(57)【要約】【課題】低電圧で高速な出力変調を可能とする固体レーザ光源を提供すること。【解決手段】前記課題を解決するために、固体レーザ結晶と固体レーザ結晶を励起するための励起レーザと固体レーザ結晶を発振させるための共振器と、固体レーザ結晶の発振・停止を制御するための電気光学素子からなり、共振器を構成する反射ミラーの少なくとも一つのミラーは凹面ミラーとし、固体レーザ結晶と電気光学素子は反射ミラー対の間に配置され、電気光学素子は自発分極が反転した領域が形成されており、自発分極が反転した領域と反転していない領域との境界面が共振器を構成する反射ミラー対の中心を通る軸に対して少なくとも１つの面が垂直でも平行でもない面が形成されていることを特徴とし、電気光学素子に電界を印加することで、共振状態を変化させ出力変調動作を行なっている。【選択図】図１
2011119421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ結晶と、
前記固体レーザ結晶を励起するための励起レーザと、
前記固体レーザ結晶を発振させるための共振器を構成する反射ミラー対と、
前記固体レーザ結晶の発振・停止を制御するための電気光学素子を備え、
前記共振器を構成する反射ミラー対のうち、少なくとも一つの反射ミラーは凹面ミラーであり、
前記固体レーザ結晶と前記電気光学素子は、前記反射ミラー対の間に配置され、
前記電気光学素子は、前記固体レーザから発振された光が通過する領域に対して、自発分極と平行な方向に電界を印加するための電極を備え、
前記電気光学素子は、自発分極が反転した領域を持ち、
前記電気光学素子に電界を印加することで、前記共振器の共振条件が外れ、前記固体レーザ結晶の発振が停止することを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記電気光学素子において、前記自発分極が反転した領域と反転していない領域との境界面のうち、少なくとも１つの面が、前記共振器を構成する反射ミラー対の中心を通る光軸に対して、垂直でも平行でもないことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記電気光学素子は、電界を印加することで、前記固体レーザから発振された光に対してレンズ効果を持つことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記電気光学素子は、電界を印加することで、前記固体レーザから発振された光を屈折させる効果を持つことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記凹面ミラーは、前記励起レーザと前記固体レーザ結晶の間に位置し、
前記凹面ミラーの曲率をR、前記共振器の光学距離をLとしたとき、０．８８R＜L＜Rであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記固体レーザ結晶により発振される光の波長を変換する波長変換素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記波長変換素子は、周期的に自発分極を反転させた領域を持つことを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記波長変換素子と前記電気光学素子が、一体化されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記波長変換素子は、前記電気光学素子よりも出射ミラー側に配置され、
前記波長変換素子の、前記電気光学素子側の端面には、波長変換された光を反射する誘電体多層膜が施されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
【請求項１０】
前記共振器内にアパーチャーを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項１１】
前記アパーチャーの形状が円形で、共振器内の基本波のビーム直径（1/e2幅）の2倍以上３倍以下であることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
出力変調可能なレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、レーザ光源の出力変調方法として多くの提案がなされている。例えば、半導体レーザを用いて、駆動電流を直接変調する方法は、構成が単純で数ＧＨｚの変調速度を得ることが可能である。しかしながら、半導体レーザの発振波長は、材料固有のエネルギーバンドギャップで決定され、発振できない波長があるという欠点を持つ。半導体レーザで発振できない波長のレーザ光を得るために、固体レーザ光源も提案されている。固体レーザにおける出力変調動作手法としては、例えば、特許文献１では固体レーザ結晶を励起する励起半導体レーザ（励起ＬＤ）の出力を変調することで、固体レーザの出力を変調する構成が提案されている。また、特許文献２では、偏光子と複屈折率により偏向を回転する素子（偏光回転素子）を用いた構成で固体レーザの出力変調を行う方法が提案されている。
【０００３】
