(57)【要約】 【課題】  紫外域における吸収が抑制されたタンタル酸リチウム単結晶、波長変換素子および波長変換装置を提供すること。【解決手段】  本発明によるＳｃを添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶において、Ｓｃは、タンタル酸リチウム単結晶に対して４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下の範囲添加されており、分極反転構造を利用して、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子用であることを特徴とする。【選択図】  図１
2010256659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期分極反転構造を利用して、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子であって、前記周期分極反転構造が形成されたタンタル酸リチウム単結晶の波長３５５ｎｍの光の透過度が７１％以上であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、前記周期分極反転構造の周期が、２．１μｍ以上２．２μｍ以下、４．３μｍ以上４．５μｍ以下、又は６．４μｍ以上６．７μｍ以下であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
波長λ１を有する第１の光を発生する光源と、前記第１の光を波長λ２を有する第２の光に変換するＳＨＧ波長変換素子と、前記第１の光と前記第２の光とを波長λ３を有する第３の光に変換するＴＨＧ波長変換素子とからなる波長変換装置であって、前記各光は以下の式１，２を共に満たすとともに、前記ＴＨＧ波長変換素子が請求項１又は２に記載の波長変換素子であることを特徴とする波長変換装置。
＜式１＞
2010256659.tif 000007
＜式２＞
2010256659.tif 000008
【請求項４】
請求項３に記載の波長変換装置において、前記波長λ１は１０６４ｎｍ、前記波長λ２は５３２ｎｍ、前記波長λ３は３５５ｎｍであることを特徴とする、波長変換装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の波長変換装置において、前記光源は、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザ、および、Ｙｂ添加ファイバレーザからなる群から選択されるレーザであることを特徴とする、波長変換装置。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかに記載の波長変換装置において、前記ＳＨＧ波長変換素子は、タンタル酸リチウム単結晶からなり、周期が７．５μｍ以上８．０μｍ以下の周期分極反転構造を有することを特徴とする波長変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の波長変換装置において、前記ＳＨＧ波長変換素子は、Ｍｇを添加したタンタル酸リチウム単結晶、または、Ｓｃが４×１０−１ｍｏｌ％〜８×１０−１ｍｏｌ％含有され、かつ、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４９０以上０．５０未満であるタンタル酸リチウム単結晶からなることを特徴とする波長変換装置。
【請求項８】
請求項１または２に記載の波長変換素子に用いられるタンタル酸リチウム単結晶であって、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４９０以上０．５０未満であることを特徴とする、タンタル酸リチウム単結晶。
【請求項９】
請求項８に記載のタンタル酸リチウム単結晶において、Ｓｃが４×１０−１ｍｏｌ％〜８×１０−１ｍｏｌ％含有されていることを特徴とする、タンタル酸リチウム単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分極反転構造を利用して、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子および波長変換装置並びにこれらに用いるタンタル酸リチウム単結晶波長に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、良質な非線形光学単結晶の製造技術および分極反転構造の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ましい。このような波長変換素子のための非線形光学単結晶として、Ｍｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択される元素を含むタンタル酸リチウム単結晶が開発され、波長変換素子への適用が期待されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
特許文献１によれば、タンタル酸リチウム単結晶は、上記の選択された元素を０．１ｍｏｌ％〜３．０ｍｏｌ％含む。また、特許文献１によれば、タンタル酸リチウム単結晶のＬｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）は、０．４９０以上０．５００未満であり、従来のコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶ではなく、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶である。これにより、完全に定比組成にすることなく、分極反転電界が劇的に低減するので、タンタル酸リチウム単結晶への分極反転構造の形成が容易になり、波長変換素子の実用化が現実のものとなる。
【０００４】
タンタル酸リチウム単結晶に２ｂ、３ａ、３ｂ族元素を添加することにより耐光損傷強度が向上することが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。特許文献２によれば、上記添加元素の含有量は、耐光損傷性および結晶の品質性の観点から１０ａｔ％以下が好ましい。
【０００５】
特許文献１に記載のタンタル酸リチウム単結晶の中でもＭｇを添加した定比組成のタンタル酸リチウム単結晶を用いた高効率波長変換デバイスの製造に成功している（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００６】
非特許文献１によれば、デバイス内部で発生する熱を散逸させる廃熱型波長変換モジュールを作製し、この内部にＭｇを添加した定比組成のタンタル酸リチウム単結晶からなる波長変換デバイスを装填することより、１６Ｗの高出力の緑色光の発生に成功している。
【０００７】
一方、波長変換素子によって要求される波長域は用途に応じて異なるが、微細加工、半導体リソグラフィまたは近視矯正技術には、より短波長である紫外域の波長を有する光を発生する波長変換素子が必要とされている。しかしながら、特許文献１〜２および非特許文献１に記載の、もっとも有力な材料とされるＭｇを添加した定比組成のタンタル酸リチウム単結晶は、紫外域に吸収を有することが知られており、これを紫外域の波長を有する光を発生する波長変換素子に適用した場合、十分な変換効率が得られないことが懸念される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、従来知られたＭｇを添加のものを超える紫外域における吸収が抑制された波長変換素子および波長変換装置並びにこれらに用いるタンタル酸リチウム単結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明１の波長変換素子は、周期分極反転構造を利用して、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子であって、前記周期分極反転構造が形成されたタンタル酸リチウム単結晶の波長３５５ｎｍの光の透過度が７１％以上であることを特徴とする。
