JPH0484115A - 光束整形レンズおよび短波長レーザ光源 - 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】 産業上の利用分野 本発明は　コヒーレント光を利用する光情報処理分野、
あるいは光応用計測制御分野に使用する光波長変換素子
用光束整形レンズおよび光束整形レンズを用いた短波長
レーザ光源に関するものであム 従来の技術 第９図に従来の短波長レーザ光源の構成図を示す。第９
図で２１は半導体レーサミ　２４はコリメータレンＸ２
５はフォーカスレンズ、　２７は光波長変換素子である
。マウント２０に取り付けられた半導体レーザ２１は基
本波Ｐｌを出射する。

発生した基本波Ｐ１はコリメータレンズ２４で平行光に
され　半波長板２６で偏光方向か９０度回転された後、
フォーカスレンズ２５により集光され光波長変換素子２
７に形成された光導波路２の端部より光導波路２に入る
。光導波路２中で高調波Ｐ２に変換され外部に放射され
る。外部に放射された高調波Ｐ２は光束整形レンズ３０
により平行光にされ４　以下０．８４μｍの波長の基本
波に対する従来の光束整形レンズによる高調波（波長０
゜４２μｍ）の整形について第１０図を用いて詳しく述
べる。第１０図は光波長変換素子２１および従来の光束
整形レンズ３０の断面図である。　（伊藤他　特開平１
−２８０７２０号参照）光束整形レンズ３０はａ軸の回
りに対称となる円錐形状をしており、円錐の頂点３１は
光波長変換素子２１の高調波であるチェレンコフ光の出
射面３と反対側にある。ＬｉＮｂＯ３基板１に形成され
た埋め込み型の光導波路２の入射面５に半導体レーザか
らの基本波Ｐ１の光を入射すると、基本波の導波モード
の実効屈折率と高調波の実効屈折率が等しくなるような
条件が満足されるとき、光導波路２からＬｉＮｂＯ３基
板１内にチェレンコフ光である高調波Ｐ２の光が効率良
く放射され　光波長変換素子として動作すも　高調波Ｐ
２は基板外へ放射されるときスネルの法則により屈折さ
れａ軸に対してさらに大きな角度で放射される。このチ
ェレンコフ光を光束整形レンズ３０により平行にする。

光束整形レンズ３０は一断面に関してはプリズム的な働
きをする。そのためチェレンコフ光は第１０図の図形を
回転対称軸であるａ軸の回りで回転したときもすべてに
対して平行になも　具体的に数値を用いて説明すると８
４０　ｎｍの波長のレーザ光を光波長変換素子に入射し
た場合ＬｉＮｂＯ３からの出射角φは５２度になり硝材
ＬａＫ１４（屈折率１．７１６、波長４２０　ｎｍにて
）を用いると頂角αとして３３度が得られる。この条件
で作製された光束整形レンズ３０を光波長変換素子２１
の前に配置し光導波路２の延長線上に光束整形レンズ３
０の頂点３１を置くと高調波Ｐ２はａ軸に対して平行と
なりａ軸を中心に高調波であるチェレンコフ光が平行光
となる。

発明が解決しようとする課題 上記のような従来の光束整形レンズでは実際には　完全
な平行光にすることはむずかしく、高調波を回折限界ま
で集光することが困難であったすなわち光束整形レンズ
の頂角αは高調波の出射角φで一義的に決まり、逆に半
導体レーザの発振波長がずれたときまた（よ　発振波長
のスペクトルが広がっている場合には光束整形レンズ通
過後に平行光からずれたり、または高調波か広がりを持
つ光となる。詳細に図を用いて説明する。第１１図に従
来の光束整形レンズの断面を示す。光波長変換素子２１
から出射された高調波Ｐ２は波長が異なることで光波長
変換素子からの出射角に違いがでる。例えば波長λ１に
対して平行となるように設計された光束整形レンズ３０
では波長λ２の高調波に対してはａ軸との角度ずれが生
じる。そのためこのような平行光からずれた光を集光す
ると収差のため集光が困難となるといった問題があっち 課題を解決するための手段 本発明（よ　上記課題を解決するためにチェレンコフ光
の整形レンズに新たな工夫を加えることにより光束整形
レンズ通過後の高調波のパターンの完全な平行出射を可
能とするものである。

