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JP2014032300A - Nonlinear wavelength conversion element - Google Patents

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JP2014032300A
JP2014032300A JP2012172659A JP2012172659A JP2014032300A JP 2014032300 A JP2014032300 A JP 2014032300A JP 2012172659 A JP2012172659 A JP 2012172659A JP 2012172659 A JP2012172659 A JP 2012172659A JP 2014032300 A JP2014032300 A JP 2014032300A
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Japan
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wavelength conversion
conversion element
wave
nonlinear
end cap
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Application number
JP2012172659A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuji Kaneda
有史 金田
Shoji Kiriyama
省二 切山
Naoya Oka
直哉 岡
Masayuki Morita
昌幸 森田
Yoshio Wada
芳夫 和田
Shinichi Nakanome
慎一 中野目
Shintaro Miyazawa
信太郎 宮澤
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Oxide Corp
Original Assignee
Oxide Corp
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Publication date
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the efficiency and service life of a light source by suppressing the optical damage of the emission end surface of a nonlinear wavelength conversion element.SOLUTION: An end cap 102 which comprises a crystal which is the same kind of nonlinear optical crystal and is slightly different in cut angle, and does not satisfy a phase matching condition, a crystal which does not have a secondary optical nonlinear shape, a crystal which has the same zenith angel and a different azimuth angle, etc., but does not contributes to wavelength conversion is joined to the emission end surface 104 of a nonlinear optical crystal 101, to avoid that the damage of an end surface caused by a harmonic wave causes an optical loss in a fundamental wave.

Description

本発明は非線形波長変換技術を用いたレーザ光源に関するものであり、その光源装置
の寿命を延伸する事に関する。
The present invention relates to a laser light source using a nonlinear wavelength conversion technique, and relates to extending the life of the light source device.

非線形光学結晶における非線形波長変換を用いたレーザ光源は近年盛んに産業応用がなされ、その信頼性が課題となっていた。本発明は、非線形光学結晶の出射端面に波長変換に貢献しないエンドキャップ材料を接合し、高調波による端面の損傷が基本波に対する光学損失となる事を回避する為の手段を提供するものである。 Laser light sources using nonlinear wavelength conversion in nonlinear optical crystals have been actively applied in recent years, and their reliability has been an issue. The present invention provides a means for joining an end cap material that does not contribute to wavelength conversion to the exit end face of a nonlinear optical crystal and avoiding damage to the end face due to harmonics resulting in optical loss with respect to the fundamental wave. .

非線形光学結晶における非線形波長変換を用いたレーザ光源の信頼性を制限しているものの一つにレーザ光を小さなスポットに絞って照射される非線形光学結晶の端面の損傷があるが、この損傷は大きな損傷ではなくとも特に共振器を用いた波長変換レーザ装置の場合には装置の効率を大幅に低下させている。 One of the limitations of the reliability of laser light sources using nonlinear wavelength conversion in nonlinear optical crystals is damage to the end face of the nonlinear optical crystal that is irradiated with the laser light focused to a small spot. Even in the case of a wavelength conversion laser device using a resonator, even if it is not damaged, the efficiency of the device is greatly reduced.

特に、赤外から可視域の基本波を用いて紫外光を発生させる応用においては光子エネルギの高い紫外光による損傷がより顕著となり、端面の損傷の多くの場合は紫外光によって引き起こされ、その端面における基本波(入力光)に対する光学損失が装置の性能低下の主因となる。 In particular, in applications where ultraviolet light is generated using fundamental waves in the infrared to visible range, damage due to ultraviolet light having a high photon energy becomes more prominent, and most of the end face damage is caused by ultraviolet light. The optical loss with respect to the fundamental wave (input light) in is the main cause of performance degradation of the apparatus.

又、紫外光と可視光が同時に端面に入射する事でより顕著に損傷が発生する事例も存在した。本発明は上記問題を解決し非線形波長変換レーザ光源の装置寿命を大幅に延伸することを目的とする。以下、従来のレーザ光源について説明する。 In addition, there were cases in which damage occurred more significantly when ultraviolet light and visible light were simultaneously incident on the end face. An object of the present invention is to solve the above problems and to greatly extend the device life of a nonlinear wavelength conversion laser light source. Hereinafter, a conventional laser light source will be described.

