JP2008268547A - レーザー装置、波長変換素子、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周期分極反転構造を有する波長変換素子において、その有効幅の広い素子を実現する構造、製造方法、および幅の広い素子を用いた高出力レーザー装置を提供すること。
【解決手段】必要な分極反転領域幅に対して、その領域幅より狭い複数の電極幅に分割した分極反転領域を構築できるように、強誘電体基板に対抗する電極構造を作成し、両電極間に電界を印加することにより分極反転領域を形成する。その際、幅方向に隣接する電極を介して発生したそれぞれの分極反転領域が、幅方向に接合させないことにより、従来生じていた長さ方向における隣接する分極反転領域との接合を抑制する。この方法により、全体に均一で且つ有効幅の広い波長変換素子を実現させる。さらに、前記素子を用いることにより、高出力レーザー装置を実現する。
【選択図】図1

Description

本発明は、特定の領域（ドメイン）毎に自発分極の方向を反転させた構造を有する非線形光学結晶を用いた波長変換素子、製造方法および前記波長変換素子を用いたレーザー装置に関するものである。

強誘電体結晶（特に、非線形光学結晶）の自発分極の方向を特定の領域毎に反転させることによって、種々の波長変換素子として利用し得ることが知られている（例えば、特許文献１）。
自発分極の方向を、特定の領域毎に、特定の周期をもって反転させた構造が、周期的分極反転構造（以下、分極反転構造）であり、その周期的分極反転構造を局所的または全体的に付与された非線形光学結晶が分極反転構造を結晶である。

分極反転結晶は、その分極反転構造の周期を変えることにより、第２高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）、光パラメトリック発振（Optical Parametric Oscillator：ＯＰＯ）、差周波発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）、和周波発生(Sum Frequency Generation：ＳＦＧ)など、種々の波長変換素子として用いることができる。従って、分極反転結晶を用いた波長変換素子は、可視領域のみならず紫外から赤外領域まで幅広い波長変換が実現可能なため、光通信、光情報処理、ガス検知などの分野への応用が研究されている。

図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ分極反転結晶の例を示しており、分極方向を反転させた反転領域Ｅ２０と、もとの結晶の分極方向のままの非反転領域Ｅ１０とが、所定の周期にてストライプ状に交互に並ぶように結晶基板１１０中に形成されている。
図１２（ａ）では、非線形光学結晶基板（以下、「結晶基板」）１１０の表層に分極反転構造が形成され、さらに該構造を横断するように導波路１２０が形成されている。また、図１２（ｂ）では、結晶基板１１０全体に分極反転構造が形成されており、光路が限定されないいわゆるバルク型となっている。
波長変換すべき入力光Ｒ１０が非反転領域と反転領域とを交互に通過すると、結晶の非線形光学効果および分極反転構造の擬似位相整合によって、波長変換された出力光Ｒ２０が発生し出射される。

従来の分極反転結晶の応用例においては、前記図１２（a）に示される導波路形状の場合、分極反転構造の幅W厚さTはともにせいぜい３０から５０μm以下程度である。前記図１２（ｂ）に示すバルク形の場合、厚さT、幅Wともに０．３mm以上を必要とする。さらに、高出力を発生させるためには、結晶の破壊閾値を越えないように入力光の単位面積当たりの密度を低減する必要がある。そのため、高出力用のバルク型の波長変換素子の場合、幅Wまたは厚さTが５００μmm以上、さらには１mm以上のものが望ましい。

前記高出力用のレーザー装置の一例としては、特許文献２が挙げられる。特許文献２では図１３に示すように、複数のレーザー光源５００をアレイ状に並べ、幅の広い波長変換素子５１０に対して、幅の広い扁平な入力光Ｒ１１を入射し、それぞれのレーザー光を波長変換し、出力光Ｒ２１のパワーとして高出力が得られる。

従来の分極反転結晶の製造方法としては、次の（ｉ）〜（ii）のものが挙げられるが、それぞれに問題を有している。以下、単に「反転」というときは、分極方向の反転を意味する。

（ｉ）特許文献３、４に記載された方法では、図１４に示すとおり、結晶基板（Ｚ板）１１０の一方の板面（同図の基板上面；＋Ｚ面）に、反転すべき領域（反転予定領域）だけが露出するよう絶縁体からなるレジストパターン２２０を形成し、その上を金属電極材料からなる電極層２３０で一様に覆う。これによって、反転予定領域にのみ電極層２３０が接触し（以下、この接触している部分の電極を「上部電極」という）、反転用の電極として作用する。同図の例では、電極層２３０上にさらに液状電極２４０を接触させており、これによって、電極層２３０には、全面にわたって均一な電圧を印加させることが可能になっている。

結晶基板１１０の他方の板面（−Ｚ面）には、液状電極（液状電解質）３１０が全面に接触している。液状電極を接触させるための容器などは図示を省略している。両電極は、それぞれ、反転電圧印加用の電源装置Ｓ１０（図示せず）に接続されており、両電極間に分極反転電圧が印加（＋Ｚ面に＋電位、−Ｚ面に−電位を与える）されて、自発分極の方向が反転し、分極反転結晶が得られる。図１４では、分極反転電圧によって生じる電界を矢印で示している。

