JPH06308557A - 改良した高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＬＤやＫＮ共振器の温度制御を精密におこなう
ことができ、また光路長も精密に維持あるいは制御でき
るようにする。 【構成】基板５上にＬＤ１を第２の温度制御素子７を介
して固定してあり、コリメートレンズ２、モードマッチ
ングレンズ３、非線形光学材料４が順次光軸上に配列固
定され、基板５をその下部に設けられた第１の温度制御
素子６によって温度制御している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザから発せ
られる基本波を非線形光学材料内で高調波に変換する高
調波発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザ等のレーザ発光素子
から出射される基本波を、非線形光学材料に通して、第
２高調波や第３高調波等を得る装置が種々提案されてい
る。従来の高調波発生装置の一例として、半導体レーザ
を用いた第２高調波発生装置を図３に示す。この第２高
調波発生装置は、波長８６０ｎｍの光を発する半導体レ
ーザ（以下ＬＤとする）１１を用いており、非線形光学
材料としてＫＮｂＯ₃ 結晶のモノリシックリング共振器
（以下ＫＮ共振器）１４を用いている。

【０００３】ＬＤ１１から発せられた基本波は、コリメ
ートレンズ１２で平行光となり、モードマッチングレン
ズ１３を通過して、ＫＮ共振器１４に入射する。その基
本波がＫＮ共振器内を特定の方向に通過するとき、基本
波の一部が波長４３０ｎｍの第２高調波１９に変換さ
れ、ＫＮ共振器１４から出射する。

【０００４】なお、共振器の共振条件や位相整合条件を
最適に選び、高調波への変換効率を高めて安定にさせる
ため、ＫＮ共振器１４は第１ペルチェ素子１６により温
度制御され、ＬＤ１１は第２ペルチェ素子１７で温度制
御されている。このような構成により、基本波を効率よ
く高調波に変換する高調波発生装置が実現している。な
お、図中１５は前記各部品を載置固定するための基板で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図３に示した従来の第
２高調波発生装置では、ＬＤとＫＮ共振器の精密温度制
御が重要である。ＬＤの発振周波数はその温度に大きく
左右され、ＫＮ共振器においても屈折率に温度依存性が
あるため、それぞれの温度制御により基本波の共振条件
や高調波発生の位相整合条件を維持し続けなければなら
ない。

【０００６】さらにこの例では、ＫＮ共振器内で発生す
る微量な逆回りの基本波光をＬＤに戻すことにより、共
振周波数にＬＤ発振周波数をロックさせる光帰還制御と
呼ばれる方法も用いられており、この手法により高調波
出力の安定化がはかられている。

【０００７】しかしこの装置では、室温環境±１℃下に
おいて、高調波出力が１時間ほどで減少もしくはストッ
プするという事態が発生しやすいという問題があった。
この原因として、装置の設置されている雰囲気の温度が
変化することで、温度制御しているはずのＬＤ温度やＫ
Ｎ共振器温度がわずかに変動し、周波数が雰囲気温度１
℃当たり１００ＭＨｚ以上変動してしまうことや、ＬＤ
及びＫＮ共振器を固定している基板の熱膨張で、ＬＤか
らＫＮ共振器までの光路長が変動してしまうことなどが
考えられた。

【０００８】このため、ＬＤやＫＮ共振器の温度制御を
さらに精密に行うことができ、また光路長も精密に維持
あるいは制御できる高調波発生装置が望まれていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、第１の温度制御素子
と、前記第１の温度制御素子上に載置された基板と、さ
らに前記基板上に設けられた第２の温度制御素子と、前
記第２の温度制御素子上に設けられた半導体レーザと、
前記基板上にあって半導体レーザの光軸上に設けられた
非線形光学材料とからなることを特徴とする高調波発生
装置を提供するものである。

【００１０】また、本発明の好ましい態様としては、前
記基板上に第３の温度制御素子が設けられ、その第３の
温度制御素子上であって半導体レーザの光軸上に非線形
光学材料が設けられていることを特徴とする。

【００１１】本発明の、温度制御素子としてはペルチェ
素子が小型高精度であるため好ましく用いられる。本発
明の基板としては、銅やアルミニウム製のものが熱伝導
性がよく温度制御精度向上につながることや、熱膨張が
大きいことで最適光路長の精密な制御が可能であるとい
う点で好ましく用いられる。光路長を変化させる必要の
ないときはスーパーインバー（商標名）材等が好まし
い。

