JPWO2008050685A1 - 内部共振器型ｓｈｇ光源 - Google Patents

内部共振器型ｓｈｇ光源 Download PDF

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Abstract

ポンプ光を出射するポンプ光源と、前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部とを備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させる内部共振器型ＳＨＧ光源である。

Description

本発明は、ポンプ光源からの励起光を固体レーザーに入力させて基本波を発生させ、共振器内に設置された波長変換素子を用いて基本波を第２高調波に波長変換する内部共振器型のＳＨＧ光源に関する。
半導体レーザーをポンプ光源とした内部共振器型のＳＨＧ光源は、電気‐光変換効率が高く、低消費電力化が可能であると共に、半導体レーザーからのレーザ光では、実現が非常に困難である緑色のレーザー光が得られるため、幅広く利用されている。
図９に、従来のこの種のＳＨＧ光源の一例として特許文献１に示される内部共振器型ＳＨＧ光源１００の概略構成を示す。従来のＳＨＧ光源では、半導体レーザー１０１から出力されるポンプ光１１７がレンズ１０２によって固体レーザー１０３に集光される。固体レーザー１０３からは、ポンプ光により励起された基本波１１８が出力され、固体レーザー１０３に形成された反射面と出力ミラー１０６の反射面により構成される共振器内で基本波１１８が共振し、レーザー発振する。共振器内には、擬似位相整合型波長変換素子１０４が配置され、基本波１１８から第２高調波１１９への波長変換を行う。共振器内にはエタロン１０５が配置され、共振器の低ノイズ化が実現されている。半導体レーザー１０１および擬似位相整合型波長変換素子１０４はそれぞれ、ホルダ１０７、１０８およびペルチェ素子１０９、１１０と、温度制御器１１５と、により温度制御される。また、第２高調波１１９の出力は、スプリッター１１１によりその一部が分岐されて検出器１１２によりモニターされ、比較器１１３および駆動制御器１１４により第２高調波１１９の出力安定化が実現される。
特許文献１では、擬似位相整合型波長変換素子１０４に形成される分極反転領域の作製ばらつきを補い、位相整合させるために、らせんコイル１１６を用いて擬似位相整合型波長変換素子１０４を回転させている。
しかしながら、従来の内部共振器型ＳＨＧ光源においては、上述したように、ペルチェ素子を複数用いて光源の出力を安定化している。ペルチェ素子の使用は、消費電力の増大、高コスト化、ペルチェ素子による発熱、ペルチェ素子による光源装置の大型化などの課題を伴う。これらの課題は、民生用の製品への展開を考慮すると大きな問題である。
特開２００３−１７４２２２号公報
本発明の目的は、波長変換素子の温度制御を不要とすることにより、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる内部共振器型ＳＨＧ光源を提供することにある。
本発明の一局面に従う内部共振器型ＳＨＧ光源は、ポンプ光を出射するポンプ光源と、前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部とを備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させる。
上記の内部共振器型ＳＨＧ光源では、波長変換素子の温度に応じて波長変換素子を回転させることにより波長変換素子に入射される基本波の入射角を変化させる。このため、波長変換素子の温度変化に起因する位相整合条件の変動を波長変換素子の回転によって抑制することができる。したがって、波長変換素子の温度制御が不要となり、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる。
本発明によれば、ペルチェ素子による温度制御が不要の内部共振器型ＳＨＧ光源が実現され、光源装置の低消費電力化、低コスト化、小型化を実現することができる。
本発明の実施の形態１にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。 波長変換素子の温度変化に伴う変換効率の変化を説明する図である。 図３ＡおよびＢは、波長変換素子の回転に伴う位相整合条件の変化を説明する図である。 波長変換素子の回転角と位相整合温度の関係を示す図である。 凹面ミラーの移動について説明する図である。 本発明の実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源に用いられる波長変換素子の構造を示す図である。 波長変換素子の回転角および分極反転領域の傾き角の和と位相整合温度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。 従来の内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、波長変換素子の温度変化に応じて波長変換素子の位相整合波長を調整することにより、ペルチェ素子などの温度制御デバイスによる波長変換素子の温度制御を不要とする内部共振器型のＳＨＧ光源にかかる形態である。図１は、本発明の実施の形態１にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。
本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧレーザー１は、図１に示すように、発振波長８０８ｎｍ近傍のポンプ用半導体レーザー２と、ロッドレンズ３と、ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）４と、ボールレンズ５と、固体レーザー６と、波長変換素子７と、出力ミラーである凹面ミラー８と、凹面ミラー移動機構９と、波長変換素子回転機構１０と、波長変換素子温度検知装置１１と、を備えている。また、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１には駆動装置１５が接続されており、駆動装置１５には集積回路１６が搭載されている。本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１の放熱は、ファン１７により実行されている。ファン１７を用いることでペルチェ素子を用いる場合よりも消費電力が格段に低減される。
本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１は、駆動装置１５により駆動され、第２高調波１４を出力する。特に、ポンプ用半導体レーザー２への駆動電流の印加、波長変換素子温度検知装置１１による波長変換素子７の温度検知、波長変換素子回転機構１０による波長変換素子７の回転、凹面ミラー移動機構９による凹面ミラー８の移動、ファン１７の駆動、および、受光素子１８による第２高調波１４の出力検知の各動作は、駆動装置１５内の集積回路１６によって制御・管理されている。集積回路１６内には、制御回路１６１および記憶回路１６２が設けられており、制御回路１６１は例えば、各種の演算処理を実行するＣＰＵで構成され、記憶回路１６２は例えば、読み書き可能な不揮発性メモリで構成されている。制御回路１６１は、記憶回路１６２に予め記録されたデータおよび光源の動作時に順次記憶されるデータを用いて上記の各動作を制御する。本実施の形態では、同一の制御回路１６１により上記の各動作の制御を行っているが、例えば、上記の各動作ごとに異なる制御回路を用意しても勿論構わない。
