(57)【要約】  【課題】  擬似位相整合型波長変換素子を用いて基本波光を高調波光に変換する波長変換レーザ装置におけるレーザの生成効率を改善する。  【解決手段】  光共振器７内に配置する擬似位相整合型波長変換（ＱＰＭ）素子４の両端面４ａ、４ｂの反射率を下げるために、各端面４ａ、４ｂに酸化シリコンと窒化シリコンとの混合物を材料とする薄膜を形成する。その混合物の混合比率は、使用する波長におけるＱＰＭ素子の基体の屈折率と入射（又は出射）媒質である空気の屈折率とから求まる所定の屈折率になるように制御する。それによって、端面４ａ、４ｂでの反射率を従来よりも１桁以上改善した０．０１％以下にまで抑制することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光により励起されたレーザ媒質から放出される基本波光を共振しつつ増幅する光共振器の光路中に介挿され、前記基本波光から高調波光を生成するための波長変換レーザ用の疑似位相整合型波長変換素子において、
高調波を発生する基体の光入射面及び光出射面となる両端面に、所定物質の酸化物と窒化物との混合物を材料とする薄膜を有し、該酸化物と窒化物との混合割合を調整することにより、使用するレーザ波長における前記薄膜の屈折率を、該薄膜を挟んだ入射側物質の屈折率と出射側物質の屈折率とに基づいて算出される所定値になるようにしたことを特徴とする波長変換レーザ装置用の疑似位相整合型波長変換素子。
【請求項２】
励起光により励起されたレーザ媒質から放出される基本波光を共振しつつ増幅する光共振器の光路中に介挿され、前記基本波光から高調波光を生成するための波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子を製造する方法であって、
高調波を発生する基体の光入射面及び光出射面となる両端面に、酸素ガスと窒素ガスとを所定割合で混合した雰囲気ガス中で所定物質をターゲットとした成膜処理を実行することにより、該所定物質の酸化物と窒化物との混合物を材料とする薄膜を形成し、その成膜処理時に酸素ガスと窒素ガスとの混合割合を調整することにより、使用するレーザ波長における前記薄膜の屈折率を、該薄膜を挟んだ入射側物質の屈折率と出射側物質の屈折率とに基づいて算出される所定値になるようにしたことを特徴とする波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記所定の物質はシリコン、チタン又はアルミニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子、又は請求項２に記載の波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光により励起されたレーザ媒質から放出される基本波光を共振しつつ増幅する光共振器の光路中に介挿され、その基本波光から高調波光を生成するための疑似位相整合を利用した波長変換素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、緑色、青色などの短波長レーザは、例えば干渉計、光ディスク用の光ピックアップ、印刷装置など幅広い分野において注目されており、こうしたレーザ光を発生するレーザ装置の研究・開発が各地で盛んに進められている。このような短波長レーザ装置の一つとして、基本波レーザ光の光路中に波長変換素子を挿入して高調波光を発生させ、その高調波光を外部に取り出すようにした波長変換レーザ装置が知られている。
【０００３】
従来のこの種の波長変換レーザ装置では、波長変換素子として非線形光学結晶であるＫＮ（ＫＮｂＯ3）やＫＴＰ（ＫＴｉＯ4 ）が用いられていたが、このような結晶は、波長の温度依存性が大きい、波長に対して利用できる結晶が限定される、といった問題があった。これに対し、近年、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）作用を利用した波長変換素子が注目を集めている。このような擬似位相整合型波長変換素子（以下、「ＱＰＭ素子」と称す）は、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などのバルク結晶の内部に周期的な分極反転層を形成することで、所定波長のレーザ光に対して擬似的な位相整合を達成しようとするものであり、その分極反転層の周期を変えることによってほぼ任意の波長に対応が可能となっている。
