JP2009086064A

JP2009086064A - レーザ光発生装置

Info

Publication number: JP2009086064A
Application number: JP2007252826A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oguri; 均小栗
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】簡便に変換光のみを結合させることができ、かつ部品点数を減らすことで、信頼性の高いレーザ光発生装置を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ１と、半導体レーザ１から出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子２とを少なくとも備えたレーザ光発生装置１０であって、
第二高調波発生素子２から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズ３に導入され、変換光がコリメートして出射されるように構成したこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、特定波長のレーザ光を発生させるレーザ光発生装置に係り、より詳しくは、部品点数が削減され、信頼性の向上を図ったレーザ光発生装置に関する。

波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの可視光源は、映像用ＲＧＢ光源、計測用光源、蛍光顕微鏡、ＤＮＡ解析用光源等の用途に市場が拡大している。通常、このような用途の光源には、小型、安価であるため半導体レーザ（ＬＤ）が使用されている。しかし、３００ｎｍ，５００ｎｍ帯の一部にはＬＤ欠損波長が存在しており、非線形光学を応用した波長変換光源が使用されている。

特に５６０ｎｍ近傍の波長は、ＬＤ励起固体レーザの１１２０ｎｍの基本光を波長変換（ＳＨＧ）し、製品化されてきた。しかし、ホスト結晶が高価なため、安価な１１２０ｎｍのＢＡＬＤを用い、外部共振器によりブロードエリア型半導体素子（ＢＡＬＤ）の縦、横マルチモードをシングルモード化し、波長変換し製作する方法が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載のレーザ光発生装置１００は、図７に示すように、半導体レーザ１０１と、半導体レーザ１０１から出射される基本光を波長変換させる第二高調波発生素子１０２を備えたレーザ光発生装置１００であって、半導体レーザ１０１は外部共振器構造を備え、横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、第二高調波発生素子１０２はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子である。この発明において、波長変換効率を向上させるために、１１２０ｎｍの基本光を第一レンズで集光し、導波路型波長変換素子１０２に結合させている。これは、波長変換効率がパワー密度の２乗に比例するため、導波路に基本光を閉じ込めることにより、波長変換された５６０ｎｍの出力が飛躍的に向上するメリットがある。更に、この手段を採用することにより、蛍光顕微鏡、ＤＮＡ解析用に小型で低価格な光源として採用されている。
このレーザ光発生装置１００においては、図７に示すように、導波路型波長変換素子１０２後に、コリメート用レンズ１０３、基本光カットフィルタ１０４、モニター光を分岐するスプリッタ１０５、モニター用フォトダイオード１０６が配置されている。更に、出射光はレンズ５２を介し光ファイバ５１に結合している。また、各々の部品には、基本光／変換光の無反射コーティングがされている。
特開２００６−３０２９７８号公報

しかしながら、上記発明において、波長変換素子から出射される基本光と変換光とから、変換光のみを例えばファイバに結合させる場合、目的の波長に合わせたコリメートレンズとフィルタが必要となる。この際、波長にあわせてレンズやフィルタの種類・組み合わせを変更する必要があるために設定が煩雑であり、また部品点数を必要とすることから、部品が動き、アライメントずれを起こす確率が高くなるため、信頼性確保が困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、簡便に変換光のみを結合させることができ、かつ部品点数を減らすことで、信頼性の高いレーザ光発生装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のレーザ光発生装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子とを少なくとも備えたレーザ光発生装置であって、前記第二高調波発生素子から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズに導入され、前記変換光がコリメートして出射されるように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のレーザ光発生装置は、請求項１において、前記構成において、前記セルフォックレンズに導入される前記基本光及び変換光の光路が、前記セルフォックレンズの中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるように前記セルフォックレンズを配置するとともに、前記セルフォックレンズの出射端面により生じる反射光が入射端面に戻り集光する位置にフォトダイオードを備えていることを特徴とする。

