(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)にアルゴンレーザ(11)からレーザ光を入射して波長変換するレーザ装置において、
前記四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)は、その中を伝搬する前記レーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きと前記レーザ光の入射方向の関係が定められ、
前記波長変換素子(10)を１２．５〜１５．５℃の温度範囲に維持する温度調整器(13)を有し、
波長４８８ｎｍのレーザ光が前記波長変換素子(10)に入射されて前記レーザ光が２４４ｎｍに波長変換される
ことを特徴とする四ほう酸リチウム単結晶を用いたレーザ装置。
【請求項２】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)にアルゴンレーザ(11)からレーザ光を入射して波長変換するレーザ装置において、
前記四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)は、その中を伝搬する前記レーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きと前記レーザ光の入射方向の関係が定められ、
前記波長変換素子(10)を３００〜５００℃の温度範囲に維持する温度調整器(23)を有し、
波長４９６．５ｎｍのレーザ光が前記波長変換素子(10)に入射されて前記レーザ光が２４８．２５ｎｍに波長変換される
ことを特徴とする四ほう酸リチウム単結晶を用いたレーザ装置。
【請求項３】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)は、ｃ軸に対してなす角度をθmとするとき、θm＝９０度±２度の関係を満たす方向に伝搬方向が定められるように切り出された請求項１又は２記載のレーザ装置。
【請求項４】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)にアルゴンレーザ(11)からレーザ光を入射して波長変換する方法において、
前記四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)の中を伝搬する前記レーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きと前記レーザ光の入射方向の関係を定め、
前記波長変換素子(10)を１２．５〜１５．５℃の温度範囲に維持し、
波長が４８８ｎｍのレーザ光を前記波長変換素子(10)に入射して前記レーザ光を２４４ｎｍに波長変換することを特徴とする波長変換方法。
【請求項５】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)にアルゴンレーザ(11)からレーザ光を入射して波長変換する方法において、
前記四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)の中を伝搬する前記レーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きと前記レーザ光の入射方向の関係を定め、
前記波長変換素子(10)を３００〜５００℃の温度範囲に維持し、
波長が４９６．５ｎｍのレーザ光を前記波長変換素子(10)に入射して前記レーザ光を２４８．２５ｎｍに波長変換することを特徴とする波長変換方法。
【請求項６】
四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子(10)は、ｃ軸に対してなす角度をθmとするとき、θm＝９０度±２度の関係を満たす方向に伝搬方向が定められるように切り出された請求項４又は５記載の波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）単結晶からなる波長変換素子を用いたレーザ装置並びにこれを用いた波長変換方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザのような赤外固体レーザと入射光の波長を半分にする波長変換素子とを用いて作られる紫外領域や可視領域の短波長固体レーザは、従来のアルゴンガスレーザやエキシマレーザと比較して、安全性が高く、メンテナンスが容易である上、価格が低く小型でコンパクトである利点があるため、これまで活発な研究が行われている。
【０００３】
その中で最近注目されている方法として、アルゴンレーザの第２高調波（ＳＨＧ）による連続波（ＣＷ）の紫外光の発生がある。この方法は、エキシマレーザでは不可能な連続光を発生することができ、またファイバグレーティング（fiber grating）には欠かせない２４０ｎｍ帯域の波長のレーザ光を発生できることから、将来の重要な加工光源として考えられるようになってきた。