本実施の形態において、ポンプ用半導体レーザー２から出射した波長８０８ｎｍ近傍のポンプ光１２は、ロッドレンズ３により垂直（紙面に垂直）方向の成分がコリメートされてＶＢＧ４に入射する。ＶＢＧ４は透過型の回折格子であり、ＶＢＧ４に入射したポンプ光１２の一部が反射されポンプ用半導体レーザー２にフィードバックされることにより、ポンプ用半導体レーザー２の発振波長がＶＢＧ４により選択された波長（８０８ｎｍ）にロックされる。
本実施の形態では、ＶＢＧ４からポンプ用半導体レーザー２への戻り光量をＶＢＧ４に入射したポンプ光１２の２０％とした。ＶＢＧ４からの戻り光量は１０〜３０％程度が適当である。１０％以下であると波長ロックが弱まる。また、３０％以上になると透過光量の減少が大きくなるだけでなく、ポンプ用半導体レーザー２内の光量増加による不安定動作を引き起こす可能性が大きくなる。ＶＢＧ４を用いることで温度変化が発生してもポンプ用半導体レーザー２の発振波長がほとんど変化することがない。この結果、ポンプ用半導体レーザー２への高精度な温度制御装置が不要になっており、安価なファン１７での放熱が実現されている。
固体レーザー６は、８０８ｎｍ近傍での吸収効率が高いため、ポンプ用半導体レーザー２の波長が変化しないことは非常に重要である。本実施の形態では、上述したように、ポンプ用半導体レーザー２の発振波長のロックにＶＢＧ４を用いているが、誘電体多層膜を用いて作製されるバンドパスフィルターを用いても同様の効果が得られる。ポンプ用半導体レーザー２自身が波長ロック機能を備えたＤＦＢレーザーやＤＢＲレーザーであっても同様の効果を得ることができる。
ＶＢＧ４により波長ロックされたポンプ光１２は、ボールレンズ５により固体レーザー６へ集光される。固体レーザー６にはＮｄが３％ドーピングされたＹＶＯ４を用いた。ポンプ光１２により固体レーザー６が励起され、波長１０６４ｎｍの基本波１３が発生する。基本波１３は、固体レーザー６と凹面ミラー８により形成される共振器内で共振する。共振器内に設置された波長変換素子７により、基本波１３の一部が波長変換され、波長５３２ｎｍの第２高調波１４として外部に出力される。本実施の形態では、波長変換素子７に、ＭｇがドープされたＬｉＮｂＯ３（以下、「Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３」とする。）に周期上の分極反転領域を形成した擬似位相整合型のものを用いた。波長変換素子７の長さは、０．８ｍｍである。Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３は、基本波１３から第２高調波１４への変換効率の大きい材料であり、波長変換素子７の素子長を短くできるという利点がある。
図２に、本実施の形態の波長変換素子７の特性を示す。図２において、横軸は波長変換素子７の温度、縦軸は基本波１３から第２高調波１４への変換効率を示している。図２にからわかるように、波長変換素子７の変換効率は波長変換素子７の温度変化とともに変化する。本実施の形態の波長変換素子７は、図１に示すように、基本波１３が波長変換素子７に垂直に入射した場合、４１℃で変換効率が最大となるように設計され精度よく作製されている。すなわち、波長変換素子７の位相整合温度は、４１℃である。しかしながら、波長変換素子７の温度が上昇したり低下したりすると基本波１３から第２高調波１４への変換効率は低下する。その半値幅は２０℃程度である。変換効率が低下する原因は、温度変化により波長変換素子７が熱膨張や熱収縮することに加えて屈折率も変動することにより、波長変換素子７の分極反転周期が変化するためである。分極反転の周期が変化すると波長変換が最大となる位相整合波長が変化してしまう。半値幅を大きくするには波長変換素子７の長さを短くすればよいが、素子長を短くしすぎると、変換効率の低下が発生するため好ましくない。
上記のことを踏まえると、波長変換素子７の長さは０．３〜２ｍｍ程度がよい。素子長が２ｍｍ以上になると、波長変換できる基本波１３の波長範囲が小さくなり、使用が困難となると同時に、後述のように波長変換素子７を回転させた場合に基本波１３の光路のずれが大きくなる。一方、素子長が０．３ｍｍ以下になると基本波１３から第２高調波１４への変換効率が小さくなりすぎてしまう。基本波１３を波長変換素子７に垂直に入射したままに維持する場合には、従来技術のようにペルチェ素子などを用いた温度制御が必要になる。ペルチェ素子を用いると高コスト化、消費電力および発熱量の増大を招くという課題を生じることは上述した通りである。
そこで、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源においては、上記の波長変換素子７の温度変化に伴う出力の変動をペルチェ素子による温度制御なしに防止するため、波長変換素子７を回転させて対応する。以下、この点について詳しく説明する。図３Ａ、図３Ｂおよび図４は、波長変換素子７の位相整合波長が変化することについて説明するための図であり、図３ＡおよびＢは、波長変換素子７を回転させた時の基本波１３の透過状態を示しており、図４は、本実施の形態の波長変換素子７の回転角（図３Ｂの角度θ）と位相整合が最大となる温度（位相整合温度）の関係を示している。
図４からわかるように、波長変換素子７を回転させると位相整合温度が変化する。また、波長変換素子７を回転させた際に、波長変換素子７の変換効率が低下することもわかる。変換効率の低下は、波長変換素子７内で基本波１３と第２高調波１４の進行方向がずれてしまうウォークオフと呼ばれる現象によるものである。
しかし、波長変換素子７を回転させたときの変換効率の低下は少ないため、光源から出力される第２高調波１４の出力低下は小さい。例えば、図４では、波長変換素子７の回転角θを０°から１０°に変化させた場合に、位相整合温度が４１℃から２７．５°へ大きく変化するのに対し、変換効率は高々５％程度の低下で収まっている。上記のウォークオフによる変換効率の低下は、波長変換素子７の長さが大きいと影響が大きくなるので、この点からも波長変換素子７の長さは２ｍｍ以下が良い。
図３Ａは、波長変換素子７の温度が４１℃の場合の波長変換素子７の回転状態を示している。図４より、波長変換素子７の温度が４１℃であることから、その４１℃を位相整合温度とすべく、波長変換素子７の回転角θを０°に設定する。つまり、基本波１３は波長変換素子７に垂直に入射される。一方、図３Ｂは、波長変換素子７の温度が３０℃の場合の波長変換素子７の回転状態を示しており、波長変換素子７の温度が３０℃であることから、その３０℃を位相整合温度とすべく、波長変換素子７の回転角θを９°に設定する。図３Ａの場合、基本波１３に対する波長変換素子７の分極反転の周期はＴであるが、図３Ｂの場合、波長変換素子７の温度が図３Ａの場合に比べ低下しているため、実際の分極反転周期はＴ″（Ｔ″＜Ｔ）となっている。しかし、図３Ｂに示すように、波長変換素子７を回転させると基本波１３は分極反転領域に対して斜めに透過するため、基本波１３に対する分極反転周期Ｔ′＝Ｔとなり、変換効率は図３Ａの場合と比べてほとんど低下しない。
次に、図４を用いて図１の内部共振器型ＳＨＧ光源を駆動する方法について説明する。まず、波長変換素子温度検知装置１１からの波長変換素子７の温度を検出する。次に、検出信号に基づき、集積回路１６において最適な回転角を決定する。次に、集積回路１６からの信号を基に波長変換素子回転機構１０が回転し、波長変換素子７も回転することで温度変化が発生しても変換効率の大幅な低下を防ぐことが可能となっている。本実施の形態では、波長変換素子回転機構１０に電磁アクチュエーターを用いた。電磁アクチュエーターは、光ピックアップにも用いられているように低コストでの実現が可能である。また、回転に要する時間も短時間で済む。電磁アクチュエーター以外にモーターなどを用いてもよい。
