(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構造で、レーザ光の入射方向において基本波と逓倍波との作用長を十分に確保することのできる波長変換素子を提供する。【解決手段】この発明の波長変換素子は、レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する非線形光学結晶からなる導波路結晶部２を具備する波長変換素子において、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みｐが前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の反射部３，４によって挟持される。【選択図】図１
2005148081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する非線形光学結晶からなる導波路結晶部を具備する波長変換素子において、
前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の硝子反射部によって挟持されることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム径と等しいことを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向に垂直な方向の厚みが、前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換素子。
【請求項４】
レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する導波路結晶部を具備する波長変換素子において、
前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の反射部によって挟持されることを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向に垂直な方向の厚みが、前記レーザ光のビーム許容角に合わせて設定されることを特徴とする請求項４記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記導波路結晶部は、前記レーザ光の出射面のウォークオフ方向の厚みが、前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されると共に、前記レーザ光の入射面のウォークオフ方向の厚みがレーザ光の出射面の厚みよりも大きく設定されたテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項２又は３記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記導波路結晶部は、前記レーザ光の出射面のウォークオフ方向に垂直な方向の厚みが、前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されると共に、前記レーザ光の入射面のウォークオフ方向に垂直な方向の厚みがレーザ光の出射面の厚みよりも大きく設定されたテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項６記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記導波路結晶部は、前記レーザ光の出射面のウォークオフ方向の厚みが、前記レーザ光のビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記レーザ光の入射面のウォークオフ方向の厚みがレーザ光の出射面の厚みよりも大きく設定されたテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項４又は５記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記導波路結晶部は、前記レーザ光の出射面のウォークオフ方向に垂直な方向の厚みが、前記レーザ光のビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記レーザ光の入射面のウォークオフ方向に垂直な方向の厚みがレーザ光の出射面の厚みよりも大きく設定されたテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項８記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学結晶の非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ光を基本波として非線形光学結晶により波長変換して高調波を発生させる波長変換素子又は装置では、非線形光学結晶内でのウォークオフ角の影響により、波長変換に寄与する有効作用長を長くできず、変換効率を高くすることは困難であった。
【０００３】
このため、特許文献１は、集光レンズで集光し、レーザ光を基本波として非線形光学結晶により複数回にわたり波長変換して高調波を発生させ、レーザ光を高調波に波長変換する波長変換装置を開示する。この装置は、一枚の集光レンズと、それぞれが非線形光学結晶で形成された第２次高調波発生結晶及び第３次高調波発生結晶とを備え、第２次高調波発生結晶と第３次高調波発生結晶とは光学軸を相互に反転させて配され、さらに、第２次高調波発生結晶が基本波の焦点位置に位置し、第３次高調波発生結晶は基本波の焦点位置より後方に位置し、且つ相互に近接して配置されている。これによって、非線形光学結晶端面での屈折やウォークオフ角の影響によりずれた各位相整合波長の空間的な重なりを、非線光学結晶間に補正光学系を用いず、非線形光学結晶自身によりある程度補正できるので、変換効率を向上させることが可能となる。また、近接配置により２番目以降の非線形光学結晶でのビーム断面積を極力小さくすることができるので、変換効率がさらに向上する。
【０００４】
特許文献２は、光学結晶の複屈折性を利用したレーザ波長変換素子において、前記光学結晶の入射面及び出射面の一部に全反射光学膜をコーティングし、レーザ光をジグザグ状に折り返す導波構造にし、前記光学結晶内の総合作用長を長くとるようにしたレーザ波長変換素子を開示する。
