JP2006030542A - 光強度変調素子、強度変調光発生器、レーザ露光装置および写真処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でありながら光強度の変調が可能であり、かつ第２高調波への変換効率が高い光強度変調素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 非線形光学結晶からなる基板の主面に一方向への光導波路が形成されており、その光導波路において基板の厚み方向への分極構造が光導波路方向に周期的にかつ交互に逆極性に形成されている。そして、その光導波路には、入射された赤外光の一部を第２高調波に変換する第１、第２の波長変換部がそれぞれ形成され、さらに第１、第２の波長変換部の間に光導波路を挟んで対向配置された一対の電極を有する第１の位相調整部が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体レーザから射出される光の強度を変調する光強度変調素子、該光強度変調素子と半導体レーザとを備える変換波長光発生器、該変換波長光発生器を備えるレーザ露光装置、および該レーザ露光装置を露光装置とする写真処理装置に関する。

近年、デジタルカメラで撮像した画像データやスキャナで読み込んだ画像データ等を、写真感光材（印画紙）に焼付露光する写真処理装置が実用化されている。そして、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）色の可視光のレーザ光源を備えるレーザ露光装置が、このような写真処理装置の露光装置として知られている。

レーザ露光装置において、赤色を出力するレーザ光源としては、半導体レーザが用いられる。また、緑色と青色の可視光を得るためのレーザ光源としては、赤外光を射出する半導体レーザと、半導体レーザからの射出光の波長変換を行い、第２高調波（ＳＨ：Second Harmonic ）として出力するＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子とを備えるレーザ発生装置が用いられている。近年では、ＳＨＧ素子として、バルク型に比べ、高効率の波長変換が可能となる疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase Matching）の技術を生かした素子が開発されている。

疑似位相整合を行わせることにより、ＳＨＧ素子内部での第２高調波同士の打ち消し合いが抑えられ、変換効率が高まる結果、ＳＨＧ素子からは高強度の緑および青色レーザ光が出力されることとなる。この疑似位相整合の構成を伴ったＳＨＧ素子の代表的なものとして、光導波路型の周期分極反転リチウムナイオベート（ＰＰＬＮ：Periodically-poled LiNbO₃ ）素子が挙げられる。

また、写真処理装置においては、赤、緑、青各色の画像データの濃度レベルに対応させて光強度を変調させることが要求される。上記のようなＳＨＧ素子を備えたレーザ光源を写真処理装置の光源として用いた場合、光強度変調素子として、音響光学変調素子（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を使用することが多い。ＡＯＭは、レーザ光を透過させる音響光学媒質を有し、レーザ光の透過中に音響光学媒質に対して超音波を加えることで、超音波光学効果にて回折を生じさせるものである。これにより、レーザ光の強度を、加える超音波の強度などで変調させることが可能となる。

しかしながら、光強度を変調するためのＡＯＭは、光の回折を利用する方法であるため、十分な強度変調を行うためには、また、回折光を元の光と区別して取り出すための寸法を考えると、光学長を長く取る必要がある。そのため、ＡＯＭからなる光強度変調素子の小型化は困難であり、さらにはその光強度変調素子を備える写真処理装置などの各種装置も必然的に大きなサイズを必要としていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型でありながら光強度の変調が可能であり、かつ第２高調波への変換効率が高い光強度変調素子を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、該光強度変調素子と半導体レーザとを備える変換波長光発生器、該変換波長光発生器を備えるレーザ露光装置、および該レーザ露光装置を露光装置とする写真処理装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の光強度変調素子は、非線形光学結晶からなる基板の主面に一方向への光導波路が形成されるとともに、前記光導波路において前記基板の厚み方向への分極構造が前記光導波路方向に周期的にかつ交互に逆極性に形成されてなり、かつ前記光導波路へ入射された赤外光の一部を第２高調波に変換する第１、第２の波長変換部がそれぞれ形成され、さらに前記第１、第２の波長変換部の間に前記光導波路を挟んで対向配置された一対の電極を有する第１の位相調整部が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１の位相調整部で、電極を介して電圧が印加されることにより、位相変調が行われる。そのため、第２の波長変換部から射出される際の第２高調波は、第１および第２の波長変換部において波長変換されたものが混在する。また、第２の波長変換部において波長変換された第２高調波は第１の位相調整部において位相変調を受けている。この位相変調の大きさを適度に設定することにより、合成された第２高調波の振幅を連続的に制御することが可能となる。

請求項２記載の光強度変調素子は、請求項１記載の光強度変調素子であり、各分極構造の前記光導波路方向の長さが、前記赤外光の波長に基づいて決められることを特徴とする。この構成によれば、分極構造の光導波路方向の長さは、入射する赤外光の波長に基づいて個別に決定されるため、第２高調波への変換が有効に行える。

請求項３記載の光強度変調素子は、請求項１または２に記載の光強度変調素子であり、各分極構造の前記光導波路方向の長さが、変換された前記第２高調波の振幅の合成成分が最大となる長さに設定されていることを特徴とする。この構成によれば、各分極構造の前記光導波路方向の長さは、各波長変換部から射出される第２高調波の振幅の合成成分が最大となるように設定されているので、複数の分極構造にわたって光が透過する際、第２高調波の振幅が増大するように加算されることとなる。

請求項４記載の光強度変調素子は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光強度変調素子であり、各波長変換部の前記光導波路方向の長さが、前記分極構造の前記光導波路方向の長さの整数倍に設定されていることを特徴とする。この構成によれば、各波長変換部は整数個の分極構造を有しているので、第２高調波が各波長変換部から射出される際に、振幅の不必要な打ち消し合いが起こらない。

請求項５記載の光強度変調素子は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光強度変調素子であり、前記一対の電極を介して、前記第１の位相調整部に光強度変調信号に基づく電圧が印加されることを特徴とする。

この構成によれば、第２高調波の光強度をどの程度のレベルに設定したいかを示す光強度変調信号に基づく電圧が、位相調整部の電極を介して印加される。この電圧は、光強度を小さくしたければ第２高調波同士の振幅が打ち消し合うように、逆に、光強度を大きくしたければ第２高調波同士の振幅が足し合わされるように調整される。

請求項６記載の光強度変調素子は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光強度変調素子であり、第２高調波は、可視光領域における青色の波長を有するものであることを特徴とする。この構成によれば、光強度変調素子からの出力が、可視光領域における青色の波長となるように、入射する赤外光の波長および各波長変換部における分極構造の長さが設定される。

請求項７記載の光強度変調素子は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光強度変調素子であり、第２高調波は、可視光領域における緑色の波長を有するものであることを特徴とする。この構成によれば、光強度変調素子からの出力が、可視光領域における緑色の波長となるように、入射する赤外光の波長および各波長変換部における分極構造の長さが設定される。

請求項８記載の光強度変調素子は、請求項１乃至７のいずれかに記載の光強度変調素子であり、非線形光学結晶は、リチウムナイオベートであることを特徴とする。この構成によれば、高い非線形性を利用できることに加え、広い波長領域にわたって波長変換が可能となる。

請求項９記載の光強度変調素子は、請求項８記載の光強度変調素子であり、第２高調波は、可視光領域における青色の波長を有するものであり、前記各分極構造は前記光導波路方向の長さが２．３マイクロメートルであることを特徴とする。この構成によれば、光強度変調素子からの出力が、可視光領域における青色の波長となるように、各波長変換部における分極構造の長さが設定される。また、入射する赤外光の波長も、光導波路方向の長さが２．３マイクロメートルのときに、最も効率よく第２高調波に変換されるものが選ばれる。

請求項１０記載の光強度変調素子は、請求項８記載の光強度変調素子であり、第２高調波は、可視光領域における緑色の波長を有するものであり、前記各分極構造は前記光導波路方向の長さが３．２マイクロメートルであることを特徴とする。

