JP5018848B2 - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザの波長を変換する波長変換レーザ装置に関する。

半導体レーザの光を波長変換素子によって直接波長変換する波長変換レーザ装置では、所望の光出力を得るために基本波となる光源の波長を波長変換素子が許容する帯域内に確実に固定（ロック）する必要がある。しかしながら、半導体レーザは通常、環境温度や駆動電流値の変化によって素子温度が変化すると、共振器長の変化及び利得スペクトルの変化によって発振波長がシフトし、ある周期で発振モードが隣の縦モードに飛び移るモードホッピングを生じる。この現象は波長変換された光出力の瞬間的な変動を招くため、光出力を一定に保持する制御を行う場合などには制御系が追従できず波長変換された光が出力変動もしくは光ノイズとして現れてしまう。

このような波長変換レーザ装置において、半導体レーザの波長を固定（ロック）する方法として、感光性ガラス等のバルク材料にホログラム技術を用いて周期的な屈折率変化を記録したボリュームホログラフィックグレーティング（ＶＨＧ）を半導体レーザの外部共振器ミラーとして用いることで、グレーティング周期で決定される波長を選択的に発振させるという手法が用いられている（特許文献１参照。）。

米国特許第５６９１９８９号明細書

波長変換レーザ装置において、外部共振器を用いて光源としての半導体レーザの波長を波長選択素子の反射中心波長に固定しようとする場合、半導体レーザ素子自体の発振波長と波長選択素子の反射中心波長が離れすぎていると、波長選択素子による波長の引き込みが困難になり、両発振モードが競合した状態もしくは半導体レーザ素子自体のモードで発振してしまう。波長変換レーザ装置の外部共振器モードへの引き込みが可能な波長の差（波長引き込み幅）は、半導体レーザ共振器の出射ミラー及び波長選択素子の反射率によって決定され、波長選択素子の反射率が高いほど波長引き込み幅が広くなることが知られている。

しかしながら、波長選択素子の反射率増加は取り出される光出力の低下につながるため、波長引き込みは必要とする光出力との関係で決まる有限の波長幅でのみ可能となり、広い波長引き込み幅の確保は困難である。

半導体レーザの発振波長には温度依存性があるため、波長選択素子の反射中心波長との差が最小になるように半導体レーザの温度を固定することで安定した波長引き込みが可能となる。しかしながら、この発振波長は注入電流値によっても変化するため、光出力を一定に保つように制御されたレーザ装置では波長変換効率の変化等によって注入電流値が変化することから、波長引き込みが不安定な状態にシフトしかねない。

又、波長選択素子は反射光が効率良く半導体レーザに帰還されるように角度調整されるが、環境温度変化等の外乱によってアライメントが乱された場合、等価的に波長選択素子の反射率が低下することになるため、波長引き込み幅が狭くなり、これも波長引き込みの不安定状態につながる。

上記の問題を鑑み、本発明は、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定した発振を継続可能な波長変換レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の態様は（ａ）基本波を発振する半導体レーザと、（ｂ）半導体レーザの出射光から第１選択波長、この第１選択波長より短波長の第２選択波長、及び第１選択波長より長波長の第３選択波長を選択し、第１選択波長の光を半導体レーザに帰還する波長選択素子と、（ｃ）波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、（ｄ）波長選択素子で選択された第２選択波長及び第３選択波長の光を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１及び第２の光センサと、（ｅ）第１及び第２の電気信号の強度の和が最小になるように半導体レーザの波長を制御する波長制御機構とを備える波長変換レーザ装置であることを要旨とする。

