JPH03146930A - 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１７２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に関し、特に詳
細には、波長変換波の波面を円錐波面から平面あるいは
球面波面に変換する機能を備えた光波長変換素子に関す
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グループ機関誌ＶＯＬ、　　３．　
Ｎ（１２，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、記録密度間上等の点から、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
むことができる光波長変換素子を提供することを目的と
するものである。

さらに本発明は、レーザー光源の発振波長変動により基
本波波長が変動しても、上記のように波長変換波を小さ
なスポットに絞り込んだ状態を良好に維持可能とするこ
とも目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の光波長変換素子は、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、 この光波長変換素子のクラッド端面を、該波長変換波の
波面を円錐波面から平面または球面波面に変換する面形
状とし、 波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ、Ｄ１前記クラ
ッドの波長変換波に対する屈折率をｎ、位相整合角をθ
ｏとしたとき、 この位相整合角θｏ１屈折率ｎの各波長依存性なる関係
にあり、この式の左辺と右辺との誤差が、ｓｉｎ”（λ
／　２　Ｄ　ｎ　）よりも小さい範囲内にあるように、
クラッドの材料およびコア径を選択したことを特徴とす
るものである。

上記クラッド端面の面形状は、波長変換波の波面を円錐
波面から平面波面に変換する場合は円錐面状とすればよ
いし、球面波面に変換する場合はレンズ面とすればよい
。

（作　　用） 上記クラッド端面の作用により、波長変換波の波面を平
面または球面波面に変換すれば、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。

またクラッド材料およびコア径が上述のように選択され
ていると、基本波波長が変動したとき、位相整合角と、
クラッド端面での波長変換波の屈折角とが互いに打ち消
し合うように変化し、波長変換波が小さなスポットに絞
られた状態が維持されるようになる。以下、この点につ
いて詳しく説明する。

例えば第１図に示すように、非線形光学材料のコア１が
それよりも低屈折率のクラッド２内に配されてなるファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子３により、コア
１中を導波させた基本波５を第２高調波５゛に変換させ
、そしてその円錐波面を円錐面状のクラッド端面２ａに
より、平面波面に変換する場合について考える。

図示のように、位相整合角をθｏ１クラッド端面２ａの
カット角をδ、第２高調波５°に対するクラッド２の屈
折率をｎ、第２高調波５′のクララド端面２ａからの出
射角をθｐ１周囲媒質を空気（屈折率＝１）とする。こ
のとき、第２高調波５”のクラッド端面２ａへの入射角
はδ−００であるから、 ｎ５ｉｎ　　（δ−θｏ　）−ｓｉｎθｐ　　である。

θｐ−δとすれば、クラッド２中で円錐波面となってい
る第２高調波５°は平面波面に変換されるから、 ｎ５ｉｎ　　（δ−θ（、）　−５ｉｎ　δ　　・−・
・−（１）とすればよい。これをδについて解くと、と
なる。このようにクラッド端面２ａのカット角δを設定
しておけば、第２高調波５°の円錐波面は平面波面に変
換されうる。

次に、第２高調波５゛の波長変動について考える。角度
について士の方向を第１図に示すように定め、また、第
２高調波５°の波長をλとする。

上記（１）式とθｐ＝δより、 ｎ５ｉｎ　　（θｐ−θｏ　）−ｓｉｎθｐ　であり、
基本波５の波長変動により、第２高調波５゛に対するク
ラ、ラド２の屈折率ｎがΔｎだけ変化し、出射角θｐが
Δθｐだけ変化したとすると、（ｎ＋Δｎ）ｓｉｎ（θ
ｐ−〇。） −ｓｉｎ　　（θｐ−Δθｐ）　　　　　　である。

