特許 6799281 波長変換素子およびレーザ照射装置

(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】6799281

(24)【登録日】2020年11月25日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】波長変換素子およびレーザ照射装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/37 20060101AFI20201207BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/37

【請求項の数】8

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2017-71274(P2017-71274)

(22)【出願日】2017年3月31日

(65)【公開番号】特開2018-173523(P2018-173523A)

(43)【公開日】2018年11月8日

【審査請求日】2019年10月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000149734

【氏名又は名称】株式会社大真空

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】特許業務法人あーく特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤野 和也

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 智織

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２６８２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８２５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４０２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１６９４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３２１７１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１９８００７３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５，１／２１−７／００

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／０２，３／０４−３／０９５９，３／０９８−３／１０２，３／１０５−３／１３１，３／１３６−３／２１３，３／２３−４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非線形光学特性を有する結晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する波長変換素子であって、
前記結晶には水晶が用いられ、複数の水晶板を貼り合わせた構造とされており、
前記波長変換素子の第１の主面及び第２の主面内の第１方向に沿ってレーザ光を反射させながら移行させ、前記第１の主面と前記第２の主面との間でレーザ光を繰り返し反射させる第１反射手段と、
前記波長変換素子の前記第１方向の両端部に配置され、前記第１方向の端部に到達したレーザ光を、前記第１の主面及び前記第２の主面内の前記第１方向と直交する方向である第２方向に沿って反射させながら移行させる第２反射手段とを、備えており、
前記第１反射手段によるレーザ光の繰り返し反射と、前記第２反射手段によるレーザ光の反射とを交互に行わせることによって、レーザ光の進行経路を３次元空間内に形成可能であることを特徴とする波長変換素子。

【請求項2】

請求項１に記載の波長変換素子であって、
前記第１反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第１プリズムであり、
前記複数の第１プリズムは、所定の入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させ、かつ、前記波長変換素子内において前記第１の主面側から前記第２の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第２の主面側から前記第１の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させることが可能な構成となっており、
前記第２反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第２プリズムであり、
前記複数の第２プリズムは、前記第１方向から入射するレーザ光を、前記波長変換素子内において前記第１の主面側から前記第２の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第２の主面側から前記第１の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させ、かつ、前記第１方向と直交する方向である第２方向に沿って反射させながら移行させることが可能な構成となっていることを特徴とする波長変換素子。

【請求項3】

請求項２に記載の波長変換素子であって、
前記複数の第１プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対してブリュースター角となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっており、
前記複数の水晶板は、貼り合わされる全ての水晶板の重心に対する近似直線が、該波長変換素子の光入射面に対してレーザ光がブリュースター角で入射された場合の屈折光の光路と平行となるように貼り合わされていることを特徴とする波長変換素子。

【請求項4】

請求項２に記載の波長変換素子であって、
前記複数の第１プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対して垂直となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっていることを特徴とする波長変換素子。

【請求項5】

請求項２から４の何れか一項に記載の波長変換素子であって、
貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記第１プリズムおよび第２プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、
前記第１プリズムおよび第２プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされることを特徴とする波長変換素子。

【請求項6】

請求項１に記載の波長変換素子であって、
前記第１反射手段は、
前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第１の主面側に形成され、所定の波長を有する基準レーザ光、および前記基準レーザ光の第２高調波である変換レーザ光の両方を反射する反射膜と、
前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第２の主面側に形成され、前記基準レーザ光を反射し、前記変換レーザ光を透過させる反射／透過膜とからなり、
前記第２反射手段は、プリズムであることを特徴とする波長変換素子。

【請求項7】

請求項６に記載の波長変換素子であって、
貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、
前記プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされることを特徴とする波長変換素子。

【請求項8】

レーザ光源と波長変換素子とを有し、前記レーザ光源から発射される基準レーザ光を前記波長変換素子に透過させ、該透過によって波長変換された変換レーザ光を外部に照射するレーザ照射装置であって、
前記波長変換素子は、前記請求項１から７のいずれか一項に記載された波長変換素子であることを特徴とするレーザ照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入射光の波長を短波長に変換して出射する波長変換素子と、この波長変換素子を用いたレーザ照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、製造加工や医療等の分野でレーザ照射装置が多用されている。これらの分野では、より微細な加工を行うためには波長の短いレーザが必要であり、紫外域における高出力なものとしてはエキシマレーザが実用化されている。しかしながら、希ガスレーザであるエキシマレーザは、安定性および安全性の面から煩雑なメンテナンスが必要となる。また、エキシマレーザは、装置が大型であるといった課題もある。このため、安定・安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置が望まれる。

【0003】

安定・安全性に優れ、小型化可能なレーザ照射装置を得るには、固体のレーザ発振素子（例えばＹＡＧレーザ）を用いることが好ましいが、２００ｎｍ以下の波長域では、固体のレーザ発振素子自体が存在しない。しかしながら、波長変換素子を用いれば、レーザ発振素子から出射されるレーザ光（基本波）の波長を変換し、より短波長のレーザ光を得ることが可能となる。一般的には、ＹＡＧレーザから出射された基本波（１０６４ｎｍ：赤外光）を波長変換素子に透過させ、第２高調波（５３２ｎｍ：緑色光）に変換して出力するレーザ照射装置が知られている。

【0004】

レーザ光の波長を変換するために用いられる波長変換素子には非線形光学特性を有する結晶（非線形結晶）が用いられ、一般的な非線形結晶材料としては、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）等が挙げられる。

【0005】

しかしながら、これらの非線形結晶材料を用いた波長変換素子には以下のような課題がある。
・ＬＴは、２６０ｎｍ以下の波長のレーザに対し、レーザ透過時の吸収量が多く、また、レーザを照射した際の損傷が激しい。
・ＬＮ、ＬＢＯは、レーザを照射した際の損傷が激しく、また、３００ｎｍ以下の波長への変換が困難である。
・ＫＴＰは、３００ｎｍ以下の波長への変換が困難である。
・ＣＬＢＯ、ＬＢＯは、潮解性を有するため、湿度対策が必要となる。
・その他の非線形結晶材料の多くも、レーザに対する損傷に弱い、潮解性を有する、変換できる波長域に制限がある（波長の透過域が狭い）等の問題を有している。

【0006】

一方、特許文献１，２には、非線形結晶材料として水晶を用いた波長変換素子が開示されている。水晶は、上述の波長変換素子に比べ、
・レーザ耐性が高い（損傷しにくい）、
・潮解性が無い、
・短波長の透過域が広い、
・熱耐久性が高い、
・安価、メンテナンスフリー、小型化が容易、
といった多くのメリットを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００８−２３３１４３号公報

【特許文献2】特開２００８−２６８２４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

非線形結晶材料としての水晶は、上述した多くのメリットを有している一方、変換効率が低いといったデメリットも有している（例えば、ＬＴと比較すると変換効率は１／１００程度）。

【0009】

ここで、水晶を用いて波長変換素子を作製するには、分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を形成する。具体的には、図１２に示すように、波長変換素子１００は、複数の水晶板（ｘ板）１１０を、結晶の分極が周期的に反転するように積層した（貼り合わせた）構造とすることが考えられる。波長変換素子１００に、レーザ光源（レーザ発振素子）２００からの基本波Ｌ１を照射すると、その透過光において第２高調波（波長が基本波の１／２）Ｌ２が得られる。尚、波長変換素子１００における分極反転周期Λは、基本波Ｌ１の波長に応じて設定される。

