JPH0922037A

JPH0922037A - レーザビーム発生装置

Info

Publication number: JPH0922037A
Application number: JP7168950A
Authority: JP
Inventors: Shiro Shichijo; 司朗七条; Kiyobumi Muro; 清文室
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】出力光の飽和を防止して、高出力の短波長光
源を実現できるレーザビーム発生装置を提供する。【構成】レーザビーム発生装置は、ポンピング光２６
を出力する半導体レーザ２０と、ミキシング光２７を出
力する半導体レーザ３１と、ポンピング光２６を透過し
ミキシング光２７を反射させる偏光ビームスプリッタ３
７と、Ｎｄ：ＹＶＯ4 から成るレーザ媒質２３と、ＫＮ
ｂＯ3 から成る非線形光学素子２４と、曲面鏡から成る
出力ミラー４１などで構成される。非線形光学素子２４
として、ビームウォークオフを生ぜしめる結晶方位に切
り出されたオフカットＫＮｂＯ3 結晶を使用する。レー
ザ発振光の波長１０６４ｎｍとミキシング光の波長８６
０ｎｍという２つの基本波のミキシングによって、波長
４７８ｎｍの和周波ブルーグリーン光が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体レーザ
による光ポンピングで固体レーザから第１レーザ光を発
生させるとともに、別の半導体レーザからの第２レーザ
光と和周波混合させて、直接変調可能な短波長レーザ光
を得るように構成されたレーザビーム発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｌＡｓ等から成る半導体レーザを
使用してＮｄ：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・
ガーネット）等から成る固体レーザを光ポンピングして
別波長のレーザ光を発生する構成は従来から知られてい
る。ところが、こうした固体レーザの発振波長は、半導
体レーザからのポンピング波長よりも長くなるため、光
ディスク、光磁気ディスク等の光記憶装置や短波長コヒ
ーレント光源を必要とする用途には不向きである。

【０００３】そこで、より短波長のレーザ光を得るには
ＳＨＧ（第２高調波発生）を利用する方法がある。たと
えば、１つの光共振器内に固体レーザ媒質と非線形光学
材料から成るバルク単結晶を配置して、固体レーザが発
振するレーザ光を第２高調波に変換している。固体レー
ザ媒質としてＹＡＧ結晶、非線形光学材料としてＫＴＰ
（ＫＴｉＯＰＯ₄：燐酸チタニルカリウム）結晶を使用
すると、ＹＡＧレーザの発振波長１．０６４μｍを波長
０．５３２μｍというグリーンのレーザ光に変換するこ
とができる。

【０００４】また、より短波長のブルーグリーン光を得
るために、ＹＡＧレーザの光共振器内に非線形光学材料
としてＫＮｂＯ₃を配置して、ＹＡＧレーザの発振波長
０．９４６μｍを第２高調波発生によって波長０．４７
３μｍのレーザ光に変換できることも報告されている。

【０００５】しかしながら、上述のように共振器内に固
体レーザ媒質とＳＨＧ結晶を配置する共振器内ＳＨＧレ
ーザでは、電気信号による直接変調が困難であるため、
光ディスク等の光記憶装置に応用するには別に外部変調
器を設ける必要がある。

【０００６】一方、直接変調が可能な固体レーザ装置と
して、レーザ共振器内に固体レーザ媒質と非線形光学結
晶を配置し、発振波長とは異なる波長の光を第２基本波
として外部から導入し、固体レーザ媒質から発振した第
１基本波と第２基本波とを非線形光学結晶内で混合させ
て和周波光を発生する構成が知られている。

【０００７】第１基本波を非線形光学結晶の結晶軸以外
の方向に伝搬する場合その伝搬方向と和周波の伝搬方向
とは、一致せず、ある角度ρで交差している。これを臨
界位相整合という。角度ρはビームウォークオフ角度と
呼ばれている。一方、結晶軸方向に基本波を伝搬する場
合は、基本波と和周波の伝搬方向は一致し、これを非臨
界位相整合（９０°位相整合）と呼びρ＝０になる。さ
らに、非臨界位相整合（ρ＝０）の場合は、基本波と高
調波の伝搬方向が完全に一致して、両者の相互作用長が
長くとれるため、臨界位相整合と比べて変換効率が高く
なる。

【０００８】臨界位相整合の場合、基本波と高調波の伝
搬方向が一致しないため、両者の相互作用長が短くなっ
て変換効率が減少する。そのため変換効率を優先する場
合、通常、非臨界位相整合を利用する方が有利になる。

【０００９】和周波発生の場合には、２つの波長を使用
する関係から波長選択の自由度が増え、一方が固体レー
ザの発振波長として固定されたとしても、第２のミキシ
ング光の波長を適切に選ぶことによって、非臨界位相整
合を満足する可能性がある。

