JP4849417B2

JP4849417B2 - 波長変換装置および波長変換レーザ装置

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Publication number: JP4849417B2
Application number: JP2007300641A
Authority: JP
Inventors: 哲夫小島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2009128435A

Description

本発明は、非線形光学結晶によりレーザの波長を変換する波長変換装置、およびこの波長変換装置を用いた波長変換レーザ装置に関する。

従来の波長変換装置は、所定の波長の光源と２個の同一な非線形光学結晶とを備えて構成されている。この２個の同一な非線形光学結晶は、３本の結晶軸方向を全く同一とし、一方の結晶だけｃ軸を光の進行方向（位相整合が満足される方向）を中心に１８０度回転させた状態をとるように配置されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の別の波長変換装置は、使用レーザ波長に対して非線形光学材料を位相整合角のとれた方位で有効結晶以下の層に加工し、入射レーザ光の光軸に対して各層を１８０°回転させながら積層し、一体化させている（例えば、特許文献２参照）。

特開平３−１００６３０号公報特開平６−２６５９５０号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような従来の波長変換装置においては、上述したように、２個の同一な非線形光学結晶は、３本の結晶軸方向を全く同一とし、一方の結晶だけｃ軸を光の進行方向を中心に１８０度回転させた状態をとるように配置されていた。すなわち、非線形光学結晶内部で生じるウォークオフ効果の方向が、逆方向となるように配置されていた。

そのため、２つの非線形光学結晶の間にレンズを配置した場合には、後段の非線形光学結晶内部において、基本波レーザビームと前段の非線形光学結晶で発生した高調波レーザビームとの重なりが小さくなる。この結果、前段の非線形光学結晶での波長変換効率が低くなるという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームの得られる波長変換装置および波長変換レーザ装置を提供することを目的としている。

本発明に係る波長変換装置は、波長変換用の２つの非線形光学結晶と、２つの非線形光学結晶の間に配置されるレンズとを有し、基本波レーザビームの高調波レーザビームを発生させる波長変換装置において、２つの非線形光学結晶を直列に並べ、２つの非線形光学結晶で生じるそれぞれのウォークオフの方向を基本波レーザビームの光軸に対して同一方向とし、かつ、後段に配置される非線形光学結晶を、レンズの位置から、レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置するものである。

本発明によれば、後段の非線形光学結晶内部において、基本波レーザビームと前段の非線形光学結晶で発生した高調波レーザビームとの重なりが大きくなるように、２つの非線形光学結晶および２つの非線形光学結晶の間のレンズの配置を工夫することにより、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームが得られる波長変換装置を提供することができる。

以下、本発明の波長変換装置および波長変換レーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における波長変換装置とレーザ光源とを備えた波長変換レーザ装置の側面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図２（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、図１の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。

図１における波長変換レーザ装置は、基本波レーザビーム３を発生するレーザ光源２と、波長変換装置とで構成される。そして、波長変換装置は、直列に配置された２つの波長変換用の非線形光学結晶（以下、波長変換結晶とも称す）１Ａ、１Ｂと、２つのレンズ６Ａ、６Ｂと、基本波レーザビーム３を反射し高調波レーザビーム３Ｂを透過する分離ミラー８とを備えている。

このような波長変換装置では、レーザビームをレンズ６Ａ、６Ｂそれぞれにより、２つの波長変換結晶１Ａ、１Ｂのそれぞれに集光して波長変換する。

２つの波長変換結晶１Ａ、１Ｂは、それぞれ温度調節器４Ａ、４Ｂ上に、レーザ光源２の光軸に対して直列に並べて配置されている。また、２つのレンズ６Ａ、６Ｂは、それぞれレンズホルダー７Ａ、７Ｂ上に配置されている。さらに、分離ミラー８は、ミラーホルダー９上に配置されている。また、レーザ光源２、温度調節器４Ａ、４Ｂ、レンズホルダー７Ａ、７Ｂ、およびミラーホルダー９は、共通の基台５上に配置されている。

