CN101802704A - 波长变换元件以及波长变换激光装置 - Google Patents

Abstract

一种平面波导型的波长变换元件，具有平板状的非线性光学材料，并且以多个激光振荡模式向作为垂直于光轴的方向的、与平板状的主平面垂直的方向传播激光的基波，来进行基波的波长变换，其中，在非线性光学材料中，使极化反转的周期变化而形成有非极化反转区域和极化反转区域，使得具有包括多个激光振荡模式中的至少两个激光振荡模式的相位匹配条件的相位匹配频带A的宽度。

Description

波长变换元件以及波长变换激光装置

技术领域

本发明涉及一种在平面波导内进行激光的波长变换的波长变换元件以及波长变换激光装置。

背景技术

在打印机、投影电视等显示彩色图像的装置中，需要使用R(红)、G(绿)、B(蓝)这三种颜色的光源来作为光源。近年来，作为这些光源，开发出如下的波长变换激光装置(激光振荡器)：将900nm带、1μm带、1.3μm带的激光作为基波激光，使用非线性材料将基波激光变换为一半波长(两倍频率)的二次谐波(SHG(Second Harmonic Generation))。

在SHG中，为了高效地抽取具有期望波长的激光，需要实现从基波激光变换为二次谐波激光的高的变换效率。为了在波长变换元件内从基波激光变换为二次谐波激光，变换前的基波激光与变换后的二次谐波之间必须满足相位匹配条件。相位匹配条件是在波长变换元件中校正基波激光和二次谐波激光的相位偏移的条件。作为满足相位匹配条件而进行波长变换的元件，例如已知使用周期结构的准相位匹配(QPM(Quasi Phase Matching))元件。在该QPM波长变换元件中，在作为非线性光学晶体的周期极化铌酸锂(PPLN(Periodically PoledLithium Niobate))等中形成光波导，使极化沿波导方向周期性反转。

然而，在QPM波长变换元件中，对于基波的波长和波长变换元件的温度的相位匹配条件的容许度(相位匹配带宽)小。因此，作为使相位匹配带宽变宽的方法，提出了一种使极化反转周期的间距等逐渐变化的结构(使极化反转的周期结构以啁啾(chirp)状发生变化的结构)的QPM波长变换元件。

专利文献1所记载的光波长变换元件具有在非线性光学晶体中形成的周期状的极化反转结构，极化反转结构具有单一的周期部分(单一周期部分)和周期逐渐变化的啁啾周期部分。

专利文献1：日本特开2000-321610号公报

发明内容

(发明要解决的问题)

然而，在上述以往技术中，在基波以波导中的高阶激光振荡模式(高阶模式)振荡的情况下，对于高阶模式的基波不满足相位匹配条件，因此无法高效地对高阶模式的基波进行波长变换。因此，存在对于多个激光振荡模式的波长变换效率变低的问题。另外，为了抑制产生高阶模式的基波，必须使波长变换元件变薄，但是存在难以使波长变换元件变薄的问题。

本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于得到一种以简单的结构高效地对基波波长进行波长变换的波长变换元件以及波长变换激光装置。

(用于解决问题的方案)

为了解决上述问题，并达到目的，本发明是一种平面波导型的波长变换元件，具有平板状的非线性光学材料，并且以多个激光振荡模式向作为垂直于光轴的方向的、与上述平板状的主平面垂直的方向传播激光的基波，来进行上述基波的波长变换，该波长变换元件的特征在于，在上述非线性光学材料中，使极化反转的周期变化，使得具有包括上述多个激光振荡模式中的至少两个激光振荡模式的相位匹配条件的相位匹配带宽，来形成有非极化反转区域和极化反转区域。

(发明效果)

本发明所涉及的波长变换元件使非线性光学材料的极化反转周期发生变化使得具有包括至少两个激光振荡模式的相位匹配条件的相位匹配带宽，因此起到能够以简单的结构高效地对基波波长进行波长变换的效果。

附图说明

图1是从侧面方向观察本发明的实施方式所涉及的波长变换激光装置的结构而得到的剖视图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的波长变换激光装置的结构的俯视图。

