(57)【要約】      （修正有）【課題】ファイバーレーザーからの出力を波長変換素子に入射し波長変換する時に、ファイバー内での伝播光の偏光方位が時間と共に変動し、波長変換素子の偏光依存性による変換効率の変動があっても変換光の出力が安定な波長変換レーザーを提供する。【解決手段】擬似位相整合構造のQPMデバイスにおいて、非線形結晶の非線形定数の対角項d33と非対角項d31が０．８≦d33/d31≦１．２である非線形結晶を用いて、入射基本波に対してd33を用いた位相整合の反転周期Λ１の第一の波長変換素子とd31を用いた位相整合の反転周期Λ２の波長変換素子を用いることにより、入射光の偏光依存性がなく変換光が時間と共に安定な波長変換レーザー装置となる。【選択図】図２ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
疑似位相整合による波長変換であり、２次の非線形定数の対角項diiと非対角項dijの比dii/dijが０．８〜１．２の範囲内である結晶からなることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記結晶がLBGOであること特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記擬似位相整合素子が、周期が異なる二つの分極反転構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記二つの分極反転構造の一方の周期が入射光の偏光方向と同一の偏光方向に波長変換する擬似位相整合の周期Λ１であり、他方の周期が入射光の偏光方向と直交する偏光方向に波長変換する擬似位相整合の周期Λ２であることを特徴とする請求項３項記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記二つの分極反転構造の少なくとも一方がチャープ構造あるいはファン構造であることを特徴とする請求項３または４記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記周期Λ１と前記周期Λ２の光伝播方向の分極反転構造の長さをL1とL2とし、
0.8≦（L1・dii2）/(L2・dij2)≦1.2であることを特徴とする請求項４記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記二つの分極反転構造が同一基板で形成されていることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項記載の波長変換素子。
【請求項８】
入射光の偏光成分が複数ある基本波光源と、
前記基本波光源の波長を変換する請求項１から７のいずれか１項記載波長変換素子とを備えることを特徴とする波長変換レーザー装置。
【請求項９】
前記基本波光源がファイバーレーザーからなることを特徴とする請求項８記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１０】
前記ファイバーレーザーが少なくとも擬似シングルモードで伝播しうるファイバーからなることを特徴とする請求項９記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１１】
前記ファイバーレーザーがパルス駆動かCW駆動であって、平均出力が１０W以上である請求項９または１０記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子による波長変換された変換波長が400nm以下であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項記載の波長変換レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子を用いて入射レーザ光の波長を変換する波長変換レーザ装置において、入射レーザ光の偏光が時間的に変動しても、変換効率の変動を抑圧する波長変換レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、波長変換レーザ装置において、非線形光学結晶を利用して光波長を変換する波長変換素子が用いられている。代表的な例では、非線形光学結晶としては強誘電体のＬｉＮｂＯ３があり、この結晶に周期分極させたＱＰＭ（Quasi Phase Matching、疑似位相整合）構造を形成した波長変換素子に、波長λの基本波を通すことで波長がλ／２の第二高調波を発生させることができる。この第二高調波発生をＳＨＧ（Second Harmonic Generation）と呼ぶ。さらに、先の波長変換素子で得られた変換光と元の基本波との波長変換により和周波ＳＦＧ（Sum Frequency Generation）が発生でき、λ／３の波長の変換光を発生させることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第一の非線形結晶である擬似位相整合デバイス（以下QPMデバイスともいう）を配置して、1064nm波長のファイバーレーザからの光でQPMデバイスに集光しSHGを発生させて、次に第二の非線形結晶を配置して第一の非線形結晶からの二つの出力光（1064nm、532nm）を入力し、1064nm波長の光と532nm波長の光の和周波により355nmの波長の光を発生させることが記載されている。
