(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】
(24)【登録日】2022-01-11
(45)【発行日】2022-02-10
(54)【発明の名称】可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器
(51)【国際特許分類】
G02F 1/37 20060101AFI20220203BHJP
C30B 29/18 20060101ALI20220203BHJP
C30B 29/30 20060101ALI20220203BHJP
C30B 29/14 20060101ALI20220203BHJP
C30B 29/10 20060101ALI20220203BHJP
C30B 29/12 20060101ALI20220203BHJP
【ＦＩ】
G02F1/37
C30B29/18
C30B29/30 A
C30B29/14
C30B29/10
C30B29/12
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020519666
(86)(22)【出願日】2019-05-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-07-15
(86)【国際出願番号】 CN2019086352
(87)【国際公開番号】W WO2020220391
(87)【国際公開日】2020-11-05
【審査請求日】2020-04-06
(31)【優先権主張番号】201910363871.2
(32)【優先日】2019-04-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】594196624
【氏名又は名称】山東大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088063
【弁理士】
【氏名又は名称】坪内 康治
(74)【代理人】
【識別番号】100130111
【弁理士】
【氏名又は名称】新保 斉
(72)【発明者】
【氏名】于 浩海
(72)【発明者】
【氏名】張 懐金
【審査官】林 祥恵
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０３８４２２８９（ＵＳ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１９６０６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０５－２４９５２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５０４３６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許第００５４９０３７（ＥＰ，Ｂ１）
【文献】欧州特許出願公開第００４８１５１０（ＥＰ，Ａ２）
【文献】中国特許出願公開第１６００９０６（ＣＮ，Ａ）
【文献】S. SOMEKH, et al.，”Phase matching by periodic modulation of the nonlinear optical properties”，OPTICS COMMUNICATIONS，1972年11月，Vol. 6, No. 3，pp. 301-304
【文献】C. FLOREA, et al.，"Direct-write gratings in chalcogenide bulk glasses and fibers using a femtosecond laser"，OPTICAL MATERIALS，2008年02月20日，Vol. 30，pp. 1603-1606
【文献】H. KHACHATRYAN, et al.，"Direct etching of perovskite film by electron-beam scanning"，MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING，2018年10月31日，Vol. 90，pp. 171-181
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／３５－１／３９
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスであって、基本周波数光を周波数逓倍光に変換する非線形光学結晶であり、前記非線形光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、前記アモルファス領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
【請求項2】
結晶加工方法はレーザーマイクロマシニング又はイオンエッチングであることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【請求項3】
未加工部分の幅ｌｃ＝０．１－５０μｍ、加工部分の幅ｌｂ＝０．１－５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【請求項4】
前記非線形光学結晶は、水晶結晶、三ホウ酸リチウム結晶、β－メタホウ酸バリウム結晶、四ホウ酸ストロンチウム結晶、ニオブ酸リチウム結晶、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム結晶、リン酸二水素カリウム結晶又はフッ化バリウムマグネシウム結晶を用いることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【請求項5】
前記非線形光学結晶面には基本周波数光と周波数逓倍光がいずれも高透過性の誘電体膜がコーティングされることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【請求項6】
前記非線形光学結晶の光透過方向の長さは０．１－１００ｍｍであり、更に好ましくは３－１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【請求項7】
