波長變換雷射裝置的製作方法

2023-06-15 07:43:21

專利名稱：波長變換雷射裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及進行由雷射介質產生的基波的波長變換、輸出預定波長的雷射的波長
變換雷射裝置。
背景技術：
近年來，作為例如光信息處理領域等的光源，正在研究開發綠色、藍色的可見光激 光器。作為可見光雷射器的一種，已知有使用波長變換技術使近紅外雷射的波長縮短的波 長變換雷射裝置。 一般地，在波長變換雷射裝置中，在半導體雷射器或固體雷射器的光諧振 器的內部或外部設置由非線性光學材料構成的波長變換元件，通過把由光諧振器產生的激 光(基波)傳送到波長變換元件，輸出被波長變換成基波的一半波長(兩倍的頻率)的二 次諧波。 此時，必須使光諧振器的振蕩波長頻帶寬度與波長變換元件的相位匹配寬度一 致，但一般地波長變換元件的相位匹配寬度非常窄，而且波長變換雷射裝置的輸出會因外 部環境而產生波動。於是，為了用波長變換元件高效率地進行波長變換，現有技術中提出了 把光源波長固定在波長變換元件的允許範圍內，不太受外部環境變化影響的構成的作為波 長變換雷射裝置的相干光源(例如，參照專利文獻l)。該現有的相干光源，通過用波長變 換元件把來自雷射介質的基波變換成高次諧波，然後把被反射體反射的基波反饋到雷射介 質，把雷射介質的振蕩波長固定在反饋光的波長，把雷射介質的振蕩波長自動地固定在波 長變換元件的相位匹配波長。〈專利文獻1>日本特開2006-19603號公報

發明內容
(發明要解決的問題) 另外，在一對諧振器鏡內具有雷射介質和波長變換元件的內部波長變換型的波長 變換雷射裝置中，如果用具有比波長變換元件的相位匹配頻帶(波長變換頻帶)寬的增益 頻帶的雷射介質進行內部波長變換，則最初基波以增益頻帶的峰值波長進行雷射振蕩，以 該增益頻帶的峰值波長利用波長變換元件進行波長變換。但是，由此，增益頻帶的峰值波長 的光諧振器內的損失會增加，以相位匹配頻帶外的增益頻帶的波長產生雷射振蕩。其結果， 存在相位匹配頻帶內的基波會減少，波長變換元件的波長變換效率降低的問題。另外，在專 利文獻1中，雖然把雷射介質的振蕩波長自動地固定在波長變換元件的相位匹配波長，但 如上所述，由於一般情況下波長變換元件的相位匹配頻帶比雷射介質的振蕩波長頻帶(增 益頻帶)窄，所以不能抑制相位匹配頻帶外的雷射振蕩。 本發明正是鑑於上述情況而提出的，其目的在於獲得在內部波長變換型的波長變 換雷射裝置中，即使以雷射介質的增益頻帶的峰值波長進行雷射振蕩，進行波長變換，增益 頻帶的峰值波長下的波長變換元件的波長變換效率也不降低的波長變換雷射裝置。另外， 其目的還在於，無須追加光學部件，或者無須追加大規模的光學部件，就可以獲得波長變換
3元件的增益頻帶的峰值波長下的波長變換效率不降低的波長變換雷射裝置。
(用來解決問題的手段) 為了實現上述目的，根據本發明的波長變換雷射裝置，包括具有包含雷射介質的 波導結構的固體雷射元件，該雷射介質賦予因吸收激勵光而產生的增益，從而放大雷射，並 輸出基波；以及具有包含非線性光學材料的波導結構的波長變換元件，該非線性光學材料 把從上述固體雷射元件輸出的基波的一部分變換成二次諧波，用包含上述固體雷射元件和 上述波長變換元件的光諧振器結構使基波共振，並且從上述波長變換元件輸出二次諧波， 該波長變換雷射裝置的特徵在於上述固體雷射元件輸出線偏振光的基波，且包括濾波單 元，該濾波單元使在上述波長變換元件內通過併入射到上述固體雷射元件的基波的偏振狀 態與從上述固體雷射元件輸出的線偏振光不同。
(發明的效果) 根據本發明，由於無須追加光學部件就可以使頻帶縮窄，以使得雷射介質的增益 頻帶的峰值波長附近的基波的振蕩波長寬度基本上成為基波的振蕩波長寬度，所以即使以 雷射介質的峰值波長利用波長變換元件進行波長變換，在該峰值波長下的光諧振器內的損 失增加，也不產生波長變換頻帶(基本上等於基波的振蕩波長寬度)外的基波的雷射振蕩。 其結果，具有可以在波長變換元件的波長變換頻帶內高效率地進行基波的波長變換的效 果。


