JP2007067417A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ装置の安全性。
【解決手段】レーザの一部を受光すると信号を発生する２つ以上のディテクターを備えており、偏向器がレーザ光でスクリーンを走査する間に、ディテクターが一定時間内に信号を発生しない場合、レーザ光源からのレーザ光の発生を停止するレーザ装置。
【選択図】図２９

Description

本発明は、コヒーレント光を利用する光情報処理分野あるいは光応用計測制御分野における使用に適した光波長変換素子等の光素子、レーザ光源及びレーザ装置、ならびに光素子の製造方法に関するものである。

図１を参照しながら、光波長変換素子を用いた従来のレーザ光源を説明する。このレーザ光源は、半導体レーザ２０と固体レーザ結晶２１および非線形光学結晶であるＫＮｂＯ３による光波長変換素子２５より基本的に構成されている。

図１に示されるように８０７ｎｍで発振する半導体レーザ２０より出たポンプ光Ｐ１ａをレンズ３０にて集光し、固体レーザ結晶２１であるＹＡＧを励起する。固体レーザ結晶２１の入射面には全反射ミラー２２が形成されている。この全反射ミラーは、波長９４７ｎｍの光の９９％を反射するが、波長が８００ｎｍ帯の光は透過する。このため、ポンプ光Ｐ１ａは、効率良く固体レーザ結晶２１内に導入されるが、固体レーザ結晶２１で生成された波長９４７ｎｍの光は半導体レーザ２０の側へは出射されることなく、光波長変換素子２５の側に反射される。更に、光波長変換素子２５の出力側にも、波長９４７ｎｍの光の９９％を反射し、４００ｎｍ帯の光は透過するミラー２３が配置されている。これらのミラー２２及び２３は、波長９４７ｎｍの光のとって共振器（キャビィティ）を形成しており、この共振器内で、基本波Ｐ１となる９４７ｎｍの発振を生じさせることができる。

ミラー２２および２３で規定される共振器の中に光波長変換素子２５が挿入され、それによって高調波Ｐ２が発生することになる。共振器の内部における基本波Ｐ１のパワーは１Ｗ以上に達する。このため、基本波Ｐ１から高調波Ｐ２への変換が増大し、高いパワーを持つ高調波が得られる。５００ｍＷ出力の半導体レーザを用いて、１ｍＷの高調波が得られる。

次に、図２を参照しながら、光導波路を有する従来の光波長変換素子を説明する。図示されている光波長変換素子は、波長８４０ｎｍの基本波が入射されると、その基本波に対する第二次高調波（波長４２０ｎｍ）を発生する。このような光波長変換素子は、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ， Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ａｎｄ Ｔ．Ｔａｎｉｕｃｈｉ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ ５８， ２７３２ページ， １９９１年６月号に開示されている。

この光波長変換素子では、図２に示されるように、ＬｉＴａＯ３基板１に光導波路２が形成されており、光導波路２に沿って分極の反転した層（分極反転層）３が周期的に配列されている。ＬｉＴａＯ３基板１のうち、分極反転層３が形成されていない部分は、非分極反転層４となる。

基本波Ｐ１が光導波路２の一端（入射面１０）に入射すると、高調波Ｐ２が光波長変換素子の内部で生成され、光導波路２の他端から出力される。このとき、光導波路２を伝搬する光は、分極反転層３と非分極反転層４とが作る周期構造の影響を受けるため、発生する高調波Ｐ２と基本波Ｐ１との間にある伝搬定数の不整合が、分極反転層３および非分極反転層４の周期構造によって補償される。その結果、この光波長変換素子は高い効率で高調波Ｐ２を出力することができる。

このような光波長変換素子は、プロトン交換法により作製された光導波路２を基本構成要素として有している。

以下に、図３を参照しながら、このような光波長変換素子の製造方法を説明する。

まず、図３のステップＳ１０において、分極反転層形成工程を行う。より詳細には、まず、ＬｉＴａＯ３基板１の主面を覆うようにＴａ膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてＴａ膜をストライプ状にパターニングして、Ｔａマスクを形成する。

次に、Ｔａマスクで主面が覆われたＬｉＴａＯ３基板１に対して、２６０℃で２０分間、プロトン交換の処理を行う。こうして、ＬｉＴａＯ３基板１のうち、Ｔａマスクで覆われていない部分に厚さ０．５μｍのプロトン交換層を形成する。この後、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液を用いた２分間のエッチングによって、Ｔａマスクを除去する。

次に、５５０℃の温度で１分間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは５０℃／秒、冷却レートは１０℃／秒とする。ＬｉＴａＯ３基板１のうちプロトン交換がなされていない部分にくらべて、プロトン交換がなされた部分ではＬｉの量が減少している。そのために、プロトン交換層のキュリー温度は低下し、５５０℃の温度でプロトン交換層内に部分的に分極反転層を形成することができる。この熱処理によって、Ｔａマスクのパターンを反映したパターンを持つプロトン交換層を形成することができる。

次に、図３のステップ２において、光導波路形成工程を行う。より詳細には、ステップ２は、大きく、ステップＳ２１、ステップＳ２２及びステップＳ２３に分かれる。ステップＳ２１でマスクパターンを形成し、ステップＳ２２でプロトン交換処理を行い、ステップＳ２３で高温アニールを行う。

以下、これらの工程を説明する。

ステップＳ２１で、光導波路を形成するためのＴａマスクを形成する。このＴａマスクは、Ｔａ膜にスリット状の開口部（幅４μｍ、長さ１２ｍｍ）を形成したものである。ステップＳ２２では、このＴａマスクで覆われたＬｉＴａＯ３基板１に対して、２６０℃、１６分間のプロトン交換処理を行うことによって、一方向に直線的に延びる高屈折率層（厚さ０．５μｍ）をＬｉＴａＯ３基板１内に形成する。この高屈折率層が最終的には導波路として機能することになる。しかし、このままではプロトン交換された部分（高屈折率層）の非線形性が劣化している。この非線形性を回復するため、Ｔａマスクを除去した後、ステップＳ２２で４２０℃の１分間アニールを行う。このアニールによって、高屈折率層を縦方向及び横方向に拡大し、Ｌｉを高屈折率層中に拡散させる。こうして、高屈折率層のプロトン交換濃度を低下することによって、非線形性を回復することができる。結果的に、Ｔａマスクのスリット直下に位置する領域（高屈折率層）の屈折率は、他の領域の屈折率よりも０．０３程度上昇し、高屈折率層は光導波路として機能する。

次に、保護膜形成工程（ステップＳ３０）、端面研磨工程（ステップＳ４０）、及びＡＲコート工程（ステップＳ５０）を行うことによって、光波長変換素子が完成する。

ここで、導波路に沿って周期的に配列された分極反転層の配列周期を１０．８μｍとすれば、３次の擬似位相整合構造を形成することができる。

上記光波長変換素子によれば、光導波路２の長さを９ｍｍにした場合、波長８４０ｎｍの基本波Ｐ１（パワー２７ｍＷ）に対して、パワー０．１３ｍＷの高調波Ｐ２が得られる（変換効率０．５％）。

１次の擬似位相整合構造を形成する場合は、分極反転層の配列周期を３．６μｍにすればよい。この場合、２７ｍＷの基本波Ｐ１に対して、０．３ｍＷの高調波Ｐ２が得られる（変換効率１％）。本願発明者らは、このような光波長変換素子と半導体レーザを組み合わせることによって、青色レーザ光を出力するレーザ光源を試作している。

このような光波長変換素子には、時間が経過すると位相整合波長が変化し、その結果、高調波が得られなくなるといった問題がある。半導体レーザから出射される基本波の波長は一定に維持されるのに、光波長変換素子の位相整合波長がシフトすると、高調波の出力が徐々に低下し、ついにはゼロになってしまうことになる。

本発明の目的は、レーザ光源の安定化、高出力化を図り、また、高出力のレーザ光源をレーザ装置や光ディスク装置に組み込むことにより、これらの装置を小型・軽量化することを目的としている。

本発明の光素子の製造方法は、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板にプロトン交換層を形成する工程と、該基板を１２０℃以下の温度で１時間以上熱処理するアニール工程とを包含する。

前記アニール工程は、５０℃以上９０℃以下の温度で行うことが好ましい。

前記アニール工程は、温度を徐々に低下させる工程を包含してもよい。

ある実施形態では、前記プロトン交換層を形成する工程は、該基板に対してプロトン交換処理を行う工程と、該基板を１５０℃以上の温度で熱処理する工程とを包含する。

ある実施例形態では、前記プロトン交換層を形成する工程は、周期的に配列された複数の分極反転層を前記基板内に形成する工程と、光導波路を該基板の表面に形成する工程とを包含する。

本発明の他の光素子の製造方法は、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に対してプロトン交換処理を行う工程と、該基板に対して、少なくとも第１及び第２の熱処理を含む複数の熱処理を行うアニール工程と、を包含しており、該第２のアニールの温度は、該第１のアニールの温度よりも２００℃以上低い。

前記第２のアニールは、５０℃以上９０℃以下の温度で行うことが好ましい。

本発明の光素子は、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板と、該基板内に形成されたプロトン交換層と、を備えた光素子であって、使用時において該プロトン交換層の屈折率が経時的に変化しない安定プロトン交換層から形成されている。

