JP2828760B2 - 第二高調波発生装置 - Google Patents

第二高調波発生装置

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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 第二高調波発生装置に関し、 光学系を複雑とすることなく第二高調波を効率良く発
生可能とすることを目的とし、 基本波の光源と共振器の間に、第3の1/4波長板を設
け、且つ共振器内の非線形光学結晶の両側に第1,第2の
1/4波長を設けてなり、上記光源からの基本波が該非線
形光学結晶を光学側から出力側の方向へ進行するときに
は該非線形光学結晶と位相整合する直線偏光となり、そ
の反対方向に進行するときは、該非線形光学結晶と位相
整合する偏光方向と直交した直線偏光になるよう構成す
る。
〔産業上の利用分野〕
本発明は第二高調波発生装置に関する。
レーザを基本波として第二高調波を発生する装置は、
光記録の分野で記録の高密度化を可能とするものとして
期待されている。
この種の装置は、第二高調波を効率良く発生させうる
ものであることが望ましい。
〔従来の技術〕 第5図に従来の第二高調波発生装置の1例を示す。
1はレーザダイオード(以下LDという)、2はコリメ
ートレンズである。
3はファブリ・ペロー共振器であり、二つのミラー4,
5が相対向して配設されている。
6は非線形光学結晶であるLiNbO3の結晶6であり、共
振器3内に配設されている。
結晶6は、その光学軸7が、LD1から出射した基本波
であるレーザ8の電場の方向(偏光方向)9と光軸10と
を含む面内にあるように配設してある。
ここで、上記の結晶6の特性について説明する。
光が結晶6の内部を透過する時、光の電場によって物
質に分極が発生する。光が弱い場合、分極は電場に比例
する。このため通常は、こうした効果を考えなくてもよ
い。しかし光強度が強くなってくると、分極は電場に比
例しなくなる。すなわち非線形になってくる。分極には
比例(1次)成分の他に2次,3次の成分が含まれる。2
次の成分を選択的に取り出すと、その周波数は入射光
(基本波)の倍になっている。すなわち波長を半分にす
ることが出来る。この現象をSHG(第二高調波発生)と
いう。SHGの変換効率は物質の性質(非線形光学定数)
によって異なり、入射光と高調波の位相整合により異な
り、また入射光強度の2乗に比例する。
次に位相整合について説明する。基本波が非線形光学
結晶6に入射すると第二高調波が発生するが、一般的に
は結晶のなかで基本波と高調波の屈折率が異なる。すな
わち基本波と高調波の速度が異なる。このため結晶内で
発生する高調波の位相が光の進行とともに基本波からず
れ、変換が妨げられる現象が起きる。これを防ぐために
は基本波と高調波の屈折率を等しくすればよい。そのよ
うな条件を実現する方法として複屈折を利用することが
できる。複屈折結晶は直交する二つの偏光に対して異な
る屈折率を与えることができる。それぞれの光線を常光
線と異常光線とよぶ。一つの例として基本波の常光線と
高調波の異常光線の屈折率を等しくなるようにすること
が可能である。このようにすると、SHGの効率を高くす
ることができる。これが位相整合である。このとき複屈
折のある非線形光学結晶を特定の角度に設置し、特定の
偏光を入射させる必要がある。
第1のミラー4は、基本波に対する反射率が99%、第
二高調波に対する反射率が100%のものである。
第2のミラー5は、基本波に対する反射率が99%で第
二高調波に対する反射率が0%の特性を有するものであ
る。
LD1からのレーザ8はコリメートレンズ2を通って平
行光とされ、一部がミラー4を透過して共振器3に入り
込む。
入り込んだレーザ8は、ミラー5と4で反射され、ミ
ラー4,5の間で往復する。
ミラー4,5のレーザ8に対する反射率をRとすると、
ミラー4,5の間におけるレーザ8の強度は、LD1から出射
した部位におけるレーザ8の強度1/(1−R)倍とな
る。Rが99%の場合は、約100倍となる。このため、結
晶6は高い変換効率で第二高調波を発生させる。
ミラー5に向かって前向きに進む基本波を8-10とす
