WO2006013890A1 - コヒーレント光源 - Google Patents

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WO2006013890A1
WO2006013890A1 PCT/JP2005/014203 JP2005014203W WO2006013890A1 WO 2006013890 A1 WO2006013890 A1 WO 2006013890A1 JP 2005014203 W JP2005014203 W JP 2005014203W WO 2006013890 A1 WO2006013890 A1 WO 2006013890A1
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WO
WIPO (PCT)
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wavelength
light source
fundamental wave
wavelength conversion
coherent light
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/014203
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kiminori Mizuuchi
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority to JP2006531514A priority Critical patent/JPWO2006013890A1/ja
Priority to US11/659,133 priority patent/US20090046749A1/en
Publication of WO2006013890A1 publication Critical patent/WO2006013890A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
    • G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]

Definitions

  • the present invention relates to a coherent light source, and more particularly, to a coherent light source including a wavelength conversion element that receives light and emits light having a wavelength different from the wavelength of the received light by converting the wavelength.
  • wavelength conversion technology for light has been continuously developed in connection with coherent light sources, and the efficiency and output of coherent light sources have been increasing.
  • a method for realizing high efficiency of a coherent light source a method of improving wavelength conversion efficiency by increasing the power density of the fundamental wave using an internal resonator, and a high spire value by using a Q switch pulse
  • Both methods achieve high-efficiency conversion with an efficiency of about 50%.
  • SHG the second harmonic
  • the second harmonic can be generated with high efficiency. For this reason, in order to realize highly efficient second harmonic generation, further improvement in the conversion efficiency of the nonlinear material responsible for wavelength conversion is desired.
  • a wavelength conversion unit In addition to high efficiency, in order to generate visible light with high output, that is, to generate second harmonic having a wavelength in the visible light region with high output, a wavelength conversion unit is configured. In addition to high conversion efficiency, it is desirable to have excellent resistance in the wavelength region near the wavelength of the generated second harmonic. This is because if the nonlinear material is damaged by light such as the second harmonic wave that propagates inside the wavelength conversion unit and has high power, it may be difficult to obtain a desired output stably. Because there is.
  • Mg-doped LiNb03 having a periodic domain-inverted structure in a crystal
  • MgO LiNb03
  • MgLN Mg-doped LiNb03
  • MgLN has high efficiency for generating visible light. It is attracting attention as a nonlinear material.
  • MgLN is known to be an inorganic material having the highest nonlinearity with respect to light having a wavelength in the visible light region, and to have excellent light damage resistance. For this reason, it is suitable for increasing the efficiency and output of light sources. More advantageously, MgLN can be produced at low cost because of its easy crystal growth.
  • Patent Document 1 discloses a blue light coherent light source that uses MgLN (hereinafter also referred to as “PPMgLN (Periodically Poled MgO: LiNb03)”) having a periodic domain-inverted structure as an internal resonator.
  • PPMgLN Periodically Poled MgO: LiNb03
  • Non-Patent Document 1 reports a phenomenon in which a green induced infrared absorption (GRIIRA) force increases in MgLN with an Mg doping amount of 4.8 mol% or less. .
  • GRIIRA green induced infrared absorption
  • wavelength conversion By performing wavelength conversion using a nonlinear optical crystal produced by crystal growth of the above-described nonlinear material as a wavelength conversion element, from blue light having a wavelength of approximately 450 nm to green light having a wavelength of approximately 530 nm, Can be generated.
  • High-efficiency wavelength conversion is realized by using high-power emitted light that can also generate light source as the fundamental wave, and converting it to the second harmonic with a nonlinear optical crystal with high conversion efficiency. Is realized.
  • a wavelength converter that is a wavelength converter uses a material that is sufficiently stable in the fundamental and second harmonic (SHG) wavelength regions. Hope to do. If a material having the factor that optical characteristics become unstable due to light in the wavelength region including the SHG wavelength is used as the wavelength conversion element, stable SHG cannot be generated. Such a material can be said to be unsuitable for a wavelength conversion element.
  • SHG fundamental and second harmonic
  • LiNb03 (hereinafter also referred to as “LN”) and LiTa03 (hereinafter also referred to as “LT”), which are nonlinear materials
  • LN LiNb03
  • LT LiTa03
  • photodamage (1) photodamage and (2) GRIIRA (red light of green light excitation) (Outside absorption), (3) No light Have been reported.
  • Photodamage is a phenomenon of refractive index change caused by photoexcitation.
  • the refractive index of an LN crystal fluctuates when irradiated with the above-mentioned short wavelength light.
  • the phase matching condition is not satisfied in the part where the light damage occurs, and the conversion efficiency of the element is reduced. This phenomenon is a reversible phenomenon, and when the light irradiation is stopped, the changed refractive index is restored.
  • Photodamage is a force that depends on the wavelength and intensity of light. It is observed in LN crystals with Mg added at 5 mol% or more.
  • Non-patent document 1 reports that force absorption of infrared light by green light is observed and reported for MgLN with a Mg doping amount of 4.8 mol% or less.
  • Light damage is a phenomenon that exists in all crystals.
  • the crystal's resistance to light damage is determined by the minimum value of the light power density that causes crystal breakage.
  • optical damage and GRIIRA are caused by LN, LT, etc. with relatively low power light. To be born. Therefore, it is difficult to construct a light source that generates high-power visible light using LN, LT, etc. In order to realize such a light source, for example, in order to obtain an output exceeding 1 W, it is necessary to heat the crystal temperature to 100 ° C or higher. In other words, if a configuration that stably converts high-power visible light using LN, LT, etc. as a wavelength conversion element is provided, there will be the problem of stability of the light source due to phenomena such as light damage at the same time. Become.
  • KTiOP04 (hereinafter also referred to as "KTP") is known to have a phenomenon called "gray track" in which a color center is generated in a crystal by irradiation with visible light having a short wavelength. This phenomenon is a factor that limits the power of the converted light when using ⁇ as a wavelength conversion element.
  • MgLN and MgLT are materials that are attracting attention as highly nonlinear materials having excellent resistance to visible light.
  • This periodic domain-inverted structure (PPMgLN) is a nonlinear material with high conversion efficiency and excellent damage damage to light, and can be used for various applications including internal resonator structures.
  • PPMgLN does not cause a GRIIRA phenomenon that causes practical problems if the Mg doping amount is 5 mol% or more for GRIIRA. In fact, as shown above, it is used as an internal resonator type wavelength conversion element at an output of 1 W or less.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 06-242478
  • Non-Patent Document 1 Y. Furuka ⁇ , ⁇ . Kitamura, ⁇ . Alexandrovski, R. ⁇ . Laute, ⁇ . Fuezienore, G. Fullon (Y. FurukaWa, K. Kitamura, A. Alexandrovski, RK Route, and MM Fejer, G. Foulon), “Green-induced Infrared absorptio in MgO doped LiNb03”, Applied “Physics” Letters ( Applied Physics Lette rs), (USA), American 'Institut' Ob 'Physics (American Institute of Physics), April 2, 2001, vol. 78, p. 1970—1972
  • MgO 2 LiNb03 (MgLN) and MgO 2: LiTa03 (MgLT) are highly nonlinear materials having excellent light damage resistance.
  • PPMgLN wavelengths near room temperature Stable high output wavelength conversion is also possible in conversion.
  • the inventors of the present application irradiate a fundamental wave having a high peak power to a crystal or the like having a periodic domain-inverted structure (PPMgLN, etc.) or generate a high output of visible light. In this case, we found a phenomenon that the output is unstable.
  • an output instability phenomenon that seems to be caused by causes other than optical damage at high power conversion of 1 W or more.
  • Such an unstable phenomenon is a factor that raises questions about the stability of the light source when a high-power coherent light source is constructed using PPMgLN or the like as a wavelength conversion element. If this phenomenon is neglected, the reliability of the light source is significantly impaired.
  • An object of the present invention is to elucidate the cause of this output instability phenomenon and to show a method for avoiding this phenomenon, and to provide a coherent light source capable of stably outputting at a high output. Means for solving the problem
  • a light source unit that emits a fundamental wave having a first wavelength of 1070 nm or more and a fundamental wave that emits a second harmonic of the fundamental wave at a predetermined average output or more. It is a coherent light source having a wavelength converter.
  • the wavelength conversion section has Mg dopant LiNb03 having a periodic domain-inverted structure! /.
  • the wavelength conversion unit has Sc dope LiNb03 having a periodic domain-inverted structure! /.
  • the wavelength conversion unit preferably includes In-dope LiNb03 having a periodic domain-inverted structure! /.
  • the wavelength converter has a Zn doped LiNb03 having a periodic domain-inverted structure! /.
  • the present invention provides a light source unit that emits a fundamental wave having a first wavelength of 1027 nm or more, and emits a second harmonic of the fundamental wave at a predetermined average output or more upon receiving the fundamental wave.
  • the present invention provides a light source unit that emits a fundamental wave having a first wavelength of 1018 nm or more, and emits a second harmonic of the fundamental wave at a predetermined average output or more upon receiving the fundamental wave.
  • the present invention provides a light source unit that emits a fundamental wave having a first wavelength of 850 nm or more, and emits a second harmonic of the fundamental wave at a predetermined average output or more upon receiving the fundamental wave.
  • the coherent light source has a wavelength conversion unit including KTiOP04 having a periodic domain-inverted structure.
  • each aspect of the present invention it is preferable to further include an ultraviolet light shielding unit that covers at least a part of the wavelength conversion unit and protects the wavelength conversion unit even when the optical power is 400 nm or less incident from the outside. .
  • the present invention provides a light source unit that emits a fundamental wave having a first wavelength of 800 nm or more, and light having a second wavelength that is a half wavelength of the first wavelength after receiving the fundamental wave.
  • This is a coherent light source having a wavelength conversion unit that emits light at a predetermined average output or more and an ultraviolet light shielding unit that covers at least a part of the wavelength conversion unit and protects the wavelength conversion unit from light incident at a wavelength of 400 nm or less.
  • the wavelength converter is operated at 100 degrees Celsius or less.
  • the polarization reversal angle which is an angle formed by the normal line of the stripe indicated by the periodic polarization reversal structure of the wavelength converter and the traveling direction of the fundamental wave, is 3 degrees or more. Good.
  • the wavelength converter has a crystal structure, and an angle formed between a stripe indicated by the periodic domain-inverted structure and a direction perpendicular to the a-axis and the c-axis of the crystal structure is 0. It is preferred to be greater than 1 degree and less than 1 degree.
  • a light source unit that emits a fundamental wave having a predetermined first wavelength and a periodic polarization reversal structure are provided, and the second harmonic of the fundamental wave is predetermined by receiving the fundamental wave.
  • the polarization reversal angle which is the angle formed by the normal of the stripe indicated by the periodic polarization reversal structure provided in the wavelength conversion portion and the traveling direction of the fundamental wave, is 3 degrees. This is the coherent light source characterized by the above.
  • the wavelength conversion unit has a crystal structure and has periodic polarization reversal.
  • the angle between the stripe indicated by the structure and the direction perpendicular to the a-axis and c-axis of the crystal structure is preferably greater than 0 degree and less than 1 degree.
  • the electrode unit further arranged to be energized to the wavelength conversion unit;
  • the light source section preferably has a fiber laser.
  • the light source unit is Q-switch pulse driven and the repetition frequency thereof is 1 kHz or more.
  • the predetermined average output of the second harmonic of the wavelength converter is 1
  • the predetermined average output of the second harmonic of the wavelength converter is 2
  • the predetermined average output of the second harmonic of the wavelength converter is 2
  • the power is 5 W or more.
  • the predetermined average output of the second harmonic of the wavelength converter is 3
  • it is W or more.
  • the present invention provides a high-power coherent light source using a wavelength conversion element in the visible light region.
  • the coherent light source according to the present invention has an output instability at high output and a stable output characteristic free from reliability problems.
  • FIG. 11 Graph showing the relationship between polarization reversal angle, SHG conversion efficiency, and wavelength conversion element tolerance
  • the coherent light source according to the present invention uses high-output light emitted from a high-output light source unit as a fundamental wave, and converts the fundamental wave into a second harmonic by a wavelength conversion unit and emits it.
  • the coherent light source useful in the present invention is a high-power coherent light source having a light source unit that emits a high-output fundamental wave and a wavelength conversion element that realizes highly efficient wavelength conversion.
  • a high-power coherent light source having a light source unit that emits a high-output fundamental wave and a wavelength conversion element that realizes highly efficient wavelength conversion.
  • SHG fundamental wave and second harmonic
  • the present invention discloses a coherent light source that is capable of more stable and high output based on knowledge found in the phenomenon discovered by the present inventors.
  • the inventor of the present application discovered an unstable phenomenon that has not been observed in the past when PPMgLN was used to generate high-power green light (wavelength: 532 ⁇ m) of 1 W or higher. Further, the inventor of the present application has found that there is a phenomenon that the output deteriorates even when the light source is used for a long time. The inventor of the present application elucidates the cause of the phenomenon that has been discovered, and discloses a configuration of a high-power coherent light source that does not cause such instability and deterioration of output with time.
  • the inventor of the present application conducted a wavelength conversion experiment on PPMgLN doped with Mg 5 mol% using the optical system 100 shown in FIG.
  • the optical system 100 includes a light source 101, a wavelength conversion element 102, and a condensing optical system 103.
  • the light source 101 is a laser light source using Nd: YV04 as a solid-state laser, and generates laser light having a wavelength of 1064 nm by semiconductor laser excitation.
  • the light source 101 is configured to insert an AO switch in the resonator of the solid-state laser and generate a pulse train having a high spire value by the Q switch.
  • the wavelength conversion element 102 includes PPMgL N doped with Mg 5 mol%, has a polarization inversion structure with a period of 6.95 / zm, and has an element length of 10 mm.
  • Light having a wavelength of 1064 nm emitted from the light source 101 is used as the fundamental wave 104.
  • the fundamental wave 104 enters the wavelength conversion element 102 and is converted to SHG 105 having a wavelength of 532 nm.
  • the fundamental wave 104 is generated as a pulse train as described above, and the average power can be set to several watts.
  • the fundamental wave 104 may be condensed by the condensing lens constituting the condensing optical system 103 and converted in wavelength by the wavelength conversion element 102. The conversion efficiency for this wavelength conversion is around 50%.
