(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第１の周期的分極反転部を有し基本波を２倍波に変換する２倍波変換部と、前記２倍波変換部及び光の進行方向に直列に配置され前記第１分極反転周期よりも短い第２分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第２の周期的分極反転部を有し前記基本波と前記２倍波とに基づき３倍波を生成する３倍波変換部とを備える疑似位相整合素子と、
前記疑似位相整合素子の一方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部の温度を調整する温度調整素子と、
前記疑似位相整合素子の他方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部に圧力を印加する圧力印加部を備え、
前記温度調整素子の温度と前記圧力印加部の圧力とを変化させることにより前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部を同時に位相整合させることを特徴とする波長変換光学装置。
【請求項２】
第１分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第１の周期的分極反転部を有し基本波を２倍波に変換する２倍波変換部と、前記２倍波変換部及び光の進行方向に直列に配置され前記第１分極反転周期よりも短い第３分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第３の周期的分極反転部を有し前記２倍波とに基づき４倍波を生成する４倍波変換部とを備える疑似位相整合素子と、
前記疑似位相整合素子の一方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部の温度を調整する温度調整素子と、
前記疑似位相整合素子の他方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部に圧力を印加する圧力印加部を備え、
前記温度調整素子の温度と前記圧力印加部の圧力とを変化させることにより前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部を同時に位相整合させることを特徴とする波長変換光学装置。
【請求項３】
前記疑似位相整合素子は、ＭｇＳＬＴ又はＭｇＬＮからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波路型の波長変換光学装置。
【請求項４】
前記基本波を発振する半導体レーザと、
前記半導体レーザからの前記基本波を入射する請求項１乃至３のいずれか１項の波長変換光学装置と、
を備え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、単一素子で基本波を３倍波又は４倍波に変換する疑似位相整合（Quasi  Phase  Matching）素子（ＱＰＭ素子）を用いた波長変換光学装置及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＱＰＭ素子は、周期分極反転構造を形成した波長変換素子からなる。このＱＰＭ素子において、基本波を３倍波（第３高調波）に変換させる方法が知られている。この方法は、第１の非線形結晶からなる２倍波変換部（ＳＨＧ部）により基本波を２倍波（第２高調波）に波長変換し、２倍波変換部により変換された２倍波と、２倍波変換部で２倍波に変換されなかった基本波とを第２の非線形結晶からなる３倍波変換部（ＴＨＧ部）により、和周波として３倍波を発生させている。
【０００３】
しかし、２倍波変換部と３倍波変換部を１つの素子に直列に含み、素子全体が均一に温度調整される場合で、基本波波長のバラツキにより２倍波変換部と３倍波変換部とが同時に位相整合しない場合には、対処が必要となる。
【０００４】
このような場合には、素子全体の温度と温度以外のパラメータを用いて屈折率を変化させ、２倍波変換部と３倍波変換部との両方を、与えられた波長で共に位相整合させる手法が考えられる。屈折率を変換させる方法としては、電圧印加が知られている（特許文献１〜特許文献５）。
【０００５】
また、特許文献６は、図７、図８に示すように、表面にプロトン交換光導波路１０５が形成されたＱＰＭ導波路を開示する。図７では、電極１１０によってコア部に分極反転方向によらずに一様に電圧が印加されている。図８では、分極反転部１０４の分極方向の向きに応じて電圧印加の向きが変わるように電極１１０が形成されている。いずれの例の場合でも分極反転部１０４の結晶に電圧が印加されることにより屈折率変化が発生して位相整合条件が調整される。
