JP2843196B2 - Second harmonic generator - Google Patents

Second harmonic generator

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JP2843196B2
JP2843196B2 JP5767992A JP5767992A JP2843196B2 JP 2843196 B2 JP2843196 B2 JP 2843196B2 JP 5767992 A JP5767992 A JP 5767992A JP 5767992 A JP5767992 A JP 5767992A JP 2843196 B2 JP2843196 B2 JP 2843196B2
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optical waveguide
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、基本波光源の波長を
1/2の波長の光に変換する装置、特に半導体レーザ
(LD)の光を1/2の波長の光に変換する光第2高調
波発生(SHG)装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for converting the wavelength of a fundamental wave light source to light having a wavelength of 1/2, and more particularly to a device for converting light of a semiconductor laser (LD) into light having a wavelength of 1/2. The present invention relates to a two-harmonic generation (SHG) device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、第2高調波発生装置に関しては、
例えば、文献 (I)特開昭61−239231 (II)第51回応用物理学会学術講演会講演予稿集29p
-P-7 p.988(1990) (III)SPIE Vol.1148 ,ノンリニア オプチカル
プロパティーズ オブマテリアルズ「Nonlinear Optica
l Properties of Materials 」(1989) pp.207〜212. に開示された技術が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, regarding a second harmonic generator,
For example, References (I) JP-A-61-239231 (II) Proceedings of the 51st Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics 29p
-P-7 p.988 (1990) (III) SPIE Vol.1148, Nonlinear Optical
Properties of Materials "Nonlinear Optica
l Properties of Materials "(1989) pp. 207-212.

【0003】先ず、文献(I)に開示されている第2高
調波発生(SHG)素子について説明する。図4の
(A)は、周知のチェレンコフ放射形第2高調波発生素
子の概略的斜視図であり、また、図4の(B)は、図4
の(A)のSHG素子の、光導波路を含み、これに沿っ
てとって示した断面図である。このSHG素子10は、
LiNbO3 基板12にプロトン交換法により、光導波
路14を形成した構造となっている。この光導波路14
に基本波長λ(ω)(但し、ωは角周波数)を有する光
(以下、単に基本波光または基本波という。)16を入
射させて、この導波路中を伝播させると、チェレンコフ
条件を満たす角度θ(チェレンコフ角と称する。)の方
向に基本波長の1/2の波長λ(2ω)を有する光(以
下、単に、第2高調波(SH波またはSH光ともい
う。))18が取り出される(図4の(A)および
(B))。チェレンコフ条件は、光導波路14を伝播す
る基本波16の実効屈折率をN(ω)とし、基板12の
SH波18に対する屈折率をn(2ω)とすると、次式
(1)で与えられる。
[0003] First, a second harmonic generation (SHG) element disclosed in Document (I) will be described. FIG. 4A is a schematic perspective view of a known Cherenkov radiation type second harmonic generation element, and FIG.
FIG. 4A is a cross-sectional view of the SHG element of FIG. This SHG element 10
An optical waveguide 14 is formed on a LiNbO 3 substrate 12 by a proton exchange method. This optical waveguide 14
When light 16 having a fundamental wavelength λ (ω) (where ω is an angular frequency) (hereinafter simply referred to as a fundamental wave light or a fundamental wave) 16 is made to propagate through the waveguide, an angle satisfying the Cerenkov condition is obtained. Light 18 having a wavelength λ (2ω) that is S of the fundamental wavelength in the direction of θ (referred to as Cherenkov angle) (hereinafter, simply referred to as a second harmonic (SH wave or SH light)) 18 is extracted. ((A) and (B) of FIG. 4). The Cherenkov condition is given by the following equation (1), where the effective refractive index of the fundamental wave 16 propagating through the optical waveguide 14 is N (ω), and the refractive index of the substrate 12 with respect to the SH wave 18 is n (2ω).

【0004】 n(2ω)cosθ=N(ω) (1) この方式のSHG素子10は、位相整合が容易にとれる
点に特色があり、かつ、最近非常に変換効率の高い優れ
た素子が作られるようになった。しかし取り出されるS
H波がチェレンコフ放射状の光束(コーンの形状をした
放射パターンで出射する光束のことで、以後、単に、チ
ェレンコフ放射光という)であるために、通常のレンズ
では集光できないのが難点である。尚、光束は光線束と
もいう。
N (2ω) cos θ = N (ω) (1) The SHG element 10 of this method has a feature in that phase matching can be easily achieved, and recently, an excellent element having extremely high conversion efficiency has been manufactured. Is now available. But S taken out
Since the H wave is a Cherenkov radiant light beam (a light beam emitted in a cone-shaped radiation pattern, hereinafter simply referred to as Cherenkov radiated light), it is difficult to collect light with a normal lens. The light beam is also called a light beam.

【0005】そこで、チェレンコフ放射光を集光するた
めに、従来、特別な光学系を、SHG素子と組み合わせ
た構造が提案された。このような構造の例が上述した文
献(II)および(III)に開示されている。
In order to condense Cherenkov radiation, a structure in which a special optical system is combined with an SHG element has been proposed. Examples of such a structure are disclosed in the above-mentioned documents (II) and (III).

【0006】図5の(A)および(B)は、文献(I)
に開示されているSHG素子10と同様の構造のSHG
素子を用いたSHG装置の要部を概略的に示す斜視図お
よび断面図である。このSHG素子10から出射したS
H波従ってチェレンコフ放射光が、グレーティングアキ
シコンレンズ20によって、平面波となると共に通常の
レンズの作用によりスクリーン22上にほぼ一点として
集光される。なお、グレーティングアキシコンレンズ2
0は、次に説明するアキシコンレンズと通常のレンズの
機能を合わせ持っているグレーティング形(ゾーンプレ
ート形)の複合レンズである。アキシコンレンズは、周
知の通り、特殊なレンズであり、その形状は後述する図
6に符号34を付して断面形状を示してあるように、頂
角αの円錐とその後に円柱が組み合わされた形状をして
いる。そして、このアキシコンレンズは、チェレンコフ
放射光をコリメート(平面波にする)する作用を有して
いる。従って、あるアキシコンレンズが、チェレンコフ
角θ1 の光束に対してコリメートする能力がある場合、
このレンズは、これとは異なるチェレンコフ角θ2 をな
す光束に対してはコリメートする能力はない。そこで、
グレーティング形のレンズとして形成すると、アキシコ
ンレンズとしての機能と通常のレンズとしての機能を一
つの部品で実現できることとなる。しかし、この場合で
あっても、チェレンコフ角θに対する集光能力の許容度
がそれほど広く(大きく)なるわけではない。ここでい
う許容度とは、θの変化に対する集光スポットのボケの
大きさの程度である。許容が大きいほど技術的には、S
H波従ってチェレンコフ放射光を集光させ易いことにな
る。このように、SHG素子を利用して短波長化する目
的のひとつは、ビーム径の大きい光をできるだけ微小な
スポットまたは出来るだけ細い光にすることであるの
で、ビームスポットのボケが大きくなることは実用上著
しく支障を来す。
FIGS. 5 (A) and 5 (B) show documents (I)
Having the same structure as the SHG element 10 disclosed in
It is the perspective view and sectional drawing which show the principal part of the SHG apparatus using an element schematically. S emitted from this SHG element 10
The H wave, and thus the Cherenkov radiation, is converted into a plane wave by the grating axicon lens 20 and is condensed as substantially one point on the screen 22 by the action of a normal lens. The grating axicon lens 2
Reference numeral 0 denotes a grating type (zone plate type) compound lens having the functions of an axicon lens described below and a normal lens. As is well known, the axicon lens is a special lens, and its shape is formed by combining a cone with a vertical angle α and a cylinder as shown in FIG. Shape. The axicon lens has a function of collimating the Cherenkov radiation (making it a plane wave). Therefore, if there is capacity in axicon lens collimates against Cherenkov angle theta 1 of the light beam,
This lens does not have the ability to collimate light beams having a different Cherenkov angle θ 2 . Therefore,
When formed as a grating type lens, the function as an axicon lens and the function as a normal lens can be realized by one component. However, even in this case, the tolerance of the light-collecting ability with respect to the Cherenkov angle θ is not so wide (large). Here, the tolerance is a degree of the degree of blurring of the condensed spot with respect to a change in θ. The higher the tolerance, technically the S
The H wave and thus the Cherenkov radiation light can be easily collected. As described above, one of the objectives of shortening the wavelength by using the SHG element is to convert light having a large beam diameter into a spot as small as possible or light as narrow as possible. It causes a serious problem in practical use.