また、波長変換素子を固体レーザの共振器内部に配置することで、任意の波長へ変換する波長変換レーザも提案されており、紫外〜可視光域の様々な波長のレーザが実現されている。波長変換レーザにおける出力変調動作手法としては、固体レーザと同様の手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２３２４８６号公報
【特許文献２】特開平４−２２１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、固体レーザ結晶の蛍光寿命がμｓオーダーと長いため、出力変調の変調速度が１ＭＨｚ程度のサイン波までしか追従できないという課題があり、走査型ディスプレイのような用途への利用ができない。一方、特許文献２の構成では、偏光を回転する素子の駆動電圧が高いという課題がある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低電圧で高速な出力変調を可能とする固体レーザ光源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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ光源は、固体レーザ結晶と、前記固体レーザ結晶を励起するための励起レーザと、前記固体レーザ結晶を発振させるための共振器を構成する反射ミラー対と、前記固体レーザ結晶の発振・停止を制御するための電気光学素子を備え、前記共振器を構成する反射ミラー対のうち、少なくとも一つの反射ミラーは凹面ミラーであり、前記固体レーザ結晶と前記電気光学素子は、前記反射ミラー対の間に配置され、前記電気光学素子は、前記固体レーザから発振された光が通過する領域に対して、自発分極と平行な方向に電界を印加するための電極を備え、前記電気光学素子は、自発分極が反転した領域を持ち、前記電気光学素子に電界を印加することで、前記共振器の共振条件が外れ、前記固体レーザ結晶の発振が停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、固体レーザ結晶の発振・停止を制御するための電気光学素子に印加する電圧を低減することができる。また、出力停止のために必要な電圧の電気光学素子温度や波長による依存性を低減し、スペクトル幅の広がりを持つ光が入射したときでも、電気光学素子を用いて低電圧で発振・停止の制御を行なう事ができる。本発明を用によれば、出力変調動作が可能な固体レーザ光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における凸レンズ形状の分極反転を形成した電気光学素子の一例を示す模式図（ｂ）本発明の実施の形態１における凸レンズ形状の分極反転を形成した電気光学素子の断面の一例を示す模式図（ｃ）本発明の実施の形態１における電気光学素子への電界印加系の一例を示す模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における三角形状の分極反転を形成した電気光学素子の一例を示す模式図（ｂ）本発明の実施の形態１における１方向のみに光を屈折させるための分極反転領域を形成した電気光学素子の一例を示す模式図（ｃ）本発明の実施の形態１におけるＣ軸方向に光を屈折させることができるように分極反転を形成した電気光学素子の一例を示す模式図
【図４】電気光学素子の相互作用長と凸レンズ効果による焦点距離の関係の一例を示す図
【図５】共振器の光学距離と共振器内における基本波のビーム直径の一例を示す図
【図６】共振器長と出力変調に必要な電界強度の関係の一例を示す図
【図７】共振器長と出力変調に必要な電圧の関係の一例を示す図
【図８】本発明の実施の形態２におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図
【図９】本発明の実施の形態３におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における共振器の近軸光線解析の一例を示す模式図（ｂ）本発明の実施の形態３における共振器の等価光学系の一例を示す模式図
【図１１】特許文献２の偏光回転素子を用いた構成を示す模式図
【図１２】特許文献２の偏光回転素子を用いたときの基本波波長と偏光子透過率の相互作用長依存性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
初めに、従来の出力変調方法として、特許文献２の偏光回転素子を用いた方法について図１１を用いて説明する。図１１は特許文献２において提案されている出力変調方法を実現するための構成を模式的に示した図である。ここでは、ニオブ酸リチウムのような１軸性強誘電体結晶を用いた偏光回転素子について説明する。偏光回転素子は、偏光回転素子のC軸１１０１に対して平行方向の偏光成分を持つ光（以下、異常光と称す）に対する屈折率（以下、異常光屈折率と記す）と垂直方向の偏光成分を持つ光（以下、常光と称す）に対する屈折率（以下、常光屈折率と記す）との差（以下、複屈折と記す）を利用して異常光と常光の位相差を生み出し、偏光を回転させる。このような素子に対し、C軸に対して偏光方向が４５度傾いた光１１０３を入射する。入射した光１１０３は、偏光回転素子１１００である結晶内で、異常光と、常光に分かれて伝搬する。異常光と常光の位相差が偏光回転素子１１００内でπとなったとき、偏光回転素子１１００から出射される光は入射した光の偏光に対して９０度回転した光１１０５となる。一方、異常光と常光の位相差が偏光回転素子１１００中で２πとなるとき、出射される光は入射した光と同一の偏光方向を持つ光１１０４となる。
