JP2012173494A - 高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体レーザ発振体から発振された基本波の波長を、周期分極反転構造によって変換して高調波を発生する装置において、高調波の発振効率が高く、かつ小型化が可能な高調波発生装置を提供する。
【解決手段】高調波発生装置は、固体レーザ発振体１、固体レーザ発振体１から発振されるレーザ光Ｂを透過して基本波Ｃを得る体積型位相回折格子３、基本波Ｄを反射し、基本波Ｄに対応する高調波Ｋを透過する選択的透過部材５、波長変換素子９、および反射膜１０を備えている。波長変換素子９は、選択的透過部材５によって反射された基本波Ｆの波長を変換して高調波Ｋを発生する周期分極反転構造９、基本波Ｆが入射し、かつ高調波Ｋが出射する一方の端面１１ａ、および一方の端面１１ａに対して反対側に設けられた他方の端面１１ｂを備えている。反射膜１０は、素子１１の他方の端面１１ｂに設けられており、基本波および高調波を反射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は高調波発生装置に関するものである。

高色再現性、低消費電力を実現するレーザディスプレイには、高出力の緑色レーザが求められており、開発競争が行われている。この緑色レーザには、GaN系の半導体材料を用いて作製される直接発光タイプのレーザと、GaAs系の半導体材料により赤外光を発振するレーザと光非線形効果を有する結晶とを組み合わせた波長変換タイプとがある。前者は部品点数が少なく小型化に適するが、高出力化時の信頼性が乏しく、また、実用化するためには消費電力が高いという課題を有している。後者は部品点数が多くなるが、GaAs系レーザの高信頼性、低消費電力性能により、高信頼でかつ低消費電力の緑色レーザが実現できる。そのため、既に、波長変換タイプの緑色レーザを用いたディスプレイが商品化されている。

波長変換タイプに使用する非線形効果を有する結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶がある。これらの結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現することができる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、ディスプレイ用途のみならず光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。

非特許文献１では、基本波を波長変換素子内で折返して波長変換を行う擬似位相整合素子が開示されている。しかし、この素子では、光導波路の末端に反射膜を形成することによって基本波を反射し、基本波を光導波路内で往復させることが必要である。

非特許文献１においては、周期分極反転構造の反射膜側の末端に、周期分極反転ドメインが設けられていないデッドスペースを設けることによって、基本波および高調波の光路長を制御することを試みている。具体的には、素子内に波長変換用の光導波路を多数設け、素子の反射膜側の末端を斜めに研磨することによって、各光導波路に対するデッドスペースの光路長を変化させている。

しかし、非特許文献１記載の方法による光路長の制御は、多数の光導波路を設けるが、必然的にごく一部の光導波路でしか高い変換効率を得ることができないものであり、工業的には利用できない。

これに対して、特許文献１では、波長変換部の反射膜側の端面に長いデッドスペースを設ける。具体的には、デッドスペースの長さを、高調波の時間的可干渉距離の１／２よりも長くしており、これによって、基本波および高調波が反射膜で反射されて往復する間に干渉することによる悪影響を防止している。更に、基本波の発生源として、共振器型のレーザ発生装置を使用することで、基本波の波長のコヒーレンス性を高め、高調波への変換効率の増大を試みている。

G. Imeshevet al., "Phase correction indouble-pass quasi-phase-matched second-harmonic generation with wedged crystal", Optics Letters vol. 23, No. 3, (1998), pages 165 to 167

特開２００８−１４０９１９

しかし、特許文献１のように、レーザ共振器構造の光源を用いた高調波発生装置の場合は、光源の部品点数が多く、光学系が複雑になる。

本発明の課題は、固体レーザ発振体から発振された基本波の波長を、周期分極反転構造によって変換して高調波を発生する装置において、高調波の発振効率を高くできるようにし、かつ光源装置を小型化できるようにすることである。

本発明に係る高調波発生装置は、
固体レーザ発振体、
この固体レーザ発振体から発振されるレーザ光を透過して基本波を得る体積型位相回折格子、
基本波を反射し、この基本波に対応する高調波を透過する選択的透過部材、
選択的透過部材によって反射された基本波の波長を変換して高調波を発生する周期分極反転構造、基本波が入射し、かつ高調波が出射する一方の端面、および一方の端面に対して反対側に設けられた他方の端面を備えている波長変換素子、および
他方の端面に設けられており、基本波および高調波を反射する反射膜を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、周期分極反転構造の形成された素子の一方の端面から基本波を入射させ、他方の端面に反射膜を設けて基本波および高調波を反射させているので、周期分極反転構造内で基本波の往路と復路との双方で高調波を発生させることができる。実質、半分の素子の長さで、２倍相当の素子の長さの場合の高調波を発生させることができる。その上で、レーザ光源からのレーザ光を体積型位相回折格子に透過させ、高調波を選択的に透過させる選択的透過部材によって反射させることで素子に入射させている。これによって基本波波長を変換効率の高い波長にセットでき、変換効率を高めることができる。しかも、体積型位相回折格子を用いてレーザ光の波長を選択し、また選択的反射部材によって基本波の反射と、発生した高調波の透過とを選択しているので、基本波を除去した機能を有し、かつ、小型の光源を実現することが可能である。

