(57)【要約】【課題】非線形光学結晶を使用した波長変換素子において、波長変換素子からの変換光出力が不安定になるのを防止する。【解決手段】基本光Ａを他の波長の光Ｂに変換する波長変換素子１Ａ、１Ｂを提供する。素子１Ａ、１Ｂは、非線形光学結晶の板状体からなり、一方の主面２ａおよび他方の主面２ｂを備える波長変換層２、および波長変換層２の一方の主面２ａに接合されている支持体３、３Ａを備えている。波長変換層２の他の支持体２ｂに他の支持体３Ｂを接合することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶の板状体からなり、一方の主面および他方の主面を備える波長変換層、およびこの波長変換層の前記一方の主面に接合されている支持体を備えていることを特徴とする、波長変換素子。
【請求項２】
前記他方の主面に接合されている他の支持体を備えていることを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記支持体を構成する材質の熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が、カリウムおよびリチウムを含むタングステンブロンズ構造を有する結晶であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
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およびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色光源デバイス等に好適に使用できる波長変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１において、疑似位相整合処理や高精度のドメイン制御を不要とした、光損傷の少ない第二高調波発生素子を提案した。この文献においては、マイクロ引き下げ法によって、ニオブ酸カリウムリチウムまたはタンタル置換ニオブ酸カリウムリチウムからなる単結晶基板を作製し、この上に基板と同種の材質からなる光導波路を作製している。
【特許文献１】特開平８−３３９００２号公報
【０００３】
また、ニオブ酸カリウムリチウムは、青色から緑色の波長領域で０．３ｃｍ−１以下の吸収係数を有するものが知られている（特許文献２、非特許文献１）。
【特許文献２】特開平８−３３３１９９号公報
【非特許文献１】Proceeding of International Symposiumon Laser and Nonlinear Optical  Materials, 1997, T8.4, M. Adachi et al
【０００４】
また、特許文献３において、非線形光学結晶からなる被加工基板を支持基板上に接着し、次いで被加工基板を機械加工することによって光導波路を形成することを開示した。この文献では、ニオブ酸リチウムからなる単結晶基板を使用し、光導波路を作製している。
【特許文献３】特開２００２−２５０９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ニオブ酸カリウムリチウム結晶を使用した第二高調波発生素子から青色光を発生させようとしたときに、基本波光源の出力を１Ｗ以上に上げると、青色光の出力が不安定になる場合があった。即ち、青色光を観察すると、光強度が強くなったり、弱くなったりする不定期のサイクルが繰り返されることを発見した。
【０００６】
また、前記ニオブ酸リチウム単結晶を使用した第二高調波発生素子においても、同様に、基本波光源の出力を５００ｍW以上に上げると、光強度が強くなったり、弱くなったりする不定期のサイクルが繰り返されることを発見した。
【０００７】
本発明の課題は、非線形光学結晶を使用した波長変換素子において、波長変換素子からの変換光出力（変換された波長の光の出力）が不安定になるのを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、非線形光学結晶の板状体からなり、一方の主面および他方の主面を備える波長変換層、および波長変換層の一方の主面に接合されている支持体を備えていることを特徴とする、波長変換素子に係るものである。
【０００９】
本発明者は、上述した変換光出力変動の原因について検討し、以下の知見を得た。以下、ニオブ酸カリウムリチウム結晶を使用した第二高調波発生素子から青色光を発生させる場合を中心として説明する。
【００１０】
