JP2012242545A - Light wavelength conversion device - Google Patents
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光波長変換素子を用いた光波長変換装置、特に詳細には、光波長変換素子の中で基本波を折り返す構造を有する光波長変換装置に関するものである。 The present invention relates to an optical wavelength conversion device using an optical wavelength conversion device, and more particularly to an optical wavelength conversion device having a structure in which a fundamental wave is folded in the optical wavelength conversion device.
従来、短波長域のレーザ光を得るために、レーザ光源から発せられた基本波としてのレーザ光を光波長変換素子に通し、該素子において基本波をより波長が短い波長変換波、例えば波長が1/2の第2高調波等に変換する光波長変換装置が種々提供されている。その種の光波長変換装置においては、より高い波長変換効率を実現して、高出力のレーザ光を得ることが望まれている。 Conventionally, in order to obtain laser light in a short wavelength region, laser light as a fundamental wave emitted from a laser light source is passed through an optical wavelength conversion element, and the fundamental wave in the element is converted into a wavelength-converted wave having a shorter wavelength, for example, a wavelength. Various optical wavelength converters for converting to 1/2 second harmonics and the like are provided. In such an optical wavelength conversion device, it is desired to achieve higher wavelength conversion efficiency and obtain a high-power laser beam.
そのような要望に応えるための一つの光波長変換装置として、例えば特許文献1に示されるように、光波長変換素子の入射端面から入射して該素子を伝搬する基本波から変換された波長変換波および残余の基本波を光波長変換素子の出射端面側、入射端面側で相次いで反射させることにより、基本波が合計3回光波長変換素子を通過するようにして、最終的に波長変換波を出射端面から出射させる構成を備えたものが知られている。 As one optical wavelength converter for meeting such a demand, for example, as shown in Patent Document 1, wavelength conversion converted from a fundamental wave incident from the incident end face of the optical wavelength conversion element and propagating through the element By sequentially reflecting the wave and the remaining fundamental wave on the emission end face side and the incident end face side of the optical wavelength conversion element, the fundamental wave passes through the optical wavelength conversion element three times in total, and finally the wavelength conversion wave Is known that has a configuration for emitting light from the emission end face.
この構成においては、基本波と光波長変換素子との作用長が光波長変換素子の素子長の概略3倍となるので、それにより波長変換効率の向上が期待されている。 In this configuration, since the action length of the fundamental wave and the optical wavelength conversion element is approximately three times the element length of the optical wavelength conversion element, it is expected to improve the wavelength conversion efficiency.
ところが、特許文献1に示された従来の光波長変換装置においては、期待通りに高い波長変換効率が得られることがある半面、光波長変換素子に1回だけ基本波を通す通常の場合より、却って波長変換効率が低くなるという問題が認められる。 However, in the conventional optical wavelength conversion device shown in Patent Document 1, a high wavelength conversion efficiency may be obtained as expected, but on the other hand, compared to a normal case in which the fundamental wave is passed through the optical wavelength conversion element only once, On the other hand, there is a problem that the wavelength conversion efficiency is lowered.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光波長変換素子内において基本波を折り返す構造を有する光波長変換装置において、常に安定して高出力の波長変換波を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a stable and high-output wavelength conversion wave in an optical wavelength conversion device having a structure in which a fundamental wave is folded in an optical wavelength conversion element. To do.
本発明の光波長変換装置は、
入射端面とそれに対面する出射端面とを有し、入射端面から入射して出射端面側に(以下、この向きを「正方向」といい、それと反対の方向を「逆方向」という)伝搬した基本波を第2高調波等の波長変換波に変換して、出射端面から出射させる光波長変換素子と、
前記出射端面から出射した基本波および波長変換波を、前者は反射させる一方後者は透過させる第1の反射部材と、
この第1の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬した後に前記入射端面から出射した基本波および、該基本波から変換されて前記入射端面から出射した波長変換波を、前者は透過させる一方後者は反射させる第2の反射部材と、
前記第1の反射部材に到達する前に光波長変換素子内を伝搬する波長変換波(正方向に1回目に伝搬する波長変換波)の位相と、前記第2の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬する波長変換波(正方向に2回目に伝搬する波長変換波)の位相とを互いに揃える位相調整手段とを備えたことを特徴とするものである。
The optical wavelength converter of the present invention is
Basically, it has an incident end face and an exit end face facing it, and is incident from the incident end face and propagates to the exit end face side (hereinafter this direction is called “forward direction” and the opposite direction is called “reverse direction”) An optical wavelength conversion element that converts a wave into a wavelength-converted wave such as a second harmonic and emits the wave from the emission end face;
A first reflection member that reflects the fundamental wave and wavelength-converted wave emitted from the emission end face while allowing the former to be reflected and the latter to be transmitted;
The fundamental wave emitted from the incident end face after being reflected by the first reflecting member and propagating in the folded light wavelength conversion element, and the wavelength converted wave emitted from the incident end face after being converted from the fundamental wave, A second reflecting member that transmits while the latter reflects;
Before reaching the first reflecting member, the phase of the wavelength converted wave propagating in the optical wavelength conversion element (the wavelength converted wave propagating for the first time in the positive direction) and the reflected light reflected by the second reflecting member and turned back It is characterized by comprising phase adjusting means for aligning the phase of the wavelength converted wave propagating in the optical wavelength conversion element (the wavelength converted wave propagating second time in the positive direction) with each other.
なお上記第1および第2の反射部材は、それぞれ光波長変換素子の出射端面、入射端面に施されたコーティング等から構成することができるが、その他に、光波長変換素子とは別体に形成された光学部材に施されたコーティング等から構成されてもよい。 The first and second reflecting members can be composed of a coating or the like applied to the exit end face and the entrance end face of the light wavelength conversion element, respectively, but are formed separately from the light wavelength conversion element. It may be configured by a coating or the like applied to the optical member.
また、上記の位相調整手段としては、光波長変換素子の少なくとも一部、例えばその入射端面近傍部分に可変電圧(値が調節自在とされた電圧)を印加する手段や、あるいは光波長変換素子の温度を調節する手段を、単独であるいは併せて適用することができる。 Further, as the phase adjusting means, means for applying a variable voltage (voltage whose value can be adjusted) to at least a part of the optical wavelength conversion element, for example, the vicinity of the incident end face, or an optical wavelength conversion element Means for adjusting the temperature can be applied alone or in combination.
そしてそのような位相調整手段は、上記正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、同方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相を、互いに1周期以上ずらし得るものが好適に用いられる。 Such a phase adjusting means is preferably capable of shifting the phase of the wavelength converted wave propagating first time in the positive direction and the phase of the wavelength converted wave propagating second time in the same direction from each other by one cycle or more. Used.
また、本発明の光波長変換装置においては、光波長変換素子として、分極反転部の周期がチャープ周期とされた周期分極反転構造を有するものが用いられることが特に望ましい。 In the optical wavelength conversion device of the present invention, it is particularly desirable to use an optical wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure in which the period of the domain inversion part is a chirp period.
本発明者の研究によると、先に述べた特許文献1に示される従来装置において波長変換波の出力が不安定になるのは、以下の原因によるものであることが分かった。光波長変換素子の出射端面および入射端面において基本波と波長変換波を反射させて折り返させると、基本波と波長変換波の各々が反射する際に界面反射による位相シフトを起こし、そのシフト値は基本波と波長変換波とで互いに異なることから、また、波長分散により基本波と波長変換波との間で位相差が生じることから、折り返し前に発生した波長変換波と折り返し後に発生した波長変換波との間で相対的な位相ズレが生じる。これは、主に光が伝搬するときの波長変換素子の光路長、即ち素子長に関係し、折り返し前後の波長変換波の位相が偶然揃って強め合う場合は高い波長変換効率を得ることができるが、逆に弱め合う場合は波長変換効率が低下してしまう。従来装置においては、この位相シフトに関して何も考慮がなされていなかったため、設計通りの高い波長変換効率を維持して高い波長変換波出力を安定して得ることが不可能になっていた。 According to the inventor's research, it has been found that the output of the wavelength-converted wave becomes unstable in the conventional apparatus disclosed in Patent Document 1 described above due to the following causes. When the fundamental wave and the wavelength converted wave are reflected and folded at the output end face and the incident end face of the optical wavelength conversion element, a phase shift occurs due to interface reflection when each of the fundamental wave and the wavelength converted wave is reflected, and the shift value is Since the fundamental wave and the wavelength converted wave are different from each other, and because a phase difference occurs between the fundamental wave and the wavelength converted wave due to wavelength dispersion, the wavelength converted wave generated before the return and the wavelength conversion generated after the return There is a relative phase shift with the wave. This is mainly related to the optical path length of the wavelength conversion element when light propagates, that is, the element length, and high wavelength conversion efficiency can be obtained when the phases of the wavelength converted waves before and after the folding are coincidentally strengthened. However, if they are weakened, the wavelength conversion efficiency is lowered. In the conventional apparatus, no consideration has been given to this phase shift, and it has been impossible to stably obtain a high wavelength conversion wave output while maintaining a high wavelength conversion efficiency as designed.