【０００４】
波長変換素子であるＱＰＭ素子は高い波長変換効率という特徴があるものの、入射光の偏光方向により変換効率が大きく変動する。例えば、ＭｇＯをドープしたストイキオメトリックＬｉＴａＯ３（ＭｇＳＬＴ）では素子長３０ｍｍ長での波長を１０６４ｎｍから５３２ｎｍへ変換するＱＰＭデバイスの場合、結晶のC軸方向の入射光でないと波長変換しないため、入射光の偏光方位により、変換効率は0％から100％に変動してしまう。
【０００５】
そのため、特許文献2には、非線形結晶の非線形定数d31とd33を同時に用いることで波長変換効率の偏光依存性を無くすという記載がされている。KN結晶を実施例に偏光依存性を抑えるということが記載されている。一方、非特許文献1によると実際はKN結晶の非線形定数d31とd33は、d31=15.8pm/V、d33=27.4pm/Vという値の記載があり、特許文献２に記載のある内容では、d33とd31の値が大きく異なり各偏光の変換効率を一致させるのは難しい。
【０００６】
特許文献４には、入射したポンプ光および信号光が波長変変換素子を通過後に反射ミラーを介して往復する構造とし、反射光は入射光に対して偏光が90度回転するようにファラデー回転素子が備えられて偏光依存性を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2013-148796号公報
【特許文献２】特開2003-5234号公報
【特許文献３】特開2002-156669号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】I. Biaggio, P. Kerkoc, P. Gunter, J.Opt.Soc.Am.B, Vol.9, No.4, 507-517(1992)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上述べた通り、波長変換デバイスは、基本波の偏光方向により変換効率が大きく変るという特徴がある。一方、ファイバーレーザーの高出力化に伴い、バルク構造のQPMデバイスでもワット以上の第二高調波発生光を取り出すことが可能となってきおり、ファイバーレーザーが波長変換素子の基本波として使われるようになってきた。しかし、ファイバーレーザーは高出力化のため、用いるファイバーのコア径をなるべく大きいものを用いないと光パワー密度が高くなりファイバーが損傷してしまうという問題がある。
【００１０】
一方、QPMデバイスでは変換効率が基本波の偏波に依存し、また、基本波の空間モードがシングルモードでないと低い変換効率となってしまうという問題がある。ファイバーは、コア径が大きいと高出力化の耐性が上がるがマルチモードになり易くなることから、波長変換には不向きとなる。通常、シングルモードで偏波が保持しているPMファイバーを使ったファイバーレーザーでも、光パワー耐性を上げるため、擬似シングルモードのファイバーを使っていることが多い。擬似シングルモードのファイバー内での光伝播は、時間的に偏波の方位が揺らぎ安定しない。そのため、このファイバーレーザーを用いて波長変換を行うと、偏波の方向が時間的に揺らぐことが起因として、変換光の出力が時間と共に変動するという問題が生じる。
【００１１】
また、偏波保存のPMファイバーよりも無偏波のシングルモードファイバーのコア径が大きいため、PMファイバーを用いない通常のシングルモードファイバーを用いたほうがファイバーレーザーとしては高出力化し易い。
【００１２】
このように高い出力の擬似シングルであるシングルモードファイバーからなるファイバーレーザーを用いて波長変換を行おうとすると、ファイバー内での光伝播が時間的に偏波の方向が揺らぐため、その結果、波長変換効率が変化し、変換光の出力光量が時間と共に変動するという問題が生じる。
【００１３】
一方、対角項のd33と非対角項のd31の二つの周期を持つKN結晶、LINｂO3結晶によるQPMデバイスを用いたとしても、その値が大きく異なることから偏光による変換効率を解消するようなデバイス設計が困難となる。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、高出力のファイバーレーザーを用いた時の波長変換において、ファイバー内での偏光が時間的に変動しても、波長変換効率を一定として波長変換出力を時間的に安定にすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、疑似位相整合による波長変換であり、２次の非線形定数の対角項diiと非対角項dijの比dii/dijが０．８〜１．２の範囲内である結晶からなることを特徴とする波長変換素子である。
前記結晶がLBGOであること特徴とする請求項１記載の波長変換素子であってもよい。
