JPH1055005A

JPH1055005A - レーザ光発生装置

Info

Publication number: JPH1055005A
Application number: JP9113972A
Authority: JP
Inventors: Shiro Shichijo; 司朗七条
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-05-01
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】共振器損失を出来るだけ抑制して、高い変換
効率で波長変換を実現できるレーザ光発生装置を提供す
る。【解決手段】光共振器は２つの反射ミラー１、２から
成る直線型で構成され、光共振器内部に非線形光学結晶
３が配置されている。非線形光学結晶３は、対向する１
対の光入出力面が光伝搬軸に対して傾斜するように台形
状に形成される。基本波レーザ光は光共振器内に光伝搬
軸に沿って導入され、非線形光学結晶３によって第２高
調波に波長変換され、反射ミラー２から外部に取り出さ
れる。基本波レーザ光が非線形光学結晶３の光入出力面
を通過する際、光入射面（ＹＺ面）でのビーム径や集光
角度を調整することが可能となり、たとえば非線形光学
結晶３の受容角が小さい面と光入射面とを一致させるこ
とによって変換効率を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波レーザ光を
外部から光共振器に導入し、または基本波レーザ光を光
共振器内で発生し、非線形光学結晶によって波長変換さ
れたレーザ光を発生するためのレーザ光発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光共振器の内部はレーザ光のパワー密度
が高くなるため、効率的な波長変換が期待でき、たとえ
ば外部共振型ＳＨＧ（Second Harmonic generator)や内
部共振型ＳＨＧなどのレーザ光発生装置が知られてい
る。

【０００３】内部共振型ＳＨＧは、１つの光共振器内に
レーザ媒質および非線形光学結晶を配置した構成であ
り、レーザ媒質で発生した基本波レーザ光と非線形光学
結晶によって変換された第２高調波レーザ光との位相整
合条件を満足させることによって、効率の良い波長変換
を実現することができる。

【０００４】外部共振型ＳＨＧは、基本波レーザ光を発
生するレーザ共振器とは別の光共振器内に非線形光学結
晶を配置した構成であり、光共振器において基本波レー
ザ光を共振動作させることによって第２高調波に波長変
換している。

【０００５】こうした外部共振型ＳＨＧにおいて、光共
振器の共振の鋭さを示すフィネス値（Ｑ値）をたとえば
１０〜１０００程度に大きく設定することによって、光
共振器内のパワー密度を入射光のパワー密度の数百倍に
増加させることができ、これによって光共振器内部の非
線形光学結晶の変換効率を向上できる。

【０００６】図８は外部共振型ＳＨＧのレーザ光発生装
置の構成を示し、図８（ａ）はＺ型リング共振器を用い
た例であり、図８（ｂ）は三角リング共振器を用いた例
である。図８（ａ）において、共振器光軸が交差する、
いわゆるボウ−タイ構造となるように４枚の反射ミラー
Ｍ１〜Ｍ４が配置されて光共振器が構成されており、反
射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２の間に非線形光学結晶５
０が配置されている。外部のレーザ装置から出た基本波
レーザ光Ｆは、反射ミラーＭ４を介して光共振器内に導
入され、光共振器の内部で共振する。基本波レーザ光Ｆ
が非線形光学結晶５０を通過すると第２高調波に変換さ
れ、反射ミラーＭ２、Ｍ３で反射して、反射ミラーＭ３
から第２高調波レーザ光Ｓとして外部に取り出される。

【０００７】また図８（ｂ）において、共振器光軸が三
角形となるように３枚の反射ミラーＭ１〜Ｍ３が配置さ
れて光共振器が構成されており、反射ミラーＭ１と反射
ミラーＭ２の間に非線形光学結晶５０が配置されてい
る。外部のレーザ装置から出た基本波レーザ光Ｆは、反
射ミラーＭ１を介して光共振器内に導入され、光共振器
の内部で共振する。基本波レーザ光Ｆが非線形光学結晶
５０を通過すると第２高調波に変換され、反射ミラーＭ
２から第２高調波レーザ光Ｓとして外部に取り出され
る。

【０００８】こうした光共振器のフィネス値を高くする
手法として、反射ミラーでの損失を出来るだけ少なくす
るために、反射ミラーの枚数は少ないほど好ましい。ま
た、図８（ｂ）に示す反射ミラーＭ３は、光の入射角が
大きくなるため反射率の低下を招く傾向があり、光共振
器のフィネス値が低くなる要因となる。特に、紫外線領
域の高調波を発生する場合には、非線形光学結晶５０の
非線形定数が小さくなって変換効率が低くなるため、よ
り高いフィネス値を持つ光共振器を用意する必要があ
る。そのため、紫外線発生用の光共振器として、図８
（ａ）に示した反射ミラー４枚構成のリング共振器を用
いることが多い。

【０００９】一方、非線形光学結晶の波長変換効率は、
基本波レーザ光Ｆのパワー密度に比例して高くなるた
め、レーザ光のパワー密度が大きくなるビームウエスト
位置に非線形光学結晶５０を配置している。