上記の知見に基づいて本発明による光波長変換装置は、光波長変換素子内を正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、同方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相とを互いに揃える位相調整手段が設けられたものである。こうして、互いに同じ正方向に進行する2つの波長変換波の位相が揃えられれば、それら両者が強め合って合波されるので、光波長変換素子の出射端面から、常に高出力の波長変換波が取り出されるようになる。 Based on the above knowledge, the optical wavelength conversion device according to the present invention includes the phase of the wavelength conversion wave propagating in the optical wavelength conversion element for the first time in the positive direction and the phase of the wavelength conversion wave propagating for the second time in the same direction. Are provided with phase adjusting means for aligning the two. In this way, if the two wavelength conversion waves traveling in the same positive direction are aligned, they are strengthened and combined, so that a high-power wavelength conversion wave is always generated from the emission end face of the optical wavelength conversion element. It will be taken out.
特に、上記2つの波長変換波の位相を完全に一致させた場合は、基本波を1回だけ光波長変換素子に通す場合と比べて、波長変換波の振幅が2倍になるので、その出力は理論的には22=4倍に達する。それに対して、上記2つの波長変換波の位相を調整する手段が設けられない場合、合波された後の波長変換波の出力は、基本波を1回だけ光波長変換素子に通す場合と比べて、0〜4倍の間で変動してしまう。 In particular, when the phases of the two wavelength conversion waves are completely matched, the amplitude of the wavelength conversion wave is doubled compared to the case where the fundamental wave is passed through the optical wavelength conversion element only once. Theoretically reaches 2 2 = 4 times. On the other hand, when the means for adjusting the phase of the two wavelength conversion waves is not provided, the output of the wavelength conversion wave after being combined is compared with the case where the fundamental wave is passed through the optical wavelength conversion element only once. And fluctuate between 0 and 4 times.
なお、本発明における「位相調整」とは、上述の通りの2つの波長変換波の間で互いに位相をずらすことを意味するものであり、基本波と波長変換波の波長が相違することによる位相速度の違いから両者間に生じる位相のずれを解消させるいわゆる「位相整合」とは異なる。 The “phase adjustment” in the present invention means to shift the phase between the two wavelength-converted waves as described above, and the phase due to the difference in wavelength between the fundamental wave and the wavelength-converted wave. This is different from so-called “phase matching” that eliminates the phase shift caused by the difference in speed.
以上の作用を果たす位相調整手段として、正方向に1回目に伝搬する波長変換波と、正方向に2回目に伝搬する波長変換波との間の位相を、相対的に1周期以上ずらし得るものが用いられていれば、位相調整がなされない場合に2つの波長変換波の各位相がどのようにずれていても、それらの位相を一致させることが可能になる。 As the phase adjusting means that performs the above-described operation, the phase between the wavelength-converted wave that propagates the first time in the positive direction and the wavelength-converted wave that propagates the second time in the positive direction can be relatively shifted by one period or more. If phase adjustment is not performed, it is possible to match the phases of the two wavelength-converted waves regardless of how they are shifted.
なお、上記のように正方向に2回目に伝搬する波長変換波は、第1の反射部材で反射して折り返した基本波が光波長変換素子内を逆方向に伝搬する際に発生し、その後第2の反射部材で反射して折り返したものである。つまり本発明の光波長変換装置においては、特許文献1に示された光波長変換装置と異なって、第2の反射部材で基本波は反射しないようになっているので、基本波と光波長変換素子との作用長は、最大値で素子長の概略2倍となる。 Note that the wavelength converted wave that propagates the second time in the forward direction as described above is generated when the fundamental wave reflected and turned back by the first reflecting member propagates in the reverse direction in the optical wavelength conversion element, and thereafter The light is reflected by the second reflecting member and folded. That is, in the optical wavelength converter of the present invention, unlike the optical wavelength converter disclosed in Patent Document 1, the fundamental wave is not reflected by the second reflecting member. The maximum working length of the element is approximately twice the element length.
上記第2の反射部材は、最初に基本波を光波長変換素子に入射させるために、上述の通り基本波は良好に透過させる構成とされている。他方、第1の反射部材は、波長変換波を取り出して利用するために、光波長変換素子は良好に透過させるものとされている。 The second reflecting member is configured to transmit the fundamental wave satisfactorily as described above so that the fundamental wave is first incident on the optical wavelength conversion element. On the other hand, since the first reflecting member takes out the wavelength conversion wave and uses it, the light wavelength conversion element is supposed to transmit well.
なお、本発明の光波長変換装置において位相調整手段として、光波長変換素子の少なくとも一部に可変電圧(値が調節自在とされた電圧)を印加する手段が用いられる場合、その手段は、光波長変換素子の入射端面近傍部分に電圧印加するように構成されるのが望ましい。その理由は以下の通りである。 In the optical wavelength conversion device of the present invention, when means for applying a variable voltage (voltage whose value is adjustable) is used as the phase adjustment means in at least a part of the optical wavelength conversion element, It is desirable that a voltage be applied to the vicinity of the incident end face of the wavelength conversion element. The reason is as follows.
この配置は、基本波が正方向に1回目に進行する際に発生した波長変換波と、基本波が正方向に2回目に進行する際に発生した波長変換波について、効果的に、即ち低電圧で位相シフト量を調整し、高い波長変換効率を得るためのものである。まず、この配置とは異なって、例えば光波長変換素子の出射端面近傍に電極を配置する場合について考えると、その場合は、印加電圧は基本波と波長変換波の両方に作用するため、基本波と波長変換波の位相差を互いに大きくとることができず、その結果1回目に発生した波長変換波と2回目に発生した波長変換波との位相差を大きくとることができない。そこで、この位相差を2π以上とるために大きな電圧が必要となるか、あるいは、2π以上の調整ができずに高い波長変換効率を得ることができなくなる。 This arrangement is effective for the wavelength-converted wave generated when the fundamental wave travels the first time in the positive direction and the wavelength-converted wave generated when the fundamental wave travels the second time in the positive direction. This is to obtain a high wavelength conversion efficiency by adjusting the phase shift amount with the voltage. First, unlike this arrangement, for example, in the case where an electrode is arranged in the vicinity of the emission end face of the optical wavelength conversion element, the applied voltage acts on both the fundamental wave and the wavelength converted wave in this case, so the fundamental wave The phase difference between the wavelength conversion wave and the wavelength conversion wave cannot be made large. As a result, the phase difference between the wavelength conversion wave generated the first time and the wavelength conversion wave generated the second time cannot be made large. Therefore, a large voltage is required to set this phase difference to 2π or more, or adjustment of 2π or more cannot be performed and high wavelength conversion efficiency cannot be obtained.
それに対して、光波長変換素子の出射端面近傍に電極を配置すると、基本波が電圧印加部分を正方向に伝搬している時点で波長変換波はまだ殆ど発生しておらず、電圧は実質的に基本波のみに作用する。一方、逆方向に伝搬している基本波と波長変換波には同時に電圧が作用するが、その後、基本波は波長変換素子から外に出射され利用されなくなる。その結果、実質的に2回目に発生した波長変換波にしか電圧が作用しないことになる。また、正方向に伝搬している基本波への電圧の作用は、その後、基本波から波長変換波が発生することから波長変換波への作用と等価となる。以上のことより、この配置によれば、基本波には電圧を作用させないで、実質的に、基本波が正方向に1回目、2回目に伝搬する際に各々発生した波長変換波にのみ電圧を作用させることが可能になる。このことから、実用的な比較的低い電圧で、上記1回目、2回目に各々発生した波長変換波の間で位相差を容易に揃えることが可能となる。 On the other hand, when the electrode is arranged in the vicinity of the emission end face of the optical wavelength conversion element, the wavelength conversion wave is hardly generated when the fundamental wave propagates in the positive direction of the voltage application portion, and the voltage is substantially It only affects the fundamental wave. On the other hand, a voltage acts simultaneously on the fundamental wave and the wavelength converted wave propagating in the opposite directions, but thereafter, the fundamental wave is emitted from the wavelength conversion element and is not used. As a result, the voltage substantially acts only on the second wavelength converted wave generated. Further, the action of the voltage on the fundamental wave propagating in the positive direction is equivalent to the action on the wavelength converted wave since the wavelength converted wave is generated from the fundamental wave thereafter. From the above, according to this arrangement, no voltage is applied to the fundamental wave, and the voltage is substantially applied only to the wavelength conversion waves generated when the fundamental wave propagates in the first and second times in the positive direction. It becomes possible to act. From this, it is possible to easily align the phase difference between the wavelength-converted waves generated at the first time and the second time at a practically low voltage.
