专利名称：波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置，特别涉及利用非线性光学效应来产生高次谐波光的波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置。
背景技术：
作为用于产生波长比来自光源的光要短的光的波长转换装置，已知有以下波长转换装置即，由基波激光束光源产生基波激光束，利用聚焦元件使该基波激光束聚焦至波长转换元件，并利用波长转换元件的非线性效应，来对基波激光束进行波长转换。另外，作为公知的其他波长转换装置，已知有以下波长转换装置即，通过使基波的光束位置在非线性光学结晶的内部移动，来降低功率密度，并由此力图实现输出的稳定化(专利文献I)。
专利文献I :日本专利特开2007-72134号公报
发明内容
在公知的波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置中，存在以下问题S卩，在高输出时输出变得不稳定，转换效率发生变动。作为解决该问题的方法，在上述的专利文献I的方法中，使基波的光束位置发生变化，以力图降低平均功率密度。然而，在这样的结构中，因基波的光束位置发生变化，从而高次谐波输出的光束位置也同时发生变化，高次谐波的光束质量下降。因此，在公知的波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置中，存在以下问题即，高次谐波输出的聚焦特性变差，聚焦点上的功率密度大幅下降。因此，本发明的目的在于，提供一种在高输出时也能稳定地产生短波光的波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置。为了解决上述的问题，本发明的波长转换元件的特征在于，为了将基波转换成波长比该基波要短的高次谐波，而形成有折射率比其他区域要低的低折射率区域。本发明的短波光发生装置将基波聚焦至波长转换元件，并在波长转换元件内部将基波转换成波长较短的高次谐波，其特征在于，在波长转换元件内部的、基波光束所透过的区域中，形成有低折射率区域。在本发明的波长转换元件中，基波光束的传输区域内包括低折射率区域。因而，本发明的波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置能抑制在高输出下产生高次谐波时产生成为问题的热透镜，从而能产生稳定的短波光。
图I是本发明的短波光发生装置的结构图。图2是表示在短波光发生装置的波长转换元件中形成热透镜的情况的图。图3是表示波长转换元件中的输出不稳定现象的图。图4是表示波长转换元件的低折射率区域和除该区域以外的区域之间的折射率差、与波长转换元件的转换效率之间的关系的图。
图5是对波长转换元件的聚焦点上的光束腰进行定义的图。图6是表示离开波长转换元件中的聚焦点的距离与光束直径之间的关系的图。图7是表示本发明的低折射率区域的形成位置的图。图8是表示将图7所示的聚焦点与入射端面之间的距离取为横轴、并将波长转换元件的内部的聚焦点与热透镜的中心位置之间的距离取为纵轴、以表示两者之间的关系的计算结果的图。图9A是用于对波长转换元件的制造方法的初始工序进行说明的图。图9B是用于对波长转换元件的制造方法的中间工序进行说明的图。 图9C是用于对波长转换元件的制造方法的结束工序进行说明的图。图10是表示本发明的波长转换元件的特性的一个例子的图。图IlA是表示来自未形成低折射率区域的波长转换元件的射出光束的图。图IlB是表示来自形成有低折射率区域的波长转换元件的射出光束的图。图12是表示通过从波长转换元件的端面进行内部观察、来对形成有低折射率区域的情况进行确定的方法的图。图13是表示波长转换元件的制造方法的其他例子的图。