る。ミラー5で反射されて後向きに進む基本波を8-20
する。
前向きの基本波8-10の偏光方向9-10は前記の偏光方向
9と同じであり、結晶6は位相整合し、基本波8-10が結
晶6を透過するときに第二高調波発生が行われ、第二高
調波11-1が発生する。
この第二高調波11-1はミラー5を透過して出力され
る。
ここで、後向きの基本波8-20の偏光方向についてみる
に、偏光方向は9-20で示す如くであり、上記の偏光方向
9-10と同じ方向である。
結晶6はこの後向きの基本波8-2とも位相整合し、基
本波8-2が結晶を透過するときも第二高調波11-2が発生
する。
この第二高調波11-2は、ミラー4で反射され、結晶6
を透過し、ミラー5を透過して出力される。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記の第二高調波11-1と11-2とを装置の出力部である
ミラー5の部位でみると、光路長の差異等によって両者
間には波面にずれがあり、一方が他方を打消すように作
用し合うことがある。
このため、従来の装置における第二高調波の発生効率
は、第2図中線Iで示す如くになり、低い。
なお、リング共振器を使用して基本波の往路の光路と
復路の光路とを分け、復路の基本波が上記の結晶を通ら
ないようにすると上記の問題を解決することが出来る。
しかし、リング共振器は光学系が複雑となってしま
う。
本発明が光学系を複雑とすることなく、第二高調波を
効率良く発生可能とした第二高調波発生装置を提供する
ことを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、基本波の光源と共振器の間に、第3の1/4
波長板を設け、且つ共振器内の非線形光学結晶の両側に
第1,第2の1/4波長板を設けてなり、上記光源からの基
本波が該非線形光学結晶を光学側から出力側の方向へ進
行するときには該非線形光学結晶と位相整合する直線偏
光となり、その反対方向に進行するときは、該非線形光
学結晶と位相整合する偏光方向と直交した直線偏光にな
る構成としたものである。
〔作用〕
本発明において、第1,第2,第3の1/4波長板は、非線
形光学結晶内を光源側から出力側の方向へ進む基本波の
偏光を非線形光学結晶と位相整合する状態とし、これは
反対方向に進行するときには基本波の偏光を非線形光学
結晶と位相整合しない状態とする。
第1,第2,第3の1/4波長板を配しても光学系は複雑と
ならない。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例になる第二高調波発生装置
20を偏光状態の変化と併せて示す。図中、第5図に示す
構成部分と同一部分には同一符号を付す。
21はファブリ・ペロー共振器であり、第1,第2のミラ
ー4,5を相対向して配設てなる。
共振器21内にLiNbO3の結晶6及び第1及び第2の1/4
波長板22,23が配設してある。ここで、1/4波長とは、後
述する基本波であるレーザ8の波長の1/4の意である。
LD1は、前記と同様に、これにより出射された基本波
であるレーザ8の電場の方向(偏光方向)9が垂直方向
である向きに定めてある。
LD1の光軸10と偏光方向9とを含む面Sを基準の面と
する。
結晶6は、その光学軸7を、上記基準面Sと平行とな
る向きに定めて配設してある。S1光学軸7と光軸10とを
含む面である。
第1の1/4波長板22は、第1のミラー4と結晶6とを
間に位置して、光学軸24がLD1側からみて反時計方向に4
5度傾斜した向きで配設してある。
第2の1/4波長板22は、結晶6を第2のミラー5との
間に位置して、光学軸25がLD1側からみて時計方向に45
度傾斜した向きで配設してある。
26は第3の1/4波長板であり、第1のミラー4よりLD1
側に位置しており、光学軸27は、LD1側からみて時計方
向に45度傾斜した向きに定めてある。
次に、上記構成の装置20の動作について説明する。
LD1からのレーザ8はコリメートレンズ2を通って平
行光とされる。
平行光とされたレーザ8-1は、第3の1/4波長板26に入
射し、進行方向からみて右廻り円偏光のレーザ8-2とな
る。
この右廻り円偏光のレーザ8-2の一部が第1のミラー
4を透過して、共振器21内に入り込む。
