(57)【要約】【課題】波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる波長変換光学装置を提供する。【解決手段】基本波の円形ビームを基本波の楕円ビームに変形するビーム変形素子１，２と、周期分極反転構造を形成し、ビーム変形素子１，２で変形された基本波の楕円ビームを第２高調波の楕円ビームに変換する疑似位相整合素子３とを備える。【選択図】図３
2015141274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波の円形ビームを基本波の楕円ビームに変形するビーム変形素子と、
周期分極反転構造を形成し、前記ビーム変形素子で変形された基本波の楕円ビームを第２高調波の楕円ビームに変換する疑似位相整合素子と、
を備えることを特徴とする波長変換光学装置。
【請求項２】
前記疑似位相整合素子の出射端面でのビーム形状が楕円形であることを特徴とする請求項１記載の波長変換光学装置。
【請求項３】
前記疑似位相整合素子の出射端面でのビーム形状の長軸ａと短軸ｂとが
ａ／ｂ≧７．６であることを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換光学装置。
【請求項４】
周期分極反転構造を形成し且つ基本波を第２高調波の楕円形の基本モードに変換する導波路を有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
周期分極反転構造を形成し且つ基本波を第２高調波の矩形の基本モードに変換する導波路を有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項６】
出射端面での第２高調波の楕円形の基本モードの長軸ａと短軸ｂとが
ａ／ｂ≧７．６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】
出射端面での第２高調波の矩形の基本モードの長辺ａと短辺ｂとが
ａ／ｂ≧８であることを特徴とする請求項５記載の波長変換素子。
【請求項８】
半導体レーザと、  
請求項１乃至３のいずれかの波長変換光学装置とを備え、
前記半導体レーザは、前記ビーム変形素子にレーザ光を前記基本波の円形ビームとして入射することを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換光学装置、波長変換素子及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シングルパルスを用いた波長変換光学装置として特許文献１が知られている。この波長変換光学装置は、図７に示すように、周期分極反転構造を形成した波長変換素子からなる疑似位相整合（Quasi  Phase  Matching）素子（以下ＱＰＭ素子と称する。）３に基本波の円形ビームを入射させ、ＱＰＭ素子３により第２高調波（ＳＨＧ）の真円に近い円形ビームを得ている。
【０００３】
また、強誘電体の非線形光学効果を利用したＱＰＭデバイスが知られている。ＱＰＭデバイスは、目的とする光を得るために、タンタル酸リチウムＬＴやＬｉＮｂＯ３などの強誘電体結晶内部に周期的分極反転領域を形成するものである。
【０００４】
なお、分極反転域の作成方法は、例えば特許文献２に記載されている。ＱＰＭデバイスによりレーザ光の波長変換を行う場合には、一般に円形ビームが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００８０５０８０２号公報
【特許文献２】特開２００７−３８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、波長変換素子にも光吸収があるため、波長変換素子を高いパワー密度で駆動する場合には、温度上昇により効率が低下し、また波長変換素子が破壊することもあった。また、効率低下や素子破壊を防止するために、基本波のパワー密度を低下させると、変換効率はパワー密度に比例するため、効率が低下する。
【０００７】
本発明の課題は、波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる波長変換光学装置、波長変換素子及びレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る波長変換光学装置は、基本波の円形ビームを基本波の楕円ビームに変形するビーム変形素子と、周期分極反転構造を形成し、前記ビーム変形素子で変形された基本波の楕円ビームを第２高調波の楕円ビームに変換する疑似位相整合素子とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、疑似位相整合素子に入射するビームを楕円ビームとしたので、放熱が容易となるため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。従って、波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる波長変換光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の波長変換光学装置の原理を説明する図である。
【図２】楕円率、ビーム断面積と周長との比率の関係を示す図である。
【図３】実施例１の波長変換光学装置の構成図である。
【図４】実施例２の波長変換素子の構成図である。
【図５】実施例２の波長変換素子に形成されたリッジ導波路内のモードを示す図である。
【図６】実施例３の波長変換素子に形成されたリッジ導波路内のモードを示す図である。
【図７】従来の波長変換光学装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の波長変換光学装置、波長変換素子及びレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明は、波長変換素子に入射するビームを楕円としたことを特徴とする。円形ビームよりも楕円ビームの方が放熱が容易となるため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。
【００１３】
その理由について図１を用いて説明する。まず、図１（ａ）に示す円形ビームと図１（ｂ）に示す楕円ビームとは同じ断面積を有している。これらのビームを比較した場合、パワー密度が同じであれば、吸収のため発生する熱量は断面積に比例するため、同じである。
【００１４】
