(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平面導波路型レーザ装置であって、
平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有し、前記導波路構造の導波路に対して垂直方向および水平方向の同一波長の偏光に利得を発生させる、複屈折性を有しない、または複屈折性を有し、当該複屈折性の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを備えたレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の光軸上に、当該レーザ媒質に近接して配置され、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有し、前記垂直方向または水平方向の偏光のうち、いずれか一方向の偏光の波長変換を行う非線形材料と、
前記非線形材料の光軸に対して垂直な面のうち、前記レーザ媒質と近接している面と反対側の面に近接して配置され、入射される前記偏光を回転させ、前記非線形材料が波長変換を行う前記いずれか一方向の偏光とする１／４波長板とを備えたことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
【請求項２】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平面導波路型レーザ装置であって、
平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有し、前記導波路構造の導波路に対して垂直方向および水平方向の同一波長の偏光に利得を発生させる、複屈折性を有しない、または複屈折性を有し、当該複屈折性の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを備えたレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の光軸上に、当該レーザ媒質に近接して配置され、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有し、前記垂直方向または水平方向の偏光のうち、いずれか一方向の偏光の波長変換を行う非線形材料と、
前記レーザ媒質の光軸に対して垂直な面のうち、前記非線形材料と近接している面と反対側の面に近接して配置され、入射される前記偏光を回転させ、前記非線形材料が波長変換を行う前記いずれか一方向の偏光とする１／４波長板とを備えたことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
【請求項３】
励起光の吸収により発生した利得を与えてレーザ光を増幅する平面導波路型レーザ装置であって、
平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有し、前記導波路構造の導波路に対して垂直方向および水平方向の同一波長の偏光に利得を発生させる、複屈折性を有しない、または複屈折性を有し、当該複屈折性の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを備えたレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の光軸上に、当該レーザ媒質に近接して配置され、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有し、前記垂直方向または水平方向の偏光のうち、いずれか一方向の偏光の波長変換を行う非線形材料とを備え、
前記非線形材料は光軸に垂直な面内で導波路方向に対して傾けて光学軸を配置した複屈折材料であり、前記偏光を回転させ、前記波長変換を行ういずれか一方向の偏光とすることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質は半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ媒質は、当該レーザ媒質に近接して配置された半導体レーザにより励起されて利得を発生する固体レーザ媒質であることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
【請求項６】
前記１／４波長板は、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、プリンタやプロジェクションテレビなどの光源に好適な平面導波路構造を有する平面導波路型レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面導波路型レーザはレーザ光の進行方向に伸長した薄い平板状のレーザ媒質の上下両面をレーザ媒質より屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有し、レーザ媒質を導波路としても機能させる構造を有する。この平面導波路型レーザは、導波路厚さが薄く励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いた場合でも大きな利得が得られ、高効率な発振動作が実現可能である。さらに、導波路を幅方向に広げることによって、励起密度を所定の値に保ったままでの出力のスケーリングが可能である。一方で、波長変換の際に必要な直線偏光でレーザ発振させることが課題となる。【０００３】