次に、波長変換素子７を回転させた際に生じる基本波の発振効率の低下を防止する方法について図５を用いて説明する。上述のように温度変化に対応して波長変換素子７を回転させた場合、図５のように波長変換素子７を透過する基本波１３の光路が図中の点線から実線の位置に変化する。図５中の点線は波長変換素子７に対して基本波１３が垂直に入射した場合の光路を示している。光路が変化すると基本波１３の共振の状態が変化するため、基本波１３の発振効率の低下を招く。よって、本実施の形態においては、凹面ミラー移動機構９を用いて凹面ミラーの位置を移動させ、共振状態の変化を防止するようにした。凹面ミラーの必要な移動量は、波長変換素子７の回転角を基に集積回路１６で計算される。本実施の形態では、凹面ミラー移動機構９をモーターと、モーターの回転によりスライドする機構を用いて実現させた。
加えて、内部共振器型ＳＨＧ光源１から出力される第２高調波１４の出力を安定化するため、第２高調波１４の一部は、ビームスプリッター１９により分岐され（図１参照）、受光素子１８に入射される。受光素子１８に入射した光は、集積回路１６において設定値と比較され、出力の安定化を図るためポンプ用半導体レーザー２への供給電流を制御する。また、集積回路１６ではファン１７の回転数を制御し、内部共振器型ＳＨＧ光源１の温度上昇も防止している。
上記の行程によりペルチェ素子を用いることなく第２高調波１４の出力は安定化される。
以上、本実施の形態によれば、波長変換素子の温度変化による出力の大幅な低下を防止すると共に、ペルチェ素子による温度制御が不要となることで低消費電力化が実現される。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上記の実施の形態１で説明した温度変化に対応するための内部共振器型ＳＨＧ光源の制御方法において、波長変換素子７の回転をより少なくする方法について説明する。基本的な構成や制御方法などは実施の形態１と同様である。本実施の形態では、図６に示す構造の波長変換素子７を用いた。本実施の形態における波長変換素子７は、波長変換素子７内に形成されている分極反転領域１９が入射面７ａに対して斜めに（図中のθｐをもって）形成されている。このように分極反転領域１９を斜めに形成しておくと温度変化に対応して波長変換素子７を回転させる際の回転角が少なくて済む。
図４に示した特性は、入射光に対する分極反転領域の角度が垂直である場合（図６におけるθｐ＝０の場合）のものであるが、回転角θが小さい（θ＝０〜２°）ときには、回転角を変化したときの位相整合温度の変化が小さいことがわかる。一方、回転角θが２°以上になると角度１°あたりの位相整合温度の変化が大きくなる。上記特性を鑑み、本実施の形態では、波長変換素子７の入射面と、分極反転領域１９とのなす角θｐを予め２°以上にして波長変換素子７を作製し、共振器へ挿入して用いた。図７に、本実施の形態で用いた波長変換素子７の特性を示す。図７の横軸は、波長変換素子７の回転角θと入射面と分極反転領域１９のなす角θｐをあわせたものである。分極反転領域１９の周期は、上記の実施の形態１よりも短くしてある。具体的には、上記の実施の形態１の分極反転周期を６．９５μｍとしたのに対し、本実施の形態の分極反転周期を６．９１μｍとした。また、θｐは、１０°とした。θ＋θｐが１０°以上あるため、１°あたりの位相整合温度の変化量が大きく、温度変化に対する波長変換素子７の回転角θの回転量が少なくて済むことがわかる。
θｐの範囲は２°〜３０°が好ましい。図７からわかるように、θｐを大きくすると基本波１３から第２高調波１４への変換効率の低下が発生する。θｐを３０°以上にすると波長変換の効率が１０％以上低下し、低下した第２高調波１４の出力を補うためポンプ用半導体レーザー２の出力を上げる必要があるので、ポンプ用半導体レーザー２への負荷が大きくなるため好ましくない。
上記のように、θｐを２°以上にした波長変換素子７を用いることで温度変化に伴う回転角θの調整範囲を小さくすることが可能となった。同時に、回転角θの調整範囲が小さくなることで、基本波１３が波長変換素子７を透過する際に発生する光路のずれが小さくなったため、凹面ミラー８の移動範囲も小さくできた。波長変換素子７の長さを０．５ｍｍ以下と短くした場合には光路のずれが非常に小さいため、波長変換素子７を回転させた際の凹面ミラー８の位置調整が不要になる場合もある。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態１および２にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順にかかる形態である。図８は、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
図８に示すように、まず、光源の駆動開始前において、波長変換素子温度検知装置１１から検知信号が集積回路１６に出力され、集積回路１６内では、制御回路１６１がその検知信号に基づき波長変換素子７の温度をチェックする（ステップＳ１０１）。
次に、制御回路１６１は、記憶回路１６２に予め記録されているデータを参照して波長変換素子７の回転角θを決定する（ステップＳ１０２）。記憶回路１６２には予め、上記の図４および７で示した波長変換素子７の回転角と位相整合温度との関係を表わすデータを記録されており、制御部１６１は、上記のステップＳ１０１にてチェックされた波長変換素子７の温度が波長変換素子７の位相整合温度に一致するように、波長変換素子７の回転角を決定する。例えば、環境温度が常温（２７℃）の場合、光源の駆動前であれば、波長変換素子７の温度も２７℃であるとする。このため、制御回路１６１は、記憶回路１６２内のデータを参照し、例えば、上記の実施の形態１の波長変換素子７であれば、波長変換素子７の回転角θを例えば１２°に決定する（図４参照）。あるいは、上記の実施の形態２の波長変換素子７であれば、波長変換素子７の回転角θ＋θｐを例えば１８°に決定する。制御回路１６１は、決定された回転角を波長変換素子回転機構１０に通知し、波長変換素子回転機構１０は通知された回転角に従って波長変換素子７の回転を実行する。
次に、制御部１６１は、上記のステップＳ１０２にて決定された波長変換素子７の回転角に応じた凹面ミラー８の移動量を決定する（ステップＳ１０３）。記憶回路１６２には予め、波長変換素子７の回転角に応じた凹面ミラー８の移動量を表わすデータが記録されており、制御回路１６１は、記憶回路１６２内のデータを参照して、凹面ミラー８の移動量を決定することができる。制御回路１６１は、決定された凹面ミラー８の移動量を凹面ミラー移動機構９に通知し、凹面ミラー移動機構９は通知された移動量に従って凹面ミラー８の移動を実行する。
次に、利用者による光源点灯の指示が駆動装置１５に与えられると、駆動装置１５は光源の駆動を開始する（ステップＳ１０４）。駆動装置１５は、ポンプ用半導体レーザー２へ駆動連流を印加し、ポンプ用半導体レーザー２にポンプ光１２の出力を開始させると共に、第２高調波１４のうちビームスプリッタ１９で一部反射された第２高調波の出力を受光素子１８でモニターし、そのモニター結果に基づいて、第２高調波１４の出力が所望の強度になるように、ポンプ用半導体レーザー２の駆動電流を調整する。そうすると、ポンプ用半導体レーザー２からのポンプ光１２の強度が調整され、共振器内の基本波１３の出力強度が調整され、その結果として第２高調波１４の出力の強度が調整される。このことにより、内部共振器型ＳＨＧ光源１の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作する（ステップＳ１０５）。
次に、駆動装置１５は、利用者による光源ＯＦＦ信号が与えられるまで（ステップＳ１０６）、上記のステップＳ１０５のＡＰＣを実行すると共に、所定の時間間隔において、上記のステップＳ１０１と同様に、波長変換素子７の温度のチェックが行われる（ステップＳ１０７）。なお、上記のステップＳ１０６において、光源ＯＦＦ信号が与えられれば、駆動装置１５は内部共振器型ＳＨＧ光源１の駆動を停止する。
