JP2843196B2 - 第２高調波発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、基本波光源の波長を
１／２の波長の光に変換する装置、特に半導体レーザ
（ＬＤ）の光を１／２の波長の光に変換する光第２高調
波発生（ＳＨＧ）装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、第２高調波発生装置に関しては、
例えば、文献 （Ｉ）特開昭６１−２３９２３１ （II）第５１回応用物理学会学術講演会講演予稿集29ｐ
-P-7 p.988(1990) （III)ＳＰＩＥ Vol.1148 ，ノンリニア オプチカル
プロパティーズ オブマテリアルズ「Nonlinear Optica
l Properties of Materials 」(1989) pｐ.207〜212. に開示された技術が知られている。

【０００３】先ず、文献（Ｉ）に開示されている第２高
調波発生（ＳＨＧ）素子について説明する。図４の
（Ａ）は、周知のチェレンコフ放射形第２高調波発生素
子の概略的斜視図であり、また、図４の（Ｂ）は、図４
の（Ａ）のＳＨＧ素子の、光導波路を含み、これに沿っ
てとって示した断面図である。このＳＨＧ素子１０は、
ＬｉＮｂＯ₃ 基板１２にプロトン交換法により、光導波
路１４を形成した構造となっている。この光導波路１４
に基本波長λ（ω）（但し、ωは角周波数）を有する光
（以下、単に基本波光または基本波という。）１６を入
射させて、この導波路中を伝播させると、チェレンコフ
条件を満たす角度θ（チェレンコフ角と称する。）の方
向に基本波長の１／２の波長λ（２ω）を有する光（以
下、単に、第２高調波（ＳＨ波またはＳＨ光ともい
う。））１８が取り出される（図４の（Ａ）および
（Ｂ））。チェレンコフ条件は、光導波路１４を伝播す
る基本波１６の実効屈折率をＮ（ω）とし、基板１２の
ＳＨ波１８に対する屈折率をｎ（２ω）とすると、次式
（１）で与えられる。

【０００４】 ｎ（２ω）ｃｏｓθ＝Ｎ（ω） （１） この方式のＳＨＧ素子１０は、位相整合が容易にとれる
点に特色があり、かつ、最近非常に変換効率の高い優れ
た素子が作られるようになった。しかし取り出されるＳ
Ｈ波がチェレンコフ放射状の光束（コーンの形状をした
放射パターンで出射する光束のことで、以後、単に、チ
ェレンコフ放射光という）であるために、通常のレンズ
では集光できないのが難点である。尚、光束は光線束と
もいう。

【０００５】そこで、チェレンコフ放射光を集光するた
めに、従来、特別な光学系を、ＳＨＧ素子と組み合わせ
た構造が提案された。このような構造の例が上述した文
献（II）および（III)に開示されている。

【０００６】図５の（Ａ）および（Ｂ）は、文献（Ｉ）
に開示されているＳＨＧ素子１０と同様の構造のＳＨＧ
素子を用いたＳＨＧ装置の要部を概略的に示す斜視図お
よび断面図である。このＳＨＧ素子１０から出射したＳ
Ｈ波従ってチェレンコフ放射光が、グレーティングアキ
シコンレンズ２０によって、平面波となると共に通常の
レンズの作用によりスクリーン２２上にほぼ一点として
集光される。なお、グレーティングアキシコンレンズ２
０は、次に説明するアキシコンレンズと通常のレンズの
機能を合わせ持っているグレーティング形（ゾーンプレ
ート形）の複合レンズである。アキシコンレンズは、周
知の通り、特殊なレンズであり、その形状は後述する図
６に符号３４を付して断面形状を示してあるように、頂
角αの円錐とその後に円柱が組み合わされた形状をして
いる。そして、このアキシコンレンズは、チェレンコフ
放射光をコリメート（平面波にする）する作用を有して
いる。従って、あるアキシコンレンズが、チェレンコフ
角θ₁ の光束に対してコリメートする能力がある場合、
このレンズは、これとは異なるチェレンコフ角θ₂ をな
す光束に対してはコリメートする能力はない。そこで、
グレーティング形のレンズとして形成すると、アキシコ
ンレンズとしての機能と通常のレンズとしての機能を一
つの部品で実現できることとなる。しかし、この場合で
あっても、チェレンコフ角θに対する集光能力の許容度
がそれほど広く（大きく）なるわけではない。ここでい
う許容度とは、θの変化に対する集光スポットのボケの
大きさの程度である。許容が大きいほど技術的には、Ｓ
Ｈ波従ってチェレンコフ放射光を集光させ易いことにな
る。このように、ＳＨＧ素子を利用して短波長化する目
的のひとつは、ビーム径の大きい光をできるだけ微小な
スポットまたは出来るだけ細い光にすることであるの
で、ビームスポットのボケが大きくなることは実用上著
しく支障を来す。

