(57)【要約】【課題】超短パルスのレーザ光を非線形光学結晶に照射した場合であっても、断面形状が円形状乃至略円形状の光導波路を得ることができるようにする。【解決手段】フェムト秒レーザを使用して非線形光学結晶２に光導波路３を形成する場合に、短波長側の波長成分を長波長側の波長成分よりも非線形光学結晶２内での伝播が速くなるように、非線形光学結晶２の有する屈折率分散に基づいてチャープを補正し、レーザ光を非線形光学結晶２の照射面に対して垂直方向に走査し、非線形光学結晶２の両端部が略同一径で導波路形状が鼓状の光導波路３を形成する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相の異なる複数の波長成分から超短パルスのパルス幅を有するレーザ光を生成し、前記レーザ光を光軸上に配された非線形光学結晶に所定の繰り返し周波数で照射して光導波路を形成する光導波路の製造方法において、
前記複数の波長成分のうち、短波長側の波長成分を長波長側の波長成分よりも前記非線形光学結晶内での伝播が速くなるように、前記非線形光学結晶の有する屈折率分散に基づいてチャープを補正し、
前記レーザ光を前記非線形光学結晶の照射面に対して垂直方向に走査し、前記非線形光学結晶に光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
前記光導波路の導波路径は、前記レーザ光が走査される前記非線形光学結晶の両端部で略同一であることを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
【請求項３】
前記非線形光学結晶の両端部に集光するレーザ光のパルス幅は、前記非線形光学結晶の中央部に集光するレーザ光のパルス幅よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光導波路の製造方法。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が周期分極反転構造を有すると共に、前記照射面は、前記非線形光学結晶のＺ軸に対し垂直な方位であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ光が出射するパルスエネルギーは、１．５μＪ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項６】
前記繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光の出射源は、フェムト秒レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項８】
前記非線形光学結晶は、ＬｉＴａＯ３で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の製造方法を使用して製造されたことを特徴とする光学部品。
【請求項１０】
波長変換素子であることを特徴とする請求項９記載の光学部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路の製造方法、及び光学部品に関し、より詳しくはフェムト秒レーザに代表される超短パルスレーザを使用した光導波路の製造方法、及び該製造方法を使用して製造された波長変換素子等の光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非線形光学効果を利用し、固体レーザから発する所定波長のレーザ光を種々の波長に変換する波長変換技術の研究が盛んに行なわれている。この波長変換技術によれば、非線形光学結晶に光導波路を形成し、レーザ光を光導波路に透過させることにより、例えば、入射光の波長に対し出射光の波長が１／２となる第二高調波（Second Harmonic Generation；以下、「ＳＨＧ」という。）のレーザ光を得ることが可能となる。ここで、非線形光学効果とは、レーザ光が媒体を導波する場合、媒体の応答がレーザ光に比例せず、非線形性を有する現象をいい、このような非線形光学効果を有する非線形光学結晶として、ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」という。）やＬｉＴａＯ３（以下、「ＬＴ」という。）等の異方性結晶が知られている。
【０００３】
そして、この種の光導波路の作製方法としては、従来よりＴｉ拡散法が知られている。しかしながら、このＴｉ拡散法は、薄膜形成工程や熱拡散工程の他、フォトリソグラフィ技術等を利用して非線形光学結晶上に光導波路をパターニングしなければならず、このため製造工程が複雑であり、長時間を要し、製造コストも高くなるという欠点があった。
【０００４】
そこで、最近では、上述のような複雑な製造工程が不要で、短時間での製造が可能なレーザ技術、特に超短パルスレーザを使用した作製方法が注目されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、フェムト秒レーザを使用し、フェムト秒レーザから出射されるレーザ光をＬＮからなる基板（以下、「ＬＮ基板」という。）の内部に集光させて光導波路を作製している。
【０００６】
このフェムト秒レーザは、フェムト秒（１０-15ｓ）レベルのパルス幅を有する超短パルスのレーザ光を所定の繰り返し周波数で出力することができる。
【０００７】