次に、制御回路１６１は、上記のステップＳ１０７にてチェックされた波長変換素子７の温度が先にチェックされた温度よりも所定の温度（例えば、１℃）だけ上昇しているか否かを判断し（ステップＳ１０８）、上昇していなければ（ステップＳ１０８ＮＯ）、上記のステップＳ１０５のＡＰＣを続ける。一方、上昇していれば（ステップＳ１０８ＹＥＳ）、上記のステップＳ１０７にてチェックされた波長変換素子７の温度に基づいて波長変換素子７の回転角を決定し（ステップＳ１０９）、続いて、上記のステップＳ１０９にて決定された波長変換素子７の回転角に基づいて凹面ミラー８の移動量を決定する（ステップＳ１０９）。
このようにして、上記のステップＳ１０６において光源ＯＦＦ信号が与えられない限り、上記のステップＳ１０５〜Ｓ１１０が繰り返されることになる。
本実施の形態においては、上記のステップＳ１０３およびＳ１１０にて凹面ミラー８の移動を実行した。上記の実施の形態２で述べたように、波長変換素子７を回転させた際の凹面ミラー８の位置調整が不要になる場合であれば、上記のステップＳ１０３およびＳ１１０での凹面ミラー８の移動は不要となる。
上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一局面に従う内部共振器型ＳＨＧ光源は、ポンプ光を出射するポンプ光源と、前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部とを備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させる。
上記の内部共振器型ＳＨＧ光源では、波長変換素子の温度に応じて波長変換素子を回転させることにより波長変換素子に入射される基本波の入射角を変化させる。このため、波長変換素子の温度変化に起因する位相整合条件の変動を波長変換素子の回転によって抑制することができる。したがって、波長変換素子の温度制御が不要となり、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる。
前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に応じて前記出力ミラーを移動させる移動部をさらに備えることが好ましい。
この場合、波長変換素子を回転させた場合でも、基本波の光軸と出力ミラーの光軸を略一致させることができるので、共振器内における基本波の発振状態を安定化することができる。
前記波長変換素子の位相整合温度と前記波長変換素子の回転角との対応関係を表わす回転角データが記録された記憶部をさらに備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に基づいて前記波長変換素子を回転させる回転機構と、前記回転機構による前記波長変換素子の回転を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記検知部により検知された前記波長変換素子の温度と前記波長変換素子の位相整合温度とが略一致するように、前記記憶部に記録された回転角データを参照して前記波長変換素子の回転を制御することが好ましい。
この場合、波長変換素子の位相整合温度と波長変換素子の回転角との対応関係を表わす回転角データを予め記録して参照できるようにすることにより、波長変換素子の回転をより精度良く制御することができる。
前記移動部は、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に基づいて前記前記出力ミラーを移動させる移動機構を含み、前記制御部はさらに、前記移動機構による前記出力ミラーの移動を制御し、前記記憶部はさらに、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するための、前記波長変換素子の回転角と前記出力ミラーの移動量との対応関係を表わす移動量データを記録しており、前記制御部は、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記記憶部に記録された移動量データを参照して前記出力ミラーの移動を制御することが好ましい。
この場合、波長変換素子の回転角と出力ミラーの移動量との対応関係を表わす移動量データを予め記録して参照できるようにすることにより、出力ミラーの移動をより精度良く制御することができる。
前記制御部および前記記憶部は、集積回路に搭載されていることが好ましい。
この場合、制御部と記憶部とが同一の集積回路内に作り込まれ、制御部と記憶部とのやり取りの高速化、および、制御部と記憶部の小型化を図ることができる。
前記波長変換素子の素子長は、０．３〜２ｍｍであることが好ましい。
この場合、波長変換できる基本波の波長範囲を狭くすること無く、波長変換素子の回転による基本波の光路のずれを小さくすることができる。
前記波長変換素子に形成された分極反転領域は、前記波長変換素子の前記固体レーザー側の端面に対し所定の傾斜角を成すことが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度変化に対応して波長変換素子を回転させる際の回転角をより小さくすることができる。このため、波長変換素子の回転による基本波の光路のずれをより小さくすることができる。
前記所定の傾斜角は、２〜３０°であることが好ましい。
この場合、基本波から第２高調波への変換効率の低下を招くこと無く、波長変換素子の温度変化に伴う回転角の調整範囲を小さくすることが可能となる。
前記波長変換素子の材料は、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム結晶であることが好ましい。
この場合、基本波から第２高調波への変換効率を高め、且つ、波長変換素子の素子長を短くすることができる。
本発明にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源によれば、ペルチェ素子による温度制御が不要の内部共振器型ＳＨＧ光源が実現され、光源装置の低消費電力化、低コスト化、小型化に有効である。
本発明は、ポンプ光源からの励起光を固体レーザーに入力させて基本波を発生させ、共振器内に設置された波長変換素子を用いて基本波を第２高調波に波長変換する内部共振器型のＳＨＧ光源に関する。
半導体レーザーをポンプ光源とした内部共振器型のＳＨＧ光源は、電気‐光変換効率が高く、低消費電力化が可能であると共に、半導体レーザーからのレーザ光では、実現が非常に困難である緑色のレーザー光が得られるため、幅広く利用されている。
図９に、従来のこの種のＳＨＧ光源の一例として特許文献１に示される内部共振器型ＳＨＧ光源１００の概略構成を示す。従来のＳＨＧ光源では、半導体レーザー１０１から出力されるポンプ光１１７がレンズ１０２によって固体レーザー１０３に集光される。固体レーザー１０３からは、ポンプ光により励起された基本波１１８が出力され、固体レーザー１０３に形成された反射面と出力ミラー１０６の反射面により構成される共振器内で基本波１１８が共振し、レーザー発振する。共振器内には、擬似位相整合型波長変換素子１０４が配置され、基本波１１８から第２高調波１１９への波長変換を行う。共振器内にはエタロン１０５が配置され、共振器の低ノイズ化が実現されている。半導体レーザー１０１および擬似位相整合型波長変換素子１０４はそれぞれ、ホルダ１０７、１０８およびペルチェ素子１０９、１１０と、温度制御器１１５と、により温度制御される。また、第２高調波１１９の出力は、スプリッター１１１によりその一部が分岐されて検出器１１２によりモニターされ、比較器１１３および駆動制御器１１４により第２高調波１１９の出力安定化が実現される。
特許文献１では、擬似位相整合型波長変換素子１０４に形成される分極反転領域の作製ばらつきを補い、位相整合させるために、らせんコイル１１６を用いて擬似位相整合型波長変換素子１０４を回転させている。
特開２００３−１７４２２２号公報