発明２は、発明１に記載の波長変換素子において、前記周期分極反転構造の周期が、２．１μｍ以上２．２μｍ以下、４．３μｍ以上４．５μｍ以下、または、６．４μｍ以上６．７μｍ以下であることを特徴とする。
発明３は、波長λ１を有する第１の光を発生する光源と、前記第１の光を波長λ２を有する第２の光に変換するＳＨＧ波長変換素子と、前記第１の光と前記第２の光とを波長λ３を有する第３の光に変換するＴＨＧ波長変換素子とからなる波長変換装置であって、前記各光は以下の式１，２を共に満たすとともに、前記ＴＨＧ波長変換素子が発明１又は２に記載の波長変換素子であることを特徴とする。
＜式１＞
2010256659.tif 000003
＜式２＞
2010256659.tif 000004
発明４は、発明３に記載の波長変換装置において、前記波長λ１は１０６４ｎｍ、前記波長λ２は５３２ｎｍ、前記波長λ３は３５５ｎｍであることを特徴とする。
発明５は、発明３又は４に記載の波長変換装置において、前記光源は、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザ、および、Ｙｂ添加ファイバレーザからなる群から選択されるレーザであることを特徴とする。
発明６は、発明３から５のいずれかに記載の波長変換装置において、前記ＳＨＧ波長変換素子は、タンタル酸リチウム単結晶からなり、周期が７．５μｍ以上８．０μｍ以下の周期分極反転構造を有することを特徴とする。
発明７は、発明６に記載の波長変換装置において、前記ＳＨＧ波長変換素子は、Ｍｇを添加したタンタル酸リチウム単結晶、または、Ｓｃが４×１０−１ｍｏｌ％〜８×１０−１ｍｏｌ％含有され、かつ、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４９０以上０．５０未満であるタンタル酸リチウム単結晶からなることを特徴とする。
発明８は、発明１または２に記載の波長変換素子に用いられるタンタル酸リチウム単結晶であって、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４９０以上０．５０未満であることを特徴とする。
発明９は、発明８に記載のタンタル酸リチウム単結晶において、Ｓｃが４×１０−１ｍｏｌ％〜８×１０−１ｍｏｌ％含有されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、従来不可能とされていた高い紫外域透過度をもって波長変換を可能にしたものであり、紫外域での高い性能を発揮させ得るものである。特に、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）単結晶に、４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下の範囲のＳｃが含有されることで、完全に定比組成でなくとも定比組成のタンタル酸リチウムと同様の低い分極反転電界を達成するとともに、耐光損傷性を有するという効果も兼ねることができたので、この単結晶は、分極反転構造を利用し、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のＳＬＴ単結晶からなる波長変換素子の模式図
【図２】本発明の波長変換装置を示す模式図
【図３】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の外観を示す写真
【図４】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の溶液中のＳｃ濃度と、結晶中のＳｃ濃度との関係を示すグラフ
【図５】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の光損傷閾値のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図６】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のＯＨ−吸収ピーク位置のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図７】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のキュリー温度のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図８】実施例１および比較例２の各ＬＴ単結晶の透過スペクトルを示すグラフ
【図９】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のＵＶ吸収端のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図１０】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の順方向および逆方向の分極反転電界のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図１１】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の常光の屈折率ｎ０のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【図１２】実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の異常光の屈折率ｎｅのＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
【００１３】
本願発明者は、特許文献１に記載のＭｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩｎからなる群から選択された元素を添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶の中でも添加元素の効果に注目した。これら添加元素は、分極反転電界を低下させる機能および耐光損傷性を向上させる機能を有することが明らかであるが、その他の点は不明であった。本願発明者は、これらの添加元素の中でもＳｃが、分極反転電界の低下および耐光損傷性の向上以外にも特定の波長域における吸収を抑制する効果があることを知見するに至り、これを利用した波長変換素子および波長変換装置並びにこれらに用いるタンタル酸リチウム単結晶を提供するに至った。
【００１４】
（実施の形態１）
実施の形態１では、Ｓｃを添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶およびその製造方法について詳述する。
【００１５】
本明細書中において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４９０以上０．５０未満）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。以降では簡単のため、実質的に定比組成のタンタル酸リチウムを単にＳＬＴと、コングルエント組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率は０．４８５３以上０．４９３０未満）タンタル酸リチウムをＣＬＴと称する。
【００１６】
ＳＬＴ単結晶がＳｃを含有すれば、紫外域における吸収が抑制されることを見出した。本明細書において紫外域とは、２８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲を指す。この範囲は、ＳＬＴ単結晶の吸収端から典型的な青色の波長域までに相当する。紫外域における吸収が抑制されるとは、本発明のＳＬＴ単結晶を紫外域の波長を有する光を発生（発振）させる波長変換素子に適用する場合に実用に十分な変換効率を実現する程度に、紫外域における吸収がないことを意味し、具体的には波長３５５ｎｍの光の透過度が７１％以上のことをいう。
【００１７】
また、Ｓｃの含有量が４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下を満たせば、耐光損傷性が高いため、波長変換素子等の光学素子へ本発明のＳＬＴ単結晶を適用した際に、高い性能を維持することができる。
