JPH0229A - 光波長変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光源から発生させた基本波を光波長変換素子
によって１７２の波長の第２高調波に変換する光波長変
換方法に関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料による第２高調波発生を利用
して、レーザー光を波長変換（短波長化）する試みが種
々なされている。このようにして波長変換を行なう光波
長変換素子として具体的には、例えば「光エレクトロニ
クスの基礎Ｊ　Ａ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷武志
訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に示されるよう
なバルク結晶型のものがよく知られている。またＪ、　
Ａｐｐｌ　。

Ｐｈｙｓ　、　Ｖｏ１．５５．　ｐ８５　（１９ｇ４）
にはＹａｏらによって、２軸性結晶であるＫＴＰの位相
整合方法に関する内容が詳細に記述されている。

上述のようなバルク結晶型の光波長変換素子を形成する
非線形光学材料として従来より、無機材料ではＬｉＮｂ
０３やＫＴＰ、有機材料では例えば特開昭６．０−２５
０３３４号公報等に示されるＭＮＡ　（２−メチル−４
−ニトロアニリン）、−Ｊ、Ｏｐｔ、Ｓｏｃ、Ａｍ、Ｂ
、に記載されていーるＮＰＰ　（Ｎ−（４−ニトロフェ
ニル）−Ｌ−プロリノール）　、ＮＰＡＮ　（Ｎ−（４
−ニトロフェニル）−Ｎ−メチルアミノアセトニトリル
）等が知られている。このＭＮＡやＮＰＰ等の有機の非
線形光学材料は、ｌｉＮｂ０３やＫＴＰ等の無機の非線
形光学材料と比べると、非線形光学定数が大きいので波
長変換効率が高い、誘電破壊しきい値が大きい、光損傷
が小さい等の長所を有している。　− （発明が解決しようとする問題点） ところが、これら有機の非線形光学材料の吸収端は、例
えばＭＮＡで４５０ｎｍ、ＮＰＰで４８０ｎｍ近辺に存
在するので、青色領域の第２高調波を発生させることは
困難となっている。さらに無機材料であるＫＴＰ、Ｌｉ
Ｎｂ０３等は、吸収端が４００ｎｍ以下であり、青色領
域の第２高調波を得ることはできるが、その波長変換の
性能指数が有機材料に比べて１桁以上低いことが欠点と
なっていた。≠た同様にして、緑、赤等の長波長領域の
−第′２高調波を得る際にも、その性能指数が小さいた
め波長変換効率が低いという欠点があった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、高い波長変換効率が得られ、その一方青色領域の第２
高調波も容易に得ることができる光波長変換方法を提供
することを目的とするもの　′である。

（問題点を解決するための手段） 本発明の光波長変換方法は、先に述べたようなバルク結
晶型の光波長変換素子として下記の分子式 で示される非線形光学材料（３，５−ジメチル−１−（
４−ニトロフェニル）ピラゾールｉ以下ＰＲＡと称する
）の単結晶を用いた上で、波長が９００〜４０００ｎｍ
の直線偏光した基本波をこのバルク単結晶に入射し、タ
イプ１′の角度位相整合を取ることによらて、その第２
高調波を得ることを特徴とするものであ８゜ （作　　用） 上記ＰＲＡは、本願出願人による特開昭６２−２１０４
３２号公報に開基されているものやあり、非線形光学効
果を有することも該明細書中に赤されているが、実際に
バｔｋり結晶型の光波長変換素子を形成して利用する王
÷、とのよろにすれば基本波と第２高調波との間で良好
に位相整合が取れるかは、不明であった。一 本発明方法にお−一では、上述のタイプ１の角度位相整
合が取れるようになる。”以下、この点について説明す
る。前記ＰＲＡの結晶構造を第２−Ａ１２Ｂおよび２Ｃ
図に示す。また第３図１は、そのバルク結晶構造を示す
。巳のＰＲＡの結晶番ｊ斜方品系をなし、魚群はｍ　ｍ
　２である。したがって非線形光学定数のチンソルは、
　　　 ０　０　０　０　　ｄｌｓ。

ｄ＝　　０　　０　０　　　ｄｘａｏ　　Ｏｄｉｓｄ３
ｚｄ３ｉ０　　０　　０ となる。ここでｄｌｌは、第３図に示すように結晶軸ａ
、ｂ、ｃに対して定まる光学軸Ｘ、Ｙ％２を考えたとき
、Ｘ方向に直線偏光しｆ光（以下、Ｘ偏光という。Ｙ％
２についても同様。）を基本波として入射させて２偏光
の第２高調波を取り出す場合の非線形光学定数であり、
同様にｄ３２はＹ偏光の基本波を入射させて２偏光の第
２高調波を取り出す場合の非線形光学定数、ｄｌｌは２
偏光の基本波を入射させて２偏光の第２高調波を取り出
す場合の非線形光学定数、ｄ２４はＹと２偏光の基本波
を入射させてＹ偏光の第２高調波を取り出す場合の非線
形光学定数、ｄｓ−ｓｉｉＸと２偏光の基本波を入射さ
せてＸ偏光の第２高調波を取り出す場合の非線形光学定
数である。各非線形光学定数の大きさを下表に示す。

