(57)【要約】【課題】第２高調波発生装置を作製する場合、共振器長の調整が難しく、しかも、共振器長調整可能範囲も非常に狭かった。【解決手段】本発明の第２高調波発生装置によれば、半導体レーザ素子から出射される像が、結像レンズを用いて、平面ミラーに結像される構成としたので、半導体レーザ素子と基本波を反射させる平面ミラーとの間の距離を正確に設定しなくてもよくなり、共振器長の調整が簡単であり、共振器長調整可能範囲も広くできる第２高調波発生装置が提供可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を発生させる半導体レーザ素子と、前記基本波を反射させる平面ミラーと、前記平面ミラーに前記半導体レーザ素子の出射面の像を結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記平面ミラーとの間に配置され前記基本波の波長を変換させる非線形光学素子と、を有することを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項２】
前記平面ミラーに結像させる結像倍率は、１よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の第２高調波発生装置。
【請求項３】
前記平面ミラーと前記非線形光学素子とが一体に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の第２高調波発生装置。
【請求項４】
前記平面ミラーは、前記基本波を反射し、且つ前記第２高調波を透過させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項に記載の第２高調波発生装置。
【請求項５】
前記非線形光学素子には、傾斜部が形成され、前記傾斜部には、前記基本波を反射し、且つ前記第２高調波を透過させる傾斜ミラー部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の第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、半導体レーザによる第２高調波発生装置に関し、特に、光記録、分析用励起光源、レーザプリンター、レーザＴＶ等に使用されて有用な第２高調波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
第２高調波発生の方法としては、ガスレーザや半導体レーザ等のレーザ光を入射光として、これをバルク非線形光学素子が共振器内に配置された外部共振器にレーザ光を閉じ込め、バルク非線形光学素子中での基本波の強度を高めることによって、高調波レーザ光を取り出す事が一般的な手段と言える。
【０００３】
一方、特許文献１では、高い第２高調波発生変換効率を得るために、レーザ共振器内に非線形光学素子を配置した内部共振型レーザが提案されている。図７は、第２高調波発生装置の代表例として、特許文献１の第２高調波発生装置を示す図である。半導体レーザチップの出射端面に半導体レーザ光（以下基本波と言う）の低反射率コーティング膜を有すると共に他方の端面に高反射率コーティング膜を有し、出射した基本波を高反射率の凹面鏡の出力ミラーによって、半導体レーザチップ内に戻されるように構成し、半導体レーザチップと前記出力ミラーとの間に波長変換用非線形光学結晶を配置し、変換した第２高調波発生に対して、凹面鏡の出力ミラーを透過させ、高調波レーザ光が得られている。
【０００４】
また、特許文献２では、内部共振型レーザにすることによって、高い第２高調波発生変換効率が得られ、比較的小型の実用的なレーザが得られるとしている。図９は、特許文献２の第２高調波発生装置を示す図である。特許文献２は、特許文献１の構成に対して、半導体レーザ素子と非線形光学結晶との間にレンズを介在させている。レンズを入れる事によって、非線形光学結晶内でビームを絞る様にし、変換効率を更に上げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−５８８０号公報
