JP4303427B2 - 波長安定化レーザ及び光波長変換モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長安定化レーザ、及び光波長変換モジュールに関し、特に、複数の反射部材により光路を折返して光源からの光を目標位置に導く折返し光学系を用いた波長安定化レーザ及び光波長変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザから発せられたレーザビームを第２高調波等に波長変換する光波長変換装置が種々提案され、青色レーザ光源や緑色レーザ光源として使用されている。例えば、特開平１０−２５４００１号公報には、外部共振器を備え、この外部共振器内に狭域帯バンドパスフィルター等の波長選択素子を備えた半導体レーザと、周期ドメイン反転構造を有する導波路型の第２高調波発生（ＳＨＧ）素子とを直接結合した光波長変換モジュールが記載されている。この光波長変換モジュールでは、外部共振器に設けられた狭域帯バンドパスフィルタの透過中心波長に波長をロックすることができ、狭域帯バンドパスフィルターを回転させることにより半導体レーザの発振波長を回転角度に応じた所定の波長にロックすることができる。
【０００３】
通常の半導体レーザは素子内に共振器構造を備えているので、外部共振器を設けなくてもレーザビームを発振することができる。しかしながら、波長ロック前の半導体レーザの発振波長は、数ｎｍの幅で変動し、駆動電流の増加に伴い長波長側にシフトする。例えば、縦モードの間隔が約０．２ｎｍで数本の縦モードを有する半導体レーザを用いて、電流を５０から２００ｍＡまで変化させると、図９に示すように、半導体レーザ自身の発熱のため発振中心波長が約５ｎｍも長波長側にシフトする。
【０００４】
従って、波長ロックを行わずに半導体レーザをＳＨＧ素子と光結合すると、半導体レーザの発振波長が、ＳＨＧ素子の波長変換効率が最大となる波長、即ち、ＳＨＧ素子に位相整合する波長に一致せず、第２高調波の出力光量が変動してしまい第２高調波は殆ど出力されない。このため外部共振器を設け、半導体レーザの発振波長をＳＨＧ素子に位相整合する波長にロックし、第２高調波の出力光量を安定させている。
【０００５】
しかしながら、外部共振器を備えた半導体レーザでは、駆動電流対光出力特性（ＩＬ特性）の直線性が良くないという問題がある。外部共振器を備えた半導体レーザでは、外部共振器からの戻り光など光路長が異なる光が合成されて出射光となるが、光路長の異なる光は互いに干渉し、その干渉状態が随時変化することによりＩＬ特性の直線性が悪化すると考えられる。例えば、半導体レーザに印加する電流を増加すると半導体レーザ自体が発熱して半導体レーザの屈折率と長さとが変化するため半導体レーザの発振波長が変化するが、このような発振波長の変化は光の干渉状態を変化させＩＬ特性の直線性を悪化させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くすることにより戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性が改善されることを見出し、これを利用して発振波長を安定化した波長安定化レーザを提案している。この波長安定化レーザでは、外部共振器の共振器長を長くしたことに伴い、モジュールの小型化を図るために、ミラーやプリズム等の反射部材により光路を数回に渡り折り返す折返し光学系を採用している。
【０００７】
しかしながら、光源から出射された光を光路を数回折り返して目標位置に設けられた反射ミラーに入射させるには反射ミラーの位置調整に時間がかかるという問題がある。また、折返し光学系の各構成部品の配置位置を予め決めておくとしても、各構成部品を決められた位置に精度良く配置するには高精度の位置決め手段等が必要となり作製コストが高くなるという問題がある。また、各構成部品の配置位置は１つずつ光軸調整しながら決定していかなければならず、折返し光学系の組立てには非常に時間がかかるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、簡単に精度良く組立て可能な折り返し光学系を備え、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる波長安定化レーザと、この波長安定化レーザを用い、製造が容易であり波長変換効率の高い光波長変換モジュールとを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の波長安定化レーザの折返し光学系は、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く折返し光学系であって、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この折返し光学系では、光路に対する反射面の角度が調整可能な単一の第１の反射部材が基板に固定可能に配置され、複数の第２の反射部材が光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定されているので、第１の反射部材の光路に対する反射面の角度を調整するだけで、光路を折返して光源からの光を目標位置に導くことができる。即ち、この折返し光学系は、簡単に精度良く組立てることができる。
【００１１】
上記の折返し光学系においては、第１の反射部材は、第１の反射部材で反射された光が直接目標位置に入射するように配置することができる。光路に対する反射面の角度を調整する第１の反射部材を、光源から目標位置に至る光路の最終段に配置することにより、光路上で目標位置に最も近い反射部材の反射面の角度を調整することになるので、反射面の角度調整量に対する光路の変動量が少なくてすみ、より精度良く折返し光学系を組立てることができる。
【００１２】
また、反射方向が所定方向になるように位置決めする位置決め手段を基板に配置し、複数の第２の反射部材の各々を位置決め手段によって位置決めした状態で基板に固定することができる。光路に対する反射面の角度を微調整しない複数の第２の反射部材は、予め配置された位置決め手段によって位置決めした状態で基板に固定することにより、組立てが更に簡単になる。また、位置決め手段は、例えば突き当て等の単純な部材で良く、高精度の位置決めに用いる高価な部品は必ずしも必要ではなく安価な部品で構成することができる。
【００１３】
また、第１の反射部材及び第２の反射部材は、斜面にＨＲコートが設けられ、かつ斜面が光路側になるように配置されたプリズムであることが好ましい。斜面が光路側と反対の側を向くように配置されたプリズムを用いる場合には、プリズム内部を光が通過することによる波面収差の問題があるが、ＨＲコートが設けられた斜面が光路側になるように配置されたプリズムを用いることにより、波面収差の問題が解消する。
【００１４】
また、上記の折返し光学系は、コンパクトであることが好ましく、単一の第１の反射部材と３つの第２の反射部材とで構成されていることが好ましい。
【００１５】
上記折返し光学系の組み立て方法は、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く複数の反射部材で構成された折り返し光学系を基板上に組み立てる折り返し光学系の組み立て方法であって、光源と目標位置との間に予め定められた折返し光路に近い光路が形成されるように、光路に対する反射面の角度が調整可能に１つの第１の反射部材を基板上に配置すると共に、残りの複数の第２の反射部材を基板上に固定し、前記１つの反射部材の光路に対する反射面の角度を調整して予め定められた折返し光路を形成した後、前記１つの反射部材を基板に固定して折返し光学系を組み立てることを特徴とする。
【００１６】
この折返し光学系の組み立て方法では、光源と目標位置との間に予め定められた折返し光路に近い光路が形成されるように、光路に対する反射面の角度が調整可能に１つの第１の反射部材を基板上に配置すると共に、残りの複数の第２の反射部材を基板上に固定し、１つの反射部材の光路に対する反射面の角度を調整して予め定められた折返し光路を形成した後、１つの反射部材を基板に固定するという簡単な方法で、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く複数の反射部材で構成された折り返し光学系を、基板上に精度良く組み立てることができる。
【００１７】
本発明の波長安定化レーザは、外部共振器を構成する反射部材と、該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００１８】
