JPH0235424A - 光波長変換素子 - 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、基本波をその１／２の波長の第２高調波等に
変換するファイバー型の光波長変換素子、および該素子
を用いた光波長変換モジュールに関し、特に詳細には波
長変換波の波面を円錐波面から球面波面に変換する機能
を備えた光波長変換素子および光波長変換モジュールに
関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料を利用して、レーザー光を第
２高調波等に波長変換（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ＪＡ、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。ところがこの光波長
変換素子は、位相整合条件を満たすために結晶の複屈折
を利用するので、非線形性が大きくても複屈折性が無い
材料あるいは小さい材料は利用できない、という問題が
あった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが提案されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
懇話会微小光学研究クループ機関誌ｖｏＬ、３．Ｎ（１
２，ｐ２８〜３２にはその一例が示されている。このフ
ァイバー型の光波長変換素子においては、コア部におけ
る基本波の導波モードと、第２高調波等のクラッドへの
放射モードとの間で容易に位相整合をとることができる
（いわゆるチェレンコフ放射の場合）ので、最近ではこ
のファイバー型光波長変換素子についての研究が盛んに
なされている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述のようにして得た波長変換波はクラッド
の端面から取り出されて、種々の目的のために利用され
るが、その場合、波長変換波を小さなスポットに絞って
利用したいことが多い。例えば波長変換波を光記録に利
用する場合等にあっては、記録密度向上等の点から、波
長変換波を特に微小なスポットに絞り込むことが望まれ
る。

ところが、上述のファイバーチェレンコフ型の光波長変
換素子においては、素子外に取り出した波長変換波を一
般的な球面レンズに通して絞ろうとしても、小さなスポ
ットに収束しないという問題が認められる。そこで本発
明は、波長変換波を小さなスポットに絞り込むことを可
能にする光波長変換素子、および該素子を用いた光波長
変換モジュールを提供することを目的とするものである
。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明は、先に
述べたようなファイバーチェレンコフ型の光波長変換素
子にあっては、クラッド中に放射した波長変換波（所定
の位相整合角度で出射して基本波と位相整合する光）の
波面が円錐波面になっているという知見に基づいて得ら
れたものであり、本発明の光波長変換素子は、このファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子において、波長
変換波が出射するクラッド端面を、該波長変換波の波面
を円錐波面から球面波面に変換する非球面レンズ面に形
成したことを特徴とするものである。

また本発明の別の光波長変換素子は、同じく前記ファイ
バーチェレンコフ型の光波長変換素子において、波長変
換波が出射するクラッド端面に、該波長変換波の波面を
円錐波面から球面波面に変換する同心円グレーティング
を形成したことを特徴とするものである。

また本発明は、前述した課題を解決するために、上述の
ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子と、この光
波長変換素子のクラッド端面がら出射した波長変換波が
入射する位置に配され、この波長変換波の波面を円錐波
面から球面波面に変換する光学素子とからなる光波長変
換モジュールを提供するものである。

上記の光学素子としては例えば、光入射側の面および光
出射側の面のうちの一方が円錐面状、他方が球面状とさ
れたレンズ、このレンズと同様の作用が得られるように
した同心円グレーティング素子等を用いることができる
。このような光学素子は、波長変換波が出射するクラッ
ド端面から離して配されてもよいし、またこの端面に密
着固定されてもよい。

以上述べたような光学素子や、非球面レンズ面とされた
クラッド端面、さらにはクラッド端面に形成された同心
円グレーティングの作用により波長変換波の波面を収束
球面波面に変換できれば、該波長変換波を小さなスポッ
トに絞ることができるし、また発散球面波面に変換して
も、その波長変換波を通常の球面レンズに通すことによ
り、小さなスポットに絞り込むことが可能になる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図は本発明の第１実施例による光波長
変換素子ＩＯを示すものである。この光波長変換素子１
０は、クラッド１２の中心の中空部分内に、非線形光学
材料からなるコア１１が充てんされた光ファイバーであ
る。上記非線形光学材料としては、前述したように波長
変換効率が高い有機非線形光学材料を用いるのが好まし
い。本例では特に特開昭６２−２１０４３２号公報に示
される３゜５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）
ピラゾール（以下、ＰＲＡと称する）によってコア１１
を形成している。