【００１０】こうした和周波発生レーザにおいて、非線
形光学結晶としてｂ軸−ＫＴＰを使用した場合、固体レ
ーザをポンピングする半導体レーザの発振波長８０９ｎ
ｍと固体レーザの発振波長１０６４ｎｍとを混合するこ
とによって、非臨界位相整合の下で波長４５９ｎｍの和
周波光を発生できる構成が知られている（特開昭６４−
６２６２１）。しかしながら、ＫＴＰは温度許容度、波
長許容度とも高いが、変換定数が低いために、和周波光
の出力は１ｍＷ程度が限界である。

【００１１】また、別の和周波発生レーザにおいて、非
線形光学結晶としてａ軸−ＫＮｂＯ₃を使用した場合、
波長１０６４ｎｍのレーザ光を第１基本波とすると、非
臨界（９０度）位相整合が可能な場合が２つ存在する。
１）ｂ軸方位に切り出したａ軸−ＫＮｂＯ₃において、
第１基本波１０６４ｎｍと第２基本波９１０ｎｍとを混
合することによって、波長４９０ｎｍの和周波光が発生
する。２）ａ軸方位に切り出したｂ軸−ＫＮｂＯ₃にお
いて、第１基本波１０６４ｎｍと第２基本波６９５ｎｍ
とを混合することによって、波長４２０ｎｍの和周波光
が発生する（特願平５−２４７０８９）。

【００１２】こうした非臨界位相整合では、レーザ媒質
への励起光強度が比較的弱い場合、すなわち共振器内で
の第２基本波の光強度が比較的弱い場合であっても、特
に効率よく和周波発生を行うことが可能である。

【００１３】一方共振器を構成しないで、臨界位相整合
で和周波レーザを得た例がOPTICSLETTERS Vol.16,No.7
P449-P451（1991）に示されている。これによるとＡｒ
レーザと半導体レーザをβ−ＢａＢ₂Ｏ₄結晶内でミキシ
ングして、波長３６９ｎｍで１．４μＷの和周波出力を
得ている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】β−ＢａＢ₂Ｏ₄の和周
波変換効率は低く、高い出力を得るためには和周波変換
効率がβ−ＢａＢ₂Ｏ₄より２桁大きいＫＮｂＯ₃を用い
ることが望ましい。

【００１５】しかしながら、非線形光学材料であるＫＮ
ｂＯ₃結晶は、変換効率は高いものの温度許容度が極め
て狭く（たとえばＫＮｂＯ₃のａ軸で０．３℃／ｃ
ｍ）、わずかな温度分布の不均一によって変換効率が低
下してしまう。

【００１６】ＫＮｂＯ₃結晶の中にブルー光が存在する
と、入射基本波の波長で吸収が増大するＢＥＩＲＡ(Blu
e Enhanced IR Absorption) という現象が発生すること
が知られている(H.Mabuchi,E.S.Polzik,and H.J.Kimbl
e;J.Opt.Soc.Am.B,11,2023(1994))。ａ軸−ＫＮｂＯ₃を
用いた第２高調波発生において波長８６０ｎｍの入力基
本波の強度が増加した場合には、ＢＥＩＲＡ現象と狭い
温度許容度のために、波長４３０ｎｍのブルー光の出力
が飽和することが知られている。

【００１７】その原因は次のように考えられている。外
部から基本波を入力すると、第２高調波発生によって発
生するブルー光の伝搬軸方向での強度分布は、非線形光
学結晶内で一様でなく、入射端面からの距離の２乗で増
加する分布になる。一方、基本波の吸収はブルー光強度
に比例するため、基本波の吸収係数も入射端面からの距
離の２乗で増加する分布になる。このため、非線形光学
結晶内での基本波吸収による発熱は一様分布とはなら
ず、伝搬軸方向に温度分布を生じる(L.E.Busse,L.Goldb
erg,and M.R.Surette and G.Mizell,J.Appl.Phys.75
(2),1102(1994))。この温度分布は通常数℃程度であっ
て、比較的温度許容度の広い非線形光学結晶では問題な
らないが、ＫＮｂＯ₃結晶は温度許容度が狭いために変
換効率の低下を招くおそれがある。

【００１８】和周波レーザの場合には、こうした現象の
影響は従来明らかでなかった。ＫＮｂＯ₃結晶を用いた
和周波レーザにおいて、励起光強度が比較的弱い場合で
あっても効率よくブルー光を発生させることができる。
しかし、より高出力のブルー光を得るために励起レーザ
媒質への励起光強度をより強くすると、変換効率が低下
するという問題が判明した。