現在、このアルゴンレーザの第２高調波を作るための波長変換結晶として、ＢＢＯ（ＢａＢ2Ｏ4）のみが用いられている。この結晶は変換定数が大きい利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＢＢＯ結晶からなる波長変換素子は臨界位相整合（Critical phase matching、ＣＰＭ）型の素子であるため、角度許容幅が小さく、ウオークオフ角が大きく、更に薄い結晶を使わざるを得ず、変換効率を大きくすることができない欠点があった。ここで角度許容幅とは、位相整合角度（波長変換素子が第２高調波を発生するときのレーザ光とｃ軸との角度）から微小角度を振ったときに波長変換されたレーザ光の出力が正確な位相整合角度での半波長レーザ光出力の半分になるときの角度の幅（単位：ｍｒａｄ・ｃｍ）をいう。またＢＢＯ結晶は上記第２高調波光を吸収して自己発熱を生じ、これにより位相整合条件が変って第２高調波光の出力変動を引き起し、結晶の寿命も短い等の多くの不具合があった。このため、アルゴンレーザの第２高調波による連続波の紫外光の発生は、大変有効な方法であるが、工業的に実用化レベルには未だ到達していなかった。
【０００５】
本発明の目的は、非臨界位相整合で波長変換する四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子を用いて、連続波の２４４ｎｍ又は２４８．２５ｎｍのレーザ光を安定して発生するレーザ装置及びその波長変換方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図２に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０にアルゴンレーザ１１からレーザ光を入射して波長変換するレーザ装置において、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０は、その中を伝搬するレーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きとレーザ光の入射方向の関係が定められ、波長変換素子１０を１２．５〜１５．５℃の温度範囲に維持する温度調整器１３を有し、波長４８８ｎｍのレーザ光が波長変換素子１０に入射されてレーザ光が２４４ｎｍに波長変換されることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、図４に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０にアルゴンレーザ１１からレーザ光を入射して波長変換するレーザ装置において、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０は、その中を伝搬するレーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きとレーザ光の入射方向の関係が定められ、波長変換素子１０を３００〜５００℃の温度範囲に維持する温度調整器２３を有し、波長４９６．５ｎｍのレーザ光が波長変換素子１０に入射されてレーザ光が２４８．２５ｎｍに波長変換されることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明であって、図２に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０がｃ軸に対してなす角度をθmとするとき、θm＝９０度±２度の関係を満たす方向に伝搬方向が定められるように切り出されたレーザ装置である。
請求項１ないし３いずれかに係る発明では、所定の温度下でレーザ入射光を光の伝搬方向にすると、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０がビームウオークオフを生じず、非臨界位相整合によるレーザ装置となる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０にアルゴンレーザ１１からレーザ光を入射して波長変換する方法において、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０の中を伝搬するレーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きとレーザ光の入射方向の関係を定め、波長変換素子１０を１２．５〜１５．５℃の温度範囲に維持し、波長が４８８ｎｍのレーザ光を波長変換素子１０に入射してレーザ光を２４４ｎｍに波長変換することを特徴とする。
請求項４に係る発明では、連続波の２４４ｎｍのレーザ光を安定して発生することができる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、図４に示すように、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０にアルゴンレーザ１１からレーザ光を入射して波長変換する方法において、四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０の中を伝搬するレーザ光がビームウオークオフを生じないようにその結晶軸の向きとレーザ光の入射方向の関係を定め、波長変換素子１０を３００〜５００℃の温度範囲に維持し、波長が４９６．５ｎｍのレーザ光を波長変換素子１０に入射してレーザ光を２４８．２５ｎｍに波長変換することを特徴とする。
