JPH0728110A - 強誘電体のドメイン反転構造形成方法および光波長変換素子 - Google Patents
強誘電体のドメイン反転構造形成方法および光波長変換素子Info
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Abstract
電体に、理想的な直線状で、均一な形状のドメイン反転
構造を再現性良く形成する。 【構成】 単分極化された非線形光学効果を有するLi
NbO3 基板1等の強誘電体の一表面(+z面)1aに
アース電極2を設け、それと反対の表面(−z面)1b
側から該強誘電体に電子線3を照射してドメイン反転部
9を形成する際に、上記一表面1aにアース電極2を形
成する前に、該表面1aをフッ硝酸液5等によりエッチ
ングする。
Description
に変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメイン
反転構造を有する光波長変換素子に関するものである。
子を作成するために、非線形光学効果を有する強誘電体
に所定パターンのドメイン反転構造を形成する方法に関
するものである。
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 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。
する方法の1つとして従来より、室温下で電子線ビーム
を直接LiTaO3 やLiNbO3 の−z面に照射する
方法(H.Ito,C.Takyu,and H.Inaba,Elect
ronics Letters, vol.27, No.14,1221(1991)参
照)が知られている。なおこの場合は、電子線照射側と
反対側の強誘電体表面(上記例では+z面)にアース電
極を形成した状態で電子線照射がなされる。
LiNbO3 の基板厚さ(例えば0.5mm程度)に亘
って、つまり−z面から+z面まで貫通する周期ドメイ
ン反転部が形成されるため、バルク型の光波長変換素子
としての応用が可能である。この方法により3次の周期
ドメイン反転構造を形成した光波長変換素子では、T
i:Al2 O3 レーザーを波長掃引して、バルクでの位
相整合が確認されている。
細書に示されるように、電子線ビームを強誘電体に照射
する代わりに、それと同様に高エネルギー線の一つであ
るイオンビームを強誘電体に照射して周期ドメイン反転
構造を形成することも可能である。
ンビーム等の高エネルギー線照射による従来のドメイン
反転構造形成方法においては、ドメイン反転構造の形状
の均一性、再現性が悪いことが認められている。またこ
の従来方法においては、ドメイン反転部分が理想的な直
線状になり難く、太さが不均一な直線状や、あるいはド
ット状になってしまうことが極めて多いという問題も認
められている。
たものであり、理想的な直線状の所定周期のドメイン反
転構造を、再現性良く形成することができる強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法を提供することを目的とする
ものである。
イン反転構造を有す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。
ドメイン反転構造形成方法は、前述したように単分極化
された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面にアー
ス電極を設け、それと反対の表面側から該強誘電体に電
子線、イオンビーム等の高エネルギー線を照射してドメ
イン反転構造を形成する強誘電体のドメイン反転構造形
成方法において、上記強誘電体の一表面にアース電極を
形成する前に、該表面をエッチングすることを特徴とす
るものである。
電体に、上述の方法で周期ドメイン反転構造が形成され
てなるものである。
処理を施しておくと、ドメイン反転部分が理想的な直線
状になり、そしてドメイン反転構造の面内均一性(ドメ
イン反転部に貫かれる面内での形状均一性)が大幅に向
上し、またドメイン反転構造の形状再現性もほぼ100
%まで改善される。これは、エッチング処理された強誘
電体表面とアース電極との密着性が向上することによる
ものと考えられる。
めて正確に制御されたドメイン反転構造が強誘電体に形
成されれば、この強誘電体の非線形光学定数が向上する
ので、それを光波長変換素子として用いた場合の波長変
換効率が著しく高められるようになる。
となることにより、強誘電体に光損傷が生じる光強度の
しきい値が高くなり、光波長変換素子の耐光損傷特性も
改善される。
詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例によりドメ
イン反転構造を形成する工程を示している。この図1
中、1は非線形光学効果を有する強誘電体であるLiN
bO3 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0.5 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(c面)で
光学研磨されたz板が使用されている。
うに、室温下で、フッ酸(HF)と硝酸(HNO3 )の
1:2の混合液であるフッ硝酸液5に3分間浸漬され
る。この処理により基板1の全表面が軽くエッチングさ
れる。
させた後、同図(b)に示すように、この基板1の+z
面1a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。
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1b側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20kV、照射電流は0.3 n
A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(c)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、L
iNbO3 の屈折率の波長分散を考慮して、基板1のx
軸方向に沿って946 nm近辺で1次の周期となるように
4.6 μmとした。
チングにより除去し、この+z面1aにおけるドメイン
反転部9の形状を顕微鏡で観察した。その顕微鏡像を撮
影した写真を図2に示す。ここに示されている通り、ド
メイン反転部9(写真中の黒い直線部)は均一な周期Λ
=4.6 μmを保った理想的な直線状となっており、その
z面内の形状均一性が著しく良好であることが確認され
た。
を形成する処理を100 サンプル以上の基板1に対して行
なったが、どのサンプルにおいても+z面1aにおける
