JP3683517B2 - Method for forming domain inversion structure of ferroelectric material - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、基本波を第2高調波に変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメイン反転構造を有する光波長変換素子を作成するために、非線形光学効果を有する強誘電体に所定パターンのドメイン反転構造を形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
非線形光学効果を有する強誘電体の自発分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換する方法が既にBleombergenらによって提案されている(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、
Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)} ……(1)
ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数
β(ω)は基本波の伝搬定数
で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように設定することで、基本波と第2高調波との位相整合を取ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長に対して(1) を満足する周期Λを選択することにより、効率良く位相整合を取ることが可能となる。
【0003】
上述のような周期ドメイン反転構造を形成する方法としては従来より、
1)LiTaO3 の−z面に周期的にプロトン交換を施し、キュリー点近傍の温度で熱処理する方法(K.Yamamoto ,K.Mizuuchi ,and T.Taniuchi , Optics Letters,vol.16, No.15,1156(1991)参照)
2)室温下で電子線ビームを直接LiTaO3 やLiNbO3 の−z面に照射する方法(H.Ito,C.Takyu,and H.Inaba,Electronics Letters, vol.27, No.14,1221(1991)参照)
等が知られている。
【0004】
上記1)の方法を実施する場合、3次の周期ドメイン反転構造を形成し、その後さらにプロトン交換によりチャンネル導波路を形成して、導波路型光波長変換素子を形成することも提案されている。そのような光波長変換素子においては断面を観察すると半円形状の周期ドメイン反転構造が形成され、基本波光源としてTi:Al2 O3 レーザを用いたとき、99mWの基本波入力に対して2.4mWの第2高調波出力が得られており、3次の周期における理論値に近い波長変換効率が達成されている。
【0005】
一方2)の方法で作成される光波長変換素子は、LiNbO3 の基板厚さ(例えば0.5mm程度)に亘って、つまり−z面から+z面まで貫通する周期ドメイン反転部が形成されるため、バルク型の光波長変換素子としての応用が可能である。この方法により3次の周期ドメイン反転構造を形成した光波長変換素子では、Ti:Al2 O3 レーザを波長掃引して、バルクでの位相整合が確認されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、導波路型光波長変換素子の場合、基本波光源として出力100mW程度の単一横モードの半導体レーザを用いて、数mW程度の実用レベルの第2高調波を得るためには、1次の周期ドメイン反転構造を形成し、3次の周期構造に対して約1桁高い波長変換効率を実現することが必要である。
【0007】
しかし上記1)の方法では、熱処理時にプロトン交換領域で発生する空間電荷電界によってドメインを反転させているため、1次の微小な周期3.6μmのときにはドメイン反転部の深さが1.6μm程度しか得られない。このためドメイン反転部が、通常2.4μm程度の導波路厚さよりもかなり浅くなってしまうので、基本波とドメイン反転部との重なり積分が大きくなり得ず、3次周期の場合に対して約2倍程度の高効率化に留まっている。またこの1)の方法では、500 〜600 ℃程度の熱処理温度まで急速に昇温しなければプロトン交換領域が拡散することがあり、そのため再現性に難がある。
【0008】
一方2)の電子線ビームを照射する方法では、基板裏まで貫通するような深いドメイン反転部を形成可能であるが、ドメイン反転構造の制御性が悪いという問題が認められている。また電子線照射装置側の都合から、一度の照射面積が現状では2×2mm程度に限られるので、基本波に対する素子の相互作用長を長くして波長変換効率を上げようとする場合には、周期ドメイン反転パターン同士を精度良くつなぐ必要があるが、そのつなぎ精度を高く確保することが難しいという問題も認められる。さらに、電子線照射装置は大面積を描画するのに長時間を要するので、この方法では生産性を上げるのが困難となっている。
【0009】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、所定周期のドメイン反転構造を深く、制御性良く、そして大面積に亘って簡便に形成することができる強誘電体のドメイン反転構造形成方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明による一つの強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるLiNbO3基板あるいはMgO−LiNbO3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、上記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜700 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明による別の強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるLiTaO3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、上記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜600 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とするものである。
【0014】
【作用および発明の効果】
本発明による強誘電体のドメイン反転構造形成方法において、上記の電極とコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加すると、ドメイン反転部が電場に沿って長く成長するようになる。そこで、このドメイン反転部を極めて深く形成することができ、ドメイン反転部と基本波との重なり積分を大きく確保して、波長変換効率を十分に高めることが可能となる。また、このようにドメイン反転部を極めて深く形成できれば、ドメイン反転部を強誘電体基板の一表面から他表面まで同一断面形状で延ばすことも可能で、その周期精度を大幅に向上させることができる。またこの方法は、電子線ビーム照射等に比べるとプロセスが容易で、大面積の処理を一度に行なうことができ、よって生産性にも優れたものとなる。
【0015】
また上記の熱処理を行なうと、電場印加により生じた局部的な屈折率変化が無くなる。そこで、本方法により形成されたドメイン反転構造に光を通す際に、光の散乱や回折等が少なくなり、損失が小さく抑えられる。したがって、このドメイン反転構造を有する光波長変換素子を前述のようにレーザ共振器内に配置すれば、共振器内部損失が低く抑えられて、効率良く第2高調波が発生するようになる。
【0016】
以上説明した本発明の各方法によれば、1次周期のドメイン反転構造を形成した後に例えばチャンネル光導波路を形成して、光導波路とドメイン反転領域との相互作用長を十分に長く取ることができる。それにより、レーザダイオード等を基本波光源とする高効率の導波路型光波長変換素子を得ることが可能となる。さらに本方法によれば、ドメイン反転部を極めて深く形成することができるから、レーザダイオード励起固体レーザに組み込む光波長変換素子や、あるいは外部共振器型のバルク結晶型光波長変換素子を形成することも可能となる。
【0017】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。まず図1を参照して、本発明に対する第1参考例について説明する。この図1中、1は非線形光学効果を有する強誘電体であるMgO−LiNbO3 の基板である。この基板1は単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最も大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるようにz面で光学研磨されている。この基板1の−z面1a上に金属Taをスパッタして厚さ50nmのTa薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、同図(a)に示されるようなTaマスク2の周期パターンを形成する。このパターンの周期Λは、MgO−LiNbO3 の屈折率の波長分散を考慮し、基板1のx方向に沿って880 nm近辺で1次の周期となるように4μmとした。
【0018】
次に上記基板1に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間のプロトン交換処理を行ない、同図(b)に示されるような厚み0.5 μmの周期プロトン交換部3を形成する。このプロトン交換後、Taマスク2はNaOHとH2 O2 の混合エッチング液で除去する。
【0019】
さらに、後述の電場印加をする際の電位を均一にするため、基板裏面の+z面1bに金属Pt5をEB蒸着する。このようにして作成したサンプルを、同図 (c)に示すようにアース7に接続されたヒーター6で温度200 ℃に加熱し、それとともに該サンプルにコロナ帯電により電場を印加した。この際、コロナワイヤー4と基板1との距離は10mmに設定し、高圧電源8からこのコロナワイヤー4を介して−5kVの電圧を10分間印加した。以上の処理後、+z面1bに蒸着した金属Pt5を除去し、y面を切断、研磨した後、HFとHNO3 とが1:2に混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。
【0020】
この基板1の断面(y面)を観察したところ、同図(d)に示すようにプロトン交換部3が形成されていた箇所において、Λ=4μmの周期で−z面から+z面まで貫通する周期ドメイン反転部9が形成されているのが確認された。なおこの図1(d)の矢印10は、分極の方向を示している。
【0021】
なおこの後にチャンネル導波路を形成する場合には、プロトン交換した領域の屈折率変化が導波路の伝搬損失に影響するので、屈折率を均一化してこの影響を回避するために、例えば400 ℃で4時間アニール処理を行なう。
【0022】
次に本発明に対する第2参考例を説明する。本参考例において強誘電体としては、例えば第1参考例のものと同様のMgO−LiNbO3 基板が用いられる。まずこの基板の+z面上にフォトリソグラフィーにより第1参考例と同様の周期のマスクパターンを形成する。次に金属Tiをスパッタして65nmの厚さのTi薄膜を形成した後、リフトオフによりTiの周期パターンを形成する。次にウエット酸素雰囲気中で1035℃×10時間のTi拡散処理を行ない、周期的なTi拡散部を形成する。