【００１８】
具体的には、Ｓｃを４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下の範囲で含有すれば、Ｍｇを１．０ｍｏｌ％以上含有したＳＬＴ単結晶と同様に耐光損傷性を向上させることができる。すなわち、このことは、ＳｃはＭｇよりも少ない含有量で、耐光損傷性を向上させることができることを示す。結晶全体にわたって均一な良質な単結晶を容易に得るためには、添加元素の含有量は少ない方がよい。このことからも、特許文献１および２に記載の添加元素の中でもＳｃを選択することは、製造容易性および耐光損傷性の観点から有利である。
【００１９】
また、Ｓｃの含有量が上記範囲を満たせば、ＳＬＴ単結晶に分極反転構造を形成する際の分極反転電界がＳｃの含有量に依存することなく一定であり、かつ、完全に定比組成にすることなく定比組成のタンタル酸リチウムと同様の低い分極反転電界を達成するので、波長変換素子の製造に有利である。Ｓｃの含有量が８×１０−１ｍｏｌ％を超えると、分極反転電界の上昇が見られる。したがって、波長変換素子の形成容易性の観点から、Ｓｃの含有量の上限を８×１０−１ｍｏｌ％とする。さらに、この範囲であれば、常光および異常光の屈折率がＳｃの含有量に依存することなく一定であるので、分極反転構造を形成する際の分極反転周期の決定に有利である。
【００２０】
以上、Ｓｃの含有量が上記範囲を満たせば、上述の紫外域における吸収の抑制および耐光損傷性の向上に加えて、分極反転電界および常光・異常光の屈折率がいずれもＳｃの含有量に依存しないので、ＳＬＴ単結晶の製造における複雑な組成制御をする必要がなく、確実かつ容易にＳＬＴ単結晶を製造できるので、再現性、歩留まり向上および低価格化につながる。
【００２１】
本明細書において、波長３５５ｎｍとは、波長変換素子の設計の精度に起因した波長のわずかな誤差、または、波長変換時に生じる熱に起因した波長のわずかな誤差を含むものとし、波長３５５ｎｍを目的として波長変換された波長を意図していることに留意されたい。波長３５５ｎｍは、基本波として代表的な波長１０６４ｎｍの光と本発明のＳＬＴ単結晶からなる波長変換素子とにより得られる、基本波の第３高調波の波長であり、レーザ加工、レーザ・ダイレクト・イメージ（フォトレジストに直接、描画するため、マスクアライナ、フォト・マスクを不要とする）、分光等に有利な波長である。
【００２２】
なお、ＳＬＴ単結晶において紫外域における吸収が抑制されているか否かとは、簡易的には、透過スペクトルを測定し、紫外域に吸収ピークを有さないか否かにより目視にて判断できる。通常、約４５０ｎｍ以下の波長から吸収が始まる。
【００２３】
次に、ＳＬＴ単結晶の製造方法を説明する。ＳＬＴ単結晶は、例えば、溶液引き上げ法（Ｔｏｐ−Ｓｅｅｄｅｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｍｅｔｈｏｄ：  ＴＳＳＧ法）、特許文献１に記載の二重るつぼチョクラルスキー（ＤＣＣＺ）法等によって製造される。
【００２４】
まず、溶液引き上げ法でＳＬＴ単結晶を製造するプロセスを説明する。プロセスごとに詳述する。
【００２５】
ステップＳ１１０：るつぼにＬｉ成分過剰原料と、Ｓｃ２Ｏ３とを充填・加熱し、溶液を得る。ここで、Ｌｉ成分過剰原料を、例えば、Ｌｉ２ＣＯ３とＴａ２Ｏ５との原料粉末から調製してもよい。Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５）のモル分率が０．５６以上０．６１以下となるように原料粉末を混合し、ラバープレス成形し、焼結することによって、Ｌｉ成分過剰原料が得られる。
【００２６】
ステップＳ１２０：タンタル酸リチウム単結晶（ＳＬＴであってもＣＬＴであってもよい）からなる種結晶を溶液に浸漬させ、回転させながら引上げる。これにより、本発明のＳＬＴ単結晶が得られる。得られたＳＬＴ単結晶は、ブール状であるため、カットおよび研磨等により所望の形状に加工してもよい。
【００２７】
次に、ＤＣＣＺ法で本発明のＳＬＴ単結晶を製造するプロセスを説明する。プロセスごとに詳述する。
【００２８】
ステップＳ２１０：外るつぼおよび内るつぼにＬｉ成分過剰原料と、Ｓｃ２Ｏ３とを充填・加熱し、溶液を得る。Ｌｉ成分過剰原料の調製は、ステップＳ１１０と同様である。なお、内るつぼの底には外るつぼに通じる孔が開いている。
【００２９】
ステップＳ２２０：タンタル酸リチウム単結晶からなる種結晶を内るつぼ内の溶液に浸漬させ、回転させながら引上げる。
【００３０】
ステップＳ２３０：ステップＳ２２０と同時に、ステップＳ２２０で成長したＳＬＴ単結晶に相当する量の定比組成原料を外るつぼに供給する。ここで、定比組成原料は、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５）のモル分率が０．５００となるように原料粉末を混合し、ラバープレス成形し、焼結することによって得られる。
【００３１】
以上ステップＳ２１０〜Ｓ２３０により本発明のＳＬＴ単結晶が得られる。ここでもやはり、得られたＳＬＴ単結晶は、ブール状であるため、カットおよび研磨等により所望の形状に加工してもよい。
【００３２】
ＤＣＣＺ法によれば、ステップＳ２３０において原料の供給がなされるので、組成ずれのない大きな単結晶の育成に好適である。一方、ＣＺ法によれば、原料供給のシステムが不要であり、操作が簡便である。要求されるＳＬＴ単結晶のサイズや組成に応じて、ＣＺ法またはＤＣＣＺ法を適宜採用すればよい。
【００３３】
（実施の形態２）
実施の形態２では、本発明の波長変換素子について詳述する。
【００３４】
図１は、本発明の波長変換素子の模式図を示す。
【００３５】
波長変換素子１００は、ＳＬＴ単結晶１１０からなる。ＳＬＴ単結晶１１０は、実施の形態１で説明したとおりであるため、説明を省略する。波長変換素子１００は、上述したように、紫外域における吸収が抑制されたＳＬＴ単結晶からなるので、紫外域の波長を有する光を発振させるに好適である。このような波長変換素子１００の構成を説明する。
【００３６】
ＳＬＴ単結晶１１０は周期分極反転構造１２０を有する。周期分極反転構造１２０において、ドットで示す領域における分極方向（ドメインの向き）と、それ以外の領域における分極方向（ドメインの向き）とは、反転している。周期分極反転構造１２０における分極反転周期Λは、２．１μｍ以上２．２μｍ以下、４．３μｍ以上４．５μｍ以下、および、６．４μｍ以上６．７μｍ以下からなる群から選択される。これらの範囲であれば、波長変換素子１００に入射した光の波長を紫外域の波長を有する光に変換することができる。２．１μｍ以上２．２μｍ以下の周期、４．３μｍ以上４．５μｍ以下の周期、６．４μｍ以上６．７μｍ以下の周期の順に波長変換効率が低減するが、周期分極反転構造の製造容易性および歩留まりを考慮すれば、６．４μｍ以上６．７μｍ以下の周期が好ましい。なお、このような分極反転周期Λは、セルマイヤー方程式（例えば、非特許文献３を参照。）を紫外域まで外挿し、求められる。
【００３７】
このような波長変換素子１００の大きさは、要求される出力等により異なるが、例えば、素子長１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．５ｍｍである。このような大きさにより、十分な出力が得られる。なお、波長変換素子１００は、所定のパターンの電極を用いた、周知の電界印加法によって製造される。
【００３８】
次に、このような波長変換素子１００の動作について説明する。
【００３９】
波長変換素子１００に、波長λ１を有する第１の光１３０と、波長λ２を有する第２の光１４０とが入射する。第１の光１３０と第２の光１４０とは、波長変換素子１００を進行する間に、波長変換素子１００の周期分極反転構造１２０による擬似位相整合によって、波長λ３を有する第３の光１５０に変換される。ここで、波長λ１と波長λ２と波長λ３とは、関係λ１＝２×λ２（式１）、および、関係１／λ１＋１／λ２＝１／λ３（λ１＞λ３、λ２＞λ３）（式２）を満たす。