そのために本発明の光束整形レンズは光導波路が形成さ
れた基板より成る光波長変換素子より放射されるチェレ
ンコフ光に対して透明な材料より成り、第１の円錐形状
となる部分および第２の円錐形状よりなる部分を有しな
おかつ第１の円錐の中心軸が第２の円錐の中心軸と一致
するという手段を用いるものである。

また　本発明の短波長レーザ光源は光導波路か形成され
た基板より成る光波長変換素子と光束整形レンズと半導
体レーザを備え、前記光束整形レンズが前記光波長変換
素子より放射されるチェレンコフ光の延長線状に位置し
なおかつ光導波路の延長線上に円錐の頂点を配しなおか
つ光波長変換素子のチェレンコフ光の出射面側と前記円
錐の頂点が対抗するように配されているという手段を用
いるものである。

作用 上記手段により光波長変換素子より出射された異なった
波長に対して異なった方向に出射される高調波であるチ
ェレンコフ光を完全な平行光に変換が図れ　回折限界ま
で集光することが可能となる。

実施例 本発明の短波長レーザ光源の実施例について図を用いて
説明する。第１図に本発明の光束整形レンズを用いて構
成される短波長レーザ光源の一種である青色レーザ光源
の構成図を示す。この青色レーザ光源はプロトン交換法
により作製した光導波路２が形成されたＬｉＮｂＯ３基
板から成る光波長変換素子２７と光束整形レンズ３０と
半導体レーザ２１と半導体レーザ２１を駆動する電源で
ある高周波電源より基本的に構成される。ＬｉＮｂＯ３
基板１にプロトン交換法により作製した光導波路（プロ
トン交検光導波路）は発生する高調波の均一性が良１．
％　　この青色レーザ光源の動作について簡単に説明す
る。高周波駆動された半導体レーザ２１から出射された
基本波Ｐ１はコリメータレンズ２４で平行光にされた後
フォーカスレンズ２５により光波長変換素子２７に形成
された光導波路２中に入射すも　ここで半波長板２６は
半導体レザ２１と光導波路２の偏光方向を合わせるため
のものである。入射した基本波Ｐ２は光導波路２で高周
波Ｐ２に変換されＬｉＮｂＯ３基板１内に放射され　端
面より光波長変換素子２７の外部へ出射される。この高
周波Ｐ２はチェレンコフリング状の発散光（チェレンコ
フ光）となるた数　光束整形レンズ３０により平行化さ
れ青色レーザ光源の正面へと出射される。

次に本発明の光束整形レンズの動作について詳しく図面
を用いて説明を行う。第２図に光波長変換素子２７およ
び光束レンズ３０の断面図を示す。

光束整形レンズ３０はａ軸の回りに回転対称であり第１
の円錐形状となる部分３０ａおよび第２の円錐形状とな
る部分３０ｂより成っている。また第１の円錐形状の中
心軸と第２の円錐形状の中心軸はともにａ軸であり一致
している。従来の光束整形レンズと異なる点は頂点３１
が光波長変換素子２７の高調波の出射面３側に対抗して
いることおよび波長分散の大きな材料を用いていること
である。また　従来とは異なり２つの円錐形状部分を持
つ。第２図において基本波Ｐ１より発生する高周波Ｐ２
の基板内への出射角θは以下の式となも ｃｏｓθ＝　Ｎ　／　ｎ ここでｎは高周波の屈折ＵＮは導波する基本波の実行屈
折率であり光導波路の延長線状であるａ軸を軸としてほ
ぼ対称なチェレンコフリングを描く。これは一般的にチ
ェレンコフ光と呼ばれる。

また基板の屈折率は波長依存性がありそのため出射角θ
は基本波の波長に依存することとなる。

次にＬｉＮｂＯ５基板１からの出射角φはスネルの法則
を満たすため以下に示す式で表すことができる。

φ＝ｓ　ｉ　ｎ−’　［ｎｓ　ｉ　ｎθ］上述のように
出射角φも同様に波長が変化することにより変わる。す
なわち波長変化による出射角θおよび屈折率ｎの変化に
よりφも変化する。

