JPWO2006112303A1 - 短波長光源 - Google Patents
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Abstract
Description
図17において、基本波光源1001から出た基本波1006はKTP1002で一部波長変換され、波長分離ミラー1004で基本波1006と高調波1007に分離される。その後、基本波1006は再びKTP1003で一部波長変換され、波長分離フィルター1005により基本波1006と高調波1008に分離される。
102,103,302,303,402,403,502,602,702,802 波長変換素子
104,105,109,304,305,404,405,504,505,604,704,804 周期分極反転構造
111,320,420,511,611,720,820 集光光源
106,107,122,306,307,312,313,406,407,506,507,606,607,613,706,707,806,807,813,814,1007,1008 高調波
108,308,314,408,508,608,612,708,808,1006 基本波
509,510 和周波
110 周期分極反転構造の光軸
309,450 出射面
310,410 入射面
311,411 偏光板
409 プリズム
430 平行プリズム
440 分離プリズム
441 波長分離膜
442 反射膜
443,444 プリズム
605,614,615,705,810,811 側面
609,610 多層膜反射ミラー
710,711,712 多層膜
709a 凹面ミラー
709b 凸レンズ
805 回折素子
809 多層膜
1002,1003 KTP
1004,1005 波長分離ミラー
波長1064nmの基本波をPPMgLNによって波長変換し、波長532nmの緑色光の第2高調波を発生した際に、緑色光が3Wを越えると出力が不安定になり、結晶内にレーザダメージが生じることが見いだされた。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。PPMgLNによって1064nmの基本波を532nmの第2高調波に変換する際に、基本波と第2高調波の和周波により355nmの紫外光が発生する。355nmの光への変換効率は非常に低いため、高出力の波長変換を行った際に発生する355nmの光は僅かである。しかし、355nmの光が発生すると、緑色光の吸収が増大し、熱レンズ効果により高調波出力が不安定になり、さらに高出力化すると結晶にダメージが発生する。この現象は、KTPとは異なる高出力時の不安定要因である。
1)高調波のパワー密度を低減する、
2)結晶内で基本波と高調波による和周波の発生を抑える、
の2つの方法が有効である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1によるコヒーレント光源の構成図である。図1(a)は全体図、図1(b)は波長変換素子の一部を部分的に拡大した図である。
図1(a)に示す短波長光源100は、基本波を出射する基本波光源101、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子102,103、および集光光源111を備えたものである。
ウォークオフ角θwは、分極反転角度θに比例して増大するが、変換効率は、分極反転角度θの増加とともに減少する。変換効率の低下を50%以下に抑えるため、θの値は、6°以下であることが望ましい。
高出力耐性は、分極反転角度θの増大とともに向上する。つまり、θの値が1°以上であれば、高出力耐性の向上が見られ、θの値を2°以上にすることで高出力耐性は大幅に向上する。一方、θ<1°では、高出力耐性の効果はほとんどない。このため、θの値は、1°以上6°以下であることが望ましい。さらに望ましくは、θの値が2°以上6°以下である場合である。
図3に示す短波長光源100aは、図1に示す短波長光源100の構成に加えて、さらに、波長変換素子121を備えたものである。
図4(a)に示す短波長光源100bと、図1(a)に示す短波長光源100との違いは、結晶のZ軸が波長変換素子102bと103bで異なっている点である。分極反転構造は、+Z面よりZ軸方向に成長するため、図4(a)に示すように、結晶軸によって分極反転結晶が角度を持つ。波長変換素子102bと103bで異なる結晶軸の結晶を用いれば、分極反転の傾きが結晶間で異なるように設定できる。図1の場合は、分極反転構造を形成する+Z面の電極構造を変える。または、図1(b)に示すように結晶自体を回転させることでも可能である。なお、図1と図4の構造を組み合わせることも可能である。
図5は、本発明の実施の形態2による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態2による短波長光源300は、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302,303、および集光光源320を備えたものである。
このような構成の短波長光源300では、波長変換素子302の出射面309、および波長変換素子303の入射面310にテーパを付けているので、プリズム効果により、基本波308と高調波307の光路が変わり、両ビームの光路の角度差が大きくなる。これによって、波長変換素子303内での2つの高調波306、307の光軸がずれ、オーバラップを低減することができ、高出力耐性を向上できる。
図6(a)は、本発明の実施の形態3による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態3による短波長光源300aは、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302a,303a、集光光源320、および偏光板311を備えたものである。
