JPH09211512A - ２次非線形光学素子 - Google Patents
２次非線形光学素子Info
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- JPH09211512A JPH09211512A JP1789296A JP1789296A JPH09211512A JP H09211512 A JPH09211512 A JP H09211512A JP 1789296 A JP1789296 A JP 1789296A JP 1789296 A JP1789296 A JP 1789296A JP H09211512 A JPH09211512 A JP H09211512A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い２次非線形光学係数を有する有機結晶を
使用して疑似位相整合を実現し、角度ウオークオフの影
響がなく、高効率に波長変換が行える２次非線形光学素
子を提供すること。 【解決手段】 第１の非線形物質であるリンチタン酸カ
リウム（ＫＴＰ）４１は略直方体の形状を有し、その上
面には予め定められた周期で溝が形成される。第２の非
線形物質である２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピ
リジン（ＡＡＮＰ）４２は上記ＫＴＰ４１に形成された
溝中に配される。第１の非線形物質は第２の非線形物質
よりその融点が高い材料が選ばれる。
使用して疑似位相整合を実現し、角度ウオークオフの影
響がなく、高効率に波長変換が行える２次非線形光学素
子を提供すること。 【解決手段】 第１の非線形物質であるリンチタン酸カ
リウム（ＫＴＰ）４１は略直方体の形状を有し、その上
面には予め定められた周期で溝が形成される。第２の非
線形物質である２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピ
リジン（ＡＡＮＰ）４２は上記ＫＴＰ４１に形成された
溝中に配される。第１の非線形物質は第２の非線形物質
よりその融点が高い材料が選ばれる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高効率に２次の非
線形光学効果を発現する光学素子に関する。
線形光学効果を発現する光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】２次非線形光学効果は、媒質の有する２
次の非線形性を利用し、３つの光の間に相互作用を生じ
させるものであり、波長変換およびスイッチ素子等種々
の光学素子への応用が検討されている。周知のように、
非線形光学効果とは、媒質中の分極Ｐが、下式（１）の
ように光の電界Ｅに比例する項以外に、Ｅ2、Ｅ3に比例
する高次項、即ち、非線形分極項が生ずるために現れる
効果である。
次の非線形性を利用し、３つの光の間に相互作用を生じ
させるものであり、波長変換およびスイッチ素子等種々
の光学素子への応用が検討されている。周知のように、
非線形光学効果とは、媒質中の分極Ｐが、下式（１）の
ように光の電界Ｅに比例する項以外に、Ｅ2、Ｅ3に比例
する高次項、即ち、非線形分極項が生ずるために現れる
効果である。
【０００３】 Ｐ＝ε0・(χ(1)Ｅ＋χ(2)Ｅ2＋χ(3)Ｅ3＋…) ・・・（１）
【０００４】ここで上式（１）における第２項に起因す
る効果が２次非線形効果であり、χ(2)は２次非線形感
受率である。一般に、２次非線形感受率χ(2)は、３階
テンソルであり、χ(2) ijkと記述される。ここで、ｉ，
ｊ，ｋはそれぞれ寄与する電界の成分を表す。２次非線
形光学効果では、２次非線形光学係数ｄijkを用いるこ
とが一般的であるが、この２次非線形光学係数ｄijkも
２次非線形感受率と同様３階テンソルであり、一般に、
ｄijk＝(１/２)・χ(2) ijkの関係にある。３階テンソル
ｄijkのうち、どの成分が大きいかは媒質の対称性によ
り定まり、媒質に対する光の進行方向及び偏光方向によ
り、利用できる実効的な２次非線形光学係数が定まるこ
とになる。
る効果が２次非線形効果であり、χ(2)は２次非線形感
受率である。一般に、２次非線形感受率χ(2)は、３階
テンソルであり、χ(2) ijkと記述される。ここで、ｉ，
ｊ，ｋはそれぞれ寄与する電界の成分を表す。２次非線
形光学効果では、２次非線形光学係数ｄijkを用いるこ
とが一般的であるが、この２次非線形光学係数ｄijkも
２次非線形感受率と同様３階テンソルであり、一般に、
ｄijk＝(１/２)・χ(2) ijkの関係にある。３階テンソル
ｄijkのうち、どの成分が大きいかは媒質の対称性によ
り定まり、媒質に対する光の進行方向及び偏光方向によ
り、利用できる実効的な２次非線形光学係数が定まるこ
とになる。
【０００５】２次非線形光学効果を効率よく起こさせる
ためには、より大きな実効的な２次非線形光学係数を利
用すること、及び、一般に関与する３つの光の間に位相
整合条件を満足させる必要がある。ここで位相整合条件
とは、関与する３つの光の波長を、波長の長い順にそれ
ぞれλ1、λ2、λ3としたとき、エネルギー保存則１/λ
1＋１/λ2＝１/λ3を満たす３つの光に対して、２次非
線形光学効果を有する媒質の３つの光の波長に対する波
長変換に関与する偏光の実効屈折率が
ためには、より大きな実効的な２次非線形光学係数を利
用すること、及び、一般に関与する３つの光の間に位相
整合条件を満足させる必要がある。ここで位相整合条件
とは、関与する３つの光の波長を、波長の長い順にそれ
ぞれλ1、λ2、λ3としたとき、エネルギー保存則１/λ
1＋１/λ2＝１/λ3を満たす３つの光に対して、２次非
線形光学効果を有する媒質の３つの光の波長に対する波
長変換に関与する偏光の実効屈折率が
【０００６】 Ｎ(λ3)/λ3−Ｎ(λ1)/λ1−Ｎ(λ2)/λ2＝０ ・・・（２）
【０００７】の関係を満たすときのことをいう。ここで
Ｎ(λ1)、Ｎ(λ2)、Ｎ(λ3)は、３つの光の波長に対す
る非線形物質の波長変換に関与する偏光の実効屈折率で
ある。位相整合条件を満たすために一般的に行われてい
る方法は、２次非線形光学効果を有する結晶の複屈折を
用いる方法であり、偏光方向による屈折率の違いを利用
して、位相整合条件を満たそうとするものである。複屈
折を利用する位相整合の概略を、波長変換の一例である
第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generatio
n）により説明する。ＳＨＧは、３つの光の波長λ1，λ
2，λ3に対してλ1＝λ2であり、λ3＝λ1/２となる場
合の波長変換である。
Ｎ(λ1)、Ｎ(λ2)、Ｎ(λ3)は、３つの光の波長に対す
る非線形物質の波長変換に関与する偏光の実効屈折率で
ある。位相整合条件を満たすために一般的に行われてい
る方法は、２次非線形光学効果を有する結晶の複屈折を
用いる方法であり、偏光方向による屈折率の違いを利用
して、位相整合条件を満たそうとするものである。複屈
折を利用する位相整合の概略を、波長変換の一例である
第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generatio
n）により説明する。ＳＨＧは、３つの光の波長λ1，λ
2，λ3に対してλ1＝λ2であり、λ3＝λ1/２となる場
合の波長変換である。
【０００８】二軸光学結晶を考え、結晶のｘ軸、ｙ軸、
ｚ軸方向の偏光の屈折率がそれぞれｎx、ｎy、ｎzであ
