(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長及び時間パルス幅の基本波を、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記基本波の第２高調波を発生させる光波長変換方法であって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射する基本波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する基本波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法。
【請求項２】
所定の波長及び時間パルス幅の基本波及び前記基本波の第２高調波とを、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記基本波の第３高調波を発生させる光波長変換方法であって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法。
【請求項３】
所定の波長及び時間パルス幅の第１基本波及び所定の波長及び時間パルス幅の第２基本波とを、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記第１基本波及び第２基本波の和周波を発生させる光波長変換方法であって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法。
【請求項４】
所定の波長及び時間パルス幅の基本波を発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記基本波が順次入射されて各々第２高調波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射される基本波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射される基本波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システム。
【請求項５】
所定の波長及び時間パルス幅の基本波と前記基本波の第２高調波とを発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記基本波及び前記第２高調波が順次入射されて各々第３高調波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システム。
【請求項６】
所定の波長及び時間パルス幅の第１基本波と所定の波長及び時間パルス幅の第２基本波とを発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記第１基本波及び前記第２基本波が順次入射されて各々和周波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、
前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、
前記第１の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、
前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長変換方法及びレーザー発振システムに関する。更に詳しくは、高いパワーの第２高調波、第３高調波及びその他の和周波を効率よく得ることが可能な光波長変換方法及びレーザー発振システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長が短いレーザー光は、記録媒体へのデータ記録、記録媒体からデータの読みだしの光源として使用した場合に、記録密度を大きくできるという利点を有している。また材料の加工の用途に使用した場合に、熱影響が少なく、かつ精密な加工が可能となる利点を有している。さらに医療用の光源、超ＬＳＩのリソグフィ用光源なども短い波長のレーザー光の利用が適している。
このように、様々な分野で、波長の短いレーザー光が求められている。そのため、短い波長のレーザー光を安定して出射する、小型、軽量、長寿命の光源が要望されている。
【０００３】
しかしながら、従来５００ｎｍ以下の波長の光を出射する適切な光源が存在しなかった。たとえば、半導体レーザーとしては波長４００ｎｍ程度までのレーザー光は出射できるものが知られてきたが、出力が非常に低いという問題がある。
