JPH0511287A - レーザー光波長変換装置 - Google Patents
レーザー光波長変換装置Info
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- JPH0511287A JPH0511287A JP3159530A JP15953091A JPH0511287A JP H0511287 A JPH0511287 A JP H0511287A JP 3159530 A JP3159530 A JP 3159530A JP 15953091 A JP15953091 A JP 15953091A JP H0511287 A JPH0511287 A JP H0511287A
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】波長変換素子である結晶の光破壊を防ぎ、且つ
高い波長変換効率を得ることのできるレーザー光波長変
換装置を提供する。 【構成】光共振器１５内で波長変換素子１４に入射レー
ザー光を集光するための光ビームの断面形状を非円形、
好ましくは楕円形、にする集光光学系を有する。
高い波長変換効率を得ることのできるレーザー光波長変
換装置を提供する。 【構成】光共振器１５内で波長変換素子１４に入射レー
ザー光を集光するための光ビームの断面形状を非円形、
好ましくは楕円形、にする集光光学系を有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザー光の波長を
変換する装置、特にレーザー光の波長を変換する波長変
換素子の光破壊を防ぎながら高い波長変換効率を得るこ
とのできるレーザー光波長変換装置に関する。
変換する装置、特にレーザー光の波長を変換する波長変
換素子の光破壊を防ぎながら高い波長変換効率を得るこ
とのできるレーザー光波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来よりレーザー光のような強いコヒー
レントな光は、二次の非線形光学効果を持つ媒質（すな
わち波長変換素子。このような媒質は光学結晶であるこ
とが多いので以下これを単に結晶と呼ぶ）、に通すこと
により、入射した光の周波数の二倍の周波数の光波、あ
るいは入射した光が複数の周波数成分を含む場合にはそ
れら二つの成分の周波数の和や差の周波数を持つ光波、
を発生することが知られている。これらはそれぞれ第二
高調波発生、和周波発生、差周波発生と呼ばれる。これ
らの変換効率、すなわち変換された新しい周波数の出力
光強度の入射光強度に対する割合、を高くするには位相
整合と呼ばれる条件を満たす必要がある。
レントな光は、二次の非線形光学効果を持つ媒質（すな
わち波長変換素子。このような媒質は光学結晶であるこ
とが多いので以下これを単に結晶と呼ぶ）、に通すこと
により、入射した光の周波数の二倍の周波数の光波、あ
るいは入射した光が複数の周波数成分を含む場合にはそ
れら二つの成分の周波数の和や差の周波数を持つ光波、
を発生することが知られている。これらはそれぞれ第二
高調波発生、和周波発生、差周波発生と呼ばれる。これ
らの変換効率、すなわち変換された新しい周波数の出力
光強度の入射光強度に対する割合、を高くするには位相
整合と呼ばれる条件を満たす必要がある。
【０００３】位相整合のための条件は、第二高調波発生
の場合、結晶の基本波（入射光）と発生した第二高調波
（出力光）のそれぞれに対する屈折率が等しいことであ
る。このような位相整合は結晶の複屈折性を利用して例
えば基本波（入射光）に常光線を、第二高調波（出力
光）に異常光線を使う事によって実現できる。結晶の種
類によっては、結晶の向きや温度を適当に選ぶことで、
ある決まった入射光の波長の範囲内で、この位相整合条
件を実現することができる。特に結晶の向きを変えて位
相整合条件を実現する結晶を角度位相整合型と呼ぶ。
の場合、結晶の基本波（入射光）と発生した第二高調波
（出力光）のそれぞれに対する屈折率が等しいことであ
る。このような位相整合は結晶の複屈折性を利用して例
えば基本波（入射光）に常光線を、第二高調波（出力
光）に異常光線を使う事によって実現できる。結晶の種
類によっては、結晶の向きや温度を適当に選ぶことで、
ある決まった入射光の波長の範囲内で、この位相整合条
件を実現することができる。特に結晶の向きを変えて位
相整合条件を実現する結晶を角度位相整合型と呼ぶ。
【０００４】この角度位相整合型結晶の一例としてとし
てβ硼酸バリウム（β−ＢａＢ2Ｏ4）結晶がある（以下
ＢＢＯと呼ぶ）。ＢＢＯは波長変換素子としていくつか
の優れた点を持つ、すなわち、紫外域まで大きな非線形
感受率を持ち、透明域が広く、位相整合も広い波長域で
とれ、化学的に安定であり、光破壊強度も比較的強い一
軸性の結晶である。このＢＢＯを波長変換素子として用
い複数の反射面を持つ光共振器と組合せてレーザー光を
変換することが従来提案されている（Ｈ．Ｓｏｕｍａ、
Ｔ．Ｓａｔｏ、Ｔ．Ｎｉｓｈｉｍａｔａ、Ｉ．Ｓｈｉｎ
ｄｏ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９８８ Ｔｏｋｙｏ，Ｐ
Ｄ−７（１９８８）１９−２２参照）。
てβ硼酸バリウム（β−ＢａＢ2Ｏ4）結晶がある（以下
ＢＢＯと呼ぶ）。ＢＢＯは波長変換素子としていくつか
の優れた点を持つ、すなわち、紫外域まで大きな非線形
感受率を持ち、透明域が広く、位相整合も広い波長域で
とれ、化学的に安定であり、光破壊強度も比較的強い一
軸性の結晶である。このＢＢＯを波長変換素子として用
い複数の反射面を持つ光共振器と組合せてレーザー光を
変換することが従来提案されている（Ｈ．Ｓｏｕｍａ、
Ｔ．Ｓａｔｏ、Ｔ．Ｎｉｓｈｉｍａｔａ、Ｉ．Ｓｈｉｎ
ｄｏ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９８８ Ｔｏｋｙｏ，Ｐ
Ｄ−７（１９８８）１９−２２参照）。
【０００５】しかしながら、入射光の強度が弱い時に
は、波長変換器の出力光の強度は入射光の強度の２乗に
比例する。このため、連続発振レーザーからの低い強度
の光を入射光として用いる場合は変換効率は極端に低く
なる。従って高い変換効率を求めるためには、集光光学
系を光共振器と組合せて用いて結晶に基本波（入射光）
を集光する必要がある。しかし光共振器内の光の強度は
実際に共振器外へ出力される出力光の強度よりもずっと
大きいので、共振器内の光を球面レンズからなる集光光
学系により一点に収束する光ビームを結晶に集光する
と、結晶が光により破壊又は損傷される。
は、波長変換器の出力光の強度は入射光の強度の２乗に
比例する。このため、連続発振レーザーからの低い強度
の光を入射光として用いる場合は変換効率は極端に低く
なる。従って高い変換効率を求めるためには、集光光学
系を光共振器と組合せて用いて結晶に基本波（入射光）
を集光する必要がある。しかし光共振器内の光の強度は
実際に共振器外へ出力される出力光の強度よりもずっと
大きいので、共振器内の光を球面レンズからなる集光光
学系により一点に収束する光ビームを結晶に集光する
と、結晶が光により破壊又は損傷される。
【０００６】この結果、実用的なレーザー光波長変換器
の変換効率は結晶の光破壊又は損傷の条件により決定さ
れることになる。
の変換効率は結晶の光破壊又は損傷の条件により決定さ
れることになる。
【０００７】他方、従来から円柱レンズを用いて波長変
換素子である非線型光学結晶（ＢＢＯ等）に集光するこ
とが提案されている（Ｔ．Ｇ．Ｍ．Ｆｒｅｅｇａｒｄ
ｅ，Ｊ．Ｃｏｕｒｔｓ，Ａ．Ｃｏｒｎｅｙ "Ｓｅｃｏ
ｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ
β−Ｂａｒｉｕｍ Ｂｏｒａｔｅ ｕｓｉｎｇ Ｅｌ
ｌｉｐｔｉｃａｌ Ｆｏｕｃｕｓｉｎｇ"，Ｎｏｎｌｉ
ｎｅａｒ ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９８８ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌｕｍｅ ９，Ａ
ｕｇｕｓｔ ２２−２５， １９８８， Ｔｒｏｙ，
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ｐｐ． ７７−８０及びＶ．Ｄ．Ｖ
ｏｌｏｓｏｖ，Ｅ．Ｖ．Ｎｉｌｏｖ "Ｅｆｅｃｔ ｏ
ｆ ｔｈｅ Ｓｐａｔｉａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏ
ｆ ａ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍｏｎ ｔｈｅ Ｓｅｃ
ｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎ ＡＤＰ ａｎｄ Ｋ
ＤＰ Ｃｒｙｓｔａｌｓ",Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ（ＵＳＳＲ）Ｖｏｌ．２１（１９６６）
ｐｐ３９２−３９４）。しかしながらこれら従来技術に
おいては、光共振器内に波長変換素子を置くことを考え
ていないので光が強力に増幅されることもなく、波長変
換素子の光破壊は大きな問題とならなかった。また、こ
れらの従来例では、比較的出力の低い連続発振型レーザ
ー光の波長変換効率を高めることについては、なにも示
唆するものがなかった。
換素子である非線型光学結晶（ＢＢＯ等）に集光するこ
とが提案されている（Ｔ．Ｇ．Ｍ．Ｆｒｅｅｇａｒｄ
ｅ，Ｊ．Ｃｏｕｒｔｓ，Ａ．Ｃｏｒｎｅｙ "Ｓｅｃｏ
ｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ
β−Ｂａｒｉｕｍ Ｂｏｒａｔｅ ｕｓｉｎｇ Ｅｌ
ｌｉｐｔｉｃａｌ Ｆｏｕｃｕｓｉｎｇ"，Ｎｏｎｌｉ
ｎｅａｒ ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９８８ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌｕｍｅ ９，Ａ
ｕｇｕｓｔ ２２−２５， １９８８， Ｔｒｏｙ，
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ｐｐ． ７７−８０及びＶ．Ｄ．Ｖ
ｏｌｏｓｏｖ，Ｅ．Ｖ．Ｎｉｌｏｖ "Ｅｆｅｃｔ ｏ
ｆ ｔｈｅ Ｓｐａｔｉａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏ
ｆ ａ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍｏｎ ｔｈｅ Ｓｅｃ
ｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎ ＡＤＰ ａｎｄ Ｋ
ＤＰ Ｃｒｙｓｔａｌｓ",Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ（ＵＳＳＲ）Ｖｏｌ．２１（１９６６）
ｐｐ３９２−３９４）。しかしながらこれら従来技術に
おいては、光共振器内に波長変換素子を置くことを考え
ていないので光が強力に増幅されることもなく、波長変
換素子の光破壊は大きな問題とならなかった。また、こ
れらの従来例では、比較的出力の低い連続発振型レーザ
ー光の波長変換効率を高めることについては、なにも示
唆するものがなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、変換素子
である結晶の光破壊を防ぎ、且つ高い波長変換効率を得
る事のできるレーザー光波長変換装置を提供することを
目的とする。特に、連続発振型のレーザー光を効率良く
変換できるレーザー光波長変換装置または連続発振型の
レーザー光を効率良く変換して出力できるコヒーレント
光発生装置を提供することを目的とする。さらに、入射
又は発生された可視光レーザー光の周波数を２倍にして
１ワット以上の深紫外領域の光に変換し又は出力するこ
とが可能な装置を提供することを目的とする。
である結晶の光破壊を防ぎ、且つ高い波長変換効率を得
る事のできるレーザー光波長変換装置を提供することを
目的とする。特に、連続発振型のレーザー光を効率良く
変換できるレーザー光波長変換装置または連続発振型の
レーザー光を効率良く変換して出力できるコヒーレント
光発生装置を提供することを目的とする。さらに、入射
又は発生された可視光レーザー光の周波数を２倍にして
１ワット以上の深紫外領域の光に変換し又は出力するこ
とが可能な装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明によるレーザー
光波長変換装置又はコヒーレント光発生装置は、光共振
器内の結晶に入射レーザー光を集光するための集光光学
系を有する。この集光光学系は集光する光ビームの断面
を非円形、好ましくは楕円形、にする光学系を含む。
光波長変換装置又はコヒーレント光発生装置は、光共振
器内の結晶に入射レーザー光を集光するための集光光学
系を有する。この集光光学系は集光する光ビームの断面
を非円形、好ましくは楕円形、にする光学系を含む。
【００１０】この発明によれば、結晶に集光される光ビ
ームが楕円形などの非円形の断面を有するから光共振器
内の光エネルギが結晶内の一点に収束されない。従って
光共振器内の光ビームのエネルギが結晶内の一点に集中
することによる光破壊を防ぐことができる。
ームが楕円形などの非円形の断面を有するから光共振器
内の光エネルギが結晶内の一点に収束されない。従って
光共振器内の光ビームのエネルギが結晶内の一点に集中
することによる光破壊を防ぐことができる。
【００１１】しかも、この発明のように結晶に集光する
光ビームの集光に方向性を持たせても、波長変換効率は
変わらない。これは結晶が波長変換するための光を受け
入れることのできる角度、すなわち受容角に方向性を有
するから、この受容角の方向性に合うように光ビームを
集光してやれば、結晶の変換効率は円形断面の光ビーム
と変わらない。しかも、余分な方向の光の集光をしない
ためそれだけ、光エネルギーの集中を防げ光破壊を防ぐ
ことができる。
光ビームの集光に方向性を持たせても、波長変換効率は
変わらない。これは結晶が波長変換するための光を受け
入れることのできる角度、すなわち受容角に方向性を有
するから、この受容角の方向性に合うように光ビームを
集光してやれば、結晶の変換効率は円形断面の光ビーム
と変わらない。しかも、余分な方向の光の集光をしない
ためそれだけ、光エネルギーの集中を防げ光破壊を防ぐ
ことができる。
【００１２】
【発明の説明】以下、この発明を図面を参照して説明す
る。最初にこの発明の原理を説明する。図１はこの発明
に用いられる結晶の受容角の様子を示す図である。図２
はこの発明による円筒レンズによる集光光学系の様子を
示す図である。図１に示すように結晶１は集光される光
ｉを有効に波長変換に変換することのできる角度範囲、
受容角θ、を有し、この受容角θの範囲内の入射光ｉだ
けを有効に波長変換することができる。従って、集光さ
れる入射光ｉが受容角θの範囲内に入るよう、図２の集
光光学系２の集光角φの大きさをθ＞φに選んでやる必
要がある。θ＞φの関係が成り立つ時、この集光光学系
