JP2011522296A - 光波長変換装置およびこれを用いたコヒーレント光源 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの第１のポンプビーム（λ_１）を入力として受け取るように構成され、別の波長の出力ビーム（λ_ｓ）を放射する光波長変換装置であって、光キャビティ（ＣＥ）と、光キャビティの内部に配置された光学的に非線形な媒体（ＣＮＬ）と、前記光キャビティを前記第１のポンプビームの波長を有するように制御するための制御システム（ＢＡ１）と、を備えており、前記制御システムが、前記第１の波長を有する前記キャビティに蓄えられたパワーを表わす第１の信号（Ｓ_１）および前記出力ビームのパワーを表わす第２の信号（Ｓ_２）を入力として受け取るように構成されている光学装置に関する。さらに本発明は、そのような装置および１つ以上のポンプレーザ源（Ｌ１、Ｌ２）を備えているコヒーレント光源にｓ関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波長変換装置およびそのような装置を用いたコヒーレント光源に関する。

種々のレーザ源のなかでも、固体および半導体レーザ源は、エネルギー効率、簡潔性、ロバスト性、コンパクト性、およびコストの点で、極めて好都合な特性を呈している。結果として、レーザの中でも、産業において最も一般的に使用されている。

しかしながら、そのようなレーザ源の多くは、近赤外または可視スペクトルの赤色部分においてしか発光しない。より短い波長（例えば、可視スペクトルの黄色、緑色、または青色範囲、あるいは紫外）での動作のためには、伝統的に、イオンまたは色素レーザなどの装置に頼ることが必要であった。特に、色素レーザは、いくつかの欠点（色素の毒性、動作の不安定性、使用の困難性）を呈しており、結果として最近は使用されなくなってきている。

直接的に可視または紫外において発光するレーザ源の欠点を軽減するために、非線形の光学的効果に基づく全固体のシステムが開発されている。そのようなシステムにおいては、固体レーザ源によって生成される赤外のレーザビーム（「ポンプ」ビームと称される）の周波数が、非線形結晶との相互作用によって２倍にされる（第２高調波の生成（ＳＨＧ））。変形例においては、２つの別個のポンプビームが、そのような非線形結晶において組み合わせられ、入射ビームの周波数の和に等しい周波数の第３のビームが生成される（和周波数の生成（ＳＦＧ））。

そのような波長変換システム（または、そのような波長変換システムと同等の方法）の弱点は、それらの効率が多くの場合に低いことにある。

最も単純な波長変換の技法は、自由に伝播するポンプビームの軌道に非線形結晶を配置することからなる。実際には、この技法では、入射する光電場の強度が不十分であるため、少なくとも連続波の条件下での変換効率が低すぎる。

変換効率を改善するために、非線形結晶を、ポンプビームと共振する光キャビティの内部に配置することが知られており、光キャビティにおいて、光の強度が、連続波の条件下でも極めて高いレベルに達することができる。

第２高調波の生成システムにおいては、使用される光キャビティを、赤外レーザ源の共振器形成部分によって構成することが可能である。この可能性が、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社によって、同社の「Ｖｅｒｄｉ」（商標）という製品系列のレーザにおいて、成功裏に使用されている。しかしながら、この技術は、実現および一般化が困難である。

使用において汎用性の高い代案は、非線形結晶を、エキザルテーションキャビティ（ｅｘａｌｔａｔｉｏｎ ｃａｖｉｔｙ）と称される外部の共振器に配置することからなる。能動式または受動式の安定化システムが、変換効率を最適にすべく、キャビティをポンプレーザビームとの共振状態に保つように機能し、これにより変換効率が５０％に達することができ、５０％を超えることさえ可能である。例として、以下の刊行物を参照することができる。

