JP2003050413A

JP2003050413A - レーザー光発生装置

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Publication number: JP2003050413A
Application number: JP2001237593A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Masuda; 久増田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-02-21
Anticipated expiration: 2021-08-06
Also published as: JP3885529B2; US20030099262A1

Abstract

(57)【要約】【課題】紫外域のレーザー光を効率良く発生させると
ともに装置を小型化する。【解決手段】レーザー光発生装置において、窒化ガリ
ウムを含む半導体レーザー１によって得られる第一の波
長をもった出力光が、非線形光学結晶１５を用いた外部
共振器１０に導入されるように構成する。非線形光学結
晶１５を経ることで、短波長化された紫外線がレーザー
光として出力される。また、非線形光学結晶を低温に保
つことで、さらに短波長化が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外域でのレーザ
ー光を小型の装置で発生させるための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外域でのレーザー光発生装置に関し
て、例えば、２００ｎｍ（ナノメートル）程度の波長を
もったレーザー光を得るための形態には下記のものが挙
げられる。

【０００３】（１）波長３００ｎｍ台で発振するエキシ
マレーザーにより励起され、４００ｎｍ付近で発振する
色素レーザーの第二高調波として発生させる形態（２）波長８００ｎｍ付近で発振するチタンサファイア
レーザーや、アレクサンドライトレーザー等の固体レー
ザーの４次高調波として発生させる形態（３）波長約１μｍで発振するＮｄレーザー（例えば、
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）の５次高調波として発生させる
形態。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では、保守性や効率、サイズ等の面で下記に示す問
題がある。

【０００５】先ず、上記（１）の形態では、エキシマレ
ーザーに使用されるガスについて毒性の問題や交換が面
倒であるといった問題があり、また、色素レーザーにつ
いての保守性の悪さ等から、産業用途への利用について
困難性を伴う。

【０００６】また、上記（２）の形態では、固体レーザ
ーの使用により保守性については改善されるが、例え
ば、チタンサファイアレーザーに要求される励起光源と
して、高出力の可視光光源が必要であり、全体の効率が
低くなったり、装置全体がかなり大きなものになるため
小型化が難しい等の問題がある。

【０００７】そして、上記（３）の形態では、高次の高
調波発生が必要になるため、例えば、各段階の効率を高
くしても最終効率が低くなってしまうという欠点や、連
続波を発生させることが困難であるといった問題があ
る。

【０００８】尚、ＢＢＯ（硼酸バリウム）結晶のノンク
リティカル位相整合（ＮＣＰＭ：Non Critical Phase M
atching）で波長変換を行うことによって短波長のレー
ザー光が得られたという報告がなされているが、ウォー
クオフ（波数ベクトルとポインティングベクトルとの間
になす角度であり、波面法線方向とエネルギー流の方向
との間に角度差がある場合の指標。）によるビームの矩
形比（縦横比率）の悪化がないという特長を有する反
面、波長変換効率の点で問題がある。つまり、この場合
の有効非線形定数ｄ₃₁がｄ₂₂に比べて１．８％でしかな
く、出力がこの２乗にほぼ比例するため、波長変換効率
が低い。特に、連続波で波長変換を行う場合には、有効
非線形光学定数が小さいと、外部共振器を用いたとして
も波長変換効率が極めて低くなってしまうので問題はさ
らに深刻である。また、フラックス法で成長されるＢＢ
Ｏ結晶では、成長速度が極めて遅く、大きな結晶を均質
に得ることができないため、サイズの長い結晶を得るの
が難しい。つまり、相互作用長を長くとれないので効率
面で不利となる。

【０００９】そこで、本発明は、紫外域のレーザー光を
効率良く発生させるとともに装置の小型化を実現するこ
とを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決するために、窒化ガリウムを含む半導体レーザー
によって得られる第一の波長をもった出力光が、非線形
光学結晶を用いた外部共振器に導入され、当該非線形光
学結晶を経ることで、第一の波長よりも短い第二の波長
の紫外線をレーザー光として出力する構成にしたもので
ある。

【００１１】従って、本発明によれば、窒化ガリウムを
含む半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの
出力光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を
利用して短波長のレーザー光を得ることができるので、
小型化及び効率面で優れている。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、紫外域、特に波長約２
００ｎｍ付近若しくはそれ以下の深紫外線のレーザー光
を発生させることのできるレーザー光発生装置に関する
ものであり、装置形態としては、例えば、図１乃至図７
に示す構成が挙げられる。

【００１３】図１に示すレーザー発生装置ＥＸ１では、
半導体レーザー１と、非線形光学結晶（あるいは非線形
光学素子）１５を用いた外部共振器１０を備えている。

【００１４】半導体レーザー１は、窒化ガリウムを含む
半導体レーザーである。当該レーザーの出力光につい
て、その波長範囲例としては、常温環境下で４０９ｎｍ
以上４１５ｎｍ以下、また、非線形光学結晶の低温環境
下（０゜Ｃ以下）で３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下が挙
げられる。一例としては、波長約４１０ｎｍで連続発振
するガリウムナイトライド（ＧａＮ）又はインジウムガ
リウムナイトライド（Ｉｎ_1-xＧａ_xＮ）半導体レーザー
光源が用いられる。尚、当該光源については、縦単一モ
ード（あるいは単一縦モード）での発振が望ましく、そ
のためには、ＤＦＢ（分布帰還型）又はＤＢＲ（分布反
射型）等の周期的構造を有しているものが良い。あるい
は、半導体レーザー素子自体にはそのような内部構造が
なくても（マルチモードのレーザーで良い。）、出力光
の一部がグレーティング（例えば、ブレーズ型等）やプ
リズム等の分光手段により分光され、又は回折されて帰
還する外部制御型（例えば、Littrow 型、Littman型
等）のほぼ縦単一モード化されたレーザーであること、
あるいは、こうしたレーザー光源の出力を増幅して得ら
れる高出力のレーザー光源が望ましい。尚、出力光の一
部が分光手段等によって帰還される方式の場合には、複
合共振器の形成に起因する不安定性を回避するために、
半導体レーザーの出射端面において、０．１％以下、で
きれば０．０１％以下の反射率を実現するために減反射
コーティングを施すことが望ましい（波長選択により安
定した縦単一モード動作が得られる）。また、光の有効
利用という観点からは、当該出射端面とは反対側に面に
高反射率を実現するコーティングを施すことが望まし
い。そして、出力に関して、実用面では５０ｍＷ以上、
さらには１００ｍＷ以上のものを使用することが好まし
い。

