JP3429299B2 - 広帯域高速波長変換方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広帯域高速波長変
換方法およびその装置に関し、さらに詳細には、非線形
光学結晶を用いたレーザー光の広帯域高速波長変換方法
およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザー光の波長変換技術とし
て、例えば、非線形光学結晶内に励起レーザー光を入射
させ、当該非線形光学結晶から変換レーザー光として励
起レーザー光の高調波を出射させる高調波変換により、
励起レーザー光の波長変換を行う非線形波長変換法が知
られており、こうした非線形波長変換法においては、励
起レーザー光と非線形光学結晶との間で位相整合条件を
満たす必要がある。

【０００３】そして、この位相整合条件を満たす方法と
しては、非線形光学結晶を手動やモーターにより回転さ
せることによって、励起レーザー光に対して非線形光学
結晶を位相整合条件を満たす位相整合角に位置させ、非
線形光学結晶に対する励起レーザー光の入射角を調整す
る方法がある（図１参照）。

【０００４】ところで、上記した位相整合条件は、非線
形光学結晶から出射される変換レーザー光の要求される
波長と変換レーザー光の要求される波長に必要な非線形
光学結晶に入射される励起レーザー光の波長とが与えら
れると、一義的に決定されるものである。このため非線
形光学結晶から出射される変換レーザー光の波長を変え
ようとすると、変換レーザー光の波長を変えようとする
度毎に、非線形光学結晶に入射される励起レーザー光の
波長を変える必要があるとともに、手動やモーターで非
線形光学結晶を回転させることにより励起レーザー光に
対し非線形光学結晶を位相整合角に位置させる必要があ
った。

【０００５】しかしながら、手動やモーターで非線形光
学結晶を回転させるという方法では、励起レーザー光に
対し非線形光学結晶を位相整合角に位置させるのに時間
がかかり、高速で高調波変換を行うことができないとい
う問題点があった。

【０００６】また、位相整合角に位置させるために非線
形光学結晶を回転すると、励起レーザー光のビームのず
れを生じるようになる。このため、こうした励起レーザ
ー光のビームのずれを補正する補正装置が別途必要にな
るという問題点があった。

【０００７】また、位相整合角に位置させるために非線
形光学結晶が回転すると、スペクトル幅の広いビームを
励起レーザー光として用いた場合には、位相整合条件よ
りずれる波長成分が生じるようになるので、高い変換効
率を得ることができないという問題点があった。

【０００８】また、位相整合角に位置させるために非線
形光学結晶を回転する方法では、励起レーザー光として
複数の波長を含むビームを非線形光学結晶に同時に入射
することができず、同時に波長変換可能な波長は一波長
のみに限られていたという問題点があった。

【０００９】なお、手動やモーターで非線形光学結晶を
回転させることなしに非線形光学結晶に対する励起レー
ザー光の入射角を調整することを可能にして、上記した
従来の問題点を解決をするようにした装置として、例え
ば、図２に示すような装置が従来より提案されている。

【００１０】この図２に示す装置は、分散素子としての
２個のプリズム（第１プリズムおよび第２プリズム）お
よび１個のレンズを介して、励起レーザー光を非線形光
学結晶に入射するようにしたものである。

【００１１】即ち、図２に示す装置においては、２個の
プリズム（第１プリズムおよび第２プリズム）により励
起レーザー光の波長毎に光路を分離し、プリズムの分散
特性およびレンズの集光特性によって非線形光学結晶へ
の入射角を決定するようになされている。

【００１２】ここで、励起レーザー光の波長をλ（λ
は、λ_１、λ_{ｃｅｎｔｅｒ}、λ_２、・・・などの任意の
値をとることができる。）とした場合において、励起レ
ーザー光の非線形光学結晶への入射角θ’（λ）（λ＝
λ_１のときθ’（λ）はθ’（λ_１）であり、λ＝λ
_{ｃｅｎｔｅｒ}のときθ’（λ）はθ’
（λ_{ｃｅｎｔｅｒ}）であり、λ＝λ_２のときθ’（λ）
はθ’（λ_２）である。）を励起レーザー光の非線形光
学結晶への最適な入射角、即ち、位相整合条件に適合し
た位相調整角をθ（λ）（λ＝λ_１のときθ（λ）はθ
（λ_１）であり、λ＝λ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときθ（λ）は
θ（λ_{ｃｅｎｔｅｒ}）であり、λ＝λ_２のときθ（λ）
はθ（λ_２）である。）とするには、 （１）第１プリズムへの入射角β （２）第１プリズム、第２プリズムの頂角Ａ （３）第１プリズム、第２プリズムの材質（分散特性）
ｎ（λ） （４）第１プリズムと第２プリズムとの間の距離ｄ （５）レンズの焦点距離ｆ の５個のパラメータの調整を行えばよい。

【００１３】即ち、図２に示す装置においては、５個の
パラメータのみによってθ’（λ）がθ（λ）になるよ
うに調整する必要があるが、パラメータの数が十分でな
いために、高い精度でθ’（λ）をθ（λ）に調整する
ことができないという問題点があった。

【００１４】また、図２に示す装置においては、励起レ
ーザー光として平行ビームを用いた場合には、励起レー
ザー光が非線形光学結晶上で集光されてしまうので（図
３参照）、励起レーザー光としてパワーの低い平行ビー
ムを用いることは可能であるが、励起レーザー光として
パワーの高い平行ビームを用いると、非線形光学結晶を
損傷する恐れがあるという問題点があった。

【００１５】また、従来の技術においては、非線形光学
結晶から出射される異なる波長の変換レーザー光を同軸
に重ねることができないという問題点があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、非線形光学結晶
から出射される異なる波長の変換レーザー光を同軸に重
ねることができるようにした広帯域高速波長変換方法お
よびその装置を提供しようとするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による請求項１に記載の広帯域高速波長変換
方法は、非線形光学結晶にレーザー光を入射して、高調
波変換により上記入射されたレーザー光の波長変換を行
う広帯域高速波長変換方法において、レーザー光を第１
のプリズムへ入射して、上記入射されたレーザー光を上
記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
折させることにより分離させて上記第１のプリズムから
出射し、上記第１のプリズムから出射されたレーザー光
を、第１のシリンドリカル凹面鏡への入射角を選択して
斜入射して、上記入射されたレーザー光を上記第１のシ
リンドリカル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、上記第
１のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザー光を
非線形光学結晶へ入射して、高調波変換により上記入射
されたレーザー光の波長変換を行い、上記非線形光学結
晶から出射された波長変換された異なる波長の変換レー
ザー光を、上記第１のシリンドリカル凹面鏡と同一の構
成を備えた第２のシリンドリカル凹面鏡へ入射して、上
記入射されたレーザーの光を上記第２のシリンドリカル
凹面鏡の集光特性に応じて出射し、上記第２のシリンド
リカル凹面鏡から出射されたレーザー光を、上記第１の
プリズムと同一の構成を備えた第２のプリズムへ入射し
て、上記入射されたレーザー光を上記入射されたレーザ
ー光の波長変化に対応して光路を屈折させて出射し、上
記第２のシリンドリカル凹面鏡および上記第２のプリズ
ムによって、上記第１のシリンドリカル凹面鏡および上
記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理により、上
記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変換レー
ザー光を同軸に重ねるようにしたものである。

