(57)【要約】少なくとも２つの非線形光学層からなる積層内の隣接する非線形光学層が、１つのガラス層によって接合されて、パラボリック発振器、周波数二倍器、又は複屈折位相整合装置といった装置を形成する。層とガラスの屈折率は、好ましくは３０％以内に整合される。ガリウム砒素、セレン化亜鉛、ニオブ酸リチウム、及びＺｎＧｅＰ2といった赤外線又は熱に感応する非線形材料において、ガラスは、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＴｅを含む低融点カルコゲナイトガラスであるのが好ましい。非線形層は、例えば条線付き結晶又は周期的に偏光された結晶のような格子を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学材料からなる少なくとも２つの層の積層を含み、
隣接する前記非線形層がガラス層によって接合される非線形光学装置。
【請求項２】
前記ガラスが、前記非線形光学材料の屈折率の３０％以内の屈折率を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記積層が、３つの前記非線形層を含み、前記非線形層の中央の層が格子を含む請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記中央層が、条線付き層か、又は周期的に偏光された層である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記積層の層が、前記層を順に通って伝播するように、擬似位相整合向けに配置されている請求項１又は２に記載の装置。
【請求項６】
各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが、１コヒーレンス長又はその整数倍に実質的に等しいことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが、１コヒーレンス長又はその奇数倍と実質的に等しく、隣接する非線形光学層の結晶軸が実質的に１８０°だけ相対的に回転されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが、１コヒーレンス長又はその偶数倍と実質的に等しく、隣接する非線形光学層の結晶軸が実質的に平行であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記積層が、非線形光学材料の少なくとも１０層を含むことを特徴とする請求項１、２、及び５乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ガラスが、順に伝播する場合に全ての境界面からの総理論反射率が５０％よりも大きくないような屈折率を有することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ガラスが、カルコゲナイトガラスである前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記ガラスが、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＴｅを含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ガラスが、一般式Ｇｅ(x-a)ＡｓＳｅ(100-x-b)Ｔｅbを有し、ここで、２５＜ｘ≦４０、１０≦ａ≦２５、４０＜ｂ≦７０、及び（１００−ｘ−ｂ）＞０である請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ガラスが非結晶硫化砒素である請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記非線形光学材料が、ガリウム砒素、セレン化亜鉛、ニオブ酸リチウム、及びＺｎＧｅＰ2から選択されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記非線形光学材料が複屈折性であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の非線形光学装置。
【請求項１７】
前記非線形光学材料が非複屈折性であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の非線形光学装置。
【請求項１８】
非線形光学材料の少なくとも２つの層の積層を含む非線形光学装置を作製する方法であって、
隣接する前記非線形層の表面が、熱及び圧力作用下で、１つのガラス層により接合されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記ガラスが非前記線形光学材料の屈折率の３０％以内の屈折率を有するように選択されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記ガラスが前記非線形光学材料の屈折率の３０％以内の屈折率を有するように選択されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記ガラスが、全ての境界面からの総理論反射率が５０％よりも大きくないような屈折率を有することを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
非線形光学材料の前記２つの層の対向する面が、前記面の少なくとも一方の面にガラス失透温度Ｔｃ１よりも実質的に低いガラス転移温度Ｔｇを有する結合ガラスの薄層を設ける段階と、前記層間に１つ又は複数のコーティングだけを挟んで前記面を共に配置して組立体を形成する段階と、ＴｇとＴｃ１の間の温度であり、ガラスを軟化させて前記面を互いに結合させるのに十分に高い温度Ｔｂまで前記組立体を加圧下で加熱する段階とによって接合されることを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記１つ又は複数のコーティングの厚さは、各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが１コヒーレンス長又はその整数倍と実質的に等しくなるように制御されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが、１コヒーレンス長又はその奇数倍と実質的に等しく、隣接する非線形光学層の結晶軸が実質的に１８０°だけ相対的に回転されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
各非線形層とガラスとを併せた光学厚さが、１コヒーレンス長又はその偶数倍と実質的に等しく、隣接する非線形光学層の結晶軸が実質的に平行であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記ガラスの厚さが、該ガラスの付着後にその一部分を除去することにより調整されることを特徴とする請求項２２乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記ガラスの厚さが、該ガラスの付着中に制御されることを特徴とする請求項２２乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
結合される面と面の間から実質的にガラスの押出しがないような条件下で結合が行われることを特徴とする請求項２２乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
