JP2005274980A

JP2005274980A - 分極反転による波長変換素子および波長変換レーザ

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Publication number: JP2005274980A
Application number: JP2004088067A
Authority: JP
Inventors: Shiro Shichijo; 司朗七条
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】本発明の目的は、周期分極構造を有する非線形光学結晶を用い、波長変換を行うとともに偏光制御をも実現し波長変換レーザ共振器中に偏光素子をなくすことにより小型で安定な波長変換レーザを提供することにある。
【解決手段】強誘電体基板からなる波長変換素子であり、前記強誘電体基板が互いに非平行である２種類の分極領域を周期的にならべた波長変換部と２つの偏光で光路が異なるビームウオークオフを利用した偏光制御部が一つの結晶中に配置されたことを特徴とする波長変換素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子を用いて基本波光から高調波光を発生させて該高調波光を外部へ取り出す波長変換レーザ装置に関し、更に詳しくは、波長変換素子として、擬似位相整合により波長変換を行う擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換レーザ装置に関する。

近年、緑色、青色などの短波長レーザは、例えば干渉計、次世代光ディスク用の光ピックアップ、印刷装置など幅広い分野において注目されており、こうしたレーザ光を発生するレーザ装置の研究・開発が活発に進められている。このような短波長レーザ装置の一つとして、基本波レーザ光の光路中に波長変換素子を挿入して第二高調波光（SHG）を発生させ、その高調波光を外部に取り出すようにしたいわゆる内部共振型波長変換レーザ装置が知られている。

従来のこの種の波長変換レーザ装置では、波長変換素子として非線形光学結晶であるLN（LiNbO₃）やKN（KNbO₃）が用いられている。このような結晶の波長変換動作は偏光特性があり、結晶の一定軸方向の偏光の基本波光のみ有効に波長変換を行うことができる。したがってレーザ共振器内に非線形光学結晶を配置しレーザ発振を行わせた場合に波長変換に必要な偏光方向の発振を生じせしめる必要がある。

レーザ媒質として偏光発振可能なNd:YVO₄やNd:GdVO₄などの結晶を用いた場合、レーザ発振方向がレーザ結晶の結晶軸で規定されるため、非線形光学結晶をレーザ共振器内に配置しても偏光発振が可能である。
しかしながらレーザ発振波長によっては偏光発振可能なレーザ媒質が無く、等方的レーザ結晶を使用せざるを得ない場合がある。たとえば９４６ｎｍで発振するNd:YAGや１５５０ｎｍで発振するEr:Ybガラスレーザ、８６０ｎｍ近傍で発振可能なCr:LISAFなどの場合である。こうした場合でも非線形光学結晶として結晶軸と一致しない方位に伝播させるいわゆる角度位相整合を行った場合には、偏光方向の違いによる光路のずれ、いわゆるビームウオークオフ現象により偏光発振を行わせることが可能である。

図５に従来例を示す。半導体レーザ５０からの出力光をコリメータレンズ５１により平行光にした後、集光レンズ５２によりレーザ結晶５３内にウエストを結ぶよう集光する。非線形光学結晶２７として角度位相整合型のものを使用する。角度位相整合型は結晶軸ｘ、ｙに対してある角度なす方向に光を伝播させるため常光成分は光軸４１に沿って直進するのに対して、異常光成分は常光に対してある角度θをなす光軸４1に沿って伝播する（ビームウオークオフ効果）。このため非線形光学結晶２７を出射した常光、異常光はそれぞれ一定距離離れた光軸４１、４３に沿って伝播する。レーザ共振器ミラーである凹面ミラー６０の中心が一方の光軸４１と一致する位置に配置すると、光軸４１を通ってきた偏光成分は光軸４１に沿ってそのまま逆進し共振器光軸を形成するためレーザ発振する。一方、光軸４３を通って伝播してきた偏光成分は凹面ミラー６０の中心からずれた場所で反射されるためレーザ共振器中で光軸を形成せず大きな共振器ロスを生じるためこの偏光成分はレーザ発振を生じないこととなる。こうした原理により偏光発振させると同時に波長変換を行うことが出来る。

しかしながらこうした角度位相整合の場合にはビームウオークオフを生じるため変換された光のモードが楕円となり、変換効率も下がり角度許容度も厳しくなることはよく知られている。

これに対し、最近、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matching）を利用した波長変換素子が注目を集めている。擬似位相整合型波長変換素子（以下、「ＱＰＭ素子」と称す）は、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃などのバルク結晶の内部に周期的な分極反転層を形成することで、所定波長のレーザ光に対して擬似的な位相整合を達成しようとするものであり、その分極反転層の周期を変えることによりほぼ任意の波長に対応が可能である。またQPMではビームウオークオフが発生しないためモードの形状が円形となるだけでなく、角度許容度を大幅に緩和することができるといったメリットがある。