【００１８】また、本発明による請求項２に記載の広帯
域高速波長変換方法は、非線形光学結晶にレーザー光を
入射して、高調波変換により上記入射されたレーザー光
の波長変換を行う広帯域高速波長変換方法において、レ
ーザー光を第１の凸レンズへ入射して、上記入射された
レーザー光を上記第１の凸レンズから出射し、上記第１
の凸レンズから出射されたレーザー光を第１のプリズム
へ入射して、上記入射されたレーザー光を上記入射され
たレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させるこ
とにより分離させて上記第１のプリズムから出射し、上
記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、第１の
シリンドリカル凹面鏡への入射角を選択して斜入射し
て、上記入射されたレーザー光を上記第１のシリンドリ
カル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、上記第１のシリ
ンドリカル凹面鏡から出射されたレーザー光を非線形光
学結晶へ入射して、高調波変換により上記入射されたレ
ーザー光の波長変換を行い、上記非線形光学結晶から出
射された波長変換された異なる波長の変換レーザー光
を、上記第１のシリンドリカル凹面鏡と同一の構成を備
えた第２のシリンドリカル凹面鏡へ入射して、上記入射
されたレーザーの光を上記第２のシリンドリカル凹面鏡
の集光特性に応じて出射し、上記第２のシリンドリカル
凹面鏡から出射されたレーザー光を、上記第１のプリズ
ムと同一の構成を備えた第２のプリズムへ入射して、上
記入射されたレーザー光を上記入射されたレーザー光の
波長変化に対応して光路を屈折させて出射し、上記第２
のプリズムから出射されたレーザー光を第２の凸レンズ
へ入射して、上記入射されたレーザー光を上記入射され
たレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させるこ
とにより平行ビームとして上記第２の凸レンズから出射
し、上記第２のシリンドリカル凹面鏡および上記第２の
プリズムによって、上記第１のシリンドリカル凹面鏡お
よび上記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理によ
り、上記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変
換レーザー光を同軸に重ねるとともに、上記非線形光学
結晶上において入射されたレーザー光のビームを平行に
するようにしたものである。

【００１９】また、本発明による請求項３に記載の広帯
域高速波長変換方法は、非線形光学結晶にレーザー光を
入射して、高調波変換により上記入射されたレーザー光
の波長変換を行う広帯域高速波長変換方法において、レ
ーザー光を入射側第１分散素子へ入射して、上記入射さ
れたレーザー光を上記入射されたレーザー光の波長変化
に対応して光路を屈折させることにより分離させて上記
入射側第１分散素子から出射し、上記入射側第１分散素
子から出射されたレーザー光を、上記入射側第１分散素
子と同一の構成を備えた入射側第２分散素子へ入射し
て、上記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光
路を屈折させることにより平行ビームとして上記入射側
第２分散素子から出射し、上記入射側第２分散素子から
出射された平行ビームのレーザー光を第１放物面鏡へ入
射して、上記入射された平行ビームのレーザー光を上記
第１放物面鏡により同一点に集光させて反射し、上記第
１放物面鏡から同一点に集光させて反射されたレーザー
光を非線形光学結晶へ入射して、高調波変換により上記
入射されたレーザー光の波長変換を行い、上記非線形光
学結晶から出射された波長変換された異なる波長の変換
レーザー光を、上記第１放物面鏡と同一の構成を備えた
第２放物面鏡へ入射して、上記入射されたレーザー光の
波長変化に対応して光路を屈折させることにより平行ビ
ームとして上記第２放物面鏡により反射し、上記第２放
物面鏡から平行ビームとして反射されたレーザー光を出
射側第１分散素子へ入射して、平行ビームとして入射さ
れたレーザー光を上記入射されたレーザー光の波長変化
に対応して光路を屈折させて出射し、上記出射側第１分
散素子から出射されたレーザー光を、上記出射側第１分
散素子と同一の構成を備えた出射側第２分散素子へ入射
して、上記入射されたレーザー光を上記入射されたレー
ザー光の波長変化に対応して光路を屈折させて出射し、
上記第１放物面鏡、上記入射側第２分散素子および上記
入射側第１分散素子と同等の構成である、上記第２放物
面鏡、上記出射側第２分散素子および上記出射側第１分
散素子によって、上記第１放物面鏡、上記入射側第２分
散素子および上記入射側第１分散素子の作用の原理とは
逆の原理により、上記非線形光学結晶から出射された異
なる波長の変換レーザー光を同軸に重ねるようにしたも
のである。

【００２０】従って、本発明による請求項１乃至請求項
３に記載の広帯域高速波長変換方法によれば、非線形光
学結晶から出射される異なる波長のレーザー光を同軸に
重ねることができるようになる。

【００２１】また、本発明による請求項２に記載の広帯
域高速波長変換方法によれば、非線形光学結晶上におい
ては励起レーザー光のビームが平行になるので、励起レ
ーザー光としてパワーの高い平行ビームを用いた場合
に、非線形光学結晶内におけるビームの断面積が大きく
なって、励起レーザー光の強度を下げることができ、非
線形光学結晶の損傷を防ぐことができる。

【００２２】また、本発明による請求項４に記載の広帯
域高速波長変換装置は、非線形光学結晶にレーザー光を
入射して、高調波変換により上記入射されたレーザー光
の波長変換を行う広帯域高速波長変換装置において、レ
ーザー光を入射して、上記入射されたレーザー光を上記
入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折
させることにより分離させて出射する第１のプリズム
と、上記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、
入射角を選択して斜入射して、上記入射されたレーザー
光を集光特性に応じて出射する第１のシリンドリカル凹
面鏡と、上記第１のシリンドリカル凹面鏡から出射され
たレーザー光を入射して、高調波変換により上記入射さ
れたレーザー光の波長変換を行う非線形光学結晶と、上
記非線形光学結晶から出射された波長変換された異なる
波長の変換レーザー光を入射して、上記入射されたレー
ザーの光を集光特性に応じて出射する、上記第１のシリ
ンドリカル凹面鏡と同一の構成を備えた第２のシリンド
リカル凹面鏡と、上記第２のシリンドリカル凹面鏡から
出射されたレーザー光を入射して、上記入射されたレー
ザー光を上記入射されたレーザー光の波長変化に対応し
て光路を屈折させて出射する、上記第１のプリズムと同
一の構成を備えた第２のプリズムとを有し、上記第２の
シリンドリカル凹面鏡および上記第２のプリズムによっ
て、上記第１のシリンドリカル凹面鏡および上記第１の
プリズムの作用の原理とは逆の原理により、上記非線形
光学結晶から出射された異なる波長の変換レーザー光を
同軸に重ねるようにしたものである。

【００２３】また、本発明による請求項５に記載の広帯
域高速波長変換装置は、非線形光学結晶にレーザー光を
入射して、高調波変換により上記入射されたレーザー光
の波長変換を行う広帯域高速波長変換装置において、レ
ーザー光を入射して、上記入射されたレーザー光を出射
する上記第１の凸レンズと、上記第１の凸レンズから出
射されたレーザー光を入射して、上記入射されたレーザ
ー光を上記入射されたレーザー光の波長変化に対応して
光路を屈折させることにより分離させて出射する第１の
プリズムと、上記第１のプリズムから出射されたレーザ
ー光を、入射角を選択して斜入射して、上記入射された
レーザー光を集光特性に応じて出射する第１のシリンド
リカル凹面鏡と、上記第１のシリンドリカル凹面鏡から
出射されたレーザー光を入射して、高調波変換により上
記入射されたレーザー光の波長変換を行う非線形光学結
晶と、上記非線形光学結晶から出射された波長変換され
た異なる波長の変換レーザー光を入射して、上記入射さ
れたレーザーの光を集光特性に応じて出射する、上記第
１のシリンドリカル凹面鏡と同一の構成を備えた第２の
シリンドリカル凹面鏡と、上記第２のシリンドリカル凹
面鏡から出射されたレーザー光を入射して、上記入射さ
れたレーザー光を上記入射されたレーザー光の波長変化
に対応して光路を屈折させて出射する、上記第１のプリ
ズムと同一の構成を備えた第２のプリズムと、上記第２
のプリズムから出射されたレーザー光を入射して、上記
入射されたレーザー光を上記入射されたレーザー光の波
長変化に対応して光路を屈折させることにより平行ビー
ムとして出射する第２の凸レンズとを有し、上記第２の
シリンドリカル凹面鏡および上記第２のプリズムによっ
て、上記第１のシリンドリカル凹面鏡および上記第１の
プリズムの作用の原理とは逆の原理により、上記非線形
光学結晶から出射された異なる波長の変換レーザー光を
同軸に重ねるとともに、上記非線形光学結晶上において
入射されたレーザー光のビームを平行にするようにした
ものである。

