JPH06102552A - 回折格子およびその作製法および第２高調波発生装置 - Google Patents

回折格子およびその作製法および第２高調波発生装置

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JPH06102552A
JPH06102552A JP4252587A JP25258792A JPH06102552A JP H06102552 A JPH06102552 A JP H06102552A JP 4252587 A JP4252587 A JP 4252587A JP 25258792 A JP25258792 A JP 25258792A JP H06102552 A JPH06102552 A JP H06102552A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 雑音が低く、出力強度を可変できる第高効率
・高出力の第２高調波発生装置およびそれに用いる回折
格子を提供する。 【構成】 半導体レーザ３１をでた光は１／２波長板に
より偏波面を９０度回転しＳＨＧ素子９５に高効率で結
合される。ＳＨＧ素子９５を通過した光はレンズ３５に
よって回折格子３６に入射される。偏光依存性波長フィ
ルタ９２は特定偏光のＳＨＧ光についてはすべて反射
し、ＳＨＧ光よりも波長の長い光についてはすべて透過
する。フィルタ９２を透過した光は回折格子により分散
され、位相整合が行なわれる基本波の波長の光のみ選択
され、半導体レーザ３１に帰還される。半導体レーザ３
１はこの基本波の波長でレーザで発振を行ない、この基
本波光はＳＨＧ素子９５において高効率でＳＨＧ光に変
換される。ＳＨＧ素子９５から出たＳＨＧ光３９はフィ
ルタ９２によって共振器の外部に全て出力光として反射
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザを基本波光源とす
る第２高調波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来におけるドメイン反転構造を有する
疑似位相整合型の第２高調波発生装置を図９に示す。基
本光源である半導体レーザ１、レンズ２、３、１／２波
長板８、第２高調波発生素子（ＳＨＧ素子）４、レンズ
５、回折格子６、長波長遮断光フィルタ７から構成され
る。半導体レーザ１から出た光はレンズ２および３、１
／２波長板８、ＳＨＧ素子４、レンズ５を通って回折格
子６に入射される。１／２波長板８は半導体レーザ１と
ＳＨＧ素子４との結合を高める目的で偏光方向を変換す
るために用いている。回折格子の角度をＳＨＧ素子４の
位相整合条件が整う波長の光のみを元の光学系に光帰還
することによって、光学系全体でレーザ共振器を形成さ
れ、半導体レーザ１はこの波長でレーザ発振する。半導
体レーザ１から出た基本波はＳＨＧ素子内を伝搬し第２
高調波に変換される。変換された第２高調波は回折格子
６、長波長遮断光フィルタ７を通って取り出される（特
開平４−１０７５３６号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おいては第２高調波光９は回折格子６をかいして取り出
されるため、図１０に示されるように回折格子６におい
て０次および高次の回折が生じ、第２高調波光が各方向
に分散される。特にＳＨＧ光は基本波光に対して波長が
１／２になっており、回折の原理から基本波より多くの
方向の回折光を発生する。従って光出力の有効な取り出
しが行えず、実際に使用する光の光量が減少してしま
う。基本波の光に対しても回折格子６において回折され
ない光２１や高次の回折光２８が発生するためにＳＨＧ
素子４へ帰還されレーザ発振に寄与する回折光２５の光
量が低下する。このため半導体レーザ１のしきい値が上
昇する。すると半導体レーザ１の光出力が低くなるため
ＳＨＧ素子４での変換効率が低下し高い出力のＳＨＧ光
量が得られない。半導体レーザ１への帰還光量が少ない
と半導体レーザ１の発振が不安定であり、温度、振動な
どの周囲環境の変化により発振波長自体も変動、モード
モップするため安定した位相整合状態を保てない欠点が
ある。また従来の発明における光共振器では基本波の１
次回折光２５を半導体レーザ１に帰還するリトロー光学
系を採用しているためにＳＨＧ光の２次の回折光２４が
基本光の１次の回折光２５と同じ方向に回折する。よっ
てＳＨＧ光２４は基本波光２５と同じ光路を通って元の
ＳＨＧ素子に帰還され共振器を形成し不用な雑音を発生
