(57)【要約】【課題】ＰＰＬＮなどの波長変換素子が温度変化によって変換可能な波長帯が変化する場合であっても、所望の波長のレーザ光を効率良く得ることのできるレーザ光源装置を提供する。【解決手段】  基本光を放射する半導体素子３と、基本光の所定波長帯を選択して第１光を取り出す波長選択素子５と、第１光の一部を波長変換して第２光を生成する波長変換素子９と、第１光及び第２光を透過する第１光学部材７と、第１光を反射して第２光を透過する第２光学部材１１と、加熱装置１３と、加熱装置１３から生じた熱を少なくとも波長変換素子９に伝達する熱伝導部材１５を備え、波長選択素子５は、第１光学部材７の第１面７Ａと波長変換素子９の第１面９Ａとを、間隔を空けて対向させることで形成したエアギャップエタロンであって、加熱装置１３から伝達される熱量に応じて熱伝導部材１５が膨張／収縮することで、間隔の調整が可能である。【選択図】        図１
2014142422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本光を放射する半導体素子と、
前記基本光の所定波長帯を選択して第１光を取り出す波長選択素子と、
前記第１光の一部を波長変換して第２光を生成する波長変換素子と、
前記第１光及び前記第２光を透過する第１光学部材と、
前記第１光を反射して前記第２光を透過する第２光学部材と、
加熱装置と、
前記加熱装置から生じた熱を少なくとも前記波長変換素子に伝達する熱伝導部材を備え、
前記波長選択素子は、前記第１光学部材の第１面と前記波長変換素子の第１面とを、間隔を空けて対向させることで形成したエアギャップエタロンであって、前記加熱装置から伝達される熱量に応じて前記熱伝導部材が膨張／収縮することで、前記間隔の調整が可能な構成であることを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記波長変換素子と前記第１光学部材が、同一の前記熱伝導部材上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記波長変換素子の波長温度特性をａ（ｎｍ／℃）、
前記基本光が有する波長成分のうちの有効帯域幅をｂ（ｎｍ）、
前記波長選択素子の波長温度特性をｃ（ｎｍ／℃）、
前記波長選択素子で選択可能な波長成分のフリースペクトラルレンジをｄ（ｎｍ）としたとき、
ｃ≧（ｂ＋ｄ）×ａ／ｂ
の関係が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記波長変換素子は、前記第１面とは反対側の第２面が前記半導体素子に対向する位置に配置され、
前記第２光学部材は、前記第１光学部材の前記第１面とは反対側の第２面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記第１光学部材は、前記第１面とは反対側の第２面が前記半導体素子に対向する位置に配置され、
前記第２光学部材は、前記波長変換素子の前記第１面とは反対側の第２面に対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部共振型のレーザ光源装置に関する。より詳細には、本発明は、非線形光学結晶を用いた外部共振型の半導体レーザ光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、面発光型の半導体レーザに外部共振器を設け、当該半導体レーザと当該外部共振器との間に非線形光学結晶で形成された波長変換素子を配置した波長変換型半導体レーザ装置が知られている。この外部共振器としては波長選択性反射鏡が用いられ、波長変換素子としては分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）などの光学結晶を用いる技術が知られている（下記特許文献１参照）。また、外部共振器に用いる反射鏡に変わり体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ： Volume Bragg Grating）を用いる技術も知られている（下記特許文献２参照）。
【０００３】
一方、半導体レーザから放射される放射光から所定域の波長を選択（ロック）する手段として、温度制御したエアギャップエタロンを用いる技術が知られている（下記特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５２６９３０号公報
【特許文献２】特開２０１２−０９８４９５号公報
【特許文献３】特開２００１−２０８９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザ装置は、一般的に、基板上に複数のレーザダイオード素子（以下、「ＬＤ素子」と略記する。）をアレイ状に配列して形成される。ＬＤ素子は半導体ウェハから形成される。１枚のウェハからは数百個以上のＬＤ素子が形成される。このため、ウェハ上の形成位置に応じて、ＬＤ素子には特性上のバラツキが不可避的に発生する。このバラツキは、放射光の波長分布にも影響する。つまり、アレイ状に配列された個々のＬＤ素子から放射される波長分布にバラツキが生じる。
【０００６】
