(57)【要約】【課題】従来、極端に薄い膜状の張り合わせや多数のものを積層することなどは困難であったり、また、三角形にプリズム材料を切り出し、研磨するには専用の冶具が必要であったとする問題点を解決する。【解決手段】単結晶からなり、分極方向が異なることにより屈折率が互いに異なる少なくとも２つの領域が形成されており、２つの領域の界面を光路が貫通することにより光の出力方向を波長により分離することを特徴とする光制御素子である。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶からなり、分極方向が異なることにより屈折率が互いに異なる少なくとも２つの領域が形成されており、２つの領域の界面を光路が貫通することにより光の出力方向を波長により分離することを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
単結晶からなり、分極方向が異なることにより屈折率が互いに異なる少なくとも２つの領域が形成されており、２つの領域の界面を光路が貫通することにより光の出力方向を偏光により分離することを特徴とする光制御素子。
【請求項３】
前記２つの分極領域の分極方向のなす角が６０°、９０°、または１２０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記単結晶の対称性が斜方晶であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項５】
前記単結晶として、ＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用したことを特徴とする請求項４に記載の光学制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属するの技術分野】
本発明は、レーザの部品光学部品などに用いられるプリズムおよび偏光ビームスプリッタなどの光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ビームを制御する光学素子として、偏光素子、反射素子等の光学部品が使用されている。これらの素子は光学部品の張り合わせもしくは光学多層膜のコーテイング等で構成されている。
【０００３】
従来の偏光ビームスプリッタの構成を図２に示す。偏光ビームスプリッタは三角状のプリズム片側に光学多層膜６５を蒸着し、２つのプリズム６１、６２をＵＶ接着剤６６等で張り合わせることにより構成されている。
【０００４】
光学多層膜６５の蒸着物質としては一般にＴｉＯ２／ＳｉＯ２の組み合わせが多く利用されているが、これらはＵＶ照射により接着剤６６を硬化させる際に接着剤６６がＵＶを吸収し、吸収した点を熱源となりプリズムの吸収点を発生しやすいことが知られている。（「光学設計とシュミレーションソフトの上手な使い方」オプトロニクス社編：１９９９年：オプトロニクス社）また接着層が存在するため、強い光を入射した場合には蒸着物質が急激な劣化を示し、また長期の安定性に欠けるといった問題がある。
【０００５】
また、グラントムソンプリズム、グランテーラプリズム等の偏光素子は、結晶の複屈折率を利用した偏光素子として知られているが、２つの結晶素子を張り合わせ、貼り付け界面の前後で、屈折率に変化がでるように結晶方位を選んでいる。
これらのプリズムの材料は高価であるとともに精密な研磨接着が必用でコストが高く、その使用は理化学用途にかぎられていた。
【０００６】
また、波長分離素子としては、波長により複屈折の大きさが異なる水晶などを用いた三角プリズムが使用されている。
【０００７】
従来の三角プリズムの場合においても、プリズム材料が高価であり、かつ切り出し面が平行でないため研磨が難しく専用の冶具を必要とする
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
２つの結晶素子を張り合わせることは、張り合わせる面の平坦度、清浄度が高度に要求され、また、張り合わせの方法が接着剤や拡散接合、光学コンタクトなどの手段に限られ、極端に薄い膜状の張り合わせや多数のものを積層することなどは困難であった。また、三角形にプリズム材料を切り出し、研磨するには専用の冶具を必要としていた。
