JP5161605B2 - 波長変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、非線形光学結晶を用いて入射光の波長を変換して出力する波長変換装置に関する。

非線形光学結晶を利用してレーザ光の波長を変換する波長変換装置は、レーザ素子単体では生成が困難な波長のレーザ光を生成可能であることから、広く普及している。

非線形光学結晶による波長変換効率は、レーザ光の伝搬距離の２乗に比例して増加するため、非線形光学結晶内におけるレーザ光の伝搬距離は、できるだけ長くすることが望ましい。一方で、非線形光学結晶の長尺化は、コスト高や装置の大型化を招く。

そこで、非線形光学結晶の内部でレーザ光を偏向させてレーザ光の伝搬距離を大きくする技術が、例えば特許文献１に記載されている。

図１７は、特許文献１に記載された非線形光学結晶の構成図である。特許文献１記載の技術では、非線形光学結晶１０は、波長変換前のレーザ光２０が入射角９０度で入射する入射面１１と、入射面１１から入射したレーザ光２０の進行方向を位置をずらして反転させる複数の全反射面１２、１３と、非線形光学結晶１０内で波長変換したレーザ光を出射させる出射面１４とを有している。これにより、レーザ光２０を非線形光学結晶１０の長手方向に往復させることができ、非線形光学結晶１０の長尺化を抑えた状態で、レーザ光の伝搬距離を大きくことができる。
特開２００５−１０６９５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、波長変換された光の出力が低下するという問題がある。

上記問題の理由は、以下の通りである。非線形光学結晶１０内において、レーザ光２０は、波長変換されていない光（以下「未変換光」という）と、波長変換された光（以下「変換光」という）との混合光となる。ところが、非線形光学結晶の屈折率は波長依存性を持ち、位相整合が満たされる方向以外に混合光が伝播した場合、変換光と未変換光との間で位相整合が崩れる現象が発生する。特許文献１記載の技術では、全反射面１２、１３で反射する前は未変換光と変換光との間で位相整合が満たされているが、全反射面１２で反射して変換光と未変換光が伝播する際にその位相整合は崩れ、その状態のまま、復路で未変換光の波長変換が行われる。そして、反射後に波長変換された変換光と反射前に波長変換された変換光とが干渉し、変換光の出力が低下してしまう。一方で、反射後に波長変換された変換光と反射前に波長変換された変換光との干渉を防ぐための調整は非常に困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の波長変換効率を改善しつつ、波長変換されたレーザ光の出力性能を向上することができる波長変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る波長変換装置は、内部を伝搬するレーザ光を波長変換する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶から出射したレーザ光を偏向して前記非線形光学結晶に再入射させ、前記非線形光学結晶から出射する前の前記レーザ光と逆方向に所定の間隔を置いて平行に伝搬させる光偏向部と、前記非線形光学結晶に再入射する前の前記レーザ光から、前記非線形光学結晶内で波長変換されたレーザ光を分離する光分離部とを具備する構成を採る。

本発明によれば、レーザ光を偏向して非線形光学結晶に再入射させ、偏向されたレーザ光に対する再度の波長変換が行われる前に、位相差の生じた未変換光と変換光との混合光であるレーザ光から、変換光を分離することができる。これにより、位相整合の満たされていない混合光が発生するのを防ぐことができ、レーザ光の波長変換効率を改善しつつ、波長変換されたレーザ光の出力性能を向上させることができる。また、変換光を取り除くので、非線形光学結晶の熱レンズ効果を抑圧することができ、変換効率を向上させることができるとともに、結晶の耐光強度上有利とすることができる。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の概要を示す斜視図である。

図１において、波長変換装置１００は、非線形光学結晶１１０、第１のダイクロイックミラー１２０、第１の直角プリズム１３０、第２のダイクロイックミラー１４０、および第２の直角プリズム１５０を有する。

非線形光学結晶１１０は、直角柱の形状をしている。以下、各図において、非線形光学結晶１１０の形状の長手方向である紙面左右方向のうち右向きをＺ軸の正の方向とし、紙面上下方向のうち上向きをＹ軸の正の方向とし、これらに直交する方向のうち紙面奥向きをＸ軸の正の方向とする。

また、後述するが、レーザ光は、図１において、非線形光学結晶１１０からみてＺ軸の負の方向から、非線形光学結晶１１０に入射するものとする。

第１の直角プリズム１３０は、非線形光学結晶１１０からみてＺ軸の正の方向に配置され、第２の直角プリズム１５０は、非線形光学結晶１１０からみてＺ軸の負の方向に配置されている。また、第１のダイクロイックミラー１２０は、非線形光学結晶１１０と第１の直角プリズム１３０との間に配置され、第２のダイクロイックミラー１４０は、非線形光学結晶１１０と第２の直角プリズム１５０との間に配置されている。