請求項５に係る発明では、連続波の２４８．２５ｎｍのレーザ光を安定して発生することができる。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項５又は６に係る発明であって、更に図１に示すように、四ほう酸リチウム単結晶１０がｃ軸に対してなす角度をθmとするとき、θm＝９０度±２度の関係を満たす方向に伝搬方向が定められるように切り出された波長変換方法である。
請求項６に係る発明では、連続波の２４４ｎｍ又は２４８．２５ｎｍのレーザ光を非臨界位相整合で安定して発生することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる四ほう酸リチウム単結晶は、他の結晶に比べて、潮解性が小さく耐湿性に優れ、レーザ損傷しきい値（レーザ耐力）が著しく大きく、赤外線から本発明の紫外領域のレーザ光を得るための波長変換結晶に適する。またレーザ入射光の波長に対する透明領域が広く、良質の大型結晶の育成が可能で、加工性に優れる。しかし、この四ほう酸リチウム単結晶は波長変換効率を示す非線形光学定数が小さいことが欠点として挙げられる。この変換効率は四ほう酸リチウム単結晶の結晶長を大きくすれば、その変換効率は結晶長の２乗に比例するので、改善することができる。ところが結晶長を大きくすると、角度許容幅や波長許容幅等が狭くなる。また波長変換した光は入射光と波長が異なるので、屈折率の分散により入射光の進行方向に対してある角度（ビームウオークオフ角）をもって発生する。このビームウオークオフにより、変換効率が減少するとともに、入射光のビーム横断面が真円であるとき、変換した光のビーム横断面は扁平となり楕円になる。
【００１３】
このため、本発明者らは、四ほう酸リチウム単結晶においてビームウオークオフを生じない非臨界位相整合により、単結晶の単位長さ当りの波長変換効率を低下させることなく、波長変換できる方法を実現し、本発明を達成した。即ち、本発明の方法によれば、従来のＢＢＯ結晶に代わって、紫外線の吸収が小さい四ほう酸リチウム単結晶を用いて、アルゴンレーザの例えば波長４８８ｎｍ又は４９６．５ｎｍでビームウオークオフを生じない非臨界位相整合により角度許容幅が極めて大きくなり、連続波の２４４ｎｍ又は２４８．２５ｎｍのレーザ光を安定して発生することができる。
【００１４】
非臨界位相整合にするためには、図１に示すように四ほう酸リチウム単結晶１０をｃ軸に対してなす角度をθmとするとき、θm＝９０度±２度の関係を満たす方向に光の伝搬方向が定められるように切り出す。θmが上記範囲外になると、四ほう酸リチウム単結晶の角度許容幅を越えるため、θmは９０度±２度に設定する。９０度が最も望ましい。θmを９０度にすれば、チョクラルスキー法やブリッジマン法により四ほう酸リチウム単結晶の＜１１０＞方位に切り出した種結晶でこの四ほう酸リチウム単結晶を育成した場合に、育成した単結晶のカット面を容易に決めることができる利点もある。また四ほう酸リチウム単結晶が負の一軸結晶であるため、波長変換素子として第２高調波を発生させるときのレーザ光とｃ軸（光軸）との角度θmのみを非臨界位相整合条件として考慮すればよく、ｃ面上の回転角φは考慮する必要はない。
【００１５】
アルゴンレーザの４８８ｎｍの波長で非臨界位相整合条件に達するためには、四ほう酸リチウム単結晶の温度を１２．５〜１５．５℃にする必要がある。この温度範囲外では非臨界位相整合で４８８ｎｍの波長変換を行うことができない。このため四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子は、ペルチェ素子などを用いた温度調整器で所定の温度を維持しながら、波長変換する必要がある。
またアルゴンレーザの４９６．５ｎｍの波長で非臨界位相整合条件に達するためには、四ほう酸リチウム単結晶の温度を３００〜５００℃にする必要がある。四ほう酸リチウム単結晶の温度を３００〜５００℃に限定したのは、３００℃未満では非臨界位相整合波長が４９６．５ｎｍより長波長となり、５００℃を越えると非臨界位相整合波長が４９６．５ｎｍより短波長となるからである。上記温度範囲は３５０〜４５０℃であることが好ましく、４００℃であることが更に好ましい。このため四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子は、電気炉などを用いた温度調整器で所定の温度を維持しながら、波長変換する必要がある。
【００１６】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
四ほう酸リチウム単結晶の非臨界位相整合を調べるために、ｃ軸に対して９０度の方向に光の伝搬方向が定められるように切り出した、長さ１ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍの四ほう酸リチウム単結晶を用意した。この単結晶の（１１０）面を研磨してレーザ光の入射面とした。
