CN103460125B - 波长变换晶体以及波长变换激光装置 - Google Patents

Abstract

波长变换元件由单一的波长变换晶体100和第1反射面D面110以及第2反射面E面111等构成，该单一的波长变换晶体100满足用于将作为基波的波长1064nm的光变换为作为2次谐波的波长532nm的光的第1波长变换的第1相位匹配条件以及将波长532nm的光变换为作为4次谐波的波长266nm的光的第2波长变换的第2相位匹配条件这两者，第1反射面D面110以及第2反射面E面111等用于反射由第1波长变换产生的波长532nm的光并供给到第2波长变换。根据这样的结构，能够可靠性优异、并能以简单的结构高效地产生3次谐波以上的高次谐波。

Description

波长变换晶体以及波长变换激光装置

技术领域

本发明涉及用于产生3次谐波以上的高次谐波的波长变换晶体、以及使用该波长变晶体的波长变换激光装置。

背景技术

以往，在产生3次谐波光以上的高次谐波时，通常是如下结构：除了使用用于产生2次谐波的第1波长变换晶体之外，还使用用于产生3次谐波或4次谐波的第2波长变换晶体。

但是，在使用多个波长变换晶体的结构中，存在如下问题：除了需要多个波长变换晶体自身之外，还需要用于调整各波长变换晶体的角度及温度的调整单元、以及用于调整向各波长变换晶体入射的被波长变换光的入射角度、入射波束直径的调整单元，波长变换晶体以及波长变换激光装置所需的成本将增加。

此外，有如下问题：必须调整多个波长变换晶体的角度以及温度、被波长变换光的入射角度、波束直径，不仅调整作业需要劳力和时间，而且由于与各调整要素的恰当值的偏差，高次谐波的输出及波束强度分布、波束直径容易产生变动。

为了解决这些问题，提出对多个波长变换晶体使用光学接触等手法进行一体化的方法（例如专利文献1）。此外，提出使用特定的晶体材料，使用单一的波长变换晶体产生3次谐波的方法（例如专利文献2）。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平11-38458号公报

专利文献2：日本特开2000-221550号公报

发明内容

像这样，在以往使用单一的波长变换元件产生3次谐波以上的高次谐波的情况下，需要分别准备用于产生2次谐波的第1波长变换晶体、和产生3次谐波以上的高次谐波的第2波长变换晶体，并使用光学接触等手法以精确的角度接合第1波长变换晶体和第2波长变换晶体。所以，不仅是在波长变换元件的制造上显著地需要成本和劳力，而且由于接合热膨胀率不同的晶体，所以伴随热循环的接合部的剥离等接合部的可靠性上，也存在问题。

此外，在以往的使用单一的波长变换元件产生3次谐波以上的高次谐波的结构中，存在如下问题：由于接合折射率不同的第1波长变换晶体和第2波长变换晶体，所以在接合部中产生伴随菲涅尔反射的反射损失，并且由于接合面的加工完成状态的不同而产生散射光，波长变换效率降低。

此外，以往，还公开了使用单一的波长变换晶体产生3次谐波的结构，但存在如下问题：在结构上使用了特定的波长变换晶体材料，可产生的3次谐波的波长被限于由波长变换晶体材料的物理特性值所决定的特定波长。

本发明的目的在于提供一种可靠性优异以简单的结构就能高效地产生3次谐波以上的高次谐波的波长变换晶体以及使用该波长变换晶体的波长变换激光装置。

为了实现上述目的，本发明的第1方式涉及的波长变换晶体的特征在于，具备：

单一的波长变换晶体，能够在同一温度下满足用于将第1波长的光变换为第2波长的光的第1波长变换的第1相位匹配条件以及用于将第2波长的光变换为第3波长的光的第2波长变换的第2相位匹配条件这两者；以及

至少反射由第1波长变换产生的第2波长的光的方位不同的至少2个反射面。

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第1波长变换产生的第2波长的光的行进方向以及偏振光方向与第2相位匹配条件相符合，从而进行第1波长变换和第2波长变换这两者。

在本发明中，优选以使由第1波长变换产生的第2波长的光的设于波长变换晶体的反射面间的传输路径中的偏振光方向偏向该波长变换晶体的寻常光和非常光中的某一方的方式，设定该反射面的法线方向。

在本发明中优选第1波长变换产生2次谐波，第2波长变换产生4次谐波。

在本发明中优选波长变换晶体还能够满足将4次谐波变换为比4次谐波更高次的高次谐波的第3波长变换的第3相位匹配条件，

所述波长变换晶体还具备至少反射4次谐波的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第2波长变换产生的4次谐波的行进方向以及偏振光方向与第3相位匹配条件相符合，从而通过第3波长变换产生比4次谐波更高次的高次谐波。

在本发明中，优选波长变换晶体为硼酸铯锂类晶体。

此外，本发明的第2方式涉及的波长变换晶体的特征在于，具备：

单一的波长变换晶体，在同一温度下能够满足用于将第1波长的光变换为第2波长的光的第1波长变换的第1相位匹配条件以及用于使用第1波长的光和第2波长的光这两者变换为第3波长的光的第2波长变换的第2相位匹配条件这两者；以及

反射由第1波长变换产生的第2波长的光以及没通过第1波长变换被波长变换而残存的第1波长的光这两者的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第1波长变换产生的第2波长的光的行进方向和偏振光方向、以及没通过第1波长变换被波长变换而残存的第1波长的光的行进方向和偏振光方向与第2相位匹配条件相符合，从而进行第1波长变换和第2波长变换这两者。

在本发明中，优选以使由第1波长变换产生的第2波长的光的设于波长变换晶体的反射面间的传输路径中的偏振光方向偏向该波长变换晶体的寻常光和非常光中的某一方的方式，设定该反射面的法线方向。

在本发明中，优选第1波长变换产生2次谐波，第2波长变换产生3次谐波。

在本发明中，优选波长变换晶体还能够满足将3次谐波变换为比3次谐波更高次的高次谐波的第3波长变换的第3相位匹配条件，

所述波长变换晶体还具备至少反射3次谐波的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第2波长变换产生的3次谐波的行进方向以及偏振光方向与第3相位匹配条件相符合，从而通过第3波长变换产生比3次谐波更高次的高次谐波。

在本发明中，优选波长变换晶体是三硼酸锂类晶体。

本发明的第3方式涉及的波长变换激光装置的特征在于，具备：

激光光源，产生激光；以及

上述的任意一个波长变换晶体，进行该激光的波长变换。

在本发明中，优选激光光源具备：光共振器和在光共振器的内部配置的激光介质，

所述波长变换晶体配置于光共振器的内部，光共振器的光轴至少与第1波长变换的相位匹配方位符合。

根据本发明，由于具备：使用满足用于第1波长变换的第1相位匹配条件以及用于第2波长变换的第2相位匹配条件这两者的单一的波长变换晶体，将通过第1波长变换产生的第2波长的光向第2波长变换供给的反射面，能够可靠性优异地以简单的结构高效地产生3次谐波以上的高次谐波。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的波长变换晶体结构的透视图。

