(57)【要約】      （修正有）【課題】波長変換装置において、部品点数が少なく低コストの波長変換装置を提供する。【解決手段】第１の波長変換素子２０として、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して入射面、出射面ともに平行に研磨され、第１の波長変換素子に、波長λ１の基本波の光１１がほぼ垂直に入射されるように配置され、第２の波長変換素子１０として、周期分極反転構造を有する非線形結晶が分極反転部の分極の並び方向に対して入射面１４が斜めに研磨され、かつ出射面１５は入射面に対して非平行に研磨され、第１の波長変換素子の出射面から出射した波長λ１の基本波の光、および波長λ２の変換光１２が第２の波長変換素子の入射面に対してほぼ垂直に入射するように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した波長λ１の基本波の光を波長λ２の光に波長変換する第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子の出射面から出た波長λ１と波長λ２の光を波長λ３の光に波長変換する第２の波長変換素子とを有する波長変換装置において、前記第１の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して入射面、出射面ともに平行に研磨され、前記第１の波長変換素子に、前記波長λ１の基本波がほぼ垂直に入射されるように配置され、前記第２の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して、入射面が斜めに研磨され、かつ出射面は入射面に対して非平行に研磨され、前記第１の波長変換素子の出射面から出射した波長λ１の基本波、および波長λ２の変換光が前記第２の波長変換素子の入射面に対してほぼ垂直に入射するように配置されていることを特長とする波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期分極反転構造を有する波長変換素子が搭載された波長変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学効果を利用した波長変換素子は、入射光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため、多くの分野で利用されている。例えば、緑色光を１００ｍＷ以上の高出力で発生させる場合、直接発光可能なレーザ光源が現在実現されていないため、波長変換技術が必須となっている。代表的なものに、波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光をＰＰＬＴ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｔａｎｔａｌａｔｅ）結晶やＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）結晶からなる波長変換素子内に導波させることにより、上記赤外レーザ光の第２高調波（１／２波長）である緑色光を得る技術がある。この種の波長変換素子は、結晶内に隣り同士で分極方向が反転した領域を所定の周期（ピッチ）で交互に繰り返した構造（本明細書では以下、この構造を「周期分極反転構造」と呼ぶ）を有している
（例えば特許文献1、非特許文献1参照）。
【特許文献１】特開２００６−１９６０３号公報
【非特許文献１】N.E. Yu, et. al, AppliedPhysics. Letters., Volume 85、 P.  5134  (2004).
【０００３】
また、非線形光学効果を利用した波長変換素子を２個搭載し、波長変換を２回行う波長変換装置もすでに報告されている。(たとえば特許文献２参照)。その一例として図３に示す。図３は、波長λ１の光１１を、第１の波長変換素子２０に入射し、波長λ２の変換光１２を発生し、発生した波長λ２の光１２と、変換されずに残った波長λ１の光１１を第２の波長変換素子１０に入射し、波長λ３の光１３に変換し、波長λ３の光１３を波長変換装置２４から取り出す装置である。本手法では、第２の波長変換素子１０において、第２の波長変換素子１０の入射面１４と出射面１５とは平行であり、波長λ１、波長λ２の光１１、１２は、第２の波長変換素子１０に対して垂直に入射し、第２の波長変換素子１０内で発生する波長λ３の光１３は、波長λ１、波長λ２の光と平行であり、第２の波長変換素子１０の出射面１５からは、波長λ１、λ２、λ３の光１１、１２、１３は、平行に出射される。そのため、本波長変換装置２４から波長λ３の光１３のみを取り出すためには、第２の波長変換素子１０のあとに、波長λ３の光１３のみを分離するための波長分離素子２５が必要となる。通常、波長分離素子２５には、誘電体などを多層に積んだ薄膜ミラーなどが用いられる。
