JP2704308B2 - 光波長変換方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、チェレンコフ放射型の光波長変換素子を用
いて基本波を第２高調波等に波長変換する方法に関し、
特に詳細には青色領域の波長変換波が効率良く得られる
ようにした光波長変換方法に関するものである。

（従来の技術） カラープリンター等において用いられる従来の多くの
銀塩感光材料の分光感度特性は、青色領域では、一般に
第２図の曲線ａに示すようなものとなる。このように多
くの銀塩感光材料の感度は、波長480nmに近い光に著し
く高くなり、波長470nm付近でピークをとる。また最近
では、第２図の曲線ｂに示すように、Arレーザから発せ
られる波長488nmの青色レーザ光に合わせて、波長500nm
近辺まで高い感度を有する銀塩感光材料も提供されてい
る。

一方短波長領域においては、ゼラチンの吸収、分光増
感色素の制限、さらにはカラー画像の安定性に問題が有
ることから、波長が430nm以上の光を記録光として利用
する必要が有る。したがって、銀塩感光材料を用い、そ
れを青色レーザ光で走査してカラー画像を記録する場合
は、波長が430〜500nmの青色レーザ光を用いることが、
鮮明でかつ安定性の高いカラー画像を得るための条件で
あると言える。

他方、光ディスク等の記録媒体にレーザ光で情報を記
録する場合は、レーザ光の波長が短いほどビームスポッ
トをより微小に絞れるので、より高密度の記録が可能と
なる。しかしながらこの場合も、色素の制限、ディスク
基板における吸収等の条件により、現状では、波長が43
0nm以上のレーザ光を用いる必要が有る。

また、上述したカラープリンターや光ディスク等のシ
ステムにおいては、レンズの透過率から考慮しても、波
長が430nm以上のレーザ光を利用するのが好ましいと言
える。

以上説明した通り、波長が430〜500nmの青色レーザ光
は、各種光学システムの性能の大幅な向上をもたらすも
のである。しかしながら現在のところ、小型で直接変調
可能な青色レーザは実用化されておらず、半導体レーザ
でも、青色領域のものは当面実現困難とされている。

このような事情に鑑み、レーザ光を光波長変換素子を
利用して波長変換（短波長化）する試みが種々なされて
いる。例えば特開昭64−73327号公報には、クラッド内
に単結晶有機非線形光学材料のコアが配された光ファイ
バーからなる、チェレンコフ放射型の光波長変換素子が
開示されている。またこの公報には、上記有機非線形光
学材料として点群mm2の斜方晶系のものを利用すること
も開示されている。

（発明が解決しようとする課題） この種の光波長変換素子とレーザ光源との組合せによ
れば、比較的容易に青色レーザ光が得られるものの、波
長変換効率が低いために高強度の青色レーザ光を得るこ
とはできず、したがって前述したような用途には適用困
難であるのが現状である。

そこで本発明は、レーザ光を極めて効率良く第２高調
波等に波長変換することが可能で、よって波長430〜500
nmの青色領域の高強度のレーザ光を得ることができる光
波長変換方法を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による第１の光波長変換方法は、下記の分子式 で示される有機非線形光学材料（3.5−ジメチル−１−
（４−ニトロフェニル）ピラゾール：以下PRAと称す
る）の単結晶が導波部として配されてなるチェレンコフ
放射型光波長変換素子に基本波を入射させて、波長が43
0〜500nmの領域にある第２高調波等の波長変換波を取り
出す方法において、 基本波の波長を、上記有機非線形光学材料の吸収端波
長よりも30nm以上長波長の波長変換波が得られるように
選択し、 上記結晶の光学軸ｘあるいは光学軸ｙ方向に直線偏光
した基本波を入射させて、光学軸ｚ方向に直線偏光した
波長変換波を取り出すことを特徴とするものである。

また本発明による第２の光波長変換方法は、上述した
PRAに代えて、下記の分子式 で示される有機非線形光学材料（3,5−ジメチル−１−
（４−ニトロフェニル）−1,2,4−トリアゾール：以下T
RIと称する）の単結晶を用い、その他は上記第１の方法
と同様にしたものである。

なお本方法においては、光波長変換素子としてファイ
バー型のものを使用することもできるし、あるいは３次
元光導波路型のもの、さらには２次元光導波路型のもの
を使用することもできる。

