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(In Japanese)ボレート系結晶の製造方法とレーザー発振装置 achieved

Patent code P110003545
File No. Y03-P286
Posted date Jun 23, 2011
Application number P2005-502997
Patent number P4619946
Date of filing Feb 13, 2004
Date of registration Nov 5, 2010
International application number JP2004001546
International publication number WO2004079060
Date of international filing Feb 13, 2004
Date of international publication Sep 16, 2004
Priority data
  • P2003-035778 (Feb 13, 2003) JP
  • P2003-109294 (Apr 14, 2003) JP
Inventor
  • (In Japanese)佐々木 孝友
  • (In Japanese)森 勇介
  • (In Japanese)吉村 政志
  • (In Japanese)西岡 宗行
  • (In Japanese)福本 悟
  • (In Japanese)松井 知代
  • (In Japanese)佐治 隆司
Applicant
  • (In Japanese)独立行政法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)ボレート系結晶の製造方法とレーザー発振装置 achieved
Abstract (In Japanese)水溶性の原材料を水に溶解して水溶液とし、この水溶液の水分を蒸発させ、その後焼結することによりまたは焼結せずに育成原料とし、得られた育成原料を融解してボレート系結晶を育成することで、波長変換光学素子等として有用なボレート系結晶を、短時間で低コストに簡便に、かつより均一性・信頼性に優れたものとして製造することができる。また、これらの結晶を波長変換光学素子として用いることで、信頼性の高いレーザー発振装置を実現することができる。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


近年、紫外線リソグラフィー、レーザー微細加工およびレーザー核融合などへのレーザー光の応用が広がりつつあり、これらに用いられるレーザー発振装置においては、安定した紫外光を効率よく得ることが必要とされている。そのためのひとつの方法として、非線形光学結晶を用いて光源を波長変換することで紫外光を得るようにした全固体型レーザー発振装置が注目されている。この非線形光学結晶は、より効率よく紫外光を得るために、より高い出力と、レーザー損傷耐力の向上が求められている。



紫外光への波長変換を行う非線形光学結晶としては、これまでに、たとえばNd:YAGレーザーやNd:YVO4レーザー(波長1064nm)の3倍高調波(波長355nm)への波長変換用非線形光学結晶としてリチウム・ボレート系結晶(LBO結晶:LiB3O5)が実用化されている。しかしながら、このLBO結晶は表面劣化や波長変換効率が悪いなどの問題を有しており、LBO結晶に代わる非線形光学結晶として、劣化しにくく波長変換効率の高い、新しい非線形光学結晶が強く求められていた。そしてこの出願の発明の発明者等や他の研究者により研究が重ねられた結果、現在ではセシウム・ボレート系結晶(CBO結晶:CsB3O5)がLBO結晶に代わる非線形光学結晶の候補として有望視されている。このCBO結晶は、LBO結晶と比べて2倍以上の非線形光学定数を有しているため、Nd:YAGレーザーやNd:YVO4レーザーの3倍高調波を効率よく発生させることが可能であり、高性能な波長変換用非線形光学結晶として実用化されつつある。またさらにこの出願の発明者等により創案されたセシウム・リチウム・ボレート系結晶(CLBO結晶:CsLiB6O10)はNd:YAGレーザーの4倍高調波(波長266nm)といった、より短波長の光を透過してその波長の変換が可能であり、その変換効率が高く、広い温度許容幅および角度許容幅を持つことなどから、新たな高性能波長変換用非線形光学結晶として期待されている(特許文献1)。



これらCBO結晶およびCLBO結晶といったボレート系結晶は、従来では、炭酸塩の原料粉末を加熱溶融した育成原料から、各種の結晶育成方法により単結晶を得るようにしている。たとえばCBO結晶の育成について説明すると、これまでにこの出願の発明者等がCs2CO3を26.6mol%、B2O3を73.3mol%をそのまま混ぜて加熱溶融し、カイロポーラス法を用いてCsB3O5の育成を行うようにしていたが、この方法では融液組成を均一化するのが容易ではなく、育成中に結晶内部に一様に含有物が取り込まれるため、強い光散乱が生じることに加え、レーザー損傷耐性も低いという問題を有していた(特許文献2)。



