(57)【要約】【課題】最適な変換効率を維持しつつ、波長変換された出力光強度の変動を補償することができる波長 変換装置を提供すること。【解決手段】レーザ光源部から出射した第１の波長の光を透過させ、一部を第２の波長の光に波長変換 して出射する非線形光学結晶と、第１の波長の光の特定の偏光成分を取り出して出射する偏光分岐部と 、偏光分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する偏光強度検知部と、偏光強度検知部から の電気信号に基づいて非線形光学結晶に入射する特定の偏光成分の光強度を、偏光強度目標値と一致す るように第１の波長の光強度を制御する駆動制御部と、第２の波長の光出力の一部を分岐する出力分岐 部と、出力分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する出力光強度検知部と、非線形光学結 晶の結晶温度を出力光強度検知部からの電気信号に基づいて制御する温度制御部と、を有する。【選択図】図１
2011158869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源部と、
前記レーザ光源部から出射した第１の波長の光を透過させ、一部を前記第１の波長とは異なる第２の 波長の光に波長変換して出射する非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶の入射側、あるいは出射側に配置され、前記第１の波長の光の特定の偏光成分の 少なくとも一部を取り出して出射する偏光分岐部と、
前記偏光分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する偏光強度検知部と、
前記偏光強度検知部からの電気信号に基づいて、前記非線形光学結晶に入射する前記特定の偏光成分 、あるいは前記特定の偏光成分に直交する偏光成分の光強度を、偏光強度目標値と一致するように、前 記レーザ光源部から出射する前記第１の波長の光強度を制御する駆動制御部と、
前記第２の波長の光出力の一部を分岐する出力分岐部と、
前記出力分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する出力光強度検知部と、
前記非線形光学結晶の結晶温度を、前記出力光強度検知部からの電気信号に基づいて制御する温度制 御部と、を有する、
波長変換装置。
【請求項２】
前記駆動制御部の制御ループの制御周期は、前記温度制御部の温度制御ループの制御周期よりも短い 、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記偏光分岐部は、前記非線形光学結晶の入射側に配置され、
前記特定の偏光成分は、前記非線形光学結晶の波長変換に寄与する偏光成分である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記偏光分岐部は、前記非線形光学結晶の出射側に配置され、
前記特定の偏光成分は、前記非線形光学結晶の波長変換に寄与しない偏光成分である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記駆動制御部は、前記偏光強度目標値と前記特定の偏光成分の光強度とが一致するように制御を行 う、
請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記駆動制御部は、前記特定の偏光成分から前記特定の偏光成分と直交する偏光成分の光強度を算出 し、前記偏光強度目標値と前記算出した光強度とが一致するように制御を行う、
請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記駆動制御部は、前記出力光強度検知部からの電気信号に基づいて、前記第２の波長の光出力強度 を一定に保つように制御を行う、
請求項１〜６のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記駆動制御部は、前記偏光強度目標値を、前記出力光強度検知部からの電気信号に基づいて制御す る、
請求項７に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記駆動制御部は、前記非線形光学結晶に入射する特定の偏光成分の光強度を一定に保つようにする 第１の制御ループと、前記第２の波長の光出力強度を一定に保つようにする第２の制御ループとを、異 なる制御周期で制御する、
請求項８に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記第１の制御ループの制御周期の方が、前記第２の制御ループの制御周期よりも短い、
請求項９に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記温度制御部は、前記結晶温度を電気的に制御可能である温度制御素子と、前記結晶温度を検知す る温度センサと、を有する、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記温度制御部は、前記非線形光学結晶における波長変換効率が最大となる温度になるように温度目 標値を制御する、
請求項１１に記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記温度制御部は、前記温度目標値と前記温度センサから検知される温度とを一致させるように、前 記温度制御素子を制御する第１の温度制御ループと、前記出力光強度検知部からの電気信号に基づいて 、前記温度目標値を制御する第２の温度制御ループとを、異なる温度制御周期で制御する、
