JPH04109226A

JPH04109226A - 波長変換素子

Info

Publication number: JPH04109226A
Application number: JP22902390A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Furukawa; 保典古川; Masazumi Sato; 佐藤　正純; Kohei Ito; 康平伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-10

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、光記録等の分野において短波長の光源等とし
て用いられる波長変換素子の改良に関するものであり、
特に前記素子の出力特性が改善された波長変換素子に関
するものである。

〔従来の技術〕

非線形光学結晶を用いたレーザ波長可変素子の研究が近
年活発化している。非線形光学結晶の２次の非線形性に
基づ（Ｓ　ＨＧ　（Ｓｅｃｏｎｄ　ＨａｒｍｏｎｉｃＧ
ｅｎｅｒａｔ　１ｏｎ）はレーザの波長範囲を拡大する
ことができ各種応用分野への工業的価値はきわめて大き
い。

光情報処理、デイスプレィ、光計測の分野においては小
型軽量かつ長寿命な可視、紫外光が必要とされている。

特に光デイスク分野ではＳＨＧ素子は記録密度の向上の
ために必要不可欠のものと言われている。一方、半導体
プロセス、レーザ医療、加工、分析、レーザ該融合の分
野では強力な可視、紫外光源が必要とされている。こう
したレーザ技術が今後さらに発展するためには光学単結
晶の進歩とデバイス化技術の進歩が不可欠である。波長
可変用の非線形光学結晶も次々とＬｉＮｂ０．、Ｋ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ　、　Ｋ　Ｔ　ｒ　ＯＰ　Ｏ４，βＢａＢ２
Ｏ，などの結晶が開発、商品質化されている。

波長変換効率は、入射レーザパワー密度の二乗に比例す
るので■導波路またはファイバーに閉じ込めるか、また
は■共振器構造を用いるか、によりできるだけパワー密
度を上げることが高出力の高調波を得るために重要にな
る。

導波路を用いるＳＨＧ素子としてチェレンコフ放射方式
、モード分散型ＳＨＧ素子、擬位相整合方式ＳＨＧ素子
等が提案されている。また、共振器構造を用いるＳＨＧ
素子として、基本波に対して極めて高い共振器を形成し
、この中に非線形光学結晶を置き第二高調波を発生する
外部共振器型ＳＨＧ素子、または内部共振器型ＳＨＧ素
子が提案されている。これらの各種波長変換素子に於て
効率よく高調波を発生させるためには位相整合条件を満
たすことが必要である。位相整合とは基本波であるレー
ザ光の屈折率（または実効屈折率）と第２高調波の屈折
率（または実効屈折率）とを一致させることであるが、
物質の屈折率は波長、温度、電界、圧力、等の要因によ
って変化し特にＬｉＮｂＯ２、ＫＮｂ○３結晶ではこれ
らの要因に対して屈折率は敏感に変化するため位相整合
状態がずれ、これによって第２高調波の出力変動が起こ
りやすい。このような問題に対して、特開昭６３−７６
８５号、及び特開昭４９−１０２３６６号では以下のよ
うな出力の安定化手段を提案している。すなわち、第２
高調波出力を検出し、この値が一定あるいは最大となる
ように非線形光学結晶の位相整合手段に帰還する手段と
して温度あるいは電界印加することを提案している。こ
れらの特許に於いては温度や圧力などによる外部変動（
例えば室温の変化やレーザ吸収による内部発熱による結
晶の温度上昇）による位相整合条件を乱す要因に対して
安定な第２高調波を発生させるためのものである。

