JP2009015014A - Dispersion optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分散光学システムに関し、さらに詳細には、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットやテラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）の非線形光学結晶に入射させるシード光の分散光学ユニットなどとして用いて好適な分散光学システムに関するものである。 The present invention relates to a dispersion optical system, and more particularly, to a dispersion optical unit for a phase matching device of a femtosecond laser and a nonlinear optical crystal of a light injection terahertz wave parametric generator (is-TPG method) of a terahertz wave generator. The present invention relates to a dispersion optical system suitable for use as a seed light dispersion optical unit.
従来より、フェムト秒レーザー光を発生させる際には、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行うようになされている。 Conventionally, when generating femtosecond laser light, pulse width compression is performed by phase-matching pulse light of a wide wavelength region generated by a nonlinear optical crystal.
図１には、こうした位相整合を行うための従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システムの一例の概念構成説明図が示されている。 FIG. 1 is a conceptual configuration explanatory diagram of an example of a conventional phase matching optical system for a femtosecond laser for performing such phase matching.
即ち、この図１に示す従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を入射して当該入射したパルス光を反射させる第１ミラー１０２と、第１ミラー１０２により反射されたパルス光を分散させる第１回折格子１０４と、第１回折格子１０４により分散されたパルス光を反射させる第２ミラー１０６と、第２ミラー１０６により反射されたパルス光を反射させ波長ごとに平行光束にする第１凹面鏡１０８と、第１凹面鏡１０８の焦点位置に配置されるとともに第１凹面鏡１０８により波長ごとに平行光束にされたパルス光の位相を波長ごとに変調する空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）１１０と、空間光位相変調器１１０により変調されたパルス光を反射して回折格子１１６上に集光する第２凹面鏡１１２と、第２凹面鏡１１２により集光されたパルス光を反射させる第３ミラー１１４と、第３ミラー１１４により集光された分散しているパルス光を合成する第２回折格子１１６と、第２回折格子１１６により合成されたパルス光を反射して外部へ出射する第４ミラー１１８とを有して構成されている。
That is, the conventional phase matching
以上の構成において、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００によれば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を内部に取り込み、内部へ取り込んだパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行って外部へ出射することにより、フェムト秒レーザー光を発生させることができる。
In the above configuration, according to the conventional phase matching
なお、非線形光学結晶により発生したパルス光の波長領域が広いほど、パルス幅を圧縮することが可能である。 The wider the wavelength region of the pulsed light generated by the nonlinear optical crystal, the more the pulse width can be compressed.
しかしながら、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムにおいては、回折格子自体が広い波長領域において高い効率を得ることが困難であり、また、回折格子の出射光として２倍の波長（１オクターブ）の光が２次回折光として重なってしまい、広帯域の波長領域において高効率でフェムト秒レーザー光を発生させることが困難であるという問題点があった。
However, in a system using a diffraction grating such as the conventional phase matching
一方、上記したフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００のように回折格子を用いたシステムとは異なり、回折格子の代わりにプリズムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムも知られている。
On the other hand, a phase matching optical system for a femtosecond laser using a prism instead of the diffraction grating is also known, unlike the system using a diffraction grating such as the phase matching
しかしながら、プリズムは分散の波長依存性が大きいため、長波長領域では大きな分散を得ることが困難であるという新たな問題点を招来するものであった。 However, since the prism has a large wavelength dependency of the dispersion, it causes a new problem that it is difficult to obtain a large dispersion in the long wavelength region.
具体的には、フェムト秒レーザー光を得るために、パルスレーザー光のパルス幅を数１０フェムト秒に圧縮するには、波長３００〜１２００ｎｍの波長領域において効率約８０％で２次回折光などの高次回折光が発生しないような分散素子あるいは分散光学システムが必要となる。
Specifically, in order to obtain femtosecond laser light, the pulse width of the pulse laser light is compressed to several tens of femtoseconds. A dispersion element or a dispersion optical system that does not generate the next diffracted light is required.
ところが、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００において、第１回折格子１０４および第２回折格子１１６として、ブレーズ波長が５００ｎｍである格子数１５０本／ｍｍの反射型回折格子を用いた場合には、波長５００ｎｍにおける効率は７５％程度であるが、波長３００ｎｍにおける効率は１５％程度と低く、また、波長１２００ｎｍにおける効率は２５％程度と低いものであり、さらに、波長３００〜６００ｎｍの位置に波長６００〜１２００ｎｍの２次回折光が重なってしまうという問題点があった。
However, in the conventional phase matching
一方、テラヘルツ波を発生させるための光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器（ｉｓ−ＴＰＧ方式）は、その内部に非線形光学結晶が配置されており、この非線形光学結晶にシード光およびポンプ光を入射してテラヘルツ光を得るものである。
On the other hand, a light injection terahertz wave parametric generator (is-TPG method) for generating a terahertz wave has a nonlinear optical crystal disposed therein, and seed light and pump light are incident on the nonlinear optical crystal. Terahertz light is obtained.
図２には、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図が示されている。
FIG. 2 shows a conceptual configuration explanatory diagram of a conventional light injection terahertz wave parametric generator.
この図２に示す光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００においては、非線形光学結晶２０８に入射させるシード光の入射角調整光学システムとして、回折格子を用いた分散光学システム２０４が用いられている。
In the light injection terahertz wave
上記した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は、シード光を発生するシード光発生用光源２０２と、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散させる分散光学システム２０４と、ポンプ光を発生するポンプ光発生用光源（図示せず）と、ポンプ光発生用光源により発生されたポンプ光を反射するミラー２０６と、入射されたシード光およびポンプ光からテラヘルツ波を生成する非線形光学結晶２０８と、非線形光学結晶２０８上に載置されるとともに非線形光学結晶２０８により生成されたテラヘルツ波を取り出すカップラ２１０とを有して構成されている。
The above-described conventional light injection terahertz wave
また、上記した分散光学システム２０４は、シード光発生用光源２０２により発生されたシード光を分散する表面レリーフ型の回折格子２０４ａと、回折格子２０４ａにより分散された光を入射して平行光として出射するコリメータレンズ２０４ｂと、コリメータレンズ２０４ｂより出射された平行光を結像する結像レンズ２０４ｃとを有して構成されている。
Further, the dispersion
なお、非線形光学結晶としては、適宜の材料を選択すればよく、例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いることができる。 Note that an appropriate material may be selected as the nonlinear optical crystal, and for example, MgO: LiNbO 3 can be used.