そして、非特許文献１では、レーザ発振器としてＴｉ：サファイア結晶を使用し、パルスエネルギーを１ｍＪ、繰り返し周波数を１ｋＨｚ、パルス幅を３５ｆｓ（フェムト秒）に設定し、ＬＮ基板にレーザ光を照射し、光導波路を作製している。
【０００８】
図２６は、非特許文献１に記載された光導波路の作製方法を示している。
【０００９】
この非特許文献１では、ＬＮ基板１０１の表面から５０〜１５０μｍの深さを集光位置とし、上述のように条件設定されたフェムト秒レーザからのレーザ光１０２を対物レンズ１０３（倍率：４０倍、開口数：０．６５）を介して集光させ、ＬＮ基板１０１を矢印ｘ方向に移動させてレーザ光を走査し、これによりＬＮ基板１０１の所定位置に光導波路１０４を形成している。
【００１０】
この非特許文献１は、レーザ光の集光位置ではレーザ光からの熱によるダメージを受けるため、前記集光位置には光導波路は形成されないが、集光位置の周囲で歪みが生じ、この歪みにより異常光線の屈折率ｎｅを増加させている。そして、ダメージを受けた部分を囲むような形態で光導波路を形成している。
【００１１】
尚、この非特許文献１では、上述のように異常光線の屈折率ｎｅは増加させることができるが、常光線の屈折率ｎｏは変化しなかったことも報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】J.Burghoff, S. Noltz, A.Tunnermann 著、「Origins of waveguiding in femtosecond laser-structured LiNbO3」、 Appl. Phys. A89, p.127-132 、2007年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、非特許文献１では、レーザ光１０２をＬＮ基板１０１に対し水平方向に走査して光導波路１０４を形成しているが、作製された光導波路１０４は、断面形状が長孔乃至楕円形状となり、したがって円形状乃至略円形状の導波路特性の良好な光導波路を得るのが困難な状況にあった。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、超短パルスのレーザ光を非線形光学結晶に照射した場合であっても、断面形状が円形状乃至略円形状の光導波路を得ることができる光導波路の製造方法、及びこの製造方法を使用して製造された光学部品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】
【００１５】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を行ったところ、超短パルスのレーザ光を非線形光学結晶の照射面に対し垂直方向に走査させることにより、光導波路の断面形状が円形状乃至略円形状になることを見出した。
【００１６】
しかしながら、非線形光学結晶は屈折率分散を有し、通常は波長の短い光に対して屈折率が大きくなることから、波長の短い光は波長の長い光に比べて伝播が遅くなって位相波形が広がってしまう。そしてその結果、形成された光導波路はテーパ状に拡がってしまうという新たな問題点が発生する。
【００１７】
そこで、本発明者らが更に鋭意研究を重ねた結果、非線形光学結晶の屈折率分散を考慮し、該非線形光学結晶内では短波長の波長成分を長波長の波長成分よりも伝播が速くなるようにチャープを予め補正しておくことにより、上記問題点を解消できることが分かった。
【００１８】
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る光導波路の製造方法は、位相の異なる複数の波長成分から超短パルスのパルス幅を有するレーザ光を生成し、前記レーザ光を光軸上に配された非線形光学結晶に所定の繰り返し周波数で照射して光導波路を形成する光導波路の製造方法において、前記複数の波長成分のうち、短波長側の波長成分を長波長側の波長成分よりも前記非線形光学結晶内での伝播が速くなるように、前記非線形光学結晶の有する屈折率分散に基づいてチャープを補正し、前記レーザ光を前記非線形光学結晶の照射面に対して垂直方向に走査し、前記非線形光学結晶に光導波路を形成することを特徴としている。
【００１９】
尚、本発明で、「超短パルス」とは、フェムト秒レベルのパルス幅を有するパルスをいう。
【００２０】
また、本発明の光導波路の製造方法は、前記光導波路の導波路径は、前記レーザ光が走査される前記非線形光学結晶の両端部で略同一であることを特徴としている。
【００２１】
さらに、本発明の光導波路の製造方法は、前記非線形光学結晶の両端部に集光するレーザ光のパルス幅は、前記非線形光学結晶の中央部に集光するレーザ光のパルス幅よりも大きいことを特徴としている。
【００２２】
また、上述した非線形光学結晶が周期分極反転構造を有する場合は、非線形光学結晶のＺ軸に対し垂直な方位にレーザ光を照射することにより、擬似位相整合がなされて良好な光閉じ込め性を得ることができ、エネルギー変換効率の向上を図ることができる。
【００２３】
すなわち、本発明の光導波路の製造方法は、前記非線形光学結晶が周期分極反転構造を有すると共に、前記照射面は、前記非線形光学結晶のＺ軸に対し垂直な方位であることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の光導波路の製造方法は、前記レーザ光が出射するパルスエネルギーは、１．５μＪ以下であることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明の光導波路の製造方法は、前記繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の光導波路の製造方法は、前記レーザ光の出射源が、フェムト秒レーザであることを特徴としている。