このような構成の短波長光源300aでは、2つの波長変換素子302a、303a間に偏光板311を挿入しているため、波長変換素子302aで発生した高調波313は、波長変換素子303a内では基本波314と異なる偏光を持つことになる。基本波314と高調波313の偏光方向が異なることで、波長変換素子303a内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
図6(b)は、本発明の実施の形態4による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態4による短波長光源300bは、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302b,303b、集光光源320、および偏光板311を備えたものである。
このような構成の短波長光源300bでは、偏光板311を挿入することで、波長変換素子302bで発生した高調波313の偏光は、偏光板311の手前のB点では紙面に垂直な方向であり、偏光板311の後のD点では紙面に平行な方向に回転する。基本波314の偏光は、偏光板311では回転しないため、偏光板311の前後のA点およびC点で、紙面に垂直な方向である。
図7は、本発明の実施の形態5による短波長光源について説明する。
本実施の形態5による短波長光源500は、基本波光源501、波長変換素子502、および集光光源511を備えたものである。
このような短波長光源500では、2つの領域X1,X2で発生した高調波506と高調波507はそれぞれの領域で、異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度の低減、および高調波と基本波のオーバラップ低減による和周波発生の抑圧により高出力耐性を大幅に向上できる。また、一つの結晶内に、2つの分極反転領域を形成しているため、小型化に有効である。さらに、分極反転角θの異なる領域を複数縦列につなげた構成も可能であり、相互作用長の増大が可能であり、高出力化が図れる。
図8は、本発明の実施の形態6による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態6による短波長光源500aは、図7に示す短波長光源500の波長変換素子502に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子502aを備えたものである。
このような構成の短波長光源500aでは、領域X1aと領域X2aで発生する高調波506,507は異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度が低減される。さらに図で示すように、和周波509,510の出射角も分極反転の傾きにより大きくなるため、和周波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
図9は、本発明の実施の形態7による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態7による短波長光源500bは、図7に示す短波長光源500の波長変換素子502に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子502bを備えたものである。
このような構成の短波長光源500bでは、分極反転構造を湾曲に形成しているため、波長変換素子502b内で発生した高調波506,507が分離され、これにより、高調波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
図10は、本発明の実施の形態8の短波長光源の構成を示す図である。図10(a)は、本実施の形態8の短波長光源の構成を示す図であり、図10(b)は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図である。
図11(a)は、本発明の実施の形態9による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態9による短波長光源400は、基本波光源401、波長変換素子402,403、集光光源420、およびプリズム409を備えたものである。
上記プリズム409は、上記波長変換素子402,403の間に位置する。
このような構成の短波長光源400によれば、プリズムの分散特性により、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の屈折角を変えることができる。これにより、波長変換素子403内で、波長変換素子402から出力された高調波407と波長変換素子403で発生する高調波406を分離することができ、高出力耐性の向上が可能となる。
図11(b)に示す短波長光源400aは、プリズム409の後段にさらに偏光板411を備えている。
図12(a)は、本発明の実施の形態10による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態10による短波長光源400bは、図11(a)の短波長光源400におけるプリズム409に代えて、平行プリズム430を備えたものである。
このような構成の短波長光源400bでは、平行プリズム430を用いることで、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子402で発生した高調波407と、波長変換素子403で発生した高調波406をほぼ並行な光として取り出すことができるので、2つの光を合波する光学系が簡単になるという利点もある。
