JPH01270036A - 非線形光学的装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は三ほう酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５）の単結晶で
作られた非直線性光学的（ｎｏｎｌｉｎ＠ａｒ　ｏｐｔ
ｉｃａＬＮＬＯ）装置に関する。

〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕２次
の分極化性テンソルのノンゼロの成分をもつ単結晶は、
通常、非直線性光学的結晶と称される。該単結晶は、大
なる強度のレーザの放射の下に非直線性光学的効果、例
えば第２高調波発生（ＳＩＩＧ）、合計周波数発生（Ｓ
ＦＧ）　、差周波数発生（ＤＦＧ）、およびパラメトリ
ック増幅（ＯＰＡ）を生起させる。有効な第２高調波発
生（Ｓ）ＩＧ）　、アップ・ダウン変換、およびパラメ
トリック増幅（ＯＰＡ）を遂行するため非直線性光学的
結晶を利用する装置が米国特許第３２６２０５８号、第
３３２８７２３号、および第３７４７０２２号に記載さ
れている。

非直線性光学的（ＮＬＯ）結晶を通る入力レーザパワー
が小であるときは、射出エネルギの小なる部分のみが相
異なる周波数のエネルギに変換される。

この変換の効率は下記のように導出される。

ここに、Ｉｏｕ　ｔは出力レーザパワー、ｆｉｎは入力
レーザパワー、Ｄｅｆｆは有効第２高調波係数（ｅｆｆ
ｅｃｔｉｖｅ　ＳＨＧ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）　、
Ｌ−結晶長さ、Δに＝ｋｓ　　（ｋ＋＋ｋｚ　）・・・
位相ミスマツチ、π／Δにはコヒーレンス長さであって
、それにわたり高周波発生波お−よび射出波が充分に同
相状態を維持し得るもの、と定義される。

Δに＝ｏ、したがってｓｉｎ”（Δｋ　−Ｌ／２）＝　
１という条件は位相マツチング条件と称される。この条
件の下において、基本波から高調波発生への変換効率η
は、通常、最大値に到達する。

−Ｊ’１２的に、位相マツチングは２つの形式を有する
。

第１の形式は、２つの射出波が同一の極性を有する場合
であり、第２の形式は２つの射出波が直交する極性を有
する場合である。

位相マツチングは一般的には、４通りの方法で遂行され
る（米国特許第３９４９３２３号参照）。本発明者は、
それを遂行するために、結晶の回転による角度同調法を
用いる。

２つの効果が位相マツチングに制限を課する。

その第１は、いわゆるウオーク・オフ効果であって、レ
ーザの位相伝播方向とエネルギ伝播方向が、複屈折のた
めに相違することを指すものである。

その第２は到来するビームの発散のために生ずる位相ミ
スマツチである。

単一軸の結晶においては、位相マツチングは独占的に角
度θに関係し、該角度θは光学的軸と到来ビームの伝播
方向の間の角度である。゛位相ミスマツチは下式であら
れすことができる。

−・−（２） 関係式（２）は、δθが零から離れるにつれ、Δｋが増
大し、したがってθが減少することを示す。

−ｉ的に、角度偏差δθにおいて高調波発生パワーは最
大値の４０．５％またはｌ／ｅに減少するのであるが、
該角度偏差δθはアクセプタンスアンΔにはδθに従っ
て直線状に変化するのではなく、（δθ）ｔに従って変
化し、それにより角度偏差には影響されない。この条件
は　θｐａ＋＝９０°、すなわち、伝播が光学軸に垂直
な面内で行われることに対応する。この条件下における
位相マツチングは「非臨界的位相マツチング（ｎｏｎ−
ｃｒｉｔｉｃａｌｐｈａｓｅ　ｓｎａｔｃｈｉｎｇ、　
ＮＣＰＭ）と称される。

２軸の結晶においては、位相マツチングはθとψの両方
に関係し、該θおよびψは射出波の伝播角度の分極角度
である。それゆえΔにはδθとδψの両方に従って変化
する。アクセプタンス角度はψを固定した状態でθにつ
いて測定されることができ、またその逆も可能である。

θとψについて、アクセプタンス角度のより小であるほ
うが２軸の結晶におけるアクセプタンス角度と定義され
る。２軸の結晶の位相マツチングの詳細な議論について
は、論文ｒＨ，Ｖ、１Ｉｏｂｄｅｎ、ジャーナル　オブ
　アプライド　フィジックス、第３８巻、１９６７年、
第４３６５頁」を参照することができる。

