JP2006292942A - Second higher harmonic generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、非線形光学結晶により波長変換して、基本波の第2高調波を発生させる第2高調波発生装置に関する。 The present invention relates to a second harmonic generator that generates a second harmonic of a fundamental wave by wavelength conversion using, for example, a nonlinear optical crystal.
医療、歯科、ポインタ、計測といったアプリケーションに対して、緑色レーザ光源が利用されている。現在、緑色レーザは第2高調波(SH波)を発生する非線形光学結晶を利用した固体レーザが一般的である。百mW以下程度の低光出力で、固体レーザによる第2高調波発生を利用する場合、波長1064nmの光(基本波)の光共振器内に非線形光学結晶を配置する構成(イントラキャビティ)が多く利用される(例えば、特許文献1参照)。光共振器は1対の反射鏡により構成され、例えば反射鏡は誘電体多層膜により形成される。 Green laser light sources are used for medical, dental, pointer, and measurement applications. Currently, the green laser is generally a solid-state laser using a nonlinear optical crystal that generates second harmonics (SH waves). When using the second harmonic generation by a solid-state laser with a low optical output of about 100 mW or less, there are many configurations (intracavity) in which a nonlinear optical crystal is disposed in an optical resonator of light (fundamental wave) having a wavelength of 1064 nm. Used (see, for example, Patent Document 1). The optical resonator is composed of a pair of reflecting mirrors. For example, the reflecting mirror is formed of a dielectric multilayer film.
第2高調波発生を実現するには位相整合条件を満たす必要があるが、その方法の一つに角度チューニングがあり、タイプIとタイプIIに分類される(例えば、特許文献2参照)。タイプIIでは、基本波を発生する基本波発生結晶の主軸と、非線形光学結晶の主軸を45°傾けて配置する。基本波発生結晶では、通常、主軸に沿った偏光方向の基本波が発生される。
しかしながら、励起光源からの出力を上げていくと、基本波発生結晶から主軸に沿った偏光方向のみでなく、主軸に直交する偏光方向の基本波が発生されてしまう。基本波発生結晶により異なる偏光方向の基本波が2種類以上発生すると、偏光方向の異なる各基本波が共振器内で共振し、その結果、非線形光学結晶から3種類以上の偏光方向をもつレーザ光(第2高調波)が発生され、出力が不安定になるという問題がある。 However, when the output from the excitation light source is increased, not only the polarization direction along the principal axis but also the fundamental wave in the polarization direction orthogonal to the principal axis is generated from the fundamental wave generating crystal. When two or more types of fundamental waves having different polarization directions are generated by the fundamental wave generating crystal, each fundamental wave having a different polarization direction resonates in the resonator, and as a result, laser light having three or more types of polarization directions from the nonlinear optical crystal. There is a problem that (second harmonic) is generated and the output becomes unstable.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基本波の共振する偏光方向を一方向に規定することにより、安定した出力で第2高調波を発生することができる第2高調波発生装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to generate a second harmonic with a stable output by defining the polarization direction in which the fundamental wave resonates in one direction. The object is to provide a second harmonic generator.
上記の目的を達成するため、本発明の第2高調波発生装置は、励起光を発生する励起光源と、前記励起光を入射して基本波を発生する基本波発生結晶と、前記基本波の第2高調波を発生する非線形光学結晶と、前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶を介在させて対向する1対の反射鏡を有する光共振器とを有し、前記反射鏡は、一定間隔でグレーティング層が配置されたグレーティング部を有し、前記グレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ前記基本波のみを反射するものである。 In order to achieve the above object, a second harmonic generator of the present invention includes an excitation light source that generates excitation light, a fundamental wave generation crystal that generates the fundamental wave upon incidence of the excitation light, A non-linear optical crystal that generates a second harmonic, and an optical resonator having a pair of reflecting mirrors facing each other with the fundamental wave generating crystal and the non-linear optical crystal interposed therebetween, the reflecting mirror having a constant interval And a grating portion in which a grating layer is disposed, and reflects only the fundamental wave having a polarization direction parallel to the extending direction of the grating layer.
