JPH04338736A - 共振器構造の光波長変換装置 - 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、非線型光学効果を用い
た光波長変換装置に関し、詳しくは、非線型光学結晶よ
りなる共振器を用いて半導体レーザからのレーザ光を安
定に波長変換する共振器構造の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、非線形光学効果を利用して、
非線形媒質（または非線型光学結晶）に光を入射させて
、高調波を発生させる技術が既知である。例えば、第２
高調波発生（またはＳＨＧ（ｓｅｃｏｎｄ　ｈａｒｍｏ
ｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ））を行う適切な中心対
称性を欠く２次の非線形媒質を用いれば、波長ωのレー
ザ光を入射するだけで、容易に２ωの光が得られるため
、短波長への光波長変換素子として頻繁に用いられてい
る。また効率のよいＳＨＧの条件は、位相整合が満たさ
れるときであり、非線形媒質が複屈折性を有していて、
第２高調波の屈折率が基本波の屈折率と一致するような
結晶方位と偏光配置が存在するときに満たされる。位相
整合可能な２次の非線形材料（ＳＨＧ素子）としては、
ＫＨ２　ＰＯ４（ＫＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＫＮｂＯ３
　，ＫＴＰ，Ａｇ３　ＡｓＳ３，ＣＯ（　ＮＨ２）２（
ＵＲＥＡ）などがある。

【０００３】上記ＳＨＧ素子を複数のミラー配置で構成
したリング型共振器内に配置して、第２高調波を安定に
発生させる光波長変換装置が従来より知られており、各
種の型のものが提案されている。例えば米国特許４，８
８４，２７６号公報等がある。ここで、半導体レーザに
おいては、ガスレーザと比べて波長（もしくは光の周波
数）の安定性が悪く、そのため半導体レーザからのレー
ザ光の波長（光の周波数）を安定して発振することが重
要となってきている。その中の一つにリング型共振器か
らの戻り光を利用して半導体レーザからのレーザ光の波
長（光の周波数）を安定して発振する方法がある。

【０００４】例えば、姉尾等により提出された文献「レ
ーザ・原子発振器と極限光量子光学」シンポジウム予槁
集　　、１９９０、第３８頁には、図４に示すような、
ダイオードレーザ１０１と、レンズ１０３と、ＰＺＴ素
子１０７により微小位置変化自在のミラー１０５と、所
定の配置で設けられ、リング型共振器を構成する例えば
３個の部分透過ミラー１０９と全反射ミラー１１１，１
１３と、ミラーが構成するリング型共振器の一光路上に
配設されるＳＨＧ（結晶）素子１１５と、ミラーが構成
するリング型共振器から射出される第２高調波を透過し
て出力光とし、リング型共振器からのレーザ光のもれ光
を反射して電気的フィードバック用とするダイクロイッ
クミラー１１７と、ダイクロイックミラー１１７で反射
されたレーザ光のもれ光（基本波）を検出する光検出器
１１９と、光検出器１１９で検出した光信号を信号処理
し、信号処理されて得られた信号に基づいてＰＺＴ素子
１０７を駆動して、ミラー１０５を微小位置変化させ、
光路長を変化させる信号処理回路１２１とから構成され
る光波長変換装置が示されている。

【０００５】上記光波長変換装置において、ダイオード
レーザ１０１に共振モードで進行するレーザ光の一部が
ミラー１０９，１１１，１１３とから構成されるリング
型共振器のＳＨＧ素子１１５の端面で反射されて、ダイ
オードレーザ１０１に戻される。これは一般に戻り光と
称されているが、この戻り光がリング型共振器の共振時
にダイオードレーザ１０１に戻った場合に、「モード引
き込み」と称されるダイオードレーザ１０１の発振波長
が戻り光の共振波長に自動的に引き込まれ、周波数揺ら
ぎが抑制されるという現象が生じる。このため、ダイオ
ードレーザ１０１からリング型共振器の共振波長とほぼ
同一である波長のレーザ光が出射されるため、リング型
共振器から安定したレーザ光の第２高調波が得られる。

