(57)【要約】【課題】発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光でも効率的に波長変換する。【解決手段】基本波光を波長変換素子５０によって波長変換する波長変換装置１であって、基本波光Ｌ１として発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を連続的に発振するレーザー発振部１０と、レーザー発振部で発振された基本波光のビーム径を拡大する拡大光学系部２０と、拡大光学系部でビーム径が拡大された拡大基本波光Ｌ２を透過させて当該拡大基本波光の波長を分散させる回折格子３２が設けられる波長分散部３０と、波長分散部から所定の大きさの光学的距離を介して設けられ、波長が分散された拡大基本波光Ｌ３を集光レンズ４２で集光して波長変換素子に導く波長・角度分散部４０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2015206834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波光を波長変換素子によって波長変換する波長変換装置であって、
前記基本波光として発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を連続的に発振するレーザー発振部と、
前記レーザー発振部で発振された前記基本波光のビーム径を拡大する拡大光学系部と、
前記拡大光学系部で前記ビーム径が拡大された拡大基本波光を透過させて該拡大基本波光の波長を分散させる回折格子が設けられる波長分散部と、
前記波長分散部から所定の大きさの光学的距離を介して設けられ、前記波長が分散された拡大基本波光を集光レンズで集光して前記波長変換素子に導く波長・角度分散部と、を備えることを特徴とする波長変換装置。  
【請求項２】
前記レーザー発振部は、ファイバーレーザーによって前記レーザー光が連続発振されることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長・角度分散部は、前記光学的距離が下記の条件式を満たすように設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長変換装置。
Ｌ／ｆ＝１．２６×δｃｏｓβ
Ｌ：回折格子と集光レンズとの距離
ｆ：集光レンズの焦点距離
δ：回折格子の溝の間隔
β：回折格子による回折角
【請求項４】
前記波長分散部は、一又は複数の透過型回折格子から構成され、前記透過型回折格子によって前記拡大基本波光を回折させて、該拡大基本波光の前記波長を分散させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記波長分散部には、前記透過型回折格子によって回折された前記拡大基本波光を反射させる一又は複数の反射ミラーが更に設けられ、前記反射ミラーによって反射後の前記拡大基本波光を前記透過型回折格子に戻し、再度回折させることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記拡大光学系部は、入力段側に設けられる第１レンズと出力段側に設けられる第２レンズが所定の距離を介して対向するように構成され、前記第１レンズと前記第２レンズとの距離を変更することによって、前記基本波光の前記ビーム径を調整することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
基本波光を波長変換素子によって波長変換する波長変換方法であって、
発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を前記基本波光として連続的に発振するレーザー光発振工程と、
前記基本波光のビーム径を拡大するビーム径拡大工程と、
前記ビーム径が拡大された拡大基本波光を回折格子に透過させて該拡大基本波光の波長を分散させる波長分散工程と、
前記波長が分散された拡大基本波光を前記回折格子から所定の大きさの光学的距離を介して設けられた集光レンズによって前記波長変換素子に導く波長・角度分散工程と、を含むことを特徴とする波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波光となるレーザー光の波長を所望の大きさに変換する波長変換装置、及び波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光は、金属の切断や加工、半導体製造のためのフォトリソグラフィ装置用光源、レーザーディスプレイ用光源、外科や眼科、歯科等の医療用手術装置、各種の測定装置等の幅広い技術分野に応用されている。また、レーザー光をこれらの用途で使用するために、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ：periodically poled lithium niobate ）等の周期分極反転型の非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いて、レーザー光の波長を当該用途に適合した所望の大きさに変換する波長変換技術が開発されている。