図２は、図１に示す波長変換装置１００の構成図である。

非線形光学結晶１１０は、高調波発生素子であり、内部を伝搬する第１の波長の光を、その伝搬距離に応じて、第２の波長の光に変換する。以下、第１の波長の光のうち、非線形光学結晶１１０で第２の波長の光に変換されなかったものを「未変換光」といい、第２の波長の光を「変換光」という。また、非線形光学結晶１１０は、Ｚ軸に垂直な第１および第２の入出射面１１１、１１２を有し、それぞれＺ軸の負の方向側と正の方向側に位置している。非線形光学結晶１１０には、第二高調波発生素子（second-harmonic generation：ＳＨＧ）、第三高調波発生素子（third-harmonic generation：ＴＨＧ）など、目的に応じた種類の高調波発生素子を用いればよい。レーザ光１９０は、図２に示すように、非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１にＺ軸方向に一致する方向で入力され、反対側の第２の入出射面１１２から出射する。

第１のダイクロイックミラー１２０は、入射した光のうち、第１の波長の光を透過し、第２の波長の光を反射する。より正確には、第１のダイクロイックミラー１２０は、第１の波長よりも高い反射率で第２の波長の光を反射する。第１のダイクロイックミラー１２０は、第２の入出射面１１２から出射されるレーザ光１９０の光路上に、その法線方向をレーザ光１９０の到来方向に対しＹ軸の正の方向に４５度傾けて配置されている。すなわち、第１のダイクロイックミラー１２０は、非線形光学結晶１１０の第２の入出射面１１２から出射したレーザ光１９０のうち、変換光を反射してＹ軸の正の方向に出射し、未変換光を透過してＺ軸の正の方向に出射する。

第１の直角プリズム１３０は、直角を成す第１および第２の反射面１３１、１３２を有し、第１の反射面１３１に入射した光を、その入射方向とは逆の方向で、第２の反射面１３２から出射する。第１の直角プリズム１３０は、第１のダイクロイックミラー１２０から出射される未変換光の光路上に第１の反射面１３１を位置させ、かつ第１の反射面１３１で反射して第２の反射面１３２から出射した未変換光が、非線形光学結晶１１０の第２の入出射面１１２に垂直に入射する向きで、配置されている。すなわち、第１の直角プリズム１３０は、第１のダイクロイックミラー１２０から出射される未変換光を、Ｙ軸の正の方向に所定の間隔を置いて１８０度向きを偏向させて、非線形光学結晶１１０に再入射させる。

第２のダイクロイックミラー１４０は、第１のダイクロイックミラー１２０と同様に、入射した光のうち、第１の波長の光を透過し、第２の波長を反射する。第２のダイクロイックミラー１４０は、第１の入出射面１１１から出射されるレーザ光１９０の光路上に、その法線方向をレーザ光１９０の到来方向に対しＹ軸の正の方向に４５度傾けて配置されている。すなわち、第２のダイクロイックミラー１４０は、非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１から出射したレーザ光１９０のうち、第１の波長である変換光を反射してＹ軸の正の方向に出射し、第２の波長である未変換光を透過してＺ軸の負の方向に出射する。

第２の直角プリズム１５０は、第２のダイクロイックミラー１４０から出射される未変換光の光路上に位置し、当該未変換光を例えばＹ軸の負の方向に偏向させる。第２の直角プリズム１５０の有する面のうち、第２のダイクロイックミラー１４０から出射する未変換光が入射する面には、レーザ光を全反射させるコーティングが施されている。なお、第２の直角プリズム１５０は、第１および第２の反射面１３１、１３２に対応する２枚の全反射ミラーに置き換えても良い。または、上記したコーティングが施されていない直角プリズムを、適宜回転または反転して配置し、全反射を用いてレーザ光１９０を偏向させる構成としてもよい。このような構成の変更が可能であることは、以降説明する他の直角プリズムについても同様である。

このような構成の波長変換装置１００では、図２に示すように、レーザ光１９０は、非線形光学結晶１１０に第１の入出射面１１１から入射し、内部を伝搬して第２の入出射面１１２から出射する。ここで、レーザ光１９０は変換光と未変換光の混合光となるが、次いで第１のダイクロイックミラー１２０に入射することにより、変換光と未変換光とに分離される。具体的には、レーザ光１９０のうち、第１のダイクロイックミラー１２０から出力される変換光である第１の出力変換光１９１は、反射によりＹ軸の正の方向に分離される。また、レーザ光１９０のうち、残りの未変換光は、そのまま第１のダイクロイックミラー１２０を透過して第１の直角プリズム１３０側に進む。