本発明によれば、出力の低下を伴うこと無く、選択した半導体レーザの出射光の波長を所望の値に固定（ロック）してから波長変換素子に入射させることができるので、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定した発振を継続可能な波長変換レーザ装置を提供することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の概略を説明する模式的な構成図である。 第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置において、個別素子により波長選択素子を構成する場合の一例を示す模式図である。 波長選択素子の各回折格子における回折効率の波長依存性を示す図である。 図４（ａ）は、波長引き込み不安定状態の半導体レーザ発振スペクトルを示す図で、図４（ｂ）は、波長引き込み安定状態の半導体レーザ発振スペクトルを示す図である。 第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置を構成する半導体レーザ、波長選択素子及び波長変換素子の温度依存性を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の概略を説明する模式的な構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の概略を説明する模式的な構成図である。 本発明の第４の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の概略を説明する模式的な構成図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態に係る波長変換レーザ装置を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置は、基本波を発振する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の出射光Φ₀から第１選択波長λ₁、この第１選択波長λ₁より短波長の第２選択波長λ₂、及び第１選択波長λ₁より長波長の第３選択波長λ₃を選択し、第１選択波長λ₁の光Φ₁を半導体レーザ１に帰還する波長選択素子５ａと、波長選択素子５ａを透過した光Φ₀を波長変換する波長変換素子６と、波長選択素子５ａで選択された第２選択波長λ₂の光Φ₂及び第３選択波長λ₃の光Φ₃を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１の光センサ２８及び第２の光センサ２９と、第１及び第２の電気信号のうちいずれか大きな電気信号の強度が最小になるように半導体レーザ１の波長を制御する波長制御機構（第１制御器）１０とを備える。波長変換素子６としては、例えば、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）結晶などの非線形光学結晶が採用可能で、非線形光学結晶を波長変換結晶として用いることにより２逓倍の高調波等の半導体レーザ１の出射光Φ₀の波長よりも短波長の光Φ_tに、半導体レーザ１の出射光Φ₀を波長変換することができる。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置は、更に、半導体レーザ１と波長選択素子５ａとの間に第1のレンズ４１、波長選択素子５ａと波長変換素子６との間に第２のレンズ４２を備える。又、半導体レーザ１の近傍には、第１のサーモモジュール７１が設けられ、波長制御機構（第１制御器）１０は、第１のサーモモジュール７１によって、半導体レーザ１の温度を変更することにより、半導体レーザ１の波長を制御している。

一方、波長選択素子５ａの近傍には第２のサーモモジュール７２が、波長変換素子６の近傍には第３のサーモモジュール７３が配置されている。そして、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置は、温度制御機構（第２制御器）１１を更に備え、第２制御器１１からの出力により、第２のサーモモジュール７２により波長選択素子５ａの温度を、第３のサーモモジュール７３により波長変換素子６の温度を、それぞれ独立に制御している。

半導体レーザ１の後端面は高反射率コートが施され、前端面は低反射率コートが施されている。半導体レーザ前面を出射した光は第1のレンズ４１によって所望のビームに変換され波長選択素子５ａに導かれる。波長選択素子５aは第１選択波長λ₁の光Φ₁を回折する第１の回折格子ｇ１，第２選択波長λ₂の光Φ₂を回折する第２の回折格子ｇ２及び第３選択波長λ₃の光Φ₃を回折する第３の回折格子ｇ３を備える。波長選択素子５aは、第１の回折格子ｇ１で回折された第１選択波長λ₁の光Φ₁の一部を選択的に反射し、光Φ₁を再び第1のレンズ４１を通って半導体レーザ１に帰還する。光Φ₁の帰還によって半導体レーザ１は波長選択素子５ａの第1選択波長の反射中心波長近傍で発振を開始する。

同時に、第１選択波長の短波長側に反射中心波長を有する第２の回折格子ｇ２及び第１選択波長の長波長側に反射中心波長を有する第３の回折格子ｇ３によって光Φ₁と異なる角度で反射された第２選択波長λ₂の光Φ₂及び第３選択波長λ₃の光Φ₃が、それぞれ第１の光センサ２８及び第２の光センサ２９で第１及び第２の電気信号に変換される。

波長選択素子5aの第１選択波長による波長引き込みが不十分である場合，半導体レーザ１の発振スペクトルは、第1選択波長に引き込まれた発振波長の他、発振波長の長波長側若しくは短波長側にサイドモードが立つ。波長制御機構（第１制御器）１０は、このサイドモードの強度および分布（長波長側若しくは短波長側）の情報を得て，第１のサーモモジュール７１を制御することで、半導体レーザ１の温度を変化させ、この温度制御により、半導体レーザ１の発振波長のフィードバック制御を行い、所望の波長に固定（ロック）する。所望の波長に固定（ロック）された半導体レーザ１の出射光Φ₀は、波長変換素子６によって短波長の光Φ_tに波長変換される。

