JP2966921B2 - 光高調波発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ光を非線形光学結晶によりそ
のレーザ光の高調波に変換する光高調波発生装置に関す
る。

（従来の技術） 従来より非線形光学結晶を利用した光高調波発生装置
を短波長光源を用いることが考えられている。第６図に
は従来の光高調波発生装置の概略構成が示されている。

この光高調波発生装置は、基本波光源である半導体レ
ーザ101と、この半導体レーザ101の出射端面側に設けら
れたカップリング光学系102と、このカップリング光学
系102を介して半導体レーザ101と光学的に結合された非
線形光学結晶103と、この非線形光学結晶103の出射光を
平行光にするためのコリメータ104とで構成されてい
る。

このように構成された光高調波発生装置では、半導体
レーザ101から出射されたレーザ光がカップリング光学
系102を介して所定の波動条件でもって非線形光学結晶1
03に入射される。この入射レーザ光は非線形光学結晶10
3との間の２次の非線形相互作用で、半導体レーザ101か
ら出射されたレーザ光を基本波とする第２次高調波に変
換される。そして第２次高調波はコリメータ104を介し
てレーザ光軸Ｃに平行な平行光束として外部に取り出さ
れる。

しかしながら、上記のように構成された従来の光高調
波発生装置を短波長光源として用いるには次のような問
題があった。即ち、短波長光源として十分な出力を得る
ためには、半導体レーザ101の出力をＷ級にする必要が
あるので装置全体が大型化する。また、このような光高
調波発生装置では半導体レーザ101と非線形光学結晶103
とを光学的に結合するためにカップリング光学系102が
必要である。このカップリング光学系102は通常、複数
の光学レンズで構成されているため、やはり装置全体の
大型化をもたらす。したがって、このような光高調波発
生装置を各種の光学装置に組み込んで使うデバイスとし
て使用するのは困難であるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く従来の光高調波発生装置では十分な出力を
得ようとすると装置全体が大型化し、また、半導体レー
ザと非線形光学結晶とを光学的に結合するためにカップ
リング光学系を必要とすることからも装置全体の小型化
が困難であった。その結果、光学装置等の装置に組み込
むのが困難であるという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、小型で十分な出力が得られる光高
調波発生装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明の光高調波発生
装置は、半導体レーザの出射光を非線形光学素子に導き
所定の光高調波を発生する光高調波発生装置において、
前記非線形光学素子を介して前記半導体レーザの出射端
面に対向する凹面鏡を配置するか又は前記非線形光学素
子の前記半導体レーザの出射端面に対向する側と反対側
の面を凸面とし、且つ前記凹面鏡及び前記非線形光学素
子の凸面の前記出射光の基本波に対する反射率を前記光
高調波のそれより高くしたことを特徴とする。

また、前記半導体レーザの出射端面の基本波に対する
反射率は10〜35％、前記光高調波に対しては高反射率で
あることが望ましい。

また、前記半導体レーザ及び前記非線形光学素子は、
温度検出手段と、この温度検出手段により検出された温
度と設定温度とを比較しその温度差に対応した信号を出
力する温度制御回路と、この温度制御回路の出力信号に
より制御される温度素子とで所定の温度に保たれること
が望ましい。

（作用） 本発明の光高調波発生装置によれば、半導体レーザ光
がカップリング光学系などを介さずに直接光高調波変換
手段に導入されるので装置全体が小型化される。また、
半導体レーザの出射端面はビームウエストとなるため、
凹面鏡及び非線形光学素子の凸面は外部共振器として働
く。このため、半導体レーザの両端面と、凹面鏡又は非
線形光学素子の凸面とで三枚鏡光共振器が構成される。
即ち、非線形光学素子を介して凹面鏡に入射したレーザ
光又は非線形光学素子の凸面で反射したレーザ光は出射
光の基本波と光高調波とを含むが、凹面鏡及び非線形光
学素子の凸面の出射光の基本波に対する反射率が光高調
波のそれより高いので、光高調波成分は凹面鏡又は凸面
を通過し、一方、出射光の基本波は凹面鏡又は非線形光
学素子の凸面で反射して半導体レーザに入射する。した
がって光高調波に変換されなかった出射光は半導体レー
ザ内で増幅されて再び非線形光学素子に導入され、全て
の出射光の基本波が光高調波に変換されるまで上述した
変換工程が繰り返されるので変換効率が向上し、大出力
の光高調波発生装置が得られる。

また、半導体レーザの出射端面の基本波に対する反射
率を10〜35％、前記光高調波に対する反射率をが高くす
ると、出射光の基本波が効率よく出射端面から取り出せ
ると共に、凹面鏡又は非線形光学素子の凸面で反射され
て半導体レーザに入射されるレーザ光の内、半導体レー
ザに入射される際に非線形光学素子により光高調波に変
換されたレーザ光が出射端面で反射されるのでさらに変
換効率が向上し、より大出力の光高調波発生装置が得ら
れる。

また、半導体レーザ及び非線形光学素子を温度検出手
段と温度制御回路と温度素子とで所定の温度に保たつこ
とで半導体レーザの高寿命化，高出力化及び、非線形光
学素子の波長変換効率の向上が図れる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。