上記の本発明の第2高調波発生装置では、励起光源からの励起光が基本波発生結晶に入射すると、一対の反射鏡により構成される光共振器内で共振動作して、基本波発生結晶から基本波が発振する。光共振器はグレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ基本波のみを反射するため、当該偏光方向をもつ基本波のみが発振する。
この基本波が非線形光学結晶を通過すると、非線形光学結晶により第2高調波が発生する。第2高調波は、非線形光学結晶側に配置された反射鏡を通過して、外部へ出力される。
In the second harmonic generator of the present invention described above, when the excitation light from the excitation light source enters the fundamental wave generating crystal, the fundamental wave generating crystal resonates in an optical resonator composed of a pair of reflecting mirrors. The fundamental wave oscillates. Since the optical resonator reflects only the fundamental wave having the polarization direction parallel to the extending direction of the grating layer, only the fundamental wave having the polarization direction oscillates.
When this fundamental wave passes through the nonlinear optical crystal, a second harmonic is generated by the nonlinear optical crystal. The second harmonic passes through the reflecting mirror disposed on the nonlinear optical crystal side and is output to the outside.
本発明によれば、基本波の共振する偏光方向を一方向に規定することにより、安定した出力で第2高調波を発生することができる第2高調波発生装置を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a second harmonic generator capable of generating the second harmonic with a stable output by defining the polarization direction in which the fundamental wave resonates in one direction.
以下に、本発明の半導体装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る第2高調波発生装置1の構成を示す斜視図である。図2は、図1に示す第2高調波発生装置1を図中x方向から見た側面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the second
本実施形態に係る第2高調波発生装置1は、励起光源2と、励起光源2によってポンピングされる基本波発生結晶(固体レーザ媒質)3と、非線形光学結晶4と、基本波発生結晶3および非線形光学結晶4を介在させて対向する1対の反射鏡5,6からなる光共振器7とを有する。
The second
励起光源2は、例えば半導体レーザ素子により構成される。励起光源2は、例えば波長808nmの励起光(レーザ光)L0を出射する半導体レーザ素子が用いられる。励起光源2は、例えば図中、z方向に励起光L0を出射する。なお、図1では、励起光L0の出射方向をz方向とし、z方向に直交する2方向をx方向およびy方向とする。
The
基本波発生結晶3は、励起光源2からの励起光L0によりポンピングされて、基本波(レーザ光)L1を発振する。基本波L1の波長は、例えば1064nmである。基本波発生結晶3は、例えば、Nd:YAG(Y3Al5O12)、Nd:YVO4や、Nd:GdVO4である。基本波発生結晶3は、例えば、x方向およびy方向における寸法が1mmであり、z方向における寸法が0.7mmである。
The fundamental
非線形光学結晶4は、基本波発生結晶3により発振された基本波L1を波長変換して、基本波の第2高調波(周波数が2倍のレーザ光)L2を発生する。非線形光学結晶4は、例えば、KTP(KTiOPO4),BBO(β-BaB2O4)、LN(LiNbO3)、LT(LiTaO3)、KN(KNbO3)、LBO(LiB3O5)、KDP(KH2PO4)により形成される。非線形光学結晶4は、例えば、x方向およびy方向における寸法が1mmであり、z方向における寸法が2.2mmである。非線形光学結晶4は、基本波発生結晶3の端面に紫外線硬化型接着剤により接着されている。
The nonlinear
図3は、基本波発生結晶3の光学軸と、非線形光学結晶4の光学軸の配置を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the arrangement of the optical axis of the fundamental
第2高調波発生を実現するには位相整合条件を満たす必要があるが、その方法の一つに角度チューニングがあり、タイプIとタイプIIに分類される。本実施形態では、タイプIIの位相整合条件を満たすものである。このため、基本波を発生する基本波発生結晶3の主軸3aと、非線形光学結晶4の主軸4aを45°傾けて配置する。主軸は、屈折率の高い軸とする。例えば、基本波発生結晶3の主軸3aをx軸方向に設定した場合には、非線形光学結晶4の主軸4aはxy平面においてx軸から45°傾いて設定される。基本波発生結晶では、通常、主軸に沿った偏光方向の基本波L1が発生される。
In order to realize the second harmonic generation, it is necessary to satisfy the phase matching condition. One of the methods is angle tuning, which is classified into type I and type II. In the present embodiment, the type II phase matching condition is satisfied. For this reason, the
