(57)【要約】【課題】電気光学素子から出力される偏向された光ビームのビーム形状の歪を抑制して、良好な強度分布を有する光ビームを出力することができる光ビーム走査装置を提供する。【解決手段】レーザ光発生源３から出力される走査ビームａの波長よりも短い波長のポンプ光ｂを電気光学結晶基板８内に入射させるポンプ光光源４を設け、レーザ光発生源３から走査ビームａを出力させる際に、ポンプ光光源４から出力されたポンプ光ｂを、電気光学結晶基板８内の走査ビームａが伝播する領域に入射させる。【選択図】図１
2013061454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光ビームを出射する光ビーム光源と、電気光学材料からなる電気光学結晶基板の両側に電極が配置された電気光学素子とを備え、
前記各電極間に印加される電圧に応じて前記電気光学結晶基板に形成された屈折率変調領域の屈折率を変化させることにより、前記光ビーム光源から前記電気光学結晶基板に前記光ビームを入射させ、該電気光学結晶基板内を伝播する光ビームに対して所望の偏向角を与えて出射端面から外部へ出力する光ビーム走査装置において、
前記光ビームの波長よりも短い波長のポンプ光を前記電気光学結晶基板内に入射させるポンプ光光源を設け、
前記ポンプ光光源から出射された前記ポンプ光を、前記電気光学結晶基板内の前記光ビームが伝播する領域に入射させることを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項２】
前記光ビームと前記ポンプ光は、前記電気光学結晶基板の入射端面から出射端面側に向けて前記電気光学結晶基板内を伝播され、
前記電気光学結晶基板の前記出射端面の下流側に、前記光ビームと前記ポンプ光とを分離し、前記光ビームのみを外部へ出力させ、かつ前記ポンプ光が外部へ出力されないようにする光分離手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ビーム走査装置。
【請求項３】
前記電気光学結晶基板内を伝播する前記ポンプ光の断面積は、前記電気光学結晶基板内を伝播する前記光ビームのビーム径よりも大きくなるように設定され、かつ前記ポンプ光の光強度は前記光ビームの光強度よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビーム走査装置。
【請求項４】
前記光ビームの偏光方向と前記ポンプ光の偏光方向は互いに直交していることを特徴とする請求項２または３に記載の光ビーム走査装置。
【請求項５】
前記光分離手段は、前記電気光学結晶基板の前記出射端面から出射された前記ポンプ光を前記出射端面側へ反射させる反射面を有し、
前記反射面で反射された前記ポンプ光を、前記出射端面から前記電気光学結晶基板内へ伝播させることを特徴とする請求項２または３に記載の光ビーム走査装置。
【請求項６】
前記ポンプ光は、前記光ビームが前記電気光学結晶基板に入射される方向に対して直交する方向から前記電気光学結晶基板に入射され、
前記電気光学結晶基板に入射される前記ポンプ光のビーム幅を、前記光ビームが前記電気光学結晶基板内を伝播する方向に沿った前記電気光学結晶基板の全長よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の光ビーム走査装置。
【請求項７】
前記各電極を透明な材料で形成し、
前記ポンプ光を、一方の前記電極側から該電極を透過させて前記電気光学結晶基板に入射させることを特徴とする請求項１に記載の光ビーム走査装置。
【請求項８】
前記電気光学素子の前記電気光学結晶基板と前記各電極との間に、透明な材料で、かつ前記電気光学材料よりも屈折率の小さい材料からなるクラッド層を設けて光導波路を形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光ビーム走査装置。
【請求項９】
前記電気光学結晶基板の前記出射端面と反対側に位置する入射端面側の前記クラッド層が設けられた面に回折格子を配置するととともに、前記ポンプ光光源を前記回折格子の斜め前方側に配置し、
前記ポンプ光光源から出射されたポンプ光を、前記回折格子で回折させることで前記電気光学結晶基板内に入射させることを特徴とする請求項８項に記載の光ビーム走査装置。
【請求項１０】
前記電気光学材料は、マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムであり、前記屈折率変調領域は、複数の三角形状のプリズムを並べたような分極反転領域であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光ビーム走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビーム偏向素子（以下、「光偏向素子」という）として電気光学効果を有する電気光学素子を用いた光ビーム走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばレーザプリンタやレーザ加工装置などに用いられる光ビーム走査装置には、半導体レーザなどのレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光の進行方向を偏向する光偏向素子を備えている。光偏向素子として従来から一般的に用いられているものとしては、回転ポリゴンミラーやガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーのような光ビームの反射角を制御して光走査を行うものが知られている。
【０００３】
ところで、近年、より高速に光ビームを走査することが可能な技術として、電気光学効果（Electro-Optical：ＥＯ効果）による光学材料の屈折率変化を利用した電気光学素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記特許文献１には、三角形等に形成された分極反転ドメインを設けた強誘電体基板の両面に電極が配置された電気光学素子が開示されており、電極間への電圧印加によって分極反転ドメインが屈折率変化を起こすことで、通過する光ビームを偏向させることができる。
【０００５】
