JP4205076B2 - レーザ光発生装置および発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、特定波長のレーザ光を発生させる装置および方法に関する。

ガスレーザ、半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザのいずれからも直接発振させることができない欠損波長のレーザ光を得る方法について、例えば下記非特許文献１では、ＬＤ励起固体レーザからの発振光（１１２２ｎｍ）を第二高調波発生素子に基本光として入射することによって波長変換し、波長５６１ｎｍのレーザ光を得る方法が提案されている。
また、波長が互いに異なる２つのレーザ光を用い、和周波混合により波長変換したレーザ光を得る方法も知られている（例えば、下記非特許文献２）。
ＯＳＡ ＴＯＰＳ Ｖｏｌ．１０ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ，１９９７、ｐ．７７、「Ａ Ｄｉｏｄｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｌａｓｅｒ ａｔ ５６４．５ｎｍ」、Ｘ．Ｘ．Ｚｈａｎｇ ａｎｄ Ｗ．Ｌ Ｚｈｏｕ著 「キーワード解説 光技術総合事典」、オプトロニクス社、２００４年１２月１２日発行、ｐ．４４２

上記非特許文献１に記載の方法では、装置の構造が複雑であり、また固体レーザが高価であるため、装置の価格が高くなり実用的ではない。
上記非特許文献２に記載の方法では、レーザ光源を２個使用するため、装置の価格が高くなるほか、光源の駆動電源の構成も複雑になり実用的でない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置構成が簡素で、所望の特定波長のレーザ光を安定に発生できる、低コストで実用性の高いレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のレーザ光発生装置は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子を備えたレーザ光発生装置であって、前記半導体レーザは外部共振器構造を備え、横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、前記第二高調波発生素子はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であることを特徴とする。

また本発明のレーザ光発生方法は、半導体レーザから出射される基本光を第二高調波発生素子に入射して波長変換することにより特定波長のレーザ光を発生させる方法であって、前記半導体レーザは外部共振器構造を備え、横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、前記第二高調波発生素子はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な装置構成で、所望の特定波長のレーザ光を安定に発生させることができ、かつ低コストで実用性が高い。また、該レーザ光の高い出力強度を実現することができる。

図１は本発明のレーザ光発生装置の一実施形態を示した概略構成図である。
図中符号１は外部共振型半導体レーザ、２は導波路型第二高調波発生素子（以下、ＳＨＧ素子ということがある）、３は第１の波長フィルタ、４は集光手段、５はコリメータ、６は第２の波長フィルタをそれぞれ示す。

本実施形態における外部共振型半導体レーザ１は、半導体素子１１と、第１のビーム整形素子１２と、第２のビーム整形素子１３と、反射手段１４を備えている。
本実施形態で用いられている半導体素子１１は、同一端面（１つの出射面１１ａ）から少なくとも互いに異なる２方向に光を出射するものであり、例えば、利得導波路型半導体レーザである。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体およびｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。この利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズとしての効果を持ち、出射光が異なる２方向に曲げられるという特性を持つ。
半導体素子１１としては、ブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）が好ましく、特に本実施形態では発振波長域に１１２０ｎｍを含むものが好ましい。例えば発振波長７２０〜１１２０ｎｍのＢＡＬＤが好適に用いられる。本発明において好ましいブロードエリア型半導体レーザ（ＢＡＬＤ）は、利得導波路型半導体レーザであって、横（空間）モードがマルチモードであるレーザ光を発振する。

半導体素子１１から２方向に出射する光のうちの一方の出射光１８は、半導体素子１１の励起光となる外部共振用の光として利用される。すなわち、該一方の出射光１８は、第１のビーム整形素子１２および第２のビーム整形素子１３を順に通過することによって、半導体素子１１の中心軸１７に沿う平行ビームにコリメートされる。コリメートされた出射光１８は、反射手段１４で反射され、反射されたビームは、再度、第２のビーム整形素子１３および第１のビーム整形素子１２を順に通過して、半導体素子１１に帰還し、半導体素子１１の励起光となる。
また、図示していないが、半導体素子１１の出射面１１ａ上には共振波長に対する反射防止膜を設けることが好ましい。本実施形態では波長１１２０ｎｍの光の反射を防止する膜が設けられている。
他方の出射光１９は、第１のビーム整形素子１２および第２のビーム整形素子１３を順に通過することによって半導体素子１１の中心軸１７に沿う平行ビームにコリメートされ、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａとなる。

