JP2007250800A

JP2007250800A - レーザー装置

Info

Publication number: JP2007250800A
Application number: JP2006071741A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Mifune; 博庸三船
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】簡単な構成で不要光を処理したレーザー装置を提供する。
【解決手段】波長変換されなかった基本波光を分離し、基本波光を外部に漏れるのを阻止するビームトラップ手段を備えたことにより、簡単な構成で不要光を処理したレーザー装置の提供を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー装置に関し、特にレーザー光を波長変換するレーザー装置に関するに関する。

従来、レーザー光の波長を変換する波長変換の方式には、波長変換素子を用いて第二高調波発生（Second Harmonic Generation:ＳＨＧ）などの非線形光学現象を用いた方式がある。
このような第二高調波波長変換は、レーザー結晶をたとえば半導体レーザーで励起することにより出力される周波数ω（波長λ）のレーザー光（＝基本波）を出射するレーザー光源と、レーザー光源から出射された基本波光を集光する集光レンズと、集光レンズより集光された基本波を波長変換して周波数２ω（波長λ／２）の変換光を発生させる非線形光学結晶とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

非線形光学結晶は、集光レンズにより集光される基本波光のビームウエスト位置に結晶の中心が配置されるように設置されており、基本波の２倍の周波数の変換光を発生する波長変換素子である。２倍の周波数は、波長に換算すると、基本波の波長の１／２の波長ということになる。この非線形光学結晶は、基本波光と波長変換光との位相が整合するように、結晶の方位や分極反転構造などを適切に調整することにより、基本波光を効率よく波長変換することができる。

結晶の方位を利用する方法では、波長分散を補償するだけの複屈折が要求されるため複屈折性が大きくて波長分散の小さい結晶に限定され、用いる結晶の非線形光学定数や結晶方位に制約がある。この制約を打破する方法として提案されたのが周期的分極反転構造による「擬似位相整合（Quasi-Phase Matching:ＱＰＭ）法」であり、この周期的分極反転構造を波長変換に用いることにより変換効率を向上することができる。

図６は、励起光が入射されたレーザー結晶から発生した周波数ωの基本波をＱＰＭ波長変換デバイスに入射する従来構成を示したものである。
同図において、６０１は半導体レーザー、６０２は光学系、６０３はレーザー結晶、６０４は集光レンズ、６０５はＱＰＭ波長変換デバイスをそれぞれ示す。
特開平１１−２７１８２３号公報

ところで、波長変換に利用される基本波の割合は、波長変換デバイスの変換効率で決まっており、変換されなかった基本波光は波長変換デバイスを透過する不要な光となる。従来、基本波光と波長変換光との合成光を波長選択性のある膜を有するフィルターやミラーなどで、２つの光に分離したり、特許文献１に開示された発明のように変換されなかった基本波光を再び波長変換に用いたりしていたが、分離した光の処理の問題や構造が複雑になるなどの課題があった。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で不要光を処理したレーザー装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、レーザー結晶と、半導体レーザーまたは発光ダイオードからなる励起光源と、励起光源から出射した光を前記レーザー結晶へ入射させる励起光学系と、前記レーザー結晶を挟むように配置された共振器と、前記レーザー結晶から出力される基本波光を波長変換するための素子とを有するレーザー装置において、波長変換されなかった基本波光を分離し、該基本波光を外部に漏れるのを阻止するビームトラップ手段を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ビームトラップ手段として基本波を吸収する吸収部を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ビームトラップ手段は基本波光が反射しながら伝播する第１伝播部を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記ビームトラップ手段は基本波が回折しながら伝播する第２伝播部を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記ビームトラップ手段は放熱手段を有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記放熱手段は冷却システムを有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記ビームトラップ手段から発生する熱を波長変換素子へ熱伝達させる伝達手段を有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７記載のいずれか１項記載の発明において、前記ビームトラップ手段の基本波を吸収する吸収部に微細構造を形成したことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の発明において、前記ビームトラップ手段は非平行な導光路構造を有することを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、前記ビームトラップ手段は基本波が進行する方向に対し屈曲した構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、波長変換されなかった基本波光を分離し、基本波光を外部に漏れるのを阻止するビームトラップ手段を備えたことにより、簡単な構成で不要光を処理したレーザー装置の提供を実現することができる。

