JP2018112625A - ２次元光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの電気光学結晶基板からなる電気光学光偏向器によって２次元のビームスキャンを可能にする。【解決手段】２次元光偏向器には、電気光学効果を有する電気光学結晶からなる直方体の基板に、第１の電極対および第２の電極対が形成され、前記第１および第２の電極対が形成された面と直交する入射面から入射光が入射されると、前記第１および第２の電極対の間を通過し、前記第１および第２の電極対により印加された電界に応じて偏向され、前記入射面と対向する出射面から出射光として出射される基本単位素子と、前記入射面と対向して配置された偏光ビームスプリッターと、前記出射面と対向して配置されたシリンドリカルレンズと、光が往復することにより偏光角を９０度回転させる偏光素子と、平面ミラーとが光軸を共通にして配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、光の伝搬方向を変化させる２次元光偏向器に関する。

光偏向器とは、光の伝搬方向を変化させるデバイスである。このようなデバイスは産業応用において様々な分野で重要な役割を担っている。例えば、レーザーマーキング、レーザウェルディンクなどのレーザー加工応用では、光偏向器によってレーザー光のビームを振ることにより加工点の制御を行う。また、通信応用では、光偏向器はスイッチング素子として波長選択スイッチに用いられ、波長多重通信にとって重要な技術の１つである。さらに、医療応用では、光偏向器は光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）など、光ビームをスキャンすることにより１次元または２次元のスキャンを行う。

光偏向器は、大きく分けて反射型と透過型がある。代表的な反射型光偏向器として、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーなどが知られ、反射鏡の傾きを変化させて光を偏向する。一方、透過型光偏向器は、回折型と屈折型に二分できる。回折型は、音響波によってできる屈折率変調が回折格子となって光を回折することにより、光の伝搬方向を変化させる。屈折型は、光偏向器内部の屈折率を変化させ、これにより光の屈折角が変化することを利用してその伝搬方向を変化せる。屈折型の光偏向器には、内部の屈折率が一様に変化するプリズム型と、内部の屈折率が特定の方向に徐々に変化していく屈折率分布型とがある。一般的に、光偏向器に適用される屈折率変化は、電気光学効果によって引き起こされるため、電気光学光偏向器と呼ばれている。

電気光学効果とは、電場の強さに依存して物質の屈折率が変化することを表し、電気光学効果を有する結晶は電気光学結晶と呼ばれる。屈折率分布型の光偏向器では、何らかの方法により電気光学結晶の中に電荷を注入し、電荷が注入された電気光学結晶に対して電圧を印加する。このとき、電気光学結晶の内部では、静電遮蔽により電荷が電気力線を遮るため、不均一な電場分布が形成される。この不均一な電場分布と電気光学効果の複合効果により、結晶の内部では電場分布に依存した屈折率分布が形成される。この屈折率分布を利用することにより、光の伝搬方向を結晶内部で変えることができる（例えば、特許文献１参照）。

電気光学光偏向器は、光を偏向させるために可動部を必要としないため、質量を有するミラーを動かす必要のある反射型スキャナと比較すると、高速性という点において優位である。また、一般的な光学素子に用いられる電気光学結晶は高い透過率を有するため、回折効率の限界による損失がある回折型の光偏向器と比較すると、低損失という点において優れている。

特許第４７５１３８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている一般的な電気光学光偏向器は、偏向方向に偏光依存性があるため、１つの偏向器では１つの方向にしかビームを偏向できない。そのため、２つの直交する軸方向に独立に偏向動作する２つの光偏向器と、その間に挿入された、偏波を９０度回転させ波長板とを備えた２次元の光偏向器を構成する必要があり、光学系全体が複雑になり、コストが高くなるという課題があった。

