(57)【要約】【課題】四ホウ酸リチウム単結晶などの非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いてレーザービームの波長変換を行うときに、高出力レーザーに対する波長変換素子の耐損傷性および出力安定性を改善する。【解決手段】非線形光学結晶からなるブロック状の素子本体４に、入射端面２を素子本体４の長手方向に直交させて形成し、出射端面３を素子本体４の長手方向に対して所定の角度θ１だけ傾斜させて形成する。この角度θ１は変換光Ｂ２に対する偏光角とするのがよい。出射端面３で反射した未変換光Ｂ１の反射光を全反射して入射端面２に戻す全反射面５を素子本体４に形成して、波長変換素子１を構成する。これにより、レーザービームの波長変換に際して、波長変換素子１の出射端面３によるレーザービームの断面積が拡大し、それに反比例してパワー密度が減少する。また、出射端面３における反射光による波長変換素子１の局所的な加熱が回避される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶からなるブロック状の素子本体（４）を有し、
この素子本体に入射端面（２）を当該素子本体の長手方向に直交させて形成し、
前記素子本体に出射端面（３）を当該素子本体の長手方向に対して所定の角度（θ１）だけ傾斜させて形成した波長変換素子（１）において、
前記出射端面で反射した反射光を全反射して前記入射端面に戻す全反射面（５）を前記素子本体に形成したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記素子本体（４）を構成する非線形光学結晶として四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶を採用した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】
前記素子本体（４）の長手方向に対して前記出射端面（３）が傾斜した角度（θ１）を偏光角としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
レーザービームを波長変換素子（１）で波長変換する際に、
前記波長変換素子内にその入射端面（２）からレーザービームを入射させ、その未変換光Ｂ１を当該波長変換素子の出射端面（３）で反射させ、この反射光を当該波長変換素子の全反射面（５）で全反射させて当該波長変換素子の入射端面（２）に戻すことを特徴とする基本波処理方法。
【請求項５】
固体レーザーの発振するレーザービームの第２高調波を波長変換素子（１）で波長変換して第４高調波を発生させる際に、
前記波長変換素子内にその入射端面（２）からレーザービームを入射させ、その未変換光Ｂ１を当該波長変換素子の出射端面（３）で反射させ、この反射光を当該波長変換素子の全反射面（５）で全反射させて当該波長変換素子の入射端面（２）に戻すことを特徴とする基本波処理方法。
【請求項６】
前記波長変換素子（１）として四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなるものを採用したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の基本波処理方法。
【請求項７】
前記レーザービームの未変換光Ｂ１を前記波長変換素子（１）の出射端面（３）で反射させるときに、この出射端面を変換光に対する偏光角で反射させることを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれかに記載の基本波処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶などの非線形光学結晶からなる波長変換素子と、この波長変換素子を用いてレーザービームの波長変換を行うときにその変換光を安全に処理しうる基本波処理方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の波長変換素子の非線形光学結晶としては、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２  Ｏ４  ）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６  Ｏ１０）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４  ）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３  ）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３  Ｏ５  ）、ＫＮ（ＫＮｂＯ３  ）などが知られており、とりわけ四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶は、もともと透明波長領域が短波長側に広く、β−ホウ酸バリウム単結晶など他の非線形光学結晶と比べてレーザー損傷閾値が大きいばかりでなく、ＳＨＧ（第２高調波発生）およびＳＦＧ（和周波発生）で深紫外線領域ほどの短波長領域への波長変換が可能であり、さらに潮解性や加工性に深刻な問題がなく、他の非線形光学結晶と比べて取扱いが容易であるという利点があるため、波長変換素子の非線形光学結晶として注目されている。
【０００３】
そして、これらの波長変換素子でレーザービームの波長変換を行う際には、レーザービームが波長変換素子の入射端面から入射して出射端面から出射することになるが、この出射端面をレーザービームの進行方向に対してどれだけ傾けるかについては２つの方法が採用されてきている。第１の方法は、波長変換素子の出射端面の法線をレーザービームの進行方向に合致させるものであり、第２の方法は、例えば特許文献１に開示されているように、波長変換素子の出射端面の法線をレーザービームの進行方向に対して少し傾けるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６５６９号公報（段落〔０００６〕の欄、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の方法では、波長変換素子の出射端面にレーザービームが直角に入射するため、出射端面によるレーザービームの断面積が最小になり、パワー密度が最大となる結果、特にレーザー出力が大きい場合（短波長レーザーの場合）に波長変換素子が損傷してしまう恐れがあった。