【0010】

水晶板による疑似位相整合を用いた波長変換素子では、水晶板の積層数（貼り合わせ枚数）を増加し、レーザ光が透過する水晶板の枚数を増加することで、波長変換素子としての変換効率を増加させることができる。但し、水晶を用いた波長変換素子では、実用レベルの変換効率を得るには数千オーダーの積層数が必要とされる。このように、水晶板の貼り合わせ枚数を単に増加させる構成では、波長変換素子が大型化するといった問題がある。

【0011】

特許文献２では、水晶板の積層体の一方の主面に反射膜を、他方の主面に透過・反射膜（ダイクロイックミラー）を設け、上記積層体に入射されたレーザ光を、反射膜と透過・反射膜との間で繰り返し反射（多重反射）させる構成が開示されている。このような多重反射構造により、上記積層体における水晶板の積層数を抑制しながら、変換効率を向上させることができる。

【0012】

しかしながら、特許文献２の構成では、レーザ光の反射を水晶板の主面内の一方向（反射方向）に沿って行うものとなっている。このため、波長変換素子に使用する水晶板の主面は、上記反射方向にのみサイズが大きくなる。

【0013】

また、水晶を用いた波長変換素子は、水晶ウェハを所定サイズにカットしてなる水晶板を貼り合わせて作成されるものであり、その水晶板の主面サイズは、当然ながら元の水晶ウェハのサイズに制限を受ける。そのため、水晶板の一方向（反射方向）に沿って反射の繰り返し回数を大幅に増やすことは困難であり、変換効率の向上にも水晶ウェハのサイズによる制限が生じる。

【0014】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、水晶を用いた波長変換素子において、水晶板の貼り合わせ枚数を抑制しつつ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記の課題を解決するために、本発明は、非線形光学特性を有する結晶による分極反転構造が形成されてなる疑似位相整合を有する波長変換素子であって、前記結晶には水晶が用いられ、複数の水晶板を貼り合わせた構造とされており、前記波長変換素子の第１の主面及び第２の主面内の第１方向に沿ってレーザ光を反射させながら移行させ、前記第１の主面と前記第２の主面との間でレーザ光を繰り返し反射させる第１反射手段と、前記波長変換素子の前記第１方向の両端部に配置され、前記第１方向の端部に到達したレーザ光を、前記第１の主面及び前記第２の主面内の前記第１方向と直交する方向である第２方向に沿って反射させながら移行させる第２反射手段とを、備えており、前記第１反射手段によるレーザ光の繰り返し反射と、前記第２反射手段によるレーザ光の反射とを交互に行わせることによって、レーザ光の進行経路を３次元空間内に形成可能であることを特徴としている。

【0016】

上記の構成によれば、波長変換素子にレーザ光を入射させると、該レーザ光は第１反射手段による繰り返し反射を受けて第１方向に沿って波長変換素子内を進行する。そして、第１方向の端部に到達したレーザ光は、第２反射手段によって第２方向に沿って移行するように反射される。上記反射を繰り返すことで、レーザ光の進行経路は、（第１方向×第２方向×素子厚み方向）の空間内に形成される３次元的経路となる。

【0017】

波長変換素子に用いられる水晶板は、ある程度決まった平面サイズで製造されるため、２次元的経路のみで繰り返し反射させる構成では、レーザ光の反射回数の増加（すなわち、変換効率の増加）にも限界がある。これに対し、３次元的経路による繰り返し反射構造を用いることでレーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができる。

【0018】

また、上記波長変換素子では、前記第１反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第１プリズムであり、前記複数の第１プリズムは、所定の入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させ、かつ、前記波長変換素子内において前記第１の主面側から前記第２の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第２の主面側から前記第１の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させることが可能な構成となっており、前記第２反射手段は、レーザ光の入射面側および出射面側にそれぞれ配置される複数の第２プリズムであり、前記複数の第２プリズムは、前記第１方向から入射するレーザ光を、前記波長変換素子内において前記第１の主面側から前記第２の主面側に進むレーザ光の光路と、前記第２の主面側から前記第１の主面側に進むレーザ光の光路とが平行となるようにレーザ光を反射させ、かつ、前記第１方向と直交する方向である第２方向に沿って反射させながら移行させることが可能な構成とすることができる。

【0019】

上記の構成によれば、第１反射手段にプリズムを用いることで、往路のレーザ光と復路のレーザ光とを平行にすることが可能であり、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす（レーザ光の変換効率を向上させる）ことが可能となる。

【0020】

また、上記波長変換素子では、前記複数の第１プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対してブリュースター角となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成となっており、前記複数の水晶板は、貼り合わされる全ての水晶板の重心に対する近似直線が、該波長変換素子の光入射面に対してレーザ光がブリュースター角で入射された場合の屈折光の光路と平行となるように貼り合わされている構成とすることができる。

【0021】

上記の構成によれば、ブリュースター角で入射されるレーザ光に対して繰り返し反射を行うことで、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす（レーザ光の変換効率を向上させる）ことが可能となる。入射角をブリュースター角に合わせることでレーザ光の反射を抑制し、変換効率の低下も抑制できる。また、水晶板の貼り合わせ枚数が多くなり、波長変換素子の厚みが大きくなる場合であっても、各水晶板の面積を必要以上に大きくすることなく、レーザ光を波長変換素子の入射面から出射面まで透過させることができる。

【0022】

また、上記波長変換素子では、前記複数の第１プリズムは、前記波長変換素子の入射面の所定の位置から入射面に対して垂直となる入射角度でレーザ光が入射された場合に、前記レーザ光を前記波長変換素子の前記第１の主面側のプリズムと前記第２の主面側のプリズムとの間で繰り返し反射させることが可能な構成とすることができる。

【0023】

上記の構成によれば、垂直に入射されるレーザ光に対して繰り返し反射を行うことで、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす（レーザ光の変換効率を向上させる）ことが可能となる。

【0024】

また、上記波長変換素子は、貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記第１プリズムおよび第２プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、前記前記第１プリズムおよび第２プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされる構成とすることができる。

【0025】

上記の構成によれば、プリズムをパッケージによって固定する構造とすることで、プリズムを水晶板に対して固定（接着）することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。

【0026】

また、上記波長変換素子では、前記第１反射手段は、前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第１の主面側に形成され、所定の波長を有する基準レーザ光、および前記基準レーザ光の第２高調波である変換レーザ光の両方を反射する反射膜と、前記波長変換素子におけるレーザ光の前記第２の主面側に形成され、前記基準レーザ光を反射し、前記変換レーザ光を透過させる反射／透過膜とからなり、前記第２反射手段は、プリズムである構成とすることができる。

【0027】

上記の構成によれば、第１反射手段に使用される反射膜および反射／透過膜は形成が容易であり、また、レーザに対して特に高精度の位置合わせも要求されない。このため、波長変換素子の構成を簡略化でき、製造コストも抑制できる。

【0028】

また、上記波長変換素子は、貼り合わされた前記複数の水晶板と、前記プリズムとを、両側から挟み込んで固定するパッケージを有しており、前記プリズムは、前記パッケージによって前記水晶板に対して位置決めされる構成とすることができる。

