(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を発生する基本波光源と、
周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波の一部を第２高調波に変換する複数の波長変換素子とを備え、
前記複数の波長変換素子は、
周期状の分極反転構造を有する第１の非線形光学結晶からなり、前記基本波光源からの前記基本波の一部を前記第２高調波に変換する第１の波長変換素子と、
周期状の分極反転構造を有する第２の非線形光学結晶からなり、前記第１の波長変換素子を通過した前記基本波の一部を前記第２高調波に変換する第２の波長変換素子とを含み、
前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、異なる材料又は組成からなり、
前記複数の波長変換素子のうち一の波長変換素子が発生する第２高調波と前記基本波との位相差を補償する位相補償部をさらに備え、
前記位相補償部は、前記基本波及び前記第２高調波に対して屈折率の異なる材料からなるウェッジ板である
ことを特徴とする短波長光源。
【請求項２】
前記位相補償部は、前記基本波及び前記第２高調波に対して屈折率の異なる材料からなる２つのウェッジ板を含み、
前記２つのウェッジ板の相対的な位置及び角度を調整する調整部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項３】
前記ウェッジ板の頂角θ１は、前記基本波の波長λ、前記ウェッジ板を通過する前記基本波のビーム半径Ｒ１、及び前記ウェッジ板における前記基本波と前記第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ１＜λ／（２×Ｒ１×Δｎ）／１０の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項４】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、
前記基本波の経路の最終端に配置された波長変換素子に前記基本波を集光する集光光学系をさらに備え、
前記集光光学系の前記第２高調波に対する焦点位置は、前記最終端に配置された波長変換素子の非線形光学結晶の入射端近傍に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の短波長光源。
【請求項５】
前記第２の非線形光学結晶における分極反転構造の光軸と入射部の端面の法線とが成す角度θ２は、前記基本波の波長λ、前記第２の非線形光学結晶の入射部の近傍における前記基本波のビーム半径Ｒ２、及び前記第２の非線形光学結晶における前記基本波と前記第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ２＜λ／（２×Ｒ２×Δｎ）／１０の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項６】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、
前記波長変換素子を通過する前記基本波を集光する集光光学系をさらに備え、
前記基本波の経路の最終端に配置された波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度は、他の波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の短波長光源。
【請求項７】
前記集光光学系は、凹面ミラーであることを特徴とする請求項６記載の短波長光源。
【請求項８】
前記複数の波長変換素子のうち一部の波長変換素子の端部に設けられ、前記基本波及び前記第２高調波を反射する反射膜をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項９】
第１及び第２の凹面ミラーをさらに備え、
前記第１及び第２の波長変換素子は、前記第１及び第２の凹面ミラーの間に配置され、
前記基本波は、前記第１及び第２の凹面ミラー間を複数回往復しながら、前記第１の非線形光学結晶により少なくとも一回以上波長変換された後、前記第２の非線形光学結晶により波長変換され、
前記第２の非線形光学結晶の熱伝導度は、前記第１の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項１０】
前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、光学的に接合又は接着されていることを特徴とする請求項１又は５に記載の短波長光源。
【請求項１１】
前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、
ＭｇドープＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学結晶と、
ＭｇドープＬｉＴａＯ３からなる非線形光学結晶とを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の短波長光源。
【請求項１２】
前記複数の波長変換素子は、前記周期状の分極反転構造の光軸と前記基本波の伝搬方向との成す角が互いに異なる複数の非線形光学結晶からなることを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項１３】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、
前記複数の波長変換素子の間に配置され、前記波長変換素子から出力する前記基本波と前記第２高調波とを分離する波長分離ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
【請求項１４】
前記基本波光源に最も近い位置に配置された前記波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度は、他の波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことを特徴とする請求項１３記載の短波長光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に変換する短波長光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学効果を利用した第２高調波の発生では、基本波光源からの基本波となるコヒーレント光を半分の波長の第２高調波に変換できる。この波長変換においては、ノンクリティカルな位相整合の場合、波長変換素子の素子長の増大、又は入射する基本波のパワーの増大によって、変換効率の向上が図れ、高出力の短波長光の発生が可能となる。
【０００３】
ここで、非線形光学結晶としてＫＴＰを用いた波長変換において、基本波又は第２高調波のパワー密度の増大は、グレートラックと呼ばれるカラーセンター発生の原因となり、基本波及び第２高調波の吸収が生じる。グレートラックが発生すると、吸収による局所的な熱分布が発生し、非線形光学結晶が破壊的なダメージを受ける。これを解決する方法として、特許文献１には、結晶を分割して第２高調波を分割して取り出す方法が提案されている。
【０００４】
図２９は、従来の短波長光源の構成図である。図２９において、基本波光源３０１から出射された基本波の一部は、ＫＴＰ結晶３０２により第２高調波Ｈ１に波長変換され、波長分離ミラー３０４により基本波Ｆ１と第２高調波Ｈ１とに分離される。基本波Ｆ１の一部は、次段のＫＴＰ結晶３０３により第２高調波Ｈ２に波長変換され、波長分離ミラー３０５により基本波Ｆ２と第２高調波Ｈ２とに分離される。このように、複数のＫＴＰ結晶を用い、発生する第２高調波のパワー密度が一定の値を超えない状態で、第２高調波を取り出すことにより、高効率化を図っている。
【０００５】
また、特許文献２には、複数の非線形光学結晶を基本波ビームの方向に並べ、各非線形光学結晶に集光光学系により基本波ビームを入射することで波長変換を行う方法が示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、複数の非線形光学結晶を基本波ビームの方向に並べ、集光光学系を介して各非線形光学結晶に基本波ビームを入射することにより、第２高調波又は和周波の発生による波長変換を行う方法が示されている。
【特許文献１】特開平１１−２７１８２３号公報
【特許文献２】特開２００７−９４４２４号公報
【特許文献３】特開２００２−３５０９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来の構成は、複数の非線形光学結晶を必要とし、第２高調波が異なる部分から出射するため、これを合波して利用するには、複雑な光学系を必要とし、光源が大型化するという問題があった。また、一つの非線形光学結晶から取り出せる出力が限られるため、高出力化には多くの結晶を必要とし、小型化及び低コスト化が難しいという問題があった。さらに、各ビームの最大出射量が限られるため、高出力の単一ビームを実現するのが難しいという問題があった。
【０００８】
また、集光光学系により基本波ビームを集光しながら、複数の波長変換素子により波長変換を行う構成では、各波長変換素子で発生したビームの偏光を回転させることにより、波長変換素子で発生するビームの干渉を低減する方法が提案されているが、各波長変換素子で発生した第２高調波の偏光が異なるため、変換効率が低下するという問題があった。また、基本波レーザを異なる結晶に入射させ、第２高調波又は和周波の発生により短波長光を発生する構成が示されているが、複数の波長変換素子を用いた高出力の第２高調波の発生については考慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、基本波を高い効率で高出力な第２高調波に変換することができる短波長光源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る短波長光源は、基本波を発生する基本波光源と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波の一部を第２高調波に変換する複数の波長変換素子とを備え、前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、異なる材料又は組成からなる。
【００１１】
この短波長光源では、基本波ビームを複数の非線形光学結晶で波長変換する構成において、非線形光学結晶に異なる材料又は組成からなる結晶を使用することで、高効率化及び高出力化を同時に実現できる。第２高調波パワーの低い領域では、高効率な非線形光学結晶を用い、第２高調波パワーが増大した領域では、変換効率は低いが高出力耐性に強い材料を用いることで、高い効率で高出力な高調波を取り出すことが可能となる。
【００１２】
上記短波長光源は、前記複数の波長変換素子のうち一の波長変換素子が発生する第２高調波と前記基本波との位相差を補償する位相補償部をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