・Ｊ．Ｄ．Ｖａｎｃｅ、Ｃ．Ｙ．Ｓｈｅ、およびＨ．Ｍｏｏｓｍｕｌｌｅｒ、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ，ａｌｌ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ，ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ４００ｍＷ ｓｏｕｒｃｅ ａｔ ５８９ｎｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｏｕｂｌｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」、Ａｐｐ．Ｏｐｔ．３７、４８９１〜４８９６頁、１９９８年（残余のキャビティ内吸収によって引き起こされる熱光学的効果による受動的な安定化、４０％を超える効率）。

このような受動的なサーボ制御が、共振のフリンジにおいて最大限に不安定であり、結晶における熱拡散によって通過帯が１キロヘルツ程度に限られることに、注意すべきである。Ａ．Ｄｏｕｉｌｌｅｔ、Ｊ．Ｊ．Ｚｏｎｄｙ、Ａ．Ｙｅｌｉｓｓｅｙｅｖ、Ｓ．Ｌｏｂａｎｏｖ、Ｌ．Ｉｓａｅｎｋｏによる論文「Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ｌｏａｄｅｄ ｃｗ ＡｇＧａＳ_２ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ １６、１４８１〜１４９８頁（１９９９年）を参照されたい。

・Ｊｏｓｈｕａ Ｃ．Ｂｉｅｎｆａｎｇ、Ｃｒａｉｇ Ａ．Ｄｅｎｍａｎ、Ｂｒｅｎｔ Ｗ．Ｇｒｉｍｅ、Ｐａｕｌ Ｄ．Ｈｉｌｌｍａｎ、Ｇｅｒａｌｄ Ｔ．Ｍｏｏｒｅ、およびＪｏｈｎ Ｍ．Ｔｅｌｌｅ、「２０Ｗ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｓｏｄｉｕｍ Ｄ_２ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｌｏｃｋｅｄｌａｓｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２８、２２１９〜２２２１頁、２００３年（能動的な安定化、５５％を超える効率）。

・文献ＵＳ７０３５２９７。
Ｅ．Ｊｕｒｄｉｋらによる論文「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ １９、１６６０〜１６６７頁、２００２年が、第２高調波の生成のためのエンハンスメントキャビティの最適化を検討しており、５３％の変換効率が観察されている。

大部分の環境においては、キャビティの周波数が、キャビティの入り口カプラによって反射されるポンプレーザの一部分またはミラーのうちの１つを透過するキャビティ内パワーの小さな一部分のいずれかから生成される誤差信号を入力として受け取るサーボ制御ループによって、能動的な方法で安定化される。第２の代案は、キャビティがサーボ制御されていないときに検出器の飽和を回避するために、「黒色背景」における動作を可能にする。最も幅広く使用されている安定化の技法は、以下である。

・Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法：Ｅｒｉｃ Ｄ．Ｂｌａｃｋによる論文「Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．６９、７９〜８７頁、２００１年を参照。

・「ＡＭ−ＦＭ」法。キャビティの長さを共振の近傍において圧電セラミックによって軽く変調させ（振幅変調、すなわち「ＡＭ」をもたらし）、同時検出によって信号を復調して、共振フリンジの導関数に比例する誤差信号を生成することからなる技法。あるいは、レーザの周波数に変調を加えてもよい（周波数変調、すなわち「ＦＭ」）。

・Ｈａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ法：Ｔ．Ｗ．ＨａｎｓｃｈおよびＢ．Ｃｏｕｉｌｌａｕｄの「Ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｎ ａ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｖｉｔｙ」、Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．３５、４４１（１９８０年）を参照。

いわゆる「チルトロッキング」または「意図的ミスアライメント」法など、他の技法も提案されている。Ｄ．Ａ．Ｓｈａｄｄｏｋらによる論文「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｌｏｃｋｉｎｇ ａ ｌａｓｅｒ ｔｏ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｓｐａｔｉａｌ ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２４、１４９９（１９９９年）を参照されたい。

