(57)【要約】【課題】  三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定できる方法を提供する。【解決手段】  励起光の光軸３を被測定試料１の回転対称軸（ｚ）に一致させ、且つ、励起光３の偏光方向４を被測定試料１の主軸の一つ（ｘ）に一致させて励起光２を被測定試料１に入射し、被測定試料１から発生する三次の非線形発光強度５を、被測定試料１の回転対称軸の回りの回転角０度と所定の回転角とでそれぞれ測定し、所定の回転角における測定値を回転角０度の測定値で正規化し、この正規化した値が１より大きいか小さいかによって、被測定試料の三次の光学非線形感受率の対角成分と非対角成分の間の相対強度が、位相遅延法から求める対角成分と非対角成分の間の相対位相から定まる一定値より大きいか小さいかを判定し、この判定により、位相遅延法から求める二つの、相対強度比の内の一方を選択して、被測定試料の三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定する。【選択図】  図１
2005337822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の光軸を被測定試料の回転対称軸に一致させ、且つ、励起光の偏光方向を被測定試料の主軸の一つに一致させて励起光を被測定試料に入射し、被測定試料から発生する三次の非線形発光強度を、被測定試料の回転対称軸の回りの回転角０度と所定の回転角とでそれぞれ測定し、所定の回転角における測定値を回転角０度の測定値で正規化し、この正規化した値が１より大きいか小さいかによって、被測定試料の三次の光学非線形感受率の対角成分と非対角成分の間の相対強度が、位相遅延法から求める上記対角成分と非対角成分の間の相対位相から定まる一定値より大きいか小さいかを判定し、この判定により、上記位相遅延法から求める二つの、上記相対強度比の内の一方を選択して、被測定試料の三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定することを特徴とする、三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法。
【請求項２】
前記所定の回転角は、前記被測定試料の回転対称軸が４回回転軸である場合に、ｎπ／２（但し、ｎは整数）を除く任意の角度であることを特徴とする、請求項１に記載の三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法。
【請求項３】
前記位相遅延法から求める被測定試料の三次の光学非線形感受率の対角成分と非対角成分の間の相対位相から定まる一定値は、前記被測定試料の回転対称軸が４回回転軸である場合に、上記一定値をｓ0 とし、前記相対位相をδとして、ｓ0 ＝｛−ｃｏｓδ＋（ｃｏｓδ＋３）0.5 ｝／３で定まる一定値であることを特徴とする、請求項１に記載の三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法。
【請求項４】
前記被測定試料の回転対称軸が４回回転軸である場合に、前記被測定試料から発生する三次の非線形発光強度を、回転角０°と回転角４５°の二点で測定することを特徴とする、請求項１に記載の三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信の高速化に伴い、光技術のますますの向上が望まれている。その中で、全光型のデバイスが必須技術である。全光型デバイスとは、ある光に対する光学応答（吸収、透過、反射、屈折など）を別の光によって制御するデバイスである。このようなデバイスを可能にするためには、大きな三次の光学非線形性を有する非線形光学材料が必要である。光学材料の三次の光学非線形性を評価するうえで、第三高調波発生法（ｔｈｉｒｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）は定量性に優れた標準的な方法となっている。この手法を用い、三次の光学非線形性を評価することにより、光学材料の電子状態を知ることができ、電子状態に立ち返って非線形光学材料の設計が可能になるため、有用な評価方法である。
三次の非線形感受率は、対角成分と非対角成分からなり、対角成分は従来からメーカーフリンジ（Ｍａｋｅｒ  ｆｒｉｎｇｅ）法等が知られ、測定方法が確立されている。しかし、非対角成分についての測定方法は未だ確立されておらず、従来方法として位相遅延法（非特許文献１参照）があるが、この方法は下記に説明するような課題があった。