ここで、複数の非線形光学結晶で波長変換した第２高調波を足し合わせるには、各第２高長波の位相を合わせた状態で足し合わせないと、干渉により相殺されて出力が低下するが、一の波長変換素子が発生する第２高調波と基本波との位相差を補償しているので、高効率で基本波を第２高調波に変換することができる。
【００１４】
前記位相補償部は、前記基本波及び前記第２高調波に対して屈折率の異なる材料からなるウェッジ板であることが好ましい。
【００１５】
この場合、ウェッジ板により第２高調波と基本波との位相差を補償することができるので、簡略な構成で位相差を補償することができる。
【００１６】
前記位相補償部は、前記基本波及び前記第２高調波に対して屈折率の異なる材料からなる２つのウェッジ板を含み、上記短波長光源は、前記２つのウェッジ板の相対的な位置及び角度を調整する調整部をさらに備えることが好ましい。
【００１７】
この場合、２つのウェッジ板の相対的な位置及び角度を調整することができるので、基本波と第２高調波との伝搬方向の位相差を調整することができるとともに、波長変換素子で発生する第２高調波間の伝搬方向の位相ずれを補償できる。
【００１８】
前記ウェッジ板の頂角θ１は、前記基本波の波長λ、前記ウェッジ板を通過する前記基本波のビーム半径Ｒ１、及び前記ウェッジ板における前記基本波と前記第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ１＜λ／（２×Ｒ１×Δｎ）／１０の関係を満足することが好ましい。
【００１９】
この場合、ビーム面内での基本波と第２高調波との位相差をλ／１０以下に補償することができるので、基本波と第２高調波との位相差を低減し、高効率化を図ることができる。
【００２０】
なお、位相補償部としては、波長変換素子の端部に直接形成することも可能である。例えば、周期状の分極反転構造の端面と出射部の端面との間にわずかに角度を設け、波長変換素子の位置を調整することにより、位相差を調整することが可能になる。また、位相補償部は、基本波と高調波とに対して波長分散特性を有する材料からなるプリズムによっても実現可能である。この場合、非線形光学結晶の間にプリズムを配置し、ビーム透過距離を調整することにより、位相差を調整できる。
【００２１】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、上記短波長光源は、前記基本波の経路の最終端に配置された波長変換素子に前記基本波を集光する集光光学系をさらに備え、前記集光光学系の前記第２高調波に対する焦点位置は、前記最終端に配置された波長変換素子の非線形光学結晶の入射端近傍に配置されることが好ましい。
【００２２】
この場合、基本波のビーム方向に複数の波長変換素子を並べて、基本波を第２高調波に波長変換する構成において、基本波ビームが波長変換素子により次々と第２高調波に波長変換され、高調波出力が大きくなるため、最終端の波長変換素子では、第２高調波の出力が最大となる。このとき、集光光学系の第２高調波に対する焦点位置が、最終端に配置された波長変換素子の非線形光学結晶の入射端近傍に配置されているので、最終端での非線形光学結晶における第２高調波のパワー密度を低減することができ、最終端での第２高調波に対する耐性が向上し、高出力化が図れる。
【００２３】
前記複数の波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有する第１の非線形光学結晶からなり、前記基本波光源からの前記基本波の一部を前記第２高調波に変換する第１の波長変換素子と、周期状の分極反転構造を有する第２の非線形光学結晶からなり、前記第１の波長変換素子からの前記基本波の一部を前記第２高調波に変換する第２の波長変換素子とを含み、前記第２の非線形光学結晶における分極反転構造の光軸と入射部の端面の法線とが成す角度θ２は、前記基本波の波長λ、前記第２の非線形光学結晶の入射部の近傍における前記基本波のビーム半径Ｒ２、及び前記第２の非線形光学結晶における前記基本波と前記第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ２＜λ／（２×Ｒ２×Δｎ）／１０の関係を満足することが好ましい。
【００２４】
この場合、ビーム面内での基本波と第２高調波との位相差をλ／１０以下に補償することができるので、基本波と第２高調波との位相差を低減し、高効率化を図ることができる。
【００２５】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、上記短波長光源は、前記波長変換素子を通過する前記基本波を集光する集光光学系をさらに備え、前記基本波の経路の最終端に配置された波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度は、他の波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことが好ましい。
【００２６】
この場合、例えば、基本波のビーム方向に複数の波長変換素子を並べて、基本波を第２高調波に波長変換する構成において、基本波ビームが波長変換素子により次々と第２高調波に波長変換され、第２高調波の出力が大きくなるため、最終端の波長変換素子では、第２高調波出力が最大となる。このとき、最終端に配置した非線形光学結晶の熱伝導度を大きくしているので、高出力耐性に優れた特性を実現でき、複数の波長変換素子で波長変換された第２高調波が足し合わさって高出力の第２高調波を出力することができる。
【００２７】
前記集光光学系は、凹面ミラーであることが好ましい。
【００２８】
この場合、凹面ミラーにより基本波を集光しているので、波長変換素子の結晶内部のパワー密度を上げることができ、変換効率を向上することができる。また、反射光学系である凹面ミラーを用いることにより、基本波と第２高調波との色収差が発生しないので、結晶内部で発生した第２高調波の位相ずれを抑圧できる。
【００２９】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波のビーム断面より薄い板状の第１の非線形光学結晶からなる第１の波長変換素子と、前記基本波の光軸に対して垂直方向に前記第１の波長変換素子を挟み、第２及び第３の非線形光学結晶からなる第２及び第３の波長変換素子とを含み、前記基本波は、前記第１乃至第３の非線形光学結晶を同時に透過して前記第２高調波に変換され、前記基本波の光軸中心に配置された前記第１の非線形光学結晶の熱伝導度は、前記第２及び第３の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことが好ましい。
【００３０】
この場合、薄板の非線形光学結晶を複数貼り合わせて波長変換素子を構成し、基本波を波長変換素子内部の複数の非線形光学結晶を同時に透過するように伝搬させて、波長変換を行う構成において、第２高調波のパワー密度が高くなる透過ビームの中心部分に熱伝導度の大きい非線形光学結晶を用いているので、第２高調波のパワーが最大となるビーム中心部分での熱の拡散を促進し、高出力耐性を向上させることが可能となる。
【００３１】
上記短波長光源は、前記複数の波長変換素子のうち一部の波長変換素子の端部に設けられ、前記基本波及び前記第２高調波を反射する反射膜をさらに備えることが好ましい。
【００３２】
この場合、非線形光学結晶の端部に反射膜を形成しているので、基本波と第２高調波とを端部で反射させて非線形光学結晶内を複数回往復させることができ、変換効率を高めることが可能となる。
【００３３】
前記複数の波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有する第１の非線形光学結晶からなる第１の波長変換素子と、周期状の分極反転構造を有する第２の非線形光学結晶からなる第２の波長変換素子とを含み、上記短波長光源は、第１及び第２の凹面ミラーをさらに備え、前記第１及び第２の波長変換素子は、前記第１及び第２の凹面ミラーの間に配置され、前記基本波は、前記第１及び第２の凹面ミラー間を複数回往復しながら、前記第１の非線形光学結晶により少なくとも一回以上波長変換された後、前記第２の非線形光学結晶により波長変換され、前記第２の非線形光学結晶の熱伝導度は、前記第１の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことが好ましい。
【００３４】
この場合、基本波が、第１及び第２の凹面ミラー間を複数回往復しながら、第１の非線形光学結晶により少なくとも一回以上波長変換された後、第２の非線形光学結晶により波長変換される構成において、基本波ビームが波長変換素子により次々と第２高調波に波長変換され、第２高調波の出力が大きくなるため、第２の非線形光学結晶では、第２高調波出力が最大となる。このとき、第２の非線形光学結晶の熱伝導度を第１の非線形光学結晶の熱伝導度より大きくしているので、高出力耐性に優れた特性を実現でき、複数の波長変換素子で波長変換された第２高調波が足し合わさって高出力の第２高調波を出力することができる。
【００３５】
前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、光学的に接合又は接着されていることが好ましい。
【００３６】
この場合、光学的な損失を低減することができるとともに、光学的な距離が短くなるため、ビームの拡がりを抑圧でき、高効率化が図れ、さらに、温度変化に対しても、安定な出力が得られる。
【００３７】
前記複数の波長変換素子の非線形光学結晶は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学結晶と、ＭｇドープＬｉＴａＯ３からなる非線形光学結晶とを含むことが好ましい。
【００３８】
この場合、非線形光学結晶として、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３を用いることにより、高効率の波長変換が可能となり、また、ＭｇドープＬｉＴａＯ３を用いることにより、高出力耐性を向上させることが可能となる。
【００３９】
前記複数の波長変換素子は、前記周期状の分極反転構造の光軸と前記基本波の伝搬方向との成す角が互いに異なる複数の非線形光学結晶からなることが好ましい。
【００４０】
この場合、周期状の分極反転構造の光軸とビームの伝搬方向とが複数の非線形光学結晶間で異なるように、複数の波長変換素子が配置されているので、非線形光学結晶間で発生する第２高調波のオーバラップを低減することが可能となり、これによって、第２高調波のパワー密度を低減し、高出力耐性を向上させることが可能となる。
【００４１】
前記複数の波長変換素子は、前記基本波の経路に順次配置され、上記短波長光源は、前記複数の波長変換素子の間に配置され、前記波長変換素子から出力する前記基本波と前記第２高調波とを分離する波長分離ミラーをさらに備えることが好ましい。
【００４２】