２により効率がＳ／ｓ倍だけ向上する。但し、Ｓは集光
前の入射光ｉの断面積であり、ｓは結晶１内に収束され
た場所での入射光ｉの断面積である。
る。最初にこの発明の原理を説明する。図１はこの発明
に用いられる結晶の受容角の様子を示す図である。図２
はこの発明による円筒レンズによる集光光学系の様子を
示す図である。図１に示すように結晶１は集光される光
ｉを有効に波長変換に変換することのできる角度範囲、
受容角θ、を有し、この受容角θの範囲内の入射光ｉだ
けを有効に波長変換することができる。従って、集光さ
れる入射光ｉが受容角θの範囲内に入るよう、図２の集
光光学系２の集光角φの大きさをθ＞φに選んでやる必
要がある。θ＞φの関係が成り立つ時、この集光光学系
２により効率がＳ／ｓ倍だけ向上する。但し、Ｓは集光
前の入射光ｉの断面積であり、ｓは結晶１内に収束され
た場所での入射光ｉの断面積である。
【００１３】しかし、実際の結晶１の受容角θには方向
性があり、結晶１のＣ軸と光軸Ｚを含む平面（ＺＸ−平
面）内の受容角θyとＺＸ−平面に垂直で光軸Ｚを含む
平面（ＹＺ−平面）内の受容角θxとでは異なる大きさ
を持ち、一般にθx＞θyである。特に、角度位相整合型
の結晶の場合はθx＞＞θyとなり、θyがθxに比較して
非常に小さい。したがって、集光はＹＺ−平面内での集
光が変換効率を決め、ＺＸ−平面内での変換集光は効率
をあげるには効果的ではない。これは集光角φはわずか
な大きさでもθyを越え、θx＞φ＞θyという関係にな
るので、θy方向すなわちＺＸ−平面内の集光の大部分
が受容角θyの範囲外に落ちてしまうからである。この
様な結晶１の受容角θx、θyの関係に対応して最適の条
件で入射光ビームｉを集光するには、光ビームの収束に
方向性を持たせることが必要である。すなわち、集光ビ
ームの断面積形状を非円形好ましくは楕円形にする円柱
レンズ又は円筒鏡を含む集光光学系を用いることが好ま
しい。
性があり、結晶１のＣ軸と光軸Ｚを含む平面（ＺＸ−平
面）内の受容角θyとＺＸ−平面に垂直で光軸Ｚを含む
平面（ＹＺ−平面）内の受容角θxとでは異なる大きさ
を持ち、一般にθx＞θyである。特に、角度位相整合型
の結晶の場合はθx＞＞θyとなり、θyがθxに比較して
非常に小さい。したがって、集光はＹＺ−平面内での集
光が変換効率を決め、ＺＸ−平面内での変換集光は効率
をあげるには効果的ではない。これは集光角φはわずか
な大きさでもθyを越え、θx＞φ＞θyという関係にな
るので、θy方向すなわちＺＸ−平面内の集光の大部分
が受容角θyの範囲外に落ちてしまうからである。この
様な結晶１の受容角θx、θyの関係に対応して最適の条
件で入射光ビームｉを集光するには、光ビームの収束に
方向性を持たせることが必要である。すなわち、集光ビ
ームの断面積形状を非円形好ましくは楕円形にする円柱
レンズ又は円筒鏡を含む集光光学系を用いることが好ま
しい。
【００１４】しかも、円柱レンズ又は円筒レンズによる
集光ビームの断面積の形状は楕円形となり、一点に収束
するかたちの球面レンズの集光光学系による集光ビーム
断面積より大きく光エネルギを分散するので、結晶の光
破壊を防ぐことができる。これは、波長変換素子を光共
振器内に置いてさらに集光光学系で連続出力のレーザー
光を集光して変換効率を高めようとする場合に利点とな
る。なぜならば球面レンズのを集光系を用いて連続出力
レーザーの入射レーザー光を光共振器内にある ＢＢＯ
へ連続集光すれば、ＢＢＯ内の光強度は光破壊を引き起
こす強度を越すからである。しかし、同じ焦点距離の円
柱レンズを用いれば球面レンズに比べて焦点での光強度
は下がるので、連続光を用いてＢＢＯへ集光しても光損
傷を回避できしかも変換効率を下げることがない。なん
となれば、円柱レンズはＢＢＯの一方向（ＺＸ−平面
内）の集光を他方向（ＺＹ−平面内）に比べて弱くして
いるが、このＺＸ−平面内での集光はもともと変換効率
にたいして寄与していないからである。変換に寄与する
他方向（ＺＹ−平面内）は球面レンズと同様な集光がお
こなわれる。
集光ビームの断面積の形状は楕円形となり、一点に収束
するかたちの球面レンズの集光光学系による集光ビーム
断面積より大きく光エネルギを分散するので、結晶の光
破壊を防ぐことができる。これは、波長変換素子を光共
振器内に置いてさらに集光光学系で連続出力のレーザー
光を集光して変換効率を高めようとする場合に利点とな
る。なぜならば球面レンズのを集光系を用いて連続出力
レーザーの入射レーザー光を光共振器内にある ＢＢＯ
へ連続集光すれば、ＢＢＯ内の光強度は光破壊を引き起
こす強度を越すからである。しかし、同じ焦点距離の円
柱レンズを用いれば球面レンズに比べて焦点での光強度
は下がるので、連続光を用いてＢＢＯへ集光しても光損
傷を回避できしかも変換効率を下げることがない。なん
となれば、円柱レンズはＢＢＯの一方向（ＺＸ−平面
内）の集光を他方向（ＺＹ−平面内）に比べて弱くして
いるが、このＺＸ−平面内での集光はもともと変換効率
にたいして寄与していないからである。変換に寄与する
他方向（ＺＹ−平面内）は球面レンズと同様な集光がお
こなわれる。
【００１５】
【実施例】図３はこの発明の一実施例のコヒーレント光
発生装置を示す。５はレーザー媒質を内に有するプラズ
マ管で、連続発振型のアルゴン・レーザーであってよ
い。このアルゴン・レーザーは出力１ワットの可視光範
囲の波長ν１（例えば５１４．５ ｎｍ、基本波）のコ
ヒーレントな連続波（ＣＷ）レーザー光９を発生するも
のであってよい。６は波長ν１の光及び波長ν１の第二
高調波の深紫外域光（波長ν２＝２５７ｎｍ）に対して
高反射率を持つ平面鏡である。７は波長ν１の光には高
反射率を持つが波長ν２の光には高透過率を持つ凹面鏡
である。従って、凹面鏡７は波長ν２の光１０の出力鏡
となる。８は開口である。１１は球面レンズである。１
２及び１３は円柱レンズである。１４は波長変換素子と
してのＢＢＯであり、ＢＢＯ１４は円柱レンズ１２およ
び１３の間に挟まれている。光反射面６と７との間に、
レーザー媒質５、開口８、球面レンズ１１、円柱レンズ
１２及び１３、ＢＢＯ１４が配置されている。光反射面
６と７はその間に波長ν１の定在波を発生するファブリ
ー・ペロー型の光共振器１５を形成する。円柱レンズ１
２及び１３はこの共振器１５内に往復するレーザー媒質
５からの波長ν１のレーザー光９をＢＢＯ１４に向けて
集光する。
発生装置を示す。５はレーザー媒質を内に有するプラズ
マ管で、連続発振型のアルゴン・レーザーであってよ
い。このアルゴン・レーザーは出力１ワットの可視光範
囲の波長ν１（例えば５１４．５ ｎｍ、基本波）のコ
ヒーレントな連続波（ＣＷ）レーザー光９を発生するも
のであってよい。６は波長ν１の光及び波長ν１の第二
高調波の深紫外域光（波長ν２＝２５７ｎｍ）に対して
高反射率を持つ平面鏡である。７は波長ν１の光には高
反射率を持つが波長ν２の光には高透過率を持つ凹面鏡
である。従って、凹面鏡７は波長ν２の光１０の出力鏡
となる。８は開口である。１１は球面レンズである。１
２及び１３は円柱レンズである。１４は波長変換素子と
してのＢＢＯであり、ＢＢＯ１４は円柱レンズ１２およ
び１３の間に挟まれている。光反射面６と７との間に、
レーザー媒質５、開口８、球面レンズ１１、円柱レンズ
１２及び１３、ＢＢＯ１４が配置されている。光反射面
６と７はその間に波長ν１の定在波を発生するファブリ
ー・ペロー型の光共振器１５を形成する。円柱レンズ１
２及び１３はこの共振器１５内に往復するレーザー媒質
５からの波長ν１のレーザー光９をＢＢＯ１４に向けて
集光する。
【００１６】円柱レンズ１２及び１３は集光されるレー
ザー光ビームの断面形を楕円形にする。すなわち、ＢＢ
