JP3368753B2

JP3368753B2 - 波長変換方法

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Publication number: JP3368753B2
Application number: JP16551596A
Authority: JP
Inventors: 隆一小松; 保菅原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 2003-01-20
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JPH09281535A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学デバイス、特
に第二次高調波（以下、ＳＨＧと略称する）発生や、和
周波あるいは差周波を混合することによって、赤外線か
ら紫外線領域のレーザ光を得るための波長変換方法に係
わり、さらに詳しくは、四ホウ酸リチウム単結晶（以
下、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ または四ほう酸リチウムとも言う）
を用いた新規な波長変換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学結晶を用いたレーザ変換素子
の研究が近年活発化している。ＳＨＧは、レーザの波長
範囲を拡大することができ、各種応用分野への工業的価
値はきわめて大きい。光情報処理、ディスプレイ、光計
測、加工、医療、ＬＳＩ製造などの分野では、小型、軽
量、長寿命且つ高安定な可視光または紫外光が必要とさ
れている。

【０００３】波長変換素子として用いられている従来の
結晶としては、たとえば特開平３−６５５９７号公報な
どに示すＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄ ）や、特開昭６３−２
７９２３１号公報などに示すＢＢＯ（β−ＢａＢ2 Ｏ
₄ ）などが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＫＴＰから
成る波長変換素子は、レーザ入射光の波長に対してＫＴ
Ｐの透明領域が、０．２５〜４．５μｍで広いが、１μ
ｍ以下では位相整合しない。つまり２倍波までしか出せ
ない。また、結晶の大型化が難しいうえ、結晶内部で屈
折率が変化する。したがって一個の結晶から切り出した
素子でも、屈折率が異なるので位相整合角度が異なる。
さらに、結晶内にいわゆる”す”が入りやすいという課
題を有する。

【０００５】また、ＢＢＯでは、耐レーザ損傷は、ＫＴ
Ｐよりも大きいが、水にやや溶けて潮解性を有し、取扱
性に難点があると共に、大型結晶の作成が困難であると
いう課題を有する。一方、高分子材料のアブレーション
加工、表面改質、マーキング、薄膜作製、医薬品の製
造、同位体分離などに応用が期待されているエキシマレ
ーザは、１９７０年にソビエト連邦のＢａｓｏｖらによ
って、液体Ｘｅを電子ビームで励起する方法で初めて実
現され、さらに１９７６年に、放電励起によって発振す
ることにも成功した。放電励起方式のエキシマレーザ
は、紫外線のパルス繰り返し発振レーザで、ＡｒＦ（１
９３ｎｍ），ＫｒＦ（２４８ｎｍ），ＸｅＣｌ（３０８
ｎｍ）などの化合物が発する紫外光を光共振器により増
大させ、レーザ光として取り出したものである。しかし
ながら、エキシマレーザは、例えば繰り返し数百ｐｐｓ
（ｐｕｌｓｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）のパルスレーザ
の場合、１０^-2秒毎に１０^-9秒間のパルス光しか発生せ
ず、インターバルに比べてレーザの発光時間が著しく短
いことから、応用分野における加工や成膜過程で問題が
多かった。また、媒質ガスの寿命が短いこと、レーザ装
置の小型化が困難であること、保守性が悪いこと、運転
コストが高いこと等々の問題を有していた。

【０００６】ちなみに、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ は、空間群Ｉ
_41cd，点群４ｍｍに属し、１９８１年にワットモアによ
って、新しい表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス用基板材料
として見い出された。しかしながら、このＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ
₇ を波長変換素子に用いようとする試みは、非線形光学
定数の低さから注目されなかった。

【０００７】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、レーザ入射光の波長に対する透明領域が広く、耐レ
ーザ損傷が大きく、良質の大型結晶の作成が容易で、加
工性に優れ、潮解性が小さく取り扱い性にも優れた、赤
外線から紫外線領域のレーザ光を得るための波長変換素
子を用いた波長変換方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、四ホウ酸
リチウム単結晶の光学特性について鋭意検討した結果、
波長変換素子として実用的に優れた機能を有することを
見い出し、本発明を完成させるに至った。

【０００９】本発明に係る波長変換方法は、四ホウ酸リ
チウム単結晶（Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ ）にレーザ光を透過させ
ることにより、当該レーザ光の波長を変換することを特
徴とする。本発明では、その四ほう酸リチウムに、二種
または３種以上のレーザ光を同時に照射し、それらのレ
ーザ光の波長の和周波または差周波のレーザ光を得るよ
うに構成することもできる。

