(57)【要約】  交互極性を備える周期的に分極された領域２０、３０を持つ非線形光学結晶１０を有する波長変換装置１００を提案する。前記装置１００は、前記装置の軸Xに沿った前記分極された領域の周期４１、４２が、前記軸に対して垂直な方向Yにおいて変化することを特徴とする。本発明は、分極周期が所与の温度に対応するという洞察に基づいている。従って、前記波長変換装置において或る方向に沿って異なる分極周期を設けることで、有利には、その方向に沿った前記装置の位置を、温度と相関させることが可能になる。
2011520149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互極性を備える周期的に分極された領域を持つ非線形光学結晶を有する波長変換装置であって、前記装置の軸に沿った前記分極された領域の周期が、前記軸に対して垂直な方向において変化することを特徴とする波長変換装置。 
【請求項２】
前記非線形光学結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、三ホウ酸リチウム、チタンリン酸カリウム、ニオブ酸カリウム、βホウ酸バリウム、ルビジウムチタニルヒ酸塩から成るグループから選ばれる材料を有する請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の波長変換装置を有するレーザ。 
【請求項４】
前記レーザにおける、光ビームに対する波長変換装置の位置が、前記軸に対して垂直な前記方向に沿って調節可能であるよう構成される請求項３に記載のレーザ。
【請求項５】
前記レーザが、取付台を更に有し、前記波長変換装置が、前記波長変換装置の位置の調節を可能にするよう前記取付台に組み付けられる請求項４に記載のレーザ。 
【請求項６】
前記取付台が、前記波長変換装置を前記方向に沿って移動させることによる前記波長変換装置の温度変化の自動補償を介した変換効率の最大化を可能にする、較正された熱膨張を持つよう構成される請求項５に記載のレーザ。
【請求項７】
前記取付台が、変換効率の最大化を可能にする、長さの制御可能な電気素子を有する請求項５に記載のレーザ。
【請求項８】
前記レーザが、拡張キャビティレーザのように構成され、前記波長変換装置が、前記拡張キャビティ内に配設される請求項４に記載のレーザ。
【請求項９】
前記波長変換装置が、内部キャビティ素子のように構成される請求項４に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記波長変換装置が、基本波レーザ波長の第二高調波を生成するよう構成される請求項４に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記波長変換装置が、シグナル及びアイドラー出力をパラメトリックに生成するよう構成される請求項４に記載のレーザ。
【請求項１２】
交互極性を持つ周期的に分極された領域を持つ非線形光学結晶を有する波長変換装置の変換効率を安定化する方法であって、 
前記装置の軸に沿った前記分極された領域の周期を、前記軸に対して垂直な方向において変化するよう設けるステップと、
前記軸に対して垂直な前記方向に沿って前記波長変換装置の位置を調節するステップとを有する方法。
【請求項１３】
前記波長変換装置を取付台に組み付けるステップと、
前記波長変換装置を前記方向に沿って移動させることによる前記波長変換装置の温度変化の自動補償を介した前記変換効率の最大化を可能にする、較正された熱膨張を持つよう、前記取付台を構成するステップとを更に有する請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交互極性を備える周期的に分極された領域を持つ非線形光学結晶を有する波長変換装置に関する。更に、本発明は、このような波長変換装置を有するレーザに関する。更に、本発明は、このような装置の変換効率を安定させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の種類の波長変換装置及びレーザの実施例は、米国特許第US5787102号から既知である。