短波長大出力レーザーとしては、エキシマレーザーが知られている。エキシマレーザーは、１９７０年にソビエト連邦のＢａｓｏｖらによって、液体キセノン（Ｘｅ）を電子ビームで励起する方法で初めて実現され、さらに１９７６年に、放電励起によって発振することにも成功した。放電励起方式のエキシマレーザーは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザーで、ＡｒＦ（１９３ｎｍ），ＫｒＦ（２４８ｎｍ），ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）などの化合物が発する紫外光を光共振器により増大させ、レーザー光として取り出したものである。エキシマレーザーは、高分子材料のアブレーション加工、表面改質、マーキング、薄膜作製、医薬品の製造、同位体分離などに応用が期待されている。しかしながら、エキシマレーザーは、例えば繰り返し数百ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）のパルスレーザーの場合、１０-2秒毎に１０-9秒間のパルス光しか発生せず、インターバルに比べてレーザーの発光時間が著しく短いことから、応用分野における加工や成膜過程で問題がある。またエキシマレーザーは、媒質ガスの寿命が短いこと、レーザー装置の小型化が困難であること、保守性が悪いこと、運転コストが高いこと、有毒ガスを用いること等の問題を有している。現在、常温で、長時間安定的に、紫外線領域の光を発生する半導体レーザーなどの実用化は達成されていない。
【０００４】
そこで、第２高調波発生（ＳＨＧ：secondary harmonic-wave generation）素子などの非線形光学素子の研究が近年活発化している。ＳＨＧ素子は入射光の波長の１／２の波長の光を発生するから、たとえば、赤外線領域のレーザー光から紫外線領域の光を発生することができ、各種応用分野への工業的価値はきわめて大きい。
【０００５】
ＳＨＧ素子のような波長変換素子として用いられている結晶としては、たとえば、特開平３−６５５９７号公報に開示されているＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）、特開昭６３−２７９２３１号公報に開示されているＢＢＯ（β−ＢａＢ2 Ｏ4 ）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）が知られている。
しかしながら、ＫＴＰを用いた波長変換素子は、結晶の大型化が難しいうえ、結晶内部で屈折率が変化する。したがって一個の結晶から切り出したＫＴＰ素子でも、屈折率が異なるので位相整合角度が異なるから、高い精度の波長変換素子を実現することが難しいという不利益を有している。さらに、ＫＴＰは結晶内にいわゆる”巣”が入りやすいので、高い品質のＫＴＰを大量に提供しにくいという不利益を有している。
また、ＢＢＯ、ＣＬＢＯを用いた変換素子は、高い変換効率は有するものの、耐湿性、耐レーザー損傷性、２光子吸収による出力の不安定化などの問題を抱えている。
また、ＬＢＯを用いた変換素子は、最短のＳＨＧ波長（２倍波）が２７７ｎｍであり、波長変換範囲が狭い。そのため、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波（２６６ｎｍ）を発生させることができない。また、大型の結晶ができないという欠点もある。
また、ＫＤＰを用いた変換素子は、高繰り返しになると吸収による熱の影響から位相不整合が発生し、１００Ｈｚ以下の低繰り返しでないと使用できない。また、高繰り返しでは、損傷閾値が極めて低い。したがって、１ＫＨｚを越える繰り返しで用いられる工業用（あるいは産業用）レーザー発振器に用いることは困難である。
【０００６】
そこで、本件出願人は、先に単結晶のＬＢ４（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）を変換素子として用いた波長変換方法を提案した（特願平８−２５０５２３号）。
この単結晶ＬＢ４は、広範囲の波長に対して透明度が高く、レーザー光による損傷が少ない。また、良質で大型の結晶を容易に製造できる。また、加工性に優れ、潮解性が小さく取り扱い性にも優れている。さらに、寿命も長い。
したがって、ＬＢ４によれば、長期的に安定して動作し、長寿命を示し、加工性に富み、小型、軽量、低価格な光学変換素子とすることができるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、種々の非線形光学結晶が変換素子として知られているものの、高いパワーの第２高調波等の和周波を効率よく得る手段は、未だ達成されていない。
すなわち、高いパワーの第２高調波等の和周波を得るためには、第１に高い変換効率が得られる変換素子を使用することが必要である。また、第２に、高いパワーの入射光の変換を可能とするため、入射光に対する高い耐損傷性を備える変換素子を使用することが必要である。
ところが、一般に、高い変換効率を備える非線形光学結晶は耐損傷性が低く、高い耐損傷性を備える非線形光学結晶は変換効率が低い傾向がある。