JPH03156432A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、基本波をその１／２の波長の第２高調波等に
変換するファイバー型の光波長変換素子と、波長変換波
の波面を円錐波面から平面あるいは球面波面に変換する
光学素子とからなる光波長変換装置に関するものである
。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料を利用して、レーザー光を第
２高調波等に波長変換（短波長化）する試みが種々なさ
れている。このようにして波長変換を行なう光波長変換
素子として具体的には、例えば「光エレクトロニクスの
基礎ＪＡ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷武志訳（丸善
株式会社）のｐ２００〜２０４に示されるようなバルク
結晶型のものがよく知られている。ところがこの光波長
変換素子は、位相整合条件を満たすために結晶の複屈折
を利用するので、非線形性が大きくても複屈折性が無い
材料あるいは小さい材料は利用できない、という問題が
あった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが提案されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
懇話会微小光学研究グループ機関誌ＶＯＬ、　　３．　
Ｎα２．ｐ２８〜３２にはその一例が示されている。こ
のファイバー型の光波長変換素子においては、コア部に
おける基本波の導波モードと、第２高調波等のクラッド
への放射モードとの間で容易に位相整合をとることがで
きる（いわゆるチェレンコフ放射の場合）ので、最近で
はこのファイバー型光波長変換素子についての研究が盛
んになされている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述のようにして得た波長変換波はクラッド
の端面から取り出されて、種々の目的のために利用され
るが、その場合、波長変換波を小さなスポットに絞って
利用したいことが多い。例えば波長変換波を光記録に利
用する場合等にあっては、記録密度向上等の点から、波
長変換波を特に微小なスポットに絞り込むことが望まれ
る。

ところが、上述のファイバーチェレンコフ型の光波長変
換素子においては、素子外に取り出した波長変換波を一
般的な球面レンズに通して絞ろうとしても、小さなスポ
ットに収束しないという問題が認められる。

そこで本発明は、波長変換波を小さなスポットに絞り込
むことができる光波長変換装置を提供することを目的と
するものである。

さらに本発明は、レーザー光源の発振波長変動により基
本波波長が変動しても、上記のように波長変換波を小さ
なスポットに絞り込んだ状態を良好に維持可能とするこ
とも目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の光波長変換装置は、先に述べたようなファイバ
ーチェレンコフ型の光波長変換素子にあっては、クラッ
ド中に放射した波長変換波（所定の位相整合角度で出射
して基本波と位相整合する光）の波面が円錐波面になっ
ているという知見に基づいて得られたものであり、 このファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子に加え
てさらに、 この光波長変換素子のクラッド端面から出射した波長変
換波が入射する位置に配され、この波長変換波の波面を
、光の屈折現象により、円錐波面から平面または球面波
面に変換する光学素子を設けた上で、 上記クラッド端面からの波長変換波の出射角をθＡとし
たとき、 すなわち、波長変換波の波長がｌｎｍ変化したときのθ
Ａ　（’　）の変化分が、下記の範囲の値をとるように
、上記光波長変換素子のクラッド材料およびコア径を選
択したことを特徴とするものである。

上記の光学素子としては例えば、光入射側および／また
は光出射側の面が円錐面状とされたレンズ等を用いるこ
とができる。このような光学素子は、波長変換波が出射
するクラッド端面から離して配されてもよいし、またこ
の端面に密着固定されてもよい。

（作　　用） 上記光学素子の作用により、波長変換波の波面を平面ま
たは球面波面に変換すれば、その波長変換波を通常の球
面レンズに通すことにより、小さなスポットに絞り込む
ことが可能になる。

また光波長変換素子のクラッド材料およびコア径が上述
のように選択されていると、基本波波長が変動したとき
、クラッド端面からの波長変換波出射角と、光学素子に
おける波長変換波屈折角とが互いに打ち消し合うように
変化し、波長変換波が小さなスポットに絞られた状態が
維持されるようになる。以下、この点について詳しく説
明する。

例えば第１図に示すように、非線形光学材料のコア１が
それよりも低屈折率のクラッド２内に配されてなるファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子３により、コア
１中を導波させた基本波５を第２高調波５′に変換させ
、そしてその円錐波面を円錐レンズ６により、平面波面
に変換する場合について考える。

