JPWO2014196062A1 - 導波路型レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

波長変換素子１３を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射する波長選択素子１４と、波長選択素子１４により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子１３とを備え、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１として利得帯域の広い材料を用いる場合に、その利得帯域のうちの複数波長で高効率に波長変換できる導波路型レーザ装置が得られる。

Description

この発明は、平面導波路内でレーザ光の波長変換を行なう導波路型レーザ装置に関する。
プリンターやプロジェクションテレビなどのカラー画像を表示する装置では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。
近年、これらの光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光とし、非線形材料を用いて基本波レーザ光を半分の波長（２倍の周波数）の第２高調波に変換（ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ））する波長変換レーザ装置（レーザ発振器）が開発されている。
ＳＨＧでは、所望の波長を有したレーザ光を効率良く抽出するために、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現する必要がある。
波長変換素子内で基本波レーザ光から第２高調波レーザ光へ変換するためには、変換前の基本波レーザ光と変換後の第２高調波レーザ光との間で、位相整合条件を満足させなければならない。
位相整合条件は、波長変換素子において基本波レーザ光と第２高調波レーザ光の位相ずれを補正する条件である。
位相整合条件を満たして波長変換を行なう素子としては、例えば、周期構造を用いた擬似位相整合（ＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ））波長変換素子が知られている。
このＱＰＭ波長変換素子では、非線形光学結晶である周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ））などに光導波路を形成し、導波方向に沿って分極を周期的に反転させている。
下記特許文献１では、平板状の非線形光学材料を有するとともに、光軸に対して垂直な方向である平板状の主面に垂直な方向に複数のレーザ発振モードでレーザ光の基本波を伝搬して基本波の波長変換を行なう平面導波路型の波長変換素子において、非線形光学材料が、複数のレーザ発振モードのうち少なくとも２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう分極反転の周期が変化されて、非分極反転領域と分極反転領域とが形成されていることを特徴とする波長変換素子および波長変換レーザ装置が提案されている。
特許文献１における波長変換素子は、少なくとも２つのレーザ発振モードの位相整合条件を含んだ位相整合帯域幅を有するよう非線形光学材料の分極反転の周期を変化させているので、前記２つのレーザ発振モードに対して、基本波波長を波長変換することができる。
国際公開第２００９／０３４６２５号公報
上記特許文献１による波長変換レーザ装置では、波長変換素子の分極反転周期のピッチを徐々に変化させることで、波長変換される基本波波長帯域を広げることができる。
しかしながら、分極反転周期のピッチを徐々に変化させた波長変換素子の変換効率は、分極反転周期が一定なものと比べて低くなる。
したがって、広い基本波変換波長帯域と高い変換効率の両方を実現することは困難であるという課題があった。
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、レーザ媒質として利得帯域の広い材料を用いた場合に、そのうちの複数波長で高効率な波長変換を実現する導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。
この発明に係る導波路型レーザ装置は、波長変換素子を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射する波長選択素子と、波長選択素子により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子とを備える。
この発明によれば、固体レーザ素子のレーザ媒質として利得帯域の広い材料を用いる場合に、その利得帯域のうちの複数波長で高効率に波長変換できるという効果がある。
