JP2921208B2 - 波長変換素子および短波長レーザ光源 - Google Patents
波長変換素子および短波長レーザ光源Info
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Description
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
波長変換素子および短波長レーザ光源に関するものであ
る。
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。
す。以下1.06μmの波長の基本波に対する高調波発生
(波長0.53μm)について図を用いて詳しく述べる(E.
J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer , "Second harmonic gene
ration of blue and green light in periodically-pol
ed planar lithium niobate waveguides", IGWO,1
988年、参照)。図9に示されるようにLiNbO3基板21
に光導波路22が形成され、さらに光導波路2には周期
的に分極の反転した層23(分極反転層)が形成されて
いる。基本波と発生する高調波の伝搬定数の不整合を分
極反転層23の周期構造で補償することにより高効率に
高調波を出すことができる。光導波路22の入射面24
に基本波P1を入射すると、光導波路22から高調波P
2が効率良く発生され、光波長変換素子として動作す
る。
構造を基本構成要素としていた。この素子の分極反転層
の製造方法について図8を用いて説明する。同図(a)
で非線形光学結晶であるLiNbO3基板100にTi
101のパターンをリフト オフと蒸着により幅数μm
の周期で形成していた。次に同図(b)で1100℃程
度の温度で熱処理を行いLiNbO3基板1と分極が反対向き
に反転した分極反転層102を形成した。次に同図
(c)で安息香酸(200℃)中で30分熱処理を行っ
た後350℃でアニールを行い光導波路103を形成す
る。上記安息香酸処理により作製される光波長変換素子
は波長1.06μmの基本波P1に対して、光導波路の長さ
を1mm、基本波P1のパワーを1mWにしたとき高調
波P2のパワー0.5nWが得られていた。基本波が4
0mW入射したとすると800nWの高調波出力が可能
である。この場合1cmの素子での1W当りの変換効率
は5%/W・cm2である。
層を基本とした光波長変換素子では素子長10mmのと
き、レーザの波長に対する許容度が狭く半値幅で0.8n
mしかない。一般的に、波長変換素子と半導体レーザと
を組み合わせた場合、波長変換素子から半導体レーザへ
の戻り光が発生し、半導体レーザの発振波長が戻り光の
ため変動を生じ高調波がでなくなる。この分極反転層を
もつ波長変換素子は上で述べたように、半値幅が0.8nm
しかないので、このような戻り光があれば高調波の発生
を大きく阻害することになる。
があった。具体的に半導体レーザが出力の5%以上の戻
り光をうけると発振スペクトルはシングルモードからマ
ルチモードに変化し、3%以上の戻り光でも、発振波長
は波長は0.3nm変化するため、3%以上の戻り光で
波長変換素子の出力がでなくなっていた。
解決するため分極反転構造を基本とした光波長変換素子
および短波長レーザ光源に新たな工夫を加えることによ
り半導体レーザの戻り光を低減して高調波を安定に出力
する波長変換素子および短波長レーザ光源を提供するも
のである。つまり、非線形光学結晶と、前記結晶に形成
した分極反転層と、前記結晶の端面に形成した入射部と
を備え、前記入射部端面の法線と前記結晶表面とが平行
でない波長変換素子とする。さらに、結晶表面に光導波
路を有し、入射部端面と前記結晶表面とが形成する交線
が前記光導波路と直交し、前記結晶表面と前記入射端面
との交角を鋭角とした波長変換素子とする。
した分極反転層および光導波路と、前記光導波路の端面
に形成した入射部とを有する波長変換素子と、半導体レ
ーザとを備え、前記半導体レーザからのレーザ光の出射
方向と、前記波長変換素子の入射部端面とが、平行でな
い、短波長レーザ光源とする。
源により、光源への戻り光を低減することができ、安定
な高調波発生が得られる。また、本発明の短波長レーザ
光源によれば半導体レーザと波長変換素子との光軸を傾
けることにより半導体レーザへの戻り光を低減し、高調
波の出力安定度を大幅に向上できる。
の構造図を示すものである。
反転層、3はプロトン交換導波路、4は入射部、5は出
射部、6は出射光、7は入射光である。
長変換素子について、以下その動作につい説明する。波
長変換素子は導波路3の入射部4に入射されたコヒーレ
ント光7を周期的な分極反転層2によって波長変換し、
出射部5より変換された光6を出射する。光源に波長
0.8μmの半導体レーザを用いると波長変換素子によ
り、半分の波長の0.4μmの青色の光を発生すること
