JPH04330425A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、基本波を第２高調波に
変換する光波長変換装置、特に詳細には、基本波と第２
高調波との間でタイプＩＩの位相整合が取られる非線形
光学材料の結晶を用いた光波長変換装置に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】従来より、非線形光学材料による第２高
調波発生を利用して、レーザー光を波長変換（短波長化
）する試みが種々なされている。このようにして波長変
換を行なう光波長変換素子として具体的には、例えば「
光エレクトロニクスの基礎」Ａ．ＹＡＲＩＶ著，多田邦
雄，神谷武志訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に
示されるようなバルク結晶型のものがよく知られている
。 【０００３】またＪ．Ａｐｐｌ　．Ｐｈｙｓ　．Ｖｏｌ
．５５，ｐ６５（１９８４）にはＹａｏらによって、２
軸性結晶であるＫＴＰの位相整合方法に関する内容が詳
細に記述されている。 以下、ここに記述されている２軸性結晶における位相整
合方法に関して説明する。図４に示すようにθを光の進
行方向と結晶の光学軸Ｚとのなす角度とし、φを光学軸
Ｘ、Ｙを含む面においてＸ軸からの光の進行方向の角度
とする。ここで、任意の角度で入射したときの基本波お
よび第２高調波に対する結晶の屈折率を各々◆【０００
４】 【数１】 【０００５】とし、基本波および第２高調波の光学軸Ｘ
、Ｙ、Ｚ各方向の偏光成分に対する結晶の屈折率をそれ
ぞれ、 【０００６】 【数２】 【０００７】とする。次に、 ｋＸ　＝ｓｉｎ　θ・ｃｏｓ　φ ｋＹ　＝ｓｉｎ　θ・ｓｉｎ　φ ｋＺ　＝ｃｏｓ　θ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　としたとき、【０００８】 【数３】 【０００９】 【数４】 【００１０】上記（数３）および（数４）の解が位相整
合条件となる。 Ｂ１　＝−ｋＸ　２　（ｂ１　＋ｃ１　）−ｋＹ　２　
（ａ１　＋ｃ１　）−ｋＺ　２　（ａ１　＋ｂ１　） Ｃ１　＝　　ｋＸ　２　ｂ１　ｃ１　＋ｋＹ　２　ａ１
　ｃ１　＋ｋＺ　２ａ１　ｂ１　 Ｂ２　＝−ｋＸ　２　（ｂ２　＋ｃ２　）−ｋＹ　２　
（ａ２　＋ｃ２　）−ｋＺ　２　（ａ２　＋ｂ２　） Ｃ２　＝　　ｋＸ　２　ｂ２　ｃ２　＋ｋＹ　２　ａ２
　ｃ２　＋ｋＺ　２ａ２　ｂ２　 【００１１】 【数５】 【００１２】とおいたとき（数３）および（数４）式の
解は、 【００１３】 【数６】 【００１４】 【数７】 【００１５】（複号はｉ＝１のとき＋、ｉ＝２のとき−
）となる。 【００１６】ここで、◆ 【００１７】 【数８】 【００１８】なる条件が満足されるとき、基本波と第２
高調波との間で位相整合が取られ、これはタイプＩの位
相整合と称されている。また、◆ 【００１９】 【数９】 【００２０】なる条件が満たされるときにも、基本波と
第２高調波との間で位相整合が取られ、これは一般にタ
イプＩＩの位相整合と称されている。 【００２１】ところで、上記のような２軸性結晶を用い
てタイプＩＩの位相整合を取る場合、結晶に入射させる
基本波が該結晶に関して２つの屈折率を感じるようにな
る。例えば結晶の非線形光学定数ｄ２４を利用する場合
、すなわち図５に示すように結晶１０の光学軸ＹからＺ
軸側に４５°傾いた方向に直線偏光した（つまりＹ軸方
向の直線偏光成分とＺ軸方向の直線偏光成分とを有する
）基本波１１を入射させて、Ｙ軸方向に直線偏光した第
２高調波１２を取り出す場合、基本波１１は◆ 【００２２】 【数１０】 【００２３】つまりＺ軸方向の偏光成分が感じる屈折率
と、◆ 【００２４】 【数１１】 【００２５】つまり光の進行方向とＺ軸に直角なＹ’方
向の偏光成分が感じる屈折率の双方を感じる。 【００２６】なお図５のように結晶１０がカットされて
いる場合、厳密に言えば、基本波１１はＹ’方向（Ｙ軸
からＸ軸側に傾いた方向）およびＺ軸方向に直線偏光し
た状態で入射され、第２高調波１２はＹ’方向に偏光し
た状態で取り出されることになるが、実用上は上記のよ
うに考えて差支えない。 【００２７】上述のように、基本波が２つの屈折率を感
じると、それぞれの屈折率に対する偏光成分の間に下記
の位相差Δが生じる。 【００２８】 【数１２】 【００２９】この位相差Δが生じると、第２高調波出力
の周期的変動という現象が生じる。これには、上記の式
の各パラメータの温度依存性に由来して図６のように現
われる温度依存性のものと、図７のように現われる結晶
長依存性のものとがある。 【００３０】そこで、最大の第２高調波出力を得るため
には、結晶温度を最適に制御したり、あるいは結晶長を
最適に調整する必要がある。例えば米国特許第４，９１
３，５３３　号明細書には、前者の手法を採る光波長変
換装置の一例が示されており、一方特開平１−１５２７
８１号公報、同１−１５２７８２号公報には、後者の手
法を採る光波長変換装置の一例が示されている。 【００３１】 【発明が解決しようとする課題】しかし、結晶長を任意
に設定しておいて、結晶温度の制御によって最大の第２
高調波出力を得ようとすると、大きな温度調節ストロー
クが求められるために温調電源やヒートシンクが大型化
し、光波長変換装置の大型化やコストアップを招く。 【００３２】一方、結晶温度が一定となるように温度調
節をし、個々の結晶の長さをその温度に対して最適な値
に調整して対応する場合は、結晶長の許容誤差が極めて