图2是示意性地示出本发明的实施方式1的波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。

图3是示出从B面的法线方向面对本发明的实施方式1的波长变换晶体，波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。

图4是示出从B面的法线方向面对本发明的实施方式2的波长变换晶体，波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。

图5是示出从B面的法线方向面对本发明的实施方式3的波长变换晶体，波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。

图6是示出本发明的实施方式4的波长变换激光装置结构的示意图。

图7是示出本发明的实施方式5的波长变换晶体结构的透视图。

图8是示意性地示出本发明的实施方式5的波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。

图9是示出从B面的法线方向面对本发明的实施方式5的波长变换晶体，波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。

图10是示出本发明的实施方式6的波长变换激光装置结构的示意图。

图11是示出本发明的实施方式7的波长变换晶体结构的透视图。

图12是示意性地示出本发明的实施方式7的波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。

图13是示出从B面的法线方向面对本发明的实施方式7的波长变换晶体，波长变换晶体内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。

符号说明

1：固体激光介质、2：半导体激光器、3：第1反射镜、4：第2反射镜、5：Q开关元件、6：偏振光选择元件、7：减振器、10：基波光、11：基波光的偏振光方向、12：返程的基波光、13：返程的基波光的偏振光方向、20：去程的2次谐波光、21：去程的2次谐波光的偏振光方向、22：返程的2次谐波光、23：返程的2次谐波光的偏振光方向、30：3次谐波光、31：3次谐波光的偏振光方向、40：4次谐波光、41：4次谐波光的偏振光方向、50：2波长镜、51：1/2波长板、100：波长变换晶体、110：第1反射面（D面）、111：第2反射面（E面）、112：高次谐波的出射面（F面）。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的波长变换晶体100的结构的透视图。波长变换晶体100是表示非线性光学效应的晶体，在本实施方式中，作为一例，使用了硼酸铯锂类晶体（CLBO晶体：CsLiB₆O₁₀）。在图1中，符号101、102、103所示的箭头分别表示CLBO晶体的介电主轴、即Z轴、X轴、Y轴，Z轴101与CLBO晶体的光学轴一致。此外，符号104所示的箭头是表示波长变换晶体100中的光线的主传播方向的Z’轴。

在本实施方式中，关于第1波长变换，对于产生将晶体温度150℃时的波长1064nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位，在将介电主轴作为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（29.4deg,45.0deg）。此外，关于第2波长变换，对于产生将晶体温度150℃时的波长532nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位，在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（61.9deg,45.0deg）。因此，Z’轴104的方位以第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位的中间方位来定义，在将介电主轴作为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（45.65deg,45.0deg）。

此外，波长变换晶体100的一个端面107（A面）以其法线方向与Z’轴104一致的方式被切出。在图中，108（B面）所示的波长变换晶体101的上表面是相对于第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位这两者平行的平面，在本实施方式中，是相对于作为介电主轴的Z轴101、和作为光线的主传播方向的Z’轴104这两者平行。此外，波长变换晶体100的底面109（C面）形成为与作为波长变换晶体100的上表面的B面108平行。符号110（D面）是形成于波长变换晶体100的另一个端面的第1反射面，符号111（E面）是形成于波长变换晶体100的另一个端面的第2反射面。

接下来，对于在本实施方式1的波长变换晶体100上形成的各面的方位，以波长变换晶体100的介电主轴为基准，使用XYZ正交坐标系以及Θψ极坐标系进行详细说明。其中，将偏角Θ定义为与介电体主轴之一的Z轴101所成的角度，将偏角ψ定义为应该标记的方位在XY平面上的映射与介电体主轴之一的X轴102所成的角度。

关于A面107的法线方向、即Z’轴104的方位，当在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（0.5056,0.5056,0.6990），当在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（45.65deg,45.0deg）。

关于B面108及与其平行的C面109的法线方向，当在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（0.7071,-0.7071,0），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（90.0deg,-45.0deg）。

关于D面110的法线方向，当在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（-0.0458,0.9419,0.3327），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（70.57deg,92.78deg）。

关于E面111的法线方向，当在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（0.7316,-0.1149,0.6720），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（47.78deg,-8.93deg）。

另外，对本实施方式的波长变换晶体100的A面107施以对于波长1064nm以及波长266nm这两者的反射防止滤光处理（coating）。此外，对D面110以及E面111施以对波长1064nm高透射、对波长532nm高反射的双波长滤光处理。

接下来，用图2和图3说明使用本实施方式1的波长变换晶体100的波长变换方法。图2是示意性地示出波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。图3是示出从B面108的法线方向面对波长变换晶体，波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。在图2和图3中，与图1相同的符号表示相同部分或相当部分。

在图2和图3中，符号10所示的实线是波长1064nm的基波光，从YAG激光器出射，该YAG激光器将未图示但掺杂了钕（Nd）的钇铝石榴石（YAG）晶体用作激光介质。符号11所示的双箭头表示基波光10的偏振光方向。

符号20所示的虚线在波长变换晶体100中是由第1波长变换产生的波长532nm的去程的2次谐波光，符号21所示的双箭头表示去程的2次谐波光20的偏振光方向。符号22所示的虚线是在D面110以及E面111受反射作用而折返了行进方向的返程的2次谐波光，符号23所示的双箭头表示返程的2次谐波光的偏振光方向。此外，符号40所示的单点划线是由第2波长变换所产生的波长266nm的4次谐波光，符号41所示的双箭头表示4次谐波光40的偏振光方向。

另外，虽未图示，但本实施方式1的波长变换晶体100、即CLBO晶体被加热器以及温度调整机构维持在150℃左右，并且设有能调整晶体的设置角度的调整机构。

接下来，详细说明使用本实施方式1的波长变换晶体100的第1波长变换。首先，使基波光10维持在相对于B面108（C面109）平行的面内，将偏振光方向11设定于相对于B面108（C面109）正交的方向，从A面107向波长变换晶体100内入射。这时，如图3所示地，基波光10对于A面107的入射角、即与A面107的法线方向Z’轴104所成的角度设定为24.52deg。A面的方位如上所述地设定，所以CLBO晶体100对于向着波长变换晶体100的A面以入射角24.52度入射的波长1064nm的与B面108（C面109）垂直的直线偏振光分量11的折射率为1.483。由于该折射效应，波长变换晶体100中的基波光10的行进方向按照斯涅尔定律而弯折，如图3所示，对于Z’轴成16.25deg的角度。

波长变换晶体100中的基波光10在与B面108（C面109）平行的面内传播，所以基波光10在波长变换晶体100中的传播方位当用将CLBO晶体100的介电主轴作为基准的Θψ极坐标来标记，则为（Θ,ψ）＝（29.4deg,45.0deg），与关于第1波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长1064nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位一致。此外，与B面108（C面）垂直的偏振光方向在类型I型的相位匹配中，与寻常光的偏振光方向一致，所以如上所述地向波长变换晶体100入射的基波光10通过第1波长变换而效率良好地变换为波长532nm的2次谐波光20。这时，2次谐波光20成为非常光，所以去程的2次谐波光20的偏振光方向成为与B面108（C面109）平行的方向。

