JP2010093211A - 波長変換レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の波長変換レーザ装置は、基本波光を出力する半導体41レーザと、半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子44と、半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる共鳴反射素子47を用い特定波長の光を半導体レーザに帰還させる手段と、を有する構成とした。これにより共鳴反射素子47と半導体レーザ41間で共振器が形成され、半導体レーザの特定波長での発振を安定に行うことができ、安定した高効率な波長変換光の出力を得ることができる。
【選択図】図1
Description
しかし、上記波長変換は分極反転の周期構造に依存しているため、基本波光の波長変動が生じると大きく変換効率が変動し、波長変換光の出力が安定しないという課題が生じる。例えば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによる第二高調波発生(Second-Harmonic Generation:SHG)を利用して半導体レーザの基本波光を第二高調波に変換する場合、半導体レーザの発振波長が0.2nm程度ずれた場合でも、分極反転素子での位相整合が不十分になり、第二高調波の強度が急激に低下する。
また、特許文献3〜5においては、光軸中に反射型の多層膜フィルタもしくは透過型の多層膜フィルタを挿入し、そのフィルタにより選択された波長のみ半導体レーザにフィードバックされるように構成されている。これにより、多層膜フィルタにより選択された波長のみが増幅され、半導体レーザの波長安定化が実現される。
さらに、特許文献6,7においては、光源となる半導体レーザにグレーティングによるDBR(Distributed Bragg Reflector)領域を設け、特定波長に安定化させて出射している。
特許文献1,2に記載の従来技術では、バルク型の回折格子(グレーティング)を用いて波長を安定化させる場合、角度調整においてレーザ光を半導体レーザに戻すために、非常に精密な調整が必要になり、また複雑な機構が必要となってしまう。
特許文献3〜5に記載の従来技術では、多層膜フィルタを用いて波長を安定化させる場合、反射型、透過型ともに狭帯域のフィルタ特性の多層膜にしながら、フィルタ特性を得るための透過と反射の差を大きくすることは製造的に困難であり、コストアップにつながってしまう。
特許文献6,7に記載の従来技術では、DBRレーザにおいては、レーザ内にDBR領域、位相制御領域、活性領域が必要であり、レーザ光源自体が非常に高価なものになってしまう。また、製品の歩留まりは、上記各領域の歩留まりの積となり、高い歩留まりを得ることが難しくなっている。
本発明の第1の手段の波長変換レーザ装置は、「基本波光を出力する半導体レーザ」と、「前記半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子」と、「前記半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子(以下、共鳴反射素子と言う)を用い、特定波長の光を前記半導体レーザに帰還させる手段」と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第2の手段は、第1の手段の波長変換レーザ装置において、前記波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合を行うことを特徴とする。
また、本発明の第4の手段は、第1または第2の手段の波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザと前記波長変換素子の間に、前記共鳴反射素子を配置することを特徴とする。
また、本発明の第5の手段は、第1または第2の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザと前記波長変換素子の光軸から一部分岐させた位置に配置することを特徴とする。
また、本発明の第7の手段は、第6の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、前記格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、前記導波層の屈折率を設定することにより、狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする。
さらに本発明の第8の手段は、第6または第7の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、共鳴波長の中心値に対して、波長半値幅が0.2nm以下の狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする。
更に本発明の第9の手段は、第6〜第8のいずれか一つの手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、入射光の偏光方向に対する前記周期構造の角度変化で、前記共鳴波長における反射率のピークを変化させることができることを特徴とする。
さらに本発明の第10の手段は、第1〜第9のいずれか一つの手段の波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザの端面には、基本波光に対する無反射コートがされていることを特徴とする。