具体实施例方式[波长转换元件的不稳定性]借助利用了非线性光学效应的波长转换元件，能将红外区域的基波转换成从紫外区域到可视区域的高次谐波。由于非线性光学效应与基波的功率密度成正比，因此，为了高效地产生高次谐波，需要高功率密度的基波。但是，随着功率密度的增加，其他非线性效应可能会变得显著，从而妨碍输出稳定性。根据本发明，能抑制该高功率区域中的输出的不稳定性。本发明人阐明了成为问题的输出不稳定现象的原因。使用图2和图3，对输出不稳定现象进行说明。如图2所示，利用聚焦光学系统5将基波2聚焦至波长转换元件I的内部，并将其以发散状态从波长转换元件I射出。利用波长转换元件I的非线性光学效应，将被聚焦的基波2转换成高次谐波3。这里，对利用了二次非线性光学效应而产生二次谐波进行说明。例如设使用波长1064nm的红外光来作为基波2，利用作为SHG元件的波长转换元件I来产生波长532nm的高次谐波3。对于波长转换元件I的基板，使用具有周期状的极化反转结构的、掺入有Mg的LiNbO30作为波长转换，在相对于8W左右的基波2产生接近2. 5W的高次谐波3时，可以看到所输出的基波2和高次谐波3的光束形状发生变动的现象，从而转换效率变得不稳定。若对波长转换元件I的特性进行评价，则可以观察到，随着高次谐波3的功率增大，波长转换元件I的温度上升，所射出的高次谐波3的光束的扩散角度变小。可以考虑到这是由于传输光束因热透镜效应而聚焦，从而作为射出光束的高次谐波3的扩散角度下降。特别是对于输出变得不稳定的附近的高次谐波3，可以观察到其输出光束在波长转换元件I的内部的输出端面附近变成为聚焦状态。如图2所示，在波长转换元件I内的同一光束内，通过基波2与高次谐波3的混合，产生热透镜21。构成波长转换元件I的结晶利用可视光照射来吸收基波2，然后对可视光进行非线性吸收。因此，随着高次谐波3的功率密度增大，吸收系数变大。若因吸收而产生部分的温度上升，则如图2所示，产生热透镜21。热透镜21产生凸透镜效应，从而对进行传输的光产生聚焦作用。若热透镜21的透镜放大率变大，则传输光束从发散状态变成平行状态、聚焦状态。通过非线性的吸收，由于随着高次谐波3的功率密度增大，使其吸收率增加，因此，透镜放大率进一步变大。若热透镜21的透镜放大率变大，则如图3所示，由于进行传输的基波2、高次谐波3发生聚焦，因此，在波长转换元件I的射出端面附近功率密度增大，吸收进一步增加，从而使光的吸收加速增大。由于由伴随光吸收而产生的发热所引起的温度上升导致在波长转换元件I中产生温度分布，从而会破坏波长转换元件I的相位匹配条件，因此，转换效率会下降。通过重复这一过程，输出发生大幅变动。即，如图3所示，在波长转换元件I的射出端面附近，因光吸收而形成不稳定区域22，高次谐波输出变得不稳定。即，在图2的状态下，发散光束直径变小，基波2的功率密度的上升导致产生转换效率增大，另一方面，在形成有不稳定区域22的图3的状态下，因吸收增大导致输出发生大幅变动。此外，以上对掺入有Mg的LiNbO3结晶进行了说明，但在其他非线性光学结晶、例 如 LiNb03、LiTa03、KTP、或掺入有 Zn、In、Sc 等的 LiNb03、LiTa03 结晶、或掺入有 Mg 的 LiTaO3结晶中，也会发生相同的现象。[本发明的波长转换元件及使用该元件的装置]本发明的波长转换元件降低了经由热透镜所产生的高输出特性的不稳定性。下面，进行详细说明。实施例图I是本发明的实施例的波长转换元件I、以及使用该波长转换元件的装置的结构图。在图I的装置中，利用聚焦光学系统5将基波2聚焦于波长转换元件1，将基波2进行波长转换成高次谐波3。然后，在波长转换元件I中的基波2的光束透射区域形成低折射率区域4。低折射率区域4是折射率比其他部分要低的区域。对形成有低折射率区域4的本发明的波长转换元件I的特性进行说明。本发明人对像这样的图I所示的本发明的波长转换元件I、以及图2和图3所示的公知的波长转换元件I的高输出特性进行了评价。即，进行了射入波长1064nm的基波2、产生波长532nm的高次谐波3的试验，并对输出的稳定性进行了评价。其结果是，在公知的没有低折射率区域的波长转换元件I中，在高次谐波3的输出为2. 5W的附近，输出变得不稳定。与此不同的是，在形成有低折射率区域4的本发明的波长转换元件I中，到3W附近为止都能获得稳定的输出，与公知技术相比，高输出特性提高为I. 2倍。其原因是由于图I的低折射率区域4具有凹透镜效应。即，如图2和图3所示的由吸收所形成的热透镜21因折射率较高而成为凸透镜。由此，由于波长转换元件I将传输光束进行聚焦，于是吸收呈非线性增大，因此，在聚焦点附近形成不稳定区域22。与此不同的是，由于图I的低折射率区域4能发挥凹透镜效应，因此，能抵消热透镜效应。因而，能抑制不稳定区域22的产生。