上記電気光学効果を有する電気光学素子の動作原理について、図１３および図１４を参照して説明する。なお、図１３（ａ），（ｂ）は、電極を三角形状とした電気光学素子であり、図１４（ａ），（ｂ）は、電気光学材料からなる電気光学結晶基板に三角プリズム形状の分極反転領域を有している電気光学素子である。
【０００６】
なお、図１３、図１４において、Ｘ軸方向はレーザ光の偏向方向、Ｙ軸方向は電気光学素子への電圧印加方向、Ｚ軸方向はレーザ光の伝播方向である。
【０００７】
図１３（ａ），（ｂ）に示した電気光学素子は、電気光学材料からなる電気光学結晶基板１００の両面に電極１０１ａ，１０１ｂがそれぞれ配置されている。電極１０１ａ，１０１ｂは、連続した三角形状部１０１ｃを有している。
【０００８】
そして、電圧源１０２から電極１０１ａ，１０１ｂ間に電圧を印加すると、その間の電気光学結晶基板１００の分極軸（図１３（ａ）の符号Ａ）に平行な電界が形成される。符号Ａは分極軸の向きを示している。電気光学結晶基板１００の電界が形成された領域は電気光学効果によりその屈折率が変化する。ポッケルス効果による屈折率変化を利用する場合、電気光学結晶基板１００の屈折率変化量Δｎは、下記の式（１）で表される。
【０００９】
【数１】
2013061454.tif 000003
【００１０】
式（１）において、ｎは電気光学結晶基板１００（電気光学材料）の屈折率、rijは電気光学定数（ポッケルス定数）、Vは印加電圧、ｄは電気光学結晶基板１００の厚み（結晶厚）である。
【００１１】
そして、電気光学結晶基板１００の入射端面にレーザ光ａを入力し、電圧源１０２から電極１０１ａ，１０１ｂ間に電圧を印加することによって、屈折率変化領域も三角形状となり、それぞれが光ビームに対してプリズム部として機能する。すなわち、屈折率変化領域を伝播するにしたがって光ビームは偏向角を与えられる。
【００１２】
そして、電気光学結晶基板１００の出射面から出力されるレーザ光（光ビーム）ａの偏向角θは、電気光学結晶基板１００（電気光学材料）の屈折率変化量に比例し、以下の式（２）で表される。
【００１３】
【数２】
2013061454.tif 000004
【００１４】
式（２）において、Lはプリズム部全体（三角形状部１０１ｃ全体）の長さ（図１３（ａ）参照）、Dはプリズム部（三角形状部１０１ｃ）の幅（図１３（ａ）参照）である。
【００１５】
従って、電気光学素子への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角θにレーザ光ａを出力させることが可能である。
【００１６】
また、電気光学材料からなる電気光学結晶基板は、一般的にその分極軸を制御することが可能である。よって、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、電気光学材料からなる電気光学結晶基板１００に複数の三角形状のプリズム部を並べたような分極反転領域１００ａを持たせる。そして、この分極反転領域１００ａ全体を覆うように電気光学結晶基板１００の両面に配置された各電極層１０１ａ，１０１ｂを通じて電気光学結晶基板１００に電圧を印加することによって、電気光学結晶基板１００に三角形状の屈折率変化領域を作りだすことができる。
【００１７】
よって、電気光学結晶基板１００の屈折率変化領域（分極反転領域１００ａ）とその他の領域で屈折率変化方向が異なることから、電気光学結晶基板１００の内部に複数の三角形状のプリズム部を有する構造が得られる。図１４（ａ）において、符号Ａ１，Ａ２は分極軸の向きを示している。
【００１８】
そして、電気光学結晶基板１００の入射端面にレーザ光ａを入力し、電圧源１０２から電極１０１ａ，１０１ｂ間に電圧を印加することによって、電気光学結晶基板１００の三角形状の屈折率変化領域を伝播光ビーム伝播するにしたがって伝播光ビームは偏向角を与えられる。そして、電気光学結晶基板１００の出射端面から偏向したレーザ光ａが出力される。
【００１９】
このように、分極反転領域１００ａでの分極反転による屈折率変化方向の反転により、屈折率変化量は図１３（ａ），（ｂ）に示した三角形状部の電極を有する電気光学素子の構成に対して２倍となる。よって、電気光学結晶基板１００の出射端面から出力されるレーザ光（光ブーム）ａの偏向角θは、以下の式（３）で表される。
【００２０】
【数３】
2013061454.tif 000005
【００２１】
式（３）において、Lはプリズム部全体（分極反転領域１００ａ全体）の長さ（図１４（ａ）参照）、Dはプリズム部（分極反転領域１００ａ）の幅（図１４（ａ）参照）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところで、電気光学素子の電気光学結晶基板を形成する電気光学材料に対して、一般的に知られている問題点としてフォトリフラクション（光損傷）がある。これは材料に高エネルギーの光が照射されると、その光ビームのビーム形状が大きく乱される現象である。フォトリフラクションの原因としては、光エネルギー励起によって材料内部に発生した自由電子がドリフトし、材料内にランダムな内部電界が形成されることと、この自由電子による内部電界が電気光学効果によって材料内部に不規則な屈折率変化を引き起こすことが考えられている。
【００２３】
上記のフォトリフラクションの問題を解決するために、材料の組成を最適化することが試みられている。例えば一般的な電気光学材料および非線形光学材料としてニオブ酸リチウムがあるが、この材料はフォトリフラクション耐性が低く、波長変換素子としてグリーンレーザのような短波長のレーザビーム出力に対応するために、マグネシウム等の金属をドーピングしている。マグネシウムを最適量ドープすることによって材料の導電率を高めることで、光によって励起された電子のドリフト速度が上がり、材料内に均一な電子の分布が形成されるようになると考えられている。
【００２４】
従って、光ビーム走査装置に光偏向素子として電気光学素子（電気光学光偏向素子）を使用した場合においても、走査するレーザ光の光強度に応じてフォトリフラクション耐性に優れた電気光学材料を使用することが有効である。
【００２５】
ここで、図１４（ａ），（ｂ）に示したような電気光学素子の電気光学結晶基板（電気光学材料）に印加される電圧（電界強度）と、そのときに偏向角の関係を評価した。
【００２６】
電気光学結晶基板（電気光学材料）としてニオブ酸リチウム結晶を想定し、屈折率n＝２．２、電気光学定数rij＝３０．８pm/Vとする。
【００２７】
