JP2021039236A - 水晶素子及びその製造方法、並びに水晶素子を含む光発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性を向上可能な水晶素子及びその製造方法、並びに水晶素子を含む光発振装置を提供する。【解決手段】水晶素子１は、複数の極性反転領域１１と、極性非反転領域１２とが設けられる主面を有しており、複数の極性反転領域は、極性非反転領域を介して互いに離間し、主面は、平面である。水晶素子の製造方法は、平面である第１主面を有する水晶体、及び、複数の第１凸部が設けられる第１押圧面を有する第１押圧治具を準備する工程と、第１押圧面が第１主面を加熱押圧することによって、複数の第１凸部に対応する複数の極性反転領域を水晶体に形成する工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水晶素子及びその製造方法、並びに水晶素子を含む光発振装置に関するものである。

水晶は、従来より発振器、振動子等の圧電素子用の材料として知られている。加えて水晶は、レーザー光に対する低吸収性、透過性ならびに耐久性を備える光学材料でもあり、世界初の波長変換に利用された非線形光学結晶として知られている。このような水晶から構成される光学素子として、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）に必要な非線形光学定数の周期反転構造が設けられる素子がある。例えば下記特許文献１では、周期的な段差構造を含む水晶基板を用いた、擬似位相整合波長変換素子が開示されている。下記特許文献１では、一対のヒータブロックにて上記水晶基板を押圧することによって、上記段差構造を反映した極性反転領域を水晶基板に設けることが開示されている。

特許第４６６６４４９号公報

上記特許文献１にて開示される手法では、水晶の表面に対して段差構造を形成するための加工を実施する必要があり、量産性に課題がある。

本発明の目的は、量産性を向上可能な水晶素子及びその製造方法、並びに水晶素子を含む光発振装置の提供である。

本発明の一側面に係る水晶素子は、複数の極性反転領域と、極性非反転領域とが設けられる主面を有する水晶素子であって、複数の極性反転領域は、極性非反転領域を介して互いに離間し、主面は、平面である。

この水晶素子は、複数の極性反転領域が設けられる主面を有し、且つ、当該主面は平面である。このため、水晶素子の上記主面には、段差構造が形成されることなく、複数の極性反転領域を設けることができる。したがって、水晶の表面に対して段差等を形成するための加工を実施する必要がないので、水晶素子の量産性を向上可能である。

主面に交差する第２方向に沿った水晶素子の厚さは、０．１μｍ以上であり、複数の極性反転領域のそれぞれにおける第２方向に沿った深さは、５μｍ以上でもよい。この場合、水晶素子の内部を透過する光は、複数の極性反転領域にて良好に位相整合される。

複数の極性反転領域のそれぞれにおける第２方向に沿った深さは、１００μｍ以上でもよい。この場合、水晶素子の内部を透過する光は、複数の極性反転領域にてより良好に位相整合される。

複数の極性反転領域は、水晶の屈折率分散から導出される所定位置に配列されてもよい。この場合、水晶素子の意図した性能を良好に発揮できる。

本発明の別の一側面に係る光発振装置は、上記水晶素子と、水晶素子へレーザー光を出射するレーザー光発生装置と、を備え、レーザー光の強度が、ニオブ酸リチウムの損傷閾値光強度よりも高い。この場合、例えば光学素子としてニオブ酸リチウムを用いる場合と異なり、当該光学素子の損傷を防止できる。

本発明のさらに別の一側面に係る水晶素子の製造方法は、平面である第１主面を有する水晶体、及び、複数の第１凸部が設けられる第１押圧面を有する第１押圧治具を準備する工程と、第１押圧面が第１主面を加熱押圧することによって、複数の第１凸部に対応する複数の極性反転領域を水晶体に形成する工程と、を備える。

この水晶素子の製造方法では、複数の第１凸部が設けられる第１押圧治具を用いることによって、当該第１凸部に対応する複数の極性反転領域を水晶体に形成する。これにより、水晶体の第１主面に凹凸加工を施すことなく、当該第１主面側から複数の極性反転領域を形成できる。また、第１押圧治具を再利用することによって、高効率で再現性よく複数の水晶素子を製造できる。したがって上記製造方法を実施することによって、水晶素子の量産性を向上可能である。

