JPWO2006112303A1 - 短波長光源 - Google Patents

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Abstract

本発明の短波長光源は、周期分極反転構造を有する非線形結晶において、分極反転構造を複数の領域に分割し、それぞれの領域における分極反転構造と基本波の光軸を異なる角度で傾けることにより、発生する高調波を複数のビームに分割する構造とした。高調波成分を複数ビームに分割することで高調波のパワー密度を低減し、かつ高調波と基本波にウォークオフを生じることで基本波と高調波の和周波発生を抑圧して高出力耐性を向上させる。これにより、ＳＦＧ発生が抑圧され、高出力コヒーレント光源が実現可能となった。

Description

本発明は、波長変換素子を用いた短波長光源に関する。
非線形光学効果を利用した第２高調波発生は、基本波光源からのコヒーレント光を半分の波長の第２高調波に変換できる。波長変換においては、ノンクリティカルな位相整合の場合、素子長の増大、または入射する基本波のパワーの増大によって変換効率の向上が図れ、高出力の短波長光発生が可能となる。非線形光学結晶としてチタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）を用いた波長変換において、基本波または高調波のパワー密度の増大は、グレートラックと呼ばれるカラーセンター発生の原因となり、基本波、高調波の吸収が生じる。グレートラックが発生すると吸収による局所的な熱分布が発生し、非線形結晶が破壊的なダメージを受ける。これを解決する方法として、特許文献１に示すように、結晶を分割して第２高調波を分割して取り出す方法が提案されている。
図１７は、従来の短波長光源の構成図である。
図１７において、基本波光源１００１から出た基本波１００６はＫＴＰ１００２で一部波長変換され、波長分離ミラー１００４で基本波１００６と高調波１００７に分離される。その後、基本波１００６は再びＫＴＰ１００３で一部波長変換され、波長分離フィルター１００５により基本波１００６と高調波１００８に分離される。
このように複数のＫＴＰ結晶を用い、発生する第２高調波のパワー密度が一定の値を超えない状態で、第２高調波を取り出す。これにより、高効率化を図っている。
特開平１１−２７１８２３号公報
従来の構成は、複数の光学結晶を必要とし、第２高調波が異なる部分から出射するため、これを合波して利用するには、複雑な光学系を必要とし、短波長光源が大型化するという問題があった。
また、一つの光学結晶から取り出せる出力が限られるため、高出力化には多くの光学結晶が必要となり、小型化、低コスト化が難しいという問題があった。
本発明は、上記問題を解消するためになされたものであり、波長変換素子を用いて、高出力時の出力特性が安定で、信頼性の高い短波長光源を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、非線形光学結晶の分極反転構造は、複数の分極反転領域に分割され、該各分極反転領域において、発生する第２高調波の光路、あるいは分極反転構造の周期の光軸の角度が互いに異なる、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、非線形光学結晶の分極反転構造は、２つの分極反転領域に分割され、該２つの分極反転領域間に、前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項３にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、前記基本波を前記非線形光学結晶の側面で反射させる、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項４にかかる短波長光源は、請求項１に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域において、前記基本波の光軸または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が異なっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項５にかかる短波長光源は、請求項１に記載の短波長光源において、前記分極反転構造は、前記基本波の光軸を中心としてその左、右に分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項６にかかる短波長光源は、請求項５に記載の短波長光源において、前記分割された分極反転構造の左、右の部分は、両者でくさび型を形成している、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項７にかかる短波長光源は、請求項５に記載の短波長光源において、前記分割された分極反転構造の各左、右の部分は、湾曲している、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項８にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項９にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１０にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域において、各分極反転構造の光軸と前記基本波の光軸との成す角が、互いに異なっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１１にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶は、前記分極反転構造にほぼ垂直な側面を有し、該側面で前記基本波を反射する、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１２にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶から出射された前記基本波および第２高調波のうちの基本波は反射し、第２高調波は透過して集光を行うビーム整形手段を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１３にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶内で、前記第２高調波に対して高次の回折を発生させる回折素子を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１４にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶は、側面の一部がテーパ状に形成されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１５にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１６にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域のうちの隣り合う前記領域では、各分極反転構造の周期の光軸と前記基本波の光軸が成す角度の正負が、逆になっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１７にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記基本波の光軸、または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が、２°以上である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１８にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶が、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１９にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記基本波および前記第２高調波の屈折角を変えるプリズムを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２０にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記基本波から前記第２高調波を分離する分離プリズムを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２１にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶の出射面、または入射面の少なくともいずれかの端面は、テーパ状に形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる短波長光源によれば、分極反転周期構造によるウォークオフ角を利用して、発生する高調波を複数のビームに分離するようにしているため、高調波のパワー密度を低減して、基本波と高調波との和周波の発生を抑圧でき、かつ、高調波の吸収をも低減できるため、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上させ、安定で、信頼性の高い短波長光源を実現することができる。
さらに、発生するビームをほぼ同じ進行方向に出射することが可能であり、簡単な光学系で高調波を合波でき、光源の小型化に有効である。
また、本発明にかかる短波長光源によれば、非線形光学結晶の側面での反射を利用して、発生する高調波を複数のビームに分割するようにしたので、高調波のパワー密度を低減し、かつ基本波と高調波により発生する和周波の発生を抑圧することができ、また、高調波の吸収を抑えることができるため、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上させ、安定で、信頼性の高い短波長光源を実現することができる。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成（上面図）を示し、図１（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図２は、本発明の短波長光源の特性要因図を示す。 図３は、上記実施の形態１に係る短波長光源の他の構成例（上面図）を示す。 図４（ａ）は、上記実施の形態１に係る短波長光源の他の構成例（側面図）を示し、図４（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図５は、本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図６（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図７は、本発明の実施の形態５に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図８は、本発明の実施の形態６に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図９は、本発明の実施の形態７に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１０（ａ）は、本発明の実施の形態８に係る短波長光源の他の構成例を示し、図１０（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図１１（ａ）は、本発明の実施の形態９に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１１（ｂ）は、本発明の実施の形態９に係る短波長光源の他の構成例を示す。 図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１０に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１２（ｂ）は、本発明の実施の形態１１に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１３（ａ）は、本発明の実施の形態１２に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１３（ｂ）は、本発明の実施の形態１３に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１４（ａ）は、本発明の実施の形態１４に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１４（ｂ）は、本発明の実施の形態１５に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１５は、本発明の実施の形態１６に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１６（ａ）は、本発明の実施の形態１７に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１６（ｂ），図１６（ｃ）は、上記実施の形態１７に係る短波長光源の他の構成例を示す。 図１７は、従来の短波長光源の構成図の一例を示す図である。
符号の説明
１０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，１００１ 基本波光源
１０２，１０３，３０２，３０３，４０２，４０３，５０２，６０２，７０２，８０２ 波長変換素子
１０４，１０５，１０９，３０４，３０５，４０４，４０５，５０４，５０５，６０４，７０４，８０４ 周期分極反転構造
１１１，３２０，４２０，５１１，６１１，７２０，８２０ 集光光源
１０６，１０７，１２２，３０６，３０７，３１２，３１３，４０６，４０７，５０６，５０７，６０６，６０７，６１３，７０６，７０７，８０６，８０７，８１３，８１４，１００７，１００８ 高調波
１０８，３０８，３１４，４０８，５０８，６０８，６１２，７０８，８０８，１００６ 基本波
５０９，５１０ 和周波
１１０ 周期分極反転構造の光軸
３０９，４５０ 出射面
３１０，４１０ 入射面
３１１，４１１ 偏光板
４０９ プリズム
４３０ 平行プリズム
４４０ 分離プリズム
４４１ 波長分離膜
４４２ 反射膜
４４３，４４４ プリズム
６０５，６１４，６１５，７０５，８１０，８１１ 側面
６０９，６１０ 多層膜反射ミラー
７１０，７１１，７１２ 多層膜
７０９ａ 凹面ミラー
７０９ｂ 凸レンズ
８０５ 回折素子
８０９ 多層膜
１００２，１００３ ＫＴＰ
１００４，１００５ 波長分離ミラー
本発明は、周期状の分極反転構造を利用した波長変換素子により高出力の短波長光源を実現することを目的とする。
一般的に、周期状の分極反転構造を利用した波長変換素子は、高い非線形光学定数と、ノンクリティカルな位相整合条件による長い作用長により高効率の波長変換が可能である。このような分極反転構造を利用した波長変換素子である、Ｍｇ等をドーピングしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）は、可視領域で最大の非線形光学定数を有する透明材料であり、光損傷耐性にも優れるため、高効率変換が実現されている。しかしながら、この材料においても、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ）とは異なるメカニズムのレーザ損傷が発生し、高出力耐性に限界がある。そのため、より高出力耐性の高い短波長光源が望まれる。
そこで、本発明では、周期状の分極反転構造を利用した新しい構造を提案することで、高出力化、小型化が可能な短波長光源を提案する。
