(57)【要約】【課題】分極反転に要する大掛かりな設備が不要であり、短い波長ヘの波長変換も高い精度で行えるようにする。【解決手段】基本となる波長のビームから所望の波長のビームを得るための波長変換素子３である。結晶基板３ａに、結晶基板３ａのコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域、或いは、結晶基板のコヒーレンス長の整数倍の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の整数倍の領域、を交互に形成する。【効果】分極反転に要するホットプレス法、直接接合法等の大掛かりな形成過程が不要である。加熱や加圧等による分極反転を高い精度で行うことが難しかった例えば数μmの狭い幅も、分極の無い領域を形成するための溝加工を精密に行うことは容易であるため、製品の歩留まりが向上する。【選択図】図３
2013174873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本となる波長のビームから所望の波長のビームを得るための波長変換素子であって、
結晶基板に、結晶基板のコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域、或いは、結晶基板のコヒーレンス長の整数倍の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の整数倍の領域、を交互に形成したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記ビームの入射側及び出射側の両側を、前記結晶基板のコヒーレンス長またはコヒーレンス長の整数倍の領域としたものを１周期とし、これら１周期毎に極性を反転しない領域と極性を反転する領域を交互に形成したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
前記結晶基板は水晶、CLBO、BBO、LBO、KBBF、BaMgF4の何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記波長変換を直接しない領域は、結晶基板と同じ材料で結晶軸を持たないアモルファスであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記波長変換を直接しない領域は、可能な限り結晶基板の屈折率に近い屈折液であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記波長変換を直接しない領域は、真空であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記波長変換を直接しない領域は、可能な限り結晶基板と屈折率が近く、波長に対して透過性のある気体であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の波長変換素子。
【請求項８】
非線形光学結晶を用いたレーザ共振器内に請求項１〜７の何れかに記載の波長変換素子を有することを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本となる波長のビームから所望の波長のビームを得ることができる波長変換素子、及びこの波長変換素子を備えたレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば真空紫外の波長領域のレーザ光を固体光源から発振するためには、波長変換素子が必要である。この波長変換素子として、非線形光学結晶のＢＰＭ（複屈折位相整合）素子や、ＱＰＭ（擬似位相整合）素子などがあるが、真空紫外光を発振するためには、ＢＰＭ素子では和周波発生でないと位相整合がとれないので、第二高調波による場合はＱＰＭ素子を使用することになる。
【０００３】
真空紫外光を発振することのできるＱＰＭ素子として、常誘電体の水晶を使う場合、ＱＰＭ素子とするために分極反転構造を形成させる方法として、例えば特許文献１に開示されたホットプレス法や、特許文献２に開示された直接接合法等がある。
【０００４】
しかしながら、ホットプレス法は高温高圧を水晶基板に加えるために巨大な装置が必要であり、またその作業効率も悪く、品質も安定しない。一方、直接接合法は、膜厚を一定に制御しなければならないことや、接合するにあたってのプロセス（加熱等）が素子に影響を与える等、何れの方法も、分極反転を行うために大掛かりな設備が必要である。
【０００５】
また、真空紫外光のような短い波長ヘの波長変換においては、分極反転の周期を短くする（数μmというように分極反転領域が狭くなる）必要があるため、加熱や加圧等による分極反転を高い精度で行うことが難しい。
【０００６】
一方、水晶に換えて強誘電体などをＱＰＭ素子として使用する場合、ＱＰＭ素子とするために分極反転構造を形成する方法としては、電圧印加法等がある（例えば特許文献３の段落０００２参照）。
【０００７】
電圧印加法は、強誘電体結晶の上面に上面電極を、下面の略全域に下面電極を形成し、両電極間に高電圧をパルス印加するものであるが、電圧印加法による分極反転では、電解が電極周囲にも漏れ出し、電極の周囲の広い範囲で分極反転領域が形成されてしまうので、分極反転を高い精度で行うことが難しい。
【０００８】
また、電圧印加法では容易に分極反転をすることができない有機結晶でも、擬似位相整合に適用できるようにしたものが特許文献４に開示されている。
