JP2009003210A - 二次高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＨＧ素子内部の熱分布に大きな偏りを生じさせず、高い波長変換効率の二次高調波発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ光を放出するレーザ光源と、前記レーザ光の二次高調波を作成するためのＳＨＧ素子と、前記レーザ光を前記ＳＨＧ素子の分極方向と垂直な方向に前記ＳＨＧ素子に入射するように配置するとともに前記ＳＨＧ素子を前記レーザ光の光軸と垂直な方向に移動させるための駆動ユニットと、を備えた二次高調波発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学結晶素子によって二次高調波が発生するように構成されたレーザ装置に関するものである。

二次高調波発生装置は、励起されたレーザ媒質から発生した基本波となるレーザ光を、ＬｉＮｂＯ３などの強誘電体非線形結晶を周期的に分極反転させたＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈｅｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子内を通過させることによって、半分の波長のレーザ光へ変換させる素子である。可視光や紫外光等の短波長の光を、簡便な構成で効率良く得られるため、映像用や医療用のレーザとして広く用いられている。

図６は一般的な二次高調波発生装置の構造を示す図である。レーザ媒質を電気的または光学的に励起することによってレーザ光源１から出射したレーザ光は、偏光フィルタ１０２によりＳＨＧ素子１０７の受け入れ偏光方向に対応した直線偏光に揃えられ、全反射ミラー１０３および出力ミラー１０４の間を何度も往復することにより増幅され、基本波レーザ光となり出力ミラー１０４から出射する。出力ミラー１０４から出射した基本波レーザ光はコリメートレンズ１０５によって平行光にされ、集光レンズ１０６によって、ＳＨＧ素子１０７の端面より進入して内部に集光され、二次高調波レーザ光への変換が行われる。その後、ＳＨＧ素子１０７の反対端面から出射したレーザ光は、変換されなかった基本波レーザ光成分が波長分割フィルタ１０８により取り除かれ、レーザ装置外へと出射される（例えば、特許文献１参照。）。

また図７はＬｉＮｂＯ３を用いて作製されたＳＨＧ素子の温度特性を示す図である。横軸に温度、縦軸は基本波レーザ光の波長１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの波長変換効率を示すもので、もっとも高い波長変換効率を１として規格化した図である。この図で明らかなようにＳＨＧ素子の基本波レーザに対する波長位相整合温度範囲は±１℃以内と非常に狭い。そのため、二次高調波発生装置内ではペルチェ素子などの温度調節機構を用いてＳＨＧ素子の温度制御が行われている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１６４６１６号公報 特開平４−１５５３２０号公報

しかしながら、温度調節機構による温度制御が行われていても、基本波であるレーザ光および二次高調波が集中するＳＨＧ素子中央部ではエネルギー密度が高くなるので、周辺の光路部分と比べてＳＨＧ素子内部の熱分布に大きな偏りが生じる。そのため、ＳＨＧ素子の材料の形状や屈折率の変化が起こり、光路上で部分的に位相整合波長がずれ、波長変換効率が低下するという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ＳＨＧ素子内部の熱分布に大きな偏りを生じさせず、高い波長変換効率の二次高調波発生装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の二次高調波発生装置は、レーザ光を放出するレーザ光源と、前記レーザ光の二次高調波を作成するためのＳＨＧ素子と、前記レーザ光を前記ＳＨＧ素子の分極方向と垂直な方向に前記ＳＨＧ素子に入射するように配置するとともに前記ＳＨＧ素子を前記レーザ光の光軸と垂直な方向に移動させるための駆動ユニットと、を備えたことを特徴としたものである。

本発明の二次高調波発生装置によれば、ＳＨＧ素子内の温度分布による屈折率分布や材料形状の変化に起因する光路内における位相整合波長のずれを解消し、常に高い変換効率のＳＨＧ光を出力することが可能である。

以下に本発明の二次高調波発生装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施例における二次高調波発生装置の内部の構成を示すものである。本実施例の二次高調波発生装置はポンプレーザダイオード１と、ファイバレーザ共振器２と、コリメートレンズ３と、集光レンズ４と、ＳＨＧ素子５と、ペルチェ素子６と、波長分割フィルタ７と、ＳＨＧ素子を移動させる直動モータ８から構成されている。
次に本実施例の二次高調波発生装置の動作について説明する。ポンプレーザダイオードに直流電流を駆動することによって発生した波長９１５ｎｍの励起レーザ光は、ファイバレーザ共振器２によって波長１０６４ｎｍの基本波レーザへと変換される。