ところで、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４に用いられる回折格子２０４ａは、格子間隔を狭くすることにより大きな分散が得られるようになるものであるが、格子間隔が波長に近づくと回折効率が急激に低下してしまうことが知られている。
By the way, the diffraction grating 204a used in the dispersion
ここで、分散光学システムの各構成部材の寸法や配置は回折格子２０４ａの格子間隔に依存するものであり、従ってその小型化には限界があるという問題点があった。 Here, the size and arrangement of each component of the dispersion optical system depend on the grating interval of the diffraction grating 204a, and therefore there is a problem that there is a limit to downsizing.
例えば、図２に示した光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００の分散光学システム２０４により約０．２７°／ｎｍの角度分散を得るためには、回折格子２０４ａとして格子数１２００本／ｍｍを有する表面レリーフ型の回折格子と、焦点距離がｆ＝７５０ｍｍのコリメータレンズ２０４ｂと、焦点距離がｆ＝２５０ｍｍの結像レンズ２０４ｃとを用い、回折格子２０４ａとコリメータレンズ２０４ｂとの間隔を７５０ｍｍとし、コリメータレンズ２０４ｂと結像レンズ２０４ｃとの間隔を７５０ｍｍ＋２５０ｍｍとし、結像レンズ２０４ｃと非線形光学結晶２０８との間隔を２５０ｍｍとする必要があるため、分散光学システム２０４の距離が約２ｍに及ぶ長さになり、装置全体が極めて大型化するという問題点があった。
For example, in order to obtain an angular dispersion of about 0.27 ° / nm by the dispersion
なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
The prior art that the applicant of the present application knows at the time of filing a patent is as described above and is not an invention related to a known literature, so there is no prior art information to be described.
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られるような小型の分散光学システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the various problems of the conventional techniques as described above, and the object of the present invention is a small size that has little wavelength dependency and is capable of obtaining high dispersion with high efficiency. It is intended to provide a dispersion optical system.
上記目的を達成するために、本発明による分散光学システムは、分散プリズムより出射された分散光を結像する結像レンズ後段において、当該結像レンズの焦点面近傍に分散拡大レンズを配置し、さらに、結像レンズより出射された光のうち分散プリズムにおける屈折角が大きい光を分散拡大レンズの光軸付近に入射し、分散プリズムにおける屈折角が小さい光を分散拡大レンズの縁付近に入射するようにしたものである。 In order to achieve the above object, the dispersion optical system according to the present invention has a dispersion magnifying lens disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens in the latter stage of the imaging lens for imaging the dispersed light emitted from the dispersion prism, Further, out of the light emitted from the imaging lens, light having a large refraction angle at the dispersion prism is incident near the optical axis of the dispersion magnifying lens, and light having a small refraction angle at the dispersion prism is incident near the edge of the dispersion magnifying lens. It is what I did.
従って、本発明によれば、広い波長範囲内で高次回折光を発生することなく高効率で大きな分散を得ることができるようになる。 Therefore, according to the present invention, high dispersion can be obtained with high efficiency without generating high-order diffracted light within a wide wavelength range.
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する分散プリズムと、上記分散プリズムの後段に配置され、上記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して上記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射して上記コバ側に結像するように配置するようにしたものである。
That is, the invention according to
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が上記分散拡大レンズの光軸上に入射して上記光軸上に結像するように配置されるようにしたものである。
Further, the invention according to
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、入射光を分散する分散光学システムにおいて、入射光を入射して分散する回折格子と、上記回折格子の後段に配置され、上記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの上記焦点面近傍に配置され、上記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズとを有し、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、上記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置するようにしたものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a dispersion optical system that disperses incident light, wherein a diffraction grating that receives incident light and disperses the light, and is disposed downstream of the diffraction grating. An imaging lens that enters the emitted light, emits the incident light, and forms an image on a focal plane; and is disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens after the imaging lens, A dispersion magnifying lens that receives the light emitted from the imaging lens and expands the dispersion of the incident light and emits the light, and the dispersion magnifying lens emits the diffraction grating emitted from the imaging lens The light dispersed by is incident on the dispersion magnifying lens and arranged to expand the diffraction angle.
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記分散拡大レンズは、上記結像レンズの後段において上記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、上記結像レンズから出射される上記回折格子により分散された光について、長波長側の光が上記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が上記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置されるようにしたものである。
The invention according to
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記分散プリズムは、三角プリズムであり、上記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に上記分散プリズムに入射する入射光は、上記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、上記入射光のうち波長λの光は、上記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、上記入射光が上記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、上記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、上記結像レンズを出射後に、上記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から上記分散拡大レンズに入射するものであって、上記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、上記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、上記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、上記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
であるようにしたものである。
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to the first or second aspect of the present invention, the dispersion prism is a triangular prism, and the dispersion prism is two. In the case of an equilateral triangle or an equilateral triangle, incident light incident on the dispersion prism is incident angle θ 0 so as to be parallel to the bottom surface of the dispersion prism.