請求項１１または１２のいずれかに記載の温度制御装置。
【請求項１４】
前記第１の温度制御ループの温度制御周期の方が、前記第２の温度制御ループの温度制御周期よりも 短い、
請求項１３に記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記レーザ光源部は、ファイバ出力である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記レーザ光源部は、ファイバレーザである、
請求項１５に記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記偏光分岐部は、偏光子、あるいは偏光ビームスプリッタのいずれかを含む、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記偏光分岐部は、さらに波長フィルタを有する光学素子を含む、
請求項１７に記載の波長変換装置。
【請求項１９】
前記非線形光学結晶は、第２高調波発生素子である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項２０】
前記非線形光学結晶は、第３高調波発生素子である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項２１】
前記非線形光学結晶は、和周波発生素子である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項２２】
前記非線形光学結晶は、差周波発生素子である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項２３】
前記非線形光学結晶は、パラメトリック発振素子である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置に関し、特に、光学結晶を用いて入射光の波長を変換して出力する波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学結晶を利用してレーザ光の波長を変換する波長変換装置は、レーザ素子単体では生成が困難な波長のレーザ光を生成可能であることから、広く普及している。
【０００３】
しかしながら、波長変換装置から出力される変換光の出力光強度は、変換元レーザ光の波長や強度、偏光成分の変動に敏感である。また、非線形光学結晶の温度に対しても同様である。
【０００４】
そこで、波長変換装置から出力される変換光の出力強度を一定に保つ技術が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
図７は、特許文献１に記載された波長変換装置の構成図である。特許文献１記載の波長変換装置では、出力ミラー１００５に近接して配置されたブリュースタープレート１００７により、出力光に含まれる基本波を、変換波であるＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）波との主透過軸の相違を利用して分離抽出する。そして、その抽出した基本波の強度を検出器１００８で検出して、フィードバック回路１００９を介して励起用の半導体レーザ１００１の駆動用電源１０１０を制御する。これにより、出力光と強い相関を持つ抽出した基本波から出力光の増減を推定し、入力の半導体レーザの出力を増減させて一定出力を保持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−７０３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の波長変換装置では、出力を保持するために多くの電力が必要となる問題がある。
【０００８】
上記問題の理由は、以下の通りである。先述したように波長変換装置から出力される変換波の出力が変動する要因は様々であり、各々の寄与率も異なる。変動要因によっては非線形光学結晶の基本波光強度に対する波長変換効率が著しく悪化している場合がある。低下した変換波光強度を所望値に引き上げる際、波長変換装置の電気から光（出力光）への変換効率は非常に低くなる。
【０００９】
また、変換波光強度の全ての減少要因を基本波の光強度で吸収するため、基本波を出射するレーザ光源部にはより定格の大きい部材が必要となる。これは装置の大型化や、コストの増加を招く。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、常に最適な変換効率を維持しつつ、波長変換された出力光強度の変動を補償することができる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】
【００１１】
