JP4573665B2

JP4573665B2 - 可視光レーザ装置

Info

Publication number: JP4573665B2
Application number: JP2005039724A
Authority: JP
Inventors: 好毅西田; 雅生遊部; 修忠永; 博之鈴木; 克明曲; 勉柳川; 薫吉野; 弘宮澤
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: JP2006227216A

Description

本発明は、波長変換素子を用いた可視レーザ装置に関し、特に、４８８ｎｍと５６０ｎｍの２つの波長を発生させることが可能である可視光レーザ装置に関する。

従来、共焦点レーザビームにより試料を走査し、光学的断層像を得るレーザ顕微鏡が知られている。レーザ顕微鏡は、蛍光標識された物質の組織や細胞内分布の解析に用いられている。また、一列に並んだ細胞の流れにレーザビームを照射し、蛍光強度に応じて細胞を分析、分取するフローサイトメータが知られている。フローサイトメータとは、細胞の性質、例えば大きさやＤＮＡ含有量等を、光学的パラメータとして定性的に識別するフローサイトメトリ法を用いた測定装置である。

近年、蛍光標識として人工の蛍光色素が用いられているが、蛍光色素は細胞にとって異物であるため、細胞の性質に影響を与えたり、細胞が死滅したりするなどの問題があった。そこで、クラゲなどから抽出した緑色蛍光タンパクにより、蛍光標識を行う方法が用いられている。また、緑色蛍光タンパクの突然変異や遺伝子操作によって、黄色、赤色の発光を示す蛍光タンパクも得られ、多色の蛍光を用いたより詳細な測定、分析が行われている。（例えば非特許文献１）

これらの蛍光タンパクは、可視域のそれぞれ異なる吸収波長域を有するが、効率の良い励起、ならびに蛍光の分離のためには、それぞれ異なる波長の可視光レーザを用いることが望ましい。そのため、従来市販されているレーザ蛍光顕微鏡、フローサイトメータなどの分析装置には、レーザ光源としてアルゴンレーザ（発振波長４８８ｎｍ）のほか、アルゴンクリプトンレーザ（５６８ｎｍ）、ヘリウムネオンレーザ（６３８ｎｍ）などの複数の可視光ガスレーザが搭載されている。（例えば非特許文献２および３）

Teresa S. Hawley他、「レトロウイルスを用いて発現させた蛍光タンパク質４種（赤色、黄色、緑色およびシアン色）のフローサイトメトリー検出」、クローンテクニーク２００１年７月号、ｐｐ．１９−２０カールツァイス株式会社、「共焦点レーザスキャン顕微鏡ＬＳＭ５１０」、テクニカルデータ、［Ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１７年１月１７日検索］、インターネット＜URL: http://www.zeiss.co.jp/＞オリンパス株式会社、「共焦点レーザ走査型顕微鏡ＦＶ１０００」、仕様、［Ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１７年１月１７日検索］、インターネット＜URL: http://www.olympus.co.jp/＞

しかしながら、前述した従来のガスレーザは、装置が大型で、消費電力も大きいという問題があった。また、多色に対応した蛍光顕微鏡は、複数の可視光レーザ光源を必要とする。そのため、可視光レーザの小型化および低消費電力化が望まれている。また、ガスレーザはガスセル交換などの保守作業を定期的に必要とするため、装置の維持管理費が高くなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来のガスレーザに比べて、小型化および低消費電力化が可能な可視光レーザ装置を提供することにある。