光共振器7を構成する一方の反射鏡5は、基本波発生結晶3の励起光源2側の端面に形成されている。反射鏡5は、励起光源2から出射された励起光L0を透過し、基本波発生結晶3から得られる基本波L1を反射する。また、反射鏡5は、基本波発生結晶3の主軸に沿った偏光方向の基本波L1のみを反射させる。
One reflecting
光共振器7を構成する他方の反射鏡6は、非線形光学結晶4の第2高調波L2出射側の端面に形成されている。他方の反射鏡6は、非線形光学結晶4で波長変換された第2高調波L2を透過し、基本波L1を反射する。また、反射鏡6は、基本波発生結晶3の主軸に沿った偏光方向の基本波L1のみを反射させる。
The other reflecting
図4は、反射鏡5(6)の構成を説明するための断面図である。図4は、反射鏡5の場合には基本波発生結晶3の端面における断面図に相当し、反射鏡6の場合には非線形光学結晶4の端面における断面図に相当する。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the reflecting mirror 5 (6). 4 corresponds to a cross-sectional view of the end face of the fundamental
反射鏡5,6は、誘電体多層膜ミラー10からなる第1反射部と、誘電体多層膜ミラー10の最上層に形成されたグレーティング部20からなる第2反射部とを有する。
Each of the reflecting
誘電体多層膜ミラー10は、屈折率(n)が異なり、厚さがλ/4n(λ:反射させる光の波長)からなる2つの低屈折率膜11と高屈折率膜12を交互に多層(20〜40層程度)積層することにより、反射率を100%近くにしたミラーである。低屈折率膜11は例えばSiO2膜により形成され、高屈折率膜12は例えばTiO2膜あるいはTa2O5膜により形成される。誘電体多層膜ミラー10は、例えばスパッタリングにより形成される。
The dielectric
反射鏡5および反射鏡6の誘電体多層膜ミラー10は、ともに基本波L1を反射する必要がある。このため、例えば低屈折率膜11の屈折率をn1とし、基本波L1の波長をλとすると、各低屈折率膜11の膜厚はλ/4n1に設定される。また、高屈折率膜12の屈折率をn2とし、基本波L1の波長をλとすると、各高屈折率膜12の膜厚はλ/4n2に設定される。
Both the
図5(a)はグレーティング部20の構成を示す断面図であり、図5(b)はグレーティング部20の平面図である。
FIG. 5A is a cross-sectional view showing the configuration of the
グレーティング部20は、誘電体多層膜ミラー10の上面に形成される。グレーティング部20は、ストライプ状に形成されたグレーティング層21を有する。グレーティング層21のストライプ方向は、基本波発生結晶3の光軸に平行に形成される。
The
グレーティング層21のピッチPを基本波L1の波長程度の大きさにすることにより、グレーティング層21のストライプに平行な偏光方向の基本波と、ストライプに垂直な方向な偏光方向の基本波とで反射率に違いが現れる。反射率の大きさは、グレーティング層21の屈折率(n)と幅Wおよび膜厚dに依存する。
By making the pitch P of the
例えば、基本波L1の波長を1064nmとした場合には、グレーティング層21のピッチPを1064nm程度に設定し、グレーティング層21の幅Wを数十nm〜数百nmに設定し、グレーティング層21の膜厚dを40〜50nmに設定する。これにより、グレーティング部20は、グレーティング層21のストライプに平行な偏光方向の基本波に対しては高反射率となり、グレーティング層21のストライプに垂直な偏光方向の基本波に対しては低反射率となる。
For example, when the wavelength of the fundamental wave L1 is 1064 nm, the pitch P of the
この結果、グレーティング部20を備える反射鏡5,6からなる光共振器7により、グレーティング層21のストライプに平行な偏光方向の基本波L1のみが共振され、基本波の単一偏光モード発振が実現される。
As a result, only the fundamental wave L1 in the polarization direction parallel to the stripe of the
上記のグレーティング層21は、例えば誘電体多層膜ミラー10を構成する低屈折率膜11あるいは高屈折率膜12をパターニングすることにより形成される。パターニングは、電子線描画とエッチング(ドライエッチングあるいはウェットエッチング)により行われる。
The
グレーティング部20は、グレーティング層21の形成により一定間隔で屈折率が異なる部分が形成されていれば良い。このため、グレーティング層21は、上記のように物理的にストライプ形状を有する場合の他、低屈折率膜11あるいは高屈折率膜12に水素やヘリウムなどのイオン注入を行い、屈折率の小さいストライプ状のグレーティング層21を形成することによっても実現できる。
The
次に、上記の本実施形態に係る第2高調波発生装置1の動作について、図2を参照して説明する。
Next, the operation of the second
励起光源2から出射されたポンピング光となる励起光L0が基本波発生結晶3に入射すると、反射鏡5と反射鏡6とにより構成される光共振器7内で共振動作して、基本波発生結晶3の光軸3aに平行な偏光方向の基本波L1のみが発振する。このとき、基本波発生結晶3の光軸3aとは異なる偏光方向の基本波L1は発振されない。
When excitation light L0, which is pumping light emitted from the
この基本波L1が非線形光学結晶4を通過すると、非線形光学結晶4により基本波L1が波長変換されて、基本波L1の第2高調波L2が反射鏡6を通過して、第2高調波発生装置1から出力される。波長1064nmの基本波L1が発振されると、波長532nmの第2高調波L2が得られるため、いわゆる緑色レーザ光を出力することができる。
When the fundamental wave L1 passes through the nonlinear
以上説明したように、本実施形態では、光共振器7を構成する反射鏡5,6は、一つの偏光方向の基本波L1のみを反射させるグレーティング部20を備えることから、基本波L1の単一偏光モード発振を実現することができる。このため、単一の偏光方向をもつ第2高調波L2を出力することができる。
As described above, in the present embodiment, the reflecting
