JPH0820658B2 - Optical wavelength conversion element - Google Patents
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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、および該素子
を用いた光波長変換モジュールに関し、特に詳細には波
長変換波の波面を円錐波面から球面波面に変換する機能
を備えた光波長変換素子および光波長変換モジュールに
関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention uses a fiber-type optical wavelength conversion element for converting a fundamental wave into a second harmonic wave having a half wavelength thereof, and the element. More particularly, the present invention relates to an optical wavelength conversion element and an optical wavelength conversion module having a function of converting a wavefront of a wavelength conversion wave from a conical wavefront to a spherical wavefront.
(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」A.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。(Prior Art) Conventionally, various attempts have been made to perform wavelength conversion (shortening of wavelength) of laser light into a second harmonic wave or the like using a non-linear optical material. Specific examples of the optical wavelength conversion element for performing wavelength conversion in this manner are shown in "Basics of Optoelectronics" by A. YARIV, Kunio Tada, Takeshi Kamiya (Maruzen Co., Ltd.), p200-204. The bulk crystal type is well known. However, since this optical wavelength conversion element uses birefringence of a crystal in order to satisfy a phase matching condition, there is a problem that a material having a large nonlinearity but having no birefringence or a small material cannot be used.
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紙VOL.3,No.2,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。As an optical wavelength conversion element capable of solving the above problems, a so-called fiber type is proposed. This optical wavelength conversion element is an optical fiber with a core made of a nonlinear optical material filled in the clad, and is published by the Society of Applied Physics, Micro Optics Research Group, VOL.3, No.2, p28
To 32 show one example. In this fiber-type optical wavelength conversion element, phase matching can be easily achieved between the guided mode of the fundamental wave in the core part and the radiation mode of the second harmonic wave to the cladding (so-called Cherenkov radiation). Therefore, recently, research on this fiber type optical wavelength conversion element has been actively conducted.
(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。(Problems to be Solved by the Invention) By the way, the wavelength-converted wave obtained as described above is taken out from the end face of the clad and used for various purposes. I often want to use it after focusing on. For example, in the case of using a wavelength converted wave for optical recording, from the viewpoint of improving the recording density,
It is desired to narrow down the wavelength converted wave to a particularly small spot.
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を
可能にする光波長変換素子、および該素子を用いた光波
長変換モジュールを提供することを目的とするものであ
る。However, in the fiber Cherenkov type optical wavelength conversion element described above, there is a problem in that even if the wavelength converted wave taken out of the element is attempted to be narrowed through a general spherical lens, it does not converge to a small spot. Therefore, it is an object of the present invention to provide an optical wavelength conversion element that enables a wavelength converted wave to be narrowed down to a small spot, and an optical wavelength conversion module using the element.
(課題を解決するための手段及び作用) 本発明は、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、本発明の光波長変換
素子は、こ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、波長変換波が出射するクラッド端面を、該
波長変換波の波面を円錐波面から球面波面に変換する非
球面レンズ面に形成したことを特徴とするものである。(Means and Actions for Solving the Problems) The present invention is, in the fiber Cherenkov type optical wavelength conversion element as described above, the wavelength conversion wave radiated in the clad (emitted at a predetermined phase matching angle). Then, the light wavelength conversion element of the present invention is used in this optical wavelength conversion element of the fiber Cherenkov type. The clad end face from which the wavelength-converted wave is emitted is formed as an aspherical lens surface that converts the wavefront of the wavelength-converted wave from a conical wavefront to a spherical wavefront.
また本発明の別の光波長変換素子は、同じく前記ファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子において、波長
変換波が出射するクラッド端面に、該波長変換波の波面
を円錐波面から球面波面に変換する同心円グレーティン
グを形成したことを特徴とするものである。Further, another optical wavelength conversion element of the present invention is also the fiber Cherenkov type optical wavelength conversion element, in which a clad end face from which the wavelength conversion wave is emitted, a concentric circle for converting the wavefront of the wavelength conversion wave from a conical wavefront to a spherical wavefront. It is characterized in that a grating is formed.
