JP5159783B2

JP5159783B2 - 波長変換素子および波長変換レーザ装置

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Publication number: JP5159783B2
Application number: JP2009532006A
Authority: JP
Inventors: 康晴小矢田; 隆行柳澤; 修平山本; 嘉仁平野; 勉永塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: CN101802704B; CN101802704A; US8094690B2; EP2192443B1; JPWO2009034625A1; WO2009034625A1; US20100303108A1; EP2192443A4; EP2192443A1

Description

本発明は、平面導波路内でレーザ光の波長変換を行なう波長変換素子および波長変換レーザ装置に関するものである。

プリンターやプロジェクションテレビなどのカラー画像を表示する装置では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。近年、これらの光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光とし、非線形材料を用いて基本波レーザ光を半分の波長（２倍の周波数）の第２高調波に変換（ＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ））する波長変換レーザ装置（レーザ発振器）が開発されている。

ＳＨＧでは、所望の波長を有したレーザ光を効率良く抽出するために、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現する必要がある。波長変換素子内で基本波レーザ光から第２高調波レーザ光へ変換するためには、変換前の基本波レーザ光と変換後の第２高調波との間で、位相整合条件を満足させなければならない。位相整合条件は、波長変換素子において基本波レーザ光と第２高調波レーザ光の位相ずれを補正する条件である。位相整合条件を満たして波長変換を行なう素子としては、例えば周期構造を用いた擬似位相整合（ＱＰＭ（ＱｕａｓｉＰｈａｓｅＭａｔｃｈｉｎｇ））素子が知られている。このＱＰＭ波長変換素子では、非線形光学結晶である周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ（ＰｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙＰｏｌｅｄＬｉｔｈｉｕｍＮｉｏｂａｔｅ））などに光導波路を形成し、導波方向に沿って分極を周期的に反転させている。

ところが、ＱＰＭ波長変換素子では、基本波の波長、および波長変換素子の温度に対する位相整合条件の許容度（位相整合帯域幅）が狭い。このため、位相整合帯域幅を広くする方法として、分極反転周期のピッチなどを徐々に変化させた構造（分極反転の周期構造をチャープ状に変化させる構造）のＱＰＭ波長変換素子が提案されている。

特許文献１に記載の光波長変換素子は、非線形光学結晶に形成した周期状の分極反転構造を有し、分極反転構造が単一の周期部分（単一周期部分）と、徐々に周期が変化しているチャープ周期部分と、を有している。

特開２０００−３２１６１０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、導波路における高次のレーザ発振モード（高次モード）で基本波が発振した場合に、高次モードの基本波に対して位相整合条件を満たさないので、高次モードの基本波を効率良く波長変換することができない。このため、複数のレーザ発振モードに対する波長変換効率が低くなるという問題があった。また、高次モードの基本波の発生を抑制するためには、波長変換素子を薄くしなければならないが、波長変換素子の薄型化は困難であるといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で基本波波長を効率良く波長変換する波長変換素子および波長変換レーザ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、平板状の非線形光学材料を有するとともに、光軸に対して垂直な方向である前記平板状の主面に垂直な方向に導波路における高次モードを含む複数のレーザ発振モードで発振したレーザ光の基本波を伝播して、前記高次モードの基本波を波長変換する平面導波路型の波長変換素子において、前記非線形光学材料は、前記基本波の波長に対する位相整合帯域幅が複数のレーザ発振モードのうち少なくとも高次モードを含む２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう分極反転の周期が変化させられて、非分極反転領域と分極反転領域とが形成されていることを特徴とする。

本発明に係る波長変換素子は、少なくとも２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう非線形光学材料の分極反転の周期を変化させているので、簡易な構成で基本波波長を効率良く波長変換することが可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の構成を側面方向から見た断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。図３は、波長変換素子の構成を示す斜視図である。図４は、波長変換素子の分極反転パターンを説明するための図である。図５は、レーザ発振モードの高次モードへの移乗を説明するための図である。図６は、位相整合帯域の広帯域化を説明するための図である。図７は、各レーザ発振モードの基本波波長と波長変換素子の温度との関係を示す図である。図８は、各レーザ発振モードの基本波波長と分極反転周期の関係を示す図である。図９は、０次モードと１次モードの基本波波長を波長変換する際の分極反転周期の一例を示す図である。図１０は、図９に示した分極反転周期で複数モードの波長変換を行なった場合の波長変換効率を示す図である。図１１は、図９に示した分極反転周期で多波長発振の波長変換を行なった場合の波長変換効率を示す図である。図１２は、従来用いられていた波長変換素子の波長変換効率を示す図である。図１３は、分極反転周期を曲線的に変化させた場合の分極反転周期の一例を示す図である。

