(57)【要約】【課題】均一な分極反転構造の形成を可能とする分極反転結晶製造装置及び分極反転結晶製造方法を提供すること。【解決手段】分極反転構造を備える分極反転結晶を製造する分極反転結晶製造装置であって、第１面に第１電極層３１、第１面とは反対側の第２面に第２電極層３２が形成された非線形光学結晶３０が載置される電極ステージ部２３と、第１電極層３１に接触された電極ステージ部２３と第２電極層３２との間に印加する電圧を供給する電圧供給部２４と、電極ステージ部２３及び第１電極層３１を経て非線形光学結晶３０へ伝導させる熱を供給する熱供給部であるヒーターブロック２１と、を有し、電極ステージ部２３のうち第１電極層３１と接する部分に、第１電極層３１のうち電極ステージ部２３に接する面に比べて粗くさせた粗面２５を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極反転構造を備える分極反転結晶を製造する分極反転結晶製造装置であって、
第１面に第１電極層、前記第１面とは反対側の第２面に第２電極層が形成された光学結晶が載置される電極ステージ部と、
前記第１電極層に接触された前記電極ステージ部と前記第２電極層との間に印加する電圧を供給する電圧供給部と、
前記電極ステージ部及び前記第１電極層を経て前記光学結晶へ伝導させる熱を供給する熱供給部と、を有し、
前記電極ステージ部のうち前記第１電極層と接する部分に、前記第１電極層のうち前記電極ステージ部に接する面に比べて粗くさせた粗面を備えることを特徴とする分極反転結晶製造装置。
【請求項２】
前記粗面は、前記電極ステージ部のうち前記熱供給部側の面に比べて粗くさせることを特徴とする請求項１に記載の分極反転結晶製造装置。
【請求項３】
前記電極ステージ部と前記熱供給部との間に設けられた絶縁層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の分極反転結晶製造装置。
【請求項４】
真空チャンバー内にて前記光学結晶へ電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分極反転結晶製造装置。
【請求項５】
前記第１電極層及び前記第２電極層は、金属材料を用いて構成され、
前記電極ステージ部は、前記金属材料に比べて熱放射率が高い材料を用いて構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の分極反転結晶製造装置。
【請求項６】
前記電極ステージ部は、カーボン材料を用いて構成されることを特徴とする請求項５に記載の分極反転結晶製造装置。
【請求項７】
分極反転構造を備える分極反転結晶を製造する分極反転結晶製造方法であって、
光学結晶の第１面に第１電極層、前記第１面とは反対側の第２面に第２電極層をそれぞれ形成する工程と、
電極ステージ部に前記第１電極層を接触させて、前記電極ステージ部に前記光学結晶を載置する工程と、
前記電極ステージ部及び前記第１電極層を介して前記光学結晶へ熱を供給し、前記電極ステージ部と前記第２電極層との間に電圧を印加する工程と、を含み、
前記電極ステージ部のうち前記第１電極層と接する部分に、前記第１電極層のうち前記電極ステージ部に接する面に比べて粗くさせた粗面を備える前記電極ステージ部を使用することを特徴とする分極反転結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分極反転構造を備える分極反転結晶を製造するための分極反転結晶製造装置及び分極反転結晶製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザー光源として、波長変換素子による波長変換を経たレーザー光を射出させるものが知られている。波長変換素子は、基本波光を波長変換させ、高調波光を射出させる。波長変換素子には、強い非線形光学効果を持つ強誘電体結晶、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等が利用されている。特に、分極方向を周期的に反転させることにより擬似的に位相整合条件を満たすように形成された分極反転結晶は、大きい非線形光学定数を利用できるため、高い波長変換効率を得ることができる。分極反転結晶は、適宜周期を変化させて分極反転構造を形成することにより、広い波長範囲のレーザー光に対して高調波の発生を可能にできるという利点もある。分極反転結晶の製造には、例えば、非線形光学結晶の表面に電極層を形成し、電圧を印加する手法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１５７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電圧の印加による分極反転結晶の製造においては、分極方向の反転を生じ易くするために、一般に、室温よりも非線形光学結晶を高温にして電圧を印加させる。