【基本】フォトリフラクティブ効果

光強度の空間分布があると、ポッケルス効果(1次の電気光学効果)によって、局所的な媒質の屈折率が変化する現象のことです。これは、光強度の勾配の大きさによって発生する光学特性で、光カー効果(2次の電気光学効果)の高強度の光によって発生する非線形光学特性ではなく、非常に小さな光強度(~mW/cm2)でも発生します。

この効果を発生させる材料としては、半導体のCdTe, GaAs, InP, 強誘電体のLiNbO3, LiTaO3, BaTiO3などがあります。電気光学系数は、BaTiO3が大きく1.64×10-9m/Vあります。材料により電気光学系数が大きくなる波長が異なり、半導体では1µm近傍、強誘電体では633nm近傍となります。

この効果は、媒質中の不純物が重要な役割を果たしています。積極的なドーピングをしなくても、製造工程で、例えば炉から溶出した金属のように、故意ではない不純物も影響を与えます。添加不純物としては、Fe, Co, Rhなどがあり、それぞれのエネルギー順位に依存して応答する波長が異なります。また、ドープ量によっても、その性質はことなります。

例えば、不純物のないBaTiO3結晶では、紫外領域に大きな光の吸収が見られますが、Coをドープすると可視光領域での吸収が大きくなります。まだ、ドープ量を増やすことでより吸収率が高くなることが実験により確かめられています。Coがドープされていない結晶での実験を行う際には波長488nmや514.5nmのArレーザーが使われるそうです。一方で、よりHe-Neレーザー(632.8nm)など長波長のレーザーで実験を行うときには、Coをドープした結晶を用いるそうです。

この現象を応用して、二波を混合して光の増幅が行われます。また、光の伝搬により屈折率が変化するために凸レンズ効果が起き、レーザー光の回折による広がりを打ち消し、一定のビーム径で伝搬する空間ソリトンという現象もみられます。

この効果は、1966年にアシュキンによて、LiNbO3, LiTaO3結晶中で発見されました。

【基本】マイクロチップレーザー

従来の発振器とレーザー媒質を一体化し、小型化・低コスト化・高安定化を図ったモノリシックレーザーはマイクロチップレーザーと呼ばれます。

1990年ごろにコンセプトが提唱され、政府の革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)にも採択され技術開発が進み、現在では製品化もされています。

構成は、励起光を発するLDに、レーザー媒質を直接取り付けたような構成となっています。結晶としては、Nd:YAG、Nd:YVO4結晶などが用いられ端面は高い平坦性を有し、一方の面に高反射誘電体多層膜を、その反対に部分反射ミラーを構成します。レーザー媒質を積極的に温度制御することで、発振波長を可変にできるレーザーもあります。

媒質にCr:YAG等の過飽和吸収材料を挿入しておくと、過飽和吸収の原理により受動Qスイッチとして動作して、パルス発振が行われます。波長1064nm、サブナノ秒のパルスをミリジュールレベルで発振できるレーザーも製品化されているようです。

マイクロチップレーザーは、ヘッド自体が小型であるため、ロボットハンドに搭載しての作業も容易になると期待されます。

用途としては、材料加工、ホログラム、バイオ・メディカル観察・測定用光源があげられます。

【基本】絞り

レーザーなど光が通る光学系には、光を絞って明るさ、光量を調整する絞り(アイリス)が入っていることがあります。これにより、明るさやピント、分解能、コントラストなどを変化、改善することができます。

レーザーでは、光軸の調整時に、正しい位置・方向に光が伝搬しているかの確認と調整のために使用されます。

絞りは、多くのメーカーより市販されており、絞り単体やマウントについたもの、寸法が正確に加工され校正されたものもあります。また、絞りの大きさを変更できる可変タイプもあります。さらには、電動式もあり他の機器と同期させながら使用できるタイプもあります。

【基本】光アイソレータ

光アイソレータは、一方向の光のみを伝える光学部品です。順方向の光のみを伝送し、逆方向の光を遮断しますので、電子部品のダイオードのような働きをします。

一般に光の発信源に光が入ると動作が不安定になったり、ひどい場合には損傷したりします。この部品により、戻り光によるレーザーの損傷や不安定化、情報通信のノイズ低減等が実現されます。情報通信ですと、LD、ファイバ、PDが基本部品ですが、最近では、この他に光増幅器、光カップラ、光減衰器、分波器、スイッチなど多彩になってきています。そして、この光アイソレータも重要な役割を果たしています。光アイソレータは、LDとファイバの間に設置されます。

