JPH075506A - 光波長変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形光学材料の結晶からなり、基本波とし
てのレーザービームを第２高調波等の波長変換波に変換
する光波長変換素子において、上記結晶による基本波の
位相差あるいはウォークオフを安価な手段により確実に
補償し、比較的低コストで形成可能とし、該素子による
損失も低く抑えて高い波長変換効率を実現する。 【構成】 基本波としてのレーザービーム11が入射する
ＫＴＰ結晶10に、その全長の一部（最も好ましくは全長
の半分）に亘ってドメイン反転領域10Ｂを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料の結晶
からなり、そこに入射した基本波を第２高調波等に変換
する光波長変換素子に関し、特に詳細には、基本波と波
長変換波との間でタイプＩまたはタイプIIの位相整合が
取られる光波長変換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開平2-77181 号公報
に示されるように、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
波長変換素子の一つとして、バルク結晶型のものが広く
知られている。

【０００３】ところで上記非線形光学材料の結晶として
は、例えばＫＴＰのような２軸性結晶が用いられること
も多い。Ｊ．Ａppl ．Ｐhys ．Ｖol．55，ｐ65（1984）
にはＹaoらによって、２軸性結晶であるＫＴＰの第２高
調波への位相整合方法に関する内容が詳細に記述されて
いる。以下、ここに記述されている２軸性結晶における
第２高調波位相整合方法を例にとって説明する。図３に
示すようにθを光の進行方向と結晶の光学軸Ｚとのなす
角度とし、φを光学軸Ｘ、Ｙを含む面においてＸ軸から
の光の進行方向の角度とする。ここで、任意の角度で入
射したときの基本波および第２高調波に対する結晶の屈
折率を各々

【０００４】

【数１】

【０００５】とし、基本波および第２高調波の光学軸
Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向の偏光成分に対する結晶の屈折率をそ
れぞれ、

【０００６】

【数２】

【０００７】とする。次に、 ｋ_X ＝sin θ・cos φ ｋ_Y ＝sin θ・sin φ ｋ_Z ＝cos θ としたとき、

【０００８】

【数３】

【０００９】

【数４】

【００１０】上記（数３）および（数４）の解が位相整
合条件となる。

【００１１】

【数５】

【００１２】とおいたとき（数３）および（数４）式の
解は、

【００１３】

【数６】

【００１４】

【数７】

【００１５】（複号はｉ＝１のとき＋、ｉ＝２のとき
−）となる。

【００１６】ここで、

【００１７】

【数８】

【００１８】なる条件が満足されるとき、基本波と第２
高調波との間で位相整合が取られ、これはタイプＩの位
相整合と称されている。また、

【００１９】

【数９】

【００２０】なる条件が満たされるときにも、基本波と
第２高調波との間で位相整合が取られ、これは一般にタ
イプIIの位相整合と称されている。

【００２１】ところで、上記のような２軸性結晶を用い
てタイプIIの位相整合を取る場合、結晶に入射させる基
本波が該結晶に関して２つの屈折率を感じるようにな
る。例えば結晶の非線形光学定数ｄ₂₄を利用する場合、
すなわち図４に示すように結晶10の光学軸ＹからＺ軸側
に45°傾いた矢印Ｐ方向に直線偏光した（つまりＹ軸方
向の直線偏光成分とＺ軸方向の直線偏光成分とを有す
る）基本波11を入射させて、Ｙ軸方向に直線偏光した第
２高調波12を取り出す場合、基本波11は屈折率

【００２２】

【数１０】

【００２３】つまりＺ軸方向の偏光成分が感じる屈折率
と、屈折率

【００２４】

【数１１】

【００２５】つまり光の進行方向とＺ軸に直角なＹ’方
向の偏光成分が感じる屈折率の双方を感じる。

【００２６】なお図４のように結晶10がカットされてい
る場合、厳密に言えば、基本波11はＹ’方向（Ｙ軸から
Ｘ軸側に傾いた方向）およびＺ軸方向に直線偏光した状
態で入射され、第２高調波12はＹ’方向に偏光した状態
で取り出されることになるが、実用上は上記のように考
えて差支えない。

