JP2008009065A - 波長変換光源 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得る。
【解決手段】波長λ_１のレーザ光を発生する第１のレーザ２０１と、波長λ_２のレーザ光を発生する第２のレーザ２０２と、波長λ_１のレーザ光と波長λ_２のレーザ光とを入力し、１／λ_１−１／λ_２＝１／λ_３の関係にある差周波の波長λ_３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶２１１とを含む波長変換光源において、非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、差周波の波長λ_３は、波長３〜７μｍであり、波長λ_２は、9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873<λ_２<68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157を満たす。
【選択図】図８

Description

本発明は、波長変換光源に関し、より詳細には、周期的な分極反転構造を有する擬似位相整合型構造の非線形光学媒質を用いた波長変換光源に関する。

近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。その中で、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮという）などの非線形光学結晶を用いた差周波発生により中赤外光を発生したり、光パラメトリック発振により中赤外光を発生する波長変換レーザの報告が多数なされている。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。２次非線形光学効果を利用して差周波発生を行う波長変換素子の構成である。波長変換素子は、比較的大きな光強度を有する励起光（λ_１）１５と、比較的小さな光強度を有する信号光（λ_２）１３とを合波する合波器１０と、擬似位相整合型構造の非線形光学媒質１１からなる導波路１２と、差周波数光である変換光（λ_３）１４と励起光とを分離する分波器１６とから構成されている。非線形光学媒質１１は、周期的に分極の向きが反転している擬似位相整合型構造を有するので、光波長変換の効率を飛躍的に高めることができる（例えば、非特許文献１参照）。

非線形光学媒質１１は、波長λ_１の励起光と波長λ_２の信号光とを入射すると、波長λ_３の変換光を出力する。これらの３つの波長の間には次式で与えられる関係が成立する。

信号光１３は、導波路１２において、異なる波長を有する差周波数光１４へと変換され、入力された励起光および信号光と共に出射される。

なお、このような波長変換素子の構成により、励起光１５および信号光１３により和周波発生を行うこともできる。また、励起光１５および信号光１３を同一の波長とし、または励起光１５のみを入射することにより、第二高調波発生を行って、励起光の２倍の周波数を有する第二高調波に変換することもできる。

これら２次非線形光学効果を用いた波長変換レーザは、励起光および信号光の光源として、波長２μｍ以下の技術的に安定したレーザを用いることができる。非線形光学結晶としては、異常光線における非線形光学定数が大きく、工業的にも大口径の結晶が得られるＬＮを用いることが多い。

M. H. Chou, et al., "1.5-μm-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structures", Optics Letters vol.23, no.13, p.1004-1006 (1998) M. V. Hobden, et al., "The temperature dependence of the refractive indices of pure lithium niobate", Physics Lett., Vol.22, No.3, pp.243-244, (1966)

しかしながら、従来の２次非線形光学効果を用いた波長変換レーザは、目的の波長において、安定したレーザ光出力を得るために、非線形光学結晶の温度制御を行う必要があった。温度制御には、ヒータ、ペルチェ素子等を用いるので、消費電力が高いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得ることができる波長変換光源を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長λ_１のレーザ光を発生するレーザと、前記波長λ_１のレーザ光を入力し、１／λ_１−１／λ_２＝１／λ_３の関係にある波長λ_２のレーザ光および波長λ_３のコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、前記波長λ_３は、波長３〜７μｍであり、前記波長λ_２は、
9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873<λ_２<68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157
を満たすことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、波長λ_１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ_２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記波長λ_１のレーザ光と前記波長λ_２のレーザ光とを入力し、１／λ_１−１／λ_２＝１／λ_３の関係にある差周波の波長λ_３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、前記差周波の波長λ_３は、波長３〜７μｍであり、前記波長λ_２は、
9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873<λ_２<68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157
を満たすことを特徴とする。

