JP2005107449A

JP2005107449A - 偶数個の非線形結晶を用いた緑色コヒーレント光の発生装置

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Publication number: JP2005107449A
Application number: JP2003344407A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kasai; 克幸笠井
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-21
Also published as: US20050141572A1; US7460570B2; DE102004046303A1

Abstract

【課題】本発明は、比較的小規模な装置で、クオリティが高く、効率良く安定に大きな出力が得られるレーザー光の第二高調波発生装置などを提供することなどを目的とする。
【解決手段】本発明は、レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内にＫＴＰ結晶とを具備するレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記光共振器内のＫＴＰ結晶は、光線がａ軸伝播する第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含むレーザー光の第二高調波発生装置などにより上記の課題を解決するものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体レーザー、及びＫＴＰ結晶を用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）による緑色コヒーレント光の発生装置、及び発生方法などに関する。

緑色コヒーレント光は、光ディスプレイや画像関連デバイス、光パラメトリック発振器の励起光など様々な分野で利用される。従来、ＹＡＧレーザーのＳＨＧ光やアルゴンレーザーなどを用いて緑色光を得ていた。しかし、これらのレーザーは、装置が大掛りであり、緑色光のクオリティがよくないという問題があった。そこで、半導体レーザーとＫＴＰ結晶を組みあわせ、緑色光を得る技術が開発された（例えば、第５０回応用物理学関連連合講演会予稿集１１９２頁（下記非特許文献１）を参照。）。

図１に、従来の半導体レーザーとＫＴＰ結晶を組みあわせて緑色光を得る装置（以下、従来装置という。）の概略図を示す。図１に示されるように、従来装置1は、１０８０ｎｍの波長光を発生する半導体レーザー２と、半導体レーザーからの光が導入される光共振器３と、光共振器中の光路におかれるひとつのａ−カットＫＴＰ結晶４とを含む。光共振器３を構成するミラー３ａ、３ｂとしては、凹面を有する２枚のミラーが挙げられ、そのミラーの凹面が向かい合うように設置される。なお、特に図示しないが、従来装置として、リング型の光共振器を用いたものもある。

半導体レーザー２から出力された１０８０ｎｍの波長を有するレーザー光は、ミラー３ａから、光共振器３内に導入される。光共振器内に導入された光は光共振器内に蓄積されてその強度が増大し、ＫＴＰ結晶の非線形性によりＳＨＧ光を発生する。上記の波長で高効率にＳＨＧを発生させるにはTYPE IIと呼ばれる位相整合が取られ、光共振器内に導入された光が、ＫＴＰ結晶を通過する際、ＫＴＰ結晶の屈折率異方性により、常光線と、異常光線を用いることになる。ＫＴＰ結晶の屈折率異方性により、例えば水平偏光と、垂直偏光とでは、ＫＴＰ結晶の屈折率が異なるので、ＫＴＰ結晶内で常光線と、異常光線とは異なる光路長を経験することとなる。また、ＫＴＰ結晶の非線形性により、光共振器内で増大した１０８０ｎｍの波長の光は、５４０ｎｍの波長の光をＳＨＧ光として発生する。このＳＨＧ光は、光共振器の出力ミラーから取り出される。

図１に示されるように、ＫＴＰ結晶内で、常光線の偏光方向の屈折率は、ｎ_oであり、ＫＴＰ結晶の長さをｌとすると、ＫＴＰ結晶内での常光線の光路長は、ｎ_oｌとなる。一方、異常光線の偏光方向の屈折率はｎ_eであり、ＫＴＰ結晶内での異常光線の光路長は、ｎ_eｌとなる。

光共振器内で光が共振し、強い出力が得られるためには、光共振器内で定在波ができなければならない。すなわち、光路長が、半波長の整数倍の時に共振現象により強い出力が得られる（但し、リング型共振器では波長の整数倍の時に共振する。）。半導体レーザーからのレーザー光の波長をλ、ＫＴＰ結晶を置かない光共振器内の光路長をＬとすると、共振が起こる条件は、ｍ₁、ｍ₂を整数として、水平方向では、ｍ₁λ/2＝Ｌ＋（ｎ_o−１）ｌとなり、垂直方向では、ｍ₂λ/2＝Ｌ＋（ｎ_e−１）ｌとなる。ＫＴＰ結晶には、屈折率異方性がありｎ_oとｎ_eは異なる。したがって、上記の共振条件を満たすようにするには、Ｌを調整する他、ＫＴＰ結晶の温度を精密に制御し、ＫＴＰ結晶の屈折率を制御する必要があった。

