WO2006064939A1

WO2006064939A1 - 意図しない波長を有する光を抑制した波長変換素子

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Publication number: WO2006064939A1
Application number: PCT/JP2005/023210
Authority: WO
Inventors: Sunao Kurimura; Kenji Kitamura
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2007-06-14
Also published as: JP2006171230A

Abstract

意図しない波長を有する光（不要光）が、容易に抑制され、かつ、波長変換によって得られる光の波長領域に制限のない波長変換素子を提供する。　第１の光（第１の波長λ1）を第２の光（第２の波長λ2）と第３の光（第３の波長λ3）とに波長変換する（関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3（λ2＜λ3）を満たす）波長変換素子は、少なくとも１つの非線形光学単結晶を含み、少なくとも一組の第１の領域と第２の領域と位相調整領域とを有する。少なくとも１つの分極反転領域を含む位相調整領域は、第１の領域と第２の領域との間に位置し、分極反転領域の分極反転幅の合計長は、λ1／２、（１／λ1＋１／λ2）-1、（１／λ1＋１／λ3）-1、（１／λ1＋（１／（λ1/２))-1、（１／λ1＋１／（λ2／２））-1、および、（１／λ1＋１／（λ3／２））-1からなる群から少なくとも１つ選択される波長を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数に相当する。

Description

明細書意図しない波長を有する光を抑制した波長変換素子技術分野

本発明は、非線形光学単結晶を用いた波長変換素子に関する。より詳細には、本発明は、意図しない波長を有する光の発生を抑制した、非線形光学単結晶を用レ、た波長変換素子に関する。背景技術

優れた非線形光学定数および電気光学定数を有する非線形光学単結晶を用いた波長変換素子の研究が盛んに行われている。なかでも、良質な強誘電体単結晶の製造技術および分極反転形成技術の向上により、擬似位相整合方式を採用した波長変換素子の発展は目覚しい。

近年、例えば、光パラメトリック発振を利用した波長変換素子において、発振光（シグナル光おょぴアイドラ光）以外に意図しない波長を有する光が発生することが分かっている。

図 5は、従来技術による光パラメトリック発振器によるポンプ光とシグナル光およびアイドラ光とのパワーを示す図である。

光パラメトリック発振器 5 0 0 0 (挿入図）は、化学量論組成のタンタル酸リチウム単結晶からなる。タンタル酸リチウム単結晶は、 2 6〜3 3 z mの範囲の周期を有する周期分極反転構造 5 1 0 0を有している。このような光パラメトリック発振器 5 0 0 0に、波長 1 . 0 6 4 mのポンプ光 λ pを入射すると、ボンプ光 λ ρは、周期分極反転構造 5 1 0 0の周期に応じてシグナル光え sとアイドラ光; L iとに変換される。シグナル光; L sおよびアイドラ光; L iの波長は、それぞれ、 1. 5 5 mおよび 3 . 3 9 z mである。

し力しながら、図 5に示されるように、これらシグナル光 I sおよびアイドラ光； L i以外に、意図しない光（え Aおよび; I B) の発生が確認された。それら意図しない光 I Aおよび; L Bは、それぞれ、ポンプ光 L pの第 2高調波およぴポンプ光; L pとシグナル光; I sとの和周波光である。ポンプ光; L pの第 2高調波は、 532 nmの波長を有し、ポンプ光 λ ρとシグナル光; L sとの和周波光は、 63 0 nmの波長を有する。この他の意図しない光の可能性として、ポンプ光え pとアイドラ光; L iとの和周波光、ポンプ光; I pとポンプ光 L p、アイドラ光； iまたはシグナル光; L sの第 2高調波との和周波光があり得る。

また、これら組み合わせによって発生する意図しない光の他に、周期分極反転構造 5100の製造上のバラツキによって意図しない光が発生する場合があり得る。

図 5に示されるように、意図しない光（以降では、これらを総称して不要光と呼ぶ）は、非線形光学単結晶の光損傷および熱レンズ効果の発生、変換効率の低下等の深刻な問題を引き起こし得る。

このような不要光の発生を抑えるための技術がある（例えば、特許文献 1を参照)。

特許文献 1 ：特開 2002— 2.50948号公報

図 6は、従来技術による不要光の発生を抑えた波長変換素子を示す図である。波長変換素子 6000は、任意の強誘電体単結晶である。任意の強誘電体単結晶は分極反転構造 6100を有する。ここで、特定の強誘電体単結晶および特定の波長を有するポンプ光 λ ρを用いて、不要光の発生を抑えて光パラメトリック発振させる場合の分極反転構造 6100の周期 Λ OPまたは分極反転比 Rは、次の（1) または（2) のようにして決定される。

(1) 不要光にとって高次の擬似位相整合条件を満たさないように、その高次の擬似位相整合条件を避けるように周期 Λ。_Ρを選択する。詳細には、下記（a) の条件を満たし、かつ、条件（b) 〜（d) のうち少なくとも 1つを満たすように、周期 Λ ΟΡは決定される。

(a) ポンプ光; L pと、光パラメトリック発振によって得られる 2つの光のうちの 1つの光とによって決定されるコヒーレンス長を L aとし、次数を Maとすると、 Λ _OT = 2 XMa X L aである。

(b) ポンプ光; I pと、その第 2高調波 I p 2とによって決定されるコヒーレンス長を L p 2とし、次数を Mp 2とすると、 A_OP≠2 XMp 2 XLp 2である。

