JPH0545656U - 光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】半導体レーザ１から発生し、コリメータレンズ
４で平行光に変換されたレーザビームＬ１のビーム断面
形状は、楕円形になっている。このビーム断面形状は、
ビーム形状変換レンズ５により、円形に整形される。ビ
ーム断面形状の整形後のレーザ光Ｌ１は、位相差板６で
偏光方向が変化させられた後に、集光レンズ７により集
光されて、光ファイバ型の波長変換素子２のコア２Ａに
入射する。波長変換素子２からは、レーザ光Ｌ１を基本
波としたチェレンコフ放射により生じた２次高調波が変
換光Ｌ２として出射される。ビーム形状変換レンズ５
は、その光軸に垂直な母線を持つ円筒面を有するシリン
ドリカルレンズ５１，５２により構成されている。 【効果】レーザ光Ｌ１の光路を折り曲げることなくビー
ム断面形状を円形に整形できるから、装置全体を直線的
に構成して、装置の小型化が図られる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、２次の非線形光学効果を利用して、半導体レーザからのレーザ光を １／２波長の２次高調波に変換する波長変換素子を用いた光源装置に関するもの である。

【０００２】

【従来の技術】

非線形光学効果は、媒質に光が入射したとき、その光の電場の２乗以上の高次 項に比例する分極が生じる現象であり、この現象により２次高調波が発生する。 このような現象が現れる材料は非線形光学材料と呼ばれ、ＫＨ₂ ＰＯ₄ 、ＬｉＮ ｂＯ₃ 等の無機材料が良く知られている。また、最近では、２−メチル−４ニト ロアニリン（ＭＮＡ）に代表される有機材料も大きな非線形光学定数を有するこ とから注目を集めている。

【０００３】 最近では、上記のような非線形光学材料を、半導体レーザ等の低出力レーザ光 源の波長を半分にする波長変換素子に応用するための研究が盛んに行われている 。波長変換素子では、基本波（半導体レーザ光）を高いエネルギー密度で閉じ込 め、かつ、基本波との相互作用長を長くするように設計されていることが重要で ある。

【０００４】 このため、波長変換素子の形態としては、たとえば光導波路型のものが使用さ れている。光導波路型の波長変換素子は、基板上に、光を閉じ込めて伝搬させる 細長い光導波部を形成し、この基板の表面をオーバレイヤで被覆したものである 。この形態の素子において、光導波部等で発生した２次高調波を取り出すために は、光導波路が、基本波の２次高調波の伝搬位相速度に対応可能な構造となって いなければならない。すなわち、基本波と２次高調波との位相整合がとれていな ければならない。この位相整合をとるためには種々の方法が考えられるが、位相 整合をとるための最も簡単な方法としてチェレンコフ放射方式がある。

【０００５】 たとえば、図６に示すように、Ａ点において光導波部９１を伝搬している光か ら２次高調波が発生し、角度αをもって基板９２およびオーバレイヤ９３に洩れ 出したとする。さらに、単位時間後にＢ点において再び角度α方向に２次高調波 が発生したとする。このとき、Ａ点およびＢ点から出射した各２次高調波のそれ ぞれの等位相面が合致する場合に、角度α方向に２次高調波が出射されることに なり、これがチェレンコフ放射と呼ばれる。基本波に対する基板９２の屈折率を ｎ_S （ω）、導波部９１の屈折率をｎ_G （ω）、２次高調波に対する基板９２の 屈折率をｎ_S （２ω）としたとき、 ｎ_S （２ω）＞ｎ_G （ω）＞ｎ_S （ω） ・・・・ (1) の条件さえ満足されれば自動的に位相整合がとれ、チェレンコフ放射が可能とな る。

【０００６】 ところが、光導波路型の波長変換素子では、狭い幅の光導波部から基板に向け て２次高調波が放射されるため、出射される光線は断面が三日月状となる。この ような光の集光は困難であり、小さなスポットに集光することができないという 欠点がある。したがって、たとえば、光ディスク等の微細なピットを有する光記 憶媒体に対する情報の書込／読出等に用いられる光源装置に、光導波路型の波長 変換素子を利用するのは困難である。

