(57)【要約】第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有するコヒーレント光源である。本コヒーレント光源は、出力が不安定になる特性要因である、第２高調波と基本波の和周波発生を抑圧する。そのため、基本波とＳＦＧ光のウォークオフ角を１５度以上に保つ構成を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０７０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有するコヒーレント光源。
【請求項２】
前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項３】
前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＳｃドープＬｉＮｂＯ３を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項４】
前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＩｎドープＬｉＮｂＯ３を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項５】
前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＺｎドープＬｉＮｂＯ３を有することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項６】
１０２７ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるストイキオメトリックＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源。
【請求項７】
１０１８ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＬｉＴａＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源。
【請求項８】
８５０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＫＴｉＯＰＯ４を含む波長変換部を有するコヒーレント光源。
【請求項９】
前記波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることを特徴とする請求項１または６ないし８のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１０】
さらに、前記波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とする請求項１または６ないし８のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１１】
８００ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記第１波長の半波長である第２波長を有する光を所定の平均出力以上で出射する波長変換部と、
前記波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項１２】
さらに、前記波長変換部に通電可能に配された電極部と、
前記電極に電圧を印加する電源部とを有することを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１３】
前記光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１４】
前記光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１５】
前記所定の平均出力は、１Ｗであることを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１６】
前記所定の平均出力は、２Ｗであることを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１７】
前記所定の平均出力は、２．５Ｗであることを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１８】
前記所定の平均出力は、３Ｗであることを特徴とする請求項１または６ないし８または１１のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、コヒーレント光源に関し、特に、光を受け、波長を変換することにより受けた光の波長と異なる波長を有する光を出射する波長変換素子を備えたコヒーレント光源に関する。
【背景技術】
【０００２】  コヒーレント光源に関連し、近年、光の波長変換技術は継続的に発展を遂げ、もってコヒーレント光源の高効率化、高出力化が進んでいる。例えば、コヒーレント光源の高効率化を実現する方式として、内部共振器を用いて基本波のパワー密度を増大させることにより波長変換効率を向上させる方法、および、Ｑスイッチパルスにより尖塔値の高い基本波を用いて波長変換効率を向上させる方法が知られている。両方法とも、効率５０％程度の高効率変換を実現する。例えば、１０６４ｎｍ近傍の波長を有する光を基本波として用いることで、その第２高調波（以下、「ＳＨＧ」とも称する。）である５３２ｎｍ近傍の波長を有する緑色光の発生を実現している。【０００３】  変換効率の高い材料を用いて波長変換素子を構成すれば、高効率に第２高調波を発生できる。そのため、高効率な第２高調波発生を実現するため、波長変換を担う非線形材料の変換効率のさらなる向上が望まれている。【０００４】  高効率であるのみならず、可視光を高出力で発生させるには、すなわち、可視光領域の波長を有する第２高調波を高出力に発生させるには、波長変換部を構成する非線形材料に対し、高い変換効率のみならず、発生する第２高調波の有する波長近傍の波長領域における優れた耐性が望まれる。なぜならば、第２高調波等、波長変換部の内部を伝播する、高パワーを有する電磁波により非線形材料が光損傷等を受ければ、所望の出力を安定的に得ることが困難になるおそれがあるからである。【０００５】  近年、周期状の分極反転構造を結晶内に備えるＭｇドープのＬｉＮｂＯ３（以下、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）は、「ＭｇＬＮ」とも称する。）は、可視光発生用の高効率非線形材料として注目されている。【０００６】  ＭｇＬＮは、可視光領域の波長の光に対し、最も高い非線形性を持つ無機材料であり、かつ、優れた耐光損傷強度を有することが知られている。そのため、光源の高効率化、高出力化に適するとされる。さらに有利なことには、ＭｇＬＮは、結晶成長が容易なため、低コスト化が可能である。また、従前は、ＭｇＬＮの高い非線形性を利用した位相整合は困難であったが、周期状の分極反転構造をＭｇＬＮ等に製造する方法が開発され、よって、高効率高非線形材料として利用する道が拓かれた。特許文献１は、周期状の分極反転構造を備えたＭｇＬＮ（以下、「ＰＰＭｇＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）」とも称する。）を内部共振器として用いる青色光コヒーレント光源を開示する。【０００７】  また、非特許文献１は、Ｍｇドープ量４．８ｍｏｌ％以下のＭｇＬＮにおいて、緑色光の照射による赤外吸収（ＧＲＩＩＲＡ（Ｇｒｅｅｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ））が、増大する現象を報告している。【０００８】  上述の非線形材料を結晶成長させて作成した非線形光学結晶を波長変換素子に用いて波長変換を行うことで、４５０ｎｍ近傍の波長を有する青色光から５３０ｎｍ近傍の波長を有する緑色光まで、発生させることができる。光源から発せられる高出力出射光を基本波とし、変換効率の高い非線形光学結晶によって第２高調波へ変換することで、高効率な波長変換が実現され、高出力かつ高効率な可視光コヒーレント光源が実現される。【０００９】  高出力であることが求められるコヒーレント光源においては、波長変換部である波長変換素子には、基本波および第２高調波（ＳＨＧ）の波長領域において十分に安定な材料を使用することが望ましい。ＳＨＧの波長が含まれる波長領域の光を受けて光学的特性が不安定化する要因を有する材料を波長変換素子として用いるならば、安定的なＳＨＧの発生を行うことができない。そのような材料は、波長変換素子に不適であると言える。【００１０】  これまで、可視光領域の光に対して、特に、可視光のうちでも短波長光に対して、非線形材料が、不安定化する現象およびその原因が複数報告されている。例えば、非線形材料であるＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」とも称する。）、ＬｉＴａＯ３（以下、「ＬＴ」とも称する。）に対しては、（１）光損傷、（２）ＧＲＩＩＲＡ（緑色光励起の赤外吸収）、（３）光ダメージ等が報告されている。以下、これらについて解説する。【００１１】（１）光損傷：
光損傷とは光励起の屈折率変化現象である。例えば、ＬＮ結晶は、上記した短波長光を照射することで屈折率が変動する。波長変換素子において光損傷が生じると、光損傷が生じた部分においては、位相整合条件が成立しなくなり、素子の変換効率の低下を招く。この現象は、可逆的な現象であり、光の照射を止めると、変化した屈折率は元に戻る。光損傷は光の波長および強度に依存するが、Ｍｇを５ｍｏｌ％程度以上添加したＬＮ結晶では、観測されていない。【００１２】（２）ＧＲＩＩＲＡ：
緑色光または青色光と、赤外光とが共存する場合に発生する現象である。例えば、ＬＮ結晶に可視光が照射されると、赤外光の吸収が増大する。この現象は、可逆的な現象であり、可視光の照射を止めると、吸収も減少する。非特許文献１においても報告されているが、Ｍｇドープ量が４．８ｍｏｌ％以下のＭｇＬＮでは、緑色光により赤外光の吸収が増大する現象が観測され報告されている。【００１３】（３）光ダメージ：
光のエネルギにより結晶が破壊される現象である。光ダメージはあらゆる材料で存在するが、この現象は、光のパワー密度と関係して発生する。例えば、ＬＮおよびＭｇＬＮにおける光ダメージ損傷は、波長１．０６４μｍ（１０６４ｎｍ）の光に対しては、１００〜２００ＭＷ／ｃｍ２程度以上のパワー密度のときに発生する。光ダメージは、結晶が破壊される現象であるため、非可逆的な現象である。ただし、光ダメージは、高い光パワー密度でのみ発生するので、光ダメージが発生しない程度のパワー密度を有する光のみを使用する場合、この現象に由来する問題は顕在化しない。しかし、高出力化を要求されるコヒーレント光源では、この現象に由来する問題が顕在化するおそれがある。そのため、光ダメージに対する耐性が強い材料を波長変換素子に使用して安定的に高出力光を発生させる光源を実現することが望まれる。光ダメージは、あらゆる結晶において存在する現象である。結晶の光ダメージに対する耐性は、結晶破壊を生じさせる光のパワー密度の最小値で定められる。【００１４】  また、光損傷およびＧＲＩＩＲＡは、ＬＮ、ＬＴ等においては、比較的低パワーの光で発生する。そのため、ＬＮ、ＬＴ等を用いて高出力の可視光を発生する光源を構成することは困難である。このような光源を実現するには、例えば、１Ｗを超える出力を得るためには、結晶の温度を１００℃以上に加熱する必要がある。つまり、ＬＮ、ＬＴ等を波長変換素子として用いて安定的に高パワーの可視光を変換する構成を備えるならば、同時に光損傷等の現象に起因する、光源の安定性問題を伴うことになる。【００１５】  また、ＫＴｉＯＰＯ４（以下、「ＫＴＰ」とも称する。）でも短波長の可視光の照射により結晶内にカラーセンタが生じる、「グレートラック」という現象が知られている。この現象は、ＫＴＰを波長変換素子として利用する際、変換される光のパワーを制限する要因となっている。【００１６】  また、ＭｇＬＮや、ＭｇＬＴは、可視光に対して優れた耐性を有する高非線形材料として注目される材料である。この周期状の分極反転構造を有する（ＰＰＭｇＬＮ）は高い変換効率と、優れた対光損傷強度を有する非線形材料であり、内部共振器構造をはじめとし、様々な応用が可能である。また、ＰＰＭｇＬＮは、ＧＲＩＩＲＡに関しても、Ｍｇドープ量を５ｍｏｌ％以上とすれば実用上、問題となるようなＧＲＩＩＲＡ現象は発生しない。実際、先に示したとおり、１Ｗ以下の出力において内部共振器型の波長変換素子として利用されている。
【特許文献１】特開平０６−２４２４７８号公報
【非特許文献１】Ｙ．フルカワ、Ｋ．キタムラ、Ａ．アレクサンドロフスキ、Ｒ．Ｋ．ラウテ、Ｍ．Ｍ．フェジェール、Ｇ．フーロン（Ｙ．ＦｕｒｕｋａＷａ，Ｋ．Ｋｉｔａｍｕｒａ，Ａ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖｓｋｉ，Ｒ．Ｋ．Ｒｏｕｔｅ，ａｎｄ  Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，Ｇ．Ｆｏｕｌｏｎ）、「グリーン−インデュースド・インフラレッド・アブソープション・イン・ＭｇＯドープドＬｉＮｂＯ３」（″Ｇｒｅｅｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｉｎ  ＭｇＯ  ｄｏｐｅｄ  ＬｉＮｂＯ３″）、アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、（米国）、アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、２００１年４月２日、ｖｏｌ．７８、ｐ．１９７０−１９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】  上述のとおり、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３（ＭｇＬＴ）は、耐光損傷強度に優れた高非線形材料である。実際、ＰＰＭｇＬＮにおいては、室温近傍の波長変換においても安定な高出力波長変換が可能である。しかしながら、本願の発明者は、周期状の分極反転構造を有する結晶等（ＰＰＭｇＬＮ等）に高ピークパワーを有する基本波を照射したり、可視光の高出力発生を行ったりする場合、出力が不安定化する現象を発見した。例えば、ＰＰＭｇＬＮの場合、１Ｗ以上の高出力変換においては、光損傷以外の原因によると思われる出力の不安定化現象を、本願の発明者は観測している。このような不安定化現象は、ＰＰＭｇＬＮ等を波長変換素子として用いて高出力コヒーレント光源を構成する場合、光源の安定性に疑問を投げ掛ける因子である。この現象に対し対処を怠れば、光源の信頼性は著しく損なわれることになる。本発明は、この出力不安定化現象の原因を解明し、この現象を回避する方策を示し、もって、安定的に高出力で出力可能なコヒーレント光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明は、その一態様において、１０７０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有するコヒーレント光源である。【００１９】  本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。【００２０】  本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＳｃドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。【００２１】  本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＩｎドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。【００２２】  本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＺｎドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。【００２３】  本発明は、別の一態様において、１０２７ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるストイキオメトリックＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。【００２４】  本発明は、別の一態様において、１０１８ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＬｉＴａＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。【００２５】  本発明は、別の一態様において、８５０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＫＴｉＯＰＯ４を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。【００２６】  本発明の各態様においては、さらに、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することが好ましい。【００２７】  本発明は、別の一態様において、８００ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて第１波長の半波長である第２波長を有する光を所定の平均出力以上で出射する波長変換部と、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有するコヒーレント光源である。【００２８】  本発明の各態様においては、波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることが好ましい。【００２９】  本発明の各態様においては、波長変換部の周期状分極反転構造の示すストライプの法線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、３度以上であることが好ましい。【００３０】  本発明の各態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転構造の示すストライプと結晶構造のａ軸およびｃ軸に垂直な方向とのなす角が、０度より大きく１度以下であることが好ましい。【００３１】  本発明は、その一態様において、所定の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、周期状分極反転構造を備え、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有し、波長変換部の備える周期状分極反転構造の示すストライプの��線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、３度以上であることを特徴とするコヒーレント光源である。【００３２】  本発明の一態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転構造の示すストライプと結晶構造のａ軸およびｃ軸に垂直な方向とのなす角が、０度より大きく１度以下であることが好ましい。【００３３】  本発明の各態様においては、さらに、波長変換部に通電可能に配された電極部と、電極に電圧を印加する電源部とを有することが好ましい。【００３４】  本発明の各態様においては、光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とすることが好ましい。【００３５】  本発明の各態様においては、光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることが好ましい。【００３６】  本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、１Ｗ以上であることが好ましい。【００３７】  本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、２Ｗ以上であることが、より好ましい。【００３８】  本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、２．５Ｗ以上であることが、さらに好ましい。【００３９】  本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、３Ｗ以上であることが、なおさら好ましい。