しかしながらこのような方法では、反転予定領域全面にわたって電極を接触させているために、該領域が帯状の場合、電極のエッジ部（端部）に電界が集中するため（エッジ効果）、先ず帯状領域の両端から反転が起こり、次いで両端から中間部分へと反転が進行し、最後には帯状領域全体が反転する。

従って、結晶基板上の広い領域にストライプ状の反転構造を形成する場合には、長い帯状領域の両端から中央部へと反転部分が成長することになるため、各帯状領域毎に反転が完了する時間が異なる。また、図１５に示すように、各帯状領域１２１において実際に反転する領域１３１は、周期方向（帯状領域の長手方向に対して垂直にストライプを横切る方向）にも広がっていく。そのため、帯状領域全体が反転するまでの間に、最初に反転した両端部分が帯状領域１２１から外へ広がり、反転構造が不均一になってしまう。

（ii）特許文献５の方法では、図１６に示すように前記帯状の電極１２２の形状を櫛形状に作製し、電界を印加することにより分極反転構造を作製する方法である。この方法の場合でも、先の例（ｉ）と同様に、櫛形電極の先端部に電界が集中し、先端部で早く分極反転領域１３２が広がってしまう。そのため、櫛の長さを長くすると、巾の広い分極反転形状が得られる前に、櫛の先端部の反転領域が隣接する領域と癒着してしまい、幅の広い分極反転領域を作製することが難しい。

以上のように、前記特許文献に示されるように、分極反転の領域は電極エッジ部に集中し、電極エッジ部から分極反転が進行し、電極櫛部に広がる。そのため、最初に反転した電極エッジ部での電極のふくらみが大きくなり、隣のパターンと接合しやすいと説明されている。そのため、幅Wの広い分極反転領域を作製することは困難であった。
特開平６−１１００９５号公報 米国特許第５８００７６７号公報 米国特許ＵＳ２００６／０１１５６１号公報 米国特許第５１９３０２３号公報 特開２００５−７０１９５号公報

本発明の課題は、周期分極反転構造を有する波長変換素子において、その有効幅の広い素子を実現する構造、および電界印加法による同構造の製造方法を提供することにある。さらに、本構造により、高出力のレーザー装置を実現することにある。

本発明は、上記問題を解決し、周期分極反転構造を有する波長変換素子において、その有効幅の広い素子を実現する構造、および前期構造を用いたレーザー装置を提供し、さらに電界印加法による前記構造の製造方法を提供することにある。

本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、周期をPとし、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとしたときのｊ方向の波長変換素子として有効な分極反転領域の幅Wとするとき、ｊ方向に対して以下の条件（A）を満たす幅Wｘを有する複数の分極反転領域により有効な分極反転領域の幅Ｗを構成することを特徴とする周期分極反転構造を有する波長変換素子。
（Ａ）幅Ｗｘと周期Ｐの比Wｘ／Pの値が３以上１００未満、さらには４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｘ。
（２）前記（１）で示される周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、ｊ方向に対して隣接する分極反転領域との距離をｇとするとき、ｇが１０μｍ以下であること、さらにはｇが１μｍ以上を特徴とする波長変換素子。
（３）前記幅Wが５００μm以上であることを特徴とする前記（１）および（２）に示す波長変換素子。
（４）前記（１）から（３）に示す周期分極反転構造を有する波長変換素子を用いたレーザー装置。
（５）強誘電体基板の一方を全面電極、もう一方の面に下記（B）の条件を満たす周期Ｐｅを有する周期電極を設け、両電極間に電界を印加することにより前記（１）から（３）を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
（Ｂ）周期電極のグレーティングベクトルをｋｅ、ｋｅと垂直な方向をｊｅとし、個々の電極のｊｅ方向の幅Ｗｅとしたときに、幅Ｗｅと周期Ｐｅの比Ｗｅ／Ｐｅが３以上１００未満、さらには４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｅを有する電極形状であること。
（６）強誘電体基板の一方の面に周期Pｆを有する周期電極を設け、前記周期電極のグレーティングベクトルをｋｆ、ｋｆと垂直な方向をｊｆとしたとき、強誘電体基板のもう一方の面にｊ方向の幅Ｗｆが下記（C）の条件を満たす複数の電極形状に分割した電極構造を設け、両電極間に電界を印加することにより前記（１）から（３）を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
（Ｃ）幅Ｗｆと周期Ｐｆの比Ｗｆ／Ｐｆが３以上１００未満、さらには４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｆ。

本発明では、分極反転構造を有する波長変換素子において、分極反転構造の周期をＰ、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向ｊとしたときのｊ方向の有効な分極反転構造の幅Ｗを有する分極反転構造を得ようとするとき、幅Ｗの領域全域に反転構造を作るのでは無く、前記ｊ方向に対して幅Ｗｘと周期Ｐとの比Ｗｘ／Ｐが３以上１００未満の範囲、さらには４以上５０未満の範囲を満たすような任意の幅Ｗｘを有する複数の分極反転領域に分割することにより、分極反転構造の有効幅Ｗの広い波長変換素子を実現する。さらに前記構造を有する波長変換素子により小型高効率の高出力レーザー装置を実現する。
さらに前記構造を実現するために、強誘電体等の基板に、前記ｊ方向に対して幅Ｗｅと周期Ｐとの比Ｗｅ／Ｐが３以上１００未満の範囲、さらには４以上５０未満の範囲を満たす任意の幅Ｗｅに分割した電界分布を与えることにより、隣接する分極反転領域が癒着することがない分極反転構造を実現することができ、その結果、平均的に見て有効な分極反転領域幅が広い波長変換素子を実現することが可能となる。