未変換光のみとなったレーザ光１９０は、第１の直角プリズム１３０で偏向されて折り返され、非線形光学結晶１１０に第２の入出射面１１２から再入射し、内部を伝搬して第１の入出射面１１１から出射する。ここで、再びレーザ光１９０は変換光と未変換光の混合光となるが、次いで第２のダイクロイックミラー１４０に入射することにより、変換光と未変換光とに分離される。具体的には、レーザ光１９０のうち、第２のダイクロイックミラー１４０から出射される変換光である第２の出力変換光１９２は、反射によりＹ軸の正の方向に分離される。また、レーザ光１９０のうち、残りの未変換光は、そのまま第２のダイクロイックミラー１４０を透過して第２の直角プリズム１５０側に進む。そして、再び未変換光のみとなったレーザ光１９０は、第２の直角プリズム１５０で偏向し、例えばＹ軸の負の方向に出力未変換光１９３として出射する。

このように、波長変換装置１００では、第１の直角プリズム１３０への往路で混合光となったレーザ光１９０から、そのレーザ光１９０に対して再び波長変換が行われる前に、変換光が分離される。

第１の直角プリズム１３０での反射による偏向では、材料分散により変換光と未変換光との位相整合が崩れているため、そのままの状態で波長変換が継続されると、波長変換された光の出力が低下してしまう。したがって、波長変換装置１００では、復路の波長変換よりも手前でレーザ光１９０から変換光を分離することにより、往路と復路との間でレーザ光１９０の偏向を行う場合でも、位相整合が満たされていない混合光が発生するのを防ぐことができ、高効率なレーザ光の波長変換を行うことができる。偏向手段が第１の直角プリズム１３０の場合に限らず、表面に誘電体多層膜やその他材料がコーティングをされているミラーで行う場合にも、一般的に材料分散が発生する。また、通常、非線形光学結晶の入出射端面には、ＡＲ（anti-reflective）コーティングなどのコーティングがされることが一般的である。後の実施例で示すようにレーザ光をレンズ系に透過させる場合にも材料分散が発生し、位相整合が崩れる。そのため、再び波長変換を行う前に変換光と未変換光とを分離することは効果的である。

また、波長変換装置１００では、レーザ光１９０の第１の直角プリズム１３０への往路と復路は、所定の距離を置いて平行になっている。所定の距離を置くことで、往路の光と復路の光の干渉の影響を回避することができる。レーザ光１９０をそのまま折り返す場合には、第１のダイクロイックミラー１２０で分離されなかった残存する変換光が、復路で生じる変換光と干渉し、出力の不安定を招く可能性がある。したがって、本実施の形態の波長変換装置１００では、レーザ光１９０の往路と復路とに所定の距離を置くことで、これらの問題点を回避し、安定な出力を得ることを可能にしている。ただし、上記所定の距離は、後述する非線形光学結晶の温度分布を考慮しながら、全体としての変換効率が最大となるように設定される。

また、波長変換装置１００では、レーザ光１９０は往路と復路とで、逆方向となっている。レーザ光１９０の往路と復路とが、短い所定の距離を置いて平行であり、かつ逆方向となっていることによる他のメリットについて、図を用いて説明する。

図３は、図２に示す非線形光学結晶１１０の発熱量分布を示す説明図である。ここでは、非線形光学結晶１１０が第二高調波発生素子（ＳＨＧ）であるものとする。

一般的に、非線形光学結晶は光吸収特性を持ち、光の伝搬に伴って発熱する。また、非線形光学結晶は、波長の短い光に対してよりエネルギーを吸収し、発熱量も多くなる。更に、光が非線形光学結晶内を伝搬するにつれ、変換光の割合が増加するため、非線形光学結晶の入射側と出射側との間に発熱量の分布が生じる。

したがって、往路のレーザ光１９０ａの入射直後の位置、往路のレーザ光１９０ａの出射直前の位置、復路のレーザ光１９０ｂの入射直後の位置、および復路のレーザ光１９０ｂの出射直前の位置におけるそれぞれの単位距離当たりの発熱量を、順にＱ１〜Ｑ４[Ｊ：ジュール]と置くと、発熱量Ｑ１〜Ｑ４は、以下の式（１）、（２）に示す関係を満たす。
Ｑ３ ＜ Ｑ１ ＜ Ｑ２ ・・・・・・（１）
Ｑ３ ＜ Ｑ４ ＜ Ｑ２ ・・・・・・（２）

一般的に、高効率な波長変換を行うためには、非線形光学結晶１１０の温度を一定に保つ必要がある。したがって、光路上に発熱量の分布が生じ、それによって温度分布が生じることは好ましくない。