紫外域で用いる事の可能な非線形光学結晶の非線形光学定数は高々数pm/V程度であり、規格化変換効率は10―4/Wのオーダーである。すなわち1Wの高調波の出力を得るためには100Wの基本波の入力が必要である事を意味する。高い尖塔値を持つパルス光源の場合にはそれでも実用的な変換効率を得る事は可能であるが、連続波レーザ光源の場合には光共振器構造による基本波の増強が不可欠である。この増強のためには光共振器の光学損失が小さい事が不可欠であり、光学損失が増加し、増強率が低下してしまい変換効率が下がって高調波出力が低下してしまう事がレーザ光源装置の寿命を制限する。 The nonlinear optical constant of a nonlinear optical crystal that can be used in the ultraviolet region is at most about several pm / V, and the normalized conversion efficiency is on the order of 10 −4 / W. That is, in order to obtain a harmonic output of 1 W, it is necessary to input a fundamental wave of 100 W. In the case of a pulse light source having a high spire value, it is still possible to obtain practical conversion efficiency, but in the case of a continuous wave laser light source, it is essential to enhance the fundamental wave by an optical resonator structure. For this enhancement, it is essential that the optical loss of the optical resonator is small, the optical loss increases, the enhancement factor decreases, the conversion efficiency decreases, and the harmonic output decreases. Limit the life of the device.

US5027361:“Efficient laser harmonic generation employing a low-loss external opticalresonator”US5027361: “Efficient laser harmonic generation reducing a low-loss external opticalresonator”

W. J. Kozlovsky, C. D. Nabors, and R. L. Byer, "Efficientsecond harmonic generation of a diode-laser-pumped CW Nd:YAGlaser using monolithic MgO:LiNbO3 external resonant cavities,"IEEE Journal of Quantum Electronics QE-24, 913-919 (1988)W. J. Kozlovsky, C. D. Nabors, and R. L. Byer, "Efficientsecond harmonic generation of a diode-laser-pumped CW Nd: YAGlaser using monolithic MgO: LiNbO3 external resonant cavities," IEEE Journal of Quantum Electronics QE-24, 913-919 (1988)

波長変換レーザ装置、殊に図2にその構成例を示すような連続波のレーザ装置で光共振器を用いて効率よく高調波を発生させる装置において、本発明は基本波に対する共振器全体の光学損失を低く保つことを目的とする。
単一周波数の基本波1が入力結合ミラー105に入射し、一部が反射されて受光素子8に入る。受光素子8より誤差信号を生成し精密位置決め素子9に帰還する事で共振器を共振に保つ。入力結合ミラー105と高反射ミラー106で構成される共振器の中には数十倍から数百倍に増強された基本波のパワー6が循環する。この共振器内部に配され、共振効果により増強された基本波が入射する非線形波長変換素子7によって発生された高調波3は共振器ミラー106を透過または何らかの波長弁別素子によって分離され共振器の外へ取り出される。この増強の度合いは共振器内の光学損失とほぼ反比例の関係にあり、より高い度合いの増強のため、すなわち高い変換効率及び高い高調波出力のためには共振器の光学損失を低く保つ事が重要である。ところが、共振器内の強い光強度、それに合わせて高い光子エネルギを持つ高調波によって波長変換素子の端面が長時間の使用により徐々に損傷を受け、光学損失を増加させる事で高調波出力、変換効率が低下しレーザ光源装置の寿命を制限している。
In a wavelength conversion laser apparatus, particularly an apparatus that efficiently generates harmonics using an optical resonator in a continuous wave laser apparatus as shown in FIG. The goal is to keep losses low.
The fundamental wave 1 having a single frequency is incident on the input coupling mirror 105, and a part of the fundamental wave 1 is reflected and enters the light receiving element 8. By generating an error signal from the light receiving element 8 and returning it to the precision positioning element 9, the resonator is kept in resonance. In the resonator constituted by the input coupling mirror 105 and the high reflection mirror 106, the fundamental wave power 6 enhanced by several tens to several hundred times circulates. The harmonic wave 3 generated by the nonlinear wavelength conversion element 7 that is arranged inside the resonator and receives the fundamental wave enhanced by the resonance effect is transmitted through the resonator mirror 106 or separated by some wavelength discriminating element and separated from the resonator. Is taken out. The degree of this enhancement is almost inversely related to the optical loss in the resonator, and for higher degree of enhancement, i.e. for high conversion efficiency and high harmonic output, the optical loss of the resonator should be kept low. is important. However, the end face of the wavelength conversion element is gradually damaged by the long-time use due to the strong light intensity in the resonator and the harmonics with high photon energy accordingly, increasing the optical loss and converting the harmonics. The efficiency is reduced and the life of the laser light source device is limited.

