JPH041730A - 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．　
Ｎｏ、２．　　ｐ２８〜Ｂ２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。

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
明者等は先に、波長変換波を十分小さなスポットに絞り
込むことを可能にする光波長変換素子、および光波長変
換モジュールを提案した（特開平２−３５４２３号、同
２−３５４２４号公報参照）。

この光波長変換素子は、ファイバーチェレンコフ型の光
波長変換素子において、波長変換波が出射するクラッド
端面を、該波長変換波の波面を円錐波面から平面波面に
変換する円錐面状とし、あるいは球面波面に変換する非
球面レンズとしたり、さらには上述のクラッド端面に、
上記と同様の波長変換作用を果たす同心円グレーティン
グを形成したものである。

また上記の光波長変換モジュールは、ファイバーチェレ
ンコフ型の光波長変換素子と、この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が入射する位置に配
され、この波長変換波の波面を円錐波面から平面波面に
、あるいは球面波面に変換する光学素子とから構成され
たものである。

以上述べたような光学素子や、円錐面状のクラッド端面
、さらにはクラッド端面に形成された同心円グレーティ
ングの作・用により波長変換波の波面を平面波面に変換
できれば、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
。

また上記の光学素子や、非球面レンズ面とされたクラッ
ド端面、さらにはクラッド端面に形成された同心円グレ
ーティングの作用により波長変換波の波面を収束球面波
面に変換できれば、該波長変換波を小さなスポットに絞
ることができるし、また発散球面波面に変換しても、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。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述のような光波長変換素子や光波長変換モ
ジュールにおいて、波長変換波を光軸方向所定位置で良
好に絞り込む上でのファイバーの長さやコア径等の条件
の最適値は、位相整合角によって変わるものである。し
かし、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、素子温度か変化すると、それに応じてコア屈折
率およびクラッド屈折率が変化するので、位相整合角が
変化してしまう。

そうなると当然ながら、波長変換波を小さなスポットに
絞り込むことが不可能となったり、あるいはそのスポッ
トの収束位置が変動してしまう等の問題が生じる。

上述のような問題を解決するため、例えば本出願人によ
る特願昭６３−２８３３１７号明細書に示されるように
、光波長変換素子を温度調節することが考えられる。こ
の方法は上述の問題に対処する上で確かに有効であるが
、その半面、高価な温度調節手段を必要とし、また大き
なヒートシンクを要するために装置が大型化しやすい、
という問題も残している。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、温度調節を行なわなくても、第２高調波等の波長変換
波を所定位置で十分小さなスポットに絞り込むことを可
能にする、ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子
を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明による光
波長変換素子は、先に述べた通り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、コア材料とクラッド
材料として、互いの屈折率の温度係数の差が２０　Ｘ　
１０’　／　”０以下のものを用いたことを特徴とする
ものである。

コアとクラッドの屈折率の温度係数の差が上記の範囲に
収まっていると、波長変換波の波面収差はピーク・トウ
ー・ピーク値で、一般に光ビームを小さなスポットに良
好に絞る上での目安とされている０、２５λ（λは波長
変換波の波長）内に収まるようになる。

（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図は、本発明の一実施例による光波長変換素子ｌＯ
を備えた光波長変換モジュール５を示すものである。こ
の光波長変換モジュール５は、光波長変換素子ＩＯと、
この光波長変換素子ｌＯによって波長変換される基本波
１５を発するＹＡＧレーサー２０と、基本波入力用集光
レンズ２２と、波面変換用円錐レンズ２６と、フィルタ
ー１８と、集光レンズ２７とから構成されている。

上記の光波長変換素子１０は、クラッド１２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、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８２−２１０４３２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、ＤＭＮＰと称する）によっ
てコア１１を形成している。−力木実施例においてクラ
ッド１２は、ポリメチルメタクリレート（以下ＰＭＭＡ
と称する：例えば三菱レイヨン社製の商品名「アクリラ
イト」など）によって形成されている。

コア１１がＤＭＮＰ、　　クラッド１２がＰＭＭＡから
なる光波長変換素子１０には、第１図図示のようにして
基本波が入力される。すなわち、ＹＡＧレーザ−（発振
波長：　１０６４ｎ　ｍ）　２０から射出されたレーザ
ー光（基本波）１５は、集光レンズ２２で集光した上で
素子端面１０ａ（コア１１の端面）に照射される。それ
により、該レーザー光１５かコア１１内に入射する。

この基本波１５は、コア１１を構成しているＤＭＮＰに
より、波長が１／２すなわち５３２ｎｍの第２高調波１
５゛　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、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ｌ
ｌ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、光波長
変換素子■０側の面が円錐面とされた円錐レンズ２６に
通された後、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−膜内な球面レンズで
ある集光レンズ２７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、円錐レンズ２Ｂの作用について説明する。

本実施例においては第３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
θ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から直接素子外に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６１光波長変換素
子１０の長さをＬ（第３図参照）としたとき、クラッド
１２の直径りをＤ＞２Ｌ・ｊａｎθ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
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３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１２から出射した第２高調波１５
°を円錐レンズ２６に通すことにより、第２高調波１５
’　は平面波面を有するものとなる。したがって、該第
２高調波１５°を球面レンズである集光レンズ２７に通
すことにより、微小なスポットＰに絞ることが可能とな
る。なお円錐レンズ２Ｂの形状については、前述した特
開平２−３５４２３号、同２−３５４２４号公報に詳し
い記載がなされている。