【００１５】半導体レーザー１の出力光２は、図示する
ように各種光学素子を経て外部共振器１０に導入される
が、当該外部共振器には非線形光学結晶１５が配置され
ている。この非線形光学結晶としては、例えば、ＫＢＢ
Ｆ（ＫＢｅ₂ＢＯ₃Ｆ₂）、ＳＢＢＯ（Ｓｒ₂Ｂｅ₂Ｂ₂Ｏ
₇ )又は周期分極反転構造を有するＭＢＦ₄（ここで、Ｍ
はＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか）等が挙げ
られ、３６０乃至４８０ｎｍのガリウムナイトライド
（ＧａＮ）又はインジウムガリウムナイトライド（Ｉｎ
_1-xＧａ_xＮ）半導体レーザーの光を、第二高調波発生
（ＳＨＧ）により１８０乃至２４０ｎｍの光に波長変換
できるので、これらの結晶を外部共振器中に置いて、変
換効率を上げることにより実用レベルの出力を得ること
ができる。また、タイプ１（２つの異常光線を入射して
常光線の高調波を得る場合、又は２つの常光線を入射し
て異常光線の高調波を得る場合）で位相整合する硼酸バ
リウム（「β−ＢａＢ₂Ｏ₄」であり、以下、「ＢＢＯ」
と記す。）結晶を用いて、例えば、４０９ｎｍ乃至４１
５ｎｍの半導体レーザー光を、常温付近で第二高調波発
生（ＳＨＧ）により２０４．５乃至２０７．５ｎｍの光
に波長変換することができる。

【００１６】尚、非線形光学結晶の温度を、低温に保つ
ための手段を講じることで使用形態の幅を広げることが
でき、例えば、ＢＢＯ結晶をＯ゜Ｃ（２７３Ｋ）以下の
温度に保持する温度制御手段を設ける場合には、第二高
調波又は和周波発生の手段により半導体レーザーからの
当該結晶への入射波長が３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下
の場合に、第二高調波発生により１８０ｎｍ以上２０
７．５ｎｍ以下のレーザー光を得ることができる。

【００１７】図２は、ＢＢＯ結晶の冷却構造について概
要を示したものであり、断熱容器ＫＣには、液体窒素や
液体ヘリウム等の冷却材ＣＬが収容されている。

【００１８】ＢＢＯ結晶は、断熱真空容器ＶＣ内に配置
されており、冷却材ＣＬによって冷やされたコールドフ
ィンガーＣＦに対して熱的に接触されている。コールド
フィンガーＣＦは、例えば、銅材料で形成されていて、
これに付設されたヒーターＨＴにより温度制御が行われ
る。つまり、冷却材ＣＬ、コールドフィンガーＣＦ、ヒ
ーターＨＴが、ＢＢＯ結晶の温度制御手段９を構成して
いる。

【００１９】半導体レーザーの出力光は、断熱真空容器
ＶＣに設けられた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過
し、波長変換された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出
射される。

【００２０】また、図３に示す例では、断熱真空容器Ｖ
Ｃに対して冷却装置ＣＣ（スターリング冷凍機等）が付
設されており、コールドフィンガーＣＦを介して断熱真
空容器ＶＣ内のＢＢＯ結晶が所定の温度に冷やされる。
つまり、冷却装置ＣＣやコールドフィンガーＣＦによっ
て温度制御手段９Ａが構成されている。尚、本例でも、
半導体レーザーの出力光が、断熱真空容器ＶＣに設けら
れた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過し、波長変換
された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出射される。

【００２１】いずれにしても、非線形光学結晶１５を経
ることで、半導体レーザー１の出力光２に係る第一の波
長よりも短い第二の波長の紫外線を発生させることがで
きる。

【００２２】図１に示す例では、外部共振器１０につい
て、半導体レーザー１からの入射光の一部を透過して当
該共振器内の非線形光学結晶１５へと導入する入射ミラ
ー１１や、必要に応じた枚数（本例では３枚）で使用さ
れるミラー１２乃至１４、光路長制御素子（図示せ
ず。）で構成されている。尚、光路長制御素子を用いた
制御形態には、例えば、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）や
ＰＺＴ等の移動手段（あるいは駆動手段）にミラーやプ
リズムを取り付けてそれらの位置や姿勢を制御する形
態、あるいは非線形光学結晶１５を含む電気光学結晶に
制御電圧を印加して光路長を変化させる形態、あるいは
温度を制御して光路長を変化させる形態等が挙げられ
る。例えば、外部共振器を構成する光学素子（ミラー
等）のうち、少なくとも１つ（図１の例では、ミラー１
３）がＶＣＭやＰＺＴ等の移動手段によってサーボ制御
され、帰還回路と組み合わせて共振器長の制御を行うこ
とで共振状態を維持する構成にしたもの等が知られてい
る。この他、アパーチャーを配置して横モードを制御す
ることも有効である。

【００２３】図１に示す構成例では、半導体レーザー１
の出力するレーザー光２が、位相変調器３を透過した後
で、調整用ミラー４、５で反射された後、モードマッチ
ング用レンズ６を透過して外部共振器１０へと導入され
る。尚、位相変調器３は後述するＦＭサイドバンド法
（「Pound-Drever-Hall Locking」法）の場合に必要と
されるものである。この場合、図示しない発振器からの
変調信号が位相変調器３に印加され、これによりレーザ
ー光２は位相変調を与えられてから光学系を経て外部共
振器１０に入射される。また、途中の光学系を構成する
ミラー、レンズ等については、必要に応じた数や配置を
もって適宜に設計される。

【００２４】図１において、外部共振器１０に係る光検
出については、例えば、ミラー１４で反射された後、ミ
ラー１１を透過した光が、必要に応じて使用される集光
レンズ７を介して光検出器８に到達し、受光及び検出が
行われる構成になっている。光検出器については、偏光
法（例えば、波長板を透過したレーザー光を共振器に入
射させるとともに、共振器からの、偏光状態の異なる２
つのビームの検出信号から差分をとることでエラー信号
を得て、共振器の共振状態を維持する方法）やフリンジ
サイド法を用いる場合、ロッキングのサーボ帯域を充分
にカバーする程度のもので良いが、ＦＭサイドバンド法
を用いる場合には、キャリア周波数を充分に検出できる
程度の帯域が必要になる。

【００２５】外部共振器１０から出射された光はミラー
２０を透過して光２２（例えば、未変換光）となり、ま
たミラー２０での反射光２１（例えば、波長変換光）が
得られる。