【０００７】 これに対して、図７に示すような、コア１０１とクラッド１０２との屈折率が 上記第(1) 式を満たす光ファイバ型の波長変換素子１００では、端面から出射さ れる２次高調波１０３は回転対称なリング状に広がるので、集光特性に優れてい る。リング状の２次高調波１０３は、たとえば円錐状のプリズムやフレネルレン ズを用いれば容易に平行光にコリメートすることができる。この平行光をレンズ で集光することにより、回折限界の集光スポットを得ることができる。

【０００８】 このように光ファイバ型波長変換素子は集光特性に優れているうえ、小型かつ 軽量でもあるので、半導体レーザとともに小型のパッケージに一体化して、光デ ィスクの読取用光源装置などへの応用が有望視されている。 光ファイバ型波長変換素子を用いた光源装置は、たとえば特開昭６４−７３３ ２７号公報に開示されており、その構成は本願の図８に示されている。すなわち 、半導体レーザ２１から発生されたレーザ光は、コリメータレンズ２２で平行光 にコリメートされる。このコリメート後のレーザ光は断面が楕円形となっている ため、アナモリフィックプリズムペア２３によって断面が円形のビームに整形さ れる。そして、このビーム整形後のレーザ光は、位相差板２５で偏光方向が変化 させられ、さらに集光レンズ２６により集光されて、光ファイバ型の波長変換素 子１０の入射端面１０ａから、そのコア１１に入射される。

【０００９】 波長変換素子１０は、コア１１と、このコア１１を取り囲むクラッド１２とか らなり、コア１１とクラッド１２との各屈折率が上記第(1) 式の条件を満たすも のである。このような波長変換素子１０は、集光レンズ２６からのレーザ光を基 本波としたチェレンコフ放射により、その出射端面１０ｂからリング状に広がる ２次高調波を変換光として出射する。

【００１０】 この変換光は、集光レンズ２７により集光され、さらにバンドパスフィルタ２ ８で基本波成分が除去されて、光ディスクの読取用の光などとして用いられる。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、上記のような光源装置では、コリメータレンズ２２からの楕円形の ビーム断面形状を整形するために、アナモリフィックプリズムペア２３が用いら れている。このため、レーザ光の光路が不可避的に折り曲げられることになる。 これにより、光源装置全体の小型化が妨げられ、特に光ディスク読取用の光ピッ クアップ等に適用される際には大きな障害となる。

【００１２】 そこで、本考案の目的は、上述の技術的課題を解決し、レーザ光の光路を直線 状にすることができ、したがって小型化が容易な光源装置を提供することである 。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するための本考案の光源装置は、半導体レーザと、 この半導体レーザから発生したレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ と、 このコリメータレンズからの平行光のビーム断面形状を円形に変換するビーム 形状変換手段と、 このビーム形状変換手段からのレーザ光を集光する集光レンズと、 コアおよびそれを取り囲むクラッドを有する光ファイバ型で、コアまたはクラ ッドの一方または双方が非線形光学材料を用いて構成されており、上記集光レン ズにより集光されたレーザ光が基本波として入射端面から上記コアに入射される とともに、この入射された基本波の２次高調波である変換光を出射端面から出射 する波長変換素子とを備えた光源装置において、 上記ビーム形状変換手段は、光軸に垂直な母線を持つ円筒面を有する１または 複数のレンズで構成されていることを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】

半導体レーザから発生した光は拡散光であるため、コリメータレンズにより平 行光にコリメートして用いられるが、このコリメート後のレーザ光のビーム断面 形状は、楕円形となるのが一般的である。したがって、この断面形状が楕円形の 光をそのまま集光すると楕円形状の集光スポットとなるため、これを断面形状が 円形の波長変換素子のコアに入射すると、素子中での基本波のモードフィールド パターンの不一致が大きくなることから、レーザ光（基本波）のコアへの入射効 率（結合効率）が低下し、結果として波長変換効率の低下につながる。このため 、断面形状を円形に変換した後に、集光レンズによるレーザ光の集光が行われる 。

【００１５】 本考案では、ビーム断面形状を変換するビーム形状変換手段は、光軸に垂直な 母線を持つ円筒面を有する１または複数のレンズで構成されており、このような ビーム形状変換手段により、ビーム断面形状が短軸方向に拡大されたり、長軸方 向に縮小されたりして、ビーム断面形状が円形に整形される。このような短軸ま たは長軸方向に関するビーム断面形状の拡大／縮小は、円筒面を有するレンズを 用いることにより、光路を折り曲げることなく達成できる。