り、ｎx＞ｎz＞ｎyなる関係があるとする。この場合の
屈折率の波長依存性は図６（ａ）に示されたように、各
偏光の屈折率は、大きな吸収がなければ波長が長くなる
つれ単調減少となり、各屈折率間の大小関係が保持され
る。ここで、この光学結晶の２次非線形光学係数のう
ち、ｄ311が比較的大きくｄ311をＳＨＧに利用する場合
を考えると、２次非線形光学係数の添字の１，２，３
は、それぞれｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分に対応して
いるので、波長λ1（＝λ2）の光はｘ軸成分を含む偏光
であり、波長λ3（＝λ1/２）の光はｚ軸成分を含む偏
光でなければならない。この時の位相整合条件は、
ｚ軸方向の偏光の屈折率がそれぞれｎx、ｎy、ｎzであ
り、ｎx＞ｎz＞ｎyなる関係があるとする。この場合の
屈折率の波長依存性は図６（ａ）に示されたように、各
偏光の屈折率は、大きな吸収がなければ波長が長くなる
つれ単調減少となり、各屈折率間の大小関係が保持され
る。ここで、この光学結晶の２次非線形光学係数のう
ち、ｄ311が比較的大きくｄ311をＳＨＧに利用する場合
を考えると、２次非線形光学係数の添字の１，２，３
は、それぞれｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分に対応して
いるので、波長λ1（＝λ2）の光はｘ軸成分を含む偏光
であり、波長λ3（＝λ1/２）の光はｚ軸成分を含む偏
光でなければならない。この時の位相整合条件は、
【０００９】Ｎ(λ1)−Ｎ(λ3)＝０ ・・・（３）
【００１０】であるが、ｎx(λ1)−ｎz(λ3)＝０となる
のは、特殊な場合に限られるので、一般には、図６
（ｂ）に示すように、光の進行方向に対して、結晶のｚ
軸１１が垂直とならないよう傾け、この例の場合には、
波長λ1の光はｘ軸偏光を有するように入射させ、Ｎ(λ
1)＝ｎx(λ1)とし、波長λ3の光はｙｚ面内に偏光を有
するように入射させてｙ軸とｚ軸の合成屈折率を感じる
ようにすると、波長λ3に対する実効屈折率は、
のは、特殊な場合に限られるので、一般には、図６
（ｂ）に示すように、光の進行方向に対して、結晶のｚ
軸１１が垂直とならないよう傾け、この例の場合には、
波長λ1の光はｘ軸偏光を有するように入射させ、Ｎ(λ
1)＝ｎx(λ1)とし、波長λ3の光はｙｚ面内に偏光を有
するように入射させてｙ軸とｚ軸の合成屈折率を感じる
ようにすると、波長λ3に対する実効屈折率は、
【００１１】 Ｎ(λ3)＝(sin2θ/ｎz 2＋cos2θ/ｎy 2)-1/2 ・・・（４）
【００１２】で与えられ、波長λ1が入射する軸に対し
て、結晶のｚ軸１１を傾ける角度θを調整することによ
り、式（３）を満たすようにする。即ち、このような調
整により位相整合条件を満足させることができ、比較的
高効率な波長変換が行える。この方法は角度位相整合と
呼ばれ、２次非線形光学結晶の波長変換に一般的に使用
されている。例えば、図７に示すように、非線形媒質２
５として、代表的な無機２次非線形光学結晶であるリン
チタン酸カリウム結晶（以下、ＫＴＰと表記する）を使
用した場合、波長１．３２［μｍ］の光に対するＳＨＧ
では、結晶のｚ軸２１を４９度傾けて位相整合をとる。
また、波長変換の効率は、光密度に比例するため、図７
に示すように、レンズ集光系２２を用い、非線形媒質２
５中の光密度を上げるようにして変換効率を高める。こ
の例では、波長変換に寄与する実効的な２次非線形光学
係数は、５［ｐｍ/Ｖ］であり、結晶長、即ち相互作用
長が３［ｎｍ］の結晶において、規格化波長変換効率
０．００１［％/Ｗ］が得られる。
て、結晶のｚ軸１１を傾ける角度θを調整することによ
り、式（３）を満たすようにする。即ち、このような調
整により位相整合条件を満足させることができ、比較的
高効率な波長変換が行える。この方法は角度位相整合と
呼ばれ、２次非線形光学結晶の波長変換に一般的に使用
されている。例えば、図７に示すように、非線形媒質２
５として、代表的な無機２次非線形光学結晶であるリン
チタン酸カリウム結晶（以下、ＫＴＰと表記する）を使
用した場合、波長１．３２［μｍ］の光に対するＳＨＧ
では、結晶のｚ軸２１を４９度傾けて位相整合をとる。
また、波長変換の効率は、光密度に比例するため、図７
に示すように、レンズ集光系２２を用い、非線形媒質２
５中の光密度を上げるようにして変換効率を高める。こ
の例では、波長変換に寄与する実効的な２次非線形光学
係数は、５［ｐｍ/Ｖ］であり、結晶長、即ち相互作用
長が３［ｎｍ］の結晶において、規格化波長変換効率
０．００１［％/Ｗ］が得られる。
【００１３】また、無機結晶に比べ大きな２次非線形光
学係数を有する有機結晶、例えば、有機結晶の中でも比
較的大きな２次非線形光学係数を有する２−アダマンチ
ルアミノ−５−ニトロピリジン結晶（以下、ＡＡＮＰと
表記する（参考文献：特願昭６２−２８２２２１号公報
“有機非線形光学材料”））を考えると、波長１．３２
［μｍ］に対するＳＨＧでは、結晶のｚ軸を６０度傾け
て位相整合をとる。この例では波長変換に寄与する実効
的な２次非線形光学係数は、６９［ｐｍ/Ｖ］であり、
結晶長、即ち相互作用長が２［ｍｍ］の結晶で、規格化
波長変換効率０．１［％/Ｗ］が得られ、前述のＫＴＰ
結晶より約２桁大きな効率が得られる。
学係数を有する有機結晶、例えば、有機結晶の中でも比
較的大きな２次非線形光学係数を有する２−アダマンチ
ルアミノ−５−ニトロピリジン結晶（以下、ＡＡＮＰと
表記する（参考文献：特願昭６２−２８２２２１号公報
“有機非線形光学材料”））を考えると、波長１．３２
［μｍ］に対するＳＨＧでは、結晶のｚ軸を６０度傾け
て位相整合をとる。この例では波長変換に寄与する実効
的な２次非線形光学係数は、６９［ｐｍ/Ｖ］であり、
結晶長、即ち相互作用長が２［ｍｍ］の結晶で、規格化
波長変換効率０．１［％/Ｗ］が得られ、前述のＫＴＰ
結晶より約２桁大きな効率が得られる。
【００１４】しかしながら、角度位相整合には問題点が
ある。それは、結晶の軸を傾けた場合、複屈折の影響に
より、結晶内での光の進行方向が偏光によって異なって
くるという角度ウオークオフと呼ばれている現象が生じ
ることである。例えば、図７中に示した非線形媒質２５
がＫＴＰ結晶である場合、ウオークオフ角は２．６度と
なり、図中実線で示す波長λ1の光２３と、破線で示す
波長λ3の光２４との進行方向がずれていくために、互
いの光の相互作用ができなくなり波長変換がおこなわれ
なって波長変換の効率が落ちてしまう。
ある。それは、結晶の軸を傾けた場合、複屈折の影響に
より、結晶内での光の進行方向が偏光によって異なって
くるという角度ウオークオフと呼ばれている現象が生じ
ることである。例えば、図７中に示した非線形媒質２５
がＫＴＰ結晶である場合、ウオークオフ角は２．６度と
なり、図中実線で示す波長λ1の光２３と、破線で示す
波長λ3の光２４との進行方向がずれていくために、互
いの光の相互作用ができなくなり波長変換がおこなわれ
なって波長変換の効率が落ちてしまう。
【００１５】理想的には、結晶長、即ち、相互作用長が
長いほど波長変換の効率が大きくなるはずであるが、角
度ウオークオフのため、結晶長が制限され、大きな波長
変換効率が得られなかった。この角度ウオークオフの影
響は、前述のＡＡＮＰの場合も同様に生じている。最
近、角度ウオークオフに影響されない方法として、疑似
位相整合法が提案されている。これは、非線形媒質に周
期的な分極反転をおこすことにより、疑似的に位相整合
条件を満足させているものであり、その位相整合条件
は、
