(57)【要約】【課題】縦マルチモードレーザ光の高調波を出射可能であり、さらに、必要最小限の部材を組み合わせることによって、高効率及び高性能を簡便かつ安価に実現することができるレーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】  光源として、縦マルチモードの基本波を出射する半導体レーザと、波長変換素子として、分極反転周期領域を２以上備え、各周期領域がそれぞれ基本波を構成する縦モードに対応する周期Δを有する分極反転素子とを有し前記分極反転素子によって得られる高調波が、縦マルチモードであることを特徴とするレーザ装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源として、縦マルチモードの基本波を出射する半導体レーザと、
波長変換素子として、分極反転周期領域を２以上備え、各周期領域がそれぞれ基本波を構成する縦モードに対応する周期Δを有する分極反転素子とを有し、
前記分極反転素子によって得られる高調波が、縦マルチモードであることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記分極反転素子は、前記周期領域間の周期Δの差が、それぞれ０．０１〜０．０８μｍに設定されている請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記分極反転素子は、前記周期領域間の周期Δの差が、それぞれ一定である請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記分極反転素子は、３．１〜３．５μｍの範囲内の周期Δを有する請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザは、発振波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの主波長の縦マルチモードの基本波を出射する請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記半導体レーザは、一般式ＩｎxＧａ1-x-yＮzＡｓyＰ1-y（０．１＜ｘ＜０．８４、０．２５＜ｙ＜０．５、ｚは０又は１）の活性層を備えてなる請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記半導体レーザは、基本波出射デバイスとして、ＩｎＰからなる基板を用いて構成されてなる請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記分極反転素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4）又はニオブ酸リチウムカリウム（Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15）の単結晶から構成されてなる請求項１〜７のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【請求項９】
さらに、前記分極反転素子に接触するように、冷却・加熱素子が備えられてなる請求項１〜８のいずれか１つに記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置に関し、より詳細には、多周期分極反転素子を用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体レーザ、固体レーザ等の各種レーザ光は、レーザ光源の構成材料固有の特定波長しか得られない。しかし、利用対象に応じて、種々の波長のレーザ光に対する要望がある。従って、既存のレーザ光源の波長領域を拡大することにより、レーザの応用分野を飛躍的に広げることができる。
一方、それらの利用によって、レーザ装置として、小型・軽量化、高出力化、低排熱化、低消費電力化というトレードオフの特性が求められている。
【０００３】
例えば、ＧａＡｓ系半導体レーザでは赤色の光が、ＧａＮ系半導体レーザでは青色の光がそれぞれ実現されているが、光の三原色の一つである緑色のレーザ光は、化合物半導体レーザを用いて、赤色及び青色と同等の特性・信頼性面で未だ得られていないのが現状である。
