(57)【要約】【課題】  レーザ光が結晶内の同一経路上を往復する構造であるため、復路上の基本波及び波長変換波の混合波のみを高効率で分離して取り出すことが困難になる。【解決手段】  光学結晶１の一端面によつて形成され、波長変換前のレーザ光の基本波２が入射する入射面１ａと、光学結晶１の少なくとも他端面によつて形成され、入射面１ａから入射したレーザ光の進行方向を位置をずらせて反転させる複数の全反射面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉと、光学結晶１の一端面及び他端面の内のいずれか一方に形成され、光学結晶１内で波長変換したレーザ光を出射させる出射面１ｂ，１ｂ’とを有し、基本波２を光学結晶１の入射面１ａから入射させた後に全反射面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉで反転させ、反転前後のレーザ光が所定間隔を有して平行に進む導波構造にする。【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（１）の複屈折性を利用し、基本波（２）を波長変換波（３）に変換させるレーザ光波長変換素子において、
該光学結晶（１）の一端面によつて形成され、波長変換前のレーザ光の基本波（２）が入射する入射面（１ａ）と、該光学結晶（１）の少なくとも他端面によつて形成され、入射面（１ａ）から入射したレーザ光の進行方向を位置をずらせて反転させる複数の全反射面（１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ）と、該光学結晶（１）の一端面及び他端面の内のいずれか一方に形成され、該光学結晶（１）内で波長変換したレーザ光を出射させる出射面（１ｂ，１ｂ’）とを有し、
基本波（２）を該光学結晶（１）の入射面（１ａ）から入射させた後に全反射面（１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ）で反転させ、反転前後のレーザ光が所定間隔を有して平行に進む導波構造にすることを特徴とするレーザ波長変換素子。
【請求項２】
前記出射面（１ｂ）が、光学結晶１の一端に形成され、レーザ光に１往復以上が与えられることを特徴とする請求項１のレーザ波長変換素子。
【請求項３】
前記出射面（１ｂ’）が、光学結晶（１）の他端に形成され、レーザ光に１．５往復以上が与えられることを特徴とする請求項１のレーザ波長変換素子。
【請求項４】
前記全反射面（１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ）が、光学結晶（１）に気体及び液体の内の一方が接して形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３のレーザ波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の基本波を波長変換波に変換させるレーザ波長変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非線形光学結晶の複屈折を利用するレーザ波長変換素子が知られている。この種の波長変換素子では、波長変換効率が光学結晶の長さ（相互作用長）の２乗に比例して増加するため、従来、波長変換効率を向上させる手段として、（１）結晶長の長い光学結晶を用いることや、（２）複数個の光学結晶を光軸上に配置して長尺化することが提案され、また（３）光学結晶の入射面と出射面との間の対向して対をなす面に全反射光学薄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て、相互作用長を長くすることが提案されている。
【０００３】
上記（１）の具体例としては、非特許文献１に記載されるものがあり、上記（２）の具体例としては、非特許文献２に記載されるものがあり、上記（３）の具体例としては、特許文献１に記載されるものがある。
【特許文献１】特開平１０−２６０４３８号公報
【非特許文献１】アプライドフィジックス  Ｂ  第４８巻（１９８９年）第２９３頁〜第２９７頁（Applied Physics B. Vol.48(1989)pp.293-297)
【非特許文献２】オプティクスレターズ  第１９巻（１９９４年）第７１３頁〜第７１５頁（OPTICS LETTERS Vol.19(1994)pp.713-715)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記（１）の波長変換素子にあつては、単結晶で均一な長尺結晶を育成することが困難であり、高価格にもなる。加えて、結晶長が長くなると、波長変換光のわずかな吸収により、結晶の出射端側の温度が上昇し、位相整合条件が崩れ波長変換効率が低下するという技術的課題がある。
