JPWO2009016709A1

JPWO2009016709A1 - 波長変換レーザ装置

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Publication number: JPWO2009016709A1
Application number: JP2009525202A
Authority: JP
Inventors: 柳澤　隆行; 隆行柳澤; 平野　嘉仁; 嘉仁平野; 山本　修平; 修平山本; 康晴小矢田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2027-07-30
Also published as: EP2175534A4; WO2009016709A1; US8073024B2; JP5127830B2; EP2175534A1; EP2175534B1; US20100202477A1; CN101765950A; CN101765950B; ATE535971T1

Abstract

励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質（１２１）を含む導波路構造を有する固体レーザ素子（１２）と、固体レーザ素子（１２）から出力される基本波の一部を第２高調波に変換する非線形光学材料（１３１）を含む導波路構造を有する波長変換素子（１３）と、を備え、基本波を固体レーザ素子（１２）と波長変換素子（１３）とを含む光共振器構造で共振させるとともに、波長変換素子（１３）から第２高調波を出力する波長変換レーザ装置（１０）であって、固体レーザ素子（１２）は、直線偏光の基本波を出力し、波長変換素子（１３）内を通過して固体レーザ素子（１２）に入射する基本波の偏光状態を、固体レーザ素子（１２）から出力される直線偏光とは異ならせるようにして、利得帯域のピーク波長における波長変換素子による波長変換効率を低下させないようにする。

Description

この発明は、レーザ媒質で発生させた基本波の波長変換を行って所定の波長のレーザ光を出力する波長変換レーザ装置に関するものである。

近年、たとえば光情報処理分野などの光源として、緑色や青色といった可視光レーザの研究開発が進められている。可視光レーザの一種として、波長変換技術を適用して近赤外レーザ光を短波長化する波長変換レーザ装置が知られている。一般に波長変換レーザ装置では、非線形光学材料からなる波長変換素子が半導体レーザまたは固体レーザの光共振器の内部または外部に設置され、光共振器によって発生したレーザ光（基本波）を波長変換素子に伝搬させることで、基本波に対して半分の波長（２倍の周波数）に波長変換された第２高調波を出力させる。

このとき、光共振器の発振波長帯域幅と波長変換素子の位相整合幅とを一致させる必要があるが、一般的に波長変換素子の位相整合幅は非常に狭く、また外部環境によって波長変換レーザ装置の出力変動が生じてしまう。そこで、波長変換素子で高効率に波長変換させるために、光源波長を波長変換素子の許容度内に固定させ、外部環境の変化の影響をあまり受けない構成の波長変換レーザ装置としてのコヒーレント光源が従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この従来のコヒーレント光源は、レーザ媒質からの基本波を波長変換素子によって高調波に変換した後、反射体によって反射した基本波をレーザ媒質に帰還することで、レーザ媒質の発振波長を帰還光の波長に固定して、レーザ媒質の発振波長を波長変換素子の位相整合波長に自動的に固定するようにしている。

特開２００６−１９６０３号公報

ところで、一対の共振器ミラー内にレーザ媒質と波長変換素子とが備えられる内部波長変換型の波長変換レーザ装置において、波長変換素子の位相整合帯域（波長変換帯域）に比べて広い利得帯域を有するレーザ媒質を用いて内部波長変換を行うと、最初に利得帯域のピーク波長で基本波がレーザ発振し、その利得帯域のピーク波長で波長変換素子による波長変換が行われる。しかし、これによって、利得帯域のピーク波長の光共振器内での損失が増加してしまい、位相整合帯域外の利得帯域の波長でレーザ発振が生じる。その結果、位相整合帯域内の基本波が減少してしまい、波長変換素子による波長変換効率が低下してしまうという問題点があった。また、特許文献１では、レーザ媒質の発振波長を波長変換素子の位相整合波長に自動的に固定するようにしているが、上述したように、一般的に波長変換素子の位相整合帯域はレーザ媒質の発振波長帯域（利得帯域）に比べて狭いので、位相整合帯域外のレーザ発振を抑えることができなかった。

