JPH03186822A - 波長変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、非線形光学効果によって入射光（基本波）
の整数分の１の波長の光（高調波）を得る波長変換素子
に関する。

「従来の技術」 近年、小型かつ廉価な半導体レーザの普及に伴って、Ｃ
Ｄプレーヤ、ビデオディスク装置、コンピュータの補助
装置としての光デイスク装置、レーザプリンタ等のレー
ザ応用装置が開発されてきている。

これらのレーザ応用装置において記録密度向上や動作速
度の高速化を図るためには、使用するレーザ光の波長を
短くすることが必要となる。しかし、半導体レーザの発
光波長を現状より短くすることは極めて困難な状況にあ
る。

従来、非線形光学効果（物質と光の相互作用によって、
光の強度が増加するに従って、光の電場により物質内で
生しる分極が非線形に応答する現象）を利用して、レー
ザ光の波長を整数分の１に変換する波長変換素子が提案
されている。

つまり、物質内で、非線形に応答した分極から光が再放
出するときに、その非線形性から、もともとの光（基本
波光）の高調波成分が放出される現象を利用したもので
ある。

従来このような原理に基づく波長変換素子は変換効率が
低いため、充分な光強度が得られる気体レーザあるいは
固体レーザ等の大型レーザ用の波長変換素子として主に
実用化されてきた。

しかし、光強度の充分てない半導体レーザに適用するた
めには、高効率の波長変換素子が必要となる。

ところで、２次高調波を発生する波長変換素子より出力
される２次高調波の光強度は、次のような性質を有して
いる。

■非線形光学結晶の非線形感受率の２乗に比倒し、屈折
率の３乗に反比例する。

■基本波光の振動数の２乗に比例する。

■基本波光のパワー密度の２乗に比例する、つまり電場
強度の４乗に比例する。

■位相差合長の２乗に比例する。方式によっては位相整
合長に比例する。

なお、３次以上の高調波を発生する波長変換素子より出
力される高調波の光強度も略同様の性質を有している。

従来、高効率の波長変換素子として、位相整合長を大き
くした導波路構造の素子、ファブリへロー型等の共鳴器
構造によって電場強度を上げるようにした素子が提案さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、導波路構造の素子によれば、位相整合長を大き
くするために導波路を長くする必要があり、素子が極め
て大きくなる。また、減衰を抑えるために導波路構造の
精度が厳しく要求されるので、製造が困難である。さら
に、導波路に沿って出射点が広がるため、出射光のプロ
フィールが悪いものとなる。したがって、実用化には問
題があった。

また、共鳴器構造を用いた素子によれば、共鳴条件を満
たすために、結晶加工精度、温度精度が厳しく要求され
るため、製造が困難であると共に、動作時の温度制御が
困難である。したがって、実用化には問題があった。

そこで、この発明では、上述欠点のない高効率の波長変
換素子を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、入射光より伝搬定数の大きな光を射出する
光学部品と、この光学部品から射出される光によって金
属表面プラズモンを励起する金属薄膜間に誘電体薄膜が
配されてなる多層膜と、この多層膜で励起される金属表
面プラズモンで発生する電場によって入射光の整数分の
１の波長の光を発生する非線形光学結晶とを備えるもの
である。

「作　用」 上述構成においては、多層膜に励起される金属表面プラ
ズモンのエレクトリックフィールドエンハンスメント効
果によって発生した極めて強い交番電場によって非線形
光学結晶より高調波が発生する。

この場合、金属表面プラズモンのエレクトリックフィー
ルドエンハンスメント効果によって電場強度を高めて高
調波の光強度を上げるようにしているので、従来の導波
路構造の素子、共鳴器構造を用いた素子に比べて、小型
、かつ構造的に簡単なものとなる。

また、金属表面プラズモンによって非線形光学結晶の内
部で発生するｎ次高調波（角振動数ｎω）は、非線形光
学結晶を通して側面に射出する。そのため、多層膜上の
金属表面プラズモンの伝搬定数をに１、非線形光学結晶
中を伝搬する高調波（角振動数ｎω）の伝搬定数をｋ。

