JP2013190517A - Harmonic generator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a harmonic generator which uses a light source, as a light source of fundamental waves, obtained by optically combining a fiber grating with a solid laser oscillation body and made to be an external resonator, and which suppresses output variation caused by return of return light, when harmonics are highly efficiently emitted.SOLUTION: The harmonic generator includes: a solid laser oscillation body 2; a fiber grating 3 which forms an external resonator 1 with the solid laser oscillation body 2 and emits fundamental waves B; and a wavelength conversion element 9 having a periodical polarization inversion structure 8, for converting a wavelength of the fundamental wave and emitting a harmonic D. The periodical polarization inversion structure 8 includes a chirp period part for suppressing return light.

Description

本発明は高調波発生装置に関するものである。   The present invention relates to a harmonic generator.

青色レーザはGaN系の半導体材料により商品化され、ディスプレイ用光源として既に実用化されている。現在は、GaN系半導体レーザで発振波長の長波長化が進められ、緑色帯近くまでレーザ発振が確認されつつある。しかしながら、商品化されている青色レーザを含め、GaN系半導体レーザは消費電力が大きいという課題を有する。
一方、波長変換素子を用いたレーザは、組立の部品点数が多くなるが、消費電力が小さく、また、導波路から出力されるビーム品質も良好なため、GaN系半導体レーザと同一な光出力であっても、光の利用効率が高いという利点を有する。また、波長が安定していることから、計測用途には低雑音の測定ができるという特長を有する。
Blue lasers are commercialized with GaN-based semiconductor materials and are already in practical use as light sources for displays. At present, the GaN semiconductor laser is being used to increase the oscillation wavelength, and the laser oscillation is being confirmed to near the green band. However, GaN-based semiconductor lasers, including commercially available blue lasers, have the problem of high power consumption.
On the other hand, a laser using a wavelength conversion element requires a larger number of parts to assemble, but consumes less power and has a better beam quality output from the waveguide. Even if it exists, it has the advantage that the utilization efficiency of light is high. In addition, since the wavelength is stable, the measurement application has a feature that low noise can be measured.

波長変換素子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、各種光計測用等に適した波長に比較的自由に設計することができ、幅広い応用が可能である。   Examples of the crystal having a non-linear effect used for the wavelength conversion element include lithium niobate and lithium tantalate single crystals. These crystals have high second-order nonlinear optical constants. By forming a periodic domain-inverted structure in these crystals, quasi-phase-matched (QPM) second harmonic generation (Second- Harmonic-Generation (SHG) devices can be realized. In addition, by forming a waveguide in this periodically poled structure, a highly efficient SHG device can be realized, and the wavelength is suitable not only for display applications but also for optical communication, medical use, photochemistry use, various optical measurement uses, etc. Can be designed relatively freely, and can be used in a wide range of applications.

擬似位相整合による波長変換では、非線形グレーティングにより位相整合条件を擬似的に成立させ、波長変換素子の長さの2乗に比例して高い変換効率を実現できる。しかし、グレーティングの作用長に反比例して、位相整合条件を満足させる波長許容度の幅が減少する。例えば、波長変換素子の長さ10mmのLiNbO3を用いた擬似位相整合型のSHG素子において、波長850nmの光を波長425nmの第2高調波に変換する場合を例にとると、分極反転の周期は約3.2μmとなる。このとき、擬似位相整合条件を成立させるための基本波の波長許容度は、半値全幅で0.1nm以下となる。この値は、安定な波長変換を行う場合には非常に厳しい値であり、周辺温度などの環境変化により、出力が不安定になるという問題があった。   In wavelength conversion by quasi-phase matching, phase matching conditions can be established in a pseudo manner by nonlinear grating, and high conversion efficiency can be realized in proportion to the square of the length of the wavelength conversion element. However, the width of the wavelength tolerance that satisfies the phase matching condition decreases in inverse proportion to the action length of the grating. For example, in a quasi-phase matching type SHG element using LiNbO3 with a length of 10 mm, the wavelength inversion period is taken as an example in which light with a wavelength of 850 nm is converted to a second harmonic with a wavelength of 425 nm. About 3.2 μm. At this time, the wavelength tolerance of the fundamental wave for satisfying the quasi-phase matching condition is 0.1 nm or less at the full width at half maximum. This value is a very severe value when performing stable wavelength conversion, and there has been a problem that the output becomes unstable due to environmental changes such as ambient temperature.

