JP5910794B2

JP5910794B2 - 波長変換素子及び光源装置

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Publication number: JP5910794B2
Application number: JP2015518142A
Authority: JP
Inventors: 大登　正敬; 正敬大登
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: TW201508410A; WO2014188793A1; JPWO2014188793A1

Description

本発明は、波長変換素子及び光源装置に関する。

近年、擬似位相整合を用いて波長変換を行う技術が開発されている。擬似位相整合は、強誘電体結晶に分極反転構造を周期的に形成した素子を用いて行われる。

例えば特許文献１には、レーザ光を、波長変換素子を用いて波長変換することが記載されている。詳細には、特許文献１に記載の技術は、半導体レーザが発熱した場合にレーザ光の波長がシフトするため、波長変換した後のレーザ光の出力が低下することを課題としている。そしてこの課題を解決するために、波長変換素子における分極反転周期にバラツキを持たせている。

国際公開第２００４／０２５３６３号

レーザ光源としては、マルチモードのレーザ光を生成する光源と、シングルモードのレーザ光を生成する光源とがある。マルチモードのレーザ光の光源は、シングルモードのレーザ光の光源と比較してコスト的に有利である。そこで、本発明者は、マルチモードのレーザ光を波長変換することにより、所望の波長のレーザ光を得ることを検討した。しかし、マルチモードのレーザ光は発振モードが変化するため、出力光の強度が安定しない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マルチモードのレーザ光を波長変換することにより、所望の波長のレーザ光を得る場合において、出力光の強度を安定させることにある。

本発明によれば、光源装置は、光源及び波長変換部を備えている。光源は、マルチモードのレーザ光を発生させる。波長変換部は、光源が生成したレーザ光を波長変換する。そして波長変換部は、強誘電体結晶を備えている。強誘電体結晶には、分極反転構造が形成されている。分極反転構造は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有している。第１の領域における分極反転の周期Λ₀は、下記（１）式を満たしており、残りの領域における分極反転の周期Λ_ｍは、下記（２）式を満たしている。

ここで、λ_pは、光源が生成したレーザ光の０次モードの波長である。λ_outは、λpの第２次高調波の波長である。n(λ_p)は、λ_pでの強誘電体結晶の屈折率である。ｍは整数であり、Δλは、光源が生成したレーザ光における隣り合うモードの間の波長の差である。

この光源装置において、分極反転構造の周期は、上記（１）式及び（２）式の代わりに、下記（３）式を満たしていても良い。

なお、Λ_ｍは、−ｍ次モードおよび＋ｍ次モードの和周波の波長を、前記０次モードの光の２次高調波と同一の波長にするための分極反転周期である。

本発明によれば、マルチモードのレーザ光を波長変換することにより、所望の波長のレーザ光を得る場合において、出力光の強度を安定させることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。光源から出力されるレーザ光のスペクトル分布を説明するための図である。波長変換部の第１例を示す図である。波長変換部の第２例を示す図である。第２の実施形態に係る波長変換部を示す図である。第３の実施形態に係る波長変換部を示す図である。図６の変形例を示す図である。実施例に係る光源装置において、λ_pの２次高調波となる波長の光の出力の強度の時間依存性を示すグラフである。比較例に係る光源装置において、λ_pの２次高調波となる波長の光の出力の強度の時間依存性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源装置１０の構成を示す図である。光源装置１０は、光源１００及び波長変換部２００を備えている。光源装置１０は、例えば、眼底検査装置の光源や、ガス分析装置の光源として使用される。光源１００は、マルチモードのレーザ光を発生させる。波長変換部２００は、光源１００が生成したレーザ光を波長変換する。そして波長変換部２００は、強誘電体結晶２１０（後述）を備えている。強誘電体結晶２１０には、分極反転構造２２０が形成されている。分極反転構造２２０は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有している。第１の領域における分極反転の周期は、下記（４）式を満たしており、残りの領域における分極反転の周期は、下記（５）式を満たしている。

