JP3758977B2 - Nonlinear optical crystal and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、非線形光学結晶とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、全固体紫外レーザー光源等として有用で、高出力のレーザー光を入射させた場合でも、高効率で波長変換が可能な新規な非線形光学結晶とその製造方法、並びに波長変換素子(装置)、さらには全固体レーザー光源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
高強度のレーザー光を非線形光学結晶に入射すると、レーザーによる強電場における非線形光学効果によって入射光の2倍や3倍等の周波数を持つ光が結晶から発生する。これが非線形光学効果を利用した波長変換であり、位相整合と呼ばれる条件を満足するように光を入射することで高効率な波長変換を行うことができる。この位相整合条件は結晶の組成と温度により決定するため、非線形光学結晶としては組成が均一であることが必要とされている。
【0003】
そして近年、光リソグラフィや高密度多層基板の加工、DVDディスクのマスタリング、光造形、レーザー治療やDNA解析等といった多くの産業および医療分野でコヒーレント紫外光源の需要が高まっており、それと同時に、装置が小型で操作が容易、維持費が安い、長寿命といった特長を持つ固体レーザーと非線形光学結晶を組み合わせた全固体紫外レーザー光源が注目されてきている。より高出力の紫外レーザー光を発生させるには、高出力でビーム品質の高い、いわゆる高輝度の基本波光源と、入射光を高効率で変換する高品質の非線形光学結晶が必要とされる。
【0004】
しかしながら、従来の非線形光学結晶は、高強度のレーザー光を入射すると波長変換した紫外光を吸収して紫外光出口付近の結晶温度が上昇(自己加熱という)し、結晶に温度分布ができるため位相整合条件がずれ、波長変換効率が低下するといった問題がある。この現象に対して窒素ガス吹き付けによる結晶冷却等の対策が講じられているが、波長変換効率の顕著な改善は見られていない。
【0005】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、全固体紫外レーザー光源等として有用で、高出力のレーザー光を入射させた場合でも、高効率での波長変換が可能であって、しかも出力の安定性にも優れた新規な非線形光学結晶とその製造方法を提供すること、さらにはこの非線形光学結晶を用いた波長変換素子・装置と、全固体レーザー光源装置をも提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【0007】
すなわち、まず第1には、この出願の発明は、混晶の非線形光学結晶であって、結晶の組成が、入射光吸収により生じる結晶内の温度分布に対応し、位相整合条件を満たす方向に変化されていることを特徴とする非線形光学結晶を提供する。
【0008】
そしてこの出願の発明は、第2には、上記第1の発明について、非線形光学結晶が、一般組成式として、
MXY1-XCa4O(BO3)3
(式中のMは希土類元素を示し、0<X<1であることを示す)
で表されるものであることを特徴とする非線形光学結晶を提供し、第3には、上記希土類元素が、ガドリニウム(Gd)、ランタン(La)、またはルテシウム(Lu)であることを特徴とする非線形光学結晶を提供する。
【0009】
さらにこの出願の発明は、第4には、上記の発明の非線形光学結晶の製造方法であって、混晶の非線形光学結晶を育成するにあたり、結晶育成条件を制御して結晶組成を変化させることを特徴とする非線形光学結晶の製造方法を、第5には、結晶育成速度を制御することで結晶組成を変化させることを特徴とする非線形光学結晶の製造方法を、第6には、結晶育成温度を制御することで結晶組成を変化させることを特徴とする非線形光学結晶の製造方法を提供する。
【0010】
そして、この出願の発明は、第7には、前記の非線形光学結晶による波長変換素子を、第8には、この素子を組込んだ波長変換装置を、第9には、固体レーザー装置と組合わせた全固体レーザー光源装置をも提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0012】