この場合、非線形光学結晶が大型になるほど、非線形光学結晶の温度が不均一になり易くなる。特に、真空中で電圧を印加する場合、空気の対流による熱伝達がなされないために、非線形光学結晶に温度差が生じ易くなる。非線形光学結晶の温度が不均一であると、分極方向を反転させる進度に差が生じ、均一な分極反転構造を得ることが困難になる。高い波長変換効率を得るためには、分極反転構造を均一に形成可能であることが望まれる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、均一な分極反転構造の形成を可能とする分極反転結晶製造装置及び分極反転結晶製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る分極反転結晶製造装置は、分極反転構造を備える分極反転結晶を製造する分極反転結晶製造装置であって、第１面に第１電極層、前記第１面とは反対側の第２面に第２電極層が形成された光学結晶が載置される電極ステージ部と、前記第１電極層に接触された前記電極ステージ部と前記第２電極層との間に印加する電圧を供給する電圧供給部と、前記電極ステージ部及び前記第１電極層を経て前記光学結晶へ伝導させる熱を供給する熱供給部と、を有し、前記電極ステージ部のうち前記第１電極層と接する部分に、前記第１電極層のうち前記電極ステージ部に接する面に比べて粗くさせた粗面を備えることを特徴とする。
【０００６】
光学結晶と電極ステージ部とで熱膨張係数が異なる場合、熱による変形の態様にも差が生じることとなる。第１電極層と電極ステージ部とを平坦面同士の接触とする場合、光学結晶と電極ステージ部とがそれぞれの材料の熱膨張係数に応じて変形したときに、広範囲における接触を維持することが困難となる。電極ステージ部に粗面を設けることにより、第１電極層と電極ステージ部とが接する部分の全体に、点による接触を分布させる。第１電極層と電極ステージ部との点による接触を分布させることで、光学結晶と電極ステージ部との熱膨張による接触への影響を少なくさせ、平坦面同士の接触とする場合に対して、広範囲における接触を維持させることが可能となる。第１電極層と電極ステージ部との広範囲における接触を維持させることにより、光学結晶への均一な熱伝導により、光学結晶の温度を均一にできる。光学結晶の温度を均一にして電圧を印加することにより、均一な分極反転構造の形成が可能となる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様としては、前記粗面は、前記電極ステージ部のうち前記熱供給部側の面に比べて粗くさせることが望ましい。これにより、電極ステージ部から第１電極層への熱伝導を維持させるとともに、電極ステージ部のうち熱供給部側の面における熱伝導の効率を維持させる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様としては、前記電極ステージ部と前記熱供給部との間に設けられた絶縁層を有することが望ましい。これにより、電極ステージ部と熱供給部とを電気的に絶縁させる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様としては、真空チャンバー内にて前記光学結晶へ電圧を印加することが望ましい。これにより、電気のリークを低減させ、効率的な電圧印加を可能とする。真空中では空気の対流による熱伝達がなされないため、第１電極層と電極ステージ部との熱伝導を維持させることで、光学結晶の温度差の低減を効果的にできる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様としては、前記第１電極層及び前記第２電極層は、金属材料を用いて構成され、前記電極ステージ部は、前記金属材料に比べて熱放射率が高い材料を用いて構成されることが望ましい。これにより、電極ステージ部から光学結晶への熱の輻射により、光学結晶の温度をさらに均一にするとともに、光学結晶を効率良く高温にすることができる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様としては、前記電極ステージ部は、カーボン材料を用いて構成されることが望ましい。導電性と高い熱放射率とを兼ね備えるカーボン材料を用いることにより、光学結晶への電圧の印加と熱の輻射とを両立できる。
【００１２】
