JP2011128428A - 光高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光強度が弱い場合でも、従来より変換効率を高くすることが可能な光高調波発生装置を提供することができる。
【解決手段】 本光高調波発生装置は、基本波の光を閉じこめて前記基本波の光強度を増強する第１共振器と、前記第１共振器に閉じこめられた前記基本波の光が入射する第２共振器と、前記第２共振器の光軸上に配置され、入射する前記基本波の光を２次高調波の光に変換する波長変換素子と、を有し、前記第２共振器は、前記２次高調波の光を閉じこめて前記２次高調波の光強度を増強するとともに、光強度が増強された前記２次高調波の光の一部を前記第２共振器の外部に出射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光の２次高調波を発生する光高調波発生装置に関する。

従来より、レーザー光を非線形結晶に入射させることにより、入射したレーザー光の周波数をｎ倍の周波数（ｎ次高調波）に変換する技術が知られている（ｎは２以上の自然数）。このような技術の一例としては、角周波数ω（基本波）の光の光源であるレーザー、角周波数ωの光を角周波数２ωの光（２次高調波）に変換する非線形結晶、及び角周波数ωの光を閉じこめる共振器とを有し、非線形結晶を共振器内に配置して、角周波数２ωの光を共振器の外に取り出す構成を挙げることができる。又、他の例としては、角周波数ωの光（基本波）の光源であるレーザー、角周波数ωの光を角周波数２ωの光（２次高調波）に変換する第１の非線形結晶、角周波数２ωの光を角周波数４ωの光（４次高調波）に変換する第２の非線形結晶、及び角周波数ωの光及び角周波数２ωの光を閉じこめる共振器とを有し、第１及び第２の非線形結晶を共振器内に配置して、角周波数４ωの光を共振器の外に取り出す構成を挙げることができる。

特開平６−２６５９５４号公報 特開平６−２６５９５５号公報

しかしながら、従来の技術では、入射された角周波数ωの光強度が強ければ強いほど、変換効率（入射された角周波数ωの光強度に対する、出射された角周波数ｎωの光強度の割合）が高くなるが、入射された角周波数ωの光強度が弱い場合には、変換効率を高くすることができないという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、入射光の光強度が弱い場合でも、従来より変換効率を高くすることが可能な光高調波発生装置を提供することを課題とする。

本光高調波発生装置は、基本波の光を閉じこめて前記基本波の光強度を増強する第１共振器と、前記第１共振器に閉じこめられた前記基本波の光が入射する第２共振器と、前記第２共振器の光軸上に配置され、入射する前記基本波の光を２次高調波の光に変換する波長変換素子と、を有し、前記第２共振器は、前記２次高調波の光を閉じこめて前記２次高調波の光強度を増強するとともに、光強度が増強された前記２次高調波の光の一部を前記第２共振器の外部に出射することを要件とする。

開示の技術によれば、入射光強度が弱い場合でも、従来より変換効率を高くすることが可能な光高調波発生装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る光高調波発生装置を例示する図である。 比較例１に係る光高調波発生装置を例示する図である。 比較例２に係る光高調波発生装置を例示する図である。 第２共振器４０の共振器長を変化させたときの光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を例示する図である。 光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωのミラー４４の透過率Ｔ_２ω依存性の計算結果を例示する図である。 第１の実施の形態の変形例に係る光高調波発生装置を例示する図である。 第２の実施の形態に係る光高調波発生装置を例示する図である。 スイッチ８８がｏｆｆ状態の時のＶｉｎとＶｏｕｔとの関係を例示する図である。 図７のＶｉｎを変化させたときの光高調波発生装置８０の出射光の光強度Ｉ_２ωの測定結果を例示する図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置を例示する図である。図１を参照するに、光高調波発生装置１０は、第１共振器２０と、波長変換素子３０と、第２共振器４０とを有する。なお、図１において、実線は角周波数ωの光（基本波）の経路を、破線は角周波数２ωの光（２次高調波）の経路を示している（以降、他の図についても同様）。

第１共振器２０は、ミラー２１と、ミラー２２と、ミラー２３と、ミラー２４とを有する。ミラー２１は、入射される角周波数ωの光（基本波）の極一部を透過し、他部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー２１の透過率は、例えば３．５％とすることができる。ミラー２２〜２４は、入射される角周波数ωの光の略全部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー２２〜２４の透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。ミラー２１及び２２としては、例えば平面ミラーを用いることができる。ミラー２３及び２４としては、例えば凹面ミラーを用いることができる。

波長変換素子３０は、入射される角周波数ωの光の一部を角周波数２ωの光（２次高調波）に変換して出射する機能を有する。波長変換素子３０としては、例えばＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰ等の結晶を含めた非線形光学結晶を用いることができる。