  • the inventor of the present application in addition to SHG105 with a wavelength of 532nm, emits ultraviolet light with a wavelength of 355nm (not shown) from wavelength conversion element 102 (PP MgLN). I found out that The generation of ultraviolet light was observed in the fundamental wave intensity region where the conversion efficiency of SHG105 was reduced. In addition, the propagation direction of the observed SHG105 and ultraviolet light (not shown), that is, the direction indicated by the pointing vector, was slightly shifted, and it was revealed that they occurred at different emission angles.
  • FIG. 2A shows the optical system 200 used in this study.
  • the optical system 200 includes two types of light sources, a light source 201 and an ultraviolet light source 202, a dichroic mirror 203, and a wavelength conversion element 102 ( PPMgLN), a filter 204, and a photo detector (PD) 205.
  • the light source 201 is a light source that emits light having a predetermined wavelength in the infrared region (infrared light 210), and the ultraviolet light source 202 is light having a predetermined wavelength (for example, 355 nm) in the ultraviolet region (ultraviolet light). ).
  • the light emitted from both the light sources 201 and 202 is combined by the dichroic mirror 203 and enters the wavelength conversion element 102 (PPMgLN).
  • the light emitted from the wavelength conversion element 102 is transmitted through the filter 204 in a wavelength-selective manner, wavelength-separated, and detected by the infrared light 210 force SPD 205 that passes through the filter 204.
  • the light source 201 continuously emits infrared light 210, and the ultraviolet light source 202 emits ultraviolet light while intensity-modulating it.
  • FIG. 2B is a graph plotting the intensity of the ultraviolet light emitted from the ultraviolet light source 202 and the intensity of the infrared light 210 detected by the PD 205.
  • the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents light intensity.
  • the ratio of the intensity 251 of infrared light 210 to the intensity 253 of ultraviolet light is not particularly important. Prioritizing the clarity of the graph, the plot is ignored.
  • the important point here is the correlation between the time zone in which the intensity 253 of the ultraviolet light shows a non-zero value and the time zone in which the intensity 251 of the infrared light 210 is relatively low.
  • the power of the ultraviolet light actually used in the experiment was about several mW, but it can be seen that the intensity of the infrared light 210 emitted from the wavelength conversion element 102 decreases with the irradiation of the ultraviolet light.
  • the generated output instability phenomenon of SHG105 occurs when, for example, the fundamental wave 104 having a wavelength of 1064 nm is converted to SHG105 having a wavelength of 532 nm in PPMgLN (wavelength conversion element 102).
  • SFG (not shown) in the ultraviolet region having a wavelength of 355 ⁇ m, which is the sum frequency of the wavelength of 1064 nm and the wavelength of 532 nm, is generated.
  • the generation of SFG in the ultraviolet region increases the absorption of visible light, resulting in a thermal lens effect in which the temperature in the crystal (PPMgLN) partially rises, leading to unstable phase matching.
  • the wavelength conversion element 102 generating visible light for example, SHG105
  • ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less
  • the thermal lens effect occurs, which causes the output of the wavelength conversion element 102 to fluctuate.
  • the harmonic output is small, even if absorption occurs, the temperature rise in the wavelength conversion element 102 due to absorption is small, and the thermal lens effect does not occur.
  • the output of harmonics for example, SHG105
  • exceeds about 1W the range of temperature rise due to the absorption of harmonics increases, the thermal lens effect occurs, and output instability occurs.
  • Such harmonic output instability is caused not only by ultraviolet light generated inside the wavelength conversion element 102 but also by ultraviolet light irradiated from the outside of the generated wavelength conversion element 102. Even when the power of ultraviolet light generated inside the wavelength conversion element 102 or irradiated from the outside is relatively small, the absorption of visible light increases. Therefore, it is preferable that the wavelength conversion element 102 is protected by the ultraviolet light shielding portion so that the external force is not incident on the ultraviolet light.
  • This ultraviolet light shielding part desirably shields light having a wavelength of 40 Onm or less to protect the element 102. It is desired to have a high shielding ability (non-transmission) for light having a wavelength of at least 320 nm and not more than 400 nm.
  • the ultraviolet light shielding part By providing the ultraviolet light shielding part, even if the ultraviolet light incident on the wavelength conversion element 102 from the outside is almost completely shielded, if the output of harmonics (for example, SHG) is increased, the output will be reduced. Stability phenomenon was observed. The cause is the presence of ultraviolet light generated inside the wavelength conversion element 120 substrate. However, in order to generate SFG with a degree that cannot be ignored, that is, in order to perform wavelength conversion to SFG with high efficiency, a predetermined phase matching condition must be satisfied. In the same device, it is unlikely that high-efficiency wavelength conversion of SFG that uses a wavelength different from the intended purpose from the element design stage will easily occur.
  • harmonics for example, SHG
  • the tolerance is high. Even if the average output of SHG is several W (power density: several MWZcm 2 or more), unstable phenomenon does not occur o
  • PPMgLN The phase matching characteristics of were analyzed.
  • PPMgLN In order for SFG to occur with high efficiency, PPMgLN must satisfy non-critical quasi-phase matching conditions. Even if the non-critical pseudo phase matching condition is not completely satisfied, the pseudo phase matching condition is satisfied by the fundamental wave and SFG propagating in different directions with a non-zero walk-off angle. There are things to do. As this walk-off angle decreases, SFG increases rapidly. If the walk-off angle becomes zero and the fundamental wave and the SFG travel in the same direction, this corresponds to the case where the non-talical quasi-phase matching condition is met!
  • Fig. 3A shows the walk-off angle of the generated SFG.
  • the arrow indicates the light propagation direction.
  • the walk-off angle indicates the angle formed by the arrows indicating the propagation directions of SFG and SHG. In other words, this walk-off angle is the angle between the SFG and SHG pointing vectors.
  • Periodic polarization with PPMgLN force period of about 6.95 m is required to satisfy the phase matching condition that generates SHG of 532 nm wavelength from light of 1064 nm wavelength (fundamental wave) by wavelength conversion with PPMgLN It is necessary to provide an inversion structure. This value is calculated from the refractive index dispersion of MgLN.
  • light with a wavelength of 355 nm is generated by the sum frequency (SFG) of a fundamental wave with a wavelength of 1064 nm and SHG light with a wavelength of 532 nm.
  • SFG sum frequency
  • a polarization inversion period of 6.95 m suitable for generating SHG from the fundamental wave does not satisfy the polarization inversion period of 1. 95 suitable for generating the sum frequency of the fundamental wave and SHG.
  • the possibility of phase matching in higher order periodic structures remains. If the periodic polarization inversion structure is an integer multiple (m times) of 1.79 / zm, phase matching is possible and sum frequency (SFG) can be generated with high efficiency. (However, in this case, the conversion efficiency decreases in proportion to lZ (m 2 ).)
  • FIG. 3A shows that the fundamental, SHG, and force non-critical phase matching are performed.
  • SHG in PPMgLN Generation can be highly efficient by performing non-critical phase matching in which the fundamental wave and SHG propagate in the same traveling direction.
  • the fundamental wavelength is 1000 ⁇ !
  • SFG wavelength ( ⁇ ⁇ 3)) of fundamental wave (wavelength ⁇ ) and SHG (wavelength ( ⁇ / 2)) is 4th and 5th order quasi phase matching (QPM) ( These are described as 4thQP M and 5thQPM, respectively).
  • QPM quasi phase matching
  • SFG due to fifth-order quasi-phase matching has a large walk-off angle of 30 degrees or more, so the output of SFG (sum frequency) has no effect on the tolerance.
  • the walk-off angle with SFG which is the vertical axis in Fig. 3B, refers to the walk-off angle between SFG and the fundamental wave. If the walk-off angle between the fundamental wave and SHG is zero, the force matches the walk-off angle shown in Fig. 3A.
  • the walk-off angle shown in Fig. 3A and the walk-off angle on the vertical axis in Fig. 3B Note the differences.
  • SFG due to fourth-order quasi-phase matching occurs when the fundamental wavelength is 1030 nm or more, as shown in Fig. 3B.
  • the walk-off angle is small, and the output of the SFG greatly increases near the fundamental wavelength of 1030 nm.
  • Fig. 3C the SFG output greatly increases even in the region where the fundamental wave wavelength is about 1050 ⁇ m or less when the walk-off angle is 10 degrees or less, and the region near the fundamental wavelength of 1030 nm.
  • the wavelength conversion element has a fundamental wavelength dependency.
  • the fundamental wavelength is 1030 nm
  • the SFG light is greatly increased, and at the same time, the tolerance of the wavelength conversion element is greatly reduced because the non-critical phase matching condition is established in which SFG is output in the same direction as the fundamental wave. To do.
  • SFG generation by lower-order quasi-phase matching also exists in the vicinity of the fundamental wavelength of 1370 nm.
  • the wavelength of SFG is 450 nm or more, and there is no effect on the output stability of PPMgLN.
  • higher-order (sixth or higher) phase matching conditions may be satisfied, as described above, conversion efficiency decreases in inverse proportion to the square of the order, so higher-order ( Phase matching (sixth or higher) is negligible in measuring the tolerance of wavelength conversion elements.
  • the generation power of SFG increases the absorption of infrared light, which is the fundamental wave, and visible light, which is SHG, in the phase matching in PPMgLN, causing a partial temperature rise in PPMgLN and causing phase matching to occur. It became clear that the output was unstable and the output was unstable.
  • the walk-off angle between the SFG and the fundamental generated by the 4th and 5th quasi-phase matching of the PPMgLN is 15 degrees or more when the fundamental wavelength is 1070 nm or more. Become. If the walk-off angle is such a large angle, the SHG output will not be affected. Generally, the fundamental wavelength used for SHG generation is 1064nm. The walk-off angle at this time is 13 degrees. However, it is desirable for the inventors of the present application to use a fundamental wavelength of 1070 nm or more in order to stabilize the SHG output. In other words, the walk-off angle should be 15 degrees or more.
  • FIG. 3D is a graph showing the walk-off angle between the SFG and the fundamental wave generated by the fourth-order and fifth-order quasi-phase matching of PPMgSLN.
  • the horizontal axis is the fundamental wavelength. From this figure, in PPMgSLN, when the fundamental wavelength is 1027nm or more, the walk-off angle is 15 degrees or more.
  • FIG. 3E is a graph showing the walk-off angle between the SFG and the fundamental wave generated by the fourth-order and fifth-order pseudo phase matching of PPLT (LiTa03 having a periodic domain-inverted structure).
  • the horizontal axis is the fundamental wavelength. From this figure, in PPLT, the walk-off angle is 15 degrees or more when the fundamental wavelength is 1018 nm or more.
  • FIG. 3F is a graph showing the walk-off angle between the SFG and the fundamental wave generated by the third-order and fourth-order quasi-phase matching of PPKTP (KTP having a periodic domain-inverted structure).
  • the horizontal axis is the fundamental wavelength.
  • the walk-off angle is 15 degrees or more when the fundamental wavelength is 850 nm or more.
  • UV SFG is generated by fundamental wave and SHG.
  • Thermal lens effect is generated in the wavelength conversion element due to partial temperature rise due to absorption.
  • the wavelength of SFG is longer than the absorption edge of the crystal (which constitutes the wavelength conversion element). (SFG generation is suppressed by absorption of crystals below the absorption edge.)
  • SFG is ultraviolet light with a wavelength of 400nm or less.
  • the absorption coefficient of the nonlinear optical crystal is increased by ultraviolet light irradiation.
  • the output instability phenomenon due to the thermal lens effect described above is a phenomenon in which the generation of ultraviolet rays causes the absorption of the fundamental wave and its (second) harmonics, resulting in the thermal lens effect and the output becoming unstable. It is. It has been clarified that the generation of the thermal lens effect due to the absorption of light is greatly influenced by the peak power and average power of the absorbed light, depending on the wavelength of the absorbed light. Each case will be described below.
  • the above-described fundamental wave absorption corresponds to the case (i).
  • the absorption coefficient is small, the power density at which the thermal lens effect is generated is relatively high.
  • the thermal lens effect due to absorption of the fundamental wave appears remarkably in the case of wavelength conversion of pulsed light with a large peak power. This is because the heat lens effect is remarkably generated by the spire value of pulsed light with high power.
  • FIG. 4A is a configuration diagram of the coherent light source 400 according to the first embodiment of the present invention.
  • the coherent light source 400 includes a light source 401 that constitutes a light source unit, and a wavelength conversion element 402 that is a wavelength conversion unit. Further, the coherent light source 400 may include a condensing optical system 403 that is a condensing unit so that the fundamental wave 404 emitted from the light source 401 is condensed on the wavelength conversion element 402.
  • the light source 401 can perform Q-switch pulse driving in order to improve the efficiency of wavelength conversion by the wavelength conversion element 402.
  • the wavelength conversion element 402 includes PPMgLN which is a nonlinear optical material.
  • the fundamental wave 404 emitted from the light source 401 is condensed in the wavelength conversion element 402 (PPMgLN) by the condensing optical system 403.
  • the wavelength conversion element 402 converts the fundamental wave 404 into SHG 405 therein, and the fundamental waves 404 and SHG 405 are converted into SFG 406 inside the element 402.
  • the wavelength of the fundamental wave 404 is obtained
  • the wavelength of SHG405 is ( ⁇ / 2)
  • the wavelength of SFG406 is ( ⁇ / 3).
  • FIG. 4B is a configuration diagram of a coherent light source 450 according to a modification of the first embodiment.
  • the coherent light source 450 is based on the configuration of the coherent light source 400 (see FIG. 4), and further includes an ultraviolet light shielding unit 451.
  • the ultraviolet light shielding unit 451 shields light having a wavelength of 400 nm or less and protects the wavelength conversion element 402.
  • the ultraviolet light shielding part 451 preferably has a high shielding performance (non-transparency) for light having a wavelength of at least 320 nm and at most 400 nm.
  • the ultraviolet light shielding part 451 can protect the wavelength conversion element 402 by ultraviolet light force caused by ultraviolet light generation factors such as fluorescent lamps and sunlight.
  • the wavelength conversion element 402 is free from the incidence of ultraviolet light from the outside.
  • Coherent light source 451 shields ultraviolet light from the outside Therefore, green light (SHG405) with an output of about 1W can be generated stably.
  • the SHG wavelength is 400 nm or more.