【０００３】
特許文献１には、半導体レーザーとバルク型波長変換結晶からなる波長変換素子との間に、狭域体バンドパスフィルター等の波長選択光学素子を設けた波長変換モジュールが開示されている。当該波長変換モジュールでは、波長選択光学素子によって光波長変換素子の端面で反射して半導体レーザーにフィードバックするレーザービームの波長を選択することによって、半導体レーザーの発振波長を正確にロックして、波長変換後の光を安定して発振させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２５００８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長変換装置に備わる波長変換素子として主に用いられる非線形光学結晶は、角度依存性を有しており、高い効率で波長変換を行なうためには、この波長変換素子に入射するレーザー光の入射角を厳密に調節して位相整合をとる必要がある。このため、高効率な波長変換を実現するためには、一般的に単一周波数のレーザー光が用いられている。また、超短パルスレーザーのように、波長の範囲が広くても出力光が短パルス列となって実効的な強度が桁違いに上がっている場合には、その強い光電場で高効率な波長変換が行われている。
【０００６】
しかしながら、高出力な連続発振ファイバーレーザー等のような簡便で光子コストに優れたレーザーでは、発振スペクトルが狭窄化されていることが少なく、このように複数の波長、色を有し、波長方向に単一でないレーザー光の波長変換をする際に、その高効率化が望めなかった。特許文献１には、半導体レーザーの発振波長を正確にロックして、波長変換後のレーザー光の発振の安定化については、言及しているものの、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光を効率よく波長変換することには、言及していない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光でも効率的に波長変換することの可能な、新規かつ改良された波長変換装置、及び波長変換方法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】
本発明の一態様は、基本波光を波長変換素子によって波長変換する波長変換装置であって、前記基本波光として発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を連続的に発振するレーザー発振部と、前記レーザー発振部で発振された前記基本波光のビーム径を拡大する拡大光学系部と、前記拡大光学系部で前記ビーム径が拡大された拡大基本波光を透過させて該拡大基本波光の波長を分散させる回折格子が設けられる波長分散部と、前記波長分散部から所定の大きさの光学的距離を介して設けられ、前記波長が分散された拡大基本波光を集光レンズで集光して前記波長変換素子に導く波長・角度分散部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様によれば、拡大光学系部でビーム径が拡大された基本波光を回折格子に透過させることによって、その波長を分散させた拡大基本波光を所定の光学的距離を経由させてから集光レンズで集光する。このため、発振スペクトル幅がこの設計値内で変化した場合でも、波長変換素子により確実に導けるので、効率的に波長変換できるようになる。
【００１０】
このとき、本発明の一態様では、  前記レーザー発振部は、ファイバーレーザーによって前記レーザー光が連続発振されることとしてもよい。
【００１１】
このように、基本波光としてファイバーレーザーの出力光を使用することによって、そのレーザー光の空間モードの安定性が高められ、固体レーザーの励起において高精度な励起が可能になる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記波長・角度分散部は、前記光学的距離が下記の条件式を満たすように設定されることとしてもよい。
Ｌ／ｆ＝１．２６×δｃｏｓβ
Ｌ：回折格子と集光レンズとの距離
ｆ：集光レンズの焦点距離
δ：回折格子の溝の間隔
β：回折格子による回折角
【００１３】
このように、波長分散部から距離を置いて波長・角度分散部を設けることによって、横方向に位置ずれした各波長のレーザー光を単一の集光レンズで集光して、波長変換素子に導くことができる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、  前記波長分散部は、一又は複数の透過型回折格子から構成され、前記透過型回折格子によって前記拡大基本波光を回折させて、該拡大基本波光の前記波長を分散させることとしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、波長により最適角度になるようにビーム径を拡大した基本波光で波長変換素子に導入するので、基本波光による波長変換素子の加熱が空間的に分散されて、波長変換効率の低下を軽減できる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記波長分散部には、前記透過型回折格子によって回折された前記拡大基本波光を反射させる一又は複数の反射ミラーが更に設けられ、前記反射ミラーによって反射後の前記拡大基本波光を前記透過型回折格子に戻し、再度回折させることとしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、透過型回折格子の最大分散効率が得られる入射角度、ビーム径で数回、透過型回折格子を利用して回折できるので、回折格子の最大限の波長分散を利用しながら、基本波光の波長が分散された状態で波長変換素子に導入できる。