JP3222282B2 - 強誘電体のドメイン反転構造形成方法および装置 - Google Patents
強誘電体のドメイン反転構造形成方法および装置Info
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Description
変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメイン反
転構造を有する光波長変換素子を作成するために、非線
形光学効果を有する強誘電体に所定パターンのドメイン
反転構造を形成する方法、およびその方法を実施する装
置に関するものである。
分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換
する方法が既にBleombergenらによって提案されている
(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。
この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、 Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)} ……(1) ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数 2β(ω)は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように
設定することで、基本波と第2高調波との位相整合を取
ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて
波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特
定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長
に対して(1) を満足する周期Λを選択することにより、
効率良く位相整合を取ることが可能となる。
する方法の1つとして、本出願人による特願平5-21152
号明細書に示されるように、単分極化された非線形光学
効果を有する強誘電体の一表面に所定パターンの電極を
形成した後、これらの電極と、上記一表面と反対の表面
側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯
電させてそこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に
対向する部分を局部的なドメイン反転部とする方法が知
られている。
する強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、強誘電体
に電子線ビームを所定パターンに照射する方法等に比べ
れば生産性に優れているが、その半面、ドメイン反転部
の深さ方向の均一性、再現性が得難いという問題が認め
られている。
性を改善するために、例えば前記特願平5-21152 号明細
書にも示されているように、強誘電体を真空下に置いて
電場印加することが既に提案されている。しかし、従来
この方法は、強誘電体の相対向する2表面に形成した電
極を介して直接電場印加する場合に適用されるのみで、
コロナ帯電を利用して電場印加する場合には適用されて
いなかった。つまり、真空状態下でコロナ帯電させるこ
とは不可能であるので、真空下での電場印加をコロナ帯
電によるドメイン反転構造形成方法に適用することは原
理的に不可能であると考えられてきた。
であり、所定周期のドメイン反転構造を、深さ方向に均
一に、また再現性良く形成することができる強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法を提供することを目的とする
ものである。
を提供することを目的とするものである。
電体のドメイン反転構造形成方法は、先に述べたよう
に、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体の
一表面に所定パターンの電極を形成した後、これらの電
極と、上記一表面と反対の表面側に配したコロナワイヤ
ーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印
加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的な
ドメイン反転部とする強誘電体のドメイン反転構造形成
方法において、上記電極が形成された強誘電体の一表面
側を真空状態に保つ一方、この一表面と反対の表面側は
真空状態としないで電場を印加することを特徴とするも
のである。
ン反転構造形成方法は、上記第1の方法と同様に、単分
極化された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面に