【００１０】さらに、非線形光学結晶での位相整合条件
も重要であり、また位相整合条件から決まる受容角（ア
クセプタンス角）も大きいことが重要となる。レーザ光
の伝搬軸が非線形光学結晶の結晶軸と一致した非臨界型
位相整合条件のときに、受容角が最大になる。したがっ
て、非臨界型位相整合条件を満たすように非線形光学結
晶を配置することが理想的であるが、現実には部品の組
立、調整にかなり困難を伴う。そのため、一般には結晶
軸を基準として一定の角度を有する方位内で位相整合が
可能になる臨界型位相整合条件を採用することが多い。
しかし、臨界型位相整合条件の場合には許容度が厳しく
なり、しかも光伝搬軸の直交２方向において位相整合許
容度が相違するのが一般的である。

【００１１】たとえば、波長５００ｎｍ近傍の基本波を
波長変換して紫外線領域の第２高調波を発生する場合に
は、非臨界型位相整合条件を満足する非線形光学結晶材
料が知られておらず、一般には非線形光学結晶としてベ
ータほう酸バリウム結晶（ＢＢＯ）を臨界型位相整合条
件である角度位相整合で使用することが多い。

【００１２】次に角度位相整合について説明する。基本
波が水平方向に進行してＢＢＯ結晶に入射する場合、Ｂ
ＢＯ結晶のｃ軸が水平面内にあれば位相整合する。この
とき、基本波の光伝搬軸を含む鉛直面での受容角と水平
面での受容角との２つの受容角が定義される。たとえ
ば、波長５３２ｎｍの基本波をタイプＩの位相整合で第
２高調波に変換する場合、ＢＢＯ結晶のｃ軸に関してφ
方向の許容度（受容角と結晶長さとの乗算値）は０．６
［ｄｅｇ・ｃｍ］と非常に大きいのに対して、直交する
θ方向の許容度は０．０１６［ｄｅｇ・ｃｍ］と小さ
い。したがって、θ方向の受容角より大きな角度でレー
ザ光を集光しても変換効率は増加しないため、θ方向に
関するレーザ光の集光角度はその受容角より小さくなる
ように緩めの集光を行えばよい。

【００１３】図９は、レーザ光の集光状態を示す説明図
であり、図９（ａ）（ｂ）はある集光状態でのθ平面お
よびφ平面の断面図であり、図９（ｃ）（ｄ）は別の集
光状態でのθ平面およびφ平面の断面図である。図９に
おいて、実線Ｐはレーザビームの強度が中心からｅ
^-2（ｅは自然対数）に減衰する位置の輪郭形状を示し、
破線Ｑはビーム輪郭の漸近線を示し、実線Ｒは受容角の
範囲を示す。

【００１４】光強度分布が正規分布を示すガウシアンビ
ームの場合には、集光角度とビームウエスト径との間に
は一定の関係がある。中心と漸近線との開き半角で表さ
れるビームの集光角度をα、ビームウエスト径をω、レ
ーザ光の波長をλ、屈折率をｎとすると、 α ＝ λ ／（π・ω・ｎ） …（１）という関係式が成立する。

【００１５】一般に、非線形光学結晶のｃ軸に関してθ
方向の受容角δθとφ方向の受容角δφとは互いに相違
する。たとえば、図９（ａ）（ｂ）に示すように受容角
δφが受容角δθより格段に大きい場合（δφ≫δ
θ）、軸対称のレーザ光を使用すると、図９（ｂ）のφ
平面において集光角度α２と受容角δφとがほぼ一致す
るため効率的な波長変換が行われる。しかし、図９
（ａ）のθ平面において、集光角度α１は受容角δθよ
り格段に大きくなるため、受容角δθの範囲内にあるレ
ーザ光の一部しか波長変換に寄与しない。そのため、非
線形光学結晶から発生する第２高調波の遠視野像（ファ
ーフィールドパターン）は、θ方向に細長い楕円パター
ンとなってしまい、変換効率も低くなる。

【００１６】一方、図９（ｃ）（ｄ）に示すように、θ
方向の集光角度α３が小さくなるようにレーザ光を緩く
集光して、ビームウエスト径ω３を大きく設定すると、
集光角度α３と受容角δθとがほぼ一致するため、両方
の面内で変換効率を高く維持することができる。

【００１７】図９（ｃ）（ｄ）に示すようなビーム輪郭
形状を持つレーザ光は、１つの方向に強く集光し、その
垂直方向に緩く集光することによって容易に実現でき、
たとえば球面凸レンズと円筒レンズとの組合せからなる
集光光学系が使用される（応用物理、第６１巻９号９３
１頁、１９９２年）。

【００１８】図１０は、従来のレーザ光発生装置の一例
を示す構成図である。これは上記文献に記載されたもの
であり、アルゴンイオンを封入したプラズマ管５１と２
枚の反射ミラー５２、５３とでアルゴンイオンレーザの
光共振器が構成され、この共振器内に非線形光学結晶で
あるＢＢＯ結晶５４を配置することによって波長変換を
行い、反射ミラー５３から外部に第２高調波レーザ光Ｓ
を取り出している。