上記作用によって、次の利点が得られる。
（あ）波長変換素子において、有効な断面積が広いため、ビームのパワー密度を低減することができ、より高出力を得られる波長変換素子を実現できる。
（い）従来に比べて、反転領域の癒着を大幅に低減することができ、より基板面に均一な反転構造が得られる。
（う）前記有効幅の広い波長変換素子を用いることにより、小型高効率の高出力レーザー装置を実現できる。

以下適宜図面を参照しつつ本発明を説明する。
はじめに、本発明にかかる波長変換素子の構造について説明する。
図1は本発明による周期Ｐ、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとしたときのｊ方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造により構成された波長変換素子を説明するための模式図である。従来の分極反転構造を有する波長変換素子は図に示すように、有効幅ＷをＷ／Ｐが５０以上に広くすると、波長変換素子長５０ｍｍの中でに隣接する分極反転構造との癒着率が１０％以上起こり、さらには有効幅WをＷ／Ｐが１００以上に広くすると前記癒着率が２５％以上起こり、波長変換素子としての本来の６５％程度以下しか得ることができず問題であった。
本発明は、有効幅Ｗ方向に対して、個々の分極反転領域１３３の幅ＷｘがＷｘ／Ｐが３以上１００未満を満たすような、さらには４以上５０未満を満たすような複数の分極反転領域に分割されていることにより、隣接する構造との癒着が無い有効幅Ｗ有する波長変換素子が実現できる。

なお、図１に示した例は、本発明による波長変換素子の典型例であるが、図２（ａ）から（ｇ）に示すように、ギャップｇの位置が光の伝播方向Ｒ（入力光Ｒ１０および出力光Ｒ２０）に対して同じ位置に存在しない素子、ギャップｇの位置が素子全体にわたり任意の多角形を構成するように埋め尽くされている形状、グレーティングベクトルｋと光の伝播方向Ｒが平行でない素子構造も面内の特性均一性を高めるために有効な方法である。さらに、図２（ｈ）および図２（ｉ）に示すように、分極反転領域の外形が分極反転領域の外形が５角形以上の多角形で囲まれている領域内に配置されている構造、具体的には、例えば、前記分極反転領域の外形が山形状になっている構造や、前記外形が鋸刃状になっている構造などがあげられる。このような構造をとることにより、各分極反転領域の幅Ｗｘが同じで、且つギャップｇの位置が光の伝播方向Ｒに対して平行でない構造をとることができる。

また、ギャップｇは１０μｍより短いほうが、有効領域の無駄を低減できることから望ましい。さらには、ギャップｇは１μｍ未満の場合は隣接する構造との癒着を避けられないことから、ギャップｇは１μｍ以上であることが望ましい。

ところで、波長変換素子には、入力光または出力光の光強度密度に限界がある。これらの限界は材料によって異なる。そのため、前記限界の入力光または出力光の光強度密度以上の出力光を得ることは不可能であった。この問題を解決するためには光強度密度を低減するのが得策と考えられる。本発明で前記図１または図２で示した幅の広い波長変換素子を用いると、たとえば図１３に示すような、前記幅の広い波長変換素子とアレイ状のレーザー光源５００と組み合わせたることにより、前記レーザー光源５００からでた全体として扁平な入力光Ｒ１１を前記波長変換素子を通して小型高効率で高出力な出力光Ｒ２１を出力するレーザー装置を実現できる。この出力光Ｒ２１の全出力光強度は、従来の波長変換素子で得られる光強度よりもアレイの数分だけ高い光強度を得ることができる。

次に、本発明にかかる波長変換素子の製造方法について説明する。
以下の説明では、そこに接触させる電極の接触領域の形状と、その結果得られる反転領域の形状とが、三者共、互いに等しいように描いた図を用いる場合があるが、これは説明や図示を簡単にするためである。実際の分極反転では、反転領域が外側へ広がるなど、電極の接触領域の形状とその結果得られる反転領域の形状とが完全に一致しない場合がある。従って、小領域を反転させた結果の反転領域の形状を、もとの設計上の小領域の形状にできるだけ近づけるために、小領域の形状に対して、第一電極の接触領域の形状を予め意図的にひとまわり小さくしておく場合がある。

図３に本発明にかかる第一の製造方法を説明するための模式図を示す。図３に示すように、強誘電体基板の一方の面に周期Ｐｅを有する第一の周期電極４１０を設け、もう一方の面に第二の電極４２０として全面電極を設ける。その際に、第一の電極４１０は、第一の電極の周期電極のグレーティングベクトルをｋｅ、ｋｅと垂直な方向をｊｅとし、個々の電極のｊｅ方向の幅Ｗｅとしたときに、幅Ｗｅと周期Ｐｅとの比Ｗｅ／Ｐｅが３以上１００未満を満たす、さらには４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｅを有する形状で形成する。次に、両電極間に電界を印加することにより癒着のない分極反転構造を得ることかができる。得られた分極構造を素子に切り出すことにより前記図１または図２に示した分極反転構造を有する波長変換素子を得る。