ある実施形態では、前記プロトン交換層の少なくとも一部は、光導波路を構成している。

本発明のレーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を受け取り、該レーザ光を高調波に変換する光波長変換素子とを備えた光源であって、該光波長変換素子は、該レーザ光をガイドする光導波路と、該光導波路に沿って周期的に配列された分極反転構造とを備えており、該光導波路及び該分極反転構造は、使用時において屈折率が経時的に変化しない安定プロトン交換層から形成されている。

本発明の他のレーザ光源は、基本波を出射する半導体レーザと、該基本波を伝えるシングルモードファイバーと、該ファイバーから出た基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。

ある実施形態では、前記光波長変換素子が変調機能を有する。

前記光波長変換素子はＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に形成されていることが好ましい。

本発明の更に他のレーザ光源は、ポンプ光を出射する半導体レーザと、該ポンプ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たホンプ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。

前記光波長変換素子は変調機能を有することが好ましい。

前記光波長変換素子はＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に形成されていることが好ましい。

ある実施形態では、固体レーザ結晶と光波長変換素子が一体化されている。

本発明の更に他のレーザ光源は、ポンプ光を出射する半導体レーザと、該ホンプ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波を伝えるシングルモードファイバーと、該ファイバーから該基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。

前記光波長変換素子が変調機能を有することが好ましい。

本発明の更に他のレーザ光源は、レーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザと、該レーザ光を増幅する半導体レーザアンプと、該増幅されたレーザ光を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。

前記光波長変換素子が変調機能を有することが好ましい。

前記光波長変換素子はＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に形成されていることが好ましい。

ある実施形態では、半導体レーザが波長ロックされている。

本発明の更に他のレーザ光源はでは、レーザ光を出射する半導体レーザと、周期状分極反転構造と光導波路とが形成されている光波長変換素子とを備えたレーザ光源であって、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

前記光波長変換素子が変調機能を有する請求項２６に記載のレーザ光源。

前記光波長変換素子がＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に形成されている。

ある実施形態では、前記光導波路がグレーディッド型である。

本発明のレーザ装置は、レーザ光を放射する半導体レーザ、及び該レーザ光に基づいて高調波を発生する光波長変換素子を有するレーザ光源と、該高調波の出力強度を変調する変調器と、該レーザ光源から出射された該高調波の方向を変化させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該光波長変換素子には周期状分極反転構造が形成されている。

ある実施形態では、動作時に、前記半導体レーザに対して高周波が重畳される。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、を備えている。

ある実施形態では、前記半導体レーザ素子は、分布帰還型半導体レーザであり、前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。

ある実施形態では、前記光波長変換素子には、光導波路が形成されており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

本発明の他のレーザ装置は、変調された紫外レーザ光を放射するレーザ光源と、該紫外レーザ光の方向を変える偏向器とを備えたレーザ装置であって、該偏光器は該紫外レーザ光をスクリーンに照射し、それによって該スクリーン上に塗布された蛍光体から赤、緑または青色の光を発生させる。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、高調波を生成する光波長変換素子と、該半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプとを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該レーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

本発明の更に他のレーザ装置は、赤、緑及び青色のレーザ光を発生する３つのレーザ光源と、各レーザ光の強度を変化させる変調器と、各レーザ光の方向を変化させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、前記レーザ光源が半導体レーザにより構成されている。

ある実施形態では、動作時に、前記半導体レーザに対して高周波が重畳される。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、高調波を生成する光波長変換素子と、該半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプとを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該レーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも１つ以上のレーザ光源と、サブの半導体レーザと、該レーザ光源からの光の強度を変化させる変調器と、スクリーンと、該レーザ光源からの光の方向を変化させ、該光で該スクリーンを走査させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該サブの半導体レーザから出た光は該スクリーンの周辺部を走査し、該サブの半導体レーザから出た光の光路がさえぎられた場合、該レーザ光源からのレーザ光の照射を停止する。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子とを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

本発明のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも１つ以上のレーザ光源と、該レーザ光源から放射されたレーザ光の方向を変化させ、スクリーン上を該レーザ光で走査する偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該レーザの一部を受光すると信号を発生する２つ以上のディテクターを更に備えており、該偏向器が該レーザ光で該スクリーンを走査する間に、該ディテクターが一定時間内に信号が発生しない場合、該レーザ光源からのレーザ光の発生を停止する。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも１つ以上のレーザ光源と、各レーザ光の強度を変化させる変調器と、各レーザ光の方向を変化させる偏向器と、とを備え、該レーザ光源から出たレーザ光を２つ以上の光路に分割し、２方向よりスクリーンを照射する。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上である。

ある実施形態では、２つのレーザ光源により２つの光路を形成し、かつそれぞれのレーザ光源が別々の変調を受けている。

ある実施形態では、２つの光路が時間的に切り替わる。

本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも１つ以上のレーザ光源と、該レーザ光源から出たレーザ光を平行ビームにする第１の光学系と、該平行ビームを空間変調する液晶セルと、該液晶セルから出た光をスクリーンに照射する第２の光学系とを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上であることを特徴とする。

ある実施形態では、前記サブの半導体レーザが赤外半導体レーザである。

ある実施形態では、光波長変換素子の位相整合波長をずらすことでレーザ光照射を止める。

本発明の光ディスク装置は、レーザ光を生成するレーザ光源と、基本波を高調波に変換する光波長変換素子と、該光波長変換素子を内蔵した光ピックアップと、該光ピックアップを移動させるアクチュエータとを備えた光ディスク装置であって、該レーザ光源から放射された該レーザ光は、光ファイバを介して、該光ピックアップに入射される。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記光ピックアップの外部に配置された半導体レーザを含む。

ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザから出射されたレーザ光をポンプ光として前記基本波を生成する固体レーザ結晶を更に備えている。

ある実施形態では、前記固体レーザ結晶は、前記光ピックアップの外部に配置され、該固体レーザ媒体によって生成された基本波が、前記光ファイバを介して前記光波長変換素子に入射される。

ある実施形態では、前記固体レーザ結晶は、前記光ピックアップの内部に配置され、該半導体レーザから出射された前記レーザ光が、前記光ファイバを介して該固体レーザに入射される。

本発明のレーザ装置によればスキャンが停止すると、ある特定の部分に集中的にレーザ光が照射されることが防ぐため、レーザ光停止またはカット機能がある。また、センサーの信号が一瞬でも途切れると制御回路によりレーザ光源の電源は切られることになる。つまり高出力の短波長レーザ光に人間等が触れることはなく、安全である。以上によりこのレーザ装置の安全は保たれることになる。

本願発明者らは、光導波路を有する前述の光波長変換素子について、時間が経過すると位相整合波長が短くなり、高調波が出なくなる原因を考察した。

図４は、従来の光波長変換素子について、その素子の作製直後からの経過時間と高調波の出力との関係を示している。時間の経過に伴って、高調波出力は急減に低下してゆくことがわかる。

図５は、経過時間と位相整合波長との関係を示している。高調波出力は、素子の作製直後から３日後には半分になる。このとき、位相整合波長が短波長側にシフトしていることがわかる。位相整合波長λは分極反転周期Λと高調波、基本波に対する実効屈折率ｎ２Ｗ及びｎＷにより決まる。より詳細には、λ＝２（ｎ２Ｗ−ｎＷ）・Λとなる。

分極反転層の周期Λは経時的に変化することなく、一定に維持されるので、位相整合波長λの低下は、実効屈折率ｎ２Ｗ及びｎＷの変化に起因すると考えられる。

図６は、実効屈折率ｎ２Ｗと経過時間との関係を示す。図６から、実効屈折率ｎ２Ｗは、素子作製日から日が経つにつれ低下していることがわかる。

本願発明者は、この原因を以下のように考える。

光導波路を形成する場合に行う４００℃程度の高温処理が、プロトン交換層に歪等を導入し、その結果、プロトン交換層内に屈折率の上昇した層（変化層）が形成される。この歪が時間の経過とともに徐々に解放され、変化層の屈折率は本来の屈折率に近づいて行く。

高温アニール時に発生した歪等によって、屈折率の上昇した変化層が形成されるが、その変化層の屈折率は時間の経過とともに元の大きさに戻り、最終的に、変化層は安定したプロトン交換層になる。しかしながら、変化層がこのような安定プロトン交換層になるには何年もかかる。なお、本願明細書では、常温（約０℃〜約５０℃）での使用によっては、実効屈折率が経時的に低下しない状態にあるプロトン交換層を、「安定プロトン交換層」と称することとする。

以上が、本願発明者の考える経時変化のメカニズムである。このことを確認するために、経時変化により屈折率が低下したサンプルに対して、３００℃１分間のアニールを施した。この程度のアニール温度及び時間では、プロトン等の拡散をほとんど生じないため、導波路は広がらない。このため、従来の考え方によれば、プロトン交換層の屈折率は何も変化しないはずである。ところが、発明者の実験によると、３００℃１分間のアニールによって屈折率が再び上昇した。さらに、このアニールの後、時間の経過とともに、屈折率は再び低下するという現象が観測された。

