JPH07306428A

JPH07306428A - 第２高調波発生装置

Info

Publication number: JPH07306428A
Application number: JP7005382A
Authority: JP
Inventors: Mo Fangu Yongu; モファングヨング
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1994-05-07
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1995-11-21

Abstract

(57)【要約】【目的】安定した高調波の出力が可能な第２高調波発生
装置を提供する。【構成】第２高調波発生装置は光学的に囲まれた共振区
間を備える入力ミラー１１０及び出力ミラー１５０と、
外部から加えられるポンピングエネルギーから第２高調
波を得る第２高調波発生要素と、全体光学部品を保護支
持するケーシング１００を具備し、ケーシング１００の
周面にはケーシング１００の温度を補正する温度補正装
置３００が備えられ、ケーシング１００の温度を感知し
て設定された温度範囲内にケーシング温度が維持される
ように制御する制御手段４１０が温度補正装置３００に
電気的に接続されている構造を有する。【効果】周辺温度の大きい変化にもかかわらず、安定し
た高調波出力が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は第２高調波発生装置（Se
cond Harmonic Generator)に係り、大きい幅に変動され
る周辺温度下でも安定した第２高調波の発生が可能な第
２高調波発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共振器内における周波数倍加（frequenc
y doubling) 原理を適用した第２高調波発生装置はディ
ジタルビデオ録画／再生装置用、高解像画像処理器、高
速情報処理器などの光源として広く使用されている。こ
のような第２高調波発生装置は対向された二つのミラー
により光学的に囲まれた内部空洞に、Ｎｄ：ＹＡＧなど
のような利得媒体（Gain Medium)と、ブリュースタープ
レ−ト（Brewster plate) などのような偏光素子（Pola
rizer), ＫＴＰ（KTiOPO₄)などのような非線形単結晶物
質（non-linear birefringent crystalline material)
が同軸に配列される構造を有する。前記利得媒体は外部
ソースから加えられたポンピングレーザー（pumping la
ser)から基本波（Fundamental Wave) を発生する。即
ち、外部光源からのポンピングレーザーにより励起され
た前記利得媒体から基本波が発生され、非線形単結晶物
質では基本波を利用して第２高調波を発生する。ここ
で、前記偏光素子は基本波のうち、特定偏光のみを通過
させて非線形単結晶物質に入射されるようにする。ダイ
オードレーザーによりポンピングされる内部空洞第２高
調波発生装置（Diode Laser Pumped Intracavity Secon
d Harmonic Generator）は動作中、相当な熱を発生す
る。特に、非線形単結晶物質は熱変化に従って第２高調
波発生特性が敏感に変化される。第２高調波発生装置を
熱的に安定化させる方法には一般的に二つの方案があ
る。一つの出力補償法であり、他の一つはモード選択法
である。まず、出力補償法では、第２高調波出力を追跡
（モニタリング）しながら、その出力が基準値を外れる
時にレーザーダイオードの出力を調節して第２高調波出
力の変動を規定値に符合するように補償させる。このよ
うな出力補償構造を有する従来の第２高調波発生装置は
大略図１に示したような共振器を有する。図１を参照す
れば、内部に空洞部（intracavity)を有するケーシング
１０の両側に、ポンピングレーザーに対して高い透過率
を有し基本波に対しては高反射率を有する入力ミラー１
１と、第２高調波に対してのみ高い透過率を有する出力
ミラー１５がそれぞれ備えられる。前記共振区間内には
ポンピングレーザーから基本波を発生する利得媒体１２
と、基本波の特定偏光を通過させる偏光素子１３、そし
て入射された基本波から第２高調波を発生する非線形単
結晶物質１４が備えられている。そして、共振器の前
方、即ち入力ミラー１１の前にはポンピングレーザーを
発生するレーザーダイオード２１とポンピングレーザー