【００２７】
さらに、本発明の光導波路の製造方法は、前記非線形光学結晶がＬＴで形成されていることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明に係る光学部品は、上記いずれかに記載の製造方法を使用して製造されたことを特徴としている。
【００２９】
また、本発明の光学部品は、波長変換素子であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の光導波路の製造方法によれば、複数の波長成分のうち、短波長側の波長成分を長波長側の波長成分よりも前記非線形光学結晶内での伝播が速くなるように、前記非線形光学結晶の有する屈折率分散に基づいてチャープを補正し、前記レーザ光を前記非線形光学結晶の照射面に対して垂直方向に走査し、前記非線形光学結晶に光導波路を形成するので、超短パルスの位相波形が広がるのを回避することができる。そしてこれにより光導波路が非線形光学結晶内でテーパ状に拡がることもなく、断面形状が円形状乃至略円形状の良好な導波路特性を有する光導波路を作製することが可能となる。
【００３１】
また、前記光導波路の導波路径は、前記レーザ光が走査される前記非線形光学結晶の両端部で略同一であるので、非線形光学結晶の両端部でのパルス幅が略同一となるようにチャープ補正されることとなり、非線形光学結晶内でテーパ状に拡がることのない良好な導波路特性を有する光導波路を作製することができる。
【００３２】
また、前記非線形光学結晶の両端部に集光するレーザ光のパルス幅は、前記非線形光学結晶の中央部に集光するレーザ光のパルス幅よりも大きいので、非線形光学結晶内で短波長の波長成分が長波長の波長成分を追い越すような位相波形となり、略円筒状の導波路形状を有する光導波路を作製することができる。
【００３３】
また、前記非線形光学結晶が周期分極反転構造を有すると共に、前記照射面は、前記非線形光学結晶のＺ軸に対し垂直な方位であるので、擬似位相整合がなされて良好な光閉じ込め性を得ることができ、エネルギー変換効率の向上を図ることができる。
【００３４】
また、レーザ光が出射するパルスエネルギーは、１．５μＪ以下であるので、低エネルギーで光導波路を形成することができ、ダメージを受けるのを極力回避することができる。
【００３５】
繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であるので、パルスの発生間隔も比較的長く、したがってレーザ光の照射による熱の緩和時間も長くなり、熱を効率良く蓄積させることが可能となる。
【００３６】
レーザ光の出射源が、フェムト秒レーザであるので、レーザ光の射出条件を容易に調整することができ、Ｔｉ拡散法のような複雑な製造工程を要することなく、短時間でかつ安価な製造コストでもって断面形状が円形乃至略円形状の所望の光導波路を得ることができる。
【００３７】
また、本発明の光学部品は、上記いずれかに記載の製造方法を使用して製造されているので、レーザ光を照射することにより、所望波長のＳＨＧレーザ光に変換することができる波長変換素子等の光学部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る光導波路の製造方法を使用して製造された光学部品としての波長変換素子の一実施の形態（第１の実施の形態）を示す斜視図である。
【図２】図１の縦断面図である。
【図３】上記光導波路の製造方法に使用される製造装置の一実施の形態を模式的に示した図である。
【図４】パルス圧縮器の構成の一例を模式的に示した図である。
【図５】位相同期している場合の波形図である。
【図６】非線形光学結晶の屈折率分散の一例を示す図である。
【図７】屈折率分散により位相波形に「ずれ」が生じた場合の波形図である。
【図８】チャープ補正をしなかった場合に得られる光導波路の断面図である。
【図９】負のチャープ補正をした場合の波形図、及び光導波路の断面形状を示す図である。
【図１０】パルス幅が大きすぎた場合の光導波路の断面図である。
【図１１】光学部品としての波長変換素子の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図１２】周期分極反転構造を有する非線形光学結晶の一実施の形態を示す斜視図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を示す図である。
【図１４】実施例で使用した光導波路特性評価装置を模式的に示したシステム構成図である。
【図１５】実施例試料の光導波路の断面形状を示すＣＣＤ画像である。
【図１６】比較例試料の光導波路の断面形状を示すＣＣＤ画像である。
【図１７】実施例試料の光導波路の断面形状を示す顕微鏡画像である。
【図１８】比較例試料の光導波路の断面形状を示す顕微鏡画像である。