前記非線形光学結晶の断面は円形または方形であることを特徴とする請求項１に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は非線形光学結晶デバイスに関し、とりわけ可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器に関し、レーザー技術分野に属する。
【背景技術】
【0002】
非線形光周波数変換は材料による光学に対する非線形応答によって、光の周波数アップコンバージョン又はダウンコンバージョンを実現することであり、周波数逓倍はそのアップコンバージョン効果を用いて、光学周波数が一倍増加し、波長が半分縮むという効果であり、非線形光学分野において最も多く研究され、最も幅広く応用されている効果である。周波数逓倍効果の基礎材料は非線形光周波数変換デバイスである。該効果においては、運動量保存すなわち位相整合条件は高効率な光周波数変換の基本要求であり、一般的に複屈折効果の分散関係に基づいて、特殊な切り出し角で基本周波数光ｏ光又はｅ光と周波数逓倍光ｅ光又はｏ光との屈折率を同じにすることによって、位相整合を実現し、高効率な周波数逓倍光出力を実現する。現在、複屈折に基づいて可視から紫外にわたる周波数帯レーザーが実現されており、国民経済と国家安全関連の多くの分野において適用されているが、結晶の複屈折の位相整合方式は、結晶が適切な複屈折を有することが要求されるため、適合な複屈折を持たないほとんどの結晶が除外され、高効率なレーザーの入手、特に紫外線又は深紫外線レーザーにおいての応用が制限されてしまう。位相整合条件により制限されているため、層状フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）結晶しか深紫外線の実効的な周波数逓倍を実現できないが、その層状習性のため、結晶成長が困難であり、且つ原料の毒性も大幅に結晶の入手を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
従来の非線形光周波数変換技術と非線形光学材料の不備に対して、発明は、可視光から紫外線ひいては深紫外線にわたる周波数帯の周波数逓倍及び和周波の変換を実現可能な可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
発明の要約：
本発明の用いる結晶は非線形光学結晶であり、用いる非線形係数に基づいて結晶を所定の方向に切断し、接線方向に垂直な表面を研磨してコーティングするか、又はコーティングせず、レーザー加工又はイオンビームエッチングなどの方式で、結晶の内部均一性を破壊し、その破壊領域の実効的な非線形効果をなくし、実効的な周波数逓倍過程を実現できないが、基本周波数光と周波数逓倍（又は和周波）光の位相変化を実現し、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を制御することで、結晶の内部光の位相を調整して位相整合を実現し、実効的な光周波数変換を得る。
本発明の用いる結晶は非線形光学結晶であり、用いる非線形係数に基づいて結晶を所定の方向に切断し、接線方向に垂直な表面を研磨してコーティングするか、又はコーティングせず、レーザー加工又はイオンビームエッチングなどの方式で、結晶の内部均一性を破壊し、その破壊領域の実効的な非線形効果をなくし、実効的な周波数逓倍過程を実現できないが、基本周波数光と周波数逓倍（又は和周波）光の位相変化を実現し、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を制御することで、結晶の内部光の位相を調整して位相整合を実現し、実効的な光周波数変換を得る。
【0005】
用語の説明：
ｏ光とは、振動方向が結晶光軸と入射方向からなる主平面に垂直な偏光を意味する。
ｏ光とは、振動方向が結晶光軸と入射方向からなる主平面に垂直な偏光を意味する。
【0006】
ｅ光とは、振動方向が結晶光軸と入射方向からなる主平面に平行する偏光を意味する。
【0007】
紫外線光とは、波長４００ナノより短い光を意味する。
【0008】
回折格子周期は、回折格子常数であり、図２に示されるように、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術を用いて結晶を加工し、結晶の内部に異なる屈折率で周期的に配列される回折格子を形成し、回折格子周期は
であり、ｌｃが結晶の光透過方向の未加工部分の幅であり、ｌｂが結晶の光透過方向の加工部分の幅である。
【0009】
本発明の技術案は以下のとおりである。
可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスであって、非線形光学結晶を用い、前記光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果のコヒーレント加算を実現できないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供できる。
可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスであって、非線形光学結晶を用い、前記光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果のコヒーレント加算を実現できないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供できる。
【0010】
本発明によれば、好ましくは、前記アモルファス領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
（ｍは整数である）を提供する。
【0011】
本発明によれば、好ましくは、前記周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域は光透過方向に垂直で、屈折率が周期的に分布する位相格子であり、前記位相格子は結晶の光透過方向に平行に配列され、１つの回折格子周期内に加工領域と未加工領域において伝送する位相差がいずれも
（ｍは整数である）である。本発明の周期的に分布する回折格子は、加工されたアモルファス領域を含むだけではなく、未加工の領域も含み、この２つの部分の屈折率が同じではなく、従って、屈折率の周期的分布を形成し、この２つの部分はいずれもπの奇数倍の位相差を提供し、未加工部分は位相差を持つだけではなく、実効的な非線形効果、すなわち基本周波数光から周波数逓倍光への持続的変換も有し、加工領域は実効的な非線形効果がなく、位相差だけを提供する。
