JP2012042808A - Laser wavelength converter and laser wavelength conversion method - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザによる自己加熱を補償し、高強度での変換効率の低下を改善する。
【解決手段】 波長変換用非線形結晶10における波長変換による平均的な温度上昇を検出する温度検出器22による検出出力に基づいて、第1のペルチェ素子21を駆動して、上記波長変換用非線形結晶10の結晶全体の温度を平均した平均温度を制御し、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射された2次高調波光(L2)の光量に応じた大きさの駆動電流を第2のペルチェ素子31に流すことにより、上記波長変換用非線形結晶10内の温度勾配を相殺する熱流(HC2)を上記第2のペルチェ素子31により生じさせて上記温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶10の位相整合をとり、出射される2次高調波光(L2)の光量が最大となる温度に上記波長変換用非線形結晶10の平均温度を上記第1のペルチェ素子21により制御する。
【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To compensate for self-heating by a laser and improve a decrease in conversion efficiency at high intensity.
The wavelength conversion nonlinear crystal is driven by driving a first Peltier element based on a detection output from a temperature detector that detects an average temperature rise due to wavelength conversion in the wavelength conversion nonlinear crystal. The average temperature obtained by averaging the temperatures of the entire 10 crystals is controlled, and a drive current having a magnitude corresponding to the amount of the second harmonic light (L 2 ) emitted from the emission end face 10 B of the wavelength conversion nonlinear crystal 10 is set to a first value. The second Peltier element 31 generates a heat flow (HC2) that cancels out the temperature gradient in the wavelength converting nonlinear crystal 10 by flowing it through the second Peltier element 31 to control the temperature gradient, and the wavelength taking the phase matching of converting nonlinear crystal 10, the emitted second harmonic wave light (L 2) light quantity of said frequency converting nonlinear crystal 10 to a temperature of maximum average temperature of the first of Controlled by Peltier elements 21.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、周期的分極構造を有する波長変換用非線形結晶にレーザ光を入射させて、伝播方向に基本波と異なる波長のレーザ光を発生させるレーザ波長変換装置及びレーザ波長変換方法に関する。 The present invention relates to a laser wavelength conversion apparatus and a laser wavelength conversion method for generating laser light having a wavelength different from a fundamental wave in a propagation direction by making laser light incident on a wavelength conversion nonlinear crystal having a periodic polarization structure.
コヒーレント光源は光通信分野のみならず、医療分野や顕微鏡など計測分野などにおいても欠かせないものとなっている。そして、コヒーレント光の波長も、たとえば医療分野においてはその目的によって種々の波長が使われようとしている。 Coherent light sources are indispensable not only in the optical communication field, but also in the medical field and the measurement field such as a microscope. As for the wavelength of coherent light, various wavelengths are being used depending on the purpose in the medical field, for example.
コヒーレント光の光源としては、半導体レーザや固体レーザなど各種のレーザ発振器が知られているが、波長によっては、レーザ発振器から直接得られないものがある。その場合、必要な波長を得るために、非線形波長変換方法が用いられている。 Various laser oscillators such as semiconductor lasers and solid-state lasers are known as light sources for coherent light, but there are some which cannot be obtained directly from the laser oscillator depending on the wavelength. In that case, a nonlinear wavelength conversion method is used to obtain a necessary wavelength.
既存の長波長(赤色)半導体レーザを基本波とし、その半分の波長の光が発生する二次の非線形光学効果である第二高調波発生(SHG:Second Harmonic Generation)は短波長レーザ光源を実現する手段として広く研究されてきた。一般的に、結晶は屈折率に周波数分散を持つため、基本波と第二高調波で速度が異なる。そのためある点で発生した第二高調波と打ち消しあうような第二高調波が発生する点が存在する。このため、効率よく第二高調波を発生させるためには位相整合条件が必要である。一般には、各周波数で偏光によって屈折率が異なる複屈折を持った結晶を用いて、基本波と第二高調波の屈折率をそろえる方法がある。しかし、半導体などは、第二高調波の発生効率を決める二次の非線形光学感受率は大きいが、複屈折性を持たないため複屈折を利用した第二高調波発生を利用することができない。 Second harmonic generation (SHG: Second Harmonic Generation), a second-order nonlinear optical effect that uses an existing long-wavelength (red) semiconductor laser as the fundamental wave and generates light with half the wavelength, realizes a short-wavelength laser light source It has been widely studied as a means to do this. In general, since crystals have a frequency dispersion in the refractive index, the fundamental wave and the second harmonic have different velocities. Therefore, there is a point where a second harmonic that cancels out with the second harmonic generated at a certain point is generated. For this reason, in order to generate the second harmonic efficiently, a phase matching condition is necessary. In general, there is a method of aligning the refractive indexes of the fundamental wave and the second harmonic by using a crystal having birefringence whose refractive index differs depending on polarization at each frequency. However, semiconductors and the like have a large second-order nonlinear optical susceptibility that determines the generation efficiency of second harmonics, but they do not have birefringence, so that second harmonic generation using birefringence cannot be used.