（作用） 点群mm2の斜方晶系材料であるPRAやTRIは、非線形光
学定数の対角項成分d₃₃に加えて、非対角項成分d₃₁、d
₃₂、d₁₅、d₂₄を有する。これらの非線形光学定数のう
ち、光導波路型の光波長変換素子において実際に利用し
やすいのは、d₃₁、d₃₂、d₃₃である。

ところが、本発明者等の研究によると、上記非線形光
学定数の非対角項成分d₃₁、d₃₂を利用すると、対角項成
分d₃₃を利用する場合に比べて、波長変換効率は桁違い
に向上することが分かった。そこで本発明においては、
PRAやTRI結晶の光学軸ｘ、ｙ、ｚに対する基本波の直線
偏光方向を前述のように設定して、非対角項成分の非線
形光学定数d₃₁あるいはd₃₂が利用されるようにする。

なお斜方晶系の材料においては光学軸と結晶軸とが一
致するので、導波方向に１つの結晶が延びるように結晶
配向させれば（それは前記特開昭64−73327号公報にも
示されるように、極めて容易に実現可能である）、導波
方向に垂直な面内に２つの光学軸が含まれるようにな
る。したがって、基本波および波長変換波の直線偏光方
向と光学軸との関係を上述のように設定することも容易
である。

しかしまた、本発明者等の研究によると、上記のよう
に基本波の直線偏光方向を設定して、前記430〜500nmの
波長領域の波長変換波を得る場合には、それ特有の問題
が生じることも分かった。

すなわち、導波部の材料とするPRAやTRIの吸収端波長
は、多くは400〜550nmの範囲内にあるので、430〜500nm
の波長領域の波長変換波を得る際には、どうしても波長
変換波の波長に近い（勿論それよりも短い）吸収端波長
を有する有機非線形光学材料を利用しなければならない
ことが多い。なお非線形光学材料の吸収端波長は、一般
には、エタノールを溶媒とするその材料の溶液（濃度４
×10^-4mol/）に対して光透過率が90％以上となる波長
の下限値として規定されるものである。

従来は、波長変換波の波長が非線形光学材料の吸収端
波長よりも若干長ければ、特に波長変換波吸収の問題は
生じないと考えられてきた。しかし、上記のように基本
波の直線偏光方向を設定して、非線形光学定数の非対角
項成分d₃₁、d₃₂を利用しようとする場合は、上記吸収端
波長と波長変換波波長とが30nm以上離れていないと、波
長変換波の吸収が大きくて光波長変換素子から出射し得
ないことが分かった。この点に鑑みて本発明の方法にお
いては、利用するPRAやTRIの吸収端波長を考慮して、そ
れよりも30nm以上長い波長の波長変換波が得られるよう
に基本波波長を選択する。

（実 施 例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。

＜第１実施例＞ 第１図は、本発明の方法を実施する光波長変換モジュ
ールの一例を示している。この光波長変換モジュール
は、ファイバー型の光波長変換素子10と、この光波長変
換素子10に基本波を入力させる光源装置20とから構成さ
れている。

本例の光波長変換素子10のコア11は、下記の分子式 で示される有機非線形光学材料（3.5−ジメチル−１−
（４−ニトロフェニル）ピラゾール：以下PRAと称す
る）の単結晶から形成されている。一方クラッド12は、
光学ガラスから形成されている。

上記PRAのバルク結晶構造を第３図に示す。このPRAの
結晶は斜方晶系をなし、点群はmm2である。したがって
非線形光学定数のテンソルは、 となる。ここでd₃₁は、第３図に示すように結晶軸ａ、
ｂ、ｃに対して定まる光学軸ｘ、ｙ、ｚを考えたとき、
ｘ方向に直線偏光した光（以下、ｘ偏光という。ｙ、ｚ
についても同様。）を基本波として入射させてｚ偏光の
第２高調波を取り出す場合の非線形光学定数であり、同
様にd₃₂はｙ偏光の基本波を入射させてｚ偏光の第２高
調波を取り出す場合の非線形光学定数、d₃₃はｚ偏光の
基本波を入射させてｚ偏光の第２高調波を取り出す場合
の非線形光学定数、d₂₄はｙとｚ偏光の基本波を入射さ
せてｙ偏光の第２高調波を取り出す場合の非線形光学定
数、d₁₅はｘとｚ偏光の基本波を入射させてｘ偏光の第
２高調波を取り出す場合の非線形光学定数である。各非
線形光学定数の大きさを下表に示す。