【００１０】なお、四ほう酸リチウムの光軸（ｃ軸）に
対して特定の角度で、所定波長のレーザ光を照射した場
合に、波長変換を行うことができる。その角度の基準と
して、位相整合角度θｍが用いられる。基本波を光学軸
に対してある角度θｍで入射すると、基本波と同じ方向
に位相整合された２次高調波が発生する。この角度θｍ
を位相整合角度と言う。四ほう酸リチウムは、負の一軸
結晶である。そして、位相整合条件は、タイプＩの結晶
である。したがって、図２に示すように、位相整合条件
としては、位相整合角度θｍのみを考慮すれば良く、ｃ
面上の回転Φは考慮する必要はない。

【００１１】本発明者らは、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ の光学特性
について検討した結果、ＫＴＰやＢＢＯと同等以上の波
長変換が可能であることを見い出した。すなわち、Ｌｉ
₂ Ｂ₄ Ｏ₇ から成る波長変換素子を用いることにより、
たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）か
ら、コヒーレンスが高い４倍波（２６６ｎｍ）、５倍波
（２１３ｎｍ）の波長の光を作り出すことに成功した。
４倍波あるいは５倍波の波長の光を作り出すことができ
れば、既に大出力の装置が開発されている赤外レーザを
用いて、紫外線領域またはそれに近い領域のレーザ光を
容易に作り出すことができ、さらに微細加工が可能にな
ると共に、マーキング、リソグラフィ、各種半導体プロ
セス、医療などの多様な分野への応用が期待できる。

【００１２】現在、短波長大出力レーザとしては、エキ
シマレーザが知られている。このエキシマレーザは、大
出力の紫外光を出せる反面、例えば従来の放電励起エキ
シマレーザでは、パルスのインターバルに比べて発光時
間が著しく短いため、応用分野における加工や成膜過程
で問題が多い。また、媒質ガスとして有毒性のものを用
い、その寿命が短いこと、レーザ装置の小型化が困難で
あること、保守性が悪いこと、運転コストが高いこと等
々の問題がある。しかしながら、本発明に係る波長変換
方法を利用したレーザ装置によれば、このような諸問題
を解消することができ、エキシマレーザに代わる大出力
のレーザ装置を提供することができる。

【００１３】また、本発明者らは、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ を波
長変換素子として用いた場合に、耐レーザ損傷が、他の
結晶に比べて著しく大きく、波長変換素子として実用的
に適していることを見い出した。耐レーザ損傷が小さい
と、レーザのエネルギーによって、結晶が損傷するおそ
れがあり、波長変換素子としての耐久性が問題になる。
Ｌｉ ₂ Ｂ ₄ Ｏ ₇ を用いた波長変換素子では、耐レーザ損
傷が大きく、より大出力のレーザ出力が可能になると共
に、耐久性に優れている。

【００１４】さらに、本発明者らは、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ を
波長変換素子として用いた場合に、入射する光の波長に
対する透明領域が、他の結晶に比べて広く、波長変換素
子として実用的に適していることを見い出した。透明領
域が広くなければ、特定の波長の光に対してのみしか波
長変換素子として用いることができないが、Ｌｉ ₂ Ｂ ₄
Ｏ ₇ を用いた波長変換素子は、広領域の光に対して波長
変換素子として用いることができる。

【００１５】Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ は、変換効率が小さいが、
良質の大型結晶を作り易く（現在では、４インチ単結晶
ウェーハの作成が確認されている）、大型結晶にするこ
とで、変換効率を上げることができる。レーザ出力は、
入射光の強度の２乗、結晶長の長さの２乗に比例して効
率が上がる。

【００１６】Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ は、酸化物の中では、低融
点なので、白金坩堝で育成も可能である。また、Ｌｉ₂
Ｂ₄ Ｏ₇ は、組成が均一である（結晶の上部と下部で組
成ズレを起こさない）。また、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ は常誘電
体なので分極処理が不要である。さらにＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇
は、波長変換素子を構成する他の結晶に比較して潮解性
が低く、安定であり、取扱性に優れている。ちなみに潮
解性が大きい場合には、素子を密閉容器などに収容し、
湿度を制御する必要がある。また、Ｌｉ₂ Ｂ₄Ｏ₇ は、
結晶の硬さも水晶と同程度であり、研磨および切断など
の加工性も良好である。また、波長変換素子を構成する
他の結晶に比較して製造コストも安価である。これらの
性質は、波長変換素子として実用化するためには特に重
要である。

