(57)【要約】【課題】レーザ光の波長変換において、変換光の強度を可及的に高める。【解決手段】レーザ装置１から出射される基本波光Ｌ１を、波長変換素子５によって第２高調波Ｌ２に変換すると共に、第２高調波Ｌ２を、第１，第２平凹ミラー３，４間で、波長変換素子５を介して多重反射させて前記両平凹ミラー３．４間に閉じ込め、第２高調波Ｌ２が、波長変換素子２を通過する度に、第４高調波Ｌ４に変換し、この第４高調波Ｌ４を、第２平凹ミラー４及びフィルタ６を透過させて出射するようにし、未変換の第２高調波Ｌ２が減衰して消滅するまで、第４高調波Ｌ４に変換して、変換光である第４高調波Ｌ４の強度を高める。【選択図】図１
2019012198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置から出射される基本波光を入射し、該基本波光を、それよりも波長の短い波長変換光に変換して出射する波長変換装置であって、
互いに対向配置されて前記基本波光が入射する第１，第２光学部材と、
前記第１，第２光学部材の間に配置されて、前記基本波光が入射する波長変換手段とを備え、
前記波長変換手段は、前記基本波光を、該基本波光の波長を長波長としたときに、該長波長よりも波長の短い中波長の波長変換光に変換すると共に、前記中波長の波長変換光を、前記中波長よりも波長の短い短波長の波長変換光に変換するものであり、
前記第１，第２光学部材の一方の光学部材は、当該波長変換装置から出射する前記短波長の波長変換光である出射波長変換光を透過させ、他方の光学部材は、前記出射波長変換光を反射させるものであり、
前記両光学部材は、前記基本波光を透過させる一方、前記波長変換手段によって前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の波長変換光を反射するものであり、
前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の前記波長変換光が、前記両光学部材間で前記波長変換手段を介して多重反射して前記両光学部材間に閉じ込められる、
ことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換手段が、一つまたは複数の波長変換素子を有し、前記波長変換素子が、非線形光学結晶である水晶によって構成される、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子は、水晶板の分極方向が周期的に反転するように、複数の水晶板を積層した分極反転構造を有する、
請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記波長変換素子は、該波長変換素子へ入射する前記基本波光、前記中波長の波長変換光、及び、前記短波長の波長変換光の入射角がブリュースター角となるように配置される、
請求項２または３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記波長変換手段によって前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の前記波長変換光が、前記両光学部材間を、前記波長変換手段を介して同一の光路で多重反射する、
請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項６】
当該波長変換装置が、モジュール化されている、
請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記第１，第２光学部材が、第１，第２平凹ミラーである、
請求項１ないし６のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記第１，第２平凹ミラーは、誘電体多層膜を有する、
請求項７に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記波長変換手段によって前記出射波長変換光へ波長変換される前の前記中波長の波長変換光が、第２高調波であり、
前記出射波長変換光が、第４高調波である、
請求項１ないし８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記レーザ装置が、固体レーザ装置である、
請求項１ないし９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記短波長が、紫外波長である、
請求項１ないし１０のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記両光学部材を透過した前記基本波光を遮断すると共に、前記出射波長変換光を透過させるフィルタを備える、
請求項１ないし１１のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記請求項１ないし１２のいずれか記載の波長変換装置と、レーザ光源とを備える、
ことを特徴するレーザ装置。
【請求項１４】
レーザ光である基本波光を、該基本波光よりも波長の短い波長変換光に変換する波長変換方法であって、
前記基本波光の波長を長波長としたときに、前記基本波光を、該長波長よりも波長の短い中波長の波長変換光に変換すると共に、前記中波長の波長変換光を、前記中波長よりも波長の短い短波長の波長変換光に変換する波長変換手段に対して、前記基本波光を入射し、
前記波長変換手段によって波長変換された前記中波長の波長変換光を、前記波長変換手段を挟んで対向配置された第１，第２光学部材の間で前記波長変換手段を介して多重反射させて、前記両光学部材間に閉じ込める一方、前記短波長の波長変換光が、前記両光学部材の一方の光学部材を透過し、他方の光学部材で反射する、
