(57)【要約】【課題】波長変換装置に用いる場合に集光用等に使用されるレンズの省略が可能であり、簡単な装置構成とすることができる波長変換素子を提供する。【解決手段】非線形光学素子６のレーザ光入射端面６ａは、集光レンズの働きを持たせるために球面状に研磨されている。その曲率半径は、非線形光学素子６のほぼ中央に入射レーザ光が集光するよう設定されている。レーザ光出射端面６ｂは、非線形光学素子以後の光学系に適切なビーム特性で入射させることができるよう適宜研磨されている。（ａ）の場合、レーザ光出射端面６ｂは球面状に研磨されており、その曲率半径は、出射レーザ光が略平行なビームとなるように設定されている。（ｂ）の場合、出射端面６ｂは球面状に研磨されており、その曲率半径は、出射レーザ光が出射後再度集光されるように設定されている。【選択図】  図３
2004348066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射するレーザ光の波長変換を行う波長変換素子であって、レーザ光入射端面、レーザ光出射端面のうち少なくとも一方が曲面で構成されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記波長変換素子の前記レーザ光入射端面が球面状に研磨されており、その曲率半径は、前記波長変換素子の略中央に入射レーザ光が集光するように設定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】
前記波長変換素子の前記レーザ光出射端面が球面状に研磨されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記波長変換素子の前記レーザ光出射端面が円筒面状に研磨されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項５】
入射するレーザ光の波長を変換して出力する波長変換装置であって、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の波長変換素子を、少なくとも１個有することを特徴とする波長変換装置。
【請求項６】
レーザと、当該レーザから放出されるレーザ光を波長変換する請求項５に記載の波長変換装置とを有することを特徴とするレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光学素子等の波長変換素子、この波長変換素子を使用した波長変換装置、及びこの波長変換装置を使用したレーザ光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体紫外レーザ装置としては、半導体レーザから放出されるレーザ光を、非線形光学素子を用いて高調波に波長変換することにより紫外光を形成して利用するものが、一般的に用いられている。
【０００３】
一例として、波長１５４７ｎｍの半導体レーザの光を、ファイバーアンプや半導体アンプなどで増幅し、その増幅した１５４７ｎｍの基本波を、波長変換光学系により８倍波に波長変換し１９３ｎｍの光を得るものがある。以下、図５を用いてこの波長変換光学系の説明をする。半導体レーザやファイバーアンプ等の光増幅部分の説明はここでは説明しないが、例えば特開２０００−２００７４７号公報（特許文献１）等に記載されて公知となっている。
【０００４】
図５に、波長変換により１９３ｎｍの紫外線を発生させるために従来使用されている波長変換光学系の１例の概要を示す。波長１５４７ｎｍの基本波は、集光レンズ２１により波長変換結晶（ＬＢＯ）２２に集光され、そのうちの一部が２倍波に変換される。波長変換結晶２２からの出力光は、集光レンズ２３により波長変換結晶（ＬＢＯ）２４に集光され、基本波と２倍波の一部が３倍波に変換される。波長変換結晶２４からの出力光のうち、３倍波はダイクロイックミラー２５で反射され、基本波と２倍波はダイクロイックミラー２５を透過する。そして、透過した光のうち２倍波はダイクロイックミラー２６で反射され、基本波はダイクロイックミラー２６を透過する。
【０００５】
ダイクロイックミラー２６で反射された２倍波は、集光レンズ２７により波長変換結晶（ＬＢＯ）２８に集光され、２倍波の一部が４倍波に変換される。波長変換結晶２８の出力光は、シリンドリカルレンズ２９、３０を通って、ダイクロイックミラー３１で反射されて波長変換結晶（ＢＢＯ）３２に集光される。
【０００６】
一方、ダイクロイックミラー２５で反射された３倍波は、コリメートレンズ３３、集光レンズ３４を通ってミラー３５で反射され、ダイクロイックミラー３１を透過して波長変換結晶３２に集光される。波長変換結晶３２では、入射した３倍波と４倍波の一部が７倍波に変換される。波長変換素子３２の出力光は、シリンドリカルレンズ３６、３７を通ってダイクロイックミラー３８で反射され、波長変換結晶３９（ＣＬＢＯ）に集光される。
【０００７】
ダイクロイックミラー２６を透過した基本波は、ミラー４１で反射され、コリメートレンズ４２を通り、ミラー４３、４４で反射されて集光レンズ４５を通り、ダイクロイックミラー３８を透過して、波長変換結晶３９に集光される。波長変換結晶３９では、７倍波と基本波の一部が８倍波に変換され、波長１９３ｎｍの紫外光として出力される。
【０００８】