【０００６】
また、非特許文献１では、図９に示すように、３倍波変換部ＴＨＧをファンアウト状の分極反転パターンで形成し、素子を上下方向にずらすことにより、分極反転周期を変化させて、いずれかの部分で２倍波変換部ＳＨＧと３倍波変換部ＴＨＧが同時に位相整合できるようにしている。
【０００７】
また、特許文献７には、図１０に示すように、接合された２つの非線形光学結晶２０Ａ、２０Ｂに例えば一様に作用する圧力及び／又は温度を調整することにより位相整合条件を満たすように調整する圧力調整手段３２を有する波長変換装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２８３６８６号公報
【特許文献２】特開平５−１００２６６号公報
【特許文献３】特開平５−１４２６０８号公報
【特許文献４】特開平５−２８９１３５号公報
【特許文献５】特開平６−２７３８１６号公報
【特許文献６】特開平７−２７０６３２号公報
【特許文献７】特開２０１０−２７１６３３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Junji Hirohashi et al.:PPMgSLT device for cascaded 355nm generation
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜特許文献６では、結晶に電圧が印加されることにより屈折率が変化し位相整合条件が調整される。しかし、周期的分極反転部に一様に電圧が印加されると、分極方向によって屈折率変化が異なるため、分極が変化する界面で反射が生じ、損失が発生する。この損失をなくすためには、分極毎に電圧印加方向を逆転させることが必要であるが、微細な加工が必要であり、電極同士の短絡も発生しやすい。
【００１１】
非特許文献１では、高出力を得るために、しばしばビームの径を広げるとともに作用長を長く取る必要がある。この場合、素子では光軸に垂直方向に分極反転周期が連続的に変化するため、ビーム径が大きくなると、位相整合に寄与しない基本波成分の効率が低下する。また、作用長が長いと位相整合温度特性の許容幅は狭くなるが、素子では厳密に位相整合するのは、光軸に垂直な方向の１点であるため、効率が低下する。
【００１２】
本発明の課題は、界面での反射による損失がなく、大きなビーム径、長い作用長での効率低下を回避することができる波長変換光学装置及びレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、第１分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第１の周期的分極反転部を有し基本波を２倍波に変換する２倍波変換部と、前記２倍波変換部及び光の進行方向に直列に配置され前記第１分極反転周期よりも短い第２分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第２の周期的分極反転部を有し前記基本波と前記２倍波とに基づき３倍波を生成する３倍波変換部とを備える疑似位相整合素子と、前記疑似位相整合素子の一方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部の温度を調整する温度調整素子と、前記疑似位相整合素子の他方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部に圧力を印加する圧力印加部を備え、前記温度調整素子の温度と前記圧力印加部の圧力とを変化させることにより前記２倍波変換部及び前記３倍波変換部を同時に位相整合させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、第１分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第１の周期的分極反転部を有し基本波を２倍波に変換する２倍波変換部と、前記２倍波変換部及び光の進行方向に直列に配置され前記第１分極反転周期よりも短い第３分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第３の周期的分極反転部を有し前記２倍波とに基づき４倍波を生成する４倍波変換部とを備える疑似位相整合素子と、前記疑似位相整合素子の一方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部の温度を調整する温度調整素子と、前記疑似位相整合素子の他方の面に配置され、直列に配置された前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部に圧力を印加する圧力印加部を備え、前記温度調整素子の温度と前記圧力印加部の圧力とを変化させることにより前記２倍波変換部及び前記４倍波変換部を同時に位相整合させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧力印加部が第１の周期的分極反転部と第２の周期的分極反転部に圧力を印加して圧力を変化させ、温度調整素子が２倍波変換部と３倍波変換部の温度を変化させることにより、２倍波変換部と３倍波変換部とを同時に位相整合させる。この場合、周期的分極反転部の分極の方向がどちらを向いていても圧力による屈折率変化は等しいため、分極が変化する界面で反射は生ぜず、損失は生じない。