上記のレンズ６は、光波長変換素子３側の面６ａが円錐
面とされ、それと反対側の面６ｂが平面とされたもので
ある。ここで、クラッド２の第２高調波５゛に対する屈
折率を０１素子３の周囲の媒質を空気（屈折率−１）、
レンズ６の材料の屈折率をｎＬ、位相整合角をθｏ１ク
ラッド端面２ａからの第２高調波５°の出射角をθＡと
すると、ｎ５ｌｎθ０−ｓｉｎθＡ ｓｉｎθｚ−ｎ５ｌｎθ０ θ２−θＡ＋ρ であり、レンズ６を通過後の第２高調波５°が平行光に
なるとすれば、レンズ面６ａの傾き角をρとしてθ３−
ρであるから、 ｎ　ｓ１ｎθｇ−ｓｉｎθＡ　　　　　　　−−−−・
−（１）ｓｌｎ　　（θＡ　十ｐ）　＝ｎＬｓｉｎ　ｐ
　　　−−（２Ｊとなる。つまり円錐形のレンズ面６ａ
の傾き角ρを上記２式が成立するように設定しておくこ
とにより、レンズ６を通過後の第２高調波５°の波面は
平面波面となる。

次に、第２高調波５°の波長変動について考える。角度
について士の方向を第１図に示すように定める。円錐レ
ンズ６の屈折率ｎＬの変化による、第２高調波５゛の該
レンズ６からの出射角変化Δθｐは近似的に、 の範囲に存在している。したがって出射角θｐの波長依
存性は、 と概算される。逆に言えば、クラッド２からの出射角θ
Ａの波長依存性が、 で表わされる。第２高調波５°を発生させる目的は多く
の場合、青色領域のレーザー光を得ることにあるので、
実際に存在する光学ガラス等の円錐の値をλ−４００ｎ
ｍ付近の波長領域について調べると、それらは−（１，
２〜２０）　Ｘ　１０−’　　［ｎ　ｍ−１］なる範囲
にあれば、円錐レンズ６からの第２高調波出射角θｐの
波長依存性を、クラッド２からの出射角θＡの波長依存
性によって補償することが実際に可能となる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第２図は、本発明の一実施例による光波長変換装置を示
すものである。この装置は、光波長変換素子１０と、波
面変換を行なう光学素子としての円錐レンズ２０とから
構成されている。上記光波長変換素子ＩＯは、クラッド
１２の中心の中空部分内に、非線形光学材料からなるコ
ア１１が充てんされた光ファイバーである。上記非線形
光学材料としては、前述したように波長変換効率が高い
有機非線形光学材料を用いるのが好ましい。本例では特
に特開昭６２−２１０４３２号公報に示される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）によってコア１１を形成している
。一方クラッド１２は、ＬａＦＮ２ガラスから形成され
ている。

この光波長変換素子ＩＯを作成する際には、まずクラッ
ド１２となるＬａＦＮ２ガラスの中空ファイバーが用意
される。このガラスファイバーは一例として、外径が３
ｍｍで、中空部の径が２．０μｍのものである。そして
このガラスファイバーの中空部に融液状態のＰＲＡを充
填し、固化させ、またそれを単結晶化させる。次いでこ
のガラスファイバーの両端を切断、研磨して、光波長変
換素子１０を得る。なお、以上のようにして光波長変換
素子１０を作成する方法については、例えば特開昭６４
−７９７３４号公報等に詳しい記載がなされている。

一方円錐レンズ２０は５ＦＳ３ガラスから形成され、光
波長変換素子１０側の面２０ａが円錐面とされ、それと
反対側の面２０ｂが平面とされたものである。

上記光波長変換素子１０は第２図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段としての半導体レー
ザー（発振波長：　８７０　ｎ　ｍ）　１Ｂが光波長変
換素子１０の光入射側の端面１０ａに直接固定され、そ
こから射出されたレーザー光（基本波）１５がコアｌｌ
内に入射する。この基本波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中に放射
して、素子１０内を端面側に進行する。位相整合は、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取られる（いわゆ
るチェレンコフ放射）。

