(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの非線形光学結晶を含み、
当該非線形光学結晶は、特定の周波数を有する少なくとも一つのレーザ（１２）を変換させて、前記周波数と異なる他の特定の周波数を有する少なくとも一つのレーザ（１６）を発生するためのものであり、
前記非線形光学結晶は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）であり、
発生したレーザは、第ＩＩ類の位相整合の条件下において３．４−７．１μｍの範囲内の波長を有することを特徴とする非線形光学デバイス。
【請求項２】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）は、その空間群がＰ６３ｍｃであり、各セル内にＡＢＣＢ方式で並べてなる四層の炭素珪素原子層が含まれることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項３】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）は、０．３８−５．５μｍ及び６．７−６．９μｍの波長範囲内での透過率が１０％よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項４】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）は、非線形光学周波数変換の位相整合をとる方式が、結晶の温度を調節することによって臨界位相整合をとることであることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項５】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）は、少なくとも一面が光学研磨されたものであることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項６】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）は、その表面に反射防止膜、高反射膜及び半透膜の少なくともいずれか一方を塗布していることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項７】
前記特定の周波数を有するレーザ（１２）を発生して前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）に入射させるための少なくとも一つのレーザ器（１１）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の非線形光学デバイス。
【請求項８】
前記入射するレーザの波長範囲は、０．３８−５．５μｍであることを特徴とする請求項７に記載の非線形光学デバイス。
【請求項９】
前記入射するレーザの波長範囲は、０．５−２μｍであることを特徴とする請求項８に記載の非線形光学デバイス。
【請求項１０】
出射するレーザの周波数が異なる第一ポンプ光源（２１）と第二ポンプ光源（２２）とを備える同調可能な中赤外レーザ器であって、
４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）をさらに備え、
第一ポンプ光源（２１）及び第二ポンプ光源（２２）から出射したレーザは、当該４Ｈ−ＳｉＣ結晶に共線入射して差周波発生を行い、中赤外レーザを出射し、
前記第一ポンプ光源（２１）及び前記第二ポンプ光源（２２）の少なくともいずれか一方から出射したレーザの周波数が、出射したレーザの周波数を同調させるように同調可能であることを特徴とする同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項１１】
出射するレーザの波長は、３．５−７．０８μｍであることを特徴とする請求項１０に記載の同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項１２】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）のカット角は、θであり、当該θは、位相整合の角であり、５０°＜θ＜９０°を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項１３】
第三ポンプ光源（４１）と、広帯域信号光レーザ器（４２）とを備える光パラメトリック増幅装置であって、
４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）をさらに備え、
第三ポンプ光源（４１）から出射したレーザ及び広帯域信号光レーザ器（４２）が発生した信号光が４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）に入射して、光パラメトリック増幅がされた後、中赤外レーザを出射することを特徴とする光パラメトリック増幅装置。
【請求項１４】
前記第三ポンプ光源（４１）は、５３２ｎｍのレーザ器であることを特徴とする請求項１３に記載の光パラメトリック増幅装置。
【請求項１５】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）の結晶カット角は、θであり、６８°＜θ＜８８°を満たすことを特徴とする請求項１３に記載の光パラメトリック増幅装置。
【請求項１６】
出射するレーザの波長は、４．３−７μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の光パラメトリック増幅装置。
【請求項１７】
広帯域パルスレーザ器である第四ポンプ光源（５１）を備える広帯域同調可能な中赤外レーザ器であって、
４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）をさらに備え、