以下、前記Ｗｅの大きさを規定する根拠を示す。
前記背景技術に述べたとおり、従来分極反転構造を作製する際、隣接する分極反転領域と癒着する原因は、図１５に示す電極エッジ部における電界集中により、電極エッジ部から隣接する分極反転領域が癒着すると考えられていた。

しかし、本発明者らは鋭意検討した結果、ある分極反転条件下においては隣接する電極４１０の電極下の分極反転領域４３０との癒着は電界集中がおこるエッジ部ではなく、図４に示すように、幅方向の中心部となることを見出した。さらに、本発明者らは種々のことなるＷｅ／Ｐｅの条件を有する電極構造において癒着量を評価した。その結果、図５に示すように最適な幅と周期との関係があることがわかった。

この現象は以下のように解釈される。これまで、どのような場合においても、分極反転は最初に電界集中する電極エッジ部の領域で最も早く起こると考えられていた。しかし、実際には、Ｗｅ／Ｐｅが１００以上の場合、電極４１０の電極下の分極反転領域４３０が図のように接合するまでは、反転領域の広がりは生じず、電極４１０の電極下のみへ広がる傾向にあることが確認された。これは、電極４１０の面積が大きくなることにより、反転領域４３０全体に対して、当該エッジ部における電界の集中度合いが低苦なるためと推測される。その後、電極４１０の電極下の全域が分極反転領域４４０となった後は、分極反転領域４３０に点電界があるかのごとく均等に広がっていく。この均等に広がっていく原因としては、分極反転領域４３０が分極未反転領域４４０と比べてひずみが多く、おそらくこれに起因して電気的特性たとえば電気伝導度等の低下が起こるためと考えられる。すなわち、電気的特性の異なる二つの領域があるとき、その広がり方は、電極エッジによる微小な電界分布の違いとは関係なく、電気的特性の均等な領域が中心部から見て相対的に外側に広がる方向に働き、楕円形状に広がると考えられる。

さらに、その結果をもとに考察すると、葉形状が広がる場合において、Ｗｅ／Ｐｅの比が大きく広がった場合は、その広がりやすさはWにほぼ比例する傾向にあり、Ｐｅが細くなった場合は、Ｗｅの値は比Ｗｅ／Ｐｅが１００未満、さらには５０未満であることが有効なことがわかった。

一方、Ｗｅ／Ｐｅが３以下の場合は、状況は上記とは異なる。Ｗｅ／Ｐｅが3以下の場合は、各電極４１０の面積が相対的に小さい。すなわち、各電極４１０の電極下の反転を終了する時間が異なる。そのため、ある電極下ではすべて分極反転が終了している状況において、隣接する電極４１０の電極下では、反転が全く進行していない状況が発生する。そのような場合、先に反転した領域はその面積がさらに大きくなり、隣接する電極下の分極反転領域４３０との癒着が発生してしまう。結果として、Ｗｅ／Ｐｅが３以下の場合は、隣接する電極４１０の電極下での分極反転領域４３０の癒着したものと、分極未反転領域４４０とが混在することになる。この状況下でさらに未反転領域４３０を低減させるためにさらに電圧印加を続けると、未反転領域４４０はなくなるが、分極反転領域４３０が癒着した領域が増加すると考えられる。その結果、波長変換効率の低下を招くため望ましくない。以上のことから、Ｗｅ／Ｐｅは３以上、さらには４以上のほうが望ましい。

なお、第一の電極４１０の隣接する電極におけるギャップｇの位置とグレーティングベクトルｋとの位置関係は任意であり、たとえば、図６（ａ）から（ｊ）に示すように、グレーティングベクトルｋｆに対して、ｇの位置の分散の仕方は直線でもよく、ランダムでもよく、直線の場合も、グレーティングベクトルｋｅに対して平行である必要は無い。さらに、個々の電極の幅Ｗeは前記範囲を満たすものであれば異なる大きさでもよいが、反転の均質性を高めるためには同じほうが望ましい。前記同じ電極幅Ｗeを有する電極構造の例としては、図６（ｈ）および図６（ｉ）に示すように、周期電極領域の外形が分極反転領域の外形が５角形以上の多角形で囲まれている領域内に配置されている構造、具体的には、例えば、前記分極反転領域の外形が山形状になっている構造や、前記外形が鋸刃状になっている構造などにすることにより、ギャップｇの位置がグレーティングベクトルｋｅに対して平行でなく、且つ電極幅Ｗｆが同じである構造を実現することができる。さらに隣接するギャップｇの大きさは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましく、さらには２μｍ以上８μｍ以下であることが望ましい。