なお上の表においてはＸ線結晶構造解析による値、
はMarker Fringe法による実測値であり、単位は双方
とも［×10^-9esu］である。なおPRAの吸収端波長は402n
mである。

ここで、上記光波長変換素子10の作成方法について説
明する。まずクラッド12となる中空のガラスファイバー
12′が用意される。このガラスファイバー12′は一例と
してSF10ガラスからなり、外径が100μｍ程度で、中空
部の径が1.0μｍのものである。そして第５図に示すよ
うに、炉内等においてPRAを融液状態に保ち、この融液1
1′内にガラスファイバー12′の一端部を浸入させる。
すると毛細管現象により、融液状態のPRAがガラスファ
イバー12′の中空部内に進入する。なお該融液11′の温
度は、PRAの分解を防止するため、その融点（102℃）よ
りも僅かに高い温度とする。その後ガラスファイバー1
2′を急冷させると、中空部に進入していたPRAが多結晶
化する。

次いでこの光ファイバー12′を、PRAの融点より高い
温度（例えば102.5℃）に保たれた炉内から、該融点よ
り低い温度に保たれた炉外に徐々に引き出すことによ
り、溶融状態のPRAを炉外への引出し部分から単結晶化
される。それにより、50mm以上もの長い範囲に亘って単
結晶状態となり、結晶方位も一定に揃ったコア11が形成
され、光波長変換素子10を十分に長くすることができ
る。周知のようにこの種の光波長変換素子の波長変換効
率は素子の長さに比例するので、光波長変換素子は長い
ほど実用的価値が高くなる。

上述のようにしてPRAをガラスファイバー12′内に単
結晶状態で充てんさせると、その結晶配向状態は第４図
図示のように、ｃ軸（光学軸はｘ軸）がコア軸方向に延
びる状態となる。

以上述べたようにしてコア11が充てんされた後、ガラ
スファイバー12′の両端をファイバーカッターで切断し
て、長さ5mmの光波長変換素子10を形成した。第１図図
示のように、この光波長変換素子10を光源装置20と組み
合わせて光波長変換モジュールが構成される。本実施例
においては、基本波を発生する光源として半導体レーザ
21が用いられており、そこから発せられたレーザ光（基
本波）15はコリメートレンズ22によって平行ビーム化さ
れ、次いでアナモルフィックプリズムペアー23およびλ
/2板25に通され、集光レンズ26で小さなビームスポット
に絞られた上で、光波長変換素子10の入射端面10aに照
射される。それにより、この基本波15が光波長変換素子
10内に入射する。前述した通り、コア11を構成するPRA
は、ｘ軸がコア軸方向に延びる結晶配向状態となってお
り、そして本例では、光源装置20のλ/2板25を回転させ
ることにより、ｙ偏光状態の基本波15を光波長変換素子
10に入力させる。

光波長変換素子10内に入射した基本波15は、コア11を
構成するPRAにより、波長が1/2の第２高調波15′に変換
される。この第２高調波15′はクラッド12の外表面の間
で全反射を繰り返して素子10内を進行し、基本波15のコ
ア部での導波モードと、第２高調波15′のクラッド部へ
の放射モードとの間で位相整合がなされる（いわゆるチ
ェレンコフ放射）。

光波長変換素子10の出射端面10bからは、上記第２高
調波15′と基本波15とが混合したビーム15″が出射す
る。この出射ビーム15″は、集光レンズ27に通されて集
光された後、第２高調波15′は良好に透過させる一方、
基本波15は吸収するバンドパスフィルター28に通され、
第２高調波15′のみが取り出される。偏光板等を使用し
て、上記第２高調波15′はｚ偏光であることが確認され
た。つまり本例では、前述したPRAの非線形光学定数d₃₂
が利用されている。

