專利名稱：波長變換元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能適用于藍(lán)色光源器件的波長變換元件。
背景技術(shù)：
在日本特開平8-339002號(hào)公報(bào)中，提出了不需要虛擬相位匹配處理或高精度的域控制的、光損傷少的二次諧波發(fā)生元件。在該文獻(xiàn)中，利用微減量法(マイクロ引き下げ法)，制作由鈮酸鉀鋰或鉭置換鈮酸鉀鋰構(gòu)成的單晶襯底，在此之上制作由與襯底同種材質(zhì)構(gòu)成的光波導(dǎo)。
另外，鈮酸鉀鋰在從藍(lán)色到綠色的波長區(qū)域中具有0.3cm-1以下的吸收系數(shù)已為公知。(日本特開平8-333199號(hào)公報(bào)，《Proceeding of InternationalSymposium on Laser and Nonlinear Optical Materials》，1997，T8.4，M.Adachi etal)。
另外，在日本特開2002-250949號(hào)公報(bào)中公開了在支撐襯底上粘接由非線形光學(xué)晶體構(gòu)成的被加工襯底，隨后通過對(duì)被加工襯底進(jìn)行機(jī)械加工形成光波導(dǎo)。在該文獻(xiàn)中，使用由鈮酸鋰構(gòu)成的單晶襯底制作光波導(dǎo)。
但是，要想從使用了鈮酸鉀鋰晶體的二次諧波發(fā)生元件產(chǎn)生藍(lán)色光時(shí)，若基波光源的輸出功率提高到1W以上，會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色光的輸出不穩(wěn)定的情況。即，若觀察藍(lán)色光，會(huì)發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)度反復(fù)出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的不定期循環(huán)。
另外，即使在使用了上述鈮酸鋰單晶的二次諧波發(fā)生元件中，同樣地，若將基波光源的輸出功率提高到500mW以上，也會(huì)發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)度反復(fù)出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的不定期循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題是在使用了非線形光學(xué)晶體的波長變換元件中，防止由波長變換元件產(chǎn)生的變換光輸出(被變換了波長的光的輸出)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。
本發(fā)明的波長變換元件，其特征在于，具有由非線形光學(xué)晶體的板狀體構(gòu)成、具備一方的主面及另一方的主面的波長變換層；及與該波長變換層的上述一方的主面接合的支撐體。
本發(fā)明人對(duì)上述變換光輸出變動(dòng)的原因進(jìn)行研究后，得到以下的見解。以下，以從使用了鈮酸鉀鋰晶體的二次諧波發(fā)生元件產(chǎn)生藍(lán)色光的情況為中心進(jìn)行說明。
鈮酸鉀鋰晶體存在對(duì)藍(lán)色光一點(diǎn)點(diǎn)地吸收的現(xiàn)象。其結(jié)果，由鈮酸鉀鋰晶體起振產(chǎn)生的藍(lán)色光的一部分被吸收到該元件內(nèi)，在元件中產(chǎn)生熱量。在鈮酸鉀鋰晶體中的相位匹配條件(相位匹配波長)隨元件溫度而變動(dòng)。因此，若利用元件中產(chǎn)生的熱提高元件的溫度，相位匹配波長便發(fā)生變化，藍(lán)色光的起振效率下降，輸出功率降低。若藍(lán)色光的輸出功率下降，在元件內(nèi)不產(chǎn)生熱量，元件溫度則降低。于是，元件的相位匹配波長返回到初始條件，藍(lán)色光的起振效率提高，從元件產(chǎn)生的藍(lán)色光的輸出功率上升?？梢哉J(rèn)為，由于反復(fù)這樣的循環(huán)，從元件產(chǎn)生藍(lán)色光的的輸出功率變動(dòng)，而呈現(xiàn)不穩(wěn)定。
這樣的輸出功率的變動(dòng)由于在基波的輸出功率低時(shí)未被發(fā)現(xiàn)，因而過去認(rèn)為不成為問題。
本發(fā)明人基于這些見解，在由非線形光學(xué)晶體板構(gòu)成的波長變換層的主面上接合了支撐體。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)能夠增加光的波導(dǎo)方向的熱均勻性和穩(wěn)定性，從而使變換光的輸出功率達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