このように、赤色光、青色光とともに、緑色光が得られることにより、プロジェクタ、テレビなどの次世代ディスプレイを作製することが可能となる。
【０００４】
そこで、従来から、緑色のレーザ光を得るために、種々の研究がなされている。例えば、励起用の光源として半導体レーザ、レーザロッドとしてＮｄドープされた固体レーザ結晶及びレーザ光を高調波とするための非線形結晶が厳しい制約のなかで組み合わせて用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような組み合わせでは、図８に示すように、鋭い波長帯を出力する半導体レーザ７０を用いて、その半導体レーザ７０からの光７１を集光するレンズ７２を介して、集光したレーザ光を、狭い吸収帯を効率よく励起する固体レーザ結晶７３に導いて、赤外線７４を得、これを非線形結晶７５に導入することによって、第二高調波７６として緑色の光を得ている。
【０００５】
また、特許文献２には、半導体レーザから出射される基本波を分極反転型波長変換素子に入射させ、高調波に波長変換するとともに、分極反転型波長変換素子から出射された波長変換されない基本波を回折格子により半導体レーザの活性層に光帰還させる短波長光源が記載されている。ここでは、高調波光は、回折格子の反射光として、またはダイクロイックミラーで分岐されて、取り出される。この短波長光源は、回折格子の角度を変化させることで、半導体レーザの波長を可変にする。加えて、分極反転型波長変換素子が、一定周期でない分極反転構造、例えば、周期が複数ある分割構造やチャープされたチャープ構造を有することで、可変の半導体レーザの波長に対応して、分極反転型波長変換素子から出射される高調波の波長を可変にしている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８４９号
【特許文献２】特開平６−６９５８２号
【特許文献３】特開平６−１１０１００号
【特許文献４】特開平６−１３２５９５号
【非特許文献１】OPTICS  LETT  vol 17 No11 795 (1992)
【非特許文献２】IEEE Photon Technol Lett 1 316 (1989)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの従来の装置、例えば、特許文献１に記載の波長変換装置は、分極反転の周期が一定である波長変換素子を用いるなどして、１つの周期に対応した高調波を得ることを目的としており、縦シングルモードレーザ光が出射される。しかし、縦シングルモードレーザ光は干渉しやすく、スペックル・パターンが生じる。よって、各種ディスプレイ、プロジェクタ用途としては、縦シングルモードレーザ光よりも縦マルチモードレーザ光の方が適している。特に、緑色の光は、赤色光、青色光よりも視感度が高いため、ぎらつき感を抑えるために、縦マルチモードレーザ光が強く求められている。
【０００８】
また、特許文献２に記載の短波長光源では、基本波の波長変化に対応するために、分割構造及びチャープ構造のような、分極反転の周期が一定でない構造の波長変換素子を用いている。例えば、８５０ｎｍの基本波には３．６μｍの周期、８６０ｎｍの基本波には３．８μｍの周期等のように、変化する基本波の各波長に対応して各周期を設けている。つまり、得ようとするレーザ光は、上記の特許文献１に記載の波長変換装置と同様に、１つの分極反転の周期に対応した高調波である。また、変換されて得られた高調波は、回折格子及びダイクロイックミラーを通して選択的に取り出されることから、得られるレーザ光は、縦シングルモードのレーザ光である。
【０００９】
加えて、従来の装置のように、半導体レーザ、固体レーザ結晶及び非線形結晶を組み合わせるためには、それら部品に高い性能が要求される。よって、製造コストが増大するとともに、部材間の物理的及び機能的連結において安定性が確保できないという課題がある。
【００１０】
本発明はこれらの課題に鑑みなされたものであり、縦マルチモードレーザ光の高調波を出射可能であり、さらに、必要最小限の部材を組み合わせることによって、高効率及び高性能を簡便かつ安価に実現することができる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】
【００１１】
