KTP結晶  

Potassium Titanyl Phosphate
(KTiOPO4,KTP)

1 概要

 １ 利点

l        大きな非線形光学(NLO)係数

●       広い角度バンド幅と小さなウォークオフ角

●       広い温度帯域とスペクトルバンド幅

●       高い電気光学(EO)係数と低い誘電体定数

●       光学導波路変調器に適したフィギュア･オブ･メリット

●       無水溶性､良好な化学的･機械的安定特性

 

２ 応用

●       グリーン/赤色出力用のNdドープレーザの周波数逓倍(SHG)

●       青色出力用のNdレーザおよびダイオードレーザの周波数混合(SFM)

●       600nm〜4500nm域で波長可変出力を得るための光パラメトリック光源(OPG､OPAおよびOPO)

●       EO変調器､光学スイッチ､方向性カップラー

●       集積非線形およびEO装置のための光学的導波路

 

３ Castech社は以下の供給を行なっています

 Castech社の最新の結晶成長技術により､35×55×68mm3透過性に優れたKTPボウルをフラックス法で成長させています。15×15×20mm3のKTPデバイスが製造されています。優れたQAおよびQCで製造されたKTPは､研究開発のお客様だけでなく､産業用および民生用のお客様にも優れたものとなっています。

 

●       光学的均一性を保つべく透過率や反射等に厳密な品質管理を実施しています

●       すばやい出荷を心がけております

●       適正な価格およびOEMのための特別割引を実施しております

●       適切な技術サポー卜

●       ARコーティング､マウント､再研磨サービスを行っております

 

基本特性

１ 構造と物理特性値　 次に構造と物理特性値を示します

表 8　構造および物理特性

 結　　晶　　構　　造  ： 斜方晶系(Orthorhombic),スペースグループPna21,ポイントグループmm2

 セルパラメーター  ：　 a＝6.404Å，b＝10.616Å，c＝12.814Å，Z＝8

 融　　　　　　　　点  ： 1172℃ incongruent

 キュリー　ポイント  ： 936℃

モ　ー　ス　硬　度  ： ≒5

密　　　　　　　　　度 ： 3.01g/cm3

色       ： 無色

潮　　　　解　　　性  ： 無し

比　　　　　　　　　熱 ： 0.1643cal/g℃

熱　　伝　　導　　性 ： 0.13W/cm/ﾟK

導　　　　電　　　　性 ： 3.5×10-8　s/cm(c-axis,22℃,1KHz)

２ 非線形光学特性値

表 9　非線形光学特性値

 位相整合可能SHG域 　　： 497〜1800nm

 非　線　形　光　学　係　数 ： d31＝6.5pm/v，d32＝5pm/v，d33＝13.7pm/v

                   　　　　　  　　　　　d24＝7.6pm/v，d15＝6.1pm/v

                　   　　　　　　　　　deff(Π)≒(d24−d15)sin2φsin2θ−(d15sin2φ+d24cos2φ)sinθ

 1064nmNd:YAGレーザのSHG用　位相整合角 ：

         　　   位　相　整　合　角　度　　： θ＝90°,φ＝23.5°

 　　　　　  　有　効　S　H　G　係　数　： deff＝8.3×d36(KDP結晶)

            　　　角　　度　　許　　容　　角 ： 20mrad-cm

 　　　　　　　 温　　度　　許　容　量  ： 25℃-cm    

 　　　　　　　　ス　ペ　ク　ト　ル　許容幅 ： 5.6Å-cm

 　　　　　　　　ウ　ォ　ー　ク　オ　フ　角 ： 4.5mrad(0.26°)

 光学的ダメージ閾値：＞450MW/cm2(1064nm, ＠ 10ns,10Hz)

 電気光学係数     ： Low frequency(pm/V)    High frequency(pm/V)   
　　　　　　r13       　      9.5                      8.8               

   　　　　    r23         　   15.7                     13.8                 

     　　　　  r33        　    36.3                     35.0                 

    　　　　　  r51      　 　    7.3                      6.9              

  　　　　　　  r42      　 　    9.3                      8.8                

 誘電体定数       ： εeff＝13                                               

３ 光学的特性値

 表 10　光学的特性値

 透過帯域    ：350〜450nm

 屈折率      ： nx     ny     nz   

  1064nm 　　　　 1.7377 1.7453 1.8297 

  　532nm 　　　　1.7780 1.7886 1.8887 

 Sellmeier方程式：(但しλ: μm)

                    nx2＝3.0065＋0.03901/(λ2−0.04251)−0.01327λ2

                    ny2＝3.0333＋0.04154/(λ2−0.04547)−0.01408λ2

                    nz2＝3.0065＋0.05694/(λ2−0.05658)−0.01682λ2

 熱光学係数  ：dnx/dT＝1.1×10-5/℃，dny/dT＝1.3×10-5/℃，dnz/dT＝1.6×10-5/℃

 吸収係数    ：α＜1％/cm?1＠ 1064nm 並びに532nm

Nd:レーザのSHGおよびSFGへの応用

 KTPは､特にパワー密度の低〜中出力のNd:YAGレーザや他のNd:ドープレーザの周波数逓倍用として最も一般的に利用されている材料です。今日まで､KTPを使った外部共振器および内部共振器による周波数逓倍のNdレーザが､数多くの研究開発医療､産業および民生への応用に可視光DYEレーザ並びに可変Ti:サファイヤレーザの励起光源として好まれてきました。