これに対し、1962年にArmstrongらによって擬似位相整合(QPM:Quasi Phase Matching)による第二高調波発生が提案された。擬似位相整合とは、各点で発生した第二高調波の足し合わせが、もっとも大きくなる結晶長ごとに第二高調波を引き起こす非線形分極の向きを反転させることにより、それまで打ち消しあう電場の振動だった第二高調波を電場が加勢する(もしくは打ち消さない)向きに変えてやることにより擬似的に位相を整合させる方法である。したがって、この方法では、半導体などの複屈折を持たない結晶でも利用することができる。 On the other hand, in 1962, Armstrong et al. Proposed second harmonic generation by quasi phase matching (QPM). Quasi-phase matching means that the addition of the second harmonic generated at each point inverts the direction of the nonlinear polarization that causes the second harmonic for each crystal length that becomes the largest, thereby canceling the electric field oscillation that has been canceled until then. In this method, the second harmonic is changed in a direction in which the electric field is energized (or not canceled) to match the phases in a pseudo manner. Therefore, in this method, even a crystal having no birefringence such as a semiconductor can be used.
二次高調波発生を行う非線形光学結晶内部では、レーザ光の強い光電場により誘起された非線形分極により、基本波の位相速度と同じ速度で伝播する非線形分極波と、非線形分極から双極子輻射で放出される二次高調波(SHG波)とがともに伝播する。 Inside the nonlinear optical crystal that generates second harmonics, the nonlinear polarization induced by the strong photoelectric field of the laser beam causes the nonlinear polarization wave to propagate at the same speed as the fundamental phase velocity, and from the nonlinear polarization to the dipole radiation. The emitted second harmonic (SHG wave) propagates together.
ここで、分極波とSHG波の位相速度が同じであれば、伝播するSHG波と結晶内のどの地点で発生しつつある双極子輻射とも同位相となるためコヒーレント加算され高効率で二次高調波を発生させることができる。この様に分極波とSHG波との位相を合わせることを位相整合と呼び、最大の変換効率を得る条件を位相整合条件という。そして、この位相整合条件は入射波の波長における結晶の屈折率とSHG波の屈折率とを等しくすることにより得られる。 Here, if the phase velocity of the polarized wave and the SHG wave are the same, the propagating SHG wave and the dipole radiation generated at any point in the crystal have the same phase. Waves can be generated. Matching the phases of the polarization wave and the SHG wave in this way is called phase matching, and the condition for obtaining the maximum conversion efficiency is called the phase matching condition. This phase matching condition can be obtained by making the refractive index of the crystal equal to the refractive index of the SHG wave at the wavelength of the incident wave.
すなわち、非線形光学効果を利用して波長変換を行う場合、入力レーザ光に誘起される非線形分極とその非線形分極より発生する高調波は、通常その位相がずれて位相不整合の状態であり、コヒーレンス長 (基本波と高調波の位相が180゜ずれる距離)毎に極大、極小を周期的に繰り返すので、効率良く波長変換を行うためには位相整合条件を満たす必要がある。 In other words, when wavelength conversion is performed using the nonlinear optical effect, the nonlinear polarization induced by the input laser beam and the harmonics generated from the nonlinear polarization are usually out of phase and in phase mismatch, resulting in coherence. Since the maximum and minimum are periodically repeated for each length (distance where the fundamental wave and the harmonic phase are shifted by 180 °), phase matching conditions must be satisfied in order to perform wavelength conversion efficiently.
従来、CWレーザの高い効率での波長変換は、周期的分極構造を有するPPLT(periodically poled LiTaO3),PPKTP(Periodically Poled KTiOPO4)などにより行われている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, wavelength conversion with high efficiency of a CW laser has been performed by means of PPLT (periodically poled LiTaO 3 ), PPKTP (Periodically Poled KTiOPO 4 ), etc. having a periodic polarization structure (for example, see Non-Patent Document 1).
周期的分極構造を有するPPLT(periodically poled LiTaO3),PPKTP(Periodically Poled KTiOPO4)などの分極反転素子の疑似位相整合による波長変換は、波長変換効率が比較的高く、1μm帯から500nm付近の可視光帯へのSHG 波長変換等で広く利用されている(例えば、特許文献1,2参照)。
Wavelength conversion by quasi-phase matching of polarization inversion elements such as PPLT (periodically poled LiTaO 3 ) and PPKTP (Periodically Poled KTiOPO 4 ) having a periodically polarized structure has a relatively high wavelength conversion efficiency and is visible from 1 μm band to around 500 nm. It is widely used in SHG wavelength conversion to the optical band (see, for example,
ここで、2次高調波の場合、レーザ強度が低い場合は入射強度の2乗で変換されていくが、10Wを超える入射になると、レーザ自身による加熱により、結晶内に不均一な温度分布ができる。これにより位相整合条件が唯一条件をとれなくなり、変換効率が低下することが知られている(例えば、非特許文献2参照)。非特許文献2には、熱的位相不整合(thermal dephasing)として記述されている。 Here, in the case of the second harmonic, when the laser intensity is low, it is converted by the square of the incident intensity. However, when the incident intensity exceeds 10 W, a non-uniform temperature distribution is generated in the crystal due to heating by the laser itself. it can. As a result, it is known that the phase matching condition is not the only condition, and the conversion efficiency is reduced (see, for example, Non-Patent Document 2). Non-Patent Document 2 describes this as thermal dephasing.
