JP2010093211A - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射する光の波長以下の凹凸の周期構造による共鳴反射を利用して、安定した出力の波長変換光を得ることができ、作製が容易で安価な波長変換レーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明の波長変換レーザ装置は、基本波光を出力する半導体４１レーザと、半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子４４と、半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる共鳴反射素子４７を用い特定波長の光を半導体レーザに帰還させる手段と、を有する構成とした。これにより共鳴反射素子４７と半導体レーザ４１間で共振器が形成され、半導体レーザの特定波長での発振を安定に行うことができ、安定した高効率な波長変換光の出力を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置、光情報処理装置、光計測装置などに使用される可視光、赤外、紫外などのレーザ光源装置や、生体計測用テラヘルツ波光源装置などに応用される波長変換レーザ装置に関する。

現在、半導体レーザなどによって発生させるのが困難である波長域の光源として、基本波光の光路中に波長変換素子を入れ、第二高調波光などの入射光とは異なる波長の光を発生させる技術が重要になっている。そして、高効率化が可能になる擬似位相整合（Quasi-Phase-Matching：ＱＰＭ）を用いた方法では、分極方向を反転させる周期を変えることにより、結晶の透過領域内で任意の波長変換を行うことができ、自由度が非常に高くなる。
しかし、上記波長変換は分極反転の周期構造に依存しているため、基本波光の波長変動が生じると大きく変換効率が変動し、波長変換光の出力が安定しないという課題が生じる。例えば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによる第二高調波発生（Second-Harmonic Generation：ＳＨＧ）を利用して半導体レーザの基本波光を第二高調波に変換する場合、半導体レーザの発振波長が０．２ｎｍ程度ずれた場合でも、分極反転素子での位相整合が不十分になり、第二高調波の強度が急激に低下する。

このような問題を解決するため、従来、例えば特許文献１，２においては、基本波をバルク型の回折格子（グレーティング）で反射回折させて半導体レーザにフィードバックする方式が提案されている。この方式においては、回折格子（グレーティング）での回折により、ある特定波長の光のみが半導体レーザにフィードバックされるために、ある所望の波長が半導体レーザにより増幅され、半導体レーザの波長の安定化が図られている。
また、特許文献３〜５においては、光軸中に反射型の多層膜フィルタもしくは透過型の多層膜フィルタを挿入し、そのフィルタにより選択された波長のみ半導体レーザにフィードバックされるように構成されている。これにより、多層膜フィルタにより選択された波長のみが増幅され、半導体レーザの波長安定化が実現される。
さらに、特許文献６，７においては、光源となる半導体レーザにグレーティングによるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域を設け、特定波長に安定化させて出射している。

特許第３０５２６５１号公報 特開平１０−１３３２４３号公報 特開平７−１５２０５５号公報 特許第３７３１９７７号公報 特開２０００−３５５９９号公報 特許第３３６６１６０号公報 特許第３９０８７３０号公報 R.Magnusson and S.S.Wang,Transmission band pass guided-mode resonance filters,Appl.Opt.Vol.34,No.35,8106(1995)

しかし上記構成においては、以下のような課題がある。
特許文献１，２に記載の従来技術では、バルク型の回折格子（グレーティング）を用いて波長を安定化させる場合、角度調整においてレーザ光を半導体レーザに戻すために、非常に精密な調整が必要になり、また複雑な機構が必要となってしまう。
特許文献３〜５に記載の従来技術では、多層膜フィルタを用いて波長を安定化させる場合、反射型、透過型ともに狭帯域のフィルタ特性の多層膜にしながら、フィルタ特性を得るための透過と反射の差を大きくすることは製造的に困難であり、コストアップにつながってしまう。
特許文献６，７に記載の従来技術では、ＤＢＲレーザにおいては、レーザ内にＤＢＲ領域、位相制御領域、活性領域が必要であり、レーザ光源自体が非常に高価なものになってしまう。また、製品の歩留まりは、上記各領域の歩留まりの積となり、高い歩留まりを得ることが難しくなっている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、入射する光の波長以下の微細な凹凸の周期構造による共鳴反射を利用して、安定した出力の波長変換光を得ることができ、かつ作製が容易で安価な波長変換レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第１の手段の波長変換レーザ装置は、「基本波光を出力する半導体レーザ」と、「前記半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子」と、「前記半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子（以下、共鳴反射素子と言う）を用い、特定波長の光を前記半導体レーザに帰還させる手段」と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第２の手段は、第１の手段の波長変換レーザ装置において、前記波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合を行うことを特徴とする。