この波長安定化レーザでは、半導体レーザの第１の端面から、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームが出射されると、反射部材とこの反射部材と共に外部共振器を構成する第２の端面との間でレーザビームが共振され、第２の端面から基本波であるレーザビームが出射される。反射部材と半導体レーザとは、この外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置されており、反射部材と半導体レーザとの間に配置され光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備えた折返し光学系により、半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームが光路を折返して反射部材まで導かれている。
【００１９】
このように、精度良く組立てられた折り返し光学系を用いて外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くし、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックすることにより、戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性を維持することができると共に、所定波長で安定に発振することができる。また、折り返し光学系を簡単に組立てることができるので、製造が容易である。
【００２０】
本発明の光波長変換モジュールは、外部共振器を構成する反射部材と、該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、前記半導体レーザの第２の端面に直接結合されて、前記半導体レーザの第２の端面から出射された基本波を波長変換する光波長変換素子と、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００２１】
この光波長変換モジュールでは、半導体レーザの第１の端面から、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームが出射されると、反射部材とこの反射部材と共に外部共振器を構成する第２の端面との間でレーザビームが共振され、第２の端面から基本波であるレーザビームが出射される。第２の端面から出射された基本波であるレーザビームは、半導体レーザの第２の端面に直接結合された光波長変換素子により波長変換される。反射部材と半導体レーザとは、この外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置されており、反射部材と半導体レーザとの間に配置され光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備えた折返し光学系により、半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームが光路を折返して反射部材まで導かれている。
【００２２】
このように、上記の半導体レーザは、精度良く組立てられた折り返し光学系を用いて外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くし、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックすることにより、戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性を維持することができると共に、所定波長で安定に発振することができるので、この半導体レーザを用いた光波長変換モジュールは、波長変換効率が高くなる。また、折り返し光学系を簡単に組立てることができるので、製造が容易である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態に係る光波長変換モジュールは、第１の端面（後方出射端面）とこの第１の端面に対向する第２の端面（前方出射端面）とを備え、赤外領域の発振波長を有する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０の前方出射端面と共に外部共振器を構成する反射部材としてのミラー１２と、半導体レーザ１０から出射された基本波を波長変換して第２高調波を出力する導波路型の光波長変換素子１４と、を備えている。
【００２５】
また、半導体レーザ（ＬＤ）１０は半導体レーザ用のマウント１６に保持され、２次高調波発生素子（ＳＨＧ）で構成された光波長変換素子１４は光波長変換素子用のマウント１８に保持されている。半導体レーザ１０と光波長変換素子１４とは、マウントに保持された状態で、半導体レーザ１０の出射部分と光波長変換素子１４の導波路部分（入射部分）とが一致するように位置合わせされ、ＬＤ−ＳＨＧユニット２０が構成されている。このＬＤ−ＳＨＧユニット２０は、基板２２上に固定されている。これにより半導体レーザ１０の前方出射端面に光波長変換素子１４が直接結合される。
【００２６】
半導体レーザ１０は、ファブリペロー型（ＦＰ型）の単峰性の空間モード（横シングルモード）を有する通常の半導体レーザ（レーザダイオード）であり、半導体レーザ１０の両端面（劈開面）には、発振波長の光に対するＬＲ（低反射率）コート２４Ａ、２４Ｂが施されている。例えば、ＬＲコート２４Ａの基本波に対する反射率を３０％、ＬＲコート２４Ｂの基本波に対する反射率を３０％とすることができる。
【００２７】
光波長変換素子１４は、非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ3 にＭｇＯが例えば５ｍｏｌ％ドープされたもの（以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の結晶からなる基板２６を備えており、この基板２６には、そのＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部２８が後述する所定周期Λで形成された周期ドメイン反転構造と、この周期ドメイン反転構造に沿って延びるチャンネル光導波路３０と、が形成されている。また、光波長変換素子１４の半導体レーザ側端面には、基本波に対するＡＲ（透過性）コート３２Ａが施され、出射側端面には第２高調波及び基本波に対するＡＲコート３２Ｂが施されている。なお、周期ドメイン反転構造を有する導波路型の光波長変換素子１４の作製方法については、特開平１０−２５４００１号公報等に詳細に記載されている。
【００２８】
また、光波長変換素子１４の前方出射端面は斜めに研磨されて、チャンネル光導波路３０が延びる方向に垂直な面に対して、チャンネル光導波路３０が延びる方向に角度θ（３°≦θ）以上傾斜した傾斜面が形成されている。このように光導波路端面を含む前方出射端面を斜めに研磨したことにより、基本波がチャンネル光導波路３０に再入射するのを防止し、半導体レーザ１０への戻り光を少なくすることができる。なお、光波長変換素子１４の前方出射端面は光軸に対し垂直に研磨されていてもよい。
【００２９】
ＬＤ−ＳＨＧユニット２０には、半導体レーザ１０の後方出射端面から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）３４Ｒを平行光化するコリメータレンズ３６が取り付けられている。ＬＤ−ＳＨＧユニット２０及びコリメータレンズ３６は、気密封止部材としてのパッケージ３８内にドライ窒素等の不活性ガスまたはドライ空気と共に気密封止され、パッケージ３８内に固定されている。なお、コリメータレンズ３６としては、セルフォックレンズ（商品名）のような分布屈折率ロッドレンズ、非球面レンズ、及び球面レンズのいずれをも使用することができる。
【００３０】
パッケージ３８には、半導体レーザ１０からの後方出射光３４Ｒが透過する窓孔４０Ａと光波長変換素子１４からの前方出射光６２が透過する窓孔４０Ｂとが形成され、この窓孔４０Ａと窓孔４０Ｂには、それぞれ透明な窓板４２Ａと窓板４２Ｂとが気密状態を保つように被着されている。また、パッケージ３８には、ワイヤ取出孔に低融点ガラス等を気密状態で嵌合させたワイヤ取出部４４が形成され、半導体レーザ１０の両電極に結線された２本のワイヤ４６Ａ、４６Ｂがワイヤ取出部４４を貫通して引き出されている。
【００３１】
パッケージ３８は、ＬＤ−ＳＨＧユニット２０とコリメータレンズ３６とを気密封止した状態で、ミラー１２と共に基板４８上に固定されている。ミラー１２は、そのレーザビーム入射側の面にはＡＲコート５０が施され、入射側の面と反対側の面にはＨＲコート５２が施されている。パッケージ３８の窓板４２Ａとミラー１２との間には、ホルダー５４に回転可能に保持された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルタ５６と、レーザビーム３４Ｒの光路を略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂと、一対の全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂにより略１８０°折り曲げられた光路を再度略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ｃ、５８Ｄと、平行光化されたレーザビーム３４Ｒをミラー１２のＨＲコート５２の表面に収束させる集光レンズ６０と、がこの順に配置されている。上記４つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ、及び５８Ｄは、斜面にＨＲコートが設けられた直角プリズムであり、斜面が光路側を向くように配置されて、折り返し光学系を構成する。