【0029】

上記の構成によれば、プリズムをパッケージによって固定する構造とすることで、プリズムを水晶板に対して固定（接着）することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。

【0030】

また、本発明のレーザ照射装置は、レーザ光源と波長変換素子とを有し、前記レーザ光源から発射される基準レーザ光を前記波長変換素子に透過させ、該透過によって波長変換された変換レーザ光を外部に照射するレーザ照射装置であって、前記波長変換素子は、
上記記載された波長変換素子であることを特徴としている。

【発明の効果】

【0031】

本発明の波長変換素子およびレーザ照射装置は、波長変換素子に入射させられたレーザ光の進行経路を、（第１方向×第２方向×素子厚み方向）の空間内に形成される３次元的経路とすることで、レーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】実施の形態１に係る波長変換素子の平面図であり、（ａ）は波長変換素子の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。

【図2】図１の波長変換素子をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図である。

【図3】図１の波長変換素子をＸ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図１のＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は図１のＥ−Ｅ断面図である。

【図4】図１に示す波長変換素子における金属拡散層の配置パターンの一例を示す平面図である。

【図5】実施の形態２に係る波長変換素子の平面図であり、（ａ）は波長変換素子の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。

【図6】図５の波長変換素子をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図５のＣ−Ｃ断面図である。

【図7】実施の形態３に係る波長変換素子の平面図であり、（ａ）は波長変換素子の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。

【図8】図５の波長変換素子をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図５のＣ−Ｃ断面図である。

【図9】実施の形態４に係る波長変換素子の概略構成を示す断面図である。

【図10】図６の波長変換素子を用いたレーザ照射装置の概略構成を示す図である。

【図11】図８の波長変換素子を用いたレーザ照射装置の概略構成を示す図である。

【図12】非線形結晶として水晶を用いた波長変換素子の基本構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係る波長変換素子１０−１の平面図であり、（ａ）は波長変換素子１０−１の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子１０−１の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。図２は、図１の波長変換素子１０−１をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図である。図３は、図１の波長変換素子１０−１をＸ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図１のＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は図１のＥ−Ｅ断面図である。尚、ここでの説明において、Ｘ方向（Ｘ１およびＸ２方向）およびＹ方向（Ｙ１およびＹ２方向）は、波長変換素子１０−１の主面内で互いに直交する２方向である。

【0034】

波長変換素子１０−１は、図１に示すように、複数の水晶板１１を金属拡散層１２によって貼り合わせてなる構造である。すなわち、水晶板１１は、拡散接合によって貼り合わされる。また、波長変換素子１０−１において、水晶板１１は、図１２に示すような疑似位相整合を形成するように貼り合わされている。尚、図２，３は図面の簡略化のため、水晶板１１の枚数を大幅に少なくして描画しているが、実際には、数百枚程度の枚数で水晶板１１が貼り合わされる。金属拡散層１２による水晶板１１の具体的な貼り合わせ構造については後述する。

【0035】

波長変換素子１０−１は多重反射構造を有しており、そのため、第１の主面（図２，３では上面）および第２の主面（図２，３では下面）の両方に、第１反射手段である複数の第１プリズム１３と、第２反射手段である複数の第２プリズム１４とが配置されている。尚、本実施の形態において、プリズム（第１および第２プリズム１３，１４）の材質としては石英ガラス等が使用可能であり、また、プリズムの幅方向サイズは１ｍｍ以上であることが好ましい。また、波長変換素子１０−１の主面のサイズは、例えば２５ｍｍ×３０ｍｍである。

【0036】

複数の第１プリズム１３は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面の中央付近領域において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第１プリズム１３は、Ｙ方向に直交する断面が直角二等辺三角形となる三角柱プリズムであり、その長手方向はＹ方向である。

【0037】

各第１プリズム１３は、図２に示すように、三角柱の３つの側面のうちの一つの側面１３ａが、最上層および最下層の水晶板１１の表面と接触するように配置されている。そして、残り２つの側面１３ｂ，１３ｃのなす角が９０°に設定されている。また、第１の主面および第２の主面のそれぞれにおいて、第１プリズム１３の配置ピッチをＰ１とした場合、第１の主面に配置される第１プリズム１３と、第２の主面に配置される第１プリズム１３とは、その配列方向（Ｘ方向）にＰ１／２ずれて配置されている。

【0038】

複数の第２プリズム１４は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第２プリズム１４は、Ｘ方向に直交する断面が直角二等辺三角形となる三角柱プリズムである。第２プリズム１４は、第１の主面では、第１プリズム１３の配置領域のＸ１方向側の端部領域のみに配列されており、第２の主面では、第１プリズム１３の配置領域のＸ２方向側の端部領域のみに配列されている。

【0039】

各第２プリズム１４は、図３に示すように、三角柱の３つの側面のうちの一つの側面１４ａが、最上層および最下層の水晶板１１の表面と接触するように配置されている。そして、残り２つの側面１４ｂ，１４ｃのなす角が９０°に設定されている。また、第１の主面および第２の主面のそれぞれにおいて、第２プリズム１４の配置ピッチをＰ２とした場合、第１の主面に配置される第２プリズム１４と、第２の主面に配置される第２プリズム１４とは、その配列方向（Ｙ方向）にＰ２／２ずれて配置されている。第１プリズム１３の長手方向（Ｙ方向）の長さは、第２プリズム１４の配置領域の配列方向（Ｙ方向）の長さよりも長くされている。

【0040】

第１プリズム１３および第２プリズム１４は、水晶板１１に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。

【0041】

波長変換素子１０−１では、第１の主面の所定の入射位置から所定の入射角度（図１〜図３の例では０°、すなわち垂直入射）にてレーザ光（基本波Ｌ１：図２（ａ），図３（ａ）参照）が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第１の主面において、図１に示されるＡ−Ａ断面とＤ−Ｄ断面との交差箇所が基本波Ｌ１の入射位置とされている。尚、この入射位置には第１プリズム１３および第２プリズム１４は設けられていない。代わりに、この入射位置には反射防止膜１５が設けられていることが好ましい。また、図示は省略しているが、貼り合わされる水晶板１１間においても、レーザ光の透過領域に反射防止膜が設けられていることが好ましい。

【0042】

上記入射位置から波長変換素子１０−１に垂直入射されたレーザ光は、波長変換素子１０−１の第２の主面を透過し、最初に第２の主面側に配置された第１プリズム１３の一つ（図１（ｂ），図２（ａ）における右端の第１プリズム１３）に入射する。第１プリズム１３に入射したレーザ光は、２つの側面１３ｂ，１３ｃにおいて折り返し反射され、第２の主面から波長変換素子１０−１に再び垂直入射される。この時、側面１３ｂ，１３ｃに対するレーザ光の入射角は４５°であり、レーザ光は第１プリズム１３において全反射される。また、第１プリズム１３による反射の前後では、第１の主面側から第２の主面側に進むレーザ光の光路（以下、往路レーザ光）と、第２の主面側から第１の主面側に進むレーザ光（以下、復路レーザ光）の光路とが平行となる。第２の主面側に配置された第１プリズム１３によって折り返し反射されたレーザ光は、波長変換素子１０−１の第１の主面を透過し、第１の主面側に配置された第１プリズム１３の一つに入射し、同様に折り返し反射される。