上述したような各種の非線形光学結晶を用いた、各種の
素子構造の波長可変素子が研究されているが、その中で
もＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ単結晶を用いたものが最も多い
。ニオブ酸リチウム単結晶は、高調波発生素子用の材料
として実用化されつつあるが、実用に際しては、光損傷
の発生を抑え変換効率を上げ、位相整合を安定にとり易
くすることを満足させることが要求される。ここで言う
光損傷には、正確には２つの意味があり、１つは非常に
強力なレーザ入射により結晶が誘電破壊する現象（レー
ザダメージと呼ぷ）、もう一つはレーザ光入射により結
晶の屈折率が局所的に変化する現象で光誘起屈折率変化
と呼ばれるものがある。一般には、後者の屈折率変化す
る現象を光損傷と呼び、これが光デバイスの実用上の大
きな問題となっている。

特に、波長可変素子へ適用しようとする際には、ニオブ
酸リチウム結晶では光損傷の発生が問題となる。すなわ
ち、長波長の１．３μｍあるいは１５５μｍなどの光源
を用いる光通信の分野においては、例えば光変調器等に
ニオブ酸リチウム結晶を用いた場合などでは、光源のエ
ネルギー強度がＬＯｍＷ程度以上でなければ光損傷の発
生は実用上の大きな問題とならない。一方、光記録等の
短波長の光を使用する場合には、光源のエネルギー強度
が０．１ｍＷ程度でも光損傷の発生が大きな問題になっ
ている。このため、種々の提案がなされているが、その
一つとして、マグネシウムを添加することにより光損傷
を低減する方法が報告されている（Ｄ　、　Ａ　、　Ｂ
ｒｙａｎ、　ｅｔ、　ａｌ、　、　ｒ　Ａｐｐｌ、　Ｐ
ｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｊｖｏｌ、　４４、Ｐ、８４７
．１９８４）　、この報告によれば、マグネシウムを添
加したニオブ酸リチウム結晶においては、マグネシウム
の添加量とともに耐光損傷強度が増加し、この強度は添
加マグネシウムが５原子％（以下、ａｔ％と記す）以上
で一定値となることが知られている。したがって、光損
傷が問題となるような光学素子にマグネシウム添加ニオ
ブ酸リチウム結晶を用いる場合には、マグネシウム添加
量を５ａｔ％（ＭｇＯとして添加する場合は５モル％）
以上にすることがこの分野において常識とされている。

しかしながら、本発明者らは、添加マグネシウム量が増
すにつれ、育成した結晶では粒界の発生や吸収端近くで
の光透過度の低下が生じ、光学用途としての有用性が損
なわれる点に着目し、さまざまな実験・検討を行った。

その結果、ＳＨＧ素子用のニオブ酸リチウム単結晶の場
合には、マグネシウムを添加することにより耐光損傷強
度を高めることが期待できる一方、従来の常識とは異な
り、マグネシウムを添加しすぎても必ずしも良好な特性
のＳＨＧ素子を得ることが出来ないことを知見した。さ
らに、マグネシウムの添加量を微量添加から５ａｔ％を
越える量まで種々変えたニオブ酸リチウム単結晶を育成
し、これら結晶のＳＨＧ特性を調べ　ＳＨＧ用途に最適
のニオブ酸リチウム単結晶を発明し、特願平１−０８４
９６３号として提案した。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来のＬｉＮｂＯ３単結晶に比べて約１００倍
以上光損傷特性の優れたマグ不ンウム添加Ｌ　ｉＮ　ｂ
　Ｏｓを各種波長変換素子に適用して実用化の研究を行
った結果、素子構造によっであるいは数ｍＷ以上の第２
高調波を発生させた場合には光損傷が発生し、これによ
ってレーザ照射ａの屈折率が変わるので位相整合条件が
ずれてしまい、第２高調波出力が減少することを見いだ
した。本発明者らは光損傷が発生する閾値を実験により
求めるとともに、光損傷が発生することにより位相整合
条件がずれて第２高調波出力が減少する現象と、先述し
た従来特許に述べられている室温の変化やレーザ照射に
よる結晶温度上昇などによる位相整合条件のずれによる
第２高調波出力の減少する現象とは異なること。そして
光損傷に対して適切な制御を施すことにより、たとえ光
損傷が発生しても波長変換素子として使用できる事を見
いだした。そこで、本発明は上記のような問題を招く事
なく第２高調波の出力を一定に保つことの出来る波長変
換素子を提供することを目的とするものである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕本発明は、バルク型波長変換素子に於いては温度、角度
もしくは電界印加により位相整合を満足させ、導波路型
波長変換素子に於いてはモード分散方式、擬似相整合方
式、あるいはチェレンコフ放射方式により位相整合条件
を満足させて第二高調波を発生させる波長変換素子に於
いて、第２高調波の出力が１ｍＷ以上出射した場合、光
損傷による屈折率変化にともない最適となる位相整合条
件が初期設定条件からずれるが、第２高調波の出力を検
出し、これが一定となるように非線形光学結晶に電圧印
加または温度制御することによって、位相整合条件が最
適となりその結果たとえ光損傷が発生しても、その出力
強度や素子構造に依存する事なく安定した第２高調波出
力が取れるようになるものである。

