JP2001051312A - 光パラメトリック発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光パラメトリック発振器において、高い波長
選択性を得る。 【解決手段】 本発明の光パラメトリック発振器は、励
起光の照射により光パラメトリック発振し、シグナル光
およびアイドラ光を発するタイプ−１の非線形光学媒質
１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２が、同等あるい
は同じ波長のシグナル光λ_s（１），λ_s（２）およびア
イドラ光λ_i（１），λ_i（２）を発するように個別に位
相整合条件を調節され、更に、非線形光学媒質１１，１
２のどちらか一つがシグナル光とアイドラ光の偏光方向
が同じになるように、且つ、もう一方がシグナル光とア
イドラ光の偏光方向が異なるように位相整合されてお
り、これにより、発振強度が強く、バンド幅の狭帯化さ
れた発振光を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光パラメトリック発
振器に係り、特に高い波長選択性を得るのに好適なもの
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光パラメトリック発振では、励起光、シ
グナル光およびアイドラ光の３つの光が非線形光学媒質
内で相互作用する。通常は、励起光を非線形光学媒質に
入射してシグナル光とアイドラ光を発生させ、レーザ発
振させる。非線形光学媒質において、シグナル光あるい
はアイドラ光の偏光方向が、励起光の進行方向と非線形
光学媒質の結晶軸とで形成される面に対して垂直であれ
ばその光を常光（Ordinary ray；ｏで表す）、平行であ
れば異常光（Extraordinary ray；ｅで表す）と呼ぶ。
ここで、ある励起光がある位相整合条件で非線形光学媒
質に入射したとき、シグナル光とアイドラ光の偏光方向
が同じ場合をタイプ−１、互いに異なる場合をタイプ−
２と呼んでいる。

【０００３】光パラメトリック効果において、非線形光
学媒質に波長λ_pの励起光を入射することにより、波長
λ_sのシグナル光と波長λ_iのアイドラ光が発生するが、
このれら３つの光には次の関係が成り立っている。

【０００４】

【数１】 ここで、λ_sとλ_iが一致する点を縮退点と呼ぶ。

【０００５】ところで、シグナル光とアイドラ光の偏光
方向が同じであるタイプ−１の場合、縮退点近傍ではい
くつもの波長で位相整合条件が成立し、その結果、光パ
ラメトリック発振における発振波長のバンド幅が大きく
広がる傾向にある。これに対し、偏光方向が異なるタイ
プ−２の場合では、縮退点近傍でも位相整合する条件は
限られており、バンド幅が広がることはない。

【０００６】ところが、非線形光学媒質の種類によって
は、その特性上タイプ−１と比較してタイプ−２の光パ
ラメトリックゲインが小さいものがある。そのため、縮
退点付近で高エネルギーの発振光を得るためには、光パ
ラメトリック発振器の非線形光学媒質としてタイプ−１
を選択せざるを得ない場合（例えばβ-BBO（β-phaseBa
B₂O₄）結晶）がある。しかし、前述したようにタイプ−
１の非線形光学媒質は縮退点付近でのバンド幅が大きく
広がる傾向がある。そのため、タイプ−１の非線形光学
媒質を用いる場合、バンド幅を狭帯化するために、光パ
ラメトリック共振器内にグレーティングを配置し波長選
択を行うことによって、発振バンド幅を狭帯化する手法
が「J. Opt. Soc. Am. B Vol. 12 (1995), 2117」で提
案されている。

【０００７】この様に、グレーティングを用いた場合、
光パラメトリック発振器の発振しきい値は極めて大きく
なり、また、発振光のエネルギーは小さくなる。このた
め、「J. Opt. Soc. Am. B Vol. 12 (1995), 2122」で
は、発振光を再度第２の光パラメトリック発振器あるい
は光パラメトリック増幅器によって増幅する手法が提案
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、グレーティン
グを用いた場合、光パラメトリック発振のしきい値が大
きいため、高エネルギーの励起光を用いなければなら
ず、非線形光学媒質、ミラーおよびレンズ等の損傷が危
惧される等の問題が生じる。

【０００９】また、発振光を再度第２のパラメトリック
発振器で増幅する場合、各非線形光学媒質や発振光の光
路を変える反射ミラー等の角度を、それぞれ微妙に調節
する装置を具備せねばならず、波長選択の制御が複雑に
なるという問題点がある。

【００１０】そこで本発明は、縮退点付近でもグレーテ
ィングや第２のパラメトリック発振器を用いることな
く、簡易に発振バンド幅を狭帯化することが可能な、光
パラメトリック発振器を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光パラメト
リック発振器は、励起光を出力する励起光源と、励起光
の光路上に配置され、励起光の照射により光パラメトリ
ック発振し、シグナル光およびアイドラ光を発する複数
の非線形光学媒質と、これら複数の非線形光学媒質が同
等あるいは同じ波長のシグナル光とアイドラ光を発する
ように位相整合条件を個別に調節する位相整合調節手段
と、複数の非線形光学媒質を挟むように配置され、励起
光、シグナル光およびアイドラ光に対して共振器を構成
する光学系とを備え、位相整合調節手段は、複数の非線
形光学媒質の少なくとも１つがシグナル光とアイドラ光
の偏光方向が同じになるように、且つ、少なくとも一つ
がシグナル光とアイドラ光の偏光方向が異なるように位
相整合することを特徴とする。

