(57)【要約】【課題】基本波の共振する偏光方向を一方向に規定することにより、安定した出力で第２高調波を発生することができる第２高調波発生装置を提供する。【解決手段】第２高調波発生装置１は、励起光Ｌ０を発生する励起光源２と、励起光Ｌ０を入射して基本波を発生する基本波発生結晶３と、基本波の第２高調波Ｌ３を発生する非線形光学結晶４と、基本波発生結晶３および非線形光学結晶４を介在させて対向する１対の反射鏡５，６を有する光共振器７とを有する。反射鏡５，６は、一定間隔でグレーティング層が配置されたグレーティング部２０を有し、グレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ基本波のみを反射する。【選択図】図１
2006292942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を入射して基本波を発生する基本波発生結晶と、
前記基本波の第２高調波を発生する非線形光学結晶と、
前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶を介在させて対向する１対の反射鏡を有する光共振器とを有し、
前記反射鏡は、一定間隔でグレーティング層が配置されたグレーティング部を有し、前記グレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ前記基本波のみを反射する
第２高調波発生装置。
【請求項２】
前記一対の反射鏡は、
異なる屈折率の膜が繰り返し積層された誘電体多層膜ミラーと、
前記誘電体多層膜ミラー上に形成されたグレーティング部と
を有する請求項１記載の第２高調波発生装置。
【請求項３】
前記一対の反射鏡は、前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶の両端面上に形成された
請求項１記載の第２高調波発生装置。
【請求項４】
前記一対の反射鏡は、前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶に対して間隔を隔てて配置された
請求項１記載の第２高調波発生装置。
【請求項５】
前記基本波発生結晶の端面と前記非線形光学結晶の端面とが接合された
請求項１記載の第２高調波発生装置。
【請求項６】
前記基本波発生結晶と前記非線形光学結晶とが間隔を隔てて配置された
請求項１記載の第２高調波発生装置。
【請求項７】
前記基本波発生結晶の光学軸と、前記非線形光学結晶の光学軸とが傾いて配置された
請求項１記載の第２高調波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、非線形光学結晶により波長変換して、基本波の第２高調波を発生させる第２高調波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、歯科、ポインタ、計測といったアプリケーションに対して、緑色レーザ光源が利用されている。現在、緑色レーザは第２高調波（ＳＨ波）を発生する非線形光学結晶を利用した固体レーザが一般的である。百ｍＷ以下程度の低光出力で、固体レーザによる第２高調波発生を利用する場合、波長１０６４ｎｍの光（基本波）の光共振器内に非線形光学結晶を配置する構成（イントラキャビティ）が多く利用される（例えば、特許文献１参照）。光共振器は１対の反射鏡により構成され、例えば反射鏡は誘電体多層膜により形成される。
【０００３】
第２高調波発生を実現するには位相整合条件を満たす必要があるが、その方法の一つに角度チューニングがあり、タイプＩとタイプＩＩに分類される（例えば、特許文献２参照）。タイプＩＩでは、基本波を発生する基本波発生結晶の主軸と、非線形光学結晶の主軸を４５°傾けて配置する。基本波発生結晶では、通常、主軸に沿った偏光方向の基本波が発生される。
【特許文献１】特開２００２−３４４０４８号公報