【００１２】
電気光学効果を有する強誘電体結晶を用いた偏光回転素子においては、偏光回転素子１１００のＣ軸１００１に平行となる電界を印加することで複屈折率差を変化させ、異常光と常光の位相差を制御する事が出来る。異常光と常光の位相差がπ（ラジアン）となるときの電圧を半波長電圧といい、偏光回転素子１１００のＣ軸方向の厚みをａ、相互作用長をｂ、異常光屈折率をｎｅ、常光屈折率をｎｏ、電気光学定数をｒ33、ｒ１３とすると、下記の数式１で表すことができる。
【００１３】
【数１】
2011119421.tif 000003
【００１４】
偏光回転素子１１００を用いて共振器型固体レーザの出力変調を行なうには、偏光回転素子１１００と偏光子１１０２を共振器内に配置する。この時、偏光子１１０２は偏光回転素子１１００に入射した光に対して透過率１００％となるように配置する。偏光回転素子１１０２に半波長電圧を印加することで、入射レーザ光の偏光方向を９０度回転させ偏光子の透過率が０％となり、レーザ光源の出力が停止するという仕組みになっている。
【００１５】
上記特許文献２に提案された出力変調方法では、偏光回転素子１１００を構成する電気光学結晶の屈折率が素子温度で変化すると、半波長電圧がずれることにより偏光回転角が所望の角度とならず、出射光の一部が偏光子を透過してしまうため、レーザ光源からの出力を完全に停止することができなくなるという課題があった。
【００１６】
一方、レーザ光源からの光出力を停止させるための電圧を低減するには、半波長電圧を低減する必要がある。数式１からわかるように、半波長電圧を低減するためには、偏光回転素子１１００のＣ軸方向の厚みを薄くして電極間隔を近づけるか、偏光回転素子１１００の相互作用長を長くすることが必要となる。しかしながら、偏光回転素子１１００のＣ軸方向の厚みが薄くなると、入射する光のビーム径を小さくする必要がある等の課題が発生する。
【００１７】
また、一般に偏光回転素子１１００の相互作用長を長くすると、偏光回転角の波長依存性が大きくなる。つまり、入射レーザ光波長変化やスペクトル幅拡がりに対する偏光子の透過率変動が大きくなる。このことを端的に示すものとして、波長１０６４ｎｍの光の半波長電圧を印加したときの、偏光子の透過率と波長の関係を示したグラフを図１２に示す。図１２の実線は相互作用長が１ｍｍの場合を示しており、また破線は相互作用長が１０ｍｍの場合を示している。グラフから明らかなように、例えば入射レーザ光波長スペクトル幅が±０．３ｎｍ程度（比較的狭い発振スペクトル幅を有するＤＦＢ半導体レーザの代表的な値）であったとしても、５０％程度の光が透過してしまう。そのため、１０６４ｎｍの光と１０６３．７ｎｍの光を同時に発振停止させることが困難となり、１０６４ｎｍと１０６３．７ｎｍの光を同時に含むような波長スペクトル幅の広いレーザ光源の出力を完全に発振を停止させることができない。なお、一般に、偏光回転素子１１００の相互作用長を長くすると偏光回転角の温度依存性も大きくなる。そのため、偏光回転素子の温度もしくは印加電圧をより高い精度で調整する必要が生じる。
【００１８】
上述のように、特許文献２の構成では駆動電圧の低電圧化が困難な上、素子温度や波長スペクトル幅により、駆動電圧が変化するという課題が生じることが明らかになった。
【００１９】
本発明では、上記課題を解決することを目的として、新しい出力変調機構を備えたレーザ光源を提案する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図である。また、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１に示す電気光学素子の構成例を示している。本構成例は、本発明を下記のみに限定するものではない。
【００２１】
図１において、１０１は励起光１を出射する励起用半導体レーザ（以下、励起ＬＤと称す）、１０２は集光レンズ、１０３は凹面ミラー、１０４は固体レーザ結晶、１０５は電気光学素子、１０７は電気光学素子１０５の自発分極が反転した領域（以下、分極反転領域と記す）、１０６は出射ミラーである。また、図２（ａ）は分極反転領域により入射レーザ光の集光状態を変化させる電気光学素子の全体図を示しており、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ‘面で示した電気光学素子の断面図を示している。また図２（ｃ）は電気光学素子への電界印加系を示している。図２において、１０５は電気光学素子、１０７は分極反転領域、２０３は電気光学素子が持つ自発分極の方向、２０４は電気光学素子１０５へ電界を印加するための電極を示している。なお、励起ＬＤ１０１には波長８０８ｎｍ付近の半導体レーザダイオード、凹面ミラー１０４には曲率２０．８ｍｍの凹面ミラー、固体レーザ結晶１０４にはネオジウムドープのＹＶＯ４（以下、Ｎｄ：ＹＶＯ４と記す）、１０５には分極反転領域１０７が形成されたＭｇＯドープニオブ酸リチウム（以下、ＭｇＬＮと記す）、１０６には平面ミラーを用いた。分極反転領域１０７は図２（ａ）中のｘ−ｚ平面上で平凸レンズ形状になるように形成されており、凸側の曲率ｒは０．２５ｍｍとした。電気光学素子１０５の自発分極方向（図２（ａ）〜図２（ｃ）中のｙ軸方向）の厚みは０．