第２高調波１５°は、クラッド端面１２ａから出射し、
円錐レンズ２０によってコリメートされる。またコア１
１の端面１１ａからは、コアｌｌ内を導波した基本波１
５が出射する。この第２高調波１５°と基本波１５を含
む光ビーム１５”は、第２高調波１５゛　のみを通過さ
せるフィルター１８に通され、第２高調波１５’　のみ
が取り出される。この第２高調波１５゛　は、−船釣な
球面レンズである集光レンズ■９に通され、微小なスポ
ットＰに絞られる。なお第２図ではこの第２高調波１５
°を利用する装置を特に示していないが、この種の装置
においては前述した理由により、こうして第２高調波１
５゛　を絞って利用することが多い。

次に、円錐レンズ２０の作用について詳しく説明する。

本実施例においては第３図に詳しく示すように、クラッ
ド１２が十分に太く形成され、それにより、位相整合角
θ０でクラッド１２中に放射した第２高調波１５°はす
べで、クラッド外表面で全反射することなしにクラッド
端面１２ａから直接出射するようになっている。そうす
るためにはコア１１の直径をｄ１クラッド１２の長さを
Ｌとしたとき、クラッド１２の直径ＤＣを ＤＣ〉２　Ｌ　争　ｔａｎ　θ０　＋　ｄに設定すれば
よい。このようになっていると、クラッド１２中を進行
するすべての第２高調波１５゛　の波面は、コア軸を含
む１つの平面内においては第３図中に矢印Ｗで示す向き
となり、したがって全体では円錐面状となる。

ここで、円錐レンズ２０の円錐面２０ａのカット角ρは
、前述した（１）および（２）式を満足するように設定
されている。本例では、ＰＲＡからなるコア１１の直径
が２，０μｍ、ＬａＦＮ２ガラスからなるクラッド１２
の直径が３ｍｍ、波長λ−４３５ｎｍの第２高調波１５
’　に対するクラッド１２の屈折率ｎ−１゜７６５３、
位相整合角θＯ−７，００”　、第２高調波１５′のク
ラッド端面１２ａからの出射角θＡ−１２，４”円錐レ
ンズ材料である５ＦＳ３ガラスのλ−４３５ｎｍにおけ
る屈折率ｎＬ＝１．８２４９であり、よってρ−１４，
２’である。

このような円錐レンズ２０に第２高調波１５゛　を通す
ことにより、その円錐波面が平面波面に変換される。し
たがって、この第２高調波１５′を前記のように一般的
な球面レンズである集光レンズ１９に通すことにより、
それを微小なスポットＰに絞ることが可能となる。

次に、基本波１５すなわち第２高調波１５’　の波長変
動の影響について考える。本実施例における上記各条件
の下では、既に述べた通り出射角θＡ−１２，４°であ
り、またその波長依存性は、ら形成し、コア材料、コア
径およびクラツド径等の条件を本実施例と同じとした場
合は、出射角θＡ−２８，４’ であるから、上記両波長依存性を互いに打ち消し合うよ
うに変化させることはできない。

次に、実際に生じる波面収差について説明する。

お角度の正負は、前記第１図で規定した通りである）。

よって前記（４）式について検討すると、−２０ＸｌＯ
’θＡ　−−０，０２４８’　／　ｎ　ｍ−１，２Ｘｌ
０−４θＡ　−−０，００１５＠／　ｎ　ｍで、−０，
０２４８＜　−０，００７１＜　　−０，００１５とな
っているから、出射角θＡの波長依存性と、円錐レンズ
２０からの出射角θｐの波長依存性とが、互いに打ち消
し合うように変化し得る。

比較例として、クラッド１２を５ＦＳ３ガラスかの値よ
り、 であれば、上記の出射角θＡの波長依存性と、円錐レン
ズ２０からの出射角θｐの波長依存性とが、互いに理想
的に打ち消し合うことになる。この場合、 であることが必要である。しかし、５ＦＳ３ガラスにつ
いて実際の値は、 であるので、出射角θｐの波長依存性は、−（５，７３
−５，５０）　Ｘｌ０−４　Ｘ１２．４＝−２，８５Ｘ
１０−４°／　ｎ　ｍ 残ることになる。そこで実際に考えられることとして、
基本波１５の波長が±２．５ｎｍ（合計５ｎｍ）変動し
たとき、つまり第２高調波１５’　の波長λが±１．２
５ｎｍ変動したとき、出射角θｐは、−２，８５ＸｌＯ
−４ｘ　（±１．２５）−±３．５７Ｘ　１０−４　”
変動することになる。