まず、この出願の発明が提供する非線形光学結晶は、混晶の非線形光学結晶であって、結晶の組成が、入射光吸収により生じる結晶内の温度分布に対応する組成を有し、位相整合条件を満たす方向に変化されていることを特徴としている。公知の非線形光学結晶の場合は組成をなるべく均一にすることで位相整合条件を一定にしていることから、育成条件の微妙な変化により結晶成分の組成比が容易に変化する混晶を非線形光学結晶として用いる場合には、例えば組成変化のないように育成速度をできるだけ速くする等して均一な組成を有する結晶を育成するようにしている。一方、この出願の発明の場合には、混晶が育成条件により結晶成分の組成を変えられることに注目し、結晶の自己加熱による位相整合条件のずれを結晶の組成を変化させることで補うようにして、波長変換効率の低下を防ぐものである。組成が均一ではなく、意図して連続的に変化された非線形光学結晶は今までに全く考えられなかったものであり、この出願の発明によって初めて提案されるものである。
【0013】
混晶である非線形光学結晶としては、たとえば、MXY1-XCa4O(BO3)3(式中、Mは希土類元素を示し、0<X<1を示す)等を考慮することができる。前記のMXY1-XCa4O(BO3)3で表される組成式において、M:希土類元素が、ガドリウム(Gd)、ランタン(La)、ルテシウム(Lu)等である、GdXY1-XCa4O(BO3)3:GdYCOB、La X Y1-XCa4O(BO3)3:LaYCOB、LuXY1-XCa4O(BO3)3:LuYCOB等が好適なものとして考慮される。なかでも、GdYCOBは有用であって、ガラスと同程度の硬度を有し潮解性を全く持たず熱膨張の異方性も小さいため、例えば他のボレート系材料と比較して、切断、研磨加工、素子としての取扱いが極めて容易であることから、好適な例として示すことができる。なお、これらの非線形光学結晶、たとえば、GdYCOBは、GdCa4O(BO3)3:GdCOBとYCa4O(BO3)3:YCOBから構成される混晶である。
【0014】
上記のような組成において、係数:Xは、波長と温度の少なくともいずれかに依存することから、適用するレーザー光によって相違することになる。
たとえば、前記GdYCOBにおいては、Ti:サファイアレーザーの第2高調波である波長360〜420mm/室温(この値も温度により若干変化する)の発生に利用する場合には、係数Xは、波長と温度に依存するので、0<X<1の範囲となる。一方、Nd:YAGレーザーの第3高調波発生の場合は、係数Xは温度に依存し、0.20<X<0.30程度となる。
【0015】
そしてこの出願の発明において、非線形光学結晶の組成は、レーザー等の入射光の吸収により生じる結晶の温度分布に対応する組成を有し、位相整合条件を満たす方向に変化している。より具体的に、非線形光学結晶の入射光吸収による温度分布を図1(a)に模式的に示した。図1(a)で、たとえば、非線形光学結晶(1)の端面からレーザー光等を入射させると、入射光(2)は波長変換されて紫外光(3)となって反対面から出射する。入射光(2)の強度が強い場合には、非線形光学結晶(1)は波長変換した紫外光(3)を吸収して自己加熱するため結晶(1)内の入射光路部(4)の温度が上昇する。また、入射光路部(4)は紫外光(3)の通過量が多くなる出射端面側ほど高温となる。そして伝熱により結晶の入射光路部(4)周辺の温度も上昇する。ここで結晶の温度上昇部(5)の位相整合条件は上昇温度に応じて変化するため、元の位相整合条件からずれたものとなる。
【0016】
図1(b)に入射光路部(4)の温度分布を入射端面との温度差として例示した。入射光路部(4)の位相整合条件は、元の位相整合条件からこの温度分布と同様にずれていることになる。そこでこの出願の発明では非線形光学結晶の組成を、自己加熱による温度分布に対応する組成を有し、位相整合条件を満たすように変化させている。このような組成変化は、たとえば混晶を構成する成分をAおよびBとすると、温度勾配(分布)に沿って、相対的に、つまり、形態として同一ないしほぼ同一の類似のものとして、成分AおよびBの一方の濃度を「高から低へ」、他の一方の濃度を「低から高へ」変化させることにより実現される。この成分分布は、成分AおよびBを含有したときの混晶の複屈折率により決定することができ、温度分布が高温になるにつれて、より複屈折率の低い方の成分の濃度を「高から低へ」、より複屈折率の高い方の成分の濃度を「低から高へ」変化させることで、位相整合条件を満たすことができる。
【0017】
さらに具体的に、MYCOB結晶(M:希土類元素)において、たとえば、希土類元素(M)がLa,Gd,Luの場合を考える。これらの希土類元素(M):La,Gd,Luを含有するMCOB結晶と、Yを含有するYCOB結晶の複屈折率の関係は、含有する元素により、La<Gd<Y<Luの順で高くなる。従って、LaYCOBあるいはGdYCOBの混晶を作製するときは、図1(a)(b)に対応して、結晶の温度分布が高くなるにつれてLa濃度あるいはGd濃度を「高から低へ」、Y濃度を「低から高へ」変化させればよい。反対に、LuYCOBの混晶を作製するときは、結晶の温度分布が高くなるにつれてY濃度を「高から低へ」、Lu濃度を「低から高へ」変化させればよいことになる。