本発明の目的は、１つの電気光学結晶基板からなる電気光学光偏向器によって２次元のビームスキャンを可能にする２次元光偏向器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、２次元光偏向器の一実施態様は、電気光学効果を有する電気光学結晶からなる直方体の基板、前記電気光学結晶の対向する２つの面のそれぞれに形成された第１の電極対、および前記２つの面と直交し、対向する２つの面のそれぞれに形成された第２の電極対を含み、前記第１および第２の電極対が形成された面と直交する入射面から入射光が入射されると、前記第１および第２の電極対の間を通過し、前記第１および第２の電極対により印加された電界に応じて偏向され、前記入射面と対向する出射面から出射光として出射される基本単位素子と、前記入射面と対向して配置された偏光ビームスプリッターと、前記出射面と対向して配置されたシリンドリカルレンズと、光が往復することにより偏光角を９０度回転させる偏光素子と、平面ミラーとが光軸を共通にして配置されたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、前記偏光ビームスプリッターから入射された光が、前記基本単位素子の内部を往復し、前記第１および第２の電極対に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、直交する２軸方向にビームが偏向されるので、１つの電気光学結晶基板からなる電気光学光偏向器によって２次元のビームスキャンが可能となる。これにより光学系の構成が簡略化され、低コスト化を実現することができる。

電気光学結晶を用いた光偏向器の基本構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる２次元光偏向器の基本単位素子を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる２次元光偏向器のｘｚ平面から見た構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる２次元光偏向器のｙｚ平面から見た構成を示す図である。 レンズ効果を補償した光学系を有する２次元光偏向器を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、電気光学結晶を用いた光偏向器の基本構成を示す。電気光学効果を有する電気光学結晶２の対向する２つ面（ｙｚ平面）のそれぞれに、電極３，４が形成されている。２つの電極３，４の間には、制御電圧源６から電圧Ｖが印加される。入射光１は、電気光学結晶２の電極３，４が形成された面と直交する面（ｘｙ平面）に入射され、電気光学結晶２内をｚ軸方向に伝搬する。電気光学結晶２内において偏向を受けて、ｘ軸方向に進行方向を変えた出射光５が得られる。制御電圧源６からは、光偏向器の用途に応じた電圧が与えられ、印加電圧に応じた偏向角が得られる。

電気光学結晶２は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））単結晶、またはＫＴＮにリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））単結晶（以下、まとめてＫＴＮ結晶という）が好適である。これら電気光学結晶は、屈折率の変化量が電場の２乗に比例する２次の電気光学効果であるカー効果を示す。カー効果による屈折率の変化は、以下の式で表される。

ここでｎ₀は材料の屈折率、ｇ_ijはカー係数、εは誘電率、Ｅは電場である。一般的にＫＴＮおよびＫＬＴＮ結晶の屈折率はｎ₀＝２．１４−２．３３、カー係数はｇ₁₁＝０．１３６、ｇ₁₂＝−０．０３８［ｍ⁴／Ｃ²］。これら電気光学結晶は、温度変化に依存して結晶構造が変化する相転移を示し、ＫＴＮでは組成比がｘ＝０．３５、ＫＬＴＮではｘ＝０．２７，ｙ＝０．０５のとき、室温付近に立方晶（高温側）と正方晶（低温側）の相転移点が存在する。この相転移温度付近では、結晶の誘電率ε_rが大きく増大する。そのため、ＫＴＮおよびＫＬＴＮ結晶では、高い誘電率とカー効果により、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などの電気光学材料に比べて大きな電気光学効果が得られることが特徴である。

また、入射光１の電場の方向、すなわち偏光の方向と電界の印加方向とが平行である場合のカー係数（ｇ₁₁）に対して、偏光の方向と電界の印加方向とが直交する場合のカー係数（ｇ₁₂）は、無視できる程度に小さい。すなわち、偏光の方向によって、電気光学材料を透過する光が受ける電気光学効果が異なることを示している。

結晶厚ｄの電気光学結晶２には、電極３，４から注入された電荷が結晶内部に密度Ｎで均一に分布していることとする。このとき、ガウスの法則から電気光学結晶２内での電場分布は、アノード電極３をｘ＝０、カソード電極４をｘ＝ｄ、電極３，４の間に電圧Ｖが印加されているとすると、以下の式で表される。