１つ又は複数のガラス層の厚さが実質的に一定に保たれる条件下で結合が行われることを特徴とする請求項２２乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ガラスが、結合サイクルを可逆的に行うように選択されることを特徴とする請求項２２乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記ガラスが、ＲＦスパッタリング、フラッシュ蒸着、溶媒蒸着、又はスピンコーティングから選択される方法により付着されることを特徴とする請求項２２乃至３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記ガラスが、接合しようとする前記両面上に付着されることを特徴とする請求項２２乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記ガラスが、周囲温度よりも高い複数のガラス転移温度を示し、Ｔｂが、第１と第２のガラス転移温度の間にあるように選択されることを特徴とする請求項１８乃至３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記ガラスが、失透温度に到達するまでに１つだけのガラス転移温度を有することを特徴とする請求項１８乃至３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記結合されるガラスは、前記第１のガラス転移温度と、別のガラス転移温度又は失透温度である、次に高いガラス転移温度との間に、少なくとも５０℃の温度間隔があるように選択されることを特徴とする請求項１８乃至３４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
前記ガラスが無機ガラスである請求項１８乃至３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記ガラスがカルコゲナイトガラスである請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ガラスが、Ｇｅ、Ａｓ、Ｔｅ、及びＳｅを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記ガラスが、一般式Ｇｅ(x-a)ＡｓＳｅ(100-x-b)Ｔｅbを有し、ここで、２５＜ｘ≦４０、１０≦ａ≦２５、４０＜ｂ≦７０、及び（１００−ｘ−ｂ）＞０である請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記ガラスが非結晶硫化砒素である請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記非線形材料が、ガリウム砒素、セレン化亜鉛、ニオブ酸リチウム、及びＺｎＧｅＰ2から選択されることを特徴とする請求項１８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記積層の少なくとも幾つかの非線形層が、個別に加えられて該積層に接合されることを特徴とする請求項１８乃至４１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
前記積層の少なくとも幾つかの非線形層が、単一の段階で互いに接合されることを特徴とする請求項１８乃至４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
請求項１８乃至４３のいずれか１項の方法により作製される非線形光学装置。
【請求項４５】
請求項１乃至１７及び４４のいずれか１項に記載された装置を含む、例えば周波数二倍器又は三倍器、周波数ミクサ、及び光パラメトリック発振器又は光パラメトリック発生器などの調波発生器。
【請求項４６】
添付図面を参照しながら実質的に本明細書で説明したような非線形光学装置。
【請求項４７】
添付図面を参照しながら実質的に本明細書で説明したような非線形光学装置を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つ又はそれ以上の非線形層の積層を含む非線形光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、少なくとも２つの非線形光学材料の積層を含み、隣接する該非線形層がガラス層によって接合されている非線形光学装置を提供する。
【０００３】
本発明はまた、少なくとも２つの非線形光学材料の積層を含み、隣接する該非線形層が熱及び圧力作用によりガラス層で接合される非線形光学装置を作製する方法を提供する。
【０００４】
本出願人の同時係属中の英国特許出願ＧＢ０１２３７３１．２は、全体的には光学構成要素の結合に関し、２つの光学構成要素の対向し合う面を接合する方法であって、この面の少なくとも１つの面にガラス失透温度Ｔｃ１よりも実質的に低いガラス転移温度Ｔｇを有する結合ガラスの薄層を設ける段階と、対向する面の間に１つ又は複数のコーティングだけを挟んでこれらの面を配置して組立体を形成する段階と、ＴｇとＴｃ１の間にあり、ガラスを軟化させて両構成要素を互いに結合させるのに十分に高い温度Ｔｂまで組立体を加圧下で加熱する段階と、を含む方法について特許請求している。
【０００５】
本発明においては、中間ガラス層を使用して接合しようとする光学構成要素は、具体的には非線形光学材料層である。本発明は、後で説明するように、例えば２、３、４、又は５層といった比較的少数の非線形層を接合することを含むが、光エネルギーが連続して伝播するようにされた非線形光学層の著しく大きな数の積層を含む一群の非線形装置が存在する。光学境界面の数が増すにつれて、境界面に高い光学品質を与える問題も大きなものとなり、この高い光学品質が与えられなければ、積層の効率は許容し得ないほど低下する。
【０００６】
特に、この種の問題を全般的に取り扱う本出願人の同時係属中の特許出願において説明したように、接合されることになる表面の不完全さ、又は表面にある汚染物質、特に粒子状汚染物質の存在などに起因して、光学的に接触すべき面と面の間の空隙又は空間が生じる可能性があり、これは特に反射（屈折率の不整合による）及び散乱による光損失をもたらす。その結果、複合光学装置内の光学境界面における光損失を排除するために、幾つかの技術が試行及び試験されて開発されており、これらの技術には、面と面とが光学的及び機械的に接触する直接境界面を設けること、構成要素間に接着層を介在させること、及び可能な場合には拡散接合することが含まれる。
【０００７】
直接境界面法は、構成要素表面を非常に精度良く物理的に作製することが必要であり、且つ極めて高い清浄度規格を必要とする。そのため、この技術は実際に使用されてはいるが困難なものであり、可能であれば避けた方が良い。
【０００８】
上述の拡散接合法は、実用に際して考慮すべき事項が多く、実施することが難しい。個々の層は、高度に研磨されて光学的に平坦でなくてはならず、層の表面に粒子状汚染物質が存在してはならない。１μｍといった微細な粒子によって層と層の間に直径１ｍｍの空隙が生じる可能性があることが観察されている（Ｄ．Ｂｏｌｌｍａｎｎ他、Ｊｐｎ  Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ，ｖｏｌ３５、３８０７−３８０９頁）。このような空隙は、光損失源であって、多くの積層にわたって増大する可能性がある。層と層を拡散接合するために必要な温度及び圧力もまた、材料の光学的特性を悪化させる可能性がある（Ｄ．Ｚｈｅｎｇ他、Ｊ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ  Ｓｏｃ，ｖｏｌ１４４，Ｎｏ４、１４３９−１４４１頁）。
【０００９】
