JP2005327822A - 外部共振器型レーザ装置およびそれを用いた第２高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度にかかわらず非線形光学結晶の変換効率がほぼ最大になる波長に発振波長をロックすることが可能な歩留まりが高く、安価な外部共振器型半導体レーザ装置で、出力がほとんど変動しない、低消費電力化や小型化に適した第２高調波発生装置を提供する。
【解決手段】第１の反射素子１０３、所定の波長の第１の光を発生する発光素子１０１、第１の光とその第２高調波である第２の光が擬似位相整合するよう設計された周期分極反転領域１１５と光導波路１１７を有する非線形光学結晶１１３、第２の反射素子１２１がこの順に配置された外部共振器型レーザ装置である。第２の反射素子１２１は、第１の光には低反射、第２の光には高反射の反射率を有し、非線形光学結晶１１３と第２の反射素子１２１で外部共振器の一方のミラーが構成される。第１の反射素子１０３は第１の光に対して高反射の反射率を有し、第１の反射素子１０３で外部共振器の他方のミラーが構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子からの光を基本光として第２高調波を発生させる光波長変換装置などに適した外部共振器型レーザ装置、およびその装置を用いた第２高調波発生装置に関するものである。特には、レーザディスプレイや光記録、光計測用の光源などとして利用でき出力の安定なレーザ光を出射する第２高調波発生装置に関するものである。

非線形光学結晶を利用してＬＤ光を別の波長に変換する試みが様々行われている。この技術によれば、ＬＤとしては実用化に至っていない波長域、例えば緑色域や紫外域のレーザ光を発生させることが可能となり、レーザディスプレイや光記録用の光源としての応用が期待できる。特に、非線形光学結晶中に周期的分極反転領域を形成することで、任意の波長に対して位相整合させることが可能になり、波長に対する自由度が向上する。

しかし、例えば、分極反転領域を設けたＬｉＮｂＯ_３結晶を用いた第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）の場合、波長および温度に対して敏感であり、半導体レーザからの基本光の波長が１ｎｍ変化しても変換効率はほとんど０になってしまい、また、約１度の温度変化で変換効率は半減してしまう。そのため、変換効率を安定化させる工夫が必要となる。例えば、特許文献１には外部共振器構造による波長安定化技術について開示されている。この例を図１２に示す。半導体レーザ７からのレーザ光は、コリメートレンズ９、偏光板１１、集光レンズ１０を通過して非線形光学結晶からなる基板１に入射される。基板１には、光導波部４、分極反転部３、回折格子５が集積化されている。半導体レーザ７の後ろ側の反射膜８および回折格子５を共振器ミラーとする外部共振器が構成されており、発振波長は回折格子５のブラッグ波長で決定され、そのスペクトル幅は０．１ｎｍ以下にできる。また、基板温度が変化した場合、分極反転部３での位相整合波長の波長シフトと回折格子５のブラッグ波長の波長シフトが生じるが、その温度係数は同符号である。よって、位相整合波長がシフトする方向に発振波長もシフトするため、外部共振器を用いない場合と比べて、温度変化による効率の変動を小さくできる。
特開平０５−２５７１８４号公報

しかしながら、上記のような外部共振器型半導体レーザにおいては、分極反転部の位相整合波長と回折格子のブラッグ波長を予め精度よく一致させておく必要があり、歩留まり低下、コスト高の要因となる。また、位相整合波長とブラッグ波長それぞれの温度に対する波長シフトの傾きは完全には一致していないため、温度が大きく変動した場合には、その波長差は無視できないものとなって第２高調波の出力低下の要因となる。したがって、出力を一定にするためには何らかの温度調節機構が必要となり、消費電力の増大、装置の大型化の要因となる。

