擬似位相整合水晶を利用した高輝度紫外パルス光源の研究
理化学研究所 放射光科学研究センター 先端光源開発研究部門
研究員 石月 秀貴（2020 年度 一般研究開発助成 AF-2020205-B2）
キーワード：水晶，非線形光学波長変換，擬似位相整合１．研究の目的と背景
1・1

研究の目的

Matching）法の発展が、水晶の波長変換分野における有効利用を可能とすると期待し、本研究を進めている。QPM 法

将来のレーザー出力向上に伴う非線形光学結晶の耐久は、結晶固有の非線形光学定数の周期反転構造を人為的に性限界を見据え、既存の波長変換素子に比べ耐久性や安定形成することで、水晶など従来の BPM では有効な波長変性に優れた、新たな波長変換素子の実現が求められている。

換が不可能であった材料の利用を可能とする手法である

これに対し本研究では、これまでは波長変換素子には利用3)。さらにこの QPM 法では、周期反転構造の設計により、されてこなかった水晶（α 相石英）を用いた、高耐久性と従来の BPM 法では実現できない機能（動作波長域拡大、高機能性を併せ持つ新規波長変換素子の実現を目的としスペクトル受容幅拡大、チャープ動作など）が設計・付与て、本研究を実施した。

可能であるという特長も併せ持つ。

1・2研究の背景

本研究で検討する、水晶を利用する QPM 素子（QPM 水レーザーと呼ばれるコヒーレント光の発生手法として、晶）は、材料特性である高耐久高安定性、真空紫外やテラ所望波長を直接発振させるものと、なんらかの素子等を用ヘルツ波長域などでも利用可能な広帯域動作特性、QPMいた波長変換によるものがある。Nd:YAG や Ti サファイ

利用による高機能特性など、従来に無い波長変換素子が実アに代表される固体レーザーは、限られた波長において高現できる。

輝度高出力動作が可能であるが、その波長選択性は極めて1・3限定されている。このため、高輝度高出力の固体レーザー

QPM 構造形成の代表的手法として、図２に示すようにを励起光源とした波長変換が利用されている。そこでは(a)薄板積層、(b)結晶成長、(c)周期反転などがある。この内

LiNbO3（LN）などの強誘電体 1)、あるいは LiB3O5（LBO）で(a)薄板積層は材料を問わず適用可能な一方で短周期などホウ素系結晶が広く利用されているが、近年のレーザQPM 構造化が困難である。これとは逆に、(b)結晶成長おーの性能向上により結晶損傷が顕著な問題となりつつあよび(c)周期反転は短周期構造化が比較的容易である一方る。図１は LN および LBO の損傷写真である。

でそれぞれに材料限定がある、という特徴がある。

図１

従来の研究概要とＱＰＭスタンプ法

損傷した従来の波長変換結晶

本研究では新たな高耐久波長変換素子用結晶として水晶に着目している。水晶は産業界では圧電性を活かした振動子用途で広く利用されている他、その優れた光学特性を

図２

QPM 構造形成手法活かし波長板やフィルターなどの光学用途でも利用されており、人工的に育成された大型の高品質結晶が容易に入これに対し、これまでに QPM 水晶の初期検討として、手可能であるという特長がある。また、レーザーや非線形(a)薄板積層に基づく薄板水晶板の交互積層を用いた QPM

光学波長変換用途で見た場合、世界で初めての波長変換実水晶の基礎評価を実施している 4)。この際は最薄で約 120

験（1961 年、P. A. Franken 他 2)）に利用された複屈折性をµm の水晶薄板を積層することで QPM 水晶を形成し、波有する非線形光学材料として知られている。しかしその複長 1.064 µm のパルス Nd:YAG レーザー励起により波長屈折性が極小であるため、通常の複屈折位相整合（BPM、532nm 緑色光や 266nm 紫外光発生を確認し、QPM 水晶のBirefringent Phase Matching）法では、高効率高出力波長変可能性を示した。しかし同時に、この(a)薄板積層では各水換への適用は不可能である。

晶薄板の厚み制御（QPM 周期制御）や薄板化（QPM 短周

これに対し、近年の擬似位相整合（QPM、Quasi Phase期化）が困難である点に加え、積層数増大にも難点があるため、特に短波長動作時での変換効率向上が困難であった。

