CN101939699B

CN101939699B - 高次谐波发生器

Info

Publication number: CN101939699B
Application number: CN2009801045399A
Authority: CN
Inventors: 吉野隆史
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: DE112009000376B4; JP5155341B2; US7911683B2; JPWO2009104485A1; CN101939699A; DE112009000376T5; US20100321766A1; WO2009104485A1

Abstract

本发明提供一种高次谐波发生器，其具有固体激光振荡器、将由该固体激光振荡器所激发的激光的波长进行转换从而发生高次谐波的调制用光波导、激光的入射侧端面、高次谐波的出射侧端面、一侧的侧面及另一侧的侧面。出射侧端面具有在一侧的侧面(1a)侧所形成的研磨面(6)和在另一侧的侧面(1b)侧所形成的光散射面(5)，该一侧的侧面(1a)和研磨面(6)所形成的角θ为钝角，该另一侧的侧面(1b)与光散射面(5)之间所成的角α为钝角或直角。

Description

高次谐波发生器

技术领域

本发明涉及高次谐波发生器。

背景技术

在所有光信息处理技术中，为了实现高密度光记录，要求能以30mW以上的输出稳定地激发出波长为400-430nm左右的蓝光的蓝光激光器，在进行着其开发竞争。作为蓝光光源，期待以红光为基本波进行激发的激光器与准相位匹配方式的第二高次谐波发生元件所组合的光波导型波长转换元件。

诸如铌酸锂或钽酸锂单晶的非线性光学晶体，二次非线性形光学常数高，通过将上述晶体形成周期性极化反转结构，能够实现准相位匹配(Quasi-Phase-Matched：QPM)方式的第二高次谐发生(Second-Harmonic-Generation：SHG)装置。另外，通过在该周期性极化反转结构内形成波导，能够实现高效SHG装置，可以广泛应用于光通信、医学、光化学、各种光测量领域等。

在IQEC/CLEO-PR 2005，Tokyo，Japan，July 11-15，2005，post-deadline paperPDG-2中，通过聚光透镜系统聚光从DFB激光二极管发出的基本波，照射向PPLN光波导元件，得到高次谐波(绿光)，聚光该高次谐波，并使其激发。PPLN光波导元件是在掺杂MgO的铌酸锂单晶基板内形成光波导，在该光波导内形成周期性的极化反转结构。铌酸锂单晶的光波导元件的入射侧端面及出射侧端面，如图1(a)所示，研磨至使其从相对光波导的垂直面发生大幅倾斜。据此，防止返向激光振荡源的光的入射。

发明内容

诸如IQEC/CLEO-PR 2005，Tokyo，Japan，July 11-15，2005，post-deadlinepaper PDG-2中所记载的透镜结合方式的高次谐波振荡装置中，由于光波导基板的入射侧及出射侧端面被研磨成倾斜，透镜不能向着光波导基板而接近。因此，必需使用大直径而焦距长的透镜。由于需要将这样的大直径的透镜收纳于高次谐波振荡元件内，不能将振荡装置小型化。并且，透镜直径变大的话，也接受从光波导基板的平顶(スラブ)部分射出的出射光或散射光，而使光束品质劣化。

本发明的课题是，将使用波导型波长转换元件的激光光源小型化的同时防止光从元件返向激光振荡源，而使振荡稳定，同时，提高出射光束的品质。

本发明为高次谐波发生器，其具有固体激光振荡器、波导型高次谐波发生元件、第一透镜系统和第二透镜系统。其中，波导型高次谐波发生元件具有将由该固体激光振荡器所激发的激光的波长进行转换从而发生高次谐波的调制用光波导、激光的入射侧端面、高次谐波的出射侧端面、一侧的侧面及另一侧的侧面；第一透镜系统对由固体激光振荡器所激发的激光向着波导型高次谐波发生元件的入射侧端面进行聚光；第二透镜系统对从波导型高次谐波发生元件的出射侧端面所射出的高次谐波进行聚光。该高次谐波发生器的特征在于，出射侧端面具有在一侧的侧面侧所形成的研磨面和在另一侧的侧面侧所形成的光散射面，该一侧的侧面和研磨面所形成的角θ为钝角，该另一侧的侧面与光散射面之间所成的角α为钝角或直角。

根据本本发明，波导型高次谐波发生元件的出射侧端面，具有从转换用光波导看去在一侧形成的研磨面和从光波导看去在另一侧形成的光散射面，一侧的侧面与研磨面之间形成的角θ为钝角，另一侧的侧面与光散射面之间形成的角α为钝角或直角。其结果，可以将透镜系统靠近元件的光散射面而配置。由此，能够使用焦距短、直径小的透镜，因此能够使光学系统整体变小，从而可以使高次谐波发生器整体小型化。