本発明に係るレーザー装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るレーザー装置の一実施の形態の概観図である。図２は、図１に示したレーザー装置のビームトラップの断面図である。

レーザー装置は、半導体レーザー１０１と、半導体レーザー１０１からの光をビーム整形しさらにコリメートするためのコリメートレンズ１０２と、コリメート光を集光するための集光レンズ１０３と、レーザー媒質となる元素を添加したレーザー結晶１０４と、レーザー結晶１０４から発振された基本波光を非線形光学結晶波長変換デバイスに入射させるための集光レンズ１０５と、基本波光を入力すると波長変換する非線形光学結晶波長変換デバイス（以下「波長変換デバイス」という）１０６と、波長変換デバイス１０６で波長変換された光と波長変換されなかった基本波光
とを分離するためのフィルター１０７と、分離された基本波光を処理するためのビームトラップ１０８とで構成される。

半導体レーザー１０１は、図示しないサブマウント上に配置され、図示しない温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）と、空冷ユニットなどとで温度制御される。

また、レーザー結晶１０４は、レーザー結晶１０４自身から発生する熱を排出するための温度制御ユニット（たとえばペルチェ素子など）と空冷ユニット上に配置される。

さらに、波長変換デバイス１０６も温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）で温度制御される。
半導体レーザー１０１はレーザー結晶１０４を励起するための光源で、レーザー結晶１０４の吸収波長にあわせた波長域を有し、励起のための光出力が必要な場合は１つの半導体レーザーではなく線状に配置された半導体レーザーアレイとしても構わない。

レーザー結晶１０４として、Ｎｄ（ネオジム）をドープしたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）を用いている。レーザー結晶１０４は、レーザー発振する波長である１０６４ｎｍに対して、半導体レーザー１０１に対する面では反射率１００％、レーザー光が出射する面では反射率が９７％のコーティングを施している。また、レーザー結晶１０４の吸収波長は８０８ｎｍである。

従って半導体レーザー１０１の波長も８０８ｎｍを含むものとする。またレーザー結晶１０４の大きさは０．５ｍｍ角で高さが１ｍｍである。

波長変換デバイス１０６としては、先に述べた周期的分極反転構造による擬似位相整合法を用いたデバイスを用いている。具体的には、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を周期的に分極反転したものを用いる。このときの周期ピッチは波長に合わせて６．９μｍとしている。入力面と出力面とは研磨され、基本波光と波長変換光とに対して反射防止コートされている。

基本波光と波長変換光とを分離するためのフィルター１０７として回折格子を利用する。回折格子は透過タイプでｎλ＝２ｄｓｉｎθを適切なピッチを持って作製されている。また、回折格子は透過型でも反射型でもよい。さらに、フィルター１０７としては、ある波長光は反射し別の波長光は透過するような波長選択性を持ったダイクロイックミラーなどの多層膜フィルターで、波長ごとに分離してもかまわない。

ビームトラップ１０８は、図２に示したように、導光路２０１が形成されている。導光路２０１中には第１伝播部としての反射部２０２と、第２伝播部としての回折部２０３と、吸収部２０４とが形成され、導光路２０１は全体が四角錘形状をしており、最後の先端部分で中心軸が曲がる形状となっている。導光路２０１は、それぞれの面を個別に作製した後、貼り合せている。
尚、本実施形態ではビームストラップ１０８の形状を四角錘形状としたが、本発明はこれに限定されず三角錐形状でもよい。

また、反射部２０２は、反射層を有する構造となっており、回折部２０３は１次元周期構造が形成されており、その一つ一つの構造は非対称な断面構造となっており、吸収部２０４は、さらに周期ピッチが小さい構造で断面が三角形の構造となっている。導光路２０１自身はＳｉ等の不透明材料やガラスなどの透明材料に対してリソグラフィやエッチングなどの半導体加工方法で表面に必要な周期形状を加工し、その表面に反射層を設けてもよい。

また、吸収部２０４は、光吸収材料を基板表面に塗布した後に微細加工し、光吸収の効率を上げるような構造を設けても構わない。吸収材料としては、光を熱に変換する材料で、具体的には金属蒸着膜あるいは、カーボンブラック、赤外吸収色素を光熱変換材料として含有する層で構成される。吸収部２０４には外側に向かって放熱のためのフィン（例えば、アルミニウムからなる）が配置されている。