図１では同一の光学媒体に第１の回折格子ｇ１，第２の回折格子ｇ２及び第３の回折格子ｇ３を埋め込んで反射型のＶＨＧを構成した一体型の波長選択素子５aを例示したが、これに限定されるものではなく、図２に示すように第１の光学媒体５１に第１の回折格子ｇ１を埋め込んでＶＨＧを構成した個別素子と、第２の光学媒体５２に第２の回折格子ｇ２を埋め込んでＶＨＧを構成した個別素子と、第３の光学媒体５３に第３の回折格子ｇ３を埋め込んでＶＨＧを構成した個別素子とを用いて、波長選択素子５ｂを構成しても構わない。図２においては、半導体レーザ１から出射した波長λ₀の出射光Φ₀が、第１の光学媒体５１、第２の光学媒体５２及び第３の光学媒体５３に入射し、第１の回折格子ｇ１で第１選択波長λ₁の光Φ₁が回折し、第２の回折格子ｇ２で第２選択波長λ₂の光Φ₂が出射光Φ₀と直交する方向に回折し、第３の回折格子ｇ３で第３選択波長λ₃の光Φ₃が出射光Φ₀と直交する方向に回折する。

図１に示す波長選択素子５ａ又は図２に示す波長選択素子５ｂを透過した光は、第２のレンズ４２で所望のビームに変換され波長変換素子６によって波長が変換される。

図３に波長選択素子５ａ，５ｂの第１の回折格子ｇ１，第２の回折格子ｇ２及び第３の回折格子ｇ３における回折効率η_1B，η_2B，η_3Bの波長依存性を示す。回折効率η_1B，η_2B，η_3Bは、屈折率変調された媒質内における２光波の結合方程式より導出される。第１の回折格子ｇ１，第２の回折格子ｇ２及び第３の回折格子ｇ３における波長λの回折効率η_λはsinc関数で近似され、反射中心波長をλ_B、反射中心波長の回折効率をη_B、反射中心波長と第１ヌルとの差をΔλとすると、

η_λ＝η_B sinc² ((λ_B−λ)/Δλ) …（１）

で表される。ただし、図３においてλ_1B，η_1Bは基本波光Φ₁の反射中心波長及びその回折効率、λ_2B，η_2B はλ_1Bの短波長側に存在する光Φ₂の反射中心波長及びその回折効率、λ_3B，η_3Bはλ_1Bの長波長側に存在する光Φ₃の反射中心波長及びその回折効率である。

図４（a）は半導体レーザ１の共振器モードと波長選択素子５ａ，５ｂによる外部共振器モードが競合しているときの半導体レーザ発振スペクトル例である。波長引き込み幅の外に半導体レーザ１自体の発振波長が存在する場合、サイドモードが立ち、波長引き込みは不安定な状態となる。この例では長波長側にサイドモードが立ち、図１における第３選択波長λ₃の光Φ₃として観測される。図４（ｂ）は波長選択素子５ａ，５ｂによって安定した波長選択が行われているときの半導体レーザ１の発振スペクトル例である。波長引き込み幅内に半導体レーザ１自体の発振波長が存在する場合、サイドモードは立たず安定した波長引き込みが行われる。

図５は、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置を構成する半導体レーザ１、波長選択素子５ａ，５ｂ、波長変換素子６各々の温度変化に対する波長の変化量、ならびに波長引き込み幅との関係の例を示すものである。波長引き込み幅は、半導体共振器の出射ミラー及び波長選択素子５ａ，５ｂの反射率によって決定され、波長選択素子５ａ，５ｂの反射率が高いほど波長引き込み幅が広くなる。しかし波長選択素子５ａ，５ｂの反射率増加は取り出される光出力の低下につながるため、必要とする光出力との関係で決まる所望の波長引き込み幅を示している。半導体レーザ１の温度による波長シフト量は例えば０．４nm/℃であり、短波長側の光Φ₂の信号強度を減少させるためには第１のサーモモジュール７１によって半導体レーザ１の温度を上昇させ、長波長側の光Φ₃の信号強度を減少させるためには第１のサーモモジュール７１によって半導体レーザ１の温度を下降させる。第２のサーモモジュール７２による波長選択素子５ａ，５ｂの温度の制御は、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の運転環境において波長選択素子５ａ，５ｂによる波長の引き込みが安定に行われる温度範囲にある。又、第３のサーモモジュール７３によって、波長変換素子６の温度は波長選択素子５ａ，５ｂによって選択された波長の光を最も効率良く波長変換する温度（最適温度）にチューニングされる。図５に示すように、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置を構成する半導体レーザ、波長選択素子及び波長変換素子は、それぞれ異なる温度依存性を有するので、第１のサーモモジュール７１、第２のサーモモジュール７２及び第３のサーモモジュール７３によって、それぞれ半導体レーザ、波長選択素子及び波長変換素子の温度を個別に制御することにより、それぞれの素子の動作ポイントを共通の波長に合わせ込むことにより、それぞれの素子の特性を最大限に生かした最適な制御が可能となる。

