JPH04330426A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、基本波を第２高調波に
変換する光波長変換装置、特に詳細には、基本波と第２
高調波との間でタイプＩＩの位相整合が取られる非線形
光学材料の結晶を用いた光波長変換装置に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】従来より、非線形光学材料による第２高
調波発生を利用して、レーザー光を波長変換（短波長化
）する試みが種々なされている。このようにして波長変
換を行なう光波長変換素子として具体的には、例えば「
光エレクトロニクスの基礎」Ａ．ＹＡＲＩＶ著，多田邦
雄，神谷武志訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に
示されるようなバルク結晶型のものがよく知られている
。 【０００３】またＪ．Ａｐｐｌ　．Ｐｈｙｓ　．Ｖｏｌ
．５５，ｐ６５（１９８４）にはＹａｏらによって、２
軸性結晶であるＫＴＰの位相整合方法に関する内容が詳
細に記述されている。 以下、ここに記述されている２軸性結晶における位相整
合方法に関して説明する。図４に示すようにθを光の進
行方向と結晶の光学軸Ｚとのなす角度とし、φを光学軸
Ｘ、Ｙを含む面においてＸ軸からの光の進行方向の角度
とする。ここで、任意の角度で入射したときの基本波お
よび第２高調波に対する結晶の屈折率を各々【０００４
】 【数１】 【０００５】とし、基本波および第２高調波の光学軸Ｘ
、Ｙ、Ｚ各方向の偏光成分に対する結晶の屈折率をそれ
ぞれ、 【０００６】 【数２】 【０００７】とする。次に、 ｋＸ　＝ｓｉｎ　θ・ｃｏｓ　φ ｋＹ　＝ｓｉｎ　θ・ｓｉｎ　φ ｋＺ　＝ｃｏｓ　θ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　としたとき、【０００８】 【数３】 【０００９】 【数４】 【００１０】上記（数３）および（数４）の解が位相整
合条件となる。 Ｂ１　＝−ｋＸ　２　（ｂ１　＋ｃ１　）−ｋＹ　２　
（ａ１　＋ｃ１　）−ｋＺ　２　（ａ１　＋ｂ１　） Ｃ１　＝　　ｋＸ　２　ｂ１　ｃ１　＋ｋＹ　２　ａ１
　ｃ１　＋ｋＺ　２ａ１　ｂ１　 Ｂ２　＝−ｋＸ　２　（ｂ２　＋ｃ２　）−ｋＹ　２　
（ａ２　＋ｃ２　）−ｋＺ　２　（ａ２　＋ｂ２　） Ｃ２　＝　　ｋＸ　２　ｂ２　ｃ２　＋ｋＹ　２　ａ２
　ｃ２　＋ｋＺ　２ａ２　ｂ２　 【００１１】 【数５】 【００１２】とおいたとき（数３）および（数４）式の
解は、 【００１３】 【数６】 【００１４】 【数７】 【００１５】（複号はｉ＝１のとき＋、ｉ＝２のとき−
）となる。 【００１６】ここで、 【００１７】 【数８】 【００１８】なる条件が満足されるとき、基本波と第２
高調波との間で位相整合が取られ、これはタイプＩの位
相整合と称されている。また、 【００１９】 【数９】 【００２０】なる条件が満たされるときにも、基本波と
第２高調波との間で位相整合が取られ、これは一般にタ
イプＩＩの位相整合と称されている。 【００２１】ところで、上記のような２軸性結晶を用い
てタイプＩＩの位相整合を取る場合、結晶に入射させる
基本波が該結晶に関して２つの屈折率を感じるようにな
る。例えば結晶の非線形光学定数ｄ２４を利用する場合
、すなわち図５に示すように結晶１０の光学軸ＹからＺ
軸側に４５°傾いた方向に直線偏光した（つまりＹ軸方
向の直線偏光成分とＺ軸方向の直線偏光成分とを有する
）基本波１１を入射させて、Ｙ軸方向に直線偏光した第
２高調波１２を取り出す場合、基本波１１は 【００２２】 【数１０】 【００２３】つまりＺ軸方向の偏光成分が感じる屈折率
と、 【００２４】 【数１１】 【００２５】つまり光の進行方向とＺ軸に直角なＹ’方
向の偏光成分が感じる屈折率の双方を感じる。 【００２６】なお図５のように結晶１０がカットされて
いる場合、厳密に言えば、基本波１１はＹ’方向（Ｙ軸
からＸ軸側に傾いた方向）およびＺ軸方向に直線偏光し