続いて図１に示したレーザー装置の動作について説明する。
半導体レーザー１０１は、放射角が水平方向と垂直方向とでは大きく異なるため、２つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズ１０２としている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。このコリメートの際に、投影面がほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。

次に、集光レンズ１０３により、レーザー結晶１０４へ入射させる。
ここでレーザー結晶１０４が励起光を吸収し、レーザー発振する。発振する波長は、レーザー結晶１０４の両面に施したコーティングで決まり、１０６４ｎｍの基本波光を発振する。

この基本波光は集光レンズ１０５で集光され、波長変換デバイス１０６に入射する。入射した光は、波長変換デバイス１０６で波長変換され、半分の波長５３２ｎｍの光となるが、変換されなかった基本波光はそのまま波長変換デバイス１０６を透過する。

このようにして、波長変換デバイス１０６からは２つの光（基本波光と波長変換光）が出射される。

続いて、フィルター１０７で基本波光と波長変換光とが回折され、両光は、波長の差による回折角の違いによって、２つの光に分離される。回折格子では長波長の光の方が短波長の光に比べて回折角が大きくなることから、波長変換光よりも基本波光の方が大きな回折角となる。

このようにして分離した基本波光をビームトラップ１０８に入射させる。基本波光がビームトラップ１０８に入射すると、ビームトラップ１０８内を伝播中に基本波光が吸収され、熱に変換されフィンを通して空気中に放熱される。ビームトラップ１０８内での光の伝播は、図２に示すようにまず反射部２０２では表面で反射されて先に伝播し、次の回折部２０３でいろいろな角度を持つ光となって散乱に近い状態でさらに先に伝播し、最後の吸収部２０４の微細な構造部分でほぼ散乱に近い状態の光を吸収する。このとき、回折部２０３では光が逆進しないように、マイナス側の回折光が出ない状態を断面が非対称な周期構造で実現している。

次に本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態について説明する。
図３は、本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態を示す概観図である。以下、図１に示したレーザー装置と同様の部材には共通の符号を用いた。
同図に示すレーザー装置は、半導体レーザー１０１と、半導体レーザー１０１からの光をビーム整形しさらにコリメートするためのコリメートレンズ１０２と、コリメート光を集光するための集光レンズ１０３と、レーザー媒質となる元素を添加したレーザー結晶１０４と、レーザー結晶１０４で発振した基本波光を波長変換デバイス１０６に入射させるための集光レンズ１０５と、基本波光を入力すると波長変換する波長変換デバイス１０６と、波長変換デバイス１０６で波長変換された光と波長変換されなかった基本波光とを分離するためのフィルター１０７と、分離された基本波光を処理するためのビームトラップ１０８とで構成されている。

さらにビームトラップ１０８には冷却システムが設けられている。
半導体レーザー１０１は図示しないサブマウント上に配置され、図示していない温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）と、空冷ユニットなどとで温度制御される。

また、レーザー結晶１０４は、レーザー結晶１０４自身から発生する熱を排出するための温度制御ユニット（たとえばペルチェ素子など）と、空冷ユニット上に配置される。

さらに、波長変換デバイス１０６も温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）で温度制御される。
半導体レーザー１０１は、レーザー結晶１０４を励起するための光源で、レーザー結晶１０４の吸収波長にあわせた波長域を有し、励起のための光出力が必要な場合は１つの半導体レーザー１０１ではなく線状に配置された半導体レーザーアレイとしてもよい。レーザー結晶１０４の材質としては、ＮｄをドープしたＹＡＧを用いている。レーザー結晶１０４は、レーザー発振する波長である１０６４ｎｍに対して、半導体レーザー１０１に対する面では反射率１００％、レーザー光が出射する面では反射率が９７％のコーティングが施されている。

