JPH08240824A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基本波を光波長変換素子に入射させて波長変
換し、光波長変換素子から基本波入射側に出射した波長
変換波を反射素子で反射させて折り返すようにした光波
長変換装置において、簡単な構成により、基本波波長の
変化による波長変換波の出力変動を防止する。 【構成】 基本波（固体レーザービーム）16を、光波長
変換素子15に入射させて第２高調波17等に変換する場
合、光波長変換素子15として、周期的ドメイン反転部20
を有する非線形光学結晶が、ドメイン反転部20の並び方
向に対して斜めに研磨されてなるものを用い、この光波
長変換素子15を、斜め研磨された面15ａに基本波16がほ
ぼ垂直入射するように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザービームを短波
長化する光波長変換装置に関し、特に詳細には、波長変
換波の出力変動を防止するようにした光波長変換装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開昭62-189783 号公報に示され
るように、ネオジウムなどの希土類が添加された固体レ
ーザー結晶を半導体レーザー等によってポンピングする
固体レーザー装置が公知となっている。この種の固体レ
ーザー装置においては、より短波長のレーザービームを
得るために、その共振器内に非線形光学材料の結晶を配
置して、固体レーザービームを第２高調波等に波長変換
することも広く行なわれている。

【０００３】上述のようにして基本波を波長変換する光
波長変換装置においては、第２高調波等の波長変換波
は、非線形光学材料から基本波入射側およびそれと反対
側に出射する。そこで従来は、非線形光学材料に対して
基本波光源側に配される素子、すなわち上記の固体レー
ザー結晶等の光通過端面に波長変換波を反射させるコー
トを施して、波長変換効率の向上を図っていた。つまり
そのような構成においては、非線形光学材料から基本波
入射側に出射した波長変換波が上記コートで反射して折
り返し、非線形光学材料から基本波入射側と反対側に出
射する波長変換波と合成されて、高強度の波長変換波が
出力されるようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
にして波長変換効率の向上を図る構成においては、基本
波波長が何らかの理由により変化すると、非線形光学材
料から互いに反対方向に出射した２通りの波長変換波の
位相差が変化し、それらの干渉により、合成後の波長変
換波の出力が大きく変動することがある。場合によって
は、それにより波長変換波出力がほとんど無くなること
もあり、そのようなときは、いわゆるＡＰＣ（automati
c power control ）をかけても波長変換波の出力変動を
補正しきれない。

【０００５】なお、固体レーザー結晶として複屈折性を
有する結晶を用い、その端面に波長変換波に対する高反
射コートを施して波長変換波を非線形光学材料側に戻す
場合、波長変換波がその中で常光線と異常光線に分離し
て位相差を生じることを避けるため、この高反射コート
は非線形光学材料に近い方の結晶端面に施す必要があ
る。そのような構成においては、基本波波長が変化した
ときの波長変換波の出力変動が特に大きい。

【０００６】そこで本出願人は、上述のような波長変換
波の出力変動を防止できる光波長変換装置をいくつか先
に提案した（特願平5-276525号）。そのうちの１つの光
波長変換装置は、基本波光源から発せられた基本波を非
線形光学材料に入射させて波長変換する光波長変換装置
において、非線形光学材料から互いに反対方向に出射し
た２通りの波長変換波のうちの一方のみを吸収するフィ
ルターが設けられたことを特徴とするものである。

【０００７】また、ここで提案された別の光波長変換装
置は、基本波光源から発せられた基本波を非線形光学材
料に入射させて波長変換する光波長変換装置において、
非線形光学材料から互いに反対方向に出射した２通りの
波長変換波のうちの一方のみを反射させて、非線形光学
材料に戻らない光路を辿らせる反射光学素子が設けられ
たことを特徴とするものである。

【０００８】これらの光波長変換装置においては、非線
形光学材料から互いに反対方向に出射した２通りの波長
変換波のうちの一方がフィルターに吸収され、あるいは
反射光学素子で反射することにより、元の光路を折り返
して戻ることがなくなる。したがって、この波長変換波
と、それとは反対側に出射した波長変換波とが合成され
ることはないので、基本波波長が変化しても、前述した
干渉によって波長変換波の出力が大きく変動することが
なくなる。

【０００９】上述の通り、特願平5-276525号の光波長変
換装置は、波長変換波の出力変動を確実に防止できるも
のであるが、その半面、フィルターや反射光学素子等の
新たな光学素子が必要であるため、構造が複雑化すると
いう問題がある。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、基本波波長が変動しても波長変換波の出力が大
きく変動することのない、簡単な構成の光波長変換装置
を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
装置は、先に述べたように、入射した基本波を波長変換
する光波長変換素子と、この光波長変換素子から基本波
入射側に出射した波長変換波を反射させて折り返す反射
素子とを有する光波長変換装置において、光波長変換素
子として、周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結
晶が、ドメイン反転部の並び方向に対して斜めに研磨さ
れてなるものが用いられ、この光波長変換素子が、上記
斜めに研磨された面に基本波がほぼ垂直に入射するよう
に配置されていることを特徴とするものである。

