JPWO2016111361A1 - アレイ型波長変換レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

発光点を有し、一次元アレイ状に基本波を出力する単一又は複数のレーザ素子（１）と、入射された基本波に対して波長変換を行い、波長変換光を出力する波長変換素子（２）と、基本波を反射し、波長変換素子（２）により波長変換された波長変換光を透過する出力鏡（３）とを備え、波長変換素子（２）は、レーザ素子（１）と出力鏡（３）との間に配置され、レーザ素子（１）により出力される基本波のウェスト（１０３）の位置と出力鏡（３）との間の距離は、隣接する発光点同士で位相同期が発生するタルボット条件により設定された。

Description

この発明は、波長変換光を得るアレイ型波長変換レーザ装置に関するものである。
プリンタ、プロジェクションテレビ等では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が要求される。この光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波として、非線形材料を用いて第二高調波を発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）する波長変換レーザ装置が開発されている。基本波から第二高調波への高い変換効率を実現するためには、非線形材料上の基本波のパワー密度を高くすること、及び波面収差の少ない集光性のよいレーザ光を得ることが要求される。
そこで、従来では、図１０に示すように、空間モードで複数発振を実現するアレイ型波長変換レーザ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このアレイ型波長変換レーザ装置は、複数の発光点を有し、一次元状に励起光を出力する半導体レーザ１００１と、ヒートシンク（不図示）が接合され、励起光により励起して基本波を発生する平面導波路型レーザ素子１００２と、基本波の波長変換を行って第二高調波を出力する波長変換素子１００３と、基本波を反射して第二高調波を透過する出力鏡１００４とから構成されている。また図１０では、レーザ装置の出力鏡１００４の後段に集光用のレンズ１００５が配置されている。そして、ヒートシンクにより平面導波路型レーザ素子１００２のレーザ媒質に温度分布を発生させて、レーザ媒質内の屈折率分布を生成している。レーザ媒質は、レーザ媒質内の屈折率分布により、アレイ方向に複数のレンズを並べるのと同等の効果である熱レンズ効果を生成する。この熱レンズ効果により、空間モードで複数発振することができるため、高効率な第二高調波を得ることができる。
国際公開第２００６／１０３７６７号
しかしながら、上記特許文献１によるアレイ型波長変換レーザ装置では、各発光点に対応するレーザ光が独立して発振するため、レーザ光の位相は発光点間で相関が無い（図１０の符号１００６）。よって、例えば、共振器の外部に集光用のレンズ１００５を配置して集光する場合、それぞれの発光点から出射したレーザ光が相関なく足しあわされるため、集光後のビームサイズが大きくなる。また、同様の理由により、第二高調波の集光性も悪くなるという課題があった（図１０の符号１００７）。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対してレーザ光の集光性を高めることができるアレイ型波長変換レーザ装置を提供することを目的としている。
この発明に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、発光点を有し、一次元アレイ状に基本波を出力する単一又は複数のレーザ素子と、入射された基本波に対して波長変換を行い、波長変換光を出力する波長変換素子と、基本波を反射し、波長変換素子により波長変換された波長変換光を透過する出力鏡とを備え、波長変換素子は、レーザ素子と出力鏡との間に配置され、レーザ素子により出力される基本波のウェストの位置と出力鏡との間の距離は、隣接する発光点同士で位相同期が発生するタルボット条件により設定されたものである。
この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対してレーザ光の集光性を高めることができる。
この発明の実施の形態１に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図である。 図２Ａ〜２Ｅは、この発明の実施の形態１におけるタルボット共振器でのレーザ光の電界位相成分と電界強度成分の近視野及び遠視野とを示す図である。 この発明の実施の形態２に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図である。 図４Ａ、図４Ｂは、この発明の実施の形態３に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す図であって、上面図と側面図である。 この発明の実施の形態３における固体レーザ素子の構成を示す正面からの断面図である。 図５の拡大断面図と、温度分布及び屈折率分布とを示す図である。 図７Ａ、図７Ｂは、この発明の実施の形態４に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す図であって、上面図と側面図である。 図８Ａ、図８Ｂは、この発明の実施の形態５に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す図であって、上面図と側面図である。 図９Ａ、図９Ｂは、この発明の実施の形態６に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す図であって、上面図と側面図である。 従来のアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明に係るアレイ型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。以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。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。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図である。