【特許文献２】特開２００７−１２８０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や非特許文献1の構成においては、結晶中の波長分散による基本波と高調波との位相ずれを補償するために、周期分極反転構造によって疑似位相整合を行っている。その構成は図４に示すように、波長λ１、λ２の光１１、１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２と、波長λ３の光１３の波数ベクトルｋ３、および周期分極反転構造の周期方向に対して垂直な成分である周期ベクトルｋＱＰＭはいずれも平行である。また、特許文献２の構成においても、第２の波長変換素子１０内での波長λ１、λ２の光１１、１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２と、波長λ３の光１３の波数ベクトルｋ３はいずれも平行である。そのため、波長変換素子内を混在した状態で導波する基本波と高調波を最終的に分離し、高調波のみを取り出すためには、基本波と高調波を分離するための分離素子（特許文献１では波長選択ミラー）が必要である。したがって、この構成では、波長変換装置においては、部品点数および組立工数が増大しコストが増大するという問題がある。
【０００５】
特に、図３および図４に示すように、基本波として波長λ１の光１１を用い、第１の波長変換素子２０を用いて波長λ２の光１２に変換し、第１の波長変換素子２０の出射面から出射した波長λ１の光１１および波長λ２の光１２を第２の波長変換素子１０により波長λ３の光１３に波長変換する波長変換装置２４においては、第２の波長変換素子１０の出射面１５から出射した波長λ３の光１３を波長λ１、および波長λ２の光１１、１２と分離するための波長分離素子２５としては、波長λ１、λ２、λ３の３波長に対応した特殊なミラーを作る必要が有り、かつその性能は、透過率、波長分離率が悪い、という問題がある。例えば、一般に市場で販売されている４５°反射の波長分離ミラーの場合、波長λ３の光１３を波長分離素子２５に透過させて分離する場合、波長λ３の光１３の透過率は９０％程度である。また波長λ３の光１３を波長分離素子２５に対して反射させて分離する場合、反射光には、波長λ１、およびλ２の光１１、１２が、波長分離素子２５に入射された光の強度の１０％から２０％程度含まれる場合もあり、複数個の波長分離素子２５を組み合わせて用いなければ、波長λ３の光１３のみを波長変換装置２４の外部に取り出すことが困難である。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、波長変換素子を備えた波長変換装置において、波長変換素子に波長変換機能と波長分離機能の２つの機能を有するようにさせることにより、部品点数が少なく低コストの波長変換装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、鋭意検討した結果、本発明は、入射した波長λ１の基本波の光を波長λ２の光に波長変換する第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子の出射面から出た波長λ１と波長λ２の光を波長λ３の光に波長変換する第２の波長変換素子とを有する波長変換装置において、前記第１の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して入射面、出射面ともに平行に研磨され、前記第１の波長変換素子に、前記波長λ１の基本波の光がほぼ垂直に入射されるように配置され、前記第２の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して、入射面が斜めに研磨され、かつ出射面は入射面に対して非平行に研磨され、前記第１の波長変換素子の出射面から出射した波長λ１の基本波の光、および波長λ２の変換光が前記第２の波長変換素子の入射面に対してほぼ垂直に入射するように配置されて波長変換装置を構成することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の波長変換装置の構成を具体的に実現するには、まず、第１の波長変換素子の周期分極反転構造は、分極反転部の分極の並び方向に対して入射面、出射面ともに平行に研磨され、前記第１の波長変換素子に、前記波長λ１の基本波の光がほぼ垂直に入射されるように配置されることが望ましい。