図２に示すように、この四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０をアルゴンレーザ１１とプリズム１２の間のレーザ光の光路に配置した。波長変換素子１０をアルゴンレーザ１１からの光の入射方向がそのｃ軸に対して９０度になるように位置決めした。波長変換素子１０の近傍にこの素子の温度を所定の温度に維持するペルチェ素子を用いた温度調整器１３を配置した。この温度調整器１３により四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０の温度を１０℃から１７℃まで段階的に上げていきながら、アルゴンレーザ１１から１０Ｗの連続波の波長約４８８ｎｍのレーザ光を素子１０の（１１０）面に入射したところ、プリズム１２で屈折した波長２４４ｎｍの光の出力を測定した。
ここで、素子１０の温度が約１２℃から約１６℃の間でレーザ装置の出力が大きく上昇した。この温度範囲で発生した出力は１１℃での出力の約１２倍で１ｍＷであった。この四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子のビームウオークオフ角度は０度であった。また非臨界位相整合条件が成立しているときの温度許容幅（temperature acceptance (ＦＷＨＭ)）は、約３．５℃・ｃｍであって、同じく角度許容幅は１．５２゜・ｃｍ1/2（２７ ｍｒａｄ・ｃｍ1/2）であった。このとき、四ほう酸リチウム単結晶ではビームウオークオフを生じず、非臨界位相整合による波長変換が可能になった。
【００１７】
＜比較例１＞
比較のために、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、高さ５ｍｍのＢＢＯ（ＢａＢ2Ｏ4）結晶を用意した。この結晶からなる波長変換素子を実施例１と同様にアルゴンレーザとプリズムの間のレーザ光の光路に配置し、かつ波長変換素子の近傍にこの素子の温度を所定の温度に維持するペルチェ温度調整器を配置した。この温度調整器によりＢＢＯ結晶からなる波長変換素子の温度を実施例１と同様に段階的に上げていった。アルゴンレーザから１０Ｗの連続波の波長４８８ｎｍのレーザ光をＢＢＯからなる波長変換素子に入射した。プリズムで屈折した波長２４４ｎｍの光の出力を測定した。
ここで、ＢＢＯ結晶からなる波長変換素子を用いると、臨界位相整合型の結晶であるため、温度でなく結晶の角度を回転させることにより、最大８ｍＷの２４４ｎｍの光を確認した。このＢＢＯ結晶からなる波長変換素子のビームウオークオフ角度は４．６６度であった。このときの角度許容幅は０．２５ ｍｒａｄ・ｃｍであった。ＢＢＯ結晶ではビームウオークオフを生じるので、非臨界位相整合によらない波長変換となる。
【００１８】
＜実施例２＞
図３に示すアルゴンレーザの内部に長さ５ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍの四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０と温度調整器１３を設置した。即ち、プラズマ管１６の光路にその光の入射方向が四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸に対して９０度になるように位置決めして波長変換素子１０を配置した。実施例１と同様に四ほう酸リチウム単結晶の（１１０）面をレーザ光の入射面とした。符号１７は全反射ミラー、１８はハーフミラーである出力ミラー、１９はアパーチャである。
実施例１の結果から、温度調整器１３で素子１０の温度を１３．８℃に維持し、アルゴンレーザ内部共振器内でプラズマ管１６から波長４８８ｎｍのレーザ光を発生させた。波長変換素子１０の波長変換により、出力ミラー１８から波長２４４ｎｍの光が発生した。この２４４ｎｍの出力は２００ｍＷであり、１０時間連続運転したところ、結晶は損傷せず出力は安定していた。
【００１９】
＜比較例２＞
実施例２と同じ条件で、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、高さ５ｍｍのＢＢＯ（ＢａＢ2Ｏ4）結晶をアルゴンレーザの内部に設置し、実施例２と同様にプラズマ管から波長４８８ｎｍのレーザ光を発生させた。ＢＢＯ結晶の波長変換により、出力ミラーから波長２４４ｎｍの光が発生した。この２４４ｎｍの出力は最大で１００ｍＷしかなく、１時間連続運転したところ、結晶は破壊してしまい、レーザ耐力性に劣っていた。
【００２０】
＜実施例３＞
高温での四ほう酸リチウム単結晶の非臨界位相整合を調べるために、ｃ軸に対して９０度の方向に光の伝搬方向が定められるように切り出した、長さ１ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍの四ほう酸リチウム単結晶を用意した。この単結晶の（１１０）面を研磨してレーザ光の入射面とした。
図４に示すように、この四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０をアルゴンレーザ１１とプリズム１２の間のレーザ光の光路に配置した。波長変換素子１０をアルゴンレーザ１１からの光の入射方向がそのｃ軸に対して９０度になるように位置決めした。波長変換素子１０の近傍にこの素子の温度を所定の温度に維持する電気炉を用いた温度調整器２３を配置した。この温度調整器２３により四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０の温度を室温から５５０℃まで段階的に上げていきながら、アルゴンレーザ１１から約５Ｗの連続波の波長約４９６．５ｎｍのレーザ光を素子１０の（１１０）面に入射したところ、プリズム１２で屈折した波長２４８．２５ｎｍの光の出力を測定した。