そこで、本実施の形態の非線形光学結晶１１０は、往路のレーザ光１９０ａと復路のレーザ光１９０ｂとが、短い所定の距離を置いて平行であり、かつ逆方向となるように形成されている。これにより、復路のレーザ光１９０ｂの伝搬領域から往路のレーザ光１９０ａの伝搬領域への熱伝導を容易にし、温度分布を相殺し、温度差を緩和することができる。すなわち、波長変換の効率を改善することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の直角プリズム１３０における反射により、非線形光学結晶１１０から出射したレーザ光１９０を、偏向して非線形光学結晶１１０に再入射させ、非線形光学結晶１１０から出射する前のレーザ光１９０と逆方向に所定の間隔を置いて平行に伝搬させる。また、第１のダイクロイックミラー１２０により、再入射する前のレーザ光１９０から、非線形光学結晶１１０内で波長変換された第１の出力変換光１９１を分離する。これにより、偏向されたレーザ光１９０に対する再度の波長変換が行われる前に、レーザ光１９０から変換光を分離することができ、位相整合の取れていない混合光が非線形光学結晶１１０に入射するのを防ぐことができるとともに、共振器形成や干渉による出力不安定性を防ぐことができる。すなわち、レーザ光の波長変換効率を改善しつつ、波長変換されたレーザ光の出力性能を向上することができる。

また、レーザ光１９０の往路と復路とを、短い所定の距離を置いて平行とし、かつ逆方向としている。これにより、温度分布を平均化し、波長変換効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態１の図１に対応するものである。図１と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図４において、波長変換装置２００は、図１に示す第１および第２のダイクロイックミラー１２０、１４０に替えて、サイズのより大きい第１および第２のダイクロイックミラー２２０、２４０を有する。

図５は、図４に示す波長変換装置２００の構成図であり、実施の形態１の図２に対応するものである。

図５において、第１および第２のダイクロイックミラー２２０、２４０は、それぞれレーザ光１９０の第１の直角プリズム１３０への往路および復路の両方に重なって配置されている。

このような構成の波長変換装置１００では、図５に示すように、往路で第１のダイクロイックミラー２２０を透過したレーザ光１９０は、復路にて再び第１のダイクロイックミラー２２０に入射する。そして、往路で分離されなかった残存する変換光が、反射により、余剰の変換光１９４としてＹ軸の負の方向に分離される。これにより、往路で分離されなかった残存する変換光を、再び波長変換が行われる前に復路で分離することができ、往路で発生した変換光が復路のレーザ光１９０に混入して出力を減少させる可能性を低減することができる。

また、実施の形態１では、ダイクロイックミラー１２０、１４０をレーザ光１９０の往路または復路のいずれか一方にのみ交わるようにサイズを小さくする必要があるが、サイズが小さいと、製造コストが高くなったり、精度の高い位置決めが困難となる場合がある。したがって、本実施の形態によれば、ダイクロイックミラー２２０、２４０を、レーザ光１９０の往路および復路の両方に交わるような大きさ以上にすることが可能であるため、製造コストの低減や装置の高精度化を図ることができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成図であり、実施の形態２の図５に対応するものである。図５と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図６において、波長変換装置３００は、図５に示す第２の直角プリズム１５０に替えて、サイズのより大きい第２の直角プリズム３５０を有し、更に、１／２λ波長板３６０および偏光ビームスプリッタ３７０を有する。

第２の直角プリズム３５０は、非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１から出射されたレーザ光１９０だけでなく、第２のダイクロイックミラー２４０から出射される第２の出力変換光１９２にも交わる位置にまで拡張した大きさを有している。第２の直角プリズム３５０は、第２のダイクロイックミラー２４０から出射される第２の出力変換光１９２の到来方向に対して、その法線方向をＺ軸の正の方向に４５度傾けた第３の反射面３５１を有している。すなわち、第２の直角プリズム３５０は、第２のダイクロイックミラー２４０から出射される第２の出力変換光１９２をＺ軸の正の方向に偏向させる。

１／２λ波長板３６０は、入射した光の偏光面を９０度回転させる。すなわち、第２の出力変換光１９２の偏光面を９０度回転させ、その偏光方向を、第１のダイクロイックミラー２２０から出射される第１の出力変換光１９１の偏光方向に対して直交させる。

偏光ビームスプリッタ３７０は、所定の２方向からの入射光を合成して射出する。ここでは、偏光ビームスプリッタ３７０は、第１のダイクロイックミラー２２０から出射された第１の出力変換光１９１と、１／２λ波長板３６０から出射された第２の出力変換光１９２との交点に当たる位置に、第１の出力変換光１９１と第２の出力変換光１９２とを合成してＹ軸の正の方向に合成光を出力する向きで配置されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ３７０は、第１の出力変換光１９１と第２の出力変換光１９２とを合成した合成変換光１９５を、Ｙ軸の正の方向に出射する。

第１の出力変換光１９１と第２の出力変換光１９２とは、コヒーレンス長よりも大きな光路差を有して伝播した場合、互いに干渉しないことから、一般的にスペックルノイズが小さくなる。したがって、コヒーレンス長よりも大きな光路差が生じるように波長変換装置３００を構成することにより、スペックルノイズの小さい、波長変換された１本のビーム光を得ることができる。