ここで、−例としてコア１１を上述のＰＲＡ、クラッド
１２を５ＦＳ３ガラスから形成する場合について、この
光波長変換素子ＩＯの製造方法を説明する。まずクラッ
ド１２となる中空のガラスファイバー１２°が用意され
る。このガラスファイバー１２′は一例として、外径が
３ｍｍで、中空部の径が２μｍのものである。そして第
３図に示すように、炉内等においてＰ　ＲＡ　１１’　
を融液状態に保ち、この融液内にガラスファイバー１２
°の一端部を浸入させる。すると毛細管現象により、融
液状態のＰＲＡＩＩ’がガラスファイバー１２°の中空
部内に進入する。なお該融液の温度は、ＰＲＡＩＩｏの
分解を防止するため、その融点（１０２℃）よりも僅か
に高い温度とする。その後ガラスファイバー１２゛を急
冷させると、中空部に進入していたＰＲＡＩＩ。

が多結晶化する。

次いでこのガラスファイバー１２°を、ＰＲＡＩＩ’の
融点より高い温度（例えば１０２．５℃）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　１１’　を炉外
への引出し部分から単結晶化させる。それにより、極め
て長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコア１１が
形成され、光波長変換素子ｌＯを十分に長くすることが
できる。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされた後、ガラ
スファイバー１２゛　の両端が適宜切断される。

この際光入射端面となる素子端面１０ａはファイバー軸
と垂直に切断されるが、それと反対側のクラッド端面１
２ａは、公知の研磨法等により非球面のレンズ而に仕上
げられる。それにより第１図および第２図に示すような
光波長変換素子１０が得られる。なお上記クラッド端面
１２ａの形状については、後に詳述する。

上記光波長変換素子１０は第２図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段として例えば半導体
レーザー（波長：８７０ｎｍ）１Ｂが用いられ、そこか
ら射出された発散ビームであるレーザー光（基本波）１
５はコリメーターレンズ２５によって平行ビームとされ
、ビーム整形プリズム２６．２７によって断面形状が正
円形とされ、さらに対物レンズ１８で集光した上で素子
端面１０ａ（コア１１の端面）に照射される。それによ
り、該レーザー光１５がコアｌｌ内に入射する。この基
本波１５は、コア１１を構成するＰＲＡにより、波長が
１／２の第２高調波１５°に変換される。この第２高調
波１５゜はクラッド１２中に放射して、素子１０内を端
面側に進行する。位相整合は、基本波１５のコア部での
導波モードと、第２高調波１５’　のクラッド部への放
射モードとの間で取られる（いわゆるチェレンコフ放射
）。

第２高調波１５゛　は、前記クラッド端面１２ａから素
子外に出射する。またコア１１の端面１１ａからは、コ
アｌｌ内を導波した基本波１５が出射する。この第２高
調波１５゛　と基本波１５を含む光ビーム１５”は、第
２高調波１５’　のみを通過させるフィルター１８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′　は非球面のレンズ面とされたクラッド端
面１２ａの作用により、微小なスポットＰに絞られる。

なお第２図ではこの第２高調波１５’を利用する装置を
特に示していないが、この種の装置においては前述した
理由により、こうして第２高調波１５’　を絞って利用
することが多い。

次に、クラッド端面１２ａの形状について詳しく説明す
る。本実施例においては第４図に詳しく示すように、ク
ラッド１２が十分に太く形成され、それにより、位相整
合角度θでクラッド１２中に放射した第２高調波１５’
　はすべて、クラッド外表面で全反射することなしにク
ラッド端面１２ａから直接素子外に出射するようになっ
ている。そうするためにはコア１１の直径をｄ１クラッ
ド１２の外周部の長さをＬ（第４図参照）としたとき、
クラッド１２の直径りを Ｄ〉２Ｌ−ｔａｎθ＋ｄ　　　−・−・（１）に設定す
ればよい。このようになっていると、クラッド１２中を
進行するすべての第２高調波１５′の波面は、コア軸を
含む１つの平面内においては第４図中に矢印Ｗで示す向
きとなり、したがって全体では円錐面状となる。そこで
クラッド端面１２ａの形状を、第４図に破線で示す円錐
面Ｊと鎖線で示す球面にとが合成された非球面レンズ面
としておけば、クラッド１２外に出射した第２高調波１
５’の波面は収束球面波面になる。ここで、クラッド端
面１２ａの形状を第４図に示すｙ−ｚ座標系によって詳
しく示す。なお本光学系は軸対称な系なので、このよう
なｙ−ｚ面について考えればよく、また以下において球
面収差等は考慮しないものとする（以下、同様）。上記
円錐面Ｊの形状式は、Ｚｌ　’ｍａｙ であり、一方上記球面の形状式は、 Ｚ２−ｒ−ｒ−ｙ「 であるから、クラッド端面の形状式ｚ　（ｙ）は、ｚ　
（ｙ）　ｍｚｌ　＋Ｚ２ −　ａ　ｌ　ｙ　ｌ　＋ｒ　−ｆ習−１丁−（２）とな
る。ただし ｎＣｓｉｎθ ｎ（ｃｏｓθ−ｎＡ ｎｃ　：クラッドの屈折率 θ　二位相整合角度 ｎＡ二素子外部の屈折率（空気なら１）である。上記（
２）式で規定される形状にクラッド端面１２ａを形成し
ておくことにより、前述の通り第２高調波１５°の波面
は収束球面波面となり、該第２高調波１５°は、微小な
スポットＰに収束するようになる。