また本発明の光波長変換装置において、光波長変換素子として特に、分極反転部の周期がチャープ周期とされた周期分極反転構造を有するものが用いられた場合は、基本波の光路が分極反転部の並び方向と交わる方向に変化するように該光波長変換素子と基本波との相対位置を変えることにより、位相整合条件を変えることが可能になる。そうであれば、例えば光波長変換素子の温度調節によって位相調整を行うことにより、素子温度が位相整合温度からずれてしまったとしても、上述のようにして光波長変換素子と基本波との相対位置を変えて位相整合条件を変化させることにより、温度調節で設定された温度を新たな位相整合温度と合致させることができる。 In the optical wavelength conversion device of the present invention, in particular, when an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure in which the period of the polarization inversion part is a chirp period is used, the optical path of the fundamental wave is the polarization inversion part. It is possible to change the phase matching condition by changing the relative position of the optical wavelength conversion element and the fundamental wave so as to change in a direction crossing the arrangement direction of. If so, for example, by performing phase adjustment by adjusting the temperature of the optical wavelength conversion element, even if the element temperature has deviated from the phase matching temperature, the relative relationship between the optical wavelength conversion element and the fundamental wave is as described above. By changing the phase matching condition by changing the position, the temperature set by the temperature adjustment can be matched with the new phase matching temperature.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《第1実施形態》
図1は、本発明の第1実施形態による光波長変換装置100の概略側面形状を示すものである。この光波長変換装置100は、波長λ1の基本波10を発するファイバレーザ11と、この基本波10を平行光化するコリメータレンズ12と、このコリメータレンズ12で平行光とされた基本波10を集光する集光レンズ13と、こうして集光された基本波10が入射する位置に配され、入射した基本波10を波長λ2=λ1/2の第2高調波14に変換する光波長変換素子15と、この光波長変換素子15から出射した基本波10および第2高調波14が入射する位置に配された凹面ミラーからなる出力ミラー16と、後述するように2通りの経路で発生する第2高調波14の位相を互いに揃える位相調整手段20とを備えてなるものである。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a schematic side view of an optical wavelength conversion device 100 according to a first embodiment of the present invention. The optical wavelength converter 100 collects a fiber laser 11 that emits a fundamental wave 10 having a wavelength λ 1, a collimator lens 12 that collimates the fundamental wave 10, and a fundamental wave 10 that is collimated by the collimator lens 12. A light condensing lens 13 and an optical wavelength conversion element 15 arranged at a position where the fundamental wave 10 thus collected is incident and which converts the incident fundamental wave 10 into a second harmonic wave 14 having a wavelength λ2 = λ1 / 2. And an output mirror 16 composed of a concave mirror disposed at a position where the fundamental wave 10 and the second harmonic wave 14 emitted from the optical wavelength conversion element 15 are incident, and a second generated in two ways as will be described later. Phase adjustment means 20 for aligning the phases of the harmonics 14 with each other is provided.
上記ファイバレーザ11は偏光保存シングルモードファイバを有するもので、一例として波長λ1=1120nmの直線偏光したレーザビーム(基本波)10を発する。なおこのファイバレーザ11の出力は、1〜10Wの間で可変とされている。 The fiber laser 11 has a polarization-preserving single mode fiber. As an example, the fiber laser 11 emits a linearly polarized laser beam (fundamental wave) 10 having a wavelength λ1 = 1120 nm. The output of the fiber laser 11 is variable between 1 and 10W.
また光波長変換素子15は、一例として周期分極反転構造(Periodically Poled Structure)を有するMgOドープLiNbO3 結晶からなるものであり、ファイバレーザ11からの基本波10が入射する入射端面15aと、それに対面する出射端面15bとを有している。本例において、この光波長変換素子15の幅は2mm、厚さは0.5mmで、素子長つまり基本波および第2高調波の伝搬方向のサイズは20mmとされている。なお光波長変換素子15は、上記結晶のc軸方向が上記厚さの方向となるようにカットして形成されている。 The optical wavelength conversion element 15 is made of, for example, an MgO-doped LiNbO 3 crystal having a periodically poled structure, an incident end face 15a on which the fundamental wave 10 from the fiber laser 11 is incident, and a face to the incident end face 15a. And an outgoing end face 15b. In this example, the optical wavelength conversion element 15 has a width of 2 mm and a thickness of 0.5 mm, and the element length, that is, the size in the propagation direction of the fundamental wave and the second harmonic wave is 20 mm. The light wavelength conversion element 15 is formed by cutting so that the c-axis direction of the crystal is the thickness direction.
また、出力ミラー16の内面つまり光波長変換素子15側の凹面には、第1の反射部材としてのコート17が施され、光波長変換素子15の入射端面15aには第2の反射部材としてのコート18が施されている。コート17は、波長λ1=1120nmの基本波10に対しては良好に反射させるHRコート(反射率99.9%以上)となり、波長λ2=560nmの第2高調波14に対しては良好に透過させるARコート(反射率1%以下)となるものである。他方コート18は、基本波10に対しては良好に透過させるARコート(反射率1%以下)となり、記第2高調波14に対しては良好に反射させるHRコート(反射率99.9%以上)となるものである。 The inner surface of the output mirror 16, that is, the concave surface on the side of the light wavelength conversion element 15, is coated with a coat 17 as a first reflection member, and the incident end face 15 a of the light wavelength conversion element 15 is a second reflection member. A coat 18 is applied. The coat 17 is an HR coat (reflectance of 99.9% or more) that reflects well with respect to the fundamental wave 10 with a wavelength λ1 = 1120 nm, and transmits well with respect to the second harmonic 14 with a wavelength λ2 = 560 nm. AR coating (reflectance 1% or less) to be applied. On the other hand, the coat 18 is an AR coat (reflectance of 1% or less) that allows the fundamental wave 10 to pass well, and an HR coat (reflectance 99.9%) that reflects the second harmonic 14 well. That is the above.
位相調整手段20は、光波長変換素子15の入射端面15aの近傍部分において、互いに対面するように該素子15に固定された1対のEO電極21と、これらのEO電極21を介して光波長変換素子15の上記部分に可変電圧を印加する電圧印加回路22とからなるものである。各EO電極21は一例としてAu/Cr蒸着膜からなるものであり、Au膜の厚さは1μm、Cr膜の厚さは0.1μmとされ、基本波および第2高調波の伝搬方向の長さおよびそれに直交する幅が共に1mmである正方形に形成されている。 The phase adjusting means 20 includes a pair of EO electrodes 21 fixed to the element 15 so as to face each other in the vicinity of the incident end face 15 a of the optical wavelength conversion element 15, and the optical wavelength via these EO electrodes 21. The voltage application circuit 22 applies a variable voltage to the above portion of the conversion element 15. Each EO electrode 21 is made of, for example, an Au / Cr vapor deposition film. The thickness of the Au film is 1 μm, the thickness of the Cr film is 0.1 μm, and the propagation direction of the fundamental wave and the second harmonic is long. And a square having a width of 1 mm.
次に、この光波長変換装置100の作用について説明する。ファイバレーザ11から発せられた基本波10は、コリメータレンズ12および集光レンズ13によって集光され、入射端面15aから光波長変換素子15内に入射する。こうして光波長変換素子15内を正方向つまり図中の左方向に伝搬する波長λ1=1120nmの基本波10は、光波長変換素子15内で周期分極反転構造によりいわゆる疑似位相整合が取られながら波長λ2=λ1/2=560nmの第2高調波14に変換される。 Next, the operation of the optical wavelength conversion device 100 will be described. The fundamental wave 10 emitted from the fiber laser 11 is condensed by the collimator lens 12 and the condenser lens 13 and enters the light wavelength conversion element 15 from the incident end face 15a. In this way, the fundamental wave 10 having the wavelength λ 1 = 1120 nm propagating in the optical wavelength conversion element 15 in the positive direction, that is, in the left direction in the figure, has a wavelength while being so-called quasi-phase-matched by the periodic polarization inversion structure in the optical wavelength conversion element 15. It is converted into the second harmonic wave 14 of λ2 = λ1 / 2/2 = 560 nm.
この場合、MgOドープLiNbO3 結晶の最も大きい非線形光学定数d33が利用されるように、基本波10はその直線偏光方向がMgOドープLiNbO3 結晶のc軸の向きと一致する状態で光波長変換素子15に入射される。また基本波10は、そのビームウエスト位置が光波長変換素子15の入射端面15aに有り、そしてまたビームウエスト半径が80μmとなる状態で光波長変換素子15に入射される。 In this case, the fundamental wave 10 is converted into an optical wavelength in a state where the linear polarization direction coincides with the c-axis direction of the MgO-doped LiNbO 3 crystal so that the largest nonlinear optical constant d 33 of the MgO-doped LiNbO 3 crystal is used. Incident on the element 15. The fundamental wave 10 is incident on the light wavelength conversion element 15 with its beam waist position on the incident end face 15a of the light wavelength conversion element 15 and with a beam waist radius of 80 μm.