【0007】またもう一つの問題は、アキシコンレンズ
によって集光できるのは、完全な形のチェレンコフ放射
光であり、図4および図5で用いたプレーナ形のSHG
素子では、基板12の表面に光導波路14を形成した構
造であるため、チェレンコフ光の下半分だけ(基板側だ
け)のSH波18しか得られないので、θが適切に設定
されていても理想的なスポットには集光できないという
点である。この様子を、図5の(A)に示したスクリー
ン22上に示してある。なお、基本波光16も同様に下
半分だけスクリーン上に投射されているのがわかる。
Another problem is that the complete form of the Cherenkov radiation can be focused by the axicon lens, and the planar SHG used in FIGS.
Since the element has a structure in which the optical waveguide 14 is formed on the surface of the substrate 12, only the SH wave 18 of only the lower half of the Cherenkov light (only on the substrate side) can be obtained. Therefore, even if θ is appropriately set, it is ideal. Is that it cannot be focused on a typical spot. This state is shown on the screen 22 shown in FIG. It can be seen that only the lower half of the fundamental wave light 16 is projected on the screen.

【0008】そこで、文献(III)に開示されているよう
な、ファイバ形のSHG素子30が提案された。この素
子30によれば、チェレンコフ角がθで、出射方向に対
して直交する面内において、帯状のリングの形態で光が
分布したチェレンコフ放射光としてSH光(波)が得ら
れること、および、アキシコンレンズの頂角αを適切に
設定すれば、SH光を理想的なスポットに集光できる。
以下、この内容を図6を参照して説明する。
Therefore, a fiber type SHG element 30 has been proposed as disclosed in the document (III). According to this element 30, SH light (wave) is obtained as Cherenkov radiation light in which light is distributed in the form of a band-like ring in a plane having a Cherenkov angle θ and orthogonal to the emission direction, and By appropriately setting the apex angle α of the axicon lens, the SH light can be focused on an ideal spot.
Hereinafter, this content will be described with reference to FIG.

【0009】図6は、スポット状の収束光を得るため
の、従来のSHG装置の要部を概略的に示す構成図であ
る。光ファイバ形SHG素子30は、コア32aとクラ
ッド32bとからなり、コア32aをフリントガラスS
F4およびクラッド32bを有機非線形光学結晶である
4−(N,N−ジメチルアミノ)−3−アセトアミドニ
トロベンゼン(4−(N ,N-dimethylamino )−3−ac
etamidonitrobenzene (DAN))の材料として用いて
単結晶ファイバ化して形成したものである。コア32a
の基本波16に対する屈折率をN(ω)、クラッド32
bのSH波(SHG光)18に対する屈折率をn(2
ω)とすると、上述した(1)式を満足するθを頂角の
半分とするチェレンコフ放射光として、SH光18が取
り出される。このSH光18は前者のプレーナ形のSH
G素子からのチェレンコフ光とは異なり、欠けた部分の
ない円帯状である。このため、図6に示すように、アキ
シコンレンズ34(頂角α)を用いて理想的なスポット
に集光できる。この点につき、さらに詳しく説明する。
FIG. 6 is a configuration diagram schematically showing a main part of a conventional SHG device for obtaining spot-shaped convergent light. The optical fiber type SHG element 30 includes a core 32a and a clad 32b, and the core 32a is formed of flint glass S
The F4 and the cladding 32b are made of an organic nonlinear optical crystal of 4- (N, N-dimethylamino) -3-acetamidonitrobenzene (4- (N, N-dimethylamino) -3-ac
Etamidonitrobenzene (DAN)) is used as a material to form a single crystal fiber. Core 32a
The refractive index for the fundamental wave 16 is N (ω), and the cladding 32
b with respect to the SH wave (SHG light) 18 is represented by n (2
ω), the SH light 18 is extracted as Cherenkov radiation light in which θ that satisfies the expression (1) is half the vertex angle. The SH light 18 is the former planar type SH light.
Unlike the Cherenkov light from the G element, it has a circular band shape without any missing portions. For this reason, as shown in FIG. 6, light can be condensed to an ideal spot using the axicon lens 34 (vertical angle α). This will be described in more detail.

【0010】ファイバ形SHG素子30の一端から基本
波16を導入し、他端からSH光18と基本波16を出
射させる。このうちSH波18はアキシコンレンズ34
によりチェレンコフ放射光が平面波(平行光)にされた
後、さらに対物レンズ36にスポット状に集光される。
アキシコンレンズ34の素材のSH波に対する屈折率を
A (2ω)とすると、角度θとαとの関係が次式
(2)を満足すれば、図に示すようなチェレンコフ放射
光はこのアキシコンレンズ34により平行光に変えられ
る。
The fundamental wave 16 is introduced from one end of the fiber type SHG element 30, and the SH light 18 and the fundamental wave 16 are emitted from the other end. The SH wave 18 is an axicon lens 34
After this, the Cherenkov radiation is converted into a plane wave (parallel light), and then focused on the objective lens 36 in the form of a spot.
Assuming that the refractive index of the material of the axicon lens 34 with respect to the SH wave is n A (2ω), if the relationship between the angles θ and α satisfies the following expression (2), the Cerenkov radiation light as shown in FIG. The light is converted into parallel light by the conlens 34.

【0011】 COS[(α/2)−θ)]=nA ・COS(α/2) (2) すなわち COS[(α/2)−COS-1{N(ω)/n(2ω)}] =nA (2ω)・COS(α/2) (3) チェレンコフ光が理想的なスポットに集光されるのは、
この(3)式を満足するときに限られる。したがって、
基本波の波長すなわち角周波数ωが異なれば集光点はぼ
けることになる。これは実用上極めて大きな障害とな
る。特に半導体レーザ(LD)を基本波光源とした応用
において障害となる。通常、頂角αを予め定めてアキシ
コンレンズを形成している。このため、このレンズに対
して式(2)ないし式(3)を満足する波長で発振する
半導体レーザ(LD)を見つけ出すことは容易でない。
しかも、LDの発振波長は注入電流値や周囲温度により
変動するから、この変動に対応出来るようにするために
は、従来は、予想し得るSH波の波長に適合したアキシ
コンレンズを全て用意しておき、波長の変化毎にアキシ
コンレンズの交換をする必要があるが、このような処置
は事実上不可能であるし、また、全ての波長に対応する
個別のアキシコンレンズを用意することも現実的ではな
い。
COS [(α / 2) −θ)] = n A · COS (α / 2) (2) That is, COS [(α / 2) −COS −1 {N (ω) / n (2ω)} ] = N A (2ω) · COS (α / 2) (3) The Cherenkov light is focused on an ideal spot
Only when this equation (3) is satisfied. Therefore,
If the wavelength of the fundamental wave, that is, the angular frequency ω is different, the focal point will be blurred. This is a very serious obstacle in practical use. In particular, it becomes an obstacle in applications using a semiconductor laser (LD) as a fundamental light source. Usually, an axicon lens is formed with the apex angle α determined in advance. For this reason, it is not easy to find a semiconductor laser (LD) that oscillates at a wavelength satisfying Expressions (2) and (3) for this lens.
In addition, since the oscillation wavelength of the LD fluctuates depending on the injection current value and the ambient temperature, in order to be able to cope with this fluctuation, conventionally, all axicon lenses suitable for the expected SH wave wavelength are prepared. In addition, it is necessary to replace the axicon lens every time the wavelength changes, but such a procedure is practically impossible, and it is necessary to prepare individual axicon lenses for all wavelengths. Is also not realistic.

【0012】通常、SHG素子を利用した短波長光源の
使用は、第2高調波光を光軸上で最大光強度を持った平
行光線束に変換するため、或いは、第2高調波光を一点
へ集光させるためである。図6に示すようにSH光束は
平行光線束としてアキシコンレンズの後方で得られる
が、既に説明したように、光軸上の光強度が0であると
いう中心部分が抜けた円筒状の光束である。しかし、工
業上の応用では、光軸上での光強度が最大になっている
いわゆるガウスビームが最も用途が広い。またアキシコ
ンレンズの後方でえられる光束も光の回折効果のために
平行光線束といえども少しずつ光束の半径は広がって伝
播していく。
Normally, a short wavelength light source using an SHG element is used to convert the second harmonic light into a parallel light beam having the maximum light intensity on the optical axis, or to collect the second harmonic light at one point. This is to make it light. As shown in FIG. 6, the SH light beam is obtained as a parallel light beam behind the axicon lens. As described above, the SH light beam is a cylindrical light beam with a central portion where the light intensity on the optical axis is 0 is omitted. is there. However, in industrial applications, a so-called Gaussian beam having the maximum light intensity on the optical axis is most widely used. In addition, the light beam obtained behind the axicon lens propagates while gradually increasing the radius of the light beam even though it is a parallel light beam due to the diffraction effect of light.