図3には一般にウォークオフと呼ばれる複屈折の効果による基本波と高調波の強度分布の関係を示す。結晶内で異常光と呼ばれる偏光を持つ光線は波数ベクトルとポインティングベクトルが平行ではなく、波面法線とエネルギが伝搬する方向が異なる。この様子を示しているのが図3である。こうして得られる従来の図4に示すような光強度分布の場合、出射端面または出射端面上に施される反射防止コーティングが高調波または高調波と基本波が同時に存在することによって損傷し、基本波に対する光学損失が増加することがある。その増加した損失がわずか数%であっても光共振器の光学損失としては非常に大きく、波長変換レーザ装置にとっては改善の余地があった。従って、少なくとも基本波に対しての光学損失を増加させず、波長変換効率を低下させない手段が強く望まれており本発明では波長変換素子の出射端面にいて基本波と高調波を空間的に分離し、上記の問題の解決を図るものである。
FIG. 3 shows the relationship between the intensity distribution of the fundamental wave and the harmonic wave due to the birefringence effect generally called walk-off. A light beam having polarization called extraordinary light in a crystal has a wave vector and a pointing vector which are not parallel, and the wave front normal and the direction in which energy propagates are different. This is shown in FIG. In the case of the light intensity distribution as shown in FIG. 4 thus obtained, the output end face or the antireflection coating applied on the output end face is damaged by the presence of harmonics or harmonics and fundamental waves at the same time. May increase optical loss. Even if the increased loss is only a few percent, the optical loss of the optical resonator is very large, and there is room for improvement for the wavelength conversion laser device. Therefore, a means that does not increase the optical loss at least with respect to the fundamental wave and does not reduce the wavelength conversion efficiency is strongly desired. In the present invention, the fundamental wave and the harmonic are spatially separated at the output end face of the wavelength conversion element. Thus, the above problem is solved.

非線形結晶の端面に非線形波長変換に寄与しない媒質(エンドキャップ)を接合する。接合面は光学的に透明である必要があるため、エンドキャップは非線形結晶と出来るだけ近い屈折率を持つ事が必要である。また、熱膨張率など機械的特性も近いものである事が望ましい。実施例の一つではエンドキャップは非線形波長変換には寄与しないが複屈折は持ち、偏光の異なる高調波と基本波を空間的に遠ざける効果を持つ。従ってエンドキャップの出射面では基本波と高調波が空間的に分離されており、反射防止コーティングの施される端面では基本波と高調波が重ならない。非線形結晶の端面にはエンドキャップが接合され、反射防止コーティングはエンドキャップの出射端面に施される事で反射防止コーティングの損傷を防止するもしくは高調波による反射防止コーティングの損傷が基本波に対する光学損失とならないようにする。また、同じ目的でエンドキャップの出射端面は基本波に対してブリュスタ角となるように加工されていてもかまわない。
A medium (end cap) that does not contribute to nonlinear wavelength conversion is joined to the end face of the nonlinear crystal. Since the joint surface needs to be optically transparent, the end cap needs to have a refractive index as close as possible to the nonlinear crystal. Further, it is desirable that the mechanical properties such as the coefficient of thermal expansion are close. In one embodiment, the end cap does not contribute to nonlinear wavelength conversion but has birefringence, and has the effect of spatially separating harmonics and fundamental waves having different polarizations. Therefore, the fundamental wave and harmonics are spatially separated on the exit surface of the end cap, and the fundamental wave and harmonics do not overlap on the end surface on which the antireflection coating is applied. An end cap is bonded to the end face of the nonlinear crystal, and the anti-reflection coating is applied to the exit end face of the end cap to prevent damage to the anti-reflection coating, or damage to the anti-reflection coating due to harmonics causes optical loss with respect to the fundamental wave. Do not become. For the same purpose, the exit end face of the end cap may be processed so as to have a Brewster angle with respect to the fundamental wave.

本発明により高調波による端面の損傷で基本波の光学損失が増加することはなく、また、高調波と基本波の両方によって起こる端面の損傷は起こらなくなり、レーザ光源装置の寿命を大幅に延伸することが可能になる。
According to the present invention, the optical loss of the fundamental wave does not increase due to the damage of the end face due to the harmonics, and the end face damage caused by both the harmonics and the fundamental wave does not occur, thereby greatly extending the life of the laser light source device. It becomes possible.

エンドキャップ付き波長変換デバイスの構成図Configuration diagram of wavelength conversion device with end cap 共振器型波長変換器の概要Overview of resonator type wavelength converter 従来技術の複屈折性の結晶内で発生された高調波がウォークオフによって一方向に広がり扁平なビームとなって出射端面より出射する様子Harmonics generated in a conventional birefringent crystal spread in one direction by walk-off and emerge from the exit end face as a flat beam 従来技術の波長変換デバイス出射面における基本波と高調波のビームパターンFundamental and harmonic beam patterns on the exit surface of the wavelength conversion device of the prior art エンドキャップ付き波長変換デバイス出射端面における基本波と高調波のビームパターンWave pattern of fundamental wave and harmonic wave at the end face of wavelength conversion device with end cap エンドキャップ付き波長変換デバイス出射端面における基本波と高調波のビームパターンのエンドキャップのウォークオフ方向が非線形波長変換結晶のウォークオフ方向と90度異なる場合When the end-cap walk-off direction of the fundamental and harmonic beam patterns at the output end face of the wavelength conversion device with end cap is 90 degrees different from the walk-off direction of the nonlinear wavelength conversion crystal