本発明は、これらの問題を解決する光学素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単結晶からなり、分極方向が異なることにより屈折率が互いに異なる少なくとも２つの領域が形成されており、２つの領域の界面を光路が貫通することにより光の出力方向を波長により分離することを特徴とする光制御素子である。
【００１０】
また本発明は、単結晶からなり、分極方向が異なることにより屈折率が互いに異なる少なくとも２つの領域が形成されており、２つの領域の界面を光路が貫通することにより光の出力方向を偏光により分離することを特徴とする光制御素子である。
【００１１】
また本発明は、前記２つの分極領域の分極方向のなす角が６０°、９０°、または１２０°であることを特徴とする光制御素子である。
また本発明は、前記単結晶の対称性が斜方晶であることを特徴とする光制御素子である。
また本発明は、前記単結晶として、ＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用したことを特徴とする光学制御素子である。
【００１２】
本発明による光制御素子は、基本的には強誘電体基板とその基板の中に作製された１８０°以外の分極ドメイン壁（９０°分極壁、６０°分極壁、または１２０°ドメイン壁）のみで構成される非常にシンプルなものである。
【００１３】
本発明によれば結晶方位そのものを分極方位の部分的制御により実現し、例えば、光の伝播にともなって、屈折率が位置により変化するような結晶材料や素子または全体もしくは部分的な積層体を提供できる。
【００１４】
強誘電体基板中に９０°分極領域などを形成することにより、境界部に非常にシャープな分極壁が形成され、前記分極壁を光が通過する際に、偏光方向により透過特性が異なり、さらに、波長により透過角度が異なることがわかった。
【００１５】
この性質を利用することにより、偏光分離素子、および波長分波器として機能することができるようになった。
【００１６】
光学材料に電界を加えて分極反転操作を行い分極反転させることが出来ることは報告されている。例えば、三方晶系の強誘電体であるＬｉＮｂＯ３を用い、自発分極の方向を１８０度反転させ、ＳＨＧ素子として利用する例が（Ｊ．Ｅ，Ｍｙｅｒｓ　ｅｔａｌ．，　Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ；　ｖｏｌ．１２，　Ｎｏ．１１，　２１０２，　１９９５）に記載されている図２に従来の分極反転方法を示す。
【００１７】
ＬｉＮｂＯ３結晶のｚカットウエハーの＋ｚ側に周期的電極５２を作製し、フォトレジスト５３による絶縁層をその上に形成する。
【００１８】
Ｏリング５１内に液体電極５４を満たし電界を−ｚ方向に印加することにより電極部のみ周期的に１８０°分極反転を形成することが出来る。
【００１９】
ＬｉＮｂＯ３にＭｇＯをドープした試料（Ｍ．Ｎａｋａｍｕｒａ　ｅｔａｌ．；　Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３８，Ｌ−１２３４，１９９９）やＫＮｂＯ３結晶についても同様な方法で１８０°分極反転構造が形成できることが報告されている。（Ｊ．Ｐ．Ｍｅｙｎ　ｅｔａｌ．；Ｏｐｔｉｃｓ　　Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ２４，Ｎｏ．１６，１１５４，１９９９）
このような先行技術は主に、自発分極を１８０度反転させることにより、非線形常数ｄの符号が反転することを利用して、高調波を発生させるもととなる分極波の符号を周期的に反転するものである。基本波と高調波の相対的位相差を補正し、高調波が打ち消すことなく、加算されるように、自発分極の１８０度反転した領域を配置して擬似位相整合を達成することを目的にしている。
【００２０】
しかしながらこの場合には、屈折率楕円体は分極軸方向対して対称であるため、１８０度分極反転層の界面に光が入射した場合、入射角度によらず各分域の屈折率は同じであるため、反射屈折等の光の制御を行うことは出来ない。
【００２１】