また本発明は、前述した課題を解決するために、上述
のファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子と、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円錐
波面から球面波面に変換する、一方の光通過面が円錐
面、他方の光通過面が球面とされたレンズとからなる光
波長変換モジュールを提供するものである。Further, the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, the above-mentioned optical wavelength conversion element of the fiber Cherenkov type, the wavelength conversion wave emitted from the cladding end face of this optical wavelength conversion element is arranged at the position of incidence, Provided is a light wavelength conversion module for converting a wavefront of a converted wave from a conical wavefront to a spherical wavefront, the lens having one light passage surface having a conical surface and the other light passage surface having a spherical surface.
さらに本願発明は、上述のようなレンズに代えて、そ
れと同様に波長変換波の波面を円錐波面から球面波面に
変換する同心円グレーティング素子を設けた光波長変換
モジュールを提供するものである。Further, the present invention provides an optical wavelength conversion module provided with a concentric circular grating element for converting the wavefront of the wavelength conversion wave from a conical wavefront to a spherical wavefront, instead of the lens as described above.
なお上記のレンズや同心円グレーティング素子は、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。The lens and the concentric grating element may be arranged apart from the cladding end face from which the wavelength-converted wave is emitted, or may be closely fixed to this end face.
以上述べたようなレンズあるいは同心円グレーティン
グ素子や、非球面レンズ面とされたクラッド端面、さら
にはクラッド端面に形成された同心円グレーティングの
作用により波長変換波の波面を収束球面波面に変換でき
れば、該波長変換波を小さなスポットに絞ることができ
るし、また発散球面波面に変換しても、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。If the wavefront of the wavelength-converted wave can be converted into a convergent spherical wavefront by the action of the lens or concentric circle grating element as described above, the clad end surface that is an aspherical lens surface, and the concentric circle grating formed on the clad end surface, The converted wave can be narrowed down to a small spot, and even if it is converted into a divergent spherical wavefront, it can be narrowed down to a small spot by passing the wavelength converted wave through an ordinary spherical lens.
(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。(Example) Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an example shown in the drawings.
第1図および第2図は本発明の第1実施例による光波
長変換素子10を示すものである。この光波長変換素子10
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。1 and 2 show an optical wavelength conversion device 10 according to the first embodiment of the present invention. This optical wavelength conversion element 10
Is an optical fiber in which a core 11 made of a nonlinear optical material is filled in a hollow portion at the center of a clad 12. As the above-mentioned nonlinear optical material, it is preferable to use an organic nonlinear optical material having high wavelength conversion efficiency as described above. In this example, 3,5-dimethyl-1- (4-nitrophenyl) pyrazole (hereinafter referred to as JP-A-62-210432) (hereinafter,
The core 11 is formed of the PRA).
ここで、一例としてコア11を上述のPRA、クラッド12
をSFS3ガラスから形成する場合について、この光波長変
換素子10の製造方法を説明する。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、外径が3mmで、中空部の
径が2μmのものである。そして第3図に示すように、
炉内等においてPRA11′を融液状態に保ち、この融液内
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PRA11′がガラスファイ
バー12′の中空部内に進入する。なお該融液の温度は、
PRA11′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12′
を急冷させると、中空部に進入していたPRA11′が多結
晶化する。Here, as an example, the core 11 is the PRA described above,
A method of manufacturing the optical wavelength conversion element 10 will be described for the case of forming SFS3 glass. First, a hollow glass fiber 12 'serving as the clad 12 is prepared. As an example, the glass fiber 12 'has an outer diameter of 3 mm and a hollow portion having a diameter of 2 μm. And as shown in FIG.
The PRA 11 'is kept in a molten state in a furnace or the like, and one end of the glass fiber 12' is infiltrated into the melt. Then, due to the capillary phenomenon, the PRA 11 'in the melted state enters into the hollow portion of the glass fiber 12'. The temperature of the melt is
In order to prevent decomposition of PRA11 ', the temperature should be slightly higher than its melting point (102 ° C). Then glass fiber 12 ′
When cooled rapidly, the PRA11 'that had entered the hollow part was polycrystallized.