第２共振器４０は、ミラー４１と、ミラー４２と、ミラー４３と、ミラー４４とを有する。ミラー４１及び４２は、入射される角周波数ωの光の略全部を透過し、入射される角周波数２ωの光の略全部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー４１及び４２の透過率は、例えば略１００％（反射率が略０％）とすることができる。角周波数２ωの光に対するミラー４１及び４２の透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。

ミラー４３は、入射される角周波数２ωの光の略全部を反射するミラーとして機能する。角周波数２ωの光に対するミラー４３の透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。ミラー４４は、入射される角周波数２ωの光の極一部を透過し、他部を反射するミラーとして機能する。角周波数２ωの光に対するミラー４４の透過率は、例えば３．０％とすることができる。ミラー４１及び４２としては、例えば平面ミラーを用いることができる。ミラー４３及び４４としては、例えば凹面ミラーを用いることができる。

第１共振器２０において、ミラー２１を透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４１を透過し、波長変換素子３０に入射する。波長変換素子３０に入射した角周波数ωの光の一部は角周波数２ωの光に変換され、他部はそのまま透過する。波長変換素子３０を透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４２を透過し、ミラー２２に反射されて、ミラー２３に入射する。ミラー２３に入射した角周波数ωの光の略全部は、ミラー２３に反射されて、ミラー２４に入射する。ミラー２４に入射した角周波数ωの光の略全部は、ミラー２４に反射されて、ミラー２１に入射する。ミラー２１に入射した角周波数ωの光の極一部はミラー２１を透過し第１共振器２０の外部に出射される。又、ミラー２１に入射した角周波数ωの光の他部はミラー２１に反射されて、再びミラー４１を透過し、波長変換素子３０に入射する。以降、同様の動作を繰り返し、角周波数ωの光は、第１共振器２０内を往復して次第に光強度が増強される。

第１共振器２０において、ミラー２１を透過した角周波数ωの光がミラー２２〜２４を経由し、ミラー２１に入射するまでの光学的な長さを、第１共振器２０の共振器長という。第１共振器２０は、角周波数ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。このように、第１共振器２０は所謂リング共振器であり、入射される角周波数ωの光を空間的に閉じ込める機能を有する。

第２共振器４０において、ミラー２１を透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４１を透過し、波長変換素子３０に入射する。波長変換素子３０に入射した角周波数ωの光の一部は角周波数２ωの光に変換され、ミラー４２に入射する。ミラー４２に入射した角周波数２ωの光の略全部は、ミラー４２に反射されて、ミラー４３に入射する。ミラー４３に入射した角周波数２ωの光の略全部は、ミラー４３に反射されて、ミラー４４に入射する。ミラー４４に入射した角周波数２ωの光の極一部はミラー４４を透過し第２共振器４０の外部に出射される。又、ミラー４４に入射した角周波数２ωの光の他部はミラー４４に反射されて、ミラー４１に入射する。ミラー４１に入射した角周波数２ωの光の略全部は、ミラー４１に反射されて、再び波長変換素子３０に入射する。以降、同様の動作を繰り返し、角周波数２ωの光は、第２共振器４０内を往復して次第に光強度が増強される。

第２共振器４０において、ミラー４１を反射した角周波数２ωの光がミラー４２〜４４を経由し、ミラー４１に入射するまでの光学的な長さを、第２共振器４０の共振器長という。第２共振器４０は、角周波数２ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。このように、第２共振器４０は所謂リング共振器であり、入射される角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める機能を有する。

以上のように、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０は、入射される角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める第１共振器２０と、入射される角周波数２ωの光（２次高調波）を空間的に閉じ込める第２共振器４０とを有する。そして、第２共振器４０内に、入射される角周波数ωの光の一部を角周波数２ωの光に変換して出射する波長変換素子３０が配置されている。

光高調波発生装置１０を上記構成にすることにより、光高調波発生装置１０に入射された角周波数ωの光（基本波）は波長変換素子３０で角周波数２ωの光（２次高調波）に変換され、変換された角周波数２ωの光（２次高調波）は第２共振器４０内を往復して次第に光強度が増強される。そして、光強度が増強された角周波数２ωの光（２次高調波）の一部を外部に取り出すことにより、従来に比べて光強度の高い角周波数２ωの光（２次高調波）を得ることができる。すなわち、従来に比べて、変換効率（光高調波発生装置１０に入射された角周波数ωの光強度に対する、光高調波発生装置１０から出射された角周波数２ωの光強度の割合）を向上することができる。

以下、比較例１及び２を参照しながら、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０のもたらす効果について更に詳しく説明する。

［比較例１］
図２は、比較例１に係る光高調波発生装置を例示する図である。図２において、図１に示す光高調波発生装置１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２を参照するに、光高調波発生装置５０は、波長変換素子３０を有する。

