(57)【要約】【課題】小型で波長変換により高効率高出力の可視レーザ光を発生させる装置として、周期分極反転構造による擬似位相整合（ＱＰＭ）を利用した波長変換レーザが検討されている。一方、より高出力の波長変換を目指してバルク型の分極反転素子が検討されている。これらの波長変換レーザの光学系はシンプルな構造だが、波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子等のため、装置サイズが大きくなりやすい。【解決手段】レーザ光源からの波長λ１の平行な入射光束Ｌｉは第１レンズ１を通り、ミラー１５によって折り返されて波長変換素子３の中央部に収束させられる。ここで波長変換を受けた光束は、波長変換素子３を出た後、ミラー１６で折り返されて第２レンズ２によって再度平行な光束となり、波長分離フィルタ１７によって入射光束と同じ未変換波長λ１の光束Ｌｏは反射し、変換を受けた波長λ２の光束Ｌｏ’は透過する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形効果を利用したバルク型の波長変換素子により、入射したレーザ光の波長を他の波長に変換し出力する波長変換デバイスにおいて、少なくとも波長変換素子、集光素子が１つの基板上に配置されており、実装時はデバイス全体が波長変換素子の動作温度にあわせて温度制御されることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換デバイスにおいて、前記波長変換素子は分極反転構造を持つことを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の波長変換デバイスにおいて、さらに反射素子を有することを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子は前記基板に一体形成されていることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項５】
請求項３または４に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子は前記波長変換素子と一体に形成されていることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載の波長変換デバイスにおいて、前記基板には、さらに波長分離素子が配置されていることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子と前記波長分離素子が一体に形成されていることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の波長変換デバイスを用いた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、可視光レーザ光源、フォトプリンタ、ディスプレイ、テラヘルツレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で波長変換により高効率高出力の可視レーザ光を発生させる装置として、周期分極反転構造による擬似位相整合（ＱＰＭ）を利用した波長変換レーザが検討されている。ＱＰＭを利用した波長変換素子では単結晶材料を用いた従来の波長変換素子に比べて高い変換効率が得られるため、共振器内に波長変換素子を配置する構成（例えば、特許文献１  参照。）ではなく、単純に基本波レーザ光を透過させるだけで高出力の変換光が得られる特徴がある。ＱＰＭを利用した波長変換素子（分極反転素子）としては、ＬｉＮｂＯ３結晶に対して分極反転構造を形成したＰＰＬＮ、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ３結晶を利用したＰＰＭｇＬＮ、ＬｉＴａＯ３結晶を利用したＰＰＬＴ、ストイキオ材料を利用したＰＰＳＬＮ、ＰＰＳＬＴ等がある。半導体レーザの出射光を直接導波路型の分極反転素子に入射させ波長変換を行っている例がある（例えば、特許文献２  参照。）。このような導波路型分極反転素子を用いた方法では、デバイス中での入射光のエネルギ密度を高くできるので高い変換効率が得られる。一方、より高出力の波長変換を目指してバルク型の分極反転素子が検討されている。バルク型の分極反転素子では素子の大きさに応じて断面積の大きいレーザ光を透過させることができるので、高出力の基本波レーザ光を、デバイスを破壊しない程度のエネルギ密度で入射させ、高出力の波長変換光を発生させることができる。バルク型の分極反転素子を利用する際は、一般に或る条件にしたがって基本波を集光し分極反転素子に入射させる方法が用いられている（例えば、非特許文献１  参照。）。他の方法としては、アキシコンレンズを使って基本波をベッセルビーム化することで高い変換効率が得られるとした例がある（例えば、特許文献３  参照。）。
【０００３】
