JP2006171230A - 意図しない波長を有する光を抑制した波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】意図しない波長を有する光が容易に抑制され、かつ、波長変換によって得られる光の波長領域に制限のない波長変換素子を提供する。
【解決手段】第１の光（λ₁）を第２の光（λ₂）と第３の光（λ₃）とに波長変換する（関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃（λ₂＜λ₃）を満たす）波長変換素子は、少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有する。少なくとも１つの分極反転領域を含む位相調整領域は、第１の領域と第２の領域との間に位置し、分極反転領域の分極反転幅の合計長は、λ₁／２、（１／λ₁＋１／λ₂）^-1、（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、（１／λ₁＋（１／（λ₁／２））^-1、（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、および、（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非線形光学単結晶を用いた波長変換素子に関する。より詳細には、本発明は、意図しない波長を有する光の発生を抑制した、非線形光学単結晶を用いた波長変換素子に関する。

優れた非線形光学定数および電気光学定数を有する非線形光学単結晶を用いた波長変換素子の研究が盛んに行われている。なかでも、良質な強誘電体単結晶の製造技術および分極反転形成技術の向上により、擬似位相整合方式を採用した波長変換素子の発展は目覚しい。
近年、例えば、光パラメトリック発振を利用した波長変換素子において、発振光（シグナル光およびアイドラ光）以外に意図しない波長を有する光が発生することが分かっている。
図５は、従来技術による光パラメトリック発振器によるポンプ光とシグナル光およびアイドラ光とのパワーを示す図である。

光パラメトリック発振器５０００（挿入図）は、化学量論組成のタンタル酸リチウム単結晶からなる。タンタルリチウム単結晶は、２６〜３３μｍの範囲の周期を有する周期分極反転構造５１００を有している。このような光パラメトリック発振器５０００に、波長１．０６４μｍのポンプ光λｐを入射すると、ポンプ光λｐは、周期分極反転構造５１００の周期に応じてシグナル光λｓとアイドラ光λｉとに変換される。シグナル光λｓおよびアイドラ光λｉの波長は、それぞれ、１．５５μｍおよび３．３９μｍである。

しかしながら、図５に示されるように、これらシグナル光λｓおよびアイドラ光λｉ以外に、意図しない光（λ_Aおよびλ_B）の発生が確認された。それら意図しない光λ_Aおよびλ_Bは、それぞれ、ポンプ光λｐの第２高調波およびポンプ光λｐとシグナル光λｓとの和周波光である。ポンプ光λｐの第２高調波は、５３２ｎｍの波長を有し、ポンプ光λｐとシグナル光λｓとの和周波光は、６３０ｎｍの波長を有する。この他の意図しない光の可能性として、ポンプ光λｐとアイドラ光λｉとの和周波光、ポンプ光λｐとポンプ光λｐ、アイドラ光λｉまたはシグナル光λｓの第２高調波との和周波光があり得る。

また、これら組み合わせによって発生する意図しない光の他に、周期分極反転構造５１００の製造上のバラツキによって意図しない光が発生する場合があり得る。

図５に示されるように、意図しない光（以降では、これらを総称して不要光と呼ぶ）は、非線形光学単結晶の光損傷および熱レンズ効果の発生、変換効率の低下等の深刻な問題を引き起こし得る。

このような不要光の発生を抑えるための技術がある（例えば、特許文献１を参照。）。
図６は、従来技術による不要光の発生を抑えた波長変換素子を示す図である。
波長変換素子６０００は、任意の強誘電体単結晶である。任意の強誘電体単結晶は分極反転構造６１００を有する。ここで、特定の強誘電体単結晶および特定の波長を有するポンプ光λｐを用いて、不要光の発生を抑えて光パラメトリック発振させる場合の分極反転構造６１００の周期Λ_OPまたは分極反転比Ｒは、次の（１）または（２）のようにして決定される。

（１）不要光にとって高次の擬似位相整合条件を満たさないように、その高次の擬似位
相整合条件を避けるように周期Λ_OPを選択する。詳細には、下記（ａ）の条件を満たし、かつ、条件（ｂ）〜（ｄ）のうち少なくとも１つを満たすように、周期Λ_OPは決定される。

