波长变换晶体和激光发生方法以及激光发生装置制造方法及图纸

作为一种可控制双折射率的波长变换晶体，采用由下式（Ⅰ）：Ｍ↑［１］↓［ｘ］Ｍ↑［２］↓［１－ｘ］Ｃａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］表示，且其中Ｍ↑［１］及Ｍ↑［２］分别表示不同的稀土类元素中的一种或一种以上的元素，并且０〈Ｘ〈１，的波长变换晶体，以及一种以下式（Ⅱ）Ｇｄ↓［ｘ］Ｙ↓［１－ｘ］Ｃａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］表示，且其中０．０１≤Ｘ≤０．３５的非线性光学晶体用作产生二次谐波的新的装置，利用此装置产生二次谐波。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请的专利技术涉及波长变换晶体和激光发生方法以及激光发生装置。更详细而言，本申请的专利技术涉及作为非线性光学晶体有用的新的波长变换晶体和激光发生方法以及激光发生装置。
技术介绍
近年来，随着激光技术的急速发展，利用非线性光学晶体对近红外固体激光进行波长变换成为重大技术课题。固体激光，由于其谱宽度窄，输出稳定，维护容易，可以小型化，所以作为激光加工及激光医疗手段，在表面改性、光信息处理等方面的应用令人注目，为了发挥这种固体激光的长处波长变换技术是重要的。对于用来进行这种波长变换的理想的非线性晶体必须具有①大的非线性光学常数、②短的吸收端及③适度的双折射率。另外，作为晶体，从实用观点来看最好是具有④优良的机械特性。此外，所谓③适度的双折射率，是指对于要产生的波长而言最可能满足以高效率进行波长变换的非临界相位匹配条件的双折射率。如双折射率小于理想值，就不可能进行波长变换，如大于理想值，则由于脱离非临界相位匹配条件而使变换效率低下。迄今对于非线性光学晶体已经从各种观点进行了研究，其中硼氧化钙(COB)系统的晶体引人注目。比如，Aka等发现了GdCa4O(BO3)3GdCOB的非线性，关于其结晶的培育和光学特性已经有过报告(1996年)。关于GdCOB已经了解到·可利用Cz法培育，是非水溶性的 ·维氏硬度大约为600(水晶硬度)·deff(在1064nm)为1.3pm/V(为KDP的大约3倍)，NdYAG的三次谐波不可能产生。可是，对于此GdCOB，双折射率小达0.033是一个大问题。也就是说，GdCa4O(BO3)3GdCOB晶体培育容易，机械特性优良，但由于双折射率小，所以通过波长变换产生的波长长。于是，本申请的专利技术人对用来加大双折射率的手段进行了研究，发现如果将GdCa4O(BO3)3GdCOB晶体中的Gd以Y置换，则双折射率变大。其结果，GdCOB晶体只产生NdYAG激光的二次谐波，而在以Y置换Gd的YCOB中，可产生NdYAG激光的三次谐波。对于这一新发现的YCOB，本申请的专利技术人已经提出具体提案。但是，由于对于迄今为止的COB晶体不能自由地控制双折射率，所以本申请的专利技术人还对作为波长变换用的非线性光学晶体的COB进行了进一步的研究，将提供可以同时对机械性质和光学特性，特别是作为波长变换用的重要条件的双折射率进行最佳控制的新技术手段作为课题。另外，关于波长变换晶体可以进行二次谐波变换也成为重要课题。其原因是因为对于变换为二次谐波，现在作为用于产生NdYAG激光的二次谐波的波长变换晶体，使用的是LBO(LiB3O5)晶体，由于此LBO晶体是水溶性晶体，其寿命的可靠性不够，而且晶体必须在148°以上的高温中进行加热，由于培育困难而存在质量问题，另外，还有培育晶体成本高的问题。因此，希望开发NdYAG激光的产生二次谐波用的波长变换晶体来代替LBO晶体。特别是，迄今为止在室温下可实现非临界相位匹配条件的NdYAG激光的二次谐波的产生尚未实用化，强烈希望具有能够做到这一点的波长变换晶体。此外还有，过去，虽然提供用于波长变换的各种光学元件，比如，作为紫外激光振荡装置采用的办法是利用波长变换元件将YAG激光的红外光变成为紫外光，但在现有的场合，需要的光学元件的数目很多，光学系统复杂，一直存在难于构成小型激光振荡装置的问题。另外，比如，虽然提出了可在红外激光振荡的同时利用同一元件产生二次谐波的晶体元件，但过去的实际情况是一直难以实现可产生达到三次谐波的晶体元件。