レーザ光源２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）やＮｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウム・ワイヴイオーフォー）を活性媒質としてもち、直線偏光で波長１０６４ｎｍの基本波レーザビーム３を発生する。また、２つの波長変換結晶１Ａ、１Ｂは、例えば、リチウム・ボレイト（化学式：ＬｉＢ_３Ｏ_５、略称：ＬＢＯ）等の非線形光学結晶からなる。

次に、図１に示した波長変換レーザ装置の動作について説明する。レーザ光源２から発生され、波長変換の基本波となる基本波レーザビーム３は、レンズ６Ａにより適切なビーム径で波長変換結晶１Ａ内部にビームウエストを持つように集光される。さらに、集光された基本波レーザビーム３は、前段に配置された波長変換結晶１Ａに入射する。

温度調節器４Ａにより波長変換結晶１Ａの温度を調節することにより、波長変換結晶１Ａに入射した基本波レーザビーム３は、位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム３の一部は、２倍高調波に波長変換された２倍高調波からなる高調波レーザビーム３Ａとなる。

波長変換結晶１Ａを通過した基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａは、レンズ６Ｂにより適切なビーム径で、波長変換結晶１Ｂ内部にビームウエストを持つように集光される。そして、集光された基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａは、後段に配置された波長変換結晶１Ｂに入射する。

温度調節器４Ｂにより波長変換結晶１Ｂの温度を調節することにより、波長変換結晶１Ｂに入射した基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａは、位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａの一部は、和周波に波長変換された３倍高調波からなる高調波レーザビーム３Ｂとなる。

波長変換結晶１Ｂを通過した基本波レーザビーム３、２倍高調波レーザビーム３Ａ、および３倍高調波レーザビーム３Ｂは、分離ミラー８に入射する。そして、入射した３つのビームのうち、基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａは、反射されて図には記載していないダンパー等に入射し、３倍高調波レーザビーム３Ｂのみが透過し、波長変換レーザ装置の外部に取り出される。

次に、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて、波長変換結晶１Ａ、１Ｂ、レンズ６Ｂの配置方法、およびレーザビームの伝搬について詳細に説明する。なお、ここでは、レーザ光源２として、直線偏光で波長１０６４ｎｍの基本波レーザビーム３を発生するＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）レーザを用いた。

また、波長変換結晶１Ａとして、タイプ１位相整合により基本波レーザビーム３の一部を波長５３２ｎｍの２倍高調波レーザビーム３Ａに波長変換するリチウム・ボレイト（化学式：ＬｉＢ_３Ｏ_５、略称：ＬＢＯ）結晶を用いた。また、波長変換結晶１Ｂとして、タイプ２位相整合により基本波レーザビーム３と２倍高調波レーザビーム３Ａの一部を和周波により波長３５５ｎｍの３倍高調波レーザビーム３Ｂに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いた。

基本波レーザビーム３および３倍高調波レーザビーム３Ｂは、実線で示す光軸により光路が示されており、２倍高調波レーザビーム３Ａは、破線で示す光軸により光路が示されている。また、波長変換結晶１Ａ、１Ｂは、基本波レーザビーム３に対し、ほぼ垂直入射するように配置されている。

この場合、波長変換結晶１Ａであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Ｚに垂直で、誘電主軸Ｘと誘電主軸Ｙからなる面内において誘電主軸Ｘからの角度φが約１１．４°の方向に、誘電主軸Ｚ方向の偏光方向を持った直線偏光の基本波レーザビーム３を通過させる。

ここで、波長変換結晶１Ａの温度を調節することにより、基本波と２倍高調波のタイプ１位相整合条件を満たすこととなり、直線偏光の基本波レーザビーム３の一部が波長変換されて誘電主軸Ｘと誘電主軸Ｙからなる面内の偏光方向を持った直線偏光の２倍高調波レーザビーム３Ａが発生する。

