JP5729618B2 - 波長変換素子、波長変換方法、及び光源装置 - Google Patents
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Description
ただし、n+(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対するZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n+(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対するZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n−(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対するZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、n−(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対するZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ただし、n+(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対するZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n+(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対するZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n−(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対するZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、n−(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対するZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ただし、n1およびn2は前記非線形光学結晶の光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ただし、n1およびn2は前記非線形光学結晶の光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
所定の方向に極性方向を有する複数の第1の領域と、前記所定の方向とは反対の方向に極性方向を有する複数の第2の領域とを有するとともに、前記複数の第1及び第2の領域は以下の式(3)、式(4)、式(5)または式(6)で表されるdと実質的に等しい周期で交互に配置されるよう形成されている前記波長変換素子を用意する工程と、前記所定の方向に対して実質的に垂直な方向から前記基本入射波を前記波長変換素子に楕円偏光で入射して前記第二高調波を得る工程と、を備えることを特徴とする。
ただし、n1およびn2は前記非線形光学結晶の光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ただし、n1G=0およびn2G=0は前記非線形光学結晶の実質的にG=0となる結晶方位における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1G=0(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1G=0(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2G=0(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2G=0(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ここでgijは対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルのij成分であり、ai、ajは基本入射波の波面法線ベクトルの成分である。本明細書において、G=0と実質的に等しい範囲とは、0≦G≦1.135×10−4の範囲に対応する。
ただし、n1G=0およびn2G=0は前記非線形光学結晶の実質的にG=0となる結晶方位における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1G=0(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1G=0(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2G=0(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2G=0(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。