【０００６】
他方、第２の方法だと、レーザービームの一部が波長変換素子の出射端面で斜めに反射するので、その反射光によって波長変換素子が局所的に加熱され、出力が光学的に不安定になる不具合があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、高出力レーザーの波長変換に使用しても耐損傷性および出力安定性に問題が発生することのない波長変換素子を提供することを第１の目的とし、さらに、波長変換時の信頼性が高い基本波処理方法を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
まず、請求項１に記載の本発明は、非線形光学結晶からなるブロック状の素子本体（４）を有し、この素子本体に入射端面（２）を当該素子本体の長手方向に直交させて形成し、前記素子本体に出射端面（３）を当該素子本体の長手方向に対して所定の角度（θ１）だけ傾斜させて形成した波長変換素子（１）において、前記出射端面で反射した反射光を全反射して前記入射端面に戻す全反射面（５）を前記素子本体に形成して構成される。ここで、この全反射面の数は１つに限られず、複数であっても構わない。
【０００９】
また、請求項２に記載の本発明は、前記素子本体（４）を構成する非線形光学結晶として四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶を採用して構成される。
【００１０】
これらの構成を採用することにより、レーザービームの波長変換に際して、波長変換素子の出射端面によるレーザービームの断面積が拡大し、それに反比例して変換光のパワー密度が減少すると同時に、出射端面における反射光による波長変換素子の局所的な加熱が回避されるように作用する。
【００１１】
また、請求項３に記載の本発明は、前記素子本体（４）の長手方向に対して前記出射端面（３）が傾斜した角度（θ１）を偏光角として構成される。かかる構成により、レーザービームの変換光が波長変換素子の出射端面に入射したとき、その透過光の比率が最大となるように作用する。
【００１２】
一方、請求項４に記載の本発明は、レーザービームを波長変換素子（１）で波長変換する際に、前記波長変換素子内にその入射端面（２）からレーザービームを入射させ、その未変換光Ｂ１を当該波長変換素子の出射端面（３）で反射させ、この反射光を当該波長変換素子の全反射面（５）で全反射させて当該波長変換素子の入射端面（２）に戻すようにして構成される。
【００１３】
また、請求項５に記載の本発明は、固体レーザーの発振するレーザービームの第２高調波を波長変換素子（１）で波長変換して第４高調波を発生させる際に、前記波長変換素子内にその入射端面（２）からレーザービームを入射させ、その未変換光Ｂ１を当該波長変換素子の出射端面（３）で反射させ、この反射光を当該波長変換素子の全反射面（５）で全反射させて当該波長変換素子の入射端面（２）に戻すようにして構成される。ここで、「固体レーザー」にはＹＡＧレーザー、ルビーレーザー、ＹＬＦレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４  レーザーなどが含まれる。
【００１４】
また、請求項６に記載の本発明は、前記波長変換素子（１）として四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなるものを採用して構成される。
【００１５】
これらの構成を採用することにより、波長変換素子の出射端面における反射光が入射端面に戻されて安全に処理されうるように作用する。
【００１６】
さらに、請求項７に記載の本発明は、前記レーザービームの未変換光Ｂ１を前記波長変換素子（１）の出射端面（３）で反射させるときに、この出射端面を変換光に対する偏光角で反射させるようにして構成される。かかる構成により、レーザービームの変換光が波長変換素子の出射端面に入射したとき、その透過光の比率が最大となるように作用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る波長変換素子の第１の実施形態を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。
【００１８】
この波長変換素子１は、図１に示すように、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなるブロック状の素子本体４を有しており、素子本体４の長手方向（矢印Ｍ、Ｎ方向）はＣ軸方向に対して所定の位相整合角度θｍ（例えば、６５〜７０°）だけ傾斜している。素子本体４には、正方形状の入射端面２が素子本体４の長手方向に直交するように形成されているとともに、長方形状の出射端面３が素子本体４の長手方向に対して所定の角度θ１（例えば、５０〜７０°）だけ傾斜して形成されている。この角度θ１はレーザービームの変換光Ｂ２に対して偏光角（ブリュースター角）をなしている。さらに、素子本体４には長方形状の全反射面５が素子本体４の長手方向に対して所定の角度θ２（例えば、２８〜４０°）だけ傾斜する形で出射端面３の近傍に形成されている。なお、波長変換素子１の入射端面２、出射端面３および全反射面５はすべて、λ／４（レーザービームの波長の１／４）以上の面精度で研磨加工されている。この際、変換光Ｂ２、未変換光Ｂ１は、出射端面３に対してそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光とする。
【００１９】
波長変換素子１は以上のような構成を有するので、ＹＡＧレーザーの発振する波長１０６４ｎｍのレーザービームの第２高調波（波長が５３２ｎｍの可視光）を波長変換素子１で波長変換して第４高調波（波長が２６６ｎｍの紫外光）を発生させる際には、このレーザービームを波長変換素子１に照射する。このとき、波長変換素子１の素子本体４の長手方向をレーザービームの照射方向に一致させる。すると、図１（ｂ）に示すように、レーザービームがまず波長変換素子１の入射端面２に入射し、そこで未変換光と変換光の２つ、すなわち第２高調波（波長が５３２ｎｍのグリーン光）Ｂ１と第４高調波Ｂ２とに分かれる。そして、第２高調波Ｂ１は素子本体４内をその長手方向（矢印Ｍ方向）に前進した後、その一部が出射端面３で屈折しつつ透過して素子本体４外に出ていき、残部は出射端面３で反射し、さらに全反射面５で全反射してから、素子本体４の長手方向（矢印Ｎ方向）に後退し、入射端面２から素子本体４外に出ていく。一方、第４高調波Ｂ２は素子本体４内をその長手方向（矢印Ｍ方向）から所定のウォークオフ角だけ傾いた方向に前進した後、出射端面３で屈折して素子本体４外に出ていく。