【００２７】上述のように基本波が２つの屈折率を感じ
ると、それぞれの屈折率に対する偏光成分の間に下記の
位相差Δが生じる。

【００２８】

【数１２】

【００２９】この位相差Δが生じると、基本波の直線偏
光方向が位相差Δの値に応じて変化する。こうして基本
波の直線偏光方向が変化すると、非線形光学材料結晶の
光学軸に対する基本波偏光方向の角度が、最大波長変換
効率を得る所定角度からずれてしまい、第２高調波の出
力が低下することになる。このようにして生じる第２高
調波の出力変動は周期性を有するものであり、これに
は、上記の式の各パラメータの温度依存性に由来して図
５のように現われる温度依存性のものと、図６のように
現われる結晶長依存性のものとがある。以上第２高調波
を例にとって説明した。同様にこれらのことは和周波や
第３高調波においても生じる問題である。

【００３０】そこで、第２高調波のような波長変換波の
最大出力を得るために、本出願人による特願平3-33954
号明細書に示されるように、タイプIIの位相整合が取ら
れる非線形光学材料の結晶を２個、光学軸の向きが相異
なる状態に配置して、上記位相差Δを補償することが提
案されている。

【００３１】またタイプIIの位相整合が取られる非線形
光学材料の結晶を用いる際、上述のように２個の結晶を
配設すると、各結晶によるウォーク角を互いに補償し
て、波長変換波のビーム断面を正円形に近付けることも
可能となる。なお、このように２個の結晶を用いてウォ
ークオフを補償する方法は、タイプＩの位相整合が取ら
れる非線形光学材料の結晶を用いる場合にも同様に適用
可能である。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
２個の結晶を用いる場合は、結晶端面における基本波や
波長変換波の反射損失が増大し、それが波長変換波の出
力低下につながるという問題が認められている。

【００３３】また、各結晶は端面を研磨したり、そこに
所定のコーティングを施す必要があるが、上記のように
２個の結晶を用いるとこの端面加工のコストも当然高く
つき、それが光波長変換素子のコストアップを招くこと
になる。

【００３４】さらに、２個の結晶を用いる場合は、互い
を厳密に位置合せする必要があり、この位置合せが極め
て精度良く行なわれないと、位相差補償あるいはウォー
クオフ補償が良好になされないという問題がある。

【００３５】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、基本波と波長変換波との間でタイプIIの
位相整合が取られる非線形光学材料の結晶を用い、位相
差およびウォークオフを良好に補償して、低損失で効率
良く波長変換波を得ることができ、しかも安価に形成可
能な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。

【００３６】また本発明は、基本波と波長変換波との間
でタイプＩの位相整合が取られる非線形光学材料の結晶
を用い、ウォークオフを良好に補償して、低損失で効率
良く波長変換波を得ることができ、しかも安価に形成可
能な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。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
素子は、前述した非線形光学材料の結晶からなり、そこ
に入射した基本波とタイプＩまたはタイプIIの角度位相
整合および／または温度位相整合を取って第２高調波等
の波長変換波を出射させる光波長変換素子において、該
素子の全長の一部に亘ってドメイン反転領域が形成され
ていることを特徴とするものである。なおこの構成にお
いて最も好ましくは、上記ドメイン反転領域が素子全長
のちょうど半分の長さに亘って形成される。

【００３８】

【作用および発明の効果】上記のようなドメイン反転領
域では、その他の非反転領域に対して光学軸が反転した
状態となる。したがって、これら２種の領域における基
本波の位相差の向きは互いに逆向きとなり、これにより
位相差補償がなされる。特に、上記ドメイン反転領域の
長さが素子全長の半分である場合には、該領域と非反転
領域の長さが相等しくなっているので、各領域における
基本波の位相差の絶対値が互いに等しくなり、これによ
り各領域における基本波の位相差が互いに打ち消し合っ
て、完全な位相差補償がなされる。

【００３９】以上説明した位相差補償は、タイプIIの角
度位相整合および／または温度位相整合が取られる非線
形光学材料の結晶を用いる場合になされるものである
が、この場合、同様にして前述のウォークオフ補償もな
され得る。またこのウォークオフ補償は、タイプＩの角
度位相整合および／または温度位相整合が取られる非線
形光学材料の結晶を用いる場合にも、同様になされる得
るものである。

【００４０】そして上記構成の光波長変換素子は、結晶
１個からなるものであるから、光通過端面は２面のみで
あり、よって２個の結晶を用いる場合と比べれば、端面
反射による損失を低く抑え、効率良く波長変換波を発生
させることができる。

【００４１】また、上記のように光通過端面が２面のみ
であれば、その研磨およびコーティングに要するコスト
も低くなり、それによりこの光波長変換素子は、２個の
結晶からなるものと比べて安価に形成可能となる。

【００４２】さらに、本発明の光波長変換素子は結晶１
個からなるものであるから、２個の結晶の位置合せ精度
不足による位相差補償あるいはウォークオフ補償の不良
を無くし、これらの補償を良好に行なえるものとなる。

