(57)【要約】【課題】光波長変換素子内において基本波を折り返す構造を有する光波長変換装置において、高出力の波長変換波を得る。【解決手段】基本波10を入射させる入射端面15ａとそれに対面する出射端面15ｂとを有し、基本波10を波長変換波14に変換する光波長変換素子15と、出射端面15ｂから出射した基本波10および波長変換波14を、前者は反射させ後者は透過させる第１の反射部材17と、第１の反射部材17で反射して光波長変換素子15を伝搬し入射端面15ａから出射した基本波10および同じく入射端面15ａから出射した波長変換波14を、前者は透過させ後者は反射させる第２の反射部材18と、第１の反射部材17に到達する前に素子15内を伝搬する波長変換波14の位相と、第２の反射部材18で反射して折り返し素子15内を伝搬する波長変換波14の位相とを互いに揃える位相調整手段20とから光波長変換装置を構成する。【選択図】図１
2012242545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射端面とそれに対面する出射端面とを有し、入射端面から入射して出射端面側に伝搬した基本波を波長変換波に変換して、出射端面から出射させる光波長変換素子と、
前記出射端面から出射した基本波および波長変換波を、前者は反射させる一方後者は透過させる第１の反射部材と、
この第１の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬した後に前記入射端面から出射した基本波および、該基本波から変換されて前記入射端面から出射した波長変換波を、前者は透過させる一方後者は反射させる第２の反射部材と、
前記第１の反射部材に到達する前に光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相と、前記第２の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相とを互いに揃える位相調整手段とを備えてなる光波長変換装置。
【請求項２】
前記位相調整手段として、光波長変換素子の少なくとも一部に可変電圧を印加する手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の光波長変換装置。
【請求項３】
前記可変電圧を印加する手段が、光波長変換素子の入射端面近傍部分に可変電圧を印加するものであることを特徴とする請求項２記載の光波長変換装置。
【請求項４】
前記位相調整手段として、光波長変換素子の温度を調節する手段が設けられたことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光波長変換装置。
【請求項５】
前記位相調整手段として、前記第１の反射部材に到達する前に光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相と、前記第２の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬する波長変換波の位相を、互いに１周期以上ずらし得るものが用いられたことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光波長変換装置。
【請求項６】
前記光波長変換素子として、分極反転部の周期がチャープ周期とされた周期分極反転構造を有するものが用いられたことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長変換素子を用いた光波長変換装置、特に詳細には、光波長変換素子の中で基本波を折り返す構造を有する光波長変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、短波長域のレーザ光を得るために、レーザ光源から発せられた基本波としてのレーザ光を光波長変換素子に通し、該素子において基本波をより波長が短い波長変換波、例えば波長が１／２の第２高調波等に変換する光波長変換装置が種々提供されている。その種の光波長変換装置においては、より高い波長変換効率を実現して、高出力のレーザ光を得ることが望まれている。
【０００３】
そのような要望に応えるための一つの光波長変換装置として、例えば特許文献１に示されるように、光波長変換素子の入射端面から入射して該素子を伝搬する基本波から変換された波長変換波および残余の基本波を光波長変換素子の出射端面側、入射端面側で相次いで反射させることにより、基本波が合計３回光波長変換素子を通過するようにして、最終的に波長変換波を出射端面から出射させる構成を備えたものが知られている。
【０００４】
この構成においては、基本波と光波長変換素子との作用長が光波長変換素子の素子長の概略３倍となるので、それにより波長変換効率の向上が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-208629号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に示された従来の光波長変換装置においては、期待通りに高い波長変換効率が得られることがある半面、光波長変換素子に１回だけ基本波を通す通常の場合より、却って波長変換効率が低くなるという問題が認められる。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光波長変換素子内において基本波を折り返す構造を有する光波長変換装置において、常に安定して高出力の波長変換波を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光波長変換装置は、
