JP2008058947A - 波長変換レーザー装置及びこれに用いられる非線形光学結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】動作温度範囲が改善された非線形光学結晶とこれを含む波長変換レーザー装置を提供する。
【解決手段】一側面による波長変換レーザー装置１０は、正の波長ビームを放出するレーザー光源１１と、上記レーザー光源の波長ビームを基本波ビームに励起させるレーザー媒質１４と、上記基本波ビームを第２調和波ビームに変換して出力させ、上記基本波ビームの入射面がタイプＩＩの位相整合条件でｂ−ｃ結晶面になるように配置されたＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）結晶１５からなる非線形光学結晶部とを含む波長変換レーザー装置１０を提供する。
【選択図】図１

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、動作温度範囲が改善された非線形光学結晶とこれを含む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ある。

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。このような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）］レーザー装置が注目されている。ＤＰＳＳレーザー装置では、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、非線形光学結晶を用いて周波数を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：ＳＨＧ）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、 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ているが、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問題点がある。

特に、このような消費電力及びシステムの増加は、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障害とされている。

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、広い動作温度の変化でも所望の波長変換効率を保持できる非線形光学結晶を有す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、一側面において、所定の波長ビームを放出するレーザー光源と、上記レーザー光源の波長ビームを基本波ビームに励起させるレーザー媒質と、上記基本波ビームを第２調和波ビームに変換して出力させ、上記基本波ビームがタイプＩＩの位相整合条件でｂ−ｃ結晶面に入射されるように配置されたＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）結晶からなる非線形光学結晶部とを含む波長変換レーザー装置を提供する。

本明細書において、“入射面”は入射ビームと反射ビームが成す面を定義する。

また、上記ＫＴＰ結晶は、常温（約２０℃）で基本波ビームの波長に応じて最大変換効率を有するように、結晶のｃ軸と入射ビームが成す角度（θ）が０〜９０°の範囲で適切に選択することができる。

基本波ビームが１０６４ｎｍの場合に、上記ＫＴＰ結晶は、上記基本波ビームがΦ＝９０°及びθ＝６８．７°（Φ：入射ビームのａ−ｂ平面成分とａ軸が成す角度、θ：結晶のｃ軸と入射ビームが成す角度）を満足する位相整合角度を有するように配置されることが好ましく、θに対する０．１°の半値幅を有することができる。このような半値幅は温度変化による位相整合条件を補償するためのティルティング角度範囲として理解することができる。

本発明の一実施形態において、上記レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＧｄＶＯ₄結晶であることができ、上記波長変換レーザー装置は第２調和波（ＳＨＧ）変換効率を向上させるために、上記第２調和波ビームの出力を増加させるための共振器構造をさらに含むことが好ましい。

この場合、上記共振器構造は、上記レーザー光源と上記レーザー媒質との間に配置され、上記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し上記レーザー光源の波長に対して無反射性を有する第１ミラーと、上記非線形光学結晶の出力側に配置され、上記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し上記第２調和波ビームの波長に対して無反射性を有する第２ミラーとを含んで構成されることができる。

本発明の他の側面は、波長変換レーザー装置で基本波ビームを受信して第２調和波ビームを生成する非線形光学結晶を提供する。上記非線形光学結晶は、上記基本波ビームの入射面がｂ−ｃ結晶面になることができるようにａ−ｂ結晶面に切断された面を有するＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）結晶からなる。

本発明によると、温度変化によるＳＨＧ変換効率が相対的に安定した条件を有するＫＴＰ非線形結晶が提供されるため、ＴＥＣ装置のように温度変化による変化効率補償装置が無くても広い使用温度範囲で安定して動作可能な波長変換レーザー装置を提供することができる。従って、最近の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に適した波長変換レーザー装置を提供することができる。

以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態をさらに詳しく説明する。

図１ａ及び図１ｂは、本発明の一実施形態による波長変換レーザー装置の概略構成図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に図示された通り、本実施形態による波長変換レーザー装置１０は、所定の波長ビームλ₁を生成するレーザー光源１１と、上記波長ビームλ₁を基本波ビームλ₂に励起させるレーザー媒質１４と、基本波ビームλ₂を第２調和波ビーム（ＳＨＧ： λ₃）に変換させて出力する非線形光学結晶１５とを含む。

