CN101765950B - 波长变换激光装置 - Google Patents

Abstract

提供一种波长变换激光装置(10)，包括：具有包含激光介质(121)的波导结构的固体激光元件(12)，该激光介质赋予因吸收激励光而产生的增益，放大激光，输出基波；以及具有包含非线性光学材料(131)的波导结构的波长变换元件(13)，该非线性光学材料把从固体激光元件(12)输出的基波的一部分变换成二次谐波，用包含固体激光元件(12)和波长变换元件(13)的光谐振器结构使基波共振，并且从波长变换元件(13)输出二次谐波，固体激光元件(12)输出线偏振光的基波，且使在波长变换元件(13)内通过并入射到固体激光元件(12)的基波的偏振状态与从固体激光元件(12)输出的线偏振光不同，由此增益频带的峰值波长下的波长变换元件的波长变换效率不会降低。

Description

波长变换激光装置

技术领域

本发明涉及进行由激光介质产生的基波的波长变换、输出预定波长的激光的波长变换激光装置。 

背景技术

近年来，作为例如光信息处理领域等的光源，正在研究开发绿色、蓝色的可见光激光器。作为可见光激光器的一种，已知有使用波长变换技术使近红外激光的波长缩短的波长变换激光装置。一般地，在波长变换激光装置中，在半导体激光器或固体激光器的光谐振器的内部或外部设置由非线性光学材料构成的波长变换元件，通过把由光谐振器产生的激光(基波)传送到波长变换元件，输出被波长变换成基波的一半波长(两倍的频率)的二次谐波。 

此时，必须使光谐振器的振荡波长频带宽度与波长变换元件的相位匹配宽度一致，但一般地波长变换元件的相位匹配宽度非常窄，而且波长变换激光装置的输出会因外部环境而产生波动。于是，为了用波长变换元件高效率地进行波长变换，现有技术中提出了把光源波长固定在波长变换元件的允许范围内，不太受外部环境变化影响的构成的作为波长变换激光装置的相干光源(例如，参照专利文献1)。该现有的相干光源，通过用波长变换元件把来自激光介质的基波变换成高次谐波，然后把被反射体反射的基波反馈到激光介质，把激光介质的振荡波长固定在反馈光的波长，把激光介质的振荡波长自动地固定在波长变换元件的相位匹配波长。 

<专利文献1>日本特开2006-19603号公报 

发明内容

(发明要解决的问题) 

另外，在一对谐振器镜内具有激光介质和波长变换元件的内部波长变换型的波长变换激光装置中，如果用具有比波长变换元件的相位匹配频带(波长变换频带)宽的增益频带的激光介质进行内部波长变换，则最初基波以增益频带的峰值波长进行激光振荡，以该增益频带的峰值波长利用波长变换元件进行波长变换。但是，由此，增益频带的峰值波长的光谐振器内的损失会增加，以相位匹配频带外的增益频带的波长产生激光振荡。其结果，存在相位匹配频带内的基波会减少，波长变换元件的波长变换效率降低的问题。另外，在专利文献1中，虽然把激光介质的振荡波长自动地固定在波长变换元件的相位匹配波长，但如上所述，由于一般情况下波长变换元件的相位匹配频带比激光介质的振荡波长频带(增益频带)窄，所以不能抑制相位匹配频带外的激光振荡。 

本发明正是鉴于上述情况而提出的，其目的在于获得在内部波长变换型的波长变换激光装置中，即使以激光介质的增益频带的峰值波长进行激光振荡，进行波长变换，增益频带的峰值波长下的波长变换元件的波长变换效率也不降低的波长变换激光装置。另外，其目的还在于，无须追加光学部件，或者无须追加大规模的光学部件，就可以获得波长变换元件的增益频带的峰值波长下的波长变换效率不降低的波长变换激光装置。 

(用来解决问题的手段) 

为了实现上述目的，根据本发明的波长变换激光装置，包括：具有包含激光介质的波导结构的固体激光元件，该激光介质赋予因吸收激励光而产生的增益，从而放大激光，并输出基波；以及具有包含非线性光学材料的波导结构的波长变换元件，该非线性光学材料把从上述固体激光元件输出的基波的一部分变换成二次谐波，用包含上述固体激光元件和上述波长变换元件的光谐振器结构使基波共振，并且从上述波长变换元件输出二次谐波，该波长变换激光装置的特征在于：上述固体激光元件输出线偏振光的基波，且包括滤波单元，该滤波单 元使在上述波长变换元件内通过并入射到上述固体激光元件的基波的偏振状态与从上述固体激光元件输出的线偏振光不同。 

