(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸線から周辺部へ向けて光強度が低下する光強度分布を有する第１のレーザ光を、該第１のレーザ光の前記光強度分布と比較して平坦化された光強度分布を有する第２のレーザ光に変換する光強度変換用レンズと、
前記光強度変換用レンズと光学的に結合された光入射面を有し、該光入射面に受けた前記第２のレーザ光の位相を整える位相整合レンズとを備え、
前記位相整合レンズが非線形光学結晶から成り、前記位相整合レンズが、前記第２のレーザ光の高調波である第３のレーザ光を光出射面から出射することを特徴とする、波長変換素子。
【請求項２】
前記位相整合レンズの前記光出射面側の部分が前記非線形光学結晶によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記第１のレーザ光を発生する光源と、
請求項１または２に記載された波長変換素子とを備えることを特徴とする、波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子およびそれを用いた波長変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２には、非線形光学結晶（ＳＨＧ結晶）に基本波を入射することによって２次高調波を発生するためのレーザ光波長変換装置が記載されている。特許文献１に記載された装置では、光強度が強い基本波を集光して非線形光学結晶に入射する際、非線形光学結晶の破壊や損傷を抑制する為に、基本波のビーム断面を楕円形としている。また、特許文献２に記載された装置では、ガウス分布状の光強度分布を有する基本波を非線形光学結晶に入射する際、非線形光学結晶の破壊や損傷を抑制する為に、基本波のビーム径を特定の範囲とし、且つ非線形光学結晶の結晶長を特定の範囲とすることによって、非線形光学結晶中における光強度分布をトップハット型としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１１２８７号公報
【特許文献２】特開平９−３１８９８５号公報
【特許文献３】米国特許第３４７６４６３号明細書
【特許文献４】特開平１０−１５３７５０号公報
【特許文献５】特開２００３−３４４７６２号公報
【特許文献６】特開平５−１７３００３号公報
【特許文献７】特開平３−６９９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ加工に用いられるレーザ光源には、チタンサファイアレーザ等のＴｉ系レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザ等のＮｄ系レーザ、あるいはＹｂ：ＹＡＧやＹｂ：ＫＧＷ等のＹｂ系のレーザなどがある。これらのレーザ光源は、サファイヤや石英といった加工対象物における吸収が小さい（すなわち透過率が高い）波長のレーザ光を発振する。そこで、加工効率を高める（すなわちレーザ光の吸収を増大させる）ために、レーザ光源から出力されたレーザ光の第２高調波や第３高調波が用いられる。例えば、波長１０３０ｎｍのレーザ光の第２高調波である波長５１５ｎｍのレーザ光を集光すると、非線形光学効果である二光子吸収によって波長２５７．５ｎｍのレーザ光を集光した場合と同等の作用を生じる。これにより、加工対象物におけるレーザ光の実効的な吸収量を増大させることが可能となり、加工効率を向上できる。
【０００５】
しかしながら、レーザ光を非線形光学結晶に入射させることにより第２高調波や第３高調波を発生させる場合、レーザ光によって非線形光学結晶自体が損傷を受けるという問題がある。そのため、非線形光学結晶に入射可能なレーザ光の光強度が制限され、ひいては第２高調波や第３高調波の光強度が限られてしまう。一般的なレーザ光は、ガウシアン分布のように、光軸中心において最も強く、周辺部へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多いので、非線形光学結晶の損傷は主に光軸中心の近傍において生じる。