〔実施例〕

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

試料を次の作製法により作成した。まずチョクラルスキ
法により、各種ＬｉＮｂ○、単結晶を育成した。直径１
００ｍｍ深さ１５０ｍｍの白金坩堝に原料粉をいれ高周
波加熱によりこれを溶かし、融液を作り、その後シード
付けを行い、所定の方位に約３日間で、２インチの単結
晶を育成した。この時の育成速度は１〜４ｍｍ／ｈ、回
転速度は８〜３０ｒｐｍである。上記方法により育成し
た結晶は無添加高純度光学グレード結晶、鉄不純物を３
．５ｐｐｍ含有するＳＡＷグレード結晶、マグネシウム
を１モル％添加結晶、マグネシウム３モル％添加結晶、
マグネソウム５モル％添加結晶の５種類である。それぞ
れの結晶から各種がｘ、ｙ、およびＺに平行な１０　Ｘ
　１０　Ｘ　１．Ｏｍｍ’、の正方形ブロックを切り出
し、その各面を鏡面研磨した。あるいはそれぞれの結晶
から２インチのウェハを作成した。

上記ブロック状試料（光学グレード）のｙ面及びＸ面に
各種波長のレーザ光を入射し、光損傷の発生するレーザ
光強度の閾値を求めた。この結果を第１図に示す。第１
図に示されたように光損傷の発生する閾値は入射する波
長が短くなるほど低くなることがわかる。このことは、
Ｌ　＋　Ｎｂ　Ｏｓ単結晶を基板として用いる種々の光
素子に於て、波長が０５３〜０．４μｍの短波長の第２
高調波を発生させる波長変換素子への応用が、光損傷の
点から考えると最も過酷な条件で使用すると言うことに
なる。しかし、この問題に対して先述したようにＬ　ｉ
Ｎ　ｂ　Ｏ３単結晶にマグネシウムを添加することによ
って、この光損傷閾値を向上させることが出来る。本発
明者らは光学的に良質なマグネシウム添加ＬｉＮｂ○、
単結晶の育成に、成功しこれら単結晶の光損傷特性を求
めた。その結果を第２図に示す。マグネシウム添加は耐
光損傷の特性向上に有効でありその光損傷閾値は第１図
に示した無添加のものと比へると１００倍以上も向上し
ている良好な結果が得られた。そこで、本発明者らはこ
の結晶を基板として用い使用波長０．８５μｍの光変調
器を作成しその光損傷特性を評価したところ、光損傷は
発生せずにその動作は安定であることが確認された。つ
ぎに、波長変換素子への適用性について検討を行い、誘
電破壊によるレーサ損傷特性、ＳＨＧ特性（位相整合角
度、位相整合温度、第２高調波変換効率）を調へた（古
用他５゜レーザ学会、レーザ学会研究報告ＲＴＭ−９０
１９（１，９９０）　）　。その結果、波長１．０６４
　μｍのパルスＹＡＧレーザを基本光として用い、入射
光強度５６　Ｍ　Ｗ　／　ｃ　ｍ　’て変換効率４２％
と非常に高出力の第２高調波が得られ、この時の出力は
安定しており光損傷は発生しないことを確認した。この
ように、パルスレーザの波長変換素子へ応用する場合に
は、非常に高出力のパルスレーザの波長変換素子として
十分使えることがわかった。次にＣＷレレーの１！変換
素子についての適用性について検討を行ったところ、光
損傷特性が改善されたマグネシウムを添加したＬｉＮｂ
○３単結晶を用いても使用するレーザ強度が大きい場合
や、素子構造によっては数ｍＷ程度の第２高調波の８力
で光損傷が発生し実用上の問題があることがわかった。