ファイバレーザ共振器２は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ９の両端に第１および第２のブラッグ回折格子１０、１１がライディングされることでファブリーペロー共振器を形成している。ポンプレーザダイオード１から発生した波長９１５ｎｍのレーザ光によってＹｂ添加ダブルクラッドファイバ９内のＹｂイオンが励起され、１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の波長が発振する。本実施例ではブラッグ回折格子１０、１１の反射波長を１０６４ｎｍにすることで、１０６４ｎｍの波長をファイバレーザ共振器２内部に閉じ込め、何度も往復させることにより、増幅させる構成を有している。さらにファイバレーザ共振器２から発振される基本波レーザ光を高い変換効率で二次高調波に変換するために、ファイバレーザ共振器２内にポラライザ１２を配置し、発生する基本波の偏光方向を直線偏光にした。

なお、本実施例ではファイバレーザ共振器２を用いて、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を得たが、同様の構成で第１および第２のブラッグ回折格子１０、１１の特性を変化させて、他の波長の基本波レーザ光を得ることや、ＹＡＧレーザや半導体レーザといった他のレーザ媒体によって基本波レーザ光を得ることも出来る。

ファイバレーザ共振器２によって波長変換、出射された基本波レーザ光はコリメートレンズ３によって平行光にされ、集光レンズ４によってＳＨＧ素子５の端面を通過し、素子内部に集光される。ＳＨＧ素子５内部にて基本波レーザ光は二次高調波に変換され、素子５の反対端面より出射される。その後、変換されなかった基本波成分が波長分割フィルタ８によって取り除かれ、二次高調波のみ装置外部へと出射される。

図２は本実施例のＳＨＧ素子を模式的に表した図である。本実施例のＳＨＧ素子は、Ｚ方向単一分極化された非線形光学結晶ＬｉＮｂＯ３を、電界印加法によって、部分的に分極反転して作製されたものであり、素子の＋Ｚ面に平行で、光軸に直角なＹ方向に一様な変換効率ももったものである。本実施例においては、幅５ｍｍのＳＨＧ素子を作製し、使用した。なお、本実施例では非線形光学結晶としてＬｉＮｂＯ３を使用したが、たとえばＫＴＰ結晶やＢＢＯ結晶といった他の非線形光学結晶を使用しても良い。

図３は本実施例のＳＨＧ素子の移動機構の詳細を示した図である。ＳＨＧ素子５はベースプレート１３に上面に、例えば接着剤や粘着性熱伝導シート、銀ペーストなどの接合方法で固着され、ベースプレート１３下面にペルチェ素子６が固着され、ペルチェ素子６の反対面にプレート１４が固着され、プレート１４はネジによって直動モータ８に固定されている。直動モータはモータ駆動回路により制御され、素子の＋Ｚ面に水平で、光軸に垂直なＹ方向に往復移動が可能となるように取り付けられている。なお、本実施例では直動モータによりＳＨＧ素子の移動を行ったが、例えば歯車やカムなど他の機構を使用して移動させても問題ない。さらに、本実施例はＳＨＧ素子の移動方向を素子の＋Ｚ面に水平で、光軸に直角な方向としたが、素子の＋Ｚ面に垂直な方向、あるいは光軸の方向に移動させても良い。またベースプレートはペルチェ素子６により、ＳＨＧ素子５の波長位相整合が最大となるように温度調節が行われている。

本発明の特徴は、ＳＨＧ素子５を直動モータ８などの移動機構によって、ＳＨＧ素子の分極反転の方向に垂直で、且つ光軸に直角な方向へ移動させることによって、レーザ光による素子内部のエネルギー密度の偏りを緩和するものである。この移動機構により、常にレーザ光はＳＨＧ素子内部を移動するので、素子内部の温度分布の偏りを解消することが出来、ＳＨＧ素子内の温度分布に起因する光軸上の波長位相整合のずれを解消し、常に高い変換効率を得ることである。以下その詳細を説明する。

図４はＳＨＧ素子５を移動させない場合と、本実施例の方法の移動機構により移動させた場合の二次高調波出力の比較を行った図である。横軸にＳＨＧ素子５を移動させない場合の二次高調波の出力、縦軸に移動させない場合のＳＨＧ光の出力を１として規格化した上で、移動させた場合の出力をプロットしている。ＳＨＧ素子を固定した場合の二次高調波光出力は１、１０、１００、１０００ｍＷとし、移動機構による移動速度は毎秒０．５ｍｍとした。