また、第２の直角プリズム３５０で、第２のダイクロイックミラー２４０から出射される未変換光と変換光の偏向を行うので、部品点数を抑えることができる。

なお、第２のダイクロイックミラー２４０から出射される未変換光と変換光の偏向は、個別に光偏向素子を設けて行うようにしてもよい。また、第２の出力変換光１９２ではなく、第１の出力変換光１９１の方の偏光面を回転させるようにしてもよい。また、第１のダイクロイックミラー２２０から出力される余剰の変換光１９４についても、１／２λ波長板３６０や偏光ビームスプリッタ３７０により、第１の出力変換光１９１、第２の出力変換光１９２、または合成変換光１９５と合成するようにしてもよい。更に、余剰の変換光１９４をフォトダイオードなどで受光し、その結果を、レーザ光１９０のパワー制御や、非線形光学結晶１１０の温度制御に利用しても良い。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態１の図１に対応するものである。図１と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図７において、波長変換装置４００は、図１に示す波長変換装置１００の構成に加えて、非線形光学結晶１１０のＺ軸方向における両側に、第１および第２のシリンドリカルレンズ４８０ａ、４８０ｂを有する。

第１のシリンドリカルレンズ４８０ａは、円筒面側から入射した平行光を、平面側の焦点に集光させるとともに、逆に、この焦点から入射した光を、平行光にして円筒面側から出射する。ここでは、第１のシリンドリカルレンズ４８０ａは、その平面を非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１に対向させ、その光軸をＺ軸方向に一致させて配置されている。また、その焦点は、非線形光学結晶１１０のＺ軸方向における中心を通りＺ軸に垂直な面（以下「結晶中心面」という）１１３上に位置している。

第２のシリンドリカルレンズ４８０ｂは、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３に対し、第１のシリンドリカルレンズ４８０ａと面対称な形状および配置となっている。

図８は、図７に示す波長変換装置４００の構成図であり、実施の形態１の図２に対応するものである。

図８において、第１および第２のシリンドリカルレンズ４８０ａ、４８０ｂは、その中心軸が、レーザ光１９０の往路および復路の両方と交わる大きさとなっている。

このような波長変換装置４００によれば、レーザ光１９０は、往路および復路における第１のシリンドリカルレンズ４８０ａと第２のシリンドリカルレンズ４８０ｂとに挟まれた区間で、結晶中心面１１３でビームウェストとなるようにＸ軸方向に絞られる。これにより、非線形光学結晶１１０内部のレーザ光１９０が透過する経路上での入射光密度は大きくなる。一般的に、非線形光学結晶の波長変換効率は、入射光強度が同じであれば、その入射光密度が大きいほど高くなる。したがって、レーザ光１９０を非線形光学結晶１１０の内部で収束させることにより、波長変換効率を更に向上させることができる。また、集光素子として、シリンドリカルレンズ４８０を用いているため、往路と復路とで１つの部品とすることができ、往路と復路とで別々に設ける場合に比べて、レンズ系の部品点数を抑えることができる。また、シリンドリカルレンズ４８０は、Ｙ軸方向の位置の自由度が高く、かつ複数の平面部分を利用した高い精度での位置設定が容易であることから、光学的な調整が容易である。

なお、レーザ光１９０は、往路および復路における第１のシリンドリカルレンズ４８０ａと第２のシリンドリカルレンズ４８０ｂとに挟まれた区間以外の区間では、平行光のままである。したがって、この区間における変換光の分離やレーザ光１９０の偏向には影響を及ぼさない。

また、本実施の形態では、往路および復路の両方でレーザ光１９０を収束させる構成としたが、往路または復路のいずれかのみを収束させる構成としてもよい。

更には、第１のシリンドリカルレンズ４８０ａのみを配置し、第２のシリンドリカルレンズ４８０ｂを配置しないことも可能である。この場合、第１のシリンドリカルレンズ４８０ａの焦点位置は、非線形光学結晶１１０の長さや、第１の直角プリズム１３０の位置などを考慮しながら、第１の出力変換光１９１と第２の出力変換光１９２の出力合計値が最大となるように適宜調整することが望ましい。

（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態４の図７に対応するものである。図７と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図９において、波長変換装置５００は、図７に示す第１および第２のシリンドリカルレンズ４８０ａ、４８０ｂに替えて、第１〜第４のマイクロレンズ素子５８０ａ〜５８０ｄを有する。具体的には、１つのレンズアレイ（図示せず）を構成する第１および第２のマイクロレンズ素子５８０ａ、５８０ｂが、非線形光学結晶１１０の第２の直角プリズム１５０側に配置され、別の１つのレンズアレイ（図示せず）を構成する第３および第４のマイクロレンズ素子５８０ｃ、５８０ｄが、非線形光学結晶１１０の第１の直角プリズム１３０側に配置されている。第１〜第４のマイクロレンズ素子５８０ａ〜５８０ｄは、同一の構成を有している。