第四ポンプ光源（５１）から出力したポンプ光（５２）における高周波数成分及び低周波数成分を利用して４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）の中で差周波発生を行って、光フィルタ（５６）を介してから広帯域中赤外レーザを出射し、
前記高周波数成分及び前記低周波数成分の少なくともいずれか一方が、出射したレーザの周波数を同調させるように同調可能であることを特徴とする広帯域同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項１８】
第四ポンプ光源（５１）は、超連続広帯域パルスチタンサファイアレーザ器であることを特徴とする請求項１７に記載の広帯域同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項１９】
第四ポンプ光源の偏光方向（５３）と結晶の主断面とのなす角は、αであって、０＜α＜９０°を満たすことを特徴とする請求項１７に記載の広帯域同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項２０】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）の結晶カット角は、θであって、７０°＜θ＜８９°を満たすことを特徴とする請求項１７に記載の広帯域同調可能な中赤外レーザ器。
【請求項２１】
出射するレーザの波長は、３．５−７．０８μｍであることを特徴とする請求項１７に記載の広帯域同調可能な中赤外レーザ器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料分野及びレーザ技術分野に属し、より詳細には、４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された非線形光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
中赤外の波長域（３−５μｍ）は大気の重要な窓口であり、当該波長域のレーザは、空気中のさぎり、すすなどに対して強い透過能を有しているので、当該波長域レーザは、軍事上にレーザ誘導、光電対抗及び目標物検知などに用いられることができる。また、多くの炭化水素ガス及び他の有毒ガスの分子は、３−５μｍの波長域において強く吸收されているので、中赤外のレーザは、気体の検知、大気の遠隔探査及び環境保護などの分野において広く応用されている。
【０００３】
直接的なレーザ増幅媒体が欠いているため、非線形周波数変換、例えば光パラメトリック発振、光パラメトリック増幅及び差周波などは、中赤外のレーザを発生するための主要な手段である。３−５μｍの波長域において、一般的に採用される非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＡｇＧａＳ２及びＺｎＧｅＰ２などがある。上記の非線形結晶は、大きい非線形系数を有するが、それらのレーザ損傷閾値はいずれも低い。その中で、ＬｉＮｂＯ３のレーザ損傷閾値は約１２０ＭＷ／ｃｍ２（１．０６４μｍ，３０ｎｓ）であり、ＫＴｉＯＰＯ４のレーザ損傷閾値は約１５０ＭＷ／ｃｍ２（１．０６４μｍ，３０ｎｓ）であり、ＡｇＧａＳ２及びＺｎＧｅＰ２のレーザ損傷閾値はそれぞれ約２５ＭＷ／ｃｍ２（１．０６４μｍ，３５ｎｓ）及び３ＭＷ／ｃｍ２（１．０６４μｍ，３０ｎｓ）（詳細的には、ＤｍｉｔｒｉｅｖなどのＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，  Ｂｅｒｌｉｎ，  １９９９，  ｐ．１１８）。したがって、上記の中赤外の非線形光学結晶は、レーザ損傷閾値の制限を受け、広く応用されていない場合が多い。
【０００４】
炭化ケイ素結晶は２５０種類以上の多形があり、その中には、よく見られるのは、３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ及び６Ｈ−ＳｉＣがあり、その中の４Ｈ−ＳｉＣおよび６Ｈ−ＳｉＣは、零ではない２次非線形光学系数を有するとともに、以下の特徴を有している。
【０００５】
１．  大きい２次非線形光学系数を有する（４Ｈ−ＳｉＣ：ｄ１５＝６．７ｐｍ／Ｖ；６Ｈ−ＳｉＣ：ｄ１５＝６．６ｐｍ／Ｖ）（詳細的には、Ｓａｔｏなどの“Ａｃｃｕｒａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ  ｏｆ  ６Ｈ  ａｎｄ  ４Ｈ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｂ  ２６，１８９２  （２００９））；
【０００６】
２．  可視及び赤外領域において高い透過率を有する（４Ｈ−ＳｉＣの透過範囲は０．３８−５．５μｍであり、６Ｈ−ＳｉＣの透過範囲は０．４−５．５μｍである）；
【０００７】
３．  高いレーザ損傷閾値を有する（６Ｈ−と４Ｈ−ＳｉＣのレーザ損傷閾値はいずれも８０ＧＷ／ｃｍ２よりも大きい（１．０６４μｍ，１０ｎｓ））（詳細的には、Ｎｉｅｄｅｒｍｅｉｅｒなどの“Ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｐｏｌｙｔｙｐｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ．  ７５，６１８  （１９９９））；
【０００８】
４．  熱伝導率は高い（６Ｈ−ＳｉＣ及び４Ｈ−ＳｉＣの熱伝導率はともに４９０Ｗｍ−１Ｋ−１である）。化学安定性は良く、潮解しない；
【０００９】
５．  結晶の成長工程は成熟するものである。結晶の光学質量は高いものである。
【００１０】
４Ｈ−ＳｉＣ結晶及び６Ｈ−ＳｉＣ結晶はともに正の単軸結晶（ｎｏ＜ｎｅ）であり、結晶の屈折率（ｎｏ及びｎｅ）を精確に測定するのは、その非線形の光学性質を検討するための重要な前提になる。一定の温度での結晶の屈折率データは、当該結晶が透過範囲において非線形の光学周波数の変換の位相整合条件を満たすのかを一義的に決める。位相整合をとるときに限って、非線形の周波数変換は高い効率を有し、そして実際に運用されうる。
【００１１】