ここでρ＝ｅＮは電荷密度［Ｃ／ｍ³］、ｅは素電荷である。式（２）から電場は位置ｘの一次関数であることがわかる。式（２）を式（１）に代入して屈折率変化を求めると以下のとおりとなる。

この式から結晶中の屈折率分布は次の式で表される。

この式が表す屈折率分布は近似的に以下の式で表される。

式（５）から屈折率分布は、２乗屈折率分布とみなすことができる。電荷が均一に注入された電気光学結晶は、一種のＧＲＩＮレンズとなる。さらに、印加する電圧を変えることは、ＧＲＩＮレンズの中心をｘ軸方向で動かすことと同義であると理解することができる。従って、光偏向器の光線行列は、レンズ光軸の電圧に依存した変動を考慮しないとすると以下の式で表される。

ただし、Ｌは結晶長である。入射光１は、入射面に対して垂直に入射し、電極３，４間の中心に入射するとする。入射光１の光軸（ｘ＝ｄ／２）と出射光５の光軸（ｄ／２−εＶ／ρｄ）の相対変位は印加電圧に依存するため、入射光の光線ベクトルを以下の式で表すことができる。

この結果、出射光５の光線ベクトルは、入出射面での屈折を考慮し以下の式で表される。

ただし、空気の屈折率を１とした。式（８）から電圧Ｖを印加した場合の出射光５の偏向角φは、

となる。交流電圧を印加した場合には、直流電圧Ｖを交流電圧のＶｐｐに置き換えれば良い。つまり偏向の全角は以下の式で表される。

図２に、本発明の一実施形態にかかる２次元光偏向器の基本単位素子を示す。ＫＴＮ結晶からなる直方体の電気光学結晶１２の対向する２つ面（ｙｚ平面）のそれぞれに電極１３，１４（第１の電極対）が形成され、さらに、これら２つ面と直交し対向する２つ面（ｘｚ平面）のそれぞれに電極１５，１６（第２の電極対）が形成されている。第１および第２の電極対は間隔をおいて配置され、第１および第２の電極対の間には、制御電圧源から電圧が印加される。入射光１１は、電気光学結晶１２の電極が形成された面と直交する入射面（ｘｙ平面）に入射され、電気光学結晶１２内をｚ軸方向に伝搬する。電極の材料は、ＫＴＮ結晶との間でオーミック接触を形成し、結晶内部に電荷を注入することができるＴｉ／Ａｕが好適である。

入射光１１の電場の方向は、ｙ軸に平行である。電気光学結晶１２に入射されるとｚ軸方向に伝搬し、第１の電極対の間では、偏光の方向と、第１の電極対により印加された電界の方向とが直交するので、偏向の効果は無視できるほど小さい。第２の電極対では、偏光の方向と、第２の電極対により印加された電界の方向とが平行なので、図２に示したように、第２の電極対の法線方向に偏向を受けて、入射面と対向する出射面から、出射光１７として出射される。

図３に、本発明の一実施形態にかかる２次元光偏向器のｘｚ平面から見た構成を示し、図４に、ｙｚ平面から見た構成を示す。２次元光偏向器は、基本単位素子の入射面と対向して配置された偏光ビームスプリッター２１、図２に示した基本単位素子、基本単位素子の出射面と対向して配置された焦点距離ｆのシリンドリカルレンズ２２、偏光素子２３、および平面ミラー２４が光軸（ｚ軸）を共通にして順に配置された構成を有している。点線は、平面ミラー２４までの光の往路、一点鎖線は、平面ミラー２４からの光の復路を表している。また、実線はシリンドリカルレンズ２２の焦点距離ｆを示している。

ｙ軸方向に直線偏光した入射光１１は、偏光ビームスプリッター２１により、図２に示した基本単位素子の電気光学結晶１２の入射面（ｘｙ平面）に入射される。第１の電極対（電極１３，１４）で挟まれた領域においては、偏光の方向と電界の印加方向とが直交するため、偏向の効果は無視することができる。第２の電極対（電極１５，１６）で挟まれた領域においては、偏光の方向と電界の印加方向とが平行なので、式（１０）に従い、入射光が偏向していく。図４に示したように、偏向中心からｙ軸方向に偏向されている。