水晶体は、第１主面の反対側に位置する第２主面を有し、水晶体と第１押圧治具を準備する工程では、複数の第２凸部が設けられる第２押圧面を有する第２押圧治具をさらに準備し、第１押圧面が第１主面を加熱押圧するとき、第１凸部と第２凸部とが水晶体を介して対向した状態にて第２押圧面が第２主面を加熱押圧してもよい。この場合、各極性反転領域の幅に対する深さの比を大きくできる。これにより、水晶素子の内部を透過する光は、複数の極性反転領域にて良好に位相整合される。

第１押圧面が第１主面を加熱押圧するとき、第１押圧治具の温度は２００℃以上５７３℃以下に設定され、第１押圧治具には、水晶体に向かう１００ＭＰａ以上の応力が印加されてもよい。この場合、各極性反転領域の幅に対する深さの比を大きくできる。これにより、水晶素子の内部を透過する光は、複数の極性反転領域にて良好に位相整合される。

第１押圧治具の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、１１３％以下でもよい。この場合、第１押圧面が第１主面を加熱押圧するとき、水晶体と第１押圧治具との少なくとも一方における破損を防止できる。

第１凸部の硬度は、水晶の硬度以上でもよい。この場合、第１凸部が水晶体によって摩耗しにくくなるので、第１押圧治具を良好に再利用できる。

本発明によれば、量産性を向上可能な水晶素子及びその製造方法、並びに水晶素子を含む光発振装置を提供できる。

図１（ａ）は、実施形態に係る水晶素子を示す平面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態に係る水晶素子を示す側面図である。 図２は、実施形態に係る水晶素子を用いた光発振装置の構成を示す概略図である。 図３（ａ），（ｂ）は、実施形態に係る水晶素子の製造方法を説明するための図である。 図４は、実施形態に係る水晶素子の製造方法を説明するための図である。 図５は、変形例に係る水晶素子の製造方法を説明するための図である。 図６（ａ），（ｂ）は、水晶素子の別例を示す模式側面図である。 図７は、実施例に係る水晶素子に対して表面エッチング加工を実施した後の表面を示す図である。 図８は、実施例及び比較例におけるＳＨエネルギーの最大値の検出結果である。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面に係る実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。なお、本明細書における「同一」及びそれに類似する単語は、「完全同一」のみに限定されない。

図１（ａ）は、本実施形態に係る水晶素子を示す平面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る水晶素子を示す側面図である。図１（ａ），（ｂ）に示される水晶素子１は、水晶（ＳｉＯ_２）から構成される素子である。水晶素子１は、例えば、光導波路もしくは波長変換素子などとして機能する光学素子でもよく、発振器もしくは振動子などとして機能する圧電素子でもよい。本実施形態では、水晶素子１は波長変換素子として機能し、例えば、基本波光が水晶素子１に入射されることによって、基本波光が変換された光（波長変換光）が水晶素子１から出射する。波長変換光は、例えば基本波光よりも高次の光である。具体例としては、波長１０６４ｎｍのレーザー光が水晶素子１に入射された場合、水晶素子１から出射するレーザー光の波長は５３２ｎｍになる。なお、水晶は、深紫外線（例えば１５０ｎｍ程度）に対して高い透過率を示す。

加えて、水晶から構成される水晶素子１は、例えば数１００ＧＷ／ｃｍ^２以上の強度を示すレーザー光が照射されても破壊されにくい性質を示す。このため、本実施形態に係る水晶素子１は、例えば、非線形光学結晶の一種であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）が利用可能な光以上の強度を有する光に対する光学素子として用いることが好適である。ニオブ酸リチウムが利用可能な光の強度は、ニオブ酸リチウムのレーザー損傷閾値（ＤＴ：Ｄａｍａｇｅ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）から導出される光強度（以下、「損傷閾値光強度Ｉ_{ＤＴ，ＬＮ}」とする）である。例えば、極性反転を施した周期分極反転マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（ＰＰＭｇＬＮ）のパルス幅１０ｎｓに対する損傷閾値光強度Ｉ_{ＤＴ，ＰＰＬＮ}は、３００ＭＷ／ｃｍ^２とされる。一般に、損傷閾値光強度は、パルス幅の平方根に逆比例する。よって、任意のパルス幅τ（ｎｓ）に対するニオブ酸リチウムの損傷閾値光強度Ｉ_{ＤＴ，ＬＮ}は、３００´（１０／τ）^１／２ＭＷ／ｃｍ^２になる。このため、例えばレーザー光発生装置から発振する光強度が３００´（１０／τ）^１／２ＭＷ／ｃｍ^２以上である場合、光学素子の損傷を防止する観点から、水晶素子１を用いることが好適である。換言すると、光学素子に入射される光の強度が、ニオブ酸リチウムの損傷閾値光強度よりも高い場合、光学素子として水晶素子１を用いることが好適である。