【図１９】試料Ｎｏ．１のＡ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２０】試料Ｎｏ．１のＢ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２１】試料Ｎｏ．２のＡ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２２】試料Ｎｏ．２のＢ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２３】試料Ｎｏ．３のＡ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２４】試料Ｎｏ．３のＢ面側から撮像したＣＣＤ画像である。
【図２５】試料Ｎｏ．２で観察されたＳＨＧのＣＣＤ画像を示す図である。
【図２６】非特許文献１に記載された光導波路の作製方法を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳説する。
【００４０】
図１は本発明に係る光導波路の製造方法を使用して製造された光学部品としての波長変換素子の一実施の形態を示す斜視図であり、図２はその縦断面図である。
【００４１】
すなわち、この波長変換素子１は、長さ：Ｘ、幅：Ｙ、高さ：Ｚからなる直方体形状の非線形光学結晶２を有し、該非線形光学結晶２のＺ方向（高さ方向）に光導波路３が貫設されている。そして、所定波長（例えば、１０６４ｎｍ）の固定レーザから発せられたレーザ光が非線形光学結晶２に入射されると、光導波路３からは波長が１／２（例えば、５３２ｎｍ）に変換されたＳＨＧのレーザ光を出射する。
【００４２】
ここで、非線形光学結晶２としては、出射光の応答が入射光に比例せずに非線形性を示し、波長が１／２に変換されて出射されるものであれば特に限定されるものではなく、例えばＬＴ、ＬＮ、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）等の一軸性結晶、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）等の二軸性結晶を使用することができるが、これらの非線形光学結晶２の中では熱ダメージに対する耐性が良好なＬＴを好んで使用することができる。
【００４３】
図３は、上記光導波路３の製造に使用される製造装置の一実施の形態を模式的に示した概略図である。
【００４４】
すなわち、この製造装置は、超短パルスレーザとしてのフェムト秒レーザ４と、該フェムトレーザ４から出射されるレーザ光５を非線形光学結晶２の集光位置Ｆに集光させる対物レンズ６とを備えている。
【００４５】
フェムト秒レーザ４は、具体的には、Ｔｉ：サファイア結晶等の広帯域のレーザ媒質を内蔵した超短パルス発振器７と、該超短パルス発振器７で得られたレーザ光のパルス幅を一旦伸張するパルス伸張器８と、パルス伸張器８で伸張されたパルスを増幅するパルス増幅器９と、該パルス増幅器９を励起させる励起レーザ１０と、パルス増幅器９で増幅されたパルスを前記超短パルスに圧縮するパルス圧縮器１１とを主要部として備えている。
【００４６】
そして、励起源（不図示）からのレーザ光（例えば、波長λが５３２ｎｍのグリーン光）が超短パルス発振器７に入力されると、該超短パルス発振器７からはフェムト秒レベル（例えば、１００ｆｓ）のパルス幅を有するレーザ光が出力される。すなわち、この超短パルス発振器７では、位相の異なる複数の波長成分が互いに干渉するように位相を同期させてモード間の位相をロックしながら連続発振し、各波長成分の位相が重なり合うように動作して尖鋭な超短パルスのレーザ光を生成する。
【００４７】
このレーザ光は、出力エネルギーが低いため、出力エネルギーを増幅する必要があるが、レーザ光自体は、上述のようにパルス幅が超短であり、尖鋭でピーク出力が高い。したがって、このままの状態で増幅すると光路中に配された各種の光学素子が損傷するおそれがある。そこで、パルス伸張器８でレーザ光のパルス幅をピコ秒レベル（例えば、１００ｐｓ）に一旦伸張して尖鋭なピーク出力を抑えた状態とし、その後、励起レーザ（例えば、波長λが５３２ｎｍのグリーン光）を介して励起されたパルス増幅器９で出力エネルギーを増幅する。次いで、パルス圧縮器１１では、後述する所定の処理を行ってフェムト秒レベル（例えば、２００ｆｓ）の超短パルスに圧縮し、該超短パルスのレーザ光５を所定の繰り返し周波数でもってフェムト秒レーザ４から出射する。フェムト秒レーザ４から出射されたレーザ光５を、対物レンズ６を介して非線形光学結晶２の照射面２ａの垂直方向の最深部２ｂに集光させる。そして、非線形光学結晶２を矢印Ｚ方向に移動させることによってレーザ光５を走査させ、これにより導波路形状が略円筒状であって断面形状が円形状乃至略円形状の光導波路３が作製される。
【００４８】
尚、対物レンズ６は、非線形光学結晶２の矢印Ｚ方向の各位置で連続的に集光するような集光光学系で構成され、例えば、倍率１０倍以上、開口数０．３以上に設計されたレンズ群を使用することができる。
【００４９】
そして、本実施の形態では、パルス圧縮器１１で光波の強度変調に伴う位相波形のゆらぎ（以下、「チャープ」という。）を補正している。すなわち、非線形光学結晶２は、屈折率分散を有し、入射されるレーザ光の波長成分に応じて屈折率が変化することから、屈折率分散を考慮してパルス圧縮器１１で予めチャープを補正し、これにより光導波路３の両端部が略同一径となるようしている。
【００５０】
図４はパルス圧縮器１１の一実施の形態としてのプリズム圧縮器を模式的に示す概念図である。
【００５１】
このパルス圧縮器１１は、第１のプリズム１２と、該第１のプリズム１２に対し、図中、上下方向の最大離間距離が「Ｌ」となるように配された第２のプリズム１３と、第２のプリズム１３から出射された波長成分を反射させて逆行させる第１のミラー１４と、各波長成分が合成されてなる超短パルスのレーザ光を外部に出射させる第２のミラー１５とを主要部として構成されている。