今日までにおいて、普通に使用される非直線性光学的結
晶はＫＤＰ　（りん酸二水素カリウム）、尿素、ＫＴＰ
、五ほう酸カリウム（ＫＢｓＯａ・４Ｈ２０）等である
。残念なことに、これらは同様な下記の不利益点を有す
る （１）波長２０００オングストローム以下の高調波を発
生することができないが、このことはレーザ分光技術に
おいては重大なことである。

（２）損害スレショルドが低いということであり、パル
ス継続時間が０．１ｎｓ、波長１．０６４２μｍのとき
ＫＤＰの損害スレショルドは７ＧＷ／ｃｄである。

（３）アクセプタンス角度が小さいということであり、
ＫＤＰのアクセプタンス角度は５．Ｏｍｒａｄ／ｃｍで
ある。

これらの不利益点は、大なるエネルギ強度および大なる
発散をもつ射出レーザを用いて深い紫外線領域の高調波
を発生するために非直線性光学的装置を使用するについ
て制限を課することになる。

ＬｉＢｓＯｓの結晶構造は論文ｒＪ、Ａｎｏｒｇ、アル
ゲマイネ　ケミストリ、ドイツ、第４３９巻、１９７８
年」および「窯業協会誌、日本、第８８巻、１９８０年
、第１７９頁」に記載されている。三ほう酸リチウムの
結晶構造は斜方晶系に属し、スペースグループＰｎａ２
＋のものである。格子パラメータはａ、　　ｂ。

Ｃについてそれぞれ８．４４６Ａ、　　７．３７８Ａ、
および５．１４１Ａであり、各単位セルにおいてＺ＝４
である。質量密度は２．４７８　ｇ／ｃ１１１である。

報告された最大の結晶寸法はｌｘｌ×４ｆｆＩＩ１１３
であるが、このものは実用のためにはまだ充分な大きさ
をもつものではない。また、三ほう酸リチウムの結晶が
非直線性光学的特性を有することについては、まだ誰も
指摘していない。

そこで、本発明の一つの目的は、非直線性光学的装置で
あって、大なるパワー密度と大なる発散を有する射出レ
ーザを大なる効率を有する高調波へ変換することができ
るもの、を提供することにある。

本発明の他の目的は、非直線性光学的装置であって、２
０００オングストローム以下の波長のコヒーレントな放
射線を発生させることができるもの、を提供することに
ある。

本発明の他の目的は、非直線性光学的装置であって、７
０Ｘ７０ｍｍ”より小でない断面積を有しＮｄ　　（ネ
オジミウム）：ＹＡＧレーザ周波数の第２および第３高
調波発生に使用されることができるもの、を提供するこ
とにある。

本発明のさらに他の目的は、２０００オングストローム
以下の波長のコヒーレントな放射線を発生させることが
できる導波装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前述の目的はすべて、ＬｉＢ５０５の単結晶を用いた非
直線性光学的装置により達成される。本発明者は、高温
度トップシーディング法（ｔｏｐ　ｓｅｅｄｉｎｇ肩ｅ
ｔｈｏｄ）を使用することにより、２０Ｘ３５Ｘ９閣３
の寸法にまで達するＬｉＢ、０５の単結晶を得ることに
成功したのであり、このものが実用に充分な大きさであ
ることは明瞭である。

前述の非直線性光学的装置はＫＤＰ、尿素等の結晶を用
いたものの成る欠点を克服する。例えば、該非直線性光
学的装置は到来するビームが大なる強度（τ＝０．Ｉｎ
ｓ、　　λ＝　１．０６４２μｍにおいて２５ＧＷ／Ｃ
ｌ１１にまで到達）および大なる発散（数１０ｍｒａｄ
−Ｔ＝ｔ−にまで到達）を有する場合においても有効に
動作し、このものはまた波長２０００オングストローム
以下のコヒーレントは紫外線を発生することができる。

また、大なる断面積（７０Ｘ７０ｍＩ１１２にまで到達
）のＬｉＢ５０ｓ結晶を用いた非直線性光学的装置を製
造することも可能である。

本発明者は、化学式ＬｉｔｈＯｓをもつ化合物の結晶が
非直線性光学的特性を有することを最初に発見した者で
ある。該結晶はＩｎ１１２のポイントグループに属し、
したがって２軸形である。該結晶は、０．１６μｍから
２．６μｍにわたり透明である。