【0023】
その後、第1参考例と同様にサンプルを加熱しながらコロナ帯電をすることにより、上記のTi拡散部を周期ドメイン反転部とした。y面の断面を観察したところ、この場合もドメイン反転部が、基板を貫通する状態に深く形成されていることが確認された。
【0024】
次に本発明に対する第3参考例を説明する。本参考例においても強誘電体としては、第1参考例のものと同様のMgO−LiNbO3 基板が用いられる。まずこの基板の+z面上にSiO2 をスパッタして、厚さが100 nmのSiO2 薄膜を形成する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、第1参考例と同様の周期のSiO2 マスクパターンを形成する。次に1100℃の酸素雰囲気中で熱処理することにより、周期的なLiの外拡散部を形成する。
【0025】
その後第1参考例と同様にPtを蒸着後、サンプルを加熱処理しながらコロナ帯電をすることにより、上記のLi外拡散部を周期ドメイン反転部とした。y面の断面を観察したところ、この場合もドメイン反転部が、基板を貫通する状態に深く形成されていることが確認された。
【0026】
なお電場印加方法としては、以上説明した第1、2および3参考例における方法の他、図2に示すように基板1の−z面1a、+z面1bの双方に電極として金属Pt5を蒸着し、これらの電極を介して電源11から直流電圧、あるいはパルス電圧を印加する方法を採用してもよい。なおこの図2において、図1中の要素と同等のものには同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する(以下、同様)。また強誘電体材料としては、上述のMgO−LiNbO3 以外に、LiTaO3 、LiNbO3 等を用いることもできる。
【0027】
以上説明した本発明による強誘電体のドメイン反転構造形成方法においては、プロトン交換、Ti拡散、あるいはLiの外拡散を行なうことにより、強誘電体のバルク結晶に対してキュリー点温度および電気伝導度等が変化し、さらに電場を印加しながら熱処理をすることにより、選択的に極めて深いドメイン反転部が形成されるものと考えられる。
【0028】
次に、第1参考例で作成された1次の周期ドメイン反転構造を用いた導波路型光波長変換素子について説明する。図3にこの導波路型光波長変換素子の概略構成を示す。第1参考例の通りにして基板1に周期ドメイン反転部9を形成した後、x方向に光が伝搬するようにチャンネル導波路12を形成する。このチャンネル導波路12は、以下の通りにして形成する。基板1の−z面上に金属Taをスパッタして厚さ50nmのTa薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより幅4μmのマスクパターンを形成する。次に上記基板1に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間プロトン交換処理を行ない、TaマスクをNaOHとH2 O2 の混合エッチング液で除去した後、300 ℃で5分間アニールし、チャンネル導波路12を作成する。最後に、こうして作成したチャンネル導波路型光波長変換素子20の入力端20aおよび出力端20bをエッジ研磨する。
【0029】
以上のようにして作成した導波路型光波長変換素子20に、基本波として波長λのレーザ光を入力端20aから入射させると、導波−導波モードの位相整合が取られて、出力端20bから波長λ/2の第2高調波を効率良く出射させることができる。
【0030】
一例として、基本波光源にレーザダイオードを用いた場合について、図4を参照して説明する。レーザダイオード13から出射した基本波としてのレーザビーム14(波長=880 nm)はコリメートレンズ15によって平行光化された後、λ/2板16でチャンネル導波路12のz軸方向に偏光方向を合わせ、集光レンズ17により集光されてチャンネル導波路12の端面12aにおいて収束する。それにより基本波14はチャンネル導波路12内に入射し、そこを導波する。
【0031】
導波モードで進行する基本波14は、導波路12中の周期ドメイン反転領域で位相整合して第2高調波18に波長変換される。この第2高調波18もチャンネル導波路12を導波モードで伝搬し、出力端20bから効率良く出射する。出力された第2高調波18の偏光方向もz軸方向であるので、MgO−LiNbO3 の最も大きい非線形光学定数d33が利用されていることになる。ここで、レーザダイオード13の出力が100 mW、導波路型光波長変換素子20の基本波との相互作用長が10mmのとき、第2高調波出力は12mWであった。
【0032】
なお本素子20は、0.5 mm厚の基板1を貫通する周期ドメイン反転構造が形成されているから、バルク結晶型光波長変換素子として用いることも可能である。したがって、例えば1064nmで発振するYAG、YVO4 、LNP等のレーザ結晶を用いたレーザダイオード励起固体レーザの共振器内に従来から配置されている光波長変換用KTPを、この光波長変換素子20に置き換えることもできる。KTPの非線形光学定数7pm/Vに対して、MgO−LiNbO3 の実効非線形光学定数は25pm/V程度であるから、この光波長変換素子20を採用することにより、大幅に波長変換効率を高めることができる。
【0033】
またKTPの場合には、TYPEIIの位相整合が取られるため、基本波の偏光が変化して温度や結晶長により第2高調波出力が変動する問題が生じ得るが、上記の光波長変換素子20を用いる場合にはTYPEIの位相整合が取られるため、このような問題も解決可能となる。
【0034】
さらには、本発明方法により周期ドメイン反転構造を形成したバルク結晶をリング共振器に研磨することにより、外部共振器型の光波長変換素子を作成することもできる。そうする場合、ドメイン反転周期を任意に選ぶことにより、紫外以上の波長領域の第2高調波を自由に得ることが可能である。
【0035】
次に、本発明に対する第4参考例について説明する。図5は、本発明に対する第4参考例によりドメイン反転構造を形成する工程を示している。この図5において、31は非線形光学効果を有する強誘電体であるLiNbO3 の基板である。このLiNbO3 基板31は公知の方法により予め単分極化処理がなされたもので、一例として厚さ0.5 mmに形成され、その最も大きい非線形光学材料定数d33が有効に利用できるように、z面で光学研磨されたz板が使用されている。そして同図(a)に示すように、この基板31の+z面31aに、所定ピッチで並ぶ金属マスク32を公知のフォトリソ法によって設ける。この金属マスク32は例えばAuからなり、厚さ1μmに形成される。なお図5の矢印10は、基板31の分極の方向を示している。
【0036】
次にこのLiNbO3 基板31に、金属マスク32側からMg 2 +イオン33を全面的に照射する。このときのイオン加速電圧は例えば100 keV、ドーズ量は1×1015とする。この処理により基板31には、金属マスク32が設けられていない部分からMg 2 +イオン33が注入される。その後金属マスク32は除去される。以上の処理により基板31には、同図(b)に示すように、基板厚さ方向に延び、所定周期Λで繰り返すパターンのイオン注入部34が形成される。このイオン注入部34においては、電気伝導率がその他の部分よりも上昇する。なお同図中の35は、イオン注入がなされていない部分である。
【0037】
次に同図(c)に示すように、基板31の+z面31aおよび−z面31bにそれぞれCrからなる金属電極36、37を設け、これらの金属電極36、37を介して直流電源38により基板31に全面的に電場を加える。この際の電場は例えば1000V/mmとし、印加時間は10分間とする。またこのとき基板31の温度は、そのキュリー点よりも低い200 ℃とする。
【0038】
この電場印加により、電気伝導率が上昇しているイオン注入部34では分極の向きが反転するが、電気伝導率が比較的低いままに保たれている部分35では分極の向きは反転しない。なおこのイオン注入部34は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このイオン注入部34とその他の部分35とは、基板31の深さ(厚さ)方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。それにより基板31には、同図(d)に示すように基板裏まで貫通し、所定周期Λで繰り返すパターンのドメイン反転部39が制御性良く形成される。ここで上記周期Λは、LiNbO3 の屈折率の波長分散を考慮して、基板31のx方向に沿って880 nm近辺で1次の周期となるように4μmとした。
【0039】
次に、上記参考例で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から光波長変換素子を作成した場合について説明する。基板31のx面および−x面を研磨してそれぞれ光通過面40a、40bとすることにより、図6に示すようなバルク結晶型の光波長変換素子40が得られる。この周期ドメイン反転構造を有するバルク結晶型光波長変換素子40を、同図に示すレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。
【0040】
このレーザダイオード励起YAGレーザは、波長809 nmのポンピング光としてのレーザビーム43を発するレーザダイオード44と、発散光状態のレーザビーム43を収束させる集光レンズ45と、Nd(ネオジウム)がドーピングされたレーザ媒質であって上記レーザビーム43の収束位置に配されたYAG結晶46と、このYAG結晶46の前方側(図中右方)に配された共振器ミラー47とからなる。光波長変換素子40は結晶長が1mmとされ、この共振器ミラー47とYAG結晶46との間に配置されている。
【0041】
YAG結晶46は波長809 nmのレーザビーム43により励起されて、波長946 nmのレーザビーム48を発する。この固体レーザビーム48は、所定のコーティングが施されたYAG結晶端面46aと共振器ミラー47のミラー面47aとの間で共振し、光波長変換素子40に入射して波長が1/2すなわち473 nmの第2高調波49に変換される。基本波としての固体レーザビーム48と第2高調波49は、周期ドメイン反転領域において位相整合(いわゆる疑似位相整合)し、ほぼこの第2高調波49のみが共振器ミラー47から出射する。
【0042】
本例においては、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWと高出力の第2高調波49が得られた。このように極めて高い波長変換効率が得られたことにより、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【0043】
以上、イオン注入処理により強誘電体の電気伝導率を低下させるようにした参考例について説明したが、強誘電体にイオンまたは原子を注入して、この注入部の電気伝導率を上昇させてもよい。また上記参考例におけるMg 2+イオンの他、例えばH+イオン等を注入させるようにしてもよい。
【0044】
また上記参考例の方法は、バルク結晶型の光波長変換素子を作成するために適用されているが、この方法は、光導波路型の光波長変換素子を作成するために適用することも可能である。
【0045】
さらにこの方法は、上記参考例におけるLiNbO3 の他、LiTaO3 、KNbO3 、KTP等の強誘電体にドメイン反転構造を形成する際にも、同様に適用可能である。