この文献は、交互極性を備える、即ち、非線形光学係数の符号を逆にする領域を持つ周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶を利用する非線形光学装置を開示している。非線形光学材料のばらつきは、基本波で見られる屈折率n1が、発生第二高調波光で見られる屈折率n3と異なることを意味する。結果として、（波長λを備える）基本波は、材料内を、第二高調波とは別の速度で進む。この異なる速度により、所謂コヒーレンス長Lc=λ/4*(n3-n1)において、発生光と基本波との間に、πの位相シフトが存在し、相殺的干渉をもたらす。（擬似位相整合としても知られている）この周期的極性調整は、コヒーレンス長ごとにπの付加的な位相シフトを導入することで、第二高調波光の相殺的干渉を防止する。それ故、それは、発生第二高調波パワーのエネルギの増強を可能にする。最大限の効果のために、分極領域の周期の半分は、コヒーレンス長に等しい。従って、２つの波が、第一コヒーレンス長／領域の先頭において同位相である場合には、それらは、第二コヒーレンス長／領域の先頭において、ちょうど位相を異にするであろう。しかしながら、第二領域の材料の極性を逆にすることで、２つの波の位相は再び同期させられ、効率的に、或る波から他の波への累積的エネルギ伝達を可能にする。
【０００３】
しかしながら、非線形光学材料の温度感度が、米国特許第US5787102号に記載の解決策の明らかな限界を形成する。波長変換装置における温度変化は、結晶材料の屈折率を著しく変え、従って、コヒーレンス長を著しく変える。これは、変換効率のかなりの低下をもたらす。温度感度の問題は、古典的には、例えば抵抗加熱オーブンを利用することにより、温度安定化した環境内に非線形結晶を配置することによって解決されている。この解決策は、限定的な効果しか示さず、且つ／又は小型固体半導体レーザのために実施するのが困難である。
【０００４】
従って、低い温度感度を示す波長変換装置（及びこのような装置を利用するレーザ）に対する明らかなニーズがある。更に、温度変化の補償を介して変換効率の安定化を可能にすることが可能になるこのような装置（及びレーザ）に対する明らかなニーズがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記のニーズの少なくとも１つを或る程度満たす上記の種類の波長変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第一の態様によれば、交互極性を備える周期的に分極された領域を持つ非線形光学結晶を有する波長変換装置であって、前記装置の軸（X）に沿った前記分極された領域の周期が、前記軸に対して垂直な方向（Y）において変化することを特徴とする波長変換装置で、本発明の目的を達成する。
【０００７】
本発明は、分極周期が所与の温度に対応するという洞察に基づいている。従って、前記波長変換装置において或る方向に沿って異なる分極周期を設けることで、有利には、その方向に沿った前記装置の位置を、温度と相関させることが可能になる。 
【０００８】
変化する分極周期を備える波長変換装置は、米国特許第US6726763号から既知である。この文献は、交互極性を持つ複数のドメインを備える非線形結晶を開示している。しかしながら、前記分極周期は、本発明とは対照的に、集束光学信号の位相整合の一様ではないチャーピングを供給するように、（光が前記結晶を通って伝搬する方向を規定する）軸（X）に沿って変化するよう構成される。前記非線形結晶の長さに沿った前記分極周期のチャーピングは、異なる入出力波長セットが、前記結晶の異なる部分で擬似位相整合されることを可能にし、斯くして、そのスペクトル受け入れを増大させる。前記結晶の幅に沿った前記分極周期のチャーピングは、対照的に、前記結晶の前記軸（X）に対して垂直な前記方向（Y）における前記結晶の調節を介して、異なる温度における入出力波長セットの位相整合を可能にする。
【０００９】
或る実施例においては、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム（LN）、タンタル酸リチウム（LT）、三ホウ酸リチウム（LBO）、チタンリン酸カリウム（KTP）、ニオブ酸カリウム（KN）、βホウ酸バリウム（BBO）、ルビジウムチタニルヒ酸塩（RTA）から成るグループから選ばれる材料を有する。前記材料は、高い非線形分極性を示し、経済的に、単一の結晶として製造される。