５ｍｍとし、相互作用長方向（図２（ａ）〜図２（ｃ）中のｚ方向）の長さは０．３ｍｍとした。電気光学素子１０５へ電界を印加するための電極２０４は、電気光学素子１０５が持つ自発分極の方向２０３と平行に電界が印加されるように形成されている。また、固体レーザ結晶１０４の励起ＬＤ１０１側端面には励起光１と基本波２に対して低い反射率（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ：以下、ＡＲと記す）、となる誘電体多層膜（図示せず）が施されており、出射ミラー１０６側の端面には基本波２に対してＡＲとなる誘電体多層膜（図示せず）が施されている。出射ミラー１０６の固体レーザ結晶１０４側には基本波２の一部を反射（反射率９８％程度）する誘電体多層膜（図示せず）が施されている。また、凹面ミラー１０３と出射ミラー１０６とにより基本波２に対する共振器が構成されており、共振器を構成する凹面ミラー１０３の中心および出射ミラー１０６の中心を通る軸を共振器の光軸とする。なお、電気光学素子１０５の両端面には基本波２に対してＡＲとなる誘電体多層膜（図示せず）を施してあり、電気光学素子１０５を共振器内に挿入することによる出力の低下を防ぐことができる。また、基本波２に対して共振器を構成する凹面ミラー１０３の凹面側と出射ミラー１０６のミラー面までの光学距離を共振器長とし、共振器長が１９．５ｍｍとなるように配置した。さらに、電気光学素子１０５の凹面ミラー側端面から凹面ミラー１０３までの光学距離を凹面ミラー１０３から電気光学素子１０５までの距離とし、１８ｍｍとなるように配置した。
【００２２】
上記構成についてその機能を詳細に述べる。励起ＬＤ１０１から出射された励起光１は集光レンズ１０２を介して固体レーザ結晶１０４に入射される。入射された励起光１は固体レーザ結晶１０４の内部で吸収され、固体レーザ結晶１０４の発振波長である基本波２が自然放出される。電気光学素子１０５に電界を印加していないときには、光励起により発生した基本波２は凹面ミラー１０３と出射ミラー１０６の間で共振する。凹面ミラー１０３と出射ミラー１０６との間で基本波２が共振することで誘導放出が起こり、共振器内の基本波２が増幅される。増幅された基本波２の一部が出射ミラー１０６から出射されレーザ出力を得ることができる。一方、電気光学素子１０５に電界を印加した場合には、下記に示すように電気光学効果による電気光学素子１０５内での集光状態変化が発生し、基本波２の共振条件が成立しなくなるため、レーザ光源出力が得られなくなる。
【００２３】
ここで、電気光学素子に電界を印加することによる、基本波２の共振状態の変化について説明する。共振器を構成する凹面ミラーの曲率をR１、R2、共振器長をLとしたときの共振条件は、下記の数式２となる。
【００２４】
【数２】
2011119421.tif 000004
【００２５】
本実施の形態では、共振器を構成する反射ミラーの１つは凹面ミラー、もう１つは平面ミラーを用いていることからR１=R、R2=∞とすると、下記の数式３となる。
【００２６】
【数３】
2011119421.tif 000005
【００２７】
数式３を変形すると下記の数式４となる。
【００２８】
【数４】
2011119421.tif 000006
【００２９】
数式４を満たす状態、つまり共振可能な状態を安定状態と定義し、数式４を満たさない状態つまり共振不可能な状態を不安定状態と定義した場合、電気光学素子を用いて共振条件を安定状態から不安定状態へと変化させることで基本波２の発振・停止を制御することができる。本実施の形態では、この安定状態から不安定状態への変化を電気光学素子に形成された平凸レンズ形状の分極反転領域により切り替える。平凸レンズ形状の分極反転領域の凸側の曲率半径をｒとする。電極はＭｇＬＮが持つ自発分極の方向と印加電界の方向が平行になるように形成されている。これは、ＭｇＬＮが持つ最大の電気光学定数r33を用いることで、屈折率変化を最大にすることができるためである。電気光学効果により得られる屈折率変化量は、ＭｇＬＮの自発分極と平行な偏光成分を持つ光を入射したときの屈折率（以下、異常光屈折率）ne、電気光学定数r33、印加電界強度をＥとすると、下記の数式５となる。
【００３０】
【数５】
2011119421.tif 000007
【００３１】
電気光学素子の表裏面に一様な電極を形成し電界を印加することで、未反転領域の屈折率は減少し、分極反転領域の屈折率は増加する。電気光学素子に電界を印加することで、図２（ａ）のｘ軸方向のみにレンズ効果を持つ平凸面のシリンドリカルレンズを挿入することと同様の効果（以下、凸レンズ効果と称す）を得ることができる。電気光学素子により得られる凸レンズ効果の焦点距離は近軸光線による解析から、下記の数式６となる。
【００３２】
【数６】
2011119421.tif 000008
【００３３】
電気光学素子の凸レンズ効果により共振条件を不安定状態へと変化させている。電気光学素子に電界を印加した際の共振器は、等価的に曲率半径Ｒ´の凹面ミラーと平面ミラーによる共振器とみなすことができる。ここで、曲率半径Ｒの凹面ミラーと焦点距離ｆを持つ電気光学素子との距離をｄとすると、下記の数式７となる。
【００３４】
【数７】
2011119421.tif 000009
【００３５】
そのため、下記の数式８となることで不安定状態となり、基本波出力を停止させることができる。