また、所望される強度まで変換効率の低下を無視して入射強度を上げ得ることも可能であり、すでに16Wの0.5μm光の発生も行われている(例えば、非特許文献3参照)。しかし、変換効率は16%程度まで落ちてしまっている。 It is also possible to increase the incident intensity by ignoring the decrease in conversion efficiency to a desired intensity, and 16 W of 0.5 μm light has already been generated (for example, see Non-Patent Document 3). However, the conversion efficiency has dropped to about 16%.
一方、結晶への集光特性と2次高調波や1次、2次のレーザが高強度で共存する場合の吸収に対して低い吸収率が保たれる結晶を使って32.5%という高い変換効率で9.6Wの出力を得ることに成功したものもある(例えば、非特許文献4参照)。しかし、ここでも熱的位相不整合(Thermal dephasing)は対処されておらず、著者も、これを解決すればさらに高い効率に向える、というコメントをしている。 On the other hand, it is as high as 32.5% using a crystal that maintains a low absorptivity with respect to the absorption characteristics when the second harmonic and the first and second order lasers coexist with high intensity and the light condensing characteristics to the crystal. Some have succeeded in obtaining an output of 9.6 W with conversion efficiency (see, for example, Non-Patent Document 4). However, here too, thermal dephasing has not been addressed, and the author has commented that if this is resolved, higher efficiency can be achieved.
ところで、レーザ光を非線形光学結晶で波長変換する際に、温度位相整合は重要になる。特にCWレーザでも高い変換効率が得られる周期的分極構造を有する非線形光学結晶では、準位相整合を長距離にわたり取ることができるが、温度位相整合はより重要になってくる。 By the way, the temperature phase matching becomes important when the wavelength of laser light is converted by a nonlinear optical crystal. In particular, in a nonlinear optical crystal having a periodic polarization structure that can obtain high conversion efficiency even with a CW laser, quasi-phase matching can be achieved over a long distance, but temperature phase matching becomes more important.
しかし、周期的分極構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子を使ってレーザ光の波長を変換させる場合、上記波長変換素子を構成する非線形光学結晶が長尺な周期的分極構造を有することから、入射強度の増大化にともない入射レーザ光、変換光による結晶の加熱が起き、結晶の温度分布の一様性を保てなくなる。 However, when the wavelength of a laser beam is converted using a wavelength conversion element made of a nonlinear optical crystal having a periodic polarization structure, the nonlinear optical crystal constituting the wavelength conversion element has a long periodic polarization structure. As the incident intensity increases, the crystal is heated by incident laser light and converted light, and the uniformity of the temperature distribution of the crystal cannot be maintained.
すなわち、入射レーザ強度を増加させると、変換された2次高調波の吸収や2次高調波をアシストにした基本波の吸収などが起き、長い結晶中で特に下流側で温度上昇が起きる。結晶全体の温度が上がることは、冷却能力を上げることで対応できるが、このようなレーザ軸方向の温度分布は、補償できる手法がなく、高効率変換での制限要素となっている。 That is, when the incident laser intensity is increased, absorption of the converted second harmonic, absorption of the fundamental wave with assistance of the second harmonic, and the like occur, and the temperature rises particularly in the downstream side in a long crystal. An increase in the temperature of the entire crystal can be dealt with by increasing the cooling capacity, but such a temperature distribution in the direction of the laser axis is a limiting factor in high-efficiency conversion because there is no method that can be compensated.
従来、熱的位相不整合(thermal dephasing)問題は、Z. M. LiaoらがJOSAB, Vol.21-12 (2004) 2191などにまとめているが、これを解決する手法としては、上記非特許文献1に記載されているように、結晶ホルダーの上部をオープンにして温度分布を変える、上流部、下流部に2つの温度制御を設ける方法などが提案されているに過ぎない。また、制御の点で考えると、2つの温度という同質のものを使って出力特性を制御することは、最適解を見つける上で困難な面が多い。 Conventionally, the thermal dephasing problem has been summarized by ZM Liao et al. In JOSAB, Vol.21-12 (2004) 2191, etc. As described, only a method of changing the temperature distribution by opening the upper part of the crystal holder and providing two temperature controls in the upstream part and the downstream part has been proposed. In terms of control, it is difficult to find the optimal solution to control the output characteristics using the same quality of two temperatures.
本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、レーザによる自己加熱を補償し、高強度での変換効率の低下を改善するようにしたレーザ波長変換装置及びレーザ波長変換方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laser wavelength conversion apparatus and a laser wavelength conversion method that compensate for self-heating by a laser and improve a decrease in conversion efficiency at high intensity in view of the above-described conventional situation. It is in.
