JP5155341B2 - 高調波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は高調波発生装置に関するものである。

光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するために、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザと、擬似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なＳＨＧデバイスが実現でき、光通信用、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。
ＩＱＥＣ／ＣＬＥＯ−ＰＲ ２００５，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，Ｊｕｌｙ １１−１５，２００５，ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒ ＰＤＧ−２では、ＤＦＢレーザーダイオードからの基本波を集光レンズ系で集光し、ＰＰＬＮ光導波路素子へと向かって照射して高調波（緑色光）を得、この高調波を集光し、発振させている。ＰＰＬＮ光導波路素子は、ＭｇＯをドープしたニオブ酸リチウム単結晶基板に光導波路を形成し、この光導波路内に周期分極反転構造を形成したものである。ニオブ酸リチウム単結晶の光導波路素子の入射側端面および出射側端面は、図１（ａ）に示すように、光導波路に対する垂直面から大きく傾斜するように研磨する。これによって、レーザ発振源への戻り光の入射を防止している。

ＩＱＥＣ／ＣＬＥＯ−ＰＲ ２００５，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，Ｊｕｌｙ １１−１５，２００５，ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒ ＰＤＧ−２記載のようなレンズ結合方式の高調波発振装置では、光導波路基板の入射側および出射側端面が斜めになるように研磨されているので、光導波路基板に向かってレンズを近づけることができない。そのため、大きな径で焦点距離の長いレンズを使用する必要がある。このような大径のレンズを高調波発振素子内に収容する必要があることから、発振装置を小型化することができない。しかも，レンズ径が大きくなると、光導波路基板のスラブ部分から出射する出射光や散乱光も受光してしまうため、ビーム品質が劣化してしまう。
本発明の課題は、導波路型波長変換素子を使用したレーザ光源を小型化すると共に、素子からレーザ発振源への戻り光を防止して発振を安定化し、同時に出射ビームの品質を向上させることである。
本発明は、固体レーザ発振体、
この固体レーザ発振体から発振されるレーザ光の波長を変換して高調波を発生する変調用光導波路、レーザ光の入射側端面、高調波の出射側端面面、一方の側面および他方の側面を有する導波路型高調波発生素子、
固体レーザ発振体から発振されるレーザ光を導波路型高調波発生素子の入射側端面へと集光する第一のレンズ系、および
導波路型高調波発生素子の出射側端面から出射した高調波を集光する第二のレンズ系を備えている高調波発生装置であって、
出射側端面が、一方の側面側に形成されている研磨面と、他方の側面側に形成されている光散乱面とを備えており、一方の側面と研磨面とのなす角θが鈍角であり、他方の側面と光散乱面のなす角αが鈍角又は直角であることを特徴とする。
本発明によれば、導波路型高調波発生素子の出射側端面が、変換用光導波路から見て一方の側に形成されている研磨面と、光導波路から見て他方の側に形成されている光散乱面とを備えており、一方の側面と研磨面とのなす角θが鈍角であり、他方の側面と光散乱面のなす角αが鈍角又は直角である。この結果、レンズ系を素子の光散乱面に近づけて配置することが可能である。これによって、焦点距離の短い、径の小さいレンズを使用できるので、光学系の全体を小さくすることができ、高調波発生装置の全体を小型化することが可能である。
更に、研磨面を側面に対して鈍角に形成することによって、戻り光が発振源に対して入射しにくく、発振状態を安定させることが可能である。
更に、レンズ系を出射側の光散乱面の近くに設置することで、研磨面から出射した不要なスラブモードのビームはレンズに結合しにくくなり、光散乱面からの出射ビームは拡散してしまうため、レンズに集光されない。従って、光導波路から出射した所望の高調波のみを効率的に集めることができ、細くてノイズの少ない高調波ビームを得ることができる。

図１（ａ）は、従来例の装置の要部を示す模式図であり、図１（ｂ）は、本発明例の装置の要部を示す模式図である。
図２は、従来例の装置において、高調波およびスラブモード光の結合状態を示す模式図である。
図３は、本発明例の装置において、高調波およびスラブモード光の結合状態を示す模式図である。
図４は、本発明例の導波路型高調波発生素子の出射側端面を示す図である。
図５は、本発明例の発振装置を示す模式図である。
図６は、従来例の発振装置を示す模式図である。
図７は、本発明で使用できる導波路型高調波発生素子１を示す要部断面図である。
図８は、本発明例の素子の端面形成方法を説明するための模式図である。

