する。図２、図３は、レーザ照射装置１に備えられる波長変換素子１０の一例を示す断面図である。図４、図５は、波長変換素子１０における金属拡散層１２の配置パターンの一例を示す平面図である。なお、波長変換素子１０に入射されるレーザ光（基本波Ｌ１）の入射角α（図２、図３参照）はブリュースター角とすることが好ましい。この場合、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。
【００３０】
図２に示すように、波長変換素子１０は、複数の水晶板（Ｘ板）１１を金属拡散層１２によって貼り合わせてなる構造になっている。すなわち、水晶板１１は、拡散接合によって貼り合わされる。また、波長変換素子１０において、水晶板１１は、図６に示すような疑似位相整合を形成するように貼り合わされている。図２では、６枚の水晶板１１を用いた例を示しているが、水晶板１１の枚数はこれに限らず、数枚〜１００枚程度の水晶板１１を用いることが可能である。水晶板１１を金属拡散層１２で貼り合わせてなる積層体は、ホルダー部材１７，１７（図１にのみ図示）により長手方向の両側から挟み込んで固定されるようになっている。ホルダー部材１７，１７で水晶板１１の積層体を挟持することによって、波長変換素子１０における水晶板１１の位置関係を保持する可能になるとともに、ケーシング２０への波長変換素子１０の設置を容易に行うことが可能になっている。
【００３１】
図４に示すように、金属拡散層１２は、水晶板１１の主面（貼り合わせ面）に対して全面に形成されるものではなく、一部の領域に形成される。すなわち、水晶板１１の主面には金属拡散層１２の存在しない領域（開口領域）が設けられる。また、金属拡散層１２は主に水晶板１１の主面の外周部に形成され、水晶板１１の内部領域の殆どは金属拡散層１２の存在しない開口領域とされることが好ましい。特に、金属拡散層１２は、図４に示すように、水晶板１１の主面の外周部のみに形成することが好ましい。なお、図５に示すように、金属拡散層１２を、水晶板１１の主面の外周部のみでなく、内部領域の一部にも設ける構成としてもよい。つまり、水晶板１１の主面の外周部に形成された金属パターン１２Ａと、水晶板１１の主面内部領域に形成された金属パターン１２Ｂとを設ける構成としてもよい。
【００３２】
上述したように、波長変換素子１０では、水晶板１１は金属拡散層１２によって貼り合わされ、しかも、水晶板１１の主面には金属拡散層１２の存在しない領域（開口領域）が設けられる。このため、波長変換素子１０において、金属拡散層１２の存在しない開口領域をレーザ透過領域として使用することで、金属拡散層１２による吸収や反射を無くし、波長変換素子１０に対してレーザ光を効率よく透過させることができる。
【００３３】
金属拡散層１２による拡散接合は、例えば、次のような工程にて実施される。まず、接合される２枚の水晶板１１には、それぞれの接合面において下地膜および接合膜が形成される。下地膜は、水晶板１１の平坦平滑面（鏡面加工）に下地金属（ＴｉやＮｉ等）を物理的気相成長させて形成される。接合膜は、下地膜上にＡｕやＰｔ等の拡散接合可能な金属を物理的気相成長させて積層形成される。こうして、下地膜および接合膜が形成された２枚の水晶板１１を重ね合せると、接合膜同士が拡散接合され、２枚の水晶板１１同士が貼り合わされる。この場合、下地膜および接合膜が金属拡散層１２となる。金属拡散層１２の厚みは、８０ｎｍ〜２μｍの範囲とすることが好ましく、水晶板１１同士を密着させるためには、８０ｎｍ〜１μｍの範囲とすることがさらに好ましい。
【００３４】
また、図４に示す金属拡散層１２は水晶板１１の外周全体を囲むようには形成されておらず、貼り合わされた水晶板１１の内部領域（ギャップ空間）を外部と通気させるための通気部１２ａが設けられている。これは、通気部１２ａを設けることで水晶板１１間に密封空間を形成しない構造とし、該密封空間に水分が封入されることを防止するためである。水晶板１１間に水分が封入された密封空間が存在すると、温度によっては結露が発生する恐れがあり、この結露にレーザ光が当たると不所望な屈折が生じて、透過レーザにおけるエネルギ損失が生じる。また、貼り合わせ面の外周部に開口部（通気部１２ａ）を設けることで、貼り合わせ面の応力を緩和することが可能となり、積層数を多くした場合の素子の変形を防止することが可能となる。
