JP2006106804A - 光波長変換素子および短波長光発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】c板のLiTaO3基板と、前記基板に形成した周期状の分極反転層を有し、分極反転層の周期Λと、前記基板の厚みTが、T<Λ/0.01の関係を満足する光波長変換素子。
【選択図】図3
Description
電子情報通信学会論文誌、金高健二 他、C-I、vol.J78-C-I, No.5 pp.238-245 電気情報通信学会論文誌、佐藤学 他、C−I,vol.J78-C-I,No.8,pp.366-372
T<Λ/0.01
の関係を満足する光波長変換素子である。
・分極反転を大面積に渡り形成する際に、電極下に分極反転が均一に形成できない。
等の問題が生じた。そこでこれらの問題を解決する方法について検討した結果について述べる。
最初に、従来例に示されている方法によるLiTaO3の分極反転を試みた。図1に分極反転方法を示す。(a)c板のLiTaO3基板の+C面に電極パターン(電極の面積A)を形成し、(b)-C面に平面電極を形成した。(c)±C面の電極間にパルス状の電圧を印加して分極の反転を行った。電圧はLiTaO3の反転電圧(約21kV/mm)で、パルス幅を制御することで電極間に流れる電荷量を制御した。ところが、LiTaO3の自発分極Ps(50μC/cm2)から計算した分極反転に必要な電荷量2Ps・Aを印加すると、図2(a)に示すように、電極下に形成された分極反転は分極が反転しない非反転部分が多数形成された。またこの傾向は基板が厚くなるほど顕著に現れた。
△Wmin=0.002×T−0.2 (μm) (1)
の関係があることが判明した。
Q>2Ps(A+L・ΔWmin) (2)
の形で与えられることが明らかになった。
次に、微細な分極反転形状を必要とする光波長変換素子に利用される周期状分極反転構造の形成について検討した。光波長変換素子は半導体レーザ光を波長変換することで光の波長を半分に変換することができる。また半導体レーザと光波長変換素子を一体化することで小型の短波長光源が実現でき、光ディスク、特殊計測、医用、バイオ等の多くの分野への応用が可能となる。現在、市販されている短波長の半導体レーザの波長は、800〜900nm、780nm近傍、630〜690nmである。それぞれの波長に対する周期はΛ=3〜4μm(波長:800〜900nm)、Λ=2.8μm近傍(波長:780nm)、Λ=1.5〜1.8μm(波長:630〜680nm)となっている。このような微細な反転形状を形成するには、反転の面内均一性を一層向上させる処理が必要となる。我々は、短周期分極反転を均一に形成する方法として、絶縁膜装荷の方法を提案した。図5にその製造方法を示す。(a)c板のLiTaO3基板の+C面に周期状の櫛形電極パターン(電極の面積A、電極指は長さLd、幅W、周期Λで距離Ls)を形成し、(b)-C面に平面電極を形成した。(d)+C面の電極パターンを絶縁膜(ここではSiO2を200nm堆積した)で被う。(e)±C面の電極間にパルス状の電圧を印加して分極の反転を行う。絶縁膜を用いないと分極反転が均一に形成される面積は10mm2以下になってしまい。変換効率の向上が難しいという問題があった。ところが、絶縁膜を用いることで分極反転を形成する領域が30mm2以上に拡大した。しかし、この場合でも、分極反転を均一に形成するには、(実施の形態1)に示した電極周辺部への分極反転部の拡大が必要があった。即ち、分極反転を均一に形成するには、図3に示したΔWmin以上の分極反転の拡大を必要とした。光波長変換素子に用いられる周期状の分極反転構造は、変換効率が最大になる最適な構造としてデューティ比(分極反転幅W/分極反転周期Λ)を50%程度に制御する必要がある。従って、電極周辺部への分極反転部の拡大を考慮すると、周期状の電極を構成する電極指の幅Wは、
W<Λ/2−2ΔWmin (3)
にしなければならない。
Q>2Ps・(W+2ΔWmin)Ld・Ls/Λ (4)
で求められる。
T<Λ/0.01 (5)
となる。
ここでは、耐光損傷特性に優れた光波長変換素子を製造する方法について述べる。波長400nm程度の青色光から紫外光にかけて高出力のSHG光を発生する場合問題となるのが、光損傷である。例えば、波長430nmのSHG光を発生する場合、出力が1mW程度以上になると、SHG出力のビーム形状が歪な形状となった。これは、光損傷により結晶の屈折率が部分的に変化しSHG光のビーム形状に影響を与えたためである。より短い波長では、さらに低いSHG出力に対し同様の光損傷が観測された。光損傷の原因として、高圧の電界印加により分極反転を行った際に基板内に蓄積される電荷が影響していると考察された。そこで、基板内の蓄積電荷を解放する方法としてプラズマ処理による方法を試みた。Arと酸素雰囲気中でプラズマを発生させ、基板にプラズマを照射した。プラズマを20分程度照射したところ、蓄積電荷が減少し、約1.5倍の耐光損傷強度を示した。さらに、耐光損傷強度を高めるため、基板を加熱しながら、プラズマを照射した。100℃いかでは、室温での効果とあまり大差が無かったが。100℃以上になると耐光損傷強度が徐々に高まってきた。250℃程度で最大となり、プラズマを照射しない場合の5倍の耐光損傷強度を示した。基板温度が300℃を越えると、SHG変換効率の低下が見られ、光波長変換素子の特性劣化が観測された。これは、高温のプラズマ照射が分極反転構造に何らかの影響を与えるためと考えられる。
ここでは、耐光損傷性に優れ、かつ導波損失の小さなバルク型SHG素子の製造方法について述べる。
・金属膜を光波長変換素子表面に堆積することにより、素子の温度均一性を図ると共に、焦電効果を防止する構造。
である。以下の実施の形態において、それぞれの光波長変換素子の特性について述べる。
ここでは、バルク型光波長変換素子に金属膜を付加することで焦電効果の低減を図った結果について説明する。
ここでは、分極反転の周期構造を変えることにより耐光損傷性の向上を図った結果について述べる。
