JPH07218941A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】全体構成の小型化や低価格化を実現することが
できる波長変換装置を提供する。 【構成】光源素子１からの基本光が入射する有機コアフ
ァイバー２と、この有機コアファイバー２を通過した基
本光及びＳＨＧ光の混合光が入射する光学素子３とを備
えた波長変換装置であって、光学素子３は基本光とＳＨ
Ｇ光とを分離したうえ、ＳＨＧ光をビーム整形して透過
させるとともに、基本光を透過させない機能を有するも
のであることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主としてレーザ光を半
波長の第２高調波に変換（短波長化）する際に用いられ
る波長変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ光の短波長化はメモリの高
密度化や計測の高精度化、ディスプレイの高精密化など
の必要上から益々重要な要素技術となってきている。そ
して、このような短波長化を実現するには、光源素子で
ある半導体レーザ自体の発振波長を短波長化させる方法
と、半導体レーザから出射された１次光である基本光を
非線形光学素子によって短波長化させる方法とがあり、
非線形光学素子を用いる方法の実用化が近いと考えられ
ている。

【０００３】この際における非線形光学素子というのは
結晶の非線形性を利用しての波長変換が可能な素子の意
味であり、結晶中に入射してきた１次光を変換したうえ
で波長が半分となった第２高調波としてのＳＨＧ（Seco
nd Hermonic Generation）光を得る際に用いられる素子
である。そして、現状においては、有機非線形光学材料
を用いて作製されたチェレンコフ放射方式の有機コアフ
ァイバー、すなわち、屈折率の高いコアと屈折率の低い
クラッドとを一体化してなる光ファイバー構造の有機コ
アファイバーを非線形光学素子として用いるのが一般的
となっている。

【０００４】なお、ここでの有機コアファイバーは、入
射してきた基本光が導波モードとなり、また、第２高調
波であるＳＨＧ光が放射モードとなったうえでコアから
ある角度、すなわち、波長やコア径、屈折率に基づいて
定まる角度をもってクラッド中に出射してくる現象を利
用するものであり、温度及び波長に対する許容度や生産
性、価格などの点で優れるとして有望視されているもの
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来構
成とされた有機コアファイバーからは、１次光として入
射した基本光と、これから９０°偏光した状態で得られ
たＳＨＧ光とが混合されてなる混合光が２次光として出
射されてくる。そこで、ＳＨＧ光のみを選択して得るた
めには、有機コアファイバーから出射されてきた混合光
中から基本光を取り除く必要があることになる。

【０００６】そして、通常の実験レベルにおいて基本光
を取り除くには、基本光とＳＨＧ光との偏光方向の相違
を利用して分離する偏光ビームスプリッターや波長選択
性を有する吸収フィルターまたは反射フィルターなどの
分離用素子を用いるのが一般的とされている。しかしな
がら、これらのような分離用素子を用いたうえで実用的
な波長変換装置を構成するのでは、部品点数が増えるこ
とになる結果、波長変換装置の小型化や低価格化を実現
することが困難となってしまう。

【０００７】また、この有機コアファイバーに対する１
次光の結合が通常通りの垂直入射である場合には数％程
度の入射損失が発生することになるが、ＳＨＧ光は入射
基本波の２乗に比例して増加するから、ＳＨＧ光の出力
を高めるためには入射損失を極力抑制しておく必要があ
る。そして、このような入射損失の抑制対策としては、
特開平２−２５４４２６号公報で開示されているよう
に、有機コアファイバーにおける入射光結合面を減反射
コーティング膜としての誘電体多層膜で覆っておく方法
が提案されている。しかしながら、このような減反射コ
ーティング膜の作製時には、真空装置を使用したうえで
の成膜工程が必要となってコストが高くなるばかりか、
真空雰囲気中に放置された有機コアファイバーの劣化を
招いてしまうというような不都合が生じることになって
いた。