【0018】
組成変化させる範囲は、結晶中の入射光路部を含む範囲とする。例えば、GdYCOB結晶中のGd濃度分布だけを考えたとき、図2(a)のように結晶全体のGd濃度分布と温度分布とを同分布にしてもよいし、(b)に示したように結晶中の入射光路部のGd濃度分布と温度分布を同分布にしてもよい。ただし、(b)のような場合は、混晶中の屈折率が同じ点を結んでできる等屈折率面と、位相整合方向(入射光路)とが直交するように濃度分布をもたせることが必要である。位相整合方向(入射光路)に対して等屈折率面が斜めになっていると、レーザーは屈曲してしまう。ちなみに、通常は、図2(a)のように、結晶全体のGd濃度分布を変化させる手段が妥当である。
【0019】
そして、以上のような組成変化における係数Xの決定については、まず、出力に対して生じる温度分布を見積り、次いで、温度勾配(分布)に対応する組成、すなわち係数Xの範囲を決めることができる。そして、結晶が所望の組成分布を持つように、育成条件を調整する。その際には、非線形光学結晶の種類や、大きさ、使用するレーザーの種類やその強度等を考慮することになる。このように非線形光学結晶の組成を変化させることで、たとえば、GdYCOB結晶の複屈折率を、波長1064nmで、GdCOBの複屈折率0.033とYCOBの複屈折率0.041の間で変化でき、位相整合条件も制御できる。
【0020】
これにより、非線形光学結晶が自己加熱しても結晶内で位相整合条件がずれることなく、高効率で波長変換できる非線形光学結晶が実現される。
この出願の発明の非線形光学結晶は、その結晶育成中に育成条件を制御して結晶組成を変化させることで製造することができる。非線形光学結晶の育成方法としては、例えば、Cz法(チョクラルスキー法)、フラックス法、トップシーディッドソリューショングロース(Top Seeded Solution Growth: TSSG)法等の、従来より知られている各種の結晶製造方法を利用することができる。制御する条件としては、育成速度(引き上げ速度)や育成温度、引き上げ回転速度等を例示することができ、これらの条件は2種以上を組み合わせて制御してもよい。
【0021】
たとえば、GdYCOB結晶を融液からCz法により育成する場合には、育成速度を一定にしてもGdとYの組成比が変化し、その変化の割合は育成速度によって違ってくる。もちろん、結晶育成中に育成速度を変化させることでも結晶の組成比は違ってくる。これはGd3+イオン(イオン半径0.938Å)とY3+イオン(イオン半径0.900Å)ではイオン半径差により偏析係数が異なることに依存している。また、結晶育成中の育成温度についても、育成速度および偏析係数が温度に依存することから、これを変化させることでもGdYCOB結晶のGdとYの組成比は変化してくる。これはGdCOBとYCOBでは育成温度が異なることに依存している。したがって、これら育成速度(引き上げ速度)や育成温度等の育成条件を適切に制御することで、GdとYの組成比を所望の勾配で変化させたGdYCOB結晶を得ることができる。
【0022】
混晶系の非線形光学結晶の多くの物性は組成によって連続的に変化するので、位相整合条件に影響を及ぼす各種物性パラメータ値を制御することによって、所望の位相整合条件を保つようにしている。
【0023】
そこで以下に実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【0024】
【実施例】
<A> GdYCOB結晶を誘導加熱型Cz法により融液から育成した。育成条件は、結晶引き上げ速度および回転速度をそれぞれ、(a)1mm/h,10rpm、(b)2mm/h,15rpm、(c)4mm/h,10rpmの3通りとして、割れのないGdYCOB結晶(a)(b)(c)を得ることができた。
【0025】
これらの結晶中の組成を分析し、その結果を図3に示した。図3は、種結晶からの成長長さとGd濃度との関係を示している。結晶(a)は長さ方向120mmの間でGd濃度がおよそ25.9%から28.5%にまで大きく変化されていることが分かった。結晶(c)のGd濃度は約26%で、組成の変動は0.5%以下でほぼ均一であった。結晶(b)の組成変動は結晶(a)と結晶(c)の間であったが、成長初期のGd濃度が結晶(a)(c)に比べて低かった。このように、結晶引き上げ速度や回転速度を制御することで、結晶の組成を様々に変化できることが示された。