本発明の第３の手段は、第１または第２の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザの出射方向の後方に配置することを特徴とする。
また、本発明の第４の手段は、第１または第２の手段の波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザと前記波長変換素子の間に、前記共鳴反射素子を配置することを特徴とする。
また、本発明の第５の手段は、第１または第２の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザと前記波長変換素子の光軸から一部分岐させた位置に配置することを特徴とする。

本発明の第６の手段は、第１〜第５のいずれか一つの手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴反射素子は、基本波光の波長以下のサイズで形成された凹凸による周期構造を有し、前記基本波光がその凹凸による周期構造と共振して発生する共鳴反射現象を利用して特定の波長の入射光を共鳴反射させる狭帯域な共鳴フィルタであることを特徴とする。
また、本発明の第７の手段は、第６の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、前記格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、前記導波層の屈折率を設定することにより、狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする。
さらに本発明の第８の手段は、第６または第７の手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、共鳴波長の中心値に対して、波長半値幅が０．２ｎｍ以下の狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする。
更に本発明の第９の手段は、第６〜第８のいずれか一つの手段の波長変換レーザ装置において、前記共鳴フィルタは、入射光の偏光方向に対する前記周期構造の角度変化で、前記共鳴波長における反射率のピークを変化させることができることを特徴とする。
さらに本発明の第１０の手段は、第１〜第９のいずれか一つの手段の波長変換レーザ装置において、前記半導体レーザの端面には、基本波光に対する無反射コートがされていることを特徴とする。

本発明の波長変換レーザ装置では、「基本波光を出力する半導体レーザ」と、「半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子」と、「基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子（共鳴反射素子）を用い、特定波長を半導体レーザに帰還させる手段」と、を有する構成としている。
この共鳴反射素子（例えば共鳴フィルタ）は、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、このような簡易な構成で、反射と透過のコントラストが非常に大きくとれ、かつ共鳴波長の狭帯域化が構造の設計（例えば格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、導波層の屈折率の設定）で容易に可能である。これにより、目的の波長に対する狭帯域な反射光が得られ、半導体レーザの特定波長での発振を安定に行うことができる。このように、半導体レーザから位相整合条件に一致するようにロックされた波長のレーザ光が出射されるため、安定した高効率な波長変換波の出力を得ることができる。

本発明の波長変換レーザ装置では、例えば前記共鳴反射素子を、半導体レーザの出射方向の後方に配置している。これにより、半導体レーザの後方で基本波光の波長ロックを安定に行うことができ、前方に位相整合条件に一致する基本波光を安定に発振することができる。
また、本発明の波長変換レーザ装置では、半導体レーザと波長変換素子の間に、共鳴反射素子を配置してもよい。これにより、波長変換素子への基本波光の透過率を、共鳴反射素子の回転により調整が可能であるため、特定波長の増幅と波長変換素子への出力のバランスを考慮しながら、安定に動作する波長変換レーザ装置の構成を検討可能になる。
さらに本発明の波長変換レーザ装置では、共鳴反射素子を、半導体レーザと波長変換素子の軸から一部分岐させた位置に配置してもよい。これにより、基本波光の波長の増幅を行うための光量と波長変換素子へ出射する光量をビームスプリッタ等により調整でき、安定に動作する条件を容易に選択可能である。

以下、本発明の構成、動作及び作用効果について詳細に説明する。
本発明では、共鳴反射素子が基本波光の波長以下のサイズで形成された微細な凹凸による周期構造を有することによって、基本波光がその微細な凹凸の周期構造と共振して発生する共鳴反射現象を利用する。これは例えば、非特許文献１に示されるような光の共鳴特性を利用している。これは回折格子と光の波長によるアノマリー現象で、構造を最適化することにより、帯域の狭い反射型の光学素子（波長フィルタ、共鳴フィルタ等）を作成することが可能である。
ここで、共鳴反射素子の一例として、狭帯域な波長半値幅を有する共鳴フィルタの構成を図２に示す。図２に示すように、この共鳴フィルタは、基板層Ｌ１と、この基板層Ｌ１の上に積層され導波路となる導波層Ｌ２、その導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部（例えば空気など）からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層Ｌ３とを有する構成になっている。この構造に格子層Ｌ３側から光が入射したとき、図３に示すように、ほとんどの波長では構造に対して光の反射率が低いのに対して、特定波長λ１付近では狭帯域で共鳴を起こしてλ１付近の波長のみ反射率が高くなる。これは、導波層Ｌ２内を全反射で伝播する光波の伝播定数が、格子層Ｌ３の格子ベクトルと一致する時に強い共鳴を起こし、特定波長のみ強い反射光となるためである。