こうしたQPM素子を利用した波長変換レーザ装置はレーザ媒質を含むレーザ共振器中に配置したいわゆる内部共振型レーザが一般的である。レーザ媒質が偏光発振するNd:YVO₄やNd:GdVO₄などの結晶を用いた場合レーザ発振方向がレーザ結晶の結晶軸で規定されるため非線形光学結晶をレーザ共振器内に配置しても偏光発振が可能である
レーザ発振波長によっては偏光発振可能なレーザ媒質が無く、等方的レーザ結晶を使用せざるを得ない場合がある。たとえば９４６ｎｍで発振するNd:YAGや１５５０ｎｍで発振するEr:Ybガラスレーザ、８６０ｎｍ近傍で発振可能なCr:LISAFなどの場合は偏光発振しない。このようなレーザ媒質を用いた場合、QPM素子ではビームウオークオフを生じないため、バルク結晶で利用していたビームウオークオフによる偏光規定が利用できない。これを図２で説明する。QPM素子２８として互いに分極の方向が１８０°となる領域１０，２０が周期的に形成されている。このためレーザビームの進行方向は結晶軸方向ｘと一致するため２つの偏光に対する光軸４１、４３が一致するため偏光分離をおこなうことができないことは明らかである。このためレーザ共振器中に新たに偏光を規定する偏光素子が必要となる。偏光発振機能の無いレーザ媒質を用いかつ180°周期分極構造を用いた波長変換素子においては偏光素子を挿入する必要から、組み立てが複雑となるといった問題を抱えていた。

こうした周期分極反転材料を内部共新型波長変換材料として使用する場合、偏光を規定する為の手段として、次のような方法がとられる。図３（a）(b)に従来の実施例を示す。図５と重複する部分は説明を省略する。図３(a)ではレーザ共振器中にブリュースタ板６２を挿入すると、P偏光成分（紙面内偏光）に対しては反射率０となるがS偏光（紙面垂直方向）に対しては有限の反射率となるためP偏光成分のみ発振させることが可能である。図３(b)は共振器中に一方の偏光に対して高反射、もう一方の偏光に対して低反射となるミラー６１を挿入し、出力ミラー６０は９０°方向に配置した例である。

このように従来の方法では共振器内に新たな素子を挿入するため、レーザ共振器が長くなり組み立て手順も複雑となるといった問題点があった。擬似位相整合型非線形光学結晶をレーザ共振器中に配置した内部共振型波長変換レーザを作製する上で、偏光機能を持った素子を挿入せざるを得ずレーザ共振器の構造が複雑となることが問題となっていた。

本発明の目的は、こうした偏光方向を規定する偏光子を新たに必要とせず、擬似位相整合型波長変換素子そのものが偏光機能をも有する新しい構造を利用して簡単にコンパクトな波長変換レーザを実現するための素子を提供することにある。

本発明は、１個の強誘電体結晶からなる波長変換素子であり、前記強誘電体結晶が分極方向が互いに非反平行である分極領域が周期的に配置された構造を有する波長変換領域と、２つの異なる偏光を分離する偏光分離領域の２つの領域からなる波長変換素子である。本発明において前記の異なる２種類の分極領域で互いの分極界面が、格子の連続条件を満たすために特定の方向に限定されている界面であることが好ましい。

前記波長変換素子は、さらに強誘電体の中でも、理論的に特定の面しかもたない分極壁が存在する斜方晶、正方晶、単斜晶であることが望ましい。
また、前記強誘電体のなかでも非線形光学定数の大きいニオブ酸カリウムであることが好ましい。また、前記分極壁が格子の連続条件により特定の面に限られている分極構造の好ましい例としては、ニオブ酸カリウムの、90°分極壁があげられる。

また本発明は、これらの波長変換素子をレーザ共振器中に配置したことを特徴とする波長変換レーザである。

本発明の原理図を図１に示す。周期分極反転として互いに非平行で一定の角度をなす分極反転領域１０，２０（ここでは９０度分極反転）が周期的に配置された波長変換領域２５と周期構造を有しない偏光分離領域２６が同一結晶中に存在することを特徴とする。

