(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を有する強誘電体に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、これらのドメイン反転部の並び方向に入射した基本波を波長変換する光波長変換素子において、前記強誘電体として、ＳｃおよびＩｎのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）が用いられたことを特徴とする光波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基本波を第２高調波等に変換する光波長変換素子、特に詳細には、非線形光学効果を有する強誘電体に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなる光波長変換素子に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
非線形光学効果を有する強誘電体の自発分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換する方法が既にＢleombergenらによって提案されている（Ｐhys.Ｒev.,vol.127,Ｎo.６，1918（1962）参照）。この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、
Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝      ……(1)
ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数
β（ω）は基本波の伝搬定数
で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように設定することで、基本波と第２高調波との位相整合を取ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長に対して(1) 式を満足する周期Λを選択することにより、効率良く位相整合を取ることが可能となる。
【０００４】
上述のような周期ドメイン反転構造を形成する強誘電体として従来より、例えば特開平６−２４２４７８号公報に記載されているように、ＭｇがドープされたＬｉＮｂＯ3 （ＬＮ：Ｍｇ）が好適に用いられることが分かっている。すなわち、このＬＮ：Ｍｇは、ＭｇがドープされていないＬＮと比べると光損傷しきい値が２桁以上も高いので、このＬＮ：Ｍｇに周期ドメイン反転構造を形成すれば、高い波長変換効率の下に高強度の波長変換波を発生する光波長変換素子が得られるようになる。
【０００５】
また同じように周期ドメイン反転構造を形成するのに適した強誘電体として、ＭｇがドープされたＬｉＴａＯ3 （ＬＴ：Ｍｇ）も公知となっており、これらの強誘電体を用いて光導波路型やバルク結晶型の光波長変換素子を作成する試みが従来より種々なされている。
【０００６】
一方、強誘電体に周期ドメイン反転構造を形成する方法としては、上記特開平６−２４２４７８号公報に記載されているように、強誘電体基板に所定の周期、線幅の周期電極を形成し、この周期電極を介して強誘電体基板に電場を印加するという方法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし強誘電体として上述のＬＮ：ＭｇやＬＴ：Ｍｇを用い、そこに周期ドメイン反転構造を形成してなる従来の光波長変換素子においては、ドメイン反転部の周期にゆらぎが存在しやすく、そのため、十分に高い波長変換効率を得るのは難しくなっていた。
【０００８】
また、この従来の光波長変換素子においては、前述の周期電極を用いて周期ドメイン反転構造を形成する場合、各ドメイン反転部は本来電極の線幅と同じ幅に形成されるはずであるのに、それよりも太幅に形成される傾向があって、ドメイン反転部の幅を正確に所望値に制御することが難しいという問題も認められている。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ドメイン反転部の周期や線幅が正確に所望値に制御されて、それにより、十分に高い波長変換効率を得ることができる光波長変換素子を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による光波長変換素子は、前述したように非線形光学効果を有する強誘電体に周期的に繰り返すドメイン反転部が形成されてなり、これらのドメイン反転部の並び方向に入射した基本波を波長変換する光波長変換素子において、上記の強誘電体として、ＳｃおよびＩｎのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）が用いられたことを特徴とするものである。
