JP2001284719A

JP2001284719A - 外部共振型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2001284719A
Application number: JP2000100039A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suganuma; 洋菅沼; Michio Oka; 美智雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単、かつ安価な構成により、効率良く半導
体レーザ光の波長変換を行う。【解決手段】所定の波長のレーザ光を出射する半導体
レーザ発振器１と、上記半導体レーザ発振器１から出射
されたレーザ光を波長変換する外部共振器とを備える外
部共振型半導体レーザにおいて、上記外部共振器内に体
積ホログラム３と非線形光学結晶５とを備え、上記体積
ホログラム３は、上記半導体レーザ発振器１から出射さ
れたレーザ光を回折して上記非線形光学結晶５に入射さ
せるとともに、波長変換されたレーザ光を選択的に透過
して外部に出射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部共振型半導体
レーザに関し、特に入射される半導体レーザ光の波長を
変換して特定波長の半導体レーザ光を発生させる外部共
振型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】外部共振器を用いて出射光をフィードバ
ックする外部共振型半導体レーザは、出射光の線幅を狭
帯域化することができる上、Distribution Feed Back L
aser (DFB), Distributed Bragg Reflector Laser(DBR)
などの半導体レーザに比べて高出力化が容易である。ま
た、ミラー若しくは回折格子を回転させること等の手段
により、波長を変えることができる。このような特長を
生かして、波長多重光通信、非線形光学効果を用いた波
長変換、レーザ冷却、周波数標準、環境やプロセス管理
のための分光計測、干渉計等数多くの用途に用いること
ができる。このような外部共振型半導体レーザは現在商
業的にも入手することが可能となっている。

【０００３】共振器の代表的な構成例としては、リット
マン型（Michael G.Littman and Harold Metcalf, ”Sp
ectrally narrow pulsed dye laser without beam expa
nder”, Applied Optics.17.2224.1978、Michael G.Lit
tman, ”Single-mode operation of grating-incident
pulsed dye laser”, Optics Letters.3.38.1978, K.C.
Hervey and C.J.Myatt, ”External-cavity diode lase
r using a grazing-incident diffraction grating”,O
ptics Letters.16.910.1991）とリトロー型とがある。
リトロー型では、ブレーズド形状は特定の波長に対して
入射光と回折光の特定の次数（通常は１次）の光路が正
確に一致するように設計されている。そして、ブレーズ
ド型回折格子による回折光はレーザの共振器に帰還し、
内部の共振器の外側に入れ子状の外部共振器を形成す
る。これにより、グレーティングの分散により帰還する
光の波長が選択され、特定の波長のみがフィードバック
を受け増幅されることとなる。リットマン型の場合も、
同様に波長の選択性が機能する。また、リットマン型の
場合は、外部のミラーの角度を変更することにより、フ
ィードバックして内部の共振器に戻る波長を制御するこ
とができるために、容易に波長可変レーザを実現するこ
とができる。

【０００４】また、実用上の出力や波長を安定化させる
ためには、この外部共振器の発振波長と内部共振器の発
振波長が一致させる必要がある。これを制御するための
方法として、例えば、液晶セルによる電気的制御方法
（J.Struck:meier et al, ”Electronically tunable e
xternal-cavity laser diode”,Optics Letters.24.157
3.1999）、フィードバックによる制御方法（特開平７−
３０１８０号公報）、マイクロマシンによる制御方法
（特開平１１−３０７８７９号公報、特開平１０−２０
９５５２号公報等）が提案されている。また、調整を容
易にするために、共焦点型の光学系を用いる方法（B.E
Bernacki et al,”Alignmen-insensitive technique fo
r wideband tuening of an unmodified semiconductor
laser”，Optics Letters.13.725.1988、特開平１１−
５０３８７７号公報）、共振器のレゾナンスにより選択
された反射光を用いて周波数を安定化させる方法（B.Da
hmaniet al,”Frequency stabiization of semiconduct
or lasers by resonant optical feedback”, Optics L
etters.12.876.1987）、ミラーを特定の位置を中心に回
転させることで正確に位置決めする方法（USP5,319,66
8）等も提案されている。また、回折格子の分散を用い
て発振波長を選択する方法は、半導体レーザに限らず、
Ｃｏ₂、Ａｒイオンなどの気体レーザ、エキシマレー
ザ、色素レーザ、Ti:Saphireなどの波長可変固体レーザ
等でも良く用いられる。通常、回折格子の回折効率は、
ブレーズドグレーティングとしても９０％を越えるもの
は作製が困難であり、価格も高い。しかし、上述したレ
ーザはゲインが高く、低回折効率によって生じるロスを
十分埋め合わせることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この外部共
振型半導体レーザを波長変換することにより、より短波
長のコヒーレント光を発生させることが可能になる（W.
J.Kozlovsky et al,”Generation of 41mW of blue rad
iation by Frequency doubling of a GaAlAs diodelase
r”,Applied Physics Letters56()23）,４ June,199
0、特開平１０−５０６７２４号公報）。そして、半導
体レーザの発振波長は、広域に渡るため、波長変換を行
うことにより所望の波長を得ることが容易になる。しか
し、このような半導体レーザの直接波長変換には、半導
体レーザのアスペクト比を補正するためのアナモルフィ
ックプリズム、基本波と波長変換された光の分離を行う
ためのダイクロイックミラー、分散を発生させるための
ブレーズドグレーティング等、様々な光学部品が必要に
なる。したがって、半導体レーザの直接波長変換では、
外部共振器内の部品数が多くなるため、迷光が生じやす
く、ロスが多くなるばかりではなく、半導体レーザへの
戻り光が生じ動作が不安定になりやすいといる問題があ
る。したがって、外部共振器内の部品数を減らして簡略
化した外部共振器が求められている。