【０００７】またもう一つの問題は、アキシコンレンズ
によって集光できるのは、完全な形のチェレンコフ放射
光であり、図４および図５で用いたプレーナ形のＳＨＧ
素子では、基板１２の表面に光導波路１４を形成した構
造であるため、チェレンコフ光の下半分だけ（基板側だ
け）のＳＨ波１８しか得られないので、θが適切に設定
されていても理想的なスポットには集光できないという
点である。この様子を、図５の（Ａ）に示したスクリー
ン２２上に示してある。なお、基本波光１６も同様に下
半分だけスクリーン上に投射されているのがわかる。

【０００８】そこで、文献（III)に開示されているよう
な、ファイバ形のＳＨＧ素子３０が提案された。この素
子３０によれば、チェレンコフ角がθで、出射方向に対
して直交する面内において、帯状のリングの形態で光が
分布したチェレンコフ放射光としてＳＨ光（波）が得ら
れること、および、アキシコンレンズの頂角αを適切に
設定すれば、ＳＨ光を理想的なスポットに集光できる。
以下、この内容を図６を参照して説明する。

【０００９】図６は、スポット状の収束光を得るため
の、従来のＳＨＧ装置の要部を概略的に示す構成図であ
る。光ファイバ形ＳＨＧ素子３０は、コア３２ａとクラ
ッド３２ｂとからなり、コア３２ａをフリントガラスＳ
Ｆ４およびクラッド３２ｂを有機非線形光学結晶である
４−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）−３−アセトアミドニ
トロベンゼン（４−（N ，N-dimethylamino ）−３−ac
etamidonitrobenzene （ＤＡＮ））の材料として用いて
単結晶ファイバ化して形成したものである。コア３２ａ
の基本波１６に対する屈折率をＮ（ω）、クラッド３２
ｂのＳＨ波（ＳＨＧ光）１８に対する屈折率をｎ（２
ω）とすると、上述した（１）式を満足するθを頂角の
半分とするチェレンコフ放射光として、ＳＨ光１８が取
り出される。このＳＨ光１８は前者のプレーナ形のＳＨ
Ｇ素子からのチェレンコフ光とは異なり、欠けた部分の
ない円帯状である。このため、図６に示すように、アキ
シコンレンズ３４（頂角α）を用いて理想的なスポット
に集光できる。この点につき、さらに詳しく説明する。

【００１０】ファイバ形ＳＨＧ素子３０の一端から基本
波１６を導入し、他端からＳＨ光１８と基本波１６を出
射させる。このうちＳＨ波１８はアキシコンレンズ３４
によりチェレンコフ放射光が平面波（平行光）にされた
後、さらに対物レンズ３６にスポット状に集光される。
アキシコンレンズ３４の素材のＳＨ波に対する屈折率を
ｎ_A （２ω）とすると、角度θとαとの関係が次式
（２）を満足すれば、図に示すようなチェレンコフ放射
光はこのアキシコンレンズ３４により平行光に変えられ
る。

【００１１】 ＣＯＳ［（α／２）−θ）］＝ｎ_A ・ＣＯＳ（α／２） （２） すなわち ＣＯＳ［（α／２）−ＣＯＳ^-1｛Ｎ（ω）／ｎ（２ω）｝］ ＝ｎ_A （２ω）・ＣＯＳ（α／２） （３） チェレンコフ光が理想的なスポットに集光されるのは、
この（３）式を満足するときに限られる。したがって、
基本波の波長すなわち角周波数ωが異なれば集光点はぼ
けることになる。これは実用上極めて大きな障害とな
る。特に半導体レーザ（ＬＤ）を基本波光源とした応用
において障害となる。通常、頂角αを予め定めてアキシ
コンレンズを形成している。このため、このレンズに対
して式（２）ないし式（３）を満足する波長で発振する
半導体レーザ（ＬＤ）を見つけ出すことは容易でない。
しかも、ＬＤの発振波長は注入電流値や周囲温度により
変動するから、この変動に対応出来るようにするために
は、従来は、予想し得るＳＨ波の波長に適合したアキシ
コンレンズを全て用意しておき、波長の変化毎にアキシ
コンレンズの交換をする必要があるが、このような処置
は事実上不可能であるし、また、全ての波長に対応する
個別のアキシコンレンズを用意することも現実的ではな
い。

【００１２】通常、ＳＨＧ素子を利用した短波長光源の
使用は、第２高調波光を光軸上で最大光強度を持った平
行光線束に変換するため、或いは、第２高調波光を一点
へ集光させるためである。図６に示すようにＳＨ光束は
平行光線束としてアキシコンレンズの後方で得られる
が、既に説明したように、光軸上の光強度が０であると
いう中心部分が抜けた円筒状の光束である。しかし、工
業上の応用では、光軸上での光強度が最大になっている
いわゆるガウスビームが最も用途が広い。またアキシコ
ンレンズの後方でえられる光束も光の回折効果のために
平行光線束といえども少しずつ光束の半径は広がって伝
播していく。