第３図から第６図を用いてこの光損傷の発生の様子を説
明する。

第３図は内部共振器型バルク波長変換素子での実験を行
った測定系を示したものである。

波長０．８０９μｍの半導体レーザで励起した１、０６
μｍのＹＡＧレーザ光を基本波として用い、これをミラ
ー内に閉じ込めパワー密度を上げ、この光路内に非線形
光学結晶であるマグ不ンウム添加ＬｉＮｂ０．単結晶を
挿入した。この時半導体レーザはベルチェ素子上に設置
し、波長を一定に保つためにその温度は２０°Ｃに制御
した。ここで用いた結晶のノンクリティカル位相整合温
度は２２５℃であるのでベルチェ素子上に結晶を設置し
、結晶の温度を制御した。温度により位相整合条件が満
足させると第４図に示したように第二高調波が発生でき
た。図に示されたように第２高調波が発生可能な温度範
囲は、非常に狭く、その出力がピーク値から半分になる
温度幅を位相整合温度諷度と呼んでいるが、この結晶の
場合（結晶の長さは５　ｍｍ）は、１．４４°Ｃであっ
た。実際の素子の使用にあたっては、第２高調波の出力
の変動を数％以下に抑えたい場合が多（、このような場
合には結晶の温度を位相整合温度に対して十０１Ｃ以内
に制御することが必要であることがわかる。この実施例
に於てレーザダイオード励起パワー３００ｍＷに対し高
調波０．４ｍＷが得られ、この出力を数時間にわたって
検出した時の様子を第５図に示す。第５図には第２高調
波の出力と室温（実施時の部屋の温度）を示しである。

室温を位相整合温度である２２．５℃に設定し、結晶の
温度制御器であるベルチェ素子の動作を停止して第２高
調波の出力を測定した。室温が変化するとその影響を受
けて結晶の温度も変わり、このため結晶の屈折率が変化
し位相整合条件からずれるため第４図の出力曲線に沿っ
て出力が変化した。すなわち第４図に於て結晶の温度が
最適条件の０点から低温側の点しに対応する温度まで下
がると、その時の出力は、点Ａから点Ｂに沿って減少し
た。また、これとは逆に、結晶の温度が点○から点Ｈま
で上がると、出力は点Ａから点Ｃに沿って減少した。次
に、結晶の温度制御器であるベルチェ素子を動作させて
結晶の温度を２２．５°Ｃに保ちその時の第２高調波の
出力の時間依存性を観察したところ、室温はおよそ数１
０分程度の周期を持ち、ゆっくり変化したのでベルチェ
素子により結晶温度を制御することは容易であり、従っ
て第２高調波出力は数十時間にわたって、一定に保つこ
とが出来た。