【００１６】
また、分極反転パターンは、２倍波変換部と３倍波変換部の各々の内部では平行な細線パターンであるため、大きなビーム径、長い作用長での効率低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１の波長変換光学装置の座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）のＸ軸（光の進行方向）に沿った断面図である。
【図２】本発明の実施例１の波長変換光学装置のＺ−Ｚ間の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の波長変換光学装置のＸ−Ｘ間の断面図である。
【図４】本発明の実施例１の波長変換光学装置の基本波波長の設計時想定値からのずれが生じたときに２倍波変換部と３倍波変換部を同時に位相整合させるために必要な設計時想定温度との差分と設計時想定値圧力との差分を示す図である。
【図５】本発明の実施例３の波長変換光学装置の断面図である。
【図６】本発明の実施例４の波長変換光学装置を含むレーザ装置を示す図である。
【図７】特許文献６に記載された波長変換素子の一例を示す図である。
【図８】特許文献６に記載された波長変換素子の他の一例を示す図である。
【図９】非特許文献１に記載された波長変換素子の一例を示す図である。
【図１０】特許文献７に記載された波長変換素子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の波長変換光学装置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。
【００１９】
特許文献７では、ＱＰＭ素子を使用しておらず、２つの非線形光学結晶２０Ａ、２０Ｂの接合面が光軸と平行であるのに対して、本発明の波長変換光学装置は、前半部分である２倍波変換部と後半部分である３倍波変換部とが光軸方向に直列に並べていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、直列に配置された異なる部分である２倍波変換部と３倍波変換部の位相整合条件が圧力を調整することにより（温度変化も併用して）同時に満たされることを特徴とする。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１の波長変換光学装置の座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）のＸ軸（光の進行方向）に沿った断面図である。図２は、本発明の実施例１の波長変換光学装置のＺ−Ｚ間の断面図である。図３は、本発明の実施例１の波長変換光学装置のＸ−Ｘ間の断面図である。
【００２２】
図１に示す波長変換光学装置は、２倍波変換部１、３倍波変換部２、温調素子（本発明の温度調整素子に対応）３、圧力印加部４を備える。２倍波変換部１及び３倍波変換部２は、一体化されたＱＰＭ素子からなる。
【００２３】
２倍波変換部１及び３倍波変換部２は、非線形結晶からなり、この結晶としては、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３、即ちＭｇＬＮを用いる。あるいは、２倍波変換部１及び３倍波変換部２の結晶として、ＭｇＳＬＴを用いても良い。
【００２４】
光軸は、結晶のＸ結晶軸及びＹ結晶軸が作る面内に平行であり、光の基本波波長λは、１５５０ｎｍ付近であり、偏光方向はＺ軸結晶と一致している。
【００２５】
２倍波変換部１は、図３に示すように、第１分極反転周期を持つ平行な分極反転パターン１ａからなる第１の周期的分極反転部を有し、入射される基本波を２倍波に変換する。
【００２６】
３倍波変換部２は、２倍波変換部１及び光の進行方向に直列に配置され、第１分極反転周期よりも短い第２分極反転周期を持つ平行な分極反転パターン２ａからなる第２の周期的分極反転部を有し、２倍波変換部１で波長変換されなかった基本波と２倍波変換部１で波長変換された２倍波とから和周波である３倍波を生成する。
【００２７】