(发明的效果) 

根据本发明，由于无须追加光学部件就可以使频带缩窄，以使得激光介质的增益频带的峰值波长附近的基波的振荡波长宽度基本上成为基波的振荡波长宽度，所以即使以激光介质的峰值波长利用波长变换元件进行波长变换，在该峰值波长下的光谐振器内的损失增加，也不产生波长变换频带(基本上等于基波的振荡波长宽度)外的基波的激光振荡。其结果，具有可以在波长变换元件的波长变换频带内高效率地进行基波的波长变换的效果。 

附图说明

图1是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式1的构成的立体图。 

图2是示出具有c轴方向的线偏振光的激光在非线性光学材料内往返时电场强度与轴方位的关系的图。 

图3-1是示出通过MgO:PPLN后的激光的c轴方向的偏振度对MgO:PPLN设置角度θ的依赖性的图。 

图3-2是示出通过MgO:PPLN后的激光的c轴方向的偏振度对MgO:PPLN设置角度θ的依赖性的图。 

图4-1是示出通过MgO:PPLN后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。 

图4-2是示出通过MgO:PPLN后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。 

图4-3是示出通过MgO:PPLN后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。 

图4-4是示出通过MgO:PPLN后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。 

图5-1是示意性地示出针对基波波长的增益形状与激光介质增益 频带之间的关系的图。 

图5-2是示意性地示出针对基波波长的增益形状与激光介质增益频带之间的关系的图。 

图6是示意性地示出非线性光学材料中的波长变换频带与基波的温度导致的偏移的样子的图。 

图7是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式2的构成的立体图。 

图8是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式3的构成的立体图。 

图9是示出通过MgO:PPLN和1/4波片后的激光的a轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。 

(附图标记说明) 

10、10A、10B：波长变换激光装置；11：半导体激光器；12：固体激光元件；13：波长变换-滤波元件；13A：波长变换元件；14：半波片；15：1/4波片；111、123a、123b、133a、133b、151：端面；121：激光介质；122、132：包层；131：非线性光学材料。 

具体实施方式

下面，参照附图详细说明根据本发明的波长变换激光装置的优选的实施方式。另外，这些实施方式对本发明不构成限制。另外，以下实施方式中使用的波长变换激光装置的立体图是示意图，层厚与宽度的关系、各层厚度的比率等与实际不同。 

(实施方式1) 

图1是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式1的构成的立体图。设该图1所示的R方向是表示激光的振荡方向的光轴。该波长变换激光装置10包括：作为激励光源的半导体激光器11；以从半导体激光器11输出的激光作为激励光，进行作为基波的激光的放大和振荡的固体激光元件12；以及把从固体激光元件12输出的基波的激光变换成1/2波长的二次谐波且具有双折射滤波器的功能 的波长变换-滤波元件13。 

半导体激光器11输出用来激励固体激光元件12的激励光。该半导体激光器11的激光的出射侧端面111设置成与固体激光元件12的激光介质121的端面123a对置。在此，半导体激光器11由输出波长808nm的激光的化合物半导体材料构成。 

固体激光元件12在形状上具有平板状，与光轴R垂直的端面123a、123b的形状为例如矩形形状。另外，固体激光元件12具有光波导结构，吸收来自半导体激光器11的激励光，形成反转分布状态，使因感应发射而生成的激光在光轴R的方向上传输，从端面123b输出在预定的方向上振动的线偏振光。具体地说，具有：吸收激励光产生感应发射的平板状的激光介质121；以及与该激光介质121的上下两面中的至少一面接合的包层122。在此，激光介质121是双折射材料(优选为，由光学单轴性晶体构成的材料)，其c轴(晶轴)配置成图中的厚度方向，a轴(晶轴)中的一个配置成与光轴R相同的方向，另一个配置在与光轴R垂直的面内。该c轴与该材料内的光波速度(折射率)只有一个的方向即光学轴(optic axis)一致。 

由于激光的振荡方向为光轴R的方向，在与光轴R垂直的面内存在激光介质121的a轴和c轴，所以在激光介质121中沿光轴R方向行进的激光分成振动面存在于由c轴和光轴R形成的平面内的TM(横磁)偏振光(也称为异常光)、以及振动面存在于与由c轴和光轴R形成的平面垂直且包含光轴R的平面内的TE(横电)偏振光(也称为通常光)而行进。在双折射材料的情况下，激光介质121的针对TM偏振光的折射率ne与激光介质121的针对TE偏振光的折射率no不同，所以通过使用具有存在于ne与no之间范围的折射率nc的材料作为包层122，可以使从固体激光元件12输出的激光为线偏振光。 