【0012】
本発明によれば、好ましくは、前記回折格子は結晶加工方法、すなわち付加的な周期位相を追加することで取得され、加工方式はレーザーマイクロマシニング、イオンエッチングなどの、結晶の局部破壊を実現可能な技術を含むがこれらに限られない。
【0013】
本発明は、結晶自体の構造を破壊することで周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域を形成し、該領域の非線形光学効果をなくし、それにより、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断し、しかし、該領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供できる。
【0014】
更に、本発明はレーザー加工、イオンエッチングなどの技術を用いて結晶の内部に異なる屈折率で周期的に配列される回折格子を形成する。加工領域の屈折率が波長に従う分散関係を用いて基本周波数光と周波数逓倍光（又は和周波レーザー）の位相差を実現し、位相整合を満たし、高効率な周波数逓倍出力を実現する。
【0015】
図２に示されるように、本発明の回折格子周期は
であり、ｌｃが結晶の光透過方向の未加工部分の幅であり、ｌｂが結晶の光透過方向の加工部分の幅である。光透過方向の回折格子の加工長さを制御することで、光を結晶の内部に伝送するときの位相を制御し、結晶が１つの回折格子周期内に伝送する位相差は
として示され、式中、
は非線形光学結晶の位相不整合の逆格子ベクトルであり、Λは回折格子周期である。好ましくは、未加工部分の幅ｌｃ＝０．１－５０μｍ、加工部分の幅ｌｂ＝０．１－５０μｍ。
【0016】
本発明によれば、好ましくは、前記非線形光学結晶は、水晶（ＳｉＯ２）結晶、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶、β－メタホウ酸バリウム（β－ＢＢＯ）結晶、四ホウ酸ストロンチウム（ＳＢＯ）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム（ＫＢＢＦ）結晶、 リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）結晶、フッ化バリウムマグネシウム（ＭｇＢａＦ４）結晶などの非線形光学結晶を用いることができるが、上記結晶に限られない。用いる非線形係数に基づいて結晶を所定の方向に切断し、接線方向に垂直な表面を研磨する。光透過方向に沿って、レーザーフォトリソグラフィ、イオンエッチングなどの技術によって光透過方向に垂直な周期位相格子を加工する。入射した基本周波数光波の波長と非線形光学結晶の屈折率分散方程に基づいて、加工領域の長さを制御し、付加的な周期位相を提供し、それにより、位相整合条件を満たし、可視から紫外線、深紫外線にわたる周波数帯の周波数変換を実現する。
【0017】
本発明によれば、好ましくは、前記非線形光学結晶面には基本周波数光と周波数逓倍光がいずれも高透過性の誘電体膜がコーティングされるか、又はコーティングされていない。
【0018】
本発明によれば、好ましくは、前記非線形光学結晶の光透過方向の長さは０．１－１００ｍｍであり、更に好ましくは３－１０ｍｍであり、結晶の断面は円形、方形又は任意の形状である。
【0019】
本発明によれば、好ましくは、上記可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスの製造方法は、
非線形係数に基づいて非線形光学結晶を所定の方向に切断し、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術を用いて結晶の内部に異なる屈折率で周期的に配列される回折格子を形成するステップと、結晶自体の構造を破壊することで周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域を形成し、該領域の非線形光学効果をなくし、それにより、遮断周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断し、しかし、該領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
（ｍは整数である）を提供できるステップとを含む。
非線形係数に基づいて非線形光学結晶を所定の方向に切断し、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術を用いて結晶の内部に異なる屈折率で周期的に配列される回折格子を形成するステップと、結晶自体の構造を破壊することで周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域を形成し、該領域の非線形光学効果をなくし、それにより、遮断周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断し、しかし、該領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
【0020】
図２に示されるように、本発明は、光透過方向の回折格子の加工長さを制御することで、光を結晶の内部に伝送するときの位相を制御し、結晶が１つの回折格子周期内に伝送する位相差は
として示され、式中、
は非線形光学結晶の位相不整合の逆格子ベクトルであり、Λは結晶回折格子周期であり、
であり、ｌｃが結晶の光透過方向の未加工部分の長さであり、ｌｂが結晶の光透過方向の加工破壊部分の長さである。破壊領域の加工長さを変えることで、破壊領域の基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
及び未破壊領域の位相差
をいずれも（２ｍ＋１）πにし、式中、ｍは整数である。破壊領域の付加的な周期位相差を
に制御することで、位相整合条件を満たし、実効的な光周波数変換を実現する。
【0021】
本発明によれば、上記可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスの光周波数変換器における応用、更に、可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器における応用。
【0022】