（ａ）ポンプ光λｐと、光パラメトリック発振によって得られる２つの光のうちの１つの光とによって決定されるコヒーレンス長をＬａとし、次数をＭａとすると、Λ_OP＝２×Ｍａ×Ｌａである。
（ｂ）ポンプ光λｐと、その第２高調波λｐ２とによって決定されるコヒーレンス長をＬｐ２とし、次数をＭｐ２とすると、Λ_OP≠２×Ｍｐ２×Ｌｐ２である。
（ｃ）ポンプ光λｐと、光パラメトリック発振によって得られる２つの光のうちの１つの光との和周波光をλｐｓとし、ポンプ光λｐと和周波光λｐｓとによって決定されるコヒーレンス長をＬｐｓとし、次数をＭｐｓとすると、Λ_OP≠２×Ｍｐｓ×Ｌｐｓである。
（ｄ）ポンプ光λｐと、光パラメトリック発振によって得られる２つの光のうちの１つの光の第２高調波λｓ２との和周波光をλｐｓ２とし、ポンプ光λｐと和周波光λｐｓ２とによって決定されるコヒーレンス長をＬｐｓ２とし、次数をＭｐｓ２とすると、Λ_OP≠２×Ｍｐｓ２×Ｌｐｓ２である。

ここで、条件（ｂ）〜（ｄ）のうち少なくとも１つを満たすことによって、不要光にとっての高次の擬似位相整合条件を避けることができる。この状態で条件（ａ）を満たせば、上記高次の擬似位相整合条件を避けた範囲から分極反転周期Λ_OP選択することができる。この結果、不要光の発生を抑え、かつ、所望の光のみを発生させることができる。

（２）不要光を発生させる高次の擬似位相整合条件を満たす次数（この次数は、所望の光を発生させる擬似位相整合条件を満たす次数とは異なる値である）を求め、不要光の変換効率が理論上ゼロとなり、所望の光の変換効率が高くなる分極反転比率Ｒを決定する。詳細には、上記（ａ）の条件を満たし、かつ、下記条件（ｅ）〜（ｇ）のうち少なくとも１つを満たすように、周期Λ_OPを決定する。次いで、選択された条件（ｅ）〜（ｇ）において変換効率が理論上ゼロとなるように分極反転比率Ｒを決定する。

（ｅ）ポンプ光λｐと、その第２高調波λｐ２とによって決定されるコヒーレンス長をＬｐ２とし、次数をＭｐ２とすると、Λ_OP＝２×Ｍｐ２×Ｌｐ２である。
（ｆ）ポンプ光λｐと、光パラメトリック発振によって得られる２つの光のうちの１つの光との和周波光をλｐｓとし、ポンプ光λｐと和周波光λｐｓとによって決定されるコヒーレンス長をＬｐｓとし、次数をＭｐｓとすると、Λ_OP＝２×Ｍｐｓ×Ｌｐｓである。
（ｇ）ポンプ光λｐと、光パラメトリック発振によって得られる２つの光のうちの１つの光の第２高調波λｓ２との和周波光をλｐｓ２とし、ポンプ光λｐと和周波光λｐｓ２とによって決定されるコヒーレンス長をＬｐｓ２とし、次数をＭｐｓ２とすると、Λ_OP＝２×Ｍｐｓ２×Ｌｐｓ２である。

ここで、条件（ａ）かつ条件（ｅ）〜（ｇ）のうち少なくとも１つを満たせば、所望の光を発生し、かつ、不要光を発生する分極反転周期Λ_OPとともに、それぞれの次数が得られる。次いで、不要光の変換効率が理論上ゼロになる分極反転比Ｒを求めることで、所望の光のみを発生させることができる。

このように、図６によれば、不要光が発生しにくいように分極反転構造６１００の周期または分極反転比が決定されるので、所望の光のみを得ることができる。
特開２００２−２５０９４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載される上記（１）の技術では、不要光が発生し得る波長を避けて分極反転周期Λ_OPが決定されるため、得られる所望の光の波長領域が制限されてしまう。

