(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、
上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、
上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子と
を備え、
上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、
波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、
波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式により求められる実効波長変換効率に基づき定められる高効率波長変換条件に従って、上記波長変換素子における基本波レーザビームのビームウエスト半径を定めたことを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項２】
上記高効率波長変換条件は、基本波レーザビームのビームウエスト半径を、上記実効波長変換効率の最大値を含む下限値と上限値とで定められた所定範囲内の値に設定することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項３】
上記高効率波長変換条件は、ビーム品質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子内におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルスの半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータとして設定することを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザ。
【請求項４】
上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項５】
波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、
上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、
上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子と
を備え、
上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、
波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、
波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式により求められる実効波長変換効率に基づき定められる高効率波長変換条件に従って、上記波長変換素子における基本波レーザビームのビームウエスト半径を定め、かつ、波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率を所定の値以下にしたことを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項６】
上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上記波長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御する温度制御手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の波長変換レーザ。
【請求項７】
上記波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率を９．２℃／ｍｍ以下に設定することを特徴とする請求項５または６に記載の波長変換レーザ。
【請求項８】
上記基本波レーザは、波長５３２ｎｍの基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項９】
上記基本波レーザビームのパワーは、５０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１０】
波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、
上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、
波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、
波長変換効率理論式と、当該波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式を用いて上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定することを特徴とする波長変換レーザの波長変換条件決定方法。
【請求項１１】
上記波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率から上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定することを特徴とする請求項１０に記載の波長変換レーザの波長変換条件決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率かつ安定に発生させることのできる波長変換レーザ及びその波長変換条件決定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３５は、例えば文献１（Optical Electronics，４th ed.，Saunders College Publishing，a division of Holt，Rinehart and Winston，Inc., 1991，277頁）に示された従来の波長変換レーザを示す構成図である。
図３５において、１は波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザ、２は基本波レーザ１から発せられた基本波レーザビーム、３は基本波レーザビーム２の波長を変換する波長変換素子、４は基本波レーザビーム２のビーム径を調整するレンズからなるビーム径調整手段、５は波長変換レーザビームである。また、ｌは波長変換素子の長さ、ｗは波長変換素子３内に集光された基本波レーザビーム２のビームウエスト半径である。
【０００３】
従来の波長変換レーザは、上記のように構成されており、基本波レーザ１から発せられた基本波レーザビーム２は、ビーム径調整手段４により波長変換素子３内に集光され、集光された基本波レーザビームのウエスト半径はｗとなる。波長変換素子３は、基本波レーザビーム２の波長を波長変換レーザビーム５の波長に変換するように構成されており、波長変換素子３に集光された基本波レーザビーム２は、長さｌの波長変換素子３を通過するうちに、その一部が波長変換され、波長変換レーザビーム５となる。
【０００４】
波長変換素子における波長変換効率については、文献２（R. C. Eckarｄｔ，H. Masuda，Y． X． Fan，and R． L． Byer，IEEE J． Quantuｍ． Electron.，Vol． 26，1990，922-933頁）および文献３（G． D． Boyd and D． A． Cleiｎｍan，J． Appl． Phys． Vol． 39，１968，3597-3638頁）に詳しく理論式が記載されている。図３６は従来の波長変換レーザにおける波長変換レーザビームの平均パワーの実験値と理論計算値を基本波レーザビームの平均パワーに対して示したものであり、実験値は理論値より低い値となった。
【０００５】