【００３２】
全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃは、斜面以外の２面が基板４８上に設けられた各々一対の突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃに突き当てられて位置決めされ、基板４８上に固定配置される。全反射プリズム５８Ｄは、基板４８に矢印Ａ方向に回転可能に設けられた円柱状の台座９０上に固定されている。
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基板４８には円柱状の台座９０より直径のやや大きい円柱状の穴部９２が設けられている。台座９０の側面には、円柱と同心円状に張り出した凸部９４が設けられており、基板４８の穴部９２には、凸部９４に対応した同心円状の凹部９６が設けられている。この凹部９６に凸部９４が嵌合するように台座９０が穴部９２に配置されている。
【００３４】
また、台座９０の凸部９４には、複数のネジ孔９８（例えば、図５では３つのネジ孔）が設けられており、このネジ孔９８にネジ１００を貫通させることにより、ネジ１００の先端部により凸部９４が抑え付けられて、台座９０が基板４８に固定される。
【００３５】
次に、上記折り返し光学系の組立て方法について説明する。折り返し光学系の組立ては各光学部材の光軸調整を行いながら実施される。まず、上述の通り全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃは、基板４８上に設けられた突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃにより各々位置決めされて基板４８上に固定配置される。突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃの配置位置は、予め３つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃの光路に対する反射面の角度が所定角度になるように光軸を粗調整して決定されている。
【００３６】
次に、全反射プリズム５８Ｄを台座９０に固定する。そして、台座９０を適宜回転させて、全反射プリズム５８Ｄが他の３つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃと協動して、入射されたレーザビームが反射ミラー１２に所定角度で入射するように、レーザビームの反射方向、即ち全反射プリズム５８Ｄの反射面１０２の光路に対する角度を調節する。そして、反射面１０２の光路に対する角度を調節が終了したら、ネジ１００を締めて台座９０を基板４８に固定する。これにより光軸調整が終り折り返し光学系の組立てが完了する。
【００３７】
ミラー１２のＨＲコート５２の基本波に対する反射率は９５％とするのが好ましい。また、ミラー１２と半導体レーザ１０の前方出射端面とによって構成される外部共振器の共振器長（即ち、半導体レーザ１０の前方出射端面からミラー１２のＨＲコート５２の表面までの光学長）が、半導体レーザから出射される基本波のコヒーレント長よりも長くなるように、半導体レーザ１０とミラー１２とが配置されている。基本波のコヒーレント長Ｌは、そのレーザビーム固有の可干渉距離であり、レーザビームの波長をλ、スペクトル幅をΔλとすると、下記式に従い算出することができる。基本波のコヒーレント長Ｌは、一般には１００ｍｍ程度であるので、外部共振器の共振器長を、例えば１００ｍｍを超える長さとすることができる。
【００３８】
Ｌ＝λ2／２πｎΔλ
また、パッケージ３８の窓板４２Ｂの外側には、光波長変換素子１６の前方出射端面から出射した第２高調波６２（基本波３４を含む）を平行光化するコリメータレンズ６４、平行光化された第２高調波６２（基本波３４を含む）から赤外光成分を除去するＩＲカットフィルタ６６、第２高調波６２の偏光方向を９０°回転させる１／２波長板６７、ハーフミラー６８、及びフォトダイオード７０が配置され、基板４８上に固定されている。コリメータレンズ６４としては、収差の少ない非球面レンズが好ましい。また、ハーフミラー６８及びフォトダイオード７０は、散乱光がフォトダイオード７０に入射しないように、遮光板７３により外部共振器を構成する光学系から遮光されている。
【００３９】
ＩＲカットフィルタ６６は、光軸に対して傾斜配置され、１／２波長板６７は、光軸に対して略垂直に、好ましくは光軸と直交する面と０．５°以下の角度を成すように配置されている。これは１／２波長板６７を光軸に対して０．５°を超えて傾けると、光波長変換モジュールの消光比が劣化するからである。
【００４０】
図２に示すように、基板４８は設置台７２に固定されている。基板４８と設置台７２との間にはペルチェ素子７４が挿入されて、基板４８に固定された各光学要素がペルチェ素子７４により所定温度に調節される。基板４８に固定された各光学要素は、基板４８及びペルチェ素子７４と共に、レーザビームの出射部分が透明な防塵用カバー７５により覆われている。
【００４１】
また、設置台７２上には、第２高調波６２の収束位置の近傍に、ビーム整形用遮光板としてのナイフエッジ７６が固定配置されている。後述するように、光波長変換素子１４のチャンネル光導波路３０を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波６２は、設置台７２の設置面に対して垂直方向（基板２６の厚さ方向）下部にサイドローブを有しているが、ナイフエッジ７６はこのサイドローブの部分をカットするように配置されており、サイドローブがナイフエッジ７６によりカットされて、得られる第２高調波６２Ｇは、ビーム断面内の光強度分布が略ガウス分布となったガウシアンビームとなる。なお、本実施の形態では、ナイフエッジ７６を第２高調波６２の収束位置の近傍に配置したが、光波長変換素子１４の前方出射端面に密接または近接させて配置してもよい。
【００４２】
図３に示すように、半導体レーザ１０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ４６Ａ、４６Ｂを介して駆動回路７８に接続されている。駆動回路７８の概略構成を図４に示す。この駆動回路７８は、自動出力制御機構（ＡＰＣ）を備えた直流電源回路８０、交流電源８４、及びバイアスＴ８８からなり、バイアスＴ８８はコイル８２とコンデンサ８６とから構成されており、直流電源回路８０から発せられてコイル８２を経た直流電源成分に、交流電源８４から発せられてコンデンサ８６を経た高周波が重畳され、この高周波重畳された電流が半導体レーザ１０に印加される。出力する第２高調波のノイズを低減するために、重畳される高周波の周波数は１００〜４００ＭＨｚとするのが好ましく、変調度は１００％とするのが好ましい。
【００４３】
フォトダイオード７０の両電極には２本のワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂが結線されており、ワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂは、防塵用カバー７５の外に引出されている。フォトダイオード７０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂを介してＡＰＣを備えた直流電源回路８０に接続されている。このＡＰＣにより、第２高調波６２の光出力が所定値となるように、半導体レーザ１０に印加する電流量を制御する。また、ペルチェ素子７４は、温度コントローラ９０に接続されている。さらに、防塵用カバー７５により覆われた装置内部には、装置内の温度を調節するためのサーミスタ（図示せず）が設けられており、このサーミスタも温度コントローラ９０に接続されている。温度コントローラ９０は、サーミスタの出力に基づいて、装置内部が使用環境で光学系が結露しない温度範囲（例えば、使用環境温度が３０℃であれば、３０℃以上）に維持されるようにペルチェ素子７４を制御する。
【００４４】
次に、上記光波長変換モジュールの動作について説明する。
【００４５】
半導体レーザ１０から光波長変換素子１４に向かわずに後方側に発せられたレーザビーム３４Ｒ（後方出射光）は、コリメータレンズ３６によって平行光化され、平行光化されたレーザビーム３４Ｒは狭帯域バンドパスフィルタ５６を透過した後、一対の全反射プリズム５８Ａ及び５８Ｂにより光路を略１８０°折り曲げられ、もう一対の全反射プリズム５８Ｃ及び５８Ｄにより光路を再度略１８０°折り曲げられて、集光レンズ６０により集光されてミラー１２上において収束する。ミラー１２で反射されたレーザビーム３４Ｒは、それまでの光路を逆に辿って半導体レーザ１０にフィードバックされる。即ち、この装置では、ミラー１２と半導体レーザ１０の前方端面とによって半導体レーザ１０の外部共振器が構成されている。