また、請求項１に記載の発明は、可視光レーザ装置であって、第１の励起光を出力する第１のレーザダイオードと、第２の励起光を出力する第２のレーザダイオードと、前記第１の励起光から第１の可視光を生成する第１の波長変換素子と、前記第１および第２の励起光から第２の可視光を生成する第２の波長変換素子と、前記第１のレーザダイオードからの第１の励起光を前記第１および第２の波長変換素子に分波する分波器と、前記分波器からの第１の励起光と前記第２のレーザダイオードからの第２の励起光とを合波する合波器とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の可視光レーザにおいて、前記第１の励起光の波長は、０．９８μｍ帯であり、前記第２の励起光の波長は、１．３μｍ帯であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の可視光レーザ装置において、前記第１の可視光の波長は、略４８８ｎｍであり、前記第２の可視光の波長は、略５６０ｎｍであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の可視光レーザ装置において、前記波長変換素子は、非線形光学効果を有する光導波路を備えたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の可視光レーザ装置において、前記光導波路は、周期反転分極構造を有することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の可視光レーザ装置において、前記光導波路は、リッジ型であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の可視光レーザ装置において、前記光導波路は、基板上に直接接合により形成されたＬｉＮｂＯ_２またはＬｉＴａＯ_３からなることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の可視光レーザ装置において、前記光導波路は、ＭｇまたはＺｎの群から選ばれた少なくとも１種類の添加物をさらに含有していることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、前記第１および第２の波長変換素子は、同じ基板に形成されたことを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、前記分波器および合波器は、同じ基板に形成されたことを特徴とする。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る波長変換の原理を説明する図である。図１に示すように、励起光Ａと励起光Ｂは、合波器１８によって合波され、波長変換素子の非線形光導波路１２に入射される。波長変換素子は、クラッドを形成する基板１１と、反転分極構造を有する非線形光導波路１２とから構成されている。非線形光導波路１２に入射された励起光ＡおよびＢは、非線形光学効果により導波路１２において異なる波長の生成光Ｃを生成する。生成光Ｃは、励起光ＡおよびＢの和周波または差周波として生成される。あるいは、生成光Ｃは、励起光ＡまたはＢの第２高調波として生成される。この生成光Ｃは、励起光ＡおよびＢと共に波長変換素子の光導波路１２から出射される。この出射された光は、分波器１９によって、励起光と生成光に分離される。このようにして、励起光ＡおよびＢから波長の異なる生成光Ｃを得ることができる。

このような波長変換の原理を利用して、０．９８μｍ帯のレーザダイオード（ＬＤ）と１．３μｍ帯の分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）を励起光源として使用し、レーザ顕微鏡に使用されている４８８ｎｍおよび５６０ｎｍの生成光を出力する可視光レーザ装置を実現することができる。具体的には、０．９８μｍ帯のＬＤから発振波長９７６ｎｍの励起光を出力し、擬似位相整合型の波長変換素子を用いて、励起光の第二高調波を生成し、４８８ｎｍの生成光を得る。また、０．９８μｍ帯のＬＤから発振波長９７６ｎｍの励起光と、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤから発振波長１３１０ｎｍの励起光とを合波し、擬似位相整合型の波長変換素子により、２つの励起光の和周波を生成し、５６０ｎｍの生成光を得る。ここで、レーザ装置の小型化のために、０．９８μｍ帯のＬＤは、その出力を２分岐して、各波長変換素子に供給することにより、共用化することができる。

１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤの発振波長は、周囲温度２５℃、駆動電流３００ｍＡの条件で、１３１０ｎｍ近傍であることが望ましい。しかし、周囲温度または駆動電流を調整することにより発振波長を制御することができるので、その許容範囲は、１３０５〜１３１２ｎｍとすることができる。０．９８μｍ帯のＬＤの発振波長は、従来用いられてきたアルゴンレーザの発振波長４８８ｎｍの倍の９７６ｎｍの波長に近接している必要がある。具体的には、０．９８μｍ帯のＬＤの発振波長を９７６ｎｍ±１ｎｍの範囲に安定化することが望ましい。

ここで、９７６ｎｍの励起光を２分岐する手段としては、ファイバ型の３ｄＢカプラや、偏波分離器（ＰＢＳ）、自己保持型光ファイバスイッチ、ＭＥＭＳスイッチ等を使用することができる。また、９７６ｎｍの励起光と１３１０ｎｍの励起光を合波する手段としては、ファイバ型のＷＤＭカプラや、誘電体多層膜を実装したような波長合波器を用いることもできる。さらに、９７６ｎｍの励起光を２分岐する３ｄＢカプラやＰＢＳ、または熱光学スイッチと、９７６ｎｍと１３１０ｎｍの励起光を合波するＷＤＭカプラを同一基板に集積した平面型光波（ＰＬＣ）を用いても良い。