一方、特許文献１に記載される上記（２）の技術では、得られる波長領域に制限はないものの、分極反転構造６１００を形成する際に、決定された分極反転比Ｒに応じた分極反転領域の微細制御が困難であり得る。

したがって、本発明の目的は、意図しない波長を有する光（不要光）が、容易に抑制され、かつ、波長変換によって得られる光の波長領域に制限のない波長変換素子を提供することである。

本発明による第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに波長変換する波長変換素子であって、ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）を満たし、前記波長変換素子は少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、前記波長変換素子は、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有し、前記位相調整領域は、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、少なくとも１つの分極反転領域を含み、前記少なくとも１つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長λ₁／２、波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋（１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当し、これにより上記目的を達成する。

前記少なくとも１つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであってもよい。

前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含んでもよい。

前記第１の領域と前記第２の領域とは周期分極反転領域であってもよい。

前記第１の波長λ₁が１．０６４μｍであり、前記第２の波長λ₂が１．５５μｍであり、前記第３の波長λ₃が３．３９μｍである場合、前記分極反転幅は１．０５、２．４、４、６．７、７．３、および、１１．８μｍからなる群から少なくとも１つ選択されてもよい。

本発明による第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に波長変換する波長変換素子であって、ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₃＝１／λ₁±１／λ₂を満たし、前記波長変換素子は、少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有し、前記位相調整領域は、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、少なくとも１つの分極反転領域を含み、前記少なくとも１つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長λ₁／２、波長λ₂／２、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₂＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₂＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当し、これにより上記目的を達成する。

第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₃＝１／λ₁＋１／λ₂を満たす場合、関係λ₁＞λ₃および関係λ₂＞λ₃であってもよい。

第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂を満たす場合、関係λ₁＜λ₂＜λ₃であってもよい。

前記少なくとも１つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであってもよい。

前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含んでもよい。

前記第１の領域と前記第２の領域とは周期分極反転領域であってもよい。

本発明によれば、第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに波長変換し、ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）を満たす波長変換素子を提供する。波長変換素子は少なくとも１つの非線形光学単結晶を含む。このように、複数の非線形光学単結晶を組み合わせて構成することができるので、広くユーザの要求に応じることができる。

波長変換素子は、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有する。位相調整領域は、第１の領域と第２の領域との間に位置しており、少なくとも１つの分極反転領域を含む。分極反転領域それぞれの分極反転幅の合計長が、意図しない波長を有する非線形波長変換過程のコンストラクション長の奇数倍に相当するため、第１の領域で発生した意図しない波長を有する光と、第２の領域で発生した意図しない波長を有する光とが、位相調整領域を介してそれぞれ逆位相となり得る。その結果、意図しない波長を有する光が波長変換素子から発生するのを抑制することができる。

ここで、意図しない非線形波長変換過程の波長とは、波長λ₁／２、波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋（１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長である。

意図しない波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当する分極反転幅を有する分極反転領域を少なくとも１つ形成すればよいので、高度な技術を必要としない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。同様の要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による波長変換素子を示す図である。
波長変換素子１００は、少なくとも１つの非線形光学単結晶を含む。非線形光学単結晶は、例えば、ベータバリウムボレイト（ＢＢＯ）、リチウムトリボレート（ＬＢＯ）、ポ
タジウムタイタニルフォスフェイト（ＫＴＰ）、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、Ｍｇ、Ｚｎ、ＩｎおよびＳｃからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％ドープしたＳＬＴ、および、Ｍｇ、Ｚｎ、ＩｎおよびＳｃからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％ドープしたＳＬＮ等であり得るが、これらに限定されない。

なお、本明細書において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成（Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。

同様に、ＳＬＴにおいて、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成（Ｌｉ₂Ｏ／（Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。