【００１３】
上記のＳｃおよびＩｎのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＮｂxＴａ1-x Ｏ3 を用いて、そこに周期的に繰り返すドメイン反転部を形成すると、従来知られているＭｇが添加されたＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 を用いる場合と比べて、ドメイン反転部の周期や線幅がより正確に所望値に制御されるようになる。そこで、本発明の光波長変換素子によれば、十分に高い波長変換効率が実現される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず図１を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１５】
この図１中の１は非線形光学効果を有する強誘電体である、ＺｎがドープされたＬｉＮｂＯ3 （ＬＮ：Ｚｎ）の基板である。このＬＮ：Ｚｎ基板１はＺｎドープ量が7.5 mol ％のもので、単分極化処理がなされて厚さ0.5 ｍｍに形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ33が有効に利用できるようにＺ面で光学研磨されている。
【００１６】
このＬＮ：Ｚｎ基板１の＋Ｚ面１ａ上に金属ＴａをスパッタしてＴａ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーにより、図示のような周期パターンを有するＴａ周期電極２を形成する。この周期電極２の各電極の幅は４μｍであり、またその周期Λは、ＬＮ：Ｚｎの屈折率の波長分散を考慮し、基板１のＸ方向に沿って1313ｎｍ近辺で１次の周期となるように12.9μｍとした。
【００１７】
次に上記基板１を90℃に保ち、＋Ｚ面１ａが面している空間が10-4Ｐｓとなるように真空引きしながら、Ｔａ周期電極２をアース３に落とした上で、基板１の−Ｚ面１ｂ側に配したコロナワイヤー４を用いて該基板１にコロナ帯電により電場を印加した。本例では、高圧電源５からコロナワイヤー４を介して−20ｋＶ／ｃｍの電圧を4.5 秒間印加した。
【００１８】
次いで周期電極２を除去してから、基板１のＹ面を切断、研磨した後、ＨＦとＨＮＯ3 とが１：２に混合されてなるエッチング液を用いて選択エッチングを行なった。この基板１の断面（Ｙ面）を観察したところ、図２に示すように周期電極２に対向していた箇所において、−Ｚ面１ｂから＋Ｚ面１ａまで貫通して、周期的に繰り返すドメイン反転部９が形成されているのが確認された。なおこの図２中の矢印10は、分極の方向を示している。
【００１９】
以上のようにして周期ドメイン反転構造が形成されたＬＮ：Ｚｎ基板１のＸ面および−Ｘ面を研磨してそれぞれ光通過面20ａ、20ｂとすることにより、図３に示すバルク結晶型の光波長変換素子20が得られる。この光波長変換素子20を、同図に示すレーザーダイオード励起ＹＬＦレーザーの共振器内に配置して第２高調波を発生させた。
【００２０】
このレーザーダイオード励起ＹＬＦレーザーは、波長795 ｎｍのポンピング光としてのレーザービーム21を発するレーザーダイオード22と、発散光状態のレーザービーム21を収束させる集光レンズ23と、Ｎｄ（ネオジウム）がドープされたレーザー媒質であって上記レーザービーム21の収束位置に配されたＹＬＦ結晶24と、このＹＬＦ結晶24の前方側（図中右方）に配された共振器ミラー25とからなる。そして共振器ミラー25とＹＬＦ結晶24との間に、上記光波長変換素子20が配設される。
【００２１】
ＹＬＦ結晶24は波長795 ｎｍのレーザービーム21により励起されて、波長1313ｎｍの光を発する。この光は、所定のコーティングが施されたＹＬＦ結晶端面24ａと共振器ミラー25のミラー面25ａとの間で共振し、固体レーザービーム26が発生する。このレーザービーム26は光波長変換素子20に入射して、波長が１／２すなわち657 ｎｍの第２高調波27に変換される。ミラー面25ａに上記コーティングが施されている共振器ミラー25からは、ほぼこの第２高調波27のみが出射する。なお位相整合は、光波長変換素子20の周期ドメイン反転領域において取られる  （いわゆる疑似位相整合）。第２高調波27の強度等については、後に図４を参照して詳しく説明する。