従って、励起光源2への注入電流を増加させて、励起光L0の出力を増加させた場合であっても、安定した出力で第2高調波L2を発生することができる。また、励起光源2のFFP(ファーフィールドパターン)特性や発振波長特性、並びに基本波発生結晶3の吸収発光特性に影響されずに、安定した出力で第2高調波L2を発生することができる。さらに、第2高調波L2の偏光方向の直線性が向上するため、アプリケーションにおいて第2高調波L2の偏波利用が可能となる。
Therefore, even if the injection current to the
また、本実施形態では、光共振器7を構成する一方の反射鏡5は、基本波発生結晶3の励起光源2側の端面に形成され、光共振器7を構成する他方の反射鏡6は、非線形光学結晶4の第2高調波L2出射側の端面に形成されている。反射鏡5および反射鏡6として別個の部品を設ける必要がなくなるため、部品点数を削減することができ、第2高調波発生装置1を小型化できるという利点がある。
In the present embodiment, one reflecting
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態に係る第2高調波発生装置1の構成を示す斜視図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the second
第2実施形態では、光共振器7を構成する一対の反射鏡5,6が、基本波発生結晶3および非線形光学結晶4に対して所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、第1実施形態と異なり、反射鏡5および反射鏡6として別個の部品を設ける。
In the second embodiment, the pair of reflecting
反射鏡5,6は、第1実施形態と同様に、誘電体多層膜ミラー10からなる第1反射部と、誘電体多層膜ミラー10の最上層に形成されたグレーティング部20からなる第2反射部とを有する。なお、これらの第1反射部および第2反射部は、透明基板上に形成される。
Similarly to the first embodiment, the reflecting
反射鏡5は、励起光源2側から順にグレーティング部20および誘電体多層膜ミラー10が形成されていても、誘電体多層膜ミラー10およびグレーティング部20の順に形成されていてもよい。
The reflecting
同様に、反射鏡6は、光出力側から順にグレーティング部20および誘電体多層膜ミラー10が形成されていても、誘電体多層膜ミラー10およびグレーティング部20の順に形成されていてもよい。
Similarly, the reflecting
本実施形態に係る第2高調波発生装置1によっても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
The second
(第3実施形態)
図7は、第3実施形態に係る第2高調波発生装置1の構成を示す斜視図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the second
第3実施形態では、基本波発生結晶3と非線形光学結晶4の間が接合されておらず、所定の間隔を隔てて配置されている例である。基本波発生結晶3と非線形光学結晶4との間の間隔は、例えば数μm〜数10μmである。
The third embodiment is an example in which the fundamental
光共振器7を構成する一方の反射鏡5は、基本波発生結晶3の励起光源2側の端面に形成され、光共振器7を構成する他方の反射鏡6は、非線形光学結晶4の第2高調波L2出射側の端面に形成されている。
One reflecting
本実施形態に係る第2高調波発生装置1によっても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
The second
(第4実施形態)
図8は、第4実施形態に係る第2高調波発生装置1の構成を示す斜視図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the second
第4実施形態では、基本波発生結晶3と非線形光学結晶4の間が接合されておらず、所定の間隔を隔てて配置されている例である。基本波発生結晶3と非線形光学結晶4との間の間隔は、例えば数μm〜数10μmである。
The fourth embodiment is an example in which the fundamental
また、光共振器7を構成する一対の反射鏡5,6が、基本波発生結晶3および非線形光学結晶4に対して所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、第1実施形態と異なり、反射鏡5および反射鏡6として別個の部品を設ける。
A pair of reflecting
反射鏡5,6は、第1実施形態と同様に、誘電体多層膜ミラー10からなる第1反射部と、誘電体多層膜ミラー10の最上層に形成されたグレーティング部20からなる第2反射部とを有する。なお、これらの第1反射部および第2反射部は、透明基板上に形成される。
Similarly to the first embodiment, the reflecting
反射鏡5は、励起光源2側から順にグレーティング部20および誘電体多層膜ミラー10が形成されていても、誘電体多層膜ミラー10およびグレーティング部20の順に形成されていてもよい。
The reflecting
同様に、反射鏡6は、光出力側から順にグレーティング部20および誘電体多層膜ミラー10が形成されていても、誘電体多層膜ミラー10およびグレーティング部20の順に形成されていてもよい。
Similarly, the reflecting
本実施形態に係る第2高調波発生装置1によっても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
The second
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本実施形態では、反射鏡5,6は、誘電体多層膜ミラー10からなる第1反射部と、グレーティング部20からなる第2反射部を備える構成について説明したが、第1反射部として金属ミラーを採用してもよい。また、グレーティング部20を構成するグレーティング層21として誘電体膜以外にも、金属膜を用いても良い。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
In the present embodiment, the reflecting
また、本実施形態では、第2高調波として緑色レーザ光を得る例について説明したが、励起光源2、基本波発生結晶3の材料、非線形光学結晶4の材料を変更することにより、緑色レーザ以外にも他の波長の第2高調波を得ることもできる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