そこで本発明では、基本波光を出力する半導体レーザと、基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子とを有する波長変換レーザ装置において、基本波光の波長以下の微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる共鳴反射素子を用い、特定波長の光を半導体レーザに帰還させる手段を有する構成としている。
ここで、波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合（ＱＰＭ）を行う素子である。また、共鳴反射素子としては、上記の狭帯域な波長半値幅を有する共鳴フィルタを用いる。

本発明の波長変換レーザ装置では、一例として、共鳴フィルタを、半導体レーザの出射方向の後方に配置する。具体的には、半導体レーザの後方に出射する光をコリメートレンズで平行光にし、その後ろに共鳴フィルタを設置する。この共鳴フィルタが、特定波長のみを狭帯域で反射させ、コリメートレンズを通って半導体レーザの活性層に帰還させることにより、共鳴フィルタで選択された波長のみが増幅されることになる。

また、本発明の波長変換レーザ装置では、別の例として、半導体レーザと波長変換素子の間に、共鳴フィルタを配置する。具体的には、半導体レーザから前方に出射する光をコリメートレンズで平行光にし、その先に共鳴フィルタを設置する。特定波長のみを狭帯域で反射させる共鳴フィルタと半導体レーザの活性層の後部端面で共振器を形成するため、共鳴フィルタで反射される特定波長のみが増幅される。これにより共鳴フィルタを通して増幅された狭帯域のレーザ光が出射され、波長変換素子に狭帯域な特定波長の光が入射する。

また、本発明の波長変換レーザ装置では、さらに別の例として、共鳴フィルタを、半導体レーザと波長変換素子の光軸から一部分岐させた位置に配置する。具体的には、半導体レーザから前方に出射する光をコリメートレンズで平行光にし、その後ビームスプリッタなどで分岐させる。分割された一方の光は波長変換素子に入射し、分岐させたもう一方の光の先に共鳴フィルタを設置する。このビームスプリッタで分岐された共鳴フィルタと半導体レーザの活性層後部端面で共振器を形成し、特定波長を増幅させる。これにより、増幅した狭帯域な特定波長の光が、波長変換素子に入射する。

上述した波長以下の周期構造を使った共鳴フィルタは、微細な凹凸による周期構造の周期、周期構造の構造幅、周期構造の屈折率、導波層の屈折率などを変化させることにより、非常に狭帯域な波長半値幅を有する反射型の共鳴フィルタとすることができる。さらにこの共鳴フィルタは、特定波長における高い反射率とそれ以外の波長での低い反射率の差を非常に大きくとることが容易である。これにより、特定の狭帯域な波長の光をレーザ光源へ効率よく帰還させ、増幅することが可能になるため、狭帯域かつ波長変動のない基本波光が得られ、波長変換素子から安定した波長変換波を出力することができる。
また、上述した共鳴フィルタを用いる本発明の波長変換レーザ装置においては、従来の複雑で多層のコートが必要となる誘電体多層膜フィルタを用いる場合に比較して、設計の自由度が高く、少ない層数で構成可能であるため、容易で安価に装置を作製することが可能になる。

以下、本発明における波長変換レーザ装置の代表的な構成例について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明における波長変換レーザ装置は、例えば図１に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光（基本波光）を出射する半導体レーザ４１、半導体レーザ４１から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ４２、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ４３、半導体レーザ４１からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子４４、波長変換素子４４より出射される光を整形する投射用レンズ４５を備えており、さらには、上記の構成に加えて、半導体レーザ４１から後方に出射されるレーザビームを平行光にするコリメートレンズ４６と、光を狭帯域で反射させる反射型の共鳴フィルタ４７を備えている。