图3是表示波长变换元件的结构的立体图。

图4是用于说明波长变换元件的极化反转图案的图。

图5是用于说明激光振荡模式向高阶模式的转移的图。

图6是用于说明相位匹配频带的宽带化的图。

图7是表示各激光振荡模式的基波波长与波长变换元件的温度之间的关系的图。

图8是表示各激光振荡模式的基波波长与极化反转周期之间的关系的图。

图9是表示在对0阶模式和1阶模式的基波波长进行波长变换时的极化反转周期的一例的图。

图10是表示在以图9所示的极化反转周期进行多个模式的波长变换的情况下的波长变换效率的图。

图11是表示在以图9所示的极化反转周期进行多波长振荡的波长变换的情况下的波长变换效率的图。

图12是表示以往使用的波长变换元件的波长变换效率的图。

图13是表示使极化反转周期曲线性地发生变化的情况下的极化反转周期的一例的图。

(附图标记说明)

1：非线性光学材料；2、3、22、23：包层；4：极化反转层；6：光学轴；10：波长变换元件；11a、11b、25a、25b：端面；20：固体激光元件；21：激光介质；30：半导体激光器；100：波长变换激光装置；A：相位匹配频带；L：高次谐波激光。

具体实施方式

下面，根据附图详细说明本发明所涉及的波长变换元件以及波长变换激光装置的实施方式。此外，本发明并不限定于该实施方式。

(实施方式)

图1是从侧面方向观察本发明的实施方式所涉及的波长变换激光装置的结构而得到的剖视图，图2是表示本发明的实施方式所涉及的波长变换激光装置的结构的俯视图。此外，在图1和图2中，以光学轴6示出表示激光振荡方向的光学轴。

平面波导型的波长变换激光装置100是使极化反转周期的间距等逐渐变化使得能够对以多个激光振荡模式(0阶模式或1阶模式等)振荡的基波进行波长变换的激光振荡器。波长变换激光装置100例如在光信息处理领域等中使用于激光显示装置或光存储器装置的光源。

波长变换激光装置100构成为包括半导体激光器30、固体激光元件20以及作为本发明的主要特征的波长变换元件(波导型波长变换元件)10。

半导体激光器30从一个至多个活性层输出一个至多个LD(LaserDiode：激光二极管)光。半导体激光器30在输出多个LD光的情况下，以阵列状射出LD光，使固体激光元件20进行多发射极振荡(multi-emitter oscillation)。固体激光元件20是使基波激光振荡的元件，具有激光介质21和包层(低折射率部)22、23。波长变换元件10是将振荡了的基波激光变换为二次谐波激光并射出变换得到的二次谐波激光的元件。波长变换元件10具有板型波导结构，具有非线性光学材料1和包层2、3。

以下，为了便于说明，将光学轴6设为z轴方向，将与波长变换激光装置100的主平面垂直的方向设为y轴方向，将与y轴和z轴这两者垂直的方向(波长变换元件10等的宽度方向)设为x轴方向，来进行说明。

半导体激光器30、激光介质21、非线性光学材料1分别形成大致矩形状的平板状，各平板状的主平面配置成与xz平面平行(并列设置在一个平面内)。激光介质21在半导体激光器30与非线性光学材料1之间配置成由激光介质21的一个侧面(与z轴垂直的端面25a)接近半导体激光器30且由与该侧面对置的侧面(与z轴垂直的端面25b)接近非线性光学材料1。非线性光学材料1具有与光学轴6垂直的端面11a和端面11b，端面11a配置成接近激光介质21的端面25b。非线性光学材料1的端面11b是射出二次谐波激光L的一侧的端面。

半导体激光器30与激光介质21接近的接近面在半导体激光器30与激光介质21中具有大体上相同的面形状(大致矩形状)，激光介质21与非线性光学材料1接近的接近面在激光介质21与非线性光学材料1中具有大体上相同的面形状(大致矩形状)。