波長変換素子１００は、第１の領域１１０と第２の領域１２０と位相調整領域１３０とからなる一組１４０を含む。第１の領域１１０と第２の領域１２０とは、波長変換素子１１０に入射する光に対して複屈折整合または擬似位相整合のいずれかを満たす。詳細には、第１の領域１１０と第２の領域１２０とは、波長変換素子１１０に入射する第１の波長λ₁を有する第１の光（ポンプ光とも呼ぶ）を、第２の波長λ₂を有する第２の光（シグナル光とも呼ぶ）と第３の波長λ₃を有する第３の光（アイドラ光とも呼ぶ）とに波長変換するように位相整合されている。

ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）を満たす。

第１の領域１１０と第２の領域１２０とが、複屈折整合を満たす場合、選択された非線形光学単結晶に応じて単結晶の切断面および研磨面を適宜選択すればよい。第１の領域１１０と第２の領域１２０とが、擬似位相整合を満たす場合、選択された非線形光学単結晶に所定の周期を有する周期分極反転構造を形成すればよい。

位相調整領域１３０は、第１の領域１１０と第２の領域１２０との間に位置する。第１の領域１１０および第２の領域１２０で発生し得る不要光には、ポンプ光の第２高調波、ポンプ光とシグナル光との和周波光、ポンプ光とアイドラ光との和周波光、ポンプ光とポンプ光の第２高調波との和周波光、ポンプ光とシグナル光の第２高調波との和周波光、ポンプ光とアイドラ光の第２高調波との和周波光とがあり得る。不要光の波長は、それぞれ、波長λ₁／２、波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1である。不要光は、上記に限定されず、ポンプ光、シグナル光、または、アイドラ光の組み合わせによって生じる任意の第２高調波および和周波光、ならびに、それらの組み合わせによって生じる第２高調波および和周波光が挙げられるが、実用上問題となる不要光は上述した組み合わせであり得る。

位相調整領域１３０は、１つの分極反転領域を含む。その１つの分極反転領域の分極反転幅は、上述の不要光の波長から少なくとも１つ選択された波長を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に等しい。例えば、ポンプ光の第２高調波のみが不要光として発生している場合、位相調整領域１３０は、波長λ₁／２を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅を有する、１つの分極反転領域である。この場合の位相調整領域１３０の幅（すなわち上記コンストラクション長）は、選択された非線形光学単結晶に応じて決定されることに留意されたい。

なお、本明細書において、「コンストラクション長」とは、非線形光学材料の各点で発生した光（例えば、第二高調波）の強度が建設的（加算的）に足し合わせる距離を意味している。このようなコンストラクション長は、非線形光学材料の異なる２点で発生した光（例えば、第二高調波）それぞれの位相差がπとなる２点間の距離を意図したコヒーレンス長に等しい。

ポンプ光の第２高調波に加えて、ポンプ光とシグナル光との和周波光とが不要光として発生している場合、位相調整領域１３０は、波長λ₁／２を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長の奇数倍と、波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長の奇数倍との最小公倍数に相当する分極反転幅を有する１つの分極反転領域を含む。このように、位相調整領域１３０の分極反転領域の分極反転幅は、抑制されるべき少なくとも１つの不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に依存するが、１つの分極反転領域を設けるだけでよい。

なお、第１の領域１１０と第２の領域１２０とが周期分極反転構造を有している場合、これらの周期は、位相調整領域１３０の幅を考慮して算出され得ることに留意されたい。第１の領域１１０と第２の領域１２０との周期とは異なっていてもよい。また、第１の領域１１０と第２の領域１２０と位相調整領域１３０との材料は、必ずしも同一の非線形光学単結晶である必要はなく、異なる非線形光学単結晶を組み合わせて用いてもよい。これによりユーザの要求に広く応じることができる。

位相調整領域１３０は、第１の領域１１０と第２の領域１２０との間に設けられるため、第１の領域１１０で発生した不要光の位相と、第２の領域１２０で発生した不要光の位相とは、半波長だけずれている。この結果、第１の領域１１０で発生した不要光と第２の領域１２０で発生した不要光とは打ち消しあい、消滅し得る。このようにして、本発明による波長変換素子１００は、第１の領域１１０と第２の領域１２０と位相調整領域１３０とからなる一組１４０によって不要光が抑制される。

