(57)【要約】【課題】所望の波長の光を高い光取り出し効率で出力することのできるレーザ光波長変換装置を提供すること。【解決手段】レーザ光波長変換装置は、基本波光としてレーザ光を放射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に対して外部共振器を構成する体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）よりなる基本波光反射素子と、前記半導体レーザ素子と前記基本波光反射素子との間に配置された、基本波光の一部の基本波光の波長を変換して波長変換光とする波長変換素子とを有するレーザ光波長変換装置において、前記波長変換素子より出射されて前記基本波光反射素子に向かう光のうち、基本波光を透過し、波長変換光を反射する選択性反射部材を備えると共に、前記半導体レーザ素子と前記波長変換素子との間に、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて取り出すダイクロイックミラーが配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
2012098495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波光としてレーザ光を放射する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に対して外部共振器を構成する体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）よりなる基本波光反射素子と、
前記半導体レーザ素子と前記基本波光反射素子との間に配置された、基本波光の一部の基本波光の波長を変換して波長変換光とする波長変換素子とを有するレーザ光波長変換装置において、
前記波長変換素子より出射されて前記基本波光反射素子に向かう光のうち、基本波光を透過し、波長変換光を反射する選択性反射部材を備えると共に、
前記半導体レーザ素子と前記波長変換素子との間に、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて取り出すダイクロイックミラーが配置されていることを特徴とするレーザ光波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換素子が、周期的分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光波長変換装置。
【請求項３】
前記ダイクロイックミラーが、前記基本波光反射素子の光軸に対して、傾斜した状態で配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学結晶を用いてレーザ光の波長を変換するレーザ光波長変換装置に関し、さらに詳しくは、外部共振器を構成する反射素子として体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ：Ｖｏｌｕｍｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を用い、非線形光学結晶として周期的分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）を用いたレーザ光波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子より放射されるレーザ光を非線形光学結晶により、当該レーザ光の波長を所望の波長、例えば第二高調波に変換する装置が知られている。
このようなレーザ光波長変換装置においては、波長変換光のより高い光取り出し効率の実現、また、より高いパワーの光出力の実現が望まれている。
【０００３】
特に、高いパワーの光出力の実現には、温度変化に対する発振波長の高い安定性が求められている。このような発振波長の高い安定性を維持し、かつ、装置の小型化を実現するために、半導体レーザ素子に対して外部共振器を構成する反射素子が設けられ、当該半導体レーザ素子と当該反射素子との間に非線形光学結晶が配置されたレーザ光波長変換装置が知られている。
【０００４】
図２は従来のレーザ光波長変換装置の構成の一例を示す概略図である。このレーザ光波長変換装置は、基板１１上に設けられた、基本波光としてレーザ光を放射する半導体レーザ素子１２と、この半導体レーザ素子１２に対して外部共振器を構成する体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）よりなる基本波光反射素子１４と、半導体レーザ素子１２と基本波光反射素子１４との間に配置された、基本波光の一部の基本波光の波長を変換して波長変換光とする波長変換素子１３と、半導体レーザ素子１２と波長変換素子１３との間に配置された、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて取り出すダイクロイックミラー１５と、このダイクロイックミラー１５により反射された波長変換光を反射して外部へ出力する反射ミラー１６とを有する。
【０００５】