【００１７】さらにまた、本発明者らは、このように波
長変換素子として好適に用いられるＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ を用
いて、光パラメトリック発振を行うこともできることも
見い出した。光パラメトリック発振は、１つのポンピン
グ周波数ω_pと、四ほう酸リチウム媒体中で二種類とな
って増幅される周波数ω_sの信号波とω_i＝ω_p−ω _s
の周波数のアイドラー波の三種類の混合現象として現わ
れる。光パラメトリック発振は、一種の光混合現象であ
るが、通常の光混合と本質的に異なるのは、光混合の場
合には、二種類の入射光があるが、光パラメトリック発
振では、入射光は単一種類で一定であることと、発振現
象を伴うことからしきい値が存在することとである。ω
_sとω_iとは、原理的には物質固有の周波数に関係な
く、共振器や位相整合などの外部条件で決定される。

【００１８】光パラメトリック発振器としては、波長λ
_s とλ_i の両方を発振させる双共振器型と、いずれか一
方を発振させる単共振器型とがある。Ｌｉ ₂ Ｂ ₄ Ｏ ₇ を
用いた光パラメトリック発振器は、それらの両方に適用
することができる。光波長帯の信号波またはアイドラー
波、あるいは両波に共振するような光共振器内に、四ほ
う酸リチウム単結晶を置くと、ポンピングの強度がある
しきい値に達した場合に、光パラメトリック増幅の利得
により、信号波とアイドラー波とが同時に発振する。し
きい値は、光パラメトリック利得が、信号波とアイドラ
ー波の損失に等しくなる状態に対応した値である。

【００１９】四ほう酸リチウムを用いた光パラメトリッ
ク発振器の調整によって、四ほう酸リチウム単結晶への
入射角を変えるか、または結晶の温度を変えることによ
って、連続的に波長可変が可能となり、広範囲の波長を
持つレーザー光が得られる。したがって、四ほう酸リチ
ウムを用いた光パラメトリック発振器は、実用上きわめ
て重要である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。第１実施形態図１は本発明の一実施の形態に係るレーザ装置を示す概
略図である。

【００２１】図１に示すように、本実施の形態に係るレ
ーザ装置１００は、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ１０と、波長２６６ｎｍの二次光源２０と、四ほう
酸リチウム単結晶からなる波長変換素子３０と、ハーフ
ミラー４０とを有している。第１の光路では、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザ１０から発せされた波長１０６４ｎｍのレー
ザ光がハーフミラー４０を透過して四ほう酸リチウム単
結晶からなる波長変換素子３０に照射される。また、第
２の光路では、二次光源２０からの波長２６６ｎｍのレ
ーザ光が、ハーフミラー４０を透過して四ほう酸リチウ
ム単結晶からなる波長変換素子３０に照射される。

【００２２】二次光源２０では、たとえばＮｄ：ＹＡＧ
レーザから発せされた波長１０６４ｎｍのレーザ光を、
β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ （ＢＢＯ）単結晶および／または四ほ
う酸リチウムから成る波長変換素子に２度通過させて、
波長２６６ｎｍのレーザ光に変換して出力する。第１の
光路及び第２の光路から波長変換素子３０に照射された
レーザ光は、当該波長変換素子３０を通過すると、和周
波されて、波長２１３ｎｍの短波長レーザ光に変換され
ることになる。

【００２３】本発明に係るレーザ装置１００は、レーザ
入射光の波長に対する透明領域が広く、耐レーザ損傷が
大きく、良質の大型結晶の作成が容易で、加工性に優
れ、潮解性が小さく取り扱い性にも優れ、実用性に優れ
た四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子３０を
有しているので、小型化が可能で長寿命であり、しかも
短波長の紫外光線が得られるので、従来のエキシマレー
ザに代替えできる。このようなレーザ装置は、印刷や製
版、光計測等の分野に応用が期待できる。