た状態で入射され、第２高調波１２はＹ’方向に偏光し
た状態で取り出されることになるが、実用上は上記のよ
うに考えて差支えない。 【００２７】上述のように、基本波が２つの屈折率を感
じると、それぞれの屈折率に対する偏光成分の間に下記
の位相差Δが生じる。 【００２８】 【数１２】 【００２９】この位相差Δが生じると、第２高調波出力
の周期的変動という現象が生じる。これには、上記の式
の各パラメータの温度依存性に由来して図６のように現
われる温度依存性のものと、図７のように現われる結晶
長依存性のものとがある。 【００３０】そこで、最大の第２高調波出力を得るため
には、結晶温度を最適に制御したり、あるいは結晶長を
最適に調整する必要がある。例えば米国特許第４，９１
３，５３３　号明細書には、前者の手法を採る光波長変
換装置の一例が示されており、一方特開平１−１５２７
８１号公報、同１−１５２７８２号公報には、後者の手
法を採る光波長変換装置の一例が示されている。 【００３１】 【発明が解決しようとする課題】しかし、結晶長を任意
に設定しておいて、結晶温度の制御によって最大の第２
高調波出力を得ようとすると、大きな温度調節ストロー
クが求められるために温調電源やヒートシンクが大型化
し、光波長変換装置の大型化やコストアップを招く。 【００３２】一方、結晶温度が一定となるように温度調
節をし、個々の結晶の長さをその温度に対して最適な値
に調整して対応する場合は、結晶長の許容誤差が極めて
小さいため、現実には、最大の第２高調波出力を得るの
は非常に困難となっている。そして、たとえそのような
ことが可能でも、この場合には、結晶長の厳密な測定お
よび調整の作業が必要となるから、光波長変換装置が大
幅にコストアップしてしまう。 【００３３】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、基本波と第２高調波との間でタイプＩＩ
の位相整合が取られる非線形光学材料の結晶を用いて、
最大の第２高調波出力を得ることができ、しかも小型か
つ安価に形成可能な光波長変換装置を提供することを目
的とするものである。 【００３４】 【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
装置は、上記のような非線形光学材料の結晶として、応
力により屈折率が変化する材料の結晶を用いた上で、こ
の結晶に応力を印加する手段を設けたことを特徴とする
ものである。 【００３５】なお、上記の応力を印加する手段は、結晶
への基本波入射方向に対して直交する１つの光学軸の方
向に応力を印加するように構成するのが特に好ましい。 【００３６】 【作用】上記の応力印加による作用について、前記図５
の例に即して説明する。ここでは一例として、結晶１０
に対して、そのＺ軸方向にのみ応力を印加する場合を考
える。この方向に応力が印加されると、 【００３７】 【数１３】 【００３８】つまりＺ軸方向の偏光成分が感じる屈折率
が変化する。結晶１０による位相差Δは前述した通り、
【００３９】 【数１４】 【００４０】であるから、 【００４１】 【数１５】 【００４２】を変化させてその値を 【００４３】 【数１６】 【００４４】の値と一致、あるいはほぼ一致させれば、
位相差Δを０あるいはほぼ０とすることができる。位相
差Δが完全に０でなくても、それに近くなっていれば、
第２高調波の温度に対する出力変動の周期が非常に長く
なり、よってその場合でも最大に近い第２高調波出力を
得ることが可能となる。 【００４５】なお上記の応力印加手段は、１つの光学軸
から外れた方向に応力を印加するものが用いられてもよ
い。すなわち例えば図５の構成においては、Ｚ軸方向の
成分とＹ’軸方向の成分を有する応力が印加されてもよ
い。そのようにしても、応力の印加方向次第で、一方の
光学軸の方向には他方の光学軸方向に比べて極めて大き
な応力を印加することが可能となる。さらには、このよ
うな２つの光学軸方向に相等しい応力が加わったとして
も、 【００４６】 【数１７】 【００４７】の応力に対する変化特性が互いに異なって