<B> GdYCOB結晶の温度−位相整合特性および組成−位相整合特性から、Nd:YAGレーザーの第3高調波発生の場合は、GdXY1-XCa4O(BO3)3の係数Xは温度分布に依存し、0.20<X<0.28程度の範囲に見積もられた。このことから、上記の<A>において育成したGdYCOB結晶(a)を15mmに切断して研磨し、研磨面より基本波(Nd:YAGレーザー)を入射させ、発生する紫外レーザーの最大平均出力を測定した。なお、基本波の出力は3.5〜10Wで変化させ、紫外レーザーの出力は1/3波長(355nm)のものを測定した。
【0026】
図4は、紫外レーザーの最大平均出力の測定結果を示したものである。図2のように、組成勾配と温度分布傾向を一致させて、Gd濃度の高い側の研磨面から入射した場合には、出力は、図4の(a)のように入力に対して顕著に上昇することが確認された。
【0027】
一方、入出射の向きを反転させて、Gd濃度の低い側の研磨面から入射した場合には、レーザー入射した直後は、図4の(b)のような出力特性を示したが、結晶内部が自己加熱によって位相整合条件からずれるため、(a’)のように出力が低下した。すると自己加熱の程度も低減されるため(b)の特性になるが、その後、(b)と(a’)の間を移動した。
【0028】
このように、組成勾配と結晶の自己加熱による温度分布の方向を対応させると、効率よく紫外光を発生させることがきることと、この対応を逆にすると、効率が低下するだけでなく、レーザー出力が不安定になることが確認された。
【0029】
以上のことから、結晶の組成を入射光吸収により生じる結晶内の温度分布に対応させて位相整合条件を満たす方向に変化されている非線形光学結晶を用いることで、高効率で波長変換可能なことが示された。また、出力も安定したものとなる。
【0030】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0031】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、全固体紫外レーザー光源等として有用で、高出力のレーザー光を入射させた場合でも、高効率で波長変換が可能で、安定した出力が得られる、新規な非線形光学結晶とその製造方法が提供される。そして、この非線形光学結晶によって、優れた特性の波長変換素子・装置と、固体レーザーとの組合わせによる全固体紫外レーザー光源装置も提供されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は非線形光学結晶の入射光吸収による自己加熱の様子を例示した模式図であり、(b)はその入射光路部の温度分布を例示した図である。
【図2】(a)(b)はこの出願の発明におけるGdYCOB結晶中のGd濃度分布を例示した概念図である。
【図3】実施例において得られたGdYCOB結晶(a)(b)(c)の成長長さとGd濃度との関係を例示した図である。
【図4】GdYCOB結晶にNd:YAGレーザーを入射させたときに発生する紫外レーザーの最大平均出力の測定結果を例示した図である。
【符号の説明】
1 非線形光学結晶
2 入射光
3 紫外光
4 入射光路
5 温度上昇部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a nonlinear optical crystal and a manufacturing method thereof. More specifically, the invention of this application is useful as an all-solid-state ultraviolet laser light source and the like, and a novel nonlinear optical crystal capable of wavelength conversion with high efficiency even when high-power laser light is incident and a method for producing the same, In addition, the present invention relates to a wavelength conversion element (device), and further to an all-solid-state laser light source device.