【００２４】また、本発明による請求項６に記載の広帯
域高速波長変換装置は、非線形光学結晶にレーザー光を
入射して、高調波変換により上記入射されたレーザー光
の波長変換を行う広帯域高速波長変換装置において、レ
ーザー光を入射して、上記入射されたレーザー光を上記
入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折
させることにより分離させて出射する入射側第１分散素
子と、上記入射側第１分散素子から出射されたレーザー
光を入射して、上記入射されたレーザー光の波長変化に
対応して光路を屈折させることにより平行ビームとして
出射する、上記入射側第１分散素子と同一の構成を備え
た上記入射側第２分散素子と、上記入射側第２分散素子
から出射された平行ビームのレーザー光を入射して、上
記入射された平行ビームのレーザー光を同一点に集光さ
せて反射する第１放物面鏡と、上記第１放物面鏡から同
一点に集光させて反射されたレーザー光を入射して、高
調波変換により上記入射されたレーザー光の波長変換を
行う非線形光学結晶と、上記非線形光学結晶から出射さ
れた波長変換された異なる波長の変換レーザー光を入射
して、上記入射されたレーザー光の波長変化に対応して
光路を屈折させることにより平行ビームとして反射す
る、上記第１放物面鏡と同一の構成を備えた第２放物面
鏡と、上記第２放物面鏡から平行ビームとして反射され
たレーザー光を入射して、平行ビームとして入射された
レーザー光を上記入射されたレーザー光の波長変化に対
応して光路を屈折させて出射する出射側第１分散素子
と、上記出射側第１分散素子から出射されたレーザー光
を入射して、上記入射されたレーザー光を上記入射され
たレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させて出
射する、上記出射側第１分散素子と同一の構成を備えた
第２分散素子とを有し、上記第１放物面鏡、上記入射側
第２分散素子および上記入射側第１分散素子と同等の構
成である、上記第２放物面鏡、上記出射側第２分散素子
および上記出射側第１分散素子によって、上記第１放物
面鏡、上記入射側第２分散素子および上記入射側第１分
散素子の作用の原理とは逆の原理により、上記非線形光
学結晶から出射された異なる波長の変換レーザーを同軸
に重ねるようにしたものである。

【００２５】従って、本発明による請求項４乃至請求項
６に記載の広帯域高速波長変換装置によれば、非線形光
学結晶から出射される異なる波長のレーザー光を同軸に
重ねることができるようになる。

【００２６】また、本発明による請求項５に記載の広帯
域高速波長変換装置によれば、非線形光学結晶上におい
ては励起レーザー光のビームが平行になるので、励起レ
ーザー光としてパワーの高い平行ビームを用いた場合
に、非線形光学結晶内におけるビームの断面積が大きく
なって、励起レーザー光の強度を下げることができ、非
線形光学結晶の損傷を防ぐことができる。

【００２７】ここで、上記入射側第１分散素子と上記入
射側第２分散素子と上記出射側第１分散素子と上記出射
側第２分散素子とは、プリズムとすることができる。

【００２８】また、上記入射側第１分散素子と上記入射
側第２分散素子と上記出射側第１分散素子と上記出射側
第２分散素子とは、回折格子とすることができる。

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明による広帯域高速波長変換方法およびその装置の実
施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

【００３８】図４には、本発明による広帯域高速波長変
換装置の実施の形態の一例の概念構成図が示されてお
り、この広帯域高速波長変換装置は、波長可変レーザー
たるチタン・サファイア・レーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈ
ｉｒｅ ｌａｓｅｒ）のレーザー光を非線形光学結晶１
０への励起レーザー光として用い、非線形光学結晶１０
から励起レーザー光の第二高調波を変換レーザー光とし
て出射することにより、励起レーザー光の高調波変換を
行う広帯域高速波長変換装置である。

【００３９】即ち、図４に示す広帯域高速波長変換装置
は、非線形光学結晶１０と、分散素子たる第１プリズム
１２と、集光素子たる第１シリンドリカル凹面鏡１４
と、集光素子たる第２シリンドリカル凹面鏡１６と、分
散素子たる第２プリズム１８とを有している。

【００４０】なお、第１プリズム１２と第２プリズム１
８とは同一の構成を備えており、第１シリンドリカル凹
面鏡１４と第２シリンドリカル凹面鏡１６とは同一の構
成を備えている。

【００４１】この図４に示す広帯域高速波長変換装置に
おいては、励起レーザー光は第１プリズム１２により波
長に応じて光路が屈折されて、励起レーザー光の波長毎
にビームの光路を分け、第１シリンドリカル凹面鏡１４
により非線形光学結晶１０への入射角を各波長において
最適化するように調整され、非線形光学結晶１０へ入射
される。

【００４２】なお、第１シリンドリカル凹面鏡１４は、
励起レーザー光のビームの集光も行っている。

【００４３】非線形光学結晶１０に入射された励起レー
ザー光は、非線形光学結晶１０により波長変換されて、
非線形光学結晶１０からは励起レーザー光の第二高調波
が変換レーザー光として出射される。

【００４４】非線形光学結晶１０から出射された変換レ
ーザー光は、第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹
面鏡１４との作用の原理とは逆の原理により、第２シリ
ンドリカル凹面鏡１６に光路を調整されて第２プリズム
１８へ入射され、第２プリズム１８により屈折されて所
定の光路により出射される。即ち、第２シリンドリカル
凹面鏡１６および第２プリズム１８によってコリメート
され、同軸に重ねられて第２プリズム１８から出射され
る。

【００４５】ここで、図４に示す広帯域高速波長変換装
置において、励起レーザー光の波長をλ（λは、λ_１、
λ_{ｃｅｎｔｅｒ}、λ_２、・・・などの任意の値をとるこ
とができる。）とした場合において、励起レーザー光の
非線形光学結晶への入射角θ’（λ）（λ＝λ_１のとき
θ’（λ）はθ’（λ_１）であり、λ＝λ_{ｃｅｎｔｅ ｒ}
のときθ’（λ）はθ’（λ_{ｃｅｎｔｅｒ}）であり、λ
＝λ_２のときθ’（λ）はθ’（λ_２）である。）を励
起レーザー光の非線形光学結晶１０への最適な入射角、
即ち、位相整合条件に適合した位相調整角をθ（λ）
（λ＝λ_１のときθ（λ）はθ（λ_１）であり、λ＝λ
_{ｃｅｎｔｅｒ}のときθ（λ）はθ（λ_{ｃｅ ｎｔｅｒ}）で
あり、λ＝λ_２のときθ（λ）はθ（λ_２）である。）
とするには、 （１）第１プリズム１２への入射角β （２）第１プリズム１２の頂角Ａ （３）第１プリズム１２の材質（分散特性）ｎ（λ） （４）第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１
４との間の距離ｄ （５）第１シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒ （６）励起レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの
第１シリンドリカル凹面鏡１ ４への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ} の６個のパラメータの調整を行うことになる。

【００４６】このように、従来の技術として示した図２
に示す装置と比較すると、図４に示す広帯域高速波長変
換装置はパラメータが１つ増えて６個となっている。

【００４７】即ち、図４に示す広帯域高速波長変換装置
における（１）〜（５）のパラメータの特性は、図２に
示す装置における（１）〜（５）のパラメータの特性と
ほぼ一致しており、図４に示す広帯域高速波長変換装置
においては、図２に示す装置に比べると、「（６）励起
レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの第１シリン
ドリカル凹面鏡１４への入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}」が新た
なパラメータとして加えられたことになる。

【００４８】第１プリズム１２で分離した励起レーザー
光のビームを第１シリンドリカル凹面鏡１４に斜入射す
ると、第１シリンドリカル凹面鏡１４は一種の分散素子
のような作用を果たすことになるので、この第１シリン
ドリカル凹面鏡１４への入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}を変える
ことにより、第１シリンドリカル凹面鏡１４における分
散特性を連続的に変化させることができる。