さらに、本発明に係る分極反転結晶製造方法は、分極反転構造を備える分極反転結晶を製造する分極反転結晶製造方法であって、光学結晶の第１面に第１電極層、前記第１面とは反対側の第２面に第２電極層をそれぞれ形成する工程と、電極ステージ部に前記第１電極層を接触させて、前記電極ステージ部に前記光学結晶を載置する工程と、前記電極ステージ部及び前記第１電極層を介して前記光学結晶へ熱を供給し、前記電極ステージ部と前記第２電極層との間に電圧を印加する工程と、を含み、前記電極ステージ部のうち前記第１電極層と接する部分に、前記第１電極層のうち前記電極ステージ部に接する面に比べて粗くさせた粗面を備える前記電極ステージ部を使用することを特徴とする。
【００１３】
粗面を備える電極ステージ部を用いることで、光学結晶と電極ステージ部との熱膨張による影響を少なくさせ、第１電極層と電極ステージ部との広範囲における接触を維持させる。第１電極層と電極ステージ部との広範囲における接触を維持させることにより、光学結晶への均一な熱伝導により、光学結晶の温度を均一にできる。光学結晶の温度を均一にして電圧を印加することにより、均一な分極反転構造の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】分極反転結晶の構成の模式図である。
【図２】分極反転結晶製造装置の概略模式図である。
【図３】ＬｉＮｂＯ３、Ｃｕ、Ａｌの熱膨張係数を比較する図である。
【図４】変形例に係る分極反転結晶製造装置の概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の実施例に係る分極反転結晶製造装置により製造された分極反転結晶１０の構成の模式図である。分極反転結晶１０は、波長変換素子、例えば、第二高調波発生（Second−Harmonic  Generation：ＳＨＧ）素子として機能する。分極反転結晶１０は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の分極反転結晶（Periodically  Poled  Lithium  Niobate：ＰＰＬＮ）である。
【００１７】
分極反転結晶１０は、自発分極層１１と分極反転層１２とを周期的に並列させた分極反転構造を備える。分極反転構造は、コヒーレント長ｌＣごとに非線形光学定数ｄの符号を反転させて構成されている。自発分極層１１は、非線形光学結晶の自発分極が残された部分である。分極反転層１２は、非線形光学結晶の自発分極を反転させた部分である。分極反転結晶１０は、入射した基本波光を波長変換することにより高調波光を射出させる機能を備える。
【００１８】
図２は、非線形光学結晶３０が載置された分極反転結晶製造装置の概略模式図である。分極反転結晶製造装置は、ヒーターブロック２１、絶縁層２２、電極ステージ部２３、電圧供給部２４を備える。ヒーターブロック２１は、非線形光学結晶３０へ熱を供給する熱供給部として機能する。絶縁層２２は、ヒーターブロック２１と電極ステージ部２３との間に設けられている。絶縁層２２は、ヒーターブロック２１と電極ステージ部２３とを電気的に絶縁させる。絶縁層２２は、絶縁性材料を用いて構成されている。
【００１９】
電極ステージ部２３には、予め第１電極層３１及び第２電極層３２が形成された非線形光学結晶３０が載置される。電極ステージ部２３は、第１電極層３１を介して非線形光学結晶３０へ電圧を印加するとともに、ヒーターブロック２１から供給された熱を非線形光学結晶３０へ伝導させる。電極ステージ部２３は、高い導電性、高い熱伝導性を持つ材料、例えば、アルミニウムや銅を用いて構成されている。
【００２０】
非線形光学結晶３０は、分極反転結晶１０の材料である光学結晶であって、例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶である。第１電極層３１は、非線形光学結晶３０の第１面に形成されている。第２電極層３２は、非線形光学結晶３０のうち第１面とは反対側の第２面に形成されている。非線形光学結晶３０は、第１電極層３１が形成された側を電極ステージ部２３に接触させて、電極ステージ部２３上に載置されている。なお、非線形光学結晶３０は、ＬｉＮｂＯ３結晶に限られず、他の強誘電体結晶、例えば、ＬｉＴａＯ３結晶等を用いても良い。
【００２１】
第１電極層３１は、非線形光学結晶３０のうち、第１面の略全体に形成されている。第２電極層３２は、所望の分極反転構造に応じて、平行帯状にパターニングされている。第２電極層３２は、例えば、フォトリソグラフィー技術により形成される。第１電極層３１及び第２電極層３２は、高い導電性の金属材料、例えば、アルミニウムを用いて構成されている。
【００２２】
