レーザ用非線形結晶の種類
使用する波長やパワーなどによって利用できる結晶は異なる。使用波長における屈折率、位相整合条件、実効非線形光学定数、許容幅などのパラメーター を比較して、結晶を適切に選択する必要がある。こうした高調波発生プロセスに必要なパラメーターの計算には、株式会社オプトマックスが無料提供している非 線形結晶プログラムソフトが便利である。以下、一般によく使われている結晶を挙げる。
KTP
KTiOPO4(KTP)の透明波長域は0.35~4.5μmであり、機械的強度、耐環境 性、耐光損傷特性に優れている。ウォークオフ角が小さく角度許容幅が大きいため使いやすい材料である。主にチタンサファイアレーザーの励起光源として、発 振波長1064nmのNd添加レーザーの第2高調波発生(SHG)に用いられている。ここでウォークオフ角とは、結晶が有する複屈折性に起因するもので、 結晶中で入射光と発生光がなす角度を表す。これが大きいと結晶内における入射光と発生光が非線形相互作用する領域、すなわち結晶の有効長が制限されること になる。
BBO
β−BaB2O4(BBO)の透明波 長域は0.19~2.6μmであり、紫外透過性と耐光損傷特性に優れている。紫外光発生が可能で、高出力固体レーザー用に適している。しかし複屈折が比較 的大きいため、角度許容幅、波長許容幅が狭く、ウォークオフ角が大きい。さらに吸湿性があるなどの欠点がある。Nd:YAGレーザーの第4高調波 (266nm)や第5高調波(213nm)の発生に用いられている。
CLBO
CLBOの透明波長域は0.18~2.7μmであり、紫外透過性、大型化に優れている。複屈折がBBOより小さいため、角度許容幅、波長許容幅、温 度許容幅が広く、ウォークオフ角が小さい。しかし結晶が脆く吸湿性がある。Nd:YAGレーザーの第4高調波(266nm)や第5高調波(波長 213nm)発生に用いられている。
LN
LiNbO3(LN)[3]の透明波長域は0.34~4.5μmであり、非線形光学特性が高く、バルク型でも導波路型でも使用することができる。しかしフォトリフラクティブ効果による光損傷を受けやすい。光損傷閾値を向上させるために、LNにMgOが添加されることもある。
LNは複屈折位相整合と擬似位相整合のどちらも可能である。変位型強誘電体であるため、電場の印加によって極性が反転する。擬似位相整合(QPM)による波長変換(SHG 発生用)の概念図を図1に示す。
図1：擬似位相整合による波長変換(SHG用)
図1に示すように、コヒーレンス長ごとに分極を反転させ、分極反転に伴う非線形光学定数の符号反転を利用するQPMは周期分極反転 LN(Periodically- poled LN:PPLN)と呼ばれている。反転周期を変えることで、透過域全域にわたって位相整合が達成できる。つまり、任意の波長で位相整合条件を満たせるよう にできる。PPLNは温度制御が必要であるが、高効率な波長変換結晶で使い勝手もよく、様々なアプリケーションで使われている。例えば、PPLN内に チャープ型の擬似位相整合グレーティングを書きこむことで、チャープパルス圧縮を行うことができる。チップ型PPLNにより、携帯電話やノートブッ クPC、小型プロジェクタ、車載用ヘッドアップディスプレイなどへの応用も挙げられる