図12(b)は、本発明の実施の形態11による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態11による短波長光源400cは、図12(a)の短波長光源400bにおける平行プリズム430に代えて、プリズム409と409cとからなるプリズムペアを備えたものである。
さらに、短波長光源400cは、上記プリズムペアの間に、さらに偏光板411を備えたものである。
本実施の形態11の短波長光源400cでは、プリズムペアを用いることで、上記実施の形態10で説明した平行プリズム430と同様、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子402で発生した高調波407と、波長変換素子403で発生した高調波406をほぼ並行な光として取り出すことができるので、2つの光を合波する光学系が簡単になる。
図13(a)は、本発明の実施の形態12による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態12による短波長光源400dは、図12(a)の短波長光源400bにおける平行プリズム403に代えて、基本波と高調波を分離するための分離プリズム440を備えたものである。
このような構成の短波長光源400dでは、波長変換素子402から出射された基本波408および高調波407は、分離プリズム440により、基本波408と高調波407が分離される。つまり、基本波408は、分離プリズム440の波長分離膜441を透過し、高調波407は、波長分離膜441で反射される。
図14(a)は、本発明の実施の形態13による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態13による短波長光源600は、基本波光源601、波長変換素子602、および集光光源611を備えたもので、基本波光源601を傾けて配置することにより、該基本波光源601から出射された基本波608を、波長変換素子602内部で反射させて、複数の高調波に変換するものである。
このような構成の短波長光源600では、基本波光源601から出射された基本波608は、波長変換素子602の分極反転構造604の光軸に角度を持って入射され、波長変換素子602の側面605で全反射される。この反射した部分Pとする。この場合、反射部Pを境に、つまり、波長変換素子602の入射面から反射点Pまでの分極反転領域X3と、反射部Pから波長変換素子602の出射面までの分極反転領域X4とでは、各領域X3,4における分極反転構造604の光軸と基本波608の成す角の正負が逆転することになる。すなわち、反射部Pを境に、分極反転構造604と基本波608との交差角が異なる領域が形成されることになる。
図14(b)は、本発明の実施の形態14による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態14による短波長光源600aは、基本波光源601、多層膜の反射ミラー609、610を入出射面に設けた波長変換素子602a、および集光光源611を備えたものであり、基本波を波長変換素子の側面および端面で反射させ、複数のビームパスで波長変換を起こすものである。
光源601からでた基本波612は、多層膜反射ミラー609を透過して、波長変換素子602に入射されると、波長変換素子602の側面614で反射した後、多層膜反射ミラー610で反射され、側面615で反射し、多層膜反射ミラー609を通って外部に放出される。この際、基本波612は、波長変換素子602a内でそれぞれのビームパスで高調波を発生する。そのため、波長変換を高効率で行うことができる。
図15は、本発明の実施の形態15による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態15による短波長光源700は、基本波光源701、波長変換素子702、集光光源720、および基本波のみ反射するビーム整形手段を備えたものである。図14の短波長光源600aの構成と異なる点は、波長変換素子の出射面に形成した多層膜711が基本波、高調波ともに無反射コートに成っており、波長変換素子の外部にビーム整形手段を備えている点である。
このような構成の短波長光源700では、基本波光源701から出射された基本波708は、波長変換素子702の側面705aで反射され、多層膜711を介して外部の凹面ミラー709aで反射される。側面705aでの反射前後で発生した高調波706は、凸レンズ709bにより集光される。また、凹面ミラー709aで反射された基本波708は、再度、波長変換素子702内に入射され、側面705bで反射され、多層膜710を通過して外部へと出力される。側面705bでの反射前後で発生した高調波707は、多層膜710により反射されて外部へ出力され、凸レンズ709bにより集光される。その結果、ビームの広がりを抑圧できるため、基本波のパワー密度を高く保つことができ、高効率変換が可能となる。
図16(a)は、本発明の実施の形態16による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態16では、波長変換素子の側面で基本波ビームを反射させる際に、基本波と高調波のウォークオフを利用して、ビームパスを分離する方法に加えて、反射面での基本波と高調波の分離角度を大きくする構成となっている。
上記波長変換素子802の反射面に、回折素子805が形成されている。この回折素子805は、基本波に対しては、0次回折すなわち鏡面反射、高調波に対しては高次の回折が発生するように設計する。