  • the fundamental wave power is ⁇ OOnm
  • the SFG wavelength of the fundamental wave and SHG is approximately 267nm (Z3). Therefore, no ultraviolet light having a wavelength in the range of 320 nm to 400 nm is generated in the wavelength conversion element 402, and only the ultraviolet light incident from the outside affects the increase in visible light absorption. For this reason, by adding the ultraviolet light shielding part 451, the stability of the coherent light source at the time of high output of SHG is dramatically improved.
  • the ultraviolet light shielding part 451 can be constituted not only by the wavelength converting element 402 but also by an ultraviolet light impervious thin film formed on the surface of the wavelength converting element 402. .
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength conversion element 402 and the high output tolerance with respect to the fundamental wavelength ⁇ .
  • the light source 401 is pulse-driven at a repetition frequency of 60 kHz, the pulse width of each pulse is about 20 ns, and the output characteristics are observed by changing the fundamental wavelength.
  • the temperature of the observation environment is room temperature.
  • the high output tolerance gradually increases depending on the wavelength (region 501).
  • the walk-off angle of SFG406 is kept above 30 degrees, so the strength of SFG406 is very small (see Fig. 3B).
  • SFG due to the 4th-order QPM does not occur because phase matching is not possible (see Figure 3B). Therefore, the output of the SFG 406 is very small, and the wavelength conversion element 402 exhibits high high output resistance.
  • the wavelength of the fundamental wave emitted from the light source 401 is preferably 1030 nm or less.
  • the walk-off angle of SFG406 and fundamental 404 due to the 4th and 5th order quasi-phase matching is both 10 degrees or more (see Fig. 3B), so the output of SFG406 is Low (area 505). Therefore, the wavelength conversion element 402 exhibits high high output resistance.
  • the wavelength of the fundamental wave emitted from the light source 401 is also preferably 1050 nm or more. Furthermore, it is desirable that the walk-off angle is 15 degrees or more, and the fundamental wavelength is 1070 nm or more.
  • Fig. 6 is a graph showing the relationship between the fundamental wavelength and the tolerance strength in the vicinity of the region where SFG406 is perfectly phase-matched, with the phase-matching temperature varied. As shown in region 5 01 in Fig. 5, the generation of SFG406 was suppressed at wavelengths below 1030 nm, indicating strong resistance. However, the inventor of the present application has found that there is a limit to the temperature of the crystal in order to achieve strong resistance in this fundamental wavelength region. In general, the wavelength conversion element 402 is often used at a crystal temperature of about 100 ° C. or higher in order to reduce the effects of optical damage and GRIIRA.
  • the region where the tolerance is low shifts to the short wavelength side.
  • the shortest fundamental wave wavelength end in the fundamental wave wavelength region where the tolerance becomes low becomes shorter as the temperature of the wavelength conversion element increases.
  • the fundamental wavelength is! ⁇ !
  • the phase matching temperature it is preferable to keep the phase matching temperature at 50 ° C. or lower in order to keep the high output resistance high.
  • the fundamental wavelength when the fundamental wavelength is included in the range of 1020 nm to 1030 nm, it is desirable to use the crystal temperature with careful attention. In this wavelength region, the perfect phase matching condition is met with a slight temperature rise, the strength of SFG406 increases rapidly, and the high output tolerance is greatly degraded.
  • a Yb: YAG solid-state laser or a Yb-doped fiber laser can be used as the light source 401. These light sources have high efficiency and high output.
  • the combination of these light sources and the wavelength conversion element 4022 can realize a high-output coherent light source.
  • the temperature of the wavelength conversion element 402 low, it has high output tolerance and high efficiency.
  • a high-power coherent light source 400 is realized.
  • the fundamental wave wavelength is included in the range of 1030nm to 1050nm, as shown in Fig. 3B, the fundamental wave 404 and SFG406 walk angle angle force is 10 degrees / J, and SFG406 is generated with force and strength. To do. For this reason, the resistance is lOMWZcm 2 or less.
  • PPMgLN wavelength conversion element 4002
  • the power density of the fundamental wave is about LMWZcm 2 is desirable.
  • a high-power pulse is used as the fundamental wave 404 or the wavelength conversion element 402 is used as an internal resonator.
  • the wavelength conversion element 402 when the fundamental wave wavelength is included in the range of 1060 nm to LlOOnm will be described.
  • a high-power light source using a solid light source doped with Nd or Yb can be used as the fundamental light source 401.
  • S FG406 there is S FG406 in the ultraviolet region generated by the fourth-order QPM.
  • the walk-off angle between the fundamental wave 404 and SFG406 is 10 degrees or more (15 degrees or more at 1070 nm or more), the intensity of SFG406 generation is kept low and shows relatively high resistance.
  • the resistance to the power density of the applied fundamental wave is about 50MWZcm 2 or more. This is reported as a laser damage metamorphosis in normal LN !, which is a low value compared to a value of about 100-200 MWZcm 2, and a high non-linear constant PPMgLN has a high efficiency of over 50% Since wavelength conversion can be carried out by this, it is resistant to practically no problem. Low non-linearity, high in material to increase efficiency! Power that requires optical power density and high resistance required for that.
  • PPMgLN is used in the wavelength range from 1060 to L lOOnm, it is fundamental
  • the wave 404 and SFG406 have a walk-off angle of 10 degrees or more (15 degrees or more at 1070 nm or more), so a practical and highly efficient coherent light source can be realized.
  • this wavelength region (1060 nm to LlOOnm) it is preferable from the viewpoint of stable output that the power density of the fundamental wave is about 50 MWZcm 2 or less. Furthermore, it is more preferable to use at about 1 to 40 M WZcm 2 . In this region, conversion efficiency is as high as about 50%. Furthermore, even when used for a long period of time, no deterioration of the crystal is observed, and the life can be extended.
  • the problem of crystal lifetime is closely related to the increase of absorption by infrared light (eg fundamental wave 404) and visible light (eg SHG405) crystal (wavelength conversion element 402) due to generation of ultraviolet light (eg SFG406).
  • fundamental wave 404 infrared light
  • visible light eg SHG405
  • crystal wavelength conversion element 402
  • ultraviolet light eg SFG406
  • the walk-off angle of the fundamental wave 404 and the SFG 406 it is preferable to set to 10 degrees or more in order to ensure a long lifetime of the crystal. More preferably, it is more preferably 15 degrees or more, and further 20 degrees or more, because the resistance can be increased to almost the same level as the light damage resistance.
  • control the crystal temperature It is preferable to set the phase matching wavelength to a desired value. In particular, when the fundamental wavelength is included in the range of 1060 nm to: LlOOnm, SFG406 is slightly emitted. For this reason, it is desirable to use the SHG405 with an output of 5 W or less.
  • the average output of SHG405 is preferably 1 W or more, 2 W or more, 2.5 W or more, or 3. OW or more and 5.0 W or less. If it is used within this SHG output range, high-efficiency conversion, output stability, and long life can be achieved. In addition, when using at a higher power density, the crystal temperature may be increased.
  • the light source 401 is preferably a force Q-switch pulse light source that can be a CW light source. This is because even if the average power of the fundamental wave 401 is low, high peak power can be used and high-efficiency conversion is possible.
  • the repetition frequency is preferably 1 kHz or more. At repetition frequencies below this, the peak power may be too high. Since the coherent light source according to the present invention is used while being suppressed to a power density of about 50 MWZ cm 2 that is effective for stabilization, it may be necessary to increase the light beam spot and lower the average power. is there.
  • the repetition frequency is preferably 1 kHz or more, more preferably 10 kHz or more.
  • the light source 401 includes Nd: YV04, Nd: YAG, Nd: Nd material such as glass, or Yb:
  • YAG, Yb Yb-doped material such as glass.
  • the light source 401 preferably includes a Yb-doped fiber laser.
  • the fiber laser is easy to increase the output, has excellent beam condensing characteristics with high beam quality, and can be converted with high efficiency. For example, if a 100W light source is condensed to about 20 / ⁇ ⁇ ⁇ , the power density is 30 MWZcm 2 , and depending on the fundamental wavelength, a value that may affect the durability of the wavelength conversion element 402 (P PMgLN) Obtainable.
  • the light source 401 is configured so as to amplify light from a pulse-driven light source using a Yb-doped fiber laser as an amplifier, output with a high peak value is possible. Such a light source 401 is suitable for realizing a coherent light source with high efficiency and high output.
  • the resonator When the wavelength conversion element 402 is used with an internal resonator structure, the resonator The power of the internal fundamental wave 404 easily reaches several tens or hundreds of times the external pump power. Therefore, it is normal for the internal power to exceed 100W. If the configuration of the coherent light source 400 according to the present invention is applied, a stable visible light coherent light source having high efficiency and high output can be realized.
  • PPMgLN doped with Mg 5 mol% is used as an example for the purpose of PPMgLN, but the Mg doped amount of PPMgLN is preferably 4.9 mol% to 6 mol%. This is because the light damage resistance is excellent.
  • PPMgLN having a stoichiometric composition can also be used because it is a highly nonlinear material with excellent light damage resistance.
  • the Mg doping amount is preferably 1.5 mol% or more.
  • Mg-doped LiTa03 Mg-doped stoichiometric LiTa03, KTP, and the like can also be used for the wavelength conversion element 402 of the coherent light source 400 according to the present invention.
  • stable output characteristics can be realized by setting the walk-off angle between the fundamental wave 404 and SFG 406 to 10 degrees or more. More preferably, the walk-off angle is set to 15 degrees or more.
  • the coherent light source according to the present invention is a coherent light source capable of receiving a fundamental wave having a light source power and emitting the second harmonic of the fundamental wave with high output.
  • the output of the second harmonic can be more than 1W on average. It is also possible to obtain an average output of 2W or higher, 2.5W or higher, or 3W or higher.
  • Output instability due to the thermal lens effect described above is caused by the generation of ultraviolet rays and absorption by the wavelength conversion element 402 of the fundamental wave and the harmonic wave, and the thermal lens effect is generated by the absorbed energy, resulting in unstable output. It is a phenomenon to hesitate. In the case of absorption of infrared light, the power density required to generate the thermal lens effect is high because the absorption coefficient is relatively small. For this reason, the thermal lens effect occurred due to the high peak power of the peak value. On the other hand, for visible light with a short wavelength, the occurrence of a thermal lens effect with a large absorption coefficient becomes more prominent.
  • the SFG706 in the phase-mismatch state is also shown in FIG. However, it propagates in the same direction as the fundamental wave 404.
  • the output 703 of the phase mismatched SFG 706 increases little with respect to the propagation distance.
  • absorption occurs even with minute ultraviolet light (SFG706) generated in a phase mismatch state.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the wavelength conversion unit 800 of the coherent light source according to the second embodiment of the present invention. Since other components may be the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the fundamental wave 804 is wavelength-converted to SHG (second harmonic) 805 by the periodic domain-inverted structure 8 03 formed on the substrate (wavelength conversion element) 802.
  • the light source unit (not shown) includes a fiber laser, and the wavelength of the emitted light is 1084 nm.
  • the fundamental wave 803 having a wavelength of 1084 ⁇ m is wavelength-converted into green light having a wavelength of 542 nm by the PPMgLN (wavelength conversion element 802) having the wavelength conversion element 802 and the periodically poled structure 803.
  • the period of the periodically poled structure 803 is about 7 m, and the phase matching condition is controlled by the temperature control of the element 802.
  • the temperature control may be provided with a temperature control unit (not shown).
  • the fundamental wave 804 and SHG805 propagate in the same direction.
  • the temperature of the wavelength conversion element 802 is set to the state of complete phase matching.
  • the phase mismatch is maintained by shifting the force.
  • the SHG805 emits at an angle (walk-off angle) with respect to the fundamental wave 804. In this case, the conversion efficiency to SHG805 is reduced. Since the overlap between the fundamental wave 804 and the SHG805 beam is reduced, the sum frequency output generated by the fundamental wave 804 and SHG805 is greatly reduced. As a result, the output instability phenomenon due to SHG805 absorption is greatly reduced.
  • the non-zero walk-off angle is generated to suppress the sum frequency.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a wavelength conversion unit 900 according to a modification of the second embodiment according to the present invention.
  • the normal direction of the stripe of the polarization inversion structure 903 is formed so as to be inclined by an angle ⁇ with respect to the optical axis of the fundamental wave 904.
  • a walk-off angle ⁇ W is formed in SHG 905 and fundamental wave 904 by chromatic dispersion of SHG 905 and fundamental wave 904.
  • the angle between the polarization inversion optical axis and the fundamental wave 904 is defined as the polarization inversion angle ⁇ .
  • the output SHG805 is divided into two directions, the reduction in conversion efficiency due to the generation of a non-zero walk-off angle is relatively large.
  • the angle at which the SHG 905 is generated that is, the walk-off angle
  • the propagation direction of SHG905 is limited to one direction, a decrease in conversion efficiency can be reduced.
  • the overlap between the fundamental wave 904 and SHG905 is reduced, so the sum frequency (SFG) generated by the overlap can be greatly reduced, and stability at high output is achieved. Will improve.
  • Fig. 10 is a graph showing the relationship between the polarization inversion angle ⁇ (the deviation angle of the polarization inversion structure 903 from the state perpendicular to the fundamental wave beam) and the walk-off angle formed by the fundamental wave 904 and SHG905. It is. This graph was obtained by calculation with a fundamental wavelength of 1080 nm. Referring to FIG. 10, it can be seen that the walk-off angle ⁇ W is about 1Z30 of the polarization inversion angle ⁇ of the polarization inversion structure 903. To suppress the generation of harmonics, the walk-off angle needs to be 0.1 degree or more. Therefore, the polarization reversal angle ⁇ is 3 degrees or more It is preferable.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the polarization inversion angle ⁇ , the conversion efficiency 1101 of the fundamental wave 904 into the SHG 905, and the high output tolerance 1103 of the wavelength conversion element 902.
  • the polarization reversal angle is 2 degrees or more, the resistance is remarkably improved. If the polarization reversal angle is 5 degrees, the high output resistance is 1.4 times that of the case where the polarization reversal angle is zero degrees, and the conversion efficiency decreases to about 1Z2.
  • the domain-inverted angle is preferably 3 degrees or more and 20 degrees or less. More preferably, it is 5 degrees or more and 10 degrees or less.
  • the direction of the stripe of the domain-inverted structure 903 is the wavelength conversion element.
  • the polarization inversion structure 903 of the Balta crystal is preferably formed on the Z substrate.
  • An electrode is formed on the + Z surface of the Z substrate, and a voltage is applied to it.