【０００６】
そこで、ホモジナイザといった光学部品を用いてレーザ光の光強度分布を平坦化し、その後にレーザ光を非線形結晶へ入射させることが考えられる。これにより、非線形結晶へ入射されるレーザ光のピーク強度が低減されるので、非線形結晶の損傷を回避するためにレーザ光に許容される光強度を従来より高めることができる。しかし、光学部品を出射した後のレーザ光の伝播距離が長くなるほど、光強度分布が次第に歪んでしまうので、このような構成では、上述した効果を十分に得ることが難しくなる。また、通常、大気中を進むレーザ光が或る媒質に対して入射及び出射する際、その媒質と大気との界面においてレーザ光の一部が反射し、光損失が発生する。したがって、このような構成では、非線形光学結晶における光損失に加えて、光強度分布を平坦化するための光学部品における光損失が更に生じてしまう。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光損失を抑制しつつ、非線形光学結晶の損傷を抑えてレーザ光の出力強度を高めることができる波長変換素子および波長変換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】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明による波長変換素子は、（１）光軸線から周辺部へ向けて光強度が低下する光強度分布を有する第１のレーザ光を、該第１のレーザ光の光強度分布と比較して平坦化された光強度分布を有する第２のレーザ光に変換する光強度変換用レンズと、（２）光強度変換用レンズと光学的に結合された光入射面を有し、該光入射面に受けた第２のレーザ光の位相を整える位相整合レンズとを備える。そして、位相整合レンズの少なくとも一部は非線形光学結晶によって構成されており、位相整合レンズは、第２のレーザ光の高調波である第３のレーザ光を光出射面から出射する。
【０００９】
この波長変換素子にレーザ光が入射すると、まず光強度変換用レンズにおいてその光強度分布が平坦化され、次いで位相整合レンズにおいてその位相が整えられる。これらの光強度変換用レンズ及び位相整合レンズは、前述したホモジナイザといった光学部品を構成する。そして、この波長変換素子では、位相整合レンズの少なくとも一部が非線形光学結晶によって構成されているので、レーザ光は位相整合レンズにおいて高調波へ波長変換される。このような構成を備える波長変換素子によれば、ホモジナイザといった光学部品と非線形光学結晶とが一体化されているので、これらを個別に配置する場合と比較して光損失を抑制することができる。また、レーザ光の光強度分布が光強度変換用レンズによって平坦化された後にレーザ光が非線形光学結晶へ入射するので、非線形光学結晶の損傷を抑えることができる。したがって、非線形光学結晶へ入射するレーザ光に許容される光強度を向上させ、ひいては高調波の出力強度を高めることができる。
【００１０】
また、波長変換素子は、位相整合レンズの光出射面側の部分が非線形光学結晶によって構成されていることを特徴としてもよい。或いは、波長変換素子は、位相整合レンズが非線形光学結晶から成ることを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成によって、上述した波長変換素子の作用効果を好適に得ることができる。
【００１１】
また、本発明による波長変換装置は、上記第１のレーザ光を発生する光源と、上述したいずれかの波長変換素子とを備える。この波長変換装置によれば、上述した波長変換素子を備えることによって、光損失を抑制しつつ、非線形光学結晶の損傷を抑えてレーザ光の出力強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による波長変換素子および波長変換装置によれば、光損失を抑制しつつ、非線形光学結晶の損傷を抑えてレーザ光の出力強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る波長変換装置の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】波長変換素子の光強度変換用レンズに入射される第１のレーザ光、及び光強度変換用レンズから出射される第２のレーザ光の、各光軸と垂直な面内における光強度分布を模式的に示すグラフである。