この構成によれば、光強度変調素子からの出力が、可視光領域における緑色の波長となるように、各波長変換部における分極構造の長さが設定される。また、入射する赤外光の波長も、光導波路方向の長さが３．２マイクロメートルのときに、最も効率よく第２高調波に変換されるものが選ばれる。

請求項１１記載の光強度変調素子は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の光強度変調素子であり、光導波路方向であって、前記第２の波長変換部に隣接して、前記光導波路を挟んで対向配置された一対の電極を有する第２の位相調整部と、前記光導波路において前記基板の厚み方向への分極構造が前記光導波路方向に周期的にかつ交互に逆極性に形成されてなり、かつ前記光導波路へ入射された赤外光の一部を第２高調波に変換する第３の波長変換部とが形成されてなることを特徴とする。

この構成によれば、第１の位相調整部だけではなく第２の位相調整部においても、位相変調を行うことができる。そのため、第３の波長変換部から射出される際の第２高調波は、第１、第２および第３の波長変換部において変換されたものが混在する。そして、第２の波長変換部において変換された第２高調波は第１の位相調整部において位相変調を受けており、第３の波長変換部において変換された第２高調波は第２の位相調整部において位相変調を受けている。これらの位相変調の大きさは、別個に設定することができるため、合成された第２高調波の振幅を連続的に制御することが可能となる。

請求項１２記載の光強度変調素子は、請求項１１記載の光強度変調素子であり、第２の位相調整部に、光強度変調信号が最小レベルのときに光強度出力がゼロレベルとなる補正電圧が供給されることを特徴とする。

この構成によれば、光強度変調信号が最小レベルのときに、第２の位相調整部において、第２高調波のお互いの振幅が完全に打ち消し合うように位相が変調させられる。この位相変調の大きさは、補正電圧という形で第２の位相調整部に供給される。

請求項１３記載の強度変調光発生器は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の光強度変調素子と、前記第１の波長変換部の光導波路に赤外光を射出するレーザ光源とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、レーザ光源から射出された赤外光が、光強度変調素子における第１の波長変換部の光導波路に入射させられる。そして、各波長変換部においては赤外光の一部が第２高調波に変換され、位相調整部においては位相が変調させられる。この位相調整部における局所的な位相変調により、合成された第２高調波の振幅を連続的に制御することが可能となる。

請求項１４記載の強度変調光発生器は、請求項１３記載の強度変調光発生器であり、レーザ光源と光強度変調素子とをファイバーグレーティングで接続したことを特徴とする。この構成によれば、レーザ光源から射出された赤外光が、光ファイバのコアに周期的な屈折率変調を形成したグレーティングファイバを介して、光強度変調素子における第１の波長変換部の光導波路に入射させられる。

請求項１５記載のレーザ露光装置は、請求項１３または１４に記載の強度変調光発生器を感光用のレーザ光源として備えることを特徴とする。この構成によれば、レーザ光の出力が可変でありながら、コンパクトなレーザ露光装置を実現し得る。

請求項１６記載の写真処理装置は、画像データの濃度レベルに応じた光強度変調信号に基づく電圧が前記位相調整部に供給されることで光強度出力が変調される請求項１５に記載のレーザ露光装置と、前記レーザ露光装置から射出されたレーザ光を写真感光材に導く光学系と、を備えることを特徴とする。この構成によれば、レーザ光の出力が可変でありながら、コンパクトな写真処理装置を実現し得る。

請求項１記載の発明によれば、合成された第２高調波の振幅を連続的に制御することが可能である。光強度は振幅の２乗で与えられるため、光強度変調素子から射出される第２高調波の強度を連続的に制御することが可能となる。また、第１の位相調整部における電極を介して局所的に印加された電圧によって位相変調を行う、つまり強度変調を行う構成のため、光強度変調素子の小型化が可能となる。

請求項２記載の発明によれば、入射する赤外光の波長に基づいて、分極構造の光導波路方向の長さを個別に決定するため、第２高調波への変換を有効に行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、複数の分極構造にわたって光が透過する際、第２高調波の振幅が増大するように加算されていくので、高強度の第２高調波を得ることができる。また、第２高調波の振幅の不必要な打ち消し合いが生じないため、高い変換効率を実現できる。

請求項４記載の発明によれば、分極構造によって変換された第２高調波が波長変換部から出力される際、振幅の不必要な打ち消し合いが起こらないため、高強度の第２高調波を得ることができ、同時に高い変換効率を実現できる。

請求項５記載の発明によれば、光強度変調信号に基づいて、光強度変調素子から射出される第２高調波の光強度を連続的に変化させることが可能となる。

請求項６記載の発明によれば、光強度の変調が可能であり、かつコンパクトな青色レーザ光源が実現できる。

請求項７記載の発明によれば、光強度の変調が可能であり、かつコンパクトな緑色レーザ光源が実現できる。

請求項８記載の発明によれば、広い波長範囲において第２高調波への変換が可能であり、かつ変換効率が高い光強度変調素子が実現できる。

請求項９記載の発明によれば、光強度の変調が可能であり、かつコンパクトな青色レーザ光源が実現できる。また、光導波路方向の長さが２．３マイクロメートルのときに、最も効率よく第２高調波に変換される赤外光の波長は１０６４ｎｍである。この赤外光源は一般によく用いられているものであるため、本発明に係る光強度変調素子との組み合わせが容易である。

請求項１０記載の発明によれば、光強度の変調が可能であり、かつコンパクトな緑色レーザ光源が実現できる。また、光導波路方向の長さが３．２マイクロメートルのときに、最も効率よく第２高調波に変換される赤外光の波長は９４６ｎｍである。この赤外光源は一般によく用いられているものであるため、本発明に係る光強度変調素子との組み合わせが容易である。

請求項１１記載の発明によれば、合成された第２高調波の振幅を連続的に制御することが可能である。光強度は振幅の２乗で与えられるため、光強度変調素子から射出される第２高調波の強度を連続的に制御することが可能となる。また、第２の位相調整部を設けたことにより、合成される第２高調波の数が３つとなるため、その位相変調の自由度が増し、振幅の調整が容易となる。

請求項１２記載の発明によれば、光強度変調信号が最小レベルのとき、第２高調波の振幅は完全に打ち消され、光強度変調素子から出力される光強度はゼロレベルとなる。つまり、光強度をゼロレベルから最大まで連続的に制御できるので、レーザ露光装置や写真処理装置に好適な光強度変調素子が実現できる。

請求項１３記載の発明によれば、赤外光を第２高調波に変換する、光強度が可変で、コンパクトな強度変調光発生器が実現できる。

請求項１４記載の発明によれば、レーザ光源と光強度変調素子とがグレーティングファイバにより接続されているので、レーザ光源が発する特定波長のレーザ光のみが安定して光強度変調素子へと供給される。そのため、光強度変調素子からの第２高調波の出力が安定する。

請求項１５記載の発明によれば、レーザ光の出力が可変でありながら、コンパクトなレーザ露光装置を実現できる。

請求項１６記載の発明によれば、レーザ光の出力が可変でありながら、コンパクトな写真処理装置を実現できる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、写真処理装置の一構成例を示す外観斜視図である。写真処理装置５００は、フィルム（ネガ、ポジ）からイメージスキャナで読み取られた画像データや、デジタルカメラで撮影された画像データ、パソコンで作成された画像データを写真感光材（印画紙）に露光するレーザ露光装置１００と、ロール状に巻回された印画紙をレーザ露光装置１００に向けて送り出し可能に収納する感光材収納部２００と、露光後の印画紙を現像、漂白定着および安定処理する現像部３００、安定処理された印画紙を乾燥する乾燥部４００、およびこれら部材間に亘る印画紙搬送系（図示は省略）などから構成されている。