【００１２】本発明によれば、シグナル光とアイドラ光
の偏光方向が同じになるように位相整合された非線形光
学媒質の光パラメトリックゲインにより、シグナル光お
よびアイドラ光は増幅され、更にシグナル光とアイドラ
光の偏光方向が互いに異なるように位相整合された非線
形光学媒質により、更なるシグナル光とアイドラ光の増
幅がなされると共に、発振光のバンド幅が狭帯化できる
光パラメトリック発振器を得ることができる。

【００１３】また、本発明に係る光パラメトリック発振
器の位相整合調節手段は、励起光の非線形光学媒質への
入射角、非線形光学媒質の温度あるいは非線形光学媒質
への印加電圧のいずれか一つ以上を変化させることによ
って、位相整合条件を調節するように構成されているこ
とを特徴としてもよい。本発明によれば、複数の非線形
光学媒質の位相整合手段を適宜選択できることができ
る。場合によっては、複数の非線形光学媒質の位相整合
手段が同一である必要はなく、励起光の非線形光学媒質
への入射角、非線形光学媒質の温度あるいは非線形光学
媒質への印加電圧のいずれかを変化させる手法を組み合
わせて用いることによって、非線形光学媒質の位相整合
を行うことが可能である。

【００１４】また、本発明に係る光パラメトリック発振
器は、シグナル光およびアイドラ光の波長若しくは光強
度に基づいて、位相整合調節手段を制御する制御手段を
更に備えることを特徴としても良い。本発明によれば、
それぞれの非線形光学媒質の位相整合を的確に制御する
ことが可能であり、縮退点付近でも精度よくシグナル光
とアイドラ光を同調させることが可能な光パラメトリッ
ク発振器を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一
の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略す
る。

【００１６】図１を参照して、本発明の実施形態に係る
光パラメトリック発振器の構成について説明する。図１
は光パラメトリック発振器の構成概念図であり、この光
パラメトリック発振器は非線形光学媒質を励起する励起
光源１０と、励起光源１０の光路上に配置され、ファブ
リーペロー発振器を構成するミラーＭ１，Ｍ２と、ミラ
ーＭ１，Ｍ２に挟まれ、カスケード配置されたタイプ−
１の非線形光学媒質１１およびタイプ−２の非線形光学
媒質１２とを備えて構成されている。

【００１７】更に、非線形光学媒質１１，１２の位相整
合条件をそれぞれ調節する位相整合調節手段１３，１４
と、ミラーＭ２を透過した発振光の光路上に配置され、
一部の発振光を反射するミラーＭ３と、ミラーＭ３で反
射された発振光の光波長および光強度を確認する確認装
置１６と、確認装置１６で検出した発振光に基づき、位
相整合調節手段１３，１４を制御する制御装置１５とを
備えて構成されている。

【００１８】ここで、励起光λ_pの入射によりタイプ−
１の非線形光学媒質１１で発生するシグナル光λ
_s（１）およびアイドラ光λ_i（１）と、タイプ−２の非
線形光学媒質１２で発生するシグナル光λ_s（２）の偏
光方向は同じであり、これに対し、タイプ−２の非線形
光学媒質１２において発生するアイドラ光λ_i（２）の
偏光方向は、他の光の偏光方向と直交していると仮定し
ている。

【００１９】図１に示すように、励起光源１０から発せ
られた励起光λ_pは、ミラーＭ１を透過し、タイプ−１
の非線形光学媒質１１に入射され、シグナル光λ
_s（１）およびアイドラ光λ_i（１）を発生させる。発生
されたシグナル光λ_s（１）およびアイドラ光λ_i（１）
と変換されずに残った励起光λ_pは、タイプ−２の非線
形光学媒質１２に入射する。なお、双方の非線形光学媒
質１１，１２の位相整合波長が大きく異なっている場合
には、タイプ−２の非線形光学媒質１２では、励起光λ
_pの入射によりシグナル光λ_s（２）とアイドラ光λ
_i（２）が発生するのみである。そのため、ミラーＭ
１，Ｍ２で構成されたファブリペロー発振器内では、そ
れぞれ独立にシグナル光λ_s（１），λ_s（２）とアイド
ラ光λ_i（１），λ_i（２）が発振する。

【００２０】ここで、ミラーＭ１は励起光源１０からの
励起光λ_pは透過するが、非線形光学媒質１１から励起
光源へ戻る方向の励起光λ_p、シグナル光λ_s（１），λ
_s（２）およびアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）は反射
するようになっている。ミラーＭ２は非線形光学媒質１
２からの励起光λ_pをほとんど反射するが、シグナル光
λ_s（１），λ_s（２）およびアイドラ光λ_i（１），λ_i
（２）の一部を反射し一部を透過する。この共振器によ
って励起光λ_p、シグナル光λ_s（１），λ_s（２）およ
びアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）は閉じこめられ、発
振する。

【００２１】図１に示すように、ミラーＭ２を透過した
励起光λ_p、シグナル光λ_s（１），λ_s（２）およびア
イドラ光λ_i（１），λ_i（２）は、励起光カットフィル
タＦ１を通ることにより、残っていた励起光成分がカッ
トされる。そして、シグナル光λ_s（１），λ_s（２）お
よびアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）の一部はミラーＭ
３により反射され、確認装置１６に入射される。