まず共振器21内を第1図中右に進行する光について説
明する。
右廻り円偏光のレーザ8-2は、第1の1/4波長板22に入
射し、電場の方向が垂直である直線偏光のレーザ8-3
なり、結晶6に入射する。
この直線偏光のレーザ8-3の電場の方向は、結晶6の
上記面S1と平行である方向であり、結晶6に対して位相
整合条件を満足する方向である。
このため、結晶6内で第二高調波発生が行われ、結晶
6内において、レーザ8-3の一部は、基本波であるレー
ザ8の第二高調波30に変換される。
変換されなかったレーザ8-3は偏光状態を乱されずに
結晶6を透過する。
従って、結晶6からは、レーザ8-3と第二高調波30と
が出射する。
第二高調波30は、レーザ8-3と同じく直線偏光であ
る。
レーザ8-3及び第二高調波30は、第2の1/4波長板23に
入射する。
レーザ8-3は右廻り円偏光のレーザ8-4となる。
第2の1/4波長板23は、第二高調波30に対しては略1/2
波長板として機能し、第二高調波30は直線偏光の向きを
90度回動された第二高調波30-1とされる。
第2の1/4波長板23の第二高調波30に対する働きは、
共振器21の正常な動作を妨げない。
第二高調波30-1は、第2のミラー5を透過して、共振
器21より抜け出し、装置20から出力として取り出され
る。
また基本波であるレーザ8-4は、第2のミラー5によ
って反射され、左方向に進む。
次に共振器21内を第1図中左に進行する光について説
明する。
レーザ8-4は第2のミラー5によって反射されると、
進行方向からみて左廻り円偏光のレーザ8-5となる。
このレーザ8-5は第2の1/4波長板23に入射し、今度は
電場の方向が水平な直線偏光のレーザ8-6となって、結
晶6に入射する。
レーザ8-6の電場の方向は上記往路をレーザ8-3の電場
の方向に対して直交する方向であり、前記面S1に垂直な
方向となって、結晶6とは位相整合条件があわない。
このため、結晶6内において第二高調波への変換は行
われず、結晶6からは第二高調波は発生しない。
結晶6からは上記のレーザ8-6だけがそのまま出射
し、第1の1/4波長板22に入射し、左廻り円偏光のレー
ザ8-7とされる。
このレーザ8-7は第1のミラー4で反射され、右方向
に進み、右廻り円偏光となり、第1の1/4波長板22に入
射し、前記と同様に直線偏光8-3となって結晶6に入射
し、再びその一部が第二高調波30に変換され、第二高調
波30が発生する。
上記のように、結晶6において、左方向に進行するレ
ーザは第二の高調波に変換されず、専ら右方向に進行す
るレーザが第二高調波に変換される。
このため、上記装置20によれば、従来のように発生し
た第二高調波間における打消しは起きず第二高調波は、
第2図中、線IIで示すように、従来に比べて高効率で発
生する。
また、このように共振器内を左に進行する光と右に進
行する光の偏光状態を変える手法は他のSHGデバイス構
成でも適用できる。たとえば、非線形光学結晶によって
基本波の偏光状態が変化する場合であっても(非線形光
学結晶の切り出し方によって、このような場合があり得
る。)結晶によって与えられる位相差を補償する位相板
を非線形光学結晶の隣に設置すれば、上記の構成は、そ
のまま適用できる。
また、上記の装置20の光学系の構造は簡単である。
次に本発明の第2の実施例について説明する。
第3図は本発明の第2実施例になる第二高調波発生装
置40を偏光状態の変化と併せて示す。この装置40は第1,
第2のミラー4,5が相対向したファブリ・ペロー共振器4
1内に結晶6及び二つの1/4波長板54,43に加えてレーザ
ダイオード1Aを配設した構成であり、第二高調波の発生
効率を更に向上させるものである。
第3図中、第1図に示す構成部分と対応する部分には
同一符号を付す。
レーザダイオード1Aは両端面に反射防止膜を施したも
のである。
LD1Aと第2のミラー5との間に、LD1A側から順にコリ
メートレンズ42,LiNbO3の結晶6及び第2の1/4波長板43
が配設してある。
LD1Aは電場の方向が垂直方向である直線偏光のレーザ
を両端面側に出力する。
結晶6は面S1が垂直面となる向きで配設してある。
第1のミラー4側からみて、第2の1/4波長板43の光
