(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）次式
〔化１〕
ＧｄｘＹ１−ｘＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３
（Ｏ＜Ｘ＜１）
で表わされるＧｄおよびＹを含有するカルシウムオキシボレート系結晶にＹｂまたはＮｄがドープされた単一の二次非線形光学結晶素子と、
（Ｂ）当該ＹｂまたはＮｄがドープされた単一の二次非線形光学結晶素子を励起するための励起光源と、
（Ｃ）当該ＹｂまたはＮｄがドープされている単一の二次非線形光学結晶素子において発生した基本波とその第２高調波を、当該ＹｂまたはＮｄがドープされている単一の二次非線形光学結晶素子に再入射させる手段と、
（Ｄ）上記再入射される基本波とその第２高調波を、偏光面を回転させた状態で上記再入射するための偏光面制御手段と、
を備えることによって、基本波のレーザー発振と、第２高調波および第３高調波のレーザー光の発生とを行えるようにしたことを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項２】
ＧｄおよびＹを含有するカルシウムオキシボレート系結晶は、ＧｄまたはＹの一部を置換するものとして、ＬｕまたはＬａが含有されている請求項１のレーザー光発生装置。
【請求項３】
請求項１または２のレーザー光発生装置において、半導体レーザー励起手段を有し、反射部とともに、波長板を備えていることを特徴とする紫外レーザー光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、レーザー光発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、同一素子によって、基本波のレーザー発振と、第２高調波、第３高調波という波長変換光を発生することのできる新しいレーザー光発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、波長変換のための各種の光学素子が提供されている。しかしながら、従来より、紫外レーザー光発振装置としてＹＡＧレーザーの赤外光を波長変換素子により紫外光とするものが用いられているものの、従来の場合には、必要とする光学素子の数が多く、光学系が複雑になって、小型のレーザー光発振装置を構成することが難しいという問題があった。
【０００３】
また、たとえば赤外レーザー発振とともに、第２高調波の発生を同一の素子で行うことのできる結晶素子が提案されているものの、従来、第３高調波まで発生させることのできる結晶素子を実現することが難しいのが実情であった。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来の問題を克服し、同一の光素子として、多機能性を有し、第２高調波、さらには第３高調波まで発生することができ、小型な紫外レーザー光発生装置を実現することもできる、新しい多機能型のレーザー光発生装置を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、次式
【０００５】
【化２】
0004052751.tif 000002
【０００６】
【課題を解決するための手段】
で表わされるＧｄおよびＹを含有するカルシウムオキシボレート系結晶にＹｂまたはＮｄがドープされた単一の二次非線形光学結晶素子と、
（Ｂ）当該ＹｂまたはＮｄがドープされた単一の二次非線形光学結晶素子を励起するための励起光源と、
（Ｃ）当該ＹｂまたはＮｄがドープされている単一の二次非線形光学結晶素子において発生した基本波とその第２高調波を、当該ＹｂまたはＮｄがドープされている単一の二次非線形光学結晶素子に再入射させる手段と、
（Ｄ）上記再入射される基本波とその第２高調波を、偏光面を回転させた状態で上記再入射するための偏光面制御手段と、
を備えることによって、基本波のレーザー発振と、第２高調波および第３高調波のレーザー光の発生とを行えるようにしたことを特徴とするレーザー光発生装置を提供し、
第２には、ＧｄおよびＹを含有するカルシウムオキシボレート系結晶は、ＧｄまたはＹの一部を置換するものとして、ＬｕまたはＬａが含有されている請求項１のレーザー光発生装置を、第３には、１または２のレーザー光発生装置において、半導体レーザー励起手段を有し、反射部とともに、波長板を備えていることを特徴とする紫外レーザー光発生装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は以上のとおりの特徴をもつものであるが、次のその実施の形態について説明する。