  • the stripe direction of the electrode needs to be formed so as to substantially coincide with the Y-axis direction of the crystal constituting the element 902.
  • the polarization inversion structure 903 when the polarization inversion structure 903 is formed to be inclined with respect to the optical axis, it is preferable to form the polarization inverted structure 903 with the optical axis and the Y axis of the crystal being inclined. If the force in the stripe direction of the domain-inverted structure 903 deviates from the Y-axis of the crystal, the uniformity of the domain-inverted structure 903 deteriorates and the conversion efficiency is greatly reduced. Therefore, it is desirable to match the stripes of the domain-inverted structure 903 in the Y-axis direction. It is desirable to suppress the angle between the domain-inverted structure 903 and the Y axis within ⁇ 1 degree.
  • the efficiency is reduced to 80% or less as compared with the case where the domain-inverted structure 903 is formed in an ideal direction due to the non-uniformity of the domain-inverted structure 903.
  • the deviation between the stripe of the 903 and Y axis exceeds 5 degrees, the conversion efficiency decreases to less than half of the ideal state.
  • the two fundamental waves have the same optical axis and emit a 450 nm sum frequency at different angles.
  • a configuration in which the fundamental wave with a wavelength of 1080 nm and the optical axis of the sum frequency with a wavelength of 450 nm are matched, and the optical axis of the fundamental wave with a wavelength of 770 nm is slightly angled with the two previous lights is preferable.
  • the generation or influence of ultraviolet light can be reduced, and high output tolerance can be improved.
  • high power tolerance can be improved by the power ratio of the two fundamental waves.
  • the output of the sum frequency is proportional to the product of the power of the two fundamental waves.
  • SHG from fundamental waves with a short wavelength is a problem for fundamental wave power that causes absorption of the sum frequency. Therefore, in the case of sum frequency generation, if the power of the first fundamental wave with wavelength ⁇ 1 is Pl and the power of the second fundamental wave with wavelength ⁇ 2 is ⁇ 2, then if ⁇ 1> ⁇ 2, then ⁇ 1 > ⁇ 2 is preferred.
  • ⁇ 1> ⁇ 2 is preferred.
  • the light source unit constituting the coherent light source according to the present embodiment can be used as long as it is a light source indicated by V in other embodiments.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a coherent light source 1200 according to the third embodiment.
  • the coherent light source 1200 of this embodiment has the same configuration as the coherent light source shown in the previous embodiment, but has the electrode 1211 arranged in the current source 1210 and the wavelength conversion element 1202 in the previous embodiment. Different from coherent light source.
  • the fundamental wave 1204 emitted from the light source 1201 is converted into SHG 1205 by the wavelength conversion element 1202 (PPMgLN). Furthermore, SHG1205 and fundamental wave 1204 generate sum frequency, which may generate SFG1206.
  • SFG1206 force When the light is in the ultraviolet region with a wavelength of 400 nm or less, free electrons increase inside the PPMgLN due to the generated ultraviolet light.
  • the voltage applied to the electrode 1211 is AC It is preferable to change, and it is desirable to apply an AC voltage with a frequency of 100 Hz or higher.
  • the inventor of the present invention has clarified the mechanism of the output instability phenomenon in the powerful SHG wavelength conversion that has not been clarified so far, thereby suppressing the generation of the sum frequency.
  • a coherent light source capable of obtaining a stable second harmonic output is provided.
  • the coherent light source according to the present invention suppresses the generation of the sum frequency by increasing the walk-off angle between the sum frequency light generated by the fundamental wave and the second harmonic and the fundamental wave, and the stable second high frequency. Harmonic output can be obtained.
  • the coherent light source according to the present invention has a great practical effect as a coherent light source for high-power applications.

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Abstract

　第１波長を有する基本波を出射する光源部と、基本波を受けて基本波の第２高調波を所定の平均出力以上で出射する波長変換部を有するコヒーレント光源である。本コヒーレント光源は、出力が不安定になる特性要因である、第２高調波と基本波の和周波発生を抑圧する。そのため、基本波とＳＦＧ光のウォークオフ角を１５度以上に保つ構成を有する。

Description

明 細 書
コヒーレント光源
技術分野
[0001] 本発明は、コヒーレント光源に関し、特に、光を受け、波長を変換することにより受け た光の波長と異なる波長を有する光を出射する波長変換素子を備えたコヒーレント光 源に関する。
背景技術
[0002] コヒーレント光源に関連し、近年、光の波長変換技術は継続的に発展を遂げ、もつ てコヒーレント光源の高効率化、高出力化が進んでいる。例えば、コヒーレント光源の 高効率ィ匕を実現する方式として、内部共振器を用いて基本波のパワー密度を増大さ せることにより波長変換効率を向上させる方法、および、 Qスィッチパルスにより尖塔 値の高 、基本波を用いて波長変換効率を向上させる方法が知られて 、る。両方法と も、効率 50%程度の高効率変換を実現する。例えば、 1064nm近傍の波長を有す る光を基本波として用いることで、その第 2高調波（以下、「SHG」とも称する。）である 532nm近傍の波長を有する緑色光の発生を実現して ヽる。
[0003] 変換効率の高い材料を用いて波長変換素子を構成すれば、高効率に第 2高調波 を発生できる。そのため、高効率な第 2高調波発生を実現するため、波長変換を担う 非線形材料の変換効率のさらなる向上が望まれている。
[0004] 高効率であるのみならず、可視光を高出力で発生させるには、すなわち、可視光領 域の波長を有する第 2高調波を高出力に発生させるには、波長変換部を構成する非 線形材料に対し、高い変換効率のみならず、発生する第 2高調波の有する波長近傍 の波長領域における優れた耐性が望まれる。なぜならば、第 2高調波等、波長変換 部の内部を伝播する、高パワーを有する電磁波により非線形材料が光損傷等を受け れば、所望の出力を安定的に得ることが困難になるおそれがあるからである。
[0005] 近年、周期状の分極反転構造を結晶内に備える Mgドープの LiNb03 (以下、 Mg ドープの LiNb03 (MgO:LiNb03)は、「MgLN」とも称する。）は、可視光発生用の高 効率非線形材料として注目されて ヽる。 [0006] MgLNは、可視光領域の波長の光に対し、最も高!ヽ非線形性を持つ無機材料で あり、かつ、優れた耐光損傷強度を有することが知られている。そのため、光源の高 効率化、高出力化に適するとされる。さらに有利なことには、 MgLNは、結晶成長が 容易なため、低コストィ匕が可能である。また、従前は、 MgLNの高い非線形性を利用 した位相整合は困難であつたが、周期状の分極反転構造を MgLN等に製造する方 法が開発され、よって、高効率高非線形材料として利用する道が拓かれた。特許文 献 1は、周期状の分極反転構造を備えた MgLN (以下、「PPMgLN (Periodically Po led MgO:LiNb03)」とも称する。）を内部共振器として用いる青色光コヒーレント光源 を開示する。
[0007] また、非特許文献 1は、 Mgドープ量 4. 8mol%以下の MgLNにおいて、緑色光の 照射による赤外吸収（GRIIRA (Green induced infrared absorption))力 増大する現 象を報告している。
[0008] 上述の非線形材料を結晶成長させて作成した非線形光学結晶を波長変換素子に 用いて波長変換を行うことで、 450nm近傍の波長を有する青色光から 530nm近傍 の波長を有する緑色光まで、発生させることができる。光源力も発せられる高出力出 射光を基本波とし、変換効率の高い非線形光学結晶によって第 2高調波へ変換する ことで、高効率な波長変換が実現され、高出力かつ高効率な可視光コヒーレント光源 が実現される。
[0009] 高出力であることが求められるコヒーレント光源においては、波長変換部である波 長変換素子には、基本波および第 2高調波（SHG)の波長領域において十分に安 定な材料を使用することが望まし 、。 SHGの波長が含まれる波長領域の光を受けて 光学的特性が不安定ィ匕する要因を有する材料を波長変換素子として用いるならば、 安定的な SHGの発生を行うことができない。そのような材料は、波長変換素子に不 適であると言える。
[0010] これまで、可視光領域の光に対して、特に、可視光のうちでも短波長光に対して、 非線形材料が、不安定ィ匕する現象およびその原因が複数報告されている。例えば、 非線形材料である LiNb03 (以下、「LN」とも称する。）、 LiTa03 (以下、「LT」とも称 する。）に対しては、（1)光損傷、（2) GRIIRA (緑色光励起の赤外吸収）、（3)光ダメ ージ等が報告されている。以下、これらについて解説する。
[0011] (1)光損傷：
光損傷とは光励起の屈折率変化現象である。例えば、 LN結晶は、上記した短波長 光を照射することで屈折率が変動する。波長変換素子において光損傷が生じると、 光損傷が生じた部分においては、位相整合条件が成立しなくなり、素子の変換効率 の低下を招く。この現象は、可逆的な現象であり、光の照射を止めると、変化した屈 折率は元に戻る。光損傷は光の波長および強度に依存する力 Mgを 5mol%程度 以上添カ卩した LN結晶では、観測されて 、な!/、。
[0012] (2) GRIIRA:
緑色光または青色光と、赤外光とが共存する場合に発生する現象である。例えば、 LN結晶に可視光が照射されると、赤外光の吸収が増大する。この現象は、可逆的な 現象であり、可視光の照射を止めると、吸収も減少する。非特許文献 1においても報 告されている力 Mgドープ量が 4. 8mol%以下の MgLNでは、緑色光により赤外光 の吸収が増大する現象が観測され報告されている。
[0013] (3)光ダメージ：
光のエネルギにより結晶が破壊される現象である。光ダメージはあらゆる材料で存 在するが、この現象は、光のパワー密度と関係して発生する。例えば、 LNおよび Mg LNにおける光ダメージ損傷は、波長 1. 064 /ζ πι (1064ηπι)の光に対しては、 100 〜200MWZcm2程度以上のパワー密度のときに発生する。光ダメージは、結晶が 破壊される現象であるため、非可逆的な現象である。ただし、光ダメージは、高い光 パワー密度でのみ発生するので、光ダメージが発生しな 、程度のパワー密度を有す る光のみを使用する場合、この現象に由来する問題は顕在化しない。しかし、高出力 化を要求されるコヒーレント光源では、この現象に由来する問題が顕在化するおそれ がある。そのため、光ダメージに対する耐性が強い材料を波長変換素子に使用して 安定的に高出力光を発生させる光源を実現することが望まれる。光ダメージは、あら ゆる結晶において存在する現象である。結晶の光ダメージに対する耐性は、結晶破 壊を生じさせる光のパワー密度の最小値で定められる。