(c) ポンプ光え pと、光パラメトリック発振によって得られる 2つの光のうちの 1つの光との和周波光を I p sとし、ポンプ光; L と和周波光； I p sとによつて決定されるコヒーレンス長を L p sとし、次数を Mp sとすると、 Λ _0P ≠ 2 XMp s X L p sである。

(d) ポンプ光; L pと、光パラメトリック発振によって得られる 2つの光のうちの 1つの光の第 2高調波 L s 2との和周波光を L p s 2とし、ポンプ光； L pと和周波光； L p s 2とによって決定されるコヒーレンス長を L p s 2とし、次数を M p s 2とすると、 Λ _0P≠ 2 XMp s 2 X L p s 2である。

ここで、条件（b) 〜（d) のうち少なくとも 1つを満たすことによって、不要光にとっての高次の擬似位相整合条件を避けることができる。この状態で条件 (a) を満たせば、上記高次の擬似位相整合条件を避けた範囲から分極反転周期 Λ _0P選択することができる。この結果、不要光の発生を抑え、かつ、所望の光のみを発生させることができる。

(2)不要光を発生させる高次の擬似位相整合条件を満たす次数（この次数は、所望の光を発生させる擬似位相整合条件を満たす次数とは異なる値である）を求め、不要光の変換効率が理論上ゼロとなり、所望の光の変換効率が高くなる分極反転比率 Rを決定する。詳細には、上記（a) の条件を満たし、かつ、下記条件

(e) 〜（g) のうち少なくとも 1つを満たすように、周期 Λ 。_P を決定する。次いで、選択された条件（e) 〜（g) において変換効率が理論上ゼロとなるように分極反転比率 Rを決定する。

(e) ポンプ光 λ ρと、その第 2高調波え ρ 2とによって決定されるコヒーレンス長を L ρ 2とし、次数を Mp 2とすると、 Λ _0P = 2 XMp 2 X L p 2である。

(f ) ポンプ光 L pと、光パラメトリック発振によって得られる 2つの光のうちの 1つの光との和周波光を I p sとし、ポンプ光え pと和周波光 I p sとによつて決定されるコヒーレンス長を L p sとし、次数を Mp sとすると、 Λ _0P = 2 XMp s X L p sである。

(g) ポンプ光; L pと、光パラメトリック発振によって得られる 2つの光のうちの 1つの光の第 2高調波; L s 2との和周波光を λ p s 2とし、ポンプ光え ρと和周波光え p s 2とによって決定されるコヒーレンス長を L p s 2とし、次数を M p s 2とすると、 Λ _0P = 2 X M p s 2 X L p s 2である。

ここで、条件（a ) かつ条件（e ) 〜（g ) のうち少なくとも 1つを満たせば、所望の光を発生し、かつ、不要光を発生する分極反転周期 Λ とともに、それぞれの次数が得られる。次いで、不要光の変換効率が理論上ゼロになる分極反転比 Rを求めることで、所望の光のみを発生させることができる。

このように、図 6によれば、不要光が発生しにくいように分極反転構造 6 1 0 0の周期または分極反転比が決定されるので、所望の光のみを得ることができる。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

しかしながら、特許文献 1に記載される上記（1 ) の技術では、不要光が発生し得る波長を避けて分極反転周期 Λ が決定されるため、得られる所望の光の波長領域が制限されてしまう。 .

一方、特許文献 1に記載される上記（2 ) の技術では、得られる波長領域に制限はないものの、分極反転構造 6 1 0 0を形成する際に、決定された分極反転比 Rに応じた分極反転領域の微細制御が困難であり得る。

したがって、本発明の課題は、意図しない波長を有する光（不要光）力容易に抑制され、かつ、波長変換によって得られる光の波長領域に制限のない波長変換素子を提供することである。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においては、以下の手段を採用する。

①本発明による第 1の波長え .を有する第 1の光を第 2の波長; L を有する第 2 の光と第 3の波長; L を有する第 3の光とに波長変換する波長変換素子であつて、ここで、第 1の波長; L と第 2の波長； I と第 3の波長えとは、関係 1 Z λ χ = \ / λ 2 + 1 / λ ( λ , < λ λ ₃) を満たし、前記波長変換素子は少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含み、前記波長変換素子は、少なくとも一組の 3210

第 1の領域と第 2の領域と位相調整領域とを有し、前記位相調整領域は、前記第 1の領域と前記第 2の領域との間に位置し、少なくとも 1つの分極反転領域を含み、前記少なくとも 1つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長 λ , 2, 波長（ΐΖλ , + iZ ₂) 波長（ΐΖλ t + ιΖλ 3) 波長（l

/λ ！ + (1/ (λ ^/2)) 波長（ΐ/λ , + (λ 2/2)) および、波長（ΐΖλ , + 1/ (I ₃ /2)) —¹からなる群から少なくとも 1つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラタション長の奇数倍の最小公倍数に相当し、これにより上記目的を達成する。

②前記少なくとも 1つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチゥムまたはタンタル酸リチウムであってもよい。

③前記実質的に定比組成の-ォブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、 M g、 Z n、 S cおよび I nからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. 0 m o 1 % 含んでもよい。

