(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
潮解性を有する非線形結晶を用いた波長変換装置において、非線形結晶が内部に配置される容器であって、波長を変換するときは開口の閉塞機構を開放し非線形結晶への入射光を取り入れる開口（但し、光学ウィンドウを持たない）と波長を変換するときは開口の閉塞機構を開放し非線形結晶からの出射光を通過させる開口（但し、光学ウィンドウを持たない）とを設けるとともに、水を電気分解する側を容器内に向け、固体高分子電解質膜を移動する水素イオンを水分子として放出する側を容器外に向けた除湿器が容器の筐体に取り付けられる非線形結晶収納容器を、設けたことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
請求項１の波長変換装置において、前記開口には、筒部材により光束を通過させる孔を持つ複数のアパーチャ板を保持するラビリンス構造ユニットが取付けられていることを特徴とする波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形結晶を用いた波長変換装置及びこれを備えるレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
波長変換に使用される非線形光学結晶には、セシウム・リチウム・ボーレート（ＣＬＢＯ）結晶やＫＨ2ＰＯ4（ＫＤＰ）等のように潮解性を有する結晶がある。これら潮解性を有する結晶を長期間安定して使用するには、この潮解性の対策を施す必要がある。従来、この潮解性の対策方法として、例えば、入射光・出射光を透過する一対の光学ウィンドウを有した密閉容器内に非線形光学結晶とシリカゲル等の除湿剤とを同時に保持したり、あるいは密閉容器内にアルゴンガスや窒素ガスに置換することによって、低除湿環境下に保持する方法が用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光学ウィンドウを有した密閉容器による波長変換装置においては、ウィンドウに使用波長に対する反射防止膜を施す必要があったり、ウィンドウの損傷しきい値により、使用可能なエネルギに制限があったりする等、高効率・高出力な波長変換を目指す上での問題があった。特に紫外光を入力または出力するウィンドウを有した密閉容器による波長変換装置においては、ウィンドウにおけるその紫外光やウィンドウの損傷しきい値が問題となりやすかった。
【０００４】
さらに、使用する結晶によっては、例えば１００℃以上の高温に保持することが好ましいものがある。しかし、波長変換装置内を高温にすると、波長変換装置の構成材料中からガスが生じるなどしてウィンドウが曇り、そこにレーザ光が照射されるために結晶への入力強度の低下、出力光の低下、ウィンドウが損傷する等の問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、潮解性を有する非線形結晶の波長変換特性を長期間安定して得ることができる波長変換装置及びこれを備えるレーザ装置を提供することを技術課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）  潮解性を有する非線形結晶を用いた波長変換装置において、非線形結晶が内部に配置される容器であって、波長を変換するときは開口の閉塞機構を開放し非線形結晶への入射光を取り入れる開口（但し、光学ウィンドウを持たない）と波長を変換するときは開口の閉塞機構を開放し非線形結晶からの出射光を通過させる開口（但し、光学ウィンドウを持たない）とを設けるとともに、水を電気分解する側を容器内に向け、固体高分子電解質膜を移動する水素イオンを水分子として放出する側を容器外に向けた除湿器が容器の筐体に取り付けられる非線形結晶収納容器を、設けたことを特徴とする。
（２）  （１）の波長変換装置において、前記開口には、筒部材により光束を通過させる孔を持つ複数のアパーチャ板を保持するラビリンス構造ユニットが取付けられていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の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装置の概略構成を説明する図である。
【０００８】
