JPH03179328A - 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、チェレンコフ放射型の光波長変換素子を用い
て基本波を第２高調波等に波長変換する方法に関し、特
に詳細には青色領域の波長変換波が効率良く得られるよ
うにした光波長変換方法に関するものである。

（従来の技術） カラープリンター等において用いられる従来の多くの銀
塩感光材料の分光感度特性は、青色領域では、一般に第
２図の曲線ａに示すようなものとなる。このように多く
の銀塩感光材料の感度は、波長４８０ｎｍに近い光に対
して著しく高くなり、波長４７Ｏｎｍ付近でピークをと
る。また最近では、第２図の曲線すに示すように、Ａｒ
レーザから発せられる波長４８８ｎｍの青色レーザ光に
合わせて、波長５００ｎｍ近辺まで高い感度を有する銀
塩感光材料も提供されている。

一方短波長領域においては、ゼラチンの吸収、分光増感
色素の制限、さらにはカラー画像の安定性に問題が有る
ことから、波長が４３０ｎｍ以上の光を記録光として利
用する必要が有る。したがって、銀塩感光材料を用い、
それを青色レーザ光で走査してカラー画像を記録する場
合は、波長が４３０〜５００ｎｍの青色レーザ光を用い
ることが、鮮明でかつ安定性の高いカラー画像を得るた
めの条件であると言える。

他方、光ディスク等の記録媒体にレーザ光で情報を記録
する場合は、レーザ光の波長が短いほどビームスポット
をより微小に絞れるので、より高密度の記録が可能とな
る。しかしながらこの場合も、色素の制限、ディスク基
板における吸収等の条件により、現状では、波長が４３
０ｎｍ以上のレーザ光を用いる必要が有る。

また、上述したカラープリンターや光ディスク等のシス
テムにおいては、レンズの透過率から考慮しても、波長
が４３０ｎｍ以上のレーザ光を利用するのが好ましいと
言える。

以上説明した通り、波長が４３０〜５００ｎｍの青色レ
ーザ光は、各種光学システムの性能の大幅な向上をもた
らすものである。しかしながら現在のところ、小型で直
接変調可能な青色レーザは実用化されておらず、半導体
レーザでも、青色領域のものは当面実現困難とされてい
る。

このような事情に鑑み、レーザ光を光波長変換素子を利
用して波長変換（短波長化）する試みが種々なされてい
る。例えば特開昭６４−７３３２７号公報には、クラッ
ド内に単結晶有機非線形光学材料のコアが配された光フ
ァイバーからなる、チェレンコフ放射型の光波長変換素
子が開示されている。

またこの公報には、上記有機非線形光学材料として魚群
ｍｍ２の斜方晶系のものを利用することも開示されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） この種の光波長変換素子とレーザ光源との組合せによれ
ば、比較的容易に青色レーザ光が得られるものの、波長
変換効率が低いために高強度の青色レーザ光を得ること
はできず、したがって前述したような用途には適用困難
であるのが現状である。

そこで本発明は、レーザ光を極めて効率良く第２高調波
等に波長変換することが可能で、よって波長４３０〜５
００ｎｍの青色領域の高強度のレーザ光を得ることがで
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。

（課題を解決するための手段） 本発明による光波長変換方法は、 クラッド部内に魚群ｍｍ２の斜方晶系の単結晶有機非線
形光学材料が導波部として配されてなるチェレンコフ放
射型光波長変換素子に基本波を入射させて、波長が４３
０〜５００ｎｍの領域にある第２高調波等の波長変換波
を取り出す方法において、基本波の波長を、上記有機非
線形光学材料の吸収端波長よりも３０ｎｍ以上長波長の
波長変換波が得られるように選択し、 上記結晶の光学軸Ｘあるいは光学軸ｙ方向に直線偏光し
た基本波を入射させて、光学軸２方向に直線偏光した波
長変換波を取り出すことを特徴とするものである。

なお本方法においては、光波長変換素子としてファイバ
ー型のものを使用することもできるし、あるいは３次元
光導波路型のもの、さらには２次元光導波路型のものを
使用することもできる。

