KR100830030B1

KR100830030B1 - 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템, 및 레이저 발진시스템

Info

Publication number: KR100830030B1
Application number: KR1020087002828A
Authority: KR
Inventors: 이찌로 세끼네; 히로유끼 시라이시; 히로까즈 가또; 겐따 마사다; 노리꼬 와따나베
Original assignee: 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: CN1266537C; KR20080015058A; KR20040000505A; US20040246565A1; KR20080015523A; CN1533514A; EP2141536A1; KR100831140B1; EP1406117A4; EP1406117A1; TWI269924B; KR100829337B1; WO2002097527A1; HK1068687A1; EP2138893A1; KR20080015059A; US7227680B2; EP2138893B1

Abstract

고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 비선형 광학 결정에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법에 있어서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배이다. 또는 상기 비선형 광학 결정을 200∼600℃에서 가열 유지한다. 비선형 광학 결정을 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성하고, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기의 제작을 가능하게 하는 광 파장 변환 방법, 및 이를 위한 프로그램을 제공한다. 또한, 소정의 기본파를 제1 결정 및 제2 결정에 순차적으로 입사하고, 제1 결정은 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 제2 결정보다 크고, 또한 제2 결정은 상기 기본파에 대한 유효 비선형 상수가 제1 결정보다 크다. 높은 파워의 제2 고주파를 효율적으로 얻을 수 있는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템 및 레이저 발진 시스템을 제공한다.

발진기, 레이저, 파장, 코히어런트광

Description

광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템, 및 레이저 발진 시스템{OPTICAL WAVELENGTH CONVERSION METHOD, OPTICAL WAVELENGTH CONVERSION SYSTEM, AND LASER OSCILLATION SYSTEM}

본 발명은 레이저 발진기에 이용하는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템, 프로그램 및 매체에 관한 것이다. 보다 상세하게는 제2 고조파 발생 소자로서의 비선형 광학 결정, 특히 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇, 이하 「LB4」라고 함)에, 코히어런트광을 입사하여, 이것을 1/2 파장의 광으로 변환시켜 출사하는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템, 및 프로그램 및 매체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 높은 파워의 제2 고조파, 제3 고조파 및 그 밖의 합 주파를 효율적으로 얻을 수 있는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템 및 레이저 발진 시스템에 관한 것이다.

파장이 짧은 레이저광은 기록 매체에의 데이터 기록, 기록 매체로부터 데이터의 판독의 광원으로서 사용한 경우에, 기록 밀도를 크게 할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 또한, 재료의 가공의 용도에 사용한 경우에, 열 영향이 적고, 또한 정밀 가공이 가능하게 되는 이점을 갖고 있다. 또한, 의료용의 광원, 초LSI의 리소그래피용 광원 등도 짧은 파장의 레이저광의 이용이 적합하다.

이와 같이 여러가지 분야에서, 파장이 짧은 레이저광이 요구되고 있다. 그 때문에, 짧은 파장의 레이저광을 안정적으로 출사하는 소형, 경량, 긴 수명의 광원이 요망되고 있다.

그러나, 종래 500㎚ 이하의 파장의 광을 출사하는 적절한 광원이 존재하지 않았다. 예를 들면, 반도체 레이저로서는 파장 400㎚ 정도까지의 레이저광은 출사할 수 있는 것이 알려져 왔지만, 출력이 매우 낮다고 하는 문제가 있다.

단파장 대출력 레이저로서는 엑시머 레이저가 알려져 있다. 엑시머 레이저는 1970년에 소비에트 연방의 Basov 등에 의해, 액체 크세논(Xe)을 전자 빔으로 여기하는 방법에서 처음으로 실현되고, 또한 1976년에, 방전 여기에 의해 발진하는 것에도 성공하였다. 방전 여기 방식의 엑시머 레이저는 자외선의 펄스 반복 발진 레이저로, ArF(193㎚), KrF(248㎚), XeCl(308㎚) 등의 화합물이 발하는 자외광을 광 공진기에 의해 증대시켜, 레이저광으로서 추출한 것이다. 엑시머 레이저는 고분자 재료의 박리 가공, 표면 개질, 마킹, 박막 제작, 의약품의 제조, 동위체 분리 등에 응용이 기대되고 있다. 그러나, 엑시머 레이저는, 예를 들면 반복하여 수백 pps(pulse per second)의 펄스 레이저인 경우, 10^-2초마다 10^-9초 동안의 펄스 광만 발생되어, 그 간격에 비하여 레이저의 발광 시간이 현저하게 짧기 때문에, 응용 분야에서의 가공이나 성막 과정에서 문제가 있다. 또한, 엑시머 레이저는 매질 가스 의 수명이 짧은 것, 레이저 장치의 소형화가 곤란한 것, 보수성이 나쁜 것, 운전 비용이 높은 것, 유독 가스를 이용하는 것 등의 문제를 갖고 있다. 이와 같이, 현재 상온에서, 장시간 안정적으로, 자외선 영역의 광을 발생하는 반도체 레이저 등의 실용화는 달성되어 있지 않다.

따라서, 제2 고조파 발생(SHG: secondary harmonic-wave generation) 소자 등의 비선형 광학 소자의 연구가 최근 활발해지고 있다. SHG 소자는 입사광의 파장의 1/2의 파장의 광을 발생하므로, 예를 들면 적외선 영역의 레이저광으로부터 자외선 영역의 광을 발생할 수 있어, 각종 응용 분야에 대한 공업적 가치가 매우 크다.

SHG 소자와 같은 파장 변환 소자로서 이용되고 있는 결정으로서는, 예를 들면 일본 특개평3-65597호 공보에 개시되어 있는 KTP(KTiOPO₄), 일본 특개소63-279231호 공보에 개시되어 있는 BBO(β-BaB₂O₄), CLBO(CsLiB₆O₁₀), LBO(LiB₃O₅), KDP(KH₂PO₄)가 알려져 있다.

그러나, KTP를 이용한 파장 변환 소자는 결정의 대형화가 어려울뿐만 아니라, 결정 내부에서 굴절율이 변화한다. 따라서, 한 개의 결정으로부터 추출된 KTP 소자라도, 굴절율이 다르기 때문에 위상 정합 각도가 다르므로, 높은 정밀도의 파장 변환 소자를 실현하는 것이 어렵다고 하는 불이익을 갖고 있다. 또한, KTP는 결정 내에 소위 "소(巢)"가 들어 가기 쉽기 때문에, 높은 품질의 KTP를 대량으로 제공하기 어렵다고 하는 불이익을 갖고 있다.

또한, BBO, CLBO를 이용한 변환 소자는 높은 변환 효율은 갖지만, 내습성, 내레이저 손상성, 2광자 흡수에 의한 출력의 불안정화 등의 문제를 안고 있다.

또한, LBO를 이용한 변환 소자는 최단의 SHG 파장(2배파)이 277㎚로, 파장 변환 범위가 좁다. 그 때문에, Nd:YAG 레이저의 4배파(266㎚)를 발생시킬 수 없다. 또한, 대형의 결정이 형성되지 않는다는 결점도 있다.

또한, KDP를 이용한 변환 소자는 고반복이 되면 흡수에 따른 열의 영향으로부터 위상 부정합이 발생하여, 100㎐ 이하의 저반복이 아니면 사용할 수 없다. 또한, 고반복에서는 손상 임계값이 매우 낮다. 따라서, 1㎑를 초과하는 반복으로 이용되는 공업용(또는 산업용) 레이저 발진기에 이용하는 것은 곤란하다.

따라서, 본건 출원인은 먼저 단결정의 LB4(Li₂B₄O₇)를 변환 소자로서 이용한 파장 변환 방법을 제안하였다(일본 특원평8-250523호).

이 단결정 LB4는 광범위한 파장에 대하여 투명도가 높아, 레이저광에 따른 손상이 적다. 또한, 양질로 대형의 결정을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 가공성이 우수하고 조해성이 작아, 취급성도 우수하다. 또한, 수명도 길다.

따라서, LB4에 따르면, 장기적으로 안정적으로 동작하고, 긴 수명을 나타내고, 가공성이 풍부하며, 소형, 경량, 저가격의 광학 변환 소자로 할 수 있는 것이다.

파장 변환 소자에 의한 변환 효율은, 주로 결정의 비선형 광학 상수나 위상 정합의 각도 허용 폭 등의 결정의 고유한 물성값에 의해 결정되는 것이다. 그런 데, 상기 단결정 LB4는 BBO나 CLBO에 비하여, 변환 효율이 낮다고 하는 결점을 갖고 있다. 그 때문에, 변환 효율이 낮은 단결정 LB4는 자외선 영역의 광을 출사하는 파장 변환 소자로서는 부적절하다고 생각되어 왔다.