在此，设固体激光元件12由以下部分构成：吸收来自半导体激光器11的808nm的激励光并输出914nm的激光的由Nd:YVO₄(波长914nm时的折射率为：ne～2.17，no～1.96)构成的激光介质121；以及在与该激光介质121的上下两面的某一面上接合的由Ta₂O₅(波长 914nm时的折射率为：nc～2.08)构成的包层122。 

根据这样的结构，由于在激光介质121中产生的表现出比包层122的折射率nc小的折射率no的TE偏振光在激光介质121与包层122的界面处不满足全反射条件，所以成为光漏出到包层122的放射模式，产生大的损失。但是，在激光介质121中表现出比包层122的折射率大的折射率ne的TM偏振光在激光介质121与包层122的界面处满足全反射条件，封闭在激光介质121内，在光波导内沿光轴R方向传输。其结果，从固体激光元件12输出的光成为TM模式的线偏振光(基波)。即，从固体激光元件12输出在厚度方向(c轴方向)上振动的基波。 

波长变换-滤波元件13，具有平板状，与光轴R垂直的端面133a、133b的形状为例如矩形形状，从固体激光元件12输出的基波的一部分被波长变换成1/2波长的二次谐波，并且还具有对在波长变换-滤波元件13内往返并入射到固体激光元件12的剩余基波进行滤波的双折射滤波器的功能。作为这样的波长变换-滤波元件13，可以使用MgO:PPLN(Periodically Poled Lithium Niobat，周期性极化的铌酸锂)、PPLT(Periodically Poled Lithium Tantalate，周期性极化的钽酸锂)等的具有周期性极化反转结构的非线性光学材料。另外，该波长变换-滤波元件13也具有光波导结构，可以在非线性光学材料131的上下两面或其中某一面上接合折射率比非线性光学材料131小的包层132，也可以是把空气作为包层的结构。 

在此，作为非线性光学材料131使用六方晶系的MgO:PPLN，作为包层132在一个面上使用折射率比PPLN的对TM偏振光和TE偏振光的折射率低的Ta₂O₅，而在另一个面上同样使用SiO₂。由此，入射到波长变换-滤波元件13的非线性光学材料131中的TM偏振光和TE偏振光满足全反射条件，所以以波导模式在波长变换-滤波元件13内传输。 

另外，为了与激光介质121的c轴相区别，下面把构成波长变换-滤波元件13的非线性光学材料(MgO:PPLN)131的c轴(是晶轴， 也是光学轴)表示为z轴。而且，把与光轴R平行的方向的a轴(晶轴)表示为x轴，把与这些z轴和x轴垂直的方向表示为y轴。 

在该实施方式1中，其特征在于，为了使波长变换-滤波元件13不仅具有波长变换的功能而且具有作为双折射滤波器的功能，把非线性光学材料131的z轴(晶轴，光学轴)配置成，在与光轴R垂直的平面内相对于激光介质121的c轴倾斜角度θ。另外，波长变换-滤波元件13，在z轴相对于激光介质121的c轴倾斜的状态下，被切断成其外形为平板状(长方体状)。即，波长变换-滤波元件13的与光轴R垂直的方向的边，与激光介质121的与光轴R不平行的a轴和c轴平行，这些边的方向与非线性光学材料131的y轴和z轴的方向不一致。 

在以上的构成中，在固体激光元件12的半导体激光器11侧的端面123a上形成透过激励光、使基波激光全反射的光学膜，在固体激光元件12的波长变换-滤波元件13侧的端面123b上形成使基波激光透过的防反射膜。另外，在波长变换-滤波元件13的固体激光元件12侧的端面133a上形成透过基波激光，反射二次谐波激光的光学膜，在波长变换-滤波元件13的二次谐波出射侧的端面133b上形成使基波激光全反射、透过二次谐波激光的光学膜。这些全反射膜和光学膜通过层叠例如电介体薄膜而构成。 

通过如上所述，使波长变换-滤波元件13的非线性光学材料131的z轴在与光轴R垂直的平面内相对于激光介质121的c轴倾斜角度θ，非线性光学材料131，不仅具有作为波长变换-滤波元件13的功能而且还具有作为双折射滤波器的功能。 