本発明の一実施形態に係る高調波発生装置を模式的に示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る高調波発生装置を模式的に示すブロック図である。 周期分極反転構造が形成された波長変換素子および反射膜を模式的に示す側面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る高調波発生装置を模式的に示すブロック図である。レーザ光源１からレーザ光Ａを発振させる。レーザ光Ａは、コリメータレンズ２によって平行光Ｂとなり、平行光Ｂが、体積型位相回折格子３に入射し、透過する。このとき、レーザ光は波長選択を受け、コヒーレント性の極めて高い基本波Ｃが出射する。基本波Ｃは反射部材４によって反射されて矢印Ｄのように進み、選択的透過部材５によって再び反射され、矢印Ｅのように進み、集光レンズ６によって集光され、矢印Ｆのように波長変換素子１１の一方の端面１１ａに入射する。

図３に示すように、素子１１は強誘電体基板からなっており、基板内に周期分極反転構造９が形成されている。本例では、素子１１の一方の端面１１ａから他方の端面１１ｂまで周期分極反転構造９が形成されている。素子１１の端面１１ａに入射した基本波Ｆは、周期分極反転構造９内を矢印Ｇのように進行しながら高調波を発生させる。そして、基本波および高調波は、素子１１の他方の端面１１ｂ上に設けられた反射膜１０によって反射され、周期分極反転構造９内を逆向きに矢印Ｈのように進行し、更に高調波を発生させる。基本波および発生した高調波は、図１に矢印Ｉで示すように出射し、集光レンズ６によってコリメートされて平行光Ｊとなる。そして、平行光Ｊに含まれる基本波は、選択的透過手段５によって反射され、高調波は矢印Ｋのように選択的透過手段５を透過し、光源の外部へと出力される。

図２の例は、図１の例と同様のものであるが、ただし基本波用の反射部材４を除いてある。すなわち、レーザ光Ａは、コリメータレンズ２によって平行光Ｂとなり、平行光Ｂが、体積型位相回折格子３に入射し、透過する。このとき、レーザ光は波長選択を受け、コヒーレント性の極めて高い基本波Ｃが出射する。基本波Ｃは選択的透過部材５によって反射され、矢印Ｅのように進み、集光レンズ６によって集光され、矢印Ｆのように波長変換素子１１の一方の端面１１ａに入射する。

素子１１の端面１１ａに入射した基本波Ｆは、周期分極反転構造９内を矢印Ｇのように進行しながら高調波を発生させる。そして、基本波および高調波は、素子１１の他方の端面１１ｂ上に設けられた反射膜１０によって反射され、周期分極反転構造９内を逆向きに矢印Ｈのように進行し、更に高調波を発生させる。基本波および発生した高調波は、矢印Ｉで示すように出射し、集光レンズ６によってコリメートされて平行光Ｊとなる。そして、平行光Ｊに含まれる基本波は、選択的透過手段５によって反射され、高調波は矢印Ｋのように選択的透過手段５を透過し、光源の外部へと出力される。

本発明によれば、周期分極反転構造７の形成された素子の一方の端面１１ａから基本波を入射させ、他方の端面１１ｂに反射膜１０を設けて基本波および高調波を反射させているので、周期分極反転構造９内で基本波の往路と復路との双方で高調波を発生させることができる。実質、半分の素子の長さで、２倍相当の素子の長さの場合の高調波を発生させることができる。その上で、レーザ光源１からのレーザ光Ａを体積型位相回折格子３に透過させ、高調波を選択的に透過させる選択的透過部材５によって反射させることで光導波路に入射させている。これによって基本波波長を変換効率の高い波長にセットでき、変換効率を高めることができる。しかも、体積型位相回折格子３を用いてレーザ光の波長を選択し、また選択的反射部材５によって、基本波の反射と、発生した高調波の透過とを選択しているので、基本波を除去した機能を有し、かつ、小型の光源を実現することが可能である。

好適な実施形態においては、例えば図３に示すように、波長変換素子１１に対して支持基板８を接着することで、複合素子７を形成する。

また、好適な実施形態においては、例えば図１に示すように、体積型位相回折格子３と選択的透過部材５との間に、基本波Ｃを反射する反射部材４を設ける。

好適な実施形態においては、周期分極反転構造９が、素子１１内のチャンネル型光導波路内に設けられている。特に好適な実施形態においては、光導波路がリッジ型の光導波路であり、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。

素子を構成する材質は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

図示しない接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。

支持基体８の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。

反射部材４は、その表面に成膜する反射性能が得られれば、特に限定されないが、石英ガラスなどのガラスや水晶、Si、金属材料なども使用可能である。反射部材４に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタルなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。

選択的透過手段５は、基本波Ｄを高反射率で反射し、高調波Ｋを高透過率で透過する。材質は、石英ガラスなどのガラスや水晶などが例示され、その表面に二酸化珪素、五酸化タンタルなどの酸化物で積層することで、反射性能を引き出す。