换言之，在波长变换激光装置100中，半导体激光器30、固体激光元件20、波长变换元件10被配置成半导体激光器30的射出面、激光介质21的端面25a、25b、非线性光学材料1的端面11a、11b分别平行。在半导体激光器30中根据需要也可以接合冷却用的散热器(heatsink)(未图示)。半导体激光器30的x轴方向的宽度与激光介质21的x轴方向的宽度大体上相等，半导体激光器30在x轴方向上大体上均匀地输出激励光。半导体激光器30是例如配置了多个输出LD光的活性层的多发射极半导体激光器等。在半导体激光器30是多发射极半导体激光器的情况下，在半导体激光器30中以沿激光射出面的x轴方向排列活性层的方式配置各活性层。在这种情况下，半导体激光器30从多个活性层输出多个LD光，因此固体激光元件20能够从沿x轴方向排列多个的各活性层得到各个激光输出光。从半导体激光器30输出的LD光从端面25a向激光介质21的xz平面方向(与xy平面垂直的光学轴6方向)入射并被激光介质21所吸收。

激光介质21的端面25a是反射基波激光的全反射膜，激光介质21的端面25b是使基波激光透射的反射防止膜。非线性光学材料1的端面11a是使基波激光透射并反射二次谐波激光L的光学膜(部分反射膜)，非线性光学材料1的端面11b是反射基波激光并使二次谐波激光L透射的光学膜(部分反射膜)。例如通过层叠电介质薄膜来制作这些全反射膜、反射防止膜、光学膜。此外，从激光介质21的端面25a入射从半导体激光器30输出的激励光的情况下，端面25a的全反射膜成为使激励光透射并反射基波激光的光学膜。

激光介质21例如具有y轴方向的厚度为几～几十μm、x轴方向的宽度为几百μm～几mm的大小。作为激光介质21，能够使用普通的固体激光器材料。激光介质21例如是Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:Glass、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:KGW、Yb:KYW、Er:Glass、Er:YAG、Tm:YAG、Tm:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF、Tm，Ho:YAG、Tm，Ho:YLF、Ti:Sapphire、Cr:LiSAF等。

包层22、23具有小于激光介质21的折射率的折射率，在与激光介质21的xz平面平行的面(包层23的上表面和包层22的下表面)与激光介质21的主平面接合。例如通过如下方法来制作包层22、23：将以光学材料为原料的膜蒸镀到激光介质21的方法；通过光学接触(opticalcontact process)或扩散接合等，以光学方式将光学材料与激光介质21接合的方法。在包层23的下表面侧也可以接合冷却用的散热器(未图示)。

非线性光学材料1对从激光介质21侧入射的基波激光进行波长变换来输出二次谐波激光L。非线性光学材料1例如具有y轴方向的厚度为几～几十μm、x轴方向的宽度为几百μm～几mm的大小。作为非线性光学材料1，能够使用普通的波长变换用材料。非线性光学材料1例如是KTP、KN、BBO、LBO、CLBO、LiNbO3、LiTaO3等。另外，作为非线性光学材料1，如果使用抗光损伤能力强的添加了MgO的LiNbO3、添加了MgO的LiTaO3、化学计量比(stoichiometric)LiNbO3、化学计量比LiTaO3，则能够提高入射的基波激光的功率密度，因此能够进行高效的波长变换。并且，作为非线性光学材料1，如果使用具有周期反转极化结构的添加了MgO的LiNbO3、添加了MgO的LiTaO3、化学计量比LiNbO3、化学计量比LiTaO3、KTP，则非线性常数大，因此与添加了MgO的LiNbO3等相比能够进行更高效的波长变换。

包层2、3具有小于非线性光学材料1的折射率的折射率，在与非线性光学材料1的xz平面平行的面(包层3的上表面和包层2的下表面)与非线性光学材料1的主平面接合。例如通过如下方法来制作包层2、3：将以光学材料为原料的膜蒸镀到非线性光学材料1的方法；通过光学接触或扩散接合等，以光学方式将光学材料与非线性光学材料1接合的方法。