原理的には、磁性体ファラデー素子で光の進行方向により偏光方向が変化する現象を利用しています。一般的に、ファラデー回転子を偏光方向の異なる偏光子で挟んだ構造となっています。ファラデー回転子の周りには円筒形の磁石があり、光の進行方向に磁場をかけています。この光アイソレータには、透過する光が直線偏光の場合に利用できる偏光依存型と、偏光によらずアイソレーションできる偏光無依存型があります。

偏光依存型素子の場合、順方向に進む直線偏光の光が偏光子を通り、磁界の加わったファラデー素子で偏光方向が変化されます。その偏光方向の光が透過する方向(45度)に置かれた偏光子によって光は透過します。逆に、逆方向の光は偏光子を透過後にファラデー素子により順方向と反対方向へ偏光が回転させられ90度の角度となり、次の偏光子を通過できません。この原理により、逆方向の光の遮断が行われるわけです。

偏光無依存型素子の場合、複屈折の原理を用いて逆方向の光を遮断します。

光アイソレータで必要な特性としては、逆方向の光に対して損失が大きいこと、反対に順方向の光に対して損失はなるべく小さい必要があります。また、実用上は、小型・低コストが望まれ、温度係数が小さいこと、飽和磁界が少なくて済むことなど、様々な要求があり、その材料の選択も重要な要素です。

ファラデー素子として用いられるのは、YIG(イットリウム鉄ガーネット)や希土類磁性ガーネットR3Fe5O12などの磁性薄膜です(Rは希土類)。Rを磁気光学材料Biに置き換えたタイプもあります。長波長の光に対しては、これらの素子が有効ですが、短波長では吸収が大きいという欠点があります。この欠点を補うために、最近では希薄磁性半導体を材料として用いる場合もあります。

デバイス形状としては、表面実装で基板に固定できるタイプや、同軸状の筒で固定するタイプなど、用途に応じた形状として提供されているようです。

これからの情報通信社会において、より高速、高安定な通信に必要不可欠な光学部品です。

【基本】単結晶の製法

レーザーを扱っていると、様々な結晶を利用します。その製法は、大きく溶液法、溶融法、気相法、固相法に分けられます。

1. 溶液法

水溶液法は、水溶液を加熱濃縮後に冷却して単結晶を生成する方法です。イオン結晶やハロゲン化銀に使われます。

水熱合成法は、オートクレーブ中の高加圧下で単結晶を育成します。常温常圧で水に溶けない物質の生成も可能であるため通常得られなような物質の合成が可能です。人工水晶やPZT薄膜などに利用されています。

フラックス法は、高温で溶解している低融点溶剤(フラックス)に溶質を溶解させ、フラックスの蒸発や冷却により結晶を析出させる方法です。装置が簡便で実験等を簡単に行える方法です。

2. 溶融法

ベルヌーイ法は、酸化物粉末を酸素・水素炎中に落下、溶融させ、種結晶がついた結晶受棒へ落とします。落下した溶液が冷却・固化して結晶となる製法です。

チョクラルスキー法(CZ法)は、軸の先に種結晶を取り付け、先端を溶液に接触させ、互いに反対方向に回転させながらゆっくりと引き上げることで結晶を生成する方法です。

ブリッジマン法(B法)は、加熱容器に粉末原料を入れ、加熱溶融させ徐々に材料を降下させ、冷却・固化することで結晶を得る方法です。

浮遊帯溶融法(FZ法)は、種結晶(多結晶)を付けた棒を垂直に設置し、軸を回転させながら加工させる間に部分的に集中加熱して単結晶化していく加工方法です。

3. 気相法

昇華再結晶法(PVT法)は、蒸気圧の大きい物質を昇華、再結晶させることで単結晶を得る方法です。大きな結晶ができない欠点があります。大型の基板への結晶成長にも対応できます。

化学輸送法(CVT法)は、密閉容器内の高温部に多結晶体材料を置き、気化させます。気化化合物は低温部に輸送され冷却され再結晶化する製法です。比較的大型で高品質の結晶を得られるとされています。

化学気相成長法(CVD法)は、気相化合物を原料として、反応させて蒸気圧の低い化合物として単結晶を析出させる方法です。基板の上に単結晶薄膜を形成するときに利用されます。

4. 固相法

固相反応法は、粒成長現象を利用して原材料を溶融することなく直接単結晶を生成する方法です。多結晶体を加熱すると結晶粒子の中で結晶が周囲の微細な結晶を併合していき成長する現象を利用しています。フェライトの製造などに利用されています。

ゾル・ゲル法は、セラミック粉末の合成方法の一種で、溶液から加水分解、縮重合を経てゲル状の物質にし、熱処理をして最終製品を作る方法です。低温で化学的に均質な多成分系のセラミックスができるようです。