（作　　用） 魚群ｍｍ２の斜方晶系材料は、非線形光学定数の対角項
成分ｄ３３に加えて、非対角項成分ｄ３１、ｄｌｌ、（
ｉｔｓ、ｄ２４を有する。これらの非線形光学定数のう
ち、先導波路型の光波長変換素子において実際に利用し
やすいのは、ｄｌｌ、ｄｉ□、ｄ９．である。

ところが、本発明者等の研究によると、上記非線形光学
定数の非対角項成分ｄ３１、ｄｌｌを利用すると、対角
項成分ｄ３３を利用する場合に比べて、波長変換効率は
桁違いに向上することが分かった。

そこで本発明においては、非線形光学材料結晶の光学軸
Ｘ５ＹＳＺに対する基本波の直線偏光方向を前述のよう
に設定して、非対角項成分の非線形光学定数ｄｉｔある
いはｄｌｌが利用されるようにする。

なお斜方晶系の材料においては光学軸と結晶軸とが一致
するので、導波方向に１つの結晶が延びるように結晶配
向させれば（それは前記特開昭６４−７３３２７号公報
にも示されるように、極めて容易に実現可能である）、
導波方向に垂直な面内に２つの光学軸が含まれるように
なる。したがって、基本波および波長変換波の直線偏光
方向と光学軸との関係を上述のように設定することも容
易である。

しかしまた、本発明者等の研究によると、上記のように
基本波の直線偏光方向を設定して、前記４３０〜５００
ｎｍの波長領域の波長変換波を得る場合には、それ特有
の問題が生じることも分かった。

すなわち、導波部の材料とする有機非線形光学材料の吸
収端波長は、多くは４００〜５５０ｎｍの範囲内にある
ので、４３０〜５００ｎｍの波長領域の波長変換波を得
る際には、どうしても波長変換波の波長に近い（勿論そ
れよりも短い）吸収端波長を有する有機非線形光学材料
を利用しなければならないことが多い。なお非線形光学
材料の吸収端波長は、一般には、エタノールを溶媒とす
るその材料の溶液（濃度４　Ｘ　１０−’　ｌｌ１ｏｌ
　／　１　）に対して光透過率が９０％以上となる波長
の下限値として規定されるものである。

従来は、波長変換波の波長が非線形光学材料の吸収端波
長よりも若干長ければ、特に波長変換波吸収の問題は生
じないと考えられてきた。しかし、上記のように基本波
の直線偏光方向を設定して、非線形光学定数の非対角項
成分ｄ３１ｓｄ３２を利用しようとする場合は、上記吸
収端波長と波長変換波波長とが３０ｎｍ以上離れていな
いと、波長変換波の吸収が大きくて光波長変換素子から
出射し得ないことが分かった。この点に鑑みて本発明の
方法においては、利用する有機非線形光学材料の吸収端
波長を考慮して、それよりも３０ｎｍ以上長い波長の波
長変換波が得られるように基本波波長を選択する。

（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実施例〉 第１図は、本発明の方法を実施する光波長変換モジュー
ルの一例を示している。この光波長変換モジュールは、
ファイバー型の光波長変換素子１０と、この光波長変換
素子１０に基本波を人力させる光源装置２０とから構成
されている。

本例の光波長変換素子１０のコア１ｔは、下記の分子式 で示される有機非線形光学材料（３，５−ジメチル−１
−（４−ニトロフェニル）ピラゾール：以下ＰＲＡと称
する）の単結晶から形成されている。

一方クラッド１２は、光学ガラスから形成されている。

上記ＰＲＡのバルク結晶構造を第３図に示す。

このＰＲＡの結晶は斜方晶系をなし、魚群はｍｍ２であ
る。したがって非線形光学定数のテンソルは、 となる。ここでｄ３１は、第３図に示すように結晶軸ａ
ＳｂＳｃに対して定まる光学軸Ｘ５ＹＳＺを考えたとき
、Ｘ方向に直線偏光した光（以下、Ｘ偏光という。ｙ、
ｚ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、ｄ３３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、ｄ１５はＸ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。