[0002]
[Prior art and its problems]
When the incident laser beam of a high intensity non-line-shaped optical crystal, light having a frequency twice or three times, etc. of the incident light by the non-linear optical effects in the strong electric field by the laser is generated from the crystal. This is the wavelength conversion using nonlinear optical effect, it is possible to perform highly efficient wavelength conversion by incident light so as to satisfy a condition called phase matching. The phase matching condition is to determine the composition and temperature of the crystal, there is a need that as the nonlinear optical crystal is uniform in composition.
[0003]
In recent years, the demand for coherent ultraviolet light sources has increased in many industrial and medical fields, such as optical lithography, high-density multilayer substrate processing, DVD disk mastering, stereolithography, laser therapy, and DNA analysis. An all-solid-state ultraviolet laser light source that combines a solid-state laser and a nonlinear optical crystal with features such as small size, easy operation, low maintenance cost, and long life has been attracting attention. More generates ultraviolet laser light having a high output, high beam quality at high power, is a fundamental wave light source of so-called high intensity, it requires high-quality non-linear optical crystal for converting an incident light with high efficiency The
[0004]
However, conventional nonlinear optical crystals absorb wavelength-converted ultraviolet light when high-intensity laser light is incident, and the crystal temperature near the ultraviolet light exit rises (referred to as self-heating), resulting in a temperature distribution in the crystal. There is a problem that the matching condition is shifted and the wavelength conversion efficiency is lowered. Measures such as crystal cooling by blowing nitrogen gas have been taken against this phenomenon, but no significant improvement in wavelength conversion efficiency has been observed.
[0005]
Therefore, the invention of this application was made in view of the circumstances as described above, solved the problems of the prior art, useful as an all-solid-state ultraviolet laser light source, etc., and made high-power laser light incident. Even in such a case, it is possible to provide a novel nonlinear optical crystal capable of wavelength conversion with high efficiency and excellent output stability, and a method for manufacturing the same, and a wavelength conversion element using the nonlinear optical crystal. -It is an object to provide an apparatus and an all-solid-state laser light source apparatus.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the invention of this application provides the following invention as a solution to the above-mentioned problems.
[0007]
That is, first of all, the invention of this application is a mixed crystal nonlinear optical crystal, in which the composition of the crystal corresponds to the temperature distribution in the crystal caused by incident light absorption and satisfies the phase matching condition. Provided is a nonlinear optical crystal characterized by being changed.
[0008]
And in the second aspect of the present invention, in the second aspect of the first invention, the nonlinear optical crystal has a general composition formula:
M X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3
(M in the formula represents a rare earth element, and 0 <X <1)
And thirdly, the rare earth element is gadolinium (Gd), lanthanum (La), or lutesium (Lu). A nonlinear optical crystal is provided.
[0009]
Furthermore, the invention of this application is fourthly the method of manufacturing a nonlinear optical crystal according to the above invention, wherein the crystal composition is changed by controlling the crystal growth conditions when growing the nonlinear optical crystal of mixed crystal. A method for manufacturing a nonlinear optical crystal characterized by the following: fifth, a method for manufacturing a nonlinear optical crystal characterized by changing the crystal composition by controlling the crystal growth rate; and sixth, a crystal growth Provided is a method for producing a nonlinear optical crystal, characterized in that the crystal composition is changed by controlling the temperature.
[0010]
The invention of this application is, in the seventh aspect, a wavelength conversion element using the above-mentioned nonlinear optical crystal, an eighth, a wavelength conversion apparatus incorporating this element, and a ninth, a solid-state laser apparatus. A combined all-solid-state laser light source device is also provided.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0012]
First, the nonlinear optical crystal provided by the invention of this application is a mixed-crystal nonlinear optical crystal, the composition of the crystal having a composition corresponding to the temperature distribution in the crystal caused by incident light absorption, and the phase matching condition It is characterized by being changed in the direction to satisfy. In the case of a known nonlinear optical crystal, the phase matching condition is made constant by making the composition as uniform as possible. Therefore, a mixed crystal in which the composition ratio of crystal components easily changes due to a slight change in the growth condition is used as a nonlinear optical crystal. When used as a crystal, a crystal having a uniform composition is grown, for example, by increasing the growth rate as much as possible so as not to change the composition. On the other hand, in the case of the invention of this application, attention is paid to the fact that the mixed crystal can change the composition of the crystal component depending on the growth condition, and the deviation of the phase matching condition due to the self-heating of the crystal is compensated by changing the composition of the crystal. Thus, a decrease in wavelength conversion efficiency is prevented. A nonlinear optical crystal whose composition is not uniform and has been intentionally continuously changed has never been considered before, and is proposed for the first time by the invention of this application.
