JP2008040475A - 波長変換レーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光出射位置を一定に保持できる波長変換レーザー装置を提供する。
【解決手段】波長変換レーザー装置は、第１波長光を放出するレーザー光源１１と、第１波長光を第２波長光に変換させて出力する非線形光学結晶１５と、この結晶をこれに対する第１波長光の入射角が変わるように回転させる回転駆動部と、第２波長光の出力の一部を検出し、その変化に応じて上記光学結晶の回転制御信号を生成して上記回転駆動部へ転送する回転駆動制御部１７と、上記光学結晶から出力された第２波長光が上記光学結晶を通じて上記レーザー光源から上記光学結晶へ進行された第１波長光の経路とほぼ同一の経路に沿って回帰するように上記第２波長光を反射させるビーム位置保持用ミラー１９と、上記レーザー光源と上記光学結晶との間に配置され上記回帰した第２波長光を所望の出力方向へ進行させる出力用ビーム分配器１４とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は波長変換レーザー装置に関するものであって、より詳しくは、第２ 高調波を発生させる非線形結晶を含み、基本波との位相整合のために非線形結晶を回転させる構造を有する波長変換レーザー装置に関する。

最近、様々なディスプレイ及び光記録装置分野において、半導体レーザーの需要が増えつつある。特に、ディスプレイ分野ではフルカラーの具現のための半導体レーザーの応用範囲が広がるにつれ、低電力の特性を有しつつも可視光線領域で高出力が可能なレーザーが強く求められている。

ところが、赤色光を得ようとする場合には、ＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザーが比較的容易に製造され用いられるが、緑色または青色光を得ようとする場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体の固有の格子定数及び熱膨張係数により他の半導体物質に比べて非常に成長が困難であるという問題があり、転位のような高い結晶欠陥を有するため、レーザーの信頼性を低下させ寿命を短縮させる問題を引き起こすことができる。

このような問題の解決策として、非線形特性を用いて波長を変換する方法が用いられている。このように非線形特性を用いる方法の一つとしてダイオード励起固体［ＤＰＳＳ（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）］レーザーが注目されている。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧなどの結晶に８０８ｎｍ帯域のパンプレーザーダイオードの光を入射させ１０６０ｎｍ辺りの波長を得た後、非線形クリスタルを用いて周波数を２倍に上げて５３０ｎｍ辺りの緑色光を得ることができる。

ＤＰＳＳレーザー装置は、２次高調波発生用（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）用結晶のような非線形光学結晶は温度による屈折率の変化が結晶方向によって異なるため、温度によって位相整合、即ち最適の波長変換効率を得るための入射角が変わる。これにより、使用温度範囲で非線形光学結晶の波長変換効率を一定に保持するための方案が求められる。

従来の方法としては、 ペルチェ（ｐｅｌｔｉｅｒ）素子を用いた熱電冷却器［ＴＥＣ（ｔｈｅｒｍｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）］と熱放出構造を採用する方案があるが、電力消耗を増加させたりシステムが大きくなったりするという短所がある。このような短所を解決すべく、特許文献１では、光出力をモニタリングしこれをフィードバックして最適の位相整合条件の入射角を有するように非線形光学結晶を変位する方案が提案された。

図１は、上記特許文献１で提案された波長変換レーザー装置を示した概略図である。図１に図示された波長変換レーザー装置１０は、レーザー光源１、上記レーザー光源１の波長光を変換して所望の波長光に出力する非線形光学結晶５を含む。

上記波長変換レーザー装置１０では、出力された波長光の一部は第１ビーム分配器２ａにより第２ビーム分配器２ｂへ進行し、上記第２ビーム分配器２ｂは上記光を垂直成分と水平成分に分離し、変換された波長成分は分光フィルタ４を通じて第１及び第２位置検出部７ａ，７ｂへ伝達することができる。上記第１及び第２位置検出部７ａ，７ｂは、伝達された光の位相不整合度を検出し、その結果に応じて制御部８は、最適の出力条件を得るための入射角を有するように回転部を用いて非線形光学結晶５に変位γを発生させる。

このように、図１に図示された波長変換レーザー装置１０は、非線形光学結晶５で変換された光の出力をモニタリングして、現在の条件（例えば、温度）による位置不整合の程度をフィードバックし、その結果に応じて機械的に非線形光学結晶５の変位を起こすことにより、最大光変換効率を保持することができる。

しかし、このような波長変換レーザー装置１０は、非線形光学結晶５の変位γにより最終の出力位置が変わるという問題点がある。さらに具体的に、図１に図示された通り、非線形光学結晶５が変位された場合（点線で表示）、光の出射位置はＯＵＴ１からＯＵＴ２へ変わり出射位置の変位△αが発生する。

