JP4578710B2 - Method of creating domain-inverted structure by femtosecond laser irradiation - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高エネルギー密度を有する干渉したフェムト秒レーザーパルス光により、強誘電体中に周期分極反転構造、特に、微細な周期間隔を有する分極反転構造を作成する方法、およびその周期分極反転構造を応用した波長変換光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
非線形光学効果を利用した波長変換では、基本波と波長変換波の間の位相整合を取る必要があるが、強誘電体中のドメインの分極方向を周期的に反転させることにより、擬似的に位相整合させ、波長変換を行うこともできる。こうした擬似位相整合素子では、適用できる材料や基本波波長に関する制限を取り除くことができる。
【0003】
また、導波路型素子では、長い伝播距離に亘って、光密度を高く保つことができるので、「導波路型擬似位相変換素子」は、高効率で波長変換を実現することができる。
【0004】
ドメイン分極反転周期をΛ としたとき、第二高調波が発生するための擬似位相整合条件は、(1)式で与えられる。
【0005】
Λ =(2m+1)λp/2(n(λp)-n(λsh)) (1)
ここで、λp:基本波の波長、λsh:第二高調波の波長、n(λp)、n(λsh)は、各波長に対する実効屈折率、m:整数である。
【0006】
周期反転構造を強誘電体に作製する方法として、
(1)LiNbO3結晶にTiないしLi2Oを拡散させ、1000〜1100℃で熱処理する方法[非特許文献1、2]、
(2)LiNbO3の−Zに、ピロ燐酸を用い、260℃程度の温度処理で、プロトン交換を行い、その後、500〜600℃で熱処理する方法[非特許文献3]、また、KTiOPO4(KTP)結晶をRb/Ba塩によりイオン交換する方法[非特許文献4]、
(3)LiNbO3、LiTaO3結晶の−z面上に室温で、収束電子ビームを照射する方法[非特許文献5]およびイオンビームを照射する方法[非特許文献6]、
(4)zカットLiNbO3、LiTaO3結晶の片面に周期電極、反対面に一様電極を設け、パルス電圧を印加する方法[非特許文献7]、
が報告されている。
【非特許文献1】
西原ほか Opt.Lett.16 (1991)375
【非特許文献2】
J.Webjornほか IEEE Photonics Tech Lett.1(1989)316
【非特許文献3】
K.Mizuuchiほか Appl.Phys.Lett. 60(1992) 1283
【非特許文献4】
C.van der Poel Appl.Phys.Lett. 57(1990) 2074
【非特許文献5】
M.Yamadaほか Electron.Lett.27(1991)1868
【非特許文献6】
K.MizuuchiほかElectron.Lett. 29(1993)2064
【非特許文献7】
M.Yamadaほか Appl.Phys.Lett.62(1993)435
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の(1)および(2)の方法は、結晶を高温処理する必要があり、また、化学的な反応を伴うため、プロセスが複雑であり、分極周期間隔を小さくすることが難しい。また、上記の(3)の方法では、電子およびイオンは電荷を有しているために、電気絶縁体である強誘電体を加工するためには、高電圧が必要となるし、ビームを走査するために、プロセスに長時間を要する。上記の (4)の方法は、電極を設ける必要があるために、プロセスが複雑となるし、分極反転周期は、電極の周期間隔で決まるので、最小周期として、1μm程度に限界があるなどの問題点がある。分極反転周期構造の作成には、多くの方法が開発されているが、光を用いた方法はこれまで開発されていなかった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高密度のレーザーパルスの有する強い電場を利用して、強誘電体分極ドメインを反転させるものである。集光したレーザー光を用いれば、なんらの化学反応を伴うことなく、室温で、強誘電体中の分極を反転させることができる。光は電荷をもたないので、電気絶縁体である強誘電体の加工に適している。
【0009】
すなわち、本発明は、0.1TW/cm2以上の高エネルギー密度を有し、互いに干渉した2つのフェムト秒レーザーパルスを強誘電体結晶のz面に、干渉レーザー光の電気ベクトルが該結晶の分極方向に平行になる様に照射することにより該強誘電体結晶表面に5〜0.5μmの間隔を持つ短周期ドメイン反転構造を該強誘電体結晶表面に形成された回折格子の下側に作成することを特徴とするフェムト秒レーザー照射による分極反転構造の作成方法である。
【0010】
また、本発明は、強誘電体結晶に光導波路を形成し、該光導波路上に該レーザーパルスを照射することを特徴とする上記の分極反転構造の作成方法である。
【0011】
