JP2011197195A

JP2011197195A - 光源装置及び波長制御方法

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Publication number: JP2011197195A
Application number: JP2010061975A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hirose; 隆之広瀬; Kenji Kunihara; 健二国原; Masataka Daito; 正敬大登; Yoshiyuki Yonezawa; 喜幸米澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】出射光の波長の可変範囲を広くし、かつ出力が低下することを抑制する。
【解決手段】強誘電体結晶基板１００は、端面１０２から端面１０４に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている。光源２００は、例えば半導体レーザーであり、強誘電体結晶基板１００の端面１０２に第１の波長を有する第１の光を入射させる。駆動機構３００は、光源２００を移動させることにより、端面１０２に対する光源２００の角度を変える。制御部４００は、駆動機構３００を制御することにより、端面１０２に対する第１の光の入射角を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、擬似位相整合素子を有する光源装置及び波長制御方法に関する。

ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの強誘電体結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転（分極反転）させることにより擬似的に位相整合をさせる方法は、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matching）と呼ばれている。上記技術により、安価なレーザー光源を用いて、より高い周波数のレーザー光を得ることが可能になる。

例えば波長が２〜５μｍである近赤外から中赤外波長を有するレーザー光は、種々のガス種のセンシングに応用されている。しかし、一部の特殊な波長を除いて、この波長域の半導体レーザーは実現されていない。このため、ＱＰＭを利用してこの波長域のレーザー光を得ることが期待されている。

なお、ＱＰＭデバイスを用いたガス分析の応用例は、例えば非特許文献１に記載されている。ガスは、非常に狭い波長範囲に多数の吸収ピークを有している。非特許文献１では、レーザー光を光源として用いているが、入射光の波長を挿引して出射光の波長を変化させることにより、１本あるいは複数の吸収ピークの観測を行っている。

またＱＰＭデバイスを広帯域化する方法として、ファンアウト型とチャープ型が提案されている。ファンアウト型（特許文献１参照）は、帯形の反転領域と非反転領域とを、放射状（扇状）を呈する縞状となるよう交互に配置したものである。ファンアウト形状の反転構造を光パラメトリック発振（ＯＰＯ）に適用した場合、光路を平行移動させることで、発振波長を連続的に変化させることが可能である。

チャープ型（特許文献２参照）は、光の伝搬方向に分極反転周期を連続的に変化（チャープ）させたＱＰＭデバイスである。

特開２００４−２１０１１号公報特開２００７−７９２２７号公報

山口：光学、第３６巻、第５号、ｐ２６４（２００７）

しかし、非特許文献１に記載の方法では、入射光の波長の可変範囲が狭いため、出射光の波長の可変範囲も、例えば１００ｐｍと狭かった。このため、出射光の波長の可変範囲をさらに広げることが望まれている。

また特許文献１に記載の方法では、分極反転周期が横方向に連続的に変化しているので、短周期の領域では位相整合領域の有効長さが短くなり、その結果、出力が低下してしまう。

また特許文献２に記載の方法でも、伝搬方向に反転周期を変化させているために、出力の低下が起こってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出射光の波長の可変範囲が広く、かつ出力が低下することを抑制できる光源装置及び波長制御方法を提供することにある。

本発明によれば、第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている第１の強誘電体結晶と、
前記第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に第１の波長を有する第１の光を入射させる第１の光学系と、
前記第１の光学系を構成する部品の少なくとも一つ、又は前記第１の強誘電体結晶を移動させる第１の駆動機構と、
前記第１の駆動機構を制御することにより、前記第１の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させる制御部と、
を備える光源装置が提供される。

前記第１の光学系が第１の光源を有している場合、前記第１の駆動機構は前記第１の光源を移動させてもよい。

また前記第１の光学系が、前記第１の光を発する第１の光源と、前記第１の光を前記第１の端面に向けて反射する第１反射ミラーと、を有している場合、前記第１の駆動機構は前記第１反射ミラーの角度を変えてもよい。