入射端面とそれに対面する出射端面とを有し、入射端面から入射して出射端面側に（以下、この向きを「正方向」といい、それと反対の方向を「逆方向」という）伝搬した基本波を第２高調波等の波長変換波に変換して、出射端面から出射させる光波長変換素子と、
前記出射端面から出射した基本波および波長変換波を、前者は反射させる一方後者は透過させる第１の反射部材と、
この第１の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬した後に前記入射端面から出射した基本波および、該基本波から変換されて前記入射端面から出射した波長変換波を、前者は透過させる一方後者は反射させる第２の反射部材と、
前記第１の反射部材に到達する前に光波長変換素子内を伝搬する波長変換波（正方向に１回目に伝搬する波長変換波）の位相と、前記第２の反射部材で反射して折り返し光波長変換素子内を伝搬する波長変換波（正方向に２回目に伝搬する波長変換波）の位相とを互いに揃える位相調整手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
なお上記第１および第２の反射部材は、それぞれ光波長変換素子の出射端面、入射端面に施されたコーティング等から構成することができるが、その他に、光波長変換素子とは別体に形成された光学部材に施されたコーティング等から構成されてもよい。
【００１０】
また、上記の位相調整手段としては、光波長変換素子の少なくとも一部、例えばその入射端面近傍部分に可変電圧（値が調節自在とされた電圧）を印加する手段や、あるいは光波長変換素子の温度を調節する手段を、単独であるいは併せて適用することができる。
【００１１】
そしてそのような位相調整手段は、上記正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、同方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相を、互いに１周期以上ずらし得るものが好適に用いられる。
【００１２】
また、本発明の光波長変換装置においては、光波長変換素子として、分極反転部の周期がチャープ周期とされた周期分極反転構造を有するものが用いられることが特に望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明者の研究によると、先に述べた特許文献１に示される従来装置において波長変換波の出力が不安定になるのは、以下の原因によるものであることが分かった。光波長変換素子の出射端面および入射端面において基本波と波長変換波を反射させて折り返させると、基本波と波長変換波の各々が反射する際に界面反射による位相シフトを起こし、そのシフト値は基本波と波長変換波とで互いに異なることから、また、波長分散により基本波と波長変換波との間で位相差が生じることから、折り返し前に発生した波長変換波と折り返し後に発生した波長変換波との間で相対的な位相ズレが生じる。これは、主に光が伝搬するときの波長変換素子の光路長、即ち素子長に関係し、折り返し前後の波長変換波の位相が偶然揃って強め合う場合は高い波長変換効率を得ることができるが、逆に弱め合う場合は波長変換効率が低下してしまう。従来装置においては、この位相シフトに関して何も考慮がなされていなかったため、設計通りの高い波長変換効率を維持して高い波長変換波出力を安定して得ることが不可能になっていた。
【００１４】
上記の知見に基づいて本発明による光波長変換装置は、光波長変換素子内を正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、同方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相とを互いに揃える位相調整手段が設けられたものである。こうして、互いに同じ正方向に進行する２つの波長変換波の位相が揃えられれば、それら両者が強め合って合波されるので、光波長変換素子の出射端面から、常に高出力の波長変換波が取り出されるようになる。
【００１５】
特に、上記２つの波長変換波の位相を完全に一致させた場合は、基本波を１回だけ光波長変換素子に通す場合と比べて、波長変換波の振幅が２倍になるので、その出力は理論的には２2＝４倍に達する。それに対して、上記２つの波長変換波の位相を調整する手段が設けられない場合、合波された後の波長変換波の出力は、基本波を１回だけ光波長変換素子に通す場合と比べて、０〜４倍の間で変動してしまう。
【００１６】
なお、本発明における「位相調整」とは、上述の通りの２つの波長変換波の間で互いに位相をずらすことを意味するものであり、基本波と波長変換波の波長が相違することによる位相速度の違いから両者間に生じる位相のずれを解消させるいわゆる「位相整合」とは異なる。
【００１７】
以上の作用を果たす位相調整手段として、正方向に１回目に伝搬する波長変換波と、正方向に２回目に伝搬する波長変換波との間の位相を、相対的に１周期以上ずらし得るものが用いられていれば、位相調整がなされない場合に２つの波長変換波の各位相がどのようにずれていても、それらの位相を一致させることが可能になる。
【００１８】