本発明のレーザ光発生装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子とを少なくとも備えたレーザ光発生装置であって、前記第二高調波発生素子から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズに導入され、前記変換光がコリメートして出射されるように構成されている。
かかる構成によれば、セルフォックレンズに入射した基本光及び変換光は、変換光がコリメートするのに対し、基本光は発散（集光）する。よって、従来用いていた基本光をカットするフィルタやコリメートレンズを用いずに変換光のみをコリメートすることが可能となる。従って、本発明によれば、目的の波長に合わせてコリメートレンズやフィルタ等を調整して用いることなく、セルフォックレンズのみで簡便に変換光のみをコリメートすることができる。また、部品点数を減らすことができることから、アライメントのずれが生じる確率を低下させ、信頼性の向上が図れる。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
図１は、本発明のレーザ光発生装置の第１実施形態を模式的に示した概略構成図である。半導体レーザ１と、半導体レーザ１から出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子２とを少なくとも備えたレーザ光発生装置１０であって、半導体レーザ１は外部共振器構造を備え、横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、第二高調波発生素子２はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であり、前記第二高調波発生素子から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズ３に導入されるように構成されている。更に、セルフォックレンズ３からの出射光のうち変換光がレンズ５２を介し光ファイバ５１に集光して結合している。また、出射光の一部はフォトダイオード５４に結合している。なお、破線は変換光を表している。以下、それぞれについて詳細に説明する。

半導体レーザ１は、外部共振器構造を備えた外部共振型半導体レーザであり、横シングルモード光を出射する。図３は、半導体レーザ１の一例を模式的に示した概略構成図である。
半導体レーザ１は、半導体素子３１と第１のビーム整形素子３２と第２のビーム整形素子３３と、反射手段３４とを備えている。
半導体素子３１は、同一端面から少なくとも互いに異なる２方向に光を出射するものであり、ブロードエリア型半導体レーザ素子が好ましい。第１のビーム整形素子３２は、出射光を特定の方向に絞り込む作用を有するものであり、円筒形レンズよりなる速軸用コリメータを用いることが好ましい。第２のビーム整形素子３３は、２方向に出射光を絞り込む作用を有するものであり、球レンズよりなる遅軸用コリメータを用いることが好ましい。
半導体素子３１から２方向に出射される光のうち、一方の出射光３８は半導体素子３１の励起光となる外部共振用の光として利用される。すなわち、一方の出射光３８は、第１のビーム整形素子３２と第２のビーム整形素子３３とを順に通過することによって、半導体素子３１の中心軸３７に沿う並行ビームにコリメートされる。コリメートされた出射光は、反射手段３４で反射され、反射されたビームは再度第２のビーム整形素子３３と第１のビーム整形素子３２を順に通過して、半導体素子３１に帰還し、半導体素子３１の励起光となる。
また、他方の出射光３９は半導体レーザ１からの出射光となる。すなわち、他方の出射光３９は、第１のビーム形成素子３２と第２のビーム形成素子３３とを順に通過することによって、半導体素子３１の中心軸３７に沿う並行ビームにコリメートされ、半導体レーザ１からの出射光となる。

第二高調波発生素子２は、シングルモード導波路を備えるものであり、好ましくは強誘電体材料からなる基板にシングルモード導波路が設けられており、該導波路の長さ方向において前記誘電体材料の分極方向が周期的に反転している分極反転型ＳＨＧ素子が用いられる。具体的には、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）に、周期的にドメイン反転させてなるリッジ型導波路型ＰＰＬＮが好適に用いられる。
第二高調波発生素子２に、半導体レーザ１から出射された基本光を入射させることにより、波長が変換された変換光が得られる。
第二高調波発生素子２における波長変換は、反転幅等のパラメータによって制御することができる。本実施形態では、基本光として波長１１２０ｎｍの光が入射されたときに、第二高調波発生素子２から波長５６０ｎｍの光（変換光）が出射されるように構成されている。

セルフォックレンズ３は、円柱の半径方向に沿って屈折率を連続的に変化させることにより、円柱の軸方向に進行する光に対しレンズとして働く円柱状のレンズである。また、レンズの長さを最適化することにより、特定波長はコリメートするが、それ以外の波長は発散または集光させることが可能となる。セルフォックレンズ３の長さは、変換光がコリメートする距離とすることが好ましい。このような距離とすることで、変換光はコリメートするが、基本光は、波長分散によりセルフォックレンズ３から出射する際に発散または集光するので、容易に基本光と変換光を分離することが可能となる。従って、レンズ５２を用いて変換光のみを高効率にファイバ５１に集光して結合することができる。
本発明においては、セルフォックレンズ３を第二高調波発生素子２の後に配置させる。

