JPH0281035A - 第２高調波発生装置 - 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〕 本発明は光ディスクやレーザプリンタ、あるいはカラー
プリンタ等の光記録用のコヒーレントな短波長光源とし
て有用なチェレンコフ放射、すなわち、媒質の位相速度
より大きな位相速度を持った波が媒質中に、ある角度（
チェレンコフ角）でエネルギーを放射するという現象を
利用した第２高調波発生装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ノンリニアオプティカルマテリアル、エクステン
ディソドアブストラクト（１９８５）ベージ９７　（Ｎ
ｏｎｌｉｎｅｅｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓ　−Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ａｂｓｔｒａｃｔ：、　　ｌ
　９８５　、　ｐ　、９７　）に報告されているように
非線型光学有機材料などをファイバー状にデバイス化し
、これにコヒーレントな１次光を入力して、チェレンコ
フ放射の第２高調波を発生させる技術が知られている。

しかし、この放射ビームは、ビーム形状がコーン（円錐
）状となっており、このままでは良質スボソ［・に集光
することができず、あい路になっていたのである。

また７ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ２）などを基板と
した導波路からの、チェレンコフ放射による第２高調波
発生について、クレオ′８７．テクニカルダイジェスト
、ページ１９８（Ｃｆ、ＥＯ’　８７　　Ｔｅｃｈｎｉ
ｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｐｐ、　１９８　）において報
告されている。

この方法は、１次光に対し、波長が半分の２次光を、高
い変換効率を持って発生することができ。

しかも、この方法はこれら波長の異った二つの光波の位
相整合が比軟的容易である′など多くの利点を有してい
る。しかしながら、この方法は、狭い線状の導波路から
、基板内への放射モードであるため、放射の方向には発
散光となり、これと垂直方向にはコリメートされた平行
光となっており。

ビーム波面が歪んでいる。このため、これを集光して１
点に１回折限界の波面精度を持って、フォーカスするこ
とができず、光ディスクやレーザプリンタなどの光記録
への応用を障む致命的欠点となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、いずれも、ビームの集光方法に対する
配慮が不充分であったところに問題があった。すなわち
、第４図に示した上記引例をみても導波路の基板形状に
は何らの工夫もなく単なる平面からなるブロックにすぎ
ず、この基板を通過したビームは大きな収差を有してお
り、この収差を補正する手段が、これまでの従来例では
全く認識されていなかった。

本発明は、小型かつコンパクトで、しかも直接光強度変
調可能で高い平面度にコリメートされた短波長のコヒー
レント光を発生することができる、第２高調波発生装置
を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、導波路基板、あるいはファイバーのクラッド
部分に、収差補正、あるいは強度分布補正機能を付加し
、空気中に放出されるビームがつくる波面の平面度を高
くし、これをレンズでフォーカスした時に９回折限界の
一点にスポットとして絞り込める光学系を付加したもの
である。

すなわち、より具体的にはファイバー状にした非線型導
波路から得られる第２次高調波チェレンコツビームは、
その波面、すなわち波動の等位相面が、該ファイバーを
中心線とする円錐状となっている。これら円錐状の波面
に直交する光線が存在することは、マリューの定理によ
り明白であるが、これらの光線が、互いに平行となって
、該ファイバーの中心線と平行に進行させるようにする
のが、本発明の１つの目的である。

その第１の手段が、光線が屈折率の異なる媒体の境界を
通過する時に適用されるスネルの法則を適用せんとする
ものである。すなわち、円錐状の波面を平行平面波に変
換するために、後述のように円錐状のプリズムを用いる
というのが本発明の第１のポイ′ン）・である。このよ
うな手段は、ファイバー型チェレンコフビームに適用で
きるのは勿論であり、かつまた、ファイバー型チェレン
コフビームをまっ二つに割ったかのようにみえる導波路
型チェレンコフビームにもあてはまるのであって、この
場合には、円錐は半分となることは言うまでもない。