前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することもでき、また、Ｍｇ，Ｚｎ，ＳｃまたはＩｎのいずれかを添加することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、非線形光学媒質の位相不整合量Δβを決定する式において、温度によって変化する項である温度係数Γが０となるように波長λ_２を選択するので、非線形光学結晶の温度制御を行わずに、安定したレーザ光出力を得ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、波長５μｍの変換光（λ_３）を得るための励起光（λ_１）と信号光（λ_２）の波長の関係を示す。波長５μｍの変換光（λ_３）を得るためには、無数のλ_１とλ_２の組合せがある。ここで、これらの組合せの違いによる効果を考える。２次の非線形光学効果を利用して波長変換を行う場合、相互作用する波長λ_１、λ_２、λ_３の３波の間に屈折率分散による位相不整合が発生する。そこで、効率良く波長変換を行うために、上述した擬似位相整合型構造を用いて、この位相不整合量を擬似的に０にしている。周期的な分極反転構造の周期Λとすると、位相不整合量Δβは、

として表される。ここで、ｎｅ（λ，Ｔ）は、波長λ、温度Ｔにおける異常光線に対する屈折率を表し、非線形光学媒質がＬＮの場合には、セルマイヤー式により、

と表される（例えば、非特許文献２参照）。波長λの単位はμｍ、温度Ｔの単位は絶対温度Ｋである。擬似位相整合をとるためには、所望の波長λ_１、λ_２、λ_３の３波において、（２）式で表されるΔβが０になるように分極反転の周期Λを設定してやればよい。

図３に、信号光の波長による波長変換効率の温度依存性を示す。波長５μｍの変換光（λ_３）を得るために、図２の波長の組合せの中から、励起光（λ_１）の波長として、０．８５μｍと１．０６４μｍとを選択する。このとき、信号光波長λ_２は、（１）式により一義的に決定される。図３は、非線形光学媒質の素子長１ｃｍのときの波長変換効率の温度依存性を示す。このように、励起光の波長により、温度に対して波長変換効率の変化量が違うことがわかる。

そこで、温度に対する波長変換効率の変化量が、励起光の波長に対してどのように変化するのかを調べる。位相不整合量Δβを決定する（２）式において、温度によって変化する項を温度係数Γとして、

と定義する。図４に、温度係数の励起光波長依存性を示す。温度Ｔ＝室温２９８Ｋにおける温度係数Γの温度Ｔに対する微分値を、励起光波長に対してプロットした図である。励起光波長λ_１＝１．６μｍの時に温度係数が０となり、温度変化に対して位相不整合量が変化しないことがわかる。すなわち、（２）式において、適切に励起光波長を選択して、Δβ＝０になるようにすれば、波長変換効率の低下を招かないことがわかる。ここで、変換光波長λ_３＝５．０μｍとすると、励起光波長λ_１＝１．６μｍに対する信号光の波長は、式（１）よりλ_２＝２．３５μｍとなる。

図５に、変換光波長に対して温度係数が０になる信号光波長示す。変換光波長λ_３に対して、温度係数Γの微分値が０になる信号光波長λ_２を丸印で示す。このとき、励起光波長λ_１は、（１）式により一義的に決定される。この値は極限的であるので、波長変換効率が半分、すなわち効率の低下が３ｄＢにとどまる範囲を求める。非線形光学媒質の素子長１ｃｍ、温度２５℃±１２５℃（−１００℃〜１５０℃）のとき、それぞれ四角印と三角印とにより示す。各ポイントは、計算値でそれぞれのポイントをフィッティングして実線で示す。

三角印のフィッティングは、
λ_２＝9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873（μm） ・・・（5）
で表され、四角印のフィッティングは、
λ_２＝68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157（μm） ・・・（6）
で表される。すなわち（５）式と（６）式の間の領域の波長を用いることにより、温度に対して波長変換効率の低下が小さい波長変換光源を構成することができる。

図６に、本発明の実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す。波長変換光源は、１．７２６μｍのレーザ光を出力する光源１０１と、周期的な分極反転構造を有するＬＮからなる非線形光学媒質１１１とを備えている。光源１０１からのレーザ光は、レンズ１０３とミラー１１２とを介して、非線形光学媒質１１１に光学的に結合されている。非線形光学媒質１１１から出力されるコヒーレント光は、ミラー１１３を介して出力される。波長変換光源は、いわゆる光パラメトリック発振器を構成している。

実施例１では、非線形光学媒質１１１の温度変化に対する影響を検証するために、ミラー１１２、非線形光学媒質１１１およびミラー１１３を、温度制御槽１０２の中に設置する。光源１０１からのレーザ光を、窓１０４から入射して、非線形光学媒質１１１に入力し、非線形光学媒質１１１から出力されるコヒーレント光を、窓１０５から出射する。温度制御槽１０２の中は、水分の凍結を防止するために、窒素で充満されている。