次に、本発明に係る可視光レーザ装置に使用可能な波長変換素子の作製方法の一例について説明する。ここでは、直接接合法を用いた波長変換素子の作製方法について説明する。

先ず、第１の基板として予め周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎドープＬｉＮｂＯ_３基板と、第２の基板としてＺカットＭｇドープＬｉＮｂＯ_３基板を用意する。基板はいずれも、両面が光学研磨された３インチウエハであり、基板の厚さは５００μｍである。第１および第２の基板表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、２つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板を電気炉に入れ、５００℃で３時間熱処理することにより直接接合を行う。接合された基板はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどが発生しないことを確認する。

次に、グラインダーなどの研削装置および研磨装置を用いて、接合された第１の基板の厚さが８μｍになるまで薄膜化する。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る。次に、研磨した薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工によって導波路幅１０ミクロンのリッジ導波路を作製する。

図２に作製した波長変換素子の横断面の概略図を示す。図２に示すように、波長変換素子２０は、ＺｎドープＬｉＮｂＯ_３からなる第１の基板から削り出されたリッジ光導波路２２と、光導波路のクラッドを形成するＭｇドープＬｉＮｂＯ_３からなる第２の基板２１と、ダイシングソーによって加工された溝２３とから構成されている。

形成された溝２３の深さは、２０μｍ程度である。このダイシング加工された溝の深さは、コアの膜厚（本例においては８μｍ）よりも深いことが望ましい。コアの膜厚よりも浅い場合には、導波路進行方向の溝加工深さのわずかな変動が導波路の等価屈折率変化を引き起こし、それによって発生する位相整合条件のずれによって変換効率が劣化する。好適な溝加工深さの例としては、コア膜厚の２倍程度から４０μｍ以下である。４０μｍを超えて深く加工することは、導波路基板自体の機械的強度が劣化するので好ましくない。

最終的に、作製されたリッジ導波路を基板から短冊状に切り出し、導波路端面を光学研磨することによって長さ１０ｍｍの波長変換素子を作製した。

上記の作製方法において、第２の基板にノンドープＬｉＴａＯ_３基板を用いても良い。また、ノンドープＬｉＮｂＯ_３基板を第１の基板とし、ノンドープＬｉＴａＯ_３基板を第２の基板として用いても良い。

基板の厚さとしては５００μｍの基板のほか、２００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さの基板を用いることができる。基板厚さが２００μｍ以下である場合は、基板自体の反りによって直接接合時に接合界面にボイドが発生する恐れがある。また、１ｍｍより厚い基板を用いることは可能であるが、基板自体の材料費が高くなり、製造原価を押し上げる原因となるので現実的ではない。

また、波長変換素子に使用する周期分極反転構造を有する光導波路は、導波路の横断面が図２に示すようにリッジ型であることが好ましい。非線形結晶、特にＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）結晶における光損傷は、光導波路中に入射した光電界によって結晶中の欠陥から電荷が誘起され、フォトリフラクティブ効果によって屈折率変化を引き起こす。この屈折率変化は、位相整合波長にずれを生じ、それによって波長変換効率が低下するため、波長変換素子として実用上問題がある。上記の直接接合法によって作製したリッジ導波路は、新たな結晶欠陥の発生が少ない方法である。したがって、波長変換素子として実用上の問題となる光損傷耐性に優れており、本発明の可視光レーザ装置の光導波路として好適である。