【非特許文献１】Ａ．Ｂ．Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｐａｒｉｔｙ−Ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｒ2 ＣｕＯ2 Ｃｌ2   Ｒｅｖｅａｌｅｄ  ｂｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｈｉｒｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８７，Ｎｏ．１２，１２７００６−１〜１２７００６−４（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、位相遅延法による非対角成分の測定方法（非特許文献１参照）の課題を説明する。この方法は、図４に示すように、偏光方向４１が結晶ｘ軸又はｙ軸から４５°傾いたレーザー光４２を位相調整器（ｒｅｔａｒｄｅｒ）４３に入力し、レーザー光４２のｘ軸成分４４とｙ軸成分４５との間に位相遅延Δを加えて、被測定光学結晶４６に入射し、被測定光学結晶４６から発光する第三高調波のｘ軸成分強度Ｉx 、ｙ軸成分強度Ｉy を検光子４８及び光強度検出器４９により測定する。Δを種々変えて測定し、被測定光学結晶４６の三次の光学非線形感受率を求める。
【０００４】
光学結晶が４回回転対称軸を有する場合についてこの方法の原理を説明する。４回回転対称軸を有する結晶の三次の光学非線形感受率の独立な成分は、対角成分χxxxx(3) と、非対角成分χxxyy(3) である。Ｅx 、Ｅy をそれぞれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向の光電界とすれば、ｘ軸、ｙ軸方向の三次の分極Ｐx(３ω）、Ｐy(３ω) は次式（１）で表される（但し、ωはレーザー光の角周波数とする）。
【数１】
2005337822.tif 000003
ここで、χxxxx(3) を、強度κxx、位相αを用いて次式（２）で表す。
【数２】
2005337822.tif 000004
さらに、χxxxx(3) とχxxyy(3) の位相差δを次式（３）のように定義し、
【数３】
2005337822.tif 000005
同様に、χxxyy(3) を、強度κxy、位相βで表し、また、（３）式のδを使用して表すと次式（４）となる。
【数４】
2005337822.tif 000006
さらに、χxxxx(3) とχxxyy(3) の相対強度比ｓを次式（５）のように定義する。
【数５】
2005337822.tif 000007
さらに、χxxyy(3) を、（３）式、（４）式、（５）式を使用してχxxxx(3) で表すと次式（６）となる。
【数６】
2005337822.tif 000008
【０００５】
また、Ｅx 、Ｅy の共通部分をＥとし、図４に示した位相調整器４３によって、Ｅx とＥy の間に付加する位相遅延をΔとすると、（１）〜（６）式によって、（１）式のＰx(３ω）、Ｐy(３ω) は次式（７）で表される。
【数７】
2005337822.tif 000009
（７）式から、Ｐx(３ω）が最小になるのは、δ＋２Δ＝π、すなわち、Δ＝（π−δ）／２のときであり、また、Ｐy(３ω) が最小になるのは、２Δ−δ＝π、すなわち、Δ＝（π＋δ）／２であるから、図５に示すように、第三高調波のｘ軸成分強度Ｉx 、及び第三高調波のｙ軸成分強度Ｉy をΔの関数として測定し、Ｉx とＩy のそれぞれの最小値を与える位相遅延Δの差から、δが測定できる。
変数γ、θを次式（８）で定義する。
【数８】
2005337822.tif 000010
Ｉx は、γ、θを用いることにより、次式（９）で表される。
【数９】
2005337822.tif 000011
さらに、変数ａ，ｃを導入し、（９）式を次式（１０）のように表す。
【数１０】
2005337822.tif 000012
ａ，ｃを、測定値Ｉx のカーブ・フィティングによって求める。ａ、ｃとγの関係は次式（１１）で表される。
【数１１】
2005337822.tif 000013
この（１１）式から、γを解くと次式（１２）となる。
【数１２】
2005337822.tif 000014
【０００６】
従来方法は、（７）式に基づいて位相遅延Δの差から求めたδと、（１２）式のカーブ・フィティングで求めたγと、メーカーフリンジ法で測定したχxxxx(3) の絶対値κxxと位相αとから、（６）式を用いてχxxyy(3) を求めるものである。
【０００７】
しかしながら、（１２）式を、γを縦軸、ａを横軸としてグラフに表示すると、図６に示すように、γはａ＝ｃのときに１であり、ａ＜ｃでは二つの解が存在する。すなわち、ａ＜ｃの場合のｓは、ｓ＝γ／３＝κxy／κxx＞１／３、及び、κxy／κxx＜１／３の両方が可能であり、従って、χxxyy(3) の絶対値が決定できない。このため、従来は、κxy／κxx＞１／３であるか、κxy／κxx＜１／３であるかを理論的考察に基づいて、或いは他の特性の測定データを参考とすることにより、どちらか一方を選択してχxxyy(3) を決定せざるを得なかった。しかしながら、理論的考察が困難であったり、他の特性の測定データが参考にならない場合がほとんどである。