また、必要に応じて様々な光学系がさらに含まれることができる。例えば、本実施形態のようにレーザー光源を集光するための集光レンズをさらに含むことができる。

本実施形態において、上記波長変換レーザー装置１０は、第２調和波ビームの出力効率を増加させるために共振構造Ｒを含む。本実施形態に採用された共振構造Ｒは、上記集光レンズ１２と上記レーザー媒質１４との間に配置された第１ミラー１６と、上記非線形光学結晶１５の出力側に配置された第２ミラー１７とを含む形態であることができる。

この場合に、上記第１ミラー１６は、上記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し、上記レーザー光源の波長に対して無反射性を有する。また、上記第２ミラーは、上記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し、上記第２調和波ビームの波長に対して無反射性を有する。従って、上記共振構造Ｒは上記非線形光学結晶１５で変換されない基本波ビームλ₂を選択的に共振させて変換効率を大きく向上させることができる。

さらに具体的に、図１（ｂ）に図示された通り、レーザー光源１１から約８０８ｎｍの波長光λ₁が生成され、レーザー媒質１４で励起され約１０６４ｎｍの基本波ビームλ₂が出力される。上記基本波ビームλ₂は、非線形光学結晶１５でその半波長に該当する５３２ｎｍの第２調和波ビームλ₃に変換され出力されることができる。本実施形態において、上記レーザー媒質１４はＮｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＧｄＶＯ₄結晶であることができる。

また、本発明において、上記非線形光学結晶１５はｂ−ｃ結晶面を入射面とするＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）結晶を使用する。一般的にＫＴＰ非線形光学結晶１５は、ａ−ｂ結晶面を入射面として使用してきた。特に、ＫＴＰ非線形光学結晶１５は、最大変換効率が保障されるようにΦ＝２３．５°及びθ＝９０°の位相整合条件が主に使用されてきた。

ところが、先に述べたとおり、非線形光学結晶１５は、その結晶構造が温度によって敏感に変わるため、一定の入射角での屈折率が異なる。このような現象により非線形光学結晶のＳＨＧ変換効率は動作温度に大きく依存して変わるという問題がある。

従って、本発明者は非線形光学結晶のＳＨＧ変換効率を、適正な範囲を確保する条件で動作温度範囲の拡大が可能な方案を研究し、温度による波長変換効率の変動幅が小さい結晶面を入射面として選択することにより、動作温度範囲を大きく改善できるという事実をつきとめた。即ち、本実施形態のように、ＫＴＰ結晶は、上記基本波ビームがタイプＩＩの位相整合条件としてｂ−ｃ結晶面が入射面となるように製造して配置することにより、従来のＫＴＰ結晶（ａ−ｂ結晶面）に比べて数倍以上の動作温度範囲を有することができる。

本発明で提案された条件を満足するＫＴＰ非線形光学結晶１５は、従来に比べて相対的に低い変換効率を有しても、本実施形態に図示された共振構造Ｒの特性を改善することによって十分補償することができるため、本発明による動作温度範囲の拡大は非常に有益に作用することができる。

本発明の条件によると、上記基本波ビームλ₂の入射面がｂ−ｃ結晶面となるように上記ＫＴＰ非線形光学結晶１５を配置する。最大変換効率を得るための位相整合条件は、温度だけでなく基本波ビームの波長に頼るため、基本波ビームの波長によってｂ−ｃ結晶面を入射面として保持する条件（Φ＝９０°）で、θを適切な条件に変えて最大変換効率を得ることができる。

また、常温条件で１０６４ｎｍの基本波ビームλ₂が用いられることを仮定した際、上記ＫＴＰ結晶はΦ＝９０°及びθ＝６８．７°を満足する位相整合角度を有するように配置されることが好ましい。上記位相整合のための角度（θ）は０．１°の半値幅を有することができる。実際に、本実施形態には図示されていないが、温度による位相整合条件のために公知の他の入射角調整手段を結合することができ、この場合に上記の誤差範囲は、温度変化による位相整合条件を補償するためのティルティング角度範囲として理解することができる。

図２は、本発明の他の実施形態による波長変換用レーザー装置の概略図である。

本実施形態による波長変換レーザー装置２０は、図１の実施形態と類似に、所定の波長ビームλ₁を生成するレーザー光源２１と、上記波長ビームλ₁を基本波ビームλ₂に励起させるレーザー媒質２４と、基本波ビームλ₂を第２調和波ビーム（ＳＨＧ：λ₃）に変換させて出力するＫＴＰ非線形光学結晶２５とを含む。また、上記波長変換レーザー装置２０は、第２調和波ビームの出力効率を増加させるため共振構造Ｒとして第１及び第２ミラー２６，２７を含む。

