(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に囲まれた所定距離の共振区間にポンピングレーザー光を入射して利得媒体から基本波を得る段階と、
基本波における特定の偏光を非線形単結晶素子に照射し、第２高調波を発生する段階と、
前記共振区間の周囲温度を所定範囲の温度帯に調整し、共振区間を熱的に安定化させる段階と、
前記非線形単結晶素子の温度を調整して目的とするモードより低い出力を有するモードを選択し、共振区間を熱的に安定化させるウォーミングアップ段階と、
共振区間の熱的安定化がなされた後に、非線形単結晶素子の温度を目的とするモードの温度帯に調整して所望の出力を得る段階とを有する
ことを特徴とする第２高調波発生方法。
【請求項２】
前記所望の出力を得る段階は、非線形単結晶素子の温度を連続的に変化させて目的とするモードの温度帯に調整することを特徴とする請求項１記載の第２高調波発生方法。
【請求項３】
前記ウォーミングアップ段階で調整される温度は、目的とするモードの温度より低いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の第２高調波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、第２高調波発生方法及びその発生装置に係り、特に、作動を開始する準備時間（warm-up time) を短縮し、環境温度の変化に対して安定した第２高調波の発生が可能なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
共振器（resonator)内における周波数倍加の原理を応用した第２高調波発生装置（second harmonic generator)は小型化が可能であり、短波長の可視光線の発生に適用できるので、ディジタルビデオの録画／再生装置、高解像度画像処理装置、高速情報処理装置などの光源として広く使用される。
【０００３】
図３は、従来の装置の概略的な構成を示す構成図である。
図３において、この装置は、対向する二つのミラー１１，１５により光学的に囲まれた共振区間（Intracavity)を内部の空洞部に有するケーシング（以下、省略して外被という）１０を設け、この共振区間内にＮｄ：ＹＡＧなどの利得媒体１２と、ブリュースタープレート（Brewster plate）などの偏光素子（polarizing device)１３と、ＫＴＰ（KTiOPO4)などの非線形単結晶素子（nonlinear birefringent crystalline device)（以下、省略して非線形素子という）１４を一つの光軸上に備えて共振器を形成し、一般的に青緑色のレーザー光を発生する。
【０００４】
利得媒体１２は、外部ソースにより加えるポンピングレーザー光から基本波を発生し、偏光素子１３は、この基本波のうち特定の偏光のみを通過させて非線形素子１４に入射して、非線形素子１４は、この特定の偏光から第２高調波を発生する。
外被１０の両側には、ポンピングレーザー光に対して高い透過率を有し、その基本波に対しては高い反射率を有する入力ミラー１１と、第２高調波に対してのみ高い透過率を有する出力ミラー１５が備えられる。
また、共振器の前方、即ち入力ミラー１１の前方にはポンピングレーザー光を発生するレーザーダイオード２１と、このポンピングレーザー光を共振器の内部に集束するフォーカスレンズ２２が備えられている。
【０００５】
以上、ポンピングレーザー光による第２高調波発生装置では動作中に相当な熱を発生し、特に、非線形素子１４は、温度変化により高調波発生特性が微妙に変化するので、一般的に図３における出力補償方法か、または後述する図４のモード選択方法かのいずれかにより装置を熱的に安定化させている。
先ず、出力補償方法では、第２高調波の出力を追跡（モニタリング）しながら、その出力が基準値から変動する時に外部ソースからのレーザー光を調節して第２高調波の出力を規定値以内に補償する様になっている。
図３の構成では、共振器の後方、即ち出力ミラー１５の後方には第２高調波の一部を他の経路に反射するビームスプリッター２３が備えられ、この反射された一部の第２高調波を入射して強度を検知するフォトデテクタ２４が、その反射経路上に備えられている。
【０００６】
フォトデテクタ２４は、レーザーダイオード２１のレーザー光出力を制御するレーザーダイオード制御回路２０に電気的に連結されており、第２高調波のモニター出力値を電気的信号の形態に変換して入力する。
レーザーダイオード制御回路２０は、第２高調波の出力が基準値を越えた時にレーザーダイオード２１の出力を下げ、その反対ならば高めて制御する様になっている。
次に、モード選択方法では、外部ソースからのレーザー光の出力は一定に保ち、非線形素子１４の温度を精密に調節して第２高調波の出力を一定に保つ様になっている。