④前記第 1の領域と前記第 2の領域とは周期分極反転領域であってもよい。

⑤前記第 1の波長 λ ,力 1 · 0 64 μ mであり、前記第 2の波長 ₂力 S 1. 5 5 μ mであり、前記第 3の波長 λ ₃が 3. 3 9 μ mである場合、前記分極反転幅は 1. 0 5、 2. 4、 4、 6. 7、 7. 3、および、 1 1. 8 / mからなる群から少なくとも 1つ選択されてもよレ、。

⑥本発明による第 1の波長; L 1を有する第 1の光と第 2の波長; L 2を有する第 2 の光とを、第 3の波長; I 3を有する第 3の光に波長変換する波長変換素子であつて、ここで、第 1の波長; L ！と第 2の波長; I 2 と第 3の波長え 3 とは、関係 1Z ；！^ニ：！ぇ，土丄ぇ：を満たし、前記波長変換素子は、少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含み、少なくとも一組の第 1の領域と第 2の領域と位相調整領域とを有し、前記位相調整領域は、前記第 1の領域と前記第 2の領域との間に位置し、少なくとも 1つの分極反転領域を含み、前記少なくとも 1つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長 λ ！ /2, 波長； L ₂ 2、波長（1/ λ , + ι/λ.₃) -'、波長（ΐΖλ ₂ + ιΖλ ₃) —'、波長（1 L , + 1ノ (I ./

2)) ·'、波長（ΐΖλ , + 1Z (λ ₂/2))—¹、波長（ΐΖλ , + 1Z (え ₃/2)) -¹、波長（l/λ 2 + 1Z (λ ./2)) 波長（1/ぇ ₂ +1/ (λ ₂/2)) および、波長（ι/λ ₂ + ιΖ (;ι ₃ /2)) ·¹からなる群から少なくとも 1つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクシヨン長の奇数倍の最小公倍数に相当し、これにより上記目的を達成する。

⑦第 1の波長; I .と第 2の波長； L 2と第 3の波長え ₃と力 S、関係 ΐΖλ ₃ = ΐΖλ ,

+ ΐ/λ 2を満たす場合、関係; I , > λ 3および関係え 2 > λ 3であってもよい。

⑧第 1の波長え，と第 2の波長え ₂と第 3の波長え ₃と力 S、関係 1 /え ₃ = 1 /え，

- 1/λ 2を満たす場合、関係 I Χ < λ 2 < λ 3であってもよレヽ。

⑨前記少なくとも 1つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチゥムまたはタンタル酸リチウムであってもよい。

⑩前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、 Mg、 Z n、 S cおよび I nからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. 0 m o 1 % 含んでもよい。

⑪前記第 1の領域と前記第 2の領域とは周期分極反転領域であつてもよい。発明の効果

本発明によれば、第 1の波長； L 1を有する第 1の光を第 2の波長； L 2を有する第 2の光と第 3の波長; L ₃を有する第 3の光とに波長変換し、ここで、第 1の波長; L ,と第 2の波長 λ ₂と第 3の波長 λ ₃とは、関係 1 Ζえ， = 1 え ₂ + 1 /え 3 (λ ,くえ ₂ < λ ₃) を満たす波長変換素子を提供する。波長変換素子は少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含む。このように、'複数の非線形光学単結晶を組み合わせて構成することができるので、広くユーザの要求に応じることができる。波長変換素子は、少なくとも一組の第 1の領域と第 2の領域と位相調整領域とを有する。位相調整領域は、第 1の領域と第 2の領域との間に位置しており、少なくとも 1つの分極反転領域を含む。分極反転領域それぞれの分極反転幅の合計長が、意図しない波長を有する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長の奇数倍に相当するため、第 1の領域で発生した意図しない波長を有する光と、第 2 の領域で発生した意図しない波長を有する光とが、位相調整領域を介してそれぞれ逆位相となり得る。その結果、意図しない波長を有する光が波長変換素子から発生するのを抑制することができる。

ここで、意図しない非線形波長変換過程の波長とは、波長； L , /2, 波長（1 /X . + 1/1₂) -'、波長（1//ぇ， + ΐΖλ ₃) —'、波長（ΐ/λ , + (1/ {λ , /2)) "\ 波長（1/ぇ , + 1/ (λ /2)) および、波長（ΐΖλ , +1 / (λ ₃/2)) 一¹からなる群から少なくとも 1つ選択される波長である。

意図しない波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクシヨン長の奇数倍の最小公倍数に相当する分極反転幅を有する分極反転領域を少なくとも 1つ形成すればよいので、高度な技術を必要としない。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態 1による波長変換素子を示す図である。

図 2は、本発明の実施の形態 1によるさらに別の波長変換素子を示す図である。図 3は、本発明の実施の形態 2による波長変換素子と、波長変換素子の不要光の発生とを示す図である。

図 4は、実施例 1および比較例 1による波長変換素子におけるポンプ光と不要光とのパワーの関係を示す図である。

図 6は、従来技術による不要光の発生を抑えた波長変換素子を示す図である。 (符号の説明）

1 00、 200、 300 波長変換素子

1 10 第 1の領域

1 20 第 2の領域

1 30、 210、 320、 321、 322、 323 位相調整領域

1 40、 220、 310、 31 1、 31 2、 31 3、 340、 341

組発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。同様の要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

(実施の形態 1 )

