(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ3基板あるいはＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、前記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより前記強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該基板の前記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜700 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とする強誘電体のドメイン反転構造形成方法。
【請求項２】
単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＴａＯ3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、前記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより前記強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該該基板の前記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜600 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とする強誘電体のドメイン反転構造形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、基本波を第２高調波に変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメイン反転構造を有する光波長変換素子を作成するために、非線形光学効果を有する強誘電体に所定パターンのドメイン反転構造を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非線形光学効果を有する強誘電体の自発分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換する方法が既にＢleombergenらによって提案されている（Ｐhys.Ｒev.,vol.127,Ｎo.６，1918（1962）参照）。この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、
Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝      ……(1)
ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数
β（ω）は基本波の伝搬定数
で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように設定することで、基本波と第２高調波との位相整合を取ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長に対して(1) を満足する周期Λを選択することにより、効率良く位相整合を取ることが可能となる。
【０００３】
上述のような周期ドメイン反転構造を形成する方法としては従来より、
１）ＬｉＴａＯ３  の−ｚ面に周期的にプロトン交換を施し、キュリー点近傍の温度で熱処理する方法（Ｋ．Ｙamamoto ，Ｋ．Ｍizuuchi ，and Ｔ．Ｔaniuchi ，  Ｏptics Ｌetters，vol.16, Ｎo.15，1156（1991）参照）
２）室温下で電子線ビームを直接ＬｉＴａＯ３  やＬｉＮｂＯ３  の−ｚ面に照射する方法（Ｈ．Ｉto，Ｃ．Ｔakyu，and Ｈ．Ｉnaba，Ｅlectronics  Ｌetters，  vol.27, Ｎo.14，1221（1991）参照）
等が知られている。
【０００４】
上記１）の方法を実施する場合、３次の周期ドメイン反転構造を形成し、その後さらにプロトン交換によりチャンネル導波路を形成して、導波路型光波長変換素子を形成することも提案されている。そのような光波長変換素子においては断面を観察すると半円形状の周期ドメイン反転構造が形成され、基本波光源としてＴｉ：Ａｌ２  Ｏ３  レーザを用いたとき、９９ｍＷの基本波入力に対して２．４ｍＷの第２高調波出力が得られており、３次の周期における理論値に近い波長変換効率が達成されている。
【０００５】
一方２）の方法で作成される光波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３  の基板厚さ（例えば０．５ｍｍ程度）に亘って、つまり−ｚ面から＋ｚ面まで貫通する周期ドメイン反転部が形成されるため、バルク型の光波長変換素子としての応用が可能である。この方法により３次の周期ドメイン反転構造を形成した光波長変換素子では、Ｔｉ：Ａｌ２  Ｏ３  レーザを波長掃引して、バルクでの位相整合が確認されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、導波路型光波長変換素子の場合、基本波光源として出力１００ｍＷ程度の単一横モードの半導体レーザを用いて、数ｍＷ程度の実用レベルの第２高調波を得るためには、１次の周期ドメイン反転構造を形成し、３次の周期構造に対して約１桁高い波長変換効率を実現することが必要である。
【０００７】
しかし上記１）の方法では、熱処理時にプロトン交換領域で発生する空間電荷電界によってドメインを反転させているため、１次の微小な周期３．６μｍのときにはドメイン反転部の深さが１．６μｍ程度しか得られない。このためドメイン反転部が、通常２．４μｍ程度の導波路厚さよりもかなり浅くなってしまうので、基本波とドメイン反転部との重なり積分が大きくなり得ず、３次周期の場合に対して約２倍程度の高効率化に留まっている。またこの１）の方法では、500 〜600 ℃程度の熱処理温度まで急速に昇温しなければプロトン交換領域が拡散することがあり、そのため再現性に難がある。
【０００８】
一方２）の電子線ビームを照射する方法では、基板裏まで貫通するような深いドメイン反転部を形成可能であるが、ドメイン反転構造の制御性が悪いという問題が認められている。また電子線照射装置側の都合から、一度の照射面積が現状では２×２ｍｍ程度に限られるので、基本波に対する素子の相互作用長を長くして波長変換効率を上げようとする場合には、周期ドメイン反転パターン同士を精度良くつなぐ必要があるが、そのつなぎ精度を高く確保することが難しいという問題も認められる。さらに、電子線照射装置は大面積を描画するのに長時間を要するので、この方法では生産性を上げるのが困難となっている。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、所定周期のドメイン反転構造を深く、制御性良く、そして大面積に亘って簡便に形成することができる強誘電体のドメイン反転構造形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による一つの強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ3基板あるいはＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、上記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜700 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明による別の強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＴａＯ3基板の一方の主面に所定の周期パターンの電極を形成した後、これらの電極と、上記基板の他方の主面側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転部とし、その後該基板を100 〜600 ℃の範囲内の温度で熱処理して前記ドメイン反転部の屈折率を均一化させることを特徴とするものである。