【００３６】
【数８】
2011119421.tif 000010
【００３７】
本発明のポイントは、電気光学素子１０５に分極反転領域１０７を形成し、反転領域と未反転領域に一様な電界を印加することで基本波２の共振状態を変化させ、レーザ光源出力を停止させている点である。この構成を採ることにより、一定の電圧（Ｖｔｈ）以上の電圧を印加することで発振を停止することができる。ここで、Ｖｔｈは基本波波長がλ、電気光学結晶の温度がT1のとき、レーザ発振を停止できる最低の電圧と定義し、基本波波長がλからずれた（λ＋Δλ）、電気光学結晶の温度がT1のとき、レーザ発振を停止できる最低の電圧をＶｔｈ´と定義する。この時、Ｖ＞Ｖｔｈ、Ｖ＞Ｖｔｈ´を同時に満たす電圧Ｖが存在するため、波長λの基本波と、波長（λ＋Δλ）の光が共振器内に同時に存在しても、波長λおよび（λ＋Δλ）の光の発振を同時に停止することが可能となる。つまり、スペクトル幅拡がりを有するレーザ光に対しても一定以上の電圧を印加することでレーザ光源出力を停止することができる。なお、従来例では波長λのときの半波長電圧をＶπ、波長λ＋Δλのときの半波長電圧をＶπ´とするとＶπ≠Ｖπ´であるため、Ｖ＝Ｖπ、Ｖ＝Ｖπ´を同時に満たすＶは存在しない。なお、電気光学素子１０５の温度が変化したときも同様である。Ｖｔｈは基本波波長がλ、電気光学結晶の温度がT1のとき、レーザ発振を停止できる最低の電圧と定義し、電気光学結晶の温度がT１からΔTずれた（T1＋ΔT）のとき、レーザ発振を停止できる最低の電圧をＶｔｈ”と定義する。この時、Ｖ＞Ｖｔｈ、Ｖ＞Ｖｔｈ”を同時に満たす電圧Ｖが存在するため、電気光学結晶温度がT1から、（T1＋ΔT）のに変化しても、電気光学結晶にV以上の電圧を印加することで停止することが可能となる。つまり、電気光学結晶温度が変化してもレーザ光源出力を停止することができる。
【００３８】
また、電気光学素子１０５を分極反転領域が形成された構成とすることで、従来の構成に比べて２倍の屈折率変化を得ることができ、より低電圧で基本波出力の発振・停止を制御することが可能な上、従来課題となっていた出力を停止するために必要な電圧の温度や波長に対する依存性を低減することができるという効果も得られた。我々の検討においては、上記構成における基本波出力停止に必要な印加電界強度は４０００Ｖ／ｍｍとなり、従来構成の偏光回転素子の長さが０．３ｍｍ時に必要な電界強度の１００００Ｖ／ｍｍと比較して４割ほどに低減することができるという知見が得られている。
【００３９】
なお、本実施の形態では、電気光学素子の分極反転領域として、ｘ−ｚ平面上に平凸レンズ形状となる領域を１つだけ形成した場合について示したが、平凸レンズ形状の分極反転領域を光の伝搬方向に複数個並べることで、発振・停止を制御する駆動電圧をさらに下げることが出来る。複数個の平凸レンズ形状の分極反転領域を電気光学素子に並べたとき、電気光学素子全体で得られる凸レンズ効果は各平凸レンズ形状の分極反転領域に電界を印加することにより得られる凸レンズ効果の合成となる。具体的には２つの平凸レンズ形状（いずれも凸側の曲率半径がｒ）の分極反転領域を光の伝搬方向に距離０．１ｍｍだけ離して配置したときの凸レンズ効果により得られる焦点距離Ｆは下記の数式９となる。
【００４０】
【数９】
2011119421.tif 000011
【００４１】
平凸レンズ形状の分極反転領域が１つのときに比べ２つの平凸レンズ形状の分極反転領域を並べたときの方が、同じ焦点距離のレンズ効果は小さなΔｎで実現できる。すなわち、屈折率変化量Δｎを得るために必要な印加電界強度を低減することができる。一例として曲率０．２５ｍｍの平凸レンズ形状の分極反転領域を電気光学素子に複数個並べたときの凸レンズ効果の変化を図４に示す。前述したとおり、電気光学素子に凸レンズ効果を持たせることで共振条件を安定条件から不安定条件に変化させて基本波２の発振・停止を制御しているため、相互作用長を長くした場合であっても、必ずＶ＞Ｖｔｈ、Ｖ＞Ｖｔｈ´となる動作電圧Ｖが存在する。従って相互作用長は物理的に共振器に挿入可能な長さまで長くすることが可能となり基本波出力停止に必要な印加電界強度をさらに低減することが可能となる。
【００４２】
上記構成において、電気光学素子に形成された平凸レンズ形状の分極反転領域の曲率を０．２５ｍｍとしたが、入射光ビームに対して十分大きな分極反転領域が得られる範囲内において、できる限り曲率を小さくした方が低電界の印加で発振・停止の制御が可能となるので望ましい。数式６から分かるとおり、電気光学素子に形成された平凸レンズ形状の分極反転領域の曲率ｒを小さくすることで、所望の凸レンズ効果を得るために必要なΔｎは小さくなる。つまり、必要な印加電界強度が低くなる。分極反転領域の曲率ｒが取りうる下限は電気光学素子を通過する基本波２のビーム径できまり、基本波２のビーム半径の２倍以上とすると良い。なお、基本波２のビーム径はガウシアンビームの光強度が中心の光強度から1/e2に減少する半径もしくは直径とする。この時、光軸に対して垂直な断面において、ガウシアンビームはビーム径の２倍の領域内にビーム全体の強度の９９．９％以上が含まれる。そのため、曲率ｒを基本波２のビーム半径の２倍にすることで、固体レーザから放出された基本波全体の強度の９９．９％以上に凸レンズ効果を与えることができ、発振・停止の制御を行なう事が可能となる。