また、素子構造として、電気光学結晶基板（電気光学材料）の厚さｄ＝３００μｍ、プリズム部の幅D＝１ｍｍ、プリズム部全体の長さL＝２０ｍｍとした場合に、上記の式（１）および式（２）より印加電圧Ｖと偏向角θの関係を計算すると、１．６kVｐｐの電圧を印加した場合に、出力光ビームの偏向角（走査角）は１度、８．０kVｐｐの電圧を印加した場合に、出力光ビームの偏向角（走査角）は５度となる。そして、電気光学結晶基板（電気光学材料）の内部に形成される電界強度は、それぞれ２．７kV/mm、３．３kV/mmとなり、極めて大きな電界が結晶内部に形成されることになる。
【００２８】
ところで、従来から電気光学効果の応用として実用化されている光位相変調器や光強度変調器では、このような大きな電界は必要なく、例えば光強度変調器における結晶内部に形成される電界強度は、０．１ｋV/mm程度である。
【００２９】
したがって、電気光学材料に極めて高電界を形成して動作させることは、光ビーム走査装置に用いる電気光学素子特有のものである。本願発明者は電気光学素子を備えた光ビーム走査装置を実際に製作および評価したことで、高電界形成時特有の下記のような問題点を見出した。
【００３０】
即ち、フォトリフラクション耐性を高めるために、マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムを電気光学材料として用いた電気光学素子において、電圧を印加した際に素子内部を伝播する光ビームプロファイルが大きく乱れるという問題が確認された。
【００３１】
上記の問題が発生する原因として、電気光学素子に電界を形成した際に、電気光学結晶基板（電気光学材料）内部に過剰な自由電荷が発生してドリフトすることでランダムな電界が形成され、材料の屈折率が不均一な分布を持つことが考えられる。この自由電荷が発生する要因は、二通り考えられる。
【００３２】
一つは、電圧印加によって外部から電極を通して電荷が電気光学結晶基板（電気光学材料）内部に注入されることが考えられる。外部から注入された電子または正孔は自由電荷として結晶内部を動き、結晶内部に形成された電界分布を乱す。
【００３３】
もう一つは材料内に存在するドナーサイトやアクセプタサイト、不純物準位等の欠陥準位にトラップされていた電荷が電圧印加によって励起され、自由電子として振舞うことが考えられる。いずれにしても電圧印加によって発生した自由電荷によって、電気光学結晶基板（電気光学材料）内部に局所的な電界が発生し、本来材料に形成されていた電界分布を乱す。
【００３４】
上記の理由により、電気光学素子を用いた光ビーム走査装置において、電気光学素子から出力される光ビームのビーム形状が歪んでしまうという問題があった。なお、前記特許文献１に記載されているような、三角形等に形成された分極反転ドメインを設けた強誘電体基板の両面に電極が配置された電気光学素子を用いた場合でも、出力される光ビームのビーム形状の歪を抑制することはできなかった。
【００３５】
更に、このビーム形状歪みは、一定時間以上所定の偏向角を維持する直流動作の際に顕著に現れる。これは、常に同じ極性で電圧印加が継続するためである。電気光学効果を利用した電気光学素子（光偏向素子）の特徴であるランダムアクセスを利用する場合、直流動作時でのビーム歪みが発生しないことが前提となる。しかしながら、上記ビーム歪みによって、ランダムアクセスを利用したときのビーム歪みが解消できず、光ビーム走査装置の走査性能を著しく低減させるという問題があった。
【００３６】
そこで、本発明は、電気光学素子から出力される偏向された光ビームのビーム形状の歪を抑制して、良好な強度分布を有する光ビームを出力することができる光ビーム走査装置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】
【００３７】
前記目的を達成するために本発明に係る光ビーム走査装置は、所定波長の光ビームを出射する光ビーム光源と、電気光学材料からなる電気光学結晶基板の両側に電極が配置された電気光学素子とを備え、前記各電極間に印加される電圧に応じて前記電気光学結晶基板に形成された屈折率変調領域の屈折率を変化させることにより、前記光ビーム光源から前記電気光学結晶基板に前記光ビームを入射させ、該電気光学結晶基板内を伝播する光ビームに対して所望の偏向角を与えて出射端面から外部へ出力する光ビーム走査装置において、前記光ビームの波長よりも短い波長のポンプ光を前記電気光学結晶基板内に入射させるポンプ光光源を設け、前記ポンプ光光源から出射された前記ポンプ光を、前記電気光学結晶基板内の前記光ビームが伝播する領域に入射させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る光ビーム走査装置によれば、ポンプ光光源から出射されたポンプ光を、電気光学結晶基板内の光ビームが伝播する領域に入射させることにより、電気光学結晶基板内の光ビームが伝播する領域の電界分布が乱されることなく、電気光学素子から出力される光ビームのビーム形状歪みを抑制することができる。よって、ビーム形状歪みのない光ビームによって良好な光ビーム走査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図レンズ鏡筒を示す概略断面図。
【図２】（ａ）は、実施形態１に係る光ビーム走査装置の電気光学素子内を伝播する走査ビームとポンプ光の形状を模式的に示した図、（ｂ）は、この光ビーム走査装置の電気光学素子の一部を示す概略側面図。
【図３】ポンプ光と走査ビームの光強度の関係を示した図。
【図４】本発明の実施形態２に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態３に係る光ビーム走査装置の要部構成を示す概略側面図、（ｂ）は、この光ビーム走査装置の要部構成を示す概略平面図。
【図６】本発明の実施形態４に係る光ビーム走査装置の要部構成を示す概略側面図。
【図７】本発明の実施形態５に係る光ビーム走査装置の要部構成を示す概略側面図。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態６に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図。
【図９】本発明の実施形態７に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図。