本発明の波長変換装置は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、レーザ光源部から出射した第１の波長の光を透過させ、一部を第１の波長とは異なる第２の波長の光に波長変換して出射する非線形光学結晶と、非線形光学結晶の入射側、あるいは出射側に配置され、第１の波長の光の特定の偏光成分の少なくとも一部を取り出して出射する偏光分岐部と、偏光分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する偏光強度検知部と、偏光強度検知部からの電気信号に基づいて、非線形光学結晶に入射する特定の偏光成分の光強度を一定に保つように、レーザ光源部から出射する第１の波長の光強度を制御する駆動制御部と、第２の波長の光出力の一部を分岐する出力分岐部と、出力分岐部からの出射光強度を検知し、電気信号に変換する出力光強度検知部と、非線形光学結晶の結晶温度を、出力光強度検知部からの電気信号に基づいて制御する温度制御部と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非線形光学結晶に入射する基本波のうち、変換に寄与する偏光成分の強度を一定に制御する。従って、非線形光学結晶から出力する変換波光強度の変動は、基本波の波長の変動と非線形光学結晶の温度変動によってのみ発生するという状態とできる。上記２つの変動（静的なオフセットを含む）による出力変動は、２つのうち後者は当然ながら、非線形光学結晶の温度最適化により補償可能である。ここでいう静的なオフセットというのは、時間変化しない、あるいは時定数が極めて大きい、最適状態からのずれを指す。また一般的に、上記２つの変動による変換波出力の減少は、非線形光学結晶の温度制御によって補償を行う方が、基本波の光強度を制御することによる補償に対し、電気から光への変換効率が良い。従って、必要最低限の補償電力で波長変換装置の出力を一定に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の概要を示す構成図
【図２】実施の形態１に係る非線形光学結晶の制御目標温度と波長変換効率との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の概要を示す構成図
【図４】本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の概要を示す構成図
【図５】本発明の実施の形態４に係る波長変換装置の概要を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態５に係る波長変換装置の概要を示す構成図
【図７】従来の波長変換装置の一例を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の概要を示す構成図である。図１において、波長変換装置１００は、レーザ光源部１１０と、コリメートレンズ１３１、偏光子１３２、ビームスプリッタ１３３ａ、偏光強度検知部１４１、駆動制御部１４２、電流源１４３、波長変換部１２０、温度制御部１４５、ダイクロイックミラー１４６、ビームスプリッタ１３３ｂ、および出力光強度検知部１４４を有する。
【００１６】
波長変換部１２０を構成する非線形光学結晶１２１は、直角柱の形状をしている。以下、各図において、非線形光学結晶１２１の形状の長手方向である紙面左右方向のうち右向きをＺ軸の正の方向とし、紙面上下方向のうち上向きをＹ軸の正の方向とし、これらに直交する方向のうち紙面奥向きをＸ軸の正の方向とする。
【００１７】
また、後述するが、レーザ光は、図１において、非線形光学結晶１２１からみてＺ軸の負の方向側から、非線形光学結晶１２１に入射するものとする。
【００１８】
レーザ光源部１１０は、赤外光を基本波として出射するレーザ光源である。本実施の形態においては、励起光源として赤外ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）１１１を有している。また、イッテルビウムを添加した光ファイバ１１２をレーザ媒質として有している。また、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）１１３ａ、１１３ｂを共振ミラーとして有している。さらに、単一偏光化用のポラライザ１１４を有している。この構成によって、レーザ光源部１１０は、緑色光への波長変換に適した赤外光の基本波をＦＢＧ１１３ｂよりＺ軸の正の方向に出射する。
【００１９】
コリメートレンズ１３１は、レーザ光源部１１０より拡散出射（光軸はＺ軸の正の方向）された基本波を平行光にコリメートしてＺ軸の正の方向に出射し、偏光子１３２に入射させる。
【００２０】
偏光子１３２は、特定の偏光のみを通す性質を持っている。偏光子１３２は、波長変換部１２０における変換効率が最大となる偏光方向のレーザ光のみを通すように配置されている。ここで、変換効率が最大となる偏光方向をＸ軸方向とすると、変換に寄与しないＹ軸方向の偏光は通さない。なお、レーザ光源部１１０は、ポラライザ１１４によって単一化された偏光の偏光方向がＸ軸方向と一致するように、予め調整されているものとする。また、偏光子１３２は、偏光ビームスプリッタなど、特定の偏光成分を分離することができる素子に置き換えることができる。
【００２１】
偏光子１３２から出射する基本波は、ビームスプリッタ１３３ａに入射する。ビームスプリッタ１３３ａは、入射した光のうち一部の光を反射する。ビームスプリッタ１３３ａは、基本波の到来方向に対し、Ｘ軸を回転軸とし、Ｙ軸の正の方向に４５度傾けて配置されている。即ち、ビームスプリッタ１３３ａは、ポラライザ１１４から出射した基本波のうち一部を反射してＹ軸の正の方向に出射し、大半の基本波を透過してＺ軸の正の方向に出射する。また、ビームスプリッタ１３３ａは、ガラス板等の反射作用のある光学素子であればよく、入射光に対する反射光の割合が１％以下のものが好ましい。そして残りの入射光は透過させる。ビームスプリッタ１３３ａは、偏光分岐部の一例である。
【００２２】