【０００６】また、外部共振器のフィネスが低いという
問題がある。共振器内部での波長変換で変換効率を上げ
るには、ロスを減らして共振器に光を閉じこめる必要が
ある。しかし、波長選択のために用いられるブレーズド
グレーティングは、実際には８０％程度の効率しか得ら
れないことが多い。そのため、共振器内でのパワーエン
ハンスメントの効果があまり得られないことになる。こ
れに対処するには、非線形定数の大きな非線形光学結晶
が必要になるが、これまでのところ十分な安定性が得ら
れる非線形光学結晶は見つかっていない。

【０００７】したがって、本発明は、上述した従来の実
情に鑑みて考案されたものであり、簡単、かつ安価な構
成を有し、効率良く波長変換を行うことが可能な外部共
振型半導体レーザを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る外部共振型
半導体レーザは、所定の波長のレーザ光を出射する半導
体レーザ発振器と上記半導体レーザ発振器から出射され
たレーザ光を波長変換する外部共振器とを備える外部共
振型半導体レーザであって、外部共振器内に体積ホログ
ラムと非線形光学結晶とを備え、体積ホログラムは、半
導体レーザ発振器から出射されたレーザ光を回折して上
記非線形光学結晶に入射させるとともに、波長変換され
たレーザ光を選択的に透過して外部に出射することを特
徴とするものである。

【０００９】本発明に係る外部共振型半導体レーザは、
外部共振器内に、体積ホログラムを備える。そして、体
積ホログラムは、ブレーズド型回折格子とアナモルフィ
ックプリズムとダイクロイックミラーとの３つの部材の
機能を有する。したがって、ブレーズド型回折格子とア
ナモルフィックプリズムとダイクロイックミラーとの３
つの部材を体積ホログラム１つに置き換えることが可能
となり、外部共振器を構成する部品数が削減される。ま
た、体積ホログラムは、優れた回折効率、波長選択性、
アスペクト比変換特性を有するため、効率良く所望の波
長変換レーザ光を得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、具体的な実施例に基づいて
詳細に説明する。

【００１１】（実施例１）実施例１では、第二高調波を
発生させて波長変換を行う場合について説明する。図
１は、本発明を適用した外部共振型半導体レーザの一構
成例を示した図である。

【００１２】実施例１の外部共振型半導体レーザは、半
導体レーザ発振器１と、コリメータレンズ２、体積型ホ
ログラム３、集光レンズ４、非線形光学結晶５及び凹面
ミラーを有する外部共振器とを備えて構成される。

【００１３】半導体レーザ発振器１は、所定波長のレー
ザ光を出射するものであり、例えば波長９２０ｎｍのレ
ーザ光を出射するＩｎＧａＡｓ半導体レーザを用いる。
ここで、波長９２０ｎｍのレーザ光とは、９２０ｎｍ近
傍の波長を含むこととする。以下、本明細書における波
長に関しては、同様とする。また、半導体レーザ発振器
１は、出射側端面を反射防止コーティング（ＡＲコー
ト）を施すことにより、反射率を０．００１％以下にし
ておくことが望ましい。

【００１４】ここで、上記外部共振型半導体レーザは、
外部共振器内における分散光学素子として、通常用いら
れるブレーズド型回折格子の代わりに体積型ホログラム
３を用いることを特徴とする。

【００１５】体積型ホログラム３は、図２に示すよう
に、記録媒体内で傾いた方向の三次元回折格子であり、
回折光のビーム径は回折面内で縮小されるように記録さ
れたものが望ましい。半導体レーザの広がり角は、通常
基板水平方向では狭く、基板垂直方向で広い。体積型ホ
ログラム３は通常の回折格子と比べて、遙かに高い波長
選択性と角度選択性を有する。空間周波数としても、数
千本／ｍｍという優れた空間周波数を有する。そして、
ブレーズド型回折格子の代わりに体積ホログラムを３用
いることにより、外部共振型半導体レーザの性能を向上
させることができる。

【００１６】まず、第１に、波長選択性を高め、波長幅
を狭くすることができる。即ち、外部共振型半導体レー
ザから発振するレーザ光のコヒーレンス長を長くするこ
とができる。体積型ホログラム３は記録媒体中の２光線
の干渉縞を記録するために、通常良外部共振器に用いら
れるブレーズド型回折格子に比べて高い空間周波数と高
い回折効率を容易に実現することが可能である。したが
って、ブレーズド型回折格子を用いる場合に比べて、外
部共振器の波長選択性を向上させることができる。

【００１７】このように、外部共振器の波長選択性を高
めることにより、出射するレーザ光の波長幅を狭くする
ことができる。即ち、所望の波長以外の波長のレーザ光
を分離することができるため、所望の波長により近いレ
ーザ光のみを取り出すことが可能となる。

【００１８】また、外部共振器自体の波長選択性に比べ
ると遙かに広いが、体積型ホログラム３自体も通常用い
られる干渉フィルター以上の波長選択性を有するため、
これも外部共振器の波長選択性の向上に寄与する。そし
て、体積型ホログラム３は回折効率が高いために、外部
共振器のフィネスを通常よりも高くすることができるの
で、この効果は一層強められることとなる。