この場合、第３の端面から第４の端面に向かう少なくとも一部の領域に、複数の分極反転領域が前記第１の強誘電体結晶とは異なる周期で形成されている第２の強誘電体結晶をさらに備えてもよい。この場合、前記第１の光学系は、前記第１の光源が発した前記第１の光の光路を、前記第１の端面に入射するための第１の光路及び前記第３の端面に入射するための第２の光路の間で切り替える切替ミラーと、前記切替ミラーを駆動させる第３の駆動機構とを備える。前記第１の光路には前記第１反射ミラーが設けられており、前記第２の光路には、前記第１の光を前記第３の端面に向けて反射する第２反射ミラーが設けられている。前記制御部は、前記第１反射ミラーを前記第１の駆動機構を介して制御することにより、前記第１の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させる。さらに、前記第２反射ミラーを制御する第４の駆動機構を備えようにして、前記制御部が、前記第２反射ミラーを前記第４の駆動機構を介して制御することにより、前記第３の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させる。

また、前記第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に第２の波長を有する第２の光を入射させる第２の光学系と、前記第２の光学系を構成する部品の少なくとも一つを移動させる第２の駆動機構とを備えてもよい。この場合、前記制御部は、前記第２の駆動機構を制御することにより、前記第１の端面に対する前記第２の光の入射角を変化させる。

本発明によれば、第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に光を入射させ、前記第２の端面から、波長が変換された出射光を得る波長変換方法において、
前記第１の端面に対する前記光の入射角を制御することにより、前記出射光の波長を制御する波長制御方法が提供される。

本発明によれば、出射光の波長の可変範囲を広くして、かつ出力が低下することを抑制できる。

第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。図１の変形例に係る光源装置の構成を示す図である。第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第４の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。ＣＯ_２の吸収ピークを示すチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、強誘電体結晶基板１００、光源２００、駆動機構３００、及び制御部４００を備えている。強誘電体結晶基板１００は、端面１０２から端面１０４に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている。光源２００は、例えば半導体レーザーであり、強誘電体結晶基板１００の端面１０２に第１の波長を有する第１の光を入射させる。駆動機構３００は、光源２００を移動させることにより、端面１０２に対する光源２００の角度を変える。制御部４００は、駆動機構３００を制御することにより、端面１０２に対する第１の光の入射角を変化させる。この光源装置は、例えば気体中に含まれるガス成分（例えば二酸化炭素）を分析するための光源として用いられる。以下、詳細に説明する。

強誘電体結晶基板１００は、ＬｉＮｂＯ_３基板又はＬｉＴａＯ_３基板であり、平面形状は長方形、平行四辺形、又は台形である。強誘電体結晶基板１００の少なくとも端面１０２，１０４及び側面は光学研磨が行われている。強誘電体結晶基板１００の側面は、樹脂でモールドされていてもよい。強誘電体結晶基板１００は分極反転領域１０６を周期的に有しているため、擬似位相整合素子となっている。このため、端面１０２に入射した第１の光は、端面１０４から出射光として出射するときには光パラメトリック発振によって波長が変わっている。強誘電体結晶基板１００が有する分極反転領域１０６の周期は、第１の光の波長、及び出射光として所望される波長によって定められる。例えば第１の光の波長が１．０６μｍであり、第１の光が端面１０２に対して垂直に入射したときの出射光の波長を４．４μｍにしたい場合には、分極反転領域１０６の幅及び配置間隔（分極反転周期）は、いずれも２７．９μｍになる。