これを解決する手法としては、(c)周期反転の中でも特Ｚ軸伝搬配置では、水晶の旋光性（光波偏光面が伝搬につに、周期的応力印加による水晶の極性反転法（QPM スタれて回転）の影響も同時に受ける。このため直線偏光性をンプ法）を提案、実証した。これは必要な QPM 構造周期重視する場合はＹ軸伝搬配置が最も好ましい（直線偏光性に応じた凹凸構造を有する応力印加用治具（QPM スタンを重視しない分野ではＺ軸伝搬も選択肢となる）。

プ）を用い、高温加熱下でバルク水晶に周期的応力印加することで QPM 水晶を形成する手法である（図３）5-7)。

2・2

水晶のＱＰＭ特性

QPM 水晶のＹ軸伝搬配置を前提とし、例えば第２高調波発生（Second Harmonic Generation, SHG）に必要な QPMの反転構造周期は、その屈折率分散から図４のように計算できる。例えば波長 1.064 µm の近赤外光励起で波長532nm 緑色光発生には = 42 µm、波長 532nm 緑色光励起で 266nm 紫外光発生には 6.0 µm の QPM 反転構造形成が必要である。

図３

QPM スタンプ法

以上を踏まえ、本助成研究においては、QPM 水晶の利用による高輝度紫外パルス光源の実現を最終目標として、
QPM スタンプ法の基本検討やプロセス条件の改善などを行った。

なお QPM の特性から、理論 QPM 周期の奇数倍の構造周期'（即ち' = m x 、m:奇数）でも QPM 動作検証が可能である。ただしこの場合の実効的な非線形光学定数 d'は1/ m に低下する（d' = d / m）。この特性は短周期構造形成が困難な研究初期段階で有利であり、本研究における実際の構造形成で利用している。

２．ＱＰＭ水晶の基本特性
2・1

水晶の非線形光学特性

水晶は点群 32 に属する正の一軸性結晶であり、独立した２つの非線形光学定数 d11 および d14 を有する非線形光学材料である。ここでその非線形分極 P は、入力励起光 Eに対して以下で表される。

図４

QPM 周期（Y 伝搬 SHG 時）

なお、水晶はＸ軸のみに正負の極性を示す。即ち、反転一般に d11≫d14 であるため、以後は d11 のみに着目する。
このとき、光波伝搬方向がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の場合について、発生する非線形分極はそれぞれ以下のようになる。
（yおよびz は励起光偏光角、E0 は励起光電界）
Ｘ軸伝搬（Ex = 0）：
非線形分極はは誘起せず（Py = Pz =0）
Ｙ軸伝搬（Ex = 0）：
Ｘ軸偏光の分極成分 Px のみを誘起（Pz =0）構造が形成可能な軸はＸ軸のみである。このため、QPM ス
タンプ処理直後にエッチング等により簡便に反転構造形成が観察可能な結晶方位も限定されている。

３．実験方法
ここでは、QPM スタンプ法で必要な機器に関する検討内容を簡単に示す。
3・1

ＱＰＭスタンプ法

QPM スタンプ法は図３で示したように、適切な構造周期の凹凸構造を有する応力印加用治具（QPM スタンプ）を利用し、高温加熱下でバルク水晶に周期的応力印加を施することで周期反転構造を形成する手法である。

Ｚ軸伝搬（Ex = 0）：
偏光角z に依存した偏光性を有する分極を誘起

3・2

精密加熱加圧（ヒートプレス）

QPM スタンプ法は本質的には QPM スタンプを利用したバルク水晶の精密加熱加圧（ヒートプレス）過程である。
水晶は室温付近でのα相から、温度 573℃以上でβ相へ相変化する。このため基本的には 573℃未満で加圧プロセス

上記特性から、水晶の波長変換利用にはＹ軸伝搬かＺ軸を行う。 図５にヒートプレス装置を示す。本機は最大温伝搬である必要がある。しかし上記非線形光学特性に加え

度 400℃まで昇温可能であり、その条件下で最大 15 トンまでの加圧処理が可能である。なお、QPM スタンプ法に3・4

短周期スタンプ加工

よる水晶の極性反転に必要な最大荷重は、結晶サイズなど前記ダイシング加工による QPM スタンプ作成は、種々幾つかのパラメータに依存する。例えば波長変換素子としのスタンプ材料に適用可能な一方で、短周期化や精度再現ては素子長が長いことが好ましいが、大型結晶では面積あ性に問題があったことから、特に本研究助成では新たに図たりの加重が低下する。一方で小型結晶では加圧時の並行７に示すフォトリソグラフィーとエッチング処理による/平坦性が確保できず均一性などが低下する。本助成研究