接下来，详细说明使用本实施方式1的波长变换晶体100的第2波长变换。在波长变换晶体100中一边向2次谐波光20变换一边传播的基波光10到达D面110。如上所述，在D面110以及E面111施加了对波长1064nm为高透射、对波长532nm为高反射的双波长滤光处理，所以到达D面110的基波光10向波长变换晶体100的外部出射。

另一方面，波长532nm的去程的2次谐波光20在D面110以及E面111这两面受到反射作用，将行进方向折返，变为返程的2次谐波光22。此处，D面110及E面111以上述方位形成，所以在D面110以及E面111这两面受到反射作用的返程的2次谐波光22的传播方位与去程相同，在平行于B面108（C面109）的面内，相对于Z’轴104成16.25deg的角度。因此，关于返程的2次谐波光22在波长变换晶体100中的传播方位，若在以CLBO晶体100的介电主轴为基准的Θψ极坐标下进行标记，则为与（Θ,ψ）＝（61.9deg,45.0deg）平行。但是，2次谐波光20的传播方位不是在波长变换晶体100的双折射中产生的走离（walkoff）的方位，而是以假定平面波的情况下的波面法线方向进行定义（下同）。因此，返程的2次谐波光22的传播方位与关于第2波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长532nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位相一致。

此外，D面110以及E面111在上述方位中形成，所以去程的2次谐波光20的偏振光方向21与B面108（C面109）平行，相对于此，返程的2次谐波光22的大部分的偏振光分量在图2中变为如符号23所示与B面108（C面109）垂直的方向。与B面108（C面）垂直的偏振光方向在类型I型的相位匹配中与寻常光的偏振光方向一致，所以由于在D面110及E面111中的反射作用而折返了行进方向的返程的2次谐波光22通过第2波长变换而被高效地变换为波长266nm的4次谐波光40。这时，4次谐波光40变为非常光，所以4次谐波光40的偏振光方向41变为与B面108（C面109）平行的方向。

CLBO晶体100对于上述传播方位中的寻常光、即波长532nm的返程的2次谐波光22以及非常光、即波长266nm的4次谐波光40的折射率都是1.497，所以到达A面107的返程的2次谐波光22以及4次谐波光40相对于Z’轴104都成24.77deg的角度，而向波长变换晶体100的外部出射。通过使用对波长532nm高反射、对波长266nm高透射的两波长镜50，能够轻易地在从波长变换晶体100出射并在同一方向传播的2次谐波光22和4次谐波光40中仅取出波长266nm的4次谐波光40。

在本实施方式1中，如上所述地决定波长变换晶体100的各面的方位，并确定作为被波长变换光的基波光10的入射方向。所以，基波光10，以与关于第1波长变换产生将波长1064nm作为基波的类型I型的2次谐波的相位匹配条件相符合的方位和偏振光方向，向波长变换晶体100入射，高效地变换为波长532nm的2次谐波光20，并且2次谐波光20由于在由D面110和E面111构成的两面上的反射作用而折返光路，使返程的2次谐波光22的传播方位、偏振光方向23向着如下的方位和偏振光方向反射，该方位和偏振光方向与关于第2波长变换产生将波长532nm作为基波的类型I型的2次谐波的相位匹配条件相符合，所以实现如下这样的特殊的效果，即、使用单一的波长变换晶体100就能够从作为入射光的波长1064nm的基波光10高效地产生波长266nm的4次谐波光40。

另外，在本实施方式1中，例示了如下结构：作为第1波长变换使用将波长1064nm作为基波类型I型的2次谐波产生，作为第2波长变换使用将波长532nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，用单一的波长变换晶体从波长1064nm的基波光变换到波长266nm的4次谐波光，但作为被波长变换光的基波的波长不限于此。重点是如果在同一波长变换晶体中能够以同一温度产生2次谐波光以及比2次谐波光更高次的高次谐波光这两者，则只要根据产生2次谐波光的第1波长变换、以及产生比2次谐波光更高次的高次谐波光的第2波长变换的相位匹配方位和偏振光方向，来决定波长变换晶体各面的方位，就当然能够得到同样的效果。另外，能够使用由波长变换晶体的物理特性值决定的Sellmeier方程式，导出波长变换晶体对于任意波长、方位、偏振光方向的折射率。此外，如果产生2次谐波光的第1波长变换以及产生比2次谐波光更高次的高次谐波光的第2波长变换的相位匹配方位和偏振光方向是明确的，则能够根据几何光学的手法解析性地求出形成于波长变换晶体的反射面的方位。

这里，应注意的点是：即使在从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中，除非传播方位与波长变换晶体110的光学轴一致，否则会受到双折射的影响。即，即使在从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中，偏振光方向仅容许在寻常光与非常光这两个方向。所以，还需要考虑从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中的双折射的影响，来设计反射面的方位。

例如如本实施方式1所示那样，在第2波长变换的相位匹配为类型I型的情况下，满足相位匹配条件的被波长变换光（实施方式1的情况下为波长532nm的2次谐波光）的偏振光方向仅为一个方向（实施方式1的情况下为寻常光）。在从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中，分离为寻常光和非常光这两个偏振光分量而传播光线的情况下，由于使光线的传播方位与第2波长变换的相位匹配方位一致的在第2反射面E面111上的反射作用，难以将分离为寻常光和非常光这两种的偏振光分量合成为单一的偏振光分量。所以，优选地，由基于第1反射面D面110的反射作用决定的偏振光分量尽可能地在从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中，偏于寻常光或非常光中的某一方。

在本实施方式1中，如上所述地形成了第1反射面D面110的方位，所以，在理论上即使在从第1反射面D面110到达第2反射面E面111的传播过程中，也能使在第1反射面D面110中受到反射作用的2次谐波光的偏振光分量中的99%以上的偏振光分量向寻常光方向极化。进而，还如上所述地形成了第2反射面E面111，所以，在理论上能够使由第2反射面E面111反射的寻常光分量中的99%以上的寻常光分量在第2波长变换的相位匹配方位上向符合第2波长变换的相位匹配条件的寻常光方向极化，并高效率地进行第2波长变换。其中追加描述关于上述的第1反射面D面110以及第2反射面E面111的法线方向的Θψ极坐标标记，对小数点后两位以下进行四舍五入（下同）。

在本实施方式1中，示出了在波长变换晶体100中形成由两面构成的反射面（D面110、E面111），并使其与第2波长变换的相位匹配条件相符的结构，但与第2波长变换的相位匹配条件相符的反射面的数量不限于此。重点是即使在使被波长变换光的传播方位与第2波长变换的相位匹配方位相符的过程中，也可以考虑双折射效应，以符合第2波长变换的相位匹配条件的偏振光分量为最大的方式来决定各反射面的方位。如果波长变换晶体100中的传播方位被决定，则寻常光、非常光的偏振光方向能够根据与介电主轴的相对方位而唯一地求出。

此外，在本实施方式1中，示出了如下结构：对波长变换晶体100使用CLBO晶体，作为第1波长变换使用将波长1064nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，作为第2波长变换使用将波长532nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，用单一的波长变换晶体从波长1064nm的基波光变换为波长266nm的4次谐波光，但波长变换晶体的种类以及波长变换时的相位匹配的类型不限于此。重点是，如果是在同一波长变换晶体中以同一温度对于特定的波长能够产生2次谐波光以及比2次谐波光更高次的高次谐波的波长变换晶体，则只要基于产生2次谐波光以及比2次谐波光更高次的高次谐波光的相位匹配方位、偏振光方向，根据几何光学的手法来决定形成于波长变换晶体的各面的方位，就能得到与本实施方式1同样的效果。

另外，有时由于制造误差，实际的波长变换晶体所形成的各面的方位与设计值会产生偏差。在这种情况下，适当调整波长变换晶体的设置角度以及波长变换晶体的温度，以使得比2次谐波更高次的高次谐波光的输出为最大即可。

实施方式2.