そのため、充分な変換効率と耐損傷性とを、共に備える非線形光学結晶は得られていなかった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、利用可能な非線形光学結晶の制約条件を補い、高いパワーの第２高調波等の和周波を効率よく得ることが可能な光波長変換方法及びレーザー発振システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、所定の波長及び時間パルス幅の基本波を、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記基本波の第２高調波を発生させる光波長変換方法であって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射する基本波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する基本波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法を提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記基本波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記基本波に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１０】
また、本発明は、所定の波長及び時間パルス幅の基本波及び前記基本波の第２高調波とを、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記基本波の第３高調波を発生させる光波長変換方法であって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法を提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記第２高調波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記基本波と前記第２高長波からの第３高調波発生に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１１】
また、本発明は、所定の波長及び時間パルス幅の第１基本波及び所定の波長及び時間パルス幅の第２基本波とを、第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶に順次入射し、前記各々の結晶において、前記第１基本波及び第２基本波の和周波を発生させる光波長変換方法であって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値を、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にすると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値を、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下させることを特徴とする光波長変換方法を提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記第１基本波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記第１基本波と第２基本波からの和周波発生に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１５】
また、本発明は、所定の波長及び時間パルス幅の基本波を発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記基本波が順次入射されて各々第２高調波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射される基本波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射される基本波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システムを提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記基本波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記基本波に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１６】
また、本発明は、所定の波長及び時間パルス幅の基本波と前記基本波の第２高調波とを発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記基本波及び前記第２高調波が順次入射されて各々第３高調波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第２高調波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システムを提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記第２高調波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記基本波と前記第２高長波からの第３高調波発生に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１７】
