JP6107397B2 - 波長変換素子および波長変換レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ光の波長変換素子および波長変換レーザ装置に関するものである。

プリンターやプロジェクションテレビなどのカラー画像を表示する装置では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。近年、これらの光源として、それぞれ１．３μｍ帯、１μｍ帯、９００ｎｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光とし、非線形材料を用いて基本波レーザ光を半分の波長（２倍の周波数）の第２高調波（ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ））に変換する波長変換レーザ装置（レーザ発振器）が開発されている。

ＳＨＧでは所望の波長を有したレーザ光を効率よく抽出するために、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現することが望ましい。基本波レーザ光と第２高調波レーザ光の位相ずれを補正する位相整合条件を満たして波長変換を行なう素子としては、例えば周期構造を用いた擬似位相整合（ＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ））素子が知られている。このＱＰＭ波長変換素子では、非線形光学結晶である周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ））などに光導波路を形成し、導波方向に沿って分極を周期的に反転させている。

また、温度に対する位相整合条件の許容度である位相整合帯域幅を広くする方法として、分極反転周期のピッチなどを徐々に変化させた構造（分極反転の周期構造をチャープ状に変化させる構造）のＱＰＭ波長変換素子が提案されている。

特許文献１に記載の光波長変換素子は、非線形光学結晶に形成した周期状の分極反転構造を有し、分極反転構造が単一の周期部分（単一周期部分）と、徐々に周期が変化しているチャープ周期部分と、を有している。

特開２０００−３２１６１０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、導波路における高次のレーザ発振モード（高次モード）で基本波が発振した場合に、実効屈折率が異なることから高次モードの基本波に対して位相整合条件を満たさず、高次モードの基本波を効率よく波長変換することができない。このため、複数のレーザ発振モードに対する波長変換効率が低くなるという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、複数のレーザ発振モードの基本波を簡易な構成で効率よく波長変換する波長変換素子および波長変換レーザ装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明における波長変換素子は、平面導波路を第１のモードで伝搬する基本波が第１のモードよりも低次の第２のモードの基本波に対応した周期反転分極構造を有する非線形光学材料により高調波に波長変換される波長変換素子であって、非線形光学材料と異なる屈折率をもつ第１の光学材料及び第１の光学材料を挟み込むように配置された非線形光学材料を有し、第１のモードおよび第２のモードの基本波の実効屈折率の差を小さくするように平面導波路の屈折率分布を調整する屈折率調整手段を備えたことを特徴とする。

本発明に係る波長変換素子は、複数のレーザ発振モードの基本波の波長を簡易な構成で効率よく波長変換することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ装置の構成を示す側面図。 本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図。 本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の構成を示す斜視図。 本発明の実施の形態１に係る波長変換素子内の０次モードのレーザ光と１次モードのレーザ光と屈折率分布を示す側面図。 本発明の実施の形態２に係る波長変換素子内の０次モードのレーザ光と１次モードのレーザ光と屈折率分布を示す側面図。 本発明の実施の形態３に係る波長変換素子内の０次モードのレーザ光と１次モードのレーザ光と屈折率分布を示す側面図。 本発明の実施の形態４に係る波長変換素子の構成を示す斜視図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１．に係る波長変換レーザ装置の構成を示す側面図、図２は本発明の実施の形態１．に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。図１および図２において、７はレーザ発振方向を表す光軸を示している。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。

図１において、１００は平面導波路型の波長変換レーザ装置であり、半導体レーザ３０、固体レーザ素子２０、及び本発明の実施の形態１の主たる特徴である波長変換素子（導波路型波長変換素子）１０を備えている。波長変換レーザ装置１００は複数のレーザ発振モード、例えば、０次モードや１次モードで発振する基本波を波長変換できるよう、非線形光学材料の主面に垂直な方向の屈折率分布を変化させたレーザ発振器である。波長変換レーザ装置１００は、例えば光情報処理分野などにおいて、レーザディスプレイ装置や光メモリ装置の光源に使用される。