温調素子３は、ペルチェ素子等からなり、直列に配置された２倍波変換部１及び３倍波変換部２の下面（結晶のＺ−側）に配置され、２倍波変換部１及び３倍波変換部２の温度を調整する。
【００２８】
圧力印加部４は、油圧機構やピエゾ素子等からなり、直列に配置された２倍波変換部１及び３倍波変換部２の上面（結晶のＺ＋側）に配置され、２倍波変換部１及び３倍波変換部２に圧力を印加する。
【００２９】
Ｚ軸方向へ引っ張ることができるように、結晶である２倍波変換部１及び３倍波変換部２と温調素子３と圧力印加部４とは、接着剤等により接着されている。
【００３０】
例えば、圧力ｐ０をＺ＋方向から下方に印加しているとき（下方の向きを圧力の正方向とする）、ある条件、例えば、基本波波長１５５０ｎｍ、素子温度３５℃で２倍波変換部１と３倍波変換部２をともに位相整合させるように設計しておく。
【００３１】
例えば、波長λ０＝１５５０ｎｍ、温度Ｔ０＝３５℃、２倍波変換部１の分極反転周期ΛＳ＝２０．８７μｍ、３倍波変換部２の分極反転周期ΛＴ＝７．０９μｍ、圧力ｐ０＝０ＭＰａのときに位相整合する。
【００３２】
図４は、基本波波長の設計時想定値からのずれが生じたときに２倍波変換部１と３倍波変換部２を同時に位相整合させるために必要な設計時想定温度との差分と設計時想定値圧力との差分を示している。
【００３３】
基本波の波長のばらつきΔλ（ｎｍ）に対して、図４に示すように位相整合温度をΔＴ、印加圧力をΔｐ変化させると、２倍波変換部１と３倍波変換部２とが同時に位相整合する。
【００３４】
基本波光源としてファイバレーザを用いる場合、基本波長のばらつきΔλは、典型的には｜Δλ｜＜０．１ｎｍである。この範囲のばらつきΔλに対しては、｜ΔＴ｜＜０．０１Ｋ、｜Δｐ｜＜１００ＭＰａで対応できる。なお、Ｋはケルビンである。Ｔは絶対温度である。
【００３５】
このように、基本波の波長のばらつきΔλに対して、温調素子３の温度と圧力印加部４の圧力とを変化させることにより２倍波変換部１及び３倍波変換部２を同時に位相整合させることができる。
【００３６】
次に、ΔＴとΔｐの求め方について説明する。まず、結晶に圧力が印加されない状態での温度付き分散曲線をｎ（λ，Ｔ）とする。２倍波変換部１の分極反転周期をΛＳとし、３倍波変換部２の分極反転周期をΛＴとする。設計では、波長λ０、温度Ｔ０、圧力ｐ０のときに２倍波変換部１と３倍波変換部２が同時に位相整合しているとする。
【００３７】
関数ｎｉ（λ，Ｔ）ｉ＝１，２，３…を式（１）により定義する。
ｎｉ（Δλ，ΔＴ，Δｐ）≡ｎ（（λ０＋Δλ）／ｉ，Ｔ０＋ΔＴ，ｐ０＋Δｐ）
…（１）
以上の表記を用いると、ΔＴ＝０，Δｐ＝０のとき、２倍波変換部１と３倍波変換部２では、それぞれ
ΛＳ＝λ０／｛２ｎ２（０，０，０）−２ｎ１（０，０，０）｝…（２）
ΛＴ＝λ０／｛３ｎ３（０，０，０）−ｎ１（０，０，０）−２ｎ２（０，０，０）｝
…（３）
となっている。式（２），（３）の状態からＴ０→Ｔ０＋ΔＴ、ｐ０→ｐ０＋Δｐとして２倍波変換部１と３倍波変換部２ともに、位相整合波長がλ０→λ０＋Δλに変化するということは、以下の式（４），（５）が同時に成立することである。
ΛＳ＝（λ０＋Δλ）／｛２ｎ２（Δλ，ΔＴ，Δｐ）−２ｎ１（Δλ，ΔＴ，Δｐ）｝
…（４）
ΛＴ＝（λ０＋Δλ）／｛３ｎ３（Δλ，ΔＴ，Δｐ）−ｎ１（Δλ，ΔＴ，Δｐ）−２ｎ２（Δλ，ΔＴ，Δｐ）｝                                              …（５）
式（４），（５）において、波長のずれΔλを所与の量とすれば、式（４），（５）の２式を２つの変数ΔＴ，Δｐを調整することにより、成立させることになる。変数が２個で式が２つであるので、一般的には２つの変数ΔＴ，Δｐを求めることができる。
【００３８】
次に、実施例１において計算に用いたｎ（λ，Ｔ，ｐ）について説明する。結晶がＭｇＬＮである場合、主応力σ１１、σ２２、σ３３に対して、係数π３１、π３３を用いて
Δ（１／ｎｅ２）＝π３１・σ１１＋π３１・σ２２＋π３３・σ３３…（６）
となる。
【００３９】
屈折率の変化が微小であるので、式（６）は、式（７）に変形できる。
Δｎｅ＝−ｎｅ３（π３１・σ１１＋π３１・σ２２＋π３３・σ３３）／２…（７）
ＭｇＬＮのＺ板を用いてＺ方向に圧力ｐを印加すると、σ３３＝−ｐ、σ１１＝σ２２＝０と仮定する。すると、
Δｎｅ＝ｎｅ３・π３３・ｐ／２…（８）
異常光屈折率ｎｅのセルマイヤ方程式をｎｅ（λ，Ｔ）とし、ｎ（λ，Ｔ，ｐ）を
ｎ（λ，Ｔ，ｐ）≡ｎｅ＋Δｎｅ＝ｎｅ＋（ｎｅ３・π３３・ｐ）／２＝ｎｅ（λ，Ｔ）３・π３３・ｐ／２とした。π３３は０．３２×１０−１２〔Ｐａ−１〕とした。
【００４０】
