JP2018028633A - パルス光発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パルス幅が1ns以下のパルスレーザー光発生装置2と、水晶板の積層体6を組み合わせて用いる。水晶板は、損傷に強い反面、波長変換効率が低いという問題点を備えているところ、パルス幅が1ns以下にまで短くなると、エネルギーの時間的集中度が高まってレーザー光強度が上昇する。波長変換は非線形現象であり、入力するレーザー光強度が上昇すると変換効率が上昇する。上記組み合わせによると、「パルス幅の短時間化によって上昇したレーザー光強度×上昇した変換効率」の関係が得られ、高強度の波長変換光が得られる。
【選択図】図1
Description
実際に、水晶板を単純に厚くしても波長変換効率が低く、LNやLBOに代わる存在にはなり得ない。非特許文献1では、波長変換効率を上げるために、水晶板を積層する技術を開示している。この技術では、隣接する水晶板の結晶軸方向が反転する関係で、複数枚の水晶板を積層する。この技術によると波長変換効率が上昇する。そうした工夫をしても、水晶板による波長変換効率はなおも低く、水晶板によって波長変換する技術は実用化に至らなかった。LNやLBOに代わる存在にはなりえないと認識されてきた。非特許文献1の技術は、発表後40年が経過した今も実用化されていない。
非特許文献1の技術が研究されていた当時に入手可能なレーザー光は10MW程度であった(パルス幅が10nsであり、パルスエネルギーが100mJ程度であった)。これを面積1mm2に集光した場合の強度は1GW/cm2程度である。すなわち、当時に入手可能なレーザー光の最大強度は1GW/cm2程度であった。その後に、レーザー光の集光面積を小面積化して単位面積当たりのエネルギー密度を高める技術開発が進み、またパルスレーザー光のパルス幅を短くして単位時間当たりのエネルギー密度を高める技術開発が進み、発明者らは50GW/cm2以上の高強度パルスレーザー光の発生に成功した。明らかに、前者は低強度であり、後者は高強度である。
「従来の波長変換光強度=波長変換前の光強度(低強度)×波長変換効率(at 低強度)」
それに対して本技術で入手可能な波長変換光の強度は次式となる。
「本技術による波長変換光強度=波長変換前の光強度(高強度)×波長変換効率(at 高強度)」
二次光に変換する1段目の波長変換素子では水晶板の厚みを厚くし、三次光に変換する2段目の波長変換素子では水晶板の厚みを薄くする必要がある。
なお、第1膜厚の積層体と第2膜厚の積層体に加えて、第3膜厚の水晶板群の積層体、第4膜厚の水晶板群の積層体等をさらに積層してもよい。積層する段数には特に制約がない。
ここでいう略長方形には、長方形の一つの頂点の近傍を切り欠いた形状、長方形を形成する4辺のうちの1辺を傾斜させた形状、あるいは、4辺のうちの一辺が非対称な曲線で形成されている形状等が含まれる。
ここでいうマーキングは、水晶板の表裏と回転角が判明する目印をいい、水晶板に施した加工または印刷による痕跡、あるいは水晶板の形状による目印等をいう。例えば、x軸に直交する面に沿ってカットした水晶板のx軸が手前に向かって延び、y軸が上方に延び、z軸が左方に向かって延びる姿勢においた際の左上方の頂角を切り欠いた場合、その切欠きを左上方におけば、その姿勢が再現される。水晶板の表裏が反転してx軸が奥側を向けば、切欠きは左下方または右上方に位置し、左上方には位置しない。切欠きが左下方に位置すれば、x方向とy方向が反転し、z方向は反転していないことが判明する。なお、水晶板を洗浄することがある。マーキングは、洗浄しても消去されないものであることが好ましい。
(特徴1)各水晶板は、x軸に直交する面が広く、y軸に直交する面とz軸に直交する面が水晶板の側面を構成している。
(特徴2)各水晶板は、y軸とz軸を含む面が広い。
(特徴3)隣接する水晶板を比較すると、x軸とy軸の方向が逆向きであり、z軸の方向が揃っている。
(特徴4)隣接する水晶板を比較すると、x軸とz軸の方向が逆向きであり、y軸の方向が揃っている。
(特徴5)各水晶板は長方形であり、4隅のうちの1頂点が切欠かれている。
(特徴6)水晶板の1枚当たりの枚数は、2倍波(周波数が2倍の光)に変換する効率が高い厚みに調整されている。
(特徴7)水晶板には周波数が異なる2色の光(周波数がω1,ω2)が入力する。水晶板の1枚当たりの枚数は、ω1+ω2の周波数の光に変換する効率が高い厚みに調整されている。
(特徴8)波長変換前の光と波長変換後の光に対する反射率が相違する鏡を利用して、波長変換前の光と波長変換後の光に分離する。
図1では、半導体レーザー装置2aと発光結晶2c、発光結晶2cと受動Qスイッチ2d、受動Qスイッチ2dと反射鏡2eの各々が直接に接するように図示されているが、相互間に間隔をあけてもよい。また、半導体レーザー装置2aと発光結晶2cの間にファイバを配置し、ファイバによって励起用レーザー光を発光結晶2cに導入してもよい。
図3は、水晶板の枚数(横軸)と、波長変換後のパルス光のエネルギー(縦軸、パルスあたりのエネルギー、以下同じ。)の関係を示す。入力したパルスレーザー光のエネルギーは、2.3mJとした。枚数が多いほど波長変換後の光のエネルギーは増大する。後記するように、波長変換効率は低く、枚数を増やしても1%程度にとどまる。その範囲では水晶板の枚数を増やすほど変換後の光のエネルギーが増大する。本実施例では、12枚の水晶板を積層して波長変換素子6とした。