【００４０】
上述したように、本発明の波長変換素子１００は、紫外域の波長を発生するに好適であるため、波長λ１と波長λ２と波長λ３との好ましい組み合わせは、１０６４ｎｍと５３２ｎｍと３５５ｎｍとである。波長λ１（１０６４ｎｍ）は、市販されるＮｄ：ＹＡＧ固体レーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザおよびＹｂ添加ファイバレーザ等の波長に相当する。波長λ２（５３２ｎｍ）は、緑色光の波長に相当する。このような緑色光は、例えば、非特許文献１の技術により得られる。本発明のＳＬＴ単結晶は、紫外域、特に目的とする波長λ３が（３５５ｎｍ）の光を吸収することがないので、高い変換効率および高出力を有する波長変換素子１００を達成できる。
【００４１】
なお、本発明の波長変換素子１００は、紫外域の波長を発生するに好適であるが、緑色光等の可視光の波長を発生する波長変換素子として使用してもよい。この場合、波長変換素子１００の周期分極反転構造１２０の周期Λを変更するだけでよい。例えば、上述の波長λ１が１０６４ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザ等を入射させ、波長λ２が５３２ｎｍの第２の光に変換するために、本発明の波長変換素子１００が適用され得る。この場合の周期Λは、７．５μｍ以上８．０μｍ以下であればよい。
【００４２】
（実施の形態３）
実施の形態３では、本発明の波長変換素子をＴＨＧ波長変換素子として用いた波長変換装置について詳述する。
【００４３】
図２は、本発明の波長変換装置を示す模式図である。
【００４４】
本発明の波長変換装置２００は、光源２１０と、ＳＨＧ波長変換素子２２０と、ＴＨＧ波長変換素子２３０とを含む。
【００４５】
光源２１０は、波長λ１を有する第１の光２４０を発生する。このような光源２１０は、固体レーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ等任意であり得るが、中でも、赤外の波長の光を発生する固体レーザ、ファイバレーザおよび半導体レーザが好ましい。これにより、本発明の波長変換装置２００は、紫外域の波長の光を発生させることができる。光源２１０は、より好ましくは、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザおよびＹｂ添加ファイアレーザからなる群から選択される。これらの光源２１０の波長は、１０６４ｎｍであり、本発明の波長変換装置２００が、紫外域の波長の中でも波長３５５ｎｍの光を発生することができるので、好ましい。また、これらの光源２１０は市販されているため、本発明の波長変換装置２００の実施を容易にする。
【００４６】
ＳＨＧ波長変換素子２２０は、光源２１０が発する第１の光２４０を、波長λ２を有する第２の光２５０に変換する、すなわち、第２高調波発生する波長変換素子である。ここで、波長λ１と波長λ２とは、関係λ１＝２×λ２（式１）を満たす。
【００４７】
ＳＨＧ波長変換素子２２０は、第２高調波発生させる任意の非線形光学単結晶からなる。このような非線形光学単結晶には、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）単結晶、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）単結晶等がある。これらの単結晶は、これら単結晶の複屈折性（屈折率）を利用した位相整合（複屈折位相整合）を行い、第２高調波発生に好適な単結晶として入手可能である。また、別の非線形光学単結晶には、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）単結晶、特許文献１および非特許文献１〜２のＭｇ添加ＳＬＴ（ＭｇＳＬＴ）単結晶がある。これらの単結晶は、これら単結晶に周期分極反転構造（図１の１２０）を形成し、擬似位相整合を行い、第２高調波発生に好適な単結晶として入手可能である。なお、本発明のＳＬＴ単結晶をＳＨＧ波長変換素子２２０に適用してもよい。
【００４８】
上記の中でも、波長変換効率、出力、および、後述するＴＨＧ波長変換素子２３０の設計上の観点から、ＳＨＧ波長変換素子２２０として、特許文献１および非特許文献１〜２のＭｇＳＬＴ単結晶または本発明のＳＬＴ単結晶を採用することが好ましい。この場合、第１の光２４０の波長λ１が１０６４ｎｍであり、これら単結晶が有する周期分極反転構造（図１の１２０）の周期Λは、７．５μｍ以上８．０μｍ以下であれば、波長λ２は５３２ｎｍとなり、第２の光２５０は緑色光となる。
【００４９】
ＴＨＧ波長変換素子２３０は、第１の光２４０と第２の光２５０とを波長λ３を有する第３の光２６０に変換する、すなわち第３高調波発生する波長変換素子である。ここで、波長λ１と波長λ２と波長λ３とは、関係λ１＝２×λ２（式１）に加えて、関係１／λ１＋１／λ２＝１／λ３（λ１＞λ３、λ２＞λ３）（式２）を満たす。
【００５０】
ＴＨＧ波長変換素子２３０は、本発明のＳＬＴ単結晶からなる。ＳＬＴ単結晶は、実施の形態１で説明したとおりであるため、説明を省略する。本発明のＳＬＴ単結晶は、紫外域における吸収が抑制されているので、ＴＨＧ波長変換素子２３０は、高い波長変換効率を維持し、高出力の紫外域の波長の光（第３の光２６０）を発振させることができる。
【００５１】
波長λ１が１０６４ｎｍであり、波長λ２が５３２ｎｍであり、波長λ３が３５５ｎｍである第３の光２６０を発振させる場合は、ＴＨＧ波長変換素子２３０を構成するＳＬＴ単結晶は、周期Λが２．１μｍ以上２．２μｍ以下、４．３μｍ以上４．５μｍ以下、および、６．４μｍ以上６．７μｍ以下からなる群から選択された周期分極反転構造（図１の１２０）を有する。ここでもやはり、このような分極反転周期Λは、セルマイヤー方程式（例えば、非特許文献３を参照。）を紫外域まで外挿し、求められる。
【００５２】
例えば、ＳＨＧ波長変換素子２２０とＴＨＧ波長変換素子２３０とにいずれも本発明のＳＬＴ単結晶を採用すれば、ＳＨＧ波長変換素子２２０とＴＨＧ波長変換素子２３０とを１つのＳＬＴ単結晶を用いた１つの波長変換素子として取り扱うことができる。この場合、ＳＨＧ波長変換素子２２０とＴＨＧ波長変換素子２３０とを同時に形成できる。すなわち、異なる周期の周期分極反転構造（図１の１２０）を同時に形成すればよいので、製造工程および製造時間を削減できるので、製造コストの低減に有利である。なお、図２の波長変換装置２００では、ＳＨＧ波長変換素子２２０とＴＨＧ波長変換素子２３０とが別個の構成要素として示されるが、上述のように１つの波長変換素子（図示せず）内にＳＨＧ波長変換素子２２０とＴＨＧ波長変換素子２３０とが達成されたものも、本願の波長変換装置２００に包含されることに留意されたい。
【００５３】
ＳＨＧ波長変換素子２２０およびＴＨＧ波長変換素子２３０の大きさは、要求される出力等により異なるが、例えば、素子長１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．５ｍｍである。このような波長変換素子を搭載した波長変換装置２００は、例えば、手のひらサイズとなり、小型化を可能にする。
【００５４】
また、波長変換装置２００の内部、または、外部にミラーを設け、共振器にしてもよい。これにより、さらなる高出力化が可能となる。このような設計は、当業者であれば適宜可能である。また、非特許文献１に示されるように、ＳＨＧ波長変換素子２２０およびＴＨＧ波長変換素子２３０を、廃熱構造を施した波長変換モジュールに充填してもよい。
【００５５】
次に、このような波長変換装置２００の動作について説明する。
【００５６】
波長変換装置２００において、光源２１０は、波長λ１を有する第１の光２４０を発生し、ＳＨＧ波長変換素子２２０に入射させる。ＳＨＧ波長変換素子２２０は、第１の光２４０を受光し、第１の光がＳＨＧ波長変換素子２２０を進行する間に、その周期分極反転構造（図示せず）による擬似位相整合によって、入射した第１の光２４０を波長λ２を有する第２の光２５０に波長変換し、第２高調波発生する。ここで、波長λ１と波長λ２とは、関係λ１＝２×λ２を満たす。