【００１４】
【作用および発明の効果】
本発明による強誘電体のドメイン反転構造形成方法において、上記の電極とコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させてそこに電場を印加すると、ドメイン反転部が電場に沿って長く成長するようになる。そこで、このドメイン反転部を極めて深く形成することができ、ドメイン反転部と基本波との重なり積分を大きく確保して、波長変換効率を十分に高めることが可能となる。また、このようにドメイン反転部を極めて深く形成できれば、ドメイン反転部を強誘電体基板の一表面から他表面まで同一断面形状で延ばすことも可能で、その周期精度を大幅に向上させることができる。またこの方法は、電子線ビーム照射等に比べるとプロセスが容易で、大面積の処理を一度に行なうことができ、よって生産性にも優れたものとなる。
【００１５】
また上記の熱処理を行なうと、電場印加により生じた局部的な屈折率変化が無くなる。そこで、本方法により形成されたドメイン反転構造に光を通す際に、光の散乱や回折等が少なくなり、損失が小さく抑えられる。したがって、このドメイン反転構造を有する光波長変換素子を前述のようにレーザ共振器内に配置すれば、共振器内部損失が低く抑えられて、効率良く第２高調波が発生するようになる。
【００１６】
以上説明した本発明の各方法によれば、１次周期のドメイン反転構造を形成した後に例えばチャンネル光導波路を形成して、光導波路とドメイン反転領域との相互作用長を十分に長く取ることができる。それにより、レーザダイオード等を基本波光源とする高効率の導波路型光波長変換素子を得ることが可能となる。さらに本方法によれば、ドメイン反転部を極めて深く形成することができるから、レーザダイオード励起固体レーザに組み込む光波長変換素子や、あるいは外部共振器型のバルク結晶型光波長変換素子を形成することも可能となる。
【００１７】
【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。まず図１を参照して、本発明に対する第１参考例について説明する。この図１中、１は非線形光学効果を有する強誘電体であるＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の基板である。この基板１は単分極化処理がなされて厚さ0.5 ｍｍに形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ３３が有効に利用できるようにｚ面で光学研磨されている。この基板１の−ｚ面１ａ上に金属Ｔａをスパッタして厚さ50ｎｍのＴａ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、同図（ａ）に示されるようなＴａマスク２の周期パターンを形成する。このパターンの周期Λは、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の屈折率の波長分散を考慮し、基板１のｘ方向に沿って880 ｎｍ近辺で１次の周期となるように４μｍとした。
【００１８】
次に上記基板１に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間のプロトン交換処理を行ない、同図（ｂ）に示されるような厚み0.5 μｍの周期プロトン交換部３を形成する。このプロトン交換後、Ｔａマスク２はＮａＯＨとＨ２  Ｏ２  の混合エッチング液で除去する。
【００１９】
さらに、後述の電場印加をする際の電位を均一にするため、基板裏面の＋ｚ面１ｂに金属Ｐｔ５をＥＢ蒸着する。このようにして作成したサンプルを、同図  （ｃ）に示すようにアース７に接続されたヒーター６で温度200 ℃に加熱し、それとともに該サンプルにコロナ帯電により電場を印加した。この際、コロナワイヤー４と基板１との距離は10ｍｍに設定し、高圧電源８からこのコロナワイヤー４を介して−５ｋＶの電圧を10分間印加した。以上の処理後、＋ｚ面１ｂに蒸着した金属Ｐｔ５を除去し、ｙ面を切断、研磨した後、ＨＦとＨＮＯ３  とが１：２に混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。
【００２０】
この基板１の断面（ｙ面）を観察したところ、同図（ｄ）に示すようにプロトン交換部３が形成されていた箇所において、Λ＝４μｍの周期で−ｚ面から＋ｚ面まで貫通する周期ドメイン反転部９が形成されているのが確認された。なおこの図１（ｄ）の矢印10は、分極の方向を示している。
【００２１】
なおこの後にチャンネル導波路を形成する場合には、プロトン交換した領域の屈折率変化が導波路の伝搬損失に影響するので、屈折率を均一化してこの影響を回避するために、例えば400 ℃で４時間アニール処理を行なう。
【００２２】
次に本発明に対する第２参考例を説明する。本参考例において強誘電体としては、例えば第１参考例のものと同様のＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板が用いられる。まずこの基板の＋ｚ面上にフォトリソグラフィーにより第１参考例と同様の周期のマスクパターンを形成する。次に金属Ｔｉをスパッタして65ｎｍの厚さのＴｉ薄膜を形成した後、リフトオフによりＴｉの周期パターンを形成する。次にウエット酸素雰囲気中で1035℃×10時間のＴｉ拡散処理を行ない、周期的なＴｉ拡散部を形成する。
【００２３】
その後、第１参考例と同様にサンプルを加熱しながらコロナ帯電をすることにより、上記のＴｉ拡散部を周期ドメイン反転部とした。ｙ面の断面を観察したところ、この場合もドメイン反転部が、基板を貫通する状態に深く形成されていることが確認された。
【００２４】
次に本発明に対する第３参考例を説明する。本参考例においても強誘電体としては、第１参考例のものと同様のＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板が用いられる。まずこの基板の＋ｚ面上にＳｉＯ２  をスパッタして、厚さが100 ｎｍのＳｉＯ２  薄膜を形成する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、第１参考例と同様の周期のＳｉＯ２  マスクパターンを形成する。次に1100℃の酸素雰囲気中で熱処理することにより、周期的なＬｉの外拡散部を形成する。
【００２５】
その後第１参考例と同様にＰｔを蒸着後、サンプルを加熱処理しながらコロナ帯電をすることにより、上記のＬｉ外拡散部を周期ドメイン反転部とした。ｙ面の断面を観察したところ、この場合もドメイン反転部が、基板を貫通する状態に深く形成されていることが確認された。
【００２６】
なお電場印加方法としては、以上説明した第１、２および３参考例における方法の他、図２に示すように基板１の−ｚ面１ａ、＋ｚ面１ｂの双方に電極として金属Ｐｔ５を蒸着し、これらの電極を介して電源11から直流電圧、あるいはパルス電圧を印加する方法を採用してもよい。なおこの図２において、図１中の要素と同等のものには同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。また強誘電体材料としては、上述のＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  以外に、ＬｉＴａＯ３  、ＬｉＮｂＯ３  等を用いることもできる。