また、リッジ型の導波路は、従来のプロトン交換導波路などの拡散型の導波路に比べ、励起光と変換光の光電界の重なりを大きくすることができる。すなわち、拡散型の導波路は、その屈折率分布がコア部からクラッド（基板内部）にわたってなだらかに変化する構造になっている。そのため、波長の長い光（例えば１．３μｍ）の光電界の中心位置が、波長の短い光（例えば９７６ｎｍ、さらには５６０ｎｍ）の光電界の中心位置よりも基板の下方側にずれて位置する特徴がある。一方、リッジ導波路は導波路のコア部とクラッド部の屈折率分布がステップ状であり、各波長光の光電界の中心位置がずれにくい構造となっている。したがって、リッジ導波路は、波長変換効率に関係する励起光と生成光の光電界の重なり積分の値を大きくすることが可能となり、高効率の波長変換に適している。

また、光導波路のコアとクラッドとなる基板とは、直接接合されていることが望ましい。接着剤を介してコアと基板を接合することも可能であるが、直接接合法を用いて作製された波長変換素子の方が信頼性に優れている。これは、直接接合法で作製された素子は、５００℃のアニール処理によって接合界面のＯＨ基による結合が酸素結合に変化し、結合強度が向上するのに対し、接着剤を用いた接合は、２００℃以上の加熱に対して接着剤自体が変質してしまうためである。

以下、このような波長変換素子を使用して、可視光レーザ装置を構成する具体的な実施例について説明する。

（第１の実施例）
図３に、本発明の第１の実施例に係る可視光レーザ装置の模式図を示す。図３に示すように、可視光レーザ装置３０は、発振波長１３１０ｎｍの１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３と、発振波長９７６ｎｍの０．９８μｍ帯のＬＤ１４と、出力波長５６０ｎｍの波長変換素子３１ａと、出力波長４８８ｎｍの波長変換素子３１ｂとを備えている。

０．９８μｍ帯のＬＤ１４は、ファイバグレーティング（ＦＢＧ）１５と、アイソレータ１６とを介して、光分波器１７に光学的に結合され、この分波器により２つの経路に分岐される。この分波器の分岐経路の一方と、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３からの経路は、光合波器１８で結合される。

２つの波長変換素子３１ａおよび３１ｂは、それぞれ非線形光導波路３２ａおよび３２ｂを備え、キャリア３３ａおよび３３ｂの上に銀ペーストで貼り付けられる。非線形光導波路は、上記の作製方法による周期分極反転構造を有するリッジ型の光導波路とすることができる。また、光導波路の両端面は、反射防止のために斜めにカットされ、研磨後、無反射コーティングが施されている。

各キャリアの底部には、ペルチェ素子（図示せず）が備えられ、キャリアに実装されたサーミスタの抵抗値をモニタして、温度コントロール５から波長変換素子の温度を調節できるようになっている。本実施例では、それぞれの波長変換素子を、個別に温度調節することによって、所望の出力波長に合うように位相整合条件を調整することができる。しかし、温度調節のためのペルチェ素子およびその駆動ドライバをそれぞれ用意する必要がある。

０．９８μｍ帯のＬＤ１４からの励起光は、ＦＢＧ１５によって、発振波長９７６ｎｍに安定化される。これは、前述したように、発振波長を９７６ｎｍ±１ｎｍの範囲に安定化するためである。この発振波長９７６ｎｍに安定化された励起光は、反射戻り光防止のためのアイソレータ１６を経て、光分波器１７で２分岐される。

アイソレータ１６は、可視光レーザの出力を低雑音化し、安定化するために使用されているが、使用しなくてもよい。実際には、波長変換素子等からの大きな反射戻り光が存在すると、その戻り光のために０．９８μｍ帯のＬＤの利得が安定しないばかりでなく、反射戻り光とＦＢＧの反射光とのダブルキャビティ構造となり、発振波長が安定しない。アイソレータを使用しない場合は、波長変換素子端面での減衰量を４０ｄＢ以上にする必要がある。ちなみに、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３の経路にはアイソレータが図示されていないが、これは、ＤＦＢレーザのモジュールにアイソレータが内蔵されており、外付けのアイソレータを必要としないためである。