なお、上記のように正方向に２回目に伝搬する波長変換波は、第１の反射部材で反射して折り返した基本波が光波長変換素子内を逆方向に伝搬する際に発生し、その後第２の反射部材で反射して折り返したものである。つまり本発明の光波長変換装置においては、特許文献１に示された光波長変換装置と異なって、第２の反射部材で基本波は反射しないようになっているので、基本波と光波長変換素子との作用長は、最大値で素子長の概略２倍となる。
【００１９】
上記第２の反射部材は、最初に基本波を光波長変換素子に入射させるために、上述の通り基本波は良好に透過させる構成とされている。他方、第１の反射部材は、波長変換波を取り出して利用するために、光波長変換素子は良好に透過させるものとされている。
【００２０】
なお、本発明の光波長変換装置において位相調整手段として、光波長変換素子の少なくとも一部に可変電圧（値が調節自在とされた電圧）を印加する手段が用いられる場合、その手段は、光波長変換素子の入射端面近傍部分に電圧印加するように構成されるのが望ましい。その理由は以下の通りである。
【００２１】
この配置は、基本波が正方向に１回目に進行する際に発生した波長変換波と、基本波が正方向に２回目に進行する際に発生した波長変換波について、効果的に、即ち低電圧で位相シフト量を調整し、高い波長変換効率を得るためのものである。まず、この配置とは異なって、例えば光波長変換素子の出射端面近傍に電極を配置する場合について考えると、その場合は、印加電圧は基本波と波長変換波の両方に作用するため、基本波と波長変換波の位相差を互いに大きくとることができず、その結果１回目に発生した波長変換波と２回目に発生した波長変換波との位相差を大きくとることができない。そこで、この位相差を２π以上とるために大きな電圧が必要となるか、あるいは、２π以上の調整ができずに高い波長変換効率を得ることができなくなる。
【００２２】
それに対して、光波長変換素子の出射端面近傍に電極を配置すると、基本波が電圧印加部分を正方向に伝搬している時点で波長変換波はまだ殆ど発生しておらず、電圧は実質的に基本波のみに作用する。一方、逆方向に伝搬している基本波と波長変換波には同時に電圧が作用するが、その後、基本波は波長変換素子から外に出射され利用されなくなる。その結果、実質的に２回目に発生した波長変換波にしか電圧が作用しないことになる。また、正方向に伝搬している基本波への電圧の作用は、その後、基本波から波長変換波が発生することから波長変換波への作用と等価となる。以上のことより、この配置によれば、基本波には電圧を作用させないで、実質的に、基本波が正方向に１回目、２回目に伝搬する際に各々発生した波長変換波にのみ電圧を作用させることが可能になる。このことから、実用的な比較的低い電圧で、上記１回目、２回目に各々発生した波長変換波の間で位相差を容易に揃えることが可能となる。
【００２３】
また本発明の光波長変換装置において、光波長変換素子として特に、分極反転部の周期がチャープ周期とされた周期分極反転構造を有するものが用いられた場合は、基本波の光路が分極反転部の並び方向と交わる方向に変化するように該光波長変換素子と基本波との相対位置を変えることにより、位相整合条件を変えることが可能になる。そうであれば、例えば光波長変換素子の温度調節によって位相調整を行うことにより、素子温度が位相整合温度からずれてしまったとしても、上述のようにして光波長変換素子と基本波との相対位置を変えて位相整合条件を変化させることにより、温度調節で設定された温度を新たな位相整合温度と合致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図２】本発明の第２実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図３】図４の装置における光波長変換素子温度と第２高調波出力との関係を示すグラフ
【図４】本発明の第３実施形態の光波長変換装置における光波長変換素子を示す概略側面図
【図５】上記第３実施形態の光波長変換装置による効果を説明する図
【図６】本発明の第４実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図７】本発明の第５実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図８】本発明の第６実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図９】本発明の第７実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図１０】本発明の光波長変換装置における基本波および第２高調波の経路を説明する図
【図１１】本発明の光波長変換装置において温度調節により位相調整がなされる場合の第２高調波出力プロファイルを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態による光波長変換装置１００の概略側面形状を示すものである。この光波長変換装置１００は、波長λ1の基本波１０を発するファイバレーザ１１と、この基本波１０を平行光化するコリメータレンズ１２と、このコリメータレンズ１２で平行光とされた基本波１０を集光する集光レンズ１３と、こうして集光された基本波１０が入射する位置に配され、入射した基本波１０を波長λ2＝λ1／２の第２高調波１４に変換する光波長変換素子１５と、この光波長変換素子１５から出射した基本波１０および第２高調波１４が入射する位置に配された凹面ミラーからなる出力ミラー１６と、後述するように２通りの経路で発生する第２高調波１４の位相を互いに揃える位相調整手段２０とを備えてなるものである。