【００１２】

【作用】本発明の高調波発生装置は、ＬＤについては第
２ペルチェ素子が温度制御を行い、これを第１ペルチェ
素子で温度制御される基板の上に載置するという２段ペ
ルチェ素子制御となっている。このため、第２ペルチェ
素子の放熱側を均熱化し熱リークなどの影響を減らすこ
とで、ＬＤの温度制御の精度が向上し周波数変動がこれ
まで以上に抑えられるという効果が得られる。

【００１３】またこの第１ペルチェ素子は、ＫＮ共振器
の温度センサーで温度制御されているので、ＫＮ共振器
もこれまで通り精密温度制御されている。さらに基板の
材料を銅などに選ぶことによりその熱膨張率に比例した
光路長の精密制御ができ、共振器の入射光の位相調整が
なされ、光帰還周波数ロックの状態を最適化している。
一度温度を設定すれば光路長の変動を非常に少なく抑え
られる。

【００１４】この構造に加えて、基板上に第３のペルチ
ェ素子を設け、その上であってＬＤの光軸上にＫＮ共振
器を設けることにより、ＫＮ共振器についても２段ペル
チェ素子制御となりさらに精密温度制御がなされる。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）本発明を実施例を示しながら詳しく説明す
る。図１には本発明を第２高調波発生装置に適用した一
実施例が示されている。なお、本発明は第２高調波発生
装置に限定されるものではなく、第３高調波発生装置等
のＬＤと非線形光学材料を用いた他の波長変換光発生装
置にも適用できる。

【００１６】この第２高調波発生装置は、基板５上にレ
ーザ光源としてＬＤ１を第２の温度制御素子７を介して
固定してあり、コリメートレンズ２、モードマッチング
レンズ３、非線形光学材料４が順次光軸上に配列固定さ
れている。そして、この基板５を基板下部に設けられた
第１の温度制御素子６によって温度制御している構成と
なっている。

【００１７】本例の温度制御素子は、小型で効率よく精
密に温度制御できるペルチェ素子であり、冷却面と放熱
面を平行に持つ形状となっている。

【００１８】本例の基板は、適度の熱伝導性を持ち剛性
にも優れたものであり、ＬＤ、レンズ、共振器等の光学
系を固定できるものである。また温度制御素子と接する
面は、密着時に充分な熱の通過の許容される平衡度を持
つ面である。そして、基板に固定されたいくつかの光学
系が、基板の熱膨張によりその距離を微妙に変化させら
れる機能を持たせるために、適度の熱膨張率を有する材
料が用いられる。取扱いの容易性から、銅、アルミニウ
ムなどが用いられ、本例では銅を使用している。

【００１９】本発明のＬＤは、本実施例では波長８６０
ｎｍ、単一縦、単一横モードで、非点収差の少ない基本
波を出射するものが用いられている。また、出射端面及
び出射対向面はそれぞれ５％、９０％の反射防止膜が真
空蒸着法により施されている。ＬＤ形状は、缶パッケー
ジタイプ或いはチップタイプが用いられ、チップタイプ
のほうがより精密な温度制御が可能である。

【００２０】本発明の非線形光学材料はその形態等は限
定されず、有効な非線形光学効果を発現するものであれ
ばよい。図１の本実施例では、非線形光学結晶であるＫ
ＮｂＯ₃ のモノリシックリング共振器が用いられてい
る。

【００２１】基本波の入射側に位置する一方のモノリシ
ック型共振器の端面は球面状に形成されており、基本波
を９２％反射する反射膜が蒸着されて球面ミラーとされ
ている。第２高調波の出射側に位置する共振器の端面
は、同じく球面状に形成されており、基本波を９９％以
上反射する膜が蒸着され、第２高調波を９０％以上透過
する反射膜が蒸着された球面ミラーとされている。この
入射面と出射面をその両端にそれぞれ隣りあって持つ全
反射面との３面でモノリシックリング共振器を形成して
いる。特にこのＫＮ共振器の場合、精密な温度制御を必
要としている。

【００２２】第１の温調素子の吸熱面の面積は、上に載
置される基板の第１の温調素子との接触面の面積とほぼ
同等であることが好ましい。これはＫＮ共振器からＬＤ
の下部まで基板全体を熱分布なく均熱化して温度制御す
るためである。

【００２３】また、第１の温調素子に対応する温度セン
サーの設置位置をＫＮ共振器の近傍に置くことにより、
ＫＮ共振器温度制御に重きを置いた基板の温度制御がな
される。温度センサー位置を変えることにより、それぞ
れどの点の精密温度制御に重きを置くかが選択できる。

【００２４】第２の温度制御素子は、ＬＤのホルダー接
触面とほぼ同等面積の吸熱面を有するものが好ましく、
これはＬＤをホルダーと共に均熱化して温度制御するた
めである。