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記拡大光学系部は、入力段側に設けられる第１レンズと出力段側に設けられる第２レンズが所定の距離を介して対向するように構成され、前記第１レンズと前記第２レンズとの距離を変更することによって、前記基本波光の前記ビーム径を調整することとしてもよい。
【００１９】
このように、第１レンズと第２レンズとの距離を変更して基本波光のビーム径を調整することによって、波長・角度分散部での分解能を高めることができる。
【００２０】
また、本発明の他の態様は、基本波光を波長変換素子によって波長変換する波長変換方法であって、発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を前記基本波光として連続的に発振するレーザー光発振工程と、前記基本波光のビーム径を拡大するビーム径拡大工程と、前記ビーム径が拡大された拡大基本波光を回折格子に透過させて該拡大基本波光の波長を分散させる波長分散工程と、前記波長が分散された拡大基本波光を前記回折格子から所定の大きさの光学的距離を介して設けられた集光レンズによって前記波長変換素子に導く波長・角度分散工程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、基本波光のビーム径を拡大されてから、かかる拡大基本波光を回折格子に透過させて波長分散させるので、回折格子の最大限の波長分散を利用できる。また、この拡大光学系のレンズ間隔を調整することで、集光レンズ位置で波長分散させた拡大基本波光を低損失で集光レンズに集光できる。このため、発振スペクトルがこの設計値内で変化した場合でも、拡大基本波光を波長変換素子により確実に導けるので、効率的に波長変換できるようになる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光を波長変換素子に確実に導けるので、効率的な波長変換が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の波長分散後における基本波光の集光レンズでの各位置ごとの周波数及び強度の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る波長変換装置による波長変換効率と入射光強度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成を説明する模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の要部の詳細説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る波長変換装置の要部の詳細説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る波長変換方法の概略を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２５】
まず、本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成図である。
【００２６】
本発明の一実施形態に係る波長変換装置１は、基本波光Ｌ１となるレーザー光の波長をニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ：periodically poled lithium niobate ）の周期分極反転型の非線形光学結晶からなる波長変換素子５０で変換する装置である。波長変換装置１は、図１に示すように、レーザー発振部１０と、拡大光学系部２０と、波長分散部３０と、波長・角度分散部４０と、波長変換素子５０とを備える。なお、本実施形態では、波長変換素子５０として、ＰＰＬＮ結晶を用いているが、周期分極反転型の非線形光学結晶であれば、ＫＴＰ結晶、ＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶等を用いてもよい。
【００２７】
レーザー発振部１０は、基本波光Ｌ１となるレーザー光を高出力で連続的に発振する機能を有する。レーザー発振部１０は、ファイバーレーザー１２と、ファラデーアイソレーター１４と、λ／２波長板１６とを備える。
【００２８】
