复合光子构造元件具有光子晶体以及多层膜。光子晶体是交替层叠多组具有将基波变换为第二谐波的非线性效应的活性层、和不具有非线性效应的非活性层而形成的，构成为使基波的能量与光子带隙端一致。多层膜是层叠多组折射率不同的２种薄膜而形成的，反射基波。多层膜与光子晶体的两侧接合。通过从一侧的端面入射基波，且使基波在具有多层膜的谐振器之间往复反射，由此，使光子晶体内部的基波的强度增强。在活性层中，将基波变换为第二谐波，将第二谐波从另一侧的端面向外部取出。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种利用非线性光学效应将激光的波长变换为二次谐波、产生三次非 线性信号的复合光子构造元件、使用该复合光子构造元件的面发光激光器、波长变换元件、 具有该波长变换元件的激光加工装置。使用非线性元件将YAG激光的基波(波长1.06μπι) 变换为二次谐波(532nm)而用于激光加工的目的这一技术已经广泛应用。这就是由产生基 波的激光器、将基波变换为第二谐波的波长变换元件、和将第二谐波进行聚光并向对象物 照射的光学系统构成的激光加工装置。对于针对基波透明而针对二次谐波不透明的材料， 可以通过二次谐波进行加工。二次谐波并非激光，但由于基波为激光，所以大多也将利用二 次谐波的装置简单地称为激光加工装置。二次谐波有时也被称为第二谐波、二倍频波等。所谓非线性光学效应，是指某种透明晶体产生与电场的平方或更高次方成正比的 电介质极化。实际上，由于比2次更高次的电介质极化极小，所以将2次极化作为研究课题。 三次谐波可以通过将二次谐波和基波进行相加结合而生成。将相对于电场E的2、3、…次方的极化大小的比率称为非线性光学系数χ。χ有 很多种类。在例如进行相加结合的平方成分的情况下，在与电场的m、n成分即电场Em (ω》、 Εη(ω2)相对而产生 k 方向的极化 Pk 时，表现为 Pk(GJ^co1) = χ ^kmnEm(CO1)En(CO2)。c^、 2为光的圆频率。χ⑵为3阶的张量(tensor)。为了使上述值存在，该晶体不能具有反 转对称性。例如GaAs具有形成Pz = x 142EyEx的χ⑵14。这表示只要将沿相对于x、y、ζ这 3个轴倾斜的方向传播的基波入射，以在xy方向上具有偏振面的方式向GaAs晶体入射，在 ζ方向上产生二次极化即可。以后不考虑方位这一点，为了简单，将ζ方向设为基波、二次谐 波的传播方向，设为电场具有χ分量。没有反转对称性的晶体有很多。其中X⑵较小的晶体无法利用。如果不是具有 较大的X (2)的晶体则没有用。而且需要相对于基波和高次谐波是透明的。还要求没有潮 解性而长期稳定。非线性光学常数X⑵较大、透明且不会老化的晶体极其有限。还有更难的条件。沿光(基波角频率ω)的前进方向产生与电场的平方成正比 的电介质极化，其进一步产生辐射。该辐射具有2倍的角频率(2ω)。基波一边在引起二 次电介质极化的同时产生二次谐波，一边在晶体中前进。在晶体中，基波和二次谐波共存并 向相同的方向前进。如果该变换继续进行，则基波减少，二次谐波增加，合计功率应该是固 定的。但是，由于二次谐波的变换很少，所以假定在非线性晶体的整个长度上基波的强度不 变。假定由基波引起的2次电介质极化也不变。由于它成为波动方程的导出项，所以二次 谐波不断增加。以后将二次谐波简称为二倍频波。如果基波(ω)和二倍频波(2ω)具有相同的空间周期性且向相同的方向前进，则 单方向地进行从基波向二倍频波的变换。与晶体的长度成正比地积蓄二倍频波。晶体长度 L越长，二倍频波就越持续增强。但是，很难形成这种情况。折射率为η的材料中的光速为c/n。光的电场满足将c/n作为速度系数的波动方程。圆频率为ω的光的波数k为ωη/c。波数k是指光在介质中前进单位长度时的相位角 变化。也可以称为空间圆频率。波数k与真空中的波长λ存在k = 2Jin/X的关系。与 圆频率ω存在k = ωη/c的关系。将基波的圆频率设为ω。将η(ω)作为基波的折射率，将η (2 ω)作为二倍频波 的折射率。基波的波数k为《n(co)/c，二倍频波的波数w为2con(2co)/c。由于与时间相 关的圆频率为2倍，所以如果空间圆频率也为2倍(w = 2k)，则二倍频波的相位应该始终 为基波的2倍，周期性一致。仅在此情况下，二倍频波随着基波的前进而不断增大。因此， 需要使η(ω) =η(2ω)。即基波折射率与二倍频波折射率相等。