次に波長変換効率について説明する。半導体レーザ21
としてGaAsレーザおよびInGaAsレーザを用いた。発振波
長は、760〜1000nmの領域にあるものを用い、基本波15
のパワーは20mWとして、その場合の波長変換効率を調べ
た。その際の第２高調波波長と波長変換効率との関係
を、第６図のに示す。なおこの第６図のとはそれ
ぞれ、クラッド12の材料をSF1ガラス、SF15ガラスとし
て、その他の条件は上記実施例の光波長変換素子10と同
じとした２つの光波長変換素子について、上記と同様に
して第２高調波波長と波長変換効率との関係を調べた結
果を示すものである。

図示される通り本例においては、基本波入力20mWに対
して、例えばならば第２高調波波長が435nm以上で、
ならば同じく440nm以上で、１％以上の高い波長変換
効率が得られる。したがって、さらに高出力のレーザ光
を用いれば、mWオーダーの実用的な青色レーザ光を得る
ことも十分可能である。

そしてこの第６図に明示されている通り、PRAの吸収
端波長402nmよりも僅かに波長が長い程度の第２高調波1
5′は素子外に出射し得ず、この吸収端波長よりも第２
高調波波長が30nm以上長ければ、ある程度高い波長変換
効率が実現される。したがって、このPRAをコアとして
用いて第２高調波を得る場合は、波長が（402＋30）×
２＝864nm以上の基本波15を利用して波長変換を行なう
こととする。

＜第２実施例＞ 次に、コアとして下記の分子式 で示される非線形光学材料（3,5−ジメチル−１−（４
−ニトロフェニル）−1,2,4−トリアゾール：以下TRIと
称する）を単結晶状態にして用いた実施例について説明
する。

クラッドとして第１実施例と同様にSF10ガラス、SF1
ガラス、SF15ガラスを用い、その中空部分に前述と同様
にして上記TRIの単結晶を成長させてコアを形成した。
なおこうしてコアを形成すると、TRIの結晶配向状態は
第７図図示のように、ｂ軸（光学軸はｘ軸）がコア軸方
向に延びる状態となる。

こうして作成した３つのファイバー型光波長変換素子
（SF10ガラス使用のもの）、（SF1ガラス使用のも
の）および（SF15ガラス使用のもの）は、コア材料が
異なる点以外は、それぞれ第１実施例の、および
の光波長変換素子と同じ仕様である。これらの光波長変
換素子、、も、第１図に示すようにして使用され
る。

そしてこの場合も、半導体レーザ21としてGaAsレーザ
およびInGaAsレーザを用いた。発振波長は、760〜1000n
mの領域にあるものを用い、基本波15のパワーは20mWと
して、波長変換効率を調べた。こうして基本波15をｙ偏
光状態で光波長変換素子に入射させると、ｚ偏光状態の
第２高調波15′が確認された。よってこの場合も、非線
形光学定数d₃₂が利用されている。

この際の第２高調波波長と波長変換効率との関係を、
第８図に示す。図示される通りこの場合も、基本波入力
20mWに対して、例えば、ならば第２高調波波長が45
5nm以上で、ならば同じく440nm以上で、1.5％以上の
高い波長変換効率が得られる。

そしてこの例でも、TRIの吸収端波長390nmよりも第２
高調波波長が30nm以上長ければ、ある程度高い波長変換
効率が実現される。したがって、このTRIをコアとして
用いて第２高調波を得る場合は、波長が（390＋30）×
２＝840nm以上の基本波15を利用して波長変換を行なう
こととする。

＜比較例＞ 第１実施例の３つの光波長変換素子とコア材料、コア
径、長さ等はすべて共通で、クラッド材料のみがそれぞ
れSF7ガラス、F7ガラスと異なる２つのファイバー型光
波長変換素子を作成した。前者を、後者をとして、
それらの波長変換効率を第１、第２実施例と同様にして
測定した結果を第９図に示す。なおこの場合は本発明方
法と異なり、基本波15をｚ偏光状態で光波長変換素子に
入射させる。そのとき、第２高調波15′がｚ偏光状態で
あることを確認した。したがってこの場合は、非線形光
学定数の対角項成分d₃₃が利用されている。