そこで、従来では、例えば特許文献１に示すような直線偏光のレーザ発振を実現する平面導波路型レーザ装置が提案されている。この平面導波路型レーザ装置は、複屈折を有するレーザ媒質と、レーザ媒質中を光軸に沿って進む、振動面が互いに直交する２つの偏光（ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光（振動面がｃ軸とレーザ光の進行方向である光軸の作る平面に垂直でかつ光軸を含む平面内に存在する偏光で、通常光ともいう）と、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光（振動面がｃ軸と光軸の作る平面内に存在する偏光で、異常光ともいう））に対する屈折率の間の範囲の屈折率を有するクラッド材料から構成されている。レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率との間の屈折率を有する材料をクラッドとして用いているので、ＴＥ偏光かＴＭ偏光のいずれかが全反射条件を満たさなくなり、全反射条件を満たすいずれか一方の偏光のレーザ発振が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１６７０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１による平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質として複屈折性のない材料を使用した場合、レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率が等しいため、一方の偏光のみを選択することが出来ない。そのため、所望の偏光以外の偏光は波長変換されないため、波長変換効率が低下する。さらに、波長変換されない偏光成分の光もレーザ媒質内の利得を消費して増幅されるため、波長変換される偏光成分の光に対する増幅率も低下し、効率よく波長変換させることが困難であるという問題点があった。【０００６】
また、クラッド材料として適用可能なのは、レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率の間の屈折率でなければならない。例えば、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４を使用し、ｃ軸（光学軸）がｙ軸方向となるように配置した場合、通常光（ｘ軸方向の偏光）屈折率ｎｏ〜１．９６（＝ｎｘ）、異常光（ｙ軸方向の偏光）屈折率ｎｅ〜２．１７（＝ｎｙ）を有する。このとき、クラッド材料は１．９６と２．１７の間の屈折率を有する材料でなければならないため、適用できる材料が屈折率によって大きく制約されるという問題点もあった。【０００７】
この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、複屈折性を有さないレーザ媒質を用いたときにおいても、効率よく波長変換することが可能な平面導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有し、導波路構造の導波路に対して垂直方向および水平方向の同一波長の偏光に利得を発生させる、複屈折性を有しない、または複屈折性を有し、当該複屈折性の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを備えたレーザ媒質と、レーザ媒質の光軸上に、当該レーザ媒質に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有し、垂直方向または水平方向の偏光のうち、いずれか一方向の偏光の波長変換を行う非線形材料と、非線形材料の光軸に対して垂直な面のうち、レーザ媒質と近接している面と反対側の面に近接して配置され、入射される偏光を回転させ、非線形材料が波長変換を行ういずれか一方向の偏光とする１／４波長板とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る平面導波路型レーザ装置によれば、非線形材料の光軸に対して垂直な面のうち、レーザ媒質と近接している面と反対側の面に近接して１／４波長板を配置したので、１／４波長板によって共振器内部のレーザ発振光は１周回ごとに偏光が９０°回転する。その結果、共振器内部のレーザ発振光は２周回するうちに必ずＴＭ偏光とＴＥ偏光で１周回ずつ共振器内を往復し、レーザ媒質内で発生したいずれの偏光成分の光も２周回のうち１周回は波長変換されるため、レーザ媒質に複屈折性を持たない材料を用いた場合でも効率のよい波長変換レーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図２】図１中のａ−ａ’線断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の共振器内部の基本波レーザ光の偏光状態を模式的に示した説明図である。
【図４】図１のレーザ媒質２１の代わりに半導体レーザ１１を用いた場合の偏光制御平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の共振器内部の基本波レーザ光の偏光状態を模式的に示した図である。