また、レーザー結晶１０４の吸収波長は８０８ｎｍである。従って半導体レーザー１０１の発振波長も８０８ｎｍを含むものとする。またレーザー結晶１０４の大きさは例えば０．５ｍｍ角で高さが１ｍｍである。波長変換デバイス１０６としては、先に述べた周期的分極反転構造による擬似位相整合法を用いたデバイスを用いている。具体的には、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を周期的に分極反転したものを用いる。この周期ピッチは波長に合わせて６．９μｍとしている。波長変換デバイス１０６の入力面と出力面とは研磨され、基本波光と波長変換光とに対して反射防止コートが施されている。

基本波光と波長変換光とを分離するためのフィルター１０７として回折格子を利用する。回折格子は透過タイプでｎλ＝２ｄｓｉｎθを適切なピッチを持って作製されている。また、回折格子は透過型でも反射型でもよい。さらに、フィルター１０７としては、ある波長光は反射し他の波長光は透過するような波長選択性を持ったダイクロイックミラーなどの多層膜フィルターで、入射光を波長ごとに分離してもよい。

ビームトラップ１０８は、前述したように図２に示す導光路２０１が形成され、導光路２０１中に反射部２０２と、回折部２０３と、吸収部２０４とが形成され、導光路２０１は全体が四角錘形状を有しており、最後の先端部分で軸が曲がる形状を有している。
導光路２０１はそれぞれの面を個別に作製した後、貼り合せている。本実施の形態では導光路２０１の形状を四角錘としたが、三角錐でもよい。なお、反射部２０２は反射層を有する構造となっており、回折部２０３は１次元周期構造が形成されており、その一つ一つの構造は非対称な断面構造となっており、吸収部２０４はさらに周期ピッチが小さい構造で断面が三角形の構造となっている。導光路２０１自身はＳｉ等の不透明材料やガラスなどの透明材料に対してリソグラフィやエッチングなどの半導体加工方法で表面に必要な周期形状を加工し、その表面に反射層を設けてもよい。

また、吸収部２０４は、光吸収材料を基板表面に塗布した後に微細加工し、光吸収の効率を上げるような構造を設けても構わない。吸収材料としては、光を熱に変換する材料が用いられ、具体的には金属蒸着膜あるいは、カーボンブラック、赤外吸収色素を光熱変換材料として含有する層で構成される。

吸収部２０４には発生した熱を移動させるため、冷却システムとして水冷パイプ３０１が配置されている。この水冷パイプ３０１は、レーザー装置の外部にあるフィンと放熱用のファン３０２とがあるところまで配管され、吸収部２０４で発生した熱を水冷パイプ３０１の液体（例えば、エチレングリコール）に伝達させ、放熱用のファン３０２がある部分まで液体が移動し、フィン構造中を液体が通り放熱用のファン３０２で冷却されて、再び吸収部２０４に液体が戻ってくる構造となっている。

続いて動作について説明する。
半導体レーザーは放射角が水平方向と垂直方向とでは大きく異なるため、２つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズとしている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。このコリメートの際に、投影面がほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。

次に、集光レンズ１０２により、レーザー結晶１０４へ入射させる。
ここでレーザー結晶１０４が励起光を吸収し、レーザー発振する。発振する波長は、レーザー結晶１０４の両面に施したコーティングで決まり、１０６４ｎｍの基本波光を発振する。
この基本波光は集光レンズ１０５で集光され、波長変換デバイス１０６に入射する。入射した光は、波長変換デバイス１０６で波長変換され、半分の波長５３２ｎｍとなるが、変換されなかった基本波はそのまま波長変換デバイス１０６を透過する。

このようにして分離した基本波光をビームトラップ１０８に入射させる。基本波光がビームトラップ１０８に入射すると、基本波光がビームトラップ１０８内で伝播して吸収され、熱に変換される。さらにこの熱は水冷パイプ３０１により熱移動させられて、移動中、フィンのある部分、及び放熱用のファン３０２のある部分で冷却され空気中に放熱され、熱移動を行った液体は再びビームトラップ１０８に戻ってくる。

このようにしてビームトラップ１０８で発生した熱は、レーザー装置内に留まることなく外部へ放熱される。ビームトラップ１０８内での光の伝播は、図２に示すようにまず反射部２０２では表面で反射されて先に伝播し、次の回折部２０３でいろいろな角度を持つ光となって散乱に近い状態でさらに先に伝播し、最後の吸収部２０４の微細な構造部分でほぼ散乱に近い状態の光を吸収する。このとき、回折部２０３では光が逆進しないように、マイナス側の回折光が出ない状態を断面が非対称な周期構造で実現している。

