(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザの出射端面から出射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の少なくとも一部により励起され、それによってレーザ発振を行うレーザ発振媒体と、
を備えた光源であって
前記レーザ発振媒体は、前記レーザ光の前記少なくとも一部を受け取る入射端面と、を有しており、
前記入射端面には前記レーザ光の一部を反射する無反射コーティングが形成されていて
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザとレーザ発振媒体との間に設けられた光学素子は任意の角度に調整が可能であり、
前記光学素子を透過した前記レーザ光は前記レーザ発振媒体の前記入射端面に集光され、かつ前記入射端面にて反射され、再び前記光学素子を透過し、前記半導体レーザの活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体とが配置され、前記半導体レーザの出射端面から出射されるレーザ光と前記レーザ発振媒体より出射されるレーザ光の方向が同一となるように配置されている、レーザ光源。
【請求項２】
前記無反射コーティングの反射率が略７％であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザの出射端面から出射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の少なくとも一部により励起され、それによってレーザ発振を行うレーザ発振媒体と、
を備えた光源であって、
前記レーザ発振媒体は、前記レーザ光の前記少なくとも一部を受け取る入射端面と、前記入射端面に対向した出射端面を有しており、
前記出射端面には前記レーザ光を反射するための反射膜が形成されていて、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体との間に設けられた光学素子は任意の角度に調整が可能であり、
前記光学素子を透過した前記光が前記レーザ発振媒体の入射端面から前記レーザ発振媒体に入射し、
前記レーザ発振媒体の出射端面に集光され、かつ前記出射端面にて反射され、再び前記光学素子を透過し、
前記半導体レーザの前記活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体とが配置され、
前記半導体レーザの出射端面から出射されるレーザ光と前記レーザ発振媒体より出射されるレーザ光の方向が同一となるように配置されている、レーザ光源。
【請求項４】
前記反射膜の反射率が略９５％以上であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記光学素子と前記レーザ光の光軸となす角度が１０から２０度の間にあることを特徴とする請求項１または４に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記光学素子を回転させる機構を備えている、請求項１または４に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記回転させる機構は、前記短波長光の出力を検出し、前記短波長光の出力が一定になるように前記回転させる機構を制御するためのフィードバック回路を含んでいる、請求項６に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度光ディスクシステム等に使用される光源に関しており、特に、半導体レーザを励起光源とする短波長光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクの高密度記録や画像処理等の分野では、半導体レーザを励起光源として使用し、半導体レーザからの光を高効率で波長変換することによりグリーンまたはブルー光を得る光源が要求されている。
【０００３】
このような光源には、つぎのようなことが要求される。
（１）出力光の横方向の光強度分布がガウシアンとなり、回折限界で集光できる。
（２）出力光の光出力が数mW程度で、周波数的にも時間的にも安定である。
【０００４】
半導体レーザを励起光源として数mW以上の出力を有する短波長光源を得るには、光波長変換素子として、LiTaO3、LiNbO3やKTiOPO4などを基板とした擬位相整合（以下、「ＱＰＭ」と称する）方式の分極反転型導波路素子（山本他、オプティクス・レターズ  Optics Letters Vol.16, No.15, 1156  (1991)）や分極反転型バルク素子やKnbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな位相整合型非線形光学結晶を用いて半導体レーザ光を直接波長変換する方式が有望である。
【０００５】
また、レーザ発振媒体を共振器内部に含む内部共振器型短波長光源も有望である。この光源において、レーザ発振媒体は、半導体レーザ（励起光源）から放射されたレーザ光を受けてレーザ発振し、半導体レーザのレーザ光の波長よりも長い波長のレーザ光を発生する。このレーザ光は、共振器内部に挿入された光波長変換素子により、短波長光（高調波）に変換される。
【０００６】
はじめに、分極反転型導波路素子を直接波長変換方式について説明する。現在、LiTaO3基板上に形成したＱＰＭ方式の分極反転型導波路を用いる装置に於いて、半導体レーザから分布反転型導波路内へ入射する光の強度が35mWのとき、1.1mWの光出力を有するブルー光が得られている。しかし、ＱＰＭ分極反転導波路素子の波長許容度は0.2nmしかないのに対して、半導体レーザの温度変化に対する発振波長の揺らぎは0.2nm/℃もある。また、半導体レーザへの戻り光によるモードホップが1nm程度あるため、ＱＰＭ分極反転導波路素子から得られる出力は、数秒しか安定しない。位相整合型の非線形光学結晶やＱＰＭ方式の分極反転型バルク素子も、同様に、位相整合に対する波長許容度が狭い。このため、励起光源である半導体レーザの発振波長の安定化が重要な課題となっている。
【０００７】
半導体レーザを励起光源とする光発生装置において、半導体レーザの波長安定化のために、グレーティングを半導体レーザの出射側に設けた短波長光源が提案された。
【０００８】
図１３を参照しながら、この従来の短波長光源の概略構成を説明する。図１３において、Ｄ０１は0.83μm帯の50mW級AlGaAs半導体レーザ、Ｄ０２はコリメートレンズ、Ｄ０３はλ／２板、Ｄ０４はN.A.=0.6のフォーカシングレンズ、Ｄ０５は半導体レーザの光軸に対してθだけ傾斜して設置されたグレーティングである。グレーティングＤ０５の形状は直線形状である。半導体レーザＤ０１の端面Ｄ０６には高反射率コートが施してある。グレーティングＤ０５は波長分散効果をもっていて、ある特定の波長を１次回折光として半導体レーザＤ０１に帰還することで、半導体レーザＤ０１の発振波長をロックすることができる。グレーティングＤ０５で反射した波長830nmのレーザ光は、λ／２板Ｄ０３で偏向方向を回転させフォーカシングレンズＤ０４で分極反転型導波路素子Ｄ０８の端面Ｄ０７に集光され、周期3.7μmの分極反転層をもつ分極反転型導波路素子Ｄ０８を伝ぱんした光は波長415nmに波長変換され、端面Ｄ０９より出射される。端面Ｄ０７及びＤ０８には、基本波に対する無反射コーティングが施されている。ここで用いられた分極反転型導波路素子Ｄ０８はLiTaO3基板上に形成されたものである。
【０００９】
次に、半導体レーザを励起光源とする固体レーザについて説明する。内部共振器型固体レーザを用いて、半導体レーザのNd:YVO4への励起強度が50mWに対しＫＴＰ(KTiOPO4)の波長変換により3mW程度のグリーン光を得ている。しかし、レーザ材料の吸収スペクトルの半値幅はNd:YVO4の場合数nmであり、モードホップや縦モードのマルチ化は出力ノイズの原因となる。そのため、半導体レーザの波長安定化が不可欠となる。
【００１０】
このように単一縦モードで発振する半導体レーザを励起光源とする光発生装置においては、半導体レーザの出射側にグレーティングを設置した短波長光源が提案された。この短波長光源の概略構成を図２５に示す。
【００１１】
図２５において、Ｑ０１は809nm帯の60mW級AlGaAs半導体レーザ、Ｑ０２はコリメートレンズ、Ｑ０３はf=14.5mmのフォーカシングレンズ、Ｑ０４は半導体レーザの光軸に対してθだけ傾斜して設置されたグレーティングである。グレーティングＱ０４の形状は直線形状である。入射角30゜に対し深さ0.29μm、ピッチ0.83μmの時、回折効率は10％程度が得られた。グレーティングＱ０４は波長分散効果をもっていて、ある特定の波長を１次回折光として半導体レーザＱ０１に帰還することで、半導体レーザＱ０１の発振波長をロックすることができる。グレーティングＱ０４からの反射光（０次回折光）は、f=14.5mmのフォーカシングレンズＱ０３によりレーザ発振媒体Nd:YVO4Ｑ０７の端面Ｑ０８に集光される。出力ミラーＱ０９とNd:YVO4Ｑ０７の端面Ｑ０８で共振した基本波は非線形光学結晶ＫＴＰ(KTiOPO4)Ｑ１０により波長変換され出力ミラーＱ０９より出射される。
【００１２】
また、光通信等の情報処理分野では、波長多重光伝送用光源として波長可変できる半導体レーザーが必要とされている。従来より光通信分野では周辺温度が変化しても安定に単一波長で単一縦モード発振する半導体レーザーが提案されている。半導体レーザーを安定に発振させる方法として外部共振器型半導体レーザーが有力視されている。（朝倉他、昭和６２年度電子情報通信学会全国大会）この方法では、上記ブルー及びグリーン光源と同様、グレーティングを外部共振器鏡として用い、グレーティングの波長分散効果により、半導体レーザーの発振波長を選択している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１３及び図２５に示されるように、グレーティングにより半導体レーザの縦モード発振を安定化しようとする場合、その安定性は、グレーティング及びその保持角度の経時変化並びに環境温度変化によって、大きく損なわれ得る。波長安定性のグレーティング角度依存性は、28nm／degである。
【００１４】
また、グレーティングを設けたことにより、半導体レーザの光軸が放射光の光軸に対して折り曲げられる結果、モジュールが全体として直線形状にならない。このため、短波長光源をコンパクト化する事が困難である。
【００１５】
また、光波長変換素子の温度変化や、光損傷による屈折率変化すなわち位相整合波長の変化に対しても、グレーティングで制御するには、調整機構が複雑で精密になる。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体レーザから放射された光を高効率で変換した短波長光を安定に放射することのできる短波長光源を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光を生成する光波長変換素子と、
を備えた短波長光源であって、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に反射し、前記反射光を前記半導体レーザの前記活性層に帰還する光学素子であって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた光学素子を備え、それによって上記目的を達成する。
【００１８】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光を生成する光波長変換素子と、
を備えた短波長光源であって、
前記光波長変換素子は、前記レーザ光の前記少なくとも一部を受け取る入射端面と、前記短波長光を出射する出射端面とを有しており、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた光学素子を備えており、
前記光学素子を透過した前記光が前記光波長変換素子の前記入射端面により反射され、それによって、再び前記光学素子を透過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記光波長変換素子とが配置されており、それによって上記目的を達成する。
【００１９】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光を生成する光波長変換素子と、
を備えた短波長光源であって、
前記光波長変換素子は、前記レーザ光の前記少なくとも一部を受け取る入射端面と、前記短波長光を出射する出射端面とを有しており、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた光学素子を備えており、
前記光学素子を透過した前記光が前記光波長変換素子の前記入射端面から前記光波長変換素子の内部に入った後、前記出射端面により反射され、それによって、再び前記光学素子を透過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記光波長変換素子とが配置されており、そのことにより上記目的を達成する。
【００２０】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光を生成する光波長変換素子と、
を備えた短波長光源であって、
前記光波長変換素子は、前記レーザ光の前記少なくとも一部を受け取る入射端面と他の端面とを有しており、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた光学素子と、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過し、かつ、前記短波長光を反射する波長選択ミラーであって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた波長選択ミラーと、
を備えており、
前記半導体レーザから放射された光のうち前記所定波長帯域の光の一部は、前記光学素子及び前記ミラーを透過した後、前記波長変換素子の前記入射端面により反射され、その後、再び前記光学素子及び前記ミラーを通過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還され、かつ、
前記光波長変換素子により生成された前記短波長光は、前記光波長変換素子の前記他の端面により反射され、前記導波路を逆に伝播し、その後、前記波長選択ミラーにより所定方向に反射され、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の少なくとも一部により励起され、それによってレーザ発振を行うレーザ発振媒体と、