【0013】ところで、文献(IV)「フィジカル レ
ビュー レッターズ(PHYSICAL REVIEW
LETTERS),Vol.58,No.15(19
87),pp.1499−1501」に、光軸に垂直な
断面内に一様な光強度分布を有する平行光線束に対し
て、円環状のスリットと凸レンズとを組み合わせること
により、無回折モードであって、しかも、1波長程度の
半径を持つ平行光線束が得られる技術が開示されてい
る。この組み合わせ構造を図7に示す。図中、40波ス
リット板であり、通常は、使用光に対して透明な材料、
たとえばガラス版に、不透明遮光膜を設けて、スリット
40aの部分だけ、光が透過出来るように構成してあ
る。このスリット40aを円環状に形成してあり、その
平均半径をdとし、スリット幅を△dしてある。凸レン
ズ42の焦点距離fだけ離れた光軸上にこのスリット板
40を、その円環状スリット42aの径の中心が位置す
るように、光軸に対して垂直となるように設けてある。
この文献によれば、無回折モードの微細径の平行光線束
が得られる範囲は、凸レンズから最長伝播距離ZMAX
範囲内であるという。しかし、得られた無回折モードの
平行光線束の光強度は、入射光Lの光強度の1/100
以下となってしまい、実用的ではない。
By the way, the reference (IV) “Physical Review Letters (PHYSICAL REVIEW)
LETTERS), Vol. 58, No. 15 (19
87), p. 1499-1501 ", by combining an annular slit and a convex lens with respect to a parallel light beam having a uniform light intensity distribution in a cross section perpendicular to the optical axis, a diffraction-free mode is achieved, and A technique has been disclosed in which a parallel light beam having a radius of about one wavelength is obtained. FIG. 7 shows this combination structure. In the figure, a 40-wave slit plate is used.
For example, a glass plate is provided with an opaque light-shielding film so that light can pass only through the slit 40a. The slit 40a is formed in an annular shape, the average radius is d, and the slit width is Δd. The slit plate 40 is provided on the optical axis separated by the focal length f of the convex lens 42 so as to be perpendicular to the optical axis so that the center of the diameter of the annular slit 42a is located.
According to this document, that the scope of bundle of parallel rays of very small diameter of no diffraction mode is obtained, in the range of the longest propagation distance Z MAX from the convex lens. However, the light intensity of the obtained non-diffracting mode parallel light beam is 1/100 of the light intensity of the incident light L.
The following is not practical.

【0014】そこで、図6に示した構成のうち、対物レ
ンズ36を用いる代わりに、円環(リング)状のスリッ
ト40と凸レンズ42との組み合わせ構造を用いれば、
一応、光強度の大なる微細径の平行光線束を得ることが
出来ると考えられる。その構成を図8に示す。しかし、
この場合には、SHG素子として光ファイバ形のSHG
素子30を使用しているため、仮に光源として半導体レ
ーザ(LD)を用いたとしても、発振波長の安定化を図
れないため、チェレンコフ角が一定せず、アキシコンレ
ンズ34を通過した平行光線束を、常時、スリット40
aに一致させることが困難であり、このため、図8に示
した構成は、実用的ではない。
Therefore, instead of using the objective lens 36 in the configuration shown in FIG. 6, if a combined structure of an annular (ring) -shaped slit 40 and a convex lens 42 is used,
It is considered that it is possible to obtain a parallel light beam having a small diameter and a large light intensity. FIG. 8 shows the configuration. But,
In this case, the optical fiber type SHG is used as the SHG element.
Since the element 30 is used, even if a semiconductor laser (LD) is used as a light source, the oscillation wavelength cannot be stabilized, so that the Cherenkov angle is not constant and the parallel light beam passing through the axicon lens 34 is not used. , The slit 40
It is difficult to make a match with a, and therefore, the configuration shown in FIG. 8 is not practical.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のチ
ェレンコフ放射形位相整合法によるSHG技術では、こ
れを実用化するには、整理すると、下記のような種々の
解決すべき問題がある。
As described above, the conventional SHG technology based on the Cherenkov phase matching method has the following various problems to be solved in order to put it to practical use.

【0016】従来のプレーナ形光導波路を用いチェレ
ンコフ形の位相整合によるSHG素子の場合、チェレン
コフ放射光の一部を欠いた形になるため、原理的に一点
に集光することができない。
In the case of a conventional SHG element using a planar optical waveguide and a Cerenkov phase matching, a part of the Cherenkov radiation light is lost, so that it cannot be focused on one point in principle.

【0017】ファイバ形の光導波路を用いチェレンコ
フ形の位相整合によるSHG素子の場合、アキシコンレ
ンズ通過後円帯(円環)状に光が分布した円筒状チェレ
ンコフ光が得られる。しかし、集光に必要な部品の一つ
であるアキシコンレンズの形状により決まる放射角のチ
ェレンコフ放射光のみが集光できることに止まり、すな
わち集光できる条件は極めて狭いので応用上極めて使い
にくい。
In the case of a SHG element based on a Cerenkov-type phase matching using a fiber-type optical waveguide, a cylindrical Cherenkov light in which light is distributed in a circular band (annular shape) after passing through an axicon lens is obtained. However, only the Cherenkov radiation with a radiation angle determined by the shape of the axicon lens, which is one of the components required for light collection, can be collected only.

【0018】また、従来のチェレンコフ放射型SHG
装置から得られるSH光束は光軸上に光強度を持たない
円筒形の平行光線束であり、しかも、回折効果により光
束の半径は徐々に広がって大きくなって行くので、実用
上支障を来す恐れがある。
Further, a conventional Cherenkov radiation type SHG
The SH light beam obtained from the device is a cylindrical parallel light beam having no light intensity on the optical axis, and the radius of the light beam gradually widens and becomes large due to the diffraction effect, so that there is a problem in practical use. There is fear.

【0019】また、従来のファイバ形SHG素子を用
いて無回折モードの平行光線束を得ようとしても、安定
している無回折モードの平行光線束が、常時、得られな
いので、実用性に乏しい。
Further, even if an attempt is made to obtain a non-diffraction mode parallel light beam using a conventional fiber-type SHG element, a stable non-diffraction mode parallel light beam cannot be obtained at all times. poor.

【0020】この発明の目的は、発振波長が安定し、し
かも、第2高調波光の一点へ集光を容易に可能とするか
または光軸上で最大強度を持った第2高調波光の平行光
線束を安定して得ることを可能とするSHG装置を提供
することにある。
An object of the present invention is to provide a parallel beam of a second harmonic light which has a stable oscillation wavelength and can be easily focused on one point of the second harmonic light or has a maximum intensity on the optical axis. An object of the present invention is to provide an SHG device capable of stably obtaining a bundle.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の第2高調波発生装置によれば、(a)両
端面を低反射面として形成した半導体レーザと、(b)
この半導体レーザからの基本波光を第2高調波光に変換
する、チェレンコフ放射形第2高調波発生(SHG)素
子と、(c)この半導体レーザからの出射光をSHG素
子の光導波路に集光し、かつこの光導波路からの帰還光
をこの半導体レーザへ入力させるための光学系と、
(d)このSHG素子から出射した、第2高調波光とし
てのチェレンコフ放射光を平行光線束にするためのアキ
シコンレンズとを含む第2高調波発生装置において、
(e)この光導波路を、周期的屈折率分布構造として形
成した非線形光導波路とし、(f)このSHG素子を、
この光導波路の入・出射端面以外の外周囲を第2高調波
光に対して透明な材料層で形成してあることを特徴とす
る。
In order to achieve this object, according to the second harmonic generator of the present invention, (a) a semiconductor laser in which both end surfaces are formed as low reflection surfaces, and (b)
A Cerenkov radiation type second harmonic generation (SHG) element for converting a fundamental wave light from the semiconductor laser into a second harmonic light, and (c) condensing light emitted from the semiconductor laser on an optical waveguide of the SHG element. And an optical system for inputting return light from the optical waveguide to the semiconductor laser,
(D) a second harmonic generator including an axicon lens for converting the Cherenkov radiation as the second harmonic into parallel light flux, which is emitted from the SHG element;
(E) This optical waveguide is a nonlinear optical waveguide formed as a periodic refractive index distribution structure, and (f) this SHG element is
The optical waveguide is characterized in that the outer periphery other than the input / output end faces is formed of a material layer transparent to the second harmonic light.