図２は、レーザ露光装置１００の内部構成を示す斜視図である。なお、図２では、筐体１０２の上部を省略して図示しているが、筐体１０２は暗室構造にされると共に塵が入り込みを防止するべく密閉構造とされている。筐体１０２内の所定位置には、それぞれビーム状のレーザ光を射出する３つのレーザ光源１０４、１０６、１０８が配設されている。レーザ光源１０４は、例えば波長６８５ｎｍのＲ（赤）色のレーザ光を発生する半導体レーザ素子（ＬＤ）である。また、レーザ光源１０６および１０８は、例えば波長１０６４ｎｍおよび９４６ｎｍのレーザ光を発生する半導体レーザ素子である。

レーザ光源１０４、１０６、１０８のレーザ射出側には、レーザ光を平行にさせるためのコリメータレンズ１１０が備えられている。また、音響光学変調素子（ＡＯＭ）１１２Ｒは、赤（Ｒ）色用の光強度変調素子として機能する。それに対して、本発明に係る光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂは、それぞれ緑（Ｇ）、青（Ｂ）色用の光強度変調素子として機能する。

レーザ光源１０４、１０６、１０８のレーザ射出側には、さらにレーザ整形開口１１４、ミラー１１６が順に配置されている。そして、ミラー１１６の反射側には、球面レンズ１１８、シリンドリカルレンズ１２０およびポリゴンミラー１２２が順に配置されている。

ポリゴンミラー１２２の反射側には、ｆθレンズ１２４、シリンドリカルレンズ１２６、ミラー１２８、１３０が順に配置されている。そして、矢印Ｃ方向から搬送されてきた印画紙１４０は、ミラー１３０で反射されたＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光に照射され、画像が露光される。

ＡＯＭ１１２Ｒは、超音波光学効果の作用によって、入射レーザ光に対して回折を生じさせることで出力強度を変調可能にする音響光学媒質を内蔵するものである。そして、レーザ光源１０４からのレーザ光の光軸上に音響光学媒質の位置を一致させるべく、筐体１０２の所定位置に配置されるとともに、図略のＡＯＭドライバに接続されている。

また、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂは、それぞれＧおよびＢ色の出力強度を変調可能にするものである。そして、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂは、筐体１０２の所定位置にそれぞれ配置されるとともに、図略のドライバに接続されている。

この光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂは、レーザ光源１０６、１０８から射出されたレーザ光を受けると、そのレーザ光の波長を１／２に変換するように構成されている。この波長が１／２となって射出されるレーザ光のことを、第２高調波（ＳＨ：Second Harmonic ）、そして、第２高調波を発生させることを、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）と呼ぶ。

光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂにおいては、レーザ光源１０６、１０８から射出された光がすべてＳＨ波（第２高調波）に変換される訳ではなく、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂから射出される光には、レーザ光源１０６、１０８からの赤外光とＳＨ波とが混在している。そのため、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂから射出される光から、赤外光を取り除くために、図略のＩＲ（赤外光）カットフィルタが備えられる構成としている。

このような構成の元で、図略の画像メモリから処理対象の画像データ（Ｒ色の濃度データ）が、ＡＯＭドライバを介してＡＯＭ１１２Ｒに入力されたとする。そして、ＡＯＭ１１２Ｒに入射されたレーザ光の強度が、光強度変調信号に基づき、画像データの濃度レベルに応じて変調させられる。このとき、ＡＯＭ１１２Ｒの音響光学媒質には、ＡＯＭドライバの出力に応じた超音波光学効果が生じ、それに起因する回折効果が生じる。これにより、ＡＯＭ１１２Ｒに入射されたレーザ光の強度が、画像データの濃度レベルに応じて変調させられる。

それに対して、ＧおよびＢ色の光源であるレーザ光源１０６、１０８の強度変調においては、ＡＯＭを用いない構成となっている。その代わり、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂにおいて、第２高調波を発生させる際に、同時にこの素子内で強度変調を行わせる。このＧおよびＢ色に対しても、Ｒ色と同様に、図略の画像メモリから処理対象の画像データ（ＧおよびＢ色の濃度データ）が、ドライバを介して光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂに入力されると、光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂに入射されたレーザ光の強度が、光強度変調信号に基づき、画像データの濃度レベルに応じて変調させられる。

次に、上記の構成のレーザ光走査装置の動作について説明する。レーザ光源１０４、１０６、１０８から射出されたレーザ光はコリメータレンズ１１０を介してＡＯＭ１１２Ｒ、または光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂに入射する。画像データのＲ、Ｇ、Ｂ各色の濃度データに応じた信号がＡＯＭ１１２Ｒ、または光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂに入力されることで、ＡＯＭ１１２Ｒ、または光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂに入射したレーザビームが画像の濃度に対応した強度に変調されて出力される。ＡＯＭ１１２Ｒ、または光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂから出力されたレーザ光は、矢印の向きに一定速度で回転するポリゴンミラー１２２によって主走査方向に走査された後、印画紙１４０に照射される。印画紙１４０は、主走査方向と直交する矢印Ｃの向きに図略の印画紙搬送系により搬送され、これによって印画紙１４０上に２次元のカラー画像が形成される。

本発明は、レーザ光の強度を変調するための光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂ、そしてその光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂと半導体レーザ１０６、１０８とを備え、レーザ光強度の変調が可能な強度変調光発生器、さらにその強度変調光発生器を感光用のレーザ光源として備え、強度変調したレーザ光により印画紙に画像を焼付露光するレーザ露光装置１００に関するものである。さらには、そのレーザ露光装置１００を備え、強度変調したレーザ光により印画紙に画像を焼付露光する以外に、印画紙を搬送したり、露光後の印画紙を現像する機能などを有する写真処理装置５００に関するものである。

以下、図２に示したレーザ露光装置１００の光強度変調素子１１２Ｇ、１１２Ｂ、さらにその光強度変調素子にレーザ光源１０６、１０８を含めた強度変調光発生器について、図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
図３（ａ）は、本発明に係る光強度変調素子の一実施形態を示す模式図である。また、図３（ｂ）は、本発明に係る光強度変調素子の一実施形態における分極構造を示すための縦断面図であり、図３（ａ）の光導波路の真ん中を光導波路方向に沿って切ったものである。

矩形の基板１の幅方向のほぼ中央部分に直線的に、レーザ光を導波するための光導波路４が形成されている。そして、この光導波路４を挟む形で、位相変調用電極２ａ、２ｂが設けられている。

基板１は、非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ：リチウムナイオベート）からなる。このＬｉＮｂＯ_３は、二次非線形光学効果を示す強誘電体結晶であり、電界が印加されるとその屈折率が変化するという性質を有する。また、非線形光学結晶の中でも特に高い非線形性を有し、広い波長領域にわたって波長変換が可能なため、本発明においては好適に用いられる。

位相変調用電極２ａ、２ｂは、基板１の上面（主面）に設けられ、図略の電気回路に接合されている。そして、位相変調用電極２ａ、２ｂを介して、所望の方向および大きさの電圧が印加されることにより、電界が発生し、光導波路４の屈折率が制御される。この位相変調用電極２ａ、２ｂは、例えばスパッタリングなどの薄膜形成技術により、電極層としての金属薄膜層を結晶表面に形成する方法で作製することができる。

光導波路４は、後述するレーザ光を透過させるためのものであり、基板１内に直線的に形成されている。この光導波路４は、例えば、プロトン交換法によって作製される。プロトン交換法は、ＬｉＮｂＯ_３にフォトリソグラフィー技術により光導波路形成部分を除いてマスクを形成し、これを安息香酸中でプロトン交換処理を行った後、マスクを除去して熱処理を行うことで光導波路を形成する方法である。

また、光導波路４には、基板１の厚み方向への分極構造が光導波路方向に交互に逆極性に形成されている。つまり、光導波路４の所定部には、図３（ｂ）に示すように、入射光であるレーザ光の進行方向に向かって、周期的に極性が反転した周期的分極反転部と、極性を持たない非分極部とが交互に配列形成されている。以下、レーザ光の基本波入射側から順に、周期的分極反転（Periodically Poled）部をＰＰ１およびＰＰ２領域、および非分極部をＰＭ１領域と呼ぶことにする。