次いでこのガラスファイバー12′を、PRA11′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PRA11′を炉外への引出し部分か
ら単結晶化させる。それにより、極めて長い単結晶状態
で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。Then, this glass fiber 12 'is put into a furnace kept at a temperature higher than the melting point of PRA 11' (for example, 102.5 ° C),
By gradually pulling it out of the furnace maintained at a temperature lower than the melting point, the melted PRA 11 'is single-crystallized from the portion pulled out of the furnace. As a result, the core 11 having an extremely long single crystal state and having a uniform crystal orientation is formed, and the light wavelength conversion element 10 can be made sufficiently long.
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′の両端が適宜切断される。この際光入
射端面となる素子端面10aはファイバー軸と垂直に切断
されるが、それと反対側のクラッド端面12aは、公知の
研磨法等により非球面のレンズ面に仕上げられる。それ
により第1図および第2図に示すような光波長変換素子
10が得られる。なお上記クラッド端面12aの形状につい
ては、後に詳述する。After the core 11 is filled as described above, both ends of the glass fiber 12 'are appropriately cut. At this time, the element end face 10a which is the light incident end face is cut perpendicularly to the fiber axis, and the cladding end face 12a on the opposite side is finished to an aspherical lens surface by a known polishing method or the like. As a result, the optical wavelength conversion element as shown in FIG. 1 and FIG.
You get 10. The shape of the clad end surface 12a will be described in detail later.
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例えば半導体
レーザー(波長:870nm)16が用いられ、そこから射出さ
れた発散ビームであるレーザー光(基本波)15はコリメ
ーターレンズ25によって平行ビームとされ、ビーム整形
プリズム26、27によって断面形状が正円形とされ、さら
に対物レンズ18で集光した上で素子端面10a(コア11の
端面)に照射される。それにより、該レーザー光15がコ
ア11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)。The light wavelength conversion element 10 is used as shown in FIG. That is, for example, a semiconductor laser (wavelength: 870 nm) 16 is used as a fundamental wave generating means, and a laser beam (fundamental wave) 15 which is a divergent beam emitted from the semiconductor laser 16 is made into a parallel beam by a collimator lens 25, and a beam shaping prism. The cross-sectional shape is made into a perfect circle by 26 and 27, and the light is focused by the objective lens 18 and then irradiated to the element end face 10a (end face of the core 11). As a result, the laser light 15 enters the core 11. This fundamental wave 15 constitutes the core 11.
The PRA converts the second harmonic wave 15 'having a wavelength of 1/2.
This second harmonic 15 'is radiated into the cladding 12 and the element 10
Proceed inside to the end face side. The phase matching is performed between the guided mode in the core part of the fundamental wave 15 and the radiation mode in the cladding part of the second harmonic wave 15 '(so-called Cherenkov radiation).
第2高調波15′は、前記クラッド端面12aから素子外
に出射する。またコア11の端面11aからは、コア11内を
導波した基本波15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′は非球面のレンズ面
とされたクラッド端面12aの作用により、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15′を
絞って利用することが多い。The second harmonic wave 15 'is emitted from the clad end surface 12a to the outside of the device. The fundamental wave 15 guided in the core 11 is emitted from the end surface 11a of the core 11. The light beam 15 ″ including the second harmonic wave 15 ′ and the fundamental wave 15 is passed through a filter 18 that passes only the second harmonic wave 15 ′, and only the second harmonic wave 15 ′ is extracted. The wave 15 'is narrowed down to a minute spot P by the action of the clad end surface 12a which is an aspherical lens surface.Although Fig. 2 does not show a device using this second harmonic wave 15', In the device of this type, the second harmonic wave 15 'is often used in this way for the reasons described above.