いれば、応力の設定次第で、 【００４８】 【数１８】 【００４９】との差を無くすことが可能となる。 【００５０】また上記の応力印加手段は、正の応力のみ
ならず、負の応力を印加するものが用いられてもよい。 さらには、一方向に正の応力を印加させ、他の方向には
負の応力を印加するような応力印加手段が用いられても
よい。 【００５１】 【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施例による光
波長変換装置を示すものである。この光波長変換装置は
一例として、レーザーダイオードポンピング固体レーザ
ーに組み込まれたものである。このレーザーダイオード
ポンピング固体レーザーは、ポンピング光としてのレー
ザービーム１３を発する半導体レーザー（フェーズドア
レイレーザー）１４と、発散光である上記レーザービー
ム１３を集束させる集光レンズ１５と、ネオジウム（Ｎ
ｄ）がドーピングされた固体レーザーロッドであるＹＶ
Ｏ４　ロッド（以下、Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッドと称する
）１６と、このＮｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の前方側（
図中右方側）に配されたＫＴＰ結晶１０とからなる。以
上述べた各要素１０〜１６は、共通の筐体（図示せず）
にマウントされて一体化されている。なおフェーズドア
レイレーザー１４は、図示しないペルチェ素子と温調回
路により、所定温度に温調される。 【００５２】このフェーズドアレイレーザー１４として
は、波長λ１　＝８０９　ｎｍのレーザービーム１３を
発するものが用いられている。一方Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロ
ッド１６は、上記レーザービーム１３によってネオジウ
ム原子が励起されることにより、波長λ２　＝１０６４
ｎｍのレーザービーム１１を発する。 【００５３】Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の光入射側端
面１６ａには、波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１
は良好に反射させ（反射率９９．９％以上）、波長８０
９　ｎｍのポンピング用レーザービーム１３は良好に透
過させる（透過率９９％以上）コーティング１８が施さ
れている。一方ＫＴＰ結晶１０の光出射側端面１０ａは
球面の一部をなす形状とされ、その表面には、波長１０
６４ｎｍのレーザービーム１１および波長８０９　ｎｍ
のレーザービーム１３は良好に反射させ、そして後述す
る波長５３２　ｎｍの第２高調波１２は良好に透過させ
るコーティング１９が施されている。したがって波長１
０６４ｎｍのレーザービーム１１は、上記の面１６ａ、
１０ａ間に閉じ込められて、レーザー発振を引き起こす
。 【００５４】このレーザービーム１１は非線形光学材料
であるＫＴＰ結晶１０に入射して、波長が１／２すなわ
ち５３２　ｎｍの第２高調波１２に波長変換される。Ｋ
ＴＰ結晶１０の端面１０ａには前述した通りのコーティ
ング１９が施されているので、このＫＴＰ結晶１０から
は、ほぼ第２高調波１２のみが取り出される。 【００５５】なお図１に詳しく示すように、２軸性結晶
であるＫＴＰ結晶１０は、ＹＺ面をＺ軸周りに２４°回
転させた面でカットされ、そして矢印Ｐで示すレーザー
ビーム１１の直線偏光方向とＺ軸とが、４５°の角度を
なすように配されている。このようにＫＴＰ結晶１０を
配することにより、基本波としてのレーザービーム１１
と第２高調波１２との間でタイプＩＩの位相整合が取ら
れる。 【００５６】そしてＫＴＰ結晶１０は、応力印加手段３
０に組み込まれている。この応力印加手段３０は、四角
い枠状の保持ブロック３１と、この保持ブロック３１内
において図１、図２中上下方向に移動自在とされた押圧
板３２と、先端部をこの押圧板３２側に向けて保持ブロ