【００１９】図１１は、和周波発生におけるＢＥＩＲＡ
現象による効率低下の例を示すグラフである。ここで
は、光共振器内にレーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ₄結晶
、非線形光学材料としてａ軸−ＫＮｂＯ₃結晶を配置
し、第１の半導体レーザでレーザ媒質を励起して第１基
本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、さらに第２の半
導体レーザからのレーザ光を第２基本波（波長６９０ｎ
ｍ）として共振器内に導入してミキシングさせることに
よって、波長４１８ｎｍのブルー光を発生している。そ
の際に、ＫＮｂＯ₃結晶はペルチェ素子で温調した。こ
のグラフは、第２基本波の強度を一定（６９０ｎｍ半導
体レーザから得られる最大の１７ｍＷ）にして、横軸が
レーザ媒質を励起する励起光の出力を示し、縦軸が和周
波光の出力を示す。

【００２０】グラフの破線で示すように、本来ならばブ
ルー光の出力は励起光出力に対して直線的に変化するは
ずである。しかし、実際には実線で示すように、励起光
出力４００ｍＷ近傍で飽和してしまい、それ以上励起光
を強くしても逆に出力が減少している。この原因とし
て、共振器内部で第１基本波（波長１０６４ｎｍ）の強
度が高くなるにつれて、それの吸収量が増えることとブ
ルー光強度の増加によるＢＥＩＲＡ現象による統計の光
吸収量が格段に増加するため、発熱の影響を顕著に受け
るためであると考えられる。したがって、励起光強度を
増大しても和周波出力の高出力化には一定の限界がある
ことが判る。

【００２１】他の構成例として、光共振器内にレーザ媒
質としてＮｄ：ＹＶＯ₄結晶、非線形光学材料としてｂ
軸−ＫＮｂＯ₃結晶を配置して、第１基本波（波長１０
６４ｎｍ）をレーザ発振させ、外部から第２基本波（波
長９１０ｎｍ）として共振器内に導入してミキシングさ
せることによって、波長４９０ｎｍのブルーグリーン光
を発生させた場合にも、上述と同様に、和周波出力の飽
和が観測された。

【００２２】このようにＫＮｂＯ₃を用いた和周波レー
ザにおいて、励起光強度の増強による光出力の飽和は、
次の２つの理由によると考えられる。１）和周波レーザ
において、内部パワー１００Ｗを超えるような光強度の
大きい基本波（波長１０６４ｎｍ）を共振器内に閉じこ
めて使用するため、光吸収係数がわずかに増加しても発
熱量が格段に増加してしまう。２）出力のブルー光は一
方向に出射するため、伝搬軸に沿って大きな温度分布が
発生し易い。

【００２３】本発明の目的は、出力光の飽和を防止し
て、高出力の短波長光源を実現できるレーザビーム発生
装置を提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１基本波の
ための共振器と、前記共振器内に配置され、前記第１基
本波のレーザ発振を行なうためのレーザ媒質と、前記共
振器内に配置され、前記第１基本波および第２基本波を
混合することによって和周波光を発生させる非線形光学
結晶と、前記第２基本波を前記非線形光学結晶内に導入
するための光導入手段とを備え、前記非線形光学結晶
は、その中を伝搬する前記第１基本波と前記和周波光の
ビームウォークオフが生じるように、その結晶軸の向き
と前記第１基本波の入射方向の関係が定められたことを
特徴とするレーザビーム発生装置である。また本発明は、前記非線形光学結晶は、ＫＮｂＯ₃で形
成されていることを特徴とする。また本発明は、ＫＮｂＯ₃における３つの結晶軸のうち
ａ軸の屈折率ｎａ、ｂ軸の屈折率ｎｂおよびｃ軸の屈折
率ｎｃがｎｂ＞ｎａ＞ｎｃの関係を満足する場合、ｃ軸
からの頂角をθ、ａ−ｂ面内のａ軸からの角度をφとす
ると、８０°≦θ≦１１０°かつ１５°≦φ≦７５°の
関係を満たす方向に伝搬方向が設定されるようにＫＮｂ
Ｏ₃が切り出されていることを特徴する。また本発明は、波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に７８０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４５０ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする。また本発明は、波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に８６０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４７５ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする。また本発明は、波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に８３０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４６６ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする。

【００２５】

【作用】本発明に従えば、非線形光学結晶をビームウォ
ークオフが生ずる結晶方位に切り出して、第１および第
２基本波の光ビームと和周波光ビームとの空間的重なり
を小さくすることによって、ＢＥＩＲＡ現象による温度
上昇を抑制できる。したがって、レーザ媒質の励起光が
高くなっても和周波出力が飽和しなくなるため、高い変
換効率および高出力化を実現できる。以下詳細に説明す
る。

【００２６】図１は、非線形光学結晶における温度分布
とビーム伝搬方向の相違を示す説明図である。図１
（ａ）はビームウォークオフが無い場合を示し、基本波
の伝搬方向と和周波の伝搬方向とが一致しており、交差
角度ρは０である。図１（ｂ）はビームウォークオフが
有る場合を示し、基本波の伝搬方向と和周波の伝搬方向
とが一定の角度ρで交差している。ここで、ｚは結晶の
入射端面から光軸に沿ったの位置であり、ｘは光軸に対
して垂直方向の位置である。