この問題を解決するため、特許文献1(特開2000−321610)では、分極反転の周期をチャープ状に変化させることで、位相整合波長の許容度を拡大している。具体的には、分極反転の周期を距離に比例して増大させる線形チャープ構造により、位相整合波長の許容幅の増大が可能である。   In order to solve this problem, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-321610) expands the tolerance of the phase matching wavelength by changing the polarization inversion period in a chirp shape. Specifically, the allowable width of the phase matching wavelength can be increased by a linear chirp structure that increases the period of polarization inversion in proportion to the distance.

特開2000−321610JP 2000-321610 A

本発明者は、固体レーザ発振体に対してファイバグレーティングを光学的に結合して外部共振器とした光源を基本波の光源として用い、高効率で高調波を発振させることを試みていた。この場合には、ファイバグレーティングを用いることで基本波の波長幅を精密に制御して基本波の波長ズレを極力低減した。これと共に、周期分極反転構造の周期の精度を向上させることで、高い波長変換効率を達成することを試みた。基本波の波長ズレが抑制されていることによって、周期の製造精度を向上させて位相整合波長幅を小さくしても、ピークアウトによる高調波発生効率の低下や不安定を抑制できるはずであった。   The inventor has attempted to oscillate harmonics with high efficiency by using a light source that is an external resonator by optically coupling a fiber grating to a solid-state laser oscillator as a fundamental light source. In this case, the wavelength shift of the fundamental wave was precisely controlled by using a fiber grating to reduce the wavelength shift of the fundamental wave as much as possible. At the same time, an attempt was made to achieve high wavelength conversion efficiency by improving the accuracy of the period of the periodically poled structure. By suppressing the wavelength shift of the fundamental wave, even if the manufacturing accuracy of the period is improved and the phase matching wavelength width is reduced, it should have been possible to suppress the reduction in harmonic generation efficiency and instability due to peak out. .

しかし、実際に試作してみると、やはり高調波の発振出力に経時的に変動が生ずることがあった。本発明者がこの原因を検討した結果、出力変動の原因は、前記した位相整合波長の微細なズレではなく、基本波波長と少し離れた波長の戻り光の発振であった。   However, when actually making a prototype, fluctuations in the harmonic oscillation output may occur over time. As a result of the study of the cause by the present inventor, the cause of the output fluctuation was not the fine shift of the phase matching wavelength but the oscillation of the return light having a wavelength slightly different from the fundamental wave wavelength.

本発明の課題は、固体レーザ発振体に対してファイバグレーティングを光学的に結合して外部共振器とした光源を基本波の光源として用い、高効率で高調波を発振させたときに、戻り光の帰還に起因する出力変動を抑制することである。   An object of the present invention is to use a light source that is an external resonator by optically coupling a fiber grating to a solid-state laser oscillator as a fundamental wave light source, and when returning harmonics with high efficiency, It is to suppress the output fluctuation caused by the feedback.

本発明は、
固体レーザ発振体、
この固体レーザ発振体と外部共振器を構成し、基本波を発振するファイバグレーティング、および
基本波の波長を変換して高調波を発振する周期分極反転構造を有する波長変換素子を備えており、周期分極反転構造が、周期分極反転構造からの戻り光を抑制するチャープ周期部分を備えていることを特徴とする。
The present invention
Solid-state laser oscillator,
This solid-state laser oscillator and an external resonator constitute a fiber grating that oscillates the fundamental wave, and a wavelength conversion element that has a periodic polarization reversal structure that oscillates the harmonic by converting the wavelength of the fundamental wave. The polarization inversion structure includes a chirp period portion that suppresses return light from the periodic polarization inversion structure.