この共鳴反射素子(例えば共鳴フィルタ)は、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、このような簡易な構成で、反射と透過のコントラストが非常に大きくとれ、かつ共鳴波長の狭帯域化が構造の設計(例えば格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、導波層の屈折率の設定)で容易に可能である。これにより、目的の波長に対する狭帯域な反射光が得られ、半導体レーザの特定波長での発振を安定に行うことができる。このように、半導体レーザから位相整合条件に一致するようにロックされた波長のレーザ光が出射されるため、安定した高効率な波長変換波の出力を得ることができる。
また、本発明の波長変換レーザ装置では、半導体レーザと波長変換素子の間に、共鳴反射素子を配置してもよい。これにより、波長変換素子への基本波光の透過率を、共鳴反射素子の回転により調整が可能であるため、特定波長の増幅と波長変換素子への出力のバランスを考慮しながら、安定に動作する波長変換レーザ装置の構成を検討可能になる。
さらに本発明の波長変換レーザ装置では、共鳴反射素子を、半導体レーザと波長変換素子の軸から一部分岐させた位置に配置してもよい。これにより、基本波光の波長の増幅を行うための光量と波長変換素子へ出射する光量をビームスプリッタ等により調整でき、安定に動作する条件を容易に選択可能である。
本発明では、共鳴反射素子が基本波光の波長以下のサイズで形成された微細な凹凸による周期構造を有することによって、基本波光がその微細な凹凸の周期構造と共振して発生する共鳴反射現象を利用する。これは例えば、非特許文献1に示されるような光の共鳴特性を利用している。これは回折格子と光の波長によるアノマリー現象で、構造を最適化することにより、帯域の狭い反射型の光学素子(波長フィルタ、共鳴フィルタ等)を作成することが可能である。
ここで、共鳴反射素子の一例として、狭帯域な波長半値幅を有する共鳴フィルタの構成を図2に示す。図2に示すように、この共鳴フィルタは、基板層L1と、この基板層L1の上に積層され導波路となる導波層L2、その導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部(例えば空気など)からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層L3とを有する構成になっている。この構造に格子層L3側から光が入射したとき、図3に示すように、ほとんどの波長では構造に対して光の反射率が低いのに対して、特定波長λ1付近では狭帯域で共鳴を起こしてλ1付近の波長のみ反射率が高くなる。これは、導波層L2内を全反射で伝播する光波の伝播定数が、格子層L3の格子ベクトルと一致する時に強い共鳴を起こし、特定波長のみ強い反射光となるためである。
ここで、波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合(QPM)を行う素子である。また、共鳴反射素子としては、上記の狭帯域な波長半値幅を有する共鳴フィルタを用いる。
また、上述した共鳴フィルタを用いる本発明の波長変換レーザ装置においては、従来の複雑で多層のコートが必要となる誘電体多層膜フィルタを用いる場合に比較して、設計の自由度が高く、少ない層数で構成可能であるため、容易で安価に装置を作製することが可能になる。
本発明における波長変換レーザ装置は、例えば図1に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光(基本波光)を出射する半導体レーザ41、半導体レーザ41から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ42、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ43、半導体レーザ41からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子44、波長変換素子44より出射される光を整形する投射用レンズ45を備えており、さらには、上記の構成に加えて、半導体レーザ41から後方に出射されるレーザビームを平行光にするコリメートレンズ46と、光を狭帯域で反射させる反射型の共鳴フィルタ47を備えている。
より詳しくは、まず後方に出射された基本波のレーザ光(基本波光)をコリメートレンズ46により平行光にする。この基本波光が平行にされた先に、共鳴フィルタ47を平行光に垂直になるように設置する。ここで共鳴フィルタ47は、図2に示したように、基板層L1と、この基板層L1の上に積層され導波路となる導波層L2、その導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部(例えば空気など)からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層L3とを有する構成になっており、基本波光が共鳴反射するように格子層L3のピッチ、ピッチに対する構造幅(=フィルファクタ)、屈折率などを設計することにより、図3に示すような狭帯域な反射特性が得られる。この共鳴フィルタ47により、基本波光は共鳴反射する波長の光のみをコリメートレンズ46を通して半導体レーザ41に戻すことになる。そして、半導体レーザ41の後方端面に基本波光に対する無反射コート膜を形成することにより、共鳴フィルタ47によって反射された特定波長は、共鳴フィルタ47と半導体レーザ41の前方端面の間で形成されたキャビティによって増幅される。これにより、共鳴フィルタ47の特性によって選択された波長のみが増幅され、安定した狭帯域の基本波光が半導体レーザ前方に出射されることになる。
このような共鳴フィルタ47を使った波長ロック機構を使うことにより、基本波光が狭帯域で安定して出力されるため、波長変換素子44により出射される波長変換された光は高効率かつ変動のないレーザ光となる。
以下、より具体的な実施例について説明する。