長いほど波長変換の効率が大きくなるはずであるが、角
度ウオークオフのため、結晶長が制限され、大きな波長
変換効率が得られなかった。この角度ウオークオフの影
響は、前述のＡＡＮＰの場合も同様に生じている。最
近、角度ウオークオフに影響されない方法として、疑似
位相整合法が提案されている。これは、非線形媒質に周
期的な分極反転をおこすことにより、疑似的に位相整合
条件を満足させているものであり、その位相整合条件
は、
【００１６】 Ｎ(λ3)/λ3−Ｎ(λ1)/λ1−Ｎ(λ2)/λ2＋ｍ/Ｔ＝０ ・・・（５）
【００１７】で表される。ここで、上式（５）中、ｍは
奇数であり、Ｔは分極反転の周期である。ニオブ酸タン
タル結晶に周期的に電界を印加して、周期的分極反転を
起こした例が報告されている（参考文献：K.Mizuuchi a
nd K.Yamamoto,Applied Physics Letters,vol,66,pp.29
43-2945,1995）。図８（ａ）中のニオブ酸タンタル結晶
３１中に記された矢印は分極方向を示している。結晶長
が１０［ｍｍ］、厚さが０．３［ｍｍ］であり、分極反
転の周期Ｔが３．８［μｍ］であるニオブ酸タンタル結
晶３１を用い、波長０．８５［μｍ］のＳＨＧにおい
て、規格化波長変換効率４［％/Ｗ］が得られている。
この場合の実効的な２次非線形光学係数は１７［ｐｍ/
Ｖ］となる。
奇数であり、Ｔは分極反転の周期である。ニオブ酸タン
タル結晶に周期的に電界を印加して、周期的分極反転を
起こした例が報告されている（参考文献：K.Mizuuchi a
nd K.Yamamoto,Applied Physics Letters,vol,66,pp.29
43-2945,1995）。図８（ａ）中のニオブ酸タンタル結晶
３１中に記された矢印は分極方向を示している。結晶長
が１０［ｍｍ］、厚さが０．３［ｍｍ］であり、分極反
転の周期Ｔが３．８［μｍ］であるニオブ酸タンタル結
晶３１を用い、波長０．８５［μｍ］のＳＨＧにおい
て、規格化波長変換効率４［％/Ｗ］が得られている。
この場合の実効的な２次非線形光学係数は１７［ｐｍ/
Ｖ］となる。
【００１８】疑似位相整合では、図８（ａ）に示すよう
に、結晶の軸を傾けることなく、分極周期により疑似的
に位相整合をとるため、角度ウオークオフが生じない。
このため、角度位相整合に比して、結晶長を長くとるこ
とができ、このため前述のＡＡＮＰを用いて角度位相整
合を行った場合よりも実効的な２次非線形光学係数は小
さいが、より高い波長変換効率を得ることができる。
に、結晶の軸を傾けることなく、分極周期により疑似的
に位相整合をとるため、角度ウオークオフが生じない。
このため、角度位相整合に比して、結晶長を長くとるこ
とができ、このため前述のＡＡＮＰを用いて角度位相整
合を行った場合よりも実効的な２次非線形光学係数は小
さいが、より高い波長変換効率を得ることができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で報告された疑似位相整合は、いずれも電界等により分
極反転が生じやすい無機結晶に関するものであり、同一
物質内での分極反転に限られている。加えて、電界等で
は分極反転の生じにくい有機結晶では、疑似位相整合が
報告されていない。しかるに、より高い波長変換効率を
得るために、無機結晶よりも２次非線形係数が大きい有
機結晶を用いた疑似位相整合法の実現が望まれていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、前記の
ような従来技術の問題点を解決し、高い２次非線形光学
係数を有する有機結晶を使用した疑似位相整合を実現
し、角度ウオークオフの影響がなく、高効率に波長変換
が行える２次非線形光学素子を提供することを目的とす
る。
で報告された疑似位相整合は、いずれも電界等により分
極反転が生じやすい無機結晶に関するものであり、同一
物質内での分極反転に限られている。加えて、電界等で
は分極反転の生じにくい有機結晶では、疑似位相整合が
報告されていない。しかるに、より高い波長変換効率を
得るために、無機結晶よりも２次非線形係数が大きい有
機結晶を用いた疑似位相整合法の実現が望まれていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、前記の
ような従来技術の問題点を解決し、高い２次非線形光学
係数を有する有機結晶を使用した疑似位相整合を実現
し、角度ウオークオフの影響がなく、高効率に波長変換
が行える２次非線形光学素子を提供することを目的とす
る。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、波長の大小関係がλ1≧λ2≧λ3であ
り、且つ１/λ1＋１/λ2＝１/λ3なる関係を満たす波長
λ1、λ2、及びλ3の３つの光の間で波長変換を行う２
次非線形光学素子であって、前記３つの光の波長に対
し、波長変換に関与する偏光の実効屈折率がそれぞれＮ
1(λ1)、Ｎ1(λ2)、Ｎ1(λ3)であり、基本長Ｌ1が Ｌ1＝(１/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1 ・・・（６） である第１の非線形物質と、前記３つの光の波長に対
し、波長変換に関与する偏光の実効屈折率がそれぞれＮ
2(λ1)、Ｎ2(λ2)、Ｎ2(λ3)であり、基本長Ｌ2が Ｌ2＝(１/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ2(λ2)/λ2)-1 ・・・（７） である第２の非線形物質とを有し、光の進行方向に対し
て第１の非線形物質と第２の非線形物質とが、それぞれ
前記基本長Ｌ1のほぼ奇数倍、及び前記基本長Ｌ2のほぼ
奇数倍の厚さで交互に周期的に配列され、前記第１の非
線形物質と前記第２の非線形物質の融点が互いに異なる
ことを特徴とする。
に、本発明は、波長の大小関係がλ1≧λ2≧λ3であ
り、且つ１/λ1＋１/λ2＝１/λ3なる関係を満たす波長
λ1、λ2、及びλ3の３つの光の間で波長変換を行う２
次非線形光学素子であって、前記３つの光の波長に対
し、波長変換に関与する偏光の実効屈折率がそれぞれＮ
1(λ1)、Ｎ1(λ2)、Ｎ1(λ3)であり、基本長Ｌ1が Ｌ1＝(１/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1 ・・・（６） である第１の非線形物質と、前記３つの光の波長に対
し、波長変換に関与する偏光の実効屈折率がそれぞれＮ
2(λ1)、Ｎ2(λ2)、Ｎ2(λ3)であり、基本長Ｌ2が Ｌ2＝(１/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ2(λ2)/λ2)-1 ・・・（７） である第２の非線形物質とを有し、光の進行方向に対し
て第１の非線形物質と第２の非線形物質とが、それぞれ
前記基本長Ｌ1のほぼ奇数倍、及び前記基本長Ｌ2のほぼ
奇数倍の厚さで交互に周期的に配列され、前記第１の非
線形物質と前記第２の非線形物質の融点が互いに異なる
ことを特徴とする。
【００２１】
§１．概要 本発明では、融点の異なる２種類の２次非線形光学効果
を有する非線形物質を使用し、融点のより高い非線形物
質に、溝等を周期的に形成し、その溝に融点のより低い
非線形物質を融点のより高い非線形物質の分極方向と異
なる分極方向を有するように結晶成長せしめることによ
って、電界印加等の従来の方法では、容易に分極反転の
行えない非線形物質でも、疑似位相整合に適用できるよ
うにするものである。