【０００４】
図１はＱＰＭ素子を用いた波長変換レーザ装置の一般的な構成を示す概略図である（例えば特許文献１など参照）。このレーザ装置は、励起光を発生する半導体レーザ１と、該半導体レーザ１からの励起光を集光するレンズ２と、励起光で励起されることにより基本波光を含むレーザ光を誘導放出するレーザ媒質３と、誘導放出された基本波光から第二高調波光を生成するＱＰＭ素子４と、特定の波長の光を選択的に透過させるエタロン５と、光を反射させつつその一部を透過させる出力ミラー６とを含む。
【０００５】
このレーザ装置の動作を概略的に説明する。半導体レーザ１から出射された励起光はレンズ２により集光されてレーザ媒質３に照射される。レーザ媒質３にあって励起光の入射面には、励起光を効率よく透過させるとともに基本波光及び高調波光を高反射率で以て反射させる反射層３ａが形成されており、この反射層３ａと出力ミラー６とで光共振器７が構成される。これにより、励起光によってレーザ媒質３から誘導放出された基本波光は、光共振器７内で発振し増幅される。なお、レーザ媒質３としては、取り出したいレーザ波長の２倍の波長の発振に対応した物質が使用され、例えば青色発光波長４７３ｎｍを取り出すためにはＮｄ：ＹＡＧ（９４６ｎｍ）、緑色発光波長５２３ｎｍを取り出すためにはＮｄ：ＹＶＯ4（１０６４ｎｍ）などが用いられる。
【０００６】
光共振器７内に介挿されたＱＰＭ素子４は、その非線形光学効果によって、基本波光の１／２の波長の光つまり２倍の高調波光を生成する。したがって、光共振器７内部では基本波光と高調波光とが混在している。基本波光は出力ミラー６で反射するが、高調波光は出力ミラー６を透過する。それにより、図１中に示すように、出力ミラー６から右方には高調波光のみが選択的に出射される。なお、エタロン５は共振における必須の構成要素ではないが、ここでは発振の過程で複数生じるモードのうちの１つのモードを選択する機能を有している。
【０００７】
こうした構成の波長変換レーザ装置において、効率良く高調波光を取り出すためには、ＱＰＭ素子４における疑似位相整合条件を安定化することが重要である。そのためには、ＱＰＭ素子４における波長変換の際に最大変換効率を与える基本波波長にレーザ発振波長を一致させ、ＱＰＭ素子４の両端面４ａ、４ｂでの反射率を抑制して光共振器７中のフレネル反射損失を低く抑えるとともに、発振波長の帰還効率を高めて発振閾値を十分に高くする必要がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３０４０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＱＰＭ素子４の端面４ａ、４ｂでの反射率を抑制するのは、端面での反射波が増加すると光共振器７内で理想的な定在波でなくなるためである。しかしながら、従来、波長変換レーザ装置に使用されるＱＰＭ素子の端面は１％程度の反射率を示すのが一般的であり、特に低反射を狙ったものでも０．１％程度以上の反射率を示す。反射率は低いほど好ましいが、実用的には反射率が０．０１％程度以下であれば殆ど無反射であるとみなし得る範囲であり、これが１つの目標となり得るが、従来、ＱＰＭ素子の端面をこうした低反射とし得るような方法は確立されていない。
【００１０】
本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、波長変換レーザ用のＱＰＭ素子において、光の入射面及び出射面となる端面での反射をきわめて小さく抑えることによって高調波レーザの生成効率を高めることを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された第１発明は、励起光により励起されたレーザ媒質から放出される基本波光を共振しつつ増幅する光共振器の光路中に介挿され、前記基本波光から高調波光を生成するための波長変換レーザ用の疑似位相整合型波長変換素子において、
高調波を発生する基体の光入射面及び光出射面となる両端面に、所定物質の酸化物と窒化物との混合物を材料とする薄膜を有し、該酸化物と窒化物との混合割合を調整することにより、使用するレーザ波長における前記薄膜の屈折率を、該薄膜を挟んだ入射側物質の屈折率と出射側物質の屈折率とに基づいて算出される所定値になるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、励起光により励起されたレーザ媒質から放出される基本波光を共振しつつ増幅する光共振器の光路中に介挿され、前記基本波光から高調波光を生成するための波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子を製造する方法であって、