【０００８】本発明は、これらの不都合に鑑みて創案さ
れたものであって、全体構成の小型化や低価格化を実現
することができる波長変換装置の提供を目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる第１の波
長変換装置は、光源素子からの基本光が入射する有機コ
アファイバーと、この有機コアファイバーを通過した基
本光及びＳＨＧ光の混合光が入射する光学素子とを備え
たものであり、光学素子は基本光とＳＨＧ光とを分離し
たうえ、ＳＨＧ光をビーム整形して透過させるととも
に、基本光を透過させない機能を有するものであること
を特徴としている。

【００１０】また、本発明にかかる第２の波長変換装置
は、光源素子からの基本光が入射する有機コアファイバ
ーと、この有機コアファイバーを通過した基本光及びＳ
ＨＧ光の混合光が入射する光学素子とを備えており、光
学素子は基本光とＳＨＧ光とを分離したうえ、ＳＨＧ光
をビーム整形して透過させるとともに、基本光を透過さ
せない機能を有するものである一方、有機コアファイバ
ーはその入射光結合面の基本光に対する角度がブリュー
スタ角と合致したものであることを特徴としている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明にかかる実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１２】第１実施例 図１は本発明の第１実施例にかかる波長変換装置の全体
構成を示す構造図であり、図２はその光学素子のみを拡
大して示す構造図である。

【００１３】本実施例にかかる波長変換装置は、１次光
である基本光を出射する光源素子１と、１次光が入射す
る非線形光学素子としての有機コアファイバー２と、こ
の有機コアファイバー２から出射された２次光が入射す
る光学素子３とを備えており、有機コアファイバー２及
び光学素子３のそれぞれは基本光の入射方向であるとこ
ろの光源素子１の光軸Ｌに沿う向きで配置されている。
そして、この際における光源素子１としては、波長８８
０ｎｍ、出力１００ｍＷのシングルモードの半導体レー
ザが用いられており、光源素子１及び有機コアファイバ
ー２の入射光結合面２ａ間には、半導体レーザ用の市販
品であるところのコリメータレンズ４及び集光レンズ５
が配置されている。なお、ここでのコリメータレンズ４
はＮＡ＝０．５、集光レンズ５はＮＡ＝０．６１５の仕
様を有している。

【００１４】一方、有機コアファイバー２は、従来例同
様、光源素子１から入射してきた基本光と、これから９
０°偏光して得られたＳＨＧ光とが混合されてなる混合
光を２次光として出射するものである。そして、この有
機コアファイバー２は、日本電気硝子（株）のＬＧ１６
高屈折率ガラス（１．６８６／波長：８８０ｎｍ）から
なるキャピラリーガラスを利用することによって作製さ
れたものであり、屈折率の高いコアの直径は１．３μ
ｍ、屈折率の低いクラッドの直径は１ｍｍ、長さは１０
ｍｍと設定されている。また、この際のコア材料、すな
わち、コアを構成する有機非線形光学材料としてはＤＭ
ＮＰ（３、５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）
ピラゾール）が用いられており、有機コアファイバー２
はキャピラリーガラス内に充填されたコア材料をゾーン
メルト法によって単結晶化したものとなっている。な
お、図中の符号Ｐはファイバー軸心を示しており、この
ファイバー軸心Ｐは光源素子１の光軸Ｌと合致させられ
ている。

【００１５】さらに、本実施例における光学素子３はＢ
Ｋ７のようなガラスを用いて作製されたものであり、図
２で示すように、有機コアファイバー２から出射された
２次光、すなわち、基本光及びＳＨＧ光からなる混合光
の入射側部分（図２では仮想線で区切られた左側部分）
３ａが円錐プリズム形状とされる一方、入射側部分３ａ
を除く出射側部分（図２では右側部分）３ｂが円形断面
形状とされた構成を有している。そして、この光学素子
３の入射側部分３ａはＳＨＧ光の出射角に対応した底
角、例えば、ＳＨＧ光の出射角が７°の場合には１３．
４°の底角を有するものとなっている。なお、図中の矢
印Ａは、混合光の入射方向を示している。