【０００７】
図４は、モード選択方法による従来の装置の概略的な構成を示す構成図である。
図４において、この装置は、共振器の構造を保持する外被１０ａの両側にポンピングレーザー光に対して高い透過率を有し、基本波に対して高い反射率を有する入力ミラー１１ａと、第２高調波に対してのみ高い透過率を有する出力ミラー１５ａとを備え、入力ミラー１１ａと出力ミラー１５ａにより光学的に囲まれた共振区間には利得媒体１２ａ，偏光素子１３ａ、そして非線形素子１４ａを備ている。
非線形素子１４ａの下部には、熱電冷却素子１６ａ（Thermoelectric Cooler)を備えており、第２高調波の出力の強度を電気信号に変換して図示しない制御回路にフィードバックさせ、非線形素子１４ａの温度を適切に制御する様になっている。
【０００８】
その実際的な構成と作用は、米国特許第 3,858,056号に具体的に開示されており、ビームスプリッターによりレーザー光出力の一部を反射して電気信号としてフィードバックさせつつ、ステッピングモータによりポテンショメータを調節して、共振器内の非線形素子１４ａの温度を制御をしている。
しかし、この構成では、第２高調波の発生を準備するために５分以上の時間を要し、精密な温度制御も困難であった。
一般的に、モード選択方法で第２高調波出力を基準値に対して±３％の範囲内に安定化させるためには、非線形素子１４ａの温度偏差を約± 0.01 ℃以内に制限すべきである。
【０００９】
また、レーザーダイオードのポンピングによる第２高調波発生装置では、共振器の構造を保つ金属保持体の材質における熱的な安定度が良いことが出力の安定化に極めて重要である。一般的に、金属保持体の熱的安定度が劣ると、レーザー光出力の縦軸モード（Axial mode) が跳ねる（Hop)ようになって出力が不安定になる。
つまり、これを制御するために共振器保持体の材質は線膨張係数が低いものを使用することが望ましく、よく使用される金属材料としてはアルミニウム（線膨張係数； 24 ×10-6／℃）、黄銅（ 19 ×10-6／℃）がありうるが、価格と熱膨張係数などを考慮してガラス系統の素材 (参照 ;米国特許第 5,170,409号) が主に使用される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上、前記した従来の第２高調波発生装置を使用し、安定的な出力を得ようとする際には、次に述べるような問題点があった。
外被が、環境温度の影響を受けて加熱温度より低い温度に停まったり高い温度に過剰加熱され、収縮または膨張が生じて各光学部品相互の、特に入力及び出力ミラーの間隔を変化させ、共振器の長さを数十mm以内とする小型化では、ある限界に至ると温度偏差が１乃至２℃の範囲内にあっても出力モードが跳ねる現象が発生する。
従って、この長さが極めて短い場合、出力モードの跳ね現象を防止するために線膨張係数が非常に低い（ 10 -7/ ℃オーダー以下の）材料を保持体に使用するか、あるいは線膨張が極めて小さくなる構造を備えるべきである。
ところが、現在利用しうる素材の中で、この様な極めて低い線膨張係数を有するものを探すのは殆ど不可能で、価格面でも極めて不利である。
本発明は、以上の問題を改善するために、周辺温度の変化にも熱的安定性が保たれて第２高調波の安定的な出力が可能な改善された方法及び装置を提供することを課題とする。
また、速いモード選択が可能で短時間に安定した第２高調波を出力しうる方法及びその装置を提供することを、その他の課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明では次の手段を構成した。
（１）光学的に囲まれた所定距離の共振区間にポンピングレーザー光を入射して利得媒体から基本波を得る段階と、基本波における特定の偏光を非線形素子に照射し、第２高調波を発生する段階と、前記共振区間の周囲温度を所定範囲の温度帯に調整し、共振区間を熱的に安定化させる段階と、前記非線形素子の温度を調整して目的とするモードより低い出力を有するモードを選択し、共振区間を熱的に安定化させるウォーミングアップ段階と、共振区間の熱的安定化がなされた後に、非線形素子の温度を目的とするモードの温度帯に調整して所望の出力を得る段階とを有することを特徴とする第２高調波発生方法。
【００１３】
【作用】
共振器の外被が熱的に安定化された後、目的とするモードが選択されて所望のレーザー光出力が得られる。また、環境の温度変化にもかかわらず、極めて安定した第２高調波の発生及び出力が可能になり、特に、目的とするモード選択以後に短い時間内に安定したレーザー光出力が得られる。
【００１４】
【実施例】
以下、図面に基づき本発明による第２高調波発生方法及びその発生装置を詳細に説明する。
