JP3578469B2 - 光波長変換素子およびその作成方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、基本波を第2高調波等に変換する光波長変換素子、特に詳細には、非線形光学効果を有する強誘電体結晶に周期ドメイン反転構造が形成されてなる光波長変換素子、およびその作成方法に関するものである。
【0002】
また本発明は、上述のような光波長変換素子を備えた光波長変換装置に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
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
β(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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような強誘電体からなる光波長変換素子においては、発生した第2高調波等の波長変換波により強誘電体結晶に光損傷が生じるという問題が認められている。例えば強誘電体結晶としてLiNbO3 (LN)の結晶を用い、そこに周期ドメイン反転構造を設けてなる光波長変換素子にあっては、2mW出力の第2高調波(波長:477 nm)によって光損傷が生じることもある。このように低出力の波長変換波によって光損傷を生じてしまう光波長変換素子は、実用的価値がさほど高いとは言えない。
【0005】
そこで従来より、光損傷しきい値を向上させるために、強誘電体結晶の表面にドメイン反転部の並び方向に沿って延びる状態に金属を蒸着し、この導電性の高い金属によって電荷の偏りを解消することが提案されている。
【0006】
しかし光導波路型の光波長変換素子において、光導波路を構成する強誘電体結晶の表面に上記のような金属を蒸着すると、導波する基本波および波長変換波の浸み出し光がこの金属によって反射や散乱等の影響を受け、それによる光伝搬損失のために波長変換効率が低下するという問題が生じる。またバルク結晶型の光波長変換素子においても、特にそれが薄い強誘電体結晶基板から形成された場合は、そこを通過する基本波および波長変換波のビーム端部が同様に結晶表面の金属によって反射や散乱等の影響を受け、波長変換効率が低下するという問題が生じる。
【0007】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光損傷しきい値が高く、そして基本波および波長変換波の反射や散乱等による伝搬損失を招かずに、高い波長変換効率を得ることができる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】
また本発明は、そのような光波長変換素子を作成する方法を提供することを目的とするものである。
【0009】
さらに本発明は、強力な波長変換波を出力できる光波長変換装置を提供することを目的とする。
【0010】
【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、請求項1に記載の通り、非線形光学効果を有する強誘電体のバルク結晶に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、該結晶において実質的に焦電効果を生じさせない温度条件下でこれらのドメイン反転部の並び方向に入射した基本波を波長変換する、光導波路を持たないバルク結晶型の光波長変換素子において、強誘電体結晶のドメイン反転部の並び方向に沿って延び、かつ分極方向と交わる表面の少なくとも基本波光路近傍部分に、透明導電性材料からなるコーティングが設けられていることを特徴とするものである。なお、上述のような温度条件とは、入射したレーザー光による光学素子の温度上昇が実質的に焦電効果を招かない程度に抑えられている場合も含めて、基本的には意図的に温度変化を与えないことを意味するが、光学素子が使用される環境により、実用的に意味をなさない程度の焦電効果が生じてしまう温度変化が存在する場合も含むものとする。
【0011】
一方、本発明による光波長変換素子の作成方法は、上記バルク結晶型の光波長変換素子を作成するものであり、請求項2に記載の通り、非線形光学効果を有する強誘電体のバルク結晶に周期的に繰り返すドメイン反転部を形成した後、この強誘電体結晶のドメイン反転部の並び方向に沿って延び、かつ分極方向と交わる表面の少なくとも基本波光路近傍部分に、透明導電性材料からなるコーティングを施すことを特徴とするものである。
【0012】
なお、この本発明による光波長変換素子の作成方法において、ドメイン反転部を特に電子線照射により形成する場合には、強誘電体のバルク結晶の電子線照射面の表層部を研磨してから、上記コーティングを施すことが望ましい。
【0013】
また本発明は、上記本発明によるバルク結晶型の光波長変換素子と、この光波長変換素子に基本波としてのレーザビームを入射させるレーザダイオードとからなる光波長変換装置を提供するものである。
【0014】
【作用および発明の効果】
上記の光波長変換素子において、強誘電体結晶のドメイン反転部の並び方向に沿って延び、かつ分極方向と交わる表面の少なくとも基本波光路近傍部分に、透明導電性材料からなるコーティングが設けられていると、結晶表面に金属を蒸着する場合と同様に、この導電性コーティングによって強誘電体結晶の電荷の偏りを解消して、光損傷しきい値を向上させることができる。
【0015】
そして、上記コーティングは透明材料から形成されているので、結晶表面に金属を蒸着する場合とは異なって、このコーティングにおいて基本波あるいは波長変換波が多大な反射や散乱等の影響を受けることも防止でき、よって高い波長変換効率を得ることが可能となる。
【0016】
また、ドメイン反転部を特に電子線照射により形成する場合には、強誘電体結晶の電子線照射面の表層部を研磨してから上記コーティングを施せば、特に高い波長変換効率が得られるようになる。
【0017】
一方、本発明の光波長変換装置は、上記のように高い波長変換効率が得られる光波長変換素子を用いているので、強力な波長変換波を出力できるものとなる。
【0018】
【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実施例の光波長変換素子を作成する工程を示すものである。図中、1は非線形光学効果を有する強誘電体であるLiNbO3 (以下、LNと称する)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0.2 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面で光学研磨されたz板が使用されている。そして同図(a)に示すように、この基板1の+z面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。
