JP3447078B2 - 光波長変換素子 - Google Patents

光波長変換素子

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JP3447078B2 JP06650893A JP6650893A JP3447078B2 JP 3447078 B2 JP3447078 B2 JP 3447078B2 JP 06650893 A JP06650893 A JP 06650893A JP 6650893 A JP6650893 A JP 6650893A JP 3447078 B2 JP3447078 B2 JP 3447078B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基本波をより短波長の
光に波長変換する光波長変換素子に関し、特に詳細に
は、1素子で2回の波長変換を行なって例えば第4高調
波等の極めて短波長の光を得るようにした光波長変換素
子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、非線形光学材料を利用して、
レーザービームを第2高調波等に波長変換(短波長化)
する試みが種々なされている。このようにして波長変換
を行なう光波長変換素子として具体的には、バルク結晶
型のものや、光導波路型のもの等が知られている。
【0003】上述のようにしてレーザービームを波長変
換する場合、より短波長の光を得るために、基本波を複
数の光波長変換素子に次々と入射させることが考えられ
ている。すなわち、基本波を第1の光波長変換素子に入
射させて第2高調波を発生させ、さらにこの第2高調波
を第2の光波長変換素子に入射させて第2高調波を発生
させれば、結局、元の基本波に対しては波長が1/4の
第4高調波が得られることになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、基本波を複数
の光波長変換素子に次々と入射させると、ある光波長変
換素子で波長変換された光が別の光波長変換素子に入射
する際にその端面でフレネル反射し、それにより光損失
が大きくなって、高い波長変換効率を得ることが困難と
なる。
【0005】またレーザー共振器内に複数の光波長変換
素子を挿入する場合は、素子端面における光散乱による
損失も大きくなる。つまり例えばレーザー共振器内に2
個の光波長変換素子を挿入する場合は、1個の光波長変
換素子を挿入する場合と比べて素子端面が2倍の4面と
なり、素子端面の光散乱による損失もほぼ2倍に増大す
る。このような損失の増大も、勿論、波長変換効率の低
下につながるものである。
【0006】さらに、複数の光波長変換素子を用いる場
合は、光通過端面が増えるので、それらの研磨およびコ
ーティング作業も多くなり、そのために、これら複数の
素子からなる光波長変換装置のコストはかなり高くつい
ていた。
【0007】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、高い波長変換効率の下に極めて短波長の光を得
ることができ、そして比較的安価に形成可能な光波長変
換素子を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
素子は、1つの非線形光学材料の結晶に、該結晶に入射
した基本波としてのレーザービームを波長変換する第1
の位相整合領域と、この第1の位相整合領域から出射し
た波長変換波をさらに波長変換する第2の位相整合領域
とが形成され、これら2つの位相整合領域の一方が角度
位相整合または温度位相整合を取る領域で、他方が周期
ドメイン反転構造を有して疑似位相整合を取る領域であ
ることを特徴とするものである。
【0009】
【作用および発明の効果】上記構成における周期ドメイ
ン反転構造とは、非線形光学効果を有する強誘電体の自
発分極(ドメイン)を周期的に反転させた構造である。
このような周期ドメイン反転構造を有する非線形光学材
料の結晶を用いて、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(P
hys.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(疑
似位相整合)を取ることができる。周期ドメイン反転構
造を備えない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。
【0010】上記のような周期ドメイン反転構造による
位相整合領域と、角度位相整合または温度位相整合を果
たす位相整合領域とを1つの非線形光学材料の結晶に設
ければ、該結晶に入射したレーザービームを2回波長変
換することができ、2個の光波長変換素子を用いる場合
と同様に、極めて短波長の波長変換波が得られるように
なる。例えば、第1の位相整合領域において基本波の第