ＯのＹＺ−平面方向の成分は大きく収束するがＺＸ−平
面方向の成分はあまり収束しない。これは、角度位相整
合型の結晶（ＢＢＯもその一つ）では、受容角の方向成
分θyが図１に示すようにθxに比べて非常に小さいの
で、ＺＸ−平面方向の集光はＹＺ−平面方向の集光に比
べてＢＢＯの変換効率の向上に寄与しないからである。
ＺＸ−平面方向の集光はＢＢＯ内の光強度を高めて光損
傷に寄与するだけである。この実施例の円柱レンズ１２
及び１３は、このＺＸ−平面内の集光を下げてＢＢＯに
集光してエネルギの集中を避けて光破壊を防ぐ一方、θ
xの大きいＹＺ−平面内では集光率を高くして波長変換
効率を高めている。
ザー光ビームの断面形を楕円形にする。すなわち、ＢＢ
ＯのＹＺ−平面方向の成分は大きく収束するがＺＸ−平
面方向の成分はあまり収束しない。これは、角度位相整
合型の結晶（ＢＢＯもその一つ）では、受容角の方向成
分θyが図１に示すようにθxに比べて非常に小さいの
で、ＺＸ−平面方向の集光はＹＺ−平面方向の集光に比
べてＢＢＯの変換効率の向上に寄与しないからである。
ＺＸ−平面方向の集光はＢＢＯ内の光強度を高めて光損
傷に寄与するだけである。この実施例の円柱レンズ１２
及び１３は、このＺＸ−平面内の集光を下げてＢＢＯに
集光してエネルギの集中を避けて光破壊を防ぐ一方、θ
xの大きいＹＺ−平面内では集光率を高くして波長変換
効率を高めている。
【００１７】アルゴン・レーザー媒質５が発生する可視
光波長５１４．５ｎｍの１Ｗのレーザー光９を、開口８
と球面レンズ１１とで直径２ｍｍの光ビームにして、焦
点距離５０ｍｍの円柱レンズ対１２および１３を用いて
ＢＢＯ１４（長さ６．５ｍｍにしたもの）に集光した
時、１２５μＷの深紫外域にある光波長２５７ｎｍのコ
ヒーレントな第二高調波１０が得られた。この第二高調
波１０は出力鏡７より取り出される。
光波長５１４．５ｎｍの１Ｗのレーザー光９を、開口８
と球面レンズ１１とで直径２ｍｍの光ビームにして、焦
点距離５０ｍｍの円柱レンズ対１２および１３を用いて
ＢＢＯ１４（長さ６．５ｍｍにしたもの）に集光した
時、１２５μＷの深紫外域にある光波長２５７ｎｍのコ
ヒーレントな第二高調波１０が得られた。この第二高調
波１０は出力鏡７より取り出される。
【００１８】これは、円柱レンズの代りに同じ焦点距離
の球面レンズ対を用いて集光した時に得られる第二高調
波出力とほぼ同じ大きさである。しかし、焦点での光強
度は円柱レンズの場合は球面レンズに比べて８０分の一
程度になる。したがって、光共振器１５内におかれたＢ
ＢＯ１４内の光強度は球面レンズの場合の８ＭＷ／ｃｍ
2から１００ｋＷ／ｃｍ2程度に下がり、ＢＢＯは光破壊
を受けなくなる。
の球面レンズ対を用いて集光した時に得られる第二高調
波出力とほぼ同じ大きさである。しかし、焦点での光強
度は円柱レンズの場合は球面レンズに比べて８０分の一
程度になる。したがって、光共振器１５内におかれたＢ
ＢＯ１４内の光強度は球面レンズの場合の８ＭＷ／ｃｍ
2から１００ｋＷ／ｃｍ2程度に下がり、ＢＢＯは光破壊
を受けなくなる。
【００１９】このように、ＢＢＯを用いて５００ｎｍ近
傍の可視光波長の光の第二高調波を発生する時は、円柱
レンズと球面レンズによる効率の違いはほとんどないの
で、円柱レンズによる集光系を用いれば光損傷の無い高
効率の光共振器をもちいてアルゴン・レーザーから深紫
外域光の発生を行う事ができる。
傍の可視光波長の光の第二高調波を発生する時は、円柱
レンズと球面レンズによる効率の違いはほとんどないの
で、円柱レンズによる集光系を用いれば光損傷の無い高
効率の光共振器をもちいてアルゴン・レーザーから深紫
外域光の発生を行う事ができる。
【００２０】この発明によれば、ＢＢＯの光損傷を波長
変換効率を下げなくても防ぐことができる。したがっ
て、光共振器内のレンズ、ＢＢＯや反射鏡に適当なコー
テイングをほどこして共振器内の光損失を少なくすれ
ば、容易に従来の連続出力型のアルゴン・レーザーを用
いて、１Ｗ以上の深紫外光（レーザー発振光の第二高調
波）を発生することが可能である。この深紫外域の変換
出力光は光リソグラフイやその他の多くの応用に使用可
能である。
変換効率を下げなくても防ぐことができる。したがっ
て、光共振器内のレンズ、ＢＢＯや反射鏡に適当なコー
テイングをほどこして共振器内の光損失を少なくすれ
ば、容易に従来の連続出力型のアルゴン・レーザーを用
いて、１Ｗ以上の深紫外光（レーザー発振光の第二高調
波）を発生することが可能である。この深紫外域の変換
出力光は光リソグラフイやその他の多くの応用に使用可
能である。
【００２１】なお、ここでは入射レーザー光の第二高調
波変換について述べているが、入射レーザー光が複数の
周波数を持つ場合、すなわち、レーザー媒質５がマルチ
・ラインでレーザー光を発振するとき、波長変換素子１
４はそのうちの２つの周波数の和周波発生、又は差周波
発生等の他の波長変換もできる。この発明は第二高調波
変換に限らず他の波長変換に適用できる事は明らかであ
る。
波変換について述べているが、入射レーザー光が複数の
周波数を持つ場合、すなわち、レーザー媒質５がマルチ
・ラインでレーザー光を発振するとき、波長変換素子１
４はそのうちの２つの周波数の和周波発生、又は差周波
発生等の他の波長変換もできる。この発明は第二高調波
変換に限らず他の波長変換に適用できる事は明らかであ
る。
【００２２】図４はこの発明の次の実施例を示すもので
ある。図３の実施例と同一の構成は同じ参照符合を付し
てその説明を省略する。この実施例では結晶１４の受容
角θyが非常に小さく、このため結晶１４の損傷を防ぐ
ためにＺＸ−平面内で光ビームを逆に拡げるための構成
である。このために凹レンズ２０が開口８と球面レンズ
１１との間に置かれている。したがって、この実施例で
は結晶１４への集光はＺＹ−平面内だけでおこなわれ
る。
ある。図３の実施例と同一の構成は同じ参照符合を付し
てその説明を省略する。この実施例では結晶１４の受容
角θyが非常に小さく、このため結晶１４の損傷を防ぐ
ためにＺＸ−平面内で光ビームを逆に拡げるための構成
である。このために凹レンズ２０が開口８と球面レンズ
１１との間に置かれている。したがって、この実施例で
は結晶１４への集光はＺＹ−平面内だけでおこなわれ
る。
【００２３】図５はこの発明の別の実施例を示すもので
ある。図３の実施例と同一の構成は同じ参照符合を付し
てその説明を省略する。この実施例ではコヒーレント光
発生装置全体の長さを小さくするために、光共振器１５
の真中に第二高調波１０を取り出すための出力鏡３０を
有する。この出力鏡３０は波長ν１の基本波９に対して
高反射率を有し、波長ν２の第二高調波１０に対しては
高透過率を有する。凹面鏡３１は基本波９及び第二高調
波１０の両方に対して高反射率を有する。鏡３１は第二
高調波１０を透過するものを用いれば、この鏡３１から
も第二高調波１０を取り出す事もできる。
ある。図３の実施例と同一の構成は同じ参照符合を付し
てその説明を省略する。この実施例ではコヒーレント光
発生装置全体の長さを小さくするために、光共振器１５
の真中に第二高調波１０を取り出すための出力鏡３０を
有する。この出力鏡３０は波長ν１の基本波９に対して
高反射率を有し、波長ν２の第二高調波１０に対しては
高透過率を有する。凹面鏡３１は基本波９及び第二高調
波１０の両方に対して高反射率を有する。鏡３１は第二
高調波１０を透過するものを用いれば、この鏡３１から
も第二高調波１０を取り出す事もできる。
【００２４】図６はこの発明の別の実施例を示すもので
ある。図３の実施例と同一の構成は同一符合を付してそ
の説明を省略する。この実施例では光共振器４０がリン