この周期的分極反転部は、入射光の波長を変換する役割を担う。つまり、周期的分極反転部は、波長変換部として機能し、ＰＰ１領域が第１の波長変換部、そしてＰＰ２領域が第２の波長変換部である。

また、後述するように、非分極部は、入射光の位相を変調させる位相調整部として機能し、ＰＭ１領域が第１の位相調整部である。

図３（ｂ）に示したように、ＰＰ１およびＰＰ２領域は、さらに小さな矩形の領域に分かれている。この一つ一つの小さな領域が分極構造を表し、その中に書かれた矢印の向きがその領域における分極の方向を表している。

例えば、図３（ｂ）のＰＰ１領域においては、基本波入射側から順に分極方向は、図の上向き、下向き、上向き・・・である。そして、周期的分極反転部（波長変換部）ＰＰ１、ＰＰ２の光導波路方向の長さは、分極構造の光導波路方向の長さの整数倍に設定されている。これは、分極構造によって変換された第２高調波が周期的分極反転部から出力される際、振幅の不必要な打ち消し合いが起こらないようにするためである。その結果、高強度の第２高調波を得ることができ、同時に高い変換効率を実現することができる。

基本波と、変換された第２高調波とは当然波長が異なり、それに起因して媒質中を透過する速度（位相速度）が異なる。そのため、基本波と第２高調波の位相がずれていると、お互い打ち消し合い、第２高調波の高い出力が得られない。つまり、波長変換を有効に行うためには、基本波と第２高調波との位相を揃える（位相整合）ことが重要となる。この周期的分極反転として、疑似位相整合（ＱＰＭ）を用いると、バルク型に比べ、高効率の波長変換が可能となる。

また、分極構造の光導波路方向の長さは、コヒーレンス長（ｌｃ）とも呼ばれ、この長さを超えると、合成された第２高調波の強度が減少し、この周期で強度の増減が繰り返される。したがって、疑似位相整合は、コヒーレンス長ごとに周期的に分極方向を反転させることで、打ち消し合いを生じさせることなく、第２高調波の振幅を増大させるものである。

つまり、各分極構造の光導波路方向の長さｌｃが、変換された第２高調波の振幅の合成成分が最大となる長さに設定されていることが好ましい。この構成によれば、複数の分極構造にわたって光が透過する際、第２高調波の振幅が増大するように加算されていくので、高強度の第２高調波を得ることができる。また、第２高調波の振幅の不必要な打ち消し合いが生じないため、高い変換効率を実現できる。

光導波路４における周期的分極反転は、ＬｉＮｂＯ_３の分極反転領域を除いてその表面に周期的な電極構造をフォトリソグラフィー技術で形成し、この電極を介して高電圧を印加することで作製できる。

以上説明したような、周期的分極反転したＬｉＮｂＯ₃ は、ＰＰＬＮと呼ばれている。ＰＰＬＮは、高い波長変換効率を有し、大きいパワーの可視光を生み出すという利点を持つ。

このような構成を有する光強度変調素子１０に、図３（ａ）の左側からレーザ光の基本波が入射する。このレーザ光は、ＡｌＧａＡｓレーザあるいはＩｎＧａＡｓＰレーザなどの半導体レーザ（図示は省略）から射出されたものであり、所定の波長を有している。本実施形態においては、その波長は赤外領域に属し、１０６４ｎｍまたは９４６ｎｍである。また、半導体レーザから射出されたままのレーザ光を、基本波と呼ぶことにする。光強度変調素子１０に入射したレーザ光は、光強度変調素子１０における光導波路４を透過し、他端から射出される。

続いて、光強度変調素子１０が有する光強度変調の原理について説明する。まず、図３（ａ）において、光強度変調素子１０の左側からレーザ光の基本波が入射する。この基本波の透過方向（光導波路４の長手方向と同じ）を、ｙ軸の正の方向と定義する。そして、ｙ軸に垂直で、光強度変調素子１０の上面に含まれる方向をｘ方向、光強度変調素子１０の上面（主面）に垂直で上向きをｚ軸の正の方向と定義する。

この基本波は、最初に光導波路４における周期的分極反転部（ＰＰ１領域）を透過する。このとき、ＰＰ１領域の反転周期は、射出されるレーザ光の波長が基本波の波長の１／２、つまり第２高調波（ＳＨ波）に変換されるように設定されている。

つまり、基本波の波長が１０６４ｎｍの赤外領域のレーザ光は、ＰＰ１領域を透過すると、その一部は波長が１／２である５３２ｎｍの緑色のレーザ光に変換される。また、基本波の波長が９４６ｎｍの赤外領域のレーザ光は、ＰＰ１領域を透過すると、その一部は波長が１／２である４７３ｎｍの青色のレーザ光に変換される。逆に言えば、緑色と青色の可視光領域におけるレーザ光を得るためには、それらの波長の２倍の波長を有する赤外領域のレーザ光を基本波として用いればよい。

ここで、光導波路方向における分極構造の長さは、レーザ光（赤外光）の基本波の波長と、基板として用いた非線形光学材料の屈折率とに基づいて決められる。詳細については説明を省くが、分極構造の長さ（図３（ｂ）におけるｌｃ）は、例えば、基本波の波長が１０６４ｎｍであれば３．２μｍ、基本波の波長が９４６ｎｍであれば２．３μｍとなる。したがって、緑色のレーザ光を得たければ、基本波の波長を１０６４ｎｍとし、分極構造の長さを３．２μｍとすればよい。同様に、青色のレーザ光を得たければ、基本波の波長を９４６ｎｍとし、分極構造の長さを２．３μｍとすればよい。ただし、この分極構造の長さは、上向きまたは下向きの一方向の分極構造の長さであり、上向きおよび下向きを合わせた１周期分の分極構造の長さはこの２倍となる。

以下、基本波の波長が９４６ｎｍの赤外領域のレーザ光が、光導波路４に入射したとして説明する。しかし、基本波の波長が１０６４ｎｍの赤外領域のレーザ光についても同様の説明が成り立つことは言うまでもない。

ＰＰ１領域を透過したレーザ光の大部分は、基本波である９４６ｎｍの赤外領域の光であり、その一部が波長４７３ｎｍの青色の光に変換されている。この赤外と青色の混合したレーザ光が、非分極部（ＰＭ１領域）に入射する。ここで、位相変調用電極２ａ、２ｂ間には、所定の電圧が印加されており、図３（ａ）におけるｚ軸方向の電界が生じている。この所定の電圧は、画像データの濃度レベルに応じて、光の強度をどのレベルまで変調させるかを示す光強度変調信号によって、その大きさが制御されるものである。

つまり、例えばデジタルカメラで撮像した画像データの濃度レベルに応じて、光強度変調信号に基づく電圧が第１の位相調整部に供給される。これにより、光強度変調素子１０に入射されたレーザ光の強度が、画像データの濃度レベルに応じて変調させられる。

また、前述したように、ＬｉＮｂＯ_３は、電界が印加されるとその屈折率が変化する物質である。しかも屈折率の変化は、印加される電界の向きにより異なるという特性も有している。この特性を利用し、光導波路４に電極２ａ、２ｂから適宜な電界を加えることによりｚ方向成分透過性を制御するなどして、位相変調が行われるものである。

ＰＭ１領域を透過する際に、赤外と青色の光の両位相とも変調を受けるが、その変調の大きさは両者で異なっている。また、位相変調用電極２に印加する電圧の極性を入れ換えると、それに応じて位相の変化する方向（正負）も反対となる。

ＰＭ１領域において位相変調された赤外および青色のレーザ光は、続いて周期的分極反転部（ＰＰ２領域）を透過する。このとき、ＰＰ２領域の反転周期もＰＰ１領域のそれと同じく、基本波である９４６ｎｍの赤外領域の光を波長４７３ｎｍの青色の光に変換するように設定されている。そのため、ＰＰ２領域においては、ＰＰ１およびＰＰ２領域において生成された青色のレーザ光とが混在する。