を備えた光源であって、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に反射し、前記反射光を前記半導体レーザの前記活性層に帰還する光学素子であって、前記半導体レーザと前記光波長変換素子との間に設けられた光学素子を備え、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の少なくとも一部により励起され、それによってレーザ発振を行うレーザ発振媒体と、
を備えた光源であって、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体との間に設けられた光学素子を備えており、
前記光学素子を透過した前記光が前記レーザ発振媒体の入射端面により反射され、それによって、再び前記光学素子を透過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体とが配置され、そのことにより上記目的が竜製される。
【００２３】
本発明の他の短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層を含む半導体レーザと、
前記半導体レーザから放射された前記レーザ光の少なくとも一部を受け取り、前記レーザ光の少なくとも一部により励起され、それによってレーザ発振を行うレーザ発振媒体と、
を備えた光源であって、
更に、
前記レーザ光のうち所定波長帯域に属する光を選択的に透過する光学素子であって、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体との間に設けられた光学素子を備えており、
前記光学素子を透過した前記光が前記レーザ発振媒体の入射端面から前記レーザ発振媒体に入射し、前記レーザ発振媒体の出射端面により反射され、それによって、再び前記光学素子を透過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還されるように、前記半導体レーザと前記レーザ発振媒体とが配置され、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
前記光波長変換素子は分極反転型であってもよい。
【００２５】
前記光波長変換素子はバルク型であってもよい。
【００２６】
前記光波長変換素子は、ＫＮｂＯ3結晶からなるリング共振器型波長変換素子であってもよい。
【００２７】
前記光波長変換素子は導波路型であってもよい。
【００２８】
前記光波長変換素子は、ＬｉＮｂxＴａ1-xO3（０≦ｘ≦１）基板及びＫ1-xＲｂxＴｉＯＭＯ4（０≦ｘ≦１、Ｍ＝ＰまたはＡｓ）基板の何れかに形成された分極反転型素子であってもよい。
【００２９】
ある実施例では、前記光波長変換素子は導波路を有する導波路型波長変換素子であり、前記入射端面から前記光波長変換素子に入射した光は、前記導波路を伝播し、前記出射端面により反射された後、前記導波路を逆に伝播し、その後、再び前記光学素子を通過し、前記半導体レーザの前記活性層に帰還される。
【００３０】
前記波長変換素子が分極反転型波長変換素子である場合において、前記素子は、分極反転周期の異なる複数の領域に分割されていてもよい。
【００３１】
前記波長変換素子が分極反転型波長変換素子である場合において、前記素子は、分極反転周期の変化するチャープ構造を有していてもよい。
【００３２】
ある実施例では、前記光学素子は、屈折率の異なる誘電体層が所定の周期で積層されたブラッグ反射型薄膜光学素子である。
【００３３】
前記光学素子は、基板と、前記基板上に形成された誘電体多層膜とを有する薄膜光学素子であってもよい。
【００３４】
前記光学素子に替えて、前記光学素子の機能を有する誘電体多層膜が、前記半導体レーザ及び前記光波長変換素子の少なくとも何れか一方の入射端面または出射端面上に形成されていてもよい。
【００３５】
前記光学素子に替えて、前記光学素子の機能を有する誘電体多層膜が、前記半導体レーザ及び前記レーザ発振媒体の少なくとも何れか一方の入射端面または出射端面上に形成されていてもよい。
【００３６】
ある実施例では、前記光学素子は、前記半導体レーザの光軸に対して傾いている。
【００３７】
ある実施例では、前記光学素子を回転させる機構を備えている。
【００３８】
ある実施例では、前記光波長変換素子の位相整合波長を変化させる手段を更に備えており、前記光学素子の角度を変化させることにより、前記光波長変換素子に入射する光の波長を前記位相整合波長に調整し、それによって、前記短波長光の波長を変化させる。
【００３９】
前記光学素子を回転させる機構を備えていてもよい。
【００４０】
ある実施例では、前記光学素子の角度を変化させることにより、前記光波長変換素子に入射する光の波長を前記位相整合波長に調整し、それによって、前記短波長光の波長を変化させる。
【００４１】
ある実施例では、前記回転機構は、前記短波長光の出力を一定に制御するためのフィードバック回路を含んでいる。
【００４２】
前記回転機構は、ピエゾ素子を有していてもよい。
【００４３】
前記回転機構は、アクチュエーターを有していてもよい。
【００４４】
前記光学素子以外に１以上の光学素子を備えていてもよい。
【００４５】
前記光学素子は、前記レーザ光の波長に対してλ／２板として機能する薄膜を有していてもよい。
【００４６】
ある実施例では、前記光学素子は、波長選択ミラーを有しており、前記波長選択ミラーは、前記レーザ光に対して透過膜として機能し、前記短波長光に対して反射膜として機能する。
【００４７】
ある実施例では、前記共振器構造内部に光波長変換素子を有する。
【００４８】
本発明は、半導体レーザと所定の帯域の光を透過または反射する光学素子を組み合わせ、所定の波長帯域の光だけを半導体レーザの活性層に帰還させ、半導体レーザの縦モードをある特定の波長帯域に固定することで、光波長変換素子及びレーザ発振媒体の安定な励起を行い、安定でかつ高効率なグリーンやブルーの高調波光が実現するものである。
【００４９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図面を参照しながら、以下に、本発明による短波長光源を説明する。
【００５０】
図１は、本実施例の短波長光源の概略構成を示している。この短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層（不図示）を含む半導体レーザ１０１と、レーザ光の少なくとも一部を受け取り、レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光（高調波）を生成する光波長変換素子１０６とを備えている。半導体レーザ１０１は、150mW級のシングル縦モードレーザであり、その発振波長は870nm帯である。光波長変換素子１０６は、分極反転型導波路素子である。
【００５１】
この短波長光源は、レンズ等の通常の光学システムに加えて、薄膜光学素子１０３を備えている。薄膜光学素子１０３は、半導体レーザ１０１から出射されたレーザ光のうち、所定波長帯域に属する光を選択的に反射し、反射光を半導体レーザ１０１の活性層に帰還するものである。薄膜光学素子１０３は、例えば、誘電体多層膜から形成されたバンドストップ型（反射型）フィルタであり、0.5ｍｍ厚のガラス基板上にSiO2やTiO2等の誘電体を層状に形成することにより得られる。図２は、薄膜光学素子１０３の反射特性を示す。反射率はピークで10%程度である。薄膜光学素子１０３により870nm近傍の光は再び半導体レーザの活性層に光帰還される。薄膜光学素子１０３により半導体レーザの活性層に帰還される反射光のスペクトル幅は、5nm程度と広い。
【００５２】
本短波長光源においては、図１に示されるように、半導体レーザ１０１から出射した光が、まず、レンズ（開口数N.A.=0.55）１０２によりコリメートされた後、薄膜光学素子１０３に導かれる。薄膜光学素子１０３は、半導体レーザ１０１の光軸に対して垂直に設置されている。薄膜光学素子１０３に入射したレーザ光のうち、波長が870nm近傍の光の一部（約１０％以下）は、半導体レーザの活性層に帰還される。薄膜光学素子１０３により反射されるレーザ光以外のレーザ光は、薄膜光学素子１０３を透過する。
【００５３】
図２に示されるように、薄膜光学素子１０３からの反射光のスペクトル幅は、5nm程度と広い。しかし、半導体レーザにおけるゲインは、波長に強く依存するため、上記スペクトルを有する反射光を半導体レーザの活性層に帰還すれば、半導体レーザは単一の縦モードで安定に発振し、その波長は870nmに固定された。
【００５４】
本実施例において、薄膜光学素子１０３を透過したレーザ光の偏向方向は、λ／２板１０４により光軸の回りに90度回転する。レーザ光は、λ／２板１０４を透過した後、フォーカシングレンズ１０５により分極反転型導波路素子１０６の入射端面に集光される。その後、波長870nmのレーザ光は、導波路１０８を伝播するうちに、波長435nmのブルー光に変換される。その結果、分極反転型導波路素子１０６の出射端面からは、ブルー光が安定に放射される。
【００５５】
以下に、分極反転導波路素子１０６を説明する。本実施例の分極反転導波路素子１０６は、LiTaO3基板１０９と、LiTaO3基板１０９に形成された4μm幅の光導波路１０８と、周期4μmの分極反転層１０７とを有している。この導波路素子１０６の形成方法は、次の通りである。
【００５６】
まず、LiTaO3基板１０９上にＴａ膜を堆積した後、通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いて、Ｔａ膜を周期状にパターニングすることにより、Ｔａ膜に複数のスリットを形成する。次に、LiTaO3基板１０９に対して、２６０℃、３０分間プロトン交換を行い、Ｔａ膜のスリットの直下に、厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成する。この後、LiTaO3基板１０９を５９０℃の温度で１０分間熱処理する。熱処理の上昇レートは１０℃／分、冷却レートは５０℃／分である。LiTaO3基板１０９のプロトン交換層の直下領域では、Ｌｉ濃度が減少し、その領域のキュリー温度は低下する。このため、プロトン交換層の領域は、部分的に分極反転を行うことができるるようになり、LiTaO3基板１０９中に分極反転層１０７が形成される。
【００５７】
次に、Ｔａ膜を除去するために、ＨＦ：ＨＮＦ3の１：１混合液にて２分間エッチングする。さらに、分極反転層１０７中にプロトン交換を用いて光導波路１０８を形成する。光導波路用マスクとしてＴａをストライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅４μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマスクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスクを除去した後３８０℃で１０分間熱処理を行う。プロトン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折率が０．０３程度上昇した光導波路１０８となる。
【００５８】
LiTaO3基板１０９の屈折率は2.2程度であるため、その端面にコーティングを施さないと、フレネル反射が１４％程度発生する。フレネル反射は、半導体レーザ１０１への戻り光を発生させるため、薄膜光学素子１０３による安定な波長安定を阻害する。これを防止するために、分極反転型導波路素子１０６の入射端面及び出射端面に、波長870nmに対する無反射コーティング（ＡＲコート）を施すことが好ましい。
【００５９】
なお、結合光学系（コリメートレンズ１０２及びフォーカシングレンズ１０５）の間に挿入しているλ／２板１０４は、薄膜光学素子１０３上に形成されてもよい。こうすることにより、部品点数を減らすことができ、さらに一層の小型化を図れるようになる。
【００６０】
（実施例２）
図１の短波長光源では、光波長変換素子として、LiTaO3(LT)を基板とした分極反転型導波路素子１０６を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型導波路素子や、KNbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな非線形光学結晶や、LT,LN,KTPを基板とした分極反転型バルク素子を用いても同様に安定な短波長光を得られる。
【００６１】
本実施例の光波長変換素子の入射及び出射端面にも、波長870nmの光に対する無反射コーティングが施されている。
【００６２】
ここで深い分極反転層をもつ分極反転型バルク素子の作製方法について説明する。深い分極反転層は、エレクトロンビーム（ＥＢ）やフォーカシングイオンビーム（ＦＩＢ）などを用いた描画法や、プロトン交換法によって作製される。以下の４つの方法により分極反転型バルク素子を作製した。
【００６３】
（１）ＥＢ照射による方法(1)
単分極化された強誘電体であるLiNbO3、LiTaO3基板に１０Ｖ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍの電界を印可しながら、加速電圧１０〜１００ｋｅＶで加速した荷電粒子（電子）を基板表面での電流密度が１μＡ／ｍｍ2〜１０００μＡ／ｍｍ2になるよう照射することにより深い分極反転層を形成できた。
【００６４】
（２）ＥＢ照射による方法(2)
強誘電体材料であるLiNbO3、LiTaO3基板の＋Ｃ面（Ｃ板）に金属膜を蒸着し、これを接地する。−Ｃ面側から、加速電圧２５ｋｅＶで加速した電子ビームを収束して照射すると、照射された部分の分極が反転する。その反転層は基板（0.5ｍｍ厚）の底面まで達し、深い分極反転層が形成された。
【００６５】
（３）ＦＩＢ照射による方法
イオン源にはＡｕＳｉの液体金属源を用い、Ｓｉ2+イオンを電磁界フィルターで分離、選択した後、集束して基板に照射した集束面積は約１μｍφであった。基板には、Ｃ板のLiTaO3を用いて、サンプルホルダーに金属ペーストで接地し、＋Ｃ面にＳｉ2+イオンを集束し、コンピュータで制御しながら集束イオンを周期状に走査した。
【００６６】
このときの加速エネルギーは２００ｋｅＶ、電流量を１２０ｐＡ、集束イオンの走査速度を８４μｍ/secにした。このとき形成される分極反転層の反転層幅は１．８μｍ、反転層深さはほぼ基板の底面まで達した。反転層幅は分極反転層の深さ方向に均一であった。またこの条件で周期４μｍの周期的分極反転層を形成したところ、周期４μm、反転層幅１．８μm、反転層深さ０．５ｍｍの均一な周期構造が形成できた。