图4是示出从B面108的法线方向面对本发明的实施方式2的波长变换晶体100，波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。在图4中，与图1至图3相同的符号表示相同部分或相当部分。在本实施方式2中，也示出了如下结构：与上述实施方式1相同，对波长变换晶体100使用被加热到了约150℃的CLBO晶体，作为第1波长变换使用将波长1064nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，作为第2波长变换使用将波长532nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，用单一的波长变换晶体100从波长1064nm的基波光变换为波长266nm的4次谐波光。即，关于以构成波长变换晶体100的A面107、B面108、D面109、E面110的介电体主轴为基准的方位、波长变换晶体100内部中的基波光10以及2次谐波光20、22以及4次谐波光40的传播方位、偏振光方向，也与上述实施方式1相同。

在本实施方式2的波长变换晶体100中，形成了在波长变换晶体100内产生的4次谐波光40向波长变换晶体100外部出射的F面112。这里，F面112形成为与Z’轴104成49.99deg的角度的方向，如在以介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记F面112的法线的方位，则为（Θ,ψ）＝（84.36deg,45.0deg）。4次谐波光40的偏振光41与B面108平行，4次谐波光40对于F面112以P偏振光入射。此外，波长变换晶体100内的4次谐波光40的传播方位与B面108平行，与Z’轴104成16.25deg的角度，所以4次谐波光40对F面的入射角是33.74deg。在波长变换晶体100内，波长变换晶体100对于上述传播方位以及偏振光方向的4次谐波光40的折射率是1.497，所以4次谐波光40对于F面112的入射角33.74deg是布儒斯特角（brewsterangle）。

在本实施方式2中，以使4次谐波光40以P偏振光入射并且4次谐波光40的入射角度与布儒斯特角相符合的方式，形成了4次谐波光40从波长变换晶体100出射的F面112的方位，所以在F面112没有变质和异物附着的理想的条件下，能够无损地将近乎100%的4次谐波光40取出到波长变换晶体100的外部。

另外，在本实施方式2中，例示了如下结构：对波长变换晶体100使用CLBO晶体，从波长1064nm的基波产生波长266nm的4次谐波光40，但关于基波光的波长、波长变换晶体的种类、产生的高次谐波的次数不限于此。重点是，只要根据从波长变换晶体取出的高次谐波的传播方位、偏振光方向、由高次谐波感受的折射率，形成为出射面的角度为布儒斯特角，就能够得到与本实施方式2同样的效果。

实施方式3.

图5是示出从B面108的法线方向面对本发明的实施方式3的波长变换晶体100，波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。在图5中，与图1至图4相同的符号表示相同部分或相当部分。在本实施方式3中也示出了如下结构：波长变换晶体100与上述实施方式1至2相同，是被加热到了约150℃的CLBO晶体，作为第1波长变换使用将波长1064nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，作为第2波长变换使用将波长532nm作为基波的类型I型的2次谐波产生，用单一的波长变换晶体100从波长1064nm的基波光变换到波长266nm的4次谐波光。此外，关于以构成波长变换晶体100的A面107、B面108的介电体主轴为基准的方位，与上述实施方式1至2相同。

本实施方式3的波长变换晶体100的D面110相对于A面107平行地形成，在D面110上，通过光学接触而接合对于波长532nm的2次谐波光20、22为反射型的1/2波长板51。并且，1/2波长板51的光学轴以对于B面108的法线成45deg的角度的朝向与D面接合。

在本实施方式中，D面110被形成为与A面107平行，所以来自与D面110接合的1/2波长板51的反射光、即返程的2次谐波光22在波长变换晶体100中的传播方位，与上述实施方式1至2相同。此处，1/2波长板51以光学轴相对于B面108的法线成45deg的角度的方式与D面110接合。因此，与B面108平行的去程的2次谐波光20的偏振光方向21由于1/2波长板51而旋转90deg，返程的2次谐波光22的偏振光方向23与B面108的法线方向相同。其结果，返程的2次谐波光22的传播方位、偏振光方向23，与关于第2波长变换对于产生以晶体温度150℃时的波长532nm为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配条件一致，能够高效地产生波长266nm的4次谐波光40。

如本实施方式3所示地，如果在单一的波长变换晶体中，在使通过第1波长变换而产生的2次谐波光向第2波长变换的相位匹配方位反射的方位上形成的一面上，接合使通过第1波长变换而产生的2次谐波光的偏振光方向向与第2波长变换的相位匹配条件相符合的偏振光方向旋转的反射型的偏振光旋转元件，则使通过第1波长变换而产生的2次谐波光的方位以及偏振光方向与第2波长变换的相位匹配条件相符合，所以波长变换晶体中形成的反射面是一面即可，所以能以简单且低价的结构用单一的波长变换晶体实现第1及第2波长变换。

另外，在本实施方式3中，示出了如下结构：作为波长变换晶体100使用CLBO晶体，从波长1064nm的基波中产生波长266nm的4次谐波光40，但关于基波光的波长、波长变换晶体的种类、产生的高次谐波的次数不限于此。此外，实际上有时由于波长变换晶体制作时的制造误差，偏振光方向会与设计值偏离。在这种情况下，调整接合的反射型的偏振光旋转元件的角度，以使作为适当目的的高次谐波的输出为最大即可。

实施方式4.