【００５７】
さらに、ＳＨＧ波長変換素子２２０は、受け取った第１の光２４０の一部を透過させる。次いで、ＳＨＧ波長変換素子２２０は、透過した第１の光２４０と、波長変換された第２の光２５０とをＴＨＧ波長変換素子２３０に入射させる。
【００５８】
ＴＨＧ波長変換素子２３０は、第１の光２４０と第２の光２５０とを受光し、第１の光２４０と第２の光２５０とがＴＨＧ波長変換素子２３０を進行する間に、その周期分極反転構造（図示せず）による擬似位相整合によって、入射した第１の光２４０と第２の光２５０とを波長λ３を有する第３の光２６０に波長変換し、第３高調波発生する。ここで、波長λ１と波長λ２と波長λ３とは、関係１／λ１＋１／λ２＝１／λ３（λ１＞λ３、λ２＞λ３）（式２）を満たす。
【００５９】
このようにして波長変換された第３の光２６０は、波長変換装置２００を出射し、各種用途に適用される。本発明の波長変換装置２００は、紫外域の波長を発生させるに好適であるため、レーザ加工、レーザ・ダイレクト・イメージ（フォトレジストに直接、描画するため、マスクアライナ、フォト・マスクを不要とする）、分光等に利用され得る。
【００６０】
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【００６１】
実施例１では、Ｓｃの添加量を０．２ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％まで変化させたＳＬＴ単結晶（以降では簡単のためＳｃＳＬＴ単結晶と呼ぶ）を製造し、ＳｃＳＬＴ単結晶の各種特性のＳｃ含有量依存性を調べた。
【００６２】
ＳｃＳＬＴ単結晶を、高周波発振機（ＲＦ）を備えた溶液引き上げ法（Ｔｏｐ−Ｓｅｅｄｅｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ−Ｇｒｏｗｔｈ  ｍｅｔｈｏｄ：  ＴＳＳＧ法）により育成した。るつぼにＬｉ成分過剰原料と、Ｓｃ２Ｏ３粉末とを充填・加熱し、溶液を得た（ステップＳ１１０）。Ｌｉ成分過剰原料はＬｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５）のモル分率が０．６１であった。この組成であれば、最終的に得られる単結晶の組成が実質的に定比組成となる。また、この組成であれば、自己フラックスを生成するので、不純物として取り込まれる可能性があるフラックスを不要とする。市販の高純度Ｌｉ２Ｏ粉末（純度＞９９．９９％）およびＴａ２Ｏ５粉末（純度９９．９９％）を、上記モル分率を満たすように、秤量混合し、１ｔｏｎ／ｃｍ２の静水圧でラバープレス成形し、約１０５０℃の大気中で焼結させ、Ｌｉ成分過剰原料とした。
【００６３】
充填するＳｃ２Ｏ３粉末の重量は、溶液中のＴａに対するＳｃ濃度として決定し、それぞれ０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．８および１．０ｍｏｌ％と変化させた。
【００６４】
るつぼにはＩｒ製るつぼを採用した。るつぼの大きさは、直径１２０ｍｍであり、８０ｍｍ高さであった。るつぼ内の溶液の初期重量は約３９６５ｇであった。
【００６５】
次に、タンタル酸リチウム単結晶からなる種結晶を溶液に浸漬させ、回転させながら引上げた（ステップＳ１２０）。ここで、種結晶には、Ｚ軸方向に切り出した５ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍの単一分域のノンドープＳＬＴ単結晶を用いた。また、引き上げの方向はＺ軸方向であり、種結晶の回転速度は５ｒｐｍであり、るつぼは種結晶の回転方向と逆方向に回転させ、その回転速度は４ｒｐｍであり、引き上げ速度は０．５ｍｍ／時間であった。
【００６６】
引き上げに伴い成長した結晶の重量が、初期重量の１０％以内に保持し、単結晶の組成変化を防いだ。ここでは、一定の結晶径となるように自動直径制御システムを採用した。ステップＳ１２０における雰囲気は、窒素と酸素との混合ガス（０．５％Ｏ２）を用いた。このようにして、約２００時間後、直径最大３３ｍｍ長さ１００ｍｍの、Ｓｃの添加量の異なるブール状の結晶を育成した。育成後、酸素導入を止め、Ｉｒ製るつぼが酸化するのを防いだ。得られたブール状の結晶を観察した。溶液中の仕込みＳｃ添加０．５ｍｏｌ％の観察結果を図３に示す。
【００６７】
育成直後のブール状の結晶を切り出し、フッ酸溶液を用いたエッチングを行ったところ、多分域（マルチドメイン）構造を有することが分かった。以降では、必要に応じて、ブール状の結晶を切り出し、電界印加冷却を行って単一ドメイン構造に分域化した試料を用いている。
【００６８】
次に、ブール状の結晶の一部を切り出し、化学分析を行い、結晶内のＳｃ濃度を確定した。ＬｉおよびＳｃの重量％は、誘導結合プラズマ原子発光分光分析法により求めた。Ｔａの重量％は、クペロン重量法により求めた。Ｓｃの実効拡散係数ｋｅｆｆは、育成直後のＳｃＳＬＴ多結晶におけるＳｃ濃度と、溶液中の仕込みＳｃ濃度との比較によって算出した。これらの結果を図４に示す。また、実施例１のブール状の結晶がタンタル酸リチウム単結晶であることをＸ線ラウエ法により確認した。
【００６９】
光損傷（フォトリフラクティブ損傷）のＳｃ含有量依存性を調べた。試料には両面を光学研磨した約２ｍｍ厚のＸカット板を用い、波長５３２ｎｍにおける光損傷閾値を測定した。結晶軸のずれは約０．１７°以内であった。光損傷閾値を、各試料を透過したレーザビーム（波長５３２ｎｍ）の形状が歪むレーザ強度として定義した。
【００７０】
具体的な測定手順を説明する。レーザビームの形状を、各試料の後ろに配置したスクリーンに映し出し、レーザビームの形状の歪みを目視にて確認した。１０分間レーザビームを各試料に透過させ、レーザビームの形状を観察した。レーザビームの形状に歪が見られない場合は、レーザ強度を増大させ、さらに１０分間レーザビームを各試料に透過させ、レーザビームの形状を観察した。このプロセスをレーザビームの形状に歪が観察されるまで、または、レーザ強度が最大になるまで繰り返した。
【００７１】
レーザビームには、ダイオード励起型Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザの光をポンプ光とし、ＬｉＢ３Ｏ５結晶を用いたＳＨＧ波長変換レーザによって第２高調波発生させたＣＷレーザビームを用いた。最大出力は２．８Ｗであり、集束レンズを通したレーザビームのスポット径（試料の中心）は２５μｍであった。これらから算出される最大出力密度は５７０ＫＷ／ｃｍ２であった。また、レーザビームの偏光方向は、試料のＺ軸に対して平行であった。結果を図５に示す。
【００７２】
ＯＨ−吸収ピーク位置のＳｃ含有量依存性を調べた。試料には両面を光学研磨した約１ｍｍ厚のＸカット板を用い、ＯＨ−吸収ピークを、フーリエ変換赤外分光法により非偏光下、室温にて測定した。育成直後の各試料は、いずれも、ＯＨ−吸収ピークを示さなかった。これは、酸素条件が低い中で育成されたためである。したがって、各試料を１０００℃、２４時間、大気中で熱処理した後、測定を行った。結果を図６に示す。
【００７３】
次に、キュリー温度のＳｃ含有量依存性を調べた。キュリー温度は、ＳｃＳＬＴ単結晶の電界印加冷却の温度を決定するために重要である。育成直後の結晶は、多分域（マルチドメイン）構造を有している。このような結晶に電界印加冷却を行えば、これらの多分域構造を単一分域（シングルドメイン）に変化させることができる。
【００７４】
電界印加冷却を除く熱処理プロセスは、キュリー温度以下で行われなければならない。このような熱処理プロセスには、導波路デバイスを作製するための拡散プロセス、周期分極反転構造（図１の１２０）の各ドメイン反転境界近傍における歪みを除去するためのアニールプロセスなどがある。このような観点からもＳｃＳＬＴ単結晶のキュリー温度は重要である。
【００７５】
キュリー温度を測定するための試料には、各ブール状の結晶から切り出した後、粉末にした試料を用いた。この粉末状の試料を測定用容器に充填した。また、この測定におけるリファレンス（参照）試料には、粉末状のアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）を用いた。示差走査熱量計（ＤＳＣ）によりキュリー温度を測定した。結果を図７に示す。