重要的是，低折射率区域4的折射率分布是能获得以下效果的分布即，抑制所产生的高次谐波3因热透镜21而发生聚焦。如上所述，热透镜21形成于基波2与高次谐波3的光束彼此重合的区域中。在利用具有周期状的极化反转结构的波长转换元件I来将基波2转换成高次谐波3的情况下，若沿基本与周期结构的方向相同的方向射入光束，则由于基波2的光束传输方向与高次谐波3 —致,因此，折射率分布相对于光束中心对称形成。另夕卜，光束中心的热透镜21的折射率最大，且越往光束周边，热透镜21的折射率越是减少。其分布范围比基波2的光束的截面区域要小。由此，低折射率区域4通过像这样采用将热透镜21相互抵消的分布，能有效地抑制热透镜效应。因而，优选为低折射率区域4的截面位于比基波2的光束截面要小的区域中，其折射率分布是相对于基波2的光束的中心对称的分布。作为折射率分布，进一步优选为光束中心的折射率最低，且越往其周边，折射率越高，直至达到与基波的折射率相同的程度。利用低折射率区域4与周边区域之间的折射率差An，能抵消热透镜效应。需要将An的大小设定为能将对波长转换元件I的转换效率的影响抑制到最低限度。由于热透镜21的产生区域、即其分布随着高次谐波输出、相位匹配温度等的变化而变化，因此，需要使低折射率区域4形成于尽可能大的范围内。此外，若An的值因光吸收所引起的折射率变化而增大，则会使波长转换元件I的转换效率下降。图4示出了波长转换元件I的转换效率与低折射率区域4和除低折射率区域4以外的区域的折射率差An的关系。若An小于等于1.0X10_5，则转换效率的下降非常小。另外，若A n超过1.0 X 10_4，则转换效率会下降50%以上。由此，优选为低折射率区域4的An小于等于1.0X 10_4。进一步优选为An小 于等于1.0X10_5。但是，由于热透镜部分的折射率变化在1.0X 10_5左右，因此，若An小于1.0 X 10_6，则无法抵消热透镜效应。因此，优选为An的范围在L0X10_6 1.0X10_4之间。如图I所示，低折射率区域4形成于比基波2的聚焦位置更靠近波长转换元件I的射出侧的位置上，从而能获得所需要的效果。其原因在于，如图2所示，产生形成图3的不稳定区域22的热透镜21的部位比基波2的聚焦位置更靠近射出侧。图5示出了形成低折射率区域的部位12、光束腰U、以及聚焦点32之间的位置关系。若在比光束腰11的位置更靠近射入侧的位置上形成图I的低折射率区域4，则聚焦点32会向射出侧移位，但无法抑制热透镜21的产生。另外，在光束腰11的位置上形成有低折射率区域4的情况下，由于不会对光束的聚焦特性造成影响，因此，没有抑制热透镜21的产生的效果。如上所述，产生对进行传输的光束产生聚焦效果的热透镜21的位置比基波2的光束的聚焦点32更靠近射出侧。这里所定义的光束腰11是基波2的光束实际未扩散的区域。图6示出了离开图5所示的聚焦点32的距离与光束的直径之间的关系的例子。这是使用掺入Mg的LiNbO3的结晶、对波长1064nm的基波2以60 y m的聚焦直径进行聚焦的情况下的结果，在结晶内部离开聚焦点32的±0. 5_左右的区域中，光束直径基本不变。这里，将光束腰11的区域设为离开光束直径基本不变的区域、即聚焦点32为±0. 5_的范围的区域。光束腰11的大小基本与焦点的大小成正比地增大。接着，利用图7，对图5所示的低折射率区域的形成部位12进行说明。为了实现利用低折射率区域4来抑制热透镜21的折射能力的效果，需要与热透镜21所产生的折射能力相抵消的、与热透镜21相反的折射能力。同时，由于热透镜21是因光的吸收而产生的现象，因此，在热透镜21的中心附近降低光的功率密度的效果也很重要。为了同时实现这两个效果，如图7所示，有效的方法是在从形成于离开聚焦点32规定范围的图5的光束腰11的端部到热透镜21的中央之间形成低折射率区域4。这是由于通过在比热透镜21更靠近光束腰11的位置上形成低折射率区域4，从而能降低产生热透镜21的部位的光的功率密度。图8是表示将图7所示的聚焦点32与入射端面7之间的距离取为横轴、并将波长转换元件I的内部的聚焦点32与热透镜21的中心位置之间的距离取为纵轴、以表示两者之间的关系的计算结果的图。基于与MgO = LiNbO3基板相关的基波2和闻次谐波3的吸收系数、以及因焦点处的吸收而引起的温度上升最大的点的位置，来计算产生热透镜21的部位。