JPH0820658B2

JPH0820658B2 - 光波長変換素子

Info

Publication number: JPH0820658B2
Application number: JP63186081A
Authority: JP
Inventors: 千秋後藤
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH0235424A

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。

（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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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 n_C：クラッドの屈折率 θ :位相整合角度 n_A：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。

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。

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n_C、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φ_IN、出射波（球面波面）の位
相をφ_OUTとすると、 φ＝φ_OUT−φ_IN＝２πｍ＋const. （ｍは整数）である。そして、 φ_IN＝（rn_Csinθ＋zn_Ccosθ）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−n_C ²sin²θ）r²−２n_Csinθ（ｍλ−ｆ）ｒ＋（2f
−ｍλ）ｍλ＝０を整数のｍに対してそれぞれ解いた解r_mが、ｍ番目のグ
レーティングの輪帯半径となる。

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。

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。

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。

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。

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。

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φ_IN、出射波（球面波面）の位相
をφ_OUTとすると、 φ＝φ_OUT−φ_IN＝２πｍ＋const. （ｍは整数）である。そして、 φ_IN＝（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r_mが、ｍ番目のグ
レーティングの輪帯半径となる。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】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。
【請求項３】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
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。
【請求項４】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
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。