θ 0 = sin −1 {n 1 (λ 0 ) sin (α / 2)}
n 1 (λ 0 ): Refraction angle of λ 0
α: It has an angle of a dispersive prism, and the light of wavelength λ among the incident light has a refraction angle θ 1 (λ) when incident on the dispersive prism is θ 1 (λ) = sin −1 {sin θ 0 / n 1 (λ)}
n (λ): a refraction angle of λ, and an outgoing angle θ out (λ) when the incident light is emitted from the dispersion prism is θ out (λ) = sin −1 [n 1 (λ 0 ) sin { α−θ 1 (λ)}]
The emitted light having the exit angle θ out (λ) is emitted from the image forming lens and then the dispersion magnifying lens from an image forming position separated from the optical axis of the image forming lens by a distance x in the height direction. Where x is
x (λ) = f · tan {θ out (λ) −θ}
θ: an arbitrary angle, and the incident angle φ in (λ) incident on the dispersion magnifying lens is φ in (λ) = sin −1 {(x + a) / R}
a: Distance between optical axis of imaging lens and dispersion magnifying lens R: Radius of curvature of dispersion magnifying lens, and angle φ 1 (λ) formed with the optical axis in dispersion magnifying lens is φ 1 (λ) = sin − 1 [sin {φ in (λ) / n 2 (λ)}]
n 2 (λ): a refractive index with respect to a dispersion magnifying lens of λ, and an emission angle φ out (λ) of light emitted from the dispersion magnifying lens is φ out (λ) = sin −1 [n 2 (λ) sin {φ in (λ) −φ 1 (λ)}]
It is intended to be.
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凸形状であるようにしたものである。
The invention according to
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは凹形状であるようにしたものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first, second, third, fourth, or fifth aspect of the present invention, the dispersion magnifying lens has a concave shape. It is what I did.
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズはシリンドリカルレンズであるようにしたものである。
The invention according to
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、 上記分散拡大レンズは非球面や自由曲面を備えたレンズであるようにしたものである。
The invention according to claim 9 of the present invention is the invention according to any one of
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記分散拡大レンズは１または複数のレンズよりなるようにしたものである。
The invention according to claim 10 of the present invention is the invention according to any one of
本発明は、以上説明したように構成されているので、波長依存性が少なく、高効率で大きな分散が得られる小型の分散光学システムを提供することができるという優れた効果を奏する。 Since the present invention is configured as described above, the present invention has an excellent effect that it is possible to provide a small-sized dispersion optical system that has a small wavelength dependency and can obtain high dispersion with high efficiency.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による分散光学システムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。 Hereinafter, an example of an embodiment of a dispersion optical system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図３には、本発明による分散光学システムの第１の実施の形態の概念構成説明図が示されている。
FIG. 3 is a conceptual structural explanatory diagram of the first embodiment of the dispersion optical system according to the present invention.
この本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０は、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学ユニットとして用いることができるものである。
The dispersion
即ち、分散光学システム１０は、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光を分散させる分散プリズム１２と、分散プリズム１２により分散された光束を結像する結像レンズ１４と、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射された光の焦点位置である結像レンズ１４の結像面近傍（焦点面近傍）に設置されるとともに入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ１６とを有して構成されている。
That is, the dispersion
なお、この分散光学システム１０においては、分散プリズム１２として各頂角が６０°を有する石英製の正三角柱形状の三角プリズムを用い、また、結像レンズ１４として焦点距離が１００ｍｍである平凸レンズを用い、また、分散拡大レンズ１６として曲率半径が１７ｍｍの石英からなる凸形状のシリンドリカルレンズを用いた。
In this dispersion
また、分散光学システム１０は、上記した各構成部材により構成されてなるものであるが、これら各構成部材は、以下に説明するように配置されている。
In addition, the dispersion
即ち、結像レンズ１４の出射面１４ａから出射される分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射して光軸近傍上に結像させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射してコバ側、即ち、縁近傍に結像させるように配置する。
That is, for the light beam dispersed by the
なお、分散光学システム１０においては、波長３００ｎｍの光が分散拡大レンズ１６の光軸上を通るように設計されている。
The dispersion
以上の構成において、分散光学システム１０によれば、分散プリズム１２により分散された光束を結像レンズ１４で波長毎に結像させ、結像面近傍に分散拡大レンズ１６が配置されていることにより、分散拡大レンズ１６で波長分散を拡大して分散の波長依存性を制御することができる。
In the above configuration, according to the dispersion
即ち、分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束について、屈折角が大きいスペクトルの短波長側、即ち、青色光（図３において破線で示す。）を分散拡大レンズ１６の光軸近傍上に入射させ、屈折角が小さいスペクトルの長波長側、即ち、赤色光（図３において一点鎖線で示す。）を分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に入射させているので、分散プリズム１２により分散された光束のなかでスペクトルの長波長側の光束の分散を大きくすることができる。
In other words, the dispersion
従って、分散光学システム１０においては、分散拡大レンズ１６の曲率半径の選択と入射角（光軸からの距離）の調整とを行うことにより、表面刻線型の回折格子より大きな分散や、波長あるいは波数に対してほぼ線形と見なすことができる分散特性を得ることができる。
Accordingly, in the dispersion
なお、分散拡大レンズ１６として、複数のレンズを組み合わせたり、非球面や自由曲面を備えたレンズを採用することにより、波長あるいは波数に対して任意の分散特性を得ることができるようになる。
In addition, by combining a plurality of lenses or adopting a lens having an aspherical surface or a free-form surface as the
また、分散光学システム１０において、分散プリズム１２に代えて回折格子を用いることにより、１オクターブ以内の波長範囲において極めて大きな分散を得ることが可能である。
Further, in the dispersion
次に、分散光学システム１０によって光を分散させる際の作用について、図４および図５を合わせて参照しながら詳細に説明することとする。
Next, the action when the light is dispersed by the dispersion
まず、分散プリズム１２への入射光として、例えば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光などの入射光が分散プリズム１２に入射すると、当該入射光は分散プリズム１２により分散されてスペクトルが得られる。
First, as incident light to the
なお、図３乃至図５においては、本発明の理解を容易にするために、赤色光（図３乃至図５において一点鎖線で示す。）、緑色光（図３乃至図５において二点鎖線で示す。）および青色光（図３乃至図５において破線で示す。）のみを図示するものとし、以下の説明においても、上記した赤色光、緑色光および青色光に関して説明する。 3 to 5, in order to facilitate understanding of the present invention, red light (indicated by a one-dot chain line in FIGS. 3 to 5) and green light (indicated by a two-dot chain line in FIGS. 3 to 5). Only the blue light (shown by broken lines in FIGS. 3 to 5) is illustrated, and the following description will be made with respect to the above-described red light, green light, and blue light.
