(57)【要約】【課題】環境温度等の変化に拘わらず安定した出力の高調波光を発生させる。【解決手段】波長変換素子温度制御部４０は、グレーティング部６の温度Ｔｉを感温素子３１で検知し、温度Ｔｉにおけるグレーティング部６の反射波長帯域内に波長変換素子５の変換可能波長帯域が含まれるように、ペルチエ素子４１を駆動して、波長変換素子５の温度Ｔｃを制御する。【効果】環境温度等の変化に拘わらず安定した高調波光の出力が得られる。【選択図】  図１
2005010340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、グレーティング部を内部に形成した光ファイバと、前記半導体発光素子と前記光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を入射光としその入射光の高調波光を出力する波長変換素子と、前記グレーティング部の温度Ｔｉを検知するための第１の温度検知手段と、前記波長変換素子の温度Ｔｃを検知するための第２の温度検知手段と、前記温度Ｔｉにおいて前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域に前記温度Ｔｃにおける前記波長変換素子の変換可能波長帯域が適合するように前記温度Ｔｉに応じて前記温度Ｔｃを制御する波長変換素子温度制御手段とを具備することを特徴とする波長変換レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換レーザ装置において、前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域の温度係数がδλｉ［ｎｍ／℃］であり、前記波長変換素子の変換可能波長帯域の温度係数がδλｃ［ｎｍ／℃］であり、前記温度Ｔｃの変化量をΔＴｃ［℃］とし、前記温度Ｔｉの変化量をΔＴｉ［℃］としたとき、前記波長変換素子温度制御手段は、
ΔＴｃ＝（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉ
又は、
ΔＴｃ≒（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉ
が成り立つよう温度制御することを特徴とする波長変換レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の波長変換レーザ装置において、前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域の温度係数がδλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］であり、前記波長変換素子の変換可能波長帯域の温度係数がδλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］であり、前記温度Ｔｃの変化量をΔＴｃ［℃］とし、前記温度Ｔｉの変化量をΔＴｉ［℃］とし、ｋ＝０．１〜０．２としたとき、前記波長変換素子温度制御手段は、
ΔＴｃ＝ｋ×ΔＴｉ
が成り立つよう温度制御することを特徴とする波長変換レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換レーザ装置に関し、更に詳しくは、環境温度が変化しても安定して高調波光を出力することが出来る波長変換レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザダイオードと、グレーティング部を内部に形成した光ファイバとを組み合わせ、波長を安定化した半導体レーザモジュールが公知である（例えば、特許文献１参照。）。
また、グレーティング部で波長を固定したレーザ光を波長変換素子で高調波光へと波長変換する技術が公知である（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、環境温度が変化しレーザダイオードの波長が変わっても、波長変換素子の温度を変えることで、安定した高調波の出力を得る技術が公知である（例えば、特許文献３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１２０８２８号公報
【特許文献２】
特許第３２２３６４８号公報
【特許文献３】
特開平５−５３１６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
グレーティング部を内部に形成した光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域幅は例えば０．６［ｎｍ］であり、波長帯域の中心波長λｉはグレーティング部の温度変化によって例えばδλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］で変化する。
一方、波長変換素子で波長変換可能な波長帯域幅は例えば０．１［ｎｍ］であり、波長帯域の中心波長λｃは波長変換素子の温度変化によって例えばδλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］で変化する。
従って、グレーティング部の温度および波長変換素子の温度が共に基準温度Ｔｏの時に、光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域の中心波長λｉと波長変換素子で波長変換可能な波長帯域の中心波長λｃとが一致していたとしても、環境温度が変化してグレーティング部の温度および波長変換素子の温度が共に
ΔＴ＝｛グレーティング部の帯域幅／２
＋波長変換素子で変換可能な帯域幅／２｝
