JPH0440431A - 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） 本発明は有機非線形光学材料を用いた光波長変換素子、
特に詳細には、この有機非線形光学材料の昇華や変成を
防止できるようにし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。

また、いわゆるファイバー型の光波長変換素子も提案さ
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Ｖ
ＯＬ、　　３．　Ｎｏ、２．　　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
子は、基本波と波長変換波との間の位相整合をとること
も容易であるので、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。

また、例えば本出願人による特開昭６３−１５２３３号
、同６Ｂ−１５２３４号公報に示されるように、クラッ
ド部となる２枚の基板の間に非線形光学材料からなる２
次元光導波路を形成した２次元光導波路型の光波長変換
素子も知られている。

さらには、ガラス基板内に非線形光学材料からなる３次
元光導波路が埋め込まれてなり、ガラス基板中に波長変
換波を出射する３次元光導波路型の光波長変換素子も知
られている。これらの光導波路型光波長変換素子も、上
述のような特長を有している。

また、特願昭６３−７２７５２号明細書において、和周
波および差周波も同様に、ファイバー型波長変換素子に
よって発生することが詳細に記されている。導波路型光
波長変換素子における和差周波発生についても特願昭６
３−７２７５３号明細書において詳細に記されている。

さらに３次の非線形性を利用した第３高調波発生も十分
に可能である。

なお以上列挙したファイバー型、光導波路型の光波長変
換素子は、主に導波部が非線形光学材料から形成された
ものであるが、クラッド部のみを、あるいは導波部とク
ラッド部の双方を非線形光学材料から形成してもよい。

すなわち導波部を進行する導波光の一部はエバネッセン
ト波としてクラッド部に浸み出すので、クラッド部が非
線形光学材料から形成されていれば、このエバネツセン
ト波が波長変換されうる。

ところで、近時、これらバルク結晶型、ファイバー型、
光導波路型の光波長変換素子において、非線形光学材料
として単結晶の有機非線形光学材料を用いる提案が種々
なされている。この有機非線形光学材料は、無機材料に
比べて非線形光学定数が極めて大きいので、この有機非
線形光学材料を用いれば高い波長変換効率を得ることが
可能となる。

この有機非線形光学材料としては、例えば特開昭６０−
２５０３３４号公報および“Ｎｏｎ１ｉｎｅｒＯｐｔｌ
ｅａｌ　　Ｐ　ｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　　Ｏｒｇａ
ｎｉｃ　ａｎｄ　　Ｐ　ｏｆｙｍｅｒｉｃ　　Ｍａｔｅ
ｒｉａｌｓ”　ＡＣ３ＳＹＭＰＯ５ＩＵＭ　　５ＥＲＩ
ＥＳ　　２２３．　Ｄａｖｉｄ　　Ｊ、　Ｗｉｌｌｉａ
ＩＩＩＳ編（ＡＩＩｌｅｒｉｃａｎ　ＣｈｅＩＩｌｉｃ
ａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ、　１９８３年刊）、「有機非線
形光学材料」加藤政雄、中西へ部監修（シー・エム・シ
ー社、１９８５年刊）等に示されるＭＮＡ　（２−メチ
ル−４−ニトロアニリン）　、ｍＮＡ　（メタニトロア
ニリン）、ＰＯＭ（３−メチル−４−二トロピリジン−
１−オキサイド）、尿素、さらには特開昭６２−２１０
４３２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、３，５−ジメチル−１−
（４−ニトロフェニル）−１，２゜４−トリアゾール、
２−エチル−１−（４−ニトロフェニル）イミダゾール
、１−（４−二トロフェニル）ピロール、２−ジメチル
アミノ１−５＝ニトロアセトアニリド、５−ニトロ−２
−ピロリジノアセトアニリド、３−メチル−４−二トロ
ピリジンーＮ−オキシド、特開平２−２８号公報に示さ
れるＴＲＩ、本出願人による特願平２−５８６５４号明
細書に示されるＥＮＩＭ等が挙げられる。

例えばＭＮＡは、無機非線形光学材料であるＬｉＮｂＯ
３に比べると２０００倍程度高い波長変換効率を有する
ので、この有機非線形光学材料を用いて光波長変換素子
を形成すれば、−船釣な小型かつ低コストの半導体レー
ザーからの赤外レーザー光を基本波として第２高調波を
発生させることにより、青領域の短波長レーザー光を得
ることも可能となる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述の有機非線形光学材料によって導波部や
クラッド部を構成して得られたファイノく一部あるいは
光導波路型の光波長変換素子にあっては、従来、波長変
換効率および基本波の入射結合効率が時間経過にともな
って著しく悪化する、という問題が認められていた。す
なわち、光波長変換素子を構成する有機非線形光学材料
は、その端面において周囲の空気等の雰囲気と接するの
で、この部分から昇華して単結晶部分が短くなり、ある
いは変成して単結晶でなくなってしまって上述の問題を
招くのである。これと同様の問題は、有機非線形光学材
料を用いて形成したバルク結晶型の光波長変換素子にお
いても認められる。