为了简单，有时将η (ω)、 η (2 ω)标记为 η” η2。但是，无论哪种晶体，都具有有限的折射率分散(dn/dco)。不存在成为η(ω)= η(2ω)的材料。由于在大多数的情况下，dn/dco为正，所以η(2ω)与η(ω)相比较大。例 如YAG激光的基波为λ i = 1. 064 μ m，二倍频波为λ 2 = 0. 532 μ m。对于这种差距较大的 波长，不会存在光学材料晶体的折射率相同的情况。由于基波和二倍频波的折射率不同(111兴112)，所以《-21^ = 0不成立。虽然时间 频率为2倍，但空间频率不为2倍。w-2k > 0。存在时间·空间上的不一致。将二次谐波波数w与基波波数k的2倍即2k的差设为Ak。Ak = w_2k。其在非 线性光学晶体中不为0。由于其不为0，所以特意增加的二倍频波又发生相互抵消。二倍频 波的强度在前进方向上仅以2 π/Ak为周期进行振荡。无论非线性晶体多长，二倍频波也 不再增加。这样，即使存在具有较大的非线性性、透明且没有潮解性的坚固的单晶体，也由于 具有折射率分散Oi1 φ Π2)，所以无法作为用于产生高次谐波的元件使用。
技术介绍
为了高效地生成高次谐波，只要在非线性光学元件中使Ak = O即可。因此，提出 了使用异常光线和寻常光线的折射率不同的晶体的方法。将异常光线和寻常光线的折射率 不同的情况称为双折射。在具有1轴异向性、或者2轴异向性的特殊晶体的情况下，异常光 线折射率和寻常光线折射率η。不同。它们随着圆频率ω而变化。适当地选择入射基波相对于晶体轴的入射方向，使基波具有异常光线成分和寻常 光线成分。二倍频波也在寻常光线方向和异常光线方向中的其中一个方向上产生。在哪个 方向上产生取决于非线性系数X。在某种双折射性晶体中，异常光线的折射率nj列如根据方位(xy，ζ ；在1轴异向 性的情况下)进行如旋转椭圆体那样的变化。寻常光线的折射率η。与方位(xy，ζ)无关， 是如球面那样的统一值。假定在ζ轴方向上ne = η。，在其他方向上ne > η。。由于折射率分散，所以ne (2 ω) >η6(ω), η0(2ω) >η0(ω)ο例如ne (ω) = η。(2 ω)这样的方向存在一个。或者还存在 成为~(ω)+η。(ω) = 2η0(2ω)的方位。如果将偏振方向设定在xy面与ζ轴之间的适当 的方向上，从与其正交的方向射入直线偏振光，则满足上述条件。由于需要非常复杂的方位的设定调整，所以非常难。但是，几乎仅有利用该双折射 的方式被作为高次谐波产生元件而实用化。制作非线性效应较大的晶体，并利用双折射而使得接近Ak = 0。在非专利文献1 7中，记述了各种非线性材料。作为具有非线性效应 的晶体，提出了 LN(LiNbO3)、KTP (KTiOPO4)、BBO ( β -BaB2O4)、CLBO (CsLiB6O10)等各种晶体。 后三个是非线性系数较大且具有双折射的物质，但也是晶体生长极难的新物质。由于晶体 生长的成品率较低，所以进行大量制造，选择其中性能好的少数的晶体。成品率非常低。导 致高成本。由于必须使用双折射而形成ηε(ω) = η。(2 ω)或ne (ω)+η。( ω) =2η。(2ω)，所以 在切割晶体时的面角配合量的设定非常难。如果晶体面发生一点偏移，则即使产生双折射， 也本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合光子构造元件，其特征在于，具有：光子晶体，其交替层叠多组具有将基波变换为第二谐波的非线性效应的活性层、和不具有所述非线性效应的非活性层而形成，构成为使所述基波的能量与光子带隙端一致；以及多层膜，其层叠多组折射率不同的２种薄膜而形成，反射所述基波，所述多层膜与所述光子晶体的两侧接合，通过从一侧端面入射所述基波，且使所述基波在具有所述多层膜的谐振器之间往复反射，由此，使所述光子晶体的内部的所述基波的强度增强，在所述活性层中将所述基波变换为所述第二谐波，将所述第二谐波从另一侧端面向外部取出。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：石原一，葛原聪，江畑惠司，栗巢贤一，
申请(专利权)人：公立大学法人大阪府立大学，住友电气工业株式会社，住友电工硬质合金株式会社，
类型：发明
国别省市：JP
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