また、本発明は、強誘電体として、LiNbO3、MgドープLiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4(KTP)、β―Ba2B2O3(BBO)、またはLiB2O5(LBO)を用いることを特徴とする上記のフェムト秒レーザー照射による分極反転構造の作成方法である。
【0012】
また、本発明は、上記の方法で作成された短周期ドメイン反転構造を用いることを特徴とする高調波発生素子、和周波発生素子、または差周波発生素子である。
【0013】
本発明者らは、先に、従来行われていた感光性材料を用いたレーザービームによる照射法に替えて、フェムト秒レーザーを用いた二ビームホログラム露光法を開発し、フェムト秒パルスの持つ高エネルギー密度とコヒーレンス性の特徴を利用して、本来は光感光性を持たない透明有機、無機材料、半導体材料、または金属材料に、一つのパルスから分岐した一対のパルス光で、ホログラムを記録できる方法を実現し、特許出願した(特願2000−312715)。
【0014】
この方法は、パルス幅が900〜10フェムト秒、ピーク出力が1GW以上で、フーリェ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッターにより二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路を介して時間的に制御し、かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、偏光面を平行にして、エネルギー密度100GW/cm2 以上で集光し、二つのビームの集光スポットを時間的および空間的に合致させることにより、高密度エネルギー照射によって生じる基材材料のアブレーションまたは基材材料の原子配列構造変化による基材表面の形状変化および/または基材材料の屈折率変化により、透明材料、半導体材料、または金属材料に不可逆的にホログラムを記録することを特徴とする二ビームレーザー干渉露光法によるホログラムの製造方法である。
【0015】
この二ビームレーザー干渉露光法によるレーザー光の干渉を利用すれば、直接、材料表面に周期凹凸構造を記録することができるが、本発明の方法によりその凹凸構造の下側に、周期分極反転構造が形成される。レーザー光の干渉の特性から、光の入射角度を変化させ、5〜0.5μmの範囲で周期間隔を制御することができる。
【0016】
また、パルスの照射回数やパルスエネルギー密度を変化させて、分極反転の領域を制御することが出来る。波長変換効率は、反転ドメインと非反転ドメインの比に依存し、その値が1:1の時、最大になる。
【0017】
したがって、導波路に入射した基本波の第二高調波の強度をモニターし、その値が最大になるように、照射レーザーパルスの回数、パルスエネルギー密度を決めれば、最大波長変換効率を有する素子を製作することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の方法に用いるレーザー露光装置のシステム概念図である。このシステムにおいては、 フェムト秒レーザー光源、該レーザーからのパルスビームを二つに分割するためのビームスプリッター、パルス光の集光合致位置を時間的に制御するための光学遅延回路および空間的に制御するための平面ミラーと凹面ミラーと該ミラーを微回転するための機構からなる光学系とする。ミラーの位置を、ミラー面に垂直方向、入射ビームに対して平行および垂直方向に微移動させることにより、光学路長を変化させ、光学遅延回路とすることができる。対向して該基材に入射する二ビームの集光の合致位置および集光スポットのサイズを光学遅延回路およびミラーにより制御できる。
【0019】
二ビームレーザー露光装置は、ミクロンスケールで、位置が制御できる光学系が必要であり、それに対応できる高精度の位置制御性をもつ装置として、精細な制御が可能な光学遅延回路、微回転できる平面ミラーと凹面ミラー、および二ビームの集光合致の有無を検出できる機能を併せ持つ光学系により、二つのビームを基材上または基材内部に集光して、時間的および空間的に、二つの集光スポットを合致させることを可能としたものである。
【0020】
図1に示すシステムにおいて、チタンサファイヤモードロックレーザーのフェムト秒パルスレーザーを最大エネルギー〜1mJ、時間幅〜100f秒に再生増幅し、得られたフェムト秒レーザー光をLiNbO3結晶の表面に〜100μm径程度に集光する(このレーザー光のエネルギー密度は、100TW/cm2である。)。
【0021】
単一ドメイン化したLiNbO3結晶のz面に、レーザー光の電気ベクトルを分極方向に平行にした配置で、レーザーパルスを照射したとき、エネルギー密度が100GW/cm2以上、好ましくは、10TW/cm2以上の時、一発のパルス照射で、分極反転が観測される。
【0022】
分極ドメインの大きさは、エネルギー密度が大きいほど、大きくなる。また、レーザーパルスを同じ場所に重ねて照射した場合、照射パルスの回数が増加するほど、ドメインの大きさは大きくなる。
【0023】
反転構造は、弗硝酸混合液に浸したとき、−z面はエッチングされるが、+z面はエッチングされないことを利用して、確認することができる。z面以外にレーザー光を照射したときには、分極反転は観測されない。高密度エネルギーパルスの有する強電場により、逆方向の分極を持つドメインが誘起されたことを示している。
【0024】