本発明によれば、上記可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスはさらに可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換を実現可能なレーザーにも用いられる。
【0023】
本発明によれば、可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換のレーザーは、光路に順次に設けられたポンプ源、光周波数変換デバイス、プリズム及び検出計を備え、前記光周波数変換デバイス、プリズム及び検出計がヘッドカバーボックスに設けられる。
【0024】
本発明によるレーザーであって、前記ポンプ源と光周波数変換デバイスとの間にさらに集束システムが設けられる。
【0025】
本発明によるレーザーであって、好ましくは、前記ポンプ源は連続レーザーポンプ源又はパルスレーザーポンプ源であり、前記プリズムはフッ化カルシウムプリズムであり、前記集束システムは凸レンズである。
【0026】
本発明によれば、上記可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換のレーザーが動作すると、ポンプ源がレーザーを発出し、集束システムを介して集束された後にレーザーが光周波数変換デバイスに入り、光周波数変換デバイスにおける光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果がないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供でき、非線形光学結晶の位相不整合を補償し、高効率な周波数逓倍及び和周波の変換を実現し、変換後のレーザーがプリズムに入り、観測するように、異なる波長の光を分け、プリズムがポンプ光と周波数逓倍光を分け、検出計に入って電力又はエネルギーを検出して、光学周波数の変換を実現するか否かを決定する。過程を真空又は窒素環境で行うように、光周波数変換デバイス、プリズム及び検出計はヘッドカバーボックスに設けられる。
【発明の効果】
【0027】
本発明の有益な効果は以下のとおりである。
１、本発明は非線形光学結晶を用い、光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果がないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供する。たとえば、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術によって非線形光学結晶の内部に屈折率が周期的に分布する位相格子を形成でき、それにより、付加的な周期位相を提供して、非線形光学結晶の位相不整合を補償し、高効率な周波数逓倍及び和周波の変換を実現し、特に深紫外線レーザー出力を実現できる。構成が簡単であり、加工過程が容易であり、可視から紫外にわたる周波数帯からの光周波数変換を実現できる。
１、本発明は非線形光学結晶を用い、光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果がないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供する。たとえば、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術によって非線形光学結晶の内部に屈折率が周期的に分布する位相格子を形成でき、それにより、付加的な周期位相を提供して、非線形光学結晶の位相不整合を補償し、高効率な周波数逓倍及び和周波の変換を実現し、特に深紫外線レーザー出力を実現できる。構成が簡単であり、加工過程が容易であり、可視から紫外にわたる周波数帯からの光周波数変換を実現できる。
【0028】
２、本発明は非線形光学結晶の構造に対して特別な要件がなく、すべての非線形光学結晶をそれらの光透過率の許可範囲内に加工すると、いずれも可視から紫外にわたる周波数帯からの光周波数変換を実現することができる。
【0029】
３、本発明はさらなる作用、たとえば電場の作用が不要であり、結晶に周期的な回折格子を加工すれば、可視から紫外にわたる光周波数変換を実現でき、方法は十分に簡単であり、且つ加工精度が高く、制御可能性が高い。
【0030】
４、本発明の前記付加的な周期位相の位相整合方式は非線形光学材料を好適に選択することができ、たとえば、実効的な非線形係数が大きな結晶を選択し、又は結晶の大きな実効的な非線形係数を選択し、それにより、周波数変換効率を向上させる。
【0031】
５、本発明は異なる波長を好適に選択することができ、所要の波長に応じて適切な非線形結晶を選択してレーザーフォトリソグラフィなどのプロセスによってそれにマッチングする付加的な周期位相を提供すれば、対応する波長の周波数変換を実現できる。
【0032】
本発明の実施例又は従来技術の技術案を明瞭に説明するために、以下、実施例において必要な図面を簡単に説明し、当然ながら、以下に記載する図面は単に本発明のいくつかの実施例であって、当業者であれば、創造的な労力を要することなく、これらの図面に基づいて他の図面に想到しうる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施例１の水晶結晶の加工模式図である。図中、１はポンプ光源方向であり、２は加工領域であり、Ｘ、Ｙ、Ｚは水晶結晶光学主軸である。
【図2】実施例１の結晶をフォトリソグラフィした後の屈折率周期分布模図である。図中、３はポンプ光であり、４は結晶の未加工部分であり、屈折率がｎ１であり、幅がｌｃであり、５は結晶の加工部分であり、屈折率がｎ２であり、幅がｌｂであり、回折格子周期はΛ＝ｌｃ＋ｌｂであり、６は周波数逓倍出力光である。
【図3】実施例１の実験装置図である。図中、７は波長３５５ｎｍのポンプ源であり、８は集束システムであり、９は光周波数変換デバイスであり、１０はフッ化カルシウムプリズムであり、観測するように、異なる波長の光を分けることができ、１１はポンプ光であり、１２はプリズムから分けた周波数逓倍光であり、１３は電力とエネルギーを検出可能な検出計であり、１４は真空又は窒素環境を提供するグローブボックスである。