【図１０】（ａ）は、本発明の実施形態８に係る光ビーム走査装置の電気光学素子の走査ビーム入射面側を示す図、（ｂ）は、本実施形態に係る光ビーム走査装置の電気光学素子の一部を示す概略側面図。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施形態９に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、それぞれ実施形態９の変形例に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図。
【図１３】電気光学効果を有する電気光学素子の動作原理を示す図。
【図１４】電気光学効果を有する電気光学素子の動作原理を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００４１】
〈実施形態１〉
図１（ａ）は、本発明の実施形態１に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、図１（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図である。
【００４２】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る光ビーム走査装置１は、筐体２内に、レーザ光を発生するレーザ光発生源３、ポンプ光を発生するポンプ光発生源４、光偏向素子としての電気光学素子５、光コンバイナ６、および光分離素子７を主用構成部材として備えている。なお、本実施形態では、レーザ光発生源３から出力されたレーザ光が平行ビームして出射される光を走査ビームａという。
【００４３】
なお、図１（ａ），（ｂ）において、Ｘ軸方向は走査ビームａの偏向方向、Ｙ軸方向は電気光学素子５への電圧印加方向、Ｚ軸方向は走査ビームａの光伝播方向である。以下の図面においても同様である。
【００４４】
レーザ光発生源３は、半導体レーザとコリーメントレンズ等で構成されており、所定波長のレーザ光（走査ビームａ）を出力する。ポンプ光発生源４は、半導体レーザとコリーメントレンズ等で構成されており、所定波長のポンプ光ｂを走査ビームａの出射方向と直交する方向へ出力する。
【００４５】
電気光学素子５は、電気光学材料からなる電気光学結晶基板８の両面に電極９ａ，９ｂが対向するようして配置された周知の構成である。電気光学結晶基板８は、複数の三角形状のプリズムを並べたような屈折率変化領域としての分極反転領域８ａが形成されており、この分極反転領域８ａ全体を覆うように電気光学結晶基板８の両面に電極９ａ，９ｂが配置されている。そして、電極９ａ，９ｂ間に電圧源１０から電圧を印加することによって、電気光学効果により電気光学結晶基板８の分極反転領域８ａ（屈折率変化領域）の屈折率を変化させることができる。
【００４６】
電気光学結晶基板８を構成する電気光学材料として、本実施形態ではマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム（以下、「Mg−LN」という）を用いた。
【００４７】
光コンバイナ６は、レーザ光発生源３から出射された走査ビームａとポンプ光発生源４から出射されたポンプ光ｂとを結合させて電気光学素子５の電気光学結晶基板８へ入力させる機能を有している。光コンバイナ６として、例えばダイクロイックプリズム等を用いることができる。
【００４８】
光分離素子７は、電気光学素子５の出射面から出力される走査ビームａとポンプ光ｂとを分離して走査ビームａのみを透過させる機能を有する波長選択フィルタ素子によって形成されている。
【００４９】
そして、この光ビーム走査装置１において、ポンプ光発生源４からポンプｂを出射させない場合、レーザ光発生源３から出力されたレーザ光は平行ビームとなり、走査ビームａとして光コンバイナ６を通して電気光学素子５の電気光学結晶基板８に入力される。なお、電気光学素子５には、電圧が印加された両側の電極９ａ，９ｂを介して電圧が印加されている。
【００５０】
入力された走査ビームａは、電気光学素子５の電気光学結晶基板８内の伝播に伴い、分極反転領域８ａ（屈折率変化領域）によって所定の偏向角を与えられて出射面から出力され、光分離素子７を透過して筐体２に設けた透明な窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。そして、電気光学素子５への印加電圧を制御することにより、任意の偏向角（走査角）に走査ビームａを出力させることができる。
【００５１】
ところで、本実施形態では、電気光学素子５の電気光学結晶基板８を構成する電気光学材料としてMg−LNを用いている。Mg−LNは、フォトリフラクション耐性に優れた非線形光学材料として知られており、光変調器、スイッチ、偏向器の他、波長変換用の材料などとしても広く用いられている。
【００５２】
Mg-LNは、通常のマグネシウムドープされていないニオブ酸リチウムと比べて、材料の導電率が高く、高強度の光が照射された際に光励起によって発生する自由電荷のドリフト速度が速いため、自由電荷が材料内で均一に分布し、ビーム形状の歪みが抑制されると考えられている。
【００５３】
しかしながら、高い光損傷耐性を有する電気光学素子への適用を意図してMg−LNを電気光学材料として用いたところ、電気光学素子からの出力光ビームが歪んでしまうという問題点が明らかになった。発明者の考察によりこのビーム歪みの原因は以下の原理で発生すると結論づけた。
【００５４】
すなわち、電気光学素子５の電極９ａ，９ｂ間に高電圧を印加した際に、Mg-LN材料内部に過剰な自由電荷が発生してドリフトする。この自由電荷によって材料内部に局所的な電界が形成され、材料の屈折率が不均一な分布をもつことがビーム歪みの原因である。
【００５５】
更に、この自由電荷が発生する起源は二通り考えられる。一つは電圧印加によって外部から電極を通して電荷が電気光学材料内部に注入されることが考えられる。外部から注入された電子または正孔は自由電荷として結晶内部を動き、結晶内部に形成された電界分布を乱す。もう一つは材料内に存在するドナーサイトやアクセプタサイト、不純物準位等の欠陥準位にトラップされていた電荷が電圧印加によって励起され、自由電子として振舞うことが考えられる。 
【００５６】