この発明の実施の形態１による導波路型レーザ装置を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１による導波路型レーザ装置を示す上面図である。 レーザ媒質の誘導吸収断面積の波長依存性の一例を示す特性図である。 波長選択素子を示す斜視図である。 波長変換素子を示す斜視図である。 波長変換素子の分極反転パターンを示す説明図である。 レーザ発振モードの高次モードへの移乗を示す説明図である。 波長変換素子内における波長λ０，λ１，λ２のレーザ発振モードと分極反転周期の関係を示す説明図である。 実施の形態１と従来の波長変換素子における基本波の波長変換効率とレーザ発振モードとの関係を示す説明図である。 波長変換素子の反転周期がチャープ状に変化させた構造を有するときの波長変換素子内における波長λ０，λ１，λ２のレーザ発振モードと分極反転周期の関係を示す説明図である。
以下に、添付図面を参照して、この発明に係る導波路型レーザ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
以降では、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
なお、こ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。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による導波路型レーザ装置の構成を側面方向から見た断面図であり、図２は、導波路型レーザ装置の構成を示す上面図である。
なお、図１および図２では、レーザ発振方向を表す光軸Ｒを示している。
導波路型レーザ装置は、半導体レーザ１１と、固体レーザ素子１２と、波長変換素子１３と、波長選択素子１４と、を含んで構成されている。
半導体レーザ１１は、１〜複数の活性層から１〜複数のＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）光を出力する。
半導体レーザ１１は、複数のＬＤ光を出力する場合には、ＬＤ光をアレー状に出射し、固体レーザ素子１２にマルチエミッタ発振を行なわせる。
固体レーザ素子１２は、基本波レーザ光を発振させる素子であり、レーザ媒質１２１とクラッド（低屈折率部）１２２を有している。
波長変換素子１３は、発振した基本波レーザ光を第２高調波レーザ光に変換するとともに、変換した第２高調波レーザ光を出射する素子である。
波長変換素子１３は、スラブ型の導波路構造を有しており、非線形光学材料１３１とクラッド１３２を有している。
波長選択素子１４は、スラブ型の導波路構造を有しており、ブラッグ格子構造が内部に形成された体積型位相格子としてＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：体積ブラッググレーティング）１４１とクラッド１４２を有している。
以下では、説明の便宜上、光軸Ｒをｚ軸方向とし、導波路型レーザ装置の主面と垂直な方向をｙ軸方向とし、ｙ軸とｚ軸の両方に垂直な方向（波長変換素子１３などの幅方向）をｘ軸方向として説明する。
半導体レーザ１１、レーザ媒質１２１、非線形光学材料１３１、ＶＢＧ１４１は、それぞれ概略矩形状の平板状を成しており、各平板状の主面がｘｚ平面と平行になるよう配設（１枚の平面内に並設）されている。
レーザ媒質１２１は、１つの側面（ｚ軸に垂直な端面１２３ａ）で半導体レーザ１１に近接し、この側面と対向する側面（ｚ軸に垂直な端面１２３ｂ）で非線形光学材料１３１と近接している。
非線形光学材料１３１は、１つの側面（ｚ軸に垂直な端面１３３ａ）がレーザ媒質１２１の端面１２３ｂに近接し、この側面と対向する側面（ｚ軸に垂直な端面１３３ｂ）でＶＢＧ１４１と近接している。
ＶＢＧ１４１は、１つの側面（ｚ軸に垂直な端面１４３ａ）が非線形光学材料１３１の端面１３３ｂに近接し、この側面と対向する側面（ｚ軸に垂直な端面１４３ｂ）から第２高調波レーザ光を出射する。
半導体レーザ１１とレーザ媒質１２１とが近接する近接面は、半導体レーザ１１とレーザ媒質１２１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有し、レーザ媒質１２１と非線形光学材料１３１とが近接する近接面は、レーザ媒質１２１と非線形光学材料１３１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有し、非線形光学材料１３１とＶＢＧ１４１とが近接する近接面は、非線形光学材料１３１とＶＢＧ１４１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有している。
換言すると、導波路型レーザ装置では、半導体レーザ１１の出射面、レーザ媒質１２１の端面１２３ａ，１２３ｂ、非線形光学材料１３１の端面１３３ａ，１３３ｂ、ＶＢＧ１４１の端面１４３ａ，１４３ｂがそれぞれ、平行となるよう半導体レーザ１１、固体レーザ素子１２、波長変換素子１３、波長選択素子１４が配設されている。
半導体レーザ１１には、必要に応じて冷却用のヒートシンク（図示せず）を接合してもよい。
半導体レーザ１１のｘ軸方向の幅は、レーザ媒質１２１のｘ軸方向の幅とほぼ等しく、半導体レーザ１１は、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。
半導体レーザ１１は、例えば、ＬＤ光を出力する活性層を複数配置したマルチエミッタ半導体レーザなどである。
半導体レーザ１１がマルチエミッタ半導体レーザである場合、半導体レーザ１１では、レーザ光出射面のｘ軸方向に活性層が並ぶよう各活性層を配置しておく。
