JP3189045B2 - 光波長変換装置 - Google Patents

光波長変換装置

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JP3189045B2
JP3189045B2 JP30045597A JP30045597A JP3189045B2 JP 3189045 B2 JP3189045 B2 JP 3189045B2 JP 30045597 A JP30045597 A JP 30045597A JP 30045597 A JP30045597 A JP 30045597A JP 3189045 B2 JP3189045 B2 JP 3189045B2
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正人 安本
則正 梅咲
治 中村
多喜夫 冨増
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経済産業省産業技術総合研究所長
株式会社自由電子レーザ研究所
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光波長変換装置に
関し、特に、極低エネルギー光子をより短い波長の高エ
ネルギー光子に変換する光波長変換装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】近年、レーザ光の波長をより短い波長に
するために、種々の研究がなされ、例えば、アップコン
バージョンという現象が報告されている(OPTRONICS, N
o.7,115〜118頁 (オプトロニクス社、1991年7月10日発
行))。このアップコンバージョンという現象は、ドー
プした希土類の同一イオンに2個の赤外光子を次々に吸
収させ、より高いエネルギー状態に励起させることによ
り波長を短くするものである。例えば、励起光としてY
b・Er:BaY28の960nmの発光ダイオードを
用いた場合、670nmの出力波長が得られ、励起光と
して5%Nd:YLiF4の604nmのDyeレーザ
を用いた場合、413nmの出力波長が得られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
アップコンバージョンでは、2個の赤外光子しか吸収さ
れないため、2倍程度の光子エネルギーの増幅しか行う
ことができず、極低エネルギー光子から高エネルギー光
子を得ることはできなかった。
【0004】本発明の目的は、極低エネルギー光子から
容易に高エネルギー光子を得ることができる光波長変換
装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の光波長変換装置
は、2μm以上の波長を有するレーザ光を出力するレー
ザ光出力手段と、前記レーザ光出力手段により出力され
たレーザ光を受け、前記レーザ光の波長より短い波長の
光を発光する固体部材とを備え、前記固体部材は種々の
波長のレーザ光の入力に対して該固体部材の材質に応じ
た波長を出力する半導体又は絶縁体である
【0006】上記の構成により、レーザ光出力手段から
出力されたレーザ光が固体部材の表面に照射されると、
入射されたレーザ光の数10倍の光子エネルギーを持つ
光が固体部材から発光される。これは、数10個の光子
により非常に高いエネルギー状態に励起する多光子励起
等の反応が起こっていると考えられる。この結果、極低
エネルギー光子から容易に高エネルギー光子を得ること
ができる。なお、上記のレーザ光出力手段から出力され
るレーザ光の最大波長は、1mmである。
【0007】また、前記レーザ光出力手段は、レーザ光
をパルス状に出力することが好ましい。この場合、固体
部材に照射されるレーザ光の所定時間当たりのエネルギ
ーを容易に増加することができる。
【0008】また、前記レーザ光出力手段が出力するレ
ーザ光の波長は、2μm以上100μm以下であること
が好ましく、9μm以上11μm以下であることがさら
に好ましい。
【0009】また、前記固体部材は、半導体であること
が好ましく、II−VI化合物であるII−VI族の半導体であ
ることがより好ましく、ZnSe、ZnS、CdS、C
dSeのいずれかであることがさらに好ましく、ZnS
eであることが特に好ましい。
【0010】また、前記レーザ光出力手段は、自由電子
レーザ装置と、前記自由電子レーザ装置から出力された
レーザ光を前記固体部材の表面上に集光する集光手段と
を備えることが好ましい。この場合、自由電子レーザ装
置により長波長から短波長までのレーザ光を容易に発生
することができ、自由電子レーザ装置から広がりながら
出力されるレーザ光を集光手段により所望の径に集光す
ることができるので、種々の波長を有するレーザ光から
所望の波長を有する光に変換することができる
【0011】。
【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施の形態の光
波長変換装置について図面を参照しながら説明する。図
1は、本発明の一実施の形態の光波長変換装置の構成を
示す概略図である。
【0012】図1に示すように、光波長変換装置は、自
由電子レーザ装置1、集光ミラー2、固体部材3を備え