次に本発明にかかる第二の製造方法を説明するための模式図を図７（a）に示す。
強誘電体基板の一方の面に周期Pｆを有する第一の周期電極４１１を設け、前記周期電極のグレーティングベクトルをｋｆ、ｋｆと垂直な方向をｊｆとしたとき、強誘電体基板のもう一方の面にｊ方向の幅Ｗｆを有する複数の電極形状に分割した第二の電極構造４２１を設ける。ここで、幅Ｗｆは、幅Ｗｆと周期Ｐｆの比Ｗｆ／Ｐｆが３以上１００未満、さらにはＷｆ／Ｐｆが４以上５０未満を満たす任意の幅である。次に、両電極間に電界を印加することにより癒着のない分極反転構４３１造を得ることかができる。得られた分極構造を素子に切り出すことにより前記図１または図２に示した分極反転構造を有する波長変換素子を得る。

なお、第一の電極４１１と第二の電極４２１との相対的な位置関係は、図７(b)から図７（e）に示すように、グレーティングベクトルｋｆに対して、角度を有していてもよいし、素子全体にわたり任意の多角形を構成するように埋め尽くされている形状でもよい。Ｗｆの幅は個々の前記範囲を満たすものであれば異なる大きさでもよいが、均質性を高めるためには同じほうが望ましい。前記同じ電極幅Ｗｆを有する電極構造の具体的な例としては、図７（ｆ）および図６（ｇ）に示すように、第二の電極４２１の外形が５角形以上の多角形で囲まれている領域内に配置されている構造、例えば、前記第二の電極４２１の外形が山形状になっている構造や、前記外形が鋸刃状になっている構造などにすることにより、ギャップｇの位置がグレーティングベクトルｋｆに対して平行でなく、且つ電極幅Ｗｆが同じである構造を実現することができる。さらに隣接する第二の電極間のギャップｇの大きさは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましく、さらには２μｍ以上８μｍ以下であることが望ましい。

上記強誘電体基板は、公知のものであってよく、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｘ_ＡＴｉＯＸ_ＢＯ_４（Ｘ_Ａ＝Ｋ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｓ、Ｘ_Ｂ＝Ｐ、Ａｓ）などの代表的なものや、これらにＭｇなど、種々の他の元素をドープしたものが挙げられる。ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３は、コングルーエント組成であってもストイキオメトリック組成であってもよい。

ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの強誘電体結晶は、第２高調波発生、光パラメトリック発振・増幅、差周波発生、和周波発生などの波長変換を行う素子の材料として好ましく用いられている。また、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３は、特に耐光損傷性に優れた材料であり、本発明の効果が最も顕著に現れる材料である。

分極反転加工を施すべき結晶基板は、Ｚ板が代表的であるが、特定の結晶軸が基板面の法線と特定の角度（オフ角度）をなすようにカットされたオフカット板であってもよい。

Ｚ板は、結晶のＺ軸の方向が基板面に垂直となるようにカット（所謂、Ｚカット）された結晶基板である。結晶基板は、分極方向を同一に揃えて、全体を単一ドメイン化（単分極化処理）したものが好ましい。

結晶基板の寸法は限定されないが、板状の直方体である場合の寸法例を挙げると、光路方向の長さが５ｍｍ〜７０ｍｍ程度、光路方向に垂直な断面の寸法が（５ｍｍ×７０ｍｍ）〜（３ｍｍ×５ｍｍ）程度である。これら寸法にて形成した分極反転結晶を、そのまま、または任意に分断・加工して用いればよい。

Ｚ板で代表されるように、結晶基板の主面に結晶軸のＹ軸を含むようにカットされた結晶基板を用いる場合、反転予定領域内に存在する複数の小領域を、Ｙ軸方向に直線状に並べて配置することは、好ましい態様の１つである。これは、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３などの強誘電体結晶（これらにＭｇＯなどの不純物をドープしたものを含む）がＹ軸方向に反転領域が成長し易いので、Ｚ板などの結晶基板面に小領域をＹ軸方向に直線状に並べて配置することによって、帯状の反転予定領域が形成し易くなるからである。

分極反転構造を用いた擬似位相整合法による波長変換では、最大変換効率（ｍ＝1の場合）は、分極反転比率Ｄに依存し、最も理想的な値はＤ＝１／２、即ち、分極反転領域の帯幅（ドメイン幅）が分極反転周期の半分の時、波長変換素子として最も変換効率が高い。よって、周期的な分極反転構造を作製する場合、ストライプ状に配列された全ての分極反転領域を、どの領域も同様に均一な精度で分極反転比率５０％となるように作製することが好ましい。

一般的な周期的分極反転構造で形成される反転領域の帯幅（周期方向の反転長さ）は、取り扱う光の波長によって大きく異なるが、赤外線〜紫外線を取り扱う場合において、通常、１μｍ〜２０μｍ程度である。特に前記帯幅が６．５μｍ以下（周期１３．０μｍ以下に相当）、さらにはＬｉＮｂＯ_３を用いた場合には青色から赤色光発生用の帯幅２．０μｍから６．５μｍ（周期４．０μｍから１３．０μｍに相当）、さらには青色から緑色光発生用の帯幅２．０μｍから４．０μｍ（周期４．０μｍから８．０μｍに相当）に対しては本発明の効果が顕著に現れる。さらにこの周期は単一周期に限られたものではない。たとえば、周期を光の伝播方向に対して変化させたり、周期に変調を加えたりした単一周期からならない周期分極反転構造を有する波長変換素子に対しても、本発明の効果が顕著に現れる。

