JP4635246B2 - 電荷量制御による分極反転法およびそれを用いた波長変換素子 - Google Patents
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波長変換素子の波長変換領域を広げる(すなわち、短波長化する)ためには、分極反転領域の周期を短くする必要がある。短周期の分極反転領域を形成する方法として、直流電圧とパルス電圧とを重畳する技術がある(例えば、特許文献1を参照。)。
図8(a)を参照して、波長変換素子8000は、LiTaO3基板8100と、櫛形電極8200と、平面電極8300とを含む。櫛形電極8200は、LiTaO3基板8100の+c面に、平面電極8300は、LiTaO3基板8100の−c面に形成されている。直流電源8400は、櫛形電極8200に接続されており、パルス電源8500は、平面電極8300に接続されている。これにより、所定の電圧レベルを有し、かつ、必要に応じてパルス電圧が重畳された直流電圧をLiTaO3基板8100に印加することができる。
このように、直流電圧にパルス電圧を重畳してLiTaO3基板8100に印加することにより、従来は、LiTaO3基板8100を分極反転させるために20kV/mm程度と大きなパルス電界の印加を必要としていたが、数kV/mmのパルス電界を印加すれば十分になる。したがって、形成される分極反転領域の均一化および短周期化が容易になり得る。
図9は、従来技術による周期分極反転領域の拡大を示す図である。図8に示される要素と同一の要素には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
本発明のさらなる目的は、高出力、均一、かつ短周期の分極反転領域を強誘電体単結晶に形成する方法、およびそれを用いた波長変換素子を提供することである。
(実施の形態1)
図1は、本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する工程を示すフローチャートである。
図2は、本発明による強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法を示す模式図である。図2を参照して、図1の各工程を説明する。
aおよびCr等の金属電極であってもよく、これらに限定されない。また、第1の電極220および第2の電極230のいずれも液体電極または金属電極でもよいし、第1の電極220が液体電極であり、第2の電極230が金属電極であってもよいし、その逆でもよい。これらの組み合わせは、任意であることに留意されたい。
種類、電極面積等に応じて、異なることに留意されたい。
従来技術:領域410<領域420+領域430
本発明:領域400+領域410=領域420
となる。
いる。したがって、ある特定のパルス電圧(例えば、図4(b)の第l番目のパルス)では、分極反転の進行が抑制され、ある特定のパルス電圧(例えば、図4(b)の第m番目のパルス)では、分極反転の進行が促進されることになり得る。
図3(c)において各パルス間に所定の時間間隔を設けてもよい。図3(c)では、第1のパルス電圧と第2のパルス電圧との間の時間間隔Tint1、第2のパルス電圧と第3のパルス電圧との間の時間間隔Tint2、・・・、第n−1のパルス電圧と第nのパルス電圧との間の時間間隔Tint(n-1)(n≧2、nは整数)を設けている。このようにパルス間に所定の時間間隔を設けることにより、各パルス電圧の印加によって強誘電体単結晶に発生する熱を下げることができる。その結果、熱によって分極反転が進行するのを防ぐことができるので、より均一かつ短周期の周期分極反転構造が形成され得る。ここで、各時間間隔は、関係Tint1=Tint2=・・・=Tint(n-1)であってもよいし、関係Tint1≠Tint2≠・・・≠Tint(n-1)であってもよく、強誘電体単結晶の材料、パルス電圧の印加時間、発生する熱等に応じて任意であり得る。
とに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。同様に、SLTにおいて、実質的に「定比組成である」とは、Li2O/(Ta2O5+Li2O)のモル分率が完全に0.50ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成(Li2O/(Ta2O5+Li2O)のモル分率=0.495〜0.5)を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。
図5は、本発明の実施の形態1による方法によって製造された波長変換素子を用いた波長変換システムを示す図である。
波長変換システム500は、波長変換素子510と、光源530と、集光光学系540とを含む。
波長変換素子510は、実施の形態1に記載される方法を用いて製造され得る。波長変換素子510は、MgがドープされたSLTであり得るが、この材料に限定されない。波長変換素子510は、周期8μmの分極反転領域520を有し、2mm×2mmのロッド状であり得る。
波長変換素子510を製造するための条件は、図2に示される装置を用いて、図6に示されるパルス電圧を複数回印加した。1回のパルス電圧の印加によって生じる電荷量1μQ(一定)とし、繰り返しパルス数120、パルス電圧の電界強度0.8kV/mm、パルス間の時間間隔30sとした。得られた分極反転領域520は、均一な周期を有していることを微分干渉顕微鏡による観察および波長変換素子の許容幅測定によって確認した。
集光光学系540は、光源530が発する光を集光し、波長変換素子510に入射させるように機能する任意の光学系であり得る。
図7より、基本波の出力12Wにおいて4.4Wの緑色光の発生を確認した。この値は、レーザディスプレイに必要とされる値を超えるレベルであり、図5に示されるようなシングルパスの波長変換システム500においてこのような高出力を達成できれば、システムの低コスト化に有利であり得る。
。さらに短周期化して、波長変換素子510を反射型波長変換素子として用いることによって、さらなる高効率化が可能である。
本発明による方法を用いれば、均一かつ短周期の分極反転領域を有する波長変換素子を製造することができるので、入射波長の短波長化を達成し得る。したがって、波長変換領域を広げることができるとともに、波長変換素子の強誘電体単結晶材料を適宜選択することによって高出力化が可能になり得る。
210 強誘電体単結晶
220 第1の電極
230 第2の電極
240 複数の電極片
250 フォトレジスト
260 電圧増幅装置
270 パルス電源
280 電流モニタ
500 波長変換システム
520 周期分極反転構造
530 光源
540 集光光学系
Claims (5)
- 強誘電体単結晶に分極反転領域を形成する方法であって、
前記強誘電体単結晶に第1の電極を形成する工程と、
前記強誘電体単結晶に前記第1の電極に対向する第2の電極を形成する工程と、
前記第1の電極と前記第2の電極とを介して前記強誘電体単結晶に複数のパルス電圧を印加する工程であって、前記複数のパルス電圧のそれぞれを前記強誘電体単結晶に印加した際に前記強誘電体単結晶に流れる電荷量がそれぞれ等しくなるように、前記強誘電体単結晶に流れる反転電流を測定し、前記測定された反転電流に基づいて、前記複数のパルス電圧のパルス幅を調節する、工程と
を包含する、方法。 - 前記複数のパルス電圧を印加する工程は、前記複数のパルス電圧のそれぞれを所定の時間間隔で前記強誘電体単結晶に印加する、請求項1に記載の方法。
- 前記強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項1に記載の方法。
- 前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、Mg、Zn、ScおよびInからなる群から選択される元素を0.1〜3.0mol%含む、請求項3に記載の方法。
- 前記第1の電極または前記第2の電極の少なくともいずれか一方は液体電極である、請求項1に記載の方法。
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