典型的には、２つの波長調節機構が使用される。一方が「高速チャネル」であり、高速であるがダイナミックレンジが狭く、ほぼ白色のスペクトルを有する高周波の変動（機械的および音響的な振動、レーザの周波数および振幅の雑音、・・・）を補正し、他方が「低速チャネル」であり、より低速であるがダイナミックレンジがより広く、低い周波数または極めて低い周波数の変動（例えば、熱ドリフトなどの長期のドリフト、・・・）を補正する。反射または透過のいずれかにてキャビティから導出される誤差信号が、増幅され、次いで積分され（比例−積分（ＰＩ）サーボ制御）、おそらくは微分され（比例−積分−微分（ＰＩＤ）サーボ制御）、次いで上述の調節機構を制御するために使用される。

２つの別々のポンプビームが使用される場合（周波数和の生成）、キャビティが、弱い方のビームに合わせて調節された状態に保たれる一方で、より強い方のポンプレーザの放射波長が、キャビティの共振周波数へとさらにサーボ制御される（上述の文献ＵＳ７０３５２９７参照）。

本発明は、能動的に安定化される外部キャビティを有している形式の光波長変換システムの効率の改善を追求する。

光キャビティを能動的に安定化させるための一般的な技法は、波長変換結晶の存在によって引き起こされる非線形な影響を考慮していない。しかしながら、本発明者らは、結晶における非線形な動態が、波長変換が最大の効率で生じる共振状態の付近でキャビティの内部に蓄えられるパワーを減少させることによって、上述のサーボ制御の仕組みを大いに妨げるという事実に気が付いた。そして、本発明者らは、とりわけこの影響が十分な方法では考慮されていないという事実ゆえに、従来技術において公知のシステムの変換効率が制約されていることを発見した。

本発明は、従来技術のこの欠点の改善を可能にし、９０％にもなりうる変換効率の達成を可能にする。

より正確には、本発明は、第１のポンプビームと称される第１の波長の第１のコヒーレント光ビームを少なくとも入力として受け取り、出口ビームと称される前記第１の波長とは異なる波長の少なくとも１つのコヒーレント光ビームを放射するように構成されており、光キャビティと、前記光キャビティの内部に配置され、前記第１のポンプビームと相互作用して前記出口ビームを生成するために適している光学的に非線形な媒体と、前記光キャビティの共振モードを前記第１の波長にサーボ制御するためのサーボ制御システムと、を備える波長変換用の光学装置であって、前記サーボ制御システムが、前記第１の波長において前記キャビティに蓄えられたエネルギーを表わす第１の信号および前記キャビティによって放射される前記出口ビームのパワーを表わす第２の信号を入力として受け取って、前記光キャビティの共振波長をサーボ制御するためのサーボ制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする光学装置を提供する。

特に、前記サーボ制御システムを、前記第１の信号および第２の信号の線形結合から誤差信号を生成するように構成することが可能である。

前記サーボ制御システムは、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ方式、ＡＭ−ＦＭ方式、「チルトロッキング」または意図的ミスアライメント方式、およびＨａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ方式に基づくサーボ制御の仕組みに基づくことが可能である。

さらに、本発明の装置を、第２のポンプビームと称される前記第１の波長とは異なる第２の波長の第２のコヒーレント光ビームを入力として受け取るように構成することが可能であり、前記光学的に非線形な媒体が、前記第１のポンプビームおよび第２のポンプビームと相互作用して、和または差の周波数の前記出口ビームを生成することができる。

さらに本発明は、上述のような光波長変換装置と、前記第１のポンプビームを生成するためのレーザ源とを備えているコヒーレント光源を提供する。

所望により、本発明は、典型的には前記第１のポンプビームのパワーよりも大きいパワーを呈する前記第２のポンプビームを生成するための第２のレーザ源をさらに備えてもよい。

そのような状況において、本発明の光源は、前記第２のポンプビームの波長を前記キャビティの共振波長にサーボ制御するための第２のサーボ制御システムをさらに備えることが可能である。好都合には、前記第２のサーボ制御システムを、前記出口ビームの光パワーを最大にするような方法で前記第２のポンプビームの波長をサーボ制御するように構成することが可能である。