ただし、ne(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の異常光線に対する屈折率、no(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波の常光線に対する屈折率、no(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の常光線に対する屈折率、nθ(2ω)は、第二高調波に対して、θを入射する基本入射波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角として、
(ne(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の異常光線の屈折率)で表される数値であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。又、G=0のとき、前記非線形光学結晶に入射する基本入射波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角θは、以下の式を満たす。
ここでgijは対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルのij成分であり、ai、ajは入射する基本波の波面法線ベクトルの成分である。
ただし、ne(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の異常光線に対する屈折率、no(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波の常光線に対する屈折率、no(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の常光線に対する屈折率、nθ(2ω)は、第二高調波に対して、θを入射する基本入射波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角として、
(ne(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波の異常光線の屈折率)で表される数値であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。又、G=0のとき、前記非線形光学結晶に入射する基本入射波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角θは、以下の式を満たす。
ここでgijは対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルのij成分であり、ai、ajは入射する基本波の波面法線ベクトルの成分である。
ただし、λは基本波の波長、n+(2ω)は第二高調波のZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n+(ω)は基本波のZ軸方向における右回り円偏光の屈折率、n−(2ω)は第二高調波のZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、n−(ω)は基本波のZ軸方向における左回り円偏光の屈折率、mはQPMの次数で自然数である。
ただし、λは基本波の波長、n1およびn2は光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は第二高調波の屈折率、n1(ω)は基本波の屈折率、n2(2ω)は第二高調波の屈折率、n2(ω)は基本波の屈折率であり、mはQPMの次数で自然数である。特に結晶が一軸性光学結晶の場合、n1は常光の屈折率noであり、n2は光線方向における異常光の屈折率である。
ただし、λは基本波の波長、n1G=0およびn2G=0はG=0となる結晶方位における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1G=0(2ω)は第二高調波の屈折率、n1G=0(ω)は基本波の屈折率、n2G=0(2ω)は第二高調波の屈折率、n2G=0(ω)は基本波の屈折率であり、mはQPMの次数で自然数である。特に結晶が一軸性光学結晶の場合、n1G=0は常光の屈折率noであり、n2G=0はG=0となる結晶方位における異常光の屈折率である。
ただし、λは基本波の波長、ne(2ω)は第二高調波の異常光線の屈折率、no(ω)は基本波の常光線の屈折率、no(2ω)は第二高調波の常光線の屈折率、nθ(2ω)は、第二高調波に対して、θを入射する基本波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角として、
(ne(2ω)は第二高調波の異常光線の屈折率)で表される数値であり、mはQPMの次数で自然数である。又、Gは以下のような量である。
ここでgijは対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルのij成分であり、ai、ajは入射する基本波の波面法線ベクトルの成分である。
発明者等は鋭意研究の結果、QPM水晶に代表される点群32に属する非線形光学結晶及び点群3に属する非線形光学結晶を利用した擬似位相整合素子において、基本波を右又は左回りの円偏光で入射することにより、Z軸方向における第二高調波発生の位相整合が可能であることを見出した。この場合第二高調波は、基本波が右回り円偏光であれば左回り円偏光となり、基本波が左回り円偏光の場合には右回り円偏光となる。