2高調波を発生させ、この第2高調波を第2の位相整合
領域においてさらにその第2高調波に変換すれば、結
局、元の基本波に対しては波長が1/4の第4高調波が
得られることになる。
【0011】また、第1の位相整合領域において基本波
を第2高調波に変換し、第2の位相整合領域においてこ
の第2高調波と上記基本波の和周波を発生させれば、結
局、元の基本波に対しては波長が1/3の第3高調波が
得られることになる。なおこの場合、周期ドメイン反転
構造による位相整合領域を第2の位相整合領域とするの
であれば、ドメイン反転部の周期Λを、 Λc=2π/[β(ω3 )−{β(ω1 )+β(ω2 )}] ただしβ(ω3 )は和周波の伝搬定数 β(ω1 )は基本波の伝搬定数 β(ω2 )は第2高調波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように
設定すれば、基本波および第2高調波と和周波との間で
良好に位相整合が取られる。
【0012】以上のように本発明の光波長変換素子は、
2個の光波長変換素子を用いる場合と同様に、極めて短
波長の波長変換波が得られるものであるが、1つの素子
であるから光通過端面は2面のみであり、よって前述し
たような光損失は、2個の光波長変換素子を用いて光通
過端面が4面となる場合よりも少なくなり、そこで高い
波長変換効率が得られるようになる。
【0013】また、光通過端面が2面のみであれば、そ
れらの研磨およびコーティング作業も、2個の光波長変
換素子を用いて光通過端面が4面になる場合と比べてよ
り簡単になり、したがってこの光波長変換素子は比較的
低コストで作成可能となる。
【0014】なお上記構成の本発明の光波長変換素子に
おいては、第1および第2の位相整合領域に加えて、さ
らに1つあるいは複数の位相整合領域が適宜設けられて
もよいものである。そしてこの付加的に形成される位相
整合領域は、角度位相整合または温度位相整合を取る領
域であってもよいし、あるいは、周期ドメイン反転構造
を有して疑似位相整合を取る領域であってもよい。
【0015】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施例による光
波長変換素子10を示すものである。この光波長変換素子
10は非線形光学材料であるLBOの結晶9に、第1の位
相整合領域11および第2の位相整合領域12が形成されて
なるものである。この光波長変換素子10は、ペルチェ素
子13および図示しない温調回路により、24.3℃に保たれ
て使用される。
【0016】上記LBO結晶9は、光入射端面10aおよ
び光出射端面10bに対して光学軸が図示の向きとなるよ
うにカットされている。図示しないレーザー光源から発
せられた波長λ1 =1212nmのレーザービーム15は、第
1の位相整合領域11側の光入射端面10aから光波長変換
素子10に入射せしめられる。そして光波長変換素子10
は、素子端面10aにレーザービーム15が垂直入射し、ま
た図中矢印Pで示すレーザービーム15の直線偏光の向き
がLBO結晶9のY軸と平行となるように配置されてい
る。それにより基本波としてのレーザービーム15は、第
1の位相整合領域11において角度位相整合(NCPM:
non-critical phase matching )を果たした上で波長λ
2 =λ1 /2=606 nmの第2高調波16に波長変換され
る。
【0017】なお、Y軸方向に直線偏光したレーザービ
ーム15に対する第1の位相整合領域11の屈折率nY =1.
60であり、Z軸方向に直線偏光した第2高調波16に対す
る第1の位相整合領域11の屈折率nZ =1.60である。ま
たこの第2高調波16の発生には、第1の位相整合領域11
の非線形光学定数d32(=dZYY )が利用される。
【0018】この第2高調波16は、光波長変換素子10の
第2の位相整合領域12に入射する。第2の位相整合領域
12は、LBO結晶9に周期的に繰り返すドメイン反転部
18が形成されてなるものである。このような周期ドメイ
ン反転構造は、単分極化処理がなされたLBO結晶9
に、電子ビーム描画装置により電子線を照射して所定の
周期パターンを描画する、等により形成することができ
る。本実施例では、ドメイン反転部18の周期Λは7.6 μ
mとされている。波長λ2 =606 nmの第2高調波16
は、このような周期ドメイン反転構造を有する第2の位
相整合領域12に入射し、そこで疑似位相整合を果たした
上で波長λ3 =λ2 /2=303 nmの第2高調波(レー
ザービーム15に対しては第4高調波)17に波長変換され
る。この第4高調波17は、図中矢印Qで示すようにZ軸
方向に直線偏光したものとなり、光波長変換素子10の光
出射端面10bから素子外に出射する。
【0019】なお、Z軸方向に直線偏光した上記第2高
調波16に対する第2の位相整合領域12の屈折率nZ =1.