【0046】
また、イオンあるいは原子の注入処理は、上記参考例におけるように金属マスク32を使用して全面照射で行なう他、FIB(フォーカシング・イオン・ビーム)装置等を使用して、ビーム走査で行なうようにしてもよい。ただし上記参考例のようにすれば、イオンまたは原子の注入処理を短時間で行なえるので、作業能率の点ではこの方法がより好ましいと言える。
【0047】
また、基板31に全面的に電場を加えるには、金属電極36、37を用いて直接的に電場を加える他、第1参考例で適用されたコロナ帯電法を適用してもよい。
【0048】
次に、本発明に対する第5参考例について説明する。図7は、本発明に対する第5参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図7において、4、5、7および8はそれぞれ、第1参考例において使用されたものと同様のコロナワイヤー、金属Pt電極、アース、電源であり、31は第4参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 mmのLiNbO3 基板である。そして同図(a)に示すように、このLiNbO3 基板31の光学研磨された−z面31bに、He−Cdレーザ(図示せず)から発せられた波長325 nmのレーザビーム50、51が照射され、二光束干渉法により、所定周期Λ=4μmで繰り返す干渉パターンが形成される。
【0049】
このようにすると、干渉によりレーザビーム強度が高くなっている部分のみにおいてLiNbO3 基板31にフォトリフラクティブ効果が生じ、その部分の電気伝導率が高くなる。この状態で、第1参考例におけるのと同様にしてコロナ帯電によりLiNbO3 基板31に電場を印加すると、フォトリフラクティブ効果が生じている部分52のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板31の深さ(厚さ)方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。それにより基板31には、同図(b)に示すように基板裏まで貫通し、所定周期Λで繰り返すパターンのドメイン反転部39が制御性良く形成される。
【0050】
なおこの場合も、コロナ帯電によってLiNbO3 基板31に電場を印加する代わりに、図5の(c)に示したように1対の電極を用いて基板31に直接的に電場を加えるようにしてもよい。その際、基板31の−z面31b側には透明電極を用いればよい。
【0051】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたLiNbO3 基板31からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図6に示すのと同様のレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWと極めて高出力の第2高調波49が得られ、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【0052】
次に、本発明の実施例について説明する。図8は、本発明の一実施例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図8において、4、7および8はそれぞれ、第1参考例において使用されたものと同様のコロナワイヤー、アース、電源であり、31は第4参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 mmのLiNbO3 基板である。このLiNbO3 基板31の光学研磨された−z面31bには、所定周期Λ=4μmで繰り返す周期電極60が公知のフォトリソ法によって設けられる。
【0053】
そして、第1参考例におけるのと同様にしてコロナ帯電によりLiNbO3 基板31に電場を印加すると、同図(a)に示すように、該基板31の周期電極60に対向している部分59のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板31の深さ(厚さ)方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。なお本参考例において、上記の電場印加は、5kVの電圧を5分間印加することによってなされ、そのとき基板31は50℃に保たれる。
【0054】
次いで基板31のy面を切断、研磨した後、HF(フッ酸)とHNO3 とが混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。そしてこの基板31の断面(y面)を観察したところ、図8の(b)に示すように、周期電極60が形成されていた箇所において、Λ=4μmの周期で−z面から+z面まで貫通する周期ドメイン反転部39が制御性良く形成されているのが確認された。
【0055】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたLiNbO3 基板31からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図6に示すのと同様のレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWと極めて高出力の第2高調波49が得られ、この点からも、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【0056】
次に、本発明に対する第6参考例について説明する。図9は、本発明に対する第6参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図9において、1は第1参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 mmのMgO−LiNbO3 基板である。このMgO−LiNbO3 基板1の光学研磨された+z面1bには、同図(a)に示すように、所定周期Λ=4μmで繰り返す周期電極60が公知のフォトリソ法によって設けられる。
【0057】
そして、周期電極60をアース7に落とした上で、図10に示す温度プログラムに従ってMgO−LiNbO3 基板1を熱処理する。すなわち該基板1は100 ℃まで加熱された後、急速冷却される。すると焦電効果により、図9(b)に示すように表面電荷が発生し、この表面電荷により基板1に電場が印加される。本参考例では、基板1の−z面1aの表面電位は3.5 kV、−z面1aおよび+z面1b間に加わる電場は70kV/cmであった。
【0058】
このようにして基板1に電場が印加されることにより、該基板1の周期電極60に対向している部分のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板1を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板1の深さ(厚さ)方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。
【0059】
次いで前記本発明の実施例の場合と同様にして基板1をエッチングした後、その断面 (y面)を観察したところ、図9の(b)に示すように、周期電極60が形成されていた箇所において、Λ=4μmの周期で−z面から+z面まで貫通する周期ドメイン反転部9が制御性良く形成されているのが確認された。
【0060】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたMgO−LiNbO3 基板1からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図6に示すのと同様のレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWと極めて高出力の第2高調波49が得られ、この点からも、ドメイン反転部9が基板1の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【0061】
次に、本発明に対する第7参考例について説明する。図11は、本発明に対する第7参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図11において1、60はそれぞれ、第6参考例におけるのと同様のMgO−LiNbO3 基板、周期電極であり、この基板1は第6参考例と同様の温度プログラムで熱処理され、焦電効果による電場印加を受ける。
【0062】
そして本参考例では、基板1が100 ℃から急速冷却される際、コロナワイヤー4および電源8を用いて、コロナ帯電により基板1に付加的に電場が印加される。このようにすることにより、焦電効果のみにより電場を印加する場合と比べれば、より大きい電場を基板1に印加できるようになり、周期ドメイン反転部9をさらに制御性良く形成可能となる。
【0063】
なお、以上説明した焦電効果による電場印加法は、第1〜5参考例および本発明の実施例の方法において、それぞれの電場印加法に代えて適用することも可能である。また上記第5、6、7参考例の方法および実施例の方法を、光導波路型の光波長変換素子を作成するために適用することも、勿論可能である。
【0064】
次に、本発明に対する第8参考例について説明する。図12は、本発明に対する第8参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図12中、1は非線形光学効果を有する強誘電体であるMgO−LiNbO3 の基板である。この基板1は単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最も大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるようにz面で光学研磨されたz板が使用されている。この基板1の−z面1a上に金属Taをスパッタして厚さ50nmのTa薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、同図(a)に示されるようなTaマスク2の周期パターンを形成する。このパターンの周期Λは、MgO−LiNbO3 の屈折率の波長分散を考慮し、基板1のx方向に沿って880 nm近辺で1次の周期となるように4μmとした。
【0065】
次に上記基板1に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間のプロトン交換処理を行ない、同図(b)に示されるような厚み0.5 μmの周期プロトン交換部3を形成する。このプロトン交換後、Taマスク2はNaOHとH2 O2 の混合エッチング液で除去する。
【0066】
さらに、後述の電場印加をする際の電位を均一にするため、基板裏面の+z面1bに金属Pt5をEB蒸着する。このようにして作成したサンプルを、同図 (c)に示すようにアース7に接続されたヒーター6で温度200 ℃に加熱し、それとともに該サンプルにコロナ帯電により電場を印加した。この際、基板1および電場印加手段は密閉容器61内に収容し、それぞれバルブが介設された引抜通路62および供給通路63を使用してこの密閉容器61内の空気を、湿度30%以下に抑えた乾燥N2 (窒素)ガス64と置換し、このN2 ガス64の雰囲気中で電場を印加した。またコロナワイヤー4と基板1との距離は10mmに設定し、高圧電源8からこのコロナワイヤー4を介して−5kVの電圧を10分間印加した。
【0067】