図２は、従来装置を用い温度を変化させた場合の、共振器長と共振の関係を示すグラフである。図２から、ある従来装置は、結晶の温度が６６．６℃の場合に、常光線と異常光線の共振する光共振器長が一致することがわかる。したがって、６６．６℃において、所定の長さの光共振器を採用すれば、共振現象が起こる。ただし、６６．６℃からずれると、常光線が共振する共振器長と異常光線の共振する共振器長とが一致しない。許容される温度のずれは、１００分の１℃以下程度と考えられる。図２からわかるように、最適温度である６６．６℃から２度ずれた、６４．６℃、および６８．６℃では、共振条件が合わない。ましてや、最適温度から４度ずれた６２．６℃、および７０．６℃では常光線と異常光線の共振する共振器長が全く異なるので共振を同時には得られない。したがって、従来装置では、常光線と異常光線で同時に共振を得ようとする場合、ＫＴＰ結晶の温度を精密に制御しなければならないという問題があった。

図３は、光共振器のない非線形結晶のみによるレーザー光のＳＨＧ光出力と、光共振器内にａ−カットＫＴＰ結晶を置いた場合の従来装置によるレーザー光のＳＨＧ光出力との関係を示すグラフである。図３中、点線は、非線形結晶のみによるレーザー光のＳＨＧ光出力であり、丸は、ａ−カットＫＴＰ結晶を光共振器内に置いた場合のレーザー光のＳＨＧ光出力である。先に説明したとおり、光共振器内に非線形結晶を置くと、特定の温度においてのみ常光線と異常光線で同時に共振現象が起きて強いＳＨＧ光が得られ、特定の温度以外でのＳＨＧ光出力は得られない。

図３から、例えば、ａ−カットＫＴＰ結晶単体のＳＨＧ特性（シングルパス）の最大出力は６２℃程度で得られるが、従来装置を用いて緑色コヒーレント光を得ようとしても、ＳＨＧ光の最大出力を与える温度である６２℃では共振が起きないことがわかる。一方、図３から、約３９℃、約５２℃、および約６７℃において、常光線と異常光線とが共振するため、上記のａ−カットＫＴＰ結晶を含む光共振器からＳＨＧ光出力が得られることがわかる。しかしながら、これらの温度は、非線形結晶自身の最大効率が得られる温度（上記ａ−カットＫＴＰ結晶では約６２℃）とは異なっている。そのため、従来装置を用いてＳＨＧ光を得る場合は、ＳＨＧ光の出力が効率良く大きくならないという問題があった。また、結晶の温度を１００分の１℃以下程度まで制御しないと、安定なＳＨＧ光出力が得られないという問題もあった。

第５０回応用物理学関連連合講演会予稿集１１９２頁

本発明は、比較的小規模な装置で、クオリティが高く、効率良く大きな出力が得られるレーザー光の第二高調波発生装置などを提供することを目的とする。

本発明は、比較的小規模な装置で、クオリティが高く、効率良く大きな出力が得られる緑色コヒーレント光の発生装置などを提供することを目的とする。

本発明は、クオリティが高く、効率よく大きな出力を有する第二高調波の発生方法を提供することを目的とする。

本発明は、クオリティが高く、効率よく大きな出力を有する緑色コヒーレント光の発生方法を提供することを目的とする。

上記の課題の少なくともひとつ以上を解決するため、本発明の第二高調波発生装置は、（１）レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器（例えば、ファブリーペロー型のものや、リング型共振器など）と、前記光共振器内に非線形光学結晶を配置したレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記非線形光学結晶は、２個の同じ長さの非線形光学結晶を、それぞれの光軸が９０度ずれるように前記光共振器の光路上に配置したものを含む。なお、本明細書において、非線形光学結晶が同じ長さとは、２つの非線形光学結晶の形状が完全に一致している場合は勿論のこと、形状が異なっていてもよい。

２つの同じ長さの非線形光学結晶を、それぞれの光軸が９０度ずれるように前記光共振器の光路上に配置することで、非線形光学結晶の屈折率異方性に由来する水平偏光、及び垂直偏光の光路差を同じくすることが可能となる。これにより、温度によらず容易に両偏光で共振を得ることができるのである。つまり、本発明の第二高調波発生装置によれば、光共振器の共振条件と非線形光学結晶の位相整合条件を容易かつ同時に最適化することができ、ＳＨＧ光の最大出力条件へ容易に制御できる。また、本発明の第二高調波発生装置は、クオリティが高く、効率良く大きな出力が得られる。