この際、２倍高調波レーザビーム３Ａは、ウォークオフ効果により波長変換結晶１Ａの内部においては、誘電主軸Ｘ、誘電主軸Ｙからなるウォークオフ効果が生じる面１０Ａ内で、基本波レーザビーム３の光軸から誘電主軸Ｙ方向にずれた光軸で発生する。また、２倍高調波レーザビーム３Ａの波面は、基本波レーザビーム３と同じで保存されているため、２倍高調波レーザビーム３Ａは、波長変換結晶１Ａの外部では、基本波レーザビーム３の光軸と平行の光軸となって伝搬する。

波長変換結晶１Ａを通過した基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａは、レンズ６Ｂにより集光されて、波長変換結晶１Ｂに入射する。波長変換結晶１Ｂは、波長変換結晶１Ａ内部でビームウエストを持ったレーザビームを、レンズ６Ｂにより再度波長変換結晶１Ｂ内部にビームウエストを持つようにするために、レンズ６Ｂから、レンズ６Ｂの焦点距離よりも離れた位置に配置されている。

この際、２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸は、レンズ６Ｂからレンズ６Ｂの焦点距離に相当する位置において、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘ、誘電主軸Ｙからなる面内で基本波レーザビーム３の光軸と交差する。この結果、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸との位置関係は、レンズ６Ｂに入射する前の位置関係と入射後の位置関係とで、逆の位置関係となる。

すなわち、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘと誘電主軸Ｙからなる面内において、２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸が、基本波レーザビーム３の光軸より波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｙ側に寄っている状態（入射前の位置関係）から、２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸が、基本波レーザビーム３の光軸より波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘ側に寄っている状態（入射後の位置関係）に変わる。

次に、波長変換結晶１Ｂであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Ｘは、波長変換結晶１Ａであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Ｚと同方向になるように配置されている。すなわち、波長変換結晶１Ａのウォークオフ効果が生じる面１０Ａと波長変換結晶１Ｂのウォークオフ効果が生じる面１０Ｂが同一面となり、波長変換結晶１Ａのウォークオフ効果が生じる方向と、波長変換結晶１Ｂのウォークオフ効果が生じる方向とが基本波レーザビーム３の光軸から見て同方向になるように配置されている。

そこで、波長変換結晶１Ｂの誘電主軸Ｙと誘電主軸Ｚからなる面内で、誘電主軸Ｚからの角度θが約４２．５°の方向に誘電主軸Ｘ方向の偏光方向を持った直線偏光の基本波レーザビーム３と、誘電主軸ＹＺ面内の偏光方向を持った直線偏光の２倍高調波レーザビーム３Ａとを通過させる。

さらに、波長変換結晶１Ｂの温度を調節することにより、基本波、２倍高調波と３倍高調波のタイプ２位相整合条件を満たすこととなり、基本波レーザビーム３と２倍高調波レーザビーム３Ａの一部が波長変換されて、誘電主軸Ｘ方向の偏光方向を持った直線偏光の３倍高調波レーザビーム３Ｂが発生する。

この際、２倍高調波レーザビーム３Ａは、ウォークオフ効果により波長変換結晶１Ｂの内部においては、誘電主軸Ｙ、誘電主軸Ｚからなるウォークオフ効果が生じる面１０Ｂ面内で、基本波レーザビーム３の光軸から誘電主軸Ｚ方向にずれた光軸で伝搬する。なお、基本波レーザビーム３および３倍高調波レーザビーム３Ｂは、ウォークオフ効果を受けず、波長変換結晶１Ｂ内を同軸で伝搬する。

以上のように、実施の形態１によれば、前段の波長変換結晶および後段の波長変換結晶をそれぞれの波長変換結晶で生じるウォークオフ効果の方向が同方向となるように配置し、また、前段の波長変換結晶と後段の波長変換結晶との間にレンズを配置し、かつ、後段の波長変換結晶をレンズの位置から、レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置している。