この場合、半導体レーザ１１は、複数の活性層から複数のＬＤ光を出力するので、固体レーザ素子１２は、ｘ軸方向に複数並んだ各活性層からそれぞれのレーザ出力光を得ることができる。
半導体レーザ１１から出力されたＬＤ光は、端面１２３ａからレーザ媒質１２１のｘｚ平面方向（ｘｙ平面に垂直な光軸Ｒ方向）に入射して、レーザ媒質１２１に吸収される。
レーザ媒質１２１の端面１２３ａは、基本波レーザ光を反射する全反射膜であり、レーザ媒質１２１の端面１２３ｂは、基本波レーザ光を透過する反射防止膜である。
非線形光学材料１３１の端面１３３ａは、基本波レーザ光を透過させるとともに第２高調波レーザ光を反射する光学膜であり、非線形光学材料１３１の端面１３３ｂは、基本波レーザ光を透過させるとともに第２高調波レーザ光を透過させる光学膜である。
ＶＢＧ１４１の端面１４３ａは、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光を透過させる光学膜であり、ＶＢＧの端面１４３ｂは、基本波レーザ光を反射させるとともに、第２高調波レーザ光を透過させる光学膜（部分反射膜）である。
これらの全反射膜、反射防止膜、光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層することによって作製される。
なお、半導体レーザ１１から出力される励起光を、レーザ媒質１２１の端面１２３ａから入射する場合には、端面１２３ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。
レーザ媒質１２１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。
レーザ媒質１２１としては、利得帯域の広いものが適当であるが、これに限定されるものではなく、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。
レーザ媒質１２１は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどである。
クラッド１２２は、レーザ媒質１２１よりも小さな屈折率を有しており、レーザ媒質１２１のｘｚ平面に平行な面（クラッド１２２の上面とクラッド１２２の下面）でレーザ媒質１２１の主面に接合されている。
クラッド１２２は、例えば、光学材料を原料とした膜をレーザ媒質１２１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによってレーザ媒質１２１と光学的に接合する方法によって作製されている。
クラッド１２２の下面側には、冷却用のヒートシンク（図示せず）を接合してもよい。
非線形光学材料１３１は、レーザ媒質１２１側から入射してくる基本波レーザ光を波長変換して、第２高調波レーザ光を出力する。
非線形光学材料１３１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。
非線形光学材料１３１としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。
非線形光学材料１３１は、例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などである。
また、非線形光学材料１３１として、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるので、高効率な波長変換が可能となる。
さらに、非線形光学材料１３１として、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいので、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などよりもさらに高効率な波長変換が可能となる。
クラッド１３２は、非線形光学材料１３１よりも小さな屈折率を有しており、非線形光学材料１３１のｘｚ平面に平行な面（クラッド１３２の上面とクラッド１３２の下面）で非線形光学材料１３１の主面に接合されている。
クラッド１３２は、例えば、光学材料を原料とした膜を非線形光学材料１３１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによって非線形光学材料１３１と光学的に接合する方法によって作製されている。
ＶＢＧ１４１は、非線形光学材料１３１側から入射してくる基本波レーザ光のうち特定の波長のみを反射する。
ＶＢＧ１４１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。
例えば、シリカ系ガラスを主原料とした無機材料により形成されており、紫外線照射および熱処理により、光軸上に周期的な屈折率変化が作られている。
このように、周期的屈折率変化構造とすることで、ブラッグ反射により特定の波長を強く反射する構成とする。
その反射波長は、基本波レーザ光の発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光であり、それぞれ０．１ｎｍの波長幅で安定化される。
クラッド１４２は、ＶＢＧ１４１よりも小さな屈折率を有しており、ＶＢＧ１４１のｘｚ平面に平行な面（クラッド１４２の上面とクラッド１４２の下面）でＶＢＧ１４１の主面に接合されている。