この発明は上記に鑑みてなされたもので、内部波長変換型の波長変換レーザ装置において、レーザ媒質の利得帯域のピーク波長でレーザ発振し、波長変換が行われても、利得帯域のピーク波長における波長変換素子による波長変換効率が低下しない波長変換レーザ装置を得ることを目的とする。また、光学部品を追加せずに、または大掛かりな光学部品を追加せずに、波長変換素子による利得帯域のピーク波長における波長変換効率が低下しない波長変換レーザ装置を得ることも目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる波長変換レーザ装置は、励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質を含む導波路構造を有する固体レーザ素子と、前記固体レーザ素子から出力される基本波の一部を第２高調波に変換する非線形光学材料を含む導波路構造を有する波長変換素子と、を備え、基本波を前記固体レーザ素子と前記波長変換素子とを含む光共振器構造で共振させるとともに、前記波長変換素子から第２高調波を出力する波長変換レーザ装置であって、前記固体レーザ素子は、直線偏光の基本波を出力し、前記波長変換素子内を通過して前記固体レーザ素子に入射する基本波の偏光状態を、前記固体レーザ素子から出力される直線偏光とは異ならせるフィルタ手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、光学部品を追加せずに、レーザ媒質の利得帯域のピーク波長近辺で基本波の発振波長幅を、ほぼ基本波の発振波長幅となるように狭帯域化したので、レーザ媒質のピーク波長で波長変換素子による波長変換が行われて、そのピーク波長での光共振器内の損失が増加しても、波長変換帯域（ほぼ基本波の発振波長幅に等しい）外での基本波のレーザ発振が生じない。その結果、波長変換素子の波長変換帯域で、効率のよい基本波の波長変換を行うことができるという効果を有する。

図１は、この発明による波長変換レーザ装置の実施の形態１の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、ｃ軸方向の直線偏光を有するレーザ光の非線形光学材料を往復したときの電界強度と軸方位の関係を示す図である。図３−１は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のｃ軸方向の偏光度のＭｇＯ：ＰＰＬＮ設置角度θ依存性を示す図である。図３−２は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のｃ軸方向の偏光度のＭｇＯ：ＰＰＬＮ設置角度θ依存性を示す図である。図４−１は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。図４−２は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。図４−３は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。図４−４は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。図５−１は、基本波の波長に対する利得形状とレーザ媒質利得帯域との間の関係を模式的に示す図である。図５−２は、基本波の波長に対する利得形状とレーザ媒質利得帯域との間の関係を模式的に示す図である。図６は、非線形光学材料における波長変換帯域と基本波の温度によるシフトの様子を模式的に示す図である。図７は、この発明による波長変換レーザ装置の実施の形態２の構成を模式的に示す斜視図である。図８は、この発明による波長変換レーザ装置の実施の形態３の構成を模式的に示す斜視図である。図９は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮと１／４波長板を通過後のレーザ光のａ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ波長変換レーザ装置
１１半導体レーザ
１２固体レーザ素子
１３波長変換−フィルタ素子
１３Ａ波長変換素子
１４１／２波長板
１５１／４波長板
１１１，１２３ａ，１２３ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１５１端面
１２１レーザ媒質
１２２，１３２クラッド
１３１非線形光学材料

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる波長変換レーザ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる波長変換レーザ装置の斜視図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。

実施の形態１．
図１は、この発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態１の構成を模式的に示す斜視図である。この図１に示されるＲの方向がレーザ光の発振方向を示す光軸であるとする。この波長変換レーザ装置１０は、励起光源としての半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から出力されるレーザ光を励起光として基本波となるレーザ光の増幅とともに発振を行う固体レーザ素子１２と、固体レーザ素子１２から出力される基本波のレーザ光を１／２の波長の第２高調波に変換するとともに複屈折フィルタの機能を有する波長変換−フィルタ素子１３と、を備える。

半導体レーザ１１は、固体レーザ素子１２を励起するための励起光を出力する。この半導体レーザ１１のレーザ光の出射側端面１１１は、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１の端面１２３ａと対向するように設けられる。ここでは、半導体レーザ１１は、波長８０８ｎｍのレーザ光を出力する化合物半導体材料によって構成されるものとする。

固体レーザ素子１２は、形状的には、平板状を有し、光軸Ｒに垂直な端面１２３ａ，１２３ｂの形状がたとえば矩形状からなる。また、固体レーザ素子１２は、光導波路構造を有し、半導体レーザ１１からの励起光を吸収し、反転分布状態を形成して、誘導放出によって生成されるレーザ光を光軸Ｒの方向に伝搬し、端面１２３ｂから所定の方向に振動する直線偏光を出力する。具体的には、励起光を吸収して誘導放出を生じさせる平板状のレーザ媒質１２１と、このレーザ媒質１２１の上下両面のうち少なくとも一方の面に接合したクラッド１２２と、有する。ここで、レーザ媒質１２１は、複屈折材料（好ましくは、光学的一軸性結晶からなる材料）であり、そのｃ軸（結晶軸）は、図中の厚さ方向となるように配置され、ａ軸（結晶軸）のうちの１つは、光軸Ｒと同一の方向となるように配置され、他の１つは、光軸Ｒに垂直な面内となるように配置される。このｃ軸は、その材料内での光波の速さ（屈折率）が１つしかない方向である光学軸（optic axis）に一致する。