図１（ａ），（ｂ）によれば、本実施形態に係る水晶素子１は、板形状を呈する１枚の水晶体１０から構成される。水晶体１０は、一対の主面１０ａ，１０ｂと、主面１０ａ，１０ｂを結ぶ側面１０ｃ〜１０ｆとを有する。主面１０ａ（第１主面）と、主面１０ｂ（第２主面）と、側面１０ｃ〜１０ｆとのそれぞれは、平面であると共に略矩形状を呈する。側面１０ｃは、水晶素子１における光入射面であり、側面１０ｄは、水晶素子１における光出射面である。以下では、側面１０ｃ，１０ｄに直交する方向を方向Ｄ１（第１方向）とし、側面１０ｅ，１０ｆに直交する方向を方向Ｄ２とし、主面１０ａ，１０ｂに直交する方向を方向Ｄ３（第２方向）とする。方向Ｄ３は、水晶体１０の厚さ方向に相当する。また以下では、側面視は方向Ｄ１もしくは方向Ｄ２から見ることに相当し、平面視は方向Ｄ２から見ることに相当する。

方向Ｄ１に沿った水晶体１０の寸法は、例えば０．１ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、方向Ｄ２に沿った水晶体１０の寸法は、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。方向Ｄ３に沿った水晶体１０の寸法（すなわち、水晶素子１の厚さ）は、例えば０．１μｍ以上１０ｍｍ以下である。

水晶体１０には、複数の極性反転領域１１と、複数の極性非反転領域１２とが設けられる。各極性反転領域１１は、水晶に対して加熱及び応力印加を実施することによって発生する領域であり、少なくとも主面１０ａに設けられる。極性反転領域１１の極性軸と、極性非反転領域１２の極性軸とは、例えば互いに１８０°反転した状態になっている。極性反転領域１１の形成方法については後述する。本実施形態では、各極性反転領域１１は、方向Ｄ２において側面１０ｅから側面１０ｆにかけて設けられ、且つ、方向Ｄ３において主面１０ａから主面１０ｂにかけて設けられる。この場合、極性反転領域１１と極性非反転領域１２とが、方向Ｄ１において交互に並ぶ。また、各極性反転領域１１における方向Ｄ２に沿った寸法は、方向Ｄ２に沿った水晶体１０の寸法に相当し、各極性反転領域１１における方向Ｄ３に沿った深さは、水晶体１０の厚さに相当する。よって本実施形態では、水晶素子１の側面１０ｃから入射し、且つ、水晶素子１の側面１０ｄから出射する光は、複数の極性反転領域１１の全てを透過する。

複数の極性反転領域１１は、極性非反転領域１２を介して互いに離間する。すなわち、隣り合う極性反転領域１１同士の間には極性非反転領域１２が位置している。複数の極性反転領域１１は、水晶体１０内において、水晶の屈折率分散から導出される所定位置に配列される。本実施形態では、複数の極性反転領域１１は、方向Ｄ１において周期的に配列される。上記所定位置Λは、水晶素子１が光学素子である場合、例えば式「Λ＝（λ／２）／（Ｎ^２ｗ-Ｎ^ｗ）」にて導出できる。λは基本波光の波長であり、Ｎ^ｗは入力光の屈折率であり、Ｎ^２ｗは波長変換光の屈折率である。上記式を用いることによって、光の波長及び屈折率の変化に応じて、上記所定位置が適宜調整される。例えば本実施形態では、方向Ｄ１における極性反転領域１１の寸法（極性反転領域１１の幅）と、方向Ｄ１において隣り合う極性反転領域１１同士の間隔（すなわち、方向Ｄ１における極性非反転領域１２の幅）は、水晶素子１を透過する光の波長に応じて変化する。

複数の極性非反転領域１２のそれぞれは、水晶体１０における極性反転領域１１以外の領域である。すなわち、各極性非反転領域１２は、水晶体１０において少なくとも応力印加されていない領域である。