另外，通過將非線形光學(xué)晶體板接合在支撐體上，由于增加了作為波長變換元件的強(qiáng)度，因而還能得到波長變換元件的處理變得容易的效果。


圖1(a)是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的波長變換元件1A的立體圖，將支撐體3接合在由板狀體構(gòu)成的波長變換層2上。
圖1(b)是表示本發(fā)明的另一實(shí)施例的波長變換元件1B的立體圖，將支撐體3A、3B接合在由板狀體構(gòu)成的波長變換層2上。
具體實(shí)施例方式
非線形光學(xué)晶體并不特別限定于只具有變換光波長的能力。但是，以鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、鈮酸鉀鋰、鉭酸鉀鋰、鈮酸鉀鋰-鉭酸鉀鋰固溶體、鈮酸鉀、鈦磷酸鉀、硼酸鋇、硼酸鋰為佳。在非線形光學(xué)晶體中，為了進(jìn)一步提高例如耐光損傷性，能夠使其含有從由鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)以及銦(In)構(gòu)成的組中選出一種或多種的金屬元素。非晶體光學(xué)晶體中，作為添加劑成分，可使其含有稀土元素。該稀土元素作為例如激光起振用的添加元素使用。作為該稀土元素特別以Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr為佳。另外，在保持晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)，還可以將非線形光學(xué)晶體中的一種以上元素置換為其他元素。
非線形光學(xué)晶體的板狀體形狀并不特別限定于只有作為光的波導(dǎo)層的功能。具體地說，既可以是平板，也可以是彎曲板。另外，在非線形光學(xué)晶體中，既可以通過離子交換、離子擴(kuò)散、機(jī)械加工等形成三維光波導(dǎo)，也可以不形成。
板狀體具有一方的主面及另一方的主面。所謂主面是指板狀體中面積相對(duì)較大的面。
在一個(gè)實(shí)施例中，波長變換層一方的主面上接合支撐體，另一個(gè)主面上不接合支撐體。圖1(a)的波長變換元件1A屬于本實(shí)施例。該波長變換元件1A具備由平板狀的板狀體構(gòu)成的波長變換層2及接合在波長變換層上的支撐體3。構(gòu)成波長變換層的板狀體2具有一方的端面2c、另一方的端面2d、一方的主面2a及另一方的主面2b。在一方的主面2a上接合有支撐體3。當(dāng)對(duì)一方的端面2c沿箭頭A的方向入射光時(shí)，從另一方的端面2d射出變換光。3a為接合面，3b為背面。
這里，通過對(duì)波長變換層2接合了支撐體3，從而能抑制波長變換層2的溫度變動(dòng)，并提高光波導(dǎo)方向的熱均勻性和穩(wěn)定性。其結(jié)果，可以看到，變換光輸出功率的變動(dòng)得到抑制。作為其結(jié)果，現(xiàn)有的元件相比，在不引起變換光輸出功率變動(dòng)的條件下能夠提高入射光輸出功率的上限值。
在最佳實(shí)施例中，另一個(gè)支撐體接合在板狀體的另一方的主面上。圖1(b)表示該實(shí)施例的元件1B。在本元件1B中，在板狀體2的一方的主面2a上接合支撐體3A，在板狀體2的另一方的主面2b上接合另一個(gè)支撐體3B。
這樣，通過將波長變換層夾在一對(duì)支撐體之間，能夠減少波長變換層的上下方向(厚度方向)的熱分布。其結(jié)果，能夠在不引起變換光輸出功率變動(dòng)的條件下進(jìn)一步提高入射光輸出功率的上限值。
雖然對(duì)支撐體3A、3B的材質(zhì)沒有特別的限定，但可列舉以下的例子。鈮酸鋰、鉭酸鋰、氧化鎂、氧化鋁、鈦酸、玻璃等。
構(gòu)成各支撐體3A、3B的材質(zhì)的導(dǎo)熱率，從本發(fā)明的觀點(diǎn)認(rèn)為以0.1W/m·K以上為佳，優(yōu)選1W/m·K以上。
上述非線形光學(xué)晶體的熱膨脹率C與構(gòu)成各支撐體的材質(zhì)的熱膨脹率S相互接近為宜。由此，在室溫以外的高溫或低溫環(huán)境下使用元件時(shí)，高次諧波的起振特性穩(wěn)定，可靠性優(yōu)越。從這些觀點(diǎn)看，各支撐體材質(zhì)的熱膨脹率S對(duì)非線形光學(xué)晶體的熱膨脹率C之比(S/C)以0.6～1.4為佳，優(yōu)選0.85～1.15。
各支撐體的材質(zhì)從避免光的吸收的觀點(diǎn)看，雖然對(duì)于使用波長頻帶以透明為佳，但也可不透明。
各支撐體的厚度及大小，可根據(jù)支撐體的材質(zhì)及使用光源的輸出功率適當(dāng)決定。另外，在設(shè)置支撐體3A和3B兩者的情況下，支撐體3A的材質(zhì)與支撐體3B的材質(zhì)既可相同也可不同。
由非線形光學(xué)晶體構(gòu)成的板狀體2和支撐體3A、3B的接合方法沒有特別限定。在使用粘合劑接合二者的情況下，作為粘合劑可列舉以下的例子。