符号の説明

１非線形光学材料
２，３，２２，２３クラッド
４分極反転層
６光学軸
１０波長変換素子
１１ａ，１１ｂ，２５ａ，２５ｂ端面
２０固体レーザ素子
２１レーザ媒質
３０半導体レーザ
１００波長変換レーザ装置
Ａ位相整合帯域
Ｌ高調波レーザ光

以下に、本発明に係る波長変換素子および波長変換レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の構成を側面方向から見た断面図であり、図２は、本発明の実施の形態に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。なお、図１および図２では、レーザ発振方向を表す光学軸を光学軸６で示している。

平面導波路型の波長変換レーザ装置１００は、複数のレーザ発振モード（０次モードや１次モードなど）で発振する基本波を波長変換できるよう、分極反転周期のピッチなどを徐々に変化させたレーザ発振器である。波長変換レーザ装置１００は、例えば光情報処理分野などにおいて、レーザディスプレイ装置や光メモリ装置の光源に使用される。

波長変換レーザ装置１００は、半導体レーザ３０と、固体レーザ素子２０と、本発明の主たる特徴である波長変換素子（導波路型波長変換素子）１０と、を含んで構成されている。

半導体レーザ３０は、１〜複数の活性層から１〜複数のＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）光を出力する。半導体レーザ３０は、複数のＬＤ光を出力する場合には、ＬＤ光をアレー状に出射し、固体レーザ素子２０にマルチエミッタ発振を行なわせる。固体レーザ素子２０は、基本波レーザ光を発振させる素子であり、レーザ媒質２１とクラッド（低屈折率部）２２，２３を有している。波長変換素子１０は、発振した基本波レーザ光を第２高調波レーザ光に変換するとともに、変換した第２高調波レーザ光を出射する素子である。波長変換素子１０は、スラブ型の導波路構造を有しており、非線形光学材料１とクラッド２，３を有している。

以下では、説明の便宜上、光学軸６をｚ軸方向とし、波長変換レーザ装置１００の主面と垂直な方向をｙ軸方向とし、ｙ軸とｚ軸の両方に垂直な方向（波長変換素子１０などの幅方向）をｘ軸方向として説明する。

半導体レーザ３０、レーザ媒質２１、非線形光学材料１は、それぞれ概略矩形状の平板状を成しており、各平板状の主面がｘｚ平面と平行になるよう配設（１枚の平面内に並設）されている。レーザ媒質２１は、レーザ媒質２１の１つの側面（ｚ軸に垂直な端面２５ａ）で半導体レーザ３０に近接し、この側面と対向する側面（ｚ軸に垂直な端面２５ｂ）で非線形光学材料１と近接するよう、半導体レーザ３０と非線形光学材料１の間に配設されている。非線形光学材料１は、光学軸６に垂直な端面１１ａおよび端面１１ｂを有しており、端面１１ａがレーザ媒質２１の端面２５ｂに近接して配置されている。非線形光学材料１の端面１１ｂは、第２高調波レーザ光Ｌを出射する側の端面である。

半導体レーザ３０とレーザ媒質２１とが近接する近接面は、半導体レーザ３０とレーザ媒質２１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有し、レーザ媒質２１と非線形光学材料１とが近接する近接面は、レーザ媒質２１と非線形光学材料１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有している。