ことを特徴とする波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を、非線形光学結晶の非線形光学効果を利用して短波長に変換する波長変換装置、それを備えるレーザ装置、及び、波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、広汎な用途、例えば、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、レーザーディスプレイ用光源、金属等の各種加工、あるいは、眼科等の医療用手術装置などに利用されており、それに伴い、それぞれの用途に適した波長のレーザ光が求められている。
【０００３】
レーザ光の波長を変換する素子として、非線形光学結晶の非線形光学効果を利用した波長変換素子が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、非線形光学結晶として水晶板を積層した波長変換素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３３１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水晶を用いた波長変換素子では、分極反転構造を形成して擬似的に位相整合させる。具体的には、図１０に示すように、波長変換素子１００は、複数の水晶板１１０を、結晶の分極が周期的に反転するように積層する、すなわち、結晶軸方向が逆となる、＋Ｘの水晶板１１０と−Ｘの水晶板１１０とを交互に積層した周期的な分極反転構造とする。
【０００７】
分極反転がなく、位相整合がとれていない場合には、図１０の破線で示すように、位相にずれのある波長変換光（第２高調波）を重ね合わせるために、徐々に変換強度が増加するが、ある距離離れた２点で発生した波長変換光が互いに打ち消し合って変換強度が減少し、周期的に増減を繰り返すことになる。この増加から減少、減少から増加へ変化する前記距離がコヒーレント長Ｌｃである。
【０００８】
これに対して、分極反転があり、擬似的に位相整合がとれている場合には、図１０の実線で示すように、減少部分が反転されて常に変換強度が増加する。
【０００９】
分極反転周期Λは、コヒーレント長Ｌｃの２倍となる。
【００１０】
上記の波長変換素子１００に、レーザ光である基本波光Ｌ１が入射すると、その透過光において第２高調波（波長が基本波光Ｌ１の１／２）Ｌ２が得られる。なお、波長変換素子１００における分極反転周期∧は、基本波光Ｌ１の波長に応じて設定される。
【００１１】
水晶板による擬似位相整合を用いた波長変換素子では、水晶板の積層枚数を増やし、レーザ光が透過する水晶板の枚数を増やすことによって、変換光の強度を高めることができる。
【００１２】
しかし、水晶を用いた波長変換素子では、実用レベルの変換光の強度を得るには数千オーダーの積層枚数が必要とされる。
【００１３】
したがって、水晶板の積層枚数を増加させなくても、変換光の強度を高めることが望まれる。
【００１４】
上記のような水晶を用いた波長変換素子に限らず、一般に、波長変換素子を用いたレーザ光の波長変換では、その変換光の強度を可及的に高めることが望まれる。
【００１５】
本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、レーザ光の波長変換において、変換光の強度を可及的に高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【００１７】
すなわち、本発明の波長変換装置は、レーザ装置から出射される基本波光を入射し、該基本波光を、それよりも波長の短い波長変換光に変換して出射する波長変換装置であって、
互いに対向配置されて前記基本波光が入射する第１，第２光学部材と、前記第１，第２光学部材の間に配置されて、前記基本波光が入射する波長変換手段とを備え、
前記波長変換手段は、前記基本波光を、該基本波光の波長を長波長としたときに、該長波長よりも波長の短い中波長の波長変換光に変換すると共に、前記中波長の波長変換光を、前記中波長よりも波長の短い短波長の波長変換光に変換するものであり、
前記第１，第２光学部材の一方の光学部材は、当該波長変換装置から出射する前記短波長の波長変換光である出射波長変換光を透過させ、他方の光学部材は、前記出射波長変換光を反射させるものであり、
前記両光学部材は、前記基本波光を透過させる一方、前記波長変換手段によって前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の波長変換光を反射するものであり、
前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の前記波長変換光が、前記両光学部材間で前記波長変換手段を介して多重反射して前記両光学部材間に閉じ込められる。
【００１８】
本発明の波長変換装置によれば、基本波光を波長変換して得られた中波長の波長変換光を、波長変換手段を挟んで対向配置された両光学部材間に閉じ込めて、両光学部材間で波長変換手段を介して多重反射させるので、前記中波長の波長変換光が、前記波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に波長変換され、変換された出射波長変換光は、両光学部材の一方の光学部材を透過して、当該波長変換装置から出射される。
【００１９】
このように、中波長の波長変換光を、両光学部材間に閉じ込めて、波長変換手段を通して多重反射させ、波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に変換するので、未変換の中波長の波長変換光が、減衰して消滅するまで、出射波長変換光に変換されることになり、変換光の強度を高めることができる。
【００２０】