其结果是，示出了以下情况即，聚焦点32越是靠近入射端面7，热透镜21与聚焦点32之间的距离越大。形成低折射率区域的部位12优选为是用图8的斜线来表示的区域。为了利用基于结晶的各向异性的非线性光学效应，用因结晶轴而导致结晶结构不同的双折射率材料来形成具有周期状的极化反转结构的波长转换元件I。在利用极化反转结构的情况下，将具有最高的非线性常数的C轴方向的偏振的基波2转换成方向相同的高次谐波3。因此，作为低折射率区域4的折射率变化(对基波2和高次谐波3的热透镜效应进行抑制)，需要减少对于C轴方向的偏振的An。即，优选为波长转换元件I具有沿与非 线性光学结晶的C轴基本垂直的方向传输基波2的结构，且低折射率区域4具有非线性光学结晶的C轴方向的折射率下降量比与C轴垂直的方向的折射率下降量要大的结构。优选为低折射率区域4形成于基波2的光束的传输区域内部的光束中心轴的附近。若偏离光束的中心轴，则容易使所射出的光束的质量变差。另外，抑制热透镜21的产生的效果容易下降。由于光束直径为几十Pm，因此，优选为以相对于光束中心轴为几的精度来形成低折射率区域4。通过形成低折射率区域4，使其截面与基波2的光束截面(最大功率成为1/e2的面积)基本一致，或者使其截面面积小于等于基波2的光束的截面面积，从而能最为有效地抑制热透镜21的产生。其原因在于，由于根据基波2和高次谐波3的光束强度分布来形成热透镜21，因此，为了抵消热透镜21，有效的方法是在与热透镜21相同的区域中形成低折射率区域4。此外，这里进行了以下设定即，使得基波2的聚焦光束的位置、即聚焦点32位于波长转换元件I的内部，但通过采用使聚焦点32位于波长转换元件I的入射端面7上的结构，能进一步提高高输出耐受性。若使聚焦点32位于波长转换元件I的入射端面7上，则会减小波长转换元件I的内部的基波2和高次谐波3的功率密度，并会增大热透镜21与聚焦点32之间的距离。因此，能在热透镜21的中心处大幅降低功率密度，而提高高输出耐受性。接着，利用图9A 图9C，对用于制造本发明的波长转换元件的方法进行说明。为了提高波长转换元件I的高输出耐受性，需要以较高的精度在基波2的光束的传输区域内部形成低折射率区域4。光束半径为几十Pm左右，折射率差小于等于10_4，从而难以在结晶内部以较高的精度形成这样的低折射率区域4。本发明的波长转换元件I的特征在于，利用双光子吸收特性来形成低折射率区域4。已知有以下方法即，对掺入有Mg等金属的铁电材料照射光，从而利用双光子吸收来产生折射率变化。作为材料,可以举出LiNb03、LiTaO3的同成分和理想配比成分的材料、或KTiOPO4t5利用两个光子能量使电子移动至带隙较宽的能级，采用这种方式，能通过利用了双光子吸收的全息元件等，来稳定地保存折射率分布。在本发明中，采用以下方式即，由使用了基波2和高次谐波3的双光子的双光子吸收来形成低折射率区域4。
首先，如图9A所示，从外部对非线性光学结晶施加电场，以形成周期状的极化反转结构31。接着，如图9B所示，在具有极化反转结构31的波长转换元件I的内部，利用聚焦光学系统5，将基波2进行聚焦。在波长转换元件I的内部存在聚焦位置30。将波长转换元件I的温度设定为基波2的折射率与高次谐波3的折射率相等的温度、即相位匹配温度，从而高效地射出高次谐波3。由于高次谐波3在波长转换元件I中从射入侧向射出侧缓缓增加，因此，高次谐波3的功率密度最大的位置比基波2的聚焦位置30更偏向射出面一侦U。利用双光子吸收而形成的低折射率区域4的形成位置取决于高次谐波3的功率密度，以高次谐波3的能量密度最大的点为中心形成所述低折射率区域4。然而，由于在该状态下所形成的低折射率区域4的体积较小，无法在光的传输方向上获得足够的长度，因此，其效果不大。因而，作为提高抵消热透镜21的效果的方法，需要增大低折射率区域4的体积。对此的方法是如图9C所示的增大低折射率区域4的长度38的方法。