この２つの青いレーザ光は、波長はそれぞれ同じであるが、ＰＭ１領域において変調させられた分、位相が異なっている。そのため、これらの光が同じ領域に存在し、合成されると、強度は２つの光の単なる足し算ではなく、ベクトル的に合成される。そして、合成された光が、光強度変調素子１０におけるレーザ光の入射した側と反対の側から、ＳＨ波として射出される。このとき、例えば赤外光カットフィルタなどで赤外光を取り除くことにより、青いレーザ光のみを得ることができる。

言い換えれば、本実施形態における光強度変調素子１０は、ＰＭ１領域において位相を変調させることにより、取り出される可視光領域のレーザ光の強度を制御することができるものである。ＰＭ１領域における位相変調は、ＰＭ１領域に印加される電界によって生じたものであり、その電界は、位相変調用電極２ａ、２ｂ間に印加される電圧に起因する。したがって、本発明は、印加電圧によってＳＨ波の強度を容易に制御できるものである。

次に、本発明に係るＳＨ波強度の変調を、位相の変化に注目して説明する。図４は、本発明に係る光強度変調素子の一実施形態における、ＳＨ波の位相の関係を示す模式図である。基本波（例えば、赤外領域の光）に比べてＳＨ波（例えば、青色の光）の位相変調は小さいので、簡単のため、ここではそれをゼロとして無視することにする。

前述したようにまず、ＰＰ１領域において、ＳＨ波が生成される。以下の議論においては、このＳＨ波の位相を基準とし、それを図４に矢印（ａ）で表す。つまり、図４における水平線（一点鎖線）が位相の基準である。続いて、基本波は、ＰＭ１領域を透過する際に大きさφ_１の位相変調を受ける。ここで、位相が増える方向を、図４における反時計回りの方向とする。その結果、ＰＭ１領域透過後の基本波の位相は、基準からφ_１だけ反時計回りに回転している。次に、基本波がＰＰ２領域を透過する際に、ＳＨ波が生成される。ＰＰ２領域で生成されたこのＳＨ波の位相は、ＰＭ１領域において位相変調φ_１を受けた基本波のそれと同じであるため、図４の矢印（ｂ）で表される。

前述したように、ＰＰ１領域で生成されたＳＨ波が、ＰＭ１領域を透過する際の位相変調は小さいため、図４の矢印（ａ）のままである。したがって、光強度変調素子１０から射出されるＳＨ波の位相は、ＰＰ１領域において生成されたＳＨ波（矢印（ａ））と、ＰＰ２領域において生成されたＳＨ波（矢印（ｂ））との合成である。つまり、矢印（ａ）と矢印（ｂ）とのベクトルとしての足し算の結果（矢印（ｃ））が、光強度変調素子１０から射出されるＳＨ波の位相である。図４では、その大きさをψ_１と表した。

ＰＭ１領域における位相変調の大きさφ_１が０であれば、ＰＰ１およびＰＰ２領域において生成されたＳＨ波は同位相となる。そのため、ＳＨ波はお互いに強め合うこととなり、光強度変調素子１０から射出されるＳＨ波の出力は最大となる。それに対して、ＰＭ１領域における位相変調の大きさφ_１がπであれば、ＰＰ１およびＰＰ２領域において生成されたＳＨ波は逆位相となる。そのため、ＳＨ波はお互いに弱め合うこととなり、光強度変調素子１０から射出されるＳＨ波の出力は最小となる。つまり、この場合、ＳＨ波のエネルギーが基本波のエネルギーに戻ることとなる。したがって、ＰＰ１およびＰＰ２領域において生成されたＳＨ波を逆位相とし、それぞれの光強度を一致させることにより、ＳＨ波の出力を０にすることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態においては、レーザ光が透過する光導波路４に電圧を印加することで、レーザ光の位相を変調させている。また、レーザ光の位相変調は、レーザ光の強度変調と等価である。そのため、本実施形態によれば、光導波路４への印加電圧の大きさを制御することで、光強度変調素子１０から射出されるＳＨ波の強度を制御することができる。

［実施形態２］
前述の実施形態１においては、光強度変調素子１０は、２つの周期的分極反転部と１つの非分極部とを備え、非分極部において印加される電圧で位相変調、つまりＳＨ波の強度変調を行う構成となっている。本実施形態においては、実施形態１の構造に加え、さらに周期的分極反転部と非分極部とをそれぞれ１つずつ備える構造の光強度変調素子について説明する。また、新たに追加された周期的分極反転部と非分極部とを、必要に応じて、補正部と呼ぶことにする。

図５は、本発明に係る光強度変調素子の一実施形態を示す模式図である。前述の実施形態１と同じ符号が付けられているものは、同じ機能・構造を有するものとし、詳しい説明は省略する。また、座標軸に関しても、図３（ａ）に示したものと同様とする。つまり、素子の上面（主面）に対する上向きの法線方向がｚ軸の正の向き、レーザ光の進行方向がｙ軸の正の向きである。

本実施形態においても、矩形の基板１のほぼ中央部分に直線的に、レーザ光を導波するための光導波路４が形成されている。そして、この光導波路４を挟む形で、位相変調用電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが設けられている。この位相変調用電極３ａ、３ｂが、本実施例において、新たに加えられた構成の一つである。

基板１は、非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ：リチウムナイオベート）からなる。位相変調用電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、それらを介して所望の大きさの電圧が印加されることにより、光導波路４の屈折率を制御するためのものである。

また、光導波路４に形成された周期的分極反転部を、レーザ光の基本波入射側から順に、ＰＰ１、ＰＰ２およびＰＰ３領域、さらに非分極部をＰＭ１およびＰＭ２領域と呼ぶことにする。この周期的分極反転部におけるＰＰ３領域、および非分極部におけるＰＭ２領域が、本実施例において新たに加えられた構成である。そして、ＰＰ３領域は第３の波長変換部として、ＰＭ２領域は第２の位相調整部として機能する。

このような構成を有する光強度変調素子２０に、図５の左側から所定の波長を有するレーザ光の基本波が入射する。本実施形態においても、その波長は赤外領域に属し、１０６４ｎｍまたは９４６ｎｍであるとする。光強度変調素子２０に入射したレーザ光は、光強度変調素子２０における光導波路４を透過し、他端から射出される。

以下、基本波の波長が９４６ｎｍの赤外領域のレーザ光が、光導波路４に入射したとして説明する。

まず、光強度変調素子２０に入射した基本波は、最初に光導波路４における周期的分極反転部（ＰＰ１領域）を透過する。このとき、ＰＰ１領域の反転周期は、射出されるレーザ光の波長が基本波の波長の１／２に変換されるように設定されている。したがって、ＰＰ１領域を透過したレーザ光の大部分は、基本波である９４６ｎｍの赤外領域の光であり、その一部が波長４７３ｎｍの青色の光に変換されている。この赤外と青色の混合したレーザ光が、非分極部（ＰＭ１領域）に入射する。ここで、位相変調用電極２ａ、２ｂ間には、所定の電圧が印加されており、図５におけるｚ軸方向の電界が生じている。この所定の電圧は、画像データの濃度レベルに応じて、光の強度をどのレベルまで変調させるかを示す光強度変調信号によって、その大きさが制御されるものである。これにより、ＰＭ１領域を透過する際に、レーザ光の位相は変調を受ける。

ＰＭ１領域において位相変調された赤外および青色のレーザ光は、続いて周期的分極反転部（ＰＰ２領域）を透過する。このとき、ＰＰ２領域の反転周期もＰＰ１領域のそれと同じく、基本波である９４６ｎｍの赤外領域の光を波長４７３ｎｍの青色の光に変換するように設定されている。そのため、ＰＰ２領域においては、ＰＰ１およびＰＰ２領域において生成された青色のレーザ光とが混在する。この２つの青いレーザ光は、波長はそれぞれ同じであるが、ＰＭ１領域において変調させられた分、位相が異なっている。