本実施形態では、レーザー光の発振源として、イッテルビウムＹｂやネオジムＮｄ等の希土類イオン固体赤外レーザーからなるファイバーレーザー１２が使用され、例えば、中心波長１０６４ｎｍのＣＷレーザー光が連続発振される。このように、基本波光Ｌ１としてファイバーレーザー１２の出力光を使用することによって、そのレーザー光の空間モードの安定性が高められ、固体レーザーの励起において高精度な励起が可能になる。ファイバーレーザー１２から発振されたレーザー光は、かかるレーザー光を一方向に伝搬するために設けられるファラデーアイソレーター１４と、当該レーザー光の偏光を調整するために設けられるλ／２波長板１６を経て、基本波光Ｌ１として発振される。
【００２９】
また、本実施形態では、レーザー発振部１０は、レーザー光の発振源がファイバーレーザー１２であり、基本波光Ｌ１として発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を連続的に発振することを特徴とする。すなわち、レーザー発振部１０は、基本波光として、複数の異なる波長、色を含んで、波長方向に単一でないレーザー光、換言すると発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光を高出力に連続発振する。
【００３０】
本実施形態の波長変換装置１は、このように狭窄化されていない連続発振レーザーを波長変換素子５０で波長変換する際に問題となる位相不整合を補償するために、波長角度分散型光学系を導入して、高効率に波長を変換可能としたことを特徴とする。波長変換装置１は、９０％以上の高い回折効率を有する回折格子を用いて角度分散型波長変換を実現させる波長角度分散型光学系として、拡大光学系部２０と、波長分散部３０と、波長・角度分散部４０と、を備える。
【００３１】
拡大光学系部２０は、レーザー発振部１０で発振された基本波光のビーム径を拡大する機能を有する。本実施形態では、拡大光学系部２０は、入力段側に設けられる第１レンズ２２と出力段側に設けられ、第１レンズ２２より焦点距離の大きい第２レンズ２４が所定の距離を介して対向するように構成されている。そして、第１レンズ２２と第２レンズ２４との距離を変更することによって、基本波光Ｌ１のビーム径を調整する。
【００３２】
このように、第１レンズ２２と第２レンズ２４との距離を変更して基本波光Ｌ１のビーム発散角を調整することによって、基本波光Ｌ１の集光レンズ４２の位置でのビーム径を最適化できる。このため、後段側に有する波長変換部３０の回折格子３２によって、異なる複数の発振スペクトルを有する狭窄化されていないレーザー光の波長を、それぞれの発振スペクトルごとに分散させられる。それによって、波長変換装置１の最終段側に有する波長・角度分散部４０での分解能を高めることができる。
【００３３】
波長分散部３０は、拡大光学系部２０でビーム径が拡大された拡大基本波光Ｌ２を透過させて、当該拡大基本波光Ｌ２の波長を分散させる回折格子３２が設けられる。本実施形態では、波長分散部３０は、所定間隔の溝３２ａ（図６参照）が設けられるガラス等から形成される９０％以上の高い回折効率を有する透過型回折格子３２から構成され、拡大基本波光Ｌ２を回折させて、かかる拡大基本波光Ｌ２の波長を分散させる。
【００３４】
具体的には、本実施形態の波長分散部３０は、図１に示すように、透過型回折格子３２が三角形の一の頂点上に有するような配置となるように設けられ、反射ミラー３４、３６が当該三角形の他の頂点上にそれぞれ有するような配置となるように設けられている。これらの反射ミラー３４、３６は、入射する回折後の拡大基本反射Ｌ３−１（Ｌ３）を反射させて、透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で当該透過型回折格子３２に戻せるように、適宜、設置角度が調整可能な構成となっている。
【００３５】
波長分散部３０をかかる構成とすることによって、拡大光学系部２０から導入された拡大基本波光Ｌ２は、まず、透過型回折格子３２で回折する。次に、当該透過型回折格子３２で回折した拡大基本波光Ｌ３−１（Ｌ３）は、２つの反射ミラー３４、３６でそれぞれ反射されてから、再び透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で戻って回折する。そして、その回折後の拡大基本波光Ｌ３−２（Ｌ３）が後段側に設けられる反射ミラー３８で反射してから、その反射光となる拡大基本波光Ｌ３−３（Ｌ３）が波長・角度分散部４０に導かれるようになっている。なお、本実施形態では、波長分散部３０の後段側に反射ミラー３８が設けられているが、反射ミラー３８を設けずに、波長分散部３０で波長分散された拡大基本波光Ｌ３−２（Ｌ３）が直接、波長・角度分散部４０に導入される構成としてもよい。
【００３６】
このように、本実施形態では、波長分散部３０が透過型回折格子３２と反射ミラー３４、３６を備える構成としたので、波長により最適な角度になるように基本波光Ｌ３の光路を確保してから、波長・角度分散部４０を介して波長変換素子５０に導入できる。このため、基本波光Ｌ１で結晶内に生じてしまう加熱分布が分散されるように、波長変換素子５０に導入されるようになる。従って、熱の影響を受けやすい波長変換素子５０が、基本波光Ｌ１の熱によって波長変換効率を低下するリスクを軽減できる。