波長変換素子 100は、少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含む。非線形光学単結晶は、例えば、ベータバリウムボレイト（BBO)、リチウムトリポレート（LBO)、ボタジゥムタイタニルフォスフェイト（KTP)、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（SLN；)、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（S LT)、 Mg、 Zn、 I nおよび S cからなる群から選択される元素を 0. 1〜 3. Omo 1 %ドープした S LT、および、 Mg、 Zn、 I nおよび S cからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. Omo Ί %ドープした S LN等であり得るが、これらに限定されない。 ' なお、本明細書に記載の S LNにおいて、実質的に「定比組成である」とは、 L i O/ (N b O +L i O) のモル分率が完全に 0. 50ではないものの、コングルェント組成よりも化学量論比に近い組成 (L i ₂ O/ (Nb O +L i O) のモル分率 =0. 4.95〜0. 5) を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。

同様-に、 S LTにおいて、実質的に「定比組成である」とは、 L i ₂ Oノ（T a O +L i ₂ O) のモル分率が完全に 0. 50ではないものの、コングルェント組成よりも化学量論比に近い組成（L i ₂0/ (Ta ₂O₅+L i ₂0) のモル分率 =0. 495〜0. 5) を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。

' 波長変換素子 100は、第 1の領域 1 10と第 2の領域 120と位相調整領域 130とからなる一組 140を含む。第 1の領域 1 10と第 2の領域 120とは、波長変換素子 1 10に入射する光に対して複屈折整合または擬似位相整合のいずれかを満たす。詳細には、第 1の領域 1 10と第 2の領域 1 20とは、波長変換素子 1 10に入射する第 1の波長; I ,を有する第 1の光（ポンプ光とも呼ぶ）を、第 2の波長； L ₂を有する第 2の光（シグナル光とも呼ぶ）と第 3の波長; L ₃を有する第 3の光（アイドラ光とも呼ぶ）とに波長変換するように位相整合されている。

ここで、第 1の波長； I！と第 2の波長; I 2と第 3の波長; I ,とは、関係 ΐΖλ 1

2 + 1/λ 3 (λ ！ < λ 2 < λ 3) を満たす。

第 1の領域 1 10と第 2の領域 120と力複屈折整合を満たす場合、選択された非線形光学単結晶に応じて単結晶の切断面および研磨面を適宜選択すればよい。第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 20と力 S、擬似位相整合を満たす場合、選択された非線形光学単結晶に所定の周期を有する周期分極反転構造を形成すればよい。

位相調整領域 130は、第 1の領域 1 10と第 2の領域 1 20との間に位置する。第 1の領域 1 10およぴ第 2の領域 1 20で発生し得る不要光には、ポンプ光の第 2高調波、ポンプ光とシグナル光との和周波光、ポンプ光とアイドラ光との和周波光、ポンプ光とポンプ光の第 2高調波との和周波光、ポンプ光とシグナル光の第 2高調波との和周波光、ポンプ光とアイドラ光の第 2高調波との和周波. 光とがあり得る。不要光の波長は、それぞれ、波長; L » /2, 波長（ΐΖλ , + l/λ ₂) —¹、波長（1Zえ . + l/ λ ₃) 波長（1 え . + 1/ (λ ,/2)) 波長（1ノぇ， + 1 （λ ₂Ζ2))—¹、および、波長（ΐΖλ , + 1 は ₃/2))—¹ である。不要光は、上記に限定されず、ポンプ光、シグナル光、または、アイドラ光の組み合わせによって生じる任意の第 2高調波およぴ和周波光、ならびに、それらの組み合わせによって生じる第 2高調波およぴ和周波光が挙げられるが、実用上問題と'なる不要光は上述した組み合わせであり得る。

位相調整領域 130は、 1つの分極反転領域を含む。その 1つの分極反転領域の分極反転幅は、上述の不要光の波長から少なくとも 1つ選択された波長を発生する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長に等しい。例えば、ポンプ光の第 2高調波のみが不要光として発生している場合、位相調整領域 130は、波長 λ ， 2を発生する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長に相当する分極反転幅を有する、 1つの分極反転領域である。この場合の位相調整領域 1 3 0の幅（すなわち上記コンストラクシヨン長）は、選択された非線形光学単結晶に応じて決定されることに留意されたい。

なお、本明細書において、「コンストラタシヨン長」とは、非線形光学材料の各点で発生した光（例えば、第 2高調波）の強度が建設的（加算的）に足し合わせる距離を意味している。このようなコンストラクシヨン長は、非線形光学材料の異なる 2点で発生した光（例えば、第 2高調波）それぞれの位相差が πとなる 2点間の ¾離を意図したコヒーレンス長に等しい。一

ポンプ光の第 2高調波に加えて、ポンプ光とシグナル光との和周波光とが不要光として発生している場合、位相調整領域 1 3 0は、波長； I , / 2を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長の奇数倍と、波長（ 1 / λ . + 1 / λ 2) -' を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長の奇数倍との最小公倍数に相当する分極反転幅を有する 1つの分極反転領域を含む。このように、位相調整領域 1 3 0の分極反転領域の分極反転幅は、抑制されるべき少なくとも 1つの不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクシヨン長の奇数倍の最小公倍数に依存するが、 1つの分極反転領域を設けるだけでよい。なお、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0とが周期分極反転構造を有している場合、これらの周期は、位相調整領域 1 3 0の幅を考慮して算出され得ることに留意されたい。第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0との周期とは異なっていてもよい。また、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0と位相調整領域 1 3 0との材料は、必ずしも同一の非線形光学単結晶である必要はなく、異なる非線形光学単結晶を組み合わせて用いてもよい。これによりユーザの要求に広く応じることができる。