ここで、分散プリズム１２により分散されて出力される赤色光、緑色光および青色光のなかで、青色光に対する屈折率が最も大きく、また、赤色光に対する屈折率が最も小さいものであり、図３に示されているようにそれぞれの角度に屈折した赤色光、緑色光および青色光が分散プリズム１２から出射される。
Here, among the red light, the green light and the blue light that are dispersed and output by the
次に、分散プリズム１２より出射した赤色光、緑色光および青色光（以下、これら赤色光、緑色光および青色光を総称して「分散光」と称する。）は、分散プリズム１２の後段に配置された結像レンズ１４に入射し、結像レンズ１４の出射面１４ａより出射される。
Next, red light, green light, and blue light emitted from the dispersion prism 12 (hereinafter, these red light, green light, and blue light are collectively referred to as “dispersed light”) are arranged at the subsequent stage of the
そして、結像レンズ１４を出射した分散光はそれぞれ、結像レンズ１４の焦点面付近に配置された分散拡大レンズ１６に入射し、青色光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に結像し、また、赤色光は分散拡大レンズ１６のコバ側、即ち、縁近傍に結像する。
Then, each of the dispersed lights emitted from the
上記のようにして分散拡大レンズ１６に入射された分散光は、分散拡大レンズ１６から出射されて、分散光学システム１０の外部へ取り出されるものである。
The dispersed light incident on the
上記において説明したように、本発明による分散光学システム１０は、分散プリズム１２により分散された光束を波長ごとに結像させるため、結像レンズ１４の後段に分散拡大レンズ１６を設けるとともに、分散プリズム１２により大きく屈折した波長の光は分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射するようにし、分散プリズムにより小さく屈折した波長の光は分散拡大レンズの縁近傍に入射するようになされていおり、分散プリズムと結像レンズのみから得られる光の分散よりも、光の分散をより拡大することができる。
As described above, the dispersion
即ち、分散光学システム１０においては、青色光が分散拡大レンズ１６の光軸近傍に収束し、赤色光が分散拡大レンズ１６の縁近傍に収束しており、波長の分散を大きくとることができるものである。
That is, in the dispersion
こうした分散光学システム１０は、分散拡大レンズ１６に光が入射する際に、分散拡大レンズ１６における光の入射位置によって屈折角が異なる球面収差のため、光軸近傍は屈折角が小さくなり、光軸から離れて縁近傍にいくに従って屈折角が大きくなることを利用している。
In such a dispersion
より詳細には、分散プリズム１２から出射された光束のなかで、短波長の光束は大きく屈折し、長波長の光束は小さく屈折するものであるので、分散拡大レンズ１６に入射する際には、分散プリズム１２における屈折率とは逆となるように、即ち、短波長の光は屈折角を小さくさせるように分散拡大レンズ１６の光軸近傍に入射させ、長波長の光は屈折角を大きくさせるように分散拡大レンズ１６の縁近傍に入射させるように制御することによって、それぞれの波長の波長分散を調整することができるものである。
More specifically, among the light beams emitted from the
ここで、図４および図５を参照しながら、分散光学システム１０の分散拡大レンズ１６における入射位置および出射光の屈折角についての関数を詳細に説明する。
Here, with reference to FIG. 4 and FIG. 5, functions regarding the incident position and the refraction angle of the outgoing light in the
なお、図４は分散プリズム１２における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図であり、図５は分散拡大レンズ１６における入射角と内部屈折角と出射角とを図示する概念説明図である。
4 is a conceptual explanatory diagram illustrating the incident angle, the internal refraction angle, and the exit angle in the
分散光学システム１０における分散プリズム１２として用いられる三角プリズムの形状が二等辺三角形もしくは正三角形の場合に、分散プリズム１２内において、任意の波長（例えば、中心波長）λ０の光束を図４に示すように分散プリズム１２の底辺と平行に進行させるためには、入射面における光束の入射角θ０は、分散プリズム１２の頂角αと波長λ０の屈折率ｎ１（λ０ ）とを用いて式１で示すことができる。
When the shape of the triangular prism used as the
θ０＝ｓｉｎ−１｛ｎ１（λ０ ）ｓｉｎ（α／２）｝ ・・・ 式１
即ち、波長λ０の光を上記式１より得られた入射角θ０で入射させると、光は分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行に進行することになる。
θ 0 = sin −1 {n 1 (λ 0 ) sin (α / 2)}
That is, when light having a wavelength λ 0 is incident at an incident angle θ 0 obtained from the
より具体的には、例えば、石英で形成されているとともに頂角α＝６０°を有する分散プリズム１２を用いた分散光学システムにおいて、中心波長λ０＝４００ｎｍの光を入射させた場合には、屈折率ｎ１ はｎ１（４００ｎｍ）＝１．４７０１であるので、上記の式１より入射角θ０を求めると、以下の値が得られる。
More specifically, for example, in a dispersion optical system using a
θ０＝ｓｉｎ−１｛１．４０１×ｓｉｎ（６０／２）｝＝４７．３１２°
従って、中心波長λ＝４００ｎｍの光を分散プリズム１２に入射する際に、入射角θ０を４７．３１２°とすると、分散プリズム１２内を分散プリズム１２の底面と平行な状態で入射光が進行する。
θ 0 = sin −1 {1.401 × sin (60/2)} = 47.312 °
Accordingly, when light having a center wavelength λ = 400 nm is incident on the
上記により算出された入射角θ０を用いて、入射光の各波長（λ）における分散プリズム１２内の屈折角θ１（λ）を表すと、以下の式２で示すことができる。
When the refraction angle θ 1 (λ) in the
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１｛ｓｉｎθ０／ｎ１（λ ）｝ ・・・ 式２
さらに、分散プリズム１２より出射した出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）は、上記式２により表された各波長の屈折率ｎ１（λ）を用いて、式３によって表される。
θ 1 (λ) = sin −1 {sin θ 0 / n 1 (λ)}
Further, the refraction angle θ out (λ) of the outgoing light emitted from the
