專利名稱：高次諧波發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高次諧波發(fā)生器。
背景技術(shù)：
在所有光信息處理技術(shù)中，為了實現(xiàn)高密度光記錄，要求能以30mW以上的輸出穩(wěn) 定地激發(fā)出波長為400-430nm左右的藍光的藍光激光器，在進行著其開發(fā)競爭。作為藍光 光源，期待以紅光為基本波進行激發(fā)的激光器與準相位匹配方式的第二高次諧波發(fā)生元件 所組合的光波導(dǎo)型波長轉(zhuǎn)換元件。諸如鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶的非線性光學(xué)晶體，二次非線性形光學(xué)常數(shù)高，通過將 上述晶體形成周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)準相位匹配(Quasi-Phase-Matched =QPM)方 式的第二高次諧發(fā)生(Second-Harmonic-Generation =SHG)裝置。另外，通過在該周期性極 化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成波導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效SHG裝置，可以廣泛應(yīng)用于光通信、醫(yī)學(xué)、光化學(xué)、各 種光測量領(lǐng)域等。在 IQEC/CLE0-PR 2005， Tokyo, Japan, July 11-15,2005, post-deadline paper PDG-2中，通過聚光透鏡系統(tǒng)聚光從DFB激光二極管發(fā)出的基本波，照射向PPLN光波導(dǎo)元 件，得到高次諧波(綠光)，聚光該高次諧波，并使其激發(fā)。PPLN光波導(dǎo)元件是在摻雜MgO 的鈮酸鋰單晶基板內(nèi)形成光波導(dǎo)，在該光波導(dǎo)內(nèi)形成周期性的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。鈮酸鋰單晶 的光波導(dǎo)元件的入射側(cè)端面及出射側(cè)端面，如圖1(a)所示，研磨至使其從相對光波導(dǎo)的垂 直面發(fā)生大幅傾斜。據(jù)此，防止返向激光振蕩源的光的入射。

發(fā)明內(nèi)容
諸如 IQEC/CLE0-PR 2005, Tokyo, Japan, July 11-15, 2005, post-deadline paper PDG-2中所記載的透鏡結(jié)合方式的高次諧波振蕩裝置中，由于光波導(dǎo)基板的入射側(cè)及出射 側(cè)端面被研磨成傾斜，透鏡不能向著光波導(dǎo)基板而接近。因此，必需使用大直徑而焦距長的 透鏡。由于需要將這樣的大直徑的透鏡收納于高次諧波振蕩元件內(nèi)，不能將振蕩裝置小型 化。并且，透鏡直徑變大的話，也接受從光波導(dǎo)基板的平頂(卞7 部分射出的出射光或 散射光，而使光束品質(zhì)劣化。本發(fā)明的課題是，將使用波導(dǎo)型波長轉(zhuǎn)換元件的激光光源小型化的同時防止光從 元件返向激光振蕩源，而使振蕩穩(wěn)定，同時，提高出射光束的品質(zhì)。本發(fā)明為高次諧波發(fā)生器，其具有固體激光振蕩器、波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件、第 一透鏡系統(tǒng)和第二透鏡系統(tǒng)。其中，波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件具有將由該固體激光振蕩器 所激發(fā)的激光的波長進行轉(zhuǎn)換從而發(fā)生高次諧波的調(diào)制用光波導(dǎo)、激光的入射側(cè)端面、高 次諧波的出射側(cè)端面、一側(cè)的側(cè)面及另一側(cè)的側(cè)面；第一透鏡系統(tǒng)對由固體激光振蕩器所 激發(fā)的激光向著波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的入射側(cè)端面進行聚光；第二透鏡系統(tǒng)對從波導(dǎo) 型高次諧波發(fā)生元件的出射側(cè)端面所射出的高次諧波進行聚光。該高次諧波發(fā)生器的特征 在于，出射側(cè)端面具有在一側(cè)的側(cè)面?zhèn)人纬傻难心ッ婧驮诹硪粋?cè)的側(cè)面?zhèn)人纬傻墓馍⑸涿?，該一?cè)的側(cè)面和研磨面所形成的角θ為鈍角，該另一側(cè)的側(cè)面與光散射面之間所成 的角α為鈍角或直角。