光高調波発生装置５０において、入射する角周波数ωの光の一部は、波長変換素子３０により角周波数２ωの光に変換され、光高調波発生装置５０の外部に出射される。入射する角周波数ωの光の他部は、角周波数ωの光として光高調波発生装置５０の外部に出射される。

以上のように、比較例1に係る光高調波発生装置５０は、光高調波発生装置１０とは異なり、角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める共振器や、角周波数２ωの光（２次高調波）を空間的に閉じ込める共振器を有していないため、光高調波発生装置１０に比べて変換効率は低くなる。光高調波発生装置５０の出射光の光強度Ｉ_２ωは式（数１）で表すことができる。

式（数１）において、Ｉ_ωは入射光（基本波）の光強度、Ｉ_２ωは出射光（２次高調波）の光強度、μ_０は真空の透磁率、ｃは真空の光速、ε_０は真空の誘電率、χ^（２）は波長変換素子の２次の非線形分極率、ωは入射光（基本波）の角周波数、Ｌは波長変換素子の光軸方向の長さ、ｎ_ｓは波長変換素子の角周波数２ωの光（２次高調波）に対する屈折率を示している（以下の式においても同じ）。

［比較例２］
図３は、比較例２に係る光高調波発生装置を例示する図である。図３において、図１に示す光高調波発生装置１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図３を参照するに、光高調波発生装置６０は、波長変換素子３０と、共振器７０とを有する。

共振器７０は、ミラー２１と、ミラー７２と、ミラー２３と、ミラー２４とを有する。光高調波発生装置１０における第１共振器２０と比較すると、ミラー２２がミラー７２に置換されている。ミラー７２は、入射される角周波数ωの光の略全部を反射し、入射される角周波数２ωの光の略全部を透過するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー７２の透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。角周波数２ωの光に対するミラー７２の透過率は、例えば略１００％（反射率が略０％）とすることができる。

共振器７０において、ミラー２１を透過した角周波数ωの光の略全部は、波長変換素子３０に入射する。波長変換素子３０に入射した角周波数ωの光の一部は角周波数２ωの光に変換され、他部はそのまま透過する。波長変換素子３０を透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー７２に反射されて、ミラー２３に入射する。又、波長変換素子３０で角周波数２ωの光に変換された光の略全部はミラー７２を透過し共振器７０の外部に出射される。ミラー２３に入射した角周波数ωの光の略全部は、ミラー２３に反射されて、ミラー２４に入射する。ミラー２４に入射した角周波数ωの光の略全部は、ミラー２４に反射されて、ミラー２１に入射する。ミラー２１に入射した角周波数ωの光の極一部はミラー２１を透過し共振器７０の外部に出射される。又、ミラー２１に入射した角周波数２ωの光の他部はミラー２１に反射されて、再び波長変換素子３０に入射する。以降、同様の動作を繰り返し、角周波数ωの光は、共振器７０内を往復して次第に光強度が増強される。

共振器７０において、ミラー２１を透過した角周波数ωの光がミラー７２、２３、２４を経由し、ミラー２１に入射するまでの光学的な長さを、共振器７０の共振器長という。共振器７０は、角周波数ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。このように、共振器７０は所謂リング共振器であり、入射される角周波数ωの光を空間的に閉じ込める機能を有する。

以上のように、比較例２に係る光高調波発生装置６０は、角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める共振器７０を有しているが、光高調波発生装置１０とは異なり、角周波数２ωの光（２次高調波）を空間的に閉じ込める共振器を有していないため、光高調波発生装置１０に比べて変換効率は低くなる。但し、角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める共振器７０の効果により、比較例１に係る光高調波発生装置５０よりは変換効率が高くなる。光高調波発生装置６０の出射光の光強度Ｉ_２ωは式（数２）で表すことができる。

式（数２）において、Ｔ_ωはミラー２１の透過率、γ_ωは角周波数ωの光（基本波）が共振器７０を１周するときの減衰係数を示している。式（数２）を式（数１）と比較するとわかるように、式（数２）は式（数１）に第４項が追加されたものである。そのため、第４項が１よりも大きな値となるように、透過率Ｔ_ω及び減衰係数γ_ωを設定することにより、式（数１）の場合よりも出射光の光強度Ｉ_２ωを高めることができる。

［第１の実施の形態と比較例１及び２との比較］
第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωは式（数３）で表すことができる。

式（数３）において、Ｔ_２ωはミラー４４の透過率、γ_２ωは角周波数２ωの光（２次高調波）が第２共振器４０を１周するときの減衰係数を示している。式（数３）を式（数２）と比較するとわかるように、式（数３）は式（数２）に第５項が追加されたものである。そのため、第５項が１よりも大きな値となるように、透過率Ｔ_２ω及び減衰係数γ_２ωを設定することにより、式（数２）の場合よりも更に出射光の光強度Ｉ_２ωを高めることができる。又、式（数３）を式（数１）と比較するとわかるように、式（数３）は式（数１）に第４項及び第５項が追加されたものであるため、第４項及び第５項を１よりも大きな値となるように、前述のように設定することにより、式（数１）の場合よりも出射光の光強度Ｉ_２ωを大幅に高めることができる。