前記波長変換手段が、一つまたは複数の波長変換素子を有し、前記波長変換素子が、非線形光学結晶である水晶によって構成されるのが好ましい。
【００２１】
この構成では、一つの波長変換素子によって、前記基本波光を前記中波長の波長変換光に変換し、前記中波長の波長変換光を前記短波長の波長変換光に変換してもよいし、あるいは、二つの波長変換素子の一方の波長変換素子によって、前記基本波光を前記中波長の波長変換光に変換し、他方の波長変換素子によって、前記中波長の波長変換光を前記短波長の波長変換光に変換してもよい。
【００２２】
上記構成によれば、波長変換素子を構成する水晶は、広い透過域を有し、熱的、化学的に安定であり、レーザ耐性も高く、他の非線形光学結晶に比べて有利である。
【００２３】
前記波長変換素子は、水晶板の分極方向が周期的に反転するように、複数の水晶板を積層した分極反転構造を有する。
【００２４】
上記構成によれば、周期的な分極反転構造によって擬似的に位相整合させて、変換光の強度を高めることができる。
【００２５】
前記波長変換素子は、該波長変換素子へ入射する前記基本波光、前記中波長の波長変換光、及び、前記短波長の波長変換光の入射角がブリュースター角となるように配置されるのが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、基本波光及び波長変換光が、ブリュースター角で波長変換素子へ入射するので、反射を抑制して変換光の強度の低下を抑制することができる。
【００２７】
前記波長変換手段によって前記出射波長変換光に波長変換される前の前記中波長の前記波長変換光が、前記両光学部材間を、前記波長変換手段を介して同一の光路で多重反射するのが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、両光学部材間に閉じ込められる中波長の波長変換光は、波長変換手段を介して同一の光路で多重反射するので、例えば同一でない光路を進んで多重反射する構成のように、多重反射の回数を増やすにつれて、長い光路が必要となって、波長変換素子の面積が大型化するといったことがない。
【００２９】
当該波長変換装置は、モジュール化されているのが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、モジュール化された当該波長変換装置を、レーザ光を出射する既存のレーザ装置の外部に設置することによって、レーザ装置から出射されるレーザ光を基本波光として、それよりも短波長の波長変換光に変換して出射することができる。また、モジュール化されているので、波長変換装置の交換を容易に行うことができる。
【００３１】
前記第１，第２光学部材は、第１，第２平凹ミラーであるのが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、第１，第２平凹ミラーの凹面を、波長変換手段を挟んで互いに対向するように配置し、第１，第２平凹ミラー間で、前記中波長の前記波長変換光を多重反射させるので、反射した前記中波長の波長変換光であるレーザ光が広がるのを防止することができ、レーザ光の広がりによる不要な損失をなくすことができる。
【００３３】
前記第１，第２平凹ミラーは、誘電体多層膜を有するのが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、第１，第２平凹ミラーの誘電体多層膜は、金属膜に比べて、波長選択性をもって、反射率や透過率を高くすることができる。
【００３５】
前記波長変換手段によって前記出射波長変換光へ波長変換される前の前記中波長の波長変換光が、第２高調波であり、前記出射波長変換光が、第４高調波であるのが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、基本波光の波長の１／２の波長の第２高調波を、両光学部材間に閉じ込めて、両光学部材間で、波長変換手段を介して多重反射させることによって、未変換の第２高調波が、波長変換手段を通過する度に、第２高調波の波長の１／２の波長の第４高調波に変換され、この第４高調波が、出射波長変換光として当該波長変換装置から出射される。
【００３７】
前記レーザ装置が、固体レーザ装置であるのが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、固体レーザ装置は、ガスを用いてレーザ光を発生させるガスレーザ装置に比べて、安全性、メンテナンス性に優れ、小型化を図ることができる。
【００３９】
前記短波長が、紫外波長であるのが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、基本波光を中波長の波長変換光に変換し、この中波長の波長変換光を、短波長である紫外域の出射波長変換光に変換して、当該波長変換装置から出射することができる。
【００４１】
前記両光学部材を透過した前記基本波光を遮断すると共に、前記出射波長変換光を透過させるフィルタを備えるのが好ましい。
【００４２】
上記構成によれば、両光学部材を透過する基本波光は、フィルタで遮断する一方、出射波長変換光は、フィルタを透過させて当該波長変換装置から出射させることができる。
【００４３】
本発明のレーザ装置は、本発明の波長変換装置と、レーザ光源とを備える。
【００４４】
本発明のレーザ装置によれば、レーザ光源からの長波長の基本波光を中波長の波長変換光に変換し、この中波長の波長変換光を、両光学部材間に閉じ込めて、波長変換手段を通して多重反射させ、波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に変換するので、未変換の中波長の波長変換光が、減衰して消滅するまで、出射波長変換光に変換されることになり、変換光の強度を高めることができる。
【００４５】