1 基本波
2 残留(変換されずに残った)基本波
3 高調波
4 基本波の強度分布
5 高調波の強度分布
6 共振器入力結合ミラー
7 非線形波長変換素子
8 受光素子
9 精密位置決め素子
101 非線形光学結晶
102 エンドキャップ
103 入射端面
104 出射端面
105 共振器入力結合ミラー
106 高反射共振器ミラー
201 基本波の偏光(紙面に垂直)
202 高調波の偏光(紙面に平行)
301 基本波のビームパターンと位置
302 基本波のビームパターンと位置
303 エンドキャップが無い場合の高調波のビームパターンと位置
304 エンドキャップが無い場合の基本波のビームパターンと位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fundamental wave 2 Residual wave (remaining without conversion) 3 Harmonic wave 4 Fundamental wave intensity distribution 5 Harmonic wave intensity distribution 6 Resonator input coupling mirror 7 Nonlinear wavelength conversion element 8 Light receiving element 9 Precision positioning element 101 Nonlinear Optical crystal 102 End cap 103 Incoming end face 104 Outgoing end face 105 Resonator input coupling mirror 106 High reflection resonator mirror 201 Polarization of fundamental wave (perpendicular to the paper surface)
202 Harmonic polarization (parallel to the paper)
301 Fundamental beam pattern and position 302 Fundamental beam pattern and position 303 Harmonic beam pattern and position without end cap 304 Fundamental beam pattern and position without end cap

図1は非線形光学結晶とエンドキャップ材料が接合された波長変換素子と、ウォークオフの様子を示している。エンドキャップ材料は波長変換に寄与せず、且つウォークオフ効果を持つ。 FIG. 1 shows a wavelength conversion element in which a nonlinear optical crystal and an end cap material are joined, and a walk-off state. The end cap material does not contribute to wavelength conversion and has a walk-off effect.

例えば、βバリウムボレートが非線形光学結晶として用いられる場合には、波長変換に寄与しないエンドキャップ材料は、紫外線発生に用いられる事の多いβバリウムボレート(BBO)など、同種の非線形光学結晶のカット角がわずかに異なり位相整合条件を満たさないものであったり、二次の光学的非線形性を持たないαバリウムボレート(α−BBO)であってもよい。重要なのは非線形光学結晶とエンドキャップ材料の屈折率が大きく異ならないことである。これは接合面における残留反射を極力小さくすることを目的とする。 For example, when β-barium borate is used as a nonlinear optical crystal, the end cap material that does not contribute to wavelength conversion is a cut angle of the same kind of nonlinear optical crystal, such as β-barium borate (BBO), which is often used for ultraviolet generation. May be slightly different and may not satisfy the phase matching condition, or α-barium borate (α-BBO) having no second-order optical nonlinearity. What is important is that the refractive indexes of the nonlinear optical crystal and the end cap material do not differ greatly. This is intended to minimize the residual reflection at the joint surface.

その意味ではBBO結晶のカット角を変えても常光の屈折率は変わらないのでカット角の異なるBBOをエンドキャップ材料として用いることは理にかなっており、また、屈折率が同じで二次の光学的非線形性を持たないα−BBO結晶もまた好適なエンドキャップ材料といえる。 In that sense, even if the cut angle of the BBO crystal is changed, the refractive index of ordinary light does not change, so it makes sense to use BBO with a different cut angle as an end cap material, and the secondary index with the same refractive index. Α-BBO crystals that do not have mechanical nonlinearity are also suitable end cap materials.

さらに、天頂角θが同じ一軸性結晶のβ−BBOでも方位角φが30度異なると実効非線形光学定数がゼロになるのでエンドキャップ材料としても好適であると言える。この場合は双方の偏光に対して屈折率が全く同じであるばかりでなく、熱膨張係数などの機械的特性も全く同じになるのでエンドキャップ材料としては非常に好適である。 Further, even in the case of β-BBO of uniaxial crystal having the same zenith angle θ, if the azimuth angle φ is different by 30 degrees, the effective nonlinear optical constant becomes zero, so that it can be said to be suitable as an end cap material. In this case, not only the refractive index is exactly the same for both polarized light, but also the mechanical properties such as the thermal expansion coefficient are exactly the same, which is very suitable as an end cap material.

仮にエンドキャップが同じカット角のα−BBOであったり、方位角の異なるβ−BBOの場合には、例えば波長532nmの基本波から波長266nmの高調波を発生させる場合であれば、ウォークオフ角は非線形光学結晶を同じく、85mradである。典型的には基本波は非線形結晶に対してガウシアン半径約30から50ミクロンのビームに集光される。このサイズは共振型波長変換装置においては共振器の光学構成によって決定され、産業的にも十分な再現性が確保される。 If the end cap is α-BBO having the same cut angle or β-BBO having different azimuth angles, for example, if a harmonic wave having a wavelength of 266 nm is generated from a fundamental wave having a wavelength of 532 nm, the walk-off angle Is 85 mrad similarly for the nonlinear optical crystal. Typically, the fundamental is focused into a beam with a Gaussian radius of about 30 to 50 microns for a nonlinear crystal. This size is determined by the optical configuration of the resonator in the resonant wavelength converter, and sufficient reproducibility is ensured industrially.