【０００５】
特許文献３は、相対向する一対の面を持つ非線形光学結晶の一方の側から該結晶内に基本波コヒーレント光を導入して前記一対の面で交互に反射させ、該結晶内でジグザグ状に進行させて該結晶の他方の側から前記基本波コヒーレント光の高調波成分を取り出すようにした波長変換素子において、前記非線形光学結晶の相対向する一対の面において反射されるコヒーレント光の反射の前後における位相シフト量が１８０°となるような反射膜を前記一対の面のそれぞれに設けた波長変換素子を開示する。
【特許文献１】特開平１１−３２６９６９号公報
【特許文献２】特開平１０−２６０４３８号公報
【特許文献３】実開平３−４２１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非線形光学結晶による波長変換においては、基本波（ω）とその逓倍波（２ω、３ω・・・）が相互に重なり合う有効作用長が長いほど波長変換が有効に機能するため、この有効作用長を長くすることが要求されるが、非線形光学結晶のウォークオフ角が大きく、且つビーム径が小さい場合、作用長が短くなり、大きな変換効率が得られないという不具合が生じる。また、これらの状態で変換効率を向上させようとする場合、特許文献１で開示されるような装置が必要となったり、複数の非線形光学結晶を用いる必要が生じる。
【０００７】
また、特許文献２及び３に開示される波長変換素子では、非線形光学結晶への基本波の入射角度が前記非線形光学結晶の長手方向に対して傾斜して入射するため、レーザ光の入射方向と変換されたビームの出射方向とが同一線上になく、又はレーザ光のビーム径内に無いため、レーザ光の横方向に素子が大きくなってしまうという不具合が生じる。
【０００８】
したがって、この発明は、簡易な構造で、レーザ光の入射方向において基本波と逓倍波との作用長を十分に確保することのできる波長変換素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
よって、この発明の波長変換素子は、レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する非線形光学結晶からなる導波路結晶部を具備する波長変換素子において、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム径に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の反射部によって挟持されることを特徴とするものである。また、さらに、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム径と等しいことが望ましい。また、前記反射部は、前記導波路結晶部にウォークオフ光を閉じ込めるように全反射させるもので、石英ガラスによって形成されることが望ましいが、同様の効果を奏するものであれば、特に限定されるものではない。
【００１０】
また、この発明の波長変換素子は、レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する導波路結晶部を具備する波長変換素子において、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の硝子反射部によって挟持されることを特徴とするものである。
【００１１】
これによって、導波路結晶部を直進するレーザ光に対して、レーザ光からウォークオフする逓倍波が導波路結晶部と硝子反射部の境界面で反射して導波路結晶部内に閉じ込められるように進行するため、レーザ光の基本波と逓倍波との作用長を長くとることができるようになるものである。
【００１２】
さらにまた、この発明の波長変換素子は、レーザ光が入射する入射面及びレーザ光が出射する出射面とを有し、入射したレーザ光が、該レーザ光の光軸に対してほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する導波路結晶部を具備する波長変換素子において、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向の厚みが前記レーザ光のビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記導波路結晶部のウォークオフ方向両側から、前記導波路結晶部を一対の硝子反射部によって挟持されることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、前記導波路結晶部は、前記ウォークオフ方向に垂直な方向の厚みが、前記レーザ光のビーム径に基づいて設定され、又は前記レーザ光のビーム許容角に合わせて設定されることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記導波路結晶部は、前記レーザ光の出射面のウォークオフ方向の厚みが、前記レーザ光のビーム径又はビーム許容角に基づいて設定されると共に、前記レーザ光の入射面のウォークオフ方向の厚みがレーザ光の出射面の厚みよりも大きく設定されたテーパー形状に形成されることが望ましい。
【００１５】
以上の導波路結晶部に用いられる非線形光学結晶としては、ＢｉＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等がある。
【発明の効果】
【００１６】
したがって、この発明によれば、レーザ光の基本波と逓倍波との作用長を長くとることができるので、結晶の作用長に比例するレーザ光の波長変換の変換効率を向上させることができるものである。また、ウォークオフフリーとなるため、出力ビームの品質が著しく改善することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の実施例について図面により説明する。
【実施例１】
【００１８】
本願発明の実施例１に係る波長変換素子１は、図１に示すように、ウォークオフ方向に所定の厚さｐを有する導波路結晶部２と、ウォークオフ方向の両側２ａ，２ｂに設けられた一対の反射部３，４とによって構成される。
【００１９】
前記導波路結晶部２を構成する非線形光学結晶は、ＢｉＢＯ、ＢＢＯ等のウォークオフ角の大きい結晶である。
【００２０】