本発明のレーザ装置によれば、光源として、縦マルチモードの基本波を出射する半導体レーザと、波長変換素子として、分極反転周期領域を２以上備え、各周期領域がそれぞれ基本波を構成する縦モードに対応する周期Δを有する分極反転素子とを有し、前記分極反転素子によって得られる高調波が、縦マルチモードであることを特徴とする。
【００１２】
このレーザ装置では、分極反転素子は、周期領域間の周期Δの差が、それぞれ０．０１〜０．０８μｍに設定されているか、それぞれ一定であるか、３．１〜３．５μｍの範囲内の周期Δを有することが好ましい。
【００１３】
また、半導体レーザは、発振波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの主波長の縦マルチモードの基本波を出射するか、一般式ＩｎxＧａ1-x-yＮzＡｓyＰ1-y（０．１＜ｘ＜０．８４、０．２５＜ｙ＜０．５、ｚは０又は１）の活性層を備えてなるか、基本波出射デバイスとして、ＩｎＰからなる基板を用いて構成されていることが好ましい。
【００１４】
分極反転素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4）又はニオブ酸リチウムカリウム（Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15）の単結晶から構成されていることが好ましい。
さらに、分極反転素子に接触するように、冷却・加熱素子が備えられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ装置によれば、縦マルチモードレーザ光の第二高調波を出射することができる。
また、光源として実質的に半導体レーザのみ、波長変換素子として実質的に分極反転素子のみを用いることにより、より安定に、かつ簡便及び安価に、所定波長、例えば、緑色のレーザ光を供給することができる小型・軽量化のレーザ装置を提供することができる。
しかも、よりエネルギー交換効率を向上させることができるために、高出力化、低排熱化、低消費電力化を実現することができる。
さらに、波長変換素子における分極反転周期領域の数、それらの周期Δ等を調整することができる。その結果、用いる半導体レーザの基本波近傍（例えば、その利得幅の範囲）で、得ようとする第二高調波の強度分布を調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のレーザ装置は、実質的に、光源として半導体レーザ、波長変換素子として分極反転素子とから構成される。
【００１７】
半導体レーザとしては、公知の半導体レーザのいずれをも利用することができる。特に、緑色レーザ光の第二高調波を得るためには、発振波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍを実現できるものが適している。また、縦マルチモードレーザ光の基本波を出射することができるもの、言い換えるとファブリペローレーザが好ましい。通常、半導体レーザにおいて、縦モード間隔は、λ2／（２・Ｎeq・Ｌ）と表すことができる。ここで、λは発振波長、Ｎeqは実効屈折率、Ｌは共振器長である。これらの縦マルチモードのほぼ全てのモードをそれぞれに波長変換させることで、縦マルチモードの緑色レーザ光を効率よく取り出すことができる。
【００１８】
このような半導体レーザとしては、例えば、ＩｎＰからなる基板を用いて構成されているものが挙げられる。特に、光通信分野で信頼性が確保されているからである。また、一般式ＩｎxＧａ1-x-yＮzＡｓyＰ1-y（０．２５＜ｙ＜０．５、０．１＜ｘ＜０．８４、ｚは０又は１）の活性層を備えてなるものが挙げられる。このような基板又は半導体層の例としては、特開２００５−１０１４８３号、特開２００２−３５９２４９号、特開２００１−３４５３２８号、特開２０００−１５６３６４号、特開平１１−２０４８５５号、特開平１１−２３８６８６号等に記載のものを使用してもよい。
【００１９】
半導体レーザの構造としては、リッジ導波路型、ＢＨ埋め込み型等の種々の構造のものを利用することができるが、パワーロスを最小限に抑え、より大きなパワー密度を達成するために、ＢＨ埋め込み型レーザが好ましい。
【００２０】
分極反転素子は、半導体レーザからのレーザ光を、波長変換又は光変調させるための素子であって、主として、第二高調波に変換し得る素子である。このような分極反転素子としては、公知の分極反転素子のいずれをも利用することができる（例えば、特開２００５−２５８３４８号、特開２００５−２３４１４７号、特開２００５−０７０１９２号、特開２００３−２０７８１１号等参照）。