スプリッタ５３は、セルフォックレンズ３の出射端面３ｂから出射した変換光の一部を反射させ、フォトダイオード５４に結合させるものである。

フォトダイオード５４は、セルフォックレンズ３の出射端面３ｂから出射した変換光をモニターするものでる。フォトダイオード５４としては、通常用いられているものを使用することができるが、変換光の波長に対する光感度が高いものを用いることが好ましい。

本発明のレーザ光発生装置１０によれば、セルフォックレンズ３に入射した基本光及び変換光は、セルフォックレンズ３の出射端面３ｂから出射される際に、変換光がコリメートするのに対し、基本光は波長分散により発散（集光）する。よって、従来用いていた基本光をカットするフィルタやコリメートレンズを用いずに変換光のみをコリメートすることが可能となる。
従って、目的の波長に合わせてコリメートレンズやフィルタ等を調整して用いることなく、セルフォックレンズ３のみで簡便に変換光のみをコリメートすることができる。ゆえに、レンズ５２を用いて変換光のみを高効率にファイバ５１に集光して結合することができる。また、部品点数を減らすことができることから、アライメントのずれが生じる確率を低下させ、信頼性の向上が図れる。

図２は、本発明のレーザ光発生装置の第２実施形態を模式的に示した概略構成図である。
半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１から出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子２２とを少なくとも備えたレーザ光発生装置２０であって、半導体レーザ２１は外部共振器構造を備え、横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、第二高調波発生素子２２はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であり、第二高調波発生素子２２から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズ２３に導入されるように構成されている。
また、セルフォックレンズ２３に導入される基本光及び変換光の光路が、セルフォックレンズ２３の中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるようにセルフォックレンズ２３を配置するとともに、セルフォックレンズの出射端面により生じる反射光が入射端面に戻り集光する位置にフォトダイオード２４を備えている。更に、セルフォックレンズ２３からの出射光（変換光）はレンズ５２を介し光ファイバ５１に結合している。なお、破線線は変換光を表している。

半導体レーザ２１、第二高調波発生素子２２は第１実施形態と同様である。

セルフォックレンズ２３は、その長さ、及び導波路との結合位置を最適化することにより、出射端面２３ｂからの反射光を導波路との結合位置とは別の位置に集光させることが可能となる。本実施形態においては、セルフォックレンズ２３に導入される基本光及び変換光の光路が、セルフォックレンズ２３の中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるようにセルフォックレンズ２３が配置されている。中心軸をずらすことで、セルフォックレンズ２３に導入された基本光及び変換光は出射端面２３ｂで反射し、その戻光が入射端面２３ａで集光するようになる。その際、戻光が入射端面２３ａで集光する位置と、基本光及び変換光が入射した位置とは、セルフォックレンズの中心軸に対して対称な位置にある。このように、出射端面２３ｂで光を反射させる必要があるので、出射端面２３ｂには無反射コーティングを施さないことが好ましい。

セルフォックレンズ２３の長さは、第二高調波素子２２によって得られる変換光がコリメートする距離であることが好ましい。このような距離とすることで、例えば光ファイバ５１等に集光させる場合、変換光のみをコリメートさせることで、容易に基本光から変換光だけを分離し、レンズ５２を用いて光ファイバ５１に変換光を結合させることが可能となる。基本光はセルフォックレンズ２３から出射される際に、波長分散により発散または集光するので、効率よく変換光を光ファイバに結合することが可能である。

フォトダイオード２４は、セルフォックレンズ２３の出射端面２３ｂで反射した戻光が入射端面２３ａに集光する位置に配されており、その変換光をモニターするものでる。フォトダイオード２４としては、通常用いられているものを使用することができるが、基本光の波長に対する光感度が低く、変換光の波長に対する光感度が高いものを用いることが好ましい。