そこでさらに発明者等は、Cs2CO3を30mol%、B2O3を70mol%でそのまま混ぜて加熱溶融させて、TSSG法にプロペラを溶液中に沈めて坩堝を回転させる溶液撹拌技術を加えた方法を用いてCsB3O5を育成したが、この方法で育成された結晶では内部の光散乱源は非常に少なくすることができたものの、液面付近の蒸発が非常に激しく結晶の育成自体が非常に困難であり、長期間の結晶育成は不可能であった(特許文献3)。



また上記のいずれの方法を用いた場合にも、結晶育成のために原料粉末をそのまま混合して育成原料として用いており、加熱溶融の際に原料粉末からの脱炭酸により発泡が生じて反応中に膨張してしまうため、原料粉末を少量ずつ複数回に分けて混合、溶融する必要があった。このようなことからCBO結晶およびCLBO結晶の製造では溶解炉において数日間かけて原料粉末を加熱溶融し、その後一旦常温に冷却して育成原料とし、次に育成炉に移してその育成原料を溶融し、その溶融体から単結晶を育成するようにしており、従来のCBO結晶およびCLBO結晶の製造は時間を要しコスト高になるという欠点を有していた。



そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、波長変換光学素子等として有用なボレート系結晶を短時間で低コストに簡便に、かつより均一性に優れたものとして品質を向上させることのできる新しいボレート系結晶の製造方法と、それらの結晶を波長変換光学素子として用いたレーザー発振装置を提供することを課題としている。



【非特許文献1】
Y.Mori,et al.,“New nonlinear optical crystal:Cesium lithium borate”Appl.Phys.Lett.,67,13(1995)1818



【非特許文献2】
Y.Kagebeyashi,Y.MoriおよびT.Sasaki,“Crystal growth of cesium triborate,CsB3O5 by Kyropoulos techniqu”Bulletin of Materials Science,Vol.22(6)pp.971-973,1999年



【非特許文献3】
H.Kitano“Efficient 355-nm generation in CsB3O5crystal”,Optics Letters,Vol.28,No.4,pp.263-265,2003年

Field of industrial application (In Japanese)


この出願の発明は、ボレート系結晶の製造方法とレーザー発振装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、Nd:YAGレーザーやNd:YVO4レーザーの3倍高調波への波長変換光学素子等として有用なセシウム・ボレート系結晶や、4倍高調波への波長変換光学素子等として有用なセシウム・リチウム・ボレート系結晶を、短時間で低コストに簡便に、かつより均一性、信頼性に優れたものとして品質を向上させることのできる新しいボレート系結晶の製造方法と、その結晶を波長変換光学素子として用いたレーザー発振装置に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
原材料として、水溶性のセシウム化合物、リチウム化合物およびホウ素化合物と、必要に応じてセシウムおよびリチウム以外のアルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの1種以上の水溶性の化合物を共に水に溶解して水溶液とし、この水溶液の水分を蒸発させ、その後焼結することによりまたは焼結せずに育成原料とし、得られた育成原料を融解して、一般式
Cs1-xLi1-yM1x+yB6O10(0≦x,y<1
Cs2(1-z)Li2M22B12O20(0≦z<1)
(M1はCsおよびLi以外の1種以上のアルカリ金属元素、M2はアルカリ土類金属元素を示す)
で表わされる化学組成を有するセシウム・リチウム・ボレート系結晶を育成することを特徴とするボレート系結晶の製造方法。

【請求項2】
 
水溶性のセシウム化合物が炭酸塩化合物であることを特徴とする請求項1記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項3】
 
水溶性のホウ素化合物が酸化ホウ素またはホウ酸であることを特徴とする請求項1または2に記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項4】
 
水溶液を加熱して水分を蒸発させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項5】
 
水溶液の水分を蒸発させた後に、500℃以上で融解温度未満の温度範囲で焼結することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項6】
 
結晶育成時に融解させた育成原料の溶融体を撹拌することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項7】
 
育成した結晶を加熱して結晶中の水不純物を低減させることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項8】
 
育成した結晶を100℃以上で加熱することを特徴とする請求項7に記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項9】
 
育成した結晶をガス置換または真空排気の雰囲気下に加熱することを特徴とする請求項7または8に記載のボレート系結晶の製造方法。

【請求項10】
 
請求項1ないし9のいずれかに記載の製造方法により形成されたボレート系結晶が、波長変換光学素子として使用されていることを特徴とするレーザー発振装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2005502997thum.jpg
State of application right Registered
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