これらの波長変換レーザの光学系は波長変換素子に変換前のレーザ光（基本波）を透過させるだけのシンプルな構造だが、波長変換素子、波長変換素子と基本波をカップリングするためのレンズ、波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子、波長変換素子からの出力光をコリメートするためのレンズ、基本波と変換光を分離するためのフィルタ等の部品が必要となるため、装置サイズが大きくなりやすい。特に、高出力のため半導体励起固体レーザを基本波に用いたタイプでは、基本波レーザから出射されるビーム径が大きいため、分極反転素子に集光するレンズの焦点距離も大きなものが必要となる。たとえば、１０ｍｍ長のＰＰＬＮに対して半導体励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）から半径（１／ｅ２径）０．５ｍｍでほぼ平行に出力された基本波を入射させる場合、高い変換効率を得るためには非特許文献１の条件よりビームウエスト半径を約１７μｍに絞り、ビームウエスト位置をＰＰＬＮの中心にする必要がある。この場合、基本波を集光するためのレンズの焦点距離は２５ｍｍとなり、波長変換素子と集光レンズを配置するために少なくとも長さ３０ｍｍのスペースが必要になる。さらに、波長変換素子を所定の温度に維持しておくためペルチェ素子等を配置するスペース、基本波と変換光を分離するためのフィルタ等を配置するスペースが必要となる。基本波レーザ部分に関しては、マイクロチップレーザの開発などにより小型、高出力化が進んでおり、小型高出力の可視光レーザ装置を実現するためには波長変換部分の小型化が重要である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１００２６３号公報
【特許文献２】特開２００３−００５２３７号公報
【特許文献３】特開平０８−２７１９４２号公報
【特許文献４】特開２００１−１００２６３号公報
【非特許文献１】Ｇ．Ｄ．Ｂｏｙｄ ａｎｄ Ｄ．Ａ．Ｋｌｅｉｎｍａｎ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９（１９６８）３５９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明においては、小型で高出力の波長変換に適した波長変換デバイスおよび波長変換レーザ装置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】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、非線形効果を利用したバルク型の波長変換素子により、入射したレーザ光の波長を他の波長に変換し出力する波長変換デバイスにおいて、少なくとも波長変換素子、集光素子が１つの基板上に配置されており、実装時はデバイス全体が波長変換素子の動作温度にあわせて温度制御されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の波長変換デバイスにおいて、前記波長変換素子は分極反転構造を持つことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の波長変換デバイスにおいて、さらに反射素子を有することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子は前記基板に一体形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子は前記波長変換素子と一体に形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の波長変換デバイスにおいて、前記基板には、さらに波長分離素子が配置されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の波長変換デバイスにおいて、前記反射素子と前記波長分離素子が一体に形成されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の波長変換デバイスを用いたレーザ装置を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、
波長変換部分を1つの基板上に配置することにより、基本波部分とは独立に波長変換に関する素子間の相対的なアライメントを行えばよく、レーザ装置に組み込む際は基本波と波長変換デバイスの間で光軸をあわせればよいので、調整部分を減らしレイアウトに必要な面積を縮小することができる。
波長変換部分をまとめて温度コントロールするため、波長変換素子部分のみに温度コントロールのための素子を取り付ける場合に比べて光学系の配置に必要なスペースを減らすことができる。