【００１３】ところで、文献（ＩＶ）「フィジカル レ
ビュー レッターズ（ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ
ＬＥＴＴＥＲＳ），Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．１５（１９
８７），ｐｐ．１４９９−１５０１」に、光軸に垂直な
断面内に一様な光強度分布を有する平行光線束に対し
て、円環状のスリットと凸レンズとを組み合わせること
により、無回折モードであって、しかも、１波長程度の
半径を持つ平行光線束が得られる技術が開示されてい
る。この組み合わせ構造を図７に示す。図中、４０波ス
リット板であり、通常は、使用光に対して透明な材料、
たとえばガラス版に、不透明遮光膜を設けて、スリット
４０ａの部分だけ、光が透過出来るように構成してあ
る。このスリット４０ａを円環状に形成してあり、その
平均半径をｄとし、スリット幅を△ｄしてある。凸レン
ズ４２の焦点距離ｆだけ離れた光軸上にこのスリット板
４０を、その円環状スリット４２ａの径の中心が位置す
るように、光軸に対して垂直となるように設けてある。
この文献によれば、無回折モードの微細径の平行光線束
が得られる範囲は、凸レンズから最長伝播距離Ｚ_MAX の
範囲内であるという。しかし、得られた無回折モードの
平行光線束の光強度は、入射光Ｌの光強度の１／１００
以下となってしまい、実用的ではない。

【００１４】そこで、図６に示した構成のうち、対物レ
ンズ３６を用いる代わりに、円環（リング）状のスリッ
ト４０と凸レンズ４２との組み合わせ構造を用いれば、
一応、光強度の大なる微細径の平行光線束を得ることが
出来ると考えられる。その構成を図８に示す。しかし、
この場合には、ＳＨＧ素子として光ファイバ形のＳＨＧ
素子３０を使用しているため、仮に光源として半導体レ
ーザ（ＬＤ）を用いたとしても、発振波長の安定化を図
れないため、チェレンコフ角が一定せず、アキシコンレ
ンズ３４を通過した平行光線束を、常時、スリット４０
ａに一致させることが困難であり、このため、図８に示
した構成は、実用的ではない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のチ
ェレンコフ放射形位相整合法によるＳＨＧ技術では、こ
れを実用化するには、整理すると、下記のような種々の
解決すべき問題がある。

【００１６】従来のプレーナ形光導波路を用いチェレ
ンコフ形の位相整合によるＳＨＧ素子の場合、チェレン
コフ放射光の一部を欠いた形になるため、原理的に一点
に集光することができない。

【００１７】ファイバ形の光導波路を用いチェレンコ
フ形の位相整合によるＳＨＧ素子の場合、アキシコンレ
ンズ通過後円帯（円環）状に光が分布した円筒状チェレ
ンコフ光が得られる。しかし、集光に必要な部品の一つ
であるアキシコンレンズの形状により決まる放射角のチ
ェレンコフ放射光のみが集光できることに止まり、すな
わち集光できる条件は極めて狭いので応用上極めて使い
にくい。

【００１８】また、従来のチェレンコフ放射型ＳＨＧ
装置から得られるＳＨ光束は光軸上に光強度を持たない
円筒形の平行光線束であり、しかも、回折効果により光
束の半径は徐々に広がって大きくなって行くので、実用
上支障を来す恐れがある。

【００１９】また、従来のファイバ形ＳＨＧ素子を用
いて無回折モードの平行光線束を得ようとしても、安定
している無回折モードの平行光線束が、常時、得られな
いので、実用性に乏しい。

【００２０】この発明の目的は、発振波長が安定し、し
かも、第２高調波光の一点へ集光を容易に可能とするか
または光軸上で最大強度を持った第２高調波光の平行光
線束を安定して得ることを可能とするＳＨＧ装置を提供
することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の第２高調波発生装置によれば、（ａ）両
端面を低反射面として形成した半導体レーザと、（ｂ）
この半導体レーザからの基本波光を第２高調波光に変換
する、チェレンコフ放射形第２高調波発生（ＳＨＧ）素
子と、（ｃ）この半導体レーザからの出射光をＳＨＧ素
子の光導波路に集光し、かつこの光導波路からの帰還光
をこの半導体レーザへ入力させるための光学系と、
（ｄ）このＳＨＧ素子から出射した、第２高調波光とし
てのチェレンコフ放射光を平行光線束にするためのアキ
シコンレンズとを含む第２高調波発生装置において、
（ｅ）この光導波路を、周期的屈折率分布構造として形
成した非線形光導波路とし、（ｆ）このＳＨＧ素子を、
この光導波路の入・出射端面以外の外周囲を第２高調波
光に対して透明な材料層で形成してあることを特徴とす
る。

【００２２】この発明の実施に当たり、好ましくは、こ
の周期的屈折率分布構造を、前述の基本波に対して第１
および第２屈折率領域を交互に周期的に配列して形成し
ておき、その周期をΛとするとき、このΛは下記の条件
を満足する構成とするのが良い。