なお、同様の原理を用いて、光共振器内に２個の非線形光学結晶のペアを複数組設けても良い。また、非線形光学結晶の屈折率異方性に由来する水平偏光、及び垂直偏光の光路差を同じくするように、光共振器内に複数個の非線形光学結晶を設置しても良い。このような場合は、２つの同じ長さの非線形光学結晶を設置したと同様の効果を得ることができる。

上記の課題の少なくともひとつ以上を解決するため、本発明の第二高調波発生装置は、好ましくは、（２）レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内にＫＴＰ結晶とを具備するレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記光共振器内のＫＴＰ結晶は、光線がａ軸伝播する第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含む。また、（３）レーザー光源は、好ましくは、半導体レーザーである。

そして、本発明の第二高調波発生装置は、正四角柱状の第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含むので、ＫＴＰ結晶の屈折率異方性に由来する水平偏光、及び垂直偏光の光路差を同じくすることにより、温度によらず容易に両偏光で共振を得ることができる。つまり、本発明の第二高調波発生装置によれば、光共振器の共振条件とＫＴＰ結晶の位相整合条件を容易かつ同時に最適化することができ、ＳＨＧ光の最大出力条件へ容易に制御できる。また、レーザー光源として、半導体レーザーを用いれば、比較的小規模な装置で、クオリティが高く、効率良く大きな出力が得られる緑色コヒーレント光を得ることができる。

本発明の第二高調波発生装置は、好ましくは、（４）前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とは融着され一体となっている。このように前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とは融着され一体となっていれば、光共振器を小規模にすることができ、したがって装置自体を小規模にできる。また結晶角度をいちいち調整しなくても良いため、取り扱いが容易となる。

上記の課題の少なくともひとつ以上を解決するため、本発明のレーザー光の第二高調波発生方法は、（５）レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内に非線形光学結晶を配置したレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記非線形光学結晶には、少なくとも２個の非線形結晶が用いられ、一方が光軸を中心として９０度回転した同じ長さの２つの非線形光学結晶からなる第二高調波発生装置を用い、前記光共振器を構成する入力ミラーにレーザー光を導入し、前記光共振器を構成する出力ミラーからレーザー光の第二高調波を出力する。

このような工程を含むため、本発明のレーザー光の第二高調波発生方法によれば、クオリティが高く、大きな出力の第二高調波を効率よく得ることができる。

上記の課題の少なくともひとつ以上を解決するため、本発明のレーザー光の第二高調波発生方法は、（６）光共振器内に第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含む第二高調波発生装置を用い、前記光共振器を構成する入力ミラーに、レーザー光を導入し、前記光共振器を構成する出力ミラーからレーザー光の第二高調波を出力する。

このような工程を含むため、本発明のレーザー光の第二高調波発生方法によれば、クオリティが高く、大きな出力を有する緑色コヒーレント光を効率よく得ることができる。

本発明は、上記のような構成を有するので、ＫＴＰ結晶の屈折率異方性に由来する水平偏光、及び垂直偏光の光路差を同じくすることにより、温度によらず容易に両偏光で共振を得ることができる。つまり、本発明の第二高調波発生装置によれば、光共振器の共振条件とＫＴＰ結晶の位相整合条件を容易かつ同時に最適化することができ、ＳＨＧ光の最大出力条件へ容易に制御できる。すなわち、本発明によれば、半導体レーザー及びＫＴＰ結晶を用い、クオリティが高く、効率良く大きな出力が得られる緑色コヒーレント光の発生装置、および発生方法を提供することができる。

（１．第二高調波発生装置）図４は、本発明のレーザー光源の第二高調波発生装置の基本構造を示す概略図である。図４に示されるように、この実施態様の第二高調波発生装置７は、レーザー光源２と、前記レーザー光源からのレーザー光が導入される光共振器３と、前記光共振器内に設置された非線形光学結晶（例えば、ＫＴＰ結晶）４とを具備するレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記光共振器内のＫＴＰ結晶は、光線がａ軸伝播する第１のａ軸カットＫＴＰ結晶４ａと、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さ（例えば、同じ形状をしていても良く、その形状としては通常正四角柱状である。）であり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶４ｂとを含む。なお、図４には、ファブリーペロー型の第二高調波発生装置を示したが、本発明の第二高調波発生装置には、公知の外部共振器型の第二高調波発生装置なども含まれる。