【発明の効果】
【００４０】  本発明は、波長変換素子を用いた高出力の可視光領域のコヒーレント光源を提供する。本発明によるコヒーレント光源は、高出力時の出力不安定性、および、信頼性の問題がなく、安定的な出力特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実験光学系の構成図
【図２Ａ】実験光学系の構成図
【図２Ｂ】検出された赤外光量と、照射された紫外光との関係を示すグラフ
【図３Ａ】ＰＰＭｇＬＮ内を伝播する基本波、ＳＨＧ、ＳＦＧを示す図
【図３Ｂ】ＰＰＭｇＬＮにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｃ】ＰＰＭｇＬＮにおける基本波波長とＳＦＧ強度の関係を示すグラフ
【図３Ｄ】ＰＰＭｇＳＬＮにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｅ】ＰＰＬＴにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｆ】ＰＰＫＴＰにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図４Ａ】第１の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
【図４Ｂ】第１の実施形態の変形例によるコヒーレント光源の構成図
【図５】室温での基本波波長と耐性との関係を示す図
【図６】基本波波長と耐性との関係の結晶温度依存性を示す図
【図７】擬似位相整合状態および位相不整合状態で発生するＳＦＧの強度と伝搬距離の関係を示すグラフ
【図８】第２の実施形態による波長変換部の概略図
【図９】第２の実施形態による波長変換部の変形例の概略図
【図１０】分極反転角とウォークオフ角との関係を示すグラフ
【図１１】分極反転角と、ＳＨＧ変換効率および波長変換素子の耐性との関係を示すグラフ
【図１２】第３の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
【符号の説明】
【００４２】  ４０１、１２０１  光源
４０２、８０２、９０２、１２０２  波長変換素子
４５１  紫外光遮蔽部
８０３、９０３  分極反転構造
１２１０  電源
１２１１  電極
４  基本波
５  ＳＨＧ
６  ＳＦＧ
２１  紫外光源
２２  光源
２３  ダイクロイックミラー
２４  ＰＰＭｇＬＮ
２５  赤外光
２７  フィルタ
２８  ＰＤ
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】  本発明によるコヒーレント光源は、高出力な光源部の出射する高出力光を基本波として用い、波長変換部によりこの基本波を第２高調波に変換し、出射する。本発明にかかるコヒーレント光源は、高出力な基本波を出射する光源部、および、高効率な波長変換を実現する波長変換素子を有する、高出力コヒーレント光源である。上述のように、この様な高出力コヒーレント光源を実現するには、少なくとも使用する基本波および第２高調波（ＳＨＧ）が含まれる波長領域において安定な（耐性の高い）材料を使用することが望まれる。可視光領域に含まれる短波長光に対して材料的に不安定になる原因の幾つかは上述の如く周知である。これら周知の不安定化要因を考慮し、これら現象を回避することは、高出力コヒーレント光源を構成する上で当然のことあるが、本願の発明者は、これらとは別種の不安定化現象を発見した。本発明は、本願発明者の発見した現象にかかる知見に基づき、より安定に高出力が可能なコヒーレント光源を開示する。【００４４】  本願の発明者は、ＰＰＭｇＬＮを用いて１Ｗ以上の高出力の緑色光発生（波長５３２ｎｍ）を行った際、従来観測されていない不安定化現象を発見した。また、光源を長期間使用した場合にも、その出力が劣化する現象が存在することを、本願の発明者は発見した。本願の発明者は、発見した現象の原因を解明し、もって、このような不安定化、および、出力の経時的劣化が生じない高出力コヒーレント光源の構成を開示する。【００４５】［高出力光の波長変換において発生する波長変換素子不安定化現象について］
最初に、ＰＰＭｇＬＮを例に、新たに発見された現象について説明する。【００４６】  本願の発明者は、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮに対し、図１に示す光学系１００で波長変換実験を行った。光学系１００は、光源１０１、波長変換素子１０２、集光光学系１０３を有する。光源１０１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を固体レーザとするレーザ光源であって、半導体レーザ励起により波長１０６４ｎｍのレーザ光を発生する。また光源１０１は、固体レーザの共振器内にＡＯスイッチを挿入し、Ｑスイッチにより尖塔値の高いパルス列を発生するように構成されている。波長変換素子１０２は、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを含み、周期６．９５μｍの分極反転構造を有し、素子長は、１０ｍｍである。光源１０１の発する波長１０６４ｎｍの光を、基本波１０４として用いる。基本波１０４は、波長変換素子１０２に入射し、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５に変換される。基本波１０４は、上述のようにパルス列として発生し、その平均パワーを数Ｗとすることができる。基本波１０４は、集光光学系１０３を構成する集光レンズにより集光され、波長変換素子１０２で波長変換されてもよい。この波長変換にかかる変換効率は５０％前後である。【００４７】  基本波のパワーを増大させ、パワーが２Ｗ程度の基本波１０４を入力した際、ＳＨＧ１０５の出力が不安定化し、変換効率は５０％から４０％程度にまで低下した。このときの基本波１０４の平均出力は２Ｗ程度、パルス光の強度は最大で６０ＭＷ／ｃｍ２であった。【００４８】  さらに、基本波１０４のパワーを増大し、パルス光の強度が最大値で８０ＭＷ／ｃｍ２程度に達すると、変換効率はさらに低下し、出射されるビーム品質の劣化も観測された。【００４９】  ＳＨＧ１０５の出力が低下する原因を調査した結果、本願の発明者は、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５以外に、波長３５５ｎｍの紫外光（図示せず。）が波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）から出射していることを発見した。紫外光の発生は、上述のＳＨＧ１０５の変換効率の低下が発生する基本波強度域で観測された。また、観測されたＳＨＧ１０５および図示しない紫外光の伝播方向すなわちポインティングベクトルの指す方向は僅かにずれており、異なる出射角で発生していることが明らかになった。【００５０】  そこで、本願の発明者は、紫外光（波長３５５ｎｍ）が、ＰＰＭｇＬＮに与える影響について調査した。図２Ａに、本調査に用いた光学系２００を示す。光学系２００は、光源２０１および紫外光源２０２の２種の光源、ダイクロイックミラー２０３、波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）、フィルタ２０４、フォトディテクタ（ＰＤ）２０５を有する。光源２０１は、赤外領域の所定の波長を有する光（赤外光２１０）を発する光源であり、紫外光源２０２は、紫外領域の所定の波長（例えば、３５５ｎｍ）を有する光（紫外光）を発する光源である。両光源２０１および２０２の発した光は、ダイクロイックミラー２０３で合波されて、波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）に入射する。波長変換素子１０２より出射される光は、フィルタ２０４が波長選択的に透過し、波長分離され、フィルタ２０４を透過する赤外光２１０がＰＤ２０５で検出される。【００５１】  光源２０１は、赤外光２１０を連続的に出射し、紫外光源２０２は、紫外光を強度変調しながら出射する。図２Ｂは、紫外光源２０２の出射する紫外光の強度と、ＰＤ２０５において検出される赤外光２１０の強度をプロットしたグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光の強度である。なお、赤外光２１０の強度２５１と、紫外光の強度２５３との強度の比は特に重要でない。グラフの明瞭性を優先し、スケールは無視してプロットしている。ここで重要な点は、紫外光の強度２５３が、ノンゼロの値を示している時間帯と、赤外光２１０の強度２５１が相対的に低くなっている時間帯との相関性である。実際に実験で用いた紫外光のパワーは、数ｍＷ程度であったが、紫外光の照射とともに、波長変換素子１０２から出射される赤外光２１０の強度が減少するのが判る。【００５２】  紫外光の波長と赤外光吸収量との関係を観測したところ、特に、３２０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の波長を有する紫外光の照射により赤外吸収が増大することが判明した。４００ｎｍ以上波長を有する紫外光に対しては、可視光の吸収は発生しなかった。また、３２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を有する紫外光の照射では、紫外光の波長が短くなれば、照射する紫外光のパワーが低い場合であっても、可視光吸収が発生した。しかし、３２０ｎｍ以下の波長の紫外光（紫外線）では赤外光の吸収は生じなかった。これは、３２０ｎｍがＭｇＬＮの吸収端であるため、紫外光は結晶表面でほぼ吸収され、赤外線吸収量への影響が出にくいためと思われる。【００５３】  さらに、結果を図示しないが、紫外光照射を受けた波長変換素子１０２による可視光の吸収を同様に測定したところ、赤外光吸収以上に、紫外光照射による波長変換素子１０２による可視光の吸収は、顕著であることが判明した。これは、紫外光の照射により波長変換素子１０２による可視光の吸収量が増大したためと考えられる。Ｍｇ５ｍｏｌ％以上のＭｇＬＮにおいて、このような短波長の光（例えば、紫外光）の照射による可視光吸収が発見された。【００５４】  上記実験結果を踏まえ、ＰＰＭｇＬＮにおける可視光領域のＳＨＧの発生出力の不安定化の原因について考察する。【００５５】  再度、図１を参照すれば、ＳＨＧ１０５の発生出力不安定化現象は、ＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子１０２）において、例えば、波長１０６４ｎｍの基本波１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５に変換する際に、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの和周波である波長３５５ｎｍを有する紫外領域のＳＦＧ（図示せず。）が発生しているためである。紫外領域のＳＦＧの発生により可視光吸収が増大し、結晶（ＰＰＭｇＬＮ）内の温度が部分的に上昇する熱レンズ効果が生じ、位相整合状態が不安定化すると考えられる。以上の実験結果が示すように、１Ｗ以上の出力で可視光（例えば、ＳＨＧ１０５）を発生している波長変換素子１０２に波長４００ｎｍ以下の紫外光を照射すれば、可視光の吸収が増大し、熱レンズ効果が生じ、波長変換素子１０２の出力が変動する要因となる。高調波出力が小さい場合は、吸収が発生しても吸収による波長変換素子１０２における温度上昇の幅は小さく、熱レンズ効果は生じない。しかし、高調波（例えば、ＳＨＧ１０５）の出��がおよそ１Ｗを超えると、高調波の吸収による温度上昇の幅は増大し、熱レンズ効果が発生し、出力の不安定化が起こる。このような、高調波出力不安定は、波長変換素子１０２内部で発生する紫外光のみならず、発生波長変換素子１０２の外部から照射される紫外光によっても引き起こされるものである。波長変換素子１０２内部で発生、または、外部より照射される紫外光のパワーが比較的小さい場合でも、可視光吸収は増大する。そのため、波長変換素子１０２は、その外部から紫外光が入射しないように紫外光遮蔽部により保護されることが好ましい。この紫外光遮蔽部は、波長４００ｎｍ以下の光を遮蔽し、素子１０２を保護することが望ましい。少なくとも波長３２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の光に対し、高い遮蔽能（非透過性）を有することが望まれる。【００５６】  紫外光遮蔽部を設けることにより、外部から波長変換素子１０２に入射する紫外光をほぼ完全に遮蔽した状態であっても、高調波（例えばＳＨＧ）の出力を増大させると出力不安定化現象が観測された。その原因は、波長変換素子１２０基板内部において発生する紫外光の存在である。【００５７】  しかしながら、無視できない程度のＳＦＧが発生する、すなわち、ＳＦＧへの波長変換が高効率で行われるには、所定の位相整合条件を満たす必要がある。同一の素子内において、素子設計の段階から利用目的であった波長と異なる波長を利用したＳＦＧの高効率な波長変換が容易に発生するとは考えにくい。【００５８】  そこで、ＳＨＧ出力が不安定になる現象についてさらに別の実験を行い、以下に示すＳＨＧ出力不安定化現象の発現に関する基本波波長依存性を得た。【００５９】［可視光吸収量の基本波波長依存性について］
基本波の波長が、１０３０ｎｍ以下の範囲に含まれる場合、耐性は高く、ＳＨＧの平均出力を、数Ｗ（パワー密度：数ＭＷ／ｃｍ２以上）にしても不安定化現象は起こらなかった。【００６０】  ところが、基本波波長が、１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＨＧの平均出力が、数１００ｍＷ以下に抑えられた低パワー出力において、ＳＨＧ出力不安定が発生した。さらに、パワー密度が数ｋＷ／ｃｍ２程度の低パワーでも、出力の不安定性は増大した。【００６１】  しかし、基本波波長が、１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＨＧの平均出力を、数Ｗにしても不安定化は起こらなかった。上記の１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲と比較して耐性の向上が見られる。【００６２】  上記それぞれの範囲に含まれる波長の基本波を照射したときの、紫外光発生状況を観測したところ、１０３０〜１０５０ｎｍの範囲の波長の基本波を照射した場合では、紫外光発生が顕著であって、基本波波長が１０３０ｎｍに近づくに従い紫外光強度はますます増加した。１０６０〜１１００ｎｍの範囲の波長の基本波を照射した場合でも、僅かに紫外光の発生が観測された。しかし、１０３０ｎｍ以下の範囲、および、１１００ｎｍ以上の範囲では、紫外光の発生は観測されなかった。【００６３】  以上の結果より、ＳＨＧ出力不安定化現象に対する耐性は、発生する紫外光（例えば、発生するＳＦＧ）の強度に依存することを示しており、耐性に関する基本波波長依存性は、発生する紫外光の強度が基本波波長に依存することが要因である。【００６４】［紫外光発生メカニズムの解明と紫外光発生の抑止］
そこで、ＰＰＭｇＬＮにおける紫外光発生の原因を明らかにするために、ＰＰＭｇＬＮの位相整合特性を解析した。ＳＦＧが高効率で発生するためには、ＰＰＭｇＬＮでノンクリティカルな擬似位相整合条件が成立する必要がある。また、ノンクリティカルな擬似位相整合条件が完全に成立しない場合であっても、基本波とＳＦＧは、ノンゼロのウォークオフ角を成して異なる方向に伝搬することで、擬似位相整合条件が成立ですることがある。このウォークオフ角が小さくなれば、ＳＦＧは急激に増大する。そして、ウォークオフ角がゼロになり、基本波とＳＦＧが同じ方向に進む場合は、ノンクリティカルな擬似位相整合条件が成立している場合に相当する。【００６５】  コヒーレント光源において、ＳＨＧを発生させる際、ＳＦＧの発生を抑制しＳＨＧの出力の安定化を図るには、ＳＦＧが発生しない条件を見いだし、そのような条件下でＳＨＧを発生させることが望ましい。図３Ａは、発生したＳＦＧのウォークオフ角を示す図である。矢印は、光の伝播方向を示しており、本図においては、ウォークオフ角は、ＳＦＧとＳＨＧの伝播方向を示す矢印のなす角度を指している。つまり、このウォークオフ角は、ＳＦＧとＳＨＧのポインティングベクトル同士の成す角度である。【００６６】  ＰＰＭｇＬＮによる波長変換を行い、１０６４ｎｍの波長の光（基本波）から５３２ｎｍの波長のＳＨＧを発生させる位相整合条件を成立させるには、ＰＰＭｇＬＮが、周期６．９５μｍ程度の周期状分極反転構造を備える必要がある。この値は、ＭｇＬＮの屈折率分散より計算される。その一方、３５５ｎｍの波長を有する光は、１０６４ｎｍの波長の基本波と５３２ｎｍの波長のＳＨＧ光の和周波（ＳＦＧ）により発生する。ＳＦＧが高効率に発生するためには、ＰＰＭｇＬＮが、１．７９μｍ程度の周期状分極反転構造を備える必要がある。基本波からＳＨＧを発生させるために適した分極反転周期６．９５μｍは、基本波およびＳＨＧの和周波を発生させるために適した分極反転周期１．７９μｍを満足しない。しかし、より高次の周期構造において位相整合する可能性は残る。周期状分極反転構造が、１．７９μｍの整数倍（ｍ倍）であれば、位相整合が可能であり、和周波（ＳＦＧ）を高効率に発生させることが可能である。（ただし、この場合、変換効率は１／（ｍ２）に比例して低下する。）【００６７】  そこで、高次の分極反転周期構造による位相整合の可能性を計算したところ、図３Ｂおよび図３Ｃに示す位相整合特性があることが判った。図３Ａは、基本波とＳＨＧとが、ノンクリティカル位相整合を行っていることを示している。（ＰＰＭｇＬＮでのＳＨＧの発生は、基本波とＳＨＧが同じ進行方向で伝搬するノンクリティカル位相整合を行うことにより高効率化が可能である。）この場合、図３Ｂに示すように、基本波波長が１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲に含まれる場合では、基本波（波長λ）とＳＨＧ（波長（λ／２））のＳＦＧ（波長（λ／３））は、４次と５次の擬似位相整合（ＱＰＭ）（それぞれ、４ｔｈＱＰＭ、５ｔｈＱＰＭと記す。）により発生する。しかしながら、５次の擬似位相整合によるＳＦＧは、ウォークオフ角が３０度以上と大きいため、ＳＦＧ（和周波）の出力は極めて小さ��、耐性に与える影響はない。図３Ｂの縦軸であるＳＦＧとのウォークオフ角は、ＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を指している。基本波とＳＨＧとのウォークオフ角がゼロであれば、図３Ａに示したウォークオフ角と一致するが、厳密には、図３Ａに図示したウォークオフ角と、図３Ｂの縦軸のウォークオフ角とは異なる点を注記する。その一方、４次の擬似位相整合によるＳＦＧは図３Ｂに示すように、基本波の波長が１０３０ｎｍ以上のときに発生する。特に、１０３０ｎｍ近傍の基本波波長では、ウォークオフ角が小さく、基本波波長１０３０ｎｍ近傍でＳＦＧの出力は大幅に増大する。その様子を図３Ｃに示す。図３Ｃを参照すれば、ウォークオフ角が１０度以下となる基本波波長約１０５０ｎｍ以下の領域から基本波波長１０３０ｎｍ近傍の領域にかけてＳＦＧの出力は大幅に増大している。このことが、波長変換素子の耐性に基本波波長依存性が存在する原因である。基本波波長が１０３０ｎｍの場合には、基本波と同じ方向にＳＦＧが出力されるノンクリティカル位相整合条件が成立するため、ＳＦＧ光は大幅に増大し、同時に、波長変換素子の耐性が大幅に低下する。【００６８】  より低次の擬似位相整合、例えば、３次の擬似位相整合によるＳＦＧの発生も、基本波波長１３７０ｎｍ近傍で存在する。