本発明者は、例えば、図2に示すように波長976nmの基本波Tを波長変換素子に入射させたとき、波長約992nmの戻り光Nが発振して光源側に帰還し、発振出力の変動を引き起こしていることを見いだした。この戻り光の波長は、位相整合波長からは外れており、位相整合波長のピークアウトをもたらすようなものではなく、未知のものであった。本発明者は、この未知な戻り光の発生要因を調べるため、周期構造を持たない素子を使用して波長特性を計測してみた。その結果、ファイバグレーティングで固定化した波長976nmのみ観測され、992nmの発振は確認されなかった。また、波長976nmには位相整合しないが、分極反転周期の異なる別の波長変換素子を使用して同様な計測をしたところ、992nmとは別の波長で戻り光が確認された。これらのことから、この戻り光の発生要因は、波長変換素子の分極反転の周期構造によるものと考えた。   For example, when the fundamental wave T having a wavelength of 976 nm is made incident on the wavelength conversion element as shown in FIG. I found out that The wavelength of the return light deviates from the phase matching wavelength, and does not cause a peak out of the phase matching wavelength, but is unknown. In order to investigate the cause of the generation of this unknown return light, the present inventor has measured the wavelength characteristics using an element having no periodic structure. As a result, only a wavelength of 976 nm fixed by a fiber grating was observed, and oscillation at 992 nm was not confirmed. In addition, although phase matching was not performed at a wavelength of 976 nm, similar measurement was performed using another wavelength conversion element having a different polarization inversion period, and return light was confirmed at a wavelength different from 992 nm. From these, it was considered that the cause of the return light was due to the periodic structure of polarization inversion of the wavelength conversion element.

本発明者は、この戻り光による出力変動を低減するために種々検討した結果、周期分極反転構造にチャープ周期部分を設けることによって、例えば図7に示すように戻り光が顕著に低減され、出力変動が抑制させることを見いだし、本発明に到達した。   As a result of various studies to reduce the output fluctuation due to the return light, the present inventor has significantly reduced the return light as shown in FIG. 7, for example, by providing a chirp period portion in the periodically poled structure. The inventors have found that fluctuations are suppressed and have reached the present invention.

高調波発生装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a harmonic generator. 一実施形態における基本波Tおよび戻り光Nを示すチャートである。It is a chart which shows fundamental wave T and return light N in one embodiment. 周期分極反転構造において周期が一定の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example with a constant period in a periodic polarization inversion structure. 周期分極反転構造において周期がチャープ周期構造である例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example whose period is a chirp periodic structure in a periodic polarization inversion structure. 周期分極反転構造において周期がチャープ周期構造である例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example whose period is a chirp periodic structure in a periodic polarization inversion structure. 周期分極反転構造において周期がチャープ周期構造である例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example whose period is a chirp periodic structure in a periodic polarization inversion structure. 戻り光Nが抑制された例を示すチャートである。It is a chart which shows the example in which return light N was controlled.

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。光源1は、固体レーザ発振源2とファイバグレーティング3とを備えている。固体レーザ光源2からレーザ光Aを発振させる。レーザ光Aは、ファイバ4に入射し、導光し、ファイバグレーティング3に入射する。ここで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が出射する。基本波Bは光学系5によって集光され、波長変換素子9の波長変換部10の一方の端面10aに入射する。   FIG. 1 is a block diagram schematically showing a harmonic generator according to an embodiment of the present invention. The light source 1 includes a solid-state laser oscillation source 2 and a fiber grating 3. Laser light A is oscillated from the solid-state laser light source 2. The laser beam A enters the fiber 4, is guided, and enters the fiber grating 3. Here, the laser beam is subjected to wavelength selection, and a fundamental wave having extremely high coherency is emitted. The fundamental wave B is collected by the optical system 5 and is incident on one end face 10 a of the wavelength conversion unit 10 of the wavelength conversion element 9.

本例では、波長変換素子9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8が形成されている。本例では、波長変換素子9の変換部10の一方の端面10aから他方の端面10bまで周期分極反転構造8が形成されている。端面10aに入射した基本波Bは、変換部10内を伝搬しながら高調波を発生させる。そして、基本波Cおよび高調波Dは、出射面10bから外部へと出射される。   In this example, the wavelength conversion element 9 is made of a ferroelectric substrate, and a periodically poled structure 8 is formed in the substrate. In this example, the periodic polarization inversion structure 8 is formed from one end face 10a of the conversion unit 10 of the wavelength conversion element 9 to the other end face 10b. The fundamental wave B incident on the end face 10 a generates a harmonic while propagating through the conversion unit 10. And the fundamental wave C and the harmonic wave D are radiate | emitted outside from the output surface 10b.