【００３７】
また、本実施形態では、波長分散部３０は、反射ミラー３４、３６を設けることによって、ビーム径を拡大した基本波光Ｌ３−１（Ｌ３）の光路を確保しながら、透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で反射後の拡大基本波光Ｌ３−１（Ｌ３）を透過型回折格子３２に戻せる。このように、反射ミラー３４、３６を設けることによって、透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で反射後の拡大基本波光Ｌ３−１（Ｌ３）を戻してから回折するので、透過型回折格子３２で最大限に回析後の拡大基本波光Ｌ３−２、Ｌ３−３（Ｌ３）の波長を分散させられる。
【００３８】
このため、拡大基本波光Ｌ３に含まれる各波長のレーザー光をそれぞれ波長ごとに効率的に分散させて、後段側に設けられた波長・角度分散部４０に導入できる。また、波長分散部３０に反射ミラー３４、３６を設けることによって、限られたスペース内で拡大基本波光Ｌ３−１の光路を確保できるようになるので、波長変換装置１のコンパクト化も図れるようになる。
【００３９】
なお、本実施形態では、波長分散部３０は、１つの透過型回折格子３２が設けられているが、回折格子の数は、１つに限定されず、例えば、回折格子を２つ以上から構成されるようにしてもよい。また、本実施形態では、波長分散部３０に２つの反射ミラー３４、３６が設けられているが、その設置数は、２つに限定されず、反射光を再び透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で戻して、再度回折させる構成となっていれば、１つでも、３つ以上としてもよい。ただし、反射光を再び透過型回折格子３２の最大分散効率が得られる入射角度で確実に戻して、再度回折させるためには、反射ミラーの設置数は、２枚、４枚等の偶数枚が好ましい。
【００４０】
波長・角度分散部４０は、波長分散部３０から所定の大きさの光学的距離を介して設けられ、波長が分散された拡大基本波光Ｌ３（Ｌ３−３）を集光レンズ４２で集光して波長変換素子５０に導く機能を有する。本実施形態では、波長・角度分散部４０は、波長分散部３０から所定の大きさの光学的距離を介して設けられるので、横方向に位置ずれした各波長を単一の集光レンズ４２で集光することで、波長変換素子５０となるＰＰＬＮ結晶の持つ角度・波長・温度の位相整合条件の最適条件を達成させられる。なお、波長・角度分散部４０の設置条件となる波長分散部３０からの光学的距離の詳細については、後述する。
【００４１】
一般的に、ＣＷ単一モード発振の高出力ファイバーレーザーでは、中心波長１０６４ｎｍに対するスペクトル幅が０．１ｎｍ程度であり、Δλ／λが１０−４以上の波長分解能が必要になる。その際におけるこの波長幅に対する分散角が０．１ｍｒａｄ程度にしかならないので、ＰＰＬＮ等の波長変換素子５０の波長・角度分散補償の要求値と比較すると桁違いに小さい。
【００４２】
そこで、本実施形態では、波長分散部３０から集光レンズ４２まで、所定の大きさの光学的距離として数ｍ程度の光路長を持たせるようにしているので、図２に示すように、基本波光Ｌ１に含まれる各波長ごとに集光レンズ４２の幅方向における位置を分散させることができる。すなわち、波長分散部３０から距離を挟んで波長・角度分散部４０を設けることによって、ＰＰＬＮ結晶５０の前段側に設けられる集光レンズ４２の位置において、基本波光Ｌ１に含まれる各波長に応じた入射横方向位置を取らせることができる。このため、波長・角度分散部４０の集光レンズ４２によって、拡大基本波光Ｌ３が基本波光Ｌ１に含まれる各波長に応じた最適な入射角度で波長変換素子５０に導かれるようになる。
【００４３】
前述したように、ＰＰＬＮ等の非線形光学結晶からなる波長変換素子５０は、角度依存性を有しており、高い効率で波長変換を行なうためには、この波長変換素子５０に入射するレーザー光の入射角を厳密に調節して位相整合をとる必要がある。このため、従来では、高効率な波長変換を実現するために、単一周波数のレーザー光が用いられていた。
【００４４】
これに対して、本実施形態では、拡大光学系部１０でビーム径が拡大された基本波光Ｌ２を回折格子３２に透過させることによって、その波長を分散させた拡大基本波光Ｌ３を所定の光学的距離を経由させてから集光レンズ４２で集光する。このため、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光でも、当該レーザー光に含まれる各波長ごとに最適な入射角で波長変換素子５０に導くことができるので、効率的な波長変換が実現される。具体的には、図３に示すように、従来の波長変換装置による非波長・角度分散に比べて、本実施形態の波長変換装置１による波長・角度分散の場合では、１０Ｗ以上の入力で５０％以上の変換効率の改善が見られた。
【００４５】