一方で、電圧印加によって発生した過剰な自由電子を走査ビームａの伝播領域外に誘導すれば、走査ビームのビーム形状歪みを抑制できること、その自由電子の誘導方法として、走査ビームａよりも高エネルギーの光をポンプ光ｂとして照射することが有効であることが確かめられた。具体的なポンプ光ｂとしては、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍ、１００ｍＷ程度以上の光強度が好適であった。また、この効果は温度依存性を有し、電気光学素子５の温度が高いほど誘導の速度が速いことも分かった。
【００５７】
そこで、本実施形態では、図１の光ビーム走査装置１において、レーザ光発生源３から走査ビームａを出力させる際に、同時にポンプ光発生源４からポンプ光ｂを出力させるようにした。これにより、この走査ビームａとポンプ光ｂは光コンバイナ６に入力されて結合され、結合された走査ビームａとポンプ光ｂが電気光学素子５に入力される。この際、ポンプ光ｂは、波長が４００ｎｍ〜５５０ｎｍであり、１００ｍＷ程度以上の光強度を有している。一方、走査ビームａは、波長はポンプ光ｂの波長よりも長く、ポンプ光ｂよりも低エネルギーとなるように設定されている。
【００５８】
更に、本実施形態では、筐体２内の電気光学素子５の下方側に加熱装置２０が配置されており、加熱装置２０によって電気光学素子５を所定温度に加熱することができる。電気光学素子５の加熱によって、電圧印加によって発生した過剰な自由電子を走査ビームａの伝播領域外に効果的に誘導することが可能となる。
【００５９】
そして、電気光学素子５の電気光学結晶基板８を構成する電気光学材料（Mg−LN）に高エネルギーのポンプ光ｂを照射すると、電圧印加によって発生した自由電荷を一定方向にドリフト移動させ、ポンプ光ｂの照射領域境界に偏在させることができる（以下、この現象を「光スクリーニング効果」という）。
【００６０】
ポンプ光ｂの照射による光スクリーニング効果を利用することで、走査ビームａの光伝播領域では自由電子がランダムな分布で発生せず、局所的な内部電界が形成されない。従って、走査ビームａの伝播領域では、本来のビーム走査を目的として形成した電界が乱されることなく、走査ビームａのビーム形状歪みが抑制される。
【００６１】
なお、電気光学素子５の出射端面から走査ビームａとポンプ光ｂが出力されるが、電気光学素子５の出射面の下流側に配置された光分離素子７で走査ビームａのみを透過させて、窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。一方、ポンプ光ｂは光分離素子７で全反射され、筐体２の外に出力されることはない。なお、光分離素子７で全反射されたポンプ光ｂは、筐体２の内周面等で吸収される。
【００６２】
また、図２（ａ）は、本実施形態に係る光ビーム走査装置の電気光学素子内を伝播する走査ビームとポンプ光の形状を模式的に示した図、図２（ｂ）は、本実施形態に係る光ビーム走査装置の電気光学素子の一部を示す概略側面図である。
【００６３】
電気光学素子５に入力された走査ビームａは、電気光学結晶基板８の分極反転領域８ａ（屈折率変化領域）を通過することにより、この素子内を伝播するのに伴って所定の偏向角を与えられる。一方で電気光学素子５に入力されたポンプ光ｂは、そのビームプロファイルの境界に自由電子を誘導する。
【００６４】
従って、図２（ａ）に示すように、ポンプ光ｂの照射領域は、走査ビームａのビームプロファイルを完全に包含するようにすることが望ましい。即ち、ポンプ光ｂの照射断面積が走査ビームａのビーム径よりも大きくなるようにしている。更に、ポンプ光ｂの照射領域の幅Ｈは、電気光学素子５の電極９ａ，９ｂの幅ｈよりも大きくなるようにしている。
【００６５】
図３は、ポンプ光と走査ビームの光強度の関係を示したものである。図３において、Ｃ１はポンプ光ｂの光強度分布であり、Ｃ２は走査ビームａの光強度分布である。なお、図３において、ｈは電極９ａ，９ｂの幅である（図２（ａ）参照）。
【００６６】
ポンプ光ｂの光強度が大きいほど光スクリーニング効果の影響が高まり、電気光学素子５の電極９ａ，９ｂ間に高電圧を印加した際のビーム歪みが解消されるまでの時間が短くなる。よって、図３のように、ポンプ光ｂの光強度ピークを走査ビームａの光強度ピークよりも大きくなるように設定する。
【００６７】
このように、本実施形態の光ビーム走査装置１によれば、ポンプ光ｂの照射断面積が走査ビームａのビーム径よりも大きくなるように設定し、更に、ポンプ光ｂの光強度ピークを走査ビームａの光強度ピークよりも大きくなるように設定している。
【００６８】
よって、高い光損傷耐性を有するように電気光学素子５の電気光学結晶基板８を構成する電気光学材料としてMg−LNを用いた場合でも、走査ビームａが伝播する領域の電界分布が乱されることなく、電気光学素子５から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを抑制することができる。よって、ビーム形状歪みのない走査ビームａによって良好な光ビーム走査を行うことができる。
【００６９】
〈実施形態２〉
図４は、本発明の実施形態２に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７０】
図４に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ａは、走査ビームａとポンプ光ｂの偏光方向が互いに直交するように構成されている。また、電気光学素子５の出射面側に、光分離素子７ａとしての偏向フィルタ機能を有する偏向分離素子が配置されている。他の構成は実施形態１の光ビーム走査装置と同様である。なお、図４において、符号ｐ１は走査ビームａの偏光方向、符号ｐ２はポンプ光ｂの偏光方向を示している。
【００７１】
前記式（１）に示したように、電気光学素子の電極間に電圧を印加したときの偏向角は電気光学定数に比例する。したがって、低電圧で大きな偏向角を得るために、電気光学定数の大きな結晶方位に電界を形成することが望ましい。
【００７２】
例えば、電気光材料がニオブ酸リチウムである場合、結晶のｃ軸と平行な電界を形成すると、ポッケルス係数ｒijによって屈折率変化量が決定され、他の方位に電界を形成する場合より大きな偏向角が得られる。図４では、電気光学素子５の前記ｃ軸をＹ軸方向にとっており、したがって電界はＹ軸方向に形成している。また、そのときの走査ビームａの偏光方向も定められ、この場合はＹ軸方向に電界成分を有することが必要である。
【００７３】