半導体レーザ装置を形成するに当たっては、目標となる波長成分がピーク値近傍となるようにＬＤ基板を設計し、更にこのピーク値を含む狭い波長帯を選択することで、狭い波長分布を示す放射光をレーザ光として生成する。また、必要に応じて、選択された狭い波長帯の光に対して波長変換を施すことで、所望の波長を有する放射光をレーザ光として生成する。
【０００７】
つまり、半導体レーザ装置においては、ＬＤ基板から放射される、波長分布を有した光（以下、適宜「基本光」と呼ぶ。）の波長選択が重要となる。
【０００８】
ところで、上述したように、ＬＤ素子から放射される光の波長分布には素子間のバラツキが存在する。これは、同一のＬＤ基板に配置されたＬＤ素子間はもとより、同一製品として出荷される異なる基板上に配置された素子間においても起こり得る。ＬＤ素子からの放射光の波長分布のバラツキは、基本光の波長分布のバラツキにつながる。例えば、ピーク波長が１０６５ｎｍの赤外光を放射させるように設計した場合において、±１％のバラツキが生じると、ピーク波長が１０ｎｍ以上ずれることになる。
【０００９】
背景技術の項で上述したＶＢＧは、波長選択機能と選択された波長を示す光を反射させる機能を併せ持つ。ＶＢＧは、予め選択したい波長毎に設計変更して製造しておく必要がある。このため、ＬＤ基板から放射される基本光の波長分布にバラツキが生じることを想定した場合、このバラツキに対応すべく複数パターンのＶＢＧを予め準備しなければならない。例えば、ピーク波長に１０ｎｍのずれが生じると、選択できる波長を１０ｎｍずらしたＶＢＧを準備しなければならなくなる。ＶＢＧによって選択される波長の半値幅は０．５ｎｍ程度であり、これに鑑みれば、基本光のピーク波長に±１０ｎｍ程度のバラツキを想定すると、選択される波長のピーク値の異なるＶＢＧを数多く準備しなければならない。これは、レーザ光源装置を量産する上では製造コストを上昇させるという点でネックとなる。
【００１０】
このため、ＶＢＧに代えて波長選択機能を有する素子としてエアギャップエタロンを用いることが考えられる。なお、エアギャップエタロンは反射機能を有していないので、別途反射機能を有する光学素子を備える必要がある。
【００１１】
エアギャップエタロンは、２枚のガラス等の透明平行平板の間にギャップ材料を挟む構成であり、ギャップ長に応じた波長帯の光を選択することができる構成である。素子バラツキに起因するピーク波長のずれに対して、ギャップ長を調整して対応できる点において、ＶＢＧよりも製造コストを低廉化できるというメリットがある。
【００１２】
しかし、エアギャップエタロンは、ギャップ長によって選択波長が決定される構成であって、このギャップ長を目標とする選択波長のほぼ整数倍に調整する必要がある。つまり、数十ｎｍオーダでギャップ長を調整しなければならないという根本的な設計の難しさを抱えている。
【００１３】
とはいえ、予め定められた波長を選択する機能を実現するためにエアギャップエタロンを設けるのであれば、設計によって算定されたギャップ長を満たすようなエアギャップエタロンを製造するだけでよい。しかし、ここで波長変換素子であるＰＰＬＮの温度依存性が問題となる。
【００１４】
ＰＰＬＮは、ある波長帯の光に対して波長変換を施す役割を示す。レーザ光源装置を製造する際にＰＰＬＮなどの波長変換素子を設けるのは、通常、半導体素子から放射される基本光の波長成分では所望の波長が得られない、又は得るのが難しい場合である。例えば、波長が５３２ｎｍ程度の緑色可視光を得る場合、現時点では、このような波長帯の光を半導体素子の基本光から選択して得るのが困難であるため、波長が１０６４ｎｍ程度の赤外光を基本光から選択し、これを倍波（１／２波長）に波長変換を施すことで実現している。
【００１５】
ＰＰＬＮは、特定の波長帯の光に対して波長変換を行う機能を有する。しかし、ＰＰＬＮは、波長変換を行うことのできる波長帯が、ＰＰＬＮの温度によって変化する性質（波長温度特性）を有している。例えば、ある温度Ｔ１℃の下では、ＰＰＬＮが５３２ｎｍをピーク値とする波長帯に対して倍波（１／２波長）の光に変換する機能を有しているが、別の温度Ｔ２℃の下では、５３２＋α（ｎｍ）ピーク値とする波長帯に対して倍波（１／２波長）の光に変換する機能を有しているということが起こる。ＰＰＬＮは温度によって変換可能な波長帯が大きく変化してしまうので、温度制御を行ってなるべく一定の温度に保つことが重要となる。
【００１６】
ここで、ＰＰＬＮによって効率良く波長変換を行うためには、予め基本光からＰＰＬＮにて変換可能な波長帯の光を選択する必要がある。このためには、エアギャップエタロンによって選択される波長帯が、ＰＰＬＮによって変換可能な波長帯を含むように設計しなければならない。しかし、ＰＰＬＮは温度に応じて変換可能な波長帯が変化し、エアギャップエタロンはギャップ長に応じて選択可能な波長帯が変化する。所望のレーザ光を得るべくエアギャップエタロンを含むレーザ光源装置を形成する際には、これらの変化要因を考慮しなければならず、その設計は極めて難しい。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ＰＰＬＮなどの波長変換素子が温度変化によって変換可能な波長帯が変化する場合であっても、所望の波長のレーザ光を効率良く得ることのできるレーザ光源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】