【００２７】
上記ファイバレーザ１１は偏光保存シングルモードファイバを有するもので、一例として波長λ1＝１１２０ｎｍの直線偏光したレーザビーム（基本波）１０を発する。なおこのファイバレーザ１１の出力は、１〜１０Ｗの間で可変とされている。
【００２８】
また光波長変換素子１５は、一例として周期分極反転構造（Periodically Poled Structure）を有するＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３  結晶からなるものであり、ファイバレーザ１１からの基本波１０が入射する入射端面１５ａと、それに対面する出射端面１５ｂとを有している。本例において、この光波長変換素子１５の幅は２ｍｍ、厚さは０．５ｍｍで、素子長つまり基本波および第２高調波の伝搬方向のサイズは２０ｍｍとされている。なお光波長変換素子１５は、上記結晶のｃ軸方向が上記厚さの方向となるようにカットして形成されている。
【００２９】
また、出力ミラー１６の内面つまり光波長変換素子１５側の凹面には、第１の反射部材としてのコート１７が施され、光波長変換素子１５の入射端面１５ａには第２の反射部材としてのコート１８が施されている。コート１７は、波長λ1＝１１２０ｎｍの基本波１０に対しては良好に反射させるＨＲコート（反射率９９．９％以上）となり、波長λ2＝５６０ｎｍの第２高調波１４に対しては良好に透過させるＡＲコート（反射率１％以下）となるものである。他方コート１８は、基本波１０に対しては良好に透過させるＡＲコート（反射率１％以下）となり、記第２高調波１４に対しては良好に反射させるＨＲコート（反射率９９．９％以上）となるものである。
【００３０】
位相調整手段２０は、光波長変換素子１５の入射端面１５ａの近傍部分において、互いに対面するように該素子１５に固定された１対のＥＯ電極２１と、これらのＥＯ電極２１を介して光波長変換素子１５の上記部分に可変電圧を印加する電圧印加回路２２とからなるものである。各ＥＯ電極２１は一例としてＡｕ／Ｃｒ蒸着膜からなるものであり、Ａｕ膜の厚さは１μｍ、Ｃｒ膜の厚さは０．１μｍとされ、基本波および第２高調波の伝搬方向の長さおよびそれに直交する幅が共に１ｍｍである正方形に形成されている。
【００３１】
次に、この光波長変換装置１００の作用について説明する。ファイバレーザ１１から発せられた基本波１０は、コリメータレンズ１２および集光レンズ１３によって集光され、入射端面１５ａから光波長変換素子１５内に入射する。こうして光波長変換素子１５内を正方向つまり図中の左方向に伝搬する波長λ1＝１１２０ｎｍの基本波１０は、光波長変換素子１５内で周期分極反転構造によりいわゆる疑似位相整合が取られながら波長λ2＝λ1／２＝５６０ｎｍの第２高調波１４に変換される。
【００３２】
この場合、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３  結晶の最も大きい非線形光学定数ｄ３３が利用されるように、基本波１０はその直線偏光方向がＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３  結晶のｃ軸の向きと一致する状態で光波長変換素子１５に入射される。また基本波１０は、そのビームウエスト位置が光波長変換素子１５の入射端面１５ａに有り、そしてまたビームウエスト半径が８０μｍとなる状態で光波長変換素子１５に入射される。
【００３３】
上記のようにして発生して正方向に伝搬した第２高調波１４は、光波長変換素子１５の出射端面１５ｂから出射し、そこに形成されたコート１７を良好に透過して、所定の用途に利用される。一方、光波長変換素子１５内を正方向に伝搬して第２高調波１４に変換されなかった基本波１０は、光波長変換素子１５の出射端面１５ｂから出射してコート１７で良好に反射し、光波長変換素子１５内を逆方向に伝搬する。この逆方向に伝搬する基本波１０も、光波長変換素子１５によって第２高調波１４に変換される。この第２高調波１４は光波長変換素子１５の入射端面１５ａから出射し、コート１８において良好に反射し、折り返して光波長変換素子１５内を正方向に伝搬する。なお、このとき第２高調波１４に変換されなかった基本波１０は、コート１８を良好に透過する。
【００３４】
上述のように折り返した第２高調波１４（つまり正方向に２回目に伝搬する第２高調波）が、先に述べた第２高調波１４（つまり正方向に１回目に伝搬する第２高調波）に対して位相がずれていると、最悪の場合は両者が弱め合うように干渉して、出力ミラー１６から出射する第２高調波の出力がゼロになってしまうことも起こり得る。
【００３５】
また、第２高調波の出力がほぼゼロになる最悪状態には至らなくても、正方向と逆方向の光路長の総和次第では、正方向に１回目に伝搬する第２高調波の位相と、正方向に２回目に伝搬する第２高調波の位相との関係次第で、基本波を折り返さない一般的な光波長変換装置よりも第２高調波出力が低くなってしまうことが起こり得る。
【００３６】