图6是示出本发明的实施方式4的波长变换激光装置的结构的示意图。在本实施方式所示的波长变换激光装置中，使用各面的方位与图4所示的上述实施方式2相同地形成的波长变换晶体100。另外，虽未图示，但本实施方式1的波长变换晶体100即CLBO晶体被加热器以及温度调整机构维持在150℃附近，并且设置有能够调整晶体的设置角度的调整机构。此外，在本实施方式的波长变换晶体100的A面107上，实施对波长1064nm和波长532nm这两者为高透射的双波长滤光处理，在D面110以及E面111上实施对波长1064nm高透射、对波长532nm高反射的双波长滤光处理。

图6中，符号1是固体激光介质，使用掺杂了Nd的YAG晶体。符号2是作为固体激光介质1的激发光源而使用的半导体激光器，在固体激光介质1的侧方设置有3台半导体激光器2。符号3是构成光共振器的第1反射镜，被施以对波长1064nm高反射的滤光处理。符号4是构成光共振器的第2反射镜，被施以对波长1064nm和波长532nm这两者高反射的滤光处理。符号5是***到光共振器中的音响光学型的Q开关元件。符号6是对于波长1064nm的偏振光选择元件，在本实施方式中，将石英的平行平面基板以相对于波长1064nm的布儒斯特角进行***。另外，虽未图示，但偏振光选择元件6设置有将基波光10的光轴作为旋转轴可进行角度调整的调整机构。此外，本实施方式的两波长镜50被施以了对波长532nm的2次谐波光22为高透射、对波长266nm的4次谐波光40为高反射的双波长滤光处理。另外，透射过两波长镜50的2次谐波光22向由符号7所表示的减振器入射。

接下来说明本实施方式4的动作。调整由第1反射镜3以及第2反射镜4构成的本实施方式的波长变换激光装置的光共振器的光轴，以使波长变换晶体100内的光路与关于第1波长变换对于产生将波长1064nm作为基波的2次谐波光的类型I型的相位匹配方位相符合。此外，以使在波长变换晶体100内的偏振光方向与在上述实施方式1中说明的对于产生将波长1064nm作为基波的2次谐波光的类型I型的相位匹配条件相符合的方式，通过偏振光选择元件6调整光共振器内的基波光10的偏振光方向。

如果通过将从半导体激光器2出射的激发光向固体激光介质1照射来激发固体激光介质1，则固体激光介质1在特定的波长区域内展示放大作用。由固体激光介质1产生的自然发射光在由第1反射镜3和第2反射镜4构成的光共振器内往返，在通过被激发的固体激光介质1时受到放大作用，达到激光振荡。此处，第1反射镜3以及第2反射镜4都被施加了对波长1064nm的高反射滤光处理。因此，在本实施方式的波长变换激光装置中，选择1064nm作为振荡波长。此外，在本实施方式的波长变换激光装置中，在光共振器内***音响光学型的Q开关5，使用Q开关元件5使光共振器的损失以一定周期增减，从而产生峰值输出高的Q开关脉冲。

通过波长变换晶体100内的基波光10的方位以及偏振光方向与第1波长变换的相位匹配条件相符合，所以高效率地变换为2次谐波光20。此外，在本实施方式的波长变换激光装置中，在产生基波光10的光共振器的内部设置波长变换晶体100，所以从第1反射镜3向第2反射镜4的去程的基波、和从第2反射镜4向第1反射镜4的返程的基波这两者都变换为2次谐波光20。基于从第1反射镜3向第2反射镜4的去程的基波而产生的2次谐波光20暂时从波长变换晶体100的A面107向波长变换晶体100外部出射，到达第2反射镜4。对第2反射镜4施以对波长1064nm和波长532nm这两者的高反射滤光处理，所以基于从第1反射镜3向第2反射镜4的去程的基波光10而产生的2次谐波光20被第2反射镜4折返了行进方向，再次向波长变换晶体100入射。向波长变换晶体100再入射的2次谐波光20受到基于D面110以及E面111的反射作用，方位、偏振光方向都符合第2波长变换的相位条件，所以高效地变换为波长266nm的4次谐波光40。

如本实施方式4所示地，在使用单一的波长变换晶体进行第1以及第2波长变换的结构中，若将波长变换晶体设置在产生基波光的波长变换激光装置的光共振器内，使光共振器内的基波光的光轴方位以及偏振光方向与第1波长变换的相位匹配条件符合，则能将在光共振器内往返的去程的基波光以及返程的基波光这两者向第1波长变换供给，使第1波长变换的变换效率提高，除此以外将通过第1波长变换而基于去程的基波光产生的高次谐波光以及基于返程的基波光产生的高次谐波光都供向第2波长变换，所以有还能提高第2波长变换的变换效率的效果。

此外，在本实施方式4中，将波长变换晶体设置于产生基波光的波长变换激光装置的光共振器内，所以容易提高向波长变换晶体入射的基波光的强度，并有效地提高第1波长变换的变换效率，进而能提高第2波长变换的变换效率。

此外，在本实施方式4的波长变换激光装置中，设为使用单一的波长变换晶体来进行第1及第2波长变换的结构，所以不需要用于进行第2波长变换的调整作业，能够稳定地产生第2波长变换光。

另外，在本实施方式4中，示出了仅将第1波长变换在波长变换激光装置的光共振器内进行的结构，但关于例如以第1波长变换产生2次谐波光，通过第2波长变换产生2次谐波光与基波的和频的3次谐波产生等，也可以采用使第1波长变换和第2波长变换都在波长变换激光装置的光共振器内进行的结构。

实施方式5.

图7是表示本发明的实施方式5的波长变换晶体100的结构的透视图。在图7中，与图1至图6相同的符号表示相同部分或相当部分。在本实施方式5中，也与上述实施方式1至4相同，对波长变换晶体100使用被加热到了约150℃的CLBO晶体。在本实施方式5中示出如下结构：作为第1波长变换，以将波长1064nm作为基波的类型II型的相位匹配的方式进行2次谐波产生，作为第2波长变换，与上述实施方式1至4相同地以将波长532nm作为基波的类型I型的相位匹配的方式进行2次谐波产生，使用单一的波长变换晶体100，从波长1064nm的基波光向波长266nm的4次谐波光变换。在本实施方式中，作为第1波长变换，使用以波长1064nm为基波的类型II型的2次谐波产生，所以在波长变换晶体100所形成的各面的方位与上述实施方式1至4不同。

图7中，符号104示出的箭头是表示波长变换晶体100中的光线的主传播方向的Z’轴。在本实施方式中，关于第1波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长1064nm作为基波的2次谐波的类型II型的相位匹配方位，在介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，（Θ,ψ）＝（42.6deg,0deg）。此外，关于第2波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长532nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位，在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，（Θ,ψ）＝（61.9deg,45.0deg）。因此，Z’轴104的方位以第1波长变换的相位匹配方位与第2波长变换的相位匹配方位的中间方位来进行定义，在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，（Θ,ψ）＝（50.08deg,25.62deg）。

此外，波长变换晶体100中，形成为A面107的法线方向与第1波长变换的相位匹配方位一致，F面112的法线方向与第2波长变换的相位匹配方位一致。此外，B面108与上述实施方式1至5同样地是与第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位这两者平行的平面。C面109与B面108平行地形成。

接下来，关于在本实施方式5的波长变换晶体100所形成的各面的方位，以波长变换晶体100的介电主轴基准，使用XYZ正交坐标系以及Θψ极坐标系进行详细说明。其中，偏角Θ表示与作为介电体主轴之一的Z轴101所成的角度，偏角ψ表示应标记的方位向XY平面上的映射与作为介电体主轴之一的X轴102所成的角度。

