JP2651631B2 - 光波長変換装置 - Google Patents

光波長変換装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基本波を第2高調波に
変換する光波長変換装置に関し、特に詳細には、レーザ
ーダイオードポンピング固体レーザーの共振器内に配さ
れ、基本波と第2高調波との間でタイプIIの位相整合が
取られるようにした光波長変換装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】例えば特開昭62-189783 号公報に示され
るように、ネオジウム等の希土類がドーピングされた固
体レーザーロッドを半導体レーザー(レーザーダイオー
ド)によってポンピングするレーザーダイオードポンピ
ング固体レーザーが公知となっている。この種のレーザ
ーダイオードポンピング固体レーザーにおいては、より
短波長のレーザー光を得るために、その共振器内に非線
形光学材料のバルク単結晶を配設して、固体レーザー発
振ビームを第2高調波に波長変換することも行なわれて
いる。
【0003】ところで上記非線形光学材料の結晶として
は、例えばKTPのような2軸性結晶が用いられること
も多い。J.Appl .Phys .Vol.55,p65(1984)
にはYaoらによって、2軸性結晶であるKTPの位相整
合方法に関する内容が詳細に記述されている。以下、こ
こに記述されている2軸性結晶における位相整合方法に
関して説明する。図4に示すようにθを光の進行方向と
結晶の光学軸Zとのなす角度とし、φを光学軸X、Yを
含む面においてX軸からの光の進行方向の角度とする。
ここで、任意の角度で入射したときの基本波および第2
高調波に対する結晶の屈折率を各々
【0004】
【数1】
【0005】とし、基本波および第2高調波の光学軸
X、Y、Z各方向の偏光成分に対する結晶の屈折率をそ
れぞれ、
【0006】
【数2】
【0007】とする。次に、 kX =sin θ・cos φ kY =sin θ・sin φ kZ =cos θ としたとき、
【0008】
【数3】
【0009】
【数4】
【0010】上記(数3)および(数4)の解が位相整
合条件となる。
【0011】
【数5】
【0012】とおいたとき(数3)および(数4)式の
解は、
【0013】
【数6】
【0014】
【数7】
【0015】(複号はi=1のとき+、i=2のとき
−)となる。
【0016】ここで、
【0017】
【数8】
【0018】なる条件が満足されるとき、基本波と第2
高調波との間で位相整合が取られ、これはタイプIの位
相整合と称されている。また、
【0019】
【数9】
【0020】なる条件が満たされるときにも、基本波と
第2高調波との間で位相整合が取られ、これは一般にタ
イプIIの位相整合と称されている。
【0021】ところで、上記のような2軸性結晶を用い
てタイプIIの位相整合を取る場合、結晶に入射させる基
本波が該結晶に関して2つの屈折率を感じるようにな
る。例えば結晶の非線形光学定数d24を利用する場合、
すなわち図5に示すように結晶10の光学軸YからZ軸側
に45°傾いた方向に直線偏光した(つまりY軸方向の直
線偏光成分とZ軸方向の直線偏光成分とを有する)基本
波11を入射させて、Y軸方向に直線偏光した第2高調波
12を取り出す場合、基本波11は屈折率
【0022】
【数10】
【0023】つまりZ軸方向の偏光成分が感じる屈折率
と、屈折率
【0024】
【数11】
【0025】つまり光の進行方向とZ軸に直角なY’方
向の偏光成分が感じる屈折率の双方を感じる。
【0026】なお図5のように結晶10がカットされてい
る場合、厳密に言えば、基本波11はY’方向(Y軸から
X軸側に傾いた方向)およびZ軸方向に直線偏光した状
態で入射され、第2高調波12はY’方向に偏光した状態
で取り出されることになるが、実用上は上記のように考
えて差支えない。
【0027】上述のように、基本波が2つの屈折率を感
じると、それぞれの屈折率に対する偏光成分の間に下記
の位相差Δが生じる。
【0028】
【数12】
【0029】この位相差Δが生じると、基本波の直線偏
光方向が位相差Δの値に応じて変化することになる。こ
うして基本波の直線偏光方向が変化すると、非線形光学
材料結晶の光学軸に対する基本波偏光方向の角度が、最
大波長変換効率を得る所定角度からずれてしまい、第2
高調波の光強度が低下することになる。
【0030】そこで、最大の第2高調波出力を得るため
には、結晶温度を最適に制御したり、あるいは結晶長を
最適に調整する必要がある。例えば米国特許第4,913,53
3 号明細書には、前者の手法を採る光波長変換装置の一
例が示されており、一方特開平1-152781号公報、同1-15
2782号公報には、後者の手法を採る光波長変換装置の一
例が示されている。また特開平1−152781号公報には、
共振器内に配置する非線形光学材料の結晶を断面台形状
に形成し、この結晶を台形の上下方向に移動させること
により、基本波の結晶における光路長を変化させて、上
記の位相差Δを調整するようにした装置が開示されてい
る。
【0031】
【発明が解決しようとする課題】しかし、結晶長を任意
に設定しておいて、結晶温度の制御によって最大の第2