【００５２】
このパルス圧縮器１１では、パルス増幅器９からの位相の異なる複数の波長成分が第２のミラー１５を直進し、第１のプリズム１２に入射される。この第１のプリズム１２では、レーザ光に含まれる波長成分のうち、短波長側の波長成分（以下、「短波長成分」という。）１６は長波長側の波長成分（以下、「長波長成分」という。）１７よりも大きく回折する。すなわち、可視光領域〜近赤外領域を透過する材料は、通常、正の屈折率分散を有しているため、波長が短くなるほど屈折率は大きく、波長が長くなるほど、屈折率は小さくなる。したがって、第１のプリズム１２に入射されたレーザ光は、第１のプリズム１２によって、波長成分毎に空間的に分散され、短波長成分１６は長波長成分１７よりも大きく回折する。その結果、短波長成分１６は長波長成分１７よりも光路長が長くなり、その結果、長波長成分１７は短波長成分１６よりも時間的に速く伝播し、第２のプリズム１３に入射される。そして、第２のプリズム１３内では、長波長成分１７が短波長成分１６よりも光路長が長くなるため、長波長成分１７は短波長成分１６よりも時間的に遅く伝播する。
【００５３】
このように第１のプリズム１２と第２のプリズム１３との間では、短波長成分１６は長波長成分１７よりも光路長が長くなり、第２のプリズム１３中では長波長成分１７が短波長成分１６よりも光路長が長くなるため、短波長成分１６と長波長成分１７との光路差が略相殺されることとなり、これによりパルス圧縮器１１からは位相同期した超短パルスのレーザ光５を出射することができる。
【００５４】
図５はパルス圧縮器１１から出射される超短パルスの一例を示す図であり、横軸は時間ｔ、縦軸はレーザ強度Ｉである。また、伝播方向Ｓは時間ｔと逆方向である。
【００５５】
このようにパルス圧縮器１１では、位相の異なる波長成分を重ね合わせることによって、各波長成分の位相を同期させることができ、これにより包絡線１８に示すように超短パルスのレーザ光５を出射することができる。
【００５６】
しかるに、非線形光学結晶２は屈折率分散を有しており、入力波長に応じて屈折率が異なることが知られている。このためフェムト秒レベル（例えば、１００ｆｓ以下）の超短パルスのレーザ光を非線形光学結晶２に入射させた場合、該非線形光学結晶２内でレーザ光は再び波長分散し、位相波形が広がる。したがって、たとえ断面形状が円形状乃至略円形状の光導波路を作製することができたとしても、導波路形状がテーパ状に拡がり、好ましくない。
【００５７】
図６は、非線形光学結晶２の屈折率分散の一例を示す図であり、横軸は波長、縦軸は屈折率である。
【００５８】
非線形光学結晶２は、３００〜１１００ｎｍの可視光〜近赤外領域では、この図６に示すように、波長が長くなると屈折率が小さくなり、波長が短くなると屈折率が大きくなる。
【００５９】
このように光の波長成分に応じて屈折率が異なることから回折角度が異なり、非線形光学結晶２内で再び波長成分毎に光路が分散する。そして、各波長成分毎に光路長が異なることとなるため、波長成分に応じて伝播状態も異なる。
【００６０】
すなわち、短波長成分の場合は屈折率が大きいので、長波長成分よりも伝播が遅くなり、一方、長波長成分の場合は屈折率が小さいので、短波長成分よりも伝播が遅くなり、その結果、同期した位相波形に「ずれ」が生じることとなる。
【００６１】
図７は屈折率分散により位相波形に「ずれ」が生じた場合の波形図であり、横軸が時間ｔ、縦軸はレーザ強度Ｉ、時間軸と逆方向が伝播方向Ｓを示している。
【００６２】
この図７のＡ部及びＡ′部に示すように、長波長成分が短波長成分に比べて先行して伝播し、一方短波長成分は長波長成分に比べて遅れて伝播するため、位相波形が広がり、包絡線１９に示すようにパルス幅は大きくなる。
【００６３】
しかも、この位相波形の広がりは、レーザ光５が非線形光学結晶２内を進行するに伴い、大きくなることからパルス幅の広がりが助長され、このため図８に示すように、光導波路３′がテーパ状に拡がってしまい、光導波路３′にクラック等の損傷が発生する原因にもなる。
【００６４】
そこで、本実施の形態では、非線形光学結晶２内では短波長成分の光が長波長成分の光よりも伝播が速くなるようにチャープを補正している。
【００６５】
尚、このように短波長成分が長波長成分よりも伝播が速くなるようなチャープ補正を負のチャープ補正といい、長波長成分が短波長成分よりも伝播が速くなるようなチャープ補正を正のチャープ補正という。したがって、本実施の形態では、負のチャープ補正を行い、これにより光導波路３がテーパ状に拡がるのを回避している。
【００６６】
そして、このような負のチャープ補正は、例えば第２のプリズム１３内の光路長を短波長成分１６が長波長成分１７よりも短くなるようにすればよく、レンズ収差等を考慮しつつ、最大離間距離Ｌを調整したり、プリズムの回転角度を調整することにより行うことができる。
【００６７】
図９は、負のチャープ補正をした場合のレーザ光の位相波形と導波路形状との関係を示す断面図である。（ａ）はレーザ光の位相波形を示し、各（ｉ）〜（ｖ）は、横軸が時間ｔ、縦軸がレーザ強度Ｉ、時間軸と逆方向が伝播方向Ｓを示している。また（ｂ）は導波路形状を示し、図（ａ）の（ｉ）〜（ｖ）が、図（ｂ）の各点（ｉ）〜（ｖ）に対応している。
【００６８】