以下、本発明を更に具体的に説明する。
図１（ａ）は、従来の高調波発振装置の要部を示す模式図である。導波路型高調波発生素子１９には光導波路２が形成されており、光導波路２には波長変換機能が付与されている。導波路型高調波発生素子２の入射側端面１３および出射側端面１４は、いずれも光学研磨面であり、それぞれ平面をなしている。従って、出射面１４と一方の側面１９ａがなす角θは鈍角であり、出射面１４と他方の側面１９ｂとがなす角αは鋭角である。入射側端面と対向するように集光レンズ系１７が設置されており、出射側端面１４と対向するようにレンズ系１８が設置されている。
基本波は、矢印Ａのようにレンズ系１７で集光され、光導波路の端面２ａから入射し、光導波路内で波長変換を受ける。高調波は、矢印Ｂのように端面２ｂから出射し、矢印Ｂのようにレンズ系１８で集光される。
しかし、この例では、鋭角に形成された部分Ｐが平面的に見てレンズ系へと向かって突出しているので、レンズ系１７、１８を端面１３、１４へと向かって近づけることができない。このため、レンズ系１７、１８の口径を大きくする必要がある。図６に模式的に示すように、発振装置２６のパッケージ２１内の空間２２に、固体レーザ発振体２３、集光レンズ系２７、１７、導波路型高調波発生素子１９、レンズ系１８を設置した場合、レンズ系１７、１８の口径が大きくなることから、パッケージ２１を小型化することは難しい。
更に、図２に示すように、出射側端面１４からは、所望の高調波９が出射してレンズ系１８によって集光されて１１のように発振される。しかし、レンズ１８の口径が大きいので、同時に、不要なスラブモードの出射光１０も出射側端面１４から出射し、レンズ１８によって集光され、１２のように発振される。このように不要なスラブモード光１０が重畳される結果、細い高調波ビームを得ることができず、高調波ビームのノイズが増大する。
これに対して、本発明例によれば、図１（ｂ）に示すように、素子１の出射側端面が、変換用光導波路２から見て一方の側面１ａ側に形成されている研磨面６と、他方の側面１ｂ側に形成されている光散乱面５とを備えている。そして、一方の側面１ａと研磨面６とがなす角θは、図１（ａ）と同様に鈍角である。しかし、他方の側面１ｂと光散乱面５とがなす角αは、鋭角ではなく、鈍角または直角とする。
また、図１（ｂ）の例では、素子１の入射側端面が、光導波路２から見て他方の側面１ｂ側に形成されている研磨面３と、一方の側面１ａ側に形成されている光散乱面４とを備えている。そして、他方の側面１ｂと研磨面３とがなす角θは、図１（ａ）と同様に鈍角である。しかし、一方の側面１ａと光散乱面４とがなす角αは、鋭角ではなく、鈍角または直角とする。
本例では、鋭角に形成された部分Ｐがなく、図３、図５に示すように、光散乱面４、５は側面に対して鈍角または直角をなしている。この結果、レンズ系７、８を光散乱面に近づけることができ、従ってレンズ系の口径を小さくすることができる。この結果、図５に模式的に示すように、発振装置２０のパッケージ２１内の空間２２に、固体レーザ発振体２３、集光レンズ系２５、７、導波路型高調波発生素子１、レンズ系８を設置した場合、レンズ系７、８の口径を小さくできることから、パッケージ２１を小型化することができる。
更に、図３に模式的に示すように、光導波路の端面からは、所望の高調波９が出射してレンズ系８によって集光されて１６のように発振される。研磨面６からも不要なスラブモードの光１０が出射するが、レンズ８の口径が小さいので、レンズ８内には集光されにくく、ノイズになりにくい。これと同時に、レンズに近い光散乱面５からも光が出射するが、この光１５は散乱光となるので、やはりレンズ８には結合しにくく、ノイズとならない。この結果、ノイズの少ない細い高調波ビーム１６が得られる。
本発明においては（図４参照）、出射側端面においては、一方の側面１ａと研磨面６とのなす角θが鈍角である。また、入射側端面においては、他方の側面１ｂと研磨面とのなす角θが鈍角である。
鈍角とは、９０°より大きい角度を指す用語として当業者にとって明確である。ただし、レーザ発振体への戻り光を防止するという観点からは、θは９３°以上が好ましく、９８°以上が更に好ましい。また、製造上の観点からは、θは１２０°以下が好ましい。
本発明においては（図４参照）、出射側端面においては、他方の側面１ｂと光散乱面５とのなす角αが鈍角または直角である。また、入射側端面においては、一方の側面１ａと光散乱面とのなす角αが鈍角または直角である。
鈍角とは、９０°より大きい角度を指す用語として当業者にとって明確である。入射面、出射面へとレンズ系を接近させるという観点からは、αは直角であってもよいが、鈍角の場合には９３°以上が好ましい。また、製造上の観点からは、αは、１２０°以下であることが好ましい。
本発明においては、導波路型高調波発生素子の幅Ｗは特に限定されない。しかし、素子のハンドリング強度という観点からは、Ｗは、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
本発明においては、研磨面と光散乱面との一方が一方の側面側に設けられており、他方が他方の側面側に設けられている。ここで、研磨面と光散乱面との境界は、光導波路の端面にあってもよい。しかし、好適な実施形態においては、図４に示すように、研磨面６（３）が、光導波路の端面２ｂ（２ａ）を超えて、光散乱面５（４）の方へと向かって寸法ｄだけ延びている。この寸法ｄは限定されないが、光導波路２の端面からの戻り光を防止するという観点からは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。
本発明において、研磨面のＲａは限定されないが、光導波路から発振する高調波の効率を上げ、散乱を防止するために、５ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以下であることが更に好ましい。また、研磨方法は限定されないが、メカノケミカル法による研磨加工が好ましい。
本発明において、光散乱面のＲａは、効率的に光を散乱させるという観点からは、１０ｎｍ以上であることが好ましい。光散乱面は、例えば素子を切断したまま研磨していない切断面であってよい。また、この切断面を研磨あるいは研削加工することも可能であるが、この際に光学研磨の水準までＲａが小さくならないようにする。
好適な実施形態においては、導波路型高調波発生素子が、導波路が接合層あるいは基板から突出するリッジ型の波長変換素子である。このような素子をレーザ光源と組み合わせることによって、駆動電圧、発熱量を特に低減できる。
好適な実施形態においては、三次元光導波路がリッジ型の光導波路であり、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。そして、三次元光導波路が、非晶質材料からなる接合層を介して基板に接合されている。
図７は、本発明の一実施形態で使用できる導波路型高調波発生素子１を概略的に示す断面図である。
強誘電体層３５は、波長変換機能を有するリッジ型光導波路２、波長変換部２の両側に設けられている溝形成部３６Ａ、３６Ｂおよび各溝形成部の外側に設けられている延在部３７Ａ、３７Ｂを備えている。強誘電体層３５の表面には表面側バッファ層３８が形成されており、背面側には背面側バッファ層３９が形成されている。強誘電体層３５は、バッファ層３９、接着層４０を介して支持基板４１に対して接合されている。なお、強誘電体層の背面とは、支持基板に対して接合される側の主面であり、表面とは、背面の反対側の主面である。
光導波路内における波長変換手段は特に限定されない。好適な実施形態においては、光導波路内に周期分極反転構造を形成し、これによって基本光の波長を変換して高調波を出力する。このような周期分極反転構造の周期は波長に応じて変更する。また周期分極反転構造の形成方法も特に限定されないが、電圧印加法が好ましい。
あるいは、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウム、ニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体のような非線形光学結晶を使用し、入射する基本光の波長を高調波に変換することも可能である。
強誘電体層を構成する材質は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
接合層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
支持基体４１の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Ｓｉなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体層と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。