位相調整領域 1 3 0は、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0との間に設けられるため、第 1の領域 1 1 0で発生した不要光の位相と、第 2の領域 1 2 0で発生した不要光の位相とは、半波長だけずれている。この結果、第 1の領域 1 1 0 で発生した不要光と第 2の領域 1 2 0で発生した不要光とは打ち消しあい、消滅し得る。このようにして、本発明による波長変換素子 1 0 0は、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0と位相調整領域 1 3 0とからなる一組 1 4 0によって不要光が抑制される。

本発明によれば、発生した不要光を位相調整領域 1 3 0において消滅させるので、発振を制限する波長領域がない。したがって、波長変換素子 1 0 0の設計に有利であり得る。

次に、このような波長変換素子 1 0 0を用いた波長変換動作を説明する。ここでは、位相調整領域 1 3 0は、不要光としてポンプ光の第 2高調波を抑制するように形成された 1つの分極反転領域であるものとする。

Y A Gレーザ、半導体レーザ等の任意の光源から発生された第 1の波長; L .を有する第 1の光（ポンプ光）が波長変換素子 1 0 0に入射する。ポンプ光は、波長変換素子 1 0 0の第 1の領域 1 1 0において第 2の光（シグナル光）と第 3の光（アイドラ光）とに波長変換される。同時に、第 1の領域 1 1 0で発生した不要光 Aとしてポンプ光の第 2高調波が発生し得る。

シグナル光、アイドラ光および不要光 Aは、位相調整領域 1 3 0を通過し、第 2の領域 1 2 0に入射する。位相調整領域 1 3 0は、図 1を参照して上述したように、不要光（ポンプ光の第 2高調波）を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅を有する分極反転領域である。

シグナル光、アイドラ光おょぴ不要光 Aは、第 2の領域 1 2 0を通過する。ここで、第 2の領域 1 2 0においても同様に不要光 B (ここでは、ポンプ光の第 2 高調波）が発生する。この不要光 Bは、位相調整領域 1 3 0によってコンストラクション長だけずれたポンプ光の第 2高調波であるため、不要光 Aとは半波長（すなわち、 π ) 位相がずれることになる。この結果、第 1の領域 1 1 0で発生した不要光 Αと、第 2の領域 1 2 0で発生した不要光 Bとは、打ち消しあい、消失し得る。最終的に、シグナル光およびまたはアイドラ光が波長変換素子 1 1 0から出射する。

以上説明してきたように、本発明による波長変換素子 1 0 0は、不要光を抑制するので、不要光による損失が低減し得る。その結果、光損傷および熱レンズ効果が発生しない、高効率の波長変換素子 1 0 0が提供され得る。

なお、波長変換素子 1 0 0の第 1の領域 1 1 0のポンプ光の入射面、および、第 2の領域 1 2 0のシグナル光および/またはアイドラ光の出射面に反射防止膜を適宜設けてもよい。また、波長変換素子 1 0 0の両端にミラーを設け、波長変換素子 1 0 0を共振器として用いてもよレ、。このような反射防止膜、ミラーの設計は、当業者であれば適宜類推可能である。

図 1では、位相調整領域 1 3 0に分極反転領域を形成することによって、不要光の位相変調を行ったが、位相調整領域 1 3 0の複屈折を利用することによって不要光の位相変調を行ってもよい。この場合、位相調整領域 1 3 0は、少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含み、その少なくとも 1つの非線形光学単結晶のそれぞれは、不要光それぞれの位相を半波長だけずらすように、切断面、研磨面等が調整され得る。

図 1を参照して、波長変換素子 1 0 0が光パラメトリック宪振をする場合を説明してきたが、波長変換素子 1 0 0は光パラメトリック発振に限定されない。例えば、本発明による波長変換素子 1 0 0は、和周波発生おょぴ差周波発生にも適用可能である。

本発明による波長変換素子 1 0 0を用いて和周波発生させる場合、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0とは、波長変換素子 1 1 0に入射する第 1の波長; I , を有する第 1の光と、第 2の波長を有する第 2の光とを、第 3の波長えを有する第 3の光に波長変換するように位相整合されている。ここで、第 1の波長 λ ,と第 2の波長え ₂と第 3の波長 λ ₃とは、関係 1 λ ₃ = 1 え， + 1 Ζ λ を満たす（ただし、 λ , > λ および； L > λ )。

和周波発生させる場合に生じる不要光は、第 1の光の第 2高調波、第 2の光の第 2高調波、第 1の光と第 3の光との和周波光、第 2の光と第 3の光との和周波光、第 1の光と第 1の光の第 2高調波との和周波光、第 1の光と第 2の光の第 2 高調波との和周波光と、第 1の光と第 3の光の第 2高調波との和周波光と、第 2 の光と第 1の光の第 2高調波との和周波光と、第 2の光と第 2の光の第 2高調波との和周波光、第 2の光と第 3の光の第 2高調波との和周波光とが挙げられるが、これらに限定されない。