圖1是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式1的構成的立體 圖。 圖2是示出具有c軸方向的線偏振光的雷射在非線性光學材料內往返時電場強度 與軸方位的關係的圖。 圖3-1是示出通過MgO:PPLN後的雷射的c軸方向的偏振度對MgO:PPLN設置角度 9的依賴性的圖。 圖3-2是示出通過MgO: PPLN後的雷射的c軸方向的偏振度對MgO: PPLN設置角度 9的依賴性的圖。 圖4-1是示出通過MgO:PPLN後的雷射的a軸方向和c軸方向的偏振強度以及c 軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖。 圖4-2是示出通過MgO:PPLN後的雷射的a軸方向和c軸方向的偏振強度以及c 軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖。 圖4-3是示出通過MgO:PPLN後的雷射的a軸方向和c軸方向的偏振強度以及c 軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖。 圖4-4是示出通過MgO:PPLN後的雷射的a軸方向和c軸方向的偏振強度以及c 軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖。 圖5-1是示意性地示出針對基波波長的增益形狀與雷射介質增益頻帶之間的關 系的圖。 圖5-2是示意性地示出針對基波波長的增益形狀與雷射介質增益頻帶之間的關 系的圖。
4
圖6是示意性地示出非線性光學材料中的波長變換頻帶與基波的溫度導致的偏 移的樣子的圖。 圖7是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式2的構成的立體 圖。 圖8是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式3的構成的立體 圖。 圖9是示出通過MgO:PPLN和1/4波片後的雷射的a軸方向的偏振強度以及c軸 方向的偏振度對波長的依賴性的圖。
(附圖標記說明) 10、10A、10B :波長變換雷射裝置；11 :半導體雷射器；12 :固體雷射元件；13 :波 長變換-濾波元件；13A:波長變換元件；14 :半波片；15 :1/4波片；111 、 123a、 123b、 133a、
133b、151 :端面；121 :雷射介質；122、132 :包層；131 :非線性光學材料。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明根據本發明的波長變換雷射裝置的優選的實施方式。另
外，這些實施方式對本發明不構成限制。另外，以下實施方式中使用的波長變換雷射裝置的 立體圖是示意圖，層厚與寬度的關係、各層厚度的比率等與實際不同。(實施方式1) 圖1是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式1的構成的立體 圖。設該圖1所示的R方向是表示雷射的振蕩方向的光軸。該波長變換雷射裝置IO包括 作為激勵光源的半導體雷射器11 ;以從半導體雷射器11輸出的雷射作為激勵光，進行作為 基波的雷射的放大和振蕩的固體雷射元件12 ;以及把從固體雷射元件12輸出的基波的激
光變換成1/2波長的二次諧波且具有雙折射濾波器的功能的波長變換-濾波元件13。
半導體雷射器11輸出用來激勵固體雷射元件12的激勵光。該半導體雷射器11 的雷射的出射側端面111設置成與固體雷射元件12的雷射介質121的端面123a對置。在 此，半導體雷射器11由輸出波長808nm的雷射的化合物半導體材料構成。