【0043】

第１プリズム１３によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しのたびに、第１プリズム１３の配列方向（Ｘ方向）に沿ってＰ１／２ずつ光路がずれる。そのため、図２（ａ）に示すように、波長変換素子１０−１に入射されたレーザ光は、第１の主面側に配置された第１プリズム１３と第２の主面側に配置された第１プリズム１３との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ２方向に進行する。尚、図２においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。

【0044】

図２（ａ）に示されるレーザ光（図１中のＡ−Ａ断面内を進行するレーザ光）は、Ｘ２方向側の最後の第１プリズム１３（図１（ａ），図２（ａ）における左端の第１プリズム１３）で反射を受けた後、波長変換素子１０−１の第２の主面を透過し、第２の主面側に配置された第２プリズム１４の一つ（図１（ｂ）における下端，図３（ｂ）における右端の第２プリズム１４）に入射する。

【0045】

第２プリズム１４に入射したレーザ光は、２つの側面１４ｂ，１４ｃにおいて折り返し反射され、第２の主面から波長変換素子１０−１に再び垂直入射される（図３（ｂ）参照）。この時、側面１４ｂ，１４ｃに対するレーザ光の入射角は４５°であり、レーザ光は第２プリズム１４において全反射される。また、第２プリズム１４による反射の前後でも、第１の主面側から第２の主面側に進むレーザ光の光路（往路レーザ光）と、第２の主面側から第１の主面側に進むレーザ光（往路レーザ光）の光路とが平行となる。第２プリズム１４によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しによって、第２プリズム１４の配列方向（Ｙ方向）に沿ってＰ２／２光路がずれる。

【0046】

図２（ａ）に示されるレーザ光は、第２プリズム１４による反射によってＰ２／２光路がずれるため、今度は、図２（ｂ）に示されるレーザ光（図１中のＢ−Ｂ断面内を進行するレーザ光）として素子中を進行する。すなわち、再び第１の主面側に配置された第１プリズム１３と第２の主面側に配置された第１プリズム１３との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ１方向に進行する。素子内をＸ１方向に進行するレーザ光は、Ｘ１方向側の端部に到達すると、第１の主面側に配置された第２プリズム１４によって再び反射を受ける（図３（ａ）参照）。

【0047】

波長変換素子１０−１に入射されたレーザ光は、第１プリズム１３および第２プリズム１４によって繰り返し反射を受けながら素子内を進行し、最終的には図２（ｃ）に示すように、波長変換素子１０−１の第２の主面から素子外に出射される。この出射レーザ光には、基本波Ｌ１が波長変換されてなる第２高調波Ｌ２と、最後まで変換されずに残った基本波Ｌ１とが含まれるが、透過・反射板（例えばダイクロイックミラー）の使用によって第２高調波Ｌ２を基本波Ｌ１から分離し、第２高調波Ｌ２のみを波長変換波として利用できる。

【0048】

尚、図１〜３の例では、レーザ光を最後に折り返し反射する第１プリズム１３は第１の主面側に設けられており、出射レーザ光は波長変換素子１０−１の第２の主面から出射されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ光を最後に折り返し反射する第１プリズム１３が第２の主面側に設けられ、出射レーザ光が第１の主面から出射される構成であってもよい。尚、この場合には、Ｘ２方向側に設けられる第２プリズム１４は、第２の主面側ではなく、第１の主面側に設けられる。

【0049】

このように、第１プリズム１３および第２プリズム１４を用いて多重反射構造を行う波長変換素子１０−１は、各水晶板１１に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。

【0050】

また、波長変換素子１０−１にレーザ光を入射させると、該レーザ光は第１プリズム１３による繰り返し反射を受けてＸ方向（第１方向）に沿って素子内を進行する。そして、Ｘ方向の端部に到達したレーザ光は、第２プリズム１４によってＹ方向（第２方向）に沿って移行されつつ、Ｘ方向に逆向きで折り返し反射される。上記反射を繰り返すことで、レーザ光の進行経路は、（Ｘ方向×Ｙ方向×素子厚み方向）の空間内に形成される３次元的経路となる。

【0051】

波長変換素子１０−１に用いられる水晶板１１は、ある程度決まった平面サイズ（例えば２５ｍｍ×３０ｍｍ）で製造されるため、２次元的経路のみで繰り返し反射させる構成では、レーザ光の反射回数の増加（すなわち、変換効率の増加）にも限界がある。これに対し、３次元的経路による繰り返し反射構造を用いることでレーザ光の反射回数を飛躍的に増加させることができ、レーザ光の変換効率を大幅に向上させることができる。

【0052】

また、波長変換素子１０−１では、レーザ光の反射手段として第１プリズム１３および第２プリズム１４を用いることにより、第１の主面から第２の主面に向かうレーザ光（往路レーザ光）と、第２の主面から第１の主面に向かうレーザ光（復路レーザ光）とが平行となるように反射を行うことができる。これにより、水晶板１１の貼り合わせ枚数を多くしても反射回数が減ることはなく、より小さな面積内でより多数の繰り返し反射を行うことができ、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす（レーザ光の変換効率を向上させる）ことが可能となる。

【0053】

尚、波長変換素子１０−１は、多重反射されながら素子内を進行するレーザ光の透過領域を確保するため、その有効面積は多重反射構造を用いない波長変換素子に比べて大面積化することが要求される。言い換えれば、反射の繰り返し回数をより増やすためには大面積に作成された水晶板１１を用いることが必要となる。

【0054】

水晶は、従来の波長変換素子で用いられている他の非線形結晶（ＬＴ，ＬＮ等）に比べ、大面積に作成することが比較的容易である。非線形結晶に水晶を用いた場合、多重反射構造を用いた波長変換素子１０−１も作成しやすく、このことも波長変換素子に水晶を用いることのメリットであると言える。

【0055】

続いて、金属拡散層１２による水晶板１１の具体的な貼り合わせ構造について図４を参照して説明する。図４は、波長変換素子１０−１における金属拡散層１２の配置パターンの一例を示す。但し、波長変換素子１０−１において、金属拡散層１２による水晶板１１の貼り合わせは必須の構成ではなく、水晶板１１同士を直接接合するものであってもよい。

【0056】

金属拡散層１２は、図４に示すように、水晶板１１の主面（貼り合わせ面）に対して全面に形成されるものではなく、一部の領域に形成される。すなわち、水晶板１１の主面には金属拡散層１２の存在しない領域（開口領域）が設けられる。また、金属拡散層１２は主に水晶板１１の主面の外周部に形成され、水晶板１１の内部領域の殆どは金属拡散層１２の存在しない開口領域とされることが好ましい。

【0057】

水晶板を用いた波長変換素子において、水晶板の貼り合わせを接着層や金属拡散層を用いて水晶板の主面全体で行った場合、波長変換素子を透過するレーザ光は水晶板だけでなく接着層や金属拡散層をも透過する必要がある。そして、レーザ光が接着層や金属拡散層を透過する際の吸収や、接着層または金属拡散層と水晶板との界面での反射等により、レーザ光の透過率が低下する。接着剤を用いる方法では、水晶板間のギャップ制御が難しい、レーザ光の波長によっては透過率が大きく低下する等の問題がある。このレーザ光の低下は、特にＵＶ硬化型の接着剤を用いた場合には顕著である。

