JPH03206431A - 光波長変換装置 - 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、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と、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
光学素子とからなる光波長変換装置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
クラツ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８） 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
むことができる光波長変換装置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、 本発明の第１の光波長変換装置は、このファイバーチェ
レンコフ型の光波長変換素子に加えてさらに、 該素子のコア中心と中心軸を揃えて配され、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を中心軸側
に反射させる円錐面状の第１反射面と、この第１反射面
で反射した波長変換波を光波長変換素子から遠去かる方
向に反射させる円錐面状の第２反射面とを有し、． 波長変換波の波面を円錐波面から平面波面に変換する反
射型光学素子を設けたことを特徴とするものである。

また本発明の第２の光波長変換装置は、上記の反射型光
学素子に代えて、 上記コアの中心と中心軸を揃えて配され、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を中心軸側に
反射させる略円錐面状の第１反射面と、この第１反射面
で反射した波長変換波を光波長変換素子から遠去かる方
向に反射させる略円錐面状の第２反射面とを有し、 これらの反射面の少なくとも１つが曲率奈有する形状と
されて、 波長変換波の波面を円錐波面から球面波面に変換する反
射型光学素子を設けたことを特徴とするものである。

なお上記第１あるいは第２の光波長変換装置においてよ
り好ましくは、波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ
、Ｄとし、前記クラッド端面からの波長変換波出射角を
θＡとしたとき、が、ｓｉｎ−１（λ／２Ｄ）よりも小
さい値をとるように、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る。

上記反射型光学素子の作用により、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。

（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図は、本発明の第１実施例による光波長変換装置を
示すものである。この装置は光波長変換素子１０と、そ
こから出射した波長変換波の波面を円錐波面から平面波
面に変換する反射型光学素子２０とから構成されている
。上記の光波長変換素子ＩＯは、クラッドｌ２の中心の
中空部分内に、非線形光学材料からなるコアＩＩ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−ニトロフエニル）ピラゾール（以下、ＰＲＡと
称する）によってコア１ｌを形成している。一方クラッ
ド１２は、ＬａＫｌＯガラスから形成されている。

この光波長変換素子１０を作成する際には、まずクラッ
ドｌ２となるＬａＫ１０ガラスの中空ファイバが用意さ
れる。このガラスファイバーは一例として、外径が３ｍ
ｍで、中空部の径が０．８μ・ｍ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１０を得る。なお以上のようにして光波長変換素
子１０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。

上記光波長変換索子ｌＯは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　ｎｍ）　１Ｂが光波長変換素子１
０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１０内を端市側に進行する。

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）。

波長λ−４３５ｎｍの第２高調波１５’　は、前記クラ
ッド端面１２ａから出射し、反射型光学素子２０に入射
する。上記構成の光波長変換素子１０においては、第２
高調波１５’　の出射角θＡ−１５．７９８３°であり
、またその波長依存性、つまり第２高調波１５′の波長
λがｌｎｍ変化したときの出射角変化は、となっている
。なお角度の符号は、光軸から離れる方向（発散円錐波
面となる方向）を正、逆を負とする（第１図参照）。

反射型光学素子２０は、その中心軸Ｊを光波長変換素子
ＩＯのコア１ｌの中心と揃えて配置されており、上記第
２高調波１５゛が人射する入射面Ｔ１と、そこから入射
した第２高調波１５゜を中心軸Ｊ側に反射させる第１反
射而Ｍ１と、そこで反射した第２高調波１５’　を光波
長変換素子ＩＯから遠去かる方向に反射させる第２反射
面Ｍ２と、この反射した第２高調波１５゜が出射する出
射面Ｔ２とを有する。

上記入射面Ｔ１、第１反射面Ｍ１および第２・反射面Ｍ
２は、中心軸Ｊを中心とする円錐面状とされている。ま
た入射面Ｔ１および出射面Ｔ２は、該素子２０の屈折率
の波長依存性の影響を受けないように、第２高調波１５
゜が垂直人射する形状とされている。すなわち入射面Ｔ
１の中心軸Ｊに対する角度φ−７４．２０°　（＝９０
−１５．７９８３）であり、一方出射面Ｔ２は中心軸Ｊ
に対して垂直とされている。

また第１反射面Ｍ１および第２反射面Ｍ２には、反射コ
ートが施されている。

なおコア１１の端面１１ａからは、コア１１内を導波し
た基本波ｌ５が出射する。この第２高調波１５゜と基本
波ｌ５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、一
般的な球面レンズである集光レンズ１９に通され、微小
なスポットＰに絞られる。なお第１図ではこの第２高調
波ｌ５゜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、反射型光学素子２０の作用について説明する。本
実施例においては第２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
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ｌ２の長さ
をＬとしたとき、クラッド１２の直径ＤＣを ＤＣ〉２Ｌ●ｔａｎθｏ十ｄ に設定すればよい。このようになっていると、クラッド
ｌ２中を進行するすべての第２高調波ｌ５゜の波面は、
コア軸を含む１つの平面内においては第２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
。