高調波出力を得ようとすると、大きな温度調節ストロー
クが求められるために温調電源やヒートシンクが大型化
し、光波長変換装置の大型化やコストアップを招く。
【0032】一方、結晶温度が一定となるように温度調
節をし、個々の結晶の長さをその温度に対して最適な値
に調整して対応する場合は、結晶長の許容誤差が極めて
小さいため、現実には、最大の第2高調波出力を得るの
は非常に困難となっている。そして、たとえそのような
ことが可能でも、この場合には、結晶長の厳密な測定お
よび調整の作業が必要となるから、光波長変換装置が大
幅にコストアップしてしまう。
【0033】また上記特開平1−152781号公報に示され
る装置においては、基本波が縦モードマルチ化しやす
く、そのためにモード競合ノイズが発生しやすいという
問題が認められている。
【0034】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、基本波と第2高調波との間でタイプIIの
位相整合が取られる非線形光学材料の結晶を用いて、モ
ード競合ノイズの無い高出力の第2高調波を得ることが
でき、しかも小型かつ安価に形成可能な光波長変換装置
を提供することを目的とするものである。
【0035】
【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
装置は、前述したようにレーザーダイオードポンピング
固体レーザーの共振器内に配され、入射した基本波とし
ての固体レーザー発振ビームを、タイプIIの位相整合を
取って第2高調波に変換する非線形光学材料の結晶を有
する光波長変換装置において、◆上記結晶の少なくとも
一方の光通過面が、外側に凸の曲率を有する面に形成さ
れる一方、◆この結晶を、そこにおける基本波光路長が
変化する向きに移動させる手段が設けられたことを特徴
とするものである。
【0036】
【作用および発明の効果】上記の基本波光路長は、すな
わち前記(数12)式の結晶長Lであり、このLの値が
変化すれば位相差Δが変化する。こうして位相差Δの値
が変化すれば、それに応じて基本波の偏光方向が変化す
る。そこで、上述のように非線形光学材料結晶を移動さ
せることにより、基本波の偏光方向を、最大波長変換効
率が得られるように調整することができる。
【0037】また、上記の構成においては、非線形光学
材料の結晶の少なくとも一方の光通過面を、外側に凸の
曲率を有する面に形成したので、固体レーザーはシング
ルモードで発振しやすくなる。そこで、上述したモード
競合ノイズの発生を抑えて、ノイズの無い第2高調波が
得られるようになる。
【0038】さらに上記の曲率を有する面のレンズ効果
により、非線形光学材料結晶内におけるレーザービーム
の径が小さくなるので、波長変換効率も向上する。
【0039】そして上記構成の本発明装置は、大型かつ
高精度の温度調節手段は不要なものであるから、小型か
つ安価に形成可能となる。
【0040】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施例による光
波長変換装置を示すものである。この光波長変換装置を
有するレーザーダイオードポンピング固体レーザーは、
ポンピング光としてのレーザービーム13を発する半導体
レーザー(フェーズドアレイレーザー)14と、発散光で
ある上記レーザービーム13を平行光化するコリメーター
レンズ15aと、このレンズ15aを通過したレーザービー
ム13を集束させる集光レンズ15bと、ネオジウム(N
d)がドーピングされた固体レーザーロッドであるYV
4 ロッド(以下、Nd:YVO4 ロッドと称する)16
と、このNd:YVO4 ロッド16の前方側(図中右方
側)に配されたKTP結晶10とからなる。以上述べた各
要素は、共通の筐体(図示せず)にマウントされて一体
化されている。なおフェーズドアレイレーザー14は、図
示しないペルチェ素子と温調回路により、所定温度に温
調される。
【0041】このフェーズドアレイレーザー14として
は、波長λ1 =809 nmのレーザービーム13を発するも
のが用いられている。一方Nd:YVO4 ロッド16は、
上記レーザービーム13によってネオジウム原子が励起さ
れることにより、波長λ2 =1064nmのレーザービーム
11を発する。
【0042】Nd:YVO4 ロッド16の光入射側端面16
aには、波長1064nmのレーザービーム11は良好に反射
させ(反射率99.9%以上)、波長809 nmのポンピング
用レーザービーム13は良好に透過させる(透過率99%以
上)コーティング18が施されている。一方KTP結晶10
の前方側の端面10aには、波長1064nmのレーザービー
ム11および波長809 nmのレーザービーム13は良好に反
射させ、そして後述する波長532 nmの第2高調波12は
良好に透過させるコーティング19が施されている。また
このKTP結晶10の後方側の端面10bは、外側に凸とな
った球面の一部をなす形状とされ、その表面には、レー
ザービーム11を良好に透過させるコーティング20が施さ
れている。したがって波長1064nmのレーザービーム11
は、上記の面16a、10a間に閉じ込められて、レーザー
発振を引き起こす。
【0043】このレーザービーム11は非線形光学材料で