各マイクロレンズ素子５８０は、一方の面から入射した平行光を、反対側の焦点に集光させるとともに、一方の面側の焦点から入射した光を、反対側から平行光で出射する。

図１０は、図９に示す波長変換装置５００の構成図であり、実施の形態４の図８に対応するものである。

図１０において、第１および第２のマイクロレンズ素子５８０ａ、５８０ｂは、それぞれ、一方の面を非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１に対向させて、レーザ光１９０の往路上および復路上に、その光軸をレーザ光の到来方向に一致させて配置されている。また、その焦点は、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３上に位置している。

第３および第４のマイクロレンズ素子５８０ｃ、５８０ｄは、それぞれ、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３に対し、第１および第２のマイクロレンズ素子５８０ａ、５８０ｂと面対象な配置となっている。

このような波長変換装置５００によれば、レーザ光１９０は、往路における第１のマイクロレンズ素子５８０ａと第３のマイクロレンズ素子５８０ｃとに挟まれた区間で、結晶中心面１１３でビームウェストとなるようにそのレーザ径を絞られる。また、レーザ光１９０は、復路における第２のマイクロレンズ素子５８０ｂと第４のマイクロレンズ素子５８０ｄとに挟まれた区間で、結晶中心面１１３でビームウェストとなるようにそのレーザ径を絞られる。これにより、非線形光学結晶１１０の内部における入射光密度は大きくなる。また、実施の形態４では、レーザ光はＸ軸方向にのみ収束が行われたが、本実施の形態では、Ｘ軸方向とＹ軸方向の二方向において収束が行われるため、波長変換効率を更に向上させることができる。

なお、第１および第２のダイクロイックミラー１２０、１４０は、実施の形態２と同様に、レーザ光１９０の往路と復路の両方に交わる大きさとしてもよい。また、実施の形態３のように、１／２λ波長板３６０および偏光ビームスプリッタ３７０を設けて、合成変換光１９５を得るようにしてもよい。

（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態４の図７に対応するものである。図７と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図１１において、波長変換装置６００は、図８に示す第１および第２のシリンドリカルレンズ４８０ａ、４８０ｂに替えて、第１および第２のレンズ素子６８０ａ、６８０ｂを有する。また、波長変換装置６００は、第１のダイクロイックミラー１２０および第１の直角プリズム１３０に替えて、第１のダイクロイックミラー６２０を有し、第２のダイクロイックミラー１４０および第２の直角プリズム１５０に替えて、第２のダイクロイックミラー６４０を有する。第１および第２のレンズ素子６８０ａ、６８０ｂは、同一の構成を有している。

第１のレンズ素子６８０ａは、一方の面を非線形光学結晶１１０の第１の入出射面１１１に対向させ、その光軸をＺ軸方向に一致させて配置されている。

第２のレンズ素子６８０ｂは、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３に対し、第１のレンズ素子６８０ａと面対象な配置となっている。

図１２は、図１１に示す波長変換装置６００の構成図であり、実施の形態４の図８に対応するものである。

図１２において、第１のダイクロイックミラー６２０は、図８に示す第１のダイクロイックミラー１２０とは逆に、第１の波長の光（未変換光）を反射し、第２の波長の光（変換光）を透過する。また、第１のダイクロイックミラー６２０は、第２のレンズ素子６８０ｂの、非線形光学結晶１１０とは反対側の焦点６８１ｂの位置に、Ｚ軸と直交する向きで配置されている。

第２のダイクロイックミラー６４０は、図８に示す第２のダイクロイックミラー１４０とは逆に、第１の波長の光（未変換光）を反射し、第２の波長の光（変換光）を透過する。また、第２のダイクロイックミラー６４０は、第１のレンズ素子６８０ａの、非線形光学結晶１１０とは反対側に、Ｚ軸と直交する向きで配置されている。ただし、第２のダイクロイックミラー６４０は、第１のレンズ素子６８０ａの非線形光学結晶１１０とは反対側の焦点６８１ａよりも、第１のレンズ素子６８０ａから離れた位置であって、かつ、第１のレンズ素子６８０ａの光軸に対し、未変換のレーザ光１９０の光路と線対称となる仮想的な光路上に配置されている。また、未変換のレーザ光１９０は、焦点６８１ａを通って第１のレンズ素子６８０ａに入力される。

第１のレンズ素子６８０ａと第２のレンズ素子６８０ｂとの距離は、それぞれの焦点距離をｆとし、非線形光学結晶１１０と空気との屈折率差を無視したとき、２ｆとする。すなわち、第１および第２のレンズ素子６８０ａ、６８０ｂの、それぞれの非線形光学結晶１１０側の焦点が、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３上の同一の位置となるように、第１のレンズ素子６８０ａと第２のレンズ素子６８０ｂは配置される。