本願発明は、比較的に高い温度の熱処理によってプロトン交換層内に生じた歪を緩和し、それによって、光波長変換素子の経時変化を防止することができる。

以下に、図面を参照しながら実施例を説明する。

（実施の形態１）
図７を参照しながら、本発明の第１の実施例を説明する。

本実施例の光波長変換素子では、安定プロトン交換層からなる光導波路がＬｉＴａＯ３基板１に形成され、光導波路に沿って複数の分極反転層３が周期的に配列されている。光導波路の入力端に基本波Ｐ１を入射することで、その出力端から高調波Ｐ２が出射される。本実施例の光波長変換素子の長さ（導波路の長さ）は、９ｍｍである。また、波長８５０ｎｍに対して動作するように、分極反転層３の一周期の長さを３．７μｍに設定している。

以下に、図８Ａから図８Ｅを参照しながら、光波長変換素子の製造方法を説明する。図８Ａに示されるように、まず、ＬｉＴａＯ３基板１の主面を覆うようにＴａ膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてＴａ膜（厚さ：約２００〜３００ｎｍ）をストライプ状にパターニングして、Ｔａマスク６を形成する。本実施例で使用するＴａマスク６は、幅１．２μｍで長さが１０ｍｍのストリッブが等間隔で配列されたパターンを持ち、ストリップの配列周期は３．７μｍである。Ｔａマスク６で主面が覆われたＬｉＴａＯ３基板１に対して、プロトン交換処理を行う。このプロトン交換処理は、２３０℃に加熱したピロ燐酸中に基板１の表面を１４分間浸すことによって実行される。こうして、ＬｉＴａＯ３基板１のうち、Ｔａマスクで覆われていない部分に厚さ０．５μｍのプロトン交換層７を形成する。この後、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液を用いた２分間のエッチングによって、Ｔａマスクを除去する。

次に、図８Ｂに示されるように、５５０℃の温度で１５秒間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層７内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは５０〜８０℃／秒、冷却レートは１〜５０℃／秒とする。ＬｉＴａＯ３基板１のうちプロトン交換がなされていない部分にくらべて、プロトン交換がなされた部分ではＬｉの量（濃度）が減少している。そのために、プロトン交換層７のキュリー温度は他の部分よりも低下し、５５０℃の熱処理でプロトン交換層７内に部分的に分極反転層３を形成することができる。この熱処理によって、Ｔａマスク６の周期パターンを反映した周期的パターンを持つ分極反転層３を形成することができる。

次に、光導波路を形成するためのＴａマスク（不図示）を形成する。このＴａマスクは、基板１の上に堆積したＴａ膜（厚さ：約２００〜３００ｎｍ）にスリット状の開口部（幅４μｍ、長さ１２ｍｍ）を形成したものである。この開口部が、導波路の平面レイアウトを規定することになる。導波路の形状は、直線的なものに限定されないことは言うまでもない。形成すべき導波路の形状に応じて、Ｔａマスクのパターンが決定される。Ｔａマスクで覆われたＬｉＴａＯ３基板１に対して、２６０℃、１６分間のプロトン交換処理を行うことによって、図８Ｃに示されるように、ＬｉＴａＯ３基板１のうちＴａマスクの開口部の下に位置する領域に、直線的に延びるプロトン交換層（厚さ０．５μｍ、幅５μｍ、長さ１０ｍｍ）５を形成する。この直線状に延びるプロトン交換層５が、最終的には導波路として機能することになる。この後、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液を用いた２分間のエッチングによってＴａマスクを除去する。

次に、赤外線加熱装置を用いて４２０℃で１分間のアニールを行う。このアニールによって、プロトン交換層５の非線形性が回復するとともに、図８Ｄに示されるように、屈折率の０．０３程度上昇した変化層８ｂが形成される。このアニールは、前述のように、基板１内でＬｉ及びプロトンを拡散させ、プロトン交換層５のプロトン交換濃度を低下させる機能を果たす。このあと、基板１の主面上に保護膜として機能する厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜（不図示）を堆積する。

次に、変化層８ｂに対して垂直な基板１の面を光学的に研磨し、光波長変換素子の入射部および出射部を形成したあと、図８Ｅに示されるように、入射部及び出射部の研磨面に、無反射（ＡＲ）コート１５を形成する。

次に、経時変化を防止するための低温アニールを行う。本願明細書では、「低温アニール」は、プロトン交換層のプロトン濃度を実質的に低下させないような温度で行う熱処理を意味する。例えばＬｉＴａＯ３基板の場合、「低温アニール」は、約１３０℃以下の温度で行う熱処理を意味する。本実施例では、オーブンを用いて大気雰囲気下で６０℃、４０時間の熱処理を行う。このような低温アニールによって、安定プロトン交換層８ａが形成される。この安定プロトン交換層８ａが光導波路を構成する。

図９を参照して、上記製造工程のフローを説明する。

基板への分極反転層形成工程（ステップＳ１０）の後、光導波路形成工程（Ｓ２０）を行う。光導波路形成工程（Ｓ２０）は、大きく、ステップＳ２１、ステップＳ２２及びステップＳ２３に分かれる。ステップＳ２１でマスクパターンを形成し、ステップＳ２２でプロトン交換処理を行い、ステップＳ２３で高温アニールを行う。その後保護膜形成工程（ステップＳ３０）、端面研磨工程（ステップＳ４０）、ＡＲコート工程（ステップＳ５０）を施す。このままでは波長変換素子の経時変化があるので、ステップＳ６０で低温アニールを施し、安定プロトン交換層を形成する。

図１０は低温アニールの温度が６０℃の場合と１２０℃の場合について、アニール時間との関係を示している。位相整合波長シフト量は、１２０℃のアニールによれば、数時間でほぼ一定になるが、６０℃のアニールによれば、ほぼ一定になるのに数十時間かかる。

図１０から、低温アニールの温度が高いほど、短いアニール時間で安定状態になることがわかる。また、アニール温度が低い程、安定状態に変化したときの位相整合波長シフト量はゼロに近い値を示す。このように、低温アニールの温度を高くすれば、シフト量のゼロへの戻りに要する時間は短いが、その反面、歪みが比較的に大きく残存することなる。

図１１は、安定状態に復帰したときの位相整合波長シフト量と低温アニールの温度との関係を示す。図１１から、１２０℃のアニールを行えば、位相整合波長が０．５ｎｍ程度シフトした状態で安定することがわかる。１５０℃以上のアニールを行えば、安定化後の位相整合波長のシフト量は０．８ｎｍ以上になる。このような大きさの位相整合波長のシフトが残っていると、光波長変換素子の長期的な使用は困難になる。もし位相整合波長のシフトの許容範囲を０．５ｎｍ以下とした場合、１２０℃を越える温度でアニールを行っても許容範囲内にシフト量を縮小することができなくなる。位相整合波長シフトの許容範囲を広げると、変換効率が低下する。位相整合波長のシフト量が０．５ｎｍを越えると、シフト量がゼロの場合の１／４程度の出力しか得られなくなる。低温アニール温度を６０℃で行えば、アニール時間は長くなるが、シフト量は０．１ｎｍ以下に低減できるので、変換効率低下の問題はなくなる。位相整合波長のシフト量は、約０．２ｎｍ以下に抑えることが好ましい。

本実施例によれば、光導波路２における非分極反転層４及び分極反転層３の屈折率に経時変化がなく、また、光が導かれるときの伝搬損失は小さい。半導体レーザからのレーザ光（波長８５０ｎｍ）を、基本波Ｐ１として入射部に入射し、光導波路を伝搬させたところ、光はシングルモードで伝搬し、波長４２５ｎｍの高調波Ｐ２が出射部から基板外部へ取り出された。光導波路２の伝搬損失は１ｄＢ／ｃｍと小さく、高調波Ｐ２が有効に得られた。基本波２７ｍＷの入力で１．２ｍＷの高調波（波長４２５ｎｍ）を得た。この場合の変換効率は４．５％である。

図１２は、経過日数と高調波出力との関係を示す。図１３は、経過日数と位相整合波長との関係、及び経過日数と屈折率変化との関係を示す。

これらの図から、屈折率変化および位相整合波長は、素子の作製直後から一定となっていることがわかる。本発明の光波長変換素子の製造方法によれば、屈折率変化が時間経過に対して生じないため位相整合波長が一定な光波長変換素子が実現できた。この素子を半導体レーザと組み合わせると安定な短波長レーザが製造できる。６０℃程度の温度では４０時間以上の低温アニールが特に有効である。

（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施例を説明する。

まず、ＬｉＴａＯ３基板の主面を覆うようにＴａ膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてＴａ膜（厚さ：約２００〜３００ｎｍ）をストライプ状にパターニングして、Ｔａマスクを形成する。本実施例で使用するＴａマスクは、幅１．２μｍで長さが１０ｍｍのストリッブが等間隔で配列されたパターンを持ち、ストリップの配列周期は３．６μｍである。Ｔａマスクで主面が覆われたＬｉＴａＯ３基板１に対して、プロトン交換処理を行う。このプロトン交換処理は、２６０℃に加熱したピロ燐酸中に基板の表面を２０分間浸すことによって実行される。こうして、ＬｉＴａＯ３基板のうち、Ｔａマスクで覆われていない部分に厚さ０．５μｍのプロトン交換層を形成する。この後、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液を用いた２分間のエッチングによって、Ｔａマスクを除去する。

