JP3300429B2 - 第2次高調波光発生装置 - Google Patents

第2次高調波光発生装置

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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、擬位相整合素子を用い
たグリーン光やブルー光の発生が可能な第2次高調波光
発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光通信,光コンピュータ,情報処
理等の光エレクトロニクスの発展に伴い、非線形光学効
果を利用した各種の機能性光学材料が要求されるように
なってきた。これらの分野で用いられる光源は、通常出
力数10〜100 mW(変換効率数%以上)の赤外ないし近
赤外領域の半導体レーザである。光メモリ,ディスプレ
ー関係では特にグリーン光やブルー光が必要とされてお
り、LiNbO3 ,KNbO3,KTP等の非線形光学効果の
大きい無機材料を用いた波長変換用デバイスの研究が世
界中で精力的に進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記グリーン光やブル
ー光を発生する装置として、例えば図3で示す装置が知
られている(Appl.Phys.Lett.59(5),29 July 1991 p.51
0 〜512 参照)。この装置の構造は、オプティカルフィ
ードバック方式による発振器波長の安定化を計るもので
あり、導波路形の周期的分極反転構造14bに2倍高調
波を発生させる周期構造とブラッグ反射による基本部構
造を反射させるための周期構造との2つの構造をもたせ
ている。このような構造を有するLiNbO3 製基板14a
を用い、劈開面およびその対向面に反射防止構造12を
設けたInP/InGaAsP レーザダイオード(LD)11によ
り発振された基本波を、光ファイバ15で上記基板14
aの導波路16に導く構成として入射すると、上記周期
的分極反転構造14bを有するLiNbO3 製基板14aの
うちのdistributed Bragg reflector (DBR)の作用
によって、該基本波の一部はこの基板14aからのフィ
ードバック波によって発振器に戻ることで発振周波数が
固定される。そしてこの固定された波長に丁度2倍の高
調波発生が起きるように上記周期的分極反転構造14b
が作製されているので、安定した2倍高調波19を得る
ことができるというものである。
【0004】しかしながら、上記構成の装置は、導波路
形の周期的分極反転構造14bを有しているため、発振
器からの装置への導入にファイバを用いて結合する必要
があり、調整がかなり面倒であり、また、結合時の損失
が大きい。さらに、光ファイバ等の付属部品を必要と
し、製造工程が複雑でコストが高くつき、実用化には問
題がある。本発明は上記問題を解消して、簡単な構造で
安価に製造できてグリーン光やブルー光の発生が可能な
第2次高調波光発生装置を提供することを目的とすもの
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は種々検討の結
果、周期的分極反転構造を有する非線形光学材料からな
る部材として、従来の導波路形に替えてバルク形を用
い、光源と上記部材とを共振器構造内に置き、かつ該部
材の光発振面のミラー構造に曲率を持たせて該部材の角
度を微調整し得る構成とすることによって、前記問題が
解消できることを見出し、本発明を完成した。即ち、本
発明の第2次高調波光発生装置は、片端面にミラー構造
およびその対向面に無反射構造を形成してなる光源と、
非線形光学材料からなりバルク形のドメイン反転型構造
を有し、かつ、その光発振面にミラー構造およびその対
向面に無反射構造を形成してなる部材とを具備し、前記
部材は、ドメイン反転型構造の角度が位相整合の最適角
度に合うように、角度を微調整し得る構成とされ、該
材のミラー構造は該部材の角度を微調整し傾けても共
振器が狂わないような曲率を持つものであって、前記
源と部材のミラー構造間で共振器構造を形成してなり、
望ましくは該光源が、半導体レーザまたは/および半導
体レーザ励起固体レーザである。
【0006】
【作用】上記構成によれば、光源(半導体レーザ)から
発振される発振波(レーザ)は、光源(半導体レーザ)
に設けたミラー構造によって光電界を増長できるように
なる。このように、内部共振器構造を持つため必要とす
る非線形光学材料長は、前記公知の方式に比べ1/3〜
1/5で済み、結果として位相整合角許容度が3〜5倍
広くなり、しかもバルク型であるから、容易に発振器の
波長を高効率に2倍高調波発生ができるように角度調整
できる。さらに、前記従来の導波路形部材の導波路に発
振波を導くためのレンズや光ファイバーのような光学的
接続部材を不要にでき、装置を簡単な構成にすることが
できる。したがって、簡単な構成の装置で、グリーン光
やブルー光の第2次高調波光を発生させることができる
ようになる。
【0007】以下、本発明の一実施例に係る第2次高調
波発生装置を図面に基づきより詳細に説明する。図1