【００２１】
分極反転素子は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3、ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3、ＬＴ）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体又はニオブ酸リチウムカリウム（Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15）、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＴＰ）等の単結晶によって形成することができる。分極反転特性の観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶が好ましい。また、三次元光導波路の耐光損傷性を向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させてもよい。なかでも、マグネシウムが好ましい。さらに、単結晶中に、ドープ成分として、希土類元素（例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒ等）を含有させてもよい。この希土類元素は、レーザ発振用の添加元素として作用させることができる。
【００２２】
これらの単結晶によって形成されてなる基板に分極反転を施す方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、プロトン交換法、拡散法、電界印加法、電子ビームによるマイクロドメイン反転法等、種々の方法を利用することができる（例えば、特開平５−２４９５２２号、特開２００５−２０８１９７号等参照）。なお、この単結晶からなる基板は、例えば、１〜２０°程度のオフカット角を有するオフカット基板としてもよい。また、いわゆるＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板として使用してもよい。
【００２３】
本発明における分極反転素子は、２以上の分極反転周期領域を備え、各周期領域がそれぞれ基本波を構成する縦モードに対応する周期Δを有している。
分極反転素子の各周期領域は、用いる半導体レーザのモードにもよるが、２周期領域以上、２〜２０周期領域、２〜１５周期領域、２〜１０周期領域、２〜６周期領域を備えることが適しており、４〜１０周期領域であることがより好ましい。互いに異なる周期Δを有する周期領域を複数用いることにより、任意の利得幅における半導体レーザの縦マルチモードの各モードのすべてに対応して２倍波を作り出し、縦マルチモードの第二高調波を得ることができる。つまり、２以上の分極反転周期領域を備えているとは、一定の周期Δを有する分極反転構造が形成された領域を２以上有していることを意味し、あるいは、平均周期Δを有する分極反転構造が形成された領域を２以上有していることを意味する。さらに、周期Δ±δの範囲内の分極反転構造が形成された領域を２以上有していることも包含される。
【００２４】
各周期領域では、周期Δは、半導体レーザの基本波の波長、モードの位置及び数等によって、波長変換可能な波長及び波長変換された高調波の波長を調整するために、好適な範囲が選択される。例えば、２．５〜８μｍ程度の範囲内の任意の周期Δを選択することが好ましい。特に、３．１〜３．５μｍ程度の範囲内の任意の周期Δを選択することにより、緑色レーザ光を効率的に得ることができる。
【００２５】
例えば、図１に示すように、分極反転素子１３は、第１から第３の３つの周期領域１０、２０、３０を有している。各周期領域において、周期Δは、互いに分極方向の異なる領域１０ｘ、１０ｙで対構造をなしている。ここで、１０ｘは自然分極の領域、１０ｙは分極反転された領域である。また、各周期領域１０、２０、３０における周期Δ1、Δ2、Δ3は、互いに異なっている。これにより、例えば、半導体レーザからの縦マルチモードレーザ光は、第１の周期領域１０で、１１００ｎｍ付近の所定の波長領域の光が変換され、第２の周期領域２０で１１００ｎｍ付近の別の所定の波長領域の光が変換され、第３の周期領域３０で１１００ｎｍ付近のさらに別の所定の波長領域の光が変換される。その結果、出力される光が波長変換され、縦マルチモードの第二高調波を得ることができる。