次に、５５０℃の温度で１５秒間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層７内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは５０℃／秒、冷却レートは１０℃／秒とする。この熱処理によって、Ｔａマスクの周期パターンを反映した周期的パターンを持つ分極反転層を形成することができる。

図１４を参照しながら、上記工程の後に続く工程のフローを説明する。

まず、基板の分極反転層が配列された面に対してプロトン交換処理を施し、それによって光導波路を形成する（ステップＳ１００）。光導波路形成用のマスクとしては、Ｔａ膜に幅４μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成したものを用いる。

次に、２６０℃、１６分間のピロ燐酸中でプロトン交換を行った（ステップＳ１１０）後、Ｔａマスクを除去する。厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜で基板の主面を覆った後に、低温アニール（ステップＳ１２０）を行い、光導波路の形成を完了する。低温アニールは、屈折率上昇を防止するため、空気中で１２０℃の熱処理を２００時間行った。この低温アニールによって、安定プロトン交換層が形成される。

以上の工程によって、基板に分極反転層および光導波路が形成される。分極反転層の厚さを２．２μｍとした場合、波長変換を有効に行うために、光導波路の厚みｄを分極反転層の厚さより薄く、例えば１．８μｍに設定する。波長８４０ｎｍに対して動作させるには、分極反転層の周期は３．６μｍに設定される。

上記製造方法によれば、非分極反転層及び分極反転層に屈折率の経時的変化は生じず、光の伝搬損失は小さい。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。このようにして光波長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは９ｍｍである。

基本波Ｐ１として半導体レーザ光（波長８４０ｎｍ）を導波路の入射部に入射させたところ、波長４２０ｎｍの高調波Ｐ２が出射部から基板外部に取り出された。出力８０ｍＷの基本波の入力に対して、出力１０ｍＷの高調波（波長４２０ｎｍ）が得られた。この場合の変換効率は１２％である。光損傷はなくまた、経時変化もまったくなく高調波出力は非常に安定していた。この実施例のようにプロセスの途中で高温アニール工程を入れないようにすると経時変化が防止できる。

（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施例として、ＬｉＮｂＯ３基板（厚さ：０．４〜０．５ｍｍ）を用いた場合について説明する。

まず、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、上記各実施例で使用したＴａマスクのパターンと同様のパターンを有するＴａ電極（第１のＴａ電極）をＬｉＮｂＯ３基板の主面上に形成する。

この後、基板の裏面全体にＴａ膜（第２のＴａ電極）を堆積する。基板の主面に形成した第１のＴａ電極と、基板の裏面に形成した第２のＴａ電極とによって、基板に電界を印加するための電極構造が構成される。

次に、第１のＴａ電極と第２のＴａ電極との間に電圧（例えば１０キロボルト）を与えて、ＬｉＮｂＯ３基板内に電界を形成する。この電圧印加によって、基板の表面のうち第１のＴａ電極に接触している部分から基板の裏面にまで延びた分極反転層が形成される。

次に、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液にて２分間エッチングし、Ｔａ電極を除去する。次に、スリット状の開口部（幅４μｍ、長さ１２ｍｍ）を持つＴａマスクを基板上に形成した後、ピロ燐酸を用いたプロトン交換処理（２３０℃、１０分間）を施して光導波路を形成する。このＴａマスクを除去した後、赤外線加熱装置を用いて４２０℃２分間のアニールを行う。このアニールによって、光導波路における非線形性は回復するが、屈折率が０．０２程度上昇した変化層が形成される。

この後、保護膜として機能する厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を基板上に堆積する。次に、屈折率上昇の原因である歪みを緩和するため、空気中で１００℃２０時間のアニール（第１段低温アニール）を行った後、引き続き、６０℃１０時間のアニール（第２段低温アニール）を行う。このように、本実施例では２段階の低温アニールを行う。低温アニールを２段階にわけて行うのは、低温アニールに要するトータルの時間を短縮するためである。１００℃でのアニールによれば、６０℃でのアニールに比べて歪が早く緩和されるが、図１１に示されるような１００℃における位相整合波長シフト量に対応する歪が残留する。そのため、さらに６０℃での低温アニールを追加的に行い、歪を完全に消失させる。この２段階アニールによって、早くかつ完全に、経時変化の生じにくい「安定プロトン交換層」を形成できる。

上記のような工程により形成された光導波路の厚みｄは、１．８μｍである。分極反転層の配列周期は３μｍであり、波長８４０ｎｍに対して動作する。光導波路に垂直な面を光学研磨し、入射部および出射部を形成した。このようにして光波長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは１０ｍｍである。基本波Ｐ１として半導体レーザ光（波長８４０ｎｍ）を入射部より導波させたところ、波長４２０ｎｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外部に取り出された。基本波８０ｍＷの入力で１３ｍＷの高調波（波長４２０ｎｍ）を得た。経時変化はまったくなく高調波出力は非常に安定していた。

なお、この実施例では、異なる温度で２種類の低温アニール（２段アニール）を行ったが、例えば、１００℃から６０℃まで３０時間かけて徐々に温度を低下させるような低温アニールを行っても良い。

（実施の形態４）
次に、図１５Ａから図１５Ｃを参照しながら、本発明による第４の実施例を説明する。

まず、液層エピタキシャル成長法によって、図１５Ａに示されるように、ＬｉＮｂＯ３とＬｉＴａＯ３の混合物膜（ＬｉＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３膜）１６’をＬｉＴａＯ３基板１上に成長させる。この時、成長温度は１０００℃を越え、歪が混合物膜１６とＬｉＴａＯ３基板１との境界面に残る。次に、図１５Ｂに示されるように、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、混合物膜１６’上にレジストマスク１７を形成する。次に、図１５Ｃに示されるように、イオンビームエッチングによって、混合物膜１６のうちレジストマスク１７で覆われていない部分を除去し、例えば幅が４μｍの光導波路１６を残置する。

蒸着法によって厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２を基板１上に堆積した後、屈折率上昇を緩和するための低温アニールを行う。このアニールは、１００℃で３０時間で行う第１段低温アニールと、これに引き続く７０℃で６０時間行う第段低温アニールとからなる。この低温アニールによって、屈折率変化のない安定な光導波路層１６が得られる。

上記工程により形成された光導波路の厚さｄは、１．８μｍである。また、この素子の長さは９ｍｍである。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。半導体レーザ光（波長８４０ｎｍ）を入射部より導波させたところ、導波ロスは非常に少なかった。屈折率の経時変化も測定限界以下であり非常に安定していた。混合物膜の材料は、ＬｉＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３に限定されず、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０＜ｘ＜１）や他の光学材料であってもよい。

（実施の形態５）
次に、本発明の第５の実施例を説明する。

図１６を参照しながら、本実施例のプロセスフローの概略を説明する。

まず、光導波路形成工程を行う。光導波路形成工程は、大きく、ステップＳ２００、ステップＳ２１０及びステップＳ２２０に分かれる。ステップＳ２００でマスクパターンを形成し、ステップＳ２１０でプロトン交換処理を行い、ステップＳ２２０で高温アニールを行う。その後、電極形成工程（ステップＳ２３０）、低温アニール工程（ステップＳ２４０）、端面研磨工程（ステップＳ２５０）、ＡＲコート工程（ステップＳ２６０）を施す。

以下に、プロセスの詳細を説明する。

まず、通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａをスリットにパターニングする。次にＴａによるパターンが形成されたＬｉＴａＯ３基板１に２３０℃、１０分間プロトン交換を行いスリット直下に厚み０．５μｍのプロトン交換層を形成する。次にＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去する。拡散炉を用いて４００℃で１時間アニール（第１のアニール）を行い屈折率が０．０１程度上昇した変化層が形成される。次に電極形成工程として、蒸着によりＳｉＯ２を３００ｎｍ付加した。そして電極マスクとしてＡｌをストライプ状に蒸着した後パターニングを行った。次に屈折率上昇を緩和するため低温アニールを施した。空気中で７０℃、１０時間アニールを行った。これにより安定プロトン交換層が形成される。ここでは第１のアニールより３３０℃低い温度で第２のアニールを行った。２００℃以上低くすることで歪を大きく緩和でき有効である。最後に研磨、ＡＲコートを施した。

上記のような工程により電極付きの光導波路が製造された。これは、光変調器として機能する。この光導波路の厚みは８μｍである。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。このようにして光素子が製造できる。また、この素子の長さは９ｍｍである。電極に変調信号を加え、基本波として半導体レーザ光（波長１．５６μｍ）を入射部より導波させたところ、出射部より変調された光が取り出された。経時変化はなくバイアス電圧は２０００時間以上安定していた。

なお上記実施例では、何れも、光素子の一例として光波長変換素子及び光変調器に関して本願発明を説明してきたが、本願発明はこれに限定されることなく、平面デバイスであるフレネルレンズやホログラム等にも適用可能である。プロトン交換処理に伴う屈折率の時間変化が防止でき特性の劣化が抑えられる。