光分波器１７で２分岐された９７６ｎｍの励起光の一方は、合波器１８に入力され、励起光の他方は、出力波長４８８ｎｍの波長変換素子３１ｂに出力される。波長変換素子３１ｂに出力された励起光は、２つのレンズ３を介して、非線形光導波路３２ｂに入射され、９７６ｎｍの励起光から第二高調波である４８８ｎｍの生成光が生成される。生成された４８８ｎｍの生成光は、レンズ３により平行ビームにコリメートされ、レーザ装置３０から出力される。

一方、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３からの発振波長１３１０ｎｍの励起光は、光合波器１８において、光分波器１７により２分岐された９７６ｎｍの励起光の一方と合波され、波長変換素子３１ａに出力される。合波された励起光は、２つのレンズ３を介して、非線形光導波路３２ａに入射され、１３１０ｎｍおよび９７６ｎｍの励起光から和周波の５６０ｎｍの生成光が生成される。５６０ｎｍの生成光は、レンズ３により平行ビームにコリメートされ、レーザ装置３０から出力される。

本実施例により作製した可視光レーザ装置では、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤの駆動電流を３００ｍＡ、０．９８μｍ帯のＬＤの駆動電流を７００ｍＡとし、５６０ｎｍのレーザ光として２０ｍＷ、４８８ｎｍのレーザ光として５ｍＷの連続波（ＣＷ）出力を得ることができた。このときのペルチェ素子の駆動電流を含めた可視光レーザ装置の消費電力は１５Ｗであった。複数のガスレーザ光源を有する従来の可視光レーザ装置では、およそ２００Ｗ程度の電力を必要とし、本発明による可視光レーザ装置により大幅な低消費電力化が可能になることが分かる。さらに、装置の大きさも従来の可視光レーザ装置に比べ、大幅に小型化することができる。

また、本実施例において光分波器１７のパワー分岐比を１：４とし、４８８ｎｍの波長変換素子に８割のパワーの光が入力されるようにした場合、５６０ｎｍのレーザ光として１０ｍＷ、４８８ｎｍのレーザ光として１０ｍＷの均等な出力を得ることができる。

本実施例では、光合波器１８として、通常のＷＤＭカプラのほか、誘電体多層膜が内部に実装されているようなＷＤＭカプラを用いることができる。また、光分波器１７として、ファイバ型の３ｄＢカプラだけでなく、偏波分離器を用いてもよい。偏波分離器を用いた場合は、２分岐された光出力の一方が波長変換に寄与しないＴＥ成分として出力されるので、光合波器１８または波長変換素子３１ｂに結合する際にファイバ１を９０度ねじって実装する必要がある。

さらに、光分波器１７として、自己保持型の光ファイバスイッチやＭＥＭＳスイッチを用いることもできる。このようなスイッチを用いた場合、９７６ｎｍの励起光の出力をパワー分岐するのではなく、それぞれの波長変換素子に切り換えて入力するので、５６０ｎｍと４８８ｎｍの可視レーザ光を同時に出力させることはできないが、前述のパワー分岐型の分波器を用いた場合よりもそれぞれの可視光レーザの出力は大きくなる。自己保持型の光ファイバスイッチを用いた場合、５６０ｎｍのレーザ光として４０ｍＷ、４８８ｎｍのレーザ光として２０ｍＷの出力を得ることができた。また、ＭＥＭＳスイッチを用いた場合も同様であった。

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例では、４８８ｎｍの非線形光導波路と５６０ｎｍの非線形光導波路を単一の基板上に作製した波長変換素子を使用する。図４に、本発明の第２の実施例に係る可視光レーザ装置の模式図を示す。

図４に示すように、可視光レーザ装置４０は、発振波長１３１０ｎｍの１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３と、発振波長９７６ｎｍの０．９８μｍ帯のＬＤ１４と、出力波長５６０ｎｍの非線形光導波路４２ａおよび出力波長４８８ｎｍの非線形光導波路４２ｂを有する波長変換素子４１とを備えている。本実施例において、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３、０．９８μｍ帯のＬＤ１４、ＦＢＧ１５、アイソレータ１６、光分波器１７および光合波器１８は、第１の実施例と同様とすることができるので説明を省略する。