／（δλｃ−δλｉ）
＝｛（０．６／２）＋（０．１／２）｝／（０．０６−０．０１）
＝７℃
だけ変化すると、光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域と波長変換素子で波長変換可能な波長帯域とが完全にずれ、高調波光を全く出力できなくなる問題点があった。
【０００５】
しかし、上記問題点に対応できるような従来技術は知られていない。
そこで、本発明の目的は、環境温度が変化しても安定して高調波光を出力することが出来る波長変換レーザ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、半導体発光素子と、グレーティング部を内部に形成した光ファイバと、前記半導体発光素子と前記光ファイバとで構成される光共振器から出射した光を入射光としその入射光の高調波光を出力する波長変換素子と、前記グレーティング部の温度Ｔｉを検知するための第１の温度検知手段と、前記波長変換素子の温度Ｔｃを検知するための第２の温度検知手段と、前記温度Ｔｉにおいて前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域に前記温度Ｔｃにおける前記波長変換素子の変換可能波長帯域が適合するように前記温度Ｔｉに応じて前記温度Ｔｃを制御する波長変換素子温度制御手段とを具備することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による波長変換レーザ装置では、グレーティング部の温度Ｔｉの変化に起因して光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域が変化しても、その変化に追従するように、波長変換素子の温度Ｔｃを制御して波長変換素子の変換可能波長帯域を変化させる。従って、環境温度が変化しても安定して高調波光を出力することが出来る。
【０００７】
第２の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域の温度係数がδλｉ［ｎｍ／℃］であり、前記波長変換素子の変換可能波長帯域の温度係数がδλｃ［ｎｍ／℃］であり、前記温度Ｔｃの変化量をΔＴｃ［℃］とし、前記温度Ｔｉの変化量をΔＴｉ［℃］としたとき、前記波長変換素子温度制御手段は、
ΔＴｃ＝（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉ
又は、
ΔＴｃ≒（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉ
が成り立つよう温度制御することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
グレーティング部の温度変化ΔＴｉに対して波長変換素子の温度変化がΔＴｃであると、光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域がδλｉ×ΔＴｉだけ変化し、波長変換素子の変換可能波長帯域はδλｃ×ΔＴｃだけ変化する。ところが、上記第２の観点による波長変換レーザ装置では、ΔＴｃ＝（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉまたはΔＴｃ≒（δλｉ／δλｃ）×ΔＴｉであるから、δλｃ×ΔＴｃ＝δλｉ×ΔＴｉまたはδλｃ×ΔＴｃ≒δλｉ×ΔＴｉとなる。すなわち、波長帯域の変化量が一致または略一致する。従って、環境温度が変化しても安定して高調波光を出力することが出来る。
【０００８】
第３の観点では、本発明は、上記構成の波長変換レーザ装置において、前記光ファイバから前記波長変換素子に入射する基本波の波長帯域の温度係数がδλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］であり、前記波長変換素子の変換可能波長帯域の温度係数がδλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］であり、前記温度Ｔｃの変化量をΔＴｃ［℃］とし、前記温度Ｔｉの変化量をΔＴｉ［℃］とし、ｋ＝０．１〜０．２としたとき、前記波長変換素子温度制御手段は、
ΔＴｃ＝ｋ×ΔＴｉ
が成り立つよう温度制御することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
グレーティング部の温度変化ΔＴｉに対して波長変換素子の温度変化がΔＴｃであると、光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域が０．０１×ΔＴｉだけ変化し、波長変換素子の変換可能波長帯域は０．０６×ΔＴｃだけ変化する。ところが、上記第３の観点による波長変換レーザ装置では、ΔＴｃ＝（０．１〜０．２）×ΔＴｉであるから、０．０６×ΔＴｃ＝０．０６×（０．１〜０．２）×ΔＴｉ＝（０．００６〜０．１２）×ΔＴｉとなり、波長帯域の変化量が一致または略一致する。