【0058】

これに対し、本実施の形態１に係る波長変換素子１０−１では、水晶板１１は金属拡散層１２によって貼り合わされ、しかも、水晶板１１の主面には金属拡散層１２の存在しない領域（開口領域）が設けられる。このため、波長変換素子１０−１において、金属拡散層１２の存在しない開口領域をレーザ透過領域として使用することで、金属拡散層１２による吸収や反射を無くし、波長変換素子１０−１に対してレーザ光を効率よく透過させることができる。

【0059】

また、金属拡散層１２は、主に水晶板１１の主面の外周部に形成され、水晶板１１の内部領域の殆どは金属拡散層１２の存在しない開口領域とされる。これにより、波長変換素子１０−１の内部領域をレーザ透過領域として使用しやすくなる。また、水晶板１１の外周部で貼り合わせを行うことで、波長変換素子１０−１の機械的強度も確保しやすくなるといった効果もある。

【0060】

波長変換素子１０−１では、水晶板１１の貼り合わせを金属拡散層１２による拡散接合によって行うことで、接着剤を用いた貼り合わせを行う場合に比べて以下のような利点もある。すなわち、接着剤を用いた貼り合わせでは、接着剤の存在しない開口領域を形成するために水晶板の一部領域に接着剤を塗布しても、貼り合わせ時の加圧によって接着剤が塗布領域以上に拡がり、設計通りの開口領域を得ることが困難となる。拡散接合では、金属拡散層が不所望に拡がることはなく、設計通りの開口領域を得ることが容易である。

【0061】

金属拡散層１２による拡散接合は、例えば、以下の工程にて実施される。

【0062】

まず、接合される２枚の水晶板１１には、それぞれの接合面において下地膜および接合膜が形成される。下地膜は、水晶板１１の平坦平滑面（鏡面加工）に下地金属（ＴｉやＮｉ等）を物理的気相成長させて形成される。接合膜は、下地膜上にＡｕやＰｔ等の拡散接合可能な金属を物理的気相成長させて積層形成される。

【0063】

こうして、下地膜および接合膜が形成された２枚の水晶板１１を重ね合せると、接合膜同士が拡散接合され、２枚の水晶板１１同士が貼り合わされる。この場合、下地膜および接合膜が金属拡散層１２となる。接合膜の厚みは、４０ｎｍ〜１μｍの範囲とすることが好ましく、水晶板１１同士を密着させるためには、４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲とすることがさらに好ましい。そして、金属拡散層１２の厚みは、８０ｎｍ〜２μｍの範囲とすることが好ましく、８０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲とすることがさらに好ましい。金属拡散層１２の厚みを８０ｎｍ以上とすることで、金属の柔軟性により水晶板１１に反りがあっても、この反りを吸収することができ、積層数を多くすることができる。また、接合面に異物等があっても柔軟に接合することが可能となる。また、金属拡散層１２の厚みを１０００ｎｍ以下とすることで、金属膜の膜応力による水晶板１１の反りを少なくすることができ、貼り合わせの積層数を多くすることが可能となる。

【0064】

また、図４に示す金属拡散層１２は水晶板１１の外周全体を囲むようには形成されておらず、貼り合わされた水晶板１１の内部領域（ギャップ空間）を外部と通気させるための通気部１２ａが設けられている。これは、通気部１２ａを設けることで水晶板１１間に密封空間を形成しない構造とし、該密封空間に水分が封入されることを防止するためである。水晶板１１間に水分が封入された密封空間が存在すると、温度によっては結露が発生する恐れがあり、この結露にレーザ光が当たると不所望な屈折が生じて、透過レーザにおけるエネルギ損失が生じる。また、貼り合せ面の外周部に開口部（通気部１２ａ）を設けることで、貼り合せ面の応力を緩和することが可能となり、積層数を多くした場合の素子の変形を防止することが可能となる。

【0065】

また、水晶板１１のギャップ空間での結露を防止する方法としては、貼り合わされた水晶板１１のギャップ空間を、真空もしくは窒素等の不活性ガスが充填された密閉空間とする方法もある。このようにすれば、該密封空間に水分が封入されることは無く、結露を防止することができる。

【0066】

〔実施の形態２〕
実施の形態１で示した波長変換素子１０−１のように、複数の水晶板１１を金属拡散層１２によって貼り合わせ、かつ、金属拡散層１２の存在しない開口領域を設ける構造では、この開口領域において、貼り合わされる水晶板１１の間にギャップ空間が形成される。このギャップ空間内の媒質（ギャップ内媒質）と水晶板１１との屈折率が異なる場合、ギャップ内媒質と水晶板１１との界面で反射が生じ、この反射によって透過レーザにおけるエネルギ損失が生じる可能性がある。

【0067】

上記反射を防止する有効な手段としては、波長変換素子に入射されるレーザ光の入射角（水晶板１１の主面に対する入射角）をブリュースター角とすることが考えられる。このように、波長変換素子にブリュースター角でレーザ光を入射させることで、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。

【0068】

図５，図６は、レーザ光の入射角をブリュースター角とする場合に対応する波長変換素子１０−２の平面図および断面図である。図５は、本実施の形態２に係る波長変換素子１０−２の平面図であり、（ａ）は波長変換素子１０−２の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子１０−２の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。図６は、図５の波長変換素子１０−２をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図５のＣ−Ｃ断面図である。尚、ここでの説明において、Ｘ方向（Ｘ１およびＸ２方向）およびＹ方向（Ｙ１およびＹ２方向）は、波長変換素子１０−２の主面内で互いに直交する２方向である。

【0069】

波長変換素子１０−２は多重反射構造を有しており、そのため、第１の主面（図６では上面）および第２の主面（図６では下面）の両方に、第１反射手段である複数の第１プリズム１６と、第２反射手段である複数の第２プリズム１７とが配置されている。

【0070】

複数の第１プリズム１６は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面の中央付近領域において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。具体的には、各第１プリズム１６は、Ｙ方向に直交する断面が四角形となる四角柱プリズムであり、その長手方向はＹ方向である。

【0071】

各第１プリズム１６は、図６に示すように、四角柱の４つの側面のうちの一つの側面１６ａが、最上層および最下層の水晶板１１の表面と接触するように配置されている。そして、レーザ光の反射面として利用される２つの側面１６ｂ，１６ｃのなす角は９０°に設定されている。

【0072】

複数の第２プリズム１７は、同じ形状かつ同じサイズであり、両主面において同一の向きかつ同一のピッチで配列されている。第２プリズム１７は、第１の主面では、第１プリズム１６の配置領域のＸ１方向側の端部領域のみに配列されており、第２の主面では、第１プリズム１６の配置領域のＸ２方向側の端部領域のみに配列されている。

【0073】

各第２プリズム１７は、図６に示すように、一つの側面１７ａが、最上層および最下層の水晶板１１の表面と接触するように配置されている。そして、レーザ光の反射面として利用される２つの側面１７ｂ，１７ｃのなす角が９０°に設定されている。

【0074】

第１プリズム１６および第２プリズム１７は、水晶板１１に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。