【００１８】
本発明のレーザ光源装置は、基本光を放射する半導体素子と、前記基本光の所定波長帯を選択して第１光を取り出す波長選択素子と、前記第１光の一部を波長変換して第２光を生成する波長変換素子と、前記第１光及び前記第２光を透過する第１光学部材と、前記第１光を反射して前記第２光を透過する第２光学部材と、加熱装置と、前記加熱装置から生じた熱を少なくとも前記波長変換素子に伝達する熱伝導部材を備える。
【００１９】
そして、前記波長選択素子は、前記第１光学部材の第１面と前記波長変換素子の第１面とを、間隔を空けて対向させることで形成したエアギャップエタロンであって、前記加熱装置から伝達される熱量に応じて前記熱伝導部材が膨張／収縮することで、前記間隔の調整が可能な構成である。
【００２０】
波長変換素子は、温度に応じて変換可能な波長帯が変化する性質を有する。このため、通常動作時に達する温度よりも高い温度となるように、加熱装置から熱伝導部材を介して波長変換素子に熱を伝達させることで、波長変換素子の温度を一定範囲内に制御している。
【００２１】
本装置では、この熱伝導部材が、加熱装置からの伝熱量に応じて膨張／収縮する材質で構成される。これにより、加熱装置からの伝熱量に応じてエアギャップエタロンのギャップ長が変化し、波長選択素子によって選択可能な波長帯が調整される。
【００２２】
つまり、熱伝導部材が、加熱装置の熱を波長変換素子に伝達して波長変換素子によって変換可能な波長帯を制御すると共に、自らが膨張／収縮することでエアギャップエタロンによって構成される波長選択素子で選択可能な波長帯も制御する。言い換えれば、本装置によれば、波長変換素子で変換可能な波長帯と、波長選択素子で選択可能な波長帯を、同一の加熱装置から伝達された熱、すなわち同一の温度という同じパラメータによって制御することが可能である。よって、両者を別々に制御しなければならない従来構成と比べて、制御内容が簡素化される。
【００２３】
よって、簡単な制御により、波長選択素子で選択可能な波長帯と、波長変換素子で変換可能な波長帯をほぼ一致させることができ、これによって、高効率なレーザ出力が可能となる。
【００２４】
なお、上記の構成において、前記波長変換素子と前記第１光学部材が、同一の前記熱伝導部材上に形成される構成とするのが好適である。これにより、小型で高効率なレーザ光源装置が実現される。
【００２５】
また、本発明のレーザ光源装置は、上記の特徴に加えて、
前記波長変換素子の波長温度特性をａ（ｎｍ／℃）、
前記基本光が有する波長成分のうちの有効帯域幅をｂ（ｎｍ）、
前記波長選択素子の波長温度特性をｃ（ｎｍ／℃）、
前記波長選択素子で選択可能な波長成分のフリースペクトラルレンジをｄ（ｎｍ）としたとき、
ｃ≧（ｂ＋ｄ）×ａ／ｂ
の関係が成立することを別の特徴とする。
【００２６】
このような関係式が成立するように熱伝導部材の材料及び波長変換素子の最低ギャップ長を決定することで、高効率なレーザ出力が可能となる。この理由については、「発明を実施するための形態」の項の「波長選択素子５の設計」の節にて後述される。
【００２７】
また、上記の構成において、
前記波長変換素子を、前記第１面とは反対側の第２面が前記半導体素子に対向する位置に配置し、前記第２光学部材を、前記第１光学部材の前記第１面とは反対側の第２面に形成する構成とすることができる。
【００２８】
また、別の構成として、
前記第１光学部材を、前記第１面とは反対側の第２面が前記半導体素子に対向する位置に配置し、前記第２光学部材を、前記波長変換素子の前記第１面とは反対側の第２面に対向する位置に配置する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のレーザ光源装置によれば、波長変換素子が温度変化によって変換可能な波長帯が変化する場合であっても、簡単な制御により、波長選択素子で選択可能な波長帯と、波長変換素子で変換可能な波長帯をほぼ一致させることができ、これによって、高効率なレーザ出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態のレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。
【図２Ａ】基本光の波長分布、選択波長分布、及び変換波長分布を重ねて図示したものである。
【図２Ｂ】基本光の波長分布、選択波長分布、及び変換波長分布を重ねて図示したものである。
【図３Ａ】ギャップ長を変えた複数のエアギャップエタロンの選択波長分布をグラフ化したものである。
【図３Ｂ】選択波長分布が示すピーク波長とギャップ長の関係をグラフ化したものである。
【図４】基本光の波長分布、選択波長分布、及び変換波長分布を重ねて図示したものである。
【図５】本発明のレーザ光源装置と従来のレーザ光源装置のレーザ光出力強度を比較したグラフである。
【図６】第２実施形態のレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。
【図７】第２実施形態のレーザ光源装置の構成を模式的に示す別の図である。
【図８】第３実施形態のレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明のレーザ光源射装置（以下、適宜「本装置」と略記する。）につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