【００２２】
次に、本発明の第２および３の実施形態、並びに本発明の効果を確認するための比較例について説明する。これらの実施形態および比較例の光波長変換素子は、前述した第１の実施形態と比較すると、ＬＮ基板にドープされている物質とそのドープ量、並びにコロナ帯電による電圧印加の時間が異なるものであり、それらの条件を下にまとめて記す。
【００２３】
［第１の実施形態］  ＬＮ：Ｚｎ（7.5 mol ％）、−20ｋＶ／ｃｍ×4.5 秒
［第２の実施形態］  ＬＮ：Ｓｃ（1.5 mol ％）、−20ｋＶ／ｃｍ×3.5 秒
［第３の実施形態］  ＬＮ：Ｉｎ（1.8 mol ％）、−20ｋＶ／ｃｍ×3.0 秒
［比較例］          ＬＮ：Ｍｇ（5.0 mol ％）、−20ｋＶ／ｃｍ×9.0 秒
上記第２および３の実施形態、並びに比較例の光波長変換素子を、図３のレーザーダイオード励起ＹＬＦレーザーにおいて第１実施形態の光波長変換素子20に代えて共振器内に配置し、同じように第２高調波を発生させた。各場合の第２高調波強度の相対値を、第１実施形態の光波長変換素子20を用いた場合の結果と併せて図４に示す。なお第２、第３の実施形態の光波長変換素子を用いた場合の結果は互いにほぼ同じであった。
【００２４】
ここに示される通り、第１〜３の実施形態の光波長変換素子を用いると、従来品である比較例の光波長変換素子を用いた場合と比べて、より狭い温度範囲においてより高い第２高調波強度、つまりより高い波長変換効率が得られており、周期ドメイン反転構造の周期性が改善されていることが裏付けられた。
【００２５】
一方、分極反転が生じる電圧つまり反転しきい値電圧を、ＬＮにドープする物質毎に調べた結果を図５に示す。ここに示される通り、ＬＮにＳｃあるいはＩｎをドープする場合は、Ｍｇをドープする場合と比べて、ドープ量に拘らず反転しきい値電圧が低くなっている。またＬＮにＺｎをドープする場合も、ドープ量を約6.5 mol ％以上とすると、Ｍｇをドープする場合と比べて反転しきい値電圧が低くなり、分極反転処理が容易化される。
【００２６】
また、第１〜３の実施形態並びに比較例の光波長変換素子を作成する際に、それぞれ前述のようにして基板Ｙ面を観察したが、その基板Ｙ面の顕微鏡写真を図６に示す。図中の（１）、（２）、（３）および（４）が各々、比較例、第１の実施形態、第２の実施形態および第３の実施形態についての写真であり、倍率はともに400 倍である。
【００２７】
ここに示されている通り、比較例においては、ドメイン反転部の幅が部分的に太くなって周期ドメイン反転構造の周期性が悪くなっているが、第１、２および３の実施形態においては、そのような不具合が殆ど認められない。
【００２８】
なお、以上説明した実施形態においては、Ｚｎ、ＳｃあるいはＩｎが添加されたＬｉＮｂＯ3 基板が用いられているが、その代わりにＺｎ、ＳｃあるいはＩｎが添加されたＬｉＴａＯ3 基板やＬｉＮｂＴａＯ3 基板を用いても、さらにはＺｎ、ＳｃおよびＩｎのうちの２つ以上が添加されたＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3 （０≦ｘ≦１）基板を用いても、基本的に上記と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の光波長変換素子を作成する様子を示す概略図
【図２】上記光波長変換素子の周期ドメイン反転構造を示す概略図
【図３】上記光波長変換素子の使用状態を示す概略側面図
【図４】本発明の光波長変換素子および従来の光波長変換素子によって発生させた波長変換波の強度を比較して示すグラフ
【図５】ＬＮにドープする物質毎の分極反転しきい値電圧を比較して示すグラフ
【図６】本発明の光波長変換素子および従来の光波長変換素子における周期ドメイン反転構造を示す顕微鏡写真
【符号の説明】
１    ＬＮ：Ｚｎ基板
２    Ｔａ周期電極
３    アース
４    コロナワイヤー
５    高圧電源
９    ドメイン反転部
20    光波長変換素子
21    レーザービーム（基本波）
22    レーザーダイオード
23    集光レンズ
24    ＹＬＦ結晶
25    共振器ミラー
26    固体レーザービーム（基本波）
27    第２高調波
【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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