５ｉｎｘ−ｘと近似してΔθｐを求めると、θ。

出射角θｐの波長依存性は、 ａλ −１ ａλ となる。

ここで、Δθｐ＝ｎΔθ０より、位相整合角θ０の波長
依存性は、 ａλ ａλ となる。

これら 周波長依存性の大きさがほぼ等しければ、つまり、δ であれば、クラッド端面２ａを通過後の第２高調波５°
は、平面波面の状態を維持することになる。

次に、実用に際して上記（３）式の左辺と右辺との差が
どの程度許容されつるか考える。第２図に示すように、
クラッド端面２ａを通過後の第２高調波５°の有効径を
Ｄ１導波の角度ズレ量をΔθ、波面収差のｐ−ｐ値（ピ
ーク・トウー・ピーク値）をεとすると、 Ｅ−（Ｄ／２）ｌｓｌｎΔθ１　　　である。

一般に空気中（ｎ−１）では上記εの値がλ／４以下で
あれば、良好に絞られたビームスポットが得られるとさ
れているから、 Δθｌ＜５ｔｎ−”（λ／２Ｄ）　　−−−−−・（４
）となる。

ここで、基本波５を発する基本波光源としては、半導体
レーザーが多く用いられ、この半導体レーザーの縦モー
ド間隔は小さいものでも２０ｍ程度ある。したがって、
該半導体レーザーにおいてモードホップが生じたとき、
第２高調波波長の変動Δλは約１ｎｍ生じることになる
。また、れにおいてΔλ膓１ （ｎｍ） とすると、（４）式より、 （３）式の関係は屈折率ｎの媒質中での関係であるか１ ら、λ→□ したがって、前述した（３）式の右辺と左辺の誤差が５
ｉｎ−１（λ／　２　Ｄ　ｎ　）よりも小さく収まって
いれば、波面収差のｐ−ｐ値εはλ／４よりも小さくな
る。

なお上記の説明では、基本波光源として半導体レーザー
を使用し、第２高調波を発生させる場合を例に挙げたが
、その他の場合でも光波長変換素子は、波長変換波の波
長変動Δλをｌｎｍ程度許容できれば実用可能であるこ
とが多い。

（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３図は、本発明の一実施例による光波長変換素子を示
すものである。この光波長変換素子ｌＯは、クラッド１
２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２ 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。

一方クラッド１２は、ＬａＫ１０ガラスから形成されて
いる。

この光波長変換素子ＩＯを作成する際には、まずクラッ
ド１２となるＬａＫ１０ガラスの中空ファイバーが用意
される。このガラスファイバーは一例として、外径が３
ｍｍで、中空部の径が０．８μｍのものである。そして
このガラスファイバーの中空部に融液状態のＰＲＡを充
填し、固化させ、またそれを単結晶化させる。次いでこ
のガラスファイバーの両端を切断、研磨して、光波長変
換素子ｌＯを得る。なお、以上のようにして光波長変換
素子ＩＯを作成する方法については、例えば特開昭６４
７９７３４号公報等に詳しい記載がなされている。

こうして得られた光波長変換素子ｌＯの光出射端面とな
るクラッド端面１２ａは、角度δでカットされて円錐面
状とされる。

上記光波長変換素子ｌＯは第３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の半導体レー
ザー（発振波長：　８７０　ｎ　ｍ）　１Ｂが光波長変
換素子ＩＯの光入射側の端面１０ａに直接固定され、そ
こから射出されたレーザー光（基本波）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ＩＯ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Ｈ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、−殻内な球面レンズである集光レンズ１
９に通され、微小なスポットＰに絞られる。なお第３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、円錐面状とされたクラッド端面１２ａの作用につ
いて説明する。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θ０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としたとき、クラッド１２の
直径ＤｃをＤＣ＞　２　Ｌ　”　ｔａｎθｏ＋ｄ 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のカット角δを、前記（２）
式で規定されるように設定しておくと、第２高調波１５
°の円錐波面が平面波面に変換される。本例ではｎ　−
１，７８７９９、位相整合角θＯ＝９．０１’であり、
よってδ−２０，８０°である。このように波面が変換
されていれば、第２高調波１５°を前述のような集光レ
ンズ１９に通すことにより、それを微小なスポットＰに
絞ることが可能となる。

