JPH07306429A - 第２高調波発生方法及び第２高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 第２高調波を安定的に短時間に出力可能な装
置を提供する。 【構成】 光学的な共振区間にレーザー光を入射して利
得媒体から基本波を得て、特定の偏光を非線形単結晶素
子に照射して第２高調波を発生し、非線形単結晶素子の
温度を調整して目的の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てから、非線
形単結晶素子の温度を目的のモードの温度帯に調整して
所望の出力を得る。また、入力ミラーと出力ミラーを支
持するケーシングと、非線形単結晶素子の温度を調整す
る手段と、ケーシングの温度を感知して予め設定した範
囲内に補正する手段からなることを特徴とする。 【効果】 周辺温度の変化と内的発熱に影響されない。
また、短時間で熱的安定が得られる。

Description

【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 harmo
nic 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（polarizi
ng 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１
３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１
１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１
５ａ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（Ther
moelectric 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（Axia
l 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。

【００１２】（２）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及び出力ミラーと、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により第２高調波を得る第２高調波
発生部と、非線形素子の温度を調整する温度調整装置
と、共振器の周囲を形成し、入力及び出力ミラーと第２
高調波発生部を支持する外被と、外被の周面に備えら
れ、外被の温度を補正する温度補正装置と、外被の温度
を感知して温度補正装置を制御し、この温度を予め設定
した範囲内に保持する温度補正制御手段とを具備したこ
とを特徴とする第２高調波発生装置。

【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１５
０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１０
０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４１
０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３
００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（differen
tial 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（ＫＴ
Ｐ）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。５００
mW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１
００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）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【請求項４】 光学的に囲まれた所定距離の共振器を形
   成する入力ミラー及び出力ミラーと、 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単結晶素子により第２高調
   波を得る第２高調波発生部と、 非線形単結晶素子の温度を調整する温度調整装置と、 共振器の周囲を形成し、入力及び出力ミラーと第２高調
   波発生部を支持するケーシングと、 ケーシングの周面に備えられ、ケーシングの温度を補正
   する温度補正装置と、 ケーシングの温度を感知して温度補正装置を制御し、こ
   の温度を予め設定した範囲内に保持する温度補正制御手
   段とを具備したことを特徴とする第２高調波発生装置。
5. 【請求項５】 前記温度補正装置は、ケーシング周面の
   長さ方向を包含して形成し、ケーシングの温度変化によ
   り入力及び出力ミラー間の距離の変化を防止することを
   特徴とする請求項４記載の第２高調波発生装置。
6. 【請求項６】 前記温度補正制御手段は、ケーシングを
   加熱または冷却する手段を有することを特徴とする請求
   項４記載の第２高調波発生装置。