【0022】この発明の実施に当たり、好ましくは、こ
の周期的屈折率分布構造を、前述の基本波に対して第1
および第2屈折率領域を交互に周期的に配列して形成し
ておき、その周期をΛとするとき、このΛは下記の条件
を満足する構成とするのが良い。
In practicing the present invention, preferably, the periodic refractive index distribution structure is provided with a first wave with respect to the aforementioned fundamental wave.
And the second refractive index regions are formed alternately and periodically arranged, and when the period is denoted by Λ, it is preferable that the Λ satisfies the following condition.

【0023】Λ=P・λ(ω)/2N(ω) 但し、 COSθ=N(ω)/n(2ω) および COS[(α/2)−θ]=nA (2ω)・COS(α/2) であって、Pは正の整数、λ(ω)は前述の基本波の波
長、N(ω)はこの基本波に対する前述の光導波路の実
効屈折率、n(ω)は前述の材料層の、第2高調波光に
対する屈折率、nA (2ω)は前述のアキシコンレンズ
の、第2高調波光に対する屈折率およびαは前述のアキ
シコンレンズの頂角である。
Λ = P · λ (ω) / 2N (ω) where COSθ = N (ω) / n (2ω) and COS [(α / 2) −θ] = n A (2ω) · COS (α / 2) where P is a positive integer, λ (ω) is the wavelength of the fundamental wave, N (ω) is the effective refractive index of the optical waveguide for the fundamental wave, and n (ω) is the aforementioned The refractive index of the material layer for the second harmonic light, n A (2ω), is the refractive index of the axicon lens for the second harmonic light, and α is the apex angle of the axicon lens.

【0024】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前述のアキシコンレンズの後段に対物レンズを設け
た構成とするのが良い。
In practicing the present invention, it is preferable that an objective lens is provided after the axicon lens.

【0025】また、アキシコンレンズの後段に、前述の
平行光線束にされたチェレンコフ放射光を通過させるリ
ング状のスリットと、このスリットの後段に該スリット
を含む面から焦点距離だけ離れているレンズとを含む構
成とするのが良い。
A ring-shaped slit for passing the above-mentioned Cherenkov radiated light converted into a parallel light beam is provided at the subsequent stage of the axicon lens, and a lens separated by a focal length from a plane including the slit at the latter stage of the slit. It is preferable to adopt a configuration including

【0026】また、アキシコンレンズの代わりにフレネ
ルゾーンプレートを用いても良い。
Further, a Fresnel zone plate may be used instead of the axicon lens.

【0027】[0027]

【作用】この発明の第2高調波発生装置によれば、SH
G素子の光導波路を、その入・出射端面以外の外周囲を
第2高調波光に対して透明な、少なくとも一つの材料層
で形成してあるので、発生するSH光を欠けた部分のな
い円環状の形のチェレンコフ放射光として取り出せるこ
とになる。従って、SHG素子から発生したSH光をア
キシコンレンズによって光軸に対して直交する面内での
断面における光強度分布が円環状分布となっている、円
筒状の平行光線束に、常時、変換することが出来る。こ
の平行光線束を適当な対物レンズを用いて集光させるこ
とによって、実質的にボケの無い、スポットとして集光
出来る。
According to the second harmonic generator of the present invention, SH
Since the optical waveguide of the G element is formed of at least one material layer that is transparent to the second harmonic light on the outer periphery other than the input / output end faces thereof, the generated SH light has no circles. It can be extracted as Cherenkov radiation in the form of a ring. Therefore, the SH light generated from the SHG element is always converted into a cylindrical parallel light beam having a circular light distribution in a cross section in a plane perpendicular to the optical axis by the axicon lens. You can do it. By condensing this parallel light beam using an appropriate objective lens, it can be condensed as a spot having substantially no blur.

【0028】また、上述した構成によれば、光導波路を
周期的屈折率分布構造として構成してあるので、半導体
レーザ(LD)からの基本波は、SHG素子において、
ブラッグ反射により位相整合条件に合致した基本波がこ
のLDに帰還する。そして、LDの両端面に低反射率コ
ーティングを施してあるため、しきい値電流が大きい。
このため、周期的屈折率構造の周期をSH光の集光条件
に合致するように設計しておけば、LDは設計通りの発
振波長で自動的に安定して発振する。その結果、チェレ
ンコフ放射光としてのSH光は、SHG素子から安定し
たチェレンコフ角θで出射するので、予め基本波の発振
を設計に応じて定めておけば、アキシコンレンズの頂角
αもこの角度θに対応させて定めておくことができ、従
って、安定した、チェレンコフ放射光の平行光線束を、
常時、得る。そのため、この平行光線束を対物レンズで
集光させると、ボケの無い、光強度の大なる微小なスポ
ットとして集光出来る。
Further, according to the above configuration, since the optical waveguide is configured as a periodic refractive index distribution structure, the fundamental wave from the semiconductor laser (LD) is transmitted to the SHG element by
A fundamental wave that matches the phase matching condition returns to the LD by Bragg reflection. Since the low reflectivity coating is applied to both end faces of the LD, the threshold current is large.
For this reason, if the period of the periodic refractive index structure is designed so as to match the light collecting condition of the SH light, the LD automatically and stably oscillates at the oscillation wavelength as designed. As a result, the SH light as the Cherenkov radiation light is emitted from the SHG element at a stable Cherenkov angle θ, and if the oscillation of the fundamental wave is determined in advance according to the design, the apex angle α of the axicon lens is also set to this angle. θ, so that a stable, parallel ray bundle of Cherenkov radiation is
Always get. Therefore, if this parallel light beam is condensed by the objective lens, it can be condensed as a minute spot with no blur and a large light intensity.

【0029】また、アキシコンレンズの後段に円環状の
スリットを設け、このスリットを焦平面に位置させたレ
ンズを用いることによって、無回折モードの光束であっ
て、しかも、光軸上で最大光強度を有する平行光線束
を、常時、安定して得る。
Further, by providing an annular slit at the subsequent stage of the axicon lens and using a lens having this slit positioned on the focal plane, a light beam in a non-diffraction mode and a maximum light on the optical axis can be obtained. A collimated light beam having a high intensity is always stably obtained.

【0030】[0030]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
つき説明する。なお、図は、この発明が理解出来る程度
に各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に
示してあるにすぎない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the shapes, sizes, and arrangements of the components are only schematically shown so that the present invention can be understood.

【0031】図1は、この発明の第2高調波発生装置の
一実施例を示す構成図である。図2の(A)および
(B)は、この発明の一構成成分として用いるSHG素
子の構造の一実施例を示す斜視図および断面図である。
図3は、この発明の他の実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the second harmonic generator according to the present invention. FIGS. 2A and 2B are a perspective view and a sectional view showing an embodiment of the structure of the SHG element used as one component of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【0032】この発明の第2高調波発生装置(SHG装
置)は、光源としての半導体レーザ100と、光学系1
10と、チェレンコフ放射形第2高調波発生素子(SH
G素子)120と、アキシコンレンズ130とを少なく
とも具えた構造となっている(図1)。
The second harmonic generation device (SHG device) of the present invention includes a semiconductor laser 100 as a light source and an optical system 1.
10 and a Cherenkov radiation type second harmonic generation element (SH
(G element) 120 and an axicon lens 130 (FIG. 1).

【0033】次に、このSHG装置の各構成成分につき
説明するが、既に説明した構成成分については、特に必
要がある場合を除き、その説明の詳細を省略する。先
ず、この発明で使用する半導体レーザ(LD)100
は、その両端面を低反射面として形成する。半導体レー
ザ100の両端面を低反射面(AR面)とすることによ
り、通常の半導体レーザよりも、しきい値電流を充分に
大きくすることができる。そのため、後述するSHG素
子120からの帰還光により、しきい値を越えた基本波
F で発振する。この低反射面は、半導体レーザ100
の入・出射端面に低反射膜をコーティングして設ければ
良く、このコーティング技術は、従来普通に用いられて
いる。
Next, each component of the SHG device will be described, but the detailed description of the components already described will be omitted unless particularly necessary. First, a semiconductor laser (LD) 100 used in the present invention.
Are formed as low reflection surfaces at both end surfaces. By forming both end surfaces of the semiconductor laser 100 as low reflection surfaces (AR surfaces), the threshold current can be made sufficiently larger than that of a normal semiconductor laser. Therefore, the returned light from the SHG element 120 to be described later, oscillates at the fundamental L F beyond the threshold value. This low-reflection surface is
The input and output end faces of the light emitting device may be coated with a low-reflection film, and this coating technique has been conventionally used.