낮은 변환 효율을 개선하여, 평균 출력이 높은 출사광을 얻기 위해서, 여러가지 기술적 방법이 채용 가능하다. 예를 들면, 렌즈에 의해 입사광을 집광시켜 입사광의 피크 파워 밀도를 높이는 방법, 결정 길이를 길게 하는 방법, 파장 변환 결정을 복수개 사용하는 방법, 고출력으로 빔 퍼짐이 작은 고품질의 빔 특성을 갖는 레이저 발진기를 광원으로서 사용하는 방법 등이 종래부터 채용되어 왔다.

그러나, 이러한 기술적 방법에 의한 변환 효율의 개선은, 다음과 같이 한계가 있는 것이었다.

우선, 렌즈에 의해 입사광을 집광시켜 입사광의 피크 파워 밀도를 높이는 방법에서는 피크 파워 밀도를 무제한으로 높게 할 수 있는 것이 아니라, 입사광에 따른 레이저 손상을 고려해야 한다.

즉, 파장 변환 소자의 결정 소자의 단부면에는 통상 반사 저감용의 반사 방지막이 코팅되어 있지만, 이 반사 방지막의 내레이저 손상성은 일반적으로 그다지 충분한 것이 아니며, 입사광의 피크 파워 밀도가 너무 높아지면 손상될 가능성이 있다. 또한, 더 높은 피크 파워 밀도로 입사한 경우에는 결정 소자 자신의 유전 파괴를 초래할 우려가 있다. 따라서, 입사광의 피크 파워 밀도는 반사 방지막의 특성을 포함시킨 파장 변환 소자 전체의 레이저 손상 임계값을 고려하여 제한하지 않을 수 없다.

또한, 입사광의 피크 파워 밀도 향상에 의해 높은 변환 효율이 얻어진 경우에도, 비선형 광학 결정에 특유의 2광자 흡수라는 문제가 있다. 이것은 결정 자신의 2광자 흡수에 의해, 출사 광 빔 패턴의 중심에 도우넛 모양으로 구멍이 뚫린 형상이 되어, 출력이 매우 불안정하게 되는 현상이다. 2광자 흡수는 출사광의 빔 강도의 2승에 비례하여 강해지기 때문에, 특히 강도가 높은 빔 중심부에서는 흡수에 의한 결정 내부의 가열의 영향이 크고, 굴절율이 변화하여 위상 정합성이 무너지는 것으로 생각된다.

또, 종래는 습기로부터 비선형 결정을 보호하기 위해서, 또는 온도에 의한 위상 정합을 행하기 위해서, 비선형 광학 결정을 40∼200℃ 정도로 가열 유지하는 것이 행해지고 있다.

또한, 렌즈에 의해 입사광을 집광시키면, 입사 빔 발산이 증대되므로, 위상 정합의 각도 허용 범위를 초과하여, 오히려 변환 효율의 저하로 이어진다.

또한, 결정 길이를 길게 하는 방법에서는, 결정 길이가 길어지면 위상 정합의 각도 허용 폭이 좁아지고, 결정에 의한 흡수가 증대되므로, 일정 이상의 길이를 초과하면, 변환 효율이 점차 포화되어 가는 경향을 볼 수 있다. 또한, 결정을 길게 함으로써 워크 오프에 의해 빔 패턴에 왜곡이 발생한다고 하는 문제가 있다. 이와 같이 결정 길이를 길게 하는 방법이 유효한 방법이라고는 반드시 말하기 어렵다.

또한, 파장 변환 결정을 복수개 사용하는 방법은 파장 변환되지 않고 결정 내를 통과한 빔을 다음의 결정에 입사시켜, 재이용하는 방법이다. 이 방법에 따르 면, 변환 효율을 높일뿐만 아니라, 복수개의 결정에 의해 발생한 파장 변환광의 간섭 효과에 의해, 출력 증가가 기대된다. 그러나, 이 방법에 따르면, 입사광의 빔 발산이 큰 경우나 빔 직경이 작은 경우에, 충분한 간섭 효과가 얻어지지 않는다고 하는 문제점이 있다.

또한, 고품질의 빔 특성을 갖는 레이저 발진기를 광원으로 하는 방법이지만, 확실히 변환 효율을 높이는 의미로 고출력으로 빔 발산이 작은 빔을 사용하는 것은 이상적이다. 그러나, 그와 같은 발진기를 저비용으로 제작하는 것은 곤란하다.

또한, 다른 문제점으로서, 상술된 바와 같이 여러가지의 비선형 광학 결정이 변환 소자로서 알려져 있지만, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 효율적으로 얻는 수단은 아직 달성되어 있지 않다.

즉, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 얻기 위해서는, 첫째 높은 변환 효율이 얻어지는 변환 소자를 사용할 필요가 있다. 또한, 둘째 높은 파워의 입사광의 변환을 가능하게 하기 위해서, 입사광에 대한 높은 내손상성을 구비한 변환 소자를 사용할 필요가 있다.

그런데, 일반적으로, 높은 변환 효율을 구비하는 비선형 광학 결정은 내손상성이 낮고, 높은 내손상성을 구비한 비선형 광학 결정은 변환 효율이 낮은 경향이 있다. 그 때문에, 충분한 변환 효율과 내손상성을 함께 구비한 비선형 광학 결정은 얻어지고 있지 않았다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 비선형 광학 결정, 예를 들면 단결정 사붕산리튬 LB4를 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성하여, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기의 제작을 가능하게 하는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템, 프로그램 및 매체를 제공하는 것을 과제(제1 과제)로 한다.

또한, 본 발명은 이용 가능한 비선형 광학 결정의 제약 조건을 보충하여, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 효율적으로 얻을 수 있는 광 파장 변환 방법, 광 파장 변환 시스템 및 레이저 발진 시스템을 제공하는 것을 과제(제2 과제)로 한다.

〈발명의 개시〉

본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 소정의 결정 길이의 비선형 광학 결정에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기 로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 소정의 결정 길이의 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 하기 수학식 1로 주어지는 최적 피크 파워 밀도 Pc의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 소정의 결정 길이의 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 입사광의 파장이 1000nm 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 소정의 반복 주파수의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 소정의 결정 길이의 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 입사광의 파장이 1000㎚ 이하임과 함께, 상기 입사광의 피크 파워 밀도가 하기 수학식 1로 주어지는 최적 피크 파워 밀도 Pc 의 0.1∼10배인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

[수학식 1]

Pc=α·Rep^β

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

상기 각 발명에서의 입사광의 피크 파워 밀도는 최대 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도의 0.1∼10배, 바람직하게는 0.1∼5배, 보다 바람직하게는 0.5∼2배이다.

상기 각 발명에서의 입사광의 파장은 1000㎚ 이하이지만, 바람직하게는 400∼800㎚, 보다 바람직하게는 400∼600㎚, 더욱 바람직하게는 400∼550㎚, 가장 바람직하게는 480∼540㎚이다.

또한, 상기 각 발명에서, 상기 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직하게는 0.3∼4mrad로 하는 것이 바람직하다.

또한, 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직하게는 1×10^-3∼80nsec로 하는 것이 바람직하다.

또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장이 λ로 소정의 반복 주파수의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율로 이루어지는 조(組) 데이터를 접수하는 입력 수단과, 상기 조 데이터를 복수 축적하는 기억 수단과, 상기 기억 수단에 축적된 복수의 조 데이터 를 이용하여 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 제공한다.

또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 반복 주파수 Rep와 상수 α, β로 이루어지는 설정값을 접수하는 입력 수단과, 상기 입력 수단에 입력된 설정값을 이용하여, 하기 수학식 1에 기초하여 최적 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최적 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 제공한다.

[수학식 1]

Pc=α·Rep^β

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장이 λ로 소정의 반복 주파수의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율로 이루어지는 조 데이터를 접수하는 입력 수단과, 상기 조 데이터를 복수 축적하는 기억 수단과, 상기 기억 수단에 축적된 복수의 조 데이터를 이용하여 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공한다.

또한, 본 발명은, 컴퓨터를, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻을 때의 반복 주파수 Rep와 상수 α, β로 이루어지는 설정값을 접수하는 입력 수단과, 상기 입력 수단에 입력된 설정값을 이용하여, 하기 수학식 1에 기초하여 최적 피크 파워 밀도를 연산하는 연산 수단과, 연산 수단에 의해 얻어진 최적 피크 파워 밀도를 출력하는 출력 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공한다.