【図７】図５のレーザ媒質２１の代わりに半導体レーザ１１を用いた場合の平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図８】レーザ媒質２１の側面に半導体レーザ１１を配置した実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る偏光制御平面導波路型レーザ装置の構成図である。
【図１０】図９中のｂ−ｂ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態による平面導波路型レーザ装置の構成図であり、図２は図１中のａ−ａ′線断面図である。本実施の形態１に係わる平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸１０に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質２１と、レーザ媒質２１の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料３１と、非線形材料３１の前方に配置された１／４波長板４１とを備えている。
【００１２】
レーザ媒質２１は、光軸１０に垂直な端面２２ａ、端面２２ｂの形状が、例えば長方形であり、典型的には、ｙ軸方向の厚さが数〜数百μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有する。以下の説明上、長方形の長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸、光軸１０方向をｚ軸とした座標系を用いる。なお、レーザ媒質２１の端面２２ａ、端面２２ｂの短辺側は丸くなっていても良く、端面が必ずしも長方形でなくとも良い。
【００１３】
非線形材料３１は、光軸１０に垂直な断面がレーザ媒質２１とほぼ同じ形状を有し、光軸１０に垂直な端面３２ａおよび端面３２ｂを有し、端面３２ａがレーザ媒質２１の端面２２ｂに近接して配置される。
【００１４】
レーザ媒質２１の上下面（ｘｚ平面に平行な面）の両面またはいずれか一方の面には、レーザ媒質２１に比べて小さな屈折率を有するクラッド２３ａ，２３ｂが接合されている。クラッド２３ａ，２３ｂは、例えば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、光学材料をオプティカルコンタクト、または、拡散接合などによって、レーザ媒質２１と光学的に接合することにより構成される。また、レーザ媒質２１に比べて小さな屈折率を有する光学接着剤を用いても良い。また、クラッド２３ａ，２３ｂは無くてもよく、その場合は空気がクラッドの役割を担う。
【００１５】
非線形材料３１の上下面（ｘｚ平面に平行な面）の両面またはいずれか一方の面には、非線形材料３１に比べて小さな屈折率を有するクラッド３３ａ，３３ｂが接合されている。クラッド３３ａ，３３ｂは、上記クラッド２３ａ，２３ｂと同様に、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、光学材料をオプティカルコンタクト、または、拡散接合などによって、非線形材料３１と光学的に接合することにより構成される。また、非線形材料３１に比べて小さな屈折率を有する光学接着剤を用いても良い。また、クラッド３３ａ，３３ｂは無くてもよく、その場合は空気がクラッドの役割を担う。
【００１６】
また、半導体レーザ１１は、レーザ媒質２１の端面２２ａに近接して配置され、必要に応じて、図示しない冷却用のヒートシンクが接合される。半導体レーザ１１のｘ軸方向の大きさは、レーザ媒質２１のｘ軸方向の大きさとほぼ等しく、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ１１より出力された励起光は、端面２２ａからレーザ媒質２１にｘｚ平面方向に入射して、レーザ媒質２１に吸収される。
【００１７】
ここで、レーザ媒質２１の端面２２ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜、端面２２ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜、非線形材料３１の端面３２ａは基本波レーザ光を透過し、第二高調波レーザ光を反射する光学膜、端面３２ｂは基本波レーザ光および第二高調波レーザ光を透過する光学膜、１／４波長板４１の端面４２ａは基本波レーザ光および第二高調波レーザ光を透過する光学膜、端面４２ｂは基本波レーザ光は反射し、第二高調波レーザ光は透過する光学膜が施されている。これらの全反射膜、部分反射膜及び光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ１１より出力される励起光を、レーザ媒質２１の端面２２ａから入射する場合には、端面２２ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。
【００１８】
レーザ媒質２１としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどを用いる。
【００１９】
また、非線形材料３１としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いる。また、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるため、高効率な波長変換が可能である。さらに、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいため、さらに高効率な波長変換が可能である。