【００２７】
以上説明した本発明による強誘電体のドメイン反転構造形成方法においては、プロトン交換、Ｔｉ拡散、あるいはＬｉの外拡散を行なうことにより、強誘電体のバルク結晶に対してキュリー点温度および電気伝導度等が変化し、さらに電場を印加しながら熱処理をすることにより、選択的に極めて深いドメイン反転部が形成されるものと考えられる。
【００２８】
次に、第１参考例で作成された１次の周期ドメイン反転構造を用いた導波路型光波長変換素子について説明する。図３にこの導波路型光波長変換素子の概略構成を示す。第１参考例の通りにして基板１に周期ドメイン反転部９を形成した後、ｘ方向に光が伝搬するようにチャンネル導波路12を形成する。このチャンネル導波路12は、以下の通りにして形成する。基板１の−ｚ面上に金属Ｔａをスパッタして厚さ50ｎｍのＴａ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより幅４μｍのマスクパターンを形成する。次に上記基板１に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間プロトン交換処理を行ない、ＴａマスクをＮａＯＨとＨ２  Ｏ２  の混合エッチング液で除去した後、300 ℃で５分間アニールし、チャンネル導波路12を作成する。最後に、こうして作成したチャンネル導波路型光波長変換素子20の入力端20ａおよび出力端20ｂをエッジ研磨する。
【００２９】
以上のようにして作成した導波路型光波長変換素子20に、基本波として波長λのレーザ光を入力端20ａから入射させると、導波−導波モードの位相整合が取られて、出力端20ｂから波長λ／２の第２高調波を効率良く出射させることができる。
【００３０】
一例として、基本波光源にレーザダイオードを用いた場合について、図４を参照して説明する。レーザダイオード13から出射した基本波としてのレーザビーム14（波長＝880 ｎｍ）はコリメートレンズ15によって平行光化された後、λ／２板16でチャンネル導波路12のｚ軸方向に偏光方向を合わせ、集光レンズ17により集光されてチャンネル導波路12の端面12ａにおいて収束する。それにより基本波14はチャンネル導波路12内に入射し、そこを導波する。
【００３１】
導波モードで進行する基本波14は、導波路12中の周期ドメイン反転領域で位相整合して第２高調波18に波長変換される。この第２高調波18もチャンネル導波路12を導波モードで伝搬し、出力端20ｂから効率良く出射する。出力された第２高調波18の偏光方向もｚ軸方向であるので、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の最も大きい非線形光学定数ｄ３３が利用されていることになる。ここで、レーザダイオード13の出力が100 ｍＷ、導波路型光波長変換素子20の基本波との相互作用長が10ｍｍのとき、第２高調波出力は12ｍＷであった。
【００３２】
なお本素子20は、0.5 ｍｍ厚の基板１を貫通する周期ドメイン反転構造が形成されているから、バルク結晶型光波長変換素子として用いることも可能である。したがって、例えば1064ｎｍで発振するＹＡＧ、ＹＶＯ４  、ＬＮＰ等のレーザ結晶を用いたレーザダイオード励起固体レーザの共振器内に従来から配置されている光波長変換用ＫＴＰを、この光波長変換素子20に置き換えることもできる。ＫＴＰの非線形光学定数７ｐｍ／Ｖに対して、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の実効非線形光学定数は25ｐｍ／Ｖ程度であるから、この光波長変換素子20を採用することにより、大幅に波長変換効率を高めることができる。
【００３３】
またＫＴＰの場合には、ＴＹＰＥIIの位相整合が取られるため、基本波の偏光が変化して温度や結晶長により第２高調波出力が変動する問題が生じ得るが、上記の光波長変換素子20を用いる場合にはＴＹＰＥＩの位相整合が取られるため、このような問題も解決可能となる。
【００３４】
さらには、本発明方法により周期ドメイン反転構造を形成したバルク結晶をリング共振器に研磨することにより、外部共振器型の光波長変換素子を作成することもできる。そうする場合、ドメイン反転周期を任意に選ぶことにより、紫外以上の波長領域の第２高調波を自由に得ることが可能である。
【００３５】
次に、本発明に対する第４参考例について説明する。図５は、本発明に対する第４参考例によりドメイン反転構造を形成する工程を示している。この図５において、31は非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ３  の基板である。このＬｉＮｂＯ３  基板31は公知の方法により予め単分極化処理がなされたもので、一例として厚さ0.5 ｍｍに形成され、その最も大きい非線形光学材料定数ｄ３３が有効に利用できるように、ｚ面で光学研磨されたｚ板が使用されている。そして同図（ａ）に示すように、この基板31の＋ｚ面31ａに、所定ピッチで並ぶ金属マスク32を公知のフォトリソ法によって設ける。この金属マスク32は例えばＡｕからなり、厚さ１μｍに形成される。なお図５の矢印10は、基板31の分極の方向を示している。
【００３６】
次にこのＬｉＮｂＯ３  基板31に、金属マスク32側からＭｇ 2＋イオン33を全面的に照射する。このときのイオン加速電圧は例えば100 ｋｅＶ、ドーズ量は１×１０15とする。この処理により基板31には、金属マスク32が設けられていない部分からＭｇ 2＋イオン33が注入される。その後金属マスク32は除去される。以上の処理により基板31には、同図（ｂ）に示すように、基板厚さ方向に延び、所定周期Λで繰り返すパターンのイオン注入部34が形成される。このイオン注入部34においては、電気伝導率がその他の部分よりも上昇する。なお同図中の35は、イオン注入がなされていない部分である。
【００３７】
次に同図（ｃ）に示すように、基板31の＋ｚ面31ａおよび−ｚ面31ｂにそれぞれＣｒからなる金属電極36、37を設け、これらの金属電極36、37を介して直流電源38により基板31に全面的に電場を加える。この際の電場は例えば1000Ｖ／ｍｍとし、印加時間は10分間とする。またこのとき基板31の温度は、そのキュリー点よりも低い200 ℃とする。
【００３８】
この電場印加により、電気伝導率が上昇しているイオン注入部34では分極の向きが反転するが、電気伝導率が比較的低いままに保たれている部分35では分極の向きは反転しない。なおこのイオン注入部34は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このイオン注入部34とその他の部分35とは、基板31の深さ（厚さ）方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。それにより基板31には、同図（ｄ）に示すように基板裏まで貫通し、所定周期Λで繰り返すパターンのドメイン反転部39が制御性良く形成される。ここで上記周期Λは、ＬｉＮｂＯ３  の屈折率の波長分散を考慮して、基板31のｘ方向に沿って880 ｎｍ近辺で１次の周期となるように４μｍとした。
【００３９】
次に、上記参考例で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から光波長変換素子を作成した場合について説明する。基板31のｘ面および−ｘ面を研磨してそれぞれ光通過面40ａ、40ｂとすることにより、図６に示すようなバルク結晶型の光波長変換素子40が得られる。この周期ドメイン反転構造を有するバルク結晶型光波長変換素子40を、同図に示すレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。