このような出射位置の変位により、装置の精密度が低下し、出力側の光学系の構成が困難である。特に、このような問題は、最近レーザー装置の応用分野として注目されている携帯用プロジェクタのような超小型化の製品で非常に深刻な問題となっている。さらに、このような超小型化製品の要求に適するように、出射位置調整構造は複雑な光学系を基盤としない簡単な構造で実現されることが求められる。

米国特許第６，６１４，５８４号明細書

本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、位相整合条件を満たすために非線形光学結晶を変位させるにも係わらず、より簡素化した構造を通じて光出射位置を一定に保持できる波長変換レーザー装置を提供することにある。

上記の技術的課題を実現すべく、本発明は、第１波長光を放出するレーザー光源と、上記第１波長光を第２波長光に変換させて出力する非線形光学結晶と、上記非線形光学結晶に対する第１波長光の入射角が変わるように上記非線形光学結晶を回転させる回転駆動部と、上記第２波長光の出力の一部を検出し、その出力の変化に応じて上記非線形光学結晶の回転制御信号を生成して上記回転駆動部へ転送する回転駆動制御部と、上記非線形光学結晶から出力された第２波長光が上記非線形光学結晶を通じて上記レーザー光源から上記非線形光学結晶へ進行された第１波長光の経路とほぼ同一の経路に沿って回帰するように上記第２波長光を反射させるビーム位置保持用ミラーと、上記レーザー光源と上記非線形光学結晶との間に配置され上記回帰した第２波長光を所望の出力方向へ進行させる出力用ビーム分配器とを含む波長変換レーザー装置を提供する。

本発明の一実施形態において、上記非線形光学結晶用回転駆動制御部は、上記非線形光学結晶の第２波長光の出力変化に応じて上記第１波長光との位相整合を成すように上記非線形光学結晶回転部を駆動させる電子制御部と、上記非線形光学結晶から出力された光の一部をサンプリングして上記電子制御部に提供するモニタ用ビーム分配器とを含むことができる。

この場合に、上記電子制御部は、上記第２波長光の出力変化を検出する出力モニタ部と、上記検出された第２波長光の出力変化に基づいて上記第１波長光との位相整合のための上記非線形光学結晶の入射角の変化量に相応する回転制御信号を生成して上記非線形光学結晶用回転部へ転送する駆動制御部とを含むことができる。

また、上記モニタ用ビーム分配器は、これに限定されないが上記出力用ビーム分配器により提供される出力経路上に配置されることができる。

必要に応じて、上記非線形光学結晶用回転駆動制御部は、上記電子制御部と上記モニタ用ビーム分配器との間に配置され上記第２波長光を選択的に分離して上記電子制御部に提供する分光フィルタをさらに含むことができる。これとは異なって、モニタ用ビーム分配器が出力用ビーム分配器により提供される出力経路上に配置される場合に、上記出力用ビーム分配器は上記第２波長光のみ選択的に分離するように構成することにより分光フィルタを省略することもできる。

好ましく、上記ビーム位置保持用ミラーは、上記第１波長光に対して高反射性を有し、上記出力用ビーム分配器は上記第１波長光に対して無反射性を有するように構成することができる。この場合に、上記レーザー光源側に配置されたミラーと共に第１波長光に対する外部共振構造を提供することにより光出射位置の保持と共に波長変換効率の増大効果も大きく期待される。

本発明によると、位相整合過程において非線形光学結晶の変位で発生する出射位置の変化をミラーにより非線形光学結晶の２次屈折過程を通じて補償することにより、ほぼ一定の光出射位置を有する波長変換レーザー装置を提供することができる。特に、ビーム位置保持手段はミラーのように簡単な構造を通じて実現できるため、小型化の側面で大きい長所があるだけでなく、第１波長光に対する共振構造を提供することにより、その変換効率を大きく向上させることができる。

以下、添付の図面を参照に本発明をより詳しく説明する。

図２は、本発明の好ましい実施形態による波長変換レーザー装置の概略的な構成図である。

図２に図示された波長変換レーザー装置２０は、第１波長光λ₁を放出するレーザー光源１１と、上記第１波長光λ₁を第２波長光λ₂に変換させて出力する非線形光学結晶１５とを含む。上記非線形光学結晶１５は、回転部１６に配置され第１波長光λ₁との入射角が調整されるように構成される。これによって、上記非線形光学結晶１５は、上記回転部１６により温度が変わっても最適の位相整合条件を有するように回転されることができる。