第３図に基本波の波長に対する出射角の変化を示す。波
長が短くなると出射角φは大きくなる。光束整形レンズ
３０は波長分散か大きな材料でできており、第２図にお
いて光束整形レンズ３０内部で（友　より短い波長であ
る波長λ１の光に対しての屈折率が長い波長である波長
λ２の光の屈折率よりも大きく、波長λ１の光の方が大
きく曲がる。そのため波長分散の大きな材料を用い光束
整形レンズ３０の頂角α１およびα２を選べば出射角の
異なる光を平行にすることができる。ここで頂角は中心
軸であるａ軸からの角度である。

以下具体的な数値を用いて説明する。この実施例では光
束整形レンズの材料として分散の大きなＬｉＮｂＯ５を
用いｆ、：Ｏアツベ数は１８である。アツベ数νは分散
の大きな材料程小さ（以下の式で定義される。

ｖ＝　（ｒｚ−１）／　（ｎｒ−ｎｏ）ここでｎｄ、ｎ
ｆＳ　ｆｉｃはそれぞれ波長５８７ｎｍ。

４８６％ｍ、　　６５６％ｍでの屈折率である。またａ
軸に高調波が平行になるように頂角を計算し頂角α１は
７２度α２は８１．５度とし總　半導体レーザの波長は
４１５．０％ｍより±０．２ｎｍモードホップを生じた
が光束整形レンズより出射される高調波はａ軸の回りに
完全な平行光であっ九 次に短波長レーザ光源の一種である青色レーザ光源の製
造方法について説明を行う。短波長レーザ光源の製造方
法としてはまず第１図でマウント２０に光波長変換素子
２７の光導波路２の形成されている面側を接着し池　次
にＮＡが０．６のフォーカスレンズ２５および半波長板
２６をマウント２０中に挿入し固定しｔ４　　次にＮＡ
が０．３のコリメータレンズ２４、半導体レーザ２１を
挿入した後、半導体レーザ２１を駆動し基本波ＰＩが光
波長変換素子２７の光導波路２の入射部に焦点を結ぶよ
うにコリメータレンズ２４および半導体レーザ２１を動
かし出射する高調波Ｐ２が最大になるようにした後、固
定を行っｋ　その後、光束整形レンズ３０をマウント２
０に取り付けｔも　　光束整形レンズ３０はマウント２
０に固定するため半分に切断し？、　　光波長変換素子
２７に形成されている光導波路２の延長線上に光束整形
レンズ３０の頂点３１を配置し高調波Ｐ２か平行に出射
されるようにしｋ　第１図で半導体レーザ２１は８３０
　ｎｍの発振波長のものでＣＷ主電源り一定電流をまた
高周波電源よりサイン状の高周波（ＩＧＨｚ）が印加さ
れており平均パワー４０ｍＷの基本波ＰＩが出射されて
いる。この基本波Ｐ１がレンズ２４．２５および半波長
板２６を用いて光波長変換素子２７に入射し高調波Ｐ２
が発生しなこの光波長変換素子２７では光導波路２の内
部に２５ｍＷの基本波Ｐ１が入射Ｌ　　１．　２ｍＷの
高調波が得られトータルの変換効率は３％であっ九出射
された高周波Ｐ２は光束整形レンズ３０により平行化さ
れ広がり角１ｍｍｒａｄ以下であった従来の光束整形レ
ンズを用いたものは１０ｍｍｒａｄであっ九　この実施
例のように本発明の光束整形レンズを用いることで大幅
に平行度を改善できも ま？、、、０．６５〜１．６μｍの波長の基本波を用い
た光波長変換素子による高調波発生に対し光束整形レン
ズが有効であること、また短波長レーザ光源からの出射
光が平行化されるこ七を確認し九 次に第２の実施剥きして本発明の光束整形レンズを実施
例１と同じ＜ＬｉＮｂＯ３により構成したものについて
説明する。第４図において３０は光束整形レンズであり
凸状の第１の円錐形状となる部分の頂点３１と削り取ら
れた第２の円錐形状となる部分の頂点３２を持つ。頂角
はα１が６０度、α２が９９．９度である。この実施例
では８３０％ｍの半導体レーザを高周波駆動して用い出
力された基本波は光波長変換素子に結合され　発生した
高調波Ｐ２は波長λ１からλ２までのスペクトル広がり
を持つ。第５図は光束整形レンズを通過した後の高調波
の波長に対するａ軸からの広がり角であａ　実際高調波
は４１５％ｍを中心として±ｌｎｍのスペクトル広がり
を持つ。そのため従来の光束整形レンズでは±０．１度
の広がり角を持っていた力丈　本発明の光束整形レンズ
では広がりがなくなった　この実施例で示されるように
本発明の光束整形レンズを用いることで完全に広がりを
抑えることができ九 次に第３の実施例として本発明の光束整形レンズを実施
例１と同じ＜ＬｉＮｂＯ３により構成したものについて
説明する。第６図において２７は光導波路２が形成され
た光波長変換素子、　３０は光束整形レンズであり円錐
の頂点３１が光波長変換素子２７の高調波の出射面３に
対抗している。この実施例の光束整形レンズ３０では円
錐の頂点３１は１つしかなくレンズ加工が簡単である。