【００７６】
吸収端のＳｃ含有量依存性を調べた。吸収端から、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶の波長変換可能な波長域を見積もることができる。試料には両面を光学研磨した１．０ｍｍ厚のＺカット板を用い、分光器により非偏光下、室温における透過スペクトルを測定し、これから各試料のＵＶ吸収端を求めた。これらの結果を図８および図９に示す。
【００７７】
分極反転電界のＳｃ含有量依存性を調べた。上述したように、分極反転電界に関する情報は、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶に周期分極反転構造（図１の１２０）を形成する際の分極反転に必須である。試料には両面を光学研磨した１．０ｍｍ厚のＺカット板を用い、液体電極（ＬｉＣｌ水溶液）により室温における分極反転電界を測定した。
【００７８】
具体的な測定手順を説明する。分極反転電界はランプ速度に依存しているため、印加電界のランプ速度を１ｋＶ／秒に固定した。各試料の初期状態は、いずれもシングルドメインの状態であった。１回目のドメイン反転を順方向ポーリングと呼び、２回目の初期状態に戻すためのドメイン反転を逆方向ポーリングと呼ぶ。
【００７９】
測定には、典型的な電気回路を使用した。このような電気回路は、例えば、非特許文献４に示される電気回路である。各試料において、ドメイン反転に関与する変位電流を観察し、その変位電流に対応する印加電界を測定した。結果を図１０に示す。
【００８０】
常光の屈折率（ｎ０）および異常光（ｎｅ）の屈折率のＳｃ含有量依存性を調べた。屈折率に関する情報は、ＳｃＳＬＴ単結晶に周期分極反転構造を形成する際の周期の算出に必須である。試料には両面を光学研磨した１．０ｍｍ厚のＺカット板を用い、プリズム・カップラー法（非特許文献５）により、波長４４０ｎｍ、６３３ｎｍ、１０６４ｎｍおよび１５４５ｎｍにおける常光および異常光の屈折率を室温にて測定した。結果を図１２に示す。
【００８１】
次いで、熱伝導率ｋを次式により算出した。
ｋ＝α・ρ・Ｃｐ
ここで、αはＺ軸方向の熱拡散率であり、Ｃｐは比熱であり、ρは密度である。熱拡散率は室温にてレーザフラッシュ法により測定した（例えば、非特許文献６を参照。）。試料には直径１０ｍｍ、１．０ｍｍ厚のＺカットのシリンダープレートを用いた。比熱は、示差走査熱量計を用いて測定された。密度は、各試料の重量および大きさから算出した。結果を表１に示す。
【比較例１】
【００８２】
比較例１では、Ｓｃを添加することなくノンドープのＳＬＴ単結晶を製造し、ＳＬＴ単結晶の各種特性を調べた。製造手順は、Ｓｃ２Ｏ３粉末をるつぼに充填しない以外は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。実施例１と同様に、ブール状の結晶を得た。
【００８３】
比較例１のブール状の結晶がタンタル酸リチウム単結晶であることをＸ線ラウエ法により確認した。
【００８４】
実施例１と同様に、比較例１のブール状の結晶を切り出し、光損傷閾値、ＯＨ−吸収ピーク位置、キュリー温度、分極反転電界、常光および異常光の屈折率、および、熱伝導率を測定した。これらの結果を図５〜図７、図１０〜図１２および表１に示す。
【比較例２】
【００８５】
比較例２では、Ｍｇを１．０ｍｏｌ％添加したＭｇＳＬＴ単結晶を製造し、ＭｇＳＬＴ単結晶の透過スペクトルを測定した。製造手順は、Ｓｃ２Ｏ３粉末に替えてＭｇＯ粉末をるつぼに充填した以外は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。実施例１と同様に、ブール状の結晶を得た。
【００８６】
比較例２のブール状の結晶がタンタル酸リチウム単結晶であることをＸ線ラウエ法により確認した。また、ブール状の単結晶を化学分析し、結晶中のＭｇ濃度が、１．０ｍｏｌ％であることを確認した。
【００８７】
実施例１と同様に、比較例２のブール状の結晶を切り出し、透過スペクトルを測定し、熱伝導率を求めた。結果を図８および表１に示す。
【比較例３】
【００８８】
比較例３では、ノンドープのＣＬＴ単結晶を製造し、ＣＬＴ単結晶の各種特性を調べた。製造手順は、実施例１において、Ｌｉ成分過剰原料に替えて、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５）のモル分率が０．４８３〜０．４８４である原料を用い、Ｓｃ２Ｏ３粉末をるつぼに充填しない以外は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。実施例１と同様に、ブール状の結晶を得た。
【００８９】
比較例３のブール状の結晶がタンタル酸リチウム単結晶であることをＸ線ラウエ法により確認した。
【００９０】
実施例１と同様に、比較例３のブール状の結晶を切り出し、分極反転電界および熱伝導率を測定した。これらの結果を図１１および表１に示す。
【００９１】
図３は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の外観を示す写真である。
【００９２】
図３のＳｃＳＬＴ単結晶は、仕込みＳｃ添加量が０．５ｍｏｌ％のＳｃＳＬＴ単結晶である。図３に示されるように、得られたブール状のＳｃＳＬＴ単結晶は、クラック、ボイド、ツインおよびインクルージョンが一切ない透明な単結晶であることを確認した。図示しないが、他の仕込みＳｃ添加量のＳｃＳＬＴ単結晶においても、同様に透明な単結晶であった。
【００９３】
図４は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の溶液中のＳｃ濃度と、結晶中のＳｃ濃度との関係を示すグラフである。
【００９４】
グラフ中の「溶液中のＳｃ濃度」とは仕込みＳｃ添加量である。また、結晶中のＳｃ濃度を、Ｓｃ（ｍｏｌ％）＝［Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｔａ）］×１００と定義している。グラフの傾きからＳｃの実効分配係数ｋｅｆｆを求めたところ、ｋｅｆｆは０．８であった。この値は、Ｍｇの実効分配係数（約１．０）に比較的近く、ＳＬＴ単結晶へのＳｃ添加が容易であることを示す。したがって、本発明のＳｃＳＴＬ単結晶は、製造容易性の観点から有利である。
【００９５】
図５は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の光損傷閾値のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【００９６】
図５によれば、Ｓｃ含有量が０．４ｍｏｌ％以上０．８ｍｏｌ％以下であれば、ＳｃＳＬＴ単結晶の光損傷閾値は、レーザ強度が最大であっても光損傷が見られなかったことを示し、良好な耐光損傷性を有することが分かった。特許文献１および２に記載のＳｃの含有量の中でも、Ｓｃの含有量が０．４ｍｏｌ％以上０．８ｍｏｌ％以下の範囲において耐光損傷性の著しい向上が見られ、本発明者がより好ましいＳｃの範囲を見出したことに留意されたい。
【００９７】
さらに、図５における、Ｓｃ含有量が０．４ｍｏｌ％以上０．８ｍｏｌ％以下のＳｃＳＬＴ単結晶の耐損傷性（すなわち、レーザ強度が最大でも光損傷が見られない）は、Ｍｇを１．０ｍｏｌ％添加したＭｇＳＬＴ単結晶のそれに匹敵することを確認した。したがって、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶は、少ない含有量（４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下）で実用に十分な耐光損傷性を有するので、製造容易性および波長変換素子への適用性の観点から有利である。
【００９８】
図６は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のＯＨ−吸収ピーク位置のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【００９９】