前記擬似位相整合素子が、周期が異なる二つの分極反転構造を有することを特徴とする波長変換素子であってもよい。
前記二つの分極反転構造の一方の周期が入射光の偏光方向と同一の偏光方向に波長変換する擬似位相整合の周期Λ１であり、他方の周期が入射光の偏光方向と直交する偏光方向に波長変換する擬似位相整合の周期Λ２であることを特徴とする波長変換素子であってもよい。
前記二つの分極反転構造の少なくとも一方がチャープ構造あるいはファン構造であることを特徴とする請求項３または４記載の波長変換素子であってもよい。
前記周期Λ１と前記周期Λ２の光伝播方向の分極反転構造の長さをL1とL2とし、
0.8≦（L1・dii2）/(L2・dij2)≦1.2であることを特徴とする波長変換素子であってもよい。
前記二つの分極反転構造が同一基板で形成されていることを特徴とする波長変換素子であってもよい。
入射光の偏光成分が複数ある基本波光源と、前記基本波光源の波長を変換する請求項１から７のいずれか１項記載波長変換素子とを備えることを特徴とする波長変換レーザー装置である。
前記基本波光源がファイバーレーザーからなることを特徴とする請求項８記載の波長変換レーザ装置であってもよい。
前記ファイバーレーザーが少なくとも擬似シングルモードで伝播しうるファイバーからなることを特徴とする請求項９記載の波長変換レーザ装置であってもよい。
前記ファイバーレーザーがパルス駆動かCW駆動であって、平均出力が１０W以上である請求項９または１０記載の波長変換レーザ装置であってもよい。
前記波長変換素子による波長変換された変換波長が400nm以下であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項記載の波長変換レーザ装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
従来のLiNBO３結晶、KN結晶といった結晶を用いたQPMデバイスでは、偏光依存性が大きく入射したファイバーレーザの偏光が時間と共に変動すると変換効率が大きく変動してしまうという問題があった。
本発明ではLBGOという結晶に周期の異なるQPMデバイスを形成し用いることで、例えファイバーレーザーからのファイバー内での光伝播による偏光方位が変動したとしても変換効率が変動せずに一定となることが可能となる。ファイバーは、高出力に向いているシングルモードファイバーも使用可能となる。更にLBGOは従来のLiNbO3やＬｉＴａＯ３では困難であった紫外光にも透明であるため、紫外波長の変換光を高出力で変換することが可能で、ウオークオフの無いガウスビーム、即ち、高ビーム品質で高出力で時間的に出力が安定な波長変換レーザ装置が提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の側面図を表す図である。
【図２ａ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の側面を表す図である。
【図２ｂ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置のＡ面を表す図である。
【図２ｃ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の上面を表す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る波長変換出力の時間変動を表す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る波長変換出力の時間変動の比較例を表す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る波長変換レーザ装置の波長変換部分の概略構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態のQＰＭ変換効率を説明するための図である。
【図７ａ】本発明の第２実施形態に係るQPM素子のチャープ構造を概略的に示す図である。
【図７ｂ】本発明の第２実施形態に係るチャープ構造のQPM素子の反転ピッチと温度の関係を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る波長変換レーザ装置の光学調整を説明するための図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る波長変換レーザ装置の変換効率を説明する図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る波長変換レーザ装置の波長変換部分の概略構成図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る波長変換レーザ装置の変換効率を説明する図である。
【図１２ａ】本発明の第４実施形態に係るQPM素子のチャープ構造を概略的に示す図である。