上記課題を解決するために、本発明の外部共振器型レーザは、第１の反射素子（本明細書において反射素子という場合、これには、単なるへき開端面の如きものも含まれる）、所定の波長の第１の光を発生する発光素子、第１の光とその第２高調波である第２の光とが擬似位相整合するよう設計された周期分極反転領域および光導波路を有する非線形光学結晶、第２の反射素子（これは、典型的には、第１の光に対しては１０から２０％、第２の光に対しては９０％以上となる反射率を有している）がこの順に配置されており、前記第２の反射素子は第１の光に対しては低反射、第２の光に対しては高反射となる反射率を有しており、前記非線形光学結晶と前記第２の反射素子とで外部共振器の一方のミラーが構成され、前記第１の反射素子は第１の光に対して高反射となる反射率を有しており、前記第１の反射素子で外部共振器の他方のミラーが構成されており、前記第２の反射素子によって反射された第１の光と第２の光の位相差が結晶端面において所定の値になるように周期分極反転領域の構成、第２の反射素子の位置が設定されていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２高調波発生装置は、上記の外部共振器型レーザ装置を基本波光源として用いたことを特徴とする。この用い方としては、前記外部共振器型レーザ装置からのレーザ光を別の非線形光学結晶に入射して第２高調波を発生させる方法、前記発光素子ないし半導体レーザと前記非線形光学結晶との間に第１の光と第２の光を分離するダイクロイックミラーを挿入して第２の光を取り出す方法、前記非線形光学結晶中の光導波路の一部に溝を設け、この溝の中に、第１の光に対しては低反射、第２の光に対しては高反射となる反射率を有した反射素子を挿入し、前記非線形光学結晶の発光素子ないし半導体レーザとは反対側の端面から第２の光を取り出す方法などがある。

本発明によると、温度にかかわらず非線形光学結晶の変換効率がほぼ最大になる波長に発振波長をロックすることが可能な外部共振器型半導体レーザ装置などの外部共振器型レーザ装置を実現できる。さらには、それを第２高調波発生用光源として用いることで、温度が変化しても第２高調波の出力がほとんど変動しない、低消費電力化や小型化に適した構成を持つ第２高調波発生装置を実現できる。

本発明による外部共振器型レーザ装置の代表的な形態の構成図を図１に示す。
図中、１０１は波長λ_１の近傍に利得ピークを持つ半導体レーザ、１０３は波長λ_１の光に対して高反射となる反射膜（第１の反射素子）、１０５は波長λ_１の光に対して概略無反射となる無反射膜（第４の反射膜）、１０７はコリメートレンズ、１０９は波長板、１１１は集光レンズ、１１３は非線形光学結晶、１１５は非線形光学結晶１１３中に設けられた周期分極反転領域、１１７は非線形光学結晶１１３中に設けられた光導波路、１１９は波長λ_１およびその半分の波長λ_２（λ_２＝λ_１／２）の光の両方に対して概略無反射となる無反射膜（第３の反射膜）、１２１は波長λ_１の光に対して低反射（１０から２０％程度）、波長λ_２の光に対して高反射となる反射膜（第２の反射素子）である。

ＳＨＧ変換が最適に生じるように非線形光学結晶１１３に入射する基本波の偏光状態は偏光板１０９によって調節されている。また、分極反転領域１１５の周期は、波長λ_１の光と波長λ_２の光とが擬似位相整合するように設計されている。図中、周期分極反転領域１１５の周期をΛ、周期分極反転領域１１５の終端と反射膜１２１側の端面との距離をδとしている。

上記構成において、光導波路１１７を基本波が図中左から右に伝搬する間に第２高調波が発生する。基本波および第２高調波は、所定の反射率を有する反射膜１２１で反射される。このとき、反射端面での２つの波の位相の関係を最適にすると、右から左に伝搬する間に、第２高調波から基本波への変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、非線形光学結晶１１３の左側の端面から出射された基本波は、波長λ_１をピークとする強度分布を有している。この技術については、例えば、K. A. Stankov: Appl. Phys. B 45, 191-195 (1988) に開示されている。この出射光を半導体レーザ１０１に戻すことで、半導体レーザを波長λ_１で発振させることが可能となる。