なお下の表において■はＸ線結晶構造解析による値、■
はＭａｒｋｅｒ　Ｆｒｉｎｇｅ法による実測値であり、
単位は双方とも［Ｘ１０４ｅ　ｓ　ｕｌである。

Ｉｄ、、１２６＋　　　　　　　　　１１ｄｉｚ　　ｌ
　　１６０　１　２４０±１４０１１ｄ、、１２６＋　
　　　　　　　　１この値よりＬｉＮｂ０３のｄ３１と
性能指数を比較するとＰＲＡのｄ３２は２６０倍となる
。

またＰＲＡは斜方晶系で２軸性結晶となっているので、
光の偏光面が光学軸であるＸ軸（結晶軸でＣ軸）方向で
あるときの屈折率ｎ８と、このＸ軸に直角なＹ軸（結晶
軸でｂ軸）方向であるときの屈折率ｎｙ、およびｘｌＹ
両軸に直角な２輪（結晶軸でａ輪）方向であるときの屈
折率ｎ８を有する。これらの屈折率ｎ＊　、ｎｙ　、ｎ
ｚの波長分散を第４図に示す。

常温での角度位相整合の下限波長は９５０ｎｍであるが
、バルク結晶の温度を変化させることにより、この下限
波長は５０ｎｍ程度変動する。それにより、本発明にお
いては、光波長変換素子に入射させる基本波の波長下限
値は９００ｎｍとする。一方、基本波の波長が４０００
ｎｍを超えるとＰＲＡ分子の振動準位にかかり、ＰＲＡ
分子による基本波の吸収が生じると予想できる。それに
より、本発明においては、基本波の波長上限値を４００
０ｎｍとする。　一 次に、２軸性結晶における位相整合方法に関しては、前
述のＹａｏ等による論文に詳細な記載がなされている。

すなわち、第９図に示すようにφを光の進行方向と結晶
の光学軸２とのなす角度とし、θを光学軸Ｘ％Ｙを含む
面においてＸ軸からの光の進行方向の角度とする。ここ
で、任意の角度で入射したときの基本波および第２高調
波の屈折率をｎ”　％　ｎ″とじ、各軸の基本波および
第２高調波の屈折率をそれぞれ”Ｘ　、””Ｙ　、ｎ”
ｊ　、ｎτ、１マ、ｎ１とする。次に、 ｋ、　−ｓｉｎφ”　ｃｏｓ　θ ｋｙ−ｓＩｎφ・ｓｉｎθ ｋｚ−ｃｏｓφ　　　　　　としたとき、ｋｌ　ｚｋｙ
　２ 上記（１−１）および（１−２）式の解が位相整合条件
となる。

Ｂｌ　−ｋｌ２　（ｂｔ　＋ｃｔ　） ｋｙ２　（ａｌ　＋ｃ１　） ｋｚ　２　（ａｌ　＋ｂｌ　） Ｃ１−ｋｚ　”　ｂｌ　Ｃｌ　＋ｋｙ　”　ａｌ　Ｃ１
＋ｋｚ　ｚａｌｂｌ Ｂ２ｆｉ−ｋ工２　（ｂｚ＋ｃｚ） −ｋｙ　２　（ａｚ　＋ｃ２　） ｋｚ　２　（ａｚ　＋ｂｚ　） Ｃ２ｍ　　ｋｌ２　ｂｚ　　Ｃ２＋ｋＹ”　　ａ２　　
ｃｚ＋ｋｚ　ｚ　ａ２　ｂ。

ａｌ　Ｗ　（ｎ−ｘ　）　−”　　　ａ２−　（ｎ”　
）　−２、ｋｌ　−（ｎｅ　）　−”　　　ｂ２　＝　
（ｎ”ｙ　）　−２ｔｉｔ　＝　（ｎｚ　）−ｚＣ２−
（ｎ”Ｆ）　−２とおいたとき（１−１）および（１−
２）式の解は、（復号はｉ−ｌのとき＋、１ｍ２のとき
ー）となる。

タイプ１の位相整合条件は ｎ　　、ｘ＝ｎ　　＋ｊ　　　　　　　＋＋＋＋＋＋　
（１−３）タイプ■の位相整合条件は １／２（ｎ１１＋ｎω　、）ｍｙｌ　　、□となる。