る。
【0013】自由電子レーザ装置1では、加速器で生成
された高エネルギー電子を、磁石を交互に配置したアン
ジュレータ中を通過させ、磁場により軌道を変化させ、
蛇行運動させる。このとき、軌道変化に伴い発生する光
の位相が揃うと光が重ね合わされ、共振器でフィードバ
ックをかけることにより、レーザー発振が得られる。こ
のレーザ発振により得られたレーザ光が、所定パルス幅
の複数のミクロパルスから構成されるマクロパルスとし
て所定間隔で出力される。この結果、自由電子レーザ装
置1から位相の揃った極低エネルギーの連続光子列が出
力される。なお、レーザ装置として、自由電子レーザ装
置以外の他のレーザ装置を用いてもよい。
【0014】自由電子レーザ装置1から出力されたレー
ザ光は、広がっていくが、集光ミラー2により集光され
るとともに反射され、固体部材3の表面上に集光され
る。集光ミラー2としては、反射される光を固体部材3
の表面上に集光することができる放物面形状のミラー面
を有する集光ミラーを用いることができる。なお、集光
ミラーとしては、レーザ光を固体部材上で集光できるも
のであれば他のものを用いてもよく、また、ミラーでは
なくレンズを用いて透過させながら集光してもよい。ま
た、平行なレーザ光が出力される場合、集光ミラーは、
必ずしも必要でなく、レーザ装置から出力されるレーザ
光を固体部材に直接照射できる。
【0015】極低エネルギー光子、例えば波長2μm以
上のレーザ光が、半導体からなる固体部材3の表面上に
照射されると、数10個の光子により非常に高いエネル
ギー状態に励起する多光子励起等の反応が起こると考え
られ、入射されたレーザ光の数10倍の光子エネルギー
を持つ光が固体部材3から発光される。この結果、長波
長のレーザ光、例えば赤外域のレーザ光が、数10分の
1の短波長の光、例えば可視光に変換され、極低エネル
ギー光子から容易に高エネルギー光子を得ることができ
る。なお、レーザ光は、自由電子レーザ装置のようにパ
ルス状に出力されることが好ましいが、レーザ光の単位
時間当たりのエネルギーが所定値以上であれば、一つの
パルスでレーザ光を照射しても、上記と同様の現象を発
生させることができる。
【0016】次に、上記のように構成された光波長変換
装置を用いて赤外域のレーザ光を可視光に変換する場合
の具体例について詳細に説明する。図2は、本光波長変
換装置から発光される光を測定する測定システムの構成
を示す概略図である。
【0017】図2に示すように、測定システムは、受光
部4、分光器5、検出器6、データ処理装置7を備え
る。本測定では、図1に示す光波長変換装置から発光さ
れる光を受光部4で受け、受光した光を光ファイバによ
り分光器5に入力した。分光器5に入力された光は、分
光された後に検出器5に入力され、検出器5により検出
されたデータをケーブルを介してデータ処理装置7に入
力して処理した。
【0018】次に、上記の測定の具体的な条件について
説明する。自由電子レーザ装置1としては、大阪府枚方
市にある株式会社自由電子レーザ研究所の自由電子レー
ザ装置を用いた。集光ミラー2としては、本体が銅から
なり、放物面形状を有するミラー面に金をメッキしたも
のを用いた。自由電子レーザ装置1と集光ミラー2との
距離は、約60mであった。固体部材3としては、セレ
ン化亜鉛(ZnSe)を用いた。集光ミラー2と固体部
材3との距離は、約130mmであった。
【0019】上記の自由電子レーザ装置を用い、波長
9.2μm、平均パワー30mWのレーザ光を、ミクロ
パルス幅約1ps、ミクロパルス周期89.2MHz、
マクロパルス幅約25μs、マクロパルス周期10Hz
の条件で直径約1mmの孔から照射した。照射されたレ
ーザ光は、集光ミラー上では、直径約30mmとなり、
セレン化亜鉛上では直径約0.1mmに集光された。
【0020】受光部4及び分光器5としては、ORIEL In
struments社製のイメージング分光器MS257(Fナ
ンバー12.9)を用いた。検出器5としては、ANDOR
Technology社製のICCD(イメージインテンシファイ
ア付CCD)検出器IS501を用いた。データ処理装
置7としては、一般のパーソナルコンピュータを用い
た。なお、固体部材3が発光する光は、図3に示すよう
に反射する方向で測定してもよいし、透過される場合は
透過する方向から測定してもよい。
【0021】図3は、上記の条件下で測定された光のス
ペクトルを示すグラフである。なお、図3の縦軸の強度
の単位は、任意単位(a.u.)である。図3に示すよ
うに、波長481nmの光が観測され、約0.13eV
の極低エネルギー光子が約2.58eVの高エネルギー
光子に変換され、元の赤外域のレーザ光に対して数10
倍の光子エネルギーを持つ可視光が発光した。また、上
記と同様な測定を波長10.2μmのレーザ光を用いて
行っても、同様の結果が得られた。
【0022】また、固体部材は、上記のセレン化亜鉛及
び半導体に特に限定されず、MATSUNAMI GLASS IND, LTD
製の型番S-1111の白スライドガラスを用いても同様の結
果が得られ、絶縁体でも使用することができる。図4
は、この白スライドガラスから発光された光のスペクト