【図１２ｂ】本発明の第４実施形態に係るチャープ構造のQPM素子の反転ピッチと温度の関係を示す図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る波長変換レーザ装置の一構成例の波長変換部分の概略構成図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る波長変換レーザ装置の別の構成例の波長変換部分の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
《第１実施形態》
図１は本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の概略的な側面図である。波長1064nmのファイバーレーザ４１０から出射したレーザは、シングルモードファイバー４１１に結合し出射される。シングルモードファイバー４１１からの出射光である基本波４０１は、一旦コリメートレンズ４１２で平行ビームとなり、その後集光レンズ４１３で集光される。基本波４０１は、第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３の間に集光される。第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３は同一の下ホルダー４０５上に配置される。下ホルダー４０５は、段差がなく、光学調整することもなく、第一の波長変換素子４０２と第二の変換素子４０３の中心の高さを揃えることが可能である。下ホルダー４０５の直下には、温度を調整可能なペルチェ素子４０７が熱伝導性の高い接着剤により貼り合わされている。ペルチェ素子４０７の直下には放熱と設置のためのベースプレート４０８があり、同じく熱伝導性が高い接着剤で固定されている。
【００１９】
第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３の上部には上ホルダー４０３があり、各々の素子が一定温度になるようにされている。上ホルダー４０３、下ホルダー４０４は銅材料が使われ熱伝導が良い構造となっている。波長変換されなかった基本波４０１と第一の変換素子で変換された４１０、第二の波長変換素子で変換された変換光４１１は、レンズを通して出射される。波長変換の動作については、後で詳しく述べる。
【００２０】
図２aは、図１の一部の拡大図である。基本波４０１は、第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３の上下中心付近を通り、A面側に出射される。第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３は、上ホルダー４０４で覆われていており、この場合、点線で記載されており実際は隠れている。図２ｂは、A面側から見た図である。第二の波長変換素子４０３が上ホルダー４０４、下ホルダー４０５で覆われている。
【００２１】
図２ｃは、図１の一部を上面から見た図で上ホルダー４０４を取り除いた図である。この第一の実施例では第一の波長変換素子402と第二の波長変換素子403は、どちらも基板にはＣ軸方位のLBGO（LaBGeO5)の厚さ0.5ｔの擬似位相整合によるQPMデバイスを用いている。8〜9kV/mmの電圧を印加して擬似位相整合に使う周期構造を作製した。第一の波長変換素子402は、周期Λ１＝22.4μm、長さL1=10ｍｍの反転ドメインが、第二の波長変換素子403は、周期Λ２＝8.335μm、長さL2=7mmの反転ドメインが形成されている。周期Λ１は基本波波長1064nmで非線形定数d33に位相整合し第一の変換光410が、周期Λ２はd31に位相整合し第二の波長変換素子403が532nmの波長の第二の変換光411に変換される。次に、第一の変換光410と第二の変換光411が、非変換光401とに波長分離フィルター412で分離される。出力された第一の変換光410と第二の変換光411は、同一偏波で空間合波され１本ビームとして取り出すことができる。
【００２２】
LBGOは、d33=0.57、d31=0.68であり、d33/d31=0.84となる。第一の実施例では、第一の波長変換素子４０２の長さL1をL1=10mm、第二の波長変換素子４０３の長さL2をL2=7mmした。この時、（d332・L1）/（d312・L2）＝１となる。第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３の変換効率を、単一偏波の1064nm波長レーザー光源を使い、予め測定した結果、どちらもほぼ同一の変換効率が得られることを確認した。なお、第二の波長変換素子４０３では、入射の偏波方位に対して変換波の偏光方位は９０°回転していた。なお、（d332・L1）/（d312・L2）の値は、1.0でなくても1.2から0.8の間であれば、入力光学系のビームウエストの位置調整やビーム径を最適化することで、偏光による変換効率変動は抑えることが可能である。
【００２３】
比較例として、LiNｂO3では、d33=27.8pm/V、d31=4.8pm/V、d33/d31＝5.06であるため、例えば、偏波の方位に係わらず変換効率を同じの設計しようとすると、デバイス長がd33利用のQPMデバイスに比較してd31のデバイス長は25倍必要となり実現不可能となる。