上記のようにして発生して正方向に伝搬した第2高調波14は、光波長変換素子15の出射端面15bから出射し、そこに形成されたコート17を良好に透過して、所定の用途に利用される。一方、光波長変換素子15内を正方向に伝搬して第2高調波14に変換されなかった基本波10は、光波長変換素子15の出射端面15bから出射してコート17で良好に反射し、光波長変換素子15内を逆方向に伝搬する。この逆方向に伝搬する基本波10も、光波長変換素子15によって第2高調波14に変換される。この第2高調波14は光波長変換素子15の入射端面15aから出射し、コート18において良好に反射し、折り返して光波長変換素子15内を正方向に伝搬する。なお、このとき第2高調波14に変換されなかった基本波10は、コート18を良好に透過する。 The second harmonic wave 14 generated and propagated in the positive direction as described above is emitted from the emission end face 15b of the light wavelength conversion element 15, and is satisfactorily transmitted through the coat 17 formed there, for a predetermined use. Used for On the other hand, the fundamental wave 10 that has propagated in the optical wavelength conversion element 15 in the positive direction and has not been converted into the second harmonic wave 14 is emitted from the emission end face 15 b of the optical wavelength conversion element 15 and is reflected well by the coat 17. The light propagates in the reverse direction in the optical wavelength conversion element 15. The fundamental wave 10 propagating in the opposite direction is also converted into the second harmonic wave 14 by the optical wavelength conversion element 15. The second harmonic wave 14 is emitted from the incident end face 15 a of the light wavelength conversion element 15, is favorably reflected on the coat 18, is folded, and propagates in the light wavelength conversion element 15 in the positive direction. At this time, the fundamental wave 10 that has not been converted to the second harmonic wave 14 passes through the coat 18 satisfactorily.
上述のように折り返した第2高調波14(つまり正方向に2回目に伝搬する第2高調波)が、先に述べた第2高調波14(つまり正方向に1回目に伝搬する第2高調波)に対して位相がずれていると、最悪の場合は両者が弱め合うように干渉して、出力ミラー16から出射する第2高調波の出力がゼロになってしまうことも起こり得る。 The second harmonic wave 14 that is folded as described above (that is, the second harmonic wave that propagates the second time in the positive direction) is the second harmonic wave 14 (that is, the second harmonic wave that propagates the first time in the positive direction). If the phase is shifted with respect to (wave), in the worst case, the two may interfere with each other so that the output of the second harmonic wave emitted from the output mirror 16 may become zero.
また、第2高調波の出力がほぼゼロになる最悪状態には至らなくても、正方向と逆方向の光路長の総和次第では、正方向に1回目に伝搬する第2高調波の位相と、正方向に2回目に伝搬する第2高調波の位相との関係次第で、基本波を折り返さない一般的な光波長変換装置よりも第2高調波出力が低くなってしまうことが起こり得る。 Moreover, even if the worst state where the output of the second harmonic is almost zero is not reached, depending on the sum of the optical path lengths in the forward direction and the reverse direction, the phase of the second harmonic propagating the first time in the forward direction Depending on the relationship with the phase of the second harmonic that propagates the second time in the positive direction, the second harmonic output may be lower than that of a general optical wavelength conversion device that does not return the fundamental wave.
上記の不具合を回避できるように本実施形態においては、前述の位相調整手段20が設けられている。この位相調整手段20を構成する電圧印加回路22は、EO電極21を介して光波長変換素子15の入射端面近傍部分に、一例として0〜1kVの範囲で可変とされた電圧を印加する。この電圧印加部分では光波長変換素子15の屈折率が変わっており、そこで、この部分を通過して正方向に1回目に伝搬する基本波10およびそこから変換された第2高調波14の位相は、それぞれ印加電圧の値に応じて変化することになる。そして、上記電圧印加部分を通過して逆方向に伝搬する基本波10およびそれから変換された第2高調波14の位相も、それぞれ印加電圧の値に応じて変化することになる。また、正方向に1回目に伝搬する基本波10と、反射して逆方向に伝搬する基本波10との間の位相の関係は、光波長変換素子15の素子長にも応じて変化する。 In the present embodiment, the above-described phase adjusting means 20 is provided so as to avoid the above-described problems. The voltage application circuit 22 constituting the phase adjusting unit 20 applies a variable voltage in the range of 0 to 1 kV as an example to the vicinity of the incident end face of the optical wavelength conversion element 15 via the EO electrode 21. In this voltage application portion, the refractive index of the optical wavelength conversion element 15 changes, and therefore, the phase of the fundamental wave 10 that passes through this portion and propagates in the positive direction for the first time and the second harmonic wave 14 converted therefrom. Respectively change in accordance with the value of the applied voltage. Then, the fundamental wave 10 propagating in the reverse direction through the voltage application portion and the phase of the second harmonic wave 14 converted therefrom also change in accordance with the value of the applied voltage. Further, the phase relationship between the fundamental wave 10 that propagates the first time in the forward direction and the fundamental wave 10 that reflects and propagates in the opposite direction also changes according to the element length of the optical wavelength conversion element 15.
そこで、上記印加電圧の値を調節すれば、コート18で反射して正方向に2回目に伝搬する第2高調波14の位相を、正方向に1回目に伝搬する第2高調波14の位相と一致させることが可能になる。この状態になったとき、光波長変換素子15から取り出される第2高調波14の出力は最大となる。 Therefore, if the value of the applied voltage is adjusted, the phase of the second harmonic wave 14 reflected by the coat 18 and propagated the second time in the positive direction is changed, and the phase of the second harmonic wave 14 propagated the first time in the positive direction. Can be matched. In this state, the output of the second harmonic wave 14 extracted from the optical wavelength conversion element 15 is maximized.
基本波10の出力を1W、3Wおよび10Wと3通りに設定した場合、光波長変換素子15への印加電圧を上述の範囲で調整すると、各場合でそれぞれ下の表1に示す通りの第2高調波最大出力が得られた。 When the output of the fundamental wave 10 is set to 1W, 3W, and 10W, and the applied voltage to the optical wavelength conversion element 15 is adjusted within the above range, the second as shown in Table 1 below in each case. Harmonic maximum output was obtained.
比較のために、位相調整手段20を持たない点、並びにコート17、18に代えて基本波10および第2高調波14を良好に透過させるARコートを形成した点以外は以上述べた実施形態の光波長変換装置100と同様の構成とした比較例の光波長変換装置を作製し、それによる第2高調波14の発生についても調べた。なお、この場合、基本波10は光波長変換素子を1回だけ正方向に伝搬することになる。またこの場合、基本波10は、そのビームウエスト位置が光波長変換素子15の長さ方向中央位置に有り、そしてビームウエスト半径が60μmとなる状態で光波長変換素子15に入射される。この比較例における測定結果を表1に併せて示す。
以上の通り本実施形態の光波長変換装置100によれば、光波長変換素子15において1回だけ基本波10を通過させるように構成された光波長変換装置と比べて、波長変換効率を1.7〜2.4倍に高めることが可能である。 As described above, according to the optical wavelength conversion device 100 of the present embodiment, the wavelength conversion efficiency is 1. as compared to the optical wavelength conversion device configured to pass the fundamental wave 10 only once in the optical wavelength conversion element 15. It can be increased by 7 to 2.4 times.
なお本実施形態では、コート17が出力ミラー16に形成されているが、このコート17を光波長変換素子15の出射端面15bに形成してもよい。また反対に、光波長変換素子15の入射端面15aに形成されているコート18を、光波長変換素子15とは別体に形成された光学部材に形成してもよい。 In the present embodiment, the coat 17 is formed on the output mirror 16, but the coat 17 may be formed on the emission end face 15 b of the light wavelength conversion element 15. Conversely, the coat 18 formed on the incident end face 15 a of the light wavelength conversion element 15 may be formed on an optical member formed separately from the light wavelength conversion element 15.
《第2実施形態》
次に図2を参照して、本発明の第2実施形態による光波長変換装置200について説明する。なおこの図2において、図1中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する(以下、同様)。この光波長変換装置200は図1に示した光波長変換装置100と比べると基本的に、可変電圧印加による位相調整手段20に代えて、光波長変換素子15の温度を調節する手段からなる位相調整手段30が設けられた点が異なるものである。
<< Second Embodiment >>
Next, an optical wavelength conversion device 200 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter). Compared with the optical wavelength conversion device 100 shown in FIG. 1, this optical wavelength conversion device 200 basically has a phase comprising means for adjusting the temperature of the optical wavelength conversion element 15 instead of the phase adjustment means 20 by applying a variable voltage. The difference is that the adjusting means 30 is provided.