【００２６】
周期Δは、各点から発生し、合成された第二高調波の強度が減少に転じる距離であるコヒーレンス長と等しいことが好ましい。つまり、コヒーレンス長ごとに分極方向が反転していることが好ましい。これにより、得られる第二高調波の強度が増大する。コヒーレンス長Ｌは、一般に、Ｌ＝λf／４・（ｎSH−ｎF）で表される。よって、コヒーレンス長と周期Δとが等しい場合、周期Δは、Δ＝λf／４・（ｎSH−ｎF）で表わされる。ここで、λfは入射光基本波の真空中での波長、ｎSHは基本波の屈折率、ｎFは第二高調波の屈折率である。
【００２７】
従って、１つの周期領域において、周期Δが一定の（均一な）値である場合には、その周期領域において波長変換することができる基本波は、１つの縦モードに対応する。言い換えると、分極反転素子は、分極反転比率（分極反転ドメイン幅／分極反転周期）が、理想的な周期分極反転構造を示す５０％程度に設定されている場合には、上述したように、１つの周期領域において、周期Δが一定の値とすることができる。このような場合には、半導体レーザの縦マルチモードの数に対応して、周期領域の数を決定することが好ましい。
【００２８】
一方、各周期領域において、周期Δ−δ〜Δ＋δで周波数チャープさせることにより、有効に２倍波を作り出すことができ、エネルギー変換効率をより向上させることができる。例えば、１つの周期領域における周期Δ−δ〜Δ＋δは、半導体レーザから出射される基本波の複数の縦モードの好適に選択された数本に対応させることができる。ΔΔ
【００２９】
また、分極反転素子が、第１から第３の３つの周期領域を有しており、各周期領域における周期が、それぞれΔ1±α、Δ2±β、Δ3±γと互いに異なっている（ここで、α、β、γは同じでもよいし、異なっていてもよい）場合には、半導体レーザからの縦マルチモードレーザ光１５（図２（ａ）参照）は、第１の周期領域で、１１００ｎｍ付近の波長領域の光１５の一部ａが変換され（図２（ｂ）参照）、第２の周期領域で１１００ｎｍ付近の波長領域の別の光の一部ｂが変換され（図２（ｃ）参照）、第３の周期領域で１１００ｎｍ付近の波長領域のさらに別の光の一部ｃが変換され（図２（ｄ）参照）、その結果、出力される光はすべて波長変換され、縦マルチモードの第二高調波を得ることができる。
【００３０】
言い換えると、分極反転素子は、分極反転比率が、５０±７％程度の範囲内、さらに、５０±５％程度の範囲内、５０±３％程度の範囲内、５０±２％程度の範囲内、５０±１％程度の範囲内、５０±０．５％程度の範囲内に設定されていてもよい。これにより、分極反転比率の変動／ずれによって、基本波の複数の縦モードに対応させることができる。その結果、効率的にレーザ光の波長を変換することができ、所望の高調波を得ることができる。つまり、分極反転比率に幅をもたせることにより、１つの周期領域に複数種類の周期Δが形成されることとなり、１つの周期領域で波長変換することができる波長を広げることができる。
【００３１】
また、別の観点から、分極反転素子は、半導体レーザの波長のバラツキを緩和／吸収するために、変換できる波長の幅の範囲を、例えば、用いる半導体レーザの主波長及びその利得幅（ここでは、ＦＷＨＭ）に応じて、半導体レーザの主波長±利得幅、半導体レーザの主波長±利得幅・（４／５）、半導体レーザの主波長±利得幅・（３／５）、半導体レーザの主波長±利得幅／２、半導体レーザの主波長±５ｎｍ等に設定することが好ましい。これにより、半導体レーザの固体差、動作時の波長ばらつき等にかかわらず、それを十分緩和／吸収し、所望の縦マルチモードの第二高調波を得ることができる。さらに、分極反転比率のずれ等による、分極反転素子の変換可能な波長のばらつきも緩和／吸収することができる。
【００３２】
各周期領域間において、分極反転比率のずれ等に起因して周期Δが変動し、かつその周期Δが他の周期領域と一部オーバーラップする場合、つまり、１つの周期領域と別の周期領域とにおいて、一部に同じ周期Δを有するように形成する場合には、１つの周期領域で変換可能な波長範囲と、別の周期領域で変換可能な波長範囲とを一部オーバーラップさせることができる。
【００３３】