（実施の形態６）
次に、図１７を参照しながら、本発明の第６の実施例を説明する。本実施例は、半導体レーザと光波長変換素子とを備えた短波長光源である。

図１７に示されるように、半導体レーザ２０より出たポンプ光Ｐ１ａはレンズ３０で集光され固体レーザ結晶であるＹＡＧ２１を励起する。

ＹＡＧ２１には９４７ｎｍに対する全反射ミラー２２が形成されており波長９４７ｎｍでレーザ発振し、基本波Ｐ１が放射される。一方光波長変換素子２５の出射側に基本波Ｐ１の全反射ミラー２３が形成されており、レーザ発振はこの間で生じていることになる。基本波Ｐ１はレンズ３１により集光され光波長変換素子２５により基本波Ｐ１は高調波Ｐ２へと変換される。この実施例では周期構造が形成された周期状分極反転構造を持つ光波長変換素子としてＬｉＴａＯ３基板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路２を用いたものである。

図１７で１はＺ板のＬｉＴａＯ３基板、２は形成された光導波路、３は分極反転層、１０は基本波Ｐ１の入射部、１２は高調波Ｐ２の出射部である。光導波路２に入った基本波Ｐ１は位相整合長Ｌの長さを持った分極反転層３で高調波Ｐ２に変換され、次の同じくＬの長さを持った非分極反転層４で高調波パワーは増す事になる。

このようにして光導波路２内でパワーを増した高調波Ｐ２は出射部１２より放射される。発散された高調波Ｐ２はレンズ３２で平行光にされる。

また、光波長変換素子２５には電極１４が保護膜１３を介して形成されている。次にこの光波長変換素子２５の製造方法について図を使って簡単に説明する。

まず、図１８Ａに示されるように、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、上記各実施例で使用したＴａマスクのパターンと同様のパターンを有するＴａ電極（第１のＴａ電極）６を、厚さ０．３ｍｍのＬｉＮｂＯ３基板１の主面上に形成する。

この後、基板１の裏面全体にＴａ膜（第２のＴａ電極）６ｂを堆積する。基板１の主面に形成した第１のＴａ電極６と、基板１の裏面に形成した第２のＴａ電極６ｂとによって、基板１に電界を印加するための電極構造が構成される。

次に、第１のＴａ電極６と第２のＴａ電極６ｂとの間に電圧（例えば１０キロボルト）を与えて、ＬｉＮｂＯ３基板１内に電界を形成する。この電圧印加によって、図１８Ｂに示されるように、基板１の表面のうち第１のＴａ電極６に接触している部分から基板１の裏面にまで延びた分極反転層３が形成される。光が伝搬する方向に沿った分極反転層３の長さＬは２．５μｍである。この後、ＨＦ：ＨＮＦ３の１：１混合液にて２０分間エッチングし、Ｔａ電極６及び６ｂを除去する。

次に、スリット状の開口部（幅４μｍ、長さ１２ｍｍ）を持つＴａマスク（不図示）を基板１上に形成した後、ピロ燐酸を用いたプロトン交換処理（２６０℃、４０分間）を施して、図１８Ｃに示されるように、光導波路２を形成する。Ｔａマスクは、スリット（幅６μｍ、長さ１０ｍｍ）を有しており、このスリットが光導波路２の平面レイアウトを規定する。Ｔａマスクを除去した後、赤外線加熱装置を用いて４６０℃で５時間のアニールを行う。このアニールによって、プロトン交換された光導波路は非線形性を回復し、その部分の屈折率は０．００２程度上昇する。光は、この屈折率の高い光導波路２に沿って伝搬する。この光導波路２の厚みｄは５０μｍ、幅７０μｍである。導波路２が延びる方向に沿った分極反転層３の配列周期は５μｍであり、この光波長変換素子は波長９４７ｎｍの基本波に対して動作する。

次に、図１８Ｄに示されるように、ＳｉＯ２から形成された保護膜（厚さ３００〜４００ｎｍ）１３を基板１上に形成した後、Ａｌ膜（厚さ２００ｎｍ）を蒸着によって保護膜１３上に形成する。Ａｌ膜をフォトリソグラフイ技術によってパターニングし、Ａｌ電極１４を形成する。Ａｌ電極１４は、出力光の強度変調のために用いられる。

光導波路２の延びる方向に対して垂直な面を光学的に研磨し、図１７に示される入射部１０および出射部１２を形成する。さらに入射部１０には基本波Ｐ１に対する無反射コートを施す。出射部１２には基本波Ｐ１に対する反射コート（９９％）、高調波Ｐ２に対する無反射コートを施す。

このようにして図１７に示される光波長変換素子２５（素子長さ１０ｍｍ）を製造できる。

図１７で基本波Ｐ１として波長９４７ｎｍを入射部１０より導波させたところシングルモード伝搬し、波長４７３ｎｍの高調波Ｐ２が出射部１２より基板外部に取り出された。光導波路２の伝搬損失は０．１ｄＢ／ｃｍと小さく、共振器の性能は向上し、基本波Ｐ１のパワー密度が増大し、そして高調波Ｐ２が高効率で発生した。

低損失化の原因としては、燐酸により均一な光導波路を形成できたこと、および導波路の閉じ込めを小さくしたが考えられる。また、この閉じ込めの弱い光導波路により、高調波の密度は小さくなり、光損傷が大幅に改善された。従来の面積の１００倍にすることで、１００倍の光損傷に耐えることができるからである。

図１９は、光導波路厚みと耐光損傷パワーとの関係を示す。耐光損傷パワーとは、いくらまでの青色の高調波に耐えるか、つまり光変動を生じないかのパワーである。光導波路の厚みを広げると、同時に拡散により幅も広がるため、耐光損傷パワーは光導波路厚みのほぼ２乗に対して向上することがわかる。レーザ投射に必要なパワーは最低２Ｗなので光導波路厚みは４０μｍ以上であることが望ましい。

また、導波路とその周辺部における屈折率の分布が、ステップ状に変化する場において、導波路の断面を拡大すると、マルチモード伝搬現象が生じる。これを避けるため、本実施例では、グレーディッド型屈折率分布を持つ導波路を形成している。

半導体レーザ２０の出力光Ｐ１ａの出力が１０Ｗのとき、出力３Ｗの高調波Ｐ３を得た。この場合の変換効率は３０％である。光波長変換素子の波長変動に対する許容度は０．４ｎｍである。波長が０．４ｎｍずれても固体レーザの発振波長は一定であり、高調波出力は安定していた。変調用Ａｌ電極１４に電圧を印加することで、導波路及びその近傍の屈折率が変化し、光波長変換素子の位相整合波長がシフトする。電圧の印加によって位相整合波長が大きくシフトするという現象を利用することによって、約１００Ｖという比較的に低い電圧の印加で、高調波出力の変調を行うことができる。

このように本実施例で用いる周期状分極反転構造を用いた光波長変換素子によれば、電圧を印加することで簡単に高調波出力を変調することができ、必要な印加電圧も低く、産業上の利用価値が高い。

これにより変調器を一体化することができ、小型、軽量、低コスト化が図れる。また、本発明で用いた非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ３は大型結晶が入手でき光ＩＣプロセスを用いた光波長変換素子の量産化も容易であるという特徴もある。なお基本波に対してマルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的ではなくシングルモードが有効である。この実施例のように、光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また光変調器を一体化でき、また、周期を変えると青だけでなく、赤、緑色のレーザ光も取り出せ、その価値は大きい。なお、光変調器は分離しても良い。

次に、図２０を参照しながら、本発明のレーザ投射装置の実施例を説明する。図２０に示されるように、このレーザ投射装置の光源には、図１７に示される青色のレーザ光源を用いた。４５は青色である波長４７３ｎｍ帯のレーザ光源である。また変調用電極に変調信号を入力することで青色光は変調されている。変調された青色レーザ光は偏向器に入射する。５６は垂直偏向器、５７は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。ゲイン３のスクリーン７０を用いて、画面サイズ４ｍ×３ｍにおいて輝度３００ｃｄ／ｍ２、コントラスト比１００：１、水平解像度１０００ＴＶを得た。従来に比べこのように解像度は大幅に向上した。また、ガスレーザを用いた構成に比べ重量が１０００分の１、容量が１０００分の１、消費電力が１００分の１と大幅に改善することができた。これは、用いたレーザ光源が小型、低消費電力であること、さらに光変調器が一体となっていることが大きく寄与している。つまり、半導体レーザと光波長変換素子を用いた構成は超小型が図れること、また電気からの変換効率がガスレーザの２桁程度高いことによる。特に光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また光変調器を一体化できその効果は絶大である。本実施例ではスクリーン後方から、レーザ光を照射したが、前方から照射することもできる。

次に、図２１を参照しながら、本発明のレーザ光源の他の実施例を説明する。

図２１に示されるように、半導体レーザ２０から出た基本波Ｐ１はレンズ３０、半波長板３７、集光レンズ３１を介して光波長変換素子２５に導かれ高調波Ｐ２に変換される。つまりこの例では固体レーザを使わず青色光を得ている。光波長変換素子２５の構成は実施例１とほぼ同様である。本実施例でもＬｉＴａＯ３基板、光導波路型の光波長変換素子を用いている。また、光変調を行うため電極１４および保護膜１３が形成されている。ただし、本実施例では共振器構造にはしていない。