スタンプ作成を行った。

ではヒートプレス装置自体の最適化はできていないが、QPM 水晶の実現や実用化には、装置自体の改修や新規設計も必要と考えている。

図７

フォトリソグラフィー＋エッチング加工によるスタンプ作成（右は作成したスタンプ表面）

図７右には、フォトリソグラフィーとエッチング処理で
図５

ヒートプレス装置（最大 400℃、15 トン）作成した短周期スタンプの表面写真を示す。凹凸構造の周期 = 41 µm だが、凸部幅 a（細い幅）は 10 µm 以下であ3・3ＱＰＭスタンプとダイシング加工

QPM スタンプとは、既に述べたように適切な構造周期の凹凸構造を有する応力印加用治具である。QPM スタる。つまり現時点で本手法で 2ｘa = 20 µm 程度までの短周期スタンプが作成可能であることが確認できた。
この短周期スタンプは、繰り返し利用評価を行っており、ンプ法においては、加熱加圧条件検討に加え、このスタン複数回の利用でも破損なく再利用可能であることを確認プ作成が主たる検討項目となる。

した。

とくに水晶の応力印加用 QPM スタンプとして、スタンプの原材料に求められる要素として、例えば以下のような点が上げられる。

４．実験結果水晶の反転/非反転構造は±Ｘ方向のみに存在し、酸に・微細凹凸加工への対応と加工再現性担保対するエッチング速度の差を利用することで簡便に可視・高温高圧処理への対応化できる。QPM スタンプ法におけるヒートプレス装置お・繰り返し利用に堪えうる強度と安定性

よび各種スタンプで処理した水晶板は、表面をフッ酸によ

スタンプ原材料選定では、上記の材料自体の特性に加え、加工手法との組み合わせ可否とで検討する必要がある。これらの特性を踏まえ、QPM スタンプ法の初期検討では主に金属あるいはガラス板へのダイシングソーを利用した機械加工を適用した（図６）。

りエッチング処理することで反転/非反転領域を可視化して観察、評価した。
4・1

金属製スタンプによる反転

図８は、ダイシング加工で作成した金属製スタンプ（= 124 µm）を利用して実現した QPM 構造の一例である。
エッチング処理により可視化された周期構造が確認できていることがわかる。

図６

ダイシング加工によるスタンプ作成（右は実際の金属製スタンプ）

図６右には、実際にダイシングソー加工で作成した金属

図８

金属製スタンプで実現した QPM 構造

製 QPM スタンプの写真を示す。これは周期 = 124 µm の凹凸構造を有するスタンプである。本手法は約 100 µm まで適用可能な手法であった。

スタンプ処理は現時点では主にＸカット水晶板の両面への応力印加により実施している。板厚 1mm、外形サイズ 20mm×30mm 程度の水晶板を、温度約 300℃の条件下でプ処理にあたっては、メーカーや用途など、異なる特性を約 5 トンの加圧処理を施すことで、反転構造を形成可能で示す水晶材料毎の違いもまた顕著であった。即ち、同一条あることを確認した。QPM 構造のグレーティングベクト

件でのスタンプ処理であっても、反転の可否特性が異なる

ルは結晶Ｙ軸に並行となる配置で作成可能であることを水晶が存在するとこを確認した。これは原材料である水晶確認しており、水晶の非線形光学特性に適した QPM 構造結晶自体に反転容易性の違いがあることを意味している。

が形成できた。なお、ここで確認した構造周期 124 µm と現時点でその理由は不明であり、材料特性に立ち戻り評

は、SHG による波長 532nm 緑色光用基本周期 42 µm の３価を行っている。図１０はその評価の一例として検討して倍（m = 3）にあたる３次 QPM 構造である。

