(57)【要約】 【課題】  ２光子吸収による出力損失を抑制しつつ、長尺結晶の効果を生かして波長変換効率を高めることが可能な波長変換素子を提供する。【解決手段】  入力ビームを波長変換して高調波を発生させる波長変換素子１０であって、長さＬの複数個の非線形光学結晶片１〜４を、結晶長さとウォークオフ角ρの積ρＬだけ順次位相整合方向にずらして階段状に接合する。この多段接合結晶体の入射端面１ａを入力ビームの入射方向に対して垂直に形成する。これにより、各結晶片１〜４で発生した変換ビームＵＶ１〜ＵＶ４を逐次外部へ取り出すことができ、その結果、結晶片内の２光子吸収による出力損失が抑制できると共に、複数個の結晶片１〜４を接合して得られる長尺結晶の効果により、波長変換効率をより一層向上させることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ビームを波長変換して高調波を発生させる波長変換素子であって、
長さＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎの複数個の非線形光学結晶片を、結晶長さとウォークオフ角ρの積、略ρＬ１、略ρＬ２、・・・略ρＬｎだけ順次位相整合方向にずらして階段状に接合すると共に、当該多段接合結晶体の入射端面を前記入力ビームの入射方向に対して垂直に形成したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記各非線形光学結晶片を拡散接合により接合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】
前記非線形光学結晶片として四ホウ酸リチウム単結晶を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れかに記載の波長変換素子を用い、各非線形光学結晶片の出射端面より取り出した各波長変換ビームを集光して高調波出力を得ることを特徴とする波長変換方法。
【請求項５】
入力ビームの位相整合方向のビームサイズを、前記非線形光学結晶片の長さＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎとウオークオフ角ρの積、ρＬ１、ρＬ２、・・・ρＬｎ以下に集光したことを特徴とする請求項４に記載の波長変換方法。
【請求項６】
前記請求項４または請求項５の何れかに記載の波長変換方法を用いたレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶内で生じる２光子吸収による出力損失を抑制して波長変換効率の向上を図った波長変換素子、および波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高出力のレーザビームを、ある種の非線形光学結晶に入射すると、高調波に変換されることが知られており、特に、第２高調波（ＳＨＧ）への変換効率は大きく、現在ＳＨＧレーザとして実用化されている。
【０００３】
このような非線形光学結晶として、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＣＬＢＯ等が用いられているが、この内、ＢＢＯ結晶は、広域に亘って大きな非線形感受率を有し、且つ、耐レーザ損傷性に優れる等の波長変換に好ましい理由から、現在では、このＢＢＯ結晶を波長変換素子として用い、レーザ発振器（光共振器）と組み合わせて波長変換装置を構成するケースが多くなっている。
【０００４】
ところで、このような非線形光学結晶を用いた波長変換装置では、如何にして波長変換効率を向上するかが大きな課題となっており、現在、波長変換向上のための施策として、タイトにフォーカスしたパワー密度の高いレーザービームを入力する方法や、波長変換素子を長尺にする方法等が提案されている。
【０００５】
尚、波長変換素子としてＢＢＯ結晶を用いた波長変換装置の一例として、特許文献１が開示されている。この特許文献１は、ウオークオフの大きい非線形光学結晶（ＢＢＯ）中に、デプリーションが無視できないような平均パワーの高い基本波を入力して波長変換を行うものである。
【特許文献１】特開平９−３１８９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、タイトにフォーカスしたパワー密度の高いビームを入力すると、結晶内部の高調波の発生箇所で高調波の光子密度（出力パワー密度）が著しく高くなり、２光子吸収による出力損失が生じたり、２光子吸収による結晶内部での発熱でビーム品質が劣化して波長変換効率が低下したり、或いは、結晶が損傷する等の問題が発生する。
一方、波長変換素子を長くする方法では、結晶長に比例して２光子吸収量が増大し、その分、出力損失が増大するという問題がある。
【０００７】
また、近年、上記非線形光学結晶以外の波長変換結晶として、化学的安定性や耐レーザ損傷性に優れる四ホウ酸リチウム単結晶（ＬＢ４結晶）が注目されてきている。