【００２５】また、第２の温調素子に対応する温度制御
センサーは、ＬＤの発光点にできるだけ近い場所に設置
するのが好ましい。

【００２６】ＬＤから出射される基本波８は、基板上に
固定されたコリメートレンズで平行なビームとされる。
その平行ビームは、基板上に固定されたモードマッチン
グレンズで絞られ、モノリシックリング共振器内の共振
モードと入射ビームとを整合している。

【００２７】さらにこの例では、ＫＮ共振器内で発生す
る微量な逆回りの基本波光をＬＤに戻すことにより、共
振周波数にＬＤ発振周波数をロックさせる光帰還制御と
呼ばれる方法も用いられており、この方法により高調波
出力の安定化がはかられている。この装置により第２高
調波発生を行ったところ、図３に示した従来の第２高調
波発生装置と比較して、ＬＤの周波数変動が雰囲気温度
の変化に対し約３分の１の１℃当たり３０ＭＨｚに抑え
られた。

【００２８】また、光帰還による周波数ロックの範囲で
共振光の状態を調整することもＫＮ共振器に入射する基
本波の位相を調整することにより可能であり、基板に銅
を用いたときには、ＬＤからＫＮ共振器までの距離を１
５ｍｍとした本例において、基板の温度１℃当たり約
３．５分の１波長分の光路長の制御が可能であり、位相
の最適化が可能であった。また位相の設定後は、光路長
の変動を非常に少なく維持することができた。ＫＮ共振
器温度も従来と同等の精密温度制御が可能であった。

【００２９】これらの効果から、本例の第２高調波発生
装置は、室温環境±２℃下において、高調波出力は１０
ｍＷ以上で、その出力変動も約±５％以内に抑えられ、
連続１０時間以上の出力が得られた。

【００３０】（実施例２）図２には本発明の他の実施例
を示している。この例では前述の図１の例の構成に加え
て、基板上に第３の温度制御素子（ペルチェ素子）１０
を設け、ＫＮ共振器をその上でＬＤの光軸上に設置して
いる。この第３の温度制御素子１０は、ＫＮ共振器のホ
ルダーの接触面の面積と同等の吸熱面積を持っているこ
とが好ましい。この構成で、ＬＤのみならずＫＮ共振器
も２段ペルチェ素子制御となり、精密温度制御がなされ
ている。なお、第３の温度制御素子１０以外の部品は図
１のものと基本的に同じものを使用しているので同一の
符号を付してその説明を省略する。

【００３１】またこのとき、図１の例と異なりＫＮ共振
器温度と光路長制御温度はそれぞれ独立に制御すること
ができ、光帰還周波数制御による出力安定化のための位
相制御がより高精度かつ容易に行える。

【００３２】これらの効果により図２の例においても図
１の例と同様に、室温環境±２℃下において、高調波出
力は１０ｍＷ以上で、その変動も約±５％以内に抑えら
れ、連続１０時間以上の出力が得られた。

【００３３】

【発明の効果】本発明の高調波発生装置は、従来の装置
に比して雰囲気温度に対するＬＤ発振周波数変動が約３
分の１に抑えられた。また、従来の装置ではできなかっ
た光路長の精密制御及びその変動の抑制が可能となっ
た。そのため高調波出力の安定性を向上させることがで
き、連続出力時間が１０倍以上向上した。本発明の高調
波発生装置は、光情報記録検出用光源として、実用的な
光記録媒体の情報読み取り装置が実現可能である。本発
明は、この外、本発明の効果を損しない範囲で種々の応
用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高調波発生装置の一実施例を示す側面
図である。

【図２】本発明の高調波発生装置の他の実施例を示す側
面図である。

【図３】従来の高調波発生装置の一例を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１：半導体レーザ ２：コリメートレンズ ３：モードマッチングレンズ ４：非線形光学材料 ５：基板 ６：第１の温度制御素子 ７：第２の温度制御素子 ８：基本波 ９：高調波 １０：第３の温度制御素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の温度制御素子と、前記第１の温度制
   御素子上に載置された基板と、さらに前記基板上に設け
   られた第２の温度制御素子と、前記第２の温度制御素子
   上に設けられた半導体レーザと、前記基板上にあって半
   導体レーザの光軸上に設けられた非線形光学材料とから
   なることを特徴とする高調波発生装置。
2. 【請求項２】前記基板上に第３の温度制御素子が設けら
   れ、その第３の温度制御素子上であって半導体レーザの
   光軸上に非線形光学材料が設けられている請求項１の高
   調波発生装置。