[수학식 1]

Pc=α·Rep^β

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

또, 본 발명에서의 컴퓨터 판독 가능한 매체로서는 하드디스크, 플렉시블 디스크, CD-ROM, 반도체 메모리, DVD 등의 다양한 매체를 채용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 비선형 광학 결정에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 비선형 광학 결정을 200∼600℃로 가열 유지하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시 키는 비선형 광학 결정과, 이 비선형 광학 결정을 200∼600℃로 가열 유지하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

상기 각 발명에서, 가열 유지의 온도는 200∼400℃로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 각 발명에서의 입사광의 파장의 바람직한 범위는 1000㎚ 이하이지만, 보다 바람직하게는 400∼800㎚, 더욱 바람직하게는 400∼600㎚, 가장 바람직하게는 480∼540㎚이다.

또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 제1 과제를 해결하기 위해서, 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)에 입사시켜, 1/2λ의 파장의 광을 출사시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 단결정 사붕산리튬을 50∼600℃로 가열 유지하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 고유의 파장 λ의 코히어런트광을 발진하는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기로부터의 광을 입사광으로 하여, 1/2λ의 파장의 광을 출사시 키는 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)과, 이 단결정 사붕산리튬을 50∼600℃로 가열 유지하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

상기 각 발명에서, 가열 유지의 온도는 100∼400℃로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 제2 과제를 해결하기 위해서, 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변 환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파 및 상기 기본파의 제2 고조파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 기본파의 제3 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제2 고조파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제3 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시키고, 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 기본 파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제2 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파 및 상기 기본파의 제2 고조파가 입사되어 제3 고조파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 제3 고조파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제2 고조파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 기본파의 제3 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파가 입사되어 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 해당 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 합 주파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 구비하는 광 파장 변환 시스템으로서, 상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한 상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파와 상기 기본파의 제2 고조파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 기본파 및 상기 제2 고조파가 입사되어 제3 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파와 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 제1 기본파 및 상기 제2 기본파가 입사되어 합 주파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 구비하는 레이저 발진 시스템으로서, 상기 광 파장 변환 시스템이 본 발명에 따른 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템을 제공한다.

상기 각 발명에 따르면, 제1 비선형 광학 결정의 변환 효율이 낮아도, 통과한 기본파 등을 제2 비선형 광학 결정에 의해 높은 효율로 변환할 수 있다. 또한, 제2 비선형 광학 결정의 내광손상성이 낮아도, 내광손상성(耐光損傷性)이 높은 제1 비선형 계수를 입사광이 통과함으로써, 제2 비선형 광학 결정이 견딜 수 있는 파워로 저하시키고 나서, 제2 비선형 광학 결정에 입사시킬 수 있다.

즉, 특정한 관계에 있는 서로 다른 종류의 비선형 광학 결정을 조합함으로써, 서로의 결점을 보충하여, 전체적으로, 높은 변환 효율 및 높은 내광손상성을 실현할 수 있다. 따라서, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 효율적으로 얻을 수 있게 된다.

상기 각 발명에서의 제1 비선형 광학 결정은 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)인 것이 바람직하다. LB4(Li₂B₄O₇)는 변환 효율이 비교적 낮지만, 매우 우수한 내광손상성을 구비하고 있기 때문이다.

또한, 제1 비선형 광학 결정으로서 LB4를 이용하는 경우, 제2 비선형 광학 결정은 LiB₃O₅(LBO), CsLiB₆O₁₀(CLBO), KTiOPO₄(KTP), 또는 β-BaB₂O₄(BBO)인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 기술적 의의를 실험 결과를 참조하여 설명한다.

본 발명자는, 우선 비선형 광학 결정인 LB4 결정에 대하여, 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율과의 관계를 실험에 의해 구하였다. 결과를 도 1에 도시한다. 실험에 이용한 입사광의 발진기, 및 LB4 결정의 조건은 다음과 같다.

우선, 입사광의 발진기로서는 Nd:YAG 레이저와, SHG 소자로서 LBO 결정을 조합한 것을 이용하였다. 즉, LB4 결정에의 입사광은 Nd:YAG 레이저로부터의 근적외광(1064㎚)의 2배파인 그린 레이저(532㎚)이다. 또, 반복 주파수 5㎑ 이상의 입사 광을 얻기 위한 발진기와, 반복 주파수 100㎐ 이하의 입사광을 얻기 위한 발진기는, 다른 것을 이용하였다.

피크 파워 밀도는 입사광의 평균 출력을 반복 주파수, 빔 면적 및 시간 펄스 폭으로 나눈 것이다. 따라서, 이 실험에서는 YAG 레이저에 제공하는 여기광의 파워를 조정함으로써 입사광의 평균 출력을 조정하였다. 또한, 집광 렌즈를 이용하여, 빔 직경(빔 면적)을 조정하였다.

한편, LB4 결정은 결정 길이가 35㎜인 것, 또는 60㎜인 것을 이용하였다. 또, LB4 결정의 단면적은 변환 효율에 영향을 주지 않지만, 주로 단면이 15㎜×15㎜의 LB4 결정을 이용하였다.

도 1에서, 부호 X₁(◆)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 1㎐, 빔 직경 5.5㎜의 데이터이다.

또한, 부호 X₁₀(■)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 10㎐, 빔 직경 5.5㎜ 또는 11㎜(피크 파워 밀도 200㎿/㎠ 미만: 11mm, 피크 파워 밀도 200㎿/㎠ 이상: 5.5㎜)의 데이터이다.

또한, 부호 X₁₀₀(▲)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 100㎐, 빔 직경 5.5㎜ 또는 11㎜(피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 미만: 11㎜, 피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 이상: 5.5㎜)의 데이터이다.

또한, 부호 Y₁₀(□)은 결정 길이 60㎜, 반복 주파수 10㎐, 빔 직경 11㎜의 데이터이다.

또한, 부호 Y₁₀₀(△)은 결정 길이 60㎜, 반복 주파수 100㎐, 빔 직경11㎜의 데이터이다.

이상의 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 3nsec로 고정하여, 평균 출력을 0∼26W의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 빔 직경 5.5㎜일 때가 약 1mrad, 빔 직경 11㎜일 때가 약 0.5mrad이었다.

또한, 부호 Z₅(●)는 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 5㎑의 데이터이다. 이 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 25nsec로, 평균 출력은 30W로 고정하고, 빔 직경을 0.4∼1.0㎜의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 약 수mrad(5mrad 이하)이었다.

또한, 부호 Z₁₀(◇)은 결정 길이 35㎜, 반복 주파수 10㎑의 데이터이다. 이 데이터를 얻을 때의 시간 펄스 폭은 30nsec로, 평균 출력은 30W로 고정하여, 빔 직경을 0.4∼1.0㎜의 범위에서 변화시켜, 피크 파워 밀도를 조정하였다. 또, 빔 발산은 약 수mrad(5mrad 이하)이었다.

일반적으로, 하기 수학식 2에 나타내는 바와 같이 입사광의 피크 파워 P가 증가할수록, 변환 효율 η이 높아지는 것이 알려져 있다.

(단, a 및 b는 주로 결정의 종류 및 결정 길이에 따라 정해지는 상수)

도 1의 데이터 X₁, X₁₀, X₁₀₀로 도시한 바와 같이 결정 길이 35㎜의 LB4 결정에 동일한 발진기로부터의 입사광을 입사시킨 경우, 입사광의 피크 파워 밀도 100㎿/㎠ 이하의 데이터는 반복 주파수에 관계없이 일치하고 있다. 그 때문에, 이 범위의 데이터만으로는 피크 파워 밀도를 상승시킴에 따라, 원칙대로 수학식 2에 따라, 부호 X₀으로 나타내는 커브를 찾아가는 것으로 예상된다. 또, 부호 X₀으로 나타내는 커브의 a, b를 이 범위의 데이터로부터 구하면, a=32, b=0.085이다.

또한, 데이터 Z₅, Z₁₀로 도시한 바와 같이 발진기가 다르면 동일한 결정 길이 35㎜라도, 전체 피크 파워 밀도 범위에서, 커브 X₀과 어긋남이 보인다. 그러나, 낮은 피크 파워 밀도에 있어서, X₀과, 거의 동일한 기울기의 상승 커브가 얻어졌다. 또, 어긋남의 원인은, 주로 빔 발산이 크기 때문이라고 생각된다.

