JPH03287140A - レーザー光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、レーザー光波長変換装置に関し、特に半導体
レーザーから発せられるレーザー光をより短い波長のレ
ーザー光に変換するレーザー光波長変換装置に関する。

背景技術 レーザー光を用いた多くの応用装置には、装置のコンパ
クト化の要求からレーザー光源として半導体レーザーが
使われている。そして、その殆どの応用装置において、
性能向上のためにレーザー光の短波長化が望まれている
。

例えば、光ディスク、レーザープリンター、レーザース
キャナー等における情報の書込み／続出しにおいては、
記録媒体の限られた記録領域になるべく多くの情報を記
録できることが大きな付加価値となっており、そのため
には、レーザー光をより小さな径のスポットとして集光
する必要がある。集光可能なスポット径φは、レーザー
光の波長をλ、集光角度をθとすると、 φ＝２λ／πｔａｎθ なる式で表わされ、レーザー光の波長λに逆比例してい
る。したがって、レーザー光の集光性を改善するために
は、より短い波長のレーザー光が必要となる。

短波長のレーザー光源としては、Ｈｅ−Ｃｄレザー、エ
キシマ−（ＥＸＣＩＭＥＲ）レーザー、Ａｒレーザー等
があるが、いずれも大型なため上述した如き応用装置に
は組み込めないという問題があった。

一方、半導体レーザーはコンパクトな光源であり、上述
した如き応用装置への組み込が容易であるものの、半導
体の性能を構築する結晶プロセス技術の面でまだ見通し
がたっていないため、短波長のレーザー光を得るにはま
だ時間を要するのが現状である。そこで、Ｓ　ＨＧ　（
Ｓｅｃｏｎｄ　ＨａｒｍｏｎｉｅｓＧｅｎｅｒａｔｏｒ
）技術により、現在の半導体レーザーによるレーザー光
の波長を半分に変換するレーザ光波長変換装置が種々開
発されている。かかるレーザー光波長変換装置の従来例
を以下に説明する。

先ず、第３図に示した従来例では、高効率な波長変換を
可能とするには単一モードの基本波が必要なことから、
単一モード半導体レーザー媒質３１を基本波の光源とし
て用いており、この半導体レーザー３１から発せられた
レーザー光を集光レンズ３２によってチェレンコフ型位
相整合を用いた非線形光学結晶からなる５Ｈ０３３の入
射端に集光せしめ、この５ＨＧ３Ｂによってレーザー光
の波長を半分に変換する構成となっている。

かかる従来装置においては、構成そのものは単純である
ものの、数百ｍＷ以上の高出力でかつ単一波長という条
件を満足する単一モード半導体レザーがないため、最終
的には変換効率も低く、大きな出力の波長変換光（以下
、倍波と称する）が得られなく、さらにはチェレンコフ
型位相整合の倍波が円錐状に広がるため、これを集光す
るには特殊な光学系が必要となるという欠点があった。

また、第４図に示した従来例では、高出力な多モード半
導体レーザー４１を励起源として用い、この多モード半
導体レーザー４１から発せられたレーザー光をコリメー
トレンズ４２及びダイクロイックミラー４３によっての
固体レーザー媒質４４に導いてこの固体レーザー媒質４
４を励起し、ダイクロイックミラー４３、固体レーザー
媒質４４、レンズ４５．４７及びダイクロイックミラー
４８より構成され、ＳＨＧ結晶４６上に集光するような
ビームプロファイルを有する固体レーザー共振器を発振
させ、ＳＨＧ結晶４６で半波長化された変換光のみをレ
ンズ４７及びダイクロイックミラー４８を介して導出す
る構成となっている。

かかる従来装置においては、波長の変換が２段階で行な
われているため構成が複雑で、しかも結果的に数ｍＷ程
度の大出力の倍波が得られているものの、波長は５００
ｎｍ以上と長く、半導体レーザーからの変換効率も１％
程度と低く、大電力でかつ高出力な半導体レーザーを必
要とする欠点があった。