次に、クラッド端面12aの形状について詳しく説明す
る。本実施例においては第4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
角度θでクラッド12中に放射した第2高調波15′はすべ
て、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から直接素子外に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d、クラッド12の外周部
の長さをL(第4図参照)としたとき、クラッド12の直
径Dを D>2L・tanθ+d ……(1) 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4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。そ
こでクラッド端面12aの形状を、第4図に破線で示す円
錐面Jと鎖線で示す球面Kとが合成された非球面レンズ
面としておけば、クラッド12外に出射した第2高調波1
5′の波面は収束球面波面になる。ここで、クラッド端
面12aの形状を第4図に示すy−z座標系によって詳し
く示す。なお本光学系は軸対称な系なので、このような
y−z面について考えればよく、また以下において球面
収差等は考慮しないものとする(以下、同様)。上記円
錐面Jの形状式は、 z1=a|y| であり、一方上記球面の形状式は、 であるから、クラッド端面の形状式z(y)は、 となる。ただし nC:クラッドの屈折率 θ :位相整合角度 nA:素子外部の屈折率(空気なら1) である。上記(2)式で規定される形状にクラッド端面
12aを形成しておくことにより、前述の通り第2高調波1
5′の波面は収束球面波面となり、該第2高調波15′
は、微小なスポットPに収束するようになる。Next, the shape of the cladding end face 12a will be described in detail. In this embodiment, as shown in detail in FIG. 4, the clad 12 is formed sufficiently thick so that all the second harmonics 15 'radiated into the clad 12 at the phase matching angle .theta. The light is directly emitted from the cladding end face 12a to the outside of the device without being totally reflected. To do so, assuming that the diameter of the core 11 is d and the length of the outer peripheral portion of the clad 12 is L (see FIG. 4), the diameter D of the clad 12 is set to D> 2L · tan θ + d (1) do it. If it looks like this, the clad
The wavefronts of all the second harmonic waves 15 'traveling in 12 are oriented in the direction indicated by the arrow W in Fig. 4 within one plane including the core axis, and are therefore conical as a whole. Therefore, if the shape of the clad end surface 12a is set as an aspherical lens surface in which a conical surface J shown by a broken line in FIG. 4 and a spherical surface K shown by a chain line are combined, the second harmonic wave 1 emitted to the outside of the clad 12 is obtained.
The 5'wavefront becomes a converging spherical wavefront. Here, the shape of the cladding end face 12a will be described in detail by using the yz coordinate system shown in FIG. Since this optical system is an axially symmetric system, it is sufficient to consider such a yz plane, and spherical aberration and the like will not be considered below (the same applies hereinafter). The shape formula of the conical surface J is z 1 = a | y |, while the shape formula of the spherical surface is Therefore, the geometrical expression z (y) of the cladding end surface is Becomes However n C : Refractive index of cladding θ: Phase matching angle n A : Refractive index outside the element (1 for air). The clad end face has a shape defined by the above formula (2).
By forming 12a, the second harmonic 1
The wavefront of 5'becomes a converging spherical wavefront, and the second harmonic wave 15 '
Will converge to a small spot P.
次に第5および6図を参照して本発明の第2実施例に
ついて説明する。なおこの第5および6図において、前
記第1〜4図における要素と同等のものについては同番
号を付してあり、それらについては特に必要の無い限
り、説明を省略する(以下、同様)。この第2実施例の
光波長変換素子20において、第2高調波15′が出射する
クラッド端面12aはコア軸に対して垂直に形成されてお
り、その表面には同心円のグレーティング21が設けられ
ている。このようなグレーティング21は、公知のフォト
リソ法等によって形成することができる。なお本実施例
においても、前述した(1)式が成立するようにクラッ
ド12の径Dは例えば1〜3mm程度と十分に太く形成さ
れ、したがって上述のようなグレーティング21は比較的
容易に形成することができる。以下、このグレーティン
グ21のm番目の輪帯半径rmについて説明する。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIGS. 5 and 6, the same elements as those in FIGS. 1 to 4 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted unless otherwise necessary (the same applies hereinafter). In the optical wavelength conversion device 20 of the second embodiment, the cladding end face 12a from which the second harmonic wave 15 'is emitted is formed perpendicular to the core axis, and the concentric grating 21 is provided on the surface thereof. There is. Such a grating 21 can be formed by a known photolithography method or the like. Also in this embodiment, the diameter D of the clad 12 is formed to be sufficiently large, for example, about 1 to 3 mm so that the above-mentioned expression (1) is established, and thus the above-mentioned grating 21 is relatively easily formed. be able to. The m-th ring zone radius rm of the grating 21 will be described below.
