JP2723797B2 - 波長変換素子およびそれを用いたレーザー装置 - Google Patents

波長変換素子およびそれを用いたレーザー装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料を用い
た波長変換素子およびそれを用いたレーザー装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】レーザー技術を柱としたオプトエレクト
ロニクス技術の急激な発展の中、特に、小型・高効率
で、注入電流による直接変調が可能であるという他のレ
ーザーにない際立った特徴を有する半導体レーザーは、
光通信,光メモリ,レーザープリンタなどに大量に利用
されされるようになってきた。しかし、半導体レーザー
の発振波長は赤外,近赤外から赤色領域までに限られて
おり、より短波長の緑色,青色の半導体レーザーは未だ
実用の域に達していない。一方、高密度光メモリや各種
の計測,分光などの分野では、コンパクトな短波長レー
ザーの実現が待望されており、これが最近の非線形光学
材料に対する関心の高まりの大きな要因となっている。
【0003】非線形光学効果とは、非常に強い光が物体
を透過するとき、光の電場によって物質が分極し、この
誘起分極による光高調波の発生や、入射した光自身が変
化する現象をいう。かかる現象はレーザーの発明以前か
ら知られていたものであるが、多くはレーザー光の出現
によって注目されるようになった。特に最近、光機能素
子への応用が注目されている光高調波発生,光パラメト
リック発振・増幅,光位相共役,光双安定などの現象解
明はレーザーの発明に負うところが大きい。これらの非
線形光学効果は、赤外光の可視光,紫外光への波長変
換,光増幅,光スイッチ,光変調,光信号などの無歪伝
送などへの応用が可能である。そのため非線形光学素子
は、今後ますます需要が増大する光情報処理,光通信の
分野で鍵を握る機能材料として位置づけされている。
【0004】従来、リン酸2水素カリウム(KDP),
ニオブ酸リチウム(LNB),3−メチル−4−ニトロ
ピリジンN−オキシド(POM),2−メチル−4−ニ
トリアニリン(MNA)などの非線形光学結晶を用いた
波長変換素子およびそれを用いたレーザー装置が知られ
ている。
【0005】しかしながら、上記のような従来の非線形
光学結晶を用いた波長変換素子やそれを用いたレーザー
装置では、非線形光学結晶の効果が乏しい、結晶育成が
難しい、効果を十分に引き出すための加工が困難であ
る、ウォーク・オフが大きいため有効相互作用長が充分
にとれないなどの問題があるために、高効率の波長変換
が実現されていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】効率良く波長変換を行
なうためには、媒質中の各点に誘起された非線形分極波
から放射される第2高調波の位相を揃えて重ね合わせる
必要がある。これを位相整合といい、位相整合がとれて
いる場合の変換効率は、通常、材料の性能指数と基本波
のパワー密度、そして結晶相互作用長の2乗に比例して
大きくなる。したがって、高効率波長変換を達成するた
めには、性能指数の大きな材料を用い、結晶の入射表面
の面精度を高めて表面の散乱による光の損失を防ぐとと
もに、基本波パワー密度をできる限り高く保ったまま、
長い結晶相互作用長を確保できる位相整合をとることが
必要となる。
【0007】ところが、まず第一に、多くの非線形光学
材料の中で位相整合のとれる結晶は極めて少ない。第二
に、位相整合可能な結晶であるとしても一般には位相整
合許容角が小さく結晶の角度が僅かにずれるだけで位相
整合がとれなくなってしまうこと、また、異常光線のエ
ネルギー伝搬方向は法線屈折率面の法線方向を向いてお
り常光線のエネルギー伝搬方向と平行でないために、第
2高調波と基本波の間のエネルギー伝搬方向ずれ(ウ
ォーク・オフ)が生じ結晶相互作用長を長くとれないこ
となどの問題点がある。この問題を解決する手段として
ノンクリティカル位相整合法が知られている。この方法
を用いれば、2つの法線屈折率面が接するため許容角が
大きくなり、またウォーク・オフもなくなり、長い相互
作用長を確保でき、高効率で安定した波長変換素子が実
現できる。しかし、ノンクリティカル位相整合は、2つ
の法線屈折率面が接するという極めて特殊な条件を必要
とするために、限られた温度範囲でのみ実現され、特定
の方位でのみ成立する。従って、その場合の位相整合
面,波長は自動的に決まる。
【0008】また、有機非線形光学結晶では、性能指数
が無機非線形光学結晶を遥かに上回るものがいくつも存
在するが、有機結晶の結晶育成、結晶の切断・研磨、あ
るいは微細加工などの各技術が未熟であるために、未だ
に高効率の波長変換素子は実現されていない。
【0009】本発明の目的は、以上のような問題点を解
決し、高効率で安定な波長変換素子およびそれを用いた
レーザー装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による波長変換素子は、第一に結晶の劈開面
を、位相整合入射面、またはノンクリティカル位相整合
面として用いることを特徴とする。そして、半導体レー
ザーを入射光として、上記の劈開面を入射レーザー光に
垂直に配置したことを特徴とするレーザー装置である。