発明の概要 ［発明の目的］ そこで、本発明は、よりコンパクトでかつ単純な構成に
て、高効率で、しかも大出力の倍波（波長変換光）を得
ることが可能なレーザー光波良度換装置を提供すること
を目的とする。

［発明の構成］ 本発明によるレーザー光波長変換装置は、半導体レーザ
ー媒質と、この半導体レーザー媒質をモトロック発振せ
しめる共振器と、この共振器によるモードロック発振レ
ーザー光の波長を変換する波長変換素子とからなる構成
となっている。

［発明の作用］ 本発明によるレーザー光波長変換装置においては、半導
体レーザー媒質をモードロックレーザー発振せしめ、こ
のモードロック発振されたレーザー光を基本波としてそ
の波長変換をなす。

実施例 以下、本発明の一実施例を図に基づいて詳細に説明する
。

第１図は、本発明によるレーザー光波長変換装置の光学
系の構成図である。図において、１は基本波となるレー
ザー光を発する半導体レーザー媒質素子であり、その出
射端面には基本波に対する無反射コートが施されている
。この半導体レーザ媒質素子１とカップリングレンズ２
及び光ファイバー３によりモードロックレーザー共振器
４が構成されている。このモードロック発振に際し、半
導体レーザー媒質素子１には共振器４の長さをレーザー
光が往復する時間に同期した周波数の駆動電流が入力さ
れる。

モードロック発振された基本波は、カップリングレンズ
５によって非線形光学結晶からなる５ＨＧ６に導かれ、
この５ＨＧ６によって波長が半分に変換されて図の矢印
方向に出射される。５ＨＧ６は基本波の波長に対して９
０°で位相整合するような高非線形光学定数を有する結
晶であり、その整合方位に導波路を形成する。５ＨＧ６
の出射側の端面には基本波に対する反射コートが施され
ており、波長変換されなかった基本波はこの反射コート
によって跳ね返され、倍波だけが出力される。

かかる構成によれば、基本波は１０ｍＷの平均出力で２
００ｍＷ以上の高ピーク出力、５００Ｍｐｐｓ以上の高
繰返しのパルス列として得られる。

以上はエクストラキャビティー型ＳＨＧ波長変換装置の
構成例であるが、もちろん、第１図の１゜２、３．５．
６全体をモードロックレーザー共振器４として、イント
ラキャビティー型ＳＨＧ波長変換装置としても同様であ
る。５００Ｍｐｐｓ以上の高繰返しは、通常の記録信号
の周波数（２０ＭＨｚ以下）に干渉しない十分に高い周
波数である。５ＨＧ６の変換効率は県木波のパワーに比
例するので、高ピーク出力は高変換効率に寄与する。

すなわち、モードロック発振は５ＨＧ６の高変換効率化
にとって有用な方法となる。

また、５ＨＧ６の結晶の性質を十分に活かし、９０°位
相整合を採ったことにより、さらに５ＨＧ６の高変換効
率化及び安定化が達成される。以下に、５ＨＧ６の高効
率安定発振について説明する。

基本波から倍波への変換効率ηは、以下の式で近似でき
る。なお、変換による基本波の減衰は考慮していない。

（Δにρ／２）２Ｓ ココニ、Δにはに２ｗ−２ｋｗ　（ｋＷ　ｋ２ｗは各々
基本波と倍波との波数ベクトル）、Ｋは定数（非線形定
数の２乗に比例）、Ｐｗは基本波のパワＳはビームの断
面積、Ｄはコヒーレント長である。

最も効率の良い位相整合条件は、５ｉｎ２（Δｌ（、Ｑ
　／２）　／　（Δに、ｌ！　／２）　２＝１　（Δに
→０）であるから、 η−に１１２Ｐｗ／Ｓ ここで、コヒーレント長ｐが重要になる。すなわち、Δ
に−０により基本波と倍波の位相面が同一方向に進んで
も、実際に光の進む方向、すなわちポインティングベク
トルの方向がずれてしまい（ウオークオフ）、基本波と
倍波の干渉できる距離ρが短くなり変換効率が悪くなる
。よって、位相整合条件に加えてポインティングベクト
ルの方向を一致させる必要が生じるが、整合角θ■を９
０°にとることが出来れば、位相波とポインティングベ
クトルの方向が同一となるのでウオークオフはおきず、
上式よりρはいくらでも大きくとれる。すなわち、変換
による基本波の減衰を考えなければ、結晶が十分長い場
合、基本波は１００％倍波に変換されることになる。