마찬가지로, 데이터 Y₁₀, Y₁₀₀으로 나타내는 바와 같이, 결정 길이 60㎜의 LB4 결정인 경우, 입사광의 피크 파워 밀도 50㎿/㎠ 이하의 데이터는 반복 주파수에 관계없이 일치하고 있다. 그 때문에, 이 범위의 데이터만으로는 피크 파워 밀도를 상승시켜도, 원칙대로 수학식 2에 따라, 부호 Y₀으로 나타내는 커브를 찾아가는 것으로 예상된다. 또, 부호 Y₀으로 나타내는 커브의 a, b를 이 범위의 데이터로부터 구하면, a=22, b=0.18이다.

그러나, 데이터 X₁₀, X₁₀₀, Y₁₀₀, Z₅ 및 Z₁₀로 나타내는 바와 같이, 입사광의 피 크 파워 밀도가 일정한 값을 초과하면, 수학식 2에서 예상되는 이상적인 커브 X₀, Y₀으로부터 멀어져, 오히려 변환 효율이 저하되는 현상이 이 실험에 의해 발견되었다.

또한, 이들 데이터보다, 반복 주파수가 높아질수록, 변환 효율이 저하로 바뀌는 피크 파워 밀도가 낮은 것도 분명하게 되었다.

또한, 결정 길이가 길수록 변환 효율이 높은 경향도 볼 수 있었다.

본 실험에서는, 이상과 같이 입사광의 피크 파워 밀도를 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사하는 한편, 출사광의 안정성도 관찰하였다. 그 결과, 변환 효율이 저하로 바뀌어, 수학식 2에 따른 커브 X₀, Y₀으로부터의 괴리가 발생하는 부근에서, 출사광의 출력이 불안정하게 되는 2광자 흡수의 현상이 발견되었다. 그리고, 이 출사광이 불안정하게 되는 현상은 변환 효율이 저하로 바뀌기 이전에는 거의 관찰되지 않고, 변환 효율이 저하로 바뀐 후에는 피크 파워 밀도를 상승시키면 시킬수록, 보다 현저하게 관찰되는 것이 발견되었다.

즉, 본 발명자는 레이저 발진기의 반복 주파수, 및 LB4 결정의 결정 길이가 일정한 조건 하에서, 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도는 「2광자 흡수라는 출력을 불안정화시키는 현상을 실질적으로 일으키지 않고 최대한의 출사광의 출력을 제공하는 입사광의 피크 파워 밀도의 최적값」(이하, 「최적 피크 파워 밀도」라고 함)에 대응하는 것을 발견한 것이다.

다음으로, 도 1의 데이터 X₁, X₁₀, X₁₀₀에 기초하여, 결정 길이 35㎜인 경우에 대하여, 반복 주파수에 따라, 최적 피크 파워 밀도가 어떻게 변화하는지를 조사한 바, 도 2에 도시한 바와 같이 거의 직선의 그래프가 얻어졌다. 도 2의 횡축은 입사광의 반복 주파수, 종축은 입사광의 피크 파워 밀도로, 각각 대수눈금으로 되어 있다.

그리고, 이 최적 피크 파워 밀도 Pc에 대한 직선의 식을 구한 것이 상술한 수학식 1이다.

[수학식 1]

Pc=α·Rep^β

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

여기서, 상수 α, β는 주로 결정의 종류 및 결정 길이에 따라 정해지는 상수로, 도 2에 도시한 결정 길이 35㎜의 LB4 결정인 경우에는 α=576, β=-0.27이었다. 또한, 결정 길이 60㎜의 LB4 결정인 경우에는 α=154, β=-0.25이었다.

또, 데이터 Z₅, Z₁₀으로 나타내는 바와 같이 입사광의 빔 발산이 변하였을 때에는 변환 효율에 영향을 준다. 이것은 입사광의 빔 발산이 LB4 결정의 위상 정합 조건에 의해 결정되는 각도 허용 폭을 초과한 경우에, 변환 효율의 손실을 발생하기 때문이다.

그러나, 이 경우도, 빔 발산에 의한 영향을 보정함으로써, 변환 특성을 이론적으로 평가하여, 최적 피크 파워 밀도를 구할 수 있다. 단, 실험에 의해 확인한 결과, 입사광의 빔 발산이 10mrad를 초과하면, 입사광의 빔 발산이 1mrad인 경우의 변환 효율의 1/10 정도로 감소한다. 실용 레벨의 출사광을 얻는 것이 곤란하다.

이와 같이 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도로 하는 것이 가장 바람직하지만, 실용상, 최적 피크 파워 밀도를 기준으로 하는, 일정 범위의 피크 파워 밀도를 채용할 수 있다.

즉, 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도 이하로 하는 것이 바람직하다. 최적 피크 파워 밀도보다 큰 피크 파워 밀도로 하면, 출사광의 출력이 불안정화하기 때문이다. 그러나, 2광자 흡수는 최적 피크 파워를 초과한 후 서서히 현저하게 되어, 곧바로 중대한 영향을 주는 것은 아니기 때문에, 최적 피크 파워 밀도의 10배 이하로 하면, 실용상 지장은 없다. 또한, 최적 피크 파워 밀도의 2배 이하로 하면, 또한 출력의 불안정화를 억제할 수 있다.

또한, 가능한 높은 출사광의 파워를 효율적으로 얻기 위해서, 최적 피크 파워 밀도의 0.1배 이상으로 하는 것이 필요하지만 0.5배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, 비선형 결정의 장기 수명화를 고려하면, 입사광의 피크 파워 밀도를 최적 피크 파워 밀도의 0.8배 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 가장 바람직한 입사광의 피크 파워 밀도는 최적 피크 파워 밀도의 0.5∼0.8배이다.

또한, 최적 피크 파워 밀도를 경계로, 변환 효율이 저하됨과 함께 출력이 불안정화하는 현상은, 파장이 짧을수록, 특히 소위 그린광으로부터 자외광으로 변환될 때에 현저히 관찰된다. 따라서, 본 발명은 입사광의 파장이 1000㎚ 이하일 때에 특히 유효한 것이지만, 입사광의 바람직한 파장 범위는 400∼800㎚, 보다 바람 직한 파장 범위는 400∼600㎚이다.

본 발명자는, 검토를 진행시킨 결과, 비선형 광학 결정을 50℃ 이상에서 가열 유지함으로써, 이 최적 피크 파워 밀도를 크게 할 수 있는 것을 발견하였다. 상술된 바와 같이, 종래부터 습기로부터 비선형 결정을 보호하기 위해서, 또는 온도에 의한 위상 정합을 행하기 위해서, 비선형 광학 결정을 가열 유지하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이 경우에도 가열의 정도는 약 200℃ 미만이고, 본 발명과 같이 200℃ 이상으로 가열 유지하는 것은 행해지고 있지 않았다.

본 발명과 같이 비교적 고온에서 가열함에 따른 효과를 표 1과 도 3, 및 표 2와 도 4를 이용하여 설명한다.

표 1은 입사광의 평균 반복 주파수를 10㎑로, 빔 직경을 0.25㎜로, 시간 펄스 폭을 28nsec로 고정하여, 입사광의 평균 출력만을 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사한 결과이다. 또한, 도 3은 표 1에 기재한 데이터를, 횡축을 입사광의 평균 출력, 종축을 변환 효율로서 정리한 그래프이다.

마찬가지로, 표 2는 입사광의 평균 반복 주파수를 10㎑로, 빔 직경을 0.35㎜로, 시간 펄스 폭을 28nsec로 고정하여, 입사광의 평균 출력만을 변화시켰을 때의 변환 효율을 조사한 결과이다. 또한, 도 4는 표 1에 기재한 데이터를, 횡축을 입사광의 평균 출력, 종축을 변환 효율로서 정리한 그래프이다.

또, 입사광의 평균 출력은 표 2에 도시한 바와 같이 입사광의 피크 파워 밀도에 비례하고 있다. 또한, 각 표 및 도면 중의 온도(Temp)는, LB4의 가열 유지 온도(RT는 실온: 약 25℃)를 나타내는 것이다.

표 1 및 도 3으로부터 분명한 바와 같이, 실온 조건에 있어서는 입사광의 출력이 약 14W에 대응하는 피크 파워 밀도가, 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 이에 대하여, LB4를 60℃로 가열 유지한 경우에는 입사광의 출력이 약 17W에 대응하는 피크 파워 밀도가 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 그리고, 또한 가열 유지 온도를 높이면, 측정 범위 내에서는 변환 효율의 극대치가 관찰되지 않고, 최적 피크 파워 밀도가 더욱 상승하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 표 2 및 도 4로부터 분명한 바와 같이, 실온 조건에 있어서는 입사광의 출력이 약 16W에 대응하는 피크 파워 밀도(약 57㎿/㎠)가, 최적 피크 파워 밀도로 되어 있다. 이에 대하여, LB4를 100℃ 이상으로 가열 유지한 경우에는 측정 범위 내에서는 변환 효율의 극대치가 관찰되지 않고, 최적 피크 파워 밀도가 더욱 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, LB4를 가열 유지하는 온도가 높아질수록, 보다 변환 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.