上記の特願2000−312715に記載した方法と同様に、パルス幅が900〜10フェムト秒、ピーク出力が1GW以上で、フーリェ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッターにより二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路を介して時間的に制御し、かつ微小回転する反射面が平面のミラーと凹面のミラーを用いて空間的に制御し、基材表面または基材内部に、偏光面を平行にして集光し、二つのビームの集光スポットを時間的および空間的に合致させることにより、エネルギー密度0.1TW/cm2 以上の高密度エネルギーを強誘電体に照射する。
【0025】
この際、ホログラム回折格子が形成できる条件下で、強誘電体LiNbO3結晶のz面に、干渉レーザー光の電気ベクトルが結晶の分極方向に平行になる様に、干渉フェムト秒レーザーを照射すると、形成された表面凹凸型回折格子の下側に、深さ5μm程度の周期的な分極反転ドメインを形成することが出来る。
【0026】
すなわち、再生増幅したパルスを2本のビームに分離し、LiNbO3結晶表面で再び会合させ、レーザー光の電気ベクトルが分極方向に平行で、かつ二つのビームのエネルギー和が0.1TW/cm2以上のとき、回折格子の下側に、深さ5μm程度の周期的な分極反転ドメインが形成される。照射レーザー光の電場、局所的な熱、歪、ないし衝撃波が原因して、分極反転が生じると考えられる。
【0027】
干渉ホログラム回折格子のフリンジ間隔dは、d=λ/2sinθ(λは、レーザー波長=800nm、2θは、二つのビームのなす角度)で与えられる。したがって、dは、0.5〜5μmの間で、制御することができる。
【0028】
強誘電体結晶として、MgドープLiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4(KTP)、β―Ba2B2O3(BBO)、またはLiB2O5(LBO)を用いても同様の周期分極反転構造を形成することが出来る。
【0029】
本発明の方法によって、LiNbO3、LiTaO3、KTP、BBO、LBOなどの単分域された非線形光学結晶基板に、不純物の選択的拡散、あるいはイオン打ち込みやイオン交換等の周知の技術によって、光導波路を作製することができる。
【0030】
結晶基板の方位および光導波路の伝搬方向については、非線形結晶の分極方位と光の伝搬する方位、すなわち導波路の方位とが、一致しないかぎり、任意の方位で疑似位相整合が実現可能であるが、効率の点から最大の非線形定数を有する結晶主軸を導波路伝搬方向が直交するような組み合わせを取ることが望ましい。
【0031】
次に、導波路の伝搬方向とホログラムフリンジが直交するように、非線形光学結晶基板上に作製した光導波路に干渉フェムト秒レーザーを照射して、周期的ドメイン反転を形成する。フリンジの周期Λ を、(1)式と一致させれば、疑似位相条件を満たし、第2次数高調波発生による波長変換を行うことが出来る。結晶方位、波長、屈折率の組み合わせに応じて、フリンジの間隔を適切に選ぶことにより、和周波、差周波などの波長変換も可能である。導波路とフリンジのなす角度ψを変化させ、導波路伝播光が感ずる実効的な格子周期Λ/cos(ψ)を制御し、擬似位相整合条件を満足させることも出来る。
【0032】
また、誘電体結晶上に導波路を形成しなくとも、分極反転構造を形成した誘電体結晶基板に、レンズ等で集光ビームあるいは平行ビームを入射すれば、第2次高調波発生など波長変換を行うことが可能である。この場合も、干渉させる2ビームのなす角度を調整する方法、波長変換を行おうとするビームとフリンジの角度調整する方法のいづれでも、疑似位相整合を実現し、波長変換を行うことが可能である。
【0033】
導波路に基本波を導入し、波長変換された光強度をモニターし、その強度が最大になるように、レーザーパルスのエネルギー密度、パス数、導波路と回折格子フリンジのなす角度を微調整して、最適な周期分極反転構造を形成することができる。
【0034】
分極反転構造を作製した後、導波路を平行に起動させ、二つ目の分極反転構造を、最初の構造に隣接して作製する。この手順を繰り返すことにより、分極反転領域を拡大することができ、波長変換効率を向上させることができる。また、それぞれの分極反転構造のフリンジ間隔を微変化させれば、擬似位相整合する基本波の波長幅を広げることができる。
【0035】
【実施例】
[実施例1]
図1に示す2ビームレーザー干渉露光システムを用いた。すなわち、レーザーは、再生増幅チタンサファイヤレーザーで、発振中心波長は〜800nm、パルス幅は〜100フェムト秒、パルスエネルギーは〜4mJ/パルスで、ピーク出力は〜40GWと求められる。
【0036】
レーザービームは、ハーフミラーHF1で、二つに分けられ、レンズL1及びレンズL2により、サンプルS1表面ないし内部に集光される。ビームB1あるいはビームB2に対する光学路内に、光学回路を設置し、2つのビームの集光スポットを時間的、空間的に合致させた。
【0037】
集光スポットの大きさφは〜100μmで、ピーク出力密度は〜400TW/cm2と計算される。ビームB1及びビームB2のサンプルS1への入射角度θを調整して、回折格子のフリンジの間隔を変更した。サンプルS1をX−Yステージ上に置き、サンプルS1を微動して、サンプルS1の指定の位置に、微小面積のホログラムを記録できる。この2ビームレーザー干渉露光装置を用い、LiNbO3単結晶に透過型ホログラムを記録した。