小さいため、現実には、最大の第２高調波出力を得るの
は非常に困難となっている。そして、たとえそのような
ことが可能でも、この場合には、結晶長の厳密な測定お
よび調整の作業が必要となるから、光波長変換装置が大
幅にコストアップしてしまう。 【００３３】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、基本波と第２高調波との間でタイプＩＩ
の位相整合が取られる非線形光学材料の結晶を用いて、
最大の第２高調波出力を得ることができ、しかも小型か
つ安価に形成可能な光波長変換装置を提供することを目
的とするものである。 【００３４】 【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
装置は、同一の非線形光学材料の結晶を２つ用いるもの
であり、それらを互いに長さが等しいものとした上で、
それらの相等しい光学軸が互いに９０°ずれる向きに配
置して使用することを特徴とするものである。 【００３５】 【作用】上記両結晶の向きを前記図５の例に即して示す
と、図１のようになる。つまり、１つの結晶１０と、そ
れと同じ長さＬの結晶１０’とが、例えばＺ軸どうしが
互いに９０°ずれる形で配置される。このようになって
いると、結晶１０における位相差Δは、◆ 【００３６】 【数１３】 【００３７】であり、他方の結晶１０’における位相差
Δ’は、 【００３８】 【数１４】 【００３９】となるから、結晶１０および１０’による
位相差は結局Δ＋Δ’＝０となる。 【００４０】なお、２つの結晶１０および１０’の長さ
Ｌが互いに若干異なっていたとしても、位相差（Δ＋Δ
’）は０に近付くから、第２高調波の温度に対する出力
変動の周期が非常に長くなり、よってその場合でも最大
に近い第２高調波出力を得ることが可能となる。 【００４１】 【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施例による光
波長変換装置を示すものである。この光波長変換装置は
一例として、レーザーダイオードポンピング固体レーザ
ーに組み込まれたものである。このレーザーダイオード
ポンピング固体レーザーは、ポンピング光としてのレー
ザービーム１３を発する半導体レーザー（フェーズドア
レイレーザー）１４と、発散光である上記レーザービー
ム１３を集束させる集光レンズ１５と、ネオジウム（Ｎ
ｄ）がドーピングされた固体レーザーロッドであるＹＶ
Ｏ４　ロッド（以下、Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッドと称する
）１６と、このＮｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の前方側（
図中右方側）に配された共振器１７と、共振器１７とＮ
ｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６との間に配されたＫＴＰ結晶
１０、１０’とからなる。以上述べた各要素１０〜１７
は、共通の筐体（図示せず）にマウントされて一体化さ
れている。なおフェーズドアレイレーザー１４は、図示
しないペルチェ素子と温調回路により、所定温度に温調
される。 【００４２】このフェーズドアレイレーザー１４として
は、波長λ１　＝８０９　ｎｍのレーザービーム１３を
発するものが用いられている。一方Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロ
ッド１６は、上記レーザービーム１３によってネオジウ
ム原子が励起されることにより、波長λ２　＝１０６４
ｎｍのレーザービーム１１を発する。 【００４３】Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の光入射側端
面１６ａには、波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１
は良好に反射させ（反射率９９．９％以上）、波長８０
９　ｎｍのポンピング用レーザービーム１３は良好に透
過させる（透過率９９％以上）コーティング１８が施さ
れている。一方共振器１７のＫＴＰ結晶１０、１０’側
の面１７ａは球面の一部をなす形状とされ、その表面に
は、波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１および波長
８０９　ｎｍのレーザービーム１３は良好に反射させ、
そして後述する波長５３２　ｎｍの第２高調波１２は良
好に透過させるコーティング１９が施されている。した
がって波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１は、上記
の面１６ａ、１７ａ間に閉じ込められて、レーザー発振
を引き起こす。 【００４４】このレーザービーム１１は非線形光学材料
であるＫＴＰ結晶１０、１０’に入射して、波長が１／
２すなわち５３２　ｎｍの第２高調波１２に波長変換さ
れる。共振器１７の面１７ａには前述した通りのコーテ
ィング１９が施されているので、この共振器１７からは
、ほぼ第２高調波１２のみが取り出される。 【００４５】なお図１に詳しく示すように、２軸性結晶
であるＫＴＰ結晶１０は、ＹＺ面をＺ軸周りに２４°回
転させた面でカットされ（ＫＴＰ結晶１０’も同様）、
そして矢印Ｐで示すレーザービーム１１の直線偏光方向
とＺ軸とが、４５°の角度をなすように配されている。 そしてもう１つのＫＴＰ結晶１０’は、そのＺ軸がＫＴ