【図３】一実施例としてＹｂ：ＫＧＷレーザの出力光（第１のレーザ光）の強度分布を実測した結果を示すグラフと、第１のレーザ光を撮像して得られた画像である。
【図４】図３に示された光強度分布を有する第１のレーザ光を第２のレーザ光に変換するための、光強度変換用レンズを構成する非球面レンズの表面形状の一例を示すグラフである。
【図５】図４に示された光強度変換用レンズから出射された第２のレーザ光の位相分布を整えるための、位相整合レンズに含まれる非球面レンズの表面形状の一例を示すグラフである。
【図６】非線形光学結晶板から出力された第３のレーザ光の強度分布を実測した結果を示すグラフと、第３のレーザ光を光軸方向から撮像して得られた画像である。
【図７】比較のため、光強度変換用レンズ及び位相整合レンズのようなホモジナイザを介さずに第１のレーザ光を非線形光学結晶へ入射させ、第２高調波を得た場合における、その第２高調波の光強度分布を実測した結果を示すグラフと、その第２高調波を光軸方向から撮像して得られた画像である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図９】図４に示された光強度変換用レンズから出射された第２のレーザ光の位相分布を整えるための、位相整合レンズに含まれる非球面レンズの表面形状の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による波長変換素子および波長変換装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る波長変換装置の第１実施形態の構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態の波長変換装置１Ａは、レーザ光源１０及び波長変換素子２０Ａを備えている。
【００１６】
レーザ光源１０は、波長変換素子２０Ａに提供するための第１のレーザ光Ｌ１を発生する。レーザ光源１０としては、例えばＮｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＫＹＷレーザ、或いはＹｂ：ＫＧＷレーザ等のパルス光源が好適に用いられる。
【００１７】
波長変換素子２０Ａは、レーザ光源１０から出射された第１のレーザ光Ｌ１の光軸に対して垂直な面内における光強度分布を平坦化するためのいわゆるホモジナイザを構成する、単一の光学部品である。波長変換素子２０Ａは、光強度変換用レンズ２１及び位相整合レンズ２２を有する。
【００１８】
光強度変換用レンズ２１は、非球面レンズからなり、レーザ光源１０に対して光学的に結合された光入射面２１ａと、光入射面２１ａとは反対側に位置する光出射面２１ｂとを有する。光入射面２１ａは、レーザ光源１０から第１のレーザ光Ｌ１を受ける。光強度変換用レンズ２１では、第１のレーザ光Ｌ１の光軸に対して垂直な面内における光強度分布が平坦化されるように非球面レンズの形状設計がなされている。すなわち、光強度変換用レンズ２１は、第１のレーザ光Ｌ１の上記光強度分布を平坦化することにより第２のレーザ光Ｌ２を生成する。光強度変換用レンズ２１は、生成した第２のレーザ光Ｌ２を光出射面２１ｂから出射する。なお、光強度変換用レンズ２１の材質としては、例えばＣａＦ２やＭｇＦ２等のガラス材料が用いられる。
【００１９】