所定パターンの電極を形成した後、これらの電極と、上
記一表面と反対の表面側に配したコロナワイヤーとによ
り強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該
強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なドメイン
反転部とする強誘電体のドメイン反転構造形成方法にお
いて、上記電極が形成された強誘電体の一表面側を絶縁
性流体に接する状態に保つ一方、この一表面と反対の表
面側は絶縁性流体に接する状態としないで電場を印加す
ることを特徴とするものである。
よる第1の強誘電体のドメイン反転構造形成装置は、単
分極化された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面
に形成された所定パターンの電極と、上記一表面と反対
の表面側に配されたコロナワイヤーと、これらの電極と
コロナワイヤーとを介して強誘電体に電圧を印加し、該
強誘電体をコロナ帯電させる電源と、上記電極が形成さ
れた強誘電体の一表面の周囲に気密に接し、この表面を
1つの周壁とする閉空間を画成する手段と、この閉空間
内を真空状態に保つ空気吸引手段とを備えたことを特徴
とするものである。
よる第2の強誘電体のドメイン反転構造形成装置は、単
分極化された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面
に形成された所定パターンの電極と、上記一表面と反対
の表面側に配されたコロナワイヤーと、これらの電極と
コロナワイヤーとを介して強誘電体に電圧を印加し、該
強誘電体をコロナ帯電させる電源と、上記電極が形成さ
れた強誘電体の一表面の周囲に気密に接し、この表面を
1つの周壁とする閉空間を画成する手段と、この閉空間
内に充填された絶縁性流体とを備えたことを特徴とする
ものである。
ドメイン反転部の深さ方向の均一性、再現性が悪くなる
原因の一つは、電場を印加する際に強誘電体の表面抵抗
が、大気雰囲気中の湿度等の影響で低下しかつ不均一に
なってしまうことにある。
印加の際にドメイン反転部が伸び始める、電極が形成さ
れた方の強誘電体表面側を真空状態に保っておくと、強
誘電体の表面抵抗が雰囲気中の湿度等のために低下し、
あるいは不均一になって、電極間の絶縁性が悪化するこ
とが防止され、深さが均一で、また面内形状も均一な所
定周期のドメイン反転構造を再現性良く形成できるよう
になる。
成された方の強誘電体表面側を真空状態に保つ代わり
に、この電極が形成された方の強誘電体表面側を絶縁性
流体に接する状態に保つものであるから、この場合も強
誘電体の表面抵抗および電極間の絶縁性については第1
の方法におけるのと同様のことが言え、深さが均一で、
また面内形状も均一な所定周期のドメイン反転構造を再
現性良く形成できるようになる。
極が形成された方の強誘電体表面側が真空状態、あるい
は絶縁性流体に接する状態に保たれるが、この表面と反
対の表面側、つまりコロナワイヤーが配置される方の表
面側は真空状態、あるいは絶縁性流体に接する状態とさ
れないので、このコロナワイヤーを利用して、通常通り
強誘電体をコロナ帯電させることが可能である。
段と、この閉空間内を真空状態に保つ空気吸引手段とを
備えた本発明の第1のドメイン反転構造形成装置によれ
ば、電極が形成された方の強誘電体表面側のみを真空状
態に保つことも容易であり、よって上記第1の方法を簡
便に実施可能となる。
の閉空間内に充填された絶縁性流体とを備えた本発明の
第2のドメイン反転構造形成装置によれば、電極が形成
された方の強誘電体表面側のみを絶縁性流体に接触させ
ることも容易であり、よって上記上記第2の方法を簡便
に実施可能となる。
詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施例により強
誘電体にドメイン反転構造を形成する様子を示してい
る。この図1中、1は非線形光学効果を有する強誘電体
であるMgO−LiNbO3の基板である。この基板1
は単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最
も大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるように
z面で光学研磨されている。この基板1の+z面1a上
に金属Taをスパッタして厚さ50nmのTa薄膜を形成
した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングによ
り、同図(a)に示されるようなTaマスクからなる周
期電極パターン2を形成する。
に(直接的にはその部分にある電極パターン2に)、図
中上端が例えば四角形に開口した容器3の周壁3aを密
接させる。このとき、+z面1aの周囲部分と容器周壁