図２２は、半導体レーザ２０の内部構成を示す。半導体レーザ２０は分布帰還型（以下ＤＢＲと略す）半導体レーザ２０ａと半導体レーザアンプ２０ｂより構成されている。ＤＢＲ半導体レーザ２０ａにはグレーティングによるＤＢＲ部２７が形成されており一定の波長で安定に発振する。このＤＢＲ半導体レーザ２０ａより出た安定化された基本波Ｐ０をレンズ３０ａにより半導体レーザアンプ２０ｂに導く。この半導体レーザアンプ２０ｂの活性層２６ｂでパワーが増幅され、安定な基本波Ｐ１となる。これを、光波長変換素子２５に入れることで変換効率および高調波出力が大幅に向上する。分極反転の周期は３μｍ、光導波路長は７ｍｍである。この実施例での半導体レーザの発振波長は９６０ｎｍで、発生した高調波Ｐ２の波長は４８０ｎｍ、色は青色であった。変換効率は１０Ｗ入力で１０％である。光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。ＤＢＲ半導体レーザは発振波長が安定で、高調波出力の安定化には好都合である。

次にこのＤＢＲ半導体レーザにＲＦ重畳（高周波重畳）を行った。８００ＭＨｚのサイン状電気波形をＤＢＲ半導体に印加し、緩和振動を利用し半導体レーザをパルス列の光出力化を行った。ＤＢＲ半導体レーザをこのようにＲＦ重畳すると、発振波長は一定のまま、基本波のピーク出力が大幅に向上する。基本波の平均出力１０Ｗより変換効率５０％の高調波、５Ｗが得られた。ＲＦ重畳しないときの５倍変換効率が向上した。

なお、本実施例ではＤＢＲ半導体レーザと半導体レーザアンプを分離したが、集積化するとより小型化が図れる。

次に、図２３の断面図を参照しながら、本発明のレーザ光源の更に他の実施例を説明する。半導体レーザ２０からの基本波Ｐ１はレンズ３０で緩やかに光波長変換素子２５に集光される。本実施例ではＬｉＴａＯ３基板の代わりにＬｉＮｂＯ３を基板として用いた。またバルク型の光波長変換素子２５を用いている。ＬｉＮｂＯ３基板１ａは非線形性が大きいという特徴がある。半導体レーザ２０をＲＦ駆動することでピークパワーが向上し、光波長変換素子の変換効率が大幅に向上する。分極反転層３の周期は３．５μｍ、光波長変換素子２５の長さは７ｍｍである。この実施例では光フィードバック法を用いて高調波Ｐ２出力を安定化している。光波長変換素子２５の波長許容度は０．１ｎｍ程度と狭いからである。光波長変換素子２５で変換されなかった基本波Ｐ１はレンズ３２で平行化され、グレーティング３６で反射し半導体レーザ２０に戻る。これにより半導体レーザ２０の発振波長はグレーティング３６の反射波長にロックされる。光波長変換素子２５の位相整合波長に発振波長を合わせるにはグレーティング３６の角度を変えてやれば良い。

一方、高調波Ｐ２はダイクロイックミラー３５で反射され別方向に取り出される。この実施例では半導体レーザの発振波長は９８０ｎｍで取り出された高調波Ｐ２は４９０ｎｍの青色であった。このときＲＦ周波数は８１０ＭＨｚ、出力は５Ｗの電気波形を入れた。また、基本波の平均出力１５Ｗで３Ｗの高調波が得られた。光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。光損傷がないのは基本波を１００μｍ程度にしか集光していないため、高調波も同程度と密度の点では大きくないためである。

なお、本実施例ではグレーティングによる光フィードバックによる波長ロックを行ったが、フィルターで波長を選択し光フィードバックを行う等これに限ることはない。また、本実施例のレーザ光源を用いてレーザ投射装置を構成すると、小型、軽量、低コスト化が図れる。また、本実施例では半導体レーザを直接変調することで高調波も変調でき、構成が簡単であり低コスト化が図れる。

次に、図２４を参照しながら、本発明のレーザ光源の他の実施例を説明する。図２４において、光波長変換素子（バルク型）２５の断面が示されている。

波長８０６ｎｍの半導体レーザ２０より出たポンプ光Ｐ１ａはファイバー４０に入射し、ファイバー４０中を伝搬する。ファイバー４０から出たポンプ光Ｐ１ａは光波長変換素子２５に入る。光波長変換素子２５の材料は希土類であるＮｄがドープされたＬｉＴａＯ３基板１ｂであり、周期５．１μｍの分極反転構造が形成されている。Ｎｄのドープ量は１ｍｏｌ％である。２２は全反射ミラーで波長９４７ｎｍの光を９９％全反射し８００ｎｍ帯の光は透過する。また、２３も全反射ミラーで波長９４７ｎｍの光を９９％全反射し４７０ｎｍ帯の光は透過する。また、この全反射ミラー２３の部分は球面状に加工されている。つまり球面ミラーの役割を果たしている。光波長変換素子２５は半導体レーザ２０より励起された９４７ｎｍの波長で発振し、さらに分極反転層３による周期状分極反転構造により高調波Ｐ２に変換され外部に出射される。ポンプ光Ｐ１が２０Ｗにて２Ｗの高調波が得られた。また、光波長変換素子の温度が大きく変化しないようにペルチエ素子にて温度安定化が図られている。この実施例のレーザ光源の変換部の長さは１０ｍｍであり、光波長変換素子に希土類をドープすることおよびファイバーでポンプ光を伝搬させることで非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザからの発熱から光波長変換素子を遠ざけることで温度変化を防止することができる。

また、全反射ミラー２２および２３のコーティングを１０６０ｎｍ帯の反射に、分極反転層３の周期を１０６０ｎｍ用に変えることで、１０６０ｎｍが発振し、高調波Ｐ２として緑色レーザ光（波長５３０ｎｍ）が得られた。さらに、全反射ミラー２２および２３のコーティングを１３００ｎｍ帯の反射に、分極反転層３の周期を１３００ｎｍ用に変えることで、１３００ｎｍが発振し、高調波Ｐ２として赤色レーザ光（波長６５０ｎｍ）が得られた。この構成では簡単に青、緑、赤色の三原色レーザ光が得られる。次に固体レーザ結晶と光波長変換素子を分離した構成を図２５に示す。固体レーザ結晶２１としてＮｄ：ＹＶＯ４をファイバーの出力側に張り付けた。ＬｉＴａＯ３基板１の光波長変換素子２５には周期状に分極反転構造が形成されている。この構成のレーザ光源においても安定に２Ｗの青色レーザ光を得ることができた。

本発明の更に他の実施例について図面を用いて説明する。図２６に本実施例のレーザ光源の構成図を示す。波長８０６ｎｍの半導体レーザ２０より出たポンプ光Ｐ１ａは固体レーザ結晶２１で基本波Ｐ１に変換されファイバー４０に入射し、ファイバー４０中を伝搬する。このファイバー４０はシングルモードファイバーである。ファイバー４０から出た基本波Ｐ１は光波長変換素子２５に入る。この実施例では周期状分極反転構造を持つ光波長変換素子２５としてＬｉＴａＯ３基板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路２を用いたものである。同図で１はＺ板のＬｉＴａＯ３基板、２は形成された光導波路、３は分極反転層、１０は基本波Ｐ１の入射部、１２は高調波Ｐ２の出射部である。光導波路２に入った基本波Ｐ１は分極反転層３で高調波Ｐ２に変換される。このようにして、光導波路２内でパワーを増した高調波Ｐ２は出射部１２より放射される。発散された高調波Ｐ２はレンズ３２で平行光にされる。

また、素子には電極１４が保護膜１３を介して形成されている。ポンプ光Ｐ１ａが３０Ｗにて１０Ｗの高調波Ｐ２が得られた。光波長変換素子２５に形成されている電極１４に変調信号を入れることで青色レーザ光は３０ＭＨｚで変調された。この実施例のレーザ光源の変換部の長さは１０ｍｍであり、ファイバーで基本波Ｐ１を伝搬させることで非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザから光波長変換素子を遠ざけることで温度上昇を防ぐことができる。

図２６は、固体レーザ結晶を用いない実施例を示している。

半導体レーザは９８０ｎｍ、出力１０Ｗのものを用いる。これを光波長変換素子２５にファイバー４０を通して結合し、直接変換を行う。４９０ｎｍの波長で、出力２Ｗが得られた。

次に、図２７を参照しながら、本発明のレーザ投射装置を説明する。光源には実施例５の青色レーザ光源および緑色レーザ光源および赤色レーザ光源の３色を用いた。４５は青色である波長４７３ｎｍ帯のレーザ光源である。４６は波長５３０ｎｍの緑色のレーザ光源、４７は波長６５０ｎｍの赤色のレーザ光源である。それぞれの光波長変換素子には変調用の電極が付けられている。この変調用電極に変調信号を入力することでそれぞれの光源出力は変調されている。緑色レーザ光はダイクロイックミラー６１により青色レーザ光と合波される。また、ダイクロイックミラー６２により赤色レーザ光と他の２色が合波される。５６は垂直偏向器、５７は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。ゲイン３のスクリーン７０を用いて、画面サイズ２ｍ×１ｍにおいて輝度２０００ｃｄ／ｍ２、コントラスト比１００：１、水平解像度１０００ＴＶ本、垂直解像度１０００ＴＶ本を得た。このように本発明のレーザ投射装置は明るく、高解像度であり、また消費電力は極めて小さく、その効果は絶大である。