【００１９】これにより、更にレーザ光の波長幅を狭く
することが可能となる。そして、レーザ光の波長幅を狭
くすることにより、レーザ光の視感特性を向上させるこ
とができ、視感特性の良好な優れた光源として機能する
ことができる。

【００２０】以上のように、体積ホログラム３を用いる
ことにより、基本波と波長変換されたレーザ光との分離
を行うダイクロイックミラーとしての機能を果たすこと
が可能となる。

【００２１】第２に、体積型ホログラム３の有する角度
選択性により、横モードについても選択性が生じるの
で、横モードを安定化させることができる。例えば、体
積ホログラム３の記録時に平面波を用いた場合には、再
生時には入射光の平面波成分のみが回折されることにな
る。したがって、波面が平面波ではない高次モードが生
じた場合においても、ほとんど回折光が生じることはな
く、外部共振器中での損失となる。その結果、内部共振
器にフィードバックされるのは、平面波成分ということ
になり、横モードが選択され、レーザ光の横モードを安
定させることができる。

【００２２】第３に、半導体レーザの基板垂直面内でホ
ログラムへの入射と回折が起こるようにホログラムを設
計しておくことにより、体積型ホログラム３を用いて半
導体レーザのビームアスペクト比を１：１に近づけるこ
とができる。したがって、体積型ホログラム３は、アナ
モルフィックプリズムとしても機能する。

【００２３】その原理を図３を用いて説明する。即ち、
入射角θ₁、図の紙面内のビーム径Ｒ₁の第１の光ビーム
７が、体積ホログラム３に入射する。体積ホログラム３
への入射光である第１の光ビーム７の断面径をｄとす
る。そして、体積ホログラム３により回折及びアスペク
ト比の変換がなされた第２の光ビーム８は、出射角
θ ₂、図の紙面面内のビーム径Ｒ₂の状態で出射する。こ
のとき、θ₁とＲ₁及びθ₂とＲ₂との関係はそれぞれ下記
の式で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】

【数２】

【００２６】したがって、これらの式からこの体積ホロ
グラム３のアスペクト比変換倍率Ｍは、次式のように表
される。

【００２７】

【数３】

【００２８】なお、紙面に垂直な方向では、ビーム径は
不変である。

【００２９】上記の関係から、体積ホログラム記録時の
２光束の方向を適切に選択することにより、所望の倍率
Ｍでビーム径が一方向に拡大若しくは縮小されたビーム
を得ることができる。したがって、アナモルフィックプ
リズム等のアスペクト比変換手段を用いなくても、体積
型ホログラム３を用いてアスペクト比変換を実現するこ
とが可能になる。

【００３０】そして、体積ホログラム３は、上述したよ
うに外部共振器内において通常用いられるブレーズド型
回折格子の代わりに分散光学素子としても機能してい
る。したがって、体積ホログラム３は、外部共振器にお
いてアナルモフィックプリズム、ダイクロイックミラー
及びブレーズド型回折格子の３つの機能を果たすことが
できるため、体積ホログラム３を用いることにより外部
共振器の構成を簡略化及び小型化することが可能とな
る。

【００３１】また、体積ホログラム３は、Ｆｅ：ＬｉＮ
ｂＯ₃等の結晶により形成された結晶型の体積ホログラ
ムと、フォトポリマ等の材料により形成された体積ホロ
グラムとがあるが、本発明においては、何れの体積ホロ
グラムも用いることができる。しかしながら、フォトポ
リマに記録された体積ホログラムは、結晶型体積ホログ
ラムに比べて厚みを厚く形成することが可能であるた
め、体積ホログラムの形状的自由度が大幅に広がり、様
々な応用が可能となる。また、結晶型体積ホログラムの
場合、体積ホログラム中に形成した干渉縞は、２０時間
程度で消滅してしまうが、フォトポリマに記録された体
積ホログラムの場合には、干渉縞の経時変化はなく、経
時特性に優れるため、分散光学素子としての信頼性を向
上させることができる。したがって、これらの理由か
ら、記録材料としてフォトポリマを用いることが好まし
い。

【００３２】また、体積型ホログラムは、反射型体積ホ
ログラム１と透過型体積ホログラム６とに分類すること
もできるが、本発明においては、何れの体積型ホログラ
ムも用いることができる。

【００３３】ここで、反射型体積型ホログラムの回折効
率は、角度位相不整合若しくは波長位相不整合に対し
て、中心角度若しくは中心波長近傍で緩やかな変化を示
す。これにより、反射型体積型ホログラムは、波長選択
性が高く、角度トレランスを比較的広く取ることができ
るという利点を有する。一方、体積ホログラムの回折効
率は、反射型体積ホログラムに比べて急峻な変化を示
す。これにより、反射型体積型ホログラムは、角度選択
性が高く、波長トレランスを比較的広く取ることができ
るという利点を有する。したがって、この角度位相不整
合若しくは波長位相不整合に対する変化の特性を考慮
し、目的により反射型体積ホログラムと透過型体積ホロ
グラムとを適宜選択してこれらの特性を活用することも
できる。