接着剤などの材料からなる中間層と構成要素を結合すると、光損失を低減又は排除して、装置の効率を増大させるのに役立たせることができる。例えば、従来のシリカベースの光学ガラスと極めて類似の屈折率を有するカナダバルサムは、顕微鏡スライドを取り付けるため、及びレンズ構成要素を接合するための接着剤として、長年使用されてきた。多くの現行の光学構成要素は、例えば、半導体電気光学デバイスとガラス類といった、従来のガラスよりも遙かに大きな屈折率を有する材料からなり、これは、例えば赤外領域において使用する構成要素に関して普通に存在することである。従来の接着剤構成の屈折率は、これらの非常に大きな屈折率には整合せず、従って、この場合もまた境界面における反射が増大し、直接境界面法を採用することが必要となる場合がある。
【００１０】
このような考察の結果として、本出願人の同時係属中の特許出願は、隣接する光学構成要素を互いに結合するために中間ガラス層を使用することを提案している。光学特性及び熱特性を有するガラスの薄層を適切に選択し、及び層の厚さ及び結合条件を適切に選択することによって、構成要素にどのような悪影響をも及ぼすことなく、ガラスによりこの構成要素間を効果的に結合することができるように該構成要素を配置することができ、従って、生成される光学的境界面は、例えば、ガラス層の屈折率、透過率、及び厚さを選択することにより、構成要素間の光透過率に重大な悪影響を及ぼすことがない。
【００１１】
上述のように、ある種の非線形装置は非線形光学層の積層を含んでおり、ここでは可能な限り最良の光学境界面を有することが望ましい。
【００１２】
既存のレーザー波長を変換することにより新たな波長を生成するためには、非線形光学材料が有用である（例えば、Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｔｏｄａｙ，１９９４年５月）。非線形光学材料の一般的な用途としては、周波数二倍器及び光パラメトリック発振器がある。このような装置においては、基本（入力）光波及び発生された（出力）光波は、共に材料を介して伝播し、基本光波から発生されたエネルギーが光波に伝達される（順方向変換）。発生された光波から基本光波にエネルギーが伝達される逆プロセスも生じ得る。これは逆方向変換として知られている。
【００１３】
非線形プロセスの方向及び効率は、様々な相互作用する光波間の位相関係によって決定される。一般に、位相関係は、光波が非線形光学材料を介して伝播するにつれて変化し、その結果、順方向及び逆方向変換が交互する区間が生じる。材料の最大有効長は、このような１区間の長さであって、材料のコヒーレンス長として知られている。これは、相互作用する光波が順方向変換に対して適切な位相関係を保持する距離である。光波がこの距離を超えて伝播する場合には、エネルギーは発生した光波から基本光波へ逆方向に伝達される。一般に、位相整合として知られる技術を使用できない限り、コヒーレンス長は短かすぎて使用することができない。
【００１４】
例証として、周波数二倍化の場合には、コヒーレンス長Ｌcohは次式で与えられる。
2005504361.tif 000002
【００１５】
上式の分母の括弧内の項は、元の周波数又はポンプ周波数ωとアップコンバートされた周波数２ω間の材料の分散を表している。複屈折材料の場合、量ｎ2ω及びｎωは偏光依存性があり、複屈折が十分である場合には、望ましくは上式の単独の観点から、ｎ2ω＝ｎω、Ｌechが無限大となるように伝播方向を選択することにより、分散項がゼロに近づくか又はゼロになるように光学設計を適合させることができる。実際に、Ｌechの値は、非線形材料の必要な作動長よりも遙かに長くなるように与えることができる。
【００１６】
比較的小さいかゼロの複屈折しか有さない非線形材料の場合、又は、複屈折による位相整合が可能な方向に沿って所望の非線形係数（通常はより有利な係数）を用いることが可能であるか、又はこの方向に十分近接させて用いることが可能である場合、分散項はゼロに近づけることはできず、従って、Ｌechは有限であって一般に相対的に小さくなる。
【００１７】
例えば、ガリウム砒素（これは複屈折ではない）の場合、１０ミクロンのポンプ波長に対するＬechは１００ミクロン程度である。ニオブ酸リチウムは、位相整合を可能にする十分に大きな複屈折率を有する材料の一実施例であるが、位相整合を保証するのに必要な伝播方向は、この材料における最大非線形係数を利用するために必要な方向とは一致しない。
【００１８】
このような場合においては、非線形材料に積極的な順方向変換を引き起こす相互作用長を拡大させるために、積極的な手段を講じる必要がある。これを達成するために、擬似位相整合として知られた別の位相整合方法がある。この技術においては、成長中に条線付き結晶を生成すること、結晶の適切なポーリング、又は異なる結晶配向を有する複数層の積層を組み立てることによって、非線形光学材料は、正確に１コヒーレンス長（又は奇数倍のコヒーレンス長）の長さを有する区間に分割される。光波が次第に位相外れを生じるにつれて、各区間内で有用な非線形の光学的相互作用が発生することができる。次に続く区間内で材料軸が反転すると、相互作用は継続することができる。このように次に続く区間における軸が反転することにより、任意の相互作用長を達成することができる（Ｊ．ＭｃＭｕｌｌｅｎ，Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ，ｖｏｌ４６，Ｎｏ７，３０７６−３０８１頁）。擬似位相整合により、複屈折を用いて位相整合させることのできないガリウム砒素のような非線形光学材料を使用すること、又はニオブ酸リチウムのような複屈折性材料における有効非線形係数を最大化する伝播方向を用いることが可能になる。良好な複屈折性非線形光学材料が殆ど使用できない光波帯域において、これは特に重要である。
【００１９】
条線付き結晶及びポーリングされた結晶は、これらの製造方法に起因して、小口径の装置においてのみ有用である傾向がある。しかしながら、高出力用途において有用な大口径装置を提供する組立方法が可能であり、これは、装置に対する光損傷の可能性を最小限にする必要がある。擬似位相整合組立体又は積層のコヒーレンス長は比較的短くなる傾向にあることから、実用上有用な効果をもたらすために、一般には、擬似位相整合された積層内に個々の厚さが１００ミクロン程度の５０を超える層、又は場合によっては１００を超える非線形層である、比較的多数の層が必要とされることは理解されるであろう。
【００２０】
しかしながら、非線形材料の異なる区間が擬似位相整合された積層に組み立てられる場合には、有用であるべき十分な品質を有する構造体を製造することは本質的に困難である。隣接する区間に高品質の光学的接合を提供すること、及び区間長及び区間距離を正確に制御し、又は正確な制御を維持することの両方に主要な問題があり、結合の品質不良又は区間長の不正確さに関わる悪影響は、一般に積層内の層数が増加するにつれて増大する。
【００２１】
実際には、有用な程度の効率性を備えた装置を得るために、擬似位相整合された積層の層を互いに結合することが通常は極めて重要なことであるが、使用される結合のタイプによっては別の問題を生じる場合もある。非線形層を本発明によるガラス層と接合することにより、後で詳細に説明するように、良好な品質の光学境界面、良好な結合、及び区間長の制御を提供することができる。
【００２２】
本発明が多数の非線形層を備えた積層に限定されないことは、既に明らかにされており、非線形層が２層だけの場合もある。実際、上述のような位相整合の最も共通の形態は、複屈折結晶である非線形光学材料を必要とし、次に説明する複屈折の非線形積層は、非常に少数の層を使用するのが普通である。