ック３１の上部に螺合された押しねじ３３とから構成さ
れている。ＫＴＰ結晶１０は、Ｚ軸が上下方向（押しね
じ３３の螺進退の方向）に延びる向きにして、下端面が
保持ブロック３１の底面に接し、上端面が押圧板３２に
接する状態にして、保持ブロック３１内に収められてい
る。 【００５７】この状態で押しねじ３３を締め付けると、
ＫＴＰ結晶１０には、そのＺ軸方向の応力が印加される
。勿論この応力は、押しねじ３３を強く締め付けるほど
増大する。このようにしてＫＴＰ結晶１０に印加する応
力を徐々に増大させると、その値が所定値となったとこ
ろで、該結晶１０によりレーザービーム１１に生じてい
た位相差Δが解消されるようになる。したがって、そこ
で最大出力の第２高調波１２が得られることになる。こ
の理由は先に詳しく述べた通りである。 【００５８】なお上記応力の値を適当な値に設定するこ
とにより、基本波としてのレーザービーム１１がマルチ
モードで発振している場合には、モード競合ノイズの発
生を抑えることも可能となる。 【００５９】次に図３を参照して、本発明の第２実施例
について説明する。この実施例の光波長変換装置も、レ
ーザーダイオードポンピング固体レーザーに組み込まれ
たものである。この実施例において、Ｎｄ：ＹＶＯ４　
ロッド１６とＫＴＰ結晶１０は銅等からなるヒートシン
ク２０上に固定され、このヒートシンク２０は、ペルチ
ェ素子等からなるＴＥクーラー２１上に固定されている
。そして該ＴＥクーラー２１が図示しない駆動回路によ
って駆動されて、Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６とＫＴＰ
結晶１０が常時所定温度に保たれるようになっている。 【００６０】フェーズドアレイレーザー１４は、Ｎｄ：
ＹＶＯ４　ロッド１６の一端面１６ａに密着させるとと
もに、ヒートシンク２０上に密着固定されている。この
フェーズドアレイレーザー１４は、波長λ１　＝８０９
　ｎｍのレーザービーム１３を発するものが用いられて
いる。Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６は、上記レーザービ
ーム１３によってネオジウム原子が励起されることによ
り、波長λ２　＝１０６４ｎｍのレーザービーム１１を
発する。 【００６１】Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の一端面１６
ａには、波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１は良好
に反射させ、波長８０９　ｎｍのポンピング用レーザー
ビーム１３は良好に透過させるコーティング２２が施さ
れている。一方ＫＴＰ結晶１０の一端面１０ａには、波
長１０６４ｎｍのレーザービーム１１は良好に反射させ
、そして波長５３２　ｎｍの第２高調波１２は良好に透
過させるコーティング２３が施されている。 【００６２】またＮｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の他端面
１６ｂには、レーザービーム１１を良好に透過させ、ポ
ンピング用レーザービーム１３は良好に反射させるコー
ティング２４が施されている。一方ＫＴＰ結晶１０の他
端面１０ｂには、レーザービーム１１を良好に透過させ
、第２高調波１２は良好に反射させるコーティング２５
が施されている。 【００６３】したがって波長１０６４ｎｍのレーザービ
ーム１１は、上記の各面１６ａ、１０ａ間に閉じ込めら
れて、レーザー発振を引き起こす。このレーザービーム
１１はＫＴＰ結晶１０に入射して、波長が５３２　ｎｍ
の第２高調波１２に波長変換される。ＫＴＰ結晶１０の
一端面１０ａには、前述した通りのコーティング２３が
施されているから、この第２高調波１２は効率良くＫＴ
Ｐ結晶１０から出射する。 【００６４】この実施例においてもＫＴＰ結晶１０は、
応力印加手段４０に組み込まれている。この応力印加手
段４０は、四角い枠状の保持ブロック４１と、この保持
ブロック４１内に配されたピエゾ素子４２と、このピエ