ＬｉＢ、０．の単結晶において、２次の分極可能性テン
ソルのｄ３１．　　ｄ３２．　　ｄ３３．　　ｄ２４お
よびｄ１５の成分は零ではない。本発明者は基本波長１
．０６４２μｍにおけるＭａｋｅｒのフリンジャー技術
によりこれら成分を下記のように決定した。

ｄ３１＝乎２．８２　（１±０．０８）　Ｘｌ０−９ｅ
ｓｕｄ３２＝±３．３９　（１±０．０８）　Ｘｌ０−
’　ｅｓｕｄ３３−±０．５３　（１±０．１０）ＸＩ
Ｏ−’　ｅｓｕｄ１５＝ｄ３１ ｄ２４＝ｄ３２ 本発明者はまた、最小角度偏差法を用いて０．２５３５
　ｐ　ｍと１．０６４２　Ｂ　ｍの間の１６の波長にお
けるＬｉＢ＋Ｏｓの主要屈折率を測定した。操作過程を
適合させることによりＳｅｌｌｍｅｉｅｒ等式が下記の
ように得られた。

ｎ　Ｘｚ　＝２．４５１７−０．０１１７７／　（０，
００９２１−λ”）−９，６００ＸＩＯ−’Ｘλ２ ｎ　、”＝２．５２７９＋０．０１６５２／（０，００
５４５９＋λ２）−０，０１１３７ｘλ２ ｎ　、”＝２．５８１８−０．０１４１４／（０，０１
１８６−λ２）−０，０１４５７Ｘｚ２ −・・・−（３） ここに、波長λはμｍであられれる値である。

本発明者はθ≠９０“の場合とθ＝９０°の場合につい
て角度同調曲線を測定した。曲線から、θ≠９０°の場
合はアクセプタンス角度が２５ｔｓｒａｄ、　　θ＝９
０°の場合は９５ｍｒａｄであると決定された。

ＬｉＢ３（１Ｂのアクセプタンス角度は、現在の光学技
術において普通に用いられているＫＤＰ、尿素、ＫＴＰ
結晶のそれよりも相当に大であることは明らかなことで
ある。この利点の結果として、レーザの同一の発散にお
いては、ＬｉＢｓＯｓの位相ミスマツチが、ＫＤＰ、尿
素、ＫＴＰ等におけるよりも、より小となる。より大な
るアクセプタンス角度は、接合技術による結晶の断面積
の拡大における大なる加工誤差を許容することを可能に
する。

該誤差は、ＫＤＰにおける誤差が数分であるのと普対照
的に、ＬｉＢ５０５結晶においては数度にしか制限でき
ないのであり、１亥ＫＤＰについてはアクセプタンス角
度はわずかに約１　ｍｒａｄである。７０×７０■２ま
での大なる断面積をもつＳＨＧ装置は、適切な寸法のＬ
ｉＢ５０．の単結晶の９ピースを用い接合により形成す
ることが可能である。

本発明者は、モードロックされたＮｄ：ＹＡＧレーザ（
τ−０，１ｎｓ、　　λ＝１．０６４２μｍ）を用いて
、ＬｉＢ＋Ｏｓのスレショルドが２５　ＧＷ／ｃｉｉで
あると測定したが、この値は同一条件下におけるＫＤＰ
の場合の値の３．６倍である。したがって、ＬｉＢｚＯ
ｓで作られた非直線性光学的装置はレーザ溶融システム
のような大パワーまたは大平均パワーのレーザシステム
に用いられることが可能である。

ＬｉＢ、０５結晶は２．６μｍから０．１６μｍまでの
範囲において透明であるから、該結晶で作られた非直線
性光学的装置は射出レーザについて第２高調波発生（Ｓ
ＨＧ）　、および合計周波数発生（ＳＦＧ）を遂行する
ことができ、該射出レーザの波長範囲は０．３’７５μ
ｍと３．０μｍの間である。

本発明者は本発明者の実験室で採用された方法により生
長させられたＬｉＢ５０５の研磨された単結晶を室温に
おいて水中に浸漬し、１か月経通抜も表面の輝度に変化
が生じないことを観察した。このことはＬｉＢ５０ｓ結
晶が化学的に安定であり非潮解性であることを示すもの
である。したがって、該結晶で作られた非直線性光学的
装置は、なんらの保護体無しで適切に作動することがで
きる。