上述した不要光の波長は、それぞれ、波長え . / 2 , 波長; I ₂ / 2 , 波長（1

/ λ , + ι / λ ₃) —¹、波長（ι / λ ₂ + ι Ζ λ ₃) -\ 波長（ΐ Ζ λ , + 1 / ( λ ！ /2)) -'、波長（ΐΖλ！ + 1ノ (1 ₂/2)) -'、波長（1 ぇ， + 1ノ（え ₃ 2)) -¹、波長（ΐΖ ₂ + 1Z ，/2)) ·'、波長（1ノぇ ₂ +1/ (λ ₂/2)) -'、および、波長（1/ぇ ₂+ 1/ (λ ₃/2)) - 'である。

不要光は、 .上記に限定されず、第 1の光、第 2の光、または、第 3の光の組み合わせによって生じる任意の第 2高調波および和周波光、ならびに、それらの組み合わせによって生じる第 2高調波およぴ和周波光が挙げられるが、実用上問題となる不要光は上述した組み合わせであり得る。

和周波発生させる場合に生じる不要光を抑制するための位相調整領域 1 3 0 は、上述の不要光の波長から少なくとも 1つ選択された波長を発生させる非線形波長変換過程それぞれのコンストラクシヨン長の奇数倍の最小公倍数に等しい分極反転幅を有する 1つの分極反転領域であればよい。

一方、本発明による波長変換素子 1 00を用いて差周波発生させる場合、第 1 の領域 1 1 0と第 2の領域 1 20とは、波長変換素子 1 1 0に入射する第 1の波長； ,を有する第 1の光と、第 2の波長 λ を有する第 2の光とを、第 3の波長え ₃を有する第 3の光に波長変換するように位相整合されている。ここで、第 1 の波長え ,と第 2の波長えと第 3の波長; I とは、関係 1 ぇ = 1/1 ,一 1

/ λ を満たす（ただし、え，く λ く； L )。

差周波発生させる場合に生じる、実用上問題となり得る不要光は、和周波発生させる場合に生じる不要光と同様であり得る。したがって、差周波発生させる場合に生じる不要光を抑制するための位相調整領域 1 3 0は、上述の不要光の波長から少なくとも 1つ選択された波長を有する光を発生させる非線形波長変換過程それぞれのコンストラタション長の奇数倍の最小公倍数に等しい分極反転幅を有する 1つの分極反転領域であればよい。

図 1を参照して、波長変換素子 1 0 0の位相調整領域 1 30が 1つの分極反転領域からなる場合を示してきたが、本発明はこの構成に限定されない。図 2を参照して、位相調整領域が複数の分極反転領域を含む場合を説明する。図 2は、本発明の実施の形態 1によるさらに別の波長変換素子を示す図である。波長変換素子 200は、波長変換素子 1 00 (図 1 ) と同様に少なくとも 1つの非線开光学単結晶を含む。波長変換素子 2 0 0は、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0と位相調整領域 2 1 0とからなる一組 2 2 0を含む。第 1の領域 1 1 0および第 2の領域 1 2 0は、図 1と同様であるため説明を省略する。

位相調整領域 2 1 0は、図 1と同様に第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0との間に位置する。第 1の領域 1 1 0およぴ第 2の領域 1 2 0で発生し得る不要光は、上述した通りである。

位相調整領域 2 1 0は、第 1の分極反転領域 2 3 0と、第 2の分極反転領域 2 4 0と非分極反転領域 2 5 0とを含む。第 1の分極反転領域 2 3 0の幅 d . と、第 2の分極反転領域 2 4 0の幅 d ₂ との合計長は、不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラタション長に等しい。つまり、第 1の分極反転領域 2 3 0 の幅 d , と第 2の分極反転領域 2 4 0の幅 d 2とは、これら合計長がコンストラクション長になる限り任意の幅を有し得る。

不要光が複数ある場合には、これら合計長は、それら不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数になる。非分極反転領域 2 5 0の幅は、任意であり得る。なお、分極反転領域の数は、 . 2つに限定されない。分極反転領域は、それら分極反転領域の合計長が、少なくとも 1つの不要光を発生する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクション長の奇数倍の最小公倍数になる限り、いくつ設けてもよい。

このように位相調整領域 2 1 0に任意の数の分極反転領域を設けることができるので、不要光の抑制に対する微調整が容易であり得る。また、波長変換素子のパターンの設計において高い自由度を持たせることができる。なお、波長変換素子 2 0 0における不要光の抑制動作も波長変換素子 1 0 0 (図 1 ) のそれと同様であるため説明を省略する。

図 1および図 2を参照して、波長変換素子 1 0 0および 2 0 0が、第 1の領域 1 1 0と第 2の領域 1 2 0と位相調整領域 1 3 0および 2 1 0とからなる 1つの組 1 4 0および 2 2 0を有する場合を示してきたが、本発明はこの構成に限定されない。図 3を参照して、波長変換素子が複数組を有する場合を説明する。 (実施の形態 2)

図 3は、本発明の実施の形態 2による波長変換素子と、波長変換素子の不要光の発生とを示す図である。'

波長変換素子 300の不要光の発生を示す図は、波長変換素子 300の各領域において不要光の発生効率が異なっていることを示す。これは、波長変換素子 ₃

00の製造上のパラツキによるものである。「製造上のパラツキ」とは、周期分極反転構造の分極反転幅のパラツキ、分極反転比のパラツキ、または、波長変換素子 300を構成する非線形光学単結晶の材質のバラツキを意図する。