【図4】実施例１における３５５ｎｍの逓倍周波数１７７．３ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【図5】実施例２における４２６ｎｍの倍光周波数逓２１３ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【図6】実施例３における１５４０ｎｍの逓倍周波数７７０ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【図7】実施例５における１０６４ｎｍと５３２ｎｍの和周波３５５ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【図8】実施例７における１０６４ｎｍの逓倍周波数５３２ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【図9】実施例９における４８４ｎｍの逓倍周波数２４２ｎｍのレーザー出力スペクトルであり、横座標は波長（ｎｍ）、縦座標は相対強度である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
以下、図面と実施例を参照しながら本発明について更に説明するが、これに限られない。
【0035】
実施例１：水晶結晶を用いた深紫外線波長１７７．３ｎｍの周波数逓倍装置
光周波数変換デバイスの製造過程は以下のとおりであった。水晶結晶を非線形光学結晶として用い、結晶加工方法は図１に示されるように、最大非線形係数ｄ１１を用い、水晶結晶をＺ方向に切断し、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、フォトリソグラフィ領域は付加的な周期位相を提供し、加工領域と未加工領域の幅がいずれも０．７μｍであった。加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の付加的な周期位相差がπであり、加工区間全体は結晶長さが１ｍｍ、結晶断面が３ｍｍ×３ｍｍであり、表面を研磨した。屈折率の周期配列は図２に示された。
光周波数変換デバイスの製造過程は以下のとおりであった。水晶結晶を非線形光学結晶として用い、結晶加工方法は図１に示されるように、最大非線形係数ｄ１１を用い、水晶結晶をＺ方向に切断し、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、フォトリソグラフィ領域は付加的な周期位相を提供し、加工領域と未加工領域の幅がいずれも０．７μｍであった。加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の付加的な周期位相差がπであり、加工区間全体は結晶長さが１ｍｍ、結晶断面が３ｍｍ×３ｍｍであり、表面を研磨した。屈折率の周期配列は図２に示された。
【0036】
実験装置は図３に示されるように、ポンプ源７、集束システム８、光周波数変換デバイス９、フッ化カルシウムプリズム１０、検出計１３が光路に沿って順次に配列されるように構造されていた。光周波数変換デバイス９、プリズム１０及び検出計１３はグローブボックス１４に設けられた。
【0037】
ポンプ源７は波長３５５ｎｍの紫外線パルスレーザーであり、パルス幅が６ｎｓであり、繰り返し周波数が１０Ｈｚであり、集束システム８は焦点距離が１０ｃｍの集束レンズであり、グローブボックス１４は真空状態を作ることで真空環境を提供し又は窒素を充填することで窒素環境を提供することができ、深紫外線波長の空気中の吸収損失を減少させた。フッ化カルシウムプリズム１０は結晶分散方程に基づいて、異なる波長の光波の結晶における屈折率が異なり、ポンプ光と周波数逓倍光波を分け、周波数逓倍光の実効的な出力と使用を容易にした。
【0038】
ポンプ源７はレーザーを発出し、集束システム８を介して集束された後にレーザーが光周波数変換デバイス９に入り、光周波数変換デバイス９における光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果がなく、それにより、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供でき、非線形光学結晶の位相不整合の不備を補償し、高効率な周波数逓倍及び和周波の変換を実現し、変換後のレーザーはプリズム１０に入り、観測するように、異なる波長の光を分け、プリズム１０からポンプ光１１と周波数逓倍光１２を分け、検出計１３に入って電力又はエネルギーを検出して光学周波数の変換を実現するか否かを確定する。
【0039】
ポンプ電力を増加させることにより、深紫外線１７７．３ｎｍのレーザー出力を実現し、出力波長は図４に示された。
【0040】
実施例２：水晶結晶を用いた紫外線波長２１３ｎｍの周波数逓倍装置
ポンプ源７は波長４２６ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が１０ｎｓであり、繰り返し周波数が５０Ｈｚであり、水晶結晶断面が５×３ｍｍであり、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１．４μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２１３ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図５に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
ポンプ源７は波長４２６ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が１０ｎｓであり、繰り返し周波数が５０Ｈｚであり、水晶結晶断面が５×３ｍｍであり、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１．４μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２１３ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図５に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
【0041】
実施例３：水晶結晶を用いた可視波長７７０ｎｍの周波数逓倍装置