電極ステージ部２３のうち第１電極層３１と接する側には、粗面２５が形成されている。粗面２５は、第１電極層３１のうち電極ステージ部２３に接する面に比べて粗くなるように形成されている。粗面２５は、例えば、ブラスト加工等により形成される。また、粗面２５は、電極ステージ部２３のうち絶縁層２２と接する面、すなわち熱供給部２１側の面に比べて粗くなるように形成されている。熱供給部２１側の面を平坦面とすることにより、ヒーターブロック２１から絶縁層２２を介して、効率良く電極ステージ部２３へ熱を伝導させる。
【００２３】
電圧供給部２４は、第２電極層３２及び電極ステージ部２３との間に印加する電圧を供給する。ヒーターブロック２１、絶縁層２２、電極ステージ部２３は、真空チャンバー２６内に設けられている。真空チャンバー２６は、真空ポンプ２７を作動させることにより、内部を真空にする。分極反転結晶製造装置は、真空チャンバー２６内にて、非線形光学結晶３０へ電圧を印加させる。
【００２４】
電圧供給部２４により、電極ステージ部２３と第２電極層３２との間に高電圧パルスを印加すると、第２電極層３２が形成された領域にて分極反転領域が徐々に成長していく。分極反転領域とは、非線形光学結晶３０の自発分極から分極状態が反転した領域である。そして、非線形光学結晶３０の自発分極のままの非反転領域と分極反転領域とが略同じ幅となったとき、電圧の印加を停止させる。このようにして、周期的な分極反転構造を持つ分極反転結晶１０を得られる。
【００２５】
ヒーターブロック２１からの熱の供給により、非線形光学結晶３０を室温よりも高温、例えば、１００度程度にする。非線形光学結晶３０を高温にして電圧を印加することにより、分極方向の反転に必要な抗電界を低減させ、分極反転構造を生じさせ易くすることができる。また、真空中にて電圧を印加させることで、第２電極層３２のパターン間における電気のリークを低減させ、効率的な電圧印加が可能となる。
【００２６】
図３は、ＬｉＮｂＯ３、銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌの熱膨張係数を比較する図である。ＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数は、およそ１５〜１６（×１０−６／Ｋ）である。Ｃｕの熱膨張係数は、およそ１７（×１０−６／Ｋ）である。Ａｌの熱膨張係数は、およそ２４（×１０−６／Ｋ）である。ヒーターブロック２１からの熱の供給により、非線形光学結晶３０、電極ステージ部２３は、それぞれの材料の熱膨張係数に応じて変形することとなる。なお、非線形光学結晶３０に形成された第１電極層３１は、非線形光学結晶３０に比べて極めて薄いことから、非線形光学結晶３０とともに変形するものとする。
【００２７】
非線形光学結晶３０と電極ステージ部２３とは、互いに熱膨張係数が異なるため、熱による変形の態様にも差が生じることとなる。仮に、第１電極層３１と電極ステージ部２３とを平坦面同士の接触とする場合、非線形光学結晶３０と電極ステージ部２３とがそれぞれの材料の熱膨張係数に応じて変形したときに、広範囲における接触を維持することが困難となる。
【００２８】
非線形光学結晶３０のうち電極ステージ部２３側の面が大きくなるほど、非線形光学結晶３０と電極ステージ部２３との変形の差は生じ易くなる。このため、特に、非線形光学結晶３０が大型になるほど、非線形光学結晶３０の温度が不均一になり易くなる。さらに、真空中で電圧を印加する場合、空気の対流による熱伝達がなされないために、第１電極層３１と電極ステージ部２３との接触部分が減ることにより、非線形光学結晶３０には熱伝達が不十分となる部分が生じることとなる。このことからも、非線形光学結晶３０の温度が不均一になり易くなる。
【００２９】
本実施の形態では、電極ステージ部２３に粗面２５を設けることにより、第１電極層３１の平面に粗面２５の凸部分を接触させる。第１電極層３１の平面に電極ステージ部２３の粗面２５を合わせることで、第１電極層３１と電極ステージ部２３とが接する部分の全体に、点による接触を分布させる。第１電極層３１と電極ステージ部２３との点による接触を分布させることにより、非線形光学結晶３０と電極ステージ部２３との熱膨張による接触への影響を低減させ、平坦面同士を接触させる場合に対して、広範囲における接触を維持させることが可能となる。
【００３０】
第１電極層３１と電極ステージ部２３との広範囲における接触を維持させることで、電極ステージ部２３から非線形光学結晶３０への熱伝導を維持させることが可能となる。特に、真空中では空気の対流による熱伝達がなされないため、非線形光学結晶３０と電極ステージ部２３との熱伝導を維持させることで、非線形光学結晶３０の温度差の低減を効果的にできる。非線形光学結晶３０の温度を均一にして電圧を印加することにより、均一な分極反転構造の形成が可能となるという効果を奏する。