反射膜１０は、基本波及び高調波を高効率で反射する多波長反射機能を有する。膜材としては、選択的透過手段５に使用される酸化物系の膜材が使用可能である。

光源１としては、高い信頼性を有するＧａＡｓ系やＩｎＰ系材料によるレーザが好適である。例えば、緑色レーザの場合は、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系のレーザを用いることになる。ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。

体積型位相回折格子３は、フォトリフラクティブといわれる光の強度分布に応じて、結晶内の屈折率変化が誘起されるガラス系の材料により形成したものである。屈折率変化をさせる周期や、形成領域の幅などの設計により、例えば、選択的にある波長を、ある反射率で反射させることが可能な光部品を実現することができる。

図３に示すように、周期分極反転構造９は、互いに分極方向が反対のドメイン９ａと９ｂとを交互に形成してなる。一組のドメイン９ａと９ｂとの幅の合計が反転周期ｐである。ここで、好適な実施形態においては、周期分極反転構造９の反射膜１０側の最末端のドメイン９ｃの幅ｔが、周期分極反転構造の周期ｐの略半分であり、最末端のドメインが反射膜に接している。
ここで、最末端ドメインの幅ｔは、周期ｐの略半分が最も好ましいが、周期ｐの半分以下でよく、また３割以上が好ましい。また，最末端のドメインは、非分極反転部であってよく、分極反転部であってよい。

特許文献１（特開２００８−１４０９１９）記載のように、周期分極反転構造の末端ドメイン９ｃと反射膜１０との間に、基本波および高調波の時間的可干渉距離の２分の１を超える光学的距離となるようにすると、両者の干渉は低減できるが、光エネルギーの内部損失が大きくなる。

図１および図３を参照しつつ説明した発振装置を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期（ｐ）６．６μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。基板裏面に全面にわたって電極膜を形成したのち、パルス電圧を印加して周期分極反転構造９を形成した。

基板に周期分極反転構造9を形成した後、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２アンダークラッド３９をスパッタ法によって成膜した。厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板8に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ３．７μｍとなるまで研削、研磨した。そして、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型導波路を形成した。

光導波路の形成後、ダイサーで長さ５ｍｍ、幅０．７ｍｍで素子を切断し、図３に示す素子１１を得た。この素子１１を定盤および治具にセットし、両端面１１ａ、１１ｂを研磨し、研磨面を形成した。ここで、研磨面１１ｂについては±１μｍの精度で研磨位置を追い込む必要があるが、分極反転構造を形成した基板上に設けた位置決めマーク、あるいは分極反転を観察しながら、研磨位置を追い込んだ。このような加工で、周期６．６μｍに対して、２μｍ位置に加工したものが得られた。周期に対してドメインの幅が、約３割（３０．３％）の位置で加工されたものが得られたことに対応する。次いで、端面１１ａ上に反射防止膜を形成し、端面１ｂ上に反射膜１０を形成した。

図１に示す各部品および複合素子７をパッケージ内に実装した後、光軸調整し、樹脂によって固定した。体積型位相回折格子３としては、１０６０ｎｍの波長に対して５％程度の反射特性を有するものを使用し、選択的透過手段５としては，１０６０ｎｍで９９％以上反射し、５３０ｎｍで９９％以上透過するものを使用した。

半導体レーザ１の出力を４００ｍＷ駆動させ、波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１００ｍＷの第二高調波出力が得られた。最末端のドメインの幅は理想的には周期の半分の位置となるが、周期の３割でも１００ｍＷの出力が得られ、ディスプレイ用途の光源には十分使用可能な出力が得られた。基本光の波長は１０６０．５ｎｍであった。第二高調波のビーム径は 水平方向で５μｍ、垂直方向で４μｍ（１／ｅ^２）が得られた。また、出射した第二高調波のＭ２値をビームプロファイラで測定したところ、１．１５であり、良好なビーム品質が得られた。Ｍ２値は、理想的なガウシアンビームの場合は１．０になる。ビームのプロファイルが崩れる程、大きな値になる。

Claims (4)

1. 固体レーザ発振体、
   この固体レーザ発振体から発振されるレーザ光を透過して基本波を得る体積型位相回折格子、
   前記基本波を反射し、この基本波に対応する高調波を透過する選択的透過部材、
   前記選択的透過部材によって反射された前記基本波の波長を変換して前記高調波を発生する周期分極反転構造、前記基本波が入射し、かつ前記高調波が出射する一方の端面、および前記一方の端面に対して反対側に設けられた他方の端面を備えている波長変換素子、および
   前記他方の端面に設けられており、前記基本波および前記高調波を反射する反射膜を備えていることを特徴とする、高調波発生装置。
2. 前記波長変換素子に対して接着されている支持基板を備えていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記体積型位相回折格子と前記選択的透過部材との間に設けられ、前記基本波を反射する反射部材を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記周期分極反転構造の前記反射膜側の最末端のドメインの幅が、前記周期分極反転構造の周期の３割以上、半分以下であり、この最末端のドメインが前記反射膜に接していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
   

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