ここで、素子１０の温度が約３００℃から約５００℃の間でレーザ装置の出力が大きく上昇した。この温度範囲で発生した出力は室温での出力の約１０倍で０．５ｍＷであった。この四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子のビームウオークオフ角度は０度であった。また非臨界位相整合条件が成立しているときの温度許容幅（temperature acceptance (ＦＷＨＭ)）は、約３℃・ｃｍであって、同じく角度許容幅は１．５゜・ｃｍ1/2（２７ ｍｒａｄ・ｃｍ1/2）であった。このとき、四ほう酸リチウム単結晶ではビームウオークオフを生じず、非臨界位相整合による波長変換が可能になった。
更に長さ５ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍの四ほう酸リチウム単結晶を用いて、上記と同様の実験を行ったところ、約３００℃から約５００℃の温度範囲で出力が最大３ｍＷで波長が２４８．２５ｎｍの光を確認した。
【００２１】
＜比較例３＞
比較のために、長さ０．５ｃｍ、幅０．５ｃｍ、高さ０．５ｃｍのＢＢＯ（ＢａＢ2Ｏ4）結晶を用意した。この結晶からなる波長変換素子を実施例３と同様にアルゴンレーザとプリズムの間のレーザ光の光路に配置し、かつ波長変換素子の近傍にこの素子の温度を所定の温度に維持する電気炉からなる温度調整器を配置した。この温度調整器によりＢＢＯ結晶からなる波長変換素子の温度を実施例３と同様に段階的に上げていった。アルゴンレーザから１０Ｗの連続波の波長４９６．５ｎｍのレーザ光をＢＢＯからなる波長変換素子に入射した。プリズムで屈折した波長２４８．２５ｎｍの光の出力を測定した。
ここで、ＢＢＯ結晶からなる波長変換素子を用いると、臨界位相整合型の結晶であるため、温度でなく結晶の角度を回転させることにより、最大２ｍＷの２４８．２５ｎｍの光を確認した。このＢＢＯ結晶からなる波長変換素子のビームウオークオフ角度は４．６度であった。このときの角度許容幅は０．２５ ｍｒａｄ・ｃｍであった。ＢＢＯ結晶ではビームウオークオフを生じるので、非臨界位相整合によらない波長変換となる。
【００２２】
＜実施例４＞
図５に示すアルゴンレーザの内部に長さ５ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍの四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子１０と電気炉からなる温度調整器２３を設置した。即ち、プラズマ管１６の光路にその光の入射方向が四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸に対して９０度になるように位置決めして波長変換素子１０を配置した。実施例３と同様に四ほう酸リチウム単結晶の（１１０）面をレーザ光の入射面とした。符号１７は全反射ミラー、１８はハーフミラーである出力ミラー、１９はアパーチャである。
実施例３の結果から、温度調整器２３で素子１０の温度を３００℃から５００℃の範囲に維持し、アルゴンレーザ内部共振器内でプラズマ管１６から波長４９６．５ｎｍのレーザ光を発生させた。波長変換素子１０の波長変換により、出力ミラー１８から波長２４８．２５ｎｍの光が発生した。この２４８．２５ｎｍの出力は１００ｍＷであり、１０時間連続運転したところ、結晶は損傷せず出力は安定していた。
【００２３】
＜比較例４＞
実施例４と同じ条件で、長さ０．５ｃｍ、幅１ｃｍ、高さ１ｃｍのＢＢＯ（ＢａＢ2Ｏ4）結晶をアルゴンレーザの内部に設置し、実施例４と同様にプラズマ管から波長４９６．５ｎｍのレーザ光を発生させた。ＢＢＯ結晶の波長変換により、出力ミラーから波長２４８．２５ｎｍの光が発生した。この２４８．２５ｎｍの出力は最大で１００ｍＷであったけれども、時間安定性が悪く、１時間連続運転したところ、結晶は破壊してしまい、レーザ耐力性に劣っていた。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、非臨界位相整合による波長変換に適した四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子を用いて、連続波の２４４ｎｍ又は２４８．２５ｎｍのレーザ光を安定して発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子の結晶軸の向きと光の伝搬方向の関係を示す図。
【図２】実施例１のアルゴンレーザ装置の構成図。
【図３】実施例２のアルゴンレーザ内部共振器の構成図。
【図４】実施例３のアルゴンレーザ装置の構成図。
【図５】実施例４のアルゴンレーザ内部共振器の構成図。
【符号の説明】
１０  四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子
１１  アルゴンレーザ
１２  プリズム
１３，２３  温度調整器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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