【００２２】確認装置１６はシグナル光λ_s（１），λ_s
（２）およびアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）の重畳し
た光を検出し、その波長と強度に基づいて、非線形光学
媒質１１と非線形光学媒質１２とが同等あるいは同じ波
長のシグナル光とアイドラ光を発するような位相整合の
条件を満たしているか否かを判定する。この判定結果を
もとに、制御装置１５は位相整合調節手段１３，１４を
制御することにより、非線形光学媒質１１，１２の位相
整合条件を調節する。これにより、発振器内では同等あ
るいは同じ波長のシグナル光λ_s（１），λ_s（２）およ
びアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）が発振させられる。
このとき、シグナル光λ_s（１）とλ_s（２）は重畳さ
れ、且つ、アイドラ光λ_i（１）とλ_i（２）は重畳さ
れ、それぞれシグナルλ_s光とアイドラ光λ_iとなりミラ
ーＭ２から出射される。

【００２３】なお、位相整合調節手段１３，１４は、励
起光の非線形光学媒質１１，１２への入射角、非線形光
学媒質１１，１２の温度あるいは非線形光学媒質１１，
１２への印加電圧のいずれか一つ以上を変化させること
によって位相整合条件を調節しており、いずれかに限定
されない。

【００２４】具体的には、励起光の非線形光学媒質１
１，１２への入射角を変化させ位相整合条件を調節した
い場合、回転テーブルなどに非線形光学媒質１１，１２
を載置しテーブルを回転させればよい。非線形光学媒質
１１，１２の温度を変化させ位相整合条件を調節したい
場合は、図２に示すように、非線形光学媒質１１，１２
の角度は変えずに非線形光学媒質１１，１２をそれぞれ
温度調節容器Ｔ１およびＴ２に入れ、温度制御素子によ
ってヒータに加える電圧Ｖ１およびＶ２を変化させるこ
とにより非線形光学媒質１１，１２の温度を変化させれ
ばよい。非線形光学媒質１１，１２への印加電圧を変化
させ位相整合条件を調節したい場合、図３に示すよう
に、非線形光学媒質１１，１２の角度は変えずにそれぞ
れ電極Ｅ１およびＥ２を取り付け、電圧Ｖ１およびＶ２
を印加することにより生じる電気光学効果によって位相
整合条件を調節すればよい。

【００２５】ミラーＭ２から出射したシグナル光λ_sと
アイドラ光λ_iは、励起光カットフィルタＦ１を透過
し、更にその大部分はミラーＭ３を透過する。その後、
カットフィルタＦ２によりシグナル光λ_sまたはアイド
ラ光λ_iのみが透過させられ、所望の波長のレーザー光
を得ることができる。

【００２６】次に、図４を参照して、励起光λ_p、シグ
ナル光λ_s（１），λ_s（２）およびアイドラ光λ
_i（１），λ_i（２）の相互作用について説明する。図４
は図１の光パラメトリック発振器部分を側面から見た拡
大図である。なお、位相整合は非線形光学媒質１１、１
２の結晶軸に対する励起光λ_pの入射角の変化によって
行われているものとする。また、図２において、励起光
λ_pの非線形光学媒質１１，１２への入射角はそれぞれ
θ₁，θ₂で示し、励起光λ_pの光路の延長線を破線、発
振光である励起光λ_p、シグナル光λ_s（１），λ
_s（２）およびアイドラ光λ_i（１），λ_i（２）の光路
を実線で示している。

【００２７】まず、励起光λ_pがタイプ−１の非線形光
学媒質１１に入射することにより、偏光方向が同じシグ
ナル光λ_s（１）とアイドラ光λ_i（１）を発生する。タ
イプ−１の非線形光学媒質１１で発生したシグナル光λ
_s（１）とアイドラ光λ_i（１）および変換されずに残っ
た励起光λ_pは、タイプ−２の非線形光学媒質１２に入
射する。このとき、非線形光学媒質１１，１２の位相整
合波長が大きく異なっている場合には、前述したよう
に、タイプ−２の非線形光学媒質１２では励起光λ_pの
入射によりシグナル光λ_s（２）とアイドラ光λ_i（２）
が発生するのみで、位相整合条件の異なるシグナル光λ
_s（１）とアイドラ光λ_i（１）とは相互反応を示さな
い。

【００２８】ただし、タイプ−１の非線形光学媒質１１
とタイプ−２の非線形光学媒質１２の光パラメトリック
ゲインが異なる場合には、光パラメトリックゲインが大
きなタイプの非線形光学媒質の発振特性が優勢となり、
優勢となった非線形光学媒質で発生したシグナル光λ_s
およびアイドラ光λ_iがミラーＭ１、Ｍ２間で発振す
る。

【００２９】一方、非線形光学媒質１１，１２のシグナ
ル光λ_s（１）とλ_s（２）の波長およびアイドラ光λ_i
（１）とλ_i（２）の波長が同等あるいは同じ場合に
は、それぞれの非線形光学媒質１１，１２中でシグナル
光λ_s（１）とλ_s（２）が励起光λ_pとパラメトリック
相互作用を起こすことにより増幅され、シグナル光λ_s
（１），λ_s（２）とが重畳したシグナル光λ_sとして発
振する。

【００３０】これに対し、アイドラ光λ_i（１），λ
_i（２）はそれぞれタイプ−２の非線形光学媒質１２、
タイプ−１の非線形光学媒質１１の位相整合条件に合致
しないため相互作用は起こさないが、励起光λ_pとシグ
ナル光λ_sの非線形光学媒質１１，１２におけるパラメ
トリック相互作用によって、アイドラ光λ_i（１）とλ_i
（２）も発生・増幅され、アイドラ光λ_i（１），λ
_i（２）の重畳したアイドラ光λ _iとして発振する。