本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施に形態から一層明らかにされる。 Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the embodiments described below with reference to the drawings.
伝播方向に基本波と異なる波長のレーザ光を発生させる場合、レーザの方向に熱勾配を外部からの熱流を流すことで行う手法はまだなく、原理的にも温度勾配を生む流れそのものを反対向きの流れを駆動して補償するという考えの方が適している。 When generating laser light with a wavelength different from that of the fundamental wave in the propagation direction, there is not yet a technique for applying a thermal gradient from the outside in the direction of the laser, and in principle the flow itself that produces the temperature gradient is in the opposite direction. The idea of driving and compensating for the flow is better.
本発明では、レーザの軸方向にペルチェ素子により熱流を発生させ、それと垂直方向での温度制御と並列化することにより、レーザによる自己加熱を補償し、高強度での変換効率の低下を改善する。 In the present invention, a heat flow is generated by the Peltier element in the axial direction of the laser, and in parallel with the temperature control in the direction perpendicular to it, the self-heating by the laser is compensated and the reduction in conversion efficiency at high intensity is improved. .
すなわち、本発明は、レーザ波長変換装置であって、基本レーザ光が入射端面から入射され、入射された基本レーザ光を高調波光に波長変換し、出射端面から高調波光を出射する周期的分極構造を有する波長変換用非線形結晶と、上記波長変換用非線形結晶における波長変換光による結晶の加熱に起因する温度位相整合のずれを検出する検出手段と、上記検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の結晶全体の温度を平均した平均温度を第1のペルチェ素子により制御する第1の温度制御手段と、上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射された高調波光の光量を検出する光量検出手段と、上記光量検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の出射端面側から入射端面側に向かう当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を第2のペルチェ素子により生じさせて上記温度勾配を制御する第2の温度制御手段とを備え、上記第1の温度制御手段と第2の温度制御手段により、上記波長変換用非線形結晶の平均温度と当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶の温度位相整合を最適に保つことを特徴とする。 That is, the present invention is a laser wavelength conversion device, in which a basic laser beam is incident from an incident end face, a wavelength of the incident basic laser beam is converted into a harmonic wave, and a harmonic polarization is emitted from the emission end face A wavelength conversion nonlinear crystal having, a detection means for detecting a shift in temperature phase matching caused by heating of the crystal by wavelength-converted light in the wavelength conversion nonlinear crystal, and the wavelength based on the detection output by the detection means A first temperature control means for controlling an average temperature obtained by averaging the temperatures of the entire crystal of the non-linear crystal for conversion by a first Peltier element; and detecting the amount of harmonic light emitted from the emission end face of the non-linear crystal for wavelength conversion. And the wavelength conversion from the emission end face side to the incident end face side of the wavelength conversion nonlinear crystal based on the detection output by the light quantity detection means. A second temperature control means for controlling the temperature gradient by generating a heat flow that cancels out the temperature gradient in the nonlinear crystal by a second Peltier element, and the first temperature control means and the second temperature control means. By controlling the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal and the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal, the temperature phase matching of the wavelength conversion nonlinear crystal is optimally maintained.
本発明に係るレーザ波長変換装置において、上記第1の温度制御手段は、上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射される2次高調波光の光量が最大となる温度に上記波長変換用非線形結晶の平均温度を上記第1のペルチェ素子により制御し、上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射される2次高調波光の光量を上記光量検出手段により検出し、上記第2の温度制御手段は、上記光量検出手段により検出される上記2次高調波光の光量に応じた大きさの電流を上記第2のペルチェ素子に流すことにより上記温度勾配を制御するものとすることができる。 In the laser wavelength conversion device according to the present invention, the first temperature control means includes the wavelength conversion nonlinear crystal at a temperature at which the amount of second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal is maximized. Is controlled by the first Peltier element, the light quantity of the second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal is detected by the light quantity detection means, and the second temperature control means is The temperature gradient can be controlled by causing a current having a magnitude corresponding to the light quantity of the second harmonic light detected by the light quantity detection means to flow through the second Peltier element.
また、本発明に係るレーザ波長変換装置において、上記第1のペルチェ素子は、上記波長変換用非線形結晶と熱シンクとの間に設けられ、上記第1の温度制御手段は、上記波長変換用非線形結晶に生じた熱を上記第1のペルチェ素子を介して上記熱シンクに逃がすことより、上記波長変換用非線形結晶の平均温度を制御し、上記第2のペルチェ素子は、上記波長変換用非線形結晶の入射端面側側面と出射端面側側面に各一端面が当接された一対の熱循環アームの各他端面間に設けられ、上記第1の温度制御手段は、上記波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を上記第2のペルチェ素子により生じさせて上記一対の熱循環アームを介して上記波長変換用非線形結晶に流すことにより、上記温度勾配を制御するものとすることができる。 In the laser wavelength conversion device according to the present invention, the first Peltier element is provided between the wavelength conversion nonlinear crystal and a heat sink, and the first temperature control means includes the wavelength conversion nonlinear crystal. The heat generated in the crystal is released to the heat sink via the first Peltier element, thereby controlling the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal, and the second Peltier element is used for the wavelength conversion nonlinear crystal. Are provided between the other end faces of a pair of thermal circulation arms whose one end faces are in contact with the incident end face side face and the exit end face side face, and the first temperature control means is provided in the nonlinear crystal for wavelength conversion. The temperature gradient can be controlled by causing the second Peltier element to generate a heat flow that cancels the temperature gradient and flowing it through the pair of thermal circulation arms to the wavelength conversion nonlinear crystal. .