アレイ型波長変換レーザ装置は、図１に示すように、レーザ素子１、波長変換素子２及び出力鏡３を備えている。また、アレイ型波長変換レーザ装置の出力鏡３の後段には、集光用のレンズ１０が配置されている。なお以下では、図１に示すようにｘｙｚ座標系を定めている。そして、ｚ軸方向を、レーザ光の伝播方向である、後述する基本波の共振器（タルボット共振器）の光軸Ｒ方向としている。
レーザ素子１は、発光点（エミッタ）を有し、一次元アレイ状に基本波を出力するものであり、単一又は複数設けられている。図１の例では、複数の発光点を有する単一のレーザ素子１を用い、各発光点がｘ軸方向に等間隔（略等間隔の意味を含む）ｄで一列に並べられている。このレーザ素子１は、例えば、基本波として所望の波長のレーザ光を出力する化合物半導体から成る半導体レーザ（ＬＤ）であり、端面１０２から基本波を出射する。
また、レーザ素子１の端面１０１には、基本波を反射する反射膜が施されている。また、レーザ素子１の端面１０２には、基本波を透過する反射防止膜が施されている。この反射膜及び反射防止膜は、例えば誘電体薄膜を積層することで構成される。
さらに、レーザ素子１が発熱する場合には、必要に応じて、レーザ素子１の例えば下面に冷却用のヒートシンク（不図示）を接合し、排熱するようにしてもよい。
波長変換素子２は、入射された基本波に対して波長変換を行い、波長変換光を出力するものである。この波長変換素子２は、非線形材料２０３により構成される。また、波長変換素子２は、共振器の光軸Ｒ方向に垂直（略垂直の意味を含む）な端面２０１，２０２を有し、端面２０１がレーザ素子１の端面１０２に対向して近接配置されている。また、波長変換素子２では、基本波が入射された際に非線形効果によって波長変換光に変換するように、温度又は周期反転分極構造の周期が最適化されている。
また、波長変換素子２の端面２０１には、基本波を透過し、波長変換光を反射する光学膜が施されている。また、波長変換素子２の端面２０２には、基本波を透過し、波長変換光を透過する光学膜が施されている。これらの光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層することで構成される。
なお、波長変換素子２の非線形材料２０３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。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を用いる。また、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、入射する基本波のパワー密度を上げることができるため、高効率な波長変換が可能である。また、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ため、さらに高効率な波長変換が可能である。
さらに、波長変換素子２が発熱する場合には、必要に応じて、波長変換素子２の例えば下面に冷却用のヒートシンク（不図示）を接合し、排熱するようにしてもよい。
出力鏡３は、基本波を反射し、波長変換素子２により波長変換された波長変換光を透過するものである。この出力鏡３は、レーザ素子１との間で基本波の共振器（タルボット共振器）を構成するために設けられるものであり、波長変換素子２の端面２０２と対向して配置されている。また、出力鏡３には、基本波を反射し、波長変換光を透過する光学膜が施されている。この光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層することで構成される。
また、出力鏡３は、アレイ状のレーザ素子１により出力されるレーザ光（基本波）のウェスト１０３の位置と出力鏡３との間の距離をＬとするとき、距離Ｌが一定の条件を満たすように配置される。このとき、周期的に配置された複数の隣接する発光点同士で、距離Ｌが一定の条件（タルボット条件）を満たすときに、位相同期が発生する。この現象をタルボット位相ロックとよぶ。なお、ウェスト１０３とは、アレイの各レーザ光の波面が平面波となる位置であり、レーザ素子１にレンズ効果がない場合は端面１０１となるが、レンズ効果が発生した場合や光学部品を配置した場合は共振器の中のいずれかの位置となる。
ここで、タルボット位相ロックが得られる距離Ｌについて述べる。
例えば、距離Ｌの光学長が、タルボット長の１／４となる場合にタルボット位相ロックが得られる。光学長は、距離Ｌを、レーザ光の伝播領域の屈折率で割った値である。また、タルボット長は、レーザ素子１の発光点の間隔をｄとし、レーザ光の波長をλとした場合に、２ｄ２／λで表される。
ここで、非特許文献１では、１５個の発光点を有する装置において、タルボット共振器として構成できる距離Ｌの範囲を理論検討した結果が述べられている。そして、この非特許文献１では、タルボット長の１／４となる１９ｍｍの光学長に対し、当該光学長を±６ｍｍ変化させた場合であってもタルボット位相ロックが得られることが述べられている。すなわち、タルボット長の１／４である光学長に対し、±３０％の誤差を許して距離Ｌの光学長を設定してもタルボット位相ロックを得ることができる。
Kenichi Hirosawa, Seiichi Kittaka, Yu Oishi, Fumihiko Kannari, and Takayuki Yanagisawa, "Phase locking in a Nd:YVO4 waveguide laser array using Talbot cavity," Opt. Eｘpress 21, 24952-24961 (2013)
距離Ｌの光学長をタルボット長の１／４又はその前後の誤差内に設定した場合には、距離Ｌはタルボット位相ロックが得られる最短の距離となるため、アレイ型波長変換レーザ装置の小型化を実現することができる。