以上の処理後、+z面1bに蒸着した金属Pt5を除去し、y面を切断、研磨した後、HFとHNO3 とが1:2に混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。
【0068】
この基板1の断面(y面)を観察したところ、同図(d)に示すようにプロトン交換部3が形成されていた箇所において、どの部分も正確にΛ=4μmの周期で、そしてどの部分も−z面から+z面まで貫通する周期ドメイン反転部9が形成されているのが確認された。
【0069】
なおこの後にチャンネル導波路を形成する場合には、プロトン交換した領域の屈折率変化が導波路の伝搬損失に影響するので、屈折率を均一化してこの影響を回避するために、例えば400 ℃で4時間アニール処理を行なう。
【0070】
次に図13を参照して、本発明に対する第9参考例を説明する。この第9参考例は、第8参考例とは電場印加の方法が異なるものである。すなわちこの場合は、第8参考例と同様にしてMgO−LiNbO3 基板1に周期プロトン交換部3を形成した後、この基板1の−z面1a、+z面1bの双方に電極として金属Pt5を蒸着し、これらの電極を介して電源11から直流電圧、あるいはパルス電圧を印加する。
【0071】
そしてこの場合も、基板1への電場印加は密閉容器61内において、湿度30%以下に抑えた乾燥N2 (窒素)ガス64の雰囲気中で行なう。それによりこの場合も、第8参考例におけるのと同様に、均一なピッチでかつ均一な深さの周期ドメイン反転部9が形成されるようになる。
【0072】
なお第8参考例のようにコロナ帯電で強誘電体に電場を印加する場合は、真空中で電場印加することはできないが、第9参考例あるいは後述する第10参考例のように強誘電体に直接電極を配置して電場を印加する場合は、乾燥雰囲気中に限らず、真空中で電場印加するようにしてもよい。
【0073】
次に図14を参照して、本発明に対する第10参考例を説明する。この図14中、65は非線形光学効果を有する強誘電体であるLiTaO3 の基板である。この基板65は単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最も大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるようにz面で光学研磨されたz板が使用されている。この基板65の+z面65a上に金属Ptを蒸着した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより所望の周期パターンを形成し、同図(a)に示すような金属Pt電極(周期電極)66を形成する。一方基板65の−z面65bにもPtを蒸着することにより、該−z面65bに全面的に被着する金属Ptからなるアース電極67を形成する。
【0074】
次にこの基板65を密閉容器61内に収容し、湿度30%以下に抑えた乾燥N2 ガス64の雰囲気中で基板65を加熱し(例えば室温〜300 ℃の範囲)、+z側に数10V/mm〜数1000V/mmの電場になるように、直流電源68により直流電圧を印加する。それによりこの場合も、同図(b)に示すように、電極66と電極67とが向かい合っていた部分において、均一なピッチでかつ均一な深さの周期ドメイン反転部9が形成される。
【0075】
比較例として、電場印加を湿度70%の大気雰囲気中で行ない、その他は上記第10参考例と同様にしてLiTaO3 基板65に周期ドメイン反転部を形成した。その場合、周期ドメイン反転部は形成されているものの、その深さおよび周期(幅)は不均一であった。これは、大気雰囲気中の湿度により基板65の表面抵抗が低下し、かつ表面内でその抵抗が不均一になって、リーク電流が増加したためと考えられる。
【0076】
次に、第10参考例で作成された1次の周期ドメイン反転構造を用いた導波路型光波長変換素子について説明する。図15にこの導波路型光波長変換素子70の概略構成を示す。第10参考例の通りにして基板65に周期ドメイン反転部9を形成した後、x方向に光が伝搬するようにプロトン交換チャンネル導波路72を形成する。その後この光波長変換素子70の入力端70aおよび出力端70bをエッジ研磨した。なおこの場合、電場印加時の乾燥N2 ガス64の湿度は特に10%以下とした。また周期ドメイン反転部9の周期Λは4μmである。
【0077】
以上のようにして作成した導波路型光波長変換素子70に、基本波として波長λのレーザ光を入力端70aから入射させると、導波−導波モードの位相整合が取られて、出力端70bから波長λ/2の第2高調波を効率良く出射させることができる。
【0078】
一例として、基本波光源にTi:Al2 O3 レーザを用いた場合について説明する。Ti:Al2 O3 レーザ73から出射した基本波としてのレーザビーム74はλ/2板16で基板65のz軸方向に偏光方向が合わせられ、集光レンズ17により集光されてチャンネル導波路72の端面72aにおいて収束する。それにより基本波74はチャンネル導波路72内に入射し、そこを導波する。
【0079】
導波モードで進行する基本波74は、導波路72中の周期ドメイン反転領域で位相整合して第2高調波78に波長変換される。この第2高調波78もチャンネル導波路72を導波モードで伝搬し、出力端70bから効率良く出射する。ここで、レーザ73の出力が40mW、導波路型光波長変換素子70の基本波との相互作用長が5mmのとき、第2高調波出力は3mWであった。
【0080】
それに対して、前述の比較例の方法で周期ドメイン反転構造を形成した導波路型光波長変換素子を使用した場合は、レーザ73の出力が40mW、光波長変換素子の基本波との相互作用長が5mmのとき、第2高調波出力は0.3 mWであった。以上の通り本発明によれば、従来方法で光波長変換素子を作成する場合に比べて、1桁高い第2高調波出力が得られることが確認された。
【0081】
なお以上説明した第8〜10参考例の方法は、強誘電体材料として上述のMgO−LiNbO3 やLiTaO3 を用いる場合に限らず、LiNbO3 等のその他の強誘電体材料を用いる際に適用することも勿論可能である。
【0082】
次に、本発明に対する第11参考例について説明する。図1に示すようなMgO−LiNbO3 基板1に、第1参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。なお、このときの周期は、YAGの946 nm近傍で1次終期となるように4.6 μmとした。次いでこの基板1を、MgO−LiNbO3 のキュリー点(1210℃)より低い600 ℃で3時間、空気中で熱処理した。このようにキュリー点未満の温度で熱処理を行なえば、電場印加により所定の向きに設定された分極方向が、この熱処理により変化してしまうことはない。
【0083】
以上の熱処理の前と後において基板1を、研磨したx面から偏光顕微鏡で観察した。偏光顕微鏡下においては、基板1の屈折率が局部的に変化せず均一であれば、消光位において全面が消光して暗くなる。熱処理前の基板1を観察した際は、プロトン交換部3(図1参照)を形成した部分のみが消光位において消光せず、明らかに電場印加で屈折率が変化していることが認められた。それに対して、熱処理後の基板1を観察した際は消光位において全面が消光し、プロトン交換部3の局部的屈折率変化が無くなって屈折率が均一化されていることが確認された。このようにして偏光顕微鏡観察により、上記熱処理の効果を確認することができる。
【0084】
上記第11参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。そしてこの第2高調波49は、散乱光や迷光の無いきれいなプロファイルを有するものである。それに対して、前述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。以上の通り、光波長変換素子を固体レーザの共振器内に配置する際、前述の熱処理のために共振器内部損失が低減して、波長変換効率が向上することが実証された。
【0085】
次に本発明に対する第12参考例について説明する。MgO−LiNbO3 基板1に、第2参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1に、第11参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0086】
上記第12参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0087】
次に本発明に対する第13参考例について説明する。MgO−LiNbO3 基板1に、第3参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1に、第11参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0088】
上記第13参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0089】
次に本発明に対する第14参考例について説明する。図5に示すようなLiNbO3 基板31に、第4参考例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、LiNbO3 のキュリー点(1130℃)より低い600 ℃で3時間、空気中で熱処理した。
【0090】
上記第14参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0091】
次に本発明に対する第15参考例について説明する。図5に示すようなLiNbO3 基板31に、第5参考例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、第14参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0092】
上記第15参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0093】
次に本発明に対する第16参考例について説明する。図5に示すようなLiNbO3 基板31に、前記実施例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、第14参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0094】
上記第16参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0095】
次に本発明に対する第17参考例について説明する。図1に示すようなMgO−LiNbO3 基板1に、第6参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1を、MgO−LiNbO3 のキュリー点(1210℃)より低い600 ℃で3時間、空気中で熱処理した。
【0096】
上記第17参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0097】
次に本発明に対する第18参考例について説明する。図1に示すようなMgO−LiNbO3 基板1に、第7参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0098】
上記第18参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0099】