【００１２】

【作用および発明の効果】上述のような光波長変換素子
の光通過端面に基本波が垂直入射する場合の波長変換波
の出射方向を、第２高調波発生の場合を例に取って説明
する。周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結晶の
基本波、第２高調波に対する屈折率をそれぞれｎ_ω 、
ｎ_2ωとし、結晶端面の斜め研磨角度（ドメイン反転部
が延びる面に対する角度）をθとすると、第２高調波の
出射角度（基本波進行方向となす角度）θ’は図２の波
数ベクトル図に示す通りとなる。つまり、 ｎ_2ωｓｉｎθ’＝（ｎ_2ωｃｏｓθ’−ｎ_ω ）ｔａｎθ ……（１） の関係式が満たされる。

【００１３】このようにして、波長変換波が基本波進行
方向に対して角度θ’をなして出射するのであれば、光
波長変換素子から互いに反対方向に出射した２通りの波
長変換波のうちの一方が固体レーザー結晶等の素子の端
面（これは基本波進行方向に対してほぼ垂直になってい
る）で反射しても、この波長変換波は同じ光路を折り返
さない。つまりこの波長変換波は反射しても、それと反
対方向に出射した波長変換波とは光路がずれるので、前
述した干渉によって波長変換波の出力が大きく変動する
ことがなくなる。

【００１４】また、このようにして波長変換波の大きな
出力変動を防止できれば、例えば基本波光源を構成する
半導体レーザーを前述のＡＰＣをかけて駆動する場合
は、半導体レーザーの駆動電流値の変化が少なく抑えら
れるので、この駆動電流がリミット値に達することを回
避して、安定した出力を得ることができる。

【００１５】以上説明した通り本発明の光波長変換装置
は、特殊に研磨した非線形光学結晶を用いるだけで波長
変換波の出力変動を防止できるものであって、この出力
変動防止のための新たな光学素子は一切不要であるか
ら、構造も非常に簡単なものとなる。

【００１６】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例による光波
長変換装置を示すものである。ここに示す光波長変換装
置は、一例として、レーザーダイオードポンピング固体
レーザーに組み込まれたものである。

【００１７】このレーザーダイオードポンピング固体レ
ーザーは、ポンピング光としてのレーザービーム10を発
する半導体レーザー11と、発散光である上記レーザービ
ーム10を収束させる集光レンズ12と、ネオジウム（Ｎ
ｄ）がドーピングされた固体レーザー媒質であって、上
記レーザービーム10の収束位置に配されたＹＡＧ結晶
（以下、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と称する）13と、このＮｄ：
ＹＡＧ結晶13の前方側つまり図中右方側に配された共振
器ミラー14とからなる。そしてＮｄ：ＹＡＧ結晶13と共
振器ミラー14との間には、光波長変換素子15が配置され
ている。

【００１８】以上述べた各要素は、図示しない共通の筐
体にマウントされて一体化され、図示しないペルチェ素
子と温調回路により、所定温度に温調される。

【００１９】上記光波長変換素子15は、非線形光学材料
であるＬｉＮｂＯ₃ （ＬＮ）の結晶（本例では特に、Ｍ
ｇＯがドープされたもの）からなり、そこには、矢印Ａ
方向に周期的に繰り返す複数のドメイン反転部20からな
る周期ドメイン反転構造が形成されている。なお、ドメ
イン反転部20の並び周期Λ＝4.75μｍである。また、こ
の光波長変換素子15の２つの光通過端面15ａ、15ｂは、
ドメイン反転部20の並び方向に対して斜めに平行研磨さ
れており、該光波長変換素子15は、これら２つの光通過
端面15ａ、15ｂが共振器ミラー14の光軸に対して垂直と
なるように配置されている。

【００２０】上記構成の光波長変換素子15は、例えば以
下のようにして作成することができる。まず、単分極化
処理がなされたＬＮの単結晶基板（ｚ板）を用意し、そ
こに電子ビーム描画装置により電子線を照射する等して
所定の周期パターンを描画し、電子線照射部のＬＮの自
発分極を反転させて、ドメイン反転部20を形成する。次
いで端面15ａおよび15ｂを研磨加工した後、それらの端
面15ａおよび15ｂに、後述する波長946 ｎｍおよび473
ｎｍの光に対する無反射コーティングを施して光波長変
換素子15を得る。

【００２１】半導体レーザー11から発せられたレーザー
ビーム10は、集光レンズ12によりＮｄ：ＹＡＧ結晶13内
で収束するように集光されて、端面13ａからＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶13内に入射する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13は波長λ₁
＝809 ｎｍのレーザービーム10によってネオジウムイオ
ンが励起されることにより、波長λ₂ ＝946 ｎｍの光を
発する。この光は、下記のコートが施されたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶端面13ａと共振器ミラー14のミラー面14ａとの間
で共振し、レーザー発振する。このようにして得られた
基本波としての固体レーザービーム16は、光波長変換素
子15に対してその端面15ａから垂直入射して、波長λ₃
＝λ₂ ／２＝473 ｎｍの第２高調波17に変換される。