いる水晶板の透過特性の違いである。異なるメーカーの水その一方で金属製スタンプは、より短周期構造への適用晶板で、紫外吸収端透過特性が大きく異なることが分かる。

が困難であるという結果も得られた。ダイシングソーを利ここでは紫外側吸収端付近の特性のみを示しているが、こ用するため、そのブレード幅より短い構造への対応が不可

れと併せて３ミクロン帯透過特性なども検討している。こ能であるためである。

れらと反転容易性との関係を今後検討する予定である。

本研究での QPM 水晶の目的は紫外光源への適用である。
これには短周期 QPM 構造形成が必要不可欠であるため、この後はより短周期構造への対応可能なフォトリソグラ
フィー＋エッチング処理によるスタンプ作成に変更することとした。
なお本研究では実施しないが、例えばテラヘルツ波用
QPM 水晶では必要な QPM 構造も長周期化するため、このダイシング加工によるスタンプ作成も有用であることを明記する。
4・2

短周期スタンプによる反転

図９は、フォトリソグラフィー＋エッチング処理で作成した短周期スタンプ（  = 41 µm）を利用して実現した
図１０

QPM 構造の一例である。

水晶の紫外域透過特性比較

６．結論
新たな高耐久性高機能波長変換素子の実現を目的とし、水晶を材料とした擬似位相整合素子の研究を実施している。特に本助成研究では、QPM スタンプ法における重要部位である QPM スタンプの短周期化、およびこれによる短周期 QPM 構造形成の実証を行った。
今後は、実際の QPM 素子とのしての光学実験評価を実施する予定である。これと並行して、材料毎の反転容易性の差異を、材料特性に立ち戻り評価検討する計画である。
図９

短周期スタンプで実現した QPM 構造

こちらも金属製スタンプの場合と同様に、エッチング処これらを継続することで、新たな波長変換素子であるQPM 水晶の実現と、これを用いた高輝度紫外パルス光源の構築につなげたい。

理により可視化された QPM 構造が確認でき、その周期は謝短周期化されたスタンプ構造に応じ 41 µm となっている。

辞

その一方で、反転/非反転が整然と並んだ領域に加え、パタ本研究実施にあたり、公益財団法人天田財団より研究開ーンの潰れたベタ領域や、反転できていない不均一領域が発助成(AF-2020205-B2)のご支援を賜りました。ここに厚存在することもわかる。これらはスタンプ処理の条件検討

く御礼申し上げます。

が不十分な結果であり、QPM 水晶実現にはより詳細な条参考文献件探索が必要であることも明白となった。

1) H. Ishizuki and T. Taira, “Half-joule output optical-

５．検討
ここまでは主に QPM スタンプ法に必要な機器やその条件に主眼を置いて結果を示してきた。しかし実際のスタン

parametric oscillation by using 10-mm-thick periodicallypoled Mg-doped congruent LiNbO3,” Opt. Express, 20, 18,20002-20010 (2012).

2) P. A. Franken, A. E. Hill, C. W. Peters, and G. Weinreich,7) 石月秀貴, 平等拓範, “QPM 水晶の波長変換特性に関す“Generation of optical harmonics,” Phys. Rev. Lett. 7(4),る検討,” 応用物理学会, 令和 2 年第 67 回春季学術講118-119 (1961).

演会, 12p-B508-14, 上智大学四谷キャンパス, 東京都

3) J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S.

千代田区 (Mar. 12-15, 2020).

Pershan, “Interactions between Light Waves in a Nonlinear

本研究助成関連文献

Dielectric,” Phys. Rev. 127(6), 1918-1939 (1962).
4) H. Ishizuki and T. Taira, “Quasi phase-matched quartz for8) 石月秀貴, 平等拓範, “QPM 素子としての水晶の特性検

intense-laser pumped wavelength conversion,” Opt. Express,討,” 応用物理学会, 2023 年（令和 5 年）第 70 回春季学25, 3, 2369-2376 (2017).

術講演会, 16p-A305-6, 上智大学四谷キャンパス (Mar.

5) H. Ishizuki and T. Taira, “Polarity inversion of crystal quartz
using a quasi-phase matching stamp,” Opt. Express, vol. 28,
no. 5, pp. 6505-6510 (2020).
6) 石月秀貴, 平等拓範, “QPM スタンプを用いた水晶の極性反転に関する検討,” レーザー学会学術講演会第 40
回年次大会, B07-22a-III-04, 仙台国際センター, 宮城
県仙台市 (Jan. 20-22, 2020).

15-18, 2023).
9) H. Ishizuki, and T. Taira, “Study on crystal quartz for QPM
device,” The 9th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition
Conference

2023(TILA-LIC2023),

TILA-LIC10-02,

Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan (Apr. 19-21, 2023).