特許 6248410 波長変換素子の温度制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248410

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】波長変換素子の温度制御装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/37 20060101AFI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/37

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-94154(P2013-94154)

(22)【出願日】2013年4月26日

(65)【公開番号】特開2014-215528(P2014-215528A)

(43)【公開日】2014年11月17日

【審査請求日】2016年3月9日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100098671

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 俊文

(74)【代理人】

【識別番号】100102037

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 裕之

(72)【発明者】

【氏名】井上 和哉

(72)【発明者】

【氏名】徳田 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】久光 守

(72)【発明者】

【氏名】門倉 一智

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０４８１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４２４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２８１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０５０８０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０５３７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２７０４６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１３０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０５０６４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００ − １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ − ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基本波を高調波に変換するとともに、前記基本波が入射される入射面及び前記高調波が出射される出射面とを有する波長変換素子と、
前記波長変換素子を保持し且つ熱伝導が良好な平板状の保持部材と、
前記保持部材を加熱冷却することにより前記波長変換素子の温度を調整する温度調整素子とを備え、
前記波長変換素子は、前記保持部材と前記波長変換素子とが接触する接触面の熱抵抗が前記入射面から前記出射面までの少なくとも一部で変動分布するように構成されていることを特徴とする波長変換素子の温度制御装置。

【請求項2】

前記波長変換素子は、前記出射面の熱抵抗に対して前記入射面の熱抵抗が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子の温度制御装置。

【請求項3】

前記保持部材と前記波長変換素子との少なくとも一方には、前記接触面の内の前記入射面側に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項２記載の波長変換素子の温度制御装置。

【請求項4】

前記波長変換素子は、、前記入射面側の熱抵抗と前記出射面側の熱抵抗とが連続的に変化するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換素子の温度制御装置。

【請求項5】

前記波長変換素子は、前記波長変換素子と接触する接触面の入射側から出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項４記載の波長変換素子の温度制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長変換素子の温度制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のこの種の波長変換素子としては、所望の波長のレーザ光を得るために、強誘電体結晶基板内部で分極方向が周期的に反転する周期分極反転構造を形成したものが用いられている。この波長変換素子は、入射する基本波のレーザ光と擬似位相整合することによって高調波のレーザ光を出力する。

【0003】

波長変換素子を使用する場合には、位相整合条件を満たすように波長変換素子の温度を位相整合温度（一定温度）に保持する必要がある。一般的には、ペルチェ素子を熱容量が大きく且つ熱伝導も良好な金属平板と接触させ、金属平板を介してペルチェ素子により波長変換素子の温度を制御している。

【0004】

波長変換素子内部の温度Ｔ（ｚ）は、波長変換素子内部での発熱量をＱ（ｚ）、波長変換素子の熱抵抗をＲＬＴ、金属平板の熱抵抗をＲＭ、金属平板と波長変換素子間の熱抵抗をＲＩ、金属平板のペルチェ素子と接触している面の温度をＴＢとすると、
Ｔ（ｚ）＝Ｑ（ｚ）×（ＲＬＴ＋ＲＭ＋ＲＩ）＋ＴＢで表される。

【0005】

波長変換素子を低出力で使用する場合のように、波長変換素子内部での発熱量Ｑ（ｚ）が小さい場合には、図５（ａ）に示すように、波長変換素子２の温度Ｔ（ｚ）を均一に保持でき、位相整合温度と略同じとすることできる。即ち、低出力の波長変換では、基本波や第２高調波の吸収量が小さく内部発熱が小さいため、波長変換素子２の温度を均一に保つことができる。

【0006】

しかし、波長変換素子２を高出力で使用する場合には、発熱量Ｑ（ｚ）がＺ方向に大きな分布を持ち、波長変換素子２の温度が不均一になる。一般に、第２高調波の吸収量が大きいため、入射側よりも出射側の発熱が大きくなる。具体的には、光が波長変換素子２の入射側から出射側に進むにつれて第２高調波の出力が増加するので、入射側に比較して出射側の発熱が大きくなる。このため、図６（ａ）に示すように、入射側よりも出射側の波長変換素子２の温度が高くなる。

【0007】

この場合、図６（ａ）に示すように位相整合温度と波長変換素子２の温度とは乖離しており、不均一な温度分布により位相整合条件を満足できなくなり、第２高調波出力が飽和したり、第２高調波を安定して出力できない。

【0008】

また、波長変換素子２と金属平板１Ａとが一様に接触している場合（ＲＩがＺ方向に分布を持たない場合）、波長変換素子２の発熱量Ｑ（ｚ）に応じた不均一な温度分布が発生する。この不均一な温度分布を抑制する方法として、金属平板１Ａと波長変換素子２との間の熱抵抗ＲＩを接触面の全体に亙り、可能な限り小さくする方法もある。これによれば、波長変換素子２から金属平板１Ａへの吸熱が大きくなり、不均一な温度分布も多少抑制されるが、不均一な温度分布の抑制効果は十分ではなかった。