【００２０】
次に、実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の動作について説明する。図３は実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の共振器内部の基本波レーザ光の偏光状態を模式的に示した図である。レーザ媒質２１の端面２２ａから入射した励起光は、レーザ媒質２１内で吸収されて、レーザ媒質２１内部で基本波レーザ光に対する利得を発生させる。レーザ媒質２１内部で発生した利得によって、基本波レーザ光は、レーザ媒質２１の端面２２ａと１／４波長板４１の端面４２ｂとの間でレーザ発振する。
【００２１】
ここでは、レーザ媒質２１より発生する基本波レーザ光は、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光両方の偏光で発振する場合について説明する（レーザ媒質２１には複屈折性を持たない等方性の材料を使用する場合、もしくはレーザ媒質２１に複屈折性を持つ材料を使用し、レーザ媒質２１の常光屈折率および異常光屈折率のどちらよりも低い屈折率を有するクラッドを用いる場合）。
【００２２】
ここでは、非線形材料３１として、六方晶系の周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を使用した場合について説明する。非線形材料３１のｃ軸（結晶軸であり、光学軸でもある）をｙ軸方向にする。また、ａ軸（結晶軸）を光軸１０方向に取る。この場合、非線形材料３１ではＴＭ偏光の光のみ波長変換される。さらに非線形材料３１は、基本波レーザ光が入射すると、非線形効果により第二高調波レーザ光に変換されるように、温度、または、周期反転分極の周期が最適化されている。
【００２３】
まず、非線形材料３１にＴＭ偏光の基本波レーザ光が入射した場合について説明する。非線形材料３１にＴＭ偏光の基本波レーザ光５１が入射すると、図中、Ａに示すように、基本波レーザ光の一部が第二高調波へ変換され、端面３２ｂ、１／４波長板４１を通過して端面４２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。第二高調波レーザ光へ変換されずに残留した基本波レーザ光５１は、１／４波長板４１へ入射し、端面４２ｂで全反射されて、さらにもう一度１／４波長板４１を通過し端面３２ｂより再び非線形材料３１に入射する。このとき、残留した基本波レーザ光５１は１／４波長板４１を往復することにより、図中、Ｂに示すように、偏光が９０°回転し、ＴＥ偏光として非線形材料３１に入射する。従ってこの残留した基本波レーザ光５１は、図中、Ｃに示すように、波長変換されずに非線形材料３１を通過し、端面２２ｂよりレーザ媒質２１へ入射する。レーザ媒質２１へ戻った残留した基本波レーザ光５１は、レーザ媒質２１内の利得によって増幅され、端面２２ａで全反射されて再びレーザ媒質２１内を通過して増幅され、端面３２ａから非線形材料３１へ入射する。この残留し、増幅された基本波レーザ光５１は、ＴＥ偏光であるため波長変換されずに非線形材料３１を通過し、上記と同様に１／４波長板４１を往復し、偏光が９０°回転してＴＭ偏光となり、非線形材料３１へ入射する。ＴＭ偏光となり非線形材料３１へ入射された基本波レーザ光５１の一部は第二高調波へ変換され、端面３２ａで全反射され、端面３２ｂ、１／４波長板４１を通過して端面４２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。
【００２４】
次に、非線形材料３１にＴＥ偏光の基本波レーザ光５１が入射した場合について説明する。非線形材料３１にＴＥ偏光の基本波レーザ光５１が入射すると、図中、Ｃに示すように、波長変換されずに非線形材料３１を通過し、端面４２ａから１／４波長板４１へ入射し、端面４２ｂで全反射されて、さらにもう一度１／４波長板４１を通過し端面３２ｂより再び非線形材料３１に入射する。このとき、基本波レーザ光５１は１／４波長板４１を往復することにより、図中、Ｂに示すように、偏光が９０°回転し、ＴＭ偏光として非線形材料３１に入射する。ＴＭ偏光となり非線形材料３１へ入射された基本波レーザ光５１の一部は、図中、Ａに示すように、第二高調波へ変換され、端面３２ａで全反射され、端面３２ｂ、１／４波長板４１を通過して端面４２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。波長変換されずに残留した基本波レーザ光５１は端面２２ｂよりレーザ媒質２１へ入射し、レーザ媒質内の利得によって増幅され、端面２２ａで全反射されて再びレーザ媒質２１内を通過して増幅され、端面３２ａから非線形材料３１へ入射する。非線形材料３１へ入射した基本波レーザ光５１の一部が第二高調波へ変換され、端面３２ｂ、１／４波長板４１を通過して端面４２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。波長変換されずに残留した基本波レーザ光５１は、再び１／４波長板４１を往復して、偏光が９０°回転し、ＴＥ偏光となり非線形材料３１を波長変換されずに通過して、レーザ媒質２１へ戻る。
【００２５】
このように、レーザ媒質２１内で発生するＴＭ偏光・ＴＥ偏光いずれの偏光成分のレーザ光も、共振器内を２周回するうちの１周回は、必ずＴＭ偏光として周回し波長変換されるため、効率のよい波長変換レーザを得ることができる。
【００２６】