半導体レーザ４１から前方に出射された基本波のレーザ光は、コリメートレンズ４２を通って平行光にされる。この平行光は集光レンズ４３を通して波長変換素子４４に集光される。波長変換素子４４は、非線形光学を示す強誘電体結晶であるＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３結晶に、結晶のｚ軸方向に分極の向きを周期的に反転させたものを用いている。また波長変換の効率を上げるために、結晶の分極反転部にはリッジ型の光導波路が形成され、この光導波路を光が通るように基本波光は集光される。

ここで、図１２に示すように、半導体レーザ４１の後方にコリメートレンズと共鳴フィルタを設けていない従来の構成の波長変換レーザ装置では、半導体レーザ４１から出射されるレーザ光の波長がブロード・変動が大きいなどの課題があり、基本波光の波長変動が生じると大きく変換効率が変動し、波長変換光の出力が安定しないという課題があった。

そこで本発明では、波長変換素子４４に入射する基本波光の波長を狭帯域にし、かつ安定化させるため、図１に示すように、半導体レーザ４１の後方に出射されるレーザ光を利用して波長のロック（固定波長での増幅）を行う。
より詳しくは、まず後方に出射された基本波のレーザ光（基本波光）をコリメートレンズ４６により平行光にする。この基本波光が平行にされた先に、共鳴フィルタ４７を平行光に垂直になるように設置する。ここで共鳴フィルタ４７は、図２に示したように、基板層Ｌ１と、この基板層Ｌ１の上に積層され導波路となる導波層Ｌ２、その導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部（例えば空気など）からなる微細な凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層Ｌ３とを有する構成になっており、基本波光が共鳴反射するように格子層Ｌ３のピッチ、ピッチに対する構造幅（＝フィルファクタ）、屈折率などを設計することにより、図３に示すような狭帯域な反射特性が得られる。この共鳴フィルタ４７により、基本波光は共鳴反射する波長の光のみをコリメートレンズ４６を通して半導体レーザ４１に戻すことになる。そして、半導体レーザ４１の後方端面に基本波光に対する無反射コート膜を形成することにより、共鳴フィルタ４７によって反射された特定波長は、共鳴フィルタ４７と半導体レーザ４１の前方端面の間で形成されたキャビティによって増幅される。これにより、共鳴フィルタ４７の特性によって選択された波長のみが増幅され、安定した狭帯域の基本波光が半導体レーザ前方に出射されることになる。

このとき、共鳴フィルタ４７による反射特性は、図３に示すように、共鳴反射する波長λ１の半値幅を非常に狭くすることができると同時に、共鳴反射する波長の反射率とその他の波長の反射率の差を非常に大きくとることができる。これにより、狭帯域な特定波長で光が増幅され、非常に安定な波長がロックされた光源とすることができる。
このような共鳴フィルタ４７を使った波長ロック機構を使うことにより、基本波光が狭帯域で安定して出力されるため、波長変換素子４４により出射される波長変換された光は高効率かつ変動のないレーザ光となる。
以下、より具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
第１の実施例として、波長１０６４ｎｍの半導体レーザの光を波長５３２ｎｍの第２高調波に変換する、波長変換レーザ装置の実施例に関して、図を用いて説明する。なお、本実施例における波長変換レーザ装置の構成は図１と同じである。

まず、入射光に対して狭帯域で共鳴反射を起こす共鳴フィルタの代表的な構造の断面図は図４示すようになっている。この共鳴フィルタは、基板層３１、導波層３２、格子層３３で構成され、格子層３３には微細な凹凸による周期構造が形成されている。図４による構成では、入射光３４が共鳴反射を起こすためには、格子層３３側から入射してくる必要がある。この微細周期構造により、入射光に対して共鳴反射条件であれば入射光は反射し、それ以外の条件では透過する。
本実施例では、基板層３１の材料として石英ガラス、その上に形成される導波層３２、格子層３３には基板層３１に比べて屈折率の高いＴａ_２Ｏ_５を使用した。格子層３３はこのＴａ_２Ｏ_５（高屈折率部）と空気層（低屈折率部）が交互になる構造になっている。

基本波光として１０６４ｎｍの波長でロックするための共鳴フィルタの場合、基板層３１の屈折率は石英ガラスで１．４６、Ｔａ_２Ｏ_５の屈折率は２．０１となる。このときの共鳴フィルタの構造は図５に示すように、格子のピッチ５６が７１０ｎｍ、格子層５３の高さ（深さ）５５が１０ｎｍ、凹凸の形成されてない部分の導波層５２の厚さ５４は１００ｎｍ、格子層５３における凸部の構造幅５７は１５０ｎｍ、ピッチに対する構造幅（フィルファクタ）は約０．２とした。このような構造、光学特性の共鳴フィルタを使用した場合、素子の光学特性は図６に示すように、共鳴波長の中心値が１０６４ｎｍ、波長半値幅は０．２ｎｍ以下（本実施例では約０．１２ｎｍ）の狭帯域なフィルタが得られた。