【0034】光学系110は、半導体レーザ100とS
HG素子120とを光学的に結合させる手段であるた
め、この半導体レーザ100からの出射光をSHG素子
120の光導波路122に集光し、かつこの光導波路1
22からの帰還光をこの半導体レーザ100へ入力させ
る構成となっていれば良い。この実施例では、半導体レ
ーザ100側から、ロリメートレンズ112、アナモル
フィックプリズムペア114および集光レンズ116を
もって構成してある。当然ながら、光ファイバ或いはそ
の他の光学手段(空気空間およびまたは真空空間をも含
む。)等を用いて両者100および120を光学的に結
合させてもよい。
The optical system 110 includes the semiconductor laser 100 and S
Since this is a means for optically coupling with the HG element 120, the light emitted from the semiconductor laser 100 is focused on the optical waveguide 122 of the SHG element 120, and
What is necessary is just to have a configuration in which the feedback light from 22 is input to the semiconductor laser 100. In this embodiment, from the semiconductor laser 100 side, a rolimate lens 112, an anamorphic prism pair 114 and a condenser lens 116 are configured. Naturally, both 100 and 120 may be optically coupled using an optical fiber or other optical means (including an air space and / or a vacuum space).

【0035】チェレンコフ放射形第2高調波発生(SH
G)素子122は、この半導体レーザ100からの基本
波光を第2高調波光に変換する素子である。このSHG
素子につき図2の(A)および(B)を参照して説明す
る。
The second harmonic generation of the Cherenkov radiation type (SH
G) The element 122 is an element that converts the fundamental wave light from the semiconductor laser 100 into the second harmonic light. This SHG
The element will be described with reference to FIGS.

【0036】このSHG素子120は、光導波路122
と、その入・出射端面以外の外周囲を取り囲む、第2高
調波光に対して透明な材料層124で構成する(図2の
(A))。この実施例では、SHG素子120を、従来
公知の、基板126およびこれに設けた非線形光導波路
122からなるプレーナ形SHG素子の上面に、クラッ
ド128を設けた構造としている。そして、この光導波
路122を、周期的屈折率分布構造として形成した非線
形光導波路として、従来周知のプロトン交換法(Li−
+ 交換法)で基板126に形成する。
The SHG element 120 has an optical waveguide 122
And a material layer 124 surrounding the outer periphery other than the input / output end faces and transparent to the second harmonic light (FIG. 2A). In this embodiment, the SHG element 120 has a structure in which a clad 128 is provided on the upper surface of a conventionally known planar SHG element including a substrate 126 and a nonlinear optical waveguide 122 provided thereon. The optical waveguide 122 is formed as a non-linear optical waveguide formed as a periodic refractive index distribution structure by a conventionally known proton exchange method (Li-
It is formed on the substrate 126 by the H + exchange method).

【0037】図2の(A)には、周期的屈折率分布構造
として示してないが、この光導波路122を第1および
第2屈折率領域122aおよび122bをもって構成す
る。この実施例では、例えば、図2の(B)に示すよう
に、高屈折率部122aおよび低屈折率部122bの2
つの屈折率の異なる部分を交互に導波方向に沿って周期
的に配列させて構成してある。この構造は、一旦、イオ
ン交換法を用いて、基板126に低屈折率部122bの
材料で光導波路の原形を形成した後、イオン交換法を用
いて、一定の周期でかつ一定の幅で高屈折率部122a
を作り込めば良い。
Although not shown in FIG. 2A as a periodic refractive index distribution structure, the optical waveguide 122 is constituted by first and second refractive index regions 122a and 122b. In this embodiment, for example, as shown in FIG. 2B, two high refractive index portions 122a and low refractive index portions 122b are used.
Two different refractive index portions are alternately and periodically arranged along the waveguide direction. In this structure, the original shape of the optical waveguide is once formed on the substrate 126 using the material of the low-refractive-index portion 122b by using the ion exchange method, and then the high-density is formed at a constant period and a constant width by using the ion exchange method. Refractive index section 122a
I just need to make it.

【0038】次に、光導波路122が形成されている基
板126の全面に、基板と同一の材料でクラッド128
を設ける。基板とクラッドとを同一の材料で形成したの
は、基板側とクラッド側とで、チェレンコフ角を同一に
するためである。この材料として、第2高調波に対して
透明な、例えば、LiNbO3 を用いるのが好適であ
る。従って、この実施例では、この材料層124を、基
板126と、この基板および光導波路に光学的にコンタ
クトしたクラッド128をもって構成してある。
Next, a cladding 128 made of the same material as the substrate is formed on the entire surface of the substrate 126 on which the optical waveguide 122 is formed.
Is provided. The reason why the substrate and the clad are formed of the same material is to make the Cherenkov angle the same on the substrate side and the clad side. As the material, it is preferable to use, for example, LiNbO 3 which is transparent to the second harmonic. Therefore, in this embodiment, the material layer 124 is constituted by the substrate 126 and the clad 128 which is in optical contact with the substrate and the optical waveguide.

【0039】また、これら高屈折率部122aおよび低
屈折率部122bの両者の屈折率差を、好ましくは、小
さくしておくのが良い。このようにすると、チェレンコ
フ放射光の出射モードを実質的に同一とすることが出来
る。チェレンコフ放射光のモードが異なってしまうと、
SHG素子120から取り出されるSH光が後段のアキ
シコンレンズ(図1の130)によって集光不可能なモ
ードとなってしまい、実用性の乏しいSHG装置となっ
てしまう。
The difference between the refractive indices of the high refractive index portion 122a and the low refractive index portion 122b is preferably small. In this way, the emission modes of the Cherenkov radiation can be made substantially the same. If the mode of the Cherenkov radiation is different,
The SH light extracted from the SHG element 120 enters a mode in which it cannot be condensed by an axicon lens (130 in FIG. 1) at the subsequent stage, resulting in an SHG device with poor practicality.

【0040】次に、このSHG素子120が満たすべき
条件につき検討する。SHG素子は、半導体レーザ10
0を基本波で安定発振させるための帰還光を出射させる
と共に、一定のチェレンコフ角θで第2高調波を発生さ
せる必要がある。このため、SHG素子120の光導波
路122はブラッグ反射を生じさせるように構成するこ
とを要する。
Next, conditions to be satisfied by the SHG element 120 will be discussed. The SHG element is a semiconductor laser 10
It is necessary to emit feedback light for stably oscillating 0 with a fundamental wave, and to generate a second harmonic at a constant Cherenkov angle θ. Therefore, the optical waveguide 122 of the SHG element 120 needs to be configured to generate Bragg reflection.

【0041】今、周期的屈折率構造の一周期をΛとす
る。このとき、このΛは下記の条件を満足する構成とす
るのが良い。
Now, one period of the periodic refractive index structure is denoted by Λ. At this time, it is preferable that Λ satisfy the following condition.

【0042】 Λ=P・λ(ω)/2N(ω) (5) 但し、 COSθ=N(ω)/n(2ω) (6) および COS[(α/2)−θ]=nA (2ω)・COS(α/2) (7) である。ここで、Pは正の整数でブラッグ反射の次数で
与えられ、λ(ω)は基本波の波長、N(ω)はこの基
本波に対する光導波路122の実効屈折率、n(ω)は
材料層124の、第2高調波光に対する屈折率、n
A (2ω)はアキシコンレンズ130の、第2高調波光
に対する屈折率およびαはこのアキシコンレンズの頂角
である。なお、式(6)は、式(1)に対応しており、
式(7)は、式(2)に対応している。また、実効屈折
率とは、高および低屈折率部の屈折率の算術平均値で与
えられるが、両屈折率部の屈折率の値は極めて近接した
値であるので、どちらかの屈折率部の屈折率で近似的に
与えてもよい。
Λ = P · λ (ω) / 2N (ω) (5) where COSθ = N (ω) / n (2ω) (6) and COS [(α / 2) −θ] = n A ( 2ω) · COS (α / 2) (7) Here, P is a positive integer given by the order of Bragg reflection, λ (ω) is the wavelength of the fundamental wave, N (ω) is the effective refractive index of the optical waveguide 122 for this fundamental wave, and n (ω) is the material Refractive index of the layer 124 for the second harmonic light, n
A (2ω) is the refractive index of the axicon lens 130 for the second harmonic light, and α is the apex angle of the axicon lens. Equation (6) corresponds to equation (1).
Equation (7) corresponds to equation (2). The effective refractive index is given by the arithmetic average of the refractive indices of the high and low refractive index portions. Since the refractive index values of both the refractive index portions are very close to each other, either of the refractive index portions May be approximately given by the refractive index.