本発明の第２のポイントは、上記第１のポイントが、屈
折の法則を適用したのに対し、反射の法則を適用せんと
するしのである。すなわち、ファイバー又は、導波路の
クラッド、あるいは基板を全反射面として利用し、この
反射面形状を光線の進行方向に拡がった円錐状、あるい
は円錐の半分となすものであり、全反射した光線が全て
導波路と平行となるよう、円錐の母線の中心線に対する
角度を規定するものである。

本発明の第３のポイントは、Ｌ述の円錐状に１１１１工
したファイバークララ１へ、あるいは、導波路基板に作
成する第２次高調波チェレンコフビーム発生部分を、従
来のように単一でなく、■数個並べ、しかも、各々のチ
ェレンコフビーム間の発振位相をカップルさせ、互いに
コヒーレントなビームを得んとするものである。その目
的は、これまで以上に高い光出力を得ることである。す
なわち、本発明による。第１あるいは第２のポイントと
、この第３のポイントを付加することにより、高い出力
を持って、しかも回折限界に近い、単一のスポットにフ
ォーカスしうる第２高調波光源を実現することが可能と
なるのである。

〔作用〕

本発明の第１のポイント、ずなわ？う、光線の屈折の法
則により、チェレンコフ光線を互いに平行なビームとな
すには、チェレンコフビームを発生するファイバー、あ
るいは導波路を含む平面内でのスネルの法則を考えれば
よい。今、第２図あるいは第３図に示す如く、チェレン
コフ放射角をα、ブラッド端面におけるビームの入射角
、屈折率をＩ それぞれ％、クラットの屈折率をｎ　、コーン僚＼ 頂角をｒとすれば、先ずスネルの法則により、ｎ　　６
　ｓｉｎ　　１＝ｓｉｎ　　Ｊが成り立つ。又、屈折後
の光線が導波路と平行になる条件から Ｔ＝９０°　−ｊ の関係があることから、コーンの頂角Ｔが求められ、 ’ｆ’　＝　９０’　−Ｔａｎ−”　（ｓｉｎα／　（
ｃｏｓａ　−−））となる。逆に言えば、かようにコー
ンの頂角Ｔを決めれば、チェレンコフビームは屈折後金
て平行光となり、−点に集光可能となるのである。一方
、本発明の′第２のポイント、すなわち、光線の反射の
法則により、チェレンコフ光線を全て、互いに平行なビ
ームとなすには、ファイバー、あるいは導波路を含む平
面内で反射の法則を適用する。第５図に示すように、チ
ェレンコフ角αで放射したビームが導波路裏面で全反射
し、反射の法則】＝、〕 を満足させる。この時、裏面の形状を円錐形とし、円錐
の頂角、すなわち母線と中心線とのなす角γを γ　＝　　１＝　Ｊ　　＝　− となすことにより、反射光線は全て、導波路と平行にな
るのである。このように基板形状を構成すれば、平行平
面波が得られ、これをレンズでフォーカスした時、−点
に回折限界で絞り込めるのである。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。第１図はその例である
。本実施例では、半導体レーザ１を第１次の光源として
、これをレンズ２で集光、結像して、非線型光学材料を
もとに作成したファイバー３の端面に入射せしめる。こ
のファイバー３内で、分極波が発生し、その位相速度が
、媒体の位相速度よりも速くなると、いわゆるチェレン
コフ放射４として、第１次入力光の半分の波長、通常。

青色の光が角度αをもって放射される。このようなビー
ムは等位相面が円錐状となって発散している。このよう
なビームを光の進行方向に偵点を持つような円錐（コー
ン）状のプリズム５で集光すると、このプリズム５を通
過後の光線は、ファイバー３の方向に平行となって、平
行平面波に変換され、フォーカスレンズ６によって、回
折限界のスポット７を得ることができる。

第２図は本発明の第２の実施例である。すなわち第１図
に示した実施例において、ファイバー３をつつむクラッ
ド８の径を大きくし、かつコーンプリズム５と一体化し
たものである。