次に、基本波１５すなわち第２高調波１５′の波長変動
の影響について考える。ＰＲＡからなるコア１１の直径
が０，８μｍ、ＬａＫ１０ガラスからなるクラッド１２
の直径が３ｍｍ、そして位相整合角θ。

−９，０１’　、第２高調波１５’　のクラッド端面１
２ａからの出射角θｐ−δ−２０，８０°であるとき、
位相整合角θ０の波長依存性は、 ６ ５ となる。なお角度の正負は、前記第１図で規定した通り
である。

一方、本実施例において基本波波長は８７０ｎｍである
から、λ−４３５ｎｍである。この波長に対するＬａＫ
１０ガラスの屈折率特性は、であるので、 となる。

以上より、前述した（３）式の左辺と右辺の差は、０．
０００７０−　（−０，００１３２）−０，００００２
°／　ｎ　ｍ　　　　　　　となる。

一方ｓｉｎ’（λ／　２　Ｄ　ｎ　）の値は、ｓｉｎ　
’　　（０，４３５／　２　Ｘ３０００Ｘ１．７３７９
９　）−０，００２３９°／　ｎ　ｍ　　　　　　　で
ある。

上記２つの値を比較すると、 ０．０００８２　”　／　ｎ　ｍ　＜　０．００２３９
　＠／　ｎ　ｍとなっているから、第２高調波１５°の
波長λが１ｎｍ程度変動しても、前述した理由により波
面収差のｐ−ｐ値εは、λ／４よりも小さく収まること
になる。

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。

また本発明は、波長変換波の波面を円錐波面から球面波
面に変換する場合にも適用可能である。

（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平面
または球面波面とすることができるので、この波長変換
波を通常の球面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。

その上本発明においては、位相整合角の波長依存性と、
波長変換波の光波長変換素子からの出射角の波長依存性
とが互いに打ち消し合うに構成したから、基本波の波長
変動があっても、上記のように波長変換波が微小なスポ
ットに良好に絞られた状態を維持でき、この波長変換波
を利用する装置の信頼性を高めることができる。

さらに本発明によれば、上記のように基本波の波長変動
を許容できるから、レーザー光源の発振波長の個体差も
許容できることになり、それにより歩留り向上の効果や
、レーザー光源が破損した際光波長変換素子はそのまま
にしてレーザー光源を簡単に交換使用できるという効果
も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光波長変換素子の基本構成を説明す
る説明図、 第２図は、波面収差を説明する説明図、第３図は、本発
明の一実施例による光波長変換１つ 素子を示す側面図、 第４図は、第３図の光波長変換素子を詳しく示す拡大側
面図である。 １．１１・・・コア　　　　　２．１２・・・クラッド
２ａＳ１２ａ・・・クラッド端面 ３、ＩＯ・・・光波長変換素子 ５．１５・・・基本波　　　　５°、１５°・・・第２
高調波０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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平面または球
   面波面に変換する面形状とされ、 波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ、Ｄ、前記クラ
   ッドの波長変換波に対する屈折率をｎ、位相整合角をθ
   ＿ｏとしたとき、 この位相整合角θ＿ｏ、屈折率ｎの各波長依存性（∂θ
   ＿ｏ）／（∂λ）、（∂ｎ）／（∂λ）が、（∂θ＿ｏ
   ）／（∂λ）≒｛θ＿ｏ／［ｎ（ｎ−１）］｝［（∂ｎ
   ）／（∂λ）］なる関係にあり、この式の左辺と右辺と
   の誤差が、ｓｉｎ＾−＾１（λ／２Ｄｎ）よりも小さい
   範囲内にあるように、前記光波長変換素子のクラッド材
   料およびコア径が選択されていることを特徴とする光波
   長変換素子。