在本实施方式中，为了实现从基波激光变换为二次谐波激光的高的变换效率，对波长变换元件10使用QPM波长变换元件(准相位匹配波长变换元件)。在波长变换元件10中，使极化反转的周期以啁啾状发生变化(调制极化反转的周期结构)，使得在基波以波导中的高阶的激光振荡模式(高阶模式)振荡的情况下，能够对高阶模式的基波进行波长变换。例如，通过使极化反转的周期与距离成比例地增大的线性啁啾结构，扩大对于基波波长以及波长变换元件的温度的相位匹配条件的容许度(相位匹配带宽)。换言之，在本实施方式中，通过使极化反转的周期以啁啾状发生变化，使基波激光的可变带宽变宽，放宽相位匹配条件。在本实施方式中，使非线性光学材料1的极化反转周期发生变化使得具有如下的相位匹配带宽，该相位匹配带宽包括多个激光振荡模式中的至少两个激光振荡模式的相位匹配条件。具体地说，使非线性光学材料1的极化反转周期的间距等逐渐发生变化使得能够对例如以0阶的激光振荡模式(0阶模式)振荡的基波和以1阶的激光振荡模式(1阶模式)振荡的基波进行波长变换。

图3是表示波长变换元件的结构的立体图。如该图所示，波长变换元件10的非线性光学材料1具有多个极化反转层4。极化反转层4使沿一定方向极化的单晶电介质材料的极化方向反转。在非线性光学材料1内，非极化反转区域与极化反转区域(极化反转层4)交替形成。由此，在非线性光学材料1内，周期性地形成极化反转层4。各极化反转层4形成大致平板状，并且被包层2、3夹持成平板状的主平面与x轴方向和y轴方向平行。

非线性光学材料1将来自激光介质21的基波(基波激光)从端面11a侧进行激光输入，在交替配置的非极化反转区域内和极化反转区域内依次传播。当基波激光入射到非线性光学材料1时，非线性光学材料1利用非线性效应将基波激光变换为二次谐波激光。在非线性光学材料1中，预先最优化晶轴角度、温度、反转极化的周期等使得基波激光被变换为二次谐波激光。入射到非线性光学材料1的基波激光的一部分被变换为二次谐波激光而从端面11b向外部进行激光输出。

未被变换为二次谐波激光而残留在非线性光学材料1内的基波激光在端面11b中全反射而再次通过非线性光学材料1内，并被变换为二次谐波激光。该残留的基波激光的一部分被变换产生的二次谐波激光在端面11a全反射而从端面11b向外部进行激光输出。

图4是用于说明波长变换元件的极化反转图案(pattern)的图。在图4中，示出了从上表面(y轴方向)观察非线性光学材料1的情况下的极化反转图案。非线性光学材料1的极化反转图案成为如下结构：沿z轴方向配置多个由正(+)的极化层(非极化反转区域)和负(-)的极化层(极化反转层4)构成的一组极化层。换言之，沿z轴方向交替地配置有非极化反转区域和极化反转区域。

在非线性光学材料1中，从端面11a到端面11b以极化反转周期Λ₁～Λ_X(X为自然数)配置有各极化层。换言之，在非线性光学材料1中，使极化沿波导方向周期性地反转。例如，配置在端面11a附近的第一组的极化层是极化反转周期Λ₁。另外，第i(i为1～X的自然数)组的极化层是极化反转周期Λ_i，配置在端面11b附近的第X组的极化层是极化反转周期Λ_X。

各极化层中的占空比是α_i/Λ_i。因而，各极化反转周期Λ₁～Λ_X中的占空比分别是α₁/Λ₁～α_X/Λ_X。在本实施方式的非线性光学材料1中，例如将啁啾周期的周期变化量设为ΔΛ。换言之，改变各极化反转周期Λ₁～Λ_X使得满足Λ_i＝Λ₁+(i×ΔΛ)，来对非线性光学材料1设定啁啾周期。由此，非线性光学材料1中的极化反转周期从激光的入射端面(端面11a)向激光的射出端面(端面11b)逐渐变长。相反地，也可以将ΔΛ设为负值来使极化反转周期变短。

另外，也可以改变各极化层中的占空比。例如，使各极化层中的占空比从端面11a向端面11b逐渐变化。也可以仅使从端面11a到端面11b的一部分变化。通过改变极化反转周期、占空比，能够高效地对不同波长的多个激光进行波长变换。