そこで例えば本出願人による特願昭６２−３０９１４５
号明細書に示されるように、光波長変換素子を構成する
有機非線形光学材料の表面を含む素子表面部分に、該材
料と周囲雰囲気とを遮断する遮断層を設けることが提案
されている。

このような遮断層は、有機非線形光学材料の昇華や変成
を防止する上で極めて効果的であるが、その半面、素子
表面部分（つまり有機非線形光学材料表面やクラッド部
端面）に対する接着強度が元より低く、あるいは次第に
低下して、剥離してしまうこともある。そこで本発明は
、上記遮断層の剥離が起き難い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、 有機非線形光学材料により基本波を波長変換し、そして
この有機非線形光学材料の表面を含む素子表面部分に、
該材料と周囲雰囲気とを遮断する遮断層が形成されたバ
ルク結晶型、ファイバー型、光導波路型の光波長変換素
子において、遮断層と上記表面部分との間に、遮断層の
該表面部分に対する接着強度が遮断層材料のみの場合の
それよりも高くなる材料からなる密着層を介設したこと
を特徴とするものである。

なお上記遮断層は、例えばアクリル樹脂、シリコン樹脂
、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、ゼラチン、カゼイン、
コラーゲン、セルロース、ポリビニールアルコール、ポ
リ酢酸ビニール、ポリエチレンテレフタレート、ポリウ
レタン、不飽和ポリエステル、フェノール、ポリアミド
、アルキド樹脂等の融液や溶液を素子表面部分に塗布し
、それを乾燥させて形成することができる。

そして、このような遮断層材料よりも素子表面部分に対
する接着強度が高くて上記密着層となり得る材料として
は、例えばシランカップリング剤、チタン系カップリン
グ剤、クロムコンプレックス、有機リン酸化合物、有機
カルボン酸化合物等が挙げられる。

素子表面部分と遮断層との間に、上述のような密着層を
介在させることにより、遮断層は素子表面に強力に固着
されるようになる。

（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１０
を備えた光源装置を示すものである。この光源装置は密
閉容器２０と、その中に収納されたファイバー型の光波
長変換素子ｌＯと、この光波長変換素子１０により波長
変換される基本波１５を発する半導体レーザーＩＢと、
上記基本波１５を光波長変換素子１０のコア１１内に入
射させる入射光学系としてのコリメーターレンズ１７お
よび対物レンズ１８とを有している。そして上記密閉容
器２０内には、不活性媒体である乾燥Ｎｚ（窒素）ガス
２１が充填されている。

なお光波長変換素子１０は、密閉容器２０内で保持部材
２２により保持されている。また密閉容器２０には、基
本波１５を透過させる透明窓２７と、後述する第２高調
波を透過させる透明窓２８とが設けられている。

次に光波長変換素子１０について詳しく説明する。

この光波長変換素子１０は、第２図に分かりやすく示す
通り、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、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が用いられる。本例
では特に、前述した特開昭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、ＤＭＮＰと称する）によってコア
１１を形成している。

ここで、−例としてコア１１を上述のＤＭＮＰ。

クラッド１２を５ＦＩＯガラスから形成する場合につい
て、この光波長変換素子ｌＯの製造方法を説明する。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゛は一例として
、外径が１ｍｍで、中空部の径が１μｍのものである。

そして第３図に示すように、炉内等においてＤＭＮＰＩ
Ｉ’　を融液状態に保ち、この融液内にガラスファイバ
ー１２′　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ＤＭＮＰＩＩ’がガラスファイバー１
２′　の中空部内に進入する。なお該融液の温度は、Ｄ
ＭＮＰＩＩ’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ＤＭ
ＮＰＩＩ’が多結晶化する。

次いでこのガラスファイバー１２’　を、ＤＭＮＰ１１
゛　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ＤＭＮＰＩＩ’　
を炉外への引出し部分から単結晶化させる。それにより
、極めて長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコア
１１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。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされた後、適宜
両端が切断されたガラスファイバー１２′　の両端面に
は、ゼラチンからなる遮断層１３ａ、１３ｂが形成され
る。これらの遮断層１３ａ、　１３ｂは、素子端面１０
ａ、１０ｂに対して、それぞれ密着層１４ａ１１４ｂを
介して固定されている。