次に、素子温度変化による位相整合角θの変化について
説明する。本実施例におけるコア材料とクラッド材料の
屈折率の温度係数は、下表の通りである。

また、本実施例における位相整合角θは４゜４″第２高
調波１５’　のクラッド端面１２ａからの出射角θ＾　
（第３図参照）は６．６＠である。

上記構成の光波長変換素子１０の温度を±１５℃変化さ
せると、コア１１およびクラッド１２の屈折率変化にと
もなう位相整合角θの変化により、出射角θ＾は±０．
００８°変化する。一方、光波長変換素子１０から出射
した第２高調波１５’　の円錐波面の収差Ａｂ、　　（
ピーク・トウー・ピーク値）は、出射角θ＾の変動量を
Δθ＾とすると、 Ａｂ、　　−ｓｉｎ　　（Δθ＾）／λとなる。第２高
調波の波長λに対するこの波面収差の比は、Ｄ＝１．Ｏ
ｍｍ、λ−５３２ｎｍ、ΔθＡ−０，００８＠とじて、 Ａｂ、ユ　０，１３ すなわち０，１３λとなる。この値は、前述したように
光ビームを小さなスポットに良好に絞る上での目安とさ
れている０、２５λの値と比べて約１７２と、十分小さ
くなっている。

上述した温度変化範囲±１５℃は例えば２０℃〜５０℃
であり、光波長変換素子１０が通常の使用に際して、そ
れよりも大きな温度変化を受けることはほとんど無い。

したがって、この光波長変換素子１０の実使用に当たり
、それを温度調節することは不要である。

上記の実施例においては、コア材料とクラッド材料の屈
折率の温度係数差は、ｌ０ＸＩＯ’″６／℃である。こ
の条件下で波面収差は、前述の通り０．２５λの約半分
となっているから、両材料の屈折率の温度係数差が上記
の２倍以下、すなわち２０Ｘ　１０’　／℃以下となっ
ていれば、第２高調波１５゛　を十分小さなスポットＰ
に絞れることになる。

また、コア材料を−たん溶融させた後、単結晶化させて
光波長変換素子を作成する場合は、上記のようなコア材
料とクラッド材料を用いることにより、コアの割れ等の
欠陥も防止可能となる。すなわち、溶融したコア材料を
冷却して単結晶化させる際には、コア材料とクラッド材
料の線膨張率の差により、コアに応力が作用して割れた
り、あるいはそのとき割れなくても残存応力により後に
コアが割れやすくなる、といった問題が認められている
。しかしここで、本発明におけるような有機結晶のコア
材料とプラスチックのクラッド材料とを使用すれば、必
然的にそれらの線膨張率の差も小さくなるので、上記の
問題が発生し難くなる。

〔比較例〕

クラッド材料として前記のＰＭＭＡの代わりに、従来か
ら行なわれているように光学ガラスを用いた場合につい
て考える。そのため、−例として５ｃｈｏｔｔ社製Ｔｉ
Ｋ１ガラスをクラッド材料として用い、その他はすべて
前記実施例の光波長変換素子１０と同様としたファイバ
ー型光波長変換素子を形成した。そしてこの光波長変換
素子に、これも前記実施例と同様にＹＡＧレーザーから
波長１１０６４ｎの基本波を入射させ、それを波長５３
２ｎｍの第２高調波に変換した。

なお、ヘリウムｄ線に対する屈折率ｎ６は、ＰＭＭＡの
１．４９２に対してＴｉＫ１ガラスは１．４７８８９、
またアツベ数ν、は、ＰＭＭＡの５６．０に対してＴｉ
Ｋ１ガラスは５８．７０と互いにかなり近いが、屈折率
の温度係数はＰＭＭＡか−１，ｌＸ１ｏ”’／”Ｃであ
るのに対してＴｉＫ１ガラスは−２，２Ｘ１０″ｆ＋／
℃と、大きく異なっている。

この場合の位相整合角θは３．６　’　、第２高調波の
クラッド端面からの出射角θＡは５．３　’　、そして
素子温度が±１５℃変化したときの出射角θＡの変動量
ΔθＡは±０．２　”である。したがってこの場合は、 一５ｉｎ　　（ΔθＡ）／λユ３．３ となり、第２高調波を十分小さなスポットに絞ることが
不可能となる。

なお本発明においては、前記実施例におけるもの以外の
コア材料、クラッド材料が用いられてもよいことは勿論
であり、どのような材料が用いられても、それらの屈折
率の温度係数の差が、２０×１０’／”Ｃ以下になって
いれば、前述した通りの効果が同様に得られる。

（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素子におい
ては、コア材料とクラッド材料の屈折率の温度係数を適
切に選択したことにより、位相整合角の温度依存性が小
さくなり、広い温度範囲に亘って、波長変換波を十分小
径のスポットに絞ることが可能となる。

また本発明の光波長変換素子は、温度調節不要にして上
述の効果が得られるものであるから、高価で大型な温度
調節手段が不要となり、小型化、低コスト化、そして省
エネルギー化も達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による光波長変換素子を示
す概略側面図、 第２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３図は、上記光波長変換素子を拡大して示す概略側面
図である。 １０・・・光波長変換素子　　　１１・・・コア１２・
・・クラッド　　　　　　２Ｂ・・・円錐レンズ第１図 第２図

Claims (2)

【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
   る光波長変換素子において、コア材料とクラッド材料の
   屈折率の温度係数の差が、２０×１０＾−＾６／℃以下
   であることを特徴とする光波長変換素子。
2. （２）前記コア材料が有機非線形光学材料であり、前記
   クラッド材料がプラスチックであることを特徴とする請
   求項１に記載の光波長変換素子。