【００１９】さらに、ＢＢＯ結晶５４でのレーザ光の集
光状態を調整するために、共振器内に球面レンズ５７お
よび円筒レンズ５５、５６が配置されている。

【００２０】球面レンズ５７は図１０の紙面垂直面およ
び紙面平行面において集光パワーを有し、円筒レンズ５
５、５６は紙面平行面のみの集光パワーを有する。した
がって、ＢＢＯ結晶５４において、レーザ光のビームウ
エスト径および集光角度が２つの直交面で異なるような
集光状態を実現している。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
のように共振器内部に集光レンズ等の光学部品を配置す
ると、光の損失がどうしても増加してしまい、その結
果、共振器のフィネス値が大きく低下して、変換効率の
低下を招いてしまう。一方、非線形光学結晶の受容角が
直交２方向で異なる場合に、何らかの光学部品を使用し
なければレーザ光の集光状態を適切に保つことができな
い。

【００２２】本発明の目的は、共振器損失を出来るだけ
抑制して、高い変換効率で波長変換を実現できるレーザ
光発生装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも１
対の反射手段で構成された光共振器と、該光共振器の内
部に配置された非線形光学結晶とを備え、基本波レーザ
光を光共振器内に導入して共振動作させ、該非線形光学
結晶によって波長変換されたレーザ光を発生するレーザ
光発生装置において、非線形光学結晶は互いに非平行で
かつ対向する１対の光入出力面を有し、各光入出力面が
光の伝搬軸に対して傾斜していることを特徴とするレー
ザ光発生装置である。

【００２４】本発明に従えば、非線形光学結晶の各光入
出力面が光伝搬軸に対して傾斜していることによって、
非線形光学結晶における基本波レーザ光の集光状態を直
交２方向で異ならせることが可能になる。そのため、光
共振器内部に余分な光学部品を介在させること無く、非
線形光学結晶での集光状態を最適化できるため、光共振
器の損失低下を抑制できる。ここで非線形光学結晶の対
向する１対の光入出力面は非平行であればよいが、光伝
搬軸を含む面で光入出力面を切った時に、光入出力面の
切断線の相互になす角が１０°から１６０°であること
がより好ましい。

【００２５】また本発明は、少なくとも１対の反射手段
で構成された光共振器と、該光共振器の内部に配置され
た非線形光学結晶およびレーザ媒質とを備え、該レーザ
媒質を励起するための励起光を外部から光共振器内に導
入して、レーザ媒質によって光共振器内で基本波レーザ
光を発生させ、さらに該非線形光学結晶によって波長変
換されたレーザ光を発生するとともに、非線形光学結晶
は互いに非平行でかつ対向する１対の光入出力面を有
し、各光入出力面が光の伝搬軸に対して傾斜しているこ
とを特徴とするレーザ光発生装置である。

【００２６】本発明に従えば、レーザ媒質を光共振器内
に配置して、外部の半導体レーザからの励起光によって
基本波レーザ光を光共振器内で発生する内部共振型の構
成を採用することによって、基本波レーザ光がそのまま
波長変換に供されるため、高い変換効率を実現できる。
レーザ媒質を励起するための励起光としては半導体レー
ザからの出力光が例示できる。

【００２７】また、非線形光学結晶の各光入出力面が光
伝搬軸に対して傾斜していることによって、非線形光学
結晶における基本波レーザ光の集光状態を直交２方向で
異ならせることが可能になる。そのため、光共振器内部
に余分な光学部品を介在させること無く、非線形光学結
晶での集光状態を最適化できるため、光共振器の損失低
下を抑制できる。ここで非線形光学結晶の対向する１対
の光入出力面は非平行であればよいが、光伝搬軸を含む
面で光入出力面を切った時に、光入出力面の切断線の相
互になす角が１０°から１６０°であることがより好ま
しい。

【００２８】また本発明は、非線形光学結晶に入射する
基本波レーザ光はビームウエスト断面が楕円形状となる
ように設定され、かつ基本波レーザ光の入射方向および
非線形光学結晶の光入出力面の法線方向を含む面と、非
線形光学結晶の位相整合受容角が小さい方向とが略平行
となるように構成されていることを特徴とする。

【００２９】本発明に従えば、基本波レーザ光の集光角
度を非線形光学結晶の受容角と同程度以下に設定するこ
とができるため、基本波レーザ光の大部分が波長変換に
寄与して、高い変換効率を実現できる。

【００３０】また本発明は、非線形光学結晶の光入出力
面は、光の伝搬軸に対してブリュースタ角で傾斜してい
ることを特徴とする。

【００３１】本発明に従えば、基本波レーザ光のうち一
方の偏光成分は非線形光学結晶の光入出力面で損失無し
で通過することができ、共振器のフィネス値を高く維持
できる。また、光入出力面において無反射コーティング
が不要になり、製造コストを低減化できる。

