JP3791630B2 - 光波長変換素子 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
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に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなる光波長変換素子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) 式を満足する周期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】
上述のような周期ドメイン反転構造を形成する強誘電体として従来より、例えば特開平6−242478号公報に記載されているように、MgがドープされたLiNbO3 (LN:Mg)が好適に用いられることが分かっている。すなわち、このLN:Mgは、MgがドープされていないLNと比べると光損傷しきい値が2桁以上も高いので、このLN:Mgに周期ドメイン反転構造を形成すれば、高い波長変換効率の下に高強度の波長変換波を発生する光波長変換素子が得られるようになる。
【0005】
また同じように周期ドメイン反転構造を形成するのに適した強誘電体として、MgがドープされたLiTaO3 (LT:Mg)も公知となっており、これらの強誘電体を用いて光導波路型やバルク結晶型の光波長変換素子を作成する試みが従来より種々なされている。
【0006】
一方、強誘電体に周期ドメイン反転構造を形成する方法としては、上記特開平6−242478号公報に記載されているように、強誘電体基板に所定の周期、線幅の周期電極を形成し、この周期電極を介して強誘電体基板に電場を印加するという方法が知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし強誘電体として上述のLN:MgやLT:Mgを用い、そこに周期ドメイン反転構造を形成してなる従来の光波長変換素子においては、ドメイン反転部の周期にゆらぎが存在しやすく、そのため、十分に高い波長変換効率を得るのは難しくなっていた。
【0008】
また、この従来の光波長変換素子においては、前述の周期電極を用いて周期ドメイン反転構造を形成する場合、各ドメイン反転部は本来電極の線幅と同じ幅に形成されるはずであるのに、それよりも太幅に形成される傾向があって、ドメイン反転部の幅を正確に所望値に制御することが難しいという問題も認められている。
【0009】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ドメイン反転部の周期や線幅が正確に所望値に制御されて、それにより、十分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。
【0011】
【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、前述したように非線形光学効果を有する強誘電体に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、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波長変換素子において、上記の強誘電体として、ScおよびInのうちの少なくとも1つが添加されたLiNbx Ta1-x 3 (0≦x≦1)が用いられたことを特徴とするものである。
【0013】
上記のScおよびInのうちの少なくとも1つが添加されたLiNbxTa1-x 3 を用いて、そこに周期的に繰り返すドメイン反転部を形成すると、従来知られているMgが添加されたLiNbx Ta1-x 3 を用いる場合と比べて、ドメイン反転部の周期や線幅がより正確に所望値に制御されるようになる。そこで、本発明の光波長変換素子によれば、十分に高い波長変換効率が実現される。
【0014】
【発明の実施の形態】
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。まず図1を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。
【0015】
この図1中の1は非線形光学効果を有する強誘電体である、ZnがドープされたLiNbO3 (LN:Zn)の基板である。このLN:Zn基板1はZnドープ量が7.5 mol %のもので、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。
【0016】
このLN:Zn基板1の+Z面1a上に金属TaをスパッタしてTa薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーにより、図示のような周期パターンを有するTa周期電極2を形成する。この周期電極2の各電極の幅は4μmであり、またその周期Λは、LN:Znの屈折率の波長分散を考慮し、基板1のX方向に沿って1313nm近辺で1次の周期となるように12.9μmとした。
【0017】
次に上記基板1を90℃に保ち、+Z面1aが面している空間が10-4Psとなるように真空引きしながら、Ta周期電極2をアース3に落とした上で、基板1の−Z面1b側に配したコロナワイヤー4を用いて該基板1にコロナ帯電により電場を印加した。本例では、高圧電源5からコロナワイヤー4を介して−20kV/cmの電圧を4.5 秒間印加した。
【0018】
次いで周期電極2を除去してから、基板1のY面を切断、研磨した後、HFとHNO3 とが1:2に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。この基板1の断面(Y面)を観察したところ、図2に示すように周期電極2に対向していた箇所において、−Z面1bから+Z面1aまで貫通して、周期的に繰り返すドメイン反転部9が形成されているのが確認された。なおこの図2中の矢印10は、分極の方向を示している。
【0019】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたLN:Zn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3に示すバルク結晶型の光波長変換素子20が得られる。この光波長変換素子20を、同図に示すレーザーダイオード励起YLFレーザーの共振器内に配置して第2高調波を発生させた。
