高調波発生装置
【目的】共振器の入射面での反射光が半導体レーザ（ＬＤ）に戻りＬＤ発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大が起こるのを防ぐ。
【構成】入射基本波光軸１１０は共振軸１１１と０．３°の角度をなし、基本波１０５の一部は定在波直線共振器１０４の入射面１０９で直接反射される。入射基本波光軸１１０と直接反射光１１２の光軸は０．２°の角度をなし、ＬＤ１０２の発光層には再集光されない。
【構成】入射基本波光軸１１０は共振軸１１１と０．３°の角度をなし、基本波１０５の一部は定在波直線共振器１０４の入射面１０９で直接反射される。入射基本波光軸１１０と直接反射光１１２の光軸は０．２°の角度をなし、ＬＤ１０２の発光層には再集光されない。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザからの基本波を非線形光学材料により高調波に変換する高調波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２には従来の高調波発生装置の一例として、定在波直線共振器を用いた第２高調波発生装置２０１が示されている。この第２高調波発生装置は、半導体レーザ（以下ＬＤとする）２０２、コリメータレンズ及びモードマッチングレンズ等からなる結合光学系２０３、共振ミラー２０４と片面（出射面２０５）を共振ミラーとしたＫＮｂＯ3 単結晶等の非線形光学結晶２０６とからなる定在波直線共振器２０７により構成されている。
【０００３】ＬＤ２０２は例えば波長８６０ｎｍの基本波２０８を出射する。共振器の入射面２０９には基本波に対し一部透過で高調波に対し高反射の膜が蒸着され共振ミラー面を形成し、出射面２０５には基本波に対し高反射で高調波に対し高透過の膜が蒸着され共振ミラー面を形成している。
【０００４】上記の構成において、ＬＤ２０２から出射する波長８６０ｎｍの基本波２０８は結合光学系２０３により集光され、共振モードに整合され、定在波直線共振器２０７に入射する。この際、基本波２０８の一部は定在波直線共振器２０７に入射されず入射面２０９で反射された直接反射光２１０となり、ＬＤ２０２の発光層に再集光される。
【０００５】入射基本波光軸２１１は共振軸２１２と一致するように配置されており、入射した基本波２０８は２つの共振ミラー面をなす入射面２０９と出射面２０５との間を進行し共振して増幅される。増幅された基本波のうち入射面２０９を通過した共振器からの戻り光２１３はＬＤ２０２に戻る。そして基本波２０８は非線形光学結晶２０６を通過するときその一部が波長４３０ｎｍの第２高調波２１４に変換され、出射面２０５より出射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の高調波発生装置においては、共振器２０７の入射面２０９での反射光２１０がＬＤ２０２に戻ることにより、ＬＤ発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大が起こり、共振器２０７への結合効率が低下する。その結果十分な共振出力が得られず、約１０μＷの不安定で微弱な第２高調波しか得られないという問題点を有していた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、基本波光源である半導体レーザと、基本波を共振させる複数の共振ミラーによって構成される共振器と、前記共振器内の基本波の光軸上に配置された非線形光学材料とを備えてなる高調波発生装置において、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射してなる高調波発生装置を提供する。
【０００８】本発明において、共振軸とは、共振許容幅内で最大の共振出力が得られる光軸であり、複数の共振ミラーにより共振器を構成した場合に一義的に決まる光軸であり、多くの場合共振器のほぼ中心を通る軸に等しい。
【０００９】また、共振許容幅内とは、入射光軸に対し共振軸を平行にずらすか傾けていった際に、入射光軸と共振軸が一致したときに得られる最大出力の半分以上の出力が得られる範囲をいう。
【００１０】本発明において、前記共振器が定在波直線共振器であり、基本波の共振が入射側の共振ミラーと非線形光学材料の１面に設けられた出射側の共振ミラーとの間で行わることが、装置の構成が単純化され、製作、光軸等の調整が容易になるので好ましい。また、非線形光学材料の１面を出射側の共振ミラーとすることにより、単純な構成で高効率の高調波発生が可能になる。