次に第５および６図を参照して本発明の第２実施例につ
いて説明する。なおこの第５および６図において、前記
第１〜４図における要素と同等のものについては同番号
を付してあり、それらについては特に必要の無い限り、
説明を省略する（以下、同様）。この第２実施例の光波
長変換素子２０において、第２高調波１５°が出射する
クラッド端面１２ａはコア軸に対して垂直に形成されて
おり、その表面には同心円のグレーティング２１が設け
られている。このようなグレーティング２１は、公知の
フォトリソ法等によって形成することができる。

なお本実施例においても、前述した（１）式が成立する
ようにクラッド１２の径りは例えば１〜３ｍｍ程度と十
分に太く形成され、したがって上述のようなグレーティ
ング２１は比較的容易に形成することができる。以下、
このグレーティング２１のｍ番目の輪帯半径ｒｍについ
て説明する。

第５図に示すように光軸方向位置２と、同心円グレーテ
ィング２１の半径方向位置「を考え、またクラッド１２
の屈折率をｎｃ、第２高調波１５°の位相整合角度をθ
、収束距離をｆとする。モして軸対称系であるので、１
つの断面上だけで考える。

グレーティング２１の位相φは、入射波（円錐波面）の
位相をφＩＮ％出射波（球面波面）の位相をφＯＵＴと
すると、 φ−φ０ＵＴ−φＩＮ−２ｙｒ　ｍ　＋ｃｏｎｓｔ　。

（ｍは整数） である。そして、 φＩＮ　　−（ｒｎ（ｓｌｎ　　θ＋ｚｎ（ｃｏｓ　　
θ）　２π／λφＯＵＴ　−（−ｆｖｒＴてｚ−ｆ）ゴ
）２π／λであり、またグレーテイング面ではｚ−０で
あるから、結局 φ−（−−ｖｒＴ　　＋　ｆ　　−ｒ　ｎ（ｓｉｎθ）
２π／λ−２πｍ＋ｃｏｎｓｔ。

規格条件としてｍ−０のとき１　ｍ　Ｑとすると、ｃｏ
ｎｓｔ　、　　＝　−ｆ　　ヤニ２ｒ／λよって、以下
の２次方程式 ％式％） を整数のｍに対してそれぞれ解いた解ｒｍが、ｍ番目の
グレーティングの輪帯半径となる。

なお上記のようなグレーティング２１により、例えば光
ディスクの反射面において第２高調波１５゛を収束させ
ることも可能であり、その場合は、光デイスク内におけ
る第２高調波１５゛　の屈折も考慮して輪帯半径を定め
ればよい。

このようなグレーティング２１を通過させることにより
本実施例においても、第２高調波１５’の波面を円錐波
面から収束球面波面に変換することができ、よって該第
２高調波１５°を微小なスポットＰに絞ることが可能と
なる。

次に第７図を参照して本発明の第３実施例について説明
する。このＴＳ３実施例の装置は、既に説明したものと
同様のファイバーチェレンコフ型光波長変換索子３１と
、この光波長変換素子３１のクラッド１２の端面（光出
射端面）１２ａに対向するように配置されたレンズ３２
とからなる光波長変換モジュール３０である。このレン
ズ３２は、光波長変換素子３１側の而３２ａが非球面の
レンズ面とされ、それと反対側の而３２ｂが平面とされ
たものである。ここで、第７図に示すようなｙ−ｚ座標
系を考えれば、第１実施例におけるのと同様にしてｚ　
（ｙ）−ｚ１＋ｚ２ −　ａ−１ｙ　ｌ　＋　ｒ　−ｆＴｒ：ｊ■−（３１で
規定される形状にレンズ面３２ａを形成しておけば、レ
ンズ３２を通過した後の第２高調波１５’　は収束球面
波面を有するものとなる。ただしこの場合は、第２高調
波１５’　の光波長変換素子３１からの出射角をθｏ５
円錐而Ｊ面傾きをδ、レンズ３２の材料の屈折率をｎＬ
として、 である。つまりレンズ面３２ａを上記（３）および（４
）式で規定される形状としておくことにより、レンズ３
２を通過後の第２高調波１５’　の波面は収束球面波面
となる。そこでこの場合も、第１実施例、第２実施例に
おけるのと同様、第２高調波１５゛　を微小なスポット
Ｐに絞り込むことが可能となる。