【００４６】
この外部共振器の中に配された狭帯域バンドパスフィルタ５６により、フィードバックされるレーザビーム３４Ｒの波長が選択される。半導体レーザ１０はこの選択された波長で発振し、選択波長は狭帯域バンドパスフィルタ５６の回転位置に応じて変化するので、この狭帯域バンドパスフィルタ５６を適宜回転させることにより、半導体レーザ１０の発振波長を、光波長変換素子１４のドメイン反転部２８の周期と位相整合する波長に選択、ロックすることができる。
【００４７】
一方、所定波長にロックされ、半導体レーザ１０から前方側に発せられたレーザビーム３４は、チャンネル光導波路３０内に入射する。このレーザビーム３４はチャンネル光導波路３０をＴＥモードで導波し、その周期ドメイン反転領域で位相整合（いわゆる疑似位相整合）して、波長が１／２、例えばレーザビーム３４の中心波長が９５０ｎｍとすると４７５ｎｍの第２高調波６２に波長変換される。この第２高調波６２もチャンネル光導波路３０を導波モードで伝搬し、光導波路端面から出射する。
【００４８】
なお、本発明者等の研究によると、光導波路を０次モードより１次モードで伝搬する第２高調波の方が基本波との重なり積分が大きいことが分かった。即ち、１次モードで伝搬する第２高調波と基本波とを位相整合させた方が、波長変換効率が高くなる。このため、本実施の形態では、光波長変換素子１４のチャンネル光導波路３０を１次モードで伝搬する第２高調波６２と基本波３４とが擬似位相整合するように、周期ドメイン反転構造の周期Λが設定されている。具体的には、光導波路の基本波に対する実効屈折率をｎω、第２高調波に対する実効屈折率をｎ2ω、基本波の波長をλFとしたとき、下記式を満足するように周期Λを設定している。
【００４９】
ｎ2ω−ｎω＝λF／２Λ
また、光導波路端面からは、波長変換されなかったレーザビーム３４も発散光状態で出射し、第２高調波６２と共にコリメータレンズ６４によって平行光化される。光波長変換素子１４の光導波路端面から出射された光は、コリメータレンズ６４によって平行光化された後、ＩＲカットフィルタ６６によって基本波３４が除去されて第２高調波６２が分離され、１／２波長板６７により第２高調波６２の偏光方向が９０°回転されて出射される。出射された第２高調波６２は、その一部がハーフミラー６８で反射されてフォトダイオード７０により検出され、この検出結果に基づいてレーザビームのパワー制御が行われる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックする際に、外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くして、戻り光による干渉を無くし、ＩＬ特性の直線性を維持して、波長変換波を安定に出力することができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、折返し光学系を構成する４つの全反射プリズムのうち、３つの全反射プリズムは予め配置された突き当てにより位置決めされて基板上に固定配置され、残る１つの全反射プリズムは回転可能な台座に固定されており、この台座を適宜回転させて入射されたレーザビームが反射ミラーに所定角度で入射するように、反射面の角度を調節するので、高価な部品を使用することなく、１つの全反射プリズムの反射面の角度を調整するだけで、簡単に精度良く折り返し光学系を組立てることができる。
【００５２】
また、折り返し光学系が精度良く組立てられたことにより、半導体レーザは所定波長で安定に発振することができ、この半導体レーザを用いた本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、波長変換効率が高くなる。
【００５３】
また、斜面が光路側と反対の側を向くように配置されたプリズムを用いる場合には、プリズム内部を光が通過することによる波面収差の問題があるが、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、ＨＲコートが設けられた斜面が光路側になるように配置されたプリズムを用いることにより、波面収差の問題が解消する。
【００５４】
また、光波長変換素子から出射される第２高調波の偏光方向は設置台と平行な方向であるが、偏光制御用の１／２波長板を用いて、設置台と垂直な方向に偏光した第２高調波を得ることができる。このとき光波長変換素子とＩＲカットフィルタとの間に１／２波長板が配置されているので、１／２波長板に到達する光からは基本波が除去されている。従って、基本波が１／２波長板により反射されて戻り光となることがなく、半導体レーザに戻り光によるノイズが発生せず、安定に波長変換波を得ることができる。
【００５５】
また、本実施の形態の光波長変換モジュールでは、パッケージ内に半導体レーザ及び光波長変換素子を含む少数部品のみを気密封止するので、作製が容易である。また、気密封止される部品点数が少ないので、各部品から発生するガスによる封止された部品の経時劣化等を防止することができる。
【００５６】
また、本実施の形態の光波長変換モジュールでは、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳して変調駆動しているため、縦モード競合が抑制される。
【００５７】
上記では全反射プリズムを使用して外部共振器の光路を折り返す例について説明したが、全反射プリズムに代えて全反射ミラーを使用することもできる。この場合、全反射ミラーはその反射面が全反射プリズムの斜面の位置に対応するように配置される。全反射ミラーは、例えば金属ブロックのような保持体にＨＲミラーをコートしたガラスを貼り合わせて構成されていてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上記の折り返し光学系は、簡単に精度良く組立てることができる。
【００５９】
従って、本発明の波長安定化レーザは、簡単に精度良く組立て可能な折り返し光学系を備え、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる、という効果を奏する。
【００６０】
また、本発明の光波長変換モジュールは、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる本発明の波長安定化レーザを用いることにより、高い波長変換効率で波長変換を行うことができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の光波長変換モジュールの平面図である。
【図２】本実施の形態の光波長変換モジュールの光軸に沿った断面図である。
【図３】本実施の形態の光波長変換モジュールの配線を示す説明図である。
【図４】本実施の形態の光波長変換モジュールの駆動回路を示す回路図である。
【図５】（Ｂ）は本実施の形態の光波長変換モジュールを構成する折り返し光学系の１つの全反射プリズムの可動機構を示す平面図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＡ―Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザ
１２ ミラー
１４ 光波長変換素子
２０ ＬＤ−ＳＨＧユニット
２６、４８ 基板
２８ ドメイン反転部
３０ チャンネル光導波路
３４Ｒ レーザビーム（後方出射光）
３６、６４ コリメータレンズ
３８ パッケージ
４２Ａ、４２Ｂ 窓板
５０ ＡＲコート
５２ ＨＲコート
５６ 狭帯域バンドパスフィルター
５８Ａ〜Ｄ 全反射プリズム
６０ 集光レンズ
６２ 第２高調波
６６ ＩＲカットフィルタ
６７ １／２波長板
７０ フォトダイオード
７２ 設置台
７３ 遮光板
７４ ペルチェ素子
７５ 防塵用カバー
７６ ナイフエッジ
７８ 駆動回路
９０ 台座
９２ 可動部材
１００ ネジ
１０２ 反射面
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長安定化レーザ、及び光波長変換モジュールに関し、特に、複数の反射部材により光路を折返して光源からの光を目標位置に導く折返し光学系を用いた波長安定化レーザ及び光波長変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザから発せられたレーザビームを第２高調波等に波長変換する光波長変換装置が種々提案され、青色レーザ光源や緑色レーザ光源として使用されている。例えば、特開平１０−２５４００１号公報には、外部共振器を備え、この外部共振器内に狭域帯バンドパスフィルター等の波長選択素子を備えた半導体レーザと、周期ドメイン反転構造を有する導波路型の第２高調波発生（ＳＨＧ）素子とを直接結合した光波長変換モジュールが記載されている。この光波長変換モジュールでは、外部共振器に設けられた狭域帯バンドパスフィルタの透過中心波長に波長をロックすることができ、狭域帯バンドパスフィルターを回転させることにより半導体レーザの発振波長を回転角度に応じた所定の波長にロックすることができる。