この四ホウ酸リチウム単結晶は、他の非線形光学結晶と比較して非線形光学定数が小さいため、波長変換効率が低いという問題を有しているが、ＣＺ法等により良質の大型結晶を育成することが可能であり、且つ、加工性にも優れることから、将来の波長変換素子として有望視されており、今後、波長変換効率を向上する何等かの好適な施策が望まれている。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み成されたものであって、非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いてレーザビームを波長変換する際、２光子吸収による出力損失を抑制しつつ、長尺結晶の効果を生かして波長変換効率を高めることが可能な波長変換素子と、この波長変換素子を用いた波長変換方法、および、この波長変換方法を採用したレーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、入力ビームを波長変換して高調波を発生させる波長変換素子であって、長さＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎの複数個の非線形光学結晶片を、結晶長さとウォークオフ角ρの積、略ρＬ１、略ρＬ２、・・・略ρＬｎだけ順次位相整合方向にずらして階段状に接合すると共に、当該多段接合結晶体の入射端面を前記入力ビームの入射方向に対して垂直に形成したことを特徴としている。
【００１０】
本構成では、入射ビームと変換ビームは結晶片内でウオークオフ角度だけ分離するため、各結晶片で発生した変換ビームを逐次外部へ取り出すことができる。これにより、結晶片内の２光子吸収による出力損失を抑制できると共に、複数個の結晶片を接合して得られる長尺結晶の効果により、波長変換効率を高めることができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の波長変換素子において、前記各非線形光学結晶片を拡散接合により接合したことを特徴としている。
【００１２】
本構成では、各非線形光学結晶片がその構成原子の拡散によって塑性変形を伴うことなく接合されるため、各結晶片の接合面（界面）でのビーム反射を回避して、入力ビームを効率良く次段の結晶片へと伝搬させることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の波長変換素子において、前記非線形光学結晶片として四ホウ酸リチウム単結晶を用いたことを特徴としている。
【００１４】
四ホウ酸リチウム単結晶（ＬＢ４結晶）は、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶等と比べて波長変換効率が低く、結晶の単位長さ当たりから発生する変換出力は小さいが、本多段接合結晶体による２光子吸収の抑制効果と長尺結晶の効果により、ＬＢ４結晶を用いて効率的な波長変換を行うことができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の波長変換素子を用い、各非線形光学結晶片の出射端面より取り出した各波長変換ビームを集光して高調波出力を得ることを特徴としている。
【００１６】
この波長変換方法によれば、結晶片内で２光子吸収による出力損失が生じる前に各結晶片の出射端面より変換出力を取り出すため、各変換出力を集光した総出力は、損失の少ない高出力、高ビーム品質の高調波が得られる。
【００１７】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の波長変換方法において、入力ビームの位相整合方向のビームサイズを、前記非線形光学結晶片の長さＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎとウオークオフ角ρの積、ρＬ１、ρＬ２、・・・ρＬｎ以下に集光したことを特徴としている。
【００１８】
このように、タイトにフォーカスされたビームを非線形光学結晶に入射すると、ウオークオフ効果より各結晶片内において分離された入力ビームと波長変換ビームの両光路の重なり現象を回避することができるため、２光子吸収時の発熱によるビーム品質の低下と結晶片の損傷を防止して、波長変換効率の更なる向上が図れる。
【００１９】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項４または請求項５の何れかに記載の波長変換方法を用いてレーザ装置を構成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の非線形光学結晶片を、結晶長さとウォークオフ角の積だけ順次位相整合方向にずらして階段状に接合したので、各結晶片で発生した波長変換ビームを逐次結晶外へ取り出すことができ、これにより、結晶片内の２光子吸収による出力損失を抑制し、且つ、２光子吸収の発熱による変換効率の低下や結晶片の損傷を回避すると共に、複数個の結晶片を接合して得られる長尺結晶の効果により、波長変換効率をより一層向上させることができる。
【００２１】
また、各非線形光学結晶片を拡散接合により接合したので、各結晶片の接合面でのビームの反射を無くすことができ、波長変換効率をより一層向上させることができる。
【００２２】
また、上記構成では、波長変換効率が低いＬＢ４結晶を用いて、上記した２光子吸収の抑制効果と長尺結晶の効果を有効に生かした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】
【００２３】
以下、図１に基づいて本発明に係る波長変換素子の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態による波長変換素子の構成を示している。