【特許文献２】特開平７−１３１１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、励起光源からの出力を上げていくと、基本波発生結晶から主軸に沿った偏光方向のみでなく、主軸に直交する偏光方向の基本波が発生されてしまう。基本波発生結晶により異なる偏光方向の基本波が２種類以上発生すると、偏光方向の異なる各基本波が共振器内で共振し、その結果、非線形光学結晶から３種類以上の偏光方向をもつレーザ光（第２高調波）が発生され、出力が不安定になるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基本波の共振する偏光方向を一方向に規定することにより、安定した出力で第２高調波を発生することができる第２高調波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の第２高調波発生装置は、励起光を発生する励起光源と、前記励起光を入射して基本波を発生する基本波発生結晶と、前記基本波の第２高調波を発生する非線形光学結晶と、前記基本波発生結晶および前記非線形光学結晶を介在させて対向する１対の反射鏡を有する光共振器とを有し、前記反射鏡は、一定間隔でグレーティング層が配置されたグレーティング部を有し、前記グレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ前記基本波のみを反射するものである。
【０００７】
上記の本発明の第２高調波発生装置では、励起光源からの励起光が基本波発生結晶に入射すると、一対の反射鏡により構成される光共振器内で共振動作して、基本波発生結晶から基本波が発振する。光共振器はグレーティング層の延伸方向に平行な偏光方向をもつ基本波のみを反射するため、当該偏光方向をもつ基本波のみが発振する。
この基本波が非線形光学結晶を通過すると、非線形光学結晶により第２高調波が発生する。第２高調波は、非線形光学結晶側に配置された反射鏡を通過して、外部へ出力される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基本波の共振する偏光方向を一方向に規定することにより、安定した出力で第２高調波を発生することができる第２高調波発生装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の半導体装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る第２高調波発生装置１の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す第２高調波発生装置１を図中ｘ方向から見た側面図である。
【００１１】
本実施形態に係る第２高調波発生装置１は、励起光源２と、励起光源２によってポンピングされる基本波発生結晶（固体レーザ媒質）３と、非線形光学結晶４と、基本波発生結晶３および非線形光学結晶４を介在させて対向する１対の反射鏡５，６からなる光共振器７とを有する。
【００１２】
励起光源２は、例えば半導体レーザ素子により構成される。励起光源２は、例えば波長８０８ｎｍの励起光（レーザ光）Ｌ０を出射する半導体レーザ素子が用いられる。励起光源２は、例えば図中、ｚ方向に励起光Ｌ０を出射する。なお、図１では、励起光Ｌ０の出射方向をｚ方向とし、ｚ方向に直交する２方向をｘ方向およびｙ方向とする。
【００１３】
基本波発生結晶３は、励起光源２からの励起光Ｌ０によりポンピングされて、基本波（レーザ光）Ｌ１を発振する。基本波Ｌ１の波長は、例えば１０６４ｎｍである。基本波発生結晶３は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｎｄ：ＹＶＯ４や、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４である。基本波発生結晶３は、例えば、ｘ方向およびｙ方向における寸法が１ｍｍであり、ｚ方向における寸法が０．７ｍｍである。
【００１４】
非線形光学結晶４は、基本波発生結晶３により発振された基本波Ｌ１を波長変換して、基本波の第２高調波（周波数が２倍のレーザ光）Ｌ２を発生する。非線形光学結晶４は、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４），ＢＢＯ（β-ＢａＢ２Ｏ４）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）により形成される。非線形光学結晶４は、例えば、ｘ方向およびｙ方向における寸法が１ｍｍであり、ｚ方向における寸法が２．２ｍｍである。非線形光学結晶４は、基本波発生結晶３の端面に紫外線硬化型接着剤により接着されている。
【００１５】
図３は、基本波発生結晶３の光学軸と、非線形光学結晶４の光学軸の配置を示す図である。
【００１６】