【００６７】
（４）プロトン交換による方法
LiTaO3基板の−Ｃ面にＴａを蒸着しフォト・ドライエッチングにより４μｍ周期のストライプを形成する。その上にピロリン酸を数滴置いて、２３０℃のホットプレート上で３０分熱処理する。これにより深い分極反転層を形成することが出来た。
【００６８】
（１）から（４）の方法によって深い分極反転層をLiTaO3基板に形成し、入射面及び出射面を光学研磨し、波長870nmに対して無反射コートすることで分極反転型バルク素子を作製し、図１の分極反転型導波路素子１０６の位置に代替した構成で短波長光源を実現した。
【００６９】
（実施例３）
図３を参照しながら、本発明による更に他の短波長光源を説明する。
【００７０】
図３に示される短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層（不図示）を含む半導体レーザ３０１と、レーザ光の少なくとも一部を受け取り、レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光（高調波）を生成する光波長変換素子３０６とを備えている。半導体レーザ３０１は、150mW級のシングル縦モードレーザであり、その発振波長は870nm帯である。光波長変換素子３０６は、分極反転型導波路素子である。
【００７１】
この短波長光源は、レンズ等の通常の光学システムに加えて、薄膜光学素子３０３を備えている。本実施例の薄膜光学素子３０３は、半導体レーザ３０１から出射されたレーザ光のうち、所定波長帯域に属する光を選択的に透過する。透過光の一部は、後述するように、レーザ３０１の活性層に帰還される。薄膜光学素子３０３は、例えば、誘電体多層膜から形成されたバンドパス型（透過型）フィルタであり、0.5mm厚のガラス基板上に誘電体（TiO2等）等を数十層積層形成することにより得られる。
【００７２】
図４は、この薄膜光学素子３０３の透過特性を示す。この薄膜光学素子３０３は、波長870nmにおいて80%程度の最大透過率をもち、透過スペクトルの半値幅は1nmである。薄膜光学素子３０３の透過率は角度依存性を持っている。図４に示す透過スペクトルは、薄膜光学素子３０３の主面が光軸に対して２０度の角度（入射角度）を持つ場合のスペクトルである。入射角度が２０度のとき、薄膜光学素子３０３の透過中心波長のシフト量は1.5nm/degの角度依存性を示す。入射角度が１０度近傍の時のシフト量は0.9nm/degの角度依存性を示し、０度の時のシフト量は、ほとんど角度依存性を示さない。
【００７３】
この短波長光源においては、図３に示されるように、半導体レーザ３０１から出射した光が、まず、レンズ３０２によりコリメートされた後、薄膜光学素子３０３に導かれる。薄膜光学素子３０３は、半導体レーザ３０１の光軸に対して傾斜して設置されている。本実施例の場合、薄膜光学素子３０３と半導体レーザ３０１の光軸とがなす角度が20度のとき、波長870nm近傍の光だけが選択的に薄膜光学素子３０３を透過する。それ以外のレーザ光は、薄膜光学素子３０３により反射される。反射光は、薄膜光学素子３０３が傾斜しているので、半導体レーザの活性層には戻らない。
【００７４】
本実施例において、薄膜光学素子３０３を透過したレーザ光の偏向方向は、λ／２板３０４により光軸の回りに90度回転する。レーザ光は、λ／２板３０４を透過した後、フォーカシングレンズ３０５により分極反転型導波路素子３０６の入射端面３０７に集光される。本実施例では、分極反転型導波路素子３０６の入射端面３０７には、無反射コーティングが施されていないので、１４％程度のフネレル反射が生じる。
【００７５】
半導体レーザ３０１からの光はフォーカシングレンズ３０５により分極反転型導波路素子３０６の入射端面３０７に集光されているため、半導体レーザ３０１の出射端面と入射端面３０７とは共焦点の位置にある。そのため、半導体レーザ３０１の活性層から放射された光の一部は、分極反転型導波路素子３０６の入射端面３０７により反射され、半導体レーザ３０１の活性層に帰還される。
【００７６】
本実施例のように、半導体レーザ３０１と分極反転型導波路素子３０６との間において、光軸に対して２０度の角度で薄膜光学素子３０３を挿入することにより、870nm近傍の波長の光だけが入射端面３０７に導かれ反射し、870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザ３０１に光帰還する。このため、半導体レーザ３０１は単一の縦モードで安定に発振し、その波長は870nmに固定された。
【００７７】
分極反転型導波路素子３０６の入射端面３０７から導波路に結合した光（波長870nm）は、導波路を伝播するうちに、波長435nmのブルー光に変換される。その結果、分極反転型導波路素子３０６の出射端面３０８からは、ブルー光が安定に放射される。
【００７８】
なお、導波路に結合した光の一部は、出射端面３０８でフネレル反射を起こす。半導体レーザ３０１の波長を安定に固定するためには、波長870nmの光が出射端面３０８で反射されることを抑制することが望ましい。このため、本実施例では、出射端面３０８に、基本波870nmに対する無反射コーティングを施してある。
【００７９】
分極反転型導波路素子３０６は、実施例１と同様、周期4μmの分極反転層と4μm幅の光導波路がLiTaO3基板上に形成されている。分極反転型導波路素子３０６の温度を位相整合波長が870nmになるようにチューニングすることで、分極反転型導波路素子３０６内に結合した基本波870nmは、435nmに波長変換され、導波路３０６の出射端面３０８よりブルー光が得らる。
【００８０】
分極反転型導波路素子３０６は、長さ10mm、変換効率200%/Wであり、約70mWの基本波パワーが導波路に結合して約10mWの高調波が得られた。出射端面３０８には430nmの高調波に対する無反射コーティングが施してある方が望ましく、より高効率に高調波光を得ることができる。
【００８１】
図１４に出力の時間的変化をグレーティングを用いた場合と比較して示す。角度に対する波長の変化量がフィルタを用いた方が小さいので、時間的にも安定であることが分かる。このような薄膜光学素子３０３による波長ロッキングはグレーティングのように28nm/degといった角度に対してシビアに波長が変化しないので調整も容易で、モジュール化したときも計時変化に対しても安定である。また、温度変化に対しても0.005nm/℃を安定で、湿度に対しても安定であるという特徴を持つ。
【００８２】
通常、分極反転型導波路素子の端面には半導体レーザから放射されるレーザ光に対する無反射コーティングが施されている。しかしながら、端面の反射率を0.1%程度に抑えることは難しい。また、仮に端面の反射率が0.1%程度に抑えられたとしても、端面で反射したわずかの光が半導体レーザに帰還すると、半導体レーザの縦モードは不安定となる。本実施例は、この反射による戻り光を有効に利用し、半導体レーザの発振状態を安定化するものであり、その実用的効果は大きい。
【００８３】
また、本実施例では分極反転型導波路素子の入射端面でのフレネル反射を利用したが、入射端面に適当な反射コートを施して、反射量を調整し最適化を図ることもできる。反射率を高くすると半導体レーザの発振波長はさらに安定するが、一方で導波路内に結合する光の量が減少するため、得られる高調波光の出力が低下する。反対に、5%程度の反射コートを施すと、導波路内への結合が増加するため、得られる高調波光の出力も増加する。
【００８４】
結合光学系（コリメート及びフォーカシングレンズ）の間に位置するλ／２板３０４を薄膜光学素子３０３上に形成してもよい。部品点数を減らすことができ、小型化を図れる。
【００８５】
さらに、薄膜光学素子３０３の透過スペクトルのピーク波長は角度依存性をもっているため、薄膜光学素子３０３に回転機構を取り付け、回転機構により薄膜光学素子３０３のレーザ光に対する傾斜角度を調整すれば、透過スペクトルのピーク波長を高い精度で制御することができる。このような回転機構を採用すれば、分極反転型導波路素子３０６の出射端面３０８から得られる高調波の出力をモニターし、モニターされる出力が最大になるように、薄膜光学素子３０３のレーザ光に対する傾斜角度を調整することができる。このように調整することにより、半導体レーザ３０１の発振波長を分極反転型導波路素子３０６の位相整合波長に一致させることができる。高調波の出力をモニターする機構の他に、フィードバック回路を設けて回転機構を制御すれば、安定な高調波出力が得られた。薄膜光学素子３０３に回転機構を設けることで、素子の温度変化や光損傷（フォトリフラクティブ効果）に伴う分極反転素子３０６の基板の屈折率変化に対しても安定に半導体レーザ３０１の発振波長を制御でき、安定に高調波出力をえることができた。回転機構として、回転モーター用いたり、アクチュエーターやピエゾ素子を’てこ’の原理で利用し回転運動させ利用した。
【００８６】
さらに、本実施例では薄膜光学素子３０３を１つだけ半導体レーザ３０１と分極反転型導波路素子３０６の間に設置したが、複数枚の薄膜光学素子３０３を挿入することで、図４に示される透過スペクトルの半値幅が実行的に狭くなり、波長選択性が向上される。
【００８７】
（実施例４）
図３の例では、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)を基板とした分極反転型導波路素子３０６を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型導波路素子や、KNbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな有機及び無機非線形光学結晶（リング共振器構造や位相整合型導波路デバイス等）や、実施例２で説明したLT,LN,KTPを基板としたバルク型分極反転素子を用いても同様に安定な短波長光を得られる。この場合も、光波長変換素子の出射端面には波長870nm及び435nmの光に対する無反射コーティングが施してあるほうが望ましい。
【００８８】
（実施例５）
図５を参照しながら、本発明による更に他の短波長光源を説明する。
【００８９】
図５に示される短波長光源は、レーザ光を放射するための活性層（不図示）を含む半導体レーザ５０１と、レーザ光の少なくとも一部を受け取り、レーザ光の波長よりも短い波長の短波長光（高調波）を生成する光波長変換素子５０６とを備えている。半導体レーザ５０１は、150mW級のシングル縦モードレーザであり、その発振波長は870nm帯である。光波長変換素子５０６は、分極反転型導波路素子である。
【００９０】
本短波長光源は、図３の薄膜光学素子３０３と同じ構造を有する薄膜光学素子５０３を備えている。従って、薄膜光学素子５０３の透過特性は、図４に示されるものと同じである。本実施例では、分極反転型導波路素子５０６の出射端面５０８でのフネレル反射を半導体レーザへの戻り光として利用する点に特徴を有している。入射端面５０７での反射率は低い。入射端面５０７には、無反射コートを施すことが好ましい。
【００９１】
半導体レーザ５０１からの光は、フォーカシングレンズ５０５により分極反転型導波路素子５０６の入射端面５０７に集光され、光導波路に結合される。半導体レーザ５０１の出射端面と分極反転型導波路素子５０６の入射端面５０７は共焦点位置にあり、出射端面５０８とも共焦点系をなす。そのため、出射端面５０８で起こる反射による光がすべて半導体レーザ５０１の活性層に光帰還する。
【００９２】
薄膜光学素子５０３が存在しないと、この戻り光により半導体レーザ５０１はモードホップしたりマルチモード化したりする。本発明のように、半導体レーザ５０１と分極反転型導波路素子５０６の間に薄膜光学素子５０３を光軸に対して２０度の角度で挿入すると、870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザから分極反転型導波路素子５０６の入射端面５０７に導かれ光導波路内に結合し、出射端面５０８で反射した870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザ５０１に光帰還するため、半導体レーザ５０１の縦モードは870nm近傍にシングルモードで固定された。
【００９３】
また、出射端面５０８に870nmに対して高反射率（ＨＲ）のコーティング（望ましくは反射率１００％）を施すと、半導体レーザ５０１に戻る光の光量が多くなるので、より安定化を図れる。
【００９４】
図５に示すように、薄膜光学素子５０３は半導体レーザ５０１の光軸に対してある傾きを持っている。薄膜光学素子５０３は870nm近傍以外の波長を反射し、870nm以外の波長の光は半導体レーザ５０１の活性層に光帰還しない。分極反転型導波路素子５０６の温度を位相整合波長が870nmになるようにチューニングすることで、分極反転型導波路素子５０６内に結合した基本波870nmは、435nmに波長変換され、導波路５０６の出射端面５０８よりブルー光が得られた。温度チューニングの手段は図示されていないが分極反転型導波路素子５０６をペルチエ素子上に固定し、もしくはヒーターを光導波路上に設けて実現した。分極反転型導波路素子５０６は長さ10mm、変換効率200%/Wであり、導波路への結合パワーが70mWに対し約10mWの高調波が得られた。分極反転型導波路素子５０６の出射端面５０８には高調波435nmに対して無反射コーティングが施されているほうが、高効率に高調波光を取り出せるので望ましい。
【００９５】
なお、分極反転型導波路素子５０６の入射端面５０７に高調波光に対する高反射率コーティングを施すと、出射端面５０８から半導体レーザ５０１に帰還する光で波長変換された高調波光も入射端面５０７で反射し出射端面５０８より得られるので高効率化を図れる。
【００９６】
さらに、基本波870nmに対し、入射端面５０７に反射率97%、出射端面５０８に反射率99.9%のコーティングを施すと、導波路型外部共振器を構成することができ、変換効率において２０倍程度の向上を図ることができる。
【００９７】
通常、分極反転型導波路素子の端面には半導体レーザの波長に対して無反射コーティングが施してある。しかしながら、反射を0.1%程度に抑えることは難しく、また0.1%程度の反射ですら、半導体レーザに帰還すると、半導体レーザの縦モードは不安定となる。本実施例は、この反射戻り光を有効に利用し、半導体レーザの縦モードを安定化するもので、その実用的効果は大きい。
【００９８】