学軸46は垂直方向から反時計方向に45度傾斜している。
第1の1/4波長板45の光学軸47は垂直方向から時計方
向に45度傾斜している。
LD1Aから右方に出射したレーザ50は、結晶6内に位相
整合条件を満足した状態で入射し、第二高調波60が発生
する。
結晶6を透過したレーザ50は、第2の1/4波長板43で
左廻り円偏光とされ、第2のミラー5で反射され、右廻
り円偏光とされ、第2の1/4波長板43で電場の方向が水
平方向である直線偏光とされ、結晶6に入射する。
結晶6はこの偏光に対しては位相整合条件があわず、
第二高調波を発生しない。
結晶6は透過したレーザは、第1の1/4波長射手45で
右廻り円偏光とされ、第1のミラー4で反射されて左廻
り円偏光とされ、再度第2の1/4波長板45に入射し、電
場の方向が垂直方向である直線偏光に変換される。
このレーザはLD1Aを透過して再び結晶6に入射する。
この場合には位相整合条件が合っているため、第二高調
波60が再び発生する。
LD1Aより左方に出射したレーザ51についての偏光は、
第3図中符号70で示す如くになる。
ミラー4からミラー5に向かう光路においては、結晶
6と位相整合せず、第二高調波は発生しない。しかし、
ミラー5で反射してミラー4に向かう光路においては、
偏光方向結晶6と位相整合し、第二高調波61が発生す
る。しかし、この第二高調波は、LD1Aを透過せず、前記
の第二高調波60に悪影響は及ばない。
上記の装置40によれば、レーザ50の第二高調波60への
変換は第4図中線IIIで示すように前記の装置20の場合
に比べて更に効率良く行われる。
なお、磁気円二色性素子48をミラー4と1/4波長板45
との間に配してもよい。これはLD1Aより左方に出射した
レーザ51を吸収するためである。
上記の各実施例において、LiNbO3の結晶6に代えて、
LiTiO3の結晶,KNbO3の結晶,KDPの結晶,DKDPの結晶,CDA
の結晶も使用可能である。
〔発明の効果〕
以上説明した様に、本発明によれば、光源側に進行す
るときには第二高調波が発生しないため、取り出される
第二高調波に悪影響が及ぶことが無く、出力されるべき
第二高調波を従来に比べて効率良く発生させることが出
来る。
また光学系を簡単な構成とし得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の第二高調波発生装置を示す
図、 第2図は第1図に示す装置の特性を示す図、 第3図は本発明の別の実施例の第二高調波発生装置を示
す図、 第4図は第3図の装置の特性を示す図、 第5図は従来例を示す図である。 図において、 1,1Aはレーザダイオード(LD)、 4は第1のミラー、 5は第2のミラー、 6はLiNbO3の結晶、 7は光学軸、 8はレーザ、 20,40は第二高調波発生装置、 21,41はファブリ・ペロー共振器、 22,45は第1の1/4波長板、 23,43は第2の1/4波長板、 24,25,27,46,47は光学軸、 26は第3の1/4波長板、 30,60は第二高調波、 48は磁気円二色性素子、 50,51はレーザ を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基本波の光源と共振器の間に、第3の1/4
    波長板を設け、且つ共振器内の非線形光学結晶の両側に
    第1,第2の1/4波長板を設けてなり、上記光源からの基
    本波が該非線形光学結晶を光源側から出力側の方向へ進
    行するときには該非線形光学結晶と位相整合する直線偏
    光となり、その反対方向に進行するときは、該非線形光
    学結晶と位相整合する偏光方向と直交した直線偏光にな
    ることを特徴とする第二高調波発生装置。
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EP2930798B1 (en) * 2012-12-10 2020-11-18 Mitsubishi Electric Corporation Plane waveguide-type laser device

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