なお、図１で示した平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質２１として半導体レーザ１１で励起されて利得を発生する固体レーザ媒質を用いたが、図４に示したように、レーザ媒質として半導体レーザ１１を用いても良い。半導体レーザ１１は、図示は省略しているが、半導体レーザ１の上下面に電圧を印加し、電流を流すことにより、所望の波長のレーザ光に利得を発生する。
【００２７】
このように構成すれば、図１に示した平面導波路型レーザ装置に比べて、部品点数を低減させることができるので、製造コストを低減することができる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高い平面導波路型レーザ装置を構成することができる。
【００２８】
なお、ここでは、レーザ媒質として、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光両方の偏光方向で発振する材料について説明したが、波長変換されない偏光成分（非線形材料３１として、六方晶系の周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を用いた場合はＴＥ偏光）のみで発振するレーザ媒質を用いた場合でも、図１、図４に示す構成において、周回するごとに偏光方向が入れ替わるため、２周回するうちに必ず１周回は波長変換される偏光成分となって非線形材料３１内を基本波レーザ光５１が通過するため、効率のよい波長変換レーザ光が得られる。
また、非線形材料３１として、ＴＭ偏光のみ波長変換する材料について説明したが、ＴＥ偏光のみ波長変換する材料を用いた場合においても、本発明は適用できる。
なお、上記では特に説明しなかったが、１／４波長板４１もレーザ媒質２１の導波路構造と同じ方向の導波路構造を有していても良いし、導波路構造を持たないバルク体でもよい。
【００２９】
以上説明したように、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質と、レーザ媒質の光軸上に、レーザ媒質に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料と、非線形材料の光軸に対して垂直な面のうち、レーザ媒質と近接している面と反対側の面に近接して配置される１／４波長板とを備えたので、効率よく波長変換することが可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことができる。
【００３０】
また、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、レーザ媒質を半導体レーザとしたので、部品点数を低減させることができるので、製造コストを低減することができる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高い平面導波路型レーザ装置を構成することができる。
【００３１】
また、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、レーザ媒質を、レーザ媒質に近接して配置された半導体レーザにより励起されて利得を発生する固体レーザ媒質としたので、効率のよい波長変換レーザ光を得ることができる。
【００３２】
また、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、１／４波長板は、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有するようにしたので、効率のよい波長変換レーザ光を得ることができる。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態１では非線形材料３１の端面３２ｂ側に１／４波長板４１を配置する場合について説明したが、レーザ媒質２１の端面２２ａ側に１／４波長板４１を配置しても、同様に共振器内部の基本波レーザ光偏光方向を制御して、効率の良い波長変換レーザ光を得ることができる。以下、この例を実施の形態２として説明する。
【００３４】
図５は、実施の形態２に係わる平面導波路型レーザ装置の構成図である。本実施の形態２の平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸１０に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質２１と、レーザ媒質２１の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料３１と、レーザ媒質２１の後方に配置された１／４波長板４１とを備えている。
【００３５】
ここで、レーザ媒質２１の端面２２ａおよび端面２２ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜、非線形材料３１の端面３２ａは基本波レーザ光を透過し、第二高調波レーザ光を反射する光学膜、端面３２ｂは基本波レーザ光を反射し、第二高調波レーザ光を透過する光学膜、１／４波長板４１の端面４２ａは基本波レーザ光を全反射する光学膜、端面４２ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜が施されている。これらの全反射膜、部分反射膜及び光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ１１より出力される励起光を、１／４波長板４１を通過して、レーザ媒質２１の端面２２ａから入射する場合には、端面４２ａは励起光を透過し、基本波レーザ光を反射する光学膜、端面４２ｂおよび端面２２ａは、励起光および基本波レーザ光を透過する光学膜となる。