【００３２】
［第１実施形態］
以下、本装置の第１実施形態につき説明する。
【００３３】
［構成］
図１は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。レーザ光源装置１は、半導体素子３、波長変換素子７、第１光学部材９、第２光学部材１１、加熱装置１３、及び熱伝導部材１５を含んで構成される。また、波長変換素子７の第１面７Ａと、第１光学部材９の第１面９Ａとの間のギャップにより、エアギャップエタロンで構成された波長選択素子５が形成されている。
【００３４】
半導体素子３は、例えば複数のレーザダイオード素子が基板上に（紙面上奥行き方向に）配列されてなり、所定の波長分布を示す光（以下、「基本光」と呼ぶ。）を放射する構成である。この半導体素子３は、ヒートシンク１７上に当接され、半導体素子３からの放射熱がヒートシンク１７に吸熱される構成である。つまり、本実施形態では、面発光型の半導体レーザを想定している。
【００３５】
加熱装置１３は支持部材１９上に載置されており、加熱装置１３で生じた熱が熱伝導部材１５に伝達される。熱伝導部材１５は、加熱装置１３から供給される熱量に応じて膨張／収縮する材料で構成されており、例えば銅などの金属製の板で構成される。
【００３６】
波長変換素子７は、入射される光のうち、特定の波長帯の光の一部に対して波長変換を施して出射する機能を有する。本実施形態では、波長変換素子７がＰＰＬＮで構成されるものとして説明する。なお、ＰＰＬＮ以外に、コングレント組成のニオブ酸リチウム（CLN）、タンタル酸リチウム（CLT）、MgOをドープしたLN、LT結晶（MgO:LN,MgO:LT）、定比組成のLN（SLN）やLT（SLT）、MgOをドープしたSLN（MgO:SLN）やSLT（MgO:SLT）、KTP結晶、MgO:LN、MgO:SLTなど、種々の波長変換素子を用いることが可能である。
【００３７】
第１光学部材９は、入射された光をそのまま透過して出射する光学部材であり、例えば石英ガラスで構成される。
【００３８】
上述したように、波長変換素子７の第１面７Ａと、第１光学部材９の第１面９Ａの間で、波長選択素子５としてのエアギャップエタロンが形成される。波長選択素子５は、入射される光のうち、特定の波長帯の光のみを選択的に取り出して出射する機能を有する。
【００３９】
第２光学部材１１は、第１の特定の波長帯の光を反射し、且つ第２の特定の波長帯の光を透過する構成である。本実施形態では、第１光学部材９の第２面９Ｂに第２光学部材１１が形成されている。第２光学部材１１は、例えば、第１の特定の波長帯に対する高反射（ＨＲ）コートと第２の特定の波長帯に対する減反射（ＡＲ）コートとが第１光学部材９の第２面９Ｂ上に形成されることで実現される。
【００４０】
［原理］
図１に示すレーザ光源装置１からレーザ光を放射する仕組みについて説明する。
【００４１】
半導体素子３は、基本光を放射する。この基本光は、特定の波長帯の成分のみを有する光ではなく、一定の波長分布を有する光である。この基本光が波長選択素子５を通過すると、所定の波長帯の光のみが選択的に透過する。以下、波長選択素子５によって選択透過された光を「第１光」と呼ぶ。
【００４２】
波長選択素子５から出射した第１光は、第１光学部材９を透過して第１光学部材９の第２面９Ｂに形成された第２光学部材１１に達する。第２光学部材１１は、第１光が有する波長帯の光を反射し、後述する第２光が有する波長帯の光を透過するように構成されている。このため、第１光は、第２光学部材１１によって反射して、再び波長選択素子５側に向かって第１光学部材９内を透過する。
【００４３】
波長選択素子５に達した第１光は、波長選択素子５によって選択可能な波長帯なのでそのまま波長選択素子５を透過して、波長変換素子７内に進入する。波長変換素子７は、上述したように、特定の波長帯の光の一部に対して波長変換を施して出射する構成である。ここでは、波長変換素子７は、第１光が有する波長成分の光の一部の波長を変換して、別の異なる波長の光を生成する。以下、波長変換素子７によって変換された変換後の波長を有する光を「第２光」と呼ぶ。
【００４４】
なお、第１光の波長帯が波長変換素子７による波長変換可能な波長帯内である場合であっても、入射される全ての第１光が一度に第２光に変換されるわけではなく、一部は変換されないまま波長変換素子７を通過する。このため、波長変換素子７からは、半導体素子３に向かって、波長変換素子７によって生成された第２光と、波長変換素子７で波長変換されなかった第１光が出射する。
【００４５】
波長変換素子７と半導体素子３の間には、反射部材２１及び２３が設けられている。これらの反射部材２１及び２３は、第２光が有する波長帯の光を反射し、少なくとも第１光が有する波長帯の光を透過するような構成である。このため、波長変換素子７から半導体素子３に向かって出射された第２光は、反射部材２１及び２３で反射されることで光の向きが変えられた後、装置１の外部へと出射される（第２光４０）。
【００４６】
一方、波長変換素子７によって波長変換されずにそのまま透過した第１光は、反射部材２１を透過して半導体素子３内に進入する。半導体素子３には、反射部材（内部ミラー）が設けられており（不図示）、入射された第１光は、波長変換素子７の方向に向かって反射する。