光学系全体が温度コントロールされているので、光学系部品間の距離が温度によって変動しにくくなり、安定した波長変換を行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は波長変換デバイスの一般例を示す図である。
同図において符号１は第１レンズ、２は第２レンズ、３はＰＰＭｇＬＭからなる波長変換素子、４、５はレンズ保持部材、６はペルチェ素子、７は第１ステージ、８は第２ステージ、９は第３ステージ、１００は波長変換デバイス、Ｌｉは入射光束、Ｌｏは出射光束をそれぞれ示す。
同図はバルク型ＰＰＭｇＬＭを用いた一般的なＳＨＧ用の光学系を示している。
ここでは基本波波長λ１＝１０６４ｎｍで波長変換素子３により波長λ２＝５３２ｎｍの２倍波を発生させている。波長変換素子により変換されるのは、入射光束の一部であり、出射光束Ｌｏにはλ１とλ２が混在している。
基本波となる赤外線レーザ光源（図示せず）から出射されたビーム半径（１／ｅ２）０．５ｍｍの光は波長変換効率が最大となるように第１レンズ１で集光され、長さ１０ｍｍで２倍波発生に最適化された周期を持つＰＰＭｇＬＮに入射する。このとき、波長変換に最適なビームウエスト半径は約１７μｍで、第１レンズ１に必要な焦点距離は２５ｍｍとなる。波長変換素子３から出射した基本波と２倍波は第２レンズ２によりコリメートされて出射する。ここでは第２レンズ２は第１レンズ１と同じ焦点距離とした。
【００１２】
この場合、第１レンズ１、波長変換素子３、第２レンズ２を透過するレーザ光の光路長は５０ｍｍとなるが、それぞれの素子を基本波レーザ光の光軸に対してアライメントする必要があるため、第１ステージ７、第２ステージ８、第３ステージ９のように素子ごとにステージを設け、位置調整を行えるようにしておく必要がある。また、ＰＰＭｇＬＮに対しては波長変換のための条件（位相整合条件）を満たすようにするため、設計された温度にあわせておく必要がある。長さ（相互作用長）１０ｍｍの場合、温度の許容幅は変換効率ピークの５０％として約２．５℃であるが、相互作用長を長くするほど温度の許容幅は減少するため、わずかな温度の不均一性でも変換効率が低下する。図１ではＰＰＭｇＬＮを金属性のホルダに固定したのち、ペルチェ素子６を用いて温度をコントロールしている。
【００１３】
図２は本発明による波長変換デバイスの実施形態を示す図である。同図（ａ）はアライメント調整後の波長変換デバイス、同図（ｂ）は波長変換デバイスの温度調整手段を含む構成をそれぞれ示す図である。
同図において符号１０は基板、１１は、１２はステージをそれぞれ示す。図１と同じ機能を有する部材には同じ符号を用いる。
同図（ａ）において、ＰＰＭｇＬＮからなる波長変換素子３と焦点距離２５ｍｍの第１レンズ１、第２レンズ２が、熱伝導性のよい銅の基板１０上に配置され、基板温度をＰＰＭｇＬＮの設計値にあわせたとき、ビーム径１ｍｍの基本波に対して最適な集光条件で波長変換を行い、変換後のレーザ光がコリメートされて出射するようにアライメントし固定されて波長変換デバイス１００を構成している。すなわち、波長変換素子と集光デバイスを１つの基板に配置しているので、設置に必要なスペースを縮小し、波長変換レーザ光源を小型化することができる。
【００１４】
同図（ｂ）は、本発明の波長変換デバイスがレーザ光源に実装された状態を示している。
波長変換デバイス１００は温度コントロール用のペルチェ素子６を介してアライメント用のステージ１２に固定されている。したがって、レーザ光源に実装する際は波長変換デバイス１００のみを基本波に対してアライメントすればよいので、アライメントに必要な部品点数が減少し、結果的に波長変換部分全体の配置に必要なスペースを縮小してレーザ光源を小型化することができる。また、波長変換デバイス全体が温度コントロールされることにより、温度変化による光路長の変動を抑えることができる。特に高出力のレーザを基本波として用いる場合は基本波部分の発熱量が大きくなるため、レーザ装置を小型化する場合、基本波部分の発熱の影響を受けやすくなる。このような構成にすることで変換効率の安定化を図ることができる。さらに、波長変換素子３の大きさに対して広い範囲に対して温度コントロールするため波長変換素子３部分の温度均一性を高め、温度ムラによる変換効率の低下を抑えることができる。また、波長変換デバイスとしてＰＰＭｇＬＮのようなバルク型の分極反転素子を用いた場合、高出力の基本波レーザλ１に対しても高い効率で波長変換が行える。
【００１５】
図３は本発明の波長変換デバイスの他の実施形態を示す図である。同図（ａ）はプリズムを用いる例、同図（ｂ）はミラーを用いる例、同図（ｃ）は波長変換素子の光の入出射面を変形させた例をそれぞれ示す図である。
同図において符号１３、１４は直角プリズム、１５、１６はミラー、３１は変形波長変換素子をそれぞれ示す。
同図（ａ）において、波長変換デバイス１００内で１組の直角プリズム１３、１４を用いて波長変換素子３に入射するまでの光束Ｌｉの光路と波長変換素子３から出射した光を平行光に戻すための第２レンズ２までの光束Ｌｏの光路をを折りたたんでいる。