１９４４年、Ｔｈｉｂａｕｌｔは最小偏向角法を用いて率先に可視光の波長域（０．４０４７−０．６７０８μｍ）における６Ｈ−ＳｉＣの屈折率を測定した（詳細的には、Ｔｈｉｂａｕｌｔの“Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ  ａｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  （ＳｉＣ）”，Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ  ２９，３２７  （１９４４））。その測定の精度は約３×１０−４である。１９６８年、Ｃｈｏｙｋｅ等は、ニュートンによる等傾角干渉法で６Ｈ−ＳｉＣのｏ光屈折率（ｎｏ）を測定して、ｎｏを紫外及び赤外の波長域に広げ、その測定精度は約２×１０−３である（詳細的には、Ｃｈｏｙｋｅなどの“Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ａｎｄ  ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｏｆ  ６Ｈ  ＳｉＣ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  ５８，３７７  （１９６８））。１９７１年、Ｓｈａｆｆｅｒは可視光の波長域（０．４６７−０．６９１μｍ）における４Ｈ−ＳｉＣおよび６Ｈ−ＳｉＣの屈折率を測定し、それらの色分散方程式をフィッティングし，その測量精度は約１×１０−３である（詳細的には、Ｓｈａｆｆｅｒの“Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ，  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，  ａｎｄ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｐｏｌｙｔｙｐｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  １０，１０３４  （１９７１））。
【００１２】
１９７２年の米国特許“Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ”（登録番号：ＵＳ３６７６６９５）（特許文献１）及びその同族特許（ＣＡ  ９６２７５５，ＮＬ  ７２１００３９，ＳＥ  ３６７６６９５，ＩＴ  ９６４７５８，ＧＢ  １３７５６３８，ＦＲ  ２１４７１０３，ＤＥ  ２２３５８００及びＢＥ  ７８６５５５）は、最小偏向角法を用いて６つの波長（０．４８８、０．５０１７、０．５１４５、０．５３２１、０．６３２８および１．０６４μｍ）での六方晶構造の炭化ケイ素の屈折率をそれぞれ測定した。当該特許に記載の炭化ケイ素結晶の吸收スペクトルは、当該結晶の最短透過波長が０．４μｍであり、６Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップ（３．０ｅＶ）に対応することを表す。その屈折率の測定データも、さらに当該結晶が６Ｈ−ＳｉＣであることを表明する。当該特許では、６Ｈ−ＳｉＣが非線形の光学結晶として角度の位相整合により倍周波および光パラメータなどの周波数変換に用いられることができ、非線形の光学周波数変換に関与する光ビームの少なくとも一つのレーザの波長は１μｍよりも大きいということを記載している。上記の特許の発明者であるＳｉｎｇｈ等は、後に発表された文章では６Ｈ−ＳｉＣが基本周波数光の波長が２μｍよりも大きいときに倍周波の位相整合をとることができ、特に、基本周波数光の波長が２．１２８μｍであるとき、倍周波の位相整合角が約７５°であることを指摘している（詳細的には、Ｓｉｎｇｈなどの“Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １９，５３  （１９７１））。
【００１３】
ここに注意すべきのは、当該特許において６Ｈ−ＳｉＣの屈折率を測定するとき用いられる光源の最長波長が１．０６４μｍだけであるのに対して、非線形の光学周波数変換の波長は波長が比較的に長い赤外光波長域（例えば２．１２８μｍ）に係り、短波長の屈折率に基づいてフィッティングした色分散式によって長い波長の屈折率をエクストラポレートするという方法では、屈折率データに大きい偏差が存在する。本発明の発明者が提供する新しい屈折率データは、６Ｈ−ＳｉＣ結晶が赤外波長域においてレーザ倍周波および光パラメータに用いられることができないことを表明する。すなわち、Ｓｉｎｇｈ等が申請した特許及びその同族特許に係る発明内容は実現不可能なものである。詳しくは下記の内容を参照する。
【００１４】
１９８５年、Ｃｈｏｙｋｅ等が文献中に提供した６Ｈ−ＳｉＣの屈折率ｎｏデータの大部分は、上記の１９４４年のＴｈｉｂａｕｌｔ，１９６８年のＣｈｏｙｋｅ等及び１９７１年のＳｈａｆｆｅｒ等の文献中のデータから取得したものであり、これらの文献中の屈折率ｎｏのデータを簡単に並べたものに過ぎない。当該三篇の文献では屈折率を測定するとき異なる測定方法を採用するので、Ｃｈｏｙｋｅ等の文献に提供した屈折率ｎｏデータに矛盾するところがたくさんある。従来技術によれば、波長の増加に従い、屈折率ｎｏの数値は減少すべきである。しかしながら、Ｃｈｏｙｋｅ等の文献に掲示した屈折率ｎｏのデータはそのようなものではない。例えば、波長が０．４９５９μｍであるときのｎｏの数値が２．６８４であり、逆に波長が０．４９８μｍであるときのｎｏ数値（２．６８７）より小さい（詳細的には、ＣｈｏｙｋｅなどのＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８５，ｐ．５９３）。２００３年，Ｂａｕｇｈｅｒ等は、６Ｈ−ＳｉＣ結晶の複屈折（ｎｅ−ｎｏ）の数値を測定し、おそらくそうだろうと思い込むように、Ｃｈｏｙｋｅ等が１９８５年に文献に掲示した屈折率ｎｏのデータを採用し、計算して、６Ｈ−ＳｉＣ結晶が光パラメトリック発振の位相整合条件を満たすことを発表した（詳細的には、Ｂａｕｇｈｅｒなどの“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｏｆ  ＳｉＣ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２３，５１９  （２００３））。Ｂａｕｇｈｅｒ等は、６Ｈ−ＳｉＣ結晶の複屈折だけを測定したが、正確ではない屈折率データを引用した。そのため、実際には、光パラメトリック発振の位相整合条件は実現不可能なものである。