第３図は、本発明の第３の実施例である。本実施例では
、第２次高調波発生用の導波路９を、非線型光学結晶１
０上に作成し、ここから得られるチェレンコフ放射ビー
ムを光学系でコリメートする。すなわち、半導体レーザ
１からのビームをレンズ２で集光結像し、導波路９の入
射端面にビームを入射させる。この第１次光は、導波路
９内に分極波を発生させ、同様にチェレンコフビームを
角度αをもって放射させる。この時、導波路９の基板１
０の前方（出射端面）は同図（ｂ）に示すように、半分
にカットしたコーン状をなすものであり、光の頂角（母
線と中心線のなす角）では、前述した方法で算出できる
ものである。こうして、同様に平行光としてコリメート
されたビーム１１が得られるが、導波路９や、基板１０
のサイズ関係しこよっては、得られたビーム１１の強度
分布が、偏平となっている場合もある。このような時に
は、単一又は複数のアナモフィックプリズム１２を利用
することによって、ビーム形状を整形することが可能で
あり、等方的強度分布を持ち、しかも位相のよく揃った
、収差の少い平面波１３を得ることができる。このよう
なビームが得られれば、回折限界の１点にフォーカス可
能となる。

第４図は従来例を示す図である。チェレンコフ放射第２
高調波に対する収差補正について全く開示されておらず
、単に、青色の光が得られるというだけで１例えば、光
ディスクや、レーザプリンタ等回折限界光学系に適用す
るのは不可能である。

さて、以上の実施例は本発明の第１のポイントすなわち
、光線の屈折の法則を適用して、平行ビームを得んとし
たものであるが、次に反射の法則によってチェレンコフ
ビームをコリメートすることを考える。すなわち第５図
に示すように、チェレンコフビームを導波路基板１０の
裏面で一担全反射せしめる。そして１反射した光線が、
導波路９と平行とならしめるよう、裏面の傾斜角を決め
るのである。この時、全てのチェレンコフビームについ
て、この事が成立するためには、導波路９を含む全ての
断面内で反射ビームが平行とならねばならないことから
、裏面形状は同図（ｂ）に示すような円錐（コーン）状
である。この場合の円錐の頂角（円錐の母線と中心線と
のなす角）γは、導波路９の方向と、反射ビームとが平
行になるという条件から α γ＝　ｉ　＝　ｊ　＝　− として規定される。

さらに、本実施例では１強度分布の整形も可能であって
、導波路９の長さとコーンの半径とを規定することによ
り、はぼ等方の強度分布を持つビーム１４を形成するこ
とも可能である。勿論、ビーム整形はこの方法に限らず
、第３図で述べたプリズムを利用する方法を適用するこ
とも可能である。

次に、かくして得られる高度の平行平面波にコリメート
された第２次高調波チェレンコフビームの光出力を増大
する方法について説明する。これは本発明の第３のポイ
ントである。すなわち、単一のストライプからなる導波
路、あるいはファイバーでは、その波長変換能力に限界
があるため。

これらの導波路を複数個並べる。ここで、導波路の巾を
ひろげる方法も考えられるが、この場合には導波路内で
横モードが高次のモードも発生し、チェレンコフビーム
のファーフィールドが一枚でな、くなり、シングルモー
ドが得られにくい等の欠点がある。このため、シングル
モードを保持する導波路を複数個並べ、その数の分だけ
高い光出力を得るものである。

下 以上本発明の第５の実施例を第６図により説明する。す
なわち、半導体レーザ１からのビームをレンズ２により
集光、結像し、アレー状に並べた導波路１５に入射せし
める。この時、導波路基板１０は、第３図、あるいは第
５図で示した如く。

円錐状の端面、あるいは裏面を有するものとする。

このような構成を取れば、単一の場合よりも高い第２高
調波出力が得られる。ただし、第１次光源としての半導
体レーザも、アレー状に並へ、高出力の第１次光源とす
れば、効果がより大きいことは言うまでもない。又、フ
ァイバー型の場合にアレー状に並べる点は同様である（
第６図（（り）。

しかも、いずれの場合にも、各々の導波路間では、位相
をカップリングさせる必要があり、本発明ではアレーが
互いにコヒーレントに第２次高調波チェレンコフビーム
を発生させるものである。