図４は、本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態の概観図である。
同図に示すレーザー装置は、半導体レーザー１０１と、半導体レーザー１０１からの光をビーム整形しさらにコリメートするためのコリメートレンズ１０２と、コリメート光を集光しレーザー結晶１０４に対して側面から入射するための集光レンズ１０３と、レーザー媒質となる元素を添加したレーザー結晶１０４と、レーザー結晶１０４から発振された基本波光を波長変換デバイス１０６に入射させるための集光レンズ１０５と、基本波光を入力すると波長変換する波長変換デバイス１０６と、波長変換デバイス１０６で波長変換された光と波長変換されなかった基本波光とを分離するためのフィルター１０７と、分離された基本波光を処理するためのビームトラップ１０８とで構成されている。

これら半導体レーザー１０１、コリメートレンズ１０２、集光レンズ１０３、及びレーザー結晶１０４はひとつの基板４０１上に配置されている。また、波長変換デバイスとビームトラップとは別のひとつの基板４０２上に配置されている。
半導体レーザー１０１は図示しないサブマウント上に配置され、図示しない温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）と、空冷ユニットなどとで温度制御される。

また、レーザー結晶１０４は、レーザー結晶１０４自身から発生する熱を排出するための温度制御ユニット（たとえばペルチェ素子など）と空冷ユニット上に配置されている。

さらに、波長変換デバイス１０６も温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）で温度制御される。
半導体レーザー１０１は、レーザー結晶１０４を励起するための光源で、レーザー結晶１０４の吸収波長にあわせた波長域を有し、励起のための光出力が必要な場合は１つの半導体レーザーではなく線状に配置された半導体レーザーアレイとしてもよい。

レーザー結晶１０４の材質としては、ディスク状のＮｄをドープしたＹＡＧを用いている。レーザー結晶１０４は、レーザー発振する波長である１０６４ｎｍに対して、基板４０１に設置する面では反射率１００％、レーザー光が出射する面では反射率が９７％のコーティングを施している。また、レーザー結晶１０４の吸収波長は８０８ｎｍである。従って半導体レーザー１０１の発振波長も８０８ｎｍを含むものとする。
またレーザー結晶１０４の大きさは例えば０．５ｍｍ角で高さが１ｍｍである。

波長変換デバイス１０６としては、先に述べた周期的分極反転構造による擬似位相整合法を用いたデバイスを用いている。具体的には、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を周期的に分極反転したものを用いる。この周期ピッチは発振波長に合わせて６．９μｍとしている。波長変換デバイス１０６の入力面と出力面とは研磨され、基本波光と波長変換光とに対して反射防止コートされている。

基本波光と波長変換光とを分離するためのフィルター１０７として回折格子を利用する。回折格子は透過タイプでｎλ＝２ｄｓｉｎθを適切なピッチを持って作製されている。また、回折格子は透過型でも反射型でもかまわない。さらに、フィルター１０７としては、ある波長光は反射し別の波長光は透過するような波長選択性を持ったダイクロイックミラーなどの多層膜フィルターで、入射光を波長ごとに分離してもよい。

ビームトラップ１０８は、前述したように図２に示す導光路２０１が形成され、導光路２０１中に反射部２０２と、回折部２０３と、吸収部２０４とが形成され、導光路２０１は全体が四角錘形状をしており、最後の先端部分で軸が曲がる形状を有している。

導光路２０１はそれぞれの面を個別に作製した後、貼り合せている。本実施形態では四角錘としたが、三角錐でもよい。なお、反射部２０２は反射層を有する構造となっており、回折部２０３は１次元周期構造が形成されており、その一つ一つの構造は非対称な断面構造となっており、吸収部２０４はさらに周期ピッチが小さい構造で断面が三角形の構造となっている。導光路２０１自身はＳｉ等の不透明材料やガラスなどの透明材料に対してリソグラフィやエッチングなどの半導体加工方法で表面に必要な周期形状を加工し、その表面に反射層を設けてもよい。