換言すると、波長変換レーザ装置１００では、半導体レーザ３０の出射面、レーザ媒質２１の端面２５ａ，２５ｂ、非線形光学材料１の端面１１ａ，１１ｂがそれぞれ、平行となるよう半導体レーザ３０、固体レーザ素子２０、波長変換素子１０が配設されている。半導体レーザ３０には、必要に応じて冷却用のヒートシンク（図示せず）を接合してもよい。半導体レーザ３０のｘ軸方向の幅は、レーザ媒質２１のｘ軸方向の幅とほぼ等しく、半導体レーザ３０はｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ３０は、例えばＬＤ光を出力する活性層を複数配置したマルチエミッタ半導体レーザなどである。半導体レーザ３０がマルチエミッタ半導体レーザである場合、半導体レーザ３０では、レーザ光出射面のｘ軸方向に活性層が並ぶよう各活性層を配置しておく。この場合、半導体レーザ３０は複数の活性層から複数のＬＤ光を出力するので、固体レーザ素子２０は、ｘ軸方向に複数並んだ各活性層からそれぞれのレーザ出力光を得ることができる。半導体レーザ３０から出力されたＬＤ光は、端面２５ａからレーザ媒質２１のｘｚ平面方向（ｘｙ平面に垂直な光学軸６方向）に入射してレーザ媒質２１に吸収される。

レーザ媒質２１の端面２５ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜であり、レーザ媒質２１の端面２５ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜である。非線形光学材料１の端面１１ａは基本波レーザ光を透過させるとともに第２高調波レーザ光Ｌを反射する光学膜（部分反射膜）であり、非線形光学材料１の端面１１ｂは基本波レーザ光を反射するとともに第２高調波レーザ光Ｌを透過させる光学膜（部分反射膜）である。これらの全反射膜、反射防止膜、光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層することによって作製される。なお、半導体レーザ３０から出力される励起光を、レーザ媒質２１の端面２５ａから入射する場合には、端面２５ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。

レーザ媒質２１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。レーザ媒質２１としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。レーザ媒質２１は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどである。

クラッド２２，２３は、レーザ媒質２１よりも小さな屈折率を有しており、レーザ媒質２１のｘｚ平面に平行な面（クラッド２３の上面とクラッド２２の下面）でレーザ媒質２１の主面に接合されている。クラッド２２，２３は、例えば、光学材料を原料とした膜をレーザ媒質２１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによってレーザ媒質２１と光学的に接合する方法によって作製されている。クラッド２３の下面側には、冷却用のヒートシンク（図示せず）を接合してもよい。

非線形光学材料１は、レーザ媒質２１側から入射してくる基本波レーザ光を波長変換して、第２高調波レーザ光Ｌを出力する。非線形光学材料１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。非線形光学材料１としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。非線形光学材料１は、例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などである。また、非線形光学材料１として、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるので、高効率な波長変換が可能となる。さらに、非線形光学材料１として、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいので、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などよりもさらに高効率な波長変換が可能となる。

クラッド２，３は、非線形光学材料１よりも小さな屈折率を有しており、非線形光学材料１のｘｚ平面に平行な面（クラッド３の上面とクラッド２の下面）で非線形光学材料１の主面に接合されている。クラッド２，３は、例えば、光学材料を原料とした膜を非線形光学材料１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによって非線形光学材料１と光学的に接合する方法によって作製されている。

本実施の形態では、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現するために、波長変換素子１０にＱＰＭ波長変換素子（擬似位相整合波長変換素子）を用いる。波長変換素子１０では、導波路における高次のレーザ発振モード（高次モード）で基本波が発振した場合に、高次モードの基本波を波長変換できるよう、分極反転の周期をチャープ状に変化（分極反転の周期構造を変調）させておく。例えば、分極反転の周期を距離に比例して増大させる線形チャープ構造によって基本波の波長、および波長変換素子の温度に対する位相整合条件の許容度（位相整合帯域幅）を拡大させる。換言すると、本実施の形態では、分極反転の周期をチャープ状に変化させることによって、基本波レーザ光の可変帯域幅を広くし、位相整合条件を緩和する。本実施の形態では、複数のレーザ発振モードのうち少なくとも２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう、非線形光学材料１の分極反転周期を変化させておく。具体的には、例えば０次のレーザ発振モード（０次モード）で発振する基本波と１次のレーザ発振モード（１次モード）で発振する基本波を波長変換できるよう、非線形光学材料１の分極反転周期のピッチなどを徐々に変化させておく。