上記の不具合を回避できるように本実施形態においては、前述の位相調整手段２０が設けられている。この位相調整手段２０を構成する電圧印加回路２２は、ＥＯ電極２１を介して光波長変換素子１５の入射端面近傍部分に、一例として０〜１ｋＶの範囲で可変とされた電圧を印加する。この電圧印加部分では光波長変換素子１５の屈折率が変わっており、そこで、この部分を通過して正方向に１回目に伝搬する基本波１０およびそこから変換された第２高調波１４の位相は、それぞれ印加電圧の値に応じて変化することになる。そして、上記電圧印加部分を通過して逆方向に伝搬する基本波１０およびそれから変換された第２高調波１４の位相も、それぞれ印加電圧の値に応じて変化することになる。また、正方向に１回目に伝搬する基本波１０と、反射して逆方向に伝搬する基本波１０との間の位相の関係は、光波長変換素子１５の素子長にも応じて変化する。
【００３７】
そこで、上記印加電圧の値を調節すれば、コート１８で反射して正方向に２回目に伝搬する第２高調波１４の位相を、正方向に１回目に伝搬する第２高調波１４の位相と一致させることが可能になる。この状態になったとき、光波長変換素子１５から取り出される第２高調波１４の出力は最大となる。
【００３８】
基本波１０の出力を１Ｗ、３Ｗおよび１０Ｗと３通りに設定した場合、光波長変換素子１５への印加電圧を上述の範囲で調整すると、各場合でそれぞれ下の表１に示す通りの第２高調波最大出力が得られた。
【００３９】
比較のために、位相調整手段２０を持たない点、並びにコート１７、１８に代えて基本波１０および第２高調波１４を良好に透過させるＡＲコートを形成した点以外は以上述べた実施形態の光波長変換装置１００と同様の構成とした比較例の光波長変換装置を作製し、それによる第２高調波１４の発生についても調べた。なお、この場合、基本波１０は光波長変換素子を１回だけ正方向に伝搬することになる。またこの場合、基本波１０は、そのビームウエスト位置が光波長変換素子１５の長さ方向中央位置に有り、そしてビームウエスト半径が６０μｍとなる状態で光波長変換素子１５に入射される。この比較例における測定結果を表１に併せて示す。
【表１】
2012242545.tif 000003
【００４０】
以上の通り本実施形態の光波長変換装置１００によれば、光波長変換素子１５において１回だけ基本波１０を通過させるように構成された光波長変換装置と比べて、波長変換効率を１．７〜２．４倍に高めることが可能である。
【００４１】
なお本実施形態では、コート１７が出力ミラー１６に形成されているが、このコート１７を光波長変換素子１５の出射端面１５ｂに形成してもよい。また反対に、光波長変換素子１５の入射端面１５ａに形成されているコート１８を、光波長変換素子１５とは別体に形成された光学部材に形成してもよい。
【００４２】
《第２実施形態》
次に図２を参照して、本発明の第２実施形態による光波長変換装置２００について説明する。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。この光波長変換装置２００は図１に示した光波長変換装置１００と比べると基本的に、可変電圧印加による位相調整手段２０に代えて、光波長変換素子１５の温度を調節する手段からなる位相調整手段３０が設けられた点が異なるものである。
【００４３】
上記位相調整手段３０は、光波長変換素子１５を全体的に加温／冷却可能であるペルチェ素子３１と、このペルチェ素子３１に電流を供給する温度調節回路３２と、光波長変換素子１５の温度を検出して温度検出信号を温度調節回路３２にフィードバックする温度センサ３３とから構成されている。この位相調整手段３０においては、温度調節回路３２によりペルチェ素子３１に供給する電流を、温度センサ３３の温度検出信号が示す検出温度と設定温度（目標温度）との差に基づいて制御することにより、光波長変換素子１５を設定温度に制御することができる。
【００４４】
先に述べた比較例の光波長変換装置、つまり基本波１０が光波長変換素子を１回だけ正方向に伝搬するようにした光波長変換装置にも上記と同様の位相調整手段３０を設けて、最大の第２高調波出力が得られる光波長変換素子の温度を調べた。それによると第２高調波の出力は光波長変換素子の設定温度に対して、図３に示す通りの温度依存性を有することが分かった。同図に示される通り、光波長変換素子の温度が５６．７℃（これが位相整合温度である）のときに最大の第２高調波出力が得られる。
【００４５】
それに対して本実施形態の光波長変換装置２００において、光波長変換素子１５の設定温度を連続的に変化させると、温度間隔０．４７℃で周期的に第２高調波出力が変化した。第１実施形態と同様に基本波１０の出力を１Ｗ、３Ｗおよび１０Ｗとした場合に、上述のように変動する第２高調波出力の最大値を測定したところ、下の表２に示す通りの結果が得られた。なおこの表２でも、前記比較例の測定結果を併せて示す。
【表２】
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【００４６】
以上の通り本実施形態においても、比較例におけるよりも高い変換効率が得られている。ただし、表１に示した第１実施形態の結果と本実施形態の結果を比較すると、比較例に対する変換効率の改善が第１実施形態では２．４、２．０および１．７（倍）であったの対し、本実施形態では１．４、１．５および１．３（倍）であって、改善の程度が低い。これは、前述したように温度間隔０．４７℃で周期的に変化する第２高調波出力がピーク値を取る温度が、第２高調波発生の位相整合温度５６．７℃に対して約０．２℃ずれて約５６．５℃になっていることによる。
【００４７】
