JPH04331930A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製版装置やレーザービ
ームプリンタ、光情報記録装置、分光分析装置等に用い
られる光源の短波長化に応用される光波長変換装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、製版装置やレーザビームプリンタ
の高精細度化や高速化、あるいは光情報記録装置の高記
録密度化等を目的として、レーザ光の短波長化の開発が
進められている。半導体レーザの波長に関しては、従来
のＧａＡｓ系半導体レーザでは原理的に５８０ｎｍ以下
の波長で発振できるものがないため、入射した基本波の
半分の波長の第２高調波を取り出す第２高調波発生（Ｓ
ＨＧ）を用いる光波長発生装置の研究が盛んである。

【０００３】以下、図面を参照しながら従来の光波長変
換装置の一例について説明する。

【０００４】従来の光波長変換装置の作用を示す図４に
おいて、１は図示しないレーザ光源から発した基本波で
あり、２は例えばＬｉＮｂ２　Ｏ３から成る複屈折性材
料である。３は複屈折材料２の表面若しくは内部に設け
られた非線形光学効果を有する材料（例えばＬｉＮｂ２
　Ｏ３　）で形成された導波路である。４は導波路３を
通過した基本波、５は第２高調波である。

【０００５】図４において、基本波１が導波波３を伝播
すると、導波路３の非線形光学効果により、基本波１の
一部が第２高調波５に変換される。このとき、第２高調
波５の媒質中の位相速度が基本波１の媒質中での位相速
度よりも大きいと第２高調波５はチェレンコフ放射とい
う形で複屈折性材料２の内部に放射される。変換されな
かった基本波１はそのまま基本波１として透過し、チェ
レンコフ放射された光が第２高調波５として出射される
。この第２高調波５は図４に示したように進行方向に垂
直な断面が三日月型をした発散光であり、そのままでは
使用し難いため平行光化する必要がある。

【０００６】そこで、本出願人は先にチェレンコフ放射
された第２高調波５を平行光にする手段を提案している
。その原理を、図５、図６を用いて簡単に説明する。 図５は第２高調波の平行光化の原理を示す鉛直方向の断
面図であり、６は第２高調波５の出射角である。７は円
錐レンズ、８は導波路３と同軸の円錐レンズ７の回転軸
である。出射角６の大きさに応じて円錐レンズ７の屈折
率及び頂角を適当に選ぶことにより、図５に示した断面
内で第２高調波５を回転軸８に平行にすることができる
。チェレンコフ放射の原理により、第２高調波５は回転
軸８の回りに軸対称な円錐の一部を成しているから、円
錐レンズ７を回転軸８の回りに回転して得られる円錐レ
ンズ７（図６参照）とすることによって全ての第２高調
波５が平行光になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では複屈折性材料中を伝播する第２高調波に
対して完全に平行光にすることはできないという課題が
残っていた。

【０００８】以下、図７、図８を用いてこの課題につい
て説明する。図７は光波長変換装置の導波路に垂直な断
面図であり、９は導波路３を含む垂直面、１０は導波路
３を含む面を代表する面であり、以降出射面と称する。 １１は垂直面９と出射面１０の成す角であり、以降その
大きさをαとする。図８は出射面１０における光波長変
換装置の断面図であり、この出射面１０における出射角
６の大きさをθ（α）とする。複屈折性材料２中では異
常光線である第２高調波は進行方向毎に異なった屈折率
を感じ、そのため出射角６の大きさθ（α）も出射面１
０毎に異なる。

【０００９】図９に鉛直面９と出射面１０の成す角１１
の大きさαと出射角６の大きさθ（α）の関係をグラフ
にして示す。

【００１０】このように出射角６の大きさθ（α）が出
射面１０毎に異なるため、屈折率が一定の円錐レンズ７
を用いたのでは、１つの出射面１０内では第２高調波５
を平行光にできてもそれ以外の出射面１０においては徐
々に第２高調波が平行からずれてくることになり、完全
に平行光にすることはできない。

