(57)【要約】【課題】  四ホウ酸リチウム単結晶からなる板状の波長変換素子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、その波長変換効率を高める。【解決手段】  レーザー発振器１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２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、波長変換素子２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、かつこのレーザービームを、断面形状が上記楕円形に対応するＸ軸方向の幅寸法がＹ軸方向の幅寸法よりも大きい長方形に形成されるとともに内部が加熱された波長変換素子２に入射させる。【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、
レーザービームが上記レーザー発振器から放出されて上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、
かつこのレーザービームを、断面形状が上記楕円形に対応する上記Ｘ軸方向の幅寸法が上記Ｙ軸方向の幅寸法よりも大きい長方形に形成されるとともに内部が加熱された上記波長変換素子に入射させることを特徴とする波長変換方法。
【請求項２】
上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に記載の波長変換方法。
【請求項３】
上記波長変換素子の内部を１００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度に加熱制御することを特徴とする請求項１または請求項２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。
【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が０．１６ｐｍ／Ｖと小さいため、波長変換効率が低いという欠点がある。そこで、従来、四ホウ酸リチウム単結晶を加熱して２光子吸収を減少させることにより、２光子吸収による損失を低減させ、波長変換効率を高めていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このように四ホウ酸リチウム単結晶を加熱したとしても、２光子吸収が減少するにとどまり、２光子吸収がゼロになるわけではない。そして、この四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収に付随して波長変換素子の内部で発熱し、波長変換素子の内部温度が不均一となるため、屈折率が変化して位相整合性が崩れてしまう。その結果、この位相不整合に起因して波長変換に損失が生じ、却って波長変換効率が下がってしまう恐れがある。
【０００５】
なお、四ホウ酸リチウム単結晶以外の非線形光学結晶（ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯなど）からなる波長変換素子については、特開平１１−６４９０３号公報に開示されているように、熱的安定性に優れ、安定かつ信頼性の高い波長変換素子を得るべく、非ウォークオフ方向（Ｙ軸方向）において、レーザービームの径に対する非線形光学結晶の厚みを１５倍以下に薄くする技術が提案されている（明細書の段落〔００３２〕〔００９４〕の欄参照）。
【０００６】
しかし、この特開平１１−６４９０３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ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯを採用しており（明細書の段落〔００１４〕〔００１５〕の欄参照）、これらＬＢＯ等に比べて四ホウ酸リチウム単結晶はもともと出力変動が小さいので、この技術を適応して出力変動を抑える必要性が少ない。さらに、この特開平１１−６４９０３号公報では、ＢＢＯ結晶は紫外光に対して２％／ｃｍ程度の吸収係数を持っており、出力２Ｗ以上の紫外レーザーを発生させた場合、熱的不安定が生じ、１分程度の周期で出力が０．５〜２Ｗの間で変動すると記載されている（明細書の段落〔００２６〕〔００３１〕の欄参照）ことから明らかなように、薄型結晶を用いる目的は、温度制御の応答性を速くし、出力変動の周期と振幅を小さくすることである。ところが、さらに高出力の紫外レーザーを発生させると、再び熱的不安定が生じることが危惧される。したがって、この特開平１１−６４９０３号公報に記載された技術は、本発明に関連する先行技術となりえないものである。
【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】
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、レーザービームが上記レーザー発振器から放出されて上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、かつこのレーザービームを、断面形状が上記楕円形に対応する上記Ｘ軸方向の幅寸法が上記Ｙ軸方向の幅寸法よりも大きい長方形に形成されるとともに内部が加熱された上記波長変換素子に入射させることを特徴とするものである。
【０００９】
この際に、請求項２に係る発明は、上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。
【００１０】
さらに、請求項３に係る発明は、上記波長変換素子の内部を１００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度に加熱制御することを特徴とするものである。ここで、波長変換素子の内部を１００〜４５０℃の温度範囲に限定したのは、波長変換素子の内部温度が１００℃に満たないと、所望の波長変換を行わせることができず、逆に波長変換素子の内部温度が４５０℃を超えると、波長変換素子の加熱に要するエネルギーが増大する割には２光子吸収があまり減少しなくなって経済性に劣るからである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、波長変換素子をそのＸ軸方向の表裏両面から加熱することにより、四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収によるレーザ出力の損失が抑制されることに加えて、波長変換素子の加熱によっても波長変換素子の厚さ方向の温度勾配が生じないため、波長変換素子の内部を一定温度に均一に保持することができる。その結果、四ホウ酸リチウム単結晶の不均一な温度分布による位相不整合を回避し、波長変換効率を高めることができる。
【００１２】
加えて、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、波長変換素子内における入力レーザービームの光路と変換されたレーザービームの光路の重なり度合いが大きくなり、また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。したがって、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。
【００１３】