【0038】
LiNbO3単結晶の大きさは10×10×1mmであり、レーザー光の電気ベクトル方向が結晶軸Z(分極軸)と平行になる配置で、レーザービームを入射した。レーザー出力は〜200mJ/パルス、ビームB1を100mJ、ビームB2を100mJとし、ビーム径を約50μmに集光し(エネルギー密度:10TW/cm2)、1パルスでホログラムを記録した。ビームB1とビームB2のなす角度θは30度であった。図2に示すような、それぞれ1μmの格子間隔をもつ回折格子を得た。AFM測定から、表面に形成されたホログラムフリンジの深さは約200nmであった。
【0039】
また、フッ硝酸(フッ酸50%+硝酸50%)、60℃、1時間エッチングを行った試料の断面について、光学顕微鏡による観察を行った。表面グレーティングの下方に微細なエッチング痕が深さt=約5μmまで観察された。図3は、回折格子の下側に形成された分極反転構造を示す断面図である。これにより回折格子の下側にフェムト秒レーザーによる微細な周期をもつ分極反転構造の形成が確認された。
【0040】
[実施例2]
図4に示すように、LiNbO3結晶基板1のX面上に、Ti拡散法により、Y方向に光を伝搬する同一の幅、深さの光導波路2を複数本形成し、光の入出力用に導波路両端を研磨した。各導波路上に、ビーム径約50μmに集光したB1とB2の2ビームを1パルスづつ、ビーム交差角θ=5〜80度に変化させながら照射を行った。
【0041】
これらの導波路端面から波長840nmの光源4からレーザーを偏光子5を介して入射したところ、ビーム交差角θ=17度にて照射した導波路においては、導波路端面6から出射した光を赤外カットフイルターを介して光パワーメーター8で測定したところ波長420nmの緑色光の出射が得られ、波長変換装置として機能していることを確認した。
【0042】
この導波路2上に形成されたドメイン反転を弗硝酸溶液に浸漬してエッチングすると、幅1μm弱、深さ約5μmの反転部位と幅約2μm弱の非反転部分からなる周期3μm弱の凹凸が観察され、実際に周期的ドメイン反転が形成されていることが確認された。
【0043】
[実施例3]
実施例2と同様に、LiNbO3基板のX面上に、Ti拡散法により、Y方向に光を伝搬する同一の幅、深さの光導波路を複数本形成し、光の入出力用に導波路両端を光学研磨した。これらの導波路に波長840nmの波長可変レーザーを入射して第二高調波出力光をモニターしながら、パルスの照射回数を変化させて、第二高調波発生素子の作成を行った。フェムト秒レーザービーム交差角θ=17度に設定し、各導波路上にビーム径約50μmに集光し、1〜10回のパルスの照射を行ったところ、パルスの照射回数を増やすに従い、緑色光の出力強度が増大し、やがて減少に転じることが確認された。
【0044】
第二高調波の出射強度がほぼ最大となるパルスを3回照射した導波路Aと、パルスを10回照射した導波路Bを、弗硝酸溶液に浸漬してエッチングすると、反転部分と非反転部分の比率が、導波路Aではほぼ4:5であるのに対し、導波路Bでは、2:1であった。
【0045】
疑似位相整合においては、ドメイン反転周期が一定の場合、反転部位と非反転部位の比率(Duty比)は、第二高調波発生効率に影響し、Duty比=1:1の際に最大の第二高調波発生効率が得られることが知られている。上記の出力強度がパルス照射回数に依存する現象は、パルス照射回数とともにDuty比が増大するためと解釈できる。したがって、制御が容易な照射パルスの回数によってDuty比を調整可能であり、容易に良好な第二高調波発生効率を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法で用いる2ビームレーザー露光のシステム概念図である。
【図2】図2は、2ビームレーザー露光システムによって記録された回折格子の説明図である。
【図3】図3は、図2に示す記録された回折格子の下側に形成された分極反転構造を示す断面図である。
【図4】図4は、実施例2における2ビームフェムト秒レーザー光干渉法による導波路型擬似位相整合波長変換素子作製の概念図である。
【図5】図5は、実施例3における導波路型擬似位相整合波長変換素子のドメイン反転領域、結晶軸と導波光伝播方向の関係を示す概念図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of creating a periodically poled structure in a ferroelectric material by interfering femtosecond laser pulsed light having a high energy density, in particular, a poled structure having a fine periodic interval, and the periodically poled structure. The present invention relates to a wavelength conversion optical device to which is applied.