しかしながら、従来の内部共振器型ＳＨＧ光源においては、上述したように、ペルチェ素子を複数用いて光源の出力を安定化している。ペルチェ素子の使用は、消費電力の増大、高コスト化、ペルチェ素子による発熱、ペルチェ素子による光源装置の大型化などの課題を伴う。これらの課題は、民生用の製品への展開を考慮すると大きな問題である。
本発明の目的は、波長変換素子の温度制御を不要とすることにより、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる内部共振器型ＳＨＧ光源を提供することにある。
本発明の一局面に従う内部共振器型ＳＨＧ光源は、ポンプ光を出射するポンプ光源と、前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部とを備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させる。
上記の内部共振器型ＳＨＧ光源では、波長変換素子の温度に応じて波長変換素子を回転させることにより波長変換素子に入射される基本波の入射角を変化させる。このため、波長変換素子の温度変化に起因する位相整合条件の変動を波長変換素子の回転によって抑制することができる。したがって、波長変換素子の温度制御が不要となり、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる。
本発明によれば、ペルチェ素子による温度制御が不要の内部共振器型ＳＨＧ光源が実現され、光源装置の低消費電力化、低コスト化、小型化を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、波長変換素子の温度変化に応じて波長変換素子の位相整合波長を調整することにより、ペルチェ素子などの温度制御デバイスによる波長変換素子の温度制御を不要とする内部共振器型のＳＨＧ光源にかかる形態である。図１は、本発明の実施の形態１にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。
本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧレーザー１は、図１に示すように、発振波長８０８ｎｍ近傍のポンプ用半導体レーザー２と、ロッドレンズ３と、ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）４と、ボールレンズ５と、固体レーザー６と、波長変換素子７と、出力ミラーである凹面ミラー８と、凹面ミラー移動機構９と、波長変換素子回転機構１０と、波長変換素子温度検知装置１１と、を備えている。また、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１には駆動装置１５が接続されており、駆動装置１５には集積回路１６が搭載されている。本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１の放熱は、ファン１７により実行されている。ファン１７を用いることでペルチェ素子を用いる場合よりも消費電力が格段に低減される。
本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源１は、駆動装置１５により駆動され、第２高調波１４を出力する。特に、ポンプ用半導体レーザー２への駆動電流の印加、波長変換素子温度検知装置１１による波長変換素子７の温度検知、波長変換素子回転機構１０による波長変換素子７の回転、凹面ミラー移動機構９による凹面ミラー８の移動、ファン１７の駆動、および、受光素子１８による第２高調波１４の出力検知の各動作は、駆動装置１５内の集積回路１６によって制御・管理されている。集積回路１６内には、制御回路１６１および記憶回路１６２が設けられており、制御回路１６１は例えば、各種の演算処理を実行するＣＰＵで構成され、記憶回路１６２は例えば、読み書き可能な不揮発性メモリで構成されている。制御回路１６１は、記憶回路１６２に予め記録されたデータおよび光源の動作時に順次記憶されるデータを用いて上記の各動作を制御する。本実施の形態では、同一の制御回路１６１により上記の各動作の制御を行っているが、例えば、上記の各動作ごとに異なる制御回路を用意しても勿論構わない。
本実施の形態において、ポンプ用半導体レーザー２から出射した波長８０８ｎｍ近傍のポンプ光１２は、ロッドレンズ３により垂直（紙面に垂直）方向の成分がコリメートされてＶＢＧ４に入射する。ＶＢＧ４は透過型の回折格子であり、ＶＢＧ４に入射したポンプ光１２の一部が反射されポンプ用半導体レーザー２にフィードバックされることにより、ポンプ用半導体レーザー２の発振波長がＶＢＧ４により選択された波長（８０８ｎｍ）にロックされる。
本実施の形態では、ＶＢＧ４からポンプ用半導体レーザー２への戻り光量をＶＢＧ４に入射したポンプ光１２の２０％とした。ＶＢＧ４からの戻り光量は１０〜３０％程度が適当である。１０％以下であると波長ロックが弱まる。また、３０％以上になると透過光量の減少が大きくなるだけでなく、ポンプ用半導体レーザー２内の光量増加による不安定動作を引き起こす可能性が大きくなる。ＶＢＧ４を用いることで温度変化が発生してもポンプ用半導体レーザー２の発振波長がほとんど変化することがない。この結果、ポンプ用半導体レーザー２への高精度な温度制御装置が不要になっており、安価なファン１７での放熱が実現されている。
固体レーザー６は、８０８ｎｍ近傍での吸収効率が高いため、ポンプ用半導体レーザー２の波長が変化しないことは非常に重要である。本実施の形態では、上述したように、ポンプ用半導体レーザー２の発振波長のロックにＶＢＧ４を用いているが、誘電体多層膜を用いて作製されるバンドパスフィルターを用いても同様の効果が得られる。ポンプ用半導体レーザー２自身が波長ロック機能を備えたＤＦＢレーザーやＤＢＲレーザーであっても同様の効果を得ることができる。
ＶＢＧ４により波長ロックされたポンプ光１２は、ボールレンズ５により固体レーザー６へ集光される。固体レーザー６にはＮｄが３％ドーピングされたＹＶＯ４を用いた。ポンプ光１２により固体レーザー６が励起され、波長１０６４ｎｍの基本波１３が発生する。基本波１３は、固体レーザー６と凹面ミラー８により形成される共振器内で共振する。共振器内に設置された波長変換素子７により、基本波１３の一部が波長変換され、波長５３２ｎｍの第２高調波１４として外部に出力される。本実施の形態では、波長変換素子７に、ＭｇがドープされたＬｉＮｂＯ３（以下、「Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３」とする。）に周期上の分極反転領域を形成した擬似位相整合型のものを用いた。波長変換素子７の長さは、０．８ｍｍである。Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３は、基本波１３から第２高調波１４への変換効率の大きい材料であり、波長変換素子７の素子長を短くできるという利点がある。
図２に、本実施の形態の波長変換素子７の特性を示す。図２において、横軸は波長変換素子７の温度、縦軸は基本波１３から第２高調波１４への変換効率を示している。図２にからわかるように、波長変換素子７の変換効率は波長変換素子７の温度変化とともに変化する。本実施の形態の波長変換素子７は、図１に示すように、基本波１３が波長変換素子７に垂直に入射した場合、４１℃で変換効率が最大となるように設計され精度よく作製されている。すなわち、波長変換素子７の位相整合温度は、４１℃である。しかしながら、波長変換素子７の温度が上昇したり低下したりすると基本波１３から第２高調波１４への変換効率は低下する。その半値幅は２０℃程度である。変換効率が低下する原因は、温度変化により波長変換素子７が熱膨張や熱収縮することに加えて屈折率も変動することにより、波長変換素子７の分極反転周期が変化するためである。分極反転の周期が変化すると波長変換が最大となる位相整合波長が変化してしまう。半値幅を大きくするには波長変換素子７の長さを短くすればよいが、素子長を短くしすぎると、変換効率の低下が発生するため好ましくない。