なお上の表においてのはＸ線結晶構造解析による値、■
はＭａｒｋｅｒ　Ｆｒｌｎｇｅ法による実測値であり、
単位は双方とも［ＸｌＯ’　ｅ　ｓ　ｕ］である。なお
ＰＲＡの吸収端波長は４０２ｎｍである。

ここで、上記光波長変換素子１０の作成方法について説
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−例として５ＦＩＯガラスからなり、外径が１００
μｍ程度で、中空部の径が１．０μｍのものである。そ
して第５図に示すように、炉内等においてＰＲＡを融液
状態に保ち、この融液１１’内にガラスファイバー（２
°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ＰＲＡ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１１
’　の温度は、ＰＲＡ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ＰＲＡが多結晶化する。

次いでこの光ファイバー１２゛　を、ＰＲＡ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
コアｉｔが形成され、光波長変換素子１０を十分に長く
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。

上述のようにしてＰＲＡをガラスファイバー１２’内に
単結晶状態で充てんさせると、その結晶配向状態は第４
図図示のように、Ｃ軸（光学軸はＸ軸）がコア軸方向に
延びる状態となる。

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’　の両端をファイバーカッターで切
断して、長さ５ｍｍの光波長変換素子ＩＯを形成した。

第１図図示のように、この光波長変換素子１０を光源装
置２０と組み合わせて光波長変換モジュールが構成され
る。本実施例においては、基本波を発生する光源として
半導体レーザ２１が用いられており、そこから発せられ
たレーザ光（基本波）　１５はコリメートレンズ２２に
よって平行ビーム化され、次いでアナモルフィックプリ
ズムペアー２３およびλ／２板２５に通され、集光レン
ズ２６で小さなビームスポットに絞られた上で、光波長
変換素子１０の人射端崩１０ａに照射される。それによ
り、この基本波１５が光波長変換素子ｌＯ内に入射する
。

前述した通り、コア１１を構成するＰＲＡは、Ｘ軸がコ
ア軸方向に延びる結晶配向状態となっており、そして本
例では、光源装置２０のλ／２板２５を回転させること
により、ｙ偏光状態の基本波１５を光波長変換素子ＩＯ
に人力させる。

光波長変換素子１０内に入射した基本波１５は、コア１
１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の外表面の間で全反射を繰り返して素子ＩＯ内を進
行し、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位相整合
がなされる（いわゆるチェレンコフ放射）。

光波長変換素子ｌＯの出射端面ｔｏｂからは、上記第２
高調波１５°と基本波１５とが混合したビーム１５”が
出射する。この出射ビーム１５“は、集光レンズ２７に
通されて集光された後、第２高調波１５゛　は良好に透
過させる一方、基本波１５は咬収するバンドパスフィル
ター２８に通され、第２高調波１５’　のみが取り出さ
れる。偏光板等を使用して、上記第２高調波１５’　は
２偏光であることが確認された。つまり本例では、前述
したＰＲＡの非線形光学定数ｄ３２が利用されている。

次に波長変換効率について説明する。半導体レーザ２１
としてＧａＡｓレーザおよびＩ　ｎＧａＡｓレーザを用
いた。発振波長は、７６０〜１１０００ｎの領域にある
ものを用い、基本波１５のパワーは２０ｍＷとして、そ
の場合の波長変換効率を調べた。その際の第２高調波波
長と波長変換効率との関係を、第６図の■に示す。なお
この第６図の■と■はそれぞれ、クラッド１２の材料を
ＳＦＩガラス、５Ｆ１５ガラスとして、その他の条件は
上記実施例の光波長変換素子ｌＯと同じとした２つの光
波長変換素子について、上記と同様にして第２高調波波
長と波長変換効率との関係を調べた結果を示すものであ
る。

図示される通り本例においては、基本波人力２０ｍＷに
対して、例えば■ならば第２高調波波長が４３５ｎｍ以
上で、■ならば同じ＜４４０ｎｍ以上で、１％以上の高
い波長変換効率が得られる。したがって、さらに高出力
のレーザを用いれば、ｍＷオーダーの実用的な青色レー
ザ光を得ることも十分可能である。