In the present embodiment, an example in which green laser light is obtained as the second harmonic has been described. In addition, second harmonics of other wavelengths can be obtained.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…第2高調波発生装置、2…励起光源、3…基本波発生結晶、4…非線形光学結晶、5…反射鏡、6…反射鏡、7…光共振器、10…誘電体多層膜ミラー、11…低屈折率膜、12…高屈折率膜、20…グレーティング部、21…グレーティング層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記励起光を入射して基本波を発生する基本波発生結晶と、
前記基本波の第2高調波を発生する非線形光学結晶と、
前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶を介在させて対向する1対の反射鏡を有する光共振器とを有し、
前記反射鏡は、一定間隔でグレーティング層が配置されたグレーティング部を有し、前記グレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ前記基本波のみを反射する
第2高調波発生装置。 An excitation light source that generates excitation light;
A fundamental wave generating crystal that generates the fundamental wave upon incidence of the excitation light; and
A nonlinear optical crystal that generates a second harmonic of the fundamental wave;
An optical resonator having a pair of reflecting mirrors facing each other through the fundamental wave generating crystal and the nonlinear optical crystal;
The reflection mirror has a grating part in which grating layers are arranged at regular intervals, and reflects only the fundamental wave having a polarization direction parallel to the extending direction of the grating layer.
異なる屈折率の膜が繰り返し積層された誘電体多層膜ミラーと、
前記誘電体多層膜ミラー上に形成されたグレーティング部と
を有する請求項1記載の第2高調波発生装置。 The pair of reflectors is
A dielectric multilayer mirror in which films having different refractive indexes are repeatedly laminated;
The second harmonic generator according to claim 1, further comprising: a grating portion formed on the dielectric multilayer mirror.
請求項1記載の第2高調波発生装置。 The second harmonic generator according to claim 1, wherein the pair of reflecting mirrors are formed on both end faces of the fundamental wave generating crystal and the nonlinear optical crystal.
請求項1記載の第2高調波発生装置。 The second harmonic generator according to claim 1, wherein the pair of reflecting mirrors are disposed at a distance from the fundamental wave generating crystal and the nonlinear optical crystal.
請求項1記載の第2高調波発生装置。 The second harmonic generator according to claim 1, wherein an end face of the fundamental wave generating crystal and an end face of the nonlinear optical crystal are joined.
請求項1記載の第2高調波発生装置。 The second harmonic generator according to claim 1, wherein the fundamental wave generating crystal and the nonlinear optical crystal are arranged with a space therebetween.
請求項1記載の第2高調波発生装置。
The second harmonic generator according to claim 1, wherein an optical axis of the fundamental wave generating crystal and an optical axis of the nonlinear optical crystal are inclined.
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JP2010039317A (en) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Shimadzu Corp | Optical element and method for manufacturing optical element |
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Legal Events
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