しかるに、エンドキャップ材の厚みを適切に選択する事で高調波と基本波のビームがエンドキャップ出射端面上で重ならない、もしくはその重なりがきわめて小さいという状態を作り出す事が可能である。相対的なビームの移動量は厚みに比例し、たとえばウォークオフ角ρ、厚みtであれば異常光の平行移動量はρtとなる。 However, by appropriately selecting the thickness of the end cap material, it is possible to create a state in which the harmonic and fundamental wave beams do not overlap on the end cap emission end face or the overlap is extremely small. The relative movement amount of the beam is proportional to the thickness. For example, if the walk-off angle is ρ and the thickness is t, the parallel movement amount of the abnormal light is ρt.

上述のようにたとえば半径50ミクロンの基本波(入力光)の光路に影響を及ぼさないようにするために50から100ミクロン程度移動させればよいので、ρ=85mradである事からt=2mm前後でよい事になる。また、ビームの平行移動量をさらに大きくし、先の光学素子においてのビームの重なりを避けるためには適宜エンドキャップ材の厚みを適切に選択する事により対応が可能である。エンドキャップの出射端面には光学損失を低く保つために反射防止コーティングが施されてもかまわない。あるいは、その端面が基本波に対してブリュスタ入射となるように加工されていてもかまわない。施される反射防止コーティングは従来非線形光学結晶に直接施されていたものと同じコーティングであったり、あるいは無コートのブリュスタカットでも同様の表面処理であっても、高調波と基本波はエンドキャップ出射端面上では重なっていないため、高調波もしくは高調波と基本波の両方によって起こる端面もしくはコーティングの損傷は防ぐ事が出来るか、少なくとも基本波の光学損失を増加させる事はない。 As described above, for example, since it is necessary to move about 50 to 100 microns so as not to affect the optical path of the fundamental wave (input light) having a radius of 50 microns, since ρ = 85 mrad, t = 2 mm or so. It will be good. Further, in order to further increase the parallel movement amount of the beam and avoid the overlapping of the beams in the previous optical element, it is possible to cope with this by appropriately selecting the thickness of the end cap material. The exit end face of the end cap may be provided with an antireflection coating in order to keep the optical loss low. Alternatively, the end face may be processed so that the Brewster is incident on the fundamental wave. The anti-reflection coating applied is the same as that applied directly to the nonlinear optical crystal in the past, or the harmonics and fundamental wave are emitted from the end cap, regardless of whether it is an uncoated Brewster cut or similar surface treatment. Since there is no overlap on the end faces, damage to the end face or coating caused by harmonics or both harmonics and fundamental waves can be prevented or at least does not increase the optical loss of the fundamental.

非線形結晶とエンドキャップの接合はこの界面が光学的に透明であり、且つ強固である事が重要である。このためには材料の屈折率が大きく違わない事、また機械的特性が大きく異ならない事が重要である事は上記したが、接合法自体もこれらの特性を満たすために注意深く選択する必要がある。可能性のある方法としてはオプティカルコンタクト、表面活性化接合、キャピラリボンディング、ディフュージョンボンディング、融着、接着などが考えられる。 It is important that the interface between the nonlinear crystal and the end cap is optically transparent and strong. For this purpose, it is important that the refractive index of the material is not significantly different and that the mechanical properties are not significantly different. However, the bonding method itself must be carefully selected to satisfy these properties. . Possible methods include optical contact, surface activated bonding, capillary bonding, diffusion bonding, fusion, and adhesion.

上記の構成により、波長変換素子の出射端面では基本波と高調波の空間的な分離が実現する。このような構成では、まず、高調波と基本波が同時に照射する事で起こる端面もしくはコーティングの損傷は防止でき、また、高調波のみによって起こされる端面またはコーティングの損傷はその損傷痕が基本波のパスと重ならず、いずれの損傷の場合も基本波の光学損失を増加させる事は無い。これにより光学損傷の増加による変換効率の低下を抑止する事が出来、レーザ光源装置の寿命を延伸する事が可能になる。 With the configuration described above, spatial separation of the fundamental wave and the harmonic wave is realized on the emission end face of the wavelength conversion element. In such a configuration, damage to the end face or coating caused by simultaneous irradiation of harmonics and fundamental waves can be prevented, and damage to the end face or coating caused only by harmonics is caused by damage marks of the fundamental wave. It does not overlap with the path and does not increase the optical loss of the fundamental in any damage. Thereby, it is possible to suppress a decrease in conversion efficiency due to an increase in optical damage, and it is possible to extend the life of the laser light source device.

以下に本発明の実施例を示す。 Examples of the present invention are shown below.