【００３５】
また、図２に示すように、波長変換素子１０は、多重反射構造を有しており、そのため、第１の主面（図２では上面）に反射膜１３が成膜され、第２の主面（図２では下面）に反射膜１４が成膜されている。反射膜１３，１４は、基本波（基準レーザ光）Ｌ１と、第２高調波（基本波が波長変換素子を通過する過程で波長変換されて発生する変換波：変換レーザ光）Ｌ２との両方を反射する特性を有する。
【００３６】
反射膜１３，１４は、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有することが好ましい。反射膜１３，１４の材質は特に限定されるものではなく、金属反射膜等も使用可能であるが、上記のような高い反射率を実現するには誘電体多層膜を用いることが好ましい。反射膜１３，１４として、誘電体多層膜を用いる場合、同一の膜厚構成とすることが可能である。なお、誘電体多層膜には入射角依存性があるため、入射角α（例えば、ブリュースター角）で入射される基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して、高い反射率が得られるような膜厚構成とすることが好ましい。
【００３７】
反射膜１３，１４として用いられる誘電体多層膜は、例えば、高屈折率膜であるＴｉＯ2と、低屈折率膜であるＳｉＯ2とが交互に積層された構成とすることが可能である。誘電体多層膜の各層（低屈折率膜及び高屈折率膜）は、周知の真空蒸着装置によって交互に真空蒸着される。なお、高屈折率膜は、ＴｉＯ2に限られず、例えば、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5といった材料でもよい。高屈折率膜の材料としては、屈折率が２．０より大きいものが好ましい。また、低屈折率膜は、ＳｉＯ2に限られず、例えばＭｇＦ2といった材料でもよい。低屈折率膜の材料としては、高屈折率膜よりも屈折率が小さいものが好ましく、さらに好ましくは屈折率が１．５より小さいものがよい。
【００３８】
図２に示す波長変換素子１０では、第１の主面に設けられた入射口１５からレーザ光が入射される。入射口１５は、第１の主面の反射膜１３が形成されていない箇所（開口部）に設けられている。入射口１５から入射されたレーザ光は、反射膜１４に向けて素子内を進行し、反射膜１４によって反射された後、反射膜１３に向けて素子内を進行する。このように、入射口１５から入射されたレーザ光は、反射膜１３，１４の間で反射を繰り返しながら素子内を進行し、第２の主面に設けられた出射口１６から外部へ出射されるようになっている。出射口１６は、第２の主面の反射膜１４が形成されていない箇所（開口部）に設けられている。
【００３９】
ここで、入射口１５から入射されるレーザ光は、レーザ照射装置１に備えられた複数の波長変換素子１０のうち、レーザ光の光路順で最初に配置される波長変換素子１０の場合、基本波Ｌ１のみとなっているが、それ以降に配置される波長変換素子１０の場合、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２となっている。出射口１６から出射されるレーザ光は、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２となっている。なお、この際、出射される基本波Ｌ１は、波長変換素子１０への入射後、最後まで変換されることのなかったレーザ光である。
【００４０】
波長変換素子１０の水晶板１１を基本波Ｌ１が透過する際、基本波Ｌ１が波長変換されて第２高調波Ｌ２が発生する。入射口１５から入射される基本波Ｌ１だけではなく、反射膜１３，１４で反射された基本波Ｌ１についても、水晶板１１を透過する際、基本波Ｌ１が波長変換されて第２高調波Ｌ２が発生する。ただし、水晶板１１の透過によって、基本波Ｌ１の全てが第２高調波Ｌ２に変換されるのではなく、基本波Ｌ１のうち、所定の変換効率に応じた一部分だけが第２高調波Ｌ２に変換される。
【００４１】