【００１１】本発明は上記従来の問題点に鑑み、第２高
調波を完全に平行光にでき、また製作容易な光波長変換
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の光波長変換装置
は、レーザ光源と、複屈折性材料と、複屈折性材料表面
又は内部に設けられた非線形光学材料から成る導波路と
、導波路を伝播するレーザ光が変換されて発生する第２
高調波を収束又は発散させる円錐レンズとから成る光波
長変換装置において、前記円錐レンズが屈折率分布型円
錐レンズから成ることを特徴とする。

【００１３】好適には、屈折率分布型円錐レンズが複屈
折性材料から成り、特にその複屈折材料としてＬｉＮｂ
２　Ｏ３　を用い、円錐レンズの回転軸とＬｉＮｂ２　
Ｏ３　の光学軸との成す角がほぼ２７．３度となるよう
にするのが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明の上記構成によると、出射面毎に異なる
屈折率を有する屈折率分布型円錐レンズを用いて、出射
面毎に異なる第２高調波の出射角に応じてそれぞれの屈
折率を設定することにより、全ての第２高調波を平行光
にすることができる。

【００１５】又、屈折率分布型円錐レンズとしてＬｉＮ
ｂ２　Ｏ３を用い、円錐レンズの回転軸とＬｉＮｂ２　
Ｏ３　の光学軸との成す角がほぼ２７．３度となるよう
にすることにより、円錐レンズの片面を平面にでき、製
作が容易となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の各実施例の光波長変換装置に
ついて、図を参照しながら説明する。

【００１７】図１は本発明の第１実施例における光波長
変換装置の断面図を示す。図１において、１は図示しな
いレーザ光源から発した基本波、２は例えばＬｉＮｂ２
　Ｏ３　から成る複屈折性材料、３は複屈折性材料２の
表面若しくは内部に設けられた非線形光学効果を有する
材料（例えばＬｉＮｂ２　Ｏ３　）で形成された導波路
、５は第２高調波である。基本波１が導波波３を伝播す
ると、導波路３の非線形光学効果により、基本波１の一
部が第２高調波５に変換され、この第２高調波５がチェ
レンコフ放射という形で複屈折性材料２の内部に放射さ
れ、この第２高調波５が複屈折性材料２から出射角６で
出射され、回転軸８が導波路３と同軸の円錐レンズ７に
入射する。第２高調波５の出射角６の大きさに応じて円
錐レンズ７の屈折率及び頂角を適当に選ぶことにより第
２高調波５を回転軸８に平行にする。

【００１８】以上のような基本構成において、平行光化
の条件を説明する。

【００１９】図１は光波長変換装置を鉛直面（第２高調
波５の対称面）と角αを成す出射面で切断した断面図で
あり、この断面における第２高調波５の出射角６の大き
さをθ（α）とする。又、円錐レンズ７の前側頂角の半
角１１の大きさをγ、円錐レンズ７の後側頂角の半角１
２の大きさをβ、円錐レンズ７の第１面での屈折角１３
の大きさをθ１、円錐レンズ７の第２面での入射角１４
の大きさをθ２、円錐レンズ７の第２面での屈折角１５
の大きさをθ３とする。又、この断面における円錐レン
ズ７の屈折率をｎ（α）とし、円錐レンズ７を透過した
第２高調波１６が回転軸８と平行になる条件を求める。

【００２０】第１面での屈折におけるスネルの法則によ
り、

【００２１】

【数３】

【００２２】又、第２面でも同様に、

【００２３】

【数４】

【００２４】また、四角形の内角の総和は２＊πである
から、次式が成り立つ。

【００２５】

【数５】

【００２６】さらに円錐レンズ７を透過した第２高調波
１６が回転軸８と平行であるためには、

【００２７】

【数６】

【００２８】であるから、　（５）式から求めたβを　
（６）式に代入してθ３を求め、これを　（４）式に代
入し、θ２の三角関数の積の形に変形した後　ｃｏｓθ
で割ることにより、求める条件は、