以下では、説明の便宜上、光軸７をｚ軸方向とし、波長変換レーザ装置１００の上面と垂直な方向をｙ軸方向とし、ｙ軸とｚ軸の両方に垂直な方向である波長変換素子１０などの幅方向をｘ軸方向として説明する。

半導体レーザ３０、レーザ媒質２１、光学材料１、非線形光学材料２、３は、それぞれ概略矩形状の平板状をなしており、各平板状の上面がｘｚ平面と平行となるように１枚の平面内に並設されている。レーザ媒質２１はｚ軸に垂直な端面２５ａで半導体レーザ３０に近接し、端面２５ａと対向するｚ軸に垂直な端面２５ｂで光学材料１、非線形光学材料２、３と近接するよう半導体レーザ３０と光学材料１、非線形光学材料２、３の間に配設されている。光学材料１、非線形光学材料２、３は、光軸７に垂直な端面１１ａおよび端面１１ｂを有しており、端面１１ａはレーザ媒質２１の端面２５ｂに近接して配置されている。一方、光学材料１、非線形光学材料２、３の端面１１ｂは、第２高調波レーザ光Ｌを出射する側の端面である。

半導体レーザ３０とレーザ媒質２１とが近接する近接面は、半導体レーザ３０とレーザ媒質２１とでほぼ同じ面形状（概略矩形状）を有し、レーザ媒質２１と光学材料１、非線形光学材料２、３とが近接する近接面は、レーザ媒質２１と光学材料１、非線形光学材料２、３とでほぼ同じ面形状の概略矩形状を有している。

換言すると、波長変換レーザ装置１００では、半導体レーザ３０の出射面、レーザ媒質２１の端面２５ａ、２５ｂ、光学材料１及び非線形光学材料２、３の端面１１ａ、１１ｂが互いに平行となるよう半導体レーザ３０、固体レーザ素子２０、波長変換素子１０が配設されている。半導体レーザ３０には図示しない冷却用のヒートシンクを接合してもよい。

半導体レーザ３０は、１〜複数の活性層から１〜複数のＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）光を出力する。半導体レーザ３０は複数のＬＤ光を出力する場合には、マルチエミッタ半導体レーザなどによりＬＤ光をアレー状に出射し、固体レーザ素子２０にマルチエミッタ発振を行なわせる。半導体レーザ３０はレーザ媒質２１とほぼ等しいｘ軸方向の幅を有し、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ３０がマルチエミッタ半導体レーザである場合、レーザ光出射面のｘ軸方向に活性層が並ぶよう配置される。この場合、半導体レーザ３０は複数の活性層から複数のＬＤ光を出力し、固体レーザ素子２０はｘ軸方向に並んだ複数の活性層からＬＤ光を得ることができる。半導体レーザ３０から出力されたＬＤ光は、端面２５ａからレーザ媒質２１の光軸７方向に入射してレーザ媒質２１に吸収される。

固体レーザ素子２０は基本波レーザ光を発振させる素子であり、レーザ媒質２１と低屈折率部であるクラッド２２、２３を有している。レーザ媒質２１の端面２５ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜であり、レーザ媒質２１の端面２５ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜である。光学材料１、非線形光学材料２、３の端面１１ａは基本波レーザ光を透過させるとともに第２高調波レーザ光Ｌを反射する光学膜である部分反射膜であり、光学材料１、非線形光学材料２、３の端面１１ｂは基本波レーザ光を反射するとともに第２高調波レーザ光Ｌを透過させる光学膜である部分反射膜である。これらの全反射膜、反射防止膜、光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層することによって作製される。なお、半導体レーザ３０から出力される励起光を、レーザ媒質２１の端面２５ａから入射する場合には、端面２５ａの全反射膜は励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。

レーザ媒質２１は、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。レーザ媒質２１は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｐｒ：ＹＡＧ、Ｐｒ：ＹＬＦなどである。