図４は、第２共振器４０の共振器長を変化させたときの光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を例示する図である。図４において、（１０）は光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を示している。又、比較のために、（５０）として比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を、（６０）として比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を示した。図４において、横軸は第２共振器４０の共振器長であり、縦軸は出射光の光強度Ｉ_２ωの対数（任意単位）である。ここでは、縦軸において（６０）の出射光の光強度Ｉ_２ωの計算結果を１としている。なお、図４の（１０）、（５０）、及び（６０）において、入射光の光強度Ｉ_ωは同一である。

図４に示すように、比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射する光強度Ｉ_２ω（５０）よりも、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（６０）の方が大きい。これは、前述の式（数２）の第４項が１よりも大きな値に設定されているためである。なお、図４の例では、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（６０）は、比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射する光強度Ｉ_２ω（５０）の数百倍程度である。

又、図４に示すように、第２共振器４０が角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている場合（図４の矢印部）には、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（６０）よりも、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射する光強度Ｉ_２ω（１０）の方が大きい。これは、前述の式（数３）の第５項が１よりも大きな値に設定されているためである。なお、図４の例では、第２共振器４０が角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている場合（図４の矢印部）には、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射する光強度Ｉ_２ω（１０）は、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（６０）の数十倍程度である。又、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射する光強度Ｉ_２ω（１０）は、比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射する光強度Ｉ_２ω（５０）の数千倍程度である。

図５は、光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωのミラー４４の透過率Ｔ_２ω依存性の計算結果を例示する図である。図５では、式（数２）で得られる比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ωを１としたとき（共振器７０は角周波数ωの光の共鳴条件を満たしている）、第２共振器４０が角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている場合に式（数３）で得られる光強度Ｉ_２ωの計算結果を例示している。ここでは、第２共振器４０の損失を３．１％として計算した（すなわち、式（数３）においてγ_２ω＝０．９６９とした）。

図５に示すように、第２共振器４０が角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている場合、光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωはミラー４４の透過率Ｔ_２ωに依存して変化し、透過率Ｔ_２ωが第２共振器４０の損失（１−γ_２ω）と一致するときに最大になる。図５の例では、透過率Ｔ_２ωが第２共振器４０の損失３．１％（１−γ_２ω＝０．０３１）と同じ３．１％（Ｔ_２ω＝０．０３１）のときに光強度Ｉ_２ωが最大となり、このときの光強度Ｉ_２ωは式（数２）の場合の略３０倍である。なお、第１共振器２０が角周波数ωの光の共鳴条件を満たしている場合、光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωはミラー２１の透過率Ｔ_ωに依存して変化し、透過率Ｔ_ωが第１共振器２０の損失（１−γ_ω）と一致するときに最大になる。

このように、式（数３）において、ミラー２１の透過率Ｔ_ω、及び角周波数ωの光が第１共振器２０を１周するときの減衰係数γ_ωを最適化し、かつ、ミラー４４の透過率Ｔ_２ω、及び角周波数２ωの光が第２共振器４０を１周するときの減衰係数γ_２ωを最適化することにより、光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωを最大化することができる。

以上のように、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０は、入射される角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める第１共振器２０（第１共振器２０は角周波数ωの光の共鳴条件を満たしている）と、入射される角周波数２ωの光（２次高調波）を空間的に閉じ込める第２共振器４０（第２共振器４０は角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている）とを有する。そして、第２共振器４０内に、入射される角周波数ωの光の一部を角周波数２ωの光に変換して出射する波長変換素子３０が配置されている。その結果、比較例１及び２に示した従来の光高調波発生装置に比べて、光強度の高い角周波数２ωの光（２次高調波）を得ることができる。すなわち、従来の光高調波発生装置に比べて、変換効率（光高調波発生装置１０に入射された角周波数ωの光強度に対する、光高調波発生装置１０から出射された角周波数２ωの光強度の割合）を向上することができる。

前述のように、従来の技術では、入射光の光強度が強ければ強いほど変換効率が高くなるが、入射光の光強度が弱い場合には変換効率を高くすることができない。第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０によれば、従来の光高調波発生装置に比べて変換効率を向上することができるため、特に、入射光の光強度が弱い場合にその効果を発揮する。例えば、図４の例では、第２共振器４０が角周波数２ωの光の共鳴条件を満たしている場合、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ω（１０）は、比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射光の光強度Ｉ_２ω（５０）の数千倍程度である。よって、比較例１に係る光高調波発生装置５０の出射光の光強度Ｉ_２ωが例えば１μＷであれば、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ωとして、その数千倍の数ｍＷを得ることができる。