分極反転を行なう際の第一電極、第二電極（裏面の電極）の材料、温度など、基本的な分極反転技術については従来公知の技術を参照してよい。電極の好ましい態様として液体電極が挙げられる。液体電極の材料としては、公知の液体電極法で用いられている液状電解質や、ガリウム、インジウム、水銀などの液体金属などを用いてよい。前記液状電解質を構成する溶媒としては、水、ポリオール、またはこれらの混合物などが挙げられる。また、電解質材料としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウムなどが挙げられる。

液体電極法を適用する際に、液体電極をそれぞれ金属電極の上面や結晶基板の裏面に接触させるために必要な容器、液体電極に接続される配線構造、電源装置（制御回路等を含む）も、公知技術を参照してよい。

分極反転を行う際に印加すべき電圧も、公知の分極反転技術を参照してよく、例えば、一定時間直流電圧を印加する方法や、パルス電圧を印加する方法などがある。印加電位は相対的に＋Ｚ面に正、−Ｚ面に負となる方向に電圧を印加する。なかでも、本発明の製造方法に従って作用効果が最も顕著となるのは、パルス電圧である。パルス電圧を印加することにより、領域全体が同時に反転し易くなり、反転構造の均一性が向上する。

実施例１
作製すべき分極反転構造の設計仕様は、結晶基板面上の分極反転構造全体としての大きさが、ストライプの帯の長手方向寸法（幅）５ｍｍ×光路方向寸法（長さ）３０ｍｍ、反転予定領域の帯幅２．１μｍ、それに挟まれた帯状の非反転領域の帯幅は２．１μｍであり、分極反転周期は４．２μｍである。
結晶基板として、厚さ０．５ｍｍ、ＭｇＯを１．３ｍｏｌ％添加したＺカットＬｉＮｂＯ_３基板を用いた。基板のサイズは帯状１５ｍｍ×４５ｍｍのものを用いた。

結晶基板の＋Ｚ面にフォトレジストで絶縁膜を形成し、該絶縁膜に第一電極の接触領域を露出させる開口を形成し、電極材料が接触し得る態様とした。電極材料は、絶縁膜の上から全面にスパッタにより（下層Ｃｒ／上層Ａｕ）金属膜を形成し、開口内に露出した基板面に該金属膜を接触させる態様とした。フォトレジストのパターンは周期方向と垂直な方向の幅５ｍｍの範囲に幅１９５μｍのパターン２５本を各電極間のギャップ５μｍを設けて配置した。ＬｉＣｌ電解液およびアルミ金属電極ブロックを基板の±Ｚ面に各々接触させ、両電極間（＋側と−側）に電圧を印加することにより、基板の±Ｚ面間にパルス電圧を加え、分極反転を行った。

得られた分極反転構造を観察したところ、一例として図８に示すように、分極反転領域の癒着が５％以下で、構造全域に渡って均一な反転構造が５ｍｍの幅で４０ｍｍの長さにわたって形成されていることを確認した。この基板から波長変換素子として、有効幅５ｍｍを有する波長変換素子を得られた。

実施例２
作製すべき分極反転構造の設計仕様は、結晶基板面上の分極反転構造全体としての大きさが、ストライプの帯の長手方向寸法（幅）５ｍｍ×光路方向寸法（長さ）３０ｍｍ、反転予定領域の帯幅２．１μｍ、それに挟まれた帯状の非反転領域の帯幅は２．１μｍであり、分極反転周期は４．２μｍである。
結晶基板として、厚さ０．５ｍｍ、ＭｇＯを１．３ｍｏｌ％添加したＺカットＬｉＮｂＯ_３基板を用いた。基板のサイズは帯状１５ｍｍ×４５ｍｍのものを用いた。

結晶基板の＋Ｚ面にフォトレジストで絶縁膜を形成し、該絶縁膜に第一電極の接触領域を露出させる開口を形成し、電極材料が接触し得る態様とした。電極材料は、絶縁膜の上から全面にスパッタにより（下層Ｃｒ／上層Ａｕ）金属膜を形成し、開口内に露出した基板面に該金属膜を接触させる態様とした。フォトレジストのパターンは周期方向と垂直な方向の幅５ｍｍの帯状の反転予定領域全面に切れ目なく作製して第一電極を形成した。−Z面には、前記第一電極の周期パターンに対して垂直な方向に対して、幅５μｍのガラスを２００μｍおきに配置するように蒸着し、ＬｉＣｌ電解液およびアルミ金属電極ブロックを接触させ第二電極とした。基板の±Ｚ面に各々接触させ、両電極間（＋側と−側）に電圧を印加することにより、基板の±Ｚ面間にパルス電圧を加え、分極反転を行った。

得られた分極反転構造を観察したところ、一例として図９に示すように、分極反転領域の癒着が５％以下で、構造全域に渡って均一な反転構造が５ｍｍの幅で４０ｍｍの長さにわたって形成されていることを確認した。この基板から波長変換素子として、有効幅５ｍｍを有する波長変換素子を得られた。

比較例１
比較例１として、フォトレジストのパターンをパターンの周期方向と垂直な方向に幅５ｍｍの帯状の反転予定領域全面に切れ目なく作製して第一電極を形成したこと以外は、上記実施例１と同様に分極反転構造を形成した。得られた構造は一例として図１０に示すような、周期の中心部に癒着の多い分極反転構造となった。