【００２９】

【数７】

【００３０】にて与えられる。

【００３１】この条件をθ（α）、γ、β、ｎ（α）に
関する式に変形する。即ち、　（７）式を三角関数の公
式により変形してπ／２の項を除去し、　（４）式と　
（６）式からθ２をβとｎ（α）で表し、　（３）式か
らθ１をθ（α）とγとｎ（α）で表し、これらを　（
７）式に代入して整理すると、請求項２に記載したよう
に、次式で与えられる。

【００３２】

【数８】

【００３３】また、　（１）式をβについて解くと、次
式のようになる。

【００３４】

【数９】

【００３５】かくして、θ（α）と、屈折率分布型円錐
レンズの第２高調波の対称面における屈折率ｎ（０）と
、第２高調波の入射側の頂角の半角γが与えられたとき
、屈折率分布型円錐レンズの各出射面に対する屈折率ｎ
（α）と出射側の頂角の半角βを、上記　（１）式、　
（２）式で与えることにより、第２高調波をすべて平行
光にすることができる。

【００３６】ここでは、更に複屈折性材料として一般的
に入手容易なＬｉＮｂ２　Ｏ３　を用いて屈折率分布型
円錐レンズ７を製作することを考える。このための条件
は、ＬｉＮｂ２　Ｏ３　の常光線の屈折率をｎｏ、異常
光線の屈折率をｎｅとして、

【００３７】

【数１０】

【００３８】

【数１１】

【００３９】となるような屈折率分布を持つような円錐
レンズの形状を求めればよい。一例として半導体レーザ
光の波長が８３０ｎｍの時、第２高調波の波長は４１５
ｎｍであり、θ（０）＝５２．６０４９°、ｎ（０）＝
ｎｏ＝２．４１８、ｎｅ＝２．３１１であるから、条件
式を数値計算的に解き、γ、β、及びｎ（α）を求める
と、γ＝１１８．９２°、β＝３０．６９°となる。従
って、円錐レンズ７の前側頂角の半角１１の大きさγを
１１８．９２°、円錐レンズの後側頂角の半角１２の大
きさβを３０．６９°とし、円錐レンズの材料としてＬ
ｉＮｂ２　Ｏ３　を用いると円錐レンズ７を透過する全
ての光線が平行光となる。

【００４０】次に、本発明の第２実施例の光波長変換装
置について図３により説明する。図３において、図１に
示したものと同一の構成要素については同一参照番号を
付して説明を省略する。１８はＬｉＮｂ２　Ｏ３　の光
学軸である。１９は光学軸１８と円錐レンズの回転軸８
の成す角であり、その大きさを２７．３°とする。この
とき、円錐レンズの前側頂角の半角１１の大きさを６６
．３°とすると、次に説明するように後側頂角の大きさ
が１８０°の時全ての円錐レンズを透過する光線１６が
平行光となる。

【００４１】このように、円錐レンズ７の回転軸８とＬ
ｉＮｂ２　Ｏ３　の光学軸との成す角をほぼ２７．３°
とするとき、図１のβ＝９０°となる理由を次に説明す
る。 図２は、α＝９０°の時の光線ベクトルとＬｉＮｂ２　
Ｏ３　の光学軸とを含む面で切った屈折率楕円体を示す
図であり、１７はＬｉＮｂ２　Ｏ３　を透過する光線で
ある。