(1)有機(jī)粘合劑例如環(huán)氧樹脂、丙烯樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、硅酮樹脂；(2)無機(jī)粘合劑例如低融點(diǎn)玻璃、水玻璃；另外，作為板狀體2和支撐體3A、3B的接合方法，可以列舉擴(kuò)散結(jié)合、壓接、光學(xué)接觸。
本發(fā)明的波長變換元件，不限于二次諧波發(fā)生元件，也可以是三次、四次諧波發(fā)生元件及和頻發(fā)生元件或差頻發(fā)生元件。另外，本發(fā)明的元件特別適用于產(chǎn)生波長為390nm-540nm區(qū)域的光。起振這樣的短波長的光的元件可以廣應(yīng)用于光盤存儲(chǔ)器用、醫(yī)學(xué)用、光化學(xué)用、各種光測(cè)量用等等的廣泛領(lǐng)域。
波長變換元件還能夠設(shè)有用于固定入射到光波導(dǎo)層的光的波長的反射光柵部，及控制光波導(dǎo)層溫度的溫度控制機(jī)構(gòu)。
實(shí)施例實(shí)施例1預(yù)備了長15mm、寬15mm、厚0.5mm的Z切割鈮酸鉀鋰襯底2。該襯底利用微減量法得到。另外，預(yù)備了由長20mm、寬20mm、厚1mm的碳酸鈉玻璃襯底構(gòu)成的支撐體3。對(duì)襯底2和支撐體3的各接合面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，使平面度在0.5μm以下。使用熱固型粘合劑，在150℃下粘合二者，得到了粘合體樣品A。使襯底2和支撐體3之間的粘合層厚度約為0.5μm。利用金剛石刀具(ダイサ-)切斷粘合體樣品A，得到長3.5mm的芯片，對(duì)芯片的兩個(gè)端面進(jìn)行光學(xué)研磨。通過再用金剛石刀具切斷該芯片，得到了寬2mm、厚1.5mm、長3mm的元件1A。
使用該元件1A產(chǎn)生了二次諧波。作為基波光源使用了波長914nm的鎖模·鈦藍(lán)色寶石激光器。使用NA＝0.5、工作間距＝8.5mm的透鏡聚光于元件1A。在30℃下進(jìn)行相位匹配。即使基波光源的平均輸出功率提高到3W，也沒有發(fā)現(xiàn)高次諧波輸出功率的變動(dòng)，可以穩(wěn)定地起振藍(lán)色光(波長457nm)。
實(shí)施例2在實(shí)施例1的粘合體樣品A中，研磨板狀體2的非接合面2b，得到了厚1.3mm的粘合體樣品B。使用紫外線硬化型粘合劑將長20mm、寬20mm、厚1.2mm的碳酸鈉玻璃襯底3B粘合在該粘合體樣品B的未接合的主面2b一側(cè)，得到了厚2.5mm的元件1B。該紫外線硬化型粘合劑的粘合層的厚度為約5μm。使用該元件1B與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行波長變換實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，即使基波光源的平均輸出功率提高到10W，也可以穩(wěn)定地輸出藍(lán)色光(波長457nm)，未發(fā)現(xiàn)輸出功率的變動(dòng)。
實(shí)施例3與實(shí)施例1同樣地制造了各元件。但是，調(diào)整了構(gòu)成板狀體2的鈮酸鉀鋰晶體的折射率，使得各元件在-40℃、0℃、60℃、100℃、150℃、200℃的各溫度下，在波長914nm下相位匹配。其次，將各元件保持在對(duì)應(yīng)的各相位匹配溫度，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了波長變換實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，在各元件中，即使基波光源的平均輸出功率提高到3W，也可以穩(wěn)定地起振藍(lán)色光(波長457nm)，沒有觀測(cè)到輸出功率的變動(dòng)。
實(shí)施例4
在內(nèi)部共振器中設(shè)置在實(shí)施例2中制造的元件1B，使其產(chǎn)生了藍(lán)色光。即使基波光源的平均輸出功率提高到10W，也可以穩(wěn)定地起振藍(lán)色光(波長457nm)，沒有觀測(cè)到輸出功率的變動(dòng)。
實(shí)施例5與實(shí)施例1同樣地制造了元件1A。但是，支撐體3的材質(zhì)為鈮酸鋰單晶體的Z切割襯底。對(duì)該元件1A，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了波長變換實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，即使基波光源的輸出功率提高到3W，也可以穩(wěn)定地起振藍(lán)色光(波長457nm)，沒有觀測(cè)到輸出功率的變動(dòng)。