を空洞部内部に収束するフォーカスレンズ２２が備えら
れている。そして、共振器の後方、即ち出力ミラー１５
の後方には高調波の一部を異なる経路に分離して反射す
るビームスプリッター２３が備えられている。また、ビ
ームスプリッター２３から反射された第２高調波の進行
経路上には、入射された第２高調波を検知する光電素
子、例えばフォトデテクター２４が備えられている。前
記フォトデテクター２４は前記レーザーダイオード２１
の出力を制御するレーザーダイオード制御回路２０に電
気的に連結されて、前記レーザーダイオード２０の制御
のための第２高調波のモニター出力を電気的信号として
印加する。前記制御回路２０は第２高調波の出力が基準
値を越えた時にレーザーダイオード２１の出力を下げ、
その反対ならば高める。モード選択（Mode Selection)
方法では、レーザーダイオードの出力は一定にし、共振
区間内に位置した非線形単結晶物質の温度を精密に調節
して第２高調波出力を一定に維持させる。図２にこのよ
うなモード選択法による他の従来の第２高調波発生装置
が示されている。図２を参照すれば、前に説明したよう
に、共振器を保持するケーシング１０ａの両側にポンピ
ングレーザーに対して高透過率を有し、基本波に対して
高反射率を有する入力ミラー１１ａと第２高調波に対し
てのみ高い透過率を有する出力ミラー１５ａが備えられ
る。この入力ミラー１１ａと出力ミラー１５ａ間の共振
区間には利得媒体１２ａ，偏光素子１３ａ、そして非線
形単結晶物質１４ａが備えられている。非線形単結晶物
質１４ａの下部には非線形単結晶物質１４ａの温度調節
のためのペルチェ素子（Peltier Device) のような熱電
冷却素子（Thermoelectric Cooler)１６ａが備えられて
いる。前述した第２高調波発生装置のように、第２高調
波出力を電気的に変換して制御回路（図示せず）に帰還
（フィードバック）させ、この制御回路により前記ペル
チェ素子を制御することにより、非線形単結晶物質１４
ａの温度を調節するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般的に第２高調波の
出力を規定値に対して±３％範囲以内に安定化させるた
めには単結晶物質の温度偏差を約±0.01℃以内に制限し
なければならない。ダイオードレーザーポンピングによ
る第２高調波発生装置で、第２高調波を発振する共振器
を保持する金属保持体の材質の熱安定度は出力安定化に
極めて重要である。一般的に、金属保持体の熱的安定度
が落ちると、レーザー出力の縦軸（Axial)モードが跳ね
るようになって(Hop) 出力が不安定になる。したがっ
て、共振器保持体の材質としては線膨張係数が低いもの
を使用することが望ましい。よく使用される金属材料と
してはアルミニウム（線膨張係数；24×10^-6／℃），黄
銅（19×10^-6／℃）がある。材料価格などを考慮してガ
ラス系統の素材（参照：米国特許明細書 5,170,409号)
が使用されうる。しかしながら、共振器の長さが数１０
mm 以内なので、小型化のある限界に至ると温度の偏差
が１乃至２℃範囲内にあるとしても出力が不規則に跳ね
る（Hop)現象が現れる。したがって、共振器の長さが極
めて短い場合モードの跳ね（mode hop) 現象を防止する
ために線膨張係数が極めて低い（10^-7/ ℃オ−ダ−以下
の）材質を使用したり、そうでないと線膨張が極めて少
なく起こるようにする構造が備えられるべきである。し
かしながら、現在利用することができる素材のうち線膨
張係数が10^-7/ ℃オーダー程度に極めて低い線膨張係数
を有する素材を探すことは殆ど不可能なことであり、価
格面でもとても不利な立場である。本発明は周辺温度の
変化にも熱的安定性が維持されて安定した第２高調波の
出力が可能な改善された第２高調波発生装置を提供する
にその目的がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに本発明による第２高調波発生装置は、光学的に囲ま
れた所定距離の共振区間を備える入力ミラー及び出力ミ
ラーと、前記共振区間内に備えられて外部から加えられ
るポンピングエネルギーから第２高調波を得る第２高調
波発生部と、前記共振区間を取り囲み前記ミラーと発生
部を支持するケーシングと、前記ケーシングの周面に備
えられてケーシングの温度を補正する温度補正装置と、
前記ケーシングの温度を感知して設定された温度範囲内
にケーシングの温度が維持されるように前記温度補正装
置を制御する制御手段とを具備した点にその特徴があ
る。