上記のことを踏まえると、波長変換素子７の長さは０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度がよい。素子長が２ｍｍ以上になると、波長変換できる基本波１３の波長範囲が小さくなり、使用が困難となると同時に、後述のように波長変換素子７を回転させた場合に基本波１３の光路のずれが大きくなる。一方、素子長が０．３ｍｍ以下になると基本波１３から第２高調波１４への変換効率が小さくなりすぎてしまう。基本波１３を波長変換素子７に垂直に入射したままに維持する場合には、従来技術のようにペルチェ素子などを用いた温度制御が必要になる。ペルチェ素子を用いると高コスト化、消費電力および発熱量の増大を招くという課題を生じることは上述した通りである。
そこで、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源においては、上記の波長変換素子７の温度変化に伴う出力の変動をペルチェ素子による温度制御なしに防止するため、波長変換素子７を回転させて対応する。以下、この点について詳しく説明する。図３Ａ、図３Ｂおよび図４は、波長変換素子７の位相整合波長が変化することについて説明するための図であり、図３ＡおよびＢは、波長変換素子７を回転させた時の基本波１３の透過状態を示しており、図４は、本実施の形態の波長変換素子７の回転角（図３Ｂの角度θ）と位相整合が最大となる温度（位相整合温度）の関係を示している。
図４からわかるように、波長変換素子７を回転させると位相整合温度が変化する。また、波長変換素子７を回転させた際に、波長変換素子７の変換効率が低下することもわかる。変換効率の低下は、波長変換素子７内で基本波１３と第２高調波１４の進行方向がずれてしまうウォークオフと呼ばれる現象によるものである。
しかし、波長変換素子７を回転させたときの変換効率の低下は少ないため、光源から出力される第２高調波１４の出力低下は小さい。例えば、図４では、波長変換素子７の回転角θを０°から１０°に変化させた場合に、位相整合温度が４１℃から２７．５°へ大きく変化するのに対し、変換効率は高々５％程度の低下で収まっている。上記のウォークオフによる変換効率の低下は、波長変換素子７の長さが大きいと影響が大きくなるので、この点からも波長変換素子７の長さは２ｍｍ以下が良い。
図３Ａは、波長変換素子７の温度が４１℃の場合の波長変換素子７の回転状態を示している。図４より、波長変換素子７の温度が４１℃であることから、その４１℃を位相整合温度とすべく、波長変換素子７の回転角θを０°に設定する。つまり、基本波１３は波長変換素子７に垂直に入射される。一方、図３Ｂは、波長変換素子７の温度が３０℃の場合の波長変換素子７の回転状態を示しており、波長変換素子７の温度が３０℃であることから、その３０℃を位相整合温度とすべく、波長変換素子７の回転角θを９°に設定する。図３Ａの場合、基本波１３に対する波長変換素子７の分極反転の周期はＴであるが、図３Ｂの場合、波長変換素子７の温度が図３Ａの場合に比べ低下しているため、実際の分極反転周期はＴ″（Ｔ″＜Ｔ）となっている。しかし、図３Ｂに示すように、波長変換素子７を回転させると基本波１３は分極反転領域に対して斜めに透過するため、基本波１３に対する分極反転周期Ｔ′＝Ｔとなり、変換効率は図３Ａの場合と比べてほとんど低下しない。
次に、図４を用いて図１の内部共振器型ＳＨＧ光源を駆動する方法について説明する。まず、波長変換素子温度検知装置１１からの波長変換素子７の温度を検出する。次に、検出信号に基づき、集積回路１６において最適な回転角を決定する。次に、集積回路１６からの信号を基に波長変換素子回転機構１０が回転し、波長変換素子７も回転することで温度変化が発生しても変換効率の大幅な低下を防ぐことが可能となっている。本実施の形態では、波長変換素子回転機構１０に電磁アクチュエーターを用いた。電磁アクチュエーターは、光ピックアップにも用いられているように低コストでの実現が可能である。また、回転に要する時間も短時間で済む。電磁アクチュエーター以外にモーターなどを用いてもよい。
次に、波長変換素子７を回転させた際に生じる基本波の発振効率の低下を防止する方法について図５を用いて説明する。上述のように温度変化に対応して波長変換素子７を回転させた場合、図５のように波長変換素子７を透過する基本波１３の光路が図中の点線から実線の位置に変化する。図５中の点線は波長変換素子７に対して基本波１３が垂直に入射した場合の光路を示している。光路が変化すると基本波１３の共振の状態が変化するため、基本波１３の発振効率の低下を招く。よって、本実施の形態においては、凹面ミラー移動機構９を用いて凹面ミラーの位置を移動させ、共振状態の変化を防止するようにした。凹面ミラーの必要な移動量は、波長変換素子７の回転角を基に集積回路１６で計算される。本実施の形態では、凹面ミラー移動機構９をモーターと、モーターの回転によりスライドする機構を用いて実現させた。
加えて、内部共振器型ＳＨＧ光源１から出力される第２高調波１４の出力を安定化するため、第２高調波１４の一部は、ビームスプリッタ１９により分岐され（図１参照）、受光素子１８に入射される。受光素子１８に入射した光は、集積回路１６において設定値と比較され、出力の安定化を図るためポンプ用半導体レーザー２への供給電流を制御する。また、集積回路１６ではファン１７の回転数を制御し、内部共振器型ＳＨＧ光源１の温度上昇も防止している。
上記の行程によりペルチェ素子を用いることなく第２高調波１４の出力は安定化される。
以上、本実施の形態によれば、波長変換素子の温度変化による出力の大幅な低下を防止すると共に、ペルチェ素子による温度制御が不要となることで低消費電力化が実現される。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上記の実施の形態１で説明した温度変化に対応するための内部共振器型ＳＨＧ光源の制御方法において、波長変換素子７の回転をより少なくする方法について説明する。基本的な構成や制御方法などは実施の形態１と同様である。本実施の形態では、図６に示す構造の波長変換素子７を用いた。本実施の形態における波長変換素子７は、波長変換素子７内に形成されている分極反転領域１９が入射面７ａに対して斜めに（図中のθｐをもって）形成されている。このように分極反転領域１９を斜めに形成しておくと温度変化に対応して波長変換素子７を回転させる際の回転角が少なくて済む。
図４に示した特性は、入射光に対する分極反転領域の角度が垂直である場合（図６におけるθｐ＝０の場合）のものであるが、回転角θが小さい（θ＝０°〜２°）ときには、回転角を変化したときの位相整合温度の変化が小さいことがわかる。一方、回転角θが２°以上になると角度１°あたりの位相整合温度の変化が大きくなる。上記特性を鑑み、本実施の形態では、波長変換素子７の入射面と、分極反転領域１９とのなす角θｐを予め２°以上にして波長変換素子７を作製し、共振器へ挿入して用いた。図７に、本実施の形態で用いた波長変換素子７の特性を示す。図７の横軸は、波長変換素子７の回転角θと入射面と分極反転領域１９のなす角θｐをあわせたものである。分極反転領域１９の周期は、上記の実施の形態１よりも短くしてある。具体的には、上記の実施の形態１の分極反転周期を６．９５μｍとしたのに対し、本実施の形態の分極反転周期を６．９１μｍとした。また、θｐは、１０°とした。θ＋θｐが１０°以上あるため、１°あたりの位相整合温度の変化量が大きく、温度変化に対する波長変換素子７の回転角θの回転量が少なくて済むことがわかる。