【0043】以下、この条件につき説明する。光導波路
122の光屈折率部122aおよび低屈折率部122b
の基本波LF に対する屈折率をそれぞれNa(ω)およ
びNb(ω)とする。また、SH波LS に対するそれぞ
れの屈折率をnSA(2ω)およびnSB(2ω)とする。
このとき両屈折率部122aおよび122bにおけるチ
ェレンコフ放射角θaおよびθbのずれ角△θは次式で
与えられる。
Hereinafter, this condition will be described. Light refractive index portion 122a and low refractive index portion 122b of optical waveguide 122
Refractive index for the fundamental wave L F of each and Na (omega) and Nb (omega). Further, the respective refractive indexes for the SH wave L S are set to n SA (2ω) and n SB (2ω).
At this time, the shift angle △ θ between the Cerenkov radiation angles θa and θb in both refractive index portions 122a and 122b is given by the following equation.

【0044】 △θ=COS-1[Na(ω)/nSA(2ω)] −COS-1[Nb(ω)/nSB(2ω)] (8) この式において、△θは零(0)であることが理想的で
はあるから、屈折率差[Na(ω)−Nb(ω)]およ
び[nSA(2ω)−nSB(2ω)]は、それぞれ、小さ
いことが望ましい。しかし、屈折率差を零とすること
は、この発明の効果を達成出来ないので、どの程度間で
この屈折率差を小さくすれば良いのか評価する必要があ
る。
Δθ = COS −1 [Na (ω) / n SA (2ω)] − COS −1 [Nb (ω) / n SB (2ω)] (8) In this equation, Δθ is zero (0 ) Is ideal, the refractive index differences [Na (ω) −Nb (ω)] and [n SA (2ω) −n SB (2ω)] are preferably small. However, setting the refractive index difference to zero does not achieve the effect of the present invention, so it is necessary to evaluate how long the refractive index difference should be reduced.

【0045】そこで、図2の(B)に示す構造におい
て、SHG素子120の導波方向の長さDを5mmとし
て検討する。屈折率周期構造の周期Λは、基本波LF
波長λ(ω)を830nmとすると、Na(ω)=2.
172となる。周期的屈折率分布構造が、仮に9次のブ
ラッグ反射を起こすとすると、Pは9であり、その場
合、式(5)で与えられる周期Λは、Λ=9×0.83
/(2×2.172)=1.72となる。今、、D=5
mmであるとしているので、このSHG素子120で
は、2900周期のブラッグ反射格子が形成されている
こととなる。
Therefore, in the structure shown in FIG. 2B, the length D in the waveguide direction of the SHG element 120 will be considered as 5 mm. The period of the refractive index periodic structure lambda, the wavelength of the fundamental wave L F lambda the (omega) and 830nm, Na (ω) = 2 .
172. Assuming that the periodic refractive index distribution structure causes ninth-order Bragg reflection, P is 9. In this case, the period Λ given by Expression (5) is Λ = 9 × 0.83
/(2×2.172)=1.72. Now, D = 5
mm, the SHG element 120 has a 2900-period Bragg reflection grating.

【0046】次に、仮に[Na(ω)−Nb(ω)]=
0.001とすると、[nSA(2ω)−nSB(2ω)]
も0.001程度となり、ブラッグ反射率Rは、周知の
次式(9)を使って計算すると、ほぼ94.3%とな
り、充分な反射率を有していることが理解出来る。な
お、n1 およびn2 は、光導波路の入・出射端面と接す
る空気の屈折率で1とし、rを周期Λの繰り返し数、こ
こでは2900とする。
Next, if [Na (ω) -Nb (ω)] =
Assuming 0.001, [n SA (2ω) −n SB (2ω)]
Is about 0.001, and the Bragg reflectance R is calculated to be approximately 94.3% by using the well-known formula (9), which means that the Bragg reflectance R is sufficient. Note that n 1 and n 2 are 1 as the refractive index of air in contact with the input / output end faces of the optical waveguide, and r is the number of repetitions of the period Λ, here 2900.

【0047】 R={[A]/[B]}2 [A]=1−(Na(ω)/n1 )×(Na(ω)/n2 ) ×(Na(ω)/Nb(ω))2r [B]=1+(Na(ω)/n1 )×(Na(ω)/n2 ) ×(Na(ω)/Nb(ω))2r ・・・(9) Na(ω)=2.173とし、Nb(ω)=2.172
として式(9)を計算すると、R=0.943となる。
R = {[A] / [B]} 2 [A] = 1− (Na (ω) / n 1 ) × (Na (ω) / n 2 ) × (Na (ω) / Nb (ω )) 2r [B] = 1 + (Na (ω) / n 1 ) × (Na (ω) / n 2 ) × (Na (ω) / Nb (ω)) 2r (9) Na (ω) = 2.173 and Nb (ω) = 2.172
When equation (9) is calculated as follows, R = 0.943.

【0048】一方、この場合のチェレンコフ放射角θa
およびθbのずれは、第2高調波の波長415nm対す
る高および低屈折率部122aおよび122bの屈折率
をそれぞれnSA=2.312およびnSB=2.311で
あるとすると、 θa=COS-1[Na(ω)/nSA(2ω)]=19.9688° θb=COS-1[Nb(ω)/nSB(2ω)]=19.9688° となる。従って、式(8)から、 △θ=0.0043° という極めて小さな値となっている。この値は、当業者
には、半導体レーザを安定発振させない場合の従来構造
のSHG装置の場合に比べて充分小さな値であると理解
出来る。このように約1000分の4°〜5°程度とい
う小さい値のずれ角△θで放射されたSH波LS1を、後
段に設けたアキシコンレンズ130で、何ら支障なく、
集光し、それによりドーナツ状の光強度分布を持った平
行光線束LS2を出射させることが出来る(図1)。ま
た、この程度の屈折率差を与える光導波路122を、現
在のイオン交換技術をもって形成することが出来るの
で、実用に供するチェレンコフ放射形SHG素子を形成
することが出来る。
On the other hand, in this case, the Cherenkov radiation angle θa
The difference between θa = COS and θb is given assuming that the refractive indices of the high and low refractive index portions 122a and 122b with respect to the wavelength 415 nm of the second harmonic are n SA = 2.312 and n SB = 2.311, respectively. 1 [Na (ω) / n SA (2ω)] = 19.9688 ° θb = COS −1 [Nb (ω) / n SB (2ω)] = 19.9688 °. Therefore, from Expression (8), it is a very small value of Δθ = 0.0043 °. This value can be understood by those skilled in the art as a value sufficiently smaller than that of the SHG device having the conventional structure when the semiconductor laser is not oscillated stably. The SH wave L S1 radiated at the deviation angle △ θ having a small value of about 4/5 ° to about 1000/1000 is not hindered by the axicon lens 130 provided at the subsequent stage.
The light is condensed, so that a parallel light beam L S2 having a donut-shaped light intensity distribution can be emitted (FIG. 1). Further, since the optical waveguide 122 giving such a difference in refractive index can be formed by the current ion exchange technology, a practically usable Cerenkov radiation type SHG element can be formed.

【0049】このように、図1に示す構成例では、半導
体レーザ100の両端面をARコーティングして発振し
きい値を充分大きく設定してある。そして、SHG素子
120の周期的屈折率分布構造の光導波路122を、式
(5)を満足するブラッグ反射が生ずるように、構成出
来るので、半導体レーザ100は、SHG素子122に
おいて自動的に式(5)を満足した光の帰還をうけるの
で、半導体レーザ100は、一旦発振が開始すると、基
本波は自動的に一定の波長で安定に発振し、しかも、発
振波長は、周囲の温度や注入電流値の変化の影響をほと
んど受けない。従って、少なくとも、式(5)、(6)
および(7)を満足させるようにSHG素子を構成すれ
ば、安定発振している基本波を、第2高調波としてのチ
ェレンコフ放射光に、効率よく変換し、しかも、このチ
ェレンコフ放射光を、その放射角度も実質的に同一と見
做し得る範囲内で放射させることが出来るということが
理解出来る。
As described above, in the configuration example shown in FIG. 1, both ends of the semiconductor laser 100 are AR-coated, and the oscillation threshold value is set sufficiently large. Then, the optical waveguide 122 having the periodic refractive index distribution structure of the SHG element 120 can be configured so as to generate the Bragg reflection satisfying the expression (5). Since the semiconductor laser 100 receives the feedback of the light satisfying the condition 5), once the oscillation starts, the fundamental wave automatically and stably oscillates at a constant wavelength, and the oscillation wavelength changes depending on the ambient temperature and the injection current. Hardly affected by value changes. Therefore, at least equations (5) and (6)
If the SHG element is configured so as to satisfy (7) and (7), the fundamental wave that is oscillating stably is efficiently converted into Cerenkov radiation light as the second harmonic, and the Cherenkov radiation light is converted to the second harmonic. It can be understood that the radiation angle can be radiated within a range that can be regarded as substantially the same.