第1の実施例として、波長1064nmの半導体レーザの光を波長532nmの第2高調波に変換する、波長変換レーザ装置の実施例に関して、図を用いて説明する。なお、本実施例における波長変換レーザ装置の構成は図1と同じである。
本実施例では、基板層31の材料として石英ガラス、その上に形成される導波層32、格子層33には基板層31に比べて屈折率の高いTa2O5を使用した。格子層33はこのTa2O5(高屈折率部)と空気層(低屈折率部)が交互になる構造になっている。
図1の波長変換レーザ装置に、このような狭帯域な反射型共鳴フィルタ47を使用して半導体レーザ41の活性層に特定の波長を帰還させることにより、安定した基本波出力が得られる。また本発明による共鳴フィルタは、基板と高屈折率薄膜に微細構造を形成した構成のため、目的の波長に対する素子による吸収がほとんどなく、非常に効率よく光の増幅を行うことができる。また、上記の構成においては、半導体レーザ41からの出射光の偏光方向と本共鳴フィルタ47のグレーティング(格子)の方向は平行とした。
波長変換素子44は、図7に示すように、非線形光学効果を有するMgOが5mol%ドープされたLiNbO3結晶に、その結晶のz軸と平行に自発分極を反転させたドメインが交互に形成されている。このとき、1064nmの基本波光に対して532nmの第2高調波を出力するために、MgOドープLiNbO3の波長分散を考慮して、6.95μm周期で分極反転構造が形成されている。分極反転構造は、例えば本願発明者らが先に提案した特開2006−259338号公報に示される分極反転構造の作製方法によって形成される。
このような構成により、狭帯域な波長1064nmの基本波光が効率よく第2高調波光へ変換され、安定した出力の波長532nmの出射光が得られる。
次に、本発明における第2の実施例について図8を用いて説明する。
本実施例における波長変換レーザ装置は、図8に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光(基本波光)を出射する半導体レーザ81、半導体レーザ81から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ82、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ83、半導体レーザ81からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子84、波長変換素子84より出射される光を整形する投射用レンズ85を備えており、半導体レーザ81と波長変換素子84の間に、共鳴フィルタ86を配置する。具体的には、半導体レーザ81から前方に出射する光をコリメートレンズ82で平行光にし、その先に共鳴フィルタ86を設置する。特定波長のみを狭帯域で反射させる共鳴フィルタ86と半導体レーザ81の活性層の後部端面で共振器を形成するため、波長ロックにより共鳴フィルタ86で反射される特定波長のみが増幅される。これにより共鳴フィルタ86を通して増幅された狭帯域のレーザ光が出射され、波長変換素子84に狭帯域な特定波長の光が入射する。
このようにして狭帯域で増幅された基本波光は、共鳴フィルタ86を一部透過することにより波長変換素子84へ出射される。
ここで、図9に半導体レーザ81からの出射光の偏光方向と共鳴フィルタ86のグレーティングの方向の角度による反射率の変化の一例を示す。半導体レーザからの出射光の偏光方向と共鳴フィルタのグレーティングの方向が水平の場合(0°)、波長1064nmでピーク反射率が0.9以上となっているが、例えばグレーティングの方向を入射光の偏光方向から30°傾けた場合、ピーク反射率を0.8以下に減少させ、残りの増幅された光は透過するようになっている。このとき、グレーティングの方向を偏光方向に対して傾けることによる共鳴波長はまったく変化なく、また共鳴反射させる波長の半値幅も殆ど変化しないため、システムの特性に合わせて共鳴波長における反射率を容易に選択することができる。
次に、本発明における第3の実施例を図10を用いて説明する。
本実施例における波長変換レーザ装置は、図10に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光(基本波光)を出射する半導体レーザ101、半導体レーザ101から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ102、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ103、半導体レーザ101からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子104、波長変換素子104より出射される光を整形する投射用レンズ105を備えており、共鳴フィルタ107を、半導体レーザ101と波長変換素子104の光軸から一部分岐させた位置に配置する。具体的には、半導体レーザ101から前方に出射する光をコリメートレンズ102で平行光にし、その後ビームスプリッタ106などで分岐させる。分割された一方の光は波長変換素子104に入射し、分岐させたもう一方の光の先に共鳴フィルタ107を設置する。このビームスプリッタ106で分岐された共鳴フィルタ107と半導体レーザ101の活性層後部端面で共振器を形成し、波長ロックにより特定波長を増幅させる。これにより、増幅した狭帯域な特定波長の光が、波長変換素子104に入射する。
このようにして安定化された基本波光がビームスプリッタ106を透過し、集光レンズ103により波長変換素子104に集光される。これにより、実施例1と同様、安定した高出力の第2高調波が得られる。
本発明の波長変換レーザ装置において用いられる、安定した狭帯域な基本波光を得るための共鳴反射素子(共鳴フィルタ)の製造方法の概略を図11に示す。
