JP4565690B2

JP4565690B2 - 第二高調波発生装置

Info

Publication number: JP4565690B2
Application number: JP2000050739A
Authority: JP
Inventors: 少栄李; 順悟近藤; 義成小塚
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001242499A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色光源デバイス等に好適に使用できる第二高調波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第二高調波発生装置においては、「OPTICAL REVIEW」 Vol. 3 ， No. 6B(1996) 481-483 頁に記載されているように、ニオブ酸リチウムやニオブ酸カリウムリチウムのような非線形光学結晶からなる基板に光導波路を形成し、この光導波路と半導体レーザーとを結合し、高出力の青色レーザーを得ようとしている。非線形光学結晶の第二高調波の位相整合波長の許容幅は、一般に１ｎｍ以下と狭く、第二高調波の位相整合波長の温度特性は、半導体レーザーの波長の温度特性とは異なっている。このため、半導体レーザーから出力される基本波の波長を安定化し、コントロールする技術が重要な課題となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした第二高調波発生装置の具体的な制御方式を検討していく過程で、更に次の改善点を見出した。即ち、最初に半導体レーザーからの出力と波長とを一定値にロックし、更に波長変換用光導波路における位相整合波長をロックし、第二高調波の出力を一定値に設定する。ところが、半導体レーザーの発振を継続すると、第二高調波の出力が徐々に低下してくることが分かった。通常、半導体レーザーからの基本波の発振出力は、発振を始めてから時間が経過してもほぼ一定に保持されているはずなので、第二高調波の経時的な出力低下は問題であり、その解決が望まれていた。
【０００４】
本発明の課題は、基本波を発振する半導体レーザーと、基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板と、光導波路の温度を制御するための温度制御手段とを備えたデバイスにおいて、第二高調波の出力の経時的な減少を防止することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態は、ヒートシンク、このヒートシンクの上に支持されているマウント、マウントに支持されている、基本波を発振するための半導体レーザー、マウントに支持されている、基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板、および、変換用基板に支持されている、波長変換用光導波路の温度を制御するための温度制御手段を備えており、マウントが熱伝導部と断熱部とを備えており、半導体レーザーが熱伝導部を介してヒートシンク上に支持されており、変換用基板とヒートシンクとの間に少なくとも断熱部が介在しており、変換用基板の底面を支持する断熱部が設けられており、断熱部の側面と熱伝導部との間に隙間が設けられており、温度制御手段が薄膜ヒーターまたはペルチエ素子であり、熱伝導部が、半導体レーザーを支持する第一の支持台と、第一の支持台に連結されており、かつヒートシンク上に設置されている第二の支持台とを備えており、断熱部が、ヒートシンク上に設置されており、かつ変換用基板の底面を支持している第三の支持台を備えており、第一の支持台とヒートシンクとの間に隙間が設けられていることを特徴とする、第二高調波発生装置に係るものである。