【特許文献２】特開平６−３７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、非線形光学素子による高調波発生変換効率を向上させるためには、高調波発生変換効率が入射レーザ光のパワー密度の２乗に比例するため、素子内におけるパワー密度を高くしなければいけない。しかしながら、素子内におけるパワー密度を高くするためには、半導体レーザ素子の出射端面から凹面鏡の出力ミラーまでの距離を正確に設定しなければならないので、凹面鏡の出力ミラーの曲率半径と、半導体レーザ素子の出射端面及び凹面鏡の出力ミラーの相対位置を正確に設定しなければいけない。また、レンズを用いて非線形光学素子内でビームを絞る様にした場合でも、レンズの集光点から凹面鏡の出力ミラーまでの距離を正確に設定しなければいけないので、同様に、凹面鏡の出力ミラーの曲率半径と、半導体レーザ素子の出射端面及び凹面鏡の出力ミラーの相対位置を正確に設定する必要があった。そのため、第２高調波発生装置を作製する場合、共振器長の調整が難しく、しかも、共振器長調整可能範囲も非常に狭かった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するもので、共振器長の調整が簡単で、しかも、共振器長調整可能範囲も広く出来る第２高調波発生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】
【０００８】
この課題を解決するために、本発明の第２高調波発生装置は、基本波を発生させる半導体レーザ素子と、前記基本波を反射させる平面ミラーと、前記平面ミラーに前記半導体レーザ素子の出射面の像を結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記平面ミラーとの間に配置され前記基本波の波長を変換させる非線形光学素子とを有している。
【０００９】
これにより、本発明の第２高調波発生装置によれば、半導体レーザ素子から出射される像が、結像レンズを用いて、平面ミラーに結像される構成としたので、半導体レーザ素子と基本波を反射させる平面ミラーとの間の距離を正確に設定しなくても良くなり、共振器長の調整が簡単であり、共振器長調整可能範囲も広くできる第２高調波発生装置が提供可能となる。また、共振長調整可能範囲が広くなっているので、第２高調波発生装置を作製する場合、調整後の平面ミラーの固定作業も容易になる。また、反射ミラーとして凹面でなく平面ミラーを用いているので、ミラーの正確な曲率加工が不要になるので、部品の低コスト化にもつながる。
【００１０】
また、本発明の第２高調波発生装置は、前記平面ミラーに結像させる結像倍率を１よりも大きくしている。
【００１１】
これにより、本発明の第２高調波発生装置は、更に共振器調整可能範囲が広くなる。結像した像の拡大率は１より大きければ良いが、好ましくは３倍以上が良い。一方、結像した像の拡大率が大きければ大きい程、共振器長調整可能範囲が広くなるが、それに伴って共振器長が長くなるので、全体の大きさ、配置、システムを選択する上で、上限は決められるものである。
【００１２】
また、本発明の第２高調波発生装置は、前記平面ミラーと前記非線形光学素子とが一体に設けられている。
【００１３】
これにより、平面ミラーと非線形光学素子を別々に設けた場合と比較して、部品の削減化に加え、共振器長の、調整工数が低減し、調整後の平面ミラーの固定作業も無くなるので、低コスト化につながる。
【００１４】
また、本発明の第２高調波発生装置によれば、前記平面ミラーは、前記基本波を反射し、且つ、前記第２高調波を透過させる。これにより、簡単に、第２高調波を取り出せることができる。
【００１５】
また、本発明の第２高調波発生装置によれば、前記非線形光学素子には、傾斜部が形成され、前記傾斜部には前記基本波を反射し、且つ前記第２高調波を透過させる傾斜ミラー部を設けられている。これにより、傾斜部に設けた傾斜ミラー部で基本波を反射し、且つ第２高調波を透過させることができるので、第２高調波発生装置の設計自由度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第２高調波発生装置は、共振器長の調整が簡単で、しかも、共振器長調整可能範囲も広くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の第２高調波発生装置を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態における、共振器長変化による第２高調波出力図である。
【図３】本発明の第２実施形態の第２高調波発生装置を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態の第２高調波発生装置を示す図である。
【図５】本発明の第４実施形態の第２高調波発生装置を示す図である。
【図６】本発明の第５実施形態の第２高調波発生装置を示す図である。