このように多重反射構造を用いた波長変換素子１０では、各水晶板１１に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子１０による変換効率を増大させることができる。しかしながら、波長変換素子１０は、多重反射されながら素子内を進行するレーザ光の透過領域を確保するため、その有効面積を、多重反射構造を用いない波長変換素子に比べて大面積化することが要求される。言い換えれば、反射の繰り返し回数をより増やすためには大面積に作成された水晶板１１を用いることが必要となる。
【００４２】
本実施形態では、レーザ照射装置１において、水晶板１１の大面積化を行う代わりに、波長変換素子１０（水晶板１１）の配置構成を工夫することによって、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子１０による変換効率を増大させるようにしている。この特徴について、図１を参照して説明する。
【００４３】
図１に示すように、レーザ照射装置１は、複数の波長変換素子１０を備えており、各波長変換素子１０は、同一のパッケージ構成とされている。つまり、各波長変換素子１０は、ホルダー部材１７によって水晶板１１の積層体が保持された略直方体状のパッケージ構成になっており、各波長変換素子１０で、大きさや、水晶板１１の枚数が同一になっている。各波長変換素子１０に用いられる水晶板１１は、例えば５０枚とされる。
【００４４】
各波長変換素子１０は、ケーシング２０内にマトリックス状に配置されている。図１の例では、Ｘ方向（図１の左右方向）にＭ個（Ｍは自然数）の波長変換素子１０が配列され、Ｚ方向（図１の上下方向）に３個の波長変換素子１０が配列され、合計で、３×Ｍ個の波長変換素子１０がマトリックス状に配置されている。Ｘ方向のＭ個の波長変換素子１０は互いに平行に配置されており、各波長変換素子１０の水晶板１１が互いに平行に設けられている。この場合、各波長変換素子１０の水晶板１１は、Ｚ方向に平行に設けられている。
【００４５】
レーザ照射装置１では、レーザ光の光路順に隣り合う２つの波長変換素子１０，１０の間には、一方の波長変換素子１０の出射口１６から出射されたレーザ光を反射させて他方の波長変換素子１０の入射口１５へ入射させる反射部材が設けられている。反射部材としては、図１のＸ方向に隣り合う２つの波長変換素子１０，１０を光学的に接続する接続用ミラー２４と、図１のＺ方向に隣り合う２つの波長変換素子１０，１０を光学的に接続する接続用ミラー２５とが設けられている。レーザ光の光路順で最初に配置される波長変換素子１０に対しては、レーザ光源２からの基本波Ｌ１が入射され、それ以降に配置される波長変換素子１０に対しては、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方が入射されるようになっている。レーザ光は、接続用ミラー２４，２５によって、［波長変換素子１０の個数−１］回だけ反射された後、レーザ光の光路順で最後に配置される波長変換素子１０から出射され、外部へ照射されるようになっている。
【００４６】
接続用ミラー２４，２５は、各波長変換素子１０の入射口１５へのレーザ光の入射角α（図２参照）がブリュースター角になるように配置されている。接続用ミラー２４は、各波長変換素子１０の水晶板１１に対して直交する反射面を有している。この場合、各波長変換素子１０の水晶板１１は、Ｚ方向に平行に設けられているため、接続用ミラー２４は、Ｘ方向に平行な反射面を有している。この構成では、各波長変換素子１０の出射口１６から出射されたレーザ光が、接続用ミラー２４に対し、（９０°−α）の角度で入射し、接続用ミラー２４によって、（９０°−α）の角度で反射されるようになっている。また、接続用ミラー２４によって反射されたレーザ光は、各波長変換素子１０の入射口１５に対し、αの角度で入射されるようになっている。
【００４７】
一方、接続用ミラー２５は、各波長変換素子１０の水晶板１１に対して平行な反射面を有している。この場合、各波長変換素子１０の水晶板１１は、Ｚ方向に平行に設けられているため、接続用ミラー２５は、Ｚ方向に平行な反射面を有している。この構成では、各波長変換素子１０の出射口１６から出射されたレーザ光が、接続用ミラー２５に対し、αの角度で入射し、接続用ミラー２５によって、αの角度で反射されるようになっている。また、接続用ミラー２５によって反射されたレーザ光は、各波長変換素子１０の入射口１５に対し、αの角度で入射されるようになっている。