オーバーラップの幅は、得られる高調波の強度分布に影響する。例えば、オーバーラップする部分の波長領域（２以上の周期領域で変換可能な波長）では得られる高調波の強度が強くなり、オーバーラップしない部分の波長領域（１つの周期領域のみで変換可能な波長）ではその強度が弱くなる。言い換えると、１つの周期領域に含まれる周期Δｘ（又は平均周期Δｘ’）と別の周期領域との双方に含まれる周期Δｙ（又は平均周期Δｙ’）との差を狭くすると、隣接する周期領域で変換可能な波長のオーバーラップする範囲が大きくなり、２以上の周期領域で変換可能な波長範囲が増加し、この周期Δの差を広くすると、隣接する周期領域で変換可能な波長のオーバーラップする範囲が小さくなり、１つの周期領域のみで変換可能な波長範囲が増加する。この周期Δの差をより広くすると、隣接する周期領域で変換可能な波長のオーバーラップする範囲がなくなり、いずれの周期領域でも変換できない波長範囲が存在することとなる。従って、この周期Δの差を調整することにより、隣接する周期領域で変換可能な波長範囲のオーバーラップの幅を調整することができる。
【００３４】
各周期領域では、他の周期領域と異なる周期Δ数に設定されていてもよい。また、各周期領域の長さは、必ずしも同じでなくてもよいが、同一であることが好ましい。通常、周期領域の長さ（例えば、図１における左右方向）は、得られる高調波の強度に影響を与える。つまり、周期領域の長さが長いほど、得られる高調波の強度は強くなる。よって、得ようとする高調波の強度を考慮して、各周期領域の長さを設定することが好ましい。
なお、複数の周期領域は、半導体レーザ側から、周期Δ又は平均周期Δの大きさが小さい順に、大きい順に、あるいは、ランダムに配置されていてもよい。
【００３５】
各周期領域間の周期Δの差、つまり、図１における（Δ１−Δ２）又は（Δ２−Δ３）の大きさ等、最も近接する周期Δを有する周期領域同士の周期Δの差、あるいは、最も近接する平均周期Δを有する周期領域同士の平均周期Δの差は、半導体レーザの波長等によって好適な範囲が選択されるが、例えば、０．０１〜０．０８μｍ程度、０．０２〜０．０５μｍ程度、０．０２〜０．０３μｍ程度異なるように設定することが好ましい。これにより、特に、緑色レーザ光の高調波を効率的に得ることができる。
【００３６】
各周期領域は、周期Δ又は平均周期Δの差が一定であることが好ましい。これにより、各周期領域での変換可能な波長を一定の間隔で配置することができる。また、ｎ個の周期領域間に存在するｎ−１個の平均周期Δの差のすべてを一定の値とすることにより、ｎ−１個のオーバーラップをほぼ一定の間隔で配置することができる。これにより、例えば、図２に示すように、各周期領域によって変換される波長ａ〜ｃが、一定の間隔で配置されるために、基本波の強度分布に近い高調波を得ることができる。なお、この周期Δの差をランダムにすると、隣接する周期領域で変換可能な波長の重なりがランダムな間隔で配置され、得られる高調波は、基本波と異なる強度分布となる。従って、得ようとする高調波の強度分布を考慮して、重なる割合（幅）を決定することが好ましい。
【００３７】
分極反転素子は、通常、レーザ光が通過する単結晶長（素子長）を長くすることにより、得られる光の強度を大きくすることができる。一方、単結晶長を長くすると、光が単結晶内における自発分極の領域と分極反転された領域との界面により散乱される。よって、分極反転素子に導入されるレーザ光の吸収・波長変換効率等を考慮して、素子長を決定することが好ましい。例えば、素子長は、３０ｍｍ程度以下、２５ｍｍ程度以下、２０ｍｍ程度以下が適当である。単結晶の厚さは、例えば、１０ｍｍ程度以下、５ｍｍ程度以下、１ｍｍ程度以下とすることが適当である。
【００３８】
例えば、素子長を約２０ｍｍとし、５つの周期領域を有するとすると、１つの周期領域の長さは約４ｍｍとなる。また、周期Δを、それぞれ３．２５μｍ、３．２８μｍ、３．３１μｍ、３．３４μｍ、３．３７μｍとすると、各周期領域において、６００個程度の対（互いに分極方向が異なる層の対）の周期Δが形成されることとなる。
【００３９】
分極反転素子には、接触するように、例えば、ペルチェ素子等の冷却・加熱素子が備えられていることが好ましい。これにより、レーザ光の入射による分極反転素子の劣化を抑えることができ、より安定に高出力光を得ることが可能となる。
【００４０】