頂角α１は６６、２度であった　これにより２ｒｎｍｒ
ａｄ以下の平行光が得られた　なお円錐の頂角は６０度
未満では光束整形レンズが大きくなりすぎるため実用的
ではなく８５度以上では補正の効果が少なくなる。

次に第４の実施例として本発明の光束整形レンズの材料
として硝材５ＦＳ９により構成したものについて説明す
４　３ＦＳ９はＳＦ系の硝材であり波長４１５ｎｍの高
調波に対して透明であり、アツベ数も２４と小さい。第
７図において３０は光束整形レンズであり円錐の頂点３
１、３２を持つ。この実施例の光束整形レンズでは材料
か硝材であるためレンズ加工か簡単であり材料も安価と
いう特徴がある。頂角α１は６８度でり、α２は７３度
であっ九　これにより２ｍｍｒａｄ以下の平行光が得ら
れた、 なお本実施例では材料として５ＦＳ９を用いたが他の５
Ｆ８９０等のアツベ数３０以下の高分散な硝材も低価格
であり有効である。

次に第５の実施例として本発明の光束整形レンズを有機
非線系材料に応用した例について説明すも　第８図に本
実施例の構成を示す。２７はガラスファイバー１ａ中に
有機非線形材料であるＭＮＡを光導波路２とし７て作製
した光波長変換素子、３０は材料にＺｎＳを用いた光束
整形レンズであ４ＺｎＳは吸収端が３６０　ｎｍと短く
また分散も非常に大きし−半導体レーザから出射された
基本波Ｐ１はＭＮＡでできた光導波路２中を伝搬し高調
波Ｐ２に変換されガラスでできたクラッド中を伝搬し外
部に放射される。これをＺｎＳで作られた光束整形レン
ズ３０によりスペクトル広がりによる出射角の広がった
光も完全に平行化され出射され九 次に第６の実施例として本発明の短波長レーザ光源を光
ディスクの読み取りに応用した光情報処理装置について
説明する。実施例２で説明したように高調波は光束整形
レンズにより広がりがなく完全に平行光にされる。この
高調波は偏光ビームスプリッタを通過後、フォーカシン
グレンズで集光され光デイスク上に０．６μｍのスポッ
トを結氷　この反射信号は再び偏光ビームスプリッタを
通過後、受光器に入射する。波長０．８４μｍ出力４０
ｍＷの半導体レーザを用い９６０ＭＨ２で高周波駆動す
ることにより２ｍＷの高調波が放射され九 このように本発明の光束整形レンズを半導体レーザを高
周波ドライブした短波長レーザ光源に用いることで回折
限界まで集光可能でしかも高出力の高調波を取り出すこ
とができる。そのた嵌　従来使用していた０、　　８μ
ｍ帯の半導体レーザを用いた光ディスクの読み取り系に
比べて半分のスポットに絞ることができ光ディスクの記
録密度を４倍に向上することができも なお光デイスク以外にもレーザプリン久　製版機などの
集光が不可欠な光情報処理装置にも利用することができ
も また　実施例では基板として非線形光学定数の大きなＬ
ｉＮｂＯ３を〜用いた力（他にＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ
３などの強誘電化　有機物質、またはＺｎＳなどの化合
物半導体などの非線形光学定数の大きな基板でチェレン
コフ放射による高周波発生が可能あれば用いることがで
きる。