０とすると、位相整合条件としては、ｋ　ｓｐ＜　ｋ　
ｎａ＋　／　ｎとなる。したがって、伝搬定数ｋｓｐは
多層膜を構成する金属薄膜、誘電体薄膜の膜厚等を調整
することにより容易に可変することができ、位相整合条
件を満たすことが容易となる。

［実　施　例］ 以下、第１図を参照しながら、この発明に係る波長変換
素子の一実施例について説明する。

同図において、２は入射光より伝搬定数の大きな光を射
出する光学部品を構成するプリズムである。６は光学研
磨した非線形光学結晶である。プリズム２の底面２ａと
非線形光学結晶６との間に金属薄膜３、誘電体薄膜４お
よび金属薄膜５が積層して配設される。

以上の構成において、基本光（基本波光）を構成するＰ
偏光レーザ光１を、プリズム２の底面２ａに、プリズム
２と非線形光学結晶６の屈折率で決まる臨界角取」二の
入射角で入側すると、プリズム２の下面の金属薄膜３、
誘電体薄膜４および金属薄膜５の各層にエバネッセント
波と呼ばれる光がしみたす。エハネッセント波は通常光
線より大きな伝搬定数を持っている光線であり、上述し
たようにプリズム２の底面２ａでの全反射を用いる他に
、回折格子等、その他の光学部品を用いて発生させても
よい。

このように発生されるエバネッセント波によって、金属
薄膜５および非線形光学結晶６の界面に金属表面プラズ
モン（金属表面プラズマ振動を量子化したもの）が励起
される。この場合、エバネッセント波の波数を、主とし
て金属薄膜５の屈折率および膜厚と非線形光学結晶６の
屈折率とで決まる金属表面プラズモンの伝搬定数と一致
させ、金属表面プラズモンが強く励起するようにされる
。

ここで、エバネッセント波の波数には、光学部品として
プリズム２を用いた場合、次式に示すようになる。ただ
し、Ｃは真空中ての光速度、ωは角振動数、ｎｃｙは角
振動数ωのときのプリズム２の屈折率、Ｉ（。〈。）は
真空中で角振動数ωのときの波数、θはレーザ光１のプ
リズム２の底面２ａに対する入射角である。

ｋ　＝　Ｉｌωｋ　ｏｔω＋Ｓ！ｎ。

＝ｎω◆ω／Ｃ◆ｓｉｎ　θ したがって、プリズム２の屈折率ｎｔｗと、レーザ光１
の入射角θを調整することによりエハネッセント波の波
数と金属表面プラズモンの伝搬定数とを一致させること
ができる。

このように励起される金属表面プラズモンのエレクトリ
ックフィールドエンハンスメント効果により発生した極
めて強い交番電場が非線形光学結晶６おまひ金属薄膜５
の界面近傍に印加される。

エレクトリックフィールドエンハンスメント効果とは、
電場の強度が金属−誘電体界面（本例では、金属薄膜５
−非線形光学結晶６の界面）で入射光の数十倍になる効
果をいう。そして、この交番電場によって非線形光学結
晶６の界面近傍より高調波８が発生ずる。特に、このフ
ィール！・エンハンスメント効果により、第２高調波は
非常に高効率で発生ずる。

このように発生した高調波８は、非線形光学結晶６の伝
搬条件に従って伝搬し、素子端面７から創出する。

次に、上述した金属表面プラズモンとフィールドエンハ
ンスメント効果について詳細に説明する。

金属薄膜に電磁波を照射すると、振動数と伝搬定数が等
しいときには、金属中の伝導電子と正イオンとが電離状
態になったプラズマが励起される。

このプラズマと呼ばれる電離状態の系では、電荷分布の
平衡が乱されると電気的中性を維持しようとして、電子
が集団で運動し振動を起こす。これがプラズマ振動であ
る。

このプラズマ振動（体積プラズマ振動という）の他に表
面プラズマ振動と呼ばれる縦波が存在する。この表面プ
ラズマ振動による電場は金属表面に平行な方向には周期
的な波動の形態をとり、金９− 属表面に垂直な方向には指数関数的に減少する消衰波の
形態をとる。