基本波光源801から出射された基本波808は、波長変換素子802の側面で反射するように入射される。この波長変換素子802の反射面に形成されている回折素子805により、波長変換素子802の前半で発生した高調波807は、回折素子805で回折される。一方、基本波808は、回折素子805で回折されないため、全反射され、その一部が高調波808に変換される。波長変換素子802の前半領域で発生する高調波807と、後半領域で発生する高調波808は、異なる角度で発生しているため、互いに重ならず、高調波のパワー密度を低減することができる。その結果、高出力耐性を大幅に向上させることできる。
この場合のMgのドープ量は1.5mol%以上が好ましい。その他、MgドープのLiTaO3、MgドープのストイキオメトリックLiTaO3,KTP等においても、本発明の構成は有効である。
図17において、基本波光源1001から出た基本波1006はKTP1002で一部波長変換され、波長分離ミラー1004で基本波1006と高調波1007に分離される。その後、基本波1006は再びKTP1003で一部波長変換され、波長分離フィルター1005により基本波1006と高調波1008に分離される。
波長1064nmの基本波をPPMgLNによって波長変換し、波長532nmの緑色光の第2高調波を発生した際に、緑色光が3Wを越えると出力が不安定になり、結晶内にレーザダメージが生じることが見いだされた。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。PPMgLNによって1064nmの基本波を532nmの第2高調波に変換する際に、基本波と第2高調波の和周波により355nmの紫外光が発生する。355nmの光への変換効率は非常に低いため、高出力の波長変換を行った際に発生する355nmの光は僅かである。しかし、355nmの光が発生すると、緑色光の吸収が増大し、熱レンズ効果により高調波出力が不安定になり、さらに高出力化すると結晶にダメージが発生する。この現象は、KTPとは異なる高出力時の不安定要因である。
1)高調波のパワー密度を低減する、
2)結晶内で基本波と高調波による和周波の発生を抑える、
の2つの方法が有効である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1によるコヒーレント光源の構成図である。図1(a)は全体図、図1(b)は波長変換素子の一部を部分的に拡大した図である。
図1(a)に示す短波長光源100は、基本波を出射する基本波光源101、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子102,103、および集光光源111を備えたものである。
ウォークオフ角θwは、分極反転角度θに比例して増大するが、変換効率は、分極反転角度θの増加とともに減少する。変換効率の低下を50%以下に抑えるため、θの値は、6°以下であることが望ましい。
高出力耐性は、分極反転角度θの増大とともに向上する。つまり、θの値が1°以上であれば、高出力耐性の向上が見られ、θの値を2°以上にすることで高出力耐性は大幅に向上する。一方、θ<1°では、高出力耐性の効果はほとんどない。このため、θの値は、1°以上6°以下であることが望ましい。さらに望ましくは、θの値が2°以上6°以下である場合である。
図3に示す短波長光源100aは、図1に示す短波長光源100の構成に加えて、さらに、波長変換素子121を備えたものである。
図4(a)に示す短波長光源100bと、図1(a)に示す短波長光源100との違いは、結晶のZ軸が波長変換素子102bと103bで異なっている点である。分極反転構造は、+Z面よりZ軸方向に成長するため、図4(a)に示すように、結晶軸によって分極反転結晶が角度を持つ。波長変換素子102bと103bで異なる結晶軸の結晶を用いれば、分極反転の傾きが結晶間で異なるように設定できる。図1の場合は、分極反転構造を形成する+Z面の電極構造を変える。または、図1(b)に示すように結晶自体を回転させることでも可能である。なお、図1と図4の構造を組み合わせることも可能である。
図5は、本発明の実施の形態2による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態2による短波長光源300は、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302,303、および集光光源320を備えたものである。
このような構成の短波長光源300では、波長変換素子302の出射面309、および波長変換素子303の入射面310にテーパを付けているので、プリズム効果により、基本波308と高調波307の光路が変わり、両ビームの光路の角度差が大きくなる。これによって、波長変換素子303内での2つの高調波306、307の光軸がずれ、オーバラップを低減することができ、高出力耐性を向上できる。
図6(a)は、本発明の実施の形態3による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態3による短波長光源300aは、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302a,303a、集光光源320、および偏光板311を備えたものである。
このような構成の短波長光源300aでは、2つの波長変換素子302a、303a間に偏光板311を挿入しているため、波長変換素子302aで発生した高調波313は、波長変換素子303a内では基本波314と異なる偏光を持つことになる。基本波314と高調波313の偏光方向が異なることで、波長変換素子303a内での和周波の発生を抑えることができ、高出力耐性を大幅に向上できる。
図6(b)は、本発明の実施の形態4による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態4による短波長光源300bは、基本波を出射する基本波光源301、基本波の一部を高調波に変換する波長変換素子302b,303b、集光光源320、および偏光板311を備えたものである。