【００２６】図１に示す構成例では、外部共振器１０内
に４枚のミラー（１１乃至１４）が設けられていて、ミ
ラー１１から非線形光学結晶１５を透過して、ミラー１
２、１３、１４での反射後にミラー１１に再び戻る経路
によって共振器が形成されているが、本発明に係る外部
共振器の構成形態がミラー４枚を使ったリング型のもの
に限定される訳ではなく、例えば、下記に示す形態が挙
げられる。

【００２７】（Ａ）２枚のミラーを用いるとともに、非
線形光学結晶の端面での屈折を利用した形態（図４参
照）（Ｂ）２枚のミラーとプリズムを用いた形態（図５参
照）（Ｃ）非線形光学結晶内での全反射を利用した形態（図
６参照）（Ｄ）非線形光学結晶自体が外部共振器を構成する形態
（図７参照）。

【００２８】先ず、上記（Ａ）では、図４の構成例ＥＸ
２に示すように、ミラー１１、１２を用いてリング型共
振器を構成しており、両ミラーを通る主経路からやや外
れたところに非線形光学結晶１５が配置されていて、図
示のように当該結晶については台形状の縦断面をしてい
る。つまり、ミラー１１から導入されたレーザー光がミ
ラー１２で反射され、非線形光学結晶１５の一端部の端
面で屈折した後、その他端部の端面で屈折してミラー１
１に戻る経路により共振器が形成されている。光の巡回
する方向はこの逆でも良く、ミラー１１から非線形光学
結晶１５を経てミラー１２からミラー１１に戻る経路も
可能である。

【００２９】尚、非線形光学結晶１５から出射してミラ
ー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光
される。

【００３０】また、上記（Ｂ）では、図５の構成例ＥＸ
３に示すようにミラー１１と１２との間に非線形光学結
晶１５が配置されており、その付近に三角断面のプリズ
ム１６が配置されている。よって、ミラー１１から導入
されたレーザー光が非線形光学結晶１５を透過した後に
ミラー１２で反射され、プリズム１６の入射端面で屈折
した後、その出射端面で屈折してミラー１１に戻る経路
により共振器が形成されている。本例でも、光の巡回方
向が逆回りの構成が可能である（入射方向とレンズ７、
光検出器８の位置も適宜入れ替わる。）。尚、プリズム
１６から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した
光が光検出器８に受光される。

【００３１】上記（Ｃ）では、図６の構成例ＥＸ４に示
すように外部共振器１０内にミラー１１、１７と非線形
光学結晶１５が配置されており、非線形光学結晶１５が
およそ５角形状の縦断面（鋭角部の角度が９０゜よりや
や小さくされている。）となっている。つまり、ミラー
１１から導入されたレーザー光が非線形光学結晶１５に
入射されて２回の全反射後に出射されてミラー１１に戻
る経路により共振器が形成されている。また、非線形光
学結晶１５における全反射面からミラー１７に対して出
射され、当該ミラーで反射された光（第二高調波）が出
力光２１となる（図示は省略したが、ミラー１７後のミ
ラー２０による反射光が波長変換光となる。）。尚、非
線形光学結晶１５から出射してミラー１１、集光レンズ
７を透過した光が光検出器８に受光される。

【００３２】上記（Ｄ）では、（外部）ミラーを全く用
いずに非線形光学結晶自体が共振器を形成しているもの
であり、例えば、図７の構成例ＥＸ５に示すように当該
結晶の縦断面が球面の一部を除去した如き形状を有して
いる。この場合、レーザー光がそのまま非線形光学結晶
１５に入射されて、その出射端面での全反射後に、さら
に側面で全反射されて入射端面に戻る経路により共振器
が形成されている。尚、非線形光学結晶１５から出射し
て集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光され
る。また、本形態では、ミラー等の光学素子がないの
で、共振維持のための機械的な駆動手段がないが、例え
ば、外部共振器を硼酸バリウム結晶のみで形成する場合
等においては、その温度制御手段を設けること又は電圧
を印加することで、当該結晶の光学的特性を変化させ
て、共振状態を維持することができる。

【００３３】上記に説明した各構成例は、本発明に係る
実施の一例を示すものに過ぎず、この他、必要に応じて
ミラー数や配置を変更する場合、あるいはミラー以外の
共振器構成要素として、グレーティングやプリズム等が
使用される場合もある。尚、上記各形態において外部共
振器以外の構成要素及びその配置については図１と同様
であるので、各部に同じ符号を付すことにより説明を省
略した。

【００３４】次に、上記した外部共振器の動作及び作用
効果について図１の構成を例にして説明する。

【００３５】外部共振器１０を構成するミラー１１の反
射率を「Ｒ1」とし、その他のミラー（１２乃至１４）
や非線形光学結晶１５を経た周回の後に再びミラー１１
に戻る直前までの合成反射率を「Ｒm」と記すとき、共
振器の光路が良好に調整されている場合に、ミラー１１
から光が入射した場合における共振器１０全体の反射光
は、光検出器８（フォトダイオード等）により検出さ
れ、その反射率（これを「Ｒ（δ）」と記す。）が下式
で与えられる。

【００３６】

【数１】

【００３７】尚、上式中の「δ」については、「δ＝２
π・Ｌ／λ」である。ここで、「λ」はレーザー（半導
体レーザー１）の光源波長、「Ｌ」は共振器の周回光路
長をそれぞれ示している。

【００３８】図８は上式に従う反射特性（δ依存性）を
例示したグラフ図であり、横軸に上記「δ」をとり、縦
軸に相対反射率（０乃至１）をとって両者の関係を示し
たものである。尚、グラフ曲線については、見易さを考
慮して「Ｒ1＝Ｒm＝０．９０」とし、フィネスを実際よ
りも低めに設定している。

【００３９】［数１］式中に正弦関数ｓｉｎ（δ／２）
の二乗項が含まれていることから分かるように、「δ＝
ｐ・π」（ｐは偶数）のときに、共振器１０のみかけの
反射率が低下して、入射光が当該共振器内に入って内部
の光強度（内部循環光強度）が大きくなる（これを「共
振状態」と呼び、共振状態を保持させることを「ロック
する」と称している。）。

【００４０】図８では、下向きのピーク（ボトム）の先
端が共振状態に相当しており、共振状態を維持できる限
界を、許容周波数半値全幅を指標にして表すことができ
る。つまり、許容周波数半値全幅（半値幅を「δ_0.5」
と記すとき、その２倍、「２δ_0.5」である。）は、共
振器１０の光路長Ｌ、即ち、これに比例するδを変化さ
せるときに、当該共振器の見かけの反射率に係る減少分
が、ピーク点（δ＝０、２π等）での値の半分になる値
から求められる（図９参照。）。これは、位相で示すと
凡そ下式のようになる。