【００４３】なお、非線形光学材料の結晶にドメイン反
転領域を形成すること自体は、従来より、基本波と波長
変換波との間でいわゆる疑似位相整合を取るタイプの光
波長変換素子において行なわれている。しかしその種の
従来装置は、ドメイン反転領域と非反転領域とを極めて
微小なピッチで周期的に並べ、この周期構造により上記
疑似位相整合が実現されるようにしたものであり、タイ
プIIまたはタイプＩの角度位相整合および／または温度
位相整合が取られる本発明の光波長変換素子とは位相整
合の仕組みが全く異なるものである。

【００４４】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例による光
波長変換素子を示すものである。この光波長変換素子は
一例として、レーザーダイオードポンピング固体レーザ
ーに組み込まれたものである。このレーザーダイオード
ポンピング固体レーザーは、ポンピング光としてのレー
ザービーム13を発する半導体レーザー（フェーズドアレ
イレーザー）14と、発散光である上記のレーザービーム
13を集束させる集光レンズ15と、ネオジウム（Ｎｄ）が
ドーピングされた固体レーザーロッドであるＹＶＯ₄ ロ
ッド（以下、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ ロッドと称する）16と、こ
のＮｄ：ＹＶＯ₄ ロッド16の前方側（図中右方側）に配
された共振器ミラー18と、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ ロッド16およ
び共振器ミラー18の間に配されたＫＴＰ結晶10とからな
る。

【００４５】以上述べた各要素は、共通の筐体（図示せ
ず）にマウントされて一体化されている。なおフェーズ
ドアレイレーザー14は、図示しないペルチェ素子と温調
回路により、所定温度に温調される。

【００４６】このフェーズドアレイレーザー14として
は、波長λ₁ ＝809 ｎｍのレーザービーム13を発するも
のが用いられている。一方Ｎｄ：ＹＶＯ₄ ロッド16は、
上記レーザービーム13によってネオジウム原子が励起さ
れることにより、波長λ₂ ＝1064ｎｍの直線偏光したレ
ーザービーム11を発する。

【００４７】Ｎｄ：ＹＶＯ₄ ロッド16の光入射端面16ａ
には、波長1064ｎｍのレーザービーム11は良好に反射さ
せ（反射率99.9％以上）、波長809 ｎｍのポンピング用
レーザービーム13は良好に透過させる（透過率99％以
上）コーティングが施されている。一方共振器ミラー18
のミラー面18ａには、波長809 ｎｍのレーザービーム13
および波長1064ｎｍのレーザービーム11は良好に反射さ
せ、そして後述する波長532 ｎｍの第２高調波12は良好
に透過させるコーティングが施されている。したがって
波長1064ｎｍのレーザービーム11は、上記の面18ａ、10
ａ間に閉じ込められて、レーザー発振を引き起こす。

【００４８】このレーザービーム11は、非線形光学材料
であるＫＴＰ結晶10により、波長が１／２すなわち532
ｎｍの第２高調波12に波長変換される。共振器ミラー18
のミラー面18ａには前述した通りのコーティングが施さ
れているので、この共振器ミラー18からは、ほぼ第２高
調波12のみが取り出される。

【００４９】図２に詳しく示すように、２軸性結晶であ
るＫＴＰ結晶10は、ＹＺ面をＺ軸周りに24°回転させた
面でカットされ、これら２つのカット面が光通過端面10
ａ、10ｂとされている。この構成においては、矢印Ｐで
示すレーザービーム11の直線偏光方向とＺ軸とが45°の
角度をなす場合に、大きな非線形光学定数ｄ₂₄が利用さ
れた上で、基本波としてのレーザービーム11と第２高調
波12との間で良好にタイプIIの位相整合が取られ、最大
強度の第２高調波12が得られる。

【００５０】しかし、ＫＴＰ結晶10によりレーザービー
ム11に前述のような位相差Δが生じると、その値に応じ
てレーザービーム11の直線偏光方向が変化するので、波
長変換効率が低下してしまう。以下、この位相差Δを補
償する点について説明する。ＫＴＰ結晶10には、その光
通過方向全長の半分の長さに亘って、ドメイン反転領域
10Ｂが形成されている。このドメイン反転領域10Ｂにお
いてはＺ軸が、非反転領域10Ａのそれに対して逆向きと
なっている。このような構造は、例えば電子ビーム描画
装置を用いて、ＫＴＰ結晶10の半分にその−ｃ面から電
子線を照射することによって形成することができる。