は、本発明の第2次高調波光発生装置の基本構造を示す
模式図である。同図において、第2次高調波光発生装置
は、光源1と非線形光学材料からなる部材4とで構成さ
れる。光源1には、その端面にミラー構造2を形成する
とともに、その対向面に無反射構造3を形成している。
また、部材4の片端面には周期的分極反転構造5を形成
するとともに、その光発振面にミラー構造6を形成して
いる。また、部材4の他端面10には、基本波光に対し
無反射構造を形成している。本発明の装置は、上記光源
1と部材4とを同軸上に配設し、上記光源1のミラー構
造2と部材4のミラー構造6とで共振器7を形成してい
る。
【0008】本発明で使用される光源1としては、縦モ
ード,横モード共に単一の半導体レーザが必要である。
出力数100mW以上の半導体レーザでは、発振空間パ
ターンが悪い、即ち上下と左右の方向でビームの発散角
が異なり、一点に集光しにくく使いにくい問題点があ
る。また、エネルギーを蓄積できず、Qスイッチがかけ
られないため高出力が出せず、高出力のグリーン光やブ
ルー光を得る場合には、高出力半導体レーザ励起の固体
レーザ1を用いる必要がある。この場合、固体レーザ1
としては、縦モード,横モード共に単一モードのものを
必要とする。
【0009】上記ミラー構造2は、1が半導体レーザの
場合は、金コーティング等により、高反射率(反射率9
9.9%)とする。一方、1が固体レーザの場合は、励
起用の半導体レーザが透過し、固体レーザの発振波に対
して高反射率になるよう、誘電体多層膜コーティングを
施す。
【0010】また、上記無反射構造3は、MgF2 材を
基本波長のλ/4厚さにつける方法やVコート方式によ
る無反射構造とする。
【0011】本発明で使用される部材4は非線形光学材
料から作製されるもので、この非線形光学材料として
は、無機又は有機の各種非線形光学材料が結晶基板とし
て使用される。この無機非線形光学材料を例示すると、
LN(LiNbO3 ),LT(LiTaO3 ),KNbO3 ,BN
N(Ba2 NaNb5 15),KTP(KTiOPO4 ),KT
A(KTiOAsO4 ),BBO(β−BaB2 4 ),LB
O(LiB3 7 )等が、有機非線形光学材料としては、
mNA(メタニトロアニリン),MNA(2-メチル-4-
ニトロアニリン),カルコン(4-ブロモ-4'-メトキシ
カルコン),DIVA(ジシアノビニル アニソー
ル),DMNP〔3,5-ジメチル-1-(4-ニトロフェニル)
ピラゾール〕,MMNA(N-メトキシメチル-4- ニトロ
アニリン),MNBA(4'- ニトロベンジリデン-3- ア
セタミノ-4- メトキシアニリン)等の低分子有機材料,
LAP(L−アルギニン フォスフェート モノハイド
レート),ポールドポリマ等が挙げられる。
【0012】上記部材4に形成される周期的分極反転構
造5とは、媒質のコヒーレント長毎に結晶反転を繰り返
す構造をいい、この構造を形成することにより入射され
る基本波を擬似的に位相整合を図り、高効率波長変換を
行なうものである。具体的にはドメイン反転構造,Segm
ented waveguide structure 等を意味する。
【0013】図2は、上記非線形光学材料でドメイン反
転構造5を形成した部材4の構造の一例を示す斜視図で
あり、図中4aは基板、4bは反転層である。ドメイン
反転構造5は、複数の反転層4bからなる。反転層4b
は常套手段により形成され、例えばLN(LiNbO3 )の
場合、通常電子ビーム描画やTiイオンを拡散し、加熱処
理することにより形成される。上記ドメイン反転構造5
は、図2に示すように、基板4aの一方の面(例えば−
Z面)から反対の面(例えば+Z面)にまで貫通するよ
うに形成したバルク形と、図3に示す導波路形とがある
が、本発明では、バルク形の部材を用いることを特徴と
する。この理由は、導波路形のものでは、一旦周期構造
を作製すると、その周期は変化させることができないた
め、高効率波長変換を行うためには、発振器の波長をそ
の周期に合わせる工夫(フィードバックシステム)が必
要となり、さらにファイバやレンズ等を用い微細な光軸
調節を行わなければならないという問題が生じるためで
ある。
【0014】上記ドメイン反転構造5の周期(反転層4
b相互間の距離)は、使用する光源の発振波長により異
なるが、特に赤外〜赤色を波長変換する場合、4〜2μ
m又はこの奇数倍とすればよい。
【0015】一方、部材4に形成されるミラー構造6
は、基本波に対し高反射率(99.9%以上),2倍高
調波光に対しては、出力を取り出すため、低反射率(1
0%以下)となるよう誘電体多層膜コーティングをす
る。位相整合時に、部材4の角度を微調整し、傾けても
共振器が狂わないように、ミラー構造6には曲率を持た
せることが好ましい。具体的には、曲率半径10mm〜
20mmとする。
【0016】上記構成よりなる図1に示す第2次高調波
光発生装置によると、高反射率のミラー2と6から構成
される共振器内でレーザ1により基本波光を発振させ
る。この基本波光は、フィネスの高い共振器構成により
高い電界8を作り、これにより同時に共振器内に存在す
るドメイン反転構造5で高効率波長変換がなされ、第2