このような配置構成をとることにより、前段の波長変換結晶を出射した時点での基本波レーザビームの光軸に対する２倍高調波レーザビームの光軸の位置関係と、後段の波長変換結晶に入射する時点での基本波レーザビームの光軸に対する２倍高調波レーザビームの光軸の位置関係とが逆となる。

従って、後段の波長変換結晶を通過する時に、２倍高調波レーザビームの光軸が、ウォークオフ効果により、基本波レーザビームの光軸に近づく方向にずれ、基本波レーザビームと２倍高調波レーザビームとの重なりが大きくなる。この結果、高い波長変換効率が得られるとともに、円形に近い形状のビームが得られるという効果がある。

なお、具体的な実験例の結果から、本実施の形態１の波長変換装置の効果をさらに詳しく説明する。以下の説明においては、条件を変えて、第１の実験例と第２の実験例を示し、それらの比較を行う。

第１の実験例
第１の実験例の構成は、先に説明した図２と同様であり、本発明の実施の形態１の技術的特徴である配置構成を備えたものである。この第１の実験例では、レーザ光源２として、Ｑスイッチパルス発振し、直線偏光で波長１０６４ｎｍの基本波レーザビーム３を発生するＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム・ヤグ）レーザを用いた。基本波レーザビーム３の条件は、平均パワー８１Ｗ、パルス繰り返し周波数５０ｋＨｚ、パルス幅８８ｎｓ、ビーム品質Ｍ^２≒１．２であった。

波長変換結晶１Ａとしては、タイプ１位相整合により２倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが１５ｍｍであるリチウム・ボレイト（化学式：ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶を用いた。また、波長変換結晶１Ｂとしては、タイプ２位相整合により３倍高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが１８ｍｍであるリチウム・ボレイト（化学式：ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶を用いた。さらに、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｚと波長変換結晶１Ｂの誘電主軸Ｘとが同方向になるように配置した。

レンズ６Ａおよび６Ｂとしては、基本波レーザビーム３に対する焦点距離１１４．５ｍｍの溶融石英製レンズを用いた。波長変換結晶１Ａは、レンズ６Ａから１１８ｍｍ離れた位置に配置し、波長変換結晶１Ｂは、レンズ６Ｂから２６６ｍｍ離れた位置に配置した。さらに、基本波レーザビーム３の１／ｅ^２ウエスト半径がそれぞれ０．０８５ｍｍおよび０．１２２ｍｍとなり、ビームウエストが波長変換結晶１Ａ、１Ｂ内部に来るようにした。

波長変換結晶１Ａ、１Ｂの方向として、図２のように波長変換結晶１Ａであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Ｚと、波長変換結晶１Ｂであるリチウム・ボレイト結晶の誘電主軸Ｘとが同方向になるように配置した場合、分離ミラー８で基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａから分離した後の３倍高調波レーザビーム３Ｂの平均出力として、２１Ｗが得られた。また、３倍高調波レーザビーム３Ｂのビーム断面形状の真円度は、８０％以上であった。

第２の実験例
これに対して、第２の実験例では、波長変換結晶１Ｂの方向のみが先の第１の実験例と異なり、その他の条件は同じにしている。すなわち、この第２の実験例は、２つの波長変換結晶１Ａ、１Ｂで生じるそれぞれのウォークオフの方向を基本波レーザビーム３の光軸に対して同一方向としていない場合に相当する。

図３は、本発明の実施の形態１の第２の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図３（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、先の図１の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。

図３に示すように、従来の波長変換装置と同様に、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｚと、波長変換結晶１Ｂの誘電主軸Ｘとが、基本波レーザビーム３の光軸を中心に１８０度異なる同方向になるように、波長変換結晶１Ａ、１Ｂを配置した場合は、３倍高調波レーザビーム３Ｂの平均出力は、２．７Ｗであった。先の第１の実験例の結果と比較すると、得られた平均出力は、約８７％低かった。また、３倍高調波レーザビーム３Ｂのビーム形状の真円度は、７０％以下であった。