【００２０】
このように、第２高調波Ｂ１は、波長変換素子１の出射端面３における反射光が入射端面２に戻されて安全に処理されうるので、波長変換時の信頼性を高めることができる。また、第４高調波Ｂ２は波長変換素子１の出射端面３に斜めに入射するので、出射端面３による断面積が拡大し、それに反比例してパワー密度が減少することから、たとえレーザー出力が大きくても波長変換素子１の損傷を防ぐことができる。また、第２高調波Ｂ１の一部は斜めに反射するものの、その反射光は全反射面５で全反射して入射端面２側に戻ることになるので、波長変換素子１が局所的に加熱される事態は生じず、波長変換素子１の出力安定性を高めることができる。さらに、第４高調波Ｂ２が出射端面３に入射する角度は偏光角であるため、その透過光の比率が最大（反射光の比率が最小）となることから、波長変換素子１による波長変換で得られる第４高調波Ｂ２の出力を最大限に増大させることができる。
【００２１】
なお、上述の実施形態においては、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなる素子本体４を有する波長変換素子１について説明したが、素子本体４の材料として四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶以外の非線形光学結晶（例えば、β−ホウ酸バリウム単結晶など）を採用しても構わない。
【００２２】
また、上述の実施形態では、素子本体４に全反射面５を１つ形成した波長変換素子１について説明したが、全反射面５の数は１つに限られず、図２に示すように、２つの全反射面５、６を形成してもよく、或いは３つ以上の全反射面（図示せず）を形成することも可能である。
【００２３】
また、上述の実施形態では、全反射面５で全反射した第２高調波Ｂ１を素子本体４の長手方向（矢印Ｎ方向）と平行に戻す場合について説明したが、この第２高調波Ｂ１は必ずしも素子本体４の長手方向と平行に戻す必要はなく、入射端面２に戻すことができる限り、図２に示すように、素子本体４の長手方向に対して傾斜をつけて戻しても構わない。
【００２４】
さらに、上述の実施形態では、第２高調波Ｂ１の一部（出射端面３における反射光）を入射端面２側に戻す場合について説明したが、第４高調波Ｂ２のウォークオフ角に応じて出射端面３および全反射面５の角度θ１、θ２を適宜変更することにより、この第４高調波Ｂ２について同様な処理を行うこともできる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明に係る四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなる素子本体（θｍ＝６８．８°、θ１＝５９．３°、θ２＝３０．７°）を有する波長変換素子（本発明品）を作製するとともに、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２  Ｂ４  Ｏ７  ）単結晶からなる素子本体の出射端面の法線がレーザービームの進行方向に合致した従来の波長変換素子（従来品）を作製した。そして、これら２種類の波長変換素子（本発明品、従来品）を用いて、ＹＡＧレーザーの発振する波長１０６４ｎｍのレーザービームを波長変換した第２高調波（波長が５３２ｎｍのグリーン光）から第４高調波（波長が２６６ｎｍの紫外光）を発生させ、そのときの耐損傷性および出力安定性を比較した。その結果、従来品では波長変換を開始してから約２０時間後に損傷を起こし、出力が不安定になったのに対し、本発明品については、その約２倍の時間、つまり４０時間を経過しても損傷が発生せず、出力も安定したままであった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、２に記載の本発明によれば、レーザービームの波長変換に際して、波長変換素子の出射端面によるレーザービームの断面積が拡大し、それに反比例して変換光のパワー密度が減少すると同時に、出射端面における反射光による波長変換素子の局所的な加熱が回避されることから、高出力レーザーの波長変換に使用しても耐損傷性および出力安定性に問題が発生することのない波長変換素子を提供することができる。
【００２７】
また、請求項３に記載の本発明によれば、レーザービームの変換光が波長変換素子の出射端面に入射したとき、その透過光の比率が最大となるため、波長変換素子による波長変換で得られる高調波の出力を最大限に増大させることができる。
【００２８】
一方、請求項４〜６に記載の本発明によれば、波長変換素子の出射端面における反射光が入射端面に戻されて安全に処理されうるので、波長変換時の信頼性が高い基本波処理方法を提供することができる。
【００２９】
さらに、請求項７に記載の本発明によれば、レーザービームの変換光が波長変換素子の出射端面に入射したとき、その透過光の比率が最大となるため、波長変換素子による波長変換で得られる高調波の出力を最大限に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長変換素子の第１の実施形態を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。
【図２】本発明に係る波長変換素子の第２の実施形態を示す正面図である。
【符号の説明】
１……波長変換素子
２……入射端面
３……出射端面
４……素子本体
５……全反射面
Ｂ１……第２高調波（未変換光）
Ｂ２……第４高調波（変換光）
θ１……角度
【図１】
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【図２】
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