従って、環境温度が変化しても安定して高調波光を出力することが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態にかかる波長変換レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この波長変換レーザ装置１００は、光反射面１ａと光出射面１ｂとこれらの面で挟まれた領域に電流を注入することによりレーザ光を発生する半導体光増幅素子１と、半導体光増幅素子１が載置される載置板３３と、載置板３３を介して半導体光増幅素子１を温度制御するためのペルチエ素子３４と、半導体光増幅素子１で発生したレーザ光を集光するレンズ２と、内部にグレーティング部６を形成した光ファイバ３と、光ファイバ３から出射した光を集光するレンズ４と、レンズ４を介して入射された光の第２高調波光を出力する波長変換素子５と、波長変換素子５が載置される載置板３５と、載置板３５を介して波長変換素子５を温度制御するペルチエ素子４１と、グレーティング部６を挟む２カ所で光ファイバ３を保持する第１固定部１４及び第２固定部１５を有するグレーティング部伸張機構２０と、これらを格納する筐体１０と、グレーティング部６の温度Ｔｉを検知するための感温素子３１と、波長変換素子５の温度Ｔｃを検知するための感温素子３２と、波長変換素子５に入射する光の波長帯域に波長変換素子５の変換可能波長帯域が適合するように温度Ｔｉに応じて温度Ｔｃを制御する波長変換素子温度制御部４０とを備えている。
【００１１】
半導体光増幅素子１は、例えば波長が９００［ｎｍ］〜１１００［ｎｍ］の範囲のレーザ光を発生する。光反射面１ａには発生した光に対して高反射率となるコーティングが施され、光出射面１ｂには発生した光に対して低反射率となるコーティングが施されている。
【００１２】
光ファイバ３の入射側の端面３ａは、半導体光増幅素子１から出射した光がより多く入射するように、テーパ状またはくさび状に加工されていてもよい。この場合、レンズ２は不用である。
【００１３】
グレーティング部６は、光ファイバ３の一部に屈折率が周期的に変動するような加工を施して形成されている。例えば、エキシマレーザ等の紫外レーザをビームスプリッタで２光束に分け、異なる光路を通した後、光ファイバ上に重ね合わせて照射し、干渉縞を発生させ、紫外線強度に応じて生じる光ファイバのフォトリフラクティブ効果により、干渉縞と同じ間隔で周期的に屈折率を変動させることにより形成されている。グレーティングの周期および長さを適宜設定することにより、帯域幅，中心波長および反射率を自由に設定できる。
【００１４】
グレーティング部６は、例えば、０．６［ｎｍ］の帯域幅を持ち、９００［ｎｍ］〜１１００［ｎｍ］の間に中心波長λｉを持つ光のみを反射する。
【００１５】
グレーティング部伸張機構２０は、ベース２１と、そのベース２１上をスライドしうる移動ナット２２と、その移動ナット２２に螺合しているネジ棒２３と、そのネジ棒２３を手動または工具を用いて回転させうる操作部２４とを具備している。そして、第１固定部１４はベース２１に設けてあり、第２固定部１５は移動ナット２２に設けてある。第１固定部１４および第２固定部１５は、接着剤または半田付けなどにより、光ファイバ３を固定的に保持している。
【００１６】
操作部２４を回してネジ棒２３を回すと、移動ナット２２がベース２１上をスライドし、第１固定部１４と第２固定部１５の間隔が変わる。これにより、グレーティング部６が伸縮し、屈折率が変動する周期が変わり、光ファイバ３から波長変換素子５へと出射する光の中心波長λｉを調整できる。
【００１７】
半導体光増幅素子１とグレーティング部６とで光共振器が構成される。すなわち、半導体光増幅素子１を出射した光は、レンズ２で集光され、光ファイバ３の入射側端面３ａに入射される。光ファイバ３に入射した光は、グレーティング部６で決定される波長帯域の光が反射され、半導体光増幅素子１へ戻り、半導体光増幅素子１で増幅され、再び半導体光増幅素子１を出射し、光ファイバ３に入射する。これが繰り返されることにより、グレーティング部６で決定される波長帯域の光が光ファイバ３の出射側端面３ｂから出射される。
【００１８】
光ファイバ３の出射側端面３ｂから出射された光は、レンズ４で波長変換素子５の端面５ａに集光される。レンズ４には、反射防止膜が施されている。
【００１９】
波長変換素子５は、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、あるいはこれらに分極反転処理を施したものに、光導波路を形成したものである。波長変換素子５は、例えば波長９００［ｎｍ］〜１１００［ｎｍ］の光が入射することにより、その第２高調波である波長４５０［ｎｍ］〜５５０［ｎｍ］の光を発生する。
【００２０】
感温素子３１で検知した温度は、筐体１０内のグレーティング部６の近傍の温度であるが、グレーティング部６の温度Ｔｉとみなす。
感温素子３２で検知した温度は、載置板３５の温度であるが、波長変換素子５の温度Ｔｃとみなす。
感温素子３１および３２は、例えばサーミスタである。
【００２１】
波長変換素子温度制御部４０は、ペルチェ素子４１と、グレーティング部６の温度Ｔｉを電圧Ｖｉに変換する変換回路４２と、波長変換素子５の温度Ｔｃを電圧Ｖｃに変換する変換回路４３と、電圧Ｖｉに基準電圧Ｖｏを加算した電圧Ｖｓを出力する加算回路４４と、電圧Ｖｓと電圧Ｖｃの差に基づいてペルチェ素子４１の駆動電流Ｉｐを出力する駆動回路４５とを有している。
そこで、次の関係がある。
Ｖｉ＝Ａ１・Ｔｉ                                    …（１）
Ｖｃ＝Ａ２・Ｔｃ                                    …（２）
Ｖｓ＝Ｖｉ＋Ｖｏ                                    …（３）
Ｉｐ＝Ａ３・（Ｖｓ−Ｖｃ）                          …（４）
なお、Ａ１，Ａ２，Ａ３は、変換係数である。
【００２２】
また、グレーティング部６の温度Ｔｉおよび波長変換素子５の温度Ｔｃが共に基準温度Ｔｏの時に、光ファイバ３から波長変換素子５に入射する基本波の波長帯域の中心波長λｉｏと波長変換素子５で波長変換可能な波長帯域の中心波長λｃｏとが一致するなら、（１）〜（４）式で、Ｔｉ＝Ｔｃ＝Ｔｏ，Ｉｐ＝０となるから、整理すれば、次の関係がある。