【００３１】
なお、分極反転結晶製造装置は、真空中で非線形光学結晶３０へ電圧を印加するものに限られず、従来知られるいずれの態様により電圧を印加するものとしても良い。
【００３２】
図４は、本実施例の変形例に係る分極反転結晶製造装置の概略模式図である。本変形例に係る分極反転結晶製造装置は、第１電極層３１、第２電極層３２を構成する金属材料に比べて熱放射率が高い材料を用いて構成される電極ステージ部４０を有することを特徴とする。電極ステージ部４０は、例えば、カーボン材料を用いて構成されている。カーボン材料は、高い熱放射率の他、導電性も備える。
【００３３】
電極ステージ部４０のうち第１電極層３１と接する側には、粗面２５が形成されている。粗面２５は、第１電極層３１のうち電極ステージ部４０に接する面に比べて粗くなるように形成されている。電極ステージ部４０は、例えば、カーボン粉を固化させ、焼成加工を施すことにより形成される。電極ステージ部４０は、焼成体の表面をそのまま粗面２５としても良い。また、焼成体には、電極ステージ部４０のうち熱供給部２１側となる面には研磨を施すことが望ましい。これにより、熱供給部２１側の面に比べて粗くさせた粗面２５を備える電極ステージ部４０を得られる。
【００３４】
熱放射率は、黒体の熱放射を１として表される熱放射の割合である。黒体は、外部から入射する光や電磁波を完全に吸収及び放出させる性質を持つ理想物質である。物体へ入射したエネルギーは、物体に吸収される分と、物体表面で反射される分と、物体を透過する分とに分けられる。ここで、エネルギーが物体に吸収される割合を吸収率α、物体表面で反射される割合を反射率ρ、物体を透過する割合を透過率τ、とする。物体で分けられることによるエネルギーの増減は無いため、物体へ入射したエネルギーを１とすると、以下の関係が成立する。
α＋ρ＋τ＝１
また、物体が放射するエネルギーの割合を放射率εとすると、吸収率αが高い物質は放射率εも高いことから、以下の関係が成立する。
ε＝α
【００３５】
カーボン材料は、金属材料に比べて反射率ρが低く、吸収率α及び放射率εが高い性質を備える。なお、金属材料は、酸化物とすることで放射率εを高くすることが可能である一方、導電性が低下するため、電極としては不向きとなる。電極ステージ部４０は、導電性と高い熱放射率とを兼ね備えるカーボン材料を用いることにより、非線形光学結晶３０への電圧の印加と熱の輻射との両立が可能となる。
【００３６】
電極ステージ部４０のうち第１電極層３１側を粗面２５とすることにより、平坦面同士を接触させる場合に比べて、電極ステージ部４０と第１電極層３１とを接触させる面積が少なくなる。高い熱放射率の材料を用いて電極ステージ部４０を構成することで、電極ステージ部４０から第１電極層３１への接触部分における熱伝導に加えて、輻射熱によって非線形光学結晶３０へ熱を供給する。従って、電極ステージ部４０及び非線形光学結晶３０の熱膨張による熱伝導の変化を抑制するとともに、電極ステージ部４０を高い熱放射率の材料で構成することで、非線形光学結晶３０の温度をさらに均一にすることが可能となる。また、電極ステージ部４０を高い熱放射率の材料で構成することで、非線形光学結晶３０を効率良く高温にすることができる。
【００３７】
非線形光学結晶３０の例としたＬｉＮｂＯ３の透過波長域は、およそ０．４〜４．５μｍであるため、４．５μｍより長い波長はＬｉＮｂＯ３に吸収される。黒体の場合、温度Ｔ（Ｋ）とピーク波長λ（ｍ）との関係は、以下の式により表される。
λ＝０．００２８９８／Ｔ
【００３８】
この関係をＬｉＮｂＯ３に適用することとすると、ピーク波長４．５μｍに対する温度は、およそ３７０度となる。このことから、ＬｉＮｂＯ３を効率良く温度調整するには、ヒーターブロック２１は、ＬｉＮｂＯ３の温度が３７０度以下となるように熱を供給することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明に係る分極反転結晶製造装置、分極反転結晶製造方法は、波長変換素子として用いられる分極反転結晶を製造する場合に適している。
【符号の説明】
【００４０】
１０  分極反転結晶、１１  自発分極層、１２  分極反転層、２１  ヒーターブロック、２２  絶縁層、２３  電極ステージ部、２４  電圧供給部、２５  粗面、２６  真空チャンバー、２７  真空ポンプ、３０  非線形光学結晶、３１  第１電極層、３２  第２電極層、４０  電極ステージ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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