そこで本発明の場合は、（１−８）式を満たす角度φと
θとが存在するときに、タイプ１の位相整合が取れるこ
とになる。

ここで説明を簡単にするために、以下φ−９００の場合
について説明する。第４図に示されるようにＰＲＡにお
いては、上記の波長９００〜４０００ｎｍの領域で常に
、 ０ｚ　＜　ｎ　ｍ　＜　ｎ　ｖ となっている。したがってこの場合、前記Ｘ軸方向とＹ
軸方向の中間的な方向に偏光面を傾けて基本波を入射さ
せて、その場合の基本波に対する屈折率ｎａ）とｎγの
中間的な屈折率ｎ？、を、第２高調波に対する屈折率ｎ
〒と一致させれば、角度位相整合が取れることになる。

つまり ｎ？ｗｎ？、　　　・−（１） とすればよい。ここで、Ｘ−Ｙ面上における光の進行方
向と光学軸Ｘとのなす角（Ｘ軸からＹ軸側へなす角）を
θとすると、 である。そこで、第４図より基本波波長−９５０ｎｍの
場合のｎ、、ｎ、を求めるとそれぞれ１゜５２１．１．
７７５であり、またその１／２の波長４７５ｎｍに対す
るｎ８を求めると１．　７７５であるので、これらの値
で上記（１）、■式を満たすθを求め名と、約０６とな
る。この場合のｎτ、１１、ｎ、丁、およびｎ７の関係
を第５図に示す。

一方第４図より、基本波波長−１２００ｎｍの場合のｎ
１１、ｆｌｆはそれぞれ１．５１９．１．７６７であり
、また波長６００ｎｍに対するｎ８は１．７２５である
ので、これらの値で上記（１）、（２）式を満たすθを
求めると、約２２″となる。同様にして、基本波の波長
が１２００ｎｍの場合と４０００ｎｍの場合とで、その
屈折率はほとんど変化しないので、上記（１）、■式を
満たすθは必ず存在する。この場合のｎ′：、ｎ；、ｎ
で、およびｎｔ、ａｍの関係を第６図に示す。なおこの
θの値は、ＰＲＡ結晶の温度に応じて３°程度変動しう
る。

したがって、前述したようにＰＲＡ結晶温度による角度
位相整合の下限波長の変動を５Ｑｎｍ考慮して、基本波
の波長９００〜４０００ｎｍにおいて、タイプ１の位相
整合が取れる角度θが必ず存在する。同様にφ−９０＠
だけでな（、ある特定の角度φにおいても、タイプ■の
位相整合が取れる角度θ、φの組合せが、９００〜４０
００ｎｍの基本波波長に対して存在することになり、こ
のような波長の基本波の第２高調波を得ることが可能と
なる。

また、ＰＲＡの２００μｍの薄膜の透過スペクトルを第
８図に示すが、図示されるようにこのＰＲＡは、波長４
００ｎｍ近辺の光を多（吸収することがない。したがっ
て、このＰＲＡのバルク結晶を用いた光波長変換素子に
よれば、青色領域の第２高調波を効率良く発生させるこ
とができる。

（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。

〈第１実施例〉 第１図は、本発明の方法によって基本波を１７２の波長
の第２高調波に変換する−装置を示している。最初に、
バルク単結晶型の光波長変換素子１０を作成する方法に
ついて説明する。素子１０は通常のブリッジマン法によ
り作成することができる。

まず、融液状態のＰＲＡを適当な型に流し、次いで急冷
させると、このＰＲＡが多結晶化する。その後このＰＲ
Ａを、その融点１０２℃より高い温度（例えば１０５℃
）に保たれた炉内から、該融点より低い温度に保たれた
炉外に徐々に引き出すことにより、溶融状態のＰＲＡを
炉外への引出し部分から単結晶化させる。それにより、
５０ｍｍ以上もの長い範囲に亘って単結晶状態となり、
結晶方位も一定に揃ったＰＲＡが形成され、光波長変換
素子１０を十分に長（することができる。周知のように
この種の光波長変換素子の波長変換効率は素子の長さの
２乗に比例するので、光波長変換素子は長いほど実用的
価値が高くなる。

以上述べたようにして形成したＰＲＡ単結晶を、光学軸
Ｙと２軸（結晶軸ではｂ軸とａ軸）を含むＹ−ｚ面でカ
ットし、Ｘ軸（結晶軸ではＣ軸）方向に厚さ２ｍｍに切
り出して、バルク単結晶型の光波長変換素子１０を形成
した。