如图9C所示，除了产生基波2的图外的基波光源、聚焦光学系统5、以及波长转换元件I以外，再安装固定有对波长转换元件I的温度进行控制的珀耳帖元件37，从而完成光源模块。通过完成光源模块，将波长转换元件I与基波2的光束位置之间的关系进行固定。之后，若在基波2的光束的传输区域中形成低折射率区域4，则无需对准基波2的光束与高次谐波3的光束的位置。此外，通过利用双光子吸收，能以较高的精度在基波2的光束中心形成低折射率区域4。在该状态下，通过改变波长转换元件I的温度，能增大低折射率区域4的体积。即，若在波长转换元件I的内部将基波2的一部分转换成高次谐波3，则会形成基波2和高次谐波3同时存在的区域。在该区域中，由两种波长的光产生双光子吸收，由此，形成低折射率区域4。然而，仅用波长转换元件I来产生高次谐波3，这会导致低折射率区域4的体积、即长度38不够。因而，使用珀耳帖元件37，来使波长转换元件I的温度在上述相位匹配温度的附近变化。若使波长转换元件I的温度变化，则该波长转换元件I的内部的高次谐波3的强度分布会发生变化。利用该现象，从而能使高次谐波3的功率密度最大的位置沿波长转换元件I的长度方向移动。即，在波长转换元件I的内部将基波2转换成高次谐波3，并使波长转换元件I的温度在产生高次谐波3的相位匹配温度的附近变化，从而能在较长的范围内形成低折射率区域4。图10表示在使波长转换元件I的温度从相位匹配温度起发生变化的情况下的、对高次谐波输出的变化与波长转换元件I的内部的高次谐波3的功率密度成为最大的位置之间的关系进行计算而得到的结果。关于波长转换元件1，使用了掺入有5mol的Mg的LiNbO3的物理常数。功率密度最大的位置是以mm为单位来表示从基波2的聚焦位置30朝向射出侧的距离的位置。这里，波长转换元件I的全长为26mm，基波2的聚焦位置30是中心位置、即离开端部13_的位置。高次谐波输出的随温度的变化呈左右不对称分布，这是由基波2和高次谐波3的吸收所产生的温度分布所引起的，该结果与其他试验结果相一致。根据附图可知，高次谐波输出减半时的半幅值为I. 2°C左右。此时，能使高次谐波3的功率密度最大的位置从基波2的聚焦位置30起在2. Imm 2. 8mm的范围、即0. 7mm的范围内变化。即，能在0. 7mm以上的范围内形成低折射率区域4的长度38。而且，若使波长转换元件I的温度变化至全幅，则能将高次谐波3的功率密度最大的位置移动2. 8mm。但是，若移动全幅以上，则由于会大幅降低高次谐波输出，因此，低折射率区域4的An会下降。因而，即使温度能变至全幅以上，低折射率区域4也不会增大，降低热透镜21的效果也不会发生变化。根据试验，使波长转换元件I的温度变化相位匹配温度的半幅值以上，从而能大幅增大热透镜抑制效果，能将高输出特性从2. 5W提高至31根据图10可知，在达到高次谐波输出成为最大的温度时，功率密度最大的位置是离聚焦位置30最远的位置。因而，优选为将温度变化的范围设为高次谐波输出成为最大的、从相位匹配温度起到温度较高一侧的半幅值为止的范围、以及从相位匹配温度起到温度较低一侧的半幅值为止的范围中的至少一个范围。接着，对与上述相位匹配温度之间的关系进行说明。由于利用双光子吸收来实现的折射率变化方法是通过将电子移动至陷阱能级来实现折射率变化的，因此，若升高温度，则电子的运动会变得活跃而将电子从被俘获的能级释放出来，从而会减小低折射率区域4的An。因此,在高温下难以形成低折射率区域4。在添加有Mg、In、Zn、Sc等的LiNb03、 LiTaO3、或理想配比的LiNb03、LiTaO3中，在100°C附近存在阈值。因此，若将波长转换元件I的温度升高至100°c以上，则低折射率区域4的An会增大，热透镜21的抑制效果会大幅降低。这在低折射率区域4的形成工艺中也产生相同的效果。因而，需要将波长转换元件I的相位匹配温度设计为100°C以下。在利用光照来形成低折射率区域4、即折射率分布时，利用双光子吸收将深能级的电子(空穴)进行离子化，沿传导带移动以进行复合。其结果是，在结晶内产生电荷的分布，从而产生内部电场，折射率因电光效应而发生变化。由于能级较深，因此，能形成较为稳定的电场分布。由于电荷沿结晶的自然极化的方向发生移动，因此，沿结晶的C轴方向形成电场分布，经由电光效应，产生对于C轴方向的偏振的折射率分布。即，对于与结晶的C轴垂直的传输光束，光束截面折射率沿C轴方向大幅下降。其结果是，所射出的光束从图IlA的未形成低折射率区域4的状态下的圆形光束变成图IlB的形成有低折射率区域4的状态下的、以C轴方向为长轴的椭圆形光束。S卩，本发明的波长转换元件I具有以下特征即，相对于圆形的入射光，出射光成为椭圆形光束。通过使光束呈椭圆形，从而在由热透镜效应引起的光束聚焦时产生像差，因热透镜21而形成的焦点的功率密度会下降。