金属表面プラズモンとは、励起された表面プラズマ振動
を構成する電子の集団運動を量子化したものである。

半無限領域を有する金属と誘電体とが接する平面上を、
角振動数ωで伝搬する金属表面プラズモンの伝搬定数ｋ
ｓ＋＋（ｓｅｍｉ）は、金属の比誘電率をε□、誘電体
の比誘電率をε１　光の速度をＣとすると、 となる。ここで、ε、は複素数であることから、伝搬定
数に９゜（ｓｅｍｉ）もまた複素数となる。金属表面プ
ラズモンを強く励振するには、その金属表面プラズモン
自体が寿命の長い波動でなげればならない。すなわち、
伝搬定数ｋ　ｓｐ（ｓｅｍｉ）の虚数項が小さく、伝搬
に伴う減衰が小さいことが必要である。　ｋｓｏ（ｓｅ
ｍｉ）＝　ｋＳｐ’　　＋　　ｌ　　ｋｓｐ　　　　Ｅ
ｍ　　＝　Ｅｍ＋ｌε＊”とおき、伝搬定数ｋ　ｓｐ（
ｓｅｍｉ）の虚数項を０− 近似的に解くと、 したがって、金属表面プラズモンの励振強度を決めてい
る因子は、ε１′／（ε。′）２であり、金属表面プラ
ズモンを励振する場合に選択する金属としては、　１ε
１／（ε１）２１の値の小さい金属であることが望まれ
る。

例えば、１．Ｉｅｖ　　（波長１．１２７μｍ）の光に
おいて、種々の金属の１ε１／（ε、’）２１の値を示
すと下記の様になる。

金　　属　　１　ε１　／　（ε１）２■ ２９．５ ｌ０−３ ８３．４ ｌ０−３ ＝１１− Ｏｓ　　　　　１１６　　　　Ｘｌ０−３Ｗ　　　　　
　５００　　　　Ｘｌ０−３この結果から、実施例にお
ける金属薄膜３．５は、例えばＩε１′／（εＭ’　）
　２１　＜２Ｘ１０−３となる金属を用いて形成される
。

また、金属表面プラズモンは、金属表面に垂直な方向に
消衰波であることから、非輻射性の電磁波である。した
がって、通常その電磁波エネルギーは、電気の分野でい
うところの皮相電力に相当する形態をとっている。その
ため、外廓からの入射光で励振された金属表面プラズモ
ンは、かなり強い電場強度で振動することができる。特
に、金属表面に垂直なベクトルをもつ電場の振幅強度が
強くなる。この現象がフィールドエンハンスメント効果
である。多層膜の構成を最適化することで、入射光の数
十倍の電場振幅強度を得ることが可能である。すなわち
、入射光強度を数百〜千倍程度に強くした場合と同様の
効果が得られる。

このフィールドエンハンスメント効果は、金属表面に垂
直な方向の電場において著しいことから、１２− 非線形分極軸が金属表面に垂直な方向となるように、非
線形光学結晶６を加工することで、より大きな非線形効
果を得ることができる。

次に、非線形光学結晶６の位相整合条件について詳細に
説明する。

金属薄膜３、誘電体薄膜４および金属薄膜５が積層され
た３層膜上の金属表面プラズモンの伝搬条件およびフィ
ールドエンハンスメント効果は、一般に行列法として知
られている解析手法によって記載することができる。

ここで、プリズム２あるいは回折格子を構成する物質の
比誘電率をε工、非線形光学結晶６の比誘電率をε５、
金属薄膜３の膜厚なｄａ＋、比誘電率をε、１、誘電体
薄膜４の膜厚をｄ、　比誘電率をε１　金属薄膜５の膜
厚をｄ＋＋２、比誘電率をε、２とすると、金属表面プ
ラズモンの伝搬定数ｋ　５ｐは、以下の式で与えられる
フィールドエンハンスメント強度ｆの極大値として得ら
れる。ｋだし、比透磁率は１とする。