また、半導体レーザからの光を効率よく分極反転素子に導入するために、半導体レーザと分極反転素子との間、分極反転素子の光入射側に、レンズ等の集光部材を配置してもよい。例えば、レンズとして、片面又は両面に反射防止処理を行ったものが好ましい。集光部材での反射を抑える（例えば、１０％以下の反射）ことにより、戻り光を防止して、半導体レーザにおいて縦シングルモード発振を回避し、より変換効率を向上させることができる。
【００４１】
本発明の分極反転素子においては、一般に、最も基本波入射側（半導体レーザ側）で、高調波へ効率よく変換される。一方、基本波入射側で変換される波長ほど、分極反転素子から出射するまでの距離が長くなり、減衰しやすく、高調波出射側で変換される波長ほど、基本波が分極反転素子に入射してから変換されるまでの距離が長くなり、減衰しやすい。従って、本発明のレーザ装置において、特定の波長の強度を強めたい場合には、例えば、変換効率と分極反転素子内における減衰とを考慮し、中央よりも基本波入射側に、最も変換したい波長（例えば、主波長）に対応する周期領域を配置することができる。また、上述したような、周期領域の長さを考慮し、最も変換したい波長（例えば、主波長）に対応した周期領域を長くとることも可能である。さらに、これらの全てを考慮して、最も変換したい波長（例えば、主波長）に対応する周期領域を長くとり、基本波入射側に配置することができる。このような構成は、ピーク波長以外の波長の強度を強めるために用いてもよい。
【００４２】
ただし、一部の波長のみの強度を強くする場合、基本波の強度分布とは異なった分布になることが考えられる。例えば、ピーク波長のみを強めると、得られる高調波は、基本波の強度分布と比較して、よりシングルモードに近づく。
【００４３】
以下に、本発明のレーザ装置の実施例を具体的に説明する。
実施例１
まず、半導体レーザを準備する。半導体レーザとしては、例えば、ＩｎＰ基板上に、ｎ
層として、ＩｎxＧａ1-x-yＡｓyＰ1-y、活性層として、ＩｎxＧａ1-x-yＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．４７、ｙ＝０．４）、ｐ層として、ＩｎxＧａ1-x-yＡｓyＰ1-yを備えて構成され、活性層脇にＰＮＰのサイリスタ構造を有するＢＨ型の埋め込み成長を行ったレーザを用いる。このレーザの発振器長Ｌは５００μｍ、λｇは１１００ｎｍ、縦モード間隔は約０．３６ｎｍである。また、半導体レーザは、変調速度を向上させる目的（寄生容量低減）で、トレンチ構造を採用する。
【００４４】
これにより、ｆ3dBのカットオフ周波数を、１ＧＨｚ以上とすることができるとともに、デジタル変調（２００ＭＨｚ）速度を有効に光へ変換させることができる。なお、半導体レーザの利得幅（ここでは、ＦＷＨＭ）は、約２５ｎｍである。
【００４５】
分極反転素子としては、基板として、厚さ０．５ｍｍ程度、Ｍｇ添加濃度５モル％程度のＺカットＬｉＮｂＯ3：Ｍｇを用いる。
周期Δは、基本波長１１００ｎｍの縦マルチモードの基本波の利得幅に対して室温で位相整合するように、隣接する周期領域間で周期Δの差を０．０３μｍとして、３．２５μｍからで３．３７μｍまで５つの周期Δ1〜Δ5を目標とする有する周期領域をそれぞれ形成する。基板の＋Ｚ面に、このような周期Δ1〜Δ5となるように、分極反転用電極を形成し、＋Ｚ面にプラス、−Ｚ面にマイナスの電位を印加できるように高圧電源を接続し、結晶の抗電界を越える電圧を印加する。これにより、図３に示すように、目標とする周期Δ1〜Δ5が、それぞれ３．３７μｍ、３．３４μｍ、３．３１μｍ、３．２８μｍ、３．２５μｍの分極反転周期領域２４〜２８を有する分極反転素子２３を形成する。分極反転素子の全長は２０ｍｍ、幅は５ｍｍとした。得られた分極反転の周期構造は、各周期領域の分極反転比率が約４９．７〜５０．３％の範囲であり、１つの周期領域において、縦モード１０本程度（Δλは約３．６ｎｍ）をまとめて変換可能である。
【００４６】
また、同様に、図４に示すように、周期Δ1〜Δ5を有する分極反転周期領域２４〜２８がランダムに配置された分極反転素子３３を形成する。
分極反転素子は、入射側の反射率特性として、１０００ｎｍから１２００ｎｍまでの光に対するＡＲコート（反射率Ｒ＜１％）を施し、出射側の反射率特性として、反射率Ｒ＞８０％のコートを施す。出射側には、５５０ｎｍの光に対して、ダイクロミラー特性をもたせるため、反射率Ｒ＜５％以下となるように誘電体コーティングを施す。
