JPH0815088A - 非線形光学定数測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粉末試料を用いても結果が平均粒径のコヒー
レンス長に対する相対的大きさや、バルクでの位相整合
の可否によらない簡便で正確な評価装置を提供するこ
と。 【構成】 基本波をプリズムにより全反射せしめ、試料
をプリズムに一定圧力以上の力で押しつけ、全反射によ
るエバネッセント波を用いて、高次高調波を発生せし
め、その発生効率を測定することにより非線形光学定数
を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の波長変換を行な
い、光通信、光コンピュータ、光記録、光計測などに利
用するところの、非線形光学材料の評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、２次、あるいは３次の非線形光学
定数を評価する方法として、梅垣真祐著、有機非線形光
学材料（１９９０年１月３１日 ぶんしん出版発行）６
０頁から６９頁に記述されているように、多結晶粉末状
の試料に基本波レーザ光を照射し、発生する高調波を検
出する粉末法と、単結晶試料に基本波レーザ光を照射
し、回転等により実効的な結晶長を変化させて高調波強
度を測定するメーカフリンジ法がある。

【０００３】また、１９９２年のアプライド・フィジッ
クス・レター６０巻、１９３３頁から１９３５頁に記載
されているように、試料より屈折率の高いプリズムに基
本波を入射して全反射を起こし、プリズムから試料へし
みだすエバネッセント波を利用する測定法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、非線形光学定数
の評価には、試料作製の簡便な粉末法が主に用いられて
きた。しかしこの方法においては、 １）粉末微結晶の平均粒径の、試料のコヒーレンス長に
対する相対的大きさ、 ２）バルク結晶での位相整合可否 等により、高調波発生効率が大きく変化するため、正し
い評価となりえていなかった。

【０００５】一方、メーカーフリンジ法に関しては、正
しい評価が可能となるが、単結晶試料を必要とする難点
があった。これは材料探索の立場からすると、実用的で
はなかった。

【０００６】これに対して、全反射法は、試料作製の簡
便な粉末試料を用いて、従来の粉末法より正しい評価が
できる。より正確に評価するためには、入射光を走査し
て、発生する高調波強度を測定し、フィジカル・レビュ
ー１２８巻６０６頁から６２２頁に示されているような
式でパラメータフィッティングする必要がある。この式
の成り立つ理想的な条件を実現するためには、試料面に
平行光が入射しなければならない。しかし、全反射プリ
ズムとして半円柱プリズムを使った場合、プリズムがレ
ンズの作用をし、ビームが絞りこまれるが、これについ
ては特に考慮されていなかった。

【０００７】また、入射角度を走査して測定するとき、
角度によって照射面積が変化する。しかし、ビーム径と
粉末試料を詰める試料セルの穴の大きさの関係について
も、特に言及されていなかった。この時、場合によって
は照射面が試料セルの試料部分よりはみ出してしまうこ
とがある。フィッティング式では角度による照射面積の
変化を考慮してあるので、定量的な測定に支障を来すこ
とになる。そこで、粉末状試料への照射面積を一定にす
る必要がある。

【０００８】また、試料部分を大きくすることにより、
多くの試料を必要とすることになる。上記の式の成り立
つ条件として、非線形媒体、線形媒体が一様で、波長に
比べて十分広い領域に拡がっていることがあげられる。
粉末試料を用いる場合、厚み方向には、粒塊１個あれ
ば、その大きさはほぼ数十ミクロンであるから、十分で
あると言える。しかし、試料が微量の場合は、試料の厚
みが薄くなり、均一に力を加えることは難しくなって来
る。そこで、２次高調波を発生させないような材料で後
からプリズム面に押しつけることによって、理想的な状
態に持ってくることを目的とする。

【０００９】以上のように、測定条件をより理想的な状
態に近付け、より正確な高調波発生効率を評価できる評
価法を提案することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】基本波として、全反射に
よるエバネッセント波を用いることより、粉末試料を用
い、かつ粒径によらない評価が実現できる。プリズム内
で平行光になるように、プリズム前にコリメートレンズ
を挿入する。ビーム径と粉末試料の分布面積を適当に制
御することで、照射面積を入射角度によらず一定にし、
正確な評価を与える。また、微量の試料でも、増量剤を
利用することで、正確に評価できる。