このような構成の短波長光源300bでは、偏光板311を挿入することで、波長変換素子302bで発生した高調波313の偏光は、偏光板311の手前のB点では紙面に垂直な方向であり、偏光板311の後のD点では紙面に平行な方向に回転する。基本波314の偏光は、偏光板311では回転しないため、偏光板311の前後のA点およびC点で、紙面に垂直な方向である。
図7は、本発明の実施の形態5による短波長光源について説明する。
本実施の形態5による短波長光源500は、基本波光源501、波長変換素子502、および集光光源511を備えたものである。
このような短波長光源500では、2つの領域X1,X2で発生した高調波506と高調波507はそれぞれの領域で、異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度の低減、および高調波と基本波のオーバラップ低減による和周波発生の抑圧により高出力耐性を大幅に向上できる。また、一つの結晶内に、2つの分極反転領域を形成しているため、小型化に有効である。さらに、分極反転角θの異なる領域を複数縦列につなげた構成も可能であり、相互作用長の増大が可能であり、高出力化が図れる。
図8は、本発明の実施の形態6による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態6による短波長光源500aは、図7に示す短波長光源500の波長変換素子502に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子502aを備えたものである。
このような構成の短波長光源500aでは、領域X1aと領域X2aで発生する高調波506,507は異なるウォークオフ角を持って発生するため、高調波のパワー密度が低減される。さらに図で示すように、和周波509,510の出射角も分極反転の傾きにより大きくなるため、和周波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
図9は、本発明の実施の形態7による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態7による短波長光源500bは、図7に示す短波長光源500の波長変換素子502に代えて、基本波の光軸を中心としてその左右に分割されている分極反転構造を有する波長変換素子502bを備えたものである。
このような構成の短波長光源500bでは、分極反転構造を湾曲に形成しているため、波長変換素子502b内で発生した高調波506,507が分離され、これにより、高調波のパワー密度が低減し、高出力耐性が向上する。
図10は、本発明の実施の形態8の短波長光源の構成を示す図である。図10(a)は、本実施の形態8の短波長光源の構成を示す図であり、図10(b)は、該短波長光源を構成する波長変換素子の一部拡大図である。
図11(a)は、本発明の実施の形態9による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態9による短波長光源400は、基本波光源401、波長変換素子402,403、集光光源420、およびプリズム409を備えたものである。
上記プリズム409は、上記波長変換素子402,403の間に位置する。
このような構成の短波長光源400によれば、プリズムの分散特性により、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の屈折角を変えることができる。これにより、波長変換素子403内で、波長変換素子402から出力された高調波407と波長変換素子403で発生する高調波406を分離することができ、高出力耐性の向上が可能となる。
図11(b)に示す短波長光源400aは、プリズム409の後段にさらに偏光板411を備えている。
図12(a)は、本発明の実施の形態10による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態10による短波長光源400bは、図11(a)の短波長光源400におけるプリズム409に代えて、平行プリズム430を備えたものである。
このような構成の短波長光源400bでは、平行プリズム430を用いることで、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子402で発生した高調波407と、波長変換素子403で発生した高調波406をほぼ並行な光として取り出すことができるので、2つの光を合波する光学系が簡単になるという利点もある。
図12(b)は、本発明の実施の形態11による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態11による短波長光源400cは、図12(a)の短波長光源400bにおける平行プリズム430に代えて、プリズム409と409cとからなるプリズムペアを備えたものである。
さらに、短波長光源400cは、上記プリズムペアの間に、さらに偏光板411を備えたものである。
本実施の形態11の短波長光源400cでは、プリズムペアを用いることで、上記実施の形態10で説明した平行プリズム430と同様、波長変換素子402から出射された基本波408と高調波407の光路を、異なる平行光にすることが可能である。これにより、波長変換素子402で発生した高調波407と、波長変換素子403で発生した高調波406をほぼ並行な光として取り出すことができるので、2つの光を合波する光学系が簡単になる。
