(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にレーザービームを入射させて高調波を発生させる際に、その波長変換効率を高める。【解決手段】レーザービームがレーザー発振器１から放出されて波長変換素子２に入射する前に、Ｘ軸方向のビームサイズを拡大するとともに、Ｙ軸方向のビームサイズを縮小することにより、レーザービームの断面を楕円率３以上の横長楕円形に整形する。これにより、レーザービームの断面が円形である場合と比べて波長変換効率が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発振器から放出されたレーザービームを四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子に入射させて高調波を発生させる際に、
レーザービームが前記レーザー発振器から放出されて前記波長変換素子に入射する前に、上記波長変換素子における位相整合方向をＸ軸方向とし、当該Ｘ軸方向とＣ軸方向の両方に直交する方向をＹ軸方向としたときに、当該レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを拡大するとともに、当該レーザービームのＹ軸方向のビームサイズを縮小することにより、当該レーザービームの断面を楕円形に整形したことを特徴とする波長変換方法。
【請求項２】
前記レーザービームの入力パワー密度を１６０ＭＷ／ｃｍ2以下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】
前記レーザービームの入力パワー密度を１００ＭＷ／ｃｍ2以下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】
前記レーザービームの断面の楕円率を３以上としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の波長変換方法。
【請求項５】
前記レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを前記波長変換素子の長さとウォークオフ角との積以上としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の波長変換方法。
【請求項６】
前記レーザービームの断面を楕円形に整形するに際して、前記Ｘ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープと、前記Ｙ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープとを用い、前記１対のシリンドリカルレンズの焦点距離を適宜選択することにより、前記レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを所望のサイズに拡大するとともに、当該レーザービームのＹ軸方向のビームサイズを所望のサイズに縮小することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の波長変換方法。
【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 ）を波長変換素子として用いる手法が注目されつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、この四ホウ酸リチウム単結晶は、その非線形光学定数ｄ31が０．１６ｐｍ／Ｖと小さく、波長変換効率が低いという欠点があるため、この四ホウ酸リチウム単結晶の波長変換効率を高めることが強く望まれていた。
【０００４】
なお、四ホウ酸リチウム単結晶以外の非線形光学結晶（ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＣＬＢＯなど）からなる波長変換素子については、特開２００２−５５３６８号公報や特開平５−１１２８７号公報に開示されているように、その波長変換効率を高めるべく、レーザービームの断面を楕円形に整形する手法が提案されている。
【０００５】
しかし、前者（特開２００２−５５３６８号公報）に記載された技術においては、波長変換素子として用いる非線形光学結晶にＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰまたはＣＬＢＯを採用しており（明細書の段落〔００１９〕〔００２０〕の欄参照）、四ホウ酸リチウム単結晶とは、非線形光学結晶である点で共通するものの、その種類が相違し、波長変換効率に直接影響を及ぼす特性である位相整合の角度許容幅およびウォークオフ角が異なるため、これらＢＢＯ等に関する技術をそのまま四ホウ酸リチウム単結晶に適用することはできない。
【０００６】