【００４２】光線１７の感じる屈折率はベクトルｎの長
さで表されるから、ｎと光学軸の成す角をθとすれば、

【００４３】

【数１２】

【００４４】なる式が成立する。この式（１０）をθに
ついて解くと、

【００４５】

【数１３】

【００４６】ここで、θ＝２７．３°とすると、ｎｅ＝
２．３１１、ｎｏ＝２．４１８であるから、式（１１）
を解いて、ｎ＝２．３７６となる。

【００４７】γ＝６６．３°とすると、（１）　、（２
）　式より、β＝９０°となる。従って、円錐レンズ７
の後側頂角は１８０°即ち平面となる。

【００４８】以上のように本実施例によれば、円錐レン
ズの材料としてＬｉＮｂ２　Ｏ３　を用い、円錐レンズ
の回転軸とＬｉＮｂ２　Ｏ３　の光学軸の成す角をほぼ
２７．３°とすることにより、円錐レンズの後側頂角が
１８０°即ち平面となるので、加工に適した円錐レンズ
が得られることとなる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の光波長変換装置によれば、以上
のように第２高調波を平行光にする円錐レンズが屈折率
分布型円錐レンズであることにより、全ての出射面に対
して完全に平行な第２高調波を得ることができる。

【００５０】又、円錐レンズが複屈折性材料を用いた屈
折率分布型円錐レンズであり、その複屈折性材料として
ＬｉＮｂ２　Ｏ３　を用い、円錐レンズの回転軸とＬｉ
Ｎｂ２　Ｏ３　の光学軸との成す角がほぼ２７．３°と
なるようにすることにより、円錐レンズの片面が平面と
なり、製作が容易となるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における光波長変換装置
の断面図である。

【図２】屈折率楕円体の説明図である。

【図３】本発明の第２の実施例における光波長変換装置
の断面図である。

【図４】従来の光変換装置の作用を説明する斜視図であ
る。

【図５】従来の光波長変換装置における第２高調波の平
行光化の原理を示す鉛直方向の断面図である。

【図６】従来の光波長変換装置の部分斜視図である。

【図７】従来の光波長変換装置の導波路に垂直な断面図
である。

【図８】従来の光波長変換装置の出射面を含む面による
断面図である。

【図９】出射面の対称面に対する角と出射角の関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１　　レーザ光源より発した基本波 ２　　複屈折性材料 ３　　導波路 ５　　第２高調波 ７　　円錐レンズ ８　　回転軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光源と、複屈折性材料と、複屈
   折性材料表面又は内部に設けられた非線形光学材料から
   成る導波路と、導波路を伝播するレーザ光が変換されて
   発生する第２高調波を収束又は発散させる円錐レンズと
   から成る光波長変換装置において、前記円錐レンズが屈
   折率分布型円錐レンズから成ることを特徴とする光波長
   変換装置。
2. 【請求項２】　　屈折率分布型円錐レンズの、第２高調
   波入射側の頂角の半角をγ、出射側の頂角の半角をβと
   し、第２高調波の対称面と第２高調波の出射面との成す
   角をαとし、出射面での第２高調波の出射角をθ（α）
   とし、屈折率分布型円錐レンズの屈折率をαの関数ｎ（
   α）で表し、θ（α）とｎ（０）とγとが与えられたと
   き、ｎ（α）とβとが、 【数１】 及び 【数２】 で与えられることを特徴とする請求項１記載の光波長変
   換装置。
3. 【請求項３】　　屈折率分布型円錐レンズが複屈折性材
   料から成ることを特徴とする請求項１記載の光波長変換
   装置。
4. 【請求項４】　　レーザ光源と、複屈折性材料と、複屈
   折性材料表面又は内部に設けられた非線形光学材料から
   成る導波路と、導波路を伝播するレーザ光が変換されて
   発生する第２高調波を収束又は発散させる円錐レンズと
   から成る光波長変換装置において、前記円錐レンズが複
   屈折材料を用いた屈折率分布型円錐レンズから成り、複
   屈折材料としてＬｉＮｂ２　Ｏ３　を用い、円錐レンズ
   の回転軸と、ＬｉＮｂ２　Ｏ３　の光学軸との成す角が
   ほぼ２７．３度となるようにしたことを特徴とする光波
   長変換装置。