図4(b)に示す左回り円偏光は
で表現される。ここで、zn+は、光路長(l)×右回り屈折率(n+)を表し、zn−は、光路長(l)×左回り屈折率(n−)を表す。
結晶にZ軸方向へ入射された直線偏光の挙動は、この2つの円偏光の和として表現され
よって
ここで、旋光能ρと平均屈折率nを以下のように定義すると
結晶中をZ軸方向に伝搬する直線偏光は
と、表現することができる。これはZ=0においては、Ey成分が0であることからX軸方向を振動する振幅2E0の直線偏光と考えることができる。しかし、図5に示すように、Zが増加つまり光線の伝搬方向に進むにつれ、ρ>0の場合、Ey成分がsinカーブで増加する一方Ex成分はcosカーブで減少することから、振動面は直線偏光のまま見かけ上X軸から右回りに回転していくように見える。つまり、Z軸方向に伝搬する直線偏光は、その状態を保存することができず、伝搬とともに直線偏光のまま振動面を右に回転させていくという挙動を示すことになる(図5)。図5では、光線は+Z方向に伝搬する。図5は、ρ<0(右旋光)の場合の参照面における電界ベクトルの挙動を示す。具体的には、図5(a)はρZ=0の場合を、図5(b)は0<ρZ<π/4の場合を、図5(c)はρZ=π/4の場合を、図5(d)π/4<ρZ<π/2の場合を、図5(e)はρZ=π/2の場合を、それぞれ示す。
また、水晶の属する点群32における非線形光学定数のテンソルは、結晶の対称性より以下のように記述される。
したがって、第二高調波発生の基となる非線形分極P2ωは
よって
となる。これを作図すると図6(b)に示すように、Z=0におけるXY面(参照面)内でのP2ωの挙動は、大きさが一定(ε0d11E0 2)のベクトルが右回りに回転するというものであることが分かる。すなわち、分極(2ω)は、2倍の速度で右回り回転の円運動を行う。つまり点群32に属する水晶では基本波の左回り円偏光による入射は、図7に示すように、P2ωの右回り回転を発生させ、ここからは右回り円偏光の第二高調波が発生することになる。図7は、左回り円偏光による基本波から、P2ωの右回り回転を発生させ、発生した右回り円偏光の第二高調波の挙動を示す。図7のグラフG1は左回り円偏光の入射基本波の参照面内の挙動を表し、グラフG2は左回り円偏光の入射基本波の挙動を表し、グラフG3は参照面内の分極(2ω)の回転から発生した第二高調波(右回り円偏光)の参照面内の挙動を表し、グラフG4は参照面内の分極(2ω)の回転から発生した第二高調波(右回り円偏光)の挙動を表す。
図8(a)に示す第二高調波のX成分は、以下の式で表される。
図8(b)に示す基本波のY成分は、以下の式で表される。
図8(b)に示す第二高調波のY成分は、以下の式で表される。
すなわち、グラフG5は+cosカーブを、グラフG6は+cosカーブを、グラフG7は+sinカーブを、グラフG8は−sinカーブをそれぞれ描く。図8(a)において、グラフG5の一周期2πに相当するZ方向の長さは基本波の波長に、グラフG6の一周期2πに相当するZ方向の長さは第二高調波の波長に相当する。図8(b)において、グラフG7の一周期2πに相当するZ方向の長さは基本波の波長に、グラフG8の一周期2πに相当するZ方向の長さは第二高調波の波長に相当する。図8(a)において、グラフG5、G6が位相0の状態から、基本波(G5)が一周期を示したZ方向の位置と第二高調波(G6)が二周期を示したZ方向の位置との差によって、第二高調波と基本波の位相差が示される。図8(b)において、グラフG7、G8が位相0の状態から、基本波(G7)が一周期を示したZ方向の位置と第二高調波(G8)が二周期を示したZ方向の位置との差によって、第二高調波と基本波の位相差が示される。
また、点群3における非線形光学定数のテンソルは、対称性より以下のように記述される。
したがって、第二高調波発生の基となる非線形分極P2ωは
よって
となる。上記式は、図9(a)で示されるd11成分に着目した場合の非線形分極P2ω
と、上記式は、図9(b)で示されるd22成分に着目した場合の非線形分極P2ω
との和によって得られる。
これによって誘起されるP2ωは、水晶が点群32という対称性を有することから、非線形光学定数のテンソルを乗することで、
となる。ただし、ε0は、真空の誘電率、E0は定数(電界ベクトルの大きさ)である。この関係から、P2ωの大きさと方向を計算すると、
つまり、P2ωは、結晶内の基本波の振動方向φが一周する間に、大きさはφによらず一定のままで、逆方向に2倍の速さで回転することが分かる。
QPM水晶において円偏光による位相整合を行うため、1064nmから532nmの波長変換を、基本波を左円偏光で入射し右円偏光の第二高調波を発生させるための素子C1を作製し、波長変換実験を行った。素子C1は図10に示すように、Z軸方向に周期構造を持ち、X軸方向の極性が周期的に反転し(図10では極性方向を矢印で示す)、極性の異なるドメイン間の境界はZ軸方向に垂直(すなわち{0001}面)である。素子C1はZ方向に8mm、X方向に3mm、Y方向に1mmの板状である。左円偏光の基本波L1の入射と右円偏光の第二高調波L2の射出が行われるZ軸方向の端面は光学研磨されており、入射端面C1aには1064nm光用の反射防止膜が施されていて、出射端面C1bには1064nm光と532nm光の2波長用の反射防止膜が施されている。入射端面C1aは所定の波長(ここでは、1064nm)且つ所定の周波数の基本波L1を受光し、出射端面C1bからは第二高調波L2が出射される。