発明の詳細 な説明したように本発明の光束整形レンズによれば　材
料に大きな波長分散を持たせることで半導体レーザを高
周波で駆動し光波長変換素子から放射される高調波のス
ペクトルが広がった場合または半導体レーザの波長がホ
ップした場合においても高調波を平行にすることができ
回折限界まで集光させることが可能となる。

また　短波長レーザ光源として本光束整形レンズを組み
込んだものは１ｍｍｒａｄ以内の極めて広がりの少ない
平行レーザ光の出射が可能でありその実用的価値は極め
て大きい。

上記短波長レーザ光源を組み込んだ光情報処理装置とし
ては高出力で安定な短波長光を利用でき記録密度および
感度が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例である本発明の短波長レーザ光源
の構成医　第２図は本発明の第１の実施例である光束整
形レンズの断面図　第３図は基本波の波長に対する高調
波出射角依存性を示すグラフ、第４図は本発明の第２の
実施例である光束整形レンズの断面図　第５図は高調波
の波長に対する広がり角を示すグラス　第６図は本発明
の第３の実施例である光束整形レンズの断面図　第７図
は本発明の第４の実施例である光束整形レンズの断面図
　第８図は本発明の第５の実施例である光束整形レンズ
の断面図　第９図は従来の短波長レーザ光源の構成＠　
第１０図は従来の光束整形レンズの断面図　第１１図は
従来の光束整形レンズの原理を示す断面図である。 であム ■・・・ＬｉＮｂＯ３基板、　２・・・光導波ｍ２１・
・・半導体レーサミ　２７・・・光波長変換素子、　３
０・・・光束整形レン、ＣＰ２・・・高調嵩 代理人の氏名　弁理士　粟野　重孝　ほか１名ｒｌ−１
区 ′ｂ−Ｉ） 蒙コ 翫コー曜 ｌＮｂＯ３ 尤　導　波　路 究違長寥１喚覧子 を肇瞥氾しンズ １占 Ｂ調波 第２図 第 図 う１ 長（ｎｍ） 光　′ｊＩＩ　　長　？　候　累 子 第 図 第 図 第 図 ４１５　　　４／６ ；皮　長　（ｎ　ｍ）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）光導波路が形成された基板より成る光波長変換素
   子より放射されるチェレンコフ光に対して透明な材料よ
   り成り、第１の円錐形状となる部分および第２の円錐形
   状よりなる部分を有し、前記第１の円錐の中心軸が前記
   第２の円錐の中心軸と一致することを特徴とする光束整
   形レンズ。
2. （２）光導波路が形成された基板より成る光波長変換素
   子と光束整形レンズと半導体レーザを備え、前記光束整
   形レンズが前記光波長変換素子より放射されるチェレン
   コフ光の延長線状に位置し前記光導波路の延長線上に円
   錐の頂点を配し前記光波長変換素子のチェレンコフ光の
   出射面側と前記円錐の頂点が対抗するように配されてい
   ることを特徴とする短波長レーザ光源。
3. （３）光導波路が形成された基板としてＬｉＮｂ＿ｘＴ
   ａ＿１＿−＿ｘＯ＿３（０≦Ｘ≦１）基板を使用したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光束整形レ
   ンズまたは同第２項記載の短波長レーザ光源。
4. （４）光導波路としてプロトン交換光導波路を用いたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光束整形レ
   ンズまたは同第２項記載の短波長レーザ光源。
5. （５）光導波路として有機非線系光学材料よりなる光導
   波路を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光束整形レンズまたは同第２項記載の短波長レーザ
   光源。
6. （６）ＳＦ系の硝材を材料としたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の光束整形レンズまたは同第２項
   記載の短波長レーザ光源。
7. （７）ＬｉＮｂＯ＿３を材料としたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光束整形レンズまたは同第２
   項記載の短波長レーザ光源。
8. （８）アッベ数が３０以下の材料を用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の光束整形レンズまたは
   同第２項記載の短波長レーザ光源。
9. （９）円錐の頂角が６０度以上、８５度以下であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光束整形レン
   ズまたは同第２項記載の短波長レーザ光源。
10. （１０）光束整形レンズが第１の円錐形状となる部分お
    よび第２の円錐形状となる部分を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第２項記載の短波長レーザ光源。