波長変換素子４１は、２つの非線形光導波路４２ａおよび４２ｂを備え、キャリア４３の上に装着されている。この２つの非線形光導波路は、上記の作製方法による周期分極反転構造を有するリッジ型の光導波路とすることができ、単一の基板上に１２５μｍの間隔で作製されている。また、光導波路の両端面は、第１の実施例と同様に斜めにカットされ、研磨後、無反射コーティングが施されている。

キャリア４３の底部には、ペルチェ素子（図示せず）が備えられ、キャリアに実装されたサーミスタの抵抗値をモニタして、温度コントロール５から波長変換素子の温度を調節できるようになっている。本実施例では、単一の基板上に２つの光導波路を作製しているため、ペルチェ素子およびその駆動ドライバは１つで良いという利点がある。したがって、第１の実施例に比べ、さらなる小型化および低消費電力化が可能となる。しかし、単一基板上の２つの光導波路の位相整合条件を同一温度で合わせこむ必要があり、素子作製上の難易度が増大する。

光分波器１７の一方の出力の光ファイバ１と、光合波器１８の出力の光ファイバ１は、１２５μｍの間隔をおいて作製されたＶ溝４５の上に紫外線硬化樹脂を用いて接着固定されている。Ｖ溝は、波長変換素子側の端面が反射防止のために斜めにカットされており、波長変換素子４１の光導波路と低損失に結合されるように調芯されて、接続されている。

０．９８μｍ帯のＬＤ１４からの励起光は、ＦＢＧ１５によって、発振波長９７６ｎｍに安定化される。この安定化された励起光は、反射戻り光防止のためのアイソレータ１６を経て、光分波器１７で２分岐される。

光分波器１７で２分岐された９７６ｎｍの励起光の一方は、合波器１８に入力され、他方の励起光は、波長変換素子４１に出力される。波長変換素子４１に出力された励起光は、Ｖ溝４５を介して、非線形光導波路４２ｂに入射され、９７６ｎｍの励起光から第二高調波である４８８ｎｍの生成光が生成される。

一方、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３からの発振波長１３１０ｎｍの励起光は、光合波器１８において、光分波器１７により２分岐された９７６ｎｍの励起光の一方と合波され、波長変換素子４１に出力される。合波された励起光は、Ｖ溝４５を介して、非線形光導波路４２ａに入射され、１３１０ｎｍおよび９７６ｎｍの励起光から和周波の５６０ｎｍの生成光が生成される。

生成された４８８ｎｍおよび５６０ｎｍの生成光は、１つのレンズ３でコリメートされ、レーザ装置４０から出力される。このように、本実施例では、近接した２つの導波路から出力される５６０ｎｍと４８８ｎｍのレーザ光が１つのレンズ３によって同軸上にコリメートされる。そのため、例えば蛍光顕微鏡などの分析機器内部において、レーザ光を測定試料に照射するための光学設計が簡単になる利点がある。また、コリメートされたレーザ光を再度ファイバに結合するには、もう１つレンズを追加するだけでよい。

本実施例により作製した可視光レーザ装置では、光分岐器として１ｘ２ＭＥＭＳスイッチを用いた場合、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤの駆動電流を３００ｍＡ、０．９８μｍ帯のＬＤの駆動電流を７００ｍＡとし、５６０ｎｍのレーザ光として４０ｍＷ、４８８ｎｍのレーザ光として２０ｍＷの連続波（ＣＷ）出力を得ることができた。このときのペルチェ素子の駆動電流を含めた可視光レーザ装置の消費電力は１６Ｗであった。

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例では、１３１０ｎｍの励起光と９７６ｎｍの励起光の分波および合波に、個別の分波器および合波器に代えて、単一の平面型光波回路（ＰＬＣ）を用いている。図６に、本発明の第３の実施例に係る可視光レーザ装置の模式図を示す。