【０００６】しかし、上記構成のＳＨＧ素子を用いたリ
ング型共振器では、戻り光を発生する端面が２個あり、
２箇所で反射が起こるため、そこで戻り光に消費される
共振レーザ光のロスが発生し、これが共振レーザ光の第
２高調波への変換効率を低下させる。また、空気中のゴ
ミ等がミラーに付着し内部パワーが減少し、出力が低下
しやすいという問題点がある。また米国応用物理学会の
会報Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．２３，４，Ｊｕｎｅ　　１９
９０の第２２９１頁〜第２２９２頁にあるように、モノ
リシックなリング型共振器が知られている。しかしなが
ら、これは安定した第２高調波を得るために、半導体レ
ーザ光を外部からの電気信号によって周波数安定化を図
らなければならず、かつ光アイソレータが必要であり、
高コストであった。また外部からの周波数安定化のみで
は十分に安定化できず、得られた第２高調波も出力が不
安定であった。また、上記構成のハーフミラーを用いた
リング型共振器の大きさは、約数センチメートル角程度
であるため、小型化が困難であり、また調整にも手間が
かかり、振動に影響され易いという欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、共振
器内部で基本波に加え、第２高調波を共振させることで
、第２高調波の位相の重ね合わせを行い、レーザ光の第
２高調波を効率よく発生させ、高出力化を可能にする共
振器構造の光波長変換装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明によれば、半導体レーザからのレーザ光を共振
器内にて共振させ光波長変換する光波長変換装置におい
て、前記共振器のレーザ光の入射する端面に基本波長の
レーザ光を部分透過し、レーザ光の第２高調波をほぼ全
反射するコーティング層を設け、かつ前記共振器の第２
高調波の出力される端面に基本波長のレーザ光をほぼ全
反射し、レーザ光の第２高調波を部分透過するコーティ
ング層を設けることを特徴とする光波長変換装置を提供
する。

【０００９】

【作用】本発明によれば、共振器のレーザ光の入射側端
面に、基本波長のレーザ光を部分透過し、第２高調波を
ぼぼ全反射するコーティング層を設け、共振器のレーザ
光の出射端面に、基本波長のレーザ光をほぼ全反射し、
第２高調波を部分透過するコーティング層を設けること
により、共振レーザ光の基本波の位相が揃い光強度を高
くし、そのため得ようとする第２高調波への波長変換効
率が向上し、かつ第２高調波も内部共振のためその位相
も揃うため、エネルギー密度が高くなり、帯域幅が狭く
なり、したがって共振器損失を減少し、高効率の第２高
調波変換を行うことができる。

【００１０】本発明の好適な態様によれば、半導体レー
ザは、縦モード、および横モードともマルチモードであ
っても高出力であるのがよい。マルチモードレーザを用
いると上記共振器が外部共振器となり、外部共振器の周
波数にマルチモードレーザが注入同期され、高出力の縦
・横シングルモードレーザになるため、シングルモード
のまま出力を増加することができ、高出力の第２高調波
を得ることができる。

【００１１】

【実施例】本発明に係る光波長変換装置の一実施例を図
面を参照して詳細に説明する。

【００１２】本発明の光波長変換装置は、図１に示すよ
うに、レーザ光Ａを射出するダイオードレーザ１１と、
レンズ１３と、本発明の主要な部品であるコーティング
層５３，５５がその端面に設けられたＳＨＧ素子を用い
て形成されたリング型共振器１９と、これを微小変動自
在とするためリング型共振器（以下、「共振器」と略称
する）１９の底部に配設されたＰＺＴ素子１７と、共振
器１９から射出される第２高調波を透過して出力光Ａ’
とし、レーザ光の基本波であり、共振器からのもれ光で
ある半導体レーザ光を反射してフィードバック用とする
ダイクロイックミラー２１と、ダイクロイックミラー２
１で反射されたレーザ光のもれ光を検出する光検出器２
３と、光検出器２３で検出した光信号を信号処理し、信
号処理されて得られた信号に基づいてＰＺＴ素子１７を
駆動して、共振器１９を微小変動させ、光路長を変化さ
せる信号処理回路２５とから構成される。ただし、図示
しないが、上記光学系は、熱膨張のほとんどない材質、
例えばスーパーインバー等の基台上で組み立てるのが好
ましい。それによって、温度変化のあまりない環境下で
は前記の信号処理回路が全く必要でなくなる場合もある
。

【００１３】ダイオードレーザ１１としては例えば発振
波長が８６０ｎｍ程度のＧａＡｌＡｓダイオードレーザ
を用い、このダイオードレーザから射出された光を、Ｓ
ＨＧ素子として例えばＫＮｂＯ３　結晶を用いたモノリ
シック共振器に入射させて、約４３０ｎｍの波長の（青
色）光をモノリシック共振器から出射させる。また、ダ
イオードレーザ１１は、一般に単一縦モードが用いられ
ているが、本発明では縦・横モード・マルチモードのレ
ーザ光を発するものでもよい。その例としては、スペク
トラ・ダイオード・ラボラトリ（ＳｐｅｃｔｒａＤｉｏ
ｄｅ　Ｌａｂ．）社製のアレイレーザや、ソニー社製の
ブロードエリアレーザ等がある。このようにマルチモー
ドを発振する場合には、発振される光強度を大きくする
ことができるので、高効率の第２高調波を得ることがで
きる。この理由は、光波長変換が光強度の２乗に比例す
るためである。