波長変換装置１０は、容器１１の内部に波長変換素子として非線形光学結晶１２が配置されている。潮解性を有する非線形光学結晶１２としては、例えばＣＬＢＯ結晶、ＫＤＰ結晶、ＤＫＤＰ（ＫＤ2ＰＯ4）結晶があるが、ここではＣＬＢＯ結晶を使用している。非線形光学結晶１２は角度調整ユニット１３の上に取り付けられており、角度調整ユニット１３により光線軸Ｌに対する結晶の位相整合を整えるように調整可能とされている。角度調整ユニット１３は容器１１に保持されている。また、角度調整ユニット１３内にはカートリッジ式のヒータ１４が設けられており、ヒータ１４により非線形光学結晶１２は所定の温度に加熱される。
【０００９】
容器１１の両端には、非線形光学結晶１２への入射光及び波長変換された出力光を通過させる一対の開口１５ａと開口１５ｂとが、光線軸Ｌを中心にして設けられている。開口１５ａ、１５ｂの大きさは、レーザ光の径よりやや大きい程度が好ましい。入射光は開口１５ａを通して容器１１内に入射し、非線形光学結晶１２により波長変換された後、開口１５ｂから出力される。
【００１０】
容器１１の上部には、容器１１内の空間と接する電気分解式の除湿器３０が取り付けられている。図２は除湿器３０の構成を説明する図である。３１は水分子（湿気）を電気分解して酸素を発生する陽極、３２は水素と酸素を反応させて水分子を発生する陰極である。陽極３１と陰極３２は多孔質基材で形成されている。この陽極３１と陰極３２との間に、水素イオン交換膜となる固体高分子電界質膜３３が挟持され、積層構造とされている。これらの積層構造素子は絶縁性フレーム３４の間に置かれ、陽極３１と陰極３２は所定の直流電圧を印加する電源３５と接続されている。
【００１１】
こうした除湿器３０の電源３５から直流電圧を印加すると、被除湿空間側（容器１１側）に置かれた陽極３１側では、水分子を電気分解する下記（式１）の反応が起こって、水分子を水素イオンと酸素に解離する。水素イオンは固体高分子電界質膜３３中を移動し陰極３２側に達する。陰極３２側に到達した水素イオンは、下記（式２）の反応が起こって、放湿空間側（容器１１外）の空気中酸素と反応して水分子となり、外へ放出する。これにより被除湿空間側の除湿が行われる。
【００１２】
Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-……（式１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ……（式２）
図１において、容器１１が有する開口１５ａ、１５ｂには、レーザ光（入射光及び出力光）を通過させる孔を有するラビリンス構造ユニット２０がそれぞれ設けられている。図３に示すように、ラビリンス構造ユニット２０は、光線軸Ｌを中心に孔を持つアパーチャ板２１が櫛歯状に隙間を空けて円筒部材２２に複数個配置された構造である。アパーチャ板２１の孔の大きさもレーザ光の径よりやや大きい程度に形成されている。円筒部材２２と各アパーチャ板２１（容器１１の壁面も含む）とによりチャンバ２３が形成され、このチャンバ２３に外気が回り込み、開口１５ａ（及び開口１５ｂ）から容器１１内に入り込む外気が抑制される。これにより、除湿された容器１１内の低湿度状態が保持され易くなっている。容器１１は開口１５ａ、１５ｂを除いてほぼ密閉構造とされている。
【００１３】
以上のような一対の開口を有する波長変換装置において、除湿器３０による除湿効果を実験により確認した。実験は、図４に示すように、容積約８，１１２ｃｍ3（３２．４×２３．４×１０．７ｃｍ）の容器筐体において、その中央付近（条件Ａ）と開口付近（条件Ｂ）に除湿センサを位置させたそれぞれの場合の除湿評価を行った。用いた除湿器３０の除湿能力は１６ｇ／日、消費電力は約５Ｗで、放湿口のサイズは９．５×９．５ｃｍである。また、容器筐体に設ける一対の開口の大きさは、それぞれ直径５ｍｍとした。図５にその実験結果を示す。図に示したように、どちらの条件においても２０分足らずで湿度が３０％以下に低下していることが分かる。
【００１４】
ここで、波長変換素子として使用する非線形光学結晶、例えばＣＬＢＯ結晶においては、結晶をある湿度に２４時間放置した場合、湿度４０％においては放置後の結晶の有効透過波面面積が４５％に低下してしまうのに対して、湿度３０％においてはそれがほぼ１００％あるという実験結果が得られている。したがって、この湿度３０％というのは実用的な使用レベルに達していると言える。
【００１５】