波長変換素子 300は、第 1の領域、第 2の領域および位相調整領域からなる一組 310、 311、 312および 313を有する。それぞれの組の間には、さらなる位相調整領域 320、 321、 322および 323が位置する。これら一糸且 310、 311、 312および 313は、図 1または図 2を参照して説明した一組 140または 220と同様であり得る。

このように、各組における分極反転構造のパラツキの標準偏差が同程度になるように、波長変換素子 300に複数の組 310、 311、 312および 313を設計してもよい。この結果、波長変換素子 300は安定に不要光を抑制することができる。

また、組 310を第 1の領域とみなし、組 311を第 2の領域とみなすと、組 310、 311および位相調整領域 320からなる組 340において、組 310 およぴ組 31 1で発生する不要光を抑制することができる。同様に、組 312を第 1の領域とみなし、組 313を第 2の領域とみなすと、組 312、 31 3およぴ位相調整領域 322からなる組 341において、組 312および組 313で発生する不要光を抑制することができる。さらに、組 340を第 1の領域とみなし、組 341を第 2の領域とみなすと、組 340, 341および位相調整領域 321 からなる組 350において、組 340およぴ組 341で発生する不要光を抑制することができる。

以下同様にして、本発明によれば、第 1の領域 110 (図 1または図 2) と第 2の領域 120 (図 1または図 2) と位相調整領域 130 (図 1) または 210 (図 2) とからなる最小の組 140 (図 1) または 220 (図 2) の組み合わせによって、階層的に不要光を抑制することができる。このような階層構造が可能であることによって、任意の不要光を容易に抑制することができるとともに、波長変換素子の設計に有利であり得る。'

(実施例 1 )

再度図 1を参照する。波長変換素子 100の非線形光学単結晶として、 SLT を用いた。電界印加法を用いて、第 1の領域 1 1◦に周期 30 imを有する周期分極反転領域を、第 2の領域 120に周期 30 πιを有する周期分極反転領域を、位相調整領域 1 30に分極反転 i 4 μ mを有する 1つの分極反転領域を形成した。この位相調整領域 130は、波長 1. 064 mを有する光に対して擬似位相整合するとともに、波長 1. 064 zmの第 2高調波 532 nmの光のコヒーレント長に相当する。第 1の領域 1 10、第 2の領域 120および位相調整領域 1 30から得られる全体の平均周期は、 30. 4 111であった。波長変換素子 1 00の素子長は、 35 mmであった。

このようにして得られた波長変換素子 100に、第 1の波長え , 1. 064 μ mを有する第 1の光（ポンプ光）を入射させ、光パラメトリック発振させた。結果を図 4に示し、後述する。

(比較例 1 )

位相調整領域 130を有さないことを除いて実施例 1と同様であるため、説明を略する。実施例 1と同様に、作製された波長変換素子に第 1の波長; L ！ 1. 064 μπιを有する第 1の光（ポンプ光）を入射させ、光パラメトリック発振させた。結果を図 4に示す。

図 4は、実施例 1および比較例 1による波長変換素子におけるポンプ光と不要光とのパワーの関係を示す図である。実施例 1およぴ比較例 1の波長変換素子を光パラメトリック発振させたところ、いずれも第 2の波長; L 1. 55 を有する第 2の光（シグナル光）と第 3の波長; I 3. 39 imを有する第 3の光（アイドラ光）とが観察された（図を明瞭にするため、シグナル光とアイドラ光とのパワーを省略する）。比較例 1 の波長変換素子からポンプ光の第 2高調波である波長 5 3 2 nmの不要光が観察された（図 4の黒丸)。一方、実施例 1の波長変換素子からは、わずかながら不要光が観察されたものの、比較例 1に比べて顕著な減少を示した。また、観察された不要光はデバイスの実用に問題となる程度ではなかった（図 4の白丸）。これにより、位相調整領域 1 30を設けた本発明による波長変換素子は、不要光を抑制することができることが示された。

なお、波長変換素子 1 00の非線形光学単結晶として、 S LN、 S LT、 Mg、 Z n、 S cおよび I nからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. 0 m o 1 % 含む、 S LNまたは S LTを用い、かつ、第 1の波長; L 1. 0 64 i mを有する第 1の光（ポンプ光）を波長変換素子 1 0 0に入射させて光パラメトリック発振させる場合、位相調整領域 1 00に、

'波長（1ノぇ， + l/λ ₂) (すなわち、ポンプ光とシグナル光との和周波光) を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長に相当する分極反転幅 6. 7 μ mの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させることができ、

•波長（ΐΖ , + ιΖλ ₃) -¹ (すなわち、ポンプ光とアイドラ光との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長に相当する分極反転幅 1 1. 8 μ mの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、

'波長（1ノぇ , + 1/ (I . /2)) -¹ (すなわち、ポンプ光とポンプ光の第 2 高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅 1. 0 5 μ mの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、

'波長（ΐΖλ I + 1/ (λ ₂ /2)) -¹ (すなわち、ポンプ光とシグナル光の第 2高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅 2. 4 mの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができ、

•波長（1ノ; L , + 1/ (λ /2)) -¹ (すなわち、ポンプ光とアイドラ光の第 2高調波との和周波光）を有する不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクション長に相当する分極反転幅 7 . 3 mの分極反転領域を形成すれば、上記不要光を消失させるこことができる。