由此，还具有能降低在高输出时产生不稳定区域22的效果。若形成低折射率区域4，则波长转换元件I的相位匹配温度会下降。在对所形成的低折射率区域4的折射率进行测定时，该相位匹配温度的下降的程度为0. 2 0. 4°C左右。利用该值来求出波长转换元件I的结晶内部的温度变化，并将其换算成折射率变化，所获得的结果显示，低折射率区域4与其他部分的折射率差An为1X10_5 4X10_5左右。该值显示已获得了满足图4所示的特性的折射率变化。对低折射率区域4的稳定性进行说明。通过离子的分布来产生低折射率区域4，但离子的产生因结晶温度的上升而增大，从而电荷分布会消失。因此，结晶温度的上升会导致低折射率区域4的消失。在进行试验时，结晶温度在100°C左右时低折射率区域4的折射率变化下降，在120°C时低折射率区域4消失。因而，优选为将本发明的波长转换元件I设为在形成低折射率区域4之后、不会使温度上升至100°C以上。另外，即使照射紫外线等光子能较高的光，也会导致低折射率区域4的分布发生变化。因此，优选为采用在形成低折射率区域4后不照射紫外光的结构。由此，也优选为将相位匹配温度设定为100°C以下。
由于利用双光子吸收而形成的低折射率区域4是沿基波2和高次谐波3的强度分布而形成的，因此，形成为接近各个电场分布之积的形状。因此，具有以下特征即，能形成与进行传输的光束截面基本相同的强度分布，因此能高效地抵消热透镜效应。此外，可以通过多种方法来对形成有低折射率区域4的情况进行分析。如前所述，能通过射出光束呈椭圆形来确认能形成低折射率区域4的情况。另外，如图12所示，通过从波长转换元件I的入射端面7或出射端面8进行观察，从而能确认形成有低折射率区域4的情况。其椭圆率为几％ 10%左右。即，若用波面测定器、干涉显微镜等，使平行光透过波长转换元件1，如图12所示那样从波长转换元件I的入射端面7、出射端面8进行观察，则能对波长转换元件I的结晶的内部观察低折射率区域4。低折射率区域4的折射率变化虽然较小，但由于低折射率区域4的长度38较长，因此，折射率变化发生累积，从而能从入射端面7、出射端面8进行观察。此外，不仅可用连续光，用脉冲光也能获得相同的效果。
使用具有上述极化反转结构的光学元件、例如掺入有Mg的LiNbO3 (同成分、理想配比成分)、掺入有Mg的LiTaO3 (同成分、理想配比成分)、以及KTiOPO4来作为波长转换元件1，这样特别能发挥效果。通过添加Mg、In、Zn、Sc等金属，能增大双光子吸收所引起的折射率变化。并且，通过添加这样的金属，能提高折射率变化的稳定性。因此，添加了这样的金属的 LiNb03、LiTa03、KTiOPO4 是有效的。此外，在以上叙述中，作为波长转换元件I的一个例子，对利用了非线性光学效应的波长转换元件进行了说明，但也可以使用在具有极化反转结构的光学元件中利用极化反转结构的周期来使光的相位匹配的光学元件、或使光和微波等的速度匹配的光学元件等。另外，在以上叙述中，作为波长转换的一个例子，以从红外光(1064nm)向可视光(532nm)的转换为例进行了说明，但对于除这样的二次谐波的产生以外的、和频的产生、差频的产生、以及参量振荡等，只要采用利用极化反转结构的周期来使光的相位匹配的结构，就能适用本发明。关于到此为止的用于制造波长转换元件I的方法，对使基波2聚焦于波长转换元件I的中央附近的例子进行了说明，但也可以使基波2聚焦于波长转换元件I的入射部附近。在这种情况下，能进一步提高高输出耐受性。在使波长转换元件I的温度发生变化而利用双光子吸收来形成低折射率区域4的情况下，若使聚焦点32处于入射部附近，则低折射率区域4将形成于从聚焦点32向出口侧偏离2mm左右的点。与此不同的是，如图8所示，形成热透镜21的位置存在于离开聚焦位置30不超过9_的位置。这样，能利用由低折射率区域4所产生的凹透镜效应，使热透镜21中的基波2的功率密度降低效果变得显著，从而能大幅提闻闻输出耐受:性。作为使低折射率区域4的长度38增大的其他方法，还存在将波长转换元件I相对于基波2的光束的聚焦位置30进行移动的方法。作为在较大的范围内形成低折射率区域4的方法，还存在图13所示的方法。在该图13所示的方法中，将波长不同的两个光束呈交叉状地进行照射，从而形成低折射率区域4。