し、出力の不安定化を起こす。
【０００４】さらに従来の方式では直接変調によりＳＨ
Ｇ光の出力光強度を可変できない欠点を有する。
【０００５】また、共振器にプリズムを用いて基本波光
と第２高調波光を分離発振する手段も提案されているが
プリズムでは半導体レーザ１を位相整合条件を満たす所
定の基本波波長で発振させるだけの分解能を与えること
は光学的に困難であり、半導体レーザ１の発振波長の広
がりによりＳＨＧ素子４での波長変換効率は低下する。
【０００６】本発明は上記課題に鑑み、出力強度が可変
で低雑音で安定した高出力の第２高調波発生装置を提供
するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の回折格子と反射フィルタを一体とした光共振
器を用いるものである。またこの発明では共振器中に狭
帯域の波長選択素子を挿入するものである。またこの発
明ではＳＨＧ素子にモード変換部を設けるものである。
【０００８】
【作用】本発明は上記した構成によって雑音が低く、高
効率・高出力の第２高調波発生装置を提供するものであ
る。また第２高調波光の強度を可変できる第２高調波発
生装置を提供するものである。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明における一実施例
における反転分布導波路構造を有し疑似位相整合法によ
る第２高調波発生装置の構成を示すものである。半導体
レーザ３１をでた光は１／２波長板により偏波面が９０
度回転されＳＨＧ素子３４に高効率で結合される。ＳＨ
Ｇ素子３４を通過した光はレンズ３５によって回折格子
３６に入射される。フィルタ３０はＳＨＧ光については
すべて反射し、ＳＨＧ光よりも波長の長い光については
すべて透過する。フィルタ３０によって透過した半導体
レーザ３１の出力光は回折格子面に入射する。格子に入
射した光は分散されＳＨＧ素子３４によって位相整合が
行なわれる基本波の波長の光のみ選択され、入射した方
向に回折され、さらに元の光路をたどって半導体レーザ
３１に帰還される。半導体レーザ３１はこの基本波の波
長でレーザで発振を行なう。そして半導体レーザ３１か
らでた基本波光はＳＨＧ素子３４において位相整合条件
を満たし波長が半分のＳＨＧ光に変換される。ＳＨＧ素
子３４から出たＳＨＧ光３９は図２に示されるようにフ
ィルタ３０によって共振器の外部に全て１方向に反射さ
れる。そしてＳＨＧ素子３４において変換されなかった
基本波光４０はフィルタ３０を通過して回折格子４１に
入射し元の入射光路に帰還される。
【００１０】本発明においてはＳＨＧ素子３４の基板材
料としてニオブ酸リチュム（ＬｉＮｂＯ３）、リチウム
タンタレート（ＬｉＴａＯ３）、またはＫＴｉＯＰ３な
どの非線形効果の大きいものを用いれば高出力が得られ
る。
【００１１】本発明における回折格子３６において透明
媒質の屈折率ｎ、基本波の波長をλとしたとき回折格子
３６の格子間隔ｄが １．５＊λ／ｎ＞ｄ＞０．５＊λ／ｎ の範囲にあれば基本波光４０は１次回折方向に９０％以
上の高い効率で回折される。これは高次の回折光が発生
せず、０次と１次の回折に限定され、しかも回折格子３
６の格子間隔ｄと基本波光の波長λが近いために電磁界
的な相互作用が強くなるためである。従って回折格子３
６からの強い光帰還作用によって半導体レーザ３１はの
基本波での安定したレーザ発振を行い、効率よく高出力
で安定したＳＨＧ光３９がえられる。また図１において
は回折格子３６の溝方向を紙面に垂直方向（Ｙ方向）に
しているが、この溝方向が紙面に平行（Ｘ方向）になる
ように設定すれば、ＳＨＧ素子氏の導波路構造がＸ方向
に長い矩形の場合、より分解能の高い波長選択帰還が行
える。
【００１２】本発明における回折格子の１実施例におけ
る構造と作製法を図３に示す。実施例の（ａ）では反射
型回折格子４１の格子面にフィルタ面を有するガラス基
板をこのガラス基板の屈折率と等しい屈折率の透明樹脂
接着剤によって張り合わせて作製した例である。この場
合、接着剤光硬化樹脂などを用いると作業性良く作製で
きる。また、フィルタ３０の基板は透明であれば樹脂も
しくは結晶材料でもかまわない。図３（ｂ）に第２の実
施例を示す。透明基板上に格子形状の形成し、格子形状
面に金属材料を蒸着または塗布し反射面を形成し、基板
４４の他の面にフィルタを形成したものである。基板４
４への格子形状作製には基板４４の直接エッチング加
工、型材によるモールド加工、ゾルゲル法などを用いれ
ば安価で大量に作製できる。この第２の実施例において