图5是用于说明激光振荡模式向高阶模式的转移的图。在波长变换元件10中，当通过波长变换在相位匹配频带中进行波长变换时，相位匹配频带波峰处的损失增加。由此，在波导(非线性光学材料1)中，激光振荡模式例如从0阶模式转移到1阶模式(S1)，激光振荡模式进一步从1阶模式转移到2阶模式(S2)，形成多个激光振荡模式。在激光振荡模式中，在每个模式下适合进行波长变换的波长变换元件的温度不同，因此对于各模式的相位匹配条件也不同。因此，每个模式下的PPLN间距(极化反转周期)不同。

因而，在本实施方式中，如图6所示，使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化使得包括至少两个激光振荡模式。偶数阶的激光振荡模式容易与偶数阶的激光振荡模式耦合，奇数阶的激光振荡模式容易与奇数阶的激光振荡模式耦合，因此，在本实施方式中，使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得例如包括偶数阶的激光振荡模式和奇数阶的激光振荡模式。具体地说，在基波以高阶模式振荡的情况下，使波长变换元件10的极化反转的周期以啁啾状发生变化使得能够对偶数阶的基波和奇数阶的基波进行波长变换。在图6中，示出了使波长变换元件10的相位匹配频带A变宽使得包括0阶模式和1阶模式的情况。由此，能够有效地使用波导内的功率来对基波进行波长变换。

图7是表示各激光振荡模式的基波波长与波长变换元件的温度之间的关系的图。在图7中，示出了0阶模式与1阶模式的模式间的相位匹配匹配条件差为ΔT₀₁而0阶模式与2阶模式的模式间的相位匹配匹配条件差为ΔT₀₂的情况。如图7所示，各模式的基波波长与波长变换元件的温度一一对应。在各模式的基波波长相等的情况下，作为相位匹配条件，在模式间波长变换元件的温度不同。

图8是表示各激光振荡模式的基波波长与极化反转周期之间的关系的图。在图8中，示出了0阶模式与1阶模式的模式间的相位匹配条件差为Δλ₀₁而0阶模式与2阶模式的模式间的相位匹配条件差为Δλ₀₂的情况。如图8所示，各模式的基波波长与极化反转周期一一对应。在各模式的基波波长相等的情况下，相位匹配条件差是波长变换元件的温度差，将相位匹配条件差设为基于各激光振荡模式的基波波长与波长变换元件的温度之间的关系的波长换算值。

例如，如图7所示，在基波波长为914nm(极化反转周期为4.18)的情况下，在以0阶模式进行波长变换时，需要30℃的元件温度。另外，在以1阶模式进行波长变换时，需要21℃的元件温度，0阶模式与1阶模式间的温度差ΔT₀₁为9℃。并且，在以2阶模式进行波长变换时，需要6℃的元件温度，0阶模式与2阶模式间的温度差ΔT₀₂为24℃。

另一方面，如图8所示，极化反转周期为4.18μm(元件温度为30℃)的情况下，在以0阶模式进行波长变换时，需要914nm的基波波长。另外，在以1阶模式进行波长变换时，需要914.65nm的基波波长，0阶模式与1阶模式间的波长差Δλ₀₁为0.65nm。并且，在以2阶模式进行波长变换时，需要915.75nm的基波波长，0阶模式与2阶模式间的波长差Δλ₀₂为1.75nm。0阶模式与1阶模式间的温度差和0阶模式与2阶模式间的温度差之比、和0阶模式与1阶模式间的波长差和0阶模式与2阶模式间的波长差之比相同，能够用波长变换元件的温度差和基波波长的波长差来换算相位匹配条件差。

说明形成在波长变换元件10内的两个波导模式的波长间隔的计算式。在说明每个波导的等效折射率、波长变换元件10的极化反转周期的计算方法之后，说明波导模式间的波长间隔的计算方法。

说明波导的等效折射率。在将对于波长λ的波导的TM(Transverse Magnetic)m(m为自然数)阶模式或者TE(TransverseElectric)m阶模式的等效折射率设为N(λ，m)时，以下的关系式(式(1)、式(2))成立。在式(1)和式(2)中，示出了在波导上部和波导下部的包层材料折射率相等的对称3层平板波导的情况下的关系式。