を有する非線形物質を使用し、融点のより高い非線形物
質に、溝等を周期的に形成し、その溝に融点のより低い
非線形物質を融点のより高い非線形物質の分極方向と異
なる分極方向を有するように結晶成長せしめることによ
って、電界印加等の従来の方法では、容易に分極反転の
行えない非線形物質でも、疑似位相整合に適用できるよ
うにするものである。
【００２２】以下、従来示されていた、同一非線形物質
内での分極反転における疑似位相整合条件式（５）に対
し、異なる２種類の非線形物質を用いた分極反転におい
ても、第１の非線形物質の厚みが式（６）で与えられる
第１の非線形物質に対する基本長Ｌ1のほぼ奇数倍、第
２の非線形物質の厚みが式（７）で与えられる第２の非
線形物質に対する基本長Ｌ2のほぼ奇数倍であれば疑似
位相整合がとれることを示す。ｌなる方向に進行する波
長λ1，λ2，λ3の光の電界を、それぞれＥ1、Ｅ2、Ｅ3
で表すと、Ｅ1及びＥ2の波長変換で生じる電界Ｅ3は、
参考文献：スクイズド光（森北出版）に記載されている
ように、平面波近似により、
内での分極反転における疑似位相整合条件式（５）に対
し、異なる２種類の非線形物質を用いた分極反転におい
ても、第１の非線形物質の厚みが式（６）で与えられる
第１の非線形物質に対する基本長Ｌ1のほぼ奇数倍、第
２の非線形物質の厚みが式（７）で与えられる第２の非
線形物質に対する基本長Ｌ2のほぼ奇数倍であれば疑似
位相整合がとれることを示す。ｌなる方向に進行する波
長λ1，λ2，λ3の光の電界を、それぞれＥ1、Ｅ2、Ｅ3
で表すと、Ｅ1及びＥ2の波長変換で生じる電界Ｅ3は、
参考文献：スクイズド光（森北出版）に記載されている
ように、平面波近似により、
【００２３】 ｄＥ3/ｄｌ＝２πｄeff/Ｎ(λ3)/λ3・Ｅ1・Ｅ2・exp(−ｉΔｋｌ) ・・・（８）
【００２４】と表わせる。ここで、ｌは進行方向に沿っ
た座標であり、Δｋは下式で表わされる。 Δｋ＝２π・(Ｎ(λ3)/λ3−Ｎ(λ1)/λ1−Ｎ(λ2)/λ2) また、Ｎ(λ1)，Ｎ(λ2)，Ｎ(λ3)は、それぞれ、波長
λ1，λ2，λ3における媒質の屈折率である。上式
（８）をＥ3の初期値が０、及び電界Ｅ1，Ｅ2が十分大
きいという条件で積分すると、
た座標であり、Δｋは下式で表わされる。 Δｋ＝２π・(Ｎ(λ3)/λ3−Ｎ(λ1)/λ1−Ｎ(λ2)/λ2) また、Ｎ(λ1)，Ｎ(λ2)，Ｎ(λ3)は、それぞれ、波長
λ1，λ2，λ3における媒質の屈折率である。上式
（８）をＥ3の初期値が０、及び電界Ｅ1，Ｅ2が十分大
きいという条件で積分すると、
【００２５】 Ｅ3＝２πｄeff/Ｎ(λ3)/λ3・Ｅ1・Ｅ2・(exp(−ｉΔｋｌ)−１)/Δｋ ・・・（９）
【００２６】となり、波長λ3の光強度Ｐ3はＥ3 2に比例
するため、
するため、
【００２７】 Ｐ3∝(２πｄeff/Ｎ(λ3)/λ3・Ｅ1・Ｅ2)2ｌ2 ・(sin2(Δｋｌ/２))/(Δｋｌ/２)2 ・・・（１０）
【００２８】で与えられる。式（１０）からＰ3はｌ＝
π/(２Δｋ)において極大となり、ｌ＝π/△ｋで極小と
なり、以降、周期毎に変動することがわかる。もし、極
大値をとるｌ＝ｍπ/(２△ｋ)（ここでｍは奇数）毎
に、２次非線形係数ｄeffの符号が反転すれば、式
（８）から光強度Ｐ3は減少することなく、増加してい
くことになる。この条件が疑似位相整合条件となる。
π/(２Δｋ)において極大となり、ｌ＝π/△ｋで極小と
なり、以降、周期毎に変動することがわかる。もし、極
大値をとるｌ＝ｍπ/(２△ｋ)（ここでｍは奇数）毎
に、２次非線形係数ｄeffの符号が反転すれば、式
（８）から光強度Ｐ3は減少することなく、増加してい
くことになる。この条件が疑似位相整合条件となる。
【００２９】従来、疑似位相整合条件は同一物質中の分
極反転に着目されてきた。しかしながら、式（８）〜
（１０）は異なる２種類の物質においても適用できる。
すなわち、第１の非線形物質の厚さを第１の非線形物質
中で光強度Ｐ3が極大値をとる(ｍ1/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3
−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1とし、第２の非線形
物質の厚さを第２の非線形物質中で光強度Ｐ3が極大値
をとる(ｍ2/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ
2(λ2)/λ2)-1（ここで、ｍ1，ｍ2は奇数）とすれば、
同様に疑似位相整合条件を満足することができ、効率よ
く波長変換を行える。 §２．実施形態 以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態による２次
非線形光学素子について説明する。図１は本発明の一実
施形態による２次光学非線形光学素子を模式的に示す図
である。図１（ａ），１（ｂ）において、４１は第１の
非線形物質であるリンチタン酸カリウム（ＫＴＰ）結晶
であり、略直方体の形状に形成され、その全長は１０
［ｍｍ］、厚さは１［ｍｍ］である。また、ＫＴＰ４１
の上面には深さが０．５［ｍｍ］の溝が周期的に１７０
列にわたって形成されている。
極反転に着目されてきた。しかしながら、式（８）〜
（１０）は異なる２種類の物質においても適用できる。
すなわち、第１の非線形物質の厚さを第１の非線形物質
中で光強度Ｐ3が極大値をとる(ｍ1/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3
−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1とし、第２の非線形
物質の厚さを第２の非線形物質中で光強度Ｐ3が極大値
をとる(ｍ2/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ
2(λ2)/λ2)-1（ここで、ｍ1，ｍ2は奇数）とすれば、
同様に疑似位相整合条件を満足することができ、効率よ
く波長変換を行える。 §２．実施形態 以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態による２次
非線形光学素子について説明する。図１は本発明の一実
施形態による２次光学非線形光学素子を模式的に示す図
である。図１（ａ），１（ｂ）において、４１は第１の
非線形物質であるリンチタン酸カリウム（ＫＴＰ）結晶
であり、略直方体の形状に形成され、その全長は１０
［ｍｍ］、厚さは１［ｍｍ］である。また、ＫＴＰ４１
の上面には深さが０．５［ｍｍ］の溝が周期的に１７０
列にわたって形成されている。
【００３０】４２は第２の非線形物質である２−アダマ
ンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）結晶で
あり、ＫＴＰ４１に形成された溝中に配置される。ＫＴ
Ｐ４１及びＡＡＮＰ４２は、それぞれ幅Ｌ1が１９［μ
ｍ］、幅Ｌ2が３９［μｍ］で周期的に配置されてい
る。４３はＫＴＰ４１の上面に配置されたガラス板であ
る。４４はＫＴＰ４１の結晶軸を示す座標系、４５はＡ
ＡＮＰ４２の結晶軸を示す座標系である。また、４６は
レンズであり、４７は波長１．３２［μｍ］の入射光で
ある。
ンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）結晶で
あり、ＫＴＰ４１に形成された溝中に配置される。ＫＴ
Ｐ４１及びＡＡＮＰ４２は、それぞれ幅Ｌ1が１９［μ
ｍ］、幅Ｌ2が３９［μｍ］で周期的に配置されてい