θｐの範囲は２°〜３０°が好ましい。図７からわかるように、θｐを大きくすると基本波１３から第２高調波１４への変換効率の低下が発生する。θｐを３０°以上にすると波長変換の効率が１０％以上低下し、低下した第２高調波１４の出力を補うためポンプ用半導体レーザー２の出力を上げる必要があるので、ポンプ用半導体レーザー２への負荷が大きくなるため好ましくない。
上記のように、θｐを２°以上にした波長変換素子７を用いることで温度変化に伴う回転角θの調整範囲を小さくすることが可能となった。同時に、回転角θの調整範囲が小さくなることで、基本波１３が波長変換素子７を透過する際に発生する光路のずれが小さくなったため、凹面ミラー８の移動範囲も小さくできた。波長変換素子７の長さを０．５ｍｍ以下と短くした場合には光路のずれが非常に小さいため、波長変換素子７を回転させた際の凹面ミラー８の位置調整が不要になる場合もある。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態１および２にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順にかかる形態である。図８は、本実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
図８に示すように、まず、光源の駆動開始前において、波長変換素子温度検知装置１１から検知信号が集積回路１６に出力され、集積回路１６内では、制御回路１６１がその検知信号に基づき波長変換素子７の温度をチェックする（ステップＳ１０１）。
次に、制御回路１６１は、記憶回路１６２に予め記録されているデータを参照して波長変換素子７の回転角θを決定する（ステップＳ１０２）。記憶回路１６２には予め、上記の図４および７で示した波長変換素子７の回転角と位相整合温度との関係を表わすデータを記録されており、制御部１６１は、上記のステップＳ１０１にてチェックされた波長変換素子７の温度が波長変換素子７の位相整合温度に一致するように、波長変換素子７の回転角を決定する。例えば、環境温度が常温（２７℃）の場合、光源の駆動前であれば、波長変換素子７の温度も２７℃であるとする。このため、制御回路１６１は、記憶回路１６２内のデータを参照し、例えば、上記の実施の形態１の波長変換素子７であれば、波長変換素子７の回転角θを例えば１２°に決定する（図４参照）。あるいは、上記の実施の形態２の波長変換素子７であれば、波長変換素子７の回転角θ＋θｐを例えば１８°に決定する。制御回路１６１は、決定された回転角を波長変換素子回転機構１０に通知し、波長変換素子回転機構１０は通知された回転角に従って波長変換素子７の回転を実行する。
次に、制御部１６１は、上記のステップＳ１０２にて決定された波長変換素子７の回転角に応じた凹面ミラー８の移動量を決定する（ステップＳ１０３）。記憶回路１６２には予め、波長変換素子７の回転角に応じた凹面ミラー８の移動量を表わすデータが記録されており、制御回路１６１は、記憶回路１６２内のデータを参照して、凹面ミラー８の移動量を決定することができる。制御回路１６１は、決定された凹面ミラー８の移動量を凹面ミラー移動機構９に通知し、凹面ミラー移動機構９は通知された移動量に従って凹面ミラー８の移動を実行する。
次に、利用者による光源点灯の指示が駆動装置１５に与えられると、駆動装置１５は光源の駆動を開始する（ステップＳ１０４）。駆動装置１５は、ポンプ用半導体レーザー２へ駆動連流を印加し、ポンプ用半導体レーザー２にポンプ光１２の出力を開始させると共に、第２高調波１４のうちビームスプリッタ１９で一部反射された第２高調波の出力を受光素子１８でモニターし、そのモニター結果に基づいて、第２高調波１４の出力が所望の強度になるように、ポンプ用半導体レーザー２の駆動電流を調整する。そうすると、ポンプ用半導体レーザー２からのポンプ光１２の強度が調整され、共振器内の基本波１３の出力強度が調整され、その結果として第２高調波１４の出力の強度が調整される。このことにより、内部共振器型ＳＨＧ光源１の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作する（ステップＳ１０５）。
次に、駆動装置１５は、利用者による光源ＯＦＦ信号が与えられるまで（ステップＳ１０６）、上記のステップＳ１０５のＡＰＣを実行すると共に、所定の時間間隔において、上記のステップＳ１０１と同様に、波長変換素子７の温度のチェックが行われる（ステップＳ１０７）。なお、上記のステップＳ１０６において、光源ＯＦＦ信号が与えられれば、駆動装置１５は内部共振器型ＳＨＧ光源１の駆動を停止する。
次に、制御回路１６１は、上記のステップＳ１０７にてチェックされた波長変換素子７の温度が先にチェックされた温度よりも所定の温度（例えば、１℃）だけ上昇しているか否かを判断し（ステップＳ１０８）、上昇していなければ（ステップＳ１０８ＮＯ）、上記のステップＳ１０５のＡＰＣを続ける。一方、上昇していれば（ステップＳ１０８ＹＥＳ）、上記のステップＳ１０７にてチェックされた波長変換素子７の温度に基づいて波長変換素子７の回転角を決定し（ステップＳ１０９）、続いて、上記のステップＳ１０９にて決定された波長変換素子７の回転角に基づいて凹面ミラー８の移動量を決定する（ステップＳ１０９）。
このようにして、上記のステップＳ１０６において光源ＯＦＦ信号が与えられない限り、上記のステップＳ１０５〜Ｓ１１０が繰り返されることになる。
本実施の形態においては、上記のステップＳ１０３およびＳ１１０にて凹面ミラー８の移動を実行した。上記の実施の形態２で述べたように、波長変換素子７を回転させた際の凹面ミラー８の位置調整が不要になる場合であれば、上記のステップＳ１０３およびＳ１１０での凹面ミラー８の移動は不要となる。
上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一局面に従う内部共振器型ＳＨＧ光源は、ポンプ光を出射するポンプ光源と、前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部とを備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させる。
上記の内部共振器型ＳＨＧ光源では、波長変換素子の温度に応じて波長変換素子を回転させることにより波長変換素子に入射される基本波の入射角を変化させる。このため、波長変換素子の温度変化に起因する位相整合条件の変動を波長変換素子の回転によって抑制することができる。したがって、波長変換素子の温度制御が不要となり、装置の低消費電力化、低コスト化および小型化を実現することができる。
前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に応じて前記出力ミラーを移動させる移動部をさらに備えることが好ましい。
この場合、波長変換素子を回転させた場合でも、基本波の光軸と出力ミラーの光軸を略一致させることができるので、共振器内における基本波の発振状態を安定化することができる。
前記波長変換素子の位相整合温度と前記波長変換素子の回転角との対応関係を表わす回転角データが記録された記憶部をさらに備え、前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に基づいて前記波長変換素子を回転させる回転機構と、前記回転機構による前記波長変換素子の回転を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記検知部により検知された前記波長変換素子の温度と前記波長変換素子の位相整合温度とが略一致するように、前記記憶部に記録された回転角データを参照して前記波長変換素子の回転を制御することが好ましい。
この場合、波長変換素子の位相整合温度と波長変換素子の回転角との対応関係を表わす回転角データを予め記録して参照できるようにすることにより、波長変換素子の回転をより精度良く制御することができる。