《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態による光波長変換装置について説明する。本実施形態の光波長変換装置は、図２に示した第２実施形態の光波長変換素子２００において、光波長変換素子１５に代えて図４に示す光波長変換素子２１５が適用された形のものである。この図４に示す光波長変換素子２１５は、ハッチングを付して分極反転部２１５ｃを示すように、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３  結晶に形成された周期分極反転構造が、一定周期ではなくてチャープ周期を有するものとされた点で、既述の光波長変換素子１５と異なるものである。
【００４８】
上述の構造を有する光波長変換素子２１５を用いる場合は、基本波１０に対して、その進行方向を横切る方向、つまり図４における上下方向に該素子２１５を相対移動させることにより、基本波１０が伝搬する部分における周期分極反転構造の周期を変えることが可能になる。
【００４９】
このことを利用して本実施形態ではまず、光波長変換素子１５の周期分極反転構造の周期が中程度の部分、つまり図４中の上下方向中央部分近辺に基本波１０を伝搬させ、その状態下で光波長変換素子２１５の設定温度を連続的に変化させて、第２高調波１４の出力が最大となる設定温度を見つけ、その温度に光波長変換素子２１５を維持した。この状態下では、正方向に１回目に伝搬する第２高調波１４の位相と、正方向に２回目に伝搬する第２高調波１４の位相とが互いに一致している。次に、光波長変換素子２１５を図４中の上下方向に移動させ、その移動範囲の中で第２高調波１４の出力が最大となる位置に光波長変換素子２１５を固定した。このときは、基本波１０が通過する部分の周期分極反転構造の周期が、第２高調波発生の位相整合条件を最大満足する値となっている。
【００５０】
以上の状態とした上で、第１および第２実施形態と同様に基本波１０の出力を１Ｗ、３Ｗおよび１０Ｗと変化させ、各場合の第２高調波出力を測定したところ、下の表３に示す通りの結果が得られた。なおこの表３でも、前記比較例の測定結果を併せて示す。
【表３】
2012242545.tif 000005
【００５１】
表２に示した第２実施形態の結果と本実施形態の結果を比較すると、比較例に対する変換効率の改善が第２実施形態では１．４、１．５および１．３（倍）であったのに対し、本実施形態では２．２、１．８および１．５（倍）であって、改善の程度がより高くなっているのが分かる。つまり本実施形態では、正方向に１回目、２回目に伝搬する各第２高調波１４の位相を一致させるために設定した光波長変換素子２１５の温度が、第２高調波発生の位相整合温度からずれていることを、周期分極反転構造の周期を変えることによって補償可能となっている。
【００５２】
図５は、以上のことを概念的に示すものである。同図において実線ａで示すのが、上記２つの第２高調波１４の位相関係に基づく第２高調波出力プロファイルであり、光波長変換素子２１５の温度が約５６．５℃のとき２つの第２高調波１４の位相が一致して最大の第２高調波出力が得られる。一方、破線で示すのが第２高調波発生における位相整合に基づく第２高調波出力プロファイルであり、破線ｂが光波長変換素子２１５の位置調整を行う前のプロファイルを、そして破線ｃが光波長変換素子２１５の位置調整後のプロファイルを示している。
【００５３】
より具体的に、第２実施形態における光波長変換素子１５の周期分極反転構造の周期が８．４８μｍであるのに対し、本実施形態では光波長変換素子２１５の基本波１０が伝搬する部分の周期分極反転構造の周期を、８．４６〜８．５１μｍの範囲で変更可能となっている。
【００５４】
なお図４に示す光波長変換素子２１５はバルク型のものであるが、導波路型の光波長変換素子とする場合は、同図の上下方向に違いに離して複数の光導波路を形成すればよい。そして、そのように形成した光波長変換素子を前記と同様に同図の上下方向に移動させることにより、基本波１０が導波する光導波路を適宜選択すれば、基本波１０が伝搬する部分における周期分極反転構造の周期を段階的に変えることが可能になる。
【００５５】
《第４実施形態》
次に図６を参照して、本発明の第４実施形態による光波長変換装置４００について説明する。なおこの図６および、続いて説明する図７〜９では、位相調整手段は省略してあるが、それらの構成においても図１に示した位相調整手段２０あるいは、図２に示した位相調整手段３０を適宜用いればよい。
【００５６】
この第４実施形態の光波長変換装置４００においては、ファイバレーザ１１と光波長変換素子１５とが直接ＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズ４１０によって結合されている。ファイバレーザ１１のコア１１ａから射出される基本波１０としてのレーザビームは一般に広がり角が大きい。そこで上記ＧＲＩＮレンズ４１０により、基本波１０の広がりを抑えるようにすれば、より長い素子長を有する光波長変換素子１５が適用可能になり、そこで該素子１５と基本波１０の相互作用長を大きく取ることができ、ひいては波長変換効率の高い光波長変換装置４００を実現可能となる。
【００５７】
《第５実施形態》