本明細書では、擬似位相整合の周期（ＱＰＭピッチ）は、方向Ｄ１において互いに隣り合う一つの極性反転領域１１の幅と一つの極性非反転領域１２の幅との合計値に相当する。

図２は、本実施形態に係る水晶素子１を用いた光発振装置の構成を示す概略図である。図２に示されるように、光発振装置２０は、水晶素子１に加えて、パルス光発生装置２及び集光レンズ３を有する。光発振装置２０では、パルス光発生装置２、集光レンズ３、水晶素子１が順に配置される。光発振装置２０は、ミラー、レンズ、フォトダイオード等の光学素子を別途有してもよい。

パルス光発生装置２は、パルス状のレーザー光Ｌを発振するレーザー光発生装置であり、例えばマイクロチップレーザー光発生装置である。レーザー光Ｌは、例えばガウシアンビームに近い。レーザー光Ｌのパルス幅は例えば１０ｐｓ以上１ｎｓ以下であり、レーザー光Ｌの１パルスあたりのエネルギーは２ｍＪ以上である。このため、水晶素子１に入射されるレーザー光Ｌの強度は、ニオブ酸リチウムの損傷閾値光強度以上であり、例えば５０ＧＷ／ｃｍ^２以上である。パルス光発生装置２は、例えば、半導体レーザー装置と、Ｎｄ：ＹＶＯ４もしくはＮｄ：ＹＡＧから構成される発光結晶（レーザ媒質）と、Ｃｒ：ＹＡＧから構成される受動Ｑスイッチとを含む。この場合、半導体レーザー装置から発生した半導体レーザー光が発光結晶を励起する。そして所定の強度に達したレーザー光が受動Ｑスイッチを透過することによって、パルス光発生装置２からレーザー光Ｌが出射する。

集光レンズ３は、レーザー光Ｌを水晶素子１の側面１０ｃ（光入射面）に集光するための光学素子である。集光レンズ３によって集光して得られるレーザー光Ｌの最少ビームウエストは、非常に小さい傾向にある。レーザー光Ｌのパルス幅が短く、且つ、その最少ビームウエストが小さいことによって、水晶素子１の側面１０ｃにおけるレーザー光Ｌの単位面積あたりの強度は、５０ＧＷ/ｃｍ^２に以上になり得る。

次に、図３（ａ），（ｂ）及び図４を参照しながら本実施形態に係る水晶素子１の製造方法について説明する。図３（ａ），（ｂ）及び図４は、本実施形態に係る水晶素子１の製造方法を説明するための図である。

まず、図３（ａ）に示されるように、平面である主面１０ａ，１０ｂを有する水晶体１０を準備する（準備工程）。また、図３（ｂ）に示されるように、押圧面３１（第１押圧面）を有する押圧治具３０（第１押圧治具）を準備する。水晶体１０の準備と、押圧治具３０の準備とは、同時に実施されてもよいし、異なるタイミングにて実施されてもよい。

押圧治具３０は、その押圧面３１にて水晶体１０を押圧するためのスタンプ（ＱＰＭスタンプ）であり、複数の凸部３２（複数の第１凸部）が設けられる押圧面３１を含む本体部３３を有する。このため、押圧治具３０の押圧面３１は、凹凸面を含む。複数の凸部３２のそれぞれは、本体部３３から突出する突出部であり、平面視及び側面視にて略矩形状を呈する。複数の凸部３２は、例えば本体部３３に対して切削加工、エッチング加工等を実施することによって設けられる。本実施形態では、複数の凸部３２は周期的に設けられる。各凸部３２の先端面３２ａは、側面視にて同一平面上に位置する平面である。各凸部３２の突出量は、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。各凸部３２の幅と、隣り合う凸部３２同士の間隔とのそれぞれは、水晶素子１に求められる性能に応じて適宜調整される。各凸部３２の突出方向及び幅方向に交差する方向に沿った寸法は、方向Ｄ２に沿った水晶体１０の寸法と同程度であればよい。押圧治具３０の破損防止の観点から、凸部３２の硬度は、水晶の硬度以上である。押圧治具３０は、例えば、金属製、ステンレス鋼等の合金製、もしくはセラミックス製の治具である。なお、各凸部３２のピッチは、水晶素子１のＱＰＭピッチに実質的に相当する。