このレーザ光波長変換装置においては、半導体レーザ素子１２より放射された基本波光（λa ）は、ダイクロイックミラー１５を透過して、波長変換素子１３を透過することにより、当該基本波光（λa ）の一部が波長変換されて波長変換光（λab）となる。そして、波長変換素子１３より出射されて基本波光反射素子１４に向かう光のうち、波長変換光（λab）は基本波光反射素子１４を透過して外部へ出力され、一方、波長変換されなかった基本波光（λa2）は基本波光反射素子１４により反射されて、再度波長変換素子１３を透過することにより、当該基本波光（λa2）の一部が波長変換されて波長変換光（λa2b ）となる。そして、波長変換素子１３より出射されて半導体レーザ素子１２に向かう光のうち、波長変換光（λa2b ）は、ダイクロイックミラー１５および反射ミラー１６により反射されて外部へ出力され、一方、波長変換されなかった基本波光（λa3）は、ダイクロイックミラー１５を透過して、半導体レーザ素子１２へ向い、半導体レーザ素子１２内部で再び増幅される。
【０００６】
このようなレーザ光波長変換装置においては、半導体レーザ素子１２より放射された基本波光（λa ）が、半導体レーザ素子１２と基本波光反射素子１４との間で反射および増幅を繰り返すことにより、当該基本波光（λa ）の一部が、波長変換素子１３により波長変換されて波長変換光（λab，λa2b ・・・）となり、順次、外部へ出力される。
【０００７】
しかしながら、上記のようなレーザ光波長変換装置によっては、外部へ出力される波長変換光（λab，λa2b ）のうち、基本波光反射素子１４を透過する波長変換光（λab）は、その一部が基本波光反射素子１４に吸収され、波長変換光の高い光取り出し効率を確保することが困難となり、その結果、高いパワーの光出力の実現が十分に図られないという問題がある。
【０００８】
具体的には、半導体レーザ素子１２より放射される基本波光（λa ）が例えば波長１０６４ｎｍの赤外光である場合において、波長変換素子１３により波長変換された波長変換光（λab）の基本波光反射素子１４の透過率が６８．９％、すなわち基本波光反射素子１４に入射された波長変換光（λab）のうち約１／３が当該基本波光反射素子１４に吸収されることとなる。また、半導体レーザ素子１２より放射される基本波光（λa ）が例えば波長９３０ｎｍの赤外光である場合において、波長変換素子１３により波長変換された波長変換光（λab）の基本波光反射素子１４の透過率が５１．８％、すなわち基本波光反射素子１４に入射された波長変換光（λab）のうち約１／２が当該基本波光反射素子１４に吸収されることとなる。なお、この透過率は、基本波光反射素子１４の厚さが４ｍｍであるときの値である。
【０００９】
このような基本波光反射素子（ＶＢＧ）による吸収といった問題がある一方、基本波光反射素子（ＶＢＧ）への入射する光が反射するといった問題もあり、これを解決するために、基本波光反射素子（ＶＢＧ）の反射面にＡＲ（Ａｎｔｉ-Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートを施す方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２８２８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、所望の波長の光を高い光取り出し効率で出力することのできるレーザ光波長変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレーザ光波長変換装置は、基本波光としてレーザ光を放射する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に対して外部共振器を構成する体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）よりなる基本波光反射素子と、
前記半導体レーザ素子と前記基本波光反射素子との間に配置された、基本波光の一部の基本波光の波長を変換して波長変換光とする波長変換素子とを有するレーザ光波長変換装置において、
前記波長変換素子より出射されて前記基本波光反射素子に向かう光のうち、基本波光を透過し、波長変換光を反射する選択性反射部材を備えると共に、
前記半導体レーザ素子と前記波長変換素子との間に、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて取り出すダイクロイックミラーが配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明のレーザ光波長変換装置においては、前記波長変換素子が、周期的分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）であることが好ましい。
【００１４】
本発明のレーザ光波長変換装置においては、前記ダイクロイックミラーが、前記基本波光反射素子の光軸に対して、傾斜した状態で配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ光波長変換装置によれば、波長変換素子により波長変換された波長変換光を反射する選択性反射部材が備えられていることにより、当該波長変換光が基本波光反射素子を透過することなく、ダイクロイックミラーを経由して外部へ出力されることから、波長変換光の高い光取り出し効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のレーザ光波長変換装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】従来のレーザ光波長変換装置の構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明のレーザ光波長変換装置の構成の一例を示す概略図である。