【００４０】
このレーザダイオード励起ＹＡＧレーザは、波長809 ｎｍのポンピング光としてのレーザビーム43を発するレーザダイオード44と、発散光状態のレーザビーム43を収束させる集光レンズ45と、Ｎｄ（ネオジウム）がドーピングされたレーザ媒質であって上記レーザビーム43の収束位置に配されたＹＡＧ結晶46と、このＹＡＧ結晶46の前方側（図中右方）に配された共振器ミラー47とからなる。光波長変換素子40は結晶長が１ｍｍとされ、この共振器ミラー47とＹＡＧ結晶46との間に配置されている。
【００４１】
ＹＡＧ結晶46は波長809 ｎｍのレーザビーム43により励起されて、波長946 ｎｍのレーザビーム48を発する。この固体レーザビーム48は、所定のコーティングが施されたＹＡＧ結晶端面46ａと共振器ミラー47のミラー面47ａとの間で共振し、光波長変換素子40に入射して波長が１／２すなわち473 ｎｍの第２高調波49に変換される。基本波としての固体レーザビーム48と第２高調波49は、周期ドメイン反転領域において位相整合（いわゆる疑似位相整合）し、ほぼこの第２高調波49のみが共振器ミラー47から出射する。
【００４２】
本例においては、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷと高出力の第２高調波49が得られた。このように極めて高い波長変換効率が得られたことにより、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【００４３】
以上、イオン注入処理により強誘電体の電気伝導率を低下させるようにした参考例について説明したが、強誘電体にイオンまたは原子を注入して、この注入部の電気伝導率を上昇させてもよい。また上記参考例におけるＭｇ 2＋イオンの他、例えばＨ＋イオン等を注入させるようにしてもよい。
【００４４】
また上記参考例の方法は、バルク結晶型の光波長変換素子を作成するために適用されているが、この方法は、光導波路型の光波長変換素子を作成するために適用することも可能である。
【００４５】
さらにこの方法は、上記参考例におけるＬｉＮｂＯ３  の他、ＬｉＴａＯ３  、ＫＮｂＯ３  、ＫＴＰ等の強誘電体にドメイン反転構造を形成する際にも、同様に適用可能である。
【００４６】
また、イオンあるいは原子の注入処理は、上記参考例におけるように金属マスク32を使用して全面照射で行なう他、ＦＩＢ（フォーカシング・イオン・ビーム）装置等を使用して、ビーム走査で行なうようにしてもよい。ただし上記参考例のようにすれば、イオンまたは原子の注入処理を短時間で行なえるので、作業能率の点ではこの方法がより好ましいと言える。
【００４７】
また、基板31に全面的に電場を加えるには、金属電極36、37を用いて直接的に電場を加える他、第１参考例で適用されたコロナ帯電法を適用してもよい。
【００４８】
次に、本発明に対する第５参考例について説明する。図７は、本発明に対する第５参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図７において、４、５、７および８はそれぞれ、第１参考例において使用されたものと同様のコロナワイヤー、金属Ｐｔ電極、アース、電源であり、31は第４参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 ｍｍのＬｉＮｂＯ３  基板である。そして同図（ａ）に示すように、このＬｉＮｂＯ３  基板31の光学研磨された−ｚ面31ｂに、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（図示せず）から発せられた波長325 ｎｍのレーザビーム50、51が照射され、二光束干渉法により、所定周期Λ＝４μｍで繰り返す干渉パターンが形成される。
【００４９】
このようにすると、干渉によりレーザビーム強度が高くなっている部分のみにおいてＬｉＮｂＯ３  基板31にフォトリフラクティブ効果が生じ、その部分の電気伝導率が高くなる。この状態で、第１参考例におけるのと同様にしてコロナ帯電によりＬｉＮｂＯ３  基板31に電場を印加すると、フォトリフラクティブ効果が生じている部分52のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板31の深さ（厚さ）方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。それにより基板31には、同図（ｂ）に示すように基板裏まで貫通し、所定周期Λで繰り返すパターンのドメイン反転部39が制御性良く形成される。
【００５０】
なおこの場合も、コロナ帯電によってＬｉＮｂＯ３  基板31に電場を印加する代わりに、図５の（ｃ）に示したように１対の電極を用いて基板31に直接的に電場を加えるようにしてもよい。その際、基板31の−ｚ面31ｂ側には透明電極を用いればよい。
【００５１】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ３  基板31からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図６に示すのと同様のレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷと極めて高出力の第２高調波49が得られ、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【００５２】
次に、本発明の実施例について説明する。図８は、本発明の一実施例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図８において、４、７および８はそれぞれ、第１参考例において使用されたものと同様のコロナワイヤー、アース、電源であり、31は第４参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 ｍｍのＬｉＮｂＯ３  基板である。このＬｉＮｂＯ３  基板31の光学研磨された−ｚ面31ｂには、所定周期Λ＝４μｍで繰り返す周期電極60が公知のフォトリソ法によって設けられる。
【００５３】
そして、第１参考例におけるのと同様にしてコロナ帯電によりＬｉＮｂＯ３  基板31に電場を印加すると、同図（ａ）に示すように、該基板31の周期電極60に対向している部分59のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板31を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板31の深さ（厚さ）方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。なお本参考例において、上記の電場印加は、５ｋＶの電圧を５分間印加することによってなされ、そのとき基板31は50℃に保たれる。
【００５４】
次いで基板31のｙ面を切断、研磨した後、ＨＦ（フッ酸）とＨＮＯ３  とが混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。そしてこの基板31の断面（ｙ面）を観察したところ、図８の（ｂ）に示すように、周期電極60が形成されていた箇所において、Λ＝４μｍの周期で−ｚ面から＋ｚ面まで貫通する周期ドメイン反転部39が制御性良く形成されているのが確認された。