【００１０】
第二の態様によれば、本発明は、本発明の波長変換装置を有するレーザを提供する。
【００１１】
或る実施例においては、前記レーザにおける、光ビームに対する波長変換装置の位置が、前記軸（X）に対して垂直な前記方向（Y）に沿って調節可能であるよう構成される。有利には、これは、前記装置の温度変化の補償を可能にし、従って、前記変換効率の安定化を可能にする。
【００１２】
或る実施例においては、前記レーザは、取付台を更に有し、前記波長変換装置は、前記波長変換装置の位置の調節を可能にするよう前記取付台に組み付けられる。或る実施例においては、前記取付台は、前記波長変換装置を前記方向（Y）に沿って移動させることによる前記波長変換装置の温度変化の自動補償を介した前記変換効率の安定化を可能にする、較正された熱膨張を持つよう構成される。或る実施例においては、前記取付台は、前記変換効率の最大化を可能にする、長さの制御可能な電気素子を有する。
【００１３】
或る実施例においては、前記レーザは、拡張キャビティレーザのように構成され、前記波長変換装置は、前記拡張キャビティ内に配設される。別の実施例においては、前記波長変換装置は、内部キャビティ素子のように構成される。
【００１４】
或る実施例においては、前記波長変換装置は、基本波レーザ波長の第二高調波を生成するよう構成される。別の実施例においては、前記波長変換装置は、シグナル及びアイドラー出力をパラメトリックに生成するよう構成される。 
【００１５】
第三の態様によれば、本発明は、交互極性を備える周期的に分極された領域を持つ非線形光学結晶を有する波長変換装置の変換効率を安定化する方法であって、（ｉ）前記装置の軸（X）に沿った前記分極された領域の周期を、前記軸に対して垂直な方向（Y）において変化するよう設けるステップと、（ｉｉ）前記軸（X）に対して垂直な前記方向（Y）に沿って前記波長変換装置の位置を調節するステップとを有する方法を提供する。
【００１６】
或る実施例においては、前記方法は、（ｉｉｉ）前記波長変換装置を取付台に組み付けるステップと、（ｉｖ）前記波長変換装置を前記方向（Y）に沿って移動させることによる前記波長変換装置の温度変化の自動補償を介した前記変換効率の最大化を可能にする、較正された熱膨張を持つよう、前記取付台を構成するステップとを更に有する。
【００１７】
下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。
【００１８】
図面と関連する例示的な好ましい実施例の以下の記載において、本発明の更なる詳細、特徴及び利点を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による波長変換装置を概略的に示す。
【図２】本発明による波長変換装置を有するレーザの実施例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
二次非線形効果は、通常、相対的に弱いが、それらを、実用的なアプリケーションに適したパワーレベルにおける周波数変換処理を生成するのに用いることは、可能である。和周波混合及び差周波混合（ＳＦＭ、ＤＦＭ）においては、非線形媒質を通って進む２つの入力フォトンは、加算又は減算されて、より高い又はより低いエネルギ、即ち、ω3=ω1±ω2の１つのフォトンになる。ω1=ω2=ωであり、ω3=2ωである場合、非線形感受率は、第二高調波発生（ＳＨＧ）をもたらす。他のタイプの非線形処理、下方変換又は光パラメトリック発生（ＯＰＧ）は、１つの入力フォトンで始まり、より低いエネルギの２つのフォトンをもたらす。２つの発生波長は、シグナル及びアイドラーと呼ばれ、それらのうちのシグナルは、最も短いものである。発生フィールドの一方又は両方を共振させることによって効率を高めるのにキャビティが用いられる場合、装置は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）と呼ばれる。
【００２１】