【００３１】ここで、発生したシグナル光λ_sおよびア
イドラ光λ_iは、２個の非線形光学媒質１１、１２の光
パラメトリックゲインによって、非線形光学媒質が１個
の光パラメトリック発振器の場合よりも、更に大きく光
パラメトリック発振させられる。また、タイプ−１の非
線形光学媒質１１における発振光のバンド幅の広がり
は、タイプ−２の非線形光学媒質１２によって狭帯化さ
れる。

【００３２】以上の様に、タイプ−１の非線形光学媒質
１１とタイプ−２の非線形光学媒質１２を用い、同等あ
るいは同じ波長のシグナル光とアイドラ光を発生するよ
うにその位相整合条件を調節することにより、バンド幅
が狭帯化されたシグナル光およびアイドラ光を増幅、発
振させることが可能である。

【００３３】なお、図１および図４の光パラメトリック
発振器では、タイプ−１とタイプ−２の２個の非線形光
学媒質を用いているが、非線形光学媒質の個数は３個以
上の複数個でもよい。ただし、複数の非線形光学媒質に
は少なくとも一つのタイプ−１の非線形光学媒質と、少
なくとも一つのタイプ−２の非線形光学媒質が含まれて
いなければならない。

【００３４】次に、図５を参照して本発明の第２の実施
形態について説明する。図５の光パラメトリック発振器
は、励起光λ_pを発する励起光源（図示せず）と、励起
光λ_pの光路を適宜変更するミラーＭ４１，Ｍ４２と、
励起光λ_pの光路上に配置されたタイプ−１の非線形光
学媒質１１１、タイプ−２の非線形光学媒質１２１およ
びタイプ−１の非線形光学媒質１１２、タイプ−２の非
線形光学媒質１２２と、励起光λ_pの光路上でこれら非
線形光学媒質１１１，１２１，１１２，１２２を挟むよ
うに配置された共振器を構成する光学系Ｍ１，Ｍ２とを
備えて構成されている。

【００３５】ここで、タイプ−１の非線形光学媒質１１
１とタイプ−２の非線形光学媒質１２１を第一のペア、
タイプ−１の非線形光学媒質１１２とタイプ−２の非線
形光学媒質１２２を第二のペアとして考える。

【００３６】いま、タイプ−１の非線形光学媒質１１１
とタイプ−２の非線形光学媒質１２１からなる第一のペ
アは、同等あるいは同じ波長を発するように、非線形光
学媒質１１１，１２１の結晶軸に対する励起光λ_pの入
射角θ₁₁，θ₂₁を調節することによって位相整合されて
いる。このペアのみに注目すると、図４の光パラメトリ
ック発振器と同様に考えることができ、励起光λ_pの入
射によりタイプ−１の非線形光学媒質１１１で発生した
シグナル光λ_s（１１）およびアイドラ光λ_i（１１）
と、同じく励起光λ_pの入射によりタイプ−２の非線形
光学媒質１２１で発生したシグナル光λ_s（２１）およ
びアイドラ光λ_i（２１）とは、非線形光学媒質１１
１，１２１内で励起光λ_pと光パラメトリック相互作用
する。これにより、シグナル光λ_s（１１）とシグナル
光λ_s（２１）の重畳したシグナル光λ_s（１０）と、ア
イドラ光λ_i（１１）とアイドラ光λ_i（２１）の重畳し
たアイドラ光λ_i（１０）を得ることができるが、これ
らシグナル光とアイドラ光は発振強度が大きく、且つ、
バンド幅が狭帯化されている。

【００３７】タイプ−１の非線形光学媒質１１２とタイ
プ−２の非線形光学媒質１２２からなる第二のペアは、
同等あるいは同じ波長を発するように、非線形光学媒質
１１２，１２２の結晶軸に対する励起光λ_pの入射角θ
₁₂，θ₂₂を調節することによって位相整合されている。
このペアのみに注目すると、前述の第一のペアと同じ
く、図４の光パラメトリック発振器と同様に考えること
ができ、励起光λ_pの入射によりタイプ−１の非線形光
学媒質１１２で発生したシグナル光λ_s（１２）および
アイドラ光λ_i（１２）と、同じく励起光λ_pの入射によ
りタイプ−２の非線形光学媒質１２２で発生したシグナ
ル光λ_s（２２）およびアイドラ光λ_i（２２）とは、非
線形光学媒質１１２，１２２内で励起光λ_pと光パラメ
トリック相互作用する。これにより、シグナル光λ
_s（１２）とシグナル光λ_s（２２）の重畳したシグナル
光λ_s（２０）と、アイドラ光λ_i（１２）とアイドラ光
λ_i（２２）の重畳したアイドラ光λ_i（２０）を得るこ
とができるが、これらシグナル光とアイドラ光は発振強
度が大きく、且つ、バンド幅が狭帯化されている。

【００３８】なお、第一のペアの非線形光学結晶１１
１，１２１と第２のペアの非線形光学結晶１１２，１２
２で発生するシグナル光λ_s（１０），λ_s（２０）およ
びアイドラ光λ_i（１０），λ_i（２０）は同等あるいは
一致していなくともよい。

【００３９】これらをふまえて、図５の光パラメトリッ
ク発振器について考えると、これには同じ光学系Ｍ１，
Ｍ２内に二つの光パラメトリック発振器が共存している
ことになる。そして、図５の光パラメトリック発振器内
では第一のペアの光パラメトリック発振器による発振光
であるシグナル光λ_s（１０），アイドラ光λ_i（１０）
と、第二の光パラメトリック発振器による発振光である
シグナル光λ_s（２０），アイドラ光λ_i（２０）が発振
することになる。