本発明の波長変換方法は、レーザ光である基本波光を、該基本波光よりも波長の短い波長変換光に変換する波長変換方法であって、
前記基本波光の波長を長波長としたときに、前記基本波光を、該長波長よりも波長の短い中波長の波長変換光に変換すると共に、前記中波長の波長変換光を、前記中波長よりも波長の短い短波長の波長変換光に変換する波長変換手段に対して、前記基本波光を入射し、
前記波長変換手段によって波長変換された前記中波長の波長変換光を、前記波長変換手段を挟んで対向配置された第１，第２光学部材の間で前記波長変換手段を介して多重反射させて、前記両光学部材間に閉じ込める一方、前記短波長の波長変換光が、前記両光学部材の一方の光学部材を透過し、他方の光学部材で反射する。
【００４６】
本発明の波長変換方法によれば、基本波光を波長変換して得られた中波長の波長変換光を、波長変換手段を挟んで対向配置された両光学部材間に閉じ込めて、両光学部材間で波長変換手段を介して多重反射させるので、前記中波長の波長変換光が、前記波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に波長変換され、変換された出射波長変換光は、両光学部材の一方の光学部材を透過して出射される。
【００４７】
このように、中波長の波長変換光を、両光学部材間に閉じ込めて、波長変換手段を介して多重反射させ、波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に変換するので、未変換の中波長の波長変換光が、減衰して消滅するまで、出射波長変換光に変換されることになり、変換光の強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の波長変換装置、レーザ装置及び波長変換方法によれば、中波長の波長変換光を、両光学部材間に閉じ込めて、波長変換手段を介して多重反射させ、波長変換手段を通過する度に、短波長の出射波長変換光に変換するので、未変換の中波長の波長変換光が、減衰して消滅するまで、出射波長変換光に変換されることになり、変換光の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】レーザ装置及び本発明の一実施形態に係る波長変換装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の波長変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２に示す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４】図１の波長変換装置における基本波光、及び、波長変換光である第１，第２高調波の光路を示す図である。
【図５】図１の波長変換素子を構成する水晶板に対するレーザ光の光路等を示す図である。
【図６】擬似位相整合の有無に対応した波長変換素子を構成する水晶板の厚みに対する第２高調波出力を示す図である。
【図７】波長変換素子を構成する水晶板の厚みに対する第２高調波出力、及び、第４高調波出力を示す図である。
【図８】擬似位相整合の有無に対応した波長変換素子を構成する水晶板の厚みに対する第２高調波出力及び第４高調波出力を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。
【図１０】非線形光学結晶として水晶を用いた波長変換素子の基本構成及び第２高調波出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００５１】
図１は、レーザ装置１及び本発明の一実施形態に係る波長変換装置２を示す概略構成図である。この図１では、後述の基本波光Ｌ１、波長変換光である第２，第４高調波Ｌ２，Ｌ４は、同一の光路を通過するので重ねて示しており、後述の図４(ａ)〜（ｃ）においては、基本波光Ｌ１、第２，第４高調波Ｌ２，Ｌ４を個別に示している。
【００５２】
この実施形態のレーザ装置１は、赤外レーザ光を出射する固体レーザ装置であり、励起光源や固体レーザ媒質等を内蔵している。このレーザ装置１は、例えば、市販のＹＡＧレーザであり、波長が１０６４ｎｍの赤外レーザ光を、基本波光Ｌ１として出射する。
【００５３】
この実施形態の波長変換装置２は、主要な構成が１つのパッケージに収容されてモジュール化されており、レーザ装置１の外部に、基本波光Ｌ１が入射するように配置されている。
【００５４】
この波長変換装置２は、レーザ装置１から出射される基本波光の波長を長波長としたときに、基本波光を、その波長よりも波長が短い中波長の波長変換光に変換すると共に、中波長の波長変換光を、それよりも波長が短い短波長の波長変換光に変換し、この短波長の波長変換光を、当該波長変換装置２から出射波長変換光として出射する。
【００５５】
この実施形態では、基本波光Ｌ１は、上記のように波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光であり、前記中波長の波長変換光を、基本波光Ｌ１の波長の１／２の第２高調波Ｌ２、すなわち、波長５３２ｎｍの可視レーザ光（緑色光）とし、短波長の波長変換光を、第２高調波Ｌ２の波長の１／２の第４高調波、すなわち、波長２６６ｎｍの紫外レーザ光としている。
【００５６】
したがって、この波長変換装置２では、レーザ装置１から出射される基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換すると共に、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換し、この第４高調波Ｌ４を、当該波長変換装置２から出射波長変換光として出射する。
【００５７】