TMm阶模式的情况：

[式1]

$\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2-N{(\mathrm{\λ},m)}^2}-{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}{n_2{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}\frac{\sqrt{N{(\mathrm{\λ},m)}^2-n_2{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}}{\sqrt{n_1{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2-N{(\mathrm{\λ},m)}^2}}\right)=\frac{\mathrm{m\π}}{2}\·\·\·\left(1\right)$

TEm阶模式的情况：

[式2]

$\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2-N{(\mathrm{\λ},m)}^2}-{\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{N{(\mathrm{\λ},m)}^2-n_2{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}}{\sqrt{n_1{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2-N{(\mathrm{\λ},m)}^2}}\right)=\frac{\mathrm{m\π}}{2}\·\·\·\left(2\right)$

式(1)、式(2)的n₁(λ)是形成波导的芯体材料(非线性光学材料1)的对于波长λ的折射率，n₂(λ)是形成波导的上部包层材料(包层2)和下部包层材料(包层3)的对于波长λ的折射率。另外，N(λ，m)是对于波长λ的等效折射率(m为波导模式阶数)，t是形成波导的芯体的厚度。

说明波长变换元件10的极化反转周期。使用对于m阶模式的基波激光和二次谐波的波导的等效折射率N(λ，m)，用以下的关系式(式(3))表示波导型的波长变换元件10的极化反转周期Λ。

[式3]

$\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(N({\mathrm{\λ}}_0,0)-N({\mathrm{\λ}}_0/\mathrm{2,0}))}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(N({\mathrm{\λ}}_1,1)-N({\mathrm{\λ}}_1/\mathrm{2,1}))}=\·\·\·=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{2(N({\mathrm{\λ}}_m,m)-N({\mathrm{\λ}}_m/2,m))}\·\·\·\left(3\right)$

式(3)的λ₀是0阶模式的基波波长，λ₀/2是0阶模式的二次谐波波长。另外，λ₁是1阶模式的基波波长，λ₁/2是1阶模式的二次谐波波长。另外，λ_m是m阶模式的基波波长，λ_m/2是m阶模式的二次谐波波长。

说明波导模式间的波长间隔。根据满足式(1)的等效折射率和式(2)的极化反转周期的m阶模式的基波波长，能够求出波导模式间的波长间隔。即，根据Δλ_mn＝|λ_m-λ_n|，能够算出波导m阶模式和波导n(n为自然数)阶模式的波长间隔Δλ_mn。例如，根据Δλ₀₁＝|λ₀-λ₁|，能够算出波导0阶模式和波导1阶模式的波长间隔Δλ₀₁。因而，在极化反转周期Λ为Λ＝4.18(μm)，0阶模式的基波波长λ₀为λ₀＝914(nm)的情况下，波导的0阶模式和1阶模式的波长间隔Δλ₀₁是Δλ₀₁＝0.65(nm)。

上述的波长变换元件10的极化反转周期的关系式和波导模式间的波长间隔的关系式对应于图8示出的表示各激光振荡模式的基波波长与极化反转周期的关系的图。

说明波长变换效率的计算式。能够根据以下的式(4)算出波长变换效率η。

[式4]

$\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{SH}}}{I_F}=\frac{8\·{\mathrm{\π}}^2\·{d_{\mathrm{eff}}}^2}{n_{\mathrm{SH}}\·{n_F}^2\·c\·{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\λ}}^2}\·L^2\·I_F\·\·\·\left(4\right)$

式(4)的I_F是基波输入功率，I_SH是高次谐波输出功率。另外，d_eff是有效非线性光学常数，n_F是对于基波的折射率。另外，n_SH是对于高次谐波的折射率，c是真空中的光速。另外，ε₀是真空中的介电常数，L是元件长度。此外，有效非线性光学常数(d_eff)随着啁啾周期而发生变化。

如式(4)所示，波长变换效率与基波输入功率成比例，高次谐波输出功率与基波输入功率的平方成比例。因而，只要通过内部波长变换得到的基波的内部功率高，即使基于啁啾周期的有效非线性光学常数低，也能够得到高功率的高次谐波。