Ｐ結晶１０のＺ軸と９０°ずれる向きに配されている。 またＫＴＰ結晶１０’の結晶長Ｌは、ＫＴＰ結晶１０の
結晶長Ｌと等しくされている。 【００４６】レーザービーム１１に対してこのようにＫ
ＴＰ結晶１０、１０’を配することにより、基本波とし
てのレーザービーム１１と第２高調波１２との間でタイ
プＩＩの位相整合が取られる。またＫＴＰ結晶１０とＫ
ＴＰ結晶１０’とを互いに上記のように配することによ
り、それぞれによりレーザービーム１１に生じる位相差
ΔとΔ’とが相殺され、最大出力の第２高調波１２を得
ることが可能となる。 この理由は先に詳しく述べた通りである。 【００４７】なおＫＴＰ結晶１０と１０’の結晶長Ｌを
厳密に等しくするためには、例えば図８の（１）　に示
すようにまず両結晶を貼り合わせ、次いで貼り合せ面の
上下の２面１０ａ、１０ｂを互いに正確に平行となるよ
うに（例えば平行度誤差１０〜２０秒以内）研磨した後
、両結晶１０、１０’を分離して、同図（２）　に示す
ように研磨面どうしが密着した状態に両結晶１０、１０
’を固着させればよい。 【００４８】さらには図９の（１）　に示すように１つ
のＫＴＰ結晶１０Ａの２面１０ａ、１０ｂを上記と同様
に平行に研磨し、次いで両研磨面１０ａ、１０ｂを通る
面１０Ｂで該結晶１０Ａを切断して２つのＫＴＰ結晶１
０、１０’を得、次いで同図（２）　に示すように研磨
面どうしが密着する状態に両結晶１０、１０’を固着さ
せればよい。 【００４９】次に図３を参照して、本発明の第２実施例
について説明する。この実施例の光波長変換装置も、レ
ーザーダイオードポンピング固体レーザーに組み込まれ
たものである。この実施例において、Ｎｄ：ＹＶＯ４　
ロッド１６とＫＴＰ結晶１０、１０’は銅等からなるヒ
ートシンク２０上に固定され、このヒートシンク２０は
、ペルチェ素子等からなるＴＥクーラー２１上に固定さ
れている。そして該ＴＥクーラー２１が図示しない駆動
回路によって駆動されて、Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６
とＫＴＰ結晶１０、１０’が常時所定温度に保たれるよ
うになっている。 【００５０】フェーズドアレイレーザー１４は、Ｎｄ：
ＹＶＯ４　ロッド１６の一端面１６ａに密着させるとと
もに、ヒートシンク２０上に密着固定されている。この
フェーズドアレイレーザー１４は、波長λ１　＝８０９
　ｎｍのレーザービーム１３を発するものが用いられて
いる。Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６は、上記レーザービ
ーム１３によってネオジウム原子が励起されることによ
り、波長λ２　＝１０６４ｎｍのレーザービーム１１を
発する。 【００５１】Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の一端面１６
ａには、波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１は良好
に反射させ、波長８０９　ｎｍのポンピング用レーザー
ビーム１３は良好に透過させるコーティング２２が施さ
れている。一方ＫＴＰ結晶１０’の一端面１０ｃには、
波長１０６４ｎｍのレーザービーム１１は良好に反射さ
せ、そして波長５３２　ｎｍの第２高調波１２は良好に
透過させるコーティング２３が施されている。 【００５２】またＮｄ：ＹＶＯ４　ロッド１６の他端面
１６ｂには、レーザービーム１１を良好に透過させ、ポ
ンピング用レーザービーム１３および第２高調波１２は
良好に反射させるコーティング２４が施されている。 【００５３】したがって波長１０６４ｎｍのレーザービ
ーム１１は、上記の各面１６ａ、１０ｃ間に閉じ込めら
れて、レーザー発振を引き起こす。このレーザービーム
１１はＫＴＰ結晶１０、１０’に入射して、波長λ３　
＝５３２　ｎｍの第２高調波１２に波長変換される。Ｋ
ＴＰ結晶１０’の一端面１０ｃには、前述した通りのコ
ーティング２３が施されているから、この第２高調波１
２は効率良くＫＴＰ結晶１０’から出射する。 【００５４】この実施例においても２つのＫＴＰ結晶１
０、１０’は、長さが互いに等しくて、かつ相等しい光
学軸が互いに９０°ずれる向きに配されている。したが
ってこの場合も、第１実施例におけるのと同様、最大出
力の第２高調波１２を得ることが可能となる。 【００５５】なお、以上説明した２つの実施例では、Ｋ
ＴＰ結晶１０、１０’に直線偏光した基本波を入射させ
るようにしているが、本発明は無偏光の基本波を第２高
調波に波長変換する光波長変換装置に対しても適用可能
であり、そして同様の効果を奏するものである。また本
発明は、ＫＴＰ以外の非線形光学材料の結晶を用いる光
波長変換装置に対しても、同様に適用可能である。 【００５６】 【発明の効果】以上詳細に説明した通り本発明の光波長
変換装置は、非線形光学材料の結晶を２つ組み合わせて
用いる簡単な構成により、最大強度の第２高調波が得ら
れるものとなっている。このように本装置は、大型かつ
高精度の温度調節手段は不要なものであるから、小型で
かつ安価に形成可能となる。また本発明装置は、２つの
非線形光学材料の結晶を互いに同じ長さに形成すればよ
いものであり、この結晶の長さを厳密に所定値に設定す
る必要はないから、結晶長の厳密な測定や調整も不要と
なり、この点からも安価に形成可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置における、２つの非線
形光学材料の結晶の配置関係を示す斜視図