次に本発明に対する第19参考例について説明する。図1に示すようなMgO−LiNbO3 基板1に、第8参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0100】
上記第19参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0101】
次に本発明に対する第20参考例について説明する。図1に示すようなMgO−LiNbO3 基板1に、第9参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板1に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【0102】
上記第20参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板1から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0103】
次に本発明に対する第21参考例について説明する。図14に示すようなLiTaO3 基板65に、第10参考例と同様にして周期ドメイン反転部9を形成した。次いでこの基板65を、LiTaO3 のキュリー点(610 ℃)より低い560 ℃で3時間、空気中で熱処理した。
【0104】
上記第21参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板65から、結晶長=1mmのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図6に示すようなレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、10mWの出力の第2高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置して第2高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 mWのとき、1mWであった。
【0105】
次に、上記熱処理の好ましい温度範囲について説明する。サンプルとしてLiNbO3 結晶を複数用意し、これらの各結晶に、前記第14参考例におけるのと同様の方法によりドメイン反転構造を形成した。次にこれらのLiNbO3 結晶に対して、そのキュリー点1130℃よりも低い100 〜1000℃の範囲内で適宜温度を変えて、前述の熱処理を施した。なおこのときの昇温速度は30℃/分、温度保持時間は2時間、そして降温は自然冷却とした。
【0106】
以上のようにそれぞれ異なる温度で熱処理された各サンプルを偏光顕微鏡で観察したところ、いずれにおいてもドメイン反転部の局部的屈折率変化が無くなり、屈折率が均一化されていることが確認された。
【0107】
その一方、これらの各サンプルから、前述と同様にしてバルク結晶型光波長変換素子を形成した。そしてそれらの光波長変換素子の各々を、前述と同様にしてレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。熱処理温度Tを 100℃≦T≦ 700℃の範囲内に設定したサンプルについては、青色光である第2高調波の発生が確認され、レーザダイオードの出力が200 mWのとき10mWの出力の第2高調波が得られた。しかし、熱処理温度Tを 700℃<T≦1000℃の範囲内に設定したサンプルについては、第2高調波の発生が確認されなかった。第2高調波の発生が確認されなかったサンプルについて、エッチングによりドメイン反転部の形状を観察したところ、周期ドメイン反転構造は全く確認されず、熱処理によりドメイン反転部の分極方向が変化してしまったことが明らかになった。
【0108】
なお 100℃未満の温度で熱処理した場合には、上記の偏光顕微鏡観察により、ドメイン反転部の局部的屈折率変化(屈折率段差)が無くなっていないことが確認された。そして、そのサンプルを上記のようにレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置したところ、青色光である第2高調波の発生は確認されたが、レーザダイオードの出力200 mWに対して1.0 mWの出力の第2高調波しか得られなかった。これは、屈折率段差に起因する基本波の散乱により内部ロスが増加したためである。これらの結果より、100 ℃未満では熱処理の効果が無いことが明らかである。
【0109】
以上により、LiNbO3 に対してキュリー点未満の温度の熱処理を適用する場合は、熱処理温度Tを 100℃≦T≦ 700℃の範囲内に設定するのがよいと言える。
【0110】
一方、キュリー点が 610℃であるLiTaO3 についてもサンプルを複数用意し、これらの各結晶に、前記第21参考例におけるのと同様の方法によりドメイン反転構造を形成した。熱処理温度範囲は、キュリー点 610℃よりも低い100 〜600 ℃の範囲とした。このときの昇温速度は30℃/分、温度保持時間は2時間、そして降温は自然冷却とした。
【0111】
以上のようにそれぞれ異なる温度で熱処理された各サンプルを偏光顕微鏡で観察したところ、いずれにおいてもドメイン反転部の局部的屈折率変化が無くなり、屈折率が均一化されていることが確認された。
【0112】
その一方、これらの各サンプルから、前述と同様にしてバルク結晶型光波長変換素子を形成した。そしてそれらの光波長変換素子の各々を、前述と同様にしてレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置した。熱処理温度Tを 100℃≦T≦ 600℃の範囲内に設定したサンプルについては、青色光である第2高調波の発生が確認され、レーザダイオードの出力が200 mWのとき10mWの出力の第2高調波が得られた。しかし、熱処理温度Tを 600℃<T≦610 ℃の範囲内に設定したサンプルについては、第2高調波の発生が確認されなかった。
【0113】
なお 100℃未満の温度で熱処理した場合には、上記の偏光顕微鏡観察により、ドメイン反転部の局部的屈折率変化(屈折率段差)が無くなっていないことが確認された。そして、そのサンプルを上記のようにレーザダイオード励起YAGレーザの共振器内に配置したところ、青色光である第2高調波の発生は確認されたが、レーザダイオードの出力200 mWに対して1.0 mWの出力の第2高調波しか得られなかった。これは、屈折率段差に起因する基本波の散乱により内部ロスが増加したためである。これらの結果より、100 ℃未満では熱処理の効果が無いことが明らかである。
【0114】
以上により、LiTaO3 に対してキュリー点未満の温度の熱処理を適用する場合は、熱処理温度Tを 100℃≦T≦ 600℃の範囲内に設定するのがよいと言える。
【0115】
以上説明した熱処理の効果および好ましい温度範囲を調べるために、各基板に対しては、本発明の方法とは異なる方法によって周期ドメイン反転部を形成したが、熱処理は周期ドメイン反転部を形成した後になされるものであるから、本発明の方法で周期ドメイン反転部を形成した場合も、熱処理による波長変換効率向上の効果や熱処理の好ましい温度範囲は上記と同様であると考えられる。
【0116】
また本発明によりドメイン反転構造が形成される強誘電体は、適当な研磨、コーティングを施してリング共振器の要素とすることにより、外部共振器型レーザの光波長変換素子として適用することもできる。そのようにする場合も、レーザダイオード励起固体レーザに適用する場合と同様の作用、効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に対する第1参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図2】電場印加手段の一例を示す概略図
【図3】周期ドメイン反転構造を有する導波路型光波長変換素子の概略斜視図
【図4】図3の光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【図5】本発明に対する第4参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図6】本発明によりドメイン反転構造が形成された光波長変換素子を備えた固体レーザの側面図
【図7】本発明に対する第5参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図8】本発明の一実施例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図9】本発明に対する第6参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図10】上記第6参考例の方法における熱処理の温度プログラムを示すグラフ
【図11】本発明に対する第7参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図12】本発明に対する第8参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図13】本発明に対する第9参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図14】本発明に対する第10参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図15】上記第10参考例の方法により形成された光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【符号の説明】
1 MgO−LiNbO3 単分極化基板(z板)
2 Taマスクパターン
3 プロトン交換部
4 コロナワイヤー
5、67 金属Pt電極
6 ヒーター
7 アース
8、11、68 電源
9、39 ドメイン反転部
12、72 チャンネル導波路
13 レーザダイオード
14、74 レーザビーム(基本波)
15 コリメートレンズ
16 λ/2板
17 集光レンズ
18、78 第2高調波
20、70 導波路型光波長変換素子
31 LiNbO3 基板
32 金属マスク
33 Mg 2+イオン
34 イオン注入部
35 イオン注入されない部分
36、37 金属電極
38 直流電源
40 バルク結晶型光波長変換素子
43 レーザビーム(ポンピング光)
44 レーザダイオード
45 集光レンズ
46 YAG結晶
47 共振器ミラー
48 固体レーザビーム(基本波)
49 第2高調波
50、51 フォトリフラクティブ効果を生じさせるレーザビーム
52 フォトリフラクティブ効果が生じた部分
60、66 周期電極
61 密閉容器
64 乾燥N2 ガス
65 LiTaO3 基板
73 レーザ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an optical wavelength conversion element that converts a fundamental wave into a second harmonic, and more particularly, to create a predetermined pattern on a ferroelectric material having a nonlinear optical effect in order to create an optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure. The present invention relates to a method for forming a domain inversion structure.