前記移動部は、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に基づいて前記前記出力ミラーを移動させる移動機構を含み、前記制御部はさらに、前記移動機構による前記出力ミラーの移動を制御し、前記記憶部はさらに、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するための、前記波長変換素子の回転角と前記出力ミラーの移動量との対応関係を表わす移動量データを記録しており、前記制御部は、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記記憶部に記録された移動量データを参照して前記出力ミラーの移動を制御することが好ましい。
この場合、波長変換素子の回転角と出力ミラーの移動量との対応関係を表わす移動量データを予め記録して参照できるようにすることにより、出力ミラーの移動をより精度良く制御することができる。
前記制御部および前記記憶部は、集積回路に搭載されていることが好ましい。
この場合、制御部と記憶部とが同一の集積回路内に作り込まれ、制御部と記憶部とのやり取りの高速化、および、制御部と記憶部の小型化を図ることができる。
前記波長変換素子の素子長は、０．３ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
この場合、波長変換できる基本波の波長範囲を狭くすること無く、波長変換素子の回転による基本波の光路のずれを小さくすることができる。
前記波長変換素子に形成された分極反転領域は、前記波長変換素子の前記固体レーザー側の端面に対し所定の傾斜角を成すことが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度変化に対応して波長変換素子を回転させる際の回転角をより小さくすることができる。このため、波長変換素子の回転による基本波の光路のずれをより小さくすることができる。
前記所定の傾斜角は、２°〜３０°であることが好ましい。
この場合、基本波から第２高調波への変換効率の低下を招くこと無く、波長変換素子の温度変化に伴う回転角の調整範囲を小さくすることが可能となる。
前記波長変換素子の材料は、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム結晶であることが好ましい。
この場合、基本波から第２高調波への変換効率を高め、且つ、波長変換素子の素子長を短くすることができる。
本発明にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源によれば、ペルチェ素子による温度制御が不要の内部共振器型ＳＨＧ光源が実現され、光源装置の低消費電力化、低コスト化、小型化に有効である。
本発明の実施の形態１にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。 波長変換素子の温度変化に伴う変換効率の変化を説明する図である。 図３ＡおよびＢは、波長変換素子の回転に伴う位相整合条件の変化を説明する図である。 波長変換素子の回転角と位相整合温度の関係を示す図である。 凹面ミラーの移動について説明する図である。 本発明の実施の形態にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源に用いられる波長変換素子の構造を示す図である。 波長変換素子の回転角および分極反転領域の傾き角の和と位相整合温度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる内部共振器型ＳＨＧ光源の駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。 従来の内部共振器型ＳＨＧ光源の構成を示す概略図である。

Claims (9)

  1. ポンプ光を出射するポンプ光源と、
    前記ポンプ光を吸収し、基本波を出力する固体レーザーと、
    前記固体レーザーと対向し、前記固体レーザーと共に共振器を構成する出力ミラーと、
    前記共振器内に配置され、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子の温度を検知する検知部と、
    前記波長変換素子を回転させることにより前記波長変換素子に対する前記基本波の入射角を変化させる回転部と
    を備え、
    前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に応じて前記波長変換素子を回転させることを特徴とする内部共振器型ＳＨＧ光源。
  2. 前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に応じて前記出力ミラーを移動させる移動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  3. 前記波長変換素子の位相整合温度と前記波長変換素子の回転角との対応関係を表わす回転角データが記録された記憶部をさらに備え、
    前記回転部は、前記検知部により検知される前記波長変換素子の温度に基づいて前記波長変換素子を回転させる回転機構と、前記回転機構による前記波長変換素子の回転を制御する制御部とを含み、
    前記制御部は、前記検知部により検知された前記波長変換素子の温度と前記波長変換素子の位相整合温度とが略一致するように、前記記憶部に記録された回転角データを参照して前記波長変換素子の回転を制御することを特徴とする請求項２に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  4. 前記移動部は、前記回転部により回転される前記波長変換素子の回転角に基づいて前記前記出力ミラーを移動させる移動機構を含み、
    前記制御部はさらに、前記移動機構による前記出力ミラーの移動を制御し、
    前記記憶部はさらに、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するための、前記波長変換素子の回転角と前記出力ミラーの移動量との対応関係を表わす移動量データを記録しており、
    前記制御部は、前記波長変換素子から前記出力ミラーに向けて出射される基本波の光軸と前記出力ミラーの光軸とが略一致するように、前記記憶部に記録された移動量データを参照して前記出力ミラーの移動を制御することを特徴とする請求項３に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  5. 前記制御部および前記記憶部は、集積回路に搭載されていることを特徴とする請求項３または４に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  6. 前記波長変換素子の素子長は、０．３〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  7. 前記波長変換素子に形成された分極反転領域は、前記波長変換素子の前記固体レーザー側の端面に対し所定の傾斜角を成すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  8. 前記所定の傾斜角は、２〜３０°であることを特徴とする請求項７に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
  9. 前記波長変換素子の材料は、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム結晶であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内部共振器型ＳＨＧ光源。
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