実施の形態２の平面導波路型レーザ装置は、１／４波長板４１の配置される位置と、各端面の光学膜の種類が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成である。
【００３６】
次に、実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の動作について説明する。図６は実施の形態１に係る偏光制御平面導波路型レーザ装置の共振器内部の基本波レーザ光５１の偏光状態を模式的に示した図である。レーザ媒質２１の端面２２ａから入射した励起光は、レーザ媒質２１内で吸収されて、レーザ媒質２１内部で基本波レーザ光５１に対する利得を発生させる。レーザ媒質２１内部で発生した利得によって、基本波レーザ光５１は、１／４波長板４１の端面４２ａと非線形材料３１の端面３２ｂとの間でレーザ発振する。
【００３７】
ここでは、レーザ媒質２１より発生する基本波レーザ光５１は、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光両方の偏光で発振する場合について説明する（レーザ媒質２１には複屈折性を持たない等方性の材料を使用する場合、もしくはレーザ媒質２１に複屈折性を持つ材料を使用し、レーザ媒質２１の常光屈折率および異常光屈折率のどちらよりも低い屈折率を有するクラッドを用いる場合）。
【００３８】
ここでは、非線形材料３１として、六方晶系の周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を使用した場合について説明する。非線形材料３１のｃ軸（結晶軸であり、光学軸でもある）をｙ軸方向にする。また、ａ軸（結晶軸）を光軸１０方向に取る。この場合、非線形材料３１ではＴＭ偏光の光のみ波長変換される。さらに非線形材料３１は、基本波レーザ光が入射すると、非線形効果により第二高調波レーザ光に変換されるように、温度、または、周期反転分極の周期が最適化されている。
【００３９】
まず非線形材料３１にＴＭ偏光の基本波レーザ光５１が入射した場合について説明する。非線形材料３１にＴＭ偏光の基本波レーザ光５１が入射すると、図中、Ａに示すように、基本波レーザ光５１の一部が第二高調波へ変換され、端面３２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。第二高調波レーザ光へ変換されずに残留した基本波レーザ光５１は、端面３２ｂで全反射されて再び非線形材料３１に入射する。残留した基本波レーザ光５１の一部は第二高調波へ変換され、端面３２ａで全反射され、端面３２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。第二高調波レーザ光へ変換されずに残留した基本波レーザ光５１は、レーザ媒質２１を通過して、レーザ媒質内の利得により増幅される。この基本波レーザ光５１は端面４２ｂから１／４波長板４１へ入射し、端面４２ａで全反射されて、さらにもう一度１／４波長板４１を通過し、再度レーザ媒質２１内へ入射する。このとき、基本波レーザ光５１は１／４波長板４１を往復することにより、図中、Ｂに示すように、偏光が９０°回転し、ＴＥ偏光としてレーザ媒質２１を通過し、レーザ媒質内の利得により増幅される。ＴＥ偏光となった基本波レーザ光５１は、端面３２ａから非線形材料３１内へ入射されるが、図中、Ｃに示すように、波長変換はされず、端面３２ｂより反射して、非線形材料３１を通過して、再びレーザ媒質２１へ入射する。上記と同様にレーザ媒質内を通過し、１／４波長板４１を往復することにより偏光が９０°回転し、再びＴＭ偏光となり、非線形材料３１に入射して波長変換される。
【００４０】
次に、非線形材料３１にＴＥ偏光の基本波レーザ光５１が入射した場合について説明する。非線形材料３１にＴＥ偏光の基本波レーザ光５１が入射すると、図中、Ｃに示すように、波長変換されずに非線形材料３１を通過し、端面３２ｂで全反射されて、再び非線形材料３１を通過し端面２２ｂよりレーザ媒質２１に入射する。レーザ媒質２１へ入射した基本波レーザ光５１は、レーザ媒質２１を通過して、レーザ媒質内の利得により増幅される。この基本波レーザ光５１は端面４２ｂから１／４波長板４１へ入射し、端面４２ａで全反射されて、さらにもう一度１／４波長板４１を通過し、再度レーザ媒質２１内へ入射する。このとき、基本波レーザ光５１は１／４波長板４１を往復することにより、図中、Ｂに示すように、偏光が９０°回転し、ＴＭ偏光としてレーザ媒質２１を通過し、レーザ媒質内の利得により増幅される。ＴＭ偏光となった基本波レーザ光５１は、端面３２ａから再び非線形材料３１内へ入射して、図中、Ａに示すように、一部が第二高調波へ変換され、端面３２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。第二高調波レーザ光へ変換されずに残留した基本波レーザ光５１は、端面３２ｂで全反射されて再び非線形材料３１に入射する。残留した基本波レーザ光５１の一部は第二高調波へ変換され、端面３２ａで全反射され、端面３２ｂから波長変換光５２として外部へ出力される。
【００４１】