次に、上記実験の各条件について比較してみる。センサ位置が中央付近（条件Ａ）の方が開口付近（条件Ｂ）より湿度の低下速度が速く、開口付近（条件Ｂ）が湿度３０％になるのに約１８分要している。これに対して、中央付近（条件Ａ）では約１１分で湿度３０％に到達している。このことから、容器内には中央から開口に近づくにつれて湿度が徐々に上昇する湿度勾配があることが分かる。
【００１６】
以上の実験結果から、非線形光学結晶を内部に保持させる筐体容器が開口を有していても除湿器３０を用いることによって、容器内湿度は３０％以下の低湿度環境に保持することができる。したがって、この波長変換装置１０を用いることによって、潮解性を有した非線形光学結晶においても低湿度環境下で使用することができるので、長期間安定に波長変換が行える。また、この波長変換装置１０は、従来のように入出力光を透過する光学ウィンドウを設けていないため、ウィンドウの透過率や損傷しきい値のついての問題を考慮することなく使用可能であり、高効率。高出力の波長変換が実現可能となる。特に紫外光に波長変換する場合に好適である。
【００１７】
こうした波長変換装置１０を用いたレーザ装置においては、除湿器３０を常時除湿動作させておくことにより、非線形光学結晶１２を低湿度環境下に保持しておく。また、波長変換装置１０を使用する場合は、予めヒータ１４に通電して非線形光学結晶１２を加熱することが好ましい。ＣＬＢＯ結晶の場合、１３０℃〜１６０℃に加熱する。加熱温度は非線形光学結晶１２の付近に設けられた図示なき温度センサで検知され、その温度が略一定になるようにコントロールされる。非線形光学結晶１２を加熱することにより、結晶表面に吸着していた水分が放出され、その水分は除湿器３０により除湿される。また、この加熱により安定な波長変換が可能となる。
【００１８】
図６は、図１に示した波長変換装置１０の変容例を示す図である。この変容例の装置は、容器１１に設けられた一対の開口１５ａ、１５ｂを閉塞する閉塞機構を追加したものである。この例における閉塞機構は、ボールバルブ４０をラビリンス構造ユニット２０の外側に取り付けた構成としている。ボールバルブ４０は開口１５ａと同じ径の孔４２を持つ球状部材４１と、これを回転可能に保持する保持部材４３と、球状部材４１を軸４６の軸回りに回転する駆動ユニット４５と、球状部材４１とアパーチャ板２１との間に配置されたシールド部材４４と、を備える。シールド部材４４はＯリングで構成でき、球状部材４１による容器１１側の密閉性を高める。開口１５ｂ側のラビリンス構造ユニット２０の外側にも、同様なボールバルブ４０が取り付けられている。
【００１９】
波長変換を行うときは、球状部材４１に設けられた孔４２をレーザ光が通過するように、図６の状態に配置する。波長変換を行わないときは、駆動ユニット４５により球状部材４１を軸４６の軸回りに９０度回転することにより、アパーチャ板２１の孔を球状部材４１の球表面が塞ぐ。これにより開口１５ａ（及び１５ｂ）が閉塞された状態となる。すなわち、球状部材４１が開口１５ａを閉塞する蓋部材の役目を果たす。
【００２０】
このように、波長変換を行わないときには、開口１５ａ及び１５ｂを閉塞して容器１１内を外気と略遮断することにより、容器１１内の除湿効果を高め、非線形光学結晶１２を低除湿環境下に保持する。開口１５ａ及び１５ｂの閉塞状態の開放は、レーザ装置におけるレーザ光の出射を可能にする信号に同期して行えば良い。また、波長変換装置の移動時などは、除湿器３０をバッテリ駆動しておき、この間は開口１５ａ及び１５ｂの閉塞状態にしておく。
【００２１】
上記の閉塞機構は、平板の蓋部材をスライド移動することにより、開口１５ａ及び１５ｂを閉塞／開放する構造としても良い。
【００２２】
図７は波長変換装置１０を用いた眼科用レーザ装置の構成例である。１００はレーザ光源ユニットであり、波長１０６４ｎｍの基本波を出力するレーザ光源であるＹＡＧレーザ発振器１０１と、３個の波長変換装置１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃと、波長変換された高調波を基本波と分離するプリズム１０２ａ、１０２ｂとを備える。波長変換装置１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは基本的に図１に示したものと同じ構成であり、内部に保持する非線形光学結晶１２の種類又はその位相整合角度が異なるものである。