【００２４】第２実施形態図９は四ほう酸リチウム単結晶を用いて光パラメトリッ
ク発振を行う光パラメトリック発振器の基本構成を示す
概略図である。本実施形態では、図９に示すように、四
ほう酸リチウム単結晶３０ｄの両側に、入力ミラー８０
と出力ミラー８２とを配置して光パラメトリック発振器
を構成し、その入力ミラー８０に対して、ＹＡＧレーザ
などで構成されるレーザ発振器８４から集光光学系８６
を通して、ポンピング周波数ω_pの光を入射させる。

【００２５】光パラメトリック発振器では、１つのポン
ピング周波数ω_pと、四ほう酸リチウム媒体中で二種類
となって増幅される周波数ω_sの信号波とω_i＝ω_p−
ω_sの周波数のアイドラー波の三種類の混合現象が生じ
る。光パラメトリック発振は、一種の光混合現象である
が、通常の光混合と本質的に異なるのは、光混合の場合
には、二種類の入射光があるが、光パラメトリック発振
では、入射光は単一種類で一定であることと、発振現象
を伴うことからしきい値が存在することとである。ω_s
とω_iとは、原理的には物質固有の周波数に関係なく、
共振器や位相整合などの外部条件で決定される。

【００２６】光波長帯の信号波またはアイドラー波、あ
るいは両波に共振するような光共振器内に、四ほう酸リ
チウム単結晶３０ｄを置くと、ポンピングの強度がある
しきい値に達した場合に、光パラメトリック増幅の利得
により、信号波とアイドラー波とが同時に発振する。し
きい値は、光パラメトリック利得が、信号波とアイドラ
ー波の損失に等しくなる状態に対応した値である。

【００２７】四ほう酸リチウムを用いた光パラメトリッ
ク発振器の調整によって、四ほう酸リチウム単結晶３０
ｄへの入射角を変えるか、または結晶３０ｄの温度を変
えることによって、連続的に波長可変が可能となり、広
範囲の波長を持つレーザー光が得られる。したがって、
四ほう酸リチウムを用いた光パラメトリック発振器は、
実用上きわめて重要である。

【００２８】本実施形態の光パラメトリック発振器は、
ＢＢＯを用いたものに比較し、ＢＢＯよりも四ほう酸リ
チウムの方が耐レーザ損傷が大きいので、高パワーのＹ
ＡＧレーザ光を入射でき、高出力の連続した短波長レー
ザが得られる。また、四ほう酸リチウムは、ＢＢＯに比
較して、紫外光に対して劣化し難いので、素子が長持ち
する。

【００２９】

【実施例】次に、本発明をさらに具体化した実施例で説
明する。ただし本発明は、これらの実施例に何ら限定さ
れない。実施例１所定モル比（化学量論組成）の純度９９．９９重量％の
四ホウ酸リチウム多結晶体１３００ｇを、直径９０mm、
高さ１００mmの白金坩堝に充填し、チョコラルスキー
（ＣＺ）法で四ほう酸リチウム単結晶を育成した。次
に、図３に示すように、光学軸（ｃ軸）に対するカット
面３２の角度が４５度であるように、四ほう酸リチウム
単結晶をカットし、入出射面であるカット面３２を光学
研磨し、１５mm×１５mm×１０mmのＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 単結
晶から成る波長変換素子３０を作成した。

【００３０】この波長変換素子３０に対して、光パラメ
トリック発振器（ＯＰＯ：SpectraPhysics社製）から４
８６〜１２６５ｎｍのレーザ光を入射させたところ、２
４３〜６３３ｎｍのＳＨＧ光が得られた。図４は、図３
に示す４５度カット面３２に垂直な方向へのレーザ入射
角度を０度とし、ｃ軸方向をプラス、＜１１０＞方向を
マイナスとして結晶を回転させたときに、ＯＰＯから発
生させた各レーザ波長で、位相整合したときのレーザ光
の入射角度を示している。この入射角度から、各波長に
おける位相整合角度θｍを求めることができる。

【００３１】結晶に、所定角度からレーザ光を照射する
と、スネルの法則に従い、レーザ光は結晶中を屈折して
進む。そして、位相整合角度θｍは、二次高調波を発生
した時の屈折したレーザ光とｃ軸との角度である。図４
から、波長１０６４ｎｍのレーザ光を入射したときの入
射角度は、約プラス１９度である。すなわち、ＹＡＧの
基本波を入射したときには、入射角度が約プラス１９度
で位相整合する。四ほう酸リチウムの屈折率は、約１．
６なので、屈折角度は、約１２度である。従って、ｃ軸
との角度は約３２度と求められる。同様な方法で、各波
長毎の位相整合角度を決定できる。