【００５５】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ３  基板31からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図６に示すのと同様のレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷと極めて高出力の第２高調波49が得られ、この点からも、ドメイン反転部39が基板31の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【００５６】
次に、本発明に対する第６参考例について説明する。図９は、本発明に対する第６参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図９において、１は第１参考例において使用されたものと同様の厚さ0.5 ｍｍのＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板である。このＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１の光学研磨された＋ｚ面１ｂには、同図（ａ）に示すように、所定周期Λ＝４μｍで繰り返す周期電極60が公知のフォトリソ法によって設けられる。
【００５７】
そして、周期電極60をアース７に落とした上で、図10に示す温度プログラムに従ってＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１を熱処理する。すなわち該基板１は100 ℃まで加熱された後、急速冷却される。すると焦電効果により、図９（ｂ）に示すように表面電荷が発生し、この表面電荷により基板１に電場が印加される。本参考例では、基板１の−ｚ面１ａの表面電位は3.5 ｋＶ、−ｚ面１ａおよび＋ｚ面１ｂ間に加わる電場は70ｋＶ／ｃｍであった。
【００５８】
このようにして基板１に電場が印加されることにより、該基板１の周期電極60に対向している部分のみの分極が選択的に反転し、ドメイン反転部となる。これらのドメイン反転部は電場の向きに沿って成長し、最終的には、基板１を貫通するまで十分深く成長する。したがって、このドメイン反転部とその他の部分とは、基板１の深さ（厚さ）方向の長い領域に亘って互いに明確に区別して形成されることになる。
【００５９】
次いで前記本発明の実施例の場合と同様にして基板１をエッチングした後、その断面  （ｙ面）を観察したところ、図９の（ｂ）に示すように、周期電極60が形成されていた箇所において、Λ＝４μｍの周期で−ｚ面から＋ｚ面まで貫通する周期ドメイン反転部９が制御性良く形成されているのが確認された。
【００６０】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１からバルク結晶型の光波長変換素子を形成し、それを図６に示すのと同様のレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して使用した。その場合も、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷと極めて高出力の第２高調波49が得られ、この点からも、ドメイン反転部９が基板１の厚さ方向全域に亘って制御性良く形成されていることが実証された。
【００６１】
次に、本発明に対する第７参考例について説明する。図11は、本発明に対する第７参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図11において１、60はそれぞれ、第６参考例におけるのと同様のＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板、周期電極であり、この基板１は第６参考例と同様の温度プログラムで熱処理され、焦電効果による電場印加を受ける。
【００６２】
そして本参考例では、基板１が100 ℃から急速冷却される際、コロナワイヤー４および電源８を用いて、コロナ帯電により基板１に付加的に電場が印加される。このようにすることにより、焦電効果のみにより電場を印加する場合と比べれば、より大きい電場を基板１に印加できるようになり、周期ドメイン反転部９をさらに制御性良く形成可能となる。
【００６３】
なお、以上説明した焦電効果による電場印加法は、第１〜５参考例および本発明の実施例の方法において、それぞれの電場印加法に代えて適用することも可能である。また上記第５、６、７参考例の方法および実施例の方法を、光導波路型の光波長変換素子を作成するために適用することも、勿論可能である。
【００６４】
次に、本発明に対する第８参考例について説明する。図12は、本発明に対する第８参考例によりドメイン反転構造を形成する様子を示している。この図12中、１は非線形光学効果を有する強誘電体であるＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の基板である。この基板１は単分極化処理がなされて厚さ0.5 ｍｍに形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ３３が有効に利用できるようにｚ面で光学研磨されたｚ板が使用されている。この基板１の−ｚ面１ａ上に金属Ｔａをスパッタして厚さ50ｎｍのＴａ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、同図（ａ）に示されるようなＴａマスク２の周期パターンを形成する。このパターンの周期Λは、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  の屈折率の波長分散を考慮し、基板１のｘ方向に沿って880 ｎｍ近辺で１次の周期となるように４μｍとした。
【００６５】
次に上記基板１に対して、ピロリン酸中で230 ℃×15分間のプロトン交換処理を行ない、同図（ｂ）に示されるような厚み0.5 μｍの周期プロトン交換部３を形成する。このプロトン交換後、Ｔａマスク２はＮａＯＨとＨ２  Ｏ２  の混合エッチング液で除去する。
【００６６】
さらに、後述の電場印加をする際の電位を均一にするため、基板裏面の＋ｚ面１ｂに金属Ｐｔ５をＥＢ蒸着する。このようにして作成したサンプルを、同図  （ｃ）に示すようにアース７に接続されたヒーター６で温度200 ℃に加熱し、それとともに該サンプルにコロナ帯電により電場を印加した。この際、基板１および電場印加手段は密閉容器61内に収容し、それぞれバルブが介設された引抜通路62および供給通路63を使用してこの密閉容器61内の空気を、湿度30％以下に抑えた乾燥Ｎ２  （窒素）ガス64と置換し、このＮ２  ガス64の雰囲気中で電場を印加した。またコロナワイヤー４と基板１との距離は10ｍｍに設定し、高圧電源８からこのコロナワイヤー４を介して−５ｋＶの電圧を10分間印加した。
【００６７】
以上の処理後、＋ｚ面１ｂに蒸着した金属Ｐｔ５を除去し、ｙ面を切断、研磨した後、ＨＦとＨＮＯ３  とが１：２に混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。
【００６８】
この基板１の断面（ｙ面）を観察したところ、同図（ｄ）に示すようにプロトン交換部３が形成されていた箇所において、どの部分も正確にΛ＝４μｍの周期で、そしてどの部分も−ｚ面から＋ｚ面まで貫通する周期ドメイン反転部９が形成されているのが確認された。
【００６９】
なおこの後にチャンネル導波路を形成する場合には、プロトン交換した領域の屈折率変化が導波路の伝搬損失に影響するので、屈折率を均一化してこの影響を回避するために、例えば400 ℃で４時間アニール処理を行なう。
【００７０】