も基板材料は樹脂、ガラス、結晶基板を用いればよい。
樹脂基板であれば作製が容易であり、またガラス材料や
結晶材料であれば熱膨張も小さく信頼性も高い。
【００１３】また、図４に示す第２高調波発生装置の第
２の実施例にみられるように回折格子６６の面とフィル
タの反射面とを傾けることによってＳＨＧ光６９を光共
振器の光軸から所望の角度方向に反射させることができ
る。
【００１４】次に第３の実施例の回折格子およびこれを
用いた第２高調波発生装置について図５を参照して説明
する。本発明における共振器用回折格子は回折格子７
７、直角プリズム７６、フィルタ７９から構成される。
直角プリズム７６の直角部稜に直交する方向に回折格子
７７の溝が形成されている。基本的な機能は先に述べた
第１の実施例と同様であるが、基本波光の帰還には回折
格子７７と直角プリズムを用いることによって直角部稜
線を軸とした回転ωに対して、直角プリズムの原理から
出射光はいつも入射方向に反射されるために安定した光
帰還が行える。ＳＨＧ光８０はフィルタ７９により共振
器外部に損失なく取り出される。本実施例における回折
格子は先の第１の実施例と同様に、直角プリズムに回折
格子を張りつけるか、もしくは直角プリズム７６の１反
射面に直接格子溝を形成して作製しても良い。
【００１５】本発明の回折格子を用いた第２高調波発生
装置の１実施例についてを図５にて説明する。半導体レ
ーザ７１をでた光は１／２波長板７８により偏波面を９
０度回転しＳＨＧ素子７４に高効率で結合される。ＳＨ
Ｇ素子７４を通過した光はレンズ７５によって直角プリ
ズム７６、回折格子７７に入射される。フィルタ７９は
ＳＨＧ光についてはすべて反射し、ＳＨＧ光よりも波長
の長い光についてはすべて透過する。フィルタ７９によ
って透過した光は直角部稜線を中心に一部は回折格子面
に入射し残りは反射面８１に入射する。格子７７に入射
した光は分散され反射面８１で全反射されて、ＳＨＧ素
子７４によって位相整合が行なわれる基本波の波長の光
のみ選択され、入射した方向に回折され元の光路をたど
って半導体レーザ７１に帰還される。また反射面８１に
入射した光は全反射して回折格子７７に入射し分散され
て同じく基本波の波長の光のみ選択され、入射した方向
に回折され元の光路をたどって半導体レーザ７１に帰還
される。半導体レーザ７１はこの基本波の波長でレーザ
で発振を行なう。そして半導体レーザ７１からでた基本
波光はＳＨＧ素子７４において位相整合条件を満たし波
長が半分のＳＨＧ光に変換される。ＳＨＧ素子３４から
出たＳＨＧ光８０は図２に示されるようにフィルタ７９
によって共振器の外部に全て反射される。そしてＳＨＧ
素子７４において変換されなかった基本波光はフィルタ
７９を通過して回折格子４１に入射し元の入射光路に帰
還される。本発明によれば共振器の帰還光は直角プリズ
ム７６の反射作用によって元の光路をたどるために共振
器の角度ずれや振動等の擾乱に対して安定である。
【００１６】本実施例における回折格子においてプリズ
ム７６の屈折率ｎ、基本波の波長λ、プリズムの頂角θ
としたとき前記回折格子の格子間隔ｄが １．５＊λ／ｎ＞ｄ＊ｃｏｓ（θ／２）＞０．５＊λ／
ｎ の範囲にあれば基本波光は１次回折方向に９０％以上の
高い効率で回折される。
【００１７】これは高次の回折光が発生せず、０次と１
次の回折に限定され、しかも電磁界的な相互作用が強く
なるためである。従って回折格子７７、プリズム７６か
らの強い光帰還作用によって半導体レーザ３１はの基本
波での安定したレーザ発振を行い、効率よく高出力で安
定したＳＨＧ光８０がえられる。
【００１８】本発明における第４の実施例を図６を用い
て説明する。本発明においては第２高調波発生装置の共
振器の内部に狭帯域フィルタ８３挿入したものである。
半導体レーザ３１は半導体レーザと回折格子によって構
成される外部共振器モードによって発振するため、回折
格子による波長選択だけでは単一の波長で発振できな
い。そこで狭帯域波長フィルタ８３を共振器内に挿入す
ることで半導体レーザ３１の発振を単一化できる。狭帯
域波長フィルタ８３はＳＨＧ光を透過し、基本波は波長
選択的に透過するエタロンとして作用する。エタロンは
多重反射による干渉効果を用いたものである。従って、
半導体レーザ３１の発振が単一化され、安定するために
レーザのノイズも低減され、ＳＨＧ素子での変換効率が
向上するし、高出力が得られる。
【００１９】図７に本発明における第５の実施例を示
す。本発明におけるＳＨＧ素子９５は非線形材料基板に