上述のような実験例の結果から、特に、２つの波長変換結晶の間にレンズを配置する場合には、本実施の形態１で説明した図２のような配置構成を有する波長変換装置を用いることにより、高出力な波長変換レーザビームを高効率に、かつ、高い真円度で発生することができることが明らかになった。

なお、上述の実験例においては、波長変換結晶１Ａおよび波長変換結晶１Ｂとして、長さ１５ｍｍおよび長さ１８ｍｍの非線形光学結晶を用いたが、結晶長は、これに限るものではない。

実施の形態２．
本実施の形態２では、前段に配置される波長変換結晶１Ａを、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置した場合のさらなる効果について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、先の図１の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。

本実施の形態２では、波長変換結晶１Ａは、誘電主軸Ｚを回転軸として、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置している。また、波長変換結晶１Ｂは、誘電主軸Ｘを回転軸として、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置している。他の構成は、先の実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

波長変換結晶１Ａは、誘電主軸Ｚを回転軸として、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向（誘電主軸Ｘから誘電主軸Ｙの方向に傾ける方向）に傾けて配置している。従って、波長変換結晶１Ａの端面での屈折により、波長変換結晶１Ａの内部の基本波レーザビーム３は、波長変換結晶１Ａの外部の基本波レーザビーム３の光軸に対して、波長変換結晶１Ａのウォークオフ効果が発生する方向に傾いて伝搬する。

この結果、波長変換結晶１Ａを通過して波長変換結晶１Ａの外に出た基本波レーザビーム３は、波長変換結晶１Ａの端面での屈折により、波長変換結晶１Ａに入射する前の基本波レーザビーム３の光軸と平行な光軸で伝搬する。

また、波長変換結晶１Ａの内部の２倍高調波レーザビーム３Ａは、ウォークオフ効果により、誘電主軸Ｘと誘電主軸Ｙからなる面内で、基本波レーザビーム３の光軸よりさらに誘電主軸Ｙ方向にずれた光軸で発生する。従って、波長変換結晶１Ａから外に出た２倍高調波レーザビーム３Ａは、その波面が基本波レーザビーム３と同じで保存されているため、波長変換結晶１Ａの外部の基本波レーザビーム３の光軸とほぼ平行な光軸で伝搬する。

以上のように、実施の形態２によれば、前段の波長変換結晶は、誘電主軸Ｚを回転軸として、基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に傾けて配置されている。これにより、前段の波長変換結晶を通過して外に出た基本波レーザビームの光軸と２倍高調波レーザビームの光軸とのずれ量が、先の実施の形態１に示したずれ量（前段の波長変換結晶に対して基本波レーザビームを垂直入射させた場合に、前段の波長変換結晶を通過して外に出た基本波レーザビームの光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とのずれ量）と比べて小さくなる。

従って、後段の波長変換結晶に入射する基本波レーザビームの光軸と２倍高調波レーザビームの光軸とのずれ量が小さくなり、後段の波長変換結晶内部での基本波レーザビームと２倍高調波レーザビームの重なりが大きくなる。このため、前段に配置される波長変換結晶を、基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置することにより、後段の波長変換結晶で、より高い波長変換効率が得られるとともに、より円形に近い形状のビームが得られるという効果が得られる。

なお、具体的な実験例の結果から、本実施の形態２の波長変換装置の効果をさらに詳しく説明する。以下の説明においては、条件を変えて、第３〜第５の実験例を示し、それらの比較を行う。

第３の実験例
第３の実験例の構成は、先に説明した図４と同様であり、本発明の実施の形態２の技術的特徴である配置構成を備えたものである。なお、レーザ光源２および基本レーザビームの条件は、先の第１、第２の実験例と同一である。