【００１５】
これによれば分かるように，従来の文献では、６Ｈ−ＳｉＣ結晶の屈折率の測定は、大部分が可視光の波長域に集中し、波長がより長い赤外光波長域において屈折率データは極めて欠いている。しかしながら、６Ｈ−ＳｉＣ結晶の非線形の光学周波数変換は主に、赤外光波長域に係るものであり、色分散式によりエクストラポレートした屈折率の誤差を減少するために、赤外光波長域における６Ｈ−ＳｉＣの屈折率を精確に測定するのは非常に重要なことになる。
【００１６】
本発明の発明者は、最小偏向角法を用いて可視光及び赤外光波長域（０．４３５８−２．３２５μｍ）における６Ｈ−ＳｉＣ結晶の屈折率（ｎｏ及びｎｅ）を測定した。その精度は約３×１０−５であり、６Ｈ−ＳｉＣ結晶の色分散方程式をフィッティングした。上記の文献の屈折率データと対比することにより（図１、図２に示すように）、本発明の発明者の結果が、可視光波長域において先行する文献の屈折率データに相当に近いが、赤外光波長域において先行する文献の屈折率データと明らかな差異があることが分かる。本発明の発明者の実験データによると、６Ｈ−ＳｉＣ結晶が赤外光波長域において大きい色分散を有するのに対して、１９７１年Ｓｈａｆｆｅｒの文献及び１９７２年の米国特許（登録番号：ＵＳ３６７６６９５）では、色分散式によりエクストラポレートした屈折率は赤外光波長域において色分散が比較的に小さい。
【００１７】
本発明の発明者は、さらに６Ｈ−ＳｉＣ結晶の非線形周波数変換の位相整合の状況を計算した。６Ｈ−ＳｉＣ結晶の点群は６ｍｍであり、第二類の角度位相整合しか存在しない。倍周波に対して、角度位相整合を実現しようとすれば、ｎ１ｏ＋ｎ１ｅ＞２ｎ２ｏ（位相整合角の正弦値が１よりも小さいことから推定した）を満足すべきである。ｎ１ｏおよびｎ１ｅはそれぞれ基本周波数光のｏ光およびｅ光の屈折率であり、ｎ２ｏは倍周波光のｏ光の屈折率である。６Ｈ−ＳｉＣは、赤外光の波長域において色分散が大きいのに対して、複屈折が相対的に小さいので、計算結果によれば、６Ｈ−ＳｉＣ結晶が光透過波長域（０．４−５．５μｍ）において倍周波位相整合を実現できないことを表明する。光パラメータまたは差周波などの非線形周波数変換に対して、位相整合条件はｎ３ｏω３−ｎ１ｅ（θ）ω１＝ｎ２ｏω２であり、ただし、ω３及びω１はポンプ光の周波数であり、ω２は赤外光の周波数であり、ｎ３ｏおよびｎ２ｏはそれぞれポンプ光ω３および赤外光ω２のｏ光屈折率であり、ｎ１ｅ（θ）は光軸となす角がθである方向上のポンプ光ω１のｅ光の屈折率である。計算により分かるように、６Ｈ−ＳｉＣは、光透過範囲内で光パラメータまたは差周波について角度位相整合も実現できない。米国特許（登録番号：ＵＳ３６７６６９５）および２００３年Ｂａｕｇｈｅｒ等の計算では、間違い屈折率データを採用して，６Ｈ−ＳｉＣ結晶が中赤外の非線形周波数変換において位相整合を取れるという間違い結論を得た。
【００１８】
１９７１年，Ｓｈａｆｆｅｒは可視光波長域における４Ｈ−ＳｉＣの屈折率（０．４６７−０．６９１μｍ）を測定した（詳細的には、Ｓｈａｆｆｅｒの“Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ，  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，  ａｎｄ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｐｏｌｙｔｙｐｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  １０，１０３４  （１９７１））。しかしながら、現在までは、４Ｈ−ＳｉＣ結晶の非線形光学性能および４Ｈ−ＳｉＣ結晶を非線形光学デバイスの製造に用いることに関連する報道が見られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第３６７６６９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明が解決しようとする技術課題は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された非線形光学デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の技術課題を解決するために、本発明の第一の形態は、少なくとも一つの非線形光学結晶を含み、当該非線形光学結晶は、特定の周波数を有する少なくとも一つのレーザ（１２）を改変させて、前記周波数と異なる他の特定の周波数を有する少なくとも一つのレーザ（１６）を発生するためのものであり、前記非線形光学結晶は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）である非線形光学デバイスを提供する。
【００２２】
本発明の第二の形態は、出射するレーザの周波数が異なる第一ポンプ光源（２１）と第二ポンプ光源（２２）とを備える同調可能な中赤外レーザ器であって、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）をさらに備え、第一ポンプ光源（２１）及び第二ポンプ光源（２２）から出射したレーザは、当該４Ｈ−ＳｉＣ結晶に共線入射して差周波発生を行い、中赤外レーザを出射する同調可能な中赤外レーザ器を提供する。
【００２３】