図３は、波長変換素子の構成を示す斜視図である。同図に示すように、波長変換素子１０の非線形光学材料１は、複数の分極反転層４を有している。分極反転層４は、一定方向に分極した単結晶誘電体材料の分極の方向を反転させたものである。非線形光学材料１内では、非分極反転領域と分極反転領域（分極反転層４）が交互に形成されている。これにより、非線形光学材料１内には、周期的に分極反転層４が形成されている。各分極反転層４は、概略平板状をなすとともに、平板状の主面がｘ軸方向およびｙ軸方向と平行になるよう、クラッド２，３で挟持されている。

非線形光学材料１は、レーザ媒質２１からの基本波（基本波レーザ光）を端面１１ａ側からレーザ入力して、交互に配設された非分極反転領域内と分極反転領域内とを順番に伝播させていく。非線形光学材料１に基本波レーザ光が入射してくると、非線形光学材料１は非線形効果によって基本波レーザ光を第２高調波レーザ光に変換する。非線形光学材料１では、基本波レーザ光が第２高調波レーザ光に変換されるよう、予め結晶軸角度、温度、反転分極の周期などを最適化しておく。非線形光学材料１に入射した基本波レーザ光は、一部が第２高調波レーザ光に変換されて端面１１ｂから外部にレーザ出力される。

第２高調波レーザ光に変換されずに非線形光学材料１内に残留した基本波レーザ光は、端面１１ｂで全反射されて、再度、非線形光学材料１内を通過し、第２高調波レーザ光に変換される。この残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第２高調波レーザ光は、端面１１ａで全反射して端面１１ｂより外部にレーザ出力される。

図４は、波長変換素子の分極反転パターンを説明するための図である。図４では、非線形光学材料１を上面（ｙ軸方向）からみた場合の、分極反転パターンを示している。非線形光学材料１の分極反転パターンは、プラス（＋）の分極層（非分極反転領域）とマイナス（−）の分極層（分極反転層４）からなる１組の分極層を、ｚ軸方向に複数組配設した構成となっている。換言すると、ｚ軸方向に、非分極反転領域と分極反転領域とが交互に配設されている。

非線形光学材料１では、各分極層を、端面１１ａ〜端面１１ｂまで分極反転周期Λ₁〜Λ_X（Ｘは自然数）で配置している。換言すると、非線形光学材料１では、導波方向に沿って分極を周期的に反転させている。例えば、端面１１ａの近傍に配設される１組目の分極層は、分極反転周期Λ₁である。また、ｉ（ｉは１〜Ｘの自然数）組目の分極層は分極反転周期Λ_iであり、端面１１ｂの近傍に配設されるＸ組目の分極層は、分極反転周期Λ_Xである。

各分極層でのデューティ比は、α_i／Λ_iである。したがって、各分極反転周期Λ₁〜Λ_Xでのデューティ比は、それぞれα₁／Λ₁〜α_X／Λ_Xである。本実施の形態の非線形光学材料１では、チャープ周期の周期変化量を例えばΔΛとする。換言すると、Λ_i＝Λ₁＋（ｉ×ΔΛ）を満たすように各分極反転周期Λ₁〜Λ_Xを変化させて、非線形光学材料１にチャープ周期を設定しておく。これにより、非線形光学材料１での分極反転周期は、レーザ光の入射端面（端面１１ａ）からレーザ光の出射端面（端面１１ｂ）に向けて徐々に長くなる。逆に、ΔΛを負の値として短くなるようにしてもよい。

また、各分極層でのデューティ比を変化させてもよい。例えば、各分極層でのデューティ比を、端面１１ａから端面１１ｂに向けて徐々に変化させる。端面１１ａから端面１１ｂの一部だけを変化させてもよい。分極反転周期やデューティ比を変化させることによって、波長の異なる複数のレーザ光を効率良く波長変換できることとなる。