（１．１．１．レーザー光源）レーザー光源２としては、固体レーザー、気体レーザー、色素レーザー、半導体レーザーが挙げられ、好ましくは半導体レーザーであり、緑色のＳＨＧ光を得るには近赤外のレーザー光を用いる。

（１．１．２．光共振器）光共振器３としては、ＳＨＧに用いられる公知の光共振器を用いることができ、特に限定されるものではない。光共振器は、例えば、入力ミラーと出力ミラーとからなるファブリーペロー型のものや、リング型共振器が挙げられる。入力ミラーとしては、レーザー光を光共振器にカップルするための透過率を有し、ＳＨＧ光に対しては高反射ミラーとなるものが挙げられる。出力ミラーとしては、基本波光に対しては高反射ミラーとなり、ＳＧＨ光を透過するミラーがあげられる。入力ミラーと出力ミラーとの間隔としては、公知の光共振器と同様の間隔を採用することができ、ミラーの曲率半径にもよるが、より具体的には、２０ｍｍ〜１００ｍｍが挙げられる。なお、リング型共振器の場合は、具体的には光路長が３０ｃｍ〜１００ｃｍのものが挙げられる。

光共振器の間隔は、例えば、入力ミラー、又は出力ミラーのいずれか一方、又は両方の位置を変化させることにより調整可能となっていることは、本発明の好ましい実施態様である。より具体的には、いずれかのミラーに圧電素子が取り付けられ、外部出力を用いて電気的にフィードバックすることにより、好ましいミラーの位置を達成するものや、光フィードバックを用いて好ましいミラーの位置を達成するものがあげられる。

（１．１．３．非線形光学結晶）非線形光学結晶４は、屈折率異方性を有する結晶である。非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＫＴＰ結晶、ＫＮｂＯ₃結晶等が挙げられ、波長１０８０ｎｍのレーザー光を用いる場合、好ましくはＫＴＰ結晶であり、より好ましくはａ軸カットＫＴＰ結晶である。ａ軸カットＫＴＰ結晶とは、光線の伝播方向がＫＴＰ結晶のａ軸となるようにカットされたＫＴＰ結晶を意味する。波長９９４ｎｍのレーザー光を用いる場合、ｂ軸カットのＫＴＰ結晶が好ましい。ＫＮｂＯ₃結晶では、波長１０６０ｎｍ付近のレーザー光に対して約１８０°で温度整合を取ることにより、ａ軸カットの結晶を用いることができる。同じくＫＮｂＯ₃結晶では、波長８４０ｎｍ付近のレーザー光に対して約−４０℃で温度整合を取ることにより、ｂ軸カットの結晶を用いることができる。温度整合の場合、用いるレーザー光の波長は結晶の温度によって選ぶことができる。

非線形結晶の長さは、実用的には２ｍｍ〜２０ｍｍである。ＫＴＰ結晶は、公知の方法により製造できるが、例えば特開平５−９７５８５号公報に記載の方法により製造できる。

ＫＴＰ結晶の温度としては、例えば６２℃であり、最大出力を与えるように調整される。ＫＴＰ結晶の温度を制御するには、公知の温度制御手段を用いることができる。このような温度制御手段としては、ペルテェ素子を用いた方法が挙げられる。その他、ヒーターを用いたオーブンで制御する方法が挙げられる。

（１．２．１．作用）以下では、図４を参照しつつ、本発明の第二高調波発生装置７を用いて、ＳＨＧ光を得る工程について説明する。第１のａ軸カットＫＴＰ結晶４ａ、及び第２のａ軸カットＫＴＰ結晶４ｂの長さをそれぞれの長さのｌ／２とする。半導体レーザー２が、例えば１０８０ｎｍのレーザー光を出力する。このレーザー光が、入力ミラー３ａから光共振器３内に導入され、第１のａ軸カットＫＴＰ結晶（以下、第１結晶ともいう。）４ａを通過する。第１結晶内で、常光線の偏光方向の屈折率は、ｎ_oであり、第１結晶内での常光線の光路長は、ｎ_oｌ／２となる。一方、異常光線の偏光方向の屈折率はｎ_eであり、第１結晶内での異常光線の光路長は、ｎ_eｌ／２となる。