しかしながら、タルボット位相ロックが得られる距離Ｌの光学長をタルボット長の１／４又はその前後の誤差内に設定した場合に限るものではない。タルボット長の１／４＋ｎ／２（ｎは正の整数）又はその前後の誤差内に設定した場合にもタルボット位相ロックが得られる。
次に、実施の形態１に係るアレイ型波長変換レーザ装置の動作について説明する。なお以下では、波長変換素子２として、基本波を第二高調波に変換する素子を用いた場合を例に説明を行う。
まず、レーザ素子１は、各発光点により一次元アレイ状に基本波を出力する。図２は、タルボット共振器におけるレーザ光の電界位相成分と、電界強度成分の近視野及び遠視野とを示す図である。この図２に示すように、距離Ｌは、タルボット位相ロックが得られ、レーザ光の干渉パターンが現れるように設定されている。
ここで、発光点がＭ個であるときに、最低次のモード（１次モード）では、各発光点の位相が揃うため、同位相モードとなる。一方、最高次のモード（Ｍ次モード）では、各発光点の位相が交互に反転し、交代位相モードと呼ばれる状態となる。例えば、共振器の光学長をタルボット長の１／４としたとき、非特許文献１によれば、最高次モードの損失が全ての次数のモードに対して最も低くなるため、最高次モード、すなわち交代位相モードのみを効率的に立たせることができる。よって、図２Ａ、図２Ｃに示すように、距離Ｌの光学長をタルボット長の１／４とすることで、基本波は交代位相モードのみで選択的に発振する。
次いで、波長変換素子２は、入射された基本波の波長変換を行い、第二高調波を出力する。なお、共振器の内部に配置された波長変換素子２は、基本波が入射された際に非線形効果によって第二高調波に変換するように、温度又は周期反転分極の周期が最適化されている。したがって、レーザ素子１の端面１０１と出力鏡３との間で発振した基本波が波長変換素子２に入射されると、この基本波の一部が第二高調波に変換される。その後、この第二高調波は出力鏡３を透過して外部に出力される。
一方、波長変換素子２により第二高調波に変換されずに残留した基本波は、出力鏡３で反射されて、再度、波長変換素子２を入射され、第二高調波への波長変換が行われる。その後、残留した基本波の一部が変換された第二高調波は、波長変換素子２の端面２０１で反射され、出力鏡３を透過して外部に出力される。
ここで、第二高調波の場合、その位相は基本波に対して２倍となる。よって、隣接する各発光点からの第二高調波は、図２Ｂに示すように、全て同位相モードとなる（図１の符号５１）。また、第二高調波の広がり角度をθとしたときの遠視野の電界強度は、図２Ｅに示すように、中央に大きなピークを有し、一本のビームが生じることになる。
その後、図１に示すように、出力鏡３の外部に配置された集光用のレンズ１０により、出力鏡３から出力された波長変換光のビーム径が絞られる。これにより、アレイ方向（ｘ軸方向）に集光サイズの小さい１つのビームスポットを取り出すことができる（図１の符号５２）。
なお上記では、波長変換素子２として、基本波を波長変換して第二高調波を得る素子を用いた場合を例に説明を行った。しかしながら、これに限るものではなく、ｍを整数として、第ｍ高調波を発生するタルボット共振器を構成しても、各発光点に対応するレーザ光の位相が揃うため、アレイ方向の集光性の向上を実現することができる。特にｍが偶数の場合には、同位相成分だけでなく、基本波の交代位相成分が第ｍ高調波で全て同相となるため、さらに高輝度化が可能であり、遠視野で一本のピークを実現できる効果がある。
また、本発明は、タルボット共振器による位相同期技術のみを利用したものであり、高調波に対して追加の位相器等を用いることなく、位相の制御を行うことでレーザ光の集光性を高めることができる。
また、実施の形態１では、レーザ素子１として例えば半導体レーザを用いた構成を示した。この半導体レーザは、エピ工程で精度の高い発光点を構成できるため、タルボット条件を与えるピッチが安定するという特徴がある。また、エピ工程又は電流密度で発光強度を調整できるので、所望の遠視野になるように調整が可能である。
また上記では、レーザ素子１として、複数の発光点を有する単一の半導体レーザを用いた構成を示した。しかしながら、これに限るものではなく、単一の発光点を有する複数の半導体レーザを一列に並べても同様の効果が得られる。
以上のように、この実施の形態１によれば、レーザ素子１により出力される基本波のウェスト１０３の位置と出力鏡３との間の距離Ｌを、隣接する発光点同士で位相同期が発生するタルボット条件により設定するように構成したので、従来構成に対してレーザ光の集光性を高めることができる。
また、各発光点の位相制御により、アレイ方向の実効的な広がり角が小さくなるため、高効率な波長変換が可能である。さらに、基本波は交代位相になるため、安定した第ｍ高調波の発振が可能である。
実施の形態２．
実施の形態１では、レーザ素子１として例えば半導体レーザを用いた構成について示した。それに対し、実施の形態２では、レーザ素子１を、固体レーザ素子５と、これを励起するための半導体レーザ４とから成る固体レーザアレイで構成した場合について示す。
図３はこの発明の実施の形態２に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図である。この図３に示す実施の形態２に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、図１に示す実施の形態１に係るアレイ型波長変換レーザ装置のレーザ素子１を、半導体レーザ４及び固体レーザ素子５に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
半導体レーザ４は、発光点（エミッタ）を有し、一次元アレイ状に励起光を出力するものである。この励起光は、固体レーザ素子５を励起する波長に設定されたレーザ光である。図３の例では、複数の発光点を有する半導体レーザ４を用い、各発光点がｘ軸方向に等間隔（略等間隔の意味を含む）で一列に並べられている。半導体レーザ４の励起光の出射側面は、固体レーザ素子５の端面５０１と対向して近接配置されている。この半導体レーザ４は、固体レーザ素子５を励起する波長のレーザ光を出力する化合物半導体により構成されている。