１３− ここで、 １４− １＜　：　　＝　ｋ　Ｏ％／　　ε　１−α２ここで、
αは、光が非線形光学結晶６の表面と平行な方向に伝搬
していると仮定した場合の屈折率に相当する量で、等側
屈折率と呼ぶ。

位相整合条件は、この等側屈折率αと非線形光学結晶６
中を伝眼する角振動数ｎωの光の屈折率Ｉ〕。、どの関
係によって表すことができる。

第２図に示すように、等側屈折率αが屈折率ｎｎ（Ｊ　
　より小さい場合乙こは、非線形光学結晶６の金属薄膜
５との界面近傍で発生した高調波が、ある角度θ。、の
方向に射出することができる。つまり、この条件で高調
波が射出しているときには、位相整合条件が成立してい
る。

ここで、金属表面プラズモンの伝搬定数ｋｓｐ＝α１（
。＋ｕ＋（ｋ。ｆｉｌ　は角振動数ωの基本波の真空中
の波数）であり、α＝に、。／ｋｏ（。）となる。

１５− また、非線形光学結晶６を伝搬する角振動数ｎωのｎ次
高調波の伝搬定数ｋ　ｎｕ　＝　ｎ　ｎ（、ｋ　Ｏ＋ｎ
Ｕ　ｌ　（ｋｏ（ｎｍ＋は角振動数ｎωの高調波の真空
中の波数）であり、ｎ　ｎ　（１１＝　ｋ　ｎ　Ｑ　／
　ｋ　Ｏ＋　ｎ　ｔｗ　＋　＝　ｋ　ｎ　（ｋｌ　／　
ｎｌ（ｏ（。）となる。つまり、位相整合条件は、次式
％式％ なお、このとき、角振動数ωの基本波は全反射条件を満
足しているため、高調波の創出方向に基本波が射出する
ことはない。

第３図は、誘電体薄膜４の膜厚ｄ６を変えたときの等側
屈折率α（α＝に、。／ｋｏ（、））の変化を示したも
のである。

この場合、レーザ光１として半導体レーザからのレーザ
光（真空中の波長入０が８３０　ｎｍ）を用いると共に
、非線形光学結晶６にニオブ酸リチウムＬｉ　Ｎｂ　０
３（ε、　＝４．８５　）、金属薄膜３．５に銀Ａ　ｇ
　（ｄ　ｍ＋＝ｄ１１２＝３５ｎｍ−ε１：：　ε１１
２＝　−３０，６＋１６− １．６１　ｉ　）、誘電体薄膜４に窒化アルミニウムＡ
Ｎ（εｉ　＝４．ＯＯ）、プリズム２にガリウムリンＧ
ａＰ（εｕ＝＋０．０）を用いた場合のシミュレーショ
ン結果である。

非線形光学結晶６の基本波の屈折率１１．、および２次
高調波の屈折率ｎ２（、＋　　は、それぞれ図に矢印で
示した値となるため、等側屈折率αが１２　、、、以下
となる約１２０ｎｍ以上の膜厚ｄ１であれば、２次高調
波の位相整合が可能である。なお、金属薄膜３．５の膜
厚および誘電率、誘電体薄膜４の誘電率、非線形光学結
晶６の種類および誘電率、レーザ光ｌの波長等によって
等側屈折率αが変わり、これによって位相整合条件が変
わってくる。３次以上の高調波の位相整合条件に関して
も同様に考えることができる。

第４図は、金属薄膜３，５の膜厚ｄ□、ｄヤ２を変えた
ときの等側屈折率α（α＝　ｋ　５ｏ　／　ｋ　ｏｔ−
→の変化を示したものである。

この場合、レーザ光１として半導体レーザからのレーザ
光（真空中の波長入Ｏが８３０　ｎｍ）を用い＋７− ると共に、非線形光学結晶６にニオブ酸リチウムＬｉ　
Ｎｂ　０３（ε、　＝４．８５　）、金属薄膜３．５に
銀Ａｇ（ε、＝εｌ１２＝　−３０，６＋１．６１１　
）、誘電体薄膜４に窒化アルミニウムＡＩＮ（ε、＝４
．００）、プリズム２にカリウムリンＧａ　Ｐ　（ε、
　＝ＩＯ，Ｏ）を用いた場合のシミュレーション結果で
ある。