[0002]
[Prior art]
A method for converting the wavelength of a fundamental wave into a second harmonic using an optical wavelength conversion element provided with a region in which spontaneous polarization (domain) of a ferroelectric material having a nonlinear optical effect is periodically inverted has already been proposed by Bleombergen et al. (See Phys. Rev., vol. 127, No. 6, 1918 (1962)). In this method, the period Λ of the domain inversion part is
Λc = 2π / {β (2ω) -2β (ω)} (1)
Where β (2ω) is the propagation constant of the second harmonic
β (ω) is the fundamental wave propagation constant
By setting so as to be an integral multiple of the coherent length Λc given by (1), it is possible to achieve phase matching between the fundamental wave and the second harmonic. When wavelength conversion is performed using a bulk crystal of a nonlinear optical material, the phase-matching wavelength is limited to a specific wavelength unique to the crystal, but according to the above method, the period satisfying (1) for any wavelength is satisfied. By selecting Λ, it is possible to achieve phase matching efficiently.
[0003]
As a method of forming the periodic domain inversion structure as described above, conventionally,
1) LiTaO3A method in which proton exchange is periodically performed on the −z plane of the substrate and heat treatment is performed at a temperature near the Curie point (K. Yamamoto, K. Mizuuchi, and T. Taniuchi, Optics Letters, vol. 16, No. 15, 1156 (1991). )reference)
2) Direct LiTaO electron beam at room temperature3And LiNbO3(See H. Ito, C. Takyu, and H. Inaba, Electrics Letters, vol. 27, No. 14, 1221 (1991))
Etc. are known.
[0004]
In the case of carrying out the method 1), it has been proposed to form a waveguide type optical wavelength conversion element by forming a third-order periodic domain inversion structure and then forming a channel waveguide by proton exchange. . In such an optical wavelength conversion element, when a cross section is observed, a semicircular periodic domain inversion structure is formed, and Ti: Al is used as a fundamental light source.2O3When a laser is used, a second harmonic output of 2.4 mW is obtained for a fundamental wave input of 99 mW, and a wavelength conversion efficiency close to a theoretical value in the third-order period is achieved.
[0005]
On the other hand, the optical wavelength conversion element prepared by the method 2) is LiNbO.3Therefore, the periodic domain inversion portion penetrating from the −z plane to the + z plane is formed over the substrate thickness (for example, about 0.5 mm), so that it can be applied as a bulk type optical wavelength conversion element. In the optical wavelength conversion element in which the third-order periodic domain inversion structure is formed by this method, Ti: Al2O3The laser is wavelength swept to confirm phase matching in bulk.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the case of a waveguide type optical wavelength converter, in order to obtain a second harmonic of a practical level of about several mW using a single transverse mode semiconductor laser having an output of about 100 mW as a fundamental light source, It is necessary to realize a wavelength conversion efficiency that is about one digit higher than that of the third-order periodic structure.
[0007]
However, in the method 1), since the domain is inverted by the space charge electric field generated in the proton exchange region during the heat treatment, the depth of the domain inversion portion is about 1.6 μm when the primary period is 3.6 μm. Can only be obtained. For this reason, the domain inversion portion is usually much shallower than the waveguide thickness of about 2.4 μm, so that the overlap integral between the fundamental wave and the domain inversion portion cannot be increased, and the domain inversion portion is about It is only about twice as efficient. Also, in the method 1), the proton exchange region may diffuse unless it is heated rapidly to a heat treatment temperature of about 500 to 600 ° C., so that reproducibility is difficult.
[0008]
On the other hand, in the method of irradiating the electron beam of 2), it is possible to form a deep domain inversion portion that penetrates to the back of the substrate, but the problem of poor controllability of the domain inversion structure is recognized. In addition, for the convenience of the electron beam irradiation apparatus, the irradiation area at one time is limited to about 2 × 2 mm at present, so when trying to increase the wavelength conversion efficiency by increasing the interaction length of the element with respect to the fundamental wave, Although it is necessary to connect the periodic domain inversion patterns with high accuracy, there is also a problem that it is difficult to ensure the high connection accuracy. Furthermore, since the electron beam irradiation apparatus takes a long time to draw a large area, it is difficult to increase productivity by this method.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a ferroelectric domain inversion structure forming method capable of forming a domain inversion structure of a predetermined period deeply, with good controllability, and easily over a large area. The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
One method for forming a domain inversion structure of a ferroelectric material according to the present invention is LiNbO, a ferroelectric material having a unipolarized nonlinear optical effect.ThreeSubstrate or MgO-LiNbOThreeAfter electrodes having a predetermined periodic pattern are formed on one main surface of the substrate, the ferroelectric is corona-charged by these electrodes and a corona wire disposed on the other main surface side of the substrate, and an electric field is applied thereto. The portion of the ferroelectric material facing the electrode is used as a local domain inversion portion, and then the substrate is heat-treated at a temperature in the range of 100 to 700 ° C.To make the refractive index of the domain inversion part uniform.It is characterized by that.
[0011]
Another method of forming a domain inversion structure of a ferroelectric according to the present invention is LiTaO which is a ferroelectric having a unipolarized nonlinear optical effect.ThreeAfter electrodes having a predetermined periodic pattern are formed on one main surface of the substrate, the ferroelectric is corona-charged by these electrodes and a corona wire disposed on the other main surface side of the substrate, and an electric field is applied thereto. The portion of the ferroelectric material facing the electrode is a local domain inversion portion, and then the substrate is heat treated at a temperature in the range of 100 to 600 ° C.To make the refractive index of the domain inversion part uniform.It is characterized by that.
[0014]
[Operation and effect of the invention]
In the ferroelectric domain inversion structure forming method according to the present invention, when the ferroelectric is corona-charged by the electrode and the corona wire and an electric field is applied thereto, the domain inversion portion grows long along the electric field. Become. Therefore, this domain inversion part can be formed very deeply, and it is possible to sufficiently increase the wavelength conversion efficiency by ensuring a large overlap integral between the domain inversion part and the fundamental wave. Further, if the domain inversion part can be formed extremely deep in this way, the domain inversion part can be extended from one surface of the ferroelectric substrate to the other surface in the same cross-sectional shape, and the periodic accuracy can be greatly improved. . Also, this method is easier to process than electron beam irradiation and the like, and can process a large area at a time, and thus is excellent in productivity.
[0015]
Further, when the above heat treatment is performed, the local refractive index change caused by the electric field application is eliminated. Therefore, when light is passed through the domain inversion structure formed by this method, light scattering, diffraction, and the like are reduced, and loss is suppressed to a low level. Therefore, if the optical wavelength conversion element having this domain inversion structure is arranged in the laser resonator as described above, the internal loss of the resonator can be suppressed low and the second harmonic can be generated efficiently.
[0016]
According to each method of the present invention described above, after forming the domain inversion structure of the primary period, for example, a channel optical waveguide is formed, and the interaction length between the optical waveguide and the domain inversion region can be made sufficiently long. it can. This makes it possible to obtain a highly efficient waveguide-type optical wavelength conversion element using a laser diode or the like as a fundamental light source. Furthermore, according to this method, since the domain inversion part can be formed extremely deeply, an optical wavelength conversion element incorporated in a laser diode pumped solid-state laser or an external resonator type bulk crystal type optical wavelength conversion element can be formed. Is also possible.
[0017]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings. First, a first reference example for the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1,
[0018]
Next, the
[0019]
Further, in order to make the potential when applying an electric field, which will be described later, uniform, metal Pt5 is EB deposited on the + z surface 1b on the back surface of the substrate. The sample thus prepared was heated to a temperature of 200 ° C. by a
[0020]
When the cross section (y plane) of this
[0021]
When forming a channel waveguide after this, since the refractive index change in the proton exchanged region affects the propagation loss of the waveguide, in order to make the refractive index uniform and avoid this influence, for example at 400 ° C. Annealing is performed for 4 hours.
[0022]
Next, a second reference example for the present invention will be described. In this reference example, as the ferroelectric, for example, the same MgO—LiNbO as in the first reference example is used.3A substrate is used. First, a mask pattern having the same period as that of the first reference example is formed on the + z plane of the substrate by photolithography. Next, after Ti metal is sputtered to form a Ti thin film having a thickness of 65 nm, a periodic pattern of Ti is formed by lift-off. Next, Ti diffusion treatment is performed at 1035 ° C. for 10 hours in a wet oxygen atmosphere to form periodic Ti diffusion portions.