进一步，通过将研磨面相对侧面形成为钝角，返光难于入射向振荡源，可以使振荡状态稳定。

进一步，通过将透镜系接近出射侧的光散射面而设置，射出自出射面的多余的平顶模式的光束难于结合于透镜，而来自光散射面的出射光束由于扩散，不会聚光于透镜。因此，能够仅对从光波导所射出的所需的高次谐波进行高效的聚光，能够得到细的、噪音小的高次谐波光束。

附图说明

图1(a)为表示现有例的装置的主要部分的模式图，图1(b)为表示本发明例的装置的主要部分的模式图。

图2为表示在现有例的装置中高次谐波及平顶模式光的结合状态的模式图。

图3为表示在本发明例的装置中高次谐波及平顶模式光的结合状态的模式图。

图4为表示本发明例的波导型高次谐波发生元件的出射侧端面的图。

图5为表示本发明例的振荡装置的模式图。

图6为表示现有例的振荡装置的模式图。

图7为表示能用于本发明的波导型高次谐波发生元件1的主要部分剖面图。

图8为用于说明本发明例的元件的端面形成方法的模式图。

具体实施方式

下面，更具体地说明本发明。

图1(a)为表示现有的高次谐波振荡装置的主要部分的模式图。波导型高次谐波发生元件19中形成有光波导2，光波导2具有波长转换功能。波导型高次谐波发生元件2的入射侧端面13以及出射侧端面14的任一面均为光学研磨面，分别形成为平面。因此，出射面14和一侧的侧面19a所形成的角θ为钝角，出射面14与另一侧的侧面19b所形成的角α为锐角。聚光透镜系17以与入射侧端面相对的方式而设置，透镜系18以与出射侧端面14相对的方式而设置。

基本波如箭头A所示由透镜系17聚光，从光波导的端面2a入射，在光波导内接受波长转换。高次谐波如箭头B所示从端面2b射出、如箭头B所示由透镜系18聚光。

然而，在该例中，由于形成为锐角的部分P从平面观察向着透镜系而突出，因此透镜系17、18不能向端面13、14接近。因此，需要增大透镜系17、18的口径。如图6模式所示，在振荡装置26的箱体21内的空间22内设置有固体激光振荡器23、聚光透镜系27、17、波导型高次谐波发生元件19、透镜系18的情况下，由于透镜系17、18的直径变大，难于将箱体21小型化。

进一步，如图2所示，所需的高次谐波9从出射侧端面14射出，被透镜系18聚光，继而如11所示被激发。然而，由于透镜18的直径大，同时，多余的平顶模式的出射光10也从出射侧端面14射出，由透镜18聚光，继而如12所示而被激发。如此的多余的平顶模式的光10重叠的结果，不能得到细的高次谐波光束，高次谐波光束的噪音增大。

与此相对，根据本发明例，如图1(b)所示，元件1的出射侧端面具有从转换用光波导2方向观察形成于一侧的侧面1a侧的研磨面6和形成于另一侧的侧面lb侧的光散射面5。并且，一侧的侧面1a与研磨面6之间所形成的角θ与图1(a)同样为钝角。但是，另一侧的侧面1b与光散射面5之间所形成的角α不是锐角，而是钝角或直角。

另外，在图1(b)的例中，元件1的入射侧端面具有从光波导2方向观察形成于另一侧的侧面lb侧的研磨面3和形成于一侧的侧面1a侧的光散射面4。并且，另一侧的侧面1b与研磨面3之间形成的角θ和图1(a)同样为钝角。但是，一侧的侧面1a与光散射面4之间所形成的角α不是锐角，而是钝角或直角。

在本例中，不具有形成为锐角的部分P，如图3、图5所示，光散射面4、5相对侧面为钝角或直角。其结果，透镜系7、8能够接近光散射面，因此能够减小透镜系的口径。其结果，如图5中所模式地表示，振荡装置20的箱体21内的空间22内设置有固体激光振荡器23、聚光透镜系25、7、波导型高次谐波发生元件1、透镜系8的情况下，由于能够减小透镜系7、8的口径，因此能够使箱体21小型化。

进一步，如图3中所模式地表示，从光波导的端面，射出所需的高次谐波9，由透镜系8聚光，继而如16所示而被激发。虽然从研磨面6也射出多余的平顶模式的光10，但由于透镜8的口径小，难于被聚光于透镜8内，不易成为噪音。与此同时，虽然从接近透镜的光散射面5也射出光，但由于该光15成为散射光，也不会结合于透镜8内，不会成为噪音。其结果，能获得噪音少的细的高次谐波光束16。