[0002]
[Prior art]
In wavelength conversion using the nonlinear optical effect, it is necessary to achieve phase matching between the fundamental wave and the wavelength converted wave. However, by periodically reversing the polarization direction of the domain in the ferroelectric, Wavelength conversion can also be performed by matching. In such a quasi phase matching element, restrictions on applicable materials and fundamental wave wavelengths can be removed.
[0003]
In addition, since the optical density can be kept high over a long propagation distance in the waveguide type element, the “waveguide type pseudo phase conversion element” can realize wavelength conversion with high efficiency.
[0004]
When the domain polarization inversion period is Λ, the quasi-phase matching condition for generating the second harmonic is given by equation (1).
[0005]
Λ = (2m + 1) λ p / 2 (n (λ p ) −n (λ sh )) (1)
Here, .lambda.p: wavelength of the fundamental wave, Ramudash: the second-harmonic wavelength, n (λ p), n (λ sh) , the effective refractive index for each wavelength, m: is an integer.
[0006]
As a method of fabricating a periodic inversion structure in a ferroelectric,
(1) A method of diffusing Ti or Li 2 O into a LiNbO 3 crystal and heat-treating at 1000 to 1100 ° C. [ Non-patent
(2) A method in which pyrophosphoric acid is used for -Z of LiNbO 3 , proton exchange is performed at a temperature of about 260 ° C., and then heat treatment is performed at 500 to 600 ° C. [ Non-patent Document 3 ], and KTiOPO 4 ( KTP) method for ion exchange of crystals with Rb / Ba salt [ Non-Patent Document 4 ],
(3) A method of irradiating a focused electron beam on a −z plane of LiNbO 3 or LiTaO 3 crystal at room temperature [ Non-patent Document 5 ] and a method of irradiating an ion beam [ Non-patent Document 6 ],
(4) A method of applying a pulse voltage by providing a periodic electrode on one side of a z-cut LiNbO 3 or LiTaO 3 crystal and a uniform electrode on the opposite side [ Non-patent Document 7 ],
Has been reported.
[Non-Patent Document 1]
Nishihara et al. Opt. Lett. 16 (1991) 375
[Non-Patent Document 2]
J. et al. Webjorn et al. IEEE Photonics Tech Lett. 1 (1989) 316
[Non-Patent Document 3]
K. Mizuchi et al. Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 1283
[Non-Patent Document 4]
C. van der Poel Appl. Phys. Lett. 57 (1990) 2074
[Non-Patent Document 5]
M.M. Yamada et al. Electron. Lett. 27 (1991) 1868
[Non-Patent Document 6]
K. Mizuchi et al. Electron. Lett. 29 (1993) 2064
[Non-Patent Document 7]
M.M. Yamada et al. Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 435
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above methods (1) and (2) , the crystal needs to be treated at a high temperature, and is accompanied by a chemical reaction, so the process is complicated and it is difficult to reduce the polarization period interval. In the above method (3) , since electrons and ions have electric charges, a high voltage is required to process a ferroelectric material that is an electrical insulator, and a beam is scanned. In order to do so, the process takes a long time. In the method (4) , since it is necessary to provide an electrode, the process becomes complicated, and since the polarization inversion period is determined by the period interval of the electrode, the minimum period is limited to about 1 μm. There is a problem. Many methods have been developed to create a domain-inverted periodic structure, but no method using light has been developed so far.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention reverses the ferroelectric polarization domain using a strong electric field of a high-density laser pulse. If the focused laser beam is used, the polarization in the ferroelectric can be reversed at room temperature without any chemical reaction. Since light has no electric charge, it is suitable for processing a ferroelectric material that is an electrical insulator.
[0009]
That is, according to the present invention, two femtosecond laser pulses having a high energy density of 0.1 TW / cm 2 or more and interfering with each other are applied to the z-plane of the ferroelectric crystal, and the electric vector of the interference laser light is below the grating the short periodic domain inversion structure formed in the ferroelectric crystal surface having a spacing 5~0.5μm the ferroelectric crystal surface by irradiation so as to be parallel to the polarization direction This is a method for creating a domain-inverted structure by femtosecond laser irradiation.
[0010]
The present invention is also the above method for producing a domain-inverted structure , wherein an optical waveguide is formed on a ferroelectric crystal and the laser pulse is irradiated onto the optical waveguide .
[0011]
The present invention uses LiNbO 3 , Mg-doped LiNbO 3 , LiTaO 3 , KTiOPO 4 (KTP), β-Ba 2 B 2 O 3 (BBO), or LiB 2 O 5 (LBO) as the ferroelectric. This is a method for producing a domain-inverted structure by femtosecond laser irradiation.
[0012]
The present invention also provides a harmonic generation element, a sum frequency generation element, or a difference frequency generation element using the short-period domain inversion structure created by the above method.