第１結晶４ａを通過したレーザー光は、第２のａ軸カットＫＴＰ結晶（以下、第２結晶ともいう。）４ｂを通過する。第２結晶内で、第１結晶で常光線であった偏光方向の屈折率は、ｎ_eであり、第２結晶内でのその偏光の光路長は、ｎ_eｌ／２となる。一方、第１結晶で異常光線であった偏光方向の第２結晶内での屈折率はｎ_oであり、第２結晶内でのその偏光の光路長は、ｎ_oｌ／２となる。第１結晶、及び第２結晶を通過した両者の偏光の光路長は、いずれも（ｎ_eｌ＋ｎ_oｌ）／２となる。

（１．２．２．共振条件）図５は、常光線と、異常光線とが共振する様子を示す図である。図５から、本発明の第二高調波発生装置７では、非線形光学結晶の屈折率異方性によらずTYPE II位相整合で用いられる二つの偏光方向の光線の光路長が同じとなるので、任意の温度条件において、共振器長を調整することによって、常光線と異常光線の共振を得ることができることがわかる。

（１．２．３．出力特性）図６は、本発明の第二高調波発生装置７の出力特性を表す図である。先に説明したとおり、本発明の第二高調波発生装置では、共振器長を制御すれば、任意の温度において、常光線と異常光線の共振を得ることができる。したがって、本発明の第二高調波発生装置では、半導体レーザーのＳＨＧ最大出力を与える結晶温度（図では約６２℃）においてＳＨＧ光を発生できるので、従来にくらべ効率良く高出力で安定なＳＨＧ光を得ることができることとなる。

本発明によれば、クオリティが高く、効率良く高出力なコヒーレント緑色光を得ることができる。この光は、光パラメトリック発振器の励起光として、用いることができる。
本発明によれば、簡便かつ小規模な装置により、緑色光を得ることができるので、次世代ディスプレイや画像関連デバイスなどに利用され得る。
本発明によれば、光源に半導体レーザーを用いることができるので、従来緑色コヒーレント光として用いられてきたＹＡＧレーザーのＳＨＧ光やアルゴンレーザーに比べて低価格の装置となる。

図１は、半導体レーザーとＫＴＰ結晶を組みあわせて緑色光を得る従来装置の基本構造を示す概略図である。図２は、従来装置を用い温度を変化させた場合の、共振器長と共振の関係を示すグラフである。図３は、光共振器のない非線形結晶のみによるレーザー光のＳＨＧ光出力と、光共振器内にａ−カットＫＴＰ結晶を置いた場合の従来装置によるレーザー光のＳＨＧ光出力との関係を示すグラフである。図４は、本発明のレーザー光源の第二高調波発生装置の基本構造を示す概略図である。図５は、常光線と、異常光線とが共振する様子を示すグラフである。図６は、本発明の第二高調波発生装置の出力特性を表すグラフである。

符号の説明

１従来装置
２半導体レーザー
３光共振器
３ａミラー
３ｂミラー
４非線形光学結晶（ＫＴＰ結晶）
４ａ第１のａ軸カットＫＴＰ結晶
４ｂ第２のａ軸カットＫＴＰ結晶

Claims

レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内に非線形光学結晶を配置したレーザー光源の第二高調波発生装置であって、
前記非線形光学結晶は、２個の同じ長さの非線形光学結晶を、それぞれの光軸が９０度ずれるように前記光共振器の光路上に配置したものを含む第二高調波発生装置。
レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内にＫＴＰ結晶とを具備するレーザー光源の第二高調波発生装置であって、
前記光共振器内のＫＴＰ結晶は、
光線がａ軸伝播する第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、
前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含む、
第二高調波発生装置。
レーザー光源が、半導体レーザーである請求項２に記載の第二高調波発生装置。
前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とは融着され一体となっている請求項２に記載の第二高調波発生装置。
レーザー光源と、前記レーザー光が導入される光共振器と、前記光共振器内に非線形光学結晶を配置したレーザー光源の第二高調波発生装置であって、前記非線形光学結晶には、少なくとも２個の非線形結晶が用いられ、一方が光軸を中心として９０度回転した同じ長さの２つの非線形光学結晶からなる第二高調波発生装置を用い、
前記光共振器を構成する入力ミラーにレーザー光を導入し、前記光共振器を構成する出力ミラーからレーザー光の第二高調波を出力するレーザー光の第二高調波発生方法。
光共振器内に第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶と同じ長さであり、前記第１のａ軸カットＫＴＰ結晶とａ軸を中心として９０度回転した状態で設置される第２のａ軸カットＫＴＰ結晶とを含む第二高調波発生装置を用い、前記光共振器を構成する入力ミラーに、レーザー光を導入し、前記光共振器を構成する出力ミラーからレーザー光の第二高調波を出力するレーザー光の第二高調波発生方法。