このように実施例１の波長変換光学装置によれば、圧力印加部４が第１の周期的分極反転部と第２の周期的分極反転部に圧力を印加し、温調素子３が２倍波変換部１と３倍波変換部２の温度を調整することにより、２倍波変換部１と３倍波変換部２を同時に位相整合させる。このため、周期的分極反転部の分極の方向がどちらを向いていても圧力による屈折率変化は等しいため、分極が変化する界面で反射は生ぜず、損失は生じない。
【００４１】
また、分極反転パターンは、２倍波変換部１と３倍波変換部２の各々の内部では平行な細線パターンであるため、大きなビーム径、長い作用長での効率低下を回避することができる。
【実施例２】
【００４２】
次に、本発明の実施例２の波長変換光学装置を説明する。実施例１の波長変換光学装置では、｜Δλ｜＜０．１ｎｍの波長ばらつきに対処するためには、ｐ≡ｐ０＋Δｐ＜０が必要な場合もある。この場合、結晶を圧力印加部４側に引っ張ることになるため、温調素子３と２倍波変換部１及び３倍波変換部２との界面、２倍波変換部１及び３倍波変換部２と圧力印加部４との界面の接着強度に配慮する必要がある。
【００４３】
これに対して、実施例２の波長変換光学装置は、波長λ０＝１５５０ｎｍ、温度Ｔ０＝３５℃、圧力ｐ０＝１００ＭＰａ、ΛＳ＝２０．８７μｍ、ΛＴ＝７．０９μｍのときに位相整合するようにしておく。
【００４４】
Δλ−ΔＴ−Δｐの関係は、図４に示すものと同じであるので、実施例１の波長変換光学装置と同様にファイバレーザの典型的波長ばらつき｜Δλ｜＜０．１ｎｍに対して、｜ΔＴ｜＜０．０１Ｋ、｜Δｐ｜＜１００ＭＰａで対応可能である。
【００４５】
しかし、この範囲では、２倍波変換部１及び３倍波変換部２に印加される圧力ｐ≡ｐ０＋Δｐは、正であるため、常に圧力印加部４側から結晶側に圧力が印加される。これにより、温調素子３と２倍波変換部１及び３倍波変換部２との界面、２倍波変換部１及び３倍波変換部２と圧力印加部４との界面の接着強度は問わない。
【実施例３】
【００４６】
図５は、本発明の実施例３の波長変換光学装置の断面図である。図５に示す実施例３の波長変換光学装置は、図１に示す実施例１の波長変換光学装置に対して、３倍波変換部２に代えて、３倍波変換部２の位置に、４倍波変換部５を配置したことを特徴とする。
【００４７】
４倍波変換部５は、２倍波変換部１及び光の進行方向に直列に配置され第１分極反転周期よりも短い第３分極反転周期を持つ平行な分極反転パターンからなる第３の周期的分極反転部を有し２倍波変換部１からの２倍波に基づき４倍波を生成する。
【００４８】
このような構成された実施例３の波長変換光学装置によれば、圧力印加部４が第１の周期的分極反転部と第３の周期的分極反転部に圧力を印加し、温調素子３が２倍波変換部１と４倍波変換部５の温度を調整することにより、２倍波変換部１と４倍波変換部５を同時に位相整合させる。
【００４９】
また、基本波の波長のばらつきに対して、温調素子３の温度と圧力印加部４の圧力とを変化させることにより２倍波変換部１及び４倍波変換部５を同時に位相整合させることができる。
【実施例４】
【００５０】
図６は、本発明の実施例４の波長変換光学装置を含むレーザ装置を示す図である。図６に示すレーザ装置は、半導体レーザを有するレーザ光源１１、レンズ１２ａ，１２ｂ、ＱＰＭ素子１０、レンズ１３、光ファイバ１４を備える。
【００５１】
レーザ光源１１に有する半導体レーザは、レーザ光の基本波を発振して出力するもので、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。レンズ１２ａ，１２ｂは、レーザ光源１１からのレーザ光の基本波をＱＰＭ素子１０に導く。
【００５２】
ＱＰＭ素子１０は、実施例１乃至実施例３の波長変換光学装置であり、レンズ１２ｂからのレーザ光の基本波を入射して、基本波を高調波に変換してレンズ１３に出射する。レンズ１３は、ＱＰＭ素子１０で波長変換された高調波のレーザ光を光ファイバ１４に導く。
【００５３】
このように実施例１乃至実施例３の波長変換光学装置であるＱＰＭ素子１０をレーザ装置に適用することができるので、実施例４のレーザ装置においても、実施例１乃至実施例３の波長変換光学装置の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
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】
【００５５】
１  ２倍波変換部
1ａ，２ａ  分極反転パターン
２  ３倍波変換部
３  温調素子
４  圧力印加部
５  ４倍波変換部
１１  レーザ光源
１２ａ，１２ｂ  レンズ
１０  ＱＰＭ素子
１３  レンズ
１４  光ファイバ
【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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