本発明によれば、発生した不要光を位相調整領域１３０において消滅させるので、発振を制限する波長領域がない。したがって、波長変換素子１００の設計に有利であり得る。

次に、このような波長変換素子１００を用いた波長変換動作を説明する。ここでは、位相調整領域１３０は、不要光としてポンプ光の第２高調波を抑制するように形成された１つの分極反転領域であるものとする。

ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等の任意の光源から発生された第１の波長λ₁を有する第１の光（ポンプ光）が波長変換素子１００に入射する。ポンプ光は、波長変換素子１００の第１の領域１１０において第２の光（シグナル光）と第３の光（アイドラ光）とに波長変換される。同時に、第１の領域１１０で発生した不要光Ａとしてポンプ光の第２高調波が発生し得る。

シグナル光、アイドラ光および不要光Ａは、位相調整領域１３０を通過し、第２の領域１２０に入射する。位相調整領域１３０は、図１を参照して上述したように、不要光（ポンプ光の第２高調波）を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅を有する分極反転領域である。

シグナル光、アイドラ光および不要光Ａは、第２の領域１２０を通過する。ここで、第２の領域１２０においても同様に不要光Ｂ（ここでは、ポンプ光の第２高調波）が発生する。この不要光Ｂは、位相調整領域１３０によってコンストラクション長だけずれたポンプ光の第２高調波であるため、不要光Ａとは半波長（すなわち、π）位相がずれることになる。この結果、第１の領域１１０で発生した不要光Ａと、第２の領域１２０で発生した不要光Ｂとは、打ち消しあい、消失し得る。最終的に、シグナル光および／またはアイドラ光が波長変換素子１１０から出射する。

以上説明してきたように、本発明による波長変換素子１００は、不要光を抑制するので、不要光による損失が低減し得る。その結果、光損傷および熱レンズ効果が発生しない、高効率の波長変換素子１００が提供され得る。

なお、波長変換素子１００の第１の領域１１０のポンプ光の入射面、および、第２の領域１２０のシグナル光および／またはアイドラ光の出射面に反射防止膜を適宜設けてもよい。また、波長変換素子１００の両端にミラーを設け、波長変換素子１００を共振器として用いてもよい。このような反射防止膜、ミラーの設計は、当業者であれば適宜類推可能である。

図１では、位相調整領域１３０に分極反転領域を形成することによって、不要光の位相変調を行ったが、位相調整領域１３０の複屈折を利用することによって不要光の位相変調を行ってもよい。この場合、位相調整領域１３０は、少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、その少なくとも１つの非線形光学単結晶のそれぞれは、不要光それぞれの位相を半波長だけずらすように、切断面、研磨面等が調整され得る。

図１を参照して、波長変換素子１００が光パラメトリック発振をする場合を説明してきたが、波長変換素子１００は光パラメトリック発振に限定されない。例えば、本発明による波長変換素子１００は、和周波発生および差周波発生にも適用可能である。

本発明による波長変換素子１００を用いて和周波発生させる場合、第１の領域１１０と第２の領域１２０とは、波長変換素子１１０に入射する第１の波長λ₁を有する第１の光と、第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に波長変換するように位相整合されている。ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₃＝１／λ₁＋１／λ₂を満たす（ただし、λ₁＞λ₃およびλ₂＞λ₃）。

和周波発生させる場合に生じる不要光は、第１の光の第２高調波、第２の光の第２高調波、第１の光と第３の光との和周波光、第２の光と第３の光との和周波光、第１の光と第１の光の第２高調波との和周波光、第１の光と第２の光の第２高調波との和周波光と、第１の光と第３の光の第２高調波との和周波光と、第２の光と第１の光の第２高調波との和周波光と、第２の光と第２の光の第２高調波との和周波光、第２の光と第３の光の第２高調波との和周波光とが挙げられるが、これらに限定されない。

上述した不要光の波長は、それぞれ、波長λ₁／２、波長λ₂／２、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₂＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₂＋１／（λ₃／２））^-1である。

