(57)【要約】  【課題】  四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子でレーザービームを波長変換して波長３５５ｎｍ未満の高調波を発生させるとき、レーザービームの変換効率を高め、精密加工に適した紫外レーザーを得る。  【解決手段】  波長変換素子を加熱制御して２００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度（例えば、２００℃）に保持する。この温度精度を±０．３℃（好ましくは±０．１℃）とする。これにより、波長変換素子の加熱によって四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収が減少する。そのため、入射光の強度を増してもレーザービームの透過率が低下しにくくなり、レーザービームの変換効率が向上する。また、２光子吸収に起因する発熱が抑制されるので、屈折率が変化して位相整合性が崩れる不具合を避け、出力のロスや不安定化を防ぎ、ビーム品質を維持できる。【選択図】      図５  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子でレーザービームを波長変換して波長３５５ｎｍ未満の高調波を発生させる際に、
前記波長変換素子を加熱制御して２００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度に所定の温度精度で保持することを特徴とする波長変換方法。
【請求項２】
前記波長変換素子の温度精度を±０．３℃以内としたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換方法。
【請求項３】
前記波長変換素子の温度精度を±０．１℃以内としたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換方法。
【請求項４】
非線形光学結晶からなる波長変換素子にレーザービームを入射して波長変換を行う波長変換装置において、
前記波長変換素子の入射端面と出射端面を除く外表面を覆い、ヒータにて前記波長変換素子を外側より加熱する加熱ブロックと、当該加熱ブロックの温度を検出する温度センサーと、当該温度センサーの検出温度に基づき、前記加熱ブロックを一定温度に制御する温度制御部を有し、
前記波長変換素子の長さをＬとした時、当該波長変換素子の縦と横の幅をＬ／４以下とし、且つ、前記加熱ブロックを、前記波長変換素子の入射端面および出射端面より長さ方向にＬ／３以上突出させたことを特徴とする波長変換装置。
【請求項５】
非線形光学結晶からなる波長変換素子にレーザービームを入射して波長変換を行う波長変換装置において、
前記波長変換素子の全面を覆い、ヒータにて前記波長変換素子を外側より加熱する加熱ブロックと、当該加熱ブロックの温度を検出する温度センサーと、当該温度センサーの検出温度に基づいて前記加熱ブロックを一定温度に制御する温度制御部を有し、且つ、前記加熱ブロックの入射側および出射側の光軸上の面にレーザービームが通過する光路を形成したことを特徴とする波長変換装置。
【請求項６】
前記加熱ブロックは、長さ方向に沿ってヒーターを内蔵した銅等の熱伝導率の高い金属材と、当該金属材の外側を覆うセラミックスと、当該セラミックスの外側を覆う耐熱性樹脂材で構成される筒体であることを特徴とする請求項４または請求項５の何れかに記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記金属材の表面に耐熱性のあるメッキ処理を施して成ることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に紫外レーザーを発生させることを目的として、非線形光学結晶からなる波長変換素子でレーザービームを波長変換するための波長変換方法、および、この波長変換素子を一定温度に加熱・制御するための加熱機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の波長変換においては、化学的安定性および耐レーザー損傷性に優れた四ホウ酸リチウム単結晶（Ｌｉ2 Ｂ4 Ｏ7 ）からなる波長変換素子を用いる手法が注目されつつある。この手法によれば、第２高調波の原理や和周波の原理に基づき、各種の基本波から各種の高調波を得ることができる。例えば、第２高調波の原理から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波（波長５３２ｎｍのグリーン光）を波長変換素子に入射させて４倍波（波長２６６ｎｍの紫外光）を発生させることができる。或いは、和周波の原理から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波とその２倍波とを同時に波長変換素子に入射させて３倍波（波長３５５ｎｍの紫外光）を発生させたり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波とその４倍波とを同時に波長変換素子に入射させて５倍波（波長２１３ｎｍの紫外光）を発生させたりすることもできる。