図５は、レーザ発振モードの高次モードへの移乗を説明するための図である。波長変換素子１０では、波長変換によって位相整合帯域で波長変換を行なうと、位相整合帯域ピークでの損失が増加する。これにより、導波路（非線形光学材料１）では、例えば０次モードから１次モードへレーザ発振モードが移乗し（Ｓ１）、さらに１次モードから２次モードへレーザ発振モードが移乗して（Ｓ２）、複数のレーザ発振モードを形成する。レーザ発振モードでは、モード毎に波長変換に適した波長変換素子の温度が異なるので、各モードに対する位相整合条件も異なる。このため、モード毎にＰＰＬＮピッチ（分極反転周期）が異なる。

したがって、本実施の形態では、図６に示すように、少なくとも２つのレーザ発振モードを包括するよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広帯域化する。偶数次のレーザ発振モードは、偶数次のレーザ発振モードと結合しやすく、奇数次のレーザ発振モードは、奇数次のレーザ発振モードと結合しやすいので、本実施の形態では、例えば偶数次のレーザ発振モードと奇数次のレーザ発振モードとを包括するよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広げる。具体的には、高次モードで基本波が発振した場合に、偶数次の基本波と奇数次の基本波を波長変換できるよう、波長変換素子１０の分極反転の周期をチャープ状に変化させておく。図６では、０次モードと１次モードとを包括するよう、波長変換素子１０の位相整合帯域Ａを広げた場合を示している。これにより、導波路内のパワーを有効に用いて基本波を波長変換することが可能となる。

図７は、各レーザ発振モードの基本波波長と波長変換素子の温度との関係を示す図である。図７では、０次モードと１次モードのモード間の位相整合整合条件差がΔＴ₀₁、０次モードと２次モードのモード間の位相整合整合条件差がΔＴ₀₂である場合を示している。図７に示すように、各モードの基本波波長と、波長変換素子の温度は、１対１で対応している。各モードの基本波波長が等しい場合、位相整合条件としては、モード間で波長変換素子の温度が異なることになる。

図８は、各レーザ発振モードの基本波波長と分極反転周期の関係を示す図である。図８では、０次モードと１次モードのモード間の位相整合条件差がΔλ₀₁、０次モードと２次モードのモード間の位相整合条件差がΔλ₀₂である場合を示している。図８に示すように、各モードの基本波波長と、分極反転周期は、１対１で対応している。各モードの基本波波長が等しい場合、位相整合条件差は波長変換素子の温度差であり、位相整合条件差を各レーザ発振モードの基本波波長と波長変換素子の温度の関係による波長換算値としている。

例えば、図７に示すように、基本波波長が９１４ｎｍ（分極反転周期は４．１８）の場合、０次モードで波長変換を行なうには、素子温度として３０℃が必要である。また、１次モードで波長変換を行なうには、素子温度として２１℃が必要であり、０次モードと１次モードの間の温度差ΔＴ₀₁は９℃である。さらに、２次モードで波長変換を行なうには、素子温度として６℃が必要であり、０次モードと２次モードの間の温度差ΔＴ₀₂は２４℃である。

一方、図８に示すように、分極反転周期が４．１８μｍ（素子温度は３０℃）の場合、０次モードで波長変換を行なうには、基本波長として９１４ｎｍが必要である。また、１次モードで波長変換を行なうには、基本波長として９１４．６５ｎｍが必要であり、０次モードと１次モードの間の波長差Δλ₀₁は０．６５ｎｍである。さらに、２次モードで波長変換を行なうには、基本波長として９１５．７５ｎｍが必要であり、０次モードと２次モードの間の波長差Δλ₀₂は１．７５ｎｍである。０次モードと１次モードの間の温度差と０次モードと２次モードの間の温度差の比は、０次モードと１次モードの間の波長差と０次モードと２次モードの間の波長差の比と同じであり、位相整合条件差は波長変換素子の温度差と基本波長の波長差で換算することが可能である。

波長変換素子１０内に形成される２つの導波路モードの波長間隔の計算式について説明する。導波路毎の等価屈折率、波長変換素子１０の分極反転周期の計算方法について説明した後、導波路モード間の波長間隔の計算方法について説明する。