ここで、λ_pは、光源１００が生成したレーザ光の０次モードの波長である。λ_outは、λpの第２次高調波の波長である。n(λ_p)は、λ_pでの強誘電体結晶２１０の屈折率である。ｍは整数であり、Δλは、光源１００が生成したレーザ光における隣り合うモードの間の波長の差である。

そして、上記した（４）式は、光源１００が生成したレーザ光の０次モードの光の２次高調波を生成するための条件（ＳＨＧ位相整合条件）を示している。また、上記した（５）式は、光源１００が生成したレーザ光の＋ｍ次モードの光と−ｍ次の光の和周波によって、０次モードの光の２次高調波と同一の波長の光を生成するための条件である。以下、詳細に説明する。

光源１００は、光源素子１１０及び外部共振器１２０を有している。光源素子１１０は、例えばレーザダイオードなどの半導体レーザであり、光源１００が生成するレーザ光の光源となっている。光源素子１１０が生成する光の０次モードの波長は、特に限定されない。

外部共振器１２０は、例えばファイバーブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：FBG）であり、光源素子１１０が生成した光を共振させる。ここで、外部共振器１２０は、０次モードで共振する場合もあれば、それとは異なるモード（ｍ次モード）で共振する場合もある。すなわち外部共振器１２０から出力される光の共振モードは安定していない。

なお、光源素子１１０の中に共振器を内蔵させる場合と比較して、外部共振器１２０を用いると、光源１００のコストは低くなる。また、外部共振器１２０を取り替えることにより、光源１００から出力されるレーザ光の波長を容易に変えることができる。

光源１００から出力された光は、光路４１０を介して波長変換部２００に入射される。そして波長変換部２００で波長変換された光は、光路４２０を介して出力部３００から外部に出射する。なお、光路４１０，４２０は、例えば光ファイバーである。この光ファイバーは、どのようなタイプの光ファイバーであっても良い。

図２は、光源１００から出力されるレーザ光のスペクトル分布を説明するための図である。この図に示すように、光源１００から出力されるレーザ光には、複数の共振モードが含まれている。そして、最も強度が高いのは、外部共振器１２０における共振モードが０次の場合（波長：λｐ）である。そして、共振モードが＋１次（−１次）、＋２次（−２次）・・・となるにつれて、光の強度は徐々に低下している。また、隣り合うモードの波長の差（Δλ）は同一である。このため、例えば＋ｍ次モードの光の波長はλｐ＋ｍΔλとなり、−ｍ次モードの光の波長はλｐ−ｍΔλとなる。

図３は、波長変換部２００の第１例を示す図である。本図に示す例において、波長変換部２００は一つの強誘電体結晶２１０から構成されている。そしてこの強誘電体結晶２１０は、図中ｘ方向に光が進む。そして強誘電体結晶２１０は、バルク型の波長変換素子となっており、幅方向（図中ｙ方向）において全体が分極反転構造２２０となっている。なお、強誘電体結晶２１０を構成する強誘電体は、例えばＬｉＮｂＯ_３であるが、他の強誘電体、例えばＬｉＴａＯ_３であってもよいし、これらにＭｇＯを添加したものであってもよい。

そして、分極反転構造２２０には、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域が含まれている。本図に示す例では、分極反転構造２２０には、周期がΛ_０となっている第１の領域と、周期がΛ_１となっている第２の領域とを有している。第１の領域の周期Λ_０は、上記した（４）式を満たしており、第２の領域の周期Λ_１は、上記した（５）式（ただしｍ＝１）を満たしている。

図４は、波長変換部２００の第２例を示す図である。本図に示す例は、分極反転構造２２０が第３の領域を含む点を除いて、図３に示した例と同様の構成である。すなわち、第１の領域の周期Λ_０は、上記した（４）式を満たしており、第２の領域の周期Λ_１は、上記した（５）式（ただしｍ＝１）を満たしている。そして第３の領域の周期Λ_２は、上記した（５）式（ただしｍ＝２）を満たしている。