以下、これらの遮断層１３ａ、　１３ｂおよび密着層１
４ａ、　１４ｂを形成する方法について説明する。本実
施例では密着層１４ａ、１４ｂを、シランカップリング
剤の１つであるβ（３，４エポキシシクロヘキシル）エ
チルトリメトキシシラン［信越シリコーン社製：商品名
（ＫＢＭ３０３　）　］によって形成する。まずこのシ
ランカップリング剤の１重量％水溶液を素子端面１０ａ
、　１０ｂに塗布し、乾燥させることにより、密着層１
４ａ、　１４ｂを形成する。次にゼラチンの１重量％水
溶液を密着層１４ａ、１４ｂの上にそれぞれ塗布し、乾
燥させると、ゼラチンからなる遮断層１３ａ、　１３ｂ
が形成される。

以上の処理により、第１図および第２図に示されような
光波長変換素子ＩＯが得られる。なお遮断層１８ａ、１
３ｂは、例えば厚さ１μｍ程度に形成される。

上記光波長変換素子１０は第１図図示のようにして使用
される。すなわち、半導体レーザー１６から射出された
発散ビームである波長８９０ｎｍのレーザー光（基本波
）１５は、コリメーターレンズ１７によって平行ビーム
とされ、さらに対物レンズ１８で集光した上で密閉容器
２０の透明窓２７を透過させ、遮断層１８ａを通して素
子端面１０ａ上に照射される。

このレーザー光１５は、コア１１の端面上においてそれ
と同径（本例では１μｍ）の小さなスポットに収束する
。それにより該レーザー光１５が、コア１１内に入射す
る。この基本波１５は、コア１１を構成するＤＭＮＰ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、その
外表面の間で全反射を繰り返して素子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の場合）
。

光波長変換素子ＩＯの出射端面１０ｂからは、上記の第
２高調波１５’　を含むビーム１５”が出射する。

この出射ビーム１５″は、密閉容器２０の透明窓２８を
通して容器外に出射し、コリメーターレンズ３０で平行
ビームとされ、集光レンズ３１で集光される。

そしてこの際、出射ビーム１５″はフィルター３２に通
され、第２高調波１５′のみが取り出されて利用される
。

ここで、光波長変換素子１０の両端面にはそれぞれ遮断
層１３ａＳ１３ｂが設けられているので、有機材料のＤ
ＭＮＰからなるコア１１の端面が周囲雰囲気に接するこ
とがなく、シたがってこのコア１１の昇華や変成が防止
される。しかも本例では、光波長変換素子ｌＯをＮ２ガ
ス２１内に閉じ込めているので、上記周囲雰囲気は不活
性であり、コア１１の昇華や変成がより確実に防止され
る。

次に、密着層１４ａ、　１４ｂを設けたことによる作用
、効果について説明する。この作用、効果を調べるため
に、以上説明した実施例の光波長変換素子１０を３サン
プル作成した。他方、密着層１４８％１４ｂを設けずに
遮断層１３ａ、　１３ｂを直接素子端面１０ａ、１０ｂ
に形成し、それ以外は上記光波長変換素子１０と全く同
じとした比較例の光波長変換素子を、同じく３サンプル
作成した。

そしてこれら比較例の光波長変換素子と、実施例の光波
長変換素子１０とを各々、 ■　常温で１週間放置 ■　湿度５０％、温度５０℃で１週間放置■　湿度１（
１％下で、１０℃−→５０℃の温度サイクルを１週間か
けて１００回繰返す の３つの耐性試験にかけ、その後の各素子の遮断層１３
ａ、１３ｂの密着力を調べた。この密着力の評価はいわ
ゆる基盤目試験法により行なった。この試験は、遮断層
１３ａ、１３ｂ上に一定圧力で押圧した針を動かして不
等間隔の基盤目状のキズを付け、次いでその上に粘着テ
ープを貼付した後に引き剥がし、その際テープとともに
剥離しないで残った基盤目の最小値によって密着力を評
価するものである。基盤目は、１辺が２０．４０．６０
．８０．１００．１２０．１４（１，１６０，１ｇ（１
，２Ｈｐｍの１０通りとし、上記最小値が小さい方から
順に各々１０．９．８．７．６．５．４．３．２．１点
を与える１０段階評価とした（例えばｅｏｘｅｏμｍ以
上の基盤目が残った場合は、評価「８」である）。その
結果を下表に示す。