そしてこの第６図に明示されている通り、ＰＲＡの吸収
端波長４０２ｎｍよりも僅かに波長が長い程度の第２高
調波１５°は素子外に出射し得す、この吸収端波長より
も第２高調波波長が３０ｎｍ以上長ければ、ある程度高
い波長変換効率が実現される。したがって、このＰＲＡ
をコアとして用いて第２高調波を得る場合は、波長が（
４０２＋３０）　ｘ２＝８８４ｎｍ以上の基本波１５を
利用して波長変換を行なうこととする。

〈第２実施例〉 次に、コア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）−１，２，４−トリアゾール：以
下ＴＲＩと称する）を単結晶状態にして用いた実施例に
ついて説明する。

クラッドとして第１実施例と同様に５ＦＩＯガラス、Ｓ
Ｆ１ガラス、５Ｆ１５ガラスを用い、その中空部分に前
述と同様にして上記ＴＲＩの単結晶を成長させてコアを
形成した。なおこうしてコアを形成すると、ＴＲＩの結
晶配向状態は第７図図示のように、ｂ軸（光学軸はＸ軸
）がコア軸方向に延びる状態となる。

こうして作成した３つのファイバー型光波長変換素子■
（ＳＦＩＯガラス使用のもの）、■（ＳＦｌガラス使用
のもの）および■（ＳＦ１５ガラス使用のもの）は、コ
ア材料が異なる意思外は、それぞれ第１実施例の■、■
および■の光波長変換素子と同じ仕様である。これらの
光波長変換素子■、■、■も、第１図に示すようにして
使用される。

そしてこの場合も、半導体レーザ２１としてＧａＡｓレ
ーザおよびＩ　ｎＧａＡｓレーザを用いた。

発振波長は、７６０〜１０００ｎ　ｍの領域にあるもの
を用い、基本波１５のパワーは２０ｍＷとして、波長変
換効率を調べた。こうして基本波１５をｙ偏光状態で光
波長変換素子に入射させると、２偏光状態の第２高調波
１５゛が確認された。よってこの場合も、非線形光学定
数ｄ３□が利用されている。

この際の第２高調波波長と波長変換効率との関係を、第
８図に示す。図示される通りこの場合も、基本波人力２
０ｍＷに対して、例えば■、■ならば第２高調波波長が
４５５ｎｍ以上で、■ならば同じ＜４４０ｎｍ以上で、
１，５％以上の高い波長変換効率が得られる。

そしてこの例でも、ＴＲＩの吸収端波長３９０　ｎｍよ
りも第２高調波波長が３０ｎｍ以上長ければ、ある程度
高い波長変換効率が実現される。したがって、このＴＲ
Ｉをコアとして用いて第２高調波を得る場合は、波長が
（３９０＋３０）　Ｘ２＝８４０　ｎｍ以上の基本波１
５を利用して波長変換を行なうこととする。

〈比較例〉 第１実施例の３つの光波長変換素子とコア材料、コア径
、長さ等はすべて共通で、クラッド材料のみがそれぞれ
ＳＦ７ガラス、Ｆ７ガラスと異なる２つのファイバー型
光波長変換素子を作成した。

前者を■、後者を■として、それらの波長変換効率を第
１、第２実施例と同様にして測定した結果を第９図に示
す。なおこの場合は本発明方法と異なり、基本波１５を
２偏光状態で光波長変換素子に入射させる。そのとき、
第２高調波１５’が２偏光状態であることを確認した。