さらに、半導体レーザ４が発熱する場合には、必要に応じて、半導体レーザ４の例えば下面に冷却用のヒートシンク（不図示）を接合し、排熱するようにしてもよい。
固体レーザ素子５は、半導体レーザ４からの励起光によって反転分布状態を形成してレーザ光（自然放出光）を生成し、このレーザ光を誘導放出によって増幅して出力するものである。この固体レーザ素子５は、レーザ媒質５０３により構成される。また、固体レーザ素子５は、共振器の光軸Ｒ方向に垂直（略垂直の意味を含む）な端面５０１，５０２を有し、例えば長方形、円形等の形状に構成されている。
また、固体レーザ素子５の端面５０１には、基本波を反射する反射膜が施されている。また、固体レーザ素子５の端面５０２には、基本波を透過する反射防止膜が施されている。端面５０１の反射膜は、励起光を透過し、基本波を反射する光学膜となる。この反射膜（光学膜）及び反射防止膜は、例えば誘電体薄膜を積層することで構成される。
また、固体レーザ素子５のレーザ媒質５０３としては、一般的なレーザ媒質を用いることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ等が挙げられる。
なお実施の形態２では、固体レーザ素子５の端面５０１と出力鏡３との間で基本波の共振器が構成される。そして、固体レーザ素子５により出力されるレーザ光（基本波）のウェスト５１０の位置と出力鏡３との間の距離Ｌが、隣接する発光点同士で位相同期が発生するタルボット条件により設定されている。
次に、実施の形態２に係るアレイ型波長変換レーザ装置の動作について説明する。
まず、半導体レーザ４は、各発光点により一次元アレイ状に励起光を出力する。そして、この励起光は固体レーザ素子５の端面５０１に入射され、固体レーザ素子５が励起する。この際、レーザ媒質５０３では、励起光によって反転分布状態を形成し、光軸Ｒ方向に放出されるレーザ光（自然放出光）が共振するモードに入り、このレーザ光を誘導放出により増幅する。その後、このレーザ光は固体レーザ素子５の端面５０１と出力鏡３との間（共振器）で往復するが、共振器を１周する際の増幅による利得が、共振器を１周する際に受ける損失と釣り合うことで、基本波が発振する。
基本波の発振後の動作は、実施の形態１と同様であり、波長変換素子２によって基本波が波長変換光に変換され、出力鏡３より外部に出力される。
ここで、固体レーザ素子５の端面５０１と出力鏡３により構成される基本波の共振器は、タルボット位相ロックが得られるように構成されているため、実施の形態１と同様に、集光性の高いレーザ光を得ることができる。
また上記では、複数の発光点を有する単一の半導体レーザ４を用いた場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、単一の発光点を有する複数の半導体レーザを一列に並べても同様の効果が得られる。
また上記では、複数の発光点を有する単一の半導体レーザ４と単一の固体レーザ素子５とで構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば単一の発光点を有する複数の半導体レーザ４と複数の固体レーザ素子５とを、発光点が一列に並べられるように配置してもよく、同様の効果が得られる。
以上のように、この実施の形態２によれば、レーザ素子１として、半導体レーザ４と固体レーザ素子５とから成る固体レーザアレイを用いたので、実施の形態１における効果に加え、レーザ光の利得及び強度により発生する波面収差が少なく、外乱に強くて安定した共振器を得ることができる。
実施の形態３．
実施の形態１，２の構成では、空間モードで発振するため、共振器の光軸Ｒ方向且つアレイ方向に垂直な方向である高さ方向（ｙ軸方向）に対しても、共振器でモードを調整する必要がある。それに対し、実施の形態３では、レーザ素子１（固体レーザ素子５）及び波長変換素子２の高さ方向に平面導波路構造を設けることで、高さ方向に対して導波モードでの制御を可能とし、高いビーム品質を実現する場合について示す。
図４はこの発明の実施の形態３に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図及び側面図である。なお図４Ｂでは出力鏡３から出力されたレーザ光及びレンズ１０の図示を省略している。この図４に示す実施の形態３に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、図３に示す実施の形態２に係るアレイ型波長変換レーザ装置にレンズ６を追加し、固体レーザ素子５及び波長変換素子２の高さ方向に平面導波路構造を設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分について説明する。
実施の形態３の固体レーザ素子５では、図４Ｂに示すように、平板状のレーザ媒質５０３の上下両面に、クラッド５０４が設けられている。なお、レーザ媒質５０３は、共振器の光軸Ｒに対して垂直な面（ｘｙ面）において、アレイ方向（ｘ軸方向）が高さ方向（ｙ軸方向）に対して長い矩形状に構成されている。
クラッド５０４としては、レーザ媒質５０３の屈折率に対して小さい屈折率を有する媒質であれば、レーザ媒質５０３中にレーザ光を閉じ込めることができるため、適用可能である。このクラッド５０４は、例えば、光学材料を原料とした膜を蒸着することにより、又は光学材料をオプティカルコンタクト又は拡散接合等によってレーザ媒質５０３と光学的に接合することにより、構成される。また、レーザ媒質５０３に比べて小さな屈折率を有する光学接着剤を用いてもよい。
このように、レーザ媒質５０３の高さ方向は、レーザ媒質５０３よりも屈折率の小さなクラッド５０４及び空気により挟まれている。よって、固体レーザ素子５は、屈折率の高いレーザ媒質５０３に基本波が閉じ込められる導波路として動作し、基本波は導波モードで選択的に発振する。