固體雷射元件12在形狀上具有平板狀，與光軸R垂直的端面123a、123b的形狀為 例如矩形形狀。另外，固體雷射元件12具有光波導結構，吸收來自半導體雷射器11的激勵 光，形成反轉分布狀態，使因感應發射而生成的雷射在光軸R的方向上傳輸，從端面123b輸 出在預定的方向上振動的線偏振光。具體地說，具有吸收激勵光產生感應發射的平板狀的 雷射介質121 ;以及與該雷射介質121的上下兩面中的至少一面接合的包層122。在此，雷射 介質121是雙折射材料(優選為，由光學單軸性晶體構成的材料)，其c軸(晶軸)配置成 圖中的厚度方向，a軸(晶軸)中的一個配置成與光軸R相同的方向，另一個配置在與光軸 R垂直的面內。該c軸與該材料內的光波速度(折射率)只有一個的方向即光學軸(optic axis) —致。 由於雷射的振蕩方向為光軸R的方向，在與光軸R垂直的面內存在雷射介質121 的a軸和c軸，所以在雷射介質121中沿光軸R方向行進的雷射分成振動面存在於由c軸 和光軸R形成的平面內的TM(橫磁)偏振光(也稱為異常光)、以及振動面存在於與由c軸 和光軸R形成的平面垂直且包含光軸R的平面內的TE(橫電)偏振光(也稱為通常光)而行進。在雙折射材料的情況下，雷射介質121的針對TM偏振光的折射率ne與雷射介質121的針對TE偏振光的折射率no不同，所以通過使用具有存在於ne與no之間範圍的折射率nc的材料作為包層122，可以使從固體雷射元件12輸出的雷射為線偏振光。
在此，設固體雷射元件12由以下部分構成吸收來自半導體雷射器11的808nm的激勵光並輸出914nm的雷射的由Nd: YV04 (波長914nm時的折射率為ne 2. 17， no 1. 96)構成的雷射介質121 ;以及在與該雷射介質121的上下兩面的某一面上接合的由1^205 (波長914nm時的折射率為nc 2. 08)構成的包層122。 根據這樣的結構，由於在雷射介質121中產生的表現出比包層122的折射率nc小的折射率no的TE偏振光在雷射介質121與包層122的界面處不滿足全反射條件，所以成為光漏出到包層122的放射模式，產生大的損失。但是，在雷射介質121中表現出比包層122的折射率大的折射率ne的TM偏振光在雷射介質121與包層122的界面處滿足全反射條件，封閉在雷射介質121內，在光波導內沿光軸R方向傳輸。其結果，從固體雷射元件12輸出的光成為TM模式的線偏振光(基波)。S卩，從固體雷射元件12輸出在厚度方向(c軸方向)上振動的基波。 波長變換-濾波元件13，具有平板狀，與光軸R垂直的端面133a、133b的形狀為例如矩形形狀，從固體雷射元件12輸出的基波的一部分被波長變換成1/2波長的二次諧波，並且還具有對在波長變換-濾波元件13內往返併入射到固體雷射元件12的剩餘基波進行濾波的雙折射濾波器的功能。作為這樣的波長變換-濾波元件13，可以使用MgO:PPLN(Periodically Poled Lithium Niobat，周期性極化的鈮酸鋰)、PPLT (Periodically Poled Lithium Tantalate，周期性極化的鉭酸鋰)等的具有周期性極化反轉結構的非線性光學材料。另外，該波長變換-濾波元件13也具有光波導結構，可以在非線性光學材料131的上下兩面或其中某一面上接合折射率比非線性光學材料131小的包層132，也可以是把空氣作為包層的結構。 在此，作為非線性光學材料131使用六方晶系的Mg0:PPLN，作為包層132在一個面上使用折射率比PPLN的對TM偏振光和TE偏振光的折射率低的Ta205，而在另一個面上同樣使用Si02。由此，入射到波長變換-濾波元件13的非線性光學材料131中的TM偏振光和TE偏振光滿足全反射條件，所以以波導模式在波長變換_濾波元件13內傳輸。
另外，為了與雷射介質121的c軸相區別，下面把構成波長變換-濾波元件13的非線性光學材料(Mg0:PPLN)131的c軸(是晶軸，也是光學軸)表示為z軸。而且，把與光軸R平行的方向的a軸(晶軸)表示為x軸，把與這些z軸和x軸垂直的方向表示為y軸。
在該實施方式1中，其特徵在於，為了使波長變換-濾波元件13不僅具有波長變換的功能而且具有作為雙折射濾波器的功能，把非線性光學材料131的z軸(晶軸，光學軸)配置成，在與光軸R垂直的平面內相對於雷射介質121的c軸傾斜角度9 。另外，波長變換_濾波元件13，在z軸相對於雷射介質121的c軸傾斜的狀態下，被切斷成其外形為平板狀(長方體狀)。即，波長變換-濾波元件13的與光軸R垂直的方向的邊，與雷射介質121的與光軸R不平行的a軸和c軸平行，這些邊的方向與非線性光學材料131的y軸和z軸的方向不一致。 在以上的構成中，在固體雷射元件12的半導體雷射器11側的端面123a上形成透過激勵光、使基波雷射全反射的光學膜，在固體雷射元件12的波長變換-濾波元件13側的端面123b上形成使基波雷射透過的防反射膜。