本発明は結晶方位そのものを１８０°以外の分極反転操作を行うことにより実現、結晶材料の自身の中に屈折率の異なる状態を実現し、光の屈折、反射等を制御する素子を実現する物である。
【００２２】
【発明の実施形態】
（実施例１）
偏光分離素子としての機能について、斜方晶系に属するＫＮｂＯ３を例にとり説明する。ＫＮｂＯ３の室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝５．６８８、ｂ＝３．９７１、ｃ＝５．７１４、波長６３３ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２８０１、ｎｂ＝２．３２９６、ｎｃ＝２．１６８７である。
【００２３】
自発分極軸はｃ軸である。図３に示すようにａ軸に垂直に基板３を切り出し、ａ面の両面にｂ軸と平行に電極１，２を作製する。両電極間に直流電界を印加することにより、図４に示すように９０°分極領域２０を作製することができた。
【００２４】
前記電界の印加方法は、電極１、２のいずれにプラス電界を印加してもよい。具体的には、電極１にプラスを印加した場合に形成される９０°分極領域２０は図４（ａ）のように、電極２にプラスを印加した場合に形成される９０°分極領域２０は図４（ｂ）のようになった。印加する電界の強度は約２５０Ｖ／ｍｍであった。
【００２５】
また、ここではａ軸に垂直な基板３を取り上げたが、図５に示すように、ａ軸からｃ軸方向への回転角度をαとすると、０°≦α≦４５°の範囲で傾けた面で切り出し試料に対しても、切り出し面に設けた電極１、２に電界印加することにより、図４と同様な９０°分極領域２０を作製することができる。
【００２６】
このようにして作製した素子に対して、図６に示すように、ｂ軸に垂直な面内において、無偏光の光を切り出し面から入射する場合を考える。このとき、光の入射方向と切り出し面の垂線とのなす角をθｉｎとする。また、光の出射方向と切り出し面の垂線とのなす角をθｏｕｔとする。図６（ａ）に示すｂ軸と平行な偏光を持つ光の入射を考える。ｂ軸と平行な方向に偏光した光は領域１０を通り、領域２０を通過する。その際、領域１０と領域２０で、感じる屈折率の大きさはどちらもｎｂであるため、領域１０と領域２０での波面法線ベクトル１１，２１の方向は変わらない。そのため光は領域１０と領域２０との境界部を直進する。その結果、光は領域２０から出射する際、入射時の屈折条件と等価なためθｏｕｔ−θｉｎ＝０となる。
【００２７】
次に図６（ｂ）に示すｂ軸と垂直な偏光を持つ光の入射を考える。ｂ軸と垂直な偏光を持つｂ軸と平行な方向に偏光した光は領域１０を通り、領域２０を通過する。その際、領域１０と領域２０で、感じる屈折率の大きさが異なる。そのため、領域１０と領域２０との界面で大きな屈折が生じ、領域１０と領域２０での波面法線ベクトル２１が大きく変わる。その結果、光は領域２０から出射する際、入射時の屈折条件と異なるため、θｏｕｔ−θｉｎ≠０となる。実際に、波長５３３ｎｍの光に対して算出したθｏｕｔ−θｉｎのθｉｎ依存性を図７に示す。
【００２８】
波長５３２ｎｍの緑色光に対して、実際に光を入射した。その結果、θｉｎ＝０°の時、ｂ軸と平行な偏光を持つ光はθｏｕｔ−θｉｎ＝０であったのに対し、ｂ軸と垂直な偏光を持つ光はθｏｕｔ−θｉｎ＝７°であり、計算通り偏光分離が可能であることを確認できた。
【００２９】
（実施例２）
波長分波器としての機能について、斜方晶系に属するＫＮｂＯ３を例にとり説明する。ＫＮｂＯ３の室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝５．６８８、ｂ＝３．９７１、ｃ＝５．７１４、波長６３３ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２８０１、ｎｂ＝２．３２９６、ｎｃ＝２．１６８７である。
【００３０】
自発分極軸はｃ軸である。実施例１と同様に、図３に示すようにａ軸に垂直に基板３を切り出し、ａ面の両面にｂ軸と平行に電極１，２を作製する。両電極間に直流電界を印加することにより、図４に示すように９０°分極構造を作製することができた。
【００３１】