ビームスプリッタ１３３ａからＺ軸の正の方向に出射した基本波は、波長変換部１２０に入射する。波長変換部１２０の主要構成要素である非線形光学結晶１２１は、高調波発生素子であり、内部を伝搬する基本波を、その伝搬距離に応じて、より短い波長の変換波に変換する。ここで、基本波のうち変換されなかったものを未変換波という。非線形光学結晶１２１には、第二高調波発生素子（Ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）、第三高調波発生素子（Ｔｈｉｒｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＴＨＧ）など、目的に応じた種類の高調波発生素子を用いればよい。未変換波の波長は基本波の波長と同じであり、非線形光学結晶としてＳＨＧを用いる場合には、変換波の波長は基本波の半分となる。
【００２３】
一般的に、非線形光学結晶の波長変換効率は、入射光強度が同じであれば、その入射光密度が大きいほど高くなる。従って、基本波を非線形光学結晶１２１の内部で収束させることにより、波長変換効率を向上させることができる。図１に示すように、集光レンズ１２２ａ、１２２ｂは、それぞれ一方の面を非線形光学結晶１２１の入出射面に対向させて、その光軸を基本波の到来方向に一致させて配置されている。また、集光レンズ１２２ａ、１２２ｂの焦点は、非線形光学結晶１２１の結晶中心面上に位置している。これら集光レンズ１２２ａ、１２２ｂは、入射側のみならず出射側にも配置されることで、一方の面から入射した平行光を、反対側の焦点に集光させるとともに、一方の面側の焦点から入射した光を、反対側から平行光で出射する構成となっている。また、重要な性質として非線形光学結晶の変換光率には偏光依存性があり、特定の偏光成分に対してのみ、変換が行われる。ここで、非線形光学結晶１２１では、Ｘ軸方向の偏光成分に対して変換が行われることとする。
【００２４】
ダイクロイックミラー１４６は、入射した光のうち、変換波を透過し、未変換波を反射する。より正確には、ダイクロイックミラー１４６は、変換波の波長に対する反射率よりも高い反射率で基本波（未変換波）の波長の光を反射することで、実質的に変換波と未変換波を分離する。ダイクロイックミラー１４６は、波長変換部１２０から出射する変換波と未変換波からなるレーザ光の光路上に、その法線方向をレーザ光の到来方向に対し、Ｘ軸を回転軸とし、Ｙ軸の正の方向に４５度傾けて配置されている。即ち、ダイクロイックミラー１４６は、波長変換部１２０から出射したレーザ光のうち、未変換波をＹ軸の正の方向に反射し、変換光を透過してＺ軸の正の方向に出射する。
【００２５】
ビームスプリッタ１３３ｂは、入射した光のうち一部の光を反射する。ビームスプリッタ１３３ｂは変換波の到来方向に対し、Ｘ軸を回転軸とし、Ｙ軸の正の方向に４５度傾けて配置されている。即ち、ビームスプリッタ１３３ｂは、ダイクロイックミラー１４６から出射した変換波のうち一部を反射してＹ軸の正の方向に出射し、大半の変換波を透過してＺ軸の正の方向に出射する。なお、このＺ軸の正の方向に出射する変換波が、波長変換装置１００の出力となる。また、ビームスプリッタ１３３ｂは、ガラス板等の反射作用のある光学素子であればよく、入射光の光強度にもよるが、入射光に対する反射光の割合が１％以下のものが好ましい。そして残りの入射光は透過させる。ビームスプリッタ１３３は、出力分岐部の一例である。
【００２６】
このような構成の波長変換装置１００では、図１に示すように基本波は、平行光かつ、非線形光学結晶１２１の変換に寄与するＸ軸方向の偏光方向を有する単一偏光として、レーザ光源部１１０およびコリメートレンズ１３１から出射する。しかしながら、外温の変動や応力等の理由により、レーザ光源部１１０が出射する基本波は、Ｙ軸方向の偏光成分も持つことになる。このＹ軸方向の偏光成分は、偏光子１３２を通ることで取り除かれるが、一般に時間変動する。そこで、偏光子１３２を通った光の一部をビームスプリッタ１３３ａにより取り出し、偏光強度検知部１４１でモニタする。偏光強度検知部１４１は、フォトダイオードを有し、Ｘ軸方向の偏光成分の強度を検知する。この強度が所望値に維持されるよう、駆動制御部１４２が電流源１４３を制御する。そうして赤外ＬＤ１１１に流入する電流が増減し、結果としてレーザ光源部１１０の出射光が変化する。このようなフィードバックループを形成することにより、波長変換部１２０に入射する、変換に寄与するＸ軸方向の偏光成分の強度を一定に保持できる。
【００２７】
波長変換部１２０から出射されるレーザ光のうち、未変換光は不要であるので、ダイクロイックミラー１４６で分離する。変換光の方は、ビームスプリッタ１３３ｂによりその一部を取り出し、出力光強度検知部１４４にて光強度を検知する。出力光強度検知部１４４は、偏光強度検知部１４１と同様にフォトダイオードを有しており、光強度を電気に変換して検知する。出力光強度検知部１４４の検知結果は、温度制御部１４５に伝えられる。温度制御部１４５は、検知結果に基づいてペルチェ素子などの温度制御素子１２３を電気的に制御して加熱・冷却を行い、非線形光学結晶１２１を所望の温度に制御する。
【００２８】
非線形光学結晶の変換効率において重要なものとして、入射する基本波の光学パラメータ（強度、偏光方向、波長）の他に、非線形光学結晶自体の温度がある。これは、基本波の波長に対して非線形光学結晶の最適な屈折率が決まっており、その屈折率が非線形光学結晶の温度に依存するためである。従って、非線形光学結晶の温度が変動すると、非線形光学結晶の波長変換効率は変動する。また、非線形光学結晶の制御温度が一定であっても、基本波の波長が変動すれば、非線形光学結晶の波長変換効率は変動する。そして、基本波におけるある程度の波長変動は、非線形光学結晶の温度制御で補償可能である。