その理由は、第２の波長変換素子で波長変換が有効に行われるためには、第２の波長変換素子内で、波長λ１および波長λ２の光が平行に同一光路上を伝搬することが、変換効率を向上させるために望ましいためである。そのため、第１の波長変換素子の出射面から出た波長λ１と波長λ２の光が平行でかつ同一光路上に発生するためには、波長λ１の光、波長λ２の光、周期分極反転構造の波数ベクトルｋ１、ｋ２、ｋQPMがいずれも平行であるのが望ましい。
【０００９】
次に、第２の波長変換素子としては、図１および図２に示すように、第２の波長変換素子１０において、周期分極反転構造の分極反転部の分極の並び方向が、入射面１４に対して斜めに研磨され、かつ出射面１５は入射面１４に対して非平行に研磨され、前記第１の波長変換素子２０の出射面から出射した波長λ１の光１１、および波長λ２の光１２が前記第２の波長変換素子１０の入射面１４に対してほぼ垂直に入射するように配置されて波長変換装置２４を構成することが望ましい。上記のような構成をとると、第２の波長変換素子１０内において、波長λ１、波長λ２の光１１、１２の波数ベクトルｋ１、ｋ２に対して、周期分極反転構造の波数ベクトルｋQPMは非平行となり、変換光である波長λ３の光１３の波数ベクトルｋ３は、次式を満たす方向となり、ｋ３はｋ１およびｋ２と非平行となる。
ｋ1＋ｋ2＋ｋQPM・cosβ=ｋ３・cosα  （式1）
ｋQPM・sinβ＝ｋ3・sinα      （式２）
ここで、αは波数ベクトルｋ１と波数ベクトルｋ３とのなす角、βは波数ベクトルｋ１と波数ベクトルｋQPMとのなす角である。
さらに、図２に示すように、第２の波長変換素子１０の出射面１５において、出射面１５が、入射面１４に対してγ傾いて研磨されていると、出射面１５から出てくる波長λ１、λ２、λ３の光１１、１２、１３と出射面１５の法線とのなす角θ１、θ２、θ３はそれぞれ次式で示される。
θ１＝arcsin(ｎ１・sinγ)     （式３）
θ２＝arcsin(ｎ２・sinγ)     （式４）
θ３＝arcsin(ｎ３・sin（γ＋α）)   （式５）
ここでｎ１、ｎ２、ｎ３はそれぞれ、第２の波長変換素子１０内での波長λ１、λ２、λ３の光の屈折率である。式３、式４、式５において、ｎ１、ｎ２、ｎ３がほぼ等しいと仮定すると、第２の波長変換素子１０から出射される光１１、１２の出射角は等しくなり、第２の波長変換素子１０から出射される光１３、１１の出射角の差、すなわち分離角度（θ３−θ１）は次の近似式で示される。
θ３−θ１＝arcsin(ｎ・sin（γ＋α）) −arcsin(ｎ・sinγ)    （式６）
式６をもとに、θ３−θ１とγとの関係を図示すると、図５のようになる。ここでは、ｎ＝２．２、α＝２°として計算した。図５から明らかなように、第２の波長変換素子１０から出た波長λ３の光１３は、ほかの光１１、１２と分離されて出射されることから、第２の波長変換素子１０のあとに、波長分離素子２５を配置することなく、波長変換装置２４を構成することが可能となる。特に、式６において、γ＝０度の場合は、第２の波長変換素子の入射面と出射面とが平行に研磨されている場合を示すが、図５に示すように、γを大きくすることで、その分離角度を拡大することが可能となり、第２の波長変換素子１０における波長の分離素子としての機能を強化することができる。これらの事象に着目することにより、本発明に至った。
【発明の効果】
【００１０】