レーザ光の発振方向は、光軸Ｒの方向であり、光軸Ｒに垂直な面内にレーザ媒質１２１のａ軸とｃ軸が存在するので、レーザ媒質１２１中を光軸Ｒ方向に進むレーザ光は、振動面がｃ軸と光軸Ｒの作る平面内に存在するＴＭ（Transverse Magnetic）偏光（異常光ともいう）と、振動面がｃ軸と光軸Ｒの作る平面に垂直でかつ光軸Ｒを含む平面内に存在するＴＥ（Transverse Electric）偏光（通常光ともいう）と、に分かれて進む。複屈折材料の場合、レーザ媒質１２１のＴＭ偏光に対する屈折率ｎｅと、レーザ媒質１２１のＴＥ偏光に対する屈折率ｎｏとは異なるので、ｎｅとｎｏの間の範囲に存在する屈折率ｎｃを有する材料をクラッド１２２として用いることで、固体レーザ素子１２から出力されるレーザ光を直線偏光とすることができる。

ここでは、固体レーザ素子１２は、半導体レーザ１１からの８０８ｎｍの励起光を吸収し、９１４ｎｍのレーザ光を出力するＮｄ：ＹＶＯ₄（波長９１４ｎｍにおける屈折率：ｎｅ〜２．１７、ｎｏ〜１．９６）からなるレーザ媒質１２１と、このレーザ媒質１２１の上下両面のいずれか一方の面上に接合したＴａ₂Ｏ₅（波長９１４ｎｍにおける屈折率：ｎｃ〜２．０８）からなるクラッド１２２と、から構成されるものとする。

このような構造によって、レーザ媒質１２１で生じたクラッド１２２の屈折率ｎｃよりも小さな屈折率ｎｏを感じるＴＥ偏光は、レーザ媒質１２１とクラッド１２２との界面で全反射条件を満たさないので、クラッド１２２に光が漏れ出す放射モードとなって大きな損失が発生する。しかし、クラッド１２２の屈折率よりも大きな屈折率ｎｅをレーザ媒質１２１中で感じるＴＭ偏光は、レーザ媒質１２１とクラッド１２２との界面で全反射条件を満たし、レーザ媒質１２１内に閉じ込められて光導波路内を光軸Ｒ方向に伝搬する。その結果、固体レーザ素子１２から出力される光は、ＴＭモードの直線偏光（基本波）となる。つまり、固体レーザ素子１２からは、厚さ方向（ｃ軸方向）に振動する基本波が出力されることになる。

波長変換−フィルタ素子１３は、平板状を有し、光軸Ｒに垂直な端面１３３ａ，１３３ｂの形状がたとえば矩形状からなり、固体レーザ素子１２から出力された基本波の一部を１／２の波長の第２高調波に波長変換するとともに、波長変換−フィルタ素子１３内を往復して固体レーザ素子１２に入射する残りの基本波に対してフィルタをかける複屈折フィルタの機能も有する。このような波長変換−フィルタ素子１３として、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）やＰＰＬＴ（Periodically Poled Lithium Tantalate）などの周期分極反転構造を有する非線形光学材料を用いることができる。なお、この波長変換−フィルタ素子１３も光導波路構造を有し、非線形光学材料１３１の上下両面またはいずれか一方の面上に、非線形光学材料１３１よりも屈折率の小さなクラッド１３２を接合してもよいし、空気をクラッドとする構造でもよい。

ここでは、非線形光学材料１３１として、六方晶系のＭｇＯ：ＰＰＬＮを使用し、クラッド１３２として、一方の面にＰＰＬＮのＴＭ偏光とＴＥ偏光に対する屈折率よりも屈折率の低いＴａ₂Ｏ₅を使用し、他方の面に同じくＳｉＯ₂を使用するものとする。これにより、波長変換−フィルタ素子１３の非線形光学材料１３１に入射したＴＭ偏光とＴＥ偏光は、全反射条件を満たすので、波長変換−フィルタ素子１３内を導波路モードで伝搬する。

また、波長変換−フィルタ素子１３を構成する非線形光学材料（ＭｇＯ：ＰＰＬＮ）１３１のｃ軸（結晶軸であり、光学軸でもある）を、以下では、レーザ媒質１２１のｃ軸と区別するために、ｚ軸と表記する。さらに、光軸Ｒと平行な方向のａ軸（結晶軸）をｘ軸と表記し、これらのｚ軸とｘ軸に垂直な方向をｙ軸と表記する。

この実施の形態１では、波長変換−フィルタ素子１３に波長変換の機能だけでなく複屈折フィルタとしての機能も持たせるために、非線形光学材料１３１のｚ軸（結晶軸、光学軸）をレーザ媒質１２１のｃ軸に対して、光軸Ｒに垂直な平面内で角度θだけ傾けて配置することを特徴とする。なお、波長変換−フィルタ素子１３は、ｚ軸がレーザ媒質１２１のｃ軸に対して傾いた状態で、その外形が平板状（直方体状）に切断されている。つまり、波長変換−フィルタ素子１３の光軸Ｒに垂直な方向の辺は、レーザ媒質１２１の光軸Ｒと平行でないａ軸とｃ軸に平行となっており、これらの辺の方向と、非線形光学材料１３１のｙ軸とｚ軸の方向とは一致していない。