于是，一直希望能够实现作为同一个光学元件，具有多功能性，可产生二次谐波，还可以产生直到三次谐波的，可实现小型紫外激光发生装置的新的多功能型的激光发生装置。本专利技术简介这样，本申请的专利技术，首先，提供以下式(Ⅰ)M1xM21-xCa4O(BO3)3(M1及M2分别表示不同的稀土类元素中的一种以上的元素，0＜X＜1)表示的波长变换晶体。更为具体地说，本申请的专利技术还提供上式中的M1及M2是从Gd，Y，La及Lu中选择的波长变换晶体。如上的本申请的专利技术，对于以GdCa4O(BO3)3表示的GdCOB，不仅是以Y置换Gd的场合，Lu，La等稀土类元素也可以导入Gd的位置，将通过烧结体的X线衍射观察确认了晶格常数可以改变作为线索。因为晶格常数和折射率有相关性，晶格常数变化就意味着晶体的双折射率发生变化。这样，再进一步研究发现，通过改变Gd，Y，Lu，La的比率可以自由地控制双折射率而完成了本专利技术。也即双折射率，比如，是按照Lu＞Y＞Gd＞La的顺序变化。结果，由于可以对于从NdYAG激光三次谐波(355nm)到产生二次谐波(532nm)的任意波长获得最佳双折射率，所以总是可以实现非临界相位匹配。本申请的专利技术，第二，可对COB晶体的双折射率进行最佳控制，提供新的二次谐波发生用的手段来代替过去在产生二次谐波时所使用的LBO晶体。也即本申请的专利技术提供以下式(Ⅱ)GdxY1-xCa4O(BO3)3(0.01≤X≤0.35)表示的产生二次谐波用的非线性光学晶体。本申请的专利技术，提供以利用使光通过以此式(Ⅱ)表示的非线性光学晶体的方法变换为二次谐波为特征的激光发生方法，及将此晶体用作二次谐波发生手段的激光发生装置。此外，也提供将上述非线性光学晶体用作三次谐波发生装置的激光发生装置。第三，本申请的专利技术提供的激光发生装置的特征在于其构成包括在包含Gd及Y的硼氧化钙系统晶体中以Yb或Nd进行掺杂的非线性光学晶体元件作为利用同一元件可产生基波的激光振荡和称为二次谐波、三次谐波的波长变换光的新激光发生装置，并且基波的激光振荡和二次谐波及三次谐波激光的发生可利用此元件进行。附图简介附图说明图1为示出二次谐波发生的组成(X)和相位匹配角度的关系的示例图。图2为示出外部角和标准化二次谐波的关系的示图。图3为示出二次谐波发生方法及其装置的构成的示例概图。图4为示出利用半导体激光激励的紫外激光发生装置的构成的示例概图。图5为示出另外一个激光发生装置的构成例的概图。图6为示出又一个激光发生装置的构成例的概图。图7为晶体培育装置示例的局部剖视的斜视图。图8为示出生成的晶体的组成分析的部位和Gd/Y的比的示图。图9为示出在Z轴方向上非临界相位匹配波长的计算的结果的示图。图10为示出三次谐波发生的组成(X)和相位匹配角度的关系的示例图。此外，图3中的符号意义如下。1 NdYAG红外激光振荡器2 近红外光3 凸透镜4 非线性光学晶体5 绿色激光光线6 凸透镜本专利技术最佳实施形态本专利技术是具有如上的特征和背景的专利技术，下面示出实施例，对本专利技术的实施形态予以更详细的说明。在以上述式(Ⅰ)表示的此专利技术的波长变换晶体中，M1及M2的稀土类元素是各不相同的。这些元素可以是Gd，Y，La，Lu等的稀土类元素。对于晶体的培育，其技术无特别限制，比如可以利用高频感应加热型Cz法进行培育。本申请的专利技术人是利用将Gd部分经过置换的GdxY1-xCa4O(BO3)3晶体在室温及高温时在匹配条件下实现了三次谐波的发生，同样的情况，作为上述式(Ⅱ)组成的非线性光学晶体，在二次谐波发生(波长532nm的绿光)中也可能。此处，请注意式(Ⅱ)的组成比X限定于0.01～0.35的范围。其中，可以认为在室温下，X=0.28，或其近旁最适合二次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波长变换晶体，其特征在于是以下式（Ｉ）Ｍ↑［１］↓［ｘ］Ｍ↑［２］↓［１－ｘ］Ｃａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］（Ｍ↑［１］及Ｍ↑［２］分别表示不同的稀土类元素中的一种以上的元素，０＜Ｘ＜１）表示的波长变换晶体。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐佐木孝友，森勇介，吉村政志，
申请(专利权)人：科学技术振兴事业团，
类型：发明
国别省市：JP[日本]