レーザ共振器中の光軸４１を伝播する２つの偏光は非線形光学結晶２７中の波長変換領域２５を伝播することにより波長変換される。この際、紙面に垂直な偏光成分のみ波長変換に寄与し、紙面に平行な偏光成分は寄与しない。また偏光分離領域２６に入った紙面垂直偏光成分はそのまま直進するが、紙面内偏光成分はビームウオークオフ効果により進行角度がずれた光軸４２に沿って伝播する。さらに非線形光学結晶２７から出射した２つの偏光は一定距離ずれた平行な光軸４１、４３に沿って伝播する。凹面ミラー６０の中心が一方の光軸４１と一致する位置に配置すると光軸４１を通ってきた偏光成分は光軸４１に沿ってそのまま逆進し共振器光軸を形成するためレーザ発振する。一方光軸４２、４３を通って伝播してきた偏光成分は凹面ミラー６０の中心からずれた場所で光軸４３とは異なった方向の光路の方向に反射されるためレーザ共振器中で光軸を形成せず大きな共振器ロスを生じるためこの偏光成分はレーザ発振を生じないこととなる。

以下、ニオブ酸カリウムの90°分極構造を例にとり、この分極構造を説明する。
図４（ａ）は分極構造作製前のニオブ酸カリウム単結晶基板33の模式図である。90°分極構造は、格子の連続条件から、分極壁がａ軸とｃ軸から45°傾きかつｂ軸と平行な方向にのみ形成される。ここでｃ軸方向は自発分極方向である。

周期的な分極構造を作製するために、図４(a)に示すようにａ，ｃ軸から45°傾いた面と垂直に基板３３を切り出し、図４(b)に示すように切り出し面に片方にｂ軸方向に延伸し、b軸と直角方向に周期的に配置された周期電極３１を作製し、反対側の面に全面電極３２を作製する。作製した両電極３１、３２間に電源３４により電界を印加することにより、隣接する分極領域の自発分極１１、２１の方向が互いに９０度であり、分極領域が周期的に並んだ周期分極反転構造が得られた。このとき、分極壁１５は理論的に決まった面に限定され、断面方向（z`軸方向）に対して傾いた分極壁やｂ軸と平行でない分極壁を生じることは無かった。周期電極３１は周知の方法で形成すればよい。たとえば、パターン作製のフォトリソグラフィを用い、その上にリフトオフ法により作製したＡｌやＡｕなどの金属電極、フォトリソグラフィにより周期的に作製したフォトレジストなどの絶縁層を介して、ＬｉＣｌなどの電界液をコンタクトさせた液体電極、また、これらフォトレジストと金属電極の二つを組みあわせて作製した電極などである。また、上述のパターン電極３１の作製は、片面、または両面に作製しても良い。

以下では、ニオブ酸カリウム結晶中の９０°周期分極反転構造による第二次高調波発生を例にとり説明する。波長λの光を図中左の方向から入射した場合、非線形光学効果によりλ/2の第二次高調波が発生する。このような波長変換動作をさせるためには、その波長変換の方向に対する非線形光学定数（ｄ定数）、および、擬似位相整合（ＱＰＭ）を行うための周期が重要となる。９０°分極構造を用いた場合の非線形光学定数は、ｚ’軸方向の偏光を入射してｚ’軸方向の変換光を得るｄ定数であるｄ’₃₃はｄ’₃₃＝14.9、ｘ’軸方向の偏光を入射してｚ’軸方向の変換光を得るｄ定数であるｄ’₃₁はｄ’₃₁=9.1であり、180°分極構造におけるｄ定数ｄ₃₃＝19.5、ｄ₃₁＝11.3よりは若干小さくなるものの、波長変換素子としては十分大きな値を保持できる。さらに、青色から赤外までの第二次高調波を発生させるための周期分極構造の周期は、10〜80μｍ程度で、作製技術として十分可能なレベルである。

上述のように、180°分極と異なる分極構造のうち、分極壁１５が物理的に特定の面しかとりえない分極構造を用いることで、厚み方向に精度の良い周期分極構造を作製することができ、変換効率の優れた波長変換素子を実現することができた。

本発明により、90°周期分極反転構造からなる波長変換領域と偏光分離領域を同一結晶中に作製することにより、偏光制御素子を挿入することなく波長変換を行うと同時に偏光方向を制御して高波長変換効率がえられる。本発明の実用上かつ産業上効果は、これらコンパクトで組み立ての簡単なレーザを実現する点で甚大である。