以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、波長選択素子５ａ，５ｂを用いた外部共振器モードにおいて、波長引き込みの不安定状態の指標となる発振スペクトルのサイドモード強度をフィードバックして半導体レーザ１の温度を制御するため、注入電流の変化及び波長引き込み幅の変化に関わらず安定した波長引き込みを持続することができ、波長選択素子５ａ，５ｂが選択した半導体レーザ１の出射光の波長を所望の値に固定（ロック）してから波長変換素子６に入射させることができるので、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定したレーザ動作を継続可能な波長変換レーザ装置を提供することが可能になる。

又、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、波長引き込み幅が狭くても安定した引き込みが可能であるため、波長選択素子５ａ，５ｂの反射率を低下させることができ、波長変換素子６から取り出される光出力の低下を低減することができる。更に、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、波長選択素子５ａ，５ｂにＶＨＧを用いることで、一つの素子内に反射中心波長、バンド幅、及びグレーティングベクトルの異なる第１の回折格子ｇ１，第２の回折格子ｇ２及び第３の回折格子ｇ３を有することができるため、フィードバックのために新たな素子を配置する必要がなく、かつ半導体レーザ自体の発振スペクトルに応じた自由度の高い波長の制御が可能となる。

（第２の実施の形態）
図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る波長変換レーザ装置は、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様に、半導体レーザ１と、半導体レーザ１の出射光Φ₀から第１選択波長λ₁、第１選択波長λ₁より短波長の第２選択波長λ₂、第１選択波長λ₁より長波長の第３選択波長λ₃を選択し、第１選択波長λ₁の光Φ₁を半導体レーザ１に帰還する波長選択素子５ａと、波長選択素子５ａを透過した光Φ₀を波長変換する波長変換素子６と、波長選択素子５ａで選択された第２選択波長λ₂の光Φ₂及び第３選択波長λ₃の光Φ₃を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１の光センサ２８及び第２の光センサ２９と、第１及び第２の電気信号の強度の和が最小になるように半導体レーザ１の波長を制御する波長制御機構（第１制御器）１０とを備えるが、更に、半導体レーザ１と波長選択素子５ａとの間に光ファイバ２、光ファイバ終端部３及び第1のレンズ４１を備えてより安定なフィードバックを実現している。第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様に、波長選択素子５ａと波長変換素子６との間に第２のレンズ４２を備える。

第２の実施形態に係る波長変換レーザ装置においては、半導体レーザ１の後端面は高反射率コートが施され、前端面は低反射率コートが施されている。半導体レーザ１の前面を出射した光は最適な状態で光ファイバ（２）に結合される。光ファイバ（２）を出射した光Φ₀は第1のレンズ４１によって所望のビームに変換され波長選択素子５ａに導かれる。波長選択素子５ａは第１選択波長λ₁の光Φ₁の一部を選択的に反射し、光Φ₁が再び光ファイバ２を通って半導体レーザ１に帰還される。この帰還によって半導体レーザ１は第１選択波長λ₁の光Φ₁の反射中心波長の近傍で発振を開始する。一方、波長選択素子５ａを透過した光は第２のレンズ４２で所望のビームに変換され波長変換素子６によって第２高調波等の短波長の光Φ_tに波長が変換される。