【００５１】上記構成のＫＴＰ結晶10に基本波としての
レーザービーム11を入射させると、非反転領域10Ａによ
り生じるレーザービーム11の位相差と、ドメイン反転領
域10Ｂにより生じるレーザービーム11の位相差とが、向
きは互いに反対で絶対値が相等しいものとなって、打ち
消し合う。以上のようにしてレーザービーム11の位相差
Δが補償されれば、その直線偏向方向がＫＴＰ結晶10の
Ｚ軸に対してなす角度が前述の45°に保たれ、最大効率
で第２高調波12が発生するようになる。

【００５２】次に図７を参照して、本発明の第２実施例
について説明する。この第２実施例の光波長変換素子
は、ＫＮ（ＫＮｂＯ₃ ）結晶20に各々結晶全長の半分の
長さのドメイン反転領域20Ｂ、非反転領域20Ａが形成さ
れてなるものである。このドメイン反転領域20Ｂは、Ｋ
Ｎ結晶20の全長の半分に亘ってｃ面および−ｃ面に電極
21、22を設け、ＫＮ結晶20のキューリー点以上の温度下
でこれらの電極21、22から電圧を印加してポーリングを
行ない、この電圧印加部分の分極を反転させて形成され
たものである。

【００５３】この構造のＫＮ結晶20においても、ドメイ
ン反転領域20Ｂと非反転領域20ＡとでＺ軸の向きが互い
に逆向きになるので、このＫＮ結晶20に対して、第１実
施例と同様に両領域20Ａ、20Ｂの並び方向に基本波を入
射させることにより、該基本波とタイプＩの位相整合を
取って第２高調波を発生させることができる。そしてそ
の際、ウォークオフが補償される。

【００５４】次に図８を参照して、本発明の第３実施例
について説明する。この第３実施例の光波長変換素子
は、第１実施例の光波長変換素子と同様にＫＴＰ結晶30
からなるが、ドメイン反転領域30Ｂと非反転領域30Ａが
それぞれ２カ所ずつ形成されている点が第１実施例の光
波長変換素子とは異なる。このような構造のＫＴＰ結晶
30を用いても、第１および第２実施例と同様に基本波の
位相差Δを補償することができる。

【００５５】以上説明した３つの実施例の光波長変換素
子は、ともに基本波と第２高調波との間でタイプＩもし
くはタイプIIの位相整合が取られるものであり、それら
を用いる場合には、同時に、前述したウォークオフ補償
もなされ得る。

【００５６】また非線形光学材料の結晶にドメイン反転
領域を形成するためには、以上述べた方法の他に、イオ
ン交換法等を適用することもできる。

【００５７】さらに本発明は、第２高調波以外の波長変
換波、例えば第３高調波や和周波等を発生させる場合に
も、同様に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による光波長変換素子を備
えたレーザーダイオードポンピング固体レーザーの側面
図

【図２】上記第１実施例の光波長変換素子の要部を示す
概略斜視図

【図３】本発明に関連する結晶内部での基本波進行方向
と光学軸Ｚとがなす角度θ、および基本波進行方向と光
学軸Ｘとがなす角度φを説明する概略図

【図４】非線形光学材料の光学軸と基本波の直線偏光方
向との関係を説明するための概略図

【図５】第２高調波出力の温度変化に依存する周期的変
動を示すグラフ

【図６】第２高調波出力の結晶長に依存する周期的変動
を示すグラフ

【図７】本発明の第２実施例による光波長変換素子の斜
視図

【図８】本発明の第３実施例による光波長変換素子の斜
視図

【符号の説明】

10、30 ＫＴＰ結晶 10Ａ、20Ａ、30Ａ 非反転領域 10Ｂ、20Ｂ、30Ｂ ドメイン反転領域 11 レーザービーム（基本波） 12 第２高調波 13 レーザービーム（ポンピング光） 14 フェーズドアレイレーザー 16 Ｎｄ：ＹＶＯ₄ ロッド 20 ＫＮ結晶

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形光学材料の結晶からなり、そこに
   入射した基本波とタイプＩまたはタイプIIの角度位相整
   合および／または温度位相整合を取って波長変換波を出
   射させる光波長変換素子において、該素子の全長の一部
   に亘ってドメイン反転領域が形成されていることを特徴
   とする光波長変換素子。
2. 【請求項２】 前記ドメイン反転領域が素子全長の半分
   の長さに亘って形成されていることを特徴とする請求項
   １に記載の光波長変換素子。