吸収部２０４と波長変換素子１０６とは熱伝導性のよい部材（たとえば銅）等の金属板上に配置されている。

続いて動作について説明する。
半導体レーザー１０１は放射角が水平方向と垂直方向とでは大きく異なるため、２つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズとしている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。このコリメートの際に、投影面がほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。

次に、集光レンズ１０２により、レーザー結晶１０４の側面から入射させる。
ここでレーザー結晶１０４が励起光を吸収し、レーザー発振する。発振する波長は、レーザー結晶１０４の両面に施したコーティングで決まり、１０６４ｎｍで発振する。発振した光は励起用の半導体レーザーの光線とは垂直な方向に出射される。

この基本波光は集光レンズ１０５で集光され、波長変換デバイス１０６に入射する。入射光は、波長変換デバイス１０６で波長変換され、半分の波長５３２ｎｍとなるが、変換されなかった基本波光はそのまま波長変換デバイス１０６を透過する。

続いて、フィルター１０７で基本波光と波長変換光とは回折され、波長の差による回折角の違いによって、２つの光は分離される。回折格子では長波長の光の方が短波長の光に比べて回折角が大きくなることから、波長変換光よりも基本波光の方が大きな回折角となる。

このようにして分離した基本波光をビームトラップ１０８に入射させる。基本波光がビームトラップ１０８に入射すると、基本波光がビームトラップ１０８内で伝播して吸収され、熱に変換されその熱は熱伝導性のよい金属板４０３を通して波長変換デバイス１０６へ伝播する。この波長変換デバイス１０６は温度を一定にする必要があるため、波長変換に利用されなかった基本波光の変換された熱を利用して波長変換デバイス１０６の温度が一定になるようにする。
このビームトラップ１０６内での光の伝播は、図２に示すようにまず反射部２０２では表面で反射されて先に伝播し、次の回折部２０３でいろいろな角度を持つ光となって散乱に近い状態でさらに先に伝播し、最後の吸収部２０４の微細な構造部分でほぼ散乱に近い状態の光を吸収する。このとき、回折部２０３では光が逆進しないように、マイナス側の回折光が出ない状態を断面が非対称な周期構造で実現している。

図５は、本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態の概観図である。
同図に示すレーザー装置は、半導体レーザー１０１と、半導体レーザー１０１からの光をビーム整形し、さらにコリメートするためのコリメートレンズ１０２と、コリメートレンズ１０２でコリメートされた光を集光しレーザー結晶１０４に対して側面から入射するための集光レンズ１０３と、レーザー媒質となる元素を添加したレーザー結晶１０４と、レーザー結晶１０４から発振された基本波光を波長変換デバイス１０６に入射させるための集光レンズ１０５と、基本波光を入力すると波長変換する波長変換デバイス１０６と、波長変換デバイス１０６で波長変換された光と波長変換されなかった基本波光とを分離するためのフィルター１０７と、分離された基本波光を処理するためのビームトラップ１０８とで構成されている。

これら半導体レーザー１０１、コリメートレンズ１０２、集光レンズ１０３、及びレーザー結晶１０４は一つの基板４０１上に配置されている。
また、波長変換デバイス１０６及びビームトラップ１０８は別の一つの基板４０２上に配置されている。
半導体レーザー１０１は、図示しないサブマウント上に配置され、図示しない温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）と空冷ユニットなどとで温度制御される。

さらに、波長変換デバイス１０６も温度制御のための素子（たとえばペルチェ素子など）で温度制御される。半導体レーザー１０１は、レーザー結晶１０４を励起するための光源で、レーザー結晶１０４の吸収波長にあわせた波長域を有し、励起のための光出力が必要な場合は１つの半導体レーザーではなく線状に配置された半導体レーザーアレイとしてもよい。

レーザー結晶１０４の材質として、ディスク状結晶の中心部の直径０．５ｍｍの領域内においてＮｄをドープしたＧｄＶＯ₄を用いたコア領域（図５の網点部）と、その周辺部直径３ｍｍの領域内においてＮｄをドープしていないＧｄＶＯ₄を用いたクラッド領域とを有する結晶を使用している。レーザー結晶１０４は、レーザー発振する波長である１０６３ｎｍに対して、基板４０１に設置する面では反射率１００％、レーザー光が出射する面では反射率が９７％のコーティングを施している。また、レーザー結晶１０４の吸収波長は８０８ｎｍである。
従って半導体レーザー１０１の発振波長も８０８ｎｍを含むものとする。