不要光は、上記に限定されず、第１の光、第２の光、または、第３の光の組み合わせによって生じる任意の第２高調波および和周波光、ならびに、それらの組み合わせによって
生じる第２高調波および和周波光が挙げられるが、実用上問題となる不要光は上述した組み合わせであり得る。

和周波発生させる場合に生じる不要光を抑制するための位相調整領域１３０は、上述の不要光の波長から少なくとも１つ選択された波長を発生させる非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に等しい分極反転幅を有する１つの分極反転領域であればよい。

一方、本発明による波長変換素子１００を用いて差周波発生させる場合、第１の領域１１０と第２の領域１２０とは、波長変換素子１１０に入射する第１の波長λ₁を有する第１の光と、第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に波長変換するように位相整合されている。ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂を満たす（ただし、λ₁＜λ₂＜λ₃）。

差周波発生させる場合に生じる、実用上問題となり得る不要光は、和周波発生させる場合に生じる不要光と同様であり得る。したがって、差周波発生させる場合に生じる不要光を抑制するための位相調整領域１３０は、上述の不要光の波長から少なくとも１つ選択された波長を有する光を発生させる非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に等しい分極反転幅を有する１つの分極反転領域であればよい。

図１を参照して、波長変換素子１００の位相調整領域１３０が１つの分極反転領域からなる場合を示してきたが、本発明はこの構成に限定されない。図２を参照して、位相調整領域が複数の分極反転領域を含む場合を説明する。

図２は、本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子を示す図である。
波長変換素子２００は、波長変換素子１００（図１）と同様に少なくとも１つの非線形光学単結晶を含む。波長変換素子２００は、第１の領域１１０と第２の領域１２０と位相調整領域２１０とからなる一組２２０を含む。第１の領域１１０および第２の領域１２０は、図１と同様であるため説明を省略する。

位相調整領域２１０は、図１と同様に第１の領域１１０と第２の領域１２０との間に位置する。第１の領域１１０および第２の領域１２０で発生し得る不要光は、上述した通りである。

位相調整領域２１０は、第１の分極反転領域２３０と、第２の分極反転領域２４０と非分極反転領域２５０とを含む。第１の分極反転領域２３０の幅ｄ₁と、第２の分極反転領域２４０の幅ｄ₂との合計長は、不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に等しい。つまり、第１の分極反転領域２３０の幅ｄ₁と第２の分極反転領域２４０の幅ｄ₂とは、これら合計長がコンストラクション長になる限り任意の幅を有し得る。不要光が複数ある場合には、これら合計長は、それら不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数になる。非分極反転領域２５０の幅は、任意であり得る。なお、分極反転領域の数は、２つに限定されない。分極反転領域は、それら分極反転領域の合計長が、少なくとも１つの不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数になる限り、いくつ設けてもよい。

このように位相調整領域２１０に任意の数の分極反転領域を設けることができるので、不要光の抑制に対する微調整が容易であり得る。また、波長変換素子のパターンの設計において高い自由度を持たせることができる。なお、波長変換素子２００における不要光の抑制動作も波長変換素子１００（図１）のそれと同様であるため説明を省略する。

図１および図２を参照して、波長変換素子１００および２００が、第１の領域１１０と第２の領域１２０と位相調整領域１３０および２１０とからなる１つの組１４０および２２０を有する場合を示してきたが、本発明はこの構成に限定されない。図３を参照して、波長変換素子が複数組を有する場合を説明する。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２による波長変換素子と、波長変換素子の不要光の発生とを示す図である。
波長変換素子３００の不要光の発生を示す図は、波長変換素子３００の各領域において不要光の発生効率が異なっていることを示す。これは、波長変換素子３００の製造上のバラツキによるものである。「製造上のバラツキ」とは、周期分極反転構造の分極反転幅のバラツキ、分極反転比のバラツキ、または、波長変換素子３００を構成する非線形光学単結晶の材質のバラツキを意図する。

波長変換素子３００は、第１の領域、第２の領域および位相調整領域からなる一組３１０、３１１、３１２および３１３を有する。それぞれの組の間には、さらなる位相調整領域３２０、３２１、３２２および３２３が位置する。これら一組３１０、３１１、３１２および３１３は、図１または図２を参照して説明した一組１４０または２２０と同様であり得る。