【0075】

図５，６に示す波長変換素子１０−２では、第１の主面の所定の入射位置から入射角α（図６（ａ）参照）がブリュースター角であるレーザ光（基本波Ｌ１）が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第１の主面において、図５に示されるＡ−Ａ断面の右端側に基本波Ｌ１の入射位置が設けられている。尚、この入射位置には第１プリズム１６および第２プリズム１７は設けられていない。また、入射角αをブリュースター角とすることで、上記入射位置において反射防止膜も必要とせず、水晶板１１間における反射防止膜も必要としない。

【0076】

上記入射位置から波長変換素子１０−２にブリュースター角で入射されたレーザ光は、波長変換素子１０−２の第２の主面を透過し、第２の主面側に配置された第１プリズム１６の一つ（図６では、右端の第１プリズム１６）に入射する。第１プリズム１６に入射したレーザ光は、２つの側面１６ｂ，１６ｃにおいて折り返し反射され、第２の主面から波長変換素子１０−２に再びブリュースター角で入射される。この時、側面１６ｂ，１６ｃに対するレーザ光の入射角は４５°であり、レーザ光は第１プリズム１６において全反射される。また、第１プリズム１６による反射の前後では、第１の主面側から第２の主面側に進むレーザ光の光路（往路レーザ光）と、第２の主面側から第１の主面側に進むレーザ光（復路レーザ光）の光路とが平行となる。第２の主面側に配置された第１プリズム１６によって折り返し反射されたレーザ光は、波長変換素子１０−２の第１の主面を透過し、第１の主面側に配置された第１プリズム１６の一つに入射し、同様に折り返し反射される。

【0077】

第１プリズム１６によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しのたびに、第１プリズム１６の配列方向（Ｘ方向）に沿って所定ピッチずつ光路がずれる。具体的には、第１の主面および第２の主面のそれぞれにおける第１プリズム１６の配置ピッチをＰ１とした場合、折り返し反射されるレーザ光はＰ１／２ずつ光路がずれる。そのため、図６（ａ）に示すように、波長変換素子１０−２に入射されたレーザ光は、第１の主面側に配置された第１プリズム１６と第２の主面側に配置された第１プリズム１６との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ２方向に進行する。尚、図６においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。

【0078】

図６（ａ）に示されるレーザ光（図５中のＡ−Ａ断面内を進行するレーザ光）は、Ｘ２方向側の最後の第１プリズム１６（図５（ａ），図６（ａ）における左端の第１プリズム１６）で反射を受けた後、波長変換素子１０−２の第２の主面を透過し、第２の主面側に配置された第２プリズム１７の一つ（図１（ｂ）における下端，図３（ｂ）における右端の第２プリズム１７）に入射する。

【0079】

第２プリズム１７に入射したレーザ光は、２つの側面１７ｂ，１７ｃにおいて折り返し反射され、第２の主面から波長変換素子１０−２に再びブリュースター角で入射される（図６（ｂ）参照）。この時、側面１７ｂ，１７ｃに対するレーザ光の入射角は４５°であり、レーザ光は第２プリズム１７において全反射される。また、第２プリズム１７による反射の前後でも、第１の主面側から第２の主面側に進むレーザ光の光路（往路レーザ光）と、第２の主面側から第１の主面側に進むレーザ光（往路レーザ光）の光路とが平行となる。第２プリズム１７によって折り返し反射されるレーザ光は、折り返しによって、第２プリズム１７の配列方向（Ｙ方向）に沿って所定ピッチずつ光路がずれる。具体的には、第１の主面および第２の主面のそれぞれにおける第２プリズム１７の配置ピッチをＰ２とした場合、折り返し反射されるレーザ光はＰ２／２ずつ光路がずれる。

【0080】

図６（ａ）に示されるレーザ光は、第２プリズム１７による反射によってＰ２／２光路がずれるため、今度は、図６（ｂ）に示されるレーザ光（図５中のＢ−Ｂ断面内を進行するレーザ光）として素子中を進行する。すなわち、再び第１の主面側に配置された第１プリズム１６と第２の主面側に配置された第１プリズム１６との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ１方向に進行する。素子内をＸ１方向に進行するレーザ光は、Ｘ１方向側の端部に到達すると、第１の主面側に配置された第２プリズム１７によって再び反射を受ける。

【0081】

波長変換素子１０−２に入射されたレーザ光は、第１プリズム１６および第２プリズム１７によって繰り返し反射を受けながら素子内を進行し、最終的には図６（ｃ）に示すように、波長変換素子１０−２の第２の主面から素子外に出射される。この出射レーザ光には、基本波Ｌ１が波長変換されてなる第２高調波Ｌ２と、最後まで変換されずに残った基本波Ｌ１とが含まれるが、透過・反射板（例えばダイクロイックミラー）の使用によって第２高調波Ｌ２を基本波Ｌ１から分離し、第２高調波Ｌ２のみを波長変換波として利用できる。

【0082】

このように、第１プリズム１６および第２プリズム１７を用いて多重反射構造を行う波長変換素子１０−２は、各水晶板１１に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。また、波長変換素子１０−２でも、四角柱形状である第１プリズム１６を用いることにより、第１の主面から第２の主面に向かうレーザ光（以下、往路レーザ光）と、第２の主面から第１の主面に向かうレーザ光（以下、復路レーザ光）とが平行となるように反射を行うことができる。これにより、より小さな面積内でより多数の繰り返し反射を行うことができ、波長変換素子の面積増加を抑制しつつ、反射の繰り返し回数を増やす（レーザ光の変換効率を向上させる）ことが可能となる。

【0083】

尚、波長変換素子１０−２のように、レーザ光を水晶板１１の主面に対して垂直でなく斜めに入射する場合、図６に示すように、レーザの入射角に合わせて水晶板１１を斜めにずらした貼り合わせとしてもよい。ここでの「斜めにずらした貼り合わせ」とは、全ての水晶板１１が同一形状かつ同一寸法であり、貼り合わされる全ての水晶板１１の重心に対する近似直線が、水晶板１１の主面に対して斜めに傾くような貼り合わせ構造を意味する。また、上記近似直線は、入射されるレーザ光の入射角αをブリュースター角とした場合に、水晶板１１中を進行する屈折光の光路と平行となるように設定されることが好ましい。

【0084】

このように、レーザの入射角に合わせて水晶板１１を斜めにずらした貼り合わせとすることにより、各水晶板１１の面積を低減することができ、波長変換素子１０−２の小型化および軽量化に寄与する。また、本形態では、同じ形状で同じ面積の水晶板１１を用いることで、加工が容易になり材料効率も高まるため、コストダウンにも有効である。

【0085】

〔実施の形態３〕
実施の形態１，２で示した波長変換素子１０−１，１０−２は、第１反射手段として第１プリズム１３，１６を用いた構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１反射手段として反射膜（透過・反射膜を含む）を用いることも可能である。

【0086】

図７，図８は、第１反射手段として反射膜を用いた波長変換素子１０−３の平面図および断面図である。図７は、本実施の形態３に係る波長変換素子１０−３の平面図であり、（ａ）は波長変換素子１０−３の第１の主面における反射手段の配置を示す図であり、（ｂ）は波長変換素子１０−３の第２の主面における反射手段の配置を第１の主面側から透過して示す図である。図８は、図７の波長変換素子１０−３をＹ２方向側から見た断面図であり、（ａ）は図７のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図７のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図７のＣ−Ｃ断面図である。尚、ここでの説明において、Ｘ方向（Ｘ１およびＸ２方向）およびＹ方向（Ｙ１およびＹ２方向）は、波長変換素子１０−３の主面内で互いに直交する２方向である。