第２高調波発生を実現するには位相整合条件を満たす必要があるが、その方法の一つに角度チューニングがあり、タイプＩとタイプＩＩに分類される。本実施形態では、タイプＩＩの位相整合条件を満たすものである。このため、基本波を発生する基本波発生結晶３の主軸３ａと、非線形光学結晶４の主軸４ａを４５°傾けて配置する。主軸は、屈折率の高い軸とする。例えば、基本波発生結晶３の主軸３ａをｘ軸方向に設定した場合には、非線形光学結晶４の主軸４ａはｘｙ平面においてｘ軸から４５°傾いて設定される。基本波発生結晶では、通常、主軸に沿った偏光方向の基本波Ｌ１が発生される。
【００１７】
光共振器７を構成する一方の反射鏡５は、基本波発生結晶３の励起光源２側の端面に形成されている。反射鏡５は、励起光源２から出射された励起光Ｌ０を透過し、基本波発生結晶３から得られる基本波Ｌ１を反射する。また、反射鏡５は、基本波発生結晶３の主軸に沿った偏光方向の基本波Ｌ１のみを反射させる。
【００１８】
光共振器７を構成する他方の反射鏡６は、非線形光学結晶４の第２高調波Ｌ２出射側の端面に形成されている。他方の反射鏡６は、非線形光学結晶４で波長変換された第２高調波Ｌ２を透過し、基本波Ｌ１を反射する。また、反射鏡６は、基本波発生結晶３の主軸に沿った偏光方向の基本波Ｌ１のみを反射させる。
【００１９】
図４は、反射鏡５（６）の構成を説明するための断面図である。図４は、反射鏡５の場合には基本波発生結晶３の端面における断面図に相当し、反射鏡６の場合には非線形光学結晶４の端面における断面図に相当する。
【００２０】
反射鏡５，６は、誘電体多層膜ミラー１０からなる第１反射部と、誘電体多層膜ミラー１０の最上層に形成されたグレーティング部２０からなる第２反射部とを有する。
【００２１】
誘電体多層膜ミラー１０は、屈折率（ｎ）が異なり、厚さがλ／４ｎ（λ：反射させる光の波長）からなる２つの低屈折率膜１１と高屈折率膜１２を交互に多層（２０〜４０層程度）積層することにより、反射率を１００％近くにしたミラーである。低屈折率膜１１は例えばＳｉＯ２膜により形成され、高屈折率膜１２は例えばＴｉＯ２膜あるいはＴａ２Ｏ５膜により形成される。誘電体多層膜ミラー１０は、例えばスパッタリングにより形成される。
【００２２】
反射鏡５および反射鏡６の誘電体多層膜ミラー１０は、ともに基本波Ｌ１を反射する必要がある。このため、例えば低屈折率膜１１の屈折率をｎ１とし、基本波Ｌ１の波長をλとすると、各低屈折率膜１１の膜厚はλ／４ｎ１に設定される。また、高屈折率膜１２の屈折率をｎ２とし、基本波Ｌ１の波長をλとすると、各高屈折率膜１２の膜厚はλ／４ｎ２に設定される。
【００２３】
図５（ａ）はグレーティング部２０の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）はグレーティング部２０の平面図である。
【００２４】
グレーティング部２０は、誘電体多層膜ミラー１０の上面に形成される。グレーティング部２０は、ストライプ状に形成されたグレーティング層２１を有する。グレーティング層２１のストライプ方向は、基本波発生結晶３の光軸に平行に形成される。
【００２５】
グレーティング層２１のピッチＰを基本波Ｌ１の波長程度の大きさにすることにより、グレーティング層２１のストライプに平行な偏光方向の基本波と、ストライプに垂直な方向な偏光方向の基本波とで反射率に違いが現れる。反射率の大きさは、グレーティング層２１の屈折率（ｎ）と幅Ｗおよび膜厚ｄに依存する。
【００２６】
例えば、基本波Ｌ１の波長を１０６４ｎｍとした場合には、グレーティング層２１のピッチＰを１０６４ｎｍ程度に設定し、グレーティング層２１の幅Ｗを数十ｎｍ〜数百ｎｍに設定し、グレーティング層２１の膜厚ｄを４０〜５０ｎｍに設定する。これにより、グレーティング部２０は、グレーティング層２１のストライプに平行な偏光方向の基本波に対しては高反射率となり、グレーティング層２１のストライプに垂直な偏光方向の基本波に対しては低反射率となる。
【００２７】
この結果、グレーティング部２０を備える反射鏡５，６からなる光共振器７により、グレーティング層２１のストライプに平行な偏光方向の基本波Ｌ１のみが共振され、基本波の単一偏光モード発振が実現される。
【００２８】
上記のグレーティング層２１は、例えば誘電体多層膜ミラー１０を構成する低屈折率膜１１あるいは高屈折率膜１２をパターニングすることにより形成される。パターニングは、電子線描画とエッチング（ドライエッチングあるいはウェットエッチング）により行われる。
【００２９】