同図（ｂ）において、一組のミラー１５、１６により光路を折りたたんでいる。このようなレイアウトにすることで光学系に必要なスペースをさらに縮小することができる。この構成において、基板１０の表面を切削加工してミラー部分を基板と一体に形成することで、高い精度で２つのミラー１５、１６を基板１０上に配置している。このように、波長変換素子と集光デバイスと反射素子を１つの基板に配置されているので、設置に必要なスペースを縮小し、波長変換レーザ光源を小型化することができる。
同図（ｃ）において、変形波長変換素子３１の光の入出射端面をブリュースタ角にしている。この構成では変形波長変換素子３１への反射防止コーティングが不要になるため、デバイス作製のコストを下げることができる。
これらの実施形態では波長変換デバイスに入射するレーザ光Ｌｉと出射光Ｌｏの光軸を平行に移動させているが、このような配置に限定するものではなく、入射光、出射光の方向は必要に応じて設定しても本発明の目的である波長変換部分のスペースを縮小する効果は得られる。
【００１６】
図４は本発明のさらに他の実施形態を示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は第１（第２）レンズの正面図である。
同図において符号３２は変形波長変換素子を示す。
本実施形態は、波長変換素子の端面をミラーとして利用し、光軸を折り返して波長変換デバイスを小型化ている。
ＰＰＭｇＬＮの側面から斜めに光を入射させ、端面３２ａで反射させて分極反転構造部分を透過させたのち、もう一方の端面３２ｂで反射させて側面から変換光を出射させている。この構成では、変形波長変換素子３２は図３（ｂ）における波長変換素子３とミラー１５、１６を一体にしているため、部品点数を減らし、レーザ光源内で波長変換部分の設置に必要なスペースを縮小することができる。また、本実施形態では平坦なガラス基板の表面に半導体プロセスを利用して作製したマイクロレンズを使用し、基板の端面にマイクロレンズを取り付ける構成とし、より小さいスペースに設置できるようにした。
【００１７】
図５はさらに他の実施形態を説明するための図である。同図（ａ）は第２レンズを出た後の光束にフィルタをかける例、同図（ｂ）は第２レンズの前にフィルタをかける例をそれぞれ示している。
同図において符号１７、１８は波長分離フィルタ、Ｌｏ’は波長λ２のみの光束をそれぞれ示す。
前述のように、出射光Ｌｏに入射光束Ｌｉと同じ波長λ１が混ざっている場合、変換光λ２と変換されずに残った入射光λ１を分離するフィルター１７、１８を波長変換デバイス１００の基板１０上に配置することで、より狭いスペースに設置できるようにしている。同図（ａ）では、コリメート後のレーザ光に対して波長分離フィルタ１７で未変換の光束Ｌｏ（波長λ１）は反射して、変換光Ｌｏ’（波長λ２）のみ透過させるフィルタリングを行っている。
同図（ｂ）では波長変換素子の出射側のミラー１６を、変換光Ｌｏ’（波長λ２）のみ反射して、未変換の光束Ｌｏ（波長λ１）は透過させる波長分離フィルタ１８に置き換えてフィルタリングを行っている。
このように、波長変換素子、集光デバイス、反射素子、波長分離素子が１つの基板に配置されているので、設置に必要なスペースを縮小し、波長変換レーザ光源を小型化することができる。
【００１８】
以上，本発明の波長変換デバイスについて説明したが、これらの波長変換デバイスを用いることで高出力の波長変換レーザ装置全体の小型化が可能になり、波長変換レーザをディスプレイ装置などの光源などへ利用しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】波長変換デバイスの一般例を示す図である。
【図２】本発明による波長変換デバイスの実施形態を示す図である。
【図３】本発明の波長変換デバイスの他の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の波長変換デバイスのさらに他の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の波長変換デバイスのさらに他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１      第１レンズ
２      第２レンズ
３      波長変換素子
６      ペルチェ素子
１０      基板
１３、１４      直角プリズム
１５、１６      ミラー
１７、１８      波長分離フィルタ
３１、３２      変形波長変換素子
１００      波長変換デバイス
【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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