回転駆動制御部１７は、温度の変化による第２波長光λ₂の出力（波長変換効率）の変化をモニタリングして非線形光学結晶の位相整合が保持されるように回転部を制御する。

図２に図示された通り、上記回転駆動制御部１７は、上記非線形光学結晶１５の出力光の一部Ｌｐをサンプリングするモニタ用ビーム分配器１７ａと、第２波長光の出力変化△ｐを検出する出力モニタ部１７ｂと、検出された出力変化△ｐに応じて位相整合のための回転制御信号Ｓを生成して非線形光学結晶用回転部１６へ転送する駆動制御部１７ｃとを含むことができる。ここで、上記出力モニタ部１７ｂと上記駆動制御部１７ｃは単一の電子制御部で構成されることができる。

上記駆動制御部１７ｃから転送される回転制御信号Ｓは、第２波長光の出力変化△ｐに基づいて演算された結果であって、位相整合に必要な上記非線形光学結晶１５の入射角の変化量γに関連する制御信号である。上記回転制御信号Ｓに応じて、上記非線形光学結晶用回転部１６は非線形光学結晶１５を位相整合のための適切な角度に回転させることにより、変わった温度条件でも最適の波長変換効率を保持することができる。

また、本実施形態による波長変換レーザー装置２０は、上記非線形光学結晶１５の出力端側に配置されたビーム位置保持用ミラー１９と、上記レーザー光源１１と上記非線形光学結晶１５との間に配置された出力用ビーム分配器１４とを含む。

上記ビーム位置保持用ミラー１９は、上記非線形光学結晶１５から出力された光が上記非線形光学結晶１５を通じてほぼ同一の経路へ回帰するように反射させる。上記ビーム位置保持用ミラー１９は、その反射面が任意の出射経路とほぼ垂直になるように配置される。

従って、このような位相整合過程において、非線形光学結晶１５に対する第１波長光λ₁の入射角の変化に応じて以前の出射位置Ｌ２は他の出射位置Ｌ２′に変わっても、ビーム位置保持用ミラー１９により非線形光学結晶１５へ反射され、再び非線形光学結晶１５での２次屈折過程により初期に入射された第１波長光の経路Ｌ１とほぼ同一の経路Ｌ３で回帰することができる。

上記ビーム位置保持用ミラー１９により反射され非線形光学結晶１５を通じて回帰した第２波長光λ_２は出力用ビーム分配器１４により所望の出力方向へ進行されることができる。

先に説明した通り、非線形光学結晶１５を１次通過して上記ミラー１９へ向かう光は、位相整合条件に応じて変わる入射角によって他の出射位置Ｌ２，Ｌ２′を有してもビーム位置保持用ミラー１９により非線形光学結晶１５を通じて再び２次屈折され自動的に第１波長光の入射経路Ｌ１とほぼ一致する経路Ｌ３に復帰して進行される。従って、出力用ビーム分配器１４に到達する第２波長光はほぼ同一の出射位置を有し、上記出力用ビーム分配器１４はこれを所望の出力経路Ｌ４に転換させて提供することにより、上記レーザー装置の出力位置を一定に保持させることができる。

本実施形態では、モニタ用ビーム分配器１７ａが最終の出射経路Ｌ４上に配置されたものと図示されているが、非線形光学結晶を１回以上通過して一部が第２波長光に変換された光の経路であれば、任意の他の位置（例えば、Ｌ２，Ｌ３）に配置することもできる。また、必要に応じて、光出力モニタ部１７ｂの入力端側に分光フィルタ（未図示）をさらに含むことができる。分光フィルタを追加する場合、好ましくはモニタ用ビーム分配器１７ａと光出力モニタ部１７ｂとの間に配置することができる。しかし、本実施形態のように、上記出力用ビーム分配器１４が第２波長光のみ選択的に分離して供給するように構成されることができるため、分光フィルタを省略することもできる。

また、本発明による光出射位置保持方案は、波長変換効率の観点でも非常に有益な長所を提供する。

さらに具体的に、図２に図示された通り、ビーム位置保持用ミラー１９は第２波長光と共に第１波長光に対して高い反射率を有するように提供され、また、上記出力用ビーム分配器１４は上記第１波長光に対して無反射性を有するように提供することにより、第１波長光に対する外部共振構造を具現することができる。例えば、レーザー光源１１は出射側とその反対側が各々第１及び第２ミラー１１ｂ，１１ａを含むが、一般的に上記第２ミラー１１ａは第１波長光に対して高反射性ミラーで、上記第１ミラー１１ｂは第１波長光に対して無反射性ミラーであるため、ビーム位置保持用ミラー１９は上記第２ミラー１１ａと共に第１波長光に対する外部共振構造を提供することができる。

従って、光出射位置を一定に保持すると共に、このような共振構造を通じて第２波長光に対する変換効率をさらに大きく向上させることができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、各々図２に図示された波長変換レーザー装置において位相整合過程による光出射位置保持過程をより容易に説明するために提供される概略図である。