上記位相調整手段30は、光波長変換素子15を全体的に加温/冷却可能であるペルチェ素子31と、このペルチェ素子31に電流を供給する温度調節回路32と、光波長変換素子15の温度を検出して温度検出信号を温度調節回路32にフィードバックする温度センサ33とから構成されている。この位相調整手段30においては、温度調節回路32によりペルチェ素子31に供給する電流を、温度センサ33の温度検出信号が示す検出温度と設定温度(目標温度)との差に基づいて制御することにより、光波長変換素子15を設定温度に制御することができる。 The phase adjusting means 30 includes a Peltier element 31 capable of heating / cooling the optical wavelength conversion element 15 as a whole, a temperature adjustment circuit 32 for supplying a current to the Peltier element 31, and the temperature of the optical wavelength conversion element 15. And a temperature sensor 33 that feeds back a temperature detection signal to the temperature adjustment circuit 32. In this phase adjustment means 30, the current supplied to the Peltier element 31 by the temperature adjustment circuit 32 is controlled based on the difference between the detected temperature indicated by the temperature detection signal of the temperature sensor 33 and the set temperature (target temperature). The optical wavelength conversion element 15 can be controlled to a set temperature.
先に述べた比較例の光波長変換装置、つまり基本波10が光波長変換素子を1回だけ正方向に伝搬するようにした光波長変換装置にも上記と同様の位相調整手段30を設けて、最大の第2高調波出力が得られる光波長変換素子の温度を調べた。それによると第2高調波の出力は光波長変換素子の設定温度に対して、図3に示す通りの温度依存性を有することが分かった。同図に示される通り、光波長変換素子の温度が56.7℃(これが位相整合温度である)のときに最大の第2高調波出力が得られる。 The above-described optical wavelength conversion device of the comparative example, that is, the optical wavelength conversion device in which the fundamental wave 10 propagates through the optical wavelength conversion element only once in the positive direction is provided with the same phase adjusting means 30 as described above. The temperature of the optical wavelength conversion element that provides the maximum second harmonic output was examined. According to this, it was found that the output of the second harmonic has temperature dependence as shown in FIG. 3 with respect to the set temperature of the optical wavelength conversion element. As shown in the figure, the maximum second harmonic output can be obtained when the temperature of the optical wavelength conversion element is 56.7 ° C. (this is the phase matching temperature).
それに対して本実施形態の光波長変換装置200において、光波長変換素子15の設定温度を連続的に変化させると、温度間隔0.47℃で周期的に第2高調波出力が変化した。第1実施形態と同様に基本波10の出力を1W、3Wおよび10Wとした場合に、上述のように変動する第2高調波出力の最大値を測定したところ、下の表2に示す通りの結果が得られた。なおこの表2でも、前記比較例の測定結果を併せて示す。
以上の通り本実施形態においても、比較例におけるよりも高い変換効率が得られている。ただし、表1に示した第1実施形態の結果と本実施形態の結果を比較すると、比較例に対する変換効率の改善が第1実施形態では2.4、2.0および1.7(倍)であったの対し、本実施形態では1.4、1.5および1.3(倍)であって、改善の程度が低い。これは、前述したように温度間隔0.47℃で周期的に変化する第2高調波出力がピーク値を取る温度が、第2高調波発生の位相整合温度56.7℃に対して約0.2℃ずれて約56.5℃になっていることによる。 As described above, also in the present embodiment, higher conversion efficiency than in the comparative example is obtained. However, when the results of the first embodiment shown in Table 1 are compared with the results of the present embodiment, the improvement in conversion efficiency relative to the comparative example is 2.4, 2.0, and 1.7 (times) in the first embodiment. On the other hand, in this embodiment, it is 1.4, 1.5 and 1.3 (times), and the degree of improvement is low. As described above, the temperature at which the second harmonic output that periodically changes at a temperature interval of 0.47 ° C. takes a peak value is approximately 0 with respect to the phase matching temperature 56.7 ° C. of the second harmonic generation. This is because it is about 56.5 ° C. shifted by 2 ° C.
《第3実施形態》
次に、本発明の第3実施形態による光波長変換装置について説明する。本実施形態の光波長変換装置は、図2に示した第2実施形態の光波長変換素子200において、光波長変換素子15に代えて図4に示す光波長変換素子215が適用された形のものである。この図4に示す光波長変換素子215は、ハッチングを付して分極反転部215cを示すように、MgOドープLiNbO3 結晶に形成された周期分極反転構造が、一定周期ではなくてチャープ周期を有するものとされた点で、既述の光波長変換素子15と異なるものである。
<< Third Embodiment >>
Next, an optical wavelength conversion device according to a third embodiment of the present invention will be described. The optical wavelength conversion device of the present embodiment has a configuration in which the optical wavelength conversion element 215 shown in FIG. 4 is applied in place of the optical wavelength conversion element 15 in the optical wavelength conversion element 200 of the second embodiment shown in FIG. Is. In the optical wavelength conversion element 215 shown in FIG. 4, the periodically poled structure formed in the MgO-doped LiNbO 3 crystal has a chirp period instead of a constant period, as shown by hatching to indicate the polarization inversion part 215c. It is different from the above-described optical wavelength conversion element 15 in that it is made.
上述の構造を有する光波長変換素子215を用いる場合は、基本波10に対して、その進行方向を横切る方向、つまり図4における上下方向に該素子215を相対移動させることにより、基本波10が伝搬する部分における周期分極反転構造の周期を変えることが可能になる。 When the optical wavelength conversion element 215 having the above-described structure is used, the fundamental wave 10 is moved relative to the fundamental wave 10 in a direction transverse to the traveling direction thereof, that is, in the vertical direction in FIG. It becomes possible to change the period of the periodically poled structure in the propagation part.
このことを利用して本実施形態ではまず、光波長変換素子15の周期分極反転構造の周期が中程度の部分、つまり図4中の上下方向中央部分近辺に基本波10を伝搬させ、その状態下で光波長変換素子215の設定温度を連続的に変化させて、第2高調波14の出力が最大となる設定温度を見つけ、その温度に光波長変換素子215を維持した。この状態下では、正方向に1回目に伝搬する第2高調波14の位相と、正方向に2回目に伝搬する第2高調波14の位相とが互いに一致している。次に、光波長変換素子215を図4中の上下方向に移動させ、その移動範囲の中で第2高調波14の出力が最大となる位置に光波長変換素子215を固定した。このときは、基本波10が通過する部分の周期分極反転構造の周期が、第2高調波発生の位相整合条件を最大満足する値となっている。 In this embodiment, by utilizing this fact, first, the fundamental wave 10 is propagated to a portion where the period of the periodically poled structure of the optical wavelength conversion element 15 is medium, that is, near the central portion in the vertical direction in FIG. The set temperature at which the output of the second harmonic wave 14 was maximized was found by continuously changing the set temperature of the optical wavelength conversion element 215 below, and the optical wavelength conversion element 215 was maintained at that temperature. Under this state, the phase of the second harmonic 14 that propagates the first time in the positive direction and the phase of the second harmonic 14 that propagates the second time in the positive direction coincide with each other. Next, the optical wavelength conversion element 215 was moved in the vertical direction in FIG. 4, and the optical wavelength conversion element 215 was fixed at a position where the output of the second harmonic wave 14 was maximum within the movement range. At this time, the period of the periodically poled structure where the fundamental wave 10 passes is a value that satisfies the phase matching condition for generating the second harmonic at the maximum.
以上の状態とした上で、第1および第2実施形態と同様に基本波10の出力を1W、3Wおよび10Wと変化させ、各場合の第2高調波出力を測定したところ、下の表3に示す通りの結果が得られた。なおこの表3でも、前記比較例の測定結果を併せて示す。
表2に示した第2実施形態の結果と本実施形態の結果を比較すると、比較例に対する変換効率の改善が第2実施形態では1.4、1.5および1.3(倍)であったのに対し、本実施形態では2.2、1.8および1.5(倍)であって、改善の程度がより高くなっているのが分かる。つまり本実施形態では、正方向に1回目、2回目に伝搬する各第2高調波14の位相を一致させるために設定した光波長変換素子215の温度が、第2高調波発生の位相整合温度からずれていることを、周期分極反転構造の周期を変えることによって補償可能となっている。 When the results of the second embodiment shown in Table 2 are compared with the results of this embodiment, the improvement in conversion efficiency relative to the comparative example is 1.4, 1.5 and 1.3 (times) in the second embodiment. On the other hand, in this embodiment, it is 2.2, 1.8, and 1.5 (times), and it can be seen that the degree of improvement is higher. That is, in the present embodiment, the temperature of the optical wavelength conversion element 215 set to match the phase of each second harmonic wave 14 propagating in the first direction and the second time in the positive direction is the phase matching temperature of the second harmonic generation. The deviation from the above can be compensated by changing the period of the periodically poled structure.