【００２３】
複屈折性非線形結晶においては、様々な光波の伝播方向及び偏光方向は、順方向変換に適した位相関係が結晶全体にわたって維持され、コヒーレンス長は結晶よりも長いように選択される。この方法を使用した場合には、様々な欠点が生じる場合がある。
１．位相整合の制約は、伝播方向を限定し、これは上述のニオブ酸リチウムの場合のように、非線形相互作用が最も強くなる方向ではない可能性がある。
２．位相整合の制約が非線形係数に関連する方向に適切に伝播することができる場合であっても、様々なビームは、分離して、結晶内で空間的に隔てられる場合がある。分離の強さは、使用される材料と複屈折位相整合のタイプに依存する。入力ビームの光路全体にわたって変換が起こるので、変換されたビームの空間特性も影響を受けることがあり得る。ビームの分離は、非線形材料の長さを減少させ、これが構造的変換を生じる結果、最大サンプル長をもたらし、利用可能であっても長い結晶を用いることを妨げる。
３．複屈折材料内に光損失があることにより、単一サンプルの有効長が限定される可能性がある。
４．結晶がトランスペアレントである全ての波長において位相整合条件を満たすことが常に可能というわけではない。
５．同様に複屈折性である赤外線スペクトルの一部で使用に適した非線形材料の数は、かなり限られている。
【００２４】
特に分離が問題となる場合、又は有効結晶長が短い場合には（上記２、３を参照）、長い有効長を有する結晶を生成し、同時に、積層組立法も同様にかなり有用であるように異なる層の配向を配置することが可能であるようにすべきである。材料のモノリシックブロックを複数の複屈折性非線形層で置き換えることにより、異なる層の配向を調節して、変換された光エネルギーが実質的に元の光エネルギーに追随できるようにすることができる。
【００２５】
複屈折性非線形層の積層組立体を使用した場合には、個々の層内で位相整合を得ることができるので、個々の層の厚さは、擬似位相整合された積層で使用される層の厚さよりも遙かに大きく（ミリメートルの程度）することができ、また実際にこのようになる傾向がある。
【００２６】
複屈折性非線形層間に導入される本発明のガラス層のような任意の比較的薄い非複屈折材料は、後続層における位相整合に及ぼす影響は比較的小さい傾向がある。この影響は、非複屈折性材料の分散が複屈折性非線形層の分散と密に整合される非複屈折材料を選択することにより最小化される。中間層をできる限り薄くし、層の総数を最小限に保つことを確実にすることにより、どのような悪影響も最小限に抑えることができる。複屈折性非線形層の積層を互いに結合すると、例えばこれによりモノリシック装置に効率の改善が得られるという点で非常に有利である。
【００２７】
擬似位相整合された積層の作製時に中間結合層が使用されることになる場合には、コヒーレンス長を保持するために、このような層に精密に制御可能な厚さを与え得ることが必要である。擬似位相整合された積層において、及び複屈折非線形積層においても、中間層にはできる限り薄い厚さを持たせるのが好ましい。当該技術分野において従来から使用されている接着剤又は他の中間材料を用いることは、いずれも特に容易というわけではない。以下に詳細に説明するように、中間結合光学ガラス層を使用することにより、結合された製品に精密に制御された厚さを有する薄い中間層を設けることが可能になる。特に擬似位相整合された積層においては、結合の前に中間層の厚さを調整し、層間隔を調節して、且つ位相コヒーレンスを維持することができる。
【００２８】
理想的には、結合ガラスの分散度は、非線形材料の分散度と同等にすべきである。これは常に可能というわけではないが、ガラス層が薄い場合には、分散度が整合していない悪影響が小さくなることが期待される。擬似位相整合された積層においては、非線形光学層の厚さを調節することによって補償することが可能である。複屈折性位相整合された積層においては、効率が僅かに低下するであろうが、この場合もまたより厚い非線形層を使用することが、非効率性によって生じる分散量を低減するのに有利である。
【００２９】
【特許文献１】
英国特許出願ＧＢ０１２３７３１．２
【非特許文献１】
Ｄ．Ｂｏｌｌｍａｎｎ他、Ｊｐｎ  Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ，ｖｏｌ３５、３８０７−３８０９頁
【非特許文献２】
Ｄ．Ｚｈｅｎｇ他、Ｊ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ  Ｓｏｃ，ｖｏｌ１４４，Ｎｏ４、１４３９−１４４１頁
【非特許文献３】
Ｊ．ＭｃＭｕｌｌｅｎ，Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ，ｖｏｌ４６，Ｎｏ７，３０７６−３０８１頁
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００３０】
熱特性及び屈折率を含む、本発明に使用する好ましいガラスの選択について、添付図面を参照しながら更に説明する。
境界面での屈折率不整合反射による光損失を低減するために、ガラス層の屈折率は、非線形光学材料の屈折率に好ましくは近接し、理想的には等しい。これにより、コートされた表面における望ましくない反射が低減される。少なくとも１０層、より好ましくは４０層、更に好ましくは少なくとも８０層の非線形光学材料層を有する装置において、全境界面からの総理論反射率が２０％より大きくなく、好ましくは１０％より大きくなく、更に好ましくは５％より大きくなく、最も好ましくは実質的にゼロであるように、ガラスの屈折率が選択されるべきである。或いは、ガラスの屈折率は、非線形光学材料の屈折率の好ましくは１５％以内（即ち、Ｒ±１５％）、より好ましくは１０％以内、更に好ましくは５％以内、最も好ましくは２％以内である。このような層の数は、擬似位相整合された積層ではよく使用される数である。
【００３１】
上述のように、複屈折積層は、比較的少数の層を含むことができるので、屈折率整合に関する要件は幾分緩やかにすることができる。従って、より一般的には、ガラスの屈折率は、非線形光学材料の屈折率の好ましくは３０％以内（即ち、Ｒ±３０％）、より好ましくは２０％以内、更に好ましくは１０％以内、最も好ましくは５％以内である。
【００３２】
図４は、ガリウム砒素とガラスの交互層からなる積層の屈折率不整合の影響を示す。積層の透過率は、屈折率が１からずれるにつれて、また、積層内の層の数が増大するにつれて減少することが分かるであろう。例えば、５％以内に整合された屈折率を有するガラス層によって各層の両面が境界付けられたガリウム砒素（ガラス境界面に対する１００ＧａＡｓ）の５１の層を有する積層は、９４％程の全体透過率を有する。
【００３３】
本発明の方法は、非線形光学材料の２つの層を準備する段階と、これらの層の少なくとも一方の表面にガラス失透温度Ｔｃ１よりも実質的に低いガラス転移温度Ｔｇを有する結合ガラスの薄層を設ける段階と、これら２つの層間に１つ又は複数のコーティングだけを挟んで２つの層を共に配置して組立体を形成する段階と、ＴｇとＴｃ１の間の温度であり且つガラスを軟化させて層を互いに結合させるのに十分な温度までこの組立体を加圧下で加熱する段階によって実施することができる。
【００３４】
これは、非線形光学層を強力で光損失の少ない結合状態で、しかも非常に正確で制御可能な間隔をもたせて接合させることが可能になる。材料及び条件を適切に選択することにより、結合中にガラスがいずれかの表面に付着したどのような粒子状汚染物質をも包み込んで散乱損失の影響を最少化し、また、十分に軟化して表面のどのような窪みにも流入することができ、従って、この技術は、研磨が本質的に難しいＺｎＧｅＰ2のような結晶質との結合に特に役立つ。