【００４０】以上の様に、本実施形態による光パラメト
リック発振器では同時に複数の光パラメトリック発振器
を有することができ、それぞれの光パラメトリック発振
器による発振光を得ることが可能である。なお、それぞ
れの光パラメトリック発振器の非線形光学媒質は２個に
限られず、３個以上でもよいことはいうまでもない。

【００４１】次に、図６を参照して本発明の第３の実施
形態について説明する。図６の光パラメトリック発振器
は、ミラーＭ₁〜Ｍ₄によって閉ループの共振器が構成さ
れており、励起光λ_pを発する励起光源（図示せず）
と、励起光λ_pの光路上に配置されると共に、ミラーＭ₁
とミラーＭ₂の間に配置されたタイプ−１の非線形光学
媒質１１と、励起光λ_pの光路上に配置されると共に、
ミラーＭ₃とミラーＭ₄の間に配置されたタイプ−２の非
線形光学媒質１２とを備えて構成されている。

【００４２】まず、励起光λ_pがミラーＭ₁を介してタイ
プ−１の非線形光学媒質１１に入射し、シグナル光λ_s
（１）およびアイドラ光λ_i（１）を発生させる。これ
らの光は、ミラーＭ₂およびミラーＭ₃によって反射さ
れ、励起光λ_pとともにタイプ−２の非線形光学媒質１
２に入射する。ここで、励起光λ_pおよびシグナル光λ_s
（１）の入射によりタイプ−２の非線形光学媒質１２で
は更なるパラメトリック発振が生じ、シグナル光λ
_s（２）およびアイドラ光λ_i（２）が発生する。ここ
で、シグナル光λ_s（１），λ_s（２）およびアイドラ光
λ_i（１），λ_i（２）は重畳され、シグナル光λ_sおよ
びアイドラ光λ_iとなり、それぞれのバンド幅は狭帯化
される。狭帯化されたシグナル光λ_sおよびアイドラ光
λ_iの一部はミラーＭ₄を透過し、出力光として取り出さ
れる。残りのシグナル光λ_sおよびアイドラ光λ_iは、更
にミラーＭ₄およびＭ₁で反射され、タイプ−１の非線形
光学媒質１１に入射し、更なるパラメトリック発振を生
じさせる。ここで、ミラーＭ₁は励起光λ_pを透過する様
になっているため、閉ループを通った励起光λ_pはミラ
ーＭ₁から出力される。

【００４３】このように、本発明に係る実施形態は閉ル
ープによる光パラメトリック発振器も構成することが可
能である。また、閉ループ内に複数の非線形光学媒質を
配置することや、複数の対のタイプ−１およびタイプ−
２の非線形光学媒質を配置し、前述した第２の実施形態
を閉ループの共振器で実現できることはいうまでもな
い。

【００４４】ところで、光パラメトリック発振における
位相整合条件は、励起光、シグナル光およびアイドラ光
の波数ベクトルｋ_p、ｋ_s、ｋ_iの保存条件

【数２】 で決まる。通常、光パラメトリック発振において、３つ
の光は同軸上に進行するので、波数はスカラー量ｋ_p、
ｋ_s、ｋ_iで表すことができる。

【００４５】波数ｋ_x（ｘ＝ｐ，ｓ，ｉ）はそれぞれの
光の偏光方向（常光；ｏ、あるいは異常光；ｅ）におけ
る屈折率ｎ_x ^(y)（λ_x、θ）を用いて、次式のように表
すことができる（但しｙ＝ｏ，ｅ）。ここで、屈折率ｎ
_x ^(y)（λ_x、θ）は波長λ_xと非線形光学媒質の結晶軸に
対する励起光の入射角θの関数である。

【００４６】

【数３】 ただし、

【数４】

【数５】 である。ここで、θは非線形光学媒質の結晶軸に対する
励起光の入射角である。

【００４７】式（１）〜（５）より、タイプ−１および
タイプ−２についてのθに対する位相整合波長の関係で
ある位相整合曲線が求められる。図７は非線形光学媒質
にＢＢＯ、励起光レーザにＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高
調波：波長３５４．７ｎｍを用いた場合の光パラメトリ
ック発振の位相整合曲線を示している（以下、特に表記
がない限り、非線形光学媒質にはＢＢＯ結晶を、励起光
レーザにはＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波：波長３５
４．７ｎｍを用いることとする）。この図７より、励起
光の入射角θの調節により、タイプ−１とタイプ−２の
ＢＢＯ結晶で同じ波長の発振光を得たい場合、タイプ−
２の非線形光学媒質に対する励起光の入射角θはタイプ
−１と比較して大きくなっており、特に縮退点付近では
タイプ−１の場合、励起光の入射角θの微妙な変化によ
って、発振光の波長が大きく左右されることが理解でき
る。

【００４８】また、このときの光パラメトリックゲイン
Ｇに関連する性能指数（Figure ofMerit；ＦＯＭ）は次
式で表される。

【００４９】

【数６】

【００５０】

【数７】 ここで、Ｃ₀は光速度、ε₀は真空の誘電率である。ｄ
_effは有効非線形定数と呼ばれ、ある位相整合条件での
非線形光学媒質における２次の非線形光学定数の値であ
る。これより、結晶の長さをＬとすると、光パラメトリ
ックゲインＧは次式のように求められる。