【0050】図1に示した実施例では、好適例として、
この発明のSHG装置の構成の一部分として、アキシコ
ンレンズ130の後段に対物レンズ140を設けてい
る。この構成によれば、アキシコンレンズ130からの
円筒状の平行光線束LS2を対物レンズ140によって効
率良く一点に集光させてスポット状の集光点150を得
ることが出来る。
In the embodiment shown in FIG. 1, as a preferred example,
As a part of the configuration of the SHG device of the present invention, an objective lens 140 is provided downstream of the axicon lens 130. According to this configuration, the cylindrical parallel light beam L S2 from the axicon lens 130 can be efficiently converged to one point by the objective lens 140, and the spot-shaped converging point 150 can be obtained.

【0051】図3は、この発明の他の好適実施例の構成
を示す図である。この実施例によれば、アキシコンレン
ズ130の後段に、平行光線束にされたチェレンコフ放
射光(第2高調波光:SH波)LS2を通過させるリング
状のスリット160aと、このスリット160aの後段
にこのスリットを含む面(スリット板160の面)から
焦点距離fだけ離れているレンズ162とを含む構成と
している。この実施例では、光学系110を単なる空気
の間隙としてある。また、スリット板160は、図8で
説明したスリット板と同様に形成することが出来る。ま
た、レンズ162とスリット板160との組み合わせ
も、図8の場合と同様にして組み合わせれば良い。その
他の各構成成分は、図1に示した構成成分と同様である
ので、その詳細な説明を省略する。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of another preferred embodiment of the present invention. According to this embodiment, after the axicon lens 130, a ring-shaped slit 160a for passing the Cerenkov radiation light (second harmonic light: SH wave) L S2 converted into a parallel light beam, and a rear stage of the slit 160a The lens 162 is separated from the surface including the slit (the surface of the slit plate 160) by a focal length f. In this embodiment, the optical system 110 is a simple air gap. Further, the slit plate 160 can be formed in the same manner as the slit plate described with reference to FIG. Further, the combination of the lens 162 and the slit plate 160 may be combined in the same manner as in the case of FIG. The other components are the same as the components shown in FIG. 1, and thus the detailed description is omitted.

【0052】図3に示すSHG装置の構成によれば、ア
キシコンレンズ130で平行光線束にされた、光強度が
光軸に直交する面内において円環状に分布したSH光L
S2を効率よく集光してレンズ162の後方の、当該レン
ズ162から最長伝播距離に至る範囲内の光軸上に、無
回折モードの、微細径の平行光線束164を形成するこ
とが出来る。この最長伝播距離は、通常、数十cmであ
るので、実用上何ら支障がない。また、この構成によれ
ば、アキシコンレンズ130からの平行なSH光LS2
実質的に存在している領域にのみスリット160aを設
けた構成となっているので、SH光の光強度が最大とな
っている部分がスリット160aを通過することとな
る。従って、スリット160およびレンズ162によっ
て集光された平行光線束164の光強度は、従来構成の
場合とは異なり、実質的に弱まっていない。このため、
光軸上にボケの生じない、最大光強度を持った平行光線
束を得ることが出来る。なお、SHG素子120のSH
波LS1の出射側の端面からアキシコンレンズ130まで
の距離Sが変わると、対応して平行光線束LS2の中心間
の径が変わるため、このスリット160aの径dも、こ
の距離Sに対応させて予め設定することが出来る。
According to the configuration of the SHG apparatus shown in FIG. 3, the SH light L, which is made into a parallel light beam by the axicon lens 130 and whose light intensity is annularly distributed in a plane orthogonal to the optical axis.
By efficiently condensing S2 , it is possible to form a non-diffracting mode, fine-diameter parallel light beam 164 on the optical axis behind the lens 162 and within the range from the lens 162 to the longest propagation distance. Since the longest propagation distance is usually several tens of cm, there is no practical problem. Further, according to this configuration, since the slit 160a is provided only in a region where the parallel SH light L S2 from the axicon lens 130 substantially exists, the light intensity of the SH light is maximized. Will pass through the slit 160a. Therefore, the light intensity of the parallel light beam 164 collected by the slit 160 and the lens 162 is not substantially reduced unlike the case of the conventional configuration. For this reason,
A parallel light beam having the maximum light intensity without blurring on the optical axis can be obtained. Note that the SH of the SHG element 120 is
When the distance S from the end face on the emission side of the wave L S1 to the axicon lens 130 changes, the diameter between the centers of the parallel light beam L S2 changes correspondingly. It can be set in advance in correspondence.

【0053】この発明は、上述した実施例にのみ限定さ
れるものではなく、多くの変形または変更を行ない得る
ことが明らかである。例えば、上述した実施例では、S
HG素子として、光導波路を形成した基板上にクラッド
を設けた構成としたが、光導波路を中心としてその周囲
に同一の第2高調波に対して透明な材料層を具えた構造
であれば良い。従って、例えば、周期的屈折率構造を有
する光導波路を形成したファイバ状のチェレンコフ放射
形SHG素子であってもよい。
It is clear that the invention is not limited to the embodiments described above, but that many variations or modifications can be made. For example, in the above embodiment, S
Although the HG element has a configuration in which a clad is provided on a substrate on which an optical waveguide is formed, a structure having a material layer transparent to the same second harmonic around the optical waveguide may be used. . Therefore, for example, a fiber-like Cherenkov radiation type SHG element in which an optical waveguide having a periodic refractive index structure is formed may be used.

【0054】また、SHG素子を形成する材料としてL
iNbO3 を用いたが、これを用いる代わりに、LiT
aO3 とかKTP(KTiOPO4 )とかその他の非線
形光学材料を用いても形成することが出来る。
As a material for forming the SHG element, L
Although iNbO 3 was used, instead of using iNbO 3 , LiT
It can also be formed by using aO 3, KTP (KTiOPO 4 ), or other non-linear optical materials.

【0055】[0055]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の第2高調波発生装置によれば以下に掲げるよう
な利点を有している。
As is apparent from the above description, the second harmonic generator according to the present invention has the following advantages.

【0056】半導体レーザとチェレンコフ放射形SH
G素子を組み合わせてあるので、装置の小型化が可能と
なる。
Semiconductor laser and Cherenkov radiation type SH
Since the G elements are combined, the size of the device can be reduced.

【0057】また、SHG素子の光導波路を周期的屈
折率構造とし、かつ、半導体レーザの入・出射端面を低
反射面としてあるため、半導体レーザの駆動電流値や周
囲温度等に影響されずに、設計した基本波発振波長で安
定発振させることが出来る。
Also, since the optical waveguide of the SHG element has a periodic refractive index structure and the input / output end faces of the semiconductor laser are low reflection surfaces, they are not affected by the drive current value of the semiconductor laser or the ambient temperature. In addition, stable oscillation can be performed at the designed fundamental wave oscillation wavelength.

【0058】また、SHG素子を、光導波路の外周囲
を同一の材料からなる層で取り囲んであるため、この層
の第2高調波に対する屈折率は一様に構成されることと
なり、従って、チェレンコフ放射光は、常に、光導波路
の周囲360°にわたり一定の放射角度で放射される。
このため、基本波の波長が決まれば、第2高調波はSH
G素子から円環状に一定の放射角度で自動的に、かつ、
安定して放射するので、後段のアキシコンレンズにより
常に平行光線束を得ることが出来る。このため、設計に
応じた基本波の波長に対応した頂角を有するアキシコン
レンズを用意しておけば済むので、無駄が省ける。
Further, since the SHG element is surrounded by a layer made of the same material on the outer periphery of the optical waveguide, the refractive index of the layer with respect to the second harmonic is configured to be uniform. The emitted light is always emitted at a constant emission angle over 360 ° around the optical waveguide.
Therefore, if the wavelength of the fundamental wave is determined, the second harmonic is SH
Automatically at a constant radiation angle in a ring from the G element, and
Since the light is radiated stably, a parallel light beam can always be obtained by the axicon lens at the subsequent stage. Therefore, it is sufficient to prepare an axicon lens having an apex angle corresponding to the wavelength of the fundamental wave according to the design, so that waste can be reduced.