第２実施形態においては、セルフォックレンズ２３に導入される基本光及び変換光の光路が、セルフォックレンズ２３の中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるようにセルフォックレンズ２３を配置し、バッドジョイントさせる。この構成により、セルフォックレンズ２３の出射光のうち、５％程度が出射端面２３ｂで反射して、戻光として入射端面２３ａで集光する。この戻光が集光する位置と、基本光及び変換光がセルフォックレンズ２３に入射した位置とはセルフォックレンズ２３の中心軸に対して対称な位置にある。従って、戻光が集光する位置にフォトダイオード２４を配置することで、従来用いられていたスプリッタを必要とせずに変換光をフォトダイオード２４に導入することが可能となる。
ゆえに、セルフォックレンズ２３の中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるようにセルフォックレンズ２３を配置することで、部品点数を減らして基本光と変換光とを簡便に分離し、更に、変換光をモニターすることが可能となる。よって、コストの削減が図れ、かつ小型化も図れるレーザ光発生装置を提供することが可能となる。また、部品点数が減少したことから、部品が動きアライメントずれを起こす確率を低くすることができるため、信頼性の向上が図れる。
セルフォックレンズには無反射コーティングを行わないため、更にコストを削減することが可能となる。

（実施例）
図２に記載のレーザ光発生装置をもとに、以下の通り実施例のレーザ光発生装置を作製した。
＜外部共振型半導体レーザの作製＞
図３に記載の外部共振型半導体レーザをもとに作成した。
半導体素子としては、利得導波路型半導体レーザ素子からなる発信波長１１１５ｎｍ〜１１２５ｎｍのブロードエリア型半導体レーザを用いた。
第１のビーム成形素子としては、直径１２５μｍ、屈折率１．４５、焦点距離０．０８ｍｍの円筒形レンズ（光ファイバ片）からなる速軸用コリメータを用いた。
第２のビーム成形素子としては、焦点距離２０ｎｍの軸対象球面レンズからなる遅軸用コリメータを用いた。
反射手段としては、縦３ｍｍ×横３ｍｍの領域を鏡面仕上げした反射ミラーを用いた。
半導体素子と反射手段との距離は、共振波長が１１２０ｎｍとなるように設定した。
波長フィルタとしては、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２からなる誘導体多層膜フィルタを用い、１１２０ｎｍの光が選択的に透過され、それ以外の波長の光はカットされるように構成した。該波長フィルタは、第２のビーム成形素子と反射手段との間の、一方の出射光の光路上と、外部共振型半導体レーザからの出射光の光路上とに跨るように設けた。
＜第二高調波発生素子＞
第二高調波発生素子としてはリッジ型を用い、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）に、周期的にドメイン反転させてなるＰＰＬＮ導波路を用いた。反転幅は、７．２〜７．７μｍとした。
＜セルフォックレンズ＞
セルフォックレンズとしては、Ｃ１８−Ｓ０２５０シリーズ（日本板硝子社製）を用いた。基本光の波長が１１２０ｎｍであるため、セルフォックレンズの長さは、４．８４ｍｍとした。セルフォックレンズ端面には、反射によるロス低減のため、無反射コーティングは行わなかった。
＜フォトダイオード＞
Ｓ１１３３シリーズ（浜松ホトニクス製）を用いた。
＜レーザ光発生装置の組み立て＞
外部共振型半導体レーザの波長フィルタを透過した基本光が、第二高調波発生素子の入射端面に集光するように、焦点距離が１．６５の集光レンズを用いて結合させた。次に、セルフォックレンズを、該セルフォックレンズの中心軸より１ｍｍずらし、第二高調波発生素子に微動台を用いてアライメントした。その後、アクリル系の紫外線硬化接着剤をセルフォックレンズとＰＰＬＮ導波路の界面にマニピュレーターを用い塗布し、紫外線硬化させた。また、フォトダイオードを、セルフォックレンズの端面の戻光による出力が最大となる位置で固定した。次にセルフォックレンズからの５６０ｎｍ出射光はｆ４．０の非球面レンズ（アルプス電気製）でファイバに結合させた。

（比較例）
実施例と同様に外部共振型半導体レーザと、第二高調波発生素子とを作製した。その後、実施例と同様な集光レンズを用いて外部共振型半導体レーザと第二高調波発生素子とを結合した。第二高調波発生素子から出射した光は、コリメータとして焦点距離が１．６５の集光レンズ、波長フィルタとしてカット波長９００ｎｍ〜２０００ｎｍのＩＲフィルタ、スプリッタと順次配した光学素子を介して、実施例と同様にアルプス電気製ｆ４．０の非球面レンズでファイバに結合させた。