ここで第１反射面Ｍ１および第２反射面Ｍ２の中心軸Ｊ
に対する角度θＭ１、θＭ２を後述のように設定してお
くことにより、第２高調波１５″の円錐波面が平面波面
に変換される。したがって、この第２高調波１５゜を前
記のように一般的な球面、レンズである集光レンズ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。

以下、上記のような波面変換を果たすための第１反射面
Ｍ１および第２反射面Ｍ２の傾斜角θ２．、θＭ２につ
いて、第３図を参照して説明する。説明容易化のため、
反射型光学素子２０の中心軸Ｊを含むｚ−ｙ断面につい
てのみ考える。

図示のように第２高調波１５’　について、クラッド端
面１２ａからの出射方向、第１反射面Ｍ１からの出射方
向、第２反射面Ｍ２からの出射方向、第１反射面Ｍ１の
法線方向、第２反射面Ｍ２の法線方向の各波数ベクトル
肘。、Ｉｋ１、ｌｋ２、１ｋＭ１、ｌｋＭ２を考える。

波数ベクトルＩｋｏの２方向の成分をｋ。．、ｙ方向の
成分をｋ。Ｆと表わし、他の波数ベクトルＩｋ，　、Ｉ
ｋ２、ｌｋＭ，、ＩｋＭ２についても同様とすると、 ｋｏよ■ｅＯｓ　θＡ ｋｏ，−ｓｉｎ　θＡ であり、波数ベクトルｌｋＭ＋に関しては、ｋＭｌｔ　
　−　　ｓ１ｎ　　θＭｌ ｋＭ，，　　一−ｃｏｓ　　θＭ１ そして、波数ベクトルＩｋＭ２に関しては、ｋＭ２ｉ−
ＳｌｎθＭ２ ｋＭ２ｙ−ｃｏｓθＭ２ となる。なお、各ベクトルの大きさは１に規格化してあ
る。

ある反射面に光が入射するとき、入射方向、出射方向お
よび反射面の法線方向の波数ベクトルをそれぞれ止、肚
゜およびＩｋＭとすると、反射の法則により、 １ｋ’　　−−２　（ｌｋ・ＩｋＭ）　ＩｋＭ＋　ｌｋ
これにより、第１反射面Ｍ１での反射に関しては、Ｉｋ
＋　−−２　（ｌｋｏ　　・ｌｋＭ＋）　ｌｋＭ＋＋ｌ
ｋｏ　　であり、ｌｋ。ｉｋＭ，　−−ｃｏｓθＡｓｉ
ｎθＭ１一ｓｉｎθＡ　ｃｏｓθＭ１ −　−ｓｉｎ　　（θＡ＋θＭｌ） ？なる。

一方第２反射面Ｍ２での反射に関しては、ｌｋ２　＝−
２　（Ｉｋ，　　ｅ　Ｉｋｙ２）　ｌ｝ｃＭ■＋Ｉｋ．
であり、 １ｋ，　　●ＩｋＭ２ ＝−２ｓ］ｎ（θＡ＋θＭｌ）　　ｓｉｎθＭｌ　ｓｉ
ｎθ２■＋　ｅＯｓθＡ　　ｓｉｎθＭ２ −２ｓｌｎ（θＡ十θＭｌ）　　ｃｏｓθｌｒＨ　ＣＯ
ＳθｌｌＩ２＋ｓｔｎθＡ　ＣＯＳθＭ２ −−２ｓｉｎ（θＡ＋θｕ＋）ｃｏｓ（θ２、一θ２■
）＋ｓｉｎ（θＡ十θＭ２） ミＡとすると、 となる。

となるような傾斜角θ１４１、 ？８■を選べば、第２高 調波ｌ５゜の円錐波面を平面波面に変換することが可能
となる。

上記の点に鑑み本実施例では、 θＭ＋−３７．１００８５° θＭ２刺４５° と設定してある。

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。第４図に示すように、反射型光
学素子２０を通過後の第２高調波１５゜の有効径をＤ１
波面の角度ズレ量をΔθ、波面収差のｐ−ｐ値（ピーク
・トゥー・ピーク値）をεとすると、 ε＝　　（Ｄ／２）　　ｌｓｔｎ　　Δθである。一般
に上記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、 １　Δθ １＜ｓｉｎ−’ （λ／２Ｄ） ・・・・・・（１） となる。

ここで、基本波Ｉ５を発する半導体レーザー１６の縦モ
ード間隔は小さいものでも２ｎｍ程度ある。

したがって、該半導体レーザー１６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−１　（ｎｍ）とすると、（１）式より
、となる。つまりこの（２式が満足されれば、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
１６を使用し、第２高調波１５゜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装置は、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。

以下、本実施例において上記（２）式の関係が満足され
ているか否か検討する。本実施例においては前述した通
り、 ？ある。またλ−４３５ｎｍであり、第２高調波１５゜
の有効径Ｄ＝Ｄ■　−３ｍｍと近似すると、ｓｉｎ−１
（λ／２Ｄ） ＝ｓｉｎ　−”　　（４３５　／　３　Ｘ　１０’　）
−０．００８３　　　　　　　であり、０．００３０＜
　０．００８３ となっているから、前記（２）式が満足されている。