この光波長変換素子１０には、第１図図示のようにして
基本波１５が入射される。本例においては、基本波を発
生する光源としてＹＡＧレーザ−１１が用いられ、そこ
から発せられた波長１０６４ｎｍのレーザー光（基本波
）　１５は、光波長変換素子１０に入射される。この際
基本波１５は、その入射方向がＸ軸からＹ軸側に１５″
傾く状態にして入射される。この角度１５＠は、前記（
１）および（２）式と、第４図に示した各屈折率ｎ、、
ｎ、、ｎよの波長分散に基づいて、前述と同様にして求
めた値である。なお、この場合のｎ　”：　％　ｎ　′
：、ｎ　：Ｊｙおよびｎ〒の関係を第７図に示す。

このようにしてＰＲＡからなる光波長変換素子１０に入
射された基本波１５は、波長が１／２　（−５３２ｎｍ
）の第２高調波１５°に変換される。したがって光波長
変換素子１０からは、この第２高調波１５°と基本波１
５が混合したビームが出射する。この出射ビームは、５
３２ｎｍの第２高調波１５°は良好に透過させる一方、
１０６４ｎｍの基本波１５は吸収するバンドパスフィル
ター１３に通され、第２高調波１５°のみが取り出され
る。この第２高調波１５°は、２偏光であることが確認
された。したがって本例では、前述の（１）式が満たさ
れて、基本波１５と第２高調波１５°との位相整合が取
られている。そして非線形光学定数としては、前述した
ように高い値のｄ３２が利用されていることになる。

以上はφ−９０＠の場合について説明したが、φ−９０
″の場合のみでなく、第１０図に示すように、位相整合
の取れる角度θ、φが存在する。

比較例として、厚さ２ｍｍのＬｉＮｂ０３のバルク単結
晶を形成し、第１図の装置と同じ装置でＹＡＧレーザー
光を基本波として入射させ、第２高調波を発生させた。

この比較例と上記実施例における第２高調波１５°　（
バンドパスフィルター１３を通過したもの）の光強度を
測定したが、上記実施例における第２高調波の光強度は
、比較例のものに比べて１桁以上高かった。

〈第２実施例〉 第１実施例におけ−のと同様にして、ＰＲＡのバルク単
結晶を作成した。出力約１００ｍＷの光通信用半導体レ
ーザーから出射した波長１３００ｎｍのレーザー光を基
本波とし、位相整合する任意の角度θ、φを選んでこの
基本波を上記バルク単結晶に入射させたところ、約０．
１μＷの波長６５０ｎｍの第２高調波を得ることができ
た。すなわち、非常に低パワーの基本波から第２高調波
を発生させることができたので、このことから、本結晶
の波長変換効率が十分に高いことが証明された。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換方法におい
ては、ＰＲＡ結晶に入射させる基本波の偏光方向を適切
に設定したことにより、基本波と第２高調波との角度位
相整合が取れるので、この方法によれば、ＰＲＡが有す
る高い非線形光学定数を実際にバルク結晶型の非線形光
学材料において利用可能であるので、極めて高い波長変
換効率を実現できる。またＰＲＡは４００ｎｍ近辺に吸
収端を有するものであるからミこのＰＲＡのバルク単結
晶を用いる本発明方法によれば、青色領域の第２高調波
を効率良（取り出すことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する装置の一例を示す概略
図、 第２Ａ、２Ｂおよび２０図はそれぞれ、本発明に用いら
れるＰＲＡのＣ軸、ａ軸、ｂ軸方向の結晶構造図、 第３図は上記ＰＲＡのバルク結晶構造図、第４図は上記
ＰＲＡの屈折率の波長分散を示すグラフ、 第５．６および７図は、本発明方法における基本波と第
２高調波の角度位相整合を説明する説明図、 第８図は上記ＰＲＡの透過スペクトルを示すグラフ、 第９図は、本発明に係わる基本波進行方向と光学軸２と
がなす角度φ、および基本波進行方向と光学軸Ｘとがな
す角度θを説明する説明図、第１０図は上記の角度φと
θとの組合せ例を示すグラフで、ある。 ｉ−ｏ−・・光波長変換素子　　１１・・−ＹＡＧレー
ザー１５・・・基本波　　　　　　１５°・・−第２高
調波θ１０ ｔＩ１１／　　　　＾ ｎ。 ″＝１１ ２″″′ｌ　ｌ　　　　　＼｛ゝ １　　　　　　Ｉｌｌｌ ノ　　ー／、１ 曙≦命 第６図 し　　　　　　　　　　　　　　　　　″′］・　〜＼
゜　　　　　　　　＼ ＼ｅ　−ｚｚ ［□い 第７ρ１ ］ ７１゜へ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記の分子式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で示される非線形光学材料のバルク単結晶に直線偏光し
   た基本波を入射させて、波長が１／２の第２高調波に変
   換させる光波長変換方法において、波長が９００〜４０
   ００ｎｍの基本波を前記非線形光学材料に入射し、タイ
   プ I の角度位相整合を取ることによって、その第２高
   調波を得ることを特徴とする光波長変換方法。