比較例２
比較例２として、フォトレジストのパターンをパターンの周期方向と垂直な方向に幅５ｍｍの帯状の反転予定領域を幅１μｍのギャップを１μｍにして細分化したドット状に作製して第一電極を形成したこと以外は、上記実施例１と同様に分極反転構造を形成した。得られた構造は一例として図１１に示すような、周期の中心部に癒着の多い分極反転構造となった。

実施例１、および２、比較例１、および２で、それぞれ得られた分極反転結晶に対して、隣接する分極反転領域の癒着および未反転等により周期構造が失われている割合を比較した。その結果、周期構造が失われている割合は、比較例１、および比較例２の結晶では２５％以上であったのに対し、実施例１および実施例２では５％未満に抑制されていた。

実施例１および実施例２で得られた有効幅５ｍｍを有する波長変換素子を用いて、青色レーザー装置を作成し、波長変換効率で比較したところ、実施例１および実施例２の波長変換素子を用いたレーザー装置の効率は、比較例１および２の波長変換素子を用いたレーザー装置に比べて２００％以上であった。

前記実施例で示した青色レーザー装置の性能を鑑みると、例えば、図１７に示すような構造を有するファイバーレーザー５４０を並列に並べた構造と波長変換素子５１０（第二高調波発生用、和周波発生用、差周波発生用、または光パラメトリック発生用）とを組み合わせたレーザー装置により、装置全体として高出力を得られるレーザー装置を構成することは容易である。

本発明によって、周期分極反転構造を有する波長変換素子において、その有効幅の広い素子を実現する構造を実現でき、高出力レーザー装置を実現することが可能となった。

本発明による周期Ｐ、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとしたときのｊ方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造により構成された波長変換素子を説明するための模式図である。 本発明による周期Ｐ、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとしたときのｊ方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造により構成された波長変換素子の構造の一例を示した模式図である。 本発明による周期Ｐe、周期のグレーティングベクトルｋeと垂直な方向をｊeとしたときのｊe方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造を作製するための基板および電極形状を示した模式図である。 従来の分極反転結晶の製造方法の問題点を示す模式図である。 隣接する分極反転構造との癒着の度合いと周期Ｐと幅Ｗの比Ｐ／Ｅとの関係を示した模式図である。 本発明による周期Ｐｆ、周期のグレーティングベクトルｋｆと垂直な方向をｊｆとしたときのｊｆ方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造を作製するための基板および電極形状を示した模式図である。 本発明による周期Ｐｆ、周期のグレーティングベクトルｋｆと垂直な方向をｊｆとしたときのｊｆ方向の有効幅Ｗを有する周期分極反転結晶構造を作製するためのその他の基板および電極形状の例を示した模式図である。 実施例１において作製した波長変換素子の分極反転構造の一例である。 実施例２において作製した波長変換素子の分極反転構造の一例である。 比較例１において作製した波長変換素子の分極反転構造の一例である。 比較例２において作製した波長変換素子の分極反転構造の一例である。 一般的な分極反転構造を有する波長変換素子の構造の例を示す模式図である。 小型高効率で高出力を可能にするレーザー装置の構造を示す模式図である。 従来の分極反転結晶の製造方法を示す模式図である。 従来の分極反転結晶の製造方法の問題点を示す模式図である。 従来の分極反転結晶の製造方法の問題点を示す模式図である。 ファイバーアレイと波長変換素子とを組み合わせたレーザー装置の一例を示した模式図である。

符号の説明

Ｅ１０ 非反転領域
Ｅ２０ 反転領域
Ｒ１０ 入力光
Ｒ１１ 入力光
Ｒ２０ 出力光
Ｒ２１ 出力光
Ｗ 有効な分極反転領域の幅
Ｓ１０ 電源装置
Ｔ 波長変換素子の厚さ
１１０ 結晶基板
１２０ 導波路
１２１ 帯状領域
１２２ 帯状電極
１３１ 実際に反転した領域
１３２ 実際に反転した領域
１３３ 実際に反転した領域
２２０ レジストパターン
２３０ 電極層
２４０ 液状電極
３１０ 液状電極
４１０ 第一の電極
４１１ 第一の電極
４２０ 第二の電極
４２１ 第二の電極
４３０ 分極反転領域
４３１ 分極反転領域
４３２ 分極反転領域
４４０ 分極未反転領域
４４２ 分極未反転領域
５００ アレイ状レーザー光源
５１０ 波長変換素子
５２０ ミラー
５３０ 光学フィルタ
５４０ ファイバレーザー
５５０ マイクロレンズ
Ｐ 分極反転構造の周期
ｋ 周期のグレーティングベクトル
ｊ 周期のグレーティングベクトルと垂直な方向
Ｗｘ Ｗ方向に分割した分極反転領域の一つの幅
ｇ 隣接する分極反転領域とのギャップ
Ｐｅ 電極の周期
ｋｅ 電極周期のグレーティングベクトル
ｊｅ 電極周期のグレーティングベクトルと垂直な方向
Ｗｅ Ｗ方向に分割した電極領域の一つの幅
Ｐｆ 電極の周期
ｋｆ 電極周期のグレーティングベクトル
ｊｆ 電極周期のグレーティングベクトルと垂直な方向
Ｗｆ 第二の電極のｊｆ方向の電極幅