A面107的法线方向与关于第1波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长1064nm作为基波的2次谐波的类型II型的相位匹配方位一致，所以如果在XYZ正交坐标系下标记，则（X,Y,Z）＝（0.6769,0,0.7361），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（42.6deg,0deg）。

B面108及与其平行的C面109与第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位这两者平行，所以B面108以及C面109的法线方向如果在XYZ正交坐标系下进行标记，则（X,Y,Z）＝（0.7181,-0.2195,-0.6604），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（131.33deg,-16.99deg）。

第1反射面D面110的法线方向如果在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（-0.2863,-0.0938,0.9535），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（17.53deg,-161.86deg）。

第2反射面E面111的法线方向如果在XYZ正交坐标系下标记，则（X,Y,Z）＝（0.9029,0.4080,0.1351），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（82.24deg,24.31deg）。

另外，对本实施方式5的波长变换晶体100的A面107施以对于波长1064nm的反射防止滤光处理，对F面112施以对于波长266nm的反射防止滤光处理。此外，对E面111施以对于波长1064nm高透射、对于波长532nm高反射的双波长滤光处理。

接下来，使用图8以及图9说明使用本实施方式5的波长变换晶体100的波长变换方法。图8是示意性地示出本实施方式5的波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。图9是示出从B面108的法线方向面对本实施方式5的波长变换晶体，波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。在图8和图9中，与图1至图7相同的符号表示相同部分或相当部分。

在本实施方式5中，第1波长变换为类型II型的相位匹配，所以使波长1064nm的随机偏振光的基波光10从A面107垂直入射。A面107形成为其法线与第1波长变换的相位匹配方位一致，所以如果使基波光10对A面107垂直入射，则也能使波长变换晶体100内的基波光10的传播方位与第1波长变换的相位匹配方位一致。此外，在波长变换晶体100中，偏振光方向仅容许在寻常光和非常光方向，偏振光方向大致均匀地分布的随机偏振光的基波光10在波长变换晶体100内大致均等地分配为寻常光和非常光，通过类型II型的相位匹配，能效率良好地产生波长532nm的2次谐波光20。通过类型II型的相位匹配而产生的2次谐波光20变为非常光，所以其传播方位与基波光10相同，其偏振光方向若在以CLBO晶体的介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记，则（Θ,ψ）＝（47.40deg,180.0deg）。

在波长变换晶体100中传播的基波光10以及去程的2次谐波光20向D面110入射，由于与波长变换晶体100外部的折射率差而受到全反射作用，变向传播方位而向E面111入射。对E面111施以对波长1064nm高透射、对波长532nm高反射的双波长滤光处理，所以波长1064nm的基波光10从E面111向波长变换晶体100外部出射。另一方面，波长532nm的2次谐波光20在D面110以及E面111这两面受到反射作用，折返行进方向，变为返程的2次谐波光22。这里在本实施方式5的波长变换晶体100中，D面110以及E面111的方位如上所述地形成，所以返程的2次谐波光22的传播方位，若在以CLBO晶体100的介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记，则（Θ,ψ）＝（61.9deg,45.0deg），与关于第2波长变换对于产生将晶体温度150℃时的波长532nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位一致。

此外，如上所述地形成第1反射面D面的方位，所以使在理论上向D面110入射的2次谐波光20的偏振光分量中的96%以上的偏振光分量在从D面110到达E面111的传播过程中，也能向非常光方向极化。进而，如上所述地形成了第2反射面E面111，所以在理论上，使在第2反射面E面111反射的非常光分量中的99%以上的非常光分量在第2波长变换的相位匹配方位中，向与第2波长变换的相位匹配条件符合的寻常光方向极化，能效率良好地进行第2波长变换。即，能够使由第1波长变换产生的2次谐波光20中的在理论上95%以上的2次谐波光，向在以CLBO晶体的介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记为（Θ,ψ）＝（90.0deg,-45.0deg）的偏振光方向23极化。

该极化方向在第2波长变换的相位匹配方位中与寻常光一致，所以返程的2次谐波光22的传播方位以及偏振光方向23与关于第2波长变换对于产生以晶体温度150℃时的波长532nm为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配条件符合。因此，即使使用如上所述地形成的波长变换晶体100，也与上述实施方式1至实施方式4相同地，能够使用单一的波长变换晶体100，从作为入射光的波长1064nm的基波光10效率良好地变换为波长266nm的4次谐波光40。其中，本实施方式的4次谐波光40的偏振光方向41在第2波长变换的相位匹配方位中变为非常光，所以对于波长变换晶体100的B面108的法线形成41.53deg的角度。

如本实施方式5所示那样，即使对第1波长变换使用类型II型的相位匹配，也能得到与上述实施方式1至实施方式4同样的效果，而且由于还能将随机偏振光即基波光作为被波长变换光来使用，所以不仅在基波光的光源中不再需要直线偏振光的选择单元，而且在向波长变换晶体入射基波光时，也不需要使偏振光方法与相位匹配条件相配合，具有容易进行入射光的调整的效果。

进而，在使用CLBO晶体作为波长变换晶体的情况下，在以波长1064nm为基波的2次谐波产生中，类型I型的相位匹配时的有效非线性光学常数为0.38pm/V，与此相对，类型II型的相位匹配时的有效非线性光学常数为0.68pm/V。所以，如果对于第1波长变换使用类型II型的相位匹配，则起到能够进一步使2次谐波产生时的波长变换效率提高这样的特别的效果。

实施方式6.

图10是示出本发明的实施方式6的波长变换激光装置的结构的示意图。在实施方式所示的波长变换激光装置中，使用了各面的方位与图7至图9中所示的上述实施方式5相同地形成的波长变换晶体100。另外，虽未图示，但作为本实施方式1的波长变换晶体100的CLBO晶体被加热器以及温度调整机构维持在150℃左右，并且设有能调整晶体的设置角度的调整机构。此外，在本实施方式的波长变换晶体100的A面107施以对波长1064nm和波长532nm这两者高透射的双波长滤光处理。在F面112施以对于波长266nm的反射防止滤光处理。此外，在E面111施以对波长1064nm高透射、对波长532nm高反射的双波长滤光处理。

本实施方式6的波长变换激光装置也与上述实施方式4相同地，将波长变换晶体100设于产生基波光10的波长变换激光装置的光共振器中，并且使波长变换晶体100中的基波光10的光轴与关于第1波长变换对于产生以晶体温度150℃时的波长1064nm为基波的2次谐波的类型II型的相位匹配方位一致。

此外，在本实施方式6中，也与上述实施方式4相同地，不仅能够有效地提高从基波光10向去程的2次谐波光20、和从返程的2次谐波光22向4次谐波光40的波长变换效率，而且基波光10为随机偏振光即可，所以不需要规定基波光10的偏振光方向的偏振光选择元件，容易进行调整，除此以外，还有能够降低波长变换激光装置的成本的效果。进而，起到如下这样的特别的效果：在产生基波光10时，不需要选择直线偏振光，所以降低伴随去极化所致的共振器损失，能够效率良好地产生基波光10，进而能够有效地提高对2次谐波光20、4次谐波光40的波长变换效率。

实施方式7.