この波長変換装置２は、互いに対向配置されて基本波光Ｌ１が入射する第１，第２光学部材としての第１，第２平凹ミラー３，４と、両平凹ミラー３，４の間に配置されて、基本波光Ｌ１が入射する波長変換手段としての波長変換素子５と、変換されなかった基本波光Ｌ１を遮断すると共に、第４高調波Ｌ４を透過させる光学部材としてのフィルタ６とを備えている。この光学部材は、フィルタに限らず、レーザ光を吸収、反射、分離させるものであればよく、例えば、ビームスプリッタやプリズムなどで分離するようにしてもよい。前記フィルタ６は、基本波光Ｌ１を吸収または反射させて遮断するものであり、反射の場合には、入射光の光路とは別の方向へ反射させる。
【００５８】
波長変換素子５は、基本波光Ｌ１や第２，第４高調波Ｌ２，Ｌ４が、ブリュースター角で入射するように、傾斜して配置される。このように波長変換素子５にレーザ光をブリュースター角で入射させることで、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制することができる。
【００５９】
この実施形態の波長変換素子５は、非線形光学結晶である水晶によって構成されている。
【００６０】
図２は、波長変換素子５の概略断面図である。
【００６１】
この波長変換素子５は、多数の水晶板７を金属拡散層８によって貼り合わせてなる積層構造である。すなわち、水晶板７は、拡散接合によって貼り合わされている。
【００６２】
この波長変換素子５は、上記図１０で説明したように、多数の水晶板７の結晶軸方向を互いに逆にして、すなわち、結晶軸方向が逆となる、＋Ｘの水晶板７と−Ｘの水晶板７とを交互に積層したものであって、周期的な分極反転構造を有し、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）による波長変換を行うものである。この実施形態の水晶板７のサイズは、例えば、１５ｍｍ×１０ｍｍである。この水晶板７は、ＪＩＳ規格のＣ６７０４において規定されている赤外線吸収係数α値の等級が、「Ａ」以上であるものが好ましい。
【００６３】
なお、この図２及び図１等では、図面の簡略化のため、水晶板７の枚数を大幅に少なくして描画しているが、実際には、数百枚程度の枚数で水晶板７が積層されている。
【００６４】
図３は、金属拡散層８による水晶板７の貼り合せを説明するための平面図である。
【００６５】
金属拡散層８は、図３に示すように、水晶板７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７の主面には、金属拡散層８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８は、主に水晶板７の主面の外周部に形成され、水晶板７の内部領域の殆どは、金属拡散層８の存在しない開口領域とされることが好ましい。
【００６６】
波長変換素子５は、金属拡散層８による水晶板７の貼り合わせに限らず、水晶板７同士を直接接合するものであってもよい。
【００６７】
この実施形態の波長変換素子５は、上記のように、波長１０６４ｎｍの基本波光Ｌ１を、波長５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２に変換すると共に、第２高調波Ｌ２を、波長２６６ｎｍの第４高調波Ｌ４に変換する。
【００６８】
このように一つの波長変換素子５によって、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換し、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換するので、例えば、二つの波長変換素子を用いて、一方の波長変換素子によって、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換し、他方の波長変換素子によって、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する構成に比べて、小型化を図ることができる。
【００６９】
この実施形態の波長変換装置２では、出射する波長が２６６ｎｍの第４高調波Ｌ４の強度を高めるために、第４高調波Ｌ４へ変換する前の波長変換光である、波長が５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２を、図１に示される第１，第２平凹ミラー３，４間で、波長変換素子５を介して同一の光路で多重反射させて両平凹ミラー３，４間に閉じ込めるようにしている。両平凹ミラー３，４の凹面で第２高調波Ｌ２を反射させるので、反射した第２高調波Ｌ２が広がるのを防止することができ、第２高調波Ｌ２が広がることによる不要な損失をなくすことができる。
【００７０】
第１，第２平凹ミラー３，４は、例えば、ガラス板や水晶板に、誘電体多層膜が形成されて構成される。第１，第２平凹ミラー３，４の互いに対向する対向面である凹面には、波長が５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２を反射させる一方、レーザ装置１からの波長１０６４ｎｍの基本波光Ｌ１を透過させる誘電体多層膜がそれぞれ形成されている。
【００７１】
また、第２高調波Ｌ２が波長変換素子５を通過することによって生じた第４高調波Ｌ４を、フィルタ６へ出射できるように、第１平凹ミラー３の前記凹面に形成された前記誘電体多層膜は、波長２６６ｎｍの第４高調波Ｌ４を反射し、第２平凹ミラー４の前記凹面に形成された前記誘電体多層膜は、第４高調波Ｌ４を透過させる。
【００７２】
前記誘電体多層膜の透過率及び反射率は、高い程好ましく、例えば、９９％以上であるのが好ましく、反射率は、透過率より高い方が好ましい。
【００７３】
第１平凹ミラー３の平面、すなわち、レーザ装置１側の平面には、レーザ装置１からの基本波光Ｌ１の反射を防止する反射防止膜が形成されている。また、第２平凹ミラー４の平面、すなわち、フィルタ６側の平面には、基本波光Ｌ１及び第４高調波Ｌ４の反射を防止する反射防止膜が形成されている。