【００４１】

【数２】

【００４２】尚、これは、共振器のみかけの透過率がピ
ーク点での値の半分になるδからも求められる（図１０
参照。）。

【００４３】周波数で示すと、下式のようになり、周波
数幅「Δｆ」（単位：Ｈｚ）は［数２］式の右辺に「Ｆ
ＳＲ／（２π）」を掛けた式から求められる（ＦＳＲ
は、「Free Spectral Range」の略であり、Ｃ／Ｌであ
る。ここで、「Ｃ」は光速度、「Ｌ」は共振器周回長を
示す。）。

【００４４】

【数３】

【００４５】半導体レーザー１に対する外部共振器１０
は、入射光を内部に閉じ込めて循環パワーを大きくし、
波長変換効率を高めるために用いるものであり、従っ
て、当該共振器内に入射光を効率良く導入することが必
要である。

【００４６】そのために以下の事項（Ｉ）乃至（ＩＩ
Ｉ）について考慮する必要がある。

【００４７】（Ｉ）空間的なビーム重なりを良好にする
こと（モードマッチング）（ＩＩ）周回光と入射光の位相関係を保持して共振状態
を維持すること（ロッキング）（ＩＩＩ）周回光の洩れと入射光の反射の振幅とのバラ
ンスがとれて共振状態での見かけの反射率がなるべく小
さくなること（インピーダンスマッチング）。

【００４８】先ず、（Ｉ）を実現するには、外部共振器
へのビームの入射角度や位置、ビーム径及び波面の曲率
を適切に調整して設定することが必要であり、図１にお
いて、２枚のミラー４、５により、ビームの光２につい
て方向（あおり角）及び光軸に対する垂直方向の位置を
調整するとともに、レンズ６等の光学系を用いてビーム
径及び波面の曲率を調整することにより、外部共振器１
０の入射ミラー１１上で入射光が共振光にほぼ合うよう
にセットすることが重要である。勿論、外部共振器１０
が安定共振器を構成していることが前提となるが、モー
ドマッチングのための、ミラーやレンズ等の組み合わせ
については、ミラー１１上での入射光が共振光にほぼ合
うという目的に反しない限り、各種各様の構成が可能で
ある。

【００４９】次に、（ＩＩ）については、「δ＝２π・
Ｌ／λ」から分かるように、周回光路長Ｌ又は波長λの
一方、あるいはその両方について制御すれば良い。つま
り、周回光路長Ｌが入射波長λの自然数倍となるように
制御する（「ｑ」を自然数変数とするとき、「（δ＝）
２π・Ｌ／λ＝２π・ｑ」から「Ｌ＝ｑ・λ」が得られ
る。）ことで、共振状態を維持する。

【００５０】周回光路長Ｌについては、外部共振器を満
たす気体の流動や、透過する媒体の温度変化、ミラーの
支持機構等についての振動や変形、温度変化等によっ
て、急速かつ長期的に変動し、他方、レーザー光源の波
長λについては、温度揺らぎや、振動、膨張や外乱（電
流ノイズ等）の影響によって変動する。従って、周回光
路長Ｌが入射波長λの自然数倍の関係となる（共振）状
態を保持するためには、例えば、下記の制御形態が挙げ
られる。

【００５１】（１）波長λを可変制御する形態（２）周回光路長Ｌを可変制御する形態。

【００５２】形態（１）については、半導体レーザー１
の温度や電流等を変化させることにより波長λを変化さ
せる形態、あるいは、レーザー結晶にＰＺＴ等で歪みを
与える形態等が挙げられる。

【００５３】また、形態（２）については、例えば、下
記に示す形態が挙げられる。

【００５４】・ミラー等の光学素子をＰＺＴやＶＣＭに
マウントして機械的に制御する形態・非線形光学結晶を含めた結晶、あるいは光学素子に電
圧や歪みを与えたり、温度制御等によってそれらの光学
的特性（屈折率等）を変化させて制御する形態。

【００５５】この他、（１）と（２）を組み合せること
で各種の形態が挙げられるが、制御応答や安定性等を考
慮して選定すべきである。

【００５６】共振状態の維持には、上記のように周回光
路長Ｌ又は入射波長λの可変制御手段を必要とし、さら
には、外乱に応じて常にこれらを変化させて上記「Ｌ＝
ｑ・λ」の関係を維持する手段（制御回路等）が必要で
ある。尚、制御に必要なエラー信号の発生（生成）方法
としては、フリンジサイドロッキング、ＦＭサイドバン
ドロキッング、偏光法ロッキング等、各種方式が提案さ
れている（例えば、文献「T.W.Hansh,and B.Couillaud,
Optics Communications ,Vol.35,No.3,p.441(1980) 」
を参照）。

【００５７】そのうち、ＦＭサイドバンド法は、ノイズ
に強い方法であって安定な共振器ロッキング法であるの
で、その概要について図１１の例を使って説明する。

【００５８】図には位相変調器３及び光検出器８を含む
制御手段２３を示しており、局部発振器（信号源の記号
で示す。）を含む信号発生部２４により、所定周波数の
変調信号が発生され、当該信号が位相変調器３に印加さ
れて半導体レーザー１からのレーザー光に位相変調がか
けられる。

【００５９】光検出器８による検出信号と、変調信号が
検波部２５（図には、掛け算器で示す。）に送られて同
期検波が行われ、これにより得られた誤差信号（これを
「Ｅｒｒ」と記す。）がサーボ制御部２６に送られる。

【００６０】サーボ制御部２６は誤差信号のレベルがゼ
ロとなるように制御信号を生成して、当該信号によって
共振器の周回光路長Ｌを制御する。例えば、図１の例に
おいて、外部共振器１０ではミラー１３について位置や
姿勢が制御される。尚、ミラーの移動機構、駆動制御回
路等や、信号処理に必要な回路（例えば、受光後の検出
信号から高周波信号を取り出すのに必要なフィルタ等）
については既知であり、よってそれらの説明や図示は省
略する。

【００６１】このような光路長の調整手段を設けてその
駆動制御によりロッキングを実現する方法の他には、外
部共振器１０中に置かれた非線形光学結晶１５に電圧や
歪みを与えたり、あるいは光源自体を変調してロッキン
グを行う方法等が知られている（「W.Kozlovski 他,IEE
E Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.6,p913
(1988)」を参照。）。