図13(a)は、本発明の実施の形態12による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態12による短波長光源400dは、図12(a)の短波長光源400bにおける平行プリズム403に代えて、基本波と高調波を分離するための分離プリズム440を備えたものである。
このような構成の短波長光源400dでは、波長変換素子402から出射された基本波408および高調波407は、分離プリズム440により、分離される。つまり、基本波408は、分離プリズム440の波長分離膜441を透過し、高調波407は、波長分離膜441で反射される。
図14(a)は、本発明の実施の形態13による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態13による短波長光源600は、基本波光源601、波長変換素子602、および集光光源611を備えたもので、基本波光源601を傾けて配置することにより、該基本波光源601から出射された基本波608を、波長変換素子602内部で反射させて、複数の高調波に変換するものである。
このような構成の短波長光源600では、基本波光源601から出射された基本波608は、波長変換素子602の分極反転構造604の光軸に角度を持って入射され、波長変換素子602の側面605で全反射される。この反射した部分Pとする。この場合、反射部Pを境に、つまり、波長変換素子602の入射面から反射点Pまでの分極反転領域X3と、反射部Pから波長変換素子602の出射面までの分極反転領域X4とでは、各領域X3,4における分極反転構造604の光軸と基本波608の成す角の正負が逆転することになる。すなわち、反射部Pを境に、分極反転構造604と基本波608との交差角が異なる領域が形成されることになる。
図14(b)は、本発明の実施の形態14による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態14による短波長光源600aは、基本波光源601、多層膜の反射ミラー609、610を入出射面に設けた波長変換素子602a、および集光光源611を備えたものであり、基本波を波長変換素子の側面および端面で反射させ、複数のビームパスで波長変換を起こすものである。
光源601からでた基本波612は、多層膜反射ミラー609を透過して、波長変換素子602に入射されると、波長変換素子602の側面614で反射した後、多層膜反射ミラー610で反射され、側面615で反射し、多層膜反射ミラー609を通って外部に放出される。この際、基本波612は、波長変換素子602a内でそれぞれのビームパスで高調波を発生する。そのため、波長変換を高効率で行うことができる。
図15は、本発明の実施の形態15による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態15による短波長光源700は、基本波光源701、波長変換素子702、集光光源720、および基本波のみ反射するビーム整形手段を備えたものである。図14の短波長光源600aの構成と異なる点は、波長変換素子の出射面に形成した多層膜711が基本波、高調波ともに無反射コートに成っており、波長変換素子の外部にビーム整形手段を備えている点である。
このような構成の短波長光源700では、基本波光源701から出射された基本波708は、波長変換素子702の側面705aで反射され、多層膜711を介して外部の凹面ミラー709aで反射される。側面705aでの反射前後で発生した高調波706は、凸レンズ709bにより集光される。また、凹面ミラー709aで反射された基本波708は、再度、波長変換素子702内に入射され、側面705bで反射され、多層膜710を通過して外部へと出力される。側面705bでの反射前後で発生した高調波707は、多層膜710により反射されて外部へ出力され、凸レンズ709bにより集光される。その結果、ビームの広がりを抑圧できるため、基本波のパワー密度を高く保つことができ、高効率変換が可能となる。
図16(a)は、本発明の実施の形態16による短波長光源の構成を示す図である。
本実施の形態16では、波長変換素子の側面で基本波ビームを反射させる際に、基本波と高調波のウォークオフを利用して、ビームパスを分離する方法に加えて、反射面での基本波と高調波の分離角度を大きくする構成となっている。
上記波長変換素子802の反射面に、回折素子805が形成されている。この回折素子805は、基本波に対しては、0次回折すなわち鏡面反射、高調波に対しては高次の回折が発生するように設計する。
基本波光源801から出射された基本波808は、波長変換素子802の側面で反射するように入射される。この波長変換素子802の反射面に形成されている回折素子805により、波長変換素子802の前半で発生した高調波807は、回折素子805で回折される。一方、基本波808は、回折素子805で回折されないため、全反射され、その一部が高調波808に変換される。波長変換素子802の前半領域で発生する高調波807と、後半領域で発生する高調波808は、異なる角度で発生しているため、互いに重ならず、高調波のパワー密度を低減することができる。その結果、高出力耐性を大幅に向上させることできる。
102,103,302,303,402,403,502,602,702,802 波長変換素子
104,105,109,304,305,404,405,504,505,604,704,804 周期分極反転構造
111,320,420,511,611,720,820 集光光源
106,107,122,306,307,312,313,406,407,506,507,606,607,613,706,707,806,807,813,814,1007,1008 高調波
108,308,314,408,508,608,612,708,808,1006 基本波
509,510 和周波
110 周期分極反転構造の光軸