本実施例では分極反転型の光波長変換素子を用いたがこれに限ることはない。また、レーザ光源のうち、赤色を半導体レーザ直接発振のものを使用すると、さらに低コスト化が図れる。そのほか、青色、緑色レーザとして半導体レーザ直接発振のものを用いることもできる。その組み合わせは自由である。

また、本実施例では安全のために以下の工夫がこらされている。レーザ光のスキャンが停止した時にレーザの電源が自動的に切れるようになっている。また、投射されるレーザ光のまわりには出力の弱いサブの半導体レーザである赤外レーザ光が周囲をスキャンしており、この光に物体が触れるとレーザ光は自動に切れるようになっている。赤外半導体レーザは低コスト、高寿命という特徴がある。

次に、これらについて図２８を用いて説明する。３原色である３本のレーザ光はスクリーン７０において描画範囲７１内を偏向器によりスキャンされている。このレーザ光は描画範囲７１の周辺に位置するセンサーＡおよびＢ上を通過する。このセンサーＡおよびＢの出力信号は常にモニターされている。一方赤外半導体レーザによる赤外レーザ光源からのレーザ光は偏向器５８によりスクリーン７０の周辺を常にスキャンされている。この反射光はセンサーＣに入る。つまり、周辺部のあらゆる点での反射光はセンサーＣに入るようになっている。

次に、制御について図２９を用いて説明する。図２９においてセンサーＡおよびＢのいずれかの信号が一定時間に制御回路に入らないときはレーザ光源の主電源が切れ、青、赤、緑色レーザ光源は停止する。つまりスキャンが停止することで、ある特定の部分に集中的にレーザ光が照射されることが防げる。また、センサーＣの信号が一瞬でも途切れると制御回路によりレーザ光源の電源は切られることになる。つまり高出力の短波長レーザ光に人間等が触れることはなく、安全である。以上によりこのレーザ投射装置の安全は保たれることになる。

なお、実施例ではレーザ光源の電源を切ったが、レーザの光路を遮断しても良い。また、光波長変換素子の位相整合波長を電圧等でずらしたり、基本波光源である半導体レーザの発振波長を変えて、短波長レーザ光の発生を停止しても良い。この方法では再復帰までの時間を大幅に短縮できる。

次に、図３０を参照しながら、本発明の３次元レーザ投射装置の実施例を説明する。

つまり見る側からすると立体的に見える装置である。図３０に本実施例のレーザ投射装置の構成図を示す。図３０に示すように３色レーザ光にプリズム型光路変換器６６を入れることで２方向にレーザ光は分割される。この分割されたレーザ光はそれぞれのミラー６４、６５で反射され、変調器５ａおよび５ｂで変調されスクリーン７０に入る。変調器５ａ、５ｂによりそれぞれ右方向から見た画像、左方向から見た画像情報が乗せられ、スクリーン７０に異なる方向から光が入り立体的に見える。また、一定時間で光路１と光路２が入れ替わり、人間にとって２つの方向から別方向の像が来たように感じ立体像がさらにクリアになる。この実施例のように立体視用メガネなしに、簡単に立体像を見ることができる。

なお、光をハーフミラー等で２分割して、立体化しても良い。また、１つの光源を分割したが同色のレーザ光源を２つ用い別方向よりスクリーンに照射しても良い。この場合１つの光源出力は半分で済む。

次に、本発明のレーザ投射装置の更に他の実施例を説明する。

図３１は、本実施例のレーザ投射装置の構成図を示す。光源には光波長変換素子を基本とした紫外のレーザ光源が用いられている。これを蛍光体が塗布されたスクリーン７０に照射することで、赤、緑、青色のＲＧＢ光が発光する。レーザ光源の構成は半導体レーザの直接発振である赤色レーザ光６５０ｎｍをＬｉＴａＯ３の光波長変換素子にて半分の波長３２５ｎｍにした。この光波長変換素子はバルク型で分極反転構造が形成されたものである。４８はこのレーザ光源である。ここでは赤色の半導体レーザを直接変調することで、紫外の変調信号を得ている。変調された紫外レーザ光は偏向器に入る。５６は垂直偏向器、５７は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。スクリーン７０には赤、緑、青を発生させる蛍光体が塗布されており、蛍光を生じる。画面サイズ１ｍ×０．５ｍにおいて輝度３００ｃｄ／ｍ２、コントラスト比１００：１、水平解像度６００ＴＶを得た。この実施例のように１つのレーザ光源で赤、緑、青の３原色光を発生することができ、小型、低コスト化が図れる。この時合波のためのダイクロイックミラーを省けることも有効に作用している。

次に、図３２を参照しながら、本発明のレーザ投射装置の実施例を説明する。図３２に示されるように、光源には光波長変換素子を基本とした青色のレーザ光源４５が用いられている。レーザ光源４５から出たレーザ光はレンズ３０で平行化される。この平行化されたレーザ光に液晶ライトバブル６８が挿入されている。この液晶ライトバルブ６８に信号を加えることで空間的に変調され、この光をレンズ３１で拡大しスクリーンに投射することで映像をみることができる。なお、３原色のレーザ光源を使うとカラー化できる。

従来に比べて効率が大幅に向上し、消費電力が低減された。また、発熱が小さく有効である。

次に、図３２を参照しながら、本発明のレーザ投射装置を説明する。外観構成は図２０に示されるレーザ投射装置の実施例と同じである。光源には、図２３の青色のレーザ光源を用い、ここでの半導体レーザはＲＦ重畳されている。また、ＲＦ重畳に加えて変調信号を入力することで青色光は変調されている。変調された青色レーザ光は偏向器に入射する。ゲイン２のスクリーンを用いて、画面サイズ２ｍ×１ｍにおいて輝度２００ｃｄ／ｍ２を得た。スクリーン上にレーザ光の干渉によって生じるスペックルノイズは観測されなかった。これはＲＦ重畳によりレーザ光のコヒーレント性を落としているためであり、半導体レーザのＲＦ重畳がスペックルノイズ対策に重要な貢献をはたしている。本実施例では図２３のレーザ光源の構成を用いたが、半導体レーザの直接波長変換によるレーザ光源を用いたレーザ投射装置にはＲＦ重畳は有効である。また、半導体レーザ光で直接赤、または緑、青色レーザ光を発生させる場合もスペックルノイズは防止できる。また、カラーのレーザ投射装置に有効であることは言うまでもない。

なお、前記実施例では、非線形光学結晶として、ＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３を用いたが、ＫＮｂＯ３、ＫＴＰ等の強誘電体、ＭＮＡ等の有機材料およびそれらの材料に希土類をドープしたものにも適用可能である。また、希土類は実施例で用いたＮｄだけでなくＥｒやＴｌも有望である。なお、固体レーザ結晶としてＹＡＧを用いたが他にＹＬＦ，ＹＶＯ４等の結晶も効果がある。ＬｉＳＡＦやＬｉＣＡＦも固体レーザとしては効果がある。

次に、図３３を参照しながら、本発明のレーザ光源を光ディスク装置に応用した例を説明する。

この光ディスク装置は、周期状反転構造を有する光波長変換素子２５を有する光ピックアップ１０４内に備えており、半導体レーザ２０から出射されたレーザ光はファイパー４０を介して光ピックアップ１０４内の光波長変換素子２５に与えられる。

光ピックアップ１０４は、光波長変換素子２５の他に、光波長変換素子２５から出た高調波を平行光に変換するコリメーターレンズ３２と、コリメートされた光を光ディスクに向けて透過させる偏光ビームスプリッター１０５と、その光を光ディスク上に集める集光レンズ１０６と、光ディスクからの反射光を検出するディテクター１０３とを備えている。偏光ビームスプリッター１０５は、光ディスクからの反射光を選択的に反射してディテクター１０３に与える。

光ピックアップ１０４は、アクチュエーターにより駆動されるが、半導体レーザ２０は、光ディスク装置内に固定されている。光ピックアップ１０４は、光ディスク装置内に固定された半導体レーザ２０からのレーザ光をフレキシブルな光ファイバによって確実に受け取ることができる。

次に、動作を税明する。

半導体レーザ２０から出射された光（ポンプ光）は、固体レーザ２１で基本波Ｐ１に変換され、光ファイバー４０を通して、光波長変換素子２５に照射される。光波長変換素子２５は、前述の実施例と同様の構成を持ち、基本波Ｐ１を高調波Ｐ２に変換する。この高調波Ｐ２はコリメートレンズ３２で平行化され、偏光ピームスプッリター１０５を通過後、集光レンズ１０６を介して光ディスク媒体１０２に集光される。光ディスク媒件１０２からの反射光は再ぴ同一の光路を戻り、偏光ビームスプリッター１０５で反射され、ディテククー１０３で検出される。