波長変換デバイス１０６としては、先に述べた周期的分極反転構造による擬似位相整合法を用いたデバイスを用いている。具体的には、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を周期的に分極反転したものを用いる。この周期ピッチは発振波長に合わせて６．９μｍとしている。波長変換デバイス１０６の入力面と出力面とは研磨され、基本波光と波長変換光に対して反射防止コートされている。基本波光と波長変換光とを分離するためのフィルターとして回折格子を利用する。回折格子は透過タイプでｎλ＝２ｄｓｉｎθを適切なピッチを持って作製されている。また、回折格子は透過型でも反射型でもよい。
さらに、フィルター１０７としては、ある波長光は反射し別の波長光は透過するような波長選択性を持ったダイクロイックミラーなどの多層膜フィルターで入射光を波長ごとに分離してもよい。

ビームトラップ１０８は、前述したように図２に示す導光路２０１が形成され、導光路２０１中に反射部２０２、回折部２０３、及び吸収部２０４が形成されている。導光路２０１は、全体の形状が四角錘形状を有しており、最後の先端部分で軸が曲がる形状となっている。導光路２０１は、それぞれの面を個別に作製した後、貼り合せている。本実施の形態では形状を四角錘としたが、三角錐でもよい。

なお、反射部２０２は反射層を有する構造となっており、回折部２０３は１次元周期構造が形成されており、その一つ一つの構造は非対称な断面構造となっており、吸収部２０４はさらに周期ピッチが小さい構造で断面が三角形の構造となっている。導光路２０１自身はＳｉ等の不透明材料やガラスなどの透明材料に対してリソグラフィやエッチングなどの半導体加工方法で表面に必要な周期形状を加工し、その表面に反射層を設けてもよい。

また、吸収部２０４は、光吸収材料を基板表面に塗布した後に微細加工し、光吸収の効率を上げるような構造を設けても構わない。吸収材料としては、光を熱に変換する材料で、具体的には金属蒸着膜あるいは、カーボンブラック、赤外吸収色素を光熱変換材料として含有する層で構成される。吸収部２０４及び波長変換素子１０６は熱伝導性のよい金属板（たとえば銅）の基板上に配置されている。

続いて動作について説明する。
半導体レーザー１０１は、放射角が水平方向と垂直方向では大きく異なるため、２つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズとしている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。このコリメートの際に、投影面がほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。

集光レンズ１０３により、レーザー結晶１０４の側面から入射させる。
ここでレーザー結晶１０４のコア領域で励起光を吸収し、レーザー発振する。発振する波長は、レーザー結晶１０４の両面に施したコーティングで決まり、例えば１０６３ｎｍで発振する。発振した基本波光は励起用の半導体レーザー１０１の光線とは垂直な方向に出射される。この基本波光は集光レンズ１０５で集光され、波長変換デバイス１０６に入射する。

入射光は波長変換デバイス１０６で波長変換され、半分の波長５３１．５ｎｍとなるが、変換されなかった基本波光はそのまま波長変換デバイス１０６を透過する。
このようにして、波長変換デバイス１０６からは２つの光（基本波光と波長変換光）が出射される。

フィルター１０で基本波光と波長変換光とは回折され、波長の差による回折角の違いによって、２つの光に分離される。回折格子では長波長の光の方が短波長の光に比べて回折角が大きくなることから、波長変換光よりも基本波光の方が大きな回折角となる。

このようにして分離した基本波光をビームトラップ１０８に入射させる。基本波光がビームトラップ１０８に入射すると、ビームトラップ１０８内で伝播して基本波光が吸収され、熱に変換されその熱は熱伝導性のよい金属板４０３を通して波長変換デバイス１０６へ伝播する。
波長変換デバイス１０６は、温度を一定にする必要があるため、波長変換に利用されなかった基本波光が変換された熱を利用して温度が一定になるようにする。
このとき、ビームトラップ１０８内での光の伝播は、前述した図２に示すようにまず反射部２０２では表面で反射されて先に伝播し、次の回折部２０３でいろいろな角度を持つ光となって散乱に近い状態でさらに先に伝播し、最後の吸収部２０４の微細な構造部分でほぼ散乱に近い状態の光を吸収する。このとき、回折部２０３では光が逆進しないように、マイナス側の回折光が出ない状態を断面が非対称な周期構造で実現している。