第5図に示すように光軸方向位置zと、同心円グレー
ティング21の半径方向位置rを考え、またクラッド12の
屈折率をnC、第2高調波15′の位相整合角度をθ、収束
距離をfとする。そして軸対称系であるので、1つの断
面上だけで考える。グレーティング21の位相φは、入射
波(円錘波面)の位相をφIN、出射波(球面波面)の位
相をφOUTとすると、 φ=φOUT−φIN=2πm+const. (mは整数) である。そして、 φIN=(rnCsinθ+znCcosθ)2π/λ であり、またグレーティング面ではz=0であるから、
結局 規格条件としてm=0のときr=0とすると、 const.=−f・2π/λ よって、以下の2次方程式 (1−nC 2sin2θ)r2−2nCsinθ(mλ−f)r+(2f
−mλ)mλ=0 を整数のmに対してそれぞれ解いた解rmが、m番目のグ
レーティングの輪帯半径となる。As shown in FIG. 5, considering the position z in the optical axis direction and the position r in the radial direction of the concentric grating 21, the refractive index of the cladding 12 is n C , the phase matching angle of the second harmonic wave 15 ′ is θ, and the convergence distance is Be f. Since it is an axially symmetric system, it is considered only on one cross section. The phase φ of the grating 21 is φ = φ OUT −φ IN = 2πm + const. (M is an integer), where φ IN is the phase of the incident wave (conical wave front) and φ OUT is the phase of the output wave (spherical wave front). is there. And φ IN = (rn C sin θ + zn C cos θ) 2π / λ And z = 0 on the grating surface,
After all Assuming that r = 0 when m = 0 as the standard condition, const. = − F · 2π / λ Therefore, the following quadratic equation (1-n C 2 sin 2 θ) r 2 −2n C sin θ (mλ−f ) R + (2f
The solution r m obtained by solving −mλ) mλ = 0 for an integer m is the ring zone radius of the m-th grating.
なお上記のようなグレーティング21により、例えば光
ディスクの反射面において第2高調波15′を収束させる
ことも可能であり、その場合は、光ディスク内における
第2高調波15′の屈折も考慮して輪帯半径を定めればよ
い。It should be noted that the grating 21 as described above can also be used to converge the second harmonic wave 15 'on the reflecting surface of the optical disk. In that case, in consideration of refraction of the second harmonic wave 15' within the optical disk, The band radius should be set.
このようなグレーティング21を通過させることにより
本実施例においても、第2高調波15′の波面を円錐波面
から収束球面波面に変換することができ、よって該第2
高調波15′を微小なスポットPに絞ることが可能とな
る。In this embodiment as well, the wavefront of the second harmonic wave 15 'can be converted from a conical wavefront to a converging spherical wavefront by passing through such a grating 21.
It is possible to narrow down the harmonic wave 15 'to a minute spot P.
次に第7図を参照して本発明の第3実施例について説
明する。この第3実施例の装置は、既に説明したものと
同様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子31と、
この光波長変換素子31のクラッド12の端面(光出射端
面)12aに対向するように配置されたレンズ42とからな
る光波長変換モジュール40である。レンズ42は、光波長
変換素子31側の面42aが円錘面とされ、それと反対側の
面42bが球面とされたものである。このような形状のレ
ンズ42を用いれば、光波長変換素子31から出射した第2
高調波15′がレンズ面42aを通過することによりその波
面は円錘波面から平面波面に変換され、さらに第2高調
波15′がレンズ面42bを通過することにより、その波面
は平面波面から収束球面波面に変換され、よって該第2
高調波15′は微小なスポットPに絞られるようになる。Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The device of the third embodiment includes a fiber Cherenkov type optical wavelength conversion element 31 similar to that already described,
This is a light wavelength conversion module 40 including a lens 42 arranged so as to face the end face (light emission end face) 12a of the cladding 12 of the light wavelength conversion element 31. In the lens 42, the surface 42a on the light wavelength conversion element 31 side is a conical surface, and the surface 42b on the opposite side is a spherical surface. By using the lens 42 having such a shape, the second light emitted from the light wavelength conversion element 31
When the harmonic wave 15 'passes through the lens surface 42a, the wavefront is converted from a conical wavefront into a plane wavefront. Further, as the second harmonic wave 15' passes through the lens surface 42b, the wavefront converges from the plane wavefront. Converted to a spherical wavefront and thus the second
The harmonic wave 15 'is focused on the minute spot P.