この場合、基本波のビーム方向に複数の波長変換素子を並べて、基本波を高調波に波長変換する構成において、基本波ビームが複数の非線形光学結晶により次々と第２高調波に波長変換される。この構成において、それぞれの非線形光学結晶の出射端で波長分離ミラーによって第２高調波と基本波を分離し、基本波のみを次の非線形光学結晶でさらに高調波に変換しているので、第２高調波成分が大きくなり過ぎることを防止し、高出力な第２高調波を取り出すことができる。
【００４３】
前記基本波光源に最も近い位置に配置された前記波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度は、他の波長変換素子の非線形光学結晶の熱伝導度より大きいことが好ましい。
【００４４】
この場合、高出力耐性に強い材料を基本波ビームの初段に配置しているので、基本波ビームの初段は、基本波パワーが最大となり、比較的変換効率が低い材料でも、高効率に変換が可能となるとともに、基本波のビーム品質の劣化を防止できるため、後段における非線形光学結晶における変換効率の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、複数の波長変換素子の非線形光学結晶の材料又は組成が異なるので、基本波を高い効率で高出力な第２高調波に変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明は、波長変換素子を用いて高出力の可視光光源を実現する。すなわち、本発明は、高出力時の出力の不安定性及び信頼性の問題を解決し、安定な出力特性を実現する。周期状の分極反転構造を備えた非線形光学結晶からなる波長変換素子は、高効率な波長変換が可能であり、従来難しかった１パス構成で高効率の波長変換が可能になる。しかしながら、結晶の耐性が十分ではなく、高出力の可視光の発生によって、出力が不安定になる現象が観測された。この問題を解決するには、高出力耐性に優れた非線形光学結晶を利用する必要があるが、耐性に優れた材料は、変換効率が低いため、基本波光源からの基本波を高効率で波長変換することが難しいという問題が発生した。この問題を解決する方法を以下に示す。
【００４７】
上記のように、本発明は、周期状の分極反転構造を利用した波長変換素子により、高出力の短波長光源を実現することを目的とする。周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子は、高い非線形光学定数と、ノンクリティカルな位相整合条件による長い作用長とにより、高効率の波長変換が可能である。
【００４８】
周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶の中でも、Ｍｇ等をドーピングしたＬｉＮｂＯ３は、可視領域で最大の非線形光学定数を有する透明材料であり、光損傷耐性にも優れるため、高効率変換が実現されている。しかしながら、この材料においても、ＫＴＰとは異なるメカニズムのレーザ損傷が発生し、高出力耐性に限界があることが、我々の実験結果で明らかになった。そこで、周期状の分極反転構造を利用した新しい構造を提案することにより、高出力化及び小型化が可能な短波長光源を実現した。
【００４９】
まず、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３（以下、「ＰＰＭｇＬＮ」という）において発見された現象について、説明する。波長１０６４ｎｍの基本波をＰＰＭｇＬＮによって波長変換し、波長５３２ｎｍの緑色光の第２高調波を発生した際に、緑色光が３Ｗを越えると、出力が不安定になり、結晶内にレーザダメージが生じることが見出された。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。
【００５０】
ＰＰＭｇＬＮによって１０６４ｎｍの基本波を５３２ｎｍの第２高調波に変換する際に、基本波と第２高調波との和周波により、３５５ｎｍの紫外光が発生する。３５５ｎｍへの変換効率は非常に低いため、高出力の波長変換を行った際に、３５５ｎｍの光が僅かに発生する。３５５ｎｍの光が発生すると、緑色光の吸収が増大し、熱レンズ効果により第２高調波の出力が不安定になり、さらに高出力化すると、結晶にダメージが発生する。この現象は、ＫＴＰとは異なる高出力時の不安定要因であり、ＰＰＭｇＬＮに特有の現象である。このような高出力特性劣化の問題を解決する新たな短波長光源の構造について、以下に具体的に説明する。
【００５１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による短波長光源の構成図である。図１に示す短波長光源は、コヒーレント光源であり、基本波光源１、多段構成の波長変換素子２、３及び２個の集光光学系４、５を備える。波長変換素子２、３は、周期状の分極反転構造２ａ、３ａを有する非線形光学結晶からなり、波長変換素子２の非線形光学結晶の材料又は組成は、波長変換素子３の非線形光学結晶の材料又は組成と異なる。
【００５２】
基本波光源１から出射した基本波ＦＷは、集光光学系４、５により集光された後、基本波ＦＷの伝搬方向に配置された波長変換素子２、３により、第２高調波ＨＷに波長変換される。このとき、前段の波長変換素子２で発生した第２高調波ＨＷは、後段の波長変換素子３で発生した第２高調波ＨＷと足し合わされ、第２高調波ＨＷが増大する。従って、第２高調波ＨＷのパワー密度は、波長変換素子３内部で最大となり、このパワー密度の限界により最大出力が限定される。
【００５３】
ここで、基本波ＦＷの波長を１０６４ｎｍ、第２高調波ＨＷの波長を５３２ｎｍとし、ＰＰＭｇＬＮを波長変換素子２、３両方に使用した場合、出力は３Ｗ程度が限界であった。これ以上出力を増加させると、出力が不安定になった。また、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＴａＯ３（以下、「ＰＰＭｇＬＴ」という）を波長変換素子２、３両方に使用した場合、変換効率がＰＰＭｇＬＮの１／３に低下して、高効率化が難しくなった。
【００５４】
本実施の形態では、波長変換素子３内部での高出力特性の限界をさらに向上させて高出力化を図るため、波長変換素子２と波長変換素子３とを異なる材料で構成する。具体例として、基本波ＦＷの波長を１０６４ｎｍ、第２高調波ＨＷの波長を５３２ｎｍとし、波長変換素子２として、周期状の分極反転構造２ａを有するＰＰＭｇＬＮ結晶を用い、波長変換素子３として、周期状の分極反転構造３ａを有するＰＰＭｇＬＴ結晶を用いた。すなわち、第２高調波の出力が低い１段目の波長変換素子２に、高効率変換が可能なＰＰＭｇＬＮを用い、第２高調波パワーが増大した段階で、２段目の波長変換素子３のＰＰＭｇＬＴで波長変換することにより、約６Ｗの高出力緑色光の発生が可能となり、変換効率もＰＰＭｇＬＴのみを利用した場合の２倍以上の高効率化が可能になった。
【００５５】
ここで、ＰＰＭｇＬＴの高出力耐性がＰＰＭｇＬＮより優れている理由は、ＰＰＭｇＬＴ結晶の熱伝導度がＰＰＭｇＬＮ結晶の熱伝導度より大きいことに起因する。したがって、吸収による熱の発生が抑えられるため、熱レンズ効果が抑えられ、高出力耐性が向上する。例えば、図１の構成では、波長変換素子２として長さ１０ｍｍのＰＰＭｇＬＮ結晶を、波長変換素子３として長さ１５ｍｍのＰＰＭｇＬＴ結晶を用い、基本波１２Ｗの入力に対して変換効率５０％で６Ｗの緑出力が得られた。同様の変換効率を素子単体で実現するには、ＰＰＭｇＬＴの場合で、素子長が６０〜７０ｍｍ必要となり、温度許容度が非常に厳しく、作製も困難である。これに対して、本実施の形態の構成は、素子が短くても、高効率な変換が可能である。
【００５６】
なお、本実施の形態では、２個の波長変換素子２、３について説明したが、３個以上の波長変換素子を用いる場合にも、本発明を適用できる。この場合、波長変換素子を増やすことにより、変換効率をより高くすることが可能になる。
【００５７】
また、３個以上の波長変換素子を用いる場合、基本波の伝搬方向の最終端の波長変換素子の高出力耐性を向上させる構成が好ましい。この場合、最終端で最大になる高調波出力に対する耐性を向上させることにより、高出力化が図れる。
【００５８】
このような高出力耐性の高い素子としては、熱伝導度の大きい非線形光学結晶が好ましい。例えば、ＰＰＭｇＬＴは、ＰＰＭｇＬＮの２倍以上の熱伝導度を有するため、光吸収による熱レンズの発生を抑圧できる。また、高出力耐性の高い素子としては、紫外領域の吸収端がより短波長側にある非線形光学結晶が好ましい。この場合、紫外線の吸収を低減できるため、第２高調波と基本波とにより発生する３倍波の吸収を低減できる。この結果、紫外光発生により生じるカラーセンターで可視光を吸収する効果を低減でき、熱レンズ効果を抑圧できる。
【００５９】
また、本実施の形態では、最終端の波長変換素子３としてＰＰＭｇＬＴ結晶を用いたが、その他、ＰＰＫＴＰ、ストイキオメトリックＬｉＴａＯ３結晶に形成した周期状の分極反転構造（ＰＰＳＬＴ）、ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ３結晶に形成した周期状の分極反転構造（ＰＰＭｇＳＬＴ）からなるＰＰｓＬＴでも良い。これらの材料は、高出力耐性に優れるため、高出力化に有効である。また、ＰＰＭｇＳＬＴは、反転電圧が低く、均一な分極反転構造が得られるという利点を有し、熱伝導度もＰＰＭｇＬＮの２倍程度と大きいため、高出力耐性に優れる。
【００６０】
一方、第２高調波の出力が弱い基本波光源１に近い段の波長変換素子２としては、本実施の形態に示したＰＰＭｇＬＮの他、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎなどのいずれかを少なくとも含んだＬｉＮｂＯ３結晶に周期状の分極反転構造を形成した非線形光学結晶が好ましい。この場合、ＬｉＮｂＯ３をベースとする波長変換素子は、可視領域での変換効率が最も高いため、高効率変換が可能であり、短波長光源の高効率化に有効である。
【００６１】
また、非線形光学結晶の熱伝導度は、その組成によって大きく変わることが知られている。例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３の熱伝導度は、結晶組成のＬｉとＮｂとの比、又は、結晶組成のＬｉとＴａとの比で異なり、一般的な結晶では、コングルエント組成の結晶に対して、理想的な結晶構造に近いストイキオメトリック組成の結晶の方が、熱伝導度が大きくなる。
【００６２】
より具体的には、コングルエント組成（Ｌｉ：Ｎｂ＝４８．５：５１．５）のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の熱伝導度は、４．６３（Ｗ／ｍＫ）であり、ストイキオメトリック組成（Ｌｉ：Ｎｂ＝５０：５０）のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の熱伝導度は、５．６２（Ｗ／ｍＫ）であり、コングルエント組成（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．５：５１．５）のＬｉＴａＯ３の熱伝導度は、４．６２（Ｗ／ｍＫ）であり、ストイキオメトリック組成（Ｌｉ：Ｔａ＝５０：５０）のＬｉＴａＯ３の熱伝導度は、８．７８（Ｗ／ｍＫ）であり、ストイキオメトリック組成（Ｌｉ：Ｔａ＝５０：５０）のＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３の熱伝導度は、８．４３（Ｗ／ｍＫ）である。