【００４８】
本実施形態では、接続用ミラー２４は、Ｘ方向に長く延びる形状になっており、接続用ミラー２４によって、レーザ光を複数回、反射することが可能になっている。また、Ｚ方向の中間に設けられる接続用ミラー２４の両面が、ともに反射面になっている。このため、本実施形態では、４つの接続用ミラー２４が設けられており、その数は、波長変換素子１０のＺ方向に並ぶ数よりも１だけ多い数になっている。一方、接続用ミラー２５の数は２つであり、その数は、波長変換素子１０のＺ方向に並ぶ数よりも１だけ少ない数になっている。
【００４９】
接続用ミラー２４，２５は、反射膜が基板（基材）に形成された構成とすることが可能であり、この場合、反射膜が、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有することが好ましい。接続用ミラー２４，２５の反射膜は、波長変換素子１０の反射膜１３，１４と同様に、誘電体多層膜によって形成することが好ましい。上述したように、誘電体多層膜には入射角依存性があるため、接続用ミラー２４の反射膜は、入射角（９０°−α）で入射される基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して、高い反射率が得られるような膜厚構成とすることが好ましい。また、接続用ミラー２５の反射膜は、入射角αで入射される基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して、高い反射率が得られるような膜厚構成とすることが好ましい。
【００５０】
レーザ照射装置１では、図１の破線の矢印で示すように、レーザ光源２からの基本波Ｌ１が、２つの入射用ミラー２１によって反射された後、レーザ光の光路順で最初に配置される波長変換素子１０に対して入射される。また、レーザ光の光路順で最後に配置される波長変換素子１０から出射された基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が、２つの出射用ミラー２２によって反射された後、外部へ照射される。この場合、図１の１点鎖線の矢印で示すように、フィルタ２３によって、基本波Ｌ１がカットされ、第２高調波Ｌ２のみが外部へ照射されるようになっている。フィルタ２３は、光学的ローパスフィルタとして構成されており、基本波Ｌ１の透過率が略０％で、且つ第２高調波Ｌ２の透過率が略１００％であるような誘電体多層膜によって形成することが可能である。
【００５１】
なお、入射用ミラー２１を用いずに、レーザ光源２からの基本波Ｌ１を直接、波長変換素子１０に入射する構成としてもよい。また、出射用ミラー２２を用いずに、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２を直接、フィルタ２３に入射する構成としてもよい。一方、上述したように、入射用ミラー２１及び出射用ミラー２２を用いることによって、図１に示すように、レーザ光源２からの基本波Ｌ１と、外部へ照射される第２高調波Ｌ２とが略一直線上に並ぶようにすることが可能であり、外部への第２高調波Ｌ２の照射位置を容易に調整することが可能になる。
【００５２】
入射用ミラー２１は、反射膜が基板（基材）に形成された構成とすることが可能であり、この場合、反射膜が、基本波Ｌ１に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有することが好ましい。出射用ミラー２２は、反射膜が基板（基材）に形成された構成とすることが可能であり、この場合、反射膜が、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２の両方に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有することが好ましい。入射用ミラー２１及び出射用ミラー２２の反射膜は、波長変換素子１０の反射膜１３，１４と同様に、誘電体多層膜によって形成することが好ましい。
【００５３】