また、図３７は従来の波長変換レーザにおける理論式により求めた波長変換効率の理論計算値を基本波レーザビームのビームウエスト半径に対して示したものであり、ビームウエスト半径が小さいほど高波長変換効率が期待された。また、理論式によれば、基本波レーザビームのビームウエスト半径だけでなく、基本波レーザビームの平均パワーが高いほど、ビーム品質が高いほど、周波数が低いほど、パルス幅が短いほど、また、波長変換素子の長さが長いほど、高波長変換効率が期待された。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の波長変換レーザでは、波長変換素子３に高出力の基本波レーザビーム２を実際に入射させても、図３６に示すように、文献２及び３に記載された理論式から計算される波長変換効率を得ることができず、計算どおりの高出力波長変換レーザビームを得ることができなかった。
【０００７】
また、従来の波長変換レーザでは、基本波レーザビーム２の平均パワーを上げる、ビーム品質を上げる、ビーム径を小さくする、周波数を低くする、パルス幅を短くする、あるいは、波長変換素子３の長さを長くするなどの方法を用いると、波長変換レーザビーム５の平均パワーが不安定になる、波長変換素子３が破壊するなどの問題が生じ、高出力の波長変換レーザビームを安定に得ることができなかった。
【０００８】
この発明は係る問題点を解決するためになされたものであり、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生することのできる波長変換レーザを得ることを目的としている。
【０００９】
また、高出力で高品質な波長変換レーザビームを安定に発生することのできる波長変換レーザを得ることを目的としている。
【００１０】
また、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率かつ安定に発生することのできる波長変換レーザを得ることを目的としている。
【００１１】
また、波長変換レーザにおいて高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることのできる波長変換レーザの波長変換条件決定方法を得ることを目的としている。
【００１２】
さらに、波長変換レーザにおいて高出力で高品質な波長変換レーザビームを安定に発生させることのできる波長変換レーザの波長変換条件決定方法を得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る波長変換レーザは、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式により求められる実効波長変換効率に基づき定められる高効率波長変換条件に従って、上記波長変換素子における基本波レーザビームのビームウエスト半径を定めたことを特徴とするものである。
また、上記高効率波長変換条件は、基本波レーザビームのビームウエスト半径を、上記実効波長変換効率の最大値を含む下限値と上限値とで定められた所定範囲内の値に設定することを特徴とするものである。
また、上記高効率波長変換条件は、ビーム品質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子内におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルスの半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータとして設定することを特徴とするものである。
また、上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさらに備えたことを特徴とするものである。
また、他の発明に係る波長変換レーザは、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式により求められる実効波長変換効率に基づき定められる高効率波長変換条件に従って、上記波長変換素子における基本波レーザビームのビームウエスト半径を定め、かつ、波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率を所定の値以下にしたことを特徴とするものである。
また、上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上記波長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御する温度制御手段とをさらに備えたことを特徴とするものである。
また、上記波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率を９．２℃／ｍｍ以下に設定することを特徴とするものである。
また、上記基本波レーザは、波長５３２ｎｍの基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とするものである。
また、上記基本波レーザビームのパワーは、５０Ｗ以上であることを特徴とするものである。
また、この発明に係る波長変換レーザの波長変換条件決定方法は、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなり、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηは、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
であり、波長変換効率理論式と、当該波長変換効率理論式より求めた波長変換効率に比例し、基本波レーザビームの波長変換素子への入射平均強度と、波長変換素子の長さとの積の増加とともに減少する高効率波長変換条件計算式を用いて上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定することを特徴とするものである。
さらに、上記波長変換素子のビーム入射方向に直交する断面方向の最大温度変化率から上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定することを特徴とするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る波長変換レーザを示す構成図である。
図１において、１０１は波長変換の基本波となる例えば波長５３２ｎｍの基本波レーザビーム２０１を発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザ、３０１は基本波レーザビームの波長を変換するセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子、４は基本波レーザビームのビーム径を調整するレンズからなるビーム径調整手段、５０１は例えば波長２６６ｎｍの波長変換レーザビームである。また、ｌ301は波長変換素子の長さ、ｗ201は波長変換素子３０１内に集光された基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径である。
【００２９】
このように構成された波長変換レーザにおいては、基本波レーザ１０１から発せられた基本波レーザビーム２０１は、ビーム径調整手段４により波長変換素子３０１内に集光され、集光された基本波レーザビームのウエスト半径はｗ201となる。波長変換素子３０１は、基本波レーザビーム２０１の第２高調波である波長２６６ｎｍの波長変換レーザビーム５０１を発生するように構成されており、波長変換素子３０１に集光された基本波レーザビーム２０１は、長さｌ301の波長変換素子３０１を通過するうちに、その一部が波長変換され、波長変換レーザビーム５０１となる。
【００３０】
ここで、高効率波長変換条件を求めるために必要な波長変換効率理論式について説明する。
波長変換素子３０１に入射する基本波レーザビーム２０１の平均パワーをＰ１、波長変換効率をηとすると、波長変換素子３０１により発生する波長変換レーザビーム５０１の平均パワーＰ２は、Ｐ２＝η・Ｐ１で与えられる。波長変換効率ηは、基本波レーザビーム２０１の平均パワーＰ１に比例するため、波長変換因子γを用いて表せば、η＝γ・Ｐ１となる。基本波レーザビーム２０１のビーム強度分布がガウス形状を有する場合、波長変換因子γは、式（１）で与えられる。
【００３１】
【数１】
0003816261.tif 000002