また、周期構造の反転周期d1は、以下の式で表されるdと実質的に等しい。
ここでmはQPMの次数を表す数で自然数である。本実験では一次の擬似位相整合を行っており、dは42μmで作製している。ただし厳密な位相整合は、基本波の入射方向を僅かに傾けることで、調整している。
旋光性と言う現象は、結晶方位による異方性が極めて高い現象である。その結果、旋光性が現れない結晶方位というものも現れる。この方位では、たとえ旋光性の存在する結晶であっても、従来の位相整合技術による第二高調波発生が可能となる。そこで対象となる非線形光学結晶において旋光性の存在しない結晶方位を見つけることで、旋光現象による効率低下を回避した第二高調波発生が可能となる。
ここで、λは基本波の波長、n1G=0およびn2G=0は実質的にG=0となる結晶方位における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1G=0(2ω)は第二高調波の屈折率、n1G=0(ω)は基本波の屈折率、n2G=0(2ω)は第二高調波の屈折率、n2G=0(ω)は基本波の屈折率であり、mはQPMの次数で自然数である。屈折率楕円体の主値が3つとも異なる二軸性光学結晶においては、n1G=0およびn2G=0は、そのまま素直に実質的にG=0となる結晶方位における直交する2つの固有偏光の屈折率であると考えれば良い。この値は、用いる結晶の実質的にG=0となる結晶方位を後述の例で示すような方法で決定した後は、その結晶の屈折率楕円体から容易に計算することができる。基本波の偏光と高調波の偏光が平行なるような位相整合では式(7)または式(10)を、基本波の偏光と高調波の偏光が直交するような位相整合では式(8)または式(9)を利用する。
と読み替えた式で表すことができる。ここでは光学軸と直交する方位における異常光の屈折率である。
と読み替えた式
で表現することができる。特に、d11の非線形光学効果を利用した擬似位相整合を行う場合には、入射基本波と発生する高調波は共に常光となるため、周期構造は式(7)をn1G=0=noと読みかえた式
となり、実質的にG=0となる結晶方位で素子が作製されてさえいれば、周期構造自体は、結晶方位による屈折率の異方性を考慮しなくてすむ。後述の第2の実施の形態の実験例では、この条件に相当する、水晶のd11の非線形光学効果を利用した擬似位相整合の例を示す。
(ただし、以下の表記では本来数字の上に−が入るべき回反軸の表記を、ワープロの都合で数字の前に−を表記している。例:-4、-42m等。)
光学的等方体:点群23、点群432
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群6、点群622、点群4、点群422、
点群-4、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
他方、非線形光学効果を有する結晶点群は、
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群3m、点群6、点群-6、点群6mm、
点群-6m2、点群4、点群-4、点群4mm、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
よって、本課題の対象となる、旋光性を有する非線形光学結晶とは、
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群6、点群4、点群-4、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
となる。ここに表記された全ての結晶点群に属する結晶において、第2の実施の形態に示す方法は有効である。またその際、擬似位相整合の周期は、一軸性光学結晶、二軸性光学結晶のそれぞれについて、前述の式により表現することができる。
ただし、λは基本波の波長、n1およびn2は光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は第二高調波の屈折率、n1(ω)は基本波の屈折率、n2(2ω)は第二高調波の屈折率、n2(ω)は基本波の屈折率であり、mはQPMの次数で自然数である。屈折率楕円体の主値が3つとも異なる二軸性光学結晶においては、n1およびn2は、そのまま素直に位相整合を行う結晶方位(光線方位)における直交する2つの固有偏光の屈折率であると考えれば良い。この値は、用いる結晶の結晶方位を決定した後は、その結晶の屈折率楕円体から容易に計算することができる。基本波の偏光と高調波の偏光が平行なるような位相整合では式(3)または式(6)を、基本波の偏光と高調波の偏光が直交するような位相整合では式(4)または式(5)を利用する。
で表すことができる。ここでneは光学軸と直交する方位における異常光の屈折率である。
と読みかえた式
で表現することができる。特に、d11の非線形光学効果を利用した擬似位相整合を行う場合には、入射基本波と発生する高調波は共に常光となるため、周期構造は式(3)をn1=noと読みかえた式
となり、周期構造自体は結晶方位による屈折率の異方性を考慮しなくてすむ。また、この位相整合方法は、擬似位相整合に限らず、当然、通常の複屈折を利用した位相整合においても成立するものである。
ただし、