【００４７】
半導体素子３側から入射された第１光は、前述したのと同様、波長変換素子７内を通過する際に、一部が波長変換されて第２光になる。この第２光は、波長選択素子５、第１光学部材９を透過して第２光学部材１１に達する。上述したように、第２光学部材１１は、第２光が有する波長帯の光を透過する構成のため、入射された第２光はそのまま第２光学部材１１を透過して、装置１の外部へと出射される（第２光５０）。一方、波長変換されなかった第１光は、再び第１光学部材９を透過して第２光学部材１１に達すると、上述したのと同様に、第２光学部材１１で再度反射されて波長変換素子７に向かう。
【００４８】
つまり、本装置１は、半導体素子３内に形成された内部ミラーと第２光学部材１１との間で外部共振器が形成されており、第１光はこの両者間で反射が繰り返される。そして、この反射が繰り返されている間に、波長変換素子７を通過した第１光が次々と第２光へと波長変換されて、第２光学部材１１又は反射部材２３から装置１の外部へと取り出される。
【００４９】
以上をまとめると、本装置１は、基本光から選択された第１の波長帯を有する第１光から、波長変換されて第２の波長帯を有する第２光を生成して、この第２光を、目的とするレーザ光として外部に出射する構成である。一例として、第１光をピーク波長が１０６４ｎｍ程度の赤外光とし、第２光をピーク波長が５３２ｎｍ程度の緑色可視光とすることができる。
【００５０】
［熱伝導部材１５の役割］
次に、本装置１における熱伝導部材１５の役割について説明する。
【００５１】
上述した「原理」の節では、波長変換素子７の温度依存性に関する言及をしていなかった。しかし、課題の項で上述したように、実際にはＰＰＬＮなどの波長変換素子７は、温度によって変換可能な波長帯が変化する特性（波長温度特性）を有している。
【００５２】
熱伝導部材１５は、加熱装置１３からの熱を波長変換素子７に伝達する役目を果たしている。これにより、波長変換素子７の温度が加熱装置１３によって制御されることで、波長変換素子７によって変換可能な波長帯が制御される。
【００５３】
一方、熱伝導部材１５は、加熱装置１３の熱が伝達することで、熱膨張することができる構成である。本実施形態では、熱伝導部材１５は支持部材２５によって半導体素子３側の端部が固定されている。このため、熱伝導部材１５に熱が与えられると、半導体素子３側の端部を除く他の方向に熱膨張する。
【００５４】
ここで、図１に示すように、波長変換素子７は、ほぼ全面にわたって接着部材３１によって熱伝導部材１５に固定されている。一方、第１光学部材９は、第２面９Ｂ側から一部分のみが接着部材３３によって熱伝導部材１５に固定されている。これにより、熱伝導部材１５が熱膨張すると、第１光学部材９の第１面９Ａは、波長変換素子７の第１面７Ａから離れていき、この結果、波長選択素子５を構成するエアギャップエタロンの間隔が広がる。つまり、図１内の区間１０が熱膨張区間として設定される。エアギャップエタロンによって選択される波長帯は、間隔の長さに依存して決定される。
【００５５】
つまり、熱伝導部材１５は、加熱装置１３の熱を波長変換素子７に伝達して波長変換素子７によって変換可能な波長帯を制御すると共に、自らが膨張／収縮することでエアギャップエタロンによって構成される波長選択素子５で選択可能な波長帯も制御する。言い換えれば、本装置１によれば、波長変換素子７で変換可能な波長帯と、波長選択素子５で選択可能な波長帯を、同一の加熱装置１３から伝達された熱、すなわち同一の温度という同じパラメータによって制御することが可能である。よって、両者を別々に制御しなければならない従来構成と比べて、制御内容が簡素化される。
【００５６】
［波長選択素子５の設計］
次に、所望の第２光を本装置１から高効率で得るために必要な波長選択素子５の設計方法について説明する。
【００５７】
図２Ａ及び図２Ｂは、基本光の波長分布４１、波長選択素子５によって波長選択可能な波長分布４２（以下、「選択波長分布」と呼ぶ。）、及び波長変換素子７によって波長変換可能な波長分布４３（以下、「変換波長分布」と呼ぶ。）を重ねて図示したものである。図２Ａは波長変換素子７の温度がＴ１の場合を示している。また、図２Ｂは温度条件を図２Ａの場合から変化させた状態を示している。
【００５８】
図２Ａによれば、基本光は約１０６５ｎｍをピーク波長として、広い波長分布を示している。上述したように、この基本光から所望のレーザ光を生成するためには、まず波長選択素子５によって所定の波長帯の光を選択する必要がある。波長選択素子５としてエアギャップエタロンを用いる場合、選択可能なピーク波長は図２Ａのように複数生じる（選択波長分布４２）。図２Ａの構成では、基本光の波長分布から特定の波長帯を選択することのできる領域に存在する選択波長分布４２のピーク波長は約１０６６ｎｍである。従って、この波長選択素子５によってピーク波長が約１０６６ｎｍの狭帯域幅波長の第１光が生成される。
【００５９】
しかし、図２Ａに示す変換波長分布４３によれば、波長変換素子７によって変換可能なピーク波長は約１０６５ｎｍであり、約１０６６ｎｍ近傍では、変換可能な光強度は著しく低い。このため、このような第１光を波長変換素子７に入射しても、効率的に波長変換が行われない。従って、温度制御を行なって波長変換素子７の変換可能な波長帯を変化させる必要があることが分かる。