【０００３】
通常の半導体レーザは素子内に共振器構造を備えているので、外部共振器を設けなくてもレーザビームを発振することができる。しかしながら、波長ロック前の半導体レーザの発振波長は、数ｎｍの幅で変動し、駆動電流の増加に伴い長波長側にシフトする。例えば、縦モードの間隔が約０．２ｎｍで数本の縦モードを有する半導体レーザを用いて、電流を５０から２００ｍＡまで変化させると、図９に示すように、半導体レーザ自身の発熱のため発振中心波長が約５ｎｍも長波長側にシフトする。
【０００４】
従って、波長ロックを行わずに半導体レーザをＳＨＧ素子と光結合すると、半導体レーザの発振波長が、ＳＨＧ素子の波長変換効率が最大となる波長、即ち、ＳＨＧ素子に位相整合する波長に一致せず、第２高調波の出力光量が変動してしまい第２高調波は殆ど出力されない。このため外部共振器を設け、半導体レーザの発振波長をＳＨＧ素子に位相整合する波長にロックし、第２高調波の出力光量を安定させている。
【０００５】
しかしながら、外部共振器を備えた半導体レーザでは、駆動電流対光出力特性（ＩＬ特性）の直線性が良くないという問題がある。外部共振器を備えた半導体レーザでは、外部共振器からの戻り光など光路長が異なる光が合成されて出射光となるが、光路長の異なる光は互いに干渉し、その干渉状態が随時変化することによりＩＬ特性の直線性が悪化すると考えられる。例えば、半導体レーザに印加する電流を増加すると半導体レーザ自体が発熱して半導体レーザの屈折率と長さとが変化するため半導体レーザの発振波長が変化するが、このような発振波長の変化は光の干渉状態を変化させＩＬ特性の直線性を悪化させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くすることにより戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性が改善されることを見出し、これを利用して発振波長を安定化した波長安定化レーザを提案している。この波長安定化レーザでは、外部共振器の共振器長を長くしたことに伴い、モジュールの小型化を図るために、ミラーやプリズム等の反射部材により光路を数回に渡り折り返す折返し光学系を採用している。
【０００７】
しかしながら、光源から出射された光を光路を数回折り返して目標位置に設けられた反射ミラーに入射させるには反射ミラーの位置調整に時間がかかるという問題がある。また、折返し光学系の各構成部品の配置位置を予め決めておくとしても、各構成部品を決められた位置に精度良く配置するには高精度の位置決め手段等が必要となり作製コストが高くなるという問題がある。また、各構成部品の配置位置は１つずつ光軸調整しながら決定していかなければならず、折返し光学系の組立てには非常に時間がかかるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、簡単に精度良く組立て可能な折り返し光学系を備え、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる波長安定化レーザと、この波長安定化レーザを用い、製造が容易であり波長変換効率の高い光波長変換モジュールとを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の波長安定化レーザの折返し光学系は、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く折返し光学系であって、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この折返し光学系では、光路に対する反射面の角度が調整可能な単一の第１の反射部材が基板に固定可能に配置され、複数の第２の反射部材が光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定されているので、第１の反射部材の光路に対する反射面の角度を調整するだけで、光路を折返して光源からの光を目標位置に導くことができる。即ち、この折返し光学系は、簡単に精度良く組立てることができる。
【００１１】
上記の折返し光学系においては、第１の反射部材は、第１の反射部材で反射された光が直接目標位置に入射するように配置することができる。光路に対する反射面の角度を調整する第１の反射部材を、光源から目標位置に至る光路の最終段に配置することにより、光路上で目標位置に最も近い反射部材の反射面の角度を調整することになるので、反射面の角度調整量に対する光路の変動量が少なくてすみ、より精度良く折返し光学系を組立てることができる。
【００１２】
また、反射方向が所定方向になるように位置決めする位置決め手段を基板に配置し、複数の第２の反射部材の各々を位置決め手段によって位置決めした状態で基板に固定することができる。光路に対する反射面の角度を微調整しない複数の第２の反射部材は、予め配置された位置決め手段によって位置決めした状態で基板に固定することにより、組立てが更に簡単になる。また、位置決め手段は、例えば突き当て等の単純な部材で良く、高精度の位置決めに用いる高価な部品は必ずしも必要ではなく安価な部品で構成することができる。
【００１３】
また、第１の反射部材及び第２の反射部材は、斜面にＨＲコートが設けられ、かつ斜面が光路側になるように配置されたプリズムであることが好ましい。斜面が光路側と反対の側を向くように配置されたプリズムを用いる場合には、プリズム内部を光が通過することによる波面収差の問題があるが、ＨＲコートが設けられた斜面が光路側になるように配置されたプリズムを用いることにより、波面収差の問題が解消する。
【００１４】
また、上記の折返し光学系は、コンパクトであることが好ましく、単一の第１の反射部材と３つの第２の反射部材とで構成されていることが好ましい。
【００１５】
上記折返し光学系の組み立て方法は、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く複数の反射部材で構成された折り返し光学系を基板上に組み立てる折り返し光学系の組み立て方法であって、光源と目標位置との間に予め定められた折返し光路に近い光路が形成されるように、光路に対する反射面の角度が調整可能に１つの第１の反射部材を基板上に配置すると共に、残りの複数の第２の反射部材を基板上に固定し、前記１つの反射部材の光路に対する反射面の角度を調整して予め定められた折返し光路を形成した後、前記１つの反射部材を基板に固定して折返し光学系を組み立てることを特徴とする。
【００１６】
この折返し光学系の組み立て方法では、光源と目標位置との間に予め定められた折返し光路に近い光路が形成されるように、光路に対する反射面の角度が調整可能に１つの第１の反射部材を基板上に配置すると共に、残りの複数の第２の反射部材を基板上に固定し、１つの反射部材の光路に対する反射面の角度を調整して予め定められた折返し光路を形成した後、１つの反射部材を基板に固定するという簡単な方法で、光路を折返して光源からの光を目標位置に導く複数の反射部材で構成された折り返し光学系を、基板上に精度良く組み立てることができる。
【００１７】
本発明の波長安定化レーザは、外部共振器を構成する反射部材と、該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００１８】
この波長安定化レーザでは、半導体レーザの第１の端面から、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームが出射されると、反射部材とこの反射部材と共に外部共振器を構成する第２の端面との間でレーザビームが共振され、第２の端面から基本波であるレーザビームが出射される。反射部材と半導体レーザとは、この外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置されており、反射部材と半導体レーザとの間に配置され光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備えた折返し光学系により、半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームが光路を折返して反射部材まで導かれている。
【００１９】
このように、精度良く組立てられた折り返し光学系を用いて外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くし、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックすることにより、戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性を維持することができると共に、所定波長で安定に発振することができる。また、折り返し光学系を簡単に組立てることができるので、製造が容易である。