このように、レーザ媒質２１内で発生するＴＭ偏光・ＴＥ偏光いずれの偏光成分のレーザ光も、共振器内を２周回するうちの１周回は、必ずＴＭ偏光として周回し波長変換されるため、効率のよい波長変換レーザを得ることができる。また、出力される波長変換レーザ光は１／４波長板４１を通過しないため、直線偏光にて出力される。
【００４２】
なお、図５で示した平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質２１として半導体レーザ１１で励起されて利得を発生する固体レーザ媒質を用いたが、図７に示すように、レーザ媒質として半導体レーザ１１を用いても良い。半導体レーザ１１は、図示は省略しているが、半導体レーザ１１の上下面に電圧を印加し、電流を流すことにより、所望の波長のレーザ光に利得を発生する。
【００４３】
このように構成すれば、図５に示した平面導波路型レーザ装置に比べて、部品点数を低減させることができるので、製造コストを低減することができる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高い平面導波路型レーザ装置を構成することができる。
【００４４】
また、図５の構成では、半導体レーザ１１とレーザ媒質２１の間に１／４波長板４１が配置されるため、１／４波長板４１の光軸方向の厚さによっては半導体レーザ１１をレーザ媒質２１の端面２２ａに近接して配置できない場合がある。その場合は図８に示すように、半導体レーザ１１をレーザ媒質２１の側面に近接して配置しても良い。
【００４５】
ここでは、レーザ媒質として、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光両方の偏光方向で発振する材料について説明したが、波長変換されない偏光成分（非線形材料３１として、六方晶系の周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を用いた場合はＴＥ偏光）のみで発振するレーザ媒質を用いた場合でも、図５〜図８に示す構成において、周回するごとに偏光方向が入れ替わるため、２周回するうちに必ず１周回は波長変換される偏光成分となって非線形材料３１内を基本波レーザ光が通過するため、効率のよい波長変換レーザ光が得られる。
また、非線形材料３１として、ＴＭ偏光のみ波長変換する材料について説明したが、ＴＥ偏光のみ波長変換する材料を用いた場合においても、本発明は適用できる。
なお、上記では特に説明しなかったが、１／４波長板４１もレーザ媒質２１の導波路構造と同じ方向の導波路構造を有していても良いし、導波路構造を持たないバルク体でもよい。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態２の平面導波路型レーザ装置によれば、平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質と、レーザ媒質の光軸上に、レーザ媒質に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料と、レーザ媒質の光軸に対して垂直な面のうち、非線形材料と近接している面と反対側の面に近接して配置される１／４波長板とを備えたので、効率よく波長変換することが可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことができる。
【００４７】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、１／４波長板を用いて基本波レーザ光の偏光を、１周回ごとに９０°回転させる方法について説明したが、非線形材料の光学軸を傾けて配置することにより、波長板と同等の機能を非線形材料３１に持たせることができる。以下、この例を実施の形態３として説明する。
【００４８】
図９は、実施の形態３の平面導波路型レーザ装置の構成図であり、図１０は、図９中のｂ−ｂ’断面と非線形材料３１の光学軸方向を示す模式図である。本実施の形態３に係わる平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸１０に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質２１と、レーザ媒質２１の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料３１とを備え、この非線形材料３１のｃ軸は、光軸１０に垂直な平面内でｙ軸に対して角度θだけ傾けていることを特徴とする。
【００４９】
ここで、レーザ媒質２１の端面２２ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜、端面２２ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜、非線形材料３１の端面３２ａは基本波レーザ光を透過し、第二高調波レーザ光を反射する光学膜、端面３２ｂは基本波レーザ光を反射し、第二高調波レーザ光を透過する光学膜が施されている。これらの全反射膜、部分反射膜及び光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ１１より出力される励起光を、レーザ媒質２１の端面２２ａから入射する場合には、端面２２ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。
【００５０】
この実施の形態３に係わる平面導波路型レーザ装置は、１／４波長板４１が無いことと、非線形材料３１の光学軸が傾いていることおよび各端面の光学膜の種類が異なること以外は、実施の形態１と同様な構成である。