高調波を発生する基体の光入射面及び光出射面となる両端面に、酸素ガスと窒素ガスとを所定割合で混合した雰囲気ガス中で所定物質をターゲットとした成膜処理を実行することにより、該所定物質の酸化物と窒化物との混合物を材料とする薄膜を形成し、その成膜処理時に酸素ガスと窒素ガスとの混合割合を調整することにより、使用するレーザ波長における前記薄膜の屈折率を、該薄膜を挟んだ入射側物質の屈折率と出射側物質の屈折率とに基づいて算出される所定値になるようにしたことを特徴としている。
【００１３】
具体的に、前記所定物質としては酸化物や窒化物が形成される物質であれば各種の物質を利用することができるが、生成された薄膜の安定性や成膜時間の妥当性を考慮すると、例えば、シリコン、チタン又はアルミニウムなどが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
例えば所定物質がシリコン（Ｓｉ）である場合、基体の両端面に形成される薄膜は酸化シリコン（ＳｉＯ2）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）との混合物となる。波長にも依存するが、酸化シリコンの屈折率は１．４４、窒化シリコンの屈折率は２．０２であり、その混合物の屈折率は両者の混合比によって変わる。一方、この薄膜での反射率は薄膜を挟んだ両物質の屈折率とこの薄膜自体の屈折率とに依存しており、いま、薄膜を挟んだ一方の物質（典型的には空気）の屈折率がｎ0、他方の物質（典型的には基体）の屈折率がｎsであるとき、薄膜での反射率が極小となる条件は、薄膜の屈折率ｎ1が次式を満たすときである。
ｎ1＝（ｎ0・ｎs）1/2    …(1)
【００１５】
上述のように屈折率は波長に依存するため、実際に使用するレーザ光の波長に対応して上記(1)式より目的とする薄膜の屈折率ｎ1を算出し、その値になるように混合物の混合比を制御すればよい。具体的には、成膜処理時に酸素ガスと窒素ガスとの混合割合を調整することにより混合物の割合を変えることが可能であるから、予め所定の成膜条件の下での酸素ガス流量と窒素ガス流量との比率と薄膜の屈折率との関係を実験的に調べておき、目標となる屈折率を得るための酸素ガス流量と窒素ガス流量との比率を求めて、これを成膜条件の１つとすればよい。
【００１６】
このようにして本発明に係る波長変換レーザ用疑似位相整合型波長変換素子及びその製造方法によれば、ＱＰＭ素子の基体の両端面に形成した薄膜によって、該素子に対して光が入射する際及び出射する際に端面での反射を極めて小さく抑えることができる。具体的には、その反射率を従来よりも１桁以上小さな０．０１％程度又はそれ以下のレベルに抑えることができる。それによって、共振器内での損失が小さくなり、ＱＰＭ素子での波長変換効率が改善されて、外部に取り出す高調波レーザの出力を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施例である波長変換レーザ用ＱＰＭ素子について具体的に説明する。
【００１８】
一般に、屈折率ｎsを有する基体の上に、屈折率ｎsよりも小さな屈折率ｎ1を有する物質を材料とする薄膜を一層形成すると、その薄膜は反射率を抑制するのに寄与する。いま、その薄膜の幾何学的厚さをｄ1とすると、光学的膜厚はｎ1・ｄ1であり、この光学的膜厚が次の(2)式を満たす波長λ0において反射率は極小となる。
ｎ1・ｄ1＝（１／４）・λ0＋（ｍ／２）・λ0      …(2)
但し、ｍ＝０，１，２，…
このときの反射率Ｒminは、次の(3)式で与えられる。
Ｒmin＝｛（ｎ12−ｎ0・ｎs )／（ｎ12＋ｎ0・ｎs ) ｝2      …(3)
ここで、ｎ0は入射媒質の屈折率である。
(3)式より、反射率Ｒminが極小（理論的にはゼロ）となる条件は、
ｎ12−ｎ0・ｎs＝０
であり、これから上記(1)式が求まる。
【００１９】