図１は、実施例による装置の概略的な構成を示す構成図である。
図１おいて、この装置は、光学的に囲まれた所定距離の共振器を形成する入力ミラー１１０及び出力ミラー１５０と、共振器内に備えられ、外部ソースにより加えられるポンピングレーザー光から非線形素子（非線形単結晶素子）１４０により第２高調波を得る第２高調波発生部とを備え、この共振器の周囲を形成して保護し、入力及び出力ミラー１１０，１５０と第２高調波発生部の構造を支持する外被（ケーシング）１００を具備している。
【００１５】
外被１００の周面には、その温度を補正する温度補正装置３００と、この温度補正装置３００を制御し、その温度を感知して設定された温度範囲内に維持する温度補正制御手段としての温度補正制御回路（以下、省略して温度制御回路という）４１０を具備する。
具体的には、レーザー光ビームが共振する空間を内部に備える空洞部を有する外被１００の両側に、ポンピングレーザー光に対して高い透過率を有し、基本波と第２高調波に対しては高い反射率を有する入力ミラー１１０を入力側に、第２高調波に対してのみ高い透過率を有する出力ミラー１５０を出力側に備える。
【００１６】
第２高調波発生部は、ポンピングレーザー光から基本波を発生する利得媒体１２０と、基本波における特定の偏光を通過させる偏光素子１３０と、発生された基本波から第２高調波を発生する非線形素子１４０とを外被１００内の共振区間に備えている。
非線形素子１４０は、一般的なペルチェ効果を用いた素子、即ち熱電加熱／冷却作用を有するペルチェ素子などの熱電素子により、この熱電素子の温度を目的の出力に相応する温度帯に調整する温度調整装置１４１を外被１００の一方との間に配置している。
次に、この装置の取扱要領について述べる。
【００１７】
図１において、外被１００には、その上下または左右、あるいは周辺に、その温度を補正する一つまたはそれ以上（図１では二つ）の温度補正装置３００が取付けてあり、各温度補正装置３００には放熱または吸熱のためのヒートシンク（heat sink)３１０が各々設けてある。
温度補正装置３００とヒートシンク３１０は、少なくとも外被１００全体を取り囲む大きさを要するが、前記した共振器の構造を保持するために外被１００の体積の膨張または収縮に起因した共振距離の変化、即ち入力ミラー１１０と出力ミラー１５０の間隔の変化を低減し、または防止するために外被１００周面の長さ方向を包含することが望ましい。
ヒートシンク３１０には、温度検知のためのサーミスタ４００（thermistor) を設けて温度制御回路４１０に電気的に接続する。
【００１８】
温度補正装置３００は、図１に示す直列に、または並列に温度制御回路４１０と電気的に接続されており、前記した熱電素子による熱電加熱／冷却装置を適用し、供給電流の方向と大きさを温度制御回路４１０により調節し、外被１００を基準となる温度である基準温度に冷却または加熱するものである。
一般的な環境下では外被１００を冷却すべきなので、温度補正装置３００は単に冷却作用のみによって外被１００の温度を補償しうるが、特別な極限状況、即ち周辺温度が極めて低い環境下では安定したレイジングのために、むしろ適正温度で加熱することにより外被１００の温度を維持しうる。
それ故、温度補正装置３００は、単に冷却あるいは加熱作用のみを有する場合、または冷却及び加熱作用を共に有する場合を用途や目的に従って選択すべきである。
【００１９】
温度制御回路４１０は、一般的な構成を有するものであり、サーミスタ４００の抵抗変化を電気信号に変換する変換部と、この電気信号を前記した基準温度に対する値と比較して増幅する差動増幅部（differential amplifier) と、こ増幅された出力を電力増幅する電力増幅部（power amplifier)を有する。
この電力増幅部から出力される電流の方向は、温度補正装置３００の冷却または加熱作用を決めるので、やはり用途と目的による選択に基づき切り換えうる機能を内蔵するのがよい。
尚、温度補正装置３００は、単に外被１００の温度を検出して基準値と比較し、その差に相当する温度制御を行って一定範囲内に維持できれば、他の一般的な類型の装置も適用できる。
続いて、本発明の装置の作用を考察すると次の通りである。
【００２０】
図２は、図１における非線形単結晶素子（非線形素子）の温度と第２高調波出力との特性変化を示す特性図である。
図２において、非線形素子（ＫＴＰ）の温度が横軸に沿って増加すると第２高調波のモード出力が縦軸に沿って増減する特性変化を示す。
５００mW程度の出力を有するレーザーダイオードで８０９nm波長帯の赤外色レーザー光のビームを入力ミラー１１０を介して共振器内に入射させると、利得媒体１２０による基本波の発生と、偏光素子１３０による特定の偏光のフィルタリングと、非線形素子１４０による第２高調波の発生などの作用が生じ、外被１００は約３０℃程度に加熱され、環境温度の変化が激しいと大きな問題となった。