【００５１】

【数８】 ここで、Ｉ_pは励起光のパワー密度である。

【００５２】タイプ−１とタイプ−２でＬ、Ｉ_pがほぼ
同じであれば、光パラメトリック発振における発振のし
易さはＦＯＭで比較できる。図８はＢＢＯ結晶における
タイプ−１とタイプ−２のＦＯＭを示しており、ＦＯＭ
（１）はタイプ−１でのＦＯＭ、ＦＯＭ（２）はタイプ
−２でのＦＯＭである。ＢＢＯ結晶の場合、ＦＯＭ
（１）はcos²θに、ＦＯＭ（２）はcos⁴θに比例するの
で、位相整合角の大きいタイプ−２では縮退点に近づく
につれ光パラメトリックゲインの減少が著しくなる。こ
れに対し、ＦＯＭ（１）は縮退点に近づくにつれ、大き
くなっていくことが理解できる。

【００５３】ところで、図９はタイプ−１の非線形光学
媒質１１０のみ、図１０はタイプ−２の非線形光学媒質
１２０のみを用いた場合の典型的な光パラメトリック発
振器の構成例を示している。両図において、（ａ）が非
線形光学媒質を１つ用いた場合、（ｂ）が２個の同じ種
類の非線形光学媒質を用いた場合を示しており、（ｂ）
では、それぞれの非線形光学媒質を互いに結晶軸が反対
になるようにカスケード配置している。この様にカスケ
ード配置とするのは、励起光、シグナル光およびアイド
ラ光の屈折率の違いによるエネルギー伝搬方向のずれ
（Walk-off；ウォークオフ）を補正することによって、
光パラメトリック発振器の効率を向上させるためであ
る。従来技術では、前述のように同じ種類、同じタイプ
の非線形光学媒質を使用したパラメトリック発振器が用
いられていた。そこで、本発明者は、まず、従来技術で
ある図８（ａ）のタイプ−１の非線形光学媒質１１０を
一つ用いた場合の光パラメトリック発振器の発振光スペ
クトルを測定した。

【００５４】図１１は図９（ａ）の光パラメトリック発
振器における、各発振波長に対するバンド幅（半値幅；
ＦＷＨＭ）の関係を示している。図１１（ａ）は発振波
長に対する半値幅の大きさの関係を示しており、図１１
（ｂ）は発振波長に対する半値幅の関係をカイザーで示
したものである。図１１より発振波長が縮退点である７
０９．４ｎｍに近づくにしたがって、バンド幅が急激に
大きくなっていくこと、発振光のエネルギーが大きくな
ることが理解できる。

【００５５】タイプ−２については、タイプ−１と比較
して縮退点付近でもバンド幅は広がらないことが、文献
「Appl. Phys. Lett. Vol. 56 (1990), 1819」のＦｉ
ｇ．２によって示されている。この様に、タイプ−１の
非線形光学媒質ではバンド幅が大きく広がる傾向がある
が、タイプ−２の非線形光学媒質は発振バンド幅が広が
らないことが理解できる。

【００５６】次に、図１２を参照して、タイプ−１の非
線形光学媒質とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わ
せることにより、発振強度が大きく、且つ、バンド幅が
狭帯化された発振光が得られる様子を説明する。図１２
（ａ）はタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質をシ
グナル光の波長が７０３．０ｎｍ、アイドラ光の波長が
７１５．９ｎｍで位相整合させている場合における、タ
イプ−１の非線形光学媒質のみの光パラメトリック発振
器の発振光スペクトル、タイプ−２の非線形光学媒質の
みの光パラメトリック発振器の発振光スペクトルおよび
タイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせ
た光パラメトリック発振器の発振光スペクトルをそれぞ
れ示している。

【００５７】図１２（ａ）に示すように、タイプ−１で
は発振光のバンド幅がそれぞれの発振波長において広帯
化しており、発振強度は大きい。これに対し、タイプ−
２ではバンド幅は狭帯化されているが発振強度が極めて
小さい。これらタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒
質を組み合わせた場合、タイプ−１の非線形光学媒質に
おける発振強度の強さと、タイプ−２のバンド幅の狭帯
化が発振光に反映され、図示のように発振強度が強く、
バンド幅の狭い発振光を得ることができる。

【００５８】図１２（ｂ）は、タイプ−１の非線形光学
媒質を縮退点で位相整合させ、タイプ−２の非線形光学
媒質をシグナル光の波長が７０３．０ｎｍ、アイドラ光
の波長が７１５．９ｎｍで位相整合させている場合にお
ける、タイプ−１のみの光パラメトリック発振器の発振
光スペクトル、タイプ−２のみの光パラメトリック発振
器の発振光スペクトルおよびタイプ−１とタイプ−２を
組み合わせた光パラメトリック発振器の発振光スペクト
ルをそれぞれ示している。

【００５９】図１２（ｂ）に示すように、タイプ−１で
は縮退点付近で発振光のバンド幅が広帯化しており、発
振強度は大きい。これに対し、タイプ−２ではバンド幅
は狭帯化されているが発振強度が極めて小さい。図１２
（ｂ）の場合、タイプ−１とタイプ−２は同じ波長の発
振光を発していないが、タイプ−２の各発振波長におけ
るタイプ−１の発振光の強度が十分大きいため、タイプ
−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせた場
合、タイプ−１の非線形光学媒質の発振強度がタイプ−
２の発振波長において維持されているため、その発振強
度とタイプ−２のバンド幅の狭帯化が発振光に反映さ
れ、図１２（ａ）と同様、図示のように発振強度が強
く、バンド幅の狭い発振光を得ることができる。