【０００５】
上記（２）の波長変換素子にあつては、実質的な長尺化によつて波長変換効率を改善させるため、優れた高出力レーザの波長変換方法である。しかし、レーザの結晶間の通過の際、空気の波長分散により基本波と波長変換波との位相速度の相違を生ずるため、その位相補償のために結晶間の距離を適正にする必要がある。また、結晶の個数分に応じて費用が増大する。
【０００６】
上記（３）の波長変換素子にあつては、結晶内をジグザグ状に進行するレーザ光の２つの平行進路において波長変換の条件となる位相整合条件を満たすことが困難であり、ジグザグ状進路の内の一方の平行進路でのみ波長変換が行われることになる。従つて、波長変換の効率性に劣る。また、全反射光学薄膜のコーティングは、基本波及び波長変換波の２つの波長に対して行わなければならず、構造が非常に複雑で高価になる。
【０００７】
また、上記（３）の波長変換素子では、波長変換素子から出射したレーザ光を元来た方向に折り返す全反射鏡を設け、結晶内の総合作用長を長く取ることも提案している。しかし、レーザ光が結晶内の同一経路上を往復する構造であり、往路上の基本波と復路上の基本波及び波長変換波からなる混合波とが同一経路上に位置するため、復路上の基本波及び波長変換波の混合波のみを高効率で分離して取り出すことが困難になる、という技術的課題を有している。なお、往路とは経路が異なる復路を形成させると、位相整合条件を満たし得なくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、非線形光学結晶に入射させたレーザ光を全反射させると共に、平行に往復させる導波構造にし、光学結晶内の相互作用長を効率良く長く確保することにより、レーザ光の波長変換効率を改善させることを目的としている。
【０００９】
本発明の構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、非線形光学結晶１の複屈折性を利用し、基本波２を波長変換波３に変換させるレーザ光波長変換素子において、該光学結晶１の一端面によつて形成され、波長変換前のレーザ光の基本波２が入射する入射面１ａと、該光学結晶１の少なくとも他端面によつて形成され、入射面１ａから入射したレーザ光の進行方向を位置をずらせて反転させる複数の全反射面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉと、該光学結晶１の一端面及び他端面の内のいずれか一方に形成され、該光学結晶１内で波長変換したレーザ光を出射させる出射面１ｂ，１ｂ’とを有し、基本波２を該光学結晶１の入射面１ａから入射させた後に全反射面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉで反転させ、反転前後のレーザ光が所定間隔を有して平行に進む導波構造にすることを特徴とするレーザ波長変換素子である。
請求項２の発明は、前記出射面１ｂが、光学結晶１の一端に形成され、レーザ光に１往復以上が与えられることを特徴とする請求項１のレーザ波長変換素子である。
請求項３の発明は、前記出射面１ｂ’が、光学結晶１の他端に形成され、レーザ光に１．５往復以上が与えられることを特徴とする請求項１のレーザ波長変換素子である。
請求項４の発明は、前記全反射面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉが、光学結晶１に気体及び液体の内の一方が接して形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３のレーザ波長変換素子である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るレーザ波長変換素子によれば、次の効果を奏することができる。
非線形光学結晶による波長変換効率の改善が、単一の結晶によつて可能になる。加えて、レーザ光が平行を維持して結晶内を往復するため、波長変換光の吸収に伴う結晶温度の上昇による結晶内部の温度の不均一が緩和され、位相整合条件が良好に維持される。その結果、結晶に可及的に均一温度を与えて最大の波長変換効率を与えることが可能になる。また、複雑かつ高価な全反射光学薄膜を形成することなく、結晶内での全反射により折り返す導波構造の採用が可能であるため、波長変換効率の向上が、構造簡素かつ安価にして可能になる。
【００１１】