【００２７】図１（ａ）に示すように、光の進行距離が
長くなるにつれて結晶内温度が指数関数的に上昇してお
り、結晶の出射端面付近でかなりの高温度になる。一
方、図１（ｂ）の温度分布に示すように、図１（ａ）と
比べて温度上昇が大幅に抑制されていることが判る。

【００２８】和周波発生において高い変換効率を保ちな
がら、ＢＥＩＲＡ現象に起因する効率低下を防止するに
は、次の３つの条件が必要である。

【００２９】（Ａ）和周波発生における位相整合条件を
満足する結晶方位であること。

【００３０】（Ｂ）この方位で和周波発生をもたらす実
効的非線形定数が大きい値を示す結晶材料であること。

【００３１】（Ｃ）適当なビームウォークオフ角度ρを
有すること。

【００３２】ここで、非線形光学結晶としてＫＮｂＯ₃
を使い、第１基本波が波長１０６４ｎｍである場合を例
にとって具体的に説明する。

【００３３】まず（Ａ）の条件に関して、光進行方向お
よび波長の関数である屈折率をｎとおくと、下記の式
（１）で位相整合する結晶角度を計算できる。

【００３４】

【数１】

【００３５】ここで、結晶方位を示す角度θ、φは、図
２に示すように、ＫＮｂＯ₃結晶における３つの結晶軸
のうちａ軸の屈折率ｎａ、ｂ軸の屈折率ｎｂおよびｃ軸
の屈折率ｎｃがｎｂ＞ｎａ＞ｎｃの関係であり、ｃ軸か
らの頂角をθ、ａ−ｂ面内のａ軸からの角度をφとして
定義している。また、λ1、λ2、λ3は、それぞれ第１
基本波、第２基本波および和周波の波長である。

【００３６】図３は、第２基本波の波長変化に対する位
相整合の方位を示すグラフである。ここでは、頂角θ＝
９０°で固定し、横軸は第２基本波であるミキシング波
長λ2 、縦軸は位相整合の角度φを示す。たとえば、ミ
キシング波長が７８０ｎｍである場合、位相整合を満た
す結晶の切り出し角度はθ＝９０°かつφ＝４２°であ
る。また、ミキシング波長８６０ｎｍの場合、結晶切り
出し角度はθ＝９０°かつφ＝６３°となる。

【００３７】以上のように式（１）によって、ミキシン
グ波長が決まると位相整合する結晶方位が一義的に定ま
ることが判る。

【００３８】次に条件（Ｂ）について検討する。上述の
ように位相整合可能な結晶方位が定まると、その方位に
沿った有効非線形定数が大きいことが要求される。結晶
のａ−ｂ面内での有効非線形定数ｄeff は、下記の式
（２）で求まる。ここで、ｄ32、ｄ31は非線形光学定
数、ｎａ、ｎｂはａ軸およびｂ軸の屈折率である。

【００３９】

【数２】

【００４０】たとえば、φ＝４３°、ｄ32＝１５ｐｍ／
Ｖ、ｄ31＝１８ｐｍ／Ｖを代入するとｄeff ＝１６ｐｍ
／Ｖとなり、充分大きな値を有することが判る。

【００４１】次に条件（Ｃ）について検討する。ａ−ｂ
面内でのビームウォークオフ角度ρは、下記の式（３）
で求まる。

【００４２】

【数３】

【００４３】図４は、結晶角φに対するビームウォーク
オフ角度ρの変化を示すグラフである。ここで、横軸は
結晶角φ、縦軸はビームウォークオフ角度ρを示す。こ
のグラフを見ると、結晶角φ＝４３°においてビームウ
ォークオフ角度ρがほぼ最大の約０．９６°になる。こ
の数値は、後述するようにＢＥＩＲＡ現象による影響も
少なく、しかも上記３つの条件Ａ〜Ｃを満足する。

【００４４】こうして頂角θ＝９０°の場合を考察した
が、ＫＮｂＯ₃は２軸性結晶であるため、θ＝９０°か
らシフトした方位であっても位相整合の可能性がある
が、有効非線形定数ｄeff は低下する傾向になり、しか
もビームウォークオフ角度ρは大きな値になる。ビーム
ウォークオフ角度ρが必要以上に大きくなると、変換効
率の低下が生じる。したがって、８０°≦θ≦１１０°
の範囲で位相整合を図ることが好ましく、実質的にθ＝
９０°がより好ましい。

【００４５】次に、上記３つの条件Ａ〜ＣとＢＥＩＲＡ
現象に起因する効率低下との因果関係を説明する。ＢＥ
ＩＲＡ現象による基本波の吸収量は、和周波光と基本波
光との空間的重なり具合に比例する。非線形光学結晶の
結晶軸と一致する方位で位相整合が可能になる非臨界的
な位相整合（９０度位相整合）の場合、２つの基本波光
と和周波光は結晶軸に沿って共軸で伝搬するため、空間
的な重なりが大きくなる。伝搬軸上の和周波光の強度分
布は、結晶内の伝搬距離の２乗で上昇する。したがっ
て、結晶内の温度分布は伝搬距離の２乗で上昇し、出射
端面付近で最高温度になる。