なお、入射用ミラー２１、出射用ミラー２２、接続用ミラー２４，２５の反射膜、及びフィルタ２３として用いられる誘電体多層膜は、例えば、高屈折率膜であるＴｉＯ2と、低屈折率膜であるＳｉＯ2とが交互に積層された構成とすることが可能である。誘電体多層膜の各層（低屈折率膜及び高屈折率膜）は、周知の真空蒸着装置によって交互に真空蒸着される。なお、高屈折率膜は、ＴｉＯ2に限られず、例えば、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5といった材料でもよい。高屈折率膜の材料としては、屈折率が２．０より大きいものが好ましい。また、低屈折率膜は、ＳｉＯ2に限られず、例えばＭｇＦ2といった材料でもよい。低屈折率膜の材料としては、高屈折率膜よりも屈折率が小さいものが好ましく、さらに好ましくは屈折率が１．５より小さいものがよい。
【００５４】
以上のように構成されたレーザ照射装置１では、レーザ光源２からの基本波Ｌ１が、２つの入射用ミラー２１によって反射された後、レーザ光の光路順で最初に配置される波長変換素子１０に対して入射される（図１の破線の矢印を参照）。この場合、Ｘ方向の一端側（図１の左端側）且つＺ方向の一端側（図１の上端側）に配置された波長変換素子１０に、レーザ光源２からの基本波Ｌ１が入射される。
【００５５】
次に、基本波Ｌ１、及び基本波Ｌ１から波長変換された第２高調波Ｌ２が、ケーシング２０内にマトリックス状に配列された複数の波長変換素子１０に順に透過していく（図１の実線の矢印を参照）。この場合、まず、接続用ミラー２４によって、Ｘ方向の一端側且つＺ方向の一端側に配置された波長変換素子１０から、Ｘ方向の他端側（図１の右端側）且つＺ方向の一端側に配置された波長変換素子１０に向けて順に、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が入射される。次に、接続用ミラー２５によって、Ｘ方向の他端側且つＺ方向の一端側に配置された波長変換素子１０から、Ｘ方向の他端側且つＺ方向の中間部（図１の上下中間部）に配置された波長変換素子１０に向けて、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が入射される。
【００５６】
また、接続用ミラー２４によって、Ｘ方向の他端側且つＺ方向の中間部に配置された波長変換素子１０から、Ｘ方向の一端側且つＺ方向の中間部に配置された波長変換素子１０に向けて順に、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が入射される。次に、接続用ミラー２５によって、Ｘ方向の一端側且つＺ方向の中間部に配置された波長変換素子１０から、Ｘ方向の一端側且つＺ方向の他端側（図１の下端側）に配置された波長変換素子１０に向けて、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が入射される。さらに、接続用ミラー２４によって、Ｘ方向の一端側且つＺ方向の他端側に配置された波長変換素子１０から、Ｘ方向の他端側且つＺ方向の他端側に配置された波長変換素子１０に向けて順に、基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が入射される。
【００５７】
そして、Ｘ方向の他端側且つＺ方向の他端側に配置された波長変換素子１０から出射された基本波Ｌ１及び第２高調波Ｌ２が、２つの出射用ミラー２２によって反射された後、フィルタ２３に入射される（図１の実線の矢印を参照）。フィルタ２３によって、第２高調波Ｌ２が基本波Ｌ１から分離されるので、フィルタ２３を介して、第２高調波Ｌ２のみを外部へ照射することが可能になる（図１の１点鎖線の矢印を参照）。
【００５８】
本実施形態では、レーザ照射装置１において、波長変換素子１０、入射用ミラー２１、出射用ミラー２２、接続用ミラー２４，２５、及びフィルタ２３が、ケーシング２０内の所定位置に固定されており、ケーシング２０における各部材の位置関係が保持されるようになっている。このようなレーザ照射装置１によれば、各波長変換素子１０において、反射膜１３，１４を用いた繰り返し反射構造により、水晶板１１の枚数を抑制しながらレーザ光の変換効率を高めることができる。そのような波長変換素子１０を複数配置し、接続用ミラー２４，２５を用いてレーザ光を複数の波長変換素子１０に対して順に透過させることによって、レーザ光の変換効率をさらに高めるとともに、変換レーザ光の強度を高めることができる。