3aとの間にはOリング4を介装し、両者の間を気密に
保つ。またこの+z面1aは、アース5に落としてお
く。上記容器3は、真空ポンプ6に接続される細いエア
抜き管3bを有しており、基板1の+z面1aにこの容
器3があてがわれることにより、該+z面1aを1つの
周壁とする閉空間7が画成される。その後真空ポンプ6
が駆動され、この閉空間7は真空状態に保たれる。な
お、このときの真空度は例えば1×10-5Torr 以下と
される。
に配したコロナワイヤー8およびそれに接続された高圧
電源9を用いて、基板1にコロナ帯電により電場を印加
した。この際、基板1の温度は室温から300 ℃の間の範
囲に設定し、コロナワイヤー8と基板1との距離は10m
mに設定し、高圧電源9からこのコロナワイヤー8を介
して例えば−5kVの電圧を30秒間印加する。
HF(フッ酸)とHNO3 (硝酸)とが混合されてなる
エッチング液を用いて選択エッチングを行なった。そし
てこの基板1の断面(y面)を観察したところ、図1の
(b)に示すように、周期電極パターン2が形成されて
いた箇所において、この電極パターン2に対応した所定
周期ですべて−z面から+z面まで均一に貫通し、そし
てy面内形状も均一な周期ドメイン反転部10が再現性良
く形成されているのが確認された。なおこの図1(b)
の矢印11は、分極の方向を示している。
が形成された光波長変換素子について説明する。上記実
施例のようにして基板1のx軸方向に並ぶ周期ドメイン
反転部10を形成し、x面および−x面を研磨し、また無
反射コートを施してそれぞれ光通過面20a、20bとする
ことにより、図2に示すようなバルク結晶型の光波長変
換素子20が得られる。この周期ドメイン反転構造を有す
るバルク結晶型光波長変換素子20を、同図に示すレーザ
ダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。こ
の場合946 nmに位相整合を取るため、MgO−LiN
bO3 の屈折率の波長分散を考慮して、電極パターン2
の周期Λは基板1のx方向に4.7 μmの1次周期とし、
結晶長は1mmとした。
は、波長809 nmのポンピング光としてのレーザビーム
13を発するレーザダイオード14と、発散光状態のレーザ
ビーム13を収束させる集光レンズ15と、Nd(ネオジウ
ム)がドーピングされたレーザ媒質であって上記レーザ
ビーム13の収束位置に配されたYAG結晶16と、このY
AG結晶16の前方側(図中右方)に配された共振器ミラ
ー17とからなる。光波長変換素子20は、この共振器ミラ
ー17とYAG結晶16との間に配置されている。
ム13により励起されて、波長946 nmのレーザビーム18
を発する。この固体レーザビーム18は、所定のコートが
施されたYAG結晶端面16aと共振器ミラー17のミラー
面17aとの間で共振し、光波長変換素子20に入射して波
長が1/2すなわち473 nmの第2高調波19に変換され
る。基本波としての固体レーザビーム18と第2高調波19
は、周期ドメイン反転領域において位相整合(いわゆる
疑似位相整合)し、ほぼこの第2高調波19のみが共振器
ミラー17から出射する。
力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波19が得
られた。そして、周期ドメイン反転部10は面内、深さ方
向とも均一形状であるため、光波長変換素子20の光通過
部分をどこに設定しても上記の高出力が得られるものと
なった。それに対して、基板1の+z面1aを真空状態
下に置かないで、それ以外は上記実施例と同様にしてド
メイン反転構造を形成したバルク結晶型光波長変換素子
を用いた場合は、そのドメイン反転部の形状が不均一で
あるため光波長変換素子の光通過部分をどこに設定する
かで光波長変換効率が大きく変化する上、レーザダイオ
ード14の出力を上記と同じとしたときの第2高調波出力
は最大でも3mWと低かった。
ことからも、本発明によれば、ドメイン反転部を深さ方
向および面内で均一に形成可能であることが裏付けられ
ている。
について説明する。なおこの図3において、図1中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する。
用いられた容器3の周壁3aと同様の周壁30aを有する
容器30が、基板1の+z面1a側に取り付けられる。こ
の容器30は、図示しない保持具により基板1と一体化さ
れる。そして容器30の中には、絶縁オイル31が充填され
る。なおこの絶縁オイル31としては、公知のアルキルベ
ンゼン、ボリブデン、塩素化合成オイル、シリコーンオ
イル、フッ素オイル等の合成絶縁オイルや、あるいは鉱
油系絶縁オイルを適宜用いることができる。容器30と基
板1とを一体化する作業は、上記絶縁オイル31を貯えた
槽内にこれら両者を浸漬した状態で行なわれる。それに
より、容器30内には気泡が残ることなく絶縁オイル31が