クラッド１４２は、例えば、光学材料を原料とした膜をＶＢＧ１４１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによって非線形光学材料１と光学的に接合する方法によって作製されている。
この実施の形態１では、固体レーザ素子１２で発生可能な基本波レーザ光の発振波長帯域内であって、固体レーザ素子１２から出力される基本波発振波長のうち、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を、波長選択素子１４により選択的に反射して、これを波長変換素子１３に入射する。
波長変換素子１３では、高い変換効率にて変換するために、ＱＰＭ波長変換素子（擬似位相整合波長変換素子）を用いる。
波長変換素子１３に入射するレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光は、それぞれ位相整合帯域幅内にあるよう分極反転周期を定めた波長変換素子および導波路構造で構成している。
図３は、レーザ媒質１２１の誘導吸収断面積の波長依存性の一例として、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓの誘導吸収断面積の波長依存性を示す。
レーザ媒質１２１は、利得帯域が広いことが望ましく、基本波レーザ光の発振波長帯域内のλ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）の光を、例えば、３波長に限定して、λ０，λ１，λ２として、これらの２倍波光（λ０／２，λ１／２，λ２／２）を得る場合を説明する。
レーザ媒質１２１は、半導体レーザ１１による励起光により反転分布状態を形成し、誘導放出によって励起光による増幅を受ける。
このレーザ光は、レーザ媒質１２１の端面１２３ａと、波長選択素子１４のＶＢＧ１４１との間で往復するが、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と釣り合うと、基本波レーザ光がレーザ発振する。
図４は、波長選択素子１４の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、波長選択素子１４のＶＢＧ１４１は、複数のブラッグ層１４４を有している。
ブラッグ層１４４は、概略平板状を成すとともに、平板状の主面がｘ軸方向およびｙ軸方向と平行になるよう、クラッド１４２で挟持されている。
波長選択素子１４は、レーザ媒質１２からの基本波（基本波レーザ光）が波長変換素子１３内を通過し、その後、端面１４３ａ側から入力して、発振波長帯域内のうち、波長λ０，λ１，λ２のレーザ光を反射するようにブラック格子構造を定める。
反射した波長λ０，λ１，λ２の基本波レーザ光は、端面１３３ｂより非線形光学素子１３１に入射する。
この実施の形態１では、波長選択素子１４として、ＶＢＧ１４１をコアとする導波路構造を述べているが、これに限定されるものではなく、基本波のうち波長λ０，λ１，λ２を反射できれば、例えば、反射鏡であっても良い。
ただし、狭帯域なＶＢＧ１４１をコアとする導波路構造を用いた場合、各波長におけるレーザ発振モードを選択することができる。
すなわち、波長選択素子１４では、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択する役割に加え、各波長の特定のモードを選択して反射するモード選択の役割をもたせることができる。
図５は、波長変換素子１３の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、波長変換素子１３の非線形光学材料１３１は、複数の分極反転層１３４を有している。
分極反転層１３４は、一定方向に分極した単結晶誘電体材料の分極の方向を反転させたものである。
非線形光学材料１３１内では、非分極反転領域と分極反転領域（分極反転層１３４）が交互に形成されている。
これにより、非線形光学材料１３１内には、周期的に分極反転層１３４が形成されている。
各分極反転層１３４は、概略平板状を成すとともに、平板状の主面がｘ軸方向およびｙ軸方向と平行になるよう、クラッド１３２で挟持されている。
非線形光学材料１３１は、レーザ媒質１２１からの基本波（基本波レーザ光）のうち、ＶＢＧ１４１で反射した波長λ０，λ１，λ２のレーザ光が端面１３３ｂ側から、さらに、ＶＢＧ１４１で反射した後、レーザ媒質１２１の端面１２３ａで反射したレーザ光が端面１３３ａから入力して、交互に配設された非分極反転領域内と分極反転領域内とを順番に伝播していく。
非線形光学材料１３１にＶＢＧ１４１で反射した波長λ０，λ１，λ２の基本波レーザ光が入射してくると、非線形光学材料１３１は非線形効果によって基本波レーザ光を第２高調波レーザ光に変換する。
非線形光学材料１３１では、ＶＢＧ１４１で反射した波長λ０，λ１，λ２の基本波レーザ光が第２高調波レーザ光に変換されるよう、予め結晶軸角度、温度、反転分極の周期などを最適化しておく。
非線形光学材料１３１に入射した基本波レーザ光は、一部が第２高調波レーザ光に変換されてＶＢＧ１４１を伝搬し、端面１４３ｂから外部にレーザ出力される。
第２高調波レーザ光に変換されずに非線形光学材料１３１内またはＶＢＧ１４１内に残留した基本波レーザ光は、ＶＢＧ１４１内で反射されて、再度、非線形光学材料１３１内を通過し、第２高調波レーザ光に変換される。
