高出力、広波長領域で発振可能な波長変換素子を開発

高出力、広波長領域で発振可能な波長変換素子を開発

医療、環境計測などの分野で応用可能に -平成１６年３月３日 独立行政法人物質・材料研究機構 １．概要 独立行政法人物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ、理事長：岸 輝雄）物質研究所（所長：渡辺 遵） 光学単結晶グループの北村健二ディレクターらのグループは、医療、環境計測、分光分析用光源 として、より簡便に使える近・赤外領域のレーザー光波長変換素子１）_{を開発した。} 開発した波長変換素子は、タンタル酸リチウム単結晶２）_{を用いた２mm 角のロッド型形状の素子} で、素子の中に容易にレーザー光を通すことができ、平均出力が 10Ｗ（ワット）程度の高出力発 振も可能である。 今回開発した波長変換素子と市販の小型固体レーザー装置を組み合わせることで、1.4∼４μm （マイクロメーター）の広い波長領域で簡便に発振することができるため、レーザーメスを始め とする医療、メタンや一酸化炭素などの環境計測、大気計測など様々な分野での応用が期待され る。 今回開発した波長変換素子は、NIMS 認定ベンチャー企業「有限会社 SWING」３）_{を通して製品} 化を開始している。 ２．研究の背景 光通信用やＣＤ光源用の半導体レーザーなどの高出力化、コンパクト化は、近年著しく発展し てきている。これら以外にも、医療や環境計測の分野でもレーザー光を応用する技術は一般化し てきているが、レーザーの開発には巨額の投資が必要となり、おのずと既存のレーザーを使用せ ざるを得ず、レーザー医療、環境計測、分光分析への応用では、必ずしも最適のレーザー波長が 使用できていない。そこで、既存のレーザー光源を基本光として、波長を変換する技術が重要と なってきている。 レーザー光の波長変換には、単結晶の非線形光学効果４）_{を利用する方法が一般的である。中で} もニオブ酸リチウム５）_{（ＬＮと略称）やタンタル酸リチウム}５）_{（ＬＴと略称）といった強誘電体}６） 結晶の周期的な分極反転７）_{を使う技術が最近注目を浴びてきている。これらの強誘電体結晶は、} 原子配列の、ある特定の方向に偏り（分極）を持っており、その偏りによって、その特定方向の 両端にプラスとマイナスの分極を示す。この分極は電界をかけると部分的に反転することができ る。そこで、非常に大きな非線形光学特性をもつＬＮやＬＴ結晶に周期的な分極反転構造を形成 すると、効率よく入射レーザー光の波長を変換することができる。しかし、従来からある結晶で は、分極反転に必要な電界が非常に大きいため反転が難しいこと、素子の厚さにも限界（0.5∼１ mm 程度）があり高出力化が難しいこと、さらにアライメント（光路の調整など）が難しいことな どから、実用化が進まなかったのが現状である。

３．今回の研究成果 光学単結晶グループでは、結晶中の原子配列の乱れ（欠陥）を制御して単結晶を育成する方法 を開発し（図１）、結晶の欠陥密度を制御することで、分極反転に必要な電界（抗電界）が従来に 比べて１桁も下がることを利用した材料開発を進めてきた。 今回は、この技術を利用して、マグネシウム（Mg）を結晶に添加した定比タンタル酸リチウム 単結晶を用いた厚手（２∼３mm）の分極反転素子開発を進め、容易に素子の中にレーザー光を通 すことができ、高出力発振（平均出力 10Ｗ程度の発振可能）にも耐えられる２mm 角ロッド型形状 の波長変換素子の開発に成功した（図２）。 発振する波長は、分極反転周期と温度に依存するが、現在は 20∼35μm 程度の反転周期のデバ イスが作製可能である。これらを利用すると、波長 1.064μm の Nd:YAG レーザー８）_{を励起光とし} て、1.4∼2.1μm および 2.1∼４μm の波長をもつ２つの光に変換することができ、かつ、1.4∼４ μm までの広い波長領域において高出力の波長光を発振することができる（図３）。 また、室温でも発振するため、同じ入射光を使っても室温から 200℃まで変化させることで、広 い波長可変性を持たせることが可能である。さらに、異なる周期をもつロッド（３∼４本程度） を組み合わせることで、３∼４μm の波長幅をもれなくカバーすることも可能になる（図４）。 ４．波及効果と今後の展開 開発した波長変換素子を通して発振できる赤外波長域には、光通信の波長帯や、レーザー治療 などに使われる波長帯も含まれている。また、３∼５μm 帯の赤外線領域では、多くの有機化合物 が固有の吸収スペクトルを示すことから、環境計測やスペクトル分析に適した波長帯である。 コンパクト、メンテナンスフリーな市販の小型固体レーザー装置と、今回開発した波長変換素 子を組み合わせることで、1.4∼４μm の波長領域で高出力発振が可能となり、レーザーメスを始 めとする医療、メタンや一酸化炭素などの環境計測、大気計測など様々な分野での応用が期待さ れる。 今回開発した波長変換素子は、NIMS 認定ベンチャー企業「有限会社 SWING」を通して製品化 を開始している。