[0013]
The present inventors have previously developed a two-beam hologram exposure method using a femtosecond laser in place of the conventional laser beam irradiation method using a photosensitive material. Using the characteristics of energy density and coherence, holograms can be recorded with a pair of pulsed light branched from a single pulse on transparent organic, inorganic, semiconductor, or metal materials that are not inherently photosensitive. The method was realized and a patent application was filed (Japanese Patent Application No. 2000-314715).
[0014]
In this method, a femtosecond laser having a pulse width of 900 to 10 femtoseconds, a peak output of 1 GW or more, and a Fourier limit or an approximation thereof is used as a light source, and a pulse from the laser is divided into two by a beam splitter. The beam is temporally controlled via an optical delay circuit, and the reflection surface that rotates slightly is spatially controlled by using a flat mirror and a concave mirror, and the hologram is recorded on the substrate surface or inside the substrate. Ablation of the substrate material caused by high-density energy irradiation by collimating the plane of polarization, condensing at an energy density of 100 GW / cm 2 or more, and matching the focused spots of the two beams in time and space Transparent material due to change in shape of substrate surface and / or change in refractive index of substrate material due to change in atomic arrangement structure of substrate material A method for producing a hologram by irreversibly two-beam laser interference exposure method characterized by recording a hologram on a semiconductor material or a metal material.
[0015]
By using the interference of the laser light by the two-beam laser interference exposure method, direct, but can record the periodic uneven structure on the surface of the material, the lower side of the concavo-convex structure by the method of the present invention, periodically poled Is formed. From the characteristic of the interference of laser light, it is possible to control the periodic interval in the range of 5 to 0.5 μm by changing the incident angle of light.
[0016]
Further, by changing the irradiation dose rate and pulse energy density of the pulse, it is possible to control the area of the polarization inversion. The wavelength conversion efficiency depends on the ratio of the inversion domain to the non-inversion domain, and becomes maximum when the value is 1: 1.
[0017]
Therefore, the intensity of the second harmonic of the fundamental wave incident on the waveguide was monitored, as its value is maximized, the number of times the illumination laser pulse, be determined pulse energy density, the element having the maximum wavelength conversion efficiency Can be produced.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a conceptual diagram of a system of a laser exposure apparatus used in the method of the present invention. In this system, a femtosecond laser light source, a beam splitter for splitting the pulse beam from the laser into two, an optical delay circuit for temporally controlling the convergence position of the pulsed light, and spatial control The optical system includes a plane mirror, a concave mirror, and a mechanism for finely rotating the mirror. By slightly moving the position of the mirror in the direction perpendicular to the mirror surface and parallel to and perpendicular to the incident beam, the optical path length can be changed to provide an optical delay circuit. The converging position of the condensing of the two beams incident on the base material and the size of the condensing spot can be controlled by an optical delay circuit and a mirror.
[0019]
The two-beam laser exposure system requires an optical system that can control the position on a micron scale, and as an apparatus with high-accuracy position control that can handle this, an optical delay circuit capable of fine control and a plane that can be rotated slightly The two beams are condensed on the substrate or inside the substrate by the optical system having both the mirror and the concave mirror and the function of detecting the presence or absence of the convergence of the two beams. This makes it possible to match the focused spot.
[0020]
In the system shown in FIG. 1, a femtosecond pulse laser of a titanium sapphire mode-locked laser is regenerated and amplified to a maximum energy of ˜1 mJ and a time width of ˜100 fs, and the femtosecond laser beam obtained is ˜100 μm in diameter on the surface of a LiNbO 3 crystal. The laser beam is condensed to an extent (the energy density of this laser beam is 100 TW / cm 2 ).
[0021]
When the z-plane of a single-domain LiNbO 3 crystal is irradiated with a laser pulse in an arrangement in which the electric vector of the laser beam is parallel to the polarization direction , the energy density is 100 GW / cm 2 or more, preferably 10 TW / cm When it is 2 or more, polarization inversion is observed with one pulse irradiation.
[0022]
The size of the polarization domain increases as the energy density increases. Moreover, when irradiated superimposed laser pulses in the same location, as the number of times of irradiation pulses is increased, the size of the domain increases.
[0023]
The inversion structure can be confirmed by utilizing the fact that, when immersed in a hydrofluoric acid mixed solution, the −z plane is etched, but the + z plane is not etched. When laser light is irradiated on a surface other than the z plane, no polarization inversion is observed. This shows that a domain having a reverse polarization is induced by the strong electric field of the high-density energy pulse.