另外，在波長變換-濾波元件13的固體雷射元件12側的端面133a上形成透過基波雷射，反射二次諧波雷射的光學膜，在波長變換-濾波元件13的二次諧波出射側的端面133b上形成使基波雷射全反射、透過二次諧波雷射的光學膜。這些全反射膜和光學膜通過層疊例如電介體薄膜而構成。 通過如上所述，使波長變換_濾波元件13的非線性光學材料131的z軸在與光軸R垂直的平面內相對於雷射介質121的c軸傾斜角度9 ，非線性光學材料131，不僅具有作為波長變換_濾波元件13的功能而且還具有作為雙折射濾波器的功能。
下面，以非線性光學材料131的雙折射濾波器的功能為中心說明該波長變換雷射裝置的動作。首先，從半導體雷射器11的端面111輸出波長808nm的激勵光，入射到固體雷射元件12的雷射介質121的端面123a。利用該激勵光，在雷射介質121中形成反轉分布狀態，進入在光軸R方向上發射的自然發射光共振的模式，該光因感應發射而被放大。該光在雷射介質121的端面123a與波長變換-濾波元件13的端面133b之間(光諧振器)往返，但如果在該光諧振器中繞一周時放大得到的增益與在光諧振器中繞一周時造成的損失平衡，則雷射振蕩出波長914nm的雷射。 另外，雷射振蕩出的雷射中的TE偏振光，如上所述，由於在固體雷射元件12中不滿足全反射條件，所以作為放射模式而損失，從雷射介質121的端面只輸出TM偏振光。艮卩，從雷射介質121輸出的雷射是在c軸方向上線偏振的TM偏振光。 從雷射介質121輸出的雷射是c軸方向的線偏振光，向MgO:PPLN 131入射。此時，MgO:PPLN 131的z軸在與光軸R垂直的面內相對於雷射介質121即Nd:YV04的c軸傾斜角度e ，所以線偏振光分離成在z軸方向上振動的TM偏振光(異常光)和在y軸方向上振動的TE偏振光(通常光)，一邊表現出不同的折射率，一邊在MgO:PPLN 131中傳輸。MgO:PPLN 131，由於是波長變換_濾波元件13，所以把基波的一部分變換成基波的一半波長457nm的二次諧波，從端面133b輸出。另外，未變換成二次諧波的基波被端面133b全反射，沿同一路徑返回。 在MgO:PPLN 131內往返、從MgO:PPLN 131的端面133a通過而返回Nd:YV04121的基波的雷射，只有c軸方向的分量被選擇而向Nd:YV04121入射，a軸方向的分量成為損失。例如，在MgO:PPLN131內，沒有雷射損失，分別在z軸方向和y軸方向上振動並傳輸的雷射的相位差為0時，從MgO:PPLN 131的端面133a射出的光被合成，恢復成原來的線偏振光。另一方面，在MgO:PPLN 131內往返的過程中產生了相位差時或在傳輸時產生了在各軸方向不同的損失時，從MgO:PPLN 131的端面133a射出的光成為圓偏振光或橢圓偏振光。此時，在Nd:YV04121中選擇基波的偏振光(c軸方向的偏振光)，沿a軸方向入射的分量成為損失。 具體地，由於MgO:PPLN 131是高次的相位片，所以在MgO:PPLN 131內往返的、分別在z軸方向和y軸方向上振動並傳輸的雷射的相位差因波長不同而不同。此時，如果由雷射介質121輸出的基波的波長為A ，針對分別在z軸方向和y軸方向上振動並傳輸的雷射的折射率差為An，MgO:PPLN 131的光軸R方向的晶體長度為L，則損失最少的波長的間隔△ A用下式(1)表示
A入=入2/2 AnL... (1) 例如，在晶體長度L = 4. Omm的MgO:PPLN 131中，如果基波的雷射的波長入=
7914nm，則由於MgO:PPLN 131的An = ne-no =-0. 083452，所以由(1)式可知A入=1. 25nm。 S卩，每1. 25nm會周期性地出現損失最少的波長。 圖2是示出具有c軸方向的線偏振光的雷射在非線性光學材料內往返時電場強度與軸方位的關係的圖。在此，示出從Nd:YV0J21輸出的在c軸方向上線偏振的雷射的電場E。，在入射到MgO:PPLN 131、往返一次從端面輸出時的(單次通過(single pass)的)電場強度與軸方位的關係。另夕卜，圖中a軸和c軸表示雷射介質(Nd:YV04) 121的晶軸的方位，z軸和y軸表示非線性光學材料131的晶軸(c軸)和與光軸R垂直的平面內的與c軸垂直的軸的方位。 由於向MgO:PPLN 131入射的在c軸方向上偏振的電場的強度為E。，所以如果Nd:YV04的c軸與MgO:PPLN 131的z軸構成的角度(以下稱為設置角度)為9 ，則剛剛入射到MgO:PPLN 131後的y軸方向和z軸方向的電場分量Ey、Ez分別用下式(2) 、 (3)表示