また、本発明は、所定の波長及び時間パルス幅の第１基本波と所定の波長及び時間パルス幅の第２基本波とを発振する基本波発振器と、この基本波発振器から前記第１基本波及び前記第２基本波が順次入射されて各々和周波を発生させる第１の非線形光学結晶及び第２の非線形光学結晶を有する光波長変換システムとを備えるレーザー発振システムであって、前記第１の非線形光学結晶は単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）であり、前記第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０、ＫＴｉＯＰＯ4、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4であり、前記第１の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値が、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせる値にされていると共に、前記第１の非線形光学結晶から出射して前記第２の非線形光学結晶に入射する第１基本波のピークパワー密度の値が、前記第１の非線形光学結晶によって、前記第２の非線形光学結晶にバルク損傷を生じさせない値にまで低下するように構成されていることを特徴とするレーザー発振システムを提供する。
本発明において、前記第１の非線形光学結晶は、前記第１基本波に対するバルク損傷閾値が前記第２の非線形光学結晶よりも大きく、かつ、前記第２の非線形光学結晶は、前記第１基本波と第２基本波からの和周波発生に対する有効非線形定数が前記第１の非線形光学結晶よりも大きい。
【００１８】
上記各発明によれば、第１の非線形光学結晶の変換効率が低くても、通過した基本波等を、第２の非線形光学結晶によって高い効率で変換することができる。また、第２の非線形光学結晶の耐光損傷性が低くても、耐光損傷性の高い第１の非線形係数を入射光が通過することによって、第２の非線形光学結晶が耐えられるパワーに低下させてから、第２の非線形光学結晶に入射させることができる。すなわち、特定の関係にある異なる種類の非線形光学結晶を組み合わることにより、互いの欠点を補い、全体として、高い変換効率及び高い耐光損傷性を実現することができる。したがって、高いパワーの第２高調波等の和周波を効率よく得ることが可能となる。
【００１９】
上記各発明における第１の非線形光学結晶は、単結晶四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）である。ＬＢ４（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）は、変換効率が比較的低いものの、非常に優れた耐光損傷性を備えているからである。また、第２の非線形光学結晶は、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、又はβ−ＢａＢ2 Ｏ4（ＢＢＯ）である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明に係るレーザー発振システムの実施形態を示す構成図である。図１のレーザー発振システムは、基本波発振器１０と光波長変換システム２０とから構成されている。
基本波発振器１０は、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー等のレーザー発振器単独で、あるいは、レーザー発振器とそのレーザー発振器から発振する光を波長変換する変換器とから構成されている。
【００２１】
また、光波長変換システム２０は、基本波発振器１０から出射される波長λの基本波を、他の波長の光から分離するためのセパレータ２１、２２と、セパレータ２１、２２により分離された基本波が入射光Ｉ０として入射される第１結晶２３と、第１結晶２３からの出射光Ｉ１が入射される第２結晶２４と、第２結晶２４から出射する出射光Ｉ２を分離するプリズム２５と、セパレータ２１により分離された基本波の波長以外の光を吸収するためのビームダンパ２６とから構成されている。
【００２２】
ここで、第１結晶２３及び第２結晶２４は、種類の異なる非線形光学結晶で、共に基本波λに対して、位相整合角度を満足するように配置されている。
第１結晶２３又は第２結晶２４として使用可能な非線形光学結晶としては、たとえば、ＬＢ４（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ2 Ｏ4 ）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）が挙げられ、これらの非線形光学結晶の中から、以下に説明するように、変換効率及び耐損傷性の観点から、第１結晶２３及び第２結晶２４が、各々選択される。
【００２３】
まず、両結晶は、第１結晶２３が第２結晶２４よりも高い耐光損傷性を備えるように選択される。具体的には、前記基本波に対するバルク損傷閾値を比較した場合、第１結晶２３が第２結晶２４よりも大きいバルク損傷閾値を有するような関係で選択される。
このバルク損傷閾値は、バルク損傷を生じさせる入射光のピークパワー密度（ピーク値のピークパワー密度）の閾値で表される。バルク損傷とは、入射光が、結晶の化学結合を破壊することにより発生する損傷である。