[0013]
As the nonlinear optical crystal that is a mixed crystal, for example, M X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 (wherein M represents a rare earth element and 0 <X <1) is considered. Can do. In the composition formula represented by the above-mentioned M X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 , M: the rare earth element is Gd X (Gd), lanthanum (La), lutesium (Lu), etc. Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 : G d YCOB, La X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 : LaYCOB, Lu X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 : LuYCOB Etc. are considered as preferred. Among them, GdYCOB is useful, has the same degree of hardness as glass, has no deliquescence, and has little thermal expansion anisotropy. For example, it is cut and polished compared to other borate materials. Since it is extremely easy to handle as an element, it can be shown as a preferred example. These nonlinear optical crystals, for example, GdYCOB, are mixed crystals composed of GdCa 4 O (BO 3 ) 3 : GdCOB and YCa 4 O (BO 3 ) 3 : YCOB.
[0014]
In the composition as described above, the coefficient X depends on at least one of the wavelength and the temperature, and therefore differs depending on the applied laser beam.
For example, in the GdYCOB, when used to generate a wavelength of 360 to 420 mm / room temperature (this value also varies slightly depending on the temperature), which is the second harmonic of a Ti: sapphire laser, the coefficient X is the wavelength and temperature. Therefore, the range is 0 <X <1. On the other hand, in the case of the third harmonic generation of the Nd: YAG laser, the coefficient X depends on the temperature and is about 0.20 <X <0.30.
[0015]
In the invention of this application, the composition of the nonlinear optical crystal has a composition corresponding to the temperature distribution of the crystal generated by absorption of incident light such as a laser, and changes in a direction satisfying the phase matching condition. More specifically, FIG. 1A schematically shows the temperature distribution due to incident light absorption of the nonlinear optical crystal. In FIG. 1A, for example, when laser light or the like is incident from the end face of the nonlinear optical crystal (1), the incident light (2) is wavelength-converted to become ultraviolet light (3) and is emitted from the opposite surface. When the intensity of the incident light (2) is strong, the nonlinear optical crystal (1) absorbs the wavelength-converted ultraviolet light (3) and self-heats, so that the temperature of the incident optical path (4) in the crystal (1) is increased. Rises. In addition, the incident optical path portion (4) becomes higher in temperature toward the emission end face side where the passing amount of the ultraviolet light (3) increases. The temperature around the incident light path (4) of the crystal also rises due to heat transfer. Here, since the phase matching condition of the temperature rising portion (5) of the crystal changes in accordance with the rising temperature, it deviates from the original phase matching condition.
[0016]
FIG. 1B illustrates the temperature distribution of the incident optical path portion (4) as a temperature difference from the incident end face. The phase matching condition of the incident optical path portion (4) is deviated from the original phase matching condition in the same manner as this temperature distribution. Therefore, in the invention of this application, the composition of the nonlinear optical crystal is changed so as to have a composition corresponding to the temperature distribution by self-heating and satisfy the phase matching condition. For example, if the components constituting the mixed crystal are A and B, the composition change is relatively similar to the component A along the temperature gradient (distribution), that is, the same or almost the same as the form. It is realized by changing one concentration of B and B from “high to low” and changing the other concentration from “low to high”. This component distribution can be determined by the birefringence of the mixed crystal when components A and B are contained. As the temperature distribution becomes higher, the concentration of the component having the lower birefringence is increased from “high”. By changing the concentration of the component having the higher birefringence to “low” and “from low to high”, the phase matching condition can be satisfied.