下面，以非线性光学材料131的双折射滤波器的功能为中心说明该波长变换激光装置的动作。首先，从半导体激光器11的端面111输出波长808nm的激励光，入射到固体激光元件12的激光介质121的端面123a。利用该激励光，在激光介质121中形成反转分布状态，进入在光轴R方向上发射的自然发射光共振的模式，该光因感应发射而被放大。该光在激光介质121的端面123a与波长变换-滤波元件13的 端面133b之间(光谐振器)往返，但如果在该光谐振器中绕一周时放大得到的增益与在光谐振器中绕一周时造成的损失平衡，则激光振荡出波长914nm的激光。 

另外，激光振荡出的激光中的TE偏振光，如上所述，由于在固体激光元件12中不满足全反射条件，所以作为放射模式而损失，从激光介质121的端面只输出TM偏振光。即，从激光介质121输出的激光是在c轴方向上线偏振的TM偏振光。 

从激光介质121输出的激光是c轴方向的线偏振光，向MgO:PPLN 131入射。此时，MgO:PPLN 131的z轴在与光轴R垂直的面内相对于激光介质121即Nd:YVO₄的c轴倾斜角度θ，所以线偏振光分离成在z轴方向上振动的TM偏振光(异常光)和在y轴方向上振动的TE偏振光(通常光)，一边表现出不同的折射率，一边在MgO:PPLN 131中传输。MgO:PPLN 131，由于是波长变换-滤波元件13，所以把基波的一部分变换成基波的一半波长457nm的二次谐波，从端面133b输出。另外，未变换成二次谐波的基波被端面133b全反射，沿同一路径返回。 

在MgO:PPLN 131内往返、从MgO:PPLN 131的端面133a通过而返回Nd:YVO₄121的基波的激光，只有c轴方向的分量被选择而向Nd:YVO₄121入射，a轴方向的分量成为损失。例如，在MgO:PPLN131内，没有激光损失，分别在z轴方向和y轴方向上振动并传输的激光的相位差为0时，从MgO:PPLN 131的端面133a射出的光被合成，恢复成原来的线偏振光。另一方面，在MgO:PPLN 131内往返的过程中产生了相位差时或在传输时产生了在各轴方向不同的损失时，从MgO:PPLN 131的端面133a射出的光成为圆偏振光或椭圆偏振光。此时，在Nd:YVO₄121中选择基波的偏振光(c轴方向的偏振光)，沿a轴方向入射的分量成为损失。 

具体地，由于MgO:PPLN 131是高次的相位片，所以在MgO:PPLN 131内往返的、分别在z轴方向和y轴方向上振动并传输的激光的相位差因波长不同而不同。此时，如果由激光介质121输出 的基波的波长为λ，针对分别在z轴方向和y轴方向上振动并传输的激光的折射率差为Δn，MgO:PPLN 131的光轴R方向的晶体长度为L，则损失最少的波长的间隔Δλ用下式(1)表示： 

Δλ＝λ²/2ΔnL     …(1) 

例如，在晶体长度L＝4.0mm的MgO:PPLN 131中，如果基波的激光的波长λ＝914nm，则由于MgO:PPLN 131的Δn＝ne-no＝-0.083452，所以由(1)式可知Δλ＝1.25nm。即，每1.25nm会周期性地出现损失最少的波长。 

图2是示出具有c轴方向的线偏振光的激光在非线性光学材料内往返时电场强度与轴方位的关系的图。在此，示出从Nd:YVO₄121输出的在c轴方向上线偏振的激光的电场E₀，在入射到MgO:PPLN 131、往返一次从端面输出时的(单次通过(single pass)的)电场强度与轴方位的关系。另外，图中a轴和c轴表示激光介质(Nd:YVO₄)121的晶轴的方位，z轴和y轴表示非线性光学材料131的晶轴(c轴)和与光轴R垂直的平面内的与c轴垂直的轴的方位。 

由于向MgO:PPLN 131入射的在c轴方向上偏振的电场的强度为E₀，所以如果Nd:YVO₄的c轴与MgO:PPLN 131的z轴构成的角度(以下称为设置角度)为θ，则刚刚入射到MgO:PPLN 131后的y轴方向和z轴方向的电场分量E_y、E_z分别用下式(2)、(3)表示： 

E_y＝E₀cosθ…(2) 

E_z＝E₀sinθ…(3) 