なお、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０は、変換効率の高い角周波数２ωの光（２次高調波）を得るために、角周波数ωの共振器及び角周波数２ωの共振器を設けたものであり、従来技術の角周波数２ωの光（２次高調波）を得るために角周波数ωの共振器を設けたり、角周波数４ωの光（４次高調波）を得るために、角周波数ωの共振器及び角周波数２ωの共振器を設けたりするものとは、全く異なる技術思想を有する発明である。

角周波数２ωの光を出射する光高調波発生装置１０に角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める第２共振器４０を設けることは、式（数３）において波長変換素子３０の光軸方向の長さＬを長くすることに相当する。周知のように、波長変換素子３０の光軸方向の長さＬを長くするほど、角周波数２ωの光が波長変換素子３０を長く通ることになるため変換効率が高くなるが、波長変換素子３０の光軸方向の長さＬを長くすることには限界がある。光高調波発生装置１０では、角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める第２共振器４０を設けることにより、実質的に波長変換素子３０の光軸方向の長さＬを長くした場合と同様の効果を得ることが可能となり、従来の光高調波発生装置に比べて変換効率を大幅に向上することができる。

〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態では、角周波数ωの光を空間的に閉じ込める第１共振器、及び角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める第２共振器としてリング共振器を用いた。第１の実施の形態の変形例では、リング共振器を用いず、角周波数ωの光を空間的に閉じ込める第１共振器、波長変換素子、及び角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める第２共振器を同一光軸上に配置する例を示す。

図６は、第１の実施の形態の変形例に係る光高調波発生装置を例示する図である。図６において、図１に示す光高調波発生装置１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図６を参照するに、光高調波発生装置１０Ａは、第１共振器２０Ａと、波長変換素子３０と、第２共振器４０Ａとを有する。第１共振器２０Ａと、波長変換素子３０と、第２共振器４０Ａとは、同一光軸上に配置されている。

第１共振器２０Ａは、ミラー２１Ａと、ミラー２２Ａとを有する。ミラー２１Ａは、入射される角周波数ωの光（基本波）の極一部を透過し、他部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー２１Ａの透過率は、例えば３．５％とすることができる。ミラー２２Ａは、入射される角周波数ωの光の略全部を反射し、入射される角周波数２ωの光の略全部を透過するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー２２Ａの透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。角周波数２ωの光に対するミラー２２Ａの透過率は、例えば略１００％（反射率が略０％）とすることができる。ミラー２１Ａ及び２２Ａとしては、例えば凹面ミラーを用いることができる。

第２共振器４０Ａは、ミラー４１Ａと、ミラー４２Ａとを有する。ミラー４１Ａは、入射される角周波数ωの光の略全部を透過し、入射される角周波数２ωの光の略全部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー４１Ａの透過率は、例えば略１００％（反射率が略０％）とすることができる。角周波数２ωの光に対するミラー４１Ａの透過率は、例えば略０％（反射率が略１００％）とすることができる。

ミラー４２Ａは、入射される角周波数ωの光の略全部を透過するとともに、入射される角周波数２ωの光の極一部を透過し他部を反射するミラーとして機能する。角周波数ωの光に対するミラー４２Ａの透過率は、例えば略１００％（反射率が略０％）とすることができる。角周波数２ωの光に対するミラー４２Ａの透過率は、例えば３．０％とすることができる。ミラー４１Ａ及び４２Ａとしては、例えば凹面ミラーを用いることができる。

第１共振器２０Ａにおいて、ミラー２１Ａを透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４１Ａを透過し、波長変換素子３０に入射する。波長変換素子３０に入射した角周波数ωの光の一部は角周波数２ωの光に変換され、他部はそのまま透過する。波長変換素子３０を透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４２Ａを透過し、ミラー２２Ａに入射する。ミラー２２Ａに入射した角周波数ωの光の略全部は、ミラー２２Ａに反射されて、再びミラー４２Ａ、波長変換素子３０、及びミラー４１Ａを透過し、ミラー２１Ａに入射する。以降、同様の動作を繰り返し、角周波数ωの光は、第１共振器２０Ａ内を往復して次第に光強度が増強される。

第１共振器２０Ａにおいて、ミラー２１Ａを透過した角周波数ωの光がミラー２２Ａに反射され、再びミラー２１Ａに入射するまでの光学的な長さを、第１共振器２０Ａの共振器長という。第１共振器２０Ａは、角周波数ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。このように、第１共振器２０Ａは、入射される角周波数ωの光を空間的に閉じ込める機能を有する。