グレーティング部２０は、グレーティング層２１の形成により一定間隔で屈折率が異なる部分が形成されていれば良い。このため、グレーティング層２１は、上記のように物理的にストライプ形状を有する場合の他、低屈折率膜１１あるいは高屈折率膜１２に水素やヘリウムなどのイオン注入を行い、屈折率の小さいストライプ状のグレーティング層２１を形成することによっても実現できる。
【００３０】
次に、上記の本実施形態に係る第２高調波発生装置１の動作について、図２を参照して説明する。
【００３１】
励起光源２から出射されたポンピング光となる励起光Ｌ０が基本波発生結晶３に入射すると、反射鏡５と反射鏡６とにより構成される光共振器７内で共振動作して、基本波発生結晶３の光軸３ａに平行な偏光方向の基本波Ｌ１のみが発振する。このとき、基本波発生結晶３の光軸３ａとは異なる偏光方向の基本波Ｌ１は発振されない。
【００３２】
この基本波Ｌ１が非線形光学結晶４を通過すると、非線形光学結晶４により基本波Ｌ１が波長変換されて、基本波Ｌ１の第２高調波Ｌ２が反射鏡６を通過して、第２高調波発生装置１から出力される。波長１０６４ｎｍの基本波Ｌ１が発振されると、波長５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２が得られるため、いわゆる緑色レーザ光を出力することができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態では、光共振器７を構成する反射鏡５，６は、一つの偏光方向の基本波Ｌ１のみを反射させるグレーティング部２０を備えることから、基本波Ｌ１の単一偏光モード発振を実現することができる。このため、単一の偏光方向をもつ第２高調波Ｌ２を出力することができる。
【００３４】
従って、励起光源２への注入電流を増加させて、励起光Ｌ０の出力を増加させた場合であっても、安定した出力で第２高調波Ｌ２を発生することができる。また、励起光源２のＦＦＰ（ファーフィールドパターン）特性や発振波長特性、並びに基本波発生結晶３の吸収発光特性に影響されずに、安定した出力で第２高調波Ｌ２を発生することができる。さらに、第２高調波Ｌ２の偏光方向の直線性が向上するため、アプリケーションにおいて第２高調波Ｌ２の偏波利用が可能となる。
【００３５】
また、本実施形態では、光共振器７を構成する一方の反射鏡５は、基本波発生結晶３の励起光源２側の端面に形成され、光共振器７を構成する他方の反射鏡６は、非線形光学結晶４の第２高調波Ｌ２出射側の端面に形成されている。反射鏡５および反射鏡６として別個の部品を設ける必要がなくなるため、部品点数を削減することができ、第２高調波発生装置１を小型化できるという利点がある。
【００３６】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る第２高調波発生装置１の構成を示す斜視図である。
【００３７】
第２実施形態では、光共振器７を構成する一対の反射鏡５，６が、基本波発生結晶３および非線形光学結晶４に対して所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、第１実施形態と異なり、反射鏡５および反射鏡６として別個の部品を設ける。
【００３８】
反射鏡５，６は、第１実施形態と同様に、誘電体多層膜ミラー１０からなる第１反射部と、誘電体多層膜ミラー１０の最上層に形成されたグレーティング部２０からなる第２反射部とを有する。なお、これらの第１反射部および第２反射部は、透明基板上に形成される。
【００３９】
反射鏡５は、励起光源２側から順にグレーティング部２０および誘電体多層膜ミラー１０が形成されていても、誘電体多層膜ミラー１０およびグレーティング部２０の順に形成されていてもよい。
【００４０】
同様に、反射鏡６は、光出力側から順にグレーティング部２０および誘電体多層膜ミラー１０が形成されていても、誘電体多層膜ミラー１０およびグレーティング部２０の順に形成されていてもよい。
【００４１】
本実施形態に係る第２高調波発生装置１によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４２】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る第２高調波発生装置１の構成を示す斜視図である。
【００４３】
第３実施形態では、基本波発生結晶３と非線形光学結晶４の間が接合されておらず、所定の間隔を隔てて配置されている例である。基本波発生結晶３と非線形光学結晶４との間の間隔は、例えば数μｍ〜数１０μｍである。