 LD励起Nd:レーザにKTPを応用した場合､コンパクトな固体可視レーザシステムがKTPで製造可能になりました。

 近年では､光ディスクやレーザプリンターで使われるコンパクトなグリーンレーザとして､共振器内周波数逓倍のNd:YAGレーザやNd:YVO4レーザに対する需要が増えてきています。LD励起Nd:YAGレーザやNd:YVO4レーザから100mW以上の出力が5.3Wのモード同期LD励起Nd:YAGレーザの共振器内周波数逓倍では76mW TEM00モード同期グリーンレーザが発生されています。さらに､50mW LD励起でわずか9mm長の共振器のミニNd:YVO4レーザによる共振器内周波数逓倍では､2.5mWのグリーンレーザ出力が得られています。                         

KTPはまた外部共振器のSHGで60％を超える変換効率をも達成し、力強い応用面を示しています。

KTPは810nmダイオードと1064nmのNd:YAGレーザとの外部ミキシングでKTPを用いることにより青色光を発生し、Nｄ：YAG又はNd:YAPで1300nmのSHGで赤色光が発生します。

OPG､OPAおよびOPOへの応用

 Nd:YAGレーザやNd:YLFレーザの基本波および第二高調波で励起したOPO結晶としては､KTP結晶が可視(600nm)〜中赤外(4500nm)の波長可変な出力のパラメトリック光源として重要な役割を担います。

 図8,9を参照下さい｡

 図 8　KTP結晶のOPOチューニング曲線＠XY面　　　図 9　KTP結晶のOPOチューニング曲線＠YZ面

 KTPを利用したOPOは､繰り返し周波数108Hzのフェムト秒パルスの安定で連続した出力､信号波およびアイドラー波の両方で平均パワーがミリワットレベルの出力が得られます。Nd:YAGレーザの1064nmで励起したKTP利用のOPOは2120nmまでの波長域で66％以上の変換効率を発生させることができます。

E-Oデバイスへの応用

 ユニークな非線形特性としてKTPはLiNbO3の特性と同等の有望なE-Oと誘電体特性を有しており､様々なE-O装置として用いられます。表11にE-O変調器材料として通常用いられている材料とKTPとの比較を示します。

表 11　E-O変調器材料

 

 

 

 

　　フェーズ

 

 

　　　振幅

 

材料

ε

n

r(pm/V)

k(10-6/℃）

N7r2/ε(pm/V)2

r(pm/V)

k(10-6/℃）

n7r2/ε(pm/V)2

KTP

15.42

1.8

35

31

6130

27

11.7

3650

LiNbO3

27.9

2.2

8.8

82

7410

20.1

42

3500

KD*P

48

1.47

24

9

178

24

8

178

LiIO3

5.9

1.74

6.4

24

335

1.2

15

124

 

 これ等の特性が高ダメージ閾値､広帯域光バンド幅(＞15GHz)熱的かつ機械的安定性と低損失と結合されますとKTPはE-O変調器としてLiNbO3結晶と取って替え得る材料として期待されています。

 

光導波路への応用

 KTP材へのイオン交替プロセスに基づいて､KTPによって開発された低損失の光導波路は集積光学の新しい応用が可能となります。表12にKTPと他の光導波路材との比較を示します。

 最近､20％/W/cm2のタイプUSHG変換効率が､準位相整合の導波路逓倍器で達成しています。この逓倍器では､ 1つのセクションからの位相不整合の組合わせが第2のセクションから反対のサインの位相不整合とバランスをとることによって達せられたものです。さらに､波長可変Ti:サファイアレーザに対して760nm〜960nmのタイプT準位相整合SHGが､400nm〜430nmの出力に対しては直接2逓倍されたダイオードレーザが分割されたKTP導波路に用いられ､100％/W/cm2を超す変換効率が得られています。

 

表 12 　E-O 導波路材料  

素材

r(pm/V)

n

εeff(ε11ε33)1/2

n3r/εeff(pm/V)

KTP

35

1.86

13

17.3

LiNbO3

29

2.2

37

8.3

KNbO3

25

2.17

30

9.2

BNN

56

2.22

86

7.1

BN

56-1340

2.22

119-3400

5.1-0.14

GaAs

1.2

3.6

14

4

BaTiO3

28

2.36

373

1

 

Castech社の保証するKTP仕様値

 透　過　波　面　歪　み ： λ/4以下 ＠ 633nm

 寸　　　法　　　誤　　　差 ： ( W±0.1mm)×(H±0.1mm)×(L＋0.2mm/−0.1mm)

 有　　　効　　　口　　　径 ： ＞90％ （中心部分に対して）

 平　　　 　 面　　　 度 ： λ/8 ＠ 633nm

スクラッチ　/　ディグ 　　 ： MIL-O-13830Aに対して10/5

 平　　　　　　行　　　　　度 :　20アーク秒以上

垂 　　　　直 　　　　 度 : 5アーク分

角   度   誤   差 : △θ＜±0.5°,△φ＜±0.5°

　Ａ Ｒ コ ー テ ィ ン グ : 1064nmでＲ＜0.2％、532nmでＲ＜1.0％

　品 質 保 証 期 間 : 適切な使用状態で１ヶ年