ここで、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３（以下ＰＰＭｇＬＮとする）において見つかった現象について、説明する。
波長１０６４ｎｍの基本波をＰＰＭｇＬＮによって波長変換し、波長５３２ｎｍの緑色光の第２高調波を発生した際に、緑色光が３Ｗを越えると出力が不安定になり、結晶内にレーザダメージが生じることが見いだされた。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。ＰＰＭｇＬＮによって１０６４ｎｍの基本波を５３２ｎｍの第２高調波に変換する際に、基本波と第２高調波の和周波により３５５ｎｍの紫外光が発生する。３５５ｎｍの光への変換効率は非常に低いため、高出力の波長変換を行った際に発生する３５５ｎｍの光は僅かである。しかし、３５５ｎｍの光が発生すると、緑色光の吸収が増大し、熱レンズ効果により高調波出力が不安定になり、さらに高出力化すると結晶にダメージが発生する。この現象は、ＫＴＰとは異なる高出力時の不安定要因である。
そこで、本発明では、ＰＰＭｇＬＮに特有の現象である、高出力特性劣化の問題を解決する新たな短波長光源の構造を提案する。ＰＰＭｇＬＮにおいて、高調波の高出力化を図るには、高出力耐性の向上が必要である。ＰＰＭｇＬＮにおける高出力耐性の向上には、
１）高調波のパワー密度を低減する、
２）結晶内で基本波と高調波による和周波の発生を抑える、
の２つの方法が有効である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるコヒーレント光源の構成図である。図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）は波長変換素子の一部を部分的に拡大した図である。
図１（ａ）に示す短波長光源１００は、基本波を出射する基本波光源１０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子１０２，１０３、および集光光源１１１を備えたものである。
波長変換素子１０２，１０３はそれぞれ、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造１０４，１０５を有する。
このような構成の短波長光源１００では、基本波光源１０１から出射された基本波１０８は、波長変換素子１０２で一部が高調波１０７に変換され、さらに波長変換素子１０３でも一部が高調波１０６に変換される。
ここで、図１（ｂ）に、図１（ａ）の波長変換素子１０２の一部を拡大したものを示す。周期状の分極反転構造１０４に対する垂線を、周期状分極反転構造１０４の光軸１１０とし、光軸１１０と基本波１０８の光軸の成す角度を分極反転角度θとする。
分極反転角度θが０でない場合、基本波と第２高調波の分散特性よりウォークオフ角θｗが発生し、高調波１０７は、基本波と異なる伝搬方向に発生する。図１（ａ）に示すように、波長変換素子１０２と１０３において、異なる分極反転角度θを形成すると、各波長変換素子１０２，１０３で発生する高調波１０６，１０７は、互いに異なる光軸方向に発生するため、お互いにビームの重ならない複数の高調波を発生させることが可能となる。その結果、高調波のパワー密度が低減され、高出力耐性が向上する。また、ウォークオフ角θｗが発生することで、基本波と高調波の光軸がずれるため、基本波と高調波のオーバラップが低減し、和周波の発生を抑えることが可能となる。さらに、和周波と基本波のウォークオフ角が増大もするため、和周波の発生はさらに抑えられる。これら３つの効果により高出力耐性は大幅に向上する。
ここで重要なのは、波長変換素子１０２，１０３のうち、後段の波長変換素子１０３における、高調波のパワー密度、および和周波の発生を抑えることである。
波長変換素子１０２で発生した高調波１０７が、波長変換素子１０３で発生する高調波１０６と一致すると、高調波のパワー密度が高くなり、ダメージの原因となる。このため、それぞれの領域で発生する高調波のビームが一致しないように、分極反転構造の光軸を設計する必要がある。
また、複数に分割した分極反転構造の領域においては、和周波発生によるレーザダメージが発生しない条件に設計する必要がある。和周波発生による高調波吸収が発生すると、局所的な温度上昇が生じるため、位相整合条件が成立しない領域が生じる。これを自己位相不整合領域とする。このように和周波発生により自己位相不整合領域が発生すると、結晶にダメージが入る確率が急激に増大する。また、長期的な信頼性も劣化する。このため、各領域における高調波の出力、ウォークオフ角、位相整合波長を、自己位相不整合領域を発生させない値に設定するのが好ましい。
自己位相不整合領域の発生の制御は、位相整合温度を管理することで可能となる。上述したように、和周波による自己位相不整合領域が発生すると、結晶の部分的な温度上昇が発生するため、位相整合条件を成立させるためには、結晶温度を下げる必要がある。和周波がほとんど発生しない高調出力０．５Ｗ以下の位相整合温度に対して、位相整合温度の変化が２℃以上になると自己位相不整合によるレーザダメージの発生が顕著になる。従って、安定な出力で、高信頼性の短波長光源を得るには、各領域で和周波発生による位相整合温度の変化を２℃以下に抑える必要がある。本発明では、自己位相不整合領域を発生させないように位相整合温度を管理するようにしている。
ウォークオフの発生は、図１（ａ）に示すように、隣り合う分極反転の領域（ここでは、波長変換素子１０２、１０３）で、基本波と分極反転構造の光軸の角度θを異ならせることで、効果的になる。特に、有効なのは、隣接する領域でθの符号を正負逆にする構成である。この場合、隣接する領域で発生する高調波のウォークオフ角度θｗを正負逆にしているため、高調波の角度ずれが大きくなり、高調波同士のオーバラップがさらに低減して有効である。高調波の角度とは、各領域で発生する高調波の角度をいう。また、複数の分極反転構造領域を直列につなぐ場合は、隣接する領域でθの符号を逆転させると、θの値を大きくとることなく、発生する複数の高調波のビームの重なりを低減できるため、高出力耐性には有効である。θの値を抑える理由は、後述するように、θの値を大きくすると変換効率自体が低下するからである。
さらに、本発明の構成では、複数の領域で発生した高調波はすべて同じ方向に出射される。このため、シリンドリカルレンズ等の簡単な光学系を用いてそれぞれの領域から発生した高調波を合波できるため、光源の小型化、簡素化に有効である。
また、集光光学系（集光光源）１１１に色収差の大きなレンズを用いることが有効である。波長変換素子１０２から出力される基本波と高調波を集光光学系１１１で波長変換素子１０３内に集光するが、このとき集光光学系に色収差の大きなレンズを用いれば、波長変換素子１０３内で集光される基本波と高調波の集光位置をずらすことができる。これによって、波長変換素子１０２から発生した高調波１０７と、波長変換素子１０３で発生した高調波１０６のオーバラップを低減し、高出力耐性を向上できる。
図２（ａ）は、分極反転角度θ（分極反転構造と基本波の光軸の成す角度）とウォークオフ角θｗとの関係を示すである。
ウォークオフ角θｗは、分極反転角度θに比例して増大するが、変換効率は、分極反転角度θの増加とともに減少する。変換効率の低下を５０％以下に抑えるため、θの値は、６°以下であることが望ましい。
図２（ｂ）は、分極反転角度θと高出力耐性の関係である。
高出力耐性は、分極反転角度θの増大とともに向上する。つまり、θの値が１°以上であれば、高出力耐性の向上が見られ、θの値を２°以上にすることで高出力耐性は大幅に向上する。一方、θ＜１°では、高出力耐性の効果はほとんどない。このため、θの値は、１°以上６°以下であることが望ましい。さらに望ましくは、θの値が２°以上６°以下である場合である。
一方、高出力耐性の向上のため、分極反転構造の異なる領域から発生する高調波のオーバラップを低減するには、図１（ａ）に示した分極反転構造の領域（ここでは、波長変換素子１０２、１０３）の間隔を空けることが有効である。このようにすることで、ウォークオフ角による角度ずれの効果が大きくなり、オーバラップが低下するからである。また、２つのビームの重なりをなくすには、基本波のビーム径をΦ、２つの分極反転領域の間隔をＬとした場合、Ｌ＊ｔａｎ（０．３４θ）＞Φとなるように設定すればよい。この条件下では、それぞれの領域、つまり、波長変換素子１０２、１０３で発生した高調波は重ならないため、高出力耐性が大幅に向上する。
図３は、分極反転構造の領域を３つに分けた場合の短波長光源の一例を示す図である。
図３に示す短波長光源１００ａは、図１に示す短波長光源１００の構成に加えて、さらに、波長変換素子１２１を備えたものである。
波長変換素子１２１は、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造１２０を有し、波長変換素子１０３から出力された基本波１０８の一部を高波長１２２に変換する。
図４は、光軸を傾けた場合の他の短波長光源の一例を示す図である。
図４（ａ）に示す短波長光源１００ｂと、図１（ａ）に示す短波長光源１００との違いは、結晶のＺ軸が波長変換素子１０２ｂと１０３ｂで異なっている点である。分極反転構造は、＋Ｚ面よりＺ軸方向に成長するため、図４（ａ）に示すように、結晶軸によって分極反転結晶が角度を持つ。波長変換素子１０２ｂと１０３ｂで異なる結晶軸の結晶を用いれば、分極反転の傾きが結晶間で異なるように設定できる。図１の場合は、分極反転構造を形成する＋Ｚ面の電極構造を変える。または、図１（ｂ）に示すように結晶自体を回転させることでも可能である。なお、図１と図４の構造を組み合わせることも可能である。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態２による短波長光源３００は、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２，３０３、および集光光源３２０を備えたものである。
上記波長変換素子３０２，３０３はそれぞれ、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造３０４，３０５を有する。ここでは、波長変換素子３０２の出射面３０９、波長変換素子３０３の入射面３１０は、テーパ状に形成されている。なお、入出射端面の角度をブリュースター角に設定すると、端面反射を低減させることができる。
次に、本実施の形態２の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００では、波長変換素子３０２の出射面３０９、および波長変換素子３０３の入射面３１０にテーパを付けているので、プリズム効果により、基本波３０８と高調波３０７の光路が変わり、両ビームの光路の角度差が大きくなる。これによって、波長変換素子３０３内での２つの高調波３０６、３０７の光軸がずれ、オーバラップを低減することができ、高出力耐性を向上できる。
（実施の形態３）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態３による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態３による短波長光源３００ａは、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２ａ，３０３ａ、集光光源３２０、および偏光板３１１を備えたものである。
上記波長変換素子３０２ａ，３０３ａは、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造３０４ａ，３０５ａを有する。
また、上記偏光板３１１は、波長偏光素子３０２ａ、３０３ａ間に配置されている。この偏光板３１１の特性としては、基本波は偏光回転せず、高調波のみ偏光を回転させる構成が望ましい。
次に、本実施の形態３の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００ａでは、２つの波長変換素子３０２ａ、３０３ａ間に偏光板３１１を挿入しているため、波長変換素子３０２ａで発生した高調波３１３は、波長変換素子３０３ａ内では基本波３１４と異なる偏光を持つことになる。基本波３１４と高調波３１３の偏光方向が異なることで、波長変換素子３０３ａ内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
なお、和周波の発生は、高調波と基本波の偏光が直交する場合が最も小さくなるので、偏光板３１１の特性としては、基本波と高調波の偏光を直交するように設定するのがさらに好ましい。
（実施の形態４）
図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態４による短波長光源３００ｂは、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２ｂ，３０３ｂ、集光光源３２０、および偏光板３１１を備えたものである。
上記波長変換素子３０２ｂ，３０３ｂは、基本波の光軸に対して垂直方向に順に並ぶように形成された周期状の分極反転構造３０４ｂ，３０５ｂを有する。
次に、本実施の形態４の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００ｂでは、偏光板３１１を挿入することで、波長変換素子３０２ｂで発生した高調波３１３の偏光は、偏光板３１１の手前のＢ点では紙面に垂直な方向であり、偏光板３１１の後のＤ点では紙面に平行な方向に回転する。基本波３１４の偏光は、偏光板３１１では回転しないため、偏光板３１１の前後のＡ点およびＣ点で、紙面に垂直な方向である。
波長変換素子３０３ｂ内では基本波３１４と高調波３１３は異なる偏光を持つため、非線形効果が弱まり、和周波は発生しない。一方、波長変換素子３０３ｂ内で発生した高調波３１２は素子内部で増幅されるが、出力端面近傍にならないと高いパワーにならないため、和周波の発生は弱い。したがって、波長変換素子３０３ｂ内部では、高調波３１３による和周波の発生が抑圧され、同時に発生する高調波３１２による和周波発生も抑圧できるため高出力耐性を高めることができる。
また、基本波３１４と高調波３１３の偏光方向が異なるため、波長変換素子３０３ｂ内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
なお、和周波の発生は、高調波と基本波の偏光が直交する場合が最も小さくなるので、偏光板３１１の特性としては、基本波と高調波の偏光を直交するように設定するのが好ましいが、偏光を回転させるだけでも効果はある。また、高調波３１３と基本波３１４のビームパスを波長変換素子３０４ｂ内でずらすことでさらに耐性は向上する。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５による短波長光源について説明する。
本実施の形態５による短波長光源５００は、基本波光源５０１、波長変換素子５０２、および集光光源５１１を備えたものである。
上記波長変換素子５０２は、一つの基板の中に、基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう２つの分極反転領域Ｘ１、Ｘ２に分割されている。領域Ｘ１における周期状分極反転構造５０４、および領域Ｘ２における周期状分極反転構造５０５の各々は、互いに異なる分極反転角度で基本波５０８の光軸と交わっている。
次に、本実施の形態５の動作、および作用効果について説明する。
このような短波長光源５００では、２つの領域Ｘ１，Ｘ２で発生した高調波５０６と高調波５０７はそれぞれの領域で、異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度の低減、および高調波と基本波のオーバラップ低減による和周波発生の抑圧により高出力耐性を大幅に向上できる。また、一つの結晶内に、２つの分極反転領域を形成しているため、小型化に有効である。さらに、分極反転角θの異なる領域を複数縦列につなげた構成も可能であり、相互作用長の増大が可能であり、高出力化が図れる。