本発明の特定の実施形態においては、前記第２のレーザ源が、２つの波長調節機構を呈することができ、すなわち「高速」な第１の機構と、該第１の機構に比べてより狭い通過帯およびより広いダイナミックレンジを呈する「低速」な第２の機構とを呈することができ、前記第２のサーボ制御システムが、前記出口ビームのパワーが第１のしきい値を下回って低下したときに、前記低速な波長調節機構を阻止および再初期化して、前記高速な機構だけをサーボ制御に使用し、前記出口ビームのパワーが前記第１のしきい値よりも高い第２のしきい値を超えるとき、前記低速な機構による制御を再開させるように構成される。

所望により、本発明の光源は、前記第１のポンプビームの波長を外部の基準へとサーボ制御するための第３のサーボ制御システムをさらに備えてもよい。

本発明の他の特徴、詳細、および利点は、あくまでも例として提示される添付図面を参照しつつ行われる以下の説明を検討することによって、明らかになる。

図１は本発明のコヒーレント光源の原理を示す図である。 図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃは、共振器のサーボ制御に使用される信号のグラフである。

図１のコヒーレント光源は、光学システムおよび３つのサーボ制御ループを備えている。図中、光ビームの経路が、実線によって表わされており、電気信号の経路が、破線によって表わされている。

光学システムは、それぞれ波長λ_１およびλ_２の２つのポンプビームを放射する２つのポンプレーザＬ１およびＬ２を備えている。例として、ポンプレーザＬ１およびＬ２は、単一縦横モード（ＴＥＭ_００）で連続的に発振する２つのネオジムドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザであってよい。第１のポンプレーザの波長λ_１は、１３１９．２ナノメートル（ｎｍ）であってよく、第２のポンプレーザの波長λ_２は、１０６４．６ｎｍであってよい。

２つのポンプレーザは、少なくともナノメートル程度のスペクトル範囲にわたって波長を調節することが可能である。典型的には、各々のレーザが、２つの波長調節機構を有している。すなわち、その一方が「高速チャネル」を構成し、高速であるがダイナミックレンジが限られており、他方が「低速チャネル」を構成し、より低速であるがより広いダイナミックレンジ「低速チャネル」を有する。

以下では、第１のポンプレーザＬ１の放射強度が、第２のレーザＬ２の放射強度よりも低いと考える。すなわち、第１のレーザが、和周波数の光源の放射強度を制限する。従来からの方法で、非線形変換効率が、光源によって出力される光子束と第１のポンプレーザの光子束の比として定義される。

これらの２つのポンプビームが、ダイクロイックミラーＭＣによって組み合わせられ、非線形結晶ＣＮＬが配置されている共振器ＣＥ（「エキザルテーションキャビティ」）へと入射される。図中、２つのポンプビームの軌跡が、判別可能にするために互いに離れた平行線によって表わされているが、実際には、両方のビームは、結晶の内部で相互作用できるように重なり合っている。

キャビティＣＥは、４つのミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、およびＭ４によって構成された「蝶ネクタイ」状の一方向性のリングキャビティである。第１のミラーＭ１は、入り口カプラとして機能するように波長λ_１およびλ_２において半透過性であり、典型的には、これらの波長における反射率が、正確な値はポンプビームの公称の強度の関数として決まる（上述のＥ．Ｊｕｒｄｉｋらによる文献を参照）が、９５％〜９９％の範囲にある。他の３つのミラーＭ２、Ｍ３、およびＭ４は、通常は９９．５％を上回る極めて高い反射率を呈する。第４のミラーＭ４は、非線形結晶において生成される出力ビームの波長（λ_ｓ）において透過性であり、したがって出口カプラとして機能する。キャビティＣＥの共振の波長を、第２のミラーＭ２が取り付けられた圧電アクチュエータＴＰＺによってキャビティＣＥの長さを変更することで、調節することが可能である。２つの圧電アクチュエータ（一方が高速であるが比較的ダイナミックレンジが小さく、他方がより低速であるがより広いダイナミックレンジを有する）を、同じミラーまたは２つの別々のミラーを制御すべく有することが好ましい。