本発明の第三の形態は、第三ポンプ光源（４１）と、広帯域信号光レーザ器（４２）とを備える光パラメトリック増幅装置であって、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）をさらに備え、第三ポンプ光源（４１）から出射したレーザ及び広帯域信号光レーザ器（４２）が発生した信号光が４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）に入射して、光パラメトリック増幅がされた後、中赤外レーザを出射する光パラメトリック増幅装置を提供する。
【００２４】
本発明の第四の形態は、広帯域パルスレーザ器である第四ポンプ光源（５１）を備える広帯域同調可能な中赤外レーザ器であって、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）をさらに備え、第四ポンプ光源（５１）から出力したポンプ光（５２）における高周波数成分及び低周波数成分を利用して４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）の中で差周波発生を行って、光フィルタ（５６）を介してから広帯域中赤外レーザを出射する広帯域同調可能な中赤外レーザ器を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明における４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された非線形光学デバイスは、４Ｈ−ＳｉＣ結晶を用いて中赤外の非線形光学周波数変換を図り、従来の非線形光学デバイスと比べると、４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、高いレーザ損傷閾値、広い光透過範囲（０．３８−５．９μｍ及び６．６−７．０８μｍ）、大きい２次非線形光学系数（ｄ１５＝６．７ｐｍ／Ｖ）、大きい複屈折、高熱伝導率（４９０Ｗｍ−１Ｋ−１）、及び高い化学安定性などの特点を有しているので、本発明の非線形光学デバイスは、パワーの高い、高い光束質量の中赤外のレーザを出力する点で、実際の応用需要により良く応えることができ、優れた実際の応用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】６Ｈ−ＳｉＣ結晶ｎｏの色分散曲線及び先行文献ｎｏのデータとの対比を示す。
【図２】６Ｈ−ＳｉＣ結晶ｎｅの色分散曲線及び先行文献ｎｅのデータとの対比を示す。
【図３】４Ｈ−ＳｉＣ結晶の透過率曲線を示す。
【図４】４Ｈ−ＳｉＣ結晶の色分散曲線を示す。
【図５】本発明の実施例１の構成の模式図を示す。
【図６】本発明の実施例２及び実施例３の構成の模式図を示す。
【図７】本発明の実施例２の第一ポンプ光源及び第二ポンプ光源の第ＩＩ類の差周波の位相整合同調曲線を示す。
【図８】本発明の実施例３の第一ポンプ光源及び第二ポンプ光源の第ＩＩ類の差周波の位相整合同調曲線を示す。
【図９】本発明の実施例４の構成の模式図を示す。
【図１０】本発明の実施例４の第三ポンプ光源の光パラメータ増幅の位相整合同調曲線を示す。
【図１１】本発明の実施例５の構成の模式図を示す。
【図１２】本発明の実施例５の入射レーザ偏光方向と結晶の主断面とのなす角の模式図を示す。
【図１３】本発明の実施例５の第四ポンプ光源のスペクトル曲線を示す。
【図１４】本発明の実施例５の差周波発生から得られた中赤外のレーザのスペクトル図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の目的、技術案およびその利点をより明白にするために、以下は、具体的な実施例を結合して、図面を参照しながら、本発明に対してさらに詳細に説明する。
【００２８】
本発明が提供する非線形光学結晶は４Ｈ炭化ケイ素であり、その化学式が４Ｈ−ＳｉＣである。４Ｈ−ＳｉＣ結晶の有効な２次非線形光学分極系数はｄｅｆｆ＝ｄ１５ｓｉｎθである。４Ｈ−ＳｉＣ結晶の点群は６ｍｍであるので、第ＩＩ類の位相整合しか存在しない（すなわち、入射した二束の光の偏光方向は一致しておらず、一つはｏ光であり、もう一つはｅ光であり、このような位相整合方式は第ＩＩ類の位相整合と言う），θは位相整合角度である。
【００２９】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、対称中心を有しておらず、六方晶系に属し、その空間群はＰ６３ｍｃであり、その中の各セル内にＡＢＣＢの方式で並べてなる四つの炭素珪素原子層が含まれる。
【００３０】
４Ｈ−ＳｉＣ結晶の成長方法は、物理気相伝送法、高温化学気相成長法または液相法を含む。４Ｈ−ＳｉＣ結晶が高い透過率を有させるために、炭化ケイ素原料及び成長室内の消耗材の純度を制御することによって、高純度の４Ｈ−ＳｉＣ結晶を得るか、または人工ドープにより、結晶の透過率を向上させることができる。例えば、ｐ型ドープ（アルミニウムドープまたはボロンドープ）により結晶中のｎ型不純物（窒素）を補償したり、エネルギー準位が高いバナジウムをドープすることにより、エネルギー準位が低いドナー（窒素）又はアクセプター（ボロンまたはアルミニウム）などを補償したり、点欠陥方式を導入してエネルギー準位が低いドナーまたはアクセプターを補償したりすることにより、４Ｈ−ＳｉＣ結晶の高透過率を実現することができる。
【００３１】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶の製造方法は、物理気相伝送法、高温化学気相成長法又は液相法を含む。本発明の発明者は、物理気相伝送法によって高透過率の４Ｈ−ＳｉＣ結晶を成長させ、その透過率スペクトルが、図３に示す。ただし、高温化学気相成長法及び液相法では上記の原理を用いても同様に高透過率の４Ｈ−ＳｉＣ結晶を得ることができる。
【００３２】
本発明の発明者は、最小偏向角法を用いて可視光及び赤外光の波長域（０．４０４７−２．３２５μｍ）における４Ｈ−ＳｉＣ結晶の屈折率を測定した。その精度は約３×１０−５であり、同時に、任意偏向法を用いて中赤外光の波長域（３−５μｍ）における４Ｈ−ＳｉＣ結晶のｏ光屈折率を測定して、色分散方程式をフィッティングした。
【００３３】