グ型の構成を有し、光が一方向にしか回らない様にして
いるので第二高調波１０も一方向からしか出てこないの
で都合がよい。４１は基本波９には高反射率を、第二高
調波１０には高透過率を有する出力鏡である。４２及び
４３は基本波９及び第二高調波１０の両方に対して高反
射率を有する凹面鏡である。
ある。図３の実施例と同一の構成は同一符合を付してそ
の説明を省略する。この実施例では光共振器４０がリン
グ型の構成を有し、光が一方向にしか回らない様にして
いるので第二高調波１０も一方向からしか出てこないの
で都合がよい。４１は基本波９には高反射率を、第二高
調波１０には高透過率を有する出力鏡である。４２及び
４３は基本波９及び第二高調波１０の両方に対して高反
射率を有する凹面鏡である。
【００２５】図７及び図８はそれぞれこの発明の別の実
施例を示すものである。図３の実施例と同一の構成は同
一符合を付してその説明を省略する。図７及び図８の実
施例では、結晶１４と、結晶１４に集光する円柱レンズ
対１２及び１３、及び結晶１４及び円柱レンズ対１２及
び１３を内部に含む光共振器５５又は６５を形成する反
射鏡５１、５２、又は６１、６２、６３を持つたレーザ
ー光波長変換装置５０または６０が、レーザー光源７０
の外部に設けられていて、レーザー光源７０からのレー
ザー光（基本波）９をその第二高調波１０に変換する。
図７の波長変換装置５０はフアブリー・ペロー型の光共
振器を形成する。図８の波長変換器６０はリング型の光
共振器を形成する。反射鏡５１、６１は入射鏡で基本波
９を共振器５５又は６５内に入射するが、共振器５５又
は６５内の基本波９及び第二高調波１０のいずれに対し
ても高反射率を持つ。出力鏡５２、６２は基本波９に対
しては高反射率を有し、第二高調波１０に対しては高透
過率を持つ。反射鏡６３は基本波９及び第二高調波１０
のいずれに対しても高反射率を有する。
施例を示すものである。図３の実施例と同一の構成は同
一符合を付してその説明を省略する。図７及び図８の実
施例では、結晶１４と、結晶１４に集光する円柱レンズ
対１２及び１３、及び結晶１４及び円柱レンズ対１２及
び１３を内部に含む光共振器５５又は６５を形成する反
射鏡５１、５２、又は６１、６２、６３を持つたレーザ
ー光波長変換装置５０または６０が、レーザー光源７０
の外部に設けられていて、レーザー光源７０からのレー
ザー光（基本波）９をその第二高調波１０に変換する。
図７の波長変換装置５０はフアブリー・ペロー型の光共
振器を形成する。図８の波長変換器６０はリング型の光
共振器を形成する。反射鏡５１、６１は入射鏡で基本波
９を共振器５５又は６５内に入射するが、共振器５５又
は６５内の基本波９及び第二高調波１０のいずれに対し
ても高反射率を持つ。出力鏡５２、６２は基本波９に対
しては高反射率を有し、第二高調波１０に対しては高透
過率を持つ。反射鏡６３は基本波９及び第二高調波１０
のいずれに対しても高反射率を有する。
【００２６】なお以上の実施例の説明で、集光光学系の
円柱レンズ対１２及び１３を半透明の円筒面鏡に代えて
もよい。
円柱レンズ対１２及び１３を半透明の円筒面鏡に代えて
もよい。
【００２７】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明は、
光共振器とこの光共振器内に置かれた非線型光学素子の
波長変換素子、特に角度位相整合型の結晶、を用いる非
線型光学的波長変換装置において、共振器内の増幅され
た光強度が変換素子へ及ぼす光破壊の影響を少なくし
て、高い波長変換効率を得る事ができるという優れた効
果を有する。この発明の波長変換装置が最も有効なの
は、効率の高い９０度位相整合型の変換素子が得られな
い又は使用が難しい波長域で、角度位相整合型の波長変
換素子を用いて連続発振の弱い光の波長変換を行う場合
である。この例としては、アルゴン・レーザーの第二高
調波の発生がある。この第二高調波は深紫外域にあり、
光リソグラフイや他の光処理の応用が多数考えられる。
また可視光域への又は可視光域内への波長変換レーザー
にも応用できる。
光共振器とこの光共振器内に置かれた非線型光学素子の
波長変換素子、特に角度位相整合型の結晶、を用いる非
線型光学的波長変換装置において、共振器内の増幅され
た光強度が変換素子へ及ぼす光破壊の影響を少なくし
て、高い波長変換効率を得る事ができるという優れた効
果を有する。この発明の波長変換装置が最も有効なの
は、効率の高い９０度位相整合型の変換素子が得られな
い又は使用が難しい波長域で、角度位相整合型の波長変
換素子を用いて連続発振の弱い光の波長変換を行う場合
である。この例としては、アルゴン・レーザーの第二高
調波の発生がある。この第二高調波は深紫外域にあり、
光リソグラフイや他の光処理の応用が多数考えられる。
また可視光域への又は可視光域内への波長変換レーザー
にも応用できる。
【図１】波長変換素子の結晶とその受容角を表す図、
【図２】レンズによる集光と集光角を表す図、
【図３】この発明の一実施例のコヒーレント光発生装置
を示す図、
を示す図、
【図４】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図５】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図６】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図７】この発明の別の実施例のレーザー光変換装置を
示す図、
示す図、
【図８】この発明の別の実施例のレーザー光変換装置を
示す図、
示す図、
５ レーザー媒質
６ 反射面
７ 反射面
１２ 円柱レンズ
１３ 円柱レンズ
１４ 波長変換素子
【手続補正書】
【提出日】平成４年８月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】この結果、実用的なレーザー光波長変換器
の変換効率は結晶の光破壊又は損傷の条件により決定さ
れることになる。これに加えて、従来技術は別の問題点
も有する。非線型光学効果を用いる従来の光波長変換装
置においては、非線型光学媒質に入射される基本波光ビ
ームの断面形状は上述したようにほぼ円形であるので、
このような場合は高い変換効率を得るには断面の円の直
径を十分に小さく収束する必要がある。しかし、非線型
光学媒質として角度位相整合型の非線型光学媒質を用い
る場合、角度位相整合型条件の受容角が水平方向と鉛直
方向とでは異なるため、十分小さい直径の基本波ビーム
を入射すると、得られる変換光が楕円あるいは眉月状の
形になることはよく知られていた。しかし、変換光のビ
ームをより詳しく調べると、図９に示すように楕円ある
いは眉月状の変換光ビーム９１の中心部のまわりに平行
な縦じまが見られることかわかる。従来技術ではこの縦
じまを避けて、効率のよい波長変換を行うことはできな
かった。以下、この理由を図１０に示す非線型光学媒質
として角度位相整合条件で用いるＢＢＯ結晶９０を波長
５１４．５ｎｍの緑色の光の周波数逓倍に使う場合を例
にとって詳しく説明する。この角度整合条件で用いる結
晶は、鉛直方向を向いた偏光を持つ入射光を水平に入射
するとき、変換光に対する屈折率が水平面内で進行方向
９５からずれるに従って次第に変化するという性質があ
る。つまり、屈折率が角度依存性を持つ。この性質は結
晶９０のウオーク・オフ方向９４と呼ばれる。このた
め、変換光９１は図１１の中段に示すような横方向に広
がった第２高調波（非線型）双極子９２から発生するも
のと考えることができる。図１１の右側に示すように従
来の入射光（基本波）９３が十分に小さい円形に収束す