０＝Ａ３・（Ａ１・Ｔｏ＋Ｖｏ−Ａ２・Ｔｏ）          …（５）
【００２３】
図２は、波長変換素子温度制御部４０の制御ループを示すブロック図である。
ブロックＢ１は、変換回路４２，変換回路４３，加算回路４４，駆動回路４５の変換関数を表している。この変換関数は、（１）〜（５）式より導くことが出来る。
ブロックＢ２は、ペルチェ素子４１における電流−温度変換関数を表している。この電流−温度変換関数は、Ａ４を変換係数として、次式で表されるものとする。
Ｔｃ＝Ａ４・Ｉｐ                                    …（６）
【００２４】
（１）〜（６）式より、次式が導かれる。
ΔＴｃ＝ｋ・ΔＴｉ                                  …（７）
ただし、
ΔＴｃ＝Ｔｃ−Ｔｏ                                  …（８）
ΔＴｉ＝Ｔｉ−Ｔｏ                                  …（９）
ｋ＝Ａ１・Ａ３・Ａ４／（１＋Ａ２・Ａ３・Ａ４）      …（１０）
とする。
【００２５】
ここで、光ファイバ３から波長変換素子５に入射する基本波の波長帯域の温度係数がδλｉ［ｎｍ／℃］であり、波長変換素子５の変換可能波長帯域の温度係数がδλｃ［ｎｍ／℃］であるとき、
ｋ＝δλｉ／δλｃ
又は、
ｋ≒δλｉ／δλｃ
が成立するように、変換係数Ａ１〜Ａ４を定める。
例えば、δλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］，δλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］であれば、
ｋ＝１／６
又は、
ｋ＝０．１〜０．２
が成立するように、変換係数Ａ１〜Ａ４を定める。
【００２６】
図３は、グレーティング部６の反射波長帯域（すなわち、光ファイバ３から波長変換素子５に入射する基本波の波長帯域）の温度特性と、ｋ＝１／６として温度制御したときの波長変換素子５の変換可能波長帯域の温度特性とを示している。
なお、グレーティング部６の反射波長帯域の温度係数δλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］，帯域幅は０．６［ｎｍ］、波長変換素子５の変換可能波長帯域の温度係数δλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］，帯域幅は０．１［ｎｍ］としている。
図３から判るように、温度Ｔｉに応じて温度Ｔｃが制御されているため、温度Ｔｉにおけるグレーティング部６の反射波長帯域に、温度Ｔｃにおける波長変換素子５の変換可能波長帯域が常に適合している。
【００２７】
−比較例−
図４は、グレーティング部６の反射波長帯域の温度特性と、温度制御しなかったとき（すなわち、常にＴｉ＝Ｔｃであるとき）の波長変換素子５の変換可能波長帯域の温度特性とを示している。
なお、グレーティング部６の反射波長帯域の温度係数δλｉ＝０．０１［ｎｍ／℃］，帯域幅は０．６［ｎｍ］、波長変換素子５の変換可能波長帯域の温度係数δλｃ＝０．０６［ｎｍ／℃］，帯域幅は０．１［ｎｍ］としている。
図４から判るように、温度Ｔｉ＝Ｔｃが基準温度Ｔｏから離れると、グレーティング部６の反射波長帯域に、波長変換素子５の変換可能波長帯域が適合しなくなってしまう。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の波長変換レーザ装置によれば、温度Ｔｉにおいて光ファイバから波長変換素子に入射する基本波の波長帯域に、温度Ｔｃにおける波長変換素子の変換可能波長帯域が適合するように、温度Ｔｉに応じて温度Ｔｃを制御するため、環境温度等の変化に拘わらず、常に安定した高調波出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る波長変換素子温度制御部の制御ループを示すブロック図である。
【図３】グレーティング部の反射波長帯域の温度特性と、ｋ＝１／６として温度制御したときの波長変換素子の変換可能波長帯域の温度特性を示す温度特性図である。
【図４】グレーティング部の反射波長帯域の温度特性と、温度制御しなかったときの波長変換素子の変換可能波長帯域の温度特性を示す温度特性図である。
【符号の説明】
１              半導体光増幅素子
１ａ            光反射面
１ｂ            光出射面
２              レンズ
３              光ファイバ
３ａ            入射側端面
３ｂ            出射側端面
４              レンズ
５              波長変換素子
５ａ            端面
６              グレーティング部
１０            筐体
２０            グレーティング部伸張機構
３１、３２      感温素子
３３、３５      載置板
３４、４１      ペルチエ素子
４０            波長変換素子温度制御部
４１            ペルチエ素子
４２，４３      変換回路
４４            加算回路
４５            駆動回路
１００            波長変換レーザ装置
【図１】
2005010340.tif 000003
【図２】
2005010340.tif 000004
【図３】
2005010340.tif 000005
【図４】
2005010340.tif 000006