另外，如果激光的y轴方向和z轴方向的单次通过的强度透射率分别为η_y、η_z，在入射到MgO:PPLN 131后往返一次射出时的y轴方向和z轴方向的电场分量E_y′、E_z′，根据式(2)、式(3)，分别用下式(4)、(5)表示： 

E_y’＝η_yE₀cosθ…(4) 

E_z’＝η_zE₀sinθ…(5) 

关于考虑了损失、折射率的波长依赖性的详细的偏振特性，必须进行如后所述使用Jones矩阵的计算，但损失成为最小(即相位差为0)或最大(即相位差为π)的条件下的电场强度，可以与晶体的特性无关地唯一地表示。从Nd:YVO₄ 121传输到MgO:PPLN 131并再次入射到Nd:YVO₄ 121的激光损失最小(相位差为0)时的电场分量(E_c′、E_a′)和损失最大(相位差为π)时的电场分量(E_c′、E_a′)，根据式(4)、式(5)，分别用下式(6)、(7)表示： 

$\left(\begin{array}{c}{E}_c^{\&prime;}\\ E_a^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{E}_0({\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_z}}^2{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+{\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}}^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\\ ({\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_z}}^2-{\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}}^2)E_0\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

$\left(\begin{array}{c}{E}_c^{\&prime;}\\ E_a^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{E}_0({\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_z}}^2{\cos }^2\mathrm{\&theta;}-{\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}}^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\\ ({\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_z}}^2+{\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}}^2)E_0\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

可以看出，不管是式(6)的相位差为0的情况还是式(7)的相位差为π的情况，y轴方向和z轴方向的强度透射率η_y、η_z的差越大且设置角度θ越接近45度，损失即沿Nd:YVO₄ 121的a轴入射的分量Ez′越增加。图3-1～图3-2是通过MgO:PPLN后的激光的c轴方向的偏振度对MgO:PPLN设置角度θ的依赖性的图。在此，以激光的z轴方向和y轴方向的单次通过的强度透射率为η_z＝0.9(即假定z轴方向的单次通过的波长变换率为10％)、η_y＝1.0进行了计算。另外，c轴方向的偏振度是根据相对于c轴方向和a轴方向的偏振强度之和的c轴方向的偏振强度定义的。在此，各轴方向的偏振强度与该轴方向的电场强度的平方成比例。 

象这些图示出的那样，不管是相位差为0的情况还是相位差为π的情况都是，MgO:PPLN 131的设置角度θ为45度附近时c轴方向的偏振度最小。象图3-1示出的那样，MgO:PPLN 131的设置角度为10度时c轴方向的偏振度为0.99964，MgO:PPLN 131的设置角度为45度时c轴方向的偏振度为0.99724。另外，象图3-2示出的那样，相位差为π时，设置角度θ为45度时c轴方向的偏振度大致为0。 

下面，用Jones矩阵求激光通过多个材料中时产生损失时的激光 的偏振度对波长的依赖性。如果角度θ的旋转矩阵为R(θ)，MgO:PPLN131的y轴方向的激光与z轴方向的激光的相位差为α(＝2π·ΔnL/λ)，则MgO:PPLN 131的z轴倾斜了角度θ时的Jones矩阵J用下式(8)表示： 

$J=R\left(\mathrm{\&theta;}\right)\left(\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_z}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\&alpha;}/2}& 0\\ 0& e^{-\mathrm{i\&alpha;}/2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_2}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_y}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\&alpha;}/2}& 0\\ 0& e^{-\mathrm{i\&alpha;}/2}\end{array}\right)R(-\mathrm{\&theta;})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

用该式(8)的Jones矩阵J，象下式(9)示出的那样，求出在非线性光学材料(MgO:PPLN)131内往返后入射到Nd:YVO₄ 121时的电场分量(E_c′、E_a′)。 

$\left(\begin{array}{c}{E}_c^{\&prime;}\\ E_a^{\&prime;}\end{array}\right)=J\left(\begin{array}{c}{E}_z\\ E_y\end{array}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(9\right)$

图4-1～4-4是示出通过MgO:PPLN后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。在此，以激光的z轴方向和y轴方向的单次通过的强度透射率为η_z＝0.9(即假定z轴方向的单次通过的波长变换率为10％)、η_y＝1.0，E_z＝1，E_x＝0，用式(9)进行了计算。图4-1是MgO:PPLN 131的设置角度为6度时的图，图4-2是MgO:PPLN 131的设置角度为16度时的图，图4-3是MgO:PPLN 131的设置角度为26度时的图，图4-4是MgO:PPLN 131的设置角度为45度时的图。 