最小偏向角法によって測定した、可視光及び赤外光の波長域における４Ｈ−ＳｉＣ結晶の屈折率、及び任意偏向法によって測定した、中赤外の波長域における４Ｈ−ＳｉＣ結晶のｏ光屈折率の測定結果は、下記の表１に示す。ただし、ｎｏは４Ｈ−ＳｉＣのｏ光屈折率であり、ｎｅは４Ｈ−ＳｉＣのｅ光屈折率である。
【００３４】
【表１】
0005898341.tif 000002
【００３５】
本発明の発明者は、下記に示すＳｅｌｌｍｅｉｅｒ方程式を用いて４Ｈ−ＳｉＣ結晶の屈折率をフィッティングした：
【数１】
0005898341.tif 000003
【００３６】
ただし、波長λの単位はミクロメートルであり、４Ｈ−ＳｉＣ結晶の色分散曲線は図４に示す。
【００３７】
４Ｈ−ＳｉＣは、６Ｈ−ＳｉＣと比べると、大きい複屈折を有する。そのため、４Ｈ−ＳｉＣ結晶は非線形の光学周波数変換の位相整合をとる可能性がある。本発明の発明者は実験によって以下のことを見つけた。４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、中赤外の波長域のレーザを出力する非線形光学周波数変換の位相整合をとることができ、これにより４Ｈ−ＳｉＣ結晶は３．４−７．１μｍの中赤外のレーザを同調させて出力する点で実際の応用需要により良く応えることができ、優れた実際の応用価値があるわけである。
【００３８】
以下は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された同調可能な中赤外のレーザ器の具体的な実施方式を説明する。
【実施例１】
【００３９】
本発明の実施例１によれば、非線形光学デバイスは、少なくとも一つのレーザを入射光として用いて、少なくとも一つの非線形光学結晶を透過させた後、周波数が入射光の周波数と異なる少なくとも一つのレーザを出力させる。その中の非線形光学結晶は４Ｈ−ＳｉＣ結晶である。前記光学デバイスは、光パラメトリック増幅、光パラメトリック発振、または差周波発生の技術により中赤外のレーザの出力を同調可能なことを図る。
【００４０】
図５は本発明の実施例１の動作原理図であり、その中のレーザ器（１１）はレーザ束（１２）を出射・入射させるためのものであり、当該入射レーザ束が順次に４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）及び光フィルタ（１５）を透過するものであり、（１４）は４Ｈ−ＳｉＣ結晶（１３）によって光パラメトリック増幅、光パラメトリック発振又は差周波発生などの工程を経た後出射させたレーザ束である。光フィルタ（１５）の作用は、入射レーザ束（１２）の波長をフィルタリングするためである。図面符号（１６）は出射された中赤外のレーザを示す。
【００４１】
当該実施例１においては、用いられる４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、前述の４Ｈ−ＳｉＣ結晶であり、且つ、前記レーザ器の入射光の波長範囲は０．３８−５．５μｍであり、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶が０．３８−５．５μｍ及び６．７−６．９μｍの波長範囲内での透過率は１０％より大きい。
【００４２】
当該実施例１においては、入射光波長は０．８μｍであることが好ましい。このときの光透過率は４０％よりも大きい。しかしながら、本発明はこれに限られず、入射光の波長は０．３８μｍ、０．５５μｍまたは０．３８−５．５μｍのいずれかであってもよい。
また、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、非線形の光学周波数変換の位相整合をとる方式が第ＩＩ類の位相整合である。
【００４３】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶の位相整合に関して、結晶の温度を調節することによって臨界位相整合をとってもよい。
【００４４】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は少なくとも一面が光学研磨されたものである。
【００４５】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、その表面に反射防止膜（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｃｏａｔｉｎｇ）、高反射膜（ｈｉｇｈ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｆｉｌｍ）及び／または半透膜を塗布している。
【実施例２】
【００４６】
本発明の実施例２は４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された同調可能な中赤外のレーザ器に関するものである。その構成の模式図は図６に示す。当該同調可能な中赤外のレーザ器は、第一ポンプ光源（２１）と、第二ポンプ光源（２２）と、レーザ同期装置（２３）と、偏光シート（２４）と、偏光シート（２５）と、スペーサ（２６）と、スペーサ（２７）と、反射鏡（２８）と、ダイクロイックミラー（２９）と、収束レンズ（２１０）と、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）と、光フィルタ（２１２）とを含む。第一ポンプ光源から出射したレーザは順次に偏光シート（２４）、スペーサ（２６）、反射鏡（２８）、ダイクロイックミラー（２９）、収束レンズ（２１０）、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）を透過する。第二ポンプ光源から出射したレーザは順次に、偏光シート（２５）、スペーサ（２７）、ダイクロイックミラー（２９）、収束レンズ（２１０）、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（２１１）を透過する。
【００４７】