ＯＨ−吸収ピーク位置の測定は、耐光損傷性を調べるために用いられる。図６には、比較例１のノンドープＳＬＴ単結晶の結果も併せて示す。Ｓｃの含有量（結晶中）が０ｍｏｌ％〜０．４４ｍｏｌ％の範囲では、ＯＨ−吸収ピーク位置は２．８９μｍであり、一定であった。Ｓｃの含有量が０．４４ｍｏｌ％から０．７８ｍｏｌ％に増大するにつれて、ＯＨ−吸収ピーク位置は２．８９μｍから２．８５μｍへとシフトした。さらに、Ｓｃの含有量が０．７８ｍｏｌ％〜０．８８ｍｏｌ％の範囲では、ＯＨ−吸収ピーク位置は２．８５μｍであり、一定であった。
【０１００】
Ｓｃの含有量が４×１０−１ｍｏｌ％を境にＯＨ−吸収ピーク位置に変化が見られ、このことは、図５の結果に完全に一致はしないものの、同様の傾向を示唆しており、Ｓｃの含有量の下限を４×１０−１ｍｏｌ％とすることが妥当と言える。
【０１０１】
図７は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のキュリー温度のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【０１０２】
図７には、比較例１のノンドープＳＬＴ単結晶の結果も併せて示す。図７によれば、Ｓｃの含有量が増大するにつれ、キュリー温度が低減することが分かった。この結果は、ＭｇＳＬＴ単結晶の傾向とは異なる。ＭｇＳＬＴ単結晶は、Ｍｇの含有量が増大するにつれ、キュリー温度が増大する。しかしながら、比較例１のノンドープＳＬＴ単結晶およびＭｇＳＬＴ単結晶のキュリー温度に比べて、ＳｃＳＬＴ単結晶のそれは、低温であるため、電界印加冷却の温度を低減することができるので、製造コストを低減することができる。また、４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下のＳｃの含有量の範囲では、ＳｃＳＬＴ単結晶のキュリー温度は線形であるので、含有量からキュリー温度を容易に算出できる。
【０１０３】
図８は、実施例１および比較例２の各ＬＴ単結晶の透過スペクトルを示すグラフである。
【０１０４】
図８は、実施例１の中でも、Ｓｃの含有量が０．４４ｍｏｌ％および０．７８ｍｏｌ％のＳｃＳＬＴ単結晶の透過スペクトルを示す。Ｓｃの含有量が０．４４ｍｏｌ％および０．７８ｍｏｌ％とは、それぞれ、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶のＳｃの含有量の下限および上限に相当する。
【０１０５】
比較例２の透過スペクトルは、波長３７５ｎｍ近傍で急激な透過率の低下を示し、紫外域に明瞭な吸収ピークを示した。一方、実施例１の透過スペクトルは、いずれも、紫外域に何ら吸収ピークを示さなかった、すなわち、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶の透過スペクトルは、紫外域においても良好な透過率を維持した。
【０１０６】
図８には、いずれも、１．０ｍｍ厚の試料の測定結果を示すが、波長変換素子にこれらの試料を適用する場合には、波長変換素子の素子長は１０ｍｍ〜３０ｍｍとなる。したがって、比較例２のＭｇＳＬＴ単結晶を波長変換素子に適用すると、その紫外域の吸収ピークは１０倍から３０倍となり、さらに透過率を低減させることになる。このため、紫外域に吸収を有するＭｇＳＬＴ単結晶を、紫外域の波長の光を発生させる波長変換素子に適用した場合には、変換効率が低い、あるいは、紫外域の波長が吸収され、まったく変換できないという事態になる。
【０１０７】
しかしながら、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶は、紫外域における吸収が抑制されており、何ら吸収を示さないので、これを波長変換素子に適用しても、紫外域においても十分な透過率を達成する。したがって、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶は、紫外域の波長の光を発生させる用途に好適であり、より具体的には、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶を、１０６４ｎｍの波長の光を第３高調波（ＴＨＧ）により、波長３５５ｎｍの光に変換する、周期分極反転構造を有する波長変換素子に適用すれば、波長３５５ｎｍの光をＳｃＳＬＴ単結晶が吸収することがないので、高い変換効率を達成することができる。その結果、高効率および高出力の紫外域の波長の光を発振するための波長変換素子を提供することができる。
【０１０８】
図９は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶のＵＶ吸収端のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【０１０９】
各試料のＵＶ吸収端は、図８の透過スペクトルから求めた。実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）のＵＶ吸収端はいずれも２６１ｎｍ〜２６２ｎｍの範囲にあった。ＵＶ吸収端の位置からも、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶を紫外域の波長の光を発生させる波長変換素子に適用することができることを示す。また、ＵＶ吸収端は、Ｓｃの含有量を変化させても、実質的に一定であった。
【０１１０】
図５、図８および図９によれば、本発明の４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下のＳｃの含有量の範囲であれば、高精度の組成制御をすることなく、同様の耐光損傷性、透過スペクトルおよびＵＶ吸収端が得られるので、製造の容易性、歩留まりの向上に寄与し得る。
【０１１１】
図１０は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の順方向および逆方向の分極反転電界のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【０１１２】
図１０には、比較例１のノンドープＳＬＴ単結晶および比較例３のノンドープＣＬＴ単結晶の結果も併せて示す。実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）および比較例１（ＳＬＴ単結晶）と、比較例３（ＣＬＴ単結晶）とを比較すると、コングルエント組成から実質的に定比組成に組成を制御することによって、分極反転電界を大幅に低減できることを確認した。また、Ｓｃの添加によっても、完全な定比組成にすることなく、実質的に定比組成であれば、分極反転電界を低減できることを確認した。これらの低減した分極反転電界の大きさは、完全な定比組成のタンタル酸リチウム単結晶のそれ（１．５〜１．７ｋＶ／ｍｍ）に匹敵する（例えば、非特許文献７を参照。）。
【０１１３】
しかしながら、実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）の順方向の分極反転電界は、Ｓｃの含有量８×１０−１ｍｏｌ％を境にわずかながら増大する傾向を示した。このことから、Ｓｃの含有量の上限を８×１０−１ｍｏｌ％以下と設定しておくことは、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶に周期分極反転構造を形成する際の容易性および歩留まりを考慮しても妥当である。
【０１１４】
一方、実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）の逆方向の分極反転電界は、Ｓｃの含有量に依存することなく一定であり、比較例１（ＳＬＴ単結晶）の値に一致した。
【０１１５】
図１１は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の常光の屈折率ｎ０のＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
図１２は、実施例１のＳｃＳＬＴ単結晶の異常光の屈折率ｎｅのＳｃ含有量（結晶中）依存性を示すグラフである。
【０１１６】