ポンプ源７は波長１５４０ｎｍのフェムト秒パルスレーザーであり、パルス幅が５００ｆｓであり、繰り返し周波数が２００ＭＨｚであり、水晶結晶断面が４×４ｍｍであり、結晶長さが５０ｍｍであり、結晶面には１５４０ｎｍと７７０ｎｍに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、光透過方向のＺ方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも３４．４μｍであり、提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長７７０ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図６に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
ポンプ源７は波長１５４０ｎｍのフェムト秒パルスレーザーであり、パルス幅が５００ｆｓであり、繰り返し周波数が２００ＭＨｚであり、水晶結晶断面が４×４ｍｍであり、結晶長さが５０ｍｍであり、結晶面には１５４０ｎｍと７７０ｎｍに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、光透過方向のＺ方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも３４．４μｍであり、提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長７７０ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図６に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
【0042】
実施例４：ＳＢＯ結晶を用いた深紫外線波長１７７．３ｎｍの周波数逓倍装置
非線形光学結晶はＳＢＯ結晶であり、最大非線形係数ｄ３３を用いて、結晶をＸ方向に切断し、結晶断面が３×４ｍｍであり、結晶長さが１０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも２．９μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が５πであり、ポンプ電力を増加させると、深紫外線波長１７７．３ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はＳＢＯ結晶であり、最大非線形係数ｄ３３を用いて、結晶をＸ方向に切断し、結晶断面が３×４ｍｍであり、結晶長さが１０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも２．９μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が５πであり、ポンプ電力を増加させると、深紫外線波長１７７．３ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
【0043】
実施例５：ＬＢＯ結晶を用いた紫外線波長３５５ｎｍの和周波変換器
非線形光学結晶はＬＢＯ結晶であり、波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの同方向のレーザー和周波によって３５５ｎｍレーザーを発生させ、最大非線形係数ｄ３２を用いて、結晶をＸ方向に切断し、結晶断面が５×５ｍｍであり、結晶長さが２０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも４．４μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と和周波光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長３５５ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図７に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はＬＢＯ結晶であり、波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの同方向のレーザー和周波によって３５５ｎｍレーザーを発生させ、最大非線形係数ｄ３２を用いて、結晶をＸ方向に切断し、結晶断面が５×５ｍｍであり、結晶長さが２０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも４．４μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と和周波光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長３５５ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図７に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
【0044】
実施例６：ＫＢＢＦ結晶を用いた紫外線波長２０５ｎｍの周波数逓倍装置
非線形光学結晶はＫＢＢＦ結晶であり、最大非線形係数ｄ１１を用いて、結晶をＺ方向に切断し、結晶断面が２×３ｍｍであり、結晶長さが２．５ｍｍであり、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１．６μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ源７は波長４１０ｎｍの光パラメトリック発振器であり、パルス幅が２０ｎｓであり、繰り返し周波数が２０Ｈｚであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２０５ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はＫＢＢＦ結晶であり、最大非線形係数ｄ１１を用いて、結晶をＺ方向に切断し、結晶断面が２×３ｍｍであり、結晶長さが２．５ｍｍであり、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１．６μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ源７は波長４１０ｎｍの光パラメトリック発振器であり、パルス幅が２０ｎｓであり、繰り返し周波数が２０Ｈｚであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２０５ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