また、レーザ媒質５０３の下面に接合されたクラッド５０４の下面には、接合剤５０５を介してヒートシンク５０６が接合されている。このヒートシンク５０６は、熱伝導度の大きな材料で構成され、図５に示すように、光軸Ｒに垂直な断面（ｘｙ面）において、アレイ方向に櫛状に構成されている。そして、ヒートシンク５０６の各櫛歯の先端が、接合剤５０５を介してクラッド５０４と接合されている。レーザ媒質５０３に入射する半導体レーザ４からの励起光は、ヒートシンク５０６の隣接する櫛歯と櫛歯との間上に入射される。
接合剤５０５は、レーザ媒質５０３で発生した熱を、クラッド５０４を介してヒートシンク５０６に排熱する。この接合剤５０５としては、金属半田、光学接着剤、熱伝導接着剤等を用いることができる。
また、クラッド５０４の接合剤５０５に対向する面は、接合剤５０５との接合の強度を上げるため、金属膜を付着するメタライズを行ってもよい。また、ヒートシンク５０６を光学材料で構成した場合には、クラッド５０４及びヒートシンク５０６を、例えばオプティカルコンタクト又は拡散接合等によって直接接合してもよい。
また、実施の形態３の波長変換素子２についても、図４Ｂに示すように、非線形材料２０３の上下両面に、非線形材料２０３に比べて小さな屈折率を有するクラッド２０４が設けられている。これにより、固体レーザ素子５と同様に、高さ方向において導波路として動作する。
レンズ６は、波長変換素子２と出力鏡３との間に配置され、高さ方向のビーム径を制御してコリメートするシリンドリカルレンズである。例えばＦＡＣ（Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）レンズ等を用いる。
共振器内の高さ方向におけるレーザ発振は、共振器内部のレンズ６により制御される。すなわち、レンズ６により、高さ方向のビーム拡がりを抑えて発振を安定させ、共振器内でのレーザ光の散逸を低減することができる。
以上の構成により、固体レーザ素子５及び波長変換素子２において、高さ方向において、導波モードでレーザ発振を制御することができる。一方、光軸Ｒ方向については、実施の形態１で述べたように、固体レーザ素子５により出力されるレーザ光（基本波）のウェスト５１０の位置と出力鏡３との間の距離をタルボット位相ロックが得られる長さに調整する。このように、高さ方向と光軸Ｒ方向を独立して調整可能とすることで、レーザ光の位相合成の効率を高め、集光性の高いレーザ光を実現することができる。
共振器内の高さ方向におけるレーザ発振は、レーザ媒質５０３又は非線形材料２０３の導波モードで選択的に発振する。レーザ媒質５０３の導波モードと、非線形材料２０３の導波モードは、それぞれ、レーザ媒質５０３、非線形材料２０３の高さ方向の厚さ、クラッド５０４，２０４との屈折率差により、任意に設定可能である。
なお、レーザ媒質５０３の導波モードと、非線形材料２０３の導波モードは、必ずしも一致する必要はない。例えば、一方の導波モードをマルチモードとし、他方の導波モードを単一モードとすれば、レーザ発振のモードは最も低次のモードで制限されるため、単一モードで選択的に発振することが可能である。もちろん、同じ導波モードとなるように構成してもよい。
また、実施の形態３の構成では、レーザ媒質５０３の高さ方向の厚さが薄く、非線形材料２０３に入射する基本波のパワー密度が高くなる。その結果、波長変換光を高効率に出力することが可能である。
また、実施の形態３の構成では、レーザ媒質５０３の高さ方向の厚さが薄く、励起光のパワー密度が高くなるので、利得の小さなレーザ媒質又は下準位吸収の大きな三準位レーザ媒質を用いても、高い利得を得ることができる。その結果、高効率に基本波を出力することが可能であり、高効率に波長変換光を出力することが可能となる。
また、レーザ媒質５０３の高さ方向の厚さが薄いので、レーザ媒質５０３の温度上昇が小さくなる。よって、温度上昇により利得の低下が発生する三準位レーザ媒質を用いて高効率に基本波を出力することができ、高効率に波長変換光を出力することが可能である。
次に、レーザ媒質５０３の中で発生する温度分布について、図６を参照しながら説明する。なお図６において、符号５３は励起領域を示し、符号５４は熱の流れを示している。
レーザ媒質５０３では、吸収した励起光のパワーの一部が熱に変換されて熱が発生する。そして、図６に示すように、レーザ媒質５０３で発生した熱は、クラッド５０４及び接合剤５０５を介してヒートシンク５０６に排熱される。
ここで、ヒートシンク５０６は櫛状であり、接合剤５０５によりクラッド５０４に接合されている部分が櫛歯の先端のみである。よって、隣接する櫛歯と櫛歯との間では、当該櫛歯間のほぼ中心からアレイ方向（ｘ軸方向）の両側に向かって熱の流れが発生する。したがって、上記櫛歯間のほぼ中心の温度が最大となり、櫛歯に近づくに従い温度が低下する。
一方、レーザ媒質５０３等の光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化する。レーザ媒質５０３の光学材料として単位温度あたりの屈折率変化ｄｎ／ｄＴが正の材料を用いた場合、温度の高い櫛歯間のほぼ中心の屈折率が大きくなり、櫛歯に近づくに従い屈折率が小さくなる。その結果、アレイ方向には櫛歯間のほぼ中心を光軸として熱レンズ効果が発生する。
ここで、レーザ媒質５０３に入射する半導体レーザ４からの励起光はアレイ方向にほぼ均一に励起されており、ヒートシンク５０６の櫛歯はアレイ方向にほぼ等間隔に配置されている。したがって、熱レンズ効果も周期的に発生し、櫛歯の本数をｍ本とすると、（ｍ−１）個のレンズをほぼ等間隔に並べたのと同様の効果が得られる。
なお、周期的に発生する熱レンズ効果の強さ及び周期は、ヒートシンク５０６の櫛歯の間隔、櫛歯の太さ、櫛歯の長さ、熱伝導度、接合剤５０５の熱伝導度、厚さ、クラッド５０４の材料、厚さにより、任意に調整可能である。
同様に、レーザ媒質５０３の光学材料として単位温度あたりの屈折率変化ｄｎ／ｄＴが負の材料を用いた場合、温度分布と反対の屈折率分布となり、櫛歯部分の屈折率が大きく、櫛歯間のほぼ中心の屈折率が小さくなる。その結果、アレイ方向には櫛歯部分を光軸とした熱レンズ効果が発生する。この場合、櫛歯の本数をｍ本とすると、ｍ個のレンズをほぼ等間隔に並べたのと同様の効果が得られる。