これを図２の概念図を用いて説明する。図２（ａ）は半導体レーザ１０１の活性層の利得のスペクトルを示し、図２（ｂ）は非線形光学結晶１１３を往復して再び結晶から出射される基本波の割合を非線形反射率と定義したときの非線形反射率の波長依存を示す。このように非線形反射率はλ_１にピークを有しているため、この波長においてレーザの発振しきい値が最も小さくなり、この外部共振器型半導体レーザ装置はこの波長で発振する（図２（ｃ））。

ここで、周期分極反転領域１１５の終端から反射端面までの距離δが変化すると反射端面での２つの波の位相が変化し、その結果、非線形反射率は変化する。その様子を図３に示す。この図は、基本波波長λ_１＝１０６４ｎｍ、第２高調波波長λ_２＝５３２ｍとし、非線形光学結晶１１３としてＬｉＮｂＯ_３を用い、分極反転領域周期Λ＝６．５μｍ、光導波路断面積を２５μｍ^２、入射基本波強度を１００ｍＷ、光導波路損失を０．５ｄＢ／ｃｍ、反射膜１２１の反射率を基本波に対して１０％、第２高調波に対して１００％とした場合において、δ＝０Λ、１／８Λ、１／４Λ、３／８Λ、１／２Λに対して非線形反射率を計算した結果を示す。δ＝０Λ、１／２Λの場合、設計波長１０６４ｎｍに非線形反射率のピークが存在し、この波長でレーザ発振させることができる。δ＝１／４Λの場合、設計波長の両側に２つの反射率のピークが存在するため、レーザ発振が不安定になる可能性がある。δ＝１／８Λ、３／８Λの場合、設計波長から若干ずれた位置に非線形反射率のピークが存在するものの、ピークは単一であり、波長ずれは０．０５ｎｍ程度であるので、この値はＳＨＧ変換効率の波長許容幅（半値半幅で約０．１ｎｍ）と比べて小さく、実用上問題ない。したがって、周期分極反転領域１１５の終端から端面までの距離は１／２Λの整数倍、あるいは、その値からのずれが１／８Λ以下になるようにすることが望ましい。この結果は、上記の具体的な場合に限られず、一般化できるものである。

次いで、反射膜１２１の基本波の反射率Ｒ_１を変えた場合の非線形反射率の計算結果を図４に、そのときの非線形光学結晶１１３を往復して結晶から出射される第２高調波の強度の波長依存を図５に示す。Ｒ_１が大きいほど非線形反射率のピークは増加する。これは外部共振器型レーザの発振しきい値を低下させることが可能となることを意味する。一方、Ｒ_１を大きくすると設定波長１０６４ｎｍの光に対して得られる第２高調波は低下する。したがって、この構成で第２高調波発生装置として用いる場合は反射膜１２１の基本波の反射率Ｒ_１は１０から２０％の範囲で設定することが望ましい。この結果も、上記の具体的な場合に限られず、一般化できるものである。

次に、非線形光学結晶１１３の結晶温度が変化した場合に発振波長がシフトする様子を図６の概念図を用いて説明する。図６（ａ）は半導体レーザ１０１の活性層の利得、図６（ｂ）は非線形反射率の波長依存、図６（ｃ）は発振スペクトルを示す。或る温度において波長λ_１で発振している場合を点線で示してある。この状態から温度が上昇すると、実線で示すように、活性層の利得カーブ、非線形反射率のピーク波長はともに長波長側にシフトするが、前者の方が３倍程度温度係数が大きい。非線形反射率は、或る結晶温度における擬似位相整合条件を満たす波長において最大となり、この波長λ_１’で発振する。したがって、本発明による外部共振器型レーザ装置では、温度が変化しても常に擬似位相整合条件を満たすように発振波長がシフトすることになる。この外部共振器型レーザ装置を第２高調波発生装置の基本波光源に用いた場合、第２高調波の出力を温度によらず一定にできる（後記の実施例参照）。