実際には、変換により基本波のパワーが減衰し、変換効
率が低下するため、基本波と倍波の割合は一定の値に収
束するが、やはりそれに近い値を実現するためには十分
に長いコヒーレント長を必要とするので、高効率な変換
を得るには９０″の位相整合が肝要である。

位相の不整合が生じた場合、Δｋが０でないから、変換
効率ηは ５ｉｎ２（Δに、Ｑ　／２）　／　（Δに、ｌ）／２）
２（＝αとする） に比例する。

倍波の波数ベクトルと２軸とのなす角をθとすると、 ２　　　　Ｃ０２（ｎ０ｗ） であるが、この式より、整合のずれθ−θｍがあ０ ったとしても、０ｍか９０°の場合５ｉｎ（２θｍ）＝
０なので、Δｋｉｔ／２→０となり、αの値は最大値１
をキープする。このため、９０°位相整合では、光軸の
ずれ等の角度変化に依存する変換効率の変化を最小に抑
えることが出来、安定したＳＨＧを得ることが出来る。

次に、本発明によるレーザー光波長変換装置の具体的な
構造について、第２図の概略斜視図を参照しつつ説明す
る。

ベース７は、数ｃｍ角（例えば、３ｅｍＸ３ｃｍ）、数
＋ｎｍ厚（例えば、２．５ｍｍ）の例えばアルミナセラ
ミックスからなり、放熱作用もなす。このベス７上には
、その−辺に沿って半導体レーザー１及び５ＨＧ６が配
列され、これらは光ファイバー３によって結合されてい
る。５ＨＧ６はパルス間隔調整用のペルチェ素子８を介
してベース７上に載置されている。なお、９は半導体レ
ーサー１の電源である。

かかる構成において、例えば、５００Ｍｐｐｓでモード
ロック発振させるには、光路長で３０ｃｍ１ の共振器が必要となる。これをコンパクトに構成するた
めに光ファイバー３が用いられているのであり、この光
ファイバー３としては、ファイバ長が短いことと、９０
°位相整合であることから、シングルモードファイバー
が用いられる。屈折率１．４のファイバーを使えば８１
．．５ｃｍの長さになるが、数Ｑｍの径で椹いてベース
７に固定しておけば、より安定でコンパクトな共振器が
得られる。

さらに高い繰返しでの共振が必要な場合は、さらに短い
ファイバーで済むことになる。

発明の詳細 な説明したように、本発明によるレーサー光波長変換装
置においては、半導体レーザー光をモトロック発振せし
め、このモードロック発振されたレーザー光を基本波と
してその波長変換をなず構成となっているので、よりコ
ンパクトでかっ単純な構成にて高効率な波長変換が可能
で、しかも高出力でかつ高繰返しの変換波が得られ、多
くのレーザ一応用機器の発展に寄与できることになる。

また、かかるレーザー光波長変換装置は、得２ られるパルスの幅が数１０ｐｓｅｃと短いため、時間分
解分光用の光源としての価値も高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーサー光波長変換装置の光学系
の構成図、第２図は本発明によるレーサー光波長変換装
置の概略斜視図、第３図及び第４図は従来例の光学系を
示す構成図である。 主要部分の符号の説明

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザー媒質と、 前記半導体レーザー媒質をモードロック発振せしめる共
   振器と、 前記共振器によるモードロック発振レーザー光の波長を
   変換する波長変換素子とからなることを特徴とするレー
   ザー光波長変換装置。
2. （２）前記波長変換素子は、９０゜位相整合方位に導波
   路を形成する非線形光学結晶からなることを特徴とする
   請求項１記載のレーザー光波長変換装置。
3. （３）前記共振器は、モードロック発振用の光路を形成
   する光ファイバーを含むことを特徴とする請求項１記載
   のレーザー光波長変換装置。