まず、光学結晶素子を構成する要素としてのこの発明の前記のＧｄおよびＹ含有のカルシウムオキシボレート（ＣＯＢ）は、この出願の発明者らによって、はじめて第２高調波および第３高調波の発生が可能であることが見出されたものである。
【０００８】
このＧｄおよびＹ含有のカルシウムオキシボレートは、一般的には、Ｇｄx Ｙ1-x Ｃａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 として表わされるものである。この一般式で表わされるもののうち、たとえばより具体的には、Ｇｄの割合（Ｘ）が、Ｘ＝０．２５〜０．３５の場合のものは、第２高調波および第３高調波を発生させるのに適当であって、この結晶は、均一な組成をもつ固溶体として安定に提供されるものである。
【０００９】
波長変換のための理想的な非線形結晶については、▲１▼大きな非線形光学定数、▲２▼短い吸収端、▲３▼適度な複屈折率、を持つことがその要件となる。また、結晶として、▲４▼機械的な特性に優れていることが実用上の観点より必要となる。
なお、▲３▼の適度な複屈折率とは、発生させたい波長に対して、最も波長変換が高効率で行われる非臨界位相整合条件を満たすような複屈折率のことである。複屈折率が理想値よりも小さいと波長変換が不可能になり、大きいと非臨界位相整合条件から離れるため変換効率が低下する。
【００１０】
非線形光学結晶についてはこれまでにも様々な試みがなされてきているが、その一つとしてカルシウムオキシボレート（ＣＯＢ）系の結晶が注目されるものとしてある。
たとえば、ＡｋａらによってＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 ：ＧｄＣＯＢの非線形性が見出されており、その単結晶の育成と光学特性についての報告がなされている（１９９６年）。このＧｄＣＯＢについては、
・Ｃｚ法により育成可能であって、非水溶性であること
・ビッカース硬度：６００程度（水晶程度）であること
・ｄeff （ａｔ１０６４ｎｍ）：１．３ｐｍ／Ｖ（ＫＤＰの約３．４倍）
・位相整合限界波長８４０ｎｍであって、
Ｎｄ：ＹＡＧの第三高調波発生が不可能であること
が明らかにされている。
【００１１】
しかしながら、このＧｄＣＯＢについては、複屈折率が０．０３３と小さいことが大きな問題であった。
すなわち、ＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＧｄＣＯＢ）結晶は育成が容易で機械的特性に優れているが、複屈折率が小さいため波長変換で発生できる波長が長くなる。そこで、この出願の発明者らは、複屈折率を大きくするための手段について検討を行い、ＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＧｄＣＯＢ）結晶のＧｄをＹと置換させると複屈折率が大きくなることを見い出した。その結果、ＧｄＣＯＢ結晶はＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波しか発生できないが、ＧｄをＹと置換したＹＣＯＢではＮｄ：ＹＡＧレーザーの第３高調波発生が可能になった。
【００１２】
この新たに見出されたＹＣＯＢ結晶については、この出願の発明者らによってすでに具体的に提案がなされているところである。
ただ、これまでのＣＯＢ系結晶については、複屈折率について自在に制御することは可能とされていないことから、この出願の発明者らは、波長変換のための非線形光学結晶としてのＣＯＢについてさらに検討を進め、機械的性質とともに光学特性、特に波長変換のための重要な要件としての複屈折率について最適化制御を可能とする新しい技術手段を提供することを課題としてきた。
【００１３】
その結果として、この出願の発明者らは、以上の課題を解決するものとして、Ｇｄx Ｙ1-x Ｃａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 で表わされるものを基本とする新しい非線形光学結晶を実現した。