【００１１】共振器が前記定在波直線共振器である場合、基本波入射光軸と共振軸との角度は、入射側の共振ミラーの入射面（球面）の曲率半径が５ｍｍに対して、０．１５゜〜０．４゜が好ましい。０．１５゜より小さいとＬＤ発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅増大が回避できないため好ましくなく、０．４゜より大きいと共振出力が最大共振出力の５０％よりも小さくなり好ましくない。同様に曲率半径が３ｍｍの場合は、０．１５゜〜０．３゜とするのが好ましい。
【００１２】ここで、基本波の入射光軸と共振軸との角度は、基本波の入射光軸と直接反射光の角度が０．２゜以上になるように傾ける必要がある。この角度をθとするとθは、共振ミラーの曲率半径Ｒ、共振器を傾けた場合の共振ミラーの入射面（図１の入射面１０９）から共振軸上に存在する共振器の回転中心までの距離Ｌ（Ｌ＜Ｒ）、共振軸の回転角（傾き角）φで、近似的にθ＝２（１−Ｌ／Ｒ）φと表される。θを０．２゜よりも大きくする必要から、φ＞１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝となる。一方共振許容幅内で出力がちょうど５０％になるときの傾き角をφt とすると、１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝＜φ＜φt となる。
【００１３】Ｏ＜Ｌ＜Ｒであるから、０．１゜＜１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝となり、０．１゜＜φ＜φt となる。ただし、１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝≧φt となるとφが共振許容幅を超えることになり、Ｌはそのような値をとることはできない。
【００１４】前記非線形光学材料としては、ＫＮｂＯ3 、β−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＫＴｉＯＰＯ4 、ＫＨ2 ＰＯ4 、ＬｉＮｂＯ3 等の非線形光学結晶、その他有機非線形光学材料等が使用できるが、高い第２高調波への変換効率、結晶の取扱いやすさ等からしてＫＮｂＯ3 単結晶が好ましい。
【００１５】また本発明は、第２高調波のみならず、第３高調波等のより高次の高調波の発生装置にも応用できる。
【００１６】
【作用】本発明においては、ＬＤからの基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射することにより、共振器に結合しなかった直接反射光がＬＤ発光層に再集光されることによるＬＤの発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大を回避し、高い結合効率で共振器に基本波を入射でき、高効率の波長変換が可能になると考えられる。
【００１７】
【実施例】以下実施例に基づいて説明する。図１には本発明を適用した第２高調波発生装置１０１の一実施例が示されている。この第２高調波発生装置１０１は、基本波光源としてのＬＤ１０２、コリメータレンズ及びモードマッチングレンズ等からなる結合光学系１０３、定在波直線共振器１０４が順次配列されて構成されている。ＬＤ１０２は本実施例では波長８６０ｎｍ、単一縦横モードの非点収差が少ないものが用いられ基本波１０５を出射する。基本波１０５は結合光学系１０３により集光され共振モードに整合され、定在波直線共振器１０４に入射する。
【００１８】定在波直線共振器１０４は、本実施例では曲率半径５ｍｍの球面状の共振ミラー面を有する共振ミラー１０６と、片面（出射面１０７）を共振ミラー面としたＫＮｂＯ3 単結晶の非線形光学結晶１０８により構成されている。定在波直線共振器１０４の入射面１０９には基本波に対し９５％以上反射で高調波に対し９０％以上反射の膜が蒸着され共振ミラーを形成し、出射面１０７には基本波に対し９９％以上反射で高調波に対し９０％以上透過の膜が蒸着され共振ミラーを形成している。
【００１９】この構成において、入射基本波光軸１１０は共振軸１１１と０．３°の角度をなしており、基本波１０５の一部は定在波直線共振器１０４に入射せず入射面１０９で反射され直接反射光１１２となる。入射基本波光軸１１０と直接反射光１１２の光軸とは０．２°の角度をなすことから、ＬＤ１０２の発光層には再集光されない。このためＬＤ１０２の発振波長は安定であり、また発振スペクトル線幅も増大しないため４０％以上の結合効率が得られた。
