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公開番号2025018637
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023122526
出願日2023-07-27
発明の名称非線形波長変換デバイス及びこれを用いたレーザ光発生装置
出願人株式会社オキサイド
代理人個人,個人
主分類G02F 1/37 20060101AFI20250130BHJP(光学)
要約【課題】特定の面以外での研磨が事実上不可能な非線形光学結晶材料を用いた非線形波長変換デバイスにおいて、プリズム結合デバイスを用いず、内部全反射臨界角よりも大きい位相整合角で入力光を入射させ、高調波もしくは和周波光を発生させること。
【解決手段】非線形光学結晶材料101の研磨可能な面、もしくは劈開面の表面にグレーティング102を形成し、グレーティング102で回折された入力光201を、非線形光学結晶材料101の内部において、位相整合角で伝搬させる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
対向する第１光学面及び第２光学面を持つ非線形光学結晶材料を有する非線形波長変換デバイスであって、
前記非線形光学結晶材料の少なくとも一方の前記第１光学面に、前記非線形光学結晶材料の外部から入射した光を回折させる第１回折構造体を有し、
前記非線形光学結晶材料に外部から入射する波長λ
１
の入力光が前記第１回折構造体によって前記非線形光学結晶材料の内部において前記第１光学面の法線と角度θをなす方向に回折され、この角度θの方向は、波長λ
１
の前記入力光の第２高調波である波長λ
Ｈ
の光を発生させるための位相整合条件を満たす方向であることを特徴とする非線形波長変換デバイス。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記非線形光学結晶材料において前記入力光が入射する前記第１光学面とは反対側の前記第２光学面に第２回折構造体を有し、
前記第２回折構造体は、前記入力光、前記第２高調波、又は、これら両方を前記非線形光学結晶材料の外部に回折することを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項３】
対向する第１光学面及び第２光学面を持つ非線形光学結晶材料を有する非線形波長変換デバイスであって、
前記非線形光学結晶材料の少なくとも一方の前記第１光学面に、前記非線形光学結晶材料に外部から入射した光を回折させる第１回折構造体を有し、
前記非線形光学結晶材料の外部から異なる角度で入射する互いに異なる波長λ
１
と波長λ
２
の入力光が、前記第１回折構造体によって前記非線形光学結晶材料の内部において前記第１光学面の法線と角度θをなすほぼ同一の方向に回折され、前記角度θが、前記互いに異なる波長λ
１
と波長λ
２
の前記入力光から和周波または差周波の波長λ
３
の光を発生させるための位相整合条件を満たす角度であることを特徴とする非線形波長変換デバイス。
【請求項４】
前記非線形光学結晶材料は、異なる波長λ
１
と波長λ
２
の前記入力光が入射する前記第１光学面とは反対側の前記第２光学面にも、入射した光を回折させる第２回折構造体を有し、
前記第２回折構造体は、異なる波長λ
１
と波長λ
２
の前記入力光、異なる波長の前記入力光から発生した和周波又は差周波の波長λ
３
の光、又は、これら全部の光を前記非線形光学結晶材料の外部に回折させることを特徴とする請求項３に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項５】
前記非線形光学結晶材料と空気の界面における、前記位相整合条件を満たす方向に伝搬する光線の、前記非線形光学結晶材料の内部から前記界面への入射角をθ
ｉｎｔ
、前記非線形光学結晶材料の屈折率をｎとした場合、
ｓｉｎθ
ｉｎｔ
＞１／ｎ
の関係が成立し、前記非線形光学結晶材料の内部における内部全反射条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項６】
前記非線形光学結晶材料は、ＫＢｅ
２
ＢＯ
３
Ｆ
２
（ＫＢＢＦ）、ＲｂＢｅ
２
ＢＯ
３
Ｆ
２
（ＲＢＢＦ）、又は、（ＮＨ
４
）Ｂｅ
２
ＢＯ
３
Ｆ
２
（ＡＢＢＦ）であることを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項７】
前記第１回折構造体が、グレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項８】