また、後者（特開平５−１１２８７号公報）に記載された技術は、波長変換素子となる非線形光学結晶がＢＢＯであり（明細書の段落〔０００４〕の欄参照）、四ホウ酸リチウム単結晶に適用できる保証がないことに加えて、レーザー発振器内に設置された波長変換素子の光破壊を防ぐことを目的とするため（明細書の段落〔０００８〕〔００２７〕の欄参照）、もともと耐レーザー損傷性に優れる四ホウ酸リチウム単結晶に適用する必要性が少ないものである。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、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するときの波長変換効率を高め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】
【０００８】
まず、請求項１に係る発明は、レーザー発振器から放出されたレーザービームを四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子に入射させて高調波を発生させる際に、レーザービームが前記レーザー発振器から放出されて前記波長変換素子に入射する前に、上記波長変換素子における位相整合方向をＸ軸方向とし、当該Ｘ軸方向とＣ軸方向の両方に直交する方向をＹ軸方向としたときに、当該レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを拡大するとともに、当該レーザービームのＹ軸方向のビームサイズを縮小することにより、当該レーザービームの断面を楕円形に整形したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、前記レーザービームの入力パワー密度を１６０ＭＷ／ｃｍ2以下としたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記レーザービームの入力パワー密度を１００ＭＷ／ｃｍ2以下としたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、前記レーザービームの断面の楕円率を３以上としたことを特徴とするものである。ここで、楕円率とは、Ｘ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）をＹ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）で除した値（ｄｘ／ｄｙ）である。すなわち、請求項４に係る発明は、不等式（ｄｘ／ｄｙ）≧３が成り立つようにする。
【００１２】
さらに、請求項５に係る発明は、前記レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを前記波長変換素子の長さとウォークオフ角との積以上としたことを特徴とするものである。すなわち、Ｘ軸方向のビームサイズをｄｘ、波長変換素子の長さをＬ、波長変換素子のウォークオフ角をρとしたとき、不等式ｄｘ≧ρＬが成り立つようにする。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、レーザービームの断面を楕円形に整形するに際し、前記Ｘ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープと、前記Ｙ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープとを用い、前記１対のシリンドリカルレンズの焦点距離を適宜選択することにより、前記レーザービームのＸ軸方向のビームサイズを所望のサイズに拡大するとともに、当該レーザービームのＹ軸方向のビームサイズを所望のサイズに縮小することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、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するに際して、位相整合の角度調整に敏感なＸ軸方向にビームサイズを拡大するとともに、位相整合の角度調整に鈍感なＹ軸方向にビームサイズを縮小することにより、入力パワー密度を保ちながら、同時に角度許容幅による制限が厳しいＸ軸方向のビーム広がりが改善されるため、レーザービームの断面が円形である場合と比べて、波長変換効率を増加させることができる。その結果、波長変換素子に入射させるレーザービームの出力を低く抑えることが可能となるので、波長変換装置の経済性を高めるとともに、レーザービームによる四ホウ酸リチウム単結晶の損傷を回避することができる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明によれば、レーザービームの断面が円形である場合に比べて波長変換効率を高めることができる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明によれば、レーザービームが発熱の影響を強く受けて不安定になることを回避し、波長変換効率を安定して高めることができる。
【００１７】
さらに、請求項４に係る発明によれば、レーザービームの断面が円形である場合に比べて波長変換効率を大幅（例えば、入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ2のときには約１．３〜１．４倍）に向上させて維持することができる。
【００１８】
さらに、請求項５に係る発明によれば、波長変換素子の出射端面で入射光と変換光の両光路の断面が重複し、波長変換素子内において両光路の重なりの度合が大きくなるため、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効率がさらに向上する。