＜光ファイバへの結合効率＞
実施例のレーザ光発生装置において、光ファイバへ入射する光の結合効率と波長に関して観察を行った。この結果を図４に示す。図４において、縦軸は光ファイバへの結合効率、横軸は光ファイバへ入射する光の波長を表している。

図４より、セルフォックレンズの長さが４．８４ｍｍである場合、波長が５６０ｎｍの際に最大となる光結合効率を示し、波長が１１２０ｎｍの際は、光結合効率が十分低下したことが観察された。これは、上述したように基本光である１１２０ｎｍの光は、セルフォックレンズから出射する際、発散光となるためである。また、波長が５６０ｎｍから１１２０ｎｍになった際の減衰量は２０ｄＢであった。

＜分光感度特性＞
実施例のレーザ光発生装置において、用いるフォトダイオードの特性を変えた際の、該フォトダイオードの受光感度と該フォトダイオードに入射する光の波長について観察を行った。この結果を図５に示す。図５において、縦軸はフォトダイオードの受光感度（Ａ／Ｗ）、横軸は波長（ｎｍ）を表している。

図５より、用いるフォトダイオードを変えることで、各波長に対する受光感度が異なることが観察された。従って、基本光と変換光の波長を考慮して、適宜選択してフォトダイオードを用いることで、変換光をモニターすることが可能となる。例えば、基本光の波長が１１２０ｎｍ、変換光の波長が５６０ｎｍである場合、Ｓ１１３３−１４のダイオードを用いることで、基本光の受光感度がほぼ０となることから、変換光のみをより正確にモニターすることが可能となる。

＜出力温度特性＞
実施例及び比較例のレーザ発生装置を用いて、温度を変化させたときに生じる出力変動について観察を行った。この結果を図６に示す。図６において、縦軸は温度（℃）及び出力変動（ｄＢ）、横軸は時間（ｈｒｓ）を表している。

図６より、温度変化により実施例及び比較例において、出力変動が観察された。比較例においては、出力が１ｄＢの範囲で変動しているのに比べ、本発明の実施例においては、その出力変動量はおよそ０．５ｄＢであり、比較例のほぼ半分程度であった。これは、実施例においては、比較例と比べて部品点数が少ないため、温度変動により各部品にかかるストレスが減少し、アライメントのずれが生じ難くなったことによる。
ゆえに、本発明においては、温度変化等のストレスによりアライメントのずれが抑制され、信頼性の高いレーザ発生装置が得られることが観察された。

本発明のレーザ光発生装置は、レーザ光源を実現するのに有用であり、例えば、映像用ＲＧＢ光源、計測用光源、蛍光顕微鏡用光源、ＤＮＡ解析用光源等に適用することができる。

本発明のレーザ光発生装置の第１実施形態を模式的に示した概略構成図である。本発明のレーザ光発生装置の第２実施形態を模式的に示した概略構成図である。外部共振型半導体レーザを模式的に示した概略構成図である。光ファイバへの結合効率とレーザ光の波長との関係を示した図である。本発明の分光感度特性を示した図である。本発明の出力温度特性を示した図である。従来のレーザ光発生装置を模式的に示した概略構成図である。

符号の説明

１，２１半導体レーザ、２，２２第二高調波発生素子、３，２３セルフォックレンズ、３ａ，２３ａ入射端面、３ｂ，２３ｂ出射端面、２４フォトダイオード、１０，２０レーザ光発生装置。

Claims

半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子とを少なくとも備えたレーザ光発生装置であって、
前記第二高調波発生素子から出射される基本光及び変換光がセルフォックレンズに導入され、前記変換光がコリメートして出射されるように構成したことを特徴とするレーザ光発生装置。
前記構成において、前記セルフォックレンズに導入される前記基本光及び変換光の光路が、前記セルフォックレンズの中心軸からその半径方向に所定の距離だけ離れるように前記セルフォックレンズを配置するとともに、前記セルフォックレンズの出射端面により生じる反射光が入射端面に戻り集光する位置にフォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光発生装置。