あるKTP結晶10に入射して、波長が1/2すなわち53
2 nmの第2高調波12に波長変換される。KTP結晶10
の端面10aには前述した通りのコーティング19が施され
ているので、このKTP結晶10からは、ほぼ第2高調波
12のみが取り出される。
【0044】KTP結晶10を保持した保持部材21には、
図中上下方向に延びる複数のガイドロッド22が挿通され
ている。これらのガイドロッド22の下端部は固定台23に
固定されており、保持部材21はガイドロッド22に沿って
上下方向に移動自在となっている。そして固定台23には
精密ねじ24が回転自在に保持され、この精密ねじ24の先
端部は上記保持部材21に螺合されている。したがって精
密ねじ24が回転されると、保持部材21が上下方向に螺進
退し、KTP結晶10が上下移動する。
【0045】図2に詳しく示すように、2軸性結晶であ
るKTP結晶10は、YZ面をZ軸周りに24°回転させた
面にレーザービーム11が垂直に入射するように配されて
いる。この構成においては、矢印Pで示すレーザービー
ム11の直線偏光方向とZ軸とが45°の角度をなす場合
に、大きな非線形光学定数d24が利用された上で、基本
波としてのレーザービーム11と第2高調波12との間で良
好にタイプIIの位相整合が取られ、最大強度の第2高調
波12が得られる。
【0046】しかし、KTP結晶10によりレーザービー
ム11に前述のような位相差Δが生じると、その値に応じ
てレーザービーム11の直線偏光方向が変化してしまうの
で、上記45°の角度を実現できないことも起こり得る。
そこで、前述した精密ねじ24を右回りあるいは左回りに
回転させて、KTP結晶10を上下方向に微小量ずつ移動
させると、該結晶10におけるレーザービーム11の光路長
Lが極く僅かずつ変化する。この光路長Lが変化する
と、前述したように位相差Δの値が変化し、したがって
その直線偏光方向も変化する。このようにしてレーザー
ビーム11の直線偏光方向を微調整すれば、この直線偏光
方向が上述したようにZ軸に対して45°をなす状態が得
られ、そのときに最大強度の第2高調波12を得ることが
できる。
【0047】また、KTP結晶10の端面10bは、外側に
凸となった球面の一部をなす形状とされているので、レ
ーザービーム11は単一縦モードで発振しやすくなる。そ
こで、モード競合ノイズの発生を抑えて、ノイズの無い
第2高調波12が得られるようになる。さらに、上記の結
晶端面10bのレンズ効果により、KTP結晶10内におけ
るレーザービーム11の径が小さくなるので、波長変換効
率も向上する。
【0048】次に図3を参照して、本発明の第2実施例
について説明する。なおこの図3において、図1中のも
のと同等の要素については同番号を付し、それらについ
ての重複した説明は省略する。
【0049】この第2実施例においてKTP結晶10は、
保持部材31に対して、その端面10bの曲率中心から外れ
た回転軸32を中心に回転自在に保持されている。そして
保持部材31には、調節つまみ33が回転軸34を中心に回転
自在に取り付けられている。この回転軸34は、図示しな
い減速歯車列を介して上記回転軸32に連結されている。
したがって、調節つまみ33が回転操作されると、KTP
結晶10が回転軸32を中心にして回転する。このようにし
てKTP結晶10が回転されると、そこにおけるレーザー
ビーム11の光路長が変化するので、この場合も第1実施
例と同様にレーザービーム11の直線偏光方向を調節可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例装置の側面図
【図2】上記第1実施例装置の要部を示す斜視図
【図3】本発明の第2実施例装置の側面図
【図4】本発明に関連する結晶内部での基本波進行方向
と光学軸Zとがなす角度θ、および基本波進行方向と光
学軸Xとがなす角度φを説明する概略図
【図5】非線形光学材料の光学軸と基本波の直線偏光方
向との関係を説明するための概略図
【図6】第2高調波出力の温度変化に依存する周期的変
動を示すグラフ
【図7】第2高調波出力の結晶長に依存する周期的変動
を示すグラフ
【符号の説明】
10 KTP結晶 10a、10b KTP結晶の端面 11 レーザービーム(基本波) 12 第2高調波 13 レーザービーム(ポンピング光) 14 フェーズドアレイレーザー 16 Nd:YVO4 ロッド 21、31 保持部材 22 ガイドロッド 23 固定部材 24 精密ねじ 32、34 回転軸 33 調整つまみ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザーダイオードポンピング固体レー
    ザーの共振器内に配され、入射した基本波としての固体
    レーザー発振ビームを、タイプIIの位相整合を取って第
    2高調波に変換する非線形光学材料の結晶を有する光波
    長変換装置において、前記結晶の少なくとも一方の光通
    過面が、外側に凸の曲率を有する面に形成される一方、
    この結晶を、そこにおける基本波光路長が変化する向き
    に移動させる手段が設けられたことを特徴とする光波長
    変換装置。
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