つぎに、内部共振をより最適化し、レーザタイオード励
起パワーを変えて、より高出力の第２高調波発生を行っ
た結果を第６図に示す。本実験に用いた結晶の光損傷発
生閾値を越えた光強度で使用すると光損傷が発生し、結
晶の温度を２２５°Ｃに一定に保っているにもかかわら
ずその出力は、急激に減少した。最も変化の大きなもの
では、第２高調波出力は最初の最適状態の値の約２０％
にまで減少した。この出力の変化には共通の傾向があり
、時間の経過とともに出力は急激に減少するが約１５分
から３０分程度でほぼ一定値に飽托した。この、出力の
変化は、外部環境の変化による結晶温度の変化によるも
のとは、明らかに傾向か異なる事がわかる。ここて用い
た結晶はマグネ／ラム添加により光損傷特性を約１００
倍数に改善したものであり、高出力のＳＨＧ素子用途に
用いる場合には、さらに光損傷特性に対する結晶品質の
改善か必要であることがわかった。本発明者らは、出力
の変化は第４図を用いて説明した先述の場合（ＳＨＧ曲
線上を温度変化により動く）とは異なり、第７図に示し
たようにＳＨＧ曲線そのものか光損傷が発生した結果と
して高温度側にソフトすることを見いだした。従って、
この光損傷は、レーザ強度から考えて誘電破壊による不
可逆的なものではなく、レーザ照射部の微小な屈折率変
化であるので、光損傷が発生しても、結晶の温度を変え
るかあるいは電界を印加して屈折率を変えることにより
、再度、最適な位相整合条件を満足できるのではないか
と考え、これを検証する実験を行った。

第８図に実施による結果を示す。第８図に於て、第２高
調波は第６図で見られた結果と同様に時間の経過ととも
にその出力は減少し、約２２分間で初期値の３０％にま
で低下した。この間結晶の温度は位相整合温度である２
２．５°Ｃにセクトし、一定に保持した。その後、結晶
の温度を変えて高調波出力の変化の様子を観察した。こ
の場合、結晶温度を約１°Ｃ上昇させて２３５°Ｃに制
御したところ出力は初めの値にまで回復させることが出
来た。約２時間経過したところ出力が再度１０％程度低
下したので、温度を２４．１°Ｃに上昇させると再び出
力は回復し、出力はその後３時間経過しても変化はみら
れなかった。

同品質の結晶について、実験を行った結果、光損傷によ
る出力の低下を回復させるための温度制御は、常に結晶
の温度を上昇させる方向であることがわかった。これは
、外部要因による温度変化に対して出力の回復を図るた
めに、結晶の温度を上昇または下降させなければならな
いこととは、制御の仕方も本質的に異なることであり、
これが、光損傷による出力変化で最も特徴的なことであ
る。

以上の基本的な実験結果を踏まえ、第９図に本発明の波
長変換素子の構成図を示す。非線形光学結晶１が結晶温
度制御用ベルチェ素子２に設置され、半導体レーザ３で
励起される個体レーザ４の出射光はミラー５とレーザの
１端に形成されたミラー６により共振器内に発生する。

第２高調波出力の一部が分岐部７により分岐され、受光
素子８て電気信号に変換され、信号処理部９で高調波出
力の低下を検出した場合には温度制御器１０をへて非線
形光学結晶１に帰還される。この方法により、安定した
高調波出力を得ることが出来る。ここでは結晶の屈折率
を変える手段として温度制御を併用したが、ＬｉＮｂ○
、単結晶は電気光学定数も大きいので電界印加により屈
折率を制御する方法によって出力の安定化を図ることも
可能である。

以上の様な実験から、第２高調波の出力変動の原因には
、外部環境の変化に起因するものと光損傷に起因するも
のと２つあり、その原因により出力変動の様子は異なる
こと、さらに、マグネシウム添加により光損傷に対して
強くできる事、光損傷の発生するレーザ光強度に閾値が
あることを述べた。さらに、この光損傷が発生しても対
策が可能であることを示した。

同様な実験を他の種類の、Ｌ　＋　Ｎ　ｂ　Ｏｓ単結晶
に対して行った。マグネシウムの添加量によって位相整
合温度は異なるので、それぞれの結晶の位相整合温度に
応じて結晶の温度を制御し、第２高調波を発生させた。