以上の構成で、固体レーザ素子１２の半導体レーザ１１側の端面１２３ａには、励起光を透過し、基本波レーザ光を全反射する光学膜が形成され、固体レーザ素子１２の波長変換−フィルタ素子１３側の端面１２３ｂには、基本波レーザ光を透過する反射防止膜が形成される。また、波長変換−フィルタ素子１３の固体レーザ素子１２側の端面１３３ａには、基本波レーザ光を透過し、第２高調波レーザ光を反射する光学膜が形成され、波長変換−フィルタ素子１３の第２高調波出射側の端面１３３ｂには、基本波レーザ光を全反射し、第２高調波レーザ光を透過する光学膜が形成される。これらの全反射膜や光学膜は、たとえば誘電体薄膜を積層して構成される。

以上のように波長変換−フィルタ素子１３の非線形光学材料１３１のｚ軸を光軸Ｒに垂直な平面内でレーザ媒質１２１のｃ軸に対して角度θ傾けることによって、非線形光学材料１３１は波長変換−フィルタ素子１３としての機能のほかに、複屈折フィルタとしての機能も有するようになる。

つぎに、この波長変換レーザ装置の動作について、非線形光学材料１３１による複屈折フィルタの機能を中心に説明する。まず、半導体レーザ１１の端面１１１から波長８０８ｎｍの励起光が出力され、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１の端面１２３ａに入射する。この励起光によって、レーザ媒質１２１では、反転分布状態が形成され、光軸Ｒの方向に放出される自然放出光が共振するモードに入り、この光は誘導放出による増幅を受ける。この光は、レーザ媒質１２１の端面１２３ａと、波長変換−フィルタ素子１３の端面１３３ｂとの間（光共振器）で往復するが、この光共振器で１周する際の増幅による利得が、光共振器で１周する際に受ける損失が釣り合うと、波長９１４ｎｍのレーザ光がレーザ発振する。

なお、レーザ発振したレーザ光のうち、ＴＥ偏光は、上述したように、固体レーザ素子１２中では全反射条件を満たさないので、放射モードとして損失し、ＴＭ偏光のみがレーザ媒質１２１の端面から出力される。つまり、レーザ媒質１２１から出力されるレーザ光は、ｃ軸方向に直線偏光したＴＭ偏光となる。

レーザ媒質１２１から出力されたレーザ光は、ｃ軸方向の直線偏光で、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１に入射する。その際、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１のｚ軸は、レーザ媒質１２１であるＮｄ：ＹＶＯ₄のｃ軸に対して、光軸Ｒに垂直な面内で角度θ傾いているため、直線偏光は、ｚ軸方向に振動するＴＭ偏光（異常光）とｙ軸方向に振動するＴＥ偏光（通常光）に分離して、異なる屈折率を感じながら、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１中を伝搬する。ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１は、波長変換−フィルタ素子１３であるので、基本波の一部を、基本波の半分の波長４５７ｎｍの第２高調波に変換し、端面１３３ｂから出力される。また、第２高調波に変換されなかった基本波は、端面１３３ｂで全反射され、同じ経路を戻る。

ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を往復し、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の端面１３３ａから通過してＮｄ：ＹＶＯ₄１２１に戻ってきた基本波のレーザ光は、ｃ軸方向成分のみが選択されて、Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１に入射し、ａ軸方向の成分は損失となる。たとえば、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１内では、レーザ光の損失がなく、ｚ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ振動して伝搬したレーザ光の位相差が０の場合には、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の端面１３３ａを出射した光は合成されて元の直線偏光に戻る。一方、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１内を往復する間に位相差が発生した場合や伝搬時にそれぞれの軸方向に異なる損失が発生した場合には、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の端面１３３ａから出射した光は、円偏光や楕円偏光となる。この場合には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１で基本波の偏光（ｃ軸方向の偏光）が選択されて、ａ軸方向に入射した成分が損失となる。

具体的には、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１は高次の位相板となるため、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を往復したｚ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ振動して伝播したレーザ光の位相差は、波長によって異なる。このとき、損失が最も少なくなる波長の間隔Δλは、レーザ媒質１２１で出力される基本波の波長をλとし、ｚ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ振動して伝播するレーザ光に対する屈折率差をΔｎとし、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の光軸Ｒ方向の結晶長をＬとすると、次式（１）で表される。

Δλ＝λ²／２ΔｎＬ・・・（１）

たとえば、結晶長Ｌ＝４．０ｍｍのＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１において、基本波のレーザ光の波長λ＝９１４ｎｍとすると、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１のΔｎ＝ｎｅ−ｎｏ＝−０．０８３４５２であるので、（１）式からΔλ＝１．２５ｎｍが得られる。つまり、損失が最も少なくなる波長は、１．２５ｎｍごとに周期的に現れる。