[0023]
Thereafter, the sample was corona-charged while heating the sample in the same manner as in the first reference example, whereby the Ti diffusion part was used as a periodic domain inversion part. When the cross section of the y plane was observed, it was confirmed that the domain inversion part was deeply formed so as to penetrate the substrate.
[0024]
Next, a third reference example for the present invention will be described. In this reference example, the ferroelectric material is the same MgO—LiNbO as that in the first reference example.3A substrate is used. First, on the + z plane of this substrate, SiO2Sputtering of 100 nm thick SiO2A thin film is formed. Thereafter,
[0025]
Thereafter, Pt was deposited in the same manner as in the first reference example, and the sample was subjected to corona charging while heat-treating the sample, whereby the above Li diffusion region was used as a periodic domain reversal unit. When the cross section of the y plane was observed, it was confirmed that the domain inversion part was deeply formed so as to penetrate the substrate.
[0026]
In addition to the method in the first, second, and third reference examples described above, the electric field application method includes depositing metal Pt5 as an electrode on both the −z surface 1a and + z surface 1b of the
[0027]
In the method of forming a domain inversion structure of a ferroelectric according to the present invention described above, the Curie point temperature and the electric conductivity of the bulk crystal of the ferroelectric are obtained by performing proton exchange, Ti diffusion, or Li outdiffusion. It is considered that an extremely deep domain inversion portion is selectively formed by performing heat treatment while applying an electric field.
[0028]
Next, a waveguide type optical wavelength conversion element using the primary periodic domain inversion structure created in the first reference example will be described. FIG. 3 shows a schematic configuration of the waveguide type optical wavelength conversion element. After forming the periodic
[0029]
When a laser beam having a wavelength λ as a fundamental wave is incident on the waveguide type optical
[0030]
As an example, a case where a laser diode is used as a fundamental wave light source will be described with reference to FIG. A laser beam 14 (wavelength = 880 nm) as a fundamental wave emitted from the laser diode 13 is collimated by a collimator lens 15, and then the polarization direction is aligned with the z-axis direction of the
[0031]
The
[0032]
Since the
[0033]
In the case of KTP, since the phase matching of TYPE II is taken, there is a problem that the second harmonic output fluctuates depending on the temperature and the crystal length by changing the polarization of the fundamental wave. When TYPE is used, TYPEI phase matching is achieved, and thus such a problem can be solved.
[0034]
Furthermore, an external resonator type optical wavelength conversion element can also be produced by polishing a bulk crystal having a periodic domain inversion structure by a method of the present invention into a ring resonator. In that case, it is possible to freely obtain the second harmonic in the wavelength region of the ultraviolet or higher by arbitrarily selecting the domain inversion period.
[0035]
Next, a fourth reference example for the present invention will be described. FIG. 5 shows a process of forming a domain inversion structure according to a fourth reference example of the present invention. In FIG. 5,
[0036]
Next, this LiNbO3Mg on the
[0037]
Next, as shown in FIG. 3C,
[0038]
By applying this electric field, the direction of polarization is reversed in the ion implanted
[0039]
Next, a case where an optical wavelength conversion element is formed from the
[0040]
This laser diode pumped YAG laser is doped with a
[0041]
The
[0042]
In this example, when the output of the
[0043]
As described above, the reference example in which the electrical conductivity of the ferroelectric is lowered by the ion implantation process has been described. However, even if ions or atoms are implanted into the ferroelectric and the electrical conductivity of the implanted portion is increased. Good. In addition to the
[0044]
The method of the above reference example is applied to create a bulk crystal type light wavelength conversion element, but this method can also be applied to create an optical waveguide type light wavelength conversion element. is there.
[0045]
Furthermore, this method is similar to the LiNbO in the above reference example.3And LiTaO3, KNbO3The present invention can be similarly applied when forming a domain inversion structure in a ferroelectric such as KTP.
[0046]
The ion or atom implantation process is performed by beam irradiation using a FIB (Focusing Ion Beam) apparatus or the like in addition to the entire surface irradiation using the
[0047]
In order to apply an electric field to the entire surface of the
[0048]
Next, a fifth reference example for the present invention will be described. FIG. 7 shows how a domain inversion structure is formed according to a fifth reference example of the present invention. In FIG. 7, 4, 5, 7 and 8 are the same corona wire, metal Pt electrode, ground, and power supply as those used in the first reference example, and 31 was used in the fourth reference example. LiNbO with the same thickness of 0.5 mm3It is a substrate. As shown in FIG. 5A, this LiNbO3The optically polished −
[0049]
In this way, LiNbO only in the part where the laser beam intensity is high due to interference.3A photorefractive effect is generated in the
[0050]
In this case, LiNbO is also charged by corona charging.3Instead of applying an electric field to the
[0051]
LiNbO having a periodic domain inversion structure formed as described above.3A bulk crystal type light wavelength conversion element was formed from the
[0052]
Next, examples of the present invention will be described. FIG. 8 shows how a domain inversion structure is formed according to an embodiment of the present invention. In FIG. 8, 4, 7 and 8 are the same corona wire, ground, and power source as those used in the first reference example, and 31 is the same thickness as that used in the fourth reference example. 0.5 mm LiNbO3It is a substrate. This LiNbO3A
[0053]
Then, in the same manner as in the first reference example, LiNbO is obtained by corona charging.3When an electric field is applied to the
[0054]
Next, the y-plane of the
[0055]
LiNbO having a periodic domain inversion structure formed as described above.3A bulk crystal type light wavelength conversion element was formed from the
[0056]
Next, a sixth reference example for the present invention will be described. FIG. 9 shows how a domain inversion structure is formed according to a sixth reference example of the present invention. In FIG. 9,
[0057]
Then, after dropping the
[0058]
By applying an electric field to the
[0059]
Next, after etching the
[0060]
MgO—LiNbO having a periodic domain inversion structure formed as described above.3A bulk crystal type light wavelength conversion element was formed from the
[0061]
Next, a seventh reference example for the present invention will be described. FIG. 11 shows how a domain inversion structure is formed according to the seventh reference example of the present invention. In FIG. 11, 1 and 60 are the same MgO—LiNbO as in the sixth reference example.3The
[0062]
In this reference example, when the
[0063]
In addition, the electric field application method by the pyroelectric effect demonstrated above can also be applied instead of each electric field application method in the method of the 1st-5th reference example and the Example of this invention. It is of course possible to apply the methods of the fifth, sixth and seventh reference examples and the method of the embodiment in order to produce an optical waveguide type optical wavelength conversion element.
[0064]
Next, an eighth reference example for the present invention will be described. FIG. 12 shows how the domain inversion structure is formed according to the eighth reference example of the present invention. In FIG. 12,
[0065]
Next, the
[0066]
Further, in order to make the potential when applying an electric field, which will be described later, uniform, metal Pt5 is EB deposited on the + z surface 1b on the back surface of the substrate. The sample thus prepared was heated to a temperature of 200 ° C. by a
[0067]
After the above processing, the metal Pt5 deposited on the + z plane 1b is removed, the y plane is cut and polished, and then HF and HNO3And selective etching was performed using an etchant prepared by mixing 1: 2.
[0068]
When the cross section (y-plane) of the
[0069]
When forming a channel waveguide after this, since the refractive index change in the proton exchanged region affects the propagation loss of the waveguide, in order to make the refractive index uniform and avoid this influence, for example at 400 ° C. Annealing is performed for 4 hours.
[0070]
Next, a ninth reference example for the present invention will be described with reference to FIG. The ninth reference example is different from the eighth reference example in the method of applying an electric field. That is, in this case, MgO—LiNbO is used in the same manner as in the eighth reference example.3After the periodic
[0071]
In this case as well, the electric field applied to the
[0072]
Note that when an electric field is applied to a ferroelectric substance by corona charging as in the eighth reference example, an electric field cannot be applied in a vacuum, but the ferroelectric substance as in the ninth reference example or a tenth reference example described later. When applying an electric field by directly arranging electrodes on the electrode, the electric field may be applied not only in a dry atmosphere but also in a vacuum.
