JP2715942B2 - 波長変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波長変換装置に関し、
特にその高効率化に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザダイオードの短波長化の研究が現
在活発に進めている。しかし、レーザダイオードの短波
長化はブルー波長領域で進められているが技術的には越
えるべき壁がある。商品化の早さの点においては、技術
的に確立している赤外レーザダイオードを用いた波長変
換の方がよい。このような直接波長変換の従来例を次に
記す。

【０００３】図６は、特開平１−１７２９３２に示され
た従来の波長変換装置である。基本波は、半導体レーザ
などの光源６０から出射され、導波路型非線形光学素子
に入射する。導波路型非線形光学素子６１は、非線形光
学材料が充填された導波路６２を持ち、基本波はこの導
波路６２にてチェレンコフ放射による波長変換が行われ
る。チェレンコフ放射は、導波路６２外に伝搬しチェレ
ンコ放射角の広がりをもって伝搬するため、導波路型非
線形光学素子６１端面にＲ加工を施し、出射光を平行光
にして使いやすいように工夫されている。

【０００４】このチェレンコフ放射の欠点はビームパタ
ーンにある。導波路６２には光は通らないため中心部に
穴があいた輪の形となり短波長化の最大のメリットであ
るビームスポット縮小による記録密度向上が期待できな
い。

【０００５】図７は、導波路構造を用い、効率化を図っ
た従来の波長変換装置で、特開平２−２５４４２６に開
示されているものである。先に説明した従来例の図６に
対し高効率な有機非線形光学材料を用い、有機非線形光
学材料の欠点である結晶劣化を、保護膜により防止して
いる。半導体レーザ光源７０から出射された基本波は、
集光レンズにより集光され、有機非線形光学素子７１の
コア７２に入射する。基本波はコア７２を反射しながら
伝搬しその過程でチェレンコフ放射により第２高調波が
クラッド７３に伝搬し有機非線形光学素子端面から出射
する。有機非線形光学素子は結晶劣化しやすいため、保
護しなければならない。このために素子端面は、遮断層
と反射防止膜を施し結晶劣化を防止している。

【０００６】このチェレンコフ放射の欠点は先の従来例
で述べた土星の輪状のビームパターンにある。このため
短波長化の最大のメリットであるビームスポット縮小に
よる記録密度向上が期待できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来の波長変
換装置（図６，７）は、チェレンコフ放射波長変換方式
のためビームパターンが中心部に穴のあいた輪状をして
いるという欠点がある。すなわち、このチェレンコフ放
射は基本波と第２高調波が分離する形で行われるため中
心部コアには第２高調波はなく、従って出射してくるビ
ームパターンは、中心部に穴があいた土星の輪の形とな
ってしまう。

【０００８】短波長化の最大のメリットは、波長に比例
したビームスポット縮小による記録密度向上（波長の２
乗に反比例する。）であるが、中心部が欠けたビームパ
ターンでは期待する記録密度向上ができない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の直接波長変換装
置は、レーザダイオードと、マウントと、非線形光学素
子と、基本波カットフィルタと、シール材と、外囲器
と、不活性ガスを有している。レーザダイオードはＤＦ
Ｂレーザ，非線形光学素子は４−ニトロフェニルカルバ
ミン酸イソプロピルエステル、不活性ガスは窒素ガスを
用いる。

【００１０】また、本発明によれば、非線形光学素子の
端面に反射ミラーを設けて基本波を多重反射させる波長
変換装置が得られる。反射ミラーを曲率を持った小さな
多数の凹面ミラー群で形成し、基本波を集束させながら
波長変換してもよい。

【００１１】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の第１の実施例を示す断面図である。
構成は、基本波光源であるレーザダイオード１と、レー
ザダイオード１を保持しているマウント２と、基本波を
第２高周波に波長変換する非線形光学素子３と、基本波
と第２高調波を弁別し不要な基本波を除去する基本波カ
ットフィルタ４と、レーザダイオード１および非線形光
学素子３を密閉するシール材５と、部品全体を包み込む
外囲器６と、結晶劣化の恐れがあるレーザダイオード１
及び非線形光学素子３を保護する不活性ガス７を有して
いる。

【００１２】さらに、具体的に説明すると、非線形光学
素子３として４−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
ピルエステル結晶を選んだ。４−ニトロフェニルカルバ
ミン酸イソプロピルエステル結晶は、Ｃ軸に垂直なへき
開面を利用して約４ｍｍの厚さに切り出してある。この
ようにカットした結晶にへき開面の法線方向すなわちＣ
軸方向に９２９．２ｎｍの基本波を入射させると、第２
高調波（４６４．６ｎｍ）と位相整合し、ポインティン
グベクトル方向も一致するので高効率の波長変換ができ
る。