但し、図１の実施形態とは異なって、レーザー媒質２４の出射端面とＫＴＰ非線形光学結晶２５の入射端面が相接している。ここで、ＫＴＰ光学結晶２５の入射端側面は基本波ビームの入射面がｂ−ｃ結晶面となるようにａ−ｂ結晶面方向に切断された面を有する。また、第１及び第２ミラー２６，２７は、上記レーザー媒質２４の入射端面と上記ＫＴＰ光学結晶２５の出射端面にそれぞれ形成される。

このように、本実施形態では非常にコンパクトな構造でレーザー装置を提供することができ、各要素を別途に配列しないため、精密な整列工程が求められないという長所がある。

図３（ａ）は、本発明に採用される非線形光学結晶であるＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）の結晶構造を表す。

図３（ａ）に図示された通り、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）非線形光学結晶は、斜方晶系（ｏｒｔｈｏｈｏｍｂｉｃ：ａ＜ｂ＜ｃ）構造で、本発明では、基本波ビームの入射面がｂ−ｃ結晶面になるようにａ−ｂ結晶面方向に切断された構造を有する。先に説明したとおり、上記ＫＴＰ結晶に対する上記基本波ビームの入射条件は、ｂ−ｃ結晶面が入射面になる条件で基本波ビームの波長条件に応じて最大変換効率を有するように０〜９０°の範囲で調整されることができる。

図３（ｂ）に表したとおり、基本波ビームが１０６４ｎｍの場合、上記ＫＴＰ結晶に対する入射条件Φ＝９０°及びθ＝６８．７°を満足する位相整合角度を有することが変換効率の側面で好ましい。ここで、Φは入射ビームＬのａ−ｂ平面成分Ｌ′とａ軸が成す角度と定義され、θは上記ＫＴＰ結晶のｃ軸と入射ビームが成す角度と定義する。

このような波長変換効率を考慮した位相整合条件は、図４を参照にさらに詳しく説明する。

図４は、基本波ビームの波長が１０６４ｎｍの場合に、角度（θ）の変化によるＳＨＧ（５３２ｎｍ）の強さを表したグラフである。

常温条件（約２０℃）で１０６４ｎｍの基本波ビームλ_２をＫＴＰ非線形光学結晶のｂ−ｃ結晶面が入射面となる条件（Φ＝９０°）で入射させるが、基本波ビームの入射方向がｃ軸と成す角度（θ）が変わるようにＫＴＰ結晶を調整しながらその波長変換効率を測定した。その結果は図４にグラフで図示した。

図４に示したとおり、θ＝６８．７°で最大変換効率を有し、０．１°の半値幅を有するものと表れた。ここで、半値幅は温度変化による位相整合条件を補償するためのティルティング角度範囲として理解することができる。このように、１０６４ｎｍの基本波ビームを使用するときに常温条件で最大変換効率が保障される位相整合条件は、Φ＝９０°及びθ＝６８．７°と定義されることができる。

勿論、このような最大変化効率は基本波ビームの波長によって異なるため、基本波ビームの他の波長を有する場合、ｂ−ｃ結晶面を入射面として保持する条件（Φ＝９０°）でθを０〜９０°の範囲で適切な条件に変更することにより、最大変換効率を得ることができる。

図５は、本発明に採用される非線形光学結晶ＫＴＰの温度によるＳＨＧ光効率を表したグラフである。常温で１０６４ｎｍの基本波ビームを５３２のＳＨＧに変換したときに、従来の非線形光学結晶の位相整合条件と本発明による非線形光学結晶の位相整合条件を対比した結果である。

図５のグラフを参照すると、従来のＫＴＰ非線形光学結晶の位相整合条件（Φ＝２３．５°及びθ＝９０°）で動作温度によって得られる第２調和波（ＳＨＧ）の強さは点線で表し、本発明の好ましい条件（Φ＝９０°及びθ＝６８．７°）によるＫＴＰ非線形光学結晶によって得られる動作温度による第２調和波（ＳＨＧ）の強さは実線で表している。