【基本】フラッシュランプ励起レーザー

今では、あまり使われなくなったかもしれませんが、従来からフラッシュランプによってレーザー媒質を励起し、発振させるレーザーが多用されていました。繰り返し周波数は低いものの、ナノ秒程度の短パルスレーザーを構築でき、高いパルスエネルギーを扱ることから、特に加工の点で有利で、工業的にも多くの分野で使われており成功したレーザーの一つではないでしょうか。

レーザー媒質としては、Nd:YAGやNd:YVO4といったネオジウムドープの結晶です。この結晶の吸収スペクトルは、急峻なバンドとラインからなっています。それに対して、幅広い連続波長(160~1000nm)をもつフラッシュランプで励起するわけですから、非常に効率は低いです。

そのため、大部分が熱となり放出されます。この熱により、熱レンズ効果でビーム品質の低下等が問題となります。加工応用の場合、このビーム品質低下が波長変換の効率低下や加工品質の低下に直結するという問題もあります。そこで、冷却が必要となります。電力の消費と水冷の手間というデメリットが生じていたわけです。

近年は、この励起光をLDに置き換えたDPSS(Diode Pumped Solid State)レーザーが主流となっています。LD波長もある程度は調整できるため、より効率の良いレーザー発振ができるようになっています。

【基本】光ファイバー

光ファイバーとは、透過率の高い材質で作られた光伝送路です。材質としては、性能と経済性・生産性を考慮して石英やアクリルなどの樹脂で作られています。形状は、細い繊維状となっており、中心部のコアの周囲にクラッドと呼ばれる少し材質の異なった部分の外径125µmの同心円形状、さらに外側にはφ250µmの被覆があり内部を保護しているタイプもあります(ファイバ素線)。コアの屈折率はクラッドより高くなっており、全反射や屈折を利用することで光を伝搬することができます。

光ファイバの特長として、下記があげられます。
・低損失
・広帯域
・低電磁ノイズ
・軽量

構造で分類すると、マルチモードファイバ(MMF)、シングルモードファイバ(SMF)、ダブルクラッドファイバなどがあります。

マルチモードファイバは、コア径が約50µmや62.5µmと大きくファイバー内を光が進むときに複数の経路があるタイプです。コアの屈折率が一定のステップインデックス(SI)型と屈折率が半径方向に変化するグレートインデックス(GI)型があります。伝送速度が遅くなるためSI型は光のパワーを伝送する場合に、GI型は短距離情報伝送に使用されます。

シングルモードファイバは、コア径がφ9~10µmと小さく通信用に多用されています。コア径が小さく、光が直線的に進むため、多くのパルスを正確に送ることができます。

ダブルクラッドファイバは、直径の異なるコアが同心円状に2つあり、ファイバーレーザーなどに利用されています。

ファイバの材質は、石英、他成分のガラス、フッ化物、カルコゲナイト、樹脂などがあります。それぞれ、特徴がありますので、用途に合わせて選択することになります。伝送に適する波長も材質によって決まります。

適した波長は、石英ファイバは0.3~2µm、他成分のガラスファイバは0.5~1µm、樹脂ファイバは0.5~1.6µm、フッ化物ファイバは0.4~5µm、カルコゲナイトは2~9µmとなります。

ファイバを評価する指標には、以下のようなものがあります。

・損失:光がファイバを通過すると徐々に減衰しますが、その程度のことです。
・伝達帯域:通常、多くの情報を一度に流したいので、その速度を示す帯域が重視されます。
・カットオフ波長:光を伝達/非伝達の境となる波長のことです。
・開口数(NA):光を入射できる最大の角度のことです。

光ファイバの用途としては、上にあげたように光通信用途が圧倒的です。通信は、銅線を用いたDSLが主流でしたが、近年はその速度や安定性から光ファイバーが用いられることが非常に多くなりました。また、車載などの情報ネットワーク、照明、センサ、FA機器に用いられます。レーザー産業では、ファイバーレーザーにも用いられています。

【基本】ポッケルスセル

ポッケルスセルは、光の偏光方向を電気的に変更できるEO(Electro-optic)デバイスです。電圧で制御する波長版とも言えます。また、印加する電圧を変化させると、位相遅れを発せさせることができます。

このデバイスはポッケルス効果と呼ばれる現象を利用しています。物質に電圧が加わったときに物質内部の分極率が変化し、屈折率が変わります。屈折率は電圧に比例します。似たような現象にカー効果がありますが、こちらは電解の2乗に比例して屈折率が変わる現象です。また、ポッケルス効果は、圧電性のある物質にしか作用しません。このポッケルス効果とは、ドイツの物理学者であるフリードリッヒ・ポッケルスに由来します。

物質の素材は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やリン酸二重水素化カリウム(KD*P)、BBO 、CdTe などがあります。