本発明の他の実施形態は、ヒートシンク、このヒートシンクの上に支持されているマウント、マウントに支持されている、基本波を発振するための半導体レーザー、マウントに支持されている、基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板、および、変換用基板に支持されている、波長変換用光導波路の温度を制御するための温度制御手段を備えており、マウントが熱伝導部と断熱部とを備えており、半導体レーザーが熱伝導部を介してヒートシンク上に支持されており、変換用基板とヒートシンクとの間に少なくとも断熱部が介在しており、変換用基板の底面を支持する断熱部が設けられており、断熱部の側面と熱伝導部との間に隙間が設けられており、温度制御手段が薄膜ヒーターまたはペルチエ素子であり、マウントの半導体レーザーを支持する第一の支持面と、マウントの変換用基板を支持する第二の支持面との間に溝が形成されていることを特徴とする、第二高調波発生装置に係るものである。
【０００６】
主として図１を参照しつつ、本発明の作用効果について述べる。
【０００７】
本発明者は、前述した第二高調波の出力の経時的減少の原因について検討した結果、次の発見に至った。即ち、第二高調波発生装置を駆動させると、半導体レーザー１から多量の熱量が定常的に発生する。半導体レーザー１から発生する熱量によってその温度が上昇すると、半導体レーザー１の発振出力が低下する。
【０００８】
この理由は以下のとおりである。半導体レーザーの出力特性は、利得条件によって決定される。利得は、下記式によって表される。
利得＝ξａ（Ｔ）［（ｎ−ｎｇ）−ｂ（λ−λＯ（Ｔ）］
（ｎ：キャリア密度 λ：発振波長 ξ：閉じ込め係数
ａ（Ｔ）：微分利得係数ｎｇ：自然放出キャリア密度
ｂ：材料定数 λＯ（Ｔ）：波長オフセット値）
【０００９】
従って、注入電流が一定であるものとすると、温度が上昇するとゲインが小さくなり、出力が低下する。このように半導体レーザーの出力が変化すると、第二高調波の出力もそれに比例して低下する。このため、第二高調波を安定して発振させるためには、半導体レーザーを継続して稼働させたときにその温度の上昇を防止する必要がある。このため、通常は半導体レーザーの下にステンレス等の金属からなる支持台４を設置し、その下に放熱用のヒートシンク６を設置することによって、半導体レーザー１から発生する熱量をヒートシンク６へと逃がしている。これによって半導体レーザー１の温度上昇は抑制されていたはずであった。
【００１０】
ところが、前述のような型の第二高調波発生装置においては、薄膜ヒーター８などによって変換用基板２を温度制御して、光導波路の屈折率を変化させ、光導波路における位相整合波長を半導体レーザー１の発振波長に合わせている。この位相整合波長は、特に温度による影響を受けやすい。また、薄膜ヒーター８から変換用基板２へと入熱する熱量が一定であったとしても、支持台５を通してヒートシンク６へと逃げる熱量が比較的に大きく、このため光導波路の温度を一定値に留めておくためには、定常的に比較的に大きな熱量を薄膜ヒーター８から変換用基板２へと投入する必要がある。このように、変換用基板２の下側の支持台５には、定常的に大きな熱量が出入りしており、このため光導波路の温度が変化しやすい状態にあった。
【００１１】
こうした状態で、半導体レーザー１からの熱量が、支持台４、５を通過してヒートシンク６に逃げずに変換用基板へと伝搬すると、薄膜ヒーター８から継続的に変換用基板２へと入熱される熱量と相まって熱量が過剰となり、変換用基板２の温度が徐々に上昇する傾向があった。更に、薄膜ヒーター８からの熱量が支持台５を通過してヒートシンク６に逃げずに半導体レーザー１の下側の支持台４へと伝わり、半導体レーザー１へと入熱することで、その発振状態を不安定するさせるという現象もあった。これらの原因が相まって、第二高調波の出力の経時的低下を生じていたものと思われる。
【００１２】
これに対して、本発明によれば、支持台５の支持面５ａと変換用基板２の底面２ｂとの間に、断熱部として断熱層３Ａを介在させている。
【００１３】
こうした装置によれば、半導体レーザー１から発生する熱量は、支持台４、５の底面４ｂ、５ｄからヒートシンク６へと逃げるので、半導体レーザー１を稼働させたときの温度上昇を防止できる。つまり、半導体レーザー１の方は、稼働に伴って不可避的に発生する熱量を効果的に逃がすことが必要だからである。
【００１４】