【図７】比較例１として、従来の第２高調波発生装置を示す図である。
【図８】比較例１における、共振器長変化による第２高調波出力図である。
【図９】比較例２として、従来の第２高調波発生装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して、具体的な実施形態について説明をする。
［第１実施形態］
先ず、第１の実施形態を図１に示す。図中の１１は、半導体レーザ素子で、その半導体レーザ素子には、Ａｌ２Ｏ３/Ｓｉ、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５等の絶縁材料の多層膜を用いた基本波低反射コーティングが、平面ミラーと対向する側の端面１３に施され、反対側の端面１２には、同様にＡｌ２Ｏ３/Ｓｉ、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５等の絶縁材料の多層膜を用いた基本波高反射コーティングが施されている。基本波を高反射させるか低反射させるかは、コーティング膜の組み合わせ、膜厚、層数等の設計によって変えられる。半導体レーザ素子１１の基本波低反射コーティング側端面１３から出射した基本波５は、結像レンズ２１で集光され、さらに、平面ミラー４１で結像される。また、平面ミラー４１において、基本波５は反射され、半導体レーザ素子１１に戻される。これにより共振器が構成され、結像レンズ２１と平面ミラー４１との間に非線形光学素子３１が配置されて、その非線形光学素子は、共振器内に閉じ込められた基本波を第２高調波に変換する作用を有している。その変換された第２高調波は、平面ミラーを透過して、第２高調波発生装置の外に取り出される。なお、図中の基本波５について、光束全体の外形を示したもので、一つのレーザ光を表したものではない。本願の他実施形態に係る図も同様である。
【００１９】
半導体レーザ素子１１は、青色、例えば４４５ｎｍの波長等や、赤色、例えば６７０ｎｍの波長等の可視光の場合や、赤外の波長、例えば８０８ｎｍの波長や、１０６４ｎｍ波長等のものでも良い。また、半導体レーザ素子１１は、半導体レーザを固体レーザ素子で変換したレーザ光でも良く、特に制限は無い。
【００２０】
非線形光学素子３１としては、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４(ＫＴＰ)、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、ＢａＢ２Ｏ４(ＢＢＯ)等を用いる事が出来る。中でもＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）は、分極反転構造を持たせることにより、非常に大きな非線形光学定数を得られるため、高い波長変換効率が得られる。
【００２１】
平面ミラー４１には、半導体レーザ素子１１の対向する面４２に、ＳｉＯ２/ＴｉＯ２、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５等の多層膜により、基本波高反射及び第２高調波高透過コーティングが施されている。石英ガラスの様な基本波を透過する素材の場合、石英ガラスの第２高調波出射側に基本波高反射コーティング及び第２高調波高透過コーティングを施しても良い。
【００２２】
図２は、第１の実施形態の構成によって得られた、半導体レーザ素子１１の注入電流と第２高調波の出力の関係を示すグラフである。半導体レーザ素子１１は、ＩｎＧａＡｓＰ系の１０６４ｎｍ波長のものを用い、５３２ｎｍの第２高調波が得られている。図中には、最適な共振器長のデータと、平面ミラー４１を動かすことにより共振器長を＋１０μｍ長くした場合と共振器長を−１０μｍ短くした場合のデータを記載している。なお、最適な共振器長は、レンズの焦点距離などから理論的に求められる。
【００２３】
図２によれば、半導体レーザ素子１１の基本波高反射コーティングが施された基本波高反射面１２と平面ミラー４１との間の距離がずれても、第２高調波の出力は、さほど低下していない。これにより、共振器長の調整が簡単で、しかも、共振器長調整可能範囲も広くできることがわかる。
【００２４】
上述した第２高調波発生装置によれば、半導体レーザ素子１１から出射される像が、結像レンズ２１を用いて、平面ミラー４１に結像される構成としたので、半導体レーザ素子１１と前記基本波を反射させる平面ミラー４１との間の距離を正確に設定しなくても良くなり、共振器長の調整が簡単であり、共振器長調整可能範囲も広くできる第２高調波発生装置が提供可能となる。また、共振長調整可能範囲が広くなっているので、第２高調波発生装置を作製する場合、調整後の平面ミラー４１の固定作業も容易になる。また、反射ミラーとして凹面でなく平面ミラーを用いているので、ミラーの正確な曲率加工が不要になるので、部品の低コスト化にもつながる。