【００１１】

【作用】簡便な方法として、ある入射角度での２次高調
波強度を測定し、リファレンスと比較することによっ
て、未知の物質の非線形特性を知ることもできる。しか
し、同じ非線形光学定数を持っていたとしても、屈折率
の小さい物質の方が、同じ入射角度では２次高調波強度
が小さくなるので、比較する物質同志の屈折率が大きく
異なる場合、ある入射角度１点だけで高調波強度を測定
し、比較するのは不正確な結果を招く。従って、より正
確な結果を得るためには、入射角を走査して高調波強度
を測定するのがよい。そして、非線形光学定数と屈折率
をパラメータとして、モデル式で最小二乗フィッティン
グする。この時用いるモデル式は、フィジカル・レビュ
ー１２８巻６０６頁から６２２頁に示されている。

【００１２】ここで用いるモデル式は、無限に続く均質
な線形媒体と非線形媒体が接しており、界面に入射する
光は平行光であることを前提としている。従って、非線
形媒体である試料の厚みは、全反射の際にしみこむエバ
ネセント波のしみこみ長より十分長くなければならな
い。粉末試料を用いる場合、試料をプリズムに一定圧力
以上の力で押しつけることで、均質な界面を作り出して
いる。また、粉末の粒塊１個分がプリズム表面に存在し
ていれば、粒径は数十マイクロメートル程度であるか
ら、波長に対して十分大きいと言える。しかしながら、
プリズムに押しつけることを考えると、試料の量が少な
すぎると均一に力をかけるのが難しくなる。そこで、試
料の後から非線形性の極めて小さい粉末を加え、粉末の
量を全体として増やして、安定した力を加えることがで
きる。

【００１３】また、入射角を走査したときの屈折の影響
を避けるため、全反射プリズムとして、半円柱型のプリ
ズムを用いている。この場合、プリズムにレンズとして
の作用があるため、プリズムに平行光を入射しても、内
部で集光されて、試料面に平行光が入射しなくなる。そ
のため、試料面に平行光が入射するように、プリズム前
にコリメート用のレンズを挿入してそれを補正する必要
がある。これにより、試料に照射される光を平行光にコ
リメートすることで全ての光束が同じ角度で入射するこ
とになる。プリズムから出射される光を再び平行光にす
るために、プリズムのあとにも同様のレンズを挿入す
る。

【００１４】半円柱型プリズムを使用する場合、入射光
はプリズムによって、円柱の軸と垂直方向には集光され
るが、軸と平行方向には集光されない。コリメートレン
ズとして通常の球面レンズを用いると、これによって円
柱軸の方向には光が拡がっていく。コリメートレンズと
してシリンドリカルレンズ（円筒形レンズ）を用い、円
筒の軸をプリズムと同じ方向に揃えると、円柱軸方向に
はビーム径は変化せず、この問題を回避できる。この場
合にはプリズムのあとの集光レンズにもシリンドリカル
レンズを用いると効果的である。円柱軸と垂直方向には
通常の球面レンズと同様の議論ができる。以下、レンズ
の集光に関する記述は、シリンドリカルレンズを用いた
場合、円柱軸と垂直方向に関するものとする。

【００１５】図１に、コリメートレンズの焦点距離と、
全反射プリズム内でのビームの拡がり角および径の大き
さの関係を示す。全反射プリズムとして、５ｍｍを半径
とする半円柱型で材質はルチル（屈折率２．７４）を用
いている。入射する光のビーム径は１ｍｍである。これ
によると、焦点距離１５ｍｍのコリメートレンズを用い
たとき、レンズをプリズムから１０ｍｍの位置に設置す
ると、プリズム内でのビームは平行光となり、その径は
ほぼ０．２ｍｍになる。焦点距離の長いレンズを用いて
もコリメートは可能だが、ビーム径が小さくなってしま
う。粉末の粒径に比べて入射光の照射面積が十分大きく
ないと、ある偏った方向を向いた微結晶からの高調波を
観測することになってしまうので、正確な評価にならな
い。通常の粉末粒径が数十ミクロンから百ミクロン程度
であることを考えると、焦点距離の短いレンズを使う、
あるいは、ふるい分けることによって、粒径の小さい粉
末のみを試料として用いることが必要となる。

【００１６】また、試料セルには、試料粉末をいれる穴
があるが、入射角度を大きくしたとき、照射する光の面
積が拡がり、光の照射する部分がこの穴より大きくなる
ことがある。先に述べたモデル式では、入射角度の変化
による光の強度変化を考慮してあるので、あわせること
ができなくなる。従って、試料を詰める穴の大きさを、
入射角度が大きいときの入射光のスポット径より十分大
きくすることにより常に入射光全てが試料に照射され
る。これにより、試料に照射される面積を一定にするこ
とができ、より正確な評価を可能にする。