第１図には本発明の第１の実施例に係る光高調波発生
装置の斜視図が示され、第２図には同光高調波発生装置
の側面図が示されている。

この光高調波発生装置は、半導体レーザ１と、この半
導体レーザ１の前方（出射）端面1b側に設けられた非線
形光学結晶３と、この非線形光学結晶３の前方（出射
側）端面3bに設けられた凹面鏡５とで構成されている。
この凹面鏡５の一方の面、即ち、非線形光学結晶３の前
方端面3bに対向する面（後方端面）5aが凹面になってお
り、他方の面（前方端面）5bは凸レンズとして働くよう
に凸状に形成されている。また、凹面鏡はその曲率半径
がレーザ光の波面のそれと同じなるように形成されてい
る。この光高調波発生装置では、半導体レーザ１の両端
面1a,1b,非線形光学結晶３の両端面3a,3b及び凹面鏡５
の後方端面5aの半導体レーザ１の出射光の基本波（波長
λ）及びその光第２高調波（波長λ/2）に対する反射率
はそれぞれ表１に示されるように選んである。

即ち、半導体レーザ１の後方端面1aは半導体レーザ１
の出射光に対して高反射率になるように選ばれ、半導体
レーザ１の前方端面1bは半導体レーザ１の出射光に対し
てレーザ光取り出し口として効率よく機能する程度の反
射率（10〜35％）に、光第２高調波に対しては高反射率
になるように選ばれている。また、非線形光学結晶３の
後方端面3a,前方端面3bの半導体レーザ１の出射光及び
光第２高調波に対する反射率は十分小さくなっている。
具体的には非線形光学結晶３の両端面3a,3bに反射防止
条件を満たす膜を形成して反射率が１％より小さくなる
ようにする。そして、凹面鏡５の後方端面5aは出射レー
ザ光の基本波に対しては高反射率に、光第２高調波に対
しては低反射率になるように選ばれている。

このように構成された光高調波発生装置では、半導体
レーザ１内で発生したレーザ光（波長λ）が後方端面1a
と前方端面1bとからなる光共振器で増幅された後、前方
端面1bから出射し、非線形光学結晶３に直接入射され
る。このため、カップリング光学系が不要になり装置全
体が小型化される。非線形光学結晶３に入射した出射レ
ーザ光の多くは光第２高調波Ａに変換された後、凸レン
ズ機能を持つ凹面鏡５を介してレーザ光軸Ｃに平行な平
行光束のビームＢとして外部に取り出される。一方、光
第２高調波に変換されなかった出射レーザ光は、半導体
レーザ１の前方端面1b,非線形光学結晶３の両端面3a,3
b,凹面鏡５の後方端面5aの反射率を上述した関係に選ん
だので、非線形光学結晶３を通過した後、凹面鏡５の後
方端面5aで反射し、非線形光学結晶３を介して半導体レ
ーザ１内に入射される。そして再び後方端面1aと前方端
面1bとの間で増幅されて非線形光学結晶３に入射され
る。また、凹面鏡５の反射面5aで反射し非線形光学結晶
３を通過したレーザ光の一部は光第２高調波に変換され
るが、この光第２高調波は前方端面1bで反射されて凹面
鏡に入射される。このような高調波変換工程を繰り返し
て全ての出射レーザ光が光第２高調波に変換される。し
たがって、出射レーザ光から光第２高調波への変換効率
（高調波変換率）が高くなるので従来のように装置の大
型化を招くこと無く光高調波発生装置の大出力化ができ
る。

かくして本実施例では半導体レーザの後方端面1a,前
方端面1b及び凹面鏡５とで、いわゆる、三枚鏡光共振器
が構成されるように各端面の反射率を選んだのでカップ
リング光学系が不要になると共に光高調波変換効率が高
くなり、短波長光源として用いることができる小型で大
出力の光高調波発生装置を得ることができる。

第３図には本発明の第２の実施例に係る光高調波発生
装置の側面図が示されている。なお、第１図と対応する
部分には第１図と同一符号を付して詳細な説明は省略す
る。

半導体レーザ1,非線形光学結晶３及び凹面鏡５は所定
の関係でもって、サーミスタ等の温度検出素子９が設け
られたベース７に固定されている。温度検出素子９は温
度制御回路（不図示）に接続されている。ベース７は熱
電冷却素子からなる電子的温度制御素子11を介してヒー
トシンク13に接続されている。電子的温度制御素子11は
１対の平行平板11a,11bと、この平行平板11a,11bに挾持
された直接接続された複数のペルチェ素子11cとからな
る。平行平板11a,11bは導電板と絶縁板との積層板であ
り、絶縁板側がベース7,ヒートシンク13に接続してい
る。また、電子的温度制御素子11は導電板に接続された
電流線を介して温度制御回路に接続されている。