根據(jù)本本發(fā)明，波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的出射側(cè)端面，具有從轉(zhuǎn)換用光波導(dǎo)看 去在一側(cè)形成的研磨面和從光波導(dǎo)看去在另一側(cè)形成的光散射面，一側(cè)的側(cè)面與研磨面之 間形成的角θ為鈍角，另一側(cè)的側(cè)面與光散射面之間形成的角α為鈍角或直角。其結(jié)果， 可以將透鏡系統(tǒng)靠近元件的光散射面而配置。由此，能夠使用焦距短、直徑小的透鏡，因此 能夠使光學(xué)系統(tǒng)整體變小，從而可以使高次諧波發(fā)生器整體小型化。進一步，通過將研磨面相對側(cè)面形成為鈍角，返光難于入射向振蕩源，可以使振蕩 狀態(tài)穩(wěn)定。進一步，通過將透鏡系接近出射側(cè)的光散射面而設(shè)置，射出自出射面的多余的平 頂模式的光束難于結(jié)合于透鏡，而來自光散射面的出射光束由于擴散，不會聚光于透鏡。因 此，能夠僅對從光波導(dǎo)所射出的所需的高次諧波進行高效的聚光，能夠得到細的、噪音小的 高次諧波光束。


圖1(a)為表示現(xiàn)有例的裝置的主要部分的模式圖，圖1(b)為表示本發(fā)明例的裝 置的主要部分的模式圖。圖2為表示在現(xiàn)有例的裝置中高次諧波及平頂模式光的結(jié)合狀態(tài)的模式圖。圖3為表示在本發(fā)明例的裝置中高次諧波及平頂模式光的結(jié)合狀態(tài)的模式圖。圖4為表示本發(fā)明例的波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的出射側(cè)端面的圖。圖5為表示本發(fā)明例的振蕩裝置的模式圖。圖6為表示現(xiàn)有例的振蕩裝置的模式圖。圖7為表示能用于本發(fā)明的波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件1的主要部分剖面圖。圖8為用于說明本發(fā)明例的元件的端面形成方法的模式圖。
具體實施例方式下面，更具體地說明本發(fā)明。圖1(a)為表示現(xiàn)有的高次諧波振蕩裝置的主要部分的模式圖。波導(dǎo)型高次諧波 發(fā)生元件19中形成有光波導(dǎo)2，光波導(dǎo)2具有波長轉(zhuǎn)換功能。波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件2 的入射側(cè)端面13以及出射側(cè)端面14的任一面均為光學(xué)研磨面，分別形成為平面。因此，出 射面14和一側(cè)的側(cè)面19a所形成的角θ為鈍角，出射面14與另一側(cè)的側(cè)面19b所形成的 角α為銳角。聚光透鏡系17以與入射側(cè)端面相對的方式而設(shè)置，透鏡系18以與出射側(cè)端 面14相對的方式而設(shè)置?；静ㄈ缂^A所示由透鏡系17聚光，從光波導(dǎo)的端面2a入射，在光波導(dǎo)內(nèi)接受 波長轉(zhuǎn)換。高次諧波如箭頭B所示從端面2b射出、如箭頭B所示由透鏡系18聚光。然而，在該例中，由于形成為銳角的部分P從平面觀察向著透鏡系而突出，因此透 鏡系17、18不能向端面13、14接近。因此，需要增大透鏡系17、18的口徑。如圖6模式所 示，在振蕩裝置26的箱體21內(nèi)的空間22內(nèi)設(shè)置有固體激光振蕩器23、聚光透鏡系27、17、 波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件19、透鏡系18的情況下，由于透鏡系17、18的直徑變大，難于將箱體21小型化。進一步，如圖2所示，所需的高次諧波9從出射側(cè)端面14射出，被透鏡系18聚光， 繼而如11所示被激發(fā)。然而，由于透鏡18的直徑大，同時，多余的平頂模式的出射光10也 從出射側(cè)端面14射出，由透鏡18聚光，繼而如12所示而被激發(fā)。如此的多余的平頂模式 的光10重疊的結(jié)果，不能得到細的高次諧波光束，高次諧波光束的噪音增大。與此相對，根據(jù)本發(fā)明例，如圖1(b)所示，元件1的出射側(cè)端面具有從轉(zhuǎn)換用光波 導(dǎo)2方向觀察形成于一側(cè)的側(cè)面Ia側(cè)的研磨面6和形成于另一側(cè)的側(cè)面Ib側(cè)的光散射面 5。并且，一側(cè)的側(cè)面Ia與研磨面6之間所形成的角θ與圖1(a)同樣為鈍角。但是，另一 側(cè)的側(cè)面Ib與光散射面5之間所形成的角α不是銳角，而是鈍角或直角。另外，在圖1(b)的例中，元件1的入射側(cè)端面具有從光波導(dǎo)2方向觀察形成于另 一側(cè)的側(cè)面Ib側(cè)的研磨面3和形成于一側(cè)的側(cè)面Ia側(cè)的光散射面4。