ここでは、分極反転構造を変えることによる光波長変換素子の波長許容度の拡大について述べる。
ここでは、分極反転構造を積層化することによる変換効率の向上並びに出力の安定化を図った結果について述べる。
ここでは周期状分極反転構造を用いた、第3または第4高調波発生用のバルク型の光波長変換素子について述べる。
Λ1=λ/2/(N2−N1)
セグメントBでは、
Λ2=λ/(3N3−N1−2N2)
となっている。但し、λは基本波の波長、N1は波長λの光に対する前記結晶の屈折率、N2は波長λ/2の光に対する前記結晶の屈折率、N3は波長λ/3の光に対する前記結晶の屈折率である。
Λ1=λ/2(N2−N1)
であり、セグメントBでは、
Λ2=λ/4(N4−N2)
である。ただし、λは基本波の波長、N1は波長λの光に対する前記結晶の屈折率、N2は波長λ/2の光に対する前記結晶の屈折率、N4は波長λ/4の光に対する前記結晶の屈折率である。
ここでは、上述した実施の形態の光波長変換素子を用いた短波長光源について述べる。
4 分極反転層
5 Al膜
6 基本光
7 SHG
8 第1のLiTaO3基板
9 第2のLiTaO3基板
11 SiO2
12 レーザ
13 集光光学系
14 光波長変換素子
15 微動台
16 高調波
17 櫛形電極
18 平面電極
19 絶縁膜
20 電極
21 分極反転部
22 非反転部分
23 LiNbO3基板
24 櫛形電極
25 平面電極
Claims (14)
- c板のLiTaO3基板と、
前記基板に形成した周期状の分極反転層を有し、
分極反転層の周期Λと、前記基板の厚みTが、
T<Λ/0.01
の関係を満足する光波長変換素子。 - 前記分極反転周期が2μm以下である請求項1記載の光波長変換素子。
- 非線形光学効果を有する結晶と、
前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、
前記結晶の端面に形成された入射面と、
前記結晶の他の端面に形成された出射面と、
前記結晶の表面または裏面の少なくとも一部に形成した金属膜を有する光波長変換素子。 - 非線形光学効果を有する結晶と、
前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、
前記結晶の端面に形成された入射面と、
前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、
前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基本波の伝搬方向と平行な方向に2つ以上の領域に分割されており、
かつ前記領域における前記分極反転の位相が互いに異なっている光波長変換素子。 - 非線形光学効果を有する結晶と、
前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、
前記結晶の端面に形成された入射面と、
前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、
前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基本波の伝搬方向と平行な方向に2つ以上の領域に分割されており、
かつ前記領域における前記分極反転の周期が互いに異なっている光波長変換素子。 - 非線形光学効果を有する結晶を2つ以上備え、
各々の結晶が内部に形成された周期状の分極反転層と、
端面に形成された入射面と、
他の端面に形成された出射面とを有し、
かつ前記結晶が互いに光学的に接触している光波長変換素子。 - 前記強誘電体結晶が接着剤を介して接着されており、
前記接着剤の屈折率が前記強誘電体の屈折率とほぼ等しい請求項6記載の光波長変換素子。 - 前記入射面から入射された基本波の進行方向に対する各々の結晶の分極反転層の周期Λ1、Λ2、・・と、前記分極反転層の周期の平均値Λavとの差ΔΛn(n=1、2、3・・)が、Λav/L>ΔΛn(n=1、2、3・・、Lは相互作用長)の関係を満足している請求項6または7に記載の光波長変換素子。
- 非線形光学効果を有する結晶と、
前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、
前記結晶の端面に形成された入射面と、
前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、
前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基本波の伝搬方向に2つ以上の領域に分割されており、
かつ前記領域における前記分極反転の周期が互いに異なっている光波長変換素子。 - 請求項3、4、5、6、9のいずれか一項に記載の光波長変換素子と、
集光光学系と、
レーザとを備え、
前記レーザから出射した光が、前記光学系により前記光波長変換素子内に集光されて前記光波長変換素子により波長変換されている短波長光発生装置。 - 請求項2記載の光波長変換素子と、
集光光学系と、
波長600〜700nm帯の半導体レーザとを備え、
前記レーザから出射した光が、前記光学系により前記光波長変換素子内に集光されて前記光波長変換素子により波長変換されている短波長光発生装置。 - 前記レーザがパルス駆動されている請求項10または11に記載の短波長光発生装置。
- 微動台を備え、
前記光波長変換素子が前記微動台に固定されており、
前記集光光学系により前記レーザから出た光が光波長変換素子内部に集光されており、
かつ前記レーザ光に対する前記結晶の位置が前記微動台により変動している請求項11または12に記載の短波長光発生装置。 - 回転微動台を備え、
前記光波長変換素子が前記回転微動台に固定されており、
前記集光光学系により前記レーザから出た光が光波長変換素子内部に集光されており、
かつ前記回転台により前記レーザ光に対する前記結晶の位相整合条件を制御している請求項11または12に記載の短波長光発生装置。
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