【0059】上述した〜の結果、アキシコンレン
ズの後段に集光レンズを配置することによって、第2高
調波をボケのない、光強度の大なるおよび微細径のスポ
ットとして集光出来る。また、アキシコンレンズの後段
にスリットと対物レンズの組み合わせ構造を配置するこ
とによって、光軸上に光強度の大なる、ボケのないおよ
び微細径の平行光線束を得ることが出来る。
As a result of the above, the second harmonic can be condensed as a spot with a large light intensity and a small diameter without blur by disposing the condenser lens at the subsequent stage of the axicon lens. Further, by disposing the combination structure of the slit and the objective lens at the subsequent stage of the axicon lens, it is possible to obtain a light beam with a large light intensity on the optical axis without blurring and with a small diameter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第2高調波発生装置(SHG装置)
の第1実施例の説明に供する概略的構成図である。
FIG. 1 is a second harmonic generation device (SHG device) of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】(A)は、この発明のSHG装置で使用するS
HG素子の一実施例を概略的に示す斜視図であり、
(B)は、図(A)の断面図である。
FIG. 2A shows an SHG used in the SHG device of the present invention.
It is a perspective view which shows one Example of a HG element schematically,
FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG.

【図3】この発明のSHG装置の第2実施例の説明に供
する概略的構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram for explaining a second embodiment of the SHG device of the present invention.

【図4】(A)は、従来のチェレンコフ放射形第2高調
波発生素子の概略的斜視図であり、(B)は、図(A)
の断面図である。
FIG. 4A is a schematic perspective view of a conventional Cherenkov radiation type second harmonic generation element, and FIG. 4B is a view of FIG.
FIG.

【図5】(A)は、従来のSHG装置の要部を概略的に
示す斜視図であり、(B)は、図(A)の断面図であ
る。
5A is a perspective view schematically showing a main part of a conventional SHG device, and FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG.

【図6】スポット状の収束光を得るための従来のSHG
装置を概略的に示す構成図である。
FIG. 6 shows a conventional SHG for obtaining spot-shaped convergent light.
It is a block diagram which shows an apparatus schematically.

【図7】光強度が一様に分布している平行光線束を光軸
上の平行光線束に変換するための従来のスリットと対物
レンズの組み合わせ構造を示す構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram showing a conventional combination structure of a slit and an objective lens for converting a parallel light beam having a uniform light intensity distribution into a parallel light beam on the optical axis.

【図8】光軸上に平行光線束を得るための従来のSHG
装置を概略的に示す構成図である。
FIG. 8 shows a conventional SHG for obtaining a parallel light beam on the optical axis.
It is a block diagram which shows an apparatus schematically.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100:半導体レーザ(LD)、 110:光
学系 112:ロリメートレンズ 114:アナモルフィックプリズムペア、 116:集
光レンズ 120:SHG素子、 122:光
導波路 122a:高屈折率部、 122b:
低屈折率部 124:材料層、 126:基
板 128:クラッド、 130:ア
キシコンレンズ 140:集光レンズ、 150:ス
ポット 160スリット板、 160a:
スリット 162:対物レンズ、 164:
(光軸上の)平行光線束 LF :基本波光、 LS2:チェ
レンコフ放射光 LS2:(光強度分布が円環状の)チェレンコフ放射光。
100: semiconductor laser (LD), 110: optical system 112: rolimate lens 114: anamorphic prism pair, 116: condenser lens 120: SHG element, 122: optical waveguide 122a: high refractive index portion, 122b:
Low refractive index portion 124: Material layer, 126: Substrate 128: Cladding, 130: Axicon lens 140: Condensing lens, 150: Spot 160 Slit plate, 160a:
Slit 162: objective lens, 164:
L F : Fundamental light, L S2 : Cerenkov radiation L S2 : Cherenkov radiation (circular in light intensity distribution).

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 (a)両端面を低反射面として形成した
半導体レーザと、 (b)該半導体レーザからの基本波光を第2高調波光に
変換する、チェレンコフ放射形第2高調波発生(SH
G)素子と、 (c)前記半導体レーザからの出射光をSHG素子の光
導波路に集光し、かつこの光導波路からの帰還光をこの
半導体レーザへ入力させるための光学系と、 (d)前記SHG素子から出射した、第2高調波光とし
てのチェレンコフ放射光を平行光線束にするためのアキ
シコンレンズとを含む第2高調波発生装置において、 (e)前記光導波路を、周期的屈折率分布構造として形
成した非線形光導波路とし、 (f)前記SHG素子を、前記光導波路の入・出射端面
以外の外周囲を第2高調波光に対して透明な材料層で形
成してあることを特徴とする第2高調波発生装置。
1. A (a) semiconductor laser having both end faces formed as low reflection surfaces; and (b) a Cerenkov radiation type second harmonic generation (SH) for converting a fundamental wave light from the semiconductor laser into a second harmonic light.
G) an element; and (c) an optical system for condensing outgoing light from the semiconductor laser on an optical waveguide of the SHG element and inputting return light from the optical waveguide to the semiconductor laser; (E) the optical waveguide includes a periodic index of refraction that includes an axicon lens for converting the Cerenkov radiation as the second harmonic light emitted from the SHG element into a parallel light flux. (F) the SHG element is formed of a material layer that is transparent to second harmonic light around the outer periphery of the optical waveguide other than the input and output end faces. A second harmonic generator.
【請求項2】 請求項1に記載の第2高調波発生装置に
おいて、 前期周期的屈折率分布構造を、前期基本波に対して第1
および第2屈折率領域を交互に周期的に配列して形成し
てあり、 その周期をΛとするとき、該Λは下記の条件を満足する
ことを特徴とする第2高調波発生装置。 Λ=P・λ(ω)/2N(ω) 但し、 COSθ=N(ω)・n(2ω) および COS[(α/2)−θ]=nA (2ω)・COS(α/2) であって、Pは正の整数、λ(ω)は前記基本波の波
長、N(ω)は前記基本波に対する前記光導波路の実効
屈折率、θはチェレンコフ角、n(2ω)は前記材料層
の、第2高調波光に対する屈折率、nA(2ω)は前記
アキシコンレンズの、第2高調波光に対する屈折率およ
びαは前記アキシコンレンズの頂角である。
2. The second harmonic generation device according to claim 1, wherein the periodic refractive index distribution structure is arranged to have a first refractive index with respect to the first fundamental wave.
And the second refractive index region is alternately and periodically arranged. When the period is defined as Λ, the Λ satisfies the following condition. Λ = P · λ (ω) / 2N (ω) where COSθ = N (ω) · n (2ω) and COS [(α / 2) −θ] = n A (2ω) · COS (α / 2) Where P is a positive integer, λ (ω) is the wavelength of the fundamental wave, N (ω) is the effective refractive index of the optical waveguide with respect to the fundamental wave, θ is the Cherenkov angle, and n (2ω) is the material. The refractive index of the layer for the second harmonic light, n A (2ω) is the refractive index of the axicon lens for the second harmonic light, and α is the apex angle of the axicon lens.
【請求項3】 請求項1に記載の第2高調波発生装置に
おいて、 前記アキシコンレンズの後段に設けた対物レンズを含む
ことを特徴とする第2高調波発生装置。
3. The second harmonic generator according to claim 1, further comprising an objective lens provided at a stage subsequent to the axicon lens.
【請求項4】 請求項1に記載の第2高調波発生装置に
おいて、 前記アキシコンレンズの後段に、前記平行光線束にされ
たチェレンコフ放射光を通過させるリング状のスリット
と、該スリットの後段に該スリットを含む面から焦点距
離だけ離れているレンズとを含むことを特徴とする第2
高調波発生装置。
4. The second harmonic generation device according to claim 1, wherein a rear end of the axicon lens has a ring-shaped slit through which the parallel beam of Cherenkov radiation passes, and a rear end of the slit. A lens which is separated by a focal distance from a plane including the slit.
Harmonic generator.
【請求項5】 請求項1に記載のアキシコンレンズの代
わりにフレネルゾーンプレートを用いることを特徴とす
る第2高調波発生装置。
5. A second harmonic generator using a Fresnel zone plate instead of the axicon lens according to claim 1.
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