并且，另一側(cè)的側(cè)面 Ib與研磨面3之間形成的角θ和圖1(a)同樣為鈍角。但是，一側(cè)的側(cè)面Ia與光散射面4 之間所形成的角α不是銳角，而是鈍角或直角。在本例中，不具有形成為銳角的部分P，如圖3、圖5所示，光散射面4、5相對側(cè)面 為鈍角或直角。其結(jié)果，透鏡系7、8能夠接近光散射面，因此能夠減小透鏡系的口徑。其結(jié) 果，如圖5中所模式地表示，振蕩裝置20的箱體21內(nèi)的空間22內(nèi)設(shè)置有固體激光振蕩器 23、聚光透鏡系25、7、波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件1、透鏡系8的情況下，由于能夠減小透鏡系 7、8的口徑，因此能夠使箱體21小型化。進一步，如圖3中所模式地表示，從光波導(dǎo)的端面，射出所需的高次諧波9，由透鏡 系8聚光，繼而如16所示而被激發(fā)。雖然從研磨面6也射出多余的平頂模式的光10，但由 于透鏡8的口徑小，難于被聚光于透鏡8內(nèi)，不易成為噪音。與此同時，雖然從接近透鏡的 光散射面5也射出光，但由于該光15成為散射光，也不會結(jié)合于透鏡8內(nèi)，不會成為噪音。 其結(jié)果，能獲得噪音少的細的高次諧波光束16。在本發(fā)明中(參考圖4)，在出射側(cè)端面中，一側(cè)的側(cè)面Ia與研磨面6之間形成的 角θ為鈍角。另外，在入射側(cè)端面中，另一側(cè)的側(cè)面Ib與研磨面之間形成的角θ為鈍角。所謂鈍角，作為指大于90°的角度的詞匯對于本領(lǐng)域人員來說是明確的。但是，從 防止向激光振蕩器的返光這一觀點考慮，θ優(yōu)選為93°以上、較優(yōu)選為98°以上。另外， 從制造上的觀點考慮，θ優(yōu)選為120°以下。在本發(fā)明中(參考圖4)，在出射側(cè)端面中，另一側(cè)的側(cè)面Ib與光散射面5之間所 形成的角α為鈍角或直角。另外，在入射側(cè)端面中，一側(cè)的側(cè)面Ia與光散射面之間所形成 的角α為鈍角或直角。所謂鈍角，作為指大于90°的角度的詞匯對于本領(lǐng)域人員來說是明確的。從使透 鏡系向入射面、出射面接近這一觀點考慮，α也可以為直角，但是在鈍角的情況下優(yōu)選為 93°以上。另外，從制造上的觀點考慮，α優(yōu)選為120°以下。在本發(fā)明中，對于波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的寬度W沒有特殊的限制。但是，從元 件的操作強度的觀點考慮，W優(yōu)選為0. 5mm以上。在本發(fā)明中，研磨面與光散射面的一方設(shè)置于一側(cè)的側(cè)面?zhèn)龋硪环皆O(shè)置于另一 側(cè)的側(cè)面?zhèn)?。此處，研磨面與光散射面之間的界面，也可以是光波導(dǎo)的端面。但是，在優(yōu)選 實施方式中，如圖4所示，研磨面6(3)超出光波導(dǎo)的端面2b (2a)，向著光散射面5 (4)延伸尺寸d。該尺寸d沒有限制，但是，從防止來自光波導(dǎo)2端面的返光這一觀點考慮，優(yōu)選為 0. 05mm 以上。在本發(fā)明中，研磨面的Ra沒有限制，但為了提高從光波導(dǎo)所激發(fā)的高次諧波的效 率、防止散射，優(yōu)選為5nm以下、較優(yōu)選為2nm以下。另外，研磨方法沒有限制，但是優(yōu)選通 過機械化學(xué)法進行研磨加工。在本發(fā)明中，光散射面的Ra，從高效地使光散射這一觀點考慮，優(yōu)選為IOnm以上。 光散射面，例如，也可以是將元件切斷后保持原狀沒有研磨的切斷面。另外，雖然可以將該 切斷面進行研磨或研削加工，但此時直至光學(xué)研磨的水平之間使得Ra不會變小。在優(yōu)選實施方式中，波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件為波導(dǎo)從接合層或基板突出的脊型 波長轉(zhuǎn)換元件。通過將上述元件與激光光源組合，能顯著降低驅(qū)動電壓、發(fā)熱量。在優(yōu)選實施方式中，三維光波導(dǎo)為脊型的光波導(dǎo)，將非線性光學(xué)晶體加工，例如， 通過機械加工或激光加工而進行物理加工，繼而通過成形而得到。并且，三維光波導(dǎo)隔著由 非晶材料形成的接合層而與基板接合。圖7為概略地表示能在本發(fā)明的實施方式中使用的波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件1的 剖面圖。強介電體層35具備具有波長轉(zhuǎn)換功能的脊型光波導(dǎo)2、設(shè)置于波長轉(zhuǎn)換部2兩 側(cè)的槽形成部36A、36B以及在各槽形成部的外側(cè)所設(shè)置的延伸部37A、37B。