【０００５】

【作用】ケーシングの周面にケーシングの温度を補正す
る温度補正装置を備えて、ケーシングの温度を感知して
設定された温度範囲内にケーシングの温度が維持される
ように制御する制御手段が温度補正装置に電気的に接続
されていて、安定した高調波出力を可能にする。

【０００６】

【実施例】以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に
説明する。本発明による第２高調波発生装置の概略的な
構造を示す図３を参照して実施例を説明する。本発明の
第２高調波発生装置は光学的に囲まれた所定距離の共振
区間を備える対向された入力ミラーと出力ミラーの間に
外部から加えられるポンピングエネルギーから第２高調
波を得る第２高調波発生部が備えられており、前記部品
を保護支持するケーシングが備えられている。これと共
に前記第２高調波発生装置は前記ケーシングの周面に備
えられてケーシングの温度を補正する温度補正装置と前
記ケーシングの温度を感知して設定された温度範囲内に
ケーシングの温度が維持されるように前記温度補正装置
を制御する制御手段を具備する。

【０００７】これを具体的に調べてみると、内部にレー
ザービームが共振する空間を備える空洞部を有するケー
シング１００の両側にポンピングレーザーに対して高い
透過率を有し、基本波に対しては高反射率を有する入力
ミラー１１０と第２高調波に対してのみ高い透過率を有
する出力ミラー１５０が備えられる。そして、高調波発
生部をなすものとして前記ケーシング１００の内部には
ポンピングレーザーから基本波を発生する利得媒体１２
０、基本波の特定偏光を通過させる偏光素子１３０、そ
して入射された基本波から第２高調波を発生する非線形
単結晶物質１４０が備えられている。上の構造で前記ケ
ーシング１００は前記光学部品を支持する支持体として
の機能を有する。このケーシング１００の上下または左
右、或いはまわりには一つまたはそれ以上（図面では二
つ）の熱電温度補正装置３００が付着されている。各温
度補正装置３００には放熱又は吸熱のためのヒートシン
ク３１０が設けられている。前記温度補正装置３００と
ヒートシンク３１０は前記ケーシング１００を全般的に
取り囲むことができる大きさにならなければいけない。
共振器の支持体として作用するケーシングの体積膨張ま
たは収縮に起因した共振距離の変化、即ち入力ミラー１
１０と出力ミラー１５０との間隔の変化を減らせるよう
にすべきである。したがって、前記温度補正装置はケー
シングの温度変化により前記ケーシング内の入力ミラー
と出力ミラー間の距離が変化されることを防止しうるよ
うに前記ケーシングの周面長さ方向に沿ってケーシング
を覆うように設けられることが必要である。

【０００８】そして、前記ヒートシンク３１０には温度
検知のためのサーミスタ４００が設けられており、該サ
ーミスタ４００は前記温度補正装置３００を制御するた
めの温度制御回路４１０に電気的に接続されている。前
記温度制御回路４１０は前記温度補正装置３００に対す
る電流の方向とその量を調節して温度補正装置３００に
よりケーシング１００から吸熱又はこれを加熱させるも
のであって、温度補正装置３００を並列的または示した
ように直列的接続関係を有させるようにしうる。前記温
度補正装置３００は一般的なペルチェ効果を用いた素
子、即ち熱電加熱／冷却装置を適用する。一般的な環境
下ではケーシング１００を冷却すべきなので、前記温度
補正装置３００はただ冷却作用によってだけケーシング
１００の温度を補償することができるが、特別な極めた
状況、即ち周辺温度が極めて低い環境下では安定したレ
ージングのためにケーシングを適正温度で加熱する作用
によりケーシング１００の温度を維持するようにしう
る。ですから、前記温度補正装置は専ら冷却作用のみで
温度を補償するようにしたり、あるいは加熱作用で温度
を補償するようにしたり、またそうでなければ、冷却作
用と加熱作用を共に持ちいて温度を補償するようにもで
きるが、これは用途によって選択される。そして、前記
温度制御回路は一般的な構造を有するものであって、前
記サーミスタの抵抗変化を電気的変化に変換する変換部
と、得られた電気的信号を基準レベルと比較した後、こ
の差を増幅する差動増幅部と、差動増幅部から得られた
出力を電力増幅する電力増幅部を有する。この際に出力
される電流の方向は温度補正装置の作用、即ち冷却又は
加熱の作用を決めるので前述したところのような選択的
仕様に基づき電流の方向を変換することができる機能を
付与しうる。このような温度補正装置はただ前記ケーシ
ングの温度を検出し、検出された値を基準値に比較して
比較された差に当たるほどを温度制御に反映して前記ケ
ーシングの温度を一定な範囲内に置くようにするものな
ので、本発明の範囲内で色々な変形例も可能である。