バルク損傷閾値は、入射光の波長が短くなるほど、また、時間パルス幅が長くなるほど低くなる。但し、異なる結晶のバルク損傷閾値をある波長、時間パルス幅において比較すると、その大小関係は、他の波長、時間パルス幅の条件でも変わらない。
【００２４】
たとえば、主な非線形光学結晶の、波長１０６４ｎｍ、時間パルス幅１ｎｓｅｃにおけるバルク損傷閾値は以下の値であるが、その大小関係は、他の条件でも変わらず、以下のようになる。
（１０６４ｎｍ、時間パルス幅１ｎｓｅｃにおけるバルク損傷閾値）
ＬＢ４：〜９０ＧＷ／ｃｍ２
ＬＢＯ：〜４５ＧＷ／ｃｍ２
ＣＬＢＯ：〜２６ＧＷ／ｃｍ２
ＫＤＰ：〜１４ＧＷ／ｃｍ２
ＢＢＯ：〜１３ＧＷ／ｃｍ２
ＫＴＰ：〜０．６ＧＷ／ｃｍ２
（バルク損傷閾値の大小関係）
ＬＢ４＞ＬＢＯ＞ＣＬＢＯ＞ＫＤＰ＞ＢＢＯ＞ＫＴＰ
【００２５】
なお、光損傷には、バルク損傷の他に、結晶表面から発生する表面損傷があり、一般的にバルク損傷の閾値は、表面損傷の閾値よりも大きい。したがって、結晶破壊を引き起こす入射光のピークパワー密度は、通常表面損傷によって決定される。しかしながら、表面損傷閾値は、表面の研磨状態、吸水の有無、入射光の集光程度等によって変化するため、客観的な比較が困難である。したがって、耐光損傷性の評価に当たっては、バルク損傷閾値を用いるのが適当である。
【００２６】
次に、両結晶は、第２結晶２４が第１結晶２３よりも高い変換効率を備えるように選択される。具体的には、前記基本波に対する有効非線形定数を比較した場合、第２結晶２４が第１結晶２３よりも大きい有効非線形定数を有するような関係で選択される。
有効非線形定数とは、非線形光学結晶の非線形定数と入射角度から計算される実効的な変換係数である。入射角度は、入射する光の波長に応じて位相整合するように選択されるので、入射光の波長が決定すれば、実質的に各結晶の有効非線形定数の比較が可能となる。
【００２７】
たとえば、主な非線形光学結晶の、波長１０６４ｎｍにおける有効非線形定数は以下の値であり、その大小関係は以下のようになる。
0004407087.tif 000002
【００２８】
第１結晶２３として、バルク損傷閾値が最も大きいＬＢ４を選択した場合、種々の非線形結晶を第２結晶２４として選択できるが、第２結晶２４の有効非線形定数が第１結晶２３（ＬＢ４）の有効非線形定数よりも大きくなる波長範囲に、入射光の波長範囲を限定し使用することが必要である。各々の結晶の有効非線形定数が、ＬＢ４の有効非線形定数よりも大きくなる波長範囲は以下のとおりである。
（ＬＢ４よりも、大きい有効非線形定数が得られる入射光の波長範囲）
ＬＢＯ：２０００〜５００ｎｍ
ＣＬＢＯ：２０００〜４７２ｎｍ
ＢＢＯ：１４００〜４０９ｎｍ
ＫＤＰ：１３００〜５００ｎｍ
ＫＴＰ：２０００〜９９０ｎｍ
【００２９】
本実施形態のレーザー発振システムでは、第１結晶２３に波長λの基本波である入射光Ｉ０が入射する。そして、第１結晶２３からの出射光Ｉ１は、波長λ／２の第２高調波と、変換されずに通過した波長λの基本波とから構成される。このとき、出射光Ｉ１に含まれる基本波のピークパワー密度は、第２高調波に変換された分、入射光Ｉ０のピークパワー密度よりも小さくなっている。そのため、第２結晶２４に直接入射する場合よりも、入射光Ｉ０のピークパワー密度を高く設定することが可能である。
【００３０】
この場合、図２に示すように、第１結晶２３によって第２結晶２４を保護する効果は、第１結晶２３の変換効率の範囲に留まらない。すなわち、入射光Ｉ０は、図２に実線で示すように、ビーム径の範囲内において、ビーム中心が最大のピークパワー密度となるように分布している。そして、この高いピークパワー密度をとるビーム中心付近の光が、最も結晶の損傷を与えやすい。その一方、この高いピークパワー密度をとるビーム中心付近の光が、最も変換されやすい。そのため、出射光Ｉ１に含まれる基本波のピークパワー密度は、図２の波線で示すように、ビーム中心付近で大きく低下する。したがって、第２結晶２４に与える影響を大きく低減することができる。
【００３１】
また、第１結晶２３の変換効率が比較的低いため、入射光Ｉ０中の基本波（波長λ）のかなりの部分が、そのまま通過して出射光Ｉ１に含まれるが、第２結晶２４の変換効率が高いため、出射光Ｉ２として、高いパワーの第２高調波（波長λ／２）を得ることができる。そして、出射光Ｉ２中に残存する基本波をプリズム２５で分離して、第２高調波のみを取り出すことができる。なお、プリズム２５に代えて、セパレータを用いてもよい。
【００３２】
本実施形態によれば、耐光損傷性と変換効率について特定の関係にある第１結晶２３と第２結晶２４とを用いたので、各結晶の欠点を互いに補い、全体として、高い変換効率及び高い耐光損傷性を実現することができる。したがって、高いパワーの第２高調波を効率よく得ることが可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態は第２高調波発生についてのものであるが、本発明は広く和周波発生に応用が可能である。例えば第３高調波を発生させる場合、図１の実施形態に係るレーザー発振システムにおいて、セパレータ２１、２２に代えて、各々基本波と第２高調波の両方を反射するミラーとして、ビームダンパ２６を除いた構成とすることができる。あるいは、セパレータ２１、２２、ビームダンパ２６のいずれも除いて、基本波と第に高調波を同時に発生する発振器から、直接基本波と第２高調波とを第１結晶２３に入射させる構成とすることもできる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