象这些图的c轴方向偏振度示出的那样，MgO:PPLN 131的设置角度θ越大，由式(1)求出的损失最小的波长与波长之间的划分越急剧。这是因为，如果设置角度θ增大，则在由式(1)求出的损失最小的波长与波长之间的范围内a轴方向的偏振强度增大，而该部分成为向固体激光元件12入射时的损失。 

在此，设置角度为6度、16度、26度、45度时，c轴方向的最大偏振度分别为0.9999、0.9991、0.9982、0.9972。另外，向Nd:YVO₄121入射的激光的c轴方向偏振度为90％(偏振损失为10％)时的波长宽度，在设置角度为16度、26度、45度时，分别为0.5nm、0.3nm、0.2nm。 

图5-1～图5-2是示意性地示出针对基波波长的增益形状与激光介质增益频带之间的关系的图。通过了双折射滤波器的基波w1具有图5-1所示那样的增益形状时，例如，在与激光介质121的增益频带G的峰重叠的基波w1的波长位置(以下称为峰重叠位置)λ₁处激光振荡时，由于在波长变换-滤波元件13中产生二次谐波，该峰重叠位置λ₁处的损失增加。此时，由于在峰重叠位置λ₁外侧的区域R₁中也是，基波w1的增益大于双折射滤波器处产生的损失，所以会进行激光振荡，产生波长变换频带T外的激光振荡。由于在该波长变换频带T外进行激光振荡的激光不被波长变换，所以波长变换-滤波元件13的波长变换效率降低。 

与此相对，通过了双折射滤波器的基波w2具有图5-2所示那样的增益形状时，在峰重叠位置λ₁外的附近的区域R₂中，基波w2的增益小于双折射滤波器处产生的损失，基波w2的振荡波长宽度变窄(缩窄频带)。因此，即使在峰重叠位置λ₁处激光振荡，因波长变换-滤波元件13中的波长变换产生二次谐波，峰重叠位置λ₁处的损失增加，以在峰重叠位置λ₁附近的基波w2的增益小于激光介质增益频带G的区域R₂的波长，不会发生激光振荡。 

即，希望这样求出MgO:PPLN 131的设置角度θ，即，使得基波w2的增益形状成为，在激光介质121的增益频带G与波长变换频带T重叠的区域及其附近的区域中发生激光振荡，在该区域以外的波长处不发生激光振荡。更具体地，希望成为：在波长变换频带T与激光介质增益频带G的交点附近，基波w2的增益与激光介质增益频带G相交的设置角度θ中的尽可能小的设置角度θ时的基波w2的形状。另外，由于成为这样的基波的增益形状的设置角度θ，因使用的波长变换-滤波元件13的材质、长度不同而不同，所以必须对各使用的波长变换-滤波元件13预先求出认为最适合的设置角度θ。象以上那样，可以缩 窄向固体激光元件12入射的激光(基波)的频带。 

另外，在图4-1～图4-4中，损失最小的峰位置为914.5nm，从波长变换频带宽度的中心即914nm偏离。这是因为，把波长变换-滤波元件13的非线性光学材料131的光轴R方向的长度作为4.0mm来进行了计算。在使基波的振荡波长为914nm时，改变非线性光学材料131的光轴R方向的长度即可。另外，在如上所述构成非线性光学材料131的光轴R方向的长度为4.0mm的波长变换激光装置10时，由于通过了MgO:PPLN 131的基波的峰位置、非线性光学材料131的波长变换频带的位置随温度变化而变化，所以可以通过调整温度使两者的峰位置一致。 

例如，虽然图中未示出，图1所示的波长变换激光装置10构成为还包括：保持在散热器上并检测在散热器上安装的热敏电阻、热电偶等的温度的温度检测单元；把波长变换激光装置10加热或冷却到预定温度的珀耳帖(Peltier)元件、加热器等的加热冷却单元；以及控制加热冷却单元以使得由温度检测单元检测到的散热器(波长变换激光装置)的温度成为预定温度的温度控制单元。 