このように構成された光高調波発生装置では、温度検
出素子９で検出された検出温度が温度制御回路に送ら
れ、この温度制御回路により検出温度と設定温度とが比
較されその温度差に応じた電流（方向，量）、即ち、外
界の温度が設定温度より高い場合は平行平板11aが冷却
され、外界の温度が設定温度より低い場合は平行平板11
bが冷却されような電流が、電子的温度制御素子11の平
行平板11a,11bに流される。その結果、半導体レーザ1,
非線形光学結晶３を所定の温度に保たれるべくベース７
が冷却，加熱される。

かくして本実施例でも先に説明した実施例と同様な効
果が得られるのは勿論のこと、設定温度を非線形光学結
晶３の位相整合条件が出射レーザ光から光第２高調波へ
変換するための位相整合条件になるよう選ぶことでより
高調波変換効率の高い光高調波発生装置を得ることがで
きる。また、温度制御素子により半導体レーザ１の温度
も一定に保たれるので半導体レーザ１の高寿命化、高出
力が実現できる。

なお、本実施例では電子的温度制御素子11として熱電
冷却素子を用いたが他の温度制御素子を用いても良い。

第４図は本発明の第３の実施例に係る光高調波発生装
置の斜視図が示されている。

この光高調波発生装置が第２の実施例で説明した光高
調波発生装置と異なる点は、ヒートシンク11以外を短波
長光ビームの取りだし孔を有するキャップ17で封止した
ことにある。

このように構成された光高調波発生装置は耐環境性が
向上するので信頼性が高くなり、単体のデバイスとして
用いることができるという利点がある。

第５図は本発明の第４の実施例に係る光高調波発生装
置の斜視図が示されている。

これは凹面鏡５を用いる代わりに、前方端面3cが凸状
の非線形光学結晶３を用い、この非線形光学結晶３を通
過したレーザ光を平行光束化するために非線形光学結晶
３の前方端面3cの前に凸レンズ15を設けても良い。この
場合、非線形光学結晶３の前方端面3cと半導体レーザ１
の両端面1a,1bとで三枚鏡光共振器が構成されているの
で先に説明した実施例と同様な効果が得られる。また、
この光高調波発生装置の半導体レーザ，非線形光学結晶
を第２の実施例で説明したように温度制御しても良い。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、実施例では凹面鏡５に凸レンズの作用を
もたせて光第２高調波を平行光束化させたが、凹面鏡５
の代わりに凸レンズの作用をもたない凹面鏡を用い、こ
の凹面鏡を通過した光第２高調波をコリメータにより平
行光束化させも良い。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施できる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の光高調波発生装置によれ
ば、半導体レーザの出射光が直接光高調波変換手段に導
入されるので装置が小型化になり、また、出射光の基本
波に対して高い反射率を有する鏡と、半導体レーザ内で
発生したレーザ光の共振器となる半導体レーザの両端面
とで構成される三枚鏡光共振器により、光高調波に変換
されなかった半導体レーザの出射光が繰り返し非線形光
学素子に導入されるので装置の大出力化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る光高調波発生装置
の斜視図、第２図は同光高調波発生装置の側面図、第３
図は本発明の第２の実施例に係る光高調波発生装置の側
面図、第４図は本発明の第３の実施例に係る光高調波発
生装置の斜視図、第５図は本発明の第４の実施例に係る
光高調波発生装置の側面図、第６図は従来の光高調波発
生装置の側面図である。 １……半導体レーザ、1a……半導体レーザの後方端面、
1b……半導体レーザの前方端面、３……非線形光学結
晶、3a……非線形光学結晶の後方端面、3b,3c……非線
形光学結晶の前方端面、５……凹面鏡、5a……凹面鏡の
反射面、７……ベース、９……電子的温度制御素子、9
a,9b……平行平板,9c……温度制御素子、13……ヒート
シンク、15……凸レンズ、17……キャップ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザの出射光を非線形光学素子に
   導き所定の光高調波を発生する光高調波発生装置におい
   て、 前記非線形光学素子を介して前記半導体レーザの出射端
   面に対向する凹面鏡を配置すると共に前記凹面鏡の前記
   出射光の基本波に対する反射率を前記光高調波のそれよ
   り高くし、且つ前記半導体レーザの出射端面の前記基本
   波に対する反射率を10〜35％としたことを特徴とする光
   高調波発生装置。
2. 【請求項２】半導体レーザの出射光を非線形光学素子に
   導き所定の光高調波を発生する光高調波発生装置におい
   て、 前記非線形光学素子の前記半導体レーザの出射端面に対
   向する側と反対側の面を凸面とし且つ前記出射光の基本
   波に対する反射率を前記光高調波のそれより高くし、且
   つ前記半導体レーザの出射端面の前記基本波に対する反
   射率を10〜35％としたことを特徴とする光高調波発生装
   置。
3. 【請求項３】前記半導体レーザの出射端面を前記光高調
   波に対して高反射率となるようにしたことを特徴とする
   請求項１又は２に記載の光高調波発生装置。
4. 【請求項４】前記半導体レーザ及び前記非線形光学素子
   は、温度検出手段と、この温度検出手段により検出され
   た温度と設定温度とを比較しその温度差に対応した信号
   を出力する温度制御回路と、この温度制御回路の出力信
   号により制御される温度素子とによって、所定の温度に
   保たれるよう構成されていることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の光高調波発生装置。