図１のレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３として5mm×5mm断面で長さ35mmのＬＢ４を用い、第２結晶２４として5mm×5mm断面で長さ7mmのＢＢＯを用いた。そして、平均パワー30W、繰り返し10kHz、パルス幅30nsec、ビーム径0.5mm、波長532nmグリーンレーザーを入射光Ｉ０として入射し、第二高調波の発生を行った。
このとき、入射光Ｉ０の平均ピークパワー密度は51MW/cm2とであったが、出射光Ｉ１に残存する基本波（532nm）のパワーは28.5W、平均ピークパワー密度は48.4MW/cm2となった。そして、出射光Ｉ２として、出力6.3Wの安定した紫外光（266nm）を得た。
なお、平均ピークパワー密度が48.4MW/cm2である通常のビーム（532nm）をＢＢＯに入射すると、バルク損傷を生じてしまう。しかし、本実施例の場合、図２で説明したように、実質的なピークパワー密度が低下しているので、バルク損傷は生じなかった。
【００３５】
（比較例１）
図１のレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ7mmのＢＢＯを用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例１と同様にした。
この場合、入射光Ｉ０によってＢＢＯがバルク損傷を受けるため、使用できなかった。
【００３６】
（実施例２）
図１のレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３として5mm×5mm断面で長さ35mmのＬＢ４を用い、第２結晶２４として5mm×5mm断面で長さ10mmのＣＬＢＯを用いた。そして、実施例１と同じ条件である平均パワー30W、繰り返し10kHz、パルス幅30nsec、ビーム径0.5mm、波長532nmグリーンレーザーを入射光Ｉ０として入射し、第二高調波の発生を行った。
このとき、入射光Ｉ０の平均ピークパワー密度は51MW/cm2とであったが、出射光Ｉ１に残存する基本波（532nm）のパワーは28.5W、平均ピークパワー密度は48.4MW/cm2となった。そして、出射光Ｉ２として、出力6.5Wの安定した紫外光（266nm）を得た。
なお、平均ピークパワー密度が48.4MW/cm2である通常のビーム（532nm）をＣＬＢＯに入射すると、バルク損傷を生じてしまう。しかし、本実施例の場合、図２で説明したように、実質的なピークパワー密度が低下しているので、バルク損傷は生じなかった。
【００３７】
（比較例２）
図１のレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ10mmのＣＬＢＯを用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例１、２と同様にした。
この場合、入射光Ｉ０によってＣＬＢＯがバルク損傷を受けるため、使用できなかった。
【００３８】
（比較例３）
図１のレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ35mmのＬＢ４を用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例１、２と同様にした。
この場合、入射光Ｉ０の平均ピークパワー密度は51MW/cm2であったが、出射光Ｉ１に残存する基本波（532nm）のパワーは28.5W、平均ピークパワー密度は48.4MW/cm2となった。そして、出射光Ｉ２として、出力3Wの紫外光（266nm）を得た。
この出射光Ｉ２の出力は安定しており、バルク損傷も生じなかったが、実施例１の6.3Wや実施例２の6.5Wと比較すると低い値であった。
【００３９】
（実施例３）
図１の実施形態に係るレーザー発振システムにおけるセパレータ２１、２２に代えて、基本波と第２高調波の両方を反射するミラーを用い、ビームダンパ２６を除いた構成のレーザー発振システムを用いて、和周波の発生を行った。
このレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３として5mm×5mm断面で長さ35mmのＬＢ４を用い、第２結晶２４として5mm×5mm断面で長さ15mmのＬＢＯを用いた。そして、波長1064nm、平均パワー10Wの基本波レーザーと、波長532nm、平均パワー10Wの第２高調波とを入射光Ｉ０として入射し、第３高調波である波長355nmの紫外レーザーを発生させた。
この入射光Ｉ０において、繰り返しは10kHzであり、基本波レーザ、第２高調波レーザーのパルス幅及びビーム径は、各々30nsec、0.3mm、27nsec、0.2mmであった。