ここで、本実施例では共鳴フィルタとしての一例である図４（図５）のような構成を示したが、微細構造が光の波長と共鳴するような他の構成でも同様の機能を得ることは可能である。
図１の波長変換レーザ装置に、このような狭帯域な反射型共鳴フィルタ４７を使用して半導体レーザ４１の活性層に特定の波長を帰還させることにより、安定した基本波出力が得られる。また本発明による共鳴フィルタは、基板と高屈折率薄膜に微細構造を形成した構成のため、目的の波長に対する素子による吸収がほとんどなく、非常に効率よく光の増幅を行うことができる。また、上記の構成においては、半導体レーザ４１からの出射光の偏光方向と本共鳴フィルタ４７のグレーティング（格子）の方向は平行とした。

図１に示すように、半導体レーザ４１の後方端面から出射された１０６４ｎｍの基本波光はコリメートレンズ４６を通って平行光になり、上記共鳴フィルタ４７により反射される。このとき、半導体レーザ自体はある程度の波長幅を有する光を出射するが、上記に示す共鳴フィルタ４７により、ほぼ１０６４ｎｍ±０．１ｎｍの波長の光が反射し、それ以外の波長の光は透過する。そのため、半導体レーザ４１の前方端面と共鳴フィルタ４７の間で共振器が形成されると、波長ロックにより１０６４ｎｍ±０．１ｎｍの波長の光のみが増幅され、それによりこの安定した狭帯域のレーザ光が前方に出射されることになる。なお、半導体レーザ４１と共鳴フィルタ４７の間で共振器が形成されているため、半導体レーザ４１の後方端面には基本光に対する無反射コートがされている。

このようにして波長１０６４ｎｍにロックされた光は、コリメートレンズ４２により平行光にし、その後、集光レンズ４３により波長変換素子４４に集光される。
波長変換素子４４は、図７に示すように、非線形光学効果を有するＭｇＯが５mol％ドープされたＬｉＮｂＯ_３結晶に、その結晶のｚ軸と平行に自発分極を反転させたドメインが交互に形成されている。このとき、１０６４ｎｍの基本波光に対して５３２ｎｍの第２高調波を出力するために、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３の波長分散を考慮して、６．９５μｍ周期で分極反転構造が形成されている。分極反転構造は、例えば本願発明者らが先に提案した特開２００６−２５９３３８号公報に示される分極反転構造の作製方法によって形成される。

また基本波から第２高調波への光変換効率を上げるために、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３の分極反転構造部は導波路化されることが好ましい。具体的には、ＬｉＮｂＯ_３基板に貼り付けた分極反転されたＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３基板を薄く研磨し、さらに３次元導波路となるように結晶のｘ軸方向に伸びる細線を形成する。導波路形状としては、幅４〜１２μｍ、深さ１〜３μｍ程度のものが、導波路への結合効率などを考慮すると好ましい。
このような構成により、狭帯域な波長１０６４ｎｍの基本波光が効率よく第２高調波光へ変換され、安定した出力の波長５３２ｎｍの出射光が得られる。

［実施例２］
次に、本発明における第２の実施例について図８を用いて説明する。
本実施例における波長変換レーザ装置は、図８に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光（基本波光）を出射する半導体レーザ８１、半導体レーザ８１から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ８２、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ８３、半導体レーザ８１からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子８４、波長変換素子８４より出射される光を整形する投射用レンズ８５を備えており、半導体レーザ８１と波長変換素子８４の間に、共鳴フィルタ８６を配置する。具体的には、半導体レーザ８１から前方に出射する光をコリメートレンズ８２で平行光にし、その先に共鳴フィルタ８６を設置する。特定波長のみを狭帯域で反射させる共鳴フィルタ８６と半導体レーザ８１の活性層の後部端面で共振器を形成するため、波長ロックにより共鳴フィルタ８６で反射される特定波長のみが増幅される。これにより共鳴フィルタ８６を通して増幅された狭帯域のレーザ光が出射され、波長変換素子８４に狭帯域な特定波長の光が入射する。