また、結合光学系（コリメートレンズ及びフォーカシングレンズ）の間に位置するλ／２板５０４を薄膜光学素子５０３上に形成することで、部品点数を減らすことができ、小型化を図れる。さらに、実施例３と同様、薄膜光学素子５０３に回転機構とフィードバック回路を設けることで、高調波出力の安定化を図ることができた。
【００９９】
（実施例６）
図５の実施例では、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)を基板とした分極反転型導波路素子を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型導波路素子やKN等の位相整合型導波路デバイスなどを用いても同様に安定な短波長光を得られる。この場合も、光波長変換素子の入射端面には870nmに対する無反射コーティングが、また出射端面には870nmに対して高反射率コーティングが施してあるほうが望ましい。
【０１００】
（実施例７）
図６を参照しながら、本発明による更に他の短波長光源を説明する。本実施例の光学素子は、図４に示す透過スペクトルをもつ薄膜光学素子（バンドパス型フィルタ）が使用されている。光波長変換素子としては分極反転型導波路素子が使用されている。
【０１０１】
半導体レーザ６０１は150mW級のシングル縦モードレーザであり、発振波長は870nm帯である。６０２はN.A.（開口数）=0.55のコリメートレンズ、６０４はλ／２板、６０５は導波路内に光を結合するためのフォーカシングレンズである。６０３は図４に示す透過スペクトル特性をもつ薄膜光学素子である。また波長選択ミラー６０７は波長変換された高調波光と基本波光を分離するための光学素子である。
【０１０２】
分極反転型導波路素子６０６は、実施例１と同様、LiTaO3基板上に形成された周期4μmの分極反転層と4μm幅の光導波路とを有している。本実施例では、分極反転型導波路６０６の出射端面６０９に波長870nmの基本波及び波長435nmの高調波に対する高反射率（ＨＲ）コーティングが施されている。また、入射端面６０８での反射率を抑制するため、波長870nm及び435nmの光に対する無反射（ＡＲ）コーティングが施されている。
【０１０３】
半導体レーザ６０１から出射されたレーザ光は、薄膜光学素子６０３を透過した後、フォーカシングレンズ６０５により分極反転型導波路素子６０６の入射端面６０８に集光され、導波路内部に結合される。半導体レーザ６０１の出射端面と分極反転型導波路素子６０６の入射端面６０８とは共焦点に位置し、出射端面６０９とも共焦点系をなす。そのため、出射端面６０９で起こる反射による光がすべて半導体レーザ６０１の活性層に光帰還する。薄膜光学素子６０３が存在しないと、この戻り光により半導体レーザ６０１の発振はモードホップしたりマルチモード化したりする。
【０１０４】
本実施例のように、半導体レーザ６０１と分極反転型導波路素子６０６の間に薄膜光学素子６０３を光軸に対して２０度の角度で挿入すると、870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザから分極反転型導波路素子６０６の入射端面６０８に導かれ導波路内に結合し、出射端面６０９で反射した870nm近傍の波長の光だけが、薄膜光学素子６０３を再び通過し半導体レーザ６０１に光帰還するため、半導体レーザ６０１の縦モードは870nm近傍にシングルモードで固定される。
【０１０５】
また、本実施例では、出射端面６０９に波長870nm及び435nmの光に対する高反射率のコーティング（望ましくは反射率100%）が施さているため、基本波と高調波は出射端面６０９から半導体レーザ６０１方向へ逆向きに伝ぱんする際も相互作用する。このため、分極反転型導波路素子素子６０６により得られる相互作用長は２倍になり、結果として高調波への変換効率は４倍となる。
【０１０６】
分極反転型導波路素子６０６の温度を位相整合波長が870nmになるように実施例５と同様にしてチューニングすることで、分極反転型導波路素子６０６内に結合した波長870nmの基本波は、波長435nmの高調波に変換される。この結果、導波路６０６の入射端面６０８よりブルー光が出射し、このブルー光は、波長選択ミラー６０７により基本波と分離され取り出される。分極反転型導波路素子６０６は長さ10mm、変換効率800%/Wであり、導波路への結合が70mWに対し約30mWの高調波が得られた。
【０１０７】
本実施例は、出射端面での反射率を高くしているため、より安定に高調波光を取り出せるだけでなく波長変換素子の相互作用長を長く利用出来る構成であるため、実用的効果は大きい。
【０１０８】
また、結合光学系（コリメートレンズ及びフォーカシングレンズ）の間に位置するλ／２板６０４を薄膜光学素子６０３上に形成することで、部品点数を減らすことができ、小型化を図れる。さらに、結合光学系（コリメートレンズ及びフォーカシングレンズ）の間に位置する波長選択ミラー６０７を薄膜光学素子６０３上に形成することで、部品点数を減らすことができ、小型化を図れる。
【０１０９】
さらに、実施例３と同様、薄膜光学素子６０３に回転機構とフィードバック回路を設けることで、高調波出力の安定化を図ることができた。
【０１１０】
（実施例８）
図６では、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)を基板とした分極反転型導波路素子を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型導波路素子やKN等の位相整合型導波路デバイスを用いても同様に安定な短波長光を得られる。この場合も、光波長変換素子の入射端面には870nm及び435nmに対する無反射コーティングが、また出射端面には870nm及び435nmに対して高反射率コーティングが施してある。
【０１１１】
（実施例９）
図７を参照しながら、本発明による更に他の短波長光源を説明する。本実施例では、光学素子として、図３に示された薄膜光学素子（バンドパス型フィルタ）を用いる。光波長変換素子としては、実施例２の分極反転型バルク素子を用いる。
【０１１２】
半導体レーザ７０１は150mW級のシングル縦モードレーザであり、発振波長は870nm帯である。７０２はN.A.（開口数）=0.55のコリメートレンズ、７０４は分極反転型バルク素子７０５に光を集光するための長焦点（N.A.=0.2）のフォーカシングレンズである。７０３は図４に示す透過スペクトル特性をもつ薄膜光学素子である。
【０１１３】
分極反転型バルク素子７０５には、実施例２で示される方法により周期4μmの深い分極反転層がLiTaO3基板内に形成されている。本発明では分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７での反射を半導体レーザへの戻り光として利用するため、入射端面７０６での反射率は抑制してある。望ましくは無反射コートを施す。半導体レーザ７０１からの光はフォーカシングレンズ７０５により分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７が集点となるように集光される。半導体レーザ７０１の出射端面と分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７とは共焦点系をなす。そのため、分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７で起こる反射による光がすべて半導体レーザ７０１の活性層に光帰還する。薄膜光学素子７０３が存在しないと、この戻り光により半導体レーザ７０１はモードホップしたりマルチモード化したりする。本発明のように、半導体レーザ７０１と分極反転型バルク素子７０５の間に薄膜光学素子７０３を光軸に対して２０度の角度で挿入すると、870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザ７０１から分極反転型バルク素子７０５に導かれ、出射端面７０７で反射した870nm近傍の波長の光だけが再び薄膜光学素子７０３を通過して半導体レーザ７０１に光帰還するため、半導体レーザ７０１の縦モードは870nm近傍にシングルモードで固定された。
【０１１４】
図７に示されるように、出射端面７０７に波長870nmの光に対する100％近い高反射率のコーティングが施されると、半導体レーザ７０１に戻る光の光量が多くなるので、より安定化を図れる。
【０１１５】
薄膜光学素子７０３は、半導体レーザ７０１の光軸に対してある傾きを持っている。薄膜光学素子７０３は870nm近傍以外の波長を持つ光を反射し、870nm以外の波長を持つ光は、半導体レーザ７０１の活性層に光帰還しない。実施例５と同様にして、位相整合波長が870nmになるように分極反転型バルク素子７０５の温度をチューニングすることにより、分極反転型バルク素子７０５に導かれた基本波870nmは、435nmに波長変換され、分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７よりブルー光が得られた。分極反転型バルク素子７０５は長さ2mm、変換効率8%/Wであり、入射出力70mWに対して約0.4mWの高調波が得られた。分極反転型バルク素子７０５の出射端面７０７には高調波435nmに対して無反射コーティングが施されているほうが、高効率に高調波光を取り出せるので望ましい。
【０１１６】
通常、分極反転型バルク素子の端面には半導体レーザの波長に対して無反射コーティングが施してある。しかしながら、反射を0.1%程度に抑えることは難しく、また0.1%程度の反射ですら、半導体レーザに帰還すると、半導体レーザの縦モードは不安定となる。本実施例は、この反射戻り光を有効に利用し、半導体レーザの縦モードを安定化するもので、その実用的効果は大きい。
【０１１７】
また、励起用半導体レーザとして、光増幅部をもつ１Ｗ級のシングル縦モード半導体レーザを用いることで、さらに高出力の高調波出力を得ることができる。
【０１１８】
さらに、実施例３と同様、薄膜光学素子７０３に回転機構とフィードバック回路を設けることで、高調波出力の安定化を図ることができた。
【０１１９】
（実施例１０）
図７の実施例では、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)を基板とした分極反転型バルク素子を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型バルク素子や、KNbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな有機無機非線形光学結晶（単なる位相整合方式やリング共振器構造など）を用いても同様に安定な短波長光を得られる。
【０１２０】
この場合も、光波長変換素子の入射端面には、波長870nmの光に対する無反射コーティングが施されることが好ましい。一方、出射端面には、波長870nmの光に対する高反射率コートと、波長435nmの光に対する無反射コートが施されていることが好ましい。
【０１２１】
（実施例１１）
図８を参照しながら、本発明による更に他の短波長光源を説明する。本実施例では、光学素子は、図３で用いられた薄膜光学素子（バンドパス型フィルタ）を用いる。光波長変換素子としては、分極反転型バルク素子を用いる。
【０１２２】
半導体レーザ８０１は150mW級のシングル縦モードレーザであり、発振波長は870nm帯である。８０２はN.A.（開口数）=0.55のコリメートレンズ、８０４は分極反転型バルク素子８０５に光を集光するための長焦点（N.A.=0.2）のフォーカシングレンズである。８０３は図４に示すスペクトル特性をもつ薄膜光学素子である。また波長選択ミラー８０６は波長変換された高調波光と基本波光を分離するための光学素子である。
【０１２３】
分極反転型バルク素子８０５には、実施例２で説明した周期4μmの深い分極反転層がLiTaO3基板上に形成されている。本発明では分極反転型バルク素子８０５の出射端面８０８に基本波870nm及び高調波435nmに対して高反射率（ＨＲ）コーティングが施してあり、また入射端面８０７での反射率は抑制してあり、870nm及び435nmに対して無反射（ＡＲ）コートを施してある。半導体レーザ８０１からの光は薄膜光学素子８０３を通してフォーカシングレンズ８０４により分極反転型バルク素子８０５の出射端面８０８が焦点となるように集光される。半導体レーザ８０１の出射端面と分極反転型バルク素子８０５の出射端面８０８とは共焦点系をなす。そのため、分極反転型バルク素子８０５の出射端面８０８で起こる反射による光が半導体レーザ８０１の活性層に光帰還する。薄膜光学素子８０３が存在しないと、この戻り光により半導体レーザ８０１はモードホップしたりマルチモード化したりする。本発明のように、半導体レーザ８０１と分極反転型バルク素子８０５の間に薄膜光学素子８０３を光軸に対して２０度の角度で挿入すると、870nm近傍の波長の光だけが半導体レーザ８０１から分極反転型バルク素子８０５に導かれ、出射端面８０８で反射した870nm近傍の波長の光だけが、薄膜光学素子８０３を再び通過し半導体レーザ８０１に光帰還するため、半導体レーザ８０１の縦モードは870nm近傍にシングルモードで固定される。
【０１２４】
また、本発明では出射端面８０８に870nm及び435nmに対して100％近い高反射率のコーティングを施してあるため、基本波と高調波は出射端面８０８から半導体レーザ８０１方向へ逆向きに伝ぱんする際も相互作用するため、分極反転型バルク素子８０５としての相互作用長も２倍になり、結果として高調波への変換効率は４倍となる。
【０１２５】
分極反転型バルク素子８０５の温度を位相整合波長が870nmになるように実施例５と同様にしてチューニングすることで、分極反転型バルク素子８０５内に結合した基本波870nmは、435nmに波長変換され、分極反転型バルク素子８０５の入射端面８０７よりブルー光が出射し、波長選択ミラー８０６により基本波と分離され取り出される。分極反転型バルク素子８０５は長さ2mm、変換効率は32%/Wであり、約1.6mWの高調波が得られた。
【０１２６】
本実施例は、出射端面８０８での反射率を高くしているため、より安定に高調波光を取り出せるだけでなく波長変換素子の相互作用長を長く利用出来る構成であるため、実用的効果は大きい。
【０１２７】
また、結合光学系（コリメートレンズ及びフォーカシングレンズ）の間に位置する波長選択ミラー８０６を薄膜光学素子８０３上に形成することで、部品点数を減らすことができ、小型化を図れる。
【０１２８】