【００２３】Λ＝Ｐ・λ（ω）／２Ｎ（ω） 但し、 ＣＯＳθ＝Ｎ（ω）／ｎ（２ω） および ＣＯＳ［（α／２）−θ］＝ｎ_A （２ω）・ＣＯＳ（α／２） であって、Ｐは正の整数、λ（ω）は前述の基本波の波
長、Ｎ（ω）はこの基本波に対する前述の光導波路の実
効屈折率、ｎ（ω）は前述の材料層の、第２高調波光に
対する屈折率、ｎ_A （２ω）は前述のアキシコンレンズ
の、第２高調波光に対する屈折率およびαは前述のアキ
シコンレンズの頂角である。

【００２４】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前述のアキシコンレンズの後段に対物レンズを設け
た構成とするのが良い。

【００２５】また、アキシコンレンズの後段に、前述の
平行光線束にされたチェレンコフ放射光を通過させるリ
ング状のスリットと、このスリットの後段に該スリット
を含む面から焦点距離だけ離れているレンズとを含む構
成とするのが良い。

【００２６】また、アキシコンレンズの代わりにフレネ
ルゾーンプレートを用いても良い。

【００２７】

【作用】この発明の第２高調波発生装置によれば、ＳＨ
Ｇ素子の光導波路を、その入・出射端面以外の外周囲を
第２高調波光に対して透明な、少なくとも一つの材料層
で形成してあるので、発生するＳＨ光を欠けた部分のな
い円環状の形のチェレンコフ放射光として取り出せるこ
とになる。従って、ＳＨＧ素子から発生したＳＨ光をア
キシコンレンズによって光軸に対して直交する面内での
断面における光強度分布が円環状分布となっている、円
筒状の平行光線束に、常時、変換することが出来る。こ
の平行光線束を適当な対物レンズを用いて集光させるこ
とによって、実質的にボケの無い、スポットとして集光
出来る。

【００２８】また、上述した構成によれば、光導波路を
周期的屈折率分布構造として構成してあるので、半導体
レーザ（ＬＤ）からの基本波は、ＳＨＧ素子において、
ブラッグ反射により位相整合条件に合致した基本波がこ
のＬＤに帰還する。そして、ＬＤの両端面に低反射率コ
ーティングを施してあるため、しきい値電流が大きい。
このため、周期的屈折率構造の周期をＳＨ光の集光条件
に合致するように設計しておけば、ＬＤは設計通りの発
振波長で自動的に安定して発振する。その結果、チェレ
ンコフ放射光としてのＳＨ光は、ＳＨＧ素子から安定し
たチェレンコフ角θで出射するので、予め基本波の発振
を設計に応じて定めておけば、アキシコンレンズの頂角
αもこの角度θに対応させて定めておくことができ、従
って、安定した、チェレンコフ放射光の平行光線束を、
常時、得る。そのため、この平行光線束を対物レンズで
集光させると、ボケの無い、光強度の大なる微小なスポ
ットとして集光出来る。

【００２９】また、アキシコンレンズの後段に円環状の
スリットを設け、このスリットを焦平面に位置させたレ
ンズを用いることによって、無回折モードの光束であっ
て、しかも、光軸上で最大光強度を有する平行光線束
を、常時、安定して得る。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
つき説明する。なお、図は、この発明が理解出来る程度
に各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に
示してあるにすぎない。

【００３１】図１は、この発明の第２高調波発生装置の
一実施例を示す構成図である。図２の（Ａ）および
（Ｂ）は、この発明の一構成成分として用いるＳＨＧ素
子の構造の一実施例を示す斜視図および断面図である。
図３は、この発明の他の実施例を示す構成図である。

【００３２】この発明の第２高調波発生装置（ＳＨＧ装
置）は、光源としての半導体レーザ１００と、光学系１
１０と、チェレンコフ放射形第２高調波発生素子（ＳＨ
Ｇ素子）１２０と、アキシコンレンズ１３０とを少なく
とも具えた構造となっている（図１）。

【００３３】次に、このＳＨＧ装置の各構成成分につき
説明するが、既に説明した構成成分については、特に必
要がある場合を除き、その説明の詳細を省略する。先
ず、この発明で使用する半導体レーザ（ＬＤ）１００
は、その両端面を低反射面として形成する。半導体レー
ザ１００の両端面を低反射面（ＡＲ面）とすることによ
り、通常の半導体レーザよりも、しきい値電流を充分に
大きくすることができる。そのため、後述するＳＨＧ素
子１２０からの帰還光により、しきい値を越えた基本波
Ｌ_F で発振する。この低反射面は、半導体レーザ１００
の入・出射端面に低反射膜をコーティングして設ければ
良く、このコーティング技術は、従来普通に用いられて
いる。

【００３４】光学系１１０は、半導体レーザ１００とＳ
ＨＧ素子１２０とを光学的に結合させる手段であるた
め、この半導体レーザ１００からの出射光をＳＨＧ素子
１２０の光導波路１２２に集光し、かつこの光導波路１
２２からの帰還光をこの半導体レーザ１００へ入力させ
る構成となっていれば良い。この実施例では、半導体レ
ーザ１００側から、ロリメートレンズ１１２、アナモル
フィックプリズムペア１１４および集光レンズ１１６を
もって構成してある。当然ながら、光ファイバ或いはそ
の他の光学手段（空気空間およびまたは真空空間をも含
む。）等を用いて両者１００および１２０を光学的に結
合させてもよい。