【００３２】
ここで、ωは基本波レーザビーム２０１の角周波数、ｄeffは波長変換素子３０１の実効非線形光学定数、ｋは基本波レーザビーム２０１の波数、ｎは波長変換レーザビーム５０１の波長における波長変換素子３０１の屈折率、ε0は真空中の誘電率、Ｃは光速、ｌは波長変換素子３０１の長さ、Δｋは基本波レーザビーム２０１と波長変換レーザビーム５０１の位相不整合量、h（Ｂ,ξ）は集光因子である。また、Ｂはウォークオフパラメーターで、波長変換素子３０１のウォークオフ角をρとすると、ウォークオフパラメーターＢは、式（２）で与えられる。
【００３３】
【数２】
0003816261.tif 000003
【００３４】
さらに、ξは集光パラメーターで、基本波レーザビーム２０１の波長変換素子３０１内におけるウエスト半径をｗ0とすれば、集光パラメーターξは、式（３）で与えられる。
【００３５】
【数３】
0003816261.tif 000004
【００３６】
ここで、ｔ＝２Ｂ√（２ξ）とおけば、集光因子ｈ（Ｂ,ξ）は、式（４）で表される。
【００３７】
【数４】
0003816261.tif 000005
【００３８】
また、ここで、基本波レーザ１０１としてパルスレーザを用いた場合のパルス周波数ｆｒｅｑ、パルスの半値全幅ｄｔ時の波長変換効率ηpulseは、式（５）となる。
【００３９】
【数５】
0003816261.tif 000006
【００４０】
また、波長変換素子３０１内を基本波レーザビーム２０１が伝搬するにつれて、基本波レーザビーム２０１の一部が波長変換レーザビーム５０１に変換されて、基本波レーザビームの平均パワーが減衰することを考慮した場合の波長変換効率ηobserveは、式（６）となる。
【００４１】
【数６】
0003816261.tif 000007
【００４２】
以上説明したものが波長変換効率理論式である。
上記波長変換効率理論式を用いた以下における計算では、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶の定数である実効非線形光学定数ｄeff＝０．８５ｐｍ／Ｖ、ウォークオフ角ρ＝１．８３°、屈折率ｎ＝１．４６を用いている。
【００４３】
次に、高効率波長変換条件を求めるための実験結果について説明する。
図２は、図１の構成において、ビーム品質Ｍ2＝１２の基本波レーザビーム２０１の平均パワーＰ201、ビームウエスト半径ｗ201、パルス周波数ｆ201、パルス幅ｄｔ201、および、波長変換素子３０１の長さｌ301をそれぞれ変化させて測定した実験波長変換効率ηexpの上記理論波長変換効率計算式により計算した理論波長変換効率ηtheoに対する割合を波長変換素子３０１への基本波レーザビーム２０１の入射平均強度Ｉinと波長変換結晶３０１の長さｌ301の積に対して示したものである。図２において、黒丸印は実験値、直線は実験値の外挿線を表している。
【００４４】
なお、上記ビーム品質Ｍ2とは、レーザビームの収束性を表す指標として知られているもので、波長λ、ビームウエスト直径φ0、ビームの開き角（全角）２θのビームのＭ2値は、同じ波長のガウスビームを同じ直径に絞った場合の開き角（全角）２θ0に対する比で表され、Ｍ2＝θ／θ0となる。
【００４５】
図２からわかるように、黒丸印で示す実験値は、両対数表示することにより、基本波レーザビーム２０１の平均パワーＰ201、ビームウエスト半径ｗ201、パルス周波数ｆ201、パルス幅ｄｔ201、および、波長変換素子３０１の長さｌ301にかかわらず、ほぼ直線上に並ぶ。図における外挿線は、実験値を図上で直線近似して求めたもので、この外挿線を表す式ηexp／ηtheo＝２．３９１１（Ｉin×ｌ３０１）-0.3618をこの発明における高効率波長変換条件計算式とする。この高効率波長変換条件計算式及び上記波長変換効率理論式を用いることにより、波長変換レーザビーム出力をほぼ正確に計算することができる。
【００４６】
すなわち、この発明において、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηを、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
としている。
【００４７】
さらに、高効率波長変換条件について説明する。
図３は、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１の平均パワーＰ201＝１５０Ｗ、パルス周波数ｆ201＝１０ｋＨｚ、パルス幅ｄｔ201＝８０ｎｓ、および、波長変換素子３０１の長さｌ301＝１５ｍｍとした場合の上記波長変換効率理論式および高効率波長変換条件計算式より計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201に対して示したものである。
【００４８】
図３からわかるように、波長変換効率は，ビームウエスト半径ｗ201に対して上に凸の曲線となり、最高値ｈ０を持つ。波長変換効率が最高値ｈ０となるビームウエスト半径ｗ０で基本波レーザビーム２０１を波長変換結晶３０１に入射させることが最高波長変換条件である。また、波長変換効率の最高値ｈ０の９０％の波長変換効率はｈ１であり、波長変換効率がｈ１となるビームウエスト半径はｗｌとｗｕの２点存在する。
【００４９】
この発明においては、このｗｌとｗｕの間のビームウエスト半径ｗ201、すなわちｗｌ≦ｗ201≦ｗｕの関係を満たすビームウエスト半径ｗ201で基本波レーザビーム２０１を波長変換結晶３０１に入射させることを高効率波長変換条件とする。
【００５０】
このような高効率波長変換条件を満たすことにより、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができ、また、計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００５１】
実施の形態２．
上述した実施の形態１で述べた高効率波長変換条件は、同波長のレーザ及び同種の波長変換素子を用いる場合、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子内におけるウエスト半径、パルス周波数、パルスの半値全幅、および波長変換素子の長さをパラメータとして変化する。
【００５２】
以下、図１の構成において、波長５３２ｎｍの基本波レーザ１０１およびセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子３０１を用いた場合について、ビーム品質を変えたときの各パラメータによって高効率波長変換条件を表すビームウエスト半径について説明する。
【００５３】
図４は、図１の構成において、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓで平均パワー可変の基本波レーザ１０１および長さｌ301＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を用いた場合に対して、平均パワーをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム平均パワーＰ201＝５０，１００，１５０，２００，３００，４００，５００Ｗの場合のものである。
【００５４】
また、図５は図４より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ201に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限ｗｕ２、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限ｗｌ２を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ２＝０．０６４４０２１×Ｐ2010.44567によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ２＝０．０１９３２８６×Ｐ2010.4884によって表すことができる。
【００５５】