【００２１】
しかし、本発明の特徴である外被１００の周面に備えられた温度補正装置３００が、この現象が現れる前に外被１００の温度を所定範囲内に維持すべく制御することにより、外被１００の異常膨張や収縮を出力モードに影響を及ぼさない程度に低減できる。
加えて、目的とするモードより低い出力を非線形素子１４０が維持しうる程度に相応する電流を、温度調整装置１４１に即応的に流して非線形素子１４０を直ちに運用可能なウォーミングアップ状態に置く。
この状態の温度に対応する出力より高い値を生ずるいかなる温度のピーク値も、目的とするモード出力に対応する温度に決して達してはならない。
【００２２】
一方、外被の温度補正は次の二つの形態をとりうる。
一方の補正形態は、前記した基準温度を周辺温度より低く設定して外被１００の温度が吸熱により上昇する際に、この上昇温度を抑えて周辺温度より低い一定範囲内に維持する連続的な冷却過程であり一般的に適用される。
他方の補正形態は、基準温度を周辺温度より高く設定して、この外被温度が放熱により下降する際に、この下降温度を適切に加熱して周辺温度より高い一定範囲内に維持する連続的な加熱過程であり、前述した特殊な状況下で適用されうる。
これら二つの補正形態の共通点は、周辺温度の変化と内的発熱にも拘らず外被温度を一定範囲内に維持し、外被１００内の共振距離の変化を最小化することであり、その際の外被温度は±0.2 ℃範囲内に調節することが望ましく、この実施例によると周辺温度が±25℃の幅で変動しても、この範囲内に維持できる。
【００２３】
以上、外被１００の熱的安定化がなされると即応的に温度調整装置１４１に電流を供給し、目的とするモードに対応する温度より低い、または高い任意の温度に調整してウォーミングアップをする。
この調整された温度は、これに相応する出力が目的とするモードの出力より低くなるべきであり、目的とするモードとの温度帯域内に目的とするモードの出力よりは高いピーク値があってはならないが、最も望ましくは、目的とするモード前後の先端モードまたは後端モードとの間の温度でウォーミングアップし、即応的に目的とするモードを選択しうるようにする。
【００２４】
これらの過程を経て外被１００の温度補正が終わると第２高調波の出力モードが安定化され、続いて、温度調整装置１４１の供給電流を連続的に増加または減少させ、目的とするモードに対応する温度に移行して所望の第２高調波出力を得る。
本実施例では、外被１００の温度安定化と非線形素子１４０の温度調整を合わせた第２高調波のモード選択を含む一連の過程によると、僅か１分以内に望むモード出力の第２高調波を得ることができる。
従来、その長さが３０mmである一般的な共振器において、第２高調波のレーザー光出力で±３％以内の安定度を得るために、環境温度の許容範囲を±１℃以内に抑える必要があることを考えると、本発明の装置は、環境温度の許容範囲を０℃〜５０℃に拡張しうるので極めて画期的な信頼性を実現できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明には次の効果がある。
周辺温度の変化にも拘らず、極めて安定した第２高調波の発生及び出力が可能で、特に、目的とするモードの選択以後に極めて短時間（約１分）内に安定したレーザー光出力を得ることができる。
また、装置の外被（ケーシング）素材が容易に選択でき、特に、一般的なアルミニウムやステンレスなどの凡用素材が適用できるので価格面で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の概略的な構成を示す構成図である。
【図２】図１における非線形単結晶素子（非線形素子）の温度と第２高調波出力との特性変化を示す特性図である。
【図３】従来の装置の概略的な構成を示す構成図である。
【図４】モード選択方法による従来の装置の概略的な構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１００・・・ケーシング（外被）              １１０・・・入力ミラー
１２０・・・利得媒体                        １３０・・・偏光素子
１４０・・・非線形単結晶素子（非線形素子）
１５０・・・出力ミラー                      ３００・・・温度補正装置
３１０・・・ヒートシンク                    ４００・・・サーミスタ
４１０・・・温度補正制御回路（温度制御回路）
【図１】
0003744959.tif 000002
【図２】
0003744959.tif 000003
【図３】
0003744959.tif 000004
【図４】
0003744959.tif 000005