第２共振器４０Ａにおいて、ミラー２１Ａを透過した角周波数ωの光の略全部は、ミラー４１Ａを透過し、波長変換素子３０に入射する。波長変換素子３０に入射した角周波数ωの光の一部は角周波数２ωの光に変換され、ミラー４２Ａに入射する。ミラー４２Ａに入射した角周波数２ωの光の極一部はミラー４２Ａを透過し、更にミラー２２Ａを透過して第２共振器４０Ａの外部に出射される。又、ミラー４２Ａに入射した角周波数２ωの光の他部はミラー４２Ａに反射されて、再び波長変換素子３０を経由してミラー４１Ａに入射する。以降、同様の動作を繰り返し、角周波数２ωの光は、第２共振器４０Ａ内を往復して次第に光強度が増強される。

第２共振器４０Ａにおいて、ミラー４１Ａを透過した角周波数２ωの光がミラー４２Ａに反射され、再びミラー４１Ａに入射するまでの光学的な長さを、第２共振器４０Ａの共振器長という。第２共振器４０Ａは、角周波数２ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。このように、第２共振器４０Ａは、入射される角周波数２ωの光を空間的に閉じ込める機能を有する。

以上のように、第１の実施の形態の変形例に係る光高調波発生装置１０Ａは、入射される角周波数ωの光（基本波）を空間的に閉じ込める第１共振器２０Ａと、入射される角周波数２ωの光（２次高調波）を空間的に閉じ込める第２共振器４０Ａとを有する。そして、第２共振器４０Ａ内に、入射される角周波数ωの光の一部を角周波数２ωの光に変換して出射する波長変換素子３０が配置されている。又、第１共振器２０Ａ、波長変換素子３０、及び第２共振器４０Ａは、同一光軸上に配置されている。光高調波発生装置１０Ａを上記構成にすることにより、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０と同様の効果を奏するが、更に、以下の効果を奏する。すなわち、光学部品の点数を削減し、簡略化された光学系とすることができる。

〈第２の実施の形態〉
前述のように、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０において、第２共振器４０は、角周波数２ωの光の共鳴条件を満たすように、共振器長が調整されている。しかしながら、何らかの要因により第２共振器４０の共振器長が変化すると、第２共振器４０は角周波数２ωの光の共鳴条件を満たさなくなる。このとき、図４からわかるように、光高調波発生装置１０の出射光の光強度Ｉ_２ω（１０）は急激に減少する（図４の矢印部からはずれる）。そこで、第２の実施の形態では、共振器長を制御し、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴条件を維持する共振器長安定化手段を有する光高調波発生装置８０について説明する。

図７は、第２の実施の形態に係る光高調波発生装置を例示する図である。図７において、図１に示す光高調波発生装置１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図７を参照するに、光高調波発生装置８０は、第１共振器２０と、波長変換素子３０と、第２共振器４０と、１／４波長板８１と、ミラー８２と、１／４波長板８３と、偏光ビームスプリッタ８４と、受光素子８５及び８６と、差動増幅器８７と、スイッチ８８と、変位手段８９とを有する。なお、第１共振器２０、波長変換素子３０、及び第２共振器４０の部分は、光高調波発生装置１０と同様である。以降、光高調波発生装置８０において、第１共振器２０、波長変換素子３０、及び第２共振器４０以外の部分を共振器長安定化手段と称する場合がある。

光高調波発生装置８０において、第２共振器４０からミラー４４を透過し１／４波長板８１に入射する角周波数２ωの光は、ミラー８２に入射する。角周波数２ωの光に対するミラー８２の透過率は、例えば略９０％（反射率が略１０％）とすることができる。ミラー８２に入射した角周波数２ωの光の一部は、ミラー８２により反射し再び１／４波長板８１に入射し、更にミラー４４に入射する。ミラー８２に入射した角周波数２ωの光の他部は、ミラー８２を透過し、光高調波発生装置８０の出射光として使用することができる。ミラー４４に入射した光の一部は、ミラー４４を透過し再び第２共振器４０に入射する。ミラー４４に入射した光の他部は、第２共振器４０には入射せず、ミラー４４で反射して１／４波長板８３に入射する。

このとき、紙面に平行な方向をｘ方向、紙面に垂直な方向をｙ方向とし、第２共振器４０から出射する角周波数２ωの光がｘ方向の直線偏光であるとすると、１／４波長板８１を往復して再び第２共振器４０に入射する角周波数２ωの光は、ｘ成分とｙ成分の強度及び位相がともに一致した斜め４５°の直線偏光（直線偏光Ｓとする）となる。このように、光高調波発生装置８０では、第２共振器４０から出射される直線偏光の偏光方向を変えて再び第２共振器４０に戻している。