【００１７】この方法により、粉末を用いても試料のコ
ヒーレンス長や粒径、バルクでの位相整合の可否によら
ず、高次高調波発生の性能、あるいは非線形光学定数の
評価をより正確に、簡便に行なうことができる。

【００１８】

【実施例】

実施例１ 図２に本発明の実施例を示す。図において１１はＱスイ
ッチＮｄ：ＹＡＧレーザ、１２は偏光子、１３は赤外透
過フィルタ、１４はビームスプリッタ、１５は直角プリ
ズム、１６は全反射プリズム、１７は赤外カットフィル
タ、１８は光電子増倍管、１９はボックスカー積分器、
２０は集光レンズ、２１は参照試料、２２はニュートラ
ルデンシティフィルタ、２３はバンドパスフィルタであ
る。２４は試料セル、２５は回転台を示すものである。
プリズムの直前にはコリメート用シリンドリカルレンズ
２６が挿入されている。試料の観測系側の集光用シリン
ドリカルレンズ２０、フィルタ１７、２２、２３、光電
子増倍管１９は、回転台２５によって回転するアームの
上に配置されている。

【００１９】基本波として、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ１１の出力光（λ＝１．０６４μｍ）を偏光子を通
して直線偏光にし、直角プリズムを用いて全反射プリズ
ム１６に入射する。全反射プリズム１６は、ルチルを半
円筒状に加工したものを用いている。全反射プリズムの
前にはコリメートレンズ２６を配置し、プリズム内で入
射光が平行光になるようにする。試料としてＭＮＡ（２
−メチル−４−ニトロアニリン）と尿素の粉末結晶を乳
鉢ですりつぶしたものを用いた。入射角は全反射臨界角
より十分高い角度、６０度から８０度まで走査して測定
した。発生した第２高調波（λ＝０．５３２μｍ）をレ
ンズ２０で集光し、赤外カットフィルタ１７で基本波を
カットして、第２高調波のみを通すバンドパスフィルタ
２３で高調波のみを選択し、光電子増倍管１８で受け、
ボックスカー積分器１９で積分している。プリズムの基
本波に対する屈折率をｎｐω、高調波に対する屈折率を
ｎｐ２ωとしたとき、基本波をプリズムに入射角ｔで基
本波を入射するとき、

【００２０】

【数１】

【００２１】（数１）で表される出射角ｍの方向にアー
ム２７を配置する。レンズ２０を適切に選ぶことによっ
て、出射角ｍを広く含む範囲の光を集光することがで
き、厳密に角度ｍを合わせる必要がなくなる。基本波の
強度ふらつきを補正するために、ビームスプリッタ１４
で基本波の一部を分岐し、参照試料２１の石英に入射
し、その第２高調波をモニターして参照信号とし、ボッ
クスカー積分器を用いて試料からの信号を参照信号で割
算している。赤外透過フィルター１３は、ＱスイッチＮ
ｄ：ＹＡＧレーザの励起光をカットするためのものであ
る。

【００２２】図３に全反射プリズムとその支持台の詳細
図を示す。プリズム３１をプリズム支持台３２によって
固定し、粉末試料支持台３３を密着させ、中央の穴に粉
末試料をつめ、試料をプリズム表面に密着させ、ねじを
締めていく。試料は３ｍｍのメートルねじで締め付ける
ようになっており、試料を詰める穴は直径３ｍｍになっ
ている。この時レーザのビーム径は１ｍｍ、コリメート
レンズの焦点距離は１５ｍｍでプリズムから１０ｍｍの
距離に置かれている。この時、プリズム内での基本波の
ビーム径は、図１よりおよそ０．２ｍｍとなる。従っ
て、試料の面積は、基本波が照射する面積より十分大き
くなっており、また、穴の中心はプリズムの中央に位置
している。試料を照射する面積は、ビーム径と入射角度
で決まる。ビーム直径がｄの場合、入射角度をθとする
と、照射面積は

【００２３】

【数２】

【００２４】で表される楕円形になる。プリズムとして
ルチルを用いたとき、通常の有機物の屈折率は１．５か
ら２程度であるから、全反射臨界角は４０度から５０度
程度になる。この臨界角付近では高調波強度は角度によ
って大きく変わるので、臨界角度から十分離れた角度
で、あるいは角度まで測定する必要がある。したがっ
て、入射角度が７０度から８０度程度まで測定すると、
照射面の楕円の長軸の長さはビーム直径の３倍から６倍
になる。よって、これを十分含むためにセルの試料詰め
穴の直径はビーム径の６倍以上にしなければならない。
ここでは余裕を見て１５倍程度にしている。