本実施の形態２では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ２≦ｗ201≦ｗｕ２の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定されているので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００５６】
実施の形態３．
図６は、実施の形態２のビーム品質Ｍ2＝１をＭ2＝５に変えた時の平均パワーをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム平均パワーＰ201＝５０，１００，１５０，２００，３００，４００，５００Ｗの場合のものである。
【００５７】
また、図７は図６より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ201に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ３、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ３を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ３＝０．０７３４１７６×Ｐ2010.44018によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ３＝０．００９６６４９６×Ｐ2010.60726によって表すことができる。
【００５８】
本実施の形態３では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ３≦ｗ201≦ｗｕ３の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００５９】
実施の形態４．
図８は、実施の形態２のビーム品質Ｍ2＝１をＭ2＝１０に変えた時の平均パワーをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム平均パワーＰ201＝５０，１００，１５０，２００，３００，４００，５００Ｗの場合のものである。
【００６０】
また、図９は図８より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビーム平均パワーＰ201に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ４、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ４を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ４＝０．０５６２３４１×Ｐ2010.49797によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ４＝０．００５２８６８９×Ｐ2010.69888によって表すことができる。
【００６１】
本実施の形態４では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ４≦ｗ201≦ｗｕ４の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００６２】
上記実施の形態２、３、４では、平均パワー可変な基本波レーザを用いる場合について説明したが、平均パワー一定の基本波レーザを用い、基本波レーザ１０１外部に例えば基本波レーザビームの波長に対する半波長板と偏光子からなるパワー調整装置（図示せず）を設け、基本波レーザ１０１外部で波長変換素子３０１に入射する基本波レーザビームの平均パワーを制御しても良い。
【００６３】
また、上記実施の形態２、３、４では、波長５３２ｎｍ、ビーム品質Ｍ2＝１，５，１０、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示したが、その他の波長、ビーム品質、パルス周波数、パルス幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いても良い。
【００６４】
実施の形態５．
図１０は、図１の構成において、平均パワー１００Ｗ、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓでビーム品質可変の基本波レーザ１０１および長さｌ301＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を用いた場合に対して、ビーム品質をパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、上からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のビーム品質Ｍ２＝１，２，５，８，１０，１５，２０の場合のものである。
【００６５】
また、図１１は図１０より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビームのビーム品質Ｍ2値に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ５、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ５を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ５および下限値ｗｌ５は基本波レーザビームのビーム品質にかかわらずほぼ一定の値を示している。
【００６６】
本実施の形態５では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、ビーム品質Ｍ2＝１の場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ５＝０．５０ｍｍおよび下限値ｗｌ５＝０．１８ｍｍの間、すなわち０．１８ｍｍ≦ｗ201≦０．５ｍｍの関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００６７】
実施の形態６．
図１２は、実施の形態５の平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時のビーム品質をパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、上からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のビーム品質Ｍ2＝１，２，５，８，１０，１５，２０の場合のものである。
【００６８】
また、図１３は図１２より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビームのビーム品質Ｍ2値に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ６を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６および下限値ｗｌ６は基本波レーザビームのビーム品質にかかわらずほぼ一定の値を示している。
【００６９】
本実施の形態６では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201はビーム品質Ｍ2＝１の場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６＝０．６８ｍｍおよび下限値ｗｌ６＝０．２６ｍｍの間、すなわち０．２６ｍｍ≦ｗ201≦０．６８ｍｍの関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００７０】
実施の形態７．
図１４は、実施の形態５の平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時のビーム品質をパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、上からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のビーム品質Ｍ２＝１，２，５，８，１０，１５，２０の場合のものである。