しかし、この場合では、ＳＦＧの波長は４５０ｎｍ以上になり、ＰＰＭｇＬＮの出力の安定性に与える影響はない。逆に、より高次の（６次以上の）位相整合条件が成立する可能性もあるものの、上述のとおり、次数の２乗に反比例して変換効率は低下するため、高次の（６次以上の）位相整合は、波長変換素子の耐性を量る上では無視できる。【００６９】  波長変換素子の耐性を量る上で考察すべきは、主に、４次の擬似位相整合により出力される紫外光のＳＦＧである。この紫外領域の波長を有するＳＦＧは、図３Ｃに示すように、基本波波長が、短縮化する方向で、＋１０３０ｎｍに近づくに従って急激に増大する。ノンクリティカル位相整合は、基本波波長１０３０ｎｍ近傍に存在するが、基本波波長１０５０ｎｍ近傍でも、さほど大きくないウォークオフ角を持ったＳＦＧが発生している。これより、基本波波長１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲において、ＳＦＧは、波長変換素子の耐性を量る上で無視できない強度で存在することが明らかになった。つまり、このようなＳＦＧの発生が、ＰＰＭｇＬＮでの位相整合において基本波である赤外光およびＳＨＧである可視光の吸収を増大させ、ＰＰＭｇＬＮ内で部分的な温度上昇を招き、位相整合状態を不安定化させ、出力を不安定化していることが明らかになった。【００７０】  再度、図３Ｂを参照すれば、ＰＰＭｇＬＮの４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角は、基本波波長が１０７０ｎｍ以上の場合、１５度以上になる。ウォークオフ角がこのような大きな角度であれば、ＳＨＧ出力に影響は及ばない。一般にＳＨＧ発生に使用される基本波波長は、１０６４ｎｍが多い。このときのウォークオフ角は１３度である。しかし、本願の発明者は、ＳＨＧ出力の安定を図るには、１０７０ｎｍ以上の基本波波長を使用することが望ましい。つまり、ウォークオフ角は１５度以上であることが望まし��。【００７１】  図３Ｄは、ＰＰＭｇＳＬＮの４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。本図より、ＰＰＭｇＳＬＮにおいては、基本波波長が１０２７ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になる。【００７２】  図３Ｅは、ＰＰＬＴ（周期状の分極反転構造を備えるＬｉＴａＯ３）の４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。本図より、ＰＰＬＴにおいては、基本波波長が１０１８ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になる。【００７３】  図３Ｆは、ＰＰＫＴＰ（周期状の分極反転構造を備えるＫＴＰ）の３次および４次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。ＰＰＫＴＰにおいては、基本波波長が８５０ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になることが計算により判った。【００７４】  観察された現象をまとめる。【００７５】  第２高調波発生において出力が不安定化する要因は以下のとおりである。
Ｆ１．基本波とＳＨＧによる紫外ＳＦＧが発生する。
Ｆ２．紫外ＳＦＧにより赤外光（基本波）吸収および可視光（ＳＨＧ等）吸収が増大する。
Ｆ３．波長変換素子内に、吸収による部分的な温度上昇による熱レンズ効果が発生する。
Ｆ４．熱レンズ効果により、位相整合状態が乱れ、ＳＨＧ光の出力が不安定化する。【００７６】  一方、第２高調波（ＳＨＧ）の発生を不安定化するＳＦＧの発生（上記Ｆ１．）は、下記の条件を満たす必要がある。
Ｃ１．ＳＦＧの波長が、（波長変換素子を構成する）結晶の吸収端より長いこと。（吸収端以下では結晶の吸収によりＳＦＧの発生が抑圧される。）
Ｃ２．ＳＦＧが、波長４００ｎｍ以下の紫外光であること。
Ｃ３．ＳＦＧと基本波のウォークオフ角が０度以上、１５度以下であること。（１０度以下でさらに顕著に現われる。）
Ｃ４．さらに、紫外光照射により非線形光学結晶の吸収係数が増大すること。【００７７】［熱レンズ効果による出力不安定化現象の吸収波長依存性について］
上述した熱レンズ効果による出力不安定化現象は、紫外線の発生により、基本波およびその（第２）高調波の吸収が生じ、これによる熱レンズ効果が発生し、出力が不安定化する現象である。光の吸収による熱レンズ効果の発生には、吸収される光の波長に依存して、吸収される光のピークパワーおよび平均パワーの値が大きく影響していることが明らかになった。以下にそれぞれの場合について説明する。
（イ）吸収される光の波長が、７００ｎｍ以上である場合：
ピークパワーで数１０ＭＷ／ｃｍ２程度、または、平均パワーで１ＭＷ／ｃｍ２程度に達した場合に熱レンズ効果による出力の不安定化が生じる。
（ロ）吸収される光の波長が、６００ｎｍ以下である場合：
平均パワーで０．１ＭＷ／ｃｍ２程度から、熱レンズ効果による出力の不安定化が生じる。【００７８】  上述の基本波の吸収は、（イ）の場合に相当する。波長の比較的長い基本波に関しては、吸収係数が小さいため、熱レンズ効果が発生するパワー密度は、相対的に高い。このため、基本波の吸収による熱レンズ効果は、ピークパワーの大きなパルス光の波長変換の場合で顕著に現れる。パワーの高い、パルス光の尖塔値によって熱レンズ効果が著しく発生するためである。【００７９】  そこで、このような結果をふまえ、非線形光学材料を有する波長変換素子によるＳＨＧの発生を安定的に行うことができるコヒーレント光源の構成を示す。【００８０】＜第１の実施形態＞
図４Ａは、本発明にかかる第１の実施形態によるコヒーレント光源４００の構成図である。コヒーレント光源４００は、光源部を構成する光源４０１と、波長変換部である波長変換素子４０２とを有する。さらに、コヒーレント光源４００は、集光部である集光光学系４０３を光源４０１から出射する基本波４０４を波長変換素子４０２に集光するように備えてもよい。光源４０１は、波長変換素子４０２による波長変換の効率を向上させるため、Ｑスイッチのパルス駆動を行うことができる。波長変換素子４０２は、非線形光学材料であるＰＰＭｇＬＮを含んでいる。光源４０１から出射された基本波４０４は、集光光学系４０３により波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）内に集光される。波長変換素子４０２は、基本波４０４を、その内部でＳＨＧ４０５に変換し、さらに、基本波４０４とＳＨＧ４０５は、素子４０２内部でＳＦＧ４０６に変換される。ここでは、基本波４０４の波長をλ、ＳＨＧ４０５の波長を（λ／２）、ＳＦＧ４０６の波長を（λ／３）としておく。【００８１】＜変形例＞
また、図４Ｂは、第１の実施形態の変形例によるコヒーレント光源４５０の構成図である。コヒーレント光源４５０は、コヒーレント光源４００（図４Ａ参照。）の構成に加え、さらに、紫外光遮蔽部４５１を備える。この紫外光遮蔽部４５１は、波長４００ｎｍ以下の光を遮蔽し、波長変換素子４０２を保護する。紫外光遮蔽部４５１は、少なくとも波長３２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の光に対し、高い遮蔽性能（非透過性）を有することが好ましい。紫外光遮蔽部４５１は、蛍光灯や太陽光などといった、至る所に存在する紫外光発生要因による紫外光から波長変換素子４０２を保護することができる。【００８２】  紫外光遮蔽部４５１を設けることにより、波長変換素子４０２は外部からの紫外光の入射を免れる。コヒーレント光源４５１は、外部からの紫外光を蔽いにより遮蔽することで、出力１Ｗ程度の緑色光（ＳＨＧ４０５）を安定的に発生可能である。また、光源４０１の発する基本波の波長λが８００ｎｍ以上であれば、そのＳＨＧの波長は、４００ｎｍ以上となる。また、基本波波長λが８００ｎｍの場合、基本波とＳＨＧとのＳＦＧの波長は、およそ２６７ｎｍ（λ／３）となる。よって、波長変換素子４０２内で、３２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を有する紫外光は発生しておらず、外部から入射する紫外光のみが、可視光吸収の増大に影響する。このため、紫外光遮蔽部４５１を追加することで、ＳＨＧ高出力時におけるコヒーレント光源の安定性は、飛躍的に向上する。【００８３】  なお、紫外光遮蔽部４５１は、波長変換素子４０２を蔽う構成のみならず、波長変換素子４０２表面に形成された、紫外光不透過性の薄膜により構成することも可能である。【００８４】  図５は、波長変換素子４０２の、基本波波長λに対する、高出力耐性の関係を示すグラフである。ここでは、光源４０１は、繰り返し周波数６０ｋＨｚでパルス駆動されており、各パルスのパルス幅は、２０ｎｓ程度とし、基本波波長λを変えて出力特性を観察している。また、観察環境の温度は、室温である。【００８５】  図５を参照すれば、基本波波長λが、８００ｎｍ〜１０００ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲においては、高出力耐性は波長に依存して緩やかに増大している（領域５０１）。この領域では、５次のＱＰＭによるＳＦＧ４０６が発生しているものの、ＳＦＧ４０６のウォークオフ角は、３０度以上に保たれるため、ＳＦＧ４０６の強度は非常に小さい（図３Ｂ参照）。また４次のＱＰＭによるＳＦＧは位相整合がとれないため発生しない（図３Ｂ参照。）。従って、ＳＦＧ４０６の出力は、非常に小さく、波長変換素子４０２は、高い高出力耐性を示す。【００８６】  よって、光源４０１の出射する基本波の波長は、１０３０ｎｍ以下であることが好ましい。【００８７】  同様のことが基本波波長１０５０ｎｍ以上の範囲にも当てはまる。基本波波長が１０５０ｎｍ以上の場合、４次および５次の擬似位相整合によるＳＦＧ４０６と基本波４０４のウォークオフ角は、共に１０度以上となるため（図３Ｂ参照。）、ＳＦＧ４０６の出力は、低く抑えられる（領域５０５）。従って、波長変換素子４０２は、高い高出力耐性を示す。【００８８】  よって、光源４０１の出射する基本波の波長は、１０５０ｎｍ���上であることも好ましい。さらには、ウォークオフ角が１５度以上となる、基本波波長１０７０ｎｍ以上が望ましい。【００８９】  これに対し、ウォークオフ角が１０度未満となる１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ（図３Ｂ参照。）では高出力耐性が大幅に低下する（図５領域５０３参照。）。【００９０】  よって、波長変換素子４０２内において和周波（ＳＦＧ）４０６が発生する場合、ＳＦＧ４０６と基本波のウォークオフ角を１０度以上、さらに好ましくは１５度以上、に保つことができれば、高い高出力耐性を有するコヒーレント光源４００が実現できる。【００９１】［位相整合温度が高出力耐性に与える影響について］
１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍの波長領域では、位相整合温度に注意する必要がある。図６は、ＳＦＧ４０６が完全位相整合する領域近傍における、基本波波長と耐性強度の関係について、位相整合温度を変えて測定した結果を示すグラフである。図５の領域５０１が示すように、１０３０ｎｍ以下の波長では、ＳＦＧ４０６の発生が抑えられ、強い耐性を示すことを示した。しかし、本願の発明者は、この基本波波長域において強い耐性を実現するには、結晶の温度に制限が存在することを発見した。通常、波長変換素子４０２は、光損傷やＧＲＩＩＲＡ等の影響を少なくするため、結晶の温度を１００℃程度以上に上げて使用する場合が多い。しかしながら、この基本波波長領域（１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍ）においては、結晶温度を上げることで、ＳＦＧ４０６が発生する条件である位相整合条件を満足する基本波波長が短波長側にシフトする。そのため、ＳＦＧ４０６が発生し、さらに、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度よりも小さい。【００９２】  このため、温度を上げると、耐性が低くなる領域（図５領域５０３に対応。）が短波長側にシフトする。換言すれば、図６に示すように、耐性が低くなる基本波波長領域の最短基本波波長端は、波長変換素子の温度上昇とともに、短波長化する。【００９３】  従って、基本波波長が１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる場合、高出力耐性を高く保つには、位相整合温度を５０℃以下に保って使用するのが好ましい。【００９４】  特に、基本波波長が１０２０ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる場合、結晶温度に細心の注意を払って使用することが望ましい。この波長領域では、僅かな温度上昇で完全位相整合条件が成立し、ＳＦＧ４０６の強度が急激に増大し、高出力耐性が大幅に劣化する。【００９５】  また、１０２０〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる基本波波長を使用する場合、光源４０１として、Ｙｂ：ＹＡＧ固体レーザや、Ｙｂドープのファイバーレーザを用いることができる。これらの光源は、高効率、高出力である。そのため、これらの光源と、波長変換素子４０２との組み合わせにより、高出力のコヒーレント光源が実現できるが、さらに、波長変換素子４０２の温度を低く保つことで、高出力耐性を備えた、高効率かつ高出力なコヒーレント光源４００が実現される。【００９６】  基本波波長が１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲に含まれる場合、図３Ｂに示したとおり、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角が１０度より小さくなり、ＳＦＧ４０６はかなり強く発生する。このため、耐性は１０ＭＷ／ｃｍ２以下となる。ＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子４０２）では、この領域での使用は低パワーの基本波の波長変換にのみ利用することが望ましい。このとき、基本波のパワー密度は、１ＭＷ／ｃｍ２程度が望ましい。この基本波波長領域（１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ）においては、基本波４０４として高出力パルスを用いたり、波長変換素子４０２を内部共振器として用いたりする、変換効率の高い（高出力の光が波長変換素子４０２内に存在する）構成での使用は困難で、そのような利用においては変換効率の大幅な低下が懸念される。波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）の安定な出力を実現するに��、この波長領域（１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ）を使用しないことが望ましい。この波長領域を利用するには、図６に示したように、結晶（ＰＰＭｇＬＮ）の温度を高くして使用することが望ましい。結晶温度を上げることで、基本波とＳＦＧのウォークオフ角を１０度以上とすることが可能であるからである。よって、このような波長領域を基本波波長として利用する場合には、波長変換素子４０２内の温度は、基本波波長に依存するが、およそ１００〜１５０℃以上を保つことが望まれる。【００９７】  基本波波長が１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合での波長変換素子４０２の好適な利用について説明する。この波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、基本波の光源４０１として、ＮｄやＹｂをドープした固体光源を用いた高出力の光源が利用できる。しかしながら、図３Ｃに示したように、４次のＱＰＭにより発生した紫外領域のＳＦＧ４０６が存在する。しかしながら、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度以上（１０７０ｎｍ以上では１５度以上）となるため、ＳＦＧ４０６発生の強度は低く抑えられ、比較的高い耐性を示す。この基本波波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、入力される基本波のパワー密度に対する耐性は５０ＭＷ／ｃｍ２程度以上を示す。これは通常のＬＮでのレーザダメージ耐性として報告されている１００〜２００ＭＷ／ｃｍ２程度という値に比べると低い値だが、非線形定数の高いＰＰＭｇＬＮであれば、５０％以上の高い効率で波長変換が行えるため、実用上は問題がない耐性である。非線形性の低い材料では効率を上げるために高い光のパワー密度を必要とし、そのために高い耐性が要求されるが、ＰＰＭｇＬＮを１０６０〜１１００ｎｍの波長範囲で利用するならば、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角が１０度以上（１０７０ｎｍ以上では１５度以上）となるため実用可能な高効率かつ高出力なコヒーレント光源が実現できる。またこの波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、基本波のパワー密度を５０ＭＷ／ｃｍ２程度以下で使用することが、安定的出力の観点からは好ましい。さらには、１〜４０ＭＷ／ｃｍ２程度で使用するのがより好ましい。この領域では変換効率も５０％程度と高い値が得られる。さらに長期的に使用しても結晶の劣化等が観測されず、長寿命化も可能である。またこの波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では図６に示したように、結晶の温度を上げることで耐性をさらに向上させることが可能となる。その理由は、ＳＦＧと基本波のウォークオフ角が増大するためＳＦＧの発生が抑えられ、耐性が向上するからである。【００９８】［波長変換素子を構成する結晶の耐用寿命について］