続いて、この赤外と青色の混合したレーザ光が、非分極部（ＰＭ２領域）に入射する。ここで、位相変調用電極３ａ、３ｂ間には、所定の電圧が印加されており、図５におけるｚ軸方向の電界が生じている。この所定の電圧は、画像データの濃度レベルに応じて、光の強度をどのレベルまで変調させるかを示す光強度変調信号によって、その大きさが制御されるものである。これにより、ＰＭ２領域を透過する際に、レーザ光の位相は変調を受ける。

ＰＭ２領域において位相変調された赤外および青色のレーザ光は、続いて周期的分極反転部（ＰＰ３領域）を透過する。このとき、ＰＰ３領域の反転周期もＰＰ１およびＰＰ２領域のそれと同じく、基本波である９４６ｎｍの赤外領域の光を波長４７３ｎｍの青色の光に変換するように設定されている。そのため、ＰＰ３領域においては、ＰＰ１、ＰＰ２領域において生成された青色のレーザ光に加え、さらにＰＰ３領域において生成された青色のレーザ光とが混在する。この３つの青いレーザ光は、波長はそれぞれ同じであるが、ＰＭ１またはＰＭ２領域において変調させられた分、位相が異なっている。そのため、これら３つの青いレーザ光がベクトル的に合成された光が、光強度変調素子２０におけるレーザ光の入射した側と反対の側から、ＳＨ波として射出される。

言い換えれば、本実施形態における光強度変調素子２０は、ＰＭ１およびＰＭ２領域において位相を変調させることにより、取り出される可視光領域のレーザ光の強度を制御することができるものである。ＰＭ１およびＰＭ２領域における位相変調は、元々、位相変調用電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに印加される電圧によって生じたものである。したがって、言い換えれば、本発明は、印加電圧によってＳＨ波の強度を容易に制御できるものである。

次に、本発明に係るＳＨ波強度の変調を、位相の変化に注目して説明する。図６は、本発明に係る光強度変調素子の一実施形態における、ＳＨ波の位相の関係を示す模式図である。基本波（例えば、赤外領域の光）に比べてＳＨ波（例えば、青色の光）の位相変調は小さいので、簡単のため、ここではそれをゼロとして無視することにする。

前述したようにまず、ＰＰ１領域において、ＳＨ波が生成される。以下の議論においては、このＳＨ波の位相を基準とし、それを図６に矢印（ａ）で表す。つまり、図６における水平線（一点鎖線）が位相の基準である。続いて、基本波は、ＰＭ１領域を透過する際に大きさφ_１の位相変調を受ける。ここで、位相が増える方向を、図６における反時計回りの方向とする。その結果、ＰＭ１領域透過後の基本波の位相は、基準からφ_１だけ反時計回りに回転している。次に、基本波がＰＰ２領域を透過する際に、ＳＨ波が生成される。ＰＰ２領域で生成されたこのＳＨ波の位相は、ＰＭ１領域において位相変調φ_１を受けた基本波のそれと同じであるため、図６の矢印（ｂ）で表される。

引き続いて、ＰＭ１領域において大きさφ_１の位相変調を受けた基本波は、さらにＰＭ２領域を透過する際に大きさφ_２の位相変調を受ける。つまり、基準から測って、合計φ_１＋φ_２の位相変調を受けたことになる。その結果、ＰＭ２領域透過後の基本波の位相は、基準からφ_１＋φ_２だけ反時計回りに回転している。次に、基本波がＰＰ３領域を透過する際に、ＳＨ波が生成される。ＰＰ３領域で生成されたこのＳＨ波の位相は、元になった基本波のそれと同じであるため、図６の矢印（ｃ）で表される。

前述したように、ＰＰ１領域で生成されたＳＨ波が、ＰＭ１領域を透過する際の位相変調は小さいため、図６の矢印（ａ）のままである。したがって、光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の位相は、ＰＰ１領域において生成されたＳＨ波（矢印（ａ））と、ＰＰ２領域において生成されたＳＨ波（矢印（ｂ））、さらにはＰＰ３領域において生成されたＳＨ波（矢印（ｃ））との合成である。つまり、矢印（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のベクトルとしての足し算の結果が、光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の位相である。

図６においては、矢印（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の合成の結果が０になるように示した。これは、光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の出力が０であることを意味する。この図のように、常に３つの矢印の合成の結果が０になる訳ではないが、３つの矢印の長さが３角形を形成するための条件（１辺の長さが、他の２辺の長さの和よりも小さい）を満たす場合には、合成の結果を０にできるφ_１およびφ_２の組が必ず存在する。逆に言えば、ＰＭ１およびＰＭ２領域において印加する電圧を制御することで、合成の結果を０にする、つまり、光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の出力を０にすることができる。

例えば、補正部として加えられたＰＭ２領域には、光変調信号が最小レベルのとき、つまり、本実施例でいえば青または緑色のＳＨ波の出力を最小にしたいとき、光強度出力がゼロレベルとなる補正電圧が供給されるように構成すればよい。

以上説明したように、本実施形態においては、実施形態１の構造に加え、さらに周期的分極反転部と非分極部とをそれぞれ１つずつ備える構造となっている。そのため、本実施形態によれば、光導波路４への印加電圧の大きさを制御することで、光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の強度を制御できるだけでなく、容易に光強度変調素子２０から射出されるＳＨ波の出力を０にすることが可能となる。

［実施形態３］
前述の実施形態１および２における光強度変調素子１０、２０は、周期的分極反転部と非分極部とを備え、非分極部において印加される電圧で位相変調、つまりＳＨ波の強度変調を可能とする構成となっている。本実施形態においては、この光強度変調素子１０、２０を備えたレーザ光源、つまり強度変調光発生器について説明する。この強度変調光発生器は、図２に示したレーザ露光装置におけるレーザ光源１０６（または１０８）、コリメータレンズ１１０および光強度変調素子１１２Ｇ（または１１２Ｂ）を合わせた機能を有するものである。

図７は、本発明にかかる強度変調光発生器Ｌの一実施形態を示す斜視図である。レーザ装置Ｌは、半導体レーザ３６を有するレーザ発生部３０と、レーザ発生部３０が発したレーザ光を所定の強度に変換して出力する光強度変調素子２０とを備える。さらに、レーザ発生部３０と光強度変調素子２０とは、接合部４０を介して接合されている。

レーザ発生部３０は、所定の波長のレーザ光を発生する半導体レーザ３６と、半導体レーザ３６を支持する支持部材３４と、さらに支持部材３４が載置固定される略直方体形状のベース部材３２とからなる。半導体レーザ３６は、通常金属製の筐体（図示は省略）内に収納され、この筐体の底面に前記ベース部材３２が取り付けられる。ベース部材３２は、半導体レーザ３６の温度調整などを行い、発生するレーザ光の出力波長を安定させる役目をなし、例えばペルチェ素子等により構成される。

上記半導体レーザ３６としては、例えばダブルへテロ構造、量子井戸構造を有する、ＡｌＧａＡｓレーザあるいはＩｎＧａＡｓＰレーザなどの半導体発光素子を用いることができる。また半導体レーザ３６の発振波長としては、光強度変調素子２０にて第２高調波に変換する場合、例えば波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を得る場合は１０６４ｎｍの赤外領域のレーザ光を発するものが、波長４７３ｎｍの青色レーザ光を得る場合は９４６ｎｍの赤外領域のレーザ光を発するものが選択される。また、半導体レーザ３６は、赤外光を出力する、半導体チップの形態であることが好ましい。

光強度変調素子２０は、周期的に分極反転層を形成した非線形光学結晶に、レーザ光を透過するための光導波路４を形成して構成されている。この光強度変調素子２０は、支持部材５４上に取り付けられており、さらに光強度変調素子２０の温度調整を行うための、例えばペルチェ素子により構成される略直方体状のベース部材５２にて保持されている。