【００４９】このため、図４に示す広帯域高速波長変換
装置によれば、従来の技術として示した図２に示す装置
よりも、高い精度でθ’（λ）をθ（λ）に調整するこ
とができる。

【００５０】ここで、図４に示す広帯域高速波長変換装
置の原理を説明すると、図５に示すグラフにおける実線
θ（λ）は、励起レーザー光の中心波長を８００ｎｍと
した場合における、非線形光学結晶１０の位相整合条件
から計算される励起レーザー光の非線形光学結晶１０へ
の最適な入射角を示している。

【００５１】入射レーザー光の各波長λにおいて、入射
角θ（λ）で励起レーザー光を非線形光学結晶１０へ入
射できれば、高効率で励起レーザー光の第二高調波を発
生させることができる。

【００５２】図４に示す広帯域高速波長変換装置におい
ては、第１プリズム１２および第１シリンドリカル凹面
鏡１４を用いることにより、手動やモーターにより非線
形光学結晶１０を回転させることなしに、励起レーザー
光の波長に応じて自動的に励起レーザー光の非線形光学
結晶１０への入射角をθ（λ）に設定することができ
る。 実際には、上記した６個のパラメータによって決
定される入射角θ’（λ）が、最適な入射角θ（λ）に
なるように、上記した６個のパラメータを選択すること
になる。

【００５３】ここで、第１プリズム１２の効果である
が、励起レーザー光のビームが第１プリズム１２に入射
すると、第１プリズム１２の分散効果により波長毎にビ
ームの方向が変わることになる。その波長依存性は、図
５に示すグラフ中の破線で表示されているようなカーブ
となる。このカーブの形状はθ（λ）に類似している
が、その傾きはθ（λ）と比べて小さいことがわかる。

【００５４】そこで、第１シリンドリカル凹面鏡１４を
用いると、上記したカーブの傾きを大きくすることがで
きるとともに、ビームの拡がりを抑制することができ
る。正確には、第１プリズム１２と第１シリンドリカル
凹面鏡１４との間の距離ｄと第１シリンドリカル凹面鏡
１４の曲率Ｒとによって、上記したカーブの傾きは決定
される。しかしながら、カーブの傾きはθ（λ）の傾き
とは異なる（図６参照）。

【００５５】次に、このθ（λ）の傾きとは異なる傾き
のカーブの形を、第１シリンドリカル凹面鏡１４への入
射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}、第１プリズム１２への入射角βに
より調整する。このとき、第１シリンドリカル凹面鏡１
４への入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}、第１プリズム１２への入
射角βを変えるとカーブの傾きも同時に変化するので
（図７参照）、第１プリズム１２の頂角Ａ、第１プリズ
ム１２の材質（分散特性）ｎ（λ）、第１プリズム１２
と第１シリンドリカル凹面鏡１４との間の距離ｄ、第１
シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒを変化させて、繰り
返し調整を行う。

【００５６】また、図４に示す広帯域高速波長変換装置
は、励起レーザー光としてパワーの低い平行ビームのみ
ならず、パワーの高い平行ビームを用いることができ
る。

【００５７】即ち、励起レーザー光としてパワーの低い
平行ビームを用いる場合には、図８に示すように、非線
形光学結晶１０内に焦点を位置させるようにすればよ
い。このようにすると、非線形光学結晶１０内における
ビームの断面積が小さくなり、非線形光学結晶１０内に
おける励起レーザー光の強度を上げることができ、効率
の良い波長変換を行うことができるようになる。

【００５８】一方、励起レーザー光としてパワーの高い
平行ビームを用いる場合には、図９に示すよう、第１プ
リズム１２の前段に適宜の焦点距離をもつ凸レンズ２０
を配置することにより、第１プリズム１２と第１シリン
ドリカル凹面鏡１４との間に焦点を位置させるようにし
て、非線形光学結晶１０上においては励起レーザー光の
ビームが平行になるようにする。このようにすると、非
線形光学結晶１０内におけるビームの断面積が大きくな
り、励起レーザー光の強度を下げることができるので、
非線形光学結晶１０の損傷を防ぐことができる。

【００５９】なお、凸レンズ２０の焦点距離と、第１プ
リズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１４との間に生
成される焦点位置との調節により、励起レーザー光のビ
ーム径と非線形光学結晶１０内におけるビーム径との比
率を調整することができる。

【００６０】なお、図９において符号２２は、凸レンズ
であり、第２プリズム１８から出射された出射レーザー
光を平行ビームにするように作用する。

【００６１】図１０は、図４に示す広帯域高速波長変換
装置において、第１シリンドリカル凹面鏡１４に代えて
シリンドリカルでない通常の球状の凹面鏡２４を用いた
場合の要部概念構成説明図であるが、この場合には、第
１プリズム１２と凹面鏡２４との間にシリンドリカルレ
ンズ２６を配設することが好ましい。

【００６２】ここで、凹面鏡２４は、励起レーザー光が
斜入射した場合に縦方向と横方向とで焦点が異なる（図
１１参照）。そして、シリンドリカルレンズ２６は、縦
方向の焦点のみを調節するように作用する（図１２参
照）。

【００６３】図１３には、本発明による広帯域高速波長
変換装置の他の実施の形態の概念構成図が示されてい
る。なお、図４の構成と同一あるいは相当する構成に
は、図４において用いた符号を用いて示すこととし、そ
の詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。

【００６４】この図１３に示す広帯域高速波長変換装置
は、第２シリンドリカル凹面鏡１６と第２プリズム１８
との間に、非線形光学結晶２８と第３シリンドリカル凹
面鏡３０とを配設した点においてのみ、図４に示す広帯
域高速波長変換装置と異なる。

【００６５】ここで、非線形光学結晶２８は非線形光学
結晶１０と同一の構成を備えており、第３シリンドリカ
ル凹面鏡３０は第１シリンドリカル凹面鏡１４および第
２シリンドリカル凹面鏡１６と同一の構成を備えてい
る。

【００６６】従って、図１３に示す広帯域高速波長変換
装置によれば、非線形光学結晶１０から出射された変換
レーザー光の第二高調波が、非線形光学結晶２８により
第三高調波に波長変換されて、当該変換レーザー光の第
三高調波が変換レーザー光として第２プリズム１８から
出射される。

【００６７】次に、本願出願人によって行われた、図４
に示す広帯域高速波長変換装置を用いた実験結果につい
て説明する。

【００６８】この実験においては、非線形光学結晶１０
としてはＢＢＯ結晶を用いており、非線形光学結晶１０
たるＢＢＯ結晶は励起レーザー光に対して結晶角が２
９．２度になるようにカットされている。

【００６９】また、励起レーザー光としては、波長が７
０６ｎｍ〜９４８ｎｍの範囲で波長選択可能なパルス・
レーザーたるチタン・サファイア・レーザーを用いてお
り、その最大エネルギーは４ｍＪ／ｐｕｌｓｅであり、
パルス幅は２０ｎｓ〜４０ｎｓである。

【００７０】さらに、上記した６個のパラメータはそれ
ぞれ、 （１）第１プリズム１２への入射角β：７０度 （２）第１プリズム１２の頂角Ａ：６７度 （３）第１プリズム１２の材質（分散特性）ｎ（λ）：
Ｓ Ｆ５７ （４）第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１
４との間の距離ｄ：１９６．１ｍｍ （５）第１シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒ：１０
６．５ｍｍ （６）励起レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの
第１シリンドリカル凹面鏡１ ４への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ}：６０度 とされている。

【００７１】図１４乃至図１６に示すグラフは、上記し
た実験条件において実験した結果を示すグラフであり、
図１４における実線θ（λ）は、非線形光学結晶１０の
位相整合条件から計算される励起レーザー光の非線形光
学結晶１０への最適な入射角を示している。

【００７２】即ち、励起レーザー光の各波長λにおい
て、入射角θ（λ）で励起レーザー光を非線形光学結晶
１０に入射できれば、高効率で励起レーザー光の第二高
調波を発生させることができる。