【００３５】
ガラス相から溶融相又は結晶相への変化に対応するガラス失透温度に加えて、多くのガラスは、ガラス相は保持されるが幾分異なる特性を持った少なくとも１つのガラス転移温度Ｔｇを有する。特に、より高温のガラス相を得るために（相変化には他の条件が必要となり、特に相変化にはかなりの時間を要することは理解されたい）、ガラスを温度Ｔｇを超えて加熱すると、明らかに柔軟でより流動的な相が得られる。
【００３６】
ガラス相転移は、示差熱分析法により検知することができ、示差熱分析においては、制御された速度で熱がサンプルに供給され、サンプルの温度が経時的にグラフ表示される。示差熱分析中、温度は、始めはほぼ直線的に変化し、相転移は、直線性からの偏位よって示される。特に、ガラス転移温度Ｔｇは、グラフにおけるほぼ屈曲形の不連続部により識別することができる。これよりも高い温度において別の転移点を識別することができ、この転移点の少なくとも１つは、失透温度に対応するものとすることができる。失透温度は、サンプルを冷却することにより逆方向の測定を行った時、対応する屈曲形状が存在しないか、又は同一温度において少なくとも発生しないことから識別することができる。
【００３７】
図１は、下記のサイクルを用いて行った材料Ｇｅ15Ａｓ15Ｓｅ25Ｔｅ41に対する示差熱分析のグラフを示す。
１．２０．００℃で１．０分間保持する。
２．１０．００℃／分で２０．００℃から４５０．００℃まで加熱する。
３．４５０．００℃で１０．０分間保持する。
４．１０．００℃／分で４５０．００℃から２０．００℃まで冷却する。
【００３８】
曲線の上昇部分の１２０℃及び２４０℃における２つの変曲点は、それぞれ第１及び第２のガラス（ガラス／ガラス）転移温度Ｔｇ１及びＴｇ２である。２９０℃と３８０℃における急勾配の転移点Ｔｃ１及びＴｃ２は、結晶相に関係する転移であって、これらの低い方の温度Ｔｃ１は、この点から材料がガラス相でなくなることから失透温度である。図１において、曲線は冷却時に逆戻りせず、Ｔｇ１及びＴｇ２に対応する何らの（逆方向の）ガラス／ガラス転移点も示さず、始点には戻らないことが観察される。このように、この材料のどのような熱処理も該材料の特性の顕著な変化に関係付けられる傾向があり、これらの変化は、幾つかの因子（例えば、時間、温度、加熱速度、雰囲気）に依存するものであるため、どのような変化も確実に再現することは困難であろう。
【００３９】
本明細書で使用される「第１のガラス転移温度」とは、周囲温度よりも高い最低ガラス転移温度をいう。
【００４０】
図２は、下記のサイクルを用いて行った材料Ｇｅ15Ａｓ15Ｓｅ17Ｔｅ53に対する示差熱分析のグラフを示す。
１．２０．００℃で１．０分間保持する。
２．１０．００℃／分で２０．００℃から４４０．００℃まで加熱する。
３．１０．００℃／分で４４０．００℃から８０．００℃まで冷却する。
４．８０．００℃で２０．０分間保持する。
５．１０．０℃／分で８０．００℃から４４０．００℃まで加熱する。
６．１０．００℃／分で４４０．００℃から８０．００℃まで冷却する。
７．８０．００℃で２０．０分間保持する。
８．１０．００℃／分で８０．００℃から４４０．００℃まで加熱する。
９．１０．００℃／分で４４０．００℃から２０．００℃まで冷却する。
１０．２０．００℃で６０．０分間保持する。
【００４１】
図１と比べると、このグラフは、比較的単純な軌跡を辿り、それぞれ１４５℃及び２６０℃において第１及び第２のガラス（ガラス／ガラス）転移温度Ｔｇ１及びＴｇ２を有し、３３０℃において１つの失透温度Ｔｃ１を有する。冷却時には、曲線は逆戻りせず、２７５℃及び１６０℃において逆方向のガラス転移点Ｔｇ１及びＴｇ２を示す。３３０℃まで加熱する３回のサイクルにわたる測定によって証明されるように、このグラフ曲線は再現性がある。
【００４２】
図３は、下記のサイクルを用いて行った材料Ｇｅ19Ａｓ11Ｓｅ17Ｔｅ53に対する示差熱分析のグラフを示す。
１．２０．００℃で１．０分間保持する。
２．１０．００℃／分で２０．００℃から５００．００℃まで加熱する。
３．５００．００℃で１０．０分間保持する。
４．１０．００℃／分で５００．００℃から２０．００℃まで冷却する。
５．２０．００℃で６０．０分保持する。
【００４３】
このグラフは、図２のグラフよりも更に単純であり、１７０℃における単一のガラス／ガラス転移温度Ｔｇだけを示しており、４７０℃を超える温度までは何らの失透点も示していない。Ｔｇと調査された最高温度との間には、大きな温度間隔がある。
【００４４】
本発明によるこの結合方法を実施する場合には、例えば、非線形光学層又はこれらの表面を破壊し、或いは歪ませることにより、又はこの非線形光学層で非可逆的な相変化を生じさせることにより、この非線形光学層のいずれかに望ましくない変化が何ら生じないように、Ｔｂ及びガラス材料の選択を含む諸条件が選択されることが好ましい。殆どの場合、非線形光学層が結合プロセスによって実質的に全く影響されない状態を維持すること、又は少なくとも、結合作業に続いて、たとえ何らかの形態変化が同時に生じた場合でも、非線形光学層が始めの非線形光学層に実質的に対応していることが理想である。しかしながら、非可逆相のような望ましい変化を非線形光学層の材料内に生じさせて、変更されても望ましい特性を生成するようにＴｂが選択される場合も想定することができる。
【００４５】
結合が行われる条件は、結合される面と面の間からガラスの押出しが実質的に起らないように、及び／又は１つ又は複数のガラス層の厚さが実質的に一定に保たれるように選択されるのが好ましい。
【００４６】
ガラスが周囲温度より高い複数のガラス転移温度を示す場合には、Ｔｂは、第１と第２のガラス転移温度の間にあるように選択されるのが好ましい。
【００４７】
ガラスは、使用されている非線形材料に好適なものであることが必要であり、即ち本明細書で説明するような屈折率整合及び熱特性といった制約条件に従う。このようなガラスは、好ましくは無機ガラス、例えばカルコゲナイトガラスである。特定の実施形態においては、光学ガラスは、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＴｅを含み、好ましいガラス類の一範囲は、一般式がＧｅ(x-a)ＡｓＳｅ(100-x-b)Ｔｅｂであり、ここで、２５＜ｘ≦５５（好ましくは２５＜ｘ≦４０）、１０≦ａ≦２５、４０＜ｂ≦７０、及び（１００−ｘ−ｂ）＞０である（本出願人の同時係属中の英国特許出願ＧＢ０１２３７４３．７を参照のこと）。図１から図３のガラスは、この式に適合している。更に好ましくは、特に例えば、基材がＧａＡｓであり、３０≦ａ≦４０、５０＜ｂ≦７０である。これらの範囲には、ＧａＡｓ及びＺｎＧｅＰ2の屈折率に近接して整合する屈折率を有し、良好乃至非常に良好な熱特性を有するガラスが存在する。
或いは、ガラスは非結晶硫化砒素であってもよい。
【００４８】
好ましくは、ガラスは、結合サイクルを可逆的に行うように選択され、従って、サイクル終了時におけるガラスの特性は、サイクル開始時における特性と実質的に同一である。図１のガラスは、この基準に適合せず、好ましい材料ではない。図２及び３のガラスは、この基準に従う好ましい材料である。
【００４９】
好ましくは、ガラスは、失透温度に到達するまでに１つだけのガラス転移温度を有するのが好ましく、図３のガラスは、図２のガラスよりも好ましい。
【００５０】
この（第１の）ガラス転移温度と任意の他の転移温度（別のガラス転移温度、又は失透温度）との間に、好ましくは少なくとも５０℃の温度間隔があり、より好ましくは少なくとも１００℃、更に好ましくは少なくとも１５０℃の温度間隔がある。この基準に基づくと、図２及び３のガラスは共に広義の基準には適合するが、この場合も同様に図３のガラスは図２のガラスよりも好ましい。