この残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第２高調波レーザ光は、端面１３３ａで全反射して端面１４３ｂより外部にレーザ出力される。
図６は、波長変換素子１３の分極反転パターンを説明するための図である。
図６では、非線形光学材料１３１を上面（ｙ軸方向）から見た場合の、分極反転パターンを示している。
非線形光学材料１３１の分極反転パターンは、プラス（＋）の分極層（非分極反転領域）とマイナス（−）の分極層（分極反転領域：分極反転層１３４）からなる１組の分極層を、ｚ軸方向に複数組配設した構成となっている。
換言すると、ｚ軸方向に、非分極反転領域と分極反転領域とが交互に配設されている。
各分極層を端面１３３ａから端面１３３ｂまで分極反転周期Λで配置している。
第２高調波への高効率な変換効率を実現するため、分極反転のピッチを一定の分極反転周期Λにて構成した場合について説明する。
なお、分極反転のピッチを徐々に変化させた場合であっても本発明には適用可能であり、その場合は別の新たな効果を奏する。
これについては後述する。
図７は、レーザ発振モードの高次モードへの移乗を説明するための図である。
波長変換素子１３では、波長変換によって位相整合帯域で波長変換を行なうと、位相整合帯域ピークでの損失が増加する。
これにより、導波路（非線形光学材料１３１）では、例えば、０次モードから１次モードへレーザ発振モードが移乗し、さらに、１次モードから２次モードへレーザ発振モードが移乗して、複数のレーザ発振モードを形成する。
レーザ発振モードでは、一般的に、モード毎に波長変換に適した波長変換素子の温度が異なるので、各モードに対する位相整合条件も異なる。
このため、一般的には、モード毎にＰＰＬＮピッチ（分極反転周期）が異なる。
波長変換素子１３内に形成される導波路モード毎の実効屈折率、波長変換素子１３の分極反転周期、波長変換効率の計算方法について説明する。
まず、導波路の実効屈折率について説明する。
波長λに対する導波路の、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）ｍ（ｍは自然数）次モード、または、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）ｍ次モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（λ，ｍ）とすると、以下の関係式（式（１）、式（２））が成り立つ。
式（１）と式（２）では、導波路上部と導波路下部のクラッド材料屈折率が等しい対称３層平板導波路である場合の関係式を示している。
ＴＭｍ次モードの場合：
Figure 2014196062
ＴＥｍ次モードの場合：
Figure 2014196062
式（１）や式（２）のｎ1（λ）は、導波路を形成するコア材料（非線形光学材料１３１）の波長λに対する屈折率であり、ｎ2（λ）は導波路を形成するクラッド１３２の波長λに対する屈折率である。
また、ｎｅｆｆ（λ，ｍ）は、波長λに対する実効屈折率（ｍは導波路モード次数）であり、ｔは導波路を形成するコアの厚さである。
次に、波長変換素子１３の分極反転周期について説明する。
導波路型の波長変換素子１３の分極反転周期Λは、ｍ次モードの基本波レーザ光および第２高調波に対する導波路の実効屈折率ｎｅｆｆ（λ，ｍ）を用いて、以下の関係式（式（３））で表せる。
Figure 2014196062
式（３）のλは基本波波長であり、λ／２は第２高調波波長である。
次に、波長変換効率の計算式について説明する。
波長変換効率ηは、一定の分極反転周期Λのとき、以下の式（４）によって算出できる。
Figure 2014196062
式（４）のＩFは、基本波入力パワーであり、ＩSHは、高調波出力パワーである。
また、ｄeffは、有効非線形光学定数であり、ｎFは、基本波に対する屈折率である。
さらに、ｎSHは高調波に対する屈折率であり、ｃは真空中の光速である。
さらに、ε0は、真空中の誘電率であり、Ｌは素子長である。
さらに、Δkは、基本波の波数ｋω、高調波の波数ｋ2ωとするとき、これらの差であり、Δｋ＝ｋω−ｋ2ωと表され、位相不整合量を表す。
さらに、Ｋ0＝２π／Λで表される。
さらに、Ｓｉｎｃ関数（Ｓｉｎｃ（ｘ）＝Ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）を含んでいる。
Ｓｉｎｃ関数で、第一ピークを含む正の領域は−π＜ｘ＜πの範囲である。
図８は、波長変換素子１３内における波長λ０，λ１，λ２のレーザ発振モードと分極反転周期（ＰＰＬＮピッチ）の関係を示す図である。
式（１）、（２）、（３）より分極反転周期は、導波路を形成するコアの厚さ、クラッド材の屈折率で決まる。
換言すると、導波路を構成する材料の仕様により決まる。
波長λ０の０次モードに対応する分極反転周期Λ（λ０，０）、波長λ１の１次モードに対応する分極反転周期Λ（λ１，１）、波長λ２の２次モードに対応する分極反転周期のΛ（λ２，２）とするとき、これらが近づくようにクラッド１３２、コア厚を選択し、導波路を構成し、このときの分極反転周期をΛ０２とする。
以下の式（５）に関係式を示す。
Λ（λ０，０）、Λ（λ１，１）およびΛ（λ２，２）は位相整合帯域内に存在すれば良い。