【0009】

そこで、発熱が大きく温度が高い出射側と、発熱が小さく温度が低い入射側との温度差をより小さくするためには、温度の低い入射側の吸熱に対して、温度の高い出射側の吸熱を良くすれば良い。これを実現するために、例えば、図７（ｂ）に示すように、金属平板１Ａとペルチェ素子３ａで構成される入射側用の温度調整装置と、金属平板１Ｂとペルチェ素子３ｂで構成される出射側の温度調整装置とを設けた装置が知られている（特許文献１）。

【0010】

これによれば、出射側のペルチェ素子３ｂの温度を、入射側のペルチェ素子３ａの温度よりも低くすることにより、入射側に対して出射側の吸熱が大きくなるので、波長変換素子２の温度分布が抑制されて、波長変換素子２の温度が位相整合温度に近づくようになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】国際公開２００８−０５０８０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、特許文献１に記載された装置では、複数の温度調整装置を設けなれればならず、装置の構成が複雑化していた。

【0013】

本発明の課題は、高出力の波長変換素子において第２高調波出力の飽和を抑制し第２高調波出力を安定して出力でき、簡単な構成からなる波長変換素子の温度制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明に係る温度制御装置は、上記課題を解決するために、基本波を高調波に変換するとともに、前記基本波が入射される入射面及び前記高調波が出射される出射面とを有する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持し且つ熱伝導が良好な平板状の保持部材と、前記保持部材を加熱冷却することにより前記波長変換素子の温度を調整する温度調整素子とを備え、前記保持部材と前記波長変換素子との少なくとも一方は、前記保持部材と前記波長変換素子とが接触する接触面の熱抵抗が前記入射面から前記出射面までの少なくとも一部で変動分布するように構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、平板状の保持部材と波長変換素子との少なくとも一方は、保持部材と波長変換素子とが接触する接触面の熱抵抗が入射面から出射面までの少なくとも一部で変動分布するように構成されているので、高出力の波長変換素子において、波長変換素子内部に不均一な発熱がある場合でも、不均一な温度分布を抑制でき、第２高調波出力の飽和を抑制し第２高調波出力を安定して出力でき、簡単な構成からなる波長変換素子の温度制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施例１の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図2】実施例２の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図3】実施例３の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図4】実施例４の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図5】従来例１の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図6】従来例２の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【図7】従来例３の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の波長変換素子の温度制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0018】

本発明は、１つの温度調整装置で、波長変換素子の高出力時に生ずる波長変換素子の温度分布を抑制するために、金属平板と波長変換素子とが接触する面の熱抵抗を入射側と出射側とで変化分布させることを特徴とする。この方法として、本実施例では、以下の３つの方法を採用している。

【0019】

第１の手法は、金属平板の表面性状を変化させることにより、金属平板と波長変換素子との接触の熱抵抗を変化させる。第２の手法は、金属平板の材質を変化させる。第３の手法は、波長変換素子の金属平板と接触する面の表面性状を変化させる。

【実施例1】

【0020】

まず、第１の手法の具体例を説明する。図１は、実施例１の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。図１（ｂ）に示す波長変換素子の温度制御装置において、波長変換素子２は、基本波を高調波に変換するとともに、基本波が入射される入射面及び高調波が出射される出射面とを有する。

【0021】

金属平板（保持部材）１は、波長変換素子２を保持し且つ熱伝導が良好であり、金属平板１と波長変換素子２とが接触する接触面の熱抵抗が入射面から出射面まで変動分布するように構成されている。この例では、金属平板（保持部材）１には、波長変換素子２と接触する接触面の内の入射側Ｉから略中央部Ｍに亙って、凹凸からなる一定長さの固定長溝部４が形成されている。

【0022】

ペルチェ素子（温度調整素子）３は、金属平板１を加熱冷却することにより波長変換素子２の温度を調整する。

【0023】

このように、図１に示す実施例１の波長変換素子の温度制御装置によれば、金属平板１には、波長変換素子２と接触する接触面の内の入射側Ｉから略中央部Ｍに亙って固定長溝部４が形成されているので、この固定長溝部４により熱抵抗が大きくなる。

【0024】

このため、図１（ａ）に示すように、入射側Ｉから略中央部Ｍまでは、波長変換素子２の温度は急激に上昇する。一方、略中央部Ｍから出射側までは、波長変換素子２の温度は緩やかに上昇する。このため、図１（ａ）に示すように、波長変換素子２の温度は位相整合温度に近づくようになるので、位相整合条件を満たすことができる。

【0025】

即ち、高出力の波長変換素子２において、波長変換素子内部に不均一な発熱がある場合でも、不均一な温度分布を抑制でき、第２高調波出力の飽和を抑制し第２高調波出力を安定して出力できる。また、図８に示す複数の温度調整装置を用いることなく、１つの金属平板１を用いているので、簡単な構成からなる波長変換素子の温度制御装置を提供できる。