ここで、円錐レンズ２０を通過後の第２高調波１５゛の
有効径をり、波面の角度ズレ量をΔθ、波面収差のｐ−
ｐ値（ピーク・トウー・ピーク値）をεとすると、 Ｅ　”　（Ｄ／　２）　　ｌ　ｓ１ｎΔθである。した
がって、Ｄ　ＨＤ　（＝　３　ｍ　ｍ　−３０００ａｍ
と近似すると、 ｅ　−（３０００／２）　Ｘ５ｌｎ　　（±３．５７Ｘ
１０−４°）−０，００９３５μｍ ＝９．３５ｎｍ　　　　　　　となる。

一般に上記εの値がλ／４より小さければ、良好に絞ら
れたビームスポットが得られるとされている。本例では
λ／４＝４３５　／４−ＩＯ２，８ｎｍであるから、波
面収差のｐ−ｐ値εは、λ／４よりも小さく収まってい
る。

以上、基本波を第２高調波に変換する実施例について説
明したが、本発明はその他、基本波を第３高調波に波長
変換する光波長変換素子や、２種の波長の基本波を和周
波や差周波に波長変換する光波長変換装置に対しても適
用可能である。

また本発明は、波長変換波の波面を円錐波面から球面波
面に変換する場合にも適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明によれば、ファイバー型
の光波長変換素子から出射した波長変換波の波面を平面
または球面波面とすることができるので、この波長変換
波を通常の球面レンズに通して微小なスポットに絞るこ
とが可能となる。したがって本発明によれば、利用する
光ビームを微小なスポットに絞る必要がある光記録装置
等に対して波長変換波を利用することが可能となり、波
長変換の技術の応用範囲が著しく拡大される。

その上本発明においては、波長変換波の光波長変換素子
からの出射角の波長依存性と、波面変換を行なう光学素
子における屈折角の波長依存性とが互いに打ち消し合う
に構成したから、基本波の波長変動があっても、上記の
ように波長変換波が微小なスポットに良好に絞られた状
態を維持でき、この波長変換波を利用する装置の信頼性
を高めることができる。

さらに本発明によれば、上記のように基本波の波長変動
を許容できるから、レーザー光源の発振波長の個体差も
許容できることになり、それにより歩留り向上の効果や
、レーザー光源が破損した際光波長変換素子はそのまま
にしてレーザー光源を簡単に交換使用できるという効果
も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光波長変換装置の基本構成を説明す
る側面図、 第２図は、本発明の一実施例による光波長変換装置を示
す側面図、 第３図は、第２図の装置における光波長変換素子を詳し
く示す拡大側面図である。 １．１１・・・コア　　　　　　２．１２・・・クラッ
ド３．１０・・・光波長変換素子　５．１５・・・基本
波５’　、１５’　・・・第２高調波　１２ａ・・・ク
ラッド端面２０・・・円錐レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のクラッド
   内に充てんされてなるファイバーであって、コアに入射
   された基本波を波長変換してクラッド中に放射する光波
   長変換素子と、 この光波長変換素子のクラッド端面から出射した波長変
   換波が入射する位置に配され、この波長変換波の波面を
   、光の屈折現象により、円錐波面から平面または球面波
   面に変換する光学素子とからなる光波長変換装置におい
   て、 前記クラッド端面からの波長変換波の出射角をθ＿Ａと
   したとき、 この出射角θ＿Ａの波長依存性■θ＿Ａ／■λ［単位：
   ゜／ｎｍ］が、下記の範囲 −２０×１０＾−＾４θ＿Ａ＜■θ＿Ａ／■λ＜−１．
   ２×１０＾−＾４θ＿Ａの値をとるように、前記光波長
   変換素子のクラッド材料およびコア径が選択されている
   ことを特徴とする光波長変換装置。