前記硝子反射部３，４は、石英ガラスによって形成され、オプティカルコンタクト又は接着剤接合によって前記導波路結晶部２の両面に接着固定される。
【００２１】
また、前記導波路結晶部２の厚さｄは、この実施例２においては、図３で示すように、入力されるレーザ光のビーム径Ｂｄと略等しく形成される。
【００２２】
これによって、図２に示すように、前記導波路結晶部２の入射面２ｃから所定の波長ωのレーザ光５が入射した場合、逓倍波（２ω、３ω・・・）が所定のウォークオフ角で前記レーザ光５の基本波から離れて進行する。この逓倍波は、基本波と相互の重なり合う限り有効に波長変換されるが、通常の場合、図２に示すように、有効な作用長はＥＬｐで示す範囲となる。尚、７は、逓倍波の出力ビームである。
【００２３】
本願発明の波長変換素子１は、ウォークオフ方向の両面２ａ，２ｂに石英ガラスからなる反射部３，４が形成されていることから、入射面２ｃから入射するビーム光に沿って、前記ウォークオフ光が反射面となる両面２ａ，２ｂによって全反射を繰り返して進むことから、作用長を導波路結晶部２のビーム進行方向の長さＥＬとすることができるため、変換効率を向上させることができるものである。
【実施例２】
【００２４】
実施例２に係る波長変換素子１０は、図４に示すように、導波路結晶部２０がウォークオフ方向だけでなく、ウォークオフ方向に垂直な方向においてもビーム径Ｂｄに従って厚さが設定されたものである。その製造方法としては、まず図５（ａ）で示すように、実施例１の波長変換素子１の状態に形成された波長変換素子１を、ウォークオフ方向に垂直な方向の所定の幅を有するようにウォークオフ方向の面で切断し、図５（ｂ）で示すように、導波路結晶部２０と薄く形成された硝子反射部材３１，４１を有する縦長の直方体形状にし、図５（ｃ）で示すように、そのウォークオフ方向に垂直な方向のそれぞれの面に硝子反射部材５１，５２を接着固定するものである。これによって、硝子反射部材３１，４１，５１，５２によって硝子反射部３０が形成される。
【００２５】
この実施例２に係る波長変換素子１０の効果は、導波路結晶部２０を形成する非線形光学結晶の量を少なくすることができるので、大量生産を行う場合には、上述した実施例１の波長変換素子１に比べてコスト的に安価なものを製造できることである。
【実施例３】
【００２６】
実施例３に係る波長変換素子５０、６０は図６（ａ），（ｂ）で示すもので、導波路結晶部７０，８０の形状が、それぞれレーザ光入射面７１，８１がレーザ光出射面７２，８２よりも大きくなるようなテーパ形状に形成されていることを特徴とする。また、この構成においては、レーザ光出射面７２，８２のウォークオフ方向の幅がレーザ光のビーム径Ｂｄに対応して設定される。また、図６（ａ）において、硝子反射部９１，９２は、前記導波路結晶部７０のウォークオフ方向の形状に対応して形成される。同様に、図６（ｂ）において、硝子反射部９３も導波路結晶部８０の形状に合致するように形成される。
【００２７】
したがって、実施例３に係る波長変換素子５０，６０は、入射面７１，８１が大きいテーパ状の導波路結晶部７０，８０を具備することから、入射するレーザ光５の位置合わせ精度が低い場合でも、上述した実施例の場合と同様の効果を奏することができる。さらに、テーパ形状としたことによって、レーザ組立作業において、入射されるレーザパワーと実際に入射できたレーザパワーの比率（結合比率）を高めることができる。また、入射アライメント精度が取り易いという効果がある。さらにまた、大きなビーム径の入射レーザを小さな径の出射レーザにすることができるという効果を有する。
【実施例４】
【００２８】
以上の実施例では、前記導波路結晶部のウォークオフ方向の厚さを入射するレーザ光のビーム径Ｂｄに対応又は合致させて設定したが、この実施例４では、非線形光学結晶と波長変換プロセスの物理パラメータであるビーム許容角に対応して設定することを特徴とするものである。
【００２９】
例えば、実施例１の構成の波長変換素子１に基づいて説明すると、入射するビーム許容角がα［ｍrad/cm］である場合、導波路結晶部２の厚さｄは、前記ビーム許容角αと導波路結晶部２の長さＥＬとによって求めることができる。
【００３０】
以上説明したように、本願発明の波長変換素子において、ウォークオフ光を導波路結晶部内に閉じこめるように、導波路結晶部のウォークオフ方向の幅を所定の厚さに設定することによって、作用長を十分に確保することができるため、変換効率を向上させることができるものである。
【００３１】
さらに、図７で示すように、ビームを絞って入射する場合、導波路結晶部２の厚みｄは、許容角θと単位作用長Ｆとによって求めることができる（ｄ＝２×（θ×Ｆ）／１００）。
【００３２】
尚、ウォークオフ角の大きい非線形結晶を用いた場合、そのビーム許容角は、一般的にウォークオフ角の１／１０以下であり、導波路結晶部２の長さＥＬが単位作用長Ｆより短い場合でも十分に機能する。
【００３３】
さらに、変換効率は、導波路結晶部２の内部のビーム径の二乗に比例するので、導波路結晶部２の厚みｄを小さくすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本願発明の実施例１に係る波長変換素子の構成斜視図である。
【図２】本願発明の実施例１に係る波長変換素子の説明図である。
【図３】本願発明の実施例１に係る導波路結晶部の説明図である。
【図４】本願発明の実施例２に係る波長変換素子の構成斜視図である。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本願発明の実施例２に係る波長変換素子の製造方法を示した説明図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本願発明の実施例３に係る波長変換素子の構成斜視図である。
【図７】ビームを絞って入射する場合の状態を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０，５０，６０  波長変換素子
２，２０，７０，８０  導波路結晶部
３，４，３０，９１，９２，９３  硝子反射部
５  レーザ光
７  出力ビーム
【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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