なお、一面が上述のような円錘面とされ他面が平面と
されたレンズと、少なくとも一面が球面とされたレンズ
とを用いて上記と同様の作用を得ることもできる。Note that the same operation as described above can be obtained by using a lens having one conical surface and the other surface being a flat surface, and a lens having at least one spherical surface.
次に第8図を参照して本発明の第4実施例について説
明する。この第4実施例の装置は、既に説明したものと
同様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子31と、
この光波長変換素子31のクラッド12の端面(光出射端
面)12aに対向するように配置されたグレーティング素
子51とからなる光波長変換モジュール50である。上記グ
レーティング素子51は、透明部材52の一表面(光波長変
換素子31と反対側の表面)上に、同心円グレーティング
53が形成されてなるものである。光波長変換素子31のク
ラッド端面12aから出射する第2高調波15′を上述のよ
うなグレーティング素子51に通すことにより、この場合
も該第2高調波15′の波面を収束球面波面に変換するこ
とができる。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The device of the fourth embodiment includes a fiber Cherenkov type optical wavelength conversion element 31 similar to that already described,
This is a light wavelength conversion module 50 including a grating element 51 arranged so as to face the end face (light emission end face) 12a of the cladding 12 of the light wavelength conversion device 31. The grating element 51 includes a concentric circular grating on one surface of the transparent member 52 (the surface opposite to the light wavelength conversion element 31).
53 is formed. In this case also, the wavefront of the second harmonic wave 15 'is converted into a convergent spherical wavefront by passing the second harmonic wave 15' emitted from the cladding end surface 12a of the optical wavelength conversion element 31 through the grating element 51 as described above. be able to.
以下、上記同心円グレーティング53の形状について詳
しく説明する。第9図に示すように光軸方向位置zと、
同心円グレーティング53の半径方向位置rを考え、また
第2高調波15′のクラッド12からの出射角をθ0、収束
距離をfとする。グレーティング53の位相φは、入射波
(円錘波面)の位相をφIN、出射波(球面波面)の位相
をφOUTとすると、 φ=φOUT−φIN=2πm+const. (mは整数) である。そして、 φIN=(rsinθ0+zcosθ0)2π/λ であり、またグレーティング面ではz=0であるから、
結局 規格条件としてm=0のときr=0とすると、 const.=−f・2π/λ よって、以下の2次方程式 (cos2θ0)r2+2sinθ0(f−mλ)r+(2f−mλ)
mλ=0 を整数のmに対してそれぞれ解いた解rmが、m番目のグ
レーティングの輪帯半径となる。Hereinafter, the shape of the concentric circle grating 53 will be described in detail. As shown in FIG. 9, the position z in the optical axis direction,
Considering the radial position r of the concentric grating 53, the exit angle of the second harmonic wave 15 ′ from the cladding 12 is θ 0 , and the convergence distance is f. The phase φ of the grating 53 is φ = φ OUT −φ IN = 2πm + const. (M is an integer), where φ IN is the phase of the incident wave (conical wave front) and φ OUT is the phase of the output wave (spherical wave front). is there. And φ IN = (rsin θ 0 + zcos θ 0 ) 2π / λ And z = 0 on the grating surface,
After all If r = 0 when m = 0 as a standard condition, const. = − F · 2π / λ Therefore, the following quadratic equation (cos 2 θ 0 ) r 2 + 2sin θ 0 (f−mλ) r + (2f−mλ )
The solution r m obtained by solving mλ = 0 for an integer m becomes the ring zone radius of the m-th grating.
上述のような同心円グレーティング53は、電子線描画
やレーザー直接描画等の手法によって作成することがで
きるし、さらには第10図に示すような装置を用いてホロ
グラフィックに作成することもできる。この第10図にお
いて、60は平面波であり、61はこの平面波60を前記第2
高調波15′と同様の発散円錐面波60′に変換する凹の円
錐面レンズ42変換する凹の円錐面レンズ、62、63はハー
フミラー、64、65はミラー、66は平面波60を収束球面波
60″に変換する球面レンズであり、透明部材52上に担持
された感光体67に、互いに同軸に揃えられた発散円錐面
波60′と収束球面波60″とが照射されて、グレーティン
グが形成される。The concentric circle grating 53 as described above can be created by a method such as electron beam drawing or laser direct drawing, and can also be created holographically using a device as shown in FIG. In FIG. 10, reference numeral 60 represents a plane wave, and 61 represents the plane wave 60 in the second wave.