また、本発明は、周期的分極構造を有する波長変換用非線形結晶により、当該波長変換用非線形結晶に入射端面から入射された基本レーザ光を高調波光に波長変換し、出射端面から高調波光を出射するレーザ波長変換装置におけるレーザ波長変換方法であって、上記波長変換用非線形結晶における波長変換による平均的な温度上昇を検出する温度検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の結晶全体の温度を平均した平均温度を第1のペルチェ素子により制御し、上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射された高調波光の光量を検出する光量検出手段による検出出力に基づいて、上記光量検出手段により検出される上記2次高調波光の光量に応じた電流を第2のペルチェ素子に流すことにより、上記波長変換用非線形結晶の出射端面側から入射端面側に向かう当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を上記第2のペルチェ素子により生じさせて上記温度勾配を制御し、上記波長変換用非線形結晶の平均温度と当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶の位相整合をとり、上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射される2次高調波光の光量が最大となる温度に上記波長変換用非線形結晶の平均温度を上記第1のペルチェ素子により制御することを特徴とする。 The present invention also uses the wavelength conversion nonlinear crystal having a periodic polarization structure to convert the wavelength of the basic laser light incident on the wavelength conversion nonlinear crystal from the incident end face into the harmonic light, and emit the harmonic light from the emission end face. A laser wavelength conversion method in a laser wavelength conversion device, wherein the crystal of the nonlinear crystal for wavelength conversion is based on a detection output by a temperature detection means for detecting an average temperature rise due to wavelength conversion in the nonlinear crystal for wavelength conversion Based on the detection output by the light amount detecting means for controlling the average temperature obtained by averaging the entire temperatures by the first Peltier element and detecting the light amount of the harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal. By passing a current according to the amount of the second harmonic light detected by the detection means to the second Peltier element, the wavelength conversion non-wave The second Peltier element generates a heat flow that cancels the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal from the emission end face side to the incident end face side of the shaped crystal to control the temperature gradient, and the wavelength conversion nonlinear crystal The phase temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal is controlled by controlling the average temperature and the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal, and the amount of the second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal The average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal is controlled by the first Peltier element so that the temperature becomes the maximum.
本発明では、周期分極構造を持った結晶など、長い結晶使って高い強度のレーザで相互作用させる場合の自己加熱によるレーザ軸方向の熱的位相不整合(Thermal dephasing)を低減させ、高い効率の波長変換を行うことができる。 The present invention reduces the thermal dephasing in the laser axis direction due to self-heating when a long crystal such as a crystal having a periodically polarized structure is used and interacts with a high-intensity laser, resulting in high efficiency. Wavelength conversion can be performed.
また、本発明では、温度と熱流という直交性のある独立な2つの要素を制御することで、温度位相整合など高い温度一定性が必要な場合に、安定で簡便な最適条件制御が可能になる。 In the present invention, by controlling two independent elements of temperature and heat flow having orthogonality, stable and simple optimum condition control is possible when high temperature uniformity such as temperature phase matching is required. .