第２の実施形態に係る波長変換レーザ装置においては、半導体レーザ１と光ファイバ２との両方を含む領域の近傍には共通の第１のサーモモジュール７４が配置され、波長選択素子５ａの近傍に第２のサーモモジュール７２が、波長変換素子６の近傍には第３のサーモモジュール７３が更に配置されている。そして、第２のサーモモジュール７２と第３のサーモモジュール７３の出力をそれぞれ個別に制御する温度制御機構（第２制御器）１１が更に配置されている。半導体レーザ１と光ファイバ２は共通の第１のサーモモジュール７４によって温度が制御される。又、波長選択素子５ａは第２のサーモモジュール７２によって、波長変換素子６は第３のサーモモジュール７３によってそれぞれ温度制御される。半導体レーザ１及び波長変換素子６の温度は、第２の実施形態に係る波長変換レーザ装置の運転環境において波長選択素子５ａによる波長の引き込みが安定に行われる温度範囲にある。又、波長変換素子６の温度は波長選択素子５ａによって選択された波長の光を最も効率良く波長変換する温度にチューニングされる。又、第２の実施形態に係る波長変換レーザ装置においても波長選択素子５ａとしては、反射型のＶＨＧによって、グレーティングベクトルの異なる第１の回折格子ｇ１，第２の回折格子ｇ２及び第３の回折格子ｇ３を構成して、第１選択波長λ₁の光Φ₁、第２選択波長λ₂の光Φ₂、第３選択波長λ₃の光Φ₃の選択用に使用することができる。

以上のように、本発明の第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様に半導体レーザ１の発振スペクトルのサイドモード強度をフィードバックして半導体レーザ１の温度を制御するため、注入電流の変化及び波長引き込み幅の変化に関わらず、半導体レーザ１の出射光の波長を所望の値に固定（ロック）してから波長変換素子６に入射させることができるので、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定したレーザ動作が継続可能になる。又、第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、波長選択素子５ａの反射率を低下させることができ、波長変換素子６から取り出される光出力の低下を低減することができ、フィードバックのために新たな素子を配置する必要がなく、簡単かつコンパクトな構造で、半導体レーザ自体の発振スペクトルに応じた自由度の高い波長の制御が可能となる。

（第３の実施の形態）
図７に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置は、第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様に、半導体レーザ１と、出射面となる半導体レーザ１の前面に入力端を近接させ半導体レーザ１の出射光Φ₀を入射させる光ファイバ２と、光ファイバ２の出射端に近接させた光ファイバ終端部３と、光ファイバ終端部３に隣接し、光ファイバ２を透過した半導体レーザ１の出射光Φ₀を集光する第1のレンズ４１と、第1のレンズ４１に隣接して配置され、半導体レーザ１の出射光Φ₀から第１選択波長λ₁、第１選択波長λ₁より短波長の第２選択波長λ₂、第１選択波長λ₁より長波長の第３選択波長λ₃を選択し、第１選択波長λ₁の光Φ₁を半導体レーザ１に帰還する波長選択素子５ａと、波長選択素子５ａを透過した光Φ₀を第２高調波等の短波長の光Φ_tに波長変換する波長変換素子６と、波長選択素子５ａで選択された第２選択波長λ₂の光Φ₂及び第３選択波長λ₃の光Φ₃を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１の光センサ２８及び第２の光センサ２９と、第１及び第２の電気信号の強度の和が最小になるように半導体レーザ１の波長を制御する波長制御機構１０とを備える。

しかしながら、半導体レーザ１の近傍には第１のサーモモジュール７１が、波長選択素子５ａの近傍に第２のサーモモジュール７２が、波長変換素子６の近傍には第３のサーモモジュール７３が、光ファイバ２の近傍には第４のサーモモジュール７５が配置されている点が、第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置とは異なる。そして、第２のサーモモジュール７２、第３のサーモモジュール７３及び第４のサーモモジュール７５の出力をそれぞれ個別に制御する温度制御機構（第２制御器）１１が更に配置されている。

即ち、第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置においては、半導体レーザ１の温度を第１のサーモモジュール７１により、光ファイバ２の温度を第４のサーモモジュール７５により、波長選択素子５ａの温度を第２のサーモモジュール７２により、波長変換素子６の温度を第３のサーモモジュール７３により、それぞれ個別に温度制御可能としている。第１の実施の形態において図５を用いて説明したのと同様に、第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置を構成する半導体レーザ、波長選択素子、波長変換素子及び光ファイバは、それぞれ異なる温度依存性を有するので、第１のサーモモジュール７１、第２のサーモモジュール７２、第３のサーモモジュール７３及び第４のサーモモジュール７５によって、それぞれ半導体レーザ、波長選択素子、波長変換素子及び光ファイバの温度を個別に制御することにより、それぞれの素子の動作ポイントを共通の波長に合わせ込むことにより、それぞれの素子の特性を最大限に生かした最適な制御が可能となる。