これに対して、ポンプ光ｂの偏光方向はＹ軸方向に限定される必要はなく、図４のように、走査ビームａと直交していても光スクリーニング効果の発現の妨げにならない。また、走査ビームａとポンプ光ｂの偏光方向を互いに直交させる構成においては、電気光学素子５の出射面から出力される走査ビームａとポンプ光ｂは、光分離素子７ａとしての偏向フィルタ機能を有する偏向分離素子によって分離される。
【００７４】
そして、光分離素子７ａ（偏向分離素子）は走査ビームａのみを透過させて、窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力する。一方、ポンプ光ｂは光分離素子７ａ（偏向分離素子）で全反射され、筐体２の外に出力されることはない。なお、光分離素子７ａで全反射されたポンプ光ｂは、筐体２の内周面等で吸収される。
【００７５】
このように、本実施形態の光ビーム走査装置１ａによれば、走査ビームａとポンプ光ｂの波長が比較的近い場合や、ポンプ光ｂの波長帯域が広い場合においても、電気光学素子５の出射面から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを良好に抑制することができる。
【００７６】
〈実施形態３〉
図５（ａ）は、本発明の実施形態３に係る光ビーム走査装置の要部構成を示す概略側面図、図５（ｂ）は、この光ビーム走査装置の要部構成を示す概略平面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７７】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｂは、電気光学素子５側に凹状の反射面７ｂ’を有する光分離素子７ｂを電気光学光偏向素子５の出射面側に配置した構成である。他の構成は実施形態１の光ビーム走査装置と同様である。
【００７８】
本実施形態の光分離素子７ｂは、実施形態１の光分離素子７と同様に電気光学素子５の出射面から出力される走査ビームａとポンプ光ｂとを分離して、走査ビームａのみを透過させる波長選択フィルタ素子としての機能を有している。更に、この光分離素子７ｂは、反射面７ｂ’で波長の異なるポンプ光ｂを全反射させて電気光学素子５の出射端面方向へ集光させるように構成されている。なお、この光分離素子７ｂとして、実施形態２の光分離素子７ａとしての偏向フィルタ機能を有する偏向離素子に同様に凹状の反射面を設けた構成のものでもよい。
【００７９】
反射面７ｂ’で反射されたポンプ光ｂは、集光されて電気光学素子５の出射端面側から入射される。
【００８０】
上記したようにポンプ光ｂの光強度が大きいほどスクリーニング効果による自由空間電荷の誘導は高速になり、走査ビームａのビーム形状歪みの抑制に好ましい。よって、本実施形態のように、反射面７ｂ’で反射されたポンプ光ｂを集光して電気光学素子５の出射端面側から入射させることによって、ポンプ光ｂを効率よく電気光学素子５の電気光学結晶基板８を構成する電気光学材料に再結合させることができる。
【００８１】
これにより、実効的なポンプ光ｂの光強度を高めることが可能となるので、電気光学素子５の出射端面から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを良好に抑制することができる。
【００８２】
なお、電気光学素子５の出射端面から出力される走査ビームａの偏向角（走査角）は１０度程度と小さく、光分離素子７ｂの反射面７ｂ’の凹面形状の曲率半径が大きくても光分離素子７ｂのサイズは大きくならない。例えば、電気光学素子５の出射端面から出力される走査ビームａの偏向角が全角１０度、光分離素子７ｂ（反射面７ｂ’）の曲率半径が１０ｍｍであるとき、Ｘ軸方向のビーム変位量は１．７ｍｍであり、光分離素子７ｂのＸ軸方向の幅を２ｍｍ程度以上にすればよい。
【００８３】
〈実施形態４〉
図６は、本発明の実施形態４に係る光ビーム走査装置の要部構成を示す概略側面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８４】
図６に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｃは、電気光学素子５の出射端面側に、光分離素子７ｃとしてプリズム素子を配置した構成である。また、この光分離素子７ｃの出射端面側のポンプ光ｂの通過位置に光吸収体１２が配置されている。他の構成は実施形態１の光ビーム走査装置と同様である。
【００８５】
実施形態１〜３では、走査ビームａのみを光分離素子で透過させてポンプ光ｂを光分離素子で反射させて筐体外に出力させないようにしていたが、走査ビームａとポンプ光ｂのＺ軸方向に対する伝播角度を異ならせて互いを分離させ、走査ビームａのみを筐体外に出力させるようにしてもよい。
【００８６】
即ち、走査ビームａとポンプ光ｂの波長が異なるため、本実施形態のように、光分離素子７ｃとしてプリズム素子を用いて２つの光（走査ビームａとポンプ光ｂ）を分離するようにした。そして、光分離素子７ｃで分離された走査ビームａのみが、窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。一方、光分離素子７ｃで分離されたポンプ光ｂは、光吸収体１２で吸収され、筐体２外に出力されることはない。
【００８７】
〈実施形態５〉
前記実施形態４では光分離素子７ｃとしてプリズム素子を用いて２つの光（走査ビームａとポンプ光ｂ）を分離する構成であったが、図７に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｄは、電気光学素子５の出射端面側に、光分離素子７ｄとして回折光学素子を配置した構成である。他の構成は実施形態４の光ビーム走査装置と同様である。
【００８８】
走査ビームａとポンプ光ｂは波長が異なり、異なる波長によって回折光の回折角度が異なるため、本実施形態のように、光分離素子７ｄとして回折光学素子を用いて２つの光（走査ビームａとポンプ光ｂ）を分離するようにした。そして、光分離素子７ｃで分離された走査ビームａのみが、窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。一方、光分離素子７ｃで分離されたポンプ光ｂは、光吸収体１２で吸収され、筐体２外に出力されることはない。
【００８９】