なお、ヒートシンク５０６の櫛歯間の空隙は、通常は空気であるが、ヒートシンク５０６よりも小さな熱伝導度を有する熱絶縁材料で埋めてもよい。この場合、レーザ媒質５０３では、櫛歯の先端と熱絶縁材料との熱伝導度の差で発生する周期的な温度分布が生じる。
このように、熱絶縁材料を用いることで、熱レンズ効果の強さ及び分布をさらに微調整することが可能である。また、熱絶縁材料で櫛歯間を埋めることにより、ヒートシンク５０６の剛性を高めることもできる。
以上のように、この実施の形態３によれば、レーザ素子１（固体レーザ素子５）及び波長変換素子２に高さ方向に平面導波路構造を設けたので、実施の形態２における効果に加え、高さ方向について導波モードでの制御を可能とすることができるため、光軸Ｒ方向及び高さ方向ともに集光性の高いレーザ光を得ることができる。
また、波長変換素子２と出力鏡３との間に、高さ方向に対してレーザ光をコリメートするレンズ６を設けたので、このレンズ６により空間伝播領域の調整が可能となる。その結果、光軸Ｒ方向についてはタルボット条件を満たすように共振器長Ｌを調整し、高さ方向については、レンズ６の焦点距離と位置でモード調整することができるため、両軸をそれぞれ独立にモード調整することが可能となる。
また、固体レーザ素子５において、櫛状のヒートシンク５０６を用いることで、レーザ媒質５０３に温度分布を発生させて屈折率分布を生成し、アレイ方向に複数のレンズを並べたのと同じレンズ効果を生成する。このレンズ効果によって、空間モードで複数発振し、アレイ方向の各レーザ光のビーム品質は高くなるため、共振器が安定し、効率が高くなる。また、これらのレーザ光を合成した際には、高いビーム品質のレーザ光が得られる。
なお、櫛状のヒートシンク５０６を用いることは、共振器を安定させ、高いビーム品質のレーザ光を得るのに寄与するが、本実施の形態３において必ずしも必要なものではない。例えば、ヒートシンクとレーザ素子１とを全面で接合するようにしてもよいし、排熱の必要がなければヒートシンクを用いなくてもよい。この場合でも、アレイ方向についてはタルボット位相ロックにより集光性の高いレーザ光が得られ、高さ方向についてはレーザ素子１（固体レーザ素子５）及び波長変換素子２に平面導波路構造を用いているために、集光性の高いレーザ光が得られる。
実施の形態４．
図４に示す実施の形態３の構成では、共振器長Ｌを得るために、共振器内に導波路構造を有さない空間伝播領域が存在している。しかしながら、この空間伝播領域では、のレーザ光が高さ方向（ｙ軸方向）に対して導波モードによる制御がされず、回折損失が大きくなる。また、レーザ光の高さ方向を安定させるためには、共振器長Ｌを制御する必要があるが、共振器長Ｌは光軸Ｒ方向に対するタルボット条件で制限されるため、任意の共振器長Ｌに変更できないという課題がある。そこで、実施の形態４では、上記空間伝播領域をなくすことで、高さ方向に対して損失が小さく、効率的に波長変換光を出力する方法を示す。
図７はこの発明の実施の形態４に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図及び側面図である。なお図７Ｂでは出力鏡３から出力されたレーザ光及びレンズ１０の図示を省略している。この図７に示す実施の形態４に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、図４に示す実施の形態３に係るアレイ型波長変換レーザ装置の固体レーザ素子５に平面導波路構造の伝播部５０９を追加したものである。なお、実施の形態３における固体レーザ素子５の構成を利得発生部５０８と称す。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
固体レーザ素子５は、レーザ媒質５０３で構成される利得発生部５０８と、利得を有さない伝播媒質５０７で構成される伝播部５０９とを有している。この伝播部５０９は、タルボット位相ロックが得られる距離Ｌを得るためのものである。また、このレーザ媒質５０３及び伝播媒質５０７には、クラッド５０４、接合剤５０５及びヒートシンク５０６が一体に設けられ、一体の平面導波路構造に構成されている。
なお、伝播媒質５０７と上下面のクラッド５０４との間に導波路を構成することができるように、伝播媒質５０７として、クラッド５０４より屈折率の大きな媒質を選択する。これにより、伝播部５０９においても、利得発生部５０８とほぼ同等の導波モードでレーザ光が伝播する。
このように、伝播部５０９を平面導波路構造で構成することにより、図４に示す実施の形態３の構成に対し、空間伝播領域をなくすことができる。よって、共振器内のレーザ光は、高さ方向に閉じ込めを受けるため、実施の形態３の構成と比べて空間伝播に伴う損失が小さく、高効率にレーザ光を発振でき、高効率に波長変換光を出力することができる。
また、レーザ媒質５０３として例えばＮｄ系材料の４準位材料を用いる場合には、レーザ媒質５０３内をレーザ光が伝播した際に、レーザ光が損失を受けないため、伝播媒質５０７としてレーザ媒質５０３と同様の材料を用いることが可能である。この場合は、利得発生部５０８と伝播部５０９とを同様の材料で構成できるので、上述したレーザ媒質５０３と伝播媒質５０７が異なる場合と比べて、簡単な構成とすることができる。
また、空間伝播領域がなくなることで、実施の形態３の構成で生じる高さ方向のビーム拡がりと共振器内でのレーザ光の散逸が低減できる。そのため、実施の形態３の構成において、高さ方向のコリメートように挿入していたレンズ６を省略することが可能となる。よって、光学部品の調整が少なく、信頼性の高いアレイ型波長変換レーザ装置を構成
することができる。
また、図７に示す構成において、波長変換素子２の端面２０２の光学膜を、基本波を透過する光学膜から基本波を反射する光学膜へと変更し、出力鏡３を取除いてもよい。この場合、出力鏡３の削減により部品点数を低減できるので、製造コストを低減できる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高いアレイ型波長変換レーザ装置を構成することができる。