【００５１】
Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ系をベースとする赤外透過カルコゲナイトガラスが、ｎ＝３．００乃至３．４５範囲の屈折率を有するように作製された。これらのガラスはまた、ＲＦスパッタリング法により、０．１ミクロン乃至３ミクロンよりも大きな層厚を有して、シリコン（ｎ＝３．４３）及びＧａＡｓ（ｎ＝３．２８）基板上にうまくコーティングした。
【００５２】
接合しようとする一方又は両方の表面に塗布されるコーティングの厚さは、少なくともひとつには表面の特性及びこれらの処理方法によって決定されることになる。或る種の表面は、これに高度な光学的精度（表面の質及び形状。表面は、一般に光学的に平坦であることが要求されるが、他の形状の表面も本発明の範囲に含まれる）を有するように処理することは極めて困難であり、或いは、光学的清浄さを保証できないような条件もある。このような条件の下では、表面に欠陥があったとしても、これが結合ガラスにより効果的に包み込まれて、過度の光散乱又は基板表面の近接域からの分離の原因とならないように、幾分厚めの層が必要とされる可能性がある。
【００５３】
１つ又は複数のガラス層は、ＲＦスパッタリング、フラッシュ蒸着、溶媒蒸着、又はスピンコーティングといった任意の標準的な方法によって付着させることができ、必須というわけではないが、接合させようとする両方の面に付着させるのが好ましい。
【００５４】
一方又は両方の表面のコーティング厚は、一般に、０．１乃至２０ミクロン、より好ましくは１乃至１０ミクロン、最も好ましくは５ミクロンを超えない範囲内にある。結合された装置におけるガラスの最大厚さは、好ましくは２０ミクロン、より好ましくは１０ミクロン、更に好ましくは６ミクロン、最も好ましくは４ミクロンを超えない厚さである。しかしながら、上述の理由により、より大きな厚さの層を設けることも可能である。
【００５５】
特に、波長変換等のための非線形光学積層の場合には、非線形光学層の光学的厚さにおける任意の偏差（例えば、コヒーレンス長又はその整倍数からの偏差）を補償又は補正するために、ガラス層を使用することが可能である。非線形光学層上にガラスコーティングを付着させた後、コーティングされた物品の光学的厚さを測定し（必要であれば、意図した伝播方向及び偏光を考慮に入れて）、次に、例えば任意の公知技術を用いて機械的にミリング加工することにより、必要な光学的厚さが得られるまでガラス層の厚さを適切に低減することができる。或いは、コーティングされた物品が薄過ぎる場合には、更にガラスを付着させた後、任意選択的にその一部分を除去することができる。オンラインのガラスコーティングプロセスにおいて、必要な厚さ（又は、正しい厚さになるまで続いて研磨することが適切と考えられる場合には、必要な厚さを超過する厚さ）が達成されるまで、物品の光学的厚さを連続的に測定することができる。
【００５６】
積層が数層よりも多い厚みで構成される場合には、様々な層の光学的厚さ及び間隔を正確に制御可能な機能が極めて重要になり、積層の逆方向変換及びこれに伴う非効率性による光損失を実質的に低減又は除去することができる。
【００５７】
結合段階は、制御された雰囲気下で行われるのが好ましい。これは、増大され又は減少された圧力、或いは真空に近い状態を含むことができ、また雰囲気は不活性又は活性とすることができる。
【００５８】
積層の個々の層を順次加えて結合してもよく、全ての層を単一の段階で接合してもよく、或いは任意の中間プロセスを用いてもよい。極めて大きな積層は、各々がより少ない複数の層を含む幾つかの部分に分けて組み立て、次にこれらの部分を同様の方法で互いに接合することによって作製される。
【００５９】
非線形光学材料は、例えば、ガリウム砒素、セレン化亜鉛、ニオブ酸リチウム、又はＺｎＧｅＰ2とすることができる。ＺｎＧｅＰ2は、中赤外で作動する近赤外ポンプされる光パラメトリック発振器で用いられる。
【００６０】
積層の一方又は両方の端部には、保護層を付加することができる。光学結晶の光損傷閾値特性を改善するための技術が記載されている。例えば、ＤｅＭａｒｉａ他の「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄａｍａｇｅ  ｌｉｍｉｔ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」と題された米国特許第５，６８０，４１２号（１９９７年１０月）を参照されたい。この技術は、光学結晶の両端面に光学的にトランスペアレントな材料からなる厚い部材（数ｍｍ）を取り付けることを含む。材料は、通常は、バルク光学結晶を超える改善された光損傷及び熱特性を提供するもの、及び場合によっては、後続の誘電体コーティングのために改善された表面仕上げを提供するものが選定される。
【００６１】
材料に関する主要な要求事項は、材料／結晶境界面における反射損失を最少にするために、バルク光学結晶と同様の屈折率を有することである。このような選択の一実施例は、中赤外における改善された非線形光学結晶を生成するために、ＺｎＧｅＰ2結晶（ｎ＝３．１）にＧａＡｓ（ｎ＝３．３）を取り付けたものとすることができる。これまでに開示された取付け技術は、直接光学コーティングに基づくものである。この技術は、これ自体が困難なものであるバルク結晶と端面材料の両方を注意深く表面処理することを必要とする。
【００６２】
好ましくは、積層は、該積層の端面にガラス層を介して接合される保護ウィンドウを含む。ガラス層は、非線形層の接合の説明の際に上記で構築した基準に従って選択し設けることができる。必要であれば、所定位置に接触させた後、標準的な誘電体コーティング法を用いて、取り付けられた材料に反射防止コーティングを施すことができる。
【００６３】
取り付けられる材料は、平坦な層形状、例えば、円板形、又は反射防止（ＡＲ）コーティングの必要性を排除するブルースターカットプリズムの形状をとることが可能である。
【００６４】
或いは、又は更に、積層の外面には、誘電体又は反射防止コーティングを設けることができる。これは従来の誘電体コーティングであってもよく、又は本出願人の同時係属中の英国特許出願第ＧＢ０１２３７４４．５号により詳細に記載されているように、例えばエンボス加工又はエッチング加工により「蛾の眼」構造が内部に形成されるガラスコーティング（必須というわけではないが、層と層を互いに結合するために使用される材料と同じものが好ましい）で形成してもよい。上記英国特許出願で説明されているように、ガラスコーティングは、一定の基板上に従来の誘電体反射防止コーティングを接着させることに伴う問題に対処し、また、ガラスコーティングは、表面の欠陥及び汚染物質を包み込み、必要であれば、ガラスコーティング自体を比較的容易に研磨することができるので、ある材料の光学的表面処理の問題をも克服する。同様に、ガラス層は、非線形層の接合の説明の際に上記で構築した基準に従って選択し設けることができる。
【００６５】
ここまでは、光が順に各層を通って伝播する擬似位相整合された積層、即ち非線形層が光伝播方向に対して垂直又は角度をなして置かれた積層を中心に説明してきた。しかしながら、非線形材料からなる層を中央の非線形層のいずれかの側に設けること自体は、光が中央層の平面内で伝播する場合でさえも有利とすることができる。例えば、擬似位相整合もまた、格子を提供する周期的に偏光された結晶層又は条線付き結晶層を用いることによって達成できることが上に言及された。これらの層又は少なくとも格子が置かれた領域は、正にこれらの製造方法により、薄くなる傾向にある。本出願人の同時係属中の英国特許出願ＧＢ０１２３７３１．２は、格子を提供する非線形光学材料からなる層が、互いに離間した関係で積層されて多格子組立体を形成する非線形光学装置に関するものであって、積層内の層がガラス層により互いに離間して接合される構造体を開示している。