なお、Λ（λ０，０）、Λ（λ１，１）、およびΛ（λ２，２）は完全に一致させた構成としても良い。
Figure 2014196062
波長選択素子１４では、波長λ０の０次モード、波長λ１の１次モード、波長λ２の２次モードを選択的に反射する。
換言すれば、波長λ０の１次モードおよび２次モード、波長λ１の０次モードおよび２次モード、波長λ２の０次モードおよび１次モードが波長変換素子１３に入射するのを防ぐ。
位相整合帯域内にある波長λ０に対する０次モード、波長λ１に対する１次モード、波長λ２に対する２次モードは、第２高調波に波長変換され、波長λ０／２，λ１／２，λ２／２のレーザ光が発生する。
図９は、この実施の形態１による構造および従来の構造の波長変換素子１３における基本波の波長変換効率をレーザ発振モードとの関係が分かるように模式的に示したものである。
この実施の形態１における波長変換素子１３では、一様な分極反転周期である場合について例示した。
このときの波長変換効率の特性を図９（ａ）に示す。
波長変換効率は、ピークで規格化して１として表す。
ピークを含む山の領域を位相整合帯域として規定する。
前述するＳｉｎｃ関数の性質によれば、位相整合帯域は、−π＜Ｌ／２（Δｋ−Ｋ０）＜πと表され、この領域内にΛ（λ０，０）、Λ（λ１，１）、およびΛ（λ２，２）は存在するよう波長変換素子１３を構成している。
よって、それぞれのレーザ発振モードは近い状態にある。
一方、従来構造の波長変換効率の特性を図９（ｂ）に示すが、それぞれのレーザ発振モードは近づいていないため、これらを包含するためには分極反転のピッチを徐々に変化させなければならず、分極反転周期に対して広帯域化はできるが、波長変換効率の絶対値はピーク値であっても低下する。
なお、従来の変換効率特性についても、一様な分極反転周期を持つ場合の、ピークで規格化して示している。
続いて、レーザ発振している各レーザ発振モードが感じる波長変換効率について述べる。
この実施の形態１では、０次から２次の各モードが位相整合帯域幅内に含まれ、前記式（４）に示すように、各モードが近いまたは一致した分極反転周期を有するように波長変換素子１３の導波路構造を最適化しているため、図９（Ａ）に示すように、０次から２次の各モードの分極反転周期差は小さく、各モードの変換効率は、大きな値を得られる。
その一方で従来の構造では、図９（Ｂ）に示すように、０次から２次の各モードの分極反転周期として異なる値を有し、各モードの感じる変換効率は、この実施の形態１の構造と比べて小さな値となる。
なお、この実施の形態１では、波長変換素子１３を一定の分極反転周期にて構成した例を示して説明したが、反転周期を徐々に変化させる構造としてもよい。
波長変換素子１３を一定の分極反転周期にて構成した場合、波長選択素子１３で反射される波長λ０，λ１、λ２の光が波長変換素子１３に入射するときに、位相整合帯域内に入るようにするため、Λ（λ０，０）、Λ（λ１，１）、およびΛ（λ２，２）は、Λ０２に近い値となるよう導波路を構成しなければならない。
しかし、波長変換素子１３の分極反転周期を徐々に変化させて構成した場合、Λ（λ０，０）、Λ（λ１，１）、およびΛ（λ２，２）は、Λ０２の分極反転周期の周期変化量内に収まるようにすれば良くなる。
図１０は、波長変換素子１３の反転周期を徐々に変化させた構造を有するときの、波長変換素子１３内における波長λ０，λ１，λ２のレーザ発振モードと分極反転周期（ＰＰＬＮピッチ）の関係を示す図である。
波長変換素子１３は、中心ピッチをΛ０２として、分極反転周期の周期変化量を、例えば、ΔΛとする。
このとき、分極反転周期は、端面１３３ａから端面１３３ｂに向けて、（Λ０２−ΔΛ／２）〜（Λ０２＋ΔΛ／２）と徐々に長くする。
逆に、（Λ０２＋ΔΛ／２）〜（Λ０２−ΔΛ／２）と徐々に短くなるように構成してもよい。
波長変換素子１３内では、波長選択素子１４によって反射された波長λ０，λ１，λ２の波長変換周期Λ（λ０，０）、Λ（λ１，１）、およびΛ（λ２，２）が（Λ０２−ΔΛ／２）〜（Λ０２＋ΔΛ／２）内に収まるようにすれば良くなる。
換言すれば、分極反転周期が一様な時と比べて、導波路構造に対する制約を緩和できる。
なお、この実施の形態１では、波長λ０，λ１，λ２の３波長で説明したが、基本波レーザ光の発振波長帯域内のλ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光は、３波長に限定されるものではなく、２波長以上の任意の波長数に対して適用できることは言うまでもない。
また、波長変換素子１３の役割として、第２高調波を発生する場合の例を示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、和周波発生（ＳＦＧ、Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）やパラメトリック発振器（ＯＰＯ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であっても、この発明の効果を得られることは明らかである。
以上のように、この実施の形態１によれば、波長変換素子１３を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射する波長選択素子１４と、波長選択素子１４により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子１３とを備えた。