【００２４】
図１に示すように、例えば、ＣＺ法等で単結晶成長させた長尺の非線形光学結晶を、長さＬの複数個（４個）の小結晶片１〜４に分割し、これら、複数の結晶片１〜４を、結晶長さＬと結晶の有するウオークオフ角ρとの積、ρＬに略匹敵する分だけ順次位相整合方向（Ｘ軸方向）にずらして階段状に接合することにより、多段接合構造の長尺結晶体を構成したものである。また、この多段接合結晶体（即ち、波長変換素子１０）の入射端面１ａと出射端面４ｂは入力ビームＧＲの入射方向に対してほぼ垂直となるように、それぞれの端面が切り出されている。
【００２５】
尚、本実施形態では、非線形光学結晶として四ホウ酸リチウム単結晶（ＬＢ４結晶）を用いている。ＬＢ４結晶は、ウオークオフ角が微小であることから、各結晶片の出射端面でのウオークオフによる入力ビームと出射ビームのＸ軸方向のズレは、上記した結晶片の長さＬとウオークオフ角ρとの積ρＬで近似することができる。また、既述したように、ＬＢ４結晶はＣＺ法により良質の大型結晶を育成することが可能であり、且つ、加工性にも優れることから、長さ９０ｍｍ程度の長尺結晶を育成して、複数個の小結晶片に分割するのも比較的容易なことである。
【００２６】
各結晶片１〜４の界面、即ち、入力ビームＧＲに対する結晶片１の出射端面１ｂと結晶片２の入射端面２ａ、および結晶片２の出射端面２ｂと結晶片３の入射端面３ａ、および結晶片３の出射端面３ｂと結晶片４の入射端面４ａは、それぞれ拡散接合により接合されることが好ましい。拡散接合では、各結晶片１〜４の各端面が構成原子の拡散によって塑性変形を伴うことなく接合されるため、各結晶片の界面でのビーム反射を回避して、入射された入力ビームをロスなく次段の結晶片へと伝搬させることができる。
【００２７】
図示のように、上記構成の波長変換素子１０の入射端面１ａに入力ビームＧＲ（グリーンレーザ）を入射することにより、各結晶内で発生した高調波を各結晶片１〜４より順次取り出すことができる。
すなわち、各結晶片１〜４内において、入力ビームＧＲの光路と波長変換ビームの光路がウオークオフ効果によって角度ρだけ分離することになり、各結晶片内にて分離したＵＶレーザＵＶ１〜ＵＶ４は各々結晶端面１ｂ〜３ｂより直角方向に出射される。尚、これらのＸ軸方向に広がったＵＶレーザＵＶ１〜ＵＶ４は、図示しないシリンドリカルレンズ等による集光光学系によって集光されて、高パワーのＵＶレーザとして出力される。
【００２８】
このように、本実施形態の波長変換素子１０は、各結晶片で発生した変換ビームを逐次外部へ取り出すことができため、結晶片内における２光子吸収を極力回避して出力損失を抑制できると共に、２光子吸収時の発熱によるビーム品質の低下を回避して波長変換効率を向上することができ、且つ、結晶片の損傷も回避できる。
【００２９】
加えて、複数個の結晶片１〜４を接合して得られた長尺結晶の効果により、波長変換効率をより一層向上させることができる。また、このような多段接合結晶構造であれば、結晶片を４個用いた波長変換素子構造に限定されず、所望数の結晶片を接合して波長変換素子を構成できるので、本実施形態のように、波長変換効率が低いＬＢ４結晶を用いても、上記した２光子吸収の抑制効果と長尺結晶の効果を有効に生かした効率的な波長変換素子１０を構成することが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態では、波長変換素子１０への入力ビームＧＲとして、Ｘ軸方向のビームサイズを結晶片の長さＬとウオークオフ角ρの積ρＬ以下になるようにタイトにフォーカスされた円形ビームを用いるようにしている。
タイトにフォーカスされたビームを用いることにより、図１に示すように、ウオークオフ効果によって分離された入力ビームと波長変換ビームの両光路は相互に重ならなくなるため、入力ビームが２光子吸収時の発熱の影響を受け難くなり、波長変換効率の更なる向上が図れる。
【００３１】
従って、このような、波長変換効率の良い本発明の波長変換素子１０を用いることにより、高効率で高出力、高ビーム品質のレーザ装置を実現することができる。高出力、高ビーム品質の高調波レーザ装置は、特に精密光加工技術等の分野において広く使用されている。
【００３２】
以上、本実施形態では、全て同じ長さの結晶片１〜４を用いた場合を説明したが、これに限るものではなく、例えば、図２に示すように、長さの異なる小結晶片を用いて構成しても良い。この場合、各小結晶片１〜４を接合する際のずれ分は各結晶片の長さに応じ、略ρＬ１、ρＬ２、ρＬ３とする。
また、図２において各小結晶片１〜４の高さｈは全て同じとしたが、それぞれ高さの異なる小結晶片を用いて構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る波長変換素子の構成を示す図。
【図２】本発明に係る図１とは別の波長変更素子の構成を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１〜４  非線形光学結晶片
１ａ  入射端面
１ｂ〜４ｂ  出射端面
１０  波長変換素子
ＧＲ  入力ビーム（グリーンレーザ）
ＵＶ１〜ＵＶ４  波長変換ビーム（ＵＶレーザ）
【図１】
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【図２】
2005208584.tif 000004