以上のように、この実施の形態４によれば、固体レーザ素子５に伝播部５０９を設けたので、実施の形態３における効果に加え、共振器内に空間伝播領域がなくなるので、空間伝播による回折損失が小さく、高効率に波長変換光を出力することが可能となる。
実施の形態５．
実施の形態４では、固体レーザ素子５に伝播部５０９を設けた構成について示した。それに対し、実施の形態５では、波長変換素子２に伝播部２０７を設けることで、空間伝播領域をなくし、高さ方向に対して損失が小さく、効率的に波長変換光を出力する構成について示す。
図８はこの発明の実施の形態５に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図及び側面図である。なお図８Ｂでは出力鏡３から出力されたレーザ光及びレンズ１０の図示を省略している。この図８に示す実施の形態５に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、図４に示す実施の形態３に係るアレイ型波長変換レーザ装置の波長変換素子２に伝播部２０７を追加したものである。なお、実施の形態３における波長変換素子２の構成を波長変換部２０６と称す。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
波長変換素子２は、非線形材料２０３で構成される波長変換部２０６と、波長変換には寄与しない伝播媒質２０５で構成される伝播部２０７とを有している。この伝播部２０７は、タルボット位相ロックが得られる距離Ｌを得るためのものである。また、この非線形材料２０３及び伝播媒質２０５には、クラッド２０４が一体に設けられ、一体の平面導波路構造に構成されている。
なお、伝播媒質２０５と上下面のクラッド２０４との間に導波路を構成することができるように、伝播媒質２０５として、クラッド２０４より屈折率の大きな媒質を選択する。これにより、伝播部２０７においても、波長変換部２０６とほぼ同等の導波モードでレーザ光が伝播する。
このように、伝播部２０７を平面導波路構造で構成することにより、図４に示す実施の形態３の構成に対し、空間伝播領域をなくすことができる。よって、共振器内のレーザ光は、高さ方向に閉じ込めを受けるため、実施の形態３の構成と比べて空間伝播に伴う損失が小さく、高効率にレーザ光を発振でき、高効率に波長変換光を出力することができる。
また、空間伝播領域がなくなることで、実施の形態３の構成で生じる高さ方向のビーム拡がりと共振器内でのレーザ光の散逸が低減できる。そのため、実施の形態３の構成において、高さ方向のコリメートように挿入していたレンズ６を省略することが可能となる。よって、光学部品の調整が少なく、信頼性の高いアレイ型波長変換レーザ装置を構成することができる。
また、図８に示す構成において、波長変換素子２の端面２０２の光学膜を、基本波を透過する光学膜から基本波を反射する光学膜へと変更し、出力鏡３を取除いてもよい。この場合、出力鏡３の削減により部品点数を低減できるので、製造コストを低減できる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高いアレイ型波長変換レーザ装置を構成することができる。
以上のように、この実施の形態５によれば、波長変換素子２に伝播部２０７を設けたので、実施の形態３における効果に加え、共振器内に空間伝播領域がなくなるので、空間伝播による回折損失が小さく、高効率に波長変換光を出力することが可能となる。
実施の形態６．
実施の形態１〜５では、タルボット条件を満たすようにして波長変換可能な共振器を構成し、波長変換された波長変換光（第ｍ高調波）はアレイ方向の集光性の向上が可能であることを述べてきた。ここで、本構成でレーザ出力として得られる遠視野で生じるピーク（図２Ｅ参照）については、発光点の個数によってビーム幅が決まり、よりビーム幅が細く、ビーム品質の良い出力を得るためには、発光点の個数を増やす必要がある。
そこで、実施の形態６では、こうした課題を解決するための方法を述べ、ビーム品質の良いアレイ型波長変換レーザ装置の実現方法を述べる。具体的な方法としては、出力鏡３に隣接する素子の側面部を光学研磨し、アレイ方向（ｘ軸方向）に疑似的に無限個のアレイが存在するに等しい状態をつくることで、ビーム品質の良い波長変換光出力を実現する。
図９はこの発明の実施の形態６に係るアレイ型波長変換レーザ装置の構成を模式的に示す上面図及び側面図である。この図９に示す実施の形態６に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、図８に示す実施の形態５における波長変換素子２の側面部２０８，２０９をアズカット面から光学研磨面に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
実施の形態６における波長変換素子２では、側面部２０８，２０９に対して光学研磨が施されている。これにより、共振器内を伝播する基本波及び第ｍ高調波は、側面部２０８，２０９で反射されることになる。
なお、側面部２０８，２０９は、必ずしも光学研磨されている必要はなく、基本波及び第ｍ高調波を反射する特性の光学膜を成膜してもよい。この光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層することで構成される。
側面部２０８，２０９が基本波及び第ｍ高調波に対して反射の特性を有することで、出力鏡３の近傍において、側面部２０８，２０９を介して、アレイ方向（ｘ軸方向）に疑似的に無限個のアレイが存在するに等しい状態となる。無限個のアレイがｘ軸方向に存在し、これらがタルボット位相同期されることで、図２Ｅに示される遠視野におけるビームのピークでは、発光点の個数によって決定していた実施の形態１〜５の場合と比べて、ビーム幅が狭く、ビーム品質の良いビームが得られることになる。
なお上記では、波長変換素子２の側面部２０８，２０９の全面を光学研磨する構成を想定して説明を行ったが、出力鏡３側の一部分のみを光学研磨する構成としてもよい。