図２は、ｃ軸方向の直線偏光を有するレーザ光の非線形光学材料を往復したときの電界強度と軸方位の関係を示す図である。ここでは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１から出力されたｃ軸方向に直線偏光しているレーザ光の電界Ｅ₀が、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１に入射して、１往復して端面から出力される際の（シングルパスの）電界強度と軸方位の関係を示している。なお、図中のａ軸とｃ軸は、レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＶＯ₄）１２１の結晶軸の方位を示しており、ｚ軸とｙ軸は、非線形光学材料１３１の結晶軸（ｃ軸）と光軸Ｒに垂直な平面内のｃ軸に垂直な軸の方位を示している。

ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１に入射するｃ軸方向に偏光した電界の強度はＥ₀であるので、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１に入射した直後のｙ軸方向とｚ軸方向の電界成分Ｅ_y，Ｅ_zは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄のｃ軸とＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１のｚ軸のなす角度（以下、設置角度という）をθとすると、それぞれ次式（２）、（３）で表される。

Ｅ_y＝Ｅ₀ｃｏｓθ ・・・（２）
Ｅ_z＝Ｅ₀ｓｉｎθ ・・・（３）

また、レーザ光のｙ軸方向とｚ軸方向のシングルパスでの強度透過率をそれぞれη_y，η_zとすると、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１に入射した後一往復して出射される際のｙ軸方向とｚ軸方向の電界成分Ｅ_y’，Ｅ_z’は、（２）式、（３）式からそれぞれ次式（４）、（５）で表される。

Ｅ_y’＝η_yＥ₀ｃｏｓθ ・・・（４）
Ｅ_z’＝η_zＥ₀ｓｉｎθ ・・・（５）

損失や屈折率の波長依存性を考慮した詳細な偏光特性については、後述するようにＪｏｎｅｓ行列を用いた計算が必要であるが、損失が最小（すなわち、位相差が０）または最大（すなわち、位相差がπ）となる条件における電界強度は、結晶の特性によらず、一意的に表すことができる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１からＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を伝搬し、再びＮｄ：ＹＶＯ₄１２１に入射するレーザ光の損失が最小（位相差が０）の場合の電界成分（Ｅ_c’，Ｅ_a’）と、損失が最大（位相差がπ）の場合の電界成分（Ｅ_c’，Ｅ_a’）は、（４）式と（５）式から、それぞれ次式（６）、（７）で表される。

（６）式の位相差が０の場合においても、（７）式の位相差がπの場合においても、ｙ軸方向とｚ軸方向の強度透過率η_y，η_zの差が大きく、かつ設置角度θが４５度に近いほど損失、すなわちＮｄ：ＹＶＯ₄１２１のａ軸に入射する成分Ｅ_z’が増加することがわかる。図３−１〜図３−２は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のｃ軸方向の偏光度のＭｇＯ：ＰＰＬＮ設置角度θ依存性を示す図である。ここで、レーザ光のｚ軸方向とｙ軸方向のシングルパスでの強度透過率をη_z＝０．９（つまり、ｚ軸方向におけるシングルパスの波長変換率を１０％と想定している）、η_y＝１．０として計算を行った。なお、ｃ軸方向の偏光度は、ｃ軸方向とａ軸方向の偏光強度の和に対するｃ軸方向の偏光強度によって定義される。ここで、各軸方向の偏光強度は、その軸方向の電界強度の２乗に比例するものである。

これらの図に示されるように、位相差が０の場合でも、位相差がπの場合でも、ともにＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度θが４５度付近で、ｃ軸方向の偏光度が最小となる。図３−１に示されるように、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度が１０度のとき、ｃ軸方向偏光度は０．９９９６４であり、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１２１の設置角度が４５度のとき、ｃ軸方向偏光度は０．９９７２４となる。また、図３−２に示されるように、位相差がπのときには、設置角度θが４５度のときに、ｃ軸方向の偏光度はほぼ０となる。

つぎに、レーザ光が複数の材料中を通過する際に損失が発生する場合のレーザ光の偏光度の波長依存性について、Ｊｏｎｅｓ行列を用いて求める。ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１のｚ軸を角度θ傾けたときのＪｏｎｅｓ行列Ｊは、角度θの回転行列をＲ（θ）とし、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１のｙ軸方向のレーザ光とｚ軸方向のレーザ光の位相差をα（＝２π・ΔｎＬ／λ）とすると、次式（８）で表される。

この（８）式のＪｏｎｅｓ行列Ｊを用いて、次式（９）に示されるように、非線形光学材料（ＭｇＯ：ＰＰＬＮ）１３１を往復後、Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１に入射する際の電界成分（Ｅ_c’，Ｅ_a’）が求められる。