〔実施例〕

第１図には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１）からの波長１．
０６４２μ閑の垂直偏光レーザがレンズ（２）により集
束されＬｉＢ５０５結晶（３）に射突させられる。該結
晶は、結晶学的す軸が射出ビームの偏光方向でありａ軸
が該結晶を通る光学的軸に対し角度ψをなすようにして
方向づけられる。角度ψは下記の関係式により計算され
る。

ここにｎ　”　　、ｎ　２“　、およびｎ　は関係式（
３）により得られる。計算の結果は、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザ周波数の第２高調波発生（ＳＨＧ）について、ψ＝１
０．７３°であることを示す。結晶（３）から放出され
る光はコリメートレンズ（４）によりコリメートされ、
フィルタ（５）を通り、吸収または反射により基本波が
除去される。第２高調波発生は水平方向偏光として放出
される。レンズ（２）を除去し、および／またはフィル
タ（５）をプリズムで置換することは、該非直線性光学
的装置の作動原理を変化させるものではない。

第２図に示されるように結晶（３）の表面上に導波領域
（４）が存在する。該導波領域はイオン置換またはイオ
ン注入技術により得られるＬｉ１−、ＭにＢ、０５から
なり、ここにＭはＮａ、に等のアルカリ金属であり、Ｘ
は０．１と０．９の間で変化させられる。

基板（３）は、結晶学的す軸が射出レーザビームの偏光
方向にありａ軸が結晶（３）を通る光学的通路に対し角
度ψを有している。ψは関係式（４）により得られる。

角度ψ＝１０．７３°において、波長１．０６４２μＩ
の射出放射線の第２高調波発生（ＳＨＧ）が第２図に示
される装置から放出される。該装置は下記のように動作
する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１）からの水平方向偏光は
レンズ（２）により集束され、次いで、第２図に示され
る方向に沿い、導波領域（４）に射突させられる。放出
された光はコリメートレンズ（５）によりコリメートさ
れ、次いでフィルタ（６）を通過し、吸収または反射に
より基本波が除去される。

第２高周波発生は最終的には垂直偏光として放出される
。

実例１が下記に述べられる。

実験の設定および過程はつぎのとおりである。

高さ４０ｎ＋ｍ、直径４０ｓ＋＋の白金製るつぼに２１
．１ｇのＬｉ、ＣＯ，と１４１．２　ｇのＨ，ＢＯ，の
均一混合物を装入し、温度維持用のＡｌｔ（ｈ等からな
る周囲材料とともに炉の内に置かれる。該炉は前述の周
囲材料と同じ材料で作られ、シードの自由挿入用の開孔
を有する蓋により封鎖される。該炉はニッケルークロム
製の加熱線を用いて９５０°Ｃの温度にまで急速に加熱
され、５時間後に８４８”Ｃにまで急速に冷却される。

Ｃ２軸に方向づけられたＬｉＢ５０５結晶で作られたシ
ードが該るつぼ内に緩速度で挿入され、溶融物の表面に
接触状態に維持され、３０分間８４８°Ｃに維持される
。次いで該簿融物は８３３°Ｃにまで急速に冷却され、
次いで０．５°Ｃ／日の速度で７８０°Ｃにまで緩速度
で温度低下させられ、成長を終止させる。得られた結晶
は該溶融物から引上げられ、次いで４０°Ｃ／時の速度
で室温にまで冷却させられる。該生長の期間において、
シードは回転無しの状態に維持される。得られた結晶は
１８Ｘ２０Ｘ６鴫３までの寸法をもつＬｉＢ５０５の透
明な単結晶であった。

実例２が下記に述べられる。

高さ５０ｍｍ、直径５０ｍａ＋の白金製るつぼに４０．
６８のＬｉ２ＣＯ３，２０３，９ｇの８３ＢＯ３、およ
び１５８．３ｇの台。０．の均一混合物が充填され、温
度維持用材料としてのＡ１．０．とともに炉の内に置か
れる。

該炉は前述の温度維持用材料と同じ材料で作られ、シー
ドの自由挿入用の開孔を有する蓋により封鎖される。該
炉は８５０°Ｃにまで加熱され、次いで５時間後に６７
３°Ｃにまで冷却される。シード結晶がるつぼ内へ緩速
度で挿入され、温度の変化無しで、３０分間溶融物の表
面と接触状態に維持され、次いで６７０°Ｃにまで冷却
され、次いで５°Ｃ／日の速度で５８０°Ｃにまで温度
低下させられ、生長を終止させる。得られた結晶は該溶
融物から引上げられ、１００°Ｃ／時の速度で室温にま
で冷却される。最終の生成物は２０Ｘ３５Ｘ９ｎｍ３ま
での寸法をもつＬｉＢ、１０５の透明な単結晶であった
。該生長の期間において該シードは３０ｒｐｍの速度で
回転させられた。