熱は、矢印で示すように、周囲に逃げるため、周長さが長い方が放熱性が優れている。楕円の方が円よりも周長が長いため、放熱性が良い。このため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。
【００１５】
また、楕円ビームと円ビームとが同じビーム断面積である場合、横軸に楕円率、縦軸にビーム断面積／周長（同一ビーム断面積での最大値で規格化）をプロットした図に図２に示す。
【００１６】
ビーム断面積／周長は、真円の時に最大（、即ち、最も放熱が悪い）であり、楕円率が１から遠ざかるに連れて小さくなっている。即ち、楕円ビームにより放熱性が改善されることがわかる。
【００１７】
このように、ビームが楕円である場合、又は他の真円でない図形の場合、例えば、矩形である場合には放熱性が改善されて、ＳＨＧの高出力が得られる。
【００１８】
また、高出力で波長変換素子を駆動する場合には、特にＳＨＧ光の出射端面付近での吸収による熱飽和や破壊が発生することが多い。このため、出射端面でＳＨＧ光のビームが楕円や矩形等の形状になることが効果的である。
【００１９】
なお、波長変換結晶の熱抵抗率が０．５６倍（熱伝導率が１．８倍）になった場合に、ＱＰＭデバイスのＳＨＧ到達パワーが有意に大きくなることが知られている。この場合、熱抵抗率はＳＬＴとＭｇ：ＬＮの比較である。
【００２０】
波長変換素子の熱抵抗のうち、波長変換結晶が寄与する成分は、ビームからビームのすぐ外側に広がる箇所の影響が大きく、これはビームの周長（ビーム断面積が同じならばビーム断面積／周長）にほぼ比例する。即ち、同じ面積の真円と比較してビーム断面積／周長が０．５６倍になっていれば、ＱＰＭデバイスのＳＨＧ到達パワーが有意に大きくなると考えられる。
【００２１】
上記を満たす条件は、
楕円の場合には、長軸／短軸≧７．６
矩形の場合には、長辺／短辺≧８
である。
【実施例１】
【００２２】
図３は、実施例１の波長変換光学装置を含むレーザ装置の構成図である。図３に示すレーザ装置は、半導体レーザ１０、凸レンズ１、凹レンズ２、ＱＰＭ素子３、凹レンズ４、凸レンズ５を備える。
【００２３】
半導体レーザ１０は、基本波の円形ビームからなるレーザ光を凸レンズ１に出力する。凸レンズ１、凹レンズ２は、光学系Ａを形成し、基本波の円形ビームを楕円ビームに変形する。基本波の円形ビームとして円形の波長１．０６４μｍが用いられる。
【００２４】
ＱＰＭ素子３は、光学系Ａからの基本波の楕円ビームをＳＨＧの楕円ビームに波長変換する。ＱＰＭ素子３は、ＰＰＭｇＳＬＴからなり、光軸と結晶Ｘ軸が一致している。ＰＰＭｇＳＬＴは、ＭｇＯをドープした定比組成のタンタル酸リチウムＭｇＯ；ＳＬＴ基板に周期分極反転構造を形成した疑似位相整合型の波長変換デバイスである。同一方向に周期的に分極反転されており、結晶Ｚ軸は入射ビームの偏光方向と一致するように配置されている。周期的分極反転の周期は、所望の温度で波長１．０６４μｍの基本波が波長０．５３２μｍのＳＨＧ光に変換されるようになっている。
【００２５】
凹レンズ４、凸レンズ５は、光学系Ｂを形成し、ＱＰＭ素子３からのＳＨＧの楕円ビームをＳＨＧの円形ビームに変形する。
【００２６】
このように実施例１の波長変換光学装置によれば、凸レンズ１、凹レンズ２により、基本波の円形ビームを楕円ビームに変形し、ＱＰＭ素子３に楕円ビームを入射したので、放熱が容易となるため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。従って、波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる波長変換光学装置を提供することができる。
【実施例２】
【００２７】
図４は実施例２の波長変換素子の構成図である。図４では、波長変換素子であるＱＰＭ素子３ａの断面図を示している。ＱＰＭ素子３ａは、傾斜された凹部を有する側壁部３１と、底部３２と、側壁部３１及び底部３２の間に形成された台形状のリッジ導波路３３とを有している。ＱＰＭ素子３ａには、基本波の円形ビームが入射され、台形状のリッジ導波路３３に導かれる。
【００２８】
ここで、側壁部３１のリッジ幅をＷとし、溝深さをｄとし、厚みをｔとし、傾斜角度をθとする。台形状のリッジ導波路３３には、図５に示すように、ＳＨＧ光の略楕円形の基本モードが形成される。図５では、リッジ幅Ｗを４．７μｍ、溝深さｄを４μｍ、厚みｔを４．７μｍ、傾斜角度θを２１°とした。
【００２９】
このように、ＱＰＭ素子３ａにリッジ導波路３３を設け、このリッジ導波路３３により基本波をＳＨＧの楕円の基本モードに変換することができる。従って、放熱が容易となるため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。従って、波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる
【実施例３】
【００３０】
図６は、実施例３の波長変換素子に形成されたリッジ導波路内のモードを示す図である。図６に示す例では、ＱＰＭ素子の側壁部が垂直に立った凹部を有し、矩形状のリッジ導波路を有することを特徴とする。
【００３１】
このため、矩形状のリッジ導波路には、図６に示すように、ＳＨＧ光の略矩形の基本モードが形成される。図６では、リッジ幅Ｗを４．７μｍ、溝深さｄを４μｍ、厚みｔを４．７μｍ、傾斜角度θを０°とした。
【００３２】
このように、ＱＰＭ素子にリッジ導波路を設け、このリッジ導波路により基本波をＳＨＧの矩形の基本モードに変換することができる。従って、放熱が容易となるため、波長変換素子の温度上昇が発生しにくくなる。従って、波長変換素子の効率低下や破壊を防止することができる
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、半導体レーザ装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１，５  凸レンズ
２，４  凹レンズ
３，３ａ  ＱＰＭ素子
１０  半導体レーザ
３１  側壁部
３２  底部
３３  リッジ導波路
【図１】
2015141274.tif 000003
【図２】
2015141274.tif 000004
【図３】
2015141274.tif 000005
【図４】
2015141274.tif 000006
【図５】
2015141274.tif 000007
【図６】
2015141274.tif 000008
【図７】
2015141274.tif 000009