【００１９】
また、請求項６に係る発明によれば、Ｘ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープによって、レーザービームのＸ軸方向のビームサイズをシリンドリカルレンズの焦点距離の比に対応したサイズに拡大し、Ｙ軸方向に凸曲面を有する１対のシリンドリカルレンズを有するテレスコープによって、レーザービームのＹ軸方向のビームサイズをシリンドリカルレンズの焦点距離の比に対応したサイズに縮小することにより、簡易な設備によって、容易かつ確実に所望の楕円率のレーザービームを形成して、波長変換素子に入射させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る波長変換方法の一実施形態が適用される波長変換装置を示す図であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその波長変換素子の斜視図である。
【００２１】
この波長変換装置は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、円形断面のレーザービームを放出するレーザー発振器１を備えており、レーザー発振器１の前方にはＸ軸方向のテレスコープ８、Ｙ軸方向のテレスコープ９および波長変換素子２が一直線状に並設されている。
【００２２】
すなわち、レーザー発振器１の前方（図１（ａ）右方）にはＸ軸方向のテレスコープ８が縦向きに設置されている。このテレスコープ８は、一対のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）４、５が所定の距離（両方のシリンドリカルレンズ４、５の焦点距離を足し合わせた距離）だけ離れて対向した構造を有しており、一方（レーザー発振器１に近い方）のシリンドリカルレンズ４に比べて他方（レーザー発振器１から離れた方）のシリンドリカルレンズ５は、その焦点距離が大きくなっている。
【００２３】
また、このＸ軸方向のテレスコープ８の前方（図１（ｂ）右方）にはＹ軸方向のテレスコープ９が横向きに設置されている。このテレスコープ９は、一対のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）６、７が所定の距離（両方のシリンドリカルレンズ６、７の焦点距離を足し合わせた距離）だけ離れて対向した構造を有しており、一方（レーザー発振器１に近い方）のシリンドリカルレンズ６に比べて他方（レーザー発振器１から離れた方）のシリンドリカルレンズ７は、その焦点距離が小さくなっている。
【００２４】
さらに、このＹ軸方向のテレスコープ９の前方（図１（ａ）右方）には、図１（ｃ）に示すように、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子２が設置されており、この波長変換素子２の長さ（Ｌ）は、図１（ａ）に示すように、この波長変換素子２に入射するレーザービームのＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）と波長変換素子２のウォークオフ角（ρ）との間で不等式ｄｘ≧ρＬが成り立つように設定されている。
【００２５】
波長変換装置は以上のような構成を有するので、レーザービームを波長変換して高調波を発生させる際には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザー発振器１から円形断面のレーザービームを前方、つまりＸ軸方向のテレスコープ８側に向けて放出する。
【００２６】
すると、このレーザービームはＸ軸方向のテレスコープ８に到達し、一方のシリンドリカルレンズ４を通過した後、他方のシリンドリカルレンズ５を通過する。このとき、上述したとおり、シリンドリカルレンズ５の焦点距離はシリンドリカルレンズ４の焦点距離より大きいので、図１（ａ）に示すように、レーザービームはテレスコープ８を通過することによってＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）が所定の倍率で拡大されることになる。例えば、シリンドリカルレンズ４、５の焦点距離がそれぞれ２００ｍｍ、３００ｍｍである場合は、Ｘ軸方向のビームサイズは１．５倍に拡大され、また、シリンドリカルレンズ４、５の焦点距離がそれぞれ２００ｍｍ、４００ｍｍである場合は、Ｘ軸方向のビームサイズは２倍に拡大される。なお、レーザービームがＸ軸方向のテレスコープ８を通過しても、図１（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）は変化しない。
【００２７】