また、励起用半導体レーザとして、光増幅部をもつ１Ｗ級のシングル縦モード半導体レーザを用いることで、さらに高出力の高調波出力を得ることができる。
【０１２９】
さらに、実施例３と同様、薄膜光学素子６０３に回転機構とフィードバック回路を設けることで、高調波出力の安定化を図ることができた。
【０１３０】
（実施例１２）
図８では、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)を基板とした分極反転型バルク素子を用いたが、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型バルク素子や、KNbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな非線形光学結晶（単なる位相整合方式やリング共振器構造など）を用いても同様に安定な短波長光を得られる。
【０１３１】
この場合も、光波長変換素子の入射端面には870nm及び435nmに対する無反射コーティングが、また出射端面には870nm及び435mnに対して高反射率コーティングを施してあるほうが望ましい。
【０１３２】
（実施例１３）
図９(a)に示されるように、半導体レーザ９０１の出射端面に誘電体多層膜９０３による透過型フィルタを形成したり、図９(b)に示されるように、分極反転型導波路素子９０２の入射端面に誘電体多層膜９０４による透過型フィルタや反射型フィルタを形成したりしてもよい。そのようにした場合でも、半導体レーザ９０１の発振波長のロッキングを行えるので、安定な波長変換を達成し、高調波光を得ることができる。
【０１３３】
図１０(a)を参照して、図９(b)の分極反転型導波路素子９０２の入射端面に透過型フィルタが形成されている構成について詳しく説明する。
【０１３４】
半導体レーザＡ０１から出射された光は、出射端面から約２度の放射角をもって出射される。半導体レーザＡ０１の出射端面と分極反転型導波路素子Ａ０２の入射端面は約10μm離れていて、分極反転型導波路素子Ａ０２の端面の垂線と半導体レーザＡ０１の光軸は８度の角度を持って固定されている。透過型フィルタＡ０３は、入射角８度で入射する870nmの波長に対して80%の透過率を持ち、そのスペクトル幅は1nmである。870nm近傍以外の光はフィルタＡ０３で反射されるが、上記半導体レーザの光軸に対して透過型フィルタ面垂線は８度傾いているので、この反射光は半導体レーザＡ０１の活性層に帰還しない。一方、分極反転型導波路素子Ａ０３上の導波路Ａ０４は入射端面の垂直方向から3.6度の角度を形成されている。これは、屈折率（ｎ）2.2の物質中に光が入射するとき入射角θに対して物質中ではθ1になり、その関係は次式になりこの時結合が最大となるからである。
【０１３５】
θ1=Sin-1（sinθ／ｎ）        (1)
このようにして、導波路に結合した光は分極反転型導波路素子Ａ０２の出射端面で反射し、透過型フィルタを再び通って、半導体レーザＡ０１の活性層に帰還し、半導体レーザＡ０１の発振波長は870nmに固定される。分極反転型導波路素子の出射端面には870nmに対して高反射率コーティング、435nmに対して無反射コーティングが施してある。導波路Ａ０４に結合した光は高調波光435nmに波長変換され出射端面より得られる。
【０１３６】
図１０(a)では、半導体レーザと分極反転型導波路素子の間の結合光学系を取り除いたが、結合光学系があってもよい。
【０１３７】
また、反射型フィルタが形成されているときは半導体レーザの光軸と分極反転型導波路素子の入射端面とは垂直である方が、導波路内への光の結合効率が上がるので望ましい。
【０１３８】
なお、通常ｚ板LiTaO3に分極反転層と導波路は作製されるが、ここで用いられる分極反転導波路素子Ａ０２はＸ板上に形成された素子の方が、半導体レーザとの結合係数が大きいので好まれ、図１０(a)ではｘ板LiTaO3に作製された分極反転型導波路素子を用いた。
【０１３９】
ｚ板LiTaO3に作製された分極反転型導波路素子と半導体レーザとの結合効率を向上するために用いられるλ／２板もLiTaO3基板端面に同時に付加することで結合効率の向上を図れる。
【０１４０】
このように光源の小型化を図ることで、装置全体の小型化が図れ、温度コントロールも容易になるので、より実用的なものとなる。
【０１４１】
なお、反射型フィルタを分極反転型導波路素子の出射端面に付加しても同様の効果が得られる。
【０１４２】
（実施例１４）
実施例１３では、光波長変換素子として分極反転型導波路素子を用いたが、光波長変換素子としてLiTaO3(LT)、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型バルク素子や、KNbO3(KN)等の非線形光学定数の大きな非線形光学結晶（単なる位相整合方式やリング共振器構造など）を用い、入射または出射端面に薄膜光学素子を付加した光波長変換素子を図１０(a)の分極反転型導波路素子Ａ０２に代替しても同様に安定な短波長光を得られる。分極反転型バルク素子を用いた構成について図１０(b)を用いて説明する。
【０１４３】
図１０(b)において半導体レーザＡ０５から出射された光はLiTaO3基板上に形成された分極反転型バルク素子Ａ０６の入射端面に導かれる。入射端面上に形成された透過型フィルタＡ０７は870nm近傍の光だけを透過し、分極反転型バルク素子の出射端面に導かれる。出射端面は球面加工されていてその極率は１０ｍｍであり、870nmに対する高反射率コーティングと435nmに対する無反射コーティングが施されている。出射端面で反射した光は再び透過型フィルタＡ０７を通過し半導体レーザＡ０５の端面に集光され、活性層に光帰還し、発振波長が870nm近傍に固定される。分極反転型バルク素子Ａ０６により波長変換された435nmの光が安定に出射端面より得られる。素子の入射端面は８度程度の角度をなすようにカットされていて、透過型フィルタＡ０７での反射光が半導体レーザＡ０５に帰還しないように設計されている。
【０１４４】
なお、反射型フィルタを分極反転型導波路素子の出射端面に付加しても同様の効果が得られる。
【０１４５】
（実施例１５）
薄膜光学素子の角度θを変化させることにより、半導体レーザの発振波長を変化させることができる。分極反転型バルク素子や導波路素子の分極反転周期をチャープ構造または分割構造にすれば、半導体レーザの変化する発振波長に対応した波長を有する短波長光が得られる。すなわち、薄膜光学素子へのレーザ光の入射角度を変化させることにより、短波長光の波長をチューニングすることができる。
【０１４６】
図１１(a)は、図１の分極反転型導波路素子１０６を示す。分極反転型導波路素子１０６では、波長870nmに対して擬似位相整合が成り立つように、LiTaO3基板１０９上に周期4.0μmで均一に１次の分極反転層１０７が形成されている。これに対して、図１１(b)は、分割構造を有する分極反転型導波路素子を示している。
【０１４７】
図１１(b)に示される分極反転型導波路素子の素子長は15mmであり、分極反転層は３つ領域に分割されている。各分割領域の長さは5mmである。分割領域Ｉの分極反転層の周期は3.6μmであり、分割領域ＩＩ及びＩＩＩの分極反転層の周期は、それぞれ3.8μm及び4.0μmである。これらの分割領域Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩに対して、擬似位相整合が成り立つ波長は、それぞれ、850nm、860nm及び870nmであり、出力される高調波の波長は、それぞれ、425nm、430nm及び435nmである。
【０１４８】
図１２は、図１１(b)に示される分極反転型導波路素子を含む短波長光源を示している。図１２の薄膜光学素子Ｃ０４の角度θを調整することにより、高調波の波長を変化させることができる。図１２において、半導体レーザＣ０１は150mW級のシングル縦モードレーザであり、発振波長は860nm帯である。Ｃ０２はN.A.（開口数）=0.55のコリメートレンズ、Ｃ０４はλ／２板、Ｃ０５は導波路内に光を結合するためのフォーカシングレンズである。薄膜光学素子Ｃ０３は、入射角度１度のとき中心波長が870nm、１５度のとき860nm、２０度のとき850nmで、透過率が85%程度ある誘電体多層膜から形成されるバンドパス型フィルタである。分極反転型導波路Ｃ０６は、図１１(b)に示される分極反転層と4μm幅の光導波路がLiTaO3基板上に形成されたものである。
【０１４９】
分極反転型導波路素子Ｃ０６の出射端面Ｃ０８には、波長850nmから870nmの光に対する高反射コートが施されており、入射端面Ｃ０７には、波長850nmから870nmの光をに対する無反射コートが施されている。
【０１５０】
半導体レーザＣ０１からの放射されたレーザ光は、フォーカシングレンズＣ０５により分極反転型導波路素子Ｃ０６の入射端面Ｃ０７に集光され、導波路内部に結合される。半導体レーザＣ０１の出射端面と分極反転型導波路素子Ｃ０６の入射端面Ｃ０７は共焦点に位置し、出射端面Ｃ０８とも共焦点系をなす。そのため、出射端面Ｃ０８で反射された光がすべて半導体レーザＣ０１の活性層に光帰還する。薄膜光学素子Ｃ０３が存在しないと、この戻り光により半導体レーザＣ０１は、モードホップしたりマルチモード化したりする。本構成図のように、半導体レーザＣ０１と分極反転型導波路素子Ｃ０６の間に薄膜光学素子Ｃ０３をある角度をもって挿入すると、それぞれの角度に対して850nmから870nmの中で、ある狭い帯域の波長の光だけが半導体レーザＣ０１から分極反転型導波路素子Ｃ０６の端面Ｃ０７に導かれ光導波路内に結合し、出射端面Ｃ０８で反射した狭帯域の波長の光だけが半導体レーザＣ０１に光帰還する。このため、半導体レーザＣ０１は、単一の縦モードで安定に発振し、その発振波長は固定される。
【０１５１】
半導体レーザＣ０１の発振波長が分極反転型導波路素子Ｃ０６の各分割領域の位相整合波長に合うように、薄膜光学素子Ｃ０３を回転することで、半導体レーザＣ０１の波長を分極反転型導波路素子Ｃ０６の位相整合波長850nm、860nm、または870nmの何れか変化させることができる。その結果、レーザ光は、425nm、430nmまたは435nmに波長変換され、分極反転型導波路素子Ｃ０６の出射端面Ｃ０８から得られる。各波長おいて、分極反転型導波路素子に入射するレーザ光が70mWのとき、約2.5mWの高調波が得られた。分極反転型導波路素子Ｃ０６の出射端面Ｃ０８には、高調波に対する無反射コーティングが施されている。
【０１５２】
薄膜光学素子Ｃ０３を回転する手段（回転機構）として、実施例３と同様、回転モーターやピエゾ素子などが用いられた。実施例３と同様、高調波出力をモニターし、回転機構にフィードバックすることで出力の安定化も図られた。
【０１５３】
図１１(c)は、チャープ構造を有する分極反転型導波路素子を示している。素子の長さは15mmである。分極反転層の周期は、端面Ｂ０１側で3.6μm、端面Ｂ０２側で4.0μmで、リニアなチャープ構造を提供する。図１２の短波長光源において、この分極反転型導波路素子を分極反転型導波路素子Ｃ０６の代わりに用いることができる。その場合、薄膜光学素子Ｃ０３の角度θを０から２０度まで変化させることにより、高調波出力の波長を425nmから435nmまで連続的に変化させることができた。
【０１５４】
図１２の短波長光源では、分極反型導波路素子Ｃ０６の出射端面Ｃ０８からの反射光を半導体レーザＣ０１に光帰還させたが、図３のように入射端面Ｃ０７での反射光を光帰還させても、同様に波長可変の短波長光源が得られる。
【０１５５】
また、図６のように光導波路の出射端面に基本波及び高調波に対して高反射率コーティングを施し、波長選択ミラーで高調波光を取り出す構成にすると、図１２で得られる高調波光の約４倍の出力が得られ、高効率な波長可変短波長光源が実現できる。
【０１５６】
得られた青色領域での波長可変光源は、計測分野や通信分野等での用途が大きく、その応用範囲も広い。
【０１５７】
（実施例１６）
図１２の短波長光源では、光波長変換素子として分極反転型導波路素子を用いた。分極反転型導波路素子の代わりに、分割構造やチャープ構造をもつ分極反転型バルク素子を用いても、同様に波長可変短波長光源が得られる。LiTaO3基板以外にLiNbO3やKTPを基板として用いても同様に波長可変短波長光源が得られる。
【０１５８】
（実施例１７）
図１２の短波長光源では、薄膜光学素子として透過型フィルタを用いたが、反射型フィルタを用いても同様に波長可変短波長光源を実現できる。
【０１５９】
（実施例１８）
分極反転素子の位相整合波長は、温度制御または印加電界による屈折率変化により調整され得る。分極反転素子の位相整合波長を調整することによっても、高調波光の波長を変化させることができる。
【０１６０】
本実施例の概略構成は、図１２の短波長光源の構成と同じであり、両者の相違点は、光波長変換素子の構成の違いにある。本実施例の光波長変換素子は、LiTaO3基板上に形成された周期3.8μm分極反転層と4μm幅の光導波路とを備えた分極反転型導波路素子である。光導波路上には、温度制御のため薄膜抵抗が形成されている。この分極反転型導波路素子によれば、薄膜抵抗により素子の温度を変化させることにより、位相整合波長を850nmから870nmの任意の波長に調整できる。なお、分極反転型導波路素子の出射端面には、波長850nmから870nmの光に対する高反射コートが施されており、入射端面には波長850nmから870nmの光に対する無反射コートが施されている。
【０１６１】
位相整合波長を850nmから870nmまでの所望の値に調整し、かつ、半導体レーザの発振波長をその位相整合波長にチューニングすることにより、光導波路の出射端面より425nmから435nmまでの任意の波長の高調波を得ることができた。レーザ光の光導波路への結合が70mWのき、約10mWの高調波が得られた。なお、分極反転型導波路素子の出射端面には高調波に対して無反射コーティングが施されている。
【０１６２】
薄膜抵抗の代わりに薄膜電極を光導波路上に形成した場合、印可電圧の変化により分極反転型導波路素子の位相整合波長を変化させることができる。
【０１６３】
このように得られた青色領域での波長可変光源は、計測分野や通信分野等での用途が大きく、その応用範囲も広い。
【０１６４】
（実施例１９）
反射型の薄膜光学素子として、周期的に多層膜を形成したブラッグ反射型の薄膜光学素子を用いても半導体レーザの波長を分極反転型導波路の位相整合波長に固定することができる。
【０１６５】