[0024]
Similar to the method described in the above Japanese Patent Application No. 2000-312715, a femtosecond laser having a pulse width of 900 to 10 femtoseconds, a peak output of 1 GW or more, and a Fourier limit or approximating it can be used as a light source, and a pulse from the laser can be used. The beam is split into two by a beam splitter, the two beams are temporally controlled via an optical delay circuit, and the micro-rotating reflecting surface is spatially controlled using a flat mirror and a concave mirror, By condensing the polarization plane parallel to the surface or the inside of the substrate and matching the focused spots of the two beams in time and space, a high density energy of 0.1 TW / cm 2 or more can be obtained. Irradiate the ferroelectric.
[0025]
At this time, under the condition that a hologram diffraction grating can be formed, when the interference femtosecond laser is irradiated on the z-plane of the ferroelectric LiNbO 3 crystal so that the electric vector of the interference laser light is parallel to the polarization direction of the crystal, A periodic domain-inverted domain having a depth of about 5 μm can be formed below the formed surface concavo-convex diffraction grating.
[0026]
That is, the regenerated and amplified pulse is separated into two beams, re-associated on the surface of the LiNbO 3 crystal, the electric vector of the laser light is parallel to the polarization direction , and the energy sum of the two beams is 0.1 TW / cm 2. At this time, a periodically domain-inverted domain having a depth of about 5 μm is formed below the diffraction grating. It is considered that polarization reversal occurs due to an electric field of irradiation laser light, local heat, strain, or shock wave.
[0027]
The fringe interval d of the interference hologram diffraction grating is given by d = λ / 2 sin θ (λ is a laser wavelength = 800 nm, 2θ is an angle formed by two beams). Therefore, d can be controlled between 0.5 and 5 μm.
[0028]
Even if Mg-doped LiNbO 3 , LiTaO 3 , KTiOPO 4 (KTP), β-Ba 2 B 2 O 3 (BBO), or LiB 2 O 5 (LBO) is used as the ferroelectric crystal, the same periodic polarization inversion structure is used. Can be formed.
[0029]
According to the method of the present invention, light is optically dispersed in a single-domain nonlinear optical crystal substrate such as LiNbO 3 , LiTaO 3 , KTP, BBO, and LBO by a known technique such as selective diffusion of impurities or ion implantation or ion exchange. A waveguide can be produced.
[0030]
As for the orientation of the crystal substrate and the propagation direction of the optical waveguide, the quasi phase matching can be realized in any orientation as long as the polarization orientation of the nonlinear crystal and the light propagation orientation, that is, the orientation of the waveguide do not match. From the viewpoint of efficiency, it is desirable to take a combination in which the waveguide propagation direction is orthogonal to the crystal main axis having the maximum nonlinear constant.
[0031]
Next, an interference femtosecond laser is irradiated to the optical waveguide produced on the nonlinear optical crystal substrate so that the propagation direction of the waveguide and the hologram fringe are orthogonal to form periodic domain inversion. If the fringe period Λ is matched with the equation (1), the pseudo phase condition is satisfied, and wavelength conversion by second order harmonic generation can be performed. Depending on the combination of crystal orientation, wavelength, and refractive index, wavelength conversion of sum frequency, difference frequency, etc. is possible by appropriately selecting the fringe interval. By changing the angle ψ formed by the waveguide and the fringe, the effective grating period Λ / cos (ψ) sensed by the light propagating in the waveguide can be controlled to satisfy the quasi phase matching condition.
[0032]
Even if a waveguide is not formed on the dielectric crystal, if a focused beam or parallel beam is incident on a dielectric crystal substrate having a domain-inverted structure with a lens or the like, wavelength conversion such as second harmonic generation occurs. Can be done. Also in this case, it is possible to realize the wavelength conversion by realizing the pseudo phase matching by either the method of adjusting the angle formed by the two beams to be interfered with or the method of adjusting the angle between the beam to be converted and the fringe. .
[0033]
Introduce a fundamental wave into the waveguide, monitor the wavelength-converted light intensity, and finely adjust the energy density of the laser pulse, the number of paths, and the angle between the waveguide and the diffraction grating fringe to maximize the intensity. Thus, an optimal periodic polarization inversion structure can be formed.
[0034]
After producing the domain-inverted structure, the waveguide is activated in parallel, and a second domain-inverted structure is produced adjacent to the first structure. By repeating this procedure, the domain-inverted region can be expanded and the wavelength conversion efficiency can be improved. Further, if the fringe interval of each domain-inverted structure is slightly changed, the wavelength width of the fundamental wave to be quasi-phase matched can be widened.
[0035]
【Example】
[Example 1]
A two-beam laser interference exposure system shown in FIG. 1 was used. That is, the laser is a regenerative amplification titanium sapphire laser, the oscillation center wavelength is ˜800 nm, the pulse width is ˜100 femtoseconds, the pulse energy is ˜4 mJ / pulse, and the peak output is ˜40 GW.