シリンドリカルレンズ２２は、前側焦点が第２の電極対による偏向の偏向中心にくるように配置されており、シリンドリカルレンズ２２に入射するビームの角度成分を、レンズの中心軸からの変位成分に変換する。平面ミラー２４は、シリンドリカルレンズ２２の後側焦点に配置されている。

シリンドリカルレンズ２２と平面ミラー２４との間に挿入された偏光素子２３は、ファラデー回転子またはλ／４波長板であることが好適である。どちらの素子も、光が往復することにより偏光角を９０度回転させる効果を有している。このように素子を配置することにより、平面ミラー２４で折り返されたビームは、偏光角が９０度回転し、往路と同じ光路を辿って、基本単位素子に再び入射する。

第２の電極対（電極１５，１６）で挟まれた領域においては、偏光の方向と電界の印加方向とが直交するため、偏向の効果は無視することができ、光は直進する。第１の電極対（電極１３，１４）で挟まれた領域においては、偏光の方向と電界の印加方向とが平行なので、式（１０）に従い、入射光が偏向していく。図３に示したように、ｘ軸方向に偏向されている。基本単位素子を透過した出射光１７は、偏光ビームスプリッター２１を透過する偏光状態となっているため、入射光１１とは分離されて出射される。

このようにして、出射光１７は、基本単位素子において、第１および第２の電極対に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、直交する２軸方向（ｘ軸とｙ軸）にビームが偏向されて出射される。本実施形態によれば、１つの電気光学結晶基板からなる電気光学光偏向器によって２次元のビームスキャンが可能となり、光学系の構成が簡略化され、低コスト化を実現することができる。

図２に示した基本単位素子を用いて、図３，４に示した２次元光偏向器を光学定盤上に構築する。光学定盤の水平面をｘｚ平面とし、鉛直方向をｙ軸とする。波長６３２．８ｎｍ、ビーム直径０．５ｍｍ、ｙ軸方向に偏光した単一偏光を出力するＨｅ−Ｎｅレーザーを光源とする。光源からの出力光を、入射光１１として、光の通過面に対して無反射コーティング（ＡＲコート）がされた偏光ビームスプリッターにより、基本単位素子の入射面（ｘｙ平面）に入射させる。

電気光学結晶１２は、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×２１ｍｍの直方体であり、２つのｘｙ平面（１．５ｍｍ×１．５ｍｍの面）は、ＡＲコートが施され光の通過面となる。対向するｙｚ平面に、第１の電極対として、１．５ｍｍ×１０ｍｍのＴｉ／Ａｕからなる電極１３，１４を、対向するｘｚ平面に、第２の電極対として、１．５ｍｍ×１０ｍｍのＴｉ／Ａｕからなる電極１５，１６を形成する。第１および第２の電極対の間には１ｍｍの間隔が設けられている。ＫＴＮ結晶からなる電気光学結晶１２は、固定ジグにマウントされ、結晶温度を、結晶の比誘電率が１７５００程度となるように制御する。実施例１の結晶温度は、３６℃付近となる。

第２の電極対（電極１５，１６）には、４００Ｖｐｐ、２００ｋＨｚの交流電圧が印加され、全角約４０ｍｒａｄのｙ軸方向の光偏向が得られた。基本単位素子の出力側には、ｆ＝１５ｍｍのシリンドリカルレンズを配置し、偏光素子２３としてλ／４波長板を配置する。シリンドリカルレンズ２２の後側焦点位置には、誘電体多層膜ミラーからなる平面ミラー２４を配置する。