60であり、Z軸方向に直線偏光した第4高調波17に対す
る第2の位相整合領域12の屈折率nZ =1.64である。ま
たこの第4高調波17の発生には、第2の位相整合領域12
の非線形光学定数d33(=dZZZ )が利用される。
【0020】上記の光波長変換素子10においては、2個
の光波長変換素子を用いる場合のように第2高調波16が
別の光波長変換素子に入射する際にその素子端面でフレ
ネル反射するということがなく、よって光損失が少なく
抑えられて、高い波長変換効率が得られる。本例では、
レーザービーム15のピークパワーが1kWのとき、1W
のピークパワーの第4高調波17を得ることができる。さ
らに、この光波長変換素子10をレーザー共振器内に挿入
するような場合も、光通過端面は10aおよび10bの2面
のみであるから、素子端面における光散乱が少なく抑え
られて、高い波長変換効率が得られるようになる。
【0021】また、光通過端面が10aおよび10bの2面
のみであれば、それらの研磨およびコーティング作業
も、2個の光波長変換素子を用いて光通過端面が4面に
なる場合と比べてより簡単になり、したがってこの光波
長変換素子10は比較的低コストで作成可能となる。
【0022】次に図2を参照して、本発明の第2実施例
について説明する。なおこの図2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(以下、同様)。この第2実施例
の光波長変換素子20は、第1実施例の光波長変換素子10
と反対に、光入射端面20a側に形成された第1の位相整
合領域21が周期ドメイン反転構造を有して、レーザービ
ーム15と第2高調波16との間で疑似位相整合を取る領域
とされ、光出射端面20b側に形成された第2の位相整合
領域22が、第2高調波16と第4高調波17との間で角度位
相整合を取る領域とされている。
【0023】この第2実施例の光波長変換素子20におい
ても、光通過端面は20aおよび20bの2面のみであるか
ら、第1実施例と同様に、光損失を少なく抑えて高い波
長変換効率が得られ、またこの光波長変換素子10は比較
的低コストで作成可能なものとなる。
【0024】なお以上説明した2つの実施例において
は、第1の位相整合領域で基本波の第2高調波を発生さ
せ、第2の位相整合領域で上記第2高調波のさらに第2
高調波を発生させているが、それ以外の波長変換波を発
生させることも可能である。例えば、第1の位相整合領
域で基本波の第2高調波を発生させ、第2の位相整合領
域で上記第2高調波と基本波の和周波を発生させること
もできる。
【0025】次に図3を参照して、本発明の第3実施例
について説明する。この第3実施例の光波長変換素子30
は、光入射端面30a側に形成された第1の位相整合領域
31と、素子中央部に形成された第2の位相整合領域32と
に加えて、さらに光出射端面30b側に第3の位相整合領
域33が形成されてなるものである。上記第1の位相整合
領域31および第3の位相整合領域33は周期ドメイン反転
構造を有して前述の疑似位相整合を果たす領域であり、
他方第2の位相整合領域32は前述の角度位相整合を果た
す領域である。
【0026】このような構成の光波長変換素子30におい
ては、例えば、光入射端面30aから入射された基本波と
してのレーザービーム35を第1の位相整合領域31におい
て第2高調波36に変換し、この第2高調波36を第2の位
相整合領域32においてさらに第2高調波(レーザービー
ム35に対しては第4高調波)37に波長変換し、第3の位
相整合領域33において上記第2高調波36と第4高調波37
の和周波38を発生させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例装置の斜視図
【図2】本発明の第2実施例装置の斜視図
【図3】本発明の第3実施例装置の斜視図
【符号の説明】
9 LBO結晶 10、20、30 光波長変換素子 10a、20a、30a 光入射端面 10b、20b、30b 光出射端面 11、21、31 第1の位相整合領域 12、22、32 第2の位相整合領域 15、35 レーザービーム(基本波) 16、36 第2高調波 17、37 第4高調波 18 ドメイン反転部 33 第3の位相整合領域 38 和周波
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−19310(JP,A) Soviet Technical Physics Letters,Vo l.6,No.3,pp.120−121 (1980) A.G.Arutyunyan et al.

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1つの非線形光学材料の結晶に、該結晶
    に入射した基本波としてのレーザービームを波長変換す
    る第1の位相整合領域と、この第1の位相整合領域から
    出射した波長変換波をさらに波長変換する第2の位相整
    合領域とが形成され、これら2つの位相整合領域の一方
    が角度位相整合または温度位相整合を取る領域で、他方
    が周期ドメイン反転構造を有して疑似位相整合を取る領
    域であることを特徴とする光波長変換素子。
  2. 【請求項2】 前記第1の位相整合領域が角度位相整合
    または温度位相整合を取る領域であり、前記第2の位相
    整合領域が周期ドメイン反転構造を有して疑似位相整合
    を取る領域であって、これらの領域が各々1つずつ形成
    されていることを特徴とする請求項1記載の光波長変換
    素子。
  3. 【請求項3】 前記第1の位相整合領域が周期ドメイン
    反転構造を有して疑似位相整合を取る領域であり、前記
    第2の位相整合領域が角度位相整合または温度位相整合
    を取る領域であって、これらの領域が各々1つずつ形成
    されていることを特徴とする請求項1記載の光波長変換
    素子。
  4. 【請求項4】 前記第1の位相整合領域が周期ドメイン
    反転構造を有して疑似位相整合を取る領域であり、前記
    第2の位相整合領域が角度位相整合または温度位相整合
    を取る領域であって、これらの領域が各々1つずつ形成
    された上で、この第2の位相整合領域から出射した波長
    変換波をさらに波長変換する、周期ドメイン反転構造を
    有して疑似位相整合を取る第3の位相整合領域が形成さ
    れていることを特徴とする請求項1記載の光波長変換素
    子。
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A.G.Arutyunyan et al.
Soviet Technical Physics Letters,Vol.6,No.3,pp.120−121(1980)

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