【００４４】
光共振器７を構成する一方の反射鏡５は、基本波発生結晶３の励起光源２側の端面に形成され、光共振器７を構成する他方の反射鏡６は、非線形光学結晶４の第２高調波Ｌ２出射側の端面に形成されている。
【００４５】
本実施形態に係る第２高調波発生装置１によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４６】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る第２高調波発生装置１の構成を示す斜視図である。
【００４７】
第４実施形態では、基本波発生結晶３と非線形光学結晶４の間が接合されておらず、所定の間隔を隔てて配置されている例である。基本波発生結晶３と非線形光学結晶４との間の間隔は、例えば数μｍ〜数１０μｍである。
【００４８】
また、光共振器７を構成する一対の反射鏡５，６が、基本波発生結晶３および非線形光学結晶４に対して所定の間隔を隔てて配置されている。本実施形態では、第１実施形態と異なり、反射鏡５および反射鏡６として別個の部品を設ける。
【００４９】
反射鏡５，６は、第１実施形態と同様に、誘電体多層膜ミラー１０からなる第１反射部と、誘電体多層膜ミラー１０の最上層に形成されたグレーティング部２０からなる第２反射部とを有する。なお、これらの第１反射部および第２反射部は、透明基板上に形成される。
【００５０】
反射鏡５は、励起光源２側から順にグレーティング部２０および誘電体多層膜ミラー１０が形成されていても、誘電体多層膜ミラー１０およびグレーティング部２０の順に形成されていてもよい。
【００５１】
同様に、反射鏡６は、光出力側から順にグレーティング部２０および誘電体多層膜ミラー１０が形成されていても、誘電体多層膜ミラー１０およびグレーティング部２０の順に形成されていてもよい。
【００５２】
本実施形態に係る第２高調波発生装置１によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００５３】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本実施形態では、反射鏡５，６は、誘電体多層膜ミラー１０からなる第１反射部と、グレーティング部２０からなる第２反射部を備える構成について説明したが、第１反射部として金属ミラーを採用してもよい。また、グレーティング部２０を構成するグレーティング層２１として誘電体膜以外にも、金属膜を用いても良い。
【００５４】
また、本実施形態では、第２高調波として緑色レーザ光を得る例について説明したが、励起光源２、基本波発生結晶３の材料、非線形光学結晶４の材料を変更することにより、緑色レーザ以外にも他の波長の第２高調波を得ることもできる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態に係る第２高調波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す第２高調波発生装置を図中ｘ方向から見た側面図である。
【図３】基本波発生結晶の光学軸と、非線形光学結晶の光学軸の配置を示す図である。
【図４】反射鏡の構成を示す断面図である。
【図５】（ａ）はグレーティング部の構成を示す断面図であり、（ｂ）はグレーティング部の上面図である。
【図６】第２実施形態に係る第２高調波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図７】第３実施形態に係る第２高調波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図８】第４実施形態に係る第２高調波発生装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…第２高調波発生装置、２…励起光源、３…基本波発生結晶、４…非線形光学結晶、５…反射鏡、６…反射鏡、７…光共振器、１０…誘電体多層膜ミラー、１１…低屈折率膜、１２…高屈折率膜、２０…グレーティング部、２１…グレーティング層
【図１】
2006292942.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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