非線形光学結晶６の基本波の屈折率ｎ。および２次高調
波の屈折率ｎ２ｃｙ　　は、それぞれ図に矢印で示した
値となるため、等側屈折率αがｎ２ｃｕ　　以下となる
膜厚ｄ１　　ｄ−２（誘電体薄膜４の膜厚ｄ１て変化）
であれば、２次高調波の位相整合が可能である。なお、
金属薄膜３．５の誘電率、誘電体薄膜４の誘電率、非線
形光学結晶６の種類および誘電率、レーザ光１の波長等
によって等側屈折率αが変わり、これによって位相整合
条件が変わってくる。３次以上の高調波の位相整合条件
に関しても同様に考えることができる。

第５図は、等側屈折率αを変えたときのフィールドエン
ハンスメント強度の変化を示したものである。フィール
ドエンハンスメント強度は、金属＝１８− 表面プラズモンによる非線形光学結晶６の表面に垂直な
方向の電場強度ＩＥ上ＳＰＩとレーザ光１２の電場強度
ＩＥ１Ｎ＋との比でもって表している。

この場合、レーザ光１としてＮｄ：　　ＹＡＧレーザか
らのレーザ光（真空中の波長入０がｌ０６４ｒ＋ｍ）を
用いると共に、非線形光学結晶６にニオブ酸リチウムＬ
　ｉ　Ｎｂ　０３　（ε、　＝４．８１）、金属薄膜３
．５に＆ｌ！　Ａ　ｇ　（ｄ　ｍｌ　＝　ｄ　１１１２
＝　３０ｎｍ、Ｅ　ｍ＋＝　Ｅ　＝２：　−５１，９＋
３．３６Ｊ　）、誘電体薄膜４に窒化アルミニウムＡＩ
　Ｎ　（ｄ　：　　＝＋６０　ｎｍ、　　Ｅ：　：　　
＝４．００）、プリズム２にガリウムリンｃ　ａ　ｐ　
（ε、　＝　９−６４）を用いた場合のシミュレーショ
ン結果である。

非線形光学結晶６の２次高調波の屈折率ｎ２ａ＋は図に
矢印で示した値となるため、等偏屈折率αがｎ２ｃｙ　
以下で２次高調波の位相整合条件を満たす領域にフィー
ルドエンハンスメント 値が存在していることが解る。

第６図は、上述したようにシミュレーションした構造を
実際に作成して、２次高調波（波長＝５３２ｎｍ　）の
光強度の測定を行なったものである。シ１９− ミュレーションでフィールドエンハンスメント効果がみ
られる位置で、２次高調波の発光が確認された。

同図から２次高調波の発光が伝搬定数に５。に対してか
なりの幅をもっていることが解る。したがって、実施例
の波長変換素子は、光学系の位置精度に対してかなりの
許容度を有していることが解る。この構成での半値幅は
、プリズム２へのレーザ光１の人別角度に換算して±１
°である。

第７図は、レーザ光１として半導体レーザからのレーザ
光（真空中の波長λＯが８３０ｎｍ　）を用いたときの
フィールドエンハンスメント強度の変化を示したもので
ある。

これは、非線形光学結晶６にニオブ酸リチウムＬｉＮｂ
Ｏ３　（ε．　＝４．８５）、金属薄膜３、５に銀Ａ　
ｇ　（　ｄ　１＝　ｄ　イ２＝　３５ｎｍ、Ｅ　＋ｌ　
＝　Ｅ　ｌ１１２＝　−３０．６＋１、６Ｎ）、誘電体
薄膜４に窒化アルミニウムＡＮ　（ｄ：　＝１２０　ｎ
ｍ，　　ｃ：　＝４．ＯＯ）、プリズム２にカリウムリ
ンＧａ　Ｐ　（ε。＝９．６４）を用いた場合のシミュ
レーション結果である。