【００６２】尚、ＦＭサイドバンド法では、位相変調器
３として、ＫＴＰやＢＢＯ等の、使用波長λにおける透
過率の高い電気光学結晶が用いられ、これに高周波電圧
を印可して、サイドバンド（側波あるいは側帯波）を発
生させる。

【００６３】また、変調周波数については、共振器から
の反射光を検出する形態と、共振器の透過光を検出する
形態とで異なる（検出信号の大きさの観点からは前者の
形態が好ましい。）。

【００６４】外部共振器のＦＳＲ（＝Ｃ／Ｌ）を、当該
共振器フィネスＦで割った値を、共振器透過幅とする
と、これは［数３］式で定義した「Δｆ」と同じであ
る。

【００６５】反射光からエラー（誤差）信号を検出する
形態では、例えば、図１において、入射ミラー１１から
の反射光が、集光レンズ７等の光学系を介して光検出器
８で受光され、その検出信号を、局部発振器からの信号
（変調周波数と同一周波数とされる信号）で同期検波し
てエラー信号を生成する。この場合の変調周波数はΔｆ
よりも充分大きい方が良い。何故なら、共振状態の近傍
において、外部共振器内でサイドバンドが効率良く反射
され、光検出器に到達するからである（変調周波数がΔ
ｆよりも小さいと、透過成分の割合が多くなってしま
う。）。

【００６６】これに対して、透過光からエラー信号を検
出する形態では、例えば、図１においてミラー１２の透
過光を光検出器（図示せず）により受光し、その検出信
号と局部発振器からの信号とから同期検波を行うこと
で、信号の大きさとしては小さくなるがエラー信号を生
成できる。この場合には、上記の形態とは逆に、Δｆよ
りも変調周波数を小さくすることが好ましい。

【００６７】図１２は、光検出信号及び変調信号に基い
て生成されるエラー信号（Ｅｒｒ）の一例（δ依存性）
を拡大して示したものであり、横軸に「δ」をとり、縦
軸に信号値（相対値で示す。）をとって示している。

【００６８】例えば、反射光を検出する形態において、
エラー信号Ｅｒｒは、共振器の共振周波数がレーザー光
の周波数付近に近づいたときに、反射する両側帯波信号
（両側波）のバランスに基づいて得られる信号であり、
共振位置（δ＝０）からのずれに関してその方向と大き
さを示している。つまり、図１２の右半面においては、
δ軸を正方向に進んでいくと値が上昇しての正のピーク
値に達し、それから急に値が低下してボトム値を示して
からδ軸に漸近していく。また、図１２の左半面におい
ては、δ軸を負方向に進んでいくと値が低下してボトム
値に達し、それから急に値が上昇してピーク値を示して
からδ軸に漸近していく。このように、グラフ曲線がδ
＝０の原点回りに１８０゜の回転対称性をほぼ有してい
るので、共振位置からのずれの方向と大きさをエラー信
号から把握することができる。

【００６９】よって、共振器の構成要素（ミラー等）の
位置修正等を行うための負のフィードバック系を形成し
（誤差がゼロになるように制御を行う。）、共振器の光
路長を制御すれば、その共振状態を保つことができる。
尚、反射光にサイドバンド（側波帯の成分）がなくべく
多く含まれるようにすると、誤差信号の振幅が大きくな
り、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を一般に大きくできる。

【００７０】上記（ＩＩＩ）の実現には、［数１］式に
おいて、「Ｒ1＝Ｒm」となるように各ミラーの反射率を
選定すれば良い。但し、Ｒmの算出には、非線形光学結
晶の波長変換による、周回基本波の高調波（第二高調
波）への変換分も含める必要がある（「W.Kozlovski
他,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.
6,p913 (1988)」を参照。）。また、実際の問題とし
て、波長変換結晶等の光学素子についてのバルク透過
率、コーティング透過率（反射率）、ミラーの反射率等
にバラツキがあることや、経時変化等が原因で、インピ
ーダンスマッチングの状態を長期間に亘って維持するこ
とは難しいが、例えば、Ｒ1の値を、Ｒm値よりもやや小
さめに設定することで、経時変化により損失が増加して
も、周回基本波についてパワーの減少を少なくすること
ができ、高調波発生におけるパワーの減少を抑えること
が可能である。

【００７１】以上に説明した（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）の実
現によって、波長変換効率を高めることができるととも
に、共振状態を安定に維持することが可能になる。

【００７２】次に、非線形光学結晶として、ＢＢＯを用
いる場合の例について、以下に詳述する。

【００７３】先ず、ＢＢＯ結晶の成長法に関して、フラ
ックス法と直接法（Czochralski法）が知られており、
フラックス法は、硼酸バリウムの融解液にフラックスと
呼ばれる添加物を加えて凝固点降下により融液の温度を
下げ、β相を成長させる方法であるが、フラックスが成
長後にＢＢＯ結晶中に残存し易く、点状の欠陥が生じ易
いこと等から、散乱が大きくなるという欠点を有する。
他方、直接法の場合には、成長速度が速い上、フラック
スを使わないため、インクルージョンが少なく、散乱が
少ないため、外部共振器のように、損失を極めて低レベ
ルに維持したい方式の場合には、直接法で製造したＢＢ
Ｏ結晶の方が優れている。

【００７４】また、タイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶
では、第二高調波を発生できる最短入射波長が４１０ｎ
ｍ弱であり、よって発生光の波長が２０５ｎｍ弱になる
（「加藤、レーザ研究、Vol.18,p3 (1990) 」を参
照。）。この場合、基本波を結晶のｃ軸に垂直（位相整
合角θ＝９０゜）又はほぼ垂直方向に入射するＮＣＰＭ
（ノンクリティカル位相整合）であり、相互作用長を長
くできることや、ウォークオフによるビームの変形がな
いこと等の長所を有する。また、結晶長を長く取ること
（例えば、１０ｍｍ以上）によって波長変換効率を高く
することが可能である。特に文献「G.D.Boyd他、Journa
l of Applied Physics,Vol.39,No8,p.3597,(1968)」に
示されるように、結晶長「Ｌ」と、結晶内に集光した場
合のスポット半径「ｗ」（ビーム強度のピークを１とし
たとき、「ｅ^-2」となるときのスポット半径を示す。
尚、「ｅ」は自然対数の底である。）の関数であるコン
フォーカルパラメータ「ｂ」との間に、下式の関係があ
るときに効率が最大になる。

【００７５】

【数４】

【００７６】尚、コンフォーカルパラメータ「ｂ＝ｋ・
ｗ²＝（２πｎ／λ)・ｗ²」において、ｎは基本波屈折
率、λは基本波波長をそれぞれ示す。

【００７７】図１３は横軸にパラメータξ（＝Ｌ／ｂ）
をとり、縦軸に効率「η」をとって、ウォークオフがゼ
ロの場合のグラフを示したものであり、ξがほぼ２．８
４のときに最大効率を示す。