そこで、第１次の半導体レーザアレーからのレーザ発振
が、位相がπずつ隣同士でずれている場合も考慮にいれ
る必要がある。このような場合には、第７図に示した実
施例のように、半導体レーザと５第２次高調波用導波路
アレーとの間に、位相補正板１６を設置するか、あるい
は導波路端面につくりつける（１７．１８）ことにより
、導波路アレーへのレーザ光の入射ビームの位相を完全
に一様とすることで、得られるチェレンコフビーム第２
高調波の位相も全く一様にそろえることが可能となる。

又、レンズ２による結像の倍率（縮少率）を例えば１／
２にすれば、導波路への入射光のパワー密度は４倍とな
り、より高い波長変換効率が得られることも本実施例の
特徴である。

一方、第８図に示すように、光学系全体の小型化には、
半導体レーザ１と導波路アレーとを直結する。

さらに又、第９図は以上のようにして得られた高出力の
高質ビームを、光ディスクの録再用光源として応用した
実施例である。すなわち、本発明による第２高調波発生
装置（青色光源）１９からのビームをビームスプリッタ
２０．ミラー２１を経て、絞り込みレンズ２２によって
微小スポットにフォーカスし、光ディスク２３上にピッ
トを記録する。この時記録用の信号回路２４により、青
色第２高調波を発生する第１次光の半導体レーザを直接
変調する。又、光ディスク２３に記録されているピット
は、微小に絞り込まれたスポットからの回折光として読
み取られ、ビームスプリッタ２０で反射されて、再生信
号処理回路２５によって処理される。

第６図は、本発明による第２高調波発生装置をレーザビ
ームプリンタの光源に適用した例である。

すなわち、記録用信号回路２６によって直接変調された
ビームを回転多面鏡２７によって走査させ。

走査レンズ２８により、フォーカスして感光ドラム２９
上をスポットとして走査するものである。

そして、先導伝ドラム上に生じた潜像を印写プロセスに
より、紙に転写し、高速印字を実施する。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明では、高い光パワー密度
により、高い変換効率の第２次高調波を発生し、位相整
合が容易なチェレンコフ型、導波路やファイバー装置に
おいて、これまで不可能とされていた集光光学系と一体
化し、小型、コンパクト、そして直接光強度変調可能で
高い平面度にコリメートされた短波長コヒーレント光源
の実現が可能となるのである。

このような直接変調可能な、小型短波長光源は、例えば
第９図に示した光ディスクの光源に応用すれば、従来の
半導体レーザ波長の半分の波長で記録再生できるため、
情報の記録密度は４倍となり。

一方必要光出力は４分の１で済むことになる。又、第１
０図に示したレーザプリンタへ適用すれば、やはり従来
よりも４倍の高解像度印字が可能となり、感光ドラム感
度も増加するため、これまで以上に高い印字速度などの
好条件で印字が可能となるのである。本発明による短波
長光源は、上記情報処理分野のみならず、デイスプレー
や、カラープリンタなど応用範囲は広い。