このように、従来の位相遅延法では、χxxyy(3) が決定できないと言う課題がある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定し得る方法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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の三次の光学非線形感受率の非対角成分の測定方法は、励起光の光軸を被測定試料の回転対称軸に一致させ、且つ、励起光の偏光方向を被測定試料の主軸の一つに一致させて励起光を被測定試料に入射し、被測定試料から発生する三次の非線形発光強度を、被測定試料の回転対称軸の回りの回転角０度と所定の回転角とでそれぞれ測定し、所定の回転角における測定値を回転角０度の測定値で正規化し、この正規化した値が１より大きいか小さいかによって、被測定試料の三次の光学非線形感受率の対角成分と非対角成分の間の相対強度が、位相遅延法から求める上記対角成分と非対角成分の間の相対位相から定まる一定値より大きいか小さいかを判定し、この判定により、上記位相遅延法から求める二つの、上記相対強度比の内の一方を選択して、被測定試料の三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定することを特徴とする。
ここで、上記所定の回転角とは、被測定試料の回転対称軸が４回回転軸である場合に、ｎπ／２（但し、ｎは整数）を除く任意の角度である。
位相遅延法から求める被測定試料の三次の光学非線形感受率の対角成分と非対角成分の間の相対位相から定まる一定値は、被測定試料の回転対称軸が４回回転軸である場合に、上記一定値をｓ0 とし、相対位相をδとして、ｓ0 ＝｛−ｃｏｓδ＋（ｃｏｓδ＋３）0.5 ｝／３で定まる一定値である。
この方法によれば、位相遅延法から定まる可能な二つの解の一方を、本発明の方法による測定値に基づいて選択することができる。従来は、理論的考察や他の特性の測定データを参考にして二つの可能な解の一方を選択していたが、本発明の方法によれば、測定値に基づいて、正しい強度比を決定できる。従って、三次の光学非線形感受率の非対角成分を正しく測定することが可能になる。
上記構成において、被測定試料から発生する三次の非線形発光強度を、回転角０°と回転角４５°の二点で測定し、この２点の測定値の大小関係から、位相遅延法から定まる二つの、対角成分と非対角成分の間の相対強度比の内の一方を選択してもよい。この方法によれば、極めて簡便、且つ、正確に、可能な相対強度比の内の一方を測定値に基づいて選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の方法は、上記の背景技術で説明した位相遅延法と下記に説明する試料回転法とを組み合わせて、三次の光学非線形感受率の非対角成分を測定するものである。
以下では４回転対称軸を有する光学結晶の場合を例にとって説明する。図１は、試料回転法を説明するための装置模式図である。図において、光学結晶１は、光学結晶１の結晶ｚ軸を、レーザー光２の光線軸３に一致させて配置し、レーザー光２の偏光方向４を光学結晶１の結晶ｘ軸方向に一致させる。この状態から、光学結晶１を光線軸３の回りに連続的に回転し、レーザー光２の照射によって光学結晶１から発生する第三高調波５の強度を、回転角φの関数として、光強度検出器５により測定する。この測定値から、三次の光学非線形感受率の非対角成分を以下のようにして測定する。
【００１１】
すなわち、任意の回転角φにおける、結晶ｘ軸方向の電界Ｅx 、結晶ｙ軸方向の電界Ｅy を、レーザー光２の電界Ｅ0 、及び回転角φで表すと次式（１３）となる。
【数１３】
2005337822.tif 000015
また、（３）式、（５）式で定義したｓ及びδを使用して、変数ｔを次式（１４）のように定義する。
【数１４】
2005337822.tif 000016
結晶ｘ軸方向の第三高調波の強度Ｉx は、（１）式、（３）式、（５）式、（１４）式から次式（１５）となる。
【数１５】
2005337822.tif 000017
同様に、結晶ｙ軸方向の第三高調波の強度Ｉy は次式（１６）となる。
【数１６】
2005337822.tif 000018
光強度検出器５が検出する第三高調波の強度Ｉは、（１５）式、（１６）式を用いて次式（１７）で表される。
【数１７】
2005337822.tif 000019
ところで、恒等式として次式（１８）が成り立つ。
【数１８】
2005337822.tif 000020
（１７）式の最後の式と（１８）式とを比べれば明らかなように、（１７）式の最後の式のｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数９ｓ2 ＋６ｓｃｏｓδが、次式（１９）を満足すれば、Ｉはφによらずに一定値Ｉc であることがわかる。
【数１９】
2005337822.tif 000021
Ｔを次式（２０）のように定義する。
【数２０】
2005337822.tif 000022
（１９）式はＴ＝０に相当する。Ｔ＝０を満たすｓをｓ0 とすれば、ｓ0 は次式（２１）で表される。
【数２１】
2005337822.tif 000023
Ｔはｓの２乗項の係数が正の２次関数であるので、ｓ＞ｓ0 でＴ＞０、ｓ＜ｓ0 でＴ＜０である。Ｔ＞０は、９ｓ2 ＋６ｓｃｏｓδ＞３を意味するから、ｓ＞ｓ0 であれば、（１７）式の最後の式におけるｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数が３より大きいことを意味する。同様に、Ｔ＜０は、９ｓ2 ＋６ｓｃｏｓδ＜３を意味するから、ｓ＜ｓ0 であれば、（１７）式の最後の式におけるｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数が３より小さいことを意味する。さらに（１７）式を次式（２２）のように書き直す。