[0014] また、光損傷および GRIIRAは、 LN、 LT等にぉ 、ては、比較的低パワーの光で発 生する。そのため、 LN、 LT等を用いて高出力の可視光を発生する光源を構成する ことは困難である。このような光源を実現するには、例えば、 1Wを超える出力を得る ためには、結晶の温度を 100°C以上に加熱する必要がある。つまり、 LN、 LT等を波 長変換素子として用いて安定的に高パワーの可視光を変換する構成を備えるならば 、同時に光損傷等の現象に起因する、光源の安定性問題を伴うことになる。
[0015] また、 KTiOP04 (以下、「KTP」とも称する。）でも短波長の可視光の照射により結 晶内にカラーセンタが生じる、「グレートラック」という現象が知られている。この現象は 、 ΚΤΡを波長変換素子として利用する際、変換される光のパワーを制限する要因と なっている。
[0016] また、 MgLNや、 MgLTは、可視光に対して優れた耐性を有する高非線形材料と して注目される材料である。この周期状の分極反転構造を有する（PPMgLN)は高 い変換効率と、優れた対光損傷強度を有する非線形材料であり、内部共振器構造を はじめとし、様々な応用が可能である。また、 PPMgLNは、 GRIIRAに関しても、 Mg ドープ量を 5mol%以上とすれば実用上、問題となるような GRIIRA現象は発生しな い。実際、先に示したとおり、 1W以下の出力において内部共振器型の波長変換素 子として利用されている。
特許文献 1：特開平 06— 242478号公報
非特許文献 1 :Y.フルカヮ、 Κ.キタムラ、 Α.アレクサンドロフスキ、 R. Κ.ラウテ、 Μ . Μ.フエジエーノレ、 G.フーロン（Y. FurukaWa, K. Kitamura, A. Alexandrovski, R. K. Route, and M. M. Fejer, G. Foulon)、「グリーン一インデュースド'インフラレッド' アブソープシヨン'イン 'MgOドープド LiNb03」 （"Green- induced Infrared absorptio n in MgO doped LiNb03")、アプライド 'フィジックス 'レターズ（Applied Physics Lette rs)、（米国）、アメリカン 'インスティテユート'ォブ 'フィジックス（American Institute of Physics)、 2001年 4月 2日、 vol. 78、 p. 1970—1972
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0017] 上述のとおり、 MgO :LiNb03 (MgLN)、 MgO :LiTa03 (MgLT)は、耐光損傷 強度に優れた高非線形材料である。実際、 PPMgLNにおいては、室温近傍の波長 変換においても安定な高出力波長変換が可能である。し力しながら、本願の発明者 は、周期状の分極反転構造を有する結晶等 (PPMgLN等）に高ピークパワーを有す る基本波を照射したり、可視光の高出力発生を行ったりする場合、出力が不安定ィ匕 する現象を発見した。例えば、 PPMgLNの場合、 1W以上の高出力変換においては 、光損傷以外の原因によると思われる出力の不安定ィ匕現象を、本願の発明者は観測 している。このような不安定ィ匕現象は、 PPMgLN等を波長変換素子として用いて高 出力コヒーレント光源を構成する場合、光源の安定性に疑問を投げ掛ける因子であ る。この現象に対し対処を怠れば、光源の信頼性は著しく損なわれることになる。本 発明は、この出力不安定ィ匕現象の原因を解明し、この現象を回避する方策を示し、 もって、安定的に高出力で出力可能なコヒーレント光源を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0018] 本発明は、その一態様において、 1070nm以上の第 1波長を有する基本波を出射 する光源部と、基本波を受けて基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射 する波長変換部を有するコヒーレント光源である。
[0019] 本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Mgド ープ LiNb03を有することが好まし!/、。
[0020] 本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Scド ープ LiNb03を有することが好まし!/、。
[0021] 本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Inドー プ LiNb03を有することが好まし!/、。
[0022] 本発明の一態様においては、波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Znド ープ LiNb03を有することが好まし!/、。
[0023] 本発明は、別の一態様において、 1027nm以上の第 1波長を有する基本波を出射 する光源部と、基本波を受けて基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し
、周期状分極反転構造を備えるストィキオメトリック MgO :LiNb03を含む波長変換 部を有するコヒーレント光源である。
[0024] 本発明は、別の一態様において、 1018nm以上の第 1波長を有する基本波を出射 する光源部と、基本波を受けて基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し 、周期状分極反転構造を備える LiTa03を含む波長変換部を有するコヒーレント光 源である。
[0025] 本発明は、別の一態様において、 850nm以上の第 1波長を有する基本波を出射 する光源部と、基本波を受けて基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し 、周期状分極反転構造を備える KTiOP04を含む波長変換部を有するコヒーレント 光源である。
[0026] 本発明の各態様においては、さらに、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部 より入射する波長 400nm以下の光力も波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有す ることが好ましい。
[0027] 本発明は、別の一態様において、 800nm以上の第 1波長を有する基本波を出射 する光源部と、基本波を受けて第 1波長の半波長である第 2波長を有する光を所定 の平均出力以上で出射する波長変換部と、波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、 外部より入射する波長 400nm以下の光力も波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を 有するコヒーレント光源である。
[0028] 本発明の各態様においては、波長変換部は、摂氏 100度以下で動作されることが 好ましい。
[0029] 本発明の各態様においては、波長変換部の周期状分極反転構造の示すストライプ の法線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、 3度以上であることが好 ましい。
[0030] 本発明の各態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転 構造の示すストライプと結晶構造の a軸および c軸に垂直な方向とのなす角が、 0度よ り大きく 1度以下であることが好まし 、。
[0031] 本発明は、その一態様において、所定の第 1波長を有する基本波を出射する光源 部と、周期状分極反転構造を備え、基本波を受けて基本波の第 2高調波を所定の平 均出力以上で出射する波長変換部を有し、波長変換部の備える周期状分極反転構 造の示すストライプの法線と基本波の進行方向のなす角である分極反転角が、 3度 以上であることを特徴とするコヒーレント光源である。
[0032] 本発明の一態様においては、波長変換部は、結晶構造を有し、周期状分極反転 構造の示すストライプと結晶構造の a軸および c軸に垂直な方向とのなす角が、 0度よ り大きく 1度以下であることが好まし 、。
[0033] 本発明の各態様においては、さらに、波長変換部に通電可能に配された電極部と
、電極に電圧を印加する電源部とを有することが好ま Uヽ。
[0034] 本発明の各態様においては、光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とす ることが好ましい。
[0035] 本発明の各態様においては、光源部は、 Qスィッチパルス駆動され、その繰り返し 周波数が 1kHz以上であることが好まし 、。
[0036] 本発明の各態様においては、波長変換部の、第 2高調波の所定の平均出力は、 1
W以上であることが好まし 、。
[0037] 本発明の各態様においては、波長変換部の、第 2高調波の所定の平均出力は、 2
W以上であることが、より好ましい。
[0038] 本発明の各態様においては、波長変換部の、第 2高調波の所定の平均出力は、 2
. 5W以上であること力 さらに好ましい。
[0039] 本発明の各態様においては、波長変換部の、第 2高調波の所定の平均出力は、 3
W以上であることが、なおさら好ましい。
発明の効果
[0040] 本発明は、波長変換素子を用いた高出力の可視光領域のコヒーレント光源を提供 する。本発明によるコヒーレント光源は、高出力時の出力不安定性、および、信頼性 の問題がなぐ安定的な出力特性を有する。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]実験光学系の構成図
[図 2A]実験光学系の構成図
[図 2B]検出された赤外光量と、照射された紫外光との関係を示すグラフ
[図 3A]PPMgLN内を伝播する基本波、 SHG、 SFGを示す図
[図 3B]PPMgLNにおける基本波波長に対する基本波と SFGのウォークオフ角の関 係を示すグラフ
[図 3C]PPMgLNにおける基本波波長と SFG強度の関係を示すグラフ [図 3D]PPMgSLNにおける基本波波長に対する基本波と SFGのウォークオフ角の 関係を示すグラフ
[図 3E]PPLTにおける基本波波長に対する基本波と SFGのウォークオフ角の関係を 示すグラフ
[図 3F]PPKTPにおける基本波波長に対する基本波と SFGのウォークオフ角の関係 を示すグラフ
圆 4A]第 1の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
圆 4B]第 1の実施形態の変形例によるコヒーレント光源の構成図
圆 5]室温での基本波波長と耐性との関係を示す図
圆 6]基本波波長と耐性との関係の結晶温度依存性を示す図
圆 7]擬似位相整合状態および位相不整合状態で発生する SFGの強度と伝搬距離 の関係を示すグラフ
圆 8]第 2の実施形態による波長変換部の概略図
圆 9]第 2の実施形態による波長変換部の変形例の概略図
[図 10]分極反転角とウォークオフ角との関係を示すグラフ
[図 11]分極反転角と、 SHG変換効率および波長変換素子の耐性との関係を示すグ ラフ
圆 12]第 3の実施形態によるコヒーレント光源の構成図
符号の説明
401、 1201 光源
402、 802、 902、 1202 波長変換素子
451 紫外光遮蔽部
803、 903 分極反転構造
1210 電源
1211 電極
4 基本波
5 SHG
6 SFG 21 紫外光源
22 光源
23 ダイクロイツクミラー
24 PPMgLN
25 赤外光
27 フイノレタ
28 PD
発明を実施するための最良の形態
[0043] 本発明によるコヒーレント光源は、高出力な光源部の出射する高出力光を基本波と して用い、波長変換部によりこの基本波を第 2高調波に変換し、出射する。本発明に 力かるコヒーレント光源は、高出力な基本波を出射する光源部、および、高効率な波 長変換を実現する波長変換素子を有する、高出力コヒーレント光源である。上述のよ うに、この様な高出力コヒーレント光源を実現するには、少なくとも使用する基本波お よび第 2高調波（SHG)が含まれる波長領域にお!、て安定な (耐性の高 、)材料を使 用することが望まれる。可視光領域に含まれる短波長光に対して材料的に不安定に なる原因の幾つかは上述の如く周知である。これら周知の不安定ィ匕要因を考慮し、こ れら現象を回避することは、高出力コヒーレント光源を構成する上で当然のことあるが 、本願の発明者は、これらとは別種の不安定化現象を発見した。本発明は、本願発 明者の発見した現象に力かる知見に基づき、より安定に高出力が可能なコヒーレント 光源を開示する。
[0044] 本願の発明者は、 PPMgLNを用いて 1W以上の高出力の緑色光発生（波長 532η m)を行った際、従来観測されていない不安定ィ匕現象を発見した。また、光源を長期 間使用した場合にも、その出力が劣化する現象が存在することを、本願の発明者は 発見した。本願の発明者は、発見した現象の原因を解明し、もって、このような不安 定化、および、出力の経時的劣化が生じない高出力コヒーレント光源の構成を開示 する。
[0045] [高出力光の波長変換において発生する波長変換素子不安定化現象について] 最初に、 PPMgLNを例〖こ、新たに発見された現象について説明する。 [0046] 本願の発明者は、 Mg5mol%ドープの PPMgLNに対し、図 1に示す光学系 100で 波長変換実験を行った。光学系 100は、光源 101、波長変換素子 102、集光光学系 103を有する。光源 101は、 Nd:YV04を固体レーザとするレーザ光源であって、半 導体レーザ励起により波長 1064nmのレーザ光を発生する。また光源 101は、固体 レーザの共振器内に AOスィッチを挿入し、 Qスィッチにより尖塔値の高いパルス列を 発生するように構成されている。波長変換素子 102は、 Mg5mol%ドープの PPMgL Nを含み、周期 6. 95 /z mの分極反転構造を有し、素子長は、 10mmである。光源 1 01の発する波長 1064nmの光を、基本波 104として用いる。基本波 104は、波長変 換素子 102に入射し、波長 532nmの SHG105に変換される。基本波 104は、上述 のようにパルス列として発生し、その平均パワーを数 Wとすることができる。基本波 10 4は、集光光学系 103を構成する集光レンズにより集光され、波長変換素子 102で波 長変換されてもょ 、。この波長変換に力かる変換効率は 50%前後である。
[0047] 基本波のパワーを増大させ、パワーが 2W程度の基本波 104を入力した際、 SHG 105の出力が不安定ィ匕し、変換効率は 50%から 40%程度にまで低下した。このとき の基本波 104の平均出力は 2W程度、パルス光の強度は最大で 60MWZcm2であ つた o
[0048] さらに、基本波 104のパワーを増大し、パルス光の強度が最大値で 80MWZcm2 程度に達すると、変換効率はさらに低下し、出射されるビーム品質の劣化も観測され た。
[0049] SHG105の出力が低下する原因を調査した結果、本願の発明者は、波長 532nm の SHG105以外に、波長 355nmの紫外光（図示せず。）が波長変換素子 102 (PP MgLN)から出射していることを発見した。紫外光の発生は、上述の SHG105の変 換効率の低下が発生する基本波強度域で観測された。また、観測された SHG105 および図示しない紫外光の伝播方向すなわちポインティングベクトルの指す方向は 僅かにずれており、異なる出射角で発生していることが明らかになった。
[0050] そこで、本願の発明者は、紫外光 (波長 355nm)力 PPMgLNに与える影響につ いて調査した。図 2Aに、本調査に用いた光学系 200を示す。光学系 200は、光源 2 01および紫外光源 202の 2種の光源、ダイクロイツクミラー 203、波長変換素子 102 ( PPMgLN)、フィルタ 204、フォトディテクタ（PD) 205を有する。光源 201は、赤外領 域の所定の波長を有する光 (赤外光 210)を発する光源であり、紫外光源 202は、紫 外領域の所定の波長（例えば、 355nm)を有する光 (紫外光）を発する光源である。 両光源 201および 202の発した光は、ダイクロイツクミラー 203で合波されて、波長変 換素子 102 (PPMgLN)に入射する。波長変換素子 102より出射される光は、フィル タ 204が波長選択的に透過し、波長分離され、フィルタ 204を透過する赤外光 210 力 SPD205で検出される。