また、図１５は図１４より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビームのビーム品質Ｍ2値に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ７、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ７を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ７および下限値ｗｌ７は基本波レーザビームのビーム品質にかかわらずほぼ一定の値を示している。
【００７１】
本実施の形態７では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201はビーム品質Ｍ2＝１の場合の高効率波長変換条件の上限値ｗｕ６＝０．８２ｍｍおよび下限値ｗｌ６＝０．３１ｍｍの間、すなわち０．３１ｍｍ≦ｗ201≦０．８２ｍｍの関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００７２】
上記実施の形態５、６、７では、ビーム品質Ｍ２＝１の場合の高効率波長変換条件からビーム品質にかかわらず高効率波長変換条件を決定したが、それぞれのビーム品質の場合対して高効率波長変換条件を満たすように基本波レーザビームのビームウエスト半径を決定しても良い。
【００７３】
また、上記実施の形態５、６、７では、波長５３２ｎｍ、平均パワー１００，２００，３００Ｗ、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワー、パルス周波数、パルス幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いても良い。
【００７４】
また、さらに、上記実施の形態２〜７では、長さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子３０１を用いる場合についてのみ示したが、その他の長さまたはその他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。
【００７５】
実施の形態８．
図１６は、図１の構成において、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザを用いた場合に対して、波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
また、図１７は図１６より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ８、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ８を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ８＝０．０３３７１４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ８＝０．０１２×ｌ301によって表すことができる。
【００７６】
本実施の形態８では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ８≦ｗ201≦ｗｕ８の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００７７】
実施の形態９．
図１８は、実施の形態８の平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時の波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
【００７８】
また、図２０は図１９より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ９、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ９を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ９＝０．０４５７１４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ９＝０．０１６９１４×ｌ301によって表すことができる。
【００７９】
本実施の形態９では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ９≦ｗ201≦ｗｕ９の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００８０】
実施の形態１０．
図２０は、実施の形態８の平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時の波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
【００８１】
また、図２１は図２０より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１０、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１０を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１０＝０．０５４９１４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１０＝０．０２０５１４×ｌ301によって表すことができる。
【００８２】
本実施の形態１０では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１０≦ｗ201≦ｗｕ１０の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００８３】
実施の形態１１．
図２２は、実施の形態８のビーム品質Ｍ2＝１をＭ2＝１０に変えた時の波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
【００８４】
また、図２３は図２２より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１１、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１１を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１１＝０．０３３７１４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１１＝０． ００８５１４３×ｌ301によって表すことができる。
【００８５】
本実施の形態１１では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１１≦ｗ201≦ｗｕ１１の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００８６】
実施の形態１２．
図２４は、実施の形態１１の平均パワー１００Ｗを２００Ｗに変えた時の波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
【００８７】
また、図２５は図２６より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１２、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１２を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１２＝０．０５４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１２＝０．０１４２８６×ｌ301によって表すことができる。
【００８８】