【００１６】また、この光学素子３における出射側部分
３ｂは、円錐プリズム形状とされた入射側部分３ａでコ
リメートされた光に対する４５°の角度をもって位置決
めされた平面形状の誘電体多層膜６を介したうえで一対
のガラス体同士が接着された構成を有している。そし
て、この出射側部分３ｂは、有機コアファイバー２から
入射された混合光を構成する基本光とＳＨＧ光とを偏光
方向の相違に基づいて互いに分離したうえ、９０°偏光
したＳＨＧ光についてはビーム整形して透過させる一
方、ＳＨＧ光から分離された基本光については透過させ
ない機能を有する部分となっている。

【００１７】すなわち、ここでの誘電体多層膜６は、基
本光を反射する一方でＳＨＧ光を透過させる性質をもつ
よう、１０５ｎｍ厚みのＺｎＳ膜と９５ｎｍ厚みのＭｇ
Ｆ２膜とを交互に２５層成膜してなるものである。な
お、この光学素子３の入射側面及び出射側面上には、Ｓ
ＨＧ光に対する透過率が最大となるよう、９４ｎｍ厚み
とされたＭｇＦ２単層からなるコーティング膜７が形成
されている。

【００１８】以上説明したように、本実施例の波長変換
素子を構成する有機コアファイバー２からも、１次光と
して入射した基本光と、これから９０°偏光した状態の
ＳＨＧ光とからなる混合光が出射されてくることは従来
例と同じである。しかしながら、本実施例においては、
混合光を構成する基本光とＳＨＧ光とを偏光方向の相違
に基づいて互いに分離する光学素子３を有機コアファイ
バー２の出射端側に配置し、かつ、出射された混合光が
光学素子３内を通過する構成を採用したので、光学素子
３からは基本光が分離されたうえでコリメートされたＳ
ＨＧ光のみが出射されてくることになる。なお、本発明
の発明者が上記構成とされた光学素子３を波長変換素子
に組み込んだうえでの実験を行ってみたところによれ
ば、基本光のＳＨＧ光に対する透過比率が１／１０００
程度以下であることが確認されている。

【００１９】第２実施例 図３は本発明の第２実施例にかかる波長変換装置の全体
構成を示す構造図であり、図４はその光学素子のみを拡
大して示す構造図である。なお、第２実施例にかかる波
長変換装置の全体構成は、光学素子に関わる点を除き、
第１実施例と基本的に異ならないので、図３及び図４に
おいて図１及び図２と互いに同一もしくは相当する部
品、部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省
略する。

【００２０】本実施例にかかる波長変換装置は、半導体
レーザである光源素子１と、この光源素子１の光軸Ｌに
沿う向きとして順次配置された有機コアファイバー２及
び光学素子８とを備えたものであり、光源素子１と有機
コアファイバー２の入射光結合面２ａとの間にはコリメ
ータレンズ４及び集光レンズ５が配置されている。

【００２１】そして、ここでの光学素子８は有機コアフ
ァイバー２の出射端側に配置されたうえ、有機コアファ
イバー２から２次光として出射されてきた混合光中の基
本光を吸収したうえでＳＨＧ光のみをビーム整形して透
過させる機能、すなわち、基本光とＳＨＧ光とを吸収の
相違に基づいて分離する機能を有しており、（株）ＨＯ
ＹＡ製のＣＭ５００といわれるガラスを用いたうえ、Ｓ
ＨＧ光の出射角に対応した底角を有する円錐プリズム形
状として作製されたものとなっている。なお、この光学
素子８の入射側面及び出射側面上にも、ＳＨＧ光に対す
る透過率を高めるためのＭｇＦ２単層からなるコーティ
ング膜７が形成されている。

【００２２】そこで、この光学素子８が組み込まれた波
長変換素子においては、有機コアファイバー２から出射
されてきた混合光を構成する基本光とＳＨＧ光とが吸収
の相違に基づいて分離されることになる結果、光学素子
８からはＳＨＧ光のみが出射されてくることになる。な
お、発明者の実験によれば、基本光のＳＨＧ光に対する
透過比率が１／１０００程度以下となることが確認され
ている。