また、レーザ光は、複数の全反射面によつて進行方向を位置をずらせて反転させ、出射面から出射させるので、入射面から入射させる基本波と、出射面から出射する基本波及び波長変換波からなる混合波とが分離されている。このため、混合波のみを取り出すことが容易になる。すなわち、結晶の入射面とは別個の出射面からは、位置をずらせて反転させた波長変換後のレーザ光のみを出射させるため、復路上の基本波及び波長変換波の混合波のみを分離して取り出すことが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係るレーザ波長変換素子の第１実施の形態を示す。図中において符号１は非線形光学結晶を示し、光学結晶１の一端面によつて入射面１ａ及び出射面１ｂが形成され、他端面によつて２つの傾斜面からなる全反射面１ｃ，１ｄが形成されている。入射面１ａは、光学結晶１に入射するレーザ光の基本波２が位相整合方向Ａに伝播するように、平坦面を形成している。出射面１ｂは、レーザ光が位相整合方向Ａに伝播した後に光学結晶１から波長変換波３を含んで出射するように、平坦面を形成している。従つて、入射面１ａと出射面１ｂとは、別個独立に形成されている。また、全反射面１ｃ，１ｄは、位相整合方向Ａに対し正逆に４５°の平坦面をなすように、つまり２つの全反射面１ｃ，１ｄの交角αが９０°をなして突出するようにカットして、光学結晶１自体の表面が形成している。
【００１３】
いま、非線形光学結晶１としてＧｄx Ｙ1-x Ｃａ4 Ｏ（ＢＯ3)3 (x＝0.5)を用い、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を波長変換波３として発生させるものとする。結晶１の屈折率ｎ1 は、波長分散を考慮して、基本波（λ1 ＝１．０６４μｍ）、２倍高調波（λ2 ＝０．５３２μｍ）、３倍高調波（λ3 ＝０．３５５μｍ）に対し、それぞれＳｅｌｌｍｅｉｅｒ方程式より求めると、ｎ1 （λ1 ）＝１．７１１、ｎ1 （λ2 ）＝１．７３３、ｎ1 （λ3 ）＝１．７６９となる。
【００１４】
そして、結晶の周囲が空気（屈折率ｎ2 ＝１）によつて満たされているものとすると、全反射する入射角度θは、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ2 ／ｎ1 ）より、それぞれθ1 ＝３５．７７°、θ2 ＝３５．２５°、θ3 ＝３４．４２°となり、これ以上の角度θではコーティング膜を形成することなしに全反射する。
【００１５】
従つて、結晶１の一部を山形をなすように各４５°にカットし全反射面１ｃ，１ｄを形成すれば、結晶１を通るレーザ光の基本波（、２倍高調波）及び３倍高調波の全てが結晶１の全反射面１ｃ，１ｄで次々に入射角４５°で全反射し、反転前後のレーザ光が所定間隔を有して平行に異なる経路を往復して進む導波構造を有することになる。これにより、結晶１の波長変換する相互作用長が往路＋復路となり、復路の分だけ長くとることになり、理論的には復路の長さの２乗倍で波長変換出力が向上する。また、レーザ光が結晶１内を近接して平行通過することで、結晶１の波長変換波３（及び基本波２）の吸収に伴う温度上昇が均一化され、温度の点でも位相整合条件を良好に保つことが可能になるため、波長変換効率を最大にすることができる。
【００１６】
すなわち、入射面１ａからレーザ光（基本波２）を入射させ、結晶１内を位相整合方向Ａに伝播させることにより、一方の全反射面１ｃにて全反射し、位相整合方向Ａと９０°をなす方向に偏向した後に、再度、他方の全反射面１ｄにて全反射し、合計で１８０°向きを変えて位相整合方向Ａに位置をずらせて伝播し、入射面１ａと同一面上に位置する出射面１ｂから出射する。従つて、複数の全反射面１ｃ，１ｄは、光学結晶１の他端面によつて形成され、入射面１ａから入射したレーザ光の進行方向を位置をずらせて１８０°反転させる。この結晶１の通過の間に波長変換波３への波長変換が進行する。これにより、結晶１の長さの２倍の相互作用長を通過させて、波長変換させた高調波を得ることができる。出射面１ｂからは、結晶１内を通過した基本波２及び波長変換波３からなる混合波のみが出射する。なお、反転前後のレーザ光の間隔は、結晶１への基本波２の入射位置を変えることにより、容易に変更することができる。
【００１７】
このように非線形光学結晶１として上記ＧｄＹＣＯＢ結晶を用いる場合、結晶１の周囲、特に全反射面１ｃ，１ｄに接する物質は、空気を含む気体（窒素、不活性ガス等）に限定される。その理由は、上述したように結晶１の屈折率ｎ1 は、ｎ1 （λ1 ＝１．０６４μｍ）＝１．７１１、ｎ1 （λ2 ＝０．５３２μｍ）＝１．７３３、ｎ1 （λ3 ＝０．３５５μｍ）＝１．７６９であり、基本波（λ1 ＝１．０６４μｍ）に対する全反射角θ（臨界角）は、全反射面１ｃ，１ｄに液体が接するときは４５°を超え、２つの全反射面１ｃ，１ｄによる全反射で平行に折り返すことが困難だからである。ちなみに、液体の全反射角θは、θ（水）＝５１．０２°、θ（エチルアルコール）＝５２．７５°、θ（フロリナート）＝４６．３５°で、いずれも４５°を超える。