図４−１〜図４−４は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。ここでは、レーザ光のｚ軸方向とｙ軸方向のシングルパスでの強度透過率をη_z＝０．９（つまり、ｚ軸方向におけるシングルパスの波長変換率を１０％と想定している）、η_y＝１．０とし、Ｅ_z＝１、Ｅ_x＝０として（９）式を用いて計算を行う。図４−１は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度が６度のときの図であり、図４−２は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度が１６度のときの図であり、図４−３は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度が２６度のときの図であり、図４−４は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度が４５度のときの図である。

これらの図のｃ軸方向偏光度に示されるように、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度θが大きくなるほど、（１）式で求められる損失が最も小さくなる波長と波長との間が、シャープに区切られるようになる。これは、設置角度θを大きくすると、ａ軸方向の偏光強度が、（１）式で求められる損失が最も小さくなる波長と波長との間の範囲で増大し、この部分が固体レーザ素子１２に入射するときに損失となるからである。

ここで、ｃ軸方向の最大偏光度は、設置角度が６度、１６度、２６度、４５度のときに、それぞれ０．９９９９，０．９９９１，０．９９８２，０．９９７２である。また、Ｎｄ：ＹＶＯ₄１２１に入射するレーザ光のｃ軸方向の偏光度が９０％（偏光損失が１０％）における波長幅は、設置角度が１６度、２６度、４５度のとき、それぞれ０．５ｎｍ，０．３ｎｍ，０．２ｎｍである。

図５−１〜図５−２は、基本波の波長に対する利得形状とレーザ媒質利得帯域との間の関係を模式的に示す図である。複屈折フィルタを通過した基本波ｗ１が図５−１に示されるような利得形状を有する場合には、たとえば、レーザ媒質１２１の利得帯域Ｇのピークと重なる基本波ｗ１の波長位置（以下、ピーク重なり位置という）λ₁でレーザ発振した場合に、波長変換−フィルタ素子１３で第２高調波が生じることによって、そのピーク重なり位置λ₁で損失が増加する。このとき、ピーク重なり位置λ₁の外側の領域Ｒ₁でも、基本波ｗ１の利得が複屈折フィルタで発生する損失を上回るので、レーザ発振してしまい、波長変換帯域Ｔ外でのレーザ発振が生じてしまう。この波長変換帯域Ｔ外でレーザ発振されたレーザ光は、波長変換されないので、波長変換−フィルタ素子１３による波長変換効率を低下させてしまう。

これに対して、複屈折フィルタを通過した基本波ｗ２が図５−２に示されるような利得形状を有する場合には、ピーク重なり位置λ₁外の近傍の領域Ｒ₂では、基本波ｗ２の利得が複屈折フィルタで発生する損失を下回っており、基本波ｗ２の発振波長幅が狭帯域化されている。そのため、ピーク重なり位置λ₁でレーザ発振し、波長変換−フィルタ素子１３での波長変換によって第２高調波が生じて、ピーク重なり位置λ₁で損失が増加しても、ピーク重なり位置λ₁近傍の基本波ｗ２の利得がレーザ媒質利得帯域Ｇよりも下回る領域Ｒ₂の波長では、レーザ発振が起こらない。

つまり、レーザ媒質１２１の利得帯域Ｇと波長変換帯域Ｔとが重なる領域とその近傍の領域ではレーザ発振を起こし、その領域外の波長ではレーザ発振を起こさないような基本波ｗ２の利得形状となるように、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度θを求めることが望ましい。より具体的には、波長変換帯域Ｔとレーザ媒質利得帯域Ｇとの交点の近傍で、基本波ｗ２の利得がレーザ媒質利得帯域Ｇと交わる設置角度θのうち、なるべく小さい設置角度θとしたときの基本波ｗ２の形状とすることが望ましい。なお、このような基本波の利得形状となる設置角度θは、使用する波長変換−フィルタ素子１３の材質や長さによって異なるので、使用する波長変換−フィルタ素子１３ごとに予め最適と思われる設置角度θを求めておく必要がある。以上のようにして、固体レーザ素子１２に入射するレーザ光（基本波）の狭帯域化を実現することができる。

なお、図４−１〜図４−４では、損失が最小となるピーク位置が９１４．５ｎｍとなっており、波長変換帯域幅の中心である９１４ｎｍからずれている。これは、波長変換−フィルタ素子１３の非線形光学材料１３１の光軸Ｒ方向の長さを４．０ｍｍとして計算を行っているためである。基本波の発振波長を９１４ｎｍにする場合には、非線形光学材料１３１の光軸Ｒ方向の長さを変えればよい。また、上述したように非線形光学材料１３１の光軸Ｒ方向の長さを４．０ｍｍとして波長変換レーザ装置１０を構成した場合には、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を通過した基本波のピーク位置や非線形光学材料１３１の波長変換帯域の位置は、温度の変化によって変化するので、温度調整によって両者のピーク位置を合わせることができる。