【００２２】ここで、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13の後側端面13
ａおよび前側端面13ｂ、光波長変換素子15の後側端面15
ａおよび前側端面15ｂ、そして共振器ミラー14の凹面と
されたミラー面14ａには、波長λ₁ ＝809 ｎｍ、λ₂ ＝
946 ｎｍ、λ₃ ＝473 ｎｍに対してそれぞれ下記の特性
となるコートが施されている。なおＡＲは無反射（透過
率90％以上）、ＨＲは高反射（反射率99％以上）を示
す。

【００２３】 端面13ａ 端面13ｂ 端面15ａ 端面15ｂ ミラー面14ａ 809ｎｍ ＡＲ − − − − 946ｎｍ ＨＲ ＡＲ ＡＲ ＡＲ ＨＲ 473ｎｍ ＨＲ ＡＲ ＡＲ ＡＲ ＡＲ 上記のようなコートが施されているため、光波長変換素
子15から基本波入射側に出射した第２高調波17はＮｄ：
ＹＡＧ結晶13の後側端面13ａで反射して折り返し、光波
長変換素子15から基本波入射側と反対側に出射する第２
高調波17と合成されて、高強度の第２高調波17が出力さ
れるようになる。この第２高調波17はミラー面14ａを透
過して、共振器ミラー14外に出射する。なお固体レーザ
ービーム16と第２高調波17は、光波長変換素子15の周期
ドメイン反転領域において位相整合（いわゆる疑似位相
整合）する。

【００２４】上記の構成において、固体レーザービーム
16を光波長変換素子15の端面15ａに垂直入射させると、
先に説明した通り、第２高調波17の出射角度つまり基本
波進行方向となす角度θ’は、図２の波数ベクトル図に
示すものとなる。ここでθは、ドメイン反転部20の斜め
研磨角度（ドメイン反転部20が延びる面に対する角
度）、ｎ_ω 、ｎ_2ωはそれぞれ光波長変換素子15の固体
レーザービーム16、第２高調波17に対する屈折率であ
る。

【００２５】具体的に、ＭｇＯがドープされたＬＮ結晶
の固体レーザービーム16（波長 946ｎｍ）、第２高調波
17（波長 473ｎｍ）に対する屈折率をそれぞれｎ_ω ＝
2.16、ｎ_2ω＝2.21とし、斜め研磨角度θ＝５°とする
と、前述の（１）式より、第２高調波17の出射角度θ’
＝0.11°となる。

【００２６】このようにして、第２高調波17が固体レー
ザービーム16の進行方向、つまり共振器軸に対して角度
θ’をなして出射するのであれば、光波長変換素子15か
ら基本波入射側に出射した第２高調波17がＮｄ：ＹＡＧ
結晶13の後側端面13ａで反射しても、この第２高調波17
は同じ光路を折り返さない。つまりこの第２高調波17は
反射しても、それと反対方向つまり共振器ミラー14側に
出射した第２高調波17とは光路がずれるので、前述した
干渉によって第２高調波17の出力が大きく変動すること
がなくなる。

【００２７】以上、非線形光学材料としてＭｇＯがドー
プされたＬＮ結晶を用いて第２高調波を発生させる実施
例について説明したが、本発明はそれ以外の非線形光学
材料を用いる光波長変換装置に対しても、また第２高調
波以外の第３高調波等を発生させる光波長変換装置に対
しても適用可能である。

【００２８】さらに本発明は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶以外の
レーザー媒質を用いるレーザー装置にも、また、レーザ
ーダイオードポンピング固体レーザー以外のレーザー装
置にも適用可能である。

【００２９】そして光波長変換素子のドメイン反転部の
並び周期Λや、斜め研磨角度θも上記実施例の値に限定
されるものではない。例えばレーザー媒質としてＮｄ：
ＹＶＯ₄ 結晶を用いて波長1064ｎｍの固体レーザービー
ムを発振させ、それを波長532 ｎｍの第２高調波に波長
変換する場合、非線形光学材料としてＭｇＯがドープさ
れたＬＮ結晶を用いるならば、ドメイン反転部の並び周
期Λは6.95μｍとすればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光波長変換装置が組み
込まれたレーザーダイオードポンピング固体レーザーを
示す概略側面図

【図２】本発明装置における波長変換波の出射角度を説
明する波数ベクトル図

【符号の説明】

10 レーザービーム（ポンピング光） 11 半導体レーザー 12 集光レンズ 13 Ｎｄ：ＹＡＧ結晶 13ａ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の端面 14 共振器ミラー 14ａ 共振器ミラーのミラー面 15 光波長変換素子 15ａ、15ｂ 光波長変換素子の光通過端面 16 固体レーザービーム 17 第２高調波 20 ドメイン反転部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した基本波を波長変換する光波長変
   換素子と、 この光波長変換素子から基本波入射側に出射した波長変
   換波を反射させて折り返す反射素子とを有する光波長変
   換装置において、 前記光波長変換素子として、周期ドメイン反転構造を有
   する非線形光学結晶が、ドメイン反転部の並び方向に対
   して斜めに研磨されてなるものが用いられ、 この光波長変換素子が、前記斜めに研磨された面に基本
   波がほぼ垂直に入射するように配置されていることを特
   徴とする光波長変換装置。