るビーム径を持つ場合、非線型双極子９２の広がりの分
布はガウス型というよりも、より矩形に近く、中央部で
ほぼ平坦、両端で急激に非線型双極子９２の振幅が低下
することになる。このようなガウス型から外れた双極子
９２の分布を持つ光源から得られる光９１は遠方で見た
とき、中央の強いビームの周りに平行な縞が見られるこ
とになる。これは、有限の広がりを持つスリツトに光を
通したときに得られる、遠視野での光の強度分布と類似
している。つまり、中央が平坦で両端に急激に変化する
ような強度分布を持つコヒーレント光源から得られる光
の遠視野像はスリツトの両端からの回折の効果として、
遠視野像で中心部まわりの平行な縦じまが見られるので
ある。このような縦じまが存在すると光の集光性は悪く
なる。そこで縦じまを避けるためには入射光のビームの
直径を大きくすればよい。つまり、ウオーク・オフによ
る光源の広がりの大きさに対して十分に大きなビーム径
の入射光９３を入れれば、ウオーク・オフの効果はほと
んど現れず、双極子（光源）９２の分布も入射光（基本
波）の分布と同じガウス型になると考えることができ
る。従って、得られる変換光９１の遠視野像もガウス型
となって、理想的な集光特性を持った変換光を得ること
ができるはずである。しかし、入射光ビーム径９３が断
面円形であるため、入射光ビーム径９３を広げると上下
方向の非線型分極の幅も広がり、結果として変換効率が
低下する。
の変換効率は結晶の光破壊又は損傷の条件により決定さ
れることになる。これに加えて、従来技術は別の問題点
も有する。非線型光学効果を用いる従来の光波長変換装
置においては、非線型光学媒質に入射される基本波光ビ
ームの断面形状は上述したようにほぼ円形であるので、
このような場合は高い変換効率を得るには断面の円の直
径を十分に小さく収束する必要がある。しかし、非線型
光学媒質として角度位相整合型の非線型光学媒質を用い
る場合、角度位相整合型条件の受容角が水平方向と鉛直
方向とでは異なるため、十分小さい直径の基本波ビーム
を入射すると、得られる変換光が楕円あるいは眉月状の
形になることはよく知られていた。しかし、変換光のビ
ームをより詳しく調べると、図９に示すように楕円ある
いは眉月状の変換光ビーム９１の中心部のまわりに平行
な縦じまが見られることかわかる。従来技術ではこの縦
じまを避けて、効率のよい波長変換を行うことはできな
かった。以下、この理由を図１０に示す非線型光学媒質
として角度位相整合条件で用いるＢＢＯ結晶９０を波長
５１４．５ｎｍの緑色の光の周波数逓倍に使う場合を例
にとって詳しく説明する。この角度整合条件で用いる結
晶は、鉛直方向を向いた偏光を持つ入射光を水平に入射
するとき、変換光に対する屈折率が水平面内で進行方向
９５からずれるに従って次第に変化するという性質があ
る。つまり、屈折率が角度依存性を持つ。この性質は結
晶９０のウオーク・オフ方向９４と呼ばれる。このた
め、変換光９１は図１１の中段に示すような横方向に広
がった第２高調波（非線型）双極子９２から発生するも
のと考えることができる。図１１の右側に示すように従
来の入射光（基本波）９３が十分に小さい円形に収束す
るビーム径を持つ場合、非線型双極子９２の広がりの分
布はガウス型というよりも、より矩形に近く、中央部で
ほぼ平坦、両端で急激に非線型双極子９２の振幅が低下
することになる。このようなガウス型から外れた双極子
９２の分布を持つ光源から得られる光９１は遠方で見た
とき、中央の強いビームの周りに平行な縞が見られるこ
とになる。これは、有限の広がりを持つスリツトに光を
通したときに得られる、遠視野での光の強度分布と類似
している。つまり、中央が平坦で両端に急激に変化する
ような強度分布を持つコヒーレント光源から得られる光
の遠視野像はスリツトの両端からの回折の効果として、
遠視野像で中心部まわりの平行な縦じまが見られるので
ある。このような縦じまが存在すると光の集光性は悪く
なる。そこで縦じまを避けるためには入射光のビームの
直径を大きくすればよい。つまり、ウオーク・オフによ
る光源の広がりの大きさに対して十分に大きなビーム径
の入射光９３を入れれば、ウオーク・オフの効果はほと
んど現れず、双極子（光源）９２の分布も入射光（基本
波）の分布と同じガウス型になると考えることができ
る。従って、得られる変換光９１の遠視野像もガウス型
となって、理想的な集光特性を持った変換光を得ること
ができるはずである。しかし、入射光ビーム径９３が断
面円形であるため、入射光ビーム径９３を広げると上下
方向の非線型分極の幅も広がり、結果として変換効率が
低下する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、変換素子
である結晶の光破壊を防ぎ、集光性のよい優れたビーム
品質の光へと変換でき、かつ高い波長変換効率を得る事
のできるレーザー光波長変換装置を提供することを目的
とする。特に、連続発振型のレーザー光を効率良く変換
できるレーザー光波長変換装置または連続発振型のレー
ザー光を効率良く変換して出力できるコヒーレント光発
生装置を提供することを目的とする。さらに、入射又は
発生された可視光レーザー光の周波数を２倍にして１ワ
ット以上の深紫外領域の光に変換し又は出力することが
可能な装置を提供することを目的とする。
である結晶の光破壊を防ぎ、集光性のよい優れたビーム
品質の光へと変換でき、かつ高い波長変換効率を得る事
のできるレーザー光波長変換装置を提供することを目的
とする。特に、連続発振型のレーザー光を効率良く変換
できるレーザー光波長変換装置または連続発振型のレー
ザー光を効率良く変換して出力できるコヒーレント光発
生装置を提供することを目的とする。さらに、入射又は
発生された可視光レーザー光の周波数を２倍にして１ワ
ット以上の深紫外領域の光に変換し又は出力することが
可能な装置を提供することを目的とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】この発明によれば、結晶に集光される光ビ
ームが楕円形などの非円形の断面を有するから光共振器
内の光エネルギが結晶内の一点に収束されない。従って
光共振器内の光ビームのエネルギが結晶内の一点に集中
することによる光破壊を防ぐことができる。また、この
発明によれば、入射レーザー光はウオーク・オフによっ
てビームが広がる面内でビーム径が始めから大きいの
で、結晶内での光のウオーク・オフによって光が広がっ
て伝播することによって引き起こされる、出力光のビー
ム特性（特に集光性）の劣化を低減できる。なお、ビー
ム特性の改善効果として、よりガウス型に近い縞模様の
ない出力光を得ることができる。
ームが楕円形などの非円形の断面を有するから光共振器
内の光エネルギが結晶内の一点に収束されない。従って
光共振器内の光ビームのエネルギが結晶内の一点に集中
することによる光破壊を防ぐことができる。また、この
発明によれば、入射レーザー光はウオーク・オフによっ
てビームが広がる面内でビーム径が始めから大きいの
で、結晶内での光のウオーク・オフによって光が広がっ
て伝播することによって引き起こされる、出力光のビー
ム特性（特に集光性）の劣化を低減できる。なお、ビー
ム特性の改善効果として、よりガウス型に近い縞模様の
ない出力光を得ることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】しかも、円柱レンズ又は円筒レンズによる
集光ビームの断面積の形状は楕円形となり、一点に収束
するかたちの球面レンズの集光光学系による集光ビーム
断面積より大きく光エネルギを分散するので、結晶の光
破壊を防ぐことができる。これは、波長変換素子を光共