【００１４】この構成における共振器の共振内部パワー
を最大にする動作を説明すると、ダイオードレーザ１１
からレンズ１３を経てレーザ光Ａを共振器１９に入射さ
せて、基本波を共振器内閉じ込め共振させる。その結果
高い内部パワーになるために非線型結晶内で高効率に前
記半導体レーザ光が第２高調波に光波長変換される。さ
らに、前記共振器１９の端面に設けられた特殊なコーテ
ィング層５３，５５によって、基本波と第２高調波をも
共振器内に所定の割合で閉じ込め、共振させる。ダイク
ロイックミラー２１によって共振器からもれ出たもれ光
（即ち基本波のみ）を光検出器２３に入射し、第２高調
波のみを外に取り出す。光検出器２３で得られたレーザ
光の強度に対応した信号を信号処理回路２５に送り、信
号処理回路２５は常にレーザ光のもれ光の光強度が一定
となるように、共振器１９の裏面（または底面）に設け
られて共振器の位置を微調整しえるＰＺＴ素子１７を制
御して、レーザ光Ａの光路上の空気の揺らぎに基づく光
路長のフラツキを無くすため、光路長が一定となるよう
に調整する。信号処理回路２５については、安定化制御
を行える公知技術を用いて達成される。

【００１５】本発明の主要な部分であるコーティング層
をモノリシック構造を有する共振器に設けた例について
図２および３を参照しつつ以下に説明する。

【００１６】ここで例示される共振器１９は、ＳＨＧ素
子を所定の共振器形状とし、その共振器のレーザ光Ａが
入射する端面を、基本波に対する反射率が８０〜９９．
９％であって、第２高調波に対する反射率が８０〜１０
０％であるコーティング層５３で被覆し、レーザ光の第
２高調波Ａ’が出射する端面を、基本波に対する反射率
が８０〜９９．９％であって、第２高調波に対する反射
率が８０〜９９．９％であるコーティング層５５で被覆
する。コーティング層５３，５５は、単層のコーティン
グであっても、複層のコーティングであってもよい。

【００１７】このような特殊な性質のコーティング層５
３，５５を設けることにより、共振器内部でレーザ光の
基本波長を共振させるとともに、基本波の共振によって
生じた第２高調波をも共振させる構造となり、第２高調
波は位相が揃い、スペクトル密度も高くなり、第２高調
波が一回のリング反射により出射される以外に、複数回
反射されたものも出射されるため、さらに位相の揃った
、エネルギー密度の高い、帯域幅の狭い、高出力のレー
ザ光の第２高調波を取りたい方向に得ることができる。 この場合においてもダイオードレーザの電流とその周囲
温度で制御して、共振器内でレーザ光の基本波と第２高
調波がともに共振するようにマッチングする。

【００１８】共振器内でレーザ光の基本波と第２高調波
がともに共振するようにマッチングする方法として、共
振器内の結晶内の屈折率が波長によって変わる性質を利
用して、一つには、半導体レーザの発振波長を電流によ
り制御して、共振器内部に前記２波長の光が閉じ込めら
れるようにマッチングする方法があり、また一つの方法
として、共振器を形成する結晶を温度制御して、結晶側
で基本波と第２高調波との両方が内部共振するようにマ
ッチングする方法がある。この２つが例として考えられ
るが、その他の方法を用いてもよく、好ましくは、前記
両方の方法を用いて制御するのがよい。

【００１９】このコーティング層５３，５５は、モノリ
シック共振器や、ガラスとＳＨＧ素子とを張り合わせて
一体としたバルク型共振器等の共振器の全てに適用する
ことができ、効率よくＳＨＧ光を得ることができる。こ
の理由として、戻り光を用いてダイオードレーザの発振
を共振モードにロックする光フィードバック方式なので
レーザ光の基本波（ＦＭ光）の周波数幅を１ＭＨｚ程度
に狭帯域化することができ、その第２高調波（ＳＨＧ光
）の共振を行っても、共振器内の共振条件を維持するこ
とができるためである。すなわち、レーザ光の基本波長
の強度分布は、普通の場合、帯域幅がＧＨｚオーダであ
るのに対して、この方式では帯域幅がＭＨｚオーダとな
っおり、十分に周波数の安定化した基本波および第２高
調波を得ることができるためである。