この場合、波長変換前の光をレンズにて集光し、非線形光学素子（波長変換結晶）に入射させている。位相整合条件が満たされている場合、波長変換されたレーザ光の強度は、波長変換前の光の強度の二乗に比例するためである。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように波長変換を複数回行うには複数の非線形光学素子が必要となり、それに伴って集光用レンズの数も増えるため、光学系が複雑になるという問題があった。また、それぞれのレンズを保持する機械部品も必要となるため、装置全体の小型化に制約があった。さらに、これらレンズ、機械部品の増加によるコストの上昇が避けられないという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、波長変換装置に用いる場合に集光用等に使用されるレンズの省略が可能であり、簡単な装置構成とすることができる波長変換素子、及びこの波長変換素子を使用した波長変換装置、及びこの波長変換装置を使用したレーザ光源装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、入射するレーザ光の波長変換を行う波長変換素子であって、レーザ光入射端面、レーザ光出射端面のうち少なくとも一方が曲面で構成されていることを特徴とする波長変換素子（請求項１）である。
【００１３】
本手段においては、波長変換素子の、レーザ光入射端面、出射端面のうち少なくとも一方が曲面で構成されているので、この端面にレンズ作用を持たせることができ、よって、従来必要であったレンズを省略することができる。
【００１４】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記波長変換素子の前記レーザ光入射端面が球面状に研磨されており、その曲率半径は、前記波長変換素子の略中央に入射レーザ光が集光するように設定されていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１５】
本手段においては、波長変換素子のレーザ光入射端面が球面状に研磨されており、その曲率半径は、波長変換素子の略中央に入射レーザ光が集光するよう設定されているので、特別の集光レンズを用いなくても、波長変換素子の略中央に入射レーザ光を集光させることができる。「略中央」とは、波長変換素子の波長変換効率が、実質的に最大値をとるとみなせる範囲であれば、多少のずれや収差が許されることを意味する。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記波長変換素子の前記レーザ光出射端面が球面状に研磨されていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１７】
本手段においては、波長変換素子のレーザ光出射端面が適当な曲率半径の球面状に研磨されているので、例えば、波長変換素子の出力光を略平行にでき、コリメートレンズの代わりに使用することができる。このようにすれば、光学系に使用されるコリメートレンズの個数を減らすことができる。
【００１８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記波長変換素子の前記レーザ光出射端面が円筒面状に研磨されていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１９】
波長変換素子の出力光は、ウォークオフ効果により、ビーム断面が楕円形状になる場合があり、これを補正するためにシリンドリカルレンズを使用する場合がある。この場合、本手段の波長変換素子を使用すれば、シリンドリカルレンズの代わりに使用することができ、光学系に使用されるシリンドリカルレンズの個数を減らすことができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第５の手段は、入射するレーザ光の波長を変換して出力する波長変換装置であって、前記第１の手段から第４の手段のいずれかの波長変換素子を、少なくとも１個有することを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２１】
本手段においては、波長変換素子にレンズ作用を持たせることができるので、レンズの個数を減らすことができ、構成が単純で安価なものとすることができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第６の手段は、レーザと、当該レーザから放出されるレーザ光を波長変換する前記第５の手段である波長変換装置とを有することを特徴とするレーザ光源（請求項６）である。
【００２３】
本手段おいては、前記第５の手段である波長変換装置を使用しているので、構成が単純で安価なものとすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。これらの図は、本発明の実施の形態の例である波長変換素子、波長変換装置、レーザ光源の概要を示すものである。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態であるレーザ光源の全体構成図であり、基本波発生部１、波長変換部２から構成されている。
図２は基本波発生部１の構成の例を説明する図である。基本波を発生するレーザ光源は、Ｅｒ３＋添加光ファイバ増幅器であり、主に基準光源部３、ＥＤＦ部４、励起用光源部５から構成される。基準光源となるＤＦＢからは波長１５４７ｎｍのパルス光が出力され、ＥＤＦ部４により増幅される。ＥＤＦ部４はＥＤＦ１、ＥＤＦ２、ＥＤＦ３の３段階のＥＤＦから構成され、励起用光源５からそれぞれのＥＤＦへ励起光が供給される。ＥＤＦ３からの出力光が後に説明する波長変換部に入力される。
【００２６】
図３は波長変換を行う非線形光学素子の例を説明する図である。（ａ）において、非線形光学素子６のレーザ光入射端面６ａは、集光レンズの働きを持たせるために球面状に研磨されている。その曲率半径は、非線形光学素子６のほぼ中央に入射レーザ光が集光するよう設定されている。レーザ光出射端面６ｂは、非線形光学素子以後の光学系に適切なビーム特性で入射させることができるよう適宜研磨されている。（ａ）の場合、レーザ光出射端面６ｂは球面状に研磨されており、その曲率半径は、出射レーザ光が略平行なビームとなるように設定されている。
【００２７】