まず、基板層となる合成石英基板111を用意し、その上にTa2O5薄膜112を真空蒸着法により形成する(図11(a))。成膜するTa2O5の膜厚は、入射光を共鳴させるために設計され、導波層と凹凸部を含む格子層を形成するために、これら2つの層の合計厚さになるように成膜する。ここでは、110nmの膜厚で成膜する。共鳴反射素子として機能させるためにはこの層には高屈折率の薄膜が必要となるが、Ta2O5の代わりにTiO2、HfO2などを使用しても同様に成膜可能である。
このフォトレジスト層上にマスクとなる微細パターンを形成する方法としては、2光束干渉露光法を用い、入射角度を調整することによりピッチの設定、露光時間の調整により形成される幅を設定する。2光束干渉露光によって形成された潜像に対して、現像、リンス、振り切り工程を経て、フォトレジスト上に特定のピッチ、フィルファクタの凹凸が形成される(図11(c))。
Ta2O5薄膜のエッチングに関しては、本実施例では凹凸深さが浅いためフォトレジストをマスクとしたエッチングで形成可能であるが、フォトレジストパターンをマスクとして金属薄膜を蒸着、フォトレジストを除去した後の金属パターンをマスクとしたエッチングを行うことも可能である。これにより、Ta2O5層にピッチ710nm、構造幅150nm、格子層深さ10nm、導波層厚さ100nmの構造が形成される。
このようにして、波長1064nmの基本波光のみを共鳴反射する狭帯域な共鳴フィルタの特性を有する共鳴反射素子を作製することができる。
32(L2):導波層
33(L3):格子層
34:入射光
35:反射光
36:透過光
41:半導体レーザ
42:コリメートレンズ
43:集光レンズ
44:波長変換素子
45:投射用レンズ
46:コリメートレンズ
47:共鳴フィルタ(共鳴反射素子)
51:基板層
52:導波層
53:格子層
54:導波層厚さ
55:格子層深さ
56:格子ピッチ
57:構造幅
81:半導体レーザ
82:コリメートレンズ
83:集光レンズ
84:波長変換素子
85:投射用レンズ
86:共鳴フィルタ(共鳴反射素子)
101:半導体レーザ
102:コリメートレンズ
103:集光レンズ
104:波長変換素子
105:投射用レンズ
106:ビームスプリッタ
107:共鳴フィルタ(共鳴反射素子)
111:石英ガラス
112:高屈折率薄膜
123:フォトレジスト層
124:格子層
Claims (10)
- 基本波光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子と、
前記半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子(以下、共鳴反射素子と言う)を用い、特定波長の光を前記半導体レーザに帰還させる手段と、
を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1記載の波長変換レーザ装置において、
前記波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合を行うことを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1または2記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザの出射方向の後方に配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1または2記載の波長変換レーザ装置において、
前記半導体レーザと前記波長変換素子の間に、前記共鳴反射素子を配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザと前記波長変換素子の光軸から一部分岐させた位置に配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1〜5のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴反射素子は、基本波光の波長以下のサイズで形成された凹凸による周期構造を有し、前記基本波光がその凹凸による周期構造と共振して発生する共鳴反射現象を利用して特定の波長の入射光を共鳴反射させる狭帯域な共鳴フィルタであることを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項6記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴フィルタは、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、前記格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、前記導波層の屈折率を設定することにより、狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項6または7記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴フィルタは、共鳴波長の中心値に対して、波長半値幅が0.2nm以下の狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項6〜8のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
前記共鳴フィルタは、入射光の偏光方向に対する前記周期構造の角度変化で、前記共鳴波長における反射率のピークを変化させることができることを特徴とする波長変換レーザ装置。 - 請求項1〜9のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
前記半導体レーザの端面には、基本波光に対する無反射コートがされていることを特徴とする波長変換レーザ装置。
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