第一ポンプ光源の波長は０．８−０．９μｍであり、第二ポンプ光源の波長は１．０６４μｍである。第一ポンプ光源及び第二ポンプ光源はモードロッキングレーザ器又はＱスイッチングレーザ器であってもよい。モードロッキング方式はアクティブモードロッキング、パッシブモードロッキングまたはセルフモードロッキングのいずれかであってもよい。Ｑスイッチング方式は能動光電Ｑスイッチング、音響光学Ｑスイッチングまたは受動Ｑスイッチングのいずれかであってもよい。
【００４８】
第一ポンプ光源は同調可能なチタンサファイアレーザ器であってもよい。第二ポンプ光源はＮｄ：ＹＡＧレーザ器であってもよい。
【００４９】
第一ポンプ光源および第二ポンプ光源のポンピング方式は、キセノンランプポンピング、半導体レーザポンピングまたは固体のレーザポンピングのいずれかであってもよい。第二ポンプ光源の増幅媒体は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＬＦのいずれかであってもよい。
【００５０】
第一ポンプ光源および第二ポンプ光源は、同期装置によって同期された後、それぞれ偏光シート、スペーサ、反射鏡及びダイクロイックミラーを透過させて、所定の位相整合条件を満たす場合、収束レンズによって４Ｈ−ＳｉＣ結晶に共線入射して差周波発生を行い、さらに光フィルタ（２１２）を透過させてから中赤外のレーザを出射させる。
【００５１】
当該実施例２において、用いられる４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、実施例１のような４Ｈ−ＳｉＣ結晶であり、且つ、前記レーザ器の入射光の波長範囲は、０．７−０．９μｍ及び１．０６４μｍであり、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、０．３８−５．５μｍ及び６．７−６．９μｍの波長範囲においてその透過率が１０％より大きい。
【００５２】
当該実施例２において、入射光の波長は０．８３８μｍであることが好ましい。その際、その光透過率は４０％より大きい。しかしながら、本発明はこれに限っていない。入射光の波長は０．３８μｍ、０．５５μｍまたは０．３８−５．５μｍの間のいずれかであってもよい。
【００５３】
また、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、非線形の光学周波数変換の位相整合をとる方式が第ＩＩ類の位相整合である。前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶の位相整合に関しては、結晶の温度を調整することによって臨界位相整合をとることできる；
【００５４】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は少なくともその一面が光学研磨されたものである；
【００５５】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、その表面に反射防止膜、高反射膜及び／または半透膜を塗布している。
【００５６】
その中の４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、カット角がθ即ち結晶の光透過方向と結晶の光軸とのなす角である。
【００５７】
第一ポンプ光の出力波長と４Ｈ−ＳｉＣ結晶の角度を調整することによって、中赤外差周波光の同調可能な出力を実現する。
【００５８】
図７は、本実施例２の第一ポンプ光源の波長及び差周波光の波長とθ角との関係を示す。
【００５９】
本実施例２において、結晶のカット角θの値は一般的に７９°−８９°であって、例えば８２°であり、第一ポンプ光源の波長は０．８μｍ−０．９μｍをとってもよい。好ましくのは０．８３８μｍであり、差周波光の波長範囲は３．６−５．３μｍであり、好ましくのは３．９４５μｍである。
【実施例３】
【００６０】
実施例３における同調可能な中赤外のレーザ器は、実施例２と同じ構成を採用し、用いられる４Ｈ−ＳｉＣ結晶も同じである。異なるところは、第一ポンプ光源及び第二ポンプ光源がいずれもチタンサファイアレーザ器であるという点にある。
【００６１】
図８は、第一ポンプ光源の波長がそれぞれ０．７、０．７２、０．７４、０．７６、及び０．７８μｍで、第二ポンプ光源の波長が０．７−０．９μｍであるときの、差周波出力の中赤外の光波長と結晶カット角θとの関係を示す。
【００６２】
この実施例３において、差周波出力の中赤外の光波長の範囲は３．６−７μｍであり、好ましくのは４．０μｍであり、結晶のカット角θは７３°−８９°であり、好ましくのは８１．５°である。
【実施例４】
【００６３】
本発明の実施例４は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された光パラメトリック増幅装置である。図９に示すように、当該光パラメトリック増幅装置は、第三ポンプ光源（４１）と、広帯域信号光レーザ器（４２）と、ダイクロイックミラー（４３）と、収束レンズ（４４）と、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）と、光フィルタ（４６）を含み、その中の第三ポンプ光源は５３２ｎｍのレーザ器である。第三ポンプ光源（４１）から出射したレーザ束は順次にダイクロイックミラー（４３）、収束レンズ（４４）及び４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）を透過させる。広帯域信号光のレーザ器（４２）から出射した信号光は、順次にダイクロイックミラー（４３）、収束レンズ（４４）及び４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）を透過する。
【００６４】
第三ポンプ光源としての５３２ｎｍのレーザ器は、１．０６４μｍのレーザ器から倍周して得られたものであり、倍周結晶はＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＤＰ、ＫＴＰまたはＣＬＢＯである。５３２ｎｍのレーザ器はモードロッキングパルスレーザ器またはＱスイッチングレーザ器であってもよい。Ｑスイッチング方式は能動光電Ｑスイッチング、音響光学Ｑスイッチングまたは受動Ｑスイッチングであってもよい。ポンピング方式はキセノンランプポンピング、半導体レーザポンピングまたは固体レーザポンピングのいずれかであってもよい。