（ｂ）の場合も、非線形光学素子６のレーザ光入射端面６ａは、集光レンズの働きを持たせるために球面状に研磨されている。その曲率半径は、非線形光学素子６のほぼ中央に入射レーザ光が集光するよう設定されている。（ｂ）の場合、出射端面６ｂは球面状に研磨されており、その曲率半径は、出射レーザ光が出射後再度集光されるように設定されている。
【００２８】
さらに、波長変換されたレーザ光のビーム断面が、ウォークオフ効果により楕円形状になっているような場合、レーザ光出射端面６ｂを適切な曲率半径で円筒面状に研磨することによりビーム断面形状を円形に修正することもできる。
【００２９】
図４は波長変換部２の構成の例を説明する図である。波長変換部２は基本波発生部１から出力される波長１５４７ｎｍのレーザ光の波長変換を行う。波長変換部２には、複数の波長変換素子、すなわち、２倍波発生部１１、３倍波発生部１２、４倍波発生部１５、７倍波発生部１７、８倍波発生部１９の各高調波発生部が配置されている。
【００３０】
本実施の形態では、各高調波発生部とも非線形光学結晶を用いており、具体的には、２倍波発生部１１、３倍波発生部１２、４倍波発生部１５にはＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶を、７倍波発生部１７にはβ−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）結晶を、８倍波発生部１９にはＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）結晶を用い、それぞれ波長７７３ｎｍ、５１６ｎｍ、３８７ｎｍ、２２１ｎｍ、１９３ｎｍの光を発生する。この基本構成は図５に示した従来例と同じである。
【００３１】
基本波発生部１からの基本波レーザ光は２倍波発生部１１に入射する。２倍波発生部１１の入射端面は球面レンズ状に研磨されており、基本波は２倍波発生部１１のほぼ中央に集光される。出射端面も球面レンズ状に研磨されており、基本波と波長変換により発生した２倍波が出射される。
【００３２】
２倍波発生部１１からの基本波と２倍波は３倍波発生部１２に入射する。３倍波発生部１２の入射端面も球面レンズ状に研磨されており、基本波、２倍波は３倍波発生部１２のほぼ中央に集光される。出射端面も球面レンズ状に研磨されており、基本波、２倍波と波長変換により発生した３倍波が出射される。
【００３３】
３倍波発生部１２からの２倍波は、ダイクロイックミラー１３を透過し、ダイクロイックミラー１４で反射されて、４倍波発生部１５に入射する。４倍波発生部１５の入射端面も球面レンズ状に研磨されており、２倍波は４倍波発生部１５のほぼ中央に集光される。出射端面からは２倍波と波長変換により発生した４倍波が出射され、このうちの４倍波がダイクロイックミラー１６で反射されて後に説明する７倍波の発生に使用される。４倍波出射の際、ウォークオフ効果のため通常４倍波ビームの断面形状は楕円形となっている。そこで４倍波発生部１５の出射端面を円筒面状に研磨しておくことにより出射される４倍波ビームの断面形状をほぼ円形にすることができる。
【００３４】
３倍波発生部１２から出射される３倍波は、ダイクロイックミラー１３とミラーＭ１で反射されて、ダイクロイックミラー１６を透過し、４倍波発生部１５からの４倍波と共に７倍波発生部１７に入射する。７倍波発生部１７の入射端面も球面レンズ状に研磨されており、３倍波、４倍波は７倍波発生部１７のほぼ中央に集光される。出射端面からは３倍波、４倍波と波長変換により発生した７倍波が出射され、このうちの７倍波が後に説明する８倍波の発生に使用される。７倍波出射の際、ウォークオフ効果のため通常７倍波ビームの断面形状は楕円形となっている。そこで７倍波発生部１７の出射端面を円筒面状に研磨しておくことにより出射される７倍波ビームの断面形状をほぼ円形にすることができる。
【００３５】
３倍波発生部から出射し、ダイクロイックミラー１３，１４を透過し、ミラーＭ２、Ｍ３、Ｍ４で反射された基本波は、ダイクロイックミラー１８を透過し、ダイクロイックミラー１８で反射された７倍波と共に、８倍波発生部１９に入射する。８倍波発生部１９の入射端面も球面レンズ状に研磨されており、基本波、７倍波は８倍波発生部１９のほぼ中央に集光される。出射端面からは基本波、７倍波と波長変換により発生した８倍波が出射される。８倍波発生部１９の出射端面は８倍波の使用目的に合わせて適宜研磨されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波長変換装置に用いる場合に集光用等に使用されるレンズの省略が可能であり、簡単な装置構成とすることができる波長変換素子、及びこの波長変換素子を使用した波長変換装置、及びこの波長変換装置を使用したレーザ光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるレーザ光源の全体構成図である。
【図２】基本波発生部の構成の例を説明する図である。
【図３】波長変換を行う非線形光学素子の例を説明する図である。
【図４】波長変換部の構成の例を説明する図である。
【図５】波長変換により１９３ｎｍの紫外線を発生させるために従来使用されている波長変換光学系の１例の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…基本波発生部、２…波長変換部、３…基準光源部、４…ＥＤＦ部、５…励起用光源部、６…非線形光学素子、６ａ…レーザ光入射端面、６ｂ…レーザ光出射端面、１１…２倍波発生部、１２…３倍波発生部、１３…ダイクロイックミラー、１４…ダイクロイックミラー、１５…４倍波発生部、１６…ダイクロイックミラー、１７…７倍波発生部、１８…ダイクロイックミラー、１９…８倍波発生部
【図１】
2004348066.tif 000003
【図２】
2004348066.tif 000004
【図３】
2004348066.tif 000005
【図４】
2004348066.tif 000006
【図５】
2004348066.tif 000007