【００２４】
基本波のビームをQPMデバイス内にビームを絞り入力して変換効率を高めるように光学設計する点においても、デバイス長が大きく異なるとビームの一番細いビームウエストの位置を両者のQPMデバイス付近に光学設計することが出来なくなり、変換効率を同一にすることが不可能となる。光学設計をより簡単にするためには、より望ましくはd33/d31が0.8〜1.2がよい。本実施例では、LBGO結晶で説明したが、他の結晶であってもよい。
【００２５】
次に周波数20ｋHz、パルス幅6nsec、平均出力２Ｗ、波長1064nmのファイバーレーザ４１０から出射したレーザを第一の波長変換素子と第二の波長変換素子の中間位置に入射した。この時、平均出力0.1Wの532nm波長の変換光が得られた。1064nmの平均出力を20Wまでに上げた場合は、10Wの532nm波長の変換光が得られた。光ファイバーを安定にした状態での出力の時間変動を図３に示す。この時の変動幅は、約2％であった。時間変動が非常に安定した特性であった。
【００２６】
比較例として、周期Λ１＝22.4μm、長さL1=20ｍｍの反転ドメインの第一の波長変換素子だけの時の光ファイバーを安定にした状態での出力の時間変動を図４に示す。図３と較べて変動幅が約４％と２倍の値となった。また、光ファイバーを強制的に振動させた場合は、実施例１では２％のままであったのに対して、比較例では50％以上の出力変動の揺らぎが観測され、大きく変動した。シングルモードの光ファイバーは、外部からの強制振動に対して、偏光方位が変動することが知られており、このことから第一実施例ではシングルモードファイバー内で偏光方位の変動があっても変換光の変動が少ない特性が得られることがわかった。
【００２７】
第一の実施例では同一温度で温調する温調器構造となっており、第一の波長変換素子402と第二の波長変換素子403の位相整合温度が僅かのずれがあった場合に変換光の低下を招くことがある。位相整合温度のずれがあった場合のより望ましい形態としては、以下の第２〜第５実施例で説明する。
【００２８】
なお、以下に述べる本発明の第２〜第５実施形態に係る波長変換レーザ装置は、上述した第１実施形態に係る波長変換レーザ装置とは波長変換部分（波長変換素子）が異なり、他の構成は略同一であるため、以下では主にこの点に着目して説明し、他の構成については重複説明を省略する。
【００２９】
《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態に係る波長変換レーザ装置について説明する。
図５は、第２実施形態の波長変換部分のみの図である。本実施形態では、第一の波長変換素子７０２に単一周期構造のQPM素子を用い、第二の波長変換素子７０３にはチャープ構造のQPM素子を用いている。第二の波長変換素子７０３は、図７ａに概略的に示すように光の伝播方向に向かって周期がΛ３からΛ１まで変化している構造を有している。第一の波長変換素子７０２はLBGO結晶で周期が22.4μm、長さが10ｍｍを用いた。第二の波長変換素子７０３はLBGO結晶で、長さが15ｍｍ、Λ1=8.0μｍ、Λ３＝8.6μｍのチャープ周期構造を用いた。図６は、温度を変えたときの出力特性である。第一の波長変換素子７０２は、単一周期構造であるため温度に対して出力が増減する一方、チャープ構造の第二の波長変換素子７０３は、温度Ｔ１からＴ３の範囲ではほぼ一定の出力である。第二の波長変換素子７０３を図７ｂに示すように温度T１からＴ３までは位相整合するような周期となるように予め設計しておくことで、変換効率が変化せずにほぼ一定値をとることが可能となる。
【００３０】
以上より、本実施形態においては第一の波長変換素子７０２と第二の波長変換素子７０３を同一の温度で温調して、どちらの素子も変換効率が最大の値に調整することができる。
【００３１】
《第３実施形態》
図８は、第３実施形態の波長変換部分のみの図である。第３実施形態では、第一の波長変換素子A02にファンアウト構造のQPM素子を、第二の波長変換素子A03に単一周期構造のQPM素子を用いている。第一の波長変換素子A02はLBGO結晶で中心の周期が22.4μm、両端の周期で広い側が22.7μｍ、狭い側が22.3μｍ、長さが10ｍｍのファンアウト構造を用いた。第二の波長変換素子７０３はLBGO結晶で長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。この場合は、最初に適当な位置X1で第二の波長変換素子A03の変換出力が最大となる温度T2に調整する（図９）。第一の波長変換素子A02の最適温度T1と第二の波長変換素子の最適温度T2は異なるので、このままでは両素子が最大の出力となる状態とはならない。
【００３２】
次に、入射ビームの位置を第一の波長変換素子A02の出力が最大となる位置X2に移動させる（図９）。この時、第二の波長変換素子A03は、単一周期構造のQPM素子なので移動により出力が変動することはない。
【００３３】