また、第二に4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
ピルエステル分子結晶の劈開面を用いノンクリティカル
位相整合を利用したことを特徴とする。さらに、上記の
4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル
分子結晶の劈開面をノンクリティカル位相整合面とし
て、波長925〜935nmの半導体レーザーを室温で
波長変換することを構成上の特徴とする。また、上記の
4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル
分子結晶の劈開面に無反射コーティングを施すと透過光
強度を改善することができる。
【0011】4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
ピルエステルは、例えば4−ニトロアニリンを、イソプ
ロピルクロロフォルメイトと反応させることによって得
られる。この4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
ピルエステルを、溶解度の大きいメタノール,エタノー
ル等のアルコール類、アセトン,メチルエチルケトン,
メチルイソブチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフ
ラン,クロロホルム,ジクロロメタン,ジメチルスルホ
キサイド,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミ
ド等に溶解し、溶媒蒸発法または溶媒冷却法により、4
日ないし5日で晶出させ、良質な大型板状結晶が得られ
る。この分子結晶は斜方晶系,空間群P21 nbに属
し、(010),(021),(101),(111)
面から構成される6〜14面体となり、(010)面は
劈開面であった。
【0012】得られた4−ニトロフェニルカルバミン酸
イソプロピルエステルは、粉末状態でNd:YAGレー
ザー(λ=1064nm)を照射すると、著しく強い緑
色の第2高調波を発生する。更に単結晶状態では、広い
波長に渡って位相整合可能であり、粉末を遥かに越える
強度の第2高調波を発生する。室温で入射基本波930
nm付近でノンクリティカル位相整合となり、その位相
整合面は劈開(010)面である。このことは加工研磨
という問題を避けることができ大きなメリットとなる。
【0013】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【0014】(製造例 1)4−ニトロアニリン138
g(1mol)をベンゼンに溶解し、油浴中50℃に保
ち、イソプロピルクロロフォルメイト135g(1.1
mol)を滴下後、約4時間攪拌反応させた。反応終了
後、反応溶液を水洗し、濃縮析出した反応物を減圧下5
0℃で乾燥して4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプ
ロピルエステルを得た。
【0015】減圧乾燥後、テトラヒドロフラン溶液で再
結晶することにより淡黄色透明棒状または板状結晶の4
−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステルを
得た。収率85%,純度99.5%であった。熱分析に
より調べてみると、融点は117℃であり、また融液状
態で長時間安定であり、約200℃以内で分解は起こら
なかった。
【0016】(製造例 2)4−ニトロフェニルカルバ
ミン酸イソプロピルエステル100gをテトラヒドロフ
ラン飽和溶液とし、温度を25℃一定に保ち溶媒蒸発法
にて10日間結晶成長させ、60×25×8mmの板状
結晶を得た。
【0017】同様にして得た0.50×0.20×0.
10mmの結晶をx線4軸自動回折装置を用い、結晶構
造解析を行った。その結果、結晶は斜方晶系,点群mm
2,空間群P21 nb(結晶軸の取り方でPna21
に属し、格子定数はa=6.113,b=32.75
8,c=5.354(オングストローム)、単位格子内
に4個の分子が存在し、密度1.4であった。
【0018】(製造例 3)4−ニトロフェニルカルバ
ミン酸イソプロピルエステル30gを直径20mmの試
験管に入れ、管内を真空にした後、ヘリウムまたはアル
ゴンなどの不活性ガスを充満させて、管を封じた。この
試験管を、温度120℃に保たれた炉に入れたところ、
試験管内の4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピ
ルエステルは全体に渡り融解した。約20分試験管を炉
中に維持した後に、約50℃に温度制御された大気中に
1時間に約0.6mmの速度で移動させたところ容易に
大きな単結晶を得ることができた。
【0019】製造例1〜製造例3で得られた単結晶は、
すべて(010)面を劈開面としてもった。劈開面は簡
単にナイフなどで切り出すことが可能であり、極めて清
浄かつ平滑な面を得ることができた。
【0020】(実施例1)製造例2の結晶および同様に
して得た結晶を用い、これにQスイッチ付きNd:YA
Gレーザー(λ=1064nm)による10nsecの
パルス光を照射した。その結果、結晶内で劈開面〔(0
10)面〕内にあるc軸〔001〕方向から約28°の
方向に基本波を入射することによって位相整合可能であ