【０００３】
ところが、四ホウ酸リチウム単結晶の非線形光学定数が０．１６ｐｍ／Ｖと小さいため、波長変換における変換効率が低いという欠点があった。そこで、従来は入射光をレンズで集光して高出力の紫外レーザーを発生させることにより、この変換効率の低さを補うようにしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子による波長変換で発生する高調波が波長３５５ｎｍ未満のもの（４倍波、５倍波など）である場合、四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収が起こり、波長変換素子の内部で発熱するので、屈折率が変化して位相整合性が崩れてしまう。その結果、出力のロスや不安定化が生じたり、ビーム品質が劣化したりするため、プリント基板の穴あけ加工や各種電子部品のスクライブ加工などの精密加工には適さないという不都合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、レーザービームの変換効率を高めると同時に、精密加工に適した紫外レーザーなど波長３５５ｎｍ未満の高調波を発生させることが可能な波長変換方法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】
【０００６】
本発明では、四ホウ酸リチウム単結晶は加熱することによって２光子吸収が減少する特性を備えていることに着目した。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長
変換素子でレーザービームを波長変換して波長３５５ｎｍ未満の高調波を発生させる際に、前記波長変換素子を加熱制御して２００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度に所定の温度精度で保持して構成される。また、請求項２に記載の本発明は、前記波長変換素子の温度精度を±０．３℃以内として構成される。さらに、請求項３に記載の本発明は、前記波長変換素子の温度精度を±０．１℃以内として構成される。
【０００８】
こうした構成を採用することで、波長変換素子の加熱によって四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収が減少するため、入射光の強度を増してもレーザービームの透過率が低下しにくくなるとともに、２光子吸収に起因する発熱が抑制されるように作用する。
【０００９】
また、請求項４に記載の本発明は、非線形光学結晶からなる波長変換素子にレーザービームを入射して波長変換を行う波長変換装置において、前記波長変換素子の入射端面と出射端面を除く外表面を覆い、ヒーターにて前記波長変換素子を外側より加熱する加熱ブロックと、当該加熱ブロックの温度を検出する温度センサーと、当該温度センサーの検出温度に基づき、前記加熱ブロックを一定温度に制御する温度制御部を有し、前記波長変換素子の長さをＬとした時、当該波長変換素子の縦と横の幅をＬ／４以下とし、且つ、前記加熱ブロックを、前記波長変換素子の入射端面および出射端面より長さ方向にＬ／３以上突出させて構成されている。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、非線形光学結晶からなる波長変換素子にレーザービームを入射して波長変換を行う波長変換装置において、前記波長変換素子の外表面を覆い、ヒーターにて前記波長変換素子を外側より加熱する加熱ブロックと、当該加熱ブロックの温度を検出する温度センサーと、当該温度センサーの検出温度に基づき、前記加熱ブロックを一定温度に制御する温度制御部を有し、且つ、前記加熱ブロックの入射側および出射側の光軸上の面にレーザービームが通過する光路を形成して構成されている。
【００１１】
また、請求項６に記載の本発明は、前記加熱ブロックは、長さ方向に沿ってヒータを内蔵した銅等の熱伝導率の高い金属材と、当該金属材の外側を覆うセラミックスと、当該セラミックスの外側を覆う耐熱性樹脂材で構成される筒体で構成され、請求項７に記載の本発明は、前記金属材の表面に耐熱性のあるメッキ処理を施して構成される。
【００１２】
このように構成することで、波長変換素子を長さ方向に亘って、均一に、且つ、精度良く加熱することができ、これにより、波長変換素子の温度分布を無くし、安定した波長変換効率を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、請求項１〜３に記載の本発明によれば、波長変換素子の加熱によって四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収が減少するため、入射光の強度を増してもレーザービームの透過率が低下しにくくなるとともに、２光子吸収に起因する発熱が抑制されることから、レーザービームの変換効率を高めると同時に、精密加工に適した紫外レーザーなど波長３５５ｎｍ未満の高調波を発生させることが可能な波長変換方法を提供することができる。