【００７３】そして、図１４における破線θ’（λ）
が、上記した実験条件において非線形光学結晶１０への
励起レーザー光の入射角の測定結果を示している。

【００７４】また、図１５における実線は、上記した実
験条件において測定した非線形光学結晶１０への励起レ
ーザー光の入射角θ’（λ）と最適な入射角θ（λ）と
の差たる「θ（λ）−θ’（λ）」を表している。な
お、図１４における入射角θ（λ）を表す実線と入射角
θ’（λ）を表す破線とは、ほとんど重なっているが、
「θ（λ）−θ’（λ）」を計算して拡大すると、図１
５に示すようになる。

【００７５】さらに、図１５における破線は、効率的に
波長変換を行うための励起レーザー光の非線形光学結晶
１０への入射角の許容範囲を示している。

【００７６】従って、上記した実験条件において測定し
た非線形光学結晶１０への励起レーザー光の入射角θ’
（λ）と最適な入射角θ（λ）との差たる「θ（λ）−
θ’（λ）」が、上記した許容角以内であれば、高効率
で第二高調波を発生させることができる。

【００７７】さらに、図１６（ａ）は非線形光学結晶１
０へ入射した励起レーザー光の波長と励起レーザー光の
出力との関係を示し、図１６（ｂ）は非線形光学結晶１
０から出射された変換レーザー光の第二高調波の波長と
第二高調波の出力の関係を示している。この図１６
（ａ）（ｂ）に示すように、図４に示す広帯域高速波長
変換装置によれば、効率的に波長７００ｎｍ〜９００ｎ
ｍの波長域の光を波長３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの第二高
調波を含む変換レーザー光に変換することができる。

【００７８】なお、図１７は、第１シリンドリカル凹面
鏡１４への入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}のみを変化させ、他の
実験条件は図１４に示す実験と同条件にして実験した際
における、非線形光学結晶１０への励起レーザー光の入
射角θ’（λ）の変化を示すグラフである。この図１７
から明らかなように、第１シリンドリカル凹面鏡１４へ
の入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}を変化させると、非線形光学結
晶１０への励起レーザー光の入射角θ’（λ）の波長依
存性が変化することが分かる。

【００７９】ここで、非線形光学結晶１０への励起レー
ザー光の入射角θ’（λ）と上記した６個のパラメータ
たる （１）第１プリズム１２への入射角β （２）第１プリズム１２の頂角Ａ （３）第１プリズム１２の材質（分散特性）ｎ（λ） （４）第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１
４との間の距離ｄ （５）第１シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒ （６）励起レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの
第１シリンドリカル凹面鏡１ ４への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ} とは上記したように定義されるものであるが（図４の要
部拡大図である図１８を参照する。）、図１９における
関係式に示すような関係を備えているものである。

【００８０】この図１９における関係式から明らかなよ
うに、非線形光学結晶１０への励起レーザー光の入射角
θ’（λ）は、上記した６個のパラメータたる （１）第１プリズム１２への入射角β （２）第１プリズム１２の頂角Ａ （３）第１プリズム１２の材質（分散特性）ｎ（λ） （４）第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１
４との間の距離ｄ （５）第１シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒ （６）励起レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの
第１シリンドリカル凹面鏡１ ４への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ} の関数となっており、非線形光学結晶１０への励起レー
ザー光の入射角θ’（λ）は、これら６個のパラメータ
により決定される。

【００８１】なお、図１９における関係式において、ｂ
は第１プリズム１２のふれ角を表す式であり、励起レー
ザー光の波長λの関数となっており、励起レーザー光の
波長λが変化するとｂも変化する。

【００８２】また、ｘ，ｙは、第１シリンドリカル凹面
鏡１４上の励起レーザー光のビームが当たる位置を表し
ており、ａ，ｂ，ｃの関数となっているが、ａ，ｃは第
１シリンドリカル凹面鏡１４への入射角α_{ｃｅｎｔｅｒ}
によって変わり、最終的にγ（λ）を変化させる。

【００８３】ここで、図２０（ａ）に示す図２に対応す
る従来技術の構成図および図２０（ｂ）に示す従来技術
の概念図を参照しながら、図２に示す従来技術について
説明すると、従来技術においては、同材質および同頂角
の２個の対のプリズムは各波長毎に光路の異なるレーザ
ー光のビームを生成する。そして、レンズは、２個の対
のプリズムによってつくられた波長依存性を保ちなが
ら、その集光特性により、非線形光学結晶への入射角を
決定する。

【００８４】こうした従来技術においては、レンズは、
図２１に示すように、レンズの中心からビームの入射位
置までの距離ｘ’＝ｘ（λ）−ｘ（λ_{ｃｅｎｔｅｒ}）に
よって決まるレンズの中心を軸に対称な単純な関数θ’
（λ）＝ｇ（ｘ’（λ））［正確にはθ’（λ）＝ｔａ
ｎ^−１（ｘ’（λ）／ｆ）：ｆはレンズの焦点距離］を
与えるだけであり、従って、この従来技術における非線
形光学結晶への入射角の波長依存性を決める分散効果
は、プリズムの分散特性によってのみ制御が可能であ
る。

【００８５】図２２（ａ）には図４に対応する広帯域高
速波長変換装置の要部構成図が示されているとともに、
図２２（ｂ）には図４に対応する広帯域高速波長変換装
置の概念図が示されているが、この広帯域高速波長変換
装置においては、第１プリズム１２はレーザー光のビー
ムを各波長毎に分離し、その材質の分散特性に応じたε
方向の波長成分の分布ε（λ）をつくる。ここで第１シ
リンドリカル凹面鏡１４は、従来技術におけるレンズと
同様に集光素子として機能し、θ’（λ）＝ｈ（ε
（λ））の関数を与えるが、その関数の形ｈは第１シリ
ンドリカル凹面鏡１４の傾きにより変化させることがで
きる。このことから、凹面鏡によりプリズム分散効果を
さらに変化させることが可能である。

【００８６】従って、本発明による広帯域高速波長変換
装置においては、非線形光学結晶１０への入射角の波長
依存性は、第１プリズム１２の分散特性と第１シリンド
リカル凹面鏡１４の分散効果との２つにより決定される
ことになる。その結果、従来技術と比較すると、高い精
度で入射角を設定することができるようになる。

【００８７】なお、凹面鏡の代わりに集光レンズを傾け
たり、レンズの中心を光学軸上からずらしたりすること
によっても、同様の効果を得ることが可能である。

【００８８】即ち、従来の装置ではレンズは入射光に対
して垂直になるように配置していたが、図２３（ａ）
（ｂ）に示すように、広帯域高速波長変換装置のシリン
ドリカル凹面鏡の位置に集光レンズを配置し、この集光
レンズの角度を調節することにより、レンズにおいても
分散効果が得られる。

【００８９】従って、広帯域高速波長変換装置のシリン
ドリカル凹面鏡をレンズに置き換えた装置においては、
非線形光学結晶１０への入射角の波長依存性は、第１プ
リズム１２の分散特性とレンズの分散効果との２つによ
り決定されることになる。その結果、従来技術と比較す
ると、高い精度で入射角の設定することができるように
なる。

【００９０】即ち、集光素子としては、シリンドリカル
凹面鏡やシリンドリカルでない通常の球状の凹面鏡の他
にレンズなどを用いることができるものであり、さらに
は、放物面鏡を用いるようにしてもよい。

【００９１】また、分散素子としては、プリズムの他に
回折格子などを用いることができるものである。

【００９２】ここで、図２４には、集光素子として放物
面鏡を用いた本発明による広帯域高速波長変換装置の実
施の形態の一例の概念構成図が示されており、この広帯
域高速波長変換装置は、波長可変レーザーたるチタン・
サファイア・レーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａ
ｓｅｒ）のレーザー光を非線形光学結晶２００への励起
レーザー光として用い、非線形光学結晶２００から励起
レーザー光の第二高調波を変換レーザー光として出射す
ることにより、励起レーザー光の高調波変換を行う広帯
域高速波長変換装置である。