より具体的に述べると、半導体レーザ８１から前方へ出射される例えば波長１０６４ｎｍ付近の基本波光は、コリメートレンズ８２を通って平行光になり、共鳴フィルタ８６に向かう。ここで共鳴フィルタ８６は、実施例１で示した共鳴フィルタと格子ピッチ、材料などは同じものであり、平行光になった波長１０６４ｎｍの基本波光を狭帯域で反射させる素子である。これにより、ほぼ１０６４ｎｍ±０．１ｎｍの波長の光が反射し、半導体レーザ８１の活性層に戻ってくる。このようにして半導体レーザ８１と共鳴フィルタ８６の間に共振器が形成されると、波長ロックにより１０６４ｎｍの光のみが増幅され、元々ある程度の波長幅を有している半導体レーザ８１は、１０６４ｎｍの狭帯域で安定するようになる。このとき、半導体レーザ８１の前方端面には基本波光の波長に対する無反射コートがなされている。
このようにして狭帯域で増幅された基本波光は、共鳴フィルタ８６を一部透過することにより波長変換素子８４へ出射される。

ここで、狭帯域な共鳴フィルタ８６の共鳴反射波長におけるピーク反射率が大きいほうが安定した波長ロックが行えるが、共鳴フィルタ８６を透過して出射される基本波光の光量を増加させたい場合には、半導体レーザ８１から出射される光の偏光方向と共鳴フィルタ８６のグレーティング（格子）の方向にある程度の角度がつくように回転させることによって共鳴波長における反射率ピークを調整可能である。
ここで、図９に半導体レーザ８１からの出射光の偏光方向と共鳴フィルタ８６のグレーティングの方向の角度による反射率の変化の一例を示す。半導体レーザからの出射光の偏光方向と共鳴フィルタのグレーティングの方向が水平の場合（０°）、波長１０６４ｎｍでピーク反射率が０．９以上となっているが、例えばグレーティングの方向を入射光の偏光方向から３０°傾けた場合、ピーク反射率を０．８以下に減少させ、残りの増幅された光は透過するようになっている。このとき、グレーティングの方向を偏光方向に対して傾けることによる共鳴波長はまったく変化なく、また共鳴反射させる波長の半値幅も殆ど変化しないため、システムの特性に合わせて共鳴波長における反射率を容易に選択することができる。

このようにして共鳴フィルタ８６を透過して出射された狭帯域な基本光は、集光レンズ８３により波長変換素子８４に集光される。これにより、実施例１と同様、安定した出力の第２高調波の光が得られる。

［実施例３］
次に、本発明における第３の実施例を図１０を用いて説明する。
本実施例における波長変換レーザ装置は、図１０に示すような構成となっており、特定波長のレーザ光（基本波光）を出射する半導体レーザ１０１、半導体レーザ１０１から出射したレーザ光を平行光にするコリメートレンズ１０２、平行光にされたレーザ光を収束させる集光レンズ１０３、半導体レーザ１０１からの光を受け取り、半導体レーザ光の波長と異なる波長の光を生成する波長変換素子１０４、波長変換素子１０４より出射される光を整形する投射用レンズ１０５を備えており、共鳴フィルタ１０７を、半導体レーザ１０１と波長変換素子１０４の光軸から一部分岐させた位置に配置する。具体的には、半導体レーザ１０１から前方に出射する光をコリメートレンズ１０２で平行光にし、その後ビームスプリッタ１０６などで分岐させる。分割された一方の光は波長変換素子１０４に入射し、分岐させたもう一方の光の先に共鳴フィルタ１０７を設置する。このビームスプリッタ１０６で分岐された共鳴フィルタ１０７と半導体レーザ１０１の活性層後部端面で共振器を形成し、波長ロックにより特定波長を増幅させる。これにより、増幅した狭帯域な特定波長の光が、波長変換素子１０４に入射する。

