CN1759346A - 波长变换元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是在使用了非线形光学晶体的波长变换元件中，防止由波长变换元件产生的变换光输出功率的不稳定。本发明提供一种将基本光(A)变换为其他波长的光(B)的波长变换元件(1A、1B)。元件(1A、1B)具备：由非线形光学晶体的板状体构成的、具备一方的主面(2a)及另一方的主面(2b)的波长变换层(2)；以及接合在波长变换层(2)的一方的主面(2a)上的支撑体(3、3A)。可以将另一个支撑体(3b)接合在波长变换层(2)的另一方的主面(2B)上。
Description
技术领域
本发明涉及能适用于蓝色光源器件的波长变换元件。
背景技术
在日本特开平8-339002号公报中，提出了不需要虚拟相位匹配处理或高精度的域控制的、光损伤少的二次谐波发生元件。在该文献中，利用微减量法(マイクロ引き下げ法)，制作由铌酸钾锂或钽置换铌酸钾锂构成的单晶衬底，在此之上制作由与衬底同种材质构成的光波导。
另外，铌酸钾锂在从蓝色到绿色的波长区域中具有0.3cm-1以下的吸收系数已为公知。(日本特开平8-333199号公报，《Proceeding of InternationalSymposium on Laser and Nonlinear Optical Materials》，1997，T8.4，M.Adachi etal)。
另外，在日本特开2002-250949号公报中公开了：在支撑衬底上粘接由非线形光学晶体构成的被加工衬底，随后通过对被加工衬底进行机械加工形成光波导。在该文献中，使用由铌酸锂构成的单晶衬底制作光波导。
但是，要想从使用了铌酸钾锂晶体的二次谐波发生元件产生蓝色光时，若基波光源的输出功率提高到1W以上，会出现蓝色光的输出不稳定的情况。即，若观察蓝色光，会发现光强度反复出现时强时弱的不定期循环。
另外，即使在使用了上述铌酸锂单晶的二次谐波发生元件中，同样地，若将基波光源的输出功率提高到500mW以上，也会发现光强度反复出现时强时弱的不定期循环。
发明内容
本发明的课题是在使用了非线形光学晶体的波长变换元件中，防止由波长变换元件产生的变换光输出(被变换了波长的光的输出)出现不稳定的情况。
本发明的波长变换元件，其特征在于，具有：由非线形光学晶体的板状体构成、具备一方的主面及另一方的主面的波长变换层；及与该波长变换层的上述一方的主面接合的支撑体。
本发明人对上述变换光输出变动的原因进行研究后，得到以下的见解。以下，以从使用了铌酸钾锂晶体的二次谐波发生元件产生蓝色光的情况为中心进行说明。
铌酸钾锂晶体存在对蓝色光一点点地吸收的现象。其结果，由铌酸钾锂晶体起振产生的蓝色光的一部分被吸收到该元件内，在元件中产生热量。在铌酸钾锂晶体中的相位匹配条件(相位匹配波长)随元件温度而变动。因此，若利用元件中产生的热提高元件的温度，相位匹配波长便发生变化，蓝色光的起振效率下降，输出功率降低。若蓝色光的输出功率下降，在元件内不产生热量，元件温度则降低。于是，元件的相位匹配波长返回到初始条件，蓝色光的起振效率提高，从元件产生的蓝色光的输出功率上升。可以认为，由于反复这样的循环，从元件产生蓝色光的的输出功率变动，而呈现不稳定。
这样的输出功率的变动由于在基波的输出功率低时未被发现，因而过去认为不成为问题。
本发明人基于这些见解，在由非线形光学晶体板构成的波长变换层的主面上接合了支撑体。其结果，发现能够增加光的波导方向的热均匀性和稳定性，从而使变换光的输出功率达到稳定，实现了本发明的目的。
另外，通过将非线形光学晶体板接合在支撑体上，由于增加了作为波长变换元件的强度，因而还能得到波长变换元件的处理变得容易的效果。
附图说明
图1(a)是表示本发明的一个实施例的波长变换元件1A的立体图，将支撑体3接合在由板状体构成的波长变换层2上。
图1(b)是表示本发明的另一实施例的波长变换元件1B的立体图，将支撑体3A、3B接合在由板状体构成的波长变换层2上。
具体实施方式
非线形光学晶体并不特别限定于只具有变换光波长的能力。但是，以铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸钾锂、钽酸钾锂、铌酸钾锂-钽酸钾锂固溶体、铌酸钾、钛磷酸钾、硼酸钡、硼酸锂为佳。在非线形光学晶体中，为了进一步提高例如耐光损伤性，能够使其含有从由镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)以及铟(In)构成的组中选出一种或多种的金属元素。非晶体光学晶体中，作为添加剂成分，可使其含有稀土元素。该稀土元素作为例如激光起振用的添加元素使用。作为该稀土元素特别以Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr为佳。另外，在保持晶体结构的范围内，还可以将非线形光学晶体中的一种以上元素置换为其他元素。