次に、このレーザービームはＹ軸方向のテレスコープ９に到達し、一方のシリンドリカルレンズ６を通過した後、他方のシリンドリカルレンズ７を通過する。このとき、上述したとおり、シリンドリカルレンズ７の焦点距離はシリンドリカルレンズ６の焦点距離より小さいので、図１（ｂ）に示すように、レーザービームはテレスコープ９を通過することによってＹ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）が所定の倍率で縮小されることになる。例えば、シリンドリカルレンズ６、７の焦点距離がそれぞれ３００ｍｍ、１５０ｍｍである場合は、Ｙ軸方向のビームサイズは１／２倍に縮小され、また、シリンドリカルレンズ６、７の焦点距離がそれぞれ３００ｍｍ、１００ｍｍである場合は、Ｙ軸方向のビームサイズは１／３倍に縮小される。なお、レーザービームがＹ軸方向のテレスコープ９を通過しても、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）は変化しない。
【００２８】
その後、このレーザービームは波長変換素子２にその入射端面２ａから入射し、高調波が発生する。このとき、レーザービームの断面は、図１（ｃ）に示すように、レーザー発振器１から放出された直後が円形であるのに対し、波長変換素子２に入射する直前ではＸ軸方向に拡がってＹ軸方向に狭まった横長楕円形に整形されている。例えば、Ｘ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）が２倍に拡大されるとともに、Ｙ軸方向のビームサイズ（ｄｙ）が１／３倍に縮小された場合は、楕円率（ｄｘ／ｄｙ）が６の横長楕円形になる。その結果、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子２にレーザービームを円形断面のまま入射させて波長変換する場合と比べて、その波長変換効率を高めることができる。
【００２９】
なお、上記実施の形態においては、レーザー発信器１で断面円形のレーザービームを発生させ、これをテレスコープ８のシリンドリカルレンズ４、５およびテレスコープ９のシリンドリカルレンズ６、７を通過させることにより、Ｘ軸方向のビームサイズを拡大するとともに、Ｙ軸方向のビームサイズを縮小することにより、レーザービームの断面を楕円形に整形した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、上記テレスコープ８，９のシリンドリカルレンズ４、５、６、７を適宜選択することにより、レーザー発信器１から楕円形断面のレーザービームを発生させた場合においても、当該レーザービームの断面形状を所望の楕円形状に成形することが可能である。
【００３０】
このレーザービームの断面を横長楕円形にしたことによる効果を確認するため、繰返し数が１０ｋＨｚ、出力が２０ＷであるＮｄ：ＹＬＦレーザーの２倍波（波長５２３ｎｍのグリーンレーザー）を用いて、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子２による波長変換を行った。
【００３１】
ここで、レーザービームの断面として６種類の横長楕円形（１）〜（６）および３種類の円形（１）〜（３）を採用した。すなわち、横長楕円形（１）は、ｄｘ＝１．７ｍｍ、ｄｙ＝０．１７ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１０）であり、横長楕円形（２）は、ｄｘ＝１．７ｍｍ、ｄｙ＝０．１３ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１３）である。また、横長楕円形（３）は、ｄｘ＝１．７ｍｍ、ｄｙ＝０．１０ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１７）であり、横長楕円形（４）は、ｄｘ＝１．４ｍｍ、ｄｙ＝０．１７ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝８．２）である。さらに、横長楕円形（５）は、ｄｘ＝１．４ｍｍ、ｄｙ＝０．１３ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１０．８）であり、横長楕円形（６）は、ｄｘ＝１．４ｍｍ、ｄｙ＝０．１０ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１４）である。一方、円形（１）は、ｄｘ＝０．８８ｍｍ、ｄｙ＝０．７６ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１．２）であり、円形（２）は、ｄｘ＝０．４５ｍｍ、ｄｙ＝０．４４ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１．０）である。さらに、円形（３）は、ｄｘ＝０．３４ｍｍ、ｄｙ＝０．３６ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝０．９４）である。
【００３２】
その結果を図２にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸は入力グリーンレーザーのピークパワー密度を表し、縦軸は波長変換効率を表す。図２のグラフから明らかなように、少なくとも入力パワー密度が概ね２５〜５０ＭＷ／ｃｍ2の範囲内においては、入力パワー密度の大小を問わず、レーザービームの断面が円形である場合と比べてレーザービームの断面が横長楕円形である場合は波長変換効率が約２倍に向上することが実験的に明らかとなった。
【００３３】