このレーザ光波長変換装置は、半導体レーザ素子より放射されるレーザ光を当該レーザ光の波長を所望の波長、例えば第二高調波に変換するものであって、基板１１上に設けられた、基本波光としてレーザ光を放射する例えばチップ状の半導体レーザ素子１２と、この半導体レーザ素子１２のレーザ光放射方向前方に、半導体レーザ素子１２の光放射面１２ａと対向するように配置された基本波光反射素子１４と、半導体レーザ素子１２と基本波光反射素子１４との間に、基本波光反射素子１４の光軸Ｌ上、すなわち半導体レーザ素子１２の光放射面１２ａに対して垂直な方向に伸びる光軸Ｌ上に配置された波長変換素子１３と、半導体レーザ素子１２と波長変換素子１３との間に、光軸Ｌに対して傾斜した状態で配置された平板状のダイクロイックミラー１５とを有する。
【００１９】
この例における半導体レーザ素子１２は、複数個の半導体レーザ素子１２が図１において紙面に対して垂直方向に並ぶよう基板１１上に配置されてなるものであって、半導体レーザ素子が配置される基板面１１ａに対して垂直方向にレーザ光が共振されて出射される面発光型（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）アレイである。なお、基板１１に平行方向にレーザ光が共振されて出射される端面発光型アレイを用いることもできる。
半導体レーザ素子１２より放射される基本波光としては、例えば波長１０６４ｎｍの赤外光、波長９７６ｎｍの赤外光、波長９３０ｎｍの赤外光などが挙げられる。
【００２０】
波長変換素子１３は、半導体レーザ素子１２より放射された基本波光の一部の基本波光の波長を変換する非線形光学結晶であり、このような非線形光学結晶としては、周期的分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）であることが好ましい。
【００２１】
基本波光反射素子１４は、半導体レーザ素子１２に対して外部共振器を構成する体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）よりなるものである。この体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）は、低屈折率材料と高屈折率材料とを繰り返して配置することにより特定の波長領域の光を反射する波長選択特性を有するものである。
この基本波光反射素子１４は、その厚さが例えば３〜６ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
基本波光反射素子１４における半導体レーザ素子１２に対向する一面１４ａ側には、波長変換素子１３より出射されて基本波光反射素子１４に向かう光のうち、基本波光を透過し、波長変換光を反射する選択性反射部材１７が設けられている。
【００２３】
この選択性反射部材１７としては、例えばシリカ（ＳｉＯ2 ）層およびチタニア（ＴｉＯ2 ）層よりなる多層膜が積層されてなる積層体よりなることが好ましい。このような積層体としては、例えば基本波光として波長帯域の異なる光（例えば二帯域の光）を用いる構成においては、ＳｉＯ2 層およびＴｉＯ2 層よりなる多層膜が２０〜３０層積層されてなるものが好ましく、また例えば基本波光として波長帯域の狭い光を用いる構成においては、多層膜が１０〜１５層積層されてなるものが好ましい。
この選択性反射部材１７は、その厚さが例えば１〜３μｍであることが好ましい。
このような選択性反射部材１７については、蒸着法により形成することができる。
【００２４】
この選択性反射部材１７は、基本波光反射素子１４の一面１４ａ側に一体的に設けられていても、基本波光反射素子１４とは別個に設けられていてもよい。
【００２５】
ダイクロイックミラー１５は、薄膜による光の干渉を利用して、特定の波長領域の光を透過し、残りの波長領域の光を反射する波長選択特性を有するものであって、基本波光を透過し、波長変換光を反射させて取り出すものである。
このダイクロイックミラー１５は、波長変換光を反射させて取り出すことのできるよう配置されていれば、その配置状態は特に限定されないが、例えば、基本波光反射素子１４より反射された波長変換光が入射される面１５ｂが光軸Ｌに対して３０〜６０度傾斜した状態で配置されることが好ましい。
【００２６】
このレーザ光波長変換装置においては、例えば、反射面１６ａがダイクロイックミラー１５の面１５ｂと垂直となるように配置された反射ミラー１６が設けられており、これにより、ダイクロイックミラー１５の面１５ｂより反射された波長変換光を光軸Ｌと平行な平行光として外部へ出力する構成とされる。
【００２７】
このようなレーザ光波長変換装置においては、半導体レーザ素子１２より放射された基本波光（λa ）は、ダイクロイックミラー１５の面１５ａに入射されてダイクロイックミラー１５を透過し、ダイクロイックミラー１５の面１５ｂより出射されて、波長変換素子１３の一面１３ａに入射される。この基本波光（λa ）が波長変換素子１３を透過することにより、当該基本波光（λa ）の一部が波長変換されて波長変換光（λab）となり、波長変換光（λab）および波長変換されなかった基本波光（λa2）が波長変換素子１３の他面１３ｂより出射される。そして、波長変換素子１３の他面１３ｂより出射されて基本波光反射素子１４に向かう光（λab、λa2）のうち、波長変換光（λab）は選択性反射部材１７により反射されて、再び波長変換素子１３の他面１３ｂに入射されて波長変換素子１３を透過し波長変換素子１３の一面１３ａより出射されて、ダイクロイックミラー１５の面１５ｂおよび反射ミラー１６の反射面１６ａにより反射されて光軸Ｌと平行な平行光として外部へ出力される。