【００９３】即ち、図２４に示す広帯域高速波長変換装
置は、励起レーザー光が入射される第１の分散素子たる
入射側第１プリズム２０２と、入射側第１プリズムから
出射された励起レーザー光が入射される第２の分散素子
たる入射側第２プリズム２０４と、入射側第２プリズム
２０４から出射された励起レーザー光を集光して反射す
る集光素子たる第１放物面鏡２０６と、第１放物面鏡２
０６により反射された励起レーザー光を入射する非線形
光学結晶２００と、非線形光学結晶２００から出射され
る変換レーザー光を集光して反射する集光素子たる第２
放物面鏡２０８と、第２放物面鏡２０８により反射され
た変換レーザー光が入射される第３の分散素子たる出射
側第１プリズム２１０と、出射側第１プリズム２１０か
ら出射された変換レーザー光が入射される第４の分散素
子たる出射側第２プリズム２１２とを有している。

【００９４】なお、入射側第１プリズム２０２と入射側
第２プリズム２０４とは同一の構成を備えており、出射
側第１プリズム２１０と出射側第２プリズム２１２とは
同一の構成を備えており、第１放物面鏡２０６と第２放
物面鏡２０８とは同一の構成を備えている。

【００９５】この図２４に示す広帯域高速波長変換装置
においては、励起レーザー光は入射側第１プリズム２０
２により波長に応じて光路が屈折されて、励起レーザー
光の波長毎にビームの光路を分け、入射側第２プリズム
２０４に入射される。

【００９６】入射側第２プリズム２０４においては、入
射された励起レーザー光の光路が波長に応じて屈折され
て平行ビームとして第１放物面鏡２０６に出射され、第
１放物面鏡２０６により非線形光学結晶２００への入射
角を各波長において最適化するように調整され、非線形
光学結晶２００へ入射される。

【００９７】なお、第１放物面鏡２０６は、励起レーザ
ー光のビームの集光も行っている。

【００９８】非線形光学結晶２００に入射された励起レ
ーザー光は、非線形光学結晶２００により波長変換され
て、非線形光学結晶２００からは励起レーザー光の第二
高調波が変換レーザー光として出射される。

【００９９】非線形光学結晶２００から出射された変換
レーザー光は、第１放物面鏡２０６、入射側第２プリズ
ム２０４および入射側第１プリズム２０２の作用の原理
とは逆の原理により、第２放物面鏡２０８に光路を調整
されて出射側第１プリズム２１０へ入射され、出射側第
１プリズム２１０により屈折されて所定の光路により出
射され、出射側第１プリズム２１０より出射された変換
レーザー光はさらに出射側第２プリズム２１２により屈
折されて所定の光路により出射される。即ち、非線形光
学結晶２００から出射された変換レーザー光は、第２放
物面鏡２０８、出射側第１プリズム２１０および出射側
第２プリズム２１２によってコリメートされ、同軸に重
ねられて出射側第２プリズム２１２から出射される。

【０１００】ここで、例えば、図４に示す実施の形態に
おいて、第１シリンドリカル凹面鏡１４に代えて球状凹
面鏡を用いた場合には、励起レーザー光の波長毎に球状
凹面鏡への入射角が変わるため、波長毎に焦点の位置が
わずかに変わってしまっていた（図２５（ａ）参照）。
その結果、励起レーザー光の波長によっては、励起レー
ザー光を非線形光学結晶１０上の最適な位置に常に集光
させることができないおそれがあり、励起レーザー光の
全ての波長で高い波長変換効率を得ることができないお
それがあった。

【０１０１】ところが、図２４に示す実施の形態におい
て、集光素子として用いた第１放物面鏡２０６は、平行
ビームが入射した際に必ず一点に集光する（図２５
（ｂ）参照）。即ち、入射側第１プリズム２０２および
入射側第２プリズム２０４により波長変化に対応して光
路を分離され、平行ビームとされた励起レーザー光は、
第１放物面鏡２０６により常に同一点に集光されること
となる。

【０１０２】従って、図２４に示す実施の形態によれ
ば、励起レーザー光の波長がどのような波長であって
も、励起レーザー光を非線形光学結晶２００上の最適な
位置に常に集光させることができるので、励起レーザー
光の波長がどのような波長でも高い波長変換効率を得る
ことができる。

【０１０３】また、励起レーザー光を非線形光学結晶２
００上の同一点に集光した場合には、非線形光学結晶２
００から出射される変換レーザー光も同一点より出射す
ることになり、この非線形光学結晶２００から出射され
る変換レーザー光は第２放物面鏡２０８により波長に関
わらず常に平行にすることができる。そして、平行とな
ったビームは、出射側第１プリズム２１０および出射側
第２プリズム２１２によって精度良く同軸に重ねること
ができる。

【０１０４】図２６には、図２４に示す実施の形態によ
り下記の実験条件において、励起レーザー光の入射角
θ’（λ）と最適な入射角θ（λ）との差たる「θ’
（λ）−θ（λ）」と、効率的に波長変換を行うための
励起レーザー光の非線形光学結晶２００への入射角の許
容範囲との関係を示すグラフが示されている。

【０１０５】図２６に示すグラフにおいて、実線は
「θ’（λ）−θ（λ）」（図２６においては、「θ
_ｐｍ−θ_ｉｎ」として示す。）を示しており、破線で囲
まれた範囲は許容範囲（許容角）を示している。図２６
に示すグラフから明らかなように、波長０．６４μｍ〜
０．９８μｍの広範囲にわたり、高効率に波長変換可能
であることが分かる。

【０１０６】なお、上記した波長０．６４μｍ〜０．９
８μｍという範囲は、図１５に示す波長範囲より広いも
のである。

【０１０７】また、図２７には、図２４に示す実施の形
態により下記の実験条件において、出射側第２プリズム
２１２から最終的に出射される変換レーザー光の出射位
置の変動を示すグラフが示されている。図２７に示すグ
ラフから明らかなように、変換レーザー光の波長０．３
５μｍ〜０．５０μｍ（励起レーザー光の波長が０．７
μｍ〜１．０μｍ）の範囲で、「±０．０６ｍｍ」と小
さい変動となっている。

【０１０８】ここで、図２６および図２７に示すグラフ
における実験条件は、 （１）入射側第１プリズム２０２、入射側第２プリズム
２０４ ＳＦ５７製、頂角Ａ１＝６０度 （２）入射側第１プリズム２０２と入射側第２プリズム
２０４との間の距離 距離ｄ１＝１９３ｍｍ （３）第１放物面鏡２０６、第２放物面鏡２０８ 中心波長での焦点距離＝６０ｍｍ 中心波長でのレーザー光の入射角＝２３度 （４）出射側第１プリズム２１０、入射側第２プリズム
２１２ 合成石英製、頂角Ａ２＝７４度 （５）出射側第１プリズム２１０と入射側第２プリズム
２１２との間の距離 距離ｄ２＝２５５．７ｍｍ （６）非線形光学結晶２００ ＢＢＯ結晶、長さ＝５ｍｍ とされている。

【０１０９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、非線形光学結晶から出射される異なる波長
の変換レーザー光を同軸に重ねることができるという優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】非線形光学結晶を手動やモーターにより回転さ
せることによって、入射レーザー光に対して非線形光学
結晶を位相整合条件を満たす位相整合角に位置させると
いう、従来の位相整合条件を満たす方法を示す概念構成
説明図である。

【図２】手動やモーターで非線形光学結晶を回転させる
ことなしに、非線形光学結晶に対する入射レーザー光の
入射角を調整するための従来の装置を示す概念構成説明
図である。

【図３】図２に示す装置において、入射レーザー光とし
て平行ビームを用いた場合に当該入射レーザー光が非結
晶光学結晶上で集光されてしまう状態を示す概念構成説
明図である。

【図４】本発明による広帯域高速波長変換装置の実施の
形態の一例の概念構成説明図である。

【図５】本発明による広帯域高速波長変換装置の原理を
説明する際における、第１プリズムの効果を説明するた
めのグラフである。

【図６】本発明による広帯域高速波長変換装置の原理を
説明する際における、第１プリズムと第１シリンドリカ
ル凹面鏡との間の距離ｄと、第１シリンドリカル凹面
鏡、第２シリンドリカル凹面鏡１６の曲率Ｒとの効果を
説明するためのグラフである。