图6是示意性地示出非线性光学材料中的波长变换频带与基波的温度导致的偏移的样子的图。在此，以光轴R方向的长度为4.0mm、用MgO:PPLN 131作为非线性光学材料131时为例。如果温度上升，则波长变换频带T(波长变换频带宽度W2)以+0.07nm/℃的比例变化。另一方面，在MgO:PPLN 131中往返(从双折射滤波器输出)的基波w3的峰位置以-0.32nm/℃的比例变化。象用式(1)计算的那样，由于损失最低的波长间隔Δλ为1.25nm，所以每隔1.25/(0.32-0.07)＝5℃波长变换频带T的峰与从双折射滤波器输出的基波w3的增益的峰值波长一致。另外，因5℃的温度变化造成的MgO:PPLN 131的波长变换频带T的偏移为0.35nm(＝0.07nm/℃×5℃)，比激光介质121的增益频带G的振荡波长频带宽度W1＝约2nm小。因此，可以通过调整温度，在振荡波长频带宽度W1内，使从双折射滤波器输出的基波w3的损失最小的峰值波长与波长变换频带T的峰一致。另外， 基于由温度检测单元检测到的温度，温度控制单元对加热冷却单元的加热处理或冷却处理进行控制以使得激光输出中成为预定温度。 

根据该实施方式1，由于用作波长变换元件的非线性光学材料131由光学单轴性晶体构成，使其光学轴在与光轴R垂直的面内相对于激光介质121的晶轴以预定的角度倾斜，所以非线性光学材料131还用作双折射滤波器，可以限制通过非线性光学材料131入射到固体激光元件12的基波的振荡波长频带。其结果，具有可以提高波长变换-滤波元件13的波长变换效率的效果。另外，还具有无须增加部件个数就可以限制激光的振荡波长频带的效果。 

(实施方式2) 

图7是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式2的构成的立体图。该波长变换激光装置10A具有这样的构成，即，在实施方式1的构成中，取代波长变换-滤波元件13而具有波长变换元件13A，该波长变换元件13A具有将z轴(晶轴，光学轴)配置成相对于固体激光元件12的c轴(偏振方向)不倾斜的非线性光学材料131A，且在固体激光元件12与波长变换元件13A之间插入了用作双折射滤波器的半波片14。此时，与实施方式1同样地，为了限制入射到固体激光元件12的基波的波长频带，使半波片14的光学轴p相对于固体激光元件12的偏振方向(激光介质121的晶轴c)在与光轴R垂直的面内以预定的角度倾斜即可。但是，为了获得与实施方式1的情况下把MgO:PPLN 131倾斜设置角度θ时同样的效果，使半波片14倾斜θ/2即可。另外，在图7中，对与实施方式1相同的构成要素赋予相同的附图标记，其说明省略。另外，该实施方式2中的波长变换激光装置10A的动作与实施方式1相同，所以其说明省略。 

根据该实施方式2，由于半波片14的光学轴p相对于激光介质121的晶轴c在与光轴R垂直的面内以预定的角度倾斜，所以可以限制入射到固体激光元件12的激光的基波的波长频带。其结果，具有可以提高波长变换元件13A的波长变换效率的效果。另外，虽然增加了部件个数，但半波片14的光轴方向的尺寸小到几十μm，与追加mm级别的部件时相比，可以抑制因追加部件造成的波长变换激光装置10的尺寸的增加。

(实施方式3) 

图8是示意性地示出根据本发明的波长变换激光装置的实施方式3的构成的立体图。该波长变换激光装置10B具有这样的结构，即，在实施方式1的构成中，在波长变换-滤波元件13的二次谐波输出侧还设置了1/4波片15。该1/4波片15配置成其光学轴r与固体激光元件12的c轴(偏振方向)为同一方向。但是，波长变换-滤波元件13的二次谐波输出侧的端面133b被处理成基波和二次谐波都透过，在1/4波片15的端面151上形成把基波全反射、透过二次谐波的光学膜。另外，对与实施方式1相同的构成要素赋予相同的附图标记，其说明省略。 

图9是示出通过MgO:PPLN和1/4波片后的激光的a轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图。在此，与图4-1～图4-4时同样地，以激光的z轴方向和y轴方向的单次通过中的强度透射率为η_z＝0.9(即，假定z轴方向的单次通过的波长变换率为10％)、η_y＝1.0，MgO:PPLN 131的设置角度θ＝16度，进行了计算。另外，作为其比较对象，不设置1/4波片15时的示出通过MgO:PPLN 131后的激光的a轴方向和c轴方向的偏振强度以及c轴方向的偏振度对波长的依赖性的图，示于图4-2。 

象该图9示出的那样，设置1/4波片15时，与图4-2的不设置1/4波片15时相比，针对从双折射滤波器(波长变换-滤波元件13)输出的基波波长的增益形状的峰的间隔成倍，且峰被平滑化。因此，通过设置1/4波片15，可以在波长变换频带内使基波的振荡频带扩宽。 