이와 같이 가열에 의해, 굴절율 변화를 가져오는 2광자 흡수에 의한 발열의 영향을 경감시킬 뿐만아니라, 최적 피크 파워 밀도를 상승시키는 것, 즉 2광자 흡수라는 출력을 불안정화시키는 현상을 실질적으로 일으키지 않고 안정적으로 출력을 얻을 수 있는 입사광의 피크 파워 밀도를 상승시킬 수 있는 것이 발견되었다.

이 가열 유지에 의한 효과는 가열 유지 온도가 고온일수록 높지만, 200℃ 이상으로 할 필요가 있다. 이에 의해, 2광자 흡수에 의한 영향이 경감되어 변환 효율의 저하를 해소 가능함과 함께, 변환 효율이 저하되는 현상이 소실되어, 안정적으로 높은 출력을 얻을 수 있다.

한편, 가열 유지 온도를 600℃보다 높게 하는 것은 바람직하지 않다. 600℃보다 높은 온도로 되면, 가열 수단 주변으로의 열 유출을 방지하기 위한 단열 수단이 대규모로 되어, 실용적이지 않기 때문이다.

또한, 가열 유지 온도는 400℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 가열 유지 온도를 400℃보다 높게 해도, 2광자 흡수의 영향 저감 효과가 현저히 커지지 않고, 실용상의 이익이 작기 때문이다.

또, 입사광의 빔 발산이 LB4 결정의 위상 정합 조건에 의해 결정되는 각도 허용 폭을 초과하면 변환 효율이 저하된다. 따라서, 바람직한 입사광의 빔 발산은 10mrad 이하, 보다 바람직한 입사광의 빔 발산은 0.3∼4mrad이다.

또한, 바람직한 시간 펄스 폭은 100nsec 이하, 보다 바람직한 시간 펄스 폭은 1×10^-3∼80nsec이다.

일반적으로 고반복이 될수록 펄스 폭은 넓어지고, 펄스 에너지도 작아진다. 반대로, 저반복에서는 펄스 폭을 좁게 할 수 있으며, 펄스 에너지를 크게 할 수 있다. 그 때문에, 원하는 피크 밀도가 얻어지는 범위에서, 상한치가 정해진다.

또한, 입사광의 피크 파워 밀도는 1㎿/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 또, 입사광의 피크 파워 밀도는 결정의 벌크 손상(유전 파괴), 또는 코팅막, 또는 결정 단부면의 손상이 일어나지 않는 범위가 상한이 된다.

본 발명의 파장 변환 방법 및 파장 변환 시스템에 따르면, 최적 피크 파워 밀도 이하로서, 최적 피크 파워 밀도에 가까운 피크 파워 밀도의 입사광을 파장 변환하기 때문에, 비선형 광학 결정 단결정, 특히 사붕산리튬 LB4를 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 프로그램 및 매체에 따르면, 최적 피크 파워 밀도를 용이하게 구할 수 있기 때문에, 조작자는 소정의 반복 주파수, 소정의 결정 길이의 조건 하에서, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻는 파장 변환 시스템을 조작함에 있어서, 적절한 피크 파워 밀도를 설정할 수 있다.

또한, 본 발명의 파장 변환 방법 및 파장 변환 시스템에 따르면, 최적 피크 파워 밀도를 상승시킬 수 있기 때문에, 입사광의 피크 파워 밀도를 높게 해도 안정된 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 단결정 사붕산리튬 LB4 등의 비선형 광학 결정을 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성하여, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 특정한 관계에 있는 다른 종류의 비선형 광학 결정을 조합함으로써, 서로의 결점을 보충하여, 전체적으로 높은 변환 효율 및 높은 내광손상성을 실현할 수 있다. 따라서, 높은 파워의 제2 고조파 등의 합 주파를 효율적으로 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것이 아니다.

도 5는 본 발명에 따른 광 파장 변환 방법을 채용한 자외 레이저 발진기의 일 실시 형태를 나타내는 구성도이다. 도 5의 자외 레이저 발진기는 그린 레이저 발진기(10)와 파장 변환 시스템(20)으로 구성되어 있다.

그린 레이저 발진기(10)는 Nd:YAG 레이저로 이루어지는 주 발진기(11)와, 주 발진기(11)로부터 출사되는 기본파(1064㎚)를 2배파인 그린광(532㎚)으로 변환하는 변환기(12)로 구성되어 있다.

또한, 파장 변환 시스템(20)은 변환기(12)로부터 출사되는 그린광을 파장 변환되지 않고 통과한 기본파로부터 분리하기 위한 세퍼레이터(21, 22)와, 세퍼레이터(21, 22)에 의해 분리된 그린광이 입사광으로서 입사되는 LB4 결정 박스(23)와, LB4 결정 박스(23)로부터 출사되는 출사광을 분리하는 프리즘(24)과, 세퍼레이터(21)에 의해 분리된 기본파를 흡수하기 위한 빔 댐퍼(25)로 구성되어 있다.

여기서, LB4 결정 박스(23)에는 단결정 사붕산리튬 LB4가, 위상 정합 각도를 만족하도록 배치되어 있음과 함께, 이 LB4 결정을 600±1℃로 가열 유지하는 가열 장치가 내장되어 있다.

본 실시 형태의 자외 레이저 발진기에서는, LB4 결정 박스(23)에 의해 그린광이 그 2배파, 즉 기본파의 4배파인 자외광(266㎚)으로 변환된다. 그리고, 프리즘(24)에 의해 파장 변환된 자외광만을 추출할 수 있다.

이 때, LB4 결정 박스(23)의 최적 피크 파워 밀도는 가열하지 않고 상온인 상태 그대로 이용하는 경우보다 큰 값으로 되어 있다. 그리고, 세퍼레이터(22)로부터 LB4 결정 박스(23)에 입사되는 그린광의 피크 파워 밀도는, 이 최적 피크 파워 밀도의 0.5∼2배이다.

본 실시 형태에 따르면, 최적 피크 파워 밀도를 상승시킴과 함께 이 최적 피 크 파워 밀도 이하로서, 최적 피크 파워 밀도에 가까운 피크 파워 밀도의 입사광으로 하였다. 그 때문에, 입사광의 피크 파워 밀도를 높게 해도 안정된 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 단결정 사붕산리튬 LB4를 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성하여, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기로 할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 프로그램에 의해 기능을 발휘하는 컴퓨터 시스템의 일 실시 형태의 구성도이다. 도 6에서, 부호(31)는 연산 장치, 부호(32)는 입력 장치, 부호(33)는 입력 장치(32)로부터 입력된 데이터를 축적하는 기억 장치, 부호(34)는 연산 장치(31)의 연산 결과를 표시하는 디스플레이, 부호(35)는 연산 장치(31)의 연산 결과를 프린트 아웃하는 프린터이다.

본 실시 형태의 컴퓨터 시스템에서는, 소정의 반복 주파수, 소정의 결정 길이의 조건 하에서, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻는 파장 변환 시스템에 있어서의 최적 피크 파워 밀도를 이하의 순서에 의해 구할 수 있다.

우선, 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율로 이루어지는 조 데이터를 입력 장치(32)로부터 입력한다. 입력 방법은 사람의 손을 통해서도 되고, 변환 효율을 측정하는 측정 장치로부터의 전송 신호 등을 사람의 손을 통하지 않고 그대로 입력해도 된다. 그리고, 이 입력된 조 데이터를 기억 장치(33)에 복수 축적한다.

다음으로, 연산 장치(31)가 기억 장치(33)에 축적된 복수의 조 데이터의 변환 효율 데이터 중에서, 최대의 변환 효율을 추출한다. 그리고, 그 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 구한다. 또, 이 때, 조 데이터에 대응하는 근 사식에 의해 주어지는 연속 데이터 중에서, 최대 변환 효율과 그 때의 피크 파워 밀도를 추출해도 된다. 이에 의해, 개별적인 변환 효율 등의 오차에 좌우되지 않고, 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도를 구할 수 있다.