Claims (14)

1. 周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、周期をPとし、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとしたときのｊ方向の波長変換素子として有効な分極反転領域の幅Wとするとき、ｊ方向に対して以下の条件（A）を満たす幅Wｘを有する複数の分極反転領域により有効な分極反転領域の幅Ｗを構成することを特徴とする周期分極反転構造を有する波長変換素子。
   （Ａ）幅Ｗｘと周期Ｐの比Wｘ／Pの値が３以上１００未満を満たす任意の幅Ｗｘ。
2. 前記請求項1に示す波長変換素子であって、前記ｊ方向に対して、以下の条件（B）を満たす幅Wｘを有する複数の分極反転領域により有効な分極反転領域の幅Ｗを構成することを特徴とする周期分極反転構造を有する波長変換素子。
   （B）幅Ｗｘと周期Ｐの比Wｘ／Pの値が４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｘ。
3. 前記請求項１および２で示される周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、ｊ方向に対して隣接する分極反転領域との距離をｇとするとき、ｇが１０μｍ以下であることを特徴とする前記請求項１および２に示す波長変換素子。
4. 前記幅Wが５００μm以上であることを特徴とする請求項１から３に示す波長変換素子。
5. 前記請求項１から４に示す波長変換素子において、光の伝播方向をRとしたとき、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとした特のｊ方向の隣接する分極領域とのギャップの位置をｇとしたとき、ｇの位置が光の伝播方向Rに対して平行でないように配置されていることを特徴とする請求項１および４に示す波長変換素子。
6. 前記請求項１から５に示す波長変換素子において、光の伝播方向をRとしたとき、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとした特のｊ方向の隣接する分極領域とのギャップの位置をｇの位置が、素子全体にわたり任意の多角形を構成するように埋め尽くされていることを特徴とする請求項１および４に示す波長変換素子。
7. 前記請求項１から６に示す波長変換素子において、光の伝播方向をRとしたとき、周期のグレーティングベクトルｋと垂直な方向をｊとした特のｊ方向の隣接する分極領域とのギャップの位置をｇとしたとき、ｇの位置が光の伝播方向Rに対して平行でないように配置されており、分極反転領域の外形が５角形以上の多角形で囲まれている領域内に配置されていることを特徴とする請求項１および６に示す波長変換素子。
8. 前記請求項１から６に示す周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、周期をPが４．０μｍ以上１３．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７に示す波長変換素子。
9. 前記波長変換素子の材料がＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ_３であることを特徴とする請求項１から８に示す波長変換素子。
10. 前記請求項１から９に示す周期分極反転構造を有する波長変換素子を用いたレーザー装置。
11. 強誘電体基板の一方を全面電極、もう一方の面に下記（Ｃ）の条件を満たす周期Ｐｅを有する周期電極を設け、両電極間に電界を印加することにより前記請求項１から９を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
    （Ｃ）周期電極のグレーティングベクトルをｋｅ、ｋｅと垂直な方向をｊｅとし、個々の電極のｊｅ方向の幅Ｗｅとしたときに、幅Ｗｅと周期Ｐｅの比Ｗｅ／Ｐｅが３以上１００未満を満たす任意の幅Ｗｅを有する電極形状であること。
12. 前記請求項１１のうち、強誘電体基板の一方を全面電極、もう一方の面に下記（Ｄ）の条件を満たす周期Ｐｅを有する周期電極を設け、両電極間に電界を印加することにより前記請求項１から９を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
    （Ｄ）周期電極のグレーティングベクトルをｋｅ、ｋｅと垂直な方向をｊｅとし、個々の電極のｊｅ方向の幅Ｗｅとしたときに、幅Ｗｅと周期Ｐｅの比Ｗｅ／Ｐｅが４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｅを有する電極形状であること。
13. 強誘電体基板の一方の面に周期Pｆを有する周期電極を設け、前記周期電極のグレーティングベクトルをｋｆ、ｋｆと垂直な方向をｊｆとしたとき、強誘電体基板のもう一方の面にｊ方向の幅Ｗｆが下記（Ｅ）の条件を満たす複数の電極形状に分割した電極構造を設け、両電極間に電界を印加することにより前記請求項１から９を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
    （Ｅ）幅Ｗｆと周期Ｐｆの比Ｗｆ／Ｐｆが３以上１００未満を満たす任意の幅Ｗｆ。
14. 前記請求項１３のうち、強誘電体基板の一方の面に周期Pｆを有する周期電極を設け、前記周期電極のグレーティングベクトルをｋｆ、ｋｆと垂直な方向をｊｆとしたとき、強誘電体基板のもう一方の面にｊ方向の幅Ｗｆが下記（Ｆ）の条件を満たす複数の電極形状に分割した電極構造を設け、両電極間に電界を印加することにより前記請求項１から９を満たす分極反転構造を作製する波長変換素子の製造方法。
    （Ｆ）幅Ｗｆと周期Ｐｆの比Ｗｆ／Ｐｆが４以上５０未満を満たす任意の幅Ｗｆ。