これと同時に、温度制御手段である薄膜ヒーター８によって加熱される変換用基板２の下側には、断熱層３Ａを設けて、熱量の出入りを遮蔽することにした。これによって、変換用基板２から支持台５、ヒートシンク６へと逃げる熱量が著しく減少することから、支持台５、ヒートシンク６へと逃げる熱量による変換用基板２の温度の変化が少なくなる。これと同時に、半導体レーザー１から支持台４、５を伝搬してきた熱量は、断熱層３Ａで遮蔽され、そのほとんどがヒートシンク６へと逃げる。また、薄膜ヒーター８から発生した熱量は、支持台４へと伝達しにくいので、半導体レーザー１へとこの熱量が到達して相乗的に半導体レーザー１へと悪影響を与えることもない。
【００１５】
このように、本発明の装置は、半導体レーザー１の稼働に伴って継続的に半導体レーザー１から発生する熱量は、ヒートシンク６へと効果的に逃がし、同時に薄膜ヒーターによって加熱される変換用基板２と支持台４、５との間の熱量の出入りは、半導体レーザー１とは反対に遮断することで、変換用基板２の温度変化を防止し、かつ半導体レーザー１への悪影響を防止した。
【００１６】
本発明の一実施形態においては、断熱部が、変換用基板の底面を支持する断熱層である。また、特に図１−図２においては、熱伝導部が、半導体レーザーを支持する第一の支持台と、第一の支持台と別体の断熱層を支持する第二の支持台とを備えている。
【００１７】
図１の装置について、更に詳細に述べる。
【００１８】
ヒートシンク６は、熱伝導率の大きい材料、例えばアルミニウム、銅、コバールからなる。この上に、第一の支持台４と第二の支持台５とが載置されている。支持台４の支持面４ｃに半導体レーザー１が載置されている。また、支持台５の支持面５ａに断熱層３Ａが載置されており、断熱層の上に変換用基板２が載置されている。本例では、別体の支持台４の側面４ａと支持台５の突出部５ｂの側面５ｃとが互いに接触している。第一の支持面４ｃと第二の支持面５ａとの間には溝１６が形成されている。変換用基板２の上面２ａの上に薄膜ヒーター８が形成されている。
【００１９】
半導体レーザー１を稼働させると、発生した熱量は支持台４から底面４ｂを通過してヒートシンク６へと流れると共に、側面４ａ、５ｃを通過して支持台５へと流れる。ここで、支持台５に入熱した熱量のほとんどは、断熱層３Ａの作用によって変換用基板２へは至らず、ヒートシンク６へと入熱する。この際、支持台４の底面４ｂと支持台５の底面５ｄとの合計面積は大きいので、半導体レーザー１で発生した熱量を効果的にヒートシンク６へと逃がすことができる。
【００２０】
一方、薄膜ヒーター８から発生した熱量は、変換用基板２へと流れ、断熱層３Ａによって遮蔽される。この際、変換用基板２の温度を監視し、その温度が一定になるように薄膜ヒーターへの投入電力を制御する。この投入電力をいったん制御し終わった後は、前述した理由から変換用基板２の温度はほとんど変動しない。このため、光導波路における位相整合波長の変化を防止できる。
【００２１】
本発明における断熱部（例えば断熱層３Ａ）の材質の熱伝導率は、マウントの熱伝導部（例えば支持台４、５）を構成する材質の熱伝導率の１／５以下であることが好ましく、１／１０以下であることが更に好ましい。こうした材質としては、熱伝導率が低いと共に、熱膨張が変換用基板と合致することが必要であり、ソーダガラス、石英ガラス、低熱伝導セラミック、ＢＫＴ、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ニオブ酸リチウムが好ましく、ソーダガラスが特に好ましい。
【００２２】
本実施形態では、半導体レーザー１の下側の第一の支持面４ｃと変換用基板２の下側の第二の支持面との間に溝１６を設けることによって、更に次の作用効果が得られる。即ち、各支持台の各支持面に近い側面が互いに接触していると、この領域を通って熱量が流れ、断熱層３Ａおよび変換用基板２へと伝達しやすい。これに対して、溝１６を設けることで、こうした支持台の支持面に近い側面における熱伝導を遮断できるので、変換用基板２の温度上昇を更に抑制できる。その上、各支持台のヒートシンク６（底面４ｂ、５ｄ）に近い領域は互いに接触しているので、ヒートシンク６への熱の流入はほとんど妨げられることはない。
【００２３】