【００６０】
図２Ｂは、加熱装置１３から熱伝導部材１５を介して波長変換素子７に与える熱量を減少させることで、波長変換素子７の温度をＴ１からＴ２に下降させた場合の波長分布を示す図である。波長変換素子７の温度が下降することで、変換可能なピーク波長の位置が短波長側にシフトする。
【００６１】
なお、熱伝導部材１５に対して与えられる熱量が減少することで、熱伝導部材１５が収縮してエアギャップエタロンのギャップ長が短くなり、これによって波長選択素子５の選択可能なピーク波長の位置も短波長側にシフトする。
【００６２】
図３Ａ及び図３Ｂは、エアギャップエタロンのギャップ長と波長選択素子５による選択可能な波長分布の関係を示すグラフである。図３Ａは、ギャップ長を変えた複数のエアギャップエタロンの選択波長分布をグラフ化したものである。また、図３Ｂは、図３Ａに示した各波長選択素子５が示す選択可能なピーク波長（領域Ｐ部分）をプロットし、選択波長分布が示すピーク波長とギャップ長の関係をグラフ化したものである。図３Ｂによれば、ギャップ長が上昇するほど、ピーク波長が伸びていき、その関係はほぼ一次近似できることが分かる。なお、ＰＰＬＮなどで構成される波長変換素子７の変換波長分布が示すピーク波長と温度の関係も、一次近似できることが知られている。
【００６３】
よって、所定温度（ここではＴ２）に下降させることで、図２Ａの状態から、波長選択素子５によって選択波長分布４２及び変換波長分布４３を共に短波長側にシフトさせれば、図２Ｂに示すように、選択波長分布４２のピーク波長と変換波長分布４３のピーク波長をほぼ同一の値にすることができる。図２Ｂの状態であれば、選択波長分布４２のピーク波長と変換波長分布４３のピーク波長が共に約１０６４．５ｎｍとなっている。つまり、このような条件の下では、波長選択素子５によってピーク波長が約１０６４．５ｎｍの狭帯域幅波長の第１光が生成され、更に、波長変換素子７によって第１光に対して波長変換が施されて第２光が生成される。図２Ｂによれば、第１光が有する波長成分の大半が波長変換素子７によって波長変換可能な構成となっているため、第２光すなわち目的とするレーザ光を高効率で生成することができる。
【００６４】
図２Ａの状態から図２Ｂの状態に遷移させるためには、温度を変化させることで、選択波長分布４２のピーク波長と変換波長分布４３のピーク波長をほぼ同一の値にすることが必要となる。ここで、上述したように、選択波長分布４２には複数のピーク波長が存在するので、基本波の波長分布４１の有効帯域幅の範囲内において、選択波長分布４２の一のピーク波長を、変換波長分布４３のピーク波長にほぼ近づけることができれば、高効率で第２光を生成できる。ここでは、有効帯域幅としては一例としてピーク波長における光強度の６０％以上を示す波長幅（６０％幅）として説明するが、８０％幅でも構わないし、半値幅でも構わないし、４０％幅でも構わない。好ましく光強度の５０％以上、より好ましくは６０％以上、更に好ましくは８０％以上を示す波長幅を有効帯域幅として設定するのがよい。
【００６５】
選択波長分布４２のピーク波長を最もシフトさせる必要が生じるのは、変換波長分布４３のピーク波長が、選択波長分布４２の隣接する２つのピーク波長のちょうど中間に存在する場合である。この状態を図４に示す。
【００６６】
図２Ｂの場合と同様に、温度を低下させることで、選択波長分布４２及び変換波長分布４３のピーク波長をともに短波長側にシフトさせる場合について検討する。図４の例では、変換波長分布４３のピーク波長は約１０６５ｎｍであり、基本光の波長分布４１が示す有効帯域幅は約１０６３ｎｍ以上約１０６７ｎｍ以下である。また、基本光の波長分布４１が示す有効帯域幅の近傍に存在する選択波長分布４２のピーク波長は、約１０６２．５ｎｍ及び約１０６７．５ｎｍである。
【００６７】
ここで、短波長側にシフトする場合、基本光の波長分布４１の有効帯域幅の範囲内において、選択波長分布４２の一のピーク波長を、変換波長分布４３のピーク波長にほぼ近づけるためには、以下の２つの条件を満たす必要がある。第１の条件は、単位温度ずつ低下させたときに、変換波長分布４３のピーク波長が短波長側にシフトする速度よりも、選択波長分布４２のピーク波長が短波長側にシフトする速度の方が速いことである。そして、第２の条件は、単位温度ずつ低下させたときに、変換波長分布４３のピーク波長が基本光の波長分布４１の有効帯域幅の下限値に達するまでに、選択波長分布４２のピーク波長が変換波長分布４３のピーク波長にほぼ等しくなることである。
【００６８】
上記の条件を式で記載すると、以下のようになる。ここで、図４にも示すように、基本光の波長分布４１が示す有効帯域幅をｂ（ｎｍ）、選択波長分布４２のピーク波長間距離、すなわちフリースペクトラルレンジ（FSR）をｄ（ｎｍ）とする。更に、変換波長分布４３のピーク波長の温度特性をａ（ｎｍ／℃）、選択波長分布４２のピーク波長の温度特性をｃ（ｎｍ／℃）とする。このとき、上記２つの条件は以下の数１のように記載できる。
【００６９】
（数１）
（ｄ／２＋ｂ／２）／ｃ≦（ｂ／２）／ａ
【００７０】