また、半導体素子１１において、前記出射面１１ａと対向する端面側には反射膜１１ｂが設けられている。したがって、半導体素子１１に帰還したレーザ光は、この反射膜１１ｂで反射されて再び出射面１１ａから出射される。
このとき、一方の出射光１８の光路を伝搬して帰還した光の大部分は、反射膜１１ｂで反射された後、再び該一方の出射光１８として出射されるが、一部は反射膜１１ｂで反射される前後に他方の出射光１９と結合し、該他方の出射光１９の光路を伝搬して出射される。
すなわち他方の出射光１９および外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａは、反射手段１４と反射膜１１ｂとの間での共振によって発振されるレーザ光である。
該反射膜１１ｂとしては、例えば誘電体多層膜フィルタや金属蒸着膜などを用いることができる。

第１および第２のビーム整形素子１２，１３は、半導体素子１１から２方向に出射される光１８，１９の両方の光路に跨って配置されている。
ここで、半導体素子１１から出射される２方向の出射光１８，１９の光軸の両方を含む面に垂直な方向を第一の方向（図１において紙面と垂直をなす方向）とし、半導体素子１１の中心軸１７方向を第三の方向とし、前記第一の方向と第三の方向に垂直な方向を第二の方向とする。
第１および第２のビーム整形素子１２，１３のうち、半導体素子１１に近い方の第１のビーム整形素子１２は、第一の方向に出射光を絞り込む作用を有するものであり、第２のビーム整形素子１３は、第一の方向と第二の方向の両方向に出射光を絞り込む作用を有するものである。かかる構成とすることにより、半導体素子１１から出射される２方向の出射光１８，１９を、共通の光学系（第１および第２のビーム整形素子１２，１３）で効率良くコリメートすることが可能となる。
たとえば、第１のビーム整形素子１２として、円筒形レンズよりなる速軸用コリメータ（以下、「ＦＡＣ」という場合がある。）を用い、第２のビーム整形素子１３として、球レンズよりなる遅軸用コリメータ（以下、「ＳＡＣ」という場合がある。）を用いることが好ましい。

反射手段１４としては、反射ミラーを用いることができる。該反射ミラーとしては、一方の出射光（外部共振用の光）１８が照射される領域にのみ鏡面状の反射面１５が形成されている、部分反射ミラーが好ましい。
かかる構成においては、反射面１５の形成領域を調整することにより、ビーム形状を調整することも可能である。反射面１５の形成領域の調整方法は、ダイシングにより非反射領域を削る方法でもよく、あるいは、反射面１５以外の領域に光吸収膜や反射防止膜などを形成する方法でもよい。

なお、反射手段１４において、反射面１５の形成領域に、特定波長光のみを選択的に反射するフィルタ膜を形成してもよい。かかる構成とすれば、共振器構造における波長選択性が高まり、結果的に、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａのスペクトル幅（線幅）がより狭窄化される。

かかる構成の外部共振型半導体レーザ１にあっては、半導体素子１１（反射膜１１ｂ）と反射手段１４（反射面１５）との間で外部共振器構造が構成されており、したがって、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａは横（空間）シングルモードのレーザ光となる。
ここで、本発明における「横（空間）シングルモードのレーザ光」とは、ニアフィールドパターンの測定により得られるビームプロファイルがシングルモードであるものをいう。

また外部共振型半導体レーザ１における共振波長は、共振に寄与している光路長によって制御することができ、本実施形態では半導体素子１１の反射膜１１ｂから反射面１５までの距離によって調整することができる。
本実施形態では、波長１１２０ｎｍの光が効率良く共振されるように構成されている。