【００４３】
また、上記構成では、電気光学素子の自発分極方向の厚みを０．５ｍｍとしたが、より薄いほうが望ましい。印加される電界強度は、印加する電圧に比例し、厚みに反比例するため、厚みを薄くすることで、同じ電圧を印加したときの印加電界強度は大きくなる。電気光学素子の自発分極方向の厚みは曲率ｒ同様に、基本波２のビーム径で決定される。電気光学素子の自発分極方向の厚さは曲率ｒと同様の理由から、基本波２のビーム直径の２倍以上にする事が望ましい。電気光学素子の自発分極方向の厚さを２倍にすることで、基本波２の９９．９％以上を電気光学素子に入射することができる。そのため、電気光学素子挿入による損失が低減され、効率の低下を防ぐことができる。
【００４４】
図７に、凹面ミラーの曲率Rは２０．８ｍｍとしたときの、共振器長とOFFするのに必要な電界強度の関係を示した。実線は本発明によるもの、破線は従来例によるものを示している。このとき、電気光学素子は基本波２のビーム径が一番小さくなる位置に配置した。また、曲率ｒはビーム半径の２倍、厚さはビーム直径の２倍とした。上記構成において、共振器の光学距離Ｌは１９．５ｍｍであるとしたが、本構成において、共振器の光学距離を曲率の０．８８倍である１８．４ｍｍ以上とすることで、従来構成と比較して低い電界強度で発振停止を実現することができる。凹面ミラーの曲率をRとしたとき、共振器の光学距離Lを０.８８Ｒ＜Ｌ＜Ｒの範囲とすることで、従来例と比較して低電圧で電気光学素子を駆動することができる効果を奏する。そのため、共振器長は、０.８８Ｒ＜Ｌ＜Ｒの範囲であることが望ましい。
【００４５】
なお、共振器の光学距離を長くすることで発振・停止を制御する電圧を低減することができるため、共振器長は０.８８Ｒ＜Ｌ＜Ｒを満たす範囲内でRに近い値となることが望ましい。数式４からわかる様にＲを一定としたとき、Ｌが長くなれば数式４を満たすＲ´に必要なΔｎが小さくなることが容易にわかる。すなわち、共振器の光学距離を長くする方が不安定状態になりやすいといえる。また、共振器の光学距離を長くすることで共振器内の基本波２のビーム形が小さくなり、分極反転領域の曲率ｒを小さくしたり、電気光学素子の自発分極方向の厚さを薄くしたりすることが可能となり、小型低コストな変調器が実現できるという効果が得られる。図５に共振器の光学距離と基本波２のビーム形の関係を示す。
【００４６】
上述した効果をわかりやすくするため、電気光学素子に形成した分極反転領域の凸側の曲率ｒと電気光学素子の自発分極方向の厚みを固定して共振器の光学距離を変化させたときに基本波出力変調に必要な印加電界を示す。分極反転領域は曲率半径０．２５ｍｍとし、自発分極方向の厚さは０．５ｍｍ、相互作用長長は０．２５ｍｍとした。従来構成の偏光回転素子のＣ軸方向の厚みを０．５ｍｍ、相互作用長を０．２５ｍｍとして比較した。図６に従来例と本構成の基本波停止に必要な印加電界を示す。また、共振器内の基本波２のビーム径に応じて反転領域の凸側の曲率ｒと電気光学素子の自発分極方向の厚さ変えたときの比較は図７に示している。このとき、凹面ミラーの曲率Ｒは２０．８ｍｍとしたが、共振器の光学距離と同様に０．８８Ｒ＜Ｌ＜Ｒを満たす範囲内であれば良い。
【００４７】
なお、共振器の構成部材については、凹面ミラーの曲率を小さくすると光源を小型にすることができ、大きくすると印加する電圧を下げることができるといったそれぞれの利点があるので、使用に応じて最適に選ぶ必要がある。
【００４８】
また、分極反転の領域は、平凸レンズ形状としたが、図３（ａ）に示すように三角形でも良い。効率的に共振状態を変化させるため、三角形の一つの頂点が光軸上にあり、この頂点の対辺となる辺３０３は光軸に対してほぼ垂直となるように配置する。この光軸に対してほぼ垂直になる辺の長さを基本波２のビーム直径の２倍としたとき、上記辺３０３と異なる２つの辺（図３中の辺３０４および辺３０５）から電気光学素子内の図３中ｙ軸方向に形成される分極反転領域と未反転領域の境界面と基本波２の光軸との傾きをθとすると、０＜θ＜１５°のとき平凸レンズ形状と同様の電圧で基本波出力の発振・停止を制御することができる。
【００４９】
なお、図３（ｂ）のように基本波が１方向のみに屈折するように分極反転を形成しても同様にスペクトル幅の拡大した基本波に対して、基本波出力を停止することができる。本構成例では、図３中のｘ軸方向に屈折させる構成を示したが、図３（ｃ）のようにｙ方向に屈折するように分極反転領域を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００５０】
またさらに、固体レーザ結晶１０４を凹面ミラーに近いところに配置することで、共振器の光学距離を変えたときにも固体レーザ結晶１０４内で、（基本波のビーム径）＞（励起光のビーム径）となり、励起光１から基本波２へ高い変換効率を保つことができる。固体レーザ結晶１０４の励起ＬＤ側の端面は基本波１０６４ｎｍの光に対してＡＲとしたが、ＨＲとしても良い。これにより、固体レーザ結晶１０４端面と平面ミラー端面とで共振器を構成することができ凹面ミラーを省くことができ、構成を簡略化できるので望ましい。
【００５１】
なお、共振器を構成するミラーは凹面ミラーと平面ミラーとしたが、凹面ミラー、凸面ミラー、平面ミラーの組み合わせても同様の効果を得ることができる。
【００５２】