【０００９】以上のような構造の本発明の第２高調波発
生装置の動作を調べてみると次の通りである。５００mW
程度の出力を有するレーザーダイオード（図示せず）で
８０９nm波長帯の赤外線レーザービ−ムを発生させて、
前記入力ミラー１１０を通じて共振器内部に入射させる
と、利得媒体１２０における基本波発散、偏光素子によ
る特定偏光フィルター、非線形単結晶物質１４０による
第２高調波発生などの作用が起こるようになる。この際
にケーシング１００は約３０℃程度の温度で加熱され
る。しかしながら、このケーシング１００はその周辺の
温度の影響を受けて加熱温度より低く冷却されたり、加
熱温度より高く温度上乗する。このような周辺温度によ
るケーシング１００の温度変化は周辺温度変化がひどい
場合に大きい問題となる。これによりケーシング１００
は収縮又は膨張するようになって光学部品間の間隔、特
に入力ミラー１１０と出力ミラー１５０間の間隔に変化
ができる。しかしながら、このような現象を取り除くた
めにケーシング１００の周面に備えられたペルチェ素子
のような熱電温度制御素子３００がケーシング１００の
温度を制御するようになり、ケーシング１００の異常膨
張や収縮が現れなくなる。この際にケーシングの温度補
正は三つの形態よりなり得るが、一つは周辺温度より基
準温度を低く設定してケーシングの温度が周辺温度によ
り上昇される時に、これを適切に冷却してケーシングの
温度を一定範囲内で維持されるようにする連続的な冷却
過程であり、他の一つは基準温度を周辺温度より高くし
てケーシング温度が周辺温度により下がる時に、これを
適切に加熱して周辺温度より高い一定範囲内でケーシン
グ温度が維持されるようにする連続的な加熱過程であ
る。さらに他の一つはひどい周辺温度変化にもかかわら
ず、ペルチェ素子の温度規則性に従ってケーシング１０
０の周面に連続的で一定した温度調節をすることであ
る。

【００１０】図４は前述した温度制御のための温度制御
回路４１０の一例を示す。温度制御回路４１０は前記サ
ーミスタ４００から温度を電気的変化の形態で検知す
る。例えば、温度が増加すればサーミスタ４００の抵抗
が減少し、その反対ならば増加する。サーミスタ４００
から得られた抵抗値はフィードバックキャパシターＣ₁
と共に第１差動増幅器Ｕ₁の利得変化を誘導する。温度
制御回路の動作において、基準値が抵抗Ｒ₁を経て第１
差動増幅器の非反転入力端（＋）に印加され、抵抗Ｒ₂
を経て検知された電圧Ｖ₁と比較される。第１差動増幅
器Ｕ₁の出力は抵抗Ｒ₂を経て第２差動増幅器Ｕ₂の反
転入力端（−）に印加される。可変抵抗Ｒ ₄により調節
された基準電流値は抵抗Ｒ₅を経て第２差動増幅器Ｕ₂
の非反転入力端（＋）に印加される。したがって、第２
差動増幅器Ｕ₂は入力された電流を比較してその差を増
幅し、その結果を抵抗Ｒ₆を経てパワートランジスタＱ
_1,Ｑ ₂に印加する。パワー出力Ｉは前記熱電温度制御素
子３００に印加される。したがって、温度補正装置は温
度を補正、即ち印加される電流の方向（極性）に応じて
ヒートシンク３１０を加熱したり冷却させる。温度補正
されたヒートシンク３１０の温度は再びサ−ミスタ４０
０によりフィードバック制御として検知され、前述した
ように反復されることにより前記ヒートシンク３１０の
温度が所定の範囲内の値を有するようになる。図４でＶ
_1,Ｖ₂はそれぞれ差動増幅器Ｕ₁およびパワートランジ
スタＱ_1,Ｑ₂に供給される電圧である。