直線偏光Ｓは、第２共振器４０内で波長変換素子３０を通過するが、波長変換素子３０には異方性がある。そのため、ミラー４４から再び第２共振器４０に入射し第２共振器４０を一周してミラー４４を透過して１／４波長板８３へ向かう光と、第２共振器４０には入射せずミラー４４で反射し１／４波長板８３へ向かう光のx成分とy成分が受ける位相変化に差が生じる。なお、第２共振器４０において角周波数２ωの光が共鳴状態にあれば、上記光のx成分とy成分が受ける位相変化に差は生じない。

x成分とy成分が受ける位相変化に差が生じている場合に、１／４波長板８３に入射した直線偏光Ｓは、楕円偏光（楕円偏光Ｔとする）となる。楕円偏光Ｔは、偏光ビームスプリッタ８４に入射し、偏光ビームスプリッタ８４でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離され、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分はフォトダイオード等からなる受光素子８５及び８６に入射する。Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分は、受光素子８５及び８６でそれぞれの光強度に対応する電気信号に変換され、差動増幅器８７で差信号が生成される。差動増幅器８７で生成された差信号は、スイッチ８８を経由して、圧電素子等からなる変位手段８９に印加される。なお、第２共振器４０において角周波数２ωの光が共鳴状態にあれば、Ｐ偏光成分の光強度とＳ偏光成分の光強度とは同一となるため、受光素子８５及び８６からは、同一振幅の電気信号が出力される。すなわち、差動増幅器８７で生成される差信号は、ゼロとなる。

図８は、スイッチ８８がｏｆｆ状態の時のＶｉｎとＶｏｕｔとの関係を例示する図である。図８に示す信号は、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴状態を示す誤差信号であり、ゼロのときが共鳴状態である。このような誤差信号を分散型誤差信号という。スイッチ８８をｏｎ状態にすることにより、図８に示す分散型誤差信号がゼロになるように圧電素子等からなる変位手段８９が駆動され、変位手段８９に接しているミラー４３が変位することで第２共振器４０の共振器長が変わり、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴状態が維持される。すなわち、光高調波発生装置８０の共振器長安定化手段は分散型誤差信号を生成し、生成した分散型誤差信号がゼロになるように第２共振器４０の共振器長をフィードバック制御し、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴状態を維持する。これにより、常に所望の角周波数の光（２次高調波）を、高い変換効率で得ることができる。

図９は、図７のＶｉｎを変化させたときの（スイッチ８８はｏｆｆ状態）光高調波発生装置８０の出射光の光強度Ｉ_２ωの測定結果を例示する図である。図９において、（８０）は光高調波発生装置８０のミラー４４から出射される出射光の光強度Ｉ_２ωの測定結果を示している。又、比較のために、（９０）として比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射光の光強度Ｉ_２ωの測定結果を示した。図９において、横軸は図７のＶｉｎ〔Ｖ〕であり、縦軸は出射光の光強度Ｉ_２ω（任意単位）である。なお、図９の（８０）及び（９０）において、入射光の光強度Ｉ_ωは同一である。

図９に示すように、図７のＶｉｎを変化させて共振器長を変え（スイッチ８８はｏｆｆ状態）、第２共振器４０における角周波数２ωの光が共鳴状態（図９の矢印部）となると、第２の実施の形態に係る光高調波発生装置８０の出射する光強度Ｉ_２ω（８０）は、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（９０）よりも大きくなる。スイッチ８８をｏｎ状態にすることにより、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴状態を維持させれば、光高調波発生装置８０の出射する光強度Ｉ_２ω（８０）は常に図９の矢印部の何れかに固定される。すなわち、光高調波発生装置８０の出射する光強度Ｉ_２ω（８０）は、比較例２に係る光高調波発生装置６０の出射する光強度Ｉ_２ω（９０）よりも常に大きくなる。

なお、第１共振器２０にも、共振器長を制御し、第１共振器２０における角周波数ωの光の共鳴条件を維持する共振器長安定化手段が設けられているが、第２共振器４０に設けられている共振器長安定化手段と同様の構成であるため、図示及びその説明は省略する。

以上のように、第２の実施の形態に係る光高調波発生装置８０は、第１の実施の形態に係る光高調波発生装置１０と同様の効果を奏するが、更に、以下の効果を奏する。すなわち、第２の実施の形態に係る光高調波発生装置８０は、共振器長安定化手段を有するため、第２共振器４０の共振器長を制御し、第２共振器４０における角周波数２ωの光の共鳴条件を維持することが可能となり、常に所望の角周波数の光（２次高調波）を、高い変換効率で得ることができる。

なお、第１の実施の形態の変形例に係る光高調波発生装置１０Ａも共振器長安定化手段を有することが好ましい。しかしながら、光高調波発生装置１０Ａには、光高調波発生装置８０と同様の共振器長安定化手段を追加することはできない。１／４波長板８１に入射する光と１／４波長板８３に入射する光とが重なってしまうためである。