ができる。この波長変換素子は光導波路を用いて光の閉
じこめ効果を大きくし、かつ長い作用長を実現すること
ができるため、非常に光効率の変換が可能である。また
出力が導波モードで出力するため、集光特性に優れた出
射光が得られる。
端を斜めに研磨し、光源への戻り光の低減を図ったこと
にある。
変換素子の入射部端面と基板表面との形成する角度θと
半導体レーザへの戻り光の関係を求めた。結果を図2に
示す。また図2に同時に角度θと半導体レーザ−波長変
換素子間の結合効率の関係を示す。図2から分かるよう
に、波長変換素子の入射端の角度θを90度からずらす
に従い半導体レーザへの戻り光が低減するのがわかる。
これは反射光と入射光の角度が2θとなり、反射光が直
接半導体レーザに戻らなくなるためである。しかし、図
2に示したように、入射部の角度が90度からずれるに
従い波長変換素子と半導体レーザとの結合効率も低下す
る。この低下は角度が鋭角になるほうが、鈍角になると
きより小さい。これは導波路−基板間の屈折率差と導波
路−空気層の屈折率差の違いによるものである。このた
め、角度θを鋭角にすることにより結合効率の低下を抑
制したまま、光源への戻り光を低減できた。実際には図
2に示すように、角度θを80度以下にすると戻り光を
2%以下に低減でき、かつ45%の結合効率が得られ
た。
を1400A蒸着し、レーザ光に対する反射防止膜を形
成した。結果を図3に示す。反射防止膜(ARコート)
を付加ことにより光源への戻り光の低減、結合効率の増
加をさらに一層増すことができ、角度θが80度以下の
とき戻り光1%、結合効率50%が得られた。
ため、波長変換素子の出力(SHG出力)の時間変動を観
測した。半導体レーザ出力100mWのとき1mWのS
HG出力が得られた。角度θが90度のとき出力変動が
激しく80%以上の変動が有ったが、角度θを80度以
下にすると出力変動は5%以下になり、安定した出力が
得られた。さらに反射防止膜を用いると、出力変動は2
%以下になり、SHG出力も約1.3倍に増加した。
たが他にMgOをドープしたLiTaO3基板,LiNbO3、KTP、有
機非線形材料などの他の非線形材料でも同様な素子が作
製できる。
を用いたが、他の誘電体の多層膜を用いても同様な効果
が得られる。
レーザ光源の構造図を示すものである。図5において、
1はLiTaO3基板、2は分極反転層、3はプロトン交換導
波路、4は入射部、5は出射部、6は出射光、7は入射
光、8は半導体レーザ、9は集光光学系、10は反射防
止膜、11は反射防止膜である。
長変換素子について、以下その動作につい説明する。波
長変換素子は導波路3の入射部4に入射された入射光7
を周期的な分極反転層2によって波長変換し、出射部5
より変換された光6を出射する。光源に波長0.8μm
の半導体レーザを用いると波長変換素子により、半分の
波長の0.4μmの青色の光を発生することができる。
図5に示すように、集光光学系の光軸を波長変換素子の
導波路に対して傾けると、実施例1と同様の理由から半
導体レーザへの戻り光が低減しする。
体レーザへの戻り光の関係を求めた。結果を図6に示
す。また図6に同時に角度θと半導体レーザ−波長変換
素子間の結合効率の関係を示す。図6から分かるよう
に、波長変換素子の入射端の角度θを0度からずらすに
従い半導体レーザへの戻り光が低減するのがわかる。こ
れは反射光と入射光の角度が2θとなり、反射光が直接
半導体レーザに戻らなくなるためである。しかし、図6
に示したように、入射部の角度が0度からずれるに従い
波長変換素子と半導体レーザとの結合効率も低下する。
この低下は角度がマイナスになるほうが、プラスになる
ときより小さい。これは導波路−基板間の屈折率差と導
波路−空気層の屈折率差の違いによるものである。この
ため、角度θをマイナスにすることにより結合効率の低
下を抑制したまま、光源への戻り光を低減できた。実際
には図6に示すように角度θを10度以上にすることに
より戻り光を1%以下に抑えることができ、SHG出力
の変動を測定したところ2%以下の変動に抑えることが
できた。このとき半導体レーザとの結合効率は50%で
あり、非常に高い結合効率が得られた。この結果、半導
体レーザの波長変動を抑え安定な波長変換装置を形成で
きた。
光光学系、および波長変換素子をモジュール化して小型
の短波長光源を実現した。作製した光源は30×10×
10mmと非常に小型で発振波長0.4μmの出力は
0.5mWであった。このような小型の光源を実現する
には、半導体レーザが必要であるが現在存在する半導体
レーザの波長は660nm〜980nmであるのでこの
範囲の波長の半導体レーザを用いて波長変換素子と組み
合わせることは非常に有用である。
し、垂直の波長変換素子を用いたが、図7に示すよう
に、第1の実施例に示した素子を用いても、同様の効果
が得られる。
の許容度の小さい分極反転型の波長変換素子とコヒーレ
ント光源を結合させる場合、波長変換素子からの戻り光
によって光源の波長変動を誘発し、これによって波長変
換素子の出力が不安定になる。そこで波長変換素子の入