図３（ａ）は、温度の変化による位相不整合を示す。即ち非線形光学結晶１５は、第２波長光への最大変換効率（点線で表示）を保持できる最初の位置にあると仮定した際に、温度の変化により結晶方向に応じて屈折率が変わり、第２波長光の変換効率は低くなる。

このような位相不整合の状態で、図３（ｂ）のように非線形光学結晶を一定の角度に回転させて第１波長光との入射角を調整することにより、最大変換効率を得ることができる。この場合に、非線形光学結晶１５を１次通過するビームは、スネルの法則により非線形光学結晶１５の屈折率と厚さにより出射位置に一定の変位△αが発生する。

しかし、ビーム位置保持用ミラー１９により反射され非線形光学結晶１５をさらに通過して屈折過程を経て出力されるため、非線形光学結晶１５を２次通過したビームは、ほぼ入射された経路と一致する経路に保持されることができる。

実際、図示された通り、２次通過するビームは、１次通過したビームの波長λ₁と異なる波長λ₂を有するため、波長による屈折率の差により多少の経路の差△βが存在する。しかし、このような差△βは、位相整合により変更された入射角による経路差△αに比べて非常に小さいため、出射位置の変化を大きく低減する効果がある。

また、本発明によるビーム位置保持構造は、ミラーを用いた簡素化した構造を通じて実現できるため、小型化の要求に大きく充足させるという長所を提供する。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面によって限られず、添付の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更を行うことができるということは、当技術分野において通常の知識を有している者には自明であり、これらの置換、変形及び変更もまた本発明の範囲に属する。

従来の波長変換レーザー装置の概略的な構成図である。 本発明の好ましい実施形態による波長変換レーザー装置の概略的な構成図である。 図２に図示された波長変換レーザー装置において位相整合過程による光出射位置の調整を説明するための概略図である。

符号の説明

１１ レーザー光源
１１ａ、１１ｂ 第１及び第２ミラー層
１４ 出力用ビーム分配器
１５ 非線形光学結晶
１６ 非線形光学結晶用回転部
１７ 回転駆動制御部
１７ａ モニタ用ビーム分配器
１７ｂ 光出力モニタ
１７ｃ 駆動制御部
１９ ビーム位置保持用ミラー

Claims (7)

1. 第１波長光を放出するレーザー光源と、
   前記第１波長光を第２波長光に変換させて出力する非線形光学結晶と、
   前記非線形光学結晶に対する第１波長光の入射角が変わるように前記非線形光学結晶を回転させる回転駆動部と、
   前記第２波長光の出力の一部を検出し、その出力の変化に応じて前記非線形光学結晶の回転制御信号を生成して前記回転駆動部へ転送する回転駆動制御部と、
   前記非線形光学結晶から出力された第２波長光が前記非線形光学結晶を通じて前記レーザー光源から前記非線形光学結晶へ進行された第１波長光の経路とほぼ同一の経路に沿って回帰するように前記第２波長光を反射させるビーム位置保持用ミラーと、
   前記レーザー光源と前記非線形光学結晶との間に配置され前記回帰した第２波長光を所望の出力方向へ進行させる出力用ビーム分配器と
   を含む波長変換レーザー装置。
2. 前記非線形光学結晶用回転駆動制御部は、
   前記非線形光学結晶の第２波長光の出力変化に応じて前記第１波長光との位相整合を成すように前記非線形光学結晶回転部を駆動させる電子制御部と、
   前記非線形光学結晶から出力された光の一部をサンプリングして前記電子制御部に提供するモニタ用ビーム分配器と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザー装置。
3. 前記電子制御部は、
   前記第２波長光の出力変化を検出する出力モニタ部と、
   前記検出された第２波長光の出力変化に基づいて前記第１波長光との位相整合のための前記非線形光学結晶の入射角の変化量に相応する回転制御信号を生成して前記非線形光学結晶用回転部へ転送する駆動制御部と
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザー装置。
4. 前記モニタ用ビーム分配器は、前記出力用ビーム分配器により提供される出力経路上に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザー装置。
5. 前記非線形光学結晶用回転駆動制御部は、
   前記電子制御部と前記モニタ用ビーム分配器との間に配置され前記第２波長光を選択的に分離して前記電子制御部に提供する分光フィルタをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザー装置。
6. 前記出力用ビーム分配器は、前記第２波長光のみ選択的に分離して前記所望の出力経路へ進行させることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザー装置。
7. 前記ビーム位置保持用ミラーは、前記第１波長光に対して高反射性を有し、
   前記出力用ビーム分配器は前記第１波長光に対して無反射性を有し、
   これによって、前記レーザー光源側に配置されたミラーと共に第１波長光に対する外部共振構造を提供することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザー装置。

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