【０００９】
この特許文献４の光学素子は、非線形光学効果を有する有機結晶を擬似位相整合に適用できるようにするため、第１の非線形光学物質の上面に予め定められた周期で形成した溝に、前記第１の非線形光学物質よりも融点の低い第２の非線形光学物質を配置したものである。
【００１０】
この特許文献４の光学素子では、有機結晶として２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）が使用されているが、その吸収端は厚さ２５０μmで４６２nmと真空紫外領域のように短い波長ヘの波長変換を行える迄に達していない。
【００１１】
また、このような光学素子に真空紫外領域のような短い波長に対応する材料を配置したとしても、前記のように分極反転の短い周期で精度よく配置し、位相整合させることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１０９９１４号公報
【特許文献２】特開２００８−３２９５０号公報
【特許文献３】特開２００４−２７９６１２号公報
【特許文献４】特開平９−２１１５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする問題点は、ホットプレス法や直接接合法で水晶に分極反転構造を形成させる場合は、何れも大掛かりな設備が必要であるという点である。また、真空紫外光のような短い波長ヘの波長変換においては、分極反転の周期を短くする必要があるため、加熱や加圧等による分極反転を高い精度で行うことが難しいという点である。
【００１４】
一方、電圧印加法で強誘電体に分極反転構造を形成させる場合は、電解が電極周囲にも漏れ出し、電極の周囲の広い範囲で分極反転領域が形成されてしまうので、高い精度で行うことが難しいという点である。
【００１５】
さらに、非線形光学効果を有する有機結晶を擬似位相整合に適用できるようにした特許文献４の光学素子では、真空紫外領域のように短い波長ヘの波長変換を行える迄に達していないという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１の本発明は、分極反転に要する大掛かりな設備が不要で、短い波長ヘの波長変換も高い精度で行えるようにすることを目的としている。
【００１７】
そして、上記目的を達成するために、
第１の本発明の波長変換素子は、
基本となる波長のビームから所望の波長のビームを得るための波長変換素子であって、
結晶基板に、結晶基板のコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域、或いは、結晶基板のコヒーレンス長の整数倍の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の整数倍の領域、を交互に形成したことを最も主要な特徴としている。
【００１８】
上記第１の本発明の波長変換素子は、擬似位相整合素子のように分極反転構造を形成させないので、その製作に分極反転に要する大掛かりな設備が不要であるのに加えて、真空紫外光のような短い波長ヘの波長変換も高い精度で行うことができる。
【００１９】
上記第１の本発明の波長変換素子では、結晶基板に形成した波長変換を直接しない領域では波長変換が起こらず、波長変換光の強度は減衰も増幅もしない。
【００２０】
また、上記第１の本発明において、前記ビームの入射側及び出射側の両側を、前記結晶基板のコヒーレンス長またはコヒーレンス長の整数倍の領域としたものを１周期とし、これら１周期毎に極性を反転しない領域と極性を反転する領域を交互に形成したものが第２の本発明の波長変換素子である。
【００２１】
上記構成の第２の本発明の波長変換素子は、真空紫外の波長領域のレーザ光を発振することのできるＱＰＭ素子とするための分極反転を比較的容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
第１の本発明では、擬似位相整合素子のように分極反転構造を形成しないので、分極反転に要するホットプレス法、直接接合法等の大掛かりな形成過程が不要である。また、加熱や加圧等による分極反転を高い精度で行うことが難しかった例えば数μmの狭い幅も、分極の無い領域を形成するための溝加工を精密に行うことは容易であるため、製品の歩留まりも向上する。
【００２３】
また、第２の本発明では、真空紫外の波長領域のレーザ光を発振することのできるＱＰＭ素子とするための分極反転を比較的容易に行うことができるので、第１の本発明の波長変換素子よりも変換効率の高い擬似位相整合素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】位相整合がとれていない素子の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は波長変換の説明図である。
【図２】擬似位相素子の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は波長変換の説明図である。
【図３】第１の本発明の波長変換素子の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は波長変換の説明図である。
【図４】第１の本発明の波長変換素子の周期を説明する図である。
【図５】第１の本発明の波長変換素子の波長変換を直接しない領域に液体または気体を封入する態様の一例を説明する図である。