309,450 出射面
310,410 入射面
311,411 偏光板
409 プリズム
430 平行プリズム
440 分離プリズム
441 波長分離膜
442 反射膜
443,444 プリズム
605,614,615,705,810,811 側面
609,610 多層膜反射ミラー
710,711,712 多層膜
709a 凹面ミラー
709b 凸レンズ
805 回折素子
809 多層膜
1002,1003 KTP
1004,1005 波長分離ミラー
Claims (21)
- 基本波を出射する基本波光源と、
前記基本波の一部を第2高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
非線形光学結晶の分極反転構造は、複数の分極反転領域に分割され、該各分極反転領域において、発生する第2高調波の光路、あるいは分極反転構造の周期の光軸の角度が互いに異なる、
ことを特徴とする短波長光源。 - 基本波を出射する基本波光源と、
前記基本波の一部を第2高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
非線形光学結晶の分極反転構造は、2つの分極反転領域に分割され、該2つの分極反転領域間に、前記第2高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 基本波を出射する基本波光源と、
前記基本波の一部を第2高調波に変換する、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶と、を備え、
前記基本波を前記非線形光学結晶の側面で反射させる、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項1に記載の短波長光源において、
前記複数の分極反転領域において、前記基本波の光軸または前記第2高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が異なっている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項1に記載の短波長光源において、
前記分極反転構造は、前記基本波の光軸を中心としてその左、右に分割されている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項5に記載の短波長光源において、
前記分割された分極反転構造の左、右の部分は、両者でくさび型を形成している、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項5に記載の短波長光源において、
前記分割された分極反転構造の各左、右の部分は、湾曲している、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し平行方向の線を境として分割されている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記複数の分極反転領域への分割は、前記基本波の光軸に対し水平方向に順に並ぶよう分割されている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記複数の分極反転領域において、各分極反転構造の光軸と前記基本波の光軸との成す角が、互いに異なっている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶は、前記分極反転構造にほぼ垂直な側面を有し、該側面で前記基本波を反射する、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶から出射された前記基本波および第2高調波のうちの基本波は反射し、第2高調波は透過して集光を行うビーム整形手段を備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶内で、前記第2高調波に対して高次の回折を発生させる回折素子を備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶は、側面の一部がテーパ状に形成されている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記第2高調波の偏光を回転させる偏光板を備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記複数の分極反転領域のうちの隣り合う前記領域では、各分極反転構造の周期の光軸と前記基本波の光軸が成す角度の正負が、逆になっている、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記基本波の光軸、または前記第2高調波の光軸の少なくとも何れかと、前記分極反転構造の周期の光軸との成す角度が、2°以上である、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶が、MgドープのLiNbO3である、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記基本波および前記第2高調波の屈折角を変えるプリズムを備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記基本波から前記第2高調波を分離する分離プリズムを備えた、
ことを特徴とする短波長光源。 - 請求項3または4に記載の短波長光源において、
前記非線形光学結晶の出射面、または入射面の少なくともいずれかの端面は、テーパ状に形成されている、
ことを特徴とする短波長光源。
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