次に図７を参照して、本発明の第５実施形態による光波長変換装置５００について説明する。この光波長変換装置５００は、図６に示した第４実施形態の光波長変換装置４００と比べると、ＧＲＩＮレンズ４１０に代えてＧＩ（グレーデッド・インデックス）ファイバ５１０が適用された点が異なるものである。ＧＩファイバ５１０は、コア５１０ａの屈折率が中心から周辺に向かって次第に小さくなるように形成されたものであり、このコア５１０ａを伝搬した後に出射する基本波１０を集束させる機能を有する。このようなＧＩファイバ５１０を用いる場合も基本波１０の広がりを抑えることが可能であり、それにより、図６に示した第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
《第６実施形態》
次に図８を参照して、本発明の第６実施形態による光波長変換装置６００について説明する。この光波長変換装置６００は、図６に示した第４実施形態の光波長変換装置４００と比べると、ＧＲＩＮレンズ４１０に代えてテーパファイバ６１０が適用された点が異なるものである。このテーパファイバ６１０は、コア６１０ａが入射端面から出射端面に向かって（図中右から左に向かって）次第に広がる形状とされたものであり、そのコア６１０ａを伝搬した後に出射する基本波１０の広がりを抑えることが可能である。それにより本実施形態でも、図６に示した第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
《第７実施形態》
次に図９を参照して、本発明の第７実施形態による光波長変換装置７００について説明する。この光波長変換装置７００においては、以上説明した各実施形態で用いられた出力ミラー１６が省かれ、その代わりに光波長変換素子１５の出射端面１５ｂが凸レンズ形状とされている。そして、前述の通りの作用を果たすコート１７は、この出射端面１５ｂに形成されている。このコート１７での反射について考えれば、上記形状の出射端面１５ｂは出力ミラー１６と同様に凹面鏡としての作用を果たす。またファイバレーザ１１は光波長変換素子１５に直接結合されている。このような構成の光波長変換装置７００は、全体的に小型、軽量なものとなり得る。
【００６０】
なお、本実施形態においては、基本波がファイバレーザ１１側に直接戻る構成となっている。そのため、ファイバレーザ１１側の途中の光路中には、光アイソレーターを介設して、戻り光によるファイバレーザ１１の破壊を防止することが望ましい。特にファイバレーザ１１がハイパワーのものである場合は、戻り光による破壊がより起こりやすいので、戻り光をより効果的に抑圧できる光アイソレーターを使うことが望ましい。
【００６１】
なお、本発明の光波長変換装置においては、正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相を、位相調整手段によって互いに１周期以上調整可能としておくことが望ましい。そのようになっていれば、２つの波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。以下、第２高調波発生時にこの要求を満足させるための具体的条件を、位相調整手段として可変電圧印加手段が用いられる場合と、温度調節手段が用いられる場合とについて考察する。
【００６２】
《電圧印加手段が用いられる場合》
光波長変換素子への印加電圧をＶ、光の波長をλ、この波長λに対する光波長変換素子の屈折率をｎeとすると、光波長変換素子の電圧印加領域に作用する電界Ｅ、電圧印加による光波長変換素子の屈折率変化量Δｎe、電圧印加による第２高調波の位相変化量Δφはそれぞれ下記の通りとなる。
【００６３】
Ｅ＝Ｖ／ｄ・・・・・・・・・・・・・・（１）
Δｎe＝（１／２）γ３３・ｎe３・Ｅ・・・（２）
Δφ＝（２π／λ）Ｌ・Δｎe  ・・・・（３）
∵φ＝（２π／λ）Ｌ・ｎe
また、光波長変換に関わる要素の具体的数値を下記の例として考える。
【００６４】
基本波の波長λＦＭ＝１０００ｎｍ
第２高調波の波長λＳＨ＝５００ｎｍ
光波長変換素子のＥＯ係数γ３３＝３０．８（ｐｍ／Ｖ）
光波長変換素子の基本波に対する屈折率ｎeＦＭ＝２．１６
光波長変換素子の第２高調波に対する屈折率ｎeＳＨ＝２．２５
光波長変換素子の厚さｄ＝０．５ｍｍ
ＥＯ電極の長さＬ＝１ｍｍ
なお、上記屈折率ｎeＦＭおよびｎeＳＨは、光波長変換素子が電圧印加を受けないときの値である。また光波長変換素子の厚さｄは１対のＥＯ電極間の距離となり、ＥＯ電極の長さＬは、光波長変換素子において第２高調波が位相調整を受ける領域の長さとなる。
【００６５】
ここで図１０に、光波長変換素子１５を通過する基本波１０および第２高調波１４の光路を概略的に示す。最初に正方向に伝搬した基本波１０−１は、コート１７で反射して逆方向に折り返す。この折り返した基本波を１０−２として示す。基本波１０−１が正方向に伝搬する際に、その一部は第２高調波１４−１に変換される。また折り返した基本波１０−２が逆方向に伝搬する際に、その一部は第２高調波１４−２に変換され、この第２高調波１４−２はコート１８で反射して第２高調波１４−３として正方向に伝搬する。
【００６６】
上記の基本波および第２高調波はそれぞれ、光波長変換素子１５の電圧印加領域を通過することにより位相が変化する。ここでは、正方向に１回目に伝搬する第２高調波１４−１と、正方向に２回目に伝搬する第２高調波１４−３との間の位相差ΔφＴについて考えるが、第２高調波１４−１は基本波１０−１の位相を受け継ぐ。また正方向に２回目に伝搬する第２高調波１４−３はコート１８で反射する前の第２高調波１４−２のときと合わせて合計２回、電圧印加領域を通過して位相変化する。そこで、電圧印加領域通過による基本波の位相変化をΔφＦＭ、第２高調波の位相変化をΔφＳＨとすると、上記位相差ΔφＴがちょうど１周期となる条件は、