【００３４】非線形光学結晶５は、入射したレーザ光波
長変換を行うものであり、本発明における波長変換は、
この非線形光学結晶５を用いることにより行われる。非
線形光学結晶５としては、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＢＯ、
ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃等を用いることがで
き、使用するレーザ光の波長に応じて適宜選択すること
ができる。特に、近年開発が進められているＩｎＧａＮ
等を用いた短波長青色半導体レーザでは、波長４０６ｎ
ｍ近辺の波長を発生させることができるが、本発明を適
用し、ＢＢＯ、ＳＢＢＯ、ＫＢＢＦ、ＣＬＢＯ等の非線
形光学結晶５を用いて波長変換することで、小型で低コ
ストのコヒーレント光源を構成することが可能となる。
また、バルク結晶以外にも、周期的分極反転構造を有す
るニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶５を用いるこ
とも可能である。その他の代表的な非線形光学結晶５と
半導体レーザとの組み合わせについて表１に示す。な
お、表１において、各記号は、以下の内容を示すのもで
ある。

【００３５】 ○：組み合わせて使用することが可能 △：１部の波長において、組み合わせて使用することが
可能 ×：組み合わせて使用することが不可能

【００３６】

【表１】

【００３７】次に、実施例１の外部共振型半導体レーザ
の作用について説明する。

【００３８】半導体レーザ発振器１から出射されたレー
ザ光は、コリメータレンズ２により平行光に変換された
後、体積型ホログラム３に入射する。

【００３９】そして、体積型ホログラム３に入射したレ
ーザ光は、ホログラムにより所定の角度に回折され、集
光レンズ４により非線形光学結晶５中に集光される。ま
た、体積ホログラム３に入光したレーザ光は、ホログラ
ムにより所定のアスペクト比に変換され、所定のスポッ
ト形状に変換されている。

【００４０】ここで、非線形光学結晶５に集光したレー
ザ光は、非線形光学結晶５により第二高調波に変換され
る。即ち、波長９２０ｎｍのレーザ光は、波長４６０ｎ
ｍの第二高調波に変換される。ここで、発生した第二高
調波は、直接体積ホログラムに向かうか、若しくは、非
線形光学結晶５を透過した後、後述する凹面ミラー６で
反射してから体積ホログラムに向かう。

【００４１】非線形光学結晶５を透過したレーザ光は、
外部共振器端としての凹面ミラー６により反射される。

【００４２】そして、凹面ミラー６で反射されたレーザ
光は、上記とは逆の光路をたどることにより、再度体積
型ホログラム３に入光する。ここで、体積型ホログラム
３は波長選択性を有するため、半導体レーザ発振器１か
ら出射された基本波に対して設計された体積ホログラム
３は、第二高調波に対しては回折をおこさず、第二高調
波は透過する。即ち、体積型ホログラム３は、ダイクロ
イックフィルターとしても機能する。

【００４３】以上により、半導体レーザ発振器から出射
された波長９２０ｎｍのレーザ光を波長４６０ｎｍの第
二高調波に変換したコヒーレント光を得ることができ
る。

【００４４】また、本発明においては、第二高調波発生
のために偏光方向を制御するには、図４のように１／２
波長板を配置した構成としても良い。図４に第１の変形
例の構成を示す。

【００４５】図４において、図１の第１の実施例と異な
る点は、体積型ホログラム３と集光レンズ４との間に１
／２波長板９を配置し、凹面ミラー６の代わりに平面ミ
ラー１０を用いて、非線形光学結晶５と平面ミラー１０
との間にコリメータレンズ２を配置したことである。

【００４６】第１の変形例では、体積型ホログラム３で
回折されたレーザ光は、１／２波長板９で所定の偏光方
向に変換され、集光レンズ４により非線形光学結晶５中
に集光される。ここで、非線形光学結晶５中に集光され
たレーザ光は、体積ホログラム３により所定のアスペク
ト比に変換され、所定のスポット形状に変換されてい
る。

【００４７】そして、非線形光学結晶５に集光されたレ
ーザ光は、非線形光学結晶５により第二高調波に変換さ
れる。即ち、波長９２０ｎｍのレーザ光は、波長４６０
ｎｍの第二高調波に変換される。ここで、発生した第二
高調波は、直接体積ホログラム３に向かうか、若しく
は、非線形光学結晶５を透過した後、後述するコリメー
タレンズ２で平行光に変換され、平面ミラー１０で反射
してから体積ホログラム３に向かう。

【００４８】非線形光学結晶５を透過したレーザ光は、
外部共振器端としての平面ミラー１０により反射され
る。

【００４９】そして、凹面ミラー６で反射されたレーザ
光は、上記とは逆の光路をたどることにより、１／２波
長板９で元の偏光方向に変換され、再度体積型ホログラ
ム３に入光する。ここで、体積型ホログラム３は波長選
択性を有するため、半導体レーザ発振器１から出射され
た基本波に対して設計された体積ホログラム３は、第二
高調波に対しては回折をおこさず、第二高調波は透過
し、外部共振器外へと出射される。

【００５０】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長９２０ｎｍのレーザ光を波長４６０ｎｍの
第二高調波に変換したコヒーレント光を得ることができ
る。

【００５１】また、本発明においては、第２の変形例と
して図５に示すような構成としても良い。

【００５２】図５において、図１の第１の実施例と異な
る点は、半導体レーザ発振器１と体積型ホログラム３と
の間のコリメータレンズ２、体積型ホログラム３と非線
形光学結晶５との間の集光レンズ４、及び凹面ミラー６
を無くし、外部共振型の出射側にコリメータレンズ２を
配し、非線形光学結晶５の出射側端面を凸面に加工、コ
ーティングして外部共振器端ミラー１１としたことであ
る。