【００２０】
本発明の光波長変換モジュールは、外部共振器を構成する反射部材と、該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、前記半導体レーザの第２の端面に直接結合されて、前記半導体レーザの第２の端面から出射された基本波を波長変換する光波長変換素子と、光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００２１】
この光波長変換モジュールでは、半導体レーザの第１の端面から、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームが出射されると、反射部材とこの反射部材と共に外部共振器を構成する第２の端面との間でレーザビームが共振され、第２の端面から基本波であるレーザビームが出射される。第２の端面から出射された基本波であるレーザビームは、半導体レーザの第２の端面に直接結合された光波長変換素子により波長変換される。反射部材と半導体レーザとは、この外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置されており、反射部材と半導体レーザとの間に配置され光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備えた折返し光学系により、半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームが光路を折返して反射部材まで導かれている。
【００２２】
このように、上記の半導体レーザは、精度良く組立てられた折り返し光学系を用いて外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くし、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックすることにより、戻り光による干渉が無くなり、ＩＬ特性の直線性を維持することができると共に、所定波長で安定に発振することができるので、この半導体レーザを用いた光波長変換モジュールは、波長変換効率が高くなる。また、折り返し光学系を簡単に組立てることができるので、製造が容易である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態に係る光波長変換モジュールは、第１の端面（後方出射端面）とこの第１の端面に対向する第２の端面（前方出射端面）とを備え、赤外領域の発振波長を有する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０の前方出射端面と共に外部共振器を構成する反射部材としてのミラー１２と、半導体レーザ１０から出射された基本波を波長変換して第２高調波を出力する導波路型の光波長変換素子１４と、を備えている。
【００２５】
また、半導体レーザ（ＬＤ）１０は半導体レーザ用のマウント１６に保持され、２次高調波発生素子（ＳＨＧ）で構成された光波長変換素子１４は光波長変換素子用のマウント１８に保持されている。半導体レーザ１０と光波長変換素子１４とは、マウントに保持された状態で、半導体レーザ１０の出射部分と光波長変換素子１４の導波路部分（入射部分）とが一致するように位置合わせされ、ＬＤ−ＳＨＧユニット２０が構成されている。このＬＤ−ＳＨＧユニット２０は、基板２２上に固定されている。これにより半導体レーザ１０の前方出射端面に光波長変換素子１４が直接結合される。
【００２６】
半導体レーザ１０は、ファブリペロー型（ＦＰ型）の単峰性の空間モード（横シングルモード）を有する通常の半導体レーザ（レーザダイオード）であり、半導体レーザ１０の両端面（劈開面）には、発振波長の光に対するＬＲ（低反射率）コート２４Ａ、２４Ｂが施されている。例えば、ＬＲコート２４Ａの基本波に対する反射率を３０％、ＬＲコート２４Ｂの基本波に対する反射率を３０％とすることができる。
【００２７】
光波長変換素子１４は、非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ3 にＭｇＯが例えば５ｍｏｌ％ドープされたもの（以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の結晶からなる基板２６を備えており、この基板２６には、そのＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部２８が後述する所定周期Λで形成された周期ドメイン反転構造と、この周期ドメイン反転構造に沿って延びるチャンネル光導波路３０と、が形成されている。また、光波長変換素子１４の半導体レーザ側端面には、基本波に対するＡＲ（透過性）コート３２Ａが施され、出射側端面には第２高調波及び基本波に対するＡＲコート３２Ｂが施されている。なお、周期ドメイン反転構造を有する導波路型の光波長変換素子１４の作製方法については、特開平１０−２５４００１号公報等に詳細に記載されている。
【００２８】
また、光波長変換素子１４の前方出射端面は斜めに研磨されて、チャンネル光導波路３０が延びる方向に垂直な面に対して、チャンネル光導波路３０が延びる方向に角度θ（３°≦θ）以上傾斜した傾斜面が形成されている。このように光導波路端面を含む前方出射端面を斜めに研磨したことにより、基本波がチャンネル光導波路３０に再入射するのを防止し、半導体レーザ１０への戻り光を少なくすることができる。なお、光波長変換素子１４の前方出射端面は光軸に対し垂直に研磨されていてもよい。
【００２９】
ＬＤ−ＳＨＧユニット２０には、半導体レーザ１０の後方出射端面から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）３４Ｒを平行光化するコリメータレンズ３６が取り付けられている。ＬＤ−ＳＨＧユニット２０及びコリメータレンズ３６は、気密封止部材としてのパッケージ３８内にドライ窒素等の不活性ガスまたはドライ空気と共に気密封止され、パッケージ３８内に固定されている。なお、コリメータレンズ３６としては、セルフォックレンズ（商品名）のような分布屈折率ロッドレンズ、非球面レンズ、及び球面レンズのいずれをも使用することができる。
【００３０】
パッケージ３８には、半導体レーザ１０からの後方出射光３４Ｒが透過する窓孔４０Ａと光波長変換素子１４からの前方出射光６２が透過する窓孔４０Ｂとが形成され、この窓孔４０Ａと窓孔４０Ｂには、それぞれ透明な窓板４２Ａと窓板４２Ｂとが気密状態を保つように被着されている。また、パッケージ３８には、ワイヤ取出孔に低融点ガラス等を気密状態で嵌合させたワイヤ取出部４４が形成され、半導体レーザ１０の両電極に結線された２本のワイヤ４６Ａ、４６Ｂがワイヤ取出部４４を貫通して引き出されている。
【００３１】
パッケージ３８は、ＬＤ−ＳＨＧユニット２０とコリメータレンズ３６とを気密封止した状態で、ミラー１２と共に基板４８上に固定されている。ミラー１２は、そのレーザビーム入射側の面にはＡＲコート５０が施され、入射側の面と反対側の面にはＨＲコート５２が施されている。パッケージ３８の窓板４２Ａとミラー１２との間には、ホルダー５４に回転可能に保持された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルタ５６と、レーザビーム３４Ｒの光路を略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂと、一対の全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂにより略１８０°折り曲げられた光路を再度略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ｃ、５８Ｄと、平行光化されたレーザビーム３４Ｒをミラー１２のＨＲコート５２の表面に収束させる集光レンズ６０と、がこの順に配置されている。上記４つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ、及び５８Ｄは、斜面にＨＲコートが設けられた直角プリズムであり、斜面が光路側を向くように配置されて、折り返し光学系を構成する。
【００３２】
全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃは、斜面以外の２面が基板４８上に設けられた各々一対の突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃに突き当てられて位置決めされ、基板４８上に固定配置される。全反射プリズム５８Ｄは、基板４８に矢印Ａ方向に回転可能に設けられた円柱状の台座９０上に固定されている。