これらの分極反転幅を有する分極反転領域を位相調整領域 1 3 0に組み合わせて形成してもよいし、単独で形成してもよレ、。産業上の利用可能性

以上説明してきたように、本発明による波長変換素子は、少なくとも一組の第 1の領域と第 2の領域と位相調整領域とを有し、少なくとも 1つの分極反転領域を含む位相調整領域は、第 1の領域と第 2の領域との間に位置する。分極反転幅が、不要光を発生する非線形波長変換過程のコンストラクシヨン長に相当するため、第 1の領域で発生した不要光の位相と、第 2の領域で発生した不要光の位相とが、逆位相となり得る。その結果、これらが互いに打ち消し合うので、不要光の発生が抑制され得る。このようにして光損傷およぴ熱レンズ効果が発生しない、高効率の波長変換素子が提供され得る。

Claims

請求の範囲

1. 第 1の波長え ,を有する第 1の光を第 2の波長; I 2を有する第 2の光と第 3 の波長え ₃を有する第 3の光とに波長変換する波長変換素子であって、ここで、第 1の波長え，と第 2の波長え ₂と第 3の波長 L ₃とは、関係 1 Z λ , = 1ノえ ₂

+ 1/ ^ 3 ( λ , < λ 2 < λ 3) を満たし、

前記波長変換素子は少なくとも 1つの非線形光学単結晶を含み、

前記波長変換素子は、少なくとも一組の第 1の領域と第 2の領域と位相調整領域とを有し、

前記位相調整領域は、前記第 1の領域と前記第 2の領域との間に位置し、前記位相調整領域は、少なくとも 1つの分極反転領域を含み、前記少なくとも 1つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長 I ！ /2, 波長（1 ' / λ , —'、波長 {l/λ . + l/λ；) —'、波長 (1/λ , + (1/ (λ ,

/2)) 波長 {1/λ i + 1/ (λ /2)) -'、および、波長 (1/λ , + 1 / (λ ₃/2)) からなる群から少なくとも 1つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラクシヨン長の奇数倍の最小公倍数に相当する、波長変換素子。

2. 前記少なくとも 1つの非線形光学単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムである、請求の範囲第 1項に記載の波長変換素子。

3. 前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、 Μ g、 Z n、 S cおよび I nからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. 0 m o 1 %含む、請求の範囲第 2項に記載の波長変換素子。

4. 前記第 1の領域と前記第 2の領域とは周期分極反転領域である、請求の範囲 ' 第 1項に記載の波長変換素子。

5. 前記第 1の波長え t力 1. 0 64 mであり、前記第 2の波長え ₂力 S 1. 5 5 μ mであり、前記第 3の波長え ₃が 3. 3 9 μ mである場合、前記分極反転幅は 1. 05、 2. 4、 4、 6. 7、 7. 3、および、 1 1. 8 μπιからなる群から少なくとも 1つ選択される、請求の範囲第 3項に記載の波長変換素子。

6. 第 1の波長; I ,を有する第 1の光と第 2の波長え ₂を有する第 2の光とを、第 3の波長え ₃を有する第 3の光に波長変換する波長変換素子であって、ここで、第 1の波長 λ ,と第 2の波長; L と第 3の波長えとは、. 関係 1ノぇ ₃ =1/え土 1/ぇ ₂を満たし、

前記位相調整領域は、前記第 1の領域と前記第 2の領域との間に位置し、前記位相調整領域は、少なくとも 1つの分極反転領域を含み、前記少なくとも 1つの分極反転領域の分極反転幅それぞれの合計長は、波長; I , 2、波長え ₂ /2、波長（1/λ . + l/λ ₃) ¹、波長（1 ぇ + 1/λ ₃) ·'、波長（1Z λ . (λ >/2)) 波長 + (λ ₂/2)) ·'、波長（ΐΖλ ,

+ 1/ (λ ₃/2)) ·'、波長 {1/λ + 1/ (λ ,/2)) -'、波長 {1/λ

1/ (λ /2)) \ および、波長（lZ z + iZ U s Zs)) —¹からなる群から少なくとも 1つ選択される波長を有する非線形波長変換過程それぞれのコンストラタション長の奇数倍の最小公倍数に相当する、波長変換素子。

7. 第 1の波長； I ,と第 2の波長え ₂と第 3の波長； L ₃とが、関係 1 ぇ ₃ =1/ λ ^ + ΐ λ を満たす場合、関係 λ , >えおよび関係 λ > λ である、請求の範囲第 6項に記載の波長変換素子。

8. 第 1の波長 λ ,と第 2の波長 λ ₂と第 3の波長; L ₃とが、関係 1 ；1₃ =1/ λ , - 1/1₂を満たす場合、関係; L , <え ₂ < λ ₃である、請求の範囲第 6項に記載の波長変換素子。

9. 前記少なくとも 1つの非線形光学単結晶は、実質的に定比,袓成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムである、請求の範囲第 6項に記載の波長変換素子。 .

10. 前記実質的に定比組成のニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムは、 Mg、 Zn、 S cおよび I nからなる群から選択される元素を 0. 1〜3. 0 m o 1 %含む、請求の範囲第 9項に記載の波長変換素子。

11. 前記第 iの領域と前記第 2の領域とは周期分極反転領域である、請求の範囲第 6項に記載の波長変換素子。