【００６３】
例えば、基本波光源１に近い部分には、コングルエント組成のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３からなる周期分極反転構造を備えた波長変換素子を、短波長光源の出射部近傍には、ストイキオメトリック組成のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３からなる波長変換素子を配置することにより、高出力化が実現できる。また、基本波光源１に近い部分にコングルエント組成のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３からなる周期分極反転構造を備えた波長変換素子を、短波長光源の出射部近傍には、ストイキオメトリック組成のＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３からなる波長変換素子を配置することにより、熱伝導度がより大きい素子を高出力側に配置できるため、高効率及び高出力化が実現できる。
【００６４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による短波長光源の構成図である。図２に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２、３、集光光学系４、５及び波長フィルタ６を備える。図２に示す短波長光源では、集光光学系５の光学設計により、さらに高出力化が図れる。
【００６５】
図２において、基本波光源１から出射した基本波ＦＷは、基本波ＦＷの伝搬方向に配置された波長変換素子２、３により高調波ＨＷに波長変換される。このとき、前段の波長変換素子２で発生した第２高調波ＨＷは、後段の波長変換素子３で発生した第２高調波と足し合わされ、第２高調波ＨＷが増大する。
【００６６】
本実施の形態の特徴は、集光光学系５によって集光した基本波の焦点ＦＰを波長変換素子３の入射端ＩＴの近傍に設定した点にある。波長変換素子での変換効率が最大になる集光光学系の配置は、前段の波長変換素子２のように、波長変換素子の中心に焦点が位置する場合である。これに対して、本実施の形態では、波長変換素子３の入射端ＩＴの近傍に設定した。この構成により、波長変換素子３内部で第２高調波ＨＷが増大しても、ビーム径が大きくなるため、最適な集光状態よりも第２高調波ＨＷのパワー密度を低減できる。これによって、基本波と第２高調波との和周波で発生する紫外光の強度を低減することが可能となり、第２高調波の吸収による熱レンズ効果を低減できる。この結果、本実施の形態では、１０Ｗ程度まで高出力特性を向上させることが可能になった。
【００６７】
ここで、焦点ＦＰの位置としては、波長変換素子の素子長Ｌに対して、入射端ＩＴから±Ｌ／４程度に設定することが好ましい。焦点ＦＰが入射端ＩＴよりＬ／４以上中心に近づくと、高出力特性の向上が妨げられ、一方、焦点ＦＰが入射端ＩＴより手前にＬ／４以上離れると、変換効率が大幅に低下するためである。
【００６８】
また、波長変換素子の間に波長フィルタを挿入する構成も有効である。本実施の形態では、波長変換素子２の後段に位置する集光光学系５と波長変換素子３との間に、波長フィルタ６を配置している。波長フィルタ６は、基本波ＦＷ及び第２高調波ＨＷを透過させるが、基本波と第２高調波との和周波である波長３５５ｎｍの紫外光を反射又は吸収する特性を有し、波長変換素子２から発生した紫外光が波長変換素子３に到達しないようにする。これによって、波長変換素子３の高出力耐性の向上が可能になる。なお、波長フィルタの機能を集光光学系５が兼任することも可能である。例えば、集光光学系５へのコーティングで波長を分離することにより、フィルタ機能を集光光学系５に持たせることができる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、２個の波長変換素子２、３について説明したが、３個以上の波長変換素子を用いる場合にも、本発明を適用できる。この場合、波長変換素子を増やすことで変換効率をより高くすることが可能になる。
【００７０】
また、３個以上の波長変換素子を用いる場合、基本波の伝搬方向の最終端の焦点を波長変換素子の入射部近傍に設定する構成が好ましい。この場合、最終端で最大になる高調波出力の耐性を向上させることにより、高出力化が図れる。
【００７１】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による短波長光源の構成図である。図３に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２１、３１、集光光学系４、５及び波長フィルタ７を備える。本実施の形態の構成は、多段での波長変換素子を用いる構成において、高調波成分を分離する構成である。
【００７２】
図３において、基本波光源１から出射した基本波ＦＷは、波長変換素子２１の周期状の分極反転構造２１ａにより第２高調波Ｈ１に変換される。第２高調波Ｈ１は、波長分離ミラーとして機能する波長フィルタ７により基本波ＦＷと分離される。その後、基本波ＦＷは、さらに波長変換素子３１の周期状の分極反転構造３１ａにより第２高調波Ｈ２に波長変換される。このように、本実施の形態の構成は、波長変換を個別に行うことにより、波長変換素子２１、３１内部での第２高調波のパワー密度の増大を抑圧し、高出力化を図る構成である。
【００７３】
この構成において、前段の波長変換素子２１に変換効率の高いＰＰＭｇＬＮを用いた場合に新たな課題が見つかった。すなわち、第２高調波Ｈ１の出力が３Ｗ程度になるまで、前段の波長変換素子２１で波長変換を行い、波長分離した基本波ＦＷのビーム品質を測定したところ、ビームのＭ２が劣化しており、後段の波長変換素子３１での変換効率が理論値より大きく低下することが明らかになった。
【００７４】
この問題を解決する構成として、基本波ＦＷを最初に変換する波長変換素子２１に高出力耐性に優れたＰＰＭｇＬＴを利用した。ＰＰＭｇＬＴは変換効率が低いが、最初の段に使用することにより、基本波パワーが大きくとれるため、変換効率をある程度確保できた。また、波長変換素子２１の素子長をＰＰＭｇＬＮの３倍ほどとれば、変換効率もほぼ同等となる。このように、１段目にＰＰＭｇＬＴを用いると、素子内で発生した熱レンズを低減でき、ビーム品質の劣化が抑圧できることを確認した。そこで、波長変換素子３１としてＰＰＭｇＬＮを用いることで、高効率な変換が達成できた。
【００７５】
本実施の形態では、図１の構成に比べて、変換効率が低いため、素子長が２倍以上長くなるが、安定した出力特性が得られた。例えば、波長変換素子２１として素子長２５ｍｍのＰＰＭｇＬＴを用い、波長変換素子３１として２５ｍｍのＰＰＭｇＬＮを用いた場合に、波長１０６４ｎｍの基本波光源１から出射された１２Ｗの基本波ＦＷから、第２高調波Ｈ１として３Ｗの５３２ｎｍ緑色光と、第２高調波Ｈ２として３Ｗの緑色光とが得られ、変換効率５０％で高出力のＣＷ緑色光を取り出すことができた。
【００７６】
なお、波長変換素子２１としてＰＰＭｇＬＮを用いた場合は、第２高調波Ｈ１の出力として３Ｗの緑色光が取り出せるが、第２高調波Ｈ２の出力が２Ｗ以下に低下した。これは、ＰＰＭｇＬＮにおける基本波の波面の乱れが原因である。
【００７７】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４として、上記の実施の形態１の構成における位相補償による高出力化について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態４による短波長光源の構成図である。図４に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２、３、集光光学系４、５、位相補償板８及び制御部９を備える。
【００７８】
上記の実施の形態１では、複数の波長変換素子を直列に並べて、基本波を第２高調波に変換する構成について説明したが、それぞれの波長変換素子で発生した第２高調波の位相差を補償する機構を設けない場合、２つの波長変換素子から発生した第２高調波が位相差によって打ち消し合う場合がある。このため、複数の波長変換素子を直列に並べた構成において、高効率変換を達成するには、素子間の位相差をビームの面内及びビームの伝搬方向において補償する補償機構が必要となる。
【００７９】
この補償機構について図４を用いて説明する。２つの波長変換素子で発生する第２高調波の位相差は、基本波の波面と、波長変換素子の入出射面及び分極反転構造とによって決定され、高効率化を実現するには、第２高調波ビームの断面全体で波面が一致する必要がある。このため、図４に示す短波長光源は、図１の構成に位相補償板８及び制御部９を付加している。位相補償板８は、基本波と第２高調波とに対する屈折率が異なる分散特性を有する材料からなる。また、制御部９が位相補償板８の位置を調整することにより、位相補償板８を基本波及び第２高調波が通過するときの光路長が変化し、基本波と第２高調波との位相関係を整合させることができる。
【００８０】
位相補償板８の形状としては、鋭角のプリズムが好ましい。具体的には、位相補償板８の頂角θ１は、位相補償板８を透過する基本波ＦＷのビーム半径をＲ１、位相補償板８の基本波ＦＷと第２高調波ＨＷとの屈折率差をΔｎ、基本波ＦＷの波長をλとしたとき、θ１＜λ／（２×Ｒ１×Δｎ）／１０（ラジアン）の関係を満たすことが好ましい。これは、位相補償板８を通過した基本波と第２高調波との位相差をビーム内でλ／１０以下にすることにより、基本波と波長変換素子３で発生する第２高調波との位相差を低減し、高効率化が図れるからである。
【００８１】
また、制御部９は、位相補償板８の位置を変えることにより、ビームが通過する位相補償板８の厚みを調整でき、これによって基本波と第２高調波との位相差を補償する。例えば、溶融石英からプリズムを作製した場合は、Ｒ１＝５０μｍ、λ＝１．０６４μｍのとき、位相補償板８の頂角θ１＜０．０５ラジアンとなる。この場合、石英は、Δｎが小さいため、設計尤度が高くなってプリズムの作製が容易になる。
【００８２】
また、図４に示すように、位相補償板８は、波長変換素子２の出射部近傍に設けることが好ましい。波長変換素子２から出力した基本波と第２高調波とで位相波面の傾きがあると、波長変換素子２から離れるに従い、ビームが分離するため、波長変換素子３内でビームを一致させて伝搬することが難しくなるからである。
【００８３】
さらに、位相補償板８としては、波長変換素子２で発生する第２高調波と波長変換素子３で発生する第２高調波との位相差を、第２高調波のビームの面内で補償する必要がある。そのための位相補償板８の構成例を図５乃至図７に示す。
【００８４】
まず、図５及び図６について説明する。図５は、図４に示す短波長光源に使用可能な位相補償板の側面図であり、図６は、図５に示す位相補償板の斜め正面図である。図５及び図６に示す位相補償板は、２枚のウェッジ板８１、８２からなる。ウェッジ板８１、８２としては、ＬｉＮｂＯ３を用いた。
【００８５】