なお勿論ながら、上記のレンズ形状式よりもさらに高次
の形状係数で非球面形状を規定して、収差がより小さい
レンズを設計することも可能である。

また本例におけるように一方の面が平面とされたレンズ
を用いる場合は、その面をクラッド端面１２ａに密着固
定するようにしても構わない。

次に第８図を参照して本発明の第４実施例について説明
する。この第４実施例の光波長変換モジュール４０も、
光波長変換素子３１とレンズ４２とからなる。レンズ４
２は、光波長変換素子３１側の面４２ａが円錐面とされ
、それと反対側の而４２ｂが球面とされたものである。

このような形状のレンズ４２を用いれば、光波長変換素
子３１から出射した第２高調波１５°がレンズ面４２ａ
を通過することによりその波面は円錐波面から平面波面
に変換され、さらに第２高調波１５′がレンズ面４２ｂ
を通過することにより、その波面は平面波面から収束球
面波面に変換され、よって該第２高調波１５′は微小な
スポットＰに絞られるようになる。

なお、−面が上述のような円錐面とされ他面が平面とさ
れたレンズと、少なくとも一面が球面とされたレンズと
を用いて上記と同様の作用を得ることもできる。

次に第９図を参照して本発明の第５実施例について説明
する。この第５実施例の装置は、既に説明したものと同
様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子３１と、
この光波長変換素子３１のクラッド１２の端面（光出射
端面）　１２ａに対向するように配置されたグレーティ
ング素子５１とからなる光波長変換モジュール５０であ
る。上記グレーティング素子５１は、透明部材５２の一
表面（光波長変換素子３１と反対側の表面）上に、同心
円グレーティング５３が形成されてなるものである。光
波長変換素子３１のクラッド端面Ｌ２ａから出射する第
２高調波１５’　を上述のようなグレーティング素子５
１に通すことにより、この場合も該第２高調波１５°の
波面を収束球面波面に変換することができる。

以下、上記同心円グレーティング５３の形状について詳
しく説明する。第１Ｏ図に示すように光軸方向位置２と
、同心円グレーティング５３の半径方向位置「を考え、
また第２高調波１５’　のクラッド１２からの出射角を
θｏ１収束距離をｆとする。グレーティング５３の位相
φは、入射波（円錐波面）の位相をφＩＮ％出射波（球
面波面）の位相をφＯＵＴとすると、 φ謬φ０ＵＴ−φＩＮ−２ｙｒ　ｍ　＋　ｃｏｎｓｔ　
。

（ｍは整数） である。そして、 φＩＮ　　−Ｄｓｉｎ　　θ、）＋ｚｃｏｓ　　θｏ）
２π／λφＯＵＴ　＝　ｆ　−ｒ２＋（ｚ−ｆ）　２１
２ｙｒ／λであり、またグレーテイング面ではｚ−０で
あるから、結局 φ−（−ｆ７ｒ１１■−ｒ　ｓｉｎ　θｏ）２π／λ−
２ｙｒ　ｍ　＋ｃｏｎｓｔ　。

規格条件としてｍ−０のときｒ−０とすると、ｃｏｎｓ
ｔ　、　−−ｆ　−２ｙｒ／λよって、以下の２次方程
式 ％式％） を整数のｍに対してそれぞれ解いた解ｒｍが、ｍ番目の
グレーティングの輪帯半径となる。

上述のような同心円グレーティング５３は、電子線描画
やレーザー直接描画等の手法によって作成することがで
き番し、さらには第１１図に示すような装置を用いてホ
ログラフィックに作成することもできる。この第１１図
において、６０は平面波であり、６１はこの平面波６０
を前記第２高調波１５°　と同様の発散円錐面波６０゛
　に変換する凹の円錐面レンズ、６２．６３はハーフミ
ラ−１６４，６５はミラー、６６は平面波６０を収束球
面波６０”に変換する球面レンズであり、透明部材５２
上に担持された感光体６７に、互いに同軸に揃えられた
発散円錐面波６０′　と収束球面波６０″とが照射され
て、グレーティングが形成される。