なお、実際の波長角度分散型光学系の設計では、拡大基本波光Ｌ３の集光レンズ４２への入射角を固定した状態で、当該入射光の波長に対する最適結晶温度を測定し（λopt＝ｆ（Ｔopt））、次に、入射光の波長を固定して、それぞれの入射角での最適温度依存性を測定する（θopt =ｇ（Ｔopt））。そして、これらの２つの関数から、入射角と波長との関係を示す関数θopt =ｈ（λopt）を導出する。すなわち、拡大基本波光Ｌ３の集光レンズ４２への入射角度を固定して波長と温度との関係と、波長を固定して角度と温度との関係と、温度を固定したときの角度と波長との関係を調べることを行って、その中で一番いい関係のものを選び出す。本実施形態では、一例として、結晶長３０ｍｍのＭｇＯ・ＰＰＬＮ結晶では、０．１ｎｍ のバンド幅で１２６ｍｒａｄの角度分散が必要になる。
【００４６】
次に、本発明の一実施形態に係る波長変換装置における波長・角度分散部４０の設置条件となる波長分散部３０からの光学的距離の詳細について、図面を使用しながら説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成を説明する模式図であり、図５及び図６は、本発明の一実施形態に係る波長変換装置の要部の詳細説明図である。なお、図４では、説明の便宜上、波長分散部３０を１つの回折格子３２のみで構成される場合を示し、また、波長分散部３０から回析後の拡大基本波光Ｌ３が直接、波長・角度分散部４０に導かれる場合を示している。また、図５は、波長変換装置１の要部として、主に波長分散部３０と波長・角度分散部４０との光学的距離、図６は、波長変換装置１の要部として、波長分散部３０における入射角と回折角との関係を示す。
【００４７】
本実施形態では、狭窄化されていないレーザー光を効率よく波長変換するために、波長・角度分散部４０の集光レンズ４２を、波長分散部３０の回折格子３２から所定の大きさの光学的距離を介して設置する必要がある。すなわち、横方向に位置ずれした各波長のレーザー光を集光レンズ４２で集光して波長変換素子５０に導くために、波長・角度分散部４０は、波長分散部３０から所定の大きさの距離を置いて設けられる。
【００４８】
具体的には、波長・角度分散部４０は、波長分散部３０との間に有する所定の大きさの光学的距離として、下記の条件式（１）を満たすように設定される。
Ｌ／ｆ＝１．２６×δｃｏｓβ・・・（１）
Ｌ：回折格子と集光レンズとの距離
ｆ：集光レンズの焦点距離
δ：回折格子の溝の間隔
β：回折格子による回折角
【００４９】
上記の条件式（１）を算出する過程を以下で説明する。図５に示すように、波長分散部３０と波長・角度分散部４０との間に有する光学的距離となる回折格子３２から集光レンズ４２までの距離をＬ、集光レンズ４２の位置での拡大基本波光Ｌ３の波長差による横方向の広がりの大きさをΔｘ、集光レンズ４２の焦点距離をｆ、回折格子３２による回折角の広がりをΔβ、集光レンズ４２による集光角度をΔθとすると、これらは、下記の条件式（２）及び（３）を満たす。
Δｘ＝ＬΔβ  ・・・（２）
Δθ＝Δｘ／ｆ・・・（３）
【００５０】
一方、図６に示すように、波長分散部３０における拡大基本波光Ｌ２の入射角をα、回折格子による回折角をβ、回折格子３２の溝３２ａの間隔をδとすると、当該回折格子３２における回折格子方程式は、以下の式（４）で表される。
δ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ・・・（４）（ｍ：回折次数、λ：波長）
【００５１】
上記の式（４）に示すシステムにおいて、ｍ＝１であり、使用する回折格子３２によって、最適入射角αと溝間隔δが決定済みの定数となることから、上記の式（４）を微分すると、下記の式（５）が得られる。
【００５２】
【数１】
2015206834.tif 000003
【００５３】
上記の式（５）に前述した条件式（２）及び（３）を代入して整理すると、下記の関係式（６）が得られる。
【００５４】
【数２】
2015206834.tif 000004
【００５５】
上記の式（６）の左辺の値は、波長変換素子５０となるＰＰＬＮの長さと分極周期で決定される。本実施形態では、Δθ／Δλの値が例えば、１．２６（ｒａｄ／ｎｍ）となる。従って、上記の式（６）にΔθ／Δλの値として１．２６を代入すると、前述した関係式（１）が得られる。
【００５６】
このように、本実施形態では、前述した関係式（１）を満たすように、回折格子３２と集光レンズ４２との距離Ｌと集光レンズ４２の焦点距離ｆの組み合わせを決定する。すなわち、本実施形態では、横方向に位置ずれした各波長のレーザー光を集光レンズ４２で集光して波長変換素子５０に導くことによって、狭窄化されていないレーザー光を効率よく波長変換するために、集光レンズ４２と波長分散部３０の回折格子３２との設置条件となる光学的距離、すなわち回折格子３２と集光レンズ４２との距離Ｌを設定する。
【００５７】
次に、本発明の一実施形態に係る波長変換装置による波長変換方法について、図面を使用しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る波長変換方法の概略を示すフロー図である。