【００２５】ここでは、２次非線形性の評価について述
べたが、３次非線形についても同様に評価できる。

【００２６】実施例２ 図４には微量試料を測定する場合の実施例を示す。図４
で、４１は全反射プリズムでありプリズム支持台４２に
プリズム押さえ４７とねじ４８によって保持される。４
３は粉末試料であり、プリズム押さえ４７に設けられプ
リズム４１の面まで貫通している試料詰め穴４９に入れ
ら、上から押えたあと増量剤となる粉末、例えば塩化ナ
トリウム４４を、試料同様乳ばちですりつぶしていれ
る。その後ふた４５を挿入された後ねじ４６を所定のト
ルクになるまでまわして試料４３をプリズム面に押しつ
ける。増量剤の粉末４４は、その非線形光学定数が試料
に比べ極めて小さいか、反転対称性を持つ結晶構造のた
めに２次高調波をほとんど発生しないものを用いればよ
いので、塩化ナトリウムに限らず、塩化カリウムなどで
もよい。

【００２７】そのほかの測定に関しては他の実施例と同
様である。２次の場合反転対称性を持つ結晶構造である
物質を増量剤とするのが最適であるが、３次非線形性を
評価するときには、いかなる物質も少なからず３次高調
波を発生するので、試料より十分小さい非線形性を有す
るものを選ばなければならない。そうすれば３次非線形
の評価もできる。

【００２８】実施例３ 実施例１と同様に、図５にビーム径を調節するための可
変ピンホールを具備した測定装置の例を示す。試料の量
に応じて、異なる試料詰め穴の大きさを持つ試料セルを
用いるとき、その穴の大きさの６分の１以下にビーム径
を絞る可変ピンホール５０をコリメートレンズ２６の直
前に配置する。この場合は試料セルの試料詰め穴の大き
さに応じて段階的に変化するピンホールを用いている。
ここでは、ビーム径は余裕を持たせて試料詰め穴の１／
１０となるようにした。可変ピンホールは、穴の大きさ
が段階的に変化する回転式のもの以外にも、穴の大きさ
が測定できれば絞るタイプのものでもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、微量な粉末試料を用い
て簡便に非線形感受率の評価を行なうことができ、材料
の探索や選別の能率が向上する。また、パラメータフィ
ッティングにより、より正確な評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いるコリメートレンズによるコリメ
ート条件を示す図。

【図２】本発明が適用される測定系の構成の一実施例を
示す図。

【図３】本発明の実施例である全反射プリズムと支持台
を示す図。

【図４】本発明の実施例である微量試料を用いた場合を
示す図。

【図５】本発明の実施例である可変ピンホールを用いた
場合を示す図。

【符号の説明】

１１：基本波発生用レーザ、１２：偏光子、１３：赤外
透過フィルタ、１４：ビームスプリッタ、１５：直角プ
リズム、１６：全反射プリズム、１７：赤外カットフィ
ルタ、１８：光電子増倍管、１９：ボックスカー積分
器、２０：集光レンズ、２１：参照試料、２２：ニュー
トラルデンシティフィルタ、２３：バンドパスフィル
タ、２４：プリズム支持台、２５：試料支持台、２６：
コリメート用レンズ、２７：回転アーム、３１：全反射
プリズム、３２：プリズム支持台、３３：試料支持台、
３４：粉末試料、３５：ねじ、３６：入射ビーム、４
１：全反射プリズム、４２：プリズム支持台、４３：粉
末試料、４４：増量剤、４５：ふた、４６：ねじ、５
０：可変ピンホール。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を全反射界面に押さえつけ、試料に光
   ビームを照射したときの全反射によるエバネッセント波
   を基本波とし、試料から発生する高次高調波を、屈折率
   の高い媒体を介して観測することを特徴とする非線形光
   学定数評価装置において、半円柱型全反射プリズムの手
   前に、プリズム内での光が平行になるようにコリメート
   するシリンドリカルレンズを具備することを特徴とする
   非線形光学定数評価装置。
2. 【請求項２】試料が光ビームを受ける面の大きさが、ビ
   ーム径の６倍以上あることを特徴とする請求項１記載の
   非線形光学定数評価装置。
3. 【請求項３】ビーム径を、試料が光ビームを受ける面の
   大きさの１／６以下にするピンホールを具備することを
   特徴とする請求項１記載の非線形光学定数評価装置。
4. 【請求項４】試料を全反射界面に押さえつけるために試
   料の後方に非線形性の小さい物質を加えたことを特徴と
   する請求項１から３のいずれかに記載の非線形光学定数
   評価装置。