[0051] 光源 201は、赤外光 210を連続的に出射し、紫外光源 202は、紫外光を強度変調 しながら出射する。図 2Bは、紫外光源 202の出射する紫外光の強度と、 PD205に おいて検出される赤外光 210の強度をプロットしたグラフである。横軸は時間を示し、 縦軸は光の強度である。なお、赤外光 210の強度 251と、紫外光の強度 253との強 度の比は特に重要でない。グラフの明瞭性を優先し、スケールは無視してプロットし ている。ここで重要な点は、紫外光の強度 253が、ノンゼロの値を示している時間帯と 、赤外光 210の強度 251が相対的に低くなつている時間帯との相関性である。実際 に実験で用いた紫外光のパワーは、数 mW程度であつたが、紫外光の照射とともに、 波長変換素子 102から出射される赤外光 210の強度が減少するのが判る。
[0052] 紫外光の波長と赤外光吸収量との関係を観測したところ、特に、 320ηπ！〜 400nm 程度の波長を有する紫外光の照射により赤外吸収が増大することが判明した。 400η m以上波長を有する紫外光に対しては、可視光の吸収は発生しな力つた。また、 32 Οηπ！〜 400nmの範囲の波長を有する紫外光の照射では、紫外光の波長が短くなれ ば、照射する紫外光のパワーが低い場合であっても、可視光吸収が発生した。しかし 、 320nm以下の波長の紫外光 (紫外線)では赤外光の吸収は生じな力つた。これは 、 320nmが MgLNの吸収端であるため、紫外光は結晶表面でほぼ吸収され、赤外 線吸収量への影響が出にく 、ためと思われる。
[0053] さらに、結果を図示しないが、紫外光照射を受けた波長変換素子 102による可視光 の吸収を同様に測定したところ、赤外光吸収以上に、紫外光照射による波長変換素 子 102による可視光の吸収は、顕著であることが判明した。これは、紫外光の照射に より波長変換素子 102による可視光の吸収量が増大したためと考えられる。 Mg5mo 1%以上の MgLNにおいて、このような短波長の光 (例えば、紫外光）の照射による可 視光吸収が発見された。
[0054] 上記実験結果を踏まえ、 PPMgLNにおける可視光領域の SHGの発生出力の不 安定化の原因にっ 、て考察する。
[0055] 再度、図 1を参照すれば、 SHG105の発生出力不安定ィ匕現象は、 PPMgLN (波 長変換素子 102)において、例えば、波長 1064nmの基本波 104を波長 532nmの SHG105に変換する際に、波長 1064nmと波長 532nmの和周波である波長 355η mを有する紫外領域の SFG (図示せず。）が発生しているためである。紫外領域の S FGの発生により可視光吸収が増大し、結晶（PPMgLN)内の温度が部分的に上昇 する熱レンズ効果が生じ、位相整合状態が不安定ィ匕すると考えられる。以上の実験 結果が示すように、 1W以上の出力で可視光 (例えば、 SHG105)を発生している波 長変換素子 102に波長 400nm以下の紫外光を照射すれば、可視光の吸収が増大 し、熱レンズ効果が生じ、波長変換素子 102の出力が変動する要因となる。高調波 出力が小さい場合は、吸収が発生しても吸収による波長変換素子 102における温度 上昇の幅は小さぐ熱レンズ効果は生じない。しかし、高調波（例えば、 SHG105)の 出力がおよそ 1Wを超えると、高調波の吸収による温度上昇の幅は増大し、熱レンズ 効果が発生し、出力の不安定ィ匕が起こる。このような、高調波出力不安定は、波長変 換素子 102内部で発生する紫外光のみならず、発生波長変換素子 102の外部から 照射される紫外光によっても引き起こされるものである。波長変換素子 102内部で発 生、または、外部より照射される紫外光のパワーが比較的小さい場合でも、可視光吸 収は増大する。そのため、波長変換素子 102は、その外部力も紫外光が入射しない ように紫外光遮蔽部により保護されることが好ましい。この紫外光遮蔽部は、波長 40 Onm以下の光を遮蔽し、素子 102を保護することが望ましい。少なくとも波長 320nm 以上、 400nm以下の光に対し、高い遮蔽能 (非透過性)を有することが望まれる。
[0056] 紫外光遮蔽部を設けることにより、外部から波長変換素子 102に入射する紫外光を ほぼ完全に遮蔽した状態であっても、高調波（例えば SHG)の出力を増大させると出 力不安定ィ匕現象が観測された。その原因は、波長変換素子 120基板内部において 発生する紫外光の存在である。 [0057] し力しながら、無視できな!/、程度の SFGが発生する、すなわち、 SFGへの波長変 換が高効率で行われるには、所定の位相整合条件を満たす必要がある。同一の素 子内において、素子設計の段階から利用目的であった波長と異なる波長を利用した SFGの高効率な波長変換が容易に発生するとは考えにくい。
[0058] そこで、 SHG出力が不安定になる現象についてさらに別の実験を行い、以下に示 す SHG出力不安定化現象の発現に関する基本波波長依存性を得た。
[0059] [可視光吸収量の基本波波長依存性につ!、て]
基本波の波長が、 1030nm以下の範囲に含まれる場合、耐性は高ぐ SHGの平均 出力を、数 W (パワー密度:数 MWZcm2以上）にしても不安定ィ匕現象は起こらなか つた o
[0060] ところが、基本波波長が、 1030nm〜1050nmの範囲に含まれる場合、 SHGの平 均出力が、数 lOOmW以下に抑えられた低パワー出力において、 SHG出力不安定 が発生した。さらに、パワー密度が数 kWZcm2程度の低パワーでも、出力の不安定 性は増大した。
[0061] し力し、基本波波長が、 1060nm〜： L lOOnmの範囲に含まれる場合、 SHGの平均 出力を、数 Wにしても不安定化は起こらなかった。上記の 1030nm〜1050nmの範 囲と比較して耐性の向上が見られる。
[0062] 上記それぞれの範囲に含まれる波長の基本波を照射したときの、紫外光発生状況 を観測したところ、 1030〜1050nmの範囲の波長の基本波を照射した場合では、紫 外光発生が顕著であって、基本波波長が 1030nmに近づくに従 、紫外光強度はま すます増加した。 1060〜： L lOOnmの範囲の波長の基本波を照射した場合でも、僅 かに紫外光の発生が観測された。し力し、 1030nm以下の範囲、および、 l lOOnm 以上の範囲では、紫外光の発生は観測されな力つた。
[0063] 以上の結果より、 SHG出力不安定ィ匕現象に対する耐性は、発生する紫外光 (例え ば、発生する SFG)の強度に依存することを示しており、耐性に関する基本波波長依 存性は、発生する紫外光の強度が基本波波長に依存することが要因である。
[0064] [紫外光発生メカニズムの解明と紫外光発生の抑止]
そこで、 PPMgLNにおける紫外光発生の原因を明らかにするために、 PPMgLN の位相整合特性を解析した。 SFGが高効率で発生するためには、 PPMgLNでノン クリティカルな擬似位相整合条件が成立する必要がある。また、ノンクリティカルな擬 似位相整合条件が完全に成立しない場合であっても、基本波と SFGは、ノンゼロの ウォークオフ角を成して異なる方向に伝搬することで、擬似位相整合条件が成立で することがある。このウォークオフ角が小さくなれば、 SFGは急激に増大する。そして 、ウォークオフ角がゼロになり、基本波と SFGが同じ方向に進む場合は、ノンタリティ カルな擬似位相整合条件が成立して!/ヽる場合に相当する。
[0065] コヒーレント光源において、 SHGを発生させる際、 SFGの発生を抑制し SHGの出 力の安定化を図るには、 SFGが発生しない条件を見いだし、そのような条件下で SH Gを発生させることが望ましい。図 3Aは、発生した SFGのウォークオフ角を示す図で ある。矢印は、光の伝播方向を示しており、本図においては、ウォークオフ角は、 SF Gと SHGの伝播方向を示す矢印のなす角度を指している。つまり、このウォークオフ 角は、 SFGと SHGのポインティングベクトル同士の成す角度である。
[0066] PPMgLNによる波長変換を行い、 1064nmの波長の光（基本波）から 532nmの 波長の SHGを発生させる位相整合条件を成立させるには、 PPMgLN力 周期 6. 9 5 m程度の周期状分極反転構造を備える必要がある。この値は、 MgLNの屈折率 分散より計算される。その一方、 355nmの波長を有する光は、 1064nmの波長の基 本波と 532nmの波長の SHG光の和周波（SFG)により発生する。 SFGが高効率に 発生するためには、 PPMgLN力 1. 79 m程度の周期状分極反転構造を備える 必要がある。基本波から SHGを発生させるために適した分極反転周期 6. 95 mは 、基本波および SHGの和周波を発生させるために適した分極反転周期 1. を 満足しない。しかし、より高次の周期構造において位相整合する可能性は残る。周期 状分極反転構造が、 1. 79 /z mの整数倍 (m倍)であれば、位相整合が可能であり、 和周波（SFG)を高効率に発生させることが可能である。（ただし、この場合、変換効 率は lZ (m2)に比例して低下する。 )
[0067] そこで、高次の分極反転周期構造による位相整合の可能性を計算したところ、図 3 Bおよび図 3Cに示す位相整合特性があることが判った。図 3Aは、基本波と SHGと 力 ノンクリティカル位相整合を行っていることを示している。（PPMgLNでの SHGの 発生は、基本波と SHGが同じ進行方向で伝搬するノンクリティカル位相整合を行うこ とにより高効率ィ匕が可能である。）この場合、図 3Bに示すように、基本波波長が 1000 ηπ！〜 1200nmの範囲に含まれる場合では、基本波（波長 λ )と SHG (波長（ λ /2) )の SFG (波長（ λ Ζ3) )は、 4次と 5次の擬似位相整合 (QPM) (それぞれ、 4thQP M、 5thQPMと記す。 )により発生する。し力しながら、 5次の擬似位相整合による SF Gは、ウォークオフ角が 30度以上と大きいため、 SFG (和周波）の出力は極めて小さ ぐ耐性に与える影響はない。図 3Bの縦軸である SFGとのウォークオフ角は、 SFGと 基本波とのウォークオフ角を指して 、る。基本波と SHGとのウォークオフ角がゼロで あれば、図 3Aに示したウォークオフ角と一致する力 厳密には、図 3Aに図示したゥ オークオフ角と、図 3Bの縦軸のウォークオフ角とは異なる点を注記する。その一方、 4 次の擬似位相整合による SFGは図 3Bに示すように、基本波の波長が 1030nm以上 のときに発生する。特に、 1030nm近傍の基本波波長では、ウォークオフ角が小さく 、基本波波長 1030nm近傍で SFGの出力は大幅に増大する。その様子を図 3Cに 示す。図 3Cを参照すれば、ウォークオフ角が 10度以下となる基本波波長約 1050η m以下の領域力も基本波波長 1030nm近傍の領域にかけて SFGの出力は大幅に 増大している。このことが、波長変換素子の耐性に基本波波長依存性が存在する原 因である。基本波波長が 1030nmの場合には、基本波と同じ方向に SFGが出力さ れるノンクリティカル位相整合条件が成立するため、 SFG光は大幅に増大し、同時に 、波長変換素子の耐性が大幅に低下する。
[0068] より低次の擬似位相整合、例えば、 3次の擬似位相整合による SFGの発生も、基本 波波長 1370nm近傍で存在する。し力し、この場合では、 SFGの波長は 450nm以 上になり、 PPMgLNの出力の安定性に与える影響はない。逆に、より高次の（6次以 上の)位相整合条件が成立する可能性もあるものの、上述のとおり、次数の 2乗に反 比例して変換効率は低下するため、高次の（6次以上の)位相整合は、波長変換素 子の耐性を量る上では無視できる。
[0069] 波長変換素子の耐性を量る上で考察すべきは、主に、 4次の擬似位相整合により 出力される紫外光の SFGである。この紫外領域の波長を有する SFGは、図 3Cに示 すように、基本波波長が、短縮化する方向で、 + 1030nmに近づくに従って急激に 増大する。ノンクリティカル位相整合は、基本波波長 1030nm近傍に存在するが、基 本波波長 1050nm近傍でも、さほど大きくないウォークオフ角を持った SFGが発生し ている。これより、基本波波長 1030nm〜1050nmの範囲において、 SFGは、波長 変換素子の耐性を量る上で無視できない強度で存在することが明らかになった。つ まり、このような SFGの発生力 PPMgLNでの位相整合において基本波である赤外 光および SHGである可視光の吸収を増大させ、 PPMgLN内で部分的な温度上昇 を招き、位相整合状態を不安定化させ、出力を不安定ィ匕していることが明らかになつ た。
[0070] 再度、図 3Bを参照すれば、 PPMgLNの 4次および 5次の擬似位相整合により発生 する SFGと基本波とのウォークオフ角は、基本波波長が 1070nm以上の場合、 15度 以上になる。ウォークオフ角がこのような大きな角度であれば、 SHG出力に影響は及 ばない。一般に SHG発生に使用される基本波波長は、 1064nmが多い。このときの ウォークオフ角は 13度である。しかし、本願の発明者は、 SHG出力の安定を図るに は、 1070nm以上の基本波波長を使用することが望ましい。つまり、ウォークオフ角 は 15度以上であることが望まし 、。
[0071] 図 3Dは、 PPMgSLNの 4次および 5次の擬似位相整合により発生する SFGと基本 波とのウォークオフ角を示すグラフである。図 3Bと同様、横軸は、基本波波長である 。本図より、 PPMgSLNにおいては、基本波波長が 1027nm以上の場合、ウォーク オフ角は、 15度以上になる。
[0072] 図 3Eは、 PPLT (周期状の分極反転構造を備える LiTa03)の 4次および 5次の擬 似位相整合により発生する SFGと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図 3Bと同様、横軸は、基本波波長である。本図より、 PPLTにおいては、基本波波長が 1018nm以上の場合、ウォークオフ角は、 15度以上になる。
[0073] 図 3Fは、 PPKTP (周期状の分極反転構造を備える KTP)の 3次および 4次の擬似 位相整合により発生する SFGと基本波とのウォークオフ角を示すグラフである。図 3B と同様、横軸は、基本波波長である。 PPKTPにおいては、基本波波長が 850nm以 上の場合、ウォークオフ角は、 15度以上になることが計算により判った。
[0074] 観察された現象をまとめる。 [0075] 第 2高調波発生において出力が不安定化する要因は以下のとおりである。
F1.基本波と SHGによる紫外 SFGが発生する。
F2.紫外 SFGにより赤外光 (基本波）吸収および可視光 (SHG等）吸収が増大する
F3.波長変換素子内に、吸収による部分的な温度上昇による熱レンズ効果が発生 する。
F4.熱レンズ効果により、位相整合状態が乱れ、 SHG光の出力が不安定ィ匕する。
[0076] 一方、第 2高調波（SHG)の発生を不安定ィ匕する SFGの発生 (上記 F1. )は、下記 の条件を満たす必要がある。
CI. SFGの波長が、（波長変換素子を構成する)結晶の吸収端より長いこと。 （吸収 端以下では結晶の吸収により SFGの発生が抑圧される。）
C2. SFGが、波長 400nm以下の紫外光であること。
C3. SFGと基本波のウォークオフ角力 O度以上、 15度以下であること。（10度以下で さらに顕著に現われる。 )
C4.さらに、紫外光照射により非線形光学結晶の吸収係数が増大すること。
[0077] [熱レンズ効果による出力不安定化現象の吸収波長依存性にっ 、て]
上述した熱レンズ効果による出力不安定ィ匕現象は、紫外線の発生により、基本波 およびその（第 2)高調波の吸収が生じ、これによる熱レンズ効果が発生し、出力が不 安定化する現象である。光の吸収による熱レンズ効果の発生には、吸収される光の 波長に依存して、吸収される光のピークパワーおよび平均パワーの値が大きく影響し ていることが明らかになった。以下にそれぞれの場合について説明する。
(ィ）吸収される光の波長力 700nm以上である場合：
ピークパワーで数 lOMWZcm2程度、または、平均パワーで lMWZcm2程度に達 した場合に熱レンズ効果による出力の不安定ィ匕が生じる。
(口）吸収される光の波長力 600nm以下である場合：
平均パワーで 0. lMWZcm2程度から、熱レンズ効果による出力の不安定ィ匕が生じ る。