光損傷の発生する第２高調波の出力レベルは結晶により
異なり、例えば用いたＳＡＷグレード結晶では０．２μ
Ｗ程度の出力で光損傷が発生した。５モル％添加した結
晶では１３ｍＷで損傷が発生した。これらの光損傷の発
生による第２高調波出力の変化の様子は、第６図に示し
た実施例と同様の傾向を示し、その出力は第２高調波発
生開始から１０分から３０分の間に初期設定値の約５％
〜８０％へと変化する結果が得られた。尚、この時の、
光損傷の発生するパワーは代表例であり、絶対的なもの
ではない。この値は結晶品質の善し悪しによっても異な
るものである。しかしながら、いずれの結晶を用いた場
合においても、たとえ光損傷が発生しても先述した方法
で結晶の温度を制御してやることにより出力が安定に保
つことが出来た。本実施例に於いて最も共振器状態が最
適化できた条件に於いては出力５ｍＷで一定に保つこと
が出来、この値は各種のレーザ用途に実用化できるレベ
ルである。

〔発明の効果〕以上述べたように、本発明によれば、安定して高い変換
効率を実現するとともに実用上問題のない程度の第２高
調波出力安定性を有するニオブ酸リチウム単結晶を用い
たレーザ装置が提供できる。本発明による素子の応用範
囲は、レーザプリンタ用光源、光ピック・アップ光源、
光情報処理器等広い分野で考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はレーザ波長と光損傷が発生するパワー
との関係を示した図、第３図は内部共振器型ＳＨＧ素子
の実験系を示した図、第４図は温度位相整合法による第
２高調波出力特性を示した図、第５図は第２高調波出力
の時間安定性を示した図、第６図は第２高調波出力が光
損傷により変化する様子を示した図、第７図は温度位相
整合条件が光損傷により高温側ヘシフトした様子を示し
た図、第８図は光損傷による第２高調波の出力の変化を
回復できる様子を示した図、第９図は本発明による波長
変換素子の構成図である。１・・・非線形光学結晶、２・・温度制御素子（ベルチ
ェ素子）、３・・・半導体レーザ、４・・個体レーザ、
５・　ミラー　６・・・ミラー膜、７・・・分岐素子、
８・・・受光素子、９・・・信号処理部、１０・・温度
制御Ｂ、１１・　レンズ、１２・・・フィルタ。入射レーザー光波長パμｍ）第１図光波長（７，＋ｍ）結晶温度（０Ｃ）１非侃形光学結晶３半導体レーザ４個体レーザロッ５　ミラ− ト“ ６ミラ８受光素子１３レンズ１４フイルタ第第２高調波発生時間（分）第第図第２高ｖ！４波発生時間（ｈ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光
を入力し該レーザ光の半分の波長の高調波の出力光を発
生する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の温度を変化させる温度変化手
段とから構成され、前記出力光の強度を検出しその強度
が極大になる様に前記温度変化手段の温度を制御するこ
とを特徴とする波長変換素子。
（２）レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光
を入力し該レーザ光の半分の波長の高調波の出力光を発
生する非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の印加電圧を変化させる電圧変
化手段と構成され、前記出力光の強度を検出しその強度
が極大になる様に前記電圧変化手段を制御することを特
徴とする波長変換素子。
（３）非線形光学結晶がニオブ酸リチウムまたはニオブ
酸カリウムであることを特徴とする請求項１又は２に記
載の波長変換素子。
（４）第２高調波の出力が１ｍＷ以上で、非線形光学結
晶の光損傷の発生により該第２高調波の出力の発生開始
から１０〜３０分で、高調波出力が最大値から５〜８０
％変化するのを制御することを特徴とする請求項１ない
し３のいづれかの項に記載の波長変換素子。
（５）前記温度変化手段の温度を上昇方向に制御するこ
とを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。