【００４６】一方、結晶軸からずれた方位で位相整合が
可能な場合には、発生する和周波光は、基本波の伝搬方
位に対してビームウォークオフ角度ρだけずれた方位に
伝搬する。このため両者の空間的重なりが減少するた
め、基本波の伝搬軸に沿った温度分布は低下する。

【００４７】次に、ビームウォークオフが存在する場合
のＢＥＩＲＡ現象を定量的に考察する。ここでは簡明化
のために、２つの基本波の波長が等しい場合の和周波発
生を説明する。

【００４８】基本波および和周波の空間的電界分布をそ
れぞれＥ1（ｘ、ｙ）、Ｅ2（ｘ、ｙ、ｚ）とおくと、下
記の式（４）（５）で表せる。ここで、Ｗ₀ は基本波の
モード半径、Ｌは結晶長、ρはビームウォークオフ角度
である。

【００４９】

【数４】

【００５０】図５は端面からの結晶内位置ｚにおける和
周波光の強度分布を示し、図５（ａ）はビームウォーク
オフ無し、図５（ｂ）はビームウォークオフ有りを示
す。縦軸は和周波光の強度、横軸は基本波の伝搬軸（ｚ
軸）に対して垂直面（ｘ−ｙ面）内の位置である。ここ
では、基本波Ｅ1 のモード半径Ｗ₀ は４０μｍであり、
結晶入射端面をｚ＝０として、結晶位置ｚ＝１、２、
３、４、５ｍｍでの強度分布を示す。また、出力光の強
度は、強度分布をｘ−ｙ面内で積分した値となる。

【００５１】図５（ａ）は、ビームウォークオフ角度ρ
＝０°で非臨界型位相整合の場合を示し、結晶位置ｚが
１ｍｍから増えるにつれて和周波光の強度が急激に増加
していることが判る。また、基本波の強度分布の中心と
和周波の強度分布の中心は一致している。

【００５２】図５（ｂ）は、ビームウォークオフ角度ρ
＝０．９°で臨界型位相整合の場合を示し、図５（ａ）
と同様に、結晶位置ｚが１ｍｍから増えるにつれて和周
波光の強度が急激に増加していることが判る。また、ビ
ームウォークオフのため、和周波の強度分布の中心は基
本波の強度分布の中心から徐々にシフトしている。さら
に、臨界型位相整合の場合には、ビームウォークオフに
よって、非臨界型位相整合に比べて実質的な変換効率が
減少することは避けられないが、ｚ＝５ｍｍでの各グラ
フを比べると、ピーク値こそ少し低下するが全体の積分
値は殆ど低下していないことが判る。

【００５３】また、和周波の存在によって増加する基本
波の吸収量は、和周波の強度分布と基本波の強度分布の
重なり積分に比例する。ビームウォークオフ無しの場
合、基本波と和周波の各強度分布は常に重なるため、伝
搬軸に沿った距離ｚの２乗に比例して吸収量が増加す
る。一方、ビームウォークオフ有りの場合、基本波の伝
搬軸に対して和周波の強度分布は次第にシフトしていく
ため、両者の重なり積分は急速に飽和してしまう。

【００５４】図６は、伝搬軸ｚに沿った赤外吸収係数の
変化を示すグラフである。ρ＝０°の場合、結晶位置ｚ
に対して吸収係数が急激に増加しているが、ρ＝０．９
°の場合、吸収係数の増加は大幅に抑制されており、伝
搬軸方向の温度分布の発生が約１／４以下に抑えられて
いることが判る。

【００５５】ビームウォークオフ角度が大きくなり過ぎ
ると、ＢＥＩＲＡによる温度上昇は抑制されるが、今度
は和周波の発生効率が極端に低下するため、高出力化に
は不利となる。たとえば、ビームウォークオフ角度ρ＝
４°の場合を計算すると、格段に出力が低くなる。した
がって、ＫＮｂＯ₃においては、ａ−ｂ面内のａ軸から
の角度φは１５°＜φ＜７５°の関係を満たすことによ
って、温度分布および変換効率の観点で適切なビームウ
ォークオフ角度に設定できる。

【００５６】このように和周波出力がさほど低下せず、
しかもＢＥＩＲＡ現象に起因する基本波吸収による温度
上昇を抑制するには、非線形光学結晶の種類に応じて適
切なビームウォークオフ角度に設定する手法が極めて効
果的であることが判る。

【００５７】具体的には、半導体レーザやレーザ媒質、
非線形光学結晶などの入手性を考慮すると下記表の構成
例が好ましく、高出力で短波長の光源を容易に実現する
ことができる。