図5は、図4の横軸を波長変換前のパルスレーザー光の単位面積あたりの強度に変換し、図4の縦軸を波長変換効率に変換したものである。明らかに、パルスレーザー光の強度が上昇するほど、変換効率が上昇することが分かる。なお段落0013に記載した従来の波長変換前のパルスレーザー光強度(1GW/cm2)における変換効率は、0.0001%程度であり、図5に図示すると原点に位置することになる。
波長変換後のパルス光の強度は、波長変換前の光強度×波長変換効率に比例する。波長変換前のパルスレーザー光強度が上昇すれば、第1項のみならず第2項も上昇する。これによって、波長変換前のパルスレーザー光強度が50GW/cm2にも達すると、波長変換効率が低い水晶といえども、必要とされる強度の波長変換光を得ることが可能となる。例えば、1064nmのレーザー光を532nmの緑色光に変換して、緑色光を利用する医療器具に提供することが可能となる。また、半導体加工装置が利用する193nmの光に変換することもできる。
なお、図6では、切欠きAのサイズが実際よりも拡大して表示している。切欠きAは、マーキングの機能を発揮する範囲で、小型化すればよい。
本明細書でいう略長方形状は、図6に限定されない。図12(a)に示すように、長方形を構成する4辺のうちの1辺が傾斜していてもよいし、図12(b)に示すように、長方形を構成する4辺のうちの1辺が左右非対称の曲線となっていてもよい。
左側の積層体に周波数がω1の光が入力すると、図6で説明したようにω1と2×ω1の光が得られ、それが右側の積層体に入力される。右側の積層体では、図7で説明したように、ω1,2×ω1の光をω1+2×ω1=3×ω1の光に変換する現象が得られる。図8の波長変換素子からは、ω1(波長変換前の光),2×ω1(左側の積層体で波長変換され、右側の積層体で波長変換されない光)と3×ω1(右側の積層体で波長変換された光)の光が出力される。
図8の右側の積層体を構成する単位水晶板の厚みを、図6に示した2倍波に変換するものとし、2×ω1の光を4×ω1の光に変換する現象が優越的に得られるようにすることもできる。この場合は、ω1(波長変換前の光),2×ω1(左側の積層体で波長変換され、右側の積層体で波長変換されない光)と4×ω1(右側の積層体で波長変換された光)の光が出力される。
図10のように、筒状の容器14に積層体6を収容してもよい。
あるいは図11に示すように、積層体6の側面に露出する水晶板同士の境界線に沿って接着剤を塗布して硬化させてもよい。水晶板同士の接触面には侵入せず、境界線を覆った状態で固化する接着剤が存在し、それを利用して図11の積層体6を実現することができる。
なお図6から図11では、切欠きAの図示を省略している。
変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
例えば水晶板の各々の表面を活性化した後に低温接合して分子レベルで一体化してもよい。あるいは、隣接する水晶板同士を、x軸とz軸が反転し、y軸が揃う関係で積層してもよい。変換効率の点からは、隣接する水晶板同士のx軸が反転する関係が重要であり、y軸とz軸の関係は変換効率に大きな影響を与えない。また図1の構成では集光レンズ4を利用するが、パルスレーザー光発生装置2と波長変換素子6を積層することができる。パルスレーザー光発生装置2内における励起光照射装置によって、波長変換素子6に入力するパルスレーザー光のビーム径を細く絞ることが可能であり、集光レンズ4を省略することができる。
4:集光レンズ
6:波長変換素子
8:波長変換前の光を透過し、波長変換後の光を反射する鏡
10:波長変換前のパルスレーザー光
12:波長変換後のパルス光
14:容器
Claims (5)
- パルスレーザー光発生装置と、そのパルスレーザー光発生装置が発生したパルスレーザー光を入力して波長変換したパルス光を出力する波長変換素子を備えており、
前記波長変換素子に入力するパルスレーザー光の強度が50GW/cm2以上であり、
前記波長変換素子は、隣接する水晶板の結晶軸方向が反転する関係で、複数枚の水晶板を積層したものであることを特徴とするパルス光装置。 - 前記パルスレーザー光の1パルスあたりのエネルギーが2mJ以上であり、パルス幅が10ps〜1nsであり、前記波長変換素子に入力するパルスレーザー光の強度が50〜400GW/cm2であることを特徴とする請求項1に記載のパルス光発生装置。
- 前記水晶板のx軸に直交する面同士が対向し、隣接する水晶板のx軸方向が逆向きの関係で積層したことを特徴とする請求項1または2に記載のパルス光装置。
- 第1膜厚の水晶板群の積層と第2膜厚の水晶板群の積層が積層されており、
第1膜厚が第2膜厚より厚く、
第1膜厚側に前記パルスレーザー光が入力し、第2膜厚側から前記パルス光が出力される請求項1〜3のいずれかの1項に記載のパルス光発生装置。 - 各々水晶板は略長方形であり、x軸、y軸、z軸を揃えた姿勢において同じ位置にマーキングが施されており、隣接する水晶板のマーキング位置が異なっているとともに一枚おきに揃っているという規則に従って積層したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかの1項に記載のパルス光発生装置。
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