非線形光学材料としてはＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）だけでなく、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、ＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）、ＫＮｂＯ_３（ＫＮ）などの強誘電体結晶や、その他の有機非線形結晶などを用いることができる。また、反射膜１２１を結晶端面に形成する代わりに、非線形光学結晶の外側に所定の反射率を有する反射ミラー（第２の反射素子）を設けることもできる。この場合は、ミラーの位置を光軸方向に対して微調することで基本波と第２高調波の位相の関係を調整すればよい。

また、上記構成における半導体レーザは、電流、光などによるエネルギー注入により所定の波長の第１の光を発生する半導体材料や有機材料などからなる発光素子と、外部共振器の他方のミラーを構成する反射素子を含めばよいので、これらに置き換えることもできる。さらに、無反射膜１１９は基本波および第２高調波の両方に対して概略無反射となるよう設計されているが、その代わりに、端面を斜め研磨して反射光の光路をずらすことで実質的に無反射とすることも可能である。また、半導体レーザなどの発光素子と非線形光学結晶の光導波路間の光結合については、レンズを用いる場合の他に、隣接して配置することによる、いわゆるbutt-coupling方式であってもよい。集光光学系としては、単レンズであっても複数のレンズからなるレンズ群であってもよく、凹面鏡や凸面鏡を含んでいてもよい。

本発明のより具体的な実施例を以下に説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。

図１において、１０１は、波長１０６４ｎｍの近傍に利得ピークを持つＩｎＧａＡｓ系の活性層を有する半導体レーザであり、半導体レーザ１０１の後ろ側の端面には波長１０６４ｎｍ近傍の光を９５％以上反射する反射膜１０３が成膜されている。半導体レーザ１０１の前側端面には波長１０６４ｎｍ近傍の光に対して概略無反射（反射率が１％以下）である無反射膜１０５が成膜されている。１１３は、素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学結晶であり、非線形光学結晶１１３中には周期分極反転領域１１５および光導波路１１７が設けられている。また、非線形光学結晶１１３の半導体レーザ側端面には、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光の両方に対して概略無反射となる無反射膜１１９が成膜され、その反対側の端面には、波長１０６４ｎｍの光に対して１０％、波長５３２ｎｍの光に対して９５％の反射率を有する反射膜１２１が成膜されている。

ここでの周期分極反転領域１１５は電界印加法を用いて形成されており、その周期Λは波長１０６４ｎｍの光と波長５３２ｎｍの光とが擬似位相整合するように設計されていて、約６．５μｍである。また、光導波路１１７は、安息香酸中でプロトン交換しその後アニールすることで形成されている。導波モードパターンから推定される光導波路断面積は２８μｍ^２である。また、周期分極反転領域１１５の終端から第２の反射素子１２１で規定される端面までの距離δが１９．５μｍ（＝３Λ）となるように、非線形光学結晶１１３の端面が形成されている。さらに、半導体レーザ１０１から出射された基本波はコリメートレンズ１０７、波長板１０９、集光レンズ１１１を介して光導波路１１７へと導かれる。基本波は、光導波路１１７中をＴＭモードで伝搬するように、偏光板１０９によって偏光状態が調節されている。

このように構成された構造において、基本波が光導波路１１７を図中左から右に伝搬する間に第２高調波が発生する。そして、基本波の一部（１０％）および第２高調波のほとんどが反射膜１２１で反射される。本実施例では、周期分極反転領域１１５の終端から端面までの距離を上記の如き所定の値としているため、光導波路１１７を右から左に伝搬する間に第２高調波から基本波への変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、非線形光学結晶１１３の左側の端面から出射される基本波は波長１０６４ｎｍをピークとする強度分布を有している。この出射光は、集光レンズ１１１、波長板１０９、コリメートレンズ１０７を介して半導体レーザ１０１に戻るので、半導体レーザを波長１０６４ｎｍで発振させることが可能となる。