图11是示出本发明的实施方式7的波长变换晶体100的结构的透视图。图11中，与图1至图10相同的符号表示相同部分或相当部分。在本实施方式7中，作为波长变换晶体100，使用了被温度调整为27℃的大致室温的三硼酸锂晶体（LBO晶体：LiB₃O₅）。此外，在本实施方式7中，示出了如下结构：作为第1波长变换，以将波长1064nm作为基波的类型I型的相位匹配产生2次谐波，作为第2波长变换，通过波长1064nm和波长532nm的类型II型的相位匹配而产生和频，使用单一的波长变换晶体100，从波长1064nm的基波光变换为波长355nm的3次谐波光。

在图11中，符号104所示的箭头是表示在波长变换晶体100中的光线的主传播方向的Z’轴。在本实施方式中，关于第1波长变换对于产生将晶体温度27℃时的波长1064nm作为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（90.0deg,11.3deg）。此外，关于第2波长变换对于产生晶体温度27℃时的波长1064nm和波长532nm的和频的类型II型的相位匹配方位在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（42.6deg,90.0deg）。因此，Z’轴104的方位以第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位的中间方位来进行定义，在以介电主轴为基准的Θψ极坐标表示下，为（Θ,ψ）＝（60.72deg,41.67deg）。

此外，在波长变换晶体100中，形成为A面107的法线方向与第1波长变换的相位匹配方位一致，F面112的法线方向与第2波长变换的相位匹配方位一致。此外，B面108与上述实施方式1至7同样地是与第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位这两者平行的平面。C面109与B面108平行地形成。

接下来，关于在本实施方式7的波长变换晶体100所形成的各面的方位，以波长变换晶体100的介电主轴为基准，用XYZ正交坐标系以及Θψ极坐标系进行详细说明。

A面107的法线方向与关于第1波长变换对于产生以晶体温度27℃时的波长1064nm为基波的2次谐波的类型I型的相位匹配方位一致，所以若在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（0.9806,0.1959,0），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（90.0deg,11.3deg）。

B面108及与其平行的C面109与第1波长变换的相位匹配方位和第2波长变换的相位匹配方位这两者平行，所以B面108以及C面109的法线方向若在XYZ正交坐标系下进行标记，则为（X,Y,Z）＝（0.1455,-0.7283,0.6697），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（47.96deg,-78.70deg）。

第1反射面D面110的法线方向若在XYZ正交坐标系下进行标记，则为（X,Y,Z）＝（-0.6654,-0.1326,0.7346），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（42.72deg,-168.73deg）。

第2反射面E面111的法线方向若在XYZ正交坐标系下标记，则为（X,Y,Z）＝（0.0416,0.3709,0.9277），在Θψ极坐标系下，为（Θ,ψ）＝（21.92deg,83.60deg）。

另外，对本实施方式7的波长变换晶体100的A面107施以对于波长1064nm的反射防止滤光处理，对F面112施以对于波长355nm的反射防止滤光处理。此外，对D面110及E面111施以对波长1064nm以及波长532nm这两者高反射的双波长滤光处理。

接下来，使用图12和图13说明使用本实施方式7的波长变换晶体100的波长变换方法。图12是示意性地示出本实施方式7的波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的透视图。图13是示出从B面108的法线方向面对本实施方式7的波长变换晶体，波长变换晶体100内的光线的传播方向以及偏振光方向的示意图。在图12和图13中，与图1至图11相同的符号表示相同部分或相当部分。

在本实施方式7的波长变换晶体100中，形成为A面107的法线与第1波长变换的相位匹配方位一致，所以波长1064nm的基波光10对A面107垂直入射即可。其中，在使基波光10向波长变换晶体100的A面107入射时，需要以与第1波长变换的相位匹配条件符合的方式，使基波光10的偏振光方向11符合。

在根据关于第1波长变换以晶体温度27℃时的波长1064nm为基波的类型I型的相位匹配而产生2次谐波的过程中，需要使基波光10的偏振光方向11与对相位匹配方位的寻常光的方向一致。LBO晶体是双轴性的光学晶体，如将第1波长变换的主变换面以介电主轴进行标记，则为XY面。因此，第1波长变换的寻常光的偏振光方向与介电主轴的Z轴平行。所以，向波长变换晶体100入射的基波光10的偏振光方向11面向基波光10的行进方向，向着对于B面108的法线方向而言逆时针旋转的朝向旋转47.96deg即可。实际上，如图13所示，在基波光10向波长变换晶体100入射前，设有偏振光方向调整单元52，以通过本实施方式7的第2波长变换产生的波长355nm的3次谐波光30的输出为最大的方式调整基波光10的偏振光方向即可。另外，在本实施方式7中，作为偏振光方向调整单元52，使用对于波长1064nm的透射型的1/2波长板。此外，虽未图示，但在用作偏振光方向调整单元52的1/2波长板中设有以基波光10为旋转轴的旋转机构。

若如上所述地使基波光10向波长变换晶体100入射，则由于与第1波长变换的相位匹配条件符合，所以能够效率良好地变换为波长532nm的2次谐波光20。另外，基波光10与2次谐波光20在波长变换晶体100中的传播方位相同，基波光10的偏振光方向11是寻常光，2次谐波光20的偏振光方向21是非常光，所以基波光10的偏振光方向11与光学轴Z101平行。另一方面，若2次谐波光20的偏振光方向21在以LBO晶体的介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记，则为（Θ,ψ）＝（90.0deg,101.3deg）。

对本实施方式中的波长变换晶体100的D面110以及E面111施以对波长1064nm以及波长532nm这两者高反射的双波长滤光处理。所以，波长1064nm的基波光10、波长532nm的2次谐波光20均被基于D面110以及E面111的2次反射折返了行进方向，变为返程的基波光12以及返程的2次谐波光22，向同一方位传播。这里，在本实施方式7的波长变换晶体100中，D面110以及E面111的方位如上所述地形成，所以返程的基波光12以及返程的2次谐波光22的传播方位若在以LBO晶体的介电主轴为基准的Θψ极坐标下进行标记，则为（Θ,ψ）＝（42.6deg,90.0deg），与关于第2波长变换在晶体温度27℃时的波长1064nm和波长532nm的和频产生中的类型II型的相位匹配方位一致。

此外，由于如上所述地形成D面110，所以理论上能使由D面110反射的基波光10的99%以上的基波光在从D面110到E面111的传播过程中向非常光方向极化，并且理论上能使由D面110反射的2次谐波光20的99%以上的2次谐波光在从D面110到E面111的传播过程中向寻常光方向极化。进而，如上所述地形成E面111，所以理论上能够使由E面110反射的寻常光的99%以上的寻常光在第2波长变换的相位匹配方位中向非常光方向极化，并且理论上能够使由E面110反射的非常光的99%以上的非常光在第2波长变换的相位匹配方位中向寻常光方向极化。