前記第１回折構造体が、リソグラフィーによって作成したパターンによりエッチングで形成されたグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項９】
前記第１回折構造体が、前記非線形光学結晶材料の前記第１光学面に誘電体膜を蒸着またはスパッタリングによって形成し、更にリソグラフィーによって作成したパターンによって前記誘電体膜をエッチングして形成されたグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の非線形波長変換デバイス。
【請求項１０】
前記誘電体膜の材料は、ＳｉＯ
２
、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣａＦ
２
、ＭｇＦ
２
、又は、ＬａＦ
３
であることを特徴とする請求項９に記載の非線形波長変換デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、深紫外線、真空紫外線発生などに供するための波長変換デバイス及びこれを用いたレーザ光発生装置に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
深紫外レーザ光源に対する需要はかつてないほど高まっており、非線形光学の応用による波長変換技術への要求は近年非常に高い。深紫外光発生に使用できる非線形光学材料として、現在産業的に実用化されている材料は、ＢＢＯ（β－ＢａＢ
２
Ｏ
４
）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ
６
Ｏ
１０
）、ＬＢＯ（ＬｉＢ
３
Ｏ
５
）、ＬＢ４（Ｌｉ
２
Ｂ
４
Ｏ
７
）、ＫＤＰ（ＫＨ
２
ＰＯ
４
）、ＫＤ＊Ｐ等に限られている。これらの非線形光学材料は、いずれも、１）材料内部における光学吸収が深紫外域に向かい増加するため不透明になってしまうこと、さらに、２）以下に詳述する位相整合条件を満たすことの出来る波長がある程度長波長側に限られることから、波長２００ｎｍ以下の光を発生させるためには和周波混合を用いた手法しかないのが現状である。
【０００３】
例えば、和周波混合で更に短い波長の出力を得ようとする場合、すでに波長が短くされている深紫外光と赤外光の和周波となる。非線形波長変換効率は光強度に強く影響されるため、実用的な変換効率を得るためには入力光を小さなスポットに絞り込む必要がある。しかしながら、深紫外光を小さなスポットに絞り込むことで結晶材料の損傷や劣化が進み、安定して動作させる上で限界がある。
【０００４】
短波長光をできるだけ長波長の入力光から得るためには、直接、第２高調波を発生させることが有効であるが、上述した非線形光学材料では第２高調波を発生させるための位相整合を得ることができない。
【０００５】
和周波混合において、入力光の波長をλ
１
およびλ
２
、和周波出力の波長をλ
３
とすると、光子のエネルギーは光の周波数ν＝１／λに比例するので、エネルギー保存の法則から以下に示す式（１）の関係が成立する。
【０００６】
（１／λ
１
）＋（１／λ
２
）＝１／λ
３
・・・（１）
【０００７】
目的とする特定の波長λ
３
に対し、（λ
１
、λ
２
）の組み合わせは無限に存在するが、それらの中でλ
１
とλ
２
の短いほうが最も長くなるのはλ
１
＝λ
２
の場合であり、これが直接第２高調波を発生させる場合に相当する。
【０００８】
第２高調波発生、和周波混合のいずれの場合も位相整合と呼ばれる運動量保存則を満たすことが必要である。これはエネルギー保存則と運動量保存則から導出される。エネルギー保存則は光の周波数の和が入力と出力で同じであること、運動量保存則は入力と出力でkベクトル（波数ベクトル）の和が同じになることである。
【０００９】
運動量保存則はｋを各々の光の波数とすると、式（２）で表わされる。
ｋ
１
＋ｋ
２
＝ｋ
３
・・・（２）
【００１０】
本来、式（２）はベクトル量に関する式である。ノンコリニアな相互作用も理論的にはあり得るが、本発明で扱う第２高調波発生では利用されることはないので本明細書ではあえて詳述せず、コリニア相互作用（すべてのｋベクトルの方向が同じ）を前提とし、波数ｋをスカラー量として扱う。各波長λ（λ
１
、λ
２
、λ
３
）が伝搬する媒質の屈折率をｎ（ｎ
１
、ｎ
２
、ｎ
３
）とすると、ｋ＝２πｎ／λの関係から、式（２）の両辺を２πで割って式（３）の関係が得られる。
（ｎ
１
／λ
１
）＋（ｎ
２
／λ
２
）＝ｎ
３
／λ
３
・・・（３）
（【００１１】以降は省略されています）

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