ブラッグ反射型薄膜光学素子の形成方法について説明する。ＥＢ（エレクトロン・ビーム）蒸着装置で石英基板上にSiO2（屈折率1.46）と組成比の異なるSiO2（屈折率1.48）を0.27μm周期で積層した。約１００層の膜を積層し、ブラッグ反射型薄膜光学素子を作製した。ブラッグ反射型の素子は積層数を変えることで容易にスペクトル幅を調整できるので、より実用的な素子である。この素子を概略構成図１のバンドストップフィルタの代わりに用いて構成した短波長光源においても、半導体レーザの発振波長は位相整合波長に固定され、モードホップもなく安定な高調波出力が得られた。
【０１６６】
ブラッグ反射型薄膜素子を石英基板上に作製し光学素子化する代わりに、構成図１０のように分極反転型導波路素子の入射端面または出射端面上や、半導体レーザの端面に直接形成しても、その効果は得られ、安定なブルー、グリーン光源が得られた。
【０１６７】
また、ブラッグ反射型フィルタはFeドープLNやLT等のフォトリフラクティブ材料に所定の波長のレーザを２方向から入射して干渉させるホログラフィックな方法でも可能である。
【０１６８】
（実施例２０）
図１、３、５、６、７、８、１２及び１３に示されている透過型及び反射型フィルタは、何れも、0.5mm厚のガラス基板上に誘電体多層膜を形成し得られた薄膜光学素子である。ガラス基板の厚みを変化されたところ、ガラス基板の厚さが0.2〜2.0mmの範囲内にある場合、特に良好な波長ロッキングが行えた。基板厚さが0.2mm以下の場合は、研磨後の基板のそりのために波長メッキングは不安定となり、また、基板厚さが2.0mm以上の場合は、傾斜時に基板の厚みによる収差が生じた。
【０１６９】
（実施例２１）
図１、３、５、６、７、８、１２及び１３の実施例では、所定の波長帯域の光を透過または反射する光学素子として、誘電体多層膜がガラス基板上に形成された薄膜光学素子を用いた。なお、光学素子として、高い平面度及び平行度で研磨された高平面度素子の両面に反射膜を成膜したエタロン素子や、複屈折結晶板での常光線と異常光線の間の干渉を利用した複屈折フィルタを代わりに利用しても半導体レーザの縦モードのロッキング及び安定化を同様にして図ることができる。
【０１７０】
エタロン素子について説明する。厚み50μm、反射率85%、平面度λ/10の合成石英からなるエタロンを実験に用いた。エタロンは入射光の波長を関数として透過率を考えたとき、ある周期ごとに透過率のピークを持っている。そのモードの間隔Δυは次式で与えられる。
【０１７１】
Δυ＝λ2／（２ｎＬ）                      (1)
ここでｎは材料の屈折率で、Ｌは厚みを示している。本実施例で用いられたエタロンではΔυは5nmとなる。次にエタロンのフィネスを求める。フィネスとは、Δυと一つのモードの半値幅の比Δυ1/2で表される。フィネスＦは反射率（反射フィネス）、平面度及び平行度（平面度フィネス）、面粗さ等で決まり、次式で表される。
【０１７２】
１／Ｆ2＝（１／Ｆr2）＋（１／Ｆd2）         (2)
ここでＦr2は反射フィネス、Ｆd2は平面度フィネスを表していて、それぞれ
Ｆr2＝π2Ｒ／（１ーＲ）2                    (3)
Ｆd＝Ｓ／２                                (4)
となり、反射率Ｒ、λ／Ｓの平行度である。本実施例で用いたエタロンではＦは５となる。エタロンの透過スペクトルの半値幅は
Δυ1/2＝Δυ／Ｆ                            (5)
であり、1nmであることがわかる。この値は透過型フィルタ（薄膜光学素子）とほぼ同程度の値を示している。このエタロンを半導体レーザと光波長変換素子の間に挿入することで、半導体レーザの縦モードシングル化が図れた。エタロンの反射率及び平面度を高くすることで、Δυ1/2をさらに小さくできるので、さらに安定な波長ロッキングが図れた。
【０１７３】
複屈折フィルタについて説明する。２枚の偏光板の間に水晶板を設置し、光を通すと波長の変化に対応して干渉縞が現れる。厚さｄ、２ｄ，４ｄと水晶板をそれぞれ偏光板の間に挟み込んだものを何層か積み重ねていくと、干渉縞も重ね合わされて鋭いピークが残り、0.1nm程度のバンドパスをもったフィルタが得られる。このような複屈折フィルタを薄膜光学素子の代わりに用いても、半導体レーザの波長ロッキングが行えた。
【０１７４】
（実施例２２）
本発明による他の光源を図１５を参照して以下に説明する。
【０１７５】
本実施例では、薄膜光学素子Ｆ０３として、誘電体多層膜を含むバンドストップ型（反射型）フィルタが使用されている。この薄膜光学素子Ｆ０３は、0.5ｍｍ厚のガラス基板上にSiO2やTiO2等の誘電体が層状に形成された素子である。薄膜光学素子Ｆ０３は、図１６に示される反射スペクトル特性をもつ。垂直入射のとき、波長809nmの光に対する反射率は１０％程度である。薄膜光学素子Ｆ０３にとして、このようなバンドストップ型フィルタを用いることにより、半導体レーザＦ０１の後端面と薄膜光学素子Ｆ０３の距離が近くなるので、波長のロックがかかり易く、光学系の調整も容易になる。
【０１７６】
半導体レーザＦ０１は、100mW級の単一縦モードレーザであり、発振波長は810nm帯である。Ｆ０２はN.A.（開口数）=0.5のコリメートレンズ、Ｆ０４はレーザ発振媒体Nd:YVO4Ｆ０５に光を導くためのフォーカシングレンズ（N.A.=0.5）である。半導体レーザＦ０１から出射しコリメートされた光は、薄膜光学素子Ｆ０３に導かれる。薄膜光学素子Ｆ０３は半導体レーザＦ０１の光軸に対して垂直に設置されている。薄膜光学素子Ｆ０３により809nmnm近傍の波長帯域の光の一部は、半導体レーザＦ０１の活性層に帰還される。薄膜光学素子Ｆ０３の反射スペクトル幅は5nm程度と広いが、半導体レーザは少しのゲインの差により発振波長が決まるので、このとき得られた半導体レーザの縦モードスペクトルはシングルでロックされた。
【０１７７】
半導体レーザから放射されたレーザのうち、薄膜光学素子Ｆ０３を透過してきた９０％近くのレーザ光は、Nd:YVO4Ｆ０５を励起した。その結果、Nd:YVO4Ｆ０５と出力ミラーＦ０６との間で基本波1064nmのレーザ光が発振を起こし、出力ミラーＦ０６から1064nmのレーザ光が得られた。
【０１７８】
本実施例の共振器について、より詳細を以下に説明する。レーザ発振媒体てあるNd:YVO4Ｆ０５の入射端面Ｆ０７には、半導体レーザＦ０１から出射される励起光（波長809nm)に対する無反射コーティング（反射率R=7%）が施され、かつ、発振波長(1064nm)の光に対する高反射率コーティング（R>99.9%）が施されている。このため、Nd:YVO4Ｆ０５の入射端面Ｆ０７は、発振波長(1064nm)の光に対するミラーとして機能する。一方、Nd:YVO4Ｆ０５の反対側の端面（出力ミラー側）Ｆ０８には、発振波長（1064nm）の光に対する無反射コーティングが施してある。出力ミラーＦ０６には、発振波長（1064nm）の光に対する高反射率コーティング（R>95%）が施されている。こうして、出力ミラーＦ０６とNd:YVO4Ｆ０５の入射端面Ｆ０７とにより、発振波長（1064nm）の基本波のための共振器が形成される。
【０１７９】
このように本実施例では、Nd:YVO4Ｆ０５の出力ミラー側端面Ｆ０８に発振波長（1064nm）の光に対する無反射コーティングを施し、かつ、出力ミラーＦ０６を使用したが、図１７に示すように、出力ミラーＦ０６を使用せずに、Nd:YVO4Ｆ０５の端面Ｆ０８に発振波長（1064nm）の光に対する高反射率コーティング（R>95%）を施してもよい。こうすることにより、「出力ミラー」がNd:YVO4Ｆ０５の端面Ｆ０８に形成されたことになり、共振器長が短縮される。このように共振器長の短いマイクロチップレーザによれば、発振波長1064nmの縦モードもシングル化されるので、発振波長のさらに安定した光源が得られる。
【０１８０】
なお、本実施例では、入射ミラーとして機能するのは、をNd:YVO4Ｆ０５の入射側端面Ｆ０７であるが、入射ミラーを別途設けてもよい。
【０１８１】
また、図１５の実施例において、薄膜光学素子Ｆ０３をNd:YVO4Ｆ０５の入射側端面Ｆ０７または出射側端面Ｆ０８上に、一体化してもよい。そうすることにより、部品点数が減るので、さらに小型化が図れる。また、この場合、Nd:YVO4Ｆ０５の端面が半導体レーザの出射端面と共焦点位置にあるので、薄膜光学素子と光軸とが垂直から多少シフトしても、薄膜光学素子による反射光は半導体レーザＦ０１に帰還する。
【０１８２】
（実施例２３）
図１８を参照しながら、本発明による他の短波長光源を説明する。
【０１８３】
この短波長光源は、図１５に示される光源の共振器内部に光波長変換素子を挿入したものである。
【０１８４】
薄膜光学素子Ｉ０３により半導体レーザＩ０１の発振波長は809nmに安定に固定され、薄膜光学素子Ｉ０３の透過光がNd:YVO4Ｉ０５の励起光として利用される。Nd:YVO4Ｉ０５と出力ミラーＩ０６との間には、光波長変換素子として5mm長のＫＴＰ(KTiOPO4)Ｉ０９が挿入されており、Nd:YVO4Ｉ０５の端面Ｉ０７と出力ミラーＩ０６の間で発振した1064nmの光は、ＫＴＰＩ０９により波長変換され、532nmのグリーン光が形成される。
【０１８５】
本実施例では、Nd:YVO4Ｉ０５の端面Ｉ０７には半導体レーザＩ０１の波長(809nm)の光に対する無反射コーティング（反射率R=7%）と、発振波長(1064nm)の光に対する高反射率コーティング（R>99.9%）が施されている。一方、Nd:YVO4の反対側の端面Ｉ０８には、波長1064nm及び532nmの光に対する無反射コーティングが施されている。出力ミラー１０６には、波長1064nmの光に対する高反射率コーティングが施されている。こうして、出力ミラーＩ０６とNd:YVO4Ｉ０５の端面Ｉ０７とにより、波長1064nmの基本波のための共振器が形成されている。本実施例のように、光波長変換素子による波長変換を行う場合、共振器を構成するミラーの基本波に対する反射率が高ければ高いほど、高調波光への変換効率は高くなる。本実施例によれば、Nd:YVO4Ｉ０５への励起パワーが70mWのとき、15mWのグリーン光が得られた。
【０１８６】
（実施例２４）
実施例２２及び２３では、レーザ発振媒体としてNd:YVO4を用いたが、この法に、Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:LN、NYAB、及びNd:YLFなどのＮｄをドーピングしたレーザ材料や、ＣｒやＴｉなどをドーピングしたチューナブルのレーザ材料を用いても同様の効果が得られる。
【０１８７】
また、実施例２３では、光波長変換素子としてＫＴＰ結晶を用いたが、他の無機有機の非線形光学結晶や、LiTaO3(LT)、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型バルク素子を用いても同様に波長変換ができ、高調波光を得ることが出来る。
【０１８８】
（実施例２５）
図１９を参照しながら、本発明による他の短波長光源を説明する。
【０１８９】
本実施例では、半導体レーザＪ０１は100mW級のシングル縦モードレーザであり、発振波長は810nm帯である。Ｊ０２はN.A.（開口数）=0.5のコリメートレンズ、Ｊ０４はレーザ発振媒体Nd:YVO4Ｊ０５に光を導くためのフォーカシングレンズ（N.A.=0.5）である。Ｊ０３は図２０に示す透過スペクトル特性をもつ薄膜光学素子である。この様な透過スペクトル特性を持つ薄膜光学素子をバンドパス型フィルタと称し、本実施例では0.5mm厚のガラス基板上に誘電体（TiO2等）等を数十層積層し、形成している。図２０に示す薄膜光学素子は、波長809nmにおいて80%程度の透過率をもち、半値幅で1nmの透過スペクトル幅をもつ。バンドパス型フィルタは透過スペクトルのピーク波長が角度依存性を持っていて、図２０の透過スペクトルは光軸に対して２０度の角度を持つ場合である。このときの角度に対するピーク波長のシフト量は1.5nm/degである。入射角度が１０度近傍の時には、シフト量は0.9nm/degであり、０度の時には、ほとんど角度に対して波長シフトは起こらない。グレーティングのように28nm/degといった角度変化に対する大きな波長変化が生じないので調整も容易で、モジュール化したときも経時変化に対しても安定である。また、温度変化に対しても0.005nm/℃と安定で、湿度に対しても安定であるという特徴を持つ。
【０１９０】
次に共振器の構成について、詳細を説明する。レーザ発振媒体としてNd:YVO4Ｊ０５を用い、その入射端面Ｊ０７には、波長(809nm)の光に対する無反射コーティング（反射率R=7%）と、発振波長(1064nm)の光に対する高反射率コーティング（R>99.9%）とが施されている。一方、Nd:YVO4Ｊ０５の反対側の端面Ｊ０８には、波長1064nmの光に対する無反射コーティングが施されている。出力ミラーＪ０６には波長1064nmの光に対する高反射率コーティングが施されている。こうして、出力ミラーＪ０６とNd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７とにより、波長1064nmの基本波のための共振器が形成されている。
【０１９１】
半導体レーザＪ０１から出射されたレーザ光は、コリメートレンズＪ０２により平行光にされ、薄膜光学素子Ｊ０を透過した後、フォーカシングレンズＪ０２によりNd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７に集光される。半導体レーザＪ０１の出射端面とNd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７とは共焦点の位置にある。そのため、Nd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７で起こる反射による光が半導体レーザＪ０１の活性層に光帰還する。半導体レーザＪ０１とNd:YVO4Ｊ０５との間に、薄膜光学素子Ｊ０３を光軸に対して２０度の角度で挿入すると、809nm近傍の波長の光だけが半導体レーザＪ０１からNd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７に導かれ反射し、809nm近傍の波長の光だけが半導体レーザＪ０１に光帰還する。このため、半導体レーザＪ０１は単一の縦モードで安定に発振し、その波長は809nm近傍に固定された。
【０１９２】
前述のように、Nd:YVO4Ｊ０５の端面Ｊ０７には波長809nmの光に対する無反射コーティングが施されている。しかし、コーティングは、波長1064nmの基本波に対する反射率が最も高くなるように設計されているので、波長809nm付近の光に対する数％の反射率が存在する。そのため、どうしても反射戻り光が生じるが、本実施例では、この反射戻り光を有効に利用し、それによって、半導体レーザの発振を安定化するものである。