この通り、密着層１４ａ、１４ｂによって、遮断層１３
ａ、　１３ｂの密着力が著しく向上していることが裏付
けられた。

上記の効果は、クラッド材料のガラスに対するシランカ
ップリング剤の接着強度が、遮断層１３ａ１１３ｂをな
すゼラチンのそれよりも本来高いことに加えて、素子端
面（クラッド端面）　１（ｌａ、　Ｉ［ｌｂが疎水性に
なって耐湿性が向上し、その結果、密着層１４ａ、１４
ｂの密着力が低下し難くなることによると考えられる。

また本実施例では、クラッド１２の材料である５ＦＩＯ
ガラスと、遮断層１３ａ、　１３ｂの前述した諸材料の
熱膨張係数は各々７．５　Ｘ　１０−６／’Ｃ１（２５
〜１００）ＸＩＯ−”Ｃと、約１桁の大差が有るので、
光波長変換素子ＩＯが温度変化を受けた際、遮断層１３
ａ１１３ｂと素子端面ＩＤａ、１０ｂとの接着界面には
界面方向に大きな応力が作用する。さらに、遮断層作成
のため、素子端面１０ａＳｌＯｂに溶液にて塗布形成し
た樹脂を乾燥固化する際に応力が発生し、それが接着界
面に作用し、遮断層の剥離が起こることも有ることが判
った。それに対して密着層１４ａ１１４ｂを形成すると
、素子端面１０ａ、　ｆｏｂに対する密着層１４ａ、１
４ｂの接着力、および密着層１４ａ１１４ｂに対する遮
断層１３ａ、　１３ｂの接着力を共に大幅に向上させる
ことができる。したがって、この点からも、密着層１４
ａ、１４ｂの剥離が起こり難くなっていると考えられる
。

なお本発明は、有機非線形光学材料としてＤＭＮＰを用
いる場合のみならず、先に述べたようなその他の有機非
線形光学材料を用いて光波長変換素子を作成する場合に
おいても、同様に適用され得るものである。

また、上記の実施例の光波長変換素子１０は、基本波１
５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とられるもの
であるが、本発明は、基本波と第２高調波をともにコア
部あるいは先導波路中において導波させ、両者の導波モ
ード間で位相整合をとるタイプの素子に対しても適用可
能である。

さらに、以上説明した実施例は、第２高調波を発生する
ファイバー型の光波長変換素子に本発明を適用したもの
であるが、本発明は、第２高調波以外の例えば第３高調
波、和周波、差周波等を発生させる光波長変換素子に対
しても、また前述した光導波路型やバルク結晶型の光波
長変換素子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の光波長変換素子におい
ては、有機非線形光学材料の表面を含む素子表面部分に
遮断層を設けたことにより、有機非線形光学材料の昇華
あるいは変成が確実に防止される。したがって、有機非
線形光学材料の波長変換効率が低下することを防止でき
、また遮断層を設けた端面を基本波入射端面とする場合
は、基本波の入射効率も高く維持できるようになる。

その上本発明の光波長変換素子においては、上記の遮断
層と素子表面部分との間に、この遮断層の素子表面部分
に対する接着強度を高め得る密着層を設けたので、遮断
層の剥離が起き難くなり、よって光波長変換素子の信頼
性が向上する。

【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備
えた光源装置を示す一部破断側面図、第２図は、上記光
波長変換素子を示す斜視図、第３図は上記光波長変換素
子の製造方法を説明する概略図である。 １０・・・光波長変換素子　　１１・・・コア１２・・
・クラッド　　　　　１３ａ、１３ｂ・・・遮断層Ｌ４
ａ、　１４ｂ・・・密着層　　１５・・・基本波１５′
・・・第２高調波　　　１６・・・半導体レーザ１７・
・・コリメーターレンズ １８・・・対物レンズ　　　　２０・・・密閉容器２１
・・・Ｎ２ガス　　　　　２７．２８・・・透明窓第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　有機非線形光学材料からなる部分を有し、この材料に
   入射した基本波を波長変換する光波長変換素子において
   、 前記有機非線形光学材料の表面を含む素子表面部分に、
   該材料と周囲雰囲気とを遮断する遮断層が形成され、 この遮断層と前記表面部分との間に、遮断層の該表面部
   分に対する接着強度が遮断層材料のみの場合のそれより
   も高くなる材料からなる密着層が介設されていることを
   特徴とする光波長変換素子。