（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態６による短波長光源５００ａは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子５０２ａを備えたものである。
基本波の光軸を中心としてその左右に分割された分極反転領域をそれぞれ、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａとする。この領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａは、基本波５０８のビーム内で分かれている。
上記領域Ｘ１ａの分極反転構造５０４ａと上記領域Ｘ２ａの分極反転構造５０５ａは、両者でくさび型を形成している。なお、分極反転構造５０４ａの光軸が基本波の光軸となす角度をθ１とすると、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０％以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、θ１の値は、１°以上６°以下であることが望ましい。また、分極反転構造５０５ａの光軸と基本波の光軸とがなす角度についても同様に設定することが望ましい。
次に、本実施の形態６の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源５００ａでは、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａで発生する高調波５０６，５０７は異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度が低減される。さらに図で示すように、和周波５０９，５１０の出射角も分極反転の傾きにより大きくなるため、和周波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
なお、ビームに対する分極反転構造としては、凹面状に角度をもつことが望ましい。凹面形状にすることで、高調波５０６，５０７のビームの重なりが小さくなるので、より好ましい。
（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態７による短波長光源５００ｂは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子５０２ｂを備えたものである。
基本波の光軸を中心としてその左右に分割された分極反転領域をそれぞれ、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａとする。この領域Ｘ１ｂと領域Ｘ２ｂは、基本波５０８のビーム内で分かれている。
上記領域Ｘ１ａの分極反転構造５０４ｂと上記領域Ｘ２ａの分極反転構造５０５ｂは、湾曲している。両者でくさび型を形成している。そのため、領域Ｘ１ｂ，Ｘ２ｂの境界部分が大きくなり、位置あわせが容易になる。なお、分極反転構造５０４ｂの光軸が基本波の光軸となす角度をθ２とすると、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０％以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、θ２の値は、１°以上６°以下であることが望ましい。また、分極反転構造５０５ｂの光軸と基本波の光軸とがなす角度についても同様に設定することが望ましい。
次に、本実施の形態７の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源５００ｂでは、分極反転構造を湾曲に形成しているため、波長変換素子５０２ｂ内で発生した高調波５０６，５０７が分離され、これにより、高調波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８の短波長光源の構成を示す図である。図１０（ａ）は、本実施の形態８の短波長光源の構成を示す図であり、図１０（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図である。
本実施の形態８による短波長光源５００ｃは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸に対し平行方向の線を境として複数の領域Ｘ１ｃ〜Ｘ７ｃに分割された分極反転構造５０４ｃを有する波長変換素子５０２ｃを備えたものである。
上記分極反転構造５０４ｃは、図１０に示すように、基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割された複数の領域のうちの隣り合う領域では、各分極反転構造の光軸と基本波の光軸とのなす角度が、互いに異なっている。なお、各分極反転構造５０４ｃの光軸と基本波の光軸とがなす角度は、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０％以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、１°以上６°以下であることが望ましい。
このような構成の短波長光源５００ｃは、基本波のビーム断面積が１００μｍ以上と大きな場合に有効である。高い出力を得る場合には、基本波の断面積を大きくすると良い。例えば、高ピークパワーのＱスイッチ駆動した基本波を波長変換する場合、基本波のパワー密度を低下させるため、基本波を集光することなく平行光の状態で波長変換するような構成にする。このような場合、ビーム径は１００μｍ以上となるため、分極反転領域を図１０（ｂ）に示すように複数の領域に分けて角度を持たせることで、高調波の発生が複数のビームに分散され、その結果、高出力耐性が向上する。
（実施の形態９）
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態９による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態９による短波長光源４００は、基本波光源４０１、波長変換素子４０２，４０３、集光光源４２０、およびプリズム４０９を備えたものである。
上記波長変換素子４０２，４０３は、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造４０４，４０５を有する。
上記プリズム４０９は、上記波長変換素子４０２，４０３の間に位置する。
次に、本実施の形態９の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００によれば、プリズムの分散特性により、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の屈折角を変えることができる。これにより、波長変換素子４０３内で、波長変換素子４０２から出力された高調波４０７と波長変換素子４０３で発生する高調波４０６を分離することができ、高出力耐性の向上が可能となる。
また、上記短波長光源４００の構成において、さらに偏光版を備えるようにしても良い。図１１（ｂ）に偏光板を備えた場合の短波長光源の構成を示す。
図１１（ｂ）に示す短波長光源４００ａは、プリズム４０９の後段にさらに偏光板４１１を備えている。
このような構成の短波長光源４００ａによれば、偏光板４１１により波長変換素子４０２で発生した高調波４０７の偏光を回転させることができるので、波長変換素子４０３内で、高調波４０７と基本波４０８による和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を向上できる。
（実施の形態１０）
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１０による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１０による短波長光源４００ｂは、図１１（ａ）の短波長光源４００におけるプリズム４０９に代えて、平行プリズム４３０を備えたものである。
次に、本実施の形態１０の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００ｂでは、平行プリズム４３０を用いることで、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子４０２で発生した高調波４０７と、波長変換素子４０３で発生した高調波４０６をほぼ並行な光として取り出すことができるので、２つの光を合波する光学系が簡単になるという利点もある。
なお、本実施の形態１０では、平行プリズムを用いて基本波と高調波を別光路に分離する場合について説明したが、基本波と高調波の波長の違いを利用して波長分散の大きなプリズムを用いても良い。この場合、屈折角の違いにより基本波と高調波を分離することができる。
（実施の形態１１）
図１２（ｂ）は、本発明の実施の形態１１による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１１による短波長光源４００ｃは、図１２（ａ）の短波長光源４００ｂにおける平行プリズム４３０に代えて、プリズム４０９と４０９ｃとからなるプリズムペアを備えたものである。
さらに、短波長光源４００ｃは、上記プリズムペアの間に、さらに偏光板４１１を備えたものである。
次に、実施の形態１１の動作、および作用効果について説明する。
本実施の形態１１の短波長光源４００ｃでは、プリズムペアを用いることで、上記実施の形態１０で説明した平行プリズム４３０と同様、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子４０２で発生した高調波４０７と、波長変換素子４０３で発生した高調波４０６をほぼ並行な光として取り出すことができるので、２つの光を合波する光学系が簡単になる。
また、プリズムペアの間に、偏光板４１１を備えているため、高調波４０６，４０７の偏光を異なる偏光にすることができ、和周波の発生を抑圧して高出力耐性をさらに強化することが可能になる。
なお、本実施の形態１１ではプリズムペアを用いる場合について説明したが、屈折率分散の大きな光学系を用いても良い。この場合、波長変換素子４０２で発生した基本波４０８と高調波４０７を、波長変換素子４０３で分離することができるため、高出力耐性を向上できる。特に、波長変換素子４０２で発生した基本波４０８と高調波４０７を波長変換素子４０３で分離することで、波長変換素子４０３での和周波の発生を抑圧するという利点がある。例えば、屈折率分散の大きな光学素子としては図１１に示したプリズム以外に、屈折率分散の大きな光学ガラスによるレンズも有効である。波長変換素子４０２で発生した基本波４０８を波長変換素子４０３で集光する場合に、基本波４０８と高調波４０７の集光スポットをずらすことで、パワー密度の高い集光点で高効率に発生する和周波を大幅に低減できる。集光スポットのずれは、基本波と高調波の波長の違いによってレンズの屈折率が異なることに起因するもので、集光スポットのずれは、集光点での焦点深度より大きいことが望ましい。その他、グレーティング素子によって、基本波と高調波を分離するのも有効である。また、レンズに表面にグレーティング施したグレーティングレンズなども、波長分散の大きなレンズを形成できるため有効である。
（実施の形態１２）
図１３（ａ）は、本発明の実施の形態１２による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１２による短波長光源４００ｄは、図１２（ａ）の短波長光源４００ｂにおける平行プリズム４０３に代えて、基本波と高調波を分離するための分離プリズム４４０を備えたものである。
分離プリズム４４０は、２つのプリズム４４３，４４４よりなり、プリズム４４３の表面に波長分離膜４４１が形成されており、プリズム４４４の一部に反射膜４４２が形成されている。
次に、実施の形態１２の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００ｄでは、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８および高調波４０７は、分離プリズム４４０により、基本波４０８と高調波４０７が分離される。つまり、基本波４０８は、分離プリズム４４０の波長分離膜４４１を透過し、高調波４０７は、波長分離膜４４１で反射される。
波長分離膜４４１で反射された高調波４０７は、反射膜４４２で反射され、波長変換素子４０３に入射される。一方、波長分離膜４４１を透過した基本波４０８は、波長変換素子４０３に入射され、波長変換素子４０３内でその一部が高調波４０６に変換される。
このようにして、基本波４０８と高調波４０７を波長変換素子４０３内部で分離することができるため、波長変換素子４０２および４０３内での和周波の発生を抑えることができ、また、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上できる。
上記実施の形態８〜１２では、プリズムを用いて波長変換素子４０２で発生した高調波４０７を基本波４０８から分離する場合について説明したが、波長変換素子の入射端面あるいは出射端面をテーパ状に形成することにより、その端部をプリズムとして利用しても良い。
図１３（ｂ）に示す波長変換素子４００ｅは、波長変換素子４０２ｅの出射端面４５０を基本波のビームに対して角度をつける。出射面４５０をテーパ状に形成することで、基本波４０８と高調波４０７の波長差による屈折率の違いにより出射角度が異なり、これを利用して基本波４０８と高調波４０７を分離することが可能となる。
例えば、波長変換素子４０２ｅ内部での基本波４０８と出射面４５０の垂線との成す角をθとすると、θが６５°の時、波長変換素子４０２ｅと４０３ｅの距離１ｍｍで、ビーム径が約１００μｍである基本波４０８と、高調波４０７の光路は波長変換素子４０２ｅ内で離れることになる。これによって和周波の発生を抑圧して、高出力耐性を大幅に向上できた。θの値としては、出射面４５０から出力する基本波と高調波の角度の差をつけるため、１０°以上が好ましい。また、角度が大きいと全反射してしまうので、θは３０°以下が好ましい。またブリュースター角に設定すると、無反射コートを施すことなく、端面での反射損失がなくなるので、より好ましい。また、波長変換素子４０３ｅの入射面４１０も出射面４５０と同じ角度に設定するようにすれば、波長変換素子４０３内で高調波４０７、波長変換素子４０３ｅ内で発生した高調波４０８が平行になるので、出射した光を合波する光学系が簡単になるという利点を有する。また、２つの波長変換素子４０２ｅ，４０３ｅ間にレンズ光学系を挿入して波長変換素子４０３ｅ内で基本波を再び集光するようにすれば、変換効率をさらに向上させるができる。
なお、上記実施の形態１〜１２では、分極反転構造の周期の光軸に対して、基本波および高調波の光路が異なる場合について説明したが、基本波あるいは高調波のいずれか一方のみが分極反転構造の周期の光軸と異なっていれば良い。
また、上記実施の形態１〜１２では、周期状の分極反転構造を有する非線形材料として、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いて説明したが、その他、ノンドープのＬｉＮｂＯ３、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃにも有効である。ＬｉＮｂＯ３またはドープしたＬｉＮｂＯ３は高い非線形光学定数を有するため、高効率変換が可能となり有効である。その他、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ、ＫＮｂＯ３等の強誘電体の周期分極反転構造においても、高出力化に有効である。高出力耐性向上には、高調波のパワー密度低減が有効なため、本発明の構成は有効である。