在本实施方式中，通过使用图7所示的各激光振荡模式的基波波长与波长变换元件的温度之间的关系、图8所示的各激光振荡模式的基波波长与极化反转周期的关系、式(1)～式(4)，使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化到期望宽度。此时，使相位匹配频带变宽使得成为与波长变换元件10的波导结构相应的相位匹配频带的宽度。例如，使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化使得能够包括当在波长变换元件10中进行了波长变换时所产生的激光振荡模式。

例如，既可以使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化使得能够包括0阶模式和1阶模式，也可以使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化使得能够包括0阶～2阶的激光振荡模式。并且，也可以使波长变换元件10的相位匹配频带宽带化使得能够包括3阶以上的激光振荡模式。

在波长变换元件10具有图7、图8所示的特性的情况下，对0阶模式的基波进行波长变换时需要4.18的极化反转周期，对1阶模式的基波进行波长变换时需要大约4.17的极化反转周期。因而，在这种情况下，为了对0阶和1阶的激光振荡模式的基波波长进行波长变换，需要使极化反转周期变化到大约4.17～4.18。换言之，抽取多个与要进行波长变换的激光振荡模式对应的极化反转周期，改变波长变换元件10的极化反转周期使得包括所抽取的极化反转周期。

图9是表示在对0阶模式和1阶模式的基波波长进行波长变换时的极化反转周期的一例的图。在图9中，纵轴是极化反转周期(PPLN间距)，横轴是波长变换元件10的z轴方向的距离(离端面11a的距离)。如图9所示，在使波长变换元件10对0阶模式和1阶模式的基波波长进行波长变换的情况下，从端面11a侧到端面11b为止使极化反转周期以规定的增加率增大。此时，增加波长变换元件10的极化反转周期使得包括与0阶模式对应的极化反转周期(4.18)和与1阶模式对应的极化反转周期(4.17)。

图10是表示在以图9所示的极化反转周期进行多个模式的波长变换的情况下的波长变换效率的图。在图10中，示出了以0阶模式振荡的基波波长与以1阶模式振荡的基波波长的模式间波长宽度为Δλ的情况。当使波长变换元件10的极化反转周期变化到4.165～4.185使得包括4.17和4.18时，能够高效地对以0阶模式振荡的基波波长与以1阶模式振荡的基波波长这两者进行波长变换。由此，与仅对以0阶模式振荡的基波波长进行波长变换的情况相比，对以0阶和1阶的激光振荡模式振荡的基波波长进行波长变换的情况下，波长变换效率更好。

波长变换激光装置100不限于多个激光振荡模式，还可以对多波长振荡(以多个波长进行激光振荡的情况)的各基波进行波长变换。图11是表示以图9所示的极化反转周期进行多波长振荡的波长变换的情况下的波长变换效率的图。如该图所示，当使波长变换元件10的极化反转周期变化到4.165～4.185时，能够高效地对以914nm～914.6nm进行多波长振荡的情况下的各基波波长的全部进行波长变换。由此，与仅对一个基波波长进行波长变换的情况相比，对多个基波波长进行波长变换的情况下，波长变换效率更好。

为了明确本实施方式中的波长变换元件10和以往使用的波长变换元件的波长变换效率之间的差异，说明以往使用的波长变换元件的波长变换效率。

图12是表示以往使用的波长变换元件的波长变换效率的图。如该图所示，以往的波长变换元件仅对以0阶模式振荡的基波波长进行波长变换，因此无法高效地对以1阶模式振荡的基波波长进行波长变换。因此，无法高效地对在波长变换元件内产生的所有的基波波长进行波长变换。

与此相对地，本实施方式的波长变换元件10能够对多个模式的基波进行波长变换，因此能够高效地对在波长变换元件10内产生的多个模式的基波进行波长变换。因而，波长变换激光装置100在进行多发射极振荡的情况下，也能够抑制基波的振荡效率降低。另外，在波长变换元件10的y轴方向的厚度厚的情况下，也能够高效地对多个模式的基波进行波长变换，因此能够容易地制作波长变换元件10。