ドメイン反転部9の形状は上述と同様であり、ドメイン
反転構造の形状再現性がほぼ100%であることが確認
された。
酸液5によるエッチング処理を行なわず、その他はすべ
て上記実施例と同様にしてLiNbO3 基板1にドメイ
ン反転部9を形成した。この場合の+z面1aにおける
ドメイン反転部9の形状を撮影した顕微鏡写真を図3に
示す。ここに示されている通り、所定の周期を保ってき
れいな直線状になっているドメイン反転部9(写真中の
黒い直線部)は僅かであり、大半のドメイン反転部9は
太さが不均一な直線状や、あるいはドット状になってい
る。
が形成された基板1からなる光波長変換素子について説
明する。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4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。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、同図に示すレーザーダイオード励起YAGレー
ザーの共振器内に配置した。
ーは、波長809 nmのポンピング光としてのレーザービ
ーム13を発するレーザーダイオード14と、発散光状態の
レーザービーム13を収束させる集光レンズ15と、Nd
(ネオジウム)がドーピングされたレーザー媒質であっ
て上記レーザービーム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。
ーム13により励起されて、波長946nmのレーザービー
ム18を発する。この固体レーザービーム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ービーム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のみが上記ミラー面17aを通過する。
出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波19が
得られた。そしてこの第2高調波19は、散乱光や迷光の
無いきれいなプロファイルを有するものである。それに
対して、前述のフッ硝酸液5によるエッチング処理を行
なわないで、それ以外は光波長変換素子20と同様にして
作成した結晶長1mmの光波長変換素子を上記レーザー
ダイオード励起YAGレーザーの共振器内に配置した場
合、上記と同じくレーザーダイオード14の出力が200 m
Wのとき、第2高調波出力は1mWであった。以上の点
からも、本発明方法により形成されたドメイン反転部9
は均一な周期Λを保って理想的な直線状となっているこ
とが分かる。
エッチング処理された強誘電体表面とアース電極との密
着性が向上することによって得られると考えられる。以
下、この点を確認した結果を説明する。+z面1aのみ
を上記実施例と同様にして軽くエッチングしたLiNb
O3 基板1と、−z面1bのみを同様にして軽くエッチ
ングしたLiNbO3 基板1とを用意し、それらの各基
板1の+z面1aにアース電極としてCr薄膜2を形成
し、次いで上記実施例と同様にして電子線照射によりド
メイン反転部9を形成した。
ン反転部9の形状を撮影した顕微鏡写真を図6に、一方
後者の基板1の+z面1aにおけるドメイン反転部9の
形状を撮影した顕微鏡写真を図7に示す。図6に示され
ている通り、前者の基板1のドメイン反転部9(写真中
の黒い直線部)は均一な周期を保った理想的な直線状と
なっており、そのz面内の形状均一性が著しく良好であ
る。それに対して、図7に示されている通り、比較例と
しての後者の基板1においては、所定の周期を保ってき
れいな直線状になっているドメイン反転部9(写真中の
黒い直線部)は僅かであり、大半のドメイン反転部9は
太さが不均一な直線状や、あるいはドット状になってい
る。
よってLiNbO3 基板1をエッチングするようにして
いるが、エッチング処理はそれに限らず、例えばNaO
Hの10%水溶液による室温下でのエッチング処理等も
適用可能である。
ッチング液を用いないドライエッチングを適用すること
もできる。図5は、このドライエッチング処理の一例を
概略的に示すものである。図示されるようにLiNbO
3 基板1は真空容器6内に納められ、後に前記Cr薄膜
2等のアース電極が形成されることになる+z面1a
に、高周波プラズマ化装置(図示せず)によりプラズマ
化されたフッ化カーボン(CF4 )ガス7が吹き付けら
れる。それにより、この基板1の+z面1aが軽くエッ
チングされる。このエッチング処理がなされたならば、
それ以後は前記の実施例と同様にしてドメイン反転構造
を形成すればよい。なお上記高周波プラズマ化装置の高
周波パワーは例えば70W、真空容器6内の真空度は例え
ば5×10-2Torr 程度に設定すればよい。
電体に電子線を照射する場合に限らず、高エネルギー線
としてその他イオンビーム等を強誘電体に照射してドメ
イン反転構造を形成する場合にも同様に適用可能であ
る。
LiNbO3 に限らず、その他の非線形光学効果を有す
る強誘電体、例えばLiTabO3 やMgO−LiNb
O3等にドメイン反転構造を形成する場合にも同様に適
用可能である。
成方法を説明する説明図
れたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
たドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
波長変換素子を備えた固体レーザーの側面図
示す概略図
成されたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
板に形成されたドメイン反転部のパターンの顕微鏡写真
Claims (3)
- 【請求項1】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の一表面にアース電極を設け、 それと反対の表面側から該強誘電体に高エネルギー線を
照射してドメイン反転構造を形成する強誘電体のドメイ
ン反転構造形成方法において、 前記強誘電体の一表面にアース電極を形成する前に、該
表面をエッチングすることを特徴とする強誘電体のドメ
イン反転構造形成方法。 - 【請求項2】 前記高エネルギー線が電子線であること
を特徴とする請求項1記載の強誘電体のドメイン反転構
造形成方法。 - 【請求項3】 非線形光学効果を有する強誘電体に、請
求項1または2記載の方法により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。
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