Ey = E。cos 9…(2)
Ez = E。sin 9…(3) 另外，如果雷射的y軸方向和z軸方向的單次通過的強度透射率分別為ny、 nz，在入射到MgO:PPLN 131後往返一次射出時的y軸方向和z軸方向的電場分量Ey' 、 Ez'，根據式(2)、式(3)，分別用下式(4)、 (5)表示:
Ey， = nyE0cos e…(4)
Ez， = nzE0sin e ... (5) 關於考慮了損失、折射率的波長依賴性的詳細的偏振特性，必須進行如後所述使用Jones矩陣的計算，但損失成為最小(即相位差為0)或最大(即相位差為)的條件下的電場強度，可以與晶體的特性無關地唯一地表示。從Nd:YV0J21傳輸到Mg0:PPLN 131並再次入射到Nd:YV0J21的雷射損失最小(相位差為0)時的電場分量(E。' 、Ea')和損失最大(相位差為"時的電場分量(E。' 、V )，根據式(4)、式(5)，分別用下式(6)、 (7)
表示數1
可以看出，不管是式(6)的相位差為0的情況還是式(7)的相位差為Ji的情況，
y軸方向和z軸方向的強度透射率ny、、的差越大且設置角度e越接近45度，損失即沿
Nd:YV04121的a軸入射的分量E,'越增加。圖3_1 圖3_2是通過Mg0:PPLN後的雷射的c軸方向的偏振度對MgO:PPLN設置角度e的依賴性的圖。在此，以雷射的z軸方向和y軸方向的單次通過的強度透射率為nz = 0. 9(即假定z軸方向的單次通過的波長變換率為10%)、 ny二1.0進行了計算。另外，c軸方向的偏振度是根據相對於c軸方向和a軸方向的偏振強度之和的c軸方向的偏振強度定義的。在此，各軸方向的偏振強度與該軸方向
…(7)的電場強度的平方成比例。 象這些圖示出的那樣，不管是相位差為O的情況還是相位差為的情況都是，MgO:PPLN 131的設置角度e為45度附近時c軸方向的偏振度最小。象圖3_1示出的那樣，MgO:PPLN 131的設置角度為10度時c軸方向的偏振度為0. 99964，MgO:PPLN 121的設置角度為45度時c軸方向的偏振度為0.99724。另外，象圖3_2示出的那樣，相位差為時，設置角度9為45度時c軸方向的偏振度大致為0。 下面，用Jones矩陣求雷射通過多個材料中時產生損失時的雷射的偏振度對波長的依賴性。如果角度9的旋轉矩陣為R( e )，Mg0:PPLN131的y軸方向的雷射與z軸方向的雷射的相位差為a ( = 2 Ji AnL/A )，則MgO:PPLN 131的z軸傾斜了角度9時的Jones矩陣J用下式(8)表示
數3
0
y乂、
0
、f
A
0
y乂、
0
■e
0
-la/2
R(-e)
(8) 用該式(8)的Jones矩陣J，象下式(9)示出的那樣，求出在非線性光學材料(MgO:PPLN)131內往返後入射到Nd:YV04121時的電場分量(EJ 、Ea')。
數4fE。(%、
ss J
、E"
■(9) 圖4-l 4-4是示出通過MgO:PPLN後的雷射的a軸方向和c軸方向的偏振強度以及c軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖。在此，以雷射的z軸方向和y軸方向的單次通過的強度透射率為、=0.9(即假定2軸方向的單次通過的波長變換率為10%)、 ny=1.0， Ez = 1， Ex = O，用式(9)進行了計算。圖4-l是MgO:PPLN 131的設置角度為6度時的圖，圖4-2是MgO:PPLN 131的設置角度為16度時的圖，圖4_3是MgO:PPLN 131的設置角度為26度時的圖，圖4-4是MgO:PPLN 131的設置角度為45度時的圖。