【００２３】第３実施例 図５は本発明の第３実施例にかかる波長変換装置の全体
構成を示す構造図、図６はその光学素子のみを拡大して
示す構造図である。なお、この第３実施例にかかる波長
変換装置の全体構成は、光学素子に関わる点を除いて第
１及び第２実施例のそれぞれと基本的に異ならないの
で、図５及び図６において図１ないし図４と互いに同一
もしくは相当する部品、部分には同一符号を付し、ここ
での詳しい説明は省略する。

【００２４】本実施例にかかる波長変換装置は、半導体
レーザである光源素子１と、この光源素子１の光軸Ｌに
沿う向きとして配置された有機コアファイバー２及び光
学素子９とを備えており、光源素子１と有機コアファイ
バー２の入射光結合面２ａとの間にはコリメータレンズ
４及び集光レンズ５が配置されている。そして、ここで
の光学素子９は、ＢＫ７といわれるガラスを用いたう
え、ＳＨＧ光の出射角に対応した底角、例えば、１３．
４°の底角を有する円錐プリズム形状として作製された
ものであり、有機コアファイバー２の出射端側に配置さ
れている。

【００２５】さらに、光学素子９の出射側面上には１１
０ｎｍ厚みのＺｎＳ膜と１１０ｎｍ厚みのＭｇＦ２膜と
を交互に９層成膜してなるコーティング膜１０が形成さ
れる一方、その入射側面上には第１実施例同様のＭｇＦ
２単層からなるコーティング膜７が形成されている。す
なわち、ここでのコーティング膜１０は、有機コアファ
イバー２から出射されたうえで光学素子９に入射してき
た混合光中の基本光とＳＨＧ光とを互いに分離する選択
透過膜としての機能を果たすものとなっている。なお、
選択透過膜となるコーティング膜１０を光学素子９の入
射側面上に形成することも可能であるが、この入射側面
が曲面形状を有していることから、設計が難しくコスト
アップとなるため、本実施例においては、平面形状を有
する光学素子９の出射側面上にのみコーティング膜１０
を形成することとしている。

【００２６】すなわち、本実施例においては、波長変換
素子に対して光学素子９が組み込まれているため、有機
コアファイバー２から出射されてきた混合光が反射の相
違に基づいて基本光とＳＨＧ光とに分離されることにな
り、光学素子９からはＳＨＧ光のみが出射されてくる。
そして、発明者の実験によれば、基本光のＳＨＧ光に対
する透過比率が１／１０００程度以下となることが確認
されている。

【００２７】第４実施例 図７は本発明の第４実施例にかかる波長変換装置の全体
構成を示しており、この波長変換素子は各部品の配置状
態を除いて第１ないし第３実施例と基本的に共通してい
る。そこで、この図７において図１ないし図６と互いに
同一もしくは相当する部品、部分には同一符号を付し、
ここでの詳しい説明は省略する。

【００２８】本実施例にかかる波長変換装置は、１次光
である基本光を出射する光源素子１と、１次光が入射す
る非線形光学素子としての有機コアファイバー２と、こ
の有機コアファイバー２から出射された２次光が入射す
る光学素子３とを備えるとともに、光源素子１から出射
された基本光をコリメートするためのコリメートレンズ
４と、コリメートされた基本光を集光したうえで有機コ
アファイバー２の入射光結合面２ａに対して入射させる
集光レンズ５とを具備している。そして、この際におけ
る光源素子１としては波長８８０ｎｍ、出力１００ｍＷ
のシングルモードの半導体レーザが用いられる一方、コ
リメータレンズ４はＮＡ＝０．５、集光レンズ５はＮＡ
＝０．６１５の仕様を有しており、これらのコリメート
レンズ４及び集光レンズ５は光源素子１から出射された
基本光の入射方向であるところの光源素子１の光軸Ｌに
沿う向きに従って配置されている。