【００３２】また本発明は、光共振器は、反射手段にお
ける光入射方向と光反射方向とが一致する折返し共振器
型であることを特徴とする。

【００３３】本発明に従えば、反射手段の枚数を出来る
だけ少なくして光共振器を構成できるため、共振器のフ
ィネス値を高く維持でき、高い変換効率を実現できる。

【００３４】また本発明は、光共振器は、反射手段にお
ける光入射方向と光反射方向とが一致しないリング共振
器型であることを特徴とする。

【００３５】本発明に従えば、反射手段の枚数を出来る
だけ少なくして光共振器を構成できるため、共振器のフ
ィネス値を高く維持でき、高い変換効率を実現できる。

【００３６】また本発明は、光共振器は、第１反射手段
と第２反射手段との間で非線形光学結晶を通過する第１
光伝搬軸と非線形光学結晶を通過しない第２光伝搬軸と
を含むリング共振器型であることを特徴とする。

【００３７】本発明に従えば、２つの反射手段だけでリ
ング型光共振器を構成できるため、共振器のフィネス値
を高く維持でき、高い変換効率を実現できる。

【００３８】また本発明は、光共振器がリング共振器型
であって、基本波レーザ光はそのアステグマが補正され
るように非線形光学結晶の光入出力面に対して斜め入射
していることを特徴とする。

【００３９】本発明に従えば、非線形光学結晶の光入出
力面において基本波レーザ光が斜めに入射するため、レ
ーザ光のアステグマ、すなわち非点収差を補正すること
ができ、非線形光学結晶での集光状態を最適化できる。

【００４０】また本発明は、非線形光学結晶は、ＣｓＬ
ｉＢ₆Ｏ₁₀ （セシウムリチウムボーレート）で形成され
ていることを特徴とする。

【００４１】本発明に従えば、高い変換効率で波長変換
を実現できる。

【００４２】また本発明は、非線形光学結晶は、ＢＢＯ
（ベータほう酸バリウム結晶）で形成されていることを
特徴とする。

【００４３】本発明に従えば、高い変換効率で波長変換
を実現できる。

【００４４】以下、本発明の原理について詳細に説明す
る。

【００４５】図１は、折返し共振器の一例を示す構成図
である。光共振器は２つの反射ミラー１、２から成る直
線型で構成され、光共振器内部に非線形光学結晶３が配
置されている。非線形光学結晶３は、対向する１対の光
入出力面が光伝搬軸に対して傾斜するように台形状に形
成されている。そのため、光共振器の光伝搬軸は各光入
出力面での屈折によって屈曲しており、さらに反射ミラ
ー１、２での光入射方向と光反射方向とが一致するよう
に折返し共振器型を構成している。基本波レーザ光は、
外部のレーザ光源から光共振器内に光伝搬軸に沿って導
入される。

【００４６】こうした構成によって、光伝搬軸に沿って
進行するレーザ光が非線形光学結晶３の光入出力面を通
過する際、光入射面（図１の紙面に平行なＹＺ面）での
ビーム径や集光角度を調整することが可能になり、たと
えば非線形光学結晶３の受容角が小さい面と光入射面と
を一致させることによって変換効率を向上させることが
できる。

【００４７】また非線形光学結晶３の光入出力面が光伝
搬軸に対して傾斜しているため、光入出力面での反射光
が光伝搬軸から外れてしまい、外部レーザ光源へ戻り光
として帰還するのを確実に防止でき、外部レーザ光源の
安定化に資する。

【００４８】図２は、リング共振器の一例を示す構成図
である。光共振器は２つの反射ミラー１、２から成るリ
ング共振器型で構成され、光共振器内部に非線形光学結
晶３が配置されており、反射ミラー１と反射ミラー２と
の間で非線形光学結晶３を通過する第１光伝搬軸と非線
形光学結晶３を通過しない第２光伝搬軸とを含んでい
る。

【００４９】非線形光学結晶３は、対向する１対の光入
出力面が光伝搬軸に対して傾斜するように台形状に形成
されている。そのため、光共振器の第１光伝搬軸は各光
入出力面での屈折によって屈曲している。基本波レーザ
光は、外部のレーザ光源から光共振器内に第１光伝搬軸
または第２光伝搬軸に沿って導入される。

【００５０】こうした構成によって、第１光伝搬軸およ
び第２光伝搬軸に沿って進行するレーザ光が非線形光学
結晶３の光入出力面を通過する際、光入射面（図２の紙
面に平行なＹＺ面）でのビーム径や集光角度を調整する
ことが可能になり、たとえば非線形光学結晶３の受容角
が小さい面と光入射面とを一致させることによって変換
効率を向上させることができる。

【００５１】また、非線形光学結晶３の光入出力面が第
１光伝搬軸に対して傾斜しているため、光入出力面での
反射光が第１光伝搬軸から外れてしまい、外部レーザ光
源へ戻り光として帰還するのを確実に防止でき、外部レ
ーザ光源の安定化に資する。

【００５２】以上のように、少なくとも２枚の反射ミラ
ー１、２と非線形光学結晶３という少ない部品点数で、
高いフィネス値を持つ光共振器を実現できるため、コン
パクトで高効率の波長変換を行うことができる。

【００５３】図３は、レーザ光が結晶界面で屈折する状
態を示す説明図である。基本波レーザ光Ｆが、非線形光
学結晶３の表面３ａの法線方向Ｎに対して入射角θ１で
進行すると、スネルの法則によって法線方向Ｎに対して
屈折角θ２で屈折する。