（ｉ）では非線形光学結晶２の屈折率分散の影響により、Ｂ部及びＢ′部に示すように、長波長成分が短波長成分に先行して伝播し、短波長成分は長波長成分に比べて遅れて伝播している。そして、負のチャープ補正をしているので、（ii）ではＣ部及びＣ′部に示すように、長波長成分と短波長成分との伝播状態の差は小さくなり、（iii）では長波長成分と短波長成分との伝播状態はほぼ同一となってパルス幅も最小となっている。そして、（iv）ではＤ部及びＤ′部に示すように、短波長成分の伝播が長波長成分の伝播を追い越して短波長成分が長波長成分に先行し始めている。そして、（ｖ）ではＥ部及びＥ′部に示すように、短波長成分が長波長成分に完全に先行して伝播し、（ｉ）と略反対称の位相波形となる。
【００６９】
そして、このように負のチャープ補正を行うことにより、点（i）と点（ｖ）とではパルス幅が同一乃至略同一となり、点（iii）では点（ｉ）や点（ｖ）よりもパルス幅は小さくなり、結果として略円筒状の光導波路３を得ることができる。
【００７０】
尚、入射されるレーザ光のパルス幅は、光導波路３の両端部で導波路径が同一乃至略同一となるように、非線形光学結晶２の特性に応じて決定される。すなわち、パルス幅が大きすぎると、負のチャープ補正をしても、図８と同様、出射側のパルス幅が広がってしまい、このため導波路径３′がテーパ状に拡がるおそれがある。
【００７１】
一方、パルス幅が小さすぎると、負のチャープ補正をしても、図１０に示すように、出射側のパルス幅を入射側と同等にすることができなくなり、導波路径３″がテーパ状に狭くなってしまうおそれがある。
【００７２】
このようにパルス幅は、負のチャープ補正を行った場合に導波路径が光導波路３の両端部で同一乃至略同一となるように決定される。
【００７３】
また、本実施の形態では、フェムト秒レーザ４から出射される超短パルスのパルスエネルギーは、１．５μＪ以下に設定される。これは、パルスエネルギーが１．５μＪを超えると、熱エネルギーが大きくなって熱損傷を招くおそれがあるからである。ただし、パルスエネルギーが０．１μＪ未満になると、非線形光学結晶２に十分なエネルギーが付与されず、光導波路３を形成するのが困難となる。
【００７４】
また、繰り返し周波数は、集光位置Ｆがダメージを受けることなく所望の歪みを形成することができ、かつ所望の熱蓄積なされるように、所定の繰り返し周波数を設定する必要があり、好ましくは２００ｋＨｚ以上に設定される。
【００７５】
すなわち、繰り返し周波数が２００ｋＨｚ未満、例えば、非特許文献１のように１ｋＨｚと低い場合は、パルス形状は尖鋭でしかもレーザ強度Ｉは非常に大きくなるため、非線形光学結晶２は集光位置Ｆでの熱によるダメージを受けやすく、好ましくない。
【００７６】
尚、繰り返し周波数の上限は特に限定されるものではないが、実用的には８００ｋＨｚ以下が好ましい。
【００７７】
このように本実施の形態の光導波路の製造方法によれば、複数の波長成分のうち、短波長成分１６を長波長成分１７よりも非線形光学結晶２内での伝播が速くなるように、非線形光学結晶２の有する屈折率分散に基づいてチャープを補正し、レーザ光５を非線形光学結晶２の照射面２ａに対して垂直方向に最深部からＺ方向に走査し、非線形光学結晶２に光導波路３を形成するので、超短パルスの位相波形が広がるのを回避することができる。そしてこれにより光導波路が非線形光学結晶内でテーパ状に拡がることもなく、断面形状が円形状乃至略円形状の良好な導波路特性を有する光導波路を作製することが可能となる。
【００７８】
また、光導波路３の導波路径は、レーザ光５走査される非線形光学結晶２の両端部で略同一であるので、非線形光学結晶２の両端部でのパルス幅が略同一となるようにチャープ補正されることとなり、非線形光学結晶２内でテーパ状に拡がることのない良好な導波路特性を有する光導波路３を作製することができる。
【００７９】
また、非線形光学結晶２の両端部に集光するレーザ光５のパルス幅は、非線形光学結晶５の中央部に集光するレーザ光のパルス幅よりも大きいので、上述したように非線形光学結晶２内で短波長成分が長波長成分を追い越すような位相波形となり、略円筒状の導波路形状を有する光導波路３を作製することができる。
【００８０】
また、レーザ光が出射するパルスエネルギーは、１．５μＪ以下であるので、低エネルギーで光導波路を形成することができ、非線形光学結晶２が熱によりダメージを受けるのを極力回避することができる。
【００８１】
また、繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であるので、パルスの発生間隔が比較的長くなってレーザ項の照射による熱の緩和時間も長くなり、熱を効率良く蓄積させることが可能となる。
【００８２】
さらに、前記レーザ光５の出射源が、フェムト秒レーザであるので、レーザ光の射出条件を容易に制御することができ、Ｔｉ拡散法のような複雑な製造工程を要することなく、短時間で安価な製造コストでもって所望の光導波路を得ることができる。
【００８３】
尚、上記実施の形態では、レーザ光５を照射面２ａに対して垂直方向に照射しているが、水平方向に照射した場合はチャープ補正をしても上述したような円形状乃至略略円形状の光導波路を作製するのは困難である。その理由は以下のように推察される。
【００８４】
対物レンズ６から出射したレーザ光は、焦点に集光するが、集光した部分は「点」ではなく鼓状を形成するため、焦点におけるエネルギー分布も楕円形状を有すると考えられる。したがって、レーザ光に対して水平方向に走査する場合は、上述のようなチャープ補正をしても円形状乃至略円形状の光導波路を得ることができないばかりか、チャープ補正してパルス幅を広げた場合は、光導波路にクラックが生じるおそれがある。