図１１および図１２には、比較例１のノンドープＳＬＴ単結晶の結果も併せて示す。図１１および図１２によれば、実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）の常光および異常光のいずれも、Ｓｃの含有量に依存することなく一定であり、比較例１（ＳＬＴ単結晶）のそれに一致した。このことは、本発明の４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下のＳｃの含有量の範囲であれば、Ｓｃの含有量に依存して、ＳｃＳＬＴ単結晶に形成されるべき周期分極反転構造の周期を制御する必要がないので、製造の容易性、歩留まりの向上に寄与し得る。
【０１１７】
【表１】
2010256659.tif 000005
【０１１８】
表１には、実施例１の中でもＳｃの含有量が０．４４ｍｏｌ％であるＳｃＳＬＴ単結晶、比較例１のＳＬＴ単結晶、比較例２の中でもＭｇの含有量が１．０ｍｏｌ％のＭｇＳＬＴ単結晶、および、比較例３のＣＬＴ単結晶の熱伝導率を示す。
【０１１９】
表１によれば、密度および比熱の値は、コングルエント組成であっても実質的に定比組成であっても、ほぼ同様であった。これらの値は、不定比欠陥（Ｔａのアンチサイト欠陥）の数に依存しない。一方、熱拡散率および熱伝導率の値は、コングルエント組成よりも実質的に定比組成の方が大きかった。これらの値は、不定比欠陥の数に依存する。
【０１２０】
これは、フォノンが主として熱拡散率に寄与し、Ｔａのアンチサイト欠陥がフォノン散乱を引き起こすためである。比較例２（ＳＬＴ単結晶）の熱伝導率の値は、比較例３（ＣＬＴ単結晶）のそれの約２倍であった。また、実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）および比較例２（ＭｇＳＬＴ単結晶）の熱伝導率の値は、比較例２のそれよりもわずかに低かった。これら熱伝導率の低減は、Ｓｃ添加またはＭｇ添加によって生じた欠陥によるものであるが、実施例１（ＳｃＳＬＴ単結晶）の熱伝導率の値は、比較例２（ＭｇＳＬＴ単結晶）のそれよりも、比較例１（ＳＬＴ単結晶）のそれに近かった。これは、Ｓｃの含有量が、Ｍｇの含有量よりも少ないことに起因し、このことからも、本発明の４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下のＳｃの含有量の範囲のＳｃＳＬＴ単結晶は、有利である。
【０１２１】
なお、参考のため表２に実施例１および比較例１〜２の測定結果をまとめる。表２において、実験Ｎｏ．１は、比較例２に相当し、実験Ｎｏ．２は比較例１に相当し、実験Ｎｏ．３〜９は、実施例１に相当する。表中の記号「−」は、測定していないことを示す。
【表２】
2010256659.tif 000006
【実施例２】
【０１２２】
実施例１のＳｃを０．４４ｍｏｌ％添加したＳｃＳＬＴ単結晶を用いた波長変換素子を製造した。ブール状のＳｃＳＬＴ単結晶を、素子長１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．５ｍｍとなるように切り出した。次いで、素子長方向に周期６．５５±０．１５μｍ（図１のΛ）を有する周期分極反転構造（図１の１２０）を電界印加法により形成した。
【０１２３】
このようにして形成した波長変換素子に、ダイオード励起型Ｎｄ：ＹＶＯ４固体レーザの光（波長１０６４ｎｍ）と、これをポンプ光とし、ＬｉＢ３Ｏ５結晶を用いたＳＨＧ波長変換レーザによって第２高調波発生させたＣＷレーザビーム（波長５３２ｎｍ）とを入射させ、波長変換を行った。この結果、目的とする波長３５５ｎｍを有する光が発振したことを確認した。
【比較例４】
【０１２４】
比較例２のＭｇを１．０ｍｏｌ％添加したＭｇＳＬＴ単結晶を用いた波長変換素子を製造した。ＳｃＳＬＴ単結晶に替えてＭｇＳＬＴ単結晶を用いた以外は、実施例２と同様である。実施例２と同様の条件で波長変換を行ったところ、波長３５５ｎｍを有する光の発振は確認できなかった。
【０１２５】
以上の実施例２および比較例４からも、紫外域における吸収の抑制が、波長３５５ｎｍを有する光の発振に大きく寄与していることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
上述したように、本発明によるＳｃを添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶には、４×１０−１ｍｏｌ％以上８×１０−１ｍｏｌ％以下の範囲のＳｃが添加されている。この範囲のＳｃが添加されることによって、完全に定比組成でなくとも定比組成のタンタル酸リチウムと同様の低い分極反転電界を達成するとともに、耐光損傷性を有し、かつ、紫外域における吸収が抑制されている。このため、本発明のＳｃＳＬＴ単結晶は、分極反転構造を利用し、入射光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換素子に好適である。また、本発明のＳＬＴ単結晶からなる波長変換素子を用いた波長変換装置にも利用可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１００  波長変換素子
１１０  ＳＬＴ単結晶
１２０  周期分極反転構造
１３０、２４０  第１の光
１４０、２５０  第２の光
１５０、２６０  第３の光
２００  波長変換装置
２１０  光源
２２０  ＳＨＧ波長変換素子
２３０  ＴＨＧ波長変換素子
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２８】
【特許文献１】特許第４１０７３６５号公報
【特許文献２】特開平５−１０５５９３号公報
【非特許文献】
【０１２９】
【非特許文献１】栗村  直、“共振器なしで高出力緑色レーザーを発生”、平成２０年３月２５日、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｍｓ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｐｒｅｓｓ／２００８／０３／ｖｋ３ｒａｋ０００００００ｈｏｎ−ａｔｔ／ｐｒｅｓｓ２２４．ｐｄｆ＞
【非特許文献２】Ｎ．  Ｅ．  Ｙｕら，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８４（２００４）１６６２
【非特許文献３】Ａ．  Ｂｒｕｎｅｒら，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ２８，  Ｎｏ．  ３（２００３）１９４
【非特許文献４】Ｌ．  Ｅ．  Ｍｙｅｒｓら，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ  １２（１９９５）２１０２
【非特許文献５】Ｐ．  Ｋ．  Ｔｉｅｎら，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  １４（１９６９）２９１
【非特許文献６】Ｔ．  Ｈａｔａｎａｋａら，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ２５（２０００）６５１
【非特許文献７】Ｋ．  Ｋｉｔａｍｕｒａら，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ７３（１９９８）３０３７
【図１】
2010256659.tif 000009
【図２】
2010256659.tif 000010
【図３】
2010256659.tif 000011
【図４】
2010256659.tif 000012
【図５】
2010256659.tif 000013
【図６】
2010256659.tif 000014
【図７】
2010256659.tif 000015
【図８】
2010256659.tif 000016
【図９】
2010256659.tif 000017
【図１０】
2010256659.tif 000018
【図１１】
2010256659.tif 000019
【図１２】
2010256659.tif 000020