[0078] 上述の基本波の吸収は、（ィ）の場合に相当する。波長の比較的長い基本波に関し ては、吸収係数が小さいため、熱レンズ効果が発生するパワー密度は、相対的に高 い。このため、基本波の吸収による熱レンズ効果は、ピークパワーの大きなパルス光 の波長変換の場合で顕著に現れる。パワーの高い、パルス光の尖塔値によって熱レ ンズ効果が著しく発生するためである。
[0079] そこで、このような結果をふまえ、非線形光学材料を有する波長変換素子による SH Gの発生を安定的に行うことができるコヒーレント光源の構成を示す。
[0080] <第 1の実施形態 >
図 4Aは、本発明にかかる第 1の実施形態によるコヒーレント光源 400の構成図であ る。コヒーレント光源 400は、光源部を構成する光源 401と、波長変換部である波長 変換素子 402とを有する。さらに、コヒーレント光源 400は、集光部である集光光学系 403を光源 401から出射する基本波 404を波長変換素子 402に集光するように備え てもよい。光源 401は、波長変換素子 402による波長変換の効率を向上させるため、 Qスィッチのパルス駆動を行うことができる。波長変換素子 402は、非線形光学材料 である PPMgLNを含んでいる。光源 401から出射された基本波 404は、集光光学系 403により波長変換素子 402 (PPMgLN)内に集光される。波長変換素子 402は、 基本波 404を、その内部で SHG405に変換し、さらに、基本波 404と SHG405は、 素子 402内部で SFG406に変換される。ここでは、基本波 404の波長をえ、 SHG4 05の波長を（ λ /2)、 SFG406の波長を ( λ /3)としておく。
[0081] <変形例>
また、図 4Βは、第 1の実施形態の変形例によるコヒーレント光源 450の構成図であ る。コヒーレント光源 450は、コヒーレント光源 400 (図 4Α参照。）の構成にカ卩え、さら に、紫外光遮蔽部 451を備える。この紫外光遮蔽部 451は、波長 400nm以下の光 を遮蔽し、波長変換素子 402を保護する。紫外光遮蔽部 451は、少なくとも波長 320 nm以上、 400nm以下の光に対し、高い遮蔽性能 (非透過性)を有することが好まし い。紫外光遮蔽部 451は、蛍光灯や太陽光などといった、至る所に存在する紫外光 発生要因による紫外光力も波長変換素子 402を保護することができる。
[0082] 紫外光遮蔽部 451を設けることにより、波長変換素子 402は外部からの紫外光の 入射を免れる。コヒーレント光源 451は、外部からの紫外光を蔽いにより遮蔽すること で、出力 1W程度の緑色光（SHG405)を安定的に発生可能である。また、光源 401 の発する基本波の波長えが 800nm以上であれば、その SHGの波長は、 400nm以 上となる。また、基本波波長え力 ^OOnmの場合、基本波と SHGとの SFGの波長は、 およそ 267nm( Z3)となる。よって、波長変換素子 402内で、 320nm〜400nm の範囲の波長を有する紫外光は発生しておらず、外部から入射する紫外光のみが、 可視光吸収の増大に影響する。このため、紫外光遮蔽部 451を追加することで、 SH G高出力時におけるコヒーレント光源の安定性は、飛躍的に向上する。
[0083] なお、紫外光遮蔽部 451は、波長変換素子 402を蔽ぅ構成のみならず、波長変換 素子 402表面に形成された、紫外光不透過性の薄膜により構成することも可能であ る。
[0084] 図 5は、波長変換素子 402の、基本波波長 λに対する、高出力耐性の関係を示す グラフである。ここでは、光源 401は、繰り返し周波数 60kHzでパルス駆動されており 、各ノ ルスのパルス幅は、 20ns程度とし、基本波波長えを変えて出力特性を観察し ている。また、観察環境の温度は、室温である。
[0085] 図 5を参照すれば、基本波波長 λ力 800nm〜1000nm〜1030nmの範囲にお いては、高出力耐性は波長に依存して緩やかに増大している（領域 501)。この領域 では、 5次の QPMによる SFG406が発生しているものの、 SFG406のウォークオフ 角は、 30度以上に保たれるため、 SFG406の強度は非常に小さい（図 3B参照)。ま た 4次の QPMによる SFGは位相整合がとれないため発生しない（図 3B参照。；)。従 つて、 SFG406の出力は、非常に小さぐ波長変換素子 402は、高い高出力耐性を 示す。
[0086] よって、光源 401の出射する基本波の波長は、 1030nm以下であることが好ましい
[0087] 同様のことが基本波波長 1050nm以上の範囲にも当てはまる。基本波波長が 105 Onm以上の場合、 4次および 5次の擬似位相整合による SFG406と基本波 404のゥ オークオフ角は、共に 10度以上となるため（図 3B参照。）、 SFG406の出力は、低く 抑えられる (領域 505)。従って、波長変換素子 402は、高い高出力耐性を示す。
[0088] よって、光源 401の出射する基本波の波長は、 1050nm以上であることも好ましい 。さらには、ウォークオフ角が 15度以上となる、基本波波長 1070nm以上が望ましい
[0089] これに対し、ウォークオフ角が 10度未満となる 1030nm〜1050nm (図 3B参照。 ) では高出力耐性が大幅に低下する（図 5領域 503参照。；)。
[0090] よって、波長変換素子 402内において和周波（SFG) 406が発生する場合、 SFG4 06と基本波のウォークオフ角を 10度以上、さらに好ましくは 15度以上、に保つことが できれば、高い高出力耐性を有するコヒーレント光源 400が実現できる。
[0091] [位相整合温度が高出力耐性に与える影響について]
ΙΟΙΟηπ！〜 1030nmの波長領域では、位相整合温度に注意する必要がある。図 6 は、 SFG406が完全位相整合する領域近傍における、基本波波長と耐性強度の関 係について、位相整合温度を変えて測定した結果を示すグラフである。図 5の領域 5 01力示すように、 1030nm以下の波長では、 SFG406の発生が抑えられ、強い耐性 を示すことを示した。しかし、本願の発明者は、この基本波波長域において強い耐性 を実現するには、結晶の温度に制限が存在することを発見した。通常、波長変換素 子 402は、光損傷や GRIIRA等の影響を少なくするため、結晶の温度を 100°C程度 以上に上げて使用する場合が多い。し力しながら、この基本波波長領域（lOlOnm 〜1030nm)においては、結晶温度を上げることで、 SFG406が発生する条件であ る位相整合条件を満足する基本波波長が短波長側にシフトする。そのため、 SFG40 6が発生し、さらに、基本波 404と SFG406のウォークオフ角は 10度よりも小さい。
[0092] このため、温度を上げると、耐性が低くなる領域（図 5領域 503に対応。 )が短波長 側にシフトする。換言すれば、図 6に示すように、耐性が低くなる基本波波長領域の 最短基本波波長端は、波長変換素子の温度上昇とともに、短波長化する。
[0093] 従って、基本波波長が ΙΟΙΟηπ！〜 1030nmの範囲に含まれる場合、高出力耐性 を高く保つには、位相整合温度を 50°C以下に保って使用するのが好ましい。
[0094] 特に、基本波波長が 1020nm〜1030nmの範囲に含まれる場合、結晶温度に細 心の注意を払って使用することが望ましい。この波長領域では、僅かな温度上昇で 完全位相整合条件が成立し、 SFG406の強度が急激に増大し、高出力耐性が大幅 に劣化する。 [0095] また、 1020〜1030nmの範囲に含まれる基本波波長を使用する場合、光源 401と して、 Yb :YAG固体レーザや、 Ybドープのファイバーレーザを用いることができる。 これらの光源は、高効率、高出力である。そのため、これらの光源と、波長変換素子 4 02との組み合わせにより、高出力のコヒーレント光源が実現できる力 さらに、波長変 換素子 402の温度を低く保つことで、高出力耐性を備えた、高効率かつ高出力なコ ヒーレント光源 400が実現される。
[0096] 基本波波長が 1030nm〜1050nmの範囲に含まれる場合、図 3Bに示したとおり、 基本波 404と SFG406のウォーク才フ角力 10度より/ J、さくなり、 SFG406は力なり強 く発生する。このため、耐性は lOMWZcm2以下となる。 PPMgLN (波長変換素子 4 02)では、この領域での使用は低パワーの基本波の波長変換にのみ利用することが 望ましい。このとき、基本波のパワー密度は、 lMWZcm2程度が望ましい。この基本 波波長領域（1030ηπ！〜 1050nm)においては、基本波 404として高出力パルスを 用いたり、波長変換素子 402を内部共振器として用いたりする、変換効率の高い（高 出力の光が波長変換素子 402内に存在する）構成での使用は困難で、そのような利 用にお 、ては変換効率の大幅な低下が懸念される。波長変換素子 402 (PPMgLN )の安定な出力を実現するには、この波長領域（ 1030ηπ！〜 1050nm)を使用しな 、 ことが望ましい。この波長領域を利用するには、図 6に示したように、結晶（PPMgLN )の温度を高くして使用することが望ましい。結晶温度を上げることで、基本波と SFG のウォークオフ角を 10度以上とすることが可能であるからである。よって、このような波 長領域を基本波波長として利用する場合には、波長変換素子 402内の温度は、基 本波波長に依存する力 およそ 100〜 150°C以上を保つことが望まれる。
[0097] 基本波波長が 1060nm〜： L lOOnmの範囲に含まれる場合での波長変換素子 402 の好適な利用について説明する。この波長領域（1060nm〜： L lOOnm)では、基本 波の光源 401として、 Ndや Ybをドープした固体光源を用いた高出力の光源が利用 できる。し力しながら、図 3Cに示したように、 4次の QPMにより発生した紫外領域の S FG406が存在する。しかしながら、基本波 404と SFG406のウォークオフ角は 10度 以上（1070nm以上では 15度以上）となるため、 SFG406発生の強度は低く抑えら れ、比較的高い耐性を示す。この基本波波長領域（1060nm〜： L lOOnm)では、入 力される基本波のパワー密度に対する耐性は 50MWZcm2程度以上を示す。これ は通常の LNでのレーザダメージ而ォ性として報告されて!、る 100〜200MWZcm2程 度という値に比べると低い値だ力 非線形定数の高い PPMgLNであれば、 50%以 上の高い効率で波長変換が行えるため、実用上は問題がない耐性である。非線形 性の低 、材料では効率を上げるために高!、光のパワー密度を必要とし、そのために 高い耐性が要求される力 PPMgLNを 1060〜： L lOOnmの波長範囲で利用するな らば、基本波 404と SFG406のウォークオフ角が 10度以上（ 1070nm以上では 15度 以上）となるため実用可能な高効率かつ高出力なコヒーレント光源が実現できる。ま たこの波長領域（1060nm〜： L lOOnm)では、基本波のパワー密度を 50MWZcm2 程度以下で使用することが、安定的出力の観点からは好ましい。さらには、 1〜40M WZcm2程度で使用するのがより好ましい。この領域では変換効率も 50%程度と高 い値が得られる。さらに長期的に使用しても結晶の劣化等が観測されず、長寿命化 も可能である。またこの波長領域（1060nm〜： L lOOnm)では図 6に示したように、結 晶の温度を上げることで耐性をさらに向上させることが可能となる。その理由は、 SF Gと基本波のウォークオフ角が増大するため SFGの発生が抑えられ、耐性が向上す るカゝらである。
[0098] [波長変換素子を構成する結晶の耐用寿命について]
結晶の寿命の問題は、紫外光 (例えば SFG406)発生による、赤外光 (例えば基本 波 404)および可視光 (例えば SHG405)の結晶（波長変換素子 402)による吸収量 の増大と密接に関係する。紫外光の発生により基本波吸収および SHGの吸収があ る状態で長時間使用していると、基本波および可視光の吸収により結晶欠陥が増大 し、変換効率が低下する。このため、短期的には安定的に出力可能な耐性を有する 波長変換素子 402にその耐性を下回るパワーの基本波波長を入射して使用する場 合であっても、長期的に安定的な利用は困難となることがある。
[0099] このため、結晶の長時間の寿命を確保ためにも、基本波 404と SFG406のウォーク オフ角は 10度以上に設定するのが好ましい。より好ましくは、 15度以上、さらには、 2 0度以上にすることで、光ダメージの耐性とほぼ同じ程度までに耐性を高めることがで きるため、なお好ましい。ウォークオフ角を確保するためには、結晶の温度を制御し、 位相整合波長を所望の値に設定することが好ましい。特に、基本波波長が 1060nm 〜： L lOOnmの範囲に含まれる場合、 SFG406が僅かながら出射している。このため 、 SHG405の出力を、 5W以下に抑えて使用することが望ましい。例えば、 SHG405 の平均出力は、 1W以上、 2W以上、 2. 5W以上、または、 3. OW以上、かつ、 5. 0 W以下で使用することが好ましい。この SHG出力範囲内で使用すれば、高効率変 換と出力安定性、ならびに、長寿命化を実現できる。また、さらに高いパワー密度で 使用する場合は、結晶温度を上げればよい。
[0100] なお、光源 401には、 CW光源も可能である力 Qスィッチパルス光源を利用するこ とが好ましい。基本波 401の平均パワーは低くとも、高いピークパワーが利用でき高 効率変換が可能となるからである。
[0101] また、繰り返し周波数としては 1kHz以上が好ましい。これ以下の繰り返し周波数で は、ピークパワーが高くなりすぎるおそれがある。本発明によるコヒーレント光源が安 定するために有効であると示した 50MWZcm2程度のパワー密度に抑えて利用する ため、光のビームスポットを大きくし、かつ、平均パワーを下げる必要性が生じることが ある。
[0102] よって、高出力の光源として利用するためには、繰り返しの周波数が 1kHz以上、よ り好ましくは 10kHz以上が望ましい。
[0103] なお、光源 401は、 Nd:YV04、 Nd:YAG、 Nd:ガラス等の Nd材料、または、 Yb :
YAG、 Yb :ガラス等の Ybドープ材料、を有することができる。
[0104] また、光源 401は、 Ybドープのファイバーレーザを備えることも好ましい。
[0105] ファイバーレーザは、高出力化が容易で、かつ、ビーム品質も高ぐ集光特性に優 れ、高効率変換が可能である。例えば 100Wの光源を 20 /ζ πι φ程度に集光すれば 、 30MWZcm2のパワー密度となり、基本波波長によっては、波長変換素子 402 (P PMgLN)の耐性に影響を及ぼしかねないような値を得ることができる。 Ybドープのフ アイバーレーザをアンプとして利用し、パルス駆動した光源からの光を増幅するように 、光源 401を構成すると、尖塔値が大きな、高いピーク値での出力が可能となる。こ のような光源 401は、高効率かつ高出力のコヒーレント光源を実現するには好適であ る。さらに、波長変換素子 402に、内部共振器構造を備えて使用する場合、共振器 内部の基本波 404のパワーは、外部のポンプパワーの数 10倍、数 100倍に容易に 達する。そのため、内部パワーが 100W以上になることは通常である。本発明にかか るコヒーレント光源 400の構成を適用すれば、高効率、かつ、高出力な安定した可視 光コヒーレント光源を実現できる。
[0106] なお、本実施形態においては、 PPMgLNとしては、 Mg5mol%ドープの PPMgL Nを例示目的で用いているが、 PPMgLNの Mgドープ量としては、 4. 9mol%〜6m ol%が望ま 、。耐光損傷強度に優れるからである。
[0107] そのほ力 Zn, In, Scドープの PPMgLNも、同様に利用できる。
[0108] ストィキオメトリック組成の PPMgLNも、耐光損傷強度に優れた高非線形材料であ るため利用可能である。この場合、 Mgのドープ量は 1. 5mol%以上が好ましい。
[0109] その他、 Mgドープの LiTa03、 Mgドープのストィキオメトリック LiTa03, KTP等も 、本発明に力かるコヒーレント光源 400の波長変換素子 402に利用可能である。また 、その他の高非線形材料においても、特に紫外光によって結晶の吸収が増大する場 合、基本波 404と SFG406とのウォークオフ角を 10度以上に設定すれば、安定した 出力特性を実現できる。より好ましくは、ウォークオフ角は、 15度以上に設定する。