【００５８】
本発明の一実施形態に係る波長変換方法は、基本波光の波長を波長変換素子によって変換する。本実施形態では、まず、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光、すなわち、発振スペクトルが非狭窄化されたレーザー光を基本波光として連続的に発振する（レーザー光発振工程Ｓ１１）。
【００５９】
次に、拡大光学系部２０の第１レンズ２２と第２レンズ２４との距離を調整しながら、基本波光Ｌ１のビーム径を拡大する（ビーム径拡大工程Ｓ１２）。本実施形態では、後段側に設けられる波長分散部３０によって、狭窄化されていないレーザー光の波長を分散させ易くするために、基本波光Ｌ１のビーム径を拡大する。また、波長分散部３０の回折格子３２で回折後の拡大基本波光Ｌ３を集光レンズ４２で集光して波長変換素子５０に導く際に、拡大基本波光Ｌ３が集光レンズ４２で各波長ごとに明確に色分けされるようにするために、基本波光Ｌ１のビーム径を所望の大きさとなるように調整する。
【００６０】
その後、ビーム径が拡大された拡大基本波光Ｌ２を波長分散部３０の回折格子３２に透過させて、当該拡大基本波光の波長を分散させる（波長分散工程Ｓ１３）。本実施形態では、波長分散部３０は、９０％以上の高い回折効率を有する透過型回折格子３２から構成されるので、この透過型回折格子３２によって拡大基本波光Ｌ２を回折させて、かかる拡大基本波光Ｌ３の波長を分散させる。
【００６１】
次に、波長が分散された拡大基本波光Ｌ３を回折格子３２から所定の大きさの光学的距離を介して設けられた波長・角度分散部４０の集光レンズ４２によって、波長変換素子５０に導く（波長・角度分散工程Ｓ１４）。本実施形態では、波長・角度分散部４０は、波長分散部３０から所定の大きさの光学的距離を介して設けられるので、横方向に位置ずれした各波長を単一の集光レンズ４２で集光することで、波長変換素子５０の持つ角度・波長・温度の位相整合条件の最適条件を達成させられる。
【００６２】
このようにして、本実施形態では、基本波光Ｌ１のビーム径を拡大されてから、かかる拡大基本波光Ｌ２を回折格子３２に透過させて波長分散させる。そして、その波長を分散させた拡大基本波光Ｌ３が、所定の光学的距離を経由して集光レンズ４２で集光させてから、波長変換素子５０に導かれる。このため、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光でも、波長が異なることによる位相不整合を解消して、当該レーザー光に含まれる各波長ごとに好適な入射角で波長変換素子５０に導けるので、効率的に波長変換できるようになる。
【００６３】
また、本実施形態の波長変換装置１及び波長変換方法では、単一周波数レーザー光や超短パルスレーザーと異なり、高出力な連続発振ファイバーレーザー等の簡便で光子コストに優れ、発振スペクトルが狭窄化されていない質の良くないレーザー光でも、その波長を変換することによって、所望の用途に適用可能な高調波光に変換することができる。このため、発振スペクトルが狭窄化されていないレーザー光でも波長変換することによって、波長変換後の高調波光の適用範囲を広げられ、その光源のコスト削減も実現されるようになる。
【００６４】
例えば、金属の切断や加工等において、加工用の数百Ｗ以上のＣＷファイバーレーザーでも、波長を１／２の大きさ等に高効率で波長変換することによって得られる波長変換後の高調波光でその加工精度を向上させられる。また、高出力連続ＣＷレーザーを波長変換することによって、その波長変換後の高調波光をレーザーディスプレイにおけるＲＧＢの緑色光源として、より廉価に適用することも可能である。さらに、波長変換後の高調波光による緑色光によって、チタンサファイヤを励起してフェムト秒レーザーの発振に適用することもできる。
【００６５】
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００６６】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、波長変換装置の構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１  波長変換装置、１０  レーザー発振部、１２  ファイバーレーザー、１４  ファラデーアイソレーター、１６  λ／２波長板、２０  拡大光学系部、２２  第１レンズ、２４  第２レンズ、３０  波長分散部、３２、透過型回折格子（回折格子）、３４、３６、３８  反射ミラー、４０  波長・角度分散部、４２  集光レンズ、５０  波長変換素子、ｆ  焦点距離、Ｌ  光学的距離、Ｌ１  基本波光、Ｌ２、Ｌ３  拡大基本波光、Ｓ１１  レーザー光発振工程、Ｓ１２  ビーム径拡大工程、Ｓ１３  波長分散工程、Ｓ１４  波長・角度分散工程
【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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