【００７８】つまり、「Ｌ／ｂ」の値がほぼ２．８４に
等しい場合が最も望ましいことになるが、実用上はその
近傍域（５％以内近傍域、１０％以内近傍域等）におけ
る設定も可能である。例えば、効率ηについて、その最
大値ηmaxから約１０％減の範囲（０．９・ηmax）に抑
えるためには、上記文献に従って計算すると、上記［数
４］式から得られるスポット半径ｗ（≒√（Ｌ／（2.84
ｋ））を中心として±４０％以内（図のξ1〜ξ2の範囲
を参照。）に制限することが必要である。つまり、この
範囲であれば、効率低下に関して問題が少ない。尚、Ｂ
ＢＯ結晶の場合に、例えば、波長や屈折率について数値
を代入してみると、Ｌを１０ｍｍ以上として、スポット
半径ｗとしては、「１０√（Ｌ）」μｍを中心として±
４０％以内が好ましいことが分かる（Ｌの単位は「ｍ
ｍ」である。）。

【００７９】ところで、タイプ１で位相整合するＢＢＯ
の実効非線形定数（あるいは実効非線形光学定数であ
り、これを「ｄ_eff」と記す。）については、位相整合
角を「θ」（非線形光学結晶の＋ｃ軸方向と光線方向と
の間になす角度）、ウォークオフを「ρ」とするとき、
有効非線形定数ｄ₃₁を含む項と、有効非線形定数ｄ₂₂を
含む項とによって表され、下式で与えられる。

【００８０】

【数５】

【００８１】ＮＣＰＭの場合には、上式に「θ＝９０
゜」、「ρ＝０゜」を代入することにより、「ｄ_eff＝ｄ
₃₁」である。

【００８２】「庄司、博士論文、東京大学物理工学科(1
998）」、「Handbook of NonlinearOptical Crystals,D
mitriev 他著、3^rd edition,Springer Verlag(1999)」
等の文献によれば、ｄ₃₁の大きさは、ｄ₂₂の大きさに比
べて０．０１８倍しかない（例えば、Miller則を適用し
て、ｄ₂₂の大きさが3.0×10^-12m/Vであれば、ｄ₃₁の大
きさは4.5×10^-14m/Vである。）。よって、ＮＣＰＭと
いう有利な変換を用いたとしても（波長変換ビーム形状
が保存されるという特性をもつ。）、出力がｄ _eff（＝
ｄ₃₁）の二乗にほぼ比例するため、変換効率が低くなっ
てしまう。

【００８３】例えば、外部共振器のエンハンスメントフ
ァクター（増倍率）を２００にしても（フィネス６００
程度）、応用面で通常必要な１ｍＷの出力を得るために
は、レーザー光源１の出力に関して、波長４０９．５ｎ
ｍでの平均入射パワーが１００ｍＷ以上必要となる。一
例として、１２０ｍＷのレーザー光源を用いて、フィネ
ス２００程度の外部共振器に結合効率８０％（モードマ
ッチング及びインピーダンスマッチングを含む）でレー
ザービームが外部共振器に入射されて、ここで増倍され
る場合の出力は０．７ｍＷ程度である。

【００８４】一方、この変換効率では、レーザー光源に
課せられる負荷が大きく、低価格の光源として利用する
には効率の向上が必要である。

【００８５】上記の［数５］［ａ］式から分かるよう
に、右辺については、第１項が「ｄ₃₁・ｓｉｎ(θ＋
ρ)」であり、第２項が「−ｄ₂₂・ｃｏｓ（θ＋ρ)」で
あるので、両者が異符号の関係になる場合には、一方か
ら他方が減算される結果として、実効非線形定数「ｄ
_eff」の絶対値は、大きい方の項のみの場合よりも小さ
くなる。しかしながら、これら２項がお互いに足し合わ
される関係（つまり、各項の符号が同じ関係）であれ
ば、実効非線形定数「ｄ_eff」の絶対値が大きくなり、
出力が大きくなるので、変換効率を高くすることが可能
である。［数５］［ｂ］式についても同様である。

【００８６】図１４は、横軸に位相整合角θをとり、縦
軸には、実効非線形定数「ｄ_eff」（単位：「ｐｍ／
Ｖ」。「ｐ」はピコ（１０^-12）を示す。）の大きさ
（絶対値）と、その二乗値「ｄ_eff^2」（ＮＣＰＭ、つ
まり、「θ＝９０゜、ρ＝０゜」のときの、ｄ_effの二乗
値を「１００」とした相対値で示す。）を両側にとって
示したものであり、実線で示すグラフが「ｄ_eff」（の
絶対値）を示し、破線で示すグラフがその二乗値を示し
ている。尚、同図において、位相整合角がθ＜９０゜の
範囲では、上記第１項と第２項が加算される（足し合
う）ためにＮＣＰＭのときよりも、ｄ_eff値（絶対値）
が大きくなり、また、θが約９１゜よりも大きい範囲で
は、第１項と第２項が互いに引き合ってＮＣＰＭのとき
よりも、ｄ_eff値（絶対値）が大きくなる。波長変換に
よる基本波の損失が他の共振器損失に比べて無視できる
程小さい場合には、ＢＢＯによる第二高調波の出力がｄ
_effの二乗に比例するため、ｄ_effの最小値に関して、θ
が小さくなる方向に進んでも、θが大きくなる方向に進
んでもｄ_effの大きさが次第に増加していくが、θ＜９
０゜の範囲の方（項加算の場合）が増加の度合いが大き
いことが分かる。ｄ₂₂、ｄ₃₁の符号については、互いに
異符号であるとしたが、同符合の場合には上記第１項と
第２項との足し合い（引き合い）の関係が逆になること
に注意を要する。

【００８７】下表には、位相整合角９０゜及びその近辺
における、実効非線形定数及びその二乗値、有効非線形
定数（ｄ₂₂、ｄ₃₁）、ウォークオフ、位相整合する基本
波の波長及び屈折率を示す。