図5は、以上のことを概念的に示すものである。同図において実線aで示すのが、上記2つの第2高調波14の位相関係に基づく第2高調波出力プロファイルであり、光波長変換素子215の温度が約56.5℃のとき2つの第2高調波14の位相が一致して最大の第2高調波出力が得られる。一方、破線で示すのが第2高調波発生における位相整合に基づく第2高調波出力プロファイルであり、破線bが光波長変換素子215の位置調整を行う前のプロファイルを、そして破線cが光波長変換素子215の位置調整後のプロファイルを示している。 FIG. 5 conceptually shows the above. In the figure, a solid line a indicates a second harmonic output profile based on the phase relationship between the two second harmonics 14. When the temperature of the optical wavelength conversion element 215 is about 56.5 ° C., The phase of the second harmonic 14 matches and the maximum second harmonic output is obtained. On the other hand, a broken line indicates a second harmonic output profile based on phase matching in second harmonic generation, a broken line b indicates a profile before the position adjustment of the optical wavelength conversion element 215, and a broken line c indicates an optical wavelength. The profile after the position adjustment of the conversion element 215 is shown.
より具体的に、第2実施形態における光波長変換素子15の周期分極反転構造の周期が8.48μmであるのに対し、本実施形態では光波長変換素子215の基本波10が伝搬する部分の周期分極反転構造の周期を、8.46〜8.51μmの範囲で変更可能となっている。 More specifically, the period of the periodically poled structure of the optical wavelength conversion element 15 in the second embodiment is 8.48 μm, whereas in this embodiment, the portion of the portion of the optical wavelength conversion element 215 where the fundamental wave 10 propagates is transmitted. The period of the periodically poled structure can be changed in the range of 8.46 to 8.51 μm.
なお図4に示す光波長変換素子215はバルク型のものであるが、導波路型の光波長変換素子とする場合は、同図の上下方向に違いに離して複数の光導波路を形成すればよい。そして、そのように形成した光波長変換素子を前記と同様に同図の上下方向に移動させることにより、基本波10が導波する光導波路を適宜選択すれば、基本波10が伝搬する部分における周期分極反転構造の周期を段階的に変えることが可能になる。 The optical wavelength conversion element 215 shown in FIG. 4 is a bulk type. However, when a waveguide type optical wavelength conversion element is used, if a plurality of optical waveguides are formed apart in the vertical direction in FIG. Good. Then, if the optical waveguide through which the fundamental wave 10 is guided is appropriately selected by moving the optical wavelength conversion element thus formed in the vertical direction in FIG. It becomes possible to change the period of the periodically poled structure stepwise.
《第4実施形態》
次に図6を参照して、本発明の第4実施形態による光波長変換装置400について説明する。なおこの図6および、続いて説明する図7〜9では、位相調整手段は省略してあるが、それらの構成においても図1に示した位相調整手段20あるいは、図2に示した位相調整手段30を適宜用いればよい。
<< 4th Embodiment >>
Next, with reference to FIG. 6, the optical wavelength converter 400 by 4th Embodiment of this invention is demonstrated. In FIG. 6 and FIGS. 7 to 9 to be described later, the phase adjusting means is omitted, but the phase adjusting means 20 shown in FIG. 1 or the phase adjusting means shown in FIG. 30 may be used as appropriate.
この第4実施形態の光波長変換装置400においては、ファイバレーザ11と光波長変換素子15とが直接GRIN(屈折率分布型)レンズ410によって結合されている。ファイバレーザ11のコア11aから射出される基本波10としてのレーザビームは一般に広がり角が大きい。そこで上記GRINレンズ410により、基本波10の広がりを抑えるようにすれば、より長い素子長を有する光波長変換素子15が適用可能になり、そこで該素子15と基本波10の相互作用長を大きく取ることができ、ひいては波長変換効率の高い光波長変換装置400を実現可能となる。 In the optical wavelength conversion device 400 of the fourth embodiment, the fiber laser 11 and the optical wavelength conversion element 15 are directly coupled by a GRIN (refractive index distribution type) lens 410. The laser beam as the fundamental wave 10 emitted from the core 11a of the fiber laser 11 generally has a large divergence angle. Therefore, if the spread of the fundamental wave 10 is suppressed by the GRIN lens 410, the optical wavelength conversion element 15 having a longer element length can be applied, and therefore the interaction length between the element 15 and the fundamental wave 10 is increased. Therefore, the optical wavelength conversion device 400 with high wavelength conversion efficiency can be realized.
《第5実施形態》
次に図7を参照して、本発明の第5実施形態による光波長変換装置500について説明する。この光波長変換装置500は、図6に示した第4実施形態の光波長変換装置400と比べると、GRINレンズ410に代えてGI(グレーデッド・インデックス)ファイバ510が適用された点が異なるものである。GIファイバ510は、コア510aの屈折率が中心から周辺に向かって次第に小さくなるように形成されたものであり、このコア510aを伝搬した後に出射する基本波10を集束させる機能を有する。このようなGIファイバ510を用いる場合も基本波10の広がりを抑えることが可能であり、それにより、図6に示した第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
<< 5th Embodiment >>
Next, with reference to FIG. 7, the optical wavelength converter 500 by 5th Embodiment of this invention is demonstrated. This optical wavelength conversion device 500 differs from the optical wavelength conversion device 400 of the fourth embodiment shown in FIG. 6 in that a GI (graded index) fiber 510 is applied instead of the GRIN lens 410. It is. The GI fiber 510 is formed so that the refractive index of the core 510a gradually decreases from the center toward the periphery, and has a function of converging the fundamental wave 10 emitted after propagating through the core 510a. Even when such a GI fiber 510 is used, the spread of the fundamental wave 10 can be suppressed, and thereby the same effect as that of the fourth embodiment shown in FIG. 6 can be obtained.
《第6実施形態》
次に図8を参照して、本発明の第6実施形態による光波長変換装置600について説明する。この光波長変換装置600は、図6に示した第4実施形態の光波長変換装置400と比べると、GRINレンズ410に代えてテーパファイバ610が適用された点が異なるものである。このテーパファイバ610は、コア610aが入射端面から出射端面に向かって(図中右から左に向かって)次第に広がる形状とされたものであり、そのコア610aを伝搬した後に出射する基本波10の広がりを抑えることが可能である。それにより本実施形態でも、図6に示した第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
<< 6th Embodiment >>
Next, with reference to FIG. 8, the optical wavelength converter 600 by 6th Embodiment of this invention is demonstrated. This optical wavelength converter 600 is different from the optical wavelength converter 400 of the fourth embodiment shown in FIG. 6 in that a tapered fiber 610 is applied instead of the GRIN lens 410. The tapered fiber 610 has a shape in which the core 610a gradually spreads from the incident end face toward the outgoing end face (from the right to the left in the figure). It is possible to suppress the spread. Thereby, also in this embodiment, the same effect as that of the fourth embodiment shown in FIG. 6 can be obtained.
《第7実施形態》
次に図9を参照して、本発明の第7実施形態による光波長変換装置700について説明する。この光波長変換装置700においては、以上説明した各実施形態で用いられた出力ミラー16が省かれ、その代わりに光波長変換素子15の出射端面15bが凸レンズ形状とされている。そして、前述の通りの作用を果たすコート17は、この出射端面15bに形成されている。このコート17での反射について考えれば、上記形状の出射端面15bは出力ミラー16と同様に凹面鏡としての作用を果たす。またファイバレーザ11は光波長変換素子15に直接結合されている。このような構成の光波長変換装置700は、全体的に小型、軽量なものとなり得る。
<< 7th Embodiment >>
Next, an optical wavelength conversion device 700 according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this optical wavelength conversion device 700, the output mirror 16 used in each of the embodiments described above is omitted, and instead, the emission end face 15b of the optical wavelength conversion element 15 has a convex lens shape. The coat 17 that performs the above-described action is formed on the emission end face 15b. Considering the reflection on the coat 17, the output end face 15 b having the above shape acts as a concave mirror like the output mirror 16. The fiber laser 11 is directly coupled to the optical wavelength conversion element 15. The optical wavelength conversion device 700 having such a configuration can be small and light overall.
なお、本実施形態においては、基本波がファイバレーザ11側に直接戻る構成となっている。そのため、ファイバレーザ11側の途中の光路中には、光アイソレーターを介設して、戻り光によるファイバレーザ11の破壊を防止することが望ましい。特にファイバレーザ11がハイパワーのものである場合は、戻り光による破壊がより起こりやすいので、戻り光をより効果的に抑圧できる光アイソレーターを使うことが望ましい。 In the present embodiment, the fundamental wave returns directly to the fiber laser 11 side. Therefore, it is desirable to provide an optical isolator in the middle of the optical path on the fiber laser 11 side to prevent the fiber laser 11 from being damaged by the return light. In particular, when the fiber laser 11 is of high power, destruction by return light is more likely to occur, so it is desirable to use an optical isolator that can more effectively suppress the return light.