【００１６】

【実施例】

以下では、本考案の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。 図１は、本考案の一実施例の光源装置の基本的な構成を示す概念図である。こ の光源装置は、半導体レーザ１から発生したレーザ光Ｌ１を円形断面の光に変換 した後に集光して光ファイバ型の波長変換素子２の入射端面２ａに入射させ、こ の波長変換素子２の出射端面２ｂから出射した変換光Ｌ２をコリメータレンズ３ により平行光にコリメートして取り出すようにしたものである。

【００１７】 半導体レーザ１から発生したレーザ光Ｌ１は、先ずコリメータレンズ４により 平行光にコリメートされる。このコリメート後のレーザ光Ｌ１は、参照符号Ｃ１ で示すようにビーム断面が楕円形となっている。このビーム断面が楕円形のレー ザ光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ５１，５２の組合せレンズで構成したビーム 形状変換レンズ５により、ビーム断面が円形に整形される。なお、参照符号Ｃ２ は、断面形状の整形後のレーザ光Ｌ１のビーム断面を示す。

【００１８】 ビーム形状変換レンズ５からのレーザ光Ｌ１は、位相差板６で偏光方向が変化 させられ、さらに集光レンズ７により集光される。この集光された光は、波長変 換素子２の入射端面２ａから、そのコア２Ａ（図１では斜線を付して示す。）に 入射される。 波長変換素子２は、コア２Ａと、それを取り囲むクラッド２Ｂとを有する光フ ァイバ型のものであり、コア２Ａとクラッド２Ｂとの各屈折率が上記第(1) 式を 満足するように制御されている。さらに、コア２Ａおよびクラッド２Ｂとのいず れか一方または双方に、非線形光学材料が用いられている。この非線形光学材料 としては、たとえば２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）、４−（Ｎ，Ｎ −ジメチルアミノ）−３−アセトアミドニトロベンゼン（ＤＡＮ）、３，５−ジ メチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール（ＰＲＡ）などが適用可能であ る。なお、位相差板６は、コア２Ａの結晶配向方向と偏光方向との関係を最適に 設定して、波長変換効率を高める目的で設けられているものである。

【００１９】 このような波長変換素子２は、コア２Ａに入射されたレーザ光Ｌ１を基本波と したチェレンコフ放射を生じさせ、レーザ光Ｌ１の２次高調波を変換光Ｌ２とし て、出射端面２ｂから出射させる。 波長変換素子２の出射端面２ｂから出射される変換光Ｌ２はリング状に広がる ため、この変換光は円錐形状のコリメータレンズ３に入射され、このコリメータ レンズ３より平行光にコリメートされる。このコリメート後の変換光Ｌ２は、図 外の集光レンズにより回折限界まで集光することができ、この集光された光が、 たとえば光ディスクの読取用の光などとして利用されることになる。

【００２０】 図２は、ビーム形状変換レンズ５の平面図である。このビーム形状変換レンズ ５は、光軸Ａに垂直な母線を持つ円筒面５１ａ，５２ａをそれぞれ有する一対の シリンドリカルレンズ５１，５２からなる。シリドリカルレンズ５１の円筒面５ １ａは凹形状になっており、シリンドリカルレンズ５２の円筒面５２ａは、凸形 状になっている。また、円筒面５１ａの曲率中心が形成する軸線５１ｂと、円筒 面５２ｂの曲率中心が形成する軸線５２ｂとは相互に平行になっている。

【００２１】 このビーム形状変換レンズ５では、レーザ光Ｌ１のビーム断面の形状を、光軸 Ａおよび軸線５１ｂ，５２ｂに垂直な方向Ｒ１に関してのみ拡大することができ る。この方向Ｒ１に関する拡大率Ｍは、シリンドリカルレンズ５１の焦点距離− ｆ₅₁と、シリンドリカルレンズ５２の焦点距離ｆ₅₂とを用いて、下記第(2) 式に より与えられる。