（本発明例）
図１（ｂ）、図３、図５および図７を参照しつつ説明した発振装置を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期４．２０μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。基板裏面に全面にわたって電極膜を形成したのち、パルス電圧を印加して周期分極反転構造を形成した。
基板に周期分極反転構造を形成した後、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２アンダークラッド３９をスパッタ法によって成膜した。厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板４１に接着剤を４１塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ３．６μｍとなるまで研削、研磨した。そして、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型導波路２を形成した。
光導波路２の形成後、ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍで素子を切断し、図８に示す素子３２を得た。この素子を図８のように定盤３０および治具３１にセットし、両端面３２ａ、３２ｂを研磨し、研磨面を形成した。素子の両端面にそれぞれ反射防止膜を形成した。
半導体レーザ２３と光導波路素子１とを図５のようにパッケージ２１内に実装した後、各レンズ２５、７、８を光軸調整後、樹脂によって固定した。レンズの有効開口径は０．６ｍｍ、ＮＡは０．５５のレンズを使用した。このとき、ａは７ｍｍ、ｂは１８ｍｍにできた。半導体レーザ２３からの発振出力を３５０ｍＷに調整し、２６０ｍＷが光導波路２に結合できた。
半導体レーザ２３の波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１４２ｍＷの第二高調波出力が得られた。その際の基本光の波長は９１９．７ｎｍであった。出射第二高調波のビーム径は０．５ｍｍ（１／ｅ^２）が得られた。また、出射した第二高調波のＭ２値をビームプロファイラで測定したところ、１．０８であり、良好なビーム品質が得られた。Ｍ２値は、理想的なガウシアンビームの場合は１．０になる。ビームのプロファイルが崩れる程、大きな値になる。
（比較例）
図１（ａ）、図２、図６、図７に示す形態の高調波発振装置を作製した。
具体的には、実施例と同様にして、図７に示す形態の導波路型高調波発生素子を作製した。次いで、ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍの寸法になるように素子３２を切断した後、図８の様に定盤３０および治具３１にセットし、両端面３２ａ、３２ｂを端面研磨した。端面研磨後、両端に反射防止膜を施した。
半導体レーザ２３と導波路素子１９を図６の様にパッケージ２１内に実装した後、各レンズ２７、１７、１８を光軸調整後、樹脂によって固定した。レンズの有効開口径は２．０ｍｍ、ＮＡは０．５５のレンズを使用した。このとき、ａは１０ｍｍ、ｂは２６ｍｍにできた。
半導体レーザ２３からの発振出力を３５０ｍＷに調整し、２６０ｍＷが導波路に結合できた。半導体レーザーの波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１４２ｍＷの第二高調波出力が得られた。その際の基本光の波長は９１９．７ｎｍであった。出射した第二高調波のビーム径は１．９ｍｍ（１／ｅ^２）であり、Ｍ２値は１．２１が得られた。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。