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ ）ｓｉｎ{α−θ１（λ ）｝］ ・・・ 式３
分散プリズム１２より出射し、式３より得られた出射角θｏｕｔ（λ）を有する光は、結像レンズ１４に入射したのち、分散拡大レンズ１６に入射する。
θ out (λ) = sin −1 [n 1 (λ) sin {α−θ 1 (λ)}]
Light emitted from the
そのときの、分散拡大レンズ１６上の結像レンズ１４焦点面における結像位置ｘ（λ）が式４から求められる。より詳細には、結像位置ｘ（λ）は、分散プリズム１２からの出射光の屈折角θｏｕｔ（λ）から任意の角度θ（例えばλ０の出射後の屈折角θｏｕｔ（λ０）＝入射角θ０）を差し引いた際に得られる値と、結像レンズ１４の焦点距離ｆとを用いて算出される。
The imaging position x (λ) at the focal plane of the
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ｛θｏｕｔ（λ）−θ｝・・・ 式４
こうして得られた各波長の結像位置ｘ（λ）より、分散拡大レンズ１６における各波長の光の入射位置がわかるものである。
x (λ) = f · tan {θ out (λ) −θ}
From the imaging position x (λ) of each wavelength obtained in this way, the incident position of the light of each wavelength in the
さらに、分散拡大レンズ１６に入射する際の入射角φｉｎ（λ）は、結像位置ｘ（λ）の値に結像レンズ１４と分散拡大レンズ１６との光軸の距離ａを加えて得られる値と、分散拡大レンズ１６の曲率半径Ｒとを用いて式５により表される。
Further, the incident angle φ in (λ) when entering the
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１｛（ｘ＋ａ）／Ｒ｝・・・ 式５
そして、上記式５より得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、屈折率ｎ２（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６内における入射光と光軸とのなす角φ１（λ）が式６により求められる。
φ in (λ) = sin −1 {(x + a) / R}
Then, using the incident angle φ in (λ) and the refractive index n 2 (λ) to the
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１［ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］・・・ 式６
さらに、式５から得られた分散拡大レンズ１６への入射角φｉｎ（λ）と、式６から得られた分散拡大レンズ１６の光軸となす角φ１（λ）とを用いて、分散拡大レンズ１６を出射した各波長の出射角φｏｕｔ（λ）は、以下の式７より得られる。
φ 1 (λ) = sin −1 [sin {φ in (λ) / n 2 (λ)}]
Further, using the incident angle φ in (λ) to the
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ２（λ）ｓｉｎ｛φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］・・・ 式７
ここで、上記した本発明による分散光学システム１０における分散特性について、図６（ａ）（ｂ）を参照しながら以下に説明する。
φ out (λ) = sin −1 [n 2 (λ) sin {φ in (λ) −φ 1 (λ)}] Equation 7
Here, the dispersion characteristics in the dispersion
まず、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における各波長の屈折角を表した分散曲線が示されている。これは、波長に対する分散特性（波長分散）を示すものである。
First, FIG. 6A shows a dispersion curve representing the refraction angle of each wavelength when light is dispersed using the dispersion
なお、図６（ａ）には、本発明による分散光学システム１０の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。
In FIG. 6A, in order to compare with the dispersion characteristics of the dispersion
一方、図６（ｂ）には、本発明による分散光学システム１０を用いて光を分散させた場合における波数に対する屈折角をプロットした波数に対する分散特性（波数分散）が示されている。
On the other hand, FIG. 6B shows a dispersion characteristic (wave number dispersion) with respect to the wave number in which the refraction angle with respect to the wave number is plotted when light is dispersed using the dispersion
なお、図６（ｂ）には、図６（ａ）と同様に、本発明による分散光学システム１０と比較するために、図６（ａ）に示す上記回折格子および上記分散プリズムを用いて光を分散させた場合の波数に対する分散特性（波数分散）とがあわせて示されている。
6B, similarly to FIG. 6A, in order to compare with the dispersion
図６（ａ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波長に対する分散特性は、長波長になるにつれて分散し難くなり、波長依存性が高いものであることがわかる。
As shown in FIG. 6A, it can be seen that the dispersion characteristic with respect to the wavelength of the dispersion
一方、回折格子の分散特性は、波長に対する屈折角を直線で表すことができ、一定の分散が得られることがわかる。また、プリズムの分散特性は、短波長領域での分散については回折格子のみの場合より大きいが、長波長になるにつれて分散が小さくなることがわかる。 On the other hand, in the dispersion characteristics of the diffraction grating, the refraction angle with respect to the wavelength can be represented by a straight line, and it can be seen that constant dispersion can be obtained. In addition, the dispersion characteristic of the prism is larger than that of the diffraction grating alone in terms of dispersion in the short wavelength region, but the dispersion becomes smaller as the wavelength becomes longer.