【００７４】
上記構成において、レーザ装置１からの基本波光Ｌ１は、図４（ａ）に示すように、第１平凹ミラー３を通過し、波長変換素子５を通過して主に第２高調波Ｌ２に変換され、未変換の基本波光Ｌ１は、第２平凹ミラー４を通過し、フィルタ６で遮断される。
【００７５】
基本波光Ｌ１が波長変換素子５を通過することによって生じた第２高調波Ｌ２は、図４（ｂ）に示すように、第１，第２平凹ミラー３，４間で、波長変換素子５を介して同一の光路で多重反射し、両平凹ミラー３，４間に閉じ込められる。
【００７６】
両平凹ミラー３，４間に閉じ込められて波長変換素子５を介して多重反射する第２高調波Ｌ２は、波長変換素子５を通過する度に、第４高調波Ｌ４に変換される。したがって、第４高調波Ｌ４に変換されなかった未変換の第２高調波Ｌ２は、減衰して消滅するまで、多重反射を繰り返し、波長変換素子５を通過する度に、第４高調波Ｌ４に波長変換されることになる。これによって、変換光である第４高調波Ｌ４の強度が向上する。
【００７７】
第１平凹ミラー３から第２平凹ミラー４へ向かう第２高調波Ｌ２が、波長変換素子５を通過することによって生じた第４高調波Ｌ４は、図４（ｃ）に示す第２平凹ミラー４及びフィルタ６を透過し、出射波長変換光として当該波長変換装置２外へ出射される。また、第２平凹ミラー４から第１平凹ミラー３へ向かう第２高調波Ｌ２が、波長変換素子５を通過することによって生じた第４高調波Ｌ４は、図４（ｃ）に示されるように、第１平凹ミラー３で反射され、波長変換素子５を通過し、第２平凹ミラー４及びフィルタ６を透過し、出射波長変換光として当該波長変換装置２外へ出射される。
【００７８】
次に、一つの波長変換素子５によって、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換し、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する、当該波長変換素子５の構成について、更に詳細に説明する。
【００７９】
先ず、上記図１０に示される、変換強度が、増加から減少、減少から増加へ変化する距離であるコヒーレント長Ｌｃについて説明する。
【００８０】
基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換する場合のコヒーレント長Ｌｃ２は、基本波光Ｌ１の入射波長をλω、基本波光Ｌ１の波長における波長変換素子の屈折率をｎω、第２高調波Ｌ２の波長における波長変換素子の屈折率をｎ２ωとすると、次式で算出される。
【００８１】
Ｌｃ２＝λω／｛４（ｎ２ω−ｎω）｝        ・・・（１）
この実施形態では、基本波光Ｌ１の入射波長λωは１０６４ｎｍ、基本波光Ｌ１の波長における波長変換素子５の屈折率ｎωは１．５３４１、第２高調波Ｌ２の波長（５３２ｎｍ）における波長変換素子５の屈折率をｎ２ωは１．５４６９であるので、コヒーレント長Ｌｃ２は、上記式（１）より、２０．８（μｍ）となる。
【００８２】
この実施形態では、上記のように、波長変換素子５にブリュースター角θＢでレーザ光を入射しているので、波長変換素子５を構成する水晶板７を斜めに横切ることになる。したがって、波長変換素子５を構成する水晶板７の厚みＴとコヒーレント長Ｌｃは、図５に示される関係となり、入射光の屈折角度θを用いて下記式（２）で示される。
【００８３】
Ｔ＝Ｌｃ・ｃｏｓθ            （２）
この実施形態では、ブリュースター角θＢが約５７°、入射光の屈折角度θが約３３°である。
【００８４】
基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換する場合のコヒーレント長Ｌｃ２は、上記のように２０．８μｍであるので、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換する場合の波長変換素子５の水晶板７の厚みＴ２は、上記式（２）より１７．４μｍとなる。
【００８５】
図６に、擬似位相整合がある場合と擬似位相整合がない場合において、基本波光Ｌ１を、第２高調波Ｌ２に変換したときの波長変換素子５の厚みに対する波長変換出力を示す。
【００８６】
擬似位相整合がないときには、図６の破線で示すように、コヒーレント長Ｌｃ２の２倍の分極反転周期で、増減を繰り返し、擬似位相整合があるときには、図６の実線で示すように、減少することなく、増加している。
【００８７】
第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する場合も上記の基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２へ波長変換する場合と同様である。
【００８８】
第２高調波Ｌ２を第４高調波に変換する場合のコヒーレント長Ｌｃ４は、第２高調波Ｌ２の入射波長をλ２ω、第２高調波Ｌ２の波長における波長変換素子の屈折率をｎ２ω、第４高調波Ｌ４の波長における波長変換素子の屈折率をｎ４ωとすると、次式で算出される。
【００８９】
Ｌｃ４＝λ２ω／｛４（ｎ４ω−ｎ２ω）｝        ・・・（３）
この実施形態では、第２高調波Ｌ２の入射波長λ２ωは５３２ｎｍ、第２高調波Ｌ２の波長における波長変換素子５の屈折率ｎ２ωは１．５４６９、第４高調波Ｌ４の波長（２６６ｎｍ）における波長変換素子５の屈折率をｎ４ωは１．５９１６であるので、コヒーレント長Ｌｃ４は、上記式（３）より、３．０（μｍ）となる。
【００９０】
したがって、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する場合の波長変換素子５を構成する水晶板７の厚みＴ４は、上記式（２）より２．５μｍとなる。