【００８５】
したがって、水平方向に走査する場合は、１００ｆｓ以下の位相同期した超短パルスで２．０μＪ以上の大きなパルスエネルギーを負荷しないと光導波路を形成することができないものと考えられる。しかしながら、この場合は、〔発明が解決しようとする課題〕項でも述べたように、たとえ光導波路を形成できたとしても長孔乃至楕円形状の光導波路しか形成することができず、所望の良好な導波路特性を有する光導波路を形成することはできない。
【００８６】
図１１は、本発明に係る光学部品としての波長変換素子の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【００８７】
この波長変換素子２１は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶２２のＺ軸（光学軸）に対し垂直な方位に光導波路２３が形成されている。
【００８８】
分極反転構造は、強誘電性を有する非線形光学結晶２２の自発分極の方向を１８０°づつ交互に変換させたものであり、光閉じ込め性に優れているため反転周期長Λを選択することにより、広範囲の波長域で高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００８９】
したがって、第１の実施の形態で詳述した方法を周期分極反転構造を有する非線形光学結晶２１に適用して光導波路２３を作製することにより、光導波路２３の断面形状が円形状乃至略円形状であって光閉じ込め性が良好でエネルギー変換効率の高い波長変換素子を得ることができ、高効率にＳＨＧのレーザ光を得ることができる。
【００９０】
次に、この第２の実施の形態に係る光導波路２２の作製方法を、図１２及び図１３を参照しながら説明する。
【００９１】
図１２は、分極反転周期Λを有する非線形光学結晶２２の斜視図である。
【００９２】
この非線形光学結晶２２は、以下のように作製することができる。
【００９３】
すなわち、まず、Ｚ−カットされた非線形光学結晶を用意し、基本波波長（例えば、１０６４ｎｍ）に対し室温で位相整合するように、フォトリソグラフィー技術等を使用して所定周期（例えば、７μｍ）毎に分極反転用電極を形成する。そして、結晶の＋Ｚ面側にプラス、−Ｚ面側にマイナスの電位となるように高圧電源を接続し、結晶の抗電界を超える電圧を印加し、その後分極反転用電極を選択エッチングして除去し、これにより分極反転周期Λを有する非線形光学結晶２２が得られる。
【００９４】
次いで、図１３に示すように、レーザ光２４が非線形光学結晶２２の分極方向であるＺ軸と垂直な方位に照射されるように非線形光学結晶２２を光軸上に配する。そして負のチャープ補正がなされたレーザ光を非線形光学結晶２２のＺ軸に対し垂直方向の最深部を集光位置とし、非線形光学結晶２２を矢印Ｘ方向に移動させることによりレーザ光２４を走査する。そしてこれにより第１の実施の形態と同様、円形状乃至略円形状の光導波路２３を有する波長変換素子を得ることができる。
【００９５】
すなわち、本第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、負のチャープ補正を行っているので、光導波路２３はテーパ状に拡がることもなく、略円筒状となり、光導波路２３の断面形状が円形状乃至略円形状の波長変換素子を得ることができる。
【００９６】
しかも、非線形光学結晶２２は周期分極反転構造を有しているので、光閉じ込め性に優れ、広範囲の波長域で高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００９７】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では、超短パルスレーザとしてＴｉ：サファイア結晶をレーザ媒質としたフェムト秒レーザを使用しているが、超短パルスのレーザ光を出射できるものであればよく、例えば、超短パルスファイバーレーザを使用することもできる。
【００９８】
また、上記実施の形態では、パルス圧縮器１１をプリズム圧縮器で形成しているが、回折格子対、チャープ鏡、空間変調器等を使用してもよい。
【００９９】
また、上記各実施の形態では、レーザ光を最深部から表面方向に走査しているが、表面から深さ方向にレーザ光を走査してもよい。
【０１００】
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【０１０１】
〔試料の作製〕
上述した図３の製造装置を使用し、パルス圧縮器で負のチャープ補正を行い、光軸上に配されたｘ−カットＬＴ基板の最深部から表面方向にレーザ光を走査し、本発明の実施例試料を作製した。
【０１０２】
尚、フェムト秒レーザとしては、コヒーレント社製RegA9000で再生圧縮したＴｉサファイアモードロックレーザを使用した。
【０１０３】
レーザ光の照射条件、及び対物レンズの仕様は、以下の通りである。
【０１０４】
〈レーザ光の照射条件〉
パルス幅：２００ｆｓ
繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ
パルスエネルギー：０．８μＪ
走査速度：１００μｍ／ｓ
〈対物レンズの仕様〉
倍率：１０倍
開口数：０．３