[0017]
More specifically, in the MYCOB crystal (M: rare earth element), for example, the case where the rare earth element (M) is La, Gd, or Lu is considered. The relationship between the birefringence of the MCOB crystal containing these rare earth elements (M): La, Gd, and Lu and the YCOB crystal containing Y is higher in the order of La <Gd <Y <Lu depending on the contained elements. Become. Therefore, when producing a mixed crystal of LaYCOB or GdYCOB, the La concentration or Gd concentration is changed from “high to low” as the crystal temperature distribution increases, corresponding to FIGS. 1A and 1B. Can be changed from “low to high”. On the other hand, when producing a mixed crystal of LuYCOB, it is only necessary to change the Y concentration from “high to low” and the Lu concentration from “low to high” as the temperature distribution of the crystal increases.
[0018]
The range in which the composition is changed is a range including the incident optical path portion in the crystal. For example, when considering only the Gd concentration distribution in the GdYCOB crystal, the Gd concentration distribution and the temperature distribution of the entire crystal may be the same distribution as shown in FIG. 2A, or as shown in FIG. The Gd concentration distribution and the temperature distribution of the incident optical path in the crystal may be the same distribution. However, in the case of (b), it is necessary to provide a concentration distribution so that the equal refractive index surface formed by connecting the same refractive index in the mixed crystal and the phase matching direction (incident optical path) are orthogonal to each other. It is. If the equal refractive index surface is inclined with respect to the phase matching direction (incident optical path), the laser is bent. Incidentally, a means for changing the Gd concentration distribution of the entire crystal as shown in FIG. 2A is appropriate.
[0019]
In determining the coefficient X in the composition change as described above, first, the temperature distribution generated with respect to the output can be estimated, and then the composition corresponding to the temperature gradient (distribution), that is, the range of the coefficient X can be determined. . Then, the growth conditions are adjusted so that the crystal has a desired composition distribution. In that case, the type and size of the nonlinear optical crystal, the type and intensity of the laser used, and the like are taken into consideration. By changing the composition of the nonlinear optical crystal in this way, for example, the birefringence of the GdYCOB crystal can be changed between the birefringence of GdCOB 0.033 and the birefringence 0.041 of YCOB at a wavelength of 1064 nm. The phase matching condition can also be controlled.
[0020]
Thereby, even if the nonlinear optical crystal is self-heated, a nonlinear optical crystal capable of wavelength conversion with high efficiency is realized without shifting the phase matching condition in the crystal.
The nonlinear optical crystal of the invention of this application can be manufactured by controlling the growth conditions and changing the crystal composition during the crystal growth. Non-linear optical crystal growth methods include various known crystal production methods such as the Cz method (Czochralski method), the flux method, and the top seeded solution growth (TSSG) method. The method can be used. Examples of the conditions to be controlled include a growth speed (pulling speed), a growth temperature, a pulling rotation speed, and the like. These conditions may be controlled in combination of two or more.
[0021]
For example, when a GdYCOB crystal is grown from a melt by the Cz method, the composition ratio of Gd and Y changes even if the growth rate is constant, and the rate of change varies depending on the growth rate. Of course, changing the growth rate during crystal growth also changes the crystal composition ratio. This depends on the difference in segregation coefficient between Gd 3+ ions (ion radius 0.938Å) and Y 3+ ions (ion radius 0.900Å) due to the difference in ion radius. Also, regarding the growth temperature during crystal growth, the growth rate and the segregation coefficient depend on the temperature, so that the composition ratio of Gd and Y of the GdYCOB crystal also changes by changing this. This depends on the difference in growth temperature between GdCOB and YCOB. Therefore, by appropriately controlling the growth conditions such as the growth rate (pulling rate) and the growth temperature, it is possible to obtain a GdYCOB crystal in which the composition ratio of Gd and Y is changed with a desired gradient.
[0022]
Many physical properties of the mixed crystal type nonlinear optical crystal continuously change depending on the composition. Therefore, by controlling various physical property parameter values that affect the phase matching conditions, desired phase matching conditions are maintained.
[0023]
Then, an Example is shown below and embodiment of this invention is described in more detail.
[0024]
【Example】
<A> GdYCOB crystal was grown from the melt by induction heating type Cz method. There are three growth conditions: (a) 1 mm / h, 10 rpm, (b) 2 mm / h, 15 rpm, (c) 4 mm / h, 10 rpm. a) (b) (c) could be obtained.