【００５３】第２の変形例では、半導体レーザ発振器１
から出射されたレーザ光は、直接体積型ホログラム３に
入射し、体積ホログラム３により所定の角度に回折さ
れ、そのまま、非線形光学結晶５に入光する。ここで、
非線形光学結晶５中に集光されたレーザ光は、体積ホロ
グラム３により所定のアスペクト比に変換され、所定の
スポット形状に変換されている。そして、非線形光学結
晶５に集光されたレーザ光は、非線形光学結晶５により
第二高調波に変換される。即ち、波長９２０ｎｍのレー
ザ光は、波長４６０ｎｍの第二高調波に変換される。こ
こで、発生した第二高調波は、直接体積ホログラム３に
向かうか、若しくは、非線形光学結晶５の端部まで透過
した後、非線形光学結晶５の端面に形成した外部共振器
端ミラー１１ーで反射してから体積ホログラム３に向か
う。

【００５４】そして、再度、体積型ホログラム３に入光
したレーザ光は、体積型ホログラム３の波長選択性によ
り回折することなく透過してコリメータレンズ２で平行
光に変換されて外部共振器外へと出射される。

【００５５】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長９２０ｎｍのレーザ光を波長４６０ｎｍの
第二高調波に変換したコヒーレント光を得ることができ
る。

【００５６】また、本発明においては、第３の変形例と
して図６に示すような構成としても良い。

【００５７】図６において、図１の第１の実施例と異な
る点は、体積型ホログラムと非線形光学結晶との間の集
光レンズを無くし、体積型ホログラムと非線形光学結晶
との間に凹面ミラーを配し、非線形光学結晶と外部共振
器端側の凹面ミラーの配置位置を変更したことである。

【００５８】第３の変形例では、半導体レーザ発振器１
から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ２により
平行光に変換された後、体積型ホログラム３に入射す
る。

【００５９】そして、体積型ホログラム３に入射したレ
ーザ光は、体積ホログラム３により所定の角度に回折さ
れ、凹面ミラー６に向かう。そして、凹面ミラー６で反
射され、非線形光学結晶５中に集光される。ここで、非
線形光学結晶５中に集光されたレーザ光は、体積ホログ
ラム３により所定のアスペクト比に変換され、所定のス
ポット形状に変換されている。

【００６０】そして、非線形光学結晶５に集光したレー
ザ光は、非線形光学結晶５により第二高調波に変換され
る。即ち、波長９２０ｎｍのレーザ光は、波長４６０ｎ
ｍの第二高調波に変換される。ここで、発生した第二高
調波は、直接体積ホログラム３に向かうか、若しくは、
非線形光学結晶５を透過した後、凹面ミラー６で反射さ
れる。

【００６１】そして、凹面ミラー６で反射されたレーザ
光は、上記とは逆の光路をたどることにより再度体積型
ホログラム３に入光し、体積型ホログラム３の波長選択
性により回折することなく透過して外部共振器外へと出
射される。

【００６２】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長９２０ｎｍのレーザ光を波長４６０ｎｍの
第二高調波に変換したコヒーレント光を得ることができ
る。

【００６３】また、本発明においては、第４の変形例と
して図７に示すような構成としても良い。

【００６４】図７において、図１の第１の実施例と異な
る点は、凹面ミラー６、平面、ミラー１０非線形光学結
晶５によりリング型外部共振器を構成したことである。

【００６５】第４の変形例では、半導体レーザから出射
されたレーザ光は、コリメータレンズにより平行光に変
換された後、体積型ホログラムに入射する。

【００６６】そして、体積型ホログラムに入射したレー
ザ光は、ホログラムにより所定の角度に回折され、半導
体レーザにフィードバックされる。

【００６７】そして、非線形光学結晶に集光したレーザ
光は、非線形光学結晶により第二高調波に変換される。
即ち、波長９２０ｎｍ近傍のレーザ光は、波長４６０ｎ
ｍ近傍の第二高調波に変換される。ここで、発生した第
二高調波は、凹面ミラー６を透過して出射する。

【００６８】また、アクチュエータ１２、フォトディテ
クタ１３、サーボ制御回路１４及び平面ミラー１０を用
いて共振器長をフィードバック制御して、体積ホログラ
ムを用いたリトロー型外部共振型レーザ半導体レーザの
出射光のカップリング効率を高めることができる。

【００６９】以上により、半導体レーザから出射された
波長９２０ｎｍ近傍のレーザ光を波長４６０ｎｍ近傍の
第二高調波に変換したコヒーレント光を得ることができ
る。

【００７０】（実施例２）実施例２では、和周波混合を
行うことにより波長変換を行う場合について説明する。
図８は、本発明を適用した外部共振型半導体レーザの一
構成例を示した図である。

【００７１】実施例２の外部共振型半導体レーザは、実
施例１に固体レーザ発振器及び固体レーザ用の光学系を
加えた構成とされる。即ち、実施例２は、実施例１に半
導体レーザ２０、コンデンサレンズ２１、凹面ミラー
６、レーザ結晶２２、凹面ミラー６及び集光レンズ４を
加えた構成とされる。