導波路の等価屈折率について説明する。波長λに対する導波路の、ＴＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）ｍ（ｍは自然数）次モード、またはＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）ｍ次モードの等価屈折率をＮ（λ，ｍ）とすると、以下の関係式（式（１）、式（２））が成り立つ。式（１）と式（２）では、導波路上部と導波路下部のクラッド材料屈折率が等しい対称３層平板導波路である場合の関係式を示している。

ＴＭｍ次モードの場合：

ＴＥｍ次モードの場合：

式（１）や式（２）のｎ₁（λ）は、導波路を形成するコア材料（非線形光学材料１）の波長λに対する屈折率であり、ｎ₂（λ）は導波路を形成する上部クラッド材（クラッド２）と下部クラッド材（クラッド３）の波長λに対する屈折率である。また、Ｎ（λ，ｍ）は、波長λに対する等価屈折率（ｍは導波路モード次数）であり、ｔは導波路を形成するコアの厚さである。

波長変換素子１０の分極反転周期について説明する。導波路型の波長変換素子１０の分極反転周期Λは、ｍ次モードの基本波レーザ光および第２高調波に対する導波路の等価屈折率Ｎ（λ，ｍ）を用いて、以下の関係式（式（３））で表せる。

式（３）のλ₀は、０次モードの基本波長であり、λ₀／２は、０次モードの第２高調波波長である。また、λ₁は、１次モードの基本波長であり、λ₁／２は、１次モードの第２高調波波長である。また、λ_mは、ｍ次モードの基本波長であり、λ_m／２は、ｍ次モードの第２高調波波長である。

導波路モード間の波長間隔について説明する。式（１）の等価屈折率と式（２）の分極反転周期と、を満たすｍ次モードの基本波波長に基づいて、導波路モード間の波長間隔を求めることができる。すなわち、導波路ｍ次モードと導波路ｎ（ｎは自然数）次モードの波長間隔Δλ_mnは、Δλ_mn＝｜λ_m−λ_n｜によって算出できる。例えば、導波路０次モードと導波路１次モードの波長間隔Δλ₀₁は、Δλ₀₁＝｜λ₀−λ₁｜によって算出できる。したがって、分極反転周期ΛがΛ=４．１８（μｍ）であり、０次モードの基本波波長λ₀がλ₀=９１４（ｎｍ）である場合、導波路の０次モードと１次モードとの波長間隔Δλ₀₁は、Δλ₀₁=０．６５（ｎｍ）である。

前述した波長変換素子１０の分極反転周期の関係式と導波路モード間の波長間隔の関係式が、図８に示した各レーザ発振モードの基本波波長と分極反転周期の関係を示す図に対応している。

波長変換効率の計算式について説明する。波長変換効率ηは、以下の式（４）によって算出できる。

式（４）のＩ_Fは、基本波入力パワーであり、Ｉ_SHは高調波出力パワーである。また、ｄ_effは、有効非線形光学定数であり、ｎ_Fは、基本波に対する屈折率である。また、ｎ_SHは高調波に対する屈折率であり、ｃは真空中の光速である。また、ε₀は、真空中の誘電率であり、Ｌは素子長である。なお、有効非線形光学定数（ｄ_eff）は、チャープ周期によって変化する。

式（４）に示すように、波長変換効率は基本波入力パワーに比例し、高調波出力パワーは基本波入力パワーの２乗に比例する。したがって、内部波長変換による基本波の内部パワーが高ければ、チャープ周期による有効非線形光学定数が低くても、高パワーの高調波を得ることができる。

本実施の形態では、図７に示した各レーザ発振モードの基本波波長と波長変換素子の温度の関係、図８に示した各レーザ発振モードの基本波波長と分極反転周期の関係、式（１）〜式（４）を用いることによって、波長変換素子１０の位相整合帯域を所望の広さに広帯域化する。このとき、波長変換素子１０の導波路構造に応じた位相整合帯域の広さとなるよう位相整合帯域を広げておく。例えば、波長変換素子１０で波長変換を行なった際に発生するレーザ発振モードを包括できるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広帯域化する。

例えば、０次モードと１次モードを包括できるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広帯域化してもよいし、０次〜２次のレーザ発振モードを包括できるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広帯域化してもよい。さらに、３次以上のレーザ発振モードを包括できるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広帯域化してもよい。