【００２０】コーティング層が設けられていない内部反
射面は、光が臨界角で入射して全反射し、エバネッセン
ト波が発生するように設計してあり、かつこの共振器の
いずれかの内部反射位置の外面に戻り光を発生するため
の回折格子４９をそれぞれ配設したものである。回折格
子は１００％入ってきた光を戻すような位相型のグレー
ティング（ｇｌａｔｉｎｇ）を用いるとよい。

【００２１】図２に示す回折格子４９で戻り光を発生す
る機構については、図３を参照して説明する。図３に示
す共振器の内部反射面において、光が臨界角で入射し、
全反射する際にエバネッセント波が共振器側から外部空
間側へ伝わる。したがって、内部反射した光は、ある程
度光が反射面（境界面）から外側（外部空間側）に出て
から反射されると解釈することができる。この場合に、
反射面と対応する位置の共振器外側に、所定微小距離ｈ
だけ離間して回折格子を配設することにより、トンネル
効果により回折格子に光エネルギーが伝わり、この回折
格子でエバネッセント波が回折反射されて、反射面に入
射する光の一部が所定の変換効率で（レーザ光の往路を
再び戻る）戻り光となる。上記微小距離ｈの大きさを調
節することにより、戻り光の発生効率を制御する事がで
きる。

【００２２】本発明に係るモノリシック共振器１９は、
その寸法が極めて小さくなるため、即ちモノリシック共
振器１９は、例えば３×３×７ｍｍ角であるため、振動
に対して強く、ＰＺＴ素子１７の上にモノリシック共振
器１９を載置して、モノリシック共振器１９自体を光路
方向に微小移動させても何ら影響はなく、レーザ光の光
路長を変化させる場合の他に、従来の方式と同じように
、ＰＺＴ素子上に設置した外部ミラーを微小変動させ、
レーザ光の光路長を変えても良い。

【００２３】以上、本発明の実施例について説明したが
、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を含む範囲において、種々に変形、変更が可
能なものである。例えば本発明のコーティング層５３，
５５を、バルク型共振器構造を有するリング型またはＶ
字型共振器に適用することも容易に推考可能である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、共振器は、光学材料の
モノリシック構造を有しており、かつ共振時のレーザ光
の一部を半導体レーザに戻すことが可能であるため、共
振器からの戻り光を利用して半導体レーザの周波数揺ら
ぎを抑制し、また発振スペクトルを狭窄化することがで
き、かつモノリシック構造のため振動にも強く、小型に
することができる。さらに、共振器のレーザ光の入射側
端面に、基本波長のレーザ光を部分透過し、第２高調波
をぼぼ全反射するコーティング層を設け、共振器のレー
ザ光の出射端面に、基本波長のレーザ光をほぼ全反射し
、第２高調波を部分透過するコーティング層を設けるこ
とにより、共振レーザ光の基本波の位相が揃い光強度を
高くし、そのため得ようとする第２高調波への波長変換
効率が向上し、かつ第２高調波も内部共振のためその位
相も揃うため、エネルギー密度が高くなり、帯域幅が狭
くなり、したがって共振器損失を減少し、高効率の第２
高調波変換を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に係る光波長変換装置の装置配置例
を示す概念図である。

【図２】　　本発明の特殊なコーティング層を設けた場
合のモノリシック共振器の様子を示す説明図である。

【図３】　　回折格子により戻り光を発生する様子を説
明する説明図である。

【図４】　　従来の光波長変換装置の配置例を示す概念
図である。

【符号の説明】

１１　　ダイオードレーザ １３　　レンズ １７　　ＰＺＴ素子 １９　　リング型共振器 ２１　　ダイクロイックミラー ２３　　光検出器 ２５　　信号処理回路 ４９　　回折格子 ５３，５５　　コーティング層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体レーザからのレーザ光を共振器
   内にて共振させ光波長変換する光波長変換装置において
   、前記共振器のレーザ光の入射する端面に基本波長のレ
   ーザ光を部分透過し、レーザ光の第２高調波をほぼ全反
   射するコーティング層を設け、かつ前記共振器の第２高
   調波の出力される端面に基本波長のレーザ光をほぼ全反
   射し、レーザ光の第２高調波を部分透過するコーティン
   グ層を設けたことを特徴とする光波長変換装置。