光導波路構造を形成したものであり、導波路部は位相反
転領域９３とモード変換部９１から構成される。モード
変換部９１は導波路上に電極９６を形成したものであ
り、電極に電圧を印可することによって光導波路内を伝
搬する光のモードを変化させることができる。導波路内
を伝搬するモードはＴＥモードとＴＭモードの２つであ
り、その偏光方向は互いに直交する。したがってはモー
ドを変えることによって偏光方向を変えることができ
る。また偏光依存性フィルタ９２は、基本波光は透過す
るがＳＨＧ光に対しては特定の偏光方向を持つもの対し
てのみ反射する。従って位相反転領域を通過した光をモ
ード変換部に挿入しモード変換によて電気的にＳＨＧ光
の偏光方向を変えることによってＳＨＧ光３９の強度を
変調できる。従って、光信号の変調を必要とする光記録
装置や計測装置に使用することができる。また図５の光
学系を用いてもよい。
【００２０】本発明における第６の実施例を図８を用い
て説明する。本発明においては半導体レーザ１０１を位
相整合を行なう基本波で発振させる光共振器の波長選択
素子において、基本波の波長λ、格子溝間隔ｄ、格子溝
深さｈが以下の条件、 ０．５＊λ／ｎ＜ｄ＜１．５＊λ／ｎ かつ ０．２＊ｄ＜ｈ＜０．５＊ｄ 満足するフーリエ回折格子１０６を使用するものであ
る。フーリエ回折格子はその断面形状が正弦波とその有
限の高調波の重ね合わせで表現される格子である。上記
の条件を満たすフーリエ回折格子１０６においては、基
本波光は９０％以上が回折されて元の半導体レーザに帰
還され、波長が１／２のＳＨＧ光については図１０にお
ける０次光２１と１次回折光２３のみの回折が起こり、
入射光方向に回折される２次回折光は発生しない。従っ
て、ＳＨＧ素子１０４において発生したＳＨＧ光はフィ
ルタ等を用いる事なくすべて光共振器の外側に出力さす
ことができる。また本発明における第２高調波発生装置
の共振器における回折格子にフーリエ回折格子を用いて
もよい。
【００２１】
【発明の効果】以上のように本発明は回折格子と反射フ
ィルタを一体とした光共振器を用いるものである。
【００２２】またこの発明では共振器中に狭帯域の波長
選択素子を挿入するものである。またこの発明ではＳＨ
Ｇ素子にモード変換部を設けることによって雑音が低
く、高効率・高出力の第２高調波発生装置を提供するも
のである。
【００２３】また第２高調波光の強度を可変できる第２
高調波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図２】本発明における回折格子の一つの実施例におけ
る構成図
【図３】本発明における回折格子の一つの実施例におけ
る作製、構成図
【図４】本発明における第２の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図５】本発明における第３の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図６】本発明における第４の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図７】本発明における第５の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図８】本発明における第５の実施例における第２高調
波発生装置の構成図
【図９】従来の第２高調波発生装置の構成図
【図１０】回折格子における波長と回折光の関係を示す
概略図
【符号の説明】
１、３１ 半導体レーザ ２、３、５、３１、３２、３５ レンズ ４、３４、９５ 第２高調波発生素子（ＳＨＧ素子） ６、３６、４１、６６、７７ 回折格子 ８、３８ １／２波長板 ３０、６９、８０ フィルタ ７６ 直角プリズム ９２ 偏光依存性フィルタ ９６ 電極 １０６ フーリエ回折格子

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】反射型回折格子と前記反射型回折格子上に
    透明媒質を介して入射面にフィルタを形成し、前記フィ
    ルタが特定波長は透過し、前記特定波長の半分の波長の
    光に対しては反射することを特徴とする回折格子。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の回折格子において透明媒
    質の屈折率ｎ、特定波長λとしたとき前記回折格子の格
    子間隔が １．５＊λ／ｎ＞ｄ＞０．５＊λ／ｎ であることを特徴とする回折格子。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の回折格子において回折格