波長変換素子１０が図７や図８に示す特性を有している場合、０次モードの基本波に対して波長変換を行なうには、分極反転周期として４．１８が必要であり、１次モードの基本波に対して波長変換を行なうには、分極反転周期として約４．１７が必要である。したがって、この場合に０次と１次のレーザ発振モードの基本波波長を波長変換するには、分極反転周期を約４．１７〜４．１８まで変化させる必要がある。換言すると、波長変換させたいレーザ発振モードに対応する分極反転周期を複数抽出し、抽出した分極反転周期を包括するよう、波長変換素子１０の分極反転周期を変化させる。

図９は、０次モードと１次モードの基本波波長を波長変換する際の分極反転周期の一例を示す図である。図９では、縦軸が分極反転周期（ＰＰＬＮピッチ）であり、横軸が波長変換素子１０のｚ軸方向の距離（端面１１ａからの距離）である。図９に示すように、波長変換素子１０に０次モードと１次モードの基本波長を波長変換させる場合には、端面１１ａ側から端面１１ｂまで分極反転周期を、所定の増加率で増大させていく。このとき、０次モードに対応する分極反転周期（４．１８）と１次モードに対応する分極反転周期（４．１７）が含まれるよう、波長変換素子１０の分極反転周期を増加させていく。

図１０は、図９に示した分極反転周期で複数モードの波長変換を行なった場合の波長変換効率を示す図である。図１０では、０次モードで発振する基本波波長と、１次モードで発振する基本波波長とのモード間波長幅がΔλである場合を示している。波長変換素子１０の分極反転周期を４．１７と４．１８が含まれるよう４．１６５〜４．１８５まで変化させると、０次モードで発振する基本波波長と、１次モードで発振する基本波波長と、を両方とも効率良く波長変換することができる。これにより、０次モードで発振する基本波波長のみを波長変換する場合よりも、０次と１次のレーザ発振モードで発振する基本波波長を波長変換する場合の方が、波長変換効率が良くなる。

波長変換レーザ装置１００は、複数のレーザ発振モードに限らず、多波長発振（複数の波長でレーザ発振する場合）の各基本波を波長変換することもできる。図１１は、図９に示した分極反転周期で多波長発振の波長変換を行なった場合の波長変換効率を示す図である。同図に示すように、波長変換素子１０の分極反転周期を４．１６５〜４．１８５まで変化させると、９１４ｎｍ〜９１４．６ｎｍで多波長発振する場合の各基本波波長を全て効率良く波長変換することができる。これにより、１つの基本波波長のみを波長変換する場合よりも、複数の基本波波長を波長変換する場合の方が、波長変換効率が良くなる。

本実施の形態における波長変換素子１０と従来用いられていた波長変換素子の波長変換効率の差異を明確にするため、従来用いられていた波長変換素子の波長変換効率について説明する。

図１２は、従来用いられていた波長変換素子の波長変換効率を示す図である。同図に示すように、従来の波長変換素子は、０次モードで発振する基本波波長のみを波長変換しているので、１次モードで発振する基本波波長を効率良く波長変換できない。このため、波長変換素子内に発生する全ての基本波長に対しては、効率良く波長変換できなかった。

これに対し、本実施の形態の波長変換素子１０は、複数モードの基本波を波長変換できるので、波長変換素子１０内に発生する複数モードの基本波に対して効率良く波長変換することが可能となる。したがって、波長変換レーザ装置１００がマルチエミッタ発振を行なう場合であっても、基本波の発振効率の低下を抑制できる。また、波長変換素子１０のｙ軸方向の厚さが厚い場合であっても、複数モードの基本波に対して効率良く波長変換することができるので、波長変換素子１０を容易に作製することが可能となる。