【図７】本発明による広帯域高速波長変換装置の原理を
説明する際における、第１シリンドリカル凹面鏡への入
射角α、第１プリズムへの入射角βの効果を説明するた
めのグラフである。

【図８】本発明による広帯域高速波長変換装置におい
て、入射レーザー光としてパワーの低い平行ビームを用
いる場合を示す概念構成説明図である。

【図９】本発明による広帯域高速波長変換装置におい
て、入射レーザー光としてパワーの高い平行ビームを用
いる場合を示す概念構成説明図である。

【図１０】図４に示す広帯域高速波長変換装置におい
て、第１シリンドリカル凹面鏡に代えてシリンドリカル
でない通常の凹面鏡を用いた場合の要部概念構成説明図
である。

【図１１】凹面鏡に入射レーザー光が斜入射した場合に
縦方向と横方向とで焦点が異なる状態を示す概念構成説
明図である。

【図１２】シリンドリカルレンズの縦方向の焦点の調節
作用を示す概念構成説明図である。

【図１３】本発明による広帯域高速波長変換装置の他の
実施の形態の概念構成説明図である。

【図１４】実験結果を示すグラフであり、非線形光学結
晶の位相整合条件から計算される励起レーザー光の非線
形光学結晶への最適な入射角θ（λ）と、実験により測
定された非線形光学結晶への励起レーザー光の入射角
θ’（λ）との関係を示す。

【図１５】実験結果を示すグラフであり、実験により測
定された非線形光学結晶への励起レーザー光の入射角
θ’（λ）と最適な入射角θ（λ）との差たる「θ
（λ）−θ’（λ）」と、効率的に波長変換を行うため
の励起レーザー光の非線形光学結晶への入射角の許容範
囲との関係を示す。

【図１６】実験結果を示すグラフであり、（ａ）は非線
形光学結晶へ入射した励起レーザー光の波長と励起レー
ザー光の出力との関係を示し、（ｂ）は非線形光学結晶
から出射された変換レーザー光の第二高調波の波長と第
二高調波の出力の関係を示す。

【図１７】第１シリンドリカル凹面鏡への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ}のみを変化させ、他の実験条件は図１４に
示す実験と同条件にして実験した際における、非線形光
学結晶への励起レーザー光の入射角θ’（λ）の変化を
示すグラフである。

【図１８】図４の要部拡大図である。

【図１９】非線形光学結晶への励起レーザー光の入射角
θ’（λ）と、６個のパラメータたる （１）第１プリズム１２への入射角β （２）第１プリズム１２の頂角Ａ （３）第１プリズム１２の材質（分散特性）ｎ（λ） （４）第１プリズム１２と第１シリンドリカル凹面鏡１
４との間の距離ｄ （５）第１シリンドリカル凹面鏡１４の曲率Ｒ （６）励起レーザー光の波長がλ_{ｃｅｎｔｅｒ}のときの
第１シリンドリカル凹面鏡１ ４への入射角α
_{ｃｅｎｔｅｒ} との関係式を示す。

【図２０】従来技術の作用を説明するための説明図であ
り、（ａ）は図２に対応する従来技術の構成図であり、
（ｂ）は従来技術の概念図である。

【図２１】従来技術におけるレンズの作用を説明するた
めの説明図である。

【図２２】本発明の作用を説明するための説明図であ
り、（ａ）は図４に対応する広帯域高速波長変換装置の
要部構成図であり、（ｂ）は図４に対応する広帯域高速
波長変換装置の概念図である。

【図２３】分散効果を説明するための説明図であり、
（ａ）はシリンドリカル凹面鏡による分散効果を示す説
明図であり、（ｂ）はレンズによる分散効果を示す説明
図である。

【図２４】集光素子として放物面鏡を用いた本発明によ
る広帯域高速波長変換装置の実施の形態の一例の概念構
成図である。

【図２５】球状凹面鏡と放物面鏡とによる反射光の焦点
位置を示し、（ａ）は球状凹面鏡の場合を示し、（ｂ）
は放物面鏡の場合を示す。

【図２６】実験結果を示すグラフであり、励起レーザー
光の入射角θ’（λ）と最適な入射角θ（λ）との差た
る「θ’（λ）−θ（λ）」と、効率的に波長変換を行
うための励起レーザー光の非線形光学結晶への入射角の
許容範囲との関係を示す。