ここで、図3に示すように、周期分極反転構造8は、分極反転部分8aと非反転部分8bとが交互に多数形成されている。ここで、分極反転部8aの幅と非反転部8bの幅との合計が周期Pである。ここで、本発明者は、発振効率を高くするために、周期Pを一定値POに可能な限り近づけることを試みていた。しかし、製造精度が向上すると、図2に示すように、基本波Tと少し離れた位置に戻り光Nが発生し、これによって高調波Dの発振強度が変動することが判明した。   Here, as shown in FIG. 3, the periodically poled structure 8 has a large number of alternately domain-inverted portions 8a and non-inverted portions 8b. Here, the sum of the width of the polarization inversion portion 8a and the width of the non-inversion portion 8b is the period P. Here, the present inventor has attempted to make the period P as close as possible to the constant value PO in order to increase the oscillation efficiency. However, it has been found that when the manufacturing accuracy is improved, the return light N is generated at a position slightly apart from the fundamental wave T as shown in FIG.

そこで、例えば図4に示すように、周期Pを滑らかに変化させ、チャープ周期構造としてみた。この結果、例えば図7に示すように、不要な戻り光Nが抑制され、高調波の出力変動が抑制されることを見いだした。   Therefore, for example, as shown in FIG. 4, the period P was smoothly changed to obtain a chirp periodic structure. As a result, for example, as shown in FIG. 7, it was found that unnecessary return light N is suppressed and output fluctuations of harmonics are suppressed.

ここで、チャープ周期構造は、戻り光Nを抑制する効果を有していたが、基本波の波長ズレが少ないので、位相整合波長のピークアウトによる出力低下を抑制するものではない。   Here, the chirp periodic structure has the effect of suppressing the return light N, but since the wavelength shift of the fundamental wave is small, it does not suppress the output decrease due to the peak-out of the phase matching wavelength.

固体レーザ発振体としては、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。   As the solid-state laser oscillator, a laser with a highly reliable GaAs-based or InP-based material is suitable. For example, in the case of a green laser, a GaAs laser that oscillates near a wavelength of 1064 nm is used. Since GaAs-based and InP-based lasers have high reliability, a light source such as a one-dimensionally arranged laser array can be realized.

ファイバグレーティングとは、光ファイバのコア部に周期的な屈折率変化を形成したものである。本発明で使用しているファイバグレーティングは、固体レーザ発振体の励振波長を安定化するために、その波長の光のみを選択的に反射する反射フィルタとして機能するものである。   A fiber grating is one in which a periodic refractive index change is formed in the core of an optical fiber. The fiber grating used in the present invention functions as a reflection filter that selectively reflects only light of that wavelength in order to stabilize the excitation wavelength of the solid-state laser oscillator.

ファイバグレーティングはグレーティングの設計により、反射率を強めたり、反射させる波長帯域を広げたりするなど調整することができる。反射率を強めれば、外部からの反射による影響を小さくすることができ、固体レーザ発振体の波長を安定化させることができる。しかしながら、反射率を高くすればするほど、取り出しの出力が低下するため、結果として、大きな波長変換光が得られなくなる。従い、大きな波長変換光を得られるようにするには、グレーティングの反射率をあまり高くすることはできない。 The fiber grating can be adjusted, for example, by increasing the reflectivity or expanding the reflected wavelength band, depending on the design of the grating. If the reflectance is increased, the influence of reflection from the outside can be reduced, and the wavelength of the solid-state laser oscillator can be stabilized. However, the higher the reflectivity, the lower the output of extraction. As a result, a large wavelength converted light cannot be obtained. Therefore, the reflectance of the grating cannot be increased so much that large wavelength converted light can be obtained.

本発明では、周期分極反転構造にチャープ周期部分が設けられている。チャープ周期部分とは、周期分極反転構造中で反転周期Pが所定範囲内で変化する部分のことを意味している。   In the present invention, a chirp period portion is provided in the periodically poled structure. The chirp period portion means a portion in which the inversion period P changes within a predetermined range in the periodically poled structure.

好適な実施形態においては、チャープ周期部分が、周期が単調増加する単調増加部分と、周期が連続的に減少する単調減少部分とを有しており、両者が交互に配列される。この構造は、前述した戻り光の抑制に特に効果的であり、かつ高調波の発振強度も大きくできる。   In a preferred embodiment, the chirp period portion has a monotone increasing portion where the cycle increases monotonously and a monotone decreasing portion where the cycle decreases continuously, and both are alternately arranged. This structure is particularly effective in suppressing the above-described return light, and can also increase the oscillation intensity of harmonics.