振器内に置いてさらに集光光学系で連続出力のレーザー
光を集光して変換効率を高めようとする場合に利点とな
る。なぜならば球面レンズのを集光系を用いて連続出力
レーザーの入射レーザー光を光共振器内にある ＢＢＯ
へ連続集光すれば、ＢＢＯ内の光強度は光破壊を引き起
こす強度を越すからである。しかし、同じ焦点距離の円
柱レンズを用いれば球面レンズに比べて焦点での光強度
は下がるので、連続光を用いてＢＢＯへ集光しても光損
傷を回避できしかも変換効率を下げることがない。なん
となれば、円柱レンズはＢＢＯの一方向（ＺＸ−平面
内）の集光度を他方向（ＺＹ−平面内）に比べて弱くし
ているが、このＺＸ−平面内での光はもともと変換効率
にたいして寄与していないからである。変換に寄与する
他方向（ＺＹ−平面内）は球面レンズと同様な集光がお
こなわれる。このような集光法を行うと非線型光学結晶
内でのビームのウオーク・オフの影響を低減し、かつ高
い変換効率を維持できる。これは、図１１の左側の上段
に示すように結晶内で引き起こされる出力光のウオーク
・オフの影響は、入力光ビーム９の幅がこの面で十分に
大きいので、ほとんど問題にならない。つまり、図１１
の左側の上段に示すように、ウオーク・オフ９４による
光源の広がりの大きさに対して十分に大きなビーム径の
入射光９を入れれば、ウオーク・オフの効果はほとんど
現れず、双極子（光源）９２の分布も入射光（基本波）
９の分布と同じガウス型になる。従って、得られる変換
光１０の遠視野像もガウス型となって、理想的な集光特
性を持った変換光を得ることができる。また、図１１の
紙面と直交する面内での集光度を上げてビーム径９を十
分に小さくすることで、高い変換効率を維持することが
できる。これらの効果は実際の実験で確かめられた。
集光ビームの断面積の形状は楕円形となり、一点に収束
するかたちの球面レンズの集光光学系による集光ビーム
断面積より大きく光エネルギを分散するので、結晶の光
破壊を防ぐことができる。これは、波長変換素子を光共
振器内に置いてさらに集光光学系で連続出力のレーザー
光を集光して変換効率を高めようとする場合に利点とな
る。なぜならば球面レンズのを集光系を用いて連続出力
レーザーの入射レーザー光を光共振器内にある ＢＢＯ
へ連続集光すれば、ＢＢＯ内の光強度は光破壊を引き起
こす強度を越すからである。しかし、同じ焦点距離の円
柱レンズを用いれば球面レンズに比べて焦点での光強度
は下がるので、連続光を用いてＢＢＯへ集光しても光損
傷を回避できしかも変換効率を下げることがない。なん
となれば、円柱レンズはＢＢＯの一方向（ＺＸ−平面
内）の集光度を他方向（ＺＹ−平面内）に比べて弱くし
ているが、このＺＸ−平面内での光はもともと変換効率
にたいして寄与していないからである。変換に寄与する
他方向（ＺＹ−平面内）は球面レンズと同様な集光がお
こなわれる。このような集光法を行うと非線型光学結晶
内でのビームのウオーク・オフの影響を低減し、かつ高
い変換効率を維持できる。これは、図１１の左側の上段
に示すように結晶内で引き起こされる出力光のウオーク
・オフの影響は、入力光ビーム９の幅がこの面で十分に
大きいので、ほとんど問題にならない。つまり、図１１
の左側の上段に示すように、ウオーク・オフ９４による
光源の広がりの大きさに対して十分に大きなビーム径の
入射光９を入れれば、ウオーク・オフの効果はほとんど
現れず、双極子（光源）９２の分布も入射光（基本波）
９の分布と同じガウス型になる。従って、得られる変換
光１０の遠視野像もガウス型となって、理想的な集光特
性を持った変換光を得ることができる。また、図１１の
紙面と直交する面内での集光度を上げてビーム径９を十
分に小さくすることで、高い変換効率を維持することが
できる。これらの効果は実際の実験で確かめられた。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２７】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明は、
光共振器とこの光共振器内に置かれた非線型光学素子の
波長変換素子、特に角度位相整合型の結晶、を用いる非
線型光学的波長変換装置において、共振器内の増幅され
た光強度が変換素子へ及ぼす光破壊の影響を少なくし
て、かつ集光特性に優れた出力光を、高い波長変換効率
で得る事ができるという優れた効果を有する。この発明
の波長変換装置が最も有効なのは、効率の高い９０度位
相整合型の変換素子が得られない又は使用が難しい波長
域で、角度位相整合型の波長変換素子を用いて連続発振
の弱い光の波長変換を行う場合である。この例として
は、アルゴン・レーザーの第二高調波の発生がある。こ
の第二高調波は深紫外域にあり、光リソグラフイや他の
光処理の応用が多数考えられる。また可視光域への又は
可視光域内への波長変換レーザーにも応用できる。
光共振器とこの光共振器内に置かれた非線型光学素子の
波長変換素子、特に角度位相整合型の結晶、を用いる非
線型光学的波長変換装置において、共振器内の増幅され
た光強度が変換素子へ及ぼす光破壊の影響を少なくし
て、かつ集光特性に優れた出力光を、高い波長変換効率
で得る事ができるという優れた効果を有する。この発明
の波長変換装置が最も有効なのは、効率の高い９０度位
相整合型の変換素子が得られない又は使用が難しい波長
域で、角度位相整合型の波長変換素子を用いて連続発振
の弱い光の波長変換を行う場合である。この例として
は、アルゴン・レーザーの第二高調波の発生がある。こ
の第二高調波は深紫外域にあり、光リソグラフイや他の
光処理の応用が多数考えられる。また可視光域への又は
可視光域内への波長変換レーザーにも応用できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】波長変換素子の結晶とその受容角を表す図、
【図２】レンズによる集光と集光角を表す図、
【図３】この発明の一実施例のコヒーレント光発生装置
を示す図、
を示す図、
【図４】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図５】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図６】この発明の別の実施例のコヒーレント光発生装
置を示す図、
置を示す図、
【図７】この発明の別の実施例のレーザー光変換装置を
示す図、
示す図、
【図８】この発明の別の実施例のレーザー光変換装置を
示す図、
示す図、
【図９】従来のレーザー光変換装置から得られた出力光
の強度分布を示す図、
の強度分布を示す図、
【図１０】非線型光学結晶のウオーク・オフの性質を示
す図、
す図、
【図１１】この発明のレーザー光変換装置から得られる
変換光及び従来のレーザー光変換装置から得られた変換
光の性質を示す図、
変換光及び従来のレーザー光変換装置から得られた変換
光の性質を示す図、
【符号の説明】
５ レーザー媒質
６ 反射面
７ 反射面
１２ 円柱レンズ
１３ 円柱レンズ
１４ 波長変換素子
【手続補正書】
【提出日】平成４年８月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】追加
【補正内容】
【図９】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正内容】
【図１０】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】追加
【補正内容】
【図１１】
Claims (23)
- 【請求項１】複数の反射面と、非線形光学媒質からなる
波長変換素子と、この波長変換素子に光を集光するため