【００５８】

【表１】

【００５９】

【実施例】

（実施例１）図７は、本発明の第１実施例を示す構成図
である。本実施例では、波長１０６４ｎｍと波長８６０
ｎｍという２つの基本波のミキシングによって、波長４
７５ｎｍの和周波ブルーグリーン光を発生させる例を示
す。このレーザビーム発生装置は、レーザ媒質２３を励
起する波長８０９ｎｍのポンピング光２６を出力する半
導体レーザ２０（出力１Ｗ）と、ポンピング光２６を集
光するコリメータレンズ２１ａと、波長８６０ｎｍのミ
キシング光２７を出力する半導体レーザ３１（出力２０
０ｍＷ）と、ミキシング光２７を集光するコリメータレ
ンズ３３と、ポンピング光２６を透過し、ミキシング光
２７を反射させる偏光ビームスプリッタ３７と、ポンピ
ング光２６よびミキシング光２７を集束する集光レンズ
２１ｂと、Ｎｄが１％程度ドープされたＮｄ：ＹＶＯ₄
から成るレーザ媒質２３と、ＫＮｂＯ₃から成る非線形
光学素子２４と、曲面鏡から成る出力ミラー４１などで
構成される。

【００６０】レーザ媒質２３の光入射側の表面２３ａと
出力ミラー４１とで光共振器２５を構成している。な
お、レーザ媒質２３の表面２３ｂと非線形光学素子２４
の表面２４ａとは互いに接している。また、ポンピング
用の半導体レーザ２０は、ペルチェ温度調節回路（不図
示）によって所定温度に制御されている。

【００６１】レーザ媒質２３の表面２３ａには、レーザ
媒質２３の発振波長である波長１０６４ｎｍに対して反
射率が９９．９％であって、かつポンピング光２６の波
長８０９ｎｍに対して透過率が９５％以上となるコーテ
ィングが施されている。レーザ媒質２３の表面２３ｂに
は、波長１０６４ｎｍに対して透過率が９９．９％以上
となるコーテイングが施されている。

【００６２】半導体レーザ２０から放射されるポンピン
グ光２６の偏光方向は、光軸２９の垂直上方３０と一致
しているため、偏光ビームスプリッタ３７をそのまま通
過する。このポンピング光２６が集光レンズ２１ｂによ
って集光されてレーザ媒質２３に入射すると、レーザ媒
質２３中に反転分布が形成される。レーザ媒質２３はＮ
ｄ：ＹＶＯ₄で形成されており、光共振器２５の中で波
長１０６４ｎｍのレーザ発振が起こる。

【００６３】非線形光学素子２４はＫＮｂＯ₃結晶で形
成されており、結晶方位は、図８に示すように、ｃ軸に
対して角度θ＝９０°かつａ軸に対してφ＝６２°の方
向に一致しており、この結晶方位に沿って切り出したい
わゆるａ−ｂ軸カット結晶を使用しており、結晶厚みは
７ｍｍである。なお、３つの結晶軸は、ａ軸の屈折率ｎ
ａ、ｂ軸の屈折率ｎｂおよびｃ軸の屈折率ｎｃがｎｂ＞
ｎａ＞ｎｃの関係となるように規定される。非線形光学
素子２４のレーザ媒質２３側の表面２４ａには、波長１
０６４ｎｍに対して透過率９９．９％で、かつ波長８６
０ｎｍに対して透過率９５％となる光学コーティングが
施されている。

【００６４】一方、半導体レーザ３１から放射されるミ
キシング光２７の偏光方向は、図７紙面の垂直方向と一
致しているため、偏光ビームスプリッタ３７によって右
方に反射される。このミキシング光２７が集光レンズ２
１ｂによって集光されてレーザ媒質２３を通過し、非線
形光学素子２４の表面２４ａ上にビームウエストを形成
するように入射する。第１基本波（波長１０６４ｎｍ）
となるレーザ発振光および第２基本波（波長８６０ｎ
ｍ）となるミキシング光２７の各偏光方向は、非線形光
学素子２４であるＫＮｂＯ₃結晶のａ−ｂ面に平行とな
るように配置される。すると、非線形光学素子２４の非
線形光学効果によって、第１基本波と第２基本波との和
周波（波長４７８ｎｍ）が発生し、ｃ軸に平行な偏光方
向を持つコヒーレントな出力ビーム２９が出力ミラー４
１から放射される。

【００６５】図９は、８６０ｎｍのミキシング光強度を
１２０ｍＷで一定にし、ポンピング光２６の出力変化に
対する和周波の出力を示すグラフである。実線で示すよ
うに、和周波出力はポンピング光強度に対して直線的に
変化し、ポンピング光を１Ｗまで上げると約３０ｍＷの
和周波出力が安定に得られていることが判る。また、図
１１に示した非臨界型位相整合である１０６４ｎｍと６
９０ｎｍとの組合せによって４１８ｎｍの和周波を発生
する場合と比較すると、図９ではポンピング光強度の変
化に対する和周波出力の飽和や減少が観測されていな
い。また、両者のミキシング光強度は一致しないが、ミ
キシング光出力が大きくなるほど和周波出力が大きくな
って、ＢＥＩＲＡ現象の影響を強く受けると考えられ
る。しかしながら、本実施例のミキシング光出力は１２
０ｍＷという大きい数値にもかかわらず和周波光出力は
格段に増加しており、この点からもＢＥＩＲＡ現象の改
善効果は明らかである。