図５に示すように、ウェッジ板８１、８２は、同じウェッジ角θ１のウェッジ板であり、ウェッジ角が逆転するように相対して設置される。この状態で、制御部９は、所定のアクチュエータ及び該アクチュエータを駆動する制御回路を備え、例えば、ウェッジ板８１を矢印Ｄ１方向に移動させ、一方のウェッジ板８１と他方のウェッジ板８２との重なりを調整する。この結果、ウェッジ板８１、８２を通過する基本波と第２高調波との伝搬方向の位相差を調整することができるとともに、波長変換素子２で発生する第２高調波と波長変換素子３で発生する第２高調波との伝搬方向の位相ずれを補償できる。
【００８６】
さらに、図６に示すように、制御部９は、所定のアクチュエータ及び該アクチュエータを駆動する制御回路を備え、ウェッジ板８１、８２を一体に矢印Ｒ１方向に回転させることにより、ウェッジ板８１、８２の全体角度を調整し、また、ウェッジ板８２を矢印Ｒ２方向に単独に回転させることにより、ウェッジ板８１、８２の相対的な角度を調整する。このように、ウェッジ板８１、８２の相対角度を調整することにより、ウェッジ板８１、８２を通過する基本波と第２高調波との波面の傾きを補償し、さらに、ウェッジ板８１、８２全体をビームに対して回転させることにより、波面の傾いた方向を補償することができる。
【００８７】
上記のように、２つのウェッジ板８１、８２の重なり、相対角度及び全体角度の調整により、ウェッジ板８１、８２を通過するビームの面内の位相を調整することができる。これによって、波長変換素子２で発生する第２高調波と波長変換素子３で発生する第２高調波との伝搬方向の位相及びビーム面内での位相を整合させることが可能となり、高効率の波長変換が実現する。
【００８８】
図７は、図４に示す短波長光源に使用可能な他の位相補償板の構造図である。図７に示す位相補償板は、光学基板８４、８５及び光学ゲル８３を備え、２つの光学基板８４、８５の間に、透明な光学ゲル８３が挟まれている。
【００８９】
位相補償板に利用できる透明な高分子ゲルとしては、例えば、特開平６−２７３０５号公報に示されているように、高分子の透明ゲルを焦点可変のレンズに用いた構成がある。また、Ｈ.Ｏｎｏ他、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｌｅｎｓ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎ  ｇｕｅｓｔ-ｈｏｓｔ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｏｐｔｉ．Ｃｏｍｍｕｎ．２１１（２００２）、３０９-３１８に記載されているように、高分子の液晶材料によって焦点可変のレンズに応用された例がある。この場合、高分子ゲルに電界を加えることにより、ゲルの厚みを変えることができるため、波面を電界で制御する位相補償板が構成できる。
【００９０】
制御部９は、上記のように構成された光学ゲル８３の形状を３次元的に変化させ、例えば、一方の光学基板８４を他方の光学基板８５に対して傾けることにより、基本波に対する第２高調波の波面を制御することができる。このように、光学基板８４を３次元的に動かすことで第２高調波の波面を制御して、２つの波長変換素子２、３で発生する第２高調波の位相を一致させることが可能になる。また、ゲルの代わりにマッチングオイル、プラスチックなど透明で形状の変化するものであれば、同様に利用できる。
【００９１】
なお、ビーム面内での基本波と第２高調波との位相差をλ／１０以下に補償するためには、波長変換素子２の出射部及び波長変換素子３の入射部における、分極反転構造２ａ、３ａの端面及び波長変換素子２、３の端面の精度を制御する必要がある。分極反転構造２ａ、３ａの端面と基板（波長変換素子２、３）の端面との角度ずれΔθ１を、端面でのビーム半径Ｒ２に対して、Δθ１＜λ／（２×Ｒ２×Δｎ）／１０程度に制御する必要がある。
【００９２】
例えば、ＭｇＬＮの場合、Δθ１＜１／１４０ラジアン程度に抑える必要がある。位相補償板８の設置位置としては、Δθ１の関係式からも分かるように、角度精度及び面精度を緩くするために、ビーム径の小さな位置が好ましい。すなわち、位相補償板８を波長変換素子２の出射部直後か、又は波長変換素子３の入射部直前に設置し、位相補償板８の設置位置が基本波のビーム径がなるべく小さな位置になるようにすることにより、位相補償板８による位相補償が簡単になる。また、集光光学系５の焦点を結晶の中心から出射端近傍に移動させることで、出射端でのビーム径を小さくできる。
【００９３】
また、位相補償板８の材質としては、基本波と第２高調波との屈折率差Δｎを小さくするために、波長分散の小さな石英などの材料が好ましい。例えば、ＬＮで位相補償板８を作製した場合は、Δθ１＝１／１４０ラジアン程度となるが、石英の場合、Δθ１＝１／２０ラジアン程度となって位相補償板８の作製が容易になる。これは、波長分散の小さな石英において、Δｎが小さくなったためである。
【００９４】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５による短波長光源の構成図である。図８に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２、３２及び集光光学系４、５を備える。図９は、図８に示す波長変換素子３２の拡大図である。
【００９５】
本実施の形態では、位相補償板の代わりに、波長変換素子３２の入射部における、波長変換素子３２の入射端面ＩＰと分極反転構造３２ａの端面ＴＰとの成す角度により、位相差を補償する。すなわち、結晶端面で分極反転構造３２ａの光軸ＯＡと基板端面（波長変換素子３２の入射部の端面）の法線ＮＬとが成す角度に角度差θ２を設け、波長変換素子３２に対するビームの位置を調整することにより、位相差を補償できる。
【００９６】
具体的には、波長変換素子３２における、分極反転構造３２ａの光軸ＯＡと波長変換素子３２の入射端面ＩＰの法線ＮＬとが成す角度θ２は、基本波ＦＷの波長λ、波長変換素子３２の入射部の近傍における基本波のビーム半径Ｒ２、及び波長変換素子３２すなわち非線形光学結晶における基本波と第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ２＜λ／（２×Ｒ２×Δｎ）／１０（ラジアン）の関係を満たすことが好ましい。これは、基本波と第２高調波との位相差をビーム内でλ／１０以下にすることにより、基本波と波長変換素子３２で発生する第２高調波との位相差を低減し、高効率化が図れるからである。
【００９７】
また、実施の形態４と同様に、ビーム面内での基本波と第２高調波との位相差をλ／１０以下に補償するためには、θ２の角度ずれΔθ２を、端面でのビーム半径Ｒ４に対して、Δθ２＜λ／（２×Ｒ４×Δｎ）／１０程度に制御する必要がある。例えば、ＭｇＬＮの場合、Δθ２＜１／１４０ラジアン程度に抑える必要があり、角度θ２の設置場所としては、Δθ２の関係式からも分かるように、角度精度及び面精度を緩くするために、ビーム径の小さな位置が好ましい。したがって、波長変換素子に形成した位相補償部となる角度θ２の設置部分としては、波長変換素子２の出射部又は波長変換素子３２の入射部の少なくともいずれかに必要である。このように、基本波ビームに対する波長変換素子の位置を調整することにより、第２高調波の位相を整合させることができる。
【００９８】
また、位相補償部となる角度θ２を設ける構成としては、図１０及び図１１に示すように、分極反転構造３３ａに対して、波長変換素子３３の入射端面ＩＰａを傾ける構成でも、同様の効果が得られる。図１０は、本発明の実施の形態５による他の短波長光源の構成図である。図１０に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２、３３及び集光光学系４、５を備える。図１１は、図１０に示す波長変換素子３３の拡大図である。
【００９９】
図１０及び図１１に示すように、波長変換素子３３の入射端面ＩＰａ及び出射端面ＥＰａは、基本波ＦＷの光軸ＯＡａに対して傾けて形成され、分極反転構造３３ａの端面ＴＰａは、基本波ＦＷの光軸ＯＡａに垂直に形成されている。このように、波長変換素子３３の入射端面ＩＰａを傾けることにより、波長変換素子３３をなす非線形光学結晶における、分極反転構造３３ａの光軸ＯＡａと波長変換素子３３の入射端面ＩＰａの法線ＮＬａとが成す角度θ２は、基本波ＦＷの波長λ、波長変換素子３３の入射部の近傍における基本波のビーム半径Ｒ２、及び波長変換素子３３すなわち非線形光学結晶における基本波と第２高調波との屈折率差Δｎに対して、θ２＜λ／（２×Ｒ２×Δｎ）／１０（ラジアン）の関係を満たす。この結果、基本波と第２高調波との位相差をビーム内でλ／１０以下にすることができ、基本波と波長変換素子３３で発生する第２高調波との位相差を低減し、波長変換の高効率化を図ることができる。
【０１００】
上記のように、図８〜１１に示す短波長光源では、波長変換素子３２、３３の端面に位相補償部となる傾斜部を設けているので、位相補償板を不必要にして部品点数を低減できる。また、素子端面では、集光光学系５の近傍に比べて、基本波ビームの断面積が小さいため、ビーム内部での基本波と第２高調波との位相差を抑圧するための端面の面精度が緩和され、波長変換素子の作製が容易になるという利点がある。
【０１０１】
上記の位相補償部となる傾斜部を設けるその他の構成としては、図１２及び図１３に示す構成も有効である。図１２及び図１３は、本発明の実施の形態５に係るさらに他の短波長光源の構成図である。
【０１０２】
図１２の構成は、波長変換素子２２、３４間に集光光学系を有さない構成で、１パスの基本波ＦＷが波長変換素子２２、３４で波長変換される。ここでは、波長変換素子２２、３４は異なる材料からなり、波長変換素子３４は、高出力耐性が波長変換素子２２より優れている。基本波光源１から出射された基本波ＦＷは、波長変換素子２２で波長変換され、その後、波長変換素子３４で波長変換される。２つの素子で発生した第２高調波の位相が揃うように、位相補償部ＰＣを設け、この部分で位相補償を行っている。位相補償部ＰＣは、図８〜図１１と同様に、波長変換素子２２、３４の端面と分極反転構造２２ａ、３４ａの端面との角度をわずかにずらすことで構成されている。また、図１３に示すように、波長変換素子２、３間に位相補償板８ａを設けた構成でも、同様に位相差を補償できる。これらの例では、集光光学系をなくすことができるので、短波長光源の小型化及び安定化が図れる。
【０１０３】
また、図１２に示す構成では、波長変換素子２２、３４を直接接合（又は光学的に接着）する構成でもよい。この場合、接合することにより、光学的な損失がなくせる。また、光学的な距離が短くなるため、ビームの拡がりを抑圧でき、高効率化が図れる。さらに、温度変化に対しても、安定な出力が得られる。
【０１０４】
（実施の形態６）
本実施の形態では、複数の波長変換素子により第２高調波を発生する構成において、それぞれの波長変換素子で発生する第２高調波のビームが重ならない構成を採用することにより、高出力化を図る方法について説明する。図１４は、本発明の実施の形態６による短波長光源の構成図である。図１４に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２３、３５及び集光光学系４、５１〜５３を備える。