【００２９】また、ここでの有機コアファイバー２は、
第１実施例と同じく、日本電気硝子（株）のＬＧ１６高
屈折率ガラス（１．６８６／波長：８８０ｎｍ）からな
るキャピラリーガラス内にコア材料であるＤＭＮＰ
（３、５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラ
ゾール）を充填したうえでゾーンメルト法によって単結
晶化して作製されたものであり、コア直径は１．３μ
ｍ、クラッド直径は１ｍｍ、長さは１０ｍｍとされてい
る。そして、この有機コアファイバー２はファイバー軸
心Ｐ方向と直交する平面形状を有する入射光結合面２ａ
の基本光に対する角度がブリュースタ角と合致する状態
となるようにして配置されるものであり、光学素子３も
ファイバー軸心Ｐに沿った有機コアファイバー２の出射
端側に配置されている。なお、この際、有機コアファイ
バー２の出射端面もファイバー軸心Ｐ方向と直交する平
面形状を有しており、これら出射端面及び入射光結合面
２ａの平滑度はλ／１０程度とされている。

【００３０】ところで、ブリュースタ角（Ｂｒ）は、空
気の屈折率をｎ１、有機コアファイバーのコアにおける
屈折率をｎ２とした場合、ｔａｎ（Ｂｒ）＝ｎ２／ｎ１
という関係式で表されるから、本実施例に対して適用す
ると、ｎ１＝１，ｎ２＝１．６９９８である結果、Ｂｒ
＝５９．５°という値が得られる。したがって、本実施
例における有機コアファイバー２は、その入射光結合面
２ａの基本光に対する角度が５９．５°のブリュースタ
角を有することになる向きを選定したうえで配置される
ことになる。

【００３１】そして、以上のような構成を採用したこと
により、本実施例の波長変換装置においては、有機コア
ファイバー２に対する１次光の結合時における入射損失
が測定限界であるところの１％以下となることが発明者
の行った実験によって確認されている。また、この波長
変換装置によれば、光学素子３から出射されてくるＳＨ
Ｇ光の出力が従来例における垂直入射の場合と比べて８
％程度向上することも明らかとなっている。

【００３２】第５実施例 図８は、本発明の第５実施例にかかる波長変換装置の全
体構成を示す構造図である。なお、本実施例にかかる波
長変換装置は、有機コアファイバーそのものの形状に関
する点を除き、第１ないし第４実施例と基本的に異なら
ないから、図８において図１ないし図７と互いに同一も
しくは相当する部品、部分には同一符号を付し、ここで
の詳しい説明は省略する。

【００３３】本実施例にかかる波長変換装置は、光源素
子１と、この光源素子１の光軸Ｌに沿って配置された有
機コアファイバー２、光学素子３、コリメータレンズ４
及び集光レンズ５とを備えたものであり、この際におけ
る有機コアファイバー２は、その入射光結合面２ａの基
本光に対する角度がブリュースタ角と合致したものにな
っている。すなわち、この有機コアファイバー２の入射
光結合面２ａは、光学素子１から入射されてくる基本光
に対する角度がブリュースタ角、例えば、５９．５°と
いうような所定のブリュースタ角と合致する向きに沿っ
て傾斜した平面形状を有している。

【００３４】そして、本実施例にかかる波長変換装置に
おいては、有機コアファイバー２の入射光結合面２ａが
所定のブリュースタ角を有するように加工しておく必要
があることになり、その加工に際しては、コア内での結
晶の向きを確認すべく予め偏光させられた基本光を入射
させたうえで最もＳＨＧ光の出力が高くなる角度を確認
した後、回転機構及び研磨角度調整機構を備えた研磨加
工装置を使用して有機コアファイバー２を加工すること
が行われる。なお、この際、有機コアファイバー２の出
射端面はファイバー軸心Ｐ方向と直交する平面形状を有
するものとなっており、これら出射端面及び入射光結合
面２ａはともにλ／１０程度の平滑度を有している。

【００３５】その結果、本実施例にかかる構成を採用し
た場合においても、有機コアファイバー２の入射光結合
面２ａでの入射損失は１％以下程度となり、また、光学
素子３から出射されるＳＨＧ光の出力も従来例における
垂直入射の場合と比べて８％程度向上している。