以上より、第一の波長変換素子A02と第二の波長変換素子A03を同じ設定温度のT1の状態にしたままでも、どちらの素子の変換効率も最大となるようにすることができる。
【００３４】
《第４実施形態》
図１０は、第４実施形態の波長変換部分のみの図である。第４実施形態では、第一の波長変換素子C02にはチャープ構造のQPM素子を、第二の波長変換素子C03には単一構造のQPM素子を用いている。第一の波長変換素子C02はLBGO結晶で、長さが15ｍｍ、周期が22.７μmから22.3μｍまでのチャープ構造を用いた。第二の波長変換素C03はLBGO結晶で、長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。最初に設定温度をT1からT3まで変化させて、第二の波長変換素子C03の出力が最大となる温度T2に調整し固定する。一方、第一の波長変換素子C02は、チャープ構造であり温度T1〜T3の間は、図１２ａ、１２ｂに示すようにこの温度範囲内で位相整合温度が存在するように設計してあるため、第一の波長変換素子Ｃ０２の変換効率が変化することはない。
【００３５】
以上より、第一の波長変換素子Ｃ０２と第二の波長変換素子Ｃ０３を同一の温度で温調し、どちらの素子も変換効率も最大となるようにすることが出来る。
【００３６】
《第５実施形態》
図１３は、第５実施形態に係る波長変換部分の一つの構成例である。この例では、第一の波長変換素子Ｅ０２を単一周期構造のＱＰＭ素子とし、第二の波長変換素子Ｅ０３をファンアウト構造のＱＰＭ素子とし、これら２種の素子を各々の単一周期構造とファンアウト構造の設計を同一の基板で形成することによるモノリシックＱＰＭ素子Ｅ０４で波長変換部分が構成される。第一の波長変換素子E０３はLBGO結晶で中心の周期が22.4μm、両端の周期で広い側が22.7μｍ、狭い側が22.3μｍ、長さが10ｍｍのファンアウト構造を用いた。第二の波長変換素子E０４はLBGO結晶で長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。
【００３７】
図１４は、第５実施形態に係る波長変換部分別の構成例である。この例では、第一の波長変換素子Ｆ０２を単一周期構造のＱＰＭ素子とし、第二の波長変換素子Ｆ０３をチャープ構造のＱＰＭ素子とし、これら２種の素子を各々の単一周期構造とチャープ構造の設計を同一の基板で形成することによるモノリシックＱＰＭ素子F０４で波長変換部分が構成される。
【００３８】
モノリシック構造は、入出力端面の研磨と反射防止膜が個々のＱＰＭ素子のプロセスに較べて一回で済むので、安価に作製が可能となる。また、個々のＱＰＭ素子間の調整も不要となるので、光学調整工数も少なくて済む。更に、特殊な使い方では、波長変換の中でも、フェムト秒の波長変換の場合には、モノリシック構造は二つのQPM素子が空気中を光が伝播することが無く、かつ接近して設計も可能なので、群速度分散が少なくて、高性能が期待できるというメリットがある。群速度分散があるとパルス幅の広がりによる劣化で使えなくなる恐れがあるが、本モノリシック構造ではそのような問題がない設計も可能となる。なお、モノリシック構造は、第５実施形態のものに限定されず、別の素子の組み合わせにも適用可能である。
【００３９】
なお、ファイバーレーザーのファイバーは、偏波保持ファイバーであってもよい。偏波保持ファイバーの方がより偏波変動の影響は少ない。基本波光源は、本実施例でのファイバーレーザーに限らず、固体レーザーであっても構わない。変換波の波長は400nm以下の紫外光であってもよい。LBGO結晶の光透過帯域は、200nm波長より長波長側にあることから、従来の紫外領域で吸収のあるLiNbO3やKN結晶に較べて、紫外領域で透明である擬似位相整合のQPMデバイスとしての効果はより顕著である。
【符号の説明】
【００４０】
４０１、５０１、７０１、A０１、C０１  基本波
４０２、７０２、A０２、C０２、E０２、F０２ 第一の波長変換素子
４０３、５０３、６０３、７０３、A０３、C０３  E０３、F０３ 第二の波長変換素子
４１０  ファイバーレーザ
４０７  ペルチェ素子
４０４  上ホルダー
４０５  下ホルダー
４０８  ベース板
E０４、F０４  モノリシックQPM素子
４１２  波長分離フィルター
【図１】
2015230317.tif 000003
【図２ａ】
2015230317.tif 000004
【図２ｂ】
2015230317.tif 000005
【図２ｃ】
2015230317.tif 000006
【図３】
2015230317.tif 000007
【図４】
2015230317.tif 000008
【図５】
2015230317.tif 000009
【図６】
2015230317.tif 000010
【図７ａ】
2015230317.tif 000011
【図７ｂ】
2015230317.tif 000012
【図８】
2015230317.tif 000013
【図９】
2015230317.tif 000014
【図１０】
2015230317.tif 000015