いま、ＱＰＭ素子の基体として第２高調波発生素子であるＭｇＯ：ＬｉＴａＯ3 を用いる場合を例示して考える。このＭｇＯ：ＬｉＴａＯ3 の屈折率ｎsは２．１４３（λ＝９４６ｎｍにおいて）である。一方、図１に示すような構成のレーザ装置では入射媒質は空気であるから屈折率ｎ0は約１である。したがって、反射率が極小となるような薄膜の屈折率ｎ1は、(1)式より１．４６と求まる。図２は酸化シリコン（ＳｉＯ2）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）との混合比率と屈折率との関係を示す概念図である。酸化シリコンの屈折率は１．４４、窒化シリコンの屈折率２．０２であり、両者の混合比率によって屈折率を１．４４〜２．０２の間で任意に制御することが可能である。ここでは、目的とする屈折率１．４６を得るには、大部分が酸化シリコンであって、これに少量の窒化シリコンが混合した薄膜を形成すればよいことが分かる。なお、図２のグラフでは直線を引いているが、実際にはこれは直線であるとは限らず、所定の成膜条件の下で実際に予備実験を行って物質の混合比率と屈折率との関係を求める必要がある。
【００２０】
一般に基板上に薄膜を形成する方法として蒸着やスパッタリングなどが用いられるが、ここでもこれら従来から使用されている一般的な方法で成膜を行うことができる。具体的に、上述したように酸化シリコンと窒化シリコンとの混合物の薄膜を形成するには、例えば、シリコンをターゲットとして酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で蒸着を行えばよいが、その際に、雰囲気ガスとして供給する酸素ガスの流量と窒素ガスの流量とを調整することで酸化物と窒化物との混合比率、つまり基体の表面に積層される薄膜の組成（ＳｉＯ2）x（Ｓｉ3Ｎ4）1-x を制御することができる。
【００２１】
図３は（ＳｉＯ2）x（Ｓｉ3Ｎ4）1-x の成膜条件と屈折率及び付着速度との関係の実測結果の一例である。成膜条件としては、窒素ガス流量：２０sccm/min、温度：１３０℃、高周波電力：５００Ｗで固定し、酸素ガス流量を３〜２０sccm/minの範囲内で変化させている。酸素ガス流量が増加するに従い、屈折率の小さな酸化シリコンの混合比率が増加するため、膜の屈折率は減少してゆく。ここでは屈折率が３．５である基体としており、極小の反射率を与える屈折率は１．８７となる。したがって、図３中に示すように屈折率を１．８７とするように酸素ガスの流量を決定すればよい。
【００２２】
但し、屈折率は波長に依存している。図４は、９４６ｎｍの波長で反射率が極小となるように薄膜を形成した場合の、反射率の波長依存性を計算した結果である。この図で分かるように、波長に応じて屈折率が変わるため、或る波長で反射率を極小になるように定めても他の波長では反射率は極小とはならないどころか、非常に大きくなってしまう。したがって、(1)式に基づいて屈折率の目標値を決める際に、目的とする波長における屈折率を算出することが重要である。
【００２３】
以上のようにして、図１に示すＱＰＭ素子４の両端面４ａ、４ｂにそれぞれ適切な屈折率を有する薄膜を形成することによって、その端面での反射率を非常に小さく、具体的には０．０１％以下にまで抑制することが可能である。なお、薄膜の膜厚は、屈折率ｎ1が決まれば(2)式に基づいて一義的に導出することが可能である。
【００２４】
また、それ以外にも、本発明の趣旨の範囲で適宜の変形や修正など行っても、本発明の請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＱＰＭ素子を用いた一般的な波長変換レーザ装置の概略構成図。
【図２】酸化シリコンと窒化シリコンとの混合比率と屈折率との関係を示す概念図。
【図３】（ＳｉＯ2）x（Ｓｉ3Ｎ4）1-x の成膜条件と屈折率及び付着速度との関係の実測結果の一例を示す図。
【図４】９４６ｎｍの波長で反射率が極小となるように薄膜を形成した場合の反射率の波長依存性を計算した結果を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１…半導体レーザ
２…レンズ
３…レーザ媒質
３ａ…反射層
４…ＱＰＭ素子
４ａ、４ｂ…端面
５…エタロン
６…出力ミラー
７…光共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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