なお、固体レーザ結晶１０４はＹＶＯ４としたが、ＧｄＶＯ４やＹＡＧを用いても同様の効果が得られる。特に、波長依存性が小さいため２種類以上の固体レーザ結晶を用いて、基本波２のスペクトル幅が拡大したときや、基本波波長が複数波長となっても同様に基本波出力の発振・停止を制御することが可能である。また、電気光学結晶にはＭｇＬＮを用いたが、タンタル酸リチウム（ＬＴ）やマグネシウムドープＬＴ（ＭｇＬＴ）やストイキオメトリックＬＴ（ｓＬＴ）やＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）結晶を用いても同様の効果を得ることが可能である。
【００５３】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図である。図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５４】
実施の形態１と異なる点は、基本波２を発生させるための共振器内部に基本波２の波長を変換する波長変換素子８０１を備えている点、出射ミラー１０６の誘電体多層膜を基本波２に対してはＨＲとし、波長変換された光（高調波）３に対してはＡＲとした点である。
【００５５】
波長変換素子８０１の固体レーザ結晶１０４側端面には少なくとも基本波２に対してはＡＲとなる誘電体多層膜が施されている。なお、出射ミラー１０６の代わりに、波長変換素子の出射側端面に基本波２に対してはＨＲ、高調波３に対してはＡＲとなる誘電体多層膜を施しても良い。出射ミラー１０６を省略しても同様の効果を得ることが出来るため、構成を簡略化することができる。
【００５６】
実施の形態２における構成の一例を示す。本構成例は、本発明を下記のみに限定するものではない。実施の形態１と異なる点は、基本波２の波長を変換する波長変換素子８０１を備えている点と、出射ミラー１０６を１０６４ｎｍ付近の光に対してはＨＲ、５３２ｎｍ付近の光に対してはＡＲとした点である。波長変換素子には周期分極反転を施したＭｇＬＮ（ＰＰＭｇＬＮ）を用いた。共振器長や電気光学素子は実施の形態１と同様である。
【００５７】
電気光学素子の動作は実施の形態１と同様である。電気光学素子１０５に電界を印加していないときには、出射ミラー１０６に施された誘電体多層膜が基本波２に対してはＨＲであるため共振した基本波２は共振器内部に閉じ込められる。閉じ込められた基本波２は共振器内部に配置された波長変換素子８０１によって波長変換され、高調波３が発生する。出射ミラー１０６は高調波３に対してＡＲであるので、出射ミラー１０６を介して高調波３を出力として得ることができる。一方、電気光学素子１０５に電界を印加した場合には、基本波２の共振が起こらず、基本波２のレーザ発振が停止するため、基本波２から高調波３への波長変換も起こらず、出力が停止する。上記構成とすることで、半導体レーザや固体レーザで発振できない波長においても、出力変調可能なレーザ光源を得ることができる。
【００５８】
また、基本波から高調波に変換する変換効率ηは、基本波のパワーをP、波長変換素子でのビーム断面積をAとすると、η ∝ P / A となる。そのため、高い変換効率を得るためには基本波のビーム径が小さなところに波長変換素子を配置することが望ましい。図５に示すとおり、凹面ミラー１０３と平面ミラー１０６で共振器を構成するとき、平面ミラーで基本波のビーム径が最小となる。そのため、波長変換素子は平面ミラーの隣に配置するのが望ましい。
【００５９】
また、波長変換素子の出射端面側に基本波２に対するＨＲ、高調波３に対するＡＲの誘電体多層膜を施しても同様の効果が得られる。波長変換素子の出射端面側に基本波２に対してＨＲとなるような誘電体多層膜を施すことで、基本波２のビーム径は波長変換素子内で最小となる。そのため、基本波２から高調波３への波長変換効率が高くなるので望ましい。出射ミラー１０６を省くことができ、構成を簡略化できる点からも望ましい。
【００６０】
また、波長変換素子と電気光学素子が一体化していても同様の効果を得ることができる。例えばＭｇＬＮのような電気光学効果及び非線形光学効果を同時に持つ結晶を用いて、固体レーザ結晶１０４側の領域を電気光学素子用の領域とし、出射側の領域を波長変換用の領域とすることで同様の効果を得ることができる。この構成により、波長変換素子の片面と電気光学素子の片面に誘電体多層膜を施す必要がなく、簡略化することができる点で望ましい。
【００６１】
また、波長変換素子８０１にはＰＰＭｇＬＮを用いたが、周期分極反転構造を有したＬＴ（ＰＰＬＴ）、ＰＰＭｇＬＴ、KTiOPO4、ＬｉＢ３Ｏ５などを用いても同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、波長変換された高調波３が電気光学素子１０５に入射することで、所望の電圧をかけることができなくなることが明らかになった。これは、電気光学素子１０５に高調波３が入射することで、光吸収が起こり、結晶内のキャリアが励起され、絶縁体である電気光学素子１０５の抵抗が低下し、本来流れなかった電流が流れることで所望の電圧を印加することができなくためであるということが分かった。前記構成では、波長変換素子の固体レーザ結晶１０４側の端面は少なくとも基本波２に対してはＡＲとなる誘電体多層膜を施しているとしたが、高調波３に対してはＨＲとなるような誘電体多層膜を施しているほうが望ましい。本実施の形態では、固体レーザ結晶１０４から出射ミラー１０６側に向かう基本波２だけでなく、出射ミラー１０６側から固体レーザ結晶１０４側へと向かう基本波２も波長変換素子により基本波２から高調波３へと変換される。この時、波長変換素子８０１の固体レーザ結晶１０４側の端面もしくは、電気光学素子の波長変換側端面に高調波３に対してＨＲとなるように誘電体多層膜を施すことで、高調波３が電気光学素子に入射することを防ぐことができる。この構成により、光吸収による電気光学素子の抵抗の低下を防ぐことができ、上記課題を解決できる点で望ましい。