各波長変換装置１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに配置された非線形光学結晶により、波長１０６４ｎｍの基本波光が波長４００ｎｍ以下の紫外レーザ光に変換される。例えば、波長変換装置１１０ａは、ＹＡＧレーザ発振器１０１からの出力光である波長１０６４ｎｍの基本波光の一部を波長５３２ｎｍの第２高調波光に変換する。波長変換装置１１０ａはこの波長５３２ｎｍ光をさらにその第２高調波である波長２６６ｎｍの光に波長変換する。波長変換装置１１０ｃは波長変換装置１１０ａで波長変換されなかった波長１０６４ｎｍの基本波光と波長変換装置１１０ｂで波長変換された波長２６６ｎｍの光との和周波光である波長２１３ｎｍの光を発生する。
【００２３】
プリズム１０２ａは各波長成分を分離するものであり、分離された波長の内の２１３ｎｍ光がプリズム１０２ｂに入射し、その他の光は図示無き遮光体にり遮光される。２１３ｎｍ光はプリズム１０２ｂにより出力方向が整えられ、レーザ光源ユニット１００から出力される。
【００２４】
出力されたレーザ光は、スキャンミラー１２０により２次元的に走査される。スキャンミラー１２０は２つのガルバノミラーで構成することができる他、直交する２方向のリニアスキャンミラーであっても良い。スキャンミラー１２０の走査により、レーザ光は被照射物である患者眼の角膜Ｅｃに導光され、角膜Ｅｃがアブレーションされる。このとき、スキャンミラー１２０の走査による角膜Ｅｃ上でのレーザ光の照射位置及び照射量（照射時間）を図示なき制御ユニットが制御することにより、角膜曲率が変えられ、屈折矯正が行われる。図７において、１２１は患者眼を観察する観察光学系としての顕微鏡である。
【００２５】
上記のレーザ光源ユニット１００においては、波長変換装置１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃをそれぞれに非線形光学結晶１２を備える構成としたが、複数の非線形光学結晶を使用する場合、図１に示した容器１１の中に複数の非線形光学結晶１２を保持させるようにしても良い。各非線形光学結晶１２には角度調整ユニット１３をそれぞれ設ける。なお、１０６４ｎｍ光からその第２高調波５３２ｎｍ光への変換においては、ＫＴＰのように潮解性を有しない非線形光学結晶が使用可能であるので、これについては波長変換装置１０の構造を持たせなくても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、潮解性を有する非線形光学結晶による波長変換を長期間安定して行うことができる。波長変換装置はレーザ光を入出力するウィンドウを持たないので、高効率化・高出力化が可能であり、特にウィンドウの透過率、損傷が問題となり易い紫外光発生において有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長変換装置の概略構成を説明する図である。
【図２】除湿器の構成を説明する図である。
【図３】ラビリンス構造ユニットの構成を説明する図である。
【図４】除湿器評価実験の条件を示す図である。
【図５】除湿器評価の実験結果を示す図である。
【図６】開口の閉塞機構を設けた波長変換装置の変容例を示す図である。
【図７】波長変換装置を用いた眼科用レーザ装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０  波長変換装置
１１  容器
１２  非線形光学結晶
１３  角度調整ユニット
１５ａ、１５ｂ  開口
２０  ラビリンス構造ユニット
２１  アパーチャ板
３０  除湿器
４０  ボールバルブ
４１  球状部材
１００  レーザ光源ユニット
１０１  ＹＡＧレーザ発振器
１０２ａ、１０２ｂ  プリズム
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ  波長変換装置
１２０  スキャンミラー
【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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【図６】
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【図７】
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