【００１３】レーザダイオード１としては、発振波長が
９２９．２ｎｍのＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ）を
使用した。スペクトル幅の狭いＤＦＢレーザを使用した
理由を図５を参照して説明する。

【００１４】図５はレーザダイオードスペクトル分布と
４−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル
へき開面入射時の波長による相対変換効率計算値を重ね
合わせた図である。レーザダイオードがファブリーペロ
ータイプであれば、スペクトル半値幅は０．５ｎｍ、一
方波長変換素子変換効率の半値幅は０．６ｎｍで、基本
波スペクトル幅の方が小さいため、問題ないように見え
るが、ファブリーペロータイプレーザダイオードは約
０．３ｎｍ／℃で波長シフトし、実使用上扱いにくいも
のとなっている。これに対してＤＦＢレーザ（分布帰還
型レーザ）の場合は約０．０７ｎｍ／℃と波長シフト量
が極めて少なくスペクトル幅も０．０００１ｎｍのオー
ダで実使用およびデバイスマッチング（レーザのスペク
トル幅と波長変換素子の波長許容幅の整合性）について
問題ないからである。

【００１５】不活性ガス７としては、窒素ガスを選択し
た。この理由は、反応性が低いことと、上記基本波と第
２高調波の領域で吸収スペクトルがないからである。な
お、後述の第４の実施例においてより詳細な選択理由を
述べる。

【００１６】次に、動作について説明する。基本波光源
であるレーザダイオード１から９２９．２ｎｍの基本波
を出射し、基本波を第２高調波に波長変換する非線形光
学素子３に入射させる。得られた４６４．６ｎｍの第２
高調波を、基本波と第２高調波を弁別し不要な基本波を
除去する基本波カットフィルタ４から取り出し所定の出
力を得る。

【００１７】このように本実施例によれば、位相整合が
満たされるので高変換効率で狭帯域の波長変換装置を得
ることができる。なお、上記説明では非線形光学素子と
して４−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエス
テルを用いる場合について述べたが、他の非線形光学素
子を用いることもできる。

【００１８】図２は本発明の第２の実施例の断面図であ
る。構成は、基本波光源であるレーザダイオード１と、
レーザダイオード１を保持しているマウント２と、基本
波を第２高調波に波長変換する非線形光学素子３と、出
力された基本波を外部ミラーで外部共振するための２枚
の入射ミラー４ａ及び反射ミラー４ｂと、レーザダイオ
ード１および非線形光学素子３を密閉するシール材５
と、部品全体を包み込む外囲器６と、劣化の恐れがある
レーザダイオード１及び非線形光学素子３を保護する不
活性ガス７とを有している。第１の実施例と同様に非線
形光学素子として４−ニトロフェニルカルバミン酸イソ
プロピルエステルを用いている。

【００１９】次に、動作について説明する。図１の第１
の実施例との相違は外部共振させているか否かにあり相
違点を中心に説明する。基本波光源であるレーザダイオ
ード１から基本波を出射し、基本波を第２高調波に波長
変換する非線形光学素子３に入射させる。この基本波は
外部共振するための２枚の入射ミラー４ａ及び反射ミラ
ー４ｂの間で共振する。基本波出力はミラー透過率を最
適化することにより増大し、この結果変換効率も向上す
る。

【００２０】この実施例においては、レーザダイオード
スペクトルは外部共振器構造により共振周波数に引き込
まれ、レーザダイオードスペクトルは外部共振器のＱ値
により急激に狭帯域化する。かつエネルギーロスは共振
器ロスのみ（Ｑを決定する透過率、ミラーおよび波長変
換素子の散乱、吸収ロス）であり共振器内出力を最大に
するようなＱを計算すれば高効率化を実現できる。この
場合、入射レーザダイオードのスペクトル幅は第１の実
施例と異なり大きい方がよい。なぜならば、共振器周波
数とレーザダイオード周波数が一致しやすく、またスペ
クトル幅が大きい方が引き込まれ易いからである。した
がって、この実施例ではＤＦＢレーザでもよいが、通常
のファブリペロー型レーザでもよい。