【0020】
このレーザーダイオード励起YLFレーザーは、波長795 nmのポンピング光としてのレーザービーム21を発するレーザーダイオード22と、発散光状態のレーザービーム21を収束させる集光レンズ23と、Nd(ネオジウム)がドープされたレーザー媒質であって上記レーザービーム21の収束位置に配されたYLF結晶24と、このYLF結晶24の前方側(図中右方)に配された共振器ミラー25とからなる。そして共振器ミラー25とYLF結晶24との間に、上記光波長変換素子20が配設される。
【0021】
YLF結晶24は波長795 nmのレーザービーム21により励起されて、波長1313nmの光を発する。この光は、所定のコーティングが施されたYLF結晶端面24aと共振器ミラー25のミラー面25aとの間で共振し、固体レーザービーム26が発生する。このレーザービーム26は光波長変換素子20に入射して、波長が1/2すなわち657 nmの第2高調波27に変換される。ミラー面25aに上記コーティングが施されている共振器ミラー25からは、ほぼこの第2高調波27のみが出射する。なお位相整合は、光波長変換素子20の周期ドメイン反転領域において取られる (いわゆる疑似位相整合)。第2高調波27の強度等については、後に図4を参照して詳しく説明する。
【0022】
次に、本発明の第2および3の実施形態、並びに本発明の効果を確認するための比較例について説明する。これらの実施形態および比較例の光波長変換素子は、前述した第1の実施形態と比較すると、LN基板にドープされている物質とそのドープ量、並びにコロナ帯電による電圧印加の時間が異なるものであり、それらの条件を下にまとめて記す。
【0023】
[第1の実施形態] LN:Zn(7.5 mol %)、−20kV/cm×4.5 秒
[第2の実施形態] LN:Sc(1.5 mol %)、−20kV/cm×3.5 秒
[第3の実施形態] LN:In(1.8 mol %)、−20kV/cm×3.0 秒
[比較例] LN:Mg(5.0 mol %)、−20kV/cm×9.0 秒
上記第2および3の実施形態、並びに比較例の光波長変換素子を、図3のレーザーダイオード励起YLFレーザーにおいて第1実施形態の光波長変換素子20に代えて共振器内に配置し、同じように第2高調波を発生させた。各場合の第2高調波強度の相対値を、第1実施形態の光波長変換素子20を用いた場合の結果と併せて図4に示す。なお第2、第3の実施形態の光波長変換素子を用いた場合の結果は互いにほぼ同じであった。
【0024】
ここに示される通り、第1〜3の実施形態の光波長変換素子を用いると、従来品である比較例の光波長変換素子を用いた場合と比べて、より狭い温度範囲においてより高い第2高調波強度、つまりより高い波長変換効率が得られており、周期ドメイン反転構造の周期性が改善されていることが裏付けられた。
【0025】
一方、分極反転が生じる電圧つまり反転しきい値電圧を、LNにドープする物質毎に調べた結果を図5に示す。ここに示される通り、LNにScあるいはInをドープする場合は、Mgをドープする場合と比べて、ドープ量に拘らず反転しきい値電圧が低くなっている。またLNにZnをドープする場合も、ドープ量を約6.5 mol %以上とすると、Mgをドープする場合と比べて反転しきい値電圧が低くなり、分極反転処理が容易化される。
【0026】
また、第1〜3の実施形態並びに比較例の光波長変換素子を作成する際に、それぞれ前述のようにして基板Y面を観察したが、その基板Y面の顕微鏡写真を図6に示す。図中の(1)、(2)、(3)および(4)が各々、比較例、第1の実施形態、第2の実施形態および第3の実施形態についての写真であり、倍率はともに400 倍である。
【0027】
ここに示されている通り、比較例においては、ドメイン反転部の幅が部分的に太くなって周期ドメイン反転構造の周期性が悪くなっているが、第1、2および3の実施形態においては、そのような不具合が殆ど認められない。
【0028】
なお、以上説明した実施形態においては、Zn、ScあるいはInが添加されたLiNbO3 基板が用いられているが、その代わりにZn、ScあるいはInが添加されたLiTaO3 基板やLiNbTaO3 基板を用いても、さらにはZn、ScおよびInのうちの2つ以上が添加されたLiNbx Ta1-x 3 (0≦x≦1)基板を用いても、基本的に上記と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の光波長変換素子を作成する様子を示す概略図
【図2】上記光波長変換素子の周期ドメイン反転構造を示す概略図
【図3】上記光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【図4】本発明の光波長変換素子および従来の光波長変換素子によって発生させた波長変換波の強度を比較して示すグラフ
【図5】LNにドープする物質毎の分極反転しきい値電圧を比較して示すグラフ
【図6】本発明の光波長変換素子および従来の光波長変換素子における周期ドメイン反転構造を示す顕微鏡写真
【符号の説明】
1 LN:Zn基板
2 Ta周期電極
3 アース
4 コロナワイヤー
5 高圧電源
9 ドメイン反転部
20 光波長変換素子
21 レーザービーム(基本波)
22 レーザーダイオード
23 集光レンズ
24 YLF結晶
25 共振器ミラー
26 固体レーザービーム(基本波)
27 第2高調波

Claims (1)

  1. 非線形光学効果を有する強誘電体に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、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波長変換素子において、前記強誘電体として、ScおよびInのうちの少なくとも1つが添加されたLiNbx Ta1-x 3 (0≦x≦1)が用いられたことを特徴とする光波長変換素子。
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