このものは、ＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 のＧｄＣＯＢについて、ＧｄをＹに置換する場合だけでなく、さらにはＬｕ、Ｌａなどの低の希土類元素も導入することができ、格子定数を変化させることができることも焼結体のＸ線回折観察により確認している。格子定数と屈折率とは相関があるので、格子定数が変化するということは結晶の複屈折率が変化していることを意味する。そこで、さらに検討を進め、Ｇｄ、Ｙ、Ｌｕ、Ｌａの比率を変えることにより、複屈折率を自由に制御することができることを見い出している。たとえば複屈折率は、Ｌｕ＞Ｙ＞Ｇｄ＞Ｌａの順で変化する。
【００１４】
さらにまた、発明者らは、第２高調波への変換についても見当を進めてきた。
この第２高調波への変換については、現在、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生のための波長変換結晶として、ＬＢＯ（ＬｉＢ3 Ｏ3 ）結晶が利用されている。しかし、ＬＢＯ結晶は、水溶性の結晶であるため、その寿命や信頼性が十分ではなく、しかも結晶を１４８℃もの高温に加熱しなければならず、生成が困難であることから品質上の問題があり、また、生成コストも高いという問題があった。したがって、ＬＢＯ結晶に代わる、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生のための波長変換結晶の開発が求められてきた。特に、室温での非臨界位相整合条件におけるＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波発生はこれまで実用化されておらず、これを可能とする波長変換結晶の開発が、強く望まれてきた。
【００１５】
このような状況に対し、この出願の発明者は、前記のとおり、ＧｄおよびＹを含有する（他の希土類元素による置換も含めて）カルシウムオキシボレート系結晶が第２高調波発生のための非線形光学結晶であることを見出し、この出願の発明を可能とした。
つまり、この出願の発明者らは、Ｇｄ部分を置換したＧaxＹ1-x ＣＯＢ、つまり、Ｇｄx Ｙ1-x Ｃａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 結晶で室温における非臨界位相整合条件下での第３高調波の発生を実現するとともに、同様のことを、前記組成の非線形光学結晶として、第２高調波発生（波長；５３２ｎｍのグリーン光）においても可能としているのである。この場合、第２高調波発生と第３高調波発生とは、前記のＧｄおよびＹ含有オキシボレート系結晶の組成を変化させることによって、非臨界位相整合条件で行えるのである。
【００１６】
たとえば、実施例としては、組成比（Ｘ）を、０．２８もしくはその上下近傍以下とすることにより第２高調波の発生（ｔｙｐｅ２）が可能とされ、０．２８もしくはその上下近傍以上とすることにより第３高調波の発生（ｔｙｐｅ１）が可能とされることが確認されている。
たとえば図１に示したように、Ｇｄの割合が２８％（Ｘ＝０．２８）付近で確実に第２高調波が非臨界位相整合条件で発生することになる。
【００１７】
これまで実用レベルではＬＢＯ結晶を１４８度に加熱した状態でのみ可能であったが、この発明の結晶は室温で可能としていることにおいて画期的である。特性としては、角度に対する安定性（角度許容幅）が他の結晶に比べ著しく向上していることが、図２のこの発明の結晶のデータから、また、従来の場合と比較した次の表１からよくわかる。角度許容幅とは、１ｃｍの素子に対して、出力が半減するまでの角度の幅を表わしている。
【００１８】
【表１】
0004052751.tif 000003
【００１９】
また、基本波（赤外光、波長：１０６４ｎｍ）と第２高調波（緑光）の進行方向が全く同じ（ウォークオフ角が０度）なので、相互作用長が長くなる。また、その特徴として、次のステージでさらに高次の高調波発生を行うときに、入射光がうまく重なり合って入射できるので、波長変換に有利となる。
図３は、第３高調波の非臨界位相整合条件での発生を例示した図であり、Ｘ＝０．２８付近であることがわかる。
【００２０】
以上のことともに、この発明の非線形光学素子としてのＧｄおよびＹ含有カルシウムオキシボレート結晶について重要なことは、第３高調波の非臨界位相整合条件を満たす方向と同方向にほぼ非臨界位相整合条件にて第２高調波も出力できるという点である。これは世界で初めて確認されたことである。基本波から第３高調波までを同時に、直接発生させることはできないが、この同方向性を利用することで、この出願の発明のレーザー光発生装置が提供されるのである。
【００２１】
すなわち、結晶にレーザー媒質（Ｙｂ：イッテルビウム、または、Ｎｄ：ネオジウム）をドーピングして、さらにレーザー発振の機能も加えて単一素子を使ってレーザー発振から紫外光の発生までを行うことである。