實(shí)施例6作為支撐體3的材質(zhì)(100)使用了切割的氧化鎂襯底。除此之外，與實(shí)施例1同樣地制造了元件1A。對(duì)該元件1A，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了波長變換實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，即使基波光源的輸出功率提高到3W，也可以穩(wěn)定地起振藍(lán)色光(波長457nm)，沒有觀測(cè)到的輸出功率變動(dòng)。
實(shí)施例7預(yù)備了直徑3英寸，厚0.5mm的X切割的添加了5mol％的MgO的鈮酸鋰襯底2。在襯底2形成了周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。另外，預(yù)備了由直徑3英寸，厚1mm的X切割的鈮酸鋰構(gòu)成的支撐體3A。使用熱固型粘合劑在150℃下粘合了襯底2和支撐體3A。襯底2和支撐體3A之間的粘合層厚度約為0.5μm。研磨板狀體2的非接合面2b，得到了襯底2的厚度為3μm的粘合體樣品B。使用熱固型粘合劑在150℃下將尺寸為3英寸，厚0.5mm的X切割鈮酸鋰襯底3B粘合在該粘合體樣品B的沒有被接合的主面2b一側(cè)上，得到了元件1B。襯底2和支撐體3B之間的粘合層厚度約為0.5μm。利用金剛石刀具切斷粘合體樣品B，得到寬2mm、長10mm的芯片，光學(xué)研磨芯片的兩端面，得到了元件1B。使用該元件1B，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了波長變換實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，即使基波光源的輸出功率提高到1W，也可以穩(wěn)定地輸出藍(lán)色光(波長457nm)，沒有見到輸出功率的變動(dòng)。
比較例1預(yù)備了長15mm、寬15mm、厚0.5mm的Z切割鈮酸鉀鋰襯底2。利用微減量法取得了該襯底。利用金剛石刀具切斷襯底2，得到長3.5mm的芯片，光學(xué)研磨了芯片的兩個(gè)端面。通過再用金剛石刀具切斷該芯片，得到了寬2mm、厚1.5mm、長3mm的元件。該元件未接合支撐體3。
使用該元件，與實(shí)施例1同樣地使二次諧波產(chǎn)生。若基波光源的輸出功率達(dá)到到1W以上，通過目測(cè)可以觀測(cè)到藍(lán)色光(波長457nm)的輸出功率不定期地變動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在使用了非線形光學(xué)晶體的波長變換元件中，能夠防止由波長變換元件產(chǎn)生的變換光輸出功率的不穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種波長變換元件，其特征在于，具有由非線形光學(xué)晶體的板狀體構(gòu)成、具備一方的主面及另一方的主面的波長變換層；及與該波長變換層的上述一方的主面接合的支撐體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換元件，其特征在于，具備與上述另一方的主面接合的另一支撐體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波長變換元件，其特征在于，構(gòu)成上述支撐體的材質(zhì)的導(dǎo)熱率為0.1W/m·K以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的波長變換元件，其特征在于，上述非線形光學(xué)晶體為具有含鉀及鋰的鎢青銅構(gòu)造的晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的波長變換元件，其特征在于，上述非線形光學(xué)晶體是從由鈮酸鋰、鉭酸鋰和鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體構(gòu)成的組中選出的。
全文摘要
本發(fā)明的課題是在使用了非線形光學(xué)晶體的波長變換元件中，防止由波長變換元件產(chǎn)生的變換光輸出功率的不穩(wěn)定。本發(fā)明提供一種將基本光(A)變換為其他波長的光(B)的波長變換元件(1A、1B)。元件(1A、1B)具備由非線形光學(xué)晶體的板狀體構(gòu)成的、具備一方的主面(2a)及另一方的主面(2b)的波長變換層(2)；以及接合在波長變換層(2)的一方的主面(2a)上的支撐體(3、3A)?？梢詫⒘硪粋€(gè)支撐體(3b)接合在波長變換層(2)的另一方的主面(2B)上。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1759346SQ20048000641
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月11日
發(fā)明者野田憲一, 巖井真, 吉野隆史 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社