このとき、入射光Ｉ０における基本波レーザ、第２高調波レーザーの平均ピークパワー密度は、各々47MW/cm2、118MW/cm2であったが、出射光Ｉ１に残存する基本波と第２高調波のパワーは各々9.5W、9.5Wであり、平均ピークパワー密度は、各々45MW/cm2、112MW/cm2となった。そして、出射光Ｉ２として、出力5Wの安定した第３高調波（355nm）を得た。
なお、平均ピークパワー密度が112MW/cm2である通常のビーム（532nm）をＬＢＯに入射すると、バルク損傷を生じてしまう。しかし、本実施例の場合、図２で説明したように、実質的なピークパワー密度が低下しているので、バルク損傷は生じなかった。
【００４０】
（比較例４）
実施例３と同じレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ10mmのＬＢＯを用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例３と同様にした。
この場合、入射光Ｉ０における第２高調波（532nm）によってＬＢＯが徐々にバルク損傷を受けるため、使用時間が制限され、安定に長時間使用できなかった。
【００４１】
（比較例５）
実施例３と同じレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ35mmのＬＢ４を用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例３と同様にした。
この場合、出射光Ｉ２として、出力2Wの安定した第３高調波（355nm）を得た。
この出射光Ｉ２の出力は安定しており、バルク損傷も生じなかったが、実施例３の5Wと比較すると低い値であった。
【００４２】
（実施例４）
図１の実施形態に係るレーザー発振システムにおけるセパレータ２１、２２に代えて、第１基本波と第２基本波の両方を反射するミラーを用い、ビームダンパ２６を除いた構成のレーザー発振システムを用いて、和周波の発生を行った。
このレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３として5mm×5mm断面で長さ20mmのＬＢ４を用い、第２結晶２４として5mm×5mm断面で長さ15mmのＢＢＯを用いた。そして、波長355nm、平均パワー5WのNd:YAGレーザーの第３高調波（第１基本波）と、波長828nm、平均パワー5WのTi:sapphireレーザー（第２基本波）とを入射光Ｉ０として入射し、和周波である波長248nmの紫外レーザーを発生させた。
この入射光Ｉ０において、繰り返しは10kHzであり、第１基本波（355nm）、第２基本波（828nm）のパルス幅及びビーム径は、各々25nsec、0.2mm、15nsec、0.2mmであった。
このとき、入射光Ｉ０における第１基本波（355nm）、第２基本波（828nm）の平均ピークパワー密度は、各々64MW/cm2、106MW/cm2であったが、出射光Ｉ１に残存する第１基本波（355nm）と第２基本波（828nm）のパワーは各々4.85W、4.85Wであり、平均ピークパワー密度は、各々62MW/cm2、103MW/cm2となった。そして、出射光Ｉ２として、出力0.8Wの安定した和周波（248nm）を得た。
なお、平均ピークパワー密度が62MW/cm2である通常のビーム（355nm）をＢＢＯに入射すると、バルク損傷を生じてしまう。しかし、本実施例の場合、図２で説明したように、実質的なピークパワー密度が低下しているので、バルク損傷は生じなかった。
【００４３】
（比較例５）
実施例４と同じレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ15mmのＢＢＯを用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例４と同様にした。
この場合、入射光Ｉ０における第１基本波（355nm）によってＢＢＯが徐々にバルク損傷を受けるため、使用時間が制限され、安定に長時間使用できなかった。
【００４４】
（比較例６）
実施例４と同じレーザー発振システムにおいて、第１結晶２３と第２結晶２４の双方に、5mm×5mm断面で長さ20mmのＬＢ４を用いた。入射光Ｉ０の条件は、実施例４と同様にした。
この場合、出射光Ｉ２として、出力0.4Wの安定した和周波（248nm）を得た。
この出射光Ｉ２の出力は安定しており、バルク損傷も生じなかったが、実施例４の0.8Wと比較すると低い値であった。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、特定の関係にある異なる種類の非線形光学結晶を組み合わることにより、互いの欠点を補い、全体として、高い変換効率及び高い耐光損傷性を実現することができる。したがって、高いパワーの第２高調波等の和周波を効率よく得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るレーザー発振システムを示す構成図であるである。
【図２】  第１結晶により、ピークパワー密度がどのように変化するかを示すグラフである。
【符号の説明】
１０…基本波発振器、２０…光波長変換システム、２３…第１結晶、
２４…第２結晶
【図１】
0004407087.tif 000003
【図２】
0004407087.tif 000004