【００２９】
波長変動による非線形光学結晶の最適温度の変動、あるいは外気温度の変動による非線形光学結晶の制御温度の変動は、後述するが、基本波の光強度制御によるものよりも、温度制御によって補償する方が効率がよい。これを実現するためには、例えば、制御目標温度を現在値から微小範囲内で上下させて変換波の出力光強度が最大となったときの温度を新たな制御目標値とする、という処理の繰り返しにより、常に最適な温度を検索するループを形成する必要がある。ただし、変換波の出力変動要因が、非線形光学結晶の屈折率と基本波波長の非整合のみである状態とする必要がある。例えば、制御目標温度を増加させて変換波出力が減少したという状況について考える。そうすると、現在の最適温度は、現在の制御目標温度よりも低い、と判断できる。しかし、実は最適温度は現在の制御目標温度よりも高いにもかかわらず、非線形光学結晶に入力した変換に寄与する基本波の偏光強度が偶然減少しただけであった、ということも考えられる。非線形光学結晶に入力する基本波のうち、変換に寄与する偏光成分の強度を常に一定とすることにより、このような誤った判断に基づく制御を防ぐことが可能である。特に基本波を出射するレーザ光源としてファイバレーザを用いた場合には、外温や応力によって偏光が乱れることがある。そのため、本実施の形態のような構成とし、変換波の出力光強度変動要因を切り分けることが有効である。結果として、温度制御ループによって補償不可能である基本波の光強度や偏光成分の変動が、温度制御ループ内に入り込むことを防ぎつつ、常に最適な温度制御を提供することが可能となる。なお、変換に寄与する基本波の偏光強度を一定に制御する制御周期は、温度制御ループの制御周期よりも短く設定するのが好ましい。
【００３０】
なお、図示しないが波長変換部１２０は、非線形光学結晶１２１の温度を検知する温度センサを有し、その出力を温度制御部１４５へ出力している。このようにして、非線形光学結晶１２１の温度を制御目標値に制御する制御ループを形成している。この制御目標値を出力光強度検知部１４４の出力に基づいて増減させるが、基本となる制御目標値に対する制御周期を、制御目標値を変化させる周期よりも短くし、制御の発散を防ぐ必要がある。
【００３１】
さて、一般的なＳＨＧ素子の温度Ｔと変換効率ηの関係は、ｓｉｎｃ関数を用いて、次式（１）の様に表すことができる。
【００３２】
【数１】
2011158869.tif 000003
ただし、
Ｔ：温度[℃]    ＴＯ：最適温度[℃]    α：補正係数
今、ＳＨＧ素子として赤外光１０６４ｎｍから緑色光５３２ｎｍへの波長変換を目的とした、ＭｇＯ分極反転ニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＰＰＬＮ）を例に考える。波長変換の最適温度が３０℃、光軸方向の結晶長が２ｃｍであるとし、非共振型の波長変換部を設計した場合の制御目標温度と波長変換効率の関係は図２のようになる。図２において横軸は制御目標温度、縦軸は波長変換効率であり、波長変換効率が制御目標温度３０℃の時に最大効率１００％となることを示している。目標温度の３０℃に対し±０．６１５℃ずれた点で変換効率は５０％に減少する。また、目標温度の３０℃に対し±１．４℃ずれた点においては、もはや変換効率は０％に等しくなる。これではいくら基本波の強度を増加させたところで、変換波の所望光強度への補償は望めない。特にＷ（ワット）オーダの変換波出力を得たい場合などにおいて、コンマ数℃最適温度から制御温度がずれることによる変換波出力の減少を補償するのに要する電力を考えると、非線形光学結晶を加熱・冷却制御するのに要する電力より、基本波の出力を増大させた場合の電力の方が相対的に大きくなる。一方で基本波の波長変動に対する補償であるが、ここで例に挙げた波長変換部においては、１０６４ｎｍを基準として、約１０ｐｍ乖離するごとに、非線形光学結晶の最適目標温度は約０．１℃ずれる計算となる。つまり、温度制御で補償するのに現実的な値であることがわかる。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、非線形光学結晶を用いた波長変換装置において、非線形光学結晶に入射する基本波の変換に寄与する偏光成分が一定となるように制御することにより、残る変動成分を非線形光学結晶の温度制御によって補償することができる。従って、従来の技術にあるように基本波光強度の増加で変換波光強度の減少を補償する場合には多大な電力を要するところ、本発明では温度制御の目標値を最適制御することで、小電力にて補償可能である。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の概要を示す構成図であり、実施の形態１の図１に対応するものである。図１と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。
【００３５】
図３において、波長変換装置２００は、図１に示す駆動制御部１４２に替えて、新たな駆動制御部２４２を有し、偏光強度検知部１４１の出力に加え、出力光強度検知部１４４からの出力も参照する点で異なる。また、図１に示す温度制御部１４５に替えて、出力光強度検知部１４４からの出力ではなく、駆動制御部２４２からの出力に基づいて温度制御素子１２３を制御する新たな温度制御部２４５を有する点で異なる。