レーザ発生部３０が発生するレーザ光は、光ファイバ４２により光強度変調素子２０へ導かれる。具体的には、光ファイバ４２の一端が半導体レーザ３６の射出部に光学的に結合され、光ファイバ４２の他端が光強度変調素子２０が備える光導波路４の入射部４４に光学的に結合される。なお光ファイバ４２としては、通常の光ファイバを用いても良いが、グレーティングファイバを用いることが望ましい。グレーティングファイバは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変調を形成したもので、特定波長の光のみを反射することで一種の共振器ミラーの働きをなし、当該特定波長の光を共振させて、その光強度を高めた上で出力させる機能を果たす。

このようなグレーティングファイバをレーザ発生部３０と光強度変調素子２０とを接続する光ファイバとして用いれば、例えば半導体レーザ３６が発する１０６４ｎｍ或いは９４６ｎｍのレーザ光のみが共振作用により強い光で安定して出力され、一方それ以外の波長成分を有するレーザ光はかかる共振作用を受けることなくそのまま出力されるよう構成することが可能になり、半導体レーザ３６のレーザ出力が安定するので好ましい。つまり、ファイバーグレーティングを用いることで、発振波長とは異なる波長の光が、半導体レーザ３６に戻ってくることが防止されるため、レーザ発振が安定する。なお、ファイバーグレーティングは、一般的には、石英系単一モードファイバーにエキシマレーザ紫外光を照射することで製造することができる。

以下、図７を用いてレーザ装置Ｌの動作について説明する。半導体レーザ３６は、図示省略の駆動回路から駆動電流が与えられると、所定の波長のレーザ光（例えば１０６４ｎｍのレーザ光）を発生する。この際、半導体レーザ３６は発熱を伴うことになるが、ペルチェ素子などからなるベース部材３２により温度調節がなされ、一定温度に保たれて出力波長の安定化が図られる。

半導体レーザ３６が発したレーザ光は、光ファイバ４２の一端側に光学レンズ系を用いるなどして入射され、光ファイバ４２により、光強度変調素子２０の光導波路４の入射側端面（入射部４４）へ導かれる。ここで、光ファイバ４２と光導波路４の入射側端面とを接続するためには、例えば、光を透過させることのできる紫外線硬化型の接着剤が用いられる。そしてレーザ光は、光強度変調素子２０において、分極反転層（ＰＰ１、ＰＰ２およびＰＰ３領域）の周期に応じて波長変換される。例えば、第２高調波が発生できるよう分極反転周期が設定されていたならば、半導体レーザ３６から波長１０６４ｎｍのレーザ光が入射された場合、光導波路４を通過することで、波長が１／２である５３２ｎｍの緑色のレーザ光に変換されることになる。もし、入射レーザ光が波長９４６ｎｍのレーザ光ならば、波長が１／２である４７３ｎｍの青色のレーザ光に変換される。

以上説明したように、本発明に係る強度変調光発生器は、従来の光強度変調素子であるＡＯＭなどに比べ小型でありながら、印加電圧によって簡易に光強度を変調させることができる。そのため、本発明に係る強度変調光発生器を備えたレーザ露光装置は、一層の小型化が可能となる。

以下、本発明に係る光強度変調素子の具体的な実施例について説明する。

図８は、本発明に係る補正部を備える光強度変調素子の一実施例における構成図である。光強度変調素子６０には、矩形の基板６１のほぼ中央部分に直線的に、レーザ光を導波するための光導波路６４が形成されている。そして、この光導波路６４を挟む形で、位相変調用電極パッド６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂが設けられている。

基板６１は、非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ：リチウムナイオベート）からなる。本実施例においては、その大きさは、レーザ光透過方向（図８における横方向、つまり基板の長手方向）が１５．４８３９ｍｍ、それに垂直な方向（図８における縦方向）が３．０ｍｍである。

光導波路６４は、レーザ光を透過させるためのものであり、基板６１内に直線上に形成されている。この光導波路６４は、前述のプロトン交換法により作製し、その幅はおよそ５μｍである。また、光導波路６４には、周期的分極反転部と、非分極部とが交互に配列形成されている。以下、レーザ光の基本波入射側である、図８の左側から順に、周期的分極反転部をＰＰ１、ＰＰ２およびＰＰ３領域、および非分極部をＰＭ１およびＰＭ２領域と呼ぶことにする。それぞれの領域の（図８の横方向における）長さは、ＰＰ１、ＰＭ１、ＰＰ２、ＰＭ２、ＰＰ３領域の順に、４．９９５６ｍｍ、３．４９７５ｍｍ、４．９９５６ｍｍ、０．９９７ｍｍ、０．９９８２ｍｍである。

また、周期的分極反転部（ＰＰ１、ＰＰ２およびＰＰ３領域）は、プロトン交換法により形成した。その分極構造の長さは、２．３μｍである。つまり、波長変換部としての周期的分極反転部の光導波路方向の長さは、分極構造の光導波路方向の長さの整数倍に設定されている。具体的には、ＰＰ１およびＰＰ２領域の長さは各分極構造の長さ（図３（ｂ）のｌｃ）の２１７２倍、そしてＰＰ３領域の長さは分極構造の長さの４３４倍である。

位相変調用電極パッド６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂは、基板６１の上面（主面）に設けられ、図略の電気回路に接合されている。ここで、位相変調用電極パッド６２ａ、６３ａの電位は０Ｖであり、いわゆるグランド（Ｇ）を構成している。したがって、ＰＭ１およびＰＭ２領域においては、位相変調用電極パッド６２ｂおよび６３ｂの電位が、光導波路６４に印加される電圧となる。つまり、位相変調用電極パッド６２ｂの電位がＰＭ１領域に印加される電圧（以下、Ｖ_１とする。）であり、位相変調用電極パッド６３ｂの電位がＰＭ２領域に印加される電圧（以下、Ｖ_２とする。）である。

この位相変調用電極パッド６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂは、スパッタリングとフォトリソグラフィー技術により作製した。また、この位相変調用電極パッド６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂの大きさは、縦横とも０．５ｍｍである。そして、ＰＭ１およびＰＭ２領域における、光導波路６４に垂直な方向（図８の縦方向）の電極線の幅は、位相変調用電極パッド６２ａと繋がったＧ側、および位相変調用電極パッド６２ｂと繋がった＋側ともに２０μｍである。さらに、図８の縦方向における、これら電極線の間隔も２０μｍである。

図８に示したように、本実施例では、ＰＭ１およびＰＭ２領域においては、光導波路６４の幅方向のほぼ半分に位相変調用電極パッド６２ｂ、６３ｂと繋がった＋側の電極線を重ねる構成としている。そして、位相変調用電極パッド６２ａ、６３ａと繋がったＧ側の電極線は、光導波路６４から、およそ２０μｍ離れた位置に形成している。この構成により、光導波路６４のＰＭ１およびＰＭ２領域においては、基板６１の上面（主面）の法線方向の電界が発生し、光導波路６４を構成するＬｉＮｂＯ_３の屈折率が変化する。

以上のような構成の光強度変調素子６０を用い、図７に示した強度変調光発生器を構成した。レーザ光源３６としては、波長９４０ｎｍのレーザ光を射出するものを用い、このレーザ光源３６と光強度変調素子６０とが光ファイバ４２を介して接合されている。また、強度変調光発生器において、レーザ光源３６から射出された光がすべてＳＨ波（第２高調波）に変換される訳ではないので、レーザ光源３６からの赤外光を取り除くために、光強度変調素子６０から射出された光は、図略のＩＲ（赤外光）カットフィルタを通過する構成としている。

このような構成の強度変調光発生器において、ＳＨＧの測定を行った結果を図９に示す。図９は、本発明に係る強度変調光発生器の一実施例における、電圧Ｖ_１に対するＳＨＧ出力（可視光出力）を表すグラフである。横軸は、位相変調用電極パッド６２ａと６２ｂ間に印加される電圧、つまりＰＭ１領域に印加される電圧Ｖ_１である。この電圧Ｖ_１は、例えば強度変調光発生器がレーザ露光装置に組み込まれたときなどは、画像データの濃度レベルに応じた光強度変調信号に基づき与えられるものである。また、ＰＭ２領域に印加される電圧Ｖ_２は、Ｖ_２＝１０Ｖに固定している。縦軸は、ＳＨＧの結果として強度変調光発生器から射出される、波長４７０ｎｍの可視光の出力を表している。ただし、この縦軸の値は、可視光出力の最大値で規格化してある、つまり相対値である。