【００８８】

【表１】

【００８９】上表中に示す定数ｄ₂₂、ｄ₃₁については、
Miller則による補正が施されている。尚、「^」はべき
乗を意味する。

【００９０】位相整合角９０゜及びその近辺における、
基本波波長（出力光の波長については第二高調波波長で
あり、その半分である。）と基本波屈折率を下表２に示
す。

【００９１】

【表２】

【００９２】例えば、基本波波長を４１０．７５ｎｍの
場合に、位相整合角を８５．１゜とすると、実効非線形
定数の大きさが０．２５となって、計算上ではｄ₃₁（Ｎ
ＣＰＭの場合）の約５．４倍になる。出力は実効非線形
定数のほぼ二乗に比例するので、計算上では２９倍程度
になる筈であるが、実際には８倍程度の増加となる。こ
れは、ウォークオフ等により、ビーム重なり減少、最適
スポット径の変化等が引き起こされることに依る。

【００９３】ＮＣＰＭの場合、例えば、図１５に示すよ
うに、ビーム強度に関して綺麗なガウシアン分布が得ら
れるが（ｘ軸及びｙ軸からなる２次元直交座標を平面に
設定した場合に、図では、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：
ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー
「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ²)をとって示しており、ｘ
軸、ｙ軸についてのスポット半径が等しい。）、ＮＣＰ
Ｍでない場合であっても、位相整合角θが、例えば、８
８゜以上（あるいは９２゜以下）であれば、ほぼ円形状を
したビームを得ることができる。

【００９４】位相整合角θが８８゜より小さくなり、あ
るいは９２゜より大きくなるに従って、ビーム形状の変
化が問題となってくる。つまり、入射ビームが円形状で
あったとしても、ウォークオフのために波長変換後のビ
ーム形状が変化してしまう。

【００９５】図１６は位相整合角θ＝８５．１゜の場合
について、図１５と同様にビームの分布形状例を示した
ものであり、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をと
り、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単
位：Ｗ／ｃｍ²)をとって示している。

【００９６】図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ１は、横
軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向か
ら見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をも
っている。

【００９７】これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ
曲線Ｇ２は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つま
り、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝
０よりやや正方向にずれた位置にピークをもつ非対称性
の形状である。

【００９８】図１７は位相整合角θ＝８０．３゜の場合
について、ビームの分布形状例を示したものであり、横
軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面
積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ²)を
とって示している。

【００９９】図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ３は、横
軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向か
ら見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をも
っている。

【０１００】これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ
曲線Ｇ４は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つま
り、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝
０よりややずれた位置にピークをもつ非対称性の形状で
あって、その横幅（ｙ軸方向の幅）が図１６に示すグラ
フ曲線Ｇ２の幅よりも大きくなっていることが分かる。

【０１０１】このようなビーム形状の変化については、
ビーム出力に対して配置される光学系の設計により、あ
る程度カバーすることができる（つまり、コヒーレント
光源故に基本的には光学設計によってビームの形状補正
が可能である。）が、光学系での負担等を考慮すると、
実用上は位相整合角を８０゜以上、あるいは、１００゜以
下の範囲に設定することが好ましい。尚、当該範囲の臨
界値（８０゜又は１００゜）に関しては、軸対称の入力ビ
ーム（レーザー光源１からの入射ビーム）から得られる
出力光の縦横比が約１：１０に対応している（例えば、
３３μｍの入力ビーム半径から、約１：１０の楕円ビー
ムが得られるときの位相整合角θが８０゜あるいは１０
０゜程度である。）ことからも根拠付けることができ、
位相整合角が８０゜よりも小さくなるか、あるい１００゜
よりも大きくなると、縦横比が悪化して光学的な補正が
難しくなる。また、例えば、光学ディスク用のＩｎＧａ
Ｎ（インジウムガリウムナイトライド）レーザーでは４
００乃至４１５ｎｍ程度の波長帯（但し、４００乃至４
０９ｎｍではＢＢＯの冷却を必要とする。）で開発が進
んでおり、位相整合角に係る上記範囲によって当該波長
帯を実用上十分にカバーできる。

【０１０２】以上をまとめると、タイプ１で位相整合す
るＢＢＯ結晶の場合に、ＮＣＰＭでない場合の位相整合
角については、８０゜以上９０゜未満（あるいは９０゜を
越え１００゜以下）の範囲で設定することが好ましいと
言える。尚、その際、半導体レーザー１については５０
ｍＷ以上の出力を有するものが実用上望ましい。

【０１０３】しかして、上記に説明した構成によれば、
下記に示す利点が得られる。

【０１０４】・紫外光を出力する半導体レーザーと、Ｂ
ＢＯ結晶等の非線形光学結晶をうまく組み合わせること
により、波長２００ｎｍ付近の深紫外線を最小回数（望
ましくは１回）の波長変換で得ることができるため、効
率が高く、消費電力の低減、冷却装置の小型化等に適し
ている。また、装置全体のサイズを小さくできるので、
コストの削減や低価格化にといって有利である。

【０１０５】・ＮＣＰＭでない場合に、位相整合角を９
０゜から少しずらした設定にして実効非線形定数が大き
くなる方向（好ましくは、上記［数５］式に示す実効非
線形定数の表式において、項同士が同符合となって足し
合う関係となる方向）に、位相整合をとるといった分析
と工夫により、ＮＣＰＭの場合に比して効率をさらに高
めることができる。

【０１０６】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項１に係る発明によれば、窒化ガリウムを含む
半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの出力
光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を利用
して短波長のレーザー光を得ることができる。よって、
保守性は勿論、小型化及び効率面で優れている。

【０１０７】請求項２に係る発明によれば、硼酸バリウ
ム結晶を用いた第二高調波発生について効率良く１回の
波長変換で短波長のレーザー光を得ることができるの
で、高次の高調波発生や複数段階に亘る波長変換が不要
になる。

【０１０８】請求項３に係る発明によれば、硼酸バリウ
ム結晶をＯ゜Ｃ以下の温度に保持することによってさら
に短波長のレーザー光を得ることができる。

【０１０９】請求項４、６に係る発明によれば、硼酸バ
リウム結晶のノンクリティカル位相整合で波長変換を行
う場合における変換効率をほぼ最大にすることができ
る。

【０１１０】請求項５、７に係る発明によれば、ノンク
リティカル位相整合で波長変換を行う場合の変換効率を
最大値の１０％以内に抑えることができる。

【０１１１】請求項８、９に係る発明によれば、ノンク
リティカル位相整合でない場合について位相整合角の範
囲を限定することで変換効率を高めることができる。

【０１１２】請求項１０に係る発明によれば、実効非線
形定数の表式において、２つの項が互いに加算される関
係となるように設定することで、実効非線形定数が大き
くなり、これにより変換効率を高めることができる。