このような構成において、駆動機構３００が光源２００を移動させると、端面１０２に対する第１の光の入射角が変化する。第１の光の入射角が変化すると、これに伴って強誘電体結晶基板１００の内部において光が進行する角度は変化する。光の進行角度が変化すると、光の進行方向における強誘電体結晶基板１００の分極反転周期は変化する。具体的には、端面１０２に対する第１の光の入射角度θが９０°より小さくなるにつれて、光の進行方向における強誘電体結晶基板１００の分極反転周期は長くなる。この結果、出射光の光の波長は、入射角度θが９０°より小さくなるにつれて短くなる。なお光の進行方向が決まった場合、その進行方向における強誘電体結晶基板１００の分極反転周期は、端面１０２から端面１０４の間で一定となる。

ここで入射角度θが９０°から離れている場合、光は強誘電体結晶基板１００の側面にあたるが、この側面で光は全反射しながら伝播する。このようにすると分極反転周期を長くすることができ、その結果、後述する出射光の波長の可変範囲を広くすることができる。強誘電体結晶基板１００がＬｉＮｂＯ_３基板である場合、ＬｉＮｂＯ_３の屈折率は２．２程度であるため、強誘電体結晶基板１００の周囲が空気である場合、入射角度θが０°〜９０°の範囲で強誘電体結晶基板１００の側面で光は全反射する。なお、入射角θが９０°に近い場合は、光は強誘電体結晶基板１００の側面にあたらずに直接端面１０４まで到達することもある。

例えば分極反転周期が２７．９μｍであり、第１の光の波長が１．０６μｍである場合、入射角度θが９０°であるときの出射光の波長は４．４μｍになる。一方、入射角度θが６３．８°であるとき、屈折によって強誘電体結晶基板１００の内部における光の進行角度θ´は７８．２°になり、その結果、出射光の波長は４．２μｍになる。入射角度θを連続的に変化させることにより、出射光の波長も連続的に変化する。

なお、強誘電体結晶基板１００の端面１０４から出射した出射光の角度は、例えば端面１０４の近くにレンズ５００を設けることにより、端面１０４に対して略平行にすることが可能である。

以上、本実施形態によれば、強誘電体結晶基板１００の端面１０２に対する第１の光の入射角を変化させることにより、端面１０４から出射する出射光の波長を変化させることができる。波長の変化幅は、非特許文献１に記載のものと比較して十分大きい。従って、出射光の波長の可変範囲は広くなる。また第１の光の進行方向において分極反転周期は一定であるため、出射光の出力が低下することを抑制できる。

例えば図１に示した光源装置を、気体中に含まれる二酸化炭素の濃度を分析するための光源として用いる場合を考える。図６に示すように、ＣＯ_２は波長４．３μｍ前後に複数の吸収ピークを有している。ＣＯ_２の濃度を測定するためには、これらの複数の吸収ピークを測定できるようにすることが好ましい。一方、強誘電体結晶基板１００の出射光の波長の可変範囲は、強誘電体結晶基板１００の製造工程に起因してばらつくことがある。強誘電体結晶基板１００の出射光の波長の可変範囲が狭い場合、出射光の波長の可変範囲がばらつくと、ＣＯ_２の波長４．３μｍ前後の複数の吸収ピークの一部が測定できなくなる可能性がある。これに対して本実施形態では、上述したように出射光の波長の可変範囲は広いため、このような不具合が生じることを抑制できる。

なお、図２に示すように、駆動機構３００が強誘電体結晶基板１００を移動させることにより、端面１０２に対する第１の光の入射角を変化させるようにしてもよい。この場合においても、図１の場合と同様の効果を得ることができる。ただし、強誘電体結晶基板１００の大きさが光源２００よりも大きい場合、図１の構成にしたほうが駆動機構３００を小型化することができる。

図３は、第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置は、以下の点を除いて図１に示した光源装置と同様の構成である。

まず光源２００で発生した第１の光は、ミラー２０２，２０４でこの順に反射された後に強誘電体結晶基板１００の端面１０２に入射する。すなわちミラー２０４は、第１の光を端面１０２に向けて反射する。そして駆動機構３００は、端面１０２に対するミラー２０４の角度を変えることにより、端面１０２に対する第１の光の入射角を変化させる。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また光源２００よりミラー２０４が小さい場合、第１の実施形態と比較して駆動機構３００を小型化することができる。