【００７２】半導体レーザ発振器１は、所定波長のレー
ザ光を出射するものであり、例えば波長８１０ｎｍのレ
ーザ光を出射するＧａＡｌＡｓ半導体レーザを用いる。
また、半導体レーザ発振器１は、出射側端面を反射防止
コーティング（ＡＲコート）を施すことにより、反射率
を０．００１％以下にしておくことが望ましい。

【００７３】固体レーザ発振器は、所定波長のレーザ光
を出射するものであり、例えば１０６４ｎｍのコヒーレ
ント光を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ若しくはＮｄ：Ｙ
ＶＯ ₄レーザを用いる。

【００７４】また、非線形光学結晶５と集光レンズ４と
の間の凹面ミラー６は、非線形光学結晶５中に固体レー
ザ発振器からの光が効率良く入射するように、波長８１
０ｎｍのレーザ光に対しては反射率が高く、波長１０６
４ｎｍのレーザ光に対しては透過率が高くなるようにコ
ーティングを施す必要がある。

【００７５】半導体レーザ発振器１から出射されたレー
ザ光は、実施例１と同様の形態をとる。一方、半導体レ
ーザ２０から出射された励起光は、コンデンサレンズ２
１、凹面ミラー６、レーザ結晶２２、凹面ミラー６及び
集光レンズ４を透過した後、半導体レーザ側の凹面ミラ
ー６に入光する。ここで、半導体レーザ側の凹面ミラー
６は、上述したように波長８１０ｎｍのレーザ光に対し
ては反射率が高く、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対し
ては透過率が高くなるようにコーティングが施されてい
るため、固体レーザから出射された波長１０６４ｎｍの
レーザ光は、ミラーを透過し、非線形光学結晶５に入光
する。そして、半導体レーザ発振器１から出射された波
長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器から出射さ
れた波長１０６４ｎｍのレーザ光とが非線形光学結晶に
より和周波混合され波長４６０ｎｍのコヒーレント光と
して体積型ホログラム３を透過して外部共振器外へと出
射される。

【００７６】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器
から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波
混合され、波長４６０ｎｍのコヒーレント光を得ること
ができる。

【００７７】また、本発明においては、第５の変形例と
して図９に示すような構成としても良い。

【００７８】第５の変形例の外部共振型半導体レーザ
は、変形例１に１／２波長板、固体レーザ発振器及び固
体レーザ用の光学系を加えた構成とされる。即ち、変形
例２は、実施例１の変形例１に１／２波長板９、固体レ
ーザ発振器、コンデンサレンズ２１、凹面ミラー６、レ
ーザ結晶２２、ミラー及び集光レンズを加えた構成とさ
れる。

【００７９】半導体レーザ発振器１及び固体レーザ発振
器は、実施例２と同様に波長８１０ｎｍのレーザ光を出
射するＧａＡｌＡｓ半導体レーザ及び１０６４ｎｍのコ
ヒーレント光を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ若しくはＮ
ｄ：ＹＶＯ₄レーザを用いる。

【００８０】また、コリメータレンズ２と集光レンズ４
との間の平面ミラー１０は、実施例２と同様に、非線形
光学結晶５中に固体レーザ発振器からの光が効率良く入
射するように、波長８１０ｎｍのレーザ光に対しては反
射率が高く、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対しては透
過率が高くなるようにコーティングを施す必要がある。

【００８１】半導体レーザ発振器１から出射されたレー
ザ光は、変形例１と同様の形態をとる。一方、固体レー
ザ発振器から出射されたレーザ光は、平面ミラー１５に
入光する。ここで、平面ミラー１０は、上述したように
波長８１０ｎｍのレーザ光に対しては反射率が高く、波
長１０６４ｎｍのレーザ光に対しては透過率が高くなる
ようにコーティングが施されているため、固体レーザ発
振器から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光は、平
面ミラー１０を透過し、非線形光学結晶５に入光する。
そして、半導体レーザ発振器１から出射された波長８１
０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器から出射された波
長１０６４ｎｍのレーザ光とが非線形光学結晶５により
和周波混合され波長４６０ｎｍのコヒーレント光として
体積型ホログラム３を透過して外部共振器外へと出射さ
れる。

【００８２】以上により、半導体レーザから出射された
波長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザから出射された
波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波混合され、波長
４６０ｎｍのコヒーレント光を得ることができる。

【００８３】また、本発明においては、第６の変形例と
して図１０に示すような構成としても良い。

【００８４】第６の変形例の外部共振型半導体レーザ
は、変形例２に固体レーザ及び固体レーザ用の光学系を
加えた構成とされる。即ち、変形例５は、実施例１の変
形例１に固体レーザ発振器、コンデンサレンズ２１、凹
面ミラー６、レーザ結晶２２、凹面ミラー６及び集光レ
ンズ４を加えた構成とされる。

【００８５】半導体レーザ発振器１及び固体レーザ発振
器は、実施例２と同様に波長８１０ｎｍのレーザ光を出
射するＧａＡｌＡｓ半導体レーザ及び１０６４ｎｍのコ
ヒーレント光を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ若しくはＮ
ｄ：ＹＶＯ₄レーザを用いる。

【００８６】また、非線形光学結晶５の固体レーザ発振
器側端面は、非線形光学結晶５中に固体レーザ発振器か
らの光が効率良く入射するように、波長８１０ｎｍのレ
ーザ光に対しては反射率が高く、波長１０６４ｎｍのレ
ーザ光に対しては透過率が高くなるようにコーティング
を施す必要がある。