在強介電體層 35的表面形成有表面?zhèn)染彌_層38，在背面?zhèn)刃纬捎斜趁鎮(zhèn)染彌_層39。強介電體層35，隔著 緩沖層39、粘結(jié)層40而被接合于支持基板41。需要說明的是，強介電體層的背面是指與支持基板接合一側(cè)的面，所謂表面是指 背面的反對側(cè)的面。在光波導(dǎo)內(nèi)的波長轉(zhuǎn)換方式?jīng)]有特殊的限制。在優(yōu)選實施方式中，在光波導(dǎo)內(nèi)形 成周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，據(jù)此將基本光的波長轉(zhuǎn)換為高次諧波而輸出。上述的周期性極化 反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期根據(jù)波長而變化。另外，周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的形成方法也沒有特殊的限 制，但優(yōu)選為施加電壓法。或者，也以使用諸如鈮酸鋰鉀、鉭酸鋰鉀、鈮酸鋰鉀_鉭酸鋰鉀固溶體這樣的非線 性光學(xué)晶體，將入射的基本光的波長轉(zhuǎn)換為高次諧波。構(gòu)成強介電體層的材料，只要能進行光的調(diào)制即可，沒有特殊的限制，可以例舉出 鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、鈮酸鋰鉀、KTP、GaAs及水晶等。在強介電體層單晶中，為了進一步提高光波導(dǎo)的耐光損傷性，可以含有選自鎂 (Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)及銦(In)中的1種以上的金屬元素，特別優(yōu)選含有鎂。在強介電體 層單晶中，作為摻雜成分，可以含有稀土元素。該稀土元素作為激光激發(fā)用的添加元素而起 作用。作為該稀土元素，特別地優(yōu)選Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。表面?zhèn)染彌_層、背面?zhèn)染彌_層的材料，可以例舉出氧化硅、氟化鎂、氮化硅及氧化
鋁、五氧化鉭。接合層的材料，可以是無機粘結(jié)劑，也可以是有機粘結(jié)劑，還可以是無機粘結(jié)劑與 有機粘結(jié)劑的組合。支持基體41的具體材料沒有特殊的限制，可以例舉出鈮酸鋰、鉭酸鋰、石英玻璃 等的玻璃或水晶、Si等。在此情況下，從熱膨脹差的觀點考慮，優(yōu)選強介電體層與支持基板為相同材料，特別優(yōu)選為鈮酸鋰單晶。實施例本發(fā)明例制造依次參考圖1(b)、圖3、圖5以及圖7進行說明的振蕩裝置。具體而言，在厚度為0. 5mm的Mg05%摻雜鈮酸鋰5度斜切(才7力？卜)Y基板 上，通過光刻法形成周期為4. 20 μ m的梳狀周期電極。在形成全面覆蓋基板背面的電極膜 后，施加脈沖電壓從而形成周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在基板上形成周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)后，通過濺射法成膜厚度為0. 4μ m的SiO2底 層39。在厚度為0. 5mm的未摻雜鈮酸鋰基板41上涂敷粘結(jié)劑41后，與上述MgO摻雜鈮酸 鋰基板貼合，研削、研磨MgO摻雜鈮酸鋰基板的表面直至厚度為3. 6 μ m。接著，通過激光切 除加工法形成脊型光波導(dǎo)2。在形成光波導(dǎo)2后，通過切塊機(Dicer)將元件切斷為長度9mm、寬度1. 0mm，得到 圖8所示的元件32。如圖8所示將該元件設(shè)于定盤30以及夾具31，研磨兩端面32a、32b， 從而形成研磨面。在元件的兩端面分別形成防止反射膜。將半導(dǎo)體激光器23與光波導(dǎo)元件1安裝于圖5所示的箱體21內(nèi)后，在對各透鏡 25、7、8進行光軸調(diào)整后，由樹脂進行固定。使用透鏡的有效口徑為0. 6mm,NA為0. 55的透 鏡。此時，使a為7mm、b為18mm。將從半導(dǎo)體激光器23的振蕩輸出調(diào)整為350mW，260mW可 以結(jié)合于光波導(dǎo)2。使半導(dǎo)體激光器23的波長根據(jù)溫度而可變化從而調(diào)節(jié)為相位匹配的波長時，可 以得到最高142mW的第二高次諧波輸出。此時的基本光的波長為919. 7nm。得到射出的第 二高次諧波的光束徑為0. 5mm(Ι/e2)。另外，射出的第二高次諧波的M2值通過光束性能測 定的結(jié)果為1.08，獲得了良好的光束品質(zhì)。M2值，在理想的高斯光束的情況下為1.0。