【００６３】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるレーザ光源の構成の一例を示す模式図である。図９において、図１〜８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６４】
実施の形態１，２と異なる点は、アパーチャー９０１を備えている点である。
【００６５】
共振器内の基本波２は横モードがＴＥＭ００モードの発振が主であっても実際には高次の横モードを含んでいる場合がある。この時、出射される基本波２のビーム品質Ｍ２が低下する。なお、ビーム品質Ｍ２はレーザ光がＴＥＭ００モードのみを含む場合に１となり、それ以外の高次横モードを含むときには１より大きくなる。Ｍ２が１に近いほどビーム品質が良いとする。高次横モードの基本波２のビーム径がＴＥＭ００モードのビーム径に比べ共振器内で大きくなるため、共振器内に適当な大きさのアパーチャーを配置することにより、ＴＥＭ００モード以外のモードに対する共振内の損失を増加させることができる。この構成により、高次横モードの発振が減少し、出射されるビーム品質を向上させることができる。特にアパーチャーを円形とし、ＴＥＭ００モードのビーム径の２倍以上とすることにより、ＴＥＭ００モードの損失を増加させることなく、ＴＥＭ００モード以外の光への損失を増加させることができる。この構成により、効率を低下させることなく、ビーム品質を向上させることができる。また、アパーチャー径をＴＥＭ００モードの１．７倍〜２倍にすることにより、ＴＥＭ００モード以外のすべての光に損失を与えることができ、ＴＥＭ００モードのみを得ることができるため望ましい。
【００６６】
また、実施の形態２と同様に波長変換素子を共振器内部に配置してもよい。波長変換素子を内部に配置することで、基本波２と同様に高調波３のビーム品質を向上させることができる。
【００６７】
また、アパーチャーの代わりに凹面ミラー１０３の反射領域のサイズを限定しても良い。この構成により、アパーチャーを配置することと同様の効果を得ることができ、ビーム品質を向上させることが可能である。
【００６８】
なお、アパーチャーは円形としたが、四角形やＬ字型のものでも同様の効果を得ることができる。前記構成では、基本波２に対して±ｘ、±ｙ方向の４方向から損失を増加させるたが、＋ｘと＋ｙ、＋ｘと−ｙ、−ｘと＋ｙ、−ｘと−ｙのいずれか２つの方向から損失を増加させても良い。近軸光線による解析結果を用いて説明する。図１０（ｂ）は図１０（ａ）の等価光学系である。図１０（ｂ）の凸レンズ亜１００３ｂから中心までは、（ａ）の凹面ミラー１００３ａから平面ミラー１００５ａに向かう光を示しており、中心から凸面レンズ１００３ｂまでは、平面ミラー１００５ａから凹面ミラー１００３ａへ向かう光を示している。図１０（ｂ）が示すように、凸レンズ１００３ｂから中心まで向かうとき、つまり平面ミラー１００５ａに向かうときには、アパーチャー１００４aにより基本波１００２に対して損失が与えられる。一方、中心から凸レンズ１００３ｂに向かうとき、つまり平面ミラー１００５ａから凹面ミラー１００３ａに向かうときには基本波１００１に対して損失が与えられる。これらから、損失を±ｘの両方向から与える必要がないことが分かる。ｙ方向も同様に説明することができる。これにより、２方向のみから損失を与えることでビーム品質を向上させることができることがわかる。構成を簡略化することができ、アパーチャーの位置調整も容易になるので望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明にかかるレーザ光源は、高出力・出力変調可能な特徴を有し、走査型ディスプレイ用の光源等として有用である。またレーザ加工等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１    励起光
２    基本波レーザ光
３    高調波レーザ光
１０１    半導体レーザ
１０２    集光レンズ
１０３    凹面ミラー
１０４    固体レーザ結晶
１０５，３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ    電気光学素子
１０６，３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ    分極反転領域
２０３    電気光学素子が持つ自発分極の方向（Ｃ軸方向）
２０４    電気光学素子に電界を印加するための電極
８０１    波長変換素子
９０１    アパーチャー
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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