また、図６（ｂ）に示されているように、本発明の分散光学システム１０の波数に対する分散特性は、波長に対する分散特性よりもより直線的であり、一定に近い分散が得られていることがわかる。
Further, as shown in FIG. 6B, the dispersion characteristic with respect to the wave number of the dispersion
一方、回折格子の波数に対する分散特性は一定ではない（非線形である。）ことがわかる。また、プリズムの分散特性は、直線的であり、一定の分散が得られているが、本発明による分散光学システム１０に比べると分散が小さいことがわかる。
On the other hand, it can be seen that the dispersion characteristic with respect to the wave number of the diffraction grating is not constant (non-linear). Further, the dispersion characteristic of the prism is linear and constant dispersion is obtained, but it can be seen that the dispersion is smaller than that of the dispersion
ここで、フェムト秒レーザーを発生させる場合には、広い波長領域において高い効率を維持できるとともに、パルス圧縮の効率や制御の点で、広い波数領域において一定の波数分散特性を示す分散素子が望まれているため、上記した分散特性から判断すると本発明による分散光学システム１０はフェムト秒レーザーの発生に適していると認められる。
Here, in the case of generating a femtosecond laser, a dispersion element that can maintain high efficiency in a wide wavelength region and exhibits constant wave number dispersion characteristics in a wide wave number region in terms of efficiency and control of pulse compression is desired. Therefore, judging from the above-described dispersion characteristics, it is recognized that the dispersion
すなわち、本発明による分散光学システム１０は、分散が大きい回折格子のみの場合の利点と波数特性が直線的で分散が一定であるプリズムのみの場合利点とを兼ね備えているものである。
That is, the dispersion
次に、図７（ａ）（ｂ）を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の第１の変形例および第２の変形例について説明する。
Next, a first modification and a second modification of the dispersion
即ち、図７（ａ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、結像レンズ１４から出射した光束のうち波長３００ｎｍの光束が分散拡大レンズの光軸より１０ｍｍ上の位置に入射するようにした第１の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
That is, FIG. 7A shows the optical axis of the dispersion magnifying lens in the dispersion optical system 10 (see FIG. 3) according to the first embodiment described above. A dispersion curve representing a refraction angle at each wavelength of the first modification example that is incident on a
なお、図７（ａ）には、上記した第１の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。 In FIG. 7A, in order to compare with the dispersion characteristic of the first modification described above, the light incident perpendicularly using only the diffraction grating having 150 gratings / mm is dispersed. A dispersion characteristic with respect to wavelength (wavelength dispersion) and a dispersion characteristic with respect to wavelength (wavelength dispersion) when light is dispersed using only a dispersion prism made of quartz with each apex angle of 60 ° are shown together.
この図７（ａ）から、上記した第１の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０や回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して直線性が増していることから、得られる分散がより一定であるとともに、各波長における屈折角も増加していることから大きい分散が得られ、高い効率で分散光を得ることができることが認められる。
From FIG. 7A, the dispersion characteristic with respect to the wavelength of the first modification example described above has linearity as compared with the case of the dispersion
次に、図７（ｂ）は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０（図３参照）において、分散拡大レンズ１６として第１の実施の形態とは曲率半径が異なる分散拡大レンズ、具体的には、曲率半径が６．５ｍｍの石英製凸形状レンズを用いるようにした第２の変形例の各波長における屈折角を表した分散曲線、即ち、波長に対する分散特性（波長分散）が示されている。
Next, FIG. 7B shows a dispersion magnifying lens having a radius of curvature different from that of the first embodiment as the
なお、図７（ｂ）には、上記した第２の変形例の分散特性と比較するために、格子数１５０本／ｍｍの回折格子のみを用いて垂直入射させた光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）と、各頂角が６０°で石英からなる分散プリズムのみを用いて光を分散させた際の波長に対する分散特性（波長分散）とがあわせて示されている。 In FIG. 7B, in order to compare with the dispersion characteristic of the second modification described above, the light incident perpendicularly using only the diffraction grating with 150 gratings / mm is dispersed. A dispersion characteristic with respect to wavelength (wavelength dispersion) and a dispersion characteristic with respect to wavelength (wavelength dispersion) when light is dispersed using only a dispersion prism made of quartz with each apex angle of 60 ° are shown together.
この図７（ｂ）から、上記した第２の変形例の波長に対する分散特性は、上記した第１の実施の形態による分散光学システム１０、第１の変形例ならびに回折格子あるいはプリズムのみの場合と比較して、各波長における屈折角が大きく増加しており、大きい分散が得られることが認められる。また、波長６００〜１０００ｎｍの領域における分散曲線はほぼ線形であることから、この波長領域において一定の分散が得られることが認められる。
From FIG. 7B, the dispersion characteristics with respect to the wavelength of the second modification described above are the same as those of the dispersion
次に、図８を参照しながら、本発明による分散光学システムの第２の実施の形態について説明する。
Next, a second embodiment of the dispersion optical system according to the present invention will be described with reference to FIG.
なお、以下の説明においては、図３を参照しながら説明した本発明の第１の実施の形態による分散光学システム１０と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
In the following description, the same reference numerals as those used above are used for the same or corresponding components as those of the dispersion
この図８に示す第２の実施の形態の分散光学システム４０は、上記した第１の実施の形態の分散光学システム１０（図３参照）と比較すると、分散拡大レンズとして凹形状のシリンドリカルレンズを用いている点においてのみ異なっている。
Compared with the dispersion optical system 10 (see FIG. 3) of the first embodiment described above, the dispersion
即ち、この第４の実施の形態の分散光学システム４０は、分散プリズム１２と、結像レンズ１４と、結像レンズ１４から出射された光の焦点位置に設置されて入射した光の分散を拡大する分散拡大レンズ４６とを有して構成されており、分散拡大レンズ４６としては、曲率半径が１７ｍｍのＢＫ７製凹形状レンズシリンドリカルを用いている。
That is, the dispersion
こうした凸形状の分散拡大レンズ１６を有する分散光学システム１０および凹形状の分散拡大レンズ４６を有する分散光学システム４０は、分散プリズム１２の代わりに回折格子を配置することで、１オクターブ以内の波長範囲において、極めて大きな分散を得ることも可能になる。
The dispersion
次に、図９を参照しながら、本発明による分散光学システム１０の使用例として、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムについて説明することとする。
Next, a phase matching optical system for a femtosecond laser using the dispersion
この図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と比較すると、第１の回折格子１０４および第２の１１６に代えて、本発明による分散光学システム１０を用いて構成した点において、従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と異なっている。
Compared with the conventional phase matching
なお、以下の説明においては、図１を参照しながら説明した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
In the following description, the same or equivalent components as those of the conventional femtosecond laser phase matching