実例３が下記に述べられる。実例１の過程を用いて、１
５Ｘ１５Ｘ１０ｍｍ’の寸法をもつ原料結晶が得られた
。結晶学的軸ａ、ｂ、およびＣが決定された後、該原料
結晶は第１図に示される要求および方向づけに従いψ＝
　１０．７３°をもつ６×６×６１ＴＩＩ１１３の結晶
に切断された。次いで該結晶は第１図に示される光通路
内に置かれた。

５ＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ　Ｐ）ＩＹＳＩＣＳ製（７）
ＤＣＲ２Ａ形式の固態Ｎｄ：ＹＡＧレーザであって、パ
ルス継続時間７ｎｓ、ビーム直径４ｒｎｍのもの、を用
い、装置の第２高調波発生の変換効率として５９％まで
の変換効率が、基本エネルギが１９０ｍｊ　／パルスに
達するとき、表面における反射の補正をなんら行うこと
なく、達成された。比較のために述べると、同一の条件
下において、ＫＤＰの場合の変換効率はわずかに約４５
％である。

実例４が下記に述べられる。実例２の過程を用いて２０
Ｘ２０Ｘ９ｍｍ３の寸法をもつ原料結晶が得られた。結
晶学的軸ａ、ｂ、およびＣが決定された後、該原料結晶
はψ＝　１０．７３°をもつ９×９×６１１１［Ｉ１３
の結晶に切断された。次いで該結晶は第１図に示される
光通路内に置かれた。光源はパルス継続時間７ｎｓ、ビ
ーム直径６ｍｍをもつＱ変調のＮｄ：ＹＡＧレーザであ
った。第２高調波発生の効率であって、表面反射の補正
が行われたもの、は、入力エネルギが１９５ｍｊ　／パ
ルスに達したとき、６５％であると測定された。

非直線性光学的装置の他の種類のもの、例えばＬｉｔｈ
Ｏｓ結晶で作られたアップ・ダウン周波数変換装置、光
学的パラメトリック発振器も、同様の方法で容易に設計
され、製造されることができる。

これらの装置も本発明の範囲内に含まれることは明らか
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＬｉＢ５０．の単結晶で作られた代表的非直線
性光学的装置の原理を示す図、 第２図はＬｉＢ５０５の単結晶で作られた導波装置の原
理を示す図である。 （１）・・・Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、 （２）・・・レンズ、 （３）・・・ＬｉＢＪｓ結晶、 （４）・・・コリメートレンズ、 （５）、　（６）・・・フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非直線性光学的装置であって、少くとも１つの射出
   電磁放射ビームを非直線性光学的特性をもつ少くとも１
   つの結晶に指向させるビーム指向手段を具備しており、
   それにより、該結晶から放出される電磁放射線がどの射
   出電磁放射ビームの周波数とも異なる少くとも１つの周
   波数を包含し、その際に、該結晶が三ほう酸リチウム（
   ＬｉＢ＿３Ｏ＿５）の単結晶である、 ことを特徴とする非直線性光学的装置。 ２、射出電磁放射ビームの波長が０．３７５μｍから２
   ．６μｍの範囲にある、 請求項１記載の装置。 ３、接合技術により少くとも７０×７０ｍｍ＾２の断面
   積が得られるようになっている、請求項１記載の装置。 ４、導波装置であって、少くとも１つの射出電磁放射ビ
   ームを少くとも１つの非直線性結晶の導波領域へ指向さ
   せるビーム指向手段を具備しており、それにより該導波
   領域から放出される電磁放射線がどの射出電磁放射ビー
   ムの周波数とも異なる少くとも１つの周波数を包含し、
   その際に、該結晶の表面における導波領域および該結晶
   は三ほう酸リチウム（ＬｉＢ＿３Ｏ＿５）の単結晶であ
   る、ことを特徴とす導波装置。 ５、該導波領域がイオン置換技術またはイオン注入技術
   により得られるＬｉ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘＢ＿３Ｏ＿５（
   Ｍはナトリウム、カリウム等、０＜Ｘ＜１）から成る、
   請求項４記載の装置。 ６、該三ほう酸リチウム（ＬｉＢ＿３Ｏ＿５）の結晶が
   高温溶液トップシーディング法により成長させられたも
   のである、 請求項１から５までのいずれかに記載の装置。