位相整合レンズ２２は、光強度変換用レンズ２１の光出射面２１ｂと光学的に結合された光入射面２２ａを有し、光入射面２２ａに受けた第２のレーザ光Ｌ２の位相を整えるための光学部材である。位相整合レンズ２２は、非球面レンズ２３及び非線形光学結晶板２４を含む。非球面レンズ２３は、位相整合レンズ２２の光入射面２２ａを構成する光入射面２３ａと、光入射面２３ａとは反対側に位置する光出射面２３ｂとを有する。光入射面２３ａは、光強度変換用レンズ２１から第２のレーザ光Ｌ２を受ける。非球面レンズ２３の非球面は、第２のレーザ光Ｌ２の光軸に対して垂直な面内における位相分布が整うような形状設計がなされている。加えて、非球面レンズ２３は、第２のレーザ光Ｌ２を平行光や任意の広がり角を有する光に変換する。非球面レンズ２３は、第２のレーザ光Ｌ２に対してこれらの作用を施したのち、その第２のレーザ光Ｌ２を光出射面２３ｂから出射する。なお、非球面レンズ２３の材質としては、例えばＣａＦ２やＭｇＦ２等のガラス材料が用いられる。
【００２０】
非線形光学結晶板２４は、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＢＢＯ（ベータバリウムボライト；β−ＢａＢ２Ｏ４）あるいはＬＢＯ（リチウムトリボレート結晶；ＬｉＢ３Ｏ５）といった非線形光学結晶からなる板状の部材である。非線形光学結晶板２４は、非球面レンズ２３の光出射面２３ｂに接合（或いは接着）された光入射面２４ａと、光入射面２４ａとは反対側に位置する光出射面２４ｂとを有する。光出射面２４ｂは、位相整合レンズ２２の光出射面２２ｂを構成する。すなわち本実施形態では、位相整合レンズ２２の光出射面２２ｂ側の部分が、非線形光学結晶板２４によって構成されている。光入射面２４ａは、非球面レンズ２３の光出射面２３ｂから第２のレーザ光Ｌ２を受ける。非線形光学結晶板２４は、この第２のレーザ光Ｌ２を、第２高調波や第３高調波といった高調波である第３のレーザ光Ｌ３へ波長変換を行う。非線形光学結晶板２４は、光出射面２４ｂ（すなわち位相整合レンズ２２の光出射面２２ｂ）から第３のレーザ光Ｌ３を出射する。波長変換装置１Ａが例えばレーザ加工装置に用いられる場合、この第３のレーザ光Ｌ３は、集光レンズによって集光されたのち加工対象物へ照射される。尚、第２高調波以外の高調波を発生させる場合には、非線形光学結晶板２４は複数枚の非線形光学結晶板により構成される。
【００２１】
図２は、波長変換素子２０Ａの光強度変換用レンズ２１に入射される第１のレーザ光Ｌ１、及び光強度変換用レンズ２１から出射される第２のレーザ光Ｌ２の、各光軸と垂直な面内における光強度分布を模式的に示すグラフである。図２において、縦軸は光強度（任意単位）を表しており、横軸は光軸線Ａからの距離（単位：ｍｍ）を表している。また、グラフＧ１１は第１のレーザ光Ｌ１の光強度分布を示しており、グラフＧ１２は第２のレーザ光Ｌ２の光強度分布を示している。
【００２２】
図２に示されるように、第１のレーザ光Ｌ１は、図中の光軸線Ａから周辺部へ向けて光強度が低下する、ガウス分布状といった光強度分布を有する。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の光強度分布と比較して平坦化された光強度分布を有する。本実施形態では、第２のレーザ光Ｌ２は、光軸線Ａの近傍が平坦化されたいわゆるトップハット型の光強度分布を有する。したがって、第２のレーザ光Ｌ２のピーク光強度Ｐ２は、第１のレーザ光Ｌ１のピーク光強度Ｐ１と比較して格段に小さくなっている。
【００２３】
本実施形態の波長変換装置１Ａおよび波長変換素子２０Ａでは、位相整合レンズ２２の一部が、非線形光学結晶板２４によって構成されている。すなわち、ホモジナイザといった光学部品と非線形光学結晶とが一体化されている。したがって、本実施形態の波長変換装置１Ａおよび波長変換素子２０Ａによれば、これらの光学部品を個別に配置する場合と比較して光損失を効果的に抑制することができる。
【００２４】
このような効果について、更に詳しく説明する。一般に、屈折率がｎ１である媒質から屈折率がｎ２である媒質に光が入射するとき、それらの界面での光の反射率Ｒは次式（１）により表される。
【数１】
0005690146.tif 000002