【0087】

波長変換素子１０−３は多重反射構造を有しており、そのため、第１の主面（図８では上面）には、第１反射手段の一部である反射膜１８と、第２反射手段である複数の第２プリズム１７とが配置されている。第２の主面（図８では下面）には、第１反射手段の一部である透過・反射膜１９と、第２反射手段である複数の第２プリズム１７とが配置されている。

【0088】

反射膜１８は、第１の主面の中央領域に広範囲に成膜され、基本波（基準レーザ光）Ｌ１と、第２高調波（基本波が波長変換素子を通過する過程で波長変換されて発生する変換波：変換レーザ光）Ｌ２との両方を反射する特性を有する。また、透過・反射膜１９は、第２の主面の中央領域に広範囲に成膜され、基本波Ｌ１を反射し、第２高調波Ｌ２を透過する特性を有する。

【0089】

反射膜１８は、基本波Ｌ１と第２高調波Ｌ２との両方に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有することが好ましい。反射膜１８の材質は特に限定されるものではなく、金属反射膜等も使用可能であるが、上記のような高い反射率を実現するには誘電体多層膜を用いることが好ましい。

【0090】

また、透過・反射膜１９は、基本波Ｌ１に対して高い反射率（例えば、反射率９９％以上）を有し、第２高調波Ｌ２に対して高い透過率（例えば、透過率９９％以上）を有することが好ましい。上記のような光学特性を実現するには、透過・反射膜１９には誘電体多層膜を用いることが好ましい。

【0091】

複数の第２プリズム１７は、実施の形態２における波長変換素子１０−２と同様の構成とすることができる。第２プリズム１７は、第１の主面では、反射膜１８の形成領域のＸ１方向側の端部領域のみに配列されており、第２の主面では、透過・反射膜１９の形成領域のＸ２方向側の端部領域のみに配列されている。

【0092】

図７，８に示す波長変換素子１０−３では、第１の主面の所定の入射位置から入射角α（図８（ａ）参照）がブリュースター角であるレーザ光（基本波Ｌ１）が入射された場合に、所望の波長変換効果が得られるように設計されている。具体的には、第１の主面において、図７に示されるＡ−Ａ断面の右端側に基本波Ｌ１の入射位置が設けられている。尚、この入射位置には反射膜１８および第２プリズム１７は設けられていない。また、入射角αをブリュースター角とすることで、上記入射位置において反射防止膜も必要としない。

【0093】

上記入射位置から波長変換素子１０−３にブリュースター角で入射されたレーザ光は、反射膜１８と透過・反射膜１９との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ２方向に進行する。尚、図８においては、素子内を進行するレーザ光の光路を破線矢印にて示している。

【0094】

図８（ａ）に示されるレーザ光（図７中のＡ−Ａ断面内を進行するレーザ光）は、反射膜１８による最後の反射を受けた後、波長変換素子１０−３の第２の主面を透過し、第２の主面側に配置された第２プリズム１７の一つ（図７（ｂ）における下端，図８（ａ）における下端の第２プリズム１７）により反射されながらＹ方向に移行する。こうして反射されたレーザ光は、今度は、図８（ｂ）に示されるレーザ光（図７中のＢ−Ｂ断面内を進行するレーザ光）として素子中を進行する。すなわち、再び反射膜１８と透過・反射膜１９との間で反射を繰り返しながら素子内をＸ１方向に進行する。素子内をＸ１方向に進行するレーザ光は、Ｘ１方向側の端部に到達すると、第１の主面側に配置された第２プリズム１７によって折り返し反射を受ける。

【0095】

基本波Ｌ１が水晶板１１を透過する際には、基本波Ｌ１が波長変換されて第２高調波Ｌ２が発生する。波長変換素子１０−３では、発生した第２高調波Ｌ２は、透過・反射膜１９を透過して互いに平行な複数のレーザ光（図８（ａ）〜（ｃ）のそれぞれでは、３本のレーザ光）として出射される。こうして出射される第２高調波Ｌ２は、例えば集光レンズ等によって集光することで、増幅された波長変換波として利用できる。

【0096】

尚、本実施の形態３に係る波長変換素子１０−３において、第２プリズム１７によって折り返し反射されるレーザ光は、レーザ光をＹ方向に沿って移行させる光路長が、基本波Ｌ１の波長の整数倍である必要がある。これは、透過・反射膜１９から複数のレーザ光として出射される第２高調波Ｌ２の位相を揃えるための条件である。透過・反射膜１９から出射される第２高調波Ｌ２の位相がそろっていなければ、第２高調波Ｌ２を集光レンズによって集光しても、増幅された波長変換波として利用することはできない。

【0097】

また、波長変換素子１０−３への入射後、最後まで変換されることのない基本波Ｌ１は、最終的には、最後の第２プリズム１７（図７（ｂ）における上端，図８（ｃ）における左端の第２プリズム１７）で反射された後、波長変換素子１０−３の第１の主面から出射される。このため、反射膜１８は、基本波Ｌ１の出射部には形成されず、この部分は開口されている。

【0098】

このように、反射膜１８、透過・反射膜１９および第２プリズム１７を用いて多重反射構造を行う波長変換素子１０−３は、各水晶板１１に対してレーザ光を複数回透過させることができるため、水晶板１１の積層数を抑制しながら波長変換素子の変換効率を増大させることができる。また、第１反射手段に使用される反射膜１８および透過・反射膜１９は、実施の形態１，２における第１プリズム１３，１６に比べ、形成が容易であり、また、レーザに対して特に高精度の位置合わせも要求されない。このため、波長変換素子１０−３の構成を簡略化でき、製造コストも抑制できる。

【0099】

〔実施の形態４〕
実施の形態１〜３に係る波長変換素子１０−１ないし１０−３において、第１プリズム１３，１６および第２プリズム１４，１７は、水晶板１１に対して、例えば接着剤を用いた接着により、所定の位置に固定することができる。しかしながら、このような接着によるプリズム固定方法では、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能となった場合、プリズムのみの交換が不可能であり、素子全体の交換が必要となる。

【0100】

本実施の形態４では、プリズムのみの交換を可能とする波長変換素子の構成について説明する。図９は、本実施の形態４に係る波長変換素子１０−４の断面図である。

【0101】

波長変換素子１０−４は、水晶板１１に対して第１プリズム１３および第２プリズム１４を接着固定せず、図９に示すように、水晶板１１を金属拡散層１２で貼り合わせてなる積層体（以下、水晶板積層体）と第１プリズム１３および第２プリズム１４とをパッケージ２０にて挟持して、これらの相対位置関係を保持する構成である。