る。４３はＫＴＰ４１の上面に配置されたガラス板であ
る。４４はＫＴＰ４１の結晶軸を示す座標系、４５はＡ
ＡＮＰ４２の結晶軸を示す座標系である。また、４６は
レンズであり、４７は波長１．３２［μｍ］の入射光で
ある。
【００３１】また、ＫＴＰ４１の分極方向＋ｚ方向とＡ
ＡＮＰ４２の分極方向＋ｚ方向とは、座標系４４，４５
に示すように互いに相反する方向にある。このような素
子を図１（ｂ）に示すような配置で波長変換を行う。即
ち、入射光４７をレンズ４６で集光し、ＫＴＰ４１及び
ＡＡＮＰ４２を交互に通過するようにする。この場合、
波長１．３２［μｍ］の光に対する第２高調波発生（Ｓ
ＨＧ）により波長が０．６６［μｍ］の光が発生する。
レンズ４６は波長変換の効率を高めるために用いられ
る。
ＡＮＰ４２の分極方向＋ｚ方向とは、座標系４４，４５
に示すように互いに相反する方向にある。このような素
子を図１（ｂ）に示すような配置で波長変換を行う。即
ち、入射光４７をレンズ４６で集光し、ＫＴＰ４１及び
ＡＡＮＰ４２を交互に通過するようにする。この場合、
波長１．３２［μｍ］の光に対する第２高調波発生（Ｓ
ＨＧ）により波長が０．６６［μｍ］の光が発生する。
レンズ４６は波長変換の効率を高めるために用いられ
る。
【００３２】次に、前述した素子の製造方法を図２
（ａ）〜２（ｅ）を参照して説明する。図２（ａ）〜２
（ｅ）は本発明の一実施形態による２次非線形光学素子
の製造方法を模式的に示す側面図であり、図１と共通す
る部分には同一の符号が付されている。図２（ａ）中の
５１は板状のＫＴＰである。まず、図２（ｂ）に示され
るように、板状のＫＴＰ５１の上面に、幅が３９［μ
ｍ］、深さが０．５［ｍｍ］の溝を１９［μｍ］の間隔
をあけてダイシングソーで切削し、溝を有するＫＴＰ４
１を形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、溝を
有するＫＴＰ４１の上面にガラス板４３をかぶせる。続
いて、溝を有するＫＴＰ４１及びガラス板４３全体を１
８０度まで加熱し、融点が１７２度のＡＡＮＰ融液中に
一部を浸し、毛細管現象によりＡＡＮＰ融液を溝中に導
入する。その後、全体を室温まで冷却して溝中のＡＡＮ
Ｐ融液を固化させる。この際、図２（ｄ）に示されるよ
うに、溝中のＡＡＮＰは多結晶ＡＡＮＰ５２となる。続
いて、多結晶ＡＡＮＰ５２を単結晶化して、図２（ｅ）
に示すような、ＡＡＮＰ結晶４２を形成する。
（ａ）〜２（ｅ）を参照して説明する。図２（ａ）〜２
（ｅ）は本発明の一実施形態による２次非線形光学素子
の製造方法を模式的に示す側面図であり、図１と共通す
る部分には同一の符号が付されている。図２（ａ）中の
５１は板状のＫＴＰである。まず、図２（ｂ）に示され
るように、板状のＫＴＰ５１の上面に、幅が３９［μ
ｍ］、深さが０．５［ｍｍ］の溝を１９［μｍ］の間隔
をあけてダイシングソーで切削し、溝を有するＫＴＰ４
１を形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、溝を
有するＫＴＰ４１の上面にガラス板４３をかぶせる。続
いて、溝を有するＫＴＰ４１及びガラス板４３全体を１
８０度まで加熱し、融点が１７２度のＡＡＮＰ融液中に
一部を浸し、毛細管現象によりＡＡＮＰ融液を溝中に導
入する。その後、全体を室温まで冷却して溝中のＡＡＮ
Ｐ融液を固化させる。この際、図２（ｄ）に示されるよ
うに、溝中のＡＡＮＰは多結晶ＡＡＮＰ５２となる。続
いて、多結晶ＡＡＮＰ５２を単結晶化して、図２（ｅ）
に示すような、ＡＡＮＰ結晶４２を形成する。
【００３３】次に、図３を参照して多結晶ＡＡＮＰ５２
を単結晶化する方法を説明する。図３は多結晶ＡＡＮＰ
５２を単結晶化する方法を示す説明図であり、図１，２
と共通する部分には同一の符号が付されている。図３に
おいて、４１は溝を有するＫＴＰであり、６１，６１は
ＫＴＰ４１に形成された溝に平行な方向に沿って、ＫＴ
Ｐ４１の両側に設けられた第１のヒータであり、第１の
ヒータ６１，６１はその温度が１８０度に設定されてい
る。６２，６２は第１のヒータ６１，６１に後続する第
２のヒータであり、第１のヒータ６１，６１よりも低い
温度（本実施形態では１２０度）に設定されている。ま
た、６３は溶融ＡＡＮＰであり、６４は単結晶ＡＡＮＰ
である。
を単結晶化する方法を説明する。図３は多結晶ＡＡＮＰ
５２を単結晶化する方法を示す説明図であり、図１，２
と共通する部分には同一の符号が付されている。図３に
おいて、４１は溝を有するＫＴＰであり、６１，６１は
ＫＴＰ４１に形成された溝に平行な方向に沿って、ＫＴ
Ｐ４１の両側に設けられた第１のヒータであり、第１の
ヒータ６１，６１はその温度が１８０度に設定されてい
る。６２，６２は第１のヒータ６１，６１に後続する第
２のヒータであり、第１のヒータ６１，６１よりも低い
温度（本実施形態では１２０度）に設定されている。ま
た、６３は溶融ＡＡＮＰであり、６４は単結晶ＡＡＮＰ
である。
【００３４】単結晶ＡＡＮＰ５２を単結晶化する方法
は、まず、図２（ｄ）中の、溝に多結晶ＡＡＮＰ５２が
形成されたＫＴＰ４１を、ＡＡＮＰの融点よりも若干高
い温度に設定した第１のヒータ６１，６１中に配置し、
ＡＡＮＰを溶融させて溶融ＡＡＮＰ６３とする。その
後、ＡＡＮＰの融点より低い温度に設定した第２のヒー
タ６２の方向（図中矢印方向）へ、５［ｍｍ/ｈｏｕ
ｒ］程度の速度でＫＴＰ４１を移動させる。その際、溶
融ＡＡＮＰ６３の第２ヒータ領域に入った部分が結晶成
長し、単結晶ＡＡＮＰ６４となる。このような結晶成長
法はブリッジマン法としてしられているが、一部の有機
結晶を細い溝中に配して結晶成長する場合、自発的にあ
る特定の結晶軸をもって単結晶成長するといわれてい
る。
は、まず、図２（ｄ）中の、溝に多結晶ＡＡＮＰ５２が
形成されたＫＴＰ４１を、ＡＡＮＰの融点よりも若干高
い温度に設定した第１のヒータ６１，６１中に配置し、
ＡＡＮＰを溶融させて溶融ＡＡＮＰ６３とする。その
後、ＡＡＮＰの融点より低い温度に設定した第２のヒー
タ６２の方向（図中矢印方向）へ、５［ｍｍ/ｈｏｕ
ｒ］程度の速度でＫＴＰ４１を移動させる。その際、溶
融ＡＡＮＰ６３の第２ヒータ領域に入った部分が結晶成
長し、単結晶ＡＡＮＰ６４となる。このような結晶成長
法はブリッジマン法としてしられているが、一部の有機
結晶を細い溝中に配して結晶成長する場合、自発的にあ
る特定の結晶軸をもって単結晶成長するといわれてい
る。
【００３５】発明者らは、図３に示される方法でＡＡＮ
Ｐを単結晶させる場合、ＡＡＮＰのｃ軸が図中の上下方
向、即ち、ＫＴＰ４１の溝の方向に方位し、ａ軸が図中
の紙面に垂直な方向に向く方位で成長することを見出
し、また、＋ｃ軸方向は結晶成長方向により制御できる
ことを見出した。この特性を利用することにより、図１
（ａ）に示した結晶方位および形状を有するＡＡＮＰ４
２及びＫＴＰ４１を製造できる。また、ＫＴＰの融点が
１１５０度であり、ＡＡＮＰの融点と異なっているた
め、製造工程においてＫＴＰに変質をあたえることなく
製造することができる。この点が、第１の非線形物質と
第２の非線形物質の融点が異なっている効果である。
Ｐを単結晶させる場合、ＡＡＮＰのｃ軸が図中の上下方
向、即ち、ＫＴＰ４１の溝の方向に方位し、ａ軸が図中
の紙面に垂直な方向に向く方位で成長することを見出
し、また、＋ｃ軸方向は結晶成長方向により制御できる
ことを見出した。この特性を利用することにより、図１
（ａ）に示した結晶方位および形状を有するＡＡＮＰ４
２及びＫＴＰ４１を製造できる。また、ＫＴＰの融点が
１１５０度であり、ＡＡＮＰの融点と異なっているた