例えば、波長１０３０ｎｍの光に対するＭｇＦ２の屈折率は１．３７である。したがって、位相整合レンズの非球面レンズがＭｇＦ２から成る場合、空気と非球面レンズとの境界面における反射率は２．４％となる。このことから、非球面レンズと非線形光学結晶との間に空気が介在すると、レーザ光が非球面レンズから空気中へ出射する際にレーザ光の光量が出射前の９７．６％にまで減衰することとなる。これに対し、式（１）から明らかなように、屈折率の異なる二つの媒質の屈折率差が小さいほど、これらの媒質同士の境界面での反射率は小さくなる。本実施形態では、非球面レンズ２３と非線形光学結晶板２４とが接合されており、非球面レンズ２３と非線形光学結晶板２４との屈折率差は、これらと空気との屈折率差より小さい。したがって、非球面レンズ２３の光出射面２３ｂおよび非線形光学結晶板２４の光入射面２４ａにおける反射率を効果的に低減することができる。一例として、ＭｇＦ２からなる非球面レンズ２３にＬＢＯ（屈折率１．５９）からなる非線形光学結晶板２４を接合した場合、境界面における反射率が０．５％となり、光量の減衰率を９９．５％にまで緩和させることが可能となる。或いは、これらの材料からなる非球面レンズ２３及び非線形光学結晶板２４を接着剤（例えばＮＯＲＬＡＮＤ社製接着剤、ＮＢＡ１０７、屈折率１．５１）により接着した場合、非球面レンズ２３と接着剤との界面における反射率は０．２％となり、また接着剤と非線形光学結晶板２４との界面における反射率は０．０７％となる。したがって、光量の減推率を９９．７％にまで緩和させることが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態の波長変換装置１Ａおよび波長変換素子２０Ａでは、レーザ光の光強度分布が光強度変換用レンズ２１及び位相整合レンズ２２によって平坦化された後にレーザ光が非線形光学結晶板２４へ入射する。これにより、非線形光学結晶板２４へ入射するレーザ光のピーク光強度が抑えられ、非線形光学結晶板２４の損傷を抑えることができる。したがって、非線形光学結晶板２４へ入射する第２のレーザ光Ｌ２に許容される光強度が向上し、ひいては第３のレーザ光Ｌ３の出力強度を高めることができる。
【００２６】
このような効果について、更に詳しく説明する。非線形結晶を用いて波長変換を行う場合、波長変換により得られる最大の光強度は、非線形結晶の損傷しきい値（損傷を回避しうる範囲で許容される最大の入射光強度）に依存する。非線形結晶の損傷は光強度の空間的な強度分布に依存するので、図２のグラフＧ１１に示されたようなガウス状の光強度分布を有するレーザ光が非線形結晶に入射すると、特にレーザ光の中心近傍において損傷が生じ易い。これに対し、本実施形態では、光強度変換用レンズ２１によって光強度分布が平坦化されるので、平均強度を維持しながら空間的な最大強度を低減させることが可能となる。したがって、より大きな平均強度の第２のレーザ光Ｌ２を非線形光学結晶板２４に入射させることが可能となるので、波長変換後の第３のレーザ光Ｌ３の光強度を更に大きくすることができる。
【００２７】
（実施例）
図３は、一実施例としてＹｂ：ＫＧＷレーザ（中心波長１０２８ｎｍ、パルス幅約３００ｆｓ、繰り返し２５ｋＨｚ、平均強度３．９３Ｗ）の出力光（第１のレーザ光Ｌ１）の強度分布を実測した結果を示すグラフと、第１のレーザ光Ｌ１を撮像して得られた画像である。図３に示されるように、Ｙｂ：ＫＧＷレーザから出力された第１のレーザ光Ｌ１は、図中の光軸線Ａから周辺部へ向けて光強度が低下する、ガウス分布状といった光強度分布を有することがわかる。なお、この第１のレーザ光Ｌ１のビーム径（光強度が最大強度の１／ｅ２となる２点間の距離）は、約２．９ｍｍであった。
【００２８】
また、図４は、図３に示された光強度分布を有する第１のレーザ光Ｌ１を第２のレーザ光Ｌ２に変換するための、光強度変換用レンズ２１を構成する非球面レンズの表面形状の一例を示すグラフである。図４において、縦軸は表面の高さ（単位：μｍ）を表しており、横軸は光軸線Ａからの距離（単位：ｍｍ）を表している。光強度変換用レンズ２１は、例えばこのような表面形状を有する非球面レンズによって構成されることにより、第１のレーザ光Ｌ１の光強度分布を平坦化し、第２のレーザ光Ｌ２を好適に生成することができる。なお、本実施例では、光強度変換用レンズ２１の材質をＭｇＦ２とした。