また、断熱層に空隙部分を設けることによっても、断熱層における熱抵抗を上昇させることができる。図２は、こうした実施形態に係る第二高調波発生装置１１Ｂを模式的に示す断面図である。図１において既に説明した構成部分には、図１と同じ符号を付け、その説明は省略する。
【００２４】
図２に装置においては、断熱層３Ｂの上面側は平坦であるが、下側には複数の凹部１２が空隙部分として形成されている。このため、凹部１２の間の突出部分１３のみが支持台５に対して接触している。従って、断熱層３Ｂの支持台５への接触面積が小さくなる。
【００２５】
この実施形態においては、断熱層の３Ｂの凹部の面積と突出部分の面積との合計に対する、突出部分１３の面積の比率は、５０％以下であることが好ましく、２０％以下であることが更に好ましい。また、安定支持の観点からは、１０％以上であることが好ましい。また、この断熱層３Ｂの材質の熱伝導率は、支持台５の熱伝導率の１／５以下であることが好ましく、１／１０以下であることが更に好ましい。
【００２６】
断熱層３Ａ、３Ｂの厚さは、断熱効果を発揮するという観点からは１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２７】
図３、図４は、それぞれ本発明の一実施形態に係る装置１１Ｃ、１Ｄを模式的に示す断面図である。
【００２８】
図３の装置１１Ｃにおいては、一体の支持台１５を使用している。
支持台１５は、第一の部分１５ａと第二の部分１５ｄとからなっている。ヒートシンク６上に支持台１５の底面１５ｃが載置されている。第一の部分１５ａの支持面１５ｂ上に半導体レーザー１が載置されている。第二の部分１５ｄの支持面１５ｅの上に断熱層３Ａが載置されており、断熱層３Ａの上に変換用基板２が載置されている。第一の部分１５ａの支持面１５ｂは、第二の部分１５ｄの支持面１５ｅよりも高い位置にある。
【００２９】
図４の装置１１Ｄにおいては、図３と同様に一体の支持台１５を使用している。そして、断熱層３Ｂは、図２の断熱層と同様である。
【００３０】
本発明においては、断熱部は上記のように層状でなくともよく、断熱部それ自体が変換用基板を支持する支持台であってもよい。この場合には、熱伝導性材料からなる支持台が変換用基板に接触していないことが好ましい。この実施形態において特に好ましくは、熱伝導部が、半導体レーザーを支持する第一の支持台と、第一の支持台に連結されており、かつヒートシンク上に設置されている第二の支持台とを備えている。更に、断熱部が、ヒートシンク上に設置された第三の支持台を備えており、これが変換用基板の底面を支持している、第一の支持台とヒートシンクとの間に隙間が設けられている。
【００３１】
図５は、この実施形態に係る装置１１Ｅを示す概略断面図である。
第一の支持台４Ａの底面４ｂはヒートシンク６に接触しておらず、両者の間に隙間１９が設けられている。そして、第一の支持台４Ａは、やはり熱伝導材料製の第二の支持台１８の突出部１８ｂの側面１８ｃに接合されている。支持台１８の底面１８ｄは樹脂等によってヒートシンク６に接着されている。支持第１８の上面１８ａと変換用基板の底面２ｂとの間には隙間２０が形成されている。
【００３２】
こうした装置においては、半導体レーザー１を支持台４Ａに取り付けた状態で、半導体レーザーと変換用基板の光導波路との間で調芯を行う。そして、調芯が終了した時点で、支持台４Ａを支持台１８に対して樹脂等で接着し、固定できる。この際、支持台４Ａの底面４ｂとヒートシンク６とに隙間があり、接着されていると、調芯が容易になる。更に、ヒートシンクおよび支持台４Ａ、１８、１７の熱膨張による応力が側面４ａに作用するのを低減できる。
【００３３】
半導体レーザー１からの熱は、支持台４Ａ、１８を介して、ヒートシンク６へと逃がすことができる。一方、ヒートシンク６上に、第三の支持台１７の底面１７ｃが載っており、支持台１７の上面１７ａが変換用基板の底面に接着されている。なお、本例では支持台１７の側面１７ｂと支持台１８の側面とが接着されているが、両者は離れていても良い。支持台１７は、断熱部であり、即ち断熱性材料によって形成されている。更に、変換用基板２の底面２ｂと熱伝導性の支持台１８との間には隙間２０が設けられており、熱伝導が生じない。