また、この発明においては、既存の拡散融着手段によって、反射ロスのない状態でのワンチップ化が図れることになる。
【００２２】
たとえば、この発明においては、内部共振器構造を利用した図４に例示した構成とすることにより、半導体レーザー励起による小型紫外レーザー光発生装置が提供される。
たとえばこの図４の構成においては、ＹｂをドープしたＧｄおよびＹ含有のカルシウムオキシボレート（ＣＯＢ）を用いている。励起用半導体レーザーや、反射コーティング、波長板は適宜なものとすることができる。たとえば励起用半導体レーザーには、発振波長〜９００ｎｍのものを、反射コーティングには多層膜構造のものを用いることができる。
【００２３】
さらに、この発明においては、拡散融着手段によって作製可能とされる図５および図６のようなレーザー光発生装置も例示することができる。
たとえば以上のとおりの手段をもつ装置を、この発明のレーザー光発生装置とすることができるのである。
なお、結晶の育成については、その手法は特に限定されることはないが、たとえば高周波誘導体加熱型Ｃｚ法により育成することができる。ＹｂまたはＮｄは、この結晶育成時にＧｄおよびＹ含有ＣＯＢの原料とともに混合して結晶育成することによりドープすることができる。Ｙｂ、そしてＮｄのドープ量は、所要の特性機能、その用途等を考慮して定めることができ、たとえば一般的には０．５〜３０％程度を、さらには２〜２０％程度を考慮することができる。
【００２４】
【実施例】
結晶の育成は、高周波誘導加熱型Ｃｚ法により行った。原料としては、ＣａＣＯ3 、Ｂ2 Ｏ3 とともに、Ｇｄ2 Ｏ3 およびＹ2 Ｏ3 を用いた。
Ｉｒ（イリジウム）坩堝で、Ａｒ（アルゴン）雰囲気中において、たとえば約１５００℃の温度において育成した。
【００２５】
Ｇｄの割合（Ｘ）を変化させてＸ＝０．３０以下の各種組成物のＧｄx Ｙ1-x ＣＯＢ結晶を育成した。
得られた結晶は、均一な組成であって、固溶体であることが確認された。
図２に例示したように、この実施例においては、第２高調波発生（ｔｙｐｅ２）について、Ｘ＝０．２８付近で、位相整合角度が９０°の非臨界位相整合条件を室温において満たすことが確認された。
【００２６】
また、図３に示したように、Ｘ＝０．２８付近での第３高調波発生（ｔｙｐｅ１）が確認された。つまり、第３高調波の非臨界位相整合条件を満たす方向と同方向に第２高調波もほぼ非臨界位相整合条件で出力できることも確認された。
そこで、以上の確認の後に、ＧｄX Ｙ1-x ＣＯＢ結晶にＹｂ、またはＮｄをドープした。ドープの手段としては、ＧｄX Ｙ1-x ＣＯＢ結晶育成原料中にＹｂ、またはＮｄを混入して結晶育成することにより行った。組成比（Ｘ）は、０．１５〜０．３０の範囲とし、ＹｂまたはＮｄのドープ量は５〜１０％とした。
【００２７】
素子としての高調波発生について評価を行ったところ、ＹｂまたはＮｄドープのＧｄおよびＹ含有ＣＯＢにおいて、同一方向にＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２、および第３高調波の発生が確認された。Ｎｄ0.12Ｇｄ0.16Ｙ0.72ＣＯＢ結晶もその一つである。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この発明によって、より構成が簡略化された、小型で、紫外レーザー光の発生までを可能とする多機能型レーザー光発生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第２高調波発生における組成（Ｘ）と位相整合角度との関係を例示した図である。
【図２】外部角と規格化第２高調波出力との関係を示した図である。
【図３】第３高調波発生における組成（Ｘ）と位相整合角度との関係を例示した図である。
【図４】半導体レーザー励起による紫外レーザー光発生装置の構成を例示した概要図である。
【図５】別のレーザー光発生装置の構成例を示した概要図である。
【図６】さらに別のレーザー光発生装置の構成例を示した概要図である。
【図１】
0004052751.tif 000004
【図２】
0004052751.tif 000005
【図３】
0004052751.tif 000006
【図４】
0004052751.tif 000007
【図５】
0004052751.tif 000008
【図６】
0004052751.tif 000009