ニオブ酸カリウムリチウム結晶には、青色光に対して僅かながら吸収が存在する。この結果、ニオブ酸カリウムリチウム結晶から発振された青色光の一部がこの素子内で吸収され、素子中に熱が発生する。ニオブ酸カリウムリチウム結晶における位相整合条件（位相整合波長）は、素子の温度によって変動する。このため、素子中に発生した熱によって素子の温度が上昇すると、位相整合波長が変化し、青色光の発振効率が低下し、出力が低下する。青色光の出力が低下すると、素子内で熱が発生しなくなり、素子の温度が低下する。すると、素子における位相整合波長が初期条件に戻り、青色光の発振効率が上昇し、素子からの青色光の出力が上昇する。このようなサイクルを繰り返すことにより、素子からの青色光の出力が変動し、不安定になるものと考えられる。
【００１１】
このような出力変動は、基本波の出力が低い場合には見いだされないので、従来は問題になってこなかったものと思われる。
【００１２】
本発明者は、この知見に基づき、非線形光学結晶板からなる波長変換層の主面に支持体を接合した。この結果、光の導波方向の熱的な均一性・安定性が増し、変換光出力が安定することを発見し、本発明に到達した。
【００１３】
また、非線形光学結晶板を支持体に接合することにより、波長変換素子としての強度が増すため、波長変換素子の取り扱いが容易になるという効果も得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
非線形光学結晶は、光の波長を変換する能力を有する限り特に限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ニオブ酸カリウム、チタニルリン酸カリウム、ホウ酸バリウム、ホウ酸リチウムが好ましい。非線形光学結晶中には、例えば耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができる。非線形光学結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、例えばレーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。また、非線形光学結晶中の１種以上の元素を、結晶構造が保持される範囲内で、他の元素に置換することも可能である。
【００１５】
非線形光学結晶の板状体の形状は、光の導波層として機能する限りは特に限定されない。具体的には、平板であってよく、あるいは湾曲した板であってよい。また、非線形光学結晶には、イオン交換、イオン拡散、機械加工などによって３次元導波路が形成されていてよく、形成されていなくてもよい。
【００１６】
板状体は、一方の主面および他方の主面を有する。主面とは、板状体のうち面積が相対的に大きい面のことである。
【００１７】
一実施形態においては、波長変換層の一方の主面に支持体が接合されており、他の主面には支持体が接合されていない。図１（ａ）の波長変換素子１Ａはこの実施形態に係るものである。この波長変換素子１Ａは、平板状の板状体からなる波長変換層２と、波長変換層に接合された支持体３を備えている。波長変換層を構成する板状体２は、一方の端面２ｃ、他方の端面２ｄ、一方の主面２ａおよび他方の主面２ｂを有する。一方の主面２ａには支持体３が接合されている。一方の端面２ｃに対して光を矢印Ａ方向に入射させると、他方の端面２ｄから変換光が出射する。３ａは接合面であり、３ｂは背面である。
【００１８】
ここで、波長変換層２に対して支持体３を接合したことによって、波長変換層２における温度変動が抑制され、光導波方向の熱的な均一性・安定性が向上する。この結果、変換光出力の変動が抑制されたものと考えられる。この結果として、従来の素子に比べて、変換光の出力変動を起こさないような入射光出力の上限値を高くできる。
【００１９】
好適な実施形態においては、他の支持体が板状体の他方の主面に接合されている。図１（ｂ）は、この実施形態に係る素子１Ｂを示す。本素子１Ｂにおいては、板状体２の一方の主面２ａに支持体３Ａが接合されており、板状体２の他方の主面２ｂに他の支持体３Ｂが接合されている。
【００２０】
このように、一対の支持体の間に波長変換層を挟むことによって、波長変換層の上下方向（厚さ方向）における熱的な分布を少なくできる。この結果、変換光の出力変動を起こさないような入射光出力の上限値を一層高くできる。
【００２１】
各支持体３Ａ、３Ｂの材質は特に限定されないが、以下を例示できる。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、ガラス
【００２２】
各支持体３Ａ、３Ｂを構成する材質の熱伝導率は、本発明の観点からは、０．１Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが好ましく、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが更に好ましい。