【００２５】
また、この第２高調波発生装置は、前記平面ミラーに結像させる結像倍率は１よりも大きくしてある。
【００２６】
これにより、この第２高調波発生装置は、更に共振器調整可能範囲が広くなる。結像した像の拡大率は１より大きければ良いが、好ましくは３倍以上が良い。一方、結像した像の拡大率が大きければ大きい程、共振器長調整可能範囲が広くなるが、それに伴って共振器長が長くなるので、全体の大きさ、配置、システムを選択する上で、上限は決められるものである。
［第２実施形態］
第２の実施形態を図３に示す。第２の実施形態は、第１の実施形態に比較して、基本波高反射及び第２高調波高透過コーティングを非線形光学素子３１の第２高調波出射側端面４２に施して、平面ミラー４１とした構成である。非線形光学素子３１の端面４２に基本波高反射及び第２高調波高透過コーティングを形成することによって、平面ミラー部品が減らせ、部品の低コスト化や組立工数の低減が出来る。
【００２７】
この第２高調波発生装置は、前記平面ミラーと前記非線形光学素子とが一体に設けられている。
【００２８】
これにより、平面ミラーと非線形光学素子を別々に設けた場合と比較して、部品の削減化に加え、共振器長の、調整工数が低減し、調整後の平面ミラーの固定作業も無くなるので、低コスト化につながる。
［第３実施形態］
第３の実施形態を図４に示す。第３の実施形態は、第１の実施形態に比較して、２枚の結像レンズ２１，２２で構成されている。結像レンズを２枚にすることによって、レンズによる収差の発生を抑制し、平面ミラー４１に効率よく結像する事ができる。そのことにより、基本波５の反射率を高められ、発振効率を高くすることが出来る。
［第４実施形態］
第４の実施形態を図５に示す。第４の実施形態は、第２の実施形態に比較して、２枚の結像レンズ２１，２２で構成されている。第２実施形態の効果、すなわちミラーの部品の削減、に加え、第３の実施形態、結像の効率性の効果も見込まれる。
［第５実施形態］
第５の実施形態を図６に示す。第５の実施形態は、結像レンズ２３を非線形光学素子３１上に設け、更に、非線形光学素子３２に４５°の傾斜部３５を形成し、光路を９０°折り曲げている。さらに、傾斜部３５の表面には、Ｐ偏光高反射及びＳ偏光高透過コーティングを施すことにより傾斜ミラー部３６とした構成である。
【００２９】
傾斜部３５の表面にＰ偏光高反射及びＳ偏光高透過コーティングを施すことにより傾斜ミラー部とした効果を述べる。一般的に、傾斜部に対する多層膜コーティングは、Ｓ偏光では反射率が効率よく得られ、また、Ｐ偏光では透過率が効率よく得られる。本実施形態において、非線形光学結晶は、基本波と第２高調波の偏光が垂直になる特性を持つものを選定することにより、基本波が傾斜部３５に対してＳ偏光で入射し、第２高調波が傾斜部３５に対してＰ偏光で入射する。また、Ｓ偏光の基本波に対する高反射及びＰ偏光の第２高調波に対する高透過コーティングを傾斜部３５の表面に施すことにより、基本波の共振器への閉じ込め効率及び第２高調波の取り出し効率が上がり、より第２高調波の変換効率を高めることが出来る。
【００３０】
これらに用いられるＳ偏光高反射及びＰ偏光高透過コーティングとしては、ＳｉＯ２/ＴｉＯ２、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５等の多層膜が用いられる。また、平面ミラー４３には、非線形光学素子３１の対向する面４４に、ＳｉＯ２/ＴｉＯ２、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５等の多層膜で、基本波高反射及び第２高調波高反射コーティングが施されている。第２高調波を高透過させるか高反射させるかは、コーティング膜の組み合わせ、膜厚、層数等の設計によって変えている。
【００３１】
傾斜部３５を設け、その表面に所望のコーティングを施す事によって、基本波を効率良く反射させ、透過させる第２高調波のロスも少なくできるので、より高い変換効率が得られる。傾斜部の角度は、本実施例の４５°に限らず、全体の大きさ、配置、システムの構成により、任意に変えることができる。
【００３２】