め、製造工程においてＫＴＰに変質をあたえることなく
製造することができる。この点が、第１の非線形物質と
第２の非線形物質の融点が異なっている効果である。
【００３６】次に、本発明の一実施形態による２次非線
形光学素子の動作原理について説明する。まず、溝等を
形成する前のＫＴＰ（図２中のＫＴＰ５１）結晶に、波
長１．３２［μｍ］の光を入射させ、第２高調波発生で
波長０．６６［μｍ］を発生させる場合、前述した位相
整合条件式（２）を満たさないため、第２高調波光強度
の相互作用長依存性は、図４中に模式的に示された曲線
（１）のように、周期的に増減し、第２高調波光強度は
一定値以上には増加しない。ここでは式（６）に示すよ
うに第１の非線形物質に対する基本長Ｌ1を
形光学素子の動作原理について説明する。まず、溝等を
形成する前のＫＴＰ（図２中のＫＴＰ５１）結晶に、波
長１．３２［μｍ］の光を入射させ、第２高調波発生で
波長０．６６［μｍ］を発生させる場合、前述した位相
整合条件式（２）を満たさないため、第２高調波光強度
の相互作用長依存性は、図４中に模式的に示された曲線
（１）のように、周期的に増減し、第２高調波光強度は
一定値以上には増加しない。ここでは式（６）に示すよ
うに第１の非線形物質に対する基本長Ｌ1を
【００３７】 Ｌ1＝(１/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1
【００３８】と定義する。ここで、λ1，λ2，λ3は波
長変換に関与する３つの光の波長であり、この３つの光
の波長がλ1≧λ2≧λ3の関係を有し、１/λ1＋１/λ2
＝１/λ3の関係を満たしている。また、Ｎ1(λ1)，Ｎ
1(λ2)，Ｎ1(λ3)は上記３つの光の波長に対する第１の
非線形物質の波長変換に関与する偏光の実効屈折率であ
る。
長変換に関与する３つの光の波長であり、この３つの光
の波長がλ1≧λ2≧λ3の関係を有し、１/λ1＋１/λ2
＝１/λ3の関係を満たしている。また、Ｎ1(λ1)，Ｎ
1(λ2)，Ｎ1(λ3)は上記３つの光の波長に対する第１の
非線形物質の波長変換に関与する偏光の実効屈折率であ
る。
【００３９】本実施形態では、第１の非線形物質がＫＴ
Ｐであり、２次非線形光学係数はｄ15が使用されるた
め、波長λ1，λ2が１．３２［μｍ］であり、波長λ3
が０．６６［μｍ］である場合、波長λ1に対する実効
屈折率Ｎ1(λ1)はｎx(１．３２［μｍ］)であり１．７
３４５である。波長λ2に対する実効屈折率Ｎ1(λ2)は
ｎz(１．３２［μｍ］)であり、１．８２３８である。
波長λ3に対する実効屈折率Ｎ1(λ3)はｎx(０．６６
［μｍ］)であり１．７５９２である。この場合、第１
の非線形物質の基本長Ｌ1は１９［μｍ］である。ここ
で、ｎx(λ)，ｎz(λ)は、それぞれ波長λに対するＫＴ
Ｐ結晶のｘ軸偏光屈折率およびｚ軸偏光屈折率である。
Ｐであり、２次非線形光学係数はｄ15が使用されるた
め、波長λ1，λ2が１．３２［μｍ］であり、波長λ3
が０．６６［μｍ］である場合、波長λ1に対する実効
屈折率Ｎ1(λ1)はｎx(１．３２［μｍ］)であり１．７
３４５である。波長λ2に対する実効屈折率Ｎ1(λ2)は
ｎz(１．３２［μｍ］)であり、１．８２３８である。
波長λ3に対する実効屈折率Ｎ1(λ3)はｎx(０．６６
［μｍ］)であり１．７５９２である。この場合、第１
の非線形物質の基本長Ｌ1は１９［μｍ］である。ここ
で、ｎx(λ)，ｎz(λ)は、それぞれ波長λに対するＫＴ
Ｐ結晶のｘ軸偏光屈折率およびｚ軸偏光屈折率である。
【００４０】図４中曲線（１）の周期は２Ｌ1＝３８μ
ｍで与えられる。従来の疑似位相整合法では、ＫＴＰの
分極方向を電界印加等によりＬ1ごとに反転させてい
た。この場合、第２高調波光強度の相互作用長依存性
は、図４中の曲線（２）のようになり、相互作用長が増
加するにつれ、第２高調光強度は増加する。この際の実
効２次非線形係数は、４［ｐｍ/Ｖ］であり、結晶長が
１０［ｍｍ］である場合、規格化波長変換効率０．３
［％/Ｗ］が得られる。本実施形態では、ＫＴＰの分極
反転部の役割を８０［ｐｍ/Ｖ］とより２次非線形係数
の大きなＡＡＮＰが行うこととなる。ここでは、式
（７）に示すように第２の非線形物質に対する基本長Ｌ
2を
ｍで与えられる。従来の疑似位相整合法では、ＫＴＰの
分極方向を電界印加等によりＬ1ごとに反転させてい
た。この場合、第２高調波光強度の相互作用長依存性
は、図４中の曲線（２）のようになり、相互作用長が増
加するにつれ、第２高調光強度は増加する。この際の実
効２次非線形係数は、４［ｐｍ/Ｖ］であり、結晶長が
１０［ｍｍ］である場合、規格化波長変換効率０．３
［％/Ｗ］が得られる。本実施形態では、ＫＴＰの分極
反転部の役割を８０［ｐｍ/Ｖ］とより２次非線形係数
の大きなＡＡＮＰが行うこととなる。ここでは、式
（７）に示すように第２の非線形物質に対する基本長Ｌ
2を
【００４１】 Ｌ2＝(１/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ2(λ2)/λ2)-1
【００４２】と定義する。ここで、Ｎ2(λ1)，Ｎ
2(λ2)，Ｎ2(λ3)は、それぞれ３つの波長λ1，λ2，λ
3に対する第２の非線形物質の波長変換に関与する偏光
の実効屈折率である。本実施形態では、ＡＡＮＰが第２
の非線形物質となるが、ＡＡＮＰの屈折率の波長依存性
は、これまで明確でなく、基本長Ｌ2を正確に求めるこ
とができなかった。発明者らは、ＡＡＮＰの屈折率を詳
細に測定し、波長λにおけるｘ軸偏光及びｚ軸偏光の屈
折率ｎ′xおよびｎ′zが、
2(λ2)，Ｎ2(λ3)は、それぞれ３つの波長λ1，λ2，λ
3に対する第２の非線形物質の波長変換に関与する偏光
の実効屈折率である。本実施形態では、ＡＡＮＰが第２
の非線形物質となるが、ＡＡＮＰの屈折率の波長依存性
は、これまで明確でなく、基本長Ｌ2を正確に求めるこ
とができなかった。発明者らは、ＡＡＮＰの屈折率を詳
細に測定し、波長λにおけるｘ軸偏光及びｚ軸偏光の屈
折率ｎ′xおよびｎ′zが、
【００４３】 ｎ′x＝(1.884232＋0.744604λ2/(λ2−0.114209)＋0.012463λ2)1/2 ・・・（１１） ｎ′z＝(2.259998＋0.699267λ2/(λ2−0.149161)＋0.009692λ2)1/2 ・・・（１２）
【００４４】で表されることを見出した。この結果、基
本長を求めることができ、本実施形態の場合、２次非線
形光学係数はｄ15が使用されるため、波長λ1，λ2が
１．３２［μｍ］、波長λ3が０．６６［μｍ］である
場合、実効屈折率Ｎ2(λ1)はｎx(１．３２［μｍ］)＝
１．７３４５となる。実効屈折率Ｎ1(λ2)はｎz(１．３
２［μｍ］)＝１．１７４４２となる。また、実効屈折
率Ｎ1(λ2)はｎx(０．６６［μｍ］)＝１．７０２６と
なる。この場合、第２の非線形物質の基本長Ｌ2は３９
［μｍ］である。本実施形態の第２高調波光強度の相互
作用長依存性を図４中曲線（３）に模式的に示す。ＡＡ
ＮＰは、より大きな２次非線形光学係数を有するため、
曲線（２）より大きな効率が得られる。本発明の一実施
形態による２次非線形光学素子の実効的な２次非線形光
学係数ｄeffは、
本長を求めることができ、本実施形態の場合、２次非線
形光学係数はｄ15が使用されるため、波長λ1，λ2が
１．３２［μｍ］、波長λ3が０．６６［μｍ］である
場合、実効屈折率Ｎ2(λ1)はｎx(１．３２［μｍ］)＝
１．７３４５となる。実効屈折率Ｎ1(λ2)はｎz(１．３