ルを示すグラフである。図4に示すように、この場合で
も、波長約587nmの光が観測され、元のレーザ光に
対して数10倍の光子エネルギーを持つ可視光が発光し
た。なお、図4に示す測定結果の測定条件は、図3に示
すものと同様である。
【0023】なお、上記の測定では、赤外域のレーザ光
を可視光に変換する場合について述べたが、本発明によ
る光波長変換装置では、固体部材の材質を変更すること
により、種々の波長を有する光を発光させることが可能
であり、種々の分野に適用することができる。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、レーザ光出力手段から
出力されたレーザ光が固体部材の表面に照射されると、
多光子励起等の反応が起こると考えられ、入射されたレ
ーザ光の数10倍の光子エネルギーを持つ光が固体部材
から発光され、極低エネルギー光子から容易に高エネル
ギー光子を得ることができる。
【0025】また、レーザ光出力手段として、自由電子
レーザ装置と、集光手段とを用いることにより、自由電
子レーザ装置により長波長から短波長までのレーザ光を
容易に発生することができ、自由電子レーザ装置から広
がりながら出力されるレーザ光を集光手段により所望の
径に集光することができるので、種々の波長を有するレ
ーザ光から所望の波長を有する光に変換することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の光波長変換装置の構成
を示す概略図である。
【図2】図1に示す光波長変換装置から発光される光を
測定する測定システムの構成を示す概略図である。
【図3】図2に示す測定システムにより測定された光の
スペクトルを示すグラフである。
【図4】白スライドガラスから発光された光のスペクト
ルを示すグラフである。
【符号の説明】
1 自由電子レーザ装置 2 集光ミラー 3 固体部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 治 大阪府池田市緑丘1丁目8番31号 工業 技術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 冨増 多喜夫 大阪府枚方市津田山手2丁目9番5号 株式会社自由電子レーザ研究所内 審査官 三橋 健二 (56)参考文献 特開 平8−62133(JP,A) 実開 平4−51155(JP,U) NATO ASI Series B:Physics,Vol.232 (1990),W.Becker「MULT IPHOTON EFFECTS IN LASER ATOM INTERA CTIONS」pp.111−127 OPTRONICS,No.184 (1997)岸本正一,et.al.「アッ プコンバージョンレーザ・蛍光体」p p.136−141 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 2/02 H01S 3/108 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2μm以上の波長を有するレーザ光を出力
    するレーザ光出力手段と、前記レーザ光出力手段により
    出力されたレーザ光を受け、前記レーザ光の波長より短
    い波長の光を発光する固体部材とを備え、 前記固体部材は種々の波長のレーザ光の入力に対して該
    固体部材の材質に応じた波長を出力する半導体又は絶縁
    体である ことを特徴とする光波長変換装置。
  2. 【請求項2】 前記レーザ光出力手段は、レーザ光をパ
    ルス状に出力する請求項1記載の光波長変換装置。
  3. 【請求項3】 前記レーザ光出力手段が出力するレーザ
    光の波長は、2μm以上100μm以下である請求項1
    又は請求項2記載の光波長変換装置。
  4. 【請求項4】 前記固体部材は、II−VI化合物であるII
    −VI族の半導体である請求項1から請求項3までのいず
    れかに記載の光波長変換装置。
  5. 【請求項5】 前記固体部材は、白スライドガラスであ
    る請求項1から請求項3までのいずれかに記載の光波長
    変換装置。
  6. 【請求項6】前記レーザ光出力手段は、 自由電子レーザ装置と、 前記自由電子レーザ装置から出力されたレーザ光を前記
    固体部材の表面上に集光する集光手段とを備える請求項
    1から請求項5までのいずれかに記載の光波長変換装
    置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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NATO ASI Series B:Physics,Vol.232(1990),W.Becker「MULTIPHOTON EFFECTS IN LASER ATOM INTERACTIONS」pp.111−127
OPTRONICS,No.184(1997)岸本正一,et.al.「アップコンバージョンレーザ・蛍光体」pp.136−141

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