因此，由于在D面110和E面111上的2次反射，能使通过第1波长变换产生的2次谐波光20中的理论上98%以上的2次谐波光20，向着在以介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记为（Θ,ψ）＝（47.4deg，-90.0deg）的偏振光方向23极化，此外，能使在第1波长变换中残存的基本光10的中的在理论上98%以上的基波光10，向着在以介电主轴为基准的Θψ极坐标下标记为（Θ,ψ）＝（90.0deg,0.0deg）的偏振光方向13极化。

第2波长变换的主变换面为YZ面，所以理论上98%以上的返程的基波光12的偏振光方向13为寻常光，理论上98%以上的返程的2次谐波光22的偏振光方向23为非常光，所以返程的基波光12和返程的2次谐波光22的传播方位、偏振光方向均与关于第2波长变换在晶体温度27℃时的波长1064nm和波长532nm的和频产生中的类型II型的相位匹配条件符合，使用单一的波长变换晶体100，能从入射光即波长1064nm的基波光10高效地变换为波长355nm的3次谐波光30。另外，由第2波长变换产生的3次谐波光30是寻常光，所以偏振光方向31与返程的基波光12的偏振光方向13相同。向波长变换晶体100的外部出射的3次谐波光30若使用透过波长1064nm和波长532nm、反射波长355nm的3波长镜53，则能够容易地分离。

另外，如果将本实施方式7所示的波长变换晶体100设置在波长变换激光装置的光共振器内，则当然地与上述实施方式4以及实施方式7同样地能够提高波长变换效率。此外，在本实施方式7中还将波长1064nm的基波光12使用于作为第2波长变换的和频产生中，所以由于第1波长变换、第2波长变换均在波长变换激光装置的光共振器内进行，从而能进一步提高波长变换效率。

如本实施方式7所示，第2波长变换的方案不限于2次谐波产生，也可以产生在第1波长变换产生的2次谐波与基波的和频。此外，如果有能在同一温度下进行产生的第3波长变换方案，则对波长变换晶体适当地追加反射面，以反射光的方位、偏振光方向与第3波长变换方案的相位匹配条件符合的方式在恰当的方位形成反射面，从而在原理上也能够使用单一的波长变换晶体进行3阶以上的波长变换。如果使用由上述实施方式所示的CLBO晶体，则通过将波长变换晶体的各面以恰当的方位形成，从而在单一的波长变换晶体内实现3阶的波长变换，因而也能够使用单一的波长变换晶体，产生波长213nm的5次谐波。

另外，在上述实施方式中，例示了作为波长变换晶体使用CLBO晶体或者LBO晶体的情况，但晶体的种类、波长、波长变换的方案不限于此。通过将波长变换晶体的各面以恰当的方位形成，并作为反射面利用，从而能在单一的波长变换晶体中实现能以同一的温度进行相位匹配的高次谐波、和频、差频等利用所有波长变换方案的2阶以上的波长变换。

此外，在上述实施方式中，示出了使单一波长的基波向波长变换晶体入射的结构，但也可以是使2波长以上的多个被波长变换光向波长变换晶体入射，作为第1波长变换而使和频或者差频产生，进而通过第2波长变换而使在第1波长变换中产生的和频或者差频的高次谐波产生，或者，能够在第1波长变换中产生一个被波长变换光的高次谐波，并且能够通过第2波长变换产生在第1波长变换中产生的高次谐波与其它被波长变换光的和频或者差频。

产业上的可利用性

本发明在可靠性优异、并能以简单的结构高效地产生3次谐波以上的高次谐波的点上在产业上极具可用性。

Claims (10)

1.一种波长变换晶体，其特征在于，具备：

单一的波长变换晶体，能够在同一温度下满足用于将第1波长的光变换为第2波长的光的第1波长变换的第1相位匹配条件以及用于将第2波长的光变换为第3波长的光的第2波长变换的第2相位匹配条件这两者；以及

至少反射由第1波长变换产生的第2波长的光的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第1波长变换产生的第2波长的光的行进方向以及偏振光方向与第2相位匹配条件相符合，从而进行第1波长变换和第2波长变换这两者，

以使由第1波长变换产生的第2波长的光的设于波长变换晶体的反射面间的传输路径中的偏振光方向偏向该波长变换晶体的寻常光和非常光中的某一方的方式，设定该反射面的法线方向。

2.根据权利要求1所记载的波长变换晶体，其特征在于，

第1波长变换产生2次谐波，

第2波长变换产生4次谐波。

3.根据权利要求2所记载的波长变换晶体，其特征在于，

波长变换晶体还能够满足将4次谐波变换为比4次谐波更高次的高次谐波的第3波长变换的第3相位匹配条件，

所述波长变换晶体还具备至少反射4次谐波的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第2波长变换产生的4次谐波的行进方向以及偏振光方向与第3相位匹配条件相符合，从而通过第3波长变换产生比4次谐波更高次的高次谐波。

4.根据权利要求1～3中任意一项所记载的波长变换晶体，其特征在于，

波长变换晶体是硼酸铯锂类晶体。

5.一种波长变换晶体，其特征在于，具备：

单一的波长变换晶体，在同一温度下能够满足用于将第1波长的光变换为第2波长的光的第1波长变换的第1相位匹配条件以及用于使用第1波长的光和第2波长的光这两者变换为第3波长的光的第2波长变换的第2相位匹配条件这两者；以及

反射由第1波长变换产生的第2波长的光以及没通过第1波长变换被波长变换而残存的第1波长的光这两者的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第1波长变换产生的第2波长的光的行进方向和偏振光方向、以及没通过第1波长变换被波长变换而残存的第1波长的光的行进方向和偏振光方向与第2相位匹配条件相符合，从而进行第1波长变换和第2波长变换这两者，

以使由第1波长变换产生的第2波长的光的设于波长变换晶体的反射面间的传输路径中的偏振光方向偏向该波长变换晶体的寻常光和非常光中的某一方的方式，设定该反射面的法线方向。

6.根据权利要求5所记载的波长变换晶体，其特征在于，

第1波长变换产生2次谐波，

第2波长变换产生3次谐波。

7.根据权利要求6所记载的波长变换晶体，其特征在于，

波长变换晶体还能够满足将3次谐波变换为比3次谐波更高次的高次谐波的第3波长变换的第3相位匹配条件，

所述波长变换晶体还具备至少反射3次谐波的方位不同的至少2个反射面，

通过基于该反射面的至少2次的反射作用，使由第2波长变换产生的3次谐波的行进方向以及偏振光方向与第3相位匹配条件相符合，从而通过第3波长变换产生比3次谐波更高次的高次谐波。

8.根据权利要求5～7中的任意一项所记载的波长变换晶体，其特征在于，

波长变换晶体是三硼酸锂类晶体。

9.一种波长变换激光装置，其特征在于，具备：

激光光源，产生激光；以及

权利要求1～8中任意一项所记载的波长变换晶体，进行该激光的波长变换。

10.根据权利要求9所记载的波长变换激光装置，其特征在于，

激光光源具备：光共振器和在光共振器的内部配置的激光介质，

所述波长变换晶体配置于光共振器的内部，光共振器的光轴至少与第1波长变换的相位匹配方位相符合。