次に、図４に示されるように、押圧面３１が水晶体１０の主面１０ａを加熱押圧することによって、複数の凸部３２に対応する複数の極性反転領域１１を水晶体１０に形成する（極性反転領域形成工程）。この工程では、まず、水晶体１０を台座４０の平坦な載置面４０ａ上に載置する。このとき、水晶体１０は台座４０に固定される。次に、予め加熱された押圧治具３０の押圧面３１を、予め加熱された水晶体１０の主面１０ａに当接させる。この場合、例えば、押圧治具及び水晶体を収容するチャンバ内を加熱することによって、押圧治具３０及び水晶体１０が加熱される。そして、押圧治具３０に対して水晶体１０に向かう応力を印加する。このようにＱＰＭスタンプを用いたＱＰＭスタンプ法によって、複数の凸部３２に対応する複数の極性反転領域１１が設けられる水晶素子１（図１（ａ），（ｂ）を参照）を製造する。なお、押圧治具３０に対して水晶体１０に向かう応力は、例えば１００ＭＰａ以上である。この場合、各極性反転領域１１の幅に対する深さの比を大きくできる。

押圧治具３０の押圧面３１が水晶体１０の主面１０ａを加熱押圧するとき、押圧治具３０と水晶体１０とは、例えば２００℃以上５７３℃以下に予め加熱される。押圧治具３０と水晶体１０とが２００℃以上に加熱されることによって、水晶体１０に極性反転領域１１が形成されやすくなる。押圧治具３０と水晶体１０とが５７３℃以下に加熱されることによって、水晶体１０の意図しない相転移を防止できる。また、水晶体１０及び押圧治具３０の少なくとも一方における破損防止の観点から、押圧治具３０の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、１１３％以下である。上記違いが下限を有する場合、当該下限は０％でもよく、２７％でもよい。上記違いが１１３％以下である場合、水晶体１０への応力印加時等において、押圧治具３０及び水晶体１０の両方における機械的な破損が抑制される。なお、押圧治具３０の線膨張係数をＬＥＣ１とし、水晶の線膨張係数をＬＥＣ２としたとき、押圧治具３０の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、「（ＬＥＣ１−ＬＥＣ２）／ＬＥＣ２」で表される。

以上に説明した本実施形態に係る製造方法によって製造される水晶素子１は、複数の極性反転領域１１が設けられる主面１０ａを有し、且つ、当該主面１０ａは平面である。加えて本実施形態では、複数の凸部３２を有する押圧治具３０を利用して水晶体１０に複数の極性反転領域１１を形成する。このため、水晶素子１の主面１０ａに対して凹凸加工を施すことなく、主面１０ａ側から複数の極性反転領域１１を形成できる。換言すると、水晶体１０の表面に対して段差等を形成するための加工を実施する必要がない。加えて、押圧治具３０を再利用することによって、高効率で再現性よく複数の水晶素子１を製造できる。したがって本実施形態によれば、水晶素子１の量産性を向上可能である。

押圧面３１が主面１０ａを加熱押圧するとき、押圧治具３０の温度は２００℃以上５７３℃以下に設定され、押圧治具３０には、水晶体１０に向かう１００ＭＰａ以上の応力が印加されてもよい。この場合、各極性反転領域１１の幅に対する深さの比を大きくできる。これにより、水晶素子１の内部を透過する光は、複数の極性反転領域１１にて良好に位相整合される。

押圧治具３０の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、１１３％以下でもよい。この場合、押圧面３１が主面１０ａを加熱押圧するとき、水晶体１０と押圧治具３０との少なくとも一方における破損を防止できる。

凸部３２の硬度は、水晶の硬度以上でもよい。この場合、凸部３２が水晶体１０によって摩耗しにくくなるので、押圧治具３０を良好に再利用できる。

以下では、図５を参照しながら上記実施形態の変形例に係る水晶素子の製造方法について説明する。図５は、変形例に係る水晶素子の製造方法を説明するための図である。

本変形例では、図５に示されるように、水晶体１０は台座４０の代わりに押圧治具５０（第２押圧治具）上に載置される。押圧治具５０は、押圧治具３０と同様にその押圧面５１（第２押圧面）にて水晶体１０を押圧するための部材である。本実施形態では、押圧治具３０，５０は、互いに同一形状であるがこれに限られない。押圧治具５０の準備は、水晶体１０の準備及び押圧治具３０の準備と同時に実施されてもよいし、異なるタイミングにて実施されてもよい。