なお、図３及び図４に示す例において、レーザ光が進む方向（図中ｘ方向）において、複数の領域は繰り返し配置されている。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、波長変換部２００の分極反転構造２２０は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有している。第１の領域における分極反転の周期は、上記した（４）式を満たしており、残りの領域における分極反転の周期は、上記した（５）式を満たしている。そして、上記した（４）式は、光源１００が生成したレーザ光の０次モードの光の２次高調波を生成するための条件（ＳＨＧ位相整合条件）を示している。また、上記した（５）式は、光源１００が生成したレーザ光の＋ｍ次モードの光と−ｍ次の光の和周波によって、０次モードの光の２次高調波と同一波長の光を生成するための条件である。

従って、波長変換部２００を用いることにより、光源１００が生成した０次モードの光と、ｍ次モードの光の双方を、０次モードの光の２次高調波と同一の波長の光に変換することができる。従って、レーザ光の発振モードが発信中に変化しても、光源装置１０の出力光の強度を安定させることができる。

また、分極反転構造２２０が有する領域の種類を２つ又は３つにすると、この効果は最も大きくなる。

また、バルク型の波長変換素子において、波長変換効率が最も高くなるのは、光の進行方向における中央部である。そこで本実施形態のように、分極反転構造２２０において、複数の領域は繰り返し配置されているようにすると、０次モードの光の波長変換効率、並びにｍ次モード及び−ｍ次モードの光の波長変換効率の双方を、高くすることができる。

なお、上記した（４）式及び（５）式は、以下の（６）式に変形することができる。この変形においては、以下の（７）式が使われる。

そして、（４）式及び（５）式の代わりに、（６）式を満たすように波長変換部２００を設計しても、上記した効果を得ることができる。また（６）式を用いると、波長変換部２００の設計が容易になる。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る光源装置１０は、波長変換部２００の構成を除いて第１の実施形態に係る光源装置１０と同様の構成である。

図５は、本実施形態に係る波長変換部２００の構成を示す図である。本実施形態において、波長変換部２００は、複数の強誘電体結晶及びそれらの間に配置されたレンズ２５０を有している。複数の強誘電体結晶のそれぞれには、単一周期の分極反転構造が形成されている。ただし、第１の強誘電体結晶の分極反転構造の周期は式（４）を満たしており、残りの強誘電体結晶の分極反転構造の周期は式（５）を満たしている。第１の強誘電体結晶は、最も入射側に位置していても良いし、最も出射側に位置していても良いし、残りの強誘電体結晶に挟まれるように配置されていてもよい。そして、レンズ２５０は、そのレンズ２５０の手前の強誘電体結晶から出射した光を、その次の強誘電体結晶に入射させる。

例えば図５に示す例では、強誘電体結晶２１２及び強誘電体結晶２１４が設けられている。強誘電体結晶２１２の分極反転構造２２２の周期は式（４）を満たしており、強誘電体結晶２１４の分極反転構造２２４の周期は式（５）（ただしｍ＝１）を満たしている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る光源装置１０は、波長変換部２００の構成を除いて第１の実施形態に係る光源装置１０と同様の構成である。

図６は、本実施形態に係る波長変換部２００の構成を示す図である。本実施形態において、波長変換部２００は導波路型の波長変換素子となっている。詳細には、強誘電体結晶２１０には導波路２３０が形成されている。導波路２３０の形成方法はどのような方法であっても良い。例えば導波路２３０は、メサ型であっても良いし、埋め込み型であってもよい。そして、分極反転構造２２０は導波路２３０に形成されている。分極反転構造２２０の構造は、例えば図３と同様であっても良いし、図４と同様であっても良いし、領域の数がさらに多くても良い。

なお、図７に示すように、分極反転構造２２０は複数の領域に分割して形成されていても良い。この場合、各領域には、単一周期の分極反転構造が形成されていてもよい。例えば図７に示す例では、導波路２３０には分極反転構造２２２，２２４が形成されている。分極反転構造２２２の周期は式（４）を満たしており、分極反転構造２２４の周期は式（５）（ただしｍ＝１）を満たしている。

第１の実施形態に係る光源装置１０を作製し、その光源装置１０の出力を分析した。本実施例において、光源素子１１０としてはレーザダイオードを使用し、外部共振器１２０としてはＦＢＧを使用した。また、波長変換部２００の強誘電体結晶２１０としては、ＬｉＮｂＯ_３を使用した。そして、分極反転構造２２０は、図４に示す構造のものを使用した。