光源１０１からのレーザ光のパワーは３Ｗであり、非線形光学媒質１１１の分極反転構造の周期Λは、３０．１７μｍである。窓１０５からのコヒーレント光として、２．８μｍ帯光と４．５μｍ帯光とが得られるので、光波長フィルタにより４．５μｍ帯光のみを取り出す。

図７に、実施例１にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す。温度制御槽１０２の内部温度を−１００℃から１５０℃に変化させ、温度２５℃のときの波長変換効率を１としたときの規格化効率を示す。測定温度の全域にわたって、出力光の強度の変化がほぼ一定であることがわかる。

図８に、本発明の実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す。波長変換光源は、励起光波長λ_１＝１．３９２μｍのレーザ光を出力する光源２０１と、信号光波長λ_２＝１．９μｍのレーザ光を出力する光源２０２と、光源２０１と光源２０２のレーザ光を合波する光カプラ２０３と、周期的な分極反転構造を有するＬＮからなる非線形光学媒質２１１とを備えている。光カプラ２０３で合波されたレーザ光は、光ファイバ２０４を介して、非線形光学媒質２１１に光学的に結合されている。非線形光学媒質２１１は、導波路構造を有し、励起光と信号光とが入力されると、２次非線形光学効果による差周波の変換光を発生する。

実施例２では、非線形光学媒質２１１の温度変化に対する影響を検証するために、非線形光学媒質２１１を、温度制御槽２０５の中に設置する。非線形光学媒質２１１から出力されるコヒーレント光を、窓２０６から出射する。温度制御槽２０５の中は、水分の凍結を防止するために、窒素で充満されている。

光源２０１からのレーザ光のパワーは８０ｍＷであり、光源２０２からのレーザ光のパワーは３０ｍＷである。非線形光学媒質２１１の分極反転構造の周期Λは、２７．１μｍであり、光導波路が形成されている。窓２０５からのコヒーレント光として、５．２μｍ帯光が得られるので、光波長フィルタにより取り出す。

図９に、実施例２にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す。温度制御槽２０５の内部温度を−１００℃から１５０℃に変化させ、温度２５℃のときの波長変換効率を１としたときの規格化効率を示す。測定温度の全域にわたって、出力光の強度の変化が５０％以下であることがわかる。

本実施形態では、非線形光学結晶としてＬＮ結晶を用いたが、このＬＮ結晶に、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していてもよい。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。 波長５μｍの変換光を得るための信号光と励起光の波長の関係を示す図である。 信号光の波長による波長変換効率の温度依存性を示す図である。 温度係数の信号光波長依存性を示す図である。 変換光波長に対して温度係数が０になる励起光波長示す図である。 本発明の実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す図である。 実施例１にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す図である。 本発明の実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す図である。 実施例２にかかる波長変換光源の波長変換効率の温度依存性を示す図である。

符号の説明

１０１，２０１，２０２ 光源
１０２，２０５ 温度制御槽
１０３ レンズ
１０４，１０５，２０６ 窓
１１１，２１１ 非線形光学媒質
１１２，１１３ ミラー
２０３ 光カプラ
２０４ 光ファイバ

Claims (4)

1. 波長λ_１のレーザ光を発生するレーザと、前記波長λ_１のレーザ光を入力し、１／λ_１−１／λ_２＝１／λ_３の関係にある波長λ_２のレーザ光および波長λ_３のコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、
   前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、
   前記波長λ_３は、波長３〜７μｍであり、
   前記波長λ_２は、
   9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873<λ_２<68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157
   を満たすことを特徴とする波長変換光源。
2. 波長λ_１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ_２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記波長λ_１のレーザ光と前記波長λ_２のレーザ光とを入力し、１／λ_１−１／λ_２＝１／λ_３の関係にある差周波の波長λ_３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、
   前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなり、
   前記差周波の波長λ_３は、波長３〜７μｍであり、
   前記波長λ_２は、
   9.8484／（λ_３＋0.038179）−0.03873<λ_２<68.276／（λ_３＋4.1554）−4.157
   を満たすことを特徴とする波長変換光源。
3. 前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換光源。
4. 前記非線形光学結晶は、Ｍｇ，Ｚｎ，ＳｃまたはＩｎのいずれかが添加されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換光源。
   
   

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