結晶の寿命の問題は、紫外光（例えばＳＦＧ４０６）発生による、赤外光（例えば基本波４０４）および可視光（例えばＳＨＧ４０５）の結晶（波長変換素子４０２）による吸収量の増大と密接に関係する。紫外光の発生により基本波吸収およびＳＨＧの吸収がある状態で長時間使用していると、基本波および可視光の吸収により結晶欠陥が増大し、変換効率が低下する。このため、短期的には安定的に出力可能な耐性を有する波長変換素子４０２にその耐性を下回るパワーの基本波波長を入射して使用する場合であっても、長期的に安定的な利用は困難となることがある。【００９９】  このため、結晶の長時間の寿命を確保ためにも、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度以上に設定するのが好ましい。より好ましくは、１５度以上、さらには、２０度以上にすることで、光ダメージの耐性とほぼ同じ程度までに耐性を高めることができるため、なお好ましい。ウォークオフ角を確保するためには、結晶の温度を制御し、位相整合波長を所望の値に設定することが好ましい。特に、基本波波長が１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＦＧ４０６が僅かながら出射している。このため、ＳＨＧ４０５の出力を、５Ｗ以下に抑えて使用することが望ましい。例えば、ＳＨＧ４０５の平均出力は、１Ｗ以上、２Ｗ以上、２．５Ｗ以上、または、３．０Ｗ以上、かつ、５．０Ｗ以下で使用することが好ましい。このＳＨＧ出力範囲内で使用すれば、高効率変換と出力安定性、ならびに、長寿命化を実現できる。また、さらに高いパワー密度で使用する場合は、結晶温度を上げればよい。【０１００】  なお、光源４０１には、ＣＷ光源も可能であるが、Ｑスイッチパルス光源を利用することが好ましい。基本波４０１の平均パワーは低くとも、高いピークパワーが利用でき高効率変換が可能となるからである。【０１０１】  また、繰り返し周波数としては１ｋＨｚ以上が好ましい。これ以下の繰り返し周波数では、ピークパワーが高くなりすぎるおそれがある。本発明によるコヒーレント光源が安定するために有効であると示した５０ＭＷ／ｃｍ２程度のパワー密度に抑えて利用するため、光のビームスポットを大きくし、かつ、平均パワーを下げる必要性が生じることがある。【０１０２】  よって、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。【０１０３】  なお、光源４０１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス等のＮｄ材料、または、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス等のＹｂドープ材料、を有することができる。【０１０４】  また、光源４０１は、Ｙｂドープのファイバーレーザを備えることも好ましい。【０１０５】  ファイバーレーザは、高出力化が容易で、かつ、ビーム品質も高く、集光特性に優れ、高効率変換が可能である。例えば１００Ｗの光源を２０μｍφ程度に集光すれば、３０ＭＷ／ｃｍ２のパワー密度となり、基本波波長によっては、波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）の耐性に影響を及ぼしかねないような値を得ることができる。Ｙｂドープのファイバーレーザをアンプとして利用し、パルス駆動した光源からの光を増幅するように、光源４０１を構成すると、尖塔値が大きな、高いピーク値での出力が可能となる。このような光源４０１は、高効率かつ高出力のコヒーレント光源を実現するには好適である。さらに、波長変換素子４０２に、内部共振器構造を備えて使用する場合、共振器内部の基本波４０４のパワーは、外部のポンプパワーの数１０倍、数１００倍に容易に達する。そのため、内部パワーが１００Ｗ以上になることは通常である。本発明にかかるコヒーレント光源４００の構成を適用すれば、高効率、かつ、高出力な安定した可視光コヒーレント光源を実現できる。【０１０６】  なお、本実施形態においては、ＰＰＭｇＬＮとしては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを例示目的で用いているが、ＰＰＭｇＬＮのＭｇドープ量としては、４．９ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％が望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。【０１０７】  そのほかＺｎ，Ｉｎ，ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮも、同様に利用できる。【０１０８】  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可能である。この場合、Ｍｇのドープ量は１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。【０１０９】  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等も、本発明にかかるコヒーレント光源４００の波長変換素子４０２に利用可能である。また、その他の高非線形材料においても、特に紫外光によって結晶の吸収が増大する場合、基本波４０４とＳＦＧ４０６とのウォークオフ角を１０度以上に設定すれば、安定した出力特性を実現できる。より好ましくは、ウォークオフ角は、１５度以上に設定する。【０１１０】  本発明にかかるコヒーレント光源は、光源からの基本波を受けて、基本波の第２高調波を高出力で出射可能なコヒーレント光源である。第２高調波の出力は、平均出力で１Ｗ以上の出力が可能である。また、平均出力で２Ｗ以上、２．５Ｗ以上、３Ｗ以上の出力を得ることも可能である。【０１１１】＜第２の実施形態＞
［可視光吸収による出力不安定性］
上述の熱レンズ効果による出力不安定は、紫外線の発生により、基本波および高調波の波長変換素子４０２による吸収が生じ、吸収されたエネルギにより熱レンズ効果が発生し、出力が不安定化する現象である。赤外光の吸収の場合は、比較的吸収係数が小さいため、熱レンズ効果の発生に要するパワー密度は高い。このため、尖塔値の高いピークパワーにより、熱レンズ効果が発生した。これに対し、波長の短い可視光に対しては、吸収係数が大きく、熱レンズ効果の発生は、より顕著となる。【０１１２】  さらに、波長が６００ｎｍ以下の光に対しては、微少な紫外光によっても吸収が生じる。そのため、比較的低いパワーを有する和周波（紫外光）で、高調波の吸収が発生する。また、前述した擬似位相整合したＳＦＧ４０６とは別に、位相整合していないＳＦＧ７０６によっても生じることが判明した。ＣＷ光発生時に特に問題となる位相不整合状態で発生するＳＦＧ７０６について図７を用いて説明する。前述した（擬似）位相整合状態で発生するＳＦＧ４０６は、基本波４０４に対してウォークオフ角を持って発生する。この場合、ＳＦＧ４０６の出力７０１は、伝搬距離とともに増大する。（ここでは簡単のため１次の擬似位相整合状態で示しているが、実際は、高次の擬似位相整合状態を含む。）一方、位相不整合状態のＳＦＧ７０６は、同様に図７内に示しているが、基本波４０４と同じ方向に伝播する。位相不整合のＳＦＧ７０６の出力７０３は、伝搬距離に対し、ほとんど増大しない。しかし、波長の短い光に対しては、位相不整合状態で発生する微少な紫外光（ＳＦＧ７０６）によっても、吸収が発生することが明らかになった。【０１１３】  ここでは、波長変換素子４０２による可視光の吸収を防止し、安定な出力特性を示すコヒーレント光源について説明する。可視光の吸収は、位相整合条件が成立しない和周波（図７のＳＦＧ７０６等）によっても吸収が生じる。これを防止するには、和周波の発生を防止するための構造が必要である。図８は、本発明にかかる第２の実施形態によるコヒーレント光源の波長変換部８００の構成図である。他の構成部は、第１の実施形態と同様でよいため、説明を省略する。【０１１４】［波長変換部］
図８を参照すれば、基板（波長変換素子）８０２に形成された周期状分極反転構造８０３により基本波８０４はＳＨＧ（第２高調波）８０５に波長変換される。ここでは、図示しない光源部は、ファイバーレーザを備え、出射光の波長は１０８４ｎｍである。１０８４ｎｍの波長を有する基本波８０３は、波長変換素子８０２周期状の分極反転構造８０３を有するＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子８０２）により５４２ｎｍの波長を有する緑色光に波長変換される。ここで、周期状分極反転構造８０３の周期は約７μｍであり、位相整合の条件は、素子８０２の温度制御で制御する。温度制御は図示しない温度制御部を備えてもよい。【０１１５】  完全位相整合の条件が満たされた場合、基本波８０４とＳＨＧ８０５は同じ方向に伝搬する。本実施形態においては、波長変換素子８０２の温度を完全位相整合の状態からずらすことにより、位相不整合状態を保つ。【０１１６】  そのため、ＳＨＧ８０５は基本波８０４に対して角度（ウォークオフ角）を持って出射する。この場合、ＳＨＧ８０５への変換効率は低下するが、基本波８０４とＳＨＧ８０５のビームの重なりが減少するため、基本波８０４とＳＨＧ８０５により発生する和周波の出力は、大幅に低減される。これによって、ＳＨＧ８０５吸収による出力不安定化現象は、大幅に低減される。【０１１７】  波長変換素子８０２の構成を、あえて位相整合条件からずらして使用することにより、ノンゼロのウォークオフ角を発生させ、和周波の発生を抑えている。【０１１８】＜変形例＞
図９は、本発明にかかる第２の実施形態の変形例による波長変換部９００の構成図である。ここでは、分極反転構造９０３の有するストライプの法線方向を、基本波９０４の光軸に対し、角度θだけ傾けて形成している。これにより、ＳＨＧ９０５と基本波９０４の波長分散により、ＳＨＧ９０５と基本波９０４にウォークオフ角θＷを形成する。分極反転の光軸と基本波９０４の成す角度を分極反転角度θとする。図８に示す構成の場合では、出力されるＳＨＧ８０５は２つの方向に分かれるため、ノンゼロのウォークオフ角の発生による変換効率の低減は、比較的大きい。しかしながら、図９のように波長変換素子９０２を構成すると、分極反転構造９０３の斜傾角度によりＳＨＧ９０５の発生する角度つまりウォークオフ角θＷを調整することができる。なおかつ、ＳＨＧ９０５の伝播方向は、一方向に限定されるため、変換効率の低下を低減することができる。また、ノンゼロのウォークオフ角θＷを実現することで、基本波９０４とＳＨＧ９０５の重なりが減少するため重なりによって発生していた和周波（ＳＦＧ）を大幅に低減でき、高出力時の安定性が向上する。【０１１９】  図１０は、分極反転角度θ（基本波のビームに対して垂直の状態から、分極反転構造９０３のずれ角度）と、基本波９０４とＳＨＧ９０５の成すウォークオフ角の関係を示すグラフである。このグラフは、基本波波長を１０８０ｎｍとして計算により求めたグラフである。図１０を参照すれば、ウォークオフ角θＷは、分極反転構造９０３の分極反転角度θの１／３０程度で有ることが判る。高調波の発生を抑えるにはウォークオフ角度を０．１度以上にする必要がある。よって、分極反転角度θとしては、３度以上を備えることが好ましい。【０１２０】  図１１は、分極反転角度θと、基本波９０４のＳＨＧ９０５への変換効率１１０１、および、波長変換素子９０２の高出力耐性１１０３の関係を示したグラフである。分極反転角度が２度以上のときに、耐性の顕著な向上が見られる。分極反転角度が５度あれば、高出力耐性は、分極反転角度がゼロ度の場合の１．４倍になり、変換効率は１／２程度に低下する。【０１２１】  分極反転構造９０３の角度の増大とともに、変換効率は低下するため、分極反転角度は３度以上２０度以下が好ましい。さらに好ましくは５度以上１０度以下がよい。【０１２２】  再度、図９を参照すれば、分極反転構造９０３のストライプの方向は、波長変換素子９０２を構成する結晶基板のＹ軸（結晶のａ軸およびｃ軸に垂直な方向、ここでは、Ｚ軸がｃ軸と平行であり、Ｘ軸がａ軸に平行である。）方向とほぼ平行に設定する。バルク結晶の分極反転構造９０３は、Ｚ基板に形成することが好ましい。Ｚ基板の＋Ｚ表面に電極を形成し、これに電圧を印加する。この場合の電極のストライプ方向を、素子９０２を構成する結晶のＹ軸方向にほぼ一致させて形成する必要がある。従って、分極反転構造９０３を光軸に対して傾けて形成する場合、光軸と結晶のＹ軸を傾けて形成することが好ましい。分極反転構造９０３のストライプ方向が、結晶のＹ軸からずれると、分極反転構造９０３の均一性が悪くなり、変換効率が大幅に低減する。このため、Ｙ軸方向に分極反転構造９０３のストライプを一致させる��とが望ましい。分極反転構造９０３とＹ軸との角度は、±１度以内のずれに抑えることが望ましい。これ以上のずれ角があると、分極反転構造９０３の不均一性のため、理想的な方向に分極反転構造９０３を形成した場合に比して、効率が８０％以下に低下する。分極反転構造９０３のストライプとＹ軸のずれが５度以上になると変換効率は、理想的な状態の半分以下に低下する。【０１２３】  なお、本実施形態では、１つの基本波８０４または９０４からＳＨＧ８０５または９０５を発生する場合について説明しているが、２つの基本波よりひとつの和周波を発生する場合にも、和周波の吸収による出力の不安定化現象が発生することがある。【０１２４】  例えば、波長１０８０ｎｍの基本波と波長７７０ｎｍの基本波より、波長４５０ｎｍの和周波を発生する場合、４５０ｎｍの和周波の波長変換素子による吸収で熱レンズ効果が素子内で発生する。この場合、吸収の原因となる紫外光の発生は、波長７７０ｎｍの基本波の第２高調波である３８５ｎｍの紫外光によるものである。【０１２５】  この場合、２つの基本波は、光軸を一致させ、４５０ｎｍの和周波を異なる角度に出射することが好ましい。または、波長１０８０ｎｍの基本波と、波長４５０ｎｍの和周波の光軸を一致させ、波長７７０ｎｍの基本波の光軸を、僅かに先の２つの光と角度を付ける構成が好ましい。基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、紫外光の発生または影響を低減し、高出力耐性を向上できる。また、和周波発生の場合、２つの基本波のパワー比によっても高出力耐性の向上が可能となる。波長の異なる２つの基本波から和周波を発生する場合、和周波の出力は２つの基本波のパワーを掛けた値に比例する。一方、和周波の吸収の原因となる基本波からのＳＨＧは波長の短い基本波からのＳＨＧが問題となる。従って、和周波発生の場合、波長λ１の第１の基本波のパワーをＰ１、波長λ２の第２の基本波のパワーをＰ２とすると、λ１＞λ２の場合では、Ｐ１＞Ｐ２とするのが好ましい。より波長の短い光のパワーを小さくすることで、より短波長のＳＨＧの発生をより少なくして、高出力耐性の向上が図れる。【０１２６】  なお、本実施形態によるコヒーレント光源を構成する光源部は、他の実施形態において示した光源であれば、使用することが可能である。【０１２７】＜第３の実施形態＞
ここでは、本発明にかかる第３の実施形態によるコヒーレント光源１２００の構成について説明する。図１２は、第３の実施形態のコヒーレント光源１２００の構成を示す図である。本実施形態のコヒーレント光源１２００は、先の実施形態で示したコヒーレント光源と同様の構成を有するが、電流源１２１０および波長変換素子１２０２に配された電極１２１１を有する点で先の実施形態によるコヒーレント光源と異なる。先の実施形態と同様、光源１２０１から出た基本波１２０４は、波長変換素子１２０２（ＰＰＭｇＬＮ）により、ＳＨＧ１２０５に変換される。さらにＳＨＧ１２０５と基本波１２０４は、和周波を発生し、ＳＦＧ１２０６が生じることがある。ＳＦＧ１２０６が、波長４００ｎｍ以下の紫外光領域の光である場合、発生した紫外線によりＰＰＭｇＬＮ内部において自由電子が増加する。電極１２１１を介して波長変換素子１２０２に電圧を印加することで、電荷を移動させ、ＳＨＧ１２０５の吸収を低減することができる。電極１２１１に印加する電圧は、交流的に変化することが好ましく、周波数１００Ｈｚ以上の交流電圧の印加が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】  以上述べたように、本発明の発明者は、従来解明されていなかったＳＨＧ波長変換における出力の不安定化現象の機構を明らかにし、よって、和周波の発生を抑制し、安定した第２高調波出力を得られるコヒーレント光源を提供する。【０１２９】  本発明にかかるコヒーレント光源は、基本波と第２高調波により発生する和周波光と基本波とのウォークオフ角を大きくとることで、和周波の発生を抑え、安定した第２高調波出力を得られる。【０１３０】  さらに、基本波と第２高調波にウォークオフ角を持たせることで、和周波の発生を抑圧して、高出力耐性を向上させることが可能である。本発明にかかるコヒーレント光源は、高出力用途のコヒーレント光源として、その実用効果は大きい。【０１３１】  さらに、２つの基本波から和周波を発生する構成を有するコヒーレント光源においても、基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、高出力耐性を向上させている。このようなコヒーレント光源の実用効果も、非常に大きい。
【図１】
2006013890.tif 000002
【図２Ａ】
2006013890.tif 000003
【図２Ｂ】
2006013890.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2006013890.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2006013890.tif 000012
【図５】
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【図６】
2006013890.tif 000014
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006013890.tif 000018
【図１１】
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【図１２】
2006013890.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月2日(2006.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】１０７０ｎｍないし１１００ｎｍのいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記光源部からの基本波を受けて前記基本波の第２高調波を出射する波長変換部を有し、
前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を備え、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくともいずれかをドープしたＬｉＮｂＯ３基板を含み、前記基本波と前記第２高調波との和周波を発生し、
前記光源部は、前記和周波と前記基本波の出射ビームのなす角度θの値に基づいて、出射する基本波の強度を制限するコヒーレント光源。
【請求項２】（削除）
【請求項３】前記光源部は、前記角度θが、θ＜１０度の場合、前記基本波の強度を１０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項４】前記光源部は、前記角度θが、１０度＜θ＜１５度の場合、前記基本波の強度を５０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項５】前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を有し、５ｍｏｌ％以上のＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３を含む請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項６】削除
【請求項７】削除
【請求項８】削除
【請求項９】前記波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１０】さらに、前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１１】８００ｎｍ以上のいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記第１波長の第２高調波を出射する波長変換部と、
前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項１２】さらに、前記波長変換部に通電可能に配された電極部と、
前記電極に電圧を印加する電源部と、を有することを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１３】前記光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１４】前記光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１５】前記波長変換部は、前記第２高調波を、１Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１６】前記波長変換部は、前記第２高調波を、２Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１７】前記波長変換部は、前記第２高調波を、２．５Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１８】前記波長変換部は、前記第２高調波を、３Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月14日(2006.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】１０７０ｎｍないし１１００ｎｍのいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記光源部からの基本波を受けて前記基本波の第２高調波を出射する波長変換部を有し、