本実施形態において、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの光路上には、第１の波長フィルタ３が設けられている。第１の波長フィルタ３は特定の波長のみを選択的に透過するものである。かかる第１の波長フィルタ３を設けることにより、外部共振型半導体レーザ１からの出射光（横シングルモードレーザ光）１０ａのスペクトル線幅を低減して、縦モードを最適化することができる。外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａのうち第１の波長フィルタ３を透過した透過出射光１０ｂのスペクトル線幅は、光スペクトルアナライザで測定されるレーザ光のスペクトル幅が１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下がより好ましい。透過出射光１０ｂが縦シングルモードレーザ光でもよい。
第１の波長フィルタ３として、例えば支持体上にＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２等からなる誘電体多層膜が設けられた波長フィルタや、透過型ファブリ・ペロー型エタロン、グレーティング等を用いることができる。
第１の波長フィルタ３は、外部共振型半導体レーザ１側の入射面が、出射光１０ａの光軸に垂直な面に対して、傾きを有するように配置されることが好ましい。このようにすれば、第１の波長フィルタ３で反射された不要な波長の光が、出射光１０ａの光路を逆に戻って半導体素子１１に帰還するのを防止することができる。
本実施形態において、第１の波長フィルタ３は、波長１１２０ｎｍの光を選択的に透過するように構成されている。

本実施形態において、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａのうち第１の波長フィルタ３を透過した透過出射光１０ｂは、集光手段４を介してＳＨＧ素子２に入射される。
ＳＨＧ素子２は、シングルモード導波路を備えるものであり、好ましくは強誘電体材料からなる基板にシングルモード導波路が設けられており、該導波路の長さ方向において前記誘電体材料の分極方向が周期的に反転している分極反転型ＳＨＧ素子が用いられる。具体的には、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）に、プロトン交換により周期的にドメイン反転させてなる導波路型ＰＰＬＮが好適に用いられる。
ＳＨＧ素子２に、前記透過出射光１０ｂを基本光として入射させることにより、波長が変換された出射光１０ｃが得られる。
ＳＨＧ素子２における波長変換は、反転幅等のパラメータによって制御することができる。本実施形態では、基本光として波長１１２０ｎｍの光が入射されたときに、ＳＨＧ素子２から波長５６０ｎｍの光（出射光１０ｃ）が出射されるように構成されている。

集光手段４は、透過出射光１０ｂをＳＨＧ素子２に効率良く入射させるためのもので、適度な焦点距離（例えばＦ＝１．３〜４．０）を有する集光レンズが好適に用いられる。

ＳＨＧ素子２からの出射光１０ｃは、コリメータ５を介して第２の波長フィルタ６に入射される。第２の波長フィルタ６は、基本光（本実施形態では波長１１２０ｎｍの光）をカットし、ＳＨＧ素子２からの出射光１０ｃ（本実施形態では波長５６０ｎｍの光）を透過するように構成される。本実施形態では、例えばＩＲ（赤外線）カットフィルタ等を好適に用いることができる。
これにより、第２の波長フィルタ６からは、所望の特定波長の出射光（本実施形態では波長５６０ｎｍの光）１０ｄが出射される。

本実施形態のレーザ光発生装置にあっては、半導体素子１１を作動させると、外部共振型半導体レーザ１から、波長１１２０ｎｍを含む横シングルモードレーザ光（出射光１０ａ）が出射される。そして、これが第１の波長フィルタ３によってスペクトル線幅が低減された後、ＳＨＧ素子２に基本光として入射され、ここで波長変換されて５６０ｎｍのレーザ光（出射光１０ｄ）が得られる。
したがって、本実施形態のレーザ光発生装置は、欠損波長である５６０ｎｍのレーザ光を出射する光源として使用することができる。