ここで、押圧治具５０の構成について説明する。押圧治具５０は、複数の凸部５２（複数の第２凸部）が設けられる押圧面５１を含む本体部５３を有する。このため、押圧治具５０の押圧面５１は、凹凸面を含む。複数の凸部５２のそれぞれは、本体部５３から突出する突出部であり、平面視及び側面視にて略矩形状を呈する。本変形例では、複数の凸部５２は、周期的に設けられる。各凸部５２の先端面５２ａは、側面視にて同一平面上に位置する平面である。各凸部５２の突出量は、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。各凸部５２の幅は、押圧治具３０に含まれる各凸部３２の幅に一致する。加えて、隣り合う凸部５２同士の間隔は、押圧治具３０において隣り合う凸部３２同士の間隔と一致する。押圧治具５０の破損防止の観点から、凸部５２の硬度は、水晶の硬度以上である。

図５に戻って、押圧治具３０の押圧面３１にて水晶体１０の主面１０ａを加熱押圧するとき、凸部３２と凸部５２とが水晶体１０を介して対向した状態にて、押圧治具５０の押圧面５１が水晶体１０の主面１０ｂを加熱押圧する。これにより、主面１０ａと、主面１０ａの反対側に位置する主面１０ｂとの両方が、加熱押圧される。押圧治具５０は、押圧治具３０と同様に、例えば２００℃以上５７３℃以下に予め加熱される。また、押圧治具５０の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、１１３％以下である。上記違いが下限を有する場合、当該下限は０％でもよく、２７％でもよい。上記違いが１１３％以下である場合、水晶体１０への応力印加時等において、押圧治具５０及び水晶体１０の両方における機械的な破損が抑制される。押圧治具５０は、例えば、金属製、ステンレス鋼等の合金製、もしくはセラミックス製の治具である。なお、押圧治具５０の線膨張係数をＬＥＣ３としたとき、押圧治具５０の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、「（ＬＥＣ３−ＬＥＣ２）／ＬＥＣ２」で表される。

水晶体１０を押圧治具３０，５０によって加熱押圧するとき、押圧治具３０の各凸部３２と、押圧治具５０の各凸部５２とは、水晶体１０の厚さ方向において互いに重なっている。本変形例では、平面視にて凸部３２，５２は完全に重なっている。この場合、主面１０ａ側から形成される極性反転領域と、主面１０ｂ側から形成される極性反転領域とが良好に重なる。これにより、複数の極性反転領域１１が、方向Ｄ３において主面１０ａから主面１０ｂにかけて精度よく設けられる。また、各極性反転領域１１の形状が、均一化する傾向にある。凸部３２，５２を良好に一致させる観点から、押圧治具３０，５０の両方にマーカー、切り欠き等が設けられてもよい。

以上に説明した本変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。加えて本変形例では、極性反転領域１１が主面１０ａから主面１０ｂにかけて設けられやすくなる。すなわち、極性反転領域１１の幅に対する深さの比を大きくできる。これにより、水晶素子１の内部を透過する光は、複数の極性反転領域１１にて良好に位相整合される。

本発明の一側面に係る水晶素子及びその製造方法は、上記実施形態及び上記変形例に限定されず、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び上記変形例では、複数の極性反転領域が周期的に設けられているが、これに限られず、水晶の屈折率分散から導出される所定位置に設けられればよい。このため、複数の極性反転領域は、水晶体内において非周期的に設けられてもよい。また、複数の極性反転領域は、上記実施形態及び上記変形例にて説明される態様に限定されない。例えば、複数の極性反転領域は、平面視にて、方向Ｄ１に沿って周期的に設けられるだけでなく、方向Ｄ２に沿って周期的に設けられてもよい。もしくは、複数の極性反転領域は、平面視にて方向Ｄ２に沿ってのみ周期的に設けられてもよいし、方向Ｄ１，Ｄ２のいずれにおいても非周期的に設けられてもよい。また、極性非反転領域は、極性反転領域によって区画されなくてもよい。この場合、水晶素子には、複数の極性反転領域と単一の極性非反転領域とが含まれる。複数の極性反転領域は、平面視にて主面の全体に設けられなくてもよい。例えば、複数の極性反転領域は、平面視にて主面の中央部のみに設けられてもよい。なお、各押圧治具に設けられる凸部の形状及び位置は、水晶素子に設けられる極性反転領域の態様に応じて変化する。よって、各押圧治具における複数の凸部は、平面視にて非周期的に設けられてもよい。