本発明ではβバリウムボレート(BBO)を用いて波長532nmの基本波(入力光、グリーン光)から波長266nmの第二高調波(紫外光)を発生する場合を例に説明するが、本発明の範囲はこれに限られるわけではもちろん無く、広く一般的に適用可能である。効率よく第二高調波を発生させるためには位相整合条件を満たす、すなわち基本波と第二高調波の位相速度を等しくする必要があり、これはBBOでは自然複屈折を利用して達成される。具体的にはθ=47.5度の伝搬方向では波長532nmの常光と波長266nmの異常光の屈折率が等しくなり、波長266nmの第二高調波が効果的に発生される。BBO結晶の複屈折により波長266nmの異常光は約85mradのウォークオフを持ち、BBO結晶のC軸を含む平面内で常光として伝搬する波長532nmの常光から離れていく。
この過程の概念を図3に示す。結晶の全長に渡って発生する波長266nmの異常光は結果として扁平なパターンを持ち、エンドキャップを持たない波長変換素子の出射端面では図4に示すようなパターンとなる。これに対して、本発明では非線形波長変換素子は非線形光学結晶と、それに接合されたエンドキャップからなる。エンドキャップは波長変換に貢献しないがウォークオフにより紫外光とグリーン光を空間的に分離する効果を持つ。
In the present invention, the case where the second harmonic (ultraviolet light) with a wavelength of 266 nm is generated from the fundamental wave (input light, green light) with a wavelength of 532 nm using β-barium borate (BBO) will be described as an example. The range is of course not limited to this, and is widely applicable in general. In order to generate the second harmonic efficiently, it is necessary to satisfy the phase matching condition, that is, the phase velocity of the fundamental wave and the second harmonic are equal, and this is achieved by utilizing natural birefringence in BBO. . Specifically, in the propagation direction of θ = 47.5 degrees, the refractive indexes of ordinary light having a wavelength of 532 nm and extraordinary light having a wavelength of 266 nm are equal, and a second harmonic having a wavelength of 266 nm is effectively generated. Due to the birefringence of the BBO crystal, extraordinary light with a wavelength of 266 nm has a walk-off of about 85 mrad, and moves away from ordinary light with a wavelength of 532 nm that propagates as ordinary light in a plane including the C axis of the BBO crystal.
The concept of this process is shown in FIG. The extraordinary light having a wavelength of 266 nm generated over the entire length of the crystal has a flat pattern as a result, and a pattern as shown in FIG. 4 is formed on the emission end face of the wavelength conversion element having no end cap. On the other hand, in the present invention, the nonlinear wavelength conversion element includes a nonlinear optical crystal and an end cap joined thereto. The end cap does not contribute to wavelength conversion, but has the effect of spatially separating ultraviolet light and green light by walk-off.

図5は本発明の実施例の一つの場合の波長変換素子出射端面における基本波と高調波のビームパターンと位置を示している。エンドキャップの異常光の偏光方向は非線形波長変換結晶の異常光の偏光方向と同じであり、エンドキャップのウォークオフ方向は非線形結晶のウォークオフ方向と同じである。エンドキャップによって高調波は基本波の位置からそのビームパターンの長軸方向に相対的に、図中D=ρtで示される量だけ移動している。ここに、ρはエンドキャップ内の異常光のウォークオフ角、tはエンドキャップの厚みである。Dが基本波のビーム半径と同じ程度かそれより大きい場合、波長変換素子出射端面においては基本波と高調波は殆ど重ならず、端面、特に端面に施される反射防止コーティングの二波長共存による損傷を防ぐ事が出来る。また、高調波による端面もしくは無反射コーティングの損傷による光学損失は基本波に影響せず、基本波に対する光学損失は低く保つ事が出来る。 FIG. 5 shows the beam patterns and positions of the fundamental wave and the harmonic wave on the wavelength conversion element emission end face in one embodiment of the present invention. The polarization direction of the extraordinary light of the end cap is the same as the polarization direction of the extraordinary light of the nonlinear wavelength conversion crystal, and the walk-off direction of the end cap is the same as the walk-off direction of the nonlinear crystal. Due to the end cap, the harmonics move relative to the major axis direction of the beam pattern from the position of the fundamental wave by an amount indicated by D = ρt in the figure. Here, ρ is the walk-off angle of abnormal light in the end cap, and t is the thickness of the end cap. When D is approximately equal to or larger than the beam radius of the fundamental wave, the fundamental wave and the harmonics hardly overlap each other at the wavelength conversion element emission end face, and the two-wavelength coexistence of the antireflection coating applied to the end face, particularly the end face. Damage can be prevented. Further, the optical loss due to the damage of the end face or the antireflection coating due to the harmonic does not affect the fundamental wave, and the optical loss with respect to the fundamental wave can be kept low.