【００８７】半導体レーザ発振器１から出射されたレー
ザ光は、変形例２と同様の形態をとる。一方、固体レー
ザ発振器から出射されたレーザ光は、コンデンサレンズ
２１、凹面ミラー６、レーザ結晶２２、凹面ミラー６及
び集光レンズ４を透過した後、非線形光学結晶５に入光
する。ここで、非線形光学結晶５の固体レーザ発振器側
端面は、上述したように波長８１０ｎｍのレーザ光に対
しては反射率が高く、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対
しては透過率が高くなるようにコーティングが施されて
いるため、固体レーザ発振器から出射された波長１０６
４ｎｍのレーザ光は、非線形光学結晶５に入光する。そ
して、半導体レーザ発振器１から出射された波長８１０
ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器から出射された波長
１０６４ｎｍのレーザ光とが非線形光学結晶５により和
周波混合され波長４６０ｎｍのコヒーレント光として体
積型ホログラム３を透過して外部共振器外へと出射され
る。

【００８８】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器
から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波
混合され、波長４６０ｎｍのコヒーレント光を得ること
ができる。

【００８９】また、本発明においては、第７の変形例と
して図１１に示すような構成とすることにより、非線形
光学結晶５を半導体レーザと固体レーザの共振器が重な
る部分におくことができ、どちらの波長に対しても共振
器中に非線形光学結晶５を配置することができる。な
お、この場合は非線形光学結晶としてＫＴＰ等を用いる
こともできる。

【００９０】半導体レーザ発振器１及び固体レーザ発振
器は、実施例２と同様に波長８１０ｎｍのレーザ光を出
射するＧａＡｌＡｓ半導体レーザ及び１０６４ｎｍのコ
ヒーレント光を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ若しくはＮ
ｄ：ＹＶＯ₄レーザを用いる。

【００９１】半導体レーザ発振器１から出射されたレー
ザ光は、半導体レーザ発振器１、コリメータレンズ２、
体積ホログラム３、集光レンズ４、凹面ミラー８１０ｎ
ｍ用凹面ミラー２４によって外部共振型レーザ半導体レ
ーザとして狭帯化された８１０ｎｍ近辺のコヒーレンス
光を共振器内に発生させる。エンドポンプ励起用半導体
レーザ２５若しくは再度ポンプ励起用半導体レーザ２６
により励起されたＮｄ：ＹＡＧレーザ結晶２７は、１０
６４ｎｍの光を発生させる。その共振器は、１０６４ｎ
ｍ用凹面ミラー２８及び２９、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶
２７、平面ミラー３０により構成される。８１０ｎｍの
半導体レーザの外部共振器と１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザの共振器は、１０６４ｎｍ用凹面ミラー２８と
２９の間に配された非線形光学結晶５で和周波混合され
る。

【００９２】そして、半導体レーザ発振器１から出射さ
れた波長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器から
出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光とが非線形光学
結晶により和周波混合され波長４６０ｎｍのコヒーレン
ト光として体積型ホログラムを透過して外部共振器外へ
と出射される。

【００９３】以上により、半導体レーザ発振器１から出
射された波長８１０ｎｍのレーザ光と固体レーザ発振器
から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光とが和周波
混合され、波長４６０ｎｍのコヒーレント光を得ること
ができる。

【００９４】上記において説明した波長４６０ｎｍの青
色光は、青色としては比較的視感度も高く、緑色光と赤
色光の光と合成してレーザディスプレイを構成する場合
に特に有効である。しかし、これまでは、この波長を効
率良く大出力で発生させることが困難であった。もちろ
ん、本件手法は他の半導体レーザや固体レーザなどとの
組み合わせにより、このほかの波長発生に対しても有効
である。

【００９５】また、上述した外部共振型半導体レーザに
おいて、実用上問題になるのは、共振器長の経時変化で
ある。振動、温度変化、空気の対流等により、光路長が
変化した場合、共振器長が変化して出力変動が生じる。
しかし、これらの問題点については、振動を除去する、
共振器全体をシールドする、半導体レーザをペルチエ素
子にマウントし温度調節をかける、半導体レーザの注入
電流を制御する、ミラーなどの光学素子の一部をピエゾ
素子やボイスコイルモーターなどのアクチュエータにマ
ウントして出力光からのフィードバック信号で位置制御
する、など種々の方法で解決することができる。

【００９６】また、ホログラムについては、記録時と再
生時の波長が同じである必要はないが、その場合は物体
光と参照光は共に平面波であることが再生時のブラッグ
位相整合条件から望ましい。記録時と再生時の仕様波長
が異なり、再生時に平面波以外の波面を発生させたい場
合は、この補正を含めて記録時の光学系を補正光学系を
含めて設計すれば良い。この補正光学系には、任意の波
面を発生させるために、ホログラム、非球面光学素子、
偏芯光学系などの収差を有する光学系、回折型光学素子
や液晶パネルなどの空間変調器、等を用いることができ
る。

【００９７】以上、本発明に係る外部共振型半導体レー
ザでは、外部共振器において体積ホログラムを用いてい
るため、効率良くレーザ光の波長変換を行うことがで
き、所望のレーザ光を良好な状態で得ることができる。

【００９８】また、体積ホログラムを用いているため、
外部共振器の部品点数を削減することができる。したが
って、装置の構成を簡略化、小型化することが可能とな
り、コスト的にも優れたものとなり、装置の信頼性も向
上する。そして、光利用効率が向上するため、光源に係
る負荷も低減させることができ、消費電力も削減するこ
とができる。