次に、レーザ光の照射条件及び対物レンズの仕様を以下の通りにし、チャープ補正を行わずに、ｚ−カットＬＴ基板の基板表面から深さ５０μｍの位置に集光させて横方向（Ｘ軸方向）に走査し、比較例試料を作製した。尚、対物レンズの仕様は本発明試料と同様である。
【０１０５】
〈レーザ光の照射条件〉
パルス幅：６４ｆｓ
繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ
パルスエネルギー：２．０μＪ
走査速度：１００μｍ／ｓ
〈対物レンズの仕様〉
倍率：５０倍
開口数：０．８
〔試料の評価〕
図１４は光導波路特性評価装置を模式的に示した構成図である。
【０１０６】
この評価装置は、レーザ照射側にはレーザ光源３１を光軸３３ａ上に案内するミラー３４と、レーザ光源３１の出力を調整する減光フィルタ（ＮＤフィルタ）３５と、偏光方向を制御する半波長板３６と、半波長板３６から出力されたレーザ光を直線偏光に変換する偏光子３７と、偏光子３７から出力されたレーザ光の線幅を広げるエキスパンダ３８と、エキスパンダ３８から出力されたレーザ光を試料３２に集光させる対物レンズ３９とが順次配され、試料３２を介してレーザ照射側と対向する光軸３３ｂ上には、対物レンズ４０及びＣＣＤカメラ４１が配されている。
【０１０７】
そして、実施例試料及び比較例試料を試料３２の位置に配し、レーザ光源３１として波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用して試料３２にレーザ光を照射し、導波路確認を行った。
【０１０８】
図１５は実施例試料の光導波路の断面形状を示すＣＣＤ画像であり、図１６は比較例試料の光導波路の断面形状を示すＣＣＤ画像である。図中、白色部分が光導波している部分である。
【０１０９】
次いで、実施例試料及び比較例試料を透過偏光顕微鏡（以下、単に「顕微鏡」という。）で撮像し、断面形状を観察した。
【０１１０】
図１７は実施例試料の光導波路の断面形状を示す顕微鏡画像であり、図１８は比較例試料の光導波路の断面形状を示す顕微鏡画像である。
【０１１１】
図１６及ぶ図１８から明らかなように、比較例試料は、光導波路を作製することができたものの、断面形状が楕円形状になった。
【０１１２】
これに対し図１５及び図１７から明らかなように、実施例試料は、円形状乃至略円形状の光導波路を作製できることが分かった。
【実施例２】
【０１１３】
パルス幅を１００ｆｓ、２００ｆｓ、３００ｆｓに設定して光導波路を作製した以外は、実施例１の実施例試料と同様の方法・手順で試料Ｎｏ．１（１００ｆｓ）、試料Ｎｏ.（２００ｆｓ）、及び試料Ｎｏ．３（３００ｆｓ）の各実施例試料を作製した。
【０１１４】
次いで、実施例１と同様の評価装置（図１４参照）を使用し、各試料の出射側（以下、「Ａ面」という。）及び入射側（以下、「Ｂ面」という。）の双方から光導波を確認した。尚、この実施例２でも、実施例１と同様、レーザ光源として波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用した。
【０１１５】
図１９は試料Ｎｏ．１のＡ面側、図２０は試料Ｎｏ．１のＢ面側の各ＣＣＤ画像である。
【０１１６】
同様に、図２１は試料Ｎｏ．２のＡ面側、図２２は試料Ｎｏ．２のＢ面側、図２３は試料Ｎｏ．３のＡ面側、図２４は試料Ｎｏ．３のＢ面側を示している。
【０１１７】
試料Ｎｏ．１は、図１９及び図２０から明らかなように、出射側であるＡ面の断面形状が入射側であるＢ面の断面形状よりも大きく、したがって入射側から出射側に架けて光導波路がテーパ状に狭くなっていることが分かった。
【０１１８】
また、試料Ｎｏ．３は、図２３及び図２４から明らかなように、入射側であるＢ面の断面形状が出射側であるＡ面の断面形状よりも小さく、したがって入射側から出射側に架けて光導波路はテーパ状に拡がっていることが分かった。
【０１１９】
これに対し試料Ｎｏ．２は、図２１及び図２２から明らかなように、Ａ面側及びＢ面側の双方共、断面形状が略同一の円形形状を有する光導波路が得られた。これは実施例に使用したＬＴ基板の場合、２００ｆｓというパルス幅が、試料のＡ面とＢ面の双方において略同径となるように整合されたパルス幅であるためと思われる。
【実施例３】
【０１２０】
光導波路特性確認装置（図１４参照）でレーザ光源として波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザを使用し、実施例２の試料Ｎｏ．２の試料にレーザ光を照射した。
【０１２１】
図２５はそのＣＣＤ画像であり、波長５３２ｎｍのＳＨＧのレーザ光が発生することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
断面形状が非線形光学結晶の両端部で略同径の円形乃至略円形形状の光導波路を得ることができ、ＳＨＧのレーザ光に容易かつ高効率に変換できる波長変換素子を得ることができる。
【符号の説明】
【０１２３】
２  非線形光学結晶
２ａ  照射面
３  光導波路
４  フェムト秒レーザ
５  レーザ光
２２  非線形光学結晶
２３  光導波路
２４  レーザ光
【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２６】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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