【００３６】ところで、以上説明した第４及び第５実施
例においては、第１実施例で説明した光学素子３を用い
ることとしているが、これに限定されることはなく、第
２もしくは第３実施例に関わる光学素子８，９を用いた
うえで波長変換装置を構成してもよいことは勿論であ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる第
１の波長変換装置によれば、有機コアファイバーの出射
端側に配置された光学素子が基本光とＳＨＧ光とを分離
したうえ、ＳＨＧ光をビーム整形して透過させるととも
に、基本光を透過させない機能を有するものとしたの
で、有機コアファイバーから出射される混合光中から基
本光のみが取り除かれたうえでのＳＨＧ光を極めて容易
に得ることができる。その結果、単色性に優れており、
しかも、小型化及び低価格化を実現可能な波長変換装置
を容易に構成し得るという効果が得られる。

【００３８】さらに、第２の波長変換装置によれば、有
機コアファイバーの入射光結合面の基本光に対する角度
をブリュースタ角と合致させているので、光源素子から
入射してくる１次光の有機コアファイバーに対する結合
状態を改善して入射損失の低減を図ることが可能にな
る。したがって、従来例のような誘電体多層膜からなる
減反射コーティング膜を形成する必要はなくなり、ま
た、この膜形成に際して真空装置を使用する必要もなく
なる結果、コストの低減化を実現するとともに、有機コ
アファイバーの劣化を防止し得ることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例にかかる波長変換装置の全体構成を
示す構造図である。

【図２】その光学素子を拡大して示す構造図である。

【図３】第２実施例にかかる波長変換装置の全体構成を
示す構造図である。

【図４】その光学素子を拡大して示す構造図である。

【図５】第３実施例にかかる波長変換装置の全体構成を
示す構造図である。

【図６】その光学素子を拡大して示す構造図である。

【図７】第４実施例にかかる波長変換装置の全体構成を
示す構造図である。

【図８】第５実施例にかかる波長変換装置の全体構成を
示す構造図である。

【符号の説明】

１ 光源素子 ２ 有機コアファイバー ３ 光学素子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源素子からの基本光が入射する有機コア
   ファイバーと、この有機コアファイバーを通過した基本
   光及びＳＨＧ光の混合光が入射する光学素子とを備えた
   波長変換装置であって、 光学素子は、基本光とＳＨＧ光とを分離したうえ、ＳＨ
   Ｇ光をビーム整形して透過させるとともに、基本光を透
   過させない機能を有するものであることを特徴とする波
   長変換装置。
2. 【請求項２】光学素子は、基本光とＳＨＧ光とを偏光方
   向の相違に基づいて分離するものであることを特徴とす
   る請求項１記載の波長変換装置。
3. 【請求項３】光学素子は、基本光とＳＨＧ光とを吸収の
   相違に基づいて分離するものであることを特徴とする請
   求項１記載の波長変換装置。
4. 【請求項４】光学素子は、基本光とＳＨＧ光とを反射の
   相違に基づいて分離するものであることを特徴とする請
   求項１記載の波長変換装置。
5. 【請求項５】有機コアファイバーは、その入射光結合面
   の基本光に対する角度がブリュースタ角と合致したもの
   であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
6. 【請求項６】有機コアファイバーの入射光結合面はファ
   イバー軸心方向と直交する平面形状を有しており、この
   有機コアファイバーは入射光結合面の基本光に対する角
   度がブリュースタ角と合致する向きに沿って配置された
   ものであることを特徴とする請求項５記載の波長変換装
   置。
7. 【請求項７】有機コアファイバーの入射光結合面は基本
   光に対する角度がブリュースタ角と合致する向きに沿っ
   て傾斜した平面形状を有しており、この有機コアファイ
   バーはファイバー軸心方向が基本光の入射方向に沿う向
   きとして配置されたものであることを特徴とする請求項
   ５記載の波長変換装置。