本実施の形態１２では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１２≦ｗ201≦ｗｕ１２の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００８９】
実施の形態１３．
図２６は、実施の形態１１の平均パワー１００Ｗを３００Ｗに変えた時の波長変換素子３０１の長さをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ波長変換素子３０１の長さｌ301＝５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍの場合のものである。
【００９０】
また、図２７は図２６より求めた高効率波長変換条件を波長変換素子３０１の長さｌ301に対して示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１３、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１３を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１３＝０．０６４×ｌ301によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１３＝０．０１８９１４×ｌ301によって表すことができる。
【００９１】
本実施の形態１３では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１３≦ｗ201≦ｗｕ１３の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００９２】
上記実施の形態８〜１３では、波長５３２ｎｍ、平均パワー１００，２００，３００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１，１０、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワー、ビーム品質、パルス周波数、パルス幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いても良い。
【００９３】
また、上記実施の形態８〜１３では、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子を用いる場合についてのみ示したが、その他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。
【００９４】
実施の形態１４．
図２８は、図１の構成において、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス幅８０ｎｓでパルス周波数可変の基本波レーザ１０１および長さｌ301＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を用いた場合に対して、平均パワーをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のパルス周波数ｆ14＝１，３，５，７，１０，１５，２０ｋＨｚの場合のものである。
【００９５】
また、図２９は図２８より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビーム２０１のパルス周波数に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１４、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１４を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１４＝１．４３５４２×ｆ14ー0.45716によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１４＝０．５６３８９７×ｆ14-0.48906によって表すことができる。
【００９６】
本実施の形態１４では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１４≦ｗ201≦ｗｕ１４の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【００９７】
本実施の形態１４では、波長５３２ｎｍ、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワー、ビーム品質、パルス幅の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いても良い。
【００９８】
また、さらに、本実施の形態１４では、長さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子を用いる場合についてのみ示したが、その他の長さまたはその他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。
【００９９】
実施の形態１５．
図３０は、図１の構成において、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス幅周波数１０ｋＨｚでパルス幅可変の基本波レーザ１０１および長さｌ301＝１５ｍｍの波長変換素子３０１を用いた場合に対して、平均パワーをパラメータとして計算した波長変換効率を基本波レーザビーム２０１のウエスト半径に対して示したものであり、図中の曲線は、ウエスト半径２ｍｍの点において下からそれぞれ基本波レーザビーム２０１のパルス幅ｄｔ15＝２０，４０，６０，８０，１００，１５０，２００ｎｓの場合のものである。
【０１００】
また、図３１は図３０より求めた高効率波長変換条件を基本波レーザビーム２０１のパルス周波数に対して両対数表示で示したものである。図において、黒丸印は、高効率波長変換条件の上限値ｗｕ１５、黒三角印は、高効率波長変換条件の下限値ｗｌ１５を示しており、実線は、高効率波長変換条件の上限値を図上で直線近似して求めた外挿線、破線は、高効率波長変換条件の下限値を図上で直線近似して求めた外挿線を示している。この場合の高効率波長変換条件の上限値は、ｗｕ１５＝３．５１１６４×ｄｔ15-0.44357によって表され、高効率波長変換条件の下限値は、ｗｌ１５＝１．６９６８×ｄｔ15-0.51088によって表すことができる。
【０１０１】
本実施の形態１５では、図１の構成において、基本波レーザビーム２０１のビームウエスト半径ｗ201は、上記高効率波長変換条件の下限値と上限値の間、すなわちｗｌ１５≦ｗ201≦ｗｕ１５の関係を満たすように設定されているので、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。また、高効率波長変換条件を満たすようにビームウエスト半径を設定したので、ほぼ高効率波長変換条件による計算値通りの波長変換レーザ出力を得ることができる。
【０１０２】
本実施の形態１５では、波長５３２ｎｍ、平均パワー１００Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝１、パルス周波数１０ｋＨｚの基本波レーザビームを発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザの場合についてのみ示したが、その他の波長、平均パワー、ビーム品質、パルス周波数の基本波レーザビームを発する基本波レーザを用いても良い。
【０１０３】
また、さらに、本実施の形態１５では、長さ１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子を用いる場合についてのみ示したが、その他の長さまたはその他の結晶からなる波長変換素子を用いても良い。
【０１０４】
実施の形態１６．
図３２は、図１の構成において基本波レーザビームの平均パワー、ビーム品質、パルス周波数、パルス幅、ビームウエスト半径ｗ201、および波長変換素子３０１の長さｌ301を変化させて行った実験結果から計算した波長変換素子３０１のレーザビーム出力側端面の断面方向温度変化率を断面方向の距離に対して示したものである。図において、実線は、波長変換素子３０１に損傷が生じなかった波長変換条件の場合の温度変化率、破線は、波長変換素子３０１に損傷が生じた波長変換条件の場合の温度変化率を示している。