非线形光学晶体的板状体形状并不特别限定于只有作为光的波导层的功能。具体地说，既可以是平板，也可以是弯曲板。另外，在非线形光学晶体中，既可以通过离子交换、离子扩散、机械加工等形成三维光波导，也可以不形成。
板状体具有一方的主面及另一方的主面。所谓主面是指板状体中面积相对较大的面。
在一个实施例中，波长变换层一方的主面上接合支撑体，另一个主面上不接合支撑体。图1(a)的波长变换元件1A属于本实施例。该波长变换元件1A具备由平板状的板状体构成的波长变换层2及接合在波长变换层上的支撑体3。构成波长变换层的板状体2具有一方的端面2c、另一方的端面2d、一方的主面2a及另一方的主面2b。在一方的主面2a上接合有支撑体3。当对一方的端面2c沿箭头A的方向入射光时，从另一方的端面2d射出变换光。3a为接合面，3b为背面。
这里，通过对波长变换层2接合了支撑体3，从而能抑制波长变换层2的温度变动，并提高光波导方向的热均匀性和稳定性。其结果，可以看到，变换光输出功率的变动得到抑制。作为其结果，现有的元件相比，在不引起变换光输出功率变动的条件下能够提高入射光输出功率的上限值。
在最佳实施例中，另一个支撑体接合在板状体的另一方的主面上。图1(b)表示该实施例的元件1B。在本元件1B中，在板状体2的一方的主面2a上接合支撑体3A，在板状体2的另一方的主面2b上接合另一个支撑体3B。
这样，通过将波长变换层夹在一对支撑体之间，能够减少波长变换层的上下方向(厚度方向)的热分布。其结果，能够在不引起变换光输出功率变动的条件下进一步提高入射光输出功率的上限值。
虽然对支撑体3A、3B的材质没有特别的限定，但可列举以下的例子。铌酸锂、钽酸锂、氧化镁、氧化铝、钛酸、玻璃等。
构成各支撑体3A、3B的材质的导热率，从本发明的观点认为以0.1W/m·K以上为佳，优选1W/m·K以上。
上述非线形光学晶体的热膨胀率C与构成各支撑体的材质的热膨胀率S相互接近为宜。由此，在室温以外的高温或低温环境下使用元件时，高次谐波的起振特性稳定，可靠性优越。从这些观点看，各支撑体材质的热膨胀率S对非线形光学晶体的热膨胀率C之比(S/C)以0.6～1.4为佳，优选0.85～1.15。
各支撑体的材质从避免光的吸收的观点看，虽然对于使用波长频带以透明为佳，但也可不透明。
各支撑体的厚度及大小，可根据支撑体的材质及使用光源的输出功率适当决定。另外，在设置支撑体3A和3B两者的情况下，支撑体3A的材质与支撑体3B的材质既可相同也可不同。
由非线形光学晶体构成的板状体2和支撑体3A、3B的接合方法没有特别限定。在使用粘合剂接合二者的情况下，作为粘合剂可列举以下的例子。
(1)有机粘合剂：例如环氧树脂、丙烯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、硅酮树脂；
(2)无机粘合剂：例如低融点玻璃、水玻璃；
另外，作为板状体2和支撑体3A、3B的接合方法，可以列举扩散结合、压接、光学接触。
本发明的波长变换元件，不限于二次谐波发生元件，也可以是三次、四次谐波发生元件及和频发生元件或差频发生元件。另外，本发明的元件特别适用于产生波长为390nm-540nm区域的光。起振这样的短波长的光的元件可以广应用于光盘存储器用、医学用、光化学用、各种光测量用等等的广泛领域。
波长变换元件还能够设有用于固定入射到光波导层的光的波长的反射光栅部，及控制光波导层温度的温度控制机构。
实施例
实施例1
预备了长15mm、宽15mm、厚0.5mm的Z切割铌酸钾锂衬底2。该衬底利用微减量法得到。另外，预备了由长20mm、宽20mm、厚1mm的碳酸钠玻璃衬底构成的支撑体3。对衬底2和支撑体3的各接合面进行化学机械研磨，使平面度在0.5μm以下。使用热固型粘合剂，在150℃下粘合二者，得到了粘合体样品A。使衬底2和支撑体3之间的粘合层厚度约为0.5μm。利用金刚石刀具(ダイサ-)切断粘合体样品A，得到长3.5mm的芯片，对芯片的两个端面进行光学研磨。通过再用金刚石刀具切断该芯片，得到了宽2mm、厚1.5mm、长3mm的元件1A。