【００５９】
この場合、各波長変換素子１０を同一のパッケージ構成とすることによって、波長変換素子１０の製造コストを低減できる。また、ケーシング２０への波長変換素子１０の装着作業を容易に行うことができ、波長変換素子１０の交換作業も容易に行うことができる。
【００６０】
また、各波長変換素子１０が、ケーシング２０内にマトリックス状に配置されているので、水晶板１１の大面積化を行う代わりに、ケーシング２０内に波長変換素子を規則的に配置することによって、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子１０による変換効率を増大させることができ、しかも、レーザ照射装置１の小型化を図ることができる。
【００６１】
今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６２】
波長変換素子１０の構成は一例であって、それ以外の構成の波長変換素子を用いてもよい。例えば、上記実施形態では、波長変換素子１０の第１の主面に入射口１５が設けられ、第２の主面に出射口１６が設けられたが（図２参照）、図３に示すように、波長変換素子１０Ａの第１の主面に入射口１５及び出射口１６の両方を設ける構成としてもよい。つまり、図２に示す波長変換素子１０では、入射口１５から入射されたレーザ光が、反射膜１３，１４により合計で偶数回、反射された後、出射口１６から出射されるようになっている。一方、図３に示す波長変換素子１０Ａでは、入射口１５から入射されたレーザ光が、反射膜１３，１４により合計で奇数回、反射された後、出射口１６から出射されるようになっている。なお、水晶板１１をＸ板としたが、それ以外の水晶板を用いてもよい。また、水晶板１１をホルダー部材１７，１７によって長手方向の両側から挟み込む構成としたが、それ以外の部材によって水晶板１１を固定してもよい。
【００６３】
レーザ照射装置１における波長変換素子１０、入射用ミラー２１、出射用ミラー２２、フィルタ２３、接続用ミラー２４，２５等の配置構成は一例であって、少なくとも２つの波長変換素子１０と、レーザ光の光路順に隣り合う２つの波長変換素子１０を光学的に接続する少なくとも１つの接続用ミラーとが設けられていればよく、各部材の配置構成を様々に変更することが可能である。例えば、ケーシング２０内に、波長変換素子１０、接続用ミラー２４，２５を配置し、ケーシング２０の外側に、入射用ミラー２１、出射用ミラー２２、フィルタ２３を配置してもよい。あるいは、ケーシング２０内に、入射用ミラー２１、出射用ミラー２２、接続用ミラー２４，２５を配置し、ケーシング２０の外側に、フィルタ２３を配置してもよい。あるいは、レーザ光源２をケーシング２０内に収容する構成としてもよい。
【００６４】
さらには、上記実施形態では、Ｚ方向に３個の波長変換素子１０を配列したが、これに限らず、Ｚ方向にＮ個（Ｎは自然数）の波長変換素子１０を配列し、合計で、Ｍ×Ｎ個の波長変換素子１０をマトリックス状に配置する構成としてもよい。また、複数の波長変換素子１０がマトリックス状に配置されたケーシング２０を、複数備える構成としてもよい。また、上記実施形態では、複数の波長変換素子１０を２次元的に配置したが、これに限らず、複数の波長変換素子１０を３次元的に配置する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、水晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する波長変換素子を複数備えたレーザ照射装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１    レーザ照射装置
２    レーザ光源
１０    波長変換素子
１１    水晶板
１２    金属拡散層
１３，１４    反射膜
１５    入射口
１６    出射口
２０    ケーシング
２１    入射用ミラー
２２    出射用ミラー
２４，２５    接続用ミラー
【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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