Concave conical lens for converting into a diverging conical surface wave 60 'similar to the harmonic wave 15'.Concave conical surface lens for converting 42, 63 and 63 are half mirrors, 64 and 65 are mirrors, and 66 is a plane wave converging spherical surface. wave
It is a spherical lens that converts to 60 ″, and a photosensitive body 67 carried on the transparent member 52 is irradiated with a diverging conical surface wave 60 ′ and a converging spherical wave 60 ″ that are coaxially aligned with each other to form a grating. To be done.
次に第11図を参照して本発明の第5実施例について説
明する。この第5実施例の装置も、光波長変換素子31
と、同心円グレーティング素子71とからなる光波長変換
モジュール70である。本例において、透明部材72の表面
上に形成された同心円グレーティング73は、第2高調波
15′の円錐波面を発散球面波面に変換するものとして形
成されている。このように波面変換がなされた第2高調
波15′は、球面レンズからなるコリメーターレンズ74に
通して平行ビーム化し、ビーム幅を拡大することができ
る。勿論、こうして平行ビーム化された第2高調波15′
は、球面レンズからなる集光レンズ75に通すことによっ
て微小スポットPに絞ることができる。Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The device of the fifth embodiment also includes the optical wavelength conversion element 31.
And a concentric grating element 71. In this example, the concentric grating 73 formed on the surface of the transparent member 72 is the second harmonic wave.
It is designed to transform a 15 'cone wavefront into a divergent spherical wavefront. The second harmonic wave 15 ′ thus wavefront-converted is passed through the collimator lens 74 formed of a spherical lens to form a parallel beam, and the beam width can be expanded. Of course, the second harmonic 15 'thus collimated
Can be narrowed down to a minute spot P by passing it through a condenser lens 75 composed of a spherical lens.
なお上記第4、第5実施例においては、グレーティン
グ素子51、71が光波長変換素子31から離して配置されて
いるが、グレーティング素子を、光波長変換素子31のク
ラッド端面12aに密着固定しても構わない。In the fourth and fifth embodiments, the grating elements 51 and 71 are arranged apart from the light wavelength conversion element 31, but the grating element is closely fixed to the cladding end face 12a of the light wavelength conversion element 31. I don't mind.
また以上述べたようなグレーティング素子51、71は、
同心円グレーティング53、73が形成された側の面が光波
長変換素子31側を向くように配置されてもよい。Further, the grating elements 51 and 71 as described above are
The surface on which the concentric gratings 53 and 73 are formed may be arranged so as to face the optical wavelength conversion element 31 side.
以上、球面波を第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素子に対しても
適用可能である。Although the embodiment for converting the spherical wave into the second harmonic has been described above, the present invention is not limited to this, and an optical wavelength conversion element for converting the fundamental wave into the third harmonic or a sum of two kinds of fundamental waves. It is also applicable to an optical wavelength conversion element that converts a wavelength into a frequency or a difference frequency.
(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球
面波面とすることができるので、この波長変換波をその
まま、あるいは通常の球面レンズからなるコリメーター
レンズや集光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。(Effects of the Invention) According to the present invention as described in detail above, since the wavefront of the wavelength-converted wave emitted from the fiber-type optical wavelength conversion element can be a spherical wavefront, this wavelength-converted wave can be used as it is, or It becomes possible to focus on a minute spot through a collimator lens or a condenser lens which is an ordinary spherical lens. Therefore, according to the present invention, it becomes possible to use the wavelength-converted wave for an optical recording device or the like that needs to narrow the light beam to be used to a minute spot, and the range of application of the wavelength conversion technique is significantly expanded. .