【０１１３】請求項１１に係る発明によれば、損失を低
く抑えることができるので、外部共振器に配置される結
晶に適している。

【０１１４】請求項１２に係る発明によれば、波長変換
された出力を実用レベルにすることができる。

【０１１５】請求項１３に係る発明によれば、単一波長
について波長変換を効率良く行うことができる。

【０１１６】請求項１４に係る発明によれば、小型化及
び低価格化を図ることができる。

【０１１７】請求項１５に係る発明によれば、半導体レ
ーザー素子の内部構造ではなく、グレーティング等を用
いた外部制御によって縦単一モード化されたレーザー光
源を得ることができる。

【０１１８】請求項１６に係る発明によれば、外部共振
器内に入射光を効率良く導入することができる。

【０１１９】請求項１７に係る発明によれば、外部共振
器の構成が簡単になり、またロッキングに必要な駆動機
構が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る構成例を示す図である。

【図２】非線形光学結晶の冷却構造について概要を示す
図である。

【図３】非線形光学結晶の冷却構造について別例を示す
図である。

【図４】本発明に係る構成の一例を示す図である。

【図５】本発明に係る構成の別例を示す図である。

【図６】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線
形光学結晶内での全反射を利用した例を示す。

【図７】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線
形光学結晶のみで外部共振器を構成した例を示す。

【図８】相対反射率のδ依存性を示すグラフ図である。

【図９】相対反射率のδ依存性について要部を拡大して
示す図である。

【図１０】相対透過率のδ依存性を示すグラフ図であ
る。

【図１１】位相変調器及び光検出器を含む制御系につい
ての説明図である。

【図１２】エラー信号のδ依存性を示す図である。

【図１３】効率について説明するための概略的なグラフ
図である。

【図１４】位相整合角θと、実効非線形定数の大きさ及
びその二乗値との関係を示すグラフ図である。

【図１５】ＮＣＰＭの場合において、ビームの強度分布
の一例を示すグラフ図である。

【図１６】位相整合角θ＝８５．１゜の場合について、
ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。

【図１７】位相整合角θ＝８０．３゜の場合について、
ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザー、９、９Ａ…温度制御手段、１０…
外部共振器、１５…非線形光学結晶、２３…制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の波長のレーザー光を出力する、窒
化ガリウムを含む半導体レーザーと、非線形光学結晶を
用いた外部共振器を備えており、上記半導体レーザーの出力光が上記外部共振器に導入さ
れるとともに、上記非線形光学結晶を経ることで、上記
第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線を発生させる
ことを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項２】請求項１に記載したレーザー光発生装置
において、非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バ
リウム（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶を用いるとともに、半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入し
て共振を維持するための制御手段を備えていることを特
徴とするレーザー光発生装置。
【請求項３】請求項２に記載したレーザー光発生装置
において、硼酸バリウム結晶をＯ゜Ｃ以下の温度に保持する温度制
御手段を設けるとともに、第二高調波発生により紫外線
のレーザー光を出力するようにしたことを特徴とするレ
ーザー光発生装置。
【請求項４】請求項２に記載したレーザー光発生装置
において、硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で、結晶
長「Ｌ」が１０ｍｍ以上とされ、コンフォーカルパラメ
ーターｂ（「ｂ＝（２πｎ／λ）・ｗ²」であり、
「ｎ」は基本波屈折率、「λ」は基本波波長をそれぞれ
示し、「ｗ」は結晶内に集光した場合のスポット半径で
あり、ビーム強度のピークを１としたときに「ｅ^-2」と
なるときの半径を示す。）との関係について、「Ｌ／
ｂ」の値がほぼ２．８４に等しいか又はその近傍に設定
されていることを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項５】請求項４に記載したレーザー光発生装置
において、「ｋ＝２πｎ／λ」と記すとき、スポット半径「ｗ」が√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心とし
て±４０％以内に設定されていることを特徴とするレー
ザー光発生装置。
【請求項６】請求項３に記載したレーザー光発生装置
において、硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で、結晶
長「Ｌ」が１０ｍｍ以上とされ、コンフォーカルパラメ
ーターｂ（「ｂ＝（２πｎ／λ）・ｗ²」であり、
「ｎ」は基本波屈折率、「λ」は基本波波長をそれぞれ
示し、「ｗ」は結晶内に集光した場合のスポット半径で
あり、ビーム強度のピークを１としたときに「ｅ^-2」と
なるときの半径を示す。）との関係について、「Ｌ／
ｂ」の値がほぼ２．８４に等しいか又はその近傍に設定
されていることを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項７】請求項６に記載したレーザー光発生装置
において、「ｋ＝２πｎ／λ」と記すとき、スポット半径「ｗ」が√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心とし
て±４０％以内に設定されていることを特徴とするレー
ザー光発生装置。
【請求項８】請求項２に記載したレーザー光発生装置
において、ノンクリティカル位相整合でない場合の位相整合角につ
いて、８０゜以上９０゜未満あるいは９０゜を越え１００゜
以下の値に設定されていることを特徴とするレーザー光
発生装置。
【請求項９】請求項３に記載したレーザー光発生装置
において、ノンクリティカル位相整合でない場合の位相整合角につ
いて、８０゜以上９０゜未満あるいは９０゜を越え１００゜
以下の値に設定されていることを特徴とするレーザー光
発生装置。
【請求項１０】請求項２に記載したレーザー光発生装
置において、実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数
ｄ₂₂を含む項と、有効非線形定数ｄ₃₁を含む項とによっ
て表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含
む位相整合角が設定されていることを特徴とするレーザ
ー光発生装置。
【請求項１１】請求項２に記載したレーザー光発生装
置において、硼酸バリウム結晶が直接法によって成長されたものであ
ることを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項１２】請求項１に記載したレーザー光発生装
置において、半導体レーザーが、５０ミリワット以上の出力を有する
ことを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項１３】請求項１に記載したレーザー光発生装
置において、半導体レーザーが、ほぼ縦単一モードで発振することを
特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項１４】請求項１３に記載したレーザー光発生
装置において、半導体レーザーが、分布帰還型又は分布反射型の構造を
有していることを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項１５】請求項１３に記載したレーザー光発生
装置において、半導体レーザーの出力光の一部が分光又は回折されて帰
還する外部制御型の構成を有していることを特徴とする
レーザー光発生装置。
【請求項１６】請求項１３に記載したレーザー光発生
装置において、半導体レーザーの発振線幅が、外部共振器の透過幅と同
等か又はそれ以下となるように設定されていることこと
を特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項１７】請求項２に記載したレーザー光発生装
置において、外部共振器が硼酸バリウム結晶のみで形成されており、
その温度制御により共振状態が維持されることを特徴と
するレーザー光発生装置。