【００６６】
単一のそのような層、例えば光パラメトリック増幅器のニオブ酸リチウムの周期的に偏光された（ＰＰ）層をポンプする場合、層縁部のクリッピングを回避するために、ポンプビームの直径が層厚方向において確実に十分小さくなるようにすることが現在のところ必要であり、この理由は、そうでない場合には、多反射（総内部反射）が軸外れモードを支持する十分な利得を得ることができ、これによりビームの品質不良及びスペクトル拡大につながるためである。偏光されていない（同一の）非線形材料の層が、屈折率整合されたガラスを使用してＰＰ層のいずれかの側に結合される場合には、ＰＰ層の光学開口が効果的に増大するが、利得領域の寸法は変わらない。従って、上述の有害な影響を受ける恐れがなく、僅かながらより大きなポンプビームを使用することができる。
【００６７】
このように本発明は、意図される光伝播方向が、層の平面に対して垂直又はある角度を有する場合、及び層の平面に対して平行である場合の両方における、ガラス層によって接合される非線形光学層の積層を含む。擬似位相整合された層の積層に関連して上に述べた考察は、意図される光伝播方向が、層と平行である積層に対しても適用される。しかしながら、屈折率整合条件は、幾分緩和することができる。
【００６８】
本発明によって提供される積層は、赤外線スペクトルの一部分を透過させることができる。しかしながら、本発明は、スペクトルの可視及び／又は紫外線（ＵＶ）部分において使用する装置の製造にまで及ぶ。
【００６９】
本発明によって提供される積層は、例えば周波数二倍器又は三倍器などの調波発生器、周波数ミクサ、及び光パラメトリック発振器、増幅器、又は発生器などのパラメトリック装置といった光学装置を提供し、又はその一部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の実施形態に関する以下の詳細な説明を参照し、かつ検討しながら添付の請求項を読むことによって明らかになるであろう。
【００７１】
１．擬似整合装置
擬似整合技術は、レーザー波長変換用の非線形光学材料を効率的に製造する方法を提供する。この技術の基礎となるのは、交互になった結晶方向を有する結晶層の積層からなる構造体を生成することである。この構造体により、従来技術では位相整合できない、優れた光学特性（高い非線形係数、低損失、高い損傷閾値など）を有する材料が使用可能になる。この技術は、有用な非線形結晶が殆ど存在しない中赤外スペクトル領域において特に有益である。
【００７２】
離間した非線形結晶の積層を含む擬似位相整合装置に含まれる境界面の数が多いことにより、効率的な擬似位相整合装置を得ようとするならば、各境界面の品質が非常に高い必要がある（極めて低い反射と散乱損失）。空隙によって隔てられた結晶プレートの積層の光損失は、多数の表面反射に起因して高く、擬似位相整合装置を効果的に製造する技術は、これらの損失の低減に依存する。
【００７３】
ガリウム砒素の場合には、現行の技術は、研磨された薄い（約１００μｍ）ウエーハの高温拡散接合に依存し、ウエーハ厚を正確に制御することが必要であり、これは極めて負担が大きい。このプロセスは、どのような粒子状材料も存在しない超清浄な表面が要求されることから、本質的に信頼性に欠けるものである。本発明により、位相整合材料を形成する技術を使用することが可能になり、この技術は、本質的に簡素で、コスト効果的が高く、ウエーハ厚の制御をかなり軽減することができる。この技術によって、より効率的な非線形変換装置と、より高性能のレーザー源が得られる可能性がある。
【００７４】
適切に配向された非線形光学材料のウエーハは、適切な厚さまで研磨され、次いで洗浄される。このステージでのウエーハの厚さは、どのような好都合な技術を用いても測定することができる。制御技術の基礎として光学干渉法を使用して、イオンビームによるミリング加工法（ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｉｌｌｉｎｇ）などの適切に制御された薄層化技術によりどのようなトリミング加工を行うこともできる。次にウエーハは、任意の標準的方法を用いて必要とされる用途に応じて計算された総厚さになるように、ガラス転移点Ｔｇの低いガラスでコーティングされる。このコーティング法は、正確な厚さを制御することができるものでなければならない。適切な方法の例としては、スパッタリング及びフラッシュ蒸着が含まれる。非線形光学材料の湿潤度を改善するために、低いガラス転移点Ｔｇを有するガラスを各ウエーハの片面上に全て被着させるのではなく、両面に必要な厚さの約半分ずつを被着させるのが好都合である。次に、ウエーハを正しい方向で重ね合わせて配置することによって、ウエーハの積層が組み立てられる。層と層の間に粒子状材料が過度に混入しないように注意すべきである。しかしながら、ガラス層の厚さよりも直径が小さい微粒子は、加熱時にはこの微粒子の周りにガラスが流れ込み、包み込まれることになるので、望ましいことではないが、各層の結合が妨げられることはない。微粒子の光損失特性があまり高くない場合には、高レーザフルエンスにおいて積層の性能を大きくは損なうことはない。処理によってもたらされる粗さ又は掻き傷などの不完全さにも同様に対応することができる。
【００７５】
次いで、ウエーハの積層は、オーブン内に置かれ、ガラス軟化点まで加熱される。オーブン内の雰囲気は、例えば、場合によっては完成後の構造体内に閉じ込められるようになる空気を除去するために制御することができる。好ましい方法において、コーティングされたウエーハの積層が組み立てられると、この積層は、湿気を含んだどのような揮発性汚染物質も沸騰させて除去するために、１００℃を超えるが実質的にガラス転移（又は軟化）温度よりも低い焼成温度で、約１乃至２時間オーブン内で焼成され、その後温度を軟化点まで上昇される。構造体が高温である間、圧力を加えてどのような残存空気をも排出し、ガラスを流動させて隣接する層の結合を促進させる。好ましい圧力範囲は、５０乃至２５０ｋｇ／ｃｍ2（５００乃至２５００ニュートン／ｃｍ2）である。オーブンが最終的に冷却されるまで、温度及び圧力は、例えば４時間程度の適切な期間の間維持される。次に、完成した構造体がオーブンから取り出される。
【００７６】
最も単純な形態において、非線形光学材料の各層の厚さは、意図される使用波長における当該材料のコヒーレンス長（又はその奇数倍）に近い値であるように選択される。隣接するガラス層の厚さは、非線形光学層とガラス層を併せた結合光学厚さが奇数のコヒーレンス長（奇数長の場合）になるか、或いは偶数のコヒーレンス長（偶数倍の場合）になるように選択される。
【００７７】
２つの材料においてコヒーレンス長は異なっており、結合光学厚さは、この点を考慮に入れて計算すべきであることに留意されたい。例えば、非線形光学層が１００μｍのコヒーレンス長を有し、ガラスが５０μｍのコヒーレンス長を有する場合には、９０μｍ厚の非線形光学材料層（０．９コヒーレンス長）と５μｍ厚のガラス層（０．１コヒーレンス長）とを併せて、合計１コヒーレンス長が形成されることになる。
【００７８】
奇数長の場合には、後続の非線形光学層の結晶軸は、現在の層の結晶軸に対して１８０°回転する必要がある。偶数長の場合には、２つの結晶軸は平行であるべきである。奇数倍コヒーレンス長は、装置における非線形光学材料の比率を最大化することから、奇数長の場合が好ましい。
【００７９】