在本发明中(参考图4)，在出射侧端面中，一侧的侧面1a与研磨面6之间形成的角θ为钝角。另外，在入射侧端面中，另一侧的侧面1b与研磨面之间形成的角θ为钝角。

所谓钝角，作为指大于90°的角度的词汇对于本领域人员来说是明确的。但是，从防止向激光振荡器的返光这一观点考虑，θ优选为93°以上、较优选为98°以上。另外，从制造上的观点考虑，θ优选为120°以下。

在本发明中(参考图4)，在出射侧端面中，另一侧的侧面1b与光散射面5之间所形成的角α为钝角或直角。另外，在入射侧端面中，一侧的侧面1a与光散射面之间所形成的角α为钝角或直角。

所谓钝角，作为指大于90°的角度的词汇对于本领域人员来说是明确的。从使透镜系向入射面、出射面接近这一观点考虑，α也可以为直角，但是在钝角的情况下优选为93°以上。另外，从制造上的观点考虑，α优选为120°以下。

在本发明中，对于波导型高次谐波发生元件的宽度W没有特殊的限制。但是，从元件的操作强度的观点考虑，W优选为0.5mm以上。

在本发明中，研磨面与光散射面的一方设置于一侧的侧面侧，另一方设置于另一侧的侧面侧。此处，研磨面与光散射面之间的界面，也可以是光波导的端面。但是，在优选实施方式中，如图4所示，研磨面6(3)超出光波导的端面2b(2a)，向着光散射面5(4)延伸尺寸d。该尺寸d没有限制，但是，从防止来自光波导2端面的返光这一观点考虑，优选为0.05mm以上。

在本发明中，研磨面的Ra没有限制，但为了提高从光波导所激发的高次谐波的效率、防止散射，优选为5nm以下、较优选为2nm以下。另外，研磨方法没有限制，但是优选通过机械化学法进行研磨加工。

在本发明中，光散射面的Ra，从高效地使光散射这一观点考虑，优选为10nm以上。光散射面，例如，也可以是将元件切断后保持原状没有研磨的切断面。另外，虽然可以将该切断面进行研磨或研削加工，但此时直至光学研磨的水平之间使得Ra不会变小。

在优选实施方式中，波导型高次谐波发生元件为波导从接合层或基板突出的脊型波长转换元件。通过将上述元件与激光光源组合，能显著降低驱动电压、发热量。

在优选实施方式中，三维光波导为脊型的光波导，将非线性光学晶体加工，例如，通过机械加工或激光加工而进行物理加工，继而通过成形而得到。并且，三维光波导隔着由非晶材料形成的接合层而与基板接合。

图7为概略地表示能在本发明的实施方式中使用的波导型高次谐波发生元件1的剖面图。

强介电体层35具备：具有波长转换功能的脊型光波导2、设置于波长转换部2两侧的槽形成部36A、36B以及在各槽形成部的外侧所设置的延伸部37A、37B。在强介电体层35的表面形成有表面侧缓冲层38，在背面侧形成有背面侧缓冲层39。强介电体层35，隔着缓冲层39、粘结层40而被接合于支持基板41。

需要说明的是，强介电体层的背面是指与支持基板接合一侧的面，所谓表面是指背面的反对侧的面。

在光波导内的波长转换方式没有特殊的限制。在优选实施方式中，在光波导内形成周期性极化反转结构，据此将基本光的波长转换为高次谐波而输出。上述的周期性极化反转结构的周期根据波长而变化。另外，周期性极化反转结构的形成方法也没有特殊的限制，但优选为施加电压法。

或者，也以使用诸如铌酸锂钾、钽酸锂钾、铌酸锂钾-钽酸锂钾固溶体这样的非线性光学晶体，将入射的基本光的波长转换为高次谐波。

构成强介电体层的材料，只要能进行光的调制即可，没有特殊的限制，可以例举出铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾、KTP、GaAs及水晶等。

在强介电体层单晶中，为了进一步提高光波导的耐光损伤性，可以含有选自镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)及铟(In)中的1种以上的金属元素，特别优选含有镁。在强介电体层单晶中，作为掺杂成分，可以含有稀土元素。该稀土元素作为激光激发用的添加元素而起作用。作为该稀土元素，特别地优选Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。

表面侧缓冲层、背面侧缓冲层的材料，可以例举出氧化硅、氟化镁、氮化硅及氧化铝、五氧化钽。

接合层的材料，可以是无机粘结剂，也可以是有机粘结剂，还可以是无机粘结剂与有机粘结剂的组合。

支持基体41的具体材料没有特殊的限制，可以例举出铌酸锂、钽酸锂、石英玻璃等的玻璃或水晶、Si等。在此情况下，从热膨胀差的观点考虑，优选强介电体层与支持基板为相同材料，特别优选为铌酸锂单晶。