【００２０】この結果、十分な基本波共振出力が得られ、波長４３０ｎｍ、出力１ｍＷの第２高調波１１３が得られた。また増幅された基本波のうち共振ミラー１０６を通過した共振器からの戻り光１１４は、ＬＤ１０２に戻りＬＤ１０２の発振周波数はこの戻り光１１４により安定化され、室温±１０℃でも第２高調波（青色レーザ）出力が維持された。
【００２１】本発明に用いる共振器としては、複数の共振ミラーと非線形光学材料が別個の共振器に限定されるものではなく、非線形光学材料自体に共振ミラーが形成されたモノリシック型（一体成形型）の共振器も適用可能である。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射することにより、ＬＤの発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大に起因する共振器への結合効率の低下が回避可能となり、安定で高効率な高調波発生が可能となる。また、光アイソレータ等の直接反射光を制御するための素子を必要としないため、小型で単純な構成が可能になるという効果もあわせて有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高調波発生装置の実施例を示す側面図である。
【図２】従来の高調波発生装置の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１０１：第２高調波発生装置
１０２：半導体レーザ（ＬＤ）
１０３：結合光学系
１０４：定在波直線共振器
１０５：基本波
１０６：共振ミラー
１０７：出射面
１０８：非線形光学結晶
１０９：入射面
１１０：入射基本波光軸
１１１：共振軸
１１２：直接反射光
１１３：第２高調波
１１４：戻り光
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザからの基本波を非線形光学材料により高調波に変換する高調波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２には従来の高調波発生装置の一例として、定在波直線共振器を用いた第２高調波発生装置２０１が示されている。この第２高調波発生装置は、半導体レーザ（以下ＬＤとする）２０２、コリメータレンズ及びモードマッチングレンズ等からなる結合光学系２０３、共振ミラー２０４と片面（出射面２０５）を共振ミラーとしたＫＮｂＯ3 単結晶等の非線形光学結晶２０６とからなる定在波直線共振器２０７により構成されている。
【０００３】ＬＤ２０２は例えば波長８６０ｎｍの基本波２０８を出射する。共振器の入射面２０９には基本波に対し一部透過で高調波に対し高反射の膜が蒸着され共振ミラー面を形成し、出射面２０５には基本波に対し高反射で高調波に対し高透過の膜が蒸着され共振ミラー面を形成している。
【０００４】上記の構成において、ＬＤ２０２から出射する波長８６０ｎｍの基本波２０８は結合光学系２０３により集光され、共振モードに整合され、定在波直線共振器２０７に入射する。この際、基本波２０８の一部は定在波直線共振器２０７に入射されず入射面２０９で反射された直接反射光２１０となり、ＬＤ２０２の発光層に再集光される。
【０００５】入射基本波光軸２１１は共振軸２１２と一致するように配置されており、入射した基本波２０８は２つの共振ミラー面をなす入射面２０９と出射面２０５との間を進行し共振して増幅される。増幅された基本波のうち入射面２０９を通過した共振器からの戻り光２１３はＬＤ２０２に戻る。そして基本波２０８は非線形光学結晶２０６を通過するときその一部が波長４３０ｎｍの第２高調波２１４に変換され、出射面２０５より出射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の高調波発生装置においては、共振器２０７の入射面２０９での反射光２１０がＬＤ２０２に戻ることにより、ＬＤ発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大が起こり、共振器２０７への結合効率が低下する。その結果十分な共振出力が得られず、約１０μＷの不安定で微弱な第２高調波しか得られないという問題点を有していた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、基本波光源である半導体レーザと、基本波を共振させる複数の共振ミラーによって構成される共振器と、前記共振器内の基本波の光軸上に配置された非線形光学材料とを備えてなる高調波発生装置において、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射してなる高調波発生装置を提供する。