【００６６】このようにオフカットのＫＮｂＯ₃結晶を
用いて臨界型位相整合をとることによって、和周波の大
出力化が実現する。

【００６７】（実施例２）図１０は、本発明の第２実施
例を示す構成図である。本実施例では、波長１０６４ｎ
ｍと波長７８０ｎｍという２つの基本波のミキシングに
よって、波長４５０ｎｍの和周波ブルー光を発生させる
例を示す。このレーザビーム発生装置は、図７に示す構
成とほぼ同様であるが、レーザ媒質２３と非線形光学素
子２４との間に、ミキシング光を共振器２５内に導入す
るためのダイクロイックミラー４０が介在している点、
レーザ媒質２３の光入射面に微小球面２３ｃが形成され
ている点などが相違する。

【００６８】レーザビーム発生装置は、レーザ媒質２３
を励起する波長８０９ｎｍのポンピング光２６を出力す
る半導体レーザ２０と、ポンピング光２６を集光するコ
リメータレンズ２１ａ、２１ｂと、Ｎｄが１％程度ドー
プされたＮｄ：ＹＶＯ₄から成るレーザ媒質２３と、波
長７８０ｎｍのミキシング光２７を出力する半導体レー
ザ３１（型番ＳＤＬ−５４０１）と、ミキシング光２７
を集光するコリメータレンズ３３ａと、ミキシング光２
７のビーム形状を整形するアナモルフィックプリズムペ
ア３２と、ビーム整形されたミキシング光２７を集光す
る焦点調整用の集光レンズ３３ｂと、レーザ媒質２３で
増幅される波長１０６４ｎｍのレーザ発振光を反射し、
かつ波長７８０ｎｍのミキシング光２７を透過するダイ
クロイックミラー４０と、ＫＮｂＯ₃から成る非線形光
学素子２４と、曲面鏡から成る出力ミラー４１などで構
成される。

【００６９】レーザ媒質２３の光入射側の表面２３ａに
は、フォトリソグラフィ技術によって微小球面２３ｃが
形成されており、この微小球面２３ｃと出力ミラー４１
とで光共振器２５を構成している。レーザ媒質２３の表
面２３ａには、レーザ媒質２３の発振波長である波長１
０６４ｎｍに対して反射率が９９．９％コーティングが
施されている。レーザ媒質２３の表面２３ｂには、波長
１０６４ｎｍに対して透過率が９９．９％以上となるコ
ーテイングが施されている。

【００７０】半導体レーザ２０から放射されるポンピン
グ光２６が集光レンズ２１ｂによって集光されてレーザ
媒質２３に入射すると、レーザ媒質２３中に反転分布が
形成される。レーザ媒質２３はＮｄ：ＹＶＯ₄で形成さ
れており、光共振器２５の中で波長１０６４ｎｍのレー
ザ発振が起こる。また、ポンピング用の半導体レーザ２
０は、ペルチェ温度調節回路（不図示）によって所定温
度に制御される。

【００７１】非線形光学素子２４はＫＮｂＯ₃結晶で形
成されており、結晶方位は、図８を参照して、ｃ軸に対
して角度θ＝９０°かつａ軸に対してφ＝４２°の方向
に一致しており、この結晶方位に沿って切り出したいわ
ゆるａ−ｂ軸カット結晶を使用しており、結晶厚みは５
ｍｍである。非線形光学素子２４のレーザ媒質２３側の
表面２４ａには、波長１０６４ｎｍに対して透過率９
９．９％で、かつ波長４５０ｎｍに対して透過率９５％
となる光学コーティングが施されている。非線形光学素
子２４は、ペルチェ温度調節回路（不図示）によって所
定温度に制御され、温度チューニングによって位相整合
を達成している。

【００７２】一方、半導体レーザ３１から放射されるミ
キシング光２７が集光レンズ３３ｂによって集光され、
ダイクロイックミラー４０を通過してレーザ発振光と共
軸になる。ミキシング光２７は非線形光学素子２４の表
面２４ａ上にビームウエストを形成するように入射す
る。第１基本波（波長１０６４ｎｍ）となるレーザ発振
光および第２基本波（波長７８０ｎｍ）となるミキシン
グ光２７の各偏光方向は、非線形光学素子２４であるＫ
ＮｂＯ₃ 結晶のａ−ｂ面に平行となるように配置され
る。すると、非線形光学素子２４の非線形光学効果によ
って、第１基本波と第２基本波との和周波（波長４５０
ｎｍ）が発生し、ｃ軸に平行な偏光方向を持つコヒーレ
ントな出力ビーム３５が出力ミラー４１から放射され
る。