【００９１】
この実施形態では、波長変換素子５は、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換し、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する。
【００９２】
したがって、波長変換素子５は、両変換に対応した周期的な分極反転構造を有する必要がある。
【００９３】
そのためには、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換するためのコヒーレント長Ｌｃ２と、第２高調波を第４高調波Ｌ４に変換するためのコヒーレント長Ｌｃ４とが等しくなる厚みで、分極方向を反転させる必要がある。しかし、現実には、コヒーレント長Ｌｃ２とコヒーレント長Ｌｃ４とは、完全には一致しない。このため、第２高調波Ｌ２と第４高調波Ｌ４それぞれのコヒーレント長Ｌｃ２，Ｌｃ４を奇数倍した長さ、すなわち、変換強度が周期的にピークとなる長さが、互いに近づく厚みで分極方向を反転させる。
【００９４】
図７は、擬似位相整合でない場合における、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換したときの波長変換素子５の厚みに対する変換強度、及び、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換したときの波長変換素子５の厚みに対する変換強度を併せて示す図である。
【００９５】
破線で示される第２高調波Ｌ２への変換では、上記コヒーレント長Ｌｃ２＝２０．８μｍに対応する厚みの整数倍毎に増加から減少、減少から増加し、奇数倍毎に増加（ピーク）から減少に変化する。実線で示される第４高調波Ｌ４への変換では、上記コヒーレント長Ｌｃ４＝３．０μｍに対応する厚みの整数倍毎に増加から減少、減少から増加し、奇数倍毎に増加（ピーク）から減少に変化する。
【００９６】
この実施形態の波長変換素子５では、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換し、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換するので、図７において、第２高調波Ｌ２の波長変換強度のピーク付近であって、かつ、第４高調波Ｌ４の波長変換強度のピーク付近となる周期で分極方向の反転を行うようにしている。
【００９７】
具体的には、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換するためのコヒーレント長Ｌｃ２と、第２高調波を第４高調波Ｌ４に変換するためのコヒーレント長Ｌｃ４とが、下記の不等式を満足するように規定している。
【００９８】
（ｍ*Ｌｃ２−０．２*Ｌｃ２）＜（ｎ*Ｌｃ４）＜（ｍ*Ｌｃ２＋０．２*Ｌｃ２）
但し、ｍ，ｎ＝１，３，５，７，９・・・
すなわち、第２高調波Ｌ２に比べてコヒーレント長Ｌｃ４が短い第４高調波Ｌ４の波長変換強度のピーク（ｎ*Ｌｃ４）に対して、すなわち、第４高調波Ｌ４の波長変換強度のピーク（ｎ*Ｌｃ４）を基準として、隣接する第２高調波Ｌ２の波長変換強度のピーク（ｍ*Ｌｃ２）を中心とした所定範囲（±０．２*Ｌｃ２）が、重なるように規定している。
【００９９】
前記所定範囲を規定する「±０．２」は、第２高調波Ｌ２の変換効率に応じて定められたものであって、この例では、第２高調波Ｌ２の変換効率約９５％に対応している。
【０１００】
上記不等式において、例えば、ｍ＝１，ｎ＝７とすると、下記のように上記不等式を満足する。
【０１０１】
（１＊２０．８−０．２＊２０．８）＜（７＊３．０）＜（１＊２０．８＋０．２＊２０．８）＝１６．６＜２１．０＜２５．０
図８は、このｍ＝１，ｎ＝７に対応するものであり、第２高調波Ｌ２のコヒーレント長Ｌｃ２＝２０．８μｍに対応する厚みの１倍付近であって、かつ、第４高調波Ｌ４のコヒーレント長Ｌｃ４＝３．０μｍに対応する厚みの７倍の距離で分極方向を反転させて、擬似位相整合をとっている。
【０１０２】
この図８に示すように、擬似位相整合によって、太い実線で示す第２高調波Ｌ２は増加し、細い実線で示す第４高調波Ｌ４もそのコヒーレント長Ｌｃ４＝３．０μｍに対応する厚みの７倍の周期で全体として増加している。
【０１０３】
上記不等式のコヒーレント長Ｌｃ２，Ｌｃ４を、上記式（２）より、波長変換素子５を構成する水晶板７の厚みＴ２，Ｔ４で置換えると、下記の不等式となる。
【０１０４】
｛ｍ*（Ｔ２／ｃｏｓθ）−０．２*（Ｔ２／ｃｏｓθ）｝＜｛（ｎ*（Ｔ４／ｃｏｓθ）｝＜｛ｍ*（Ｔ２／ｃｏｓθ）＋０．２*（Ｔ２／ｃｏｓθ）｝
但し、ｍ，ｎ＝１，３，５，７，９・・・
なお、分極方向の反転の周期を規定するｍ，ｎは、第２高調波Ｌ２のコヒーレント長Ｌｃ２に対応する厚みの１倍、第４高調波Ｌ４のコヒーレント長Ｌｃ４に対応する厚みの７倍に限らず、上記図７に示されるように、第２高調波Ｌ２のコヒーレント長Ｌｃ２に対応する厚みの３倍、第４高調波Ｌ４のコヒーレント長Ｌｃ４に対応する厚みの２１倍、あるいは、第２高調波Ｌ２のコヒーレント長Ｌｃ２に対応する厚みの５倍、第４高調波Ｌ４のコヒーレント長Ｌｃ４に対応する厚みの３５倍、等であってもよいが、波長変換素子５の厚みを薄くして小型化を図るためには、小さい方が好ましい。
【０１０５】
以上のように本実施形態では、第２高調波Ｌ２を、第１，第２平凹ミラー３，４間で、波長変換素子５を介して同一の光路を多重反射させて閉じ込めるので、第２高調波Ｌ２が、波長変換素子５を通過する度に、第４高調波Ｌ４に波長変換され、両平凹ミラー３，４外へ第２高調波Ｌ２を逃がすことなく、未変換の第２高調波Ｌ２が、減衰して消滅するまで第４高調波Ｌ４に変換されることになる。これによって、水晶板７の積層枚数を増やすことなく、変換光である第４高調波Ｌ４の強度を高めることができる。