上記実施形態及び上記変形例では、各極性反転領域は、水晶体における一方の主面から他方の主面まで延在しているが、これに限られない。図６（ａ），（ｂ）は、水晶素子の別例を示す模式側面図である。図６（ａ）には、複数の極性反転領域１１Ａを有する水晶素子１Ａが示される。複数の極性反転領域１１Ａのそれぞれは、方向Ｄ３において主面１０ａ側のみに設けられる。複数の極性反転領域１１Ａのそれぞれにおける方向Ｄ３に沿った深さは、５μｍ以上であればよい。この場合であっても、水晶素子１Ａは、光導波路、波長変換素子等として良好に利用できる。具体例としては、水晶素子１Ａが波長変換素子として用いられる場合、水晶素子１Ａの内部（特に、主面１０ａ及びその近傍）を透過する光は、複数の極性反転領域１１Ａにて良好に位相整合される。また、図６（ｂ）には、複数の極性反転領域１１Ｂを有する水晶素子１Ｂが示される。複数の極性反転領域１１Ｂのそれぞれにおける方向Ｄ３に沿った深さは、例えば１００μｍ以上である。この場合もまた、水晶素子１Ｂは、光導波路、波長変換素子等としてより良好に利用できる。具体例としては、水晶素子１Ｂが波長変換素子として用いられる場合、水晶素子１Ｂの内部を透過する光は、複数の極性反転領域１１Ｂにてより良好に位相整合される。

上記実施形態及び上記変形例では、押圧治具の本体部と凸部とは一体形成されるが、これに限られない。例えば、凸部は、本体部の押圧面として機能する表面上に堆積される堆積加工体でもよい。この場合、凸部を構成する材料は、本体部を構成する材料と同一でもよいし、異なってもよい。例えば、本体部がセラミックス製である場合、凸部は金属製もしくは合金製でもよい。いずれの場合であっても、水晶体を加熱押圧するとき、凸部は、変形しないもしくは実質的に変形しない性能を有すればよい。

上記実施形態及び上記変形例では、押圧治具によって水晶体を加熱押圧するとき、押圧治具及び水晶体は予め加熱されるが、これに限られない。例えば、押圧治具のみが予め加熱されてもよい。この場合、押圧治具を水晶体に接触させた後に押圧治具を加熱してもよいし、押圧治具によって水晶体を押圧しているときに押圧治具を加熱してもよい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例では、複数の凸部を有するステンレス鋼製のＱＰＭスタンプを準備した。複数の凸部のピッチは、１２４μｍに設定された。凸部のピッチ（すなわち、１２４μｍ）は、第二高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）によって波長：５３２ｎｍのレーザー光を得る際のＱＰＭピッチに相当する。また、平面である主面を有する板状の水晶体を準備した。平面視における水晶体の寸法は１０ｍｍ×２０ｍｍであり、水晶体の厚さは、１ｍｍであった。

次に、水晶体の主面に上記ＱＰＭスタンプの凸部を加熱押圧することによって、水晶体の一部を極性反転した。具体的には、３００℃以上にて１００秒以上、１００ＭＰａ以上の圧力をＱＰＭスタンプから水晶体の主面に印加した。これにより、上記凸部の位置に応じた極性反転領域を有する水晶素子を製造した。

図７は、実施例に係る水晶素子に対して表面エッチング加工を実施した後の表面を示す図である。図７に示される水晶素子６０には、周期的に設けられた複数の極性反転領域６１と、極性非反転領域６２とが示されている。水晶素子６０のＱＰＭピッチＰは、１２４μｍであり、ＱＰＭスタンプに含まれる凸部のピッチと略同一であった。この結果から、ＱＰＭスタンプを用いた実施例においては、水晶素子に実質的に周期的な極性反転領域が形成されることが確認された。なお、表面エッチング加工では、水晶素子の上記主面に対してウェットエッチングすることによって、極性非反転領域のみを除去した。エッチャントはフッ化水素酸を用いた。

（比較例）
上記実施例と異なり、極性反転を実施していない水晶体を準備した。このため、比較例では、極性非反転領域のみが含まれる水晶体を水晶素子とした。

（ＳＨＧ実験）
実施例及び比較例の水晶素子に対して、波長１０６４ｎｍのパルスレーザー（パルス幅〜０．７ｎｓ）を照射した。パルスレーザーの励起エネルギーは、０ｍＪから２．５ｍＪまで段階的に上昇させた。そして、水晶素子を透過した波長５３２ｎｍのレーザー光のエネルギー（第二高調波エネルギー：ＳＨエネルギー）の最大値を検出した。