たとえば、図１に示される波長変換レーザ装置１０は、図示していないが、ヒートシンク上に保持され、ヒートシンクに取り付けられたサーミスタや熱電対などの温度を検出する温度検出手段と、波長変換レーザ装置１０を所定の温度に加熱または冷却するペルチェ素子やヒータなどの加熱・冷却手段と、温度検出手段で検出されたヒートシンク（波長変換レーザ装置）の温度が所定の温度となるように加熱・冷却手段を制御する温度制御手段と、をさらに備える構成となっている。

図６は、非線形光学材料における波長変換帯域と基本波の温度によるシフトの様子を模式的に示す図である。ここでは、光軸Ｒ方向の長さが４．０ｍｍであり、非線形光学材料１３１としてＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を用いる場合を例に挙げる。波長変換帯域Ｔ（波長変換帯域幅Ｗ２）は、温度を上昇させると、＋０．０７ｎｍ／℃の割合で変化する。一方、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を往復する（複屈折フィルタから出力される）基本波ｗ３のピーク位置は、−０．３２ｎｍ／℃の割合で変化する。（１）式で計算したように、損失が最低となる波長間隔Δλは１．２５ｎｍであるので、１．２５／（０．３２−０．０７）＝５℃ごとに波長変換帯域Ｔのピークと、複屈折フィルタによって出力される基本波ｗ３の利得のピーク波長とが一致する。また、５℃の温度変化によるＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の波長変換帯域Ｔのシフトは０．３５ｎｍ（＝０．０７ｎｍ／℃×５℃）であり、レーザ媒質１２１の利得帯域Ｇの発振波長帯域幅Ｗ１＝約２ｎｍに比べて小さい。そのため、温度調整によって、発振波長帯域幅Ｗ１内で複屈折フィルタによって出力される基本波ｗ３の損失が最小となるピーク波長と波長変換帯域Ｔのピークとを一致させることが可能となる。なお、レーザ光出力中においては、所定の温度となるように、温度検出手段で検出された温度に基づいて、温度制御手段が加熱・冷却手段による加熱処理または冷却処理を制御する。

この実施の形態１によれば、波長変換素子として機能する非線形光学材料１３１を光学的一軸性結晶で構成し、その光学軸を光軸Ｒに垂直な面内でレーザ媒質１２１の結晶軸に対して所定の角度傾けるようにしたので、非線形光学材料１３１が複屈折フィルタとしても機能し、非線形光学材料１３１を通過して固体レーザ素子１２に入射する基本波の発振波長帯域を制限することができる。その結果、波長変換−フィルタ素子１３による波長変換効率を上げることができるという効果を有する。また、部品点数を増やすことなくレーザ光の発振波長帯域を制限することができるという効果も有する。

実施の形態２．
図７は、この発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態２の構成を模式的に示す斜視図である。この波長変換レーザ装置１０Ａは、実施の形態１の構成において、波長変換−フィルタ素子１３に代えて、ｚ軸（結晶軸、光学軸）を固体レーザ素子１２のｃ軸（偏光方向）に対して傾けずに配置した非線形光学材料１３１Ａを有する波長変換素子１３Ａとし、固体レーザ素子１２と波長変換素子１３Ａとの間に複屈折フィルタとして機能する１／２波長板１４を挿入した構成を有するものである。この場合、実施の形態１と同様に、固体レーザ素子１２に入射する基本波の波長帯域を制限するためには、１／２波長板１４の光学軸ｐを、固体レーザ素子１２の偏光方向（レーザ媒質１２１の結晶軸ｃ）に対して光軸Ｒに垂直な面内で所定の角度傾ければよい。ただし、実施の形態１の場合でＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１を設置角度θだけ傾けた場合と同様の効果を得るためには、１／２波長板１４をθ／２だけ傾ければよい。なお、図７において、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、この実施の形態２における波長変換レーザ装置１０Ａの動作は、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

この実施の形態２によれば、１／２波長板１４の光学軸ｐを光軸Ｒに垂直な面内でレーザ媒質１２１の結晶軸ｃに対して所定の角度傾けるようにしたので、固体レーザ素子１２に入射するレーザ光の基本波の波長帯域を制限することができる。その結果、波長変換素子１３Ａによる波長変換効率を上げることができるという効果を有する。また、部品点数が増えてしまうが、１／２波長板１４は、光軸方向のサイズが数十μｍと小さく、ｍｍオーダの部品を追加する場合に比して、部品を追加したことによる波長変換レーザ装置１０の大きさの増加を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、この発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態３の構成を模式的に示す斜視図である。この波長変換レーザ装置１０Ｂは、実施の形態１の構成において、波長変換−フィルタ素子１３の第２高調波出力側にさらに１／４波長板１５を設けた構造を有する。この１／４波長板１５は、その光学軸ｒが固体レーザ素子１２のｃ軸（偏光方向）と同一の方向となるように配置される。ただし、波長変換−フィルタ素子１３の第２高調波側の端面１３３ｂは、基本波と第２高調波ともに透過するように処理され、１／４波長板１５の端面１５１には、基本波は全反射し、第２高調波は透過する光学膜が形成される。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