例えば、図4の素子においては、反転周期Pは、単調増加部分LUと単調減少部分LDとが交互に設けられている。本例では、単調増加部分LUでは、周期Pが長さ方向の位置xに対して一次関数的に増加しており、単調減少部分LDでは、周期Pが長さ方向の位置xに対して一次関数的に減少している。この結果、周期Pは、最大値PUと最小値PDとの間で上下動する。   For example, in the element of FIG. 4, the inversion period P includes alternating monotonously increasing portions LU and monotonously decreasing portions LD. In this example, in the monotonically increasing portion LU, the period P increases linearly with respect to the position x in the length direction, and in the monotonous decreasing portion LD, the period P increases linearly with respect to the position x in the length direction. It is decreasing functionally. As a result, the period P moves up and down between the maximum value PU and the minimum value PD.

また、図5の例においては、反転周期Pは、単調増加部分LUと単調減少部分LDとが交互に設けられている。本例では、単調増加部分LUでは、周期Pが長さ方向の位置xに対して正弦関数的に増加しており、単調減少部分LDでは、周期Pが長さ方向の位置xに対して正弦関数的に減少している。この結果、周期Pは、最大値PUと最小値PDとの間で上下動する。   In the example of FIG. 5, the inversion period P includes alternating monotonously increasing portions LU and monotonically decreasing portions LD. In this example, in the monotonically increasing portion LU, the period P increases sinusoidally with respect to the position x in the length direction, and in the monotonous decreasing portion LD, the period P increases in sine with respect to the position x in the length direction. It is decreasing functionally. As a result, the period P moves up and down between the maximum value PU and the minimum value PD.

また、図6の例では、周期Pが、最小値PDから最大値PUに向かって単調増加している。周期Pは入射側から出射側へと向かって単調減少していてもよい。   In the example of FIG. 6, the period P monotonously increases from the minimum value PD toward the maximum value PU. The period P may monotonously decrease from the incident side toward the emission side.

周期Pが単調増加する場合、単調減少する場合、それぞれ、素子の長さ方向の位置xに対して、一次関数的に増加、減少したり、正弦関数的に増加、減少していてよい。しかし、この関数は限定はされず、例えば、周期Pが、位置xに対して、二次関数的、三次関数的に増加、減少してよく、また円弧状に増加、減少してもよい。さらには、周期Pが、xに対して、離散的に増加、減少していてもよいが、高調波の発振効率を向上させるという観点からは、周期Pが単調に増加、減少していることが好ましい。   When the period P monotonously increases or monotonously decreases, it may increase or decrease in a linear function or increase or decrease in a sine function with respect to the position x in the length direction of the element. However, this function is not limited. For example, the period P may increase or decrease in a quadratic function or a cubic function with respect to the position x, or may increase or decrease in an arc shape. Furthermore, the period P may increase or decrease discretely with respect to x, but from the viewpoint of improving the oscillation efficiency of the harmonics, the period P should increase and decrease monotonously. Is preferred.

周期Pの平均値をPO、最大値をPU、最小値をPDとしたとき、(PU−PD)/POは、戻り光を抑制するという観点からは、0.002以上が好ましく、0.005以上が更に好ましい。また、(PU−PD)/POは、高調波の発振強度を大きくするという観点からは、0.05以下が好ましく、0.02以下が更に好ましい。   When the average value of the period P is PO, the maximum value is PU, and the minimum value is PD, (PU-PD) / PO is preferably 0.002 or more from the viewpoint of suppressing the return light, 0.005 The above is more preferable. Further, (PU-PD) / PO is preferably 0.05 or less, and more preferably 0.02 or less, from the viewpoint of increasing the oscillation intensity of the harmonic.

周期の平均値POは、目的とする位相整合波長および材質の屈折率によって決定されるものであるので限定されないが、波長810nmで位相整合させる場合には周期の平均値POは2.7〜2.8umであることが好ましく、波長1064nmで位相整合させる周期の平均値POは6.5〜6.7umであることが好ましく、波長1550nmで位相整合させる場合には周期の平均値POは17.4〜17.8umであることが好ましい。位相整合波長と周期の平均値POの関係は略線形の関係を有している。   The average period PO is not limited because it is determined by the target phase matching wavelength and the refractive index of the material, but when phase matching is performed at a wavelength of 810 nm, the average period PO is 2.7-2. The average value PO of the phase matching at the wavelength of 1064 nm is preferably 6.5 to 6.7 μm. When the phase matching is performed at the wavelength of 1550 nm, the average value PO of the cycle is 17. It is preferably 4 to 17.8 um. The relationship between the phase matching wavelength and the average period value PO has a substantially linear relationship.