【0026】

なお、熱抵抗を入射側Ｉと出射側とで変える方法としては、実施例１で説明した入射側に凹凸を形成する方法以外の方法を用いても良い。例えば、出射側の面よりも入射側の面を粗くする。あるいは、入射側よりも出射側の接触圧力を大きくする。あるいは、金属平板の出射側表面に金属膜、導電膜のように熱伝達をより高める膜を形成する。金属膜や導電膜としては、一様な膜を形成しても良く、例えば、ドット状、帯状になるようにパターニングをしても良い。あるいは、熱伝達を高める膜と波長変換素子との接する面積を入射側から出射側に進むに連れて大きくする。あるいは、金属平板の入射側表面に熱伝達が低くなるように膜を形成する。

【実施例2】

【0027】

図２は、実施例２の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。実施例２では、第１の手法を採用している。図２（ｂ）に示す実施例２の波長変換素子の温度制御装置において、金属平板１ａは、入射面側の熱抵抗と出射面側の熱抵抗とが連続的に変化するように構成されている。この例では、金属平板１ａには、波長変換素子２と接触する接触面の入射側Ｉから出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部が形成されている。

【0028】

このように、図２に示す実施例２の波長変換素子の温度制御装置によれば、金属平板１ａには、波長変換素子２と接触する接触面の入射側Ｉから出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部が形成されているので、熱抵抗も入射側Ｉから出射面側に亙って連続的に変化していく。

【0029】

このため、図２（ａ）に示すように、波長変換素子の温度が均一で滑らかになる。波長変換素子の温度が位相整合温度と略同一となるので、実施例１の効果と同様な効果が得られる。

【実施例3】

【0034】

（実施例３）

【実施例4】

【0035】

図３は、実施例３の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。実施例３では、第２の手法を採用している。図１に示す実施例１では、金属平板１に、波長変換素子２と接触する接触面の内の入射側Ｉから略中央部Ｍに亙って、凹凸からなる一定長さの固定長溝部４を形成したが、図３に示す実施例４では、波長変換素子２ａに、金属平板１と接触する接触面の内の入射側Ｉから略中央部Ｍに亙って、凹凸からなる一定長さの固定長溝部４ａを形成したことを特徴とする。

【0036】

このように波長変換素子２ａに、金属平板１と接触する接触面の内の入射側Ｉから略中央部Ｍに亙って固定長溝部４ａを形成しても、実施例１と同様に動作し同様な効果が得られる。

【0037】

なお、熱抵抗を入射側Ｉと出射側とで変える方法としては、実施例１で説明した入射側に凹凸を形成する方法以外の方法を用いても良い。例えば、出射側の面よも入射側の面を粗くする。あるいは、入射側よりも出射側の接触圧力を大きくする。あるいは、波長変換素子の出射側表面に金属膜、導電膜のように熱伝達をより高める膜を形成する。金属膜や導電膜としては、一様な膜を形成しても良く、例えば、ドット状、帯状になるようにパターニングをしても良い。あるいは、熱伝達を高める膜と波長変換素子との接する面積を入射側から出射側に進むに連れて大きくする。あるいは、波長変換素子の入射側表面に熱伝達が低くなるように膜を形成する。
（実施例４）

【実施例5】

【0038】

図４は、実施例４の波長変換素子の温度制御装置を示す図である。実施例４では、第３の手法を採用している。図２に示す実施例２では、金属平板１ａに、波長変換素子２と接触する接触面の入射側Ｉから出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部を形成したが、図４に示す実施例４では、波長変換素子２ｂに、金属平板１と接触する接触面の入射側Ｉから出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部を形成したことを特徴とする。

【0039】

このように波長変換素子２ｂに、金属平板１と接触する接触面の入射側Ｉから出射面側に亙って溝の幅が徐々に狭くなっていく凹凸部を形成しても、実施例２と同様に動作し同様な効果が得られる。

【0040】

なお、本発明は、上述した実施例１乃至実施例４の波長変換素子の温度制御装置に限定されるものではない。即ち、金属平板１と波長変換素子２との少なくとも一方が、金属平板１と波長変換素子２とが接触する接触面の熱抵抗が入射面から出射面までの少なくとも一部で変動分布するように構成されていれば、上述した実施例の効果と同様な効果が得られる。

【0041】

また、実施例１乃至実施例４の波長変換素子の温度制御装置のいずれか２つ以上の波長変換素子の温度制御装置を組み合わせて用いても良い。このようすれば、さらにその効果が大となる。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明に係る波長変換素子の温度制御装置は、ガス濃度分析装置、固定レーザ装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0043】

１，１ａ，１０ 金属平板
２，２ａ，２ｂ 波長変換素子
３ ペルチェ素子
４，４ａ 固定長溝部
５，５ａ 可変長溝部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】