非線形結晶ＣＮＬは、従来技術において公知の任意の種類であってよく、光源の動作波長へと適合させることができる。例えば、周期的に分極したＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）であってよい。例えば熱電モジュールを用いた結晶の温度の調節が、所望の波長における位相の調節（より正確には、周期的に分極した材料における擬似的な位相の調節）を得るように機能する。

非線形のＫＴＰ結晶は、２つのポンプビームの最大の焦点に一致するように配置される。

結晶ＣＮＬでの２つのポンプビームの混合が、コヒーレント過程が関係しているため、ポンプビームの周波数の和に等しい周波数にあって、同じ空間および時間コヒーレンス特性を有している出口ビームを生み出す。この例では、出口波長が５８２．９ｎｍであり、したがって可視スペクトルの黄色部分に位置している。

効率的な波長変換を得るために、キャビティＣＥにおけるポンプビームの強度を最大にすることが必要である。これを行うために、公知の方法で、キャビティが、弱い方のレーザ源Ｌ１の放射波長へとサーボ制御され、この理由で、弱い方のレーザ源Ｌ１は「マスター」レーザと称される。サーボ制御は、ミラーＭ２のアクチュエータＴＰＺを制御する第１のサーボ制御ループＢＡ１によって実行される。その後、第２のポンプレーザＬ２、すなわち「スレーブ」レーザが、第２のサーボ制御ループＢＡ２によってキャビティの波長にサーボ制御される。この制御の構造そのものは、公知である。例えば、上述の文献ＵＳ７０３５２９７を参照されたい。

所望により、「マスター」レーザＬ１を、光源からの出口における波長を安定させるために、第３のサーボ制御ループＢＡ３によって外部の分光基準ＲＳへとさらにサーボ制御してもよい。

従来技術において公知の波長変換システムにおいては、エキザルテーションキャビティＣＥをマスターレーザＬ１へとサーボ制御するための第１のサーボ制御ループＢＡ１が、キャビティの入り口カプラ（ミラーＭ１）によって反射させられる第１のポンプビームの一部分を検出することによって生成される誤差信号をゼロに近く保つような方法で設計されている。変形例においては、キャビティ内に収容され、このキャビティの残りのミラーのうちの１つを通って漏れ出る第１のポンプビームの波長のパワーの一部分を利用することが可能である。この第２の選択肢が、図１に示されている。ミラーＭ３を通ってキャビティから漏れ出る光が、波長λ_１の成分を分離するためにダイクロイックミラーＦ０によってフィルタ処理され、波長λ_１の成分がセンサ（光検出器）ＰＤ１によって検出される。

図２Ａでは、破線の曲線Ｉ’_Ｍ３（λ_１）が、キャビティから「漏れ」る波長λ_１の放射の強度が、非線形結晶ＣＮＬが存在しないキャビティＣ３の共振周波数ν_ｃにどのように依存するのかを示している。この曲線は、ローレンツ型を有しており、ν_ｃ＝ν１（ここでν_１は、第１のポンプビームの周波数）に極めて明確なピークを呈している。周波数の調節が、キャビティとレーザＬ１との間で実行されるとき、波長λ_１のキャビティに蓄えられるエネルギーが最大になり、結果として漏れの強度も最大になる。

このようにして、キャビティＣＥを、理論的には、Ｉ’_Ｍ３（λ_１）の値を最大にすることによってサーボ制御することが可能である。

実際には、信号Ｉ’_Ｍ３（λ_１）をサーボ制御ループによって上述のように使用することが、その最大点を中心とする対称な形状ゆえに、不可能であることが従来技術から知られている。したがって、Ｉ’_Ｍ３（λ_１）のν_ｃに対する導関数に比例する誤差信号を生成する技法が提案されている。最も広く知られた方法は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法である。この技法によれば、第１のポンプビームが、高周波で動作する発振器ＯＬによって制御されるポッケルスセルＭＰによって位相変調され、その後、検出器ＰＤ１からの信号が、発振器ＯＬによって生成される高周波信号との混合によってコヒーレントに復調させられ（高周波ミキサＭＸ）、最後に、ミキサＭＸによって出力される信号がフィルタ処理（フィルタＦ_１）され、必要とされる誤差信号がもたらされる。Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法の基礎をなす理論は、上述のＥｒｉｃ Ｄ．Ｂｌａｃｋによる論文に詳しく記載されている。

