JP2021517261A - 可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の用いる結晶は非線形光学結晶であり、用いる非線形係数に基づいて結晶を所定の方向に切断し、接線方向に直行する表面を研磨してコーティングするか、又はコーティングせず、レーザー加工又はイオンビームエッチングなどの方式で、結晶の内部均一性を破壊し、その破壊領域の実効的な非線形効果をなくし、実効的な周波数逓倍過程を実現できないが、基本周波数光と周波数逓倍(又は和周波)光の位相変化を実現し、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を制御することで、結晶の内部光の位相を調整して位相整合を実現し、実効的な光周波数変換を得る。
o光とは、振動方向が結晶光軸と入射方向からなる主平面に直行する偏光を意味する。
であり、lcが結晶の光透過方向の未加工部分の幅であり、lbが結晶の光透過方向の加工部分の幅である。
可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスであって、非線形光学結晶を用い、前記光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果のコヒーレント加算を実現できないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供できる。
(mは整数である)である。本発明の周期的に分布する回折格子は、加工されたアモルファス領域を含むだけではなく、未加工の領域も含み、この2つの部分の屈折率が同じではなく、従って、屈折率の周期的分布を形成し、この2つの部分はいずれもπの奇数倍の位相差を提供し、未加工部分は位相差を持つだけではなく、実効的な非線形効果、すなわち基本周波数光から周波数逓倍光への持続的変換も有し、加工領域は実効的な非線形効果がなく、位相差だけを提供する。
であり、lcが結晶の光透過方向の未加工部分の幅であり、lbが結晶の光透過方向の加工部分の幅である。光透過方向の回折格子の加工長さを制御することで、光を結晶の内部に伝送するときの位相を制御し、結晶が1つの回折格子周期内に伝送する位相差は
として示され、式中、
は非線形光学結晶の位相不整合の逆格子ベクトルであり、Λは回折格子周期である。好ましくは、未加工部分の幅lc=0.1−50μm、加工部分の幅lb=0.1−50μm。
非線形係数に基づいて非線形光学結晶を所定の方向に切断し、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術を用いて結晶の内部に異なる屈折率で周期的に配列される回折格子を形成するステップと、結晶自体の構造を破壊することで周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域を形成し、該領域の非線形光学効果をなくし、それにより、遮断周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断し、しかし、該領域は基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
(mは整数である)を提供できるステップとを含む。
として示され、式中、
は非線形光学結晶の位相不整合の逆格子ベクトルであり、Λは結晶回折格子周期であり、
であり、lcが結晶の光透過方向の未加工部分の長さであり、lbが結晶の光透過方向の加工破壊部分の長さである。破壊領域の加工長さを変えることで、破壊領域の基本周波数光と周波数逓倍光の位相差
及び未破壊領域の位相差
をいずれも(2m+1)πにし、式中、mは整数である。破壊領域の付加的な周期位相差を
に制御することで、位相整合条件を満たし、実効的な光周波数変換を実現する。
1、本発明は非線形光学結晶を用い、光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果がないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供する。たとえば、レーザー加工、イオンエッチングなどの技術によって非線形光学結晶の内部に屈折率が周期的に分布する位相格子を形成でき、それにより、付加的な周期位相を提供して、非線形光学結晶の位相不整合を補償し、高効率な周波数逓倍及び和周波の変換を実現し、特に深紫外線レーザー出力を実現できる。構成が簡単であり、加工過程が容易であり、可視から紫外にわたる周波数帯からの光周波数変換を実現できる。
光周波数変換デバイスの製造過程は以下のとおりであった。水晶結晶を非線形光学結晶として用い、結晶加工方法は図1に示されるように、最大非線形係数d11を用い、水晶結晶をZ方向に切断し、光透過方向のZ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、フォトリソグラフィ領域は付加的な周期位相を提供し、加工領域と未加工領域の幅がいずれも0.7μmであった。加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の付加的な周期位相差がπであり、加工区間全体は結晶長さが1mm、結晶断面が3mm×3mmであり、表面を研磨した。屈折率の周期配列は図2に示された。
ポンプ源7は波長426nmのパルスレーザーであり、パルス幅が10nsであり、重複周波数が50Hzであり、水晶結晶断面が5×3mmであり、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも1.4μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長213nmのレーザー出力を実現でき、出力波長図5に示される以外、実施例1の記載と同様であった。
ポンプ源7は波長1540nmのフェムト秒パルスレーザーであり、パルス幅が500fsであり、重複周波数が200MHzであり、水晶結晶断面が4×4mmであり、結晶長さが50mmであり、結晶面には1540nmと770nmに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、光透過方向のZ方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも34.4μmであり、提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長770nmのレーザー出力を実現でき、出力波長図6に示される以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はSBO結晶であり、最大非線形係数d33を用いて、結晶をX方向に切断し、結晶断面が3×4mmであり、結晶長さが10mmであり、光透過方向のX方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも2.9μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が5πであり、ポンプ電力を増加させると、深紫外線波長177.3nmのレーザー出力を実現できる以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はLBO結晶であり、波長1064nmと532nmの同方向のレーザー和周波によって355nmレーザーを発生させ、最大非線形係数d32を用いて、結晶をX方向に切断し、結晶断面が5×5mmであり、結晶長さが20mmであり、光透過方向のX方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも4.4μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と和周波光の位相差がπであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長355nmのレーザー出力を実現でき、出力波長図7に示される以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はKBBF結晶であり、最大非線形係数d11を用いて、結晶をZ方向に切断し、結晶断面が2×3mmであり、結晶長さが2.5mmであり、光透過方向のZ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも1.6μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、ポンプ源7は波長410nmの光パラメトリック発振器であり、パルス幅が20nsであり、重複周波数が20Hzであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長205nmのレーザー出力を実現できる以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はLiNbO3結晶であり、最大非線形係数d33を用いて、結晶をX方向に切断し、ポンプ源7は波長1064nmの連続レーザーであり、結晶断面が直径10mmの円形であり、結晶面には1064nmと532nmに対して高透過性である誘電体膜がコーティングされ、フッ化カルシウムプリズムによる分光とグローブボックスが不要であり、結晶長さが20mmであり、光透過方向のX方向にイオンビームエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域の幅が3.5μmでり、未加工領域の幅がいずれも10.5μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差がπであり、未加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が3πであり、ポンプ電力を増加させると、可視波長532nmのレーザー出力を実現でき、出力波長図8に示される以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はMgBaF4結晶であり、最大非線形係数d32を用いて、結晶をX方向に切断し、ポンプ源7は波長532nmのパルスレーザーであり、パルス幅が50nsであり、重複周波数が1kHzであり、結晶断面が6×6mmであり、結晶長さが30mmであり、光透過方向のX方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも10.7μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が3πであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長266nmのレーザー出力を実現できる以外、実施例1の記載と同様であった。
非線形光学結晶はβ−BBO結晶であり、最大非線形係数d22を用いて、結晶をZ方向に切断し、結晶断面が3×4mmであり、結晶長さが15mmであり、光透過方向のZ方向にレーザーエッチングによって屈折率が周期的に分布する回折格子構造を形成し、各周期内に加工領域と未加工領域の幅がいずれも3.3μmであり、加工領域により提供可能な基本周波数光と周波数逓倍光の位相差が3πであり、ポンプ源7は波長484nmのパルスレーザーであり、パルス幅が10nsであり、重複周波数が100Hzであり、ポンプ電力を増加させると、紫外線波長242nmのレーザー出力を実現でき、出力波長は図9に示される以外、実施例1の記載と同様であった。
Claims (9)
- 可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイスであって、
非線形光学結晶を用い、前記光学結晶の内部には周期的かつ規則的に分布するアモルファス領域が設けられ、該アモルファス領域は非線形光学効果のコヒーレント加算を実現できないため、周波数逓倍光から基本周波数光への変換過程を遮断するが、基本周波数光と周波数逓倍光の位相差を提供できる
ことを特徴とする可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 結晶加工方法はレーザーマイクロマシニング又はイオンエッチングなどである
請求項3に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 未加工部分の幅lc=0.1−50μm、加工部分の幅lb=0.1−50μmである
請求項3に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 前記非線形光学結晶は、水晶結晶、三ホウ酸リチウム結晶、β−メタホウ酸バリウム結晶、四ホウ酸ストロンチウム結晶、ニオブ酸リチウム結晶、フッ化ホウ化ベリリウム酸カリウム結晶、 リン酸二水素カリウム結晶又はフッ化バリウムマグネシウム結晶を用いることができるがこれらに限られない
請求項1に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 前記非線形光学結晶面には基本周波数光と周波数逓倍光がいずれも高透過性の誘電体膜がコーティングされるか、又はコーティングがされていない
請求項1に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 前記非線形光学結晶の光透過方向の長さは0.1−100mmであり、更に好ましくは3−10mmである
請求項1に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。 - 前記非線形光学結晶の断面は円形、方形又はその他の任意の形状である
請求項1に記載の可視から紫外にわたる周波数帯の光周波数変換デバイス。
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