JP6740151B2 - 光偏向器の使用方法および光偏向器 - Google Patents
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Description
ここでまず、本実施形態の光偏向器100の説明をする前に、空間電荷型EO光偏向器の動作原理について説明する。図2は、図1の光偏向器100の電気光学材料基板101の部分を示す斜視図である。電気光学材料基板101の部分は、電気光学材料基板101の上下面に、基板外形に合わせた電極102及び103を形成した構造である。本実施形態において、EO効果の大きい材料として、後述するタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)を用いる。KTNのEO効果は、1次電気光学効果(ポッケルス効果)ではなくて2次電気光学効果(カー効果)である。したがって、屈折率変化分Δnは、KTNの屈折率をn0、電気光学係数をg、誘電率をε、電界をEとして、
次に、空間電荷型EO光偏向器の解像点数について説明する。光偏向器において速度と並んで重要な性能は偏向角である。しかし、偏向角の性能指数には解像点数もあり、場合によっては偏向角よりも解像点数の方が重要となることがある。光偏向器を透過した光ビームには有限のビーム幅がある。解像点数とは、偏向によって光ビームを走査する範囲の中に、このビーム幅がいくつ入るかを評価する指数である。光偏向器から出射する光ビームの1/e2直径をwoとすると、偏向器から出てから進行するにしたがって光ビームは回折によって広がる。広がり角Δθは、
以上説明したような収束光を入射する用い方の場合、(5)式を参照すると、dcoは非常に小さくなり、集光点Qは出射端面109に近接するか、または電気光学材料基板101の内側にまで入り込むことがある。このような場合、出射光を凹レンズを用いてコリメートすることは困難である。このため、図1の本実施形態の光偏向器100においては、シリンドリカル凸レンズを用いてコリメートしている。
次に、電気光学材料の電気光学効果(EO効果)について説明する。電気光学効果には、いくつかの次数の異なる電気光学効果が含まれるが、一般的には、1次電気光学効果(ポッケルス効果)が利用されている。ポッケルス効果は、屈折率変化が電界に比例する。 これに対して、2次電気光学効果(カー効果という)を利用すると、屈折率変化は電界の二乗に比例する。本発明は、電気光学材料基板がレンズ効果を有することを前提としている。このレンズ効果とは、(5)式で表される屈折率分布が光線を曲げて集光する効果のことである。この(5)式は、カー効果の屈折率変化を表す(1)式から導かれたものであり、ポッケルス効果では、キャリアを注入しても(5)式のようなレンズ効果を発現しない。したがって本発明は、ポッケルス効果を有せず、カー効果を発現する電気光学材料を使用することを前提としている。
次に、電気光学材料基板に形成する電極の材料について説明する。電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じることは、前述のとおりである。従って、電気光学材料を本実施形態である空間電荷型のEO光偏向器として機能させるための所望の屈折率分布を得るためには、電気光学材料基板101に電圧を印加した際に、電気光学材料基板101の内部に高密度の空間電荷が形成されるのがよい。
図1に示したように、電気光学材料を板状に加工した電気光学材料基板101の上面および下面に、陽極となる電極102、陰極となる電極103を形成する。電気光学材料基板101は、KTN単結晶から、ブロックを切り出し、4mm×3.2mm×(厚さT=)1.2mmの形状に成形する。電気光学材料基板101の6面とも、結晶の(100)面に平行とし、光学研磨を行っている。また、3.2mm×1.2mmの1対の面を光入出射面とし、反射防止膜を施したほか、これらの面の一部を光学窓として残して他の部分を高反射膜で覆い、入射光をKTNブロックの内部で反射を繰り返し、4mm長を5回透過するようにした。KTN単結晶は、相転移温度35℃であったので、相転移温度を少し上回る37℃で使用する。この温度(37℃)での比誘電率は17,500である。2つの電極(102,103)は、電気光学材料基板101の4mm×3.2mmの2面を、ほぼ全面的に覆うように、チタン(Ti)を蒸着して形成されている。Ti電極膜の上には、白金と金を続けて成膜して保護した。このKTNブロックに電圧400Vを印加すると、内部に電荷密度90C/m3の空間電荷が形成された。
実施例1で用いた電気光学材料基板と同じ基板を、図1のように二つのシリンドリカル凸レンズ110及び111で挟んだ構造の光偏向器を作製した。入射側の凸レンズ110の焦点距離は200mm、出射側の凸レンズ111の焦点距離は7.5mmとした。凸レンズ110は電気光学材料基板に近接して設置した。次に、電気光学材料基板101の温度を37℃に制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射した。したがって電気光学材料基板に入射する光は収束光であった。光の偏光は直線で、振動電界の方向はx軸方向である。KTNブロック内を5回透過して出射された光は出射端面に近接した場所で集光され、出射側の凸レンズ111の位置を微調整したコリメートした。コリメート後の1/e2直径は、約0.8mmであった。解像点数は最大で87点であった。
101 電気光学材料基板
102、103 電極
104 入射光線
105 出射光線
106 光軸
107 入射端面
108 光線
109 出射端面
110、111 シリンドリカル凸レンズ
Claims (8)
- 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
前記電気光学材料の対向する2平面に形成された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、前記一対の電極の間の印加電圧を変えることによって前記電気光学材料を透過する光の進行方向を変える光偏向器であって、
前記電気光学材料の光の入射面に入射する入射光は、収束光とされており、
前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφ i 、前記電気光学材料の入射端面上における前記入射光の全幅をa i 、前記一対の電極間の距離をd、前記電気光学材料の屈折率をn 0 、前記電気光学材料に注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをL、及び前記電気光学材料の2次の電気光学係数をgとし、Aを
- 前記電気光学材料の光の入射側に配置され、前記電気光学材料の入射面に入射する前記入射光を前記収束光とする光収束手段を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。 - 前記光収束手段は、入射側シリンドリカル凸レンズであり、
前記入射側シリンドリカル凸レンズは、焦点が前記電気光学材料の入射面よりも出射側となるように配置されている
ことを特徴とする請求項2に記載の光偏向器。 - 前記電気光学材料の光の出射側に配置された出射側シリンドリカル凸レンズを備え、
前記出射側シリンドリカル凸レンズは、前記電気光学材料から出射して一点に収束した後に発散した光が透過するように配置されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光偏向器。 - 前記一対の電極は、前記電気光学材料とオーミック接合が形成される材料からなる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光偏向器。 - 前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブ、タンタルの少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光偏向器。 - 前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族またはIIa族の1または複数種を含む
ことを特徴とする請求項6に記載の光偏向器。 - 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
前記電気光学材料の対向する2平面に形成された一対の電極と、を備え、
前記電気光学材料に入射する光の広がり角をφi、前記電気光学材料の入射端面上における入射光の全幅をai、前記一対の電極間の距離をd、前記電気光学材料の焦点距離をfG、前記電気光学材料の屈折率をn0、前記電気光学材料に前記一対の電極から注入された電子または正孔の電荷密度をρ、前記電気光学材料の光進行方向の長さをL、及び前記電気光学材料の2次の電気光学係数をgとし、Aを
前記一対の電極により電子または正孔を注入して前記電気光学材料内部に空間電荷を形成し、
光を前記電気光学材料に入射し、
前記一対の電極間の印加電圧を変えることによって、前記電気光学材料に入射した前記光の進行方向を変えることを特徴とする光偏向器の使用方法。
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