【００３６】
図１において温度制御部１４５が最適温度を検索するために制御目標温度を振ると、変換波光強度は微小に変化する。また、熱容量の影響により制御目標温度と非線形光学結晶１２１の実際の温度との間には時間差が生じる。そのため、大きな外気変動が発生して非線形光学結晶１２１の温度が乱された場合に温度制御が間に合わず、変換波光強度が変動することが考えられる。これを防ぐためには、出力光強度検知部１４４の出力を駆動制御部２４２にフィードバックし、温度制御で補償しきれない変換波の変動を、基本波光強度の増減で補償するようにすればよい。具体的には、変換波光強度が減少すれば、波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度の制御目標値を上昇させる。一方で、変換波光強度が増加すれば、波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度の制御目標値を下降させるように制御する。また、基本波有効偏光強度が制御目標値となるように制御する制御周期と、基本波有効偏光強度の制御目標値を出力光強度検知部に基づいて制御する制御周期とを異ならせて、制御の発振を防ぐ必要がある。具体的には、前者の周期の方を短く設定する。
【００３７】
温度制御部２４５は、制御温度目標値を変化させる指標を出力光強度検知部１４４に替わり、駆動制御部２４２から受け取ることになる。ここで駆動制御部２４２から受け取るのは、基本波有効偏光強度の初期値からの差分である。これについて具体的に説明する。例えば、非線形光学結晶１２１が最適温度に制御されているときに、１０Ｗの基本波有効偏光が波長変換部１２０に入射した場合、出力として３Ｗの変換波を得ることができるものとする。この出力を保持するにあたっては、まず基本波有効偏光強度が１０Ｗとなるように、波長変換部１２０前段の制御ループにおいて基本波有効偏光強度を制御する。非線形光学結晶１２１の温度が最適温度からずれると変換波光強度が減少する。これを３Ｗに維持するために、前段の制御ループにおける制御目標値１０Ｗが１１Ｗなどに変更される。そうすると、この１１Ｗ−１０Ｗ＝１Ｗの差分情報が温度制御部２４５に送られる。そして温度制御部２４５はこの差分が小さくなるように非線形光学結晶１２１の温度を制御する。温度制御部２４５としては駆動制御部２４２から制御信号を受け取ることになるが、実施の形態１と同様に、出力光強度検知部１４４からの信号に基づいて制御されていることには、変わりはない。
【００３８】
このような構成の波長変換装置２００では、図３に示すように、基本波有効偏光強度の制御目標値を、変換波光強度に応じてさらに制御する。従って、非線形光学結晶に対する温度制御の目標値走査および、外気温度の変動に起因する変換波光強度の変動を基本波有効偏光強度で補償することができる。すなわち、本実施の形態に係る波長変換装置２００は、制御ループが増加しているものの、非線形光学結晶の温度制御で補償できる変換波光強度の変動を可能な限り温度制御で補償し、不足分を基本波有効偏光強度の増減で補うことができる。結果として、全体として電力効率よく、かつ出力たる変換波光強度をより一定に保つことのできる波長変換装置を提供することができる。
【００３９】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の概要を示す構成図であり、実施の形態２の図３に対応するものである。図３と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。
【００４０】
図４において、波長変換装置３００は、図３に示す偏光子１３２に替えて、別の位置に偏光子３３２を有する点で異なる。偏光子３３２は、Ｘ−Ｚ平面内に配置され、ビームスプリッタ１３３ａによってＹ軸方向に反射された基本波の一部のうち、波長変換に寄与する偏光のみを透過させ、偏光強度検知部１４１に出射する。結果として偏光強度検知部１４１には、変換に寄与する基本波の偏光成分のみが入射されるため、偏光強度検知部１４１の動作としては何も変わらない。一方で波長変換部１２０には、変換に寄与しない偏光成分も混在して入射されることになる。しかしながら、変換に寄与しない偏光成分は、そのまま未変換波として波長変換部１２０より出射し、波長変換部１２０で変換されきれなかった、変換に寄与する基本波の偏光成分とともに、ダイクロイックミラー１４６にてＹ軸方向に反射分離される。従って、ダイクロイックミラー１４６の後段（透過光の経路）になんら影響を与えるものではない。
【００４１】
なお、ビームスプリッタ１３３ａとして偏光依存のある反射光学素子（例えば、ガラス板など）を使用している場合は、特定の角度でＰ偏光に対する反射率が０となるブリュースター角を有する。この特性を利用してＳ偏光と波長変換に寄与する偏光成分の向きを一致させることで、ビームスプリッタ（ガラス板）１３３ａから反射出射される光から波長変換に寄与しない偏光成分を除去可能である。従って偏光子３３２を取り除くことができる。ただし、ブリュースター角が４５度以外の場合には、ビームスプリッタ１３３ａから反射して出射される光の方向が、Ｙ軸と一致しないため、適宜後段光学系の配置を調整する必要がある。
【００４２】