【０１０５】
図１４において、基本波ＦＷは、集光光学系４により集光された後、その一部が波長変換素子２３で第２高調波Ｈ１に変換され、集光光学系５１、５２により集光された後、さらに他の一部が波長変換素子３５でも第２高調波Ｈ２に変換され、変換された第２高調波Ｈ１、Ｈ２は、集光光学系５３により集光される。波長変換素子２３、３５における分極反転構造２３ａ、３５ａは、基本波ＦＷの光軸に対して傾けて形成されている。具体的な説明のために、図１５には、図１４に示す波長変換素子２３を拡大したものを示すが、波長変換素子３５の構造も、傾き方向が右上がりから右下がりに変更される点及び材料が異なる点を除き、波長変換素子２３と同様に構成されている。
【０１０６】
図１４に示す波長変換素子２３において、周期状の分極反転構造２３ａに対する垂線を分極反転構造２３ａの光軸ＯＡとし、光軸ＯＡと基本波ＦＷの光軸との成す角度を、分極反転角度θ３とする。θ３が０でない場合、基本波と第２高調波との分散特性よりウォークオフ角θｗが発生し、第２高調波Ｈ１は、基本波ＦＷと異なる伝搬方向に発生する。また、波長変換素子３５も上記と同様に機能し、第２高調波Ｈ２は、基本波ＦＷと異なる伝搬方向に発生する。
【０１０７】
したがって、図１４に示すように、波長変換素子２３と波長変換素子３５とにおいて、異なる分極反転角度、例えば、下向きの分極反転角度と上向きの分極反転角度とを形成すると、発生する第２高調波Ｈ１、Ｈ２は、互いに異なる光軸方向に発生するため、お互いにビームの重ならない第２高調波を複数発生することが可能となる。
【０１０８】
この結果、第２高調波のパワー密度が低減され、高出力耐性が向上する。また、ウォークオフが発生することで、基本波と第２高調波の光軸がずれるため、基本波と第２高調波とのオーバラップが低減し、和周波の発生が抑えられる。さらに、和周波と基本波とのウォークオフ角も増大するため、さらなる和周波の発生も抑えられる。これら３つの効果により、高出力耐性は、大幅に向上する。
【０１０９】
ここで重要なのは、波長変換素子２３を通過した後の基本波ＦＷのビーム品質である。波長変換素子２３にＰＰＭｇＬＮを用いて、第２高調波を２Ｗ以上発生させると、安定な出力が得られる状態でも、和周波の発生による第２高調波の吸収によって発生した熱レンズの影響で、基本波のビーム品質が劣化しており、波長変換素子３５における変換効率が低下する現象が観測された。
【０１１０】
これを防止するには、波長変換素子２３で発生する第２高調波を２Ｗ以下に低下させる必要があるが、全体の出力が大幅に低下してしまうという問題が発生した。そこで、波長変換素子２３に、高出力耐性に強いＰＰＭｇＬＴを用いた。ＰＰＭｇＬＴは、熱伝導度が高く、紫外線の吸収も少ないため、和周波により励起される可視光吸収の発生が生じにくく、可視光吸収が発生した場合にも、温度変化が小さく押さえられる。このため、高出力の緑色光が発生しても、波面の乱れを低減できるという特別な効果が得られる。
【０１１１】
この結果を基に、本実施の形態では、波長変換素子２３にＰＰＭｇＬＴを用い、波長変換素子３５にＰＰＭｇＬＮを用い、異なる結晶によって波長変換を行うことにより、波長変換素子２３を通過した後の基本波ＦＷのビーム品質を確保することができ、高効率及び高出力な波長変換が可能となる。
【０１１２】
（実施の形態７）
本実施の形態では、複数の波長変換素子を重ねて、ジグザグパスで波長変換を行う短波長光源について説明する。図１６は、本発明の実施の形態７による短波長光源の構成図である。図１６に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２４、３６及び集光光学系４を備える。波長変換素子２４、３６は、上下方向に２段に並列に配置されている。波長変換素子２４、３６の端面Ｔ１、Ｔ２には、基本波及び第２高調波を反射する反射膜２４ｂ、３６ｂが基本波及び第２高調波の光軸に対して傾けて形成されている。
【０１１３】
図１６に示すように、基本波光源１から出射された基本波は、波長変換素子２４で第２高調波に波長変換された後、波長変換素子２４の端面Ｔ１で反射される。端面Ｔ１で反射された基本波は、波長変換素子３６の端面Ｔ２で反射された後、波長変換素子３６で第２高調波に波長変換される。この間に波長変換素子２４、３６で波長変換された第２高調波が足し合わさって、高出力の第２高調波ＨＷを発生する。
【０１１４】
このように、光の伝搬とともに高調波のパワーが増大するため、入射端に近い波長変換素子２４に、非線形光学定数が大きいＰＰＭｇＬＮを用い、出射端に近い波長変換素子３６に、非線形光学定数は低いが、高出力耐性に強いＰＰＭｇＬＴを用いた。このように、本実施の形態では、出射端に近い波長変換素子３６に高出力耐性の強い材料を用いることにより、高効率及び高出力化が図れる。
【０１１５】
また、それぞれの素子で発生する第２高調波の位相をあわせるため、波長変換素子２４、３６の端面Ｔ１、Ｔ２は、分極反転構造２４ａ、３６ａに対してわずかに傾いている。この結果、本実施の形態では、波長変換素子２４、３６で発生する第２高調波の位相差を低減し、高効率化を図ることができる。
【０１１６】
また、基本波及び第２高調波を反射する構成としては、図１７に示すように、凹面ミラー１１を用いて光を集光する構成を採用してもよい。図１７は、本発明の実施の形態７による他の短波長光源の構成図である。図１７に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２５、３７、集光光学系４及び凹面ミラー１１を備える。波長変換素子２５、３７は、上下方向に２段に並列に配置され、波長変換素子３７の基本波光源１側の端面には、基本波及び第２高調波を反射する多層膜Ｍａが形成され、波長変換素子２５、３７の凹面ミラー１１側の端面には基本波及び第２高調波を透過する多層膜Ｍｂが形成されている。
【０１１７】
図１７に示す構成においても、出射端に近い波長変換素子３７には、波長変換素子２５より高出力耐性に強い材料を用いている。本例では、反射ミラーとして凹面ミラー１１を用い、凹面ミラー１１によって基本波を集光することで、波長変換素子３７の結晶内部のパワー密度を上げることができるので、変換効率が向上する。また、反射光学系である凹面ミラー１１を用いることにより、基本波と第２高調波との色収差が発生しないので、結晶内部で発生した第２高調波の位相ずれを抑圧できる。
【０１１８】
また、基本波及び第２高調波を反射する構成としては、図１８に示すように、凹面ミラー１１ａ、１１ｂを用いて光を集光するとともに、位相補償板１２ａ、１２ｂによって第２高調波の位相を調整する構成を採用してもよい。図１８は、本発明の実施の形態７によるさらに他の短波長光源の構成図である。図１８に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２６、３８、集光光学系４、凹面ミラー１１ａ、１１ｂ及び位相補償板１２ａ、１２ｂを備える。波長変換素子２６、３８は、上下方向に２段に並列に配置され、波長変換素子２６の、基本波光源１と反対側には、位相補償板１２ａ及び凹面ミラー１１ａが配置され、波長変換素子３８の基本波光源１側には、位相補償板１２ｂ及び凹面ミラー１１ｂが配置されている。図１８に示す構成においても、出射端に近い波長変換素子３８には、波長変換素子２６より高出力耐性に強い材料を用いている。
【０１１９】
また、図１８に示すように、凹面ミラー１１ａ、１１ｂで反射させながら、波長変換素子２６、３８で波長変換する構成においては、位相補償板１２ａ、１２ｂによって第２高調波の位相を調整して、各ビームパスで発生する第２高調波の位相を整合させることができるので、高効率化が可能となる。すなわち、このような折り返しの構成では、波長変換素子２６、３８に再入射する場合に、第２高調波の位相を調整する必要があり、位相補償板１２ａ、１２ｂを設けることで調整が可能となり、高効率化が図れる。
【０１２０】
また、上記の各例のような反射型にすることにより、短い光路で高効率の波長変換が可能になり、小型化が図れる。また、波長変換素子に異なる材料を用いることで、高出力耐性を向上させることが可能になる。なお、反射型の構成において、２枚の波長変換素子を用いる場合について説明したが、３枚以上の波長変換素子を厚さ方向に並列に重ねるようにしてもよい。また、一の波長変換素子内部で、複数回の波長変換を行うようにしてもよい。
【０１２１】
（実施の形態８）
本実施の形態では、複数の波長変換素子を厚み方向に接合（又は光学的に接着）した構成について図１９を用いて説明する。図１９は、本発明の実施の形態８による短波長光源の構成図である。図１９に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子１０１〜１０３及び集光光学系４を備える。本実施の形態の波長変換素子は、波長変換素子１０２、１０３が波長変換素子１０１をサンドイッチする形になっている。
【０１２２】
基本波光源１から出射した基本波ＦＷは、集光光学系４により波長変換素子１０１〜１０３内部に焦点を持つように集光されているが、ビームが複数の波長変換素子１０１〜１０３を横切るように、波長変換素子１０１の厚みは、ビーム径に対して薄くなるように設計している。
【０１２３】
ここで、第２高調波の吸収による熱レンズの発生は、ビームのパワー密度が大きくなるビーム中心で発生する。これを抑圧するために、本実施の形態では、ビーム中心に位置する波長変換素子１０１の結晶として、他の波長変換素子１０２、１０３の結晶よりも熱伝導度の大きな結晶を用いている。
【０１２４】
例えば、波長変換素子１０１として、ＰＰＭｇＬＴ又はストイキオメトリックなＭｇドープＬｉＴａＯ３からなるＰＰＭｇＬＴを用い、波長変換素子１０２、１０３としては、変換効率の高いＰＰＭｇＬＮとした。この場合、中央部に熱伝導度の大きな結晶を用いているので、熱レンズの発生を抑え、高出力耐性に強い光源が実現できる。また、波長変換素子１０１〜１０３を構成する各結晶は、互いに直接接合されているので、接合面の空気層を無くし、ビーム波面の乱れを抑えることができる。
【０１２５】
また、波長変換素子を貼り合わせる場合に、図２０に示すように、分極反転構造１０１ａ〜１０３ａに垂直な面で貼り合わせる構成以外に、図２１に示すように、両側に設置した波長変換素子１０２、１０３の分極反転構造１０２ａ、１０３ａをビームの進行方向に対して傾ける構造も有効である。この場合、分極反転構造１０２ａ、１０３ａを傾けることで、両側から発生する第２高調波の発散を抑え、第２高調波ビームが中心に集まるので、変換効率の向上を図ることができる。
【０１２６】
なお、複数の波長変換素子をビームの断面方向に貼り合わせる構成において、３枚の構成について説明したが、さらに複数の結晶を貼り合わせる構成でもよい。また、波長変換素子以外の材料をビームの中央部に挟み込む構成も可能である。この場合の材料としては、基本波及び第２高調波の光に対して透明で、かつ熱伝導度の大きい材料が好ましい。また、複数の波長変換素子を積層するのではなく、一の波長変換素子の周囲を複数の波長変換素子で囲むようにしてもよい。
【０１２７】