図４は、第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施形態に駆る光源装置は、光源２１０、ミラー２１２，２１４、及び駆動機構３１０を有している点を除いて第２の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。

光源２１０は、第２の波長を有する第２の光を発する。光源２１０は、例えば半導体レーザーである。光源２１０で発生した第２の光は、ミラー２１２，２１４でこの順に反射された後に強誘電体結晶基板１００の端面１０２に入射する。すなわちミラー２１４は、第２の光を端面１０２に向けて反射する。そして駆動機構３１０は、端面１０２に対するミラー２１４の角度を変えることにより、端面１０２に対する第２の光の入射角を変化させる。駆動機構３１０は、制御部４００によって制御されている。

本実施形態において、光源２００，２１０は制御部４００によって制御されている。そして制御部４００は、光源２００，２１０のいずれか一方のみを動作させることにより、第１の光と第２の光のいずれか一方のみを端面１０２に入射させる。ただし制御部４００は、光源２００，２１０の双方を同時に動作させてもよい。

第２の光の波長が１．２５μｍであり、強誘電体結晶基板１００の分極反転周期が２７．９μｍである場合、第２の光の入射角が９０°〜６３．８°の間で変化すると、第２の光の出射光の波長は５〜４．７５μｍの間で変化する。そして第１の光の波長が１．０６μｍである場合、第１の実施形態で説明したように、第１の光の出射光の波長を４．４〜４．２μｍの間で変化させることができる。

従って本実施形態によれば、例えば波長が５〜４．７５μｍの光と、波長が４．４〜４．２μｍの光を得ることができる。従って、光の波長の変化幅がさらに広くなる。

図５は、第４の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、以下の点を除いて第２の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。

まず、強誘電体結晶基板１００に加えて、強誘電体結晶基板１１０も有している。強誘電体結晶基板１１０も、端面１１２から端面１１４に向かう少なくとも一部の領域に、複数の分極反転領域１１６を周期的に有しているが、その周期すなわち分極反転周期は、強誘電体結晶基板１００とは異なる。

そして本実施形態に係る光源装置は、光学系として、光源２００、ミラー２０４、切替ミラー２２０、及びミラー２３０を備えている。ミラー２０４は、光源２００が発生した第１の光を、ミラー２０４及びミラー２３０のいずれか一方に向けて反射する。第１の光がミラー２０４に向けて反射された場合、第１の光はミラー２０４によって強誘電体結晶基板１００の端面１０２に向けて反射される（第１の光路）。第１の光がミラー２３０に向けて反射された場合、第１の光はミラー２３０によって強誘電体結晶基板１１０の端面１１２に向けて反射される（第２の光路）。

また駆動機構としては、駆動機構３００に加えて、駆動機構３２０，３３０を備えている。駆動機構３２０は切替ミラー２２０の向きを制御し、駆動機構３３０はミラー２３０の向きを制御する。駆動機構３２０，３３０の動作は、制御部４００によって制御されている。

本実施形態において制御部４００は、第１の光を強誘電体結晶基板１００に入射させたい場合、駆動機構３２０を介して切替ミラー２２０の向きを制御し、第１の光をミラー２０４に向けて反射させる。そして制御部４００は、駆動機構３００を介してミラー２０４の向きを制御することにより、強誘電体結晶基板１００の端面１０２に対する第１の光の入射角度を制御する。

また制御部４００は、第１の光を強誘電体結晶基板１１０に入射させたい場合、駆動機構３２０を介して切替ミラー２２０の向きを制御し、第１の光をミラー２３０に向けて反射させる。そして制御部４００は、駆動機構３３０を介してミラー２３０の向きを制御することにより、強誘電体結晶基板１１０の端面１１２に対する第１の光の入射角度を制御する。端面１１２から入射した光は、波長が変換された後に端面１１４から出射する。