【0102】

パッケージ２０は、第１の主面側に配置される第１パッケージ部材２０１と、第２の主面側に配置される第２パッケージ部材２０２とから構成されている。第１パッケージ部材２０１および第２パッケージ部材２０２は、その両端にフランジ部２０ａを有しており、このフランジ部２０ａをボルト２１で締結することにより、水晶板積層体、第１プリズム１３および第２プリズム１４を間に挟持して保持できる構成となっている。また、パッケージ２０には、波長変換素子１０−４におけるレーザ光の入射位置と出射位置とに対応して、レーザ入射窓（図示せず）とレーザ出射窓（図示せず）とが形成されている。

【0103】

尚、図９に示すパッケージ２０は、実施の形態１における第１プリズム１３および第２プリズム１４を保持する形状のものを例示しているが、パッケージ２０の形状を変えれば、異なる形状のプリズムを水晶板積層体に対して位置合わせした状態で保持することも可能である。例えば、実施の形態２における第１プリズム１６および第２プリズム１７や、実施の形態３における第２プリズム１７を保持する形状とすることもできる。

【0104】

このように、パッケージ２０を用いれば、プリズムを水晶板積層体に対して固定（接着）することなく位置決めできる。このため、プリズムの設計変更やプリズムの小型化が可能になった場合に、プリズムの交換を容易に行うことができる。

【0105】

〔実施の形態５〕
本実施の形態５では、本発明が適用されたレーザ照射装置について図１０，図１１を参照して説明する。

【0106】

図１０は、実施の形態２に示す波長変換素子１０−２を用いたレーザ照射装置５０−１の概略構成を示す図である。レーザ照射装置５０−１は、レーザ光源（レーザ発振素子）５１からの基本波（基準レーザ光）Ｌ１を波長変換素子１０−２に照射し、第２高調波（波長が基本波の１／２：変換レーザ光）Ｌ２を得る構成である。

【0107】

図１０に示すレーザ照射装置５０−１において、波長変換素子１０−２に入射されるレーザ光（基本波Ｌ１）は、波長変換素子１０−２の入射面（第１の主面）に対し、所定の入射位置から所定の入射角度（ブリュースター角）で入射される必要がある。このため、レーザ照射装置５０−１では、レーザ光源５１は、波長変換素子１０−２に対してレーザ光を正確に入射できるように適切に位置決めされる。尚、レーザ照射装置５０−１は、レーザ光源５１を高精度に位置決めするための微調整手段を有していてもよい。

【0108】

レーザ照射装置５０−１においては、波長変換素子１０−２から出射されるレーザ光は、基本波Ｌ１と第２高調波Ｌ２とを含んでいる。このため、レーザ照射装置５０−１は、波長変換素子１０−２の後段に透過・反射板（例えばダイクロイックミラー）５２を設け、基本波Ｌ１と第２高調波Ｌ２とを分離して、分離した第２高調波Ｌ２のみを出力レーザ光として利用する構成とされている。尚、図１０における透過・反射板５２は、第２高調波Ｌ２を透過し、基本波Ｌ１を反射するものを例示しているが、これとは逆に、第２高調波Ｌ２を反射し、基本波Ｌ１を透過するものであってもよい。

【0109】

また、レーザ照射装置５０−１においては、波長変換素子１０−２で繰り返し反射を受けた後に出射される第２高調波Ｌ２は、完全には重ならず、幾分拡がって出射される場合がある。このため、レーザ照射装置５０−１では、波長変換素子１０−２の後段に集光レンズ５３が設けられていてもよい。これにより、波長変換素子１０−２から出射される第２高調波Ｌ２は、集光レンズ５３によって集光され、増幅された波長変換波として利用できる。尚、図１０では、集光レンズ５３を透過・反射板５２の後段に配置した場合を例示しているが、集光レンズ５３を透過・反射板５２の前段に配置してもよい。

【0110】

尚、図１０に示すレーザ照射装置５０−１において、波長変換素子１０−２を、実施の形態１に示す波長変換素子１０−１に代えてもよい。

【0111】

図１１は、実施の形態３に示す波長変換素子１０−３を用いたレーザ照射装置５０−２の概略構成を示す図である。レーザ照射装置５０−２は、レーザ光源（レーザ発振素子）５１からの基本波Ｌ１を波長変換素子１０−２に照射し、第２高調波（波長が基本波の１／２）Ｌ２を得る構成である。レーザ照射装置５０−２において、波長変換素子１０３に入射されるレーザ光（基本波Ｌ１）の入射角はブリュースター角とすることが好ましい。この場合、反射によるエネルギ損失を大幅に抑制できる。

【0112】

レーザ照射装置５０−２においては、波長変換素子１０−３から出射される第２高調波Ｌ２は、複数のレーザ光として出射される。この時、波長変換素子１０−３内の奇数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２（例えば、図８（ａ），（ｃ）における出射光）は互いに平行であり、偶数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２（例えば、図８（ｂ）における出射光）も互いに平行である。しかしながら、奇数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２と、偶数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２とは、Ｘ方向において逆向きの出射光となっている。このため、レーザ照射装置５０−２は、反射板５４を備えており、反射板５４によって偶数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２を反射することで、全ての第２高調波Ｌ２が平行となるようにしている。尚、反射板５４は、奇数列の光路から出射される第２高調波Ｌ２を反射することで、全ての第２高調波Ｌ２を平行とするものであってもよい。

【0113】

また、レーザ照射装置５０−２では、波長変換素子１０−３および反射板５４の後段に集光レンズ５５が配置される。集光レンズ５５は、互いに平行とされた全ての第２高調波Ｌ２を集光する。すなわち、波長変換素子１０−３から出射される第２高調波Ｌ２は、集光レンズ５５によって集光され、増幅された波長変換波として利用できる。

【0114】

また、図１０に示すレーザ照射装置５０−２において、集光レンズ５５は、その光軸方向に沿って平行移動可能であり、焦点位置を調整可能な構成であってもよい。

【0115】

レーザ照射装置５０−１および５０−２において、レーザ光源５１は固体レーザ発振素子であることが好ましく、例えばＹＡＧレーザを用いることが好ましい。ＹＡＧレーザから照射される基本波Ｌ１の波長は１０６４ｎｍであり、第２高調波Ｌ２の波長は５３２ｎｍである。尚、図１０，１１では、使用する波長変換素子の数を一つとした場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ光の光路に沿って複数の波長変換素子を配置する構成であってもよい。

【0116】

例えば、図１０に示すレーザ照射装置５０−１において、波長変換素子１０−２をレーザ光の光路に沿って複数配置すれば、波長が１０６４ｎｍの基本波Ｌ１を、５３２ｎｍ，２６６ｎｍ，…と順次変換することができ、最終的には紫外光域の短波長レーザ光を得ることができる。このことは、図１１に示すレーザ照射装置５０−２においても同様である。

【0117】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0118】

１０−１〜１０−３ 波長変換素子
１１ 水晶板
１２ 金属拡散層
１２Ａ，１２Ｂ 金属パターン
１３，１６ 第１プリズム
１４，１７ 第２プリズム
１５ 反射防止膜
１８ 反射膜
１９ 透過・反射膜
２０ パッケージ
２０１ 第１パッケージ部材
２０２ 第２パッケージ部材
５０−１，５０−２ レーザ照射装置
５１ レーザ光源
５２ 透過・反射板
５３ 集光レンズ
５４ 反射板
５５ 集光レンズ
Ｌ１ 基本波（基準レーザ光）
Ｌ２ 第２高調波（変換レーザ光）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】