【００２１】図３は本発明の第３の実施例の断面図であ
る。構成は、基本波光源であるレーザダイオード１と、
レーザダイオード１を保持しているマウント２と、基本
波を第２高調波に波長変換する非線形光学素子３と、出
力された基本波を外部ミラーで複数回反射するための２
枚の反射ミラー８と、レーザダイオード１および非線形
光学素子３を密閉するシール材５と、部品全体を包み込
む外囲器６と、劣化の恐れがあるレーザダイオード１及
び非線形光学素子３を保護する不活性ガス７と、基本波
と第２高調波を弁別し不要な基本波を除去する基本波カ
ットフィルタ４を有している。

【００２２】次に、動作について説明する。図１の実施
例との相違は基本波を非線形光学素子３の中を複数回反
射させている点にあるので以下相違点を中心に説明す
る。基本波光源であるレーザダイオード１から基本波を
出射し、基本波を第２高調波に波長変換する非線形光学
素子３に入射させる。この基本波は非線形光学素子の両
端に設けた２枚の反射ミラー８の間を複数回反射し、一
部が第２高調波となる。波長変換する際の位相整合条件
として非線形光学素子３の入射角は角度許容角（非線形
光学素子の基本波入射角を最適値からずらしていき５０
％まで低下する角度のずれ幅を言う。）以内にある必要
がある。効率を上げるにはこの入射角をできるだけ小さ
くする必要がある。こうして得られた第２高調波は基本
波カットフィルタ４から出射する。

【００２３】本実施例にはつぎの工夫がなされている。
ノンクリティカルな位相整合（第１の実施例で述べた基
本波と第２高調波の伝搬が一致する位相整合）の利点は
すでに知られているとおり、基本波と第２高調波の重な
りが無限に続くため位相整合の相互作用長はその結晶長
に比例する。しかし、有機非線形光学素子である４−ニ
トロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル結晶は
育成が極めて困難で、質がいい結晶の大型化はあきらめ
ざるを得ない状況であった。そこで、小さくともいい結
晶を育成し、その結晶を十分に活用することを考えた。
このために、２枚の反射ミラー間を多重反射させておこ
なった。

【００２４】この結果、結晶との相互作用長を反射回数
分増大させることができた。一般に、変換効率は結晶長
の２乗に比例するがその条件としては、パワー密度が一
定であること、基本波と第２高調波の位相が揃っている
ことが必要である。このうち位相については各反射ミラ
ー面で光の侵入がないとすれば位相差は純粋に非線形光
学素子の特性による。位相差を生まない特性を持ったデ
バイスであれば、効率低下を招くことなく、位相整合相
互作用長を増大することができる。パワー密度について
は、レーザビームの広がりとともに低下するので広がり
をなるべく小さくすることが必要である。

【００２５】図４は本発明の第４の実施例の断面図であ
る。第３の実施例の欠点は、レーザビームの広がりとと
も波長変換効率が低下することである。この点の解決を
中心に、第４の実施例を述べる。第３の実施例との相違
点は、図３の多重反射させている２枚の反射ミラーが、
曲率を持ったミラーである点である。すなわち、先に述
べた第３実施例のレーザビームの広がりとともに波長変
換効率が低下する欠点を、反射ミラーに小さな凹面ミラ
ーを複数配置しレーザビームを絶えず集光することで解
決した。さらに、レーザダイオードのビームパターンは
楕円形であるので、焦点を一定にするために楕円形の凹
面ミラーとした。

【００２６】ここで吟味しなければならない点は、基本
波と第２高調波との位相の乱れおよび位相整合角度許容
による変換効率低下である。非線形光学素子３は、ノン
クリティカル位相整合条件を満たしていると仮定すれ
ば、位相の乱れは非線形光学素子３とビーム集光反射ミ
ラーの間の空間で生じることとなる。

【００２７】位相の乱れは、時間と空間で生ずる。時間
的位相の乱れは、非線形光学素子端面と反射ミラー間の
媒質の屈折率で生じる。真空中であれば時間的位相の乱
れは生じないが、一般的に波長によって屈折率が異なる
ため位相が乱れてしまう。そこで基本波と第２高調波の
屈折率がほぼ等しい媒質を不活性ガスとして選択するこ
とにより解決した。具体的には窒素ガスを選択した。選
択理由は次の通りである。アルゴン、ネオン等よく知ら
れた不活性ガスは可視域に強力なスペクトルがある。屈
折率はこのスペクトル前後の波長で大きく変わる。基本
波と第２高調波の付近に強力なスペクトルがある場合、
これらのガス中で基本波と第２高調波の屈折率は通常一
致しないので基本波と第２高調波の位相が乱れる。窒素
ガスは可視域で強いスペクトルがないので位相のずれ量
はすくない。まったく、位相差を生じないようにするに
は真空中に波長変換素子を配置すればよい。