【００３４】
温度制御手段としては、薄膜ヒーターが好ましいが、外部ヒーターを使用することもできる。しかし、薄膜ヒーターを波長変換用光導波路上に設けることによって、光導波路の全体にわたって小さい電力でムラなく加熱できる。
薄膜ヒーターの代りに、ペルチエ素子を設けることができる。
【００３５】
変換用基板の材質は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ニオブ酸カリウム、チタニルリン酸カリウムが好ましい。
【００３６】
薄膜ヒーターの材質は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｃｒが好ましい。
【００３７】
本発明の第二高調波発生装置によれば、例えば３９０ｎｍ−４７０ｎｍの紫外光領域まで発生させることが可能である。従って、こうした短波長の光を利用することで、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【００３８】
【実施例】
（第二高調波発生装置の作製）
図１に示すような装置１１Ａを作製した。
【００３９】
マウント４、５をＳＵＳ４３０合金によって形成した（熱伝導率２６．４Ｗ／ｍ・Ｋ）。ヒートシンク６をアルミニウム金属によって形成した。マウント４、５をヒートシンク６に対してハンダによって接着した。マウント４の支持面４ｃに半導体レーザー１をハンダによって接着した。断熱層３Ａを、厚さ１ｍｍのソーダライムガラス板（熱伝導率１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）によって形成した。断熱層３Ａをマウント５の支持面５ａに紫外線硬化型樹脂によって接着した。
断熱層３Ａの上に変換用基板２（熱伝導率４．６Ｗ／ｍ・Ｋ）を紫外線硬化型樹脂によって接着した。
【００４０】
半導体レーザー光を、レンズを介することなく、光導波路に対して直接に入射させた。１００ｍＷの出力で、光導波路入力は８０ｍＷであった。半導体レーザー光の発振波長は、波長変換用光導波路の反射波長にロックされ、８４０ｎｍで安定に発振した。
【００４１】
次に、薄膜ヒーターに１ボルトの電圧を加え、電流を流して発熱させ、波長変換用光導波路の位相整合波長を発振波長に合わせることに成功した。
４２０ｎｍの第二高調波が得られた。この出力は５ｍＷであった。
【００４２】
次いで、１０００時間継続して第二高調波を発生させた。この間、薄膜ヒーターに対する供給電力を変更しなかった。この結果、第二高調波の出力の変化は、最大５％程度であった。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、基本波を発振する半導体レーザーと、基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板と、光導波路の温度を制御するための温度制御手段とを備えたデバイスにおいて、第二高調波の出力の経時的な減少を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る第二高調波発生装置１１Ａを模式的に示す断面図である。断熱層３Ａを支持台５の支持面５ａと変換用基板２の底面２ｂとの間に介在させている。
【図２】他の実施形態に係る装置１１Ｂを模式的に示す断面図であり、空隙部分１２を有する断熱層３Ｂを使用している。
【図３】更に他の実施形態に係る装置１１Ｃを模式的に示す断面図であり、一体の支持台１５を使用している。
【図４】更に他の実施形態に係る装置１１Ｄを模式的に示す断面図であり、一体の支持台１５を使用しており、空隙部分１２を有する断熱層３Ｂを使用している。
【図５】更に他の実施形態に係る装置１１Ｅを模式的に示す断面図であり、第一の支持台４Ａ（熱伝導部）、第二の支持台１８（熱伝導部）および第三の支持台１７（断熱部）を備えている。
【符号の説明】
１半導体レーザー２変換用基板２ｂ変換用基板２の底面３Ａ断熱層（断熱部）３Ｂ空隙部分１２が形成されている断熱層（断熱部）４第一の支持台（熱伝導部）