【００３５】チェレンコフ放射形第２高調波発生（ＳＨ
Ｇ）素子１２２は、この半導体レーザ１００からの基本
波光を第２高調波光に変換する素子である。このＳＨＧ
素子につき図２の（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明す
る。

【００３６】このＳＨＧ素子１２０は、光導波路１２２
と、その入・出射端面以外の外周囲を取り囲む、第２高
調波光に対して透明な材料層１２４で構成する（図２の
（Ａ））。この実施例では、ＳＨＧ素子１２０を、従来
公知の、基板１２６およびこれに設けた非線形光導波路
１２２からなるプレーナ形ＳＨＧ素子の上面に、クラッ
ド１２８を設けた構造としている。そして、この光導波
路１２２を、周期的屈折率分布構造として形成した非線
形光導波路として、従来周知のプロトン交換法（Ｌｉ−
Ｈ⁺ 交換法）で基板１２６に形成する。

【００３７】図２の（Ａ）には、周期的屈折率分布構造
として示してないが、この光導波路１２２を第１および
第２屈折率領域１２２ａおよび１２２ｂをもって構成す
る。この実施例では、例えば、図２の（Ｂ）に示すよう
に、高屈折率部１２２ａおよび低屈折率部１２２ｂの２
つの屈折率の異なる部分を交互に導波方向に沿って周期
的に配列させて構成してある。この構造は、一旦、イオ
ン交換法を用いて、基板１２６に低屈折率部１２２ｂの
材料で光導波路の原形を形成した後、イオン交換法を用
いて、一定の周期でかつ一定の幅で高屈折率部１２２ａ
を作り込めば良い。

【００３８】次に、光導波路１２２が形成されている基
板１２６の全面に、基板と同一の材料でクラッド１２８
を設ける。基板とクラッドとを同一の材料で形成したの
は、基板側とクラッド側とで、チェレンコフ角を同一に
するためである。この材料として、第２高調波に対して
透明な、例えば、ＬｉＮｂＯ₃ を用いるのが好適であ
る。従って、この実施例では、この材料層１２４を、基
板１２６と、この基板および光導波路に光学的にコンタ
クトしたクラッド１２８をもって構成してある。

【００３９】また、これら高屈折率部１２２ａおよび低
屈折率部１２２ｂの両者の屈折率差を、好ましくは、小
さくしておくのが良い。このようにすると、チェレンコ
フ放射光の出射モードを実質的に同一とすることが出来
る。チェレンコフ放射光のモードが異なってしまうと、
ＳＨＧ素子１２０から取り出されるＳＨ光が後段のアキ
シコンレンズ（図１の１３０）によって集光不可能なモ
ードとなってしまい、実用性の乏しいＳＨＧ装置となっ
てしまう。

【００４０】次に、このＳＨＧ素子１２０が満たすべき
条件につき検討する。ＳＨＧ素子は、半導体レーザ１０
０を基本波で安定発振させるための帰還光を出射させる
と共に、一定のチェレンコフ角θで第２高調波を発生さ
せる必要がある。このため、ＳＨＧ素子１２０の光導波
路１２２はブラッグ反射を生じさせるように構成するこ
とを要する。

【００４１】今、周期的屈折率構造の一周期をΛとす
る。このとき、このΛは下記の条件を満足する構成とす
るのが良い。

【００４２】 Λ＝Ｐ・λ（ω）／２Ｎ（ω） （５） 但し、 ＣＯＳθ＝Ｎ（ω）／ｎ（２ω） （６） および ＣＯＳ［（α／２）−θ］＝ｎ_A （２ω）・ＣＯＳ（α／２） （７） である。ここで、Ｐは正の整数でブラッグ反射の次数で
与えられ、λ（ω）は基本波の波長、Ｎ（ω）はこの基
本波に対する光導波路１２２の実効屈折率、ｎ（ω）は
材料層１２４の、第２高調波光に対する屈折率、ｎ
_A （２ω）はアキシコンレンズ１３０の、第２高調波光
に対する屈折率およびαはこのアキシコンレンズの頂角
である。なお、式（６）は、式（１）に対応しており、
式（７）は、式（２）に対応している。また、実効屈折
率とは、高および低屈折率部の屈折率の算術平均値で与
えられるが、両屈折率部の屈折率の値は極めて近接した
値であるので、どちらかの屈折率部の屈折率で近似的に
与えてもよい。

【００４３】以下、この条件につき説明する。光導波路
１２２の光屈折率部１２２ａおよび低屈折率部１２２ｂ
の基本波Ｌ_F に対する屈折率をそれぞれＮａ（ω）およ
びＮｂ（ω）とする。また、ＳＨ波Ｌ_S に対するそれぞ
れの屈折率をｎ_SA（２ω）およびｎ_SB（２ω）とする。
このとき両屈折率部１２２ａおよび１２２ｂにおけるチ
ェレンコフ放射角θａおよびθｂのずれ角△θは次式で
与えられる。