の集光光学系と、を有しレーザ光の波長を変換する光波
長変換装置において、前記集光光学系が、前記波長変換
素子に向けて集光する光ビームの断面を非円形にする光
学系を有すること、を特徴とするレーザー光波長変換装
置。 - 【請求項２】請求項１の光学系が光ビームの断面を楕円
形にすること、を特徴とする請求項１のレーザー光波長
変換装置。 - 【請求項３】請求項１の波長変換素子が、角度位相整合
型非線形光学素子であること、を特徴とする請求項１の
レーザー光波長変換装置。 - 【請求項４】請求項３の角度位相整合型非線形光学素子
がβ硼酸バリウムの結晶であること、を特徴とする請求
項３のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項５】請求項１の光学系が、前記波長変換素子を
その間に挟む一対の円柱レンズを有すること、を特徴と
する請求項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項６】請求項１の光学系が、前記波長変換素子を
その間に挟む一対の円筒鏡を有すること、を特徴とする
請求項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項７】請求項１の複数の反射面の内の一つが、入
射レーザー光の入射される半透明入射反射面であり、他
の一つが出力光の出力される半透明出力反射面である請
求項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項８】連続発振レーザー装置からの入射レーザー
光を波長変換する請求項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項９】請求項８の連続発振レーザー装置がアルゴ
ン・レーザーである請求項８のレーザー光波長変換装
置。 - 【請求項１０】入射レーザー光を２倍の周波数の光に変
換する請求項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項１１】入射レーザー光を２倍の周波数に変換し
て深紫外光の出力光を発生する請求項１のレーザー光波
長変換装置。 - 【請求項１２】入射レーザー光が複数の周波数を含みそ
のなかの二つの周波数の和の周波数の光に変換する請求
項１のレーザー光波長変換装置。 - 【請求項１３】複数の反射面と、この反射面間に配置さ
れるレーザー媒質と、このレーザー媒質からのレーザー
光の波長を変換する波長変換素子と、この波長変換素子
に前記レーザー光を集光する集光光学系と、を有するコ
ヒーレント光発生装置において、前記集光光学系が前記
波長変換素子に向けて集光するレーザー光ビームの断面
を非円形にする光学系を持つこと、を特徴とするコヒー
レント光発生装置。 - 【請求項１４】請求項１３の波長変換素子が角度位相整
合型非線形光学素子であること、を特徴とする請求項１
３のコヒーレント光発生装置。 - 【請求項１５】請求項１４の角度位相整合型非線形光学
素子が、β硼酸バリウムの結晶であること、を特徴とす
る請求項１４のコヒーレント光発生装置。 - 【請求項１６】請求項１３の光学系が、前記波長変換素
子を間に挟む一対の円柱レンズを有すること、を特徴と
する請求項１３のコヒーレント光発生装置。 - 【請求項１７】請求項１３の光学系が、前記波長変換素
子を間に挟む一対の円筒鏡を有すること、を特徴とする
請求項１３のコヒーレント光発生装置。 - 【請求項１８】請求項１３のレーザー光媒質が連続発振
型のレーザー媒質である請求項１３のコヒーレント光発
生装置。 - 【請求項１９】請求項１８のレーザー媒質が可視光を発
生するアルゴン・レーザーであり、前記可視光の周波数
を２倍に変換して深紫外線光を出力する請求項１８のコ
ヒーレント光発生装置。 - 【請求項２０】請求項１３のレーザー光媒質が複数の周
波数の光を発生し前記波長変換素子がそのなかの二つの
周波数の和の周波数の光に変換する請求項１３のコヒー
レント光発生装置。 - 【請求項２１】前記複数の反射面間に、定在波を発生す
るフアブリー・ペロー型の光共振器が形成される請求項
１または請求項１３の装置。 - 【請求項２２】前記複数の反射面間に、光の回周路を持
つリング型の光共振器が形成される請求項１または請求
項１３の装置。 - 【請求項２３】請求項１の装置を用いて変換されたまた
は請求項１３の装置を用いて出力されたレーザー光によ
り、光リソグラフイーを行う方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3159530A JP2828221B2 (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | レーザー光波長変換装置 |
| CA002066000A CA2066000A1 (en) | 1991-06-04 | 1992-04-14 | Apparatus for wavelength conversion of laser light |
| US07/874,937 US5309454A (en) | 1991-06-04 | 1992-04-28 | Apparatus for wavelength conversion of laser light |
| BR929202062A BR9202062A (pt) | 1991-06-04 | 1992-05-29 | Aparelho para conversao de comprimento de onda da luz de laser e para geracao de luz coerente e metodo para usa-los |
| EP19920305129 EP0517518A3 (en) | 1991-06-04 | 1992-06-04 | Apparatus and method for wavelength conversion of coherent light |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3159530A JP2828221B2 (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | レーザー光波長変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0511287A true JPH0511287A (ja) | 1993-01-19 |
| JP2828221B2 JP2828221B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=15695782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3159530A Expired - Lifetime JP2828221B2 (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | レーザー光波長変換装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5309454A (ja) |
| EP (1) | EP0517518A3 (ja) |
| JP (1) | JP2828221B2 (ja) |
| BR (1) | BR9202062A (ja) |
| CA (1) | CA2066000A1 (ja) |
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