ここでgijは対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルのij成分であり、ai、ajは基本波の波面法線ベクトルの成分である。n1、n2は旋光性が無いとしたときの結晶の屈折率(2つあるのは複屈折があるということ)である。
屈折率楕円体は
であり、ともにZ軸を軸に回転対称の挙動を示すことが分かる。ここでg11は対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルの11成分であり、g33は対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルの33成分、noは旋光性を考慮しないいわゆる水晶の常光の屈折率(屈折率楕円体のZ軸に垂直な方向の値)、neは旋光性を考慮しないいわゆる水晶の異常光の屈折率(屈折率楕円体のZ軸に平行方向の値)であり、旋光性が無いとしたときの水晶の屈折率である。旋回テンソルと屈折率楕円体がともにZ軸まわりに対称であることから、基本波の入射方向についても、Z軸からの傾斜角だけ考えればよい。したがって基本波の波面法線ベクトルは、θを基本波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角として、
となり、よって
また、屈折率楕円体を波面法線方向をZ軸にした座標系に変換すると
であるから、波面法線方向から見たときの屈折率のペアは、マトリックスの1行1列目の値の平方根の逆数ne、及び2行2列目の値の平方根の逆数
となる。以上から、楕円率γは
となる。前述の通り、g11は対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルの11成分であり、g33は対象となる非線形光学結晶の旋回テンソルの33成分。θは基本波の波面法線ベクトルのc軸(あるいはZ軸)からの傾き角、noは旋光性を考慮しないいわゆる水晶の常光の屈折率(屈折率楕円体のZ軸に垂直な方向の値)、neは旋光性を考慮しないいわゆる水晶の異常光の屈折率(屈折率楕円体のZ軸に平行な方向の値)で、旋光性が無いとしたときの水晶の屈折率である。
つまり、Z軸から
傾斜した方向では旋光性の影響を考える必要がなく、従来のように直線偏光による位相整合が可能となる。その際に考えるべき固有偏光のペアはZ軸に垂直な電界振動面を有する直線偏光と、それに垂直な、Z軸を含む電界振動面を有する直線偏光からなる。両者の屈折率はそれぞれ、
である。後者をnθと定義する。QPM水晶の場合であれば、このどちらか一方に平行な直線偏光の状態で基本波を入射し、Z軸に垂直な電界振動面を有する直線偏光の状態で第二高調波を取り出すことができる。
この実験例ではQPM水晶による楕円率0の結晶方位での位相整合を示す。このときのQPM水晶素子は図12に示す通りである。光線方向とZ軸の角度は56°であり、楕円率がほぼ0になる結晶方位である。
また、周期構造の反転周期d2は、以下の式で表されるdと実質的に等しい。
ここでmはQPMの次数を表す数で自然数である。本実験では一次の擬似位相整合を行っており、dは42μmで作製している。ただし厳密な位相整合は、基本波の入射方向を僅かに傾けることで、調整している。
第1の実施の形態では、円偏光という偏光状態が結晶中で保存されるZ軸方向において、円偏光を利用した新しい位相整合方法を提案した。また、第2の実施の形態では、従来の位相整合同様に、直線偏光の状態が結晶中で保存される特別な結晶方位を利用した位相整合の方法について提案した。それでは、その間に位置する結晶方位についてはどのように考えれば良いのかについて説明する。
ただし、λは基本波の波長、n1およびn2は光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は第二高調波の屈折率、n1(ω)は基本波の屈折率、n2(2ω)は第二高調波の屈折率、n2(ω)は基本波の屈折率であり、mはQPMの次数で自然数である。
で表すことができる。ここで は光学軸と直交する方位における異常光の屈折率である。
と読み替えた式、
で表現することができる。特に、d11の非線形光学効果を利用した擬似位相整合を行う場合には、入射基本波と発生する高調波は共に常光となるため、周期構造は式(3)をn1=noと読みかえた式、
となり、周期構造自体は結晶方位による屈折率の異方性を考慮しなくてすむ。後述の第3の実施の形態の実験例では、この条件に相当する、水晶のd11の非線形光学効果を利用した擬似位相整合の例を示す。
(ただし、以下の表記では本来数字の上に−が入るべき回反軸の表記を、ワープロの都合で数字の前に−を表記している。例:-4、-42m等。)
光学的等方体:点群23、点群432
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群6、点群622、点群4、点群422、
点群-4、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
他方、非線形光学効果を有する結晶点群は、
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群3m、点群6、点群-6、点群6mm、
点群-6m2、点群4、点群-4、点群4mm、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