【００６０】次に、図１３から図１６を参照して、実際
に光パラメトリック発振器を発振させた時の発振光のス
ペクトル分布について説明する。図１３は光パラメトリ
ック発振器内にタイプ−１の非線形光学媒質を配置し、
縮退点で位相整合させた場合のスペクトル分布を示す。
つまり、図９（ａ）の光パラメトリック発振器におい
て、縮退点で位相整合させた場合のスペクトル分布であ
る。図１３より、発振光に約４０ｎｍ程度のスペクトル
の広がりがあることが理解できる。この様に、タイプ−
１の非線形光学媒質のみの光パラメトリック発振器の場
合、発振スペクトルの広がりが大きいことが理解でき
る。

【００６１】次に、図１３における光パラメトリック発
振状態を維持したまま、タイプ−２の非線形光学媒質を
共振器内に挿入して縮退点で位相整合させた場合、つま
り、図１および図２の光パラメトリック発振器におい
て、非線形光学媒質１１，１２を縮退点で位相整合させ
た場合の発振光のスペクトル分布を図１４に示す。図１
３と比較して、図１４の場合には発振強度が増加してい
るにもかかわらず、スペクトル幅は大幅に狭帯化されて
いることがわかる。この様に、光パラメトリック発振器
にタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒質を組み合わ
せて用いることにより、発振強度の増加と発振バンド幅
の狭帯化が可能であることが理解できる。

【００６２】次に、図１４の状態から、タイプ−２の非
線形光学媒質の位相整合条件を少し変化させると、図１
５に示すように、シグナル光とアイドラ光が分離され
る。更に、図１５の状態からタイプ−２の非線形光学媒
質の位相整合条件を変化させると、図１６に示すよう
に、更にシグナル光とアイドラ光が分離される。これは
シグナル光とアイドラ光が精度良く同調できていること
を意味している。

【００６３】以上のように、本実施形態における光パラ
メトリック発振器では、タイプ−１の非線形光学媒質と
タイプ−２の非線形光学媒質を組み合わせて用いること
によって、縮退点付近でも発振強度が強く、バンド幅の
広がらない発振光が得られる。

【００６４】なお、本実施形態では、励起光にＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザの基本波および第３高調波を用いたが、励起
光にはＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波やその他のレー
ザ光を用いてもよい。また、本発明は発振光の波長選択
にグレーティングを用いていないため、ＬＤ励起のＮ
ｄ：ＹＡＧレーザのような、エネルギー密度が小さい励
起光源を用いる光パラメトリック発振器に対して非常に
有用である。

【００６５】また、本実施形態では、非線形光学媒質に
ＢＢＯ結晶のタイプ−１とタイプ−２を用いたが、用い
る非線形光学媒質もＢＢＯ結晶に限られず、ＬＢＯ、Ｋ
ＴＰあるいはＬＮなど他の種類の非線形光学媒質を用い
てもよい。また、複数個の非線形光学媒質を用いてもよ
いが、全てが同種類の非線形光学媒質である必要はな
く、例えば、タイプ−１のＬＢＯとタイプ−２のＢＢ
Ｏ、タイプ−１のＢＢＯとタイプ−２のＫＴＰなど、色
々な種類の非線形光学媒質を組み合わせて用いてもよ
い。更に、これらの非線形光学媒質はバルクではなく疑
似位相整合の周期構造型のものでもよい。

【００６６】次に、本発明に係る光パラメトリック発振
器の具体的応用例について図１７を参照して述べる。以
下の内容の基本的部分は文献「応用物理第６５巻第１号
（１９９６）ｐ．３１で解説されているものである。

【００６７】近年、ガンの診断と治療において、光線力
学的治療法（photodynamic therapy;ＰＤＴ）が注目を
集めている。これはガン細胞にレーザ光を照射し、活性
酸素の一種である一重項酸素を発生させ、ガン細胞を死
滅させる治療法である。一重項酸素は正常細胞にも有害
であるため、ガン細胞と正常細胞の部位の診断が必要不
可欠となるが、体内に光感受性物質を注入し、その光感
受性物質の蓄積状態がガン細胞と正常細胞で異なること
を利用してガン細胞の部位の診断を行う方法が提案され
ている。そして、その光感受性物質にＭＥ２９０６とい
う物質を用いることが検討されている。

【００６８】ＭＥ２９０６は、波長６６４ｎｍの光を照
射すると励起され、正常細胞からは波長６７０ｎｍ付近
の自家蛍光が発せられ、ガン細胞からは蛍光がないとい
う特性を持っている。そこで、図１７に示すように、体
内にＭＥ２９６０が蓄積されｓた状態で、光ファイバー
などで６６４ｎｍのレーザ光を患部まで導光し、波長６
７０ｎｍの蛍光を検出することにより、正常細胞とガン
細胞の部位を診断する事が可能である。また、レーザ光
照射によるガン細胞の死滅の確認も波長６７０ｎｍ付近
の自家蛍光を検出することによって確認することが可能
となる。

【００６９】しかし、診断に使用する波長６６４ｎｍの
波長と、正常細胞からの蛍光波長６７０ｎｍは非常に近
接しており、従来のレーザ光では波長幅が広かったこと
から波長６６４ｎｍと６７０ｎｍの判別ができなかっ
た。そこで、波長選択性がよく、しかも波長幅が１ｎｍ
好ましくは０．５ｎｍ以下のレーザ光の必要性が高まっ
ていた。波長幅に関しては、レーザダイオードでも０．
５ｎｍ程度のレーザが得られるが、本実施形態の光パラ
メトリック発振器で得られるパルス光の方が、ガン細胞
への浸透度が大きいため、診断および治療の光源として
用いやすく、格別の効果が得られる。