三波非線形処理においては、相互に作用する波の間の位相不整合がゼロに等しい場合に、最大出力パワーレベルが得られる。第二高調波発生を考慮すると、基本光波は、位相速度c/n(ω)で進み、発生波、第二高調波は、位相速度c/n(2ω)で伝搬する。従って、駆動分極及び生成フィールドは、互いに対して位相が一致したりずれたりするであろう。従って、波は非線形媒質を通って伝搬するので、位相整合なしには、生成フィールドの蓄積エネルギは発振するであろう。基本波と発生波との間で最大エネルギ伝達が生じる距離は、相互作用のコヒーレンス長と呼ばれ、Lc=π/Δkであり、ここで、Δk=k3-2k1=2π(n3/λ3-2n1/λ1)=4π(n3-n1)/λ1である。Δk=0である場合、相互作用は位相整合され、非線形媒質に沿った各ポイントにおいて生成される第二高調波への寄与は、結晶に沿った１つおきのポイントにおいて生成される寄与と同調することになる。従って、第二高調波フィールドは、結晶における距離と線形に成長し、その強度は、二次関数的に成長する。 
【００２２】
結晶の非線形分極特性を空間的に変調することによる、相互に作用する光ビームの擬似位相整合（即ち、周期的極性調整）は、光ビームが建設的に相互に作用し得るよく知られている技術である。結晶の第二ドメイン／領域の分極を逆にすることで、第一ドメイン／領域の端から端まで通過する際に累積する、相互に作用する波の間の位相不整合は正される。しかしながら、非線形分極特性の温度依存性が、周期的極性調整による擬似位相整合の効果を深刻に制限する。結晶温度は変化するので、領域通過時の相互に作用する波の間の累積位相不整合は、次の領域を渡るときに波で見られる1/2波位相シフトによって（完全には）補償されない。それ故、温度変化は、発生波による準最適パワー増強をもたらす。
【００２３】
本発明は、周期的に分極された非線形光学結晶の温度変化と関連する位相整合問題を改善する方法及び装置を提供する。図１は、本発明による波長変換装置１００を概略的に示している。装置は、（動作中）光ビーム１に結晶の軸（X）に沿って結晶を通過させるよう構成される非線形光学結晶１０を有する。結晶は、結晶の長さにわたって（各々、「上向き」矢印及び「下向き」矢印によって示されているような）交互極性を備える周期的に分極された領域２０、３０を持つ。古典的な方法は、分極された領域２０、３０を、結晶１０の軸（X）に対して垂直な向きにするが、本発明の概念は、波長変換装置１００の領域２０、３０を、軸（X）に対して斜めにする。結果として、分極された領域の、装置の軸（X）に沿った周期４１、４２は、軸に対して垂直な方向（Y）において変化する。従って、結晶１０の幅にわたって、一方の側における分極周期４１は、他方の側における分極周期４２より長い。結晶材料の非線形光学パラメータの温度に対する高い感度のため、特定の分極周期４１、４２は、各々、所定の温度T1、T2に対応する。従って、結晶１０が温度T1を持つ場合、光ビーム１は、好ましくは、相互に作用する光波の間の位相整合を保証し、従って、累積的エネルギ伝達を保証するよう、幅位置Y1において結晶を通過するであろう。同様に、温度T2においては、光ビーム１は、好ましくは、幅位置Y2において軸（X）に沿って結晶１０を通過するであろう。それ故、或る実施例においては、レーザ２００（図２参照）は、波長変換装置１００の位置を有する。別の実施例においては、レーザ２００における、光ビーム１に対する波長変換装置１００の位置は、軸（X）に対して垂直な方向（Y）に沿って調整可能であるよう構成される。この相対的な再配置を達成するため、波長変換装置１００を平行移動させる一方で、光ビーム１は、固定されたままにされ得る。あるいは、結晶１０の位置を固定し、光学的に光ビーム１の向きを変えることで、同じ結果が達成される。
【００２４】
ニオブ酸リチウム（LN、LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LT、LiTaO3）及びチタンリン酸カリウム(KTP、KTiOPO4)などの強誘電非線形材料の（強誘電体ドメインエンジニアリングとしても既知の）周期的極性調整を介して擬似位相整合された結晶１０を生成する幾つかの技術が存在する。これらの強誘電材料は、それらのキュリー温度より下で、結晶の単位セル内での電荷分離の結果として、自発電気分極Pを呈する。この電荷分離が、結晶の極性軸（Z）を規定する。強誘電体ドメインエンジニアリングにおいては、結晶１０の少なくとも１つの側部に微細構造電極を配置する（通常、反対側の側部は同種の電極を得る）ことで、極性軸（Z）に沿って強い電界を選択的に印加することが可能になる。従って、電極の構造が、結果として生じる分極ドメイン又は分極された領域２０、３０の位置及び形状を規定する。一般に、分極周期は、5μmと50μmとの間の値を持つ。 