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基板４８には円柱状の台座９０より直径のやや大きい円柱状の穴部９２が設けられている。台座９０の側面には、円柱と同心円状に張り出した凸部９４が設けられており、基板４８の穴部９２には、凸部９４に対応した同心円状の凹部９６が設けられている。この凹部９６に凸部９４が嵌合するように台座９０が穴部９２に配置されている。
【００３４】
また、台座９０の凸部９４には、複数のネジ孔９８（例えば、図５では３つのネジ孔）が設けられており、このネジ孔９８にネジ１００を貫通させることにより、ネジ１００の先端部により凸部９４が抑え付けられて、台座９０が基板４８に固定される。
【００３５】
次に、上記折り返し光学系の組立て方法について説明する。折り返し光学系の組立ては各光学部材の光軸調整を行いながら実施される。まず、上述の通り全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃは、基板４８上に設けられた突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃにより各々位置決めされて基板４８上に固定配置される。突き当て５９Ａ、５９Ｂ、及び５９Ｃの配置位置は、予め３つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃの光路に対する反射面の角度が所定角度になるように光軸を粗調整して決定されている。
【００３６】
次に、全反射プリズム５８Ｄを台座９０に固定する。そして、台座９０を適宜回転させて、全反射プリズム５８Ｄが他の３つの全反射プリズム５８Ａ、５８Ｂ、及び５８Ｃと協動して、入射されたレーザビームが反射ミラー１２に所定角度で入射するように、レーザビームの反射方向、即ち全反射プリズム５８Ｄの反射面１０２の光路に対する角度を調節する。そして、反射面１０２の光路に対する角度を調節が終了したら、ネジ１００を締めて台座９０を基板４８に固定する。これにより光軸調整が終り折り返し光学系の組立てが完了する。
【００３７】
ミラー１２のＨＲコート５２の基本波に対する反射率は９５％とするのが好ましい。また、ミラー１２と半導体レーザ１０の前方出射端面とによって構成される外部共振器の共振器長（即ち、半導体レーザ１０の前方出射端面からミラー１２のＨＲコート５２の表面までの光学長）が、半導体レーザから出射される基本波のコヒーレント長よりも長くなるように、半導体レーザ１０とミラー１２とが配置されている。基本波のコヒーレント長Ｌは、そのレーザビーム固有の可干渉距離であり、レーザビームの波長をλ、スペクトル幅をΔλとすると、下記式に従い算出することができる。基本波のコヒーレント長Ｌは、一般には１００ｍｍ程度であるので、外部共振器の共振器長を、例えば１００ｍｍを超える長さとすることができる。
【００３８】
Ｌ＝λ2／２πｎΔλ
また、パッケージ３８の窓板４２Ｂの外側には、光波長変換素子１６の前方出射端面から出射した第２高調波６２（基本波３４を含む）を平行光化するコリメータレンズ６４、平行光化された第２高調波６２（基本波３４を含む）から赤外光成分を除去するＩＲカットフィルタ６６、第２高調波６２の偏光方向を９０°回転させる１／２波長板６７、ハーフミラー６８、及びフォトダイオード７０が配置され、基板４８上に固定されている。コリメータレンズ６４としては、収差の少ない非球面レンズが好ましい。また、ハーフミラー６８及びフォトダイオード７０は、散乱光がフォトダイオード７０に入射しないように、遮光板７３により外部共振器を構成する光学系から遮光されている。
【００３９】
ＩＲカットフィルタ６６は、光軸に対して傾斜配置され、１／２波長板６７は、光軸に対して略垂直に、好ましくは光軸と直交する面と０．５°以下の角度を成すように配置されている。これは１／２波長板６７を光軸に対して０．５°を超えて傾けると、光波長変換モジュールの消光比が劣化するからである。
【００４０】
図２に示すように、基板４８は設置台７２に固定されている。基板４８と設置台７２との間にはペルチェ素子７４が挿入されて、基板４８に固定された各光学要素がペルチェ素子７４により所定温度に調節される。基板４８に固定された各光学要素は、基板４８及びペルチェ素子７４と共に、レーザビームの出射部分が透明な防塵用カバー７５により覆われている。
【００４１】
また、設置台７２上には、第２高調波６２の収束位置の近傍に、ビーム整形用遮光板としてのナイフエッジ７６が固定配置されている。後述するように、光波長変換素子１４のチャンネル光導波路３０を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波６２は、設置台７２の設置面に対して垂直方向（基板２６の厚さ方向）下部にサイドローブを有しているが、ナイフエッジ７６はこのサイドローブの部分をカットするように配置されており、サイドローブがナイフエッジ７６によりカットされて、得られる第２高調波６２Ｇは、ビーム断面内の光強度分布が略ガウス分布となったガウシアンビームとなる。なお、本実施の形態では、ナイフエッジ７６を第２高調波６２の収束位置の近傍に配置したが、光波長変換素子１４の前方出射端面に密接または近接させて配置してもよい。
【００４２】
図３に示すように、半導体レーザ１０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ４６Ａ、４６Ｂを介して駆動回路７８に接続されている。駆動回路７８の概略構成を図４に示す。この駆動回路７８は、自動出力制御機構（ＡＰＣ）を備えた直流電源回路８０、交流電源８４、及びバイアスＴ８８からなり、バイアスＴ８８はコイル８２とコンデンサ８６とから構成されており、直流電源回路８０から発せられてコイル８２を経た直流電源成分に、交流電源８４から発せられてコンデンサ８６を経た高周波が重畳され、この高周波重畳された電流が半導体レーザ１０に印加される。出力する第２高調波のノイズを低減するために、重畳される高周波の周波数は１００〜４００ＭＨｚとするのが好ましく、変調度は１００％とするのが好ましい。
【００４３】
フォトダイオード７０の両電極には２本のワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂが結線されており、ワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂは、防塵用カバー７５の外に引出されている。フォトダイオード７０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂを介してＡＰＣを備えた直流電源回路８０に接続されている。このＡＰＣにより、第２高調波６２の光出力が所定値となるように、半導体レーザ１０に印加する電流量を制御する。また、ペルチェ素子７４は、温度コントローラ９０に接続されている。さらに、防塵用カバー７５により覆われた装置内部には、装置内の温度を調節するためのサーミスタ（図示せず）が設けられており、このサーミスタも温度コントローラ９０に接続されている。温度コントローラ９０は、サーミスタの出力に基づいて、装置内部が使用環境で光学系が結露しない温度範囲（例えば、使用環境温度が３０℃であれば、３０℃以上）に維持されるようにペルチェ素子７４を制御する。
【００４４】
次に、上記光波長変換モジュールの動作について説明する。
【００４５】
半導体レーザ１０から光波長変換素子１４に向かわずに後方側に発せられたレーザビーム３４Ｒ（後方出射光）は、コリメータレンズ３６によって平行光化され、平行光化されたレーザビーム３４Ｒは狭帯域バンドパスフィルタ５６を透過した後、一対の全反射プリズム５８Ａ及び５８Ｂにより光路を略１８０°折り曲げられ、もう一対の全反射プリズム５８Ｃ及び５８Ｄにより光路を再度略１８０°折り曲げられて、集光レンズ６０により集光されてミラー１２上において収束する。ミラー１２で反射されたレーザビーム３４Ｒは、それまでの光路を逆に辿って半導体レーザ１０にフィードバックされる。即ち、この装置では、ミラー１２と半導体レーザ１０の前方端面とによって半導体レーザ１０の外部共振器が構成されている。
【００４６】
この外部共振器の中に配された狭帯域バンドパスフィルタ５６により、フィードバックされるレーザビーム３４Ｒの波長が選択される。半導体レーザ１０はこの選択された波長で発振し、選択波長は狭帯域バンドパスフィルタ５６の回転位置に応じて変化するので、この狭帯域バンドパスフィルタ５６を適宜回転させることにより、半導体レーザ１０の発振波長を、光波長変換素子１４のドメイン反転部２８の周期と位相整合する波長に選択、ロックすることができる。
【００４７】
一方、所定波長にロックされ、半導体レーザ１０から前方側に発せられたレーザビーム３４は、チャンネル光導波路３０内に入射する。このレーザビーム３４はチャンネル光導波路３０をＴＥモードで導波し、その周期ドメイン反転領域で位相整合（いわゆる疑似位相整合）して、波長が１／２、例えばレーザビーム３４の中心波長が９５０ｎｍとすると４７５ｎｍの第２高調波６２に波長変換される。この第２高調波６２もチャンネル光導波路３０を導波モードで伝搬し、光導波路端面から出射する。