クラッド２２、２３は、レーザ媒質２１よりも小さな屈折率を有しており、ｘｚ平面に平行な面、すなわち、クラッド２３の上面とクラッド２２の下面でそれぞれレーザ媒質２１の上面と下面に接合されている。クラッド２２、２３は、例えば、光学材料を原料とした膜をレーザ媒質２１に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによってレーザ媒質２１と光学的に接合する方法によって作製されている。クラッド２３の下面側には、図示しない冷却用のヒートシンクを接合してもよい。

波長変換素子１０は、発振した基本波レーザ光を第２高調波レーザ光に変換するとともに、変換した第２高調波レーザ光を出射する素子である。波長変換素子１０は平面導波路型の導波路構造を有しており、低屈折率部である光学材料１、非線形光学材料２、３とクラッド４、５を有している。波長変換素子１０としてＱＰＭ波長変換素子、すなわち、擬似位相整合波長変換素子を用いる。非線形光学材料２、３は、レーザ媒質２１側から入射される基本波レーザ光を波長変換して、第２高調波レーザ光Ｌを出力する。すなわち、光学材料の非線形性を利用することにより、基本波レーザ光の波長が第２高調波レーザ光の波長に変換される。非線形光学材料２、３は、例えば周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰなどである。

本実施の形態１．では、波長変換素子１０は、レーザ光の進行方向と概ね垂直な方向に屈折率の異なる複数の光学材料を備える。具体的には、非線形光学材料２、３よりも小さな屈折率を有する光学材料１の上面と下面をそれぞれ非線形光学材料２の下面と非線形光学材料３の上面（それぞれ、ｘｚ平面に平行な面である）に接合する。クラッド４、５は非線形光学材料２、３よりも小さな屈折率を有しており、それぞれ非線形光学材料２の上面と非線形光学材料３の下面（それぞれ、ｘｚ平面に平行な面である）に接合する。

光学材料１と非線形光学材料２、３との接合、及びクラッド４、５と非線形光学材料２、３との接合は、例えば、光学材料を原料とした膜を非線形光学材料２、３に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによって非線形光学材料２、３と光学的に接合する方法、またはそれらを組み合わせた方法によって作製されている。

図３は波長変換素子１０の構成を示す斜視図である。図３に示すように、波長変換素子１０は非線形光学材料２、３を備え、波長変換素子内を伝搬するレーザ光の波長変換を行なう平面導波路型の素子である。波長変換素子１０の非線形光学材料２、３はレーザ光の進行方向に複数の分極反転層６を有している。分極反転層６は、一定方向に分極した単結晶誘電体材料の分極の方向を反転させたものである。非線形光学材料２、３内では、非分極反転領域と分極反転領域である分極反転層６が交互に形成されている。これにより、非線形光学材料２、３内には周期的に分極反転層６が形成されている。各分極反転層６はおおよそ平板状をなすとともに、その平板の面がｘ軸方向およびｙ軸方向と平行となるようにクラッド４、５で挟持されている。

レーザ媒質２１からの基本波としての基本波レーザ光は端面１１ａ側から非線形光学材料２、３に入射され、交互に配設された非分極反転領域内と分極反転領域内とを順番に伝搬する。入射された基本波レーザ光は非線形光学材料２、３の非線形効果によって第２高調波レーザ光に変換される。基本波レーザ光が第２高調波レーザ光に変換されるよう予め非線形光学材料２、３の結晶軸角度、温度、反転分極の周期などを最適化する。非線形光学材料２、３に入射された基本波レーザ光は、一部が第２高調波レーザ光に変換されて端面１１ｂから外部にレーザ光として出力される。

第２高調波レーザ光に変換されずに非線形光学材料２、３内に残留した基本波レーザ光は、端面１１ｂで全反射されて、再度、非線形光学材料２、３内を通過し、第２高調波レーザ光に変換される。この残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第２高調波レーザ光は、端面１１ａで全反射して端面１１ｂより外部にレーザ光として出力される。

図４は波長変換素子１０内に０次モードの基本波レーザ光Ｌ０と１次モードのレーザ光Ｌ１が入射された場合のレーザ光Ｌ０とレーザ光Ｌ１の強度分布と屈折率ｎの分布図である。０次モードは、ｙ軸方向の素子中央部で強度が最大となるため、光学材料１の屈折率の影響が大きい。一方、１次モードは、ｙ軸方向の素子中央部では強度が小さいため、光学材料１の屈折率の影響が小さい。