り、第2高調波発生効率は、KDPの2000倍以上を
示し、第2高調波(λ=532nm)が透過光として得
られた。
【0021】(実施例2) 製造例2の結晶および同様にして得た結晶の(010)
劈開面を用い、これに波長可変Ti・サファイアレーザ
ー(λ=1100〜930nm)による10nsecの
パルス光を照射した。その結果、測定全ての波長域で位
相整合可能であり、緑色から青色領域におよぶ第2高調
波が透過光として得られた。特に、波長930nmに対
しては、劈開面に垂直な〔010〕方向TypeII
のノンクリティカルな位相整合がとれ、極めて安定な第
2高調波(465nm)を発生させることができた。厚
さ約3mmの結晶で調べた結果、角度許容幅は、 Δθ・L=7.0(deg・cm1/2 ) Δφ・L=2.5(deg・cm) と非常に大きく、安定した素子を作成できた。同様に、
同じ結晶系に属する結晶においても、結晶軸方向でノン
クリティカル位相整合が成り立ち、劈開面を用いて、安
定した波長変換素子が作成できる。
【0022】(実施例3)製造例2の結晶および同様に
して得た結晶を用い、これに出力100mW,波長93
0nmの半導体レーザーを室温で(010)劈開面に垂
直入射するように配置してレーザー装置を試作した。結
晶の(010)劈開面は非常に平滑かつ清浄であり、基
本波の透過光強度は入射光強度の約89%であり、屈折
率から計算される反射ロスと良い一致を示した。さら
に、劈開面にフッ素系樹脂をディップコートすることに
より無反射コーティングを施した結果、透過光強度は入
射光強度の約99.7%にまで改善することができた。
その結果、相互作用長が6mmの結晶において、出力約
1.5mWの青色(465nm)の第2高調波を観測
し、極めて安定な青色のレーザー光を得ることができ
た。
【0023】
【発明の効果】以上のように結晶の劈開面を、位相整合
入射面、またはノンクリティカル位相整合面として用い
ることを特徴とする波長変換素子では、表面の面精度が
高くほぼ理想的な波長変換を実現できた。また、4−ニ
トロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステルのノン
クリティカル位相整合を利用した本発明の波長変換素子
は、波長925〜935nmのレーザーを高効率で安定
に波長変換できる。また、MNAをはじめとする既存の
有機結晶は位相整合条件が厳しく、結晶の硬度も小さい
ため、結晶加工研磨が非常に難しいのに対し、本発明に
よる波長変換素子は結晶の劈開(010)面でノンクリ
ティカル位相整合とるため、光学的に良好な位相整合面
を素子作製工程で最も重要な結晶の研磨加工なくして得
られ、ビーム形状もよい。
【0024】従って、本発明の波長変換素子はコンパク
トな短波長レーザーを実現でき、オプトエレクトロニク
スのあらゆる分野での用途が期待できる。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
    ピルエステル分子結晶(空間群P21 nb)の(01
    0)劈開面をノンクリティカルの位相整合面として用い
    たことを特徴とする波長変換素子。
  2. 【請求項2】前記4−ニトロフェニルカルバミン酸イソ
    プロピルエステル分子結晶は、4−ニトロアニリンを、
    イソプロピルクロロフォルメイトと反応させることによ
    って得られた4−ニトロフェニルカルバミン酸イソプロ
    ピルエステルを、溶解度の大きい溶媒に溶解し、溶媒蒸
    発法または溶媒冷却法により晶出させたことを特徴とす
    る請求項1記載の波長変換素子。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の波長変換素子の4
    −ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル分
    子結晶の(010)劈開面が、半導体レーザー光源から
    のレーザー光に垂直に配置されたことを特徴とするレー
    ザー装置。
  4. 【請求項4】請求項1または2記載の波長変換素子の4
    −ニトロフェニルカルバミン酸イソプロピルエステル分
    子結晶の(010)劈開面に無反射コーティングが施さ
    れ、前記(010)劈開面が半導体レーザー光源からの
    レーザー光に垂直に配置されたことを特徴とするレーザ
    ー装置。
  5. 【請求項5】半導体レーザー光源からのレーザー光の波
    長が925〜935nmであり、室温で作動させること
    を特徴とする請求項3または4記載のレーザー装置。
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JPH05127205A (ja) * 1990-12-20 1993-05-25 Sumitomo Bakelite Co Ltd 分子結晶

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05127205A (ja) * 1990-12-20 1993-05-25 Sumitomo Bakelite Co Ltd 分子結晶

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