JP2011102840A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく第２高調波を発生させることができる波長変換装置を実現すること。
【解決手段】非線形光学結晶に基本波を入射し、第２種位相整合条件に基づき第２高調波を発生させる波長変換装置において、前記非線形光学結晶の前段に、入射される基本波に対して非線形光学結晶中の複屈折によるウォークオフ角を補正するウォークオフ角補正手段を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長変換装置に関し、詳しくは、第２高調波を効率よく発生させる装置に関するものである。

レーザ光の波長変換装置の一種に、図７に示すように、基本波ωを集光レンズ１を介して非線形光学結晶２に入射させて、第２高調波２ωを発生させるように構成されたものがある。

図８は、図７の非線形光学結晶２内における光ビームの分離説明図である。第２高調波発生に使用される非線形光学結晶の中で、結晶の複屈折性を利用して第２高調波を発生させる、いわゆる第2種位相整合によって第2高調波を発生させることが可能な非線形光学結晶２に入射された光ビームは、非線形光学結晶２の複屈折性に基づくウォークオフによって定まる一定の角度で常光と異常光に分離され、非線形光学結晶２内を互いに異なる方向に空間的に離れながら伝播していく。以下この角度をウォークオフ角という。

そして、第２高調波２ωは、このように非線形光学結晶２内を伝播する常光と異常光が重なり合う空間的位置で発生する。

図９は、図７における非線形光学結晶２の光学軸と基本波偏光状態の関係を示す説明図である。第２高調波２ωへの波長変換は、基本波を、図９（Ａ）に示すように非線形光学結晶２の結晶軸に対して４５°の直線偏光で入射させたときや、（Ｂ）に示すような円偏光で入射させたときに最も効率よく行われる。

一般的には、レーザ光の偏光状態は直線偏光なので、非線形光学結晶２の結晶軸に対して４５°直線偏光になるように非線形光学結晶２を配置したり、１／２波長板を用いて偏光角を回転させることが行われている。

特許文献１には、レーザ光の波長変換にあたり、ビーム形状およびエネルギー分布を点対称にする方法および素子について記載されている。

特開平１１−３８４５８号公報

ところで、第２高調波２ωは、前述のように非線形光学結晶２内を伝播する常光と異常光が重なり合う空間的位置で発生する。これら常光および異常光は、ビーム径などで値付けられるある大きさをもって非線形光学結晶２内を伝播しながら分離していく。

ここで、発生する第２高調波２ωの全出力（パワー）は、このときの常光と異常光の重なりの体積積分と光強度（パワー密度）の積に比例する。

しかし、これら常光と異常光が重なり合う体積は非線形光学結晶２内を伝播するのにつれて減少し、第２高調波２ωの発生効率も低下するので、結晶長の長い非線形光学結晶２を用いても、第２高調波２ωの発生効率が結晶長の長さに比例して上昇することはない。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、効率よく第２高調波を発生させることができる波長変換装置を実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、
非線形光学結晶に基本波を入射し、第２種位相整合条件に基づき第２高調波を発生させる波長変換装置において、
前記非線形光学結晶の前段に、入射される基本波に対して非線形光学結晶中の複屈折によるウォークオフ角を補正するウォークオフ角補正手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の波長変換装置において、
前記ウォークオフ角補正手段は、光導波路光学系で構成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の波長変換装置において、
前記ウォークオフ角補正手段は、
前記基本波を２系統に分岐するカプラと、
このカプラで分岐された基本波の一方を水平偏光に制御して他方を垂直偏光に制御する偏光制御素子と、
これら水平偏光に制御された基本波を非線形光学結晶の常光として平行光に変換し、垂直偏光に制御された基本波を非線形光学結晶の異常光として平行光に変換するそれぞれのレンズと、
これらレンズで平行光に変換された基本波が前記ウォークオフ角を補正する入射角で入射される偏光ビームスプリッタ、
とで構成されたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１に記載の波長変換装置において、
前記ウォークオフ角補正手段は、空間光学系で構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、第２高調波の発生効率を改善できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 偏光ビームスプリッタ１６の具体例を示す説明図である。 非線形光学結晶２としてＫＴＰ結晶を用いて波長１５５０ｎｍの第２高調波を得る場合における具体例の説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明に基づく波長変換装置を用いた波長可変光源の具体例を示すブロック図である。 従来のレーザ光の波長変換装置の一例を示す構成説明図である。 図７の非線形光学結晶２内における光ビームの分離説明図である。 図７における非線形光学結晶２の光学軸と基本波偏光状態の関係を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、集光レンズ１の前段には、入射される基本波に対して非線形光学結晶２中の複屈折によるウォークオフ角を補正するウォークオフ角補正部１０が設けられている。

図１のウォークオフ角補正部１０は、すべて光導波路光学系で構成されている。カプラ１１は、入射される基本波のパワーを、２方向ａ，ｂに１／２ずつ分岐する。

偏光制御装置１２ａは、カプラ１１で分岐された基本波の一方ａが水平偏光になるように制御する。偏光制御装置１２ｂは、カプラ１１で分岐された基本波の他方ｂが垂直偏光になるように制御する。

偏光制御装置１２ａで水平偏光に制御された出力光は、光ファイバ１３ａとその端部に接続されたフェルール１４ａを介してコリメータレンズ１５ａに入射され、平行光に変換される。偏光制御装置１２ｂで垂直偏光に制御された出力光は、光ファイバ１３ｂとその端部に接続されたフェルール１４ｂを介してコリメータレンズ１５ｂに入射され、平行光に変換される。