完全に充填され、基板1の電極パターン2が形成された
+z面1aは全面的にこの絶縁オイル31で覆われるよう
になる。
基板1にコロナ帯電による電場印加がなされる。この
際、電極パターン2が形成された基板1の+z面1aが
絶縁オイル31で覆われているため、この+z面1aの表
面抵抗が雰囲気中の湿度等のために低下し、あるいは不
均一になって、電極間の絶縁性が悪化することが防止さ
れる。そこでこの実施例においても、深さが均一で、ま
た面内形状も均一な所定周期のドメイン反転構造を再現
性良く形成できるようになる。
他の絶縁性液体、さらには絶縁性ガスを用いても、同様
の作用効果を得ることができる。この絶縁性ガスとして
は、電子を付着して負イオンになりやすいいわゆる負性
気体、より詳しくは、分子中にハロゲン元素を含む吸着
しやすい気体が好適に利用可能であり、具体的にはフッ
化炭素系ガス(CCl2 F3 等のフロン類)、SF6 等
が挙げられる。
成された強誘電体は、適当な研磨、コートを施してリン
グ共振器の要素とすることにより、外部共振器型レーザ
の光波長変換素子として適用することもできる。そのよ
うにする場合も、レーザダイオード励起固体レーザに適
用する場合と同様の作用、効果を得ることができる。ま
た、本発明によりドメイン反転構造が形成された強誘電
体から、導波路型の光波長変換素子を形成することも勿
論可能である。
反転構造を形成する様子を示す概略図
転構造を有するバルク結晶型光波長変換素子の使用状態
を示す概略側面図
反転構造を形成する様子を示す概略図
Claims (4)
- 【請求項1】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の一表面に所定パターンの電極を形成した後、 これらの電極と、前記一表面と反対の表面側に配したコ
ロナワイヤーとにより前記強誘電体をコロナ帯電させて
そこに電場を印加し、該強誘電体の前記電極に対向する
部分を局部的なドメイン反転部とする強誘電体のドメイ
ン反転構造形成方法において、 前記電極が形成された強誘電体の一表面側を真空状態に
保つ一方、この一表面と反対の表面側は真空状態としな
いで前記電場を印加することを特徴とする強誘電体のド
メイン反転構造形成方法。 - 【請求項2】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の一表面に所定パターンの電極を形成した後、 これらの電極と、前記一表面と反対の表面側に配したコ
ロナワイヤーとにより前記強誘電体をコロナ帯電させて
そこに電場を印加し、該強誘電体の前記電極に対向する
部分を局部的なドメイン反転部とする強誘電体のドメイ
ン反転構造形成方法において、 前記電極が形成された強誘電体の一表面側を絶縁性流体
に接する状態に保つ一方、この一表面と反対の表面側は
絶縁性流体に接する状態としないで前記電場を印加する
ことを特徴とする強誘電体のドメイン反転構造形成方
法。 - 【請求項3】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の一表面に形成された所定パターンの電極と、 前記一表面と反対の表面側に配されたコロナワイヤー
と、 これらの電極とコロナワイヤーとを介して前記強誘電体
に電圧を印加し、該強誘電体をコロナ帯電させる電源
と、 前記電極が形成された強誘電体の一表面の周囲に気密に
接し、この表面を1つの周壁とする閉空間を画成する手
段と、 この閉空間内を真空状態に保つ空気吸引手段とからなる
強誘電体のドメイン反転構造形成装置。 - 【請求項4】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の一表面に形成された所定パターンの電極と、 前記一表面と反対の表面側に配されたコロナワイヤー
と、 これらの電極とコロナワイヤーとを介して前記強誘電体
に電圧を印加し、該強誘電体をコロナ帯電させる電源
と、 前記電極が形成された強誘電体の一表面の周囲に気密に
接し、この表面を1つの周壁とする閉空間を画成する手
段と、 この閉空間内に充填された絶縁性流体とからなる強誘電
体のドメイン反転構造形成装置。
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1994
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Title |
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1992年(平成4年)秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集第3分冊pp.969(講演番号18a−X−2)佐脇一平、三浦道雄、栗村直 |
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