ゾ素子４２に電圧Ｅを印加して図中上下方向の歪みを与
える駆動回路４３とから構成されている。なおこの駆動
回路４３は、印加電圧Ｅの値を可変として、上記歪みの
量を所定範囲に亘って変え得るように形成されている。 【００６５】ＫＴＰ結晶１０は、基本波としてのレーザ
ービーム１１に対して、前記第１実施例におけるのと同
様の向きに配されている。またこのＫＴＰ結晶１０は、
そのＺ軸が上下方向（ピエゾ素子４２の歪みの方向）に
延びる向きにして、下端面がヒートシンク２０およびＴ
Ｅクーラー２１を介して保持ブロック４１の底面に対向
し、上端面がピエゾ素子４２に接する状態にして、保持
ブロック４１内に収められている。 【００６６】この状態でピエゾ素子４２に電圧Ｅが印加
されて、該素子４２が厚み（上下寸法）を増すように歪
むと、ＫＴＰ結晶１０には、そのＺ軸方向の応力が印加
される。この応力は、電圧Ｅの値をより大として、ピエ
ゾ素子４２の歪み量をより大きくするほど増大する。こ
のようにしてＫＴＰ結晶１０に印加する応力を徐々に増
大させると、その値が所定値となったところで、該結晶
１０によりレーザービーム１１に生じていた位相差Δが
解消されるようになる。したがってこの場合も、第１実
施例におけるのと同様、最大出力の第２高調波１２を得
ることが可能となる。 【００６７】なお、以上説明した２つの実施例では、Ｋ
ＴＰ結晶１０に直線偏光した基本波を入射させるように
しているが、本発明は無偏光の基本波を第２高調波に波
長変換する光波長変換装置に対しても適用可能であり、
そして同様の効果を奏するものである。また本発明は、
ＫＴＰ以外の非線形光学材料の結晶を用いる光波長変換
装置に対しても、同様に適用可能である。 【００６８】 【発明の効果】以上詳細に説明した通り本発明の光波長
変換装置は、非線形光学材料の結晶に応力を印加する手
段を用いる簡単な構成により、最大強度の第２高調波が
得られるものとなっている。このように本装置は、大型
かつ高精度の温度調節手段は不要なものであるから、小
型でかつ安価に形成可能となる。また本発明装置は、非
線形光学材料の結晶の長さを厳密に所定値に設定する必
要はないから、結晶長の厳密な測定や調整も不要となり
、この点からも安価に形成可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置の要部を示す一部破断
斜視図

【図２】上記第１実施例装置の一部破断側面図

【図３】
本発明の第２実施例装置の一部破断側面図

【図４】本発
明に関連する結晶内部での基本波進行方向と光学軸Ｚと
がなす角度θ、および基本波進行方向と光学軸Ｘとがな
す角度φを説明する概略図

【図５】第２高調波出力の周
期的変動を説明するための概略図

【図６】第２高調波出力の温度変化に依存する周期的変
動を示すグラフ

【図７】第２高調波出力の結晶長に依存する周期的変動
を示すグラフ

【符号の説明】

１０　　　　ＫＴＰ結晶 １１　　　　レーザービーム（基本波）１２　　　　第
２高調波 １６　　　　Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド ３０、４０　　　　応力印加手段 ３１、４１　　　　保持ブロック ３２　　　　押圧板 ３３　　　　押しねじ ４２　　　　ピエゾ素子 ４３　　　　ピエゾ素子駆動回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　非線形光学材料の結晶に基本波を入射
   させ、この基本波とタイプＩＩの位相整合を取って第２
   高調波を出射させる光波長変換装置において、前記結晶
   として、応力により屈折率が変化する材料の結晶が用い
   られた上で、この結晶に応力を印加する手段が設けられ
   ていることを特徴とする光波長変換装置。
2. 【請求項２】　　前記応力を印加する手段が、結晶への
   基本波入射方向に対して直交する１つの光学軸の方向に
   応力を印加するように構成されていることを特徴とする
   請求項１記載の光波長変換装置。