【００３２】各波長と位相整合角度との関係を表１に示
す。

【００３３】

【表１】

【００３４】ただし、上記表に示す位相整合角度は、四
ほう酸リチウムの屈折率を１．６として計算して求めた
ので、厳密な意味では正確ではない。なぜなら、結晶の
屈折率は、温度や入射波長などによって変化するからで
ある。しかしながら、上記表の値は、正確な値に近い値
であり、上記の表の値に±５度の範囲に正確な位相整合
角度があると考えられる。もちろん、屈折率が正確に求
められれば、上記のようなスネルの法則を用いた手法に
より、容易に正確な位相整合角度を求めることができ
る。

【００３５】位相整合方法には、今回我々が行った複屈
折を利用した角度位相整合と屈折率の温度依存性を利用
した温度位相整合方法がある。もちろん四ほう酸リチウ
ムに温度位相整合を適用することも可能である。また、
いくつかの波長における四ほう酸リチウムの屈折率を測
定し、操作過程を適合させることによってｓｅｌｌｍｅ
ｉｅｒ方程式が求められる。このｓｅｌｌｍｅｉｅｒ方
程式を解くことによって各波長における屈折率が算出で
き、位相整合角度を求めるという方法もある。

【００３６】図５は、四ほう酸リチウム３０を用いて、
５３２ｎｍの入射波長を２６６ｎｍの出射波長に変換す
るときの、位相整合角度θｍと入射角度との関係を幾何
学的に表わした図である。次に、本実施例の四ほう酸リ
チウム単結晶から成る波長変換素子の耐レーザ損傷
を、以下の測定方法により測定したところ、表２に示す
ように、数十ＧＷ／ｃｍ² 〜１００ＧＷ／ｃｍ² であ
り、ＢＢＯの１０倍以上であることが確認された。耐レ
ーザ損傷は、結晶に照射しているレーザの出力を除々に
大きくし、目視で結晶が損傷を受けたことを確認し、そ
の出力を測定すると共に、結晶の所定位置でのレーザビ
ーム径を測定し、単位面積当りの出力を計算により求め
ることにより行った。

【００３７】

【表２】

【００３８】また、入射するレーザ光の波長に対する透
明領域を調べたところ、上記表２に示すように、１７０
ｎｍ〜３５００ｎｍの波長の光に対して透明性があり、
透明領域が広いことが確認された。また、四ほう酸リチ
ウムから成る波長変換素子は、表２に示すように、潮解
性も極小であり、研磨性も良好であり、取扱性に優れて
いることが確認できた。

【００３９】さらに、大型結晶の可能性について調べた
ところ、４インチ以上の単結晶四ほう酸リチウムの生成
が可能であることが確認できた。さらにまた、四ほう酸
リチウムから成る波長変換素子は、紫外光に対して、Ｂ
ＢＯよりも劣化しにくいので、素子が長持ちする。

【００４０】実施例２所定モル比（化学量論組成）の純度９９．９９重量％の
四ホウ酸リチウム多結晶体１３００ｇを、直径９０mm、
高さ１００mmの白金坩堝に充填し、チョコラルスキー法
で四ほう酸リチウム単結晶を育成した。次に、この育成
した単結晶を、（１１０）面と（００１）面とにカット
し、入出射面である（１１０）面を光学研磨し、１５mm
×１５mm×３０mmのＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 単結晶から成る波長
変換素子を作成した。

【００４１】この波長変換素子に対して、光パラメトリ
ック発振器（ＯＰＯ：Spectra Physics社製）から発生
させた４ω（入射波長λ₁ ＝２６６ｎｍ）のレーザ光
（出力２５０ｍＪ）と、基本波ω（入射波長λ₂ ＝１０
６４ｎｍ）のレーザ光（出力１Ｊ）とを同時に入射させ
たところ、二つの光の混合（和周波）によって、５ω
（２１３ｎｍ）の光（出力１５０ｍＪ）が発生した。こ
の時の位相整合角度を前記実施例１と同様にして求めた
ところ、約７９度であった。和周波による最短波長は２
０９ｎｍであり、その時の位相整合角度は、約９０度で
あった。