【００１４】
また、請求項４〜６に記載の本発明によれば、波長変換素子の温度分布を無くし、結晶全体に亘って波長変換効率を安定に維持できるため、波長変換素子を有効に利用して効率的な波長変換を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
この実施形態では、四ホウ酸リチウム単結晶からなるブロック状の波長変換素子を加熱制御し、２００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度に保持する。このとき、この温度精度を±０．３℃（好ましくは±０．１℃）とする。例えば、特定温度が３００℃の場合、波長変換素子を２９９．７〜３００．３℃（好ましくは２９９．９〜３００．１℃）に保つのである。そして、波長変換素子を特定温度に所定の温度精度で保持したまま、この波長変換素子にＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波（波長５３２ｎｍのグリーン光）を入射させる。すると、この２倍波のレーザービームが波長変換素子を透過するときに波長が半分に逓減され、４倍波（波長２６６ｎｍの紫外光）が出射して発生する。
【００１７】
この４倍波が発生する際、波長変換素子は特定温度に保持されているので、波長変換素子を構成する四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収が減少する。そのため、入射光の強度を増してもレーザービームの透過率が低下しにくくなるので、レーザービームの変換効率が向上する。また、２光子吸収に起因する発熱が抑制されるので、屈折率が変化して位相整合性が崩れる不具合を避け、出力のロスや不安定化を防ぎ、ビーム品質を維持することができる。したがって、こうして得られた紫外レーザーでプリント基板の穴あけ加工などの精密加工を行うことが可能となる。
【００１８】
なお、上述の実施形態では、波長変換素子に入射させる光としてＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波を用い、第２高調波の原理に基づいて４倍波（波長２６６ｎｍの紫外光）を発生させる場合について説明したが、本発明では、波長３５５ｎｍ未満の高調波が発生するものである限り、入射光や出射光（発生光）の種類も波長変換の原理も問わない。例えば、入射光としてＮｄ：ＹＬＦレーザーの基本波と（波長１０４６ｎｍ）その４倍波（波長２６２ｎｍの紫外光）を用い、和周波の原理に基づいて５倍波（波長２０９ｎｍの紫外光）を発生させる場合に本発明を適用することも可能である。
【００１９】
上述した効果を確認するため、繰返し数が３０ｋＨｚ、１０ｋＨｚのＮｄ：ＹＬＦレーザーの４倍波（波長２６２ｎｍの紫外光）を用いて波長変換を行い、波長変換素子の温度を２５〜３００℃の温度範囲内で変化させたときに２光子吸収係数βがどのように変化するかを調べた。その結果を図１にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸は波長変換素子の温度を表し、縦軸は２光子吸収係数βを表す。図１のグラフから明らかなように、波長変換素子を加熱すると、２光子吸収係数βが指数関数的に低下し、２００〜４５０℃の温度範囲では２光子吸収係数βが著しく減少する。そして、２光子吸収量は２光子吸収係数βに比例するので、２００〜４５０℃の温度範囲では２光子吸収量は大幅に小さくなる。
【００２０】
また、波長変換素子の温度が室温（約２０℃、グラフ中に「RT」と表示）、１００℃、２００℃および３００℃のとき、入射紫外レーザーの強度変化に伴ってレーザービームの透過率がどのように変化するかを調べた。その結果を図２にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸は入射紫外レーザーの強度を表し、縦軸はレーザービームの透過率を表す。図２のグラフから明らかなように、いずれの温度においても、入射光の強度が増すとレーザービームの透過率が低下するが、特に２００℃以上の高温になれば、入射光の強度を増してもレーザービームの透過率があまり低下しなくなることが判った。
【００２１】