図6は本発明の別の実施例の波長変換素子出射端面における基本波と高調波のビームパターンと位置を示している。エンドキャップの異常光の偏光方向は非線形波長変換結晶の常光の偏光方向と同じであり、エンドキャップのウォークオフ方向は非線形結晶のウォークオフ方向と直交している。エンドキャップによって基本波は高調波の位置から高調波のビームパターンの短軸方向に相対的に、図中D=ρtで示される量だけ移動している。ここに、ρはエンドキャップ内の異常光のウォークオフ角、tはエンドキャップの厚みである。Dが基本波のビーム半径と同じ程度かそれより大きい場合、波長変換素子出射端面においては基本波と高調波は重ならず、端面、特に端面に施される反射防止コーティングの二波長共存による損傷を防ぐ事が出来る。また、高調波による端面もしくは無反射コーティングの損傷による光学損失は基本波に影響せず、基本波に対する光学損失は低く保つ事が出来る。 FIG. 6 shows beam patterns and positions of the fundamental wave and the harmonic wave at the wavelength conversion element emission end face of another embodiment of the present invention. The polarization direction of the extraordinary light of the end cap is the same as the polarization direction of the ordinary light of the nonlinear wavelength conversion crystal, and the walk-off direction of the end cap is orthogonal to the walk-off direction of the nonlinear crystal. The fundamental wave is moved by the end cap relative to the minor axis direction of the harmonic beam pattern from the harmonic position by an amount indicated by D = ρt in the figure. Here, ρ is the walk-off angle of abnormal light in the end cap, and t is the thickness of the end cap. When D is equal to or larger than the beam radius of the fundamental wave, the fundamental wave and the harmonic do not overlap at the output end face of the wavelength conversion element, and damage due to the coexistence of two wavelengths of the antireflection coating applied to the end face, particularly the end face. Can be prevented. Further, the optical loss due to the damage of the end face or the antireflection coating due to the harmonic does not affect the fundamental wave, and the optical loss with respect to the fundamental wave can be kept low.

Claims (18)