象這些圖的c軸方向偏振度示出的那樣，MgO:PPLN 131的設置角度9越大，由式(1)求出的損失最小的波長與波長之間的劃分越急劇。這是因為，如果設置角度e增大，則在由式(1)求出的損失最小的波長與波長之間的範圍內a軸方向的偏振強度增大，而該部分成為向固體雷射元件12入射時的損失。 在此，設置角度為6度、16度、26度、45度時，c軸方向的最大偏振度分別為0. 9999、0. 9991、0. 9982、0. 9972。另外，向Nd:YV04121入射的雷射的c軸方向偏振度為90% (偏振損失為10%)時的波長寬度，在設置角度為16度、26度、45度時，分別為0. 5nm、0. 3nm、0. 2nm。 圖5-1 圖5-2是示意性地示出針對基波波長的增益形狀與雷射介質增益頻帶之間的關係的圖。通過了雙折射濾波器的基波wl具有圖5-1所示那樣的增益形狀時，例如，在與雷射介質121的增益頻帶G的峰重疊的基波wl的波長位置(以下稱為峰重疊位置)入i處雷射振蕩時，由於在波長變換_濾波元件13中產生二次諧波，該峰重疊位置A工處的損失增加。此時，由於在峰重疊位置、外側的區域I^中也是，基波wl的增益大於雙折射
9濾波器處產生的損失，所以會進行雷射振蕩，產生波長變換頻帶T外的雷射振蕩。由於在該 波長變換頻帶T外進行雷射振蕩的雷射不被波長變換，所以波長變換-濾波元件13的波長 變換效率降低。 與此相對，通過了雙折射濾波器的基波w2具有圖5-2所示那樣的增益形狀時，在 峰重疊位置A工外的附近的區域R2中，基波w2的增益小於雙折射濾波器處產生的損失，基 波w2的振蕩波長寬度變窄(縮窄頻帶)。因此，即使在峰重疊位置、處雷射振蕩，因波長 變換_濾波元件13中的波長變換產生二次諧波，峰重疊位置A工處的損失增加，以在峰重 疊位置A工附近的基波w2的增益小於雷射介質增益頻帶G的區域R2的波長，不會發生雷射 振蕩。 SP，希望這樣求出MgO:PPLN 131的設置角度9 ，即，使得基波w2的增益形狀成為， 在雷射介質121的增益頻帶G與波長變換頻帶T重疊的區域及其附近的區域中發生雷射振 蕩，在該區域以外的波長處不發生雷射振蕩。更具體地，希望成為在波長變換頻帶T與激 光介質增益頻帶G的交點附近，基波w2的增益與雷射介質增益頻帶G相交的設置角度e 中的儘可能小的設置角度9時的基波w2的形狀。另外，由於成為這樣的基波的增益形狀 的設置角度e ，因使用的波長變換-濾波元件13的材質、長度不同而不同，所以必須對各使
用的波長變換-濾波元件i3預先求出認為最適合的設置角度e 。象以上那樣，可以縮窄向
固體雷射元件12入射的雷射(基波)的頻帶。 另外，在圖4-1 圖4-4中，損失最小的峰位置為914. 5nm，從波長變換頻帶寬度的 中心即914nm偏離。這是因為，把波長變換_濾波元件13的非線性光學材料131的光軸R 方向的長度作為4. Omm來進行了計算。在使基波的振蕩波長為914nm時，改變非線性光學材 料131的光軸R方向的長度即可。另外，在如上所述構成非線性光學材料131的光軸R方 向的長度為4. 0mm的波長變換雷射裝置10時，由於通過了 MgO:PPLN 131的基波的峰位置、 非線性光學材料131的波長變換頻帶的位置隨溫度變化而變化，所以可以通過調整溫度使 兩者的峰位置一致。 例如，雖然圖中未示出，圖1所示的波長變換雷射裝置10構成為還包括保持在散 熱器上並檢測在散熱器上安裝的熱敏電阻、熱電偶等的溫度的溫度檢測單元；把波長變換 雷射裝置IO加熱或冷卻到預定溫度的珀耳帖(Peltier)元件、加熱器等的加熱冷卻單元； 以及控制加熱冷卻單元以使得由溫度檢測單元檢測到的散熱器(波長變換雷射裝置)的溫 度成為預定溫度的溫度控制單元。 圖6是示意性地示出非線性光學材料中的波長變換頻帶與基波的溫度導致的偏 移的樣子的圖。在此，以光軸R方向的長度為4.0mm、用MgO:PPLN 131作為非線性光學材 料131時為例。如果溫度上升，則波長變換頻帶T(波長變換頻帶寬度W2)以+0.07nm廣C的 比例變化。另一方面，在MgO:PPLN 131中往返(從雙折射濾波器輸出)的基波w3的峰位 置以-0.32nm廣C的比例變化。象用式(1)計算的那樣，由於損失最低的波長間隔A A為 1. 25nm，所以每隔1. 25/(0. 32-0. 07) = 5。C波長變換頻帶T的峰與從雙折射濾波器輸出的 基波w3的增益的峰值波長一致。另夕卜，因5t:的溫度變化造成的MgO:PPLN 131的波長變換 頻帶T的偏移為0. 35nm( = 0. 07nm/。C X5。C )，比雷射介質121的增益頻帶G的振蕩波長 頻帶寬度W1 二約2nm小。因此，可以通過調整溫度，在振蕩波長頻帶寬度W1內，使從雙摺 射濾波器輸出的基波w3的損失最小的峰值波長與波長變換頻帶T的峰一致。另外，基於由