２０− 非線形光学結晶６の２次高調波の屈折率ｎ２ａ＋は図に
矢印で示した値となるため、この場合も、等偏屈折率α
が＋１２（、）　以下で２次高調波の位相整合条件を満
たす領域にフィール１ζエンハンスメント強度の極大値
が存在していることが解る。

このシミュレーションと同等の条件で素子を作成して確
認を行なったところ、２次高調波（波長＝４１５ｎｍ）
の発光が確認された。

なお、非線形光学結晶６、プリズム２、金属薄膜３、５
、誘電体薄膜４の材料は、上述したものに限定されるも
のではない。

また、実施例におけるプリズム２は入射光より伝搬定数
の大きな光を射出する手段であり、上述したように回折
格子等その他の光学部品を用いて構成してもよい。

また、実施例では、金属薄膜３、５の間に誘電体薄膜４
を配した３層構造のものを示したが、金属薄膜および誘
電体薄膜の数を増加した、例えば５層構造、７層構造等
にしてもよい。

ざらに、上述せずもプリズム２に入射されるレ２１ ーザ光】をレンズ等を用いて絞り込むことにより、さら
に大きな電場強度を得ることができ、より高効率のもの
を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、金属薄膜δと
非線形光学結晶６の界面に発生する金属表面プラズモン
のフィールドエンハンスメント効果によって電場強度を
高めて発生する高調波の光強度を上げるようにしている
ので、従来の導波路構造の素子、共鳴器構造を用いる高
効率の素子に比べて、小型、かつ構造的に簡単なものを
得ることができる。したがって、光強度の小さい半導体
レーザ用に適用して好適なものとなる。勿論、固体レー
ザ用、ガスレーザ用等にも良好に使用できる。

また、多層膜上の金属表面プラズモンの伝搬定数をｋｓ
ｐ、非線形光学結晶中を伝搬するｎ次面調波（角振動数
ｎω〉の伝搬定数をｋ。０とすると、位相整合条件はｋ
　ｓｐ＜　ｋ　ｎｃｖ　／　ｎである。したがって、入
射光の入射角度、多層膜を構成する金属薄２２− 膜、誘電体薄膜の膜厚等を調整することにまり伝路定数
１（５Ｄを可変できるため位相整合条件を容易に満たず
ことができると共ごこ、膜厚、入射角度等、素子形状精
度、光学位置精度の許容範囲が広いため素子の製造を容
易に行なうことかできる。

また、位相整合条件を満たしているとき、基本波は全反
躬条注にあるので、高調波の射出方向に基本波が射出す
ることはなく、基本波を高調波との分離をきわめて良好
に行なうことができる。

さらに、位相整合条件を容易に満たずことがてき、バル
ク単結晶で従来位相整合条件の取れなかったものを非線
形光学結晶として用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る波長変換素子の一実施例を示す
構成図、第２図は位相整合条件の説明図、第３図は誘電
体薄膜の膜厚を変えた場合の等偏屈折率の変化を示す図
、第４図は金属薄膜の膜厚を変えた場合の等偏屈折率の
変化を示す図、第５図２３− は等偏屈折率を変えた場合のフィール１ζエンハンスメ
ント強度の変化を示す図、第６図は等偏屈折率を変えた
場合の２次高調波の強度変化を示す図、第７図は等偏屈
折率を変えた場合のフィールドエンハンスメント強度の
変化を示す図である。 ・Ｐ偏光レーザ光 ・プリズム ・金属薄膜 ・誘電体薄膜 ・非線形光学結晶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光より伝搬定数の大きな光を射出する光学部
   品と、 上記光学部品から射出される光によって金属表面プラズ
   モンを励起する金属薄膜間に誘電体薄膜が配されてなる
   多層膜と、 上記多層膜で励起される金属表面プラズモンで発生する
   電場によって上記入射光の整数分の１の波長の光を発生
   する非線形光学結晶とを備えることを特徴とする波長変
   換素子。