【００５４】ここで、光入射面は、基本波レーザ光Ｆの
入射方向および非線形光学結晶３の表面３ａの法線方向
Ｎを含むＹＺ面で定義され、表面入射側媒体の屈折率を
ｎ１、非線形光学結晶３の屈折率をｎ２、入射前の基本
波レーザ光Ｆのビーム半径をＷ１、屈折後の基本波レー
ザ光Ｆのビーム半径をＷ２として、表面３ａに沿ったビ
ーム形状が一致することから、下記の式が成立する。ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２ …（２）２・Ｗ２＝２・Ｗ１・（ｃｏｓθ２／ｃｏｓθ１） …（３）

【００５５】一方、光入射面に垂直な面内でのビーム径
は屈折前後で変化しない。したがって、レーザ光の斜め
入射によって、光入射面でのビーム径を変換することが
できる。

【００５６】以上の説明は、レーザ光が完全な平行光と
して振る舞うときに適用されるが、実際のレーザ光は回
折によってビームウエストを有するガウシアンビームと
なるため、ビーム輪郭形状は光線行列(ray matrix)を用
いて正確に記述できる。

【００５７】図４は、図２のリング共振器における非線
形光学結晶でのビーム径を計算した結果を示すグラフで
ある。ここで、非線形光学結晶３として結晶長５ｍｍの
ＢＢＯ結晶を使用し、非線形光学結晶３への光入射角度
θ１を７０度、反射ミラー１、２の曲率半径を１０ｍ
ｍ、反射ミラー１、２の傾斜角を１０度にそれぞれ設定
し、横軸は反射ミラー１、２間の直線距離、縦軸は結晶
中心でのビーム半径である。なお、実線は光入射面（Ｙ
Ｚ面）でのビーム径、破線は光入射面の垂直面（ＺＸ
面）でのビーム径を示す。

【００５８】また、反射ミラー１、２の傾斜によって、
実効的なミラー曲率半径がＹＺ面とＺＸ面とで異なり、
ＹＺ面およびＺＸ面での共振器条件およびビーム径が異
なるアステグマ現象が生じるため、これらの効果も考慮
して計算した。

【００５９】グラフを参照すると、ＹＺ面のビーム径は
６０μｍ程度、ＺＸ面のビーム径は３０μｍ程度に計算
され、前者は後者の約２倍に拡大できることが判る。そ
れに伴い、式（１）に従って、ＹＺ面の集光角度もＺＸ
面と比べて約１／２に小さく設定できる。

【００６０】このように光入射面と非線形光学結晶の位
相整合受容角が小さい方向とが略平行となるように配置
することによって、基本波レーザ光Ｆの大部分が波長変
換に寄与するため、変換効率が格段に向上する。

【００６１】さらに、非線形光学結晶の光入出力面には
無反射コーティングを施すことによって、光学損失を抑
制することが可能である。また、光入出力面を光伝搬軸
に対してブリュースタ角で傾斜させることで、コーティ
ング無しでも低損失の光学界面を実現できる。特に、非
線形光学結晶の受容角が直交２方向で異なる場合、ブリ
ュースタ角による無反射屈折が成立する偏光方向と受容
角が小さくなる方向とが一致するように配置することが
好ましい。なお、ＢＢＯ結晶においては、基本波レーザ
光の偏光方向と受容角が小さくなる方向とが一致しない
ため、無反射コーティングを施すことが好ましい。

【００６２】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図５は、本発明の実施の第１形態を示
す構成図である。ここでは、波長５３２ｎｍのグリーン
レーザ光をリング型外部共振器ＳＨＧに導入して、波長
２６６ｎｍの紫外線領域のレーザ光に変換する例を説明
する。

【００６３】レーザ光発生装置は、２枚の反射ミラー
１、２から成るリング型の光共振器と、光共振器の内部
に配置された非線形光学結晶３などで構成される。反射
ミラー１と反射ミラー２との間には、非線形光学結晶３
を通過する第１光伝搬軸と非線形光学結晶３を通過しな
い第２光伝搬軸とが形成されている。

【００６４】非線形光学結晶３は、対向する１対の光入
出力面３ａ、３ｂが第１光伝搬軸に対して傾斜するよう
に台形状に形成されている。非線形光学結晶３としてＢ
ＢＯ結晶を使用する場合には、結晶ｃ軸を基準として極
座標形式でθ＝４７．４３°、φ＝９０°の方向が光伝
搬軸（第１光伝搬軸）に一致するように切り出したもの
を、θ方向が図５の紙面（ＹＺ面）内になるように配置
する。

【００６５】また、非線形光学結晶３の底面および上面
は第１光伝搬軸と平行であって、底面と光入出力面３
ａ、３ｂとが交差する左右の底角がβ＝５８°となるよ
うにカットおよび光学研磨されており、光入出力面３
ａ、３ｂへの入射角がγ＝７０°となるように共振器全
体を配置している。光入出力面３ａ、３ｂには、入射角
γ＝７０°かつ波長５３２ｎｍの条件で全透過となるよ
うに無反射コーティングが施されている。なお、非線形
光学結晶３を上下方向（Ｚ方向に平行）に移動すること
によって、光共振器の光路長を任意に調整できる。