10溫度檢測單元檢測到的溫度，溫度控制單元對加熱冷卻單元的加熱處理或冷卻處理進行控 制以使得雷射輸出中成為預定溫度。 根據該實施方式1，由於用作波長變換元件的非線性光學材料131由光學單軸性 晶體構成，使其光學軸在與光軸R垂直的面內相對於雷射介質121的晶軸以預定的角度傾 斜，所以非線性光學材料131還用作雙折射濾波器，可以限制通過非線性光學材料131入射 到固體雷射元件12的基波的振蕩波長頻帶。其結果，具有可以提高波長變換-濾波元件13 的波長變換效率的效果。另外，還具有無須增加部件個數就可以限制雷射的振蕩波長頻帶 的效果。(實施方式2) 圖7是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式2的構成的立 體圖。該波長變換雷射裝置IOA具有這樣的構成，S卩，在實施方式1的構成中，取代波長變 換_濾波元件13而具有波長變換元件13A，該波長變換元件13A具有將z軸(晶軸，光學 軸)配置成相對於固體雷射元件12的c軸(偏振方向)不傾斜的非線性光學材料131A，且 在固體雷射元件12與波長變換元件13A之間插入了用作雙折射濾波器的半波片14。此時， 與實施方式1同樣地，為了限制入射到固體雷射元件12的基波的波長頻帶，使半波片14的 光學軸P相對於固體雷射元件12的偏振方向(雷射介質121的晶軸c)在與光軸R垂直的 面內以預定的角度傾斜即可。但是，為了獲得與實施方式l的情況下把MgO:PPLN 131傾斜 設置角度9時同樣的效果，使半波片14傾斜e/2即可。另外，在圖7中，對與實施方式1 相同的構成要素賦予相同的附圖標記，其說明省略。另外，該實施方式2中的波長變換雷射 裝置10A的動作與實施方式1相同，所以其說明省略。 根據該實施方式2，由於半波片14的光學軸p相對於雷射介質121的晶軸c在與 光軸R垂直的面內以預定的角度傾斜，所以可以限制入射到固體雷射元件12的雷射的基波 的波長頻帶。其結果，具有可以提高波長變換元件13A的波長變換效率的效果。另外，雖然 增加了部件個數，但半波片14的光軸方向的尺寸小到幾十ym，與追加mm級別的部件時相 比，可以抑制因追加部件造成的波長變換雷射裝置10的尺寸的增加。
(實施方式3) 圖8是示意性地示出根據本發明的波長變換雷射裝置的實施方式3的構成的立體 圖。該波長變換雷射裝置10B具有這樣的結構，即，在實施方式1的構成中，在波長變換_濾 波元件13的二次諧波輸出側還設置了 1/4波片15。該1/4波片15配置成其光學軸r與固 體雷射元件12的c軸(偏振方向)為同一方向。但是，波長變換_濾波元件13的二次諧 波側的端面133b被處理成基波和二次諧波都透過，在1/4波片15的端面151上形成把基 波全反射、透過二次諧波的光學膜。另外，對與實施方式1相同的構成要素賦予相同的附圖 標記，其說明省略。 圖9是示出通過MgO:PPLN和1/4波片後的雷射的a軸方向的偏振強度以及c軸 方向的偏振度對波長的依賴性的圖。在此，與圖4-1 圖4-4時同樣地，以雷射的z軸方向 和y軸方向的單次通過中的強度透射率為nz = 0. 9(即，假定z軸方向的單次通過的波長 變換率為10%)、 ny = 1.0，Mg0:PPLN 131的設置角度e =16度，進行了計算。另外，作 為其比較對象，不設置1/4波片15時的示出通過MgO:PPLN 131後的雷射的a軸方向和c 軸方向的偏振強度以及c軸方向的偏振度對波長的依賴性的圖，示於圖4-2。