【図６】第１の本発明の波長変換素子で形成される導波路の周囲に、導波路よりも屈折率の低いクラッド部を設けた例の図である。
【図７】第２の本発明の波長変換素子における波長変換の説明図で、（ａ）は極性を反転しない領域、極性を反転する領域を形成する１周期Λがｍ＝１の例、（ｂ）はｍ＝２の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明では、分極反転に要する大掛かりな設備が不要で、短い波長ヘの波長変換も高い精度で行えるようにするという目的を、例えば、結晶基板に、結晶基板のコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域、或いは、結晶基板のコヒーレンス長の整数倍（例えば奇数倍）の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の整数倍（例えば奇数倍）の領域、を交互に形成することで実現した。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。
先ず、位相整合がとれていない素子、及び擬似位相整合素子を使用した波長変換について説明した後、本発明の波長変換素子について説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、位相整合がとれていない素子１を示している。この素子１の場合、基本となるビームから波長を変換されたビームは、図１（ｂ）に示すように、周期的に強弱を繰り返すことになる。これは、位相整合がとれていない素子１の場合は、波長を変換されたビームは各々が加算されて徐々に強度を増すが、コヒーレンス長離れた２点で発生したビームの位相差がπになると、互いに打ち消し合うようになって強度が減衰していくからである。
【００２８】
一方、図２（ａ）に示した、水晶等の結晶基板２ａに、結晶基板２ａでのコヒーレンス長の２倍の長さが１周期となるように、極性を反転しない領域と極性を反転する領域（分極反転領域）２ｂを交互に形成した擬似位相整合素子２の場合、波長を変換されたビームは、図２（ｂ）に示すように、常に強度が増加する。
【００２９】
これは、擬似位相整合素子２の場合は、前記素子１において互いに強度を打ち消し合う空間が分極反転領域２ｂとなっているので、逆に強度を強めあうことになるためである。
【００３０】
但し、分極反転領域を形成するためには、先に説明したように大掛かりな設備が必要である。また、真空紫外光のような短い波長ヘの波長変換では、精度良く分極反転領域を形成することはできない。
【００３１】
そこで、発明者らは、基本となるビームから波長を変換した際に強度を減衰させることがなく、分極反転領域を形成する場合のような大掛かりな設備を必要としない波長変換素子について検討を重ねた結果、以下のような波長変換素子を発明した。
【００３２】
すなわち、第１の本発明の波長変換素子３は、図３（ａ）に示すように、例えば水晶からなる結晶基板３ａに、結晶基板３ａのコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域（波長変換を直接しない領域）３ｂを交互に形成したことを主要な特徴としている。
【００３３】
このような構成の第１の本発明の波長変換素子３の場合、擬似位相整合素子２において極性を反転させる分極反転領域２ｂに、波長変換を直接しない領域３ｂを形成するため、この波長変換を直接しない領域３ｂでは波長変換が起こらず、強度は減衰も増加もしない（図３（ｂ）参照）。
【００３４】
上記構成の第１の本発明の波長変換素子３は、先ず、素材となる結晶基板３ａを、結晶基板３ａのコヒーレンス長の領域と、波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域を交互に形成するように、波長変換を直接しない領域３ｂを形成する空間を有する櫛形状に形成する。この加工は、例えばＸ線リソグラフィー、集束イオンビーム、プラズマエッチング等の超精密加工等によって行う。次に、この櫛形状に形成した結晶基板３ａの前記空間部に、波長変換を直接しない材料を充填することにより、波長変換を直接しない領域３ｂを形成する。
【００３５】
このような方法によって製作する第１の本発明の波長変換素子３は、分極反転に要するホットプレス法、直接接合法、直接接合法等の大掛かりな形成過程が不要なだけでなく、幅数μmのような狭い幅の溝加工も精密に行うことができるので、製品の歩留まりも向上する。
【００３６】
ところで、第１の本発明の波長変換素子３の波長変換を直接しない領域３ｂを形成する材料の望ましい順位は、固体、液体、気体の順であるが、何れの材料を使用しても良い。
【００３７】
固体の場合、波長変換を直接しない領域３ｂに埋め込むには、例えば分子線エピタキシー、化学蒸着、真空蒸着、イオンビームスパッタリング、電子ビームスパッタリング、レーザアブレーション、イオンプレーティングを採用すれば良い。そして、埋め込む固体は、結晶としては、水晶、CLBO、BBO、LBO、KBBF、BaMgF4等が、アモルファスとしては、CaFx（Ｘは整数）、BaF2、MgF2、LiF、SiO2、Al2O3、NaF、BaMgF4等が使用できる。但し、固体で波長変換を直接しない領域３ｂを形成する場合は、結晶基板３ａと同じ材料で、幅数μmのような狭い幅の溝への充填の容易性を考慮して、結晶軸を持たないアモルファスを使用することが望ましい。
【００３８】
