JPH1096966A - 光波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents
光波長変換素子およびその製造方法Info
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Abstract
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、ドメイン反転部の周期や線
幅を正確に所望値に制御して、それにより、十分に高い
波長変換効率を得る。 【解決手段】 上記強誘電体の基板1として、Zn、S
cおよびInのうちの少なくとも1つが添加されたLi
Nbx Ta1-x O3 (0≦x≦1)からなる基板を用い
る。
Description
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。
を有する光波長変換素子を製造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 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。
する強誘電体として従来より、例えば特開平6−242
478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。
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。
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。
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。
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。
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。
を製造する方法を提供することを目的とするものであ
る。
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、Zn、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 O3 (0≦x≦
1)が用いられたことを特徴とするものである。
法は、上述のようにZn、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 O3 (0≦
x≦1)を用い、単分極化されたこのLiNbx Ta
1-x O3 に、所定のパターンを有する周期電極を介して
電場を印加することにより、周期的に繰り返すドメイン
反転部を形成することを特徴とするものである。
なくとも1つが添加されたLiNbxTa1-x O3 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 T
a1-x O3 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。
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。
強誘電体である、ZnがドープされたLiNbO3 (L
N: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。
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13
13nm近辺で1次の周期となるように12.9μmとした。
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/c
mの電圧を4.5 秒間印加した。
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。
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。
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Y
LF結晶24との間に、上記光波長変換素子20が配設され
る。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 O3 (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。
する様子を示す概略図
示す概略図
図
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
圧を比較して示すグラフ
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
Claims (2)
- 【請求項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、
Zn、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 O3 (0≦x≦1)が用いられ
たことを特徴とする光波長変換素子。 - 【請求項2】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体に、所定のパターンを有する周期電極を介して
電場を印加することにより、周期的に繰り返すドメイン
反転部を形成するようにした光波長変換素子の製造方法
において、前記強誘電体として、Zn、ScおよびIn
のうちの少なくとも1つが添加されたLiNbx Ta
1-x O3 (0≦x≦1)を用いることを特徴とする光波
長変換素子の製造方法。
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1997
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