なお、本実施の形態では、波長変換レーザ装置１００の構成が、図１や図２に示した構成である場合について説明したが、波長変換レーザ装置１００の構成は図１や図２に示した構成以外の構成であってもよい。例えば、波長変換素子１０は、クラッド２，３のうち、一方のクラッドのみを備える構成としてもよい。また、固体レーザ素子２０は、クラッド２２，２３のうち、一方のクラッドのみを備える構成としてもよい。また、クラッド２，３の外側やクラッド２２，２３に基板を配設する構成としてもよい。また、波長変換レーザ装置１００は、内部型の波長変換方式（共振器内部に波長変換素子を設置する構成）に限らず外部型の波長変換方式（共振器外部に波長変換素子を設置する構成）であってもよい。波長変換レーザ装置１００が内部型の波長変換方式の場合、固体レーザ素子２０の端面２５ａと波長変換素子１０の端面１１ｂとの間で基本波レーザ光が発振する。また、波長変換レーザ装置１００が外部型の波長変換方式の場合、固体レーザ素子２０の端面２５ａと固体レーザ素子２０の端面２５ｂとの間で基本波レーザ光が発振する。

また、本実施の形態では、波長変換素子１０の分極反転周期の変化のさせ方が図９に示した変化のさせ方である場合について説明したが、分極反転周期を図８以外の他の方法によって変化させてもよい。例えば、図１３に示すように、波長変換素子１０の分極反転周期を曲線的に変化させてもよい。

また、本実施の形態では、偶数次のレーザ発振モードと奇数次のレーザ発振モードとを包括するよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広げる場合について説明したが、０次〜ｍ次の所望の基本波を変換できるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広げてもよい。

このように実施の形態によれば、複数のレーザ発振モードで発振する基本波を波長変換できるよう、分極反転周期のピッチなどを徐々に変化させて波長変換素子１０の位相整合帯域を広げているので、複数の基本波の異なるモード（各モードの基本波波長が等しい場合、異なる位相整合温度）に対して波長変換でき、簡易な構成で基本波波長を効率良く波長変換することが可能となる。

また、波長変換対象となるレーザ発振モードに、奇数次のレーザ発振モードと偶数次のレーザ発振モードとが含まれるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広げているので、簡易な構成で基本波波長を効率良く波長変換することが可能となる。また、波長変換対象となるレーザ発振モードに、０次モードと１次モードとが含まれるよう、波長変換素子１０の位相整合帯域を広げているので、簡易な構成で基本波波長を効率良く波長変換することが可能となる。また、基本波の波長変換を共振器内部で行なうので、基本波の波長変換を共振器外部で行なう場合よりも、基本波波長を効率良く波長変換することが可能となる。

以上のように、本発明に係る波長変換素子および波長変換レーザ装置は、平面導波路内でのレーザ光の波長変換に適している。

Claims

平板状の非線形光学材料を有するとともに、光軸に対して垂直な方向である前記平板状の主面に垂直な方向に導波路における高次モードを含む複数のレーザ発振モードで発振したレーザ光の基本波を伝播して、前記高次モードの基本波を波長変換する平面導波路型の波長変換素子において、
前記非線形光学材料は、前記基本波の波長に対する位相整合帯域幅が複数のレーザ発振モードのうち少なくとも高次モードを含む２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう分極反転の周期が変化させられて、非分極反転領域と分極反転領域とが形成されていることを特徴とする波長変換素子。
前記少なくとも高次モードを含む２つのレーザ発振モードは、奇数次のレーザ発振モードと偶数次のレーザ発振モードとを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
前記少なくとも高次モードを含む２つのレーザ発振モードは、０次モードおよび１次モードであることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
前記基本波の波長変換は、前記レーザ光の基本波を発振させる共振器内部で行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長変換素子。
導波路における高次モードを含む複数のレーザ発振モードでレーザ光の基本波を発振させる導波路型の固体レーザ素子と、平板状の非線形光学材料を有するとともに光軸に対して垂直な方向である前記平板状の主面に垂直な方向に導波路における高次モードを含む複数のレーザ発振モードで発振したレーザ光の基本波を伝播して、前記高次モードの基本波を波長変換する平面導波路型の波長変換素子と、を有する波長変換レーザ装置において、
前記非線形光学材料は、前記基本波の波長に対する位相整合帯域幅が複数のレーザ発振モードのうち少なくとも高次モードを含む２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう分極反転の周期が変化させられて、非分極反転領域と分極反転領域とが形成されていることを特徴とする波長変換レーザ装置。