２［μｍ］)＝１．１７４４２となる。また、実効屈折
率Ｎ1(λ2)はｎx(０．６６［μｍ］)＝１．７０２６と
なる。この場合、第２の非線形物質の基本長Ｌ2は３９
［μｍ］である。本実施形態の第２高調波光強度の相互
作用長依存性を図４中曲線（３）に模式的に示す。ＡＡ
ＮＰは、より大きな２次非線形光学係数を有するため、
曲線（２）より大きな効率が得られる。本発明の一実施
形態による２次非線形光学素子の実効的な２次非線形光
学係数ｄeffは、
【００４５】 ｄeff＝((ｄeff1 2Ｌ1 2＋ｄeff2 2Ｌ2 2)/(Ｌ1＋Ｌ2)2)1/2 ・・・（１３）
【００４６】で与えられる。ここでｄeff1は第１の非線
形物質の実効的な２次非線形光学係数であり、ｄeff2は
第２の非線形物質の実効的な２次非線形光学係数であ
る。本実施形態の場合、ｄeff＝３４［ｐｍ/Ｖ］とな
り、これまで報告されている疑似位相整合の実効２次非
線形光学係数のニオブ酸リチウムの２０［ｐｍ/Ｖ］、
ニオブ酸タンタルの１７［ｐｍ/Ｖ］を大きく上回る値
が得られる。
形物質の実効的な２次非線形光学係数であり、ｄeff2は
第２の非線形物質の実効的な２次非線形光学係数であ
る。本実施形態の場合、ｄeff＝３４［ｐｍ/Ｖ］とな
り、これまで報告されている疑似位相整合の実効２次非
線形光学係数のニオブ酸リチウムの２０［ｐｍ/Ｖ］、
ニオブ酸タンタルの１７［ｐｍ/Ｖ］を大きく上回る値
が得られる。
【００４７】本実施形態では、第１と第２の非線形物質
の幅をそれぞれ基本長Ｌ1、Ｌ2としたが、それぞれ基本
長Ｌ1、Ｌ2の奇数倍としても同様に疑似位相整合を達成
することができる。その場合、第１と第２の非線形物質
の幅をそれぞれｐＬ1、ｑＬ2（ｐ，ｑは奇数）としたと
き、実効的な２次非線形光学係数ｄeffは、
の幅をそれぞれ基本長Ｌ1、Ｌ2としたが、それぞれ基本
長Ｌ1、Ｌ2の奇数倍としても同様に疑似位相整合を達成
することができる。その場合、第１と第２の非線形物質
の幅をそれぞれｐＬ1、ｑＬ2（ｐ，ｑは奇数）としたと
き、実効的な２次非線形光学係数ｄeffは、
【００４８】 ｄeff＝((ｄeff1 2ｐ2Ｌ1 2＋ｄeff2 2ｑ2Ｌ2 2)/(ｐＬ1＋ｑＬ2)2)1/2 ・・・（１４）
【００４９】で与えられる。また、本発明の２次非線形
光学素子を設計する際、考慮しなければならないのが、
第１の非線形物質と第２の非線形物質の間の屈折率差で
ある。第１の非線形物質と第２の非線形物質の境界で
は、屈折率差に応じて反射損失が生じる。波長λでの反
射損失Ｒは、第１の非線形物質及び第２の非線形物質の
屈折率から、
光学素子を設計する際、考慮しなければならないのが、
第１の非線形物質と第２の非線形物質の間の屈折率差で
ある。第１の非線形物質と第２の非線形物質の境界で
は、屈折率差に応じて反射損失が生じる。波長λでの反
射損失Ｒは、第１の非線形物質及び第２の非線形物質の
屈折率から、
【００５０】 Ｒ＝(Ｎ1(λ)−Ｎ2(λ))2/(Ｎ1(λ)＋Ｎ2(λ))2 ・・・（１５）
【００５１】で与えられる。従って、本発明の２次非線
形光学素子においては、第１の非線形物質と第２の非線
形物質の屈折率差が小さいことが望ましい。屈折率差が
大きい場合には、境界数を減らす、即ち、素子長を短く
する必要がある。本実施形態で用いたＫＴＰとＡＡＮＰ
のｘ軸偏光とｚ軸偏光に関する屈折率の波長依存性を図
５に示す。この図から、０．６〜１．６［μｍ］の波長
範囲において、ＫＴＰとＡＡＮＰとのｘ軸偏光に関する
屈折率差およびｚ軸偏光に関する屈折率差が、０．１以
内であることがわかる。従って、境界１つに対する反射
損失をｄＢ（デシベル）で表すと、０．００３５［ｄ
Ｂ］以下となる。本実施形態による２次非線形光学素子
は、３４０の境界を有するので、トータルの反射損失
は、１．２［ｄＢ］以下となるが、７６［％］以上の透
過を示すので、反射損失の波長変換効率に対する影響は
小さい。このように、ＡＡＮＰとＫＴＰの組み合わせ
は、本発明に適した組み合わせの一例といえる。
形光学素子においては、第１の非線形物質と第２の非線
形物質の屈折率差が小さいことが望ましい。屈折率差が
大きい場合には、境界数を減らす、即ち、素子長を短く
する必要がある。本実施形態で用いたＫＴＰとＡＡＮＰ
のｘ軸偏光とｚ軸偏光に関する屈折率の波長依存性を図
５に示す。この図から、０．６〜１．６［μｍ］の波長
範囲において、ＫＴＰとＡＡＮＰとのｘ軸偏光に関する
屈折率差およびｚ軸偏光に関する屈折率差が、０．１以
内であることがわかる。従って、境界１つに対する反射
損失をｄＢ（デシベル）で表すと、０．００３５［ｄ
Ｂ］以下となる。本実施形態による２次非線形光学素子
は、３４０の境界を有するので、トータルの反射損失
は、１．２［ｄＢ］以下となるが、７６［％］以上の透
過を示すので、反射損失の波長変換効率に対する影響は
小さい。このように、ＡＡＮＰとＫＴＰの組み合わせ
は、本発明に適した組み合わせの一例といえる。
【００５２】本実施形態の波長変換効率を測定した結
果、規格化波長変換効率２０［％/Ｗ］が得られ、疑似
位相整合ニオブ酸タンタルを用い、導波路構造を有しな
いバルク型素子で得られていた規格化波長変換効率の最
高値である４［％/Ｗ］を大きく上回る値が得られ、本
発明の効果が明らかになった。本実施形態の構成は、波
長に応じて基本長を変えることで他の波長に適用するこ
とができる。
果、規格化波長変換効率２０［％/Ｗ］が得られ、疑似
位相整合ニオブ酸タンタルを用い、導波路構造を有しな
いバルク型素子で得られていた規格化波長変換効率の最
高値である４［％/Ｗ］を大きく上回る値が得られ、本
発明の効果が明らかになった。本実施形態の構成は、波
長に応じて基本長を変えることで他の波長に適用するこ
とができる。
【００５３】本実施形態では、第１の非線形物質として
ＫＴＰを、第２の非線形物質としてＡＡＮＰを用い、２
次非線形光学係数としてｄ15を利用したが、第１の非線
形物質に形成した溝中に、第１の非線形物質より低い融
点を有する第２の非線形物質を配した同様な素子が形成
できることはもちろんである。また、非線形光学係数ｄ
15に限らず、物質に応じて任意の２次非線形光学係数を
選択することができる。さらに、本実施形態では、ＡＡ
ＮＰが比較的長い基本長を有しているため、溝を形成す
る際に切削手法を用いたが、より短い基本長に対して
は、フォトリソグラフィを用いた微細加工エッチング技
術を適用することができる。
ＫＴＰを、第２の非線形物質としてＡＡＮＰを用い、２
次非線形光学係数としてｄ15を利用したが、第１の非線
形物質に形成した溝中に、第１の非線形物質より低い融
点を有する第２の非線形物質を配した同様な素子が形成
できることはもちろんである。また、非線形光学係数ｄ
15に限らず、物質に応じて任意の２次非線形光学係数を
選択することができる。さらに、本実施形態では、ＡＡ
ＮＰが比較的長い基本長を有しているため、溝を形成す
る際に切削手法を用いたが、より短い基本長に対して
は、フォトリソグラフィを用いた微細加工エッチング技
術を適用することができる。
【００５４】また、本実施形態では、第１の非線形物質
を無機材料、第２の非線形物質を有機材料としたが、本
発明は無機材料と有機材料との組み合わせに限定される
ものではなく、例えば、第１の非線形物質を有機材料、
第２の非線形物質を有機材料としても、融点差があれば
本発明の構成が実現できることはもちろんである。
を無機材料、第２の非線形物質を有機材料としたが、本
発明は無機材料と有機材料との組み合わせに限定される
ものではなく、例えば、第１の非線形物質を有機材料、