使用できる波長も紫外から遠赤外まで幅広く、各波長で適切なARコートがされているものもあります。

駆動電圧は、数kV以下程度が多く、MHzレベルの高周波で駆動できるデバイスもあります。立ち上がり時間もns以下と短く、高速な動作が要求される応用にも利用可能です。

光を入れる口径もφ数mm程度のデバイスが多く、扱いやすくなっています。

応用例としては、DPSSレーザー用Qスイッチ、レーザーの再生増幅制御、ビームチョッパー(アイソレーター)などがあげられます。

【基本】音響光学素子(AOM)

音響光学素子(AOM : Acousto Optics Modulator)は、レーザービームの位置や強度変調を行うための電子デバイスです。電気的に制御が可能であり高速に動作するというメリットがあります。デジタル制御で光のOn/Off、アナログ信号で角度の変化をつけるという使い方もあります。

原理的には、次のようになります。結晶内でレーザーと音響波が存在するとき、音響光学効果が発生します。音響波が入った結晶は、正弦波グレーティングのように屈折率分布が発生します。レーザーがここに入ると回折が起こり、各オーダーの光に分けられます。ここで、適切な設計をすると、強度な1次回折光を取り出すことができます。多くの場合は、この1次回折光を利用します。

偏向角度(0次光と1次光の角度)は、光の波長と周波数に比例して内部の音響波の速度に反比例します。

また、音響光学素子を透過した光の波長は、音響周波数と同じだけシフトします。

実際の音響光学素子は、アンプやコネクタがパッケージ化されて販売されているものが多いようです。対応できる波長は、紫外から赤外まで幅広く、波長によって仕様が異なります。

結晶として、紫外用は溶融石英、二酸化テルル、可視広域では、フリントガラス、水晶、モリブデン亜鉛、二酸化テルル、近赤外では、二酸化テルル、フリントガラス、カルコゲナイトガラス、赤外では、ゲルマニウム、ガリウムリンなどが使われるようです。また、各波長に合わせた適切なARコーティングもなされています。

音響波を発生させる周波数帯域としては、数十~数百MHz程度が多いです。ドライバの性能にもよりますので、選択には注意が必要です。

このように、高速なスイッチングが可能で、小型で扱いやすいAOMは、様々なビームハンドリングの応用に利用されています。

【基本】偏光ビームスプリッター

一つの光線を二つに分岐させる光学素子にビームスプリッター(Beamsplitter : BS)があります。ビームスプリッターひとつをとっても、その仕様によりいくつかの種類に分けられます。

光線の偏光方向によって、分岐の方向(透過・反射)が変わるビームスプリッターを偏光ビームスプリッター(Polarizing Beamsplitters : PBS)といいます。

偏光ビームスプリッターは、光線にP偏光とS偏光が含まれていた場合、P偏光を透過、S偏光を反射させます。このように、偏光状態により光線を垂直に2つの光線に分岐させます。

コーティングとして誘電体多層膜が使われることが多く、光のロスが少なく効率よく光線を分岐させることができます。

このような特性がありますので、使用に際し、最適な波長は決まっており、通常は光を入射させる方向も決まっています。

偏光ビームスプリッターには、他のビームスプリッターと同じように、キューブ型とプレート型があり、それぞれ長所・短所があります。

キューブ型ビームスプリッターは、斜面に光学薄膜とつけた2つの直角プリズムの斜面同士を張り合わせてキューブ上にしたビームスプリッターです。このキューブ型ビームスプリッターは、光線が0°で入射しますので、光線のアライメントが容易で、透過光と反射光の光路差がないという特徴があります。また、透過光のビームシフトがなく、光学薄膜が空気に触れないため経年劣化が少ないという利点もあります。しかし、重量が大きく、大きなサイズを作成しにくく、一般的に価格が高いです。また、透過光の消光比と反射光の消光比が異なることが多いです。さらに、プリズムを構成するガラスの厚みがありますので、光線に波長分散が生じます。

プレート型ビームスプリッターは、プレート表面に誘電体多層膜などの光学薄膜を構成し、1枚で偏光ビームを分岐させることができる偏光ビームスプリッターです。基板1枚の構成のため、キューブ型と比べて軽量で比較的大きなサイズも製造でき、安価です。また、一般的に、より高い消光比や透過率、損傷閾値を要求される場合にこちらのプレート型が用いられます。しかし、透過光のビームシフトがあり、45°の角度で光線を入射される必要があるのでアライメントが多少面倒です。

このように、それぞれの型の特性をよく理解して、用途や目的に合わせて選択する必要があります。

偏光ビームスプリッターの用途としては、ランダム偏光のレーザー光線を1:1に分割したり、1つの偏光方向の光を取り出すフィルタリング用途に用いられます。