以上のように、本発明の第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、第１及び第２の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様に、注入電流の変化及び波長引き込み幅の変化等に関わらず、半導体レーザ１の出射光の波長を所望の値に固定（ロック）してから波長変換素子６に入射させることができるので、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定した発振を継続可能な波長変換レーザ装置を提供することが可能になる。又、第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、波長選択素子５ａの反射率を低下させることができ、波長変換素子６から取り出される光出力の低下を低減することができ、フィードバックのために新たな素子を配置する必要がなく、簡単かつコンパクトな構造で、半導体レーザ自体の発振スペクトルに応じた自由度の高い波長の制御が可能となる。

（第４の実施の形態）
図８に示すように、本発明の第４の実施形態に係る波長変換レーザ装置は、半導体レーザ１と、半導体レーザ１に隣接し、半導体レーザ１の出射光Φ₀を集光する第1のレンズ４１と、半導体レーザ１の出射光Φ₀から第１選択波長λ₁、この第１選択波長λ₁より短波長の第２選択波長λ₂、及び第１選択波長λ₁より長波長の第３選択波長λ₃を選択し、第１選択波長λ₁の光Φ₁を第1のレンズ４１を介して半導体レーザ１に帰還する波長選択素子５ａと、波長選択素子５ａに隣接し、波長選択素子５ａを透過した光Φ₀を集光する第２のレンズ４２と、第２のレンズ４２を介して波長選択素子５ａを透過した光Φ₀を第２高調波等の短波長の光Φ_tに波長変換する波長変換素子６と、波長選択素子５ａで選択された第２選択波長λ₂の光Φ₂及び第３選択波長λ₃の光Φ₃を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１の光センサ２８及び第２の光センサ２９と、半導体レーザ１の近傍に配置された第１のサーモモジュール７１と、第１のサーモモジュール７１を介して、第１及び第２の電気信号の強度の和が最小になるように半導体レーザ１の波長を制御する波長制御機構（第１制御器）１０と、波長選択素子５ａの近傍に配置された第２のサーモモジュール７２と、波長変換素子６の近傍に配置された第３のサーモモジュール７３と、第２のサーモモジュール７２及び第３のサーモモジュール７３の出力をそれぞれ個別に制御する温度制御機構（第２制御器）１１を備える点で、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様であるが、更に、波長変換素子６の出力光Φ_tを分岐するビームスプリッタ等の波長分岐素子４３と、分岐された光Φ_tの一部を第３の電気信号に変換する第３の光センサ２７と、第３の電気信号を用いて半導体レーザ１の注入電流値を制御する、出力制御機構（第３制御器）１３を備える点で、第１の実施の形態に係る波長変換レーザ装置とは異なる。

第４の実施形態に係る波長変換レーザ装置においては、波長変換素子６の出力光Φ_tを波長分岐素子４３にて分岐し、分岐された光Φ_tの一部を第３の光センサ２７にて第３の電気信号に変換し、得られる第３の電気信号を第３制御器１３にて半導体レーザ１の注入電流値を制御し、波長変換素子６で波長変換された光Φ_tの強度が一定になるよう半導体レーザ１にフィードバックする。

第４の実施の形態に係る波長変換レーザ装置によれば、第１〜第３の実施の形態に係る波長変換レーザ装置と同様な、半導体レーザ１の出射光の波長を所望の値に固定（ロック）してから波長変換素子６に入射させることができるので、動作環境や動作条件の変動が生じた場合においても、高出力でかつ安定した発振を継続可能になり、又、波長選択素子５ａの反射率を低下させることができ、波長変換素子６から取り出される光出力の低下を低減することができ、フィードバックのために新たな素子を配置する必要がなく、簡単かつコンパクトな構造で、半導体レーザ自体の発振スペクトルに応じた自由度の高い波長の制御が可能となる効果に加え、更に波長変換された光Φ_tの強度が極めて安定に得られるという効果がある。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、第１〜第４の実施の形態で説明したそれぞれの技術的思想を互いに組み合わせることも可能である。具体的には、第４の実施の形態に係る波長変換レーザ装置で説明した、波長変換素子６の出力を波長分岐素子４３にて分岐し、分岐された光の一部を第３の光センサ２７にて第３の電気信号に変換して、波長変換素子６で波長変換された光Φ_tの強度が一定になるよう半導体レーザ１にフィードバックする技術思想を、第２又は第３の実施形態に係る波長変換レーザ装置に適用しても、第４の実施形態に係る波長変換レーザ装置と同様な、出力強度が極めて安定に得られるという効果を実現することが可能である等、それぞれの技術的思想にそった種々の組み合わせが可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…半導体レーザ
２…光ファイバ
３…光ファイバ終端部
５ａ，５ｂ…波長選択素子
６…波長変換素子
１０…波長制御機構（第１制御器）
１１…温度制御機構（第２制御器）
１３…出力制御機構（第３制御器）
２７…第３の光センサ
２８…第１の光センサ
２９…第２の光センサ
４１…第1のレンズ
４２…第２のレンズ
４３…波長分岐素子
５１…第１の光学媒体
５２…第２の光学媒体
５３…第３の光学媒体
７１，７４…第１のサーモモジュール
７２…第２のサーモモジュール
７３…第３のサーモモジュール
７５…第４のサーモモジュール
ｇ１…第１の回折格子
ｇ２…第２の回折格子
ｇ３…第３の回折格子