【００９９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係る外部共振型半導体レーザは、所定の波長のレーザ光
を出射する半導体レーザ発振器と、上記半導体レーザ発
振器から出射されたレーザ光を波長変換する外部共振器
とを備える外部共振型半導体レーザであって、上記外部
共振器内に体積ホログラムと非線形光学結晶とを備え、
上記体積ホログラムは、上記半導体レーザ発振器から出
射されたレーザ光を回折して上記非線形光学結晶に入射
させるとともに、波長変換されたレーザ光を選択的に透
過して外部に出射する。

【０１００】本発明に係る外部共振型半導体レーザは、
外部共振器内に、体積ホログラムを備える。そして、体
積ホログラムは、ブレーズド型回折格子とアナモルフィ
ックプリズムとダイクロイックミラーとの３つの部材の
機能を有する。したがって、ブレーズド型回折格子とア
ナモルフィックプリズムとダイクロイックミラーとの３
つの部材を体積ホログラム１つに置き換えることが可能
となり、外部共振器を構成する部品数が削減される。こ
れにより、ロスが少なく信頼性の高い外部共振型半導体
レーザを構成することが可能となる。また、外部共振器
の構成部品数が削減できるため、外部共振器の構成を簡
略化及び小型化することが可能となり、低コストかを図
ることも可能となる。また、体積ホログラムは、優れた
回折効率、波長選択性、アスペクト比変換特性を有する
ため、効率良く所望の波長変換レーザ光を得ることがで
きる。

【０１０１】したがって、本発明によれば、簡素、かつ
安価な構成を有し、効率良く波長変換を行うことが可能
な外部共振型半導体レーザを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した外部共振型半導体レーザの一
構成例を示した図である。

【図２】体積ホログラムの一例を示す断面図である。

【図３】体積ホログラムによるアスペクト比変換の原理
を説明した図である。

【図４】第１の変形例の構成を説明した図である。

【図５】第２の変形例の構成を説明した図である。

【図６】第３の変形例の構成を説明した図である。

【図７】第４の変形例の構成を説明した図である。

【図８】本発明を適用した外部共振型半導体レーザの一
構成例を示した図である。

【図９】第５の変形例の構成を説明した図である。

【図１０】第６の変形例の構成を説明した図である。

【図１１】第７の変形例の構成を説明した図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ発振器、２コリメータレンズ、３
体積ホログラム、４集光レンズ、５非線形光学結晶、
６凹面ミラー、７第１の光ビーム、８第２の光ビー
ム、９１／２波長板、１０平面ミラー、１１外部
共振器端ミラー、２０固体レーザ発振器、２１コンデ
ンサレンズ、２２レーザ結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2K002 AB12 AB27 AB40 CA02 CA03 DA01 GA10 HA20 5F073 AA67 AA83 AB21 AB23 AB25 AB27 AB29 CA05 CA07 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長のレーザ光を出射する半導体
レーザ発振器と、上記半導体レーザ発振器から出射され
たレーザ光を波長変換する外部共振器とを備える外部共
振型半導体レーザであって、上記外部共振器内に体積ホログラムと非線形光学結晶と
を備え、上記体積ホログラムは、上記半導体レーザ発振器から出
射されたレーザ光を回折して上記非線形光学結晶に入射
させるとともに、波長変換されたレーザ光を選択的に透
過して外部に出射することを特徴とする外部共振型半導
体レーザ。
【請求項２】上記体積ホログラムは、上記半導体レー
ザ発振器から出射されたレーザ光のアスペクト比を変換
して、上記非線形光学結晶に入射させるレーザ光のスポ
ット形状を制御することを特徴とする請求項１記載の外
部共振型半導体レーザ。
【請求項３】上記外部共振器は、上記半導体レーザ発
振器から出射されたレーザ光を第２高調波に変換するこ
とにより波長変換を行うことを特徴とする請求項１記載
の外部共振型半導体レーザ。
【請求項４】上記半導体レーザ発振器は、ＩｎＧａＡ
ｓ半導体レーザであり、当該ＩｎＧａＡｓ半導体レーザから出射する波長９２０
ｎｍのコヒーレント光を第２高調波である波長４６０ｎ
ｍのコヒーレント光に波長変換することを特徴とする請
求項３記載の外部共振型半導体レーザ。
【請求項５】上記外部共振器は、所定の波長のレーザ
光を出射する固体レーザ発振器を上記外部共振器の上記
波長変換レーザ光の出射側と反対側に備え、上記半導体レーザ発振器から出射されたレーザ光と上記
固体レーザ発振器から出射されたレーザ光とを上記外部
共振器で和周波混合することにより波長変換を行うこと
を特徴とする請求項１記載の外部共振型半導体レーザ。
【請求項６】上記半導体レーザ発振器は、ＧａＡｌＡ
ｓ半導体レーザであり、上記固体レーザ発振器は、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ若しくはＮｄ：ＹＶＯ₄レーザであ
り、上記半導体レーザ発振器から出射する波長８１０ｎｍの
コヒーレント光と上記固体レーザ発振器から出射する波
長１０６４ｎｍのコヒーレント光とを和周波混合して波
長４６０ｎｍのコヒーレント光に波長変換することを特
徴とする請求項５記載の外部共振型半導体レーザ。