より具体的に述べると、半導体レーザ１０１から前方に出射される例えば１０６４ｎｍ付近の基本波光は、コリメートレンズ１０２を通って平行光となり、ビームスプリッタ１０６へ向かう。ビームスプリッタ１０６により入射光の一部は直進して波長変換素子１０４の方向へ向かい、一部は反射される。反射された平行光の先には共鳴フィルタ１０７が設置されている。この共鳴フィルタ１０７は、実施例１と構造、格子ピッチ、材質などが同じものである。この共鳴フィルタ１０７により、１０６４ｎｍ±０．１ｎｍの光のみが共鳴反射されてビームスプリッタ１０６に戻り、さらに半導体レーザ１０１の活性層に帰還する。このようにして、半導体レーザ１０１と共鳴フィルタ１０７の間に共振器が形成され、１０６４ｎｍの波長の光のみが増幅される。また１０６４ｎｍの波長の安定した光がビームスプリッタ１０６を透過することにより、波長変換素子１０４に出射される。ここで、ビームスプリッタ１０６による反射が大きければ、安定した狭帯域の光の増幅を行うことができるが、波長変換素子１０４への出射効率を上げたい場合には、ビームスプリッタ１０６の透過率を選択することにより調整が可能である。
このようにして安定化された基本波光がビームスプリッタ１０６を透過し、集光レンズ１０３により波長変換素子１０４に集光される。これにより、実施例１と同様、安定した高出力の第２高調波が得られる。

［実施例４］
本発明の波長変換レーザ装置において用いられる、安定した狭帯域な基本波光を得るための共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の製造方法の概略を図１１に示す。
まず、基板層となる合成石英基板１１１を用意し、その上にＴａ_２Ｏ_５薄膜１１２を真空蒸着法により形成する（図１１（ａ））。成膜するＴａ_２Ｏ_５の膜厚は、入射光を共鳴させるために設計され、導波層と凹凸部を含む格子層を形成するために、これら２つの層の合計厚さになるように成膜する。ここでは、１１０ｎｍの膜厚で成膜する。共鳴反射素子として機能させるためにはこの層には高屈折率の薄膜が必要となるが、Ｔａ_２Ｏ_５の代わりにＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２などを使用しても同様に成膜可能である。

次にこのＴａ_２Ｏ_５薄膜に光と共鳴を起こすための凹凸による微細周期構造を形成する。まずＴａ_２Ｏ_５上にｉ線形のポジ型フォトレジスト層１１３をスピンコート法によって成膜する（図１１（ｂ））。膜厚は８０ｎｍとし、ホットプレートにより約１００℃で熱処理を行う。
このフォトレジスト層上にマスクとなる微細パターンを形成する方法としては、２光束干渉露光法を用い、入射角度を調整することによりピッチの設定、露光時間の調整により形成される幅を設定する。２光束干渉露光によって形成された潜像に対して、現像、リンス、振り切り工程を経て、フォトレジスト上に特定のピッチ、フィルファクタの凹凸が形成される（図１１（ｃ））。

次に、このようにして形成されたフォトレジスト層１１３をマスクとしてＴａ_２Ｏ_５層のエッチングを所定の深さまで行う（図１１（ｄ））。エッチングは、ＣＦ_４ガスによりＴａ_２Ｏ_５のエッチングを所定の深さまで行い、最後に残ったフォトレジストの残膜をＯ_２により除去した。本実施例では深さ１０ｎｍの深さにエッチングを行った。このようにして格子層１１４が形成される（図１１（ｅ））。
Ｔａ_２Ｏ_５薄膜のエッチングに関しては、本実施例では凹凸深さが浅いためフォトレジストをマスクとしたエッチングで形成可能であるが、フォトレジストパターンをマスクとして金属薄膜を蒸着、フォトレジストを除去した後の金属パターンをマスクとしたエッチングを行うことも可能である。これにより、Ｔａ_２Ｏ_５層にピッチ７１０ｎｍ、構造幅１５０ｎｍ、格子層深さ１０ｎｍ、導波層厚さ１００ｎｍの構造が形成される。
このようにして、波長１０６４ｎｍの基本波光のみを共鳴反射する狭帯域な共鳴フィルタの特性を有する共鳴反射素子を作製することができる。

なお、以上の実施例１〜４では、一例として波長１０６４ｎｍの基本波光に対して５３２ｎｍの第２高調波を出力する波長変換レーザ装置を例に挙げて説明したが、基本波光の波長は１０６４ｎｍに限定されるものではなく、使用する半導体レーザに応じて任意に設定されるものである。また、共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の格子ピッチ、構造幅、格子層深さ、導波層厚さ等も、実施例で提示した数値に限定されるものではなく、使用する半導体レーザの波長や、素子を構成する材料等に応じて設定されるものである。