Claims (8)

1. 基本波を発振する半導体レーザと、
   前記半導体レーザの出射光から第１選択波長、該第１選択波長より短波長の第２選択波長、及び該第１選択波長より長波長の第３選択波長を選択し、該第１選択波長の光を前記半導体レーザに帰還する波長選択素子と、
   前記波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、
   前記波長選択素子で選択された第２選択波長及び第３選択波長の光を、それぞれ第１及び第２の電気信号に変換する第１及び第２の光センサと、
   前記第１及び第２の電気信号の強度の和が最小になるように前記半導体レーザの波長を制御する波長制御機構
   とを備えることを特徴とする波長変換レーザ装置。
2. 前記波長選択素子が、
   前記第１選択波長を反射中心波長とする第１の回折格子と、
   前記第１の回折格子とはグレーティングベクトルが異なり、前記第２選択波長を反射中心波長とする第２の回折格子と、
   前記第１及び第２の回折格子とはグレーティングベクトルが異なり、前記第３選択波長を反射中心波長とする第３の回折格子
   とを同一光学媒体中に設けたボリュームホログラフィックグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
3. 前記波長変換素子で波長変換された光を分岐する波長分岐素子と、
   該波長分岐素子分岐された光の一部を第３の電気信号に変換する第３の光センサと、
   前記第３の電気信号を用いて、前記半導体レーザの注入電流値を制御し、前記波長変換された光の強度を一定する出力制御機構
   とを更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長変換レーザ装置。
4. 前記半導体レーザの近傍に配置され、前記半導体レーザの温度を変更する第１のサーモモジュールを更に備え、
   前記波長制御機構は、前記第１のサーモモジュールを介して前記半導体レーザの温度を制御することにより前記半導体レーザの波長を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換レーザ装置。
5. 前記半導体レーザの出射側に光結合された光ファイバを更に備え、該光ファイバを通して、前記半導体レーザの出射光が、前記波長選択素子に入射することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
6. 前記半導体レーザと前記光ファイバを含む領域の近傍に配置され、前記半導体レーザと前記光ファイバの温度を変更する第１のサーモモジュールを更に備え、
   前記波長制御機構は、前記第１のサーモモジュールを介して前記半導体レーザと前記光ファイバの温度を制御し、これにより前記半導体レーザの波長を制御することを特徴とする請求項５に記載の波長変換レーザ装置。
7. 前記波長選択素子の近傍に配置され、前記波長選択素子の温度を変更する第２のサーモモジュールと、
   前記波長変換素子の近傍に配置され、前記波長変換素子の温度を変更する第３のサーモモジュールと、
   前記第２及び第３のサーモモジュールの出力を制御する温度制御機構
   とを更に備えることを特徴とする請求項４又は６に記載の波長変換レーザ装置。
8. 前記波長選択素子の近傍に配置され、前記波長選択素子の温度を変更する第２のサーモモジュールと、
   前記波長変換素子の近傍に配置され、前記波長変換素子の温度を変更する第３のサーモモジュールと、
   前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバの温度を変更する第４のサーモモジュールと、
   前記第２、第３及び第４のサーモモジュールの出力を制御する温度制御機構
   とを更に備えることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ装置。

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