本発明の本実施の形態１．では、波長変換素子１０のｙ軸方向中央部に非線形光学材料２、３に比べて低屈折率な光学材料１を配置しており、光学材料１が無い従来技術と比べて、０次モードのレーザ光Ｌ０の実効屈折率は小さくなる。一方、光学材料１が無い従来技術と比べて、１次モードのレーザ光Ｌ１の実効屈折率は変化が小さい。その結果、非線形光学材料２、３の間に光学材料１を配置することにより、０次モードのレーザ光Ｌ０の実効屈折率と１次モードのレーザ光Ｌ１の実効屈折率の差を小さくすることができる。

このように、本発明の本実施の形態１．では、波長変換素子１０はレーザ光Ｌ０、Ｌ１の進行方向と概ね垂直な方向に屈折率の異なる複数の光学材料を備えることで波長変換素子１０内の０次モードの実効屈折率と１次モードの実効屈折率の差を小さくすることが可能である。

反転分極の最適周期は波長および実効屈折率から決まる。そのため、０次モードに最適化された反転分極の周期を形成する波長変換素子１０において、１次モードの実効屈折率と０次モードの実効屈折率の差が小さくなることで、１次モードの波長変換効率を高めることが可能である。

なお、本実施の形態１．では、図１や図２に示した波長変換レーザ装置１００の構成について説明したが、図１や図２以外の構成であってもよい。例えば、波長変換素子１０は、クラッド４、５のうち、一方のみを備える構成としてもよい。また、固体レーザ素子２０は、クラッド２２、２３の一方のみを備える構成としてもよいし、クラッド４、５の外側やクラッド２２、２３に基板を配設する構成としてもよい。波長変換レーザ装置１００は、内部型の波長変換方式、すなわち、共振器内部に波長変換素子を設置する構成に限らず外部型の波長変換方式、すなわち、共振器外部に波長変換素子を設置する構成であってもよい。波長変換レーザ装置１００が内部型の波長変換方式の場合、固体レーザ素子２０の端面２５ａと波長変換素子１０の端面１１ｂとの間で基本波レーザ光が発振する。一方、波長変換レーザ装置１００が外部型の波長変換方式の場合、固体レーザ素子２０の端面２５ａと固体レーザ素子２０の端面２５ｂとの間で基本波レーザ光が発振する。

光学材料１と非線形光学材料２、３は、波長変換素子において０次モードと１次モードのレーザ光の位相を補正する位相整合条件を満足するように設計しても構わない。この場合には、０次モードと１次モードのレーザ光をさらに効率よく波長変換することができる。また、レーザ光は０次モードと１次モードよりも高次のモードのレーザ光であっても構わない。

実施の形態２．
実施の形態１．では、波長変換素子１０に、非線形光学材料２、３より屈折率の小さい光学材料１を配置させたのに対し、本実施の形態では非線形光学材料よりも屈折率の大きな光学材料を配置させた構成を開示する。

本発明の実施の形態２では、図５に示すように、非線形光学材料１２、１３、１４よりも大きな屈折率を有する光学材料８、９を１次モードのレーザ光Ｌ１の強度が高い位置に配置する。このような配置によって、光学材料８、９は、その位置で強度の小さい０次モードのレーザ光Ｌ０よりも１次モードのレーザ光Ｌ１に大きな影響を与える。これにより、光学材料８、９が無い場合と比較して、１次モードの実効屈折率の増大量は０次モードの実効屈折率の増大量よりも大きくなる。その結果、０次モードと実効屈折率と１次モードの実効屈折率の差を小さくすることが可能であり、１次モードの波長変換効率を高めることが可能である。

実施の形態３．
実施の形態１．および２．では、波長変換素子１０に、非線形光学材料よりも屈折率の大きいまたは小さい光学材料を配置させたのに対し、本実施の形態では非線形光学材料よりも屈折率の大きい光学材料と小さい光学材料の双方を配置させた構成を開示する。