よって、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１として利得帯域の広い材料を用いる場合に、その利得帯域のうちの複数波長で高効率に波長変換できる。
また、この実施の形態１によれば、波長選択素子１４を、ブラッグ格子構造が内部に形成された体積型位相格子を含む導波路構造を有するであって、固体レーザ素子１２から出力される基本波発振波長のうち、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射するようブラッグ格子構造および導波路構造を定めた。
よって、波長選択素子１４では、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択するとともに、各波長の特定のモードを選択して反射するモード選択を行なうことができる。
さらに、この実施の形態１によれば、波長変換素子１３を、非分極反転領域と分極反転領域とが形成された擬似位相整合波長変換素子であり、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光がそれぞれ位相整合帯域内にあるように分極反転周期および導波路構造を定めた。
よって、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光は、高効率な波長変換効率を得ることができる。
さらに、この実施の形態１によれば、波長変換素子１３を、分極反転周期を一定にした場合、および、徐々に変化させた構造の場合の両方の構造を述べた。
分極反転周期が一定な場合には、各モードが感じる変換効率として、大きな値が得ることができる。一方、分極反転周期を徐々に変化させた構造の場合には、導波路構造に対する制約を緩和することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意な構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意な構成要素の省略が可能である。
以上のように、この発明に係る導波路型レーザ装置は、平面導波路内でレーザ光の波長変換を行なうのに適している。
１１ 半導体レーザ、１２ 固体レーザ素子、１３ 波長変換素子、１４ 波長選択素子、１２１ レーザ媒質、１２２，１３２，１４２ クラッド、１３１ 非線形光学材料、１４１ ＶＢＧ、１２３ａ，１２３ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１４３ａ，１４３ｂ 端面、１３４ 分極反転層、１４４ ブラッグ層。
この発明に係る導波路型レーザ装置は、波長変換素子を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を選択的に反射する波長選択素子と、波長選択素子により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子とを備える。
ＶＢＧ１４１は、非線形光学材料１３１側から入射してくる基本波レーザ光のうち特定の波長のみを反射する。
ＶＢＧ１４１は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。
例えば、シリカ系ガラスを主原料とした無機材料により形成されており、紫外線照射および熱処理により、光軸上に周期的な屈折率変化が作られている。
このように、周期的屈折率変化構造とすることで、ブラッグ反射により特定の波長を強く反射する構成とする。
その反射波長は、基本波レーザ光の発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光であり、それぞれ０．１ｎｍの波長幅で安定化される。
この実施の形態１では、固体レーザ素子１２で発生可能な基本波レーザ光の発振波長帯域内であって、固体レーザ素子１２から出力される基本波発振波長のうち、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を、波長選択素子１４により選択的に反射して、これを波長変換素子１３に入射する。
波長変換素子１３では、高い変換効率にて変換するために、ＱＰＭ波長変換素子（擬似位相整合波長変換素子）を用いる。
波長変換素子１３に入射するレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光は、それぞれ位相整合帯域幅内にあるよう分極反転周期を定めた波長変換素子および導波路構造で構成している。
図３は、レーザ媒質１２１の誘導吸収断面積の波長依存性の一例として、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓの誘導吸収断面積の波長依存性を示す。
レーザ媒質１２１は、利得帯域が広いことが望ましく、基本波レーザ光の発振波長帯域内のλ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）の光を、例えば、３波長に限定して、λ０，λ１，λ２として、これらの２倍波光（λ０／２，λ１／２，λ２／２）を得る場合を説明する。