図５に示すように、可視光レーザ装置５０は、発振波長１３１０ｎｍの１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３と、発振波長９７６ｎｍの０．９８μｍ帯のＬＤ１４と、これら２つの発振波長の励起光を合分波する平面型光波回路５４と、出力波長５６０ｎｍの非線形光導波路５２ａおよび出力波長４８８ｎｍの非線形光導波路５２ｂを有する波長変換素子５１とを備えている。本実施例において、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３、０．９８μｍ帯のＬＤ１４、ＦＢＧ１５およびアイソレータ１６は、第１および第２の実施例と同様とすることができるので説明を省略する。

平面型光波回路（ＰＬＣ）５４は、９７６ｎｍの励起光を分岐する熱光学（ＴＯ）スイッチなどの光分波器と、１３１０ｎｍおよび９７６ｎｍの励起光を合波するＷＤＭカプラなどの光合波器を備えている。また、このＰＬＣは、入力側にＶ溝５５が接続され、出力側に波長変換素子５１が接続されている。この入力および出力の接続面は、反射防止のために、それぞれ斜めにカットされている。図６では、奥行き方向に向かって斜めに接続されている。したがって、接続部を横方向から観察すると斜めに接続されていることが分かる。

波長変換素子５１は、第２の実施例と同様、２つの非線形光導波路５２ａおよび５２ｂを備え、キャリア５３の上に装着されている。この２つの非線形光導波路は、上記の作製方法による周期分極反転構造を有するリッジ型の光導波路とすることができ、単一の基板上に１２５μｍの間隔で作製されている。また、光導波路の両端面は、第２の実施例と同様に斜めにカットされ、研磨後、無反射コーティングが施されている。

キャリア５３の底部には、ペルチェ素子（図示せず）が備えられ、キャリアに実装されたサーミスタの抵抗値をモニタして、温度コントロール５から波長変換素子の温度を調節できるようになっている。本実施例では、第２の実施例と同様、単一の基板上に２つの光導波路を作製しているため、ペルチェ素子およびその駆動ドライバは１つで良いという利点がある。そのため、第１の実施例に比べ、さらなる小型化および低消費電力化が可能となる。しかし、単一の基板上の２つの光導波路の位相整合条件を同一温度で合わせこむ必要があり、素子作製上の難易度が増大する。

１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤの出力の光ファイバ１と、アイソレータ１６の出力の光ファイバ１は、１２５μｍの間隔をおいて作製されたＶ溝５５の上に紫外線硬化樹脂を用いて接着固定されている。Ｖ溝は、波長変換素子側の端面が反射防止のために斜めにカットされており、ＰＬＣ５４の光導波路と低損失に結合されるように調芯されて、接続されている。

０．９８μｍ帯のＬＤ１４からの励起光は、ＦＢＧ１５によって、発振波長９７６ｎｍに安定化される。この安定化された励起光は、反射戻り光防止のためのアイソレータ１６を経て、Ｖ溝５５の一方の端子から入力される。また、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ１３からの発振波長１３１０ｎｍの励起光は、Ｖ溝５５の他方の端子から入力される。

９７６ｎｍの励起光は、ＰＬＣ内の光分波器により２つの経路に分岐し、一方がＰＬＣ内の光合波器に入力され、他方が波長変換素子５１に出力される。波長変換素子５１に出力された励起光は、非線形光導波路５２ｂに入射され、９７６ｎｍの励起光から第二高調波である４８８ｎｍの生成光が生成される。

一方、Ｖ溝５５の他方の端子から入力された発振波長１３１０ｎｍの励起光は、ＰＬＣ内の光合波器において、光分波器により２分岐された９７６ｎｍの励起光の一方と合波され、波長変換素子５１に出力される。出力された励起光は、非線形光導波路５２ａに入射され、１３１０ｎｍおよび９７６ｎｍの励起光から和周波の５６０ｎｍの生成光が生成される。