このような構成の波長変換装置３００では、レーザ光源部１１０から出射する基本波の偏光が乱れた際、変換に寄与しない偏光成分も波長変換部１２０に入射する。よって、変動する波長変換に寄与しない偏光成分が、非線形光学結晶１２１での吸収作用で、温度制御に僅かながら影響を与える可能性も有する。一方で、波長変換が行われる主となる光軸であるＺ軸方向における光学素子数は少なく構成できる。従って、実施の形態２と比較し、より大きな光強度の変換波を得ることができる。なお、偏光子３３２は偏光ビームスプリッタなど、特定の偏光成分を分離することができる素子に置き換えることができる。
【００４３】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る波長変換装置の概要を示す構成図であり、実施の形態１の図１に対応するものである。図１と同一部分には同一符号を付し、これについての説明を省略する。
【００４４】
図５において、波長変換装置４００は、レーザ光源部１１０と波長変換部１２０との間の光学素子を除去し、直結した点で異なる。また、偏光強度検知部１４１は波長変換部１２０の入射側ではなく、出射側から、しかも波長変換に寄与する偏光に直交した、変換に寄与しない偏光成分の強度を検知している点で異なる。このため、波長変換部１２０の出射側の未変換波から波長変換に寄与しない偏光成分の一部を取り出す光学素子として、ビームスプリッタ４３３と偏光子４３２とが新たに追加されている。さらには、駆動制御部１４２に替えて、偏光強度検知部１４１からの検知結果を元に波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度を推定し、目標の基本波有効偏光強度となるように電流源１４３を制御する、駆動制御部４４２を有する点で異なる。
【００４５】
レーザ光源部１１０の出射側ファイバと波長変換部１２０との間のＺ軸方向の距離は、ファイバからの基本波拡散角度に応じて調整され、非線形光学結晶１２１の結晶中心面上にて、基本波がビームウエストとなるように調整される。変換波、および未変換波が平行光として波長変換部１２０より出射されるのはこれまでと同様である。主要モジュールであるレーザ光源部１１０と波長変換部１２０との間に光学系を介在させず、光伝達ロスなく、シンプルに一つの光学モジュールとして完結させたい場合がある。このような場合に実施の形態１と同様の制御を行うための構成が、本実施の形態にて説明される構成である。
【００４６】
ビームスプリッタ４３３は、ダイクロイックミラー１４６からＹ軸方向に出射される未変換波の到来方向に対し、Ｘ軸を回転軸とし、Ｚ軸の負の方向に４５度傾けて配置される。ビームスプリッタ４３３は入射光の大半をＹ軸方向に透過させ、一部をＺ軸の負の方向に反射する。ビームスプリッタ４３３は、ガラス板等の反射作用のある光学素子であればよく、反射率に偏光依存性のある場合には、波長変換に寄与しない偏光成分の反射率が０とならないように注意すればよい。
【００４７】
偏光子４３２は、ビームスプリッタ４３３で反射された未変換光の光路上に、Ｘ−Ｙ平面と水平に配置される。ビームスプリッタ４３３から出射される未変換光には、波長変換に寄与する偏光成分と、変換に寄与しない偏光成分とが含まれる。偏光子４３２はこのうち、波長変換に寄与しない偏光成分のみを透過させ、残りを反射、あるいは吸収する。そして偏光子４３２は、波長変換に寄与しない偏光成分を偏光強度検知部１４１に出射する。また、波長変換部１２０から偏光強度検知部１４１に至る反射光学系において、ブリュースター角を活用することで偏光子４３２を除去することが可能である。その点についての説明は、実施の形態３で述べたのと同様である。
【００４８】
ここで、前提として、基本波の光強度（すべての偏光成分を含む）、偏光、波長のうち、光強度が変化しないものとする。図示しないがファイバレーザの励起ＬＤに相当する赤外ＬＤ１１１は、例えば２５℃付近に温度制御されている。赤外ＬＤ１１１が温度制御されている状態では、一般にレーザ光源部１１０の出力強度の変動は無視できる。従って、偏光と波長の変動のみ考慮すればよい。波長については実施の形態１と同様、出力光強度検知部１４４からの制御ループで補償可能である。必要になるのは、波長変換部１２０の後段において、波長変換部１２０の入力段における基本波有効偏光強度を推定する方法である。基本波の光強度が変動しないとすると、レーザ光源部１１１に流入する電流源１４３からの電流によって、その光強度は一意的に求まる。そして偏光強度検知部１４１により、波長変換部１２０に入射する変換に寄与しない偏光成分の強度を求めることができる。従って、下記式（２）が求まる。
【００４９】
【数２】
2011158869.tif 000004
ただし、
ＰＰｏｌＡ：波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度[W]
ＰＰｏｌＢ：偏光強度検知部１４１より検知し、損失等を逆算して求めた、
波長変換部１２０入射位置における、変換に寄与しない基本波偏光強度[W]
ＰＢ  ：レーザ光源部１１０への流入電流より計算した、レーザ光源部から出射する
基本波光強度
この式により、波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度が求まり、実施の形態１と同様の制御が可能となる。なお、この計算は駆動制御部４４２によって行われ、算出した基本波偏光強度が制御目標値に保たれるよう、電流源１４３を制御する。
【００５０】