本発明の波長変換レーザ装置の基本的な構成例を示す概略構成図である。 本発明に係る共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の共鳴構造の構成例を示した概略断面図である。 図２に示す共鳴構造の波長に対する反射率を示した図である。 共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の代表的な構成例を示す概略断面図である。 共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の構造例を説明するための概略断面図である。 図５に示す共鳴反射素子（共鳴フィルタ）を使用したときの反射特性の一例を示す図である。 導波路化された波長変換素子を上から見た平面図である。 本発明の波長変換レーザ装置の別の構成例を示す概略構成図である。 共鳴フィルタをレーザ光の偏光方向に対して回転させたときの反射特性の変化を示す図である。 本発明の波長変換レーザ装置のさらに別の構成例を示す概略構成図である。 本発明の波長変換レーザ装置において用いられる共鳴反射素子（共鳴フィルタ）の作製方法を示した工程説明図である。 従来の構成の波長変換レーザ装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

３１（Ｌ１）：基板層
３２（Ｌ２）：導波層
３３（Ｌ３）：格子層
３４：入射光
３５：反射光
３６：透過光
４１：半導体レーザ
４２：コリメートレンズ
４３：集光レンズ
４４：波長変換素子
４５：投射用レンズ
４６：コリメートレンズ
４７：共鳴フィルタ（共鳴反射素子）
５１：基板層
５２：導波層
５３：格子層
５４：導波層厚さ
５５：格子層深さ
５６：格子ピッチ
５７：構造幅
８１：半導体レーザ
８２：コリメートレンズ
８３：集光レンズ
８４：波長変換素子
８５：投射用レンズ
８６：共鳴フィルタ（共鳴反射素子）
１０１：半導体レーザ
１０２：コリメートレンズ
１０３：集光レンズ
１０４：波長変換素子
１０５：投射用レンズ
１０６：ビームスプリッタ
１０７：共鳴フィルタ（共鳴反射素子）
１１１：石英ガラス
１１２：高屈折率薄膜
１２３：フォトレジスト層
１２４：格子層

Claims (10)

1. 基本波光を出力する半導体レーザと、
   前記半導体レーザから出力された基本波光に基づいて該基本波光の波長とは異なる波長の光を発生させる波長変換素子と、
   前記半導体レーザから出力された基本波光の波長以下の凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより特定の波長の入射光を共鳴反射させる光学素子（以下、共鳴反射素子と言う）を用い、特定波長の光を前記半導体レーザに帰還させる手段と、
   を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。
2. 請求項１記載の波長変換レーザ装置において、
   前記波長変換素子は、ドメイン反転による擬似位相整合を行うことを特徴とする波長変換レーザ装置。
3. 請求項１または２記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザの出射方向の後方に配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。
4. 請求項１または２記載の波長変換レーザ装置において、
   前記半導体レーザと前記波長変換素子の間に、前記共鳴反射素子を配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。
5. 請求項１記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴反射素子を、前記半導体レーザと前記波長変換素子の光軸から一部分岐させた位置に配置することを特徴とする波長変換レーザ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴反射素子は、基本波光の波長以下のサイズで形成された凹凸による周期構造を有し、前記基本波光がその凹凸による周期構造と共振して発生する共鳴反射現象を利用して特定の波長の入射光を共鳴反射させる狭帯域な共鳴フィルタであることを特徴とする波長変換レーザ装置。
7. 請求項６記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴フィルタは、基板層と、該基板層の上に積層され導波路となる導波層と、該導波層上に設けられ高屈折率部と低屈折率部からなる凹凸による周期構造が所定のピッチで形成されている格子層とを有する構成であり、前記格子層の周期構造の周期、該周期構造の構造幅、該周期構造の屈折率、前記導波層の屈折率を設定することにより、狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。
8. 請求項６または７記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴フィルタは、共鳴波長の中心値に対して、波長半値幅が０．２ｎｍ以下の狭帯域な波長半値幅を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。
9. 請求項６〜８のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
   前記共鳴フィルタは、入射光の偏光方向に対する前記周期構造の角度変化で、前記共鳴波長における反射率のピークを変化させることができることを特徴とする波長変換レーザ装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の波長変換レーザ装置において、
    前記半導体レーザの端面には、基本波光に対する無反射コートがされていることを特徴とする波長変換レーザ装置。

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