生成された４８８ｎｍおよび５６０ｎｍの生成光は、１つのレンズ３でコリメートされ、レーザ装置５０から出力される。このように、本実施例では、近接した２つの導波路から出力される５６０ｎｍと４８８ｎｍのレーザ光が１つのレンズ３によって同軸上にコリメートされる。そのため、例えば蛍光顕微鏡などの分析機器内部において、レーザ光を測定試料に照射するための光学設計が簡単になる利点がある。また、コリメートされたレーザ光を再度ファイバに結合するには、もう１つレンズを追加するだけでよい。

本実施例により作製した可視光レーザ装置では、ＰＬＣ上の光分波器を熱光学スイッチとして構成した場合、１．３μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤの駆動電流を３００ｍＡ、０．９８μｍ帯のＬＤの駆動電流を７００ｍＡとし、５６０ｎｍのレーザ光として４０ｍＷ、４８８ｎｍのレーザ光として２０ｍＷの連続波（ＣＷ）出力を得ることができた。このときのペルチェ素子の駆動電流を含めた可視光レーザ装置の消費電力は１５Ｗであった。

以上、本発明について、いくつかの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなく構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

波長変換の原理を説明する図である。本発明に係る可視光レーザ装置に使用することのできる波長変換素子のリッジ型光導波路の断面図である。本発明の第１の実施例に係る可視光レーザ装置の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施例に係る可視光レーザ装置の構成を示す模式図である。本発明の第３の実施例に係る可視光レーザ装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１光ファイバ
３レンズ
５、５ａ、５ｂ温度コントロール
１１基板
１２非線形導波路
１３１．３μｍ分布帰還型レーザダイオード
１４０．９８μｍレーザダイオード
１５ファイバーグレーティング
１６アイソレータ
１７光分波器
１８光合波器
１９分波器
２０波長変換素子
２１第２の基板
２２リッジ光導波路
２３溝
３０レーザ装置
３１ａ、３１ｂ波長変換素子
３２ａ、３２ｂ非線形光導波路
３３ａ、３３ｂキャリア
４０レーザ装置
４１波長変換素子
４２ａ、４２ｂ非線形光導波路
４３キャリア
４５Ｖ溝
５０レーザ装置
５１波長変換素子
５２ａ、５２ｂ非線形光導波路
５３キャリア
５４平面型光波回路
５５Ｖ溝

Claims

可視光レーザ装置であって、
第１の励起光を出力する第１のレーザダイオードと、
第２の励起光を出力する第２のレーザダイオードと、
前記第１の励起光から第１の可視光を生成する第１の波長変換素子と、
前記第１および第２の励起光から第２の可視光を生成する第２の波長変換素子と、
前記第１のレーザダイオードからの第１の励起光を前記第１および第２の波長変換素子に分波する分波器と、
前記分波器からの第１の励起光と前記第２のレーザダイオードからの第２の励起光とを合波する合波器と
を備えたことを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項１に記載の可視光レーザであって、
前記第１の励起光の波長は、０．９８μｍ帯であり、前記第２の励起光の波長は、１．３μｍ帯であることを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項１または２に記載の可視光レーザ装置であって、
前記第１の可視光の波長は、略４８８ｎｍであり、前記第２の可視光の波長は、略５６０ｎｍであることを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、
前記波長変換素子は、非線形光学効果を有する光導波路を備えたことを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項４に記載の可視光レーザ装置であって、
前記光導波路は、周期反転分極構造を有することを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項４または５に記載の可視光レーザ装置であって、
前記光導波路は、リッジ型であることを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項４ないし６のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、
前記光導波路は、基板上に直接接合により形成されたＬｉＮｂＯ_２またはＬｉＴａＯ_３からなることを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項７に記載の可視光レーザ装置であって、
前記光導波路は、ＭｇまたはＺｎの群から選ばれた少なくとも１種類の添加物をさらに含有していることを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、
前記第１および第２の波長変換素子は、同じ基板に形成されたことを特徴とする可視光レーザ装置。
請求項１ないし９のいずれかに記載の可視光レーザ装置であって、
前記分波器および合波器は、同じ基板に形成されたことを特徴とする可視光レーザ装置。