また、上記実施の形態１〜１２では、波長変換としては、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。本発明で説明した紫外光による可視光の吸収発生は、紫外光の波長として４００ｎｍ以下で顕著に発生する。このため、和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対しては、本発明の構成が特に有効である。また出力としては、第２高調波出力で１〜２Ｗ程度以上の場合に有効である。また１２００ｎｍ以上の波長に対しては、１０Ｗ以上の第２高調波発生に対して、有効である。１２００ｎｍ以上の波長に対しては、基本波の４倍波である基本波の波長λの１／４の波長光発生によって、同様の高出力耐性の劣化が生じる。しかしながら、４倍波の効率は低いため、高調波の出力が１０Ｗを越える高出力になった場合、または、基本波の出力がピークパワーの高いパルス列の光となった場合に、特に有効である。基本波のピークパワーが１００ＭＷ／ｃｍ２以上になると、４倍波の発生による高出力耐性の劣化が問題となるため、本発明の構成が有効となる。
（実施の形態１３）
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態１３による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１３による短波長光源６００は、基本波光源６０１、波長変換素子６０２、および集光光源６１１を備えたもので、基本波光源６０１を傾けて配置することにより、該基本波光源６０１から出射された基本波６０８を、波長変換素子６０２内部で反射させて、複数の高調波に変換するものである。
次に、実施の形態１３の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源６００では、基本波光源６０１から出射された基本波６０８は、波長変換素子６０２の分極反転構造６０４の光軸に角度を持って入射され、波長変換素子６０２の側面６０５で全反射される。この反射した部分Ｐとする。この場合、反射部Ｐを境に、つまり、波長変換素子６０２の入射面から反射点Ｐまでの分極反転領域Ｘ３と、反射部Ｐから波長変換素子６０２の出射面までの分極反転領域Ｘ４とでは、各領域Ｘ３，４における分極反転構造６０４の光軸と基本波６０８の成す角の正負が逆転することになる。すなわち、反射部Ｐを境に、分極反転構造６０４と基本波６０８との交差角が異なる領域が形成されることになる。
上述したように、基本波６０８と分極反転構造６０４が角度を持って交差しているため、基本波６０８と波長変換素子６０２の前半領域（入射面から反射部Ｐまでの領域Ｘ３）で発生した高調波６０７は、図１４（ａ）に示したように、基本波６０８の反射部Ｐとは異なる位置で反射する。このため、波長変換素子６０２の後半領域（反射部Ｐから出射面までの領域Ｘ４）で発生した高調波６０６と、前半領域Ｘ３で発生した高調波６０７は、互いに異なるビームパスを通る。この結果、波長変換素子６０２の前半領域Ｘ３と後半領域Ｘ４で発生した高調波６０６、６０７はビームが重ならず、高調波のパワー密度が低下する。このように、高調波のパワー密度を低減することで、高出力耐性を向上させることが可能となる。
（実施の形態１４）
図１４（ｂ）は、本発明の実施の形態１４による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１４による短波長光源６００ａは、基本波光源６０１、多層膜の反射ミラー６０９、６１０を入出射面に設けた波長変換素子６０２ａ、および集光光源６１１を備えたものであり、基本波を波長変換素子の側面および端面で反射させ、複数のビームパスで波長変換を起こすものである。
上記多層膜反射ミラー６０９は、基本波を透過し、高調波を反射する。一方、上記多層膜反射ミラー６１０は、基本波を反射し、高調波を透過する。
次に、実施の形態１４の動作、および作用効果について説明する。
光源６０１からでた基本波６１２は、多層膜反射ミラー６０９を透過して、波長変換素子６０２に入射されると、波長変換素子６０２の側面６１４で反射した後、多層膜反射ミラー６１０で反射され、側面６１５で反射し、多層膜反射ミラー６０９を通って外部に放出される。この際、基本波６１２は、波長変換素子６０２ａ内でそれぞれのビームパスで高調波を発生する。そのため、波長変換を高効率で行うことができる。
ところで、この短波長光源６００ａでは、高調波と基本波は図１４（ａ）で説明したようにウォークオフ角を有しており、波長変換素子６０２ａの内部で反射する毎に、高調波のビームパスがシフトする。そのため、高調波６１３のパワー密度は低減され、高出力耐性が大幅に向上する。その結果、多層膜反射ミラー６１０を通って高出力の高調波が外部に出射される。さらに、ウォークオフ角の発生により基本波と高調波のオーバラップが低下するため、和周波の発生が抑えられ、高出力耐性が向上する。
なお、本実施の形態１４では、基本波、高調波の反射を結晶の側面で行ったが、結晶の表面または裏面で反射させることも可能である。位相整合条件を成立させて高効率変換を可能にするには、反射部の前後で基本波６０８と周期状分極反転構造６０４が同じ周期で交わる必要がある。そのためには分極反転構造６０４と反射する側面６０５の垂直性が重要となる。垂直性が保たれていれば、反射部Ｐの前後で位相整合条件が等しくなり、高効率変換が可能となる。分極反転構造６０４と反射する側面の垂直性を確保する方法として、反射面を結晶表面とする構成も有効である。表面の垂直方向にＺ軸があるＺ板の結晶を用いた場合、結晶表面に対し、分極反転構造は必ず垂直方向に構成されるため、結晶表面での反射を利用すれば、高い精度で、反射部の前後での位相整合条件を一致させることが可能となり、高効率変換が実現できる。
（実施の形態１５）
図１５は、本発明の実施の形態１５による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１５による短波長光源７００は、基本波光源７０１、波長変換素子７０２、集光光源７２０、および基本波のみ反射するビーム整形手段を備えたものである。図１４の短波長光源６００ａの構成と異なる点は、波長変換素子の出射面に形成した多層膜７１１が基本波、高調波ともに無反射コートに成っており、波長変換素子の外部にビーム整形手段を備えている点である。
上記波長変換素子７０２の入射面には、高調波のみを反射する多層膜７１０が形成され、出射面には、基本波、および高調波の反射を防止するための多層膜７１１が形成されている。
上記ビーム整形手段は、基本波のみ反射する凹面ミラー７０９ａと、該凹面ミラー７０９ａを透過した高調波を集光する凸レンズ７０９ｂよりなる。凹面ミラー７０９ａの凹部には、上記多層膜７１１と同様の反射防止膜である多層膜７１２が形成されている。
次に、実施の形態１５の動作、および作用効果を説明する。
このような構成の短波長光源７００では、基本波光源７０１から出射された基本波７０８は、波長変換素子７０２の側面７０５ａで反射され、多層膜７１１を介して外部の凹面ミラー７０９ａで反射される。側面７０５ａでの反射前後で発生した高調波７０６は、凸レンズ７０９ｂにより集光される。また、凹面ミラー７０９ａで反射された基本波７０８は、再度、波長変換素子７０２内に入射され、側面７０５ｂで反射され、多層膜７１０を通過して外部へと出力される。側面７０５ｂでの反射前後で発生した高調波７０７は、多層膜７１０により反射されて外部へ出力され、凸レンズ７０９ｂにより集光される。その結果、ビームの広がりを抑圧できるため、基本波のパワー密度を高く保つことができ、高効率変換が可能となる。
（実施の形態１６）
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態１６による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１６では、波長変換素子の側面で基本波ビームを反射させる際に、基本波と高調波のウォークオフを利用して、ビームパスを分離する方法に加えて、反射面での基本波と高調波の分離角度を大きくする構成となっている。
本実施の形態１６による短波長光源８００は、基本波光源８０１、波長変換素子８０２、および集光光源８２０を備えたものである。
上記波長変換素子８０２の反射面に、回折素子８０５が形成されている。この回折素子８０５は、基本波に対しては、０次回折すなわち鏡面反射、高調波に対しては高次の回折が発生するように設計する。
次に、実施の形態１６の動作、および作用効果について説明する。
基本波光源８０１から出射された基本波８０８は、波長変換素子８０２の側面で反射するように入射される。この波長変換素子８０２の反射面に形成されている回折素子８０５により、波長変換素子８０２の前半で発生した高調波８０７は、回折素子８０５で回折される。一方、基本波８０８は、回折素子８０５で回折されないため、全反射され、その一部が高調波８０８に変換される。波長変換素子８０２の前半領域で発生する高調波８０７と、後半領域で発生する高調波８０８は、異なる角度で発生しているため、互いに重ならず、高調波のパワー密度を低減することができる。その結果、高出力耐性を大幅に向上させることできる。
本実施の形態では、波長変換素子８０２の側面（基本波が反射する面）に回折素子８０５を設けた場合について説明したが、基本波のみ反射する多層膜を形成してもよい。図１６（ｂ）に、反射面に多層膜８０９が形成された波長変換素子８０２ａを備えた短波長光源８００ａを示す。
上記多層膜８０９は、高調波を透過し、基本波を全反射するように設計されている。そのため、波長変換素子８０２ａの前半で発生した高調波は、多層膜８０９で分離されるため、波長変換素子の後半で発生する高調波と重ならない。従って、高調波のパワー密度が低下し、高出力耐性を大幅に向上できる。
また、本実施の形態では、回折素子ではなく、反射面の一部をテーパ状に形成するようにしてもよい。図１６（ｃ）に、反射面の一部をテーパ状に形成した波長変換素子８０２ｂを備えた短波長光源８００ｂを示す。
この短波長光源８００ｂでは、波長変換素子８０２ｂ内で基本波８０８が分極反転構造８０４と角度を持って交わっているため、ウォークオフが発生し、基本波と高調波が異なる角度で発生する。このため、側面での反射する位置が基本波と高調波では互いに異なる。図１６（ｃ）では、ビームが反射する側面が側面８１０、８１１で角度を付けた構成となっているため、基本波は側面８１１で反射、高調波は側面８１０で反射するように設計すれば、波長変換素子８０２ｂの前半で発生した高調波と、後半で発生した高調波の角度を大きくずらすことができる。これによって、高調波を複数のビームに分離して高調波のパワー密度を低減させ、高出力耐性を向上できる。
なお、光源としては、Ｑスイッチパルス光源を利用することで高効率変換が可能となる。基本波の平均パワーが低くても、高いピークパワーが利用できるため高効率変換が可能となるからである。繰り返し周波数としては、１ｋＨｚ以上が好ましい。これ以下の場合、基本波のピークパワーが高くなり１００ＭＷ／ｃｍ２程度のパワー密度になるとレーザダメージによる結晶破壊が生じる。光のビームスポットを大きくとり、かつ平均パワーを下げる必要がある。高出力の光源として利用するためには、繰り返しの周波数が１ｋＨｚ以上、より好ましくは１０ｋＨｚ以上が望ましい。
また、光源としてはＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス等のＮｄ材料、またはＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス等のＹｂドープ材料の適用が可能である。またＹｂドープのファイバーレーザを利用することも可能である。ファイバーレーザは、高出力化が容易であり、ビーム品質も高いため集光特性に優れ、高効率変換が可能である。
また、本発明のＰＰＭｇＬＮとしては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを用いている。Ｍｇのドープ量としては４．９ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％が望ましい。さらに望ましくは５．６±０．２ｍｏｌのドーピングが望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。
そのほか、Ｚｎ，Ｉｎ，ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮでも同様に利用できる。ストイキオメトリック組成のＰＰＭｇＬＮも耐光損傷強度に優れた高非線形材料であるため利用できる。
この場合のＭｇのドープ量は１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。その他、ＭｇドープのＬｉＴａＯ３、ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ３，ＫＴＰ等においても、本発明の構成は有効である。
本発明の短波長光源は、高出力耐性を大幅に向上させ、安定で信頼性の高い短波長光源を実現することができるため、波長変換素子を用いた高出力の可視光光源として利用可能である。
本発明は、波長変換素子を用いた短波長光源に関する。
非線形光学効果を利用した第２高調波発生は、基本波光源からのコヒーレント光を半分の波長の第２高調波に変換できる。波長変換においては、ノンクリティカルな位相整合の場合、素子長の増大、または入射する基本波のパワーの増大によって変換効率の向上が図れ、高出力の短波長光発生が可能となる。非線形光学結晶としてチタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）を用いた波長変換において、基本波または高調波のパワー密度の増大は、グレートラックと呼ばれるカラーセンター発生の原因となり、基本波、高調波の吸収が生じる。グレートラックが発生すると吸収による局所的な熱分布が発生し、非線形結晶が破壊的なダメージを受ける。これを解決する方法として、特許文献１に示すように、結晶を分割して第２高調波を分割して取り出す方法が提案されている。
図１７は、従来の短波長光源の構成図である。
図１７において、基本波光源１００１から出た基本波１００６はＫＴＰ１００２で一部波長変換され、波長分離ミラー１００４で基本波１００６と高調波１００７に分離される。その後、基本波１００６は再びＫＴＰ１００３で一部波長変換され、波長分離フィルター１００５により基本波１００６と高調波１００８に分離される。
このように複数のＫＴＰ結晶を用い、発生する第２高調波のパワー密度が一定の値を超えない状態で、第２高調波を取り出す。これにより、高効率化を図っている。
特開平１１−２７１８２３号公報
従来の構成は、複数の光学結晶を必要とし、第２高調波が異なる部分から出射するため、これを合波して利用するには、複雑な光学系を必要とし、短波長光源が大型化するという問題があった。
また、一つの光学結晶から取り出せる出力が限られるため、高出力化には多くの光学結晶が必要となり、小型化、低コスト化が難しいという問題があった。