Claims (3)

1. 固体レーザ発振体、
   この固体レーザ発振体から発振されるレーザ光の波長を変換して高調波を発生する変調用光導波路、前記レーザ光の入射側端面、前記高調波の出射側端面、一方の側面および他方の側面を有する導波路型高調波発生素子、
   前記固体レーザ発振体から発振される前記レーザ光を前記導波路型高調波発生素子の前記入射側端面へと集光する第一のレンズ系、および
   前記導波路型高調波発生素子の前記出射側端面から出射した前記高調波を集光する第二のレンズ系を備えている高調波発生装置であって、
   前記出射側端面が、前記一方の側面側に形成されている研磨面と、前記他方の側面側に形成されている光散乱面とを備えており、前記一方の側面と前記研磨面とのなす角θが鈍角であり、前記他方の側面と前記光散乱面のなす角αが鈍角または直角であることを特徴とする、高調波発生装置。
2. 前記入射側端面が、前記他方の側面側に形成されている研磨面と、前記一方の側面側に形成されている光散乱面とを備えており、前記他方の側面と前記研磨面とのなす角θが鈍角であり、前記一方の側面と前記光散乱面のなす角αが鈍角または直角であることを特徴とする、請求項１記載の高調波発生装置。
3. 前記変調用光導波路が、リッジ型光導波路であることを特徴とする、請求項１または２記載の高調波発生装置。

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