Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ニオブ酸リチウム / タンタル酸リチウム / 選択的核成長 / 擬似位相整合 / 波長変換 / ポーリング / 分極反転 / 第二高調波発生 / 核成長 / ドメイン / 電界印加 / QPM / メイン

我々がニオブ酸リチウム(LN)系結晶で初めて実現した電界印加による分極反転制御技術は、その周期が微細になると共に、またそのデバイス長が長くなると共に、均一性、再現性などの問題が明らかになってきた。面内で反転過剰、反転不足の領域が混在する原因は核成長の不均一であり、核成長を選択的に誘起することで解決できる。我々はドメインの振る舞いを詳細に調査することにより選択的核成長法を新たに考案し、波長変換デバイスを作製した。分極反転条件の最適化によりアスペクト比(深さ/幅)を250-300まで改善し、周期6-8μmで厚さ1mmの開口をもつ緑色発生用の波長変換デバイスを実現した。使用した材料は一致溶融組成ニオブ酸リチウム、もしくは定比組成タンタル酸リチウム(SLT)である。パルスNd:YAGレーザーの第二高調波発生実験を行ったところシングルパスで変換効率40-66%が得られ、緑色光の最大出力4.4Wを達成できた。
選択的核成長法の研究により、分極反転過程に必要とされてきた「抗電界」の概念に疑問を持った我々は、15年度に、新たに「ゼロ速度電界」なる概念を見いだした。これは分域壁の移動速度がゼロとなる電界で分極反転では重要な特性指数であり、分域壁移動速度がゼロではないためこの電界と抗電界E_c、の間の電界でも分極反転は進行し波長変換デバイスの作製も可能である。特に分域壁移動速度が高いため反転過程の制御が困難であった定比組成LN/LT(SLN/SLT)においては、E_0以上E_c以下の電界を印加することで均一な分極反転に成功した。本手法を用いて波長変換デバイスを作製し、ドメインアスペクト比250をもつ第二高調波発生デバイスを達成し、高出力緑色光発生を実現した。

第二高調波発生 / 分極反転 / 擬似位相整合 / ニオブ酸リチウム / KTP / 光損傷 / プロトン交換法 / Rbイオン交換法

CD用、レーザプリンタ用の光源として重要な、コヒーレントで安定な短波長光源を得るための第二高調波発生(SHG)素子の設計・作製を行い、また、最適な材料を決定するための物性パラメータの測定を行った。このために、周期的な分極反転構造を用いた擬似位相整合によるSHG素子を設計・試作した。ニオブ酸リチウム(LN)上にTi拡散により10.7μm周期の周期的分極反転構造を作製した後、プロトン交換光導波路を作製した。この擬似位相整合素子に基本波としてYAGレーザを入射し、SHGを確認した。また、SHG素子の高効率化を阻む最大の原因である光損傷の定量的な測定を行うことにより、最適な材料について検討した。代表的なSHG材料はLN結晶であるが、Mg0ドープLN結晶、KTP結晶は、より光損傷に強いことが報告されている。ここでは、LN及びMgOドープLN結晶にプロトン交換法を用いて作製した平面導波路、KTP結晶にRbイオン交換法により作製した平面導波路について光損傷の定量的な測定を行った。
測定の結果、プロトン交換層はTi拡散層に比べ10^4倍光損傷に強いが、導波層のアニール処理により光損傷耐性が減少することがわかった。SHG素子の作製の際、プロトン交換によって減少した非線形定数を回復させるためプロトン交換層を数時間アニールする必要がある。この場合、プロトン交換のみのものに比べて10^<-2>程度光損傷耐性が減少し、Mg0ドープの有無にかかわらず同様の結果が得られた。Rbイオン交換KTP導波路の光損傷耐性は作製条件により異なり、プロトン交換後数時間アニールした結晶とほぼ同じかやや大きめで、有望なSHG材料であることがわかった。また擬似位相整合素子においては、光損傷による屈折率変化が周期的分極反転構造により打ち消されて光損傷耐性が3倍程度向上し、構造自体が光損傷に強いことが実験により確認された。

【研究分担者】
平等拓範	独立行政法人物質・材料研究機構	分子科学研究所	助教授	(Kakenデータベース)
中島啓幾	早稲田大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)
北村健二	独立行政法人物質・材料研究機構	物質研	ディレクター	(Kakenデータベース)
庄司一郎	独立行政法人物質・材料研究機構	分子科学研究所	助手

【研究分担者】
荒川泰彦	東京大学	生産技術研究所	助教授	(Kakenデータベース)