次に図13を参照して、本発明に対する第９参考例を説明する。この第９参考例は、第８参考例とは電場印加の方法が異なるものである。すなわちこの場合は、第８参考例と同様にしてＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に周期プロトン交換部３を形成した後、この基板１の−ｚ面１ａ、＋ｚ面１ｂの双方に電極として金属Ｐｔ５を蒸着し、これらの電極を介して電源11から直流電圧、あるいはパルス電圧を印加する。
【００７１】
そしてこの場合も、基板１への電場印加は密閉容器61内において、湿度30％以下に抑えた乾燥Ｎ２  （窒素）ガス64の雰囲気中で行なう。それによりこの場合も、第８参考例におけるのと同様に、均一なピッチでかつ均一な深さの周期ドメイン反転部９が形成されるようになる。
【００７２】
なお第８参考例のようにコロナ帯電で強誘電体に電場を印加する場合は、真空中で電場印加することはできないが、第９参考例あるいは後述する第10参考例のように強誘電体に直接電極を配置して電場を印加する場合は、乾燥雰囲気中に限らず、真空中で電場印加するようにしてもよい。
【００７３】
次に図14を参照して、本発明に対する第10参考例を説明する。この図14中、65は非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＴａＯ３  の基板である。この基板65は単分極化処理がなされて厚さ0.5 ｍｍに形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ３３が有効に利用できるようにｚ面で光学研磨されたｚ板が使用されている。この基板65の＋ｚ面65ａ上に金属Ｐｔを蒸着した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより所望の周期パターンを形成し、同図（ａ）に示すような金属Ｐｔ電極（周期電極）66を形成する。一方基板65の−ｚ面65ｂにもＰｔを蒸着することにより、該−ｚ面65ｂに全面的に被着する金属Ｐｔからなるアース電極67を形成する。
【００７４】
次にこの基板65を密閉容器61内に収容し、湿度30％以下に抑えた乾燥Ｎ２  ガス64の雰囲気中で基板65を加熱し（例えば室温〜300 ℃の範囲）、＋ｚ側に数10Ｖ／ｍｍ〜数1000Ｖ／ｍｍの電場になるように、直流電源68により直流電圧を印加する。それによりこの場合も、同図（ｂ）に示すように、電極66と電極67とが向かい合っていた部分において、均一なピッチでかつ均一な深さの周期ドメイン反転部９が形成される。
【００７５】
比較例として、電場印加を湿度70％の大気雰囲気中で行ない、その他は上記第10参考例と同様にしてＬｉＴａＯ３  基板65に周期ドメイン反転部を形成した。その場合、周期ドメイン反転部は形成されているものの、その深さおよび周期（幅）は不均一であった。これは、大気雰囲気中の湿度により基板65の表面抵抗が低下し、かつ表面内でその抵抗が不均一になって、リーク電流が増加したためと考えられる。
【００７６】
次に、第10参考例で作成された１次の周期ドメイン反転構造を用いた導波路型光波長変換素子について説明する。図15にこの導波路型光波長変換素子70の概略構成を示す。第10参考例の通りにして基板65に周期ドメイン反転部９を形成した後、ｘ方向に光が伝搬するようにプロトン交換チャンネル導波路72を形成する。その後この光波長変換素子70の入力端70ａおよび出力端70ｂをエッジ研磨した。なおこの場合、電場印加時の乾燥Ｎ２  ガス64の湿度は特に10％以下とした。また周期ドメイン反転部９の周期Λは４μｍである。
【００７７】
以上のようにして作成した導波路型光波長変換素子70に、基本波として波長λのレーザ光を入力端70ａから入射させると、導波−導波モードの位相整合が取られて、出力端70ｂから波長λ／２の第２高調波を効率良く出射させることができる。
【００７８】
一例として、基本波光源にＴｉ：Ａｌ２  Ｏ３  レーザを用いた場合について説明する。Ｔｉ：Ａｌ２  Ｏ３  レーザ73から出射した基本波としてのレーザビーム74はλ／２板16で基板65のｚ軸方向に偏光方向が合わせられ、集光レンズ17により集光されてチャンネル導波路72の端面72ａにおいて収束する。それにより基本波74はチャンネル導波路72内に入射し、そこを導波する。
【００７９】
導波モードで進行する基本波74は、導波路72中の周期ドメイン反転領域で位相整合して第２高調波78に波長変換される。この第２高調波78もチャンネル導波路72を導波モードで伝搬し、出力端70ｂから効率良く出射する。ここで、レーザ73の出力が40ｍＷ、導波路型光波長変換素子70の基本波との相互作用長が５ｍｍのとき、第２高調波出力は３ｍＷであった。
【００８０】
それに対して、前述の比較例の方法で周期ドメイン反転構造を形成した導波路型光波長変換素子を使用した場合は、レーザ73の出力が40ｍＷ、光波長変換素子の基本波との相互作用長が５ｍｍのとき、第２高調波出力は0.3 ｍＷであった。以上の通り本発明によれば、従来方法で光波長変換素子を作成する場合に比べて、１桁高い第２高調波出力が得られることが確認された。
【００８１】
なお以上説明した第８〜10参考例の方法は、強誘電体材料として上述のＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  やＬｉＴａＯ３  を用いる場合に限らず、ＬｉＮｂＯ３  等のその他の強誘電体材料を用いる際に適用することも勿論可能である。
【００８２】
次に、本発明に対する第11参考例について説明する。図１に示すようなＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第１参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。なお、このときの周期は、ＹＡＧの946 ｎｍ近傍で１次終期となるように4.6 μｍとした。次いでこの基板１を、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  のキュリー点（1210℃）より低い600 ℃で３時間、空気中で熱処理した。このようにキュリー点未満の温度で熱処理を行なえば、電場印加により所定の向きに設定された分極方向が、この熱処理により変化してしまうことはない。
【００８３】
以上の熱処理の前と後において基板１を、研磨したｘ面から偏光顕微鏡で観察した。偏光顕微鏡下においては、基板１の屈折率が局部的に変化せず均一であれば、消光位において全面が消光して暗くなる。熱処理前の基板１を観察した際は、プロトン交換部３（図１参照）を形成した部分のみが消光位において消光せず、明らかに電場印加で屈折率が変化していることが認められた。それに対して、熱処理後の基板１を観察した際は消光位において全面が消光し、プロトン交換部３の局部的屈折率変化が無くなって屈折率が均一化されていることが確認された。このようにして偏光顕微鏡観察により、上記熱処理の効果を確認することができる。
【００８４】
上記第11参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。そしてこの第２高調波49は、散乱光や迷光の無いきれいなプロファイルを有するものである。それに対して、前述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。以上の通り、光波長変換素子を固体レーザの共振器内に配置する際、前述の熱処理のために共振器内部損失が低減して、波長変換効率が向上することが実証された。
【００８５】