【００７３】本実施例では、たとえばポンピング用の半
導体レーザ２０の出力を１Ｗ、ミキシング用の半導体レ
ーザ３１の出力を７０ｍＷに設定した場合、出力１２ｍ
Ｗで波長４５０ｎｍの和周波ブルー光を得ることができ
た。

【００７４】このようにオフカットのＫＮｂＯ₃結晶を
用いて臨界型位相整合をとることによって、和周波の大
出力化が実現する。

【００７５】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、非
線形光学結晶としてビームウォークオフが生ずる結晶方
位に切り出した材料、たとえばオフカットＫＮｂＯ₃結
晶を使用することによって、第１および第２基本波の光
ビームと和周波光ビームとの空間的重なりが小さくな
り、ＢＥＩＲＡ現象による温度上昇および不安定性を抑
制できる。したがって、レーザ媒質の励起光が高くなっ
ても和周波出力が飽和しなくなるため、高い変換効率お
よび高出力化の短波長光源を容易に実現できる。

【００７６】また、第２基本波を変調することにより、
外部変調器を用いなくとも和周波光の変調が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】非線形光学結晶における温度分布とビーム伝搬
方向の相違を示す説明図であり、図１（ａ）はビームウ
ォークオフ無し、図１（ｂ）はビームウォークオフ有り
を示す。

【図２】ＫＮｂＯ₃結晶における結晶方位を示す角度
θ、φを定義する図である。

【図３】第２基本波の波長変化に対する位相整合の方位
を示すグラフである。

【図４】結晶角φに対するビームウォークオフ角度ρの
変化を示すグラフである。

【図５】端面からの結晶位置ｚにおける和周波光の強度
分布を示し、図５（ａ）はビームウォークオフ無し、図
５（ｂ）はビームウォークオフ有りを示す。

【図６】伝搬軸ｚに沿った赤外吸収係数の変化を示すグ
ラフである。

【図７】本発明の第１実施例を示す構成図である。

【図８】ＫＮｂＯ₃結晶の切り出し方位を示す図であ
る。

【図９】ポンピング光２６の出力変化に対する和周波の
出力を示すグラフである。

【図１０】本発明の第２実施例を示す構成図である。

【図１１】和周波発生におけるＢＥＩＲＡ現象による効
率低下の例を示すグラフである。

【符号の説明】

２０ポンピング用の半導体レーザ２１ａ、３３、３３ａコリメータレンズ２１ｂ、３３ｂ集光レンズ２３レーザ媒質２４非線形光学素子２５光共振器２６ポンピング光２７ミキシング光２９、３５出力ビーム３２アナモルフィックプリズムペア４０ダイクロイックミラー４１出力ミラー

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１１月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図８】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図１０】

【図７】

【図９】

【図１１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１基本波のための共振器と、前記共振器内に配置され、前記第１基本波のレーザ発振
を行なうためのレーザ媒質と、前記共振器内に配置され、前記第１基本波および第２基
本波を混合することによって和周波光を発生させる非線
形光学結晶と、前記第２基本波を前記非線形光学結晶内に導入するため
の光導入手段とを備え、前記非線形光学結晶は、その中を伝搬する前記第１基本
波と前記和周波光のビームウォークオフが生じるよう
に、その結晶軸の向きと前記第１基本波の入射方向の関
係が定められたことを特徴とするレーザビーム発生装
置。
【請求項２】前記非線形光学結晶は、ＫＮｂＯ₃で形
成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザビ
ーム発生装置。
【請求項３】ＫＮｂＯ₃における３つの結晶軸のうち
ａ軸の屈折率ｎａ、ｂ軸の屈折率ｎｂおよびｃ軸の屈折
率ｎｃがｎｂ＞ｎａ＞ｎｃの関係を満足する場合、ｃ軸
からの頂角をθ、ａ−ｂ面内のａ軸からの角度をφとす
ると、８０°≦θ≦１１０°かつ１５°≦φ≦７５°の
関係を満たす方向に伝搬方向が設定されるようにＫＮｂ
Ｏ₃が切り出されていることを特徴する請求項２記載の
レーザビーム発生装置。
【請求項４】波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に７８０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４５０ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする請求項１ま
たは２記載のレーザビーム発生装置。
【請求項５】波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に８６０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４７５ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする請求項１ま
たは２記載のレーザビーム発生装置。
【請求項６】波長が実質的に１０６４ｎｍである第１
基本波と波長が実質的に８３０ｎｍである第２基本波と
を混合させて、波長が実質的に４６６ｎｍであるコヒー
レント光ビームを発生することを特徴とする請求項１ま
たは２記載のレーザビーム発生装置。