【００４２】各入射波長と位相整合角度との関係を下記
の表３に示す。

【００４３】

【表３】

【００４４】ただし、上記表に示す位相整合角度は、四
ほう酸リチウムの屈折率を１．６として計算して求めた
ので、厳密な意味では正確ではない。なぜなら、結晶の
屈折率は、温度や入射波長などによって変化するからで
ある。しかしながら、上記表の値は、正確な値に近い値
であり、上記の表の値に±１０度の範囲に正確な位相整
合角度があると考えられる。もちろん、屈折率が正確に
求められれば、上記実施例１に示した手法により、容易
に正確な位相整合角度を求めることができる。

【００４５】位相整合方法には、今回我々が行ったのは
複屈折を利用した角度位相整合と屈折率の温度依存性を
利用した温度位相整合方法がある。もちろん四ほう酸リ
チウムに温度位相整合を適用することも可能である。ま
た、いくつかの波長における四ほう酸リチウムの屈折率
を測定し、操作過程を適合させることによってｓｅｌｌ
ｍｅｉｅｒ方程式が求められる。このｓｅｌｌｍｅｉｅ
ｒ方程式を解くことによって各波長における屈折率が算
出でき、位相整合角度を求める方法もある。比較例１波長変換素子をＫＴＰで構成した以外は、前記実施例１
と同様にして、変換波長特性、耐レーザ損傷、透明領
域、潮解性、良質の大型結晶の可能性について調べた。
結果を表２に示す。

【００４６】表２に示すように、実施例１の優位性が確
認された。比較例２波長変換素子をＢＢＯで構成した以外は、前記実施例１
と同様にして、変換波長特性、耐レーザ損傷、透明領
域、潮解性、良質の大型結晶の可能性について調べた。
結果を表２に示す。また、ＢＢＯは、フラックス法で育
成するので、不純物を取り込み易く、収率は低い。

【００４７】表２に示すように、実施例１の優位性が確
認された。また、ＢＢＯに紫外光を照射すると、結晶の
劣化によってカラーセンタが発生するという問題があ
る。比較例３波長変換素子をＫＤＰで構成した以外は、前記実施例１
と同様にして、変換波長特性、耐レーザ損傷、透明領
域、潮解性、良質の大型結晶の可能性について調べた。
結果を表２に示す。

【００４８】表２に示すように、実施例１の優位性が確
認された。実施例３実施例１，２と同様に、ＣＺ法で四ほう酸リチウム単結
晶を育成した。育成方向はｃ軸引き上げでは気泡の介在
が多く、ｃ軸から垂直方向にある＜１００＞，＜１１０
＞方向では気泡の介在が少なかった。

【００４９】育成結晶から、（１００），（００１）面
試料（およそ３０ｍｍ＊３０ｍｍ＊４０ｍｍ）を作製し
た。図６のような装置で、実験を行い、まずＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザーの基本波（ω）を２倍波・４倍波発生ユニッ
ト４２へ入射させ、それを波長変換素子３０へ入射させ
て、５倍波を発生させた。この時の条件は、１０Ｈｚ，
１０ｎｓｅｃでＮｄ：ＹＡＧ基本波出力：−４００ｍ
Ｊ，４倍波：１１０ｍＪを、位相整合角７９度に入射さ
せ、５倍波出力７０ｍＪを得た。

【００５０】次に結晶を（００１）方向に回転させなが
ら、ＯＰＯ（光パラメトリック発振器）４１等で１０６
４ｎｍの波長を徐々に変えて結晶に当てながら、変換波
長を測定した。（１００）面試料に殆ど垂直に入射する
条件で、２０９ｎｍであり、（００１）面試料に近いと
きが２０００ｎｍであった。

【００５１】広い波長可変でレーザー発振が確認され
た。実施例４実施例１，２と同様にＣＺ法で四ほう酸リチウム単結晶
を育成した。育成方向はｃ軸引き上げでは気泡の介在が
多く、ｃ軸から垂直方向にある＜１００＞，＜１１０＞
方向では気泡の介在が少なかった。