勿論、最大変換効率の側面では、従来の非線形光学結晶の位相整合条件が有利であると表れたが、実際にその動作温度範囲は非常に狭小であることが分かる。

例えば、従来のＫＴＰ結晶の場合、許容半値幅（ＳＨＧ効率が半分に減少する温度範囲）は約２４℃の範囲に過ぎないが、本発明の好ましい条件によるＫＴＰ結晶の場合には、約９７℃の範囲で４倍近く増加した動作温度範囲を有するものと表れた。

さらに、ＫＴＰ結晶の温度が約４０℃のとき、従来のＫＴＰ結晶が有するＳＨＧ変換効率は０に近いが、本発明の好ましい条件によるＫＴＰ結晶のＳＨＧ変換効率は０．２６程度と２０℃の時の最大変換効率（０．２９）と比べて損失が約１０％にとどまるものと表れた。

このように、図５のグラフを通じて本発明による入射条件を有するようにＫＴＰ結晶を配置することにより、広い動作温度範囲が保障できるということが確認できた。

また、先に説明した通り、ＳＨＧ変換効率は共振器の性能を改善することにより、一定範囲の向上が期待できると仮定したとき、本発明による波長変換レーザー装置は、広い動作温度範囲で信頼性よく使用可能で、実際に常用条件となる温度範囲で安定してカバーできるため、ＴＥＣのような装置を省略できるという非常に有用な長所を提供する。

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されるものである。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。

本発明の一実施形態による波長変換レーザー装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態による波長変換レーザー装置の概略図である。 本発明に採用される非線形光学結晶であるＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）の結晶構造において入射ビームの方向を表す図である。 基本波ビームの波長が１０６４ｎｍの場合に、角度（θ）の変化によるＳＨＧ（５３２ｎｍ）の強さを表したグラフである。 本発明に採用される非線形光学結晶ＫＴＰの温度によるＳＨＧ光効率を表したグラフである。

符号の説明

１１ レーザー光源
１２ 集光レンズ
１４ Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザー媒質
１５ ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）非線形光学結晶
１６ 第１ミラー
１７ 第２ミラー

Claims (8)

1. 所定の波長ビームを放出するレーザー光源と、
   前記レーザー光源の波長ビームを基本波ビームに励起させるレーザー媒質と、
   前記基本波ビームを第２調和波ビームに変換して出力させ、前記基本波ビームの入射面がタイプＩＩの位相整合条件でｂ−ｃ結晶面になるように提供されるＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）結晶からなる非線形光学結晶部と
   を含む波長変換レーザー装置。
2. 前記ＫＴＰ結晶は、基本波ビームの波長に応じて最大変換効率を有するように前記基本波ビームがｃ軸との角度（θ）が０〜９０°の範囲で選択された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. 前記基本波ビームは１０６４ｎｍ波長を有し、
   前記ＫＴＰ結晶はΦ＝９０°及びθ＝６８．７°を満足する位相整合角度を有するように配置され、ここでΦは入射ビームのａ−ｂ平面成分とａ軸が成す角度と定義される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. 前記レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＧｄＶＯ₄結晶であ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。
5. 前記第２調和波ビームの出力を増加させるための共振器構造をさらに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。
6. 前記共振器構造は、
   前記レーザー光源と前記レーザー媒質との間に配置され、前記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し、前記レーザー光源の波長に対して無反射性を有する第１ミラーと、
   前記非線形光学結晶の出力側に配置され、前記基本波ビームの波長に対して高反射性を有し、前記第２調和波ビームの波長に対して無反射性を有する第２ミラーとを含むことを特徴とする請求項５に記載の波長変換レーザー装置。
7. 波長変換レーザー装置で基本波ビームを受信して第２調和波ビームを生成する非線形光学結晶において、
   前記基本波ビームの入射面がｂ−ｃ結晶面になるようにａ−ｂ結晶面方向に切断された面を有するＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）結晶からなる非線形光学結晶。
8. 前記ＫＴＰ結晶は、Φ＝９０°及びθ＝６８．７°を満足する位相整合角度を有するように配置され、ここでΦは入射ビームのａ−ｂ平面成分とａ軸が成す角度と定義され、θは前記ＫＴＰ結晶のｃ軸と入射ビームが成す角度と定義されることを特徴とする請求項７に記載の非線形光学結晶。

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