[0025]
The compositions in these crystals were analyzed, and the results are shown in FIG. FIG. 3 shows the relationship between the growth length from the seed crystal and the Gd concentration. The crystal (a) was found to have a large change in Gd concentration from approximately 25.9% to 28.5% in the length direction of 120 mm. The Gd concentration of the crystal (c) was about 26%, and the variation in composition was almost uniform at 0.5% or less. The composition variation of the crystal (b) was between the crystal (a) and the crystal (c), but the Gd concentration at the initial stage of growth was lower than that of the crystal (a) (c). Thus, it was shown that the composition of the crystal can be changed variously by controlling the crystal pulling speed and the rotation speed.
<B> From the temperature-phase matching characteristics and composition-phase matching characteristics of the GdYCOB crystal, in the case of the third harmonic generation of the Nd: YAG laser, the coefficient X of Gd X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3 Depends on the temperature distribution and was estimated in the range of about 0.20 <X <0.28. From this, the GdYCOB crystal (a) grown in the above <A> is cut to 15 mm and polished, the fundamental wave (Nd: YAG laser ) is incident from the polished surface, and the maximum average output of the generated ultraviolet laser is obtained. It was measured. The output of the fundamental wave was changed from 3.5 to 10 W, and the output of the ultraviolet laser was 1/3 wavelength (355 nm).
[0026]
FIG. 4 shows the measurement result of the maximum average output of the ultraviolet laser . As shown in FIG. 2, when the composition gradient and the temperature distribution tendency are made coincident and the light is incident from the polishing surface having the higher Gd concentration, the output is significantly higher than the input as shown in FIG. It was confirmed to rise.
[0027]
On the other hand, when the incident / exit direction was reversed and the light was incident from the polished surface having the lower Gd concentration, the output characteristics as shown in FIG. However, because of the deviation from the phase matching condition due to self-heating, the output decreased as shown in (a ′). Then, since the degree of self-heating is reduced, the characteristic of (b) is obtained, but after that, it moved between (b) and (a ′).
[0028]
Thus, if the composition gradient and the direction of temperature distribution due to self-heating of the crystal are matched, ultraviolet light can be generated efficiently, and if this correspondence is reversed, not only the efficiency decreases, but also the laser It was confirmed that the output became unstable.
[0029]
From the above, it is possible to convert the wavelength of the crystal with high efficiency by using a nonlinear optical crystal whose composition is changed in a direction that satisfies the phase matching condition corresponding to the temperature distribution in the crystal caused by absorption of incident light. It has been shown. Also, the output is stable.
[0030]
Of course, the present invention is not limited to the above examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0031]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention is useful as an all-solid-state ultraviolet laser light source and the like, and is capable of wavelength conversion with high efficiency even when high-power laser light is incident, and can provide a stable output. A nonlinear optical crystal and a method for manufacturing the same are provided. The nonlinear optical crystal also provides an all-solid-state ultraviolet laser light source device by combining a wavelength conversion element / device with excellent characteristics and a solid-state laser.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating a state of self-heating by absorption of incident light of a nonlinear optical crystal, and FIG. 1B is a diagram illustrating a temperature distribution of the incident optical path portion.
FIGS. 2A and 2B are conceptual diagrams illustrating Gd concentration distribution in a GdYCOB crystal in the invention of this application.
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the growth length of GdYCOB crystals (a), (b), and (c) obtained in Examples and the Gd concentration.
FIG. 4 is a diagram illustrating measurement results of the maximum average output of an ultraviolet laser generated when an Nd: YAG laser is incident on a GdYCOB crystal.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nonlinear optical crystal 2
Claims (9)
MXY1-XCa4O(BO3)3
(式中、Mは希土類元素を示し、0<X<1であることを示す。)
で表されるものであること特徴とする請求項1の非線形光学結晶。Nonlinear optical crystals are expressed as a general composition formula:
M X Y 1-X Ca 4 O (BO 3 ) 3
(In the formula, M represents a rare earth element, and 0 <X <1.)
The nonlinear optical crystal according to claim 1, wherein
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