このように、実施形態４、５の光ビーム走査装置１ｃ、１ｄにおいても、同様に電気光学素子５の出射端面から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを良好に抑制することができる。
【００９０】
〈実施形態６〉
図８（ａ）は、本発明の実施形態６に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、図８（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９１】
前記した各実施形態では、ポンプ光ｂは走査ビームａと同一方向（Ｚ軸方向）から電気光学素子５の入射端面に入力する構成であったが、電気光学素子５に入力される走査ビームａとポンプ光ｂとの伝播方向がそれぞれ異なっていても、ポンプ光Ｌ２の照射による前記光スクリーニング効果は変わらない。
【００９２】
そこで、図８（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｅは、ポンプ光発生源４を筐体２内の電気光学素子５の上方側（図８（ａ）の上側）に配置して、ポンプ光ｂを電気光学素子５の上方側からレンズ１３を通して照射させるようにした。走査ビームａは、前記した各実施形態と同様にレーザ光発生源３からＺ軸方向に沿って電気光学素子５に入力される。よって、走査ビームａとポンプ光ｂは、電気光学素子５に対して互いに直交する方向に伝播する。
【００９３】
また、電気光学素子５に照射されるポンプ光ｂは、図８（ｂ）に示すように、電気光学素子５（電気光学結晶基板８）の長手方向（Ｚ軸方向）に沿った全域を略覆うような照射範囲となるように設定されている。なお、電気光学素子５に照射されたポンプ光ｂは、電気光学素子５（電気光学結晶基板８）から出た後は、ポンプ光発生源４と反対側の筐体２の内周面付近等で吸収される。よって、本実施形態では、電気光学素子５と窓材１１との間に光分離素子を設ける必要はない。
【００９４】
そして、電気光学素子５に入力された走査ビームａは、電気光学素子５の電気光学結晶基板８内の伝播に伴い、所定の偏向角を与えられて出射端面から出力され、筐体２に設けた透明な窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。
【００９５】
このように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｅにおいても同様に、電気光学素子５の出射端面から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを良好に抑制することができる。
【００９６】
〈実施形態７〉
図９は、本発明の実施形態７に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９７】
図９に示すように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｆは、ポンプ光発生源４を筐体２内の電気光学素子５の電極９ｂ側（図９の上側）に配置して、ポンプ光ｂを電気光学素子５の電極９ｂ側から照射させるようにした。走査ビームａは、前記した各実施形態と同様にレーザ光発生源３からＺ軸方向に沿って電気光学素子５に出力される。よって、走査ビームａとポンプ光ｂは、電気光学素子５に対して互いに直交する方向に伝播する。
【００９８】
ポンプ光発生源４として、ＬＥＤやＵＶランプのようなインコヒーレント光のポンプ光ｂを電極９ｂ側から照射することにより、電気光学素子５（電気光学結晶基板８）の長手方向（Ｚ軸方向）に沿った全域を略覆うような照射範囲を得ることができる。なお、ポンプ光ｂが照射される側の電極９ｂは、その表面でポンプ光ｂを反射することなく入力されるように、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＺｎＯ（Zinc Oxide）等の透明電極材料で形成されている。他方の電極９ａも同様に透明電極材料（ＩＴＯやＺｎＯ等）で形成されている。
【００９９】
電気光学素子５に電極９ｂ側から照射されたポンプ光ｂは、電気光学素子５（電気光学結晶基板８）から出た後は、ポンプ光発生源４と反対側の筐体２の内周面付近等で吸収される。よって、本実施形態では、電気光学素子５と窓材１１との間に光分離素子を設ける必要はない。
【０１００】
そして、電気光学素子５に入射された走査ビームａは、電気光学素子５の電気光学結晶基板８内の伝播に伴い、所定の偏向角を与えられて出射面から出力され、筐体２に設けた透明な窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。
【０１０１】
このように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｆにおいても同様に、電気光学素子５の出射面から出力される走査ビームａのビーム形状歪みを良好に抑制することができる。
【０１０２】
〈実施形態８〉
図１０（ａ）は、本発明の実施形態８に係る光ビーム走査装置の電気光学素子の走査ビーム入射面側を示す図、図１０（ｂ）は、本実施形態に係る光ビーム走査装置の電気光学素子の一部を示す概略側面図である。なお、実施形態１の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０３】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る光ビーム走査装置の電気光学素子５の電気光学結晶基板８と各電極９ａ，９ｂとの間に、電気光学結晶基板８を形成する電気光学材料より屈折率の小さい材料からなるクラッド層１４ａ，１４ｂを設けて光導波路構造とした。他の構成は、例えば実施形態１の光ビーム走査装置と同様である。
【０１０４】
一般に電気光学素子の電気光学効果による屈折率変化量は微小であり、本発明のような光ビーム走査装置における電気光学素子を駆動する際には高い印加電圧を必要とする。印加電圧を下げるためには、前記式（１）に示すように、電気光学材料の厚さを薄くすることが有効である。
【０１０５】
一方で、電気光学材料からなる電気光学結晶基板８の厚みを薄くすると、走査ビームａは電気光学結晶基板８内を自由空間伝播することが困難となる。これは走査ビームａのビーム径を電気光学結晶基板８の厚みに合わせて小さく絞ると、空間伝播時のビーム広がりが大きくなり、電気光学結晶基板８内を伝播する途中で、該電気光学結晶基板８と電極９ａ，９ｂとの境界面に達してしまうからである。