そして強誘電体結晶基板１１０の分極反転周期が２９．８μｍであり、第１の光の波長が１．０６μｍである場合、入射角度θが９０°であるときの出射光の波長は３．５μｍになる。一方、入射角度θが６８．１°であるとき、出射光の波長は３．３μｍになる。すなわち強誘電体結晶基板１１０を用いることにより、例えば３．５μｍ〜３．３μｍの範囲で光の波長を変化させることができる。

また第１の実施形態と同様に、強誘電体結晶基板１００の分極反転周期が２７．９μｍであり、第１の光の波長が１．０６μｍである場合、強誘電体結晶基板１００を用いることにより、例えば４．４μｍ〜４．２μｍの範囲で光の波長を変化させることができる。

従って本実施形態によれば、例えば波長が４．４〜４．２μｍの光と、波長が３．５〜３．３μｍの光を得ることができる。従って、波長の変化幅がさらに広くなる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００強誘電体結晶基板
１０２端面
１０４端面
１０６分極反転領域
１１０強誘電体結晶基板
１１２端面
１１４端面
１１６分極反転領域
２００光源
２０２ミラー
２０４ミラー
２１０光源
２１２ミラー
２１４ミラー
２２０切替ミラー
２３０ミラー
３００駆動機構
３１０駆動機構
３２０駆動機構
３３０駆動機構
４００制御部
５００レンズ

Claims

第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている第１の強誘電体結晶と、
前記第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に第１の波長を有する第１の光を入射させる第１の光学系と、
前記第１の光学系を構成する部品の少なくとも一つ、又は前記第１の強誘電体結晶を移動させる第１の駆動機構と、
前記第１の駆動機構を制御することにより、前記第１の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させる制御部と、
を備える光源装置。
請求項１に記載の光源装置において、
前記第１の光学系は、第１の光源を有しており、
前記第１の駆動機構は前記第１の光源を移動させる光源装置。
請求項１に記載の光源装置において、
前記第１の光学系は、
前記第１の光を発する第１の光源と、
前記第１の光を前記第１の端面に向けて反射する第１反射ミラーと、
を有しており、
前記第１の駆動機構は前記第１反射ミラーの角度を変える光源装置。
請求項３に記載の光源装置において、
第３の端面から第４の端面に向かう少なくとも一部の領域に、複数の分極反転領域が前記第１の強誘電体結晶とは異なる周期で形成されている第２の強誘電体結晶をさらに備え、
前記第１の光学系は、
前記第１の光源が発した前記第１の光の光路を、前記第１の端面に入射するための第１の光路及び前記第３の端面に入射するための第２の光路の間で切り替える切替ミラーと、
前記切替ミラーを駆動させる第３の駆動機構と、
を備え、
前記第１の光路には前記第１反射ミラーが設けられており、
前記第２の光路には、前記第１の光を前記第３の端面に向けて反射する第２反射ミラーが設けられており、
前記制御部は、前記第１反射ミラーを前記第１の駆動機構を介して制御することにより、前記第１の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させ、
さらに、前記第２反射ミラーを制御する第４の駆動機構を備え、
前記制御部は、前記第２反射ミラーを前記第４の駆動機構を介して制御することにより、前記第３の端面に対する前記第１の光の入射角を変化させる光源装置。
請求項１〜３のいずれか一つに記載の光源装置において、
前記第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に第２の波長を有する第２の光を入射させる第２の光学系と、
前記第２の光学系を構成する部品の少なくとも一つを移動させる第２の駆動機構と、
を備え、
前記制御部は、前記第２の駆動機構を制御することにより、前記第１の端面に対する前記第２の光の入射角を変化させる光源装置。
第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている第１の強誘電体結晶の前記第１の端面に光を入射させ、前記第２の端面から、波長が変換された出射光を得る波長変換方法において、
前記第１の端面に対する前記光の入射角を制御することにより、前記出射光の波長を制御する波長制御方法。