根据该实施方式3，由于波长变换-滤波元件13的z轴(光学轴)相对于激光介质121的c轴在与光轴R垂直的面内倾斜地配置，且在波长变换-滤波元件13的二次谐波输出侧设置了1/4波片15，所以具有可以使从波长变换-滤波元件13输出的基波的峰平滑化，可以在波长变换频带内使基波的波长频带扩宽的效果。其结果，可以高效率地进行波长变换。另外，在实施方式2的图7中，在波长变换元件13A 的二次谐波输出侧同样地设置1/4波片也可以获得同样的效果。 

另外，在实施方式2、3中，与实施方式1同样地，也可以通过控制波长变换激光装置的温度，在振荡波长频带宽度内，使由双折射滤波器输出的基波的损失最小的峰值波长与波长变换频带的峰一致。 

而且，在上述的说明中，以固体激光元件12的激光介质121的光学轴(c轴)设在平板状的激光介质121的厚度方向上的情况为例进行了说明，但只要a轴与光轴R平行地配置，激光介质121的光学轴(c轴)存在于与光轴R垂直的面内，激光介质121的光学轴(c轴)在哪个方向上设置都可以。另外，此时也是，象上述那样使波长变换-滤波元件13或波长变换元件13A的非线性光学材料131的光学轴(c轴)或半波片的光学轴p，相对于激光介质121的光学轴(c轴)以预定的角度倾斜配置即可。 

产生上的可利用性 

如上所述，在把预定波长的激光高效率地变换成二次谐波时，根据本发明的波长变换激光装置是有用的。 

Claims (6)

1.一种波长变换激光装置，包括：

固体激光元件，具有包含激光介质的波导结构，赋予因吸收激励光而产生的增益来放大激光，并输出基波；

波长变换元件，把从上述固体激光元件输出的基波的一部分变换成二次谐波，使在上述波长变换元件内通过并入射到上述固体激光元件的基波的偏振状态与从上述固体激光元件输出的线偏振光不同，该波长变换元件具有包含非线性的双折射光学材料的波导结构，该双折射光学材料的光学轴在与上述激光的光轴垂直的面内相对于上述激光介质的光学轴以预定的角度倾斜配置，该预定的角度被选择为：在上述激光介质的增益频带和波长变换频带相互重叠的区域中，使通过了上述双折射光学材料的基波的增益形状发生激光振荡；以及

光谐振器结构，使基波共振，并且从上述波长变换元件输出二次谐波，包含上述固体激光元件和上述波长变换元件。

2.如权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

在上述波长变换元件的二次谐波输出侧还包括1/4波片，该1/4波片的光学轴配置在与上述激光介质的光学轴相同的方向上。

3.如权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

上述预定的角度被选择为：使通过了上述双折射光学材料的上述基波的增益形状在上述激光介质的增益频带和上述波长变换频带相互重叠的区域和其附近的区域中发生激光振荡，在该区域以外的波长处不发生激光振荡。

4.如权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

上述预定的角度是：在上述波长变换频带与上述激光介质的增益频带的交点附近，上述基波的增益形状与上述激光介质的增益频带相交的设置角度中的最小的角度。

5.一种波长变换激光装置，包括：

固体激光元件，具有包含激光介质的波导结构，赋予因吸收激励光而产生的增益来放大激光，并输出基波；

波长变换元件，把从上述固体激光元件输出的基波的一部分变换成二次谐波，具有包含非线性的双折射光学材料的波导结构；

光谐振器结构，使基波共振，并且从上述波长变换元件输出二次谐波，包含上述固体激光元件和上述波长变换元件；以及

半波片，在上述固体激光元件与上述波长变换元件之间配置，该半波片的光学轴在与上述激光的光轴垂直的面内相对于上述激光介质的光学轴以预定的角度倾斜配置，使在上述波长变换元件内通过并入射到上述固体激光元件的基波的偏振状态与从上述固体激光元件输出的线偏振光不同，

上述波长变换元件的上述非线性的双折射光学材料由如下双折射材料构成，该双折射材料的光学轴配置在与上述激光介质的光学轴相同的方向上。

6.如权利要求5所述的波长变换激光装置，其特征在于：

在上述波长变换元件的二次谐波输出侧还包括1/4波片，该1/4波片的光学轴配置在与上述激光介质的光学轴相同的方向上。

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