この数１は、選択波長分布４２のピーク波長が（ｄ／２＋ｂ／２）だけシフトするのに必要な温度変化量が、変換波長分布４３のピーク波長が（ｂ／２）だけシフトするのに必要な温度変化量以下であることを規定したものである。この数１をｃについて整理すると、以下の数２が得られる。
【００７１】
（数２）
ｃ≧（ｂ＋ｄ）×ａ／ｂ
【００７２】
このような数２が成立するように波長選択素子５を設計することで、本装置１によって、加熱装置１３による温度制御を行えば、目的とするレーザ光（第２光）を高効率で出力させることが可能となる。なお、上述では、温度を低下させて短波長側にシフトさせる場合について説明したが、温度を上昇させて長波長側にシフトさせる場合も同様の議論が可能である。
【００７３】
次に、このｃの値に基づいて、波長選択素子５を設計する方法につき説明する。波長選択素子５の特性を決定する要因としては、熱伝導部材１５の熱膨張率α、熱膨張区間１０の光の進行方向に係る長さＬである。
【００７４】
図４を参照して、選択波長分布４２のピーク波長がλ１からλ２までシフトしたときに変化するピーク波長変化量Δλは、以下の数３で表される。
【００７５】
（数３）
Δλ＝λ１−λ２＝ｂ／２＋ｄ／２
【００７６】
選択波長分布４２のピーク波長の、ギャップ長に対する依存性をＷ（ｎｍ［波長］／ｍｍ［ギャップ長］）とし、ギャップ長の変化量をΔＬとすると、ピーク波長変化量Δλは以下の数４で表される。
【００７７】
（数４）
Δλ＝Ｗ×ΔＬ
【００７８】
ここで、選択波長分布４２のピーク波長の、温度に対する依存性は上記ｃであり、ピーク波長がλ１からλ２までシフトしたときの温度変化をΔｔとすると、Δλは以下の数５としても表せる。
【００７９】
（数５）
Δλ＝ｃ×Δｔ
【００８０】
一方、熱伝導部材１５の熱膨張率α、熱膨張区間１０の長さＬを用いると、ギャップ長の変化量をΔＬは以下の数６で表せる。
【００８１】
（数６）
ΔＬ＝Ｌ×α×Δｔ
【００８２】
数３及び数４より以下の数７が、数３及び数５より以下の数８がそれぞれ導かれる。
【００８３】
（数７）
ΔＬ＝（ｂ／２＋ｄ／２）／Ｗ
（数８）
Δｔ＝（ｂ／２＋ｄ／２）／ｃ
【００８４】
数６に数７及び数８を代入して、Ｌについて解くと数９が導かれる。
【００８５】
（数９）
Ｌ＝ｃ／（Ｗ×α）
【００８６】
ここで、図３Ｂに示すグラフの傾きよりＷの値が算定される。また、熱伝導部材１５の材質によってαの値は決定される。よって、数９より熱膨張区間１０の長さＬが算定される。このようにして導かれる熱膨張区間１０の長さＬは、エアギャップエタロンが実現すべき熱膨張区間１０の長さの最小値に対応する。
【００８７】
［実施例］
以下、実施例について説明する。
【００８８】
波長変換素子７としてＰＰＬＮを用いた。寸法は幅（光の進行方向）が５ｍｍ、奥行き（半導体素子の配置方向）が８．５ｍｍ、高さが０．５ｍｍである。
【００８９】
第１光学部材９として石英ガラスを用いた。寸法は幅が４ｍｍ、奥行きが８．５ｍｍ、高さが１ｍｍである。
【００９０】
実施例では波長変換素子７のエアギャップ長を０．１ｍｍに設定した。
【００９１】
実測により、変換波長分布４３のピーク波長の温度特性ａ＝０．０８ｎｍ／℃であった。
【００９２】
基本光の波長分布４１が示す有効帯域幅をｂ＝２．６ｎｍとした。ここでは、図２Ａに示す基本光の波長分布４１において有効帯域幅を８０％幅として設定した。
【００９３】
実測により、選択波長分布４２のフリースペクトラルレンジをｄ＝５ｎｍとした。また、図３Ｂのグラフの傾きよりＷ＝０．０１０９（ｎｍ［波長］／ｍｍ［ギャプ長］）と導かれる。
【００９４】
上記ａ，ｂ，ｄの値を数２に代入すると、選択波長分布４２のピーク波長の温度特性ｃが満たすべき条件として、ｃ≧０．２４（ｎｍ／Ｋ）であると導かれる。
【００９５】
熱伝導部材１５として銅板を採用した。このとき、熱膨張率α＝16.8×10-6と決定される。
【００９６】
数９に、上記Ｗ及びαの値を代入することで、Ｌ≧１．３ｍｍと導かれる。ここでは、熱膨張区間１０の長さＬ＝２ｍｍと設定した。
【００９７】
このような条件の下、基本光の波長分布４１のピーク波長が１０６１ｎｍ〜１０６９ｎｍとなる半導体素子３を用いたレーザ光源装置を９個作製し、レーザ光（第２光）の強度のバラツキを測定した。また、比較例としては、波長選択素子５、第１光学部材９、及び第２光学部材１１に代えて、選択可能な波長分布のピーク波長が１０６５ｎｍであるＶＢＧを用いて同様の測定を行った。実施例では、加熱装置１３による温度制御によってギャップ長を調整することで選択可能な波長分布のピーク波長を調整している。このときの結果を図５に示す。
【００９８】
図５によれば、ＶＢＧを用いた比較例では、基本光の波長がＶＢＧによる選択可能なピーク波長である１０６５ｎｍ付近においては高い出力が得られているが、１０６５ｎｍから離れるにつれ、出力が大きく低下していることが分かる。これに対し、エアギャップエタロンを用いた実施例では、基本光の波長が１０６５ｎｍから離れても、高い出力が実現できている。本発明のレーザ光源装置１によれば、半導体素子３から放射される基本光の波長バラツキが生じても、高いレーザ光出力を実現することができる。
【００９９】
なお、本実施形態では、第２光学部材１１が第１光学部材９の第２面９Ｂ上に形成されているものとしたが、第１光学部材９から分離され、且つ第１光学部材９の第２面９Ｂに対向する位置に形成されるものとしても構わない。