本発明は、上記問題を解消するためになされたものであり、波長変換素子を用いて、高出力時の出力特性が安定で、信頼性の高い短波長光源を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、非線形光学結晶の分極反転構造は、複数の分極反転領域に分割され、該各分極反転領域において、発生する第２高調波の光路、あるいは分極反転構造の周期の光軸の角度が互いに異なる、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、非線形光学結晶の分極反転構造は、２つの分極反転領域に分割され、該２つの分極反転領域間に、前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項３にかかる短波長光源は、基本波を出射する基本波光源と、前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、前記基本波を前記非線形光学結晶の側面で反射させる、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項４にかかる短波長光源は、請求項１に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域において、前記基本波の光軸または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が異なっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項５にかかる短波長光源は、請求項１に記載の短波長光源において、前記分極反転構造は、前記基本波の光軸を中心としてその左、右に分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項６にかかる短波長光源は、請求項５に記載の短波長光源において、前記分割された分極反転構造の左、右の部分は、両者でくさび型を形成している、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項７にかかる短波長光源は、請求項５に記載の短波長光源において、前記分割された分極反転構造の各左、右の部分は、湾曲している、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項８にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項９にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう分割されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１０にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域において、各分極反転構造の光軸と前記基本波の光軸との成す角が、互いに異なっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１１にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶は、前記分極反転構造にほぼ垂直な側面を有し、該側面で前記基本波を反射する、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１２にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶から出射された前記基本波および第２高調波のうちの基本波は反射し、第２高調波は透過して集光を行うビーム整形手段を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１３にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶内で、前記第２高調波に対して高次の回折を発生させる回折素子を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１４にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶は、側面の一部がテーパ状に形成されている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１５にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１６にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域のうちの隣り合う前記領域では、各分極反転構造の周期の光軸と前記基本波の光軸が成す角度の正負が、逆になっている、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１７にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記基本波の光軸、または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が、２°以上である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１８にかかる短波長光源は、請求項４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶が、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３である、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項１９にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記基本波および前記第２高調波の屈折角を変えるプリズムを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２０にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記基本波から前記第２高調波を分離する分離プリズムを備えた、ことを特徴とする。
また、本発明の請求項２１にかかる短波長光源は、請求項３または４に記載の短波長光源において、前記非線形光学結晶の出射面、または入射面の少なくともいずれかの端面は、テーパ状に形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる短波長光源によれば、分極反転周期構造によるウォークオフ角を利用して、発生する高調波を複数のビームに分離するようにしているため、高調波のパワー密度を低減して、基本波と高調波との和周波の発生を抑圧でき、かつ、高調波の吸収をも低減できるため、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上させ、安定で、信頼性の高い短波長光源を実現することができる。
さらに、発生するビームをほぼ同じ進行方向に出射することが可能であり、簡単な光学系で高調波を合波でき、光源の小型化に有効である。
また、本発明にかかる短波長光源によれば、非線形光学結晶の側面での反射を利用して、発生する高調波を複数のビームに分割するようにしたので、高調波のパワー密度を低減し、かつ基本波と高調波により発生する和周波の発生を抑圧することができ、また、高調波の吸収を抑えることができるため、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上させ、安定で、信頼性の高い短波長光源を実現することができる。
本発明は、周期状の分極反転構造を利用した波長変換素子により高出力の短波長光源を実現することを目的とする。
一般的に、周期状の分極反転構造を利用した波長変換素子は、高い非線形光学定数と、ノンクリティカルな位相整合条件による長い作用長により高効率の波長変換が可能である。このような分極反転構造を利用した波長変換素子である、Ｍｇ等をドーピングしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）は、可視領域で最大の非線形光学定数を有する透明材料であり、光損傷耐性にも優れるため、高効率変換が実現されている。しかしながら、この材料においても、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ）とは異なるメカニズムのレーザ損傷が発生し、高出力耐性に限界がある。そのため、より高出力耐性の高い短波長光源が望まれる。
そこで、本発明では、周期状の分極反転構造を利用した新しい構造を提案することで、高出力化、小型化が可能な短波長光源を提案する。
ここで、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３（以下ＰＰＭｇＬＮとする）において見つかった現象について、説明する。
波長１０６４ｎｍの基本波をＰＰＭｇＬＮによって波長変換し、波長５３２ｎｍの緑色光の第２高調波を発生した際に、緑色光が３Ｗを越えると出力が不安定になり、結晶内にレーザダメージが生じることが見いだされた。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。ＰＰＭｇＬＮによって１０６４ｎｍの基本波を５３２ｎｍの第２高調波に変換する際に、基本波と第２高調波の和周波により３５５ｎｍの紫外光が発生する。３５５ｎｍの光への変換効率は非常に低いため、高出力の波長変換を行った際に発生する３５５ｎｍの光は僅かである。しかし、３５５ｎｍの光が発生すると、緑色光の吸収が増大し、熱レンズ効果により高調波出力が不安定になり、さらに高出力化すると結晶にダメージが発生する。この現象は、ＫＴＰとは異なる高出力時の不安定要因である。
そこで、本発明では、ＰＰＭｇＬＮに特有の現象である、高出力特性劣化の問題を解決する新たな短波長光源の構造を提案する。ＰＰＭｇＬＮにおいて、高調波の高出力化を図るには、高出力耐性の向上が必要である。ＰＰＭｇＬＮにおける高出力耐性の向上には、
１）高調波のパワー密度を低減する、
２）結晶内で基本波と高調波による和周波の発生を抑える、
の２つの方法が有効である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるコヒーレント光源の構成図である。図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）は波長変換素子の一部を部分的に拡大した図である。
図１（ａ）に示す短波長光源１００は、基本波を出射する基本波光源１０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子１０２，１０３、および集光光源１１１を備えたものである。
波長変換素子１０２,１０３はそれぞれ、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造１０４,１０５を有する。
このような構成の短波長光源１００では、基本波光源１０１から出射された基本波１０８は、波長変換素子１０２で一部が高調波１０７に変換され、さらに波長変換素子１０３でも一部が高調波１０６に変換される。
ここで、図１（ｂ）に、図１（ａ）の波長変換素子１０２の一部を拡大したものを示す。周期状の分極反転構造１０４に対する垂線を、周期状分極反転構造１０４の光軸１１０とし、光軸１１０と基本波１０８の光軸の成す角度を分極反転角度θとする。
分極反転角度θが０でない場合、基本波と第２高調波の分散特性よりウォークオフ角θｗが発生し、高調波１０７は、基本波と異なる伝搬方向に発生する。図１（ａ）に示すように、波長変換素子１０２と１０３において、異なる分極反転角度θを形成すると、各波長変換素子１０２,１０３で発生する高調波１０６,１０７は、互いに異なる光軸方向に発生するため、お互いにビームの重ならない複数の高調波を発生させることが可能となる。その結果、高調波のパワー密度が低減され、高出力耐性が向上する。また、ウォークオフ角θｗが発生することで、基本波と高調波の光軸がずれるため、基本波と高調波のオーバラップが低減し、和周波の発生を抑えることが可能となる。さらに、和周波と基本波のウォークオフ角が増大もするため、和周波の発生はさらに抑えられる。これら３つの効果により高出力耐性は大幅に向上する。
ここで重要なのは、波長変換素子１０２,１０３のうち、後段の波長変換素子１０３における、高調波のパワー密度、および和周波の発生を抑えることである。
波長変換素子１０２で発生した高調波１０７が、波長変換素子１０３で発生する高調波１０６と一致すると、高調波のパワー密度が高くなり、ダメージの原因となる。このため、それぞれの領域で発生する高調波のビームが一致しないように、分極反転構造の光軸を設計する必要がある。
また、複数に分割した分極反転構造の領域においては、和周波発生によるレーザダメージが発生しない条件に設計する必要がある。和周波発生による高調波吸収が発生すると、局所的な温度上昇が生じるため、位相整合条件が成立しない領域が生じる。これを自己位相不整合領域とする。このように和周波発生により自己位相不整合領域が発生すると、結晶にダメージが入る確率が急激に増大する。また、長期的な信頼性も劣化する。このため、各領域における高調波の出力、ウォークオフ角、位相整合波長を、自己位相不整合領域を発生させない値に設定するのが好ましい。
自己位相不整合領域の発生の制御は、位相整合温度を管理することで可能となる。上述したように、和周波による自己位相不整合領域が発生すると、結晶の部分的な温度上昇が発生するため、位相整合条件を成立させるためには、結晶温度を下げる必要がある。和周波がほとんど発生しない高調出力０．５Ｗ以下の位相整合温度に対して、位相整合温度の変化が２℃以上になると自己位相不整合によるレーザダメージの発生が顕著になる。従って、安定な出力で、高信頼性の短波長光源を得るには、各領域で和周波発生による位相整合温度の変化を２℃以下に抑える必要がある。本発明では、自己位相不整合領域を発生させないように位相整合温度を管理するようにしている。
ウォークオフの発生は、図１（ａ）に示すように、隣り合う分極反転の領域（ここでは、波長変換素子１０２、１０３）で、基本波と分極反転構造の光軸の角度θを異ならせることで、効果的になる。特に、有効なのは、隣接する領域でθの符号を正負逆にする構成である。この場合、隣接する領域で発生する高調波のウォークオフ角度θｗを正負逆にしているため、高調波の角度ずれが大きくなり、高調波同士のオーバラップがさらに低減して有効である。高調波の角度とは、各領域で発生する高調波の角度をいう。また、複数の分極反転構造領域を直列につなぐ場合は、隣接する領域でθの符号を逆転させると、θの値を大きくとることなく、発生する複数の高調波のビームの重なりを低減できるため、高出力耐性には有効である。θの値を抑える理由は、後述するように、θの値を大きくすると変換効率自体が低下するからである。
さらに、本発明の構成では、複数の領域で発生した高調波はすべて同じ方向に出射される。このため、シリンドリカルレンズ等の簡単な光学系を用いてそれぞれの領域から発生した高調波を合波できるため、光源の小型化、簡素化に有効である。
また、集光光学系（集光光源）１１１に色収差の大きなレンズを用いることが有効である。波長変換素子１０２から出力される基本波と高調波を集光光学系１１１で波長変換素子１０３内に集光するが、このとき集光光学系に色収差の大きなレンズを用いれば、波長変換素子１０３内で集光される基本波と高調波の集光位置をずらすことができる。これによって、波長変換素子１０２から発生した高調波１０７と、波長変換素子１０３で発生した高調波１０６のオーバラップを低減し、高出力耐性を向上できる。
図２（ａ）は、分極反転角度θ（分極反転構造と基本波の光軸の成す角度）とウォークオフ角θｗとの関係を示すである。
ウォークオフ角θｗは、分極反転角度θに比例して増大するが、変換効率は、分極反転角度θの増加とともに減少する。変換効率の低下を５０％以下に抑えるため、θの値は、６°以下であることが望ましい。
図２（ｂ）は、分極反転角度θと高出力耐性の関係である。
高出力耐性は、分極反転角度θの増大とともに向上する。つまり、θの値が１°以上であれば、高出力耐性の向上が見られ、θの値を２°以上にすることで高出力耐性は大幅に向上する。一方、θ＜１°では、高出力耐性の効果はほとんどない。このため、θの値は、１°以上６°以下であることが望ましい。さらに望ましくは、θの値が２°以上６°以下である場合である。