【００２５】
強誘電性ドメインを生成する別の技術は、（ｉ）電子ビーム誘起空間変調電荷蓄積、（ｉｉ）空間変調イオンインプリメンテーション（例えば、LN内のTi）、及び（ｉｉｉ）空間変調要素外方拡散又は交換（例えば、LiO外方拡散型LN、及びKTP内のRb/Kイオン交換）を含む。第一の技術は、相対的に時間がかかり、電場誘起極性調整より低い再現性を呈するが、後の２つの技術は、周期的に分極された導波構造によく適した相対的に浅いドメイン反転領域をもたらす。これらの化学的パターン形成技術及び均一な電場の印加の組み合わせは、パターン化電極技術からよく知られている縁を成すフィールドで誘起されるドメインの不規則性をも改善し得る。 
【００２６】
図２に目を向けると、図２は、本発明による波長変換装置１００を有するレーザ２００の実施例を概略的に示している。レーザ２００は、利得媒質２１０と、後部反射器２２０と、出力カプラ２３０とを有する。利得媒質２１０は、Nd:YAG又はTi:サファイアなどの固体材料を含み得る。他の例においては、利得媒質２１０は、HeNe、Ar、CO2又はエキシマーなどのガスを含み得る。更に他の例においては、利得媒質２１０は、InGaN、AlInGaP又はGaAsなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含み得る。或る実施例においては、波長変換装置１００は、内部キャビティ素子であり、その場合には、後部反射器２１０及び出力カプラ２３０が、レーザキャビティ又は共振器を形成する。別の実施例においては、レーザ２００は、拡張キャビティレーザのように構成され、波長変換装置１００は、拡張キャビティ内に配設される。例として、レーザ２００は、後部のブラッグ反射器と前部の部分反射鏡とを備える面発光半導体利得チップをベースにした垂直外部共振器面発光半導体レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を含み得る。この実施例においては、半導体利得チップに対して外部に位置する出力カプラ２３０が、共振器を完成させる。 
【００２７】
図２Ａ、Ｂ及びＣは、各々、温度T1、T2及びT3における変換効率を最適化するよう調節された波長変換装置１００の位置を備えるレーザ２００を示している。或る実施例においては、レーザ２００において、軸（X）に対して垂直な方向（Y）における、光ビーム１に対する波長変換装置１００の位置を調節するために、波長変換装置は、取付台３００に組み付けられる。 
【００２８】
或る実施例においては、取付台は、圧電素子などの長さの制御可能な電気素子を有する。有利には、これは、レーザのアクティブ制御が、波長変換装置１００の変換効率を安定化することを可能にする。この目的のため、レーザは、例えば、波長変換装置１００の温度測定、又は変換光波、即ち、第二高調波若しくはシグナル波のパワー測定に基づく、適切なフィードバック手段を更に有する。 
【００２９】
別の実施例においては、取付台は、較正された熱膨張を持つよう較正される。有利には、これは、波長変換装置（１００）を方向（Y）に沿って移動させることによる波長変換装置（１００）の温度変化の自動補償を介した、変換効率の安定化を可能にする。
【００３０】
上記の実施例を参照して本発明を説明したが、同じ目的を達成するのに別の実施例が用いられてもよいことは明らかであろう。それ故、本発明の範囲は上記の実施例に限定されない。従って、本発明の精神及び範囲は、請求項及びそれらの同等物によってしか限定されるべきではない。    
【図１】
2011520149.tif 000003
【図２】
2011520149.tif 000004
【国際調査報告】
2011520149.tif 000005
2011520149.tif 000006
2011520149.tif 000007