本実施例による外部共振器型半導体レーザ装置を駆動したところ、しきい値電流は５２ｍＡ、注入電流３００ｍＡの場合に反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは８０ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で１０６３．８ｎｍであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長を変えることができ、その温度係数は０．０７５ｎｍ／℃であった。この値は擬似位相整合波長の温度係数と一致していた。よって、結晶温度が変動しても常に発振波長を擬似位相整合波長に合わせることが可能となった。こうして、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御でよい半導体レーザ装置を実現することが可能となり、小型化、低消費電力化が可能となる。

本実施例においても、周期分極反転領域１１５の終端から端面までの距離が設計値からずれても、そのずれが１／８Λ以下であれば単一縦モード発振が可能であり、設計波長ずれは０．０５ｎｍ程度で、ＳＨＧ変換効率の波長許容幅（半値半幅で約０．１ｎｍ）と比べて小さく実用上問題ない。ここでも、無反射膜１１９の代わりに、端面を斜め研磨することで実質的に無反射にする構成としてもよい。

（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例について図面を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、反射膜１２１の代わりに結晶の外部に別の反射素子を設けていることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

図７において、非線形光学結晶１１３の半導体レーザと反対側の端面には波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光の両方に対して概略無反射となる無反射膜２２１が成膜されている。また、２２３はコリメートレンズ、２２５は波長１０６４ｎｍの光に対して１０％、波長５３２ｎｍの光に対して９５％の反射率を有する平面ミラーである。この構成において、光導波路１１７を伝搬した基本波および第２高調波は無反射膜２２１を通過し、平面ミラー２２５によって基本波の一部（１０％）および第２高調波のほとんどが反射される。非線形反射率を所望の形状にするためには基本波および第２高調波が再び結晶に入射する際の位相を調整する必要があるが、それは平面ミラー２２５の位置を光軸方向に微調することで実現できる。この点、第１の実施例では、周期分極反転領域の終端から端面までの距離を厳密に制御する必要があったが、本実施例では、周期分極反転領域２１５の終端の位置は適当でよいので非線形光学素子の生産性が向上するという利点がある。

本実施例において、コリメートレンズ２２３と平面ミラー２２５を用いる代わりに、所望の反射特性を持った凹面鏡構造としてもよい。また、無反射膜２２１は基本波および第２高調波の両方に対して概略無反射となるよう設計したが、その代わりに、端面を斜め研磨することで実質的に無反射とすることも可能である。さらに、無反射膜２２１の代わりに、第２高調波に対してほぼ全反射、基本波に対してほぼ無反射となるような反射膜を配置し、平面ミラー２２５を基本波に対して低反射（例えば１０％）となるように設計したものを用いてもよい。この場合、上記の第２の反射素子は、この反射膜とコリメートレンズ２２３、平面ミラー２２５で構成されることになる。

（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例について図面を用いて説明する。図８は、本発明の第３の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、半導体レーザ１０１と非線形光学結晶１１３の光結合にレンズを用いず、端面を直接隣接させて結合を行う、いわゆるbutt-coupling方式を用いていることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

本実施例において、光導波路１１７を基本波がＴＥモードで伝搬する場合、ほとんどＳＨＧ変換が起きないので、非線形反射率には波長ピークが存在しない。一方、ＴＭモードで伝搬する場合はＳＨＧ変換が起きるため、波長ピークを有する非線形反射率となる。すなわち、ＴＭモードの特定波長が強く半導体レーザに戻ることになる。よって、本実施例の外部共振器型レーザ装置はＴＭモードで発振し、第１の実施例で用いた波長板は不要となる。