よって、本課題の対象となる、旋光性を有する非線形光学結晶とは、
一軸性光学結晶:点群3、点群32、点群6、点群4、点群-4、点群-42m、
二軸性光学結晶:点群1、点群2、点群m、点群mm2、点群222
となる。ここに表記された全ての結晶点群に属する結晶において、第3の実施の形態の実験例に示す方法は有効である。またその際、擬似位相整合の周期は、一軸性光学結晶、二軸性光学結晶のそれぞれについて、前述の式により表現することができる。
第3の実施の形態の実験例ではQPM水晶による楕円率が概ね0.5の結晶方位での位相整合を示す。このときのQPM水晶素子は図14に示す素子C3の通りである。光線方向とZ軸の角度は5°であり、楕円率は計算上0.47程度になる結晶方位である。1064nmから532nmの波長変換を、行うための素子C3を作製し、波長変換実験を行った。素子C3は図14に示すように、X軸方向の極性が周期的に反転している。極性の異なるドメイン間の境界はZ軸方向に垂直(すなわち{0001}面)である。素子C3は光線L1の進む長さ方向に8mm、幅方向であるX方向に3mm、厚さ方向に1mmの板状である。直線偏光の基本波L1の入射と直線偏光の第二高調波L2の射出が行われる端面は光学研磨されており、入射端面C3aには1064nm光用の反射防止膜が施されていて、出射端面C3bには1064nm光と532nm光の2波長用の反射防止膜が施されている。入射端面C3aは基本波L1を受光し、出射端面C3bからは第二高調波L2が出射される。
また、周期構造の反転周期d3は、以下の式で表されるdと実質的に等しい。
ここでmはQPMの次数を表す数で自然数である。本実施例では一次の擬似位相整合を行っており、dは42μmで作製している。本実施例の場合、直線偏光による位相整合ではないことから、厳密なことを言えばno(ω)、no(2ω)といった量は、正確には本実施例に必要な物理量にはなっていない。ただし厳密な位相整合は、基本波の入射方向を僅かに傾けることで調整可能であることから、ここではno(ω)、no(2ω)の量で周期構造を作製することにする。
Claims (6)
- 旋光性を有する単結晶の非線形光学結晶を備える波長変換素子に波長λ且つ周波数ωの基本入射波を入射し、前記波長変換素子から出射される周波数2ωの第二高調波を得ることで波長変換する方法であって、
所定の方向に極性方向を有する複数の第1の領域と、前記所定の方向とは反対の方向に極性方向を有する複数の第2の領域とを有するとともに、前記複数の第1及び第2の領域は以下の式(3)、式(4)、式(5)または式(6)で表されるdと実質的に等しい周期で交互に配置されるよう形成されている前記波長変換素子を用意する工程と、
前記所定の方向に対して実質的に垂直な方向から前記基本入射波を前記波長変換素子に楕円偏光で入射して前記第二高調波を得る工程と、を備えることを特徴とする波長変換方法。
ただし、n1およびn2は前記非線形光学結晶の光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。 - 旋光性を有する単結晶の非線形光学結晶を備える波長変換素子であって、
前記非線形光学結晶は、所定の方向に極性方向を有する複数の第1の領域と、前記所定の方向とは反対の方向に極性方向を有する複数の第2の領域と、波長λ且つ周波数ωの基本入射波が前記所定の方向に対して実質的に垂直な方向から楕円偏光で入射する入射面と、結晶内で発生した周波数2ωの第二高調波が出射する出射面と、を有し、
前記複数の第1及び第2の領域は、前記入射面と前記出射面との間で、以下の式(3)、式(4)、式(5)または式(6)で表されるdと実質的に等しい周期で交互に配置されるよう形成されていることを特徴とする波長変換素子。
ただし、n1およびn2は前記非線形光学結晶の光線方向における直交する2つの固有偏光の屈折率をあらわし、n1(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n1(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率、n2(2ω)は前記非線形光学結晶の第二高調波に対する屈折率、n2(ω)は前記非線形光学結晶の基本入射波に対する屈折率であり、mはQPM(擬似位相整合)の次数で自然数である。 - 前記非線形光学結晶が水晶であることを特徴とする請求項2に記載の波長変換素子。
- 1/4波長板をさらに備え、
前記1/4波長板は、当該1/4波長板を通過した前記基本入射波が前記入射面に入射されるように配置されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の波長変換素子。 - 1/2波長板を更に備え、
前記1/4波長板と前記1/2波長板は、当該1/4波長板と前記1/2波長板を通過した前記基本入射波が前記入射面に入射されるように配置されていることを特徴とする請求項4に記載の波長変換素子。 - レーザー光源と、波長変換素子とを有してなり、前記波長変換素子により前記レーザー光源より放出されるレーザー光の第二光高調波を発生させて放出する光源装置において、前記波長変換素子が請求項2〜5のうちいずれか1項に記載の波長変換素子であることを特徴とする光源装置。
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