【００１１】一般的に前記三つの温度補正類型におい
て、冷却によりケーシングの温度を維持することが適用
されるが、前述したように特殊な状況下でかえって加熱
により温度を維持することがあり得る。このような二つ
の類型の共通点は周辺温度の変化と内的発熱にもかかわ
らず、ケーシングの温度を一定に維持してケーシング内
の共振距離の変化を最小化することである。ケーシング
の温度調節は±0.2 ℃範囲内でなされるようにすること
が望ましいが、このようなケーシングの温度維持作用に
よると周辺の温度が±25℃の幅で変動されてもケーシン
グの温度は規定された温度に対して±0.2 ℃範囲内で維
持されうる。従来の一般的な共振器はその長さが５３２
mmであり、そして、ここから出力される第２高調波出力
変動を±３％以内に制限するためには周辺温度変化も金
属保持体を備えた共振器内で±１℃以内であるべきだ
が、本発明が適用された共振器の温度が制御される時、
可用周辺温度変化幅が極めて高い線膨張を有する金属保
持体が共振器に使用されるとしても、２乃至５０℃に拡
張されうることに鑑みる時、本発明の第２高調波発生装
置はその信頼性において極めて画期的であることが分
る。

【００１２】

【発明の効果】このように本発明は周辺温度変化にも係
わらず、極めて安定した高調波の発振および出力が可能
であり、ケーシングの素材選択に困難さがなく、特に一
般的なアルミニウムやステンレスなどの凡用素材を適用
しうるようになることにより、価格面において極めて有
利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の第２高調波発生装置の概略的な構造図で
ある。

【図２】従来の他の第２高調波発生装置の概略的な構造
図である。

【図３】本発明による第２高調波発生装置の概略的な断
面構造図である。

【図４】図３の温度制御回路の詳細回路図である。

【符号の説明】

１００…ケーシング１１０…入力ミラー１２０…利得媒体１３０…偏光素子１４０…非線形単結晶物質１５０…出力ミラー３００…熱電温度補正装置４１０…温度制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的に囲まれた所定距離の共振区間を
備える入力ミラー及び出力ミラーと、前記共振区間内に備えられて外部から加えられるポンピ
ングエネルギーから第２高調波を得る第２高調波発生部
と、前記共振区間を取り囲み前記ミラーと発生部を支持する
ケーシングと、前記ケーシングの周面に備えられてケーシングの温度を
補正する温度補正装置と、前記ケーシングの温度を感知して設定された温度範囲内
にケーシングの温度が保たれるように前記温度補正装置
を制御する制御手段とを具備することを特徴とする第２
高調波発生装置。
【請求項２】前記温度補正装置はケーシングの温度変
化により前記入力ミラーと出力ミラーとの間の距離が変
化されることを防止しうるように前記ケーシングの周面
の長さ方向に沿ってケーシングを覆うように設けられて
いることを特徴とする請求項１記載の第２高調波発生装
置。
【請求項３】前記制御手段は前記ケーシングの加熱ま
たは冷却しうるように前記温度補正装置を制御する構造
を有することを特徴とする請求項１記載の第２高調波発
生装置。