尚、上述した各実施の形態は、光源として半導体レーザーを用いた場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発光ダイオードを用いてもよい。

〔作用効果〕
＜請求項１に対する作用効果＞
請求項１記載のレーザー装置においては、簡単な構成で不要な基本波光をレーザー装置外に出さないことにより、迷光が発生しないレーザーとすることが可能となる。

＜請求項２に対する作用効果＞
請求項２記載のレーザー装置においては、不要な基本波光を吸収する部分があることにより、レーザー装置内で不要な光を熱に変えて処理することができる。

＜請求項３、４に対する作用効果＞
請求項３または４記載のレーザー装置においては、不要な基本波光を反射あるいは回折しながら伝播してビームトラップ内に伝播することにより、ビームトラップ内から逆に戻ることなく伝播し、迷光が発生しないレーザーとすることが可能となる。

＜請求項５、６に対する作用効果＞
請求項５または６記載のレーザー装置においては、不要な基本波を吸収し熱に変換し、さらに放熱あるいは排出する手段により、不要な基本波光を処理することができる。

＜請求項７に対する作用効果＞
請求項７記載のレーザー装置においては、不要な基本波光を熱に変換し、その熱を利用して波長変換素子の温度制御に利用することにより、効率的にエネルギーを利用することができる。

＜請求項８に対する作用効果＞
請求項８記載のレーザー装置においては、ビームトラップの吸収部分に微細構造があることにより、効率よく光を吸収し熱に変換することが可能となる。
＜請求項９に対する作用効果＞
請求項９記載のレーザー装置においては、ビームトラップを非平行な導光路構造とすることにより、より小型化にできる効果を図る。

＜請求項１０に対する作用効果＞
請求項１０記載のレーザー装置においては、基本波光が進行する方向に対し屈曲した構造となっていることにより、より迷光の発生割合を小さくすることが可能となる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。

本発明は、プリンタ用光書込み用光源、ディスプレイ用光源などに利用することができる。

本発明に係るレーザー装置の一実施の形態の概観図である。図１に示したレーザー装置のビームトラップの断面図である。本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態を示す概観図である。本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態の概観図である。本発明に係るレーザー装置の他の実施の形態の概観図である。励起光が入射されたレーザー結晶から発生した周波数ωの基本波をＱＰＭ波長変換デバイスに入射する従来構成を示したものである

符号の説明

１０１半導体レーザー
１０２コリメートレンズ
１０３、１０５集光レンズ
１０４レーザー結晶
１０６非線形光学結晶波長変換デバイス（波長変換デバイス）
１０７フィルター
１０８ビームストラップ

Claims

レーザー結晶と、半導体レーザーまたは発光ダイオードからなる励起光源と、励起光源から出射した光を前記レーザー結晶へ入射させる励起光学系と、前記レーザー結晶を挟むように配置された共振器と、前記レーザー結晶から出力される基本波光を波長変換するための素子とを有するレーザー装置において、
波長変換されなかった基本波光を分離し、該基本波光を外部に漏れるのを阻止するビームトラップ手段を備えたことを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段として基本波光を吸収する吸収部を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項２記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段は基本波光が反射しながら伝播する第１伝播部を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項３記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段は基本波光が回折しながら伝播する第２伝播部を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項４記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段は放熱手段を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項５記載のレーザー装置において、前記放熱手段は冷却システムを有することを特徴とするレーザー装置。
請求項４記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段から発生する熱を波長変換素子へ伝達させる伝達手段を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項１から７記載のいずれか１項記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段の基本波光を吸収する吸収部に微細構造を形成したことを特徴とするレーザー装置。
請求項１から８のいずれか１項記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段は非平行な導光路構造を有することを特徴とするレーザー装置。
請求項９記載のレーザー装置において、前記ビームトラップ手段は基本波光が進行する方向に対し屈曲した構造を有することを特徴とするレーザー装置。