【００７０】そこで、本発明にかかる光パラメトリック
発振器では、発振光の波長の選択性がよく、その波長幅
が０．５ｎｍ以下であるレーザ光が得られるため、ＰＤ
Ｔへの応用が可能で、その期待も高まっている。以上の
ことから、ＰＤＴへの応用に対して本発明の光パラメト
リック発振器は大きく貢献することが期待できる。

【００７１】

【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明の光
パラメトリック発振器では、少なくとも一つのタイプ−
１の非線形光学媒質と少なくとも一つのタイプ−２の非
線形光学媒質を含む複数の非線形光学媒質を用い、それ
ぞれの非線形光学媒質の位相整合条件を個別に調節する
ことによって、縮退点付近でも光パラメトリック発振光
のバンド幅が狭帯化され、且つ、発振強度の大きい発振
光を得ることが可能である。このとき、波長選択の制御
は非線形光学媒質の位相整合条件の調節だけで済むの
で、簡便に制御することが可能である。

【００７２】また、励起光源にエネルギー密度の低いレ
ーザを用いることができるので、非線形光学媒質や光学
系のレーザによる損傷を回避しやすい。

【００７３】また、複数の非線形光学媒質の内、一つの
非線形光学媒質の位相整合条件を変化させることよっ
て、シグナル光とアイドラ光が精度よく分離できるの
で、所望の波長の発振光を簡易に得ることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る、光パラメトリック発
振器の構成概念図である。

【図２】非線形光学媒質の温度調節による位相整合調節
手段を示す図である。

【図３】非線形光学媒質の印加電圧による位相整合調節
手段を示す図である。

【図４】図１における光パラメトリック発振器の拡大図
を示す図である。

【図５】本発明に係る光パラメトリック発振器の第２の
実施形態を示す図である。

【図６】本発明に係る光パラメトリック発振器の第３の
実施形態を示す図である。

【図７】ＢＢＯ結晶の場合の位相整合曲線を示す図であ
る。

【図８】ＢＢＯ結晶のＦＯＭを示す図である。

【図９】タイプ−１のＢＢＯ結晶を用いた場合の光パラ
メトリック発振器の実施形態を示す図である。

【図１０】タイプ−２のＢＢＯ結晶を用いた場合の光パ
ラメトリック発振器の実施形態を示す図である。

【図１１】図６（ａ）のパラメトリック発振器におけ
る、各発振波長に対するスペクトル幅の関係を示す図で
ある。

【図１２】本発明の実施形態に係る、タイプ−１、タイ
プ−２、およびタイプ−１とタイプ−２の非線形光学媒
質を組み合わせた場合における、発振波長のスペクトル
分布を示す図である。

【図１３】図６（ａ）の光パラメトリック発振器におけ
る、縮退点で位相整合した場合の発振スペクトルを示す
図である。

【図１４】図１の光パラメトリック発振器における縮退
点で位相整合させた場合の発振スペクトルを示す図であ
る。

【図１５】図１１からタイプ−２の非線形光学媒質の位
相整合条件を少し変化させた場合の発振スペクトルを示
す図である。

【図１６】図１２から更にタイプ−２の非線形光学媒質
の位相整合条件を変化させた場合の発振スペクトルを示
す図である。

【図１７】本発明の実施形態にかかる光パラメトリック
発振器の応用例を示した図である。

【符号の説明】

１０…励起光源、１１…タイプ−１の非線形光学媒質、
１２…タイプ−２の非線形光学媒質、１３、１４…位相
整合手段、１５…制御装置、１６…光波長および光強度
確認装置、Ｍ１〜Ｍ３…ミラー、Ｆ１、Ｆ２…フィルタ
ー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高 新 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 高坂 正臣 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 AB27 BA06 BA13 CA02 CA03 EB15 GA04 HA21 5F072 AB02 JJ20 KK11 MM20 QQ03 YY01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光を出力する励起光源と、 前記励起光の光路上に配置され、前記励起光の照射によ
   り光パラメトリック発振し、シグナル光およびアイドラ
   光を発する複数の非線形光学媒質と、 前記複数の非線形光学媒質それぞれが、同等あるいは同
   じ波長の前記シグナル光と前記アイドラ光を発生するよ
   うに位相整合条件を調節する位相整合調節手段と、 前記励起光、前記シグナル光および前記アイドラ光に対
   して共振器を構成する光学系とを備え、 前記位相整合調節手段は、前記非線形光学媒質の少なく
   とも一つを前記シグナル光と前記アイドラ光の偏光方向
   が同じになるように、且つ、少なくとも一つを前記シグ
   ナル光と前記アイドラ光の偏光方向が異なるように位相
   整合条件を調節することを特徴とする光パラメトリック
   発振器。
2. 【請求項２】 前記位相整合調節手段は、前記励起光の
   前記非線形光学媒質への入射角、前記非線形光学媒質の
   温度あるいは前記非線形光学媒質への印加電圧のいずれ
   か一つ以上を変化させることによって、位相整合条件を
   調節するように構成されていることを特徴とする請求項
   １記載の光パラメトリック共振器。
3. 【請求項３】 前記シグナル光および前記アイドラ光の
   波長と光強度に基づいて、前記位相整合調節手段を制御
   する制御手段を更に備える請求項１または２記載の光パ
   ラメトリック発振器。