JP5507874B2

JP5507874B2 - 波長変換レーザ装置

Info

Publication number: JP5507874B2
Application number: JP2009097818A
Authority: JP
Inventors: 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: JP2009158985A

Description

本発明は、波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る波長変換レーザ装置に関する。

従来、レーザダイオードと、グレーティング部を内部に形成した光ファイバとを組み合わせ、波長を安定化した半導体レーザモジュールが公知である（例えば、特許文献１参照。）。
また、グレーティング部で波長を固定したレーザ光を高調波光へと波長変換素子で波長変換する技術が公知である（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、波長変換素子の入射部を斜めに研磨し、波長変換素子からレーザ光源側への戻り光を低減する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特許第３１２０８２８号公報特許第３２２３６４８号公報特開平５−９３９３１号公報

波長変換素子からレーザ光源側への戻り光があると、その影響で出力が不安定になることがある。そこで、上記従来技術のように波長変換素子の入射部を斜めに研磨して戻り光を低減することが考えられる。
しかし、波長変換素子の入射部を斜めに研磨すると、波長変換素子とレーザ光源側との結合効率が低下するため、出力が低下する問題点がある。また、波長変換素子の入射部を加工する手間がかかる問題点がある。
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る波長変換レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、半導体発光素子と、グレーティング部を内部に形成した光ファイバと、前記半導体発光素子と前記光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を入射光としその入射光の高調波光を出力する波長変換素子とを具備し、前記グレーティング部と前記波長変換素子の距離が前記入射光のコヒーレント長の１／２倍より大きいことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記構成において、コヒーレント長とは、例えばビームスプリッタで２つに分けた光を異なる光路を通った後で重ね合わせたときに、干渉縞を生じうる最大の光路長差のことである。つまり、光路長差を０から大きくしていくと、はじめは干渉縞を生じるが、やがて干渉縞を生じなくなる。この干渉縞を生じうる最大の光路長差のことである。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、グレーティング部と波長変換素子との距離をコヒーレント長の１／２倍より大きくした。このため、グレーティング部からレーザ光源側への戻り光と、グレーティング部を出て波長変換素子で反射されグレーティング部に戻り更にレーザ光源側へ戻る光の光路長差は、コヒーレント長より大きくなる。従って、グレーティング部からレーザ光源側への戻り光に波長変換素子からの戻り光が干渉しなくなる。よって、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る。また、波長変換素子の入射部を加工する必要がないから、構成も簡易化できる。

第２の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記入射光の波長が９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]のいずれかの波長であり、前記グレーティング部の反射波長帯域幅が０．１[ｎｍ]以上であり、前記距離が７[ｍｍ]以上であることを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
例えば、共振器から出射した光の中心波長λ＝１１００[ｎｍ]であり、スペクトル幅Δλ≧０.１[ｎｍ]であるとき、コヒーレント長ｌｃは、
ｌｃ≦λ²／Δλ＝１２．１[ｍｍ]
となる。
上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、グレーティング部と波長変換素子の距離を７[ｍｍ]以上としたが、これは上記コヒーレント長ｌｃの０．５倍より大きい距離に相当する。つまり、グレーティング部を出て波長変換素子で反射されグレーティング部に戻る光の光路長は、コヒーレント長より長くなる。従って、中心波長λやスペクトル幅Δλや位置精度に多少のバラツキがあっても、グレーティング部からレーザ光源側への戻り光に波長変換素子からの戻り光が干渉しなくなり、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る。

本発明の波長変換レーザ装置によれば、グレーティング部で反射されて半導体光増幅素子へ戻る光と、波長変換素子で反射されグレーティング部に戻り更に半導体光増幅素子へ戻る光の光路長差がコヒーレント長より大きくなるため、干渉を生じなくなり、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る。また、波長変換素子の入射部を加工する必要がないから、構成も簡易化できる。

本発明の一実施形態に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。

以下、図に示す実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる波長変換レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この波長変換レーザ装置１００は、光反射面１ａと光出射面１ｂとこれらの面で挟まれた領域に電流を注入することにより光を発生し増幅する機能を有する半導体光増幅素子１と、半導体光増幅素子１で発生した光を集光するレンズ２と、内部にグレーティング部６を形成した光ファイバ３と、光ファイバ３から出射した光を集光するレンズ４と、入射光の第２高調波光を出力する波長変換素子５と、グレーティング部６を挟む２カ所で光ファイバ３を保持する第１固定部１４及び第２固定部１５を有するグレーティング部伸張機構２０とを備えて構成されている。
そして、グレーティング部６と波長変換素子５の距離Ｄは、光ファイバ３から出射した光のコヒーレント長の１／２倍より大きくされている。好ましくは、５倍〜５０倍にされている。

半導体光増幅素子１は、例えば波長λが９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の範囲の光を発生し増幅する。光反射面１ａには発生した光に対して高反射率となるコーティングが施され、光出射面１ｂには発生した光に対して低反射率となるコーティングが施されている。

光ファイバ３の入射側の端面３ａは、半導体光増幅素子１から出射した光がより多く入射するように、テーパ状またはくさび状に加工されていることが好ましい。この場合、レンズ２が不用になり、構造を単純に出来る。

グレーティング部６は、光ファイバ３の一部に屈折率が周期的に変動するような加工を施して形成されている。例えば、エキシマレーザ等の紫外レーザをビームスプリッタで２光束に分け、異なる光路を通した後、光ファイバ上に重ね合わせて照射し、干渉縞を発生させ、紫外線強度に応じて生じる光ファイバのフォトリフラクティブ効果により、干渉縞と同じ間隔で周期的に屈折率を変動させることにより形成されている。