このように、本発明の構成を用いれば、第２の波長変換素子において変換光が入射光から分かれる方向に射出されるため、波長変換機能のほかに波長選択機能も併せ持つことが可能となり、さらに第２の波長変換素子の入射面に対して出射面を斜めに研磨することにより、当該分離角度を拡大することが可能になり、より容易に入射光と変換光とを分離することが可能となり、当該素子を組み込んだ波長変換装置においては、波長選択ミラー、波長フィルター等の分離素子等が不要になるため、分離素子での光の損失をなくすことができ、さらに部品点数の低減による組立コストの低減が図られ、低コストの波長変換装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の基本的構成を実現するには、上述したように、入射した波長λ１の基本波の光を波長λ２の光に波長変換する第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子の出射面から出た波長λ１と波長λ２の光を波長λ３の光に波長変換する第２の波長変換素子とを有する波長変換装置において、前記第１の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して入射面、出射面ともに平行に研磨され、前記第１の波長変換素子に、前記波長λ１の基本波の光がほぼ垂直に入射されるように配置され、前記第２の波長変換素子として、周期分極反転構造を有する非線形結晶が、分極反転部の分極の並び方向に対して、入射面が斜めに研磨され、かつ出射面は入射面に対して非平行に研磨され、前記第１の波長変換素子の出射面から出射した波長λ１の基本波の光、および波長λ２の変換光が前記第２の波長変換素子の入射面に対してほぼ垂直に入射するように配置すればよい。以下実施例を示す。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
図１および図２を用いて、本発明の実施例を具体的に説明する。図１は本実施例の波長変換装置を示した模式図である。ファイバーレーザから出た波長λ１の光は、光ファイバ２３を通じて波長変換装置２４に入射される。入射された波長λ１の光１１は、レンズ２２を介して第１の波長変換素子２０の入射面に対してほぼ垂直に入射される。第１の波長変換素子２０の周期分極反転構造の波数ベクトルｋＱＰＭは、第１の波長変換素子２０の入射面に対して垂直に形成されている。そのため、第１の波長変換素子２０において、波長λ１の光１１の一部は波長λ２の光１２に波長変換され、その際、波長λ１の光１１および波長λ２の光１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２はほぼ平行になる。波長λ１の光１１および波長λ２の光１２は、第１の波長変換素子２０から出射され、レンズ２２を介して、第２の波長変換素子１０の入射面１４より第２の波長変換素子１０へ入射される。その際、波長λ１の光１１および波長λ２の光１２はいずれも第２の波長変換素子１０の入射面１４に対してほぼ垂直に入射される。第２の波長変換素子１０の内部では、波長λ１の光１１の一部と波長λ２の光１２の一部は波長λ３の光１３に変換される。第２の波長変換素子１０の内部での波長λ１の光１１、波長λ２の光１２、および波長λ３の光１３、および周期分極反転構造の波数ベクトルの方向との関係を図２に示す。図２に示すように、周期分極反転構造の波数ベクトルｋＱＰＭは、第２の波長変換素子１０の入射面１４に対して垂直ではなく、波長λ１の光１１、波長λ２の光１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２に対して周期分極反転構造の波数ベクトルｋＱＰＭは平行ではない。その結果、第２の波長変換素子１０の内部で波長変換されて発生した波長λ３の光１３の波数ベクトルｋ３は、前記波長λ１の光１１、波長λ２の光１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２に対して平行ではない。第２の波長変換素子１０の出射面１５から出射する波長λ１の光１１、波長λ２の光１２、および波長λ３の光１３は、前記出射面１５から屈折して出射する。その際、波長λ３の光１３の屈折角は、波長λ１の光１１および波長λ２の光１２の屈折角とは異なる角度で出射する。図１に示すように、出射面１５から出た波長λ１の光１１および波長λ２の光１２は、波長λ３の光１３の光路を妨げないように配置されたダンパ２１に入射されて吸収されて熱に変化する。一方、前記出射面１５から出射された波長λ３の光１３は、ダンパ２１に光路を妨げられることなくレンズ２２により平行光になるように整形され、波長変換装置２４から出射される。