【００２８】ところで、非線形光学素子の位相整合角度
許容による変換効率低下はその入射角によってきまる。
基本波の入射角をφ、図４の小型凹面ミラーのピッチ間
隔をｄ、対向した２枚のミラー間隔をＬとしたとき、ｄ
＝Ｌφなる関係がある。非線形光学素子位相整合角度許
容角をθとすると、波長変換素子の特性上，φ＝θとな
ったとき、定義により変換効率は半分になる。この程度
の変換効率を確保するためには、ｄ＝Ｌθである必要が
ある。非線形光学素子として４−ニトロフェニルカルバ
ミン酸イソプロピルエステルを用い、その厚さを４ｍｍ
（≒Ｌ），位相整合角度許容角を３度とすると、ｄ＝
０．２ｍｍとなる。

【００２９】この本実施例では、反対ミラーに凹面ミラ
ーを使用し集束させながら多重反射を行っているので波
長変換効率の低下を防止でき高い変換効率の波長変換装
置を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
下記の効果がある。

【００３１】（１）結晶保護 レーザダイオードや非線形光学素子特に有機非線形光学
素子は空気中で結晶が劣化するので何らか保護しなけれ
ばならない。このため反応性の低い窒素ガスを充填する
ことにより保護することができた。

【００３２】（２）相互作用長増大 非線形光学素子の両端に反射ミラーを配置、多重反射さ
せることによりノンクリティカル位相整合作用長増大を
はかることができ、この結果有機非線形光学結晶のよう
な結晶育成の困難な結晶を実用化することができる。

【００３３】また、基本波と第２高調波のポインティン
グベクトル方向が一致し得る方向を選択したことにより
非線形光学素子で多重反射させ位相整合相互作用長をな
がく取ることができた。

【００３４】さらに、充填した不活性ガスで、基本波と
第２高調波の屈折率がほぼ等しい不活性ガスを選択する
ことにより、基本波と第２高調波の位相の乱れを防ぐこ
とができ、結果として、相互作用長を増大することがで
きた。

【００３５】（３）狭帯域化 一般に用いられているファブリーペロータイプレーザダ
イオードはスペクトル幅が広く、直接波長変換に用いい
るには不利な面があるのでスペクトル幅の狭いＤＦＢレ
ーザにて効率改善を図った。

【００３６】また、狭帯域化の別の方法として、よく知
られている外部共振にて行った。この結果、基本波パワ
ー密度は増大し、波長変換効率の高効率化をはかること
ができた。

【００３７】（４）基本波の集光 基本波パワー密度を高めるための小型凹面ミラーを複数
個配置することにより基本波を集光し変換効率の増大を
図った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の断面図である。

【図２】本発明の第２実施例の断面図である。

【図３】本発明の第３実施例の断面図である。

【図４】本発明の第４実施例の断面図である。

【図５】ファブリーペロータイプレーザダイオードと非
線形光学素子の変換効率説明図である。

【図６】従来例を示す断面図である。

【図７】従来の他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオード ２ マウント ３ 非線形光学素子 ４ 基本波カットフィルタ ４ａ 入射ミラー ４ｂ，８ 反射ミラー ５ シール材 ６ 外囲器 ７ 不活性ガス ９ ビーム集光反射ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−263017（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−330795（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−341345（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−127205（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基本波光源であるレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードを保持しているマウントと、対向
   した反射ミラーで挟み込んだ非線形光学素子とを有し、
   前記反射ミラーの横方向から基本波を入射後複数回反射
   させて波長を交換する波長変換装置において、前記反射
   ミラーを複数の微小な楕円形の凹面ミラーを所定のピッ
   チで配列して形成したことを特徴とする波長変換装置。
2. 【請求項２】 前記微小な楕円形の凹面ミラーの形状が
   レーザダイオードの楕円形のビームパターンの形状と一
   致することを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、微小な楕円
   形の凹面ミラーのピッチ間隔をｄ，対向した２枚のミラ
   ー間隔をＬ，非線形光学素子の位相整合角度許容角をθ
   としたとき、ｄ＜Ｌθとなるように微小な楕円形の凹面
   ミラーを加工することを特徴とする波長変換装置。