このような波長変換装置６００では、第１のレンズ素子６８０ａから出射したレーザ光１９０は、非線形光学結晶１１０の結晶中心面１１３をビームウェストとして絞られながら、Ｚ軸の正の方向に進み、第２のレンズ素子６８０ｂに入射する。そして、第２のレンズ素子６８０ｂから出射するレーザ光１９０は、焦点６８１ｂを通る平行光となり、第１のダイクロイックミラー６２０において、第１の出力変換光１９１と、未変換光とに分離される。

第１のダイクロイックミラー６２０で折り返された未変換光は、焦点６８１ｂを通ることから、第１のダイクロイックミラー６２０までの往路と同様に、第２のレンズ素子６８０ｂによって非線形光学結晶１１０内で絞られ、第１のレンズ素子６８０ａによって焦点６８１ａを通る平行光となる。そして、第１のレンズ素子６８０ａから出射されたレーザ光１９０は、第２のダイクロイックミラー６４０において、第２の出力変換光１９２と、出力未変換光１９３とに分離される。

ここで、非線形光学結晶１１０と空気との屈折率差を考慮した場合について説明する。

光軸上に、長さＬかつ屈折率ｎの平行媒質が存在する場合、レンズ素子６８０の焦点位置は、α＝（１−１／ｎ）×Ｌだけ遠くにシフトする。したがって、非線形光学結晶１１０と空気との屈折率差を考慮した場合、第１のレンズ素子６８０ａと第２のレンズ素子６８０ｂとの距離Ｄは、非線形光学結晶１１０の長さをＬｐとした場合、２ｆよりも２αだけ長く、つまり、以下の式（３）を満たすように設定すべきである。
Ｄ ＝ ２ｆ＋（１−１／ｎ）×Ｌｐ ・・・・・・（３）

（実施の形態７）
図１３、本発明の実施の形態７に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態１の図１に対応するものである。図１と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図１３において、波長変換装置７００は、図１に示す第１のダイクロイックミラー１２０および第１の直角プリズム１３０に替えて、第１のダイクロイックミラー７２０および全反射ミラー７３０を有する。

第１のダイクロイックミラー７２０は、図１に示す第１のダイクロイックミラー１２０と同じ位置および向きで配置されている。

全反射ミラー７３０は、第１のダイクロイックミラー７２０のＹ軸の正の方向側に配置されている。

図１４は、図１３に示す波長変換装置７００の構成図であり、実施の形態１の図２に対応するものである。

図１４において、第１のダイクロイックミラー７２０は、図１に示す第１のダイクロイックミラー１２０とは逆に、第１の波長の光（未変換光）を反射し、第２の波長の光（変換光）を透過する。したがって、未変換光をＹ軸の正の方向に出射し、変換光をＺ軸の正の方向に出射する。

全反射ミラー７３０は、第１の波長の光（未変換光）および第２の波長の光（変換光）を反射する。全反射ミラー７３０は、第１のダイクロイックミラー７２０から出射される未変換光の光路上に、その法線方向をレーザ光１９０の到来方向に対しＺ軸の負の方向に４５度傾けて配置されている。すなわち、全反射ミラー７３０は、第１のダイクロイックミラー７２０との組み合わせにより、非線形光学結晶１１０から出射される未変換光を、Ｙ軸の正の方向に所定の間隔を置いて１８０度向きを偏向させて、非線形光学結晶１１０に再入射させる。

このような波長変換装置７００によれば、第１の直角プリズム１３０が不要となるだけでなく、Ｚ軸方向におけるレーザ光１９０の光路長を短くすることができる。また、少なくともレーザ光１９０の往路と復路との距離よりもサイズを大きくしなければならない第１の直角プリズム１３０をより小型な全反射ミラー７３０に替えることができる。すなわち、装置の小型化、簡素化、および低コスト化を図ることができる。

なお、全反射ミラー７３０に替えて、未変換光を反射し変換光を透過するダイクロイックミラーや、微細な直角プリズムを配置してもよい。未変換光を反射し変換光を透過するダイクロイックミラーを配置した場合には、非線形光学結晶１１０に再入射するレーザ光１９０から、より高い割合で変換光を分離することが可能となる。

更には、第１のダイクロイックミラー７２０に替えて、未変換光および変換光を反射する全反射ミラーを配置し、一方で、全反射ミラー７３０に替えて、未変換光を反射し、変換光を透過するダイクロイックミラーを配置してもよい。この場合には、変換光の出射方向を、ｙ軸の正の方向とすることができる。これにより、実施の形態３の図６に示す１／２λ波長板３６０や偏光ビームスプリッタ３７０による変換光の合成のための光学系を適用することができる。また、第１のダイクロイックミラー７２０に替えて配置した全反射ミラーの代わりに、全反射コーティングを施した直角プリズムを使うこともできる。