次に本発明に対する第12参考例について説明する。ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第２参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１に、第11参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【００８６】
上記第12参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００８７】
次に本発明に対する第13参考例について説明する。ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第３参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１に、第11参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【００８８】
上記第13参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００８９】
次に本発明に対する第14参考例について説明する。図５に示すようなＬｉＮｂＯ３  基板31に、第４参考例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、ＬｉＮｂＯ３  のキュリー点（1130℃）より低い600 ℃で３時間、空気中で熱処理した。
【００９０】
上記第14参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００９１】
次に本発明に対する第15参考例について説明する。図５に示すようなＬｉＮｂＯ３  基板31に、第５参考例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、第14参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【００９２】
上記第15参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００９３】
次に本発明に対する第16参考例について説明する。図５に示すようなＬｉＮｂＯ３  基板31に、前記実施例と同様にして周期ドメイン反転部39を形成した。次いでこの基板31に、第14参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【００９４】
上記第16参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板31から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００９５】
次に本発明に対する第17参考例について説明する。図１に示すようなＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第６参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１を、ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  のキュリー点（1210℃）より低い600 ℃で３時間、空気中で熱処理した。
【００９６】
上記第17参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００９７】
次に本発明に対する第18参考例について説明する。図１に示すようなＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第７参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【００９８】
上記第18参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【００９９】
次に本発明に対する第19参考例について説明する。図１に示すようなＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第８参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【０１００】
上記第19参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【０１０１】
次に本発明に対する第20参考例について説明する。図１に示すようなＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  基板１に、第９参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板１に、第17参考例におけるのと同様の熱処理を施した。
【０１０２】
上記第20参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板１から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【０１０３】
次に本発明に対する第21参考例について説明する。図14に示すようなＬｉＴａＯ３  基板65に、第10参考例と同様にして周期ドメイン反転部９を形成した。次いでこの基板65を、ＬｉＴａＯ３  のキュリー点（610 ℃）より低い560 ℃で３時間、空気中で熱処理した。
【０１０４】
上記第21参考例の方法で周期ドメイン反転構造が形成された基板65から、結晶長＝１ｍｍのバルク結晶型の光波長変換素子を作成し、それを図６に示すようなレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。この場合、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、10ｍＷの出力の第２高調波49が得られた。それに対して、上述の熱処理を行なわないで、それ以外は上記と同様にして作成した光波長変換素子を上記レーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置して第２高調波出力を測定したところ、レーザダイオード44の出力が200 ｍＷのとき、１ｍＷであった。
【０１０５】
次に、上記熱処理の好ましい温度範囲について説明する。サンプルとしてＬｉＮｂＯ３  結晶を複数用意し、これらの各結晶に、前記第14参考例におけるのと同様の方法によりドメイン反転構造を形成した。次にこれらのＬｉＮｂＯ３  結晶に対して、そのキュリー点1130℃よりも低い100 〜1000℃の範囲内で適宜温度を変えて、前述の熱処理を施した。なおこのときの昇温速度は30℃／分、温度保持時間は２時間、そして降温は自然冷却とした。
【０１０６】
以上のようにそれぞれ異なる温度で熱処理された各サンプルを偏光顕微鏡で観察したところ、いずれにおいてもドメイン反転部の局部的屈折率変化が無くなり、屈折率が均一化されていることが確認された。
【０１０７】
その一方、これらの各サンプルから、前述と同様にしてバルク結晶型光波長変換素子を形成した。そしてそれらの光波長変換素子の各々を、前述と同様にしてレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。熱処理温度Ｔを 100℃≦Ｔ≦ 700℃の範囲内に設定したサンプルについては、青色光である第２高調波の発生が確認され、レーザダイオードの出力が200 ｍＷのとき10ｍＷの出力の第２高調波が得られた。しかし、熱処理温度Ｔを 700℃＜Ｔ≦1000℃の範囲内に設定したサンプルについては、第２高調波の発生が確認されなかった。第２高調波の発生が確認されなかったサンプルについて、エッチングによりドメイン反転部の形状を観察したところ、周期ドメイン反転構造は全く確認されず、熱処理によりドメイン反転部の分極方向が変化してしまったことが明らかになった。