【図２７】実験結果を示すグラフであり、出射側第２プ
リズムから最終的に出射される変換レーザー光の出射位
置の変動を示す。

【符号の説明】

１０、２８、２００ 非線形光学結晶 １２ 第１プリズム １４ 第１シリンドリカル凹面鏡 １６ 第２シリンドリカル凹面鏡 １８ 第２プリズム ２０、２２ 凸レンズ ２４ 凹面鏡 ２６ シリンドリカルレンズ ３０ 第３シリンドリカル凹面鏡 ２０２ 入射側第１プリズム ２０４ 入射側第２プリズム ２０６ 第１放物面鏡 ２０８ 第２放物面鏡 ２１０ 出射側第１プリズム ２１２ 出射側第２プリズム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田代 英夫 宮城県仙台市青葉区長町字越路19−1399 理化学研究所フォトダイナミクス研究 センター内 (56)参考文献 Ｓ．Ｓａｉｋａｎ ｅｔ ａｌ．，Ａ ｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ. 18，Ｎｏ．２，ｐｐ．193−196（1979) Ｇ．Ｓｚａｂｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐ ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，Ｖｏ ｌ．Ｂ58，Ｎｏ．３，ｐｐ．237−241 （1994) Ｇ．Ｓｚａｂｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐ ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，Ｖｏ ｌ．Ｂ50，Ｎｏ．１，ｐｐ．51−54 （1990) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/37 - 1/39 H01S 3/108 - 3/109 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換方法において、 レーザー光を第１のプリズムへ入射して、前記入射され
   たレーザー光を前記入射されたレーザー光の波長変化に
   対応して光路を屈折させることにより分離させて前記第
   １のプリズムから出射し、 前記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、第１
   のシリンドリカル凹面鏡への入射角を選択して斜入射し
   て、前記入射されたレーザー光を前記第１のシリンドリ
   カル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、 前記第１のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を非線形光学結晶へ入射して、高調波変換により前
   記入射されたレーザー光の波長変換を行い、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を、前記第１のシリンドリカル
   凹面鏡と同一の構成を備えた第２のシリンドリカル凹面
   鏡へ入射して、前記入射されたレーザーの光を前記第２
   のシリンドリカル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を、前記第１のプリズムと同一の構成を備えた第２
   のプリズムへ入射して、前記入射されたレーザー光を前
   記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
   折させて出射し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡および前記第２のプリ
   ズムによって、前記第１のシリンドリカル凹面鏡および
   前記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理により、
   前記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変換レ
   ーザー光を同軸に重ねることを特徴とする広帯域高速波
   長変換方法。
2. 【請求項２】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換方法において、 レーザー光を第１の凸レンズへ入射して、前記入射され
   たレーザー光を前記第１の凸レンズから出射し、 前記第１の凸レンズから出射されたレーザー光を第１の
   プリズムへ入射して、前記入射されたレーザー光を前記
   入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折
   させることにより分離させて前記第１のプリズムから出
   射し、 前記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、第１
   のシリンドリカル凹面鏡への入射角を選択して斜入射し
   て、前記入射されたレーザー光を前記第１のシリンドリ
   カル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、 前記第１のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を非線形光学結晶へ入射して、高調波変換により前
   記入射されたレーザー光の波長変換を行い、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を、前記第１のシリンドリカル
   凹面鏡と同一の構成を備えた第２のシリンドリカル凹面
   鏡へ入射して、前記入射されたレーザーの光を前記第２
   のシリンドリカル凹面鏡の集光特性に応じて出射し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を、前記第１のプリズムと同一の構成を備えた第２
   のプリズムへ入射して、前記入射されたレーザー光を前
   記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
   折させて出射し、 前記第２のプリズムから出射されたレーザー光を第２の
   凸レンズへ入射して、前記入射されたレーザー光を前記
   入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折
   させることにより平行ビームとして前記第２の凸レンズ
   から出射し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡および前記第２のプリ
   ズムによって、前記第１のシリンドリカル凹面鏡および
   前記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理により、
   前記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変換レ
   ーザー光を同軸に重ねるとともに、前記非線形光学結晶
   上において入射されたレーザー光のビームを平行にする
   ことを特徴とする広帯域高速波長変換方法。
3. 【請求項３】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換方法において、 レーザー光を入射側第１分散素子へ入射して、前記入射
   されたレーザー光を前記入射されたレーザー光の波長変
   化に対応して光路を屈折させることにより分離させて前
   記入射側第１分散素子から出射し、 前記入射側第１分散素子から出射されたレーザー光を、
   前記入射側第１分散素子と同一の構成を備えた入射側第
   ２分散素子へ入射して、前記入射されたレーザー光の波
   長変化に対応して光路を屈折させることにより平行ビー
   ムとして前記入射側第２分散素子から出射し、 前記入射側第２分散素子から出射された平行ビームのレ
   ーザー光を第１放物面鏡へ入射して、前記入射された平
   行ビームのレーザー光を前記第１放物面鏡により同一点
   に集光させて反射し、 前記第１放物面鏡から同一点に集光させて反射されたレ
   ーザー光を非線形光学結晶へ入射して、高調波変換によ
   り前記入射されたレーザー光の波長変換を行い、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を、前記第１放物面鏡と同一の
   構成を備えた第２放物面鏡へ入射して、前記入射された
   レーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させること
   により平行ビームとして前記第２放物面鏡により反射
   し、 前記第２放物面鏡から平行ビームとして反射されたレー
   ザー光を出射側第１分散素子へ入射して、平行ビームと
   して入射されたレーザー光を前記入射されたレーザー光
   の波長変化に対応して光路を屈折させて出射し、 前記出射側第１分散素子から出射されたレーザー光を、
   前記出射側第１分散素子と同一の構成を備えた出射側第
   ２分散素子へ入射して、前記入射されたレーザー光を前
   記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
   折させて出射し、 前記第１放物面鏡、前記入射側第２分散素子および前記
   入射側第１分散素子と同等の構成である、前記第２放物
   面鏡、前記出射側第２分散素子および前記出射側第１分
   散素子によって、前記第１放物面鏡、前記入射側第２分
   散素子および前記入射側第１分散素子の作用の原理とは
   逆の原理により、前記非線形光学結晶から出射された異
   なる波長の変換レーザー光を同軸に重ねることを特徴と
   する広帯域高速波長変換方法。
4. 【請求項４】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換装置において、 レーザー光を入射して、前記入射されたレーザー光を前
   記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
   折させることにより分離させて出射する第１のプリズム
   と、 前記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、入射
   角を選択して斜入射して、前記入射されたレーザー光を
   集光特性に応じて出射する第１のシリンドリカル凹面鏡
   と、 前記第１のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を入射して、高調波変換により前記入射されたレー
   ザー光の波長変換を行う非線形光学結晶と、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を入射して、前記入射されたレ
   ーザーの光を集光特性に応じて出射する、前記第１のシ
   リンドリカル凹面鏡と同一の構成を備えた第２のシリン
   ドリカル凹面鏡と、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を入射して、前記入射されたレーザー光を前記入射
   されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させ
   て出射する、前記第１のプリズムと同一の構成を備えた
   第２のプリズムとを有し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡および前記第２のプリ
   ズムによって、前記第１のシリンドリカル凹面鏡および
   前記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理により、
   前記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変換レ
   ーザー光を同軸に重ねることを特徴とする広帯域高速波
   長変換装置。
5. 【請求項５】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換装置において、 レーザー光を入射して、前記入射されたレーザー光を出
   射する前記第１の凸レンズと、 前記第１の凸レンズから出射されたレーザー光を入射し
   て、前記入射されたレーザー光を前記入射されたレーザ
   ー光の波長変化に対応して光路を屈折させることにより
   分離させて出射する第１のプリズムと、 前記第１のプリズムから出射されたレーザー光を、入射
   角を選択して斜入射して、前記入射されたレーザー光を
   集光特性に応じて出射する第１のシリンドリカル凹面鏡
   と、 前記第１のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を入射して、高調波変換により前記入射されたレー
   ザー光の波長変換を行う非線形光学結晶と、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を入射して、前記入射されたレ
   ーザーの光を集光特性に応じて出射する、前記第１のシ
   リンドリカル凹面鏡と同一の構成を備えた第２のシリン
   ドリカル凹面鏡と、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡から出射されたレーザ
   ー光を入射して、前記入射されたレーザー光を前記入射
   されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させ
   て出射する、前記第１のプリズムと同一の構成を備えた
   第２のプリズムと、 前記第２のプリズムから出射されたレーザー光を入射し
   て、前記入射されたレーザー光を前記入射されたレーザ
   ー光の波長変化に対応して光路を屈折させることにより
   平行ビームとして出射する第２の凸レンズとを有し、 前記第２のシリンドリカル凹面鏡および前記第２のプリ
   ズムによって、前記第１のシリンドリカル凹面鏡および
   前記第１のプリズムの作用の原理とは逆の原理により、
   前記非線形光学結晶から出射された異なる波長の変換レ
   ーザー光を同軸に重ねるとともに、前記非線形光学結晶
   上において入射されたレーザー光のビームを平行にする
   ことを特徴とする広帯域高速波長変換装置。
6. 【請求項６】 非線形光学結晶にレーザー光を入射し
   て、高調波変換により前記入射されたレーザー光の波長
   変換を行う広帯域高速波長変換装置において、 レーザー光を入射して、前記入射されたレーザー光を前
   記入射されたレーザー光の波長変化に対応して光路を屈
   折させることにより分離させて出射する入射側第１分散
   素子と、 前記入射側第１分散素子から出射されたレーザー光を入
   射して、前記入射されたレーザー光の波長変化に対応し
   て光路を屈折させることにより平行ビームとして出射す
   る、前記入射側第１分散素子と同一の構成を備えた前記
   入射側第２分散素子と、 前記入射側第２分散素子から出射された平行ビームのレ
   ーザー光を入射して、前記入射された平行ビームのレー
   ザー光を同一点に集光させて反射する第１放物面鏡と、 前記第１放物面鏡から同一点に集光させて反射されたレ
   ーザー光を入射して、高調波変換により前記入射された
   レーザー光の波長変換を行う非線形光学結晶と、 前記非線形光学結晶から出射された波長変換された異な
   る波長の変換レーザー光を入射して、前記入射されたレ
   ーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させることに
   より平行ビームとして反射する、前記第１放物面鏡と同
   一の構成を備えた第２放物面鏡と、 前記第２放物面鏡から平行ビームとして反射されたレー
   ザー光を入射して、平行ビームとして入射されたレーザ
   ー光を前記入射されたレーザー光の波長変化に対応して
   光路を屈折させて出射する出射側第１分散素子と、 前記出射側第１分散素子から出射されたレーザー光を入
   射して、前記入射されたレーザー光を前記入射されたレ
   ーザー光の波長変化に対応して光路を屈折させて出射す
   る、前記出射側第１分散素子と同一の構成を備えた第２
   分散素子とを有し、 前記第１放物面鏡、前記入射側第２分散素子および前記
   入射側第１分散素子と同等の構成である、前記第２放物
   面鏡、前記出射側第２分散素子および前記出射側第１分
   散素子によって、前記第１放物面鏡、前記入射側第２分
   散素子および前記入射側第１分散素子の作用の原理とは
   逆の原理により、前記非線形光学結晶から出射された異
   なる波長の変換レーザーを同軸に重ねることを特徴とす
   る広帯域高速波長変換装置。