[0110] 本発明にかかるコヒーレント光源は、光源力もの基本波を受けて、基本波の第 2高 調波を高出力で出射可能なコヒーレント光源である。第 2高調波の出力は、平均出力 で 1W以上の出力が可能である。また、平均出力で 2W以上、 2. 5W以上、 3W以上 の出力を得ることも可能である。
[0111] <第 2の実施形態 >
[可視光吸収による出力不安定性]
上述の熱レンズ効果による出力不安定は、紫外線の発生により、基本波および高 調波の波長変換素子 402による吸収が生じ、吸収されたエネルギにより熱レンズ効 果が発生し、出力が不安定ィ匕する現象である。赤外光の吸収の場合は、比較的吸収 係数が小さいため、熱レンズ効果の発生に要するパワー密度は高い。このため、尖 塔値の高いピークパワーにより、熱レンズ効果が発生した。これに対し、波長の短い 可視光に対しては、吸収係数が大きぐ熱レンズ効果の発生は、より顕著となる。
[0112] さらに、波長が 600nm以下の光に対しては、微少な紫外光によっても吸収が生じ る。そのため、比較的低いパワーを有する和周波 (紫外光)で、高調波の吸収が発生 する。また、前述した擬似位相整合した SFG406とは別に、位相整合していない SF G706によっても生じることが判明した。 CW光発生時に特に問題となる位相不整合 状態で発生する SFG706につ 、て図 7を用いて説明する。前述した (擬似)位相整 合状態で発生する SFG406は、基本波 404に対してウォークオフ角を持って発生す る。この場合、 SFG406の出力 701は、伝搬距離とともに増大する。（ここでは簡単の ため 1次の擬似位相整合状態で示しているが、実際は、高次の擬似位相整合状態を 含む。）一方、位相不整合状態の SFG706は、同様に図 7内に示しているが、基本 波 404と同じ方向に伝播する。位相不整合の SFG706の出力 703は、伝搬距離に 対し、ほとんど増大しない。しかし、波長の短い光に対しては、位相不整合状態で発 生する微少な紫外光（SFG706)によっても、吸収が発生することが明らかになった。
[0113] ここでは、波長変換素子 402による可視光の吸収を防止し、安定な出力特性を示 すコヒーレント光源について説明する。可視光の吸収は、位相整合条件が成立しな い和周波（図 7の SFG706等）によっても吸収が生じる。これを防止するには、和周波 の発生を防止するための構造が必要である。図 8は、本発明にかかる第 2の実施形 態によるコヒーレント光源の波長変換部 800の構成図である。他の構成部は、第 1の 実施形態と同様でよいため、説明を省略する。
[0114] [波長変換部]
図 8を参照すれば、基板 (波長変換素子) 802に形成された周期状分極反転構造 8 03により基本波 804は SHG (第 2高調波） 805に波長変換される。ここでは、図示し ない光源部は、ファイバーレーザを備え、出射光の波長は 1084nmである。 1084η mの波長を有する基本波 803は、波長変換素子 802周期状の分極反転構造 803を 有する PPMgLN (波長変換素子 802)により 542nmの波長を有する緑色光に波長 変換される。ここで、周期状分極反転構造 803の周期は約 7 mであり、位相整合の 条件は、素子 802の温度制御で制御する。温度制御は図示しない温度制御部を備 えてもよい。
[0115] 完全位相整合の条件が満たされた場合、基本波 804と SHG805は同じ方向に伝 搬する。本実施形態においては、波長変換素子 802の温度を完全位相整合の状態 力 ずらすことにより、位相不整合状態を保つ。
[0116] そのため、 SHG805は基本波 804に対して角度（ウォークオフ角）を持って出射す る。この場合、 SHG805への変換効率は低下する力 基本波 804と SHG805のビー ムの重なりが減少するため、基本波 804と SHG805により発生する和周波の出力は 、大幅に低減される。これによつて、 SHG805吸収による出力不安定ィ匕現象は、大 幅に低減される。
[0117] 波長変換素子 802の構成を、あえて位相整合条件力もずらして使用することにより
、ノンゼロのウォークオフ角を発生させ、和周波の発生を抑えている。
[0118] <変形例 >
図 9は、本発明にかかる第 2の実施形態の変形例による波長変換部 900の構成図 である。ここでは、分極反転構造 903の有するストライプの法線方向を、基本波 904 の光軸に対し、角度 Θだけ傾けて形成している。これにより、 SHG905と基本波 904 の波長分散により、 SHG905と基本波 904にウォークオフ角 Θ Wを形成する。分極 反転の光軸と基本波 904の成す角度を分極反転角度 Θとする。図 8に示す構成の 場合では、出力される SHG805は 2つの方向に分かれるため、ノンゼロのウォークオ フ角の発生による変換効率の低減は、比較的大きい。し力しながら、図 9のように波 長変換素子 902を構成すると、分極反転構造 903の斜傾角度により SHG905の発 生する角度つまりウォークオフ角 を調整することができる。なおかつ、 SHG905 の伝播方向は、一方向に限定されるため、変換効率の低下を低減することができる。 また、ノンゼロのウォークオフ角 Θ Wを実現することで、基本波 904と SHG905の重 なりが減少するため重なりによって発生していた和周波（SFG)を大幅に低減でき、 高出力時の安定性が向上する。
[0119] 図 10は、分極反転角度 Θ (基本波のビームに対して垂直の状態から、分極反転構 造 903のずれ角度）と、基本波 904と SHG905の成すウォークオフ角の関係を示す グラフである。このグラフは、基本波波長を 1080nmとして計算により求めたグラフで ある。図 10を参照すれば、ウォークオフ角 Θ Wは、分極反転構造 903の分極反転角 度 Θの 1Z30程度で有ることが判る。高調波の発生を抑えるにはウォークオフ角度を 0. 1度以上にする必要がある。よって、分極反転角度 Θとしては、 3度以上を備える ことが好ましい。
[0120] 図 11は、分極反転角度 Θと、基本波 904の SHG905への変換効率 1101、および 、波長変換素子 902の高出力耐性 1103の関係を示したグラフである。分極反転角 度が 2度以上のときに、耐性の顕著な向上が見られる。分極反転角度が 5度あれば、 高出力耐性は、分極反転角度がゼロ度の場合の 1. 4倍になり、変換効率は 1Z2程 度に低下する。
[0121] 分極反転構造 903の角度の増大とともに、変換効率は低下するため、分極反転角 度は 3度以上 20度以下が好ましい。さらに好ましくは 5度以上 10度以下がよい。
[0122] 再度、図 9を参照すれば、分極反転構造 903のストライプの方向は、波長変換素子
902を構成する結晶基板の Y軸 (結晶の a軸および c軸に垂直な方向、ここでは、 Z軸 力 軸と平行であり、 X軸が a軸に平行である。）方向とほぼ平行に設定する。バルタ 結晶の分極反転構造 903は、 Z基板に形成することが好ましい。 Z基板の +Z表面に 電極を形成し、これに電圧を印加する。この場合の電極のストライプ方向を、素子 90 2を構成する結晶の Y軸方向にほぼ一致させて形成する必要がある。従って、分極 反転構造 903を光軸に対して傾けて形成する場合、光軸と結晶の Y軸を傾けて形成 することが好ましい。分極反転構造 903のストライプ方向力 結晶の Y軸からずれると 、分極反転構造 903の均一性が悪くなり、変換効率が大幅に低減する。このため、 Y 軸方向に分極反転構造 903のストライプを一致させることが望ましい。分極反転構造 903と Y軸との角度は、 ± 1度以内のずれに抑えることが望ましい。これ以上のずれ 角があると、分極反転構造 903の不均一性のため、理想的な方向に分極反転構造 9 03を形成した場合に比して、効率が 80%以下に低下する。分極反転構造 903のスト ライプと Y軸のずれが 5度以上になると変換効率は、理想的な状態の半分以下に低 下する。
[0123] なお、本実施形態では、 1つの基本波 804または 904力ら SHG805または 905を 発生する場合について説明しているが、 2つの基本波よりひとつの和周波を発生する 場合にも、和周波の吸収による出力の不安定ィ匕現象が発生することがある。
[0124] 例えば、波長 1080nmの基本波と波長 770nmの基本波より、波長 450nmの和周 波を発生する場合、 450nmの和周波の波長変換素子による吸収で熱レンズ効果が 素子内で発生する。この場合、吸収の原因となる紫外光の発生は、波長 770nmの 基本波の第 2高調波である 385nmの紫外光によるものである。
[0125] この場合、 2つの基本波は、光軸を一致させ、 450nmの和周波を異なる角度に出 射することが好ましい。または、波長 1080nmの基本波と、波長 450nmの和周波の 光軸を一致させ、波長 770nmの基本波の光軸を、僅かに先の 2つの光と角度を付け る構成が好ましい。基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、紫外光の発 生または影響を低減し、高出力耐性を向上できる。また、和周波発生の場合、 2つの 基本波のパワー比によっても高出力耐性の向上が可能となる。波長の異なる 2つの 基本波から和周波を発生する場合、和周波の出力は 2つの基本波のパワーを掛けた 値に比例する。一方、和周波の吸収の原因となる基本波力もの SHGは波長の短い 基本波からの SHGが問題となる。従って、和周波発生の場合、波長 λ 1の第 1の基 本波のパワーを Pl、波長 λ 2の第 2の基本波のパワーを Ρ2とすると、 λ 1 > λ 2の場 合では、 Ρ1 >Ρ2とするのが好ましい。より波長の短い光のパワーを小さくすることで、 より短波長の SHGの発生をより少なくして、高出力耐性の向上が図れる。
[0126] なお、本実施形態によるコヒーレント光源を構成する光源部は、他の実施形態にお V、て示した光源であれば、使用することが可能である。
[0127] <第 3の実施形態 >
ここでは、本発明に力かる第 3の実施形態によるコヒーレント光源 1200の構成につ いて説明する。図 12は、第 3の実施形態のコヒーレント光源 1200の構成を示す図で ある。本実施形態のコヒーレント光源 1200は、先の実施形態で示したコヒーレント光 源と同様の構成を有するが、電流源 1210および波長変換素子 1202に配された電 極 1211を有する点で先の実施形態によるコヒーレント光源と異なる。先の実施形態 と同様、光源 1201から出た基本波 1204は、波長変換素子 1202 (PPMgLN)により 、 SHG1205に変換される。さらに SHG1205と基本波 1204は、和周波を発生し、 S FG1206が生じることがある。 SFG1206力 波長 400nm以下の紫外光領域の光で ある場合、発生した紫外線により PPMgLN内部において自由電子が増加する。電 極 1211を介して波長変換素子 1202に電圧を印加することで、電荷を移動させ、 S HG1205の吸収を低減することができる。電極 1211に印加する電圧は、交流的に 変化することが好ましく、周波数 100Hz以上の交流電圧の印加が望ま 、。
産業上の利用可能性
[0128] 以上述べたように、本発明の発明者は、従来解明されていな力つた SHG波長変換 における出力の不安定ィ匕現象の機構を明らかにし、よって、和周波の発生を抑制し、 安定した第 2高調波出力を得られるコヒーレント光源を提供する。
[0129] 本発明にかかるコヒーレント光源は、基本波と第 2高調波により発生する和周波光と 基本波とのウォークオフ角を大きくとることで、和周波の発生を抑え、安定した第 2高 調波出力を得られる。
[0130] さらに、基本波と第 2高調波にウォークオフ角を持たせることで、和周波の発生を抑 圧して、高出力耐性を向上させることが可能である。本発明にかかるコヒーレント光源 は、高出力用途のコヒーレント光源として、その実用効果は大きい。
[0131] さらに、 2つの基本波力 和周波を発生する構成を有するコヒーレント光源において も、基本波と和周波にウォークオフ角を持たせることで、高出力耐性を向上させてい る。このようなコヒーレント光源の実用効果も、非常に大きい。

Claims

請求の範囲
[1] 1070nm以上の第 1波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射する 波長変換部を有するコヒーレント光源。
[2] 前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Mgドープ LiNb03を有するこ とを特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[3] 前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Scドープ LiNb03を有すること を特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[4] 前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Inドープ LiNb03を有すること を特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[5] 前記波長変換部は、周期状分極反転構造を備える Znドープ LiNb03を有すること を特徴とする請求項 1に記載のコヒーレント光源。
[6] 1027nm以上の第 1波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し、 周期状分極反転構造を備えるストィキオメトリック MgO： LiNb03を含む波長変換部 を有するコヒーレント光源。
[7] 1018nm以上の第 1波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し、 周期状分極反転構造を備える LiTa03を含む波長変換部を有するコヒーレント光源
[8] 850nm以上の第 1波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記基本波の第 2高調波を所定の平均出力以上で出射し、 周期状分極反転構造を備える KTiOP04を含む波長変換部を有するコヒーレント光 源。
[9] 前記波長変換部は、摂氏 100度以下で動作されることを特徴とする請求項 1または
6な!、し 8の!、ずれ力 1つに記載のコヒーレント光源。
[10] さらに、前記波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長 400nm 以下の光から前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とする請 求項 1または 6な!、し 8の!、ずれ力 1つに記載のコヒーレント光源。
[11] 800nm以上の第 1波長を有する基本波を出射する光源部と、
前記基本波を受けて前記第 1波長の半波長である第 2波長を有する光を所定の平 均出力以上で出射する波長変換部と、
前記波長変換部の少なくとも一部分を蔽い、外部より入射する波長 400nm以下の 光力 前記波長変換部を保護する紫外光遮蔽部を有することを特徴とするコヒーレン 卜光源
[12] さらに、前記波長変換部に通電可能に配された電極部と、
前記電極に電圧を印加する電源部とを有することを特徴とする請求項 1または 6な
V、し 8または 11の!、ずれ力 1つに記載のコヒーレント光源。
[13] 前記光源部は、ファイバーレーザを有することを特徴とする請求項 1または 6ないし 8 または 11のいずれ力 1つに記載のコヒーレント光源。
[14] 前記光源部は、 Qスィッチパルス駆動され、その繰り返し周波数が 1kHz以上であ ることを特徴とする請求項 1または 6ないし 8または 11のいずれ力 1つに記載のコヒー レント光源。
[15] 前記所定の平均出力は、 1Wであることを特徴とする請求項 1または 6ないし 8また は 11のいずれか 1つに記載のコヒーレント光源。
[16] 前記所定の平均出力は、 2Wであることを特徴とする請求項 1または 6ないし 8また は 11のいずれか 1つに記載のコヒーレント光源。
[17] 前記所定の平均出力は、 2. 5Wであることを特徴とする請求項 1または 6ないし 8ま たは 11のいずれか 1つに記載のコヒーレント光源。
[18] 前記所定の平均出力は、 3Wであることを特徴とする請求項 1または 6ないし 8また は 11のいずれか 1つに記載のコヒーレント光源。
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