さらに、繰返し数が１０ｋＨｚで出力が２０ＷのＮｄ：ＹＬＦレーザーの２倍波（波長５２３ｎｍのグリーン光）を用いて波長変換を行い、波長変換素子の温度が室温（約２０℃、グラフ中に「RT」と表示）、１００℃、２００℃、３００℃および３８５℃のとき、入射光の出力変化に伴って変換効率や出力パワーがどのように変化するかを調べた。その結果を図３および図４にグラフで示す。図３のグラフにおいて、横軸は入射光の出力を表し、縦軸は変換効率を表す。一方、図４のグラフにおいて、横軸は入射光の出力を表し、縦軸は出力パワーを表す。図３、図４のグラフから明らかなように、波長変換素子を加熱しない室温の状態では、２光子吸収の影響を受け、変換効率の上限値は約７％に止まり（図３参照）、１．１Ｗ以上の出力を発生させようとすると不安定となった（図４参照）。それに対し、波長変換素子を加熱すると、２光子吸収の影響が低減し、３８５℃では変換効率が約１５％にも到達し（図３参照）、約３Ｗの出力を発生させることができた（図４参照）。
【００２２】
また、波長変換素子の特定温度を２００℃とし、その近傍における紫外レーザーの発生出力を測定した。その結果を図５にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸は波長変換素子の温度を表し、縦軸は紫外レーザーの発生出力を表す。図５のグラフから明らかなように、波長変換素子の温度が特定温度（２００℃）から正負両側に乖離すると、紫外レーザーの発生出力が急激に低下する傾向がみられるが、温度精度を±０．３℃以内とすれば、紫外レーザーの発生出力の変動が５％以内となり、温度精度を±０．１℃以内とすれば、紫外レーザーの発生出力の変動が１％以内となることが判った。
【００２３】
次に、図６〜図９に基づいて、波長変換素子を精度良く加熱するための好適な加熱機構の一実施形態を説明する。
【００２４】
図６は本実施形態の波長変換装置を示し、波長変換素子１と、波長変換素子１を加熱する加熱ブロック２と、加熱ブロック２を一定温度に加熱・制御する温度制御部３を備え、この加熱ブロック２と温度制御部３とで上記した加熱機構が構成されている。
【００２５】
加熱ブロック２は、２本のセラミックヒータ４、４を内蔵した円筒状の銅材５と、銅材５の外側を覆うように設けた断熱用のセラミックス６と、セラミックス６の外側を覆う、例えば、テフロン等の耐熱性樹脂材７で構成されており、この銅材５の中心部に長さ方向に角状空間部を設けて端面が正方形の細長角柱体で成る波長変換素子１（四ホウ酸リチウム単結晶）を収容している。
【００２６】
上記した２本のセラミックスヒータ４、４は、この波長変換素子１の上下位置に、その長さ方向に沿って配設されており、それぞれの通電端子が温度制御部３に接続されている。また、この銅材５の長さ方向の中央付近に温度センサー８が取り付けてあり、その出力端子が上記した温度制御部３に接続されている。そして、温度制御部３は、この温度センサー８からの検出温度に基づいて、加熱ブロック２が一定温度となるようにセラミックスヒータ４、４への通電を制御するようになっている。
【００２７】
また、本実施形態では、銅材５を、一対の断面Ｌ形の半割銅材５ａ、５ｂによる組合構造として、加熱ブロック２の作製および組み立てを容易にすると共に、これら銅材５ａ、５ｂの表面に、例えば、Ｎｉメッキ等の耐熱性のあるメッキ処理を施して銅材５の酸化を防止し、レーザービームの通過の妨げとなる粉塵等の発生を防止している。
【００２８】
ところで、図６に示すように、本実施形態の加熱ブロック２は、長さ方向の寸法を波長変換素子１より長くし、且つ、加熱ブロック２の両端を波長変換素子１の端面１ａ、１ｂより一定長突出させた構造としている。
【００２９】
波長変換素子では、長さ方向（即ち、光路方向）に温度分布が生じると、結晶内において屈折率が変化して波長変換効率が低下してしまうことは既述した通りである。
【００３０】
上記した加熱ブロック２の突出構造は、外気との遮断効果を得て、直接外気に触れる波長変換素子１の両端面（入射端面１ａおよび出射端面１ｂ）での熱の発散を抑制し、結晶の長さ方向における温度分布を極力少なくするための施策である。これにより、結晶の長さ方向に関係なく安定した波長変換効率が得られるようになり、波長変換素子１を全長に亘って有効に利用することができ、効率的な波長変換が行えるようになる。
【００３１】
本実施形態では、この加熱ブロック２の突出構造による効果を確認するため、以下の温度試験を行った。この時の波長変換素子１の加熱温度は何れも４００℃としている。
図８は加熱ブロック２の突出量（Ｘ）に対する結晶の光軸方向の温度分布を示しており、横軸は結晶の光軸方向の距離を表し（結晶の長手中央部を０ｍｍとする）、縦軸は温度を表す。
尚、波長変換素子１として、結晶の縦・横幅（Ｄ）が１２ｍｍ、長さ（Ｌ）が６０ｍｍの四ホウ酸リチウム単結晶を用い、また、加熱ブロック２の銅材５は、板厚１０ｍｍを使用し、結晶端面１ａ、１ｂからの各突出量（Ｘ）は、０ｍｍ（突出せず）、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの４種類とした。
【００３２】
図８より明らかなように、突出量（Ｘ）が１０ｍｍ以下では、結晶端面での熱放出が顕著になって、結晶端面１ａ、１ｂの付近で光軸方向に温度分布が生じているが、突出量（Ｘ）を２０ｍｍ以上にすると温度分布が生じなくなり、結晶の長さ方向の全体に亘って均一に加熱できるようになることが判る。