前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を備え、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくともいずれかをドープしたＬｉＮｂＯ３基板を含み、前記基本波と前記第２高調波との和周波を発生し、
前記光源部は、前記和周波と前記基本波の出射ビームのなす角度θの値に基づいて、出射する基本波の強度を制限するコヒーレント光源。
【請求項２】（削除）
【請求項３】前記光源部は、前記角度θが、θ＜１０度の場合、前記基本波の強度を１０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項４】前記光源部は、前記角度θが、１０度＜θ＜１５度の場合、前記基本波の強度を５０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項５】前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を有し、５ｍｏｌ％以上のＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３を含む請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項６】削除
【請求項７】削除
【請求項８】削除
【請求項９】前記波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１０】さらに、前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項１１】８００ｎｍ以上のいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記第１波長の第２高調波を出射する波長変換部と、
前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項１２】さらに、前記波長変換部に通電可能に配された電極部と、
前記電極に電圧を印加する電源部と、を有することを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１３】前記光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１４】前記光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１５】前記波長変換部は、前記第２高調波を、１Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１６】前記波長変換部は、前記第２高調波を、２Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１７】前記波長変換部は、前記第２高調波を、２．５Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１８】前記波長変換部は、前記第２高調波を、３Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または１１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１９】前記Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくともいずれかをドープしたＬｉＮｂＯ３基板のドープ量は、４．９ｍｏｌ％ないし６．０ｍｏｌ％に含まれる請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項２０】前記光源部が出射した基本波は、その光軸が前記周期状の分極反転構造のストライプの法線に対して実質的に非ゼロの角度を成して、前記波長変換部へ入射する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月9日(2007.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０７０ｎｍないし１１００ｎｍのいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記光源部からの基本波を受けて前記基本波の第２高調波を出射する波長変換部を有し、
前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を備え、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくともいずれかをドープしたＬｉＮｂＯ３基板を含み、前記基本波と前記第２高調波との和周波を発生し、
前記光源部は、前記和周波と前記基本波の出射ビームのなす角度θの値に基づいて、出射する基本波の強度を制限するコヒーレント光源。
【請求項２】
前記光源部は、前記角度θが、θ＜１０度の場合、前記基本波の強度を１０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項３】
前記光源部は、前記角度θが、１０度＜θ＜１５度の場合、前記基本波の強度を５０ＭＷ／ｃｍ２以下に制限する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項４】
前記波長変換部は、周期状の分極反転構造を有し、５ｍｏｌ％以上のＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３を含む請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項５】
前記波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項６】
さらに、前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のコヒーレント光源。
【請求項７】
８００ｎｍ以上のいずれかの波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記第１波長の第２高調波を出射する波長変換部と、
前記波長変換部の少なくとも一部分を覆い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項８】
さらに、前記波長変換部に通電可能に配された電極部と、
前記電極に電圧を印加する電源部と、を有することを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項９】
前記光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１０】
前記光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１１】
前記波長変換部は、前記第２高調波を、１Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１２】
前記波長変換部は、前記第２高調波を、２Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１３】
前記波長変換部は、前記第２高調波を、２．５Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１４】
前記波長変換部は、前記第２高調波を、３Ｗ以上の平均出力で出射可能であることを特徴とする請求項１または７に記載のコヒーレント光源。
【請求項１５】
前記Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくともいずれかをドープしたＬｉＮｂＯ３基板のドープ量は、４．９ｍｏｌ％ないし６．０ｍｏｌ％に含まれる請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項１６】
前記光源部が出射した基本波は、その光軸が前記周期状の分極反転構造のストライプの法線に対して実質的に非ゼロの角度を成して、前記波長変換部へ入射する請求項１に記載のコヒーレント光源。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント光源に関し、特に、光を受け、波長を変換することにより受けた光の波長と異なる波長を有する光を出射する波長変換素子を備えたコヒーレント光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレント光源に関連し、近年、光の波長変換技術は継続的に発展を遂げ、もってコヒーレント光源の高効率化、高出力化が進んでいる。例えば、コヒーレント光源の高効率化を実現する方式として、内部共振器を用いて基本波のパワー密度を増大させることにより波長変換効率を向上させる方法、および、Ｑスイッチパルスにより尖塔値の高い基本波を用いて波長変換効率を向上させる方法が知られている。両方法とも、効率５０％程度の高効率変換を実現する。例えば、１０６４ｎｍ近傍の波長を有する光を基本波として用いることで、その第２高調波（以下、「ＳＨＧ」とも称する。）である５３２ｎｍ近傍の波長を有する緑色光の発生を実現している。
【０００３】
変換効率の高い材料を用いて波長変換素子を構成すれば、高効率に第２高調波を発生できる。そのため、高効率な第２高調波発生を実現するため、波長変換を担う非線形材料の変換効率のさらなる向上が望まれている。
【０００４】
高効率であるのみならず、可視光を高出力で発生させるには、すなわち、可視光領域の波長を有する第２高調波を高出力に発生させるには、波長変換部を構成する非線形材料に対し、高い変換効率のみならず、発生する第２高調波の有する波長近傍の波長領域における優れた耐性が望まれる。なぜならば、第２高調波等、波長変換部の内部を伝播する、高パワーを有する電磁波により非線形材料が光損傷等を受ければ、所望の出力を安定的に得ることが困難になるおそれがあるからである。
【０００５】
近年、周期状の分極反転構造を結晶内に備えるＭｇドープのＬｉＮｂＯ３（以下、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３ (MgO:LiNbO3) は、「ＭｇＬＮ」とも称する。）は、可視光発生用の高効率非線形材料として注目されている。
【０００６】
ＭｇＬＮは、可視光領域の波長の光に対し、最も高い非線形性を持つ無機材料であり、かつ、優れた耐光損傷強度を有することが知られている。そのため、光源の高効率化、高出力化に適するとされる。さらに有利なことには、ＭｇＬＮは、結晶成長が容易なため、低コスト化が可能である。また、従前は、ＭｇＬＮの高い非線形性を利用した位相整合は困難であったが、周期状の分極反転構造をＭｇＬＮ等に製造する方法が開発され、よって、高効率高非線形材料として利用する道が拓かれた。特許文献１は、周期状の分極反転構造を備えたＭｇＬＮ（以下、「ＰＰＭｇＬＮ (Periodically Poled MgO:LiNbO3) 」とも称する。）を内部共振器として用いる青色光コヒーレント光源を開示する。
【０００７】
また、非特許文献１は、Ｍｇドープ量４．８ｍｏｌ％以下のＭｇＬＮにおいて、緑色光の照射による赤外吸収（ＧＲＩＩＲＡ (Green induced infrared absorption)）が、増大する現象を報告している。
【０００８】
上述の非線形材料を結晶成長させて作成した非線形光学結晶を波長変換素子に用いて波長変換を行うことで、４５０ｎｍ近傍の波長を有する青色光から５３０ｎｍ近傍の波長を有する緑色光まで、発生させることができる。光源から発せられる高出力出射光を基本波とし、変換効率の高い非線形光学結晶によって第２高調波へ変換することで、高効率な波長変換が実現され、高出力かつ高効率な可視光コヒーレント光源が実現される。
【０００９】
高出力であることが求められるコヒーレント光源においては、波長変換部である波長変換素子には、基本波および第２高調波（ＳＨＧ）の波長領域において十分に安定な材料を使用することが望ましい。ＳＨＧの波長が含まれる波長領域の光を受けて光学的特性が不安定化する要因を有する材料を波長変換素子として用いるならば、安定的なＳＨＧの発生を行うことができない。そのような材料は、波長変換素子に不適であると言える。
【００１０】
これまで、可視光領域の光に対して、特に、可視光のうちでも短波長光に対して、非線形材料が、不安定化する現象およびその原因が複数報告されている。例えば、非線形材料であるＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」とも称する。）、ＬｉＴａＯ３（以下、「ＬＴ」とも称する。）に対しては、（１）光損傷、（２）ＧＲＩＩＲＡ（緑色光励起の赤外吸収）、（３）光ダメージ等が報告されている。以下、これらについて解説する。
【００１１】
（１）光損傷：
光損傷とは光励起の屈折率変化現象である。例えば、ＬＮ結晶は、上記した短波長光を照射することで屈折率が変動する。波長変換素子において光損傷が生じると、光損傷が生じた部分においては、位相整合条件が成立しなくなり、素子の変換効率の低下を招く。この現象は、可逆的な現象であり、光の照射を止めると、変化した屈折率は元に戻る。光損傷は光の波長および強度に依存するが、Ｍｇを５ｍｏｌ％程度以上添加したＬＮ結晶では、観測されていない。
【００１２】
（２）ＧＲＩＩＲＡ：
緑色光または青色光と、赤外光とが共存する場合に発生する現象である。例えば、ＬＮ結晶に可視光が照射されると、赤外光の吸収が増大する。この現象は、可逆的な現象であり、可視光の照射を止めると、吸収も減少する。非特許文献１においても報告されているが、Ｍｇドープ量が４．８ｍｏｌ％以下のＭｇＬＮでは、緑色光により赤外光の吸収が増大する現象が観測され報告されている。
【００１３】
（３）光ダメージ：
光のエネルギにより結晶が破壊される現象である。光ダメージはあらゆる材料で存在するが、この現象は、光のパワー密度と関係して発生する。例えば、ＬＮおよびＭｇＬＮにおける光ダメージ損傷は、波長１．０６４μｍ（１０６４ｎｍ）の光に対しては、１００〜２００ＭＷ／ｃｍ２程度以上のパワー密度のときに発生する。光ダメージは、結晶が破壊される現象であるため、非可逆的な現象である。ただし、光ダメージは、高い光パワー密度でのみ発生するので、光ダメージが発生しない程度のパワー密度を有する光のみを使用する場合、この現象に由来する問題は顕在化しない。しかし、高出力化を要求されるコヒーレント光源では、この現象に由来する問題が顕在化するおそれがある。そのため、光ダメージに対する耐性が強い材料を波長変換素子に使用して安定的に高出力光を発生させる光源を実現することが望まれる。光ダメージは、あらゆる結晶において存在する現象である。結晶の光ダメージに対する耐性は、結晶破壊を生じさせる光のパワー密度の最小値で定められる。
【００１４】
また、光損傷およびＧＲＩＩＲＡは、ＬＮ、ＬＴ等においては、比較的低パワーの光で発生する。そのため、ＬＮ、ＬＴ等を用いて高出力の可視光を発生する光源を構成することは困難である。このような光源を実現するには、例えば、１Ｗを超える出力を得るためには、結晶の温度を１００℃以上に加熱する必要がある。つまり、ＬＮ、ＬＴ等を波長変換素子として用いて安定的に高パワーの可視光を変換する構成を備えるならば、同時に光損傷等の現象に起因する、光源の安定性問題を伴うことになる。
【００１５】
また、ＫＴｉＯＰＯ４（以下、「ＫＴＰ」とも称する。）でも短波長の可視光の照射により結晶内にカラーセンタが生じる、「グレートラック」という現象が知られている。この現象は、ＫＴＰを波長変換素子として利用する際、変換される光のパワーを制限する要因となっている。
【００１６】
また、ＭｇＬＮや、ＭｇＬＴは、可視光に対して優れた耐性を有する高非線形材料として注目される材料である。この周期状の分極反転構造を有する（ＰＰＭｇＬＮ）は高い変換効率と、優れた対光損傷強度を有する非線形材料であり、内部共振器構造をはじめとし、様々な応用が可能である。また、ＰＰＭｇＬＮは、ＧＲＩＩＲＡに関しても、Ｍｇドープ量を５ｍｏｌ％以上とすれば実用上、問題となるようなＧＲＩＩＲＡ現象は発生しない。実際、先に示したとおり、１Ｗ以下の出力において内部共振器型の波長変換素子として利用されている。
【特許文献１】特開平０６−２４２４７８号公報
【非特許文献１】Ｙ．フルカワ、Ｋ．キタムラ、Ａ．アレクサンドロフスキ、Ｒ．Ｋ．ラウテ、Ｍ．Ｍ．フェジェール、Ｇ．フーロン (Y. FurukaＷa, K. Kitamura, A. Alexandrovski, R. K. Route, and M. M. Fejer, G. Foulon) 、「グリーン−インデュースド・インフラレッド・アブソープション・イン・ＭｇＯドープドＬｉＮｂＯ３」 ("Green-induced Infrared absorption in MgO doped LiNbO3") 、アプライド・フィジックス・レターズ (Applied Physics Letters) 、（米国）、アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス (American Institute of Physics) 、２００１年４月２日、ｖｏｌ．７８、ｐ．１９７０−１９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述のとおり、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３（ＭｇＬＴ）は、耐光損傷強度に優れた高非線形材料である。実際、ＰＰＭｇＬＮにおいては、室温近傍の波長変換においても安定な高出力波長変換が可能である。しかしながら、本願の発明者は、周期状の分極反転構造を有する結晶等（ＰＰＭｇＬＮ等）に高ピークパワーを有する基本波を照射したり、可視光の高出力発生を行ったりする場合、出力が不安定化する現象を発見した。例えば、ＰＰＭｇＬＮの場合、１Ｗ以上の高出力変換においては、光損傷以外の原因によると思われる出力の不安定化現象を、本願の発明者は観測している。このような不安定化現象は、ＰＰＭｇＬＮ等を波長変換素子として用いて高出力コヒーレント光源を構成する場合、光源の安定性に疑問を投げ掛ける因子である。この現象に対し対処を怠れば、光源の信頼性は著しく損なわれることになる。本発明は、この出力不安定化現象の原因を解明し、この現象を回避する方策を示し、もって、安定的に高出力で出力可能なコヒーレント光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、その一態様において、１０７０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有するコヒーレント光源である。
【００１９】
本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＭｇドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。
【００２０】
本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＳｃドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＩｎドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。
【００２２】
本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備えるＺｎドープＬｉＮｂＯ３を有することが好ましい。
【００２３】
本発明は、別の一態様において、１０２７ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるストイキオメトリックＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。
【００２４】