図８は、実施例及び比較例におけるＳＨエネルギーの最大値の検出結果である。図８において、縦軸はＳＨエネルギーの最大値を示し、横軸は励起エネルギーを示す。また、グラフ７１は実施例におけるＳＨエネルギーの最大値を示し、グラフ７２は比較例におけるＳＨエネルギーの最大値を示す。図８に示されるように、実施例においては、励起エネルギーの上昇に伴って、ＳＨエネルギーも上昇することが確認された。実施例では、励起エネルギーが２．５ｍＪのとき、ＳＨエネルギーは１．２６μＪであった。一方で比較例においては、励起エネルギーが上昇しても、ＳＨエネルギーがほぼ一定であることが確認された。比較例では、励起エネルギーが２．５ｍＪのとき、ＳＨエネルギーは６．１９ｎＪであった。すなわち、実施例において検出される励起エネルギーは、比較例の数百倍を示した。これらの結果から、実施例に係る水晶素子は、比較例と異なり、第二高調波発生を実施できる（すなわち、ＱＰＭ構造を備える）ことが確認された。

１，１Ａ，１Ｂ，６０…水晶素子、２…パルス光発生装置（レーザー光発生装置）、３…集光レンズ、１０…水晶体、１０ａ…主面（第１主面）、１０ｂ…主面（第２主面）、１０ｃ〜１０ｆ…側面、１１，１１Ａ，１１Ｂ，６１…極性反転領域、１２，６２…極性非反転領域、２０…光発振装置、３０…押圧治具（第１押圧治具）、３１…押圧面（第１押圧面）、３２…凸部（第１凸部）、３３…本体部、５０…押圧治具（第２押圧治具）、５１…押圧面（第２押圧面）、５２…凸部（第２凸部）。

Claims (10)

1. 複数の極性反転領域と、極性非反転領域とが設けられる主面を有する水晶素子であって、
   前記複数の極性反転領域は、前記極性非反転領域を介して互いに離間し、前記主面は、平面である、
   水晶素子。
2. 前記主面に交差する第２方向に沿った前記水晶素子の厚さは、０．１μｍ以上であり、
   前記複数の極性反転領域のそれぞれにおける前記第２方向に沿った深さは、５μｍ以上である、請求項１に記載の水晶素子。
3. 前記複数の極性反転領域のそれぞれにおける前記第２方向に沿った深さは、１００μｍ以上である、請求項２に記載の水晶素子。
4. 前記複数の極性反転領域は、水晶の屈折率分散から導出される所定位置に配列される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水晶素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載される水晶素子と、
   前記水晶素子へレーザー光を出射するレーザー光発生装置と、を備え、
   前記レーザー光の強度が、ニオブ酸リチウムの損傷閾値光強度よりも高い、
   光発振装置。
6. 平面である第１主面を有する水晶体、及び、複数の第１凸部が設けられる第１押圧面を有する第１押圧治具を準備する工程と、
   前記第１押圧面が前記第１主面を加熱押圧することによって、前記複数の第１凸部に対応する複数の極性反転領域を前記水晶体に形成する工程と、
   を備える水晶素子の製造方法。
7. 前記水晶体は、前記第１主面の反対側に位置する第２主面を有し、
   前記水晶体と前記第１押圧治具を準備する前記工程では、複数の第２凸部が設けられる第２押圧面を有する第２押圧治具をさらに準備し、
   前記第１押圧面が前記第１主面を加熱押圧するとき、前記第１凸部と前記第２凸部とが前記水晶体を介して対向した状態にて前記第２押圧面が前記第２主面を加熱押圧する、請求項６に記載の水晶素子の製造方法。
8. 前記第１押圧面が前記第１主面を加熱押圧するとき、
   前記第１押圧治具の温度は２００℃以上５７３℃以下に設定され、
   前記第１押圧治具には、前記水晶体に向かう１００ＭＰａ以上の応力が印加される、請求項６又は７に記載の水晶素子の製造方法。
9. 前記第１押圧治具の線膨張係数と、水晶の線膨張係数との違いは、１１３％以下である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の水晶素子の製造方法。
10. 前記第１凸部の硬度は、水晶の硬度以上である、請求項６〜９のいずれか一項に記載の水晶素子の製造方法。