【０１０５】
波長変換素子３０１の温度変化率は、波長変換レーザビーム５０１を吸収することにより発熱し、波長変換結晶３０１の内部に温度分布が発生するものとして計算した。温度分布の計算においては、実験で求めた波長変換レーザビーム５０１の平均パワーまたは前記波長変換効率理論式および高効率波長変換条件計算式より計算した波長変換レーザビーム５０１の平均パワーの内波長変換素子３０１の吸収率に従う分のみが波長変換素子３０１に吸収され、また、波長変換素子３０１内における波長変換レーザビーム５０１の平均パワーは、基本波レーザビーム２０１の入射端面からの距離の２乗に比例して増加し、波長変換レーザビーム５０１の出射端面で波長変換素子３０１外部の波長変換レーザビーム５０１の平均パワーに達するものとした。
【０１０６】
また、波長変換素子３０１内部温度の計算においては、波長変換素子３０１の形状を断面円形の円柱形状で近似し、波長変換素子３０１における波長変換レーザビーム５０１の吸収率１％／cｍ、熱伝導率１．２Ｗ／（ｍ・ｋ）として、端面断熱、側面定温の条件で計算を行った。
【０１０７】
図における温度変化率は、いずれも最大値を持ち、波長変換素子３０１に損傷が生じなかった波長変換条件における最大温度変化率の最大値は９．２℃／ｍｍ、波長変換素子３０１に損傷が生じた波長変換条件における最大温度変化率の最小値は９．６℃／ｍｍである。図の１点鎖線は、温度変化率９．２℃／ｍｍを示すものであり、波長変換素子３０１の断面方向最大温度変化率が一点鎖線以下の場合には、どの波長変換条件においても波長変換素子３０１に損傷が起きていないことより、波長変換素子３０１の断面方向最大温度変化率を９．２℃／ｍｍ以下にすることが安定波長変換条件となる。
【０１０８】
このように安定波長変換条件を満たすように波長変換条件設定することにより、安定に、高出力で高品質な波長変換レーザビームを発生させることのできる波長変換レーザを得ることができる。
【０１０９】
実施の形態１７．
図３３はこの発明の実施の形態１７である波長変換レーザを示すもので、図において、１１７は波長５３２ｎｍ、平均パワー１０５．８Ｗ、ビーム品質Ｍ2＝８、パルス周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８０ｎｓの基本波レーザビーム２１７を発する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザからなる基本波レーザであり、３１７は長さｌ317＝１５ｍｍのセシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなる波長変換素子、４はレンズからなるビーム径調整手段、５１７は波長２６６ｎｍの波長変換レーザビーム、６は基本波レーザビーム２１７の波長５３２ｎｍにおける半波長板と偏光子からなるパワー調整装置である。７は波長変換素子３１７を囲むように配置されレーザビームの通過部に開口の空いた温度制御装置で有り、波長変換素子側面の温度を１４０℃に保つ。８は基本波レーザビーム２１７に対して高透過率かつ波長変換レーザビーム５１７に対して高反射率を持つハーモニックミラーからなる異波長レーザビーム分離手段であり、基本波レーザビーム２１７と波長変換レーザビーム５１７を分離する。また、図において、ｗ217は波長変換素子３１７内に集光された基本波レーザビーム２１７のビームウエスト半径であり、０．３０１４ｍｍに設定している。
【０１１０】
上記のように構成された波長変換レーザにおいては、上記基本波レーザビーム２１７の条件及び波長変換結晶３１７の長さｌ317＝１５ｍｍより求まる高効率波長変換条件０．１４ｍｍ≦ｗ217≦０．５９ｍｍを満たしており、また、基本波レーザビームの最高平均パワー１０５．８Ｗにおける波長変換素子３１７のレーザビーム出力側端面の断面方向温度変化率は８．６℃／ｍｍであり、安定波長変換条件９．２℃／ｍｍ以下も満たしている。
【０１１１】
図３４は波長変換レーザビーム５１７の実験で求めた平均パワーおよび前記波長変換効率理論式および高効率波長変換条件計算式から計算した平均パワーを基本波レーザビーム２１７の平均パワーに対して示したものである。図３３の波長変換レーザは、上記のように高効率波長変換条件、安定波長変換条件を満たすように構成したので、最高２０．５Ｗという高出力の波長２６６ｎｍの波長変換レーザビームを安定にかつ高ビーム品質で発生することができた。また、前記波長変換効率理論式および高効率波長変換条件計算式から平均パワーを計算したので、波長変換レーザビームの平均パワーの実験値は計算値とほぼ同じ値となった。
【０１１２】
【発明の効果】
この発明に係る波長変換レーザにおいては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子における基本波レーザビームを高効率波長変換条件を満たすビームウエスト半径に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることができる。
【０１１３】
また、上記高効率波長変換条件は、基本波レーザビームのビームウエスト半径を、波長変換効率理論式と高効率波長変換条件計算式に基づいて求められる波長変換効率の最高値付近の上限値と下限値を含む所定範囲に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることができる。
【０１１４】
また、上記高効率波長変換条件は、ビーム品質、基本波レーザビームの平均パワー、波長変換素子内におけるビームウエスト半径、パルス周波数、パルスの半値全幅、または波長変換素子の長さをパラメータとして設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることができる。
【０１１５】
また、上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段をさらに備えたので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることができる。
【０１１６】
また、他の発明に係る波長変換レーザにおいては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子における基本波レーザビームを安定波長変換条件を満たす値に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを安定に発生させることができる。
【０１１７】
また、さらに他の発明に係る波長変換レーザにおいては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備え、上記波長変換素子における基本波レーザビームを高効率波長変換条件及び安定波長変換条件を満たす値に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１１８】
また、上記波長変換素子に入射する基本波レーザビームのパワーを調整するパワー調整手段と、上記波長変換素子を囲み当該波長変換素子の温度を制御する温度制御手段とをさらに備えたので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１１９】
また、上記安定波長変換条件は、上記波長変換素子の温度変化率とするので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２０】
また、上記波長変換素子の断面方向の温度変化率を９．２℃／ｍｍ以下に設定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２１】
また、上記波長変換素子は、セシウム・リチウム・ボレイト（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10：ＣＬＢＯ）結晶からなるので、より高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２２】