擬似位相整合装置の第１の実施例において、ＧａＡｓは、赤外領域内で使用するが複屈折ではない非線形光学材料として、幾つかの有用な光学特性を有する。ＧａＡｓは、１０μｍで屈折率３．２７を有し、ＣＯ2ガスレーザ放射線の周波数二倍化におけるＧａＡｓのコヒーレンス長は、約１０６μｍである。適切なガラスは、１０μｍで屈折率３．２３を有する、即ち２％以内で整合するＧｅ15Ａｓ15Ｓｅ17Ｔｅ53である。１つ又はそれ以上の作動波長における屈折率整合を改善するために、ガラスの組成を僅かに変えることができる。
【００８０】
第２の実施例においては、より高い非線形係数を有し、可視領域で透過するという点で、ＧａＡｓよりもセレン化亜鉛の方が良好な非線形材料である可能性がある。セレン化亜鉛は、５ミクロンで屈折率２．４３を有し、低いガラス転移点Ｔｇを有する三硫化砒素Ａｓ2Ｓ3ガラスは、セレン化亜鉛を用いた擬似位相整合装置のために良好な結合材料を提供することができる。三硫化砒素は、屈折率ｎ＝２．４、軟化温度約２１０℃を有する。
【００８１】
第３の実施例として、ウエーハは、非分極ニオブ酸リチウムからなり、可視、近赤外、及び中赤外帯域における非線形変換に使用され、屈折率ｎ＝２．２を有する。ウエーハは、より高い、又は最も高い非線形係数が得られるように配向され、擬似位相整合（ＱＰＭ）積層により、大きな開口を維持することが容易になる。各表面における反射損失は、０．２％よりも大きくないことが予測される。三硫化砒素ガラスの最高動作温度は、約１５０℃であって、これは、結合される積層を加熱することが十分可能な高温であり、光屈折損傷に関係する問題を防止することができる。
【００８２】
本発明はまた、意図する用途に応じた各層の厚さ及び配向を決定するために、膨大な計算を必要とする更に複雑な構造の組立体に適用化可能である。より複雑な構造の一実施例は、入力を周波数三倍化するように設計された装置とすることができる。この装置の最も簡単な形態において、この装置は、周波数ミクサ構造体に直接結合された単純な周波数二倍化構造体からなるであろう。このようなモノリシック装置は、１対のディスクリート構造体に対して、複数の反射防止コーティングを必要とせず、装置のサイズ及び複雑さを低減する利点を有するであろう。
【００８３】
周波数二倍器
ＣＯ2ガスレーザ放射線と共に使用する周波数二倍器を作るために、３０枚のＧａＡｓウエーハが、３０５μｍ（３コヒーレンス長より少し短い）の厚さまで研磨される。各ウエーハの総厚さを３コヒーレンス長にまでするため、Ｇｅ15Ａｓ15Ｓｅ17Ｔｅ53のレーザーが、各ウエーハの両面にスパッタされる。（ＧａＡｓの研磨技術は、典型的には±２μｍ程度のウエーハ厚公差を達成できる。）次いで、これらの層は、清浄な環境で組み立てられて積層を形成し、この積層がオーブン内に置かれる。オーブンは真空にされ、次いで１４０乃至２４０℃の温度範囲まで加熱される。オーブンが室温まで冷却するまで、２乃至４時間の間、１０乃至１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力が加えられる。結果として得られる構造体は、そのままの状態で使用することが可能であり、又は装置の効率を改善するために、両端部に反射防止コーティングを塗布してもよい。
【００８４】
ＣＯ２ガスレーザ放射線と共に使用する効率の良い周波数二倍器において、計算では、１００乃至１５０枚のウエーハが必要であることが示されている。ウエーハは、単一の積層として形成できるが、より実際的には、（例えば）５０層からなる３つの積層を作り、各々の積層に適切な反射防止コーティングを施すようになると思われる。この多重積層構造の潜在的な利点は、積層の相対的な配向を調整することにより、又は各積層間にトランスペアレントな分散素子を導入することにより（精密な補償をおこなうため、積層の配向を調節することができる）、１つの積層におけるポンピングと調波間に生じる小さな位相不整合を補償することができることである。
【００８５】
１．２  パラメトリック発振器
ＧａＡｓウエーハから作製され、２μｍ程度のポンプ波長から３乃至５μｍ帯域内の出力波長を生成するように設計された擬似位相整合光パラメトリック発振装置の製造においては、ウエーハ間の中間層として、低いガラス転移点Ｔｇを有する屈折率整合ガラスが使用される。ウエーハの予想される対向面は、スパッタリングによってそれぞれ屈折率整合ガラスフィルムでコートされ、次いで適度の温度（約１４０乃至２４０℃）で互いに加圧される。この技術によって、ウエーハ表面の不完全さ（粒子状汚染物質を含む）に適合するよう変形可能な非結晶層を組み込む低温結合法が得られる。周波数二倍器と光パラメトリック発振器の両方の場合における上記技術の重要な特徴は、スパッタリング処理によって得られる層厚みを精密に制御することである。
【００８６】
全てのウエーハは適切にコートすることができ、積層を形成した後に積層全体を結合することができる。これは最も単純且つ好ましいプロセスである。しかしながら、予想される対向面の各対毎に順次コーティングして結合してもよく、或いは任意の中間工程を用いてもよい。
【００８７】
ガラスは、反射損失を最少化するために、ウエーハ材料と近接した屈折率を有するように選択される。また、ガラスは、擬似位相整合装置の設計動作波長で良好な光透過率を有する必要がある。中赤外帯域での使用において、カルコゲナイドガラス類は必要とされる特性を有する。ＧａＡｓの屈折率整合条件を満たすＧｅ―Ａｓ―Ｓｅ―Ｔｅ系ガラスが識別され、このガラスのサンプルが調製された。
【００８８】
２．複屈折位相整合装置
上記プロセスの変形形態において、ウエーハは、中赤外光パラメトリック発振器で使用するために、一連の複屈折ＺｎＧｅＰ2構成材料から切り取られたものであり、結合プロセスは、２００℃よりも低い温度で行われ、Ｇｅ―Ａｓ―Ｓｅ―Ｔｅ系ガラスは、組成式Ｇｅ15Ａｓ15Ｓｅ17Ｔｅ53を有する。ＺｎＧｅＰ2の低光損失で長い結晶を得ることが非常に困難であることは、上記の方法によって克服される。別の利点は、この結果として得られる構造体は、短い各結晶層を隣接層に対して回転させることにより、分離補償を導入することが可能となることである。
【００８９】
擬似位相整合及び複屈折位相整合はまた、可視帯域における重要な用途を有し、ここで低い屈折率を有する非線形材料は、ガラスが屈折率整合及びガラス転移温度要件を満たす場合には、市販のガラスを用いて結合することが可能になる点に留意することが重要である。
【００９０】
例えば、レンズ又は適切に切断されたウィンドウ材料などの他の光学部材を、位相整合された積層の端部に同様に結合して、小形のモノリシック装置を形成することができる。例えば、積層の端部のＧａＡｓ（ｎ＝３．３）の保護薄膜の主要面とＺｎＧｅＰ2結晶（ｎ＝３．１）の主要面とが、各々Ｇｅ―Ａｓ―Ｓｅ―Ｔｅ系ベースの低融点ガラスの薄層でコーティングされ、この薄膜と結晶とが、コーティングされた面と接触して組み立てられ、薄膜及び結晶のいずれの機械的特性及び光学的特性に影響を及ぼすことなく、これらを互いに結合するよう加熱及び加圧される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】カルコゲナイトガラスに対する示差熱分析グラフである。
【図２】別のカルコゲナイトガラスに対する示差熱分析グラフである。
【図３】別のカルコゲナイトガラスに対する示差熱分析グラフである。
【図４】交互層の積層内における屈折率不整合の影響を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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