JP3318058B2 - 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 - Google Patents
強誘電体のドメイン反転構造形成方法Info
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Description
に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つとして従来より、室温下で電子線ビーム
を直接LiTaO3 やLiNbO3 の−z面に照射
する方法(H.Ito,C.Takyu,and H.Inaba,E
lectronics Letters, vol.27, No.14,1221(199
1)参照)が知られている。なおこの場合は、電子線照
射側 と反対側の強誘電体表面(上記例では+z面)に
アース電極を形成した状態で電子線照射がなされる。
LiNbO3 の基板厚さ(例えば0.5mm程度)に
亘って、つまり−z面から+z面まで貫通する周期ドメ
イン反転部が形成されるため、バルク型の光波長変換素
子としての応用が可能である。この方法により3次の周
期ドメイン反転構造を形成した光波長変換素子では、T
i:Al2 O3 レーザーを波長掃引して、バルクで
の位相整合が確認されている。
細書に示されるように、電子線ビームを強誘電体に照射
する代わりに、それと同様に高エネルギー線の一つであ
るイオンビームを強誘電体に照射して周期ドメイン反転
構造を形成することも可能である。
ンビーム等の高エネルギー線照射による従来のドメイン
反転構造形成方法においては、ドメイン反転構造の形状
の均一性、再現性が悪いことが認められている。またこ
の従来方法においては、ドメイン反転部分が理想的な直
線状になり難く、太さが不均一な直線状や、あるいはド
ット状になってしまうことが極めて多いという問題も認
められている。
たものであり、理想的な直線状の所定周期のドメイン反
転構造を、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。
ドメイン反転構造形成方法は、前述したように単分極化
された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面にアー
ス電極を設け、それと反対の表面側から該強誘電体に電
子線またはイオンビームを照射してドメイン反転構造を
形成する強誘電体のドメイン反転構造形成方法におい
て、上記強誘電体の一表面にアース電極を形成する前
に、該表面をフッ硝酸によって処理することを特徴とす
るものである。
よる処理を施しておくと、ドメイン反転部分が理想的な
直線状になり、そしてドメイン反転構造の面内均一性
(ドメイン反転部に貫かれる面内での形状均一性)が大
幅に向上し、またドメイン反転構造の形状再現性もほぼ
100%まで改善される。これは、フッ硝酸処理された
強誘電体表面とアース電極との密着性が向上することに
よるものと考えられる。
めて正確に制御されたドメイン反転構造が強誘電体に形
成されれば、この強誘電体の非線形光学定数が向上する
ので、それを光波長変換素子として用いた場合の波長変
換効率が著しく高められるようになる。
となることにより、強誘電体に光損傷が生じる光強度の
しきい値が高くなり、光波長変換素子の耐光損傷特性も
改善される。
詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例によりドメ
イン反転構造を形成する工程を示している。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LiN
bO3 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
材料定数d33が有効に利用できるように、z面(c
面)で光学研磨されたz板が使用されている。
うに、室温下で、フッ酸(HF)と硝酸(HNO3 )
の1:2の混合液であるフッ硝酸液5に3分間浸漬され
る。これにより基板1の全表面が軽くフッ硝酸処理され
る。
させた後、同図(b)に示すように、この基板1の+z
面1aにはアース電極として、厚さ30nmのCr薄膜2
が蒸着により形成される。
子線照射装置(図示せず)から発せられた電子線3を、
基板1に−z面1b側から局所的に照射する。この際の
電子線加速電圧は一例として20kV、照射電流は0.3 n
Aに設定される。この電子線照射により基板1には、基
板裏まで貫通し、所定周期Λで繰り返すパターンのドメ
イン反転部9が形成される。なお図1(c)の矢印10
は、分極の方向を示している。ここで上記周期Λは、L
iNbO3 の屈折率の波長分散を考慮して、基板1の
x軸方向に沿って946 nm近辺で1次の周期となるよう
に4.6 μmとした。
チングにより除去し、この+z面1aにおけるドメイン
反転部9の形状を顕微鏡で観察した。その顕微鏡像を撮
影した写真を図2に示す。ここに示されている通り、ド
メイン反転部9(写真中の黒い直線部)は均一な周期Λ
=4.6 μmを保った理想的な直線状となっており、その
z面内の形状均一性が著しく良好であることが確認され
た。
を形成する処理を100 サンプル以上の基板1に対して行
なったが、どのサンプルにおいても+z面1aにおける
ドメイン反転部9の形状は上述と同様であり、ドメイン
反転構造の形状再現性がほぼ100%であることが確認
された。