この場合、結晶基板３ａでのコヒーレンス長Ｌcと波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長Ｌを加えた長さとなる周期Λは、結晶基板３ａでの第二高調波の波数をｋ2、結晶基板３ａでの基本波の波数をｋ1と、波長変換を直接しない材料での第二高調波の波数をｋ2’、波長変換を直接しない材料での基本波の波数をｋ1’とした場合、
Λ＝Ｌc＋Ｌ
但し、Ｌc＝π／（ｋ2−ｋ1）、Ｌ＝π／（ｋ2’−ｋ1’）
となる（図４参照）。
【００３９】
また、波長変換を直接しない領域３ｂを液体で形成する場合は、可能な限り結晶基板３ａの屈折率に近い（例えば結晶基板３ａの屈折率が３程度の場合は１〜２程度）液体、例えば結晶基板３ａがシリカの場合は、フューズドシリカマッチングリキッド（fused silica matching liquids）を使用することが望ましい。その他の液体としてはフッ化アルカンも使用できる。
【００４０】
また、気体で波長変換を直接しない領域３ｂを形成する場合は、可能な限り結晶基板３ａと屈折率が近く（例えば結晶基板３ａの屈折率が３程度の場合は１程度）、波長に対して透過性のある気体を使用することが望ましい。例えば波長が２００nmに対しては透過率が非常に高い窒素ガスを使用することが望ましい。また、真空で波長変換を直接しない領域３ｂを形成しても良い。
【００４１】
前記液体や気体、または真空で波長変換を直接しない領域３ｂを形成する方法としては、例えば図５に示すように、波長変換素子３をセル４の内部に入れ、セル４の内部に液体や気体を充満させたり、またセル４の内部を真空にすればよい。
【００４２】
第１の本発明の波長変換素子３で形成される導波路５の周囲に、図６に示すように、導波路５よりも屈折率の低いクラッド部６を設ければ、ビームが波長変換素子３の外部に逃げることを防止できる。
【００４３】
上記構成の第１の本発明の波長変換素子３では、分極反転させるのが困難であった物質にも位相整合を持たせることができるので、波長変換素子としての可能性が拡がる。
【００４４】
但し、第１の本発明の波長変換素子３の場合、波長変換をする領域と波長変換を直接しない領域３ｂを交互に形成するので、理論的には、波長変換効率は、擬似位相整合素子２に比べて５０％になる。
【００４５】
そこで、図７に示すように、第１の本発明の波長変換素子において、ビームの入射側及び出射側の両側を、結晶基板３ａでのコヒーレンス長またはコヒーレンス長の整数倍の領域としたものを１周期とし、これら１周期毎に極性を反転しない領域７ａと極性を反転する領域７ｂを交互に形成するようにしたものが第２の本発明の波長変換素子７である。
【００４６】
この場合、極性を反転しない領域７ａ、極性を反転する領域７ｂを形成する１周期Λは、自然数をｍとした場合、
Λ＝（ｍ＋１）Ｌc＋ｍＬ
となる。
【００４７】
このような構成の第２の本発明の波長変換素子７の場合、コヒーレンス長の整数倍の領域を１周期とし、これら１周期毎に極性を反転しない領域７ａと極性を反転する領域７ｂを交互に形成するため、真空紫外光のような短い波長の光の場合であっても、精度のよい極性反転領域を形成することができる。また、図７に示すように、極性を反転しない領域７ａと極性を反転する領域７ｂの切り替わり部のビームの入射側及び出射側の両側では強度が増加するので、波長変換効率は第１の本発明の場合よりも高くなる。ちなみに、図７（ａ）に示した例（ｍ＝１）の波長変換効率は、擬似位相整合素子２の６７％になる。
【００４８】
上記本発明の波長変換素子３，７を、非線形光学結晶を用いたレーザ共振器内に設けたものが本発明のレーザ装置である。その際、レーザ共振器は外部共振器でも良い。
【００４９】
本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００５０】
上記の例では、波長領域として真空紫外光、波長変換素子として水晶に焦点を当てて説明したが、波長変換素子としては強誘電体のものを使用しても良い。また、波長領域も真空紫外に限るものではなく、遠赤外〜紫外迄可能である。
【００５１】
また、上記の例では、結晶基板３ａに、結晶基板３ａのコヒーレンス長の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の領域、を交互に形成した場合について説明したが、結晶基板３ａのコヒーレンス長の整数倍（例えば奇数倍等）の領域と波長変換を直接しない材料のコヒーレンス長の整数倍（例えば奇数倍等）の領域、を交互に形成した場合も、同様の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００５２】
３    波長変換素子
３ａ    結晶基板
３ｂ    波長変換を直接しない領域
４    セル
５    導波路
６    クラッド部
７    波長変換素子
７ａ    極性を反転しない領域
７ｂ    極性を反転する領域
【図１】
2013174873.tif 000003
【図２】
2013174873.tif 000004
【図３】
2013174873.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013174873.tif 000007
【図６】
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【図７】
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