図９は、ＭｇＯ：ＰＰＬＮと１／４波長板を通過後のレーザ光のａ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図である。ここでは、図４−１〜図４−４の場合と同様に、レーザ光のｚ軸方向とｙ軸方向のシングルパスでの強度透過率をη_z＝０．９（つまり、ｚ軸方向におけるシングルパスの波長変換率を１０％と想定している）、η_y＝１．０とし、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１の設置角度θ＝１６度として計算を行った。なお、この比較対象として、１／４波長板１５を設けない場合のＭｇＯ：ＰＰＬＮ１３１通過後のレーザ光のａ軸方向とｃ軸方向の偏光強度およびｃ軸方向の偏光度の波長依存性を示す図は、図４−２に示されている。

この図９に示されるように、１／４波長板１５を設けた場合には、図４−２の１／４波長板１５を設けない場合に比して、複屈折フィルタ（波長変換−フィルタ素子１３）から出力される基本波の波長に対する利得形状のピークの間隔が倍になるとともに、ピークが平滑化される。そのため、１／４波長板１５を設けることで、波長変換帯域内で基本波の発振帯域を広げることができる。

この実施の形態３によれば、波長変換−フィルタ素子１３のｚ軸（光学軸）を光軸Ｒに垂直な面内で、レーザ媒質１２１のｃ軸に対して傾けて配置するとともに、波長変換−フィルタ素子１３の第２高調波出力側に１／４波長板１５を設けるようにしたので、波長変換−フィルタ素子１３から出力される基本波のピークを平滑化することができ、波長変換帯域内で基本波の波長帯域を広げることができるという効果を有する。その結果、効率的な波長変換を行うことができる。また、実施の形態２の図７において、波長変換素子１３Ａの第２高調波出力側に、同様に１／４波長板を設けても同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態２，３において、実施の形態１と同様に、波長変換レーザ装置の温度を制御することによって、発振波長帯域幅内で複屈折フィルタによって出力される基本波の損失が最小となるピーク波長と波長変換帯域のピークとを一致させてもよい。

さらに、上述した説明では、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１の光学軸（ｃ軸）を平板状のレーザ媒質１２１の厚さ方向に設けた場合を例に挙げて説明したが、ａ軸が光軸Ｒに平行に配置され、光軸Ｒに垂直な面内にレーザ媒質１２１の光学軸（ｃ軸）が存在すれば、レーザ媒質１２１の光学軸（ｃ軸）はどのような方向に設けてもよい。なお、この場合にも、上述したように波長変換−フィルタ素子１３または波長変換素子１３Ａの非線形光学材料１３１の光学軸（ｃ軸）または１／２波長板の光学軸ｐは、レーザ媒質１２１の光学軸（ｃ軸）に対して所定の角度傾けて配置すればよい。

以上のように、この発明にかかる波長変換レーザ装置は、所定の波長のレーザ光を効率よく第２高調波に変換する場合に有用である。

Claims

励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質を含む導波路構造を有する固体レーザ素子と、
前記固体レーザ素子から出力される基本波の一部を第２高調波に変換する非線形光学材料を含む導波路構造を有する波長変換素子と、
を備え、基本波を前記固体レーザ素子と前記波長変換素子とを含む光共振器構造で共振させるとともに、前記波長変換素子から第２高調波を出力する波長変換レーザ装置であって、
前記固体レーザ素子は、直線偏光の基本波を出力し、
前記波長変換素子内を通過して前記固体レーザ素子に入射する基本波の偏光状態を、前記固体レーザ素子から出力される直線偏光とは異ならせるフィルタ手段を備えることを特徴とする波長変換レーザ装置。
前記フィルタ手段は、前記レーザ光の光軸に垂直な面内で前記レーザ媒質の光学軸に対して所定の角度傾けて光学軸を配置した複屈折材料からなる前記非線形光学材料を有する前記波長変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
前記波長変換素子の第２高調波出力側に、光学軸を前記レーザ媒質の光学軸と同じ方向に配置した１／４波長板をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザ装置。
前記波長変換素子の前記非線形光学材料は、前記レーザ媒質の光学軸と同じ方向に光学軸を配置した複屈折材料からなり、
前記フィルタ手段は、前記固体レーザ素子と前記波長変換素子との間に、前記レーザ光の光軸に垂直な面内で前記レーザ媒質の光学軸に対して光学軸を所定の角度傾けて配置した１／２波長板であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
前記波長変換素子の第２高調波出力側に、光学軸を前記レーザ媒質の光学軸と同じ方向に配置した１／４波長板をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ装置。