一方、高出力耐性の向上のため、分極反転構造の異なる領域から発生する高調波のオーバラップを低減するには、図１（ａ）に示した分極反転構造の領域（ここでは、波長変換素子１０２、１０３）の間隔を空けることが有効である。このようにすることで、ウォークオフ角による角度ずれの効果が大きくなり、オーバラップが低下するからである。また、２つのビームの重なりをなくすには、基本波のビーム径をΦ、２つの分極反転領域の間隔をＬとした場合、Ｌ＊ｔａｎ（０．３４θ）＞Φとなるように設定すればよい。この条件下では、それぞれの領域、つまり、波長変換素子１０２、１０３で発生した高調波は重ならないため、高出力耐性が大幅に向上する。
図３は、分極反転構造の領域を３つに分けた場合の短波長光源の一例を示す図である。
図３に示す短波長光源１００ａは、図１に示す短波長光源１００の構成に加えて、さらに、波長変換素子１２１を備えたものである。
波長変換素子１２１は、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造１２０を有し、波長変換素子１０３から出力された基本波１０８の一部を高波長１２２に変換する。
図４は、光軸を傾けた場合の他の短波長光源の一例を示す図である。
図４（ａ）に示す短波長光源１００ｂと、図１（ａ）に示す短波長光源１００との違いは、結晶のＺ軸が波長変換素子１０２ｂと１０３ｂで異なっている点である。分極反転構造は、＋Ｚ面よりＺ軸方向に成長するため、図４（ａ）に示すように、結晶軸によって分極反転結晶が角度を持つ。波長変換素子１０２ｂと１０３ｂで異なる結晶軸の結晶を用いれば、分極反転の傾きが結晶間で異なるように設定できる。図１の場合は、分極反転構造を形成する＋Ｚ面の電極構造を変える。または、図１（ｂ）に示すように結晶自体を回転させることでも可能である。なお、図１と図４の構造を組み合わせることも可能である。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態２による短波長光源３００は、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２,３０３、および集光光源３２０を備えたものである。
上記波長変換素子３０２,３０３はそれぞれ、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造３０４,３０５を有する。ここでは、波長変換素子３０２の出射面３０９、波長変換素子３０３の入射面３１０は、テーパ状に形成されている。なお、入出射端面の角度をブリュースター角に設定すると、端面反射を低減させることができる。
次に、本実施の形態２の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００では、波長変換素子３０２の出射面３０９、および波長変換素子３０３の入射面３１０にテーパを付けているので、プリズム効果により、基本波３０８と高調波３０７の光路が変わり、両ビームの光路の角度差が大きくなる。これによって、波長変換素子３０３内での２つの高調波３０６、３０７の光軸がずれ、オーバラップを低減することができ、高出力耐性を向上できる。
（実施の形態３）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態３による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態３による短波長光源３００ａは、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２ａ，３０３ａ、集光光源３２０、および偏光板３１１を備えたものである。
上記波長変換素子３０２ａ,３０３ａは、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造３０４ａ,３０５ａを有する。
また、上記偏光板３１１は、波長変換素子３０２ａ、３０３ａ間に配置されている。この偏光板３１１の特性としては、基本波は偏光回転せず、高調波のみ偏光を回転させる構成が望ましい。
次に、本実施の形態３の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００ａでは、２つの波長変換素子３０２ａ、３０３ａ間に偏光板３１１を挿入しているため、波長変換素子３０２ａで発生した高調波３１３は、波長変換素子３０３ａ内では基本波３１４と異なる偏光を持つことになる。基本波３１４と高調波３１３の偏光方向が異なることで、波長変換素子３０３ａ内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
なお、和周波の発生は、高調波と基本波の偏光が直交する場合が最も小さくなるので、偏光板３１１の特性としては、基本波と高調波の偏光を直交するように設定するのがさらに好ましい。
（実施の形態４）
図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態４による短波長光源３００ｂは、基本波を出射する基本波光源３０１、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子３０２ｂ，３０３ｂ、集光光源３２０、および偏光板３１１を備えたものである。
上記波長変換素子３０２ｂ,３０３ｂは、基本波の光軸に対して垂直方向に順に並ぶように形成された周期状の分極反転構造３０４ｂ,３０５ｂを有する。
次に、本実施の形態４の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源３００ｂでは、偏光板３１１を挿入することで、波長変換素子３０２ｂで発生した高調波３１３の偏光は、偏光板３１１の手前のＢ点では紙面に垂直な方向であり、偏光板３１１の後のＤ点では紙面に平行な方向に回転する。基本波３１４の偏光は、偏光板３１１では回転しないため、偏光板３１１の前後のＡ点およびＣ点で、紙面に垂直な方向である。
波長変換素子３０３ｂ内では基本波３１４と高調波３１３は異なる偏光を持つため、非線形効果が弱まり、和周波は発生しない。一方、波長変換素子３０３ｂ内で発生した高調波３１２は素子内部で増幅されるが、出力端面近傍にならないと高いパワーにならないため、和周波の発生は弱い。したがって、波長変換素子３０３ｂ内部では、高調波３１３による和周波の発生が抑圧され、同時に発生する高調波３１２による和周波発生も抑圧できるため高出力耐性を高めることができる。
また、基本波３１４と高調波３１３の偏光方向が異なるため、波長変換素子３０３ｂ内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
なお、和周波の発生は、高調波と基本波の偏光が直交する場合が最も小さくなるので、偏光板３１１の特性としては、基本波と高調波の偏光を直交するように設定するのが好ましいが、偏光を回転させるだけでも効果はある。また、高調波３１３と基本波３１４のビームパスを波長変換素子３０４ｂ内でずらすことでさらに耐性は向上する。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５による短波長光源について説明する。
本実施の形態５による短波長光源５００は、基本波光源５０１、波長変換素子５０２、および集光光源５１１を備えたものである。
上記波長変換素子５０２は、一つの基板の中に、基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう２つの分極反転領域Ｘ１、Ｘ２に分割されている。領域Ｘ１における周期状分極反転構造５０４、および領域Ｘ２における周期状分極反転構造５０５の各々は、互いに異なる分極反転角度で基本波５０８の光軸と交わっている。
次に、本実施の形態５の動作、および作用効果について説明する。
このような短波長光源５００では、２つの領域Ｘ１,Ｘ２で発生した高調波５０６と高調波５０７はそれぞれの領域で、異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度の低減、および高調波と基本波のオーバラップ低減による和周波発生の抑圧により高出力耐性を大幅に向上できる。また、一つの結晶内に、２つの分極反転領域を形成しているため、小型化に有効である。さらに、分極反転角θの異なる領域を複数縦列につなげた構成も可能であり、相互作用長の増大が可能であり、高出力化が図れる。
（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態６による短波長光源５００ａは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子５０２ａを備えたものである。
基本波の光軸を中心としてその左右に分割された分極反転領域をそれぞれ、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａとする。この領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａは、基本波５０８のビーム内で分かれている。
上記領域Ｘ１ａの分極反転構造５０４ａと上記領域Ｘ２ａの分極反転構造５０５ａは、両者でくさび型を形成している。なお、分極反転構造５０４ａの光軸が基本波の光軸となす角度をθ１とすると、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０%以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、θ１の値は、１°以上６°以下であることが望ましい。また、分極反転構造５０５ａの光軸と基本波の光軸とがなす角度についても同様に設定することが望ましい。
次に、本実施の形態６の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源５００ａでは、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａで発生する高調波５０６,５０７は異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度が低減される。さらに図で示すように、和周波５０９,５１０の出射角も分極反転の傾きにより大きくなるため、和周波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
なお、ビームに対する分極反転構造としては、凹面状に角度をもつことが望ましい。凹面形状にすることで、高調波５０６,５０７のビームの重なりが小さくなるので、より好ましい。
（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態７による短波長光源５００ｂは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子５０２ｂを備えたものである。
基本波の光軸を中心としてその左右に分割された分極反転領域をそれぞれ、領域Ｘ１ａと領域Ｘ２ａとする。この領域Ｘ１ｂと領域Ｘ２ｂは、基本波５０８のビーム内で分かれている。
上記領域Ｘ１ａの分極反転構造５０４ｂと上記領域Ｘ２ａの分極反転構造５０５ｂは、湾曲している。両者でくさび型を形成している。そのため、領域Ｘ１ｂ，Ｘ２ｂの境界部分が大きくなり、位置あわせが容易になる。なお、分極反転構造５０４ｂの光軸が基本波の光軸となす角度をθ２とすると、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０％以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、θ２の値は、１°以上６°以下であることが望ましい。また、分極反転構造５０５ｂの光軸と基本波の光軸とがなす角度についても同様に設定することが望ましい。
次に、本実施の形態７の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源５００ｂでは、分極反転構造を湾曲に形成しているため、波長変換素子５０２ｂ内で発生した高調波５０６,５０７が分離され、これにより、高調波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８の短波長光源の構成を示す図である。図１０（ａ）は、本実施の形態８の短波長光源の構成を示す図であり、図１０（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図である。
本実施の形態８による短波長光源５００ｃは、図７に示す短波長光源５００の波長変換素子５０２に代えて、基本波の光軸に対し平行方向の線を境として複数の領域Ｘ１ｃ〜Ｘ７ｃに分割された分極反転構造５０４ｃを有する波長変換素子５０２ｃを備えたものである。
上記分極反転構造５０４ｃは、図１０に示すように、基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割された複数の領域のうちの隣り合う領域では、各分極反転構造の光軸と基本波の光軸とのなす角度が、互いに異なっている。なお、各分極反転構造５０４ｃの光軸と基本波の光軸とがなす角度は、上記実施の形態１で説明したように、変換効率の低下を５０％以下に抑え、かつ、高出力耐性を向上させるために、１°以上６°以下であることが望ましい。
このような構成の短波長光源５００ｃは、基本波のビーム断面積が１００μｍ以上と大きな場合に有効である。高い出力を得る場合には、基本波の断面積を大きくすると良い。例えば、高ピークパワーのＱスイッチ駆動した基本波を波長変換する場合、基本波のパワー密度を低下させるため、基本波を集光することなく平行光の状態で波長変換するような構成にする。このような場合、ビーム径は１００μｍ以上となるため、分極反転領域を図１０（ｂ）に示すように複数の領域に分けて角度を持たせることで、高調波の発生が複数のビームに分散され、その結果、高出力耐性が向上する。
（実施の形態９）
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態９による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態９による短波長光源４００は、基本波光源４０１、波長変換素子４０２,４０３、集光光源４２０、およびプリズム４０９を備えたものである。
上記波長変換素子４０２,４０３は、基本波の光軸に対して傾けて形成された周期状の分極反転構造４０４,４０５を有する。
上記プリズム４０９は、上記波長変換素子４０２，４０３の間に位置する。
次に、本実施の形態９の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００によれば、プリズムの分散特性により、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の屈折角を変えることができる。これにより、波長変換素子４０３内で、波長変換素子４０２から出力された高調波４０７と波長変換素子４０３で発生する高調波４０６を分離することができ、高出力耐性の向上が可能となる。
また、上記短波長光源４００の構成において、さらに偏光板を備えるようにしても良い。図１１（ｂ）に偏光板を備えた場合の短波長光源の構成を示す。
図１１（ｂ）に示す短波長光源４００ａは、プリズム４０９の後段にさらに偏光板４１１を備えている。
このような構成の短波長光源４００ａによれば、偏光板４１１により波長変換素子４０２で発生した高調波４０７の偏光を回転させることができるので、波長変換素子４０３内で、高調波４０７と基本波４０８による和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を向上できる。
（実施の形態１０）
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１０による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１０による短波長光源４００ｂは、図１１（ａ）の短波長光源４００におけるプリズム４０９に代えて、平行プリズム４３０を備えたものである。