この図より、どの出力においても３％以上の出力増加が確認出来た。また出力が小さい場合と、大きい場合にそれぞれ温度分布解消の効果が小さくなっていることが確認できる。これは、出力が小さい場合においては、レーザ通過による発熱が少ないことやペルチェ素子による排熱が十分に機能していることから、ＳＨＧ素子の移動による温度分布解消効果が小さくなり、逆に出力が大きい場合においては、素子内を通過するレーザ光の量や集光度が増したことにより、ＳＨＧ素子が時間当たりに吸収、発生する熱量、発熱する範囲が増加したため、移動による温度分布の解消効果が低下していることが確認出来る。

図５は移動速度とＳＨＧ出力の関係を示した図である。横軸に移動速度、縦軸にＳＨＧ素子を固定した場合の出力を１として規格化し、各移動速度におけるＳＨＧ光出力をプロットした。ＳＨＧ素子を固定した場合のＳＨＧ光出力は１、１０、１００、１０００ｍＷとし、直動モータにより、ＳＨＧ素子の移動速度を毎秒０から３．０ｍｍと変化させた。

この図より、どの出力においてもＳＨＧ素子を動作させることによって、一定の効果があり、その効果はＳＨＧ素子内で変換、出力されるレーザ光出力に対応した速度まで向上した後、その速度以上では効果の向上が見られなくなることが確認出来る。

以上のように、本実施例のような構成で、ＳＨＧ素子５をＳＨＧ素子５の分極反転の方向に垂直で、且つ光軸を横切る方向に移動させることにより、優れた変換効率を持つ二次高調波発生装置を得ることが出来る。加えて、移動速度を０．５ｍｍ／秒以上とすることで、大きなＳＨＧ光の出力時においても、十分な効果が得られる。

本発明に係る二次高調波発生装置は、ＳＨＧ素子を常に移動させることで、ＳＨＧ素子内の温度分布による光路上の位相整合波長のずれを解消し、常に高いＳＨＧ光出力を得ることができるので、ＳＨＧ素子を用いた映像用や医療用のレーザに好適である。

本発明の実施例における二次高調波発生装置の構成を示す模式図 ＳＨＧ素子の模式図 本発明の実施例における移動機構を示す図 毎秒０．５ｍｍでＳＨＧ素子を移動させた際の変換効率を示す図 移動速度と変換効率の比較の図 一般的な二次高調波発生装置の構成を示す模式図 ＳＨＧ素子の温度特性を示す図

符号の説明

１ ポンプレーザダイオード
２ ファイバレーザ共振器
３ コリメートレンズ
４ 集光レンズ
５ ＳＨＧ素子
６ ペルチェ素子
７ 波長分割フィルタ
８ 直動モータ
９ Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ
１０ 第１のブラッグ回折格子
１１ 第２のブラッグ回折格子
１２ ポラライザ
１３ ベースプレート
１４ プレート
１０１ レーザ媒質
１０２ 偏光フィルタ
１０３ 全反射ミラー
１０４ 出力ミラー
１０５ コリメートレンズ
１０６ 集光レンズ
１０７ ＳＨＧ素子
１０８ 波長分割フィルタ

Claims (5)

1. レーザ光を放出するレーザ光源と、
   前記レーザ光の二次高調波を作成するためのＳＨＧ素子と、
   前記レーザ光を前記ＳＨＧ素子の分極方向と垂直な方向に前記ＳＨＧ素子に入射するように配置するとともに前記ＳＨＧ素子を前記レーザ光の光軸と垂直な方向に移動させるための駆動ユニットと、を備えた二次高調波発生装置。
2. 前記ＳＨＧ素子へのレーザ光の導入を、集光レンズを用いて行うことを特徴とする請求項１記載の二次高調波発生装置。
3. 前記駆動ユニットは、前記レーザ光が前記ＳＨＧ素子を通過するように前記往復運動を行う請求項１記載の二次高調波発生装置。
4. 前記駆動ユニットに取り付けられた前記ＳＨＧ素子には前記ＳＨＧ素子を冷却するためのペルチェ素子が結合している請求項３記載の二次高調波発生装置。
5. 前記移動速度が毎秒０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の二次高調波発生装置。
   
   
   
   
   
   

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