【００２９】
また、図５は、図４に示された光強度変換用レンズ２１から出射された第２のレーザ光Ｌ２の位相分布を整えるための、位相整合レンズ２２に含まれる非球面レンズ２３の表面形状の一例を示すグラフである。図５において、縦軸は表面の高さ（単位：μｍ）を表しており、横軸は光軸線Ａからの距離（単位：ｍｍ）を表している。非球面レンズ２３は、例えばこのような表面形状を有することにより、第２のレーザ光Ｌ２の位相分布を好適に整えることができ、例えばスーパーガウシアン分布を有する第２のレーザ光Ｌ２（次数８、ビーム径５．１７５ｍｍ）を生成することができる。なお、本実施例では、非球面レンズ２３の材質をＭｇＦ２とし、光強度変換用レンズ２１との間隔を１０ｃｍとした。
【００３０】
また、非線形光学結晶板２４として厚さ５ｍｍのＬＢＯ結晶を用い、図５に示された位相整合レンズ２２から出射された第２のレーザ光Ｌ２の波長変換（第２高調波への変換）を行った。図６は、その計測結果として、非線形光学結晶板２４から出力された第３のレーザ光Ｌ３の強度分布を実測した結果を示すグラフと、第３のレーザ光Ｌ３を光軸方向から撮像して得られた画像である。図６に示されるように、第３のレーザ光Ｌ３の光強度分布は、第１のレーザ光Ｌ１の光強度分布（図３参照）と比較して、十分に平坦化されていることがわかる。なお、この計測結果における第３のレーザ光Ｌ３の光強度は５４ｍＷであった。
【００３１】
ここで、図７は、比較のため、光強度変換用レンズ２１及び位相整合レンズ２２のようなホモジナイザを介さずに第１のレーザ光Ｌ１を非線形光学結晶へ入射させ、第２高調波を得た場合における、その第２高調波の光強度分布を実測した結果を示すグラフと、その第２高調波を光軸方向から撮像して得られた画像である。一般に、第２高調波の発生効率は入射光の強度の二乗に比例するので、第１のレーザ光Ｌ１のように光強度分布が不均一なレーザ光が非線形光学結晶へ入射すると、光強度分布が変化してしまう。図７に示した例では、第１のレーザ光Ｌ１のビーム径（２．９ｍｍ）から、第２高調波のビーム径（２．７ｍｍ）へ縮小している。ビーム径が縮小すると、レンズの実効的な開口数の低減など、レーザ加工において加工効率の低下を招いてしまう。これに対し、本実施形態では、非線形光学結晶板２４へ入射する第２のレーザ光Ｌ２の光強度分布が平坦であることから、非線形光学結晶板２４の前後においてビーム径が維持される。
【００３２】
また、図７に示された比較例では、第２高調波の光強度が６１ｍＷとなった。一方、図６に示された本実施例の第３のレーザ光Ｌ３の光強度は５４ｍＷであった。このように、本実施例では、光強度変換用レンズ２１及び位相整合レンズ２２において光損失が生じることにより、レーザ光の最終的な光強度は、これらを設けない場合の８８％程度まで低下する。しかしながら、本実施例では、非線形光学結晶へ入射するレーザ光のピーク強度が比較例の１／２程度まで低減されているので、比較例の約２倍の光量のレーザ光を非線形光学結晶に入射することが可能となる。すなわち、本実施例により得られる第３のレーザ光Ｌ３の最大の光強度は、比較例の第２高調波の光強度の２×０．８８＝１．７６倍にまで増大することができる。
【００３３】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る波長変換装置１Ｂの構成を示す図である。図８に示されるように、本実施形態の波長変換装置１Ｂは、レーザ光源１０及び波長変換素子２０Ｂを備えている。なお、レーザ光源１０の構成は第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００３４】
波長変換素子２０Ｂは、レーザ光源１０から出射された第１のレーザ光Ｌ１の光軸に対して垂直な面内における光強度分布を平坦化するためのいわゆるホモジナイザを構成する、単一の光学部品である。波長変換素子２０Ｂは、光強度変換用レンズ２１及び位相整合レンズ２５を有する。光強度変換用レンズ２１の構成および作用は、前述した第１実施形態と同様である。