연산 장치(31)로 구한, 최대의 변환 효율을 제공하는 피크 파워 밀도, 즉 최적 피크 파워 밀도는 디스플레이(34)에 표시됨과 함께, 프린터(35)에 의해 프린트 아웃된다.

본 실시 형태에 따르면, 표시 및 프린트 아웃된 최적 피크 파워 밀도를 참조함으로써, 조작자는 소정의 반복 주파수, 소정의 결정 길이의 조건 하에서, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻는 파장 변환 시스템을 조작함에 있어서, 적절한 피크 파워 밀도를 설정할 수 있다. 또한, 최대 피크 파워 밀도의 출력을 레이저 발진기에 직접 입력하면, 입사광의 피크 파워 밀도를 자동적으로 제어할 수도 있다.

도 7은 본 발명에 따른 프로그램에 의해 기능을 발휘하는 컴퓨터 시스템의 다른 예의 구성도이다. 도 7에서, 부호(41)는 연산 장치, 부호(42)는 입력 장치, 부호(44)는 연산 장치(41)의 연산 결과를 표시하는 디스플레이, 부호(45)는 연산 장치(41)의 연산 결과를 프린트 아웃하는 프린터이다.

본 실시 형태의 컴퓨터 시스템에서는 소정의 반복 주파수, 소정의 결정 길이의 조건 하에서, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻는 파장 변환 시스템에 있어서의 최적 피크 파워 밀도를 이하의 순서에 의해 구할 수 있다.

우선, 반복 주파수 Rep와 상수 α, β로 이루어지는 설정값을 입력 장치(42)로부터 사람의 손에 의해 입력한다. 또, 이 때의 α 및 β는 미리 실험 결과 등에 기초하여 구해 둔다.

다음으로, 연산 장치(41)가 하기 수학식 1에 기초하여 최적 피크 파워 밀도를 연산한다.

[수학식 1]

Pc=α·Rep^β

(단, Rep: 반복 주파수, α 및 β: 상수)

그리고, 연산 장치(41)로 구한 최적 피크 파워 밀도는 디스플레이(44)에 표시됨과 함께, 프린터(45)에 의해 프린트 아웃된다.

다음으로, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 8은 본 실시 형태에 따른 레이저 발진 시스템을 도시하는 구성도이다. 도 8의 레이저 발진 시스템은 기본파 발진기(50)와 광 파장 변환 시스템(60)으로 구성되어 있다.

기본파 발진기(50)는, 예를 들면 Nd:YAG 레이저 등의 레이저 발진기 단독으로, 또는 레이저 발진기와 그 레이저 발진기로부터 발진하는 광을 파장 변환하는 변환기로 구성되어 있다.

또한, 광 파장 변환 시스템(60)은 기본파 발진기(50)로부터 출사되는 파장 λ의 기본파를 다른 파장의 광으로부터 분리하기 위한 세퍼레이터(61, 62)와, 세퍼레이터(61, 62)에 의해 분리된 기본파가 입사광 I0으로서 입사되는 제1 결정(63)과, 제1 결정(63)으로부터의 출사광 I1이 입사되는 제2 결정(64)과, 제2 결정(64)으로부터 출사하는 출사광 I2를 분리하는 프리즘(65)과, 세퍼레이터(61)에 의해 분리된 기본파의 파장 이외의 광을 흡수하기 위한 빔 댐퍼(66)로 구성되어 있다.

여기서, 제1 결정(63) 및 제2 결정(64)은, 종류가 다른 비선형 광학 결정으로, 모두 기본 파장에 대하여, 위상 정합 각도를 만족하도록 배치되어 있다.

제1 결정(63) 또는 제2 결정(64)으로서 사용 가능한 비선형 광학 결정으로서는, 예를 들면 LB4(Li₂B₄O₇), KTP(KTiOPO₄), BBO(β-BaB₂O₄), CLBO(CsLiB₆O₁₀), LBO(LiB₃O₅), KDP(KH₂PO₄)를 들 수 있으며, 이들 비선형 광학 결정 중에서, 이하에 설명한 바와 같이 변환 효율 및 내손상성의 관점에서, 제1 결정(63) 및 제2 결정(64)이 각각 선택된다.

우선, 양 결정은 제1 결정(63)이 제2 결정(64)보다 높은 내광손상성을 구비 하도록 선택된다. 구체적으로는, 상기 기본파에 대한 벌크 손상 임계값을 비교한 경우, 제1 결정(63)이 제2 결정(64)보다 큰 벌크 손상 임계값을 갖는 관계로 선택된다.

이 벌크 손상 임계값은 벌크 손상을 생기게 하는 입사광의 피크 파워 밀도(피크치의 피크 파워 밀도)의 임계값으로 표시된다. 벌크 손상은, 입사광이 결정의 화학 결합을 파괴함으로써 발생하는 손상이다.

벌크 손상 임계값은 입사광의 파장이 짧아질수록, 또한 시간 펄스 폭이 길어질수록 낮아진다. 단, 다른 결정의 벌크 손상 임계값을 임의의 파장, 시간 펄스 폭에 있어서 비교하면, 그 대소 관계는 다른 파장, 시간 펄스 폭의 조건이라도 변하지 않는다.

예를 들면, 주된 비선형 광학 결정의, 파장 1064㎚, 시간 펄스 폭 1nsec에서의 벌크 손상 임계값은 이하의 값이지만, 그 대소 관계는 다른 조건이라도 변하지 않고, 다음과 같이 된다.

(1064㎚, 시간 펄스 폭 1nsec에서의 벌크 손상 임계값)

LB4: ∼90GW/㎠

LBO: ∼45GW/㎠

CLBO: ∼26GW/㎠

KDP: ∼14GW/㎠

BBO: ∼13GW/㎠

KTP: ∼0.6GW/㎠

(벌크 손상 임계값의 대소 관계)

LB4>LBO>CLBO>KDP>BBO>KTP

또, 광 손상에는 벌크 손상 외에, 결정 표면으로부터 발생하는 표면 손상이 있으며, 일반적으로 벌크 손상의 임계값은 표면 손상의 임계값보다 크다. 따라서, 결정 파괴를 야기하는 입사광의 피크 파워 밀도는 통상 표면 손상에 의해 결정된다. 그러나, 표면 손상 임계값은 표면의 연마 상태, 흡수의 유무, 입사광의 집광 정도 등에 의해 변화하기 때문에, 객관적인 비교가 곤란하다. 따라서, 내광손상성의 평가에 있어서는 벌크 손상 임계값을 이용하는 것이 적당하다.

다음으로, 양 결정은 제2 결정(64)이 제1 결정(63)보다 높은 변환 효율을 구비하도록 선택된다. 구체적으로는, 상기 기본파에 대한 유효 비선형 상수를 비교한 경우, 제2 결정(64)이 제1 결정(63)보다 큰 유효 비선형 상수를 갖는 관계로 선택된다.

유효 비선형 상수는, 비선형 광학 결정의 비선형 상수와 입사 각도로부터 계산되는 실효적인 변환 계수이다. 입사 각도는 입사하는 광의 파장에 따라 위상 정합하도록 선택되기 때문에, 입사광의 파장이 결정되면, 실질적으로 각 결정의 유효 비선형 상수의 비교가 가능하게 된다.

예를 들면, 주된 비선형 광학 결정의, 파장 1064㎚에서의 유효 비선형 상수는 이하의 값으로, 그 대소 관계는 다음과 같이 된다.

(1064㎚에서의 유효 비선형 상수와 위상 정합각)

LB4: 0.08pm/V, 31°

LBO: 1.05pm/V, 90°(typeⅠ)

CLBO: 0.47pm/V, 29.4°(typeⅠ)

0.95pm/V, 42.9°(typeⅡ)

BBO: 1.64pm/V, 22.9°(typeⅠ)

1.25pm/V, 33.1°(typeⅡ)

KDP: 0.27pm/V, 41.2°(typeⅠ)

0.34pm/V, 59.2°(typeⅡ)

KTP: 3.24pm/V, 90°(typeⅡI)

(1064㎚에서의 유효 비선형 상수의 대소 관계)

KTP>BBO>LBO>CLBO>KDP>LB4

제1 결정(63)으로서, 벌크 손상 임계값이 가장 큰 LB4를 선택한 경우, 여러가지의 비선형 결정을 제2 결정(64)으로서 선택할 수 있지만, 제2 결정(64)의 유효 비선형 상수가 제1 결정(63)(LB4)의 유효 비선형 상수보다 커지는 파장 범위에, 입사광의 파장 범위를 한정하여 사용하는 것이 필요하다. 각각의 결정의 유효 비선형 상수가, LB4의 유효 비선형 상수보다 커지는 파장 범위는 다음과 같다.