周期分極反転構造は、素子の全長にわたって形成されていてよく、あるいは素子の一部にのみ形成されていてよい。また、チャープ周期部分は、周期分極反転構造の全長を占めていてよいが、一部を占めるだけであってもよい。チャープ周期部分が周期分極反転構造の一部を占めている場合、残りは周期一定であることが好ましい。   The periodically poled structure may be formed over the entire length of the element or may be formed only on a part of the element. Further, the chirp period portion may occupy the entire length of the periodically poled structure, but may occupy only a part. When the chirp period portion occupies a part of the periodically poled structure, it is preferable that the remaining period is constant.

基本波Tの波長と戻り光Nの波長との差は、通常は5nm以上、好ましくは10nm以上である。また、この差は、通常は50nm以下であり、好ましくは30nm以下であり、さらには25nm以下である。導波路の構造に依存するが、基本波Tの波長に対して、戻り光Nの波長は長波長側となることが多いが、製造上の要因などから、短波長側に発生することもある。   The difference between the wavelength of the fundamental wave T and the wavelength of the return light N is usually 5 nm or more, preferably 10 nm or more. Further, this difference is usually 50 nm or less, preferably 30 nm or less, and further 25 nm or less. Although depending on the structure of the waveguide, the wavelength of the return light N is often on the long wavelength side with respect to the wavelength of the fundamental wave T, but may be generated on the short wavelength side due to manufacturing factors. .

好適な実施形態においては、周期分極反転構造8が、素子9内のチャンネル型光導波路10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。   In a preferred embodiment, the periodically poled structure 8 is provided in the channel type optical waveguide 10 in the element 9. In a particularly preferred embodiment, the optical waveguide is a ridge-type optical waveguide, and is obtained by physically processing and shaping a nonlinear optical crystal, for example, by machining or laser processing.

波長変換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。   The material constituting the wavelength conversion element is not particularly limited as long as it can modulate light, but lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution, potassium lithium niobate, KTP, GaAs, crystal, etc. Can be illustrated.

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。   In the ferroelectric single crystal, at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) in order to further improve the optical damage resistance of the optical waveguide. The metal element can be contained, and magnesium is particularly preferable. The ferroelectric single crystal can contain a rare earth element as a doping component. This rare earth element acts as an additive element for laser oscillation. As this rare earth element, Nd, Er, Tm, Ho, Dy, and Pr are particularly preferable.

好適な実施形態においては、波長変換素子を別体の支持基板に対して接合する。支持基体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。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。   In a preferred embodiment, the wavelength conversion element is bonded to a separate support substrate. The specific material of the support substrate is not particularly limited, and examples thereof include glass such as lithium niobate, lithium tantalate, and quartz glass, quartz, and Si. The material of the adhesive layer (not shown) may be an inorganic adhesive, an organic adhesive, or a combination of an inorganic adhesive and an organic adhesive.

(比較例)
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9上に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8を形成した。
(Comparative example)
The oscillation device described with reference to FIGS. 1 and 3 was produced.
Specifically, a comb-like periodic electrode was formed on a 0.5 mm-thick MgO 5% doped lithium niobate 5 degree off-cut Y substrate 9 by photolithography. After forming the electrode film over the entire surface of the substrate, a periodic voltage inversion structure 8 was formed by applying a pulse voltage.

基板に周期分極反転構造を形成した後、厚さ0.4μmのSiO2アンダークラッド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3.5μmとなるまで研削、研磨した。そして、レーザアブレーション加工法により、リッジ型導波路10を形成した。レーザアブレーションにより溝加工したリッジ導波路の両端の掘り込み量は2.3umで、リッジ上部の幅5.2umとした。   After forming a periodically poled structure on the substrate, a SiO 2 under clad having a thickness of 0.4 μm was formed by sputtering. After an adhesive was applied to a non-doped lithium niobate substrate having a thickness of 0.5 mm, it was bonded to the MgO-doped lithium niobate substrate, and the surface of the MgO-doped lithium niobate substrate was ground and polished to a thickness of 3.5 μm. . Then, the ridge type waveguide 10 was formed by a laser ablation processing method. The digging amount at both ends of the ridge waveguide grooved by laser ablation was 2.3 μm, and the width of the upper part of the ridge was 5.2 μm.