次高調波9が発生する。1には縦および横モード共に単
一発振する半導体レーザ、または、半導体レーザ励起固
体レーザを用いる。発振波長に対し高効率波長変換を行
うため、5の角度を微調整して変え、最適角度に合わせ
る。このことにより、ミラー6は殆ど狂うことなく、共
振器の光軸がずれることはない。
【0017】なお、上記実施例では、光源1として半導
体レーザを用いたが、本発明では、上記半導体レーザに
半導体レーザ励起固体レーザ(以下、単に「固体レー
ザ」ともいう。)を併用することができる。即ち、固体
レーザによれば、単一横モードで発振させることが容易
となり、また蛍光寿命の長い固体レーザを用いることに
よりエネルギー蓄積ができ高出力が出せる。さらに発振
スペクトルを安定に制御でき、固体材料の選択により波
長可変性を持たせることができる。
【0018】この固体レーザの材料としては特に制限さ
れず、例えば、Nd:YAG,Nd:YVO4 ,Nd:LO
S,Nd:CGA,NPP,LNP,KNP,NYAB等
が好適に使用される。特に吸収係数の大きい材料は、単
一縦モードを発振しやすく、従って発振スペクトルを十
分狭くすることができ望ましい。
【0019】また、上記実施例では、共振器としてミラ
ーを用いるものであるが、共振器内における基本波の損
失が変換効率を大きく左右するので、損失の小さい材料
を選ぶ必要がある。
【0020】
【発明の効果】本発明の第2次高調波光発生装置は、以
上説明したように構成されているので、以下のような効
果を奏する。 共振器構造を用いるため必要非線形光学材料長は、図
3のような非線形光学材料をレーザが一回だけ通過する
通常の方法に対し1/3〜1/5ですむ。したがって、
位相整合角度の調整が、3〜5倍容易になる。 2倍高調波発生は、バルク型ドメイン反転構造5の角
度調整により行い、フィードバック系を用いない。した
がって、装置の部品点数が削減できるとともに、小型化
が達成できる。また、装置が簡単な構成となるので、容
易に製造ができるようになり、コストを低減できる。 光発振面にミラー構造を形成したバルク形ドメイン反
転構造を形成した部材を用いるので、従来の導波路形の
部材を用いる装置で必要とされる光ファイバのような光
学的接続部材や外部ミラーを不要にできる。 従来、技術的に困難とされていたグリーン光やブルー
光の発振が可能な第2次高調波発生装置が、容易にかつ
安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第2次高調波発生装置の一実施例を示
す模式断面図である。
【図2】本発明で用いる非線形光学材料の構造の一例を
示す斜視図である。
【図3】従来の第2次高調波発生装置を示す模式図であ
る。
【符号の説明】
1 光源 2,6 ミラー構造 3,10 無反射構造 4 非線形光学材料からなる部材 5 バルク形ドメイン反転構造 7 共振器構造
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−261924(JP,A) 特開 平3−108785(JP,A) 特開 平4−234740(JP,A) 特開 昭63−258087(JP,A) 特表 平3−505950(JP,A) D.Feng et al.,Enh ancement of second −harmonic generati on in LiNbO3 cryst als with periodic laminar ferroelect ric dom,Applied Ph ysics Letters,米国,A merican Institute of Physics,1980年10月1 日,vol.37,no.7,pp.607 −609 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/37 H01S 3/00 - 3/02 H01S 3/04 - 3/095 H01S 3/098 - 3/102 H01S 3/105 - 3/131 H01S 3/136 - 3/20 H01S 3/23 - 4/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 片端面にミラー構造およびその対向面に
    無反射構造を形成してなる光源と、非線形光学材料から
    なりバルク形のドメイン反転型構造を有し、かつ、その
    光発振面にミラー構造およびその対向面に無反射構造を
    形成してなる部材とを具備し、前記部材は、ドメイン反転型構造の角度が位相整合の最
    適角度に合うように、角度を微調整し得る構成とされ、 部材のミラー構造は該部材の角度を微調整し傾けて
    も共振器が狂わないような曲率を持つものであって、前記 光源と部材のミラー構造間で共振器構造を形成して
    なる第2次高調波光発生装置。
  2. 【請求項2】 該光源が半導体レーザまたは/および半
    導体レーザ励起固体レーザであることを特徴とする請求
    項1記載の第2次高調波光発生装置。
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