(LB4보다, 큰 유효 비선형 상수가 얻어지는 입사광의 파장 범위)

LBO: 2000∼500㎚

CLBO: 2000∼472㎚

BBO: 1400∼409㎚

KDP: 1300∼500㎚

KTP: 2000∼990㎚

본 실시 형태의 레이저 발진 시스템에서는 제1 결정(63)에 파장 λ의 기본파인 입사광 I0이 입사된다. 그리고, 제1 결정(63)으로부터의 출사광 I1은 파장 λ/2의 제2 고조파와, 변환되지 않고 통과한 파장 λ의 기본파로 구성된다. 이 때, 출사광 I1에 포함되는 기본파의 피크 파워 밀도는 제2 고조파로 변환된 만큼, 입사광 I0의 피크 파워 밀도보다 작아지고 있다. 그 때문에, 제2 결정(64)에 직접 입사하는 경우보다, 입사광 I0의 피크 파워 밀도를 높게 설정할 수 있다.

이 경우, 도 9에 도시한 바와 같이 제1 결정(63)에 의해 제2 결정(64)을 보호하는 효과는, 제1 결정(63)의 변환 효율의 범위에 머물지 않는다. 즉, 입사광 I0은 도 9에 실선으로 도시한 바와 같이 빔 직경의 범위 내에서, 빔 중심이 최대의 피크 파워 밀도가 되도록 분포하고 있다. 그리고, 이 높은 피크 파워 밀도를 취하는 빔 중심 부근의 광이 가장 결정의 손상을 제공하기 쉽다. 한편, 이 높은 피크 파워 밀도를 취하는 빔 중심 부근의 광이 가장 변환되기 쉽다. 그 때문에, 출사광 I1에 포함되는 기본파의 피크 파워 밀도는 도 9의 파선으로 도시한 바와 같이 빔 중심 부근에서 크게 저하된다. 따라서, 제2 결정(64)에 제공하는 영향을 크게 저감시킬 수 있다.

또한, 제1 결정(63)의 변환 효율이 비교적 낮기 때문에, 입사광 I0 중의 기본파(파장 λ)의 상당 부분이 그대로 통과하여 출사광 I1에 포함되지만, 제2 결정(64)의 변환 효율이 높기 때문에, 출사광 I2로서, 높은 파워의 제2 고조파(파장 λ/2)를 얻을 수 있다. 그리고, 출사광 I2 중에 잔존하는 기본파를 프리즘(65)으 로 분리하여, 제2 고조파만을 추출할 수 있다. 또, 프리즘(65) 대신에, 세퍼레이터를 이용해도 된다.

본 실시 형태에 따르면, 내광손상성과 변환 효율에 대하여 특정 관계에 있는 제1 결정(63)과 제2 결정(64)을 이용하였기 때문에, 각 결정의 결점을 상호 보충하여, 전체적으로 높은 변환 효율 및 높은 내광손상성을 실현할 수 있다. 따라서, 높은 파워의 제2 고조파를 효율적으로 얻을 수 있게 된다.

또, 본 실시 형태는 제2 고조파 발생에 대한 것이지만, 본 발명은 넓게 합 주파 발생에 응용이 가능하다. 예를 들면, 제3 고조파를 발생시키는 경우, 도 8의 실시 형태에 따른 레이저 발진 시스템에 있어서, 세퍼레이터(61, 62) 대신에, 각각 기본파와 제2 고조파의 양방을 반사하는 미러로서, 빔 댐퍼(66)를 제거한 구성으로 할 수 있다. 또는 세퍼레이터(61, 62), 빔 댐퍼(66) 모두를 제거하고, 기본파와 함께 고조파를 동시에 발생하는 발진기로부터, 직접 기본파와 제2 고조파를 제1 결정(63)에 입사시키는 구성으로 할 수도 있다.

실시예

(실시예 1)

도 8의 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 35㎜의 LB4를 이용하고, 제2 결정(64)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 7㎜의 BBO를 이용하였다. 그리고, 평균 파워 30W, 반복 주파수 10㎑, 펄스 폭 30nsec, 빔 직경 0.5㎜, 파장 532㎚ 그린 레이저를 입사광 I0으로서 입사하여, 제2 고조파의 발생을 행하였다.

이 때, 입사광 I0의 평균 피크 파워 밀도는 51㎿/㎠이었지만, 출사광 I1에 잔존하는 기본파(532㎚)의 파워는 28.5W, 평균 피크 파워 밀도는 48.4㎿/㎠가 되었다. 그리고, 출사광 I2로서, 출력 6.3W의 안정된 자외광(266㎚)을 얻었다.

또, 평균 피크 파워 밀도가 48.4㎿/㎠인 통상의 빔(532㎚)을 BBO에 입사하면, 벌크 손상을 일으킨다. 그러나, 본 실시예인 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이 실질적인 피크 파워 밀도가 저하되고 있기 때문에, 벌크 손상은 발생하지 않았다.

(비교예 1)

도 8의 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 7㎜의 BBO를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.

이 경우, 입사광 I0에 의해 BBO가 벌크 손상을 받기 때문에, 사용할 수 없었다.

(실시예 2)

도 8의 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 35㎜의 LB4를 이용하고, 제2 결정(64)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 10㎜의 CLBO를 이용하였다. 그리고, 실시예 1과 동일한 조건인 평균 파워 30W, 반복 주파수 10㎑, 펄스 폭 30nsec, 빔 직경 0.5㎜, 파장 532㎚ 그린 레이저를 입사광 I0으로서 입사하여, 제2 고조파의 발생을 행하였다.

이 때, 입사광 I0의 평균 피크 파워 밀도는 51㎿/㎠이었지만, 출사광 I1에 잔존하는 기본파(532㎚)의 파워는 28.5W, 평균 피크 파워 밀도는 48.4㎿/㎠가 되었다. 그리고, 출사광 I2로서, 출력 6.5W의 안정된 자외광(266㎚)을 얻었다.

또, 평균 피크 파워 밀도가 48.4㎿/㎠인 통상의 빔(532㎚)을 CLBO에 입사하면, 벌크 손상을 일으킨다. 그러나, 본 실시예인 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이 실질적인 피크 파워 밀도가 저하되고 있기 때문에, 벌크 손상은 발생하지 않았다.

(비교예 2)

도 8의 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 10㎜의 CLBO를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 1, 2와 마찬가지로 하였다.

이 경우, 입사광 I0에 의해 CLBO가 벌크 손상을 받기 때문에, 사용할 수 없었다.

(비교예 3)

도 8의 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 35㎜의 LB4를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 1, 2와 마찬가지로 하였다.

이 경우, 입사광 IO의 평균 피크 파워 밀도는 51MW/㎠이었지만, 출사광 I1에 잔존하는 기본파(532㎚)의 파워는 28.5W, 평균 피크 파워 밀도는 48.4㎿/㎠가 되었다. 그리고, 출사광 I2로서, 출력 3W의 자외광(266㎚)을 얻었다.

이 출사광 I2의 출력은 안정적이며, 벌크 손상도 발생하지 않았지만, 실시예 1의 6.3W나 실시예 2의 6.5W와 비교하면 낮은 값이었다.

(실시예 3)

도 8의 실시 형태에 따른 레이저 발진 시스템에 있어서의 세퍼레이터(61, 62) 대신에, 기본파와 제2 고조파의 양방을 반사하는 미러를 이용하고, 빔 댐퍼(66)를 제거한 구성의 레이저 발진 시스템을 이용하여, 합 주파의 발생을 행하였다.

이 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 35㎜의 LB4를 이용하고, 제2 결정(64)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 15㎜의 LBO를 이용하였다. 그리고, 파장 1064㎚, 평균 파워 10W의 기본파 레이저와, 파장 532㎚, 평균 파워 10W의 제2 고조파를 입사광 I0으로서 입사하여, 제3 고조파인 파장 355㎚의 자외 레이저를 발생시켰다.

이 입사광 I0에 있어서, 반복 주파수는 10㎑이고, 기본파 레이저, 제2 고조파 레이저의 펄스 폭 및 빔 직경은 각각 30nsec, 0.3㎜, 27nsec, 0.2㎜이었다.

이 때, 입사광 I0에 있어서의 기본파 레이저, 제2 고조파 레이저의 평균 피크 파워 밀도는 각각 47㎿/㎠, 118㎿/㎠이었지만, 출사광 I1에 잔존하는 기본파와 제2 고조파의 파워는 각각 9.5W, 9.5W이고, 평균 피크 파워 밀도는 각각 45㎿/㎠, 112㎿/㎠가 되었다. 그리고, 출사광 I2로서, 출력 5W의 안정된 제3 고조파(355㎚)를 얻었다.