また、波長変換結晶１Ａは、誘電主軸Ｚを回転軸として、波長変換結晶１Ａ外部の基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に２０度傾けて配置した。さらに、波長変換結晶１Ｂは、誘電主軸Ｘを回転軸として、波長変換結晶１Ｂ外部の基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向に２０度傾けて配置した。

波長変換結晶１Ａの屈折率は、約１．６であり、２倍高調波レーザビーム３Ａは、ウォークオフ効果により波長変換結晶１Ａの内部においては、誘電主軸ＸＹ面内で基本波レーザビーム３の光軸から誘電主軸Ｙ方向に約７．０３ｍｒａｄ（ミリラジアン）ずれた光軸で発生する。このことから、波長変換結晶１Ａの出射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１０３７ｍｍずれる。

このような基本波レーザビーム３および２倍高調波レーザビーム３Ａを、レンズ６Ｂに通すと、レンズ６Ｂからレンズ６Ｂの焦点距離１１４．５ｍｍ離れた位置において、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘ、誘電主軸Ｙからなる面内で、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とが交差する。

この結果、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸との位置関係は、レンズ６Ｂに入射する前の位置関係と入射後の位置関係とで、逆の位置関係となる。すなわち、波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘと誘電主軸Ｙからなる面内において、２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸が基本波レーザビーム３の光軸より波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｙ側に寄っている状態から、２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸が基本波レーザビーム３の光軸より波長変換結晶１Ａの誘電主軸Ｘ側に寄っている状態に変わる。

波長変換結晶１Ｂの入射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１３７２ｍｍずれて入射する。波長変換結晶１Ｂの屈折率は、約１．６であり、２倍高調波レーザビーム３Ａは、ウォークオフ効果により波長変換結晶１Ｂの内部においては、誘電主軸ＹＺ面内で基本波レーザビーム３の光軸から誘電主軸Ｚ方向に約９．３ｍｒａｄずれた光軸で伝搬する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶１Ｂ内での基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａとの重なりは、６４．９０％と計算された。

第４の実験例
これに対して、第４の実験例では、波長変換結晶１Ａの方向のみが先の第３の実験例と異なる場合について説明する。すなわち、この第４の実験例は、前段に配置される波長変換結晶１Ａを、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフの生じる方向とは逆の方向に傾けて配置した場合に相当する。

図５は、本発明の実施の形態２の第５の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。より具体的には、図５（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、先の図１の波長変換レーザ装置に含まれる波長変換装置の波長変換用の非線形光学結晶部分を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。

波長変換結晶１Ａは、誘電主軸Ｚを回転軸として、波長変換結晶１Ａ外部の基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフ効果が発生する方向と逆方向に２０度傾けて配置している。その他の構成は、先の第１の実験例と同じである。

この場合、波長変換結晶１Ａの出射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１０４０ｍｍずれて入射する。また、波長変換結晶１Ｂの入射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１３７６ｍｍずれて入射する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶１Ｂ内での基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａとの重なりは、６４．７６％と計算され、先の第３の実験例と比較して約０．２％低かった。

第５の実験例
さらに、別の第５の実験例として、先の図２のように、波長変換結晶１Ａ、波長変換結晶１Ｂを傾けずに基本波レーザビーム３に対しほぼ垂直入射するように配置する場合について説明し、前段に配置される波長変換結晶１Ａを、基本波レーザビーム３の光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置した場合との比較を行う。

この第５の実験例の場合、波長変換結晶１Ａの出射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１０５５ｍｍずれて入射する。また、波長変換結晶１Ｂの入射端においては、基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａの光軸とは、０．１３９５ｍｍずれて入射する。このことから、ビーム径を考慮して、波長変換結晶１Ｂ内での基本波レーザビーム３の光軸と２倍高調波レーザビーム３Ａとの重なりは、６４．１２％と計算され、先の第３の実験例と比較して約１．２％低かった。