一方、従来の第２高調波発生技術の問題点として、非線
型光学結晶の光損傷の問題がある。これは、第２次高調
波への高い変換効率に注目しすぎる余り、導波路内での
１次光の光パワー密度が高くなりすぎて、導波路内ある
いはその基板内に光損傷が生じ、光の吸収が増加して５
２次高調波の出力が下がる問題である。これに対しても
、本発明の第３のポイントのように、導波路を複数個ア
レー化することにより、光のパワー密度を適度に下げて
分散し得ることが可能となり、この光損傷の問題を解消
することもできるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図で、（ａ）はその側
面図、（ｂ）はコーンプリズムの概観を示す図、第２図
は本発明の第２の実施例を示す図で、（ａ）はその側面
図、（ｂ）はファイバークラッドの概観を示す図、第３
図は本発明の第３の実施例を示す図で、（ａ）はその側
面図、（ｂ）は導波路基板の概観を示す図、第４図は従
来例を示す図、第５図は本発明の第４の実施例を示す図
で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は導波路
基板の外観図、第６図は本発明の第５の実施例を示す図
で、（ａ）はその側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はフ
ァイバー導波路の場合の実施例を示す図、第７図は本発
明の第６の実施例を示す図で、（、）は平面図、（ｂ）
、（ｃ）、（ｄ）は位相補正部分の拡大図、第８図は本
発明の第７の実施例を示す平面図、第９図は本発明によ
る光ディスク装置の一実施例を示す図、第１０図は本発
明によるレーザプリンタの一実施例を示す図である。 １・・・半導体レーザ、２・・・集光レンズ、３・・非
線形光学ファイバ、４・チェレンコフビーム、５・・・
コーン状プリズム、６・・・フォーカスレンズ、７・・
・絞り込みスポット、８・・・クラッド、９゛・・導波
路、１０・・導波路基板、１１・・・コリメートされた
チェレンコフビーム、１２・・・プリズム、１３．１４
・・・等方ビーム、１５・・・導波路アレー１６．１７
．１８・・・位相補正板、１９・・・短波長光源、２０
・・・ハーフプリズム、２１・・・ミラー２２・・フォ
ーカスレンズ、２３・・・光ディスク、２４・・・信号
回路、２５・・・再生信号処理回路、２６・・・変調信
号回路、２７・・・回転多面鏡、２８・・・走査レンズ
、２９・・・感光ドラム。 第７凹 第２凹 Ｃ３，１ （肺 第 ダ 目 第４図 第 乙 困 ０＞） ＣＣ） （ごジ （スフ 系７０区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単一又は複数本のファイバー状非線形光学材料から
   なる導波路と、該導波路からの第２高調波チェレンコフ
   ビーム集光するコリメー タとを有し、該コリメータを円錐状プリズムとすること
   を特徴とする第２高調波発生装置。 ２、上記ファイバをクラッド層で囲み、上記チェレンコ
   フビームを上記クラッドの前方端面に導く手段を有し、
   上記コリメータとして、該クラッド前方端面を円錐状と
   したことを特徴とする請求項１記載の第２高調波発生装
   置。 ３、非線型光学結晶上に形成された単一又は複数本の導
   波路と、該導波路からの第２高調波チェレンコフビーム
   を集光するコリメータとを有し、該非線型光学結晶の前
   方端面を、半円錐形状としたことを特徴とする第２高調
   波発生装置。 ４、非線型光学結晶上に、形成された単一又は複数本の
   導波路と、該導波路からの第２高調波チェレンコフビー
   ムを集光するコリメータとを有し、該チェレンコフビー
   ムを全反射せしめ、該反射光線を該導波路と平行となす
   よう、該非線型光学結晶の形状を、該導波路を中心線と
   する円錐状としたことを特徴とする第２高調波発生装置
   。 ５、上記導波路の長さ、チェレンコフ放射角、基板厚み
   、チェレンコフビーム拡がり角の間に所定の関係を持た
   せることにより、出射端面からの放射ビーム強度分布を
   ほぼ等方的とすることを特徴とする請求項４記載の第２
   高調波発生装置。 ６、上記導波路、又はファイバーを複数個近接して並列
   化してアレーとし、該チェレンコフ放射ビーム間の位相
   をカップルさせることを特徴とする請求項１乃至５のい
   ずれかに記載の第２高調波発生装置。 ７、第２高調波発生用の第１次光源をフェーズドアレー
   型半導体レーザとすることを特徴とする請求項６記載の
   第２高調波発生装置。 ８、上記フェーズドアレー型半導体レーザの発振用 位相補正板を該第２高調波発生導波路アレー、あるいは
   ファイバーアレーとの間に設けたことを特徴とする請求
   項７記載の第２高調波発生装置。 ９、上記第１次光源用フェーズドアレー型半導体レーザ
   と上記第２次高調波発生用導波路アレーとを直結したこ
   とを特徴とする請求項８記載の第２高調波発生装置。 １０、請求項１乃至９のいずれかに記載の第２高調波発
   生装置を光源に用いたことを特徴とする光ディスク装置
   。 １１、請求項１乃至９のいずれかに記載の第２高調波発
   生装置を光源に用いたことを特徴とするレーザビームプ
   リンタ。