使用该元件1A产生了二次谐波。作为基波光源使用了波长914nm的锁模·钛蓝色宝石激光器。使用NA＝0.5、工作间距＝8.5mm的透镜聚光于元件1A。在30℃下进行相位匹配。即使基波光源的平均输出功率提高到3W，也没有发现高次谐波输出功率的变动，可以稳定地起振蓝色光(波长457nm)。
实施例2
在实施例1的粘合体样品A中，研磨板状体2的非接合面2b，得到了厚1.3mm的粘合体样品B。使用紫外线硬化型粘合剂将长20mm、宽20mm、厚1.2mm的碳酸钠玻璃衬底3B粘合在该粘合体样品B的未接合的主面2b一侧，得到了厚2.5mm的元件1B。该紫外线硬化型粘合剂的粘合层的厚度为约5μm。使用该元件1B与实施例1同样地进行波长变换实验。其结果，即使基波光源的平均输出功率提高到10W，也可以稳定地输出蓝色光(波长457nm)，未发现输出功率的变动。
实施例3
与实施例1同样地制造了各元件。但是，调整了构成板状体2的铌酸钾锂晶体的折射率，使得各元件在-40℃、0℃、60℃、100℃、150℃、200℃的各温度下，在波长914nm下相位匹配。其次，将各元件保持在对应的各相位匹配温度，与实施例1同样地进行了波长变换实验。其结果，在各元件中，即使基波光源的平均输出功率提高到3W，也可以稳定地起振蓝色光(波长457nm)，没有观测到输出功率的变动。
实施例4
在内部共振器中设置在实施例2中制造的元件1B，使其产生了蓝色光。即使基波光源的平均输出功率提高到10W，也可以稳定地起振蓝色光(波长457nm)，没有观测到输出功率的变动。
实施例5
与实施例1同样地制造了元件1A。但是，支撑体3的材质为铌酸锂单晶体的Z切割衬底。对该元件1A，与实施例1同样地进行了波长变换实验。其结果，即使基波光源的输出功率提高到3W，也可以稳定地起振蓝色光(波长457nm)，没有观测到输出功率的变动。
实施例6
作为支撑体3的材质(100)使用了切割的氧化镁衬底。除此之外，与实施例1同样地制造了元件1A。对该元件1A，与实施例1同样地进行了波长变换实验。其结果，即使基波光源的输出功率提高到3W，也可以稳定地起振蓝色光(波长457nm)，没有观测到的输出功率变动。
实施例7
预备了直径3英寸，厚0.5mm的X切割的添加了5mol％的MgO的铌酸锂衬底2。在衬底2形成了周期极化反转构造。另外，预备了由直径3英寸，厚1mm的X切割的铌酸锂构成的支撑体3A。使用热固型粘合剂在150℃下粘合了衬底2和支撑体3A。衬底2和支撑体3A之间的粘合层厚度约为0.5μm。研磨板状体2的非接合面2b，得到了衬底2的厚度为3μm的粘合体样品B。使用热固型粘合剂在150℃下将尺寸为3英寸，厚0.5mm的X切割铌酸锂衬底3B粘合在该粘合体样品B的没有被接合的主面2b一侧上，得到了元件1B。衬底2和支撑体3B之间的粘合层厚度约为0.5μm。利用金刚石刀具切断粘合体样品B，得到宽2mm、长10mm的芯片，光学研磨芯片的两端面，得到了元件1B。使用该元件1B，与实施例1同样地进行了波长变换实验。其结果，即使基波光源的输出功率提高到1W，也可以稳定地输出蓝色光(波长457nm)，没有见到输出功率的变动。
比较例1
预备了长15mm、宽15mm、厚0.5mm的Z切割铌酸钾锂衬底2。利用微减量法取得了该衬底。利用金刚石刀具切断衬底2，得到长3.5mm的芯片，光学研磨了芯片的两个端面。通过再用金刚石刀具切断该芯片，得到了宽2mm、厚1.5mm、长3mm的元件。该元件未接合支撑体3。
使用该元件，与实施例1同样地使二次谐波产生。若基波光源的输出功率达到到1W以上，通过目测可以观测到蓝色光(波长457nm)的输出功率不定期地变动。
如上所述，根据本发明，在使用了非线形光学晶体的波长变换元件中，能够防止由波长变换元件产生的变换光输出功率的不稳定。
Claims (5)
1.一种波长变换元件，其特征在于，具有：由非线形光学晶体的板状体构成、具备一方的主面及另一方的主面的波长变换层；及与该波长变换层的上述一方的主面接合的支撑体。
2.根据权利要求1所述的波长变换元件，其特征在于，具备与上述另一方的主面接合的另一支撑体。
3.根据权利要求1或2所述的波长变换元件，其特征在于，构成上述支撑体的材质的导热率为0.1W/m·K以上。
4.根据权利要求1～3中任何一项所述的波长变换元件，其特征在于，上述非线形光学晶体为具有含钾及锂的钨青铜构造的晶体。
5.根据权利要求1～3中任何一项所述的波长变换元件，其特征在于，上述非线形光学晶体是从由铌酸锂、钽酸锂和铌酸锂-钽酸锂固溶体构成的组中选出的。
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