こうして、光ディスク媒体に対して信号が記録され、または記録されていた信号を再生することかできる。

４分の１波長板１０８が偏光ピームスプッリター１０５と集光レンズ１０６との間に挿入されており、高調波の往路と復路でその偏光方向を９０度だけ回転させる。

半導体レーザ２０として、出力が１Ｗのものを用いた場合、２００ｍＷの高調波Ｐ２を得た。固体レーザ２１から出射される光の波長は９４７ｎｍであり、高調波の波長は４７３ｎｍである。

出カ２００ｍＷというハイパワーのレーザ光を用いることで、従来の２０ｍＷの出力光を用いていた光ディスク装置によるときの記録速度の１０倍の速度で記録することができる。転送レートは６０Ｍｂｐｓであった。

また、動作時に発熱する半導体レーザ２０は、光ディスク装置の筐体に固定さてれており、光ピックアッブからは離れている。このため、光ピックアップ内から半導体レーザが取り除かれた結果、半導体レーザのための特別の放熟構造を設ける必要が無くなる。このため、超小型、軽量の光ピックアップを構成することができる。その結果、光ピックアップをアクチュエーターを高速で駆動することができるので、高い転送レートの高速記録が達成される。

なお、本実施例では、固体レーザを半導体レーザ側に配置したが、光波長変換素子側に配置しても良い。また、固体レーザを用いず、半導体レーザからの光を基本波として直接に高調波に変換しても良い。

なお、光ピックアップ１０４の内部構成は、本実施例のものに限定されない。例えば、偏光分離ホログラムを用いることによって、レンズおよび偏光ビームスプリッターを省くこが可能となる。そうすれば、光ピックアップをさらに小型化することができる。

産業上の利用の可能性

以上説明したように、本発明の光波長変換素子によれば、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦Ｘ≦１）基板に光素子作製後、低温アニールすることで高温アニール等の熱処理時に生じた屈折率上昇を戻し、安定プロトン交換層を形成し、これにより安定な光素子を形成することができる。特に、屈折率変化に伴い位相整合波長が変化する光波長変換素子の実用化には本発明が不可欠である。

また、低温アニールとして温度を２段にする２段アニールにより早くかつ完全に経時変化がない状態である安定プロトン交換層に戻すことができ有効である。また、第１のアニールより２００℃低い温度で第２のアニールを行うことで歪を大きく緩和でき安定プロトン交換層が形成でき有効である。また、低温アニール温度としては１２０℃以下で、少なくとも１時間以上行えば経時変化０．５ｎｍ以下であり有効であり、特に、９０℃以下では位相整合変化は小さく特に有効である。５０℃以下になるとアニール時間が極端にかかり問題となるのでそれ以上で行う必要がある。

また、本発明のレーザ光源によれば分布帰還型半導体レーザと光波長変換素子の間に半導体レーザアンプを介することにより、半導体レーザの発振波長を安定化し、かつ基本波出力を増大させること、および高効率である分極反転構造を有する光波長変換素子を用いることで、最高の高調波出力が安定に得られる。

また、本発明のレーザ光源ではファイバーでポンプ光または基本波を伝搬させることで光波長変換素子部分が非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザからの発熱から光波長変換素子を遠ざけることができ、温度変化を防止することができ、高出力半導体レーザを用いることができる。

また、光波長変換素子として、周期状分極反転構造を用いると、変換効率が大幅に向上するだけでなく、電圧を印加することで簡単に変調することができ、また電圧も低く工業的である。これにより変調器を一体化することができ、小型、軽量、低コスト化が図れる。また光波長変換素子として閉じ込めの弱い光導波路を採用することで、高調波の密度は小さくなり、光損傷が大幅に改善された。例えば、従来の面積の１００倍にすることで、１００倍の光損傷に耐えることができるからである。また、本発明のレーザ光源によれば、固体レーザ結晶によるポンプ光から基本波への変換により、マルチストライプやワイドストライプの高出力半導体レーザを用いることができ高出力の高調波を得ることができる。

これらより、例えば半導体レーザの電気−光間の変換効率３０％の光波長変換素子の変換効率７０％をかけ、２０％のトータル変換効率を得ることが可能となる。また、本発明のレーザ光源において半導体レーザをＲＦ重畳することでＲＦ重畳しないときの例えば５倍変換効率が向上する。

また、本発明のレーザ投射装置によれば半導体レーザをベースとしているため大幅な小型、軽量化、さらに低コスト化が図れる。また、半導体レーザおよび光波長変換素子を基本とした高出力レーザ光源を用いることにより装置の小型、軽量、低コスト化を一挙に図るものである。また、消費電力も極めて小さくできる。この装置は別にレーザ光の変調器を有さず、光波長変換素子と一体化することもその要因の一つである。また、従来に比べ解像度も大幅に向上する。例えば、ガスレーザを用いた構成に比べ重量が１０００分の１、容量が１０００分の１、消費電力が１００分の１と大幅に改善することができた。これは、用いたレーザ光源が小型、低消費電力であること、さらに光変調器が一体となっていることが大きく寄与している。つまり、半導体レーザと光波長変換素子を用いた構成は超小型が図れること、また電気からの変換効率がガスレーザの２桁程度高いことによる。特に光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また低電圧駆動の光変調器を一体化できその効果は絶大である。

また、紫外のレーザ光源で蛍光体をたたき３原色を出せるのでさらなる小型、低コスト化が図れ、その工業的価値は大きい。このように１つのレーザ光源で赤、緑、青の３原色光を発生することができる。この時合波のためのダイクロイックミラーを省けることも有効に作用している。

また、本発明のレーザ投射装置によればスキャンが停止すると、ある特定の部分に集中的にレーザ光が照射されることが防ぐため、レーザ光停止またはカット機能がある。また、センサーの信号が一瞬でも途切れると制御回路によりレーザ光源の電源は切られることになる。つまり高出力の短波長レーザ光に人間等が触れることはなく、安全である。以上によりこのレーザ投射装置の安全は保たれることになる。

また、半導体レーザの直接波長変換によるレーザ光源を用いたレーザ投射装置にはＲＦ重畳は有効である。これはスペックルノイズを防止でき、きれいな映像を再生できるからである。また、半導体レーザ光で直接赤、または緑、青色レーザ光を発生させる場合もスペックルノイズは防止できる。

図１は、従来の短波長光源を示す図。 図２は、従来の光波長変換素子の構成図。 図３は、従来の方法による光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。 図４は、従来の光波長変換素子の高調波出力の時間変化を示す図。 図５は、従来の光波長変換素子の位相整合波長の経時変化を示す図。 図６は、従来の光素子の屈折率経時変化を示す図。 図７は、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の構成図。 図８Ａは、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。 図８Ｂは、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。 図８Ｃは、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。 図８Ｄは、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。 図８Ｅは、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。 図９は、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。 図１０は、アニール温度をパラメーターにした位相整合波長のアニール時間に対する変化を示す特性図。 図１１は、アニール温度と位相整合波長変化量との関係を示す特性図。 図１２は、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の出力時間特性を示す図。 図１３は、本発明の第１の実施例の光波長変換素子の位相整合波長および実効屈折率の時間特性を示す図。 図１４は、本発明の第２の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。 図１５Ａは、本発明の第４の実施例の光素子の製造方法の工程図。 図１５Ｂは、本発明の第４の実施例の光素子の製造方法の工程図。 図１５Ｃは、本発明の第４の実施例の光素子の製造方法の工程図。 図１６は、本発明の第５の実施例の光素子の製造方法の工程フローチャート。 図１７は、本発明のレーザ光源の実施例の構造図。 図１８Ａは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。 図１８Ｂは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。 図８１Ｃは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。 図１８Ｄは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。 図１９は、本発明のレーザ光源に使用する光波長変換素子の光導波路厚みと耐光損傷性の関係を示す特性図。 図２０は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。 図２１は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。 図２２は、本発明の実施例のレーザ光源に使用する半導体レーザの構成図。 図２３は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。 図２４は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。 図２５は、本発明の実施例のレーザ光源で分離タイプの構成図。 図２６は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。 図２７は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。 図２８は、本発明の実施例のレーザ装置の自動停止装置の構成図。 図２９は、本発明の実施例のレーザ装置の自動停止装置の制御系の図。 図３０は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。 図３１は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。 図３２は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。 図３３は、本発明の実施例の光ディスク装置の構成図。

Claims (6)

1. 半導体レーザを含んだ少なくとも１つ以上のレーザ光源と、
   該レーザ光源から放射されたレーザ光の方向を変化させ、スクリーン上を該レーザ光で走査する偏向器と、を備えたレーザ装置であって、
   該レーザの一部を受光すると信号を発生する２つ以上のディテクターを更に備えており、
   該偏向器が該レーザ光で該スクリーンを走査する間に、該ディテクターが一定時間内に信号を発生しない場合、該レーザ光源からのレーザ光の発生を停止することを特徴とするレーザ装置。
2. 前記レーザ光源は、
   高調波を生成する光波長変換素子と、
   前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子に伝えるシングルモードファイバーと、をさらに備えている、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザ光源は、
   前記半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、
   該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、
   該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、
   をさらに備えている請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、前記レーザ光源は、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている請求項１に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザ光源は、
   前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子をさらに備えており、
   該光導波路の幅および厚みが、それぞれ４０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記光波長変換素子の位相整合波長をずらすことでレーザ光照射を止める請求項２、３及び５のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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