酸液5による処理を行なわず、その他はすべて上記実施
例と同様にしてLiNbO3 基板1にドメイン反転部
9を形成した。この場合の+z面1aにおけるドメイン
反転部9の形状を撮影した顕微鏡写真を図3に示す。こ
こに示されている通り、所定の周期を保ってきれいな直
線状になっているドメイン反転部9(写真中の黒い直線
部)は僅かであり、大半のドメイン反転部9は太さが不
均一な直線状や、あるいはドット状になっている。
が形成された基板1からなる光波長変換素子について説
明する。基板1のx面および−x面を研磨してそれぞれ
光通過面20a、20bとすることにより、図4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、同図に示すレーザーダイオード励起YAGレー
ザーの共振器内に配置した。
ーは、波長809 nmのポンピング光としてのレーザービ
ーム13を発するレーザーダイオード14と、発散光状態の
レーザービーム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ー媒質であっ
て上記レーザービーム13の収束位置に配されたYAG結
晶16と、このYAG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は結
晶長が1mmとされ、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。
ーム13により励起されて、波長946nmのレーザービー
ム18を発する。この固体レーザービーム18は、所定のコ
ーティングが施された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ービーム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のみが上記ミラー面17aを通過する。
出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波19が
得られた。そしてこの第2高調波19は、散乱光や迷光の
無いきれいなプロファイルを有するものである。それに
対して、前述のフッ硝酸液5による処理を行なわない
で、それ以外は光波長変換素子20と同様にして作成した
結晶長1mmの光波長変換素子を上記レーザーダイオー
ド励起YAGレーザーの共振器内に配置した場合、上記
と同じくレーザーダイオード14の出力が200 mWのと
き、第2高調波出力は1mWであった。以上の点から
も、本発明方法により形成されたドメイン反転部9は均
一な周期Λを保って理想的な直線状となっていることが
分かる。
フッ硝酸処理された強誘電体表面とアース電極との密着
性が向上することによって得られると考えられる。以
下、この点を確認した結果を説明する。+z面1aのみ
を上記実施例と同様にして軽くフッ硝酸処理したLiN
bO3 基板1と、−z面1bのみを同様にして軽くフ
ッ硝酸処理したLiNbO3 基板1とを用意し、それ
らの各基板1の+z面1aにアース電極としてCr薄膜
2を形成し、次いで上記実施例と同様にして電子線照射
によりドメイン反転部9を形成した。
ン反転部9の形状を撮影した顕微鏡写真を図5に、一方
後者の基板1の+z面1aにおけるドメイン反転部9の
形状を撮影した顕微鏡写真を図6に示す。図5に示され
ている通り、前者の基板1のドメイン反転部9(写真中
の黒い直線部)は均一な周期を保った理想的な直線状と
なっており、そのz面内の形状均一性が著しく良好であ
る。それに対して、図6に示されている通り、比較例と
しての後者の基板1においては、所定の周期を保ってき
れいな直線状になっているドメイン反転部9(写真中の
黒い直線部)は僅かであり、大半のドメイン反転部9は
太さが不均一な直線状や、あるいはドット状になってい
る。
電体に電子線を照射する場合に限らず、高エネルギー線
としてその他イオンビーム等を強誘電体に照射してドメ
イン反転構造を形成する場合にも同様に適用可能であ
る。
LiNbO3に限らず、その他の非線形光学効果を有す
る強誘電体、例えばLiTaO3 やMgO−LiNb
O3等にドメイン反転構造を形成する場合にも同様に適
用可能である。
成方法を説明する説明図
されたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
れたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
波長変換素子を備えた固体レーザーの側面図
形成されたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
基板に形成されたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写
真
Claims (1)
- 【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アース電極を設け、 それと反対の表面側から該強誘電体に電子線またはイオ
ンビームを照射してドメイン反転構造を形成する強誘電
体のドメイン反転構造形成方法において、 前記強誘電体の一表面にアース電極を形成する前に、該
表面をフッ硝酸によって処理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。
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