そこで、入力パワー密度の範囲をさらに広げても同様の効果が認められるかを確認するため、２種類の横長楕円形（７）、（８）および１種類の円形（４）の断面をもつレーザービームについて、入力パワー密度を５〜２４０ＭＷ／ｃｍ2の範囲内で変化させたとき、波長変換効率がどのように変わるかを調べた。ここで、横長楕円形（７）は、ｄｘ＝１．５５ｍｍ、ｄｙ＝０．１ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１５．５）であり、横長楕円形（８）は、ｄｘ＝１．５５ｍｍ、ｄｙ＝０．１８ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝８．６）である。一方、円形（４）は、ｄｘ＝０．３４ｍｍ、ｄｙ＝０．２３ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１．５）である。
【００３４】
その結果を図３にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸は入力グリーンレーザーのピークパワー密度を表し、縦軸は波長変換効率を表す。図３のグラフから明らかなように、入力パワー密度が１６０ＭＷ／ｃｍ2以下である場合、レーザービームの断面が楕円形であるときの方が、レーザービームの断面が円形であるときより波長変換効率が向上した。ただ、レーザービームの断面が楕円形であるとき、入力パワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ2を超えると、レーザービームが発熱の影響を強く受けて不安定になるため、却って波長変換効率が低下し始める。したがって、入力パワー密度をさらに１００ＭＷ／ｃｍ2以下に制限すれば、レーザービームの断面が楕円形であるときの波長変換効率を安定して高めることが可能となる。
【００３５】
また、入力パワーとビームの断面積が一定、つまり入力パワー密度が一定（具体的には、１００ＭＷ／ｃｍ2）となる条件下で、レーザービーム断面の楕円率を０．０８８〜１１．１の範囲内で変化させたときに波長変換効率がどのように変化するかを調べた。その結果を図４にグラフで示す。このグラフにおいて、横軸はレーザービーム断面の楕円率を表し、縦軸は波長変換効率を表す。図４のグラフから明らかなように、レーザービーム断面が真円に近いとき（つまり、楕円率が１前後であるとき）には、波長変換効率が５％程度であるのに対し、レーザービーム断面の楕円率が１より大きくなれば波長変換効率が向上する傾向がみられ、レーザービーム断面の楕円率が３以上になると、波長変換効率がほぼ一定の値に安定して約６．５〜７．０％（すなわち、レーザービーム断面が真円に近いときの約１．３〜１．４倍）を維持することが判明した。
【００３６】
また、波長変換素子でレーザービームを波長変換するに際して、位相整合の角度調整に敏感なＸ軸方向にビームサイズを拡大するとともに、位相整合の角度調整に鈍感なＹ軸方向にビームサイズを縮小することにより、入力パワー密度を保ちながら、同時に角度許容幅による制限が厳しいＸ軸方向のビーム広がりが改善されるため、レーザービームの断面が円形である場合と比べて、波長変換効率を増加させることができる。これに対し、仮にＸ軸方向とＹ軸方向の両方向にビームサイズを縮小すれば、単位断面積あたりのパワー密度が増大し、四ホウ酸リチウム単結晶が損傷してしまう恐れがある。
【００３７】
さらに、四ホウ酸リチウム単結晶はそのウォークオフ角（ρ）が約２７ｍｒａｄと微小であるため、図１（ａ）に示すように、出射端面２ｂにおけるレーザービームのウォークオフによるズレは、波長変換素子の長さ（Ｌ）とウォークオフ角（ρ）との積（ρＬ）で近似することができるが、上述したとおり、レーザービームのＸ軸方向のビームサイズ（ｄｘ）はこの積（ρＬ）以上になっているので、波長変換素子２の出射端面２ｂで入射光と変換光の両光路の断面が重複し、波長変換素子２内において両光路の重なりの度合が大きくなる。その結果、四ホウ酸リチウム単結晶からなる波長変換素子２による波長変換効率がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る波長変換方法の一実施形態が適用される波長変換装置を示す図であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその波長変換素子の斜視図である。
【図２】入力グリーンレーザーのピークパワー密度と波長変換効率との関係を示すグラフの一例である。
【図３】入力グリーンレーザーのピークパワー密度と波長変換効率との関係を示すグラフの別の例である。
【図４】レーザービーム断面の楕円率と波長変換効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１……レーザー発振器
２……波長変換素子
２ａ……入射端面
２ｂ……出射端面
４、５、６、７……シリンドリカルレンズ
８……Ｘ軸方向のテレスコープ
９……Ｙ軸方向のテレスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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