位相整合を満たし、波長λ1の入力波もしくは波長λ1とλ2の入力波が入射し波長λ1の第二高調波であるλ3または波長λ1とλ2の和周波であるλ4または差周波であるλ5を発生する非線形光学結晶と上記非線形光学結晶の出射端面に接合され、波長変換に寄与せず、非線形光学結晶の出射端面の損傷を防ぐことを目的とするエンドキャップ材料とからなる非線形波長変換素子 Satisfying phase matching, input wave of wavelength λ1 or input wave of wavelengths λ1 and λ2 is incident and generates λ3 which is the second harmonic of wavelength λ1, λ4 which is the sum frequency of wavelengths λ1 and λ2, or λ5 which is the difference frequency Non-linear wavelength conversion element comprising: a non-linear optical crystal that is bonded to an output end face of the non-linear optical crystal, and an end cap material that does not contribute to wavelength conversion and prevents damage to the output end face of the non-linear optical crystal 上記請求項1のエンドキャップは基本波(入力波)と高調波(出力波)を空間的に分離し、両方の波長が共存する事で引き起こされるレーザ損傷を防ぐ事を目的とするもの The end cap of claim 1 is intended to spatially separate the fundamental wave (input wave) and the harmonic wave (output wave) and prevent laser damage caused by the coexistence of both wavelengths. 上記請求項1のエンドキャップは基本波(入力波)と高調波(出力波)を空間的に分離し、高調波(出力波)によって引き起こされる端面の損傷が基本波(入力波)の光路に重ならず、基本波(入力波)の光学損失の増加を防ぐ事を目的とするもの The end cap according to claim 1 spatially separates the fundamental wave (input wave) and the harmonic wave (output wave), and end face damage caused by the harmonic wave (output wave) occurs in the optical path of the fundamental wave (input wave). The purpose is to prevent the optical loss of the fundamental wave (input wave) from increasing without overlapping 上記請求項1の非線形光学結晶とエンドキャップ材料は、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、キャピラリボンディング、ディフュージョンボンディング融着、透明度の高い接着剤のいずれかによって接合されている事を特徴とする非線形波長変換素子 The nonlinear optical crystal according to claim 1 and the end cap material are bonded by any one of optical contact, surface activation bonding, capillary bonding, diffusion bonding fusion, and a highly transparent adhesive. Conversion element 上記請求項1のエンドキャップ材料が複屈折を持ち、偏光の異なる入力波λ1/2と出力波λ3/4/5を空間的に分離する事を特徴とする請求項1の波長変換素子 2. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the end cap material of claim 1 has birefringence and spatially separates the input wave λ1 / 2 and the output wave λ3 / 4/5 having different polarizations. 上記請求項5のエンドキャップ材料の厚みが、複屈折効果による入力波と出力波の空間的分離が基本波のビーム半径の2倍以上となる事を特徴とする請求項4の波長変換素子 6. The wavelength conversion element according to claim 4, wherein the thickness of the end cap material according to claim 5 is such that the spatial separation of the input wave and the output wave due to the birefringence effect is at least twice the beam radius of the fundamental wave. 上記請求項5のエンドキャップ材料の厚みが、複屈折効果による入力波と出力波の空間的分離が出力波を入力波から分離する波長弁別素子上における入力波のビーム半径の2倍以上となる事を特徴とする請求項4の波長変換素子 The thickness of the end cap material according to claim 5 is more than twice the beam radius of the input wave on the wavelength discriminating element on which the spatial separation of the input wave and the output wave due to the birefringence effect separates the output wave from the input wave. The wavelength conversion element according to claim 4, 上記請求項5のエンドキャップ材料の偏光軸が非線形光学結晶のそれに対して1度以内に調整されて接合されている事を特徴とする波長変換素子 6. The wavelength conversion element according to claim 5, wherein the polarization axis of the end cap material is bonded to the nonlinear optical crystal within one degree. 上記請求項1の非線形波長変換素子の出射端面に反射防止コーティングが施されている事を特徴とする非線形波長変換素子 A non-linear wavelength conversion element characterized in that an antireflection coating is applied to the output end face of the non-linear wavelength conversion element of claim 1 上記請求項1の非線形波長変換素子の出射端面は基本波に対してブリュスタ角となり、反射損失を小さくするように加工されている事と特徴とする非線形波長変換素子 The nonlinear wavelength conversion element according to claim 1, wherein the output end face of the nonlinear wavelength conversion element has a Brewster angle with respect to the fundamental wave and is processed so as to reduce reflection loss. 上記請求項1の非線形光学結晶とエンドキャップ材料の入力波の波長と偏光に対する屈折率の差が少なく、R=((n1−n2)/(n1+n2))^2で表される界面の反射率が0.1%以下となるように選ばれている事と特徴とする非線形波長変換素子 The reflectance of the interface represented by R = ((n1-n2) / (n1 + n2)) ^ 2 is small in the difference in refractive index with respect to the wavelength and polarization of the input wave between the nonlinear optical crystal and the end cap material of claim 1 Nonlinear wavelength conversion element characterized by being selected to be 0.1% or less 上記請求項1の非線形光学結晶がβバリウムボレートである事を特徴とする非線形波長変換素子 2. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 1, wherein the nonlinear optical crystal is β barium borate. 上記請求項12の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がβバリウムボレートであり、カット角を変える事で位相整合条件を満たさなくした事を特徴とする非線形波長変換素子 13. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 12, wherein the end cap material is β barium borate, and the phase matching condition is not satisfied by changing the cut angle. 上記請求項12の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がαバリウムボレートである事を特徴とする非線形波長変換素子 13. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 12, wherein the end cap material is α barium borate. 上記請求項12の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がほぼ同じ天頂角θ(±5度)でカットされたβバリウムボレートであるが、方位角φが非線形光学結晶のそれと30度(±5度)異なっており(φの絶対値に関しては座標の取り方によって複数の定義のしかたがあり、ここでは絶対値は議論しない)実効非線形定数がゼロとなっていて、面内の熱膨張係数などの機械的特性が整合していながら、波長変換には寄与しない事を特徴とする非線形波長変換素子 13. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 12, wherein the end cap material is β barium borate cut at substantially the same zenith angle θ (± 5 degrees), but the azimuth angle φ is 30 degrees (± 5) with that of the nonlinear optical crystal. Degrees) are different (the absolute value of φ can be defined in multiple ways depending on the coordinates, and the absolute value is not discussed here), the effective nonlinear constant is zero, the thermal expansion coefficient in the surface, etc. Non-linear wavelength conversion element characterized in that it does not contribute to wavelength conversion while matching the mechanical characteristics of 上記請求項1の非線形光学結晶がセシウムリチウムボレート(CLBO)である事を特徴とする非線形波長変換素子 2. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 1, wherein the nonlinear optical crystal is cesium lithium borate (CLBO). 上記請求項16の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がCLBOであり、カット角を変える事で位相整合条件を満たさなくした事を特徴とする非線形波長変換素子 17. The nonlinear wavelength conversion element according to claim 16, wherein the end cap material is CLBO, and the phase matching condition is not satisfied by changing the cut angle. 上記請求項16の非線形波長変換素子で、エンドキャップ材料がほぼ同じ天頂角θ(±5度)でカットされたCLBOであるが、方位角φが非線形光学結晶のそれと45度(±5度)異なっており、実効非線形定数がゼロとなっていて、面内の熱膨張係数などの機械的特性が整合していながら、波長変換には寄与しない事を特徴とする非線形波長変換素子。



The nonlinear wavelength conversion element according to claim 16, wherein the end cap material is CLBO cut at substantially the same zenith angle θ (± 5 degrees), but the azimuth angle φ is 45 degrees (± 5 degrees) with that of the nonlinear optical crystal. A non-linear wavelength conversion element that is different, has an effective non-linear constant of zero, does not contribute to wavelength conversion while matching in-plane thermal expansion coefficient and other mechanical characteristics.



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