【０１０６】
そこで、電気光学素子５の電気光学結晶基板８の厚みを薄くする場合には、図１０（ａ）に示したように、電気光学結晶基板８と電極９ａ，９ｂとの間にクラッド層１４ａ，１４ｂを設けることが有効である。クラッド層１４ａ，１４ｂの条件は、透明でかつ電気光学結晶基板８を形成する電気光学材料より屈折率が小さいことである。具体的には、屈折率が１．４６程度のＳｉＯ２や２．１程度のＴａ２Ｏ５等のガラス材料が好適であり、これらの材料の混合ガラスでも構わない。また、ＰＭＭＡ等のポリマー材料でクラッドを構成してもよい。
【０１０７】
このように、クラッド層１４ａ，１４ｂを設けることにより、クラッド層１４ａ，１４ｂと電気光学結晶基板８との屈折率差による全反射を利用して光導波させることができるので、電気光学結晶基板８の厚みを薄くしても効率よく光伝播が可能となる。
【０１０８】
〈実施形態９〉
図１１（ａ）は、本発明の実施形態９に係る光ビーム走査装置の構成を示す概略側面図、図１１（ｂ）は、この光ビーム走査装置の構成を示す概略平面図である。なお、実施形態１、８の光ビーム走査装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０９】
前記実施形態８のように、電気光学素子５を光導波路構造とすることで電気光学結晶基板８の厚みを薄くすることが可能となる一方で、電気光学素子５の走査ビームａが入力（入射）される入射端面から走査ビームａおよびポンプ光ｂを入力する際の許容誤差が小さくなる。このため、特に波長の異なる走査ビームａおよびポンプ光ｂをともに高効率で入力することが困難となることが懸念される。
【０１１０】
そこで、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る光ビーム走査装置１ｇは、電気光学素子５の走査ビームａが入力される入射端面側の一方の側面（クラッド層１４ｂ）に回折格子１５を設けて、この回折格子１５の斜め前方側にポンプ光発生源４を配置した構成である。他の構成は、図１０（ａ），（ｂ）に示した実施形態８の光ビーム走査装置と同様である。
【０１１１】
この光ビーム走査装置１ｇでは、レーザ光発生源３から出力された走査ビームａはＺ軸方向に沿って電気光学素子５の入射端面に入力される。そして、入力された走査ビームａは、電気光学光偏向素子５の電気光学結晶基板８とクラッド層１４ａ，１４ｂによる光導波路構造によって伝播される。そして、電気光学結晶基板８内の伝播に伴い、所定の偏向角を与えられて出射面から出力され、光分離素子７を透過して筐体２に設けた透明な窓材１１を通じて筐体２の外側へ出力される。
【０１１２】
一方、ポンプ光発生源４から出力されたポンプ光ｂは、回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５内に入力される。回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５内に入力されたポンプ光ｂは電気光学結晶基板８内を伝播し、電気光学素子５の出射端面から出力される。そして、電気光学素子５の出射面から出力されたポンプ光ｂは、光分離素子７で全反射され、筐体２の外に出力されることはない。なお、光分離素子７で全反射されたポンプ光ｂは、筐体２の内周面等で吸収される。
【０１１３】
このように、本実施形態の光ビーム走査装置１ｇによれば、ポンプ光ｂを回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５の側面側から内部に入力させる構成である。この構成により、走査ビームａとポンプ光ｂの電気光学素子５への入射位置を異ならせることができるので、電気光学素子５を光導波路構造として電気光学結晶基板８の厚みを薄くした場合でも、走査ビームａおよびポンプ光ｂをともに高効率で電気光学素子５へ入力することが可能となる。
【０１１４】
なお、本実施形態では、ポンプ光発生源４から出力されるポンプ光ｂを、回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５内に入力させる構成であったが、この構成に限らず、図１２（ａ）に示すように、ポンプ光発生源４とレーザ光発生源３の位置を逆にして、レーザ光発生源３から出力される走査ビームａを、回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５内に入力させるようにしてよい。
【０１１５】
更に、図１２（ｂ）に示すように、電気光学結晶基板８の両側にそれぞれ回折格子１５を設け、レーザ光発生源３から出力される走査ビームａ、およびポンプ光発生源４から出力されるポンプ光ｂの両方を、各回折格子１５による回折効果によって電気光学素子５内に入力させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１６】
１、１ａ〜１ｇ      光ビーム走査装置
２        筐体
３        レーザ光発生源
４        ポンプ光発生源
５        電気光学素子
６        光コンバイナ
７、７ａ〜７ｄ      光分離素子
８        電気光学結晶基板
９ａ，９ｂ      電極
１０      電圧源
１４ａ，１４ｂ      クラッド層
１５      回折格子
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１７】
【特許文献１】特開平９−１４６１２８号公報
【図１】
2013061454.tif 000006
【図２】
2013061454.tif 000007
【図３】
2013061454.tif 000008
【図４】
2013061454.tif 000009
【図５】
2013061454.tif 000010
【図６】
2013061454.tif 000011
【図７】
2013061454.tif 000012
【図８】
2013061454.tif 000013
【図９】
2013061454.tif 000014
【図１０】
2013061454.tif 000015
【図１１】
2013061454.tif 000016
【図１２】
2013061454.tif 000017
【図１３】
2013061454.tif 000018
【図１４】
2013061454.tif 000019