また、比較例として、分極反転構造２２０を、式（４）式を満たす領域のみで形成したものを準備した。

図８は、比較例に係る光源装置１０において、λ_pの２次高調波となる波長の光の出力の強度の時間依存性を示すグラフである。図９は、実施例に係る光源装置１０における同様のグラフである。このグラフから、実施例に係る光源装置１０は、λ_pの２次高調波となる波長の光の出力の強度が安定していることが分かる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１３年５月２０日に出願された日本出願特願２０１３−１０６２０１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に形成された分極反転構造と、
を備え、
前記分極反転構造にはマルチモードのレーザ光が入射され、
前記分極反転構造は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有しており、
第１の前記領域における分極反転の周期Λ₀は下記（１）式を満たしており、残りの領域における分極反転の周期Λ_ｍは、下記（２）式を満たしている波長変換素子。

ここで、
λ_p : 前記レーザ光の０次モードの波長
λ_out : λpの第２次高調波の波長
n(λ_p) : λ_pでの前記強誘電体結晶の屈折率
ｍ : 整数
Δλ : 前記レーザ光における隣り合うモードの間の波長の差
強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に形成された分極反転構造と、
を備え、
前記分極反転構造にはマルチモードのレーザ光が入射され、
前記分極反転構造は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有しており、かつ下記（３）式を満たしている波長変換素子。

ここで、
λ_p : 前記レーザ光の０次モードの波長
Λ₀ : λpの第２次高調波の発生に必要な分極反転周期
n(λ_p) : λ_pでの前記強誘電体結晶の屈折率
ｍ : 整数
Λ_ｍ : 前記レーザ光の−ｍ次モードおよび＋ｍ次モードの和周波の波長を、前記０次モードの光の２次高調波と同一の波長にするための分極反転周期
Δλ : 前記レーザ光における隣り合うモードの間の波長の差
請求項１又は２に記載の波長変換素子において、
前記領域の種類は、２つ又は３つである波長変換素子。
請求項１〜３に記載の波長変換素子において、
前記レーザ光が進む方向において、前記複数の領域は繰り返し配置されている波長変換素子。
マルチモードのレーザ光を発生させる光源と、
前記レーザ光を波長変換する波長変換部と、
を備え、
前記波長変換部は、
強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に形成された分極反転構造と、
を備え、
前記分極反転構造にはマルチモードのレーザ光が入射され、
前記分極反転構造は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有しており、
第１の前記領域における分極反転の周期Λ₀は、下記（１）式を満たしており、残りの領域における分極反転の周期Λ_ｍは、下記（２）式を満たしている光源装置。

ここで、
λ_p : 前記レーザ光の0次モードの波長
λ_out : λpの第２次高調波の波長
n(λ_p) : λ_pでの前記強誘電体結晶の屈折率
ｍ : 整数
Δλ : 前記レーザ光における隣り合うモードの間の波長の差
マルチモードのレーザ光を発生させる光源と、
前記レーザ光を波長変換する波長変換部と、
を備え、
前記波長変換部は、
強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に形成された分極反転構造と、
を備え、
前記分極反転構造にはマルチモードのレーザ光が入射され、
前記分極反転構造は、互いに分極反転の周期が異なる複数の領域を有しており、かつ下記（３）式を満たしている光源装置。

ここで、
λ_p : 前記レーザ光の0次モードの波長
Λ₀ : λpの第２次高調波の発生に必要な分極反転周期
n(λ_p) : λ_pでの前記強誘電体結晶の屈折率
ｍ : 整数
Λ_ｍ : −ｍ次モードおよび＋ｍ次モードが和周波発生するに必要な分極反転周期
Δλ : 前記レーザ光における隣り合うモードの間の波長の差
請求項５又は６に記載の光源装置において、
前記光源は、
前記レーザ光の光源となる光源素子と、
前記光源素子が生成した光を共振させる外部共振器と、
を備える光源装置。