第1図は本発明の第1実施例の光波長変換素子を示す概
略斜視図、 第2図は上記第1実施例の光波長変換素子の使用状態を
示す側面図、 第3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4図は上記光波長変換素子を拡大して示す側断面図、 第5図と第6図は本発明の第2実施例による光波長変換
素子を示す側断面図と正面図、 第7および8図はそれぞれ、本発明の第3および4実施
例による光波長変換モジュールを示す側断面図、 第9図は上記第4実施例の光波長変換モジュールの同心
円グレーティングの形状を説明するための説明図、 第10図は上記第4実施例の光波長変換モジュールの作成
方法を説明する説明図、 第11図は本発明の第5実施例による光波長変換モジュー
ルを示す側断面図である。 10、20、31……光波長変換素子、11……コア 12……クラッド、12a……クラッド端面 15……基本波、15′……第2高調波 21、53、73……同心円グレーティング 40、50、70……光波長変換モジュール 42……レンズ 42a、42b……レンズ面 51、71……グレーティング素子FIG. 1 is a schematic perspective view showing a light wavelength conversion element of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view showing a usage state of the light wavelength conversion element of the first embodiment, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing a wavelength conversion element, FIG. 4 is a side sectional view showing the above-mentioned optical wavelength conversion element in an enlarged manner, and FIGS. And FIG. 7 is a side sectional view showing a light wavelength conversion module according to the third and fourth embodiments of the present invention, and FIG. 9 is a light wavelength conversion of the fourth embodiment. FIG. 10 is an explanatory view for explaining the shape of a concentric circle grating of the module, FIG. 10 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the optical wavelength conversion module of the above-mentioned fourth embodiment, and FIG. It is a sectional side view which shows a wavelength conversion module. 10, 20, 31 …… Optical wavelength converter, 11 …… Core 12 …… Clad, 12a …… Clad end face 15 …… Basic wave, 15 ′ …… Second harmonic 21, 53,73 …… Concentric grating 40 , 50, 70 …… Optical wavelength conversion module 42 …… Lens 42a, 42b …… Lens surface 51, 71 …… Grating element
Claims (4)
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において、 波長変換波が出射するクラッド端面が、該波長変換波の
波面を円錐波面から球面波面に変換する非球面レンズ面
とされていることを特徴とする光波長変換素子。1. A fiber in which a core of a nonlinear optical material is filled in a clad having a refractive index lower than that of the fiber, and an optical wavelength conversion in which a fundamental wave incident on the core is wavelength-converted and radiated into the clad. In the element, the clad end face from which the wavelength-converted wave is emitted is an aspherical lens surface that converts the wavefront of the wavelength-converted wave from a conical wavefront to a spherical wavefront.
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において、 波長変換波が出射するクラッド端面に、該波長変換波の
波面を円錐波面から球面波面に変換する同心円グレーテ
ィングが形成されていることを特徴とする光波長変換素
子。2. A fiber in which a core of a nonlinear optical material is filled in a clad having a refractive index lower than that of the fiber, and a fundamental wavelength incident on the core is wavelength-converted to emit light into the clad. In the element, an optical wavelength conversion element characterized in that a concentric circular grating for converting the wavefront of the wavelength-converted wave from the conical wavefront to the spherical wavefront is formed on the end face of the cladding from which the wavelength-converted wave is emitted.
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
円錐波面から球面波面に変換する、一方の光通過面が円
錘面、他方の光通過面が球面とされたレンズとからなる
光波長変換モジュール。3. A fiber having a core of a non-linear optical material filled in a clad having a refractive index lower than that of the core, wherein the fundamental wave incident on the core is wavelength-converted and emitted into the clad. The element and the wavelength conversion wave emitted from the clad end surface of this optical wavelength conversion element are arranged at the position where they are incident, and the wavefront of this wavelength conversion wave is converted from a conical wavefront to a spherical wavefront. , A light wavelength conversion module including a lens having the other light passing surface formed into a spherical surface.
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
円錐波面から球面波面に変換する同心円グレーティング
素子とからなる光波長変換モジュール。4. A fiber in which a core of a nonlinear optical material is filled in a clad having a refractive index lower than that of the clad, and the wavelength of the fundamental wave incident on the core is converted to radiate into the clad. An optical wavelength conversion module comprising an element and a concentric circular grating element arranged at a position where the wavelength conversion wave emitted from the clad end surface of the optical wavelength conversion element is incident and converting the wavefront of this wavelength conversion wave from a conical wavefront to a spherical wavefront. .
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