即，利用聚焦光学系统5，将射入波长转换元件I的基波2 (1064nm)聚焦于波长转换元件I的内部。与此不同的是，从波长转换元件I的侧面向波长转换元件I的内部的基波2的传输区域照射波长320 600nm的照射光61。这样，能利用双光子吸收来使折射率发生变化，从而利用该变化来形成低折射率区域4。照射光61的功率虽然也与波长有关,但对于500nm附近的光必须为IW左右,对于400nm附近的光必须为几百mW左右。将同时进行照射的基波2设为几W左右，从而能实现折射率变化。由于利用双光子吸收而产生的折射率变化较为稳定，因此，之后，即使使波长转换元件I长时间工作，折射率变动也较小。如上所述，优选为在基波2的波长为1064nm时照射光61的波长为320 600nm。当照射光61的波长小于等于320nm时，由于基板的透射率较低，因此，照射光61会被基板表面所吸收而不会到达基波2的光束。因此，无法获得双光子吸收效果。另一方面，若照射光61的波长大于等于600nm,则由基波2和照射光61所产生的光子能之和变小,从而无法获得双光子吸收效果。作为以较长的尺寸来形成低折射率区域4的方法，存在使照射光61的照射位置沿 波长转换元件I的长度方向移动的方法、以及使照射光61成为线状光束并与基波2交叉的
方法等。在像这样形成低折射率区域4的情况下，若使用具有极化反转结构的非线性光学结晶、例如Mg:LiNb03(同成分、理想配比成分)、Mg:LiTa03(同成分、理想配比成分)、以及KTiOPO4来作为波长转换元件1，则特别能发挥效果。此外，在以上叙述中，作为波长转换的一个例子，对从红外光(1064nm)向可视光(532nm)的转换进行了说明，但在除这样的二次谐波的产生以外的、和频的产生、差频的产生、以及参量振荡等的情况下，只要采用利用极化反转结构的周期来使光的相位匹配的结构，就能适用本发明。根据本发明的波长转换元件1，通过在基波2的光路上具有低折射率区域4，从而能降低因光吸收而产生的热透镜21的透镜放大率，即使产生大输出的高次谐波3的光，也能获得稳定的输出。另外，无需像公知技术那样设置公知的用于改变基波2的光束位置的驱动部分来避免输出在高输出时变得不稳定。因而，本发明的短波发生装置结构简单，制造容易。而且，由于光束位置固定，因此，具有以下效果即，即使将光束进行聚焦，也能获得稳定的聚焦特性。根据本发明的波长转换元件1，对于非线性光学结晶，使用具有对基波2或高次谐波3之中的至少一个波进行吸收、或利用基波2与高次谐波3的相互作用所进行吸收的结晶，从而能在产生高输出的高次谐波时产生热透镜21。由于热透镜21的产生能抑制基波2的光束的发散，因此，能增大光的功率密度，提高转换效率。同时，用基于本发明而形成的低折射率区域4来抵消形成热透镜21的高折射率部分，从而能获得以下效果即，能在高输出时实现稳定的输出。在本发明中，在低折射率区域4中，对于异常光的折射率变化增大。由此，将传输光束转换成扁平光束。由此，能不容易受到热透镜21的影响，从而能获得以下效果即，能提闻闻输出时的耐受性。在本发明中，优选为不使相位匹配温度和波长转换元件I的保存温度上升至100°C以上。根据本发明人的研究结果，在100°c以上难以稳定地维持低折射率区域4的折射率。与此不同的是，通过在100°C以下使用，能维持稳定的低折射率区域4。在本发明的波长转换元件I中，优选为使用添加有2mol以上的Sc或5mol以上的Mg、Zn、In的、同成分的LiNbO3' LiTaO3'以及添加有0. 5mol以上的Sc或Imol以上的Mg、Zn、In的定比(理想配比)成分的LiNb03、LiTaO3之中的任意一种，来作为非线性光学结晶。根据这些波长转换元件，由于抗光损伤强度优良，因此，能获得以下效果即，能实现高输出特性。而且，由于抗光损伤能力较强，因此，能在室温附近产生高输出的可视光。优选为使用添加有5. 5mol以上的Mg的同成分的LiNb03、LiTa03、或添加有Imol左右的Mg的定比(理想配比)成分的LiNb03、LiTaO3，来作为本发明的波长转换元件I的非线性光学结晶。通过增加金属添加物的量，从而能获得提高高输出耐受性的效果。工业上的实用性根据本发明的波长转换元件，即使经长时间连续产生高次谐波光，也能获得稳定 的输出而不会发生输出下降。通过提供这样的高输出特性优异的波长转换元件，能提高激光模块的可靠性，从而能实现适用于显示器等民生用途的短波光发生装置。