此外，在本实施方式中，说明了波长变换激光装置100的结构为图1和图2所示的结构的情况，但是波长变换激光装置100的结构也可以是图1和图2所示的结构以外的结构。例如，也可以将波长变换元件10设为仅具备包层2、3中的一个包层的结构。另外，也可以将固体激光元件20设为仅具备包层22、23中的一个包层的结构。另外，也可以设为在包层2、3的外侧或包层22、23上配置基板的结构。另外，波长变换激光装置100不限于内部型的波长变换方式(在谐振器内部设置波长变换元件的结构)，也可以是外部型的波长变换方式(在谐振器外部设置波长变换元件的结构)。在波长变换激光装置100是内部型的波长变换方式的情况下，基波激光在固体激光元件20的端面25a与波长变换元件10的端面11b之间振荡。另外，在波长变换激光装置100是外部型的波长变换方式的情况下，基波激光在固体激光元件20的端面25a与固体激光元件20的端面25b之间振荡。

另外，在本实施方式中，说明了波长变换元件10的极化反转周期的变化方式为图9所示的变化方式的情况，但是也可以通过图8以外的其它方法来改变极化反转周期。例如，如图13所示，也可以使波长变换元件10的极化反转周期曲线性地发生变化。

另外，在本实施方式中，说明了使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得包括偶数阶的激光振荡模式和奇数阶的激光振荡模式的情况，但是也可以使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得能够对0阶～m阶的期望的基波进行变换。

这样，根据实施方式，逐渐改变极化反转周期的间距等来使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得能够对以多个激光振荡模式振荡的基波进行波长变换，因此能够对多个基波的不同模式(在各模式的基波波长相等的情况下是不同的相位匹配温度)进行波长变换，能够以简单的结构高效地对基波波长进行波长变换。

另外，使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得在作为波长变换对象的激光振荡模式中包括奇数阶的激光振荡模式和偶数阶的激光振荡模式，因此能够以简单的结构高效地对基波波长进行波长变换。另外，使波长变换元件10的相位匹配频带变宽使得在作为波长变换对象的激光振荡模式中包括0阶模式和1阶模式，因此能够以简单的结构高效地对基波波长进行波长变换。另外，在谐振器内部进行基波的波长变换，因此与在谐振器外部进行基波的波长变换的情况相比，能够更高效地对基波波长进行波长变换。

(产业上的可利用性)

如上所述，本发明所涉及的波长变换元件以及波长变换激光装置适于在平面波导内进行激光的波长变换。

Claims (5)

1.一种平面波导型的波长变换元件，具有平板状的非线性光学材料，并且以多个激光振荡模式向作为垂直于光轴的方向的、与上述平板状的主平面垂直的方向传播激光的基波，来进行上述基波的波长变换，该波长变换元件的特征在于，

在上述非线性光学材料中，使极化反转的周期变化，使得具有包括上述多个激光振荡模式中的至少两个激光振荡模式的相位匹配条件的相位匹配带宽，来形成有非极化反转区域和极化反转区域。

2.根据权利要求1所述的波长变换元件，其特征在于，

上述至少两个激光振荡模式包括奇数阶的激光振荡模式和偶数阶的激光振荡模式。

3.根据权利要求2所述的波长变换元件，其特征在于，

上述至少两个激光振荡模式是0阶模式和1阶模式。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的波长变换元件，其特征在于，

在使上述激光的基波振荡的谐振器内部进行上述基波的波长变换。

5.一种波长变换激光装置，具有：波导型的固体激光元件，使基波激光振荡；以及平面波导型的波长变换元件，具有平板状的非线性光学材料，并且以多个激光振荡模式向作为垂直于光轴的方向的、与上述平板状的主平面垂直的方向传播上述激光的基波，来进行上述基波的波长变换，该波长变换激光装置的特征在于，

在上述非线性光学材料中，使极化反转的周期变化，使得具有包括上述多个激光振荡模式中的至少两个激光振荡模式的相位匹配条件的相位匹配带宽，来形成有非极化反转区域和极化反转区域。

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