【０１０６】
しかも、第２高調波Ｌ２は、同一の光路で多重反射するので、例えば同一でない光路を進んで多重反射させる構成のように、多重反射の回数を増やすにつれて、長い光路が必要となって、波長変換素子の面積が大型化するといったことがない。
【０１０７】
希ガス等を用いて短波長のレーザ光を発生させるエキシマレーザでは、安定性、安全性、メンテナンス性や大型化などの欠点があるが、ＹＡＧレーザといった固体レーザ装置からのレーザ光を、短波長の紫外レーザ光に波長変換する本実施形態では、上記欠点がなく、短波長の紫外レーザ光を、例えば、ＩＣ等の微細加工や検査、医療用の光源などとして利用することができる。
【０１０８】
本実施形態で用いた水晶以外の他の一般的な非線形光学結晶として、例えば、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３０５）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６０１０）等が挙げられるが、それぞれ次のような問題点がある。
【０１０９】
すなわち、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。その他の非線形光学結晶の多くも、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。
【０１１０】
これに対して、本実施形態で用いた水晶は、上記の非線形光学結晶に比べて、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、小型化が容易であるといった多くの利点を有している。
【０１１１】
本実施形態の波長変換装置２では、第１，第２平凹ミラー３，４、波長変換素子５及びフィルタ６等は、１つのパッケージに収納されてモジュール化されているので、既存のレーザ装置の外部に取付けるだけで、レーザ装置からの基本波光を、波長変換光に変換することができる。また、レーザ装置の外部に取付けるので、モジュール化されている波長変換装置２を容易に交換することができ、例えば、変換する波長が異なる別のモジュール化された波長変換装置と容易に交換するといったことが可能となる。特に、レーザ光源から出射されるレーザ光の波長である長波長とは別の波長領域である、中波長のレーザ光を多重反射させて、短波長のレーザ光に変換するので、長波長のレーザ光源とは独立した波長変換装置としてモジュール化することができる。
【０１１２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【０１１３】
図９は、本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。
【０１１４】
上記実施形態では、単一の波長変換素子５によって、第２高調波Ｌ１、及び、第４高調波Ｌ４の波長変換を行ったが、この実施形態の波長変換装置２Ａでは、基本波光Ｌ１を第２高調波Ｌ２に変換する第１波長変換素子５Ａと、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換する第２波長変換素子５Ｂとの二つの波長変換素子を備えている。その他の構成は、上記実施形態と同様である。
【０１１５】
この実施形態では、第２高調波Ｌ２を、第１，第２平凹ミラー３，４間で、第１，第２波長変換素子５Ａ，５Ｂを介して同一の光路で多重反射させて両平凹ミラー３，４間に閉じ込めて、第２波長変換素子５Ｂによって、第２高調波Ｌ２を第４高調波Ｌ４に変換し、変換光である第４高調波Ｌ４の強度を高める。
【０１１６】
上記各実施形態では、長波長である基本波光Ｌ１の波長は１０６４ｎｍ、中波長である第２高調波Ｌ２の波長は５３２ｎｍ、短波長である第４高調波Ｌ４の波長は２６６ｎｍとしたが、上記波長に限らず、基本波Ｌ１の波長は、２８００ｎｍ〜６００ｎｍ、第２高調波Ｌ２の波長は、１４００ｎｍ〜３００ｎｍ、第４高調波Ｌ４の波長は、７００ｎｍ〜１５０ｎｍとするのが好ましい。
【０１１７】
上記実施形態では、波長変換装置２を１つのパッケージにモジュール化してレーザ装置１の外部に取付ける構成としたが、本発明の他の実施形態として、第１，第２平凹ミラー３，４及び波長変換素子５等の主要な構成を、レーザ装置の内部に組込む構成としてもよい。
【０１１８】
本発明のレーザ装置は、レーザ光源と、本発明に係る波長変換装置とを備える。
【０１１９】
上記実施形態では、レーザ装置１は、ＹＡＧレーザとしたが、ＹＡＧレーザに限らず、ガラスレーザ、ルビーレーザ等の他の固体レーザであってもよく、更に、固体レーザに限らず、半導体レーザ等の既存の他のレーザ装置であってもよい。
【０１２０】
上記実施形態では、波長変換素子５として水晶を用いたが、水晶に限らず、他の非線形光学結晶を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１                レーザ装置
２，２Ａ          波長変換装置
３                第１平凹ミラー（第１光学部材）
４                第２平凹ミラー（第２光学部材）
５，５Ａ，５Ｂ    波長変換素子
６                フィルタ（光学部材）
７                水晶板
８，８Ａ，８Ｂ    金属拡散層
【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】
2019012198.tif 000009
【図８】
2019012198.tif 000010
【図９】
2019012198.tif 000011
【図１０】
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