【０１００】
また、本実施形態では、面発光型の半導体レーザを想定して説明したが、他の方式の半導体レーザにも適用可能である。以下の各実施形態においても同様である。更に、本実施形態では、波長変換素子７の第１面７Ａと、第１光学部材９の第１面９Ａとの間のギャップに空気が存在するエアギャップエタロンを想定して説明したが、当該ギャップにＮ２等の気体が存在するエアギャップエタロンや、樹脂等が充填されて形成されるエタロンでも構わない。
【０１０１】
［第２実施形態］
以下、本装置の第２実施形態につき説明する。なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と異なる箇所のみを説明する。
【０１０２】
図６は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ光源装置１は、図１に示す第１実施形態と比較して、熱伝導部材１５に加えて熱伝導部材１６を備える点が異なる。熱伝導部材１５は、熱伝導部材１６と一端が連結されており、またその上面には第１光学部材９が載置されている。
【０１０３】
図６の本装置１は、波長変換素子７に対しては、加熱装置１３からの熱が熱伝導部材１６を介して伝達される。また、加熱装置１３からの熱は、熱伝導部材１６を介して熱伝導部材１５に供給される。熱伝導部材１５が供給される熱量に応じて膨張／収縮することで、波長選択素子５のギャップ長が調整される。
【０１０４】
この場合でも、第１実施形態の構成と同様、波長変換素子７で変換可能な波長帯と、波長選択素子５で選択可能な波長帯を、同一の加熱装置１３から伝達された熱、すなわち同一の温度という同じパラメータによって制御することが可能である。よって、両者を別々に制御しなければならない従来構成と比べて、制御内容が簡素化される。
【０１０５】
なお、図７に示すように、熱伝導部材１５と熱伝導部材１６を直接的に連結しない構成としても構わない。この場合、熱伝導部材１６を支持する支持部材２５とは別に、加熱装置１３を介して熱伝導部材１５を支持する支持部材２６を備える構成とするのが好ましい。
【０１０６】
［第３実施形態］
以下、本装置の第３実施形態につき説明する。
【０１０７】
図８は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ光源装置１は、図１に示す第１実施形態と比較して、波長変換素子７と第１光学部材９の位置関係を逆転させた点が異なる。つまり、第１光学部材９は、第２面９Ｂが半導体素子３に対向する位置に配置され、第２光学部材１１は、波長変換素子７の第２面７Ｂに対向する位置に配置されている。
【０１０８】
なお、第１光学部材９の第１面９Ａと波長変換素子７の第１面７Ａの間のギャップにより、エアギャップエタロンで構成された波長選択素子５が形成されている点は、第１実施形態と同じである。
【０１０９】
この構成の場合、第１光学部材９と分離された第２光学部材１１と半導体素子３の間で外部共振器が形成される。しかし、加熱装置１３からの熱が波長変換素子９及び熱伝導部材１５に伝達され、これにより、波長変換素子７で変換可能な波長帯と、波長選択素子５で選択可能な波長帯が制御される点は第１実施形態と同じである。
【０１１０】
なお、本実施形態のような配置順序とした上で、第２実施形態のように熱伝導部材１５に加えて熱伝導部材１６を備える構成としても構わない。
【符号の説明】
【０１１１】
１      ：    レーザ光源装置
３      ：    半導体素子
５      ：    波長選択素子
７      ：    波長変換素子
７Ａ    ：    波長変換素子の第１面
７Ｂ    ：    波長変換素子の第２面
９      ：    第１光学部材
９Ａ    ：    第１光学部材の第１面
９Ｂ    ：    第１光学部材の第２面
１０      ：    熱膨張区間
１１      ：    第２光学部材
１３      ：    加熱装置
１５      ：    熱伝導部材
１６      ：    熱伝導部材
１７      ：    ヒートシンク
１９      ：    支持部材
２１      ：    反射部材
２３      ：    反射部材
２５      ：    支持部材
２６      ：    支持部材
３１      ：    接着部材
３３      ：    接着部材
４０      ：    第２光
４１      ：    基本光の波長分布
４２      ：    選択波長分布
４３      ：    変換波長分布
５０      ：    第２光
【図１】
2014142422.tif 000003
【図２Ａ】
2014142422.tif 000004
【図２Ｂ】
2014142422.tif 000005
【図３Ａ】
2014142422.tif 000006
【図３Ｂ】
2014142422.tif 000007
【図４】
2014142422.tif 000008
【図５】
2014142422.tif 000009
【図６】
2014142422.tif 000010
【図７】
2014142422.tif 000011
【図８】
2014142422.tif 000012