【０００８】本発明において、共振軸とは、共振許容幅内で最大の共振出力が得られる光軸であり、複数の共振ミラーにより共振器を構成した場合に一義的に決まる光軸であり、多くの場合共振器のほぼ中心を通る軸に等しい。
【０００９】また、共振許容幅内とは、入射光軸に対し共振軸を平行にずらすか傾けていった際に、入射光軸と共振軸が一致したときに得られる最大出力の半分以上の出力が得られる範囲をいう。
【００１０】本発明において、前記共振器が定在波直線共振器であり、基本波の共振が入射側の共振ミラーと非線形光学材料の１面に設けられた出射側の共振ミラーとの間で行わることが、装置の構成が単純化され、製作、光軸等の調整が容易になるので好ましい。また、非線形光学材料の１面を出射側の共振ミラーとすることにより、単純な構成で高効率の高調波発生が可能になる。
【００１１】共振器が前記定在波直線共振器である場合、基本波入射光軸と共振軸との角度は、入射側の共振ミラーの入射面（球面）の曲率半径が５ｍｍに対して、０．１５゜〜０．４゜が好ましい。０．１５゜より小さいとＬＤ発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅増大が回避できないため好ましくなく、０．４゜より大きいと共振出力が最大共振出力の５０％よりも小さくなり好ましくない。同様に曲率半径が３ｍｍの場合は、０．１５゜〜０．３゜とするのが好ましい。
【００１２】ここで、基本波の入射光軸と共振軸との角度は、基本波の入射光軸と直接反射光の角度が０．２゜以上になるように傾ける必要がある。この角度をθとするとθは、共振ミラーの曲率半径Ｒ、共振器を傾けた場合の共振ミラーの入射面（図１の入射面１０９）から共振軸上に存在する共振器の回転中心までの距離Ｌ（Ｌ＜Ｒ）、共振軸の回転角（傾き角）φで、近似的にθ＝２（１−Ｌ／Ｒ）φと表される。θを０．２゜よりも大きくする必要から、φ＞１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝となる。一方共振許容幅内で出力がちょうど５０％になるときの傾き角をφt とすると、１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝＜φ＜φt となる。
【００１３】Ｏ＜Ｌ＜Ｒであるから、０．１゜＜１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝となり、０．１゜＜φ＜φt となる。ただし、１／｛１０（１−Ｌ／Ｒ）｝≧φt となるとφが共振許容幅を超えることになり、Ｌはそのような値をとることはできない。
【００１４】前記非線形光学材料としては、ＫＮｂＯ3 、β−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＫＴｉＯＰＯ4 、ＫＨ2 ＰＯ4 、ＬｉＮｂＯ3 等の非線形光学結晶、その他有機非線形光学材料等が使用できるが、高い第２高調波への変換効率、結晶の取扱いやすさ等からしてＫＮｂＯ3 単結晶が好ましい。
【００１５】また本発明は、第２高調波のみならず、第３高調波等のより高次の高調波の発生装置にも応用できる。
【００１６】
【作用】本発明においては、ＬＤからの基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射することにより、共振器に結合しなかった直接反射光がＬＤ発光層に再集光されることによるＬＤの発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大を回避し、高い結合効率で共振器に基本波を入射でき、高効率の波長変換が可能になると考えられる。
【００１７】
【実施例】以下実施例に基づいて説明する。図１には本発明を適用した第２高調波発生装置１０１の一実施例が示されている。この第２高調波発生装置１０１は、基本波光源としてのＬＤ１０２、コリメータレンズ及びモードマッチングレンズ等からなる結合光学系１０３、定在波直線共振器１０４が順次配列されて構成されている。ＬＤ１０２は本実施例では波長８６０ｎｍ、単一縦横モードの非点収差が少ないものが用いられ基本波１０５を出射する。基本波１０５は結合光学系１０３により集光され共振モードに整合され、定在波直線共振器１０４に入射する。