本発明の実施の形態３では、図６に示すように、非線形光学材料１７に対して小さい屈折率を有する光学材料１５と大きい屈折率を有する光学材料１６の双方を有している。なお、光学材料１５の配置は本発明の実施の形態１と同様であり、光学材料１６の配置は本発明の実施の形態２と同様である。このように、非線形光学材料１７の間に小さい屈折率を有する光学材料１５と大きい屈折率を有する光学材料１６を配置することによって、本発明の実施の形態１と２の双方の効果を利用して０次モードと１次モードの実効屈折率の差を小さくする効果を高めることが可能であり、１次モードの波長変換効率を高めることが可能である。

実施の形態４．
実施の形態１．、２．および３．では、分極反転周期が一定のものに対し、本実施の形態では周期を徐々に変化させた構成を開示する。

本発明の実施の形態４．では、図７に示すように、波長変換素子４０の非線形光学材料１８、１９は分極反転周期が徐々に変化させた構造の分極反転層２４を有する。基本波のある特定のモードに対する実効屈折率から決まる最適な一定周期を持った構造では、実行屈折率の異なる他のモードの第２高調波への変換効率は低い。分極反転周期を徐々に変化させることで、他のモードに対する第２高調波への変換効率を高めることが可能である。すなわち、図３に示した分極反転周期が一様な時と比べて、導波路構造に対する制約を緩和できる効果を持つ。

実施の形態４．による波長変換素子においては、分極反転周期を徐々に変化させた構成で、かつ、実施の形態１．、２．および３のような基本波のモード間の実効屈折率を近づけるような構成にすることにより、複数のモードの変換効率をさらに高めることができる。

１、８、９、１５、１６：光学材料、２、３、１２、１３、１４、１７、１８、１９：非線形光学材料、４、５、２２、２３：クラッド、６、２４：分極反転層、７：光軸、１０、４０：波長変換素子、１１ａ、１１ｂ、２５ａ、２５ｂ：端面、２０：固体レーザ素子、２１：レーザ媒質、３０：半導体レーザ、１００：波長変換レーザ装置、Ｌ：第２高調波レーザ光、Ｌ０：０次モードのレーザ光、Ｌ１：１次モードのレーザ光

Claims (9)

1. 平面導波路を第１のモードで伝搬する基本波が前記第１のモードよりも低次の第２のモードの基本波に対応した周期反転分極構造を有する非線形光学材料により高調波に波長変換される波長変換素子であって、
   前記非線形光学材料と異なる屈折率をもつ第１の光学材料及び前記第１の光学材料を挟み込むように配置された前記非線形光学材料を有し、前記第１のモードおよび前記第２のモードの基本波の実効屈折率の差を小さくするように前記平面導波路の屈折率分布を調整する屈折率調整手段を備えたことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記非線形光学材料は、前記第２のモードの基本波に対応した一つの前記周期反転分極構造を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記屈折率調整手段は前記非線形光学材料よりも小さい屈折率を有する前記第１の光学材料を備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
4. 前記屈折率調整手段は前記非線形光学材料よりも大きい屈折率を有する第２の光学材料を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の波長変換素子。
5. 前記非線形光学材料は、分極反転周期を徐々に変化させた周期反転分極構造を有することを特徴とする請求項１、請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
6. 前記第１のモードおよび前記第２のモードはそれぞれ１次および０次モードであり、前記第１の光学材料は前記０次モードの実効屈折率を小さくするように配置され、前記第２の光学材料は前記１次モードの実効屈折率を大きくするように配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の波長変換素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長変換素子と、前記基本波をレーザ発振させる共振器を有する光源と、を備えたことを特徴とする波長変換レーザ装置。
8. 前記波長変換素子は、前記共振器の内部に配置されたことを特徴とする請求項７に記載の波長変換レーザ装置。
9. 前記波長変換素子は、前記共振器の外部に配置されたことを特徴とする請求項７に記載の波長変換レーザ装置。

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