[0073]
Next, a tenth reference example for the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 14,
[0074]
Next, the
[0075]
As a comparative example, an electric field is applied in an air atmosphere with a humidity of 70%, and the others are the same as in the above 10th reference example.3A periodic domain inversion portion was formed on the
[0076]
Next, a waveguide-type optical wavelength conversion element using the primary periodic domain inversion structure created in the tenth reference example will be described. FIG. 15 shows a schematic configuration of the waveguide type optical
[0077]
When a laser beam having a wavelength λ as a fundamental wave is incident on the waveguide type optical
[0078]
As an example, Ti: Al is used as the fundamental light source.2O3A case where a laser is used will be described. Ti: Al2O3The
[0079]
The
[0080]
On the other hand, when the waveguide type optical wavelength conversion element in which the periodic domain inversion structure is formed by the method of the comparative example described above is used, the output of the
[0081]
The methods of the eighth to tenth reference examples described above are the above-described MgO—LiNbO as the ferroelectric material.3And LiTaO3LiNbO is not limited to using LiNbO3Of course, the present invention can be applied when other ferroelectric materials such as the above are used.
[0082]
Next, an eleventh reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0083]
Before and after the above heat treatment, the
[0084]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0085]
Next, a twelfth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO3A periodic
[0086]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0087]
Next, a thirteenth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO3A periodic
[0088]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0089]
Next, a fourteenth reference example for the present invention will be described. LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0090]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0091]
Next, a fifteenth reference example for the present invention will be described. LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0092]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0093]
Next, a sixteenth reference example for the present invention will be described. LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0094]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0095]
Next, a seventeenth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0096]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0097]
Next, an eighteenth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0098]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0099]
Next, a nineteenth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0100]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0101]
Next, a twentieth reference example for the present invention will be described. MgO-LiNbO as shown in FIG.3A periodic
[0102]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is prepared from the
[0103]
Next, a twenty-first reference example for the present invention will be described. LiTaO as shown in FIG.3The periodic
[0104]
A bulk crystal type optical wavelength conversion element having a crystal length of 1 mm is formed from the
[0105]
Next, a preferable temperature range for the heat treatment will be described. LiNbO as sample3A plurality of crystals were prepared, and a domain inversion structure was formed on each of these crystals by the same method as in the 14th reference example. Next, these LiNbO3The crystal was subjected to the above-mentioned heat treatment by changing the temperature appropriately within a range of 100 to 1000 ° C. lower than its Curie point 1130 ° C. At this time, the rate of temperature rise was 30 ° C./min, the temperature holding time was 2 hours, and the temperature was naturally cooled.
[0106]
As described above, when each sample heat-treated at different temperatures was observed with a polarizing microscope, it was confirmed that the local refractive index change of the domain inversion portion disappeared and the refractive index was made uniform.
[0107]
On the other hand, bulk crystal type light wavelength conversion elements were formed from these samples in the same manner as described above. Each of these optical wavelength conversion elements was placed in the resonator of a laser diode pumped YAG laser in the same manner as described above. For the sample in which the heat treatment temperature T is set within the range of 100 ° C. ≦ T ≦ 700 ° C., the generation of the second harmonic that is blue light is confirmed, and the second output of 10 mW when the output of the laser diode is 200 mW. Harmonics were obtained. However, the generation of the second harmonic was not confirmed for the sample in which the heat treatment temperature T was set in the range of 700 ° C. <T ≦ 1000 ° C. As for the sample in which the generation of the second harmonic was not confirmed, when the shape of the domain inversion portion was observed by etching, the periodic domain inversion structure was not confirmed at all, and the polarization direction of the domain inversion portion was changed by the heat treatment. It became clear.
[0108]
When heat treatment was performed at a temperature of less than 100 ° C., it was confirmed by the above polarizing microscope observation that the local refractive index change (refractive index step) of the domain inversion portion was not lost. Then, when the sample was placed in the resonator of the laser diode pumped YAG laser as described above, the generation of the second harmonic as blue light was confirmed, but 1.0 mW with respect to the
[0109]
From the above, LiNbO3On the other hand, when heat treatment at a temperature lower than the Curie point is applied, it can be said that the heat treatment temperature T should be set within the range of 100 ° C. ≦ T ≦ 700 ° C.
[0110]
On the other hand, LiTaO having a Curie point of 610 ° C3Also, a plurality of samples were prepared, and a domain inversion structure was formed on each of these crystals by the same method as in the twenty-first reference example. The heat treatment temperature range was 100 to 600 ° C. lower than the Curie point of 610 ° C. At this time, the temperature raising rate was 30 ° C./min, the temperature holding time was 2 hours, and the temperature was naturally cooled.
[0111]
As described above, when each sample heat-treated at different temperatures was observed with a polarizing microscope, it was confirmed that the local refractive index change of the domain inversion portion disappeared and the refractive index was made uniform.
[0112]
On the other hand, bulk crystal type light wavelength conversion elements were formed from these samples in the same manner as described above. Each of these optical wavelength conversion elements was placed in the resonator of a laser diode pumped YAG laser in the same manner as described above. For the sample in which the heat treatment temperature T is set within the range of 100 ° C. ≦ T ≦ 600 ° C., the generation of the second harmonic which is blue light is confirmed, and the second output of 10 mW when the output of the laser diode is 200 mW. Harmonics were obtained. However, generation of the second harmonic was not confirmed for the sample in which the heat treatment temperature T was set in the range of 600 ° C. <T ≦ 610 ° C.
[0113]
When heat treatment was performed at a temperature of less than 100 ° C., it was confirmed by the above polarizing microscope observation that the local refractive index change (refractive index step) of the domain inversion portion was not lost. Then, when the sample was placed in the resonator of the laser diode pumped YAG laser as described above, the generation of the second harmonic as blue light was confirmed, but 1.0 mW with respect to the
[0114]
From the above, LiTaO3On the other hand, when heat treatment at a temperature lower than the Curie point is applied, it can be said that the heat treatment temperature T should be set within a range of 100 ° C. ≦ T ≦ 600 ° C.
[0115]
In order to investigate the effect of the heat treatment described above and the preferable temperature range, the periodic domain inversion portion was formed on each substrate by a method different from the method of the present invention, but the heat treatment was performed after the periodic domain inversion portion was formed. Therefore, even when the periodic domain inversion portion is formed by the method of the present invention, it is considered that the effect of improving the wavelength conversion efficiency by the heat treatment and the preferable temperature range of the heat treatment are the same as described above.
[0116]
In addition, the ferroelectric in which the domain inversion structure is formed according to the present invention can be applied as an optical wavelength conversion element of an external resonator type laser by applying an appropriate polishing and coating to form an element of a ring resonator. . In such a case, the same operation and effect as when applied to a laser diode pumped solid-state laser can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the first reference example for the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of electric field applying means.
FIG. 3 is a schematic perspective view of a waveguide type optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure.
4 is a schematic side view showing a usage state of the optical wavelength conversion element of FIG. 3;
FIG. 5 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the fourth reference example according to the present invention.
FIG. 6 is a side view of a solid-state laser including an optical wavelength conversion element in which a domain inversion structure is formed according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the fifth reference example according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the sixth reference example according to the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a temperature program for heat treatment in the method of the sixth reference example.
FIG. 11 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the seventh reference example according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the eighth reference example according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the ninth reference example according to the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the tenth reference example for the present invention.
FIG. 15 is a schematic side view showing a usage state of an optical wavelength conversion element formed by the method of the tenth reference example.
[Explanation of symbols]
1 MgO-LiNbO3Unipolarized substrate (z plate)
2 Ta mask pattern
3 Proton exchange
4 Corona wire
5, 67 Metal Pt electrode
6 Heater
7 Earth
8, 11, 68 power supply
9, 39 Domain reversal part
12, 72 channel waveguide
13 Laser diode
14, 74 Laser beam (fundamental wave)
15 Collimating lens
16 λ / 2 plate
17 Condensing lens
18, 78 Second harmonic
20, 70 Waveguide type wavelength converter
31 LiNbO3substrate
32 metal mask
33
34 Ion implantation part
35 Parts that are not ion-implanted
36, 37 Metal electrodes
38 DC power supply
40 Bulk crystal type wavelength converter
43 Laser beam (pumping light)
44 Laser diode
45 condenser lens
46 YAG crystal
47 Cavity mirror
48 Solid-state laser beam (fundamental wave)
49 Second harmonic
50, 51 Laser beam producing photorefractive effect
52 Areas where photorefractive effects occur
60, 66 periodic electrodes
61 Airtight container
64 Dry N2gas
65 LiTaO3substrate
73 laser
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