また、全反射ミラー７３０を、未変換光を反射し変換光を透過するダイクロイックミラーに替えるのみとしてもよい。これにより、変換光を除去するプロセスが１回分増えるため、再入射光に含まれる変換光の割合をより低く抑えることができる。

（実施の形態８）
図１５は、本発明の実施の形態８に係る波長変換装置の概要を示す斜視図であり、実施の形態７の図１３に対応するものである。図１３と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。

図１５において、波長変換装置８００は、図１３に示す波長変換装置７００の構成に加えて、第２の全反射ミラー８３０を有する。

第２の全反射ミラー８３０は、第１のダイクロイックミラー７２０のＺ軸の正の方向側に配置されている。

図１６は、図１５に示す波長変換装置８００の構成図であり、実施の形態７の図１４に対応するものである。

図１６において、第２の全反射ミラー８３０は、第１の波長の光（未変換光）および第２の波長の光（変換光）を全反射する。第２の全反射ミラー８３０は、第１のダイクロイックミラー７２０から出射される変換光の光路上に、第１のダイクロイックミラー７２０と平行な向きで配置されている。すなわち、第２の全反射ミラー８３０は、第１のダイクロイックミラー７２０から出射される変換光を、Ｙ軸の正の方向に偏向させる。

このような波長変換装置８００によれば、実施の形態１と同様に、第１のダイクロイックミラー１２０から出力される第１の出力変換光１９１の出射方向を、Ｙ軸の正の方向とすることができる。これにより、実施の形態３の図６に示す１／２λ波長板３６０や偏光ビームスプリッタ３７０による変換光の合成のための光学系を適用することが容易となる。

また、光を偏向させる部分からＺ軸の正の方向に距離を置いた位置で、Ｙ軸方向に変換光を出射させるので、装置構成の自由度を向上させることができる。例えば、光を偏向させる部分のＹ軸方向に近接した位置に他の装置部を配置させることができる。また、出力変換光１９１、１９２の光路差をより長く設定したり、出力変換光１９１、１９２の光路差を容易に調整可能な構成とすることができる。

本発明に係る波長変換装置は、レーザ光の波長変換効率を改善しつつ、波長変換されたレーザ光の出力性能を向上することができる波長変換装置として有用である。具体的には、例えば、レーザ発振が困難な短い波長のレーザ光を容易に出力することができるので、他のレーザ光源と適宜組み合わせることにより、高品位かつ高出力な白色レーザ光源を達成することが可能になる。このような白色レーザ光源は、例えば、投影装置の光源や液晶ディスプレイ装置のバックライト装置を含めた表示装置、波長多重通信システムなどの光通信系システム中に用いられる機能素子などに好適である。

本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態１に係る波長変換装置の構成図 実施の形態１における非線形光学結晶の発熱量分布を示す説明図 本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態２に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態４に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態４に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態５に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態５に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態６に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態６に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態７に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態７に係る波長変換装置の構成図 本発明の実施の形態８に係る波長変換装置の概要を示す斜視図 実施の形態８に係る波長変換装置の構成図 従来の波長変換装置を構成する非線形光学結晶の一例を示す構成図

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 波長変換装置
１１０ 非線形光学結晶
１２０、２２０、６２０、７２０ 第１のダイクロイックミラー
１３０ 第１の直角プリズム
１４０、２４０、６４０ 第２のダイクロイックミラー
１５０、３５０ 第２の直角プリズム
３６０ １／２λ波長板
３７０ 偏光ビームスプリッタ
４８０ シリンドリカルレンズ
５８０ マイクロレンズ素子
６８０ レンズ素子
７３０、８３０ 全反射ミラー

Claims (2)

1. 内部を伝搬するレーザ光を波長変換する非線形光学結晶と、
   前記非線形光学結晶から出射したレーザ光を、偏向して前記非線形光学結晶に再入射させ、前記非線形光学結晶から出射する前の前記レーザ光と逆方向に所定の間隔を置いて平行に伝搬させる光偏向部と、
   前記非線形光学結晶に再入射する前の前記レーザ光から、前記非線形光学結晶内で波長変換されたレーザ光を分離する光分離部と、
   前記非線形光学結晶に再入射し、前記非線形光学結晶から再出射したレーザ光から、前記非線形光学結晶内で波長変換されたレーザ光を分離する第２の光分離部と、
   前記光分離部で分離されたレーザ光と、前記第２の光分離部で分離されたレーザ光とを合成する光学系と、を有し、
   前記光分離部は、
   前記非線形光学結晶内で波長変換されたレーザ光に対して反射性を有し、前記非線形光学結晶内で波長変換されていないレーザ光に対して透過性を有する、ダイクロイックミラーを含む、
   波長変換装置。
2. 前記ダイクロイックミラーは、
   前記光偏向部で偏向される前のレーザ光の光路および前記光偏向部で偏向された後のレーザ光の光路の両方と交わる、
   請求項１記載の波長変換装置。

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