【００４４】 △θ＝ＣＯＳ^-1［Ｎａ（ω）／ｎ_SA（２ω）］ −ＣＯＳ^-1［Ｎｂ（ω）／ｎ_SB（２ω）］ （８） この式において、△θは零（０）であることが理想的で
はあるから、屈折率差［Ｎａ（ω）−Ｎｂ（ω）］およ
び［ｎ_SA（２ω）−ｎ_SB（２ω）］は、それぞれ、小さ
いことが望ましい。しかし、屈折率差を零とすること
は、この発明の効果を達成出来ないので、どの程度間で
この屈折率差を小さくすれば良いのか評価する必要があ
る。

【００４５】そこで、図２の（Ｂ）に示す構造におい
て、ＳＨＧ素子１２０の導波方向の長さＤを５ｍｍとし
て検討する。屈折率周期構造の周期Λは、基本波Ｌ_F の
波長λ（ω）を８３０ｎｍとすると、Ｎａ（ω）＝２．
１７２となる。周期的屈折率分布構造が、仮に９次のブ
ラッグ反射を起こすとすると、Ｐは９であり、その場
合、式（５）で与えられる周期Λは、Λ＝９×０．８３
／（２×２．１７２）＝１．７２となる。今、、Ｄ＝５
ｍｍであるとしているので、このＳＨＧ素子１２０で
は、２９００周期のブラッグ反射格子が形成されている
こととなる。

【００４６】次に、仮に［Ｎａ（ω）−Ｎｂ（ω）］＝
０．００１とすると、［ｎ_SA（２ω）−ｎ_SB（２ω）］
も０．００１程度となり、ブラッグ反射率Ｒは、周知の
次式（９）を使って計算すると、ほぼ９４．３％とな
り、充分な反射率を有していることが理解出来る。な
お、ｎ₁ およびｎ₂ は、光導波路の入・出射端面と接す
る空気の屈折率で１とし、ｒを周期Λの繰り返し数、こ
こでは２９００とする。

【００４７】 Ｒ＝｛［Ａ］／［Ｂ］｝² ［Ａ］＝１−（Ｎａ（ω）／ｎ₁ ）×（Ｎａ（ω）／ｎ₂ ） ×（Ｎａ（ω）／Ｎｂ（ω））^2r ［Ｂ］＝１＋（Ｎａ（ω）／ｎ₁ ）×（Ｎａ（ω）／ｎ₂ ） ×（Ｎａ（ω）／Ｎｂ（ω））^2r ・・・（９） Ｎａ（ω）＝２．１７３とし、Ｎｂ（ω）＝２．１７２
として式（９）を計算すると、Ｒ＝０．９４３となる。

【００４８】一方、この場合のチェレンコフ放射角θａ
およびθｂのずれは、第２高調波の波長４１５ｎｍ対す
る高および低屈折率部１２２ａおよび１２２ｂの屈折率
をそれぞれｎ_SA＝２．３１２およびｎ_SB＝２．３１１で
あるとすると、 θａ＝ＣＯＳ^-1［Ｎａ（ω）／ｎ_SA（２ω）］＝１９．９６８８° θｂ＝ＣＯＳ^-1［Ｎｂ（ω）／ｎ_SB（２ω）］＝１９．９６８８° となる。従って、式（８）から、 △θ＝０．００４３° という極めて小さな値となっている。この値は、当業者
には、半導体レーザを安定発振させない場合の従来構造
のＳＨＧ装置の場合に比べて充分小さな値であると理解
出来る。このように約１０００分の４°〜５°程度とい
う小さい値のずれ角△θで放射されたＳＨ波Ｌ_S1を、後
段に設けたアキシコンレンズ１３０で、何ら支障なく、
集光し、それによりドーナツ状の光強度分布を持った平
行光線束Ｌ_S2を出射させることが出来る（図１）。ま
た、この程度の屈折率差を与える光導波路１２２を、現
在のイオン交換技術をもって形成することが出来るの
で、実用に供するチェレンコフ放射形ＳＨＧ素子を形成
することが出来る。

【００４９】このように、図１に示す構成例では、半導
体レーザ１００の両端面をＡＲコーティングして発振し
きい値を充分大きく設定してある。そして、ＳＨＧ素子
１２０の周期的屈折率分布構造の光導波路１２２を、式
（５）を満足するブラッグ反射が生ずるように、構成出
来るので、半導体レーザ１００は、ＳＨＧ素子１２２に
おいて自動的に式（５）を満足した光の帰還をうけるの
で、半導体レーザ１００は、一旦発振が開始すると、基
本波は自動的に一定の波長で安定に発振し、しかも、発
振波長は、周囲の温度や注入電流値の変化の影響をほと
んど受けない。従って、少なくとも、式（５）、（６）
および（７）を満足させるようにＳＨＧ素子を構成すれ
ば、安定発振している基本波を、第２高調波としてのチ
ェレンコフ放射光に、効率よく変換し、しかも、このチ
ェレンコフ放射光を、その放射角度も実質的に同一と見
做し得る範囲内で放射させることが出来るということが
理解出来る。