射端面を基板に対して、斜めに形成することにより、光
源への戻り光を低減し、光源の出力変動、波長変動を低
減できる。以上の結果、波長変換素子の出力変動を低減
し、高出力で安定な波長変換素子を形成することがで
き、その実用効果は大きい。
導体レーザを有する短波長レーザ光源において、集光光
学系の光軸を波長変換素子の入射端面に斜めに入射する
ことにより、波長変換素子から半導体レーザへの戻り光
を低減することができ、半導体レーザ出力の波長変動、
出力変動を大幅に低減することができた。以上の結果、
高出力で安定な短波長レーザ光源を形成することができ
その実用効果は大きい。
の関係を示す図
の関係を示す図
(戻り光)の関係を示す図
図
Claims (8)
- 【請求項1】非線形光学結晶と、前記結晶に形成した分
極反転層と、前記結晶の端面に形成した入射部とを備
え、前記入射部端面の法線と素子の光軸とが平行でない
波長変換素子。 - 【請求項2】結晶表面に光導波路を有し、前記結晶表面
と前記入射端面との交角が鋭角である、請求項1に記載
の波長変換素子。 - 【請求項3】光導波路の入射端面には、1層以上の誘電
体膜を形成した請求項1または2に記載の波長変換素
子。 - 【請求項4】非線形光学結晶と、前記結晶に形成した分
極反転層および光導波路と、前記光導波路の端面に形成
した入射部とを有する波長変換素子と、半導体レーザと
を備え、前記半導体レーザからのレーザ光の出射方向
と、前記波長変換素子の入射部端面とが、垂直でない、
短波長レーザ光源。 - 【請求項5】半導体レーザからのレーザ光の出射方向
と、波長変換素子の入射部端面とが垂直でなく、前記半
導体レーザへの戻り光を抑えた請求項4に記載の短波長
レーザ光源。 - 【請求項6】波長変換素子の入射部端面の法線と結晶表
面とが平行でない請求項4または5に記載の短波長レー
ザ光源。 - 【請求項7】光導波路の入射端面には、1層以上の誘電
体膜を形成した請求項4、5または6に記載の短波長レ
ーザ光源。 - 【請求項8】戻り光を2%以下にし、結合効率を45%
以上にした請求項4〜7のいずれかに記載の短波長レー
ザ光源。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3255163A JP2921208B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子および短波長レーザ光源 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3255163A JP2921208B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子および短波長レーザ光源 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0593931A JPH0593931A (ja) | 1993-04-16 |
JP2921208B2 true JP2921208B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=17274940
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3255163A Expired - Lifetime JP2921208B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子および短波長レーザ光源 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2921208B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004363336A (ja) | 2003-06-05 | 2004-12-24 | Shimadzu Corp | 波長変換レーザ装置 |
JP5507874B2 (ja) * | 2009-04-14 | 2014-05-28 | 株式会社島津製作所 | 波長変換レーザ装置 |
WO2014084368A1 (ja) * | 2012-11-29 | 2014-06-05 | シチズンホールディングス株式会社 | レーザ光源 |
US20200371023A1 (en) | 2017-12-13 | 2020-11-26 | Hitachi High-Tech Corporation | Far-Infrared Light Source and Far-Infrared Spectrometer |
-
1991
- 1991-10-02 JP JP3255163A patent/JP2921208B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH0593931A (ja) | 1993-04-16 |
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