【０１０８】
なお 100℃未満の温度で熱処理した場合には、上記の偏光顕微鏡観察により、ドメイン反転部の局部的屈折率変化（屈折率段差）が無くなっていないことが確認された。そして、そのサンプルを上記のようにレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置したところ、青色光である第２高調波の発生は確認されたが、レーザダイオードの出力200 ｍＷに対して1.0 ｍＷの出力の第２高調波しか得られなかった。これは、屈折率段差に起因する基本波の散乱により内部ロスが増加したためである。これらの結果より、100 ℃未満では熱処理の効果が無いことが明らかである。
【０１０９】
以上により、ＬｉＮｂＯ３  に対してキュリー点未満の温度の熱処理を適用する場合は、熱処理温度Ｔを 100℃≦Ｔ≦ 700℃の範囲内に設定するのがよいと言える。
【０１１０】
一方、キュリー点が 610℃であるＬｉＴａＯ３  についてもサンプルを複数用意し、これらの各結晶に、前記第21参考例におけるのと同様の方法によりドメイン反転構造を形成した。熱処理温度範囲は、キュリー点 610℃よりも低い100 〜600 ℃の範囲とした。このときの昇温速度は30℃／分、温度保持時間は２時間、そして降温は自然冷却とした。
【０１１１】
以上のようにそれぞれ異なる温度で熱処理された各サンプルを偏光顕微鏡で観察したところ、いずれにおいてもドメイン反転部の局部的屈折率変化が無くなり、屈折率が均一化されていることが確認された。
【０１１２】
その一方、これらの各サンプルから、前述と同様にしてバルク結晶型光波長変換素子を形成した。そしてそれらの光波長変換素子の各々を、前述と同様にしてレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置した。熱処理温度Ｔを 100℃≦Ｔ≦ 600℃の範囲内に設定したサンプルについては、青色光である第２高調波の発生が確認され、レーザダイオードの出力が200 ｍＷのとき10ｍＷの出力の第２高調波が得られた。しかし、熱処理温度Ｔを 600℃＜Ｔ≦610 ℃の範囲内に設定したサンプルについては、第２高調波の発生が確認されなかった。
【０１１３】
なお 100℃未満の温度で熱処理した場合には、上記の偏光顕微鏡観察により、ドメイン反転部の局部的屈折率変化（屈折率段差）が無くなっていないことが確認された。そして、そのサンプルを上記のようにレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの共振器内に配置したところ、青色光である第２高調波の発生は確認されたが、レーザダイオードの出力200 ｍＷに対して1.0 ｍＷの出力の第２高調波しか得られなかった。これは、屈折率段差に起因する基本波の散乱により内部ロスが増加したためである。これらの結果より、100 ℃未満では熱処理の効果が無いことが明らかである。
【０１１４】
以上により、ＬｉＴａＯ３  に対してキュリー点未満の温度の熱処理を適用する場合は、熱処理温度Ｔを 100℃≦Ｔ≦ 600℃の範囲内に設定するのがよいと言える。
【０１１５】
以上説明した熱処理の効果および好ましい温度範囲を調べるために、各基板に対しては、本発明の方法とは異なる方法によって周期ドメイン反転部を形成したが、熱処理は周期ドメイン反転部を形成した後になされるものであるから、本発明の方法で周期ドメイン反転部を形成した場合も、熱処理による波長変換効率向上の効果や熱処理の好ましい温度範囲は上記と同様であると考えられる。
【０１１６】
また本発明によりドメイン反転構造が形成される強誘電体は、適当な研磨、コーティングを施してリング共振器の要素とすることにより、外部共振器型レーザの光波長変換素子として適用することもできる。そのようにする場合も、レーザダイオード励起固体レーザに適用する場合と同様の作用、効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に対する第１参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図２】電場印加手段の一例を示す概略図
【図３】周期ドメイン反転構造を有する導波路型光波長変換素子の概略斜視図
【図４】図３の光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【図５】本発明に対する第４参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図６】本発明によりドメイン反転構造が形成された光波長変換素子を備えた固体レーザの側面図
【図７】本発明に対する第５参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図８】本発明の一実施例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図９】本発明に対する第６参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図１０】上記第６参考例の方法における熱処理の温度プログラムを示すグラフ
【図１１】本発明に対する第７参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図１２】本発明に対する第８参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図１３】本発明に対する第９参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図１４】本発明に対する第10参考例の方法により周期ドメイン反転構造を形成する様子を示す概略図
【図１５】上記第10参考例の方法により形成された光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【符号の説明】
１    ＭｇＯ−ＬｉＮｂＯ３  単分極化基板（ｚ板）
２    Ｔａマスクパターン
３    プロトン交換部
４    コロナワイヤー
５、67    金属Ｐｔ電極
６    ヒーター
７    アース
８、11、68    電源
９、39    ドメイン反転部
12、72    チャンネル導波路
13    レーザダイオード
14、74    レーザビーム（基本波）
15    コリメートレンズ
16    λ／２板
17    集光レンズ
18、78    第２高調波
20、70    導波路型光波長変換素子
31    ＬｉＮｂＯ３  基板
32    金属マスク
33    Ｍｇ 2＋イオン
34    イオン注入部
35    イオン注入されない部分
36、37    金属電極
38    直流電源
40    バルク結晶型光波長変換素子
43    レーザビーム（ポンピング光）
44    レーザダイオード
45    集光レンズ
46    ＹＡＧ結晶
47    共振器ミラー
48    固体レーザビーム（基本波）
49    第２高調波
50、51    フォトリフラクティブ効果を生じさせるレーザビーム
52    フォトリフラクティブ効果が生じた部分
60、66    周期電極
61    密閉容器
64    乾燥Ｎ２  ガス
65    ＬｉＴａＯ３  基板
73    レーザ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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