【図２】上記
第１実施例装置の側面図

【図３】本発明の第２実施例装置の側面図

【図４】本発
明に関連する結晶内部での基本波進行方向と光学軸Ｚと
がなす角度θ、および基本波進行方向と光学軸Ｘとがな
す角度φを説明する概略図

【図５】第２高調波出力の周
期的変動を説明するための概略図

【図６】第２高調波出力の温度変化に依存する周期的変
動を示すグラフ

【図７】第２高調波出力の結晶長に依存する周期的変動
を示すグラフ

【図８】本発明に用いられる非線形光学材料結晶の作製
方法を示す概略図

【図９】本発明に用いられる非線形光学材料結晶の作製
方法の別の例を示す概略図

【符号の説明】

１０、１０’　　　　ＫＴＰ結晶 １１　　　　レーザービーム（基本波）１２　　　　第
２高調波 １６　　　　Ｎｄ：ＹＶＯ４　ロッド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　非線形光学材料の結晶に基本波を入射
   させ、この基本波とタイプＩＩの位相整合を取って第２
   高調波を出射させる光波長変換装置において、前記結晶
   として、長さが互いに等しくて、かつ相等しい光学軸が
   互いに９０°ずれる向きに配された、同一材料の２つの
   結晶が用いられていることを特徴とする光波長変換装置
   。