すなわち、本発明では、ペルチェ素子が生む電流に比例した熱流を利用した熱帰還型の閉回路を通常の温度制御と並行させることで、熱流と温度という独立な2つの要素を制御するので、最適値を決めることができ、安定で簡便な最適条件制御が可能となり、レーザによる自己加熱を補償し、高強度での変換効率の低下を改善するようにしたレーザ波長変換装置及びレーザ波長変換方法を提供することができる。 In other words, in the present invention, the heat feedback type closed circuit using the heat flow proportional to the current generated by the Peltier device is controlled in parallel with the normal temperature control, thereby controlling two independent elements of the heat flow and the temperature. A laser wavelength conversion device and a laser wavelength conversion method that can determine the value, enable stable and simple optimum condition control, compensate for self-heating by the laser, and improve the decrease in conversion efficiency at high intensity. Can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、例えば図1に示すような構成のレーザ波長変換装置100に適用される。
The present invention is applied to, for example, a laser
このレーザ波長変換装置100は、非線形光学効果を利用して波長変換を行うことにより、入射する基本波レーザ光(LIN)の2倍の周波数の二次高調波光(L2)を発生させる二次高調波発生(SHG)装置として機能するものであって、波長変換用非線形光学結晶10として周期的分極構造を有するPPLT(periodically poled LiTaO3)やPPKTP(Periodically Poled KTiOPO4)などの非線形光学結晶を備える。
The laser
上記波長変換用非線形光学結晶10は、図示しないレーザ光源から出射された基本波レーザ光(CWレーザ光(LIN)が入射端面10Aから入射され、入射された基本波レーザ光(LIN)を非線形光学効果により二次高調波光(L2)に波長変換して出射端面10Bから出射する。この波長変換用非線形光学結晶10の出射端面10Bから出射される出射光(LOUT)には、図2に示すように、無変換光(L1)と二次高調波光(L2)が含まれている。
The nonlinear optical crystal for
ここで、このレーザ波長変換装置100では、上記波長変換用非線形光学結晶10として、例えば、図3に示すように、厚さTが1mm、幅Wが2mm、長さLが20mmの長尺な直方体形状のPPLT(periodically poled LiTaO3)を用いた。
Here, in the laser
このレーザ波長変換装置100には、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射される出射光(LOUT)に含まれる無変換光(L1)は反射して二次高調波光(L2)は透過する波長選択性を有する第1の半透鏡11と、この第1の半透鏡11を透過した二次高調波光(L2)を所定の光量比で2つの二次高調波光(L21),(L22)に分割する第2の半透鏡12とが設けられている。そして、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射される出射光に含まれる二次高調波光(L2)の光量を検出する光量検出手段としてフォトダイオードなどの光検出器13が、上記第2の半透鏡12により反射された二次高調波光(L22)を受光するように設けられている。
The
また、このレーザ波長変換装置100において、上記波長変換用非線形結晶10は、放熱用の熱シンク20上に第1のペルチェ素子21を介して設置されている。また、上記波長変換用非線形結晶10には、入射端面側側面11Cと出射端面側側面11Dに各一端面が当接された一対の熱循環アーム30A,30Bが設けられ、上記一対の熱循環アーム30A,30Bの各他端面間に第2のペルチェ素子31が設けられている。さらに、上記波長変換用非線形結晶10には、当該波長変換用非線形結晶10おける波長変換による加熱に起因する温度位相整合のずれを検出する検出手段として熱電対もしくはサーミスタ等の温度検出器22が設けられている。
Further, in this laser
上記温度検出器22は、上記波長変換用非線形結晶10における波長変換による波長変換による加熱に起因する温度位相整合のずれを当該波長変換用非線形結晶10の平均的な温度上昇として検出する。上記温度検出器22は、上記第1のペルチェ素子21に駆動電流を供給する温度制御回路23に接続されている。また、上記光検出器13は、上記第2のペルチェ素子31に駆動電流を供給する温度勾配制御回路32に接続されている。
The
すなわち、このレーザ波長変換装置100は、波長変換用非線形結晶10の結晶全体の温度を平均した平均温度を制御する第1のペルチェ素子21と温度計測を使った温度の絶対値制御と上記波長変換用非線形結晶10のレーザ軸方向に熱の流れを生ませる第2のペルチェ素子31およびその熱回路を備える。
That is, the laser
上記長尺な直方体形状の非線形光学結晶10内では、基本波レーザ光(CWレーザ光(LIN)が入射端面10Aから入射されると、非線形光学効果により基本波レーザ光(CWレーザ光(LIN)が二次高調波光(L2)に波長変換されることにより、図4に示すように、入射端面10A側から出射端面10B側に近づくにしたがって無変換光(L1)が減少して、二次高調波光(L2)が増加する。
In the long rectangular parallelepiped nonlinear
熱的位相不整合(Thermal dephasing)として問題となる波長変換用非線形結晶10内での温度分布は、主に2次高調波光(L2)の強度分布により決まるため、入射端面10A側から出射端面10B側に向かうに従って徐々に温度が上昇し、反対方向への熱流(HC1)を生んでいる。この波長変換用非線形結晶10内の温度勾配により生じる熱流(HC1)を、上記波長変換用非線形結晶10の上部に付けた第2のペルチェ素子31の駆動により熱回路を介して流れる熱流(HC2)により打ち消して低減させ、上記波長変換用非線形結晶10の位相不整合を低下させる。上記波長変換用非線形結晶10全体の温度は、出射端面10Bから出射される2次高調波光(L2)の光量が最大となるように第1のペルチェ素子21で決定し、その2次高調波光(L2)の光量に応じた大きさの駆動電流を第2のペルチェ素子31に流すことにより、上記波長変換用非線形結晶10内の温度勾配を制御する。
The temperature distribution in the
このレーザ波長変換装置100において、上記温度制御回路23は、上記波長変換用非線形結晶10における波長変換による当該波長変換用非線形結晶10の平均的な温度上昇を検出する上記温度検出器22による検出出力に基づいて、上記温度制御回路23から駆動電流を供給することにより上記第1のペルチェ素子21を駆動して、図2に示すように、上記波長変換用非線形結晶10に生じた熱(H1)を上記第1のペルチェ素子21を介して上記熱シンク20に逃がすことより、上記波長変換用非線形結晶10の結晶全体で平均した温度を制御する第1の温度制御手段として機能する。
In the laser
また、上記温度勾配制御回路32は、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射された2次高調波光(L2)の光量を検出する光検出器13による検出出力に基づいて、上記光検出器13により検出される上記2次高調波光(L2)の光量に応じた大きさの駆動電流を上記第2のペルチェ素子31に流すことにより、図2に示すように、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10B側から入射端面10A側に向かう当該波長変換用非線形結晶10内の温度勾配を相殺する熱流(HC2)を上記第2のペルチェ素子31により生じさせて上記温度勾配を制御する第2の温度制御手段として機能する。