[0036]
The laser beam is divided into two by the half mirror HF1, and is condensed on the surface or inside of the sample S1 by the lens L1 and the lens L2. An optical circuit was installed in the optical path for the beam B1 or the beam B2, and the condensed spots of the two beams were matched temporally and spatially.
[0037]
The size φ of the focused spot is ˜100 μm, and the peak power density is calculated to be ˜400 TW / cm 2 . The incident angle θ of the beam B1 and the beam B2 on the sample S1 was adjusted to change the fringe interval of the diffraction grating. The sample S1 is placed on the XY stage, the sample S1 is finely moved, and a hologram having a very small area can be recorded at a designated position of the sample S1. Using this two-beam laser interference exposure apparatus, a transmission hologram was recorded on a LiNbO 3 single crystal.
[0038]
The size of the LiNbO 3 single crystal was 10 × 10 × 1 mm, and the laser beam was incident so that the electric vector direction of the laser light was parallel to the crystal axis Z (polarization axis). The laser output was -200 mJ / pulse, the beam B1 was 100 mJ, the beam B2 was 100 mJ, the beam diameter was condensed to about 50 μm (energy density: 10 TW / cm 2 ), and a hologram was recorded with one pulse. The angle θ formed by the beams B1 and B2 was 30 degrees. As shown in FIG. 2, diffraction gratings each having a grating interval of 1 μm were obtained. From the AFM measurement, the depth of the hologram fringe formed on the surface was about 200 nm.
[0039]
Further, a cross section of a sample etched with hydrofluoric acid (50% hydrofluoric acid + 50% nitric acid) at 60 ° C. for 1 hour was observed with an optical microscope. Fine etching marks were observed down to the depth t = about 5 μm below the surface grating. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a polarization inversion structure formed on the lower side of the diffraction grating. This confirmed the formation of a domain-inverted structure with a fine period by a femtosecond laser under the diffraction grating .
[0040]
[Example 2]
As shown in FIG. 4, a plurality of optical waveguides 2 having the same width and depth for propagating light in the Y direction are formed on the X plane of the LiNbO 3 crystal substrate 1 by the Ti diffusion method, and light input / output is performed. Both ends of the waveguide were polished for use. Irradiation was performed on each waveguide while changing one beam of B1 and B2 focused to a beam diameter of about 50 μm, one pulse at a time to a beam crossing angle θ = 5 to 80 degrees.
[0041]
When a laser is incident from the
[0042]
When the domain inversion formed on the waveguide 2 is immersed in a hydrofluoric acid solution and etched, irregularities with a period of less than 3 μm consisting of an inversion part with a width of less than 1 μm and a depth of about 5 μm and a non-inversion part with a width of about 2 μm are obtained. Observed and confirmed that a periodic domain inversion was actually formed.
[0043]
[Example 3]
Similar to Example 2, a plurality of optical waveguides having the same width and depth for propagating light in the Y direction are formed on the X surface of the LiNbO 3 substrate by the Ti diffusion method, and are used for light input / output. Both ends of the waveguide were optically polished. While monitoring the second harmonic output beam incident wavelength tunable laser with a wavelength of 840nm to these waveguides, by changing the number of irradiation times of the pulse, it was creation of the second harmonic generation element. According Set femtosecond laser beam crossing angle theta = 17 degrees, focused beam diameter of about 50μm on each waveguide was subjected to irradiation of 1 to 10 times the pulse, increasing the number of times of irradiation pulses, green It was confirmed that the light output intensity increased and eventually began to decrease.
[0044]
When the waveguide A irradiated with the pulse having the maximum second harmonic emission intensity three times and the waveguide B irradiated with the pulse ten times are immersed and etched in a hydrofluoric acid solution, an inversion portion and a non-inversion portion The ratio was approximately 4: 5 for waveguide A, but 2: 1 for waveguide B.
[0045]
In the quasi-phase matching, when the domain inversion period is constant, the ratio of the inversion part to the non-inversion part (Duty ratio) affects the second harmonic generation efficiency, and the maximum first in the case of Duty ratio = 1: 1 . It is known that second harmonic generation efficiency can be obtained. Phenomenon in which the output intensity is dependent on the number of times of pulse irradiation can be interpreted for Duty ratio with pulse irradiation times is increased. Therefore, the control is capable of adjusting a Duty ratio by number of times easily irradiation pulse can be obtained easily better second harmonic generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a two-beam laser exposure system used in the method of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a diffraction grating recorded by a two-beam laser exposure system.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a domain-inverted structure formed on the lower side of the recorded diffraction grating shown in FIG. 2;
4 is a conceptual diagram of fabrication of a waveguide type quasi phase matching wavelength conversion element by a two-beam femtosecond laser beam interferometry in Example 2. FIG.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a relationship between a domain inversion region, a crystal axis, and a guided light propagation direction of a waveguide type quasi phase matching wavelength conversion element according to a third embodiment.
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