本発明は、別の一態様において、１０１８ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＬｉＴａＯ３を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。
【００２５】
本発明は、別の一態様において、８５０ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射し、周期状分極反転構造を備えるＫＴｉＯＰＯ４を含む波長変換部を有するコヒーレント光源である。
【００２６】
本発明の各態様においては、さらに、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することが好ましい。
【００２７】
本発明は、別の一態様において、８００ｎｍ以上の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて第１波長の半波長である第２波長を有する光を所定の平均出力以上で出射する波長変換部と、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長４００ｎｍ以下の光から波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有するコヒーレント光源である。
【００２８】
本発明の各態様においては、波長変換部は、摂氏１００度以下で動作されることが好ましい。
【００２９】
本発明の各態様においては、波長変換部の周期状分極反転構造の示すストライプの法線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、３度以上であることが好ましい。
【００３０】
本発明の各態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転構造の示すストライプと結晶構造のａ軸およびｃ軸に垂直な方向とのなす角が、０度より大きく１度以下であることが好ましい。
【００３１】
本発明は、その一態様において、所定の第１波長を有する基本波を出射する光源部と、周期状分極反転構造を備え、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有し、波長変換部の備える周期状分極反転構造の示すストライプの法線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、３度以上であることを特徴とするコヒーレント光源である。
【００３２】
本発明の一態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転構造の示すストライプと結晶構造のａ軸およびｃ軸に垂直な方向とのなす角が、０度より大きく１度以下であることが好ましい。
【００３３】
本発明の各態様においては、さらに、波長変換部に通電可能に配された電極部と、電極に電圧を印加する電源部とを有することが好ましい。
【００３４】
本発明の各態様においては、光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とすることが好ましい。
【００３５】
本発明の各態様においては、光源部は、Ｑスイッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることが好ましい。
【００３６】
本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、１Ｗ以上であることが好ましい。
【００３７】
本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、２Ｗ以上であることが、より好ましい。
【００３８】
本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、２．５Ｗ以上であることが、さらに好ましい。
【００３９】
本発明の各態様においては、波長変換部の、第２高調波の所定の平均出力は、３Ｗ以上であることが、なおさら好ましい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、波長変換素子を用いた高出力の可視光領域のコヒーレント光源を提供する。本発明によるコヒーレント光源は、高出力時の出力不安定性、および、信頼性の問題がなく、安定的な出力特性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明によるコヒーレント光源は、高出力な光源部の出射する高出力光を基本波として用い、波長変換部によりこの基本波を第２高調波に変換し、出射する。本発明にかかるコヒーレント光源は、高出力な基本波を出射する光源部、および、高効率な波長変換を実現する波長変換素子を有する、高出力コヒーレント光源である。上述のように、この様な高出力コヒーレント光源を実現するには、少なくとも使用する基本波および第２高調波（ＳＨＧ）が含まれる波長領域において安定な（耐性の高い）材料を使用することが望まれる。可視光領域に含まれる短波長光に対して材料的に不安定になる原因の幾つかは上述の如く周知である。これら周知の不安定化要因を考慮し、これら現象を回避することは、高出力コヒーレント光源を構成する上で当然のことあるが、本願の発明者は、これらとは別種の不安定化現象を発見した。本発明は、本願発明者の発見した現象にかかる知見に基づき、より安定に高出力が可能なコヒーレント光源を開示する。
【００４２】
本願の発明者は、ＰＰＭｇＬＮを用いて１Ｗ以上の高出力の緑色光発生（波長５３２ｎｍ）を行った際、従来観測されていない不安定化現象を発見した。また、光源を長期間使用した場合にも、その出力が劣化する現象が存在することを、本願の発明者は発見した。本願の発明者は、発見した現象の原因を解明し、もって、このような不安定化、および、出力の経時的劣化が生じない高出力コヒーレント光源の構成を開示する。
【００４３】
［高出力光の波長変換において発生する波長変換素子不安定化現象について］
最初に、ＰＰＭｇＬＮを例に、新たに発見された現象について説明する。
【００４４】
本願の発明者は、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮに対し、図１に示す光学系１００で波長変換実験を行った。光学系１００は、光源１０１、波長変換素子１０２、集光光学系１０３を有する。光源１０１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を固体レーザとするレーザ光源であって、半導体レーザ励起により波長１０６４ｎｍのレーザ光を発生する。また光源１０１は、固体レーザの共振器内にＡＯスイッチを挿入し、Ｑスイッチにより尖塔値の高いパルス列を発生するように構成されている。波長変換素子１０２は、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを含み、周期６．９５μｍの分極反転構造を有し、素子長は、１０ｍｍである。光源１０１の発する波長１０６４ｎｍの光を、基本波１０４として用いる。基本波１０４は、波長変換素子１０２に入射し、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５に変換される。基本波１０４は、上述のようにパルス列として発生し、その平均パワーを数Ｗとすることができる。基本波１０４は、集光光学系１０３を構成する集光レンズにより集光され、波長変換素子１０２で波長変換されてもよい。この波長変換にかかる変換効率は５０％前後である。
【００４５】
基本波のパワーを増大させ、パワーが２Ｗ程度の基本波１０４を入力した際、ＳＨＧ１０５の出力が不安定化し、変換効率は５０％から４０％程度にまで低下した。このときの基本波１０４の平均出力は２Ｗ程度、パルス光の強度は最大で６０ＭＷ／ｃｍ２であった。
【００４６】
さらに、基本波１０４のパワーを増大し、パルス光の強度が最大値で８０ＭＷ／ｃｍ２程度に達すると、変換効率はさらに低下し、出射されるビーム品質の劣化も観測された。
【００４７】
ＳＨＧ１０５の出力が低下する原因を調査した結果、本願の発明者は、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５以外に、波長３５５ｎｍの紫外光（図示せず。）が波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）から出射していることを発見した。紫外光の発生は、上述のＳＨＧ１０５の変換効率の低下が発生する基本波強度域で観測された。また、観測されたＳＨＧ１０５および図示しない紫外光の伝播方向すなわちポインティングベクトルの指す方向は僅かにずれており、異なる出射角で発生していることが明らかになった。
【００４８】
そこで、本願の発明者は、紫外光（波長３５５ｎｍ）が、ＰＰＭｇＬＮに与える影響について調査した。図２Ａに、本調査に用いた光学系２００を示す。光学系２００は、光源２０１および紫外光源２０２の２種の光源、ダイクロイックミラー２０３、波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）、フィルタ２０４、フォトディテクタ（ＰＤ）２０５を有する。光源２０１は、赤外領域の所定の波長を有する光（赤外光２１０）を発する光源であり、紫外光源２０２は、紫外領域の所定の波長（例えば、３５５ｎｍ）を有する光（紫外光）を発する光源である。両光源２０１および２０２の発した光は、ダイクロイックミラー２０３で合波されて、波長変換素子１０２（ＰＰＭｇＬＮ）に入射する。波長変換素子１０２より出射される光は、フィルタ２０４が波長選択的に透過し、波長分離され、フィルタ２０４を透過する赤外光２１０がＰＤ２０５で検出される。
【００４９】
光源２０１は、赤外光２１０を連続的に出射し、紫外光源２０２は、紫外光を強度変調しながら出射する。図２Ｂは、紫外光源２０２の出射する紫外光の強度と、ＰＤ２０５において検出される赤外光２１０の強度をプロットしたグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光の強度である。なお、赤外光２１０の強度２５１と、紫外光の強度２５３との強度の比は特に重要でない。グラフの明瞭性を優先し、スケールは無視してプロットしている。ここで重要な点は、紫外光の強度２５３が、ノンゼロの値を示している時間帯と、赤外光２１０の強度２５１が相対的に低くなっている時間帯との相関性である。実際に実験で用いた紫外光のパワーは、数ｍＷ程度であったが、紫外光の照射とともに、波長変換素子１０２から出射される赤外光２１０の強度が減少するのが判る。
【００５０】
紫外光の波長と赤外光吸収量との関係を観測したところ、特に、３２０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の波長を有する紫外光の照射により赤外吸収が増大することが判明した。４００ｎｍ以上波長を有する紫外光に対しては、可視光の吸収は発生しなかった。また、３２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を有する紫外光の照射では、紫外光の波長が短くなれば、照射する紫外光のパワーが低い場合であっても、可視光吸収が発生した。しかし、３２０ｎｍ以下の波長の紫外光（紫外線）では赤外光の吸収は生じなかった。これは、３２０ｎｍがＭｇＬＮの吸収端であるため、紫外光は結晶表面でほぼ吸収され、赤外線吸収量への影響が出にくいためと思われる。
【００５１】
さらに、結果を図示しないが、紫外光照射を受けた波長変換素子１０２による可視光の吸収を同様に測定したところ、赤外光吸収以上に、紫外光照射による波長変換素子１０２による可視光の吸収は、顕著であることが判明した。これは、紫外光の照射により波長変換素子１０２による可視光の吸収量が増大したためと考えられる。Ｍｇ５ｍｏｌ％以上のＭｇＬＮにおいて、このような短波長の光（例えば、紫外光）の照射による可視光吸収が発見された。
【００５２】
上記実験結果を踏まえ、ＰＰＭｇＬＮにおける可視光領域のＳＨＧの発生出力の不安定化の原因について考察する。
【００５３】
再度、図１を参照すれば、ＳＨＧ１０５の発生出力不安定化現象は、ＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子１０２）において、例えば、波長１０６４ｎｍの基本波１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ１０５に変換する際に、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの和周波である波長３５５ｎｍを有する紫外領域のＳＦＧ（図示せず。）が発生しているためである。紫外領域のＳＦＧの発生により可視光吸収が増大し、結晶（ＰＰＭｇＬＮ）内の温度が部分的に上昇する熱レンズ効果が生じ、位相整合状態が不安定化すると考えられる。以上の実験結果が示すように、１Ｗ以上の出力で可視光（例えば、ＳＨＧ１０５）を発生している波長変換素子１０２に波長４００ｎｍ以下の紫外光を照射すれば、可視光の吸収が増大し、熱レンズ効果が生じ、波長変換素子１０２の出力が変動する要因となる。高調波出力が小さい場合は、吸収が発生しても吸収による波長変換素子１０２における温度上昇の幅は小さく、熱レンズ効果は生じない。しかし、高調波（例えば、ＳＨＧ１０５）の出力がおよそ１Ｗを超えると、高調波の吸収による温度上昇の幅は増大し、熱レンズ効果が発生し、出力の不安定化が起こる。このような、高調波出力不安定は、波長変換素子１０２内部で発生する紫外光のみならず、発生波長変換素子１０２の外部から照射される紫外光によっても引き起こされるものである。波長変換素子１０２内部で発生、または、外部より照射される紫外光のパワーが比較的小さい場合でも、可視光吸収は増大する。そのため、波長変換素子１０２は、その外部から紫外光が入射しないように紫外光遮蔽部により保護されることが好ましい。この紫外光遮蔽部は、波長４００ｎｍ以下の光を遮蔽し、素子１０２を保護することが望ましい。少なくとも波長３２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の光に対し、高い遮蔽能（非透過性）を有することが望まれる。
【００５４】
紫外光遮蔽部を設けることにより、外部から波長変換素子１０２に入射する紫外光をほぼ完全に遮蔽した状態であっても、高調波（例えばＳＨＧ）の出力を増大させると出力不安定化現象が観測された。その原因は、波長変換素子１２０基板内部において発生する紫外光の存在である。
【００５５】
しかしながら、無視できない程度のＳＦＧが発生する、すなわち、ＳＦＧへの波長変換が高効率で行われるには、所定の位相整合条件を満たす必要がある。同一の素子内において、素子設計の段階から利用目的であった波長と異なる波長を利用したＳＦＧの高効率な波長変換が容易に発生するとは考えにくい。
【００５６】
そこで、ＳＨＧ出力が不安定になる現象についてさらに別の実験を行い、以下に示すＳＨＧ出力不安定化現象の発現に関する基本波波長依存性を得た。
【００５７】
［可視光吸収量の基本波波長依存性について］
基本波の波長が、１０３０ｎｍ以下の範囲に含まれる場合、耐性は高く、ＳＨＧの平均出力を、数Ｗ（パワー密度：数ＭＷ／ｃｍ２以上）にしても不安定化現象は起こらなかった。
【００５８】
ところが、基本波波長が、１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＨＧの平均出力が、数１００ｍＷ以下に抑えられた低パワー出力において、ＳＨＧ出力不安定が発生した。さらに、パワー密度が数ｋＷ／ｃｍ２程度の低パワーでも、出力の不安定性は増大した。
【００５９】
しかし、基本波波長が、１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＨＧの平均出力を、数Ｗにしても不安定化は起こらなかった。上記の１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲と比較して耐性の向上が見られる。
【００６０】
上記それぞれの範囲に含まれる波長の基本波を照射したときの、紫外光発生状況を観測したところ、１０３０〜１０５０ｎｍの範囲の波長の基本波を照射した場合では、紫外光発生が顕著であって、基本波波長が１０３０ｎｍに近づくに従い紫外光強度はますます増加した。１０６０〜１１００ｎｍの範囲の波長の基本波を照射した場合でも、僅かに紫外光の発生が観測された。しかし、１０３０ｎｍ以下の範囲、および、１１００ｎｍ以上の範囲では、紫外光の発生は観測されなかった。
【００６１】
以上の結果より、ＳＨＧ出力不安定化現象に対する耐性は、発生する紫外光（例えば、発生するＳＦＧ）の強度に依存することを示しており、耐性に関する基本波波長依存性は、発生する紫外光の強度が基本波波長に依存することが要因である。
【００６２】
［紫外光発生メカニズムの解明と紫外光発生の抑止］
そこで、ＰＰＭｇＬＮにおける紫外光発生の原因を明らかにするために、ＰＰＭｇＬＮの位相整合特性を解析した。ＳＦＧが高効率で発生するためには、ＰＰＭｇＬＮでノンクリティカルな擬似位相整合条件が成立する必要がある。また、ノンクリティカルな擬似位相整合条件が完全に成立しない場合であっても、基本波とＳＦＧは、ノンゼロのウォークオフ角を成して異なる方向に伝搬することで、擬似位相整合条件が成立ですることがある。このウォークオフ角が小さくなれば、ＳＦＧは急激に増大する。そして、ウォークオフ角がゼロになり、基本波とＳＦＧが同じ方向に進む場合は、ノンクリティカルな擬似位相整合条件が成立している場合に相当する。
【００６３】
コヒーレント光源において、ＳＨＧを発生させる際、ＳＦＧの発生を抑制しＳＨＧの出力の安定化を図るには、ＳＦＧが発生しない条件を見いだし、そのような条件下でＳＨＧを発生させることが望ましい。図３Ａは、発生したＳＦＧのウォークオフ角を示す図である。矢印は、光の伝播方向を示しており、本図においては、ウォークオフ角は、ＳＦＧとＳＨＧの伝播方向を示す矢印のなす角度を指している。つまり、このウォークオフ角は、ＳＦＧとＳＨＧのポインティングベクトル同士の成す角度である。
【００６４】
ＰＰＭｇＬＮによる波長変換を行い、１０６４ｎｍの波長の光（基本波）から５３２ｎｍの波長のＳＨＧを発生させる位相整合条件を成立させるには、ＰＰＭｇＬＮが、周期６．９５μｍ程度の周期状分極反転構造を備える必要がある。この値は、ＭｇＬＮの屈折率分散より計算される。その一方、３５５ｎｍの波長を有する光は、１０６４ｎｍの波長の基本波と５３２ｎｍの波長のＳＨＧ光の和周波（ＳＦＧ）により発生する。ＳＦＧが高効率に発生するためには、ＰＰＭｇＬＮが、１．７９μｍ程度の周期状分極反転構造を備える必要がある。基本波からＳＨＧを発生させるために適した分極反転周期６．９５μｍは、基本波およびＳＨＧの和周波を発生させるために適した分極反転周期１．７９μｍを満足しない。しかし、より高次の周期構造において位相整合する可能性は残る。周期状分極反転構造が、１．７９μｍの整数倍（ｍ倍）であれば、位相整合が可能であり、和周波（ＳＦＧ）を高効率に発生させることが可能である。（ただし、この場合、変換効率は１／（ｍ２）に比例して低下する。）
【００６５】