用語説明 １）波長変換素子 レーザー光の波長をさまざまな光学現象により異なる波長に変換する素子。レーザーディスプ レイや光通信では次世代技術として重要視している。 ２）単結晶 固まりの全体で、原子の配列が特定の対称性をもって規則正しく配列している物質のこと。ダ イヤモンドや宝石のほとんどは単結晶。焼き固めたセラミックスは、細かい単結晶が集合体とな ったもので、それぞれの単結晶の向きは異なっている。 ３）NIMS 認定ベンチャー企業「有限会社 SWING」 有限会社 SWING は、主として光学単結晶グループの成果を活用する目的で、2003 年５月に NIMS 認定ベンチャー企業第１号として設立された。NIMS の支援（インキュベーション）を受けること により、市場がはっきりせず、中小企業がリスクをとりにくい開発品を有償で配布する。ビジネ スが広がれば、企業への斡旋あるいは、新たな起業の設立を指向している。SWING では、NIMS で開発した波長変換素子の有償配布、さらには、一般ユーザーが使いやすい装置の開発を進めて いる。 ４）非線形光学効果 結晶材料に、レーザー光のようなエネルギーの大きな光を通すことにより、強いレーザー光の 電磁界と物質の電子分極の関係が直線関係として表せない現象のこと。例えば、電場に比例して いない電気分極や、光束に比例しない吸光量を示す相互作用などがある。 ５）ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは、それぞれ LiNbO3、LiTaO3という化学式で表される 化合物。強誘電体という材料で、電界をかけると縮んだり伸びたりする圧電効果、温度が変わる と電流が流れる焦電効果、電界をかけると屈折率が変わる電気光学効果、非線形光学効果などの 機能をもっている。特に、圧電効果を使った素子として、携帯電話、ビデオ、テレビなどに広く 使われている。 ６）強誘電体 通常の電気を通さない材料に、電界をかけると非常に微細な分子サイズでイオンの位置がずれ たり、電子の分布が偏ったりする。この現象を分極と呼び、材料の極微細な局部に電界が生じる ことになり色々な機能が現れてくる。強誘電体は、電界をかけなくても結晶の構造から自発的に 電気分極をもつ材料のこと。

７）分極反転 強誘電体の自発分極は、自発分極と反対方向に電界をかけることにより、分極を反転すること ができる。波長変換素子のように、周期的に分極反転を形成すると、レーザーの波長変換素子と して動作する。 ８）Nd:YAG レーザー イットリウムアルミニウムガーネット（化学式：Y3Al5O12、通称ヤグと呼ぶ）にレーザーとして 活性化する Nd（ネオジム）イオンを添加した結晶を用いたレーザー。現在、単結晶を用いたレー ザーとしては、もっとも広く使われ、小型化、高出力化が進んでいるレーザーの一つ。 （問い合わせ先） 〒305-0047 茨城県つくば市千現１−２−１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL：029-859-2026 （研究内容に関すること） 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所光学単結晶グループ ディレクター 北村健二 TEL：029-860-4354

図１ 開発された欠陥量の少ないタンタル酸リチウム単結晶。 右前列は、直径２インチの単結晶。後列は直径４インチの単結晶。 どの単結晶も、原料を供しながら育成するというオリジナルな育成方法で作成。 図２ 周期的に分極を反転した酸化マグネシウム（MgO）添加定比タンタル酸リチ ウム波長変換素子。大きさは２mm×２mm×35mm。レーザー光は棒の長さ方向に 入射させる。通常、素子は温度を制御して使うため、結晶を包むようなヒータ ーの中で使用する。

周期分極反転 波長変換素子 アイドラ光 シグナル光 励起光 共振ミラー 参考図 波長変換の一つの方法である光パラメトリック発振の原理図。 周期的に分極を反転した波長変換素子に、例えば、ＹＡＧレーザー（波長1.064 μm）の励起光を素子に通すと、励起光よりもエネルギーの低い２つの光に分 解される。そのうちエネルギーの大きい（波長の短い）光をシグナル光、エネ ルギーの小さい（波長の長い）光をアイドラ光と呼ぶ。シグナル光とアイドラ 光の合計したエネルギーは、入射光のエネルギーと一致する。 アイ ドラ光 シグ ナル 光 1.58 1.70 2.80 3.30 30.0 30.4 30.8 31.2 31.6 1500 1600 1700 1800 2500 3000 3500 分極反転周期（μｍ）

T=30

T=70

T=110

T=150

T=170

素子温度（℃） 発振 波長 ︵ μ ｍ ︶ 図３ 波長1.064μmの励起光を入射した時に発生するアイドラ光とシグナル光 の波長を表している。発振波長は、分極の反転周期と温度に依存している。 例えば、31.2μm周期の素子からは、素子温度を30∼170℃まで変化させるこ とにより、1.58∼1.7μm波長のシグナル光、2.8∼3.3μm波長のアイドラ光 が同時に発生する。

図４ ３∼４本の異なる周期のロッド型素子の集合体。

一つの周期を持つ素子からは、限られた範囲の波長光しか発振されないが、 ３∼４本の異なる周期のロッド型素子を集合体とすることにより、極めて広 い波長領域の光を発振することができる。温度制御用に素子は金属性のホル ダーに収め、温度制御用の炉の中に納める。