光束 的性能越差，M2值越大。比較例制備圖1 (a)、圖2、圖6、圖7所示方式的高次諧波激振裝置。具體而言，與實施例 同樣地，制備圖7波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件。接著，通過切塊機將元件切斷為長度9mm、寬 度1. Omm的尺寸后，如圖8所示設(shè)置于定盤30及夾具31，研磨兩端面32a、32b。在端面研 磨后，在兩端施加反射防止膜。將半導(dǎo)體激光器23與波導(dǎo)元件19如圖6所示安裝于箱體21內(nèi)后，對各透鏡27、 17,18進行光軸調(diào)整，繼而由樹脂固定。使用透鏡的有效口徑為2. 0mm,NA為0. 55的透鏡。 此時，使a為10mm、b為26mm。將從半導(dǎo)體激光器23的振蕩輸出調(diào)整為350mW，260mW可以結(jié)合于光波導(dǎo)2。使 半導(dǎo)體激光器23的波長根據(jù)溫度而可變化從而調(diào)節(jié)為相位匹配的波長時，可以得到最高 142mW的第二高次諧波輸出。此時的基本光的波長為919. 7nm。得到射出的第二高次諧波 的光束徑為1. 9mm(Ι/e2)，M2值為1. 21。雖然對本發(fā)明的特定的實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不受上述特定的實施方 式的限制，不脫離權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以進行各種變更或改變。
權(quán)利要求
一種高次諧波發(fā)生器，具有固體激光振蕩器、波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件、第一透鏡系統(tǒng)以及第二透鏡系統(tǒng)；所述波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件具有將由所述固體激光振蕩器所激發(fā)的激光的波長進行轉(zhuǎn)換從而發(fā)生高次諧波的調(diào)制用光波導(dǎo)、所述激光的入射側(cè)端面、所述高次諧波的出射側(cè)端面、一側(cè)的側(cè)面及另一側(cè)側(cè)面；所述第一透鏡系統(tǒng)對由所述固體激光振蕩器所激發(fā)的所述激光向著所述波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的所述入射側(cè)端面進行聚光；所述第二透鏡系統(tǒng)對從所述波導(dǎo)型高次諧波發(fā)生元件的所述出射側(cè)端面所射出的所述高次諧波進行聚光；其特征在于，所述出射側(cè)端面具有在所述一側(cè)的側(cè)面?zhèn)人纬傻难心ッ婧驮谒隽硪粋?cè)的側(cè)面?zhèn)人纬傻墓馍⑸涿?，所述一?cè)的側(cè)面和所述研磨面所形成的角θ為鈍角，所述另一側(cè)的側(cè)面與所述光散射面之間所成的角α為鈍角或直角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波發(fā)生器，其特征在于，所述入射側(cè)端面具有形成于 所述另一側(cè)的側(cè)面?zhèn)鹊难心ッ婧托纬捎谒鲆粋?cè)的側(cè)面?zhèn)鹊墓馍⑸涿?，所述另一?cè)的側(cè)面 與所述研磨面之間所形成的角θ為鈍角，所述一側(cè)的側(cè)面與所述光散射面之間所形成的 角α為鈍角或直角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高次諧波發(fā)生器，其特征在于所述調(diào)制用光波導(dǎo)為脊型 光波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高次諧波發(fā)生器，其具有固體激光振蕩器、將由該固體激光振蕩器所激發(fā)的激光的波長進行轉(zhuǎn)換從而發(fā)生高次諧波的調(diào)制用光波導(dǎo)、激光的入射側(cè)端面、高次諧波的出射側(cè)端面、一側(cè)的側(cè)面及另一側(cè)的側(cè)面。出射側(cè)端面具有在一側(cè)的側(cè)面(1a)側(cè)所形成的研磨面(6)和在另一側(cè)的側(cè)面(1b)側(cè)所形成的光散射面(5)，該一側(cè)的側(cè)面(1a)和研磨面(6)所形成的角θ為鈍角，該另一側(cè)的側(cè)面(1b)與光散射面(5)之間所成的角α為鈍角或直角。
文檔編號G02B6/122GK101939699SQ200980104539
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者吉野隆史 申請人:日本礙子株式會社