次に、本実施の形態１０の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００ｂでは、平行プリズム４３０を用いることで、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子４０２で発生した高調波４０７と、波長変換素子４０３で発生した高調波４０６をほぼ並行な光として取り出すことができるので、２つの光を合波する光学系が簡単になるという利点もある。
なお、本実施の形態１０では、平行プリズムを用いて基本波と高調波を別光路に分離する場合について説明したが、基本波と高調波の波長の違いを利用して波長分散の大きなプリズムを用いても良い。この場合、屈折角の違いにより基本波と高調波を分離することができる。
（実施の形態１１）
図１２（ｂ）は、本発明の実施の形態１１による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１１による短波長光源４００ｃは、図１２（ａ）の短波長光源４００ｂにおける平行プリズム４３０に代えて、プリズム４０９と４０９ｃとからなるプリズムペアを備えたものである。
さらに、短波長光源４００ｃは、上記プリズムペアの間に、さらに偏光板４１１を備えたものである。
次に、実施の形態１１の動作、および作用効果について説明する。
本実施の形態１１の短波長光源４００ｃでは、プリズムペアを用いることで、上記実施の形態１０で説明した平行プリズム４３０と同様、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８と高調波４０７の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子４０２で発生した高調波４０７と、波長変換素子４０３で発生した高調波４０６をほぼ並行な光として取り出すことができるので、２つの光を合波する光学系が簡単になる。
また、プリズムペアの間に、偏光板４１１を備えているため、高調波４０６，４０７の偏光を異なる偏光にすることができ、和周波の発生を抑圧して高出力耐性をさらに強化することが可能になる。
なお、本実施の形態１１ではプリズムペアを用いる場合について説明したが、屈折率分散の大きな光学系を用いても良い。この場合、波長変換素子４０２で発生した基本波４０８と高調波４０７を、波長変換素子４０３で分離することができるため、高出力耐性を向上できる。特に、波長変換素子４０２で発生した基本波４０８と高調波４０７を波長変換素子４０３で分離することで、波長変換素子４０３での和周波の発生を抑圧するという利点がある。例えば、屈折率分散の大きな光学素子としては図１１に示したプリズム以外に、屈折率分散の大きな光学ガラスによるレンズも有効である。波長変換素子４０２で発生した基本波４０８を波長変換素子４０３で集光する場合に、基本波４０８と高調波４０７の集光スポットをずらすことで、パワー密度の高い集光点で高効率に発生する和周波を大幅に低減できる。集光スポットのずれは、基本波と高調波の波長の違いによってレンズの屈折率が異なることに起因するもので、集光スポットのずれは、集光点での焦点深度より大きいことが望ましい。その他、グレーティング素子によって、基本波と高調波を分離するのも有効である。また、レンズに表面にグレーティング施したグレーティングレンズなども、波長分散の大きなレンズを形成できるため有効である。
（実施の形態１２）
図１３（ａ）は、本発明の実施の形態１２による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１２による短波長光源４００ｄは、図１２（ａ）の短波長光源４００ｂにおける平行プリズム４０３に代えて、基本波と高調波を分離するための分離プリズム４４０を備えたものである。
分離プリズム４４０は、２つのプリズム４４３,４４４よりなり、プリズム４４３の表面に波長分離膜４４１が形成されており、プリズム４４４の一部に反射膜４４２が形成されている。
次に、実施の形態１２の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源４００ｄでは、波長変換素子４０２から出射された基本波４０８および高調波４０７は、分離プリズム４４０により、分離される。つまり、基本波４０８は、分離プリズム４４０の波長分離膜４４１を透過し、高調波４０７は、波長分離膜４４１で反射される。
波長分離膜４４１で反射された高調波４０７は、反射膜４４２で反射され、波長変換素子４０３に入射される。一方、波長分離膜４４１を透過した基本波４０８は、波長変換素子４０３に入射され、波長変換素子４０３内でその一部が高調波４０６に変換される。
このようにして、基本波４０８と高調波４０７を波長変換素子４０３内部で分離することができるため、波長変換素子４０２および４０３内での和周波の発生を抑えることができ、また、波長変換素子の高出力耐性を大幅に向上できる。
上記実施の形態８〜１２では、プリズムを用いて波長変換素子４０２で発生した高調波４０７を基本波４０８から分離する場合について説明したが、波長変換素子の入射端面あるいは出射端面をテーパ状に形成することにより、その端部をプリズムとして利用しても良い。
図１３（ｂ）に示す波長変換素子４００ｅは、波長変換素子４０２ｅの出射端面４５０を基本波のビームに対して角度をつけたものである。。出射面４５０をテーパ状に形成することで、基本波４０８と高調波４０７の波長差による屈折率の違いにより出射角度が異なり、これを利用して基本波４０８と高調波４０７を分離することが可能となる。
例えば、波長変換素子４０２ｅ内部での基本波４０８と出射面４５０の垂線との成す角をθとすると、θが６５°の時、波長変換素子４０２ｅと４０３ｅの距離１ｍｍで、ビーム径が約１００μｍである基本波４０８と、高調波４０７の光路は波長変換素子４０３ｅ内で離れることになる。これによって和周波の発生を抑圧して、高出力耐性を大幅に向上できた。θの値としては、出射面４５０から出力する基本波と高調波の角度の差をつけるため、１０°以上が好ましい。また、角度が大きいと高調波が全反射してしまうので、θは３０°以下が好ましい。またブリュースター角に設定すると、無反射コートを施すことなく、端面での反射損失がなくなるので、より好ましい。また、波長変換素子４０３ｅの入射面４１０も出射面４５０と同じ角度に設定するようにすれば、波長変換素子４０３ｅ内で発生した高調波４０７、波長変換素子４０３ｅ内で発生した高調波４０８が平行になるので、出射した光を合波する光学系が簡単になるという利点を有する。また、２つの波長変換素子４０２ｅ，４０３ｅ間にレンズ光学系を挿入して波長変換素子４０３ｅ内で基本波を再び集光するようにすれば、変換効率をさらに向上させることができる。
なお、上記実施の形態１〜１２では、分極反転構造の周期の光軸に対して、基本波および高調波の光路が異なる場合について説明したが、基本波あるいは高調波のいずれか一方のみが分極反転構造の周期の光軸と異なっていれば良い。
また、上記実施の形態１〜１２では、周期状の分極反転構造を有する非線形材料として、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いて説明したが、その他、ノンドープのＬｉＮｂＯ３、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃにも有効である。ＬｉＮｂＯ３またはドープしたＬｉＮｂＯ３は高い非線形光学定数を有するため、高効率変換が可能となり有効である。その他、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ、ＫＮｂＯ３等の強誘電体の周期分極反転構造においても、高出力化に有効である。高出力耐性向上には、高調波のパワー密度低減が有効なため、本発明の構成は有効である。
また、上記実施の形態１〜１２では、波長変換としては、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。本発明で説明した紫外光による可視光の吸収発生は、紫外光の波長として４００ｎｍ以下で顕著に発生する。このため、和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対しては、本発明の構成が特に有効である。また出力としては、第２高調波出力で１〜２Ｗ程度以上の場合に有効である。また１２００ｎｍ以上の波長に対しては、１０Ｗ以上の第２高調波発生に対して、有効である。１２００ｎｍ以上の波長に対しては、基本波の４倍波である基本波の波長λの１／４の波長光発生によって、同様の高出力耐性の劣化が生じる。しかしながら、４倍波の効率は低いため、高調波の出力が１０Ｗを越える高出力になった場合、または、基本波の出力がピークパワーの高いパルス列の光となった場合に、特に有効である。基本波のピークパワーが１００ＭＷ／ｃｍ２以上になると、４倍波の発生による高出力耐性の劣化が問題となるため、本発明の構成が有効となる。
（実施の形態１３）
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態１３による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１３による短波長光源６００は、基本波光源６０１、波長変換素子６０２、および集光光源６１１を備えたもので、基本波光源６０１を傾けて配置することにより、該基本波光源６０１から出射された基本波６０８を、波長変換素子６０２内部で反射させて、複数の高調波に変換するものである。
次に、実施の形態１３の動作、および作用効果について説明する。
このような構成の短波長光源６００では、基本波光源６０１から出射された基本波６０８は、波長変換素子６０２の分極反転構造６０４の光軸に角度を持って入射され、波長変換素子６０２の側面６０５で全反射される。この反射した部分Ｐとする。この場合、反射部Ｐを境に、つまり、波長変換素子６０２の入射面から反射点Ｐまでの分極反転領域Ｘ３と、反射部Ｐから波長変換素子６０２の出射面までの分極反転領域Ｘ４とでは、各領域Ｘ３,４における分極反転構造６０４の光軸と基本波６０８の成す角の正負が逆転することになる。すなわち、反射部Ｐを境に、分極反転構造６０４と基本波６０８との交差角が異なる領域が形成されることになる。
上述したように、基本波６０８と分極反転構造６０４が角度を持って交差しているため、基本波６０８と波長変換素子６０２の前半領域（入射面から反射部Ｐまでの領域Ｘ３）で発生した高調波６０７は、図１４（ａ）に示したように、基本波６０８の反射部Ｐとは異なる位置で反射する。このため、波長変換素子６０２の後半領域（反射部Ｐから出射面までの領域Ｘ４）で発生した高調波６０６と、前半領域Ｘ３で発生した高調波６０７は、互いに異なるビームパスを通る。この結果、波長変換素子６０２の前半領域Ｘ３と後半領域Ｘ４で発生した高調波６０６、６０７はビームが重ならず、高調波のパワー密度が低下する。このように、高調波のパワー密度を低減することで、高出力耐性を向上させることが可能となる。
（実施の形態１４）
図１４（ｂ）は、本発明の実施の形態１４による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１４による短波長光源６００ａは、基本波光源６０１、多層膜の反射ミラー６０９、６１０を入出射面に設けた波長変換素子６０２ａ、および集光光源６１１を備えたものであり、基本波を波長変換素子の側面および端面で反射させ、複数のビームパスで波長変換を起こすものである。
上記多層膜反射ミラー６０９は、基本波を透過し、高調波を反射する。一方、上記多層膜反射ミラー６１０は、基本波を反射し、高調波を透過する。
次に、実施の形態１４の動作、および作用効果について説明する。
光源６０１からでた基本波６１２は、多層膜反射ミラー６０９を透過して、波長変換素子６０２に入射されると、波長変換素子６０２の側面６１４で反射した後、多層膜反射ミラー６１０で反射され、側面６１５で反射し、多層膜反射ミラー６０９を通って外部に放出される。この際、基本波６１２は、波長変換素子６０２ａ内でそれぞれのビームパスで高調波を発生する。そのため、波長変換を高効率で行うことができる。
ところで、この短波長光源６００ａでは、高調波と基本波は図１４（ａ）で説明したようにウォークオフ角を有しており、波長変換素子６０２ａの内部で反射する毎に、高調波のビームパスがシフトする。そのため、高調波６１３のパワー密度は低減され、高出力耐性が大幅に向上する。その結果、多層膜反射ミラー６１０を通って高出力の高調波が外部に出射される。さらに、ウォークオフ角の発生により基本波と高調波のオーバラップが低下するため、和周波の発生が抑えられ、高出力耐性が向上する。
なお、本実施の形態１４では、基本波、高調波の反射を結晶の側面で行ったが、結晶の表面または裏面で反射させることも可能である。位相整合条件を成立させて高効率変換を可能にするには、反射部の前後で基本波６０８と周期状分極反転構造６０４が同じ周期で交わる必要がある。そのためには分極反転構造６０４と反射する側面６０５の垂直性が重要となる。垂直性が保たれていれば、反射部Ｐの前後で位相整合条件が等しくなり、高効率変換が可能となる。分極反転構造６０４と反射する側面の垂直性を確保する方法として、反射面を結晶表面とする構成も有効である。表面の垂直方向にＺ軸があるＺ板の結晶を用いた場合、結晶表面に対し、分極反転構造は必ず垂直方向に構成されるため、結晶表面での反射を利用すれば、高い精度で、反射部の前後での位相整合条件を一致させることが可能となり、高効率変換が実現できる。
（実施の形態１５）
図１５は、本発明の実施の形態１５による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１５による短波長光源７００は、基本波光源７０１、波長変換素子７０２、集光光源７２０、および基本波のみ反射するビーム整形手段を備えたものである。図１４の短波長光源６００ａの構成と異なる点は、波長変換素子の出射面に形成した多層膜７１１が基本波、高調波ともに無反射コートに成っており、波長変換素子の外部にビーム整形手段を備えている点である。
上記波長変換素子７０２の入射面には、高調波のみを反射する多層膜７１０が形成され、出射面には、基本波、および高調波の反射を防止するための多層膜７１１が形成されている。
上記ビーム整形手段は、基本波のみ反射する凹面ミラー７０９ａと、該凹面ミラー７０９ａを透過した高調波を集光する凸レンズ７０９ｂよりなる。凹面ミラー７０９ａの凹部には、上記多層膜７１１と同様の反射防止膜である多層膜７１２が形成されている。
次に、実施の形態１５の動作、および作用効果を説明する。
このような構成の短波長光源７００では、基本波光源７０１から出射された基本波７０８は、波長変換素子７０２の側面７０５ａで反射され、多層膜７１１を介して外部の凹面ミラー７０９ａで反射される。側面７０５ａでの反射前後で発生した高調波７０６は、凸レンズ７０９ｂにより集光される。また、凹面ミラー７０９ａで反射された基本波７０８は、再度、波長変換素子７０２内に入射され、側面７０５ｂで反射され、多層膜７１０を通過して外部へと出力される。側面７０５ｂでの反射前後で発生した高調波７０７は、多層膜７１０により反射されて外部へ出力され、凸レンズ７０９ｂにより集光される。その結果、ビームの広がりを抑圧できるため、基本波のパワー密度を高く保つことができ、高効率変換が可能となる。
（実施の形態１６）
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態１６による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態１６では、波長変換素子の側面で基本波ビームを反射させる際に、基本波と高調波のウォークオフを利用して、ビームパスを分離する方法に加えて、反射面での基本波と高調波の分離角度を大きくする構成となっている。
本実施の形態１６による短波長光源８００は、基本波光源８０１、波長変換素子８０２、および集光光源８２０を備えたものである。