なお、本発明の光波長変換装置においては、正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相を、位相調整手段によって互いに1周期以上調整可能としておくことが望ましい。そのようになっていれば、2つの波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。以下、第2高調波発生時にこの要求を満足させるための具体的条件を、位相調整手段として可変電圧印加手段が用いられる場合と、温度調節手段が用いられる場合とについて考察する。 In the optical wavelength conversion device of the present invention, the phase of the wavelength converted wave propagating the first time in the positive direction and the phase of the wavelength converted wave propagating the second time in the positive direction are mutually greater than one cycle by the phase adjusting means. It is desirable to be able to adjust. If so, it becomes possible to make the phases of the two wavelength converted waves coincide with each other. Hereinafter, specific conditions for satisfying this requirement when the second harmonic is generated will be considered when the variable voltage applying unit is used as the phase adjusting unit and when the temperature adjusting unit is used.
《電圧印加手段が用いられる場合》
光波長変換素子への印加電圧をV、光の波長をλ、この波長λに対する光波長変換素子の屈折率をneとすると、光波長変換素子の電圧印加領域に作用する電界E、電圧印加による光波長変換素子の屈折率変化量Δne、電圧印加による第2高調波の位相変化量Δφはそれぞれ下記の通りとなる。
<< When voltage application means is used >>
When the applied voltage to the optical wavelength conversion element is V, the wavelength of light is λ, and the refractive index of the optical wavelength conversion element for this wavelength λ is ne, the electric field E acting on the voltage application region of the optical wavelength conversion element, and the voltage application The refractive index change amount Δne of the optical wavelength conversion element and the second harmonic phase change amount Δφ due to voltage application are as follows.
E=V/d・・・・・・・・・・・・・・(1)
Δne=(1/2)γ33・ne3・E・・・(2)
Δφ=(2π/λ)L・Δne ・・・・(3)
∵φ=(2π/λ)L・ne
また、光波長変換に関わる要素の具体的数値を下記の例として考える。
E = V / d (1)
Δne = (1/2) γ 33 · ne 3 · E (2)
Δφ = (2π / λ) L · Δne (3)
∵φ = (2π / λ) L · ne
Further, specific numerical values of elements related to optical wavelength conversion are considered as the following example.
基本波の波長λFM=1000nm
第2高調波の波長λSH=500nm
光波長変換素子のEO係数γ33=30.8(pm/V)
光波長変換素子の基本波に対する屈折率neFM=2.16
光波長変換素子の第2高調波に対する屈折率neSH=2.25
光波長変換素子の厚さd=0.5mm
EO電極の長さL=1mm
なお、上記屈折率neFMおよびneSHは、光波長変換素子が電圧印加を受けないときの値である。また光波長変換素子の厚さdは1対のEO電極間の距離となり、EO電極の長さLは、光波長変換素子において第2高調波が位相調整を受ける領域の長さとなる。
Wavelength of fundamental wave λ FM = 1000 nm
Second harmonic wavelength λ SH = 500 nm
EO coefficient of optical wavelength conversion element γ 33 = 30.8 (pm / V)
Refractive index ne FM = 2.16 with respect to the fundamental wave of the optical wavelength conversion element
Refractive index ne SH = 2.25 for the second harmonic of the optical wavelength conversion element
Light wavelength conversion element thickness d = 0.5 mm
EO electrode length L = 1mm
The refractive indexes ne FM and ne SH are values when the optical wavelength conversion element is not subjected to voltage application. The thickness d of the optical wavelength conversion element is the distance between the pair of EO electrodes, and the length L of the EO electrode is the length of the region where the second harmonic is subjected to phase adjustment in the optical wavelength conversion element.
ここで図10に、光波長変換素子15を通過する基本波10および第2高調波14の光路を概略的に示す。最初に正方向に伝搬した基本波10−1は、コート17で反射して逆方向に折り返す。この折り返した基本波を10−2として示す。基本波10−1が正方向に伝搬する際に、その一部は第2高調波14−1に変換される。また折り返した基本波10−2が逆方向に伝搬する際に、その一部は第2高調波14−2に変換され、この第2高調波14−2はコート18で反射して第2高調波14−3として正方向に伝搬する。 Here, FIG. 10 schematically shows the optical paths of the fundamental wave 10 and the second harmonic wave 14 that pass through the optical wavelength conversion element 15. The fundamental wave 10-1 first propagated in the forward direction is reflected by the coat 17 and folded back in the reverse direction. This folded fundamental wave is shown as 10-2. When the fundamental wave 10-1 propagates in the positive direction, a part of the fundamental wave 10-1 is converted into the second harmonic 14-1. Further, when the folded fundamental wave 10-2 propagates in the opposite direction, a part thereof is converted to the second harmonic 14-2, and this second harmonic 14-2 is reflected by the coat 18 and reflected to the second harmonic. It propagates in the positive direction as wave 14-3.
上記の基本波および第2高調波はそれぞれ、光波長変換素子15の電圧印加領域を通過することにより位相が変化する。ここでは、正方向に1回目に伝搬する第2高調波14−1と、正方向に2回目に伝搬する第2高調波14−3との間の位相差ΔφTについて考えるが、第2高調波14−1は基本波10−1の位相を受け継ぐ。また正方向に2回目に伝搬する第2高調波14−3はコート18で反射する前の第2高調波14−2のときと合わせて合計2回、電圧印加領域を通過して位相変化する。そこで、電圧印加領域通過による基本波の位相変化をΔφFM、第2高調波の位相変化をΔφSHとすると、上記位相差ΔφTがちょうど1周期となる条件は、
ΔφT=ΔφSH+ΔφSH−ΔφFM=2π・・・(4)
となる。
The phases of the fundamental wave and the second harmonic wave change as they pass through the voltage application region of the optical wavelength conversion element 15. Here, the phase difference Δφ T between the second harmonic 14-1 propagating first in the positive direction and the second harmonic 14-3 propagating second in the positive direction is considered. The wave 14-1 inherits the phase of the fundamental wave 10-1. The second harmonic wave 14-3 propagating second in the positive direction passes through the voltage application region a total of two times together with the second harmonic wave 14-2 before being reflected by the coat 18, and changes its phase. . Therefore, if the phase change of the fundamental wave due to passing through the voltage application region is Δφ FM and the phase change of the second harmonic is Δφ SH , the condition that the phase difference Δφ T is exactly one cycle is as follows:
Δφ T = Δφ SH + Δφ SH −Δφ FM = 2π (4)
It becomes.
ΔφSHおよびΔφFMは、前述の(3)式より、
ΔφSH=(2π/λSH)L・ΔneSH
ΔφFM=(2π/λFM)L・ΔneFM
であるので、(4)式より、
2(2π/λSH)L・ΔneSH−(2π/λFM)L・ΔneFM=2π
∴2πL{(2ΔneSH/λSH)−ΔneFM/λFM}=2π・・・(5)
となる。
Δφ SH and Δφ FM are obtained from the above-described equation (3).
Δφ SH = (2π / λ SH ) L · Δne SH
Δφ FM = (2π / λ FM ) L · Δne FM
Therefore, from equation (4),
2 (2π / λ SH ) L · Δne SH − (2π / λ FM ) L · Δne FM = 2π
Π2πL {(2Δne SH / λ SH ) −Δne FM / λ FM } = 2π (5)
It becomes.
また(1)および(2)式より、
ΔneSH=(1/2)γ33・ne3 SH・E=(1/2)γ33・ne3 SHV/d
ΔneFM=(1/2)γ33・ne3 FM・E=(1/2)γ33・ne3 FMV/d
であるから(5)式は、
πL{(2γ33・ne3 SHV/d・λSH)−γ33・ne3 FMV/d・λFM}=2π
となり、ここにλFM=2λSHを代入すると、
πL{(2γ33・ne3 SHV/d・λSH)−γ33・ne3 FMV/d・2λSH}=2π
∴(Lγ33V/2dλSH)(4ne3 SH−ne3 FM)=2
となる。
From the equations (1) and (2),
Δne SH = (1/2) γ 33 · ne 3 SH · E = (1/2) γ 33 · ne 3 SH V / d
Δne FM = (1/2) γ 33 · ne 3 FM · E = (1/2) γ 33 · ne 3 FM V / d
Therefore, equation (5) is
πL {(2γ 33 · ne 3 SH V / d · λ SH ) −γ 33 · ne 3 FM V / d · λ FM } = 2π
And substituting λ FM = 2λ SH into
πL {(2γ 33 · ne 3 SH V / d · λ SH ) −γ 33 · ne 3 FM V / d · 2λ SH } = 2π
∴ (Lγ 33 V / 2dλ SH ) (4ne 3 SH −ne 3 FM ) = 2
It becomes.