【数２２】
2005337822.tif 000024
ここで、ΔＴは３からの偏差を表す。（２２）式から明らかなように、ΔＴが正であれば（２２）式の中括弧（｛  ｝）の値はφによらずに常に１より大きく、ΔＴが負であれφによらずに常に１より小さいことがわかる。ところで、（１７）式でφ＝０と置けば、（１７）式は次式（２３）となる。
【数２３】
2005337822.tif 000025
（２２）式を（２３）式で割れば、（２２）式の中括弧（｛  ｝）の式が得られ、この値が１より大きいか小さいかによって、ΔＴが正か負かがわかる、すなわち、（１７）式の最後の式におけるｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数が３より大きいか小さいかがわかる。
【００１２】
従って、図１を用いて説明したように、光学結晶１を光線軸３の回りに、π／２の整数倍を除く任意の角度回転し、レーザー光２の照射によって光学結晶１から発生する第三高調波５の強度Ｉを測定し、この測定値Ｉを回転角０°の測定強度で正規化し、この規格化した値が、１よりも大きければ、（１７）式の最後の式におけるｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数が３より大きく、従って、ｓ＞ｓ0 であることがわかる。また、この規格化した値が、１よりも小さければ、（１７）式の最後の式におけるｃｏｓ2 φ・ｓｉｎ2 φの項の係数が３より小さく、従って、ｓ＜ｓ0 であることがわかる。従って、本発明の方法によれば、ｓの範囲を特定する情報が得られるので、従来法で課題であった、ｓ＝κxy／κxx＞１／３の解、又は、ｓ＝κxy／κxx＜１／３の解の内の正しい解を選択できるようになる。
【００１３】
また、上記の解の選択は、（２２）式から明らかなように、φ＝４５°の測定値をφ＝０°の測定値で正規化し、その値が１より大きいか小さいかで判断すれば、簡便、且つ、精度良く選択することができる。
【実施例】
【００１４】
試料として、典型的な二次元銅酸化物であるＮｄ2 ＣｕＯ4 を用いた。この酸化物は４回回転対称軸対称性を有する結晶である。図２は従来の位相遅延法を用いて測定したδを示す図である。縦軸はＴＨＧ（第三高調波）強度を示し、横軸は位相調整器によって付け加えた相対位相Δを表し、●は結晶ｘ軸方向のＴＨＧ強度であり、○は結晶ｙ軸方向のＴＨＧ強度を示す。この測定結果からδ＝５９°であり、このδから、ｓ0 ＝０．４９であることがわかる。また、この測定結果のカーブ・フィティングから、ｓ＝０．７７か、Ｓ＝０．１５であることがわかった。
【００１５】
図３は、試料回転法による測定結果を示す図である。横軸は試料回転角φを示し、縦軸はφ＝０°のときのＴＨＧ強度で正規化したＴＨＧ強度である。図から、φ＝０°以外の点の規格化されたＴＨＧ強度が１より大きくなっているので、ｓ＞ｓ0 ＝０．４９であることがわかり、位相遅延法で求めた解ｓ＝０．７７、と０．１５のうち、ｓ＝０．７７を選択することができた。これにより、Ｎｄ2 ＣｕＯ4 の三次の非線形感受率の非対角成分χxxyy(3) を決定することができた。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
上記説明から理解されるように、本発明の方法によれば、三次の非線形感受率の非対角成分を決定することができるから、光学材料の非線形応答メカニズムを解明できるようになり、その結果、非線形光学応答に優れた光学材料の開発が可能になり、例えば、情報通信の高速化にともなって必要な全光型デバイスの実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の三次の非線形感受率の非対角成分を決定する方法を説明するための装置模式図である。
【図２】従来の位相遅延法を用いて測定したδを示す図である。
【図３】本発明の試料回転法による測定結果を示す図である。
【図４】位相遅延法による非対角成分の測定装置を模式的に示す図である。
【図５】位相遅延法による非対角成分の位相差δを測定する方法を示す図である。
【図６】位相遅延法では対角成分と非対角成分の強度比を一義的に決定できないことを説明する図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  光学結晶
２  レーザー光
３  光軸
４  偏光方向
５  第三高調波
６  光強度検出器
４１  偏光方向
４２  レーザー光
４３  位相調整器
４４  ｘ軸成分
４５  ｙ軸成分
４６  光学結晶
４７  第三高調波
４８  検光子
４９  光強度検出器
【図１】
2005337822.tif 000026
【図２】
2005337822.tif 000027
【図３】
2005337822.tif 000028
【図４】
2005337822.tif 000029
【図５】
2005337822.tif 000030
【図６】
2005337822.tif 000031