【図１１】
2015230317.tif 000016
【図１２ａ】
2015230317.tif 000017
【図１２ｂ】
2015230317.tif 000018
【図１３】
2015230317.tif 000019
【図１４】
2015230317.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月25日(2014.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の側面図を表す図である。
【図２ａ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の側面を表す図である。
【図２ｂ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置のＡ面を表す図である。
【図２ｃ】本発明の第１実施形態に係る波長変換レーザ装置の上面を表す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る波長変換出力の時間変動を表す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る波長変換出力の時間変動の比較例を表す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る波長変換レーザ装置の波長変換部分の概略構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態のQＰＭ変換効率を説明するための図である。
【図７ａ】本発明の第２実施形態に係るQPM素子のチャープ構造を概略的に示す図である。
【図７ｂ】本発明の第２実施形態に係るチャープ構造のQPM素子の反転ピッチと温度の関係を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る波長変換レーザ装置の光学調整を説明するための図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るＱＰＭ素子の変換光出力と温度との関係と、ＱＰＭ素子の変換光出力とビーム位置との関係を説明する図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る波長変換レーザ装置の変換効率を説明する図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るＱＰＭ素子の変換光出力と温度との関係を説明する図である。
【図１２ａ】本発明の第４実施形態に係るQPM素子のチャープ構造を概略的に示す図である。
【図１２ｂ】本発明の第４実施形態に係るチャープ構造のQPM素子の反転ピッチと温度の関係を示す図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る波長変換レーザ装置の一構成例の波長変換部分の概略構成図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る波長変換レーザ装置の別の構成例の波長変換部分の概略構成図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図２ｃは、図１の一部を上面から見た図で上ホルダー４０４を取り除いた図である。この第一の実施形態では第一の波長変換素子402と第二の波長変換素子403は、どちらも基板にはＣ軸方位のLBGO（LaBGeO5)の厚さ0.5ｔの擬似位相整合によるQPMデバイスを用いている。8〜9kV/mmの電圧を印加して擬似位相整合に使う周期構造を作製した。第一の波長変換素子402は、周期Λ１＝22.4μm、長さL1=10ｍｍの反転ドメインが、第二の波長変換素子403は、周期Λ２＝8.335μm、長さL2=7mmの反転ドメインが形成されている。周期Λ１は基本波波長1064nmで非線形定数d33に位相整合し第一の変換光410が、周期Λ２はd31に位相整合し第二の波長変換素子403が532nmの波長の第二の変換光411に変換される。次に、第一の変換光410と第二の変換光411が、非変換光401とに波長分離フィルター412で分離される。出力された第一の変換光410と第二の変換光411は、同一偏波で空間合波され１本ビームとして取り出すことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
LBGOは、d33=0.57、d31=0.68であり、d33/d31=0.84となる。第一の実施形態では、第一の波長変換素子４０２の長さL1をL1=10mm、第二の波長変換素子４０３の長さL2をL2=7mmした。この時、（d332・L1）/（d312・L2）＝１となる。第一の波長変換素子４０２と第二の波長変換素子４０３の変換効率を、単一偏波の1064nm波長レーザー光源を使い、予め測定した結果、どちらもほぼ同一の変換効率が得られることを確認した。なお、第二の波長変換素子４０３では、入射の偏波方位に対して変換波の偏光方位は９０°回転していた。なお、（d332・L1）/（d312・L2）の値は、1.0でなくても1.2から0.8の間であれば、入力光学系のビームウエストの位置調整やビーム径を最適化することで、偏光による変換効率変動は抑えることが可能である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