【0045】
実施例７：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた可視波長５３２ｎｍの周波数逓倍装置
非線形光学結晶はＬｉＮｂＯ３結晶であり、最大非線形係数ｄ３３を用いて、結晶をＸ方向に切断し、ポンプ源７は波長１０６４ｎｍの連続レーザーであり、結晶断面が直径１０ｍｍの円形であり、結晶面には１０６４ｎｍと５３２ｎｍに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、結晶長さが２０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域の幅が３．５μｍでり、未加工領域の幅がいずれも１０．５μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、未加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長５３２ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図８に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はＬｉＮｂＯ３結晶であり、最大非線形係数ｄ３３を用いて、結晶をＸ方向に切断し、ポンプ源７は波長１０６４ｎｍの連続レーザーであり、結晶断面が直径１０ｍｍの円形であり、結晶面には１０６４ｎｍと５３２ｎｍに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、結晶長さが２０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域の幅が３．５μｍでり、未加工領域の幅がいずれも１０．５μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、未加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長５３２ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長図８に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
【0046】
実施例８：ＭｇＢａＦ４結晶を用いた紫外線波長２６６ｎｍの周波数逓倍装置
非線形光学結晶はＭｇＢａＦ４結晶であり、最大非線形係数ｄ３２を用いて、結晶をＸ方向に切断し、ポンプ源７は波長５３２ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が５０ｎｓであり、繰り返し周波数が１ｋＨｚであり、結晶断面が６×６ｍｍであり、結晶長さが３０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１０．７μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２６６ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はＭｇＢａＦ４結晶であり、最大非線形係数ｄ３２を用いて、結晶をＸ方向に切断し、ポンプ源７は波長５３２ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が５０ｎｓであり、繰り返し周波数が１ｋＨｚであり、結晶断面が６×６ｍｍであり、結晶長さが３０ｍｍであり、光透過方向のＸ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも１０．７μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２６６ｎｍのレーザー出力を実現できる以外、実施例１の記載と同様であった。
【0047】
実施例９：β－ＢＢＯ結晶を用いた紫外線波長２４２ｎｍの周波数逓倍装置
非線形光学結晶はβ－ＢＢＯ結晶であり、最大非線形係数ｄ２２を用いて、結晶をＺ方向に切断し、結晶断面が３×４ｍｍであり、結晶長さが１５ｍｍであり、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも３．３μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ源７は波長４８４ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が１０ｎｓであり、繰り返し周波数が１００Ｈｚであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２４２ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長は図９に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
非線形光学結晶はβ－ＢＢＯ結晶であり、最大非線形係数ｄ２２を用いて、結晶をＺ方向に切断し、結晶断面が３×４ｍｍであり、結晶長さが１５ｍｍであり、光透過方向のＺ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも３．３μｍであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が３πであり、ポンプ源７は波長４８４ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅が１０ｎｓであり、繰り返し周波数が１００Ｈｚであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長２４２ｎｍのレーザー出力を実現でき、出力波長は図９に示される以外、実施例１の記載と同様であった。
【0048】
また、以上の実施例からわかるように、本発明は基本周波数と周波数逓倍光の位相差を制御することで、可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器を提供しており、可視－紫外線－深紫外線の周波数逓倍又は和周波のレーザー出力を実現でき、特に希少な紫外線結晶デバイスと深紫外線結晶デバイスに新品種を提供する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】