基本単位素子から出射された光は、偏光角を９０度回転させて、基本単位素子に再び入射される。第１の電極対（電極１３，１４）には、４００Ｖｐｐ、２００ｋＨｚの交流電圧を、第２の電極対に印加した交流電圧と位相をπ／２ずらして印加する。基本単位素子を透過した出射光１７は、偏光ビームスプリッター２１を透過し、入射光１１とは分離されて取り出される。

出射光１７のビーム形状は、わずかにｙ軸方向に扁平した楕円状の軌跡を観測した。この現象は、基本単位素子におけるｚ軸上の偏向中心の違いに由来するが、第１および第２の電極対に印加する電圧を調節することにより、真円にできることを確認した。

本実施形態の電気光学光偏向器は、２乗屈折率分布を持つ凸レンズである。このため、有限のビーム径を有するコリメート光を入射した場合、偏向された光は、伝搬方向が変化するだけではなく、偏向方向にレンズ効果を受け収束するビームが出射される。このようなレンズ効果は、応用によっては好ましくないため、レンズ効果を補償した光学系を構築する必要がある。

図５に、レンズ効果を補償した光学系を有する２次元光偏向器を示す。図３，４に示した２次元光偏向器の加えて、入射側と出射側のそれぞれに、シリンドリカルレンズ３１，３２が配置されている。シリンドリカルレンズ３１は、ｙ軸方向にビームを集光し、シリンドリカルレンズ３２では、ｘ軸方向にビームを集光する。図２に示した基本単位素子において、ｘ，ｙ軸それぞれの方向のレンズ効果の補償を行うことができる。一般的に知られているＧＲＩＮレンズの焦点距離は、以下の式で表される。

この式から、レンズ効果を補償するためのシリンドリカルレンズの焦点距離ｆを、ｆ＝ｆ_Gとすることにより、入射光１１のビーム径を保ったまま、偏向された出射光１７を出射させることができる。

１，１１ 入射光
２，１２ 電気光学結晶
３，４，１３−１６ 電極
５，１７ 出射光
６ 制御電圧源
２１ 偏光ビームスプリッター
２２，３１，３２ シリンドリカルレンズ
２３ 偏光素子
２４ 平面ミラー

Claims (5)

1. 電気光学効果を有する電気光学結晶からなる直方体の基板、
   前記電気光学結晶の対向する２つの面のそれぞれに形成された第１の電極対、および
   前記２つの面と直交し、対向する２つの面のそれぞれに形成された第２の電極対を含み、
   前記第１および第２の電極対が形成された面と直交する入射面から入射光が入射されると、前記第１および第２の電極対の間を通過し、前記第１および第２の電極対により印加された電界に応じて偏向され、前記入射面と対向する出射面から出射光として出射される基本単位素子と、
   前記入射面と対向して配置された偏光ビームスプリッターと、
   前記出射面と対向して配置されたシリンドリカルレンズと、
   光が往復することにより偏光角を９０度回転させる偏光素子と、
   平面ミラーとが光軸を共通にして配置されたことを特徴とする２次元光偏向器。
2. 前記第１および第２の電極対は間隔をおいて配置され、
   前記第１および第２の電極対の間に制御電圧源から電圧が印加されると、それぞれの電極対の法線方向に偏光成分を有する光を、前記法線方向に偏向させることを特徴とする請求項１に記載の２次元光偏向器。
3. 前記偏光ビームスプリッターから入射された光が、前記基本単位素子、前記シリンドリカルレンズおよび前記偏光素子を透過して前記平面ミラーにより反射され、往路と同じ光路を辿って、前記基本単位素子に再び透過して前記偏光ビームスプリッターから出射され、前記第１および第２の電極対に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、直交する２軸方向にビームが偏向されることを特徴とする請求項２に記載の２次元光偏向器。
4. 前記偏光ビームスプリッターの入射側、前記偏光ビームスプリッターの出射側の少なくとも１つに、前記基本単位素子で生じるレンズ効果を補償するためのレンズ効果を有するレンズが配置されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の２次元光偏向器。
5. 前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））単結晶、またはＫＴＮにリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））単結晶であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の２次元光偏向器。