【００２２】

【数１】

【００２３】 ただし、第(2) 式において、ｄ₁ ，ｄ₂ は、方向Ｒ１に沿うレーザ光Ｌ１のビ ーム径である。 この構成により、方向Ｒ１をコリメータレンズ４からのレーザ光Ｌ１の断面の 短軸方向に合致させ、焦点距離ｆ₅₁，ｆ₅₂を適当に選ぶことにより、楕円径のビ ーム断面形状を、短軸方向に関して拡大して円形に整形できる。

【００２４】 上述のように本実施例の光源装置では、ビーム断面形状の整形が、シリンドリ カルレンズ５１，５２からなるビーム形状変換レンズ５により達成されており、 このビーム形状変換レンズ５では、レーザ光Ｌ１の光路を折り曲げることなく、 ビーム形状の整形が達成できる。このため、図１に示されているように、光源装 置全体を直線的に構成することができ、これにより、光源装置を小型に構成する ことが可能となる。

【００２５】 図３は、ビーム形状変換レンズの他の構成例を示す平面図である。このレンズ は、レーザ光Ｌ１の入射側に、凸形状の円筒面６１ａを有するシリンドリカルレ ンズ６１を配置するとともに、レーザ光Ｌ１の出射側に、凹形状の円筒面６２ａ を有するシリンドリカルレンズ６２を配置したものである。この構成では、入射 されたレーザ光Ｌ１のビーム断面の形状は、光軸Ａと、円筒面６１ａ，６２ａの 各曲率中心が形成する軸線６１ｂ，６２ｂとに垂直な方向Ｒ２に沿って縮小され ることになる。このとき、縮小率Ｍは、シリンドリカルレンズ６１，６２の各焦 点距離ｆ₆₁，−ｆ₆₂を用いて、下記第(3) 式で与えられる。

【００２６】

【数２】

【００２７】 ただし、第(3) 式において、ｄ₁ ，ｄ₂ は、方向Ｒ２に沿うレーザ光Ｌ１のビ ーム径である。 この構成により、方向Ｒ２をコリメータレンズ４からのレーザ光Ｌ１の断面の 長軸方向に合致させ、焦点距離ｆ₆₁，ｆ₆₂を適当に選ぶことにより、楕円径のビ ーム断面形状を長軸方向に関して縮小して円形に整形できる。

【００２８】 図４は、ビーム形状変換レンズのさらに他の構成例を示す平面図である。この レンズは、レーザ光Ｌ１の入射側および出射側の双方に凸形状の円筒面１１１ａ ，１１２ａを有するシリンドリカルレンズ１１１，１１２を配置したものである 。この構成では、入射されたレーザ光Ｌ１のビームの形状は、光軸Ａと、円筒面 １１１ａ，１１２ａの各曲率中心が形成する軸線１１１ｂ，１１２ｂとに垂直な 方向Ｒ５に沿って、シリンドリカルレンズ１１１，１１２の各焦点距離ｆ₁₁₁ ， ｆ₁₁₂ の大小関係に応じて、拡大あるいは縮小されることになる。このとき、拡 大／縮小率Ｍは、各焦点距離ｆ₁₁₁ ，ｆ₁₁₂ を用いて、下記第(4) 式で与えられ る。

【００２９】

【数３】

【００３０】 ただし、第(4) 式において、ｄ₁ ，ｄ₂ は、方向Ｒ５に沿うレーザ光Ｌ１のビ ーム径である。 この構成により、方向Ｒ５をコリメータレンズ４からのレーザ光Ｌ１の断面の 短軸あるいは長軸方向に合致させ、焦点距離ｆ₁₁₁ ，ｆ₁₁₂ を適当に選ぶことに より、楕円形のビーム断面形状を円形に整形できる。

【００３１】 図５は、ビーム形状変換レンズのさらに他の構成例を示す平面図である。上記 の図２，図３および図４に示された構成では、組合せレンズによりビーム形状の 変換を達成しているが、ビーム形状の整形は、図５(a) ，(b) または(c) に示す 単一のレンズによっても実現できる。 すなわち、図５(a) に示すレンズでは、レーザ光Ｌ１の入射側が凹形状の円筒 面７１となっており、出射側が凸形状の円筒面７２となっている。これにより、 光軸Ａと円筒面７１，７２の各曲率中心が形成する軸線７１ｂ，７２ｂとに垂直 な方向Ｒ３を、ビーム断面の短軸方向に合致させることで、ビーム形状を円形に 整形できる。