この突出量（Ｘ）の２０ｍｍは、結晶長（Ｌ）６０ｍｍの１／３に当たることから、結晶に温度分布を生じない好適な加熱機構を実現するため、本発明では、加熱ブロック２の突出量（Ｘ）を少なくとも結晶長（Ｌ）の１／３以上確保することとした。
【００３３】
また、図９は結晶の幅（Ｄ）に対する光軸方向の温度分布を示しており、横軸は結晶の光軸方向の距離を表し（結晶の長手中央部を０ｍｍとする）、縦軸は温度を表す。
尚、銅材５は板厚１０ｍｍを使用し、結晶端面１ａ、１ｂからの各突出量（Ｘ）は２０ｍｍとした。また、波長変換素子１は長さ（Ｌ）が６０ｍｍの四ホウ酸リチウム単結晶を用い、その縦・横の幅（Ｄ）は、１２ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍの４種類とした。
【００３４】
図９より明らかなように、結晶の・縦横幅（Ｄ）が２０ｍｍの場合では、結晶端面近傍において光軸方向に幾分温度分布が生じており、幅（Ｄ）を１２ｍｍ以下にすると、温度分布が生じなくなることが判る。幅２０ｍｍで温度分布が生じたのは、厚みが増すことにより、波長変換素子１の端面側の開口面積が広くなり過ぎて、突出構造による外気遮断効果が薄れ、結晶端部が外気の影響を受け易くなっためである。
この幅（Ｄ）の２０ｍｍは、結晶長（Ｌ）６０ｍｍの１／３に当たることから、結晶の長さ方向の温度分布を生じなくするため、本発明では、結晶の縦と横の幅を結晶長（Ｌ）の１／４以下に規定した。
【００３５】
以上、図８および図９の結果を総合して、本発明では、波長変換素子１の縦と横の幅（Ｄ）を結晶長（Ｌ）の１／４以下とし、且つ、加熱ブロック２を、波長変換素子１の入射端面１ａおよび出射端面１ｂより長さ方向に向けて結晶長（Ｌ）の１／３以上突出させることとした。
【００３６】
また、図７は、加熱ブロック２の別の実施形態を示している。
本実施形態は、図６と相違し、波長変換素子１の入射端面１ａと出射端面１ｂを含めた結晶全体を加熱ブロック２で覆う構造とし、加熱ブロック２の端面の光軸上にレーザービームが通過する光路となる孔９を形成したものである。
【００３７】
但し、この孔９は、最低限、結晶の角度調整が可能な範囲の大きさとする必要があるが、レーザービームの進行を妨げない範囲で極力小さい方が外気との遮断効果に優れる。また、本実施形態では、結晶端面と加熱ブロック端面との間に空間が設けてあるが、両者を密接する構造としても構わない。
尚、図７では、加熱ブロック２を構成する銅材５の構造のみを示しており、これを被覆する各断熱材の構成は図６の場合と同様であるため省略してある。
【００３８】
このように、結晶端面をも加熱ブロック２で覆う構造とすることにより、外気との遮断効果は著しく向上し、グラフで示していないが、加熱ブロック２の突出量（Ｘ）や結晶の縦・横幅（Ｄ）に左右されることなく、波長変換素子１の長さ方向の温度分布を生じなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】波長変換素子の温度が２光子吸収係数に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】入射紫外レーザーの強度と透過率との関係を波長変換素子の温度別に示すグラフである。
【図３】入射光の出力と変換効率との関係を波長変換素子の温度別に示すグラフである。
【図４】入射光の出力と出力パワーとの関係を波長変換素子の温度別に示すグラフである。
【図５】波長変換素子の温度精度が紫外レーザーの発生出力に及ぼす影響を示すグラフである。
【図６】本発明に係る波長変換装置の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図７】加熱ブロックを構成する銅材の構造を示す側断面図である。
【図８】加熱ブロックの突出量に対する波長変換素子の光軸方向の温度分布を示すグラフである。
【図９】波長変換素子の幅に対する光軸方向の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  波長変換素子
１ａ  入射端面
１ｂ  出射端面
２  加熱ブロック
３  温度制御部
４  ヒーター（セラミックスヒーター）
６  セラミックス
７  樹脂材
８  温度センサー
９  光路（孔）
【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】
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【図８】
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【図９】
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