そこで、高次の分極反転周期構造による位相整合の可能性を計算したところ、図３Ｂおよび図３Ｃに示す位相整合特性があることが判った。図３Ａは、基本波とＳＨＧとが、ノンクリティカル位相整合を行っていることを示している。（ＰＰＭｇＬＮでのＳＨＧの発生は、基本波とＳＨＧが同じ進行方向で伝搬するノンクリティカル位相整合を行うことにより高効率化が可能である。）この場合、図３Ｂに示すように、基本波波長が１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲に含まれる場合では、基本波（波長λ）とＳＨＧ（波長（λ／２））のＳＦＧ（波長（λ／３））は、４次と５次の擬似位相整合（ＱＰＭ）（それぞれ、４ｔｈＱＰＭ、５ｔｈＱＰＭと記す。）により発生する。しかしながら、５次の擬似位相整合によるＳＦＧは、ウォークオフ角が３０度以上と大きいため、ＳＦＧ（和周波）の出力は極めて小さく、耐性に与える影響はない。図３Ｂの縦軸であるＳＦＧとのウォークオフ角は、ＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を指している。基本波とＳＨＧとのウォークオフ角がゼロであれば、図３Ａに示したウォークオフ角と一致するが、厳密には、図３Ａに図示したウォークオフ角と、図３Ｂの縦軸のウォークオフ角とは異なる点を注記する。その一方、４次の擬似位相整合によるＳＦＧは図３Ｂに示すように、基本波の波長が１０３０ｎｍ以上のときに発生する。特に、１０３０ｎｍ近傍の基本波波長では、ウォークオフ角が小さく、基本波波長１０３０ｎｍ近傍でＳＦＧの出力は大幅に増大する。その様子を図３Ｃに示す。図３Ｃを参照すれば、ウォークオフ角が１０度以下となる基本波波長約１０５０ｎｍ以下の領域から基本波波長１０３０ｎｍ近傍の領域にかけてＳＦＧの出力は大幅に増大している。このことが、波長変換素子の耐性に基本波波長依存性が存在する原因である。基本波波長が１０３０ｎｍの場合には、基本波と同じ方向にＳＦＧが出力されるノンクリティカル位相整合条件が成立するため、ＳＦＧ光は大幅に増大し、同時に、波長変換素子の耐性が大幅に低下する。
【００６６】
より低次の擬似位相整合、例えば、３次の擬似位相整合によるＳＦＧの発生も、基本波波長１３７０ｎｍ近傍で存在する。しかし、この場合では、ＳＦＧの波長は４５０ｎｍ以上になり、ＰＰＭｇＬＮの出力の安定性に与える影響はない。逆に、より高次の（６次以上の）位相整合条件が成立する可能性もあるものの、上述のとおり、次数の２乗に反比例して変換効率は低下するため、高次の（６次以上の）位相整合は、波長変換素子の耐性を量る上では無視できる。
【００６７】
波長変換素子の耐性を量る上で考察すべきは、主に、４次の擬似位相整合により出力される紫外光のＳＦＧである。この紫外領域の波長を有するＳＦＧは、図３Ｃに示すように、基本波波長が、短縮化する方向で、＋１０３０ｎｍに近づくに従って急激に増大する。ノンクリティカル位相整合は、基本波波長１０３０ｎｍ近傍に存在するが、基本波波長１０５０ｎｍ近傍でも、さほど大きくないウォークオフ角を持ったＳＦＧが発生している。これより、基本波波長１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲において、ＳＦＧは、波長変換素子の耐性を量る上で無視できない強度で存在することが明らかになった。つまり、このようなＳＦＧの発生が、ＰＰＭｇＬＮでの位相整合において基本波である赤外光およびＳＨＧである可視光の吸収を増大させ、ＰＰＭｇＬＮ内で部分的な温度上昇を招き、位相整合状態を不安定化させ、出力を不安定化していることが明らかになった。
【００６８】
再度、図３Ｂを参照すれば、ＰＰＭｇＬＮの４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角は、基本波波長が１０７０ｎｍ以上の場合、１５度以上になる。ウォークオフ角がこのような大きな角度であれば、ＳＨＧ出力に影響は及ばない。一般にＳＨＧ発生に使用される基本波波長は、１０６４ｎｍが多い。このときのウォークオフ角は１３度である。しかし、本願の発明者は、ＳＨＧ出力の安定を図るには、１０７０ｎｍ以上の基本波波長を使用することが望ましい。つまり、ウォークオフ角は１５度以上であることが望ましい。
【００６９】
図３Ｄは、ＰＰＭｇＳＬＮの４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。本図より、ＰＰＭｇＳＬＮにおいては、基本波波長が１０２７ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になる。
【００７０】
図３Ｅは、ＰＰＬＴ（周期状の分極反転構造を備えるＬｉＴａＯ３）の４次および５次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。本図より、ＰＰＬＴにおいては、基本波波長が１０１８ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になる。
【００７１】
図３Ｆは、ＰＰＫＴＰ（周期状の分極反転構造を備えるＫＴＰ）の３次および４次の擬似位相整合により発生するＳＦＧと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図３Ｂと同様、横軸は、基本波波長である。ＰＰＫＴＰにおいては、基本波波長が８５０ｎｍ以上の場合、ウォークオフ角は、１５度以上になることが計算により判った。
【００７２】
観察された現象をまとめる。
【００７３】
第２高調波発生において出力が不安定化する要因は以下のとおりである。
Ｆ１．基本波とＳＨＧによる紫外ＳＦＧが発生する。
Ｆ２．紫外ＳＦＧにより赤外光（基本波）吸収および可視光（ＳＨＧ等）吸収が増大する。
Ｆ３．波長変換素子内に、吸収による部分的な温度上昇による熱レンズ効果が発生する。
Ｆ４．熱レンズ効果により、位相整合状態が乱れ、ＳＨＧ光の出力が不安定化する。
【００７４】
一方、第２高調波（ＳＨＧ）の発生を不安定化するＳＦＧの発生（上記Ｆ１．）は、下記の条件を満たす必要がある。
Ｃ１．ＳＦＧの波長が、（波長変換素子を構成する）結晶の吸収端より長いこと。（吸収端以下では結晶の吸収によりＳＦＧの発生が抑圧される。）
Ｃ２．ＳＦＧが、波長４００ｎｍ以下の紫外光であること。
Ｃ３．ＳＦＧと基本波のウォークオフ角が０度以上、１５度以下であること。（１０度以下でさらに顕著に現われる。）
Ｃ４．さらに、紫外光照射により非線形光学結晶の吸収係数が増大すること。
【００７５】
［熱レンズ効果による出力不安定化現象の吸収波長依存性について］
上述した熱レンズ効果による出力不安定化現象は、紫外線の発生により、基本波およびその（第２）高調波の吸収が生じ、これによる熱レンズ効果が発生し、出力が不安定化する現象である。光の吸収による熱レンズ効果の発生には、吸収される光の波長に依存して、吸収される光のピークパワーおよび平均パワーの値が大きく影響していることが明らかになった。以下にそれぞれの場合について説明する。
（イ）吸収される光の波長が、７００ｎｍ以上である場合：
ピークパワーで数１０ＭＷ／ｃｍ２程度、または、平均パワーで１ＭＷ／ｃｍ２程度に達した場合に熱レンズ効果による出力の不安定化が生じる。
（ロ）吸収される光の波長が、６００ｎｍ以下である場合：
平均パワーで０．１ＭＷ／ｃｍ２程度から、熱レンズ効果による出力の不安定化が生じる。
【００７６】
上述の基本波の吸収は、（イ）の場合に相当する。波長の比較的長い基本波に関しては、吸収係数が小さいため、熱レンズ効果が発生するパワー密度は、相対的に高い。このため、基本波の吸収による熱レンズ効果は、ピークパワーの大きなパルス光の波長変換の場合で顕著に現れる。パワーの高い、パルス光の尖塔値によって熱レンズ効果が著しく発生するためである。
【００７７】
そこで、このような結果をふまえ、非線形光学材料を有する波長変換素子によるＳＨＧの発生を安定的に行うことができるコヒーレント光源の構成を示す。
【００７８】
＜第１の実施形態＞
図４Ａは、本発明にかかる第１の実施形態によるコヒーレント光源４００の構成図である。コヒーレント光源４００は、光源部を構成する光源４０１と、波長変換部である波長変換素子４０２とを有する。さらに、コヒーレント光源４００は、集光部である集光光学系４０３を光源４０１から出射する基本波４０４を波長変換素子４０２に集光するように備えてもよい。光源４０１は、波長変換素子４０２による波長変換の効率を向上させるため、Ｑスイッチのパルス駆動を行うことができる。波長変換素子４０２は、非線形光学材料であるＰＰＭｇＬＮを含んでいる。光源４０１から出射された基本波４０４は、集光光学系４０３により波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）内に集光される。波長変換素子４０２は、基本波４０４を、その内部でＳＨＧ４０５に変換し、さらに、基本波４０４とＳＨＧ４０５は、素子４０２内部でＳＦＧ４０６に変換される。ここでは、基本波４０４の波長をλ、ＳＨＧ４０５の波長を（λ／２）、ＳＦＧ４０６の波長を（λ／３）としておく。
【００７９】
＜変形例＞
また、図４Ｂは、第１の実施形態の変形例によるコヒーレント光源４５０の構成図である。コヒーレント光源４５０は、コヒーレント光源４００（図４Ａ参照。）の構成に加え、さらに、紫外光遮蔽部４５１を備える。この紫外光遮蔽部４５１は、波長４００ｎｍ以下の光を遮蔽し、波長変換素子４０２を保護する。紫外光遮蔽部４５１は、少なくとも波長３２０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の光に対し、高い遮蔽性能（非透過性）を有することが好ましい。紫外光遮蔽部４５１は、蛍光灯や太陽光などといった、至る所に存在する紫外光発生要因による紫外光から波長変換素子４０２を保護することができる。
【００８０】
紫外光遮蔽部４５１を設けることにより、波長変換素子４０２は外部からの紫外光の入射を免れる。コヒーレント光源４５１は、外部からの紫外光を蔽いにより遮蔽することで、出力１Ｗ程度の緑色光（ＳＨＧ４０５）を安定的に発生可能である。また、光源４０１の発する基本波の波長λが８００ｎｍ以上であれば、そのＳＨＧの波長は、４００ｎｍ以上となる。また、基本波波長λが８００ｎｍの場合、基本波とＳＨＧとのＳＦＧの波長は、およそ２６７ｎｍ（λ／３）となる。よって、波長変換素子４０２内で、３２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を有する紫外光は発生しておらず、外部から入射する紫外光のみが、可視光吸収の増大に影響する。このため、紫外光遮蔽部４５１を追加することで、ＳＨＧ高出力時におけるコヒーレント光源の安定性は、飛躍的に向上する。
【００８１】
なお、紫外光遮蔽部４５１は、波長変換素子４０２を蔽う構成のみならず、波長変換素子４０２表面に形成された、紫外光不透過性の薄膜により構成することも可能である。
【００８２】
図５は、波長変換素子４０２の、基本波波長λに対する、高出力耐性の関係を示すグラフである。ここでは、光源４０１は、繰り返し周波数６０ｋＨｚでパルス駆動されており、各パルスのパルス幅は、２０ｎｓ程度とし、基本波波長λを変えて出力特性を観察している。また、観察環境の温度は、室温である。
【００８３】
図５を参照すれば、基本波波長λが、８００ｎｍ〜１０００ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲においては、高出力耐性は波長に依存して緩やかに増大している（領域５０１）。この領域では、５次のＱＰＭによるＳＦＧ４０６が発生しているものの、ＳＦＧ４０６のウォークオフ角は、３０度以上に保たれるため、ＳＦＧ４０６の強度は非常に小さい（図３Ｂ参照）。また４次のＱＰＭによるＳＦＧは位相整合がとれないため発生しない（図３Ｂ参照。）。従って、ＳＦＧ４０６の出力は、非常に小さく、波長変換素子４０２は、高い高出力耐性を示す。
【００８４】
よって、光源４０１の出射する基本波の波長は、１０３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００８５】
同様のことが基本波波長１０５０ｎｍ以上の範囲にも当てはまる。基本波波長が１０５０ｎｍ以上の場合、４次および５次の擬似位相整合によるＳＦＧ４０６と基本波４０４のウォークオフ角は、共に１０度以上となるため（図３Ｂ参照。）、ＳＦＧ４０６の出力は、低く抑えられる（領域５０５）。従って、波長変換素子４０２は、高い高出力耐性を示す。
【００８６】
よって、光源４０１の出射する基本波の波長は、１０５０ｎｍ以上であることも好ましい。さらには、ウォークオフ角が１５度以上となる、基本波波長１０７０ｎｍ以上が望ましい。
【００８７】
これに対し、ウォークオフ角が１０度未満となる１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ（図３Ｂ参照。）では高出力耐性が大幅に低下する（図５領域５０３参照。）。
【００８８】
よって、波長変換素子４０２内において和周波（ＳＦＧ）４０６が発生する場合、ＳＦＧ４０６と基本波のウォークオフ角を１０度以上、さらに好ましくは１５度以上、に保つことができれば、高い高出力耐性を有するコヒーレント光源４００が実現できる。
【００８９】
［位相整合温度が高出力耐性に与える影響について］
１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍの波長領域では、位相整合温度に注意する必要がある。図６は、ＳＦＧ４０６が完全位相整合する領域近傍における、基本波波長と耐性強度の関係について、位相整合温度を変えて測定した結果を示すグラフである。図５の領域５０１が示すように、１０３０ｎｍ以下の波長では、ＳＦＧ４０６の発生が抑えられ、強い耐性を示すことを示した。しかし、本願の発明者は、この基本波波長域において強い耐性を実現するには、結晶の温度に制限が存在することを発見した。通常、波長変換素子４０２は、光損傷やＧＲＩＩＲＡ等の影響を少なくするため、結晶の温度を１００℃程度以上に上げて使用する場合が多い。しかしながら、この基本波波長領域（１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍ）においては、結晶温度を上げることで、ＳＦＧ４０６が発生する条件である位相整合条件を満足する基本波波長が短波長側にシフトする。そのため、ＳＦＧ４０６が発生し、さらに、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度よりも小さい。
【００９０】
このため、温度を上げると、耐性が低くなる領域（図５領域５０３に対応。）が短波長側にシフトする。換言すれば、図６に示すように、耐性が低くなる基本波波長領域の最短基本波波長端は、波長変換素子の温度上昇とともに、短波長化する。
【００９１】
従って、基本波波長が１０１０ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる場合、高出力耐性を高く保つには、位相整合温度を５０℃以下に保って使用するのが好ましい。
【００９２】
特に、基本波波長が１０２０ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる場合、結晶温度に細心の注意を払って使用することが望ましい。この波長領域では、僅かな温度上昇で完全位相整合条件が成立し、ＳＦＧ４０６の強度が急激に増大し、高出力耐性が大幅に劣化する。
【００９３】
また、１０２０〜１０３０ｎｍの範囲に含まれる基本波波長を使用する場合、光源４０１として、Ｙｂ：ＹＡＧ固体レーザや、Ｙｂドープのファイバーレーザを用いることができる。これらの光源は、高効率、高出力である。そのため、これらの光源と、波長変換素子４０２との組み合わせにより、高出力のコヒーレント光源が実現できるが、さらに、波長変換素子４０２の温度を低く保つことで、高出力耐性を備えた、高効率かつ高出力なコヒーレント光源４００が実現される。
【００９４】
基本波波長が１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲に含まれる場合、図３Ｂに示したとおり、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角が１０度より小さくなり、ＳＦＧ４０６はかなり強く発生する。このため、耐性は１０ＭＷ／ｃｍ２以下となる。ＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子４０２）では、この領域での使用は低パワーの基本波の波長変換にのみ利用することが望ましい。このとき、基本波のパワー密度は、１ＭＷ／ｃｍ２程度が望ましい。この基本波波長領域（１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ）においては、基本波４０４として高出力パルスを用いたり、波長変換素子４０２を内部共振器として用いたりする、変換効率の高い（高出力の光が波長変換素子４０２内に存在する）構成での使用は困難で、そのような利用においては変換効率の大幅な低下が懸念される。波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）の安定な出力を実現するには、この波長領域（１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ）を使用しないことが望ましい。この波長領域を利用するには、図６に示したように、結晶（ＰＰＭｇＬＮ）の温度を高くして使用することが望ましい。結晶温度を上げることで、基本波とＳＦＧのウォークオフ角を１０度以上とすることが可能であるからである。よって、このような波長領域を基本波波長として利用する場合には、波長変換素子４０２内の温度は、基本波波長に依存するが、およそ１００〜１５０℃以上を保つことが望まれる。
【００９５】
基本波波長が１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合での波長変換素子４０２の好適な利用について説明する。この波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、基本波の光源４０１として、ＮｄやＹｂをドープした固体光源を用いた高出力の光源が利用できる。しかしながら、図３Ｃに示したように、４次のＱＰＭにより発生した紫外領域のＳＦＧ４０６が存在する。しかしながら、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度以上（１０７０ｎｍ以上では１５度以上）となるため、ＳＦＧ４０６発生の強度は低く抑えられ、比較的高い耐性を示す。この基本波波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、入力される基本波のパワー密度に対する耐性は５０ＭＷ／ｃｍ２程度以上を示す。これは通常のＬＮでのレーザダメージ耐性として報告されている１００〜２００ＭＷ／ｃｍ２程度という値に比べると低い値だが、非線形定数の高いＰＰＭｇＬＮであれば、５０％以上の高い効率で波長変換が行えるため、実用上は問題がない耐性である。非線形性の低い材料では効率を上げるために高い光のパワー密度を必要とし、そのために高い耐性が要求されるが、ＰＰＭｇＬＮを１０６０〜１１００ｎｍの波長範囲で利用するならば、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角が１０度以上（１０７０ｎｍ以上では１５度以上）となるため実用可能な高効率かつ高出力なコヒーレント光源が実現できる。またこの波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では、基本波のパワー密度を５０ＭＷ／ｃｍ２程度以下で使用することが、安定的出力の観点からは好ましい。さらには、１〜４０ＭＷ／ｃｍ２程度で使用するのがより好ましい。この領域では変換効率も５０％程度と高い値が得られる。さらに長期的に使用しても結晶の劣化等が観測されず、長寿命化も可能である。またこの波長領域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）では図６に示したように、結晶の温度を上げることで耐性をさらに向上させることが可能となる。その理由は、ＳＦＧと基本波のウォークオフ角が増大するためＳＦＧの発生が抑えられ、耐性が向上するからである。
【００９６】
［波長変換素子を構成する結晶の耐用寿命について］
結晶の寿命の問題は、紫外光（例えばＳＦＧ４０６）発生による、赤外光（例えば基本波４０４）および可視光（例えばＳＨＧ４０５）の結晶（波長変換素子４０２）による吸収量の増大と密接に関係する。紫外光の発生により基本波吸収およびＳＨＧの吸収がある状態で長時間使用していると、基本波および可視光の吸収により結晶欠陥が増大し、変換効率が低下する。このため、短期的には安定的に出力可能な耐性を有する波長変換素子４０２にその耐性を下回るパワーの基本波波長を入射して使用する場合であっても、長期的に安定的な利用は困難となることがある。
【００９７】