また、波長変換効率理論式より求めた波長変換効率をηtheo、基本波レーザビームの入射平均強度をＩin、上記波長変換素子の長さをｌとしたとき、高効率波長変換条件となる波長変換効率ηを、
η＝ηtheo×２．３９１１（Ｉin×ｌ）-0.3618
としたので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２３】
また、上記基本波レーザは、波長５３２ｎｍの基本波レーザビームを発生する半導体レーザ励起波長変換Ｎｄ：ＹＡＧレーザとしたので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２４】
また、上記基本波レーザビームのパワーは、５０Ｗ以上としたので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率でかつ安定に発生させることができる。
【０１２５】
また、この発明に係る波長変換レーザの波長変換条件決定方法においては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、波長変換効率理論式と高効率波長変換条件計算式を用いて上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを高効率に発生させることができる。
【０１２６】
さらに、他の発明に係る波長変換レーザの波長変換条件決定方法においては、波長変換の基本波となる基本波レーザビームを発生する基本波レーザと、上記基本波レーザから発生する基本波レーザビームのビーム径を調整するビーム径調整手段と、上記ビーム径調整手段を介した基本波レーザビームの波長を変換する波長変換素子とを備えた波長変換レーザにおいて、上記波長変換素子の温度変化率から上記波長変換素子への上記基本波レーザビームの入射条件を決定するので、高出力で高品質な波長変換レーザビームを安定に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る波長変換レーザを示す構成図である。
【図２】  この発明の高効率波長変換計算式の説明図である。
【図３】  この発明の高効率波長変換条件の説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態２に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態２に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態３に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図７】  この発明の実施の形態３に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図８】  この発明の実施の形態４に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図９】  この発明の実施の形態４に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図１０】  この発明の実施の形態５に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図１１】  この発明の実施の形態５に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図１２】  この発明の実施の形態６に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図１３】  この発明の実施の形態６に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図１４】  この発明の実施の形態７に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図１５】  この発明の実施の形態７に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図１６】  この発明の実施の形態８に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図１７】  この発明の実施の形態８に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図１８】  この発明の実施の形態９に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図１９】  この発明の実施の形態９に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図２０】  この発明の実施の形態１０に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図２１】  この発明の実施の形態１０に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図２２】  この発明の実施の形態１１に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図２３】  この発明の実施の形態１１に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図２４】  この発明の実施の形態１２に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図２５】  この発明の実施の形態１２に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図２６】  この発明の実施の形態１３に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図２７】  この発明の実施の形態１３に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図２８】  この発明の実施の形態１４に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図２９】  この発明の実施の形態１４に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図３０】  この発明の実施の形態１５に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図３１】  この発明の実施の形態１５に係る高効率波長変換条件説明図である。
【図３２】  この発明の安定波長変換条件の説明図である。
【図３３】  この発明の実施の形態１７に係る波長変換レーザを示す図である。
【図３４】  この発明の実施の形態１７に係る波長変換レーザの動作説明図である。
【図３５】  従来の波長変換レーザを示す構成図である。
【図３６】  従来の波長変換レーザの動作説明図である。
【図３７】  従来の波長変換条件説明図である。
【符号の説明】
１，１０１，１１７  基本波レーザ、２，２０１，２１７  基本波レーザビーム、３，３０１，３１７  波長変換素子、４  ビーム径制御手段、
５，５０１，５１７  波長変換レーザビーム、６  パワー調整装置、７  温度制御装置、８  異波長レーザビーム分離手段、ｗ，ｗ201，ｗ217  ビームウエスト半径、ｌ，ｌ301，ｌ317  波長変換素子の長さ。
【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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【図３０】
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【図３１】
0003816261.tif 000038
【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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