次に図６（ｂ）に示すｂ軸と垂直な偏光を持つ光の入射を考える。ｂ軸と垂直な偏光を持つｂ軸と平行な方向に偏光した光は領域１０を通り、領域２０を通過する。その際、領域１０と領域２０で、感じる屈折率の大きさが異なる。そのため、領域１０と領域２０との分極壁１５で大きな屈折が生じ、領域１０と領域２０での波面法線ベクトル１１、２１が大きく異なる。ただし、実際に観測される光はビームウォークオフの影響により、直進して観測される。波面法線ベクトル２１が領域１０と領域２０で異なる結果、光は領域２０から出射する際、入射時の屈折条件と異なるため、θｏｕｔ−θｉｎ≠０となる。θｏｕｔ−θｉｎの大きさは屈折率に依存し、また波長により材料の屈折率が異なることから、波長分波器として機能することが予測される。ここで、波長４３３ｎｍ、５３３ｎｍ、６３３ｎｍの光に対して算出したθｏｕｔ−θｉｎのθｉｎ依存性を図８に示す。
【００３２】
いずれの波長に対してもθｏｕｔ−θｉｎ≠０であり、約６〜８°である。さらに、波長４３３ｎｍと波長６３３ｎｍに対するθｏｕｔ−θｉｎの大きさは、図９に示すように約１．３°異なり、０°≦θｉｎ≦３０°でほぼ一定あることがわかる。
【００３３】
実際に波長４３３ｎｍ、５３３ｎｍ、６３３ｎｍの光を入射した。その結果、θｉｎ＝０の時、ほぼ計算通り、θｏｕｔ−θｉｎは約６〜８°であり、４３３ｎｍと６３３ｎｍの光に対してはθｏｕｔ−θｉｎが約１．３°異なり、波長分波器として機能していることが確認できた。さらに、４３３ｎｍと６３３ｎｍの光に対するθｏｕｔ−θｉｎは、θｉｎによらずほぼ一定であることが確認できた。このことから、本発明による波長分波器はアライメントが非常に用意であることが推察できる。
【００３４】
以上の説明は９０°分極構造を取り上げて説明したが、６０°分極構造１２０°分極構造についても同様に偏光分離素子、波長分波器として機能することは言うまでもない。
【００３５】
以上の説明は主にＫＮｂＯ３結晶を例に説明したが、２軸性結晶で斜方晶結晶であるＫＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４、二軸性結晶で正方晶であるＢａＴｉＯ３などにも適用できることは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、従来は張り合わせでしか実現できなかった性質を持つ素子や、三角形など特殊な形状に切り出さなければ実現できなかった素子を、容易に製造でき、実用上かつ産業上効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の偏光ビームスプリッタの図である。
【図２】従来の分極反転構造の図である。
【図３】本発明の９０°分極構造を作製する基板構造と電極構造の一例を模式的に示した図である。
【図４】本発明の９０°分極構造の一例を模式的に示した図である。（ａ）は電極１に正電界を印加した場合に得られる構造の一例、（ｂ）は電極２に正電界を印加した場合に得られる構造の一例を示した図である。
【図５】９０°分極構造を作製する基板構造と電極構造の一例を模式的に示した図である。
【図６】本発明の光制御素子に入射した光の波面方線ベクトルを模式的に示した図である。（ａ）はｂ軸と平行な偏光成分を持つ光を考えた場合、（ｂ）はｂ軸と垂直方向の偏光成分を持つ光を考えた場合について示した図である。
【図７】波長５３３ｎｍの光のθｉｎとθｏｕｔ−θｉｎとの関係を示した図である。
【図８】波長４３３ｎｍ、５３３ｎｍ、６３３ｎｍの光のθｉｎとθｏｕｔ−θｉｎとの関係を示した図である。
【図９】θｏｕｔ−θｉｎの大きさの波長６３３ｎｍと４３３ｎｍとの差と、θｉｎとの関係を示した図である。
【符号の説明】
１、２電極
３　基板
１０領域１０
１１領域１０における波面法線ベクトルの方向
１５　分極壁
２０領域２０
２１領域２０における波面法線ベクトルの方向
５１　Ｏリング
５２電極
５３絶縁層
５４液体電極
６１，６２　　プリズム
６５光学多層膜
６６ＵＶ接着剤
図１．
図３
図６
【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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