【００５２】育成結晶から切り出して、（００１）面か
ら７５度傾けた面を光入射面としたＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 単結
晶試料３０ａを作成した。その試料の寸法は、２０mm×
２０mm×４５mmであった。この試料３０ａを、波長変換
素子として、図７に示すように、フィルター６０，６２
間に配置し、ＹＡＧロッド５０、Ｑスイッチ５２、ミラ
ー５４，５５で構成されるＹＡＧレーザ１０ａからωの
基本波を出力させ、ＳＨＧ結晶５６，５８を通して変換
素子３０の光入射面に光を入射させた。ＳＨＧ結晶５
６，５８は、たとえば四ほう酸リチウムまたはＢＢＯな
どで構成される。

【００５３】７５度切断の試料３０ａをステージに載せ
て、ｃ軸方向に回転させた所、７５度±１０度で５倍波
（５ω）の発生を確認した。その出力光の最大の強度
は、ＹＡＧレーザー（１．５Ｊ、１０ＨＺ）を用いて、
１２０ｍＪであった。

【００５４】実施例５実施例１，２と同様にＣＺ法で四ほう酸リチウム単結晶
を育成した。育成方向はｃ軸引き上げでは気泡の介在が
多く、ｃ軸から垂直方向にある＜１００＞，＜１１０＞
方向では気泡の介在が少なかった。

【００５５】育成結晶から切り出して、（００１）面か
ら７５度傾けた面を光入射面としたＬｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 単結
晶試料から成る波長変換素子３０を作成した。その試料
の寸法は、２０mm×２０mm×４５mmであった。この試料
３０ｂを、図８に示すように、ミラー６４，６６間に配
置した。

【００５６】本実施例では、結晶に入射する２倍波をミ
ラー６４で反射させ、点線で示した５３２ｎｍを波長変
換する方位に切断した面を持った四ほう酸リチウム試料
３０ｃ、または他の同じような方位に切断した非線形光
学結晶試料３０ｃに入射させて４倍波に変換し、ミラー
６８，７０に反射させて再度四ほう酸リチウム結晶から
成る試料３０ｂに入射させて、５倍波を得た。基本波、
４倍波は、常にミラー６４，６６，６８，７０には反射
する様にした。７５度切断の試料３０ｂをステージに載
せて、ｃ軸方向に回転させた所、７５度±１０度で５倍
波の発生を確認した。

【００５７】出力光の最大の強度は、ＹＡＧレーザー
（１．５Ｊ、１０ＨＺ）を入射光源として用いて、２０
０ｍＪ〜３００ｍＪであった。実施例６光パラメトリック発振させるための位相整合角度を満足
するように、四ほう酸リチウム単結晶をカットし、入出
射面を光学研磨し、１０mm×１０mm×４０mmの四ほう酸
リチウム単結晶を準備した。その単結晶を、図９に示す
四ほう酸リチウム単結晶３０ｄとし、その両側に、入力
ミラー８０と出力ミラー８２とを配置して光パラメトリ
ック発振器を構成した。その入力ミラー８０に対して、
ＹＡＧレーザで構成されるレーザ発振器８４から集光光
学系８６を通して、パルス幅１０ｎｓのＹＡＧの４倍波
（４ω：２６６ｎｍ）の光を入射させた。

【００５８】その結果、波長２６６ｎｍのＹＡＧの４倍
波と、四ほう酸リチウム媒体中で二種類となって増幅さ
れる波長３５５ｎｍの信号波と波長１０６１ｎｍのアイ
ドラー波の三種類の混合現象が生じた。１００時間以
上、この実験を継続しても、四ほう酸リチウム単結晶３
０ｄにカラーセンターは生じなかった。この四ほう酸リ
チウム３０ｄへの光入射角（光パラメトリック発振器の
調整）、または結晶の温度を変えることによって、連続
的に異なる波長の信号波とアイドラー波とが得られた。

【００５９】実施例７光パラメトリック発振器へ入射させる光として、ＹＡＧ
の５倍波（５ω：２１３ｎｍ）を用いた以外は、前記実
施例６と同様にして、光パラメトリック発振を行った。

【００６０】その結果、波長２１３ｎｍのＹＡＧの５倍
波と、四ほう酸リチウム媒体中で二種類となって増幅さ
れる波長３００ｎｍの信号波と波長７３４ｎｍのアイド
ラー波の三種類の混合現象が生じた。１００時間以上、
この実験を継続しても、四ほう酸リチウム単結晶３０ｄ
にカラーセンターは生じなかった。この四ほう酸リチウ
ム３０ｄへの光入射角（光パラメトリック発振器の調
整）、または結晶の温度を変えることによって、連続的
に異なる波長の信号波とアイドラー波とが得られた。