【００６５】
５３２ｎｍのポンプ光と広帯域信号光のレーザ器（４２）で発生された信号光は収束レンズ（４４）を透過して４Ｈ−ＳｉＣ結晶（４５）に入射し、光パラメトリック増幅をされた後、中赤外の光を発生し、さらに光フィルタ（４６）を透過して中赤外のレーザを得る。
【００６６】
その中の４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、実施例１−３において用いられる４Ｈ−ＳｉＣ結晶と同じである。
【００６７】
図１０は、ポンプ光波長が５３２ｎｍであるとき、光パラメトリック増幅により生じた中赤外の光波長とθ角との関係を示す。
【００６８】
本実施例４においては、結晶のカット角θの値は一般的に７２°−８８°であり、好ましくのは７８°であり、中赤外の光範囲は４．３−７μｍであり、好ましくのは４．７５６μｍである。
【実施例５】
【００６９】
本発明の実施例５は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶で製造された広帯域同調可能な中赤外のレーザ器であり、その構成の模式図は図１１に示す。当該広帯域同調可能な中赤外のレーザ器は、第四ポンプ光源（５１）と、収束レンズ（５４）と、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）と、光フィルタ（５６）を含む。第四ポンプ光源から出射したレーザは、順次に収束レンズ（５４）、４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）及び光フィルタ（５６）を透過する。
【００７０】
第四ポンプ光源（５１）から出射したポンプ光（５２）は直線偏光であり、偏光方向（５３）と結晶の主断面とのなす角は、αであり、０＜α＜９０°を満足している。好ましくのは、αが４１°である。図１２に示すように、図面符号（５８）は結晶の主断面と紙面との交差線である。
【００７１】
第四ポンプ光源は繰返し周波数が１ＫＨｚで、パルス幅が２０ｆｓで、スペクトルの範囲が５００−１０００ｎｍであるフェムト秒増幅のチタンサファイアレーザである。図１３は、本実施例５の第四ポンプ光源（５１）から出力する超連続レーザスペクトルを示す。第四ポンプ光源から出力したポンプ光（５２）は４Ｈ−ＳｉＣ結晶の中で同時にｏ光及びｅ光を発生し、超連続広帯域フェムト秒パルス中の高周波数成分と低周波数成分を用いて４Ｈ−ＳｉＣ結晶（５５）の中で直接的に差周波発生を行い、さらに光フィルタ（５６）を透過してから中赤外のレーザを出射させる。
【００７２】
当該実施例５において用いられる４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、実施例１のような４Ｈ−ＳｉＣ結晶であり、且つ、前記レーザ器の入射光の波長範囲は０．３８−１．０μｍであり、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は０．３８−５．５μｍ及び６．７−６．９μｍの波長範囲内で透過率が１０％よりも大きい。
【００７３】
また、前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、非線形の光学周波数変換の位相整合をとる方式が第ＩＩ類の位相整合である。前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶の位相整合に関しては、結晶温度を調節することによって臨界位相整合をとる。
【００７４】
前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶は少なくともその一面が光学研磨されたものである。前記４Ｈ−ＳｉＣ結晶はその表面に反射防止膜、高反射膜及び／または半透膜を塗布している。
その中の４Ｈ−ＳｉＣ結晶はカット角がθ即ち結晶の光透過方向と結晶の光軸とのなす角である。
【００７５】
本実施例５において、結晶カット角θの値は一般的には７９°−８９°であり、差周波光の波長範囲は３．６−７μｍである。
【００７６】
図１４は、本実施例５の結晶のカット角が８２°であるとき得られた広帯域中赤外の差周波光スペクトルを示す。
【００７７】
本発明の上記の実施例は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶を用いて中赤外の非線形光学周波数変換を図る。従来の非線形光学デバイスと比べると、４Ｈ−ＳｉＣ結晶は、高いレーザ損傷閾値、広い光透過範囲（０．３８−５．９μｍ及び６．６−７．０８μｍ）、大きい２次非線形光学系数（ｄ１５＝６．７ｐｍ／Ｖ）、大きい複屈折、高熱伝導率（４９０Ｗｍ−１Ｋ−１）及び高化学安定性などの特点を有しているので、本発明の非線形光学デバイスはパワーの高い、高光束質量の中赤外のレーザを出力する面で実際の応用需要により良く応えることができ、優れた実際の応用価値を有する。
【００７８】
以上に記述の具体的な実施例は、本発明の目的、技術案及び有益な効果に対して詳細的に説明してきたが、こうした記述は本発明の具体的な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神及び主旨内に限り、種々の改変、同等変換、改良などはすべて本発明の保護範囲内に含まれる。
【図５】
0005898341.tif 000004
【図６】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【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７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１４】
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