【００３２】 また、図５(b) に示すレンズでは、レーザ光Ｌ１の入射側が凸形状の円筒面８ １となっており、出射側が凹形状の円筒面８２となっている。これにより、光軸 Ａと円筒面８１，８２の各曲率中心が形成する軸線８１ｂ，８２ｂとに垂直な方 向Ｒ４を、ビーム断面の長軸方向に合致させることで、ビーム形状を円形に整形 できる。

【００３３】 また、図５(c) に示すレンズでは、レーザ光Ｌ１の入射側および出射側の双方 が凸形状の円筒面１２１，１２２となっている。これにより、光軸Ａと円筒面１ ２１，１２２の各曲率中心が形成する軸線１２１ｂ，１２２ｂとに垂直な方向Ｒ ６を、ビーム断面の長軸あるいは短軸方向に合致させることで、ビーム形状を円 形に整形できる。

【００３４】 なお、本考案は上記の実施例に限定されるものではない。たとえば、上記の実 施例では、１個または２個のレンズによりビーム形状変換レンズが構成されてい るが、３個以上のレンズを用いてビーム形状変換レンズが構成されていてもよい 。また、上記の実施例では、変換効率を高めるために位相差板６が用いられてい るが、この位相差板６がなくても２次高調波を得ることができる。さらに、上記 の実施例では、波長変換素子２からの変換光Ｌ２をコリメータレンズ３により平 行光に変換しているが、変換光Ｌ２を平行光に変換することなく集光するように してもよい。また、上記の実施例で用いられているコリメータレンズ３は円錐形 状のものであるが、これに代えてフレネルレンズを用いても、変換光Ｌ２を平行 光に変換することができる。その他、本考案の要旨を変更しない範囲で種々の設 計変更を施すことが可能である。

【００３５】

【考案の効果】

以上のように本考案の光源装置によれば、レーザ光の光路を折り曲げることな く、ビームの断面形状を円形に整形できるから、光源装置を直線的に構成するこ とができ、これにより光源装置を小型に構成することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の光源装置の構成を示す概念
図である。

【図２】ビーム形状変換レンズの平面図である。

【図３】ビーム形状変換レンズの他の構成例を示す平面
図である。

【図４】ビーム形状変換レンズの他の構成例を示す平面
図である。

【図５】ビーム形状変換レンズの他の構成例を示す平面
図である。

【図６】チェレンコフ放射を説明するための図である。

【図７】光ファイバ型波長変換素子の出射ビームの形状
を説明するための図である。

【図８】先行技術の光源装置の構成を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 波長変換素子 ２Ａ コア ２Ｂ クラッド ４ コリメータレンズ ５ ビーム形状変換レンズ ７ 集光レンズ ５１ シリンドリカルレンズ ５１ａ 円筒面 ５２ シリンドリカルレンズ ５２ａ 円筒面 ６１ シリンドリカルレンズ ６１ａ 円筒面 ６２ シリンドリカルレンズ ６２ａ 円筒面 １１１ シリンドリカルレンズ １１１ａ 円筒面 １１２ シリンドリカルレンズ １１２ａ 円筒面 ７１，７２，８１，８２，１２１，１２２ 円筒面

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザと、 この半導体レーザから発生したレーザ光を平行光に変換
   するコリメータレンズと、 このコリメータレンズからの平行光のビーム断面形状を
   円形に変換するビーム形状変換手段と、 このビーム形状変換手段からのレーザ光を集光する集光
   レンズと、 コアおよびそれを取り囲むクラッドを有する光ファイバ
   型で、コアまたはクラッドの一方または双方が非線形光
   学材料を用いて構成されており、上記集光レンズにより
   集光されたレーザ光が基本波として入射端面から上記コ
   アに入射されるとともに、この入射された基本波の２次
   高調波である変換光を出射端面から出射する波長変換素
   子とを備えた光源装置において、 上記ビーム形状変換手段は、光軸に垂直な母線を持つ円
   筒面を有する１または複数のレンズで構成されているこ
   とを特徴とする光源装置。