このような構成の波長変換装置４００では、レーザ光源部１１０と波長変換部１２０の間に光学系が介在しない。従って、波長変換光率に大きく影響を及ぼす、レーザ光源部１１０と波長変換部１２０との光学アライメントの調整が容易となる。一度その調整を終えれば、レーザ光源部１１０の出力ファイバをファイバコネクタにて、波長変換部１２０を収納した筺体に固定してやればよい。変換波補償用の光学系は、その後段に配置していくことになり、レーザ出射部と補償光学系とで完全に分離が可能となる。これは基本波光強度の変動が微小であるようなレーザ光源部１１０を用いる場合に、簡潔な構成で、電力効率よく変換波光強度を補償できる波長変換装置である。
【００５１】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５に係る波長変換装置の概要を示す構成図であり、実施の形態２の図３、あるいは実施の形態３の図４と、実施の形態４の図５に対応するものである。これら図と同一部分には同一符号を付し、同一符号要素についての説明を省略する。
【００５２】
実施の形態１に対して、基本波有効偏光強度の制御目標値を変換波光強度に基づいて制御し、またこれら２つの光強度の差分が小さくなるように、非線形光学結晶の制御目標値を制御したものが、実施の形態２および３であった。実施の形態４に対して、同種の変更を行ったものが本実施の形態である。
【００５３】
駆動制御部５４２は、偏光強度検知部１４１の出力および現在のレーザ光源部１１０の駆動電流値より、波長変換部１２０に入射する基本波有効偏光強度を算出する。この値が制御目標値となるように、電流源１４３を制御する。一方で、その制御目標値は出力光強度検知部１４４の出力に基づき、変換波光強度が所望値となるように制御される。
【００５４】
このような波長変換装置５００では、レーザ光源部１１０と波長変換部１２０との間に光学系が介在しない。また、基本波有効偏光強度の制御目標値を、変換波光強度に応じてさらに制御する。従って、レーザ光源部１１０と波長変換部１２０との間に光学系の介在しない、簡潔な構成でありながら、非線形光学結晶に対する温度制御の目標値走査および、外気温度の変動に起因する変換波光強度の変動を基本波有効偏光強度で補償することができる。
【００５５】
以上、本発明の各実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。すなわち、上記各実施の形態において説明した装置の構成および動作は単なる例示であり、これらを本発明の範囲において部分的に変更、追加および削除できることは明らかである。
【００５６】
例えばレーザ光源部におけるレーザの駆動はＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）駆動でなく、パルス変調駆動としてもよい。レーザ光源部として応答性のよい固体光源を使用する場合には、高周波重畳駆動も採用することができる。このような場合、レーザ光強度を検出する各検知部において、検出値を時間平均するなどした値を、駆動制御部にフィードバックするなどすればよい。
【００５７】
また、温度制御部においては最適温度を制御目標値とするのではなく、最適温度からある程度ずらした温度を、制御目標値としてもよい。これは温度に対する効率カーブの微分値が０となる点を挟んで制御する場合に比べ、制御を簡略化できる場合があるためである。加えて波長変換素子として、非線形光学結晶の変換効率がその結晶温度に依存するものであれば、実施の形態の例として挙げたＳＨＧ（第２高調波発生）素子のほか、第３高調波発生素子、和周波発生素子、差周波発振素子、光パラメトリック発振素子などが使用できる。
【００５８】
また、周波数変換部の構成として、実施の形態の例として挙げたシングル・パス方式の波長変換の他、イントラ・キャビティ、外部共振器構造など、各種共振方式で構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る波長変換装置は、レーザ光の波長変換効率を改善しつつ、波長変換されたレーザ光の出力性能を向上することができる波長変換装置として有用である。具体的には、例えば、レーザ発振が困難な短い波長のレーザ光を容易に出力することができるので、他のレーザ光源と適宜組み合わせることにより、高品位かつ高出力な白色レーザ光源を達成することが可能になる。このような白色レーザ光源は、例えば、投影装置の光源や液晶ディスプレイ装置のバックライト装置を含めた表示装置、波長多重通信システムなどの光通信系システム中に用いられる機能素子などに好適である。
【符号の説明】
【００６０】
１００、２００、３００、４００、５００  波長変換装置
１１０  レーザ光源部
１１１  赤外ＬＤ
１１２  光ファイバ
１１３ａ、１１３ｂ  ＦＢＧ
１１４  ポラライザ
１２０  波長変換部
１２１  非線形光学結晶
１２２ａ、１２２ｂ  集光レンズ
１２３  温度制御素子
１３１  コリメートレンズ
１３２、３３２、４３２  偏光子
１３３ａ、１３３ｂ、４３３  ビームスプリッタ
１４１  偏光強度検知部
１４２、２４２、４４２、５４２  駆動制御部
１４３  電流源
１４４  出力光強度検知部
１４５、２４５  温度制御部
１４６  ダイクロイックミラー
【図１】
2011158869.tif 000005
【図２】
2011158869.tif 000006
【図３】
2011158869.tif 000007
【図４】
2011158869.tif 000008
【図５】
2011158869.tif 000009
【図６】
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【図７】
2011158869.tif 000011