この実施の形態１では、波長選択素子１４として、ＶＢＧ１４１をコアとする導波路構造を述べているが、これに限定されるものではなく、基本波のうち波長λ０，λ１，λ２を反射できれば、例えば、反射鏡であっても良い。
ただし、狭帯域なＶＢＧ１４１をコアとする導波路構造を用いた場合、各波長におけるレーザ発振モードを選択することができる。
すなわち、波長選択素子１４では、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を選択する役割に加え、各波長の特定のモードを選択して反射するモード選択の役割をもたせることができる。
なお、この実施の形態１では、波長λ０，λ１，λ２の３波長で説明したが、基本波レーザ光の発振波長帯域内のλ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光は、３波長に限定されるものではなく、２波長以上の任意の波長数に対して適用できることは言うまでもない。
以上のように、この実施の形態１によれば、波長変換素子１３を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を選択的に反射する波長選択素子１４と、波長選択素子１４により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子１３とを備えた。
よって、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１として利得帯域の広い材料を用いる場合に、その利得帯域のうちの複数波長で高効率に波長変換できる。
また、この実施の形態１によれば、波長選択素子１４を、ブラッグ格子構造が内部に形成された体積型位相格子を含む導波路構造であって、固体レーザ素子１２から出力される基本波発振波長のうち、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を選択的に反射するようブラッグ格子構造および導波路構造を定めた。
よって、波長選択素子１４では、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光を選択するとともに、各波長の特定のモードを選択して反射するモード選択を行なうことができる。
さらに、この実施の形態１によれば、波長変換素子１３を、非分極反転領域と分極反転領域とが形成された擬似位相整合波長変換素子であり、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光がそれぞれ位相整合帯域内にあるように分極反転周期および導波路構造を定めた。
よって、波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧１）のレーザ光は、高効率な波長変換効率を得ることができる。

Claims (5)

  1. 励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅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レーザ光の基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子を通過したレーザ光の基本波発振波長のうちの、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射するとともに、該波長変換素子により変換された高調波を出力する波長選択素子とを備え、
    基本波を、前記固体レーザ素子、前記波長変換素子および前記波長選択素子を含む光共振器構造で共振させる導波路型レーザ装置であって、
    前記波長変換素子は、
    前記波長選択素子により反射されたレーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を高調波に変換することを特徴とする導波路型レーザ装置。
  2. 前記波長選択素子は、
    ブラッグ格子構造が内部に形成された体積型位相格子を含む導波路構造を有するであって、前記固体レーザ素子から出力される基本波発振波長のうち、レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光を選択的に反射するようブラッグ格子構造および導波路構造を定めたことを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  3. 前記波長変換素子は、
    非分極反転領域と分極反転領域とが形成された擬似位相整合波長変換素子であり、前記レーザ発振モードの異なる波長λ＝λ０，λ１，λ２，・・・，λｎ（ｎ≧２）のレーザ光がそれぞれ位相整合帯域内にあるように分極反転周期および導波路構造を定めたことを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  4. 前記擬似位相整合波長変換素子は、
    分極反転周期のピッチを徐々に変化させたことを特徴とする請求項３記載の導波路型レーザ装置。
  5. 前記擬似位相整合波長変換素子は、
    分極反転されたＬｉＮｂＯ３、または、ＬｉＴａＯ３であることを特徴とする請求項３記載の導波路型レーザ装置。
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