（実施の形態９）
図２２は、本発明の実施の形態９による短波長光源の構成図である。図２２に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２２０、２３０及び集光光学系４、５１〜５３を備える。高出力耐性を向上させる他の方法として、図２２に示した構成が有効である。
【０１２８】
図２２に示すように、波長変換素子２２０、２３０の分極反転構造２２０ａ、２３０ａは、基本波ＦＷの光軸に対して斜めに形成され、さらに、波長変換素子２２０の出射面Ｅ１の角度を斜めに形成し、波長変換素子２３０の入射面Ｉ１の角度を斜めに形成している。
【０１２９】
このように、入出射面Ｉ１、Ｅ１を斜めに形成すると、プリズム効果により基本波と第２高調波との角度差を大きくとれる。これによって波長変換素子２３０内での２つの第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらすことができるので、オーバラップを低減することができ、高出力耐性を向上できる。
【０１３０】
また、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２３に示すように、波長変換素子の入出射面を斜めに形成することなく、偏光板１３を用いる構成を採用してもよい。図２３は、本発明の実施の形態９による他の短波長光源の構成図である。図２３に示す偏光板１３の特性としては、基本波は偏光回転せず、第２高調波のみ偏光を回転させる構成が望ましい。この場合、偏光板１３を集光光学系５１、５２との間に挿入することにより、波長変換素子２２１で発生した第２高調波Ｈ１は、波長変換素子２３１内では基本波ＦＷと異なる偏光を持つことになる。
【０１３１】
この結果、本例では、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との偏光方向が異なることにより、波長変換素子２３１内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。なお、和周波の発生は、高調波と第２基本波との偏光が直交する場合が最も小さくなるので、偏光板１３の特性としては、基本波と第２高調波との偏光が直交するように設定することがより好ましい。
【０１３２】
ここで重要なのは、波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）を通過した後の基本波ＦＷのビーム品質である。波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）にＰＰＭｇＬＮを用いて、第２高調波を２Ｗ以上発生させると、安定な出力が得られる状態でも、和周波の発生による第２高調波の吸収によって発生した熱レンズの影響で、基本波のビーム品質が劣化しており、波長変換素子２３０（又は波長変換素子２３１）における変換効率が低下する現象が観測された。
【０１３３】
これを防止するには、波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）で発生する高調波を２Ｗ以下に低下させる必要があるが、全体の出力が大幅に低下してしまうという問題が発生した。そこで、波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）に、高出力耐性に強いＰＰＭｇＬＴを用いた。ＰＰＭｇＬＴは熱伝導度が高く、紫外線の吸収も少ないため、和周波により励起される可視光吸収の発生が生じにくく、可視光吸収が発生した場合にも温度変化が小さく押さえられる。このため、高出力の緑色光が発生しても、波面の乱れを低減できるという特別な効果が得られる。
【０１３４】
この結果を基に、本実施の形態では、波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）にＰＰＭｇＬＴを用い、波長変換素子２３０（又は波長変換素子２３１）にＰＰＭｇＬＮを用い、異なる結晶によって波長変換を行うことにより、波長変換素子２２０（又は波長変換素子２２１）を通過した後の基本波ＦＷのビーム品質を確保することができ、高効率及び高出力な波長変換が可能となる。
【０１３５】
なお、本実施の形態では、高出力耐性に優れた素子として熱伝導度の大きいＰＰＭｇＬＴを用いたが、その他ストイキオメトリック結晶のＭｇドープＬｉＴａＯ３に分極反転構造を形成したもの、ＫＴＰ、ＬＢＯなどの結晶も利用できる。
【０１３６】
また、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２４に示す小型化を目的とした構成を採用してもよい。図２４は、本発明の実施の形態９によるさらに他の短波長光源の構成図である。図２４に示す短波長光源は、基本波光源１、波長変換素子２２２、２３２及び集光光学系４を備える。
【０１３７】
図２４に示す短波長光源では、波長変換素子として、一つの基板の中に、分極反転角度θ３（図１４参照）の異なる第１領域及び第２領域を形成し、第１領域を波長変換素子２２２とし、第２領域を波長変換素子２３２とした。第１領域すなわち波長変換素子２２２は、熱伝導度の大きい結晶で構成され、第２領域すなわち波長変換素子２３２は、変換効率の高い結晶で構成され、波長変換素子２２２の分極反転構造２２２ａの光軸と波長変換素子２３２の分極反転構造２３２ａの光軸とは、異なる角度で基本波ＦＷの光軸と交わっている。したがって、第２高調波Ｈ１と第２高調波Ｈ２とは、それぞれの領域で異なるウォークオフ角を持って発生する。
【０１３８】
この結果、本例では、第２高調波のパワー密度の低減、及び第２高調波と基本波とのオーバラップ低減により、和周波の発生を抑圧することができ、高出力耐性を大幅に向上できる。また、一つの結晶内に２つの波長変換素子２２２、２３２を形成しているため、小型化に有効である。さらに、分極反転角度θ３の異なる複数の領域を並列につなげた構成も可能であり、この場合、相互作用長の増大が可能であり、高出力化が図れる。
【０１３９】
また、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２５に示すように、２つの波長変換素子２２３、２３３の間すなわち分極反転構造２２３ａ、２３３ａの間に、プリズム１４を挿入することも有効である。図２５は、本発明の実施の形態９によるさらに他の短波長光源の構成図である。
【０１４０】
図２５に示す短波長光源では、プリズム１４の分散特性により、基本波と第２高調波との屈折角を変えることができるので、波長変換素子２２３から出力された第２高調波Ｈ１と、波長変換素子２２３から出力された基本波ＦＷを、波長変換素子２３３中で分離することができる。この結果、波長変換素子２２３から出力された第２高調波Ｈ１と、波長変換素子２３３で発生される第２高調波Ｈ２とを分離することができるので、高出力耐性の向上が可能となる。
【０１４１】
また、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２６に示すように、２つのプリズム１５ａ、１５ｂの間に偏光板１６を挿入することも有効である。図２６は、本発明の実施の形態９によるさらに他の短波長光源の構成図である。
【０１４２】
図２６に示す短波長光源では、２つのプリズム１５ａ、１５ｂが図２５に示すプリズム１４と同様に機能し、２つのプリズム１５ａ、１５ｂの間にさらに偏光板１６が備えられる。偏光板１６の特性としては、図２３に示す偏光板１３と同様に、基本波は偏光回転せず、第２高調波のみ偏光を回転させる構成が望ましい。
【０１４３】
本例では、偏光板１６により第２高調波Ｈ１の偏光を回転させることにより、第２高調波Ｈ１と基本波ＦＷとの偏光を異なる偏光にすることができるので、波長変換素子２３３中で、第２高調波Ｈ１と基本波ＦＷとによる和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性をさらに強化することが可能になる。
【０１４４】
上記の図２５及び図２６に示すように、平行プリズム１４やプリズムペア（プリズム１５ａ、１５ｂ）を用いて、波長変換素子２３３中で発生した第２高調波と基本波とを別光路に分離することが有効である。また、基本波の波長と第２高調波の波長との違いを利用して、波長分散の大きなプリズムを用いれば、屈折角の違いにより基本波と第２高調波とを分離することができる。
【０１４５】
また、平行プリズムやプリズムペアを用いれば、光路が異なる平行光にすることも可能である。この場合、平行光にすることにより、第２高調波Ｈ１、Ｈ２をほぼ並行な光として取り出すことができるので、２つの光を合波する光学系が簡単になるという利点もある。
【０１４６】
また、プリズムペアの代わりに、屈折率分散の大きな光学系を用いてもよく、この場合も、波長変換素子２２３で発生した第２高調波と基本波とを波長変換素子２３３で分離することができるので、高出力耐性を向上できる。この場合のポイントは、波長変換素子２２３で発生した第２高調波と基本波とを、波長変換素子２３３で分離することにより、波長変換素子２３３での和周波の発生を抑圧する点にある。
【０１４７】
例えば、屈折率分散の大きな光学素子としては、図２５に示したプリズム１４以外に、屈折率分散の大きな光学ガラスによるレンズも有効である。ここで、波長変換素子２２３から出射される基本波を波長変換素子２３３で集光する場合に、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との集光スポットをずらすことにより、パワー密度の高い集光点で高効率に発生する和周波を大幅に低減できる。
【０１４８】
この集光スポットのずれは、基本波と第２高調波との波長の違いによってレンズの屈折率が異なることに起因するものであり、集光スポットのずれは、集光点での焦点深度より大きいことが望ましい。その他、グレーティング素子によって、基本波と第２高調波とを分離することも有効である。また、レンズの表面にグレーティングを施したグレーティングレンズなども、波長分散の大きなレンズを形成できるため、有効である。
【０１４９】
さらに、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２７に示すように、基本波と第２高調波とを分離する分離プリズム１７も有効である。図２７は、本発明の実施の形態９によるさらに他の短波長光源の構成図である。
【０１５０】
図２７に示す短波長光源では、分離プリズム１７は、波長分離膜１７ａ及び反射膜１７ｂを備え、波長分離膜１７ａは、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１とを分離し、反射膜１７ｂは、第２高調波Ｈ１を反射させる。このように、分離プリズム１７が基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との光路を分離するので、本例においても、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１とを波長変換素子２３３内部で分離することができ、和周波の発生を抑えて、高出力耐性を大幅に向上できる。
【０１５１】