本実施例では、第１の実施例に比べ小型軽量化を図ることができる。また、半導体レーザ基板と非線形光学結晶基板の各面が直交するように実装すれば、ＴＥモードで発振したレーザ光が光導波路１１７にＴＭモードで結合するようにもできる。また、非線形光学結晶１１３にＺカットＬｉＮｂＯ_３の代わりにＸカットＬｉＮｂＯ_３を用いることで、ＴＥモードで伝搬させたときに非線形光学定数が最大になるような構成としてもよい。

（実施例４）
以下の実施例では、上で述べた外部共振器型レーザ装置を第２高調波発生装置に応用した例を示す。その例として、まず、本発明の第４の実施例について図面を用いて説明する。図９は、本発明の第４の実施例における第２高調波発生装置の模式的な構成図である。外部共振器型レーザ装置は第１の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第１の実施例による外部共振器型レーザ装置に第２の非線形光学結晶３１３を付加している。

図９中、３０１は、反射膜１２１から出射されたレーザ光を第２の結晶に集光する集光レンズである。３１３は、素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる第２の非線形光学結晶であり、第２の非線形光学結晶３１３中には周期分極反転領域３１５および光導波路３１７が設けられている。また、第２の非線形光学結晶３１３の両端面には、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光の両方に対して概略無反射となる無反射膜３１９、３２１が成膜されている。３２３は、基本波である波長１０６４ｎｍの赤外光を吸収する波長フィルタである。

非線形光学結晶１１３と第２の非線形光学結晶３１３には、反射膜を除いて同一プロセスが施されており、周期分極反転領域１１５、３１５の構造、および、光導波路１１７、３１７の構造はほとんど同一であり、温度依存や波長依存のパラメータもほぼ等しい。また、２つの結晶は比較的近い位置に配置されているので温度差も非常に小さい。よって、第１の実施例による外部共振器型レーザの発振波長は結晶温度によらずに第２の非線形光学結晶３１３の擬似位相整合波長と等しくなる。その結果、結晶温度によらず第２の非線形光学結晶３１３からの第２高調波の出力をほぼ一定にできる。

本実施例による第２高調波発生装置を駆動したところ、しきい値電流は５２ｍＡ、注入電流３００ｍＡの場合に反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは８０ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で１０６３．８ｎｍであり、波長フィルタ３２３を通過した第２高調波のパワーは１８ｍＷであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長、第２高調波波長もシフトしたが、第２高調波のパワーはほぼ一定であり、±２０℃の変化でも第２高調波のパワー変動は１ｍＷ以下であった。よって、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御で、出力の安定な第２高調波発生装置を実現することが可能となった。

（実施例５）
次に、本発明の第５の実施例について図面を用いて説明する。図１０は、本発明の第５の実施例における第２高調波発生装置の模式的な構成図である。外部共振器型レーザ装置は第１の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第１の実施例による外部共振器型レーザ装置に第２高調波を取り出すためのダイクロイックミラーを付加した例である。

図１０中、４０１は波長１０６４ｎｍの光を透過し、波長５３２ｎｍの光を反射するダイクロイックミラーである。本実施例の動作原理は第１の実施例と同様である。本実施例では、結晶を往復して無反射膜１１９より出射された第２高調波をダイクロイックミラー４０１によって共振器の外に取り出すことが可能となる。この第２高調波は実施例４あるいは実施例６の第２高調波発生装置では利用されていない光である。

本実施例による第２高調波発生装置を駆動したところ、しきい値電流は５４ｍＡ、注入電流３００ｍＡの場合に反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは７８ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で１０６３．８ｎｍであり、ダイクロイックミラー４０１によって取り出された第２高調波のパワーは１７ｍＷあった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長、第２高調波波長もシフトしたが、第２高調波のパワーはほぼ一定であり、±２０℃の変化でも第２高調波のパワー変動は１ｍＷ以下であった。よって、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御で、出力の安定な第２高調波発生装置を実現することが可能となった。本実施例では、第４に実施例に比べ、構成部材が少なくてよく、より小型軽量化を図ることができる。