即ち、分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００は、第１のミラー１０２と、第１のミラー１０２の後段に配置される第１の分散光学システム１０と、分散光学システム１０の後段に配置される第２のミラー１０６と、第１の凹面鏡１０８と、空間光位相変調器１１０と、第２の凹面鏡と、第３のミラー１１４と、第２の分散光学システム１０と、第２の分散光学システム１０の後段に配置された第４のミラー１１８とを有して構成されている。
That is, a phase matching
上記したように、本発明による分散光学システム１０は、図６（ａ）に示す分散特性を有する分散光学ユニットであり、こうした分散光学システム１０を用いることにより、波長３００ｎｍ〜１２００ｎｍの領域においては、８０％以上の効率が得られるものである。
As described above, the dispersion
さらに、回折格子を用いた従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム１００の場合と比べると、パルス幅の圧縮に重要な短波長において分散が大きいため、位相整合の精度を向上することが可能である。
Furthermore, compared with the conventional phase matching
次に、本発明による分散光学システム４０の使用例として、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００内に本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００について、図１０を参照しながら説明することとする。
Next, as an example of use of the dispersion
この図１０に示す本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、分散光学システム２０４に代えて、本発明による分散光学システム４０が用いられている点において異なっている。
Compared with the conventional optical injection terahertz wave
また、上記した第２の実施の形態の分散光学システム４０においては、分散光学システム４０内に分散プリズム１２を用いたが、光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００における分散光学システム４０においては、分散プリズム１２に代えて格子数３００本／ｍｍの表面レリーフ型回折格子１２’を用いている。
In the dispersion
なお、以下の説明においては、図２を参照しながら説明した従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と同一または相当する構成については、上記において用いた符号と同一の符号を用いることにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略することとする。
In the following description, the same or equivalent components as those of the conventional light injection terahertz wave
即ち、図１０には本発明による分散光学システム４０を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００の概念構成説明図が示されており、この光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、シード光源２０２と、分散光学システム４０と、ポンプ光源（図示せず。）と、ミラー２０６と、非線形光学結晶２０８と、カップラ２１０とを有して構成されている。
That is, FIG. 10 shows a conceptual configuration diagram of a light injection terahertz wave
さらに、分散光学システム４０は、回折格子４０２と、結像レンズ１４と、分散拡大レンズ４６とを有して構成されている。
Further, the dispersion
こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００は、回折格子と非線形光学結晶との距離が０．８ｍとすることができ、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００と比較すると、従来の４０％の距離で構成されるため装置を小型化することが可能である。
In such a light injection terahertz wave
次に、図１１には、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器４００に用いた本発明による分散光学システムの分散特性が示されている。
Next, FIG. 11 shows the dispersion characteristics of the dispersion optical system according to the present invention used in such a light injection terahertz wave
即ち、使用波長領域（波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）において、波長に対して直線的な分散特性を得られることから、分散が一定で、かつ、効率の良く分散できるものであることが認められる。 That is, it is recognized that the dispersion characteristics are constant and can be dispersed efficiently because a linear dispersion characteristic with respect to the wavelength can be obtained in the used wavelength region (wavelengths of 1060 nm to 1080 nm).
また、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器２００は格子数１２００本／ｍｍの回折格子２０４ａを用いていたが、本発明による分散光学システム４０とともに格子数３００本／ｍｍの回折格子を用いることにより、格子数１２００本／ｍｍの回折格子を用いた場合に対して、５０〜２００％程度の効率向上が期待できるものである。
なお、上記した実施の形態においては、分散光学システム１０に分散プリズム１２を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分散プリズム１２の代わりに回折格子を用いて光の分散を行ってもよいものである。ただし、図９に示す本発明による分散光学システム１０を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム３００の場合においては、分散光学システム１０の構成を変更せずに分散プリズム１２を用いるものとする。
In addition, the conventional light injection terahertz wave
In the above-described embodiment, the
本発明は、レーザー関連機器、テラヘルツ波発生光源、各種計測・分析装置あるいは光通信機器などに用いることができ、例えば、フェムト秒レーザーの位相整合器用の分散光学システム、テラヘルツ波発生器の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の非線形光学結晶に入射させるシード光を分散させる分散光学システム、差周波テラヘルツ波発生器の非線形光学結晶用の分散光学システム、光通信用波長弁別および混合器、単色光源あるいは分光光度計などに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for laser-related equipment, terahertz wave generation light sources, various measurement / analysis apparatuses, optical communication equipment, and the like. For example, a dispersion optical system for a phase matching device of a femtosecond laser, light injection of a terahertz wave generator Dispersion optical system for dispersing seed light incident on nonlinear optical crystal of terahertz wave parametric generator, dispersion optical system for nonlinear optical crystal of difference frequency terahertz wave generator, wavelength discrimination and mixer for optical communication, monochromatic light source or spectroscopy It can be used for photometers.
１０、４０ 分散光学システム
１２ 分散プリズム
１４ 結像レンズ
１６、４６ 分散拡大レンズ
１００、３００ フェムト秒レーザー用位相整合光学システム
１０２、１０６、１１４、１１８ ミラー
１０４、１１６ 回折格子
１０８、１１２ 凹面鏡
１１０ 空間光位相変調器
２００、４００ 光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器
２０２ シード光源
２０４ 分散光学システム
２０６ ミラー
２０８ 非線形光学結晶
２１０ カップラ
10, 40 Dispersion
DESCRIPTION OF
Claims (10)
入射光を入射して分散する分散プリズムと、
前記分散プリズムの後段に配置され、前記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して前記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射して前記コバ側に結像するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。 In a dispersive optical system that disperses incident light,
A dispersion prism that receives and disperses incident light; and
An imaging lens that is disposed at a subsequent stage of the dispersion prism, and receives the light emitted from the dispersion prism, emits the incident light, and forms an image on a focal plane;
A dispersion magnifying lens that is disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens at a subsequent stage of the imaging lens, and that enters the light emitted from the imaging lens and expands the dispersion of the incident light to be emitted; Have
The dispersion magnifying lens is configured such that, with respect to the light dispersed by the dispersion prism emitted from the imaging lens, light on the blue side of a spectrum having a large refraction angle is incident in the vicinity of the optical axis of the dispersion magnifying lens. Dispersion optical system characterized by being arranged so that red light having a spectrum with a small refraction angle is incident on the edge of the dispersion magnifying lens and forms an image on the edge.
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸上に入射して前記光軸上に結像するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersive optical system according to claim 1.