本実施形態のレーザ光発生装置は、ＳＨＧ素子２としてシングルモード導波路を備える導波路型ＳＨＧ素子を用いたので、ＳＨＧ素子２における変換効率が良好である。
ただし、通常、入射される基本光がマルチモードであると導波路型ＳＨＧ素子における発生は非常に不安定となる。その原因としては、（１）基本光が横マルチモードであると、導波路型ＳＨＧ素子のシングルモード導波路との結合が不安定になること、および（２）基本光のスペクトル線幅が広いと、ＳＨＧ素子２において、特定波長に好適となるように設定されている位相整合条件とのマッチングが不安定になることが考えられる。
これに対して、本実施形態では、外部共振器構造を有する半導体レーザ（外部共振型半導体レーザ１）を用いたことにより、ここからの出射光１０ａが横シングルモードとなるので、シングルモード導波路を備えるＳＨＧ素子２への結合が良好となる。
また外部共振型半導体レーザ１の出射光１０ａの光路上に第１の波長フィルタ３が設けられているので、これを透過した透過出射光１０ｂはスペクトル線幅が低減（狭窄化）されるので、これにより、ＳＨＧ素子２における位相整合条件とのマッチングが安定化し、出力強度が増大する。
ここで、ＳＨＧ素子２に入射される透過出射光１０ｂ（基本光）の縦モード（スペクトル線幅）については、仮にＳＨＧ素子２における反転周期にゆらぎがない状態では、透過出射光１０ｂが縦シングルモードレーザ光であることが最適であるが、通常、ＳＨＧ素子２における反転周期には多少のゆらぎが生じており、このゆらぎに応じた適度なスペクトル線幅を有する基本光を入射させることが、出力強度を向上させるうえで好ましい。
また、ＳＨＧ素子２を、その反転周期に所望のゆらぎが生じるように構成するとともに、透過出射光１０ｂのスペクトル線幅が、該ゆらぎに応じた適度な大きさとなるように構成することも出力強度を向上させる点で好ましい。

したがって、半導体素子１１としてマルチモードの光を発振するものを使用することができる。例えば半導体素子１１としてブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）を用い、少なくとも１つのビーム整形素子と組み合わせて外部共振型半導体レーザを構成することが好ましい。ＢＡＬＤは広帯域波長に対応できるため、外部共振型半導体レーザ１における共振波長を変更し、その波長に対応するＳＨＧ素子２を用いることにより、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの波長変更が容易であるという利点を有する。

このように本実施形態のレーザ光発生装置および発生方法によれば、簡素な装置構成で、半導体素子１１から出射される光を、効率良く、安定に波長変換して、実用的な可視光領域のレーザ光を得ることができる。例えば欠損波長である５６０ｎｍのレーザ光を、実用的な強度で安定して得ることができる。

また本実施形態の外部共振型半導体レーザ１には、前記第一の方向に光を絞り込む作用を有する第１のビーム整形素子１２と、前記第一の方向と第二の方向の両方向に光を絞り込む作用を有する第２のビーム整形素子１３が設けられているため、共振器内のビーム形状を、第一の方向（たとえば垂直方向）と第二の方向（例えば水平方向）とで一致させることが可能となる。このとき共振器からの出射光１０ａの２つの方向での拡がり角は一致し、非点収差は取り除かれる。このことによって、シングルモード導波路を備えるＳＨＧ素子２への結合がより良好となる。

例えば、本実施形態によれば、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの光強度に対する、最終的にレーザ光発生装置から出射される５６０ｎｍのレーザ光（出射光１０ｄ）の光強度の割合（変換効率、１０ｄ／１０ａ）について、好ましくは１５〜３０％程度の高い変換効率を達成することができる。

なお、本実施形態では、第１の波長フィルタ３を、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの光路上に設けたが、該第１の波長フィルタ３を、第２のビーム整形素子１３と反射手段１４との間の、一方の出射光１８の光路上に設けてもよく、同様の効果が得られる。
または、図２に示すように、第２のビーム整形素子１３と反射手段１４との間の、一方の出射光１８の光路上と、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの光路上とに跨って、第１の波長フィルタ３と同様の作用を有する第３の波長フィルタ３’を設けてもよい。このようにすれば、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａのスペクトル幅（線幅）がより狭窄化される。

また、外部共振型半導体レーザ１における外部共振器構造は、半導体素子１１から発振される光がマルチモードであっても、横シングルモードの出射光が得られるように構成されていればよく、上記実施形態の構成に限らず、他の外部共振器構造も適宜適用できるものである。

実施例として、図２に示す構成のレーザ光発生装置を製造した。
半導体素子１１は、利得導波路型半導体レーザ素子からなる発振波長１１１５〜１１２５ｎｍのＢＡＬＤを用いた。
第１のビーム整形素子１２としては、直径１２５μｍ、屈折率１．４５、焦点距離０．０８ｍｍの円筒形レンズ（光ファイバ片）からなるＦＡＣを用いた。
第２のビーム整形素子１３としては、焦点距離２０ｍｍの軸対象球面レンズからなるＳＡＣを用いた。
反射手段１４としては、縦３ｍｍ×横３ｍｍの領域を鏡面仕上げした反射ミラーを用いた。
半導体素子１１と反射手段１４との距離は、共振波長が１１２０ｎｍとなるように設定した。