上述のような実験例の結果から、特に、２つの波長変換結晶の間にレンズを配置する場合には、本実施の形態２で説明した図４のような配置構成を有する波長変換装置を用いることにより、後段の波長変換結晶内部での基本波レーザビームと波長変換レーザビームとの重なりが大きくなる。この結果、高出力な波長変換レーザビームを、さらに高効率に、かつ、さらに高い真円度で発生することができることが明らかになった。

また、上述の実施の形態１および２においては、直線偏光で波長１０６４ｎｍの基本波レーザビーム３を用いる場合について示した。しかしながら、基本波レーザビーム３の偏光、波長は、これに限るものでなく、例えば、ランダム偏光の基本波レーザビーム３を用いてもよい。

また、波長変換結晶１Ａとして、タイプ１位相整合により基本波レーザビーム３の一部を波長５３２ｎｍの２倍高調波レーザビーム３Ａに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用い、波長変換結晶１Ｂとして、タイプ２位相整合により基本波レーザビーム３と２倍高調波レーザビーム３Ａの一部を和周波により波長３５５ｎｍの３倍高調波レーザビーム３Ｂに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いる場合について示した。しかしながら、位相整合タイプ、高調波レーザビームの波長、および結晶の種類は、これに限るものでない。

例えば、波長変換結晶１Ａおよび波長変換結晶１Ｂとして、タイプ２位相整合により基本波レーザビーム３の一部を波長５３２ｎｍの２倍高調波レーザビーム３Ａに波長変換するリチウム・ボレイト結晶を用いる同波長を発生する波長変換結晶を用いてもよい。

要は、波長変換結晶１Ｂとして入射する２つの波長のレーザビームの相互作用が影響するものを用い、波長変換結晶１Ａおよび１Ｂをそれぞれの波長変換結晶で生じるウォークオフ効果の方向が、光軸に対し同方向となるように配置し、また、波長変換結晶１Ａと１Ｂの間にレンズ６Ｂを配置し、かつ、波長変換結晶１Ｂをレンズ６Ｂからレンズ６Ｂの焦点距離よりも離れた位置に配置することにより、上述の実施の形態１および２と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１における波長変換装置とレーザ光源とを備えた波長変換レーザ装置の側面図である。本発明の実施の形態１における波長変換装置の部分拡大図である。本発明の実施の形態１の第２の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。本発明の実施の形態２における波長変換装置の部分拡大図である。本発明の実施の形態２の第５の実験例における波長変換装置の部分拡大図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ非線形光学結晶（波長変換結晶）、２レーザ光源、３基本波レーザビーム、３Ａ、３Ｂ高調波レーザビーム、４Ａ、４Ｂ温度調節器、５基台、６Ａ、６Ｂレンズ、７Ａ、７Ｂレンズホルダー、８分離ミラー、９ミラーホルダー、１０Ａ、１０Ｂウォークオフ効果が生じる面、Ｘ、Ｙ、Ｚ非線形光学結晶の誘電主軸。

Claims

波長変換用の２つの非線形光学結晶と、前記２つの非線形光学結晶の間に配置されるレンズとを有し、基本波レーザビームの高調波レーザビームを発生させる波長変換装置において、
前記２つの非線形光学結晶を直列に並べ、前記２つの非線形光学結晶で生じるそれぞれのウォークオフの方向を前記基本波レーザビームの光軸に対して同一方向とし、かつ、後段に配置される非線形光学結晶を、前記レンズの位置から、前記レンズの焦点距離よりも離れた位置に配置することを特徴とする波長変換装置。
請求項１に記載の波長変換装置において、
前段に配置される非線形光学結晶を、前記基本波レーザビームの光軸に対してウォークオフの生じる方向に傾けて配置することを特徴とする波長変換装置。
請求項１または２に記載の波長変換装置と、
前記波長変換装置に供給する基本波レーザビームを発生させる光源と
を備えたことを特徴とする波長変換レーザ装置。