【００６６】非線形光学結晶３は、ペルチェ素子等の温
度調整素子（不図示）に搭載されて温度調整による位相
整合が図られる。

【００６７】反射ミラー１、２は、曲率半径１０ｍｍの
凹面ミラーで構成され、反射ミラー１の両面には基本波
レーザ光Ｆの波長５３２ｎｍに対して反射率９９．０％
となるコーティングが施され、反射ミラー２の両面には
波長５３２ｎｍに対して反射率９９．９９％で、波長２
６６ｎｍに対して透過率８５％となるコーティングが施
されている。こうして基本波レーザ光Ｆを導入するため
の反射ミラー１の反射率が反射ミラー２のものより低い
のは、共振器内での光学的インピーダンスマッチングを
とって最大の変換効率を実現するためである。

【００６８】一方、外部レーザ装置２０は、レーザ媒質
としてＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶、非線形光学素子としてＫＴ
Ｐ（燐酸チタニルカリウムＫＴｉＯＰＯ₄ ）を光共振器
内に配置した内部共振型ＳＨＧレーザ装置などで構成さ
れており、波長５３２ｎｍ、出力１００ｍＷの基本波レ
ーザ光Ｆを発生する。

【００６９】基本波レーザ光Ｆは１／２波長板１０を通
過して、偏光方向が紙面垂直方向（Ｘ方向）と一致する
ように調整され、次に集光レンズ１１によって所望の集
光状態、すなわち図２などで詳述したような集光状態に
調整され、反射ミラー１を通過して第１光伝搬軸に沿っ
て光共振器内に導入される。

【００７０】光共振器内に導入された基本波レーザ光
は、反射ミラー１と反射ミラー２との間で反射を繰り返
して共振し、非線形光学結晶３によって波長２６６ｎｍ
の第２高調波に波長変換される。反射ミラー２の裏面に
は、ピエゾ素子等のアクチュエータ３０が設置されてお
り、反射ミラー２の位置を微調整して光共振器の共振周
波数と基本波レーザ光の縦モード周波数とを一致させる
ことによって、鋭い光共振を実現している。

【００７１】基本波レーザ光は非線形光学結晶３の光入
出力面３ａ、３ｂに斜め入射することによって、非線形
光学結晶３の光入射面内での集光角度が小さくなり、さ
らに光入射面と受容角の小さい方向とが一致するように
配置することによって、基本波レーザ光の大部分が波長
変換に寄与するようになる。

【００７２】非線形光学結晶３で発生した第２高調波レ
ーザ光Ｓは、出力側の反射ミラー２を通過して外部に取
り出される。

【００７３】こうして従来と比べて、第２高調波レーザ
光Ｓの遠視野像がより円形に近づくとともに、約２倍の
出力が得られた。

【００７４】（第２実施形態）図６は、本発明の実施の
第２形態を示す構成図である。ここでは、波長５３２ｎ
ｍのグリーンレーザ光を直線型外部共振器ＳＨＧに導入
して、波長２６６ｎｍの紫外線領域のレーザ光に変換す
る例を説明する。

【００７５】レーザ光発生装置は、２枚の反射ミラー
１、２から成る折れ返し型の光共振器と、光共振器の内
部に配置された非線形光学結晶３などで構成され、反射
ミラー１と反射ミラー２との間には単一の光伝搬軸が形
成される。非線形光学結晶３における基本波レーザ光Ｆ
の集光状態は、図１などで詳述した内容に従って調整さ
れる。また、折れ返し型の光共振器の特徴として、光共
振器からの戻り光が外部レーザ装置２０に同軸で返るお
それがあるため、戻り光カット用の光アイソレータ１２
を配置して、外部レーザ装置２０のモードジャンプ等を
防止している。その他の構成は、図５のものと同様であ
るため重複説明を省く。

【００７６】こうした構成によって、基本波レーザ光Ｆ
が非線形光学結晶３によって第２高調波レーザ光Ｓに変
換され、従来と比べて、第２高調波レーザ光Ｓの遠視野
像がより円形に近づき、約２倍の出力向上が実現した。

【００７７】（第３実施形態）図７は、本発明の実施の
第３形態を示す構成図である。ここでは、波長８０９ｎ
ｍの励起光をリング型内部共振器ＳＨＧに導入して、波
長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を発生し、さらに波長
５３２ｎｍのグリーンレーザ光に変換する例を説明す
る。グリーンレーザ光を発生する結晶として、一般にＫ
ＴＰ結晶が使用されているが、出力が高くなるとグレー
トラッキング(Gray Tracking) という損傷が生じること
が知られている。そこで、グレートラッキングが生じに
くく、耐損傷性に優れた材料としてＢＢＯ結晶がある
が、ＢＢＯ結晶はビームウォークオフ角が大きく、従来
のように光軸に垂直な光入出力面を形成した場合、出力
光の形状が楕円となるため、ほとんど実用化されていな
い。本発明は、ＢＢＯ結晶のように、高い耐損傷性を有
し、かつ角度位相整合で使用する結晶の実用化を図るも
のである。