一方、波長変換素子１３の他面１３ｂより出射されて基本波光反射素子１４に向かう光（λab、λa2）のうち、波長変換されなかった基本波光（λa2）は選択性反射部材１７を透過して、基本波光反射素子１４により反射されて、再び選択性反射部材１７を透過し波長変換素子１３の他面１３ｂに入射される。この基本波光（λa2）が波長変換素子１３を透過することにより、当該基本波光（λa2）の一部が波長変換されて波長変換光（λa2b ）となり、波長変換光（λa2b ）および波長変換されなかった基本波光（λa3）が波長変換素子１３の一面１３ａより出射される。そして、波長変換素子１３の一面１３ａより出射されて半導体レーザ素子１２に向かう光（λa2b 、λa3）のうち、波長変換光（λa2b ）はダイクロイックミラー１５の面１５ｂおよび反射ミラー１６の反射面１６ａにより反射されて光軸Ｌと平行な平行光として外部へ出力される。一方、波長変換素子１３の一面１３ａより出射された光（λa2b 、λa3）のうち、波長変換されなかった基本波光（λa3）は、ダイクロイックミラー１５の面１５ｂに入射されてダイクロイックミラー１５を透過し、ダイクロイックミラー１５の面１５ａより出射されて、半導体レーザ素子１２の光放射面１２ａに入射し、半導体レーザ素子１２内部で再び増幅され放射される。
【００２８】
このように、半導体レーザ素子１２より放射された基本波光（λa ）は、半導体レーザ素子１２と基本波光反射素子１４との間で反射および増幅を繰り返すことにより、当該基本波光（λa ）の一部が、波長変換素子１３により波長変換されて波長変換光（λab，λa2b ・・・）となり、順次、ダイクロイックミラー１５および反射ミラー１６を経由して外部へ出力される。
そして、この基本波光が、例えば波長１０６４ｎｍの赤外光である場合においては、外部へ出力される波長変換光は、波長５３２ｎｍの緑色の可視光となり、また例えば波長９７６ｎｍの赤外光である場合においては、外部へ出力される波長変換光は、波長４８８ｎｍの青色の可視光となり、さらに例えば波長９３０ｎｍの赤外光である場合においては、外部へ出力される波長変換光は、波長４６５ｎｍの青色の可視光となる。
【００２９】
上記のレーザ光波長変換装置によれば、波長変換光を反射する選択性反射部材１７が設けられていることにより、当該波長変換光が基本波光反射素子１４を透過することなく、ダイクロイックミラー１５を経由して外部へ出力されることから、高い光取り出し効率が得られる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
〔実施例１〕
図１に示す構成に従い、下記の条件によりレーザ光波長変換装置（１）を作製した。
・半導体レーザ素子（１２）：基本波光（λa ）として波長１０６４ｎｍの赤外光を放射する半導体レーザ素子構造を有するアレイを基板（１１）上に配置した。
・波長変換素子（１３）：周期的分極反転型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を用いた。
・基本波光反射素子（１４）：厚さ４ｍｍの体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）を用いた。
・選択性反射部材（１７）：シリカ（ＳｉＯ2 ）層およびチタニア（ＴｉＯ2 ）層よりなる多層膜が１７層積層されてなる積層体を蒸着法により形成した。（厚さ２．４μｍ）
・ダイクロイックミラー（１５）：面（１５ｂ）が光軸Ｌに対して４５度傾斜した状態で配置した。
・反射ミラー（１６）：反射面（１６ａ）がダイクロイックミラー（１５）の面（１５ｂ）と垂直となるように配置した。
なお、このレーザ光波長変換装置（１）は、波長変換光として波長５３２ｎｍの緑色の可視光を出力するものである。
【００３２】
〔実施例２〕
実施例１と同様の構成において、半導体レーザ素子（１２）の発振波長を９３０ｎｍの赤外光とし、その他の部材も同波長に対応するように周期構造、反射率等を調整し、レーザ光波長変換装置（２）を作製した。
なお、このレーザ光波長変換装置（２）は、波長変換光として波長４６５ｎｍの青色の可視光を出力するものである。
【００３３】
〔比較例１〕
実施例１において、選択性反射部材（１７）を設けなかったことの他は同様にしてレーザ光波長変換装置（３）を作製した。
なお、このレーザ光波長変換装置（３）は、波長変換光として波長５３２ｎｍの緑色の可視光を出力するものである。
【００３４】
〔比較例２〕
実施例２において、選択性反射部材（１７）を設けなかったことの他は同様にしてレーザ光波長変換装置（４）を作製した。
なお、このレーザ光波長変換装置（４）は、波長変換光として波長４６５ｎｍの青色の可視光を出力するものである。
【００３５】
〔評価〕
レーザ光波長変換装置（１）〜（４）を用いて、比較例１を基準として実施例１、比較例２を基準として実施例２の出力増加率を求めた。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
2012098495.tif 000003
【符号の説明】
【００３７】
１１    基板
１１ａ  基板面
１２    半導体レーザ素子
１２ａ  光放射面
１３    波長変換素子
１３ａ  一面
１３ｂ  他面
１４    基本波光反射素子
１４ａ  一面
１５    ダイクロイックミラー
１５ａ  面
１５ｂ  面
１６    反射ミラー
１６ａ  反射面
１７    選択性反射部材
Ｌ      光軸
λa     基本波光
λab    波長変換光
【図１】
2012098495.tif 000004
【図２】
2012098495.tif 000005