このため、結晶の長時間の寿命を確保ためにも、基本波４０４とＳＦＧ４０６のウォークオフ角は１０度以上に設定するのが好ましい。より好ましくは、１５度以上、さらには、２０度以上にすることで、光ダメージの耐性とほぼ同じ程度までに耐性を高めることができるため、なお好ましい。ウォークオフ角を確保するためには、結晶の温度を制御し、位相整合波長を所望の値に設定することが好ましい。特に、基本波波長が１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる場合、ＳＦＧ４０６が僅かながら出射している。このため、ＳＨＧ４０５の出力を、５Ｗ以下に抑えて使用することが望ましい。例えば、ＳＨＧ４０５の平均出力は、１Ｗ以上、２Ｗ以上、２．５Ｗ以上、または、３．０Ｗ以上、かつ、５．０Ｗ以下で使用することが好ましい。このＳＨＧ出力範囲内で使用すれば、高効率変換と出力安定性、ならびに、長寿命化を実現できる。また、さらに高いパワー密度で使用する場合は、結晶温度を上げればよい。
【００９８】
なお、光源４０１には、ＣＷ光源も可能であるが、Ｑスイッチパルス光源を利用することが好ましい。基本波４０１の平均パワーは低くとも、高いピークパワーが利用でき高効率変換が可能となるからである。
【００９９】
また、繰り返し周波数としては１ｋＨｚ以上が好ましい。これ以下の繰り返し周波数では、ピークパワーが高くなりすぎるおそれがある。本発明によるコヒーレント光源が安定するために有効であると示した５０ＭＷ／ｃｍ２程度のパワー密度に抑えて利用するため、光のビームスポットを大きくし、かつ、平均パワーを下げる必要性が生じることがある。
【０１００】
よって、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。
【０１０１】
なお、光源４０１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス等のＮｄ材料、または、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス等のＹｂドープ材料、を有することができる。
【０１０２】
また、光源４０１は、Ｙｂドープのファイバーレーザを備えることも好ましい。
【０１０３】
ファイバーレーザは、高出力化が容易で、かつ、ビーム品質も高く、集光特性に優れ、高効率変換が可能である。例えば１００Ｗの光源を２０μｍφ程度に集光すれば、３０ＭＷ／ｃｍ２のパワー密度となり、基本波波長によっては、波長変換素子４０２（ＰＰＭｇＬＮ）の耐性に影響を及ぼしかねないような値を得ることができる。Ｙｂドープのファイバーレーザをアンプとして利用し、パルス駆動した光源からの光を増幅するように、光源４０１を構成すると、尖塔値が大きな、高いピーク値での出力が可能となる。このような光源４０１は、高効率かつ高出力のコヒーレント光源を実現するには好適である。さらに、波長変換素子４０２に、内部共振器構造を備えて使用する場合、共振器内部の基本波４０４のパワーは、外部のポンプパワーの数１０倍、数１００倍に容易に達する。そのため、内部パワーが１００Ｗ以上になることは通常である。本発明にかかるコヒーレント光源４００の構成を適用すれば、高効率、かつ、高出力な安定した可視光コヒーレント光源を実現できる。
【０１０４】
なお、本実施形態においては、ＰＰＭｇＬＮとしては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを例示目的で用いているが、ＰＰＭｇＬＮのＭｇドープ量としては、４．９ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％が望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。
【０１０５】
そのほかＺｎ，Ｉｎ，ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮも、同様に利用できる。
【０１０６】
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可能である。この場合、Ｍｇのドープ量は１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。
【０１０７】
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等も、本発明にかかるコヒーレント光源４００の波長変換素子４０２に利用可能である。また、その他の高非線形材料においても、特に紫外光によって結晶の吸収が増大する場合、基本波４０４とＳＦＧ４０６とのウォークオフ角を１０度以上に設定すれば、安定した出力特性を実現できる。より好ましくは、ウォークオフ角は、１５度以上に設定する。
【０１０８】
本発明にかかるコヒーレント光源は、光源からの基本波を受けて、基本波の第２高調波を高出力で出射可能なコヒーレント光源である。第２高調波の出力は、平均出力で１Ｗ以上の出力が可能である。また、平均出力で２Ｗ以上、２．５Ｗ以上、３Ｗ以上の出力を得ることも可能である。
【０１０９】
＜第２の実施形態＞
［可視光吸収による出力不安定性］
上述の熱レンズ効果による出力不安定は、紫外線の発生により、基本波および高調波の波長変換素子４０２による吸収が生じ、吸収されたエネルギにより熱レンズ効果が発生し、出力が不安定化する現象である。赤外光の吸収の場合は、比較的吸収係数が小さいため、熱レンズ効果の発生に要するパワー密度は高い。このため、尖塔値の高いピークパワーにより、熱レンズ効果が発生した。これに対し、波長の短い可視光に対しては、吸収係数が大きく、熱レンズ効果の発生は、より顕著となる。
【０１１０】
さらに、波長が６００ｎｍ以下の光に対しては、微少な紫外光によっても吸収が生じる。そのため、比較的低いパワーを有する和周波（紫外光）で、高調波の吸収が発生する。また、前述した擬似位相整合したＳＦＧ４０６とは別に、位相整合していないＳＦＧ７０６によっても生じることが判明した。ＣＷ光発生時に特に問題となる位相不整合状態で発生するＳＦＧ７０６について図７を用いて説明する。前述した（擬似）位相整合状態で発生するＳＦＧ４０６は、基本波４０４に対してウォークオフ角を持って発生する。この場合、ＳＦＧ４０６の出力７０１は、伝搬距離とともに増大する。（ここでは簡単のため１次の擬似位相整合状態で示しているが、実際は、高次の擬似位相整合状態を含む。）一方、位相不整合状態のＳＦＧ７０６は、同様に図７内に示しているが、基本波４０４と同じ方向に伝播する。位相不整合のＳＦＧ７０６の出力７０３は、伝搬距離に対し、ほとんど増大しない。しかし、波長の短い光に対しては、位相不整合状態で発生する微少な紫外光（ＳＦＧ７０６）によっても、吸収が発生することが明らかになった。
【０１１１】
ここでは、波長変換素子４０２による可視光の吸収を防止し、安定な出力特性を示すコヒーレント光源について説明する。可視光の吸収は、位相整合条件が成立しない和周波（図７のＳＦＧ７０６等）によっても吸収が生じる。これを防止するには、和周波の発生を防止するための構造が必要である。図８は、本発明にかかる第２の実施形態によるコヒーレント光源の波長変換部８００の構成図である。他の構成部は、第１の実施形態と同様でよいため、説明を省略する。
【０１１２】
［波長変換部］
図８を参照すれば、基板（波長変換素子）８０２に形成された周期状分極反転構造８０３により基本波８０４はＳＨＧ（第２高調波）８０５に波長変換される。ここでは、図示しない光源部は、ファイバーレーザを備え、出射光の波長は１０８４ｎｍである。１０８４ｎｍの波長を有する基本波８０３は、波長変換素子８０２周期状の分極反転構造８０３を有するＰＰＭｇＬＮ（波長変換素子８０２）により５４２ｎｍの波長を有する緑色光に波長変換される。ここで、周期状分極反転構造８０３の周期は約７μｍであり、位相整合の条件は、素子８０２の温度制御で制御する。温度制御は図示しない温度制御部を備えてもよい。
【０１１３】
完全位相整合の条件が満たされた場合、基本波８０４とＳＨＧ８０５は同じ方向に伝搬する。本実施形態においては、波長変換素子８０２の温度を完全位相整合の状態からずらすことにより、位相不整合状態を保つ。
【０１１４】
そのため、ＳＨＧ８０５は基本波８０４に対して角度（ウォークオフ角）を持って出射する。この場合、ＳＨＧ８０５への変換効率は低下するが、基本波８０４とＳＨＧ８０５のビームの重なりが減少するため、基本波８０４とＳＨＧ８０５により発生する和周波の出力は、大幅に低減される。これによって、ＳＨＧ８０５吸収による出力不安定化現象は、大幅に低減される。
【０１１５】
波長変換素子８０２の構成を、あえて位相整合条件からずらして使用することにより、ノンゼロのウォークオフ角を発生させ、和周波の発生を抑えている。
【０１１６】
＜変形例＞
図９は、本発明にかかる第２の実施形態の変形例による波長変換部９００の構成図である。ここでは、分極反転構造９０３の有するストライプの法線方向を、基本波９０４の光軸に対し、角度θだけ傾けて形成している。これにより、ＳＨＧ９０５と基本波９０４の波長分散により、ＳＨＧ９０５と基本波９０４にウォークオフ角θＷを形成する。分極反転の光軸と基本波９０４の成す角度を分極反転角度θとする。図８に示す構成の場合では、出力されるＳＨＧ８０５は２つの方向に分かれるため、ノンゼロのウォークオフ角の発生による変換効率の低減は、比較的大きい。しかしながら、図９のように波長変換素子９０２を構成すると、分極反転構造９０３の斜傾角度によりＳＨＧ９０５の発生する角度つまりウォークオフ角θＷを調整することができる。なおかつ、ＳＨＧ９０５の伝播方向は、一方向に限定されるため、変換効率の低下を低減することができる。また、ノンゼロのウォークオフ角θＷを実現することで、基本波９０４とＳＨＧ９０５の重なりが減少するため重なりによって発生していた和周波（ＳＦＧ）を大幅に低減でき、高出力時の安定性が向上する。
【０１１７】
図１０は、分極反転角度θ（基本波のビームに対して垂直の状態から、分極反転構造９０３のずれ角度）と、基本波９０４とＳＨＧ９０５の成すウォークオフ角の関係を示すグラフである。このグラフは、基本波波長を１０８０ｎｍとして計算により求めたグラフである。図１０を参照すれば、ウォークオフ角θＷは、分極反転構造９０３の分極反転角度θの１／３０程度で有ることが判る。高調波の発生を抑えるにはウォークオフ角度を０．１度以上にする必要がある。よって、分極反転角度θとしては、３度以上を備えることが好ましい。
【０１１８】
図１１は、分極反転角度θと、基本波９０４のＳＨＧ９０５への変換効率１１０１、および、波長変換素子９０２の高出力耐性１１０３の関係を示したグラフである。分極反転角度が２度以上のときに、耐性の顕著な向上が見られる。分極反転角度が５度あれば、高出力耐性は、分極反転角度がゼロ度の場合の１．４倍になり、変換効率は１／２程度に低下する。
【０１１９】
分極反転構造９０３の角度の増大とともに、変換効率は低下するため、分極反転角度は３度以上２０度以下が好ましい。さらに好ましくは５度以上１０度以下がよい。
【０１２０】
再度、図９を参照すれば、分極反転構造９０３のストライプの方向は、波長変換素子９０２を構成する結晶基板のＹ軸（結晶のａ軸およびｃ軸に垂直な方向、ここでは、Ｚ軸がｃ軸と平行であり、Ｘ軸がａ軸に平行である。）方向とほぼ平行に設定する。バルク結晶の分極反転構造９０３は、Ｚ基板に形成することが好ましい。Ｚ基板の＋Ｚ表面に電極を形成し、これに電圧を印加する。この場合の電極のストライプ方向を、素子９０２を構成する結晶のＹ軸方向にほぼ一致させて形成する必要がある。従って、分極反転構造９０３を光軸に対して傾けて形成する場合、光軸と結晶のＹ軸を傾けて形成することが好ましい。分極反転構造９０３のストライプ方向が、結晶のＹ軸からずれると、分極反転構造９０３の均一性が悪くなり、変換効率が大幅に低減する。このため、Ｙ軸方向に分極反転構造９０３のストライプを一致させることが望ましい。分極反転構造９０３とＹ軸との角度は、±１度以内のずれに抑えることが望ましい。これ以上のずれ角があると、分極反転構造９０３の不均一性のため、理想的な方向に分極反転構造９０３を形成した場合に比して、効率が８０％以下に低下する。分極反転構造９０３のストライプとＹ軸のずれが５度以上になると変換効率は、理想的な状態の半分以下に低下する。
【０１２１】
なお、本実施形態では、１つの基本波８０４または９０４からＳＨＧ８０５または９０５を発生する場合について説明しているが、２つの基本波よりひとつの和周波を発生する場合にも、和周波の吸収による出力の不安定化現象が発生することがある。
【０１２２】
例えば、波長１０８０ｎｍの基本波と波長７７０ｎｍの基本波より、波長４５０ｎｍの和周波を発生する場合、４５０ｎｍの和周波の波長変換素子による吸収で熱レンズ効果が素子内で発生する。この場合、吸収の原因となる紫外光の発生は、波長７７０ｎｍの基本波の第２高調波である３８５ｎｍの紫外光によるものである。
【０１２３】
この場合、２つの基本波は、光軸を一致させ、４５０ｎｍの和周波を異なる角度に出射することが好ましい。または、波長１０８０ｎｍの基本波と、波長４５０ｎｍの和周波の光軸を一致させ、波長７７０ｎｍの基本波の光軸を、僅かに先の２つの光と角度を付ける構成が好ましい。基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、紫外光の発生または影響を低減し、高出力耐性を向上できる。また、和周波発生の場合、２つの基本波のパワー比によっても高出力耐性の向上が可能となる。波長の異なる２つの基本波から和周波を発生する場合、和周波の出力は２つの基本波のパワーを掛けた値に比例する。一方、和周波の吸収の原因となる基本波からのＳＨＧは波長の短い基本波からのＳＨＧが問題となる。従って、和周波発生の場合、波長λ１の第１の基本波のパワーをＰ１、波長λ２の第２の基本波のパワーをＰ２とすると、λ１＞λ２の場合では、Ｐ１＞Ｐ２とするのが好ましい。より波長の短い光のパワーを小さくすることで、より短波長のＳＨＧの発生をより少なくして、高出力耐性の向上が図れる。
【０１２４】
なお、本実施形態によるコヒーレント光源を構成する光源部は、他の実施形態において示した光源であれば、使用することが可能である。
【０１２５】
＜第３の実施形態＞
ここでは、本発明にかかる第３の実施形態によるコヒーレント光源１２００の構成について説明する。図１２は、第３の実施形態のコヒーレント光源１２００の構成を示す図である。本実施形態のコヒーレント光源１２００は、先の実施形態で示したコヒーレント光源と同様の構成を有するが、電流源１２１０および波長変換素子１２０２に配された電極１２１１を有する点で先の実施形態によるコヒーレント光源と異なる。先の実施形態と同様、光源１２０１から出た基本波１２０４は、波長変換素子１２０２（ＰＰＭｇＬＮ）により、ＳＨＧ１２０５に変換される。さらにＳＨＧ１２０５と基本波１２０４は、和周波を発生し、ＳＦＧ１２０６が生じることがある。ＳＦＧ１２０６が、波長４００ｎｍ以下の紫外光領域の光である場合、発生した紫外線によりＰＰＭｇＬＮ内部において自由電子が増加する。電極１２１１を介して波長変換素子１２０２に電圧を印加することで、電荷を移動させ、ＳＨＧ１２０５の吸収を低減することができる。電極１２１１に印加する電圧は、交流的に変化することが好ましく、周波数１００Ｈｚ以上の交流電圧の印加が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
以上述べたように、本発明の発明者は、従来解明されていなかったＳＨＧ波長変換における出力の不安定化現象の機構を明らかにし、よって、和周波の発生を抑制し、安定した第２高調波出力を得られるコヒーレント光源を提供する。
【０１２７】
本発明にかかるコヒーレント光源は、基本波と第２高調波により発生する和周波光と基本波とのウォークオフ角を大きくとることで、和周波の発生を抑え、安定した第２高調波出力を得られる。
【０１２８】
さらに、基本波と第２高調波にウォークオフ角を持たせることで、和周波の発生を抑圧して、高出力耐性を向上させることが可能である。本発明にかかるコヒーレント光源は、高出力用途のコヒーレント光源として、その実用効果は大きい。
【０１２９】
さらに、２つの基本波から和周波を発生する構成を有するコヒーレント光源においても、基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、高出力耐性を向上させている。このようなコヒーレント光源の実用効果も、非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】実験光学系の構成図
【図２Ａ】実験光学系の構成図
【図２Ｂ】検出された赤外光量と、照射された紫外光との関係を示すグラフ
【図３Ａ】ＰＰＭｇＬＮ内を伝播する基本波、ＳＨＧ、ＳＦＧを示す図
【図３Ｂ】ＰＰＭｇＬＮにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｃ】ＰＰＭｇＬＮにおける基本波波長とＳＦＧ強度の関係を示すグラフ
【図３Ｄ】ＰＰＭｇＳＬＮにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｅ】ＰＰＬＴにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図３Ｆ】ＰＰＫＴＰにおける基本波波長に対する基本波とＳＦＧのウォークオフ角の関係を示すグラフ
【図４Ａ】第１の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
【図４Ｂ】第１の実施形態の変形例によるコヒーレント光源の構成図
【図５】室温での基本波波長と耐性との関係を示す図
【図６】基本波波長と耐性との関係の結晶温度依存性を示す図
【図７】擬似位相整合状態および位相不整合状態で発生するＳＦＧの強度と伝搬距離の関係を示すグラフ
【図８】第２の実施形態による波長変換部の概略図
【図９】第２の実施形態による波長変換部の変形例の概略図
【図１０】分極反転角とウォークオフ角との関係を示すグラフ
【図１１】分極反転角と、ＳＨＧ変換効率および波長変換素子の耐性との関係を示すグラフ
【図１２】第３の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
【符号の説明】
【０１３１】
４０１、１２０１    光源
４０２、８０２、９０２、１２０２    波長変換素子
４５１    紫外光遮蔽部
８０３、９０３    分極反転構造
１２１０    電源
１２１１    電極
４    基本波
５    ＳＨＧ
６    ＳＦＧ
２１    紫外光源
２２    光源
２３    ダイクロイックミラー
２４    ＰＰＭｇＬＮ
２５    赤外光
２７    フィルタ
２８    ＰＤ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006013890.tif 000021
【図２Ａ】
2006013890.tif 000022
【図２Ｂ】
2006013890.tif 000023
【図３Ａ】
2006013890.tif 000024
【図３Ｂ】
2006013890.tif 000025
【図３Ｃ】
2006013890.tif 000026
【図３Ｄ】
2006013890.tif 000027
【図３Ｅ】
2006013890.tif 000028
【図３Ｆ】
2006013890.tif 000029
【図４Ａ】
2006013890.tif 000030
【図４Ｂ】
2006013890.tif 000031
【図５】
2006013890.tif 000032
【図６】
2006013890.tif 000033
【図７】
2006013890.tif 000034
【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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【国際調査報告】
2006013890.tif 000040
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2006013890.tif 000043
2006013890.tif 000044
2006013890.tif 000045