この本発明の第２高調波発生装置によれば、前記非線形光学素子には、傾斜部が形成され、前記傾斜部には前記基本波を反射し、且つ前記第２高調波を透過させる傾斜ミラー部を設けられている。これにより、傾斜部に設けた傾斜ミラー部で基本波を反射し、且つ第２高調波を透過させることができるので、第２高調波発生装置の設計自由度を高めることができる。
［比較例１］    
比較例１を図７に示す。比較例１は、ＧａＡｓ半導体レーザチップ７１と、それから出射されるレーザ光（基本波）７８を反射させる凹面鏡の出力ミラー７４と、ＧａＡｓ半導体レーザチップ７１と凹面鏡の出力ミラー７４との間にＫＮｂＯ３等の非線形光学結晶７５が挿入されている構成である。ＧａＡｓ半導体レーザチップ７１には、凹面鏡の出力ミラー７４と対向する側の端面７３にＳｉＯ２，ＺｒＯ２等の絶縁材料を用いて、４分の１波長膜により低反射率(ＡＲ)コーティング膜が施され、反対側の端面７２にはＡｌ２Ｏ３/Ｓｉ、ＳｉＯ２/Ｔａ２Ｏ５の多層膜により高反射率(ＨＲ)コーティング膜が施されている。
【００３３】
半導体レーザチップ７１の低反射率(ＡＲ)コーティング膜から出射したレーザ光（基本波）７８は、凹面鏡である出力ミラー７４で半導体レーザチップ７１に帰還され、半導体レーザチップ７１の高反射率(ＨＲ)コーティング膜で更に反射され、その間に非線形光学結晶７５を配置して共振器を構成している。
【００３４】
この構成により、半導体レーザチップ７１に注入する電流１００ｍＡに対し、３９０ｎｍ〜４３０ｎｍの波長のブルーレーザ光１０ｍＷが得られ、空間モードが基本モードであるため、回折限界まで集光でき、高密度光ディスクなどの光情報処理装置の高性能化に大きく貢献すると述べられている。しかしながら、共振器長の調整の難しさや凹面鏡の出力ミラーの固定の難しさ等には言及されていない。
【００３５】
図８は、比較例１の構成によって得られた、半導体レーザ素子７１の注入電流と第２高調波の出力の関係を示すグラフである。図中には、最適な共振器長のデータと、凹面鏡である出力ミラー７４を動かすことにより共振器長を＋１０μｍ長くした場合と共振器長を−１０μｍ短くした場合のデータを記載している。本発明の第１の実施形態の構成によって得られた図２の結果と比較すると、最適共振器長からのズレによって、第２高調波の出力は、大きな出力低下になっている。
［比較例２］
比較例２を図９に示す。比較例２は、発振波長が８３０ｎｍの半導体レーザ素子８１と、それから出射されるレーザ光（基本波）８５を反射させる凹面鏡の出力ミラー８４と、半導体レーザ素子８１と凹面鏡の出力ミラー８４との間にβ−ＢＢＯの非線形光学素子８３が挿入され、さらに、半導体レーザ素子８１と非線形光学素子８３の間にレンズ８２を配置されている構成である。半導体レーザ素子８１には、凹面鏡の出力ミラー８４と対向する側の端面８８に、波長８３０ｎｍの基本波８５の透過率が９８％のＺｒＯ２膜のＡＲコートが形成され、凹面鏡の出力ミラー８４には、波長８３０ｎｍの基本波８５を９７％反射し、そして４１５ｎｍの高調波を９６％透過するＨＲコート８６を形成している。
【００３６】
この構成により、半導体レーザ素子８１に注入する電流８０ｍＡに対し、４１５ｎｍの波長のレーザ光３.２ｍＷが得られだけでなく、温度を０℃〜６０℃と変化させても２.４ｍＷ〜３.２ｍＷと少ない変化であり、高い変換効率と温度安定性にすぐれた第２高調波発生装置が得られたと述べられている。しかしながら、共振器長の調整の難しさや凹面鏡の出力ミラーの固定の難しさ等には言及されていない。
【００３７】
比較例２の構成によって得られた、半導体レーザ素子１１の注入電流と第２高調波の出力の関係も、比較例１の構成によって得られた結果を示すグラフ(図８)と同様な結果になった。
【符号の説明】
【００３８】
５    基本波（光束全体の外形を示したもので、一つのレーザ光を表したものではない）
１１  半導体レーザ素子                              
２１，２２，２３  結像レンズ
３１，３２  非線形光学素子                                
３５  傾斜部
３６  傾斜ミラー部
４１  平面ミラー
４３  平面ミラー（全反射タイプ）
【図１】
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【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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【図９】
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