【００６１】比較例４四ほう酸リチウム単結晶の代わりに、ＢＢＯ単結晶を用
いて、前記実施例６と同様にして、光パラメトリック発
振を行った。その結果、１００時間の実験により、結晶
が劣化し、カラーセンターが生じた。

【００６２】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、レーザ入射光の波長に対する透明領域が広く、耐レ
ーザ損傷が大きく、良質の大型結晶の作成が容易で、加
工性に優れ、潮解性が小さく取り扱い性にも優れ、実用
性に優れた、赤外線から紫外線領域のレーザ光を得るた
めの波長変換素子を用いた波長変換方法を実現すること
ができる。

【００６４】また、四ほう酸リチウムを用いた光パラメ
トリック発振器は、ＢＢＯを用いたものに比較し、ＢＢ
Ｏよりも四ほう酸リチウムの方が耐レーザ損傷が大きい
ので、高パワーのＹＡＧレーザ光を入射でき、高出力の
連続した短波長レーザが得られる。また、四ほう酸リチ
ウムは、ＢＢＯに比較して、紫外光に対して劣化し難い
ので、素子が長持ちする。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施形態に係る波長変換方法
を利用したレーザ装置を示す概略図である。

【図２】図２は結晶中の位相整合角度の定義を示す概略
図である。

【図３】図３は本発明の一実施例に係る四ほう酸リチウ
ム単結晶のカット面と位相整合角度との関係を示す図で
ある。

【図４】図４は本発明の一実施例における四ほう酸リチ
ウムでの位相整合したときのレーザ光の入射角度と基本
波との関係を示す図である。

【図５】図５は本発明の一実施例に係る四ほう酸リチウ
ムにおいて、位相整合角度と入射光角度との関係を示す
概略図である。

【図６】図６は本発明の他の実施例に係るレーザ装置の
概略図である。

【図７】図７は本発明の他の実施例に係るシングルパス
型レーザ装置の概略図である。

【図８】図８は本発明の他の実施例に係る共振器型レー
ザ装置の概略図である。

【図９】図９は図９は四ほう酸リチウム単結晶を用いて
光パラメトリック発振を行う光パラメトリック発振器の
基本構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１０…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２０…二次光源３０…四ほう酸リチウム単結晶からなる波長変換素子

フロントページの続き (56)参考文献Ｔ．Ｙ．Ｋｗｏｎｅｔａｌ．，ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．20，Ｎｏ．３，４，ｐｐ．211− 215（1994) Ｓ．Ｆｕｒｕｓａｗａｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．59，Ｎｏ. ５，ｐｐ．1825−1830（1990) Ｙ．Ｖ．Ｂｕｒａｋｅｔａｌ．, ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ. 52，Ｎｏ．１，ｐｐ．97−100（1990) Ｓ．ＶｅｌｓｋｏａｎｄＤ．Ｅｉｍｅｒｌ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ − ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．622，ｐｐ．171− 174（1986) Ｓ．Ｆｕｒｕｓａｗａｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．60，Ｎｏ. ８，ｐｐ．2691−2693（1991) Ｙ．Ｍｏｒｉｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．34（Ｍａｒｃｈ 1995）Ｐａｒｔ２，Ｎｏ．３Ａ，ｐｐ．Ｌ296−Ｌ298 Ｃ．Ｃｈｅｎｅｔａｌ．，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＳＰＩＥ − ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．681，ｐｐ．12−19（1986) Ａ．Ｇ．Ａｒｕｔｙｕｎｙａｎｅｔａｌ．，ＳｏｖｉｅｔＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３，ｐｐ．120 −121（1980) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 ＣＡ（ＳＴＮ) ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次非線形光学効果に基づいて入射光を
波長変換して出射する波長変換方法であって、所定の方向においてカットされた四ホウ酸リチウム単結
晶に、入射光として、少なくとも、所定の波長を有する
基本波のレーザ光と、当該基本波のレーザ光の４倍波と
を、所定の位相整合角度を満たすように同時に透過させ
ることにより、前記基本波のレーザ光の５倍波であり、
紫外線領域の波長を有するレーザ光を出射する波長変換
方法。
【請求項２】７９度±１０度の前記位相整合角度によ
り出射レーザ光を得る請求項１に記載の波長変換方法。