【００４７】
図３及び図４の分極反転構造を有する分極反転素子２３、３３を用いて、レーザ装置を構成する。レーザ装置には、図５に示す構造を用いることができる。
図５に示すレーザ装置１９は、半導体レーザ１１と、分極反転素子１３との間に、レンズ１２を配置する。レンズ１２は、両面、反射率が１％未満となるように、反射防止膜処理を行う。
また、分極反転素子１３に接触するように、冷却素子としてペルチェ素子１４を配置する。
得られたレーザ装置において、光源である半導体レーザから１１００ｎｍ程度の基本波を出力５００ｍＷで入射すると、基本波からの変換効率が約３０％、出力１５０ｍＷの緑色レーザ光（波長５５０ｎｍ）が得られる。
【００４８】
実施例２
実施例１と同様の半導体レーザを用いる。
分極反転素子の基板は、実施例１と同様のものを用い、基本波長１１００ｎｍの縦マルチモードの基本波（縦モード間隔：約０．３６ｎｍ、利得幅：２５ｎｍ）に対して室温で位相整合するように、隣接する周期領域間において、約０．０１３μｍｍの周期Δの差で、３．２５μｍから３．３７μｍまで周期Δを目標とする１０個の周期領域５１〜６０を形成する。つまり、図６に示すように、目標とする周期Δ1〜Δ10が、それぞれ３．２５０μｍ、３．２６３μｍ、３．２７７μｍ、３．２９０μｍ、３．３０３μｍ、３．３１７μｍ、３．３３０μｍ、３．３４３μｍ、３．３５７μｍ、３．３７０μｍの分極反転周期領域５１〜６０を有する分極反転素子を形成する。
【００４９】
分極反転素子の全長は２０ｍｍ、幅は５ｍｍとした。得られた分極反転の周期構造は、実施例１と同様に、周期領域の分極反転比率が約４９．７〜５０．３％の範囲である。
分極反転素子は、実施例１と同様に、入射側にＡＲコート（反射率Ｒ＜１％）、出射側に誘電体コーティング（反射率Ｒ＜５％以下）を施す。
【００５０】
このような分極反転素子を用いて、図５に示すのと同様のレーザ装置を構成する。
得られたレーザ装置において、光源である半導体レーザから１１００ｎｍ程度の基本波を出力５００ｍＷで入射すると、基本波からの変換効率が約３０％、出力１５０ｍＷの緑色レーザ光（波長５５０ｎｍ）が得られる。また、このレーザ装置では、分極反転素子における各周期領域で変換できる波長は、図７に示すように、ａ−ｂ間、ｂ−ｃ間、ｃ−ｄ間・・・ｉ−ｊ間が、例えば、１．２ｎｍ程度ずつ重なるように設定されていることから、基本波に対応する強度分布の高調波を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、緑色付近のレーザ光を用いることができる各種分野において利用することができ、特に、各種ディスプレイやプロジェクタに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のレーザ装置に用いられる分極反転素子の周期を説明するための模式図である。
【図２】本発明のレーザ装置でのレーザ光の波長変換を説明するためのレーザ光のスペクトルを示す図である。
【図３】本発明のレーザ装置に用いられる分極反転素子の別の周期を説明するための別の模式図である。
【図４】本発明のレーザ装置に用いられる分極反転素子のさらに別の周期を説明するための模式図である。
【図５】本発明のレーザ装置の構造を示す要部の概略模式図である。
【図６】本発明のレーザ装置に用いられる分極反転素子のさらに別の周期を説明するための模式図である。
【図７】本発明の別のレーザ装置でのレーザ光の波長変換を説明するためのレーザ光のスペクトルを示す図である。
【図８】従来の緑色レーザ装置の構造を示す要部の概略模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１１  半導体レーザ
１２  レンズ
１３  分極反転素子
１４  ペルチェ素子
１５  レーザ光
１９  レーザ装置
１０ｘ  自発分極の領域
１０ｙ  分極反転された領域
１０  第１の周期領域
２０  第２の周期領域
２４〜２８、５１〜６０  分極反転周期領域
３０  第３の周期領域
【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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