実際には、非線形結晶ＣＮＬが、周波数変換ゆえにキャビティＣＥに損失を持ち込む。これらの損失は、変換効率が高くなるほど増加し、したがってキャビティの調節状態が満足されるときに最大になる。さらに図２Ａを参照すると、実線の曲線Ｉ’_Ｍ３（λ_１）が、極めて効率的な波長変換が存在する場合に、キャビティＣＥから「漏れ」る波長λ_１の放射の強度について、キャビティＣＥの共振周波数ν_ｃの関数としての依存性を示している。非線形変換によって持ち込まれる損失が、Ｉ’_Ｍ３（λ_１）に「穴を掘って」いることを、見て取ることができる。本発明者らは、この事実を考慮し、このような条件下において光検出器ＰＤ１からの信号にＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法（あるいは、任意の同等な方法）を適用することによって得られる誤差信号が、もはやキャビティのサーボ制御に適していないと推論した。

本発明は、これまで認識されていなかったこの従来技術の問題に対する技術的解決策を提供する。

本発明によれば、サーボ制御ループＢＡ１の誤差信号が、キャビティから漏れ出る第１のポンプビームの一部分のみから生成されるのではなく、和周波数においてこのキャビティによって放射される光パワーも考慮して生成される。これを行うために、ビームスプリッタＬＰ２が、光源からの出口ビームの経路に配置され、このビームの一部分を第２の光検出器ＰＤ２へと照射する。

図２Ｂでは、曲線Ｉ_Ｍ４（λ_ｓ）が、波長λ_ｓにおいて放射されるパワーが、キャビティＣＥの共振周波数ν_ｃにどのように依存するのかを示している。この曲線は、調節状態ν_ｃ＝ν_１に中心を有する極めて明確なピークを呈している。本発明の基礎となる考え方は、曲線Ｉ_Ｍ４（λ_ｓ）のピークを、非線形変換によって曲線Ｉ_Ｍ３（λ_１）の曲線のピークに掘られた穴を「埋める」ために使用することにある。図２Ｃでは、曲線Ｉ_Σが、信号Ｉ_Ｍ４（λ_ｓ）およびＩ_Ｍ３（λ_１）を（適切な係数によって重み付けした後で）足すことによって得られる信号を表わしている。

具体的には、本発明の光源においては、第１の光検出器ＰＤ１によって生成される信号ｓ_１および第２の光検出器ＰＤ２によって生成される信号ｓ_２が、係数ａ_１およびａ_２によって重み付けされ、次いで和ノードΣにおいて足し合わせられる。次いで、ノードΣからの和信号ｓ_ｓが、コヒーレントな方法で復調されるべく、ミキサＭＸへと入力としてもたらされ、低域通過フィルタ（図示せず）によってフィルタ処理される。このようにして得られた誤差信号ｓ_ｅが、ループフィルタＦ_１へと入力され、圧電アクチュエータＴＰＺを制御するサーボ制御信号ｓ_ａが生成される。

和周波数の生成がコヒーレント現象であり、ポンプビームの位相変調が和ビームλ_２においても見られるため、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法を信号ｓ_ｓへと適用可能であることに気付くことが興味深い。

第１の制御ループの動作を、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ法に関して上述した。しかしながら、従来技術において公知の他のサーボ制御技法（特に、Ｈａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ法）も、使用することが可能である。いずれにせよ、原理は、第１のポンプビームの波長においてキャビティに蓄えられたエネルギーを表わす第１の信号と、和周波数においてキャビティ内に生成される光パワーを表わす第２の信号との線形結合から、誤差信号を生成することにある。

Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ式の技法が使用される場合、一般的には、第１のポンプレーザのスペクトルへと持ち込まれる側波帯が、キャビティが調節されたときにキャビティの（常に有限の幅である）共振帯の範囲内に位置するように、（１ＭＨｚ程度の）比較的低い位相変調周波数ν_ＬＯを使用することが好都合である。しかしながら、この条件は必須ではない。

キャビティＣＥの「スレーブ」レーザＬ２の第２のサーボ制御ループＢＡ２は、従来技術において公知の任意の種類であってよく、特にＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ式の技法（第１のサーボ制御ループによって使用される周波数変調とは異なる周波数変調による）に基づくことができる。しかしながら、図面が難しくならないように、第２のループにおいて使用されるポッケルスセル、高周波発振器、およびミキサ／復調器は、図示しない。したがって、図には、非線形変換の効率を最大にするような方法で第２のポンプ光源Ｌ２を制御する制御信号を生成するために、第２の光検出器ＰＤ２からの信号ｓ_２の取得およびループフィルタＦ２による信号のフィルタ処理だけを示す。

しかしながら、本発明者らは、極めて効率的な波長変換が、第２のサーボ制御ループの動作にも困難を生じさせることに気が付いた。

キャビティの共振幅は、キャビティの損失に依存する。残念ながら、波長変換によって持ち込まれる損失は、比例的に、スレーブレーザよりもマスターレーザ（より弱い）においてはるかに大きい。したがって、第２のサーボ制御ループは、第１のループよりも「脆弱」であるが、それでも第１のループを追跡しなければならない。したがって、一時的な外乱（振動、電源の不安定、・・・）の結果として共振条件に大きすぎる相違が生じる場合に、スレーブレーザＬ２のサーボ制御信号が飽和する恐れが存在する。

この欠点を軽減するために、本発明は、レーザＬ２の２つの波長調節機構（比較的高速であるがダイナミックレンジが限られている第１の機構と、より低速であるがより広いダイナミックレンジを呈する第２の機構）の存在を利用することを提案する。

通常は、サーボ制御は、両方の機構（「高速」および「低速」）に同時に作用することによって実行される。しかしながら、和周波数の出口パワーが第１のしきい値を下回って低下するときには、ループが、制御信号の飽和を避けるべく、前記低速機構をブロックし、再初期化するために、サンプルホールド回路を使用する。ループがＰＩＤ方式である場合には、ループが開かれ、ループに含まれる積分器が、短絡させることによってゼロへとリセットされる。対照的に、高速サーボ制御機構の制御は、好ましくは比例の方法のみにて続けられる。出力ビームのパワーが第２のしきい値（前記第１のしきいよりも大きい）を超えて再び増加すると、レーザＬ２の低速サーボ制御機構が再開される。

マスターレーザＬ１の放射波長を安定させる任意の第３のサーボ制御ループＢＡ３については、特に述べるべきことはない。任意の第３のサーボ制御ループＢＡ３は、図１が難しくならないように簡略化した様相（スペクトル基準ＲＳ、ビームスプリッタＬＰ１、およびループフィルタＦ３）にて図示されている。

本発明を、特定の例を参照して上述したが、多数の変形例が可能である。

特に、それらの変形例は、以下に関係することが可能である。
・ポンプレーザの種類（特に、固体または半導体レーザであってよい）。
・ポンプおよび光源の放射波長。
・第１のループのサーボ制御の方式。従来技術において公知の任意の方式（Ｈａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ法、意図的ミスアライメント）が、本発明の実現に適すると考えられる。
・波長変換に使用される非線形媒体。

さらに、以上においては、非変性の周波数和の状況のみを検討したが、本発明は、二次の（あるいは、さらに高次の）高調波の生成（単一ポンプレーザが使用され、差周波数が生成される）またはパラメトリック増幅など、他の非線形の周波数変換効果を使用することも可能である。