（実施例６）
次に、本発明の第６の実施例について図面を用いて説明する。図１１は、本発明の第４の実施例における第２高調波発生装置の模式的な構成図である。外部共振器型レーザ装置は第１の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例は、第１の実施例による外部共振器型レーザ装置の非線形光学結晶の一部に切り込み溝を設け、その溝に反射素子を挿入して第２高調波を取り出すことを可能にした例である。

図１１中、５１３は素子長１５ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学結晶であり、非線形光学結晶５１３中には周期分極反転領域５１５および光導波路５１７が設けられている。さらに、非線形光学結晶５１３の中央付近に切り込み溝５０１が形成されており、その溝５０１に、波長１０６４ｎｍの光に対して１０％、波長５３２ｎｍの光に対して９５％の反射率を有する平面ミラー（反射素子）５２１が挿入されている。また、非線形光学結晶５１３の両端面には波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光の両方に対して概略無反射となる無反射膜５１９、５２３が成膜されている。

また、５２５は赤外光を吸収する波長フィルタである。切り込み溝５０１に分断された周期分極反転領域および光導波路には、それぞれ５１７’、５１５’の番号を付する。切り込み溝５０１の位置は周期分極反転領域の周期に合わせて正確に位置決めされている。この精度はフォトリソグラフィーのパターニング精度に依存し、０．５μｍ以下である。図１１において非線形光学結晶５１３を立体的に描いているが、これは切り込み溝５０１を分かり易くするためである。

本実施例において、光導波路５１７を基本波が図中左から右に伝搬する間に第２高調波が発生する。基本波の一部（１０％）および第２高調波のほとんどが平面ミラー５２１で反射され、光導波路５１７を右から左に伝搬する間に第２高調波から基本波への変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、結晶の左側の端面から出射された基本波は波長１０６４ｎｍをピークとする強度分布を有している。この出射光は集光レンズ１１１、波長板１０９、コリメートレンズ１０７を介して半導体レーザ１０１に戻るので半導体レーザを波長１０６４ｎｍで発振させることが可能となる。さらに、平面ミラー５２１を通過した基本波は光導波路５１７’を伝搬し、第２高調波が発生する。発生した第２高調波は、波長フィルタ５２５を通過して外部に取り出される。

本実施例においては、周期分極反転領域５１５、５１５’の構造、および、光導波路５１７、５１７’の構造はほとんど同一であり、温度依存や波長依存のパラメータもほぼ等しい。また、同一結晶上に形成されているので温度差もほとんどない。よって、外部共振器型レーザの発振波長は結晶温度によらずに非線形光学結晶５１３の擬似位相整合波長と等しくなる。その結果、結晶温度によらず第２高調波の出力をほぼ一定にできる。

本実施例では、第４に実施例に比べ、構成部材が少なくて、よく小型軽量化を図ることができる。さらに、同一の結晶を２つに分けて一方を非線形反射率形成のために用い、他方を第２高調波発生に用いているので、２つの別個の結晶を用いている場合と比べ、結晶温度による第２高調波のパワー変動をより小さくすることができる。

（その他の実施例）
上記した複数の実施例では、光導波路形成について、プロトン交換によるものだけでなく、物理的あるいは化学的エッチングによるリッジ加工によるものであってもよい。
また、基本波として波長１０６４ｎｍの赤外光、第２高調波として波長５３２ｎｍの緑色光を用いた例を示したが、これに限るものではなく、紫外域、可視域、赤外域など様々な波長域を選択することができる。

本発明の第１の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 発振波長を説明する図である。 周期分極反転領域の終端位置と非線形反射率の関係を示す図である。 反射膜の反射率と非線形反射率の関係を示す図である。 反射膜の反射率と第２高調波強度の関係を示す図である。 結晶温度が変化した場合の発振波長シフトを説明する図である。 本発明の第２の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第３の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第４の実施例の第２高調波発生装置の模式的な構成図である。 本発明の第５の実施例の第２高調波発生装置の模式的な構成図である。 本発明の第６の実施例の第２高調波発生装置の模式的な構成図である。 従来の光波長変換装置の模式的な構成図である。