第３の波長フィルタ３’としてはＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２からなる誘電体多層膜フィルタを用い、１１２０ｎｍの光が選択的に透過され、それ以外はカットされるように構成した。該第３の波長フィルタ３’は、第２のビーム整形素子１３と反射手段１４との間の、一方の出射光１８の光路上と、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの光路上とに跨るように設けた。
集光手段４としては、焦点距離が１．６５の集光レンズを用いた。
ＳＨＧ素子２としては、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）に、プロトン交換により周期的にドメイン反転させてなる導波路型ＰＰＬＮを用いた。反転幅は７．２〜７．７μｍとした。
コリメータ５としては焦点距離が１．６５の集光レンズを用いた。
第２の波長フィルタ６としてはカット波長９００〜２０００ｎｍのＩＲカットフィルタを用いた。

本実施例のレーザ光発生装置において、半導体素子１１を駆動電圧１．２１Ｖ、駆動電流８００ｍＡで駆動させた。
外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａの出力強度は３００ｍＷであった。この出射光１０ａが横シングルモードであることをビームプロファイラ（製品名；Ｂｅａｍａｓｔｅｒ Ｆｘ−５０、ＯＰＨＩＲ社製）により確認した。
第２の波長フィルタ６からの出射光１０ｄの中心波長は５６０ｎｍ、スペクトル線幅は０．０３ｍｍであり、出力強度は３０ｍＷであった。

本発明のレーザ光発生装置および発生方法は、可視光域のレーザ光源を実現するのに有用である。

本発明のレーザ光発生装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明のレーザ光発生装置の他の実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 外部共振型半導体レーザ
２ 導波路型第二高調波発生素子（ＳＨＧ素子）
３ 第１の波長フィルタ
３’第３の波長フィルタ
４ 集光手段
５ コリメータ
６ 第２の波長フィルタ
１１ 半導体素子
１２ 第１のビーム整形素子
１３ 第２のビーム整形素子
１４ 反射手段

Claims (4)

1. 半導体レーザと、該半導体レーザから出射される基本光を波長変換する第二高調波発生素子を備えたレーザ光発生装置であって、
   前記半導体レーザは、横モードがマルチモード発振し第１方向と第２方向に光を出射するブロードエリア型半導体レーザ素子と、前記第１方向へ出射された光と前記第２方向へ出射された光をそれぞれコリメートするビーム整形素子と、前記第１方向へ出射された光の一部を反射するよう反射領域が調整された部分反射ミラーと、を有する外部共振器構造を備え、前記部分反射ミラーによって反射された光を前記ブロードエリア型半導体レーザ素子に帰還させて前記第２方向から横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、
   前記第二高調波発生素子はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であることを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 前記外部共振型半導体レーザからの出射光が前記導波路型第二高調波発生素子に至るまでの光路上に波長フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
3. 半導体レーザから出射される基本光を第二高調波発生素子に入射して波長変換することにより特定波長のレーザ光を発生させる方法であって、
   前記半導体レーザは、横モードがマルチモード発振し第１方向と第２方向に光を出射するブロードエリア型半導体レーザ素子と、前記第１方向へ出射された光と前記第２方向へ出射された光をそれぞれコリメートするビーム整形素子と、前記第１方向へ出射された光の一部を反射するよう反射領域が調整された部分反射ミラーと、を有する外部共振器構造を備え、前記部分反射ミラーによって反射された光を前記ブロードエリア型半導体レーザ素子に帰還させて前記第２方向から横シングルモードレーザ光を出射する外部共振型半導体レーザであり、
   前記第二高調波発生素子はシングルモード導波路を備える導波路型第二高調波発生素子であることを特徴とするレーザ光発生方法。
4. 前記外部共振型半導体レーザから出射される横シングルモードレーザ光を前記第二高調波発生素子に入射する前に、前記横シングルモードレーザ光のスペクトル線幅を低減する工程を有することを特徴とする請求項３記載のレーザ光発生方法。

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