ΔφＴ＝ΔφＳＨ＋ΔφＳＨ−ΔφＦＭ＝２π・・・（４）
となる。
【００６７】
ΔφＳＨおよびΔφＦＭは、前述の（３）式より、
ΔφＳＨ＝（２π／λＳＨ）Ｌ・ΔｎeＳＨ
ΔφＦＭ＝（２π／λＦＭ）Ｌ・ΔｎeＦＭ
であるので、（４）式より、
２（２π／λＳＨ）Ｌ・ΔｎeＳＨ−（２π／λＦＭ）Ｌ・ΔｎeＦＭ＝２π
∴２πＬ｛（２ΔｎeＳＨ／λＳＨ）−ΔｎeＦＭ／λＦＭ｝＝２π・・・（５）
となる。
【００６８】
また（１）および（２）式より、
ΔｎeＳＨ＝（１／２）γ３３・ｎe３ＳＨ・Ｅ＝（１／２）γ３３・ｎe３ＳＨＶ／ｄ
ΔｎeＦＭ＝（１／２）γ３３・ｎe３ＦＭ・Ｅ＝（１／２）γ３３・ｎe３ＦＭＶ／ｄ
であるから（５）式は、
πＬ｛（２γ３３・ｎe３ＳＨＶ／ｄ・λＳＨ）−γ３３・ｎe３ＦＭＶ／ｄ・λＦＭ｝＝２π
となり、ここにλＦＭ＝２λＳＨを代入すると、
πＬ｛（２γ３３・ｎe３ＳＨＶ／ｄ・λＳＨ）−γ３３・ｎe３ＦＭＶ／ｄ・２λＳＨ｝＝２π
∴（Ｌγ３３Ｖ／２ｄλＳＨ）（４ｎe３ＳＨ−ｎe３ＦＭ）＝２
となる。
【００６９】
上式に、前述した具体例の数値をそれぞれ代入してＶの値を求めると、Ｖ＝９１５ボルトとなる。つまり各要素が上記数値となっている場合は、光波長変換素子に０〜９１５ボルトの範囲にある可変電圧を印加できるようにしておけば、正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。
【００７０】
《温度調節手段が用いられる場合》
光波長変換素子が一様に温度調節される場合、第２高調波は正方向に伝搬するときも、また逆方向に伝搬するときも、素子の温度変化ΔＴに対してΔφの位相変化を受ける。そこで、第２高調波が正方向に１回目に伝搬するとき、そこから折り返して逆方向に伝搬するとき、そこから折り返して正方向に２回目に伝搬するときの位相変化を各々Δφ（３つとも同じである）とすると、正方向に１回目に伝搬する第２高調波と、正方向に２回目に伝搬する第２高調波との間の位相差ΔφＴは、
ΔφＴ＝Δφ−（Δφ＋Δφ）＝Δφ
であり、結局、第２高調波が光波長変換素子を１回通過するときに温度変化ΔＴにより生じる位相変化量Δφと同じ値となる。
【００７１】
そして位相φは、光波長変換素子の屈折率をｎ、その長さをＬeとすると、
φ＝（２π／λ）ｎ・Ｌe
であるから、これより、
ΔφＴ＝Δφ＝（２π／λ）Δｎ・Ｌe
となる。また、光波長変換素子がΔＴの温度変化を受けたときの該素子の屈折率変化量Δｎは、光波長変換素子の温度係数をδｎ／δＴとすると、
Δｎ＝ΔＴ（δｎ／δＴ）
であるから、これを上式に代入すると、
ΔφＴ＝ΔＴ（２π／λ）（δｎ／δＴ）・Ｌe
となる。
【００７２】
この式から具体的な数値を考える。光波長変換素子の温度係数δｎ／δＴ＝５．３×１０−５、ｎ＝２．２、λ＝５００ｎｍとして、
ΔＴ（２π／λ）（δｎ／δＴ）・Ｌe＝２π
を満たすΔＴを求めると、例えばＬe＝１０ｍｍのときΔＴ＝０．９４℃、Ｌe＝２０ｍｍのときΔＴ＝０．４７℃となる。つまり、光波長変換素子の長さが１０ｍｍ、２０ｍｍの場合、素子温度をそれぞれ０．９４℃の範囲、０．４７℃の範囲に亘って調節できるようにしておけば、正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相を必ず一致させることが可能になる。
【００７３】
図１１は、上述のように光波長変換素子の温度を０．４７℃の範囲に亘って調節する場合の、位相調整と位相整合との関係を示すものである。つまり、そこに実線で示すように、０．４７℃の範囲に亘って素子温度を調整すれば、その範囲の中央の温度となったとき、正方向に１回目に伝搬する波長変換波の位相と、正方向に２回目に伝搬する波長変換波の位相が一致することになる。そして、そこに併せて破線で示す位相整合プロファイル（素子長が比較的長い場合と、短い場合の２例を示す）がもし図示のようになっているならば、該プロファイルが上記中央の温度でピークを取るように、つまりこの中央の温度が位相整合温度となるように、前述した図４の光波長変換素子２１５を適用する等によって、この位相整合プロファイルを変化させればよい。
【符号の説明】
【００７４】
１００、２００、４００、５００、６００、７００    光波長変換装置
１０    基本波
１１    ファイバレーザ（基本波光源）
１２    コリメータレンズ
１３    集光レンズ
１４    第２高調波
１５、２１５    光波長変換素子
１５ａ  光波長変換素子の入射端面
１５ｂ  光波長変換素子の出射端面
１６    出力ミラー
１７    コート（第１の反射部材）
１８    コート（第２の反射部材）
２０、３０    位相調整手段
２１    ＥＯ電極
２２    電圧印加回路
３１    ペルチェ素子
３２    温度調節回路
３３    温度センサ
４１０  ＧＲＩＮレンズ
５１０  ＧＩファイバ
６１０  テーパファイバ
【図１】
2012242545.tif 000006
【図２】
2012242545.tif 000007
【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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【図１１】
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