グレーティング部６は、ある波長帯域の光のみ反射する。例えば、９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の間に中心波長λを持ち、０．１[ｎｍ]以上（例えば、０.６[ｎｍ]）のスペクトル幅Δλを持つ光のみを反射する。この中心波長λやスペクトル幅Δλは、屈折率が変動する周期を変更することや、グレーティング部６の長さをグレーティング部伸張機構２０で調節することで調整できる。

グレーティング部伸張機構２０は、ベース２１と、そのベース２１上をスライドしうる移動ナット２２と、その移動ナット２２に螺合しているネジ棒２３と、そのネジ棒２３を手動または工具を用いて回転させうる操作部２４とを具備している。そして、第１固定部１４はベース２１に設けてあり、第２固定部１５は移動ナット２２に設けてある。第１固定部１４および第２固定部１５は、接着剤または半田付けなどにより、光ファイバ３を固定的に保持している。

操作部２４を回してネジ棒２３を回すと、移動ナット２２がベース２１上をスライドし、第１固定部１４と第２固定部１５の間隔が変わる。これにより、グレーティング部６が伸縮し、屈折率が変動する周期が変わる。これにより、光ファイバ３から波長変換素子５へと出射する光を、波長変換素子５の波長変換可能帯域に合わせることが出来る。

半導体光増幅素子１とグレーティング部６とで光共振器が構成される。すなわち、半導体光増幅素子１を出射した光は、レンズ２で集光され、光ファイバ３の入射側端面３ａに入射される。光ファイバ３に入射した光は、グレーティング部６で決定される波長帯域の光が反射され、半導体光増幅素子１へ戻り、半導体光増幅素子１で増幅され、再び半導体光増幅素子１を出射し、光ファイバ３に入射する。これが繰り返されることにより、グレーティング部６で決定される波長帯域の光が光ファイバ３の出射側端面３ｂから出射される。

光ファイバ３の出射側端面３ｂから出射された光は、レンズ４で波長変換素子５の端面５ａに集光される。レンズ４には、無反射コートが施されている。

波長変換素子５は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃，ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ₃，ＫＮｂＯ₃，ＫＴｉＯＰＯ₄、あるいはこれらに分極反転処理を施したものに、光導波路を形成したものである。波長変換素子５は、例えば波長が９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]の光が入射することにより、その第２高調波である波長が４５０[ｎｍ]〜５５０[ｎｍ]の光を発生する。

レンズ４で波長変換素子５の端面５ａに集光される光の大部分は波長変換素子５へ入射するが、一部は反射し、光ファイバ３への戻り光となる。この戻り光は、光ファイバ３内に入り、グレーティング部６を通って、半導体光増幅素子１へ戻るが、このとき、グレーティング部６で反射されて半導体光増幅素子１へ戻る光と重ね合わされる。このため、干渉を生じる可能性がある。
ところが、グレーティング部６と波長変換素子５の距離Ｄが、光ファイバ３から出射した光のコヒーレント長の１／２倍より大きく、好ましくは５倍〜５０倍にされているため、干渉を生じなくなる。従って、安定した出力の高調波光を発生させることが出来る。また、波長変換素子５の入射部を加工する必要がないから、構成も簡易化できる。

数値例を示すと、距離Ｄ＝７[ｍｍ]〜６００[ｍｍ]である。
光ファイバ３から出射した光の中心波長λ＝１１００[ｎｍ]であり、スペクトル幅Δλ＝０.１[ｎｍ]であるとき、コヒーレント長ｌｃは、
ｌｃ＝λ²／Δλ＝１２．１[ｍｍ]
となるから、距離Ｄは、コヒーレント長ｌｃの１／２倍〜５０倍に相当する。すなわち、グレーティング部６を出て波長変換素子５で反射されグレーティング部６に戻る光の光路長は、コヒーレント長ｌｃの１倍〜１００倍になる。換言すれば、グレーティング部６で反射されて半導体光増幅素子１へ戻る光と、波長変換素子５で反射されグレーティング部６に戻り更に半導体光増幅素子１へ戻る光の光路長差は、コヒーレント長ｌｃの１倍〜１００倍になる。

本発明の波長変換レーザ装置は、半導体発光素子で発生した光の高調波光を出力するのに利用できる。

１半導体光増幅素子
１ａ光反射面
１ｂ光出射面
２レンズ
３光ファイバ
３ａ入射側端面
３ｂ出射側端面
４レンズ
５波長変換素子
５ａ光導波路端面
６グレーティング部
２０グレーティング部伸張機構

Claims

半導体発光素子と、
グレーティング部を内部に形成した光ファイバと、
前記半導体発光素子と前記光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を入射光としその入射光の高調波光を出力する波長変換素子と、
前記グレーティング部の中心波長λを調整する中心波長調整手段とを具備し、
前記グレーティング部と前記波長変換素子の距離をＤ、前記グレーティング部の反射波長帯域幅Δλとしたとき、
Ｄ＞λ²／（２・Δλ）
となるように、調整されていることを特徴とする波長変換レーザ装置。
請求項１に記載の波長変換レーザ装置において、前記入射光の波長が９００[ｎｍ]〜１１００[ｎｍ]のいずれかの波長であり、前記グレーティング部の反射波長帯域幅が０．１[ｎｍ]以上であり、前記距離が７[ｍｍ]以上であることを特徴とする波長変換レーザ装置。