【００２３】
前記非線形光学結晶の熱膨張率Ｃと各支持体を構成する材質の熱膨張率Ｓとは、互いに近いことが好ましい。これによって、素子を室温以外の高温または低温環境下で使用する場合に、高調波の発振特性が安定であり、信頼性に優れる。この観点からは、非線形光学結晶の熱膨張率Ｃに対する各支持体材質の熱膨張率Ｓの比率（Ｓ／Ｃ）は、０．６〜１．４であることが好ましく、０．８５〜１．１５であることが更に好ましい。
【００２４】
各支持体の材質は、光の吸収を避けるという観点から、使用波長帯に対して透明であることが好ましいが、透明でなくてもよい。
【００２５】
各支持体の厚さや大きさは、支持体の材質、および使用する光源の出力に応じて適宜決定できる。また、支持体３Ａと３Ｂとの両方を設置する場合には、支持体３Ａの材質と支持体３Ｂの材質とは、同じであってよく、異なっていても良い。
【００２６】
非線形光学結晶からなる板状体２と支持体３Ａ、３Ｂとの接合方法は特に限定されない。両者を接着剤を用いて接合する場合には、接着剤としては以下を例示できる。
（１）有機系接着剤：例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂
（２）無機系接着剤：例えば低融点ガラス、水ガラス
【００２７】
また、板状体２と支持体３Ａ、３Ｂとの接合方法としては、拡散接合、圧着、オプティカルコンタクトを例示できる。
【００２８】
本発明の波長変換素子は、第二高調波発生素子に限定されず、第三、第四高調波発生素子及び和周波発生素子や差周波発生素子であってもよい。また、本発明の素子は、波長３９０ｎｍ−５４０ｎｍの領域の光を発生させる用途に特に適している。こうした短波長の光を発振する素子は、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【００２９】
波長変換素子には、更に、光導波層に入射する光の波長を固定するための反射グレーティング部と、光導波層の温度を制御する温度制御手段とを設けることができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＺカットのニオブ酸カリウムリチウム基板２を準備した。この基板はマイクロ引下げ法によって得られたものである。また、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ，厚さ１ｍｍのソーダガラス基板からなる支持体３を準備した。基板２と支持体３との各接合面を化学機械研磨し、平面度０．５μｍ以下とした。加熱硬化型の接着剤を使用し、両者を１５０℃で接着し、接着体サンプルＡを得た。基板２と支持体３との間の接着層の厚さは約０．５μｍとした。ダイサーによって接着体サンプルＡを切断し、長さ３．５ｍｍのチップを得、チップの両端面を光学研磨した。このチップを更にダイサーで切断することによって、幅２ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ３ｍｍの素子１Ａを得た。
【００３１】
この素子１Ａを用いて第二高調波を発生させた。基本波光源としては、波長９１４ｎｍのモードロック・チタンサファイアレーザーを使用した。ＮＡ＝０．２５、ワーキングディスタンス＝８．５ｍｍのレンズを用いて素子１Ａに集光した。位相整合は３０℃で行った。基本波光源の平均出力を３Ｗまで上げても、高調波出力に変動は見られず、安定して青色光（波長４５７ｎｍ）が発振された。
【００３２】
（実施例２）
実施例１における接着体サンプルＡにおいて、板状体２の非接合面２ｂを研磨し、厚さ１．３ｍｍの接着体サンプルＢを得た。この接着体サンプルＢの接合されていない主面２ｂ側に、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのソーダガラス基板３Ｂを、紫外線硬化型接着剤を用いて接着し、厚さ２．５ｍｍの素子１Ｂを得た。この紫外線硬化型接着剤の接着層の厚さは約５μｍとした。この素子１Ｂを使用し、実施例１と同様にして波長変換実験を行った。この結果、基本波光源の平均出力を１０Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して出力され、出力変動は見られなかった。
【００３３】
（実施例３）
実施例１と同様にして各素子を製造した。ただし、各素子が、−４０℃、０℃、６０℃、１００℃、１５０℃、２００℃の各温度において波長９１４ｎｍで位相整合するように、板状体２を構成するニオブ酸カリウムリチウム結晶の屈折率を調整した。次いで、各素子を、対応する各位相整合温度に保持し、実施例１と同様にして波長変換実験を行った。この結果、各素子において、基本波光源の平均出力を３Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して発振し、出力変動は観測されなかった。