【０１９３】
本実施例では、図１９に示されるように、薄膜光学素子Ｊ０３が半導体レーザＪ０１の光軸に対してある傾きを持っている。この結果、薄膜光学素子Ｊ０３は、809nm近傍以外の波長をもつ光を反射し、809nm以外の波長をもつ光を半導体レーザＪ０１の活性層に光帰還しない。この様に、発振波長が809nm近傍に固定された半導体レーザＪ０１によりNd:YVO4Ｊ０５は励起され、基本波1064nmが出力ミラーＪ０６の間で発振し、出力ミラーＪ０６より1064nmのレーザ光が得られる。
【０１９４】
なお、本実施例では、Nd:YVO4Ｊ０５の出力ミラー側端面Ｊ０８に1064nmに対する無反射コーティングを施したが、図２１の例のように、出力ミラーをNd:YVO4Ｌ０５の端面Ｌ０８に付加することで、つまりNd:YVO4Ｌ０５の出力ミラー側端面Ｌ０８にも発振波長(1064nm)に対する高反射率コーティング（R>95%）を施すことで、短共振器長のマイクロチップレーザとなり、基本波1064nmの縦モードもシングル化できるのでさらに安定なレーザ光源が実現できる。
【０１９５】
なお、本実施例では入射ミラーをNd:YVO4Ｊ０５の入射側端面Ｊ０７に付加したが、入射ミラーを別途設けてもよく、同様にレーザ光源の安定化を図れる。
【０１９６】
（実施例２６）
図１９の共振器内部に光波長変換素子を挿入して短波長光源を実現することもできる。その図を図２２に示す。
【０１９７】
薄膜光学素子Ｍ０３により半導体レーザＭ０１の発振波長は809nmに安定に固定され、薄膜光学素子Ｍ０３の透過光がNd:YVO4Ｍ０５の励起光として利用される。Nd:YVO4Ｍ０５と出力ミラーＭ０６の間に光波長変換素子として５ｍｍ長のＫＴＰ（KTiOPO4）Ｍ０９を挿入し、Nd:YVO4Ｍ０５の端面Ｍ０７と出力ミラーＭ０６の間で発振した1064nmの光は、ＫＴＰＭ０９により波長変換され、532nmのグリーン光が得られる。
【０１９８】
図２２では、Nd:YVO4Ｍ０５の端面（入力ミラー側）Ｍ０７には半導体レーザＭ０１の波長(809nm)に対し無反射コーティング（反射率R=7%）、発振波長(1064nm)及び高調波の波長(532nm)に対し高反射率コーティング（R>99%）が施してあり、入射ミラーをNd:YVO4Ｍ０５の端面Ｍ０７に付加してある。反対側の端面（出力ミラー側）Ｍ０８には1064nm及び532nmに対し無反射コーティングが施してある。出力ミラーＭ０６には波長1064nmに対し高反射率コーティングが施してあり、出力ミラーＭ０６とNd:YVO4Ｍ０５の入射端面Ｍ０７で基本波1064nmの共振器を構成している。光波長変換素子による波長変換を行う場合、基本波に対する反射率は可能な限り高い方が高調波光への変換効率が高くなる。本構成では70mWのNd:YVO4１０５への励起パワーに対して15mWのグリーン光を得た。
【０１９９】
（実施例２７）
実施例２５及び２６では、レーザ発振媒体としてNd:YVO4を用いたが、Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:LN、NYAB及びNd:YLFなどのＮｄをドーピングしたレーザ材料や、ＣｒやＴｉなどをドーピングしたチューナブルのレーザ材料を用いても同様の効果が得られる。
【０２００】
また、実施例２６では光波長変換素子としてＫＴＰ結晶を用いたが、他の無機有機のひ線形光学結晶や、LiTaO3(LT)、LiNbO3(LN)やKTiOPO4(KTP)を基板とした分極反転型バルク素子を用いても同様に波長変換ができ、高調波光を得ることが出来る。
【０２０１】
（実施例２８）
図１９、２１および２２では、レーザ発振媒体Nd:YVO4の入射側端面での反射戻り光を半導体レーザに光帰還して、発振波長の固定を行った。しかしながら、出射側端面に809nmに対する高反射率コーティング（望ましくはＲ＞９５％）を施し、レーザ発振媒体で吸収されなかった光を半導体レーザに帰還しても同様にして発振波長を固定することが出来る。図２３を用いて説明する。
【０２０２】
通常YVO4へのＮｄドープ量が１％の材料では厚み１ｍｍ、２％ドープの材料では０．５ｍｍ、３％ドープの材料では０．３ｍｍ程度の厚みが選ばれる。しかし、Nd:YVO4Ｎ０５の出射側端面Ｎ０８による反射光を利用する場合、Nd:YVO4Ｎ０５は通常よりも薄い材料を選ぶ。例えば、YVO4に１％Ｎｄドープした０．５ｍｍ厚の材料では８０％程度が吸収されるので、結果として数％の光を半導体レーザＮ０１に帰還することが出来る。
【０２０３】
本実施例の構成では、半導体レーザＮ０１から出射された光は、フォーカシングレンズＮ０４によりNd:YVO4Ｎ０５の端面Ｎ０８に集光される。半導体レーザＮ０１の出射端面とNd:YVO4Ｎ０５の端面Ｎ０８が共焦点の位置にあり、反射光を半導体レーザＮ０１の活性層に光帰還させることができ、発振波長を809nmに固定することが出来る。図２３で用いられた薄膜光学素子Ｎ０９は図１９で利用した図２０の透過スペクトルをもつバンドパス型フィルタである。
【０２０４】
なお、図２３において、薄膜光学素子Ｎ０３をNd:YVO4Ｎ０５の端面Ｎ０７に付加しても、Nd:YVO4Ｎ０５の端面Ｎ０８で反射した809nm近傍の光だけが半導体レーザＮ０１の活性層に帰還するので、半導体レーザＮ０１の発振波長を809nmに固定することができ、安定なレーザ発振媒体の励起が行える。この場合、Nd:YVO4Ｎ０５は半導体レーザＮ０１の光軸に対して傾いている方が望ましく、本実施例では５度傾けている。
【０２０５】
（実施例２９）
図２４(a)に示すように、半導体レーザＰ０１の端面に誘電体多層膜Ｐ０２による透過型フィルタを形成したり、図２４(b)および(c)のようにNd:YVO4Ｐ０３の入射側端面(b)または出射側端面(c)に誘電体多層膜による透過型（バンドパス）フィルタや反射型（バンドストップ）フィルタを形成したりすることでも、半導体レーザＰ０１の発振波長のロッキングを行え、安定に波長変換し、高調波光を得ることができる。
【０２０６】
図２４(b)では、図１５の反射型フィルタ（薄膜光学素子）がNd:YVO4Ｐ０３の入射側端面に形成されていて、さらに結合光学系を省略した構成になっている。半導体レーザＰ０１とNd:YVO4Ｐ０３は10μm離れていて、半導体レーザＰ０１の光軸に対して垂直にNd:YVO4Ｐ０３は置かれている。
【０２０７】
また、反射型フィルタの代わりに透過型フィルタがNd:YVO4Ｐ０３の入射側端面に形成されていてもよく、その構成の場合、Nd:YVO4Ｐ０３の出射側端面の反射光が半導体レーザへの帰還光として利用される。
【０２０８】
図２４(C)では、図１の反射型フィルタ（薄膜光学素子）がNd:YVO4Ｐ０３の出射側端面に形成されていて、さらに結合光学系を省略した構成になっている。半導体レーザＰ０１とNd:YVO4Ｐ０３は10μm離れていて、半導体レーザＰ０１の光軸に対して垂直にNd:YVO4Ｐ０３は置かれている。
【０２０９】
（実施例３０）
反射型フィルタとして、周期的に多層膜を形成したブラッグ反射型の薄膜光学素子を用いても半導体レーザの発振波長を固定することが出来る。
【０２１０】
ブラッグ反射型薄膜光学素子の形成方法について説明する。ＥＢ（エレクトロン・ビーム）蒸着装置で石英基板上にSiO2（屈折率1.46）と組成比の異なるSiO2（屈折率1.48）を0.27μm周期で積層した。約１００層の膜を積層し、ブラッグ反射型薄膜光学素子を作製した。ブラッグ反射型の素子は積層数を変えることで容易にスペクトル幅を調整できるので、より実用的な素子である。この素子を図５、６のバンドストップ型干渉フィルタの代わりに用いて構成した光発生装置においても、半導体レーザの発振波長は位相整合波長や吸収波長に固定され、モードホップもなく安定なグリーン、ブルー出力が得られた。
【０２１１】
また、ブラッグ反射型フィルタはFeドープLNやLT等のフォトリフラクティブ材料に所定の波長のレーザを２方向から入射して干渉させるホログラフィックな方法でも可能である。
【０２１２】
（実施例３１）
バンドパス型の干渉フィルタは、スペクトル幅が数nm程度であれば１００％程度の透過率を得ることも可能である。スペクトル幅の広いフィルタを波長ロックのために用いると、半導体レーザのスペクトル幅は広がってしまうが（マルチ化）、レーザ発振媒体の吸収スペクトルの幅が数nm程度あるため、高効率な励起が行え、有効に半導体レーザの出力を取り出せるので高効率励起には適している。
【０２１３】
（実施例３２）
図１５、１７、１８、１９、２１、２２及び２３で用いられた透過型及び反射型フィルタは0.5mm厚のガラス基板上に誘電体多層膜を形成し得られた薄膜光学素子である。ガラス基板の厚みを変化されたところ、0.2〜2.0mmの基板厚において良好な波長ロッキングが行えた。0.2mm以下では研磨後の基板のそりにより不安定で、また2.0mm以上では傾けたときに基板の厚みによる収差が生じた。
【０２１４】
（実施例３３）
図１５、１７、１８、１９、２１、２２及び２３では、所定の波長帯域の光を透過または反射する薄膜光学素子として、誘電体多層膜がガラス基板上に形成された薄膜光学素子を用いた。なお、光学素子として、高い平面度及び平行度で研磨された高平面度素子の両面に反射膜を成膜したエタロン素子や、複屈折結晶板での常光線と異常光線の間の干渉を利用した複屈折フィルタを代わりに利用しても半導体レーザの縦モードのロッキング及び安定化を同様にして図ることができる。
【０２１５】
エタロン素子について説明する。厚み50μm、反射率85%、平面度λ/10の合成石英からなるエタロンを実験に用いた。エタロンは入射光の波長を関数として透過率を考えたとき、ある周期ごとに透過率のピークを持っている。そのモードの間隔Δυは次式で与えられる。
【０２１６】
Δυ＝λ2／（２ｎＬ）                      (1)
ここでｎは材料の屈折率で、Ｌは厚みを示している。本実施例で用いられたエタロンではΔυは5nmとなる。次にエタロンのフィネスを求める。フィネスとは、Δυと一つのモードの半値幅の比Δυ1/2で表される。フィネスＦは反射率（反射フィネス）、平面度及び平行度（平面度フィネス）、面粗さ等で決まり、次式で表される。
【０２１７】
１／Ｆ2＝（１／Ｆr2）＋（１／Ｆd2）        (2)
ここでＦr2は反射フィネス、Ｆd2は平面度フィネスを表していて、それぞれ
Ｆr2＝π2Ｒ／（１ーＲ）2                   (3)
Ｆd＝Ｓ／２                               (4)
となり、反射率Ｒ、λ／Ｓの平行度である。本実施例で用いたエタロンではＦは５となる。エタロンの透過スペクトルの半値幅は
Δυ1/2＝Δυ／Ｆ                          (5)
であり、1nmであることがわかる。この値は透過型フィルタ（薄膜光学素子）とほぼ同程度の値を示している。このエタロンを半導体レーザと光波長変換素子の間に挿入することで、半導体レーザの縦モードシングル化が図れた。エタロンの反射率及び平面度を高くすることで、Δυ1/2をさらに小さくできるので、さらに安定な波長ロッキングが図れた。
【０２１８】
複屈折フィルタについて説明する。２枚の偏光板の間に水晶板を設置し、光を通すと波長の変化に対応して干渉縞が現れる。厚さｄ、２ｄ，４ｄと水晶板をそれぞれ偏光板の間に挟み込んだものを何層か積み重ねていくと、干渉縞も重ね合わされて鋭いピークが残り、0.1nm程度のバンドパスをもったフィルタが得られる。このような複屈折フィルタを薄膜光学素子の代わりに用いても、半導体レーザの波長ロッキングが行えた。
【０２１９】
（実施例３４）
図２７、２８、２９を用いて、本発明の波長可変レーザ光源について説明する。
【０２２０】
半導体レーザーと反射体である外部共振器鏡が共焦点位置にある光学系において、所定の波長帯域の光を透過する薄膜光学素子がその光学系の間に設置されている、薄膜光学素子として誘電体多層膜から形成されたバンドパス型（透過型）干渉フィルタを用いる。
【０２２１】
Ｒ０１は0.86μm帯のファブリペロー型半導体レーザ、Ｒ０２はコリメートレンズレンズ、Ｒ０３は半導体レーザの光軸に対して傾斜して配置された薄膜光学素子、Ｒ０４はフォーカシングレンズ、Ｒ０５は反射率10%をもつ外部ミラーである。
【０２２２】
半導体レーザＲ０１の端面から放射された光はＲ０２によりコリメートされ、薄膜光学素子Ｒ０３を通過し、フォーカシングレンズＲ０４により外部ミラーＲ０５に集光される。外部ミラーＲ０５はフォーカシングレンズＲ０４の集光の焦点深度内に置かれている。外部ミラーＲ０５での反射光はフォーカシングレンズＲ０４によりコリメートされ、同じ光路を通過し、半導体レーザＲ０１に集光され、活性層に光帰還する。半導体レーザＲ０１と外部ミラーＲ０５の間に狭帯域の透過型フィルタが挿入されているので、半導体レーザーＲ０１の活性層に帰還する光は所定の波長帯域の光に限定されるため、半導体レーザＲ０１の発振波長は所定の波長にロックされ、所定の波長にロックされたレーザー光が反射ミラーＲ０５の端面より得られる。
【０２２３】
薄膜光学素子Ｒ０３は図４に示す透過スペクトル特性をもち、0.5mm厚のガラス基板上に誘電体（TiO2等）等を数十層積層し、形成された干渉フィルタである。本実施例の透過型フィルタはピーク透過率85%をもち、そのスペクトルの半値全幅は0.6nmである。透過型フィルタは角度依存性を持っている。角度に対する中心波長のシフト量は0.9nm/degである。グレーティングのように28nm/degといった角度変化に対する大きな波長変化が生じないので振動や経時変化にも発振波長のシフトは起こらず安定にロックが行える。また、温度変化に対しても0.005nm/℃と安定で、湿度に対しても安定であるという特徴を持つ。
【０２２４】
さらに本実施例では、半導体レーザＲ０１と外部ミラーＲ０５が、２つのレンズを介して共焦点位置にある。本実施例のように同一光軸上に２つの焦点がある場合、焦点位置にある焦点面が光軸に対して傾いても、共焦点関係は保持される。すなわち本実施例において、外部ミラーＲ０５からの反射光がフォーカシングレンズＲ０４の開口内に維持される程度に外部ミラーが傾いても、反射光は半導体レーザＲ０１に焦点を結び、安定に活性層に光帰還する。このため、外部ミラーＲ０６の調整が容易になり、振動や経時変化に対しても安定な波長安定化半導体レーザが実現できる。
【０２２５】
また、本実施例において、薄膜光学素子Ｒ０３を回転させることで、波長可変レーザ光源としても作用する。この場合、薄膜光学素子Ｒ０３が平行光学系に挿入されているので、安定な波長可変が行える。