象該圖9示出的那樣，設置1/4波片15時，與圖4-2的不設置1/4波片15時相比， 針對從雙折射濾波器(波長變換-濾波元件13)輸出的基波波長的增益形狀的峰的間隔成 倍，且峰被平滑化。因此，通過設置1/4波片15，可以在波長變換頻帶內使基波的振蕩頻帶 擴寬。 根據該實施方式3，由于波長變換_濾波元件13的z軸(光學軸)相對於雷射介 質121的c軸在與光軸R垂直的面內傾斜地配置，且在波長變換_濾波元件13的二次諧波 輸出側設置了 1/4波片15，所以具有可以使從波長變換-濾波元件13輸出的基波的峰平 滑化，可以在波長變換頻帶內使基波的波長頻帶擴寬的效果。其結果，可以高效率地進行波 長變換。另外，在實施方式2的圖7中，在波長變換元件13A的二次諧波輸出側同樣地設置 1/4波片也可以獲得同樣的效果。 另外，在實施方式2、3中，與實施方式1同樣地，也可以通過控制波長變換雷射裝 置的溫度，在振蕩波長頻帶寬度內，使由雙折射濾波器輸出的基波的損失最小的峰值波長 與波長變換頻帶的峰一致。 而且，在上述的說明中，以固體雷射元件12的雷射介質121的光學軸(c軸)設在 平板狀的雷射介質121的厚度方向上的情況為例進行了說明，但只要a軸與光軸R平行地 配置，雷射介質121的光學軸(c軸)存在於與光軸R垂直的面內，雷射介質121的光學軸 (c軸)在哪個方向上設置都可以。另外，此時也是，象上述那樣使波長變換-濾波元件13 或波長變換元件13A的非線性光學材料131的光學軸(c軸)或半波片的光學軸p，相對於 雷射介質121的光學軸(c軸)以預定的角度傾斜配置即可。
產生上的可利用性 如上所述，在把預定波長的雷射高效率地變換成二次諧波時，根據本發明的波長 變換雷射裝置是有用的。
1權利要求
一種波長變換雷射裝置，包括具有包含雷射介質的波導結構的固體雷射元件，該雷射介質賦予因吸收激勵光而產生的增益，從而放大雷射，並輸出基波；以及具有包含非線性光學材料的波導結構的波長變換元件，該非線性光學材料把從上述固體雷射元件輸出的基波的一部分變換成二次諧波，用包含上述固體雷射元件和上述波長變換元件的光諧振器結構使基波共振，並且從上述波長變換元件輸出二次諧波，該波長變換雷射裝置的特徵在於上述固體雷射元件輸出線偏振光的基波，且包括濾波單元，該濾波單元使在上述波長變換元件內通過併入射到上述固體雷射元件的基波的偏振狀態與從上述固體雷射元件輸出的線偏振光不同。
2. 如權利要求1所述的波長變換雷射裝置，其特徵在於上述濾波單元是具有由雙折射材料構成的上述非線性光學材料的上述波長變換元件， 該雙折射材料的光學軸在與上述雷射的光軸垂直的面內相對於上述雷射介質的光學軸以 預定的角度傾斜配置。
3. 如權利要求2所述的波長變換雷射裝置，其特徵在於在上述波長變換元件的二次諧波輸出側還包括1/4波片，該1/4波片的光學軸配置在 與上述雷射介質的光學軸相同的方向上。
4. 如權利要求1所述的波長變換雷射裝置，其特徵在於上述波長變換元件的上述非線性光學材料由雙折射材料構成，該雙折射材料的光學軸 配置在與上述雷射介質的光學軸相同的方向上；上述濾波單元是在上述固體雷射元件與上述波長變換元件之間配置的半波片，該半波 片的光學軸在與上述雷射的光軸垂直的面內相對於上述雷射介質的光學軸以預定的角度 傾斜配置。
5. 如權利要求4所述的波長變換雷射裝置，其特徵在於在上述波長變換元件的二次諧波輸出側還包括1/4波片，該1/4波片的光學軸配置在 與上述雷射介質的光學軸相同的方向上。
全文摘要
提供一種波長變換雷射裝置(10)，包括具有包含雷射介質(121)的波導結構的固體雷射元件(12)，該雷射介質賦予因吸收激勵光而產生的增益，放大雷射，輸出基波；以及具有包含非線性光學材料(131)的波導結構的波長變換元件(13)，該非線性光學材料把從固體雷射元件(12)輸出的基波的一部分變換成二次諧波，用包含固體雷射元件(12)和波長變換元件(13)的光諧振器結構使基波共振，並且從波長變換元件(13)輸出二次諧波，固體雷射元件(12)輸出線偏振光的基波，且使在波長變換元件(13)內通過併入射到固體雷射元件(12)的基波的偏振狀態與從固體雷射元件(12)輸出的線偏振光不同，由此增益頻帶的峰值波長下的波長變換元件的波長變換效率不會降低。
文檔編號H01S3/10GK101765950SQ20078010007
公開日2010年6月30日 申請日期2007年7月30日 優先權日2007年7月30日
發明者小矢田康晴, 山本修平, 平野嘉仁, 柳澤隆行 申請人:三菱電機株式會社