【００３４】
（実施例４）
実施例２で製造した素子１Ｂを内部共振器中に設置し、青色光を発生させた。基本波光源の平均出力を１０Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して発振され、出力変動は観測されなかった。
【００３５】
（実施例５）
実施例１と同様にして素子１Ａを製造した。ただし、支持体３の材質は、ニオブ酸リチウム単結晶のＺカット基板とした。この素子１Ａについて、実施例１と同様にして波長変換実験を行った。この結果、基本波光源の出力を３Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して発振され、出力変動は観測されなかった。
【００３６】
（実施例６）
支持体３の材質として（１００）カットの酸化マグネシウム基板を用いた。これ以外は実施例１と同様にして素子１Ａを製造した。この素子１Ａについて、実施例１と同様にして波長変換実験を行った。この結果、基本波光源の出力を３Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して発振され、出力変動は観測されなかった。
【００３７】
（実施例7）
直径３インチ、厚さ０．５ｍｍのXカットのＭｇＯが５ｍｏｌ％添加されたニオブ酸リチウム基板２を準備した。基板２には周期分極反転構造を形成した。また、直径３インチ、厚さ１ｍｍのXカットのニオブ酸リチウムからなる支持体３Ａを準備した。加熱硬化型の接着剤を使用し、基板２と支持体３Ａを１５０℃で接着した。基板２と支持体３Ａとの間の接着層の厚さは約０．５μｍとした。板状体２の非接合面２ｂを研磨し、基板２の厚さが３μｍの接着体サンプルＢを得た。この接着体サンプルＢの接合されていない主面２ｂ側に、寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍのXカットのニオブ酸リチウム基板３Ｂを、加熱硬化型の接着剤を使用して１５０℃で接着し、素子１Ｂを得た。基板２と支持体３Ｂとの間の接着層の厚さは約０．５μｍとした。ダイサーによって接着体サンプルＢを切断し、幅２ｍｍ、長さ１０ｍｍのチップを得、チップの両端面を光学研磨し、素子１Ｂを得た。この素子１Ｂを使用し、実施例１と同様にして波長変換実験を行った。この結果、基本波光源の平均出力を１Ｗまで上げても、青色光（波長４５７ｎｍ）が安定して出力され、出力変動は見られなかった。
【００３８】
（比較例１）
縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＺカットのニオブ酸カリウムリチウム基板２を準備した。この基板はマイクロ引下げ法によって得られたものである。ダイサーによって基板２を切断し、長さ３．５ｍｍのチップを得、チップの両端面を光学研磨した。このチップを更にダイサーで切断することによって、幅２ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ０．５ｍｍの素子を得た。この素子には支持体３は接合されていない。
【００３９】
この素子を用いて、実施例１と同様にして第二高調波を発生させた。基本波光源の出力が１Ｗ以上になると、青色光（波長４５７ｎｍ）の出力が不定期に変動することが目視によって観測された。
【００４０】
以上述べたように、本発明によれば、非線形光学結晶を使用した波長変換素子において、波長変換素子からの変換光出力が不安定になるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１Ａを示す斜視図であり、板状体からなる波長変換層２に支持体３が接合されている。（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る波長変換素子１Ｂを示す斜視図であり、板状体からなる波長変換層２に支持体３Ａ、３Ｂが接合されている。
【符号の説明】
【００４２】
１Ａ、１Ｂ  波長変換素子        ２  非線形光学結晶からなる板状体        ２ａ  板状体２の一方の主面        ２ｂ  板状体２の他方の主面        ３、３Ａ  支持体        ３Ｂ  他の支持体        Ａ  入射光        Ｂ  変換光
【図１】
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