【００５１】
非線形材料３１を基本波レーザ光が往復する場合のＪｏｎｅｓ行列は、非線形材料３１のｃ軸とｙ軸とのなす角をθ、非線形材料３１内での基本波レーザ光のｃ軸方向の偏光成分とａ軸方向の偏光成分との位相差をΓ（＝２π（ｎｅ−ｎｏ）・Ｌ／λ）、ｃ軸偏光成分の強度透過率をηｃ、ａ軸偏光成分の強度透過率をηａ（非線形材料３１として、六方晶系の周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を用いた場合、ηｃ＝１−（波長変換効率）、ηａ＝１）とすると次式で表される。ここでＬは非線形材料３１の結晶長、λは基本波レーザ光の波長とする。
0005933754.tif 000002
【００５２】
非線形材料３１に入射する基本波レーザ光の電界成分を（Ｅｘ，Ｅｙ）とすると、非線形材料３１を往復後の基本波レーザ光の電界成分（Ｅｘ’，Ｅｙ’）は上記のＪｏｎｅｓ行列を用いて次のように表される。
0005933754.tif 000003
【００５３】
非線形材料３１を往復後の基本波レーザ光の電界成分（Ｅｘ’，Ｅｙ’）の偏光方向が、非線形材料３１に入射する基本波レーザ光の電界成分（Ｅｘ，Ｅｙ）の偏光方向に対して９０°回転するように（ｘ方向の電界成分とｙ方向の電界成分の位相差がπとなるように）、非線形材料３１のｃ軸とｙ軸とのなす角θを決定すれば、非線形材料３１に１／４波長板と同等の効果を持たせることができる。このようにすれば、基本波レーザ光は非線形材料３１を２往復するうちに偏光が１回転するために、基本波レーザ光は共振器内を２周回するうちに、必ず波長変換される偏光成分を持つこととなり、効率のよい波長変換光が得られる。
【００５４】
また、非線形材料３１を往復後の基本波レーザ光の電界成分（Ｅｘ’，Ｅｙ’）の偏光方向が、非線形材料３１に入射する基本波レーザ光の電界成分（Ｅｘ，Ｅｙ）の偏光方向に対して９０°／ｎ回転するように（ｘ方向の電界成分とｙ方向の電界成分の位相差がπ／ｎとなるように）、非線形材料３１のｃ軸とｙ軸とのなす角θを決定しても上記と同等の効果が得られる。つまり、基本波レーザ光は非線形材料３１を２ｎ往復するうちに偏光が１回転するために、基本波レーザ光は共振器内を２ｎ周回するうちに、必ず波長変換される偏光成分を持つこととなり、効率のよい波長変換光が得られる。
【００５５】
本実施の形態３によれば、非線形材料３１に波長板の効果を持たせることにより、実施の形態１および２に比べて、部品点数を低減させることができるので、製造コストを低減することができる。また、光学部品が少ないので、調整が少なく、信頼性の高い平面導波路型レーザ装置を構成することができる。
【００５６】
なお、図９で示した平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質２１として半導体レーザ１１で励起されて利得を発生する固体レーザ媒質を用いたが、レーザ媒質として半導体レーザ１１を用いても良い。このようにすればさらに部品点数を低減させることができ、さらに低コスト、高信頼性な平面導波路型レーザ装置を構成することができる。
【００５７】
また、上記実施の形態１〜３では、第二高調波の場合において説明したが、その他の波長変換レーザ（例えば第三高調波、和周波、差周波、光パラメトリック発振など）にも適用可能である。
【００５８】
以上説明したように、実施の形態３の平面導波路型レーザ装置によれば、平板状をなし、光軸に対して垂直な面の厚さ方向に導波路構造を有するレーザ媒質と、レーザ媒質の光軸上に、レーザ媒質に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料とを備え、非線形材料は光軸に垂直な面内で導波路方向に対して所定の角度傾けて光学軸を配置した複屈折材料であるようにしたので、効率よく波長変換することが可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことができる。
【００５９】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、レーザ光の進行方向に伸長した薄い平板状のレーザ媒質の上下両面をレーザ媒質より屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有するものであり、プリンタやプロジェクションテレビなどの光源に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００６１】
１０  光軸、１１  半導体レーザ、２１  レーザ媒質、２２ａ，２２ｂ  端面、３１  非線形材料、３２ａ，３２ｂ  端面、３３ａ，３３ｂ  クラッド、４１  １／４波長板、４２ａ，４２ｂ  端面、５１  基本波レーザ光、５２  波長変換光。
【図１】
0005933754.tif 000004
【図２】
0005933754.tif 000005
【図３】
0005933754.tif 000006
【図４】
0005933754.tif 000007
【図５】
0005933754.tif 000008
【図６】
0005933754.tif 000009
【図７】
0005933754.tif 000010
【図８】
0005933754.tif 000011
【図９】
0005933754.tif 000012
【図１０】
0005933754.tif 000013