次に第１２図を参照して本発明の第６実施例ついて説明
する。この第２実施例の装置も、光波長変換素子３１と
、同心円グレーティング素子７１とからなる光波長変換
モジュール７０である。本例において、透明部材７２の
表面上に形成された同心円グレーティング７３は、第２
高調波１５°の円錐波面を発散球面波面に変換するもの
として形成されている。

このように波面変換がなされた第２高調波１５゛　は、
球面レンズからなるコリメーターレンズ７４に通して平
行ビーム化し、ビーム幅を拡大することができる。勿論
、こうして平行ビーム化された第２高調波１５′　は、
球面レンズからなる集光レンズ７５に通すことによって
微小スポットＰに絞ることができる。

なお上記第５、第６実施例においては、グレーティング
素子５１．７１が光波長変換素子３１から離して配置さ
れているが、グレーティング素子を、光波長変換素子３
１のクラッド端面１２ａに密着固定しても構わない。

また以上述べたようなグレーティング素子５１．７Ｉは
、同心円グレーティング５３．７３が形成された側の面
が光波長変換素子３１側を向くように配置されてもよい
。

以上、基本波を第２高調波に変換する実施例について説
明したが、本発明はその他、基本波を第３高調波に波長
変換する光波長変換素子や、２種の波長の基本波を和周
波や差周波に波長変換する光波長変換素子に対しても適
用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明によれば、ファイバー型
の光波長変換素子から出射した波長変換波の波面を球面
波面とすることができるので、この波長変換波をそのま
ま、あるいは通常の球面レンズからなるコリメーターレ
ンズや集光レンズに通して微小なスポットに絞ることが
可能となる。

したがって本発明によれば、利用する光ビームを微小な
スポットに絞る必要がある光記録装置等に対して波長変
換波を利用することが可能となり、波長変換の技術の応
用範囲が著しく拡大される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光波長変換素子を示す概
略斜視図、 第２図は上記第１実施例の光波長変換素子の使用状態を
示す側面図、 第３図は上記光波長変換素子の作成方法を説明する説明
図、 第４図は上記光波長変換素子を拡大して示す側断面図、 第５図と第６図は本発明の第２実施例による光波長変換
素子を示す側断面図と正面図、第７．８および９図はそ
れぞれ、本発明の第３．４および５実施例による光波長
変換モジュールを示す側断面図、 第１Ｏ図は上記第５実施例の光波長変換モジュールの同
心円グレーティングの形状を説明するための説明図、 第１１図は上記第５実施例の光波長変換モジュールの作
成方法を説明する説明図、 第１２図は本発明の第６実施例による光波長変換モジュ
ールを示す側断面図である。 １０．２０．３１・・・光波長変換素子　　１１・・・
コア１２・・・クラッド　　　　１２ａ・・・クラッド
端面１５・・・基本波　　　　　１５°・・・第２高調
波２１．５３．７３・・・同心円グレーティング３０．
４０．５０．７０・・・光波長変換モジュール３２．４
２・・・レンズ ３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ−・・レンズ面５１．
７１・・・グレーティング素子 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ７４１１　図 第 図 事件の表承 昭和６３年　特許願 発明の名称 第１８６．０８１ 号 光波長変換素子 補正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のク
   ラッド内に充てんされてなるファイバーであって、コア
   に入射された基本波を波長変換してクラッド中に放射す
   る光波長変換素子において、波長変換波が出射するクラ
   ッド端面が、該波長変換波の波面を円錐波面から球面波
   面に変換する非球面レンズ面とされていることを特徴と
   する光波長変換素子。
2. （２）非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のク
   ラッド内に充てんされてなるファイバーであって、コア
   に入射された基本波を波長変換してクラッド中に放射す
   る光波長変換素子において、波長変換波が出射するクラ
   ッド端面に、該波長変換波の波面を円錐波面から球面波
   面に変換する同心円グレーティングが形成されているこ
   とを特徴とする光波長変換素子。
3. （３）非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のク
   ラッド内に充てんされてなるファイバーであって、コア
   に入射された基本波を波長変換してクラッド中に放射す
   る光波長変換素子と、 この光波長変換素子のクラッド端面から出射した波長変
   換波が入射する位置に配され、この波長変換波の波面を
   円錐波面から球面波面に変換する光学素子とからなる光
   波長変換モジュール。