したがってこの場合は、非線形光学定数の対角項成分ｄ
３３が利用されている。

第９図から明らかな通り、この場合の波長変換効率は、
最大でも約０．００４％である。第１実施例の場合とこ
の場合の最大効率を比較すると、１００倍以上の開きが
有る。従来より、波長変換効率は非線形光学定数の２乗
に比例すると考えられているが、ＰＲＡの非線形光学定
数６３２、ｄ３３は先の表に示した通りであるから、上
記波長変換効率と非線形光学定数との関係がそのまま当
てはまるならば、第１実施例における波長変換効率は本
比較例の６倍程度にしかならないはずである。しかし実
際には、第１実施例の波長変換効率は前述の通りであり
、非線形光学定数の非対角項成分ｄ３２を利用したこと
により、何らかの理由で格別に高い波長変換効率が実現
したと考えられる。

なお以上説明した実施例は第２高調波を得るものである
が、本発明はその他、基本波を和周波や差周波に、さら
には第３高調波等に波長変換する場合にも適用可能であ
る。さらに本発明は、ファイバー型の光波長変換素子の
みならず、３次元光導波路型や２次元光導波路型の光波
長変換素子を利用する場合にも適用可能である。

また本発明は、先に述べたように波長５００ｎｍ近辺の
光に対して感度を有する、比較的新しい感光材料用の記
録光を発生させるために適用することも可能である。そ
の場合、−例として第２図の曲線すで示す分光感度特性
を有する感光材料に対しては、例えば基本波光源として
ＩｎＧａＡｓレーザを用い、そこから発せられた波長９
８０ｎｍのレーザ光を、本発明方法により波長４９０ｎ
ｍの第２高調波に波長変換して記録光とすればよい。

（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、非線形光学定数の非対角項成分が利用されるよう
にしたことにより、極めて高い波長変換効率を実現でき
る。また本方法においては上記のことと相まって、導波
部を構成する非線形光学材料の吸収端波長よりも３０ｎ
ｍ以上長い波長の波長変換波が得られるように基本波波
長を選択しているので、波長変換波の吸収を確実に防止
して、極めて高強度の青色レーザ光を得ることが可能と
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光波長変換モジュー
ルの一例を示す概略図、 第２図は、本発明に係る銀塩感光材料の分光感度特性を
示すグラフ、 第３図は、上記光波長変換モジュールの光波長変換素子
に用いられたＰＲＡのバルク結晶図、第４図は、上記光
波長変換素子におけるコア材料の結晶配向を示す概略図
、 第５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６図は、本発明の一実施例における第２高調波波長と
波長変換効率との関係を示すグラフ、第７図は、本発明
に用いられる別の光波長変換素子におけるコア材料の結
晶配向を示す概略図、第８図は、本発明の別の実施例に
おける第２高調波波長と波長変換効率との関係を示すグ
ラフ、第９図は、従来方法における第２高調波波長と波
長変換効率との関係を示すグラフである。 １０・・・光波長変換素子　　　１１・・・コア１ｒ　
・・・ＰＲＡ融液　　　　１２・・・クラッド（２゛　
・・・ガラスファイバー　１５・・・基本波１５°・・
・第２高調波　　　　２０・・・光源装置２１・・・半
導体レーザ　　　　２２・・・コリメートレンズ２３・
・・アナモルフィックプリズムベアー２５・・・λ／２
板　　　　　　２Ｂ、　２７・・・集光レンズ第 １ 図 第 図 第 図 第 図 ００ ４３０　　　　４５０ 追　長　（ｎｍ） ８０ ００ 第 図 第 図 第２高ｉＢ　ｉ；麦ｋ （ｎｍ） 第 図 第 図 第 図 第２２に〕で−６ｌ２３（ン１と欠 （ｎｍｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 クラッド部内に点群ｍｍ２の斜方晶系の単結晶有機非線
   形光学材料が導波部として配されてなるチェレンコフ放
   射型光波長変換素子に基本波を入射させて、波長が４３
   ０〜５００ｎｍの領域にある波長変換波を取り出す方法
   において、 基本波の波長を、前記有機非線形光学材料の吸収端波長
   よりも３０ｎｍ以上長波長の波長変換波が得られるよう
   に選択し、 前記結晶の光学軸ｘあるいは光学軸ｙ方向に直線偏光し
   た基本波を入射させて、光学軸ｚ方向に直線偏光した波
   長変換波を取り出すことを特徴とする光波長変換方法。