また、基板６１を構成しているＬｉＮｂＯ_３をはじめ、通常の非線形光学材料には、入射光をＳＨＧに変換する際の効率に温度依存性がある。そのため、非線形光学材料の温度を最適に保つことは、高い出力を得るための重要な要素である。本測定を行ったときの光強度変調素子６０の温度は、５５．２℃である。これは、強度変調光発生器から射出される可視光出力が最大になる温度である。

得られた可視光出力は、電圧Ｖ_１を変えることによって、滑らかに変化している。その値は、Ｖ_１＝−１２Ｖ付近でほぼ０となり、電圧Ｖ_１を上げていくに伴い増加し、Ｖ_１＝１７Ｖ付近で最大となる。これら最大出力と最小出力の値は、それぞれ３００μＷおよび０．３μＷであり、消光比は１／１０００となる。

本実施例においては、レーザ光源として波長９４０ｎｍのものを用い、波長４７０ｎｍの青色の可視光出力を得ている。しかし、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、波長１０６４ｎｍのレーザ光源を用いれば、波長５３２ｎｍの緑色の可視光出力が得られる。つまり、本発明によれば、望む可視光の２倍の波長を持つレーザ光源を用い、それに合わせた分極反転周期を持つ光強度変調素子を作製すればよいので、小型で、出力変調可能なＳＨＧレーザを実現できる。

以上説明したように、本実施例に係る光強度変調素子を備えた強度変調光発生器では、出力可変で大きな消光比を備えるとともに、印加電圧によって滑らかにＳＨＧ出力を制御することができる。しかも、強度変調用に従来から用いられているＡＯＭを必要としないため、光強度変調素子の全長を短くできる。また、マッハツェンダー型などに比べ、総合的ロスが小さいという利点も有する。これらにより、本発明に係る強度変調光発生器を備えたレーザ露光装置、さらにはそのレーザ露光装置を備えた写真処理装置は、コンパクトでありながら、出力可変が容易であるという特徴を有する。

［その他の実施形態］
本実施形態においては、光導波部４として、非線形光学結晶を用いるとして説明を行ったが、非線形有機高分子などを用いてもよい。

また、光強度変調素子上の電極は、光導波路に対して電界を付与できればどのような態様でも良く、光導波路を一対の電極（例えば、図３（ａ）における２ａと２ｂ）で挟む形態に限定されるものではない。

さらに、非線形光学結晶としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）の他に、ＭgＯドープＬｉＮｂＯ₃（ＭgＯ：ＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃（ＬＴ）、ＫＴｉＯＰｏＯ₄（ＫＴＰ）、ＲｂＴｉＯＡｓＯ₄、ＲｂＴｉＯＰＯ₄などを用いることもできる。

また、本実施形態においては、導波路をプロトン交換法により作製したが、本発明はそれに限定されず、他の作製方法であっても構わない。例えば、Ｔｉ拡散法あるいはＬｉ外拡散法などにより作製してもよい。

本実施形態においては、光強度変調素子を、写真処理装置のレーザ露光装置における光源として用いる場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カラーレーザプリンタやカラー複写機、または光ディスク装置などの各種装置の光源として好適に用いることができる。

本発明に係る強度変調光発生器を備えた写真処理装置の外観斜視図である。 本発明に係る強度変調光発生器を備えたレーザ露光装置の内部構成を示す斜視図である。 （ａ）は本発明に係る光強度変調素子の一実施形態を示す模式図である。（ｂ）は本発明に係る光強度変調素子の一実施形態における分極構造を示すための縦断面図である。 本発明に係る光強度変調素子の一実施形態における、ＳＨ波の位相の関係を示す模式図である。 本発明に係る補正部を備える光強度変調素子の一実施形態を示す模式図である。 本発明に係る補正部を備える光強度変調素子の一実施形態における、ＳＨ波の位相の関係を示す模式図である。 本発明に係る強度変調光発生器において、半導体レーザと光強度変調素子とをファイバーブラッググレーティングで直接接続した場合の模式図である。 本発明に係る補正部を備える光強度変調素子の一実施例における構成図である。 本発明に係る強度変調光発生器の一実施例における、電圧Ｖ_１に対するＳＨＧ出力を表すグラフである。

符号の説明

１、６１ 基板
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ 位相変調用電極
４、６４ 光導波路
１０、２０、６０ 光強度変調素子
ＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３ 周期的分極反転部
ＰＭ１、ＰＭ２ 非分極部

Claims (16)

1. 非線形光学結晶からなる基板の主面に一方向への光導波路が形成されるとともに、前記光導波路において前記基板の厚み方向への分極構造が前記光導波路方向に周期的にかつ交互に逆極性に形成されてなり、かつ前記光導波路へ入射された赤外光の一部を第２高調波に変換する第１、第２の波長変換部がそれぞれ形成され、さらに前記第１、第２の波長変換部の間に前記光導波路を挟んで対向配置された一対の電極を有する第１の位相調整部が形成されていることを特徴とする光強度変調素子。
2. 各分極構造の前記光導波路方向の長さが、前記赤外光の波長に基づいて決められることを特徴とする請求項１記載の光強度変調素子。
3. 各分極構造の前記光導波路方向の長さが、変換された前記第２高調波の振幅の合成成分が最大となる長さに設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光強度変調素子。
4. 各波長変換部の前記光導波路方向の長さが、前記分極構造の前記光導波路方向の長さの整数倍に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光強度変調素子。
5. 前記一対の電極を介して、前記第１の位相調整部に光強度変調信号に基づく電圧が印加されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光強度変調素子。
6. 第２高調波は、可視光領域における青色の波長を有するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光強度変調素子。
7. 第２高調波は、可視光領域における緑色の波長を有するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光強度変調素子。
8. 非線形光学結晶は、リチウムナイオベートであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光強度変調素子。
9. 第２高調波は、可視光領域における青色の波長を有するものであり、前記各分極構造は前記光導波路方向の長さが２．３マイクロメートルであることを特徴とする請求項８記載の光強度変調素子。
10. 第２高調波は、可視光領域における緑色の波長を有するものであり、前記各分極構造は前記光導波路方向の長さが３．２マイクロメートルであることを特徴とする請求項８記載の光強度変調素子。
11. 光導波路方向であって、前記第２の波長変換部に隣接して、前記光導波路を挟んで対向配置された一対の電極を有する第２の位相調整部と、前記光導波路において前記基板の厚み方向への分極構造が前記光導波路方向に周期的にかつ交互に逆極性に形成されてなり、かつ前記光導波路へ入射された赤外光の一部を第２高調波に変換する第３の波長変換部とが形成されてなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光強度変調素子。
12. 第２の位相調整部に、光強度変調信号が最小レベルのときに光強度出力がゼロレベルとなる補正電圧が供給されることを特徴とする請求項１１記載の光強度変調素子。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の光強度変調素子と、前記第１の波長変換部の光導波路に赤外光を射出するレーザ光源とを備えたことを特徴とする強度変調光発生器。
14. レーザ光源と光強度変調素子とをファイバーグレーティングで接続したことを特徴とする請求項１３記載の強度変調光発生器。
15. 請求項１３または１４に記載の強度変調光発生器を感光用のレーザ光源として備えることを特徴とするレーザ露光装置。
16. 画像データの濃度レベルに応じた光強度変調信号に基づく電圧が前記位相調整部に供給されることで光強度出力が変調される請求項１５に記載のレーザ露光装置と、前記レーザ露光装置から射出されたレーザ光を写真感光材に導く光学系と、を備えることを特徴とする写真処理装置。

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