【００３５】
位相整合レンズ２５は、非線形光学結晶から成る非球面レンズによって構成されている。非線形光学結晶は、例えばＫＴＰ、ＢＢＯあるいはＬＢＯ等である。位相整合レンズ２５は、光強度変換用レンズ２１の光出射面２１ｂに対して光学的に結合された光入射面２５ａと、光入射面２５ａの反対側に位置する光出射面２５ｂとを有する。光入射面２５ａは、光強度変換用レンズ２１から第２のレーザ光Ｌ２を受ける。位相整合レンズ２５を構成する非球面レンズの表面には、第２のレーザ光Ｌ２の光軸に対して垂直な面内における位相分布が整うような形状設計がなされている。加えて、位相整合レンズ２５は、第２のレーザ光Ｌ２を平行光や任意の広がり角を有する光に変換する。更に、位相整合レンズ２５は、第２のレーザ光Ｌ２を、第２高調波や第３高調波といった高調波である第３のレーザ光Ｌ３へ波長変換を行う。位相整合レンズ２５は、光出射面２５ｂから第３のレーザ光Ｌ３を出射する。尚、第２高調波以外の高調波を発生させる場合には、位相整合レンズ２５は複数枚の非線形結晶板により構成される。波長変換装置１Ｂが例えばレーザ加工装置に用いられる場合、この第３のレーザ光Ｌ３は、集光レンズによって集光されたのち加工対象物へ照射される。
【００３６】
本実施形態の波長変換装置１Ｂおよび波長変換素子２０Ｂでは、位相整合レンズ２５が非線形光学結晶から成る。すなわち、第１実施形態と同様に、ホモジナイザを構成する一部の光学部品が非線形光学結晶により作成されている。したがって、本実施形態の波長変換装置１Ｂおよび波長変換素子２０Ｂによれば、光学部品と非線形光学結晶とが一体化された第１実施形態と比較して光損失を更に効果的に抑制することができる。また、非線形光学結晶から成る位相整合レンズ２５へ入射するレーザ光のピーク光強度が抑えられ、位相整合レンズ２５の損傷を抑えることができる。したがって、位相整合レンズ２５へ入射する第２のレーザ光Ｌ２に許容される光強度が向上し、ひいては第３のレーザ光Ｌ３の出力強度を高めることができる。
【００３７】
ここで、第３実施形態に基づいて試作した波長変換素子についての実測値を示すことにより、上述した効果を証明する。比較のために、光強度変換用レンズの材質をＭｇＦ２とし、その形状を、図４に示された形状に統一した。また、位相整合レンズの材質をＬＢＯとし、光強度変換用レンズと位相整合レンズとの間隔を１０ｃｍとした。そして、位相整合レンズの表面形状を、図９に示された形状とした。その結果、この波長変換素子を通過したレーザ光の平均光強度は５５ｍＷであった。更に、第３のレーザ光の光強度分布を計測した結果、前述した第１実施形態と同様に均一な光強度分布（図６を参照）を得ることができた。
【００３８】
本発明による波長変換素子および波長変換装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態では、非線形光学結晶の例としてＫＴＰ、ＢＢＯ及びＬＢＯを例示したが、本発明には、これら以外にも様々な非線形光学結晶を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ，１Ｂ…波長変換装置、１０…レーザ光源、２０Ａ，２０Ｂ…波長変換素子、２１…光強度変換用レンズ、２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ…光入射面、２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ…光出射面、２２…位相整合レンズ、２３…非球面レンズ、２４…非線形光学結晶板、２５…位相整合レンズ、Ｌ１…第１のレーザ光、Ｌ２…第２のレーザ光、Ｌ３…第３のレーザ光。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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