【００１８】
これに対し、非線形光学結晶１として屈折率が２以上のもの（例えばＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム））を用いるときは、結晶１の周囲に気体のみならず液体を満たすことも可能になる。結晶１の周囲を温度調節された液体で満たすと共に、液体を循環させれば、結晶１の温度を所定かつ均一に維持し、波長変換効率を更に向上させることが可能になる。結晶１の周囲を満たす液体としては、水（屈折率ｎ＝１．３３）、エチルアルコール（屈折率ｎ＝１．３６２）、フロリナート（フッ素系不活性液体）ＦＣ−８７（屈折率ｎ＝１．２３８）等が採用可能である。
【００１９】
図２は、本発明の第２実施の形態を示す。第２実施の形態は、第１実施の形態と比較して、更に１つの往路を付加する点で相違する。このために、結晶１の他端面の全反射面１ｃ，１ｄと同様に、結晶１の一端面によつて全反射面１ｅ，１ｆを形成すると共に、結晶１の他端面によつて出射面１ｂ’を形成している。従つて、この付加する２つの全反射面１ｅ，１ｆは、交角が９０°をなして突出するように光学結晶１をカットして、光学結晶１自体の表面によつて形成している。全反射面１ｄと全反射面１ｅとは、位相整合方向Ａに対向・位置している。
【００２０】
このレーザ光波長変換素子において、入射面１ａからレーザ光の基本波２を入射させれば、第１実施の形態と同様に結晶１内で１往復した後、全反射面１ｅ，１ｆの存在により、結晶１内で更に２回の全反射を行い、出射面１ｂ’から出射する。かくして、反転前後のレーザ光が所定間隔を有して平行に異なる経路を往復して進む導波構造を有することになる。これにより、レーザ光は、結晶１の長さの３倍の相互作用長を通過するため、全反射面１ｆと出射面１ｂ’との間に１つの往路が付加された分だけ波長変換効率が向上することになる。入射面１ａとは別個独立の出射面１ｂ’からは、結晶１内を通過した基本波２及び波長変換波３からなる混合波のみが出射する。
【００２１】
図３は、第１実施の形態の全反射面１ｃ，１ｄを、３つの全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉによつて形成する構造例を示している。３つの全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉは、結晶１の他端の突出部に形成されている。すなわち、３つの全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉは、交角βが１２０°をなして突出するように光学結晶１をカットして、光学結晶１自体の表面によつて形成してあり、全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉにおける各入射角θ’は、６０°になつている。
【００２２】
この構造例によれば、入射面１ａからレーザ光の基本波２を入射させると、結晶１内で３回の全反射を行つて、レーザ光の進行方向が位置をずらせて１８０°反転させられ、基本波２及び波長変換波３からなる混合波が出射面１ｂから出射する。結晶１内での全反射は、各全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉにおいて６０°ずつ方向転換するようになされる。これにより、レーザ光は、結晶１の長さの２倍の相互作用長を通過することになり、レーザ光の波長変換に関して第１実施の形態と同様の作用を得ることができる。
【００２３】
加えて、３つの全反射面１ｇ，１ｈ，１ｉによつて全反射させてレーザ光の進行方向を反転させれば、ＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）は勿論のこと、ＧｄＹＣＯＢ結晶を用いる場合であつても、結晶１の周囲に気体のみならず液体を満たすことも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施の形態に係るレーザ波長変換素子を示す図。
【図２】同じく第２実施の形態に係るレーザ波長変換素子を示す図。
【図３】同じく第１実施の形態に係るレーザ波長変換素子の構造例を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１：非線形光学結晶
１ａ：入射面
１ｂ，１ｂ’：出射面
１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ：全反射面
２：基本波
３：波長変換波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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