（実施例１）
本発明を４７３ｎｍのブルー光を発生する波長変換固体レーザに応用した例を、図１の模式図を参照して説明する。レーザ媒質としてNd１％ドープしたYAG結晶（厚み１ｍｍ）５３を用いた。波長８０９ｎｍのブロードエリア半導体レーザ５０からの出力光（１W）をコリメータレンズ５１により平行光にした後、集光レンズ５２によりNd:YAG結晶内にウエストを結ぶよう集光した。Nd:YAGレーザ媒質の半導体レーザ側端面５３aには波長９４６ｎｍで高反射率（R>99.9%）、８０９ｎｍで高透過率（T>90%）となるコーテングが、波長変換材料２７側の面５３ｂには波長９４６ｎｍで無反射となるコーテイングが施されている。

波長変換材料２７としてニオブ酸カリウム（ＫＮ）を用い、図４(a)に示すようにａ，ｃ軸から４５°傾いた面と垂直に２ｍｍ厚の基板３３を切り出した。切り出し面の片方に、ｂ軸と平行にフォトレジストを用いて１４．８μｍ周期の周期パターンを作製し、その上から金を蒸着することにより、波長変換部２５の長さが３ｍｍとなるように周期電極31を作製した。反対側の面には金蒸着により全面電極３２を作製した。電源３４により、作製した両電極３１、３２に約１４０Ｖ/ｍｍから２００Ｖ/ｍｍの台形形状の電界を印加した。

偏光分離領域２６には周期的な分極９０度分極反転を生じさせないよう電極部は設けない。したがって偏光分離領域２６の分極方向は分極反転処理を行っていないため切り出した基板の方位つまり基板表面に対して４５度方向となっている。この角度における常光と異常光のビームウオークオフ角度は３．１６度となる。この角度を利用して常光と異常光の位置ずれが十分となる長さに設計する。実施例での偏光分離領域２６の長さは２ｍｍとした。このときの結晶出射端面２７ｂでの２つの光軸４１、４２の位置づれは約１００μｍとなりビーム径５０μｍと比べて十分大きいため偏光機能を発現させることが出来る。

作製した非線形光学結晶２７の両端面２７a、２７bには９４６ｎｍで無反射となる光学コーテイングを施した。出力ミラー６０は波長９４６ｎmに対して高反射（R=９９．９５％）、波長４７３ｎｍに対して高透過率（T=９９%）となるよう光学多層膜コーテイングが施された曲率半径２０ｍｍのものを用いた。

また非線形光学結晶側の端面は波長９４６ｎｍで無反射（R=0.02%）となるよう光学薄膜コーテイングを施している。図１に示すような構成で半導体レーザ５０の出力１Wで励起したところ、９４６ｎｍの基本波を波長変換に必要なKN結晶のｂ軸方向にして偏光発振をさせることが出来た。このため効率よい波長変換が可能隣、波長４７３ｎｍの出力１６ｍWがえられた。

以上の説明は主にKNbO₃結晶の90°分極構造を例に説明したが、他の分極構造(60°、120°)や、斜方晶、正方晶であるKTiOPO₄、BaTiO₃，RbTiOPO₄、LiB₃O₅などにも適用できることは言うまでもない。

また本発明は、固体レーザ共振器中に配置した構成のみに限定して説明したが、固体レーザ媒質だけでなく半導体レーザや面発光型半導体レーザ、半導体光励起半導体レーザなどのレーザ中に配置したものにも適応できることは言うまでもない。

本発明は短波長レーザを用いた写真印刷機、表示装置など波長変換を行う各種レーザ装置に応用できる。

本発明の波長変換素子の模式図である。従来法の一例を示した模式図である。従来の180°周期分極構造を利用した波長変換素子の模式図である。（a）はブリュースタ板を挿入して偏波を制御した例である。（b）は斜め反射ミラーを挿入して偏波を制御した例である。本発明の波長変換素子の製造方法の1例を示す模式図である。従来法の一例を示した模式図である。

符号の説明

１０分極反転領域、１１自発分極、１５分極壁、２０分極反転領域
２１自発分極、２５波長変換領域、２６偏光分離領域、
２７非線型光学結晶、３１周期電極、３２全面電極、
３３基板、３４電源、５０半導体レーザ、
５１コリメータレンズ、５２集光レンズ、
５３ＹＡＧ結晶６０凹面ミラー

Claims

１個の強誘電体結晶からなる波長変換素子であり、前記強誘電体結晶が、分極方向が互いに非反平行である分極領域が周期的に配置された波長変換領域と、２つの異なる偏光を分離する偏光分離領域との２つの領域からなることを特徴とする波長変換素子。
前記分極領域の異なる分極方向が、互いに90度をなすことを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
前記強誘電体がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
前記請求項１から３のいずれかに記載の波長変換素子をレーザ共振器中に配置したことを特徴とする波長変換レーザ。