上記波長変換素子８０２の反射面に、回折素子８０５が形成されている。この回折素子８０５は、基本波に対しては、０次回折すなわち鏡面反射、高調波に対しては高次の回折が発生するように設計する。
次に、実施の形態１６の動作、および作用効果について説明する。
基本波光源８０１から出射された基本波８０８は、波長変換素子８０２の側面で反射するように入射される。この波長変換素子８０２の反射面に形成されている回折素子８０５により、波長変換素子８０２の前半で発生した高調波８０７は、回折素子８０５で回折される。一方、基本波８０８は、回折素子８０５で回折されないため、全反射され、その一部が高調波８０８に変換される。波長変換素子８０２の前半領域で発生する高調波８０７と、後半領域で発生する高調波８０８は、異なる角度で発生しているため、互いに重ならず、高調波のパワー密度を低減することができる。その結果、高出力耐性を大幅に向上させることできる。
本実施の形態では、波長変換素子８０２の側面（基本波が反射する面）に回折素子８０５を設けた場合について説明したが、基本波のみ反射する多層膜を形成してもよい。図１６（ｂ）に、反射面に多層膜８０９が形成された波長変換素子８０２ａを備えた短波長光源８００ａを示す。
上記多層膜８０９は、高調波を透過し、基本波を全反射するように設計されている。そのため、波長変換素子８０２ａの前半で発生した高調波は、多層膜８０９で分離されるため、波長変換素子の後半で発生する高調波と重ならない。従って、高調波のパワー密度が低下し、高出力耐性を大幅に向上できる。
また、本実施の形態では、回折素子ではなく、反射面の一部をテーパ状に形成するようにしてもよい。図１６（ｃ）に、反射面の一部をテーパ状に形成した波長変換素子８０２ｂを備えた短波長光源８００ｂを示す。
この短波長光源８００ｂでは、波長変換素子８０２ｂ内で基本波８０８が分極反転構造８０４と角度を持って交わっているため、ウォークオフが発生し、基本波と高調波が異なる角度で発生する。このため、側面での反射する位置が基本波と高調波では互いに異なる。図１６（ｃ）では、ビームが反射する側面が側面８１０、８１１で角度を付けた構成となっているため、基本波は側面８１１で反射、高調波は側面８１０で反射するように設計すれば、波長変換素子８０２ｂの前半で発生した高調波と、後半で発生した高調波の角度を大きくずらすことができる。これによって、高調波を複数のビームに分離して高調波のパワー密度を低減させ、高出力耐性を向上できる。
なお、光源としては、Ｑスイッチパルス光源を利用することで高効率変換が可能となる。基本波の平均パワーが低くても、高いピークパワーが利用できるため高効率変換が可能となるからである。繰り返し周波数としては、１ｋＨｚ以上が好ましい。これ以下の場合、基本波のピークパワーが高くなり１００ＭＷ／ｃｍ２程度のパワー密度になるとレーザダメージによる結晶破壊が生じる。光のビームスポットを大きくとり、かつ平均パワーを下げる必要がある。高出力の光源として利用するためには、繰り返しの周波数が１ｋＨｚ以上、より好ましくは１０ｋＨｚ以上が望ましい。
また、光源としてはＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス等のＮｄ材料、またはＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ガラス等のＹｂドープ材料の適用が可能である。またＹｂドープのファイバーレーザを利用することも可能である。ファイバーレーザは、高出力化が容易であり、ビーム品質も高いため集光特性に優れ、高効率変換が可能である。
また、本発明のＰＰＭｇＬＮとしては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを用いている。Ｍｇのドープ量としては４．９ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％が望ましい。さらに望ましくは５．６±０．２ｍｏｌのドーピングが望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。
そのほか、Ｚｎ，Ｉｎ，ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮでも同様に利用できる。ストイキオメトリック組成のＰＰＭｇＬＮも耐光損傷強度に優れた高非線形材料であるため利用できる。この場合のＭｇのドープ量は１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。その他、ＭｇドープのＬｉＴａＯ３、ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ３，ＫＴＰ等においても、本発明の構成は有効である。
本発明の短波長光源は、高出力耐性を大幅に向上させ、安定で信頼性の高い短波長光源を実現することができるため、波長変換素子を用いた高出力の可視光光源として利用可能である。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成（上面図）を示し、図１（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図２は、本発明の短波長光源の特性要因図を示す。 図３は、上記実施の形態１に係る短波長光源の他の構成例（上面図）を示す。 図４（ａ）は、上記実施の形態１に係る短波長光源の他の構成例（側面図）を示し、図４（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図５は、本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図６（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図７は、本発明の実施の形態５に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図８は、本発明の実施の形態６に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図９は、本発明の実施の形態７に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１０（ａ）は、本発明の実施の形態８に係る短波長光源の他の構成例を示し、図１０（ｂ）は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図を示す。 図１１（ａ）は、本発明の実施の形態９に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１１（ｂ）は、本発明の実施の形態９に係る短波長光源の他の構成例を示す。 図１２（ａ）は、本発明の実施の形態１０に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１２（ｂ）は、本発明の実施の形態１１に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１３（ａ）は、本発明の実施の形態１２に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１３（ｂ）は、本発明の実施の形態１３に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１４（ａ）は、本発明の実施の形態１４に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１４（ｂ）は、本発明の実施の形態１５に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１５は、本発明の実施の形態１６に係る短波長光源の構成図の一例を示す。 図１６（ａ）は、本発明の実施の形態１７に係る短波長光源の構成図の一例を示し、図１６（ｂ），図１６（ｃ）は、上記実施の形態１７に係る短波長光源の他の構成例を示す。 図１７は、従来の短波長光源の構成図の一例を示す図である。
符号の説明
１０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，１００１ 基本波光源
１０２，１０３，３０２，３０３，４０２，４０３，５０２，６０２，７０２，８０２ 波長変換素子
１０４，１０５，１０９，３０４，３０５，４０４，４０５，５０４，５０５，６０４，７０４，８０４ 周期分極反転構造
１１１，３２０，４２０，５１１，６１１，７２０，８２０ 集光光源
１０６，１０７，１２２，３０６，３０７，３１２，３１３，４０６，４０７，５０６，５０７，６０６，６０７，６１３，７０６，７０７，８０６，８０７，８１３，８１４，１００７，１００８ 高調波
１０８，３０８，３１４，４０８，５０８，６０８，６１２，７０８，８０８，１００６ 基本波
５０９，５１０ 和周波
１１０ 周期分極反転構造の光軸
３０９，４５０ 出射面
３１０，４１０ 入射面
３１１，４１１ 偏光板
４０９ プリズム
４３０ 平行プリズム
４４０ 分離プリズム
４４１ 波長分離膜
４４２ 反射膜
４４３,４４４ プリズム
６０５，６１４，６１５，７０５，８１０，８１１ 側面
６０９，６１０ 多層膜反射ミラー
７１０，７１１，７１２ 多層膜
７０９ａ 凹面ミラー
７０９ｂ 凸レンズ
８０５ 回折素子
８０９ 多層膜
１００２，１００３ ＫＴＰ
１００４，１００５ 波長分離ミラー

Claims (21)

  1. 基本波を出射する基本波光源と、
    前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
    非線形光学結晶の分極反転構造は、複数の分極反転領域に分割され、該各分極反転領域において、発生する第２高調波の光路、あるいは分極反転構造の周期の光軸の角度が互いに異なる、
    ことを特徴とする短波長光源。
  2. 基本波を出射する基本波光源と、
    前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
    非線形光学結晶の分極反転構造は、２つの分極反転領域に分割され、該２つの分極反転領域間に、前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  3. 基本波を出射する基本波光源と、
    前記基本波の一部を第２高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
    前記基本波を前記非線形光学結晶の側面で反射させる、
    ことを特徴とする短波長光源。
  4. 請求項１に記載の短波長光源において、
    前記複数の分極反転領域において、前記基本波の光軸または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が異なっている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  5. 請求項１に記載の短波長光源において、
    前記分極反転構造は、前記基本波の光軸を中心としてその左、右に分割されている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  6. 請求項５に記載の短波長光源において、
    前記分割された分極反転構造の左、右の部分は、両者でくさび型を形成している、
    ことを特徴とする短波長光源。
  7. 請求項５に記載の短波長光源において、
    前記分割された分極反転構造の各左、右の部分は、湾曲している、
    ことを特徴とする短波長光源。
  8. 請求項４に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割されている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  9. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう分割されている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  10. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記複数の分極反転領域において、各分極反転構造の光軸と前記基本波の光軸との成す角が、互いに異なっている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  11. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶は、前記分極反転構造にほぼ垂直な側面を有し、該側面で前記基本波を反射する、
    ことを特徴とする短波長光源。
  12. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶から出射された前記基本波および第２高調波のうちの基本波は反射し、第２高調波は透過して集光を行うビーム整形手段を備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  13. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶内で、前記第２高調波に対して高次の回折を発生させる回折素子を備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  14. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶は、側面の一部がテーパ状に形成されている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  15. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記第２高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  16. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記複数の分極反転領域のうちの隣り合う前記領域では、各分極反転構造の周期の光軸と前記基本波の光軸が成す角度の正負が、逆になっている、
    ことを特徴とする短波長光源。
  17. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記基本波の光軸、または前記第２高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が、２°以上である、
    ことを特徴とする短波長光源。
  18. 請求項４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶が、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３である、
    ことを特徴とする短波長光源。
  19. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記基本波および前記第２高調波の屈折角を変えるプリズムを備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  20. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記基本波から前記第２高調波を分離する分離プリズムを備えた、
    ことを特徴とする短波長光源。
  21. 請求項３または４に記載の短波長光源において、
    前記非線形光学結晶の出射面、または入射面の少なくともいずれかの端面は、テーパ状に形成されている、
    ことを特徴とする短波長光源。
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