これら偏光制御装置１２ａ，１２ｂは、任意の偏光状態で入射される光の偏光を決まった所定角度の直線偏光に制御するものであり、１／４波長板と１／２波長板を組み合わせたものや、光ファイバ型を用いる。

コリメータレンズ１５ａで平行光に変換された水平偏光の基本波は、常光として、偏光ビームスプリッタ１６の透過する方向の面１６ａから入射される。そして、コリメータレンズ１５ｂで平行光に変換された垂直偏光の基本波は、異常光として、偏光ビームスプリッタ１６の面１６ａと共通の平面上で隣接する反射する方向の面１６ｂから入射される。これらレンズ１５ａ，１５ｂで平行光に変換された基本波は、ウォークオフ角を補正する入射角で入射される。

なお、レンズ１５ｂは、その集光角により垂直偏光の基本波が異常光のウォークオフ角を補正できる入射角で入射されるように、レンズ１５ａへの入射位置から隔てた位置に配置される。

図２は、偏光ビームスプリッタ１６の具体例を示す説明図である。非線形光学結晶２としてＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）結晶を用いて波長１５５０ｎｍの第２高調波を得る場合、ウォークオフ角は２．７０°となる。ウォークオフ角を補正して常光と同じ光軸を異常光が伝播するためには、１５５０ｎｍに対するＫＴＰ結晶の異常光の屈折率１．７８４とスネルの法則から、異常光の入射角を常光の入射角に対して４．８２°傾ければよい

図３は、非線形光学結晶２としてＫＴＰ結晶を用いて波長１５５０ｎｍの第２高調波を得る場合における具体例の説明図である。（Ａ）は基本波が同軸で入射される従来の場合を示し、（Ｂ）は２系統の基本波がウォークオフ角を補正する角度で入射される本願発明の場合を示している。

（Ａ）の場合、基本波は、非線形光学結晶２の内部を伝播する過程で、２．７０°のウォークオフ角で常光と異常光に分離される。この従来の配置における第２高調波変換効率の実測値は、０．０００２%／Ｗであった。

これに対し、（Ｂ）の場合、２系統に分岐された基本波を、ウォークオフ角を補正する角度４．８２°傾けて入射することにより、常光と異常光は分離されることなく同軸で非線形光学結晶２の内部を伝播する。本発明に基づく配置における第２高調波変換効率の実測値は、０．００１７８%／Ｗになり、従来方式に比べて８．８倍の効率改善結果が得られた。

図４は、本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図４の実施例では、ウォークオフ角補正部１０は空間光学系で構成されている。

図４において、カプラ１１で分岐された空間基本波の一方ａは、ミラー１７ａで反射されて偏光制御装置１８ａに入射され、水平偏光になるように制御される。偏光制御装置１８ａで水平偏光に制御された出力光は、常光として、偏光ビームスプリッタ１６の透過する方向の面１６ａから入射される。

カプラ１１で分岐された空間基本波の他方ｂは、偏光制御装置１８ｂに直接入射されて垂直偏光になるように制御される。偏光制御装置１８ｂで垂直偏光に制御された出力光はミラー１７ｂで反射されて、異常光として、偏光ビームスプリッタ１６の面１６ａと共通の平面上で隣接する反射する方向の面１６ｂから入射される。

図４のように構成することにより、図１に示す光ファイバ１３ａ，１３ｂのような光導波路部材が不要になり、部品点数を削減できて構成の簡略化が図れる。

図５も、本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図５の構成例では、非線形光学結晶２に入射される２系統の基本波それぞれに、個別の集光レンズ１９ａ，１９ｂを設けている。

図５のように構成することにより、１枚のレンズ１を共用する図４の構成に比べて、常光と異常光がより緊密に重なり合って同軸で非線形光学結晶２の内部を伝播するように精密に調整することができる。

図６は、本発明に基づく波長変換装置を用いた波長可変光源の具体例を示すブロック図である。波長可変レーザ光源３の出力光を基本波として、光アンプ４を介して本発明に基づくＳＨＧモジュール５に入力する。
これにより、高効率のＳＨＧ波長可変光源が実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、効率よく第２高調波を発生させることができる波長変換装置を実現することができ、ＳＨＧ波長可変光源などの光信号源として好適である。

１ 集光レンズ
２ 非線形光学結晶
１０ ウォークオフ角補正部
１１ カプラ
１２ 偏光制御装置
１３ 光ファイバ
１４ フェルール
１５ コリメータレンズ
１６ 偏光ビームスプリッタ
１７ ミラー
１８ 偏光制御装置
１９ 集光レンズ

Claims (4)

1. 非線形光学結晶に基本波を入射し、第２種位相整合条件に基づき第２高調波を発生させる波長変換装置において、
   前記非線形光学結晶の前段に、入射される基本波に対して非線形光学結晶中の複屈折によるウォークオフ角を補正するウォークオフ角補正手段を設けたことを特徴とする波長変換装置。
2. 前記ウォークオフ角補正手段は、光導波路光学系で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記ウォークオフ角補正手段は、
   前記基本波を２系統に分岐するカプラと、
   このカプラで分岐された基本波の一方を水平偏光に制御して他方を垂直偏光に制御する偏光制御素子と、
   これら水平偏光に制御された基本波を非線形光学結晶の常光として平行光に変換し、垂直偏光に制御された基本波を非線形光学結晶の異常光として平行光に変換するそれぞれのレンズと、
   これらレンズで平行光に変換された基本波が前記ウォークオフ角を補正する入射角で入射される偏光ビームスプリッタ、
   とで構成されたことを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
4. 前記ウォークオフ角補正手段は、空間光学系で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。