第２の非線形物質を有機材料としても、融点差があれば
本発明の構成が実現できることはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の２次非線
形光学素子によれば、電界印加等の従来法で分極反転で
きない非線形物質が利用可能であり、特に大きな２次非
線形光学係数を有する有機結晶が適用でき、そのうえ、
角度ウオークオフが生じないため高い波長変換効率が実
現できるとともに、２次非線形光学効果を用いた各種素
子に、従来素子を上回る効率を有する素子として適用で
きる。
形光学素子によれば、電界印加等の従来法で分極反転で
きない非線形物質が利用可能であり、特に大きな２次非
線形光学係数を有する有機結晶が適用でき、そのうえ、
角度ウオークオフが生じないため高い波長変換効率が実
現できるとともに、２次非線形光学効果を用いた各種素
子に、従来素子を上回る効率を有する素子として適用で
きる。
【図１】本発明の一実施形態による２次非線形光学素子
の構成を模式的に表す図である。
の構成を模式的に表す図である。
【図２】本発明の一実施形態による２次非線形光学素子
の製造工程を示す図である。
の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による２次非線形光学素子
の製造工程中、第２の非線形物質の結晶成長工程を表す
図である。
の製造工程中、第２の非線形物質の結晶成長工程を表す
図である。
【図４】本発明の動作原理を示す図である。
【図５】ＫＴＰ及びＡＡＮＰの屈折率の波長依存性を示
す図である。
す図である。
【図６】従来の角度位相整合を説明する図である。
【図７】角度位相整合で生じる角度ウオークオフを説明
する図である。
する図である。
【図８】疑似位相整合を説明する図である。
４１…リンチタン酸カリウム（ＫＴＰ）結晶、４２…２
−アダマンチルアミノ−５−ニトロピロジン（ＡＡＮ
Ｐ）結晶、４７…波長１．３２μｍの入射光。
−アダマンチルアミノ−５−ニトロピロジン（ＡＡＮ
Ｐ）結晶、４７…波長１．３２μｍの入射光。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戒能 俊邦 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】 波長の大小関係がλ1≧λ2≧λ3であ
り、且つ１/λ1＋１/λ2＝１/λ3なる関係を満たす波長
λ1、λ2、及びλ3の３つの光の間で波長変換を行う２
次非線形光学素子であって、 前記３つの光の波長に対し、波長変換に関与する偏光の
実効屈折率がそれぞれＮ1(λ1)、Ｎ1(λ2)、Ｎ1(λ3)で
あり、基本長Ｌ1が Ｌ1＝(１/２)・(Ｎ1(λ3)/λ3−Ｎ1(λ1)/λ1−Ｎ1(λ2)/λ2)-1 である第１の非線形物質と、 前記３つの光の波長に対し、波長変換に関与する偏光の
実効屈折率がそれぞれＮ2(λ1)、Ｎ2(λ2)、Ｎ2(λ3)で
あり、基本長Ｌ2が Ｌ2＝(１/２)・(Ｎ2(λ3)/λ3−Ｎ2(λ1)/λ1−Ｎ2(λ2)/λ2)-1 である第２の非線形物質とを有し、 光の進行方向に対して第１の非線形物質と第２の非線形
物質とが、それぞれ前記基本長Ｌ1のほぼ奇数倍、及び
前記基本長Ｌ2のほぼ奇数倍の厚さで交互に周期的に配
列され、前記第１の非線形物質と前記第２の非線形物質
の融点が互いに異なることを特徴とする２次非線形光学
素子。 - 【請求項２】 前記第１の非線形物質はリンチタン酸カ
リウム結晶であり、前記第２の非線形物質は２−アダマ
ンチルアミノ−５−ニトロピリジン結晶であることを特
徴とする請求項１記載の２次非線形光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1789296A JPH09211512A (ja) | 1996-02-02 | 1996-02-02 | ２次非線形光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1789296A JPH09211512A (ja) | 1996-02-02 | 1996-02-02 | ２次非線形光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09211512A true JPH09211512A (ja) | 1997-08-15 |
Family
ID=11956378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1789296A Pending JPH09211512A (ja) | 1996-02-02 | 1996-02-02 | ２次非線形光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09211512A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0919852A1 (en) * | 1997-11-26 | 1999-06-02 | Nec Corporation | Wavelength converter and method for generating optical harmonics of incident laser light |
| US8130368B2 (en) | 2007-05-25 | 2012-03-06 | Kabushiki Kaisha Topcon | Distance measuring apparatus |
| US8144311B2 (en) | 2008-10-01 | 2012-03-27 | Kabushiki Kaisha Topcon | Laser apparatus and distance measurement apparatus |
-
1996
- 1996-02-02 JP JP1789296A patent/JPH09211512A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0919852A1 (en) * | 1997-11-26 | 1999-06-02 | Nec Corporation | Wavelength converter and method for generating optical harmonics of incident laser light |
| US6215580B1 (en) | 1997-11-26 | 2001-04-10 | Nec Corporation | Wavelength converter for generating optical harmonics of incident laser light at high efficiency and method for varying wavelength of incident laser light |
| US8130368B2 (en) | 2007-05-25 | 2012-03-06 | Kabushiki Kaisha Topcon | Distance measuring apparatus |
| US8144311B2 (en) | 2008-10-01 | 2012-03-27 | Kabushiki Kaisha Topcon | Laser apparatus and distance measurement apparatus |
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