【０２２６】
また、本実施例では、薄膜光学素子Ｒ０３すなわちバンドパスフィルタが、半導体レーザの出射方向に設置されているので、バンドパスフィルタが、発振波長のサイドの光（スポンテイネアスな光、蛍光）を10ｄＢ以上にカットする効果があり、ラマン分光等に使用する光源として、十分満足いくものである。
【０２２７】
図２８や２９のように、反射体としてファイバＳ０５や導波路Ｔ０６の端面での反射を利用しても同様である。
【０２２８】
図２７、２８、２９では、800nm帯のAlGaAs系の半導体レーザを用いたが、長波のInP系半導体レーザや赤色GaAs系半導体レーザや２−６族の青緑半導体レーザ等においても同様の効果が得られた。
【０２２９】
【発明の効果】
本発明は、半導体レーザと所定の波長帯域の光を反射または透過する光学素子を備えた光発生装置を励起光源として、分極反転型導波路素子や分極反転型バルク素子や非線形光学結晶により波長変換し、安定でコンパクトな高出力のグリーンやブルーの短波長光源を実現できる。また、レーザ発振媒体により近赤外光を、内部共振器型により安定な短波長光を得たりすることも可能である。そのため出力が低ノイズで安定であることが必要とされる光ディスクや計測用の光源を実現でき、その実用的効果は大きい。
【０２３０】
半導体レーザを用いた短波長光源では、光波長変換素子端面やレーザ発振媒体端面からの戻り光が半導体レーザの発振の不安定性をもたらすが、このような光学素子を用いると、端面からの反射戻り光を半導体レーザの発振波長の安定化に利用できるため実用的で、光学部品も直線的に配置できるので、コンパクトにすることが可能である。
【０２３１】
透過型フィルタ（薄膜光学素子）は角度依存性を持っていて、入射角度が２０度の時、中心波長のシフト量は1.5nm/degである。入射角度が１０度近傍の時には、シフト量は0.9nm/degであり、０度の時には、ほとんど角度に対して波長シフトは起こらない。フィルタが角度依存性を持っているため、光波長変換素子の位相整合波長にチューニングすることができる。一方で、グレーティングのように28nm/degといった角度に対してシビアに波長が変化しないので、透過型薄膜光学素子を用いて半導体レーザの発振波長をロックする場合、グレーティングフィードバックよりも光学調整も簡単であり、薄膜光学素子による半導体レーザの波長安定化は、実用性を考えてもその効果は大きい。
【０２３２】
また、温度変化に対しても0.005nm/℃を安定で、湿度に対しても安定であるという特徴を持ち、グレーティングのように樹脂でできていないので、光源全体としての信頼性も高くなる。
【０２３３】
また、薄膜光学素子は蒸着により製造するため、量産効果もあり、実用的効果は非常に大きい。
【０２３４】
また、エタロンや複屈折フィルタでは、透過スペクトルの半値幅を0.1nm程度まで小さくできるのでさらに安定な波長ロッキングが可能となる。
【０２３５】
さらに、ピエゾ素子やモーター（アクチュエーター）などの回転機構をフィルタに取り付け、短波長光の出力が常に一定になるように回転機構にフィードバックすることで、光波長変換素子の温度変化や光損傷などによる屈折率変化すなわち位相整合波長の変化に対しても安定な出力を得ることが可能となり、実用的なデバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型導波路素子を用いた短波長光源の図
【図２】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）の反射スペクトル図
【図３】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型導波路素子を用いた短波長光源の図
【図４】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）の透過スペクトル図
【図５】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型導波路素子を用いた短波長光源の図
【図６】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型導波路素子を用いた短波長光源の図
【図７】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型バルク素子を用いた短波長光源の図
【図８】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による分極反転型バルク素子を用いた短波長光源の図
【図９】（ａ）は本発明の誘電体多層膜が半導体レーザ上に付加された短波長光源の図
（ｂ）は本発明の誘電体多層膜が分極反転導波路の端面に付加された短波長光源の図
【図１０】（ａ）は本発明の誘電体多層膜が分極反転導波路の端面に付加された短波長光源の図
（ｂ）は本発明の誘電体多層膜が分極反転導波路の端面に付加された短波長光源の図
【図１１】（ａ）は本発明の分極反転層周期が一定である分極反転型導波路素子の概略図
（ｂ）は本発明の分極反転層周期が分割構造である分極反転型導波路素子の概略図
（ｃ）は本発明の分極反転層周期がチャープ構造である分極反転型波路素子の概略図
【図１２】本発明の薄膜光学素子で発振波長を安定化された半導体レーザにより、分極反転周期が分割構造の分極反転型導波路素子を励起した波長可変短波長光源の図
【図１３】従来のグレーティングフィードバックを用いた半導体レーザと分極反転型導波路素子の組み合わせによる短波長光源の図
【図１４】本発明の透過型フィルタを用いた短波長光源と従来のグレーティングを用いた短波長光源の出力安定性を示す図
【図１５】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起固体レーザ光源の図
【図１６】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）の反射スペクトル図
【図１７】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起固体レーザ光源の図
【図１８】本発明の薄膜光学素子（反射型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による内部共振器型短波長光源の図
【図１９】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起固体レーザ光源の図
【図２０】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）の透過スペクトル図
【図２１】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起固体レーザ光源の図
【図２２】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による内部共振器型短波長光源の図
【図２３】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を安定化された半導体レーザ励起による内部共振器型短波長光源の図
【図２４】（ａ）は本発明の誘電体多層膜が半導体レーザの端面上に付加された短波長光源の図
（ｂ）は本発明の誘電体多層膜がレーザ発振媒体の入射端面に付加された短波長光源の図
（ｃ）は本発明の誘電体多層膜がレーザ発振媒体の出射端面に付加された短波長光源の図
【図２５】従来のグレーティングフィードバックを用いた半導体レーザと内部共振器型固体レーザの組み合わせによる短波長光源の図
【図２６】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を任意に可変できる波長可変レーザ光源の図
【図２７】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を任意に可変できる波長可変レーザ光源の図
【図２８】本発明の薄膜光学素子（透過型フィルタ）で発振波長を任意に可変できる波長可変レーザ光源の図
【符号の説明】
１０１  半導体レーザ
１０２  コリメートレンズ
１０３  薄膜光学素子
１０４  λ／２板
１０５  フォーカシングレンズ
１０６  分極反転型導波路素子
１０７  分極反転層
１０８  光導波路
１０９  LiTaO3基板
３０１  半導体レーザ
３０２  コリメートレンズ
３０３  薄膜光学素子
３０４  λ／２板
３０５  フォーカシングレンズ
３０６  分極反転型導波路素子
３０７  入射端面
３０８  出射端面
５０１  半導体レーザ
５０２  コリメートレンズ
５０３  薄膜光学素子
５０４  λ／２板
５０５  フォーカシングレンズ
５０６  分極反転型導波路素子
５０７  入射端面
５０８  出射端面
６０１  半導体レーザ
６０２  コリメートレンズ
６０３  薄膜光学素子
６０４  λ／２板
６０５  フォーカシングレンズ
６０６  分極反転型導波路素子
６０７  波長選択ミラー
６０８  入射端面
６０９  出射端面
７０１  半導体レーザ
７０２  コリメートレンズ
７０３  薄膜光学素子
７０４  フォーカシングレンズ
７０５  分極反転型バルク素子
７０６  入射端面
７０７  出射端面
８０１  半導体レーザ
８０２  コリメートレンズ
８０３  薄膜光学素子
８０４  フォーカシングレンズ
８０５  分極反転型バルク素子
８０６  波長選択ミラー
８０７  入射端面
８０８  出射端面
９０１  半導体レーザ
９０２  分極反転型導波路素子
９０３  誘電体多層膜
９０４  誘電体多層膜
Ａ０１  半導体レーザ
Ａ０２  分極反転型導波路素子
Ａ０３  透過型フィルタ
Ａ０４  導波路
Ａ０５  半導体レーザ
Ａ０６  分極反転型バルク素子
Ａ０７  透過型フィルタ
Ｂ０１  端面
Ｂ０２  端面
Ｃ０１  半導体レーザ
Ｃ０２  コリメートレンズ
Ｃ０３  薄膜光学素子
Ｃ０４  λ／２板
Ｃ０５  フォーカシングレンズ
Ｃ０６  分極反転型導波路素子
Ｃ０７  入射端面
Ｃ０８  出射端面
Ｄ０１  半導体レーザ
Ｄ０２  コリメートレンズ
Ｄ０３  λ／２板
Ｄ０４  フォーカシングレンズ
Ｄ０５  グレーティング
Ｄ０６  端面
Ｄ０７  端面
Ｄ０８  分極反転型導波路
Ｄ０９  端面
Ｆ０１  半導体レーザ
Ｆ０２  コリメートレンズ
Ｆ０３  薄膜光学素子
Ｆ０４  フォーカシングレンズ
Ｆ０５  Nd:YVO4
Ｆ０６  出力ミラー
Ｆ０７  端面
Ｆ０８  端面
Ｈ０１  半導体レーザ
Ｈ０２  コリメートレンズ
Ｈ０３  薄膜光学素子
Ｈ０４  フォーカシングレンズ
Ｈ０５  Nd:YVO4
Ｈ０６  出力ミラー
Ｈ０７  端面
Ｈ０８  端面
Ｉ０１  半導体レーザ
Ｉ０２  コリメートレンズ
Ｉ０３  薄膜光学素子
Ｉ０４  フォーカシングレンズ
Ｉ０５  Nd:YVO4
Ｉ０６  出力ミラー
Ｉ０７  端面
Ｉ０８  端面
Ｉ０９  ＫＴＰ
Ｊ０１  半導体レーザ
Ｊ０２  コリメートレンズ
Ｊ０３  薄膜光学素子
Ｊ０４  フォーカシングレンズ
Ｊ０５  Nd:YVO4
Ｊ０６  出力ミラー
Ｊ０７  端面
Ｊ０８  端面
Ｌ０１  半導体レーザ
Ｌ０２  コリメートレンズ
Ｌ０３  薄膜光学素子
Ｌ０４  フォーカシングレンズ
Ｌ０５  Nd:YVO4
Ｌ０６  端面
Ｌ０７  端面
Ｍ０１  半導体レーザ
Ｍ０２  コリメートレンズ
Ｍ０３  薄膜光学素子
Ｍ０４  フォーカシングレンズ
Ｍ０５  Nd:YVO4
Ｍ０６  出力ミラー
Ｍ０７  端面
Ｍ０８  端面
Ｍ０９  ＫＴＰ
Ｎ０１  半導体レーザ
Ｎ０２  コリメートレンズ
Ｎ０３  薄膜光学素子
Ｎ０４  フォーカシングレンズ
Ｎ０５  Nd:YVO4
Ｎ０６  出力ミラー
Ｎ０７  端面
Ｎ０８  端面
Ｎ０９  ＫＴＰ
Ｐ０１  半導体レーザ
Ｐ０２  誘電体多層膜
Ｐ０３  Nd:YVO4
Ｐ０４  ＫＴＰ
Ｐ０５  出力ミラー
Ｐ０６  誘電体多層膜
Ｐ０７  誘電体多層膜
Ｑ０１  半導体レーザ
Ｑ０２  コリメートレンズ
Ｑ０３  フォーカシングレンズ
Ｑ０４  グレーティング
Ｑ０５  端面
Ｑ０６  活性層
Ｑ０７  Nd:YVO4
Ｑ０８  端面
Ｑ０９  出力ミラー
Ｑ１０  ＫＴＰ
Ｒ０１  半導体レーザ
Ｒ０２  コリメートレンズ
Ｒ０３  薄膜光学素子
Ｒ０４  フォーカシングレンズ
Ｒ０５  外部ミラー
Ｓ０１  半導体レーザ
Ｓ０２  コリメートレンズ
Ｓ０３  薄膜光学素子
Ｓ０４  フォーカシングレンズ
Ｓ０５  ファイバ
Ｓ０６  コア
Ｔ０１  半導体レーザ
Ｔ０２  コリメートレンズ
Ｔ０３  薄膜光学素子
Ｔ０４  フォーカシングレンズ
Ｔ０５  導波路
Ｔ０６  基板
【図１】
0003786878.tif 000002
【図２】
0003786878.tif 000003
【図３】
0003786878.tif 000004
【図４】
0003786878.tif 000005
【図５】
0003786878.tif 000006
【図６】
0003786878.tif 000007
【図７】
0003786878.tif 000008
【図８】
0003786878.tif 000009
【図９】
0003786878.tif 000010
【図１０】
0003786878.tif 000011
【図１１】
0003786878.tif 000012
【図１２】
0003786878.tif 000013
【図１３】
0003786878.tif 000014
【図１４】
0003786878.tif 000015
【図１５】
0003786878.tif 000016
【図１６】
0003786878.tif 000017
【図１７】
0003786878.tif 000018
【図１８】
0003786878.tif 000019
【図１９】
0003786878.tif 000020
【図２０】
0003786878.tif 000021
【図２１】
0003786878.tif 000022
【図２２】
0003786878.tif 000023
【図２３】
0003786878.tif 000024
【図２４】
0003786878.tif 000025
【図２５】
0003786878.tif 000026
【図２６】
0003786878.tif 000027
【図２７】
0003786878.tif 000028
【図２８】
0003786878.tif 000029