实施例

本发明例

制造依次参考图1(b)、图3、图5以及图7进行说明的振荡装置。

具体而言，在厚度为0.5mm的MgO5％掺杂铌酸锂5度斜切(オフカツト)Y基板上，通过光刻法形成周期为4.20μm的梳状周期电极。在形成全面覆盖基板背面的电极膜后，施加脉冲电压从而形成周期性极化反转结构。

在基板上形成周期性极化反转结构后，通过溅射法成膜厚度为0.4μm的SiO₂底层39。在厚度为0.5mm的未掺杂铌酸锂基板41上涂敷粘结剂41后，与上述MgO掺杂铌酸锂基板贴合，研削、研磨MgO掺杂铌酸锂基板的表面直至厚度为3.6μm。接着，通过激光切除加工法形成脊型光波导2。

在形成光波导2后，通过切块机(Dicer)将元件切断为长度9mm、宽度1.0mm，得到图8所示的元件32。如图8所示将该元件设于定盘30以及夹具31，研磨两端面32a、32b，从而形成研磨面。在元件的两端面分别形成防止反射膜。

将半导体激光器23与光波导元件1安装于图5所示的箱体21内后，在对各透镜25、7、8进行光轴调整后，由树脂进行固定。使用透镜的有效口径为0.6mm、NA为0.55的透镜。此时，使a为7mm、b为18mm。将从半导体激光器23的振荡输出调整为350mW，260mW可以结合于光波导2。

使半导体激光器23的波长根据温度而可变化从而调节为相位匹配的波长时，可以得到最高142mW的第二高次谐波输出。此时的基本光的波长为919.7nm。得到射出的第二高次谐波的光束径为0.5mm(1/e²)。另外，射出的第二高次谐波的M2值通过光束性能测定的结果为1.08，获得了良好的光束品质。M2值，在理想的高斯光束的情况下为1.0。光束的性能越差，M2值越大。

比较例

制备图1(a)、图2、图6、图7所示方式的高次谐波激振装置。具体而言，与实施例同样地，制备图7波导型高次谐波发生元件。接着，通过切块机将元件切断为长度9mm、宽度1.0mm的尺寸后，如图8所示设置于定盘30及夹具31，研磨两端面32a、32b。在端面研磨后，在两端施加反射防止膜。

将半导体激光器23与波导元件19如图6所示安装于箱体21内后，对各透镜27、17、18进行光轴调整，继而由树脂固定。使用透镜的有效口径为2.0mm、NA为0.55的透镜。此时，使a为10mm、b为26mm。

将从半导体激光器23的振荡输出调整为350mW，260mW可以结合于光波导2。使半导体激光器23的波长根据温度而可变化从而调节为相位匹配的波长时，可以得到最高142mW的第二高次谐波输出。此时的基本光的波长为919.7nm。得到射出的第二高次谐波的光束径为1.9mm(1/e²)，M2值为1.21。

虽然对本发明的特定的实施方式进行了说明，但本发明并不受上述特定的实施方式的限制，不脱离权利要求的范围内，可以进行各种变更或改变。

Claims

1.一种高次谐波发生器，具有固体激光振荡器、波导型高次谐波发生元件、第一透镜系统以及第二透镜系统；

所述波导型高次谐波发生元件具有将由所述固体激光振荡器所激发的激光的波长进行转换从而发生高次谐波的调制用光波导、所述激光的入射侧端面、所述高次谐波的出射侧端面、一侧的侧面及另一侧侧面；

所述第一透镜系统对由所述固体激光振荡器所激发的所述激光向着所述波导型高次谐波发生元件的所述入射侧端面进行聚光；

所述第二透镜系统对从所述波导型高次谐波发生元件的所述出射侧端面所射出的所述高次谐波进行聚光；

其特征在于，所述出射侧端面具有在所述一侧的侧面侧所形成的研磨面和在所述另一侧的侧面侧所形成的光散射面，所述一侧的侧面和所述研磨面所形成的角θ为钝角，所述另一侧的侧面与所述光散射面之间所成的角α为钝角或直角。

2.根据权利要求1所述的高次谐波发生器，其特征在于，所述入射侧端面具有形成于所述另一侧的侧面侧的研磨面和形成于所述一侧的侧面侧的光散射面，所述另一侧的侧面与所述入射侧端面的研磨面之间所形成的角θ为钝角，所述一侧的侧面与所述入射侧端面的光散射面之间所形成的角α为钝角或直角。

3.根据权利要求1或2所述的高次谐波发生器，其特征在于所述调制用光波导为脊型光波导。