【００１８】定在波直線共振器１０４は、本実施例では曲率半径５ｍｍの球面状の共振ミラー面を有する共振ミラー１０６と、片面（出射面１０７）を共振ミラー面としたＫＮｂＯ3 単結晶の非線形光学結晶１０８により構成されている。定在波直線共振器１０４の入射面１０９には基本波に対し９５％以上反射で高調波に対し９０％以上反射の膜が蒸着され共振ミラーを形成し、出射面１０７には基本波に対し９９％以上反射で高調波に対し９０％以上透過の膜が蒸着され共振ミラーを形成している。
【００１９】この構成において、入射基本波光軸１１０は共振軸１１１と０．３°の角度をなしており、基本波１０５の一部は定在波直線共振器１０４に入射せず入射面１０９で反射され直接反射光１１２となる。入射基本波光軸１１０と直接反射光１１２の光軸とは０．２°の角度をなすことから、ＬＤ１０２の発光層には再集光されない。このためＬＤ１０２の発振波長は安定であり、また発振スペクトル線幅も増大しないため４０％以上の結合効率が得られた。
【００２０】この結果、十分な基本波共振出力が得られ、波長４３０ｎｍ、出力１ｍＷの第２高調波１１３が得られた。また増幅された基本波のうち共振ミラー１０６を通過した共振器からの戻り光１１４は、ＬＤ１０２に戻りＬＤ１０２の発振周波数はこの戻り光１１４により安定化され、室温±１０℃でも第２高調波（青色レーザ）出力が維持された。
【００２１】本発明に用いる共振器としては、複数の共振ミラーと非線形光学材料が別個の共振器に限定されるものではなく、非線形光学材料自体に共振ミラーが形成されたモノリシック型（一体成形型）の共振器も適用可能である。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射することにより、ＬＤの発振周波数の不安定化及び発振スペクトル線幅の増大に起因する共振器への結合効率の低下が回避可能となり、安定で高効率な高調波発生が可能となる。また、光アイソレータ等の直接反射光を制御するための素子を必要としないため、小型で単純な構成が可能になるという効果もあわせて有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高調波発生装置の実施例を示す側面図である。
【図２】従来の高調波発生装置の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１０１：第２高調波発生装置
１０２：半導体レーザ（ＬＤ）
１０３：結合光学系
１０４：定在波直線共振器
１０５：基本波
１０６：共振ミラー
１０７：出射面
１０８：非線形光学結晶
１０９：入射面
１１０：入射基本波光軸
１１１：共振軸
１１２：直接反射光
１１３：第２高調波
１１４：戻り光
【特許請求の範囲】
【請求項１】基本波光源である半導体レーザと、基本波を共振させる複数の共振ミラーによって構成される共振器と、前記共振器内の基本波の光軸上に配置された非線形光学材料とを備えてなる高調波発生装置において、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射してなることを特徴とする高調波発生装置。
【請求項２】前記共振器が定在波直線共振器であり、基本波の共振が入射側の共振ミラーと非線形光学材料の１面に設けられた出射側の共振ミラーとの間で行われてなる請求項１記載の高調波発生装置。
【請求項１】基本波光源である半導体レーザと、基本波を共振させる複数の共振ミラーによって構成される共振器と、前記共振器内の基本波の光軸上に配置された非線形光学材料とを備えてなる高調波発生装置において、基本波を共振軸に対して傾けて、共振器の共振許容幅内に入るように入射してなることを特徴とする高調波発生装置。
【請求項２】前記共振器が定在波直線共振器であり、基本波の共振が入射側の共振ミラーと非線形光学材料の１面に設けられた出射側の共振ミラーとの間で行われてなる請求項１記載の高調波発生装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平９−５８０９
【公開日】平成９年（１９９７）１月１０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−１４９０６０
【出願日】平成７年（１９９５）６月１５日
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【公開日】平成９年（１９９７）１月１０日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）６月１５日
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
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