The dispersion magnifying lens is disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens after the imaging lens, and has a large refraction angle with respect to the light dispersed by the dispersion prism emitted from the imaging lens. The dispersion optical system is arranged such that light on the blue side of the spectrum is incident on the optical axis of the dispersion magnifying lens and forms an image on the optical axis.
入射光を入射して分散する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、前記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと
を有し、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、前記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置した
ことを特徴とする分散光学システム。 In a dispersive optical system that disperses incident light,
A diffraction grating that receives and disperses incident light;
An imaging lens that is arranged at a subsequent stage of the diffraction grating, and receives the light emitted from the diffraction grating, emits the incident light, and forms an image on a focal plane;
A dispersion magnifying lens that is disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens at a subsequent stage of the imaging lens, and that enters the light emitted from the imaging lens and expands the dispersion of the incident light to be emitted; Have
The dispersion magnifying lens is arranged so that light dispersed by the diffraction grating emitted from the imaging lens is incident on the dispersion magnifying lens to expand a diffraction angle.
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、長波長側の光が前記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersive optical system according to claim 3.
The dispersion magnifying lens is disposed in the vicinity of the focal plane of the imaging lens at a subsequent stage of the imaging lens, and the light dispersed by the diffraction grating emitted from the imaging lens has a longer wavelength side. The dispersion optical system, wherein the light is incident on or near the optical axis of the dispersion magnifying lens, and the light on the short wavelength side is incident on the edge of the dispersion magnifying lens.
前記分散プリズムは、三角プリズムであり、
前記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に前記分散プリズムに入射する入射光は、前記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ０
θ０＝ｓｉｎ−１{ｎ１（λ０）ｓｉｎ（α／２）}
ｎ１（λ０）：λ０の屈折角
α：分散プリズムの角度
を有するものとし、
前記入射光のうち波長λの光は、前記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ１（λ）が
θ１（λ）＝ｓｉｎ−１{ｓｉｎθ０／ｎ１（λ）}
ｎ（λ）：λの屈折角
であり、
前記入射光が前記分散プリズムより出射する際の出射角θｏｕｔ（λ）は
θｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１［ｎ１（λ０）ｓｉｎ{α−θ１（λ）｝］
であり、
前記出射角θｏｕｔ（λ）を有する出射光は、前記結像レンズを出射後に、前記結像レンズの光軸から高さ方向における距離ｘだけ離れた結像位置から前記分散拡大レンズに入射するものであって、
前記ｘは、
ｘ（λ）＝ｆ・ｔａｎ{θｏｕｔ（λ）−θ}
θ：任意の角度
であり、
前記分散拡大レンズに入射する入射角φｉｎ（λ）は
φｉｎ（λ）＝ｓｉｎ−１{（ｘ＋ａ）／Ｒ}
ａ：結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
Ｒ：分散拡大レンズの曲率半径
であり、
前記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ１（λ）は
φ１（λ）＝ｓｉｎ−１ [ｓｉｎ{φｉｎ（λ）／ｎ２（λ）｝］
ｎ２（λ）：λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、
前記分散拡大レンズより出射される光の出射角φｏｕｔ（λ）は
φｏｕｔ（λ）＝ｓｉｎ−１[ｎ２（λ）ｓｉｎ{φｉｎ（λ）−φ１（λ）｝］
である
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 1 and 2,
The dispersion prism is a triangular prism,
When the dispersion prism is an isosceles triangle or an equilateral triangle, the incident light incident on the dispersion prism is incident angle θ 0 so as to be parallel to the bottom surface of the dispersion prism.
θ 0 = sin −1 {n 1 (λ 0 ) sin (α / 2)}
n 1 (λ 0 ): Refraction angle of λ 0
α: The angle of the dispersion prism
Of the incident light, light having a wavelength λ has a refraction angle θ 1 (λ) when incident on the dispersion prism of θ 1 (λ) = sin −1 {sin θ 0 / n 1 (λ)}.
n (λ) is the refraction angle of λ,
The exit angle θ out (λ) when the incident light exits from the dispersion prism is θ out (λ) = sin −1 [n 1 (λ 0 ) sin {α−θ 1 (λ)}].
And
The outgoing light having the outgoing angle θ out (λ) enters the dispersion magnifying lens from the imaging position separated from the optical axis of the imaging lens by a distance x in the height direction after exiting the imaging lens. And
Said x is
x (λ) = f · tan {θ out (λ) −θ}
θ: Arbitrary angle
The incident angle φ in (λ) incident on the dispersion magnifying lens is φ in (λ) = sin −1 {(x + a) / R}.
a: Distance between the optical axis of the imaging lens and the dispersion magnifying lens R: Radius of curvature of the dispersion magnifying lens
The angle φ 1 (λ) formed with the optical axis in the dispersion magnifying lens is φ 1 (λ) = sin −1 [sin {φ in (λ) / n 2 (λ)}].
n 2 (λ): Refractive index for a dispersion magnification lens of λ,
The outgoing angle φ out (λ) of the light emitted from the dispersion magnifying lens is φ out (λ) = sin −1 [n 2 (λ) sin {φ in (λ) −φ 1 (λ)}].
A dispersive optical system characterized by that.
前記分散拡大レンズは、凸形状である
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5.
The dispersion magnifying lens has a convex shape.
前記分散拡大レンズは、凹形状である
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5.
The dispersion magnifying lens has a concave shape.
前記分散拡大レンズは、シリンドリカルレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 6 and 7,
The dispersion optical system is characterized in that the dispersion magnifying lens is a cylindrical lens.
前記分散拡大レンズは、非球面や自由曲面を備えたレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5.
The dispersion magnifying lens is a lens having an aspherical surface or a free-form surface.
前記分散拡大レンズは、１または複数のレンズよりなる
ことを特徴とする分散光学システム。 The dispersion optical system according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5.
The dispersion magnifying lens comprises one or a plurality of lenses.
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| JP2003302666A (en) * | 2002-04-09 | 2003-10-24 | Inst Of Physical & Chemical Res | Terahertz wave generating device and tuning method thereof |
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