    子面とフィルタ面とが所定の角度をなしていることを特
    徴とした回折格子。
  4. 【請求項４】透明基板上に形成したフィルタを、回折格
    子の反射面上に前記透明基板の屈折率と等しい屈折率を
    有する透明な接着剤によって張り合わせることを特徴と
    する回折格子の作製法。
  5. 【請求項５】透明基板上に格子構造を形成し、前記格子
    構造上に金属膜を形成し、前記透明基板の裏面にフィル
    タを形成することを特徴とする回折格子の作製法。
  6. 【請求項６】半導体レーザを基本波光源とする第２高調
    波発生装置であって、第２高調波発生素子の位相整合条
    件を満足させる発振波長で前記半導体レーザにおいてレ
    ーザ発振を行わせるための基本波を選択する光共振器に
    請求項１に記載の回折格子を用い、請求項１に記載の特
    定波長を基本波の波長としたことを特徴とする第２高調
    波発生装置。
  7. 【請求項７】反射面の１面に回折格子を形成した直角プ
    リズムにおいて光の入射面に、特定波長は透過し、前記
    特定波長の半分の波長の光に対しては反射するフィルタ
    を形成したことを特徴とする回折格子。
  8. 【請求項８】請求項５に記載の回折格子において透明媒
    質の屈折率ｎ、特定波長λ、プリズムの頂角θとしたと
    き前記回折格子の格子間隔が １．５＊λ／ｎ＞ｄ＊ｃｏｓ（θ／２）＞０．５＊λ／
    ｎ であることを特徴とする回折格子。
  9. 【請求項９】半導体レーザを基本波光源とする第２高調
    波発生装置であって、第２高調波発生素子の位相整合条
    件を満足させる発振波長で前記半導体レーザにおいてレ
    ーザ発振を行わせるための基本波を選択する光共振器に
    請求項７に記載の回折格子を用い、請求項７に記載の特
    定波長を基本波の波長としたことを特徴とする第２高調
    波発生装置。
  10. 【請求項１０】半導体レーザを基本波光源とする第２高
    調波発生装置であって、第２高調波発生素子の位相整合
    条件を満足させる発振波長で前記半導体レーザにおいて
    レーザ発振を行わせるための基本波を選択する光共振器
    に請求項１に記載の回折格子を用いかつ前記光共振器の
    中に前記第２高調波発生素子において発生した第２高調
    波を透過し基本波は波長選択的に透過する光素子を挿入
    したことを特徴とする第２高調波発生装置。
  11. 【請求項１１】請求項４、６、７のいずれかに記載の半
    導体レーザを基本波光源とする第２高調波発生装置であ
    って、第２高調波発生素子にモード変換部をもうけ、フ
    ィルタに偏光依存性フィルタを用いたことを特徴とする
    第２高調波発生装置。
  12. 【請求項１２】半導体レーザを基本波光源とする第２高
    調波発生装置であって、第２高調波発生素子の位相整合
    条件を満足させる発振波長で前記半導体レーザのレーザ
    発振を行わせるための基本波を選択する光共振器に、基
    本波の波長λ、格子溝間隔ｄ、格子溝深さｈが以下の条
    件、 ０．５＊λ／ｎ＜ｄ＜１．５＊λ／ｎ かつ ０．２＊ｄ＜ｈ＜０．５＊ｄ を満たすフーリエ回折格子を用いたことを特徴とする第
    ２高調波発生装置。
  13. 【請求項１３】請求項６、９、１０、１１、１２のいず
    れかに記載の第２高調波発生素子に反転分極型光導波路
    構造を用いたことを特徴とする第２高調波発生装置。
  14. 【請求項１４】請求項６、９、１０、１１、１２のいず
    れかに記載の第２高調波発生素子に疑似位相整合法にも
    とづいた素子を用いたことを特徴とする第２高調波発生
    装置。
  15. 【請求項１５】請求項６、９、１０、１１、１２のいず
    れかに記載の第２高調波発生素子にニオブ酸リチュウム
    またはリチュウムタンタレートもしくはＫＴＰを基板と
    した素子を用いたことを特徴とする第２高調波発生装
    置。
  16. 【請求項１６】請求項６、９、１０、１１のいずれかに
    記載の第２高調波発生装置の光共振器における回折格子
    にフーリエ回折格子を用いたことを特徴とする第２高調
    波発生装置。
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