このように、各組における分極反転構造のバラツキの標準偏差が同程度になるように、波長変換素子３００に複数の組３１０、３１１、３１２および３１３を設計してもよい。この結果、波長変換素子３００は安定に不要光を抑制することができる。

また、組３１０を第１の領域とみなし、組３１１を第２の領域とみなすと、組３１０、３１１および位相調整領域３２０からなる組３４０において、組３１０および組３１１で発生する不要光を抑制することができる。同様に、組３１２を第１の領域とみなし、組３１３を第２の領域とみなすと、組３１２、３１３および位相調整領域３２２からなる組３４１において、組３１２および組３１３で発生する不要光を抑制することができる。さらに、組３４０を第１の領域とみなし、組３４１を第２の領域とみなすと、組３４０、３４１および位相調整領域３２１からなる組３５０において、組３４０および組３４１で発生する不要光を抑制することができる。

以下同様にして、本発明によれば、第１の領域１１０（図１または図２）と第２の領域１２０（図１または図２）と位相調整領域１３０（図１）または２１０（図２）とからなる最小の組１４０（図１）または２２０（図２）の組み合わせによって、階層的に不要光を抑制することができる。このような階層構造が可能であることによって、任意の不要光を容易に抑制することができるとともに、波長変換素子の設計に有利であり得る。

再度図１を参照する。波長変換素子１００の非線形光学単結晶として、ＳＬＴを用いた。電界印加法を用いて、第１の領域１１０に周期３０μｍを有する周期分極反転領域を、第２の領域１２０に周期３０μｍを有する周期分極反転領域を、位相調整領域１３０に分極反転幅４μｍを有する１つの分極反転領域を形成した。この位相調整領域１３０は、波長１．０６４μｍを有する光に対して擬似位相整合するとともに、波長１．０６４μｍの第２高調波５３２ｎｍの光のコヒーレント長に相当する。第１の領域１１０、第２の領域１２０および位相調整領域１３０から得られる全体の平均周期は、３０．４μｍであった。波長変換素子１００の素子長は、３５ｍｍであった。
このようにして得られた波長変換素子１００に、第１の波長λ₁１．０６４μｍを有す
る第１の光（ポンプ光）を入射させ、光パラメトリック発振させた。結果を図４に示し、後述する。

（比較例１）
位相調整領域１３０を有さないことを除いて実施例１と同様であるため、説明を省略する。実施例１と同様に、作製された波長変換素子に第１の波長λ₁１．０６４μｍを有する第１の光（ポンプ光）を入射させ、光パラメトリック発振させた。結果を図４に示す。
図４は、実施例１および比較例１による波長変換素子におけるポンプ光と不要光とのパワーの関係を示す図である。

実施例１および比較例１の波長変換素子を光パラメトリック発振させたところ、いずれも第２の波長λ₂１．５５μｍを有する第２の光（シグナル光）と第３の波長λ₃３．３９μｍを有する第３の光（アイドラ光）とが観察された（図を明瞭にするため、シグナル光とアイドラ光とのパワーを省略する）。比較例１の波長変換素子からポンプ光の第２高調波である波長５３２ｎｍの不要光が観察された（図４の黒丸）。一方、実施例１の波長変換素子からは、わずかながら不要光が観察されたものの、比較例１に比べて顕著な減少を示した。また、観察された不要光はデバイスの実用に問題となる程度ではなかった（図４の白丸）。これにより、位相成長領域１３０を設けた本発明による波長変換素子は、不要光を抑制することができることが示された。

なお、波長変換素子１００の非線形光学単結晶として、ＳＬＮ、ＳＬＴ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、ＳＬＮまたはＳＬＴを用い、かつ、第１の波長λ₁１．０６４μｍを有する第１の光（ポンプ光）を波長変換素子１００に入射させて光パラメトリック発振させる場合、位相調整領域１００に、
・波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1（すなわち、ポンプ光とシグナル光との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅６．７μｍの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させることができ、
・波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1（すなわち、ポンプ光とアイドラ光との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅１１．８μｍの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、
・波長（１／λ₁＋１／（λ₁／２））^-1（すなわち、ポンプ光とポンプ光の第２高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅１．０５μｍの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、
・波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1（すなわち、ポンプ光とシグナル光の第２高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅２．４μｍの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、
・波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1（すなわち、ポンプ光とアイドラ光の第２高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅７．３μｍの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができる。