【００５０】図１に示した実施例では、好適例として、
この発明のＳＨＧ装置の構成の一部分として、アキシコ
ンレンズ１３０の後段に対物レンズ１４０を設けてい
る。この構成によれば、アキシコンレンズ１３０からの
円筒状の平行光線束Ｌ_S2を対物レンズ１４０によって効
率良く一点に集光させてスポット状の集光点１５０を得
ることが出来る。

【００５１】図３は、この発明の他の好適実施例の構成
を示す図である。この実施例によれば、アキシコンレン
ズ１３０の後段に、平行光線束にされたチェレンコフ放
射光（第２高調波光：ＳＨ波）Ｌ_S2を通過させるリング
状のスリット１６０ａと、このスリット１６０ａの後段
にこのスリットを含む面（スリット板１６０の面）から
焦点距離ｆだけ離れているレンズ１６２とを含む構成と
している。この実施例では、光学系１１０を単なる空気
の間隙としてある。また、スリット板１６０は、図８で
説明したスリット板と同様に形成することが出来る。ま
た、レンズ１６２とスリット板１６０との組み合わせ
も、図８の場合と同様にして組み合わせれば良い。その
他の各構成成分は、図１に示した構成成分と同様である
ので、その詳細な説明を省略する。

【００５２】図３に示すＳＨＧ装置の構成によれば、ア
キシコンレンズ１３０で平行光線束にされた、光強度が
光軸に直交する面内において円環状に分布したＳＨ光Ｌ
_S2を効率よく集光してレンズ１６２の後方の、当該レン
ズ１６２から最長伝播距離に至る範囲内の光軸上に、無
回折モードの、微細径の平行光線束１６４を形成するこ
とが出来る。この最長伝播距離は、通常、数十ｃｍであ
るので、実用上何ら支障がない。また、この構成によれ
ば、アキシコンレンズ１３０からの平行なＳＨ光Ｌ_S2が
実質的に存在している領域にのみスリット１６０ａを設
けた構成となっているので、ＳＨ光の光強度が最大とな
っている部分がスリット１６０ａを通過することとな
る。従って、スリット１６０およびレンズ１６２によっ
て集光された平行光線束１６４の光強度は、従来構成の
場合とは異なり、実質的に弱まっていない。このため、
光軸上にボケの生じない、最大光強度を持った平行光線
束を得ることが出来る。なお、ＳＨＧ素子１２０のＳＨ
波Ｌ_S1の出射側の端面からアキシコンレンズ１３０まで
の距離Ｓが変わると、対応して平行光線束Ｌ_S2の中心間
の径が変わるため、このスリット１６０ａの径ｄも、こ
の距離Ｓに対応させて予め設定することが出来る。

【００５３】この発明は、上述した実施例にのみ限定さ
れるものではなく、多くの変形または変更を行ない得る
ことが明らかである。例えば、上述した実施例では、Ｓ
ＨＧ素子として、光導波路を形成した基板上にクラッド
を設けた構成としたが、光導波路を中心としてその周囲
に同一の第２高調波に対して透明な材料層を具えた構造
であれば良い。従って、例えば、周期的屈折率構造を有
する光導波路を形成したファイバ状のチェレンコフ放射
形ＳＨＧ素子であってもよい。

【００５４】また、ＳＨＧ素子を形成する材料としてＬ
ｉＮｂＯ₃ を用いたが、これを用いる代わりに、ＬｉＴ
ａＯ₃ とかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄ ）とかその他の非線
形光学材料を用いても形成することが出来る。

【００５５】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の第２高調波発生装置によれば以下に掲げるよう
な利点を有している。

【００５６】半導体レーザとチェレンコフ放射形ＳＨ
Ｇ素子を組み合わせてあるので、装置の小型化が可能と
なる。

【００５７】また、ＳＨＧ素子の光導波路を周期的屈
折率構造とし、かつ、半導体レーザの入・出射端面を低
反射面としてあるため、半導体レーザの駆動電流値や周
囲温度等に影響されずに、設計した基本波発振波長で安
定発振させることが出来る。

【００５８】また、ＳＨＧ素子を、光導波路の外周囲
を同一の材料からなる層で取り囲んであるため、この層
の第２高調波に対する屈折率は一様に構成されることと
なり、従って、チェレンコフ放射光は、常に、光導波路
の周囲３６０°にわたり一定の放射角度で放射される。
このため、基本波の波長が決まれば、第２高調波はＳＨ
Ｇ素子から円環状に一定の放射角度で自動的に、かつ、
安定して放射するので、後段のアキシコンレンズにより
常に平行光線束を得ることが出来る。このため、設計に
応じた基本波の波長に対応した頂角を有するアキシコン
レンズを用意しておけば済むので、無駄が省ける。