上式に、前述した具体例の数値をそれぞれ代入してVの値を求めると、V=915ボルトとなる。つまり各要素が上記数値となっている場合は、光波長変換素子に0〜915ボルトの範囲にある可変電圧を印加できるようにしておけば、正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。 If the value of V is calculated by substituting the numerical values of the specific examples described above into the above equation, V = 915 volts. In other words, when each element has the above numerical value, the phase of the wavelength converted wave propagating for the first time in the positive direction can be obtained by applying a variable voltage in the range of 0 to 915 volts to the optical wavelength conversion element. And the phase of the wavelength-converted wave propagating the second time in the positive direction can always be matched.
《温度調節手段が用いられる場合》
光波長変換素子が一様に温度調節される場合、第2高調波は正方向に伝搬するときも、また逆方向に伝搬するときも、素子の温度変化ΔTに対してΔφの位相変化を受ける。そこで、第2高調波が正方向に1回目に伝搬するとき、そこから折り返して逆方向に伝搬するとき、そこから折り返して正方向に2回目に伝搬するときの位相変化を各々Δφ(3つとも同じである)とすると、正方向に1回目に伝搬する第2高調波と、正方向に2回目に伝搬する第2高調波との間の位相差ΔφTは、
ΔφT=Δφ−(Δφ+Δφ)=Δφ
であり、結局、第2高調波が光波長変換素子を1回通過するときに温度変化ΔTにより生じる位相変化量Δφと同じ値となる。
<When temperature control means is used>
When the temperature of the optical wavelength conversion element is uniformly adjusted, the second harmonic undergoes a phase change of Δφ with respect to the temperature change ΔT of the element when propagating in the forward direction or in the reverse direction. . Therefore, when the second harmonic propagates the first time in the forward direction, when it propagates back and propagates in the reverse direction, the phase change when it propagates from there and propagates the second time in the forward direction is each Δφ (three The phase difference Δφ T between the second harmonic propagating the first time in the positive direction and the second harmonic propagating the second time in the positive direction is
Δφ T = Δφ− (Δφ + Δφ) = Δφ
Eventually, the second harmonic wave has the same value as the phase change amount Δφ caused by the temperature change ΔT when passing through the optical wavelength conversion element once.
そして位相φは、光波長変換素子の屈折率をn、その長さをLeとすると、
φ=(2π/λ)n・Le
であるから、これより、
ΔφT=Δφ=(2π/λ)Δn・Le
となる。また、光波長変換素子がΔTの温度変化を受けたときの該素子の屈折率変化量Δnは、光波長変換素子の温度係数をδn/δTとすると、
Δn=ΔT(δn/δT)
であるから、これを上式に代入すると、
ΔφT=ΔT(2π/λ)(δn/δT)・Le
となる。
Then, the phase φ is expressed as follows: n is the refractive index of the optical wavelength conversion element, and Le is its length.
φ = (2π / λ) n · Le
So, from this,
Δφ T = Δφ = (2π / λ) Δn · Le
It becomes. In addition, the refractive index change amount Δn of the optical wavelength conversion element when the optical wavelength conversion element is subjected to a temperature change of ΔT is expressed as follows, where the temperature coefficient of the optical wavelength conversion element is δn / δT:
Δn = ΔT (δn / δT)
Therefore, if this is substituted into the above equation,
Δφ T = ΔT (2π / λ) (δn / δT) · Le
It becomes.
この式から具体的な数値を考える。光波長変換素子の温度係数δn/δT=5.3×10−5、n=2.2、λ=500nmとして、
ΔT(2π/λ)(δn/δT)・Le=2π
を満たすΔTを求めると、例えばLe=10mmのときΔT=0.94℃、Le=20mmのときΔT=0.47℃となる。つまり、光波長変換素子の長さが10mm、20mmの場合、素子温度をそれぞれ0.94℃の範囲、0.47℃の範囲に亘って調節できるようにしておけば、正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。
Consider specific values from this equation. Temperature coefficient of optical wavelength conversion element δn / δT = 5.3 × 10 −5 , n = 2.2, λ = 500 nm,
ΔT (2π / λ) (δn / δT) · Le = 2π
When ΔT satisfying the above is obtained, for example, ΔT = 0.94 ° C. when Le = 10 mm, and ΔT = 0.47 ° C. when Le = 20 mm. In other words, when the length of the optical wavelength conversion element is 10 mm and 20 mm, if the element temperature can be adjusted over the range of 0.94 ° C. and 0.47 ° C., respectively, the first time in the positive direction. It is possible to make the phase of the wavelength converted wave propagating the same as the phase of the wavelength converted wave propagating the second time in the positive direction.
図11は、上述のように光波長変換素子の温度を0.47℃の範囲に亘って調節する場合の、位相調整と位相整合との関係を示すものである。つまり、そこに実線で示すように、0.47℃の範囲に亘って素子温度を調整すれば、その範囲の中央の温度となったとき、正方向に1回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に2回目に伝搬する波長変換波の位相が一致することになる。そして、そこに併せて破線で示す位相整合プロファイル(素子長が比較的長い場合と、短い場合の2例を示す)がもし図示のようになっているならば、該プロファイルが上記中央の温度でピークを取るように、つまりこの中央の温度が位相整合温度となるように、前述した図4の光波長変換素子215を適用する等によって、この位相整合プロファイルを変化させればよい。 FIG. 11 shows the relationship between phase adjustment and phase matching when the temperature of the optical wavelength conversion element is adjusted over the range of 0.47 ° C. as described above. That is, as indicated by a solid line, if the element temperature is adjusted over a range of 0.47 ° C., the phase of the wavelength-converted wave that propagates the first time in the positive direction when the temperature reaches the center of the range. Thus, the phase of the wavelength converted wave propagating the second time in the positive direction matches. In addition, if the phase matching profile (two examples when the element length is relatively long and short) shown in the broken line is as shown in the figure, the profile matches the temperature at the center. The phase matching profile may be changed by applying the above-described optical wavelength conversion element 215 of FIG. 4 so as to take a peak, that is, so that the temperature at the center becomes the phase matching temperature.
100、200、400、500、600、700 光波長変換装置
10 基本波
11 ファイバレーザ(基本波光源)
12 コリメータレンズ
13 集光レンズ
14 第2高調波
15、215 光波長変換素子
15a 光波長変換素子の入射端面
15b 光波長変換素子の出射端面
16 出力ミラー
17 コート(第1の反射部材)
18 コート(第2の反射部材)
20、30 位相調整手段
21 EO電極
22 電圧印加回路
31 ペルチェ素子
32 温度調節回路
33 温度センサ
410 GRINレンズ
510 GIファイバ
610 テーパファイバ
100, 200, 400, 500, 600, 700 Optical wavelength converter 10 Fundamental wave 11 Fiber laser (fundamental wave light source)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Collimator lens 13 Condensing lens 14 2nd harmonic 15, 215 Optical wavelength conversion element 15a Incident end surface of optical wavelength conversion element 15b Output end surface of optical wavelength conversion element 16 Output mirror 17 Coat (1st reflection member)
18 Coat (second reflecting member)
20, 30 Phase adjustment means 21 EO electrode 22 Voltage application circuit 31 Peltier element 32 Temperature adjustment circuit 33 Temperature sensor 410 GRIN lens 510 GI fiber 610 Taper fiber
Claims (6)
前記出射端面から出射した基本波および波長変換波を、前者は反射させる一方後者は透過させる第1の反射部材と、
この第1の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬した後に前記入射端面から出射した基本波および、該基本波から変換されて前記入射端面から出射した波長変換波を、前者は透過させる一方後者は反射させる第2の反射部材と、
前記第1の反射部材に到達する前に光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相と、前記第2の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相とを互いに揃える位相調整手段とを備えてなる光波長変換装置。 An optical wavelength conversion element having an incident end face and an exit end face facing the incident end face, converting the fundamental wave incident from the incident end face and propagating to the exit end face side into a wavelength converted wave, and emitting from the exit end face;
A first reflection member that reflects the fundamental wave and wavelength-converted wave emitted from the emission end face while allowing the former to be reflected and the latter to be transmitted;
The fundamental wave emitted from the incident end face after being reflected by the first reflecting member and propagating in the folded light wavelength conversion element, and the wavelength converted wave emitted from the incident end face after being converted from the fundamental wave, A second reflecting member that transmits while the latter reflects;
The phase of the wavelength conversion wave propagating in the optical wavelength conversion element before reaching the first reflection member, and the phase of the wavelength conversion wave propagating in the return optical wavelength conversion element after being reflected by the second reflection member And a phase adjusting means for aligning each other.
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