第９図から明らかな通り、この場合の波長変換効率
は、最大でも約0.004％である。第１実施例の場合とこ
の場合の最大効率を比較すると、100倍以上の開きが有
る。従来より、波長変換効率は非線形光学定数の２乗に
比例すると考えられているが、PRAの非線形光学定数
d₃₂、d₃₃は先の表に示した通りであるから、上記波長変
換効率と非線形光学定数との関係がそのまま当てはまる
ならば、第１実施例における波長変換効率は本比較例の
６倍程度にしかならないはずである。しかし実際には、
第１実施例の波長変換効率は前述の通りであり、非線形
光学定数の非対角項成分d₃₂を利用したことにより、何
らかの理由で格別に高い波長変換効率が実現したと考え
られる。

なお以上説明した実施例は第２高調波を得るものであ
るが、本発明はその他、基本波を和周波や差周波に、さ
らには第３高調波等に波長変換する場合にも適用可能で
ある。さらに本発明は、ファイバー型の光波長変換素子
のみならず、３次元光導波路型や２次元光導波路型の光
波長変換素子を利用する場合にも適用可能である。

また本発明は、先に述べたように波長500nm近辺の光
に対して感度を有する、比較的新しい感光材料用の記録
光を発生させるために適用することも可能である。その
場合、一例として第２図の曲線ｂで示す分光感度特性を
有する感光材料に対しては、例えば基本波光源としてIn
GaAsレーザを用い、そこから発せられた波長980nmのレ
ーザ光を、本発明方法により波長490nmの第２高調波に
波長変換して記録光とすればよい。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換方法にお
いては、PRAやTRIの非線形光学定数の非対角項成分が利
用されるようにしたことにより、極めて高い波長変換効
率を実現できる。また本方法においては上記のことと相
まって、導波部を構成するPRAやTRIの吸収端波長よりも
30nm以上長い波長の波長変換波が得られるように基本波
波長を選択しているので、波長変換波の吸収を確実に防
止して、極めて高強度の青色レーザ光を得ることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施する光波長変換モジュー
ルの一例を示す概略図、 第２図は、本発明に係る銀塩感光材料の分光感度特性を
示すグラフ、 第３図は、上記光波長変換モジュールの光波長変換素子
に用いられたPRAのバルク結晶図、 第４図は、上記光波長変換素子におけるコア材料の結晶
配向を示す概略図、 第５図は、上記光波長変換素子の作成方法を説明する説
明図、 第６図は、本発明の一実施例における第２高調波波長と
波長変換効率との関係を示すグラフ、 第７図は、本発明に用いられる別の光波長変換素子にお
けるコア材料の結晶配向を示す概略図、 第８図は、本発明の別の実施例における第２高調波波長
と波長変換効率との関係を示すグラフ、 第９図は、従来方法における第２高調波波長と波長変換
効率との関係を示すグラフである。 10……光波長変換素子、11……コア 11′……PRA融液、12……クラッド 12′……ガラスファイバー、15……基本波 15′……第２高調波、20……光源装置 21……半導体レーザ、22……コリメートレンズ 23……アナモルフィックプリズムペアー 25……λ/2板、26、27……集光レンズ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クラッド部内に下記の分子式 で示される単結晶有機非線形光学材料が導波部として配
   されてなるチェレンコフ放射型光波長変換素子に基本波
   を入射させて、波長が430〜500nmの領域にある波長変換
   波を取り出す方法において、 基本波の波長を、前記有機非線形光学材料の吸収端波長
   よりも30nm以上長波長の波長変換波が得られるように選
   択し、 前記結晶の光学軸ｘあるいは光学軸ｙ方向に直線偏光し
   た基本波を入射させて、光学軸ｚ方向に直線偏光した波
   長変換波を取り出すことを特徴とする光波長変換方法。
2. 【請求項２】クラッド部内に下記の分子式 で示される単結晶有機非線形光学材料が導波部として配
   されてなるチェレンコフ放射型光波長変換素子に基本波
   を入射させて、波長が430〜500nmの領域にある波長変換
   波を取り出す方法において、 基本波の波長を、前記有機非線形光学材料の吸収端波長
   よりも30nm以上長波長の波長変換波が得られるように選
   択し、 前記結晶の光学軸ｘあるいは光学軸ｙ方向に直線偏光し
   た基本波を入射させて、光学軸ｚ方向に直線偏光した波
   長変換波を取り出すことを特徴とする光波長変換方法。