これらの分極反転幅を有する分極反転領域を位相調整領域１３０に組み合わせて形成してもよいし、単独で形成してもよい。

以上説明してきたように、本発明による波長変換素子は、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有し、少なくとも１つの分極反転領域を含む位相調整領
域は、第１の領域と第２の領域との間に位置する。分極反転幅が、不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当するため、第１の領域で発生した不要光の位相と、第２の領域で発生した不要光の位相とが、逆位相となり得る。その結果、これらが互いに打ち消し合うので、不要光の発生が抑制され得る。このようにして光損傷および熱レンズ効果が発生しない、高効率の波長変換素子が提供され得る。

本発明の実施の形態１による波長変換素子を示す図 本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子を示す図 本発明の実施の形態２による波長変換素子と、波長変換素子の不要光の発生とを示す図 実施例１および比較例１による波長変換素子におけるポンプ光と不要光とのパワーの関係を示す図 従来技術による光パラメトリック発振器によるポンプ光とシグナル光およびアイドラ光とのパワーを示す図 従来技術による不要光の発生を抑えた波長変換素子を示す図

符号の説明

１００、２００、３００ 波長変換素子
１１０ 第１の領域
１２０ 第２の領域
１３０、２１０、３２０、３２１、３２２、３２３ 位相調整領域
１４０、２２０、３１０、３１１、３１２、３１３、３４０、３４１、３５０ 一組

Claims (11)

1. 第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに波長変換する波長変換素子であって、ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）を満たし、
   前記波長変換素子は少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、
   前記波長変換素子は、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有し、
   前記位相調整領域は、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、
   前記位相調整領域は、少なくとも１つの分極反転領域を含み、前記少なくとも１つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長λ₁／２、波長（１／λ₁＋１／λ₂）^-1、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋（１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当する、波長変換素子。
2. 前記少なくとも１つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムである、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記第１の領域と前記第２の領域とは周期分極反転領域である、請求項１に記載の波長変換素子。
5. 前記第１の波長λ₁が１．０６４μｍであり、前記第２の波長λ₂が１．５５μｍであり、前記第３の波長λ₃が３．３９μｍである場合、前記分極反転幅は１．０５、２．４、４、６．７、７．３、および、１１．８μｍからなる群から少なくとも１つ選択される、請求項３に記載の波長変換素子。
6. 第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に波長変換する波長変換素子であって、ここで、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とは、関係１／λ₃＝１／λ₁±１／λ₂を満たし、
   前記波長変換素子は少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、
   前記波長変換素子は、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有し、
   前記位相調整領域は、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、
   前記位相調整領域は、少なくとも１つの分極反転領域を含み、前記少なくとも１つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長λ₁／２、波長λ₂／２、波長（１／λ₁＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₂＋１／λ₃）^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₂／２））^-1、波長（１／λ₁＋１／（λ₃／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₁／２））^-1、波長（１／λ₂＋１／（λ₂／２））^-1、および、波長（１／λ₂＋１／（λ₃／２））^-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当する、波長変換素子。
7. 第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₃＝１／λ₁＋１／λ₂を満たす場合、関係λ₁＞λ₃および関係λ₂＞λ₃である、請求項６に記載の波長変換素子
   。
8. 第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂を満たす場合、関係λ₁＜λ₂＜λ₃である、請求項６に記載の波長変換素子。
9. 前記少なくとも１つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムである、請求項６に記載の波長変換素子。
10. 前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を０．１〜３．０ｍｏｌ％含む、請求項９に記載の波長変換素子。
11. 前記第１の領域と前記第２の領域とは周期分極反転領域である、請求項６に記載の波長変換素子。
    
    

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