また、第２高調波Ｈ１、Ｈ２の光軸をずらす構成として、図２８に示すように、波長変換素子２２４の出射面ＥＰを基本波ＦＷのビームに対して傾けることも有効である。図２８は、本発明の実施の形態９によるさらに他の短波長光源の構成図である。
【０１５２】
図２８に示す短波長光源では、波長変換素子２２４の出射面ＥＰが傾けて形成されている。この結果、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との波長差による屈折率の違いにより、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との出射角度が異なり、これを利用して基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１とを分離できるので、波長変換素子２２４の端部をプリズムとして利用できる。
【０１５３】
例えば、波長変換素子２２４内部での基本波ＦＷと、出射面ＥＰの垂線との成す角をθ４とすると、θ４が６５°であり、波長変換素子２２４と波長変換素子２３４との距離が１ｍｍであるとき、基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との光路は、波長変換素子２３４内で約１００μｍ離れる。これによって、和周波の発生を抑圧して、高出力耐性を大幅に向上できた。
【０１５４】
ここで、θ４の値としては、出射面ＥＰから出力する基本波ＦＷと第２高調波Ｈ１との角度の差をつけるため、１０°以上が好ましい。また、角度が大きいと、全反射してしまうので、θ４は３０°以下が好ましい。また、θ４をブリュースター角に設定すると、無反射コートを施すことなく、端面での反射損失がなくなるのでより好ましい。
【０１５５】
また、波長変換素子２３４の入射面ＩＰは、出射面ＥＰと同じ角度に設定することが好ましい。同じ角度に設定することにより、波長変換素子２３４内で、第２高調波Ｈ１と、波長変換素子２３４内で発生した第２高調波Ｈ２とが平行になるので、出射した光を合波する光学系が簡単になるという利点を有する。また、２つの波長変換素子２２４、２３４間にレンズ光学系を挿入して波長変換素子２３４内で基本波を再び集光することにより、変換効率をさらに向上させることも可能である。
【０１５６】
また、図２５〜図２８の構成において、波長変換素子２２３（又は波長変換素子２２４）に、熱伝導度の大きい、高出力耐性に優れた素子を設定することにより、波長変換素子２２３（又は波長変換素子２２４）を通過した基本波ＦＷのビーム品質の劣化を抑圧することができ、波長変換素子２３３（又は波長変換素子２３４）においても、高い変換効率を得ることが可能になった。
【０１５７】
なお、上記の各実施の形態では、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶の材料として、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３等を用いて説明したが、その他、ノンドープのＬｉＮｂＯ３、又は、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｃをドープしたＬｉＮｂＯ３等を用いてもよく、これらも高出力化に有効である。ＬｉＮｂＯ３又はドープしたＬｉＮｂＯ３は、高い非線形光学定数を有するため、高効率変換が可能となり、高出力化に有効である。その他、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ、ＫＮｂＯ３等の強誘電体の周期状の分極反転構造も、高出力化に有効である。また、高出力耐性の向上には、第２高調波のパワー密度の低減が有効なため、本発明の構成は有効である。
【０１５８】
また、本発明は、１２００ｎｍ以下の基本波の波長変換に対して、特に有効である。本発明で説明した紫外光による可視光の吸収発生は、紫外光の波長として４００ｎｍ以下で顕著に発生する。このため、和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対しては、本発明の構成が特に有効である。また出力としては、第２高調波の出力で１〜２Ｗ程度以上の場合に有効である。
【０１５９】
また、１２００ｎｍを越える波長に対しては、１０Ｗ以上の第２高調波を発生する場合に、本発明は有効である。１２００ｎｍを越える波長に対しては、基本波の４倍波である、基本波の波長λの１／４の波長を有する光の発生によって、同様の高出力耐性の劣化が生じる。しかしながら、４倍波の効率は低いため、第２高調波の出力が１０Ｗ以上の高出力になった場合、又は、基本波の出力がピークパワーの高いパルス列の光となった場合に、本発明は、特に有効である。例えば、基本波のピークパワーが１００ｍＷ／ｃｍ２以上になると、４倍波の発生による高出力耐性の劣化が問題となるため、本発明の構成が有効となる。
【０１６０】
また、基本波光源としては、Ｑスイッチパルス光源を用いてもよい。この場合、基本波の平均パワーが低くても、高いピークパワーが利用できるため、高効率変換が可能となる。また、繰り返し周波数としては、１ｋＨｚ以上が好ましい。これ未満の場合、ピークパワーが高くなり、１００ｍＷ／ｃｍ２程度のパワー密度になると、レーザダメージによる結晶破壊が生じる。また、光のビームスポットを大きくとり、かつ平均パワーを下げる必要がある。このように、Ｑスイッチパルス光源を高出力の光源として利用するためには、繰り返しの周波数が１ｋＨｚ以上、より好ましくは１０ｋＨｚ以上が望ましい。
【０１６１】
また、基本波光源としては、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス等のＮｄ材料、又は、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス等のＹｂドープ材料の適用が可能である。また、Ｙｂドープのファイバーレーザを利用することも可能である。ファイバーレーザは、高出力化が容易であり、ビーム品質も高いため、集光特性に優れ、高効率変換が可能である。
【０１６２】
また、本発明では、例えば、ＰＰＭｇＬＮとしては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを用いている。Ｍｇのドープ量としては、４．９ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％が望ましく、５．６±０．２ｍｏｌ％がさらに望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。
【０１６３】
上記以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮでも同様に利用できる。ストイキオメトリック組成のＰＰＭｇＬＮも、耐光損傷強度に優れた高非線形材料であるため、利用できる。この場合のＭｇのドープ量は、１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。その他、ＭｇドープのＬｉＴａＯ３、ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ等においても、本発明の構成は有効である。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
以上述べたように、本発明の短波長光源は、波長変換素子の高出力耐性を向上させるため、異なる結晶からなる波長変換素子を複数用い、高出力耐性の優れた結晶を光パワー密度の高い領域で使用することができるので、光の吸収により発生する熱レンズの発生を抑圧して、高出力耐性を大幅に向上させ、安定で、信頼性の高い短波長光源を実現できるため、その実用効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図５】図４に示す短波長光源に使用可能な位相補償板の側面図である。
【図６】図５に示す位相補償板の斜め正面図である。
【図７】図４に示す短波長光源に使用可能な他の位相補償板の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図９】図８に示す波長変換素子の拡大図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１１】図１０に示す波長変換素子の拡大図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１５】図１４に示す波長変換素子の拡大図である。
【図１６】本発明の実施の形態７に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態７に係る他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態７に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態８に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２０】図１９に示す波長変換素子の一例の拡大図である。
【図２１】図１９に示す波長変換素子の他の例の拡大図である。
【図２２】本発明の実施の形態９に係る短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態９に係る他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態９に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態９に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態９に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態９に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態９に係るさらに他の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【図２９】従来の短波長光源の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１  基本波光源
２、３、２１〜２６、３１〜３８、１０１、１０２、２２０〜２２４、２３０〜２３４  波長変換素子
２ａ、３ａ、２１ａ〜２６ａ、３１ａ〜３８ａ、１０１ａ、１０２ａ、２２０ａ〜２２４ａ、２３０ａ〜２３４ａ  分極反転構造
４、５、５１〜５３  集光光学系
６、７  波長フィルタ
８、８ａ、８ｂ、１２ａ、１２ｂ  位相補償板
９  制御部
１１、１１ａ、１１ｂ  凹面ミラー
１３、１６  偏光版
１４、１５ａ、１５ｂ  プリズム
１７  分離プリズム
８１、８２  ウェッジ板
８３  光学ゲル
８４、８５  光学基板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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