Further, the temperature
そして、このレーザ波長変換装置100では、上記波長変換用非線形結晶10における波長変換による平均的な温度上昇を検出する上記温度検出器22による検出出力に基づいて、上記温度制御回路23から駆動電流を供給することにより上記第1のペルチェ素子21を駆動して、上記波長変換用非線形結晶10の平均温度を制御し、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射された2次高調波光(L2)の光量を検出する光検出器13による検出出力に基づいて、上記光検出器13により検出される上記2次高調波光(L2)の光量に応じた大きさの駆動電流を上記温度勾配制御回路32から第2のペルチェ素子31に流すことにより、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10B側から入射端面10A側に向かう当該波長変換用非線形結晶10内の温度勾配を相殺する熱流(HC2)を上記第2のペルチェ素子31により生じさせて上記温度勾配を制御し、上記波長変換用非線形結晶10の平均温度と当該波長変換用非線形結晶10内の温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶10の位相整合をとり、上記波長変換用非線形結晶10の出射端面10Bから出射される2次高調波光(L2)の光量が最大となる温度に上記波長変換用非線形結晶10の平均温度を上記第1のペルチェ素子21により制御する。
In the laser
このような構成のレーザ波長変換装置100では、周期分極構造を持った結晶など、長い結晶使って高い強度のレーザで相互作用させる場合の自己加熱によるレーザ軸方向の熱的位相不整合(Thermal dephasing)を低減させ、1μm帯から500nm付近の可視光帯へのSHG波長変換を高い効率で行うことができ、高強度の直流グリーンレーザを得ることができる。また、温度と熱流という直交性のある独立な2つの要素を制御することで、温度位相整合など高い温度一定性が必要な場合に、安定で簡便な最適条件制御が可能になり、様々な波長で熱的位相不整合(Thermal dephasing)の問題なく数Wの高強度の直流光を得ることが可能となる。
In the laser
ここで、上述の如き構成のレーザ波長変換装置100において、第1のペルチェ素子21による波長変換用非線形結晶10の平均温度の制御と、第2のペルチェ素子31による波長変換用非線形結晶10内の温度勾配の制御の2つの制御を施した場合の典型的な結果を図5に示す。
Here, in the laser
すなわち、上記第1のペルチェ素子21でレーザによる加熱の平均的な温度上昇を制御しない場合の変換効率の測定結果を図5中に白丸○にて示し、また、上記第1のペルチェ素子21で結晶の平均温度を制御した場合の変換効率の測定結果を図5中に四角■にて示し、さらに、上記第2のペルチェ素子31の自己加熱による熱の流れを制御した場合の変換効率の測定結果を緑ダイヤ◆にて示す。上述の如き構成のレーザ波長変換装置100では、これまで言われていた熱的位相不整合(Thermal dephasing)が大きく改善していることが分かる。
That is, the measurement result of the conversion efficiency when the average temperature rise of the heating by the laser is not controlled by the
なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。 In addition, this invention is not limited only to the above embodiment, Of course, a various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
10 非線形光学結晶、10A 入射端面、10B 出射端面、11 第1の半透鏡、11C 入射端面側側面、11D 出射端面側側面、12 第2の半透鏡、13 光検出器、20 熱シンク、21 第1のペルチェ素子、22 温度検出器、23 温度制御回路、30A,30B 熱循環アーム、31 第2のペルチェ素子、32 温度勾配制御回路、100 レーザ波長変換装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記波長変換用非線形結晶における波長変換光による結晶の加熱に起因する温度位相整合のずれを検出する検出手段と、
上記検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の結晶全体の温度を平均した平均温度を第1のペルチェ素子により制御する第1の温度制御手段と、
上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射された高調波光の光量を検出する光量検出手段と、
上記光量検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の出射端面側から入射端面側に向かう当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を第2のペルチェ素子により生じさせて上記温度勾配を制御する第2の温度制御手段と
を備え、
上記第1の温度制御手段と第2の温度制御手段により、上記波長変換用非線形結晶の平均温度と当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶の温度位相整合を最適に保つことを特徴とするレーザ波長変換装置。 A wavelength conversion nonlinear crystal having a periodic polarization structure in which the basic laser light is incident from the incident end face, wavelength-converted the incident basic laser light to harmonic light, and emits the harmonic light from the emission end face;
Detecting means for detecting a shift in temperature phase matching caused by heating of the crystal by wavelength-converted light in the wavelength conversion nonlinear crystal;
A first temperature control means for controlling an average temperature obtained by averaging the temperature of the whole crystal of the wavelength conversion nonlinear crystal by a first Peltier element based on the detection output by the detection means;
A light amount detection means for detecting the light amount of the harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal;
Based on the detection output by the light quantity detection means, a second Peltier element generates a heat flow that cancels the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal from the emission end face side to the incident end face side of the wavelength conversion nonlinear crystal. And second temperature control means for controlling the temperature gradient.