Claims (11)

1. 第１のポンプビームと称される第１の波長（λ_１）の第１のコヒーレント光ビームを少なくとも入力として受け取り、出口ビームと称される前記第１の波長とは異なる波長（λ_ｓ）の少なくとも１つのコヒーレント光ビームを放射するように構成されており、
   ・光キャビティ（ＣＥ）と、
   ・前記光キャビティの内部に配置され、前記第１のポンプビームと相互作用して前記出口ビームを生成するために適している光学的に非線形な媒体（ＣＮＬ）と、
   ・前記光キャビティの共振モードを前記第１の波長にサーボ制御するためのサーボ制御システム（ＢＡ１）と、
   を備える波長変換用の光学装置であって、
   前記サーボ制御システムが、前記第１の波長において前記キャビティに蓄えられたエネルギーを表わす第１の信号（ｓ_１）および前記キャビティによって放射される前記出口ビームのパワーを表わす第２の信号（ｓ_２）を入力として受け取って、前記光キャビティの共振波長をサーボ制御するためのサーボ制御信号（ｓ_ａ）を出力するように構成されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記サーボ制御システムが、前記第１の信号および第２の信号の線形結合から誤差信号（ｓ_ｅ）を生成するように構成されている請求項１に記載の光学装置。
3. 前記サーボ制御システム（ＢＡ１）が、
   ・Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ方式と、
   ・ＡＭ−ＦＭ方式と、
   ・「チルトロッキング」または意図的ミスアライメント方式と、
   ・およびＨａｎｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ方式と、
   に基づくサーボ制御の仕組みに基づいている請求項１または２に記載の光学装置。
4. 第２のポンプビームと称される前記第１の波長とは異なる第２の波長（λ_２）の第２のコヒーレント光ビームを入力として受け取るようにさらに構成されており、前記光学的に非線形な媒体が、前記第１のポンプビームおよび第２のポンプビームと相互作用して、和または差の周波数の前記出口ビームを生成することができる請求項１〜３のいずれかに記載の光学装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光波長変換装置と、前記第１のポンプビームを生成するためのレーザ源（Ｌ１）とを備えるコヒーレント光源。
6. 請求項４に記載の光波長変換装置と、
   前記第１のポンプビームを生成するための第１のレーザ源（Ｌ１）と、
   前記第２のポンプビームを生成するための第２のレーザ源（Ｌ２）と、
   を備えるコヒーレント光源。
7. 前記第２のポンプビームのパワーが、前記第１のポンプビームのパワーよりも大きい請求項６に記載のコヒーレント光源。
8. 前記第２のポンプビームの波長を前記キャビティの共振波長にサーボ制御するための第２のサーボ制御システム（ＢＡ２）をさらに備える請求項６または７に記載のコヒーレント光源。
9. 前記第２のサーボ制御システムが、前記出口ビームの光パワーを最大にするような方法で前記第２のポンプビームの波長をサーボ制御するように構成されている請求項８に記載のコヒーレント光源。
10. 前記第２のレーザ源が、２つの波長調節機構を呈しており、すなわち「高速」な第１の機構と、該第１の機構に比べてより狭い通過帯およびより広いダイナミックレンジを呈する「低速」な第２の機構とを呈しており、
    前記第２のサーボ制御システムが、前記出口ビームのパワーが第１のしきい値を下回って低下したときに、前記低速な波長調節機構を阻止および再初期化して、前記高速な機構だけをサーボ制御に使用し、前記出口ビームのパワーが前記第１のしきい値よりも高い第２のしきい値を超えるとき、前記低速な機構による制御を再開させるように構成されている請求項６〜９のいずれかに記載のコヒーレント光源。
11. 前記第１のポンプビームの波長を外部の基準へとサーボ制御するための第３のサーボ制御システム（ＢＡ３）をさらに備えている請求項５〜１０のいずれかに記載のコヒーレント光源。

Images