【0019】
次いで同図(b)に示すように、公知の電子線照射装置(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20〜30kV、照射電流は0.1 〜1nA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(b)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、LNの屈折率の波長分散を考慮して、基板1のx方向に沿って946 nm近辺で1次の周期となるように4.7 μmとした。
【0020】
次いでこの基板1を、LNのキュリー点(1130℃)より低い540 ℃で3時間、空気中で熱処理した。このようにキュリー点未満の温度で熱処理を行なえば、電子線3の照射により所定の向きに設定された分極方向が、この熱処理により変化してしまうことはない。
【0021】
次に同図(c)に示すように、Cr薄膜2を除去した後、ドメイン反転部9の並び方向に沿って延びる基板表面(y面およびz面)に、透明導電性材料であるITO(インジウム・スズ酸化物)の薄膜11を蒸着する。次いでLN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。
【0022】
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、図2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。このレーザダイオード励起YAGレーザは、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)がドープ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。
【0023】
YAG結晶16は波長809 nmのレーザビーム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。
【0024】
本例においてレーザビーム18のビーム径(1/e2 径)は0.1 mmであり、LN基板1の厚さ0.2 mmはそれにかなり近いから、もしITO薄膜11がこのレーザビーム18や第2高調波19に反射、散乱等の影響を与えるとすれば、かなりの伝搬損失が生じるはずである。しかし本例においては、レーザダイオード14の出力が200 mWのとき、10mWと高出力の第2高調波19が得られた。このように極めて高い波長変換効率が得られたことにより、基本波であるレーザビーム18や第2高調波19が透明のITO薄膜11によって多大な反射や散乱等の影響を受けることなく、良好に伝搬していることが実証された。
【0025】
また本実施例の光波長変換素子20においては、第2高調波19の出力が10mWの場合も光損傷は生じなかった。それに対して、ITO薄膜11を設けない以外はこの光波長変換素子20と同様に形成した光波長変換素子においては、第2高調波出力が1mWのときに光損傷が認められたので、ITO薄膜11を設けたことにより明らかに光損傷しきい値が向上していると言える。
【0026】
なお上記のITO薄膜11の代りに、その他の透明導電性材料からなるコーティングを設けてもよい。そのような材料としては、例えば透明導電性ポリマー等が挙げられる。
【0027】
なお本発明において、周期ドメイン反転構造を形成する方法は先に説明した方法、すなわち強誘電体結晶に電子線を照射するという方法に限られるものではなく、その他例えば、強誘電体結晶にプロトン交換部を設けてそこに電場を印加する等のあらゆる方法が適用可能である。
【0028】
また、電子線を強誘電体結晶に照射する方法を適用した場合は、電子線照射側の結晶表面から若干内側に入った部分から分極反転が起きることがある。そのような場合は、上記結晶表面から内部にかけての分極反転していない領域を研磨して除去し、この研磨後の新たな結晶表面にITO薄膜11等のコーティングを施すのが好ましい。
【0029】
一例として、第1実施例と同様にしてバルク結晶型の光波長変換素子を作成する際、LN基板1の電子線照射面を数μm研磨してからITO薄膜11をコーティングした。それにより得られた光波長変換素子を図2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ところ、レーザダイオード14の出力が200 mWのとき、第1実施例よりもさらに高出力の15mWの第2高調波19が得られた。このように、電子線照射面を研磨することにより、明らかに波長変換効率向上の効果が得られる。
【0030】
また本発明は、非線形光学効果を有する強誘電体結晶としてLNを用いる場合に限らず、その他の強誘電体結晶を用いる場合にも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の光波長変換素子を作成する様子を示す概略図
【図2】上記第1実施例の光波長変換素子を備えた固体レーザの側面図
【符号の説明】
1 LiNbO3 単分極化基板(z板)
1a、1b 基板表面
2 Taマスクパターン
3 プロトン交換部
4 コロナワイヤー
5 金属Pt電極
7 アース
8 電源
9 ドメイン反転部
11 ITO薄膜
13 レーザビーム(ポンピング光)
14 レーザダイオード
15 集光レンズ
16 YAG結晶
17 共振器ミラー
18 レーザビーム(基本波)
19 第2高調波
20 バルク結晶型光波長変換素子
Claims (3)
- 非線形光学効果を有する強誘電体のバルク結晶に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、該結晶において実質的に焦電効果を生じさせない温度条件下でこれらのドメイン反転部の並び方向に入射した基本波を波長変換する、光導波路を持たないバルク結晶型の光波長変換素子において、前記強誘電体結晶のドメイン反転部の並び方向に沿って延び、かつ分極方向と交わる表面の少なくとも基本波光路近傍部分に、透明導電性材料からなるコーティングが設けられていることを特徴とする光波長変換素子。
- 非線形光学効果を有する強誘電体のバルク結晶に周期的に繰り返すドメイン反転部を形成した後、この強誘電体結晶のドメイン反転部の並び方向に沿って延び、かつ分極方向と交わる表面の少なくとも基本波光路近傍部分に、透明導電性材料からなるコーティングを施すことを特徴とするバルク結晶型光波長変換素子の作成方法。
- 請求項1に記載のバルク結晶型光波長変換素子と、この光波長変換素子に基本波としてのレーザビームを入射させるレーザダイオードとからなる光波長変換装置。
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