ただし、長さ8mmの素子内で、周期Pを一定周期PO=5.08μmとした。光導波路の形成後、ダイサーで長さ約12mm、幅0.7mmサイズで切断し、さらにこの素子を定盤および治具にセットし、両端面を研磨し、研磨面を形成した。次いで、端面上に反射防止膜を形成した。   However, the period P was set to a constant period PO = 0.08 μm in the element having a length of 8 mm. After the optical waveguide was formed, it was cut with a dicer to a length of about 12 mm and a width of 0.7 mm, and this element was set on a surface plate and a jig, and both end surfaces were polished to form a polished surface. Next, an antireflection film was formed on the end face.

また、固体レーザ発振器2およびファイバグレーティング3は、以下のものとした。固体レーザ共振器2には波長980nm付近で発振するGaAs系の半導体レーザを使用した。ファイバグレーティング3には、反射波長が976nm、反射率が3%のものを使用した。   The solid laser oscillator 2 and the fiber grating 3 were as follows. As the solid-state laser resonator 2, a GaAs semiconductor laser that oscillates in the vicinity of a wavelength of 980 nm is used. As the fiber grating 3, one having a reflection wavelength of 976 nm and a reflectance of 3% was used.

図1に示す各部品および波長変換素子を光軸調整し、樹脂によって固定した後に装置内に実装した。   Each component and the wavelength conversion element shown in FIG. 1 were adjusted in optical axis, fixed with resin, and then mounted in the apparatus.

ファイバグレーティング3により光源1から波長976nmの基本波が安定的に発振するように制御し、波長変換素子に出力約80mWの光を入射させた結果、位相整合し、波長488nmの第二高調波が発振した。この出力は、最大11mWであったが、経時的に大きく変動し、安定しなかった。   The fiber grating 3 is controlled so that the fundamental wave having a wavelength of 976 nm is stably oscillated from the light source 1, and light having an output of about 80 mW is incident on the wavelength conversion element. Oscillated. This output was 11 mW at maximum, but it fluctuated greatly with time and was not stable.

(実施例)
比較例と同様に発振装置を作製した。
ただし、長さ12mmの素子内で、周期Pを、最小周期PD=5.06umと最大周期PU=5.10umとの間で、図4に示すように三角波状に2mmの間隔で増加減させた。分極反転周期の平均POは5.08umとなる。
(Example)
An oscillation device was fabricated in the same manner as in the comparative example.
However, in the element having a length of 12 mm, the period P was increased and decreased at intervals of 2 mm in a triangular wave shape as shown in FIG. 4 between the minimum period PD = 5.06 um and the maximum period PU = 5.10 um. The average PO of the polarization inversion period is 5.08 um.

比較例と同様、波長変換素子に出力約80mWの光を入射させた結果、位相整合し、波長488nmの第二高調波が発振した。この出力は、平均して8mW程度であった。比較例に比べて僅かに最大出力は低下したが、出力は安定した。また、この波長変換素子の設計では、素子からの反射が抑制されており、励起光以外の波長の発振が観測されなかった。   As in the comparative example, light having an output of about 80 mW was made incident on the wavelength conversion element. This output was about 8 mW on average. Although the maximum output decreased slightly compared with the comparative example, the output was stable. Moreover, in the design of this wavelength conversion element, reflection from the element was suppressed, and oscillations of wavelengths other than the excitation light were not observed.

Claims (2)

固体レーザ発振体、
この固体レーザ発振体と外部共振器を構成し、基本波を発振するファイバグレーティング、および
前記基本波の波長を変換して高調波を発振する周期分極反転構造を有する波長変換素子を備えており、前記周期分極反転構造が、戻り光を抑制するチャープ周期部分を備えていることを特徴とする、高調波発生装置。
Solid-state laser oscillator,
This solid-state laser oscillator and an external resonator constitute a fiber grating that oscillates a fundamental wave, and a wavelength conversion element that has a periodic polarization inversion structure that oscillates a harmonic by converting the wavelength of the fundamental wave, The harmonic generation device, wherein the periodically poled structure includes a chirp period portion that suppresses return light.
前記チャープ周期部分が、分極反転周期が単調増加する単調増加部と、分極反転周期が単調減少する単調減少部とを備えており、前記単調増加部と前記単調減少部とが交互に設けられていることを特徴とする、請求項1記載の装置。   The chirp period part includes a monotonically increasing part in which the polarization inversion period monotonously increases, and a monotonically decreasing part in which the polarization inversion period monotonously decreases, and the monotonically increasing part and the monotonously decreasing part are provided alternately. The device according to claim 1, wherein:
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