そこで、光高調波発生装置１０Ａでは、例えば、ミラー４１Ａ及び４２Ａにそれぞれ圧電素子等からなる変位手段を設ける。そして、何れか一方の変位手段を高周波で駆動し第２共振器４０Ａの共振器長を変調させて角周波数２ωの変調成分を同期検波等で検出することにより、図８と同様な分散型誤差信号を得ることができる。得られた分散型誤差信号がゼロになるように他方の変位手段を駆動して第２共振器４０Ａの共振器長をフィードバック制御することにより、第２共振器４０Ａにおける角周波数２ωの光の共鳴状態を維持することができる。

又、ミラー２１Ａ及び２２Ａにそれぞれ圧電素子等からなる変位手段を設ける。そして、何れか一方の変位手段を高周波で駆動し第１共振器２０Ａの共振器長を変調させて角周波数ωの変調成分を同期検波等で検出することにより、図８と同様な分散型誤差信号を得ることができる。得られた分散型誤差信号がゼロになるように他方の変位手段を駆動して第１共振器２０Ａの共振器長をフィードバック制御することにより、第１共振器２０Ａにおける角周波数ωの光の共鳴状態を維持することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、１０Ａ、５０、６０、８０ 光高調波発生装置
２０、２０Ａ 第１共振器
２１、２１Ａ、２２、２２Ａ、２３、２４、４１、４１Ａ、４２、４２Ａ、４３、４４、７２、８２ ミラー
３０ 波長変換素子
４０、４０Ａ 第２共振器
７０ 共振器
８１、８３ １／４波長板
８４ 偏光ビームスプリッタ
８５、８６ 受光素子
８７ 差動増幅器
８８ スイッチ
８９ 変位手段
Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ 電圧
ω、２ω 角周波数

Claims (7)

1. 基本波の光を閉じこめて前記基本波の光強度を増強する第１共振器と、
   前記第１共振器に閉じこめられた前記基本波の光が入射する第２共振器と、
   前記第２共振器の光軸上に配置され、入射する前記基本波の光を２次高調波の光に変換する波長変換素子と、を有し、
   前記第２共振器は、前記２次高調波の光を閉じこめて前記２次高調波の光強度を増強するとともに、光強度が増強された前記２次高調波の光の一部を前記第２共振器の外部に出射する光高調波発生装置。
2. 前記第１共振器は、前記基本波の光が入射する入射ミラーを含む複数のミラーを有するリング共振器で構成され、
   前記第２共振器は、前記２次高調波の光を出射する出射ミラーを含む複数のミラーを有するリング共振器で構成されている請求項１記載の光高調波発生装置。
3. 前記第１共振器は、前記基本波の光を入射する入射ミラーを含む対向する一対のミラーを有する共振器で構成され、
   前記第２共振器は、前記２次高調波の光を出射する出射ミラーを含む対向する一対のミラーを有する共振器で構成され、
   前記第２共振器及び前記波長変換素子は、前記第１共振器の光軸上に配置されている請求項１記載の光高調波発生装置。
4. 前記第２共振器の外部に出射する前記２次高調波の光強度Ｉ_２ωは以下の式（１）を満足し、
   式（１）の第４項が１よりも大きな値になるようにＴ_ω及びγ_ωが設定され、
   式（１）の第５項が１よりも大きな値になるようにＴ_２ω及びγ_２ωが設定されている請求項２又は３記載の光高調波発生装置。
   
   

   

   
   ただし、Ｉ_ωは前記第１共振器へ入射する前記基本波の光強度、μ_０は真空の透磁率、ｃは真空の光速、ε_０は真空の誘電率、χ^（２）は前記波長変換素子の２次の非線形分極率、ωは前記第１共振器へ入射する前記基本波の角周波数、Ｌは前記波長変換素子の光軸方向の長さ、ｎ_ｓは前記波長変換素子の前記２次高調波の光に対する屈折率、Ｔ_ωは前記第１共振器の前記入射ミラーの透過率、γ_ωは前記基本波の光が前記第１共振器を１周するときの減衰係数、Ｔ_２ωは前記第２共振器の前記出射ミラーの透過率、γ_２ωは前記２次高調波の光が前記第２共振器を１周するときの減衰係数を示している。
5. 式（１）の第４項が最大値になるようにＴ_ω及びγ_ωが設定され、
   式（１）の第５項が最大値になるようにＴ_２ω及びγ_２ωが設定されている請求項４記載の光高調波発生装置。
6. 前記第２共振器の共振器長を制御し、前記第２共振器における前記２次高調波の光の共鳴条件を維持する共振器長安定化手段を更に有する請求項１乃至５の何れか一項記載の光高調波発生装置。
7. 前記共振器長安定化手段は分散型誤差信号を生成し、生成した前記分散型誤差信号に基づいて、前記第２共振器の共振器長を制御する請求項６記載の光高調波発生装置。
   

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