또, 평균 피크 파워 밀도가 112㎿/㎠인 통상의 빔(532㎚)을 LBO에 입사하면, 벌크 손상을 일으킨다. 그러나, 본 실시예인 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이 실 질적인 피크 파워 밀도가 저하되고 있기 때문에, 벌크 손상은 발생하지 않았다.

(비교예 4)

실시예 3과 동일한 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 10㎜의 LBO를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 3과 마찬가지로 하였다.

이 경우, 입사광 I0에 있어서의 제2 고조파(532㎚)에 의해 LBO가 서서히 벌크 손상을 받기 때문에, 사용 시간이 제한되어, 안정적으로 장시간 사용할 수 없었다.

(비교예 5)

실시예 3과 동일한 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 35㎜의 LB4를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 3과 마찬가지로 하였다.

이 경우, 출사광 I2로서, 출력 2W의 안정된 제3 고조파(355㎚)를 얻었다.

이 출사광 I2의 출력은 안정적이며, 벌크 손상도 발생하지 않았지만, 실시예 3의 5W와 비교하면 낮은 값이었다.

(실시예 4)

도 8의 실시 형태에 따른 레이저 발진 시스템에 있어서의 세퍼레이터(61, 62) 대신에, 제1 기본파와 제2 기본파의 양방을 반사하는 미러를 이용하고, 빔 댐퍼(66)를 제거한 구성의 레이저 발진 시스템을 이용하여, 합 주파의 발생을 행하였다.

이 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 20㎜의 LB4를 이용하고, 제2 결정(64)으로서 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 15㎜의 BBO를 이용하였다. 그리고, 파장 355㎚, 평균 파워 5W의 Nd:YAG 레이저의 제3 고조파(제1 기본파)와, 파장 828㎚, 평균 파워 5W의 Ti:sapphire 레이저(제2 기본파)를 입사광 I0으로서 입사하여, 합 주파인 파장 248㎚의 자외 레이저를 발생시켰다.

이 입사광 I0에서, 반복 주파수는 10㎑이고, 제1 기본파(355㎚), 제2 기본파(828㎚)의 펄스 폭 및 빔 직경은 각각 25nsec, 0.2㎜, 15nsec, 0.2㎜이었다.

이 때, 입사광 I0에서의 제1 기본파(355㎚), 제2 기본파(828㎚)의 평균 피크 파워 밀도는 각각 64㎿/㎠, 106㎿/㎠이었지만, 출사광 I1에 잔존하는 제1 기본파(355㎚)와 제2 기본파(828㎚)의 파워는 각각 4.85W, 4.85W이고, 평균 피크 파워 밀도는 각각 62㎿/㎠, 103㎿/㎠가 되었다. 그리고, 출사광 I2로서, 출력 0.8W의 안정된 합 주파(248㎚)를 얻었다.

또, 평균 피크 파워 밀도가 62㎿/㎠인 통상의 빔(355㎚)을 BBO에 입사하면, 벌크 손상을 일으킨다. 그러나, 본 실시예인 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이 실질적인 피크 파워 밀도가 저하되고 있기 때문에, 벌크 손상은 발생하지 않았다.

(비교예 5)

실시예 4와 동일한 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 15㎜의 BBO를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 4와 마찬가지로 하였다.

이 경우, 입사광 I0에 있어서의 제1 기본파(355㎚)에 의해 BBO가 서서히 벌크 손상을 받기 때문에, 사용 시간이 제한되어, 안정적으로 장시간 사용할 수 없었다.

(비교예 6)

실시예 4와 동일한 레이저 발진 시스템에 있어서, 제1 결정(63)과 제2 결정(64)의 쌍방에, 5㎜×5㎜ 단면으로 길이 20㎜의 LB4를 이용하였다. 입사광 I0의 조건은 실시예 4와 마찬가지로 하였다.

이 경우, 출사광 I2로서, 출력 0.4W의 안정된 합 주파(248㎚)를 얻었다.

이 출사광 I2의 출력은 안정적이며, 벌크 손상도 발생하지 않았지만, 실시예 4의 0.8W와 비교하면 낮은 값이었다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 파장 변환 방법 및 파장 변환 시스템에 따르면, 최적 피크 파워 밀도 이하로서, 최적 피크 파워 밀도에 가까운 피크 파워 밀도의 입사광을 파장 변환하기 때문에, 비선형 광학 결정 단결정, 특히 사붕산리튬 LB4를 이용하여, 안정적으로 고변환 효율을 달성할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 실용적인 전체 고체 자외 레이저 발진기로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 프로그램 및 매체에 따르면, 최적 피크 파워 밀도를 용이하게 구할 수 있기 때문에, 조작자는 소정의 반복 주파수, 소정의 결정 길이의 조건 하에서, 비선형 광학 결정에 파장 λ의 입사광을 입사시켜 파장 1/2λ의 출사광을 얻는 파장 변환 시스템을 조작함에 있어서, 적절한 피크 파워 밀도를 설정할 수 있 다.

도 1은 입사광의 피크 파워 밀도와 변환 효율과의 관계를 나타내는 그래프.

도 2는 반복 주파수에 따라, 최적 피크 파워 밀도가 어떻게 변화하는지를 조사한 그래프.

도 3은 LB4 결정의 가열 온도에 따른, 입사광의 평균 출력과 변환 효율과의 관계를 조사한 결과를 나타내는 그래프.

도 4는 LB4 결정의 가열 온도에 따른, 입사광의 평균 출력과 변환 효율과의 관계를 조사한 결과를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 광 파장 변환 방법을 채용한 자외 레이저 발진기의 일 실시 형태를 나타내는 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 프로그램에 의해 기능을 발휘하는 컴퓨터 시스템의 일례의 구성도.

도 7은 본 발명에 따른 프로그램에 의해 기능을 발휘하는 컴퓨터 시스템의 다른 예의 구성도.

도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 레이저 발진 시스템을 도시하는 구성도.

도 9는 제1 결정에 의해, 피크 파워 밀도가 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프.

Claims

소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시켜, 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서,

상기 제1 비선형 광학 결정은, 상기 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한

상기 제2 비선형 광학 결정은, 상기 기본파의 제2 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법.
소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를, 제1 비선형 광학 결정 및 제2 비선형 광학 결정에 순차적으로 입사시켜, 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파(和周波)를 발생시키는 광 파장 변환 방법으로서,

상기 제1 비선형 광학 결정은, 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한

상기 제2 비선형 광학 결정은, 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 비선형 광학 결정이 단결정 사붕산리튬(Li₂B₄O₇)인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법.
제3항에 있어서,

상기 제2 비선형 광학 결정이 LiB₃O₅, CsLiB₆O₁₀, KTiOPO₄, 또는 β-BaB₂O₄인 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 방법.
소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 상기 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 기본파의 제2 고조파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 포함하는 광 파장 변환 시스템으로서,

상기 제1 비선형 광학 결정은, 상기 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한

상기 제2 비선형 광학 결정은, 상기 기본파의 제2 고조파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템.
소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파 및 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파가 입사되어 상기 제1 기본파 및 제2 기본파의 합 주파를 발생시키는 제1 비선형 광학 결정과, 상기 제1 비선형 광학 결정으로부터의 출사광이 입사되어 상기 합 주파를 발생시키는 제2 비선형 광학 결정을 포함하는 광 파장 변환 시스템으로서,

상기 제1 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파에 대한 벌크 손상 임계값이 상기 제2 비선형 광학 결정보다 크고, 또한

상기 제2 비선형 광학 결정은 상기 제1 기본파와 제2 기본파로부터의 합 주파 발생에 대한 유효 비선형 상수가 상기 제1 비선형 광학 결정보다 큰 것을 특징으로 하는 광 파장 변환 시스템.
소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 기본파가 입사되어 제2 고조파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템을 포함하는 레이저 발진 시스템으로서,

상기 광 파장 변환 시스템이 제5항에 기재된 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템.
소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제1 기본파와 소정의 파장 및 시간 펄스 폭의 제2 기본파를 발진하는 기본파 발진기와, 이 기본파 발진기로부터 상기 제1 기본파 및 상기 제2 기본파가 입사되어, 합 주파를 발생시키는 광 파장 변환 시스템 을 포함하는 레이저 발진 시스템으로서,

상기 광 파장 변환 시스템이 제6항에 기재된 광 파장 변환 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 발진 시스템.