By controlling the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal and the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal by the first temperature control means and the second temperature control means, the temperature phase of the wavelength conversion nonlinear crystal is controlled. A laser wavelength converter characterized by maintaining an optimum match.
上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射される2次高調波光の光量を上記光量検出手段により検出し、上記第2の温度制御手段は、上記光量検出手段により検出される上記2次高調波光の光量に応じた電流を上記第2のペルチェ素子に流すことにより上記温度勾配を制御することを特徴とする請求項1に記載のレーザ波長変換装置。 The first temperature control means sets the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal to the temperature at which the amount of second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal is maximized. Controlled by
The light amount of the second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal is detected by the light amount detection means, and the second temperature control means is the second harmonic light detected by the light amount detection means. The laser wavelength converter according to claim 1, wherein the temperature gradient is controlled by causing a current corresponding to the amount of light to flow through the second Peltier element.
上記第2のペルチェ素子は、上記波長変換用非線形結晶の入射端面側側面と出射端面側側面に各一端面が当接された一対の熱循環アームの各他端面間に設けられ、上記第1の温度制御手段は、上記波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を上記第2のペルチェ素子により生じさせて上記一対の熱循環アームを介して上記波長変換用非線形結晶に流すことにより、上記温度勾配を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のレーザ波長変換装置。 The first Peltier element is provided between the wavelength conversion nonlinear crystal and a heat sink, and the first temperature control means transfers heat generated in the wavelength conversion nonlinear crystal to the first Peltier element. By controlling the average temperature of the nonlinear crystal for wavelength conversion by letting it escape to the heat sink via
The second Peltier element is provided between the other end faces of a pair of thermal circulation arms whose one end faces are in contact with the incident end face side face and the exit end face side face of the wavelength conversion nonlinear crystal, The temperature control means generates a heat flow that cancels out the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal by the second Peltier element, and flows it to the wavelength conversion nonlinear crystal through the pair of thermal circulation arms. The laser wavelength converter according to any one of claims 1 and 2, wherein the temperature gradient is controlled.
上記波長変換用非線形結晶における波長変換による平均的な温度上昇を検出する温度検出手段による検出出力に基づいて、上記波長変換用非線形結晶の結晶全体の温度を平均した平均温度を第1のペルチェ素子により制御し、
上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射された高調波光の光量を検出する光量検出手段による検出出力に基づいて、上記光量検出手段により検出される上記2次高調波光の光量に応じた電流を第2のペルチェ素子に流すことにより、上記波長変換用非線形結晶の出射端面側から入射端面側に向かう当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を相殺する熱流を上記第2のペルチェ素子により生じさせて上記温度勾配を制御し、
上記波長変換用非線形結晶の平均温度と当該波長変換用非線形結晶内の温度勾配を制御して、上記波長変換用非線形結晶の位相整合をとり、
上記波長変換用非線形結晶の出射端面から出射される2次高調波光の光量が最大となる温度に上記波長変換用非線形結晶の平均温度を上記第1のペルチェ素子により制御することを特徴とするレーザ波長変換方法。 In a laser wavelength conversion device that converts wavelength of fundamental laser light incident on an input end face of the wavelength conversion nonlinear crystal into a harmonic light by a wavelength conversion nonlinear crystal having a periodic polarization structure, and emits the harmonic light from the output end face A laser wavelength conversion method comprising:
Based on the detection output of the temperature detecting means for detecting an average temperature rise due to wavelength conversion in the wavelength conversion nonlinear crystal, the average temperature obtained by averaging the temperature of the entire crystal of the wavelength conversion nonlinear crystal is a first Peltier element. Controlled by
Based on the detection output by the light quantity detection means for detecting the light quantity of the harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal, a current corresponding to the light quantity of the second harmonic light detected by the light quantity detection means is obtained. By flowing through the second Peltier element, the second Peltier element generates a heat flow that cancels out the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal from the emission end face side to the incident end face side of the wavelength conversion nonlinear crystal. To control the above temperature gradient,
By controlling the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal and the temperature gradient in the wavelength conversion nonlinear crystal, phase matching of the wavelength conversion nonlinear crystal is achieved,
The laser, wherein the first Peltier element controls the average temperature of the wavelength conversion nonlinear crystal to a temperature at which the amount of second harmonic light emitted from the emission end face of the wavelength conversion nonlinear crystal is maximized. Wavelength conversion method.
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|---|---|---|---|---|
| CN115326206A (en) * | 2022-08-25 | 2022-11-11 | 南昌大学 | Up-conversion infrared detection device with thermal regulation and control |
-
2010
- 2010-08-20 JP JP2010185186A patent/JP2012042808A/en not_active Withdrawn
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