符号の説明

１０１ 半導体レーザ
１０３ 反射膜（第１の反射素子）
１０５ 無反射膜（第４の反射膜）
１１３、３１３、５１３ 非線形光学結晶
１１５、２１５、３１５、５１５、５１５’ 周期分極反転領域
１１７、３１７、５１７、５１７’ 光導波路
１１９ 無反射膜（第３の反射膜）
１２１，２２３，２２５ 反射膜（第２の反射素子）
２２１，３１９，３２１，５１９，５２３ 無反射膜

Claims (13)

1. 第１の反射素子、所定の波長の第１の光を発生する発光素子、第１の光とその第２高調波である第２の光とが擬似位相整合するよう設計された周期分極反転領域および光導波路を有する非線形光学結晶、第２の反射素子がこの順に配置されており、前記第２の反射素子は第１の光に対しては低反射、第２の光に対しては高反射となる反射率を有しており、前記非線形光学結晶と前記第２の反射素子とで外部共振器の一方のミラーが構成され、前記第１の反射素子は第１の光に対して高反射となる反射率を有しており、前記第１の反射素子で外部共振器の他方のミラーが構成されており、前記第２の反射素子によって反射された第１の光と第２の光の位相差が結晶端面において所定の値になるように周期分極反転領域の構成、第２の反射素子の位置が設定されていることを特徴とする外部共振器型レーザ装置。
2. 前記第１の反射素子と発光素子は半導体レーザで構成されることを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ装置。
3. 前記第２の反射素子は前記非線形光学結晶の端面に形成された第２の反射膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の外部共振器型レーザ装置。
4. 前記周期分極反転領域の終端と第２の反射膜側の端面との距離がその周期の半分の値の整数倍であるか、もしくはその値からのずれが１／８周期以下であることを特徴とする請求項３に記載の外部共振器型レーザ装置。
5. 前記第２の反射素子は第１の光に対しては１０から２０％、第２の光に対しては９０％以上となる反射率を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置。
6. 前記非線形光学結晶の発光素子ないし半導体レーザ側の端面は、第１、第２の光の両方に対して概略無反射となる第３の反射膜が形成されている、あるいは実質無反射となるように斜め研磨されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置。
7. 前記発光素子ないし半導体レーザの非線形光学結晶側の端面には第１の光に対して概略無反射となる第４の反射膜が形成されており、反対側の端面には第１の光に対して高反射率となる第１の反射素子である第１の反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置。
8. 前記発光素子ないし半導体レーザと前記非線形光学結晶が直接光結合するように近接配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置。
9. 請求項１乃至８に記載の外部共振器型レーザ装置を基本波光源として用いたことを特徴とする第２高調波発生装置。
10. 前記外部共振器型レーザ装置からのレーザ光を別の非線形光学結晶に入射して第２高調波を発生させることを特徴とする請求項９に記載の第２高調波発生装置。
11. 前記非線形光学結晶および前記別の非線形光学結晶中に同形状の周期分極反転領域と光導波路が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の第２高調波発生装置。
12. 前記発光素子ないし半導体レーザと前記非線形光学結晶との間に第１の光と第２の光を分離するダイクロイックミラーが挿入されて第２の光を取り出すことが可能な構成を有していることを特徴とする請求項９に記載の第２高調波発生装置。
13. 前記非線形光学結晶中の光導波路の一部に溝が設けられており、前記溝の中に、第１の光に対しては低反射、第２の光に対しては高反射となる反射率を有した反射素子が挿入されており、前記非線形光学結晶の発光素子ないし半導体レーザとは反対側の端面から第２の光を取り出すことが可能な構成を有していることを特徴とする請求項９に記載の第２高調波発生装置。

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