ここで、側面部２０８，２０９を光学研磨すると、側面部２０８，２０９に入射される一部のレーザ光によって、アレイ型波長変換レーザ装置の本来のレーザ発振とは異なるパスでレーザ発振（寄生発振）が生じることがある。したがって、波長変換素子２の側面部２０８，２０９を光学研磨する際には、本来のレーザ発振の効率低下を招く寄生発振が生じないように、光学研磨される光軸（ｚ軸）方向の寸法が決定されることが望ましい。
また上記では、実施の形態５の構成、すなわち、伝播部２０７を有する波長変換素子２に対して、側面部２０８，２０９を光学研磨する構成を示した。しかしながら、これに限るものではなく、出力鏡３側に配置された素子の側面部が光学研磨されていれば同様の効果を得ることができ、例えば実施の形態４の構成に対し、波長変換素子２の側面部２０８，２０９を光学研磨しても同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態６は、水平方向（ｘ軸方向）のレーザ光に対して動作を規定するものであり、垂直方向（ｙ軸方向）については図８に示す構成に限定されない。よって、導波路型の共振器構成に限定されることもない。
以上のように、この実施の形態６によれば、出力鏡３に隣接する波長変換素子２の側面部２０８，２０９を光学研磨することで、アレイ方向（ｘ軸方向）に擬似的に無限個のアレイが存在するに等しい状態をつくることができ、ビーム品質の良い波長変換光出力を実現することができる。
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の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明に係るアレイ型波長変換レーザ装置は、従来構成に対してレーザ光の集光性を高めることができ、波長変換光を得るアレイ型波長変換レーザ装置等に用いるのに適している。
１ レーザ素子、２ 波長変換素子、３ 出力鏡、４ 半導体レーザ、５ 固体レーザ素子、６ レンズ、１０ レンズ、１０１，１０２ 端面、１０３ ウェスト、２０１，２０２ 端面、２０３ 非線形材料、２０４ クラッド、２０５ 伝播媒質、２０６ 波長変換部、２０７ 伝播部、２０８，２０９ 側面部、５０１，５０２ 端面、５０３ レーザ媒質、５０４ クラッド、５０５ 接合剤、５０６ ヒートシンク、５０７ 伝播媒質、５０８ 利得発生部、５０９ 伝播部、５１０ ウェスト。

Claims (12)

  1. 発光点を有し、一次元アレイ状に基本波を出力する単一又は複数のレーザ素子と、
    入射された前記基本波に対して波長変換を行い、波長変換光を出力する波長変換素子と、
    前記基本波を反射し、前記波長変換素子により波長変換された波長変換光を透過する出力鏡とを備え、
    前記波長変換素子は、前記レーザ素子と前記出力鏡との間に配置され、
    前記レーザ素子により出力される基本波のウェストの位置と前記出力鏡との間の距離は、隣接する前記発光点同士で位相同期が発生するタルボット条件により設定された
    ことを特徴とするアレイ型波長変換レーザ装置。
  2. 前記距離は、タルボット長の１／４である
    ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  3. 前記波長変換素子は、前記波長変換光として、前記基本波に対して偶数倍の周波数を有する高調波を出力する
    ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  4. 前記レーザ素子及び前記波長変換素子は、前記基本波の共振器の光軸方向且つ前記アレイ方向に垂直な方向に平面導波路構造を有する
    ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  5. 前記波長変換素子と前記出力鏡との間に配置され、前記共振器の光軸方向且つ前記アレイ方向に垂直な方向に対して、レーザ光をコリメートするレンズを設けた
    ことを特徴とする請求項４記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  6. 前記レーザ素子は、前記距離を得る平面導波路構造の伝播部を有する
    ことを特徴とする請求項４記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  7. 前記波長変換素子は、前記距離を得る平面導波路構造の伝播部を有する
    ことを特徴とする請求項４記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  8. 前記アレイ方向に櫛状に構成され、櫛歯の先端が前記レーザ素子に接合されたヒートシンクを備え、
    前記レーザ素子は、前記ヒートシンクへの排熱により温度分布を発生し、当該温度分布により屈折率分布を発生するレーザ媒質を有する
    ことを特徴とする請求項５記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  9. 前記波長変換素子は、側面部が光学研磨されている
    ことを特徴とする請求項６記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  10. 前記波長変換素子は、側面部が光学研磨されている
    ことを特徴とする請求項７記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  11. 前記波長変換素子の側面部に成膜され、前記基本波及び前記波長変換光を反射する特性を有する光学膜を備えた
    ことを特徴とする請求項６記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
  12. 前記波長変換素子の側面部に成膜され、前記基本波及び前記波長変換光を反射する特性を有する光学膜を備えた
    ことを特徴とする請求項７記載のアレイ型波長変換レーザ装置。
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