具体的に波面収差のｐ−ｐ値εは、 ２ −７８．Ｂｎｍ となっている。これをλ−４３５ｎｍと比較すると、ε
−０，ｌ８λであり、この値は前記λ／４−０．２５λ
の値よりも当然小さい。

次に、第５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図において、前記第１および２図
中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについ
ての詳しい説明は省略する。

この第２実施例において用いられている光波長変換素子
■０は、第１実施例におけるものと同じである。一方反
射型光学素子４０は第６図に詳しく示すように、入射面
Ｔ１と出射面Ｔ２、それに第１反射面Ｍ１″および第２
反射面Ｍ２’　を有する。

入射面Ｔ１と第１反射面Ｍ１゜は、円錐面状とされてい
る。第２反射面Ｍ２゜は略円錐面状であるが、断面が円
弧状（正円の一部）とされている。

つまり第６図において、ＡＢは点Ｇを中心とする円弧で
ある。この第２反射面Ｍ２゜による集光位置Ｆは中心軸
Ｊ上にあり、 ｚＡ’　ＡＧ−ＺＧＡＦ　　　　とされている。

上記のような反射型光学素子４０を通すことにより第２
高調波１５′　の円錐波面は、第６図に矢印Ｒで示すよ
うに、収束球面波面に変換される。したがってこの場合
も、反射型光学素子４０から出射した後の第２高調波１
５′　を球面レンズである集光レンズ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
。

なおこの実施例においては、第１反射面Ｍｌ’が円錐面
状とされ、第２反射面Ｍ２゜が曲率が与えられた略円錐
面状とされているが、それとは反対に第１反射面Ｍｌ’
　を曲率を有する面とする一方、第２反射面Ｍ２’　を
円錐面としてもよいし、双方とも曲率を有する略円錐面
状としてもよい。

また曲率が与えられる反射面は、断面円弧状の面に限ら
ず、その他楕円の一部、放物線、双曲線等の断面形状を
有する面が採用されてもよい。

ところで第６図において、ＡＧ；２ＡＦであるが、ｌＧ
ＡＦ　（むしろＺＧＢＦ）が大きくなるにつれてコマ収
差が増大し、ＡＦはボケでくる。このような問題を防止
するためには、第２反射面Ｍ２゜　として、円弧や放物
線等の断面形状を有するものではなく、より高次の補正
を施した非球面形状を採用するのが好ましい。

以上、基本波を第２高調波に変換する実膳例について説
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装置や、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装置に対しても適
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、光波長変換素子のクラッド材
料とコア径の選択により、波長変換波の波面収差を極め
て小さく抑えることができるから、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、本発明の第１実施例による光波長変換装置を
示す側面図、 第２図は、上記第１実施例装置の光波長変換素子を示す
拡大側面図、 第３図は、上記第１実施例装置の反射型光学素子の形状
を説明する説明図、 第４図は、波面収差を説明する説明図、第５図は、本発
明の第２実施例による光波長変換装置を示す側面図、 第６図は、上記第２実施例装置の反射型光学素子の形状
を説明する説明図である。 ＩＯ・・・光波長変換素子　　１１・・・コアｌ２・・
・クラッド　　　　　１５・・・基本波１５′・・・第
２高調波　　　２０、４０・・・反射型光学素子Ｍ１、
Ｍｌ’　・・・第１反射面 Ｍ２、Ｍ２’　・・・第２反射面 第 ｌ 図 ２０ 第 ３ 図 第 ４ 図 第 ５ 図 ４０

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
   る光波長変換素子と、 前記コアと中心軸を揃えて配され、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を中心軸側に反射さ
   せる円錐面状の第１反射面、およびこの第１反射面で反
   射した波長変換波を光波長変換素子から遠去かる方向に
   反射させる円錐面状の第２反射面を有し、この波長変換
   波の波面を円錐波面から平面波面に変換する反射型光学
   素子とからなる光波長変換装置。
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
   る光波長変換素子と、 前記コアと中心軸を揃えて配され、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を中心軸側に反射さ
   せる略円錐面状の第１反射面、およびこの第１反射面で
   反射した波長変換波を光波長変換素子から遠去かる方向
   に反射させる略円錐面状の第２反射面を有し、これらの
   反射面の少なくとも１つが曲率を有する形状とされて、
   前記波長変換波の波面を円錐波面から球面波面に変換す
   る反射型光学素子とからなる光波長変換装置。
3. （３）前記波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ、Ｄ
   とし、前記クラッド端面からの波長変換波出射角をθ＿
   Ａとしたとき、 この出射角θ＿Ａの波長依存性の絶対値｜∂θ＿Ａ／∂
   λ｜が、ｓｉｎ＾−＾１（λ／２Ｄ）よりも小さい値を
   とるように、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請求項１また
   は２記載の光波長変換装置。