【００７８】図７において、レーザ光発生装置は、２枚
の反射ミラー１、２から成るリング型の光共振器と、光
共振器の内部に配置された非線形光学結晶３およびレー
ザ媒質４などで構成される。反射ミラー１と反射ミラー
２との間には、非線形光学結晶３を通過する第１光伝搬
軸とレーザ媒質４を通過する第２光伝搬軸とが形成され
ている。

【００７９】非線形光学結晶３は、対向する１対の光入
出力面３ａ、３ｂが第１光伝搬軸に対して傾斜するよう
に台形状に形成されている。非線形光学結晶３としてＢ
ＢＯ結晶を使用する場合には、結晶ｃ軸を基準として極
座標形式でθ＝２８．８°、φ＝９０°の方向が光伝搬
軸（第１光伝搬軸）に一致するように切り出したもの
を、θ方向が図７の紙面（ＹＺ面）内になるように配置
する。

【００８０】また、非線形光学結晶３の底面および上面
は第１光伝搬軸と平行であって、底面と光入出力面３
ａ、３ｂとが交差する左右の底角がβ＝５８°となるよ
うにカットおよび光学研磨されており、光入出力面３
ａ、３ｂへの入射角がγ＝７０°となるように共振器全
体を配置している。光入出力面３ａ、３ｂには、入射角
γ＝７０°かつ波長１０６４ｎｍの条件で全透過となる
ように無反射コーティングが施されている。なお、非線
形光学結晶３を上下方向（Ｚ方向に平行）に移動するこ
とによって、光共振器の光路長を任意に調整できる。

【００８１】非線形光学結晶３は、ペルチェ素子等の温
度調整素子（不図示）に搭載されて温度調整による位相
整合が図られる。

【００８２】レーザ媒質４は、Ｎｄを１％ドープしたＮ
ｄ：ＹＡＧ結晶で形成され、その光入出力面は光軸に対
して垂直に形成される。さらに、レーザ媒質４に対して
第２光伝搬軸と平行な磁場Ｈを印加するための磁場発生
器（不図示）、たとえば永久磁石が設けられ、こうした
磁場印加によってリング共振器内の一方向発振を実現し
ている。

【００８３】反射ミラー１、２は、曲率半径２０ｍｍの
凹面ミラーで構成される。反射ミラー１、２の両面に
は、励起光の波長８１０ｎｍに対して透過率９５％、基
本波レーザ光Ｆの波長１０６４ｎｍに対して反射率９
９．９％、かつ第２高調波レーザ光Ｓの波長５３２ｎｍ
に対して透過率９５％となるコーティングが施されてい
る。

【００８４】一方、光共振器の外部には、レーザ媒質４
を励起するための波長８１０ｎｍの励起光Ｅを発生する
半導体レーザ４０が設置され、励起光Ｅの光軸と第２光
伝搬軸とが一致するように励起光Ｅが光共振器内に導入
される。半導体レーザ４０は第２光伝搬軸の延長上の片
側だけに設けてもよく、あるいはレーザ媒質４に入射す
る励起光Ｅの強度を増加させるために第２光伝搬軸の両
側に設けることも可能である。半導体レーザ４０の後段
には、励起光Ｅをレーザ媒質４に効率よく集光するため
の集光レンズ１１が設けられる。

【００８５】次に動作を説明する。半導体レーザ４０か
ら出射された励起光Ｅは、反射ミラー１を通過して光共
振器内に導入され、レーザ媒質４に入射する。レーザ媒
質４は励起光Ｅによって励起されて、レーザ利得が生
じ、反射ミラー１、２から成るリング型光共振器内で基
本波レーザ光Ｆが発振する。このとき、レーザ媒質４へ
の磁場印加によって、一方向（図７では時計回り）の発
振だけが許容される。

【００８６】光共振器内で基本波レーザ光Ｆの出力が十
分高くなると、非線形光学結晶３によって第２高調波レ
ーザ光Ｓに波長変換され、反射ミラー２から外部に取り
出される。

【００８７】こうした構成によって、従来のように光入
出力面が光伝搬軸に対して垂直である構造のものと比べ
て、グリーンレーザ光の遠視野像は円形に近くなって、
その出力が大幅に向上した。さらに、ＢＢＯ結晶など耐
損傷性に優れた結晶を使用できるようになるため、耐損
傷性や信頼性が高く、長寿命の短波長レーザ光源を実現
できる。

【００８８】なお以上の説明では、非線形光学結晶３と
して両面斜めカットのＢＢＯ結晶を使用する例を示した
が、その他の非線形光学結晶、たとえばＣｓＬｉＢ₆Ｏ
₁₀ （セシウムリチウムボーレート、略称ＣＬＢＯ）な
どを使用できる。