【００５９】上述した〜の結果、アキシコンレン
ズの後段に集光レンズを配置することによって、第２高
調波をボケのない、光強度の大なるおよび微細径のスポ
ットとして集光出来る。また、アキシコンレンズの後段
にスリットと対物レンズの組み合わせ構造を配置するこ
とによって、光軸上に光強度の大なる、ボケのないおよ
び微細径の平行光線束を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第２高調波発生装置（ＳＨＧ装置）
の第１実施例の説明に供する概略的構成図である。

【図２】（Ａ）は、この発明のＳＨＧ装置で使用するＳ
ＨＧ素子の一実施例を概略的に示す斜視図であり、
（Ｂ）は、図（Ａ）の断面図である。

【図３】この発明のＳＨＧ装置の第２実施例の説明に供
する概略的構成図である。

【図４】（Ａ）は、従来のチェレンコフ放射形第２高調
波発生素子の概略的斜視図であり、（Ｂ）は、図（Ａ）
の断面図である。

【図５】（Ａ）は、従来のＳＨＧ装置の要部を概略的に
示す斜視図であり、（Ｂ）は、図（Ａ）の断面図であ
る。

【図６】スポット状の収束光を得るための従来のＳＨＧ
装置を概略的に示す構成図である。

【図７】光強度が一様に分布している平行光線束を光軸
上の平行光線束に変換するための従来のスリットと対物
レンズの組み合わせ構造を示す構成図である。

【図８】光軸上に平行光線束を得るための従来のＳＨＧ
装置を概略的に示す構成図である。

【符号の説明】

１００：半導体レーザ（ＬＤ）、 １１０：光
学系 １１２：ロリメートレンズ １１４：アナモルフィックプリズムペア、 １１６：集
光レンズ １２０：ＳＨＧ素子、 １２２：光
導波路 １２２ａ：高屈折率部、 １２２ｂ：
低屈折率部 １２４：材料層、 １２６：基
板 １２８：クラッド、 １３０：ア
キシコンレンズ １４０：集光レンズ、 １５０：ス
ポット １６０スリット板、 １６０ａ：
スリット １６２：対物レンズ、 １６４：
（光軸上の）平行光線束 Ｌ_F ：基本波光、 Ｌ_S2：チェ
レンコフ放射光 Ｌ_S2：（光強度分布が円環状の）チェレンコフ放射光。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）両端面を低反射面として形成した
   半導体レーザと、 （ｂ）該半導体レーザからの基本波光を第２高調波光に
   変換する、チェレンコフ放射形第２高調波発生（ＳＨ
   Ｇ）素子と、 （ｃ）前記半導体レーザからの出射光をＳＨＧ素子の光
   導波路に集光し、かつこの光導波路からの帰還光をこの
   半導体レーザへ入力させるための光学系と、 （ｄ）前記ＳＨＧ素子から出射した、第２高調波光とし
   てのチェレンコフ放射光を平行光線束にするためのアキ
   シコンレンズとを含む第２高調波発生装置において、 （ｅ）前記光導波路を、周期的屈折率分布構造として形
   成した非線形光導波路とし、 （ｆ）前記ＳＨＧ素子を、前記光導波路の入・出射端面
   以外の外周囲を第２高調波光に対して透明な材料層で形
   成してあることを特徴とする第２高調波発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の第２高調波発生装置に
   おいて、 前期周期的屈折率分布構造を、前期基本波に対して第１
   および第２屈折率領域を交互に周期的に配列して形成し
   てあり、 その周期をΛとするとき、該Λは下記の条件を満足する
   ことを特徴とする第２高調波発生装置。 Λ＝Ｐ・λ（ω）／２Ｎ（ω） 但し、 ＣＯＳθ＝Ｎ（ω）・ｎ（２ω） および ＣＯＳ［（α／２）−θ］＝ｎ_A （２ω）・ＣＯＳ（α／２） であって、Ｐは正の整数、λ（ω）は前記基本波の波
   長、Ｎ（ω）は前記基本波に対する前記光導波路の実効
   屈折率、θはチェレンコフ角、ｎ（２ω）は前記材料層
   の、第２高調波光に対する屈折率、ｎ_A（２ω）は前記
   アキシコンレンズの、第２高調波光に対する屈折率およ
   びαは前記アキシコンレンズの頂角である。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の第２高調波発生装置に
   おいて、 前記アキシコンレンズの後段に設けた対物レンズを含む
   ことを特徴とする第２高調波発生装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の第２高調波発生装置に
   おいて、 前記アキシコンレンズの後段に、前記平行光線束にされ
   たチェレンコフ放射光を通過させるリング状のスリット
   と、該スリットの後段に該スリットを含む面から焦点距
   離だけ離れているレンズとを含むことを特徴とする第２
   高調波発生装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のアキシコンレンズの代
   わりにフレネルゾーンプレートを用いることを特徴とす
   る第２高調波発生装置。