４ａ第一の支持台４の側面（第二の支持台との接触面）４ｂ第一の支持台４の底面４ｃ第一の支持台４の支持面４Ａヒートシンクから離れている第一の支持台（熱伝導部）５、１８第二の支持台（熱伝導部）５ａ、１８ａ第二の支持台の支持面５ｃ、１８ｃ第二の支持台の側面（第一の支持台との接触面）５ｄ、１８ｄ第二の支持台の底面６ヒートシンク８薄膜ヒーター（温度制御手段）１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ第二高調波発生装置１２凹部（空隙部分）１３突出部分（接触部分）
１５一体型の支持台１５ａ第一の部分１５ｂ第一の部分の支持面１５ｃ支持台１５の底面１５ｄ第二の部分
１５ｅ第二の部分の支持面１６溝１７第三の支持台（断熱部）１９第一の支持台とヒートシンクとの隙間２０第二の支持台と変換用基板との隙間

Claims

ヒートシンク、
このヒートシンクの上に支持されているマウント、
前記マウントに支持されている、基本波を発振するための半導体レーザー、
前記マウントに支持されている、前記基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板、および、前記変換用基板に支持されている、前記波長変換用光導波路の温度を制御するための温度制御手段を備えており、
前記マウントが熱伝導部と断熱部とを備えており、
前記半導体レーザーが前記熱伝導部を介して前記ヒートシンク上に支持されており、
前記変換用基板と前記ヒートシンクとの間に少なくとも前記断熱部が介在しており、
前記変換用基板の底面を支持する断熱部が設けられており、
前記断熱部の側面と熱伝導部との間に隙間が設けられており、
前記温度制御手段が薄膜ヒーターまたはペルチエ素子であり、
前記熱伝導部が、前記半導体レーザーを支持する第一の支持台と、前記第一の支持台に連結されており、かつ前記ヒートシンク上に設置されている第二の支持台とを備えており、前記断熱部が、前記ヒートシンク上に設置されており、かつ前記変換用基板の底面を支持している第三の支持台を備えており、前記第一の支持台と前記ヒートシンクとの間に隙間が設けられていることを特徴とする、第二高調波発生装置。
前記第二の支持台の上面の上方に前記変換用基板が設置されており、かつ前記第二の支持台と前記変換用基板の底面との間に隙間が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の第二高調波発生装置。
ヒートシンク、
このヒートシンクの上に支持されているマウント、
前記マウントに支持されている、基本波を発振するための半導体レーザー、
前記マウントに支持されている、前記基本波を第二高調波へと変換するための波長変換用光導波路を備えた変換用基板、および、前記変換用基板に支持されている、前記波長変換用光導波路の温度を制御するための温度制御手段を備えており、
前記マウントが熱伝導部と断熱部とを備えており、
前記半導体レーザーが前記熱伝導部を介して前記ヒートシンク上に支持されており、
前記変換用基板と前記ヒートシンクとの間に少なくとも前記断熱部が介在しており、
前記変換用基板の底面を支持する断熱部が設けられており、
前記断熱部の側面と熱伝導部との間に隙間が設けられており、
前記温度制御手段が薄膜ヒーターまたはペルチエ素子であり、
前記マウントの前記半導体レーザーを支持する第一の支持面と、前記マウントの前記変換用基板を支持する第二の支持面との間に溝が形成されていることを特徴とする、第二高調波発生装置。
前記断熱部の材質の熱伝導率が、前記熱伝導部の材質の熱伝導率の１／５以下であることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の第二高調波発生装置。
前記断熱部に空隙部分が設けられていることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の第二高調波発生装置。
前記熱伝導部が、前記半導体レーザーを支持する第一の支持台と、第一の支持台と別体の前記断熱部を支持する第二の支持台とを備えていることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の第二高調波発生装置。