【００８９】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、非
線形光学結晶の各光入出力面が光伝搬軸に対して傾斜し
ていることによって、非線形光学結晶における基本波レ
ーザ光の集光状態を直交２方向で異ならせることが可能
になる。そのため、光共振器内部に余分な光学部品を介
在させること無く、非線形光学結晶での集光状態を最適
化できるため、光共振器の損失低下を抑制できる。

【００９０】また、基本波レーザ光の集光角度を非線形
光学結晶の受容角と同程度以下に設定することができる
ため、基本波レーザ光の大部分が波長変換に寄与して、
高い変換効率を実現できる。

【００９１】さらに、非線形光学結晶の光入出力面を光
伝搬軸に対してブリュースタ角で傾斜させることが好ま
しく、これによって基本波レーザ光のうち一方の偏光成
分は非線形光学結晶の光入出力面で損失無しで通過する
ことができ、共振器のフィネス値を高く維持できる。し
かも、光入出力面において無反射コーティングが不要に
なり、製造コストを低減化できる。

【００９２】また、光共振器を折返し共振器型またはリ
ング共振器型で構成することによって、反射手段の枚数
を出来るだけ少なくして光共振器を構成できるため、共
振器のフィネス値を高く維持でき、高い変換効率を実現
できる。

【００９３】こうして共振器損失を出来るだけ抑制し
て、高い変換効率で波長変換を実現できるレーザ光発生
装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】折返し共振器の一例を示す構成図である。

【図２】リング共振器の一例を示す構成図である。

【図３】レーザ光が結晶界面で屈折する状態を示す説明
図である。

【図４】図２のリング共振器における非線形光学結晶で
のビーム径を計算した結果を示すグラフである。

【図５】本発明の実施の第１形態を示す構成図である。

【図６】本発明の実施の第２形態を示す構成図である。

【図７】本発明の実施の第３形態を示す構成図である。

【図８】外部共振型ＳＨＧのレーザ光発生装置の構成を
示し、図８（ａ）はＺ型リング共振器、図８（ｂ）は三
角リング共振器である。

【図９】レーザ光の集光状態を示す説明図であり、図９
（ａ）（ｂ）はある集光状態でのθ平面およびφ平面の
断面図であり、図９（ｃ）（ｄ）は別の集光状態でのθ
平面およびφ平面の断面図である。

【図１０】従来のレーザ光発生装置の一例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１、２反射ミラー３非線形光学結晶４レーザ媒質１０１／２波長板１１集光レンズ１２光アイソレータ２０外部レーザ装置３０アクチュエータ４０半導体レーザ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１対の反射手段で構成された
光共振器と、該光共振器の内部に配置された非線形光学結晶とを備
え、基本波レーザ光を光共振器内に導入して共振動作させ、
該非線形光学結晶によって波長変換されたレーザ光を発
生するレーザ光発生装置において、非線形光学結晶は互いに非平行でかつ対向する１対の光
入出力面を有し、各光入出力面が光の伝搬軸に対して傾
斜していることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２】少なくとも１対の反射手段で構成された
光共振器と、該光共振器の内部に配置された非線形光学結晶およびレ
ーザ媒質とを備え、該レーザ媒質を励起するための励起光を外部から光共振
器内に導入して、レーザ媒質によって光共振器内で基本
波レーザ光を発生させ、さらに該非線形光学結晶によっ
て波長変換されたレーザ光を発生するとともに、非線形光学結晶は互いに非平行でかつ対向する１対の光
入出力面を有し、各光入出力面が光の伝搬軸に対して傾
斜していることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項３】非線形光学結晶に入射する基本波レーザ
光はビームウエスト断面が楕円形状となるように設定さ
れ、かつ基本波レーザ光の入射方向および非線形光学結
晶の光入出力面の法線方向を含む面と、非線形光学結晶
の位相整合受容角が小さい方向とが略平行となるように
構成されていることを特徴とする請求項１または２記載
のレーザ光発生装置。
【請求項４】非線形光学結晶の光入出力面は、光の伝
搬軸に対してブリュースタ角で傾斜していることを特徴
とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザ光発生装
置。
【請求項５】光共振器は、反射手段における光入射方
向と光反射方向とが一致する折返し共振器型であること
を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザ光発
生装置。
【請求項６】光共振器は、反射手段における光入射方
向と光反射方向とが一致しないリング共振器型であるこ
とを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザ光
発生装置。
【請求項７】光共振器は、第１反射手段と第２反射手
段との間で非線形光学結晶を通過する第１光伝搬軸と非
線形光学結晶を通過しない第２光伝搬軸とを含むリング
共振器型であることを特徴とする請求項１〜４の何れか
に記載のレーザ光発生装置。
【請求項８】光共振器がリング共振器型であって、基
本波レーザ光はそのアステグマが補正されるように非線
形光学結晶の光入出力面に対して斜め入射していること
を特徴とする請求項４、６または７記載のレーザ光発生
装置。
【請求項９】非線形光学結晶は、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀
（セシウムリチウムボーレート）で形成されていること
を特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のレーザ光発
生装置。
【請求項１０】非線形光学結晶は、ＢＢＯ（ベータほ
う酸バリウム結晶）で形成されていることを特徴とする
請求項１〜８の何れかに記載のレーザ光発生装置。