权利要求
1.一种波长转换元件，所述波长转换元件是用于将基波转换成波长比该基波要短的高次谐波的波长转换元件，其特征在于， 形成有折射率比其他区域要低的低折射率区域。
2.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 低折射率区域形成于波长转换元件中的热透镜的形成区域。
3.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 低折射率区域与其他区域的折射率之差为I. OX 10_6 I. OX 10_4。
4.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 低折射率区域形成于波长转换元件中的基波的聚焦位置的射出侧。
5.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 低折射率区域形成于从光束腰的端部到热透镜的形成区域的中央之间，所述光束腰形成于离开波长转换元件中的基波的聚焦位置的规定范围。
6.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 低折射率区域是相对于基波光束的中心呈中心对称的区域，形成于与所述基波的强度变为Ι/e2的截面区域相同的区域、或比该截面区域要小的区域。
7.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 用非线性光学结晶来形成波长转换元件，所述非线性光学结晶利用两个不同波长的双光子吸收来产生折射率变化。
8.如权利要求7所述的波长转换元件，其特征在于， 波长转换元件具有以下结构即，基波沿相对于非线性光学结晶的C轴基本垂直的方向进行传输， 低折射率区域具有以下结构即，对于与其他区域之间的折射率之差，所述非线性光学结晶的C轴方向的折射率之差比与C轴垂直的方向的折射率之差要大。
9.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 非线性光学结晶是掺入有Mg的同成分的LiNbO3或LiTaO3、掺入有Mg的理想配比成分的LiNbO3或LiTa03、以及KTiOPO4之中的任意一种。
10.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 波长转换元件通过吸收基波和高次谐波中的任意一个波而形成热透镜，或基于所述基波与高次谐波之间的相互作用来进行吸收而形成热透镜。
11.如权利要求I所述的波长转换元件，其特征在于， 相位匹配温度小于等于100°c。
12.—种短波光发生装置，其特征在于，包括 基波光源； 如权利要求I至11的任一项所述的波长转换元件；以及 将基波进行聚焦的聚焦光学系统。
13.如权利要求12所述的短波光发生装置，其特征在于， 对所述聚焦位置进行设定，使得波长转换元件中的从基波的聚焦位置到入射面的距离比从所述聚焦位置到射出面的距离要小。
14.如权利要求12所述的短波光发生装置，其特征在于，基波的波长为680 1200nm。
15.如权利要求12所述的短波光发生装置，其特征在于， 将光束截面呈圆形的基本光束射入波长转换元件，从所述波长转换元件射出截面呈椭圆形的光束。
全文摘要
本发明涉及用于将基波(2)转换成波长比该基波(2)要短的高次谐波(3)的波长转换元件(1)，该波长转换元件(1)形成有折射率比其他区域要低的低折射率区域(4)。优选为低折射率区域(4)形成于热透镜的形成区域，进一步优选为形成于基波(2)的聚焦位置的射出侧。本发明的波长转换元件(1)通过设置降低取决于热透镜的折射能力的低折射率区域(4)，能获得在高输出时也较为稳定的输出。另一方面，使用该波长转换元件(1)的短波光发生装置包括基波光源、以及将基波进行聚焦的聚焦光学系统(5)。
文档编号G02F1/37GK102804052SQ20108002745
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月16日
发明者水内公典, 青野晓史 申请人:松下电器产业株式会社