この際に、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、顕著な波長変換効率の増加効果を得ることができる。
さらに、請求項３に係る発明によれば、上述の作用効果を安定的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
また、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を平板状に形成した波長変換素子２が設置されており、この波長変換素子２の厚さ（Ｔ）は、波長変換素子２をその表面２ｃおよび裏面２ｄから加熱したときに波長変換素子２が実用上その厚さ方向に温度勾配を生じることが無い程に十分に薄くなっている。また、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。
【００１９】
さらに、波長変換素子２には四角筒状の加熱オーブン３が波長変換素子２を包囲する形で設置されており、加熱オーブン３内には銅製のブロック（図示せず）が波長変換素子２に密着する形で格納されている。このブロックにはセラミックヒータ（図示せず）が当該ブロックを加熱しうるように装着されており、このセラミックヒータに通電することにより、上記ブロックを介して波長変換素子２をその表面２ｃおよび裏面２ｄから加熱することができる。なお、波長変換素子２には温度検出手段として熱電対（図示せず）が適所に付設されており、これらの熱電対の検出温度に基づいてセラミックヒータへの通電電流を適宜増減することにより、波長変換素子２の内部を定温に保持することができる。
【００２０】
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、まず、波長変換素子２の内部を１００〜４５０℃の温度範囲内の特定温度（例えば、３００℃）に加熱すべく、上記セラミックヒータに通電して波長変換素子２をその表面２ｃおよび裏面２ｄから加熱する。すると、上述したとおり、波長変換素子２は十分に薄いので、実用上その厚さ方向に温度勾配を生じることなく特定温度まで昇温し、波長変換素子２の内部の温度分布は均一となる。
【００２１】
この状態で、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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、波長変換素子２は特定温度に保持されているので、四ホウ酸リチウム単結晶の２光子吸収によるレーザ出力の損失を抑制することができる。しかも、波長変換素子２の内部の温度分布は均一となっているため、四ホウ酸リチウム単結晶の不均一な温度分布による位相不整合を回避し、波長変換効率を高めることが可能となる。
【００２４】
しかも、波長変換素子２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、波長変換素子内における入力レーザービームの光路と変換されたレーザービームの光路の重なり度合いが大きくなり、また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。
【００２５】
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。
【００２６】
上述した効果を確認するため、四ホウ酸リチウム単結晶からなる平板状（厚さ１ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ）の波長変換素子２をいくつか試作して４つのグループ（第１グループ、第２グループ、第３グループおよび第４グループ）に分け、第１グループに属する波長変換素子２を室温（約２０℃）のまま放置するとともに、第２〜４グループに属する波長変換素子２を加熱オーブン３内に設置して加熱し、それぞれ１００℃、２００℃、３００℃で均一に保持した。次いで、これら４つのグループに属する波長変換素子２を用いて、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）の波長変換を行った。ここで、波長変換素子２に入射する直前のレーザービームは、Ｘ軸方向のビームサイズｄｘが１．６ｍｍ、Ｙ軸方向のビームサイズｄｙが０．１ｍｍ（楕円率ｄｘ／ｄｙ＝１６）の横長楕円形とした。
【００２７】
そして、入力グリーンレーザーのピークパワー密度が１０〜５０ＭＷ／ｃｍ2の範囲内において、波長変換素子２の温度を室温、１００℃、２００℃、３００℃と４段階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。また、図２のグラフ中の「ＲＴ」は室温を意味する。
【００２８】
図２に示すグラフから明らかなように、入力グリーンレーザーのピークパワー密度が１０〜５０ＭＷ／ｃｍ2の範囲内のほとんどの領域において、波長変換素子２の温度が室温から１００℃、２００℃、３００℃と高温になるに従って波長変換効率が向上する傾向がみられ、特に入力パワー密度が約３７ＭＷ／ｃｍ2を超えると、室温では入力パワー密度を増やしても波長変換効率が向上しないのに対し、１００℃、２００℃、３００℃の場合は入力パワー密度の増加に伴って波長変換効率が向上することが実験的に明らかとなった。
【００２９】
また、レーザービームの断面は、図１に示すように、波長変換素子２に入射する直前では、波長変換素子２の幅（Ｗ）および厚さ（Ｔ）に応じて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。しかも、波長変換素子２の内部温度は均一になっている。したがって、波長変換素子２のほぼ全領域を有効に使って波長変換を行うことができ、この点でも波長変換効率を高めることが可能となる。
【００３０】
また、レーザービームの断面を円形から横長楕円形に変形する際に、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しているため、位相整合条件を満たしやすくなり、位相整合性の崩れに起因する波長変換効率の低下を避けることができる。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。
【００３１】
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２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】
【００３２】
【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）はその平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその波長変換素子の斜視図である。
【図２】レーザービームの各入力パワー密度において波長変換素子の温度が波長変換効率に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
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
２ｃ……表面
２ｄ……裏面
３……加熱オーブン
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
Ｔ……波長変換素子の厚さ
Ｗ……波長変換素子の幅
【図１】
2007298933.tif 000003
【図２】
2007298933.tif 000004