【００４８】
なお、本発明者等の研究によると、光導波路を０次モードより１次モードで伝搬する第２高調波の方が基本波との重なり積分が大きいことが分かった。即ち、１次モードで伝搬する第２高調波と基本波とを位相整合させた方が、波長変換効率が高くなる。このため、本実施の形態では、光波長変換素子１４のチャンネル光導波路３０を１次モードで伝搬する第２高調波６２と基本波３４とが擬似位相整合するように、周期ドメイン反転構造の周期Λが設定されている。具体的には、光導波路の基本波に対する実効屈折率をｎω、第２高調波に対する実効屈折率をｎ2ω、基本波の波長をλFとしたとき、下記式を満足するように周期Λを設定している。
【００４９】
ｎ2ω−ｎω＝λF／２Λ
また、光導波路端面からは、波長変換されなかったレーザビーム３４も発散光状態で出射し、第２高調波６２と共にコリメータレンズ６４によって平行光化される。光波長変換素子１４の光導波路端面から出射された光は、コリメータレンズ６４によって平行光化された後、ＩＲカットフィルタ６６によって基本波３４が除去されて第２高調波６２が分離され、１／２波長板６７により第２高調波６２の偏光方向が９０°回転されて出射される。出射された第２高調波６２は、その一部がハーフミラー６８で反射されてフォトダイオード７０により検出され、この検出結果に基づいてレーザビームのパワー制御が行われる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、半導体レーザから出射されるレーザ光を所定波長にロックする際に、外部共振器の共振器長を基本波のコヒーレント長より長くして、戻り光による干渉を無くし、ＩＬ特性の直線性を維持して、波長変換波を安定に出力することができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、折返し光学系を構成する４つの全反射プリズムのうち、３つの全反射プリズムは予め配置された突き当てにより位置決めされて基板上に固定配置され、残る１つの全反射プリズムは回転可能な台座に固定されており、この台座を適宜回転させて入射されたレーザビームが反射ミラーに所定角度で入射するように、反射面の角度を調節するので、高価な部品を使用することなく、１つの全反射プリズムの反射面の角度を調整するだけで、簡単に精度良く折り返し光学系を組立てることができる。
【００５２】
また、折り返し光学系が精度良く組立てられたことにより、半導体レーザは所定波長で安定に発振することができ、この半導体レーザを用いた本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、波長変換効率が高くなる。
【００５３】
また、斜面が光路側と反対の側を向くように配置されたプリズムを用いる場合には、プリズム内部を光が通過することによる波面収差の問題があるが、本実施の形態に係る光波長変換モジュールでは、ＨＲコートが設けられた斜面が光路側になるように配置されたプリズムを用いることにより、波面収差の問題が解消する。
【００５４】
また、光波長変換素子から出射される第２高調波の偏光方向は設置台と平行な方向であるが、偏光制御用の１／２波長板を用いて、設置台と垂直な方向に偏光した第２高調波を得ることができる。このとき光波長変換素子とＩＲカットフィルタとの間に１／２波長板が配置されているので、１／２波長板に到達する光からは基本波が除去されている。従って、基本波が１／２波長板により反射されて戻り光となることがなく、半導体レーザに戻り光によるノイズが発生せず、安定に波長変換波を得ることができる。
【００５５】
また、本実施の形態の光波長変換モジュールでは、パッケージ内に半導体レーザ及び光波長変換素子を含む少数部品のみを気密封止するので、作製が容易である。また、気密封止される部品点数が少ないので、各部品から発生するガスによる封止された部品の経時劣化等を防止することができる。
【００５６】
また、本実施の形態の光波長変換モジュールでは、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳して変調駆動しているため、縦モード競合が抑制される。
【００５７】
上記では全反射プリズムを使用して外部共振器の光路を折り返す例について説明したが、全反射プリズムに代えて全反射ミラーを使用することもできる。この場合、全反射ミラーはその反射面が全反射プリズムの斜面の位置に対応するように配置される。全反射ミラーは、例えば金属ブロックのような保持体にＨＲミラーをコートしたガラスを貼り合わせて構成されていてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上記の折り返し光学系は、簡単に精度良く組立てることができる。
【００５９】
従って、本発明の波長安定化レーザは、簡単に精度良く組立て可能な折り返し光学系を備え、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる、という効果を奏する。
【００６０】
また、本発明の光波長変換モジュールは、製造が容易であり所定波長で安定に発振することができる本発明の波長安定化レーザを用いることにより、高い波長変換効率で波長変換を行うことができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の光波長変換モジュールの平面図である。
【図２】本実施の形態の光波長変換モジュールの光軸に沿った断面図である。
【図３】本実施の形態の光波長変換モジュールの配線を示す説明図である。
【図４】本実施の形態の光波長変換モジュールの駆動回路を示す回路図である。
【図５】（Ｂ）は本実施の形態の光波長変換モジュールを構成する折り返し光学系の１つの全反射プリズムの可動機構を示す平面図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＡ―Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザ
１２ ミラー
１４ 光波長変換素子
２０ ＬＤ−ＳＨＧユニット
２６、４８ 基板
２８ ドメイン反転部
３０ チャンネル光導波路
３４Ｒ レーザビーム（後方出射光）
３６、６４ コリメータレンズ
３８ パッケージ
４２Ａ、４２Ｂ 窓板
５０ ＡＲコート
５２ ＨＲコート
５６ 狭帯域バンドパスフィルター
５８Ａ〜Ｄ 全反射プリズム
６０ 集光レンズ
６２ 第２高調波
６６ ＩＲカットフィルタ
６７ １／２波長板
７０ フォトダイオード
７２ 設置台
７３ 遮光板
７４ ペルチェ素子
７５ 防塵用カバー
７６ ナイフエッジ
７８ 駆動回路
９０ 台座
９２ 可動部材
１００ ネジ
１０２ 反射面
Claims (6)
- 外部共振器を構成する反射部材と、
該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、
光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、
を含む波長安定化レーザ。 - 前記折返し光学系は、前記第１の反射部材で反射された光が、直接前記目標位置に入射するように、前記第１の反射部材を配置した請求項１記載の波長安定化レーザ。
- 前記折返し光学系は、反射方向が所定方向になるように位置決めする位置決め手段を基板に配置し、前記複数の第２の反射部材の各々を位置決め手段によって位置決めした状態で基板に固定した請求項１または２記載の波長安定化レーザ。
- 前記折返し光学系の前記第１の反射部材及び第２の反射部材は、斜面にＨＲコートが設けられ、かつ斜面が光路側になるように配置されたプリズムである請求項１〜３のいずれか１項記載の波長安定化レーザ。
- 前記折返し光学系は、３つの第２の反射部材を基板に固定した請求項１〜４のいずれか１項記載の波長安定化レーザ。
- 外部共振器を構成する反射部材と、
該反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面と、前記反射部材と共に外部共振器を構成し基本波であるレーザビームを出射する第２の端面とを備えると共に、前記外部共振器の共振長が基本波のコヒーレント長よりも長くなるように配置された半導体レーザと、
前記半導体レーザの第２の端面に直接結合されて、前記半導体レーザの第２の端面から出射された基本波を波長変換する光波長変換素子と、
光路に対する反射面の角度が調整可能でかつ基板に固定可能に配置された単一の第１の反射部材と、光路に対する反射面の角度が所定角度になるように基板に固定された複数の第２の反射部材とを備え、光路を折返して半導体レーザの第１の端面から出射されたレーザビームを前記反射部材に導く折返し光学系と、
を含む光波長変換モジュール。
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