比較例として、周期Λ１＝22.4μm、長さL1=20ｍｍの反転ドメインの第一の波長変換素子だけの時の光ファイバーを安定にした状態での出力の時間変動を図４に示す。図３と較べて変動幅が約４％と２倍の値となった。また、光ファイバーを強制的に振動させた場合は、第一の実施形態では２％のままであったのに対して、比較例では50％以上の出力変動の揺らぎが観測され、大きく変動した。シングルモードの光ファイバーは、外部からの強制振動に対して、偏光方位が変動することが知られており、このことから第一の実施形態ではシングルモードファイバー内で偏光方位の変動があっても変換光の変動が少ない特性が得られることがわかった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
第一の実施形態では同一温度で温調する温調器構造となっており、第一の波長変換素子402と第二の波長変換素子403の位相整合温度が僅かのずれがあった場合に変換光の低下を招くことがある。位相整合温度のずれがあった場合のより望ましい形態としては、以下の第２〜第５実施形態で説明する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
《第３実施形態》
図８は、第３実施形態の波長変換部分のみの図である。第３実施形態では、第一の波長変換素子A02にファンアウト構造のQPM素子を、第二の波長変換素子A03に単一周期構造のQPM素子を用いている。第一の波長変換素子A02はLBGO結晶で中心の周期が22.4μm、両端の周期で広い側が22.7μｍ、狭い側が22.3μｍ、長さが10ｍｍのファンアウト構造を用いた。第二の波長変換素子Ａ０３はLBGO結晶で長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。図９に示す様に、この場合は、最初に適当な位置X1で第二の波長変換素子A03の変換出力が最大となる温度T2に調整する。第一の波長変換素子A02の最適温度T1と第二の波長変換素子の最適温度T2は異なるので、このままでは両素子が最大の出力となる状態とはならない。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
次に、図９に示す様に、入射ビームの位置を第一の波長変換素子A02の出力が最大となる位置X2に移動させる。この時、第二の波長変換素子A03は、単一周期構造のQPM素子なので移動により出力が変動することはない。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
《第４実施形態》
図１０は、第４実施形態の波長変換部分のみの図である。第４実施形態では、第一の波長変換素子C02にはチャープ構造のQPM素子を、第二の波長変換素子C03には単一構造のQPM素子を用いている。第一の波長変換素子C02はLBGO結晶で、長さが15ｍｍ、周期が22.７μmから22.3μｍまでのチャープ構造を用いた。第二の波長変換素C03はLBGO結晶で、長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。図１１に示す様に最初に設定温度をT1からT3まで変化させて、第二の波長変換素子C03の出力が最大となる温度T2に調整し固定する。一方、第一の波長変換素子C02は、チャープ構造であり温度T1〜T3の間は、図１２ａ、１２ｂに示すようにこの温度範囲内で位相整合温度が存在するように設計してあるため、第一の波長変換素子Ｃ０２の変換効率が変化することはない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
《第５実施形態》
図１３は、第５実施形態に係る波長変換部分の一つの構成例である。この例では、第一の波長変換素子Ｅ０２を単一周期構造のＱＰＭ素子とし、第二の波長変換素子Ｅ０３をファンアウト構造のＱＰＭ素子とし、これら２種の素子を各々の単一周期構造とファンアウト構造の設計を同一の基板で形成することによるモノリシックＱＰＭ素子Ｅ０４で波長変換部分が構成される。第一の波長変換素子E０２はLBGO結晶で中心の周期が22.4μm、両端の周期で広い側が22.7μｍ、狭い側が22.3μｍ、長さが10ｍｍのファンアウト構造を用いた。第二の波長変換素子E０３はLBGO結晶で長さが10ｍｍ、周期が8.335μｍのシングル周期構造を用いた。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2015230317.tif 000021
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2015230317.tif 000022