本実施例では、波長λ１の基本波の光１１の光源として、波長１０６４ｎｍのCWファイバレーザを用いた。光ファイバ２３には、偏波保持型シングルモード光ファイバを用いた。第１の波長変換素子２０には、周期約８ｕｍの周期分極反転構造を有するＭｇをドープしたストイキオメトリック組成に近いタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）を用いた。当該素子の外形サイズは２ｍｍ幅、０．８ｍｍ厚で、長さ方向には３０ｍｍのものを用いた。第２の波長変換素子１０としては、周期約６ｕｍの周期分極反転構造を有するＭｇをドープしたストイキオメトリック組成に近いタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）を用いた。当該素子の外形サイズは２ｍｍ幅、０．５ｍｍ厚で、長さ方向には１０ｍｍのものを用いた。第２の波長変換素子１０の周期分極反転構造の波数ベクトルｋＱＰＭは、入射面１４の法線ベクトルに対して角度βで傾いており、その値を約１５度に設定した。また、出射面１５の入射面１４に対する角度γは１３度に設定した。また、波長変換装置２４内に用いられているレンズ２２はいずれもガラス製の凸レンズを用いた。ダンパ２１には、アルミ製のヒートシンクと接触させた真鍮製遮光板を用いた。第１の波長変換素子２０にＣＷファイバレーザから発生した約１０Ｗの波長λ１＝１０６４ｎｍの光１１を入射したところ、第１の波長変換素子２０において波長λ２＝５３２ｎｍの光１２が約２Ｗ発生した。これら、発生した波長λ２の光１２と、変換されなかった波長λ１の光１１が第１の波長変換素子２０の出射面から同一光路上に出射され、これを第２の波長変換素子１０の入射面１４に対してほぼ垂直に入射した。その結果、波長λ３＝３５５ｎｍの光１３が第２の波長変換素子１０により発生した。発生した波長λ３の光１３の波数ベクトルｋ３と、波長λ１および波長λ２の光１１、１２の波数ベクトルｋ１およびｋ２とのなす角αは約２度であった。当該角度で伝搬した光１１、１２、１３は、出射面１５から屈折して出射されるが、そのとき、出射角度は、出射面１５の法線に対して、波長λ１、λ２の光１１、１２はθ１＝θ２＝約２９度であったのに対し、波長λ３の光１３はθ３＝約３２度であった。出射面１５から出た波長λ１、λ２の光１１、１２に対し、波長λ３の光１３は完全に分離されており、波長λ１、λ２の光１１および１２のみダンパ２１で吸収され熱に変換され、波長λ３の光１３のみ波長変換装置２４から波長分離素子２５を介すことなく出射することが可能であった。得られた波長λ３の光１３の強度は約５０ｍＷであった。
以上のように、第２の波長変換素子１０による波長分離機能を有することにより、波長分離素子２５が不必要となり、波長変換装置２４を低コストで実現することができ、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の波長変換装置を示した模式図である。
【図２】本発明における波長変換装置に用いる第２の波長変換素子の模式図で、（a）は各光の光路および周期分極反転構造の波数ベクトルと波長変換素子の入射面および出射面との関係を示した図で、(b)は第２の波長変換素子内での位相整合条件における各光および周期分極反転構造の波数ベクトルの関係を示した図である。
【図３】従来の波長変換装置を示した模式図である。
【図４】従来の波長変換装置に用いられる第２の波長変換素子の模式図で、（a）は各光の光路および周期分極反転構造の波数ベクトルと波長変換素子の入射面および出射面との関係を示した図で、（b）は第２の波長変換素子内での位相整合条件における各光および周期分極反転構造の波数ベクトルの関係を示した図である。
【図５】第２の波長変換素子における出射面の入射面に対する角度γと、出射光の分離角度（θ3−θ1）との関係を示した計算例である。
【符号の説明】
【００１４】
１０    第２の波長変換素子
１１    波長λ１の光
１２    波長λ２の光
１３    波長λ３の光
１４    第２の波長変換素子の入射面
１５    第２の波長変換素子の出射面
２０    第１の波長変換素子
２１    ダンパ
２２    レンズ
２３    光ファイバ
２４    波長変換装置
２５    波長分離素子
【図１】
2014026030.tif 000003
【図２】
2014026030.tif 000004
【図３】
2014026030.tif 000005
【図４】
2014026030.tif 000006
【図５】
2014026030.tif 000007