JP4679440B2 - 波長変換レーザ出力差周波分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、周波数の異なる２つのレーザ光を非線形光学結晶に入射させて入射レーザ光の差周波のレーザ光を出力させる波長変換レーザ装置において目的とする差周波光出力を純粋に取り出す出力差周波分離装置に関する。

従来より、波長の異なる２つの励起光を非線形光学結晶中で混合すると励起光の周波数の差に対応する長い波長のコヒーレント光が発生するという差周波発生の原理を利用して、赤外領域のレーザ光を発生するようにした波長変換レーザ装置が知られている。
この波長変換レーザ装置は、波長の短い第１励起光（ポンプ光）が非線形光学結晶中で第２励起光（シグナル光）と相互作用し波長変換されて第２励起光との差周波光（ＤＦＧ）を発生するので、波長可変のＤＦＧ発生装置となる。

たとえば特許文献１などに開示されているように、短波長側のポンプ光としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、長波長側のシグナル光としてクロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザを用いることにより構成した、高出力かつコンパクトで波長チューニング可能な赤外光発生装置がある。
この赤外発生装置では、パルス発生装置で発生するパルスにより２基のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を同期駆動する。１基のＮｄ：ＹＡＧレーザは波長１．０６４μｍのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、もう１基のＮｄ：ＹＡＧレーザはＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザの励起光源としてパルスレーザをＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザに供給する。

Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザは、１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長を選択できる波長可変固体レーザで、発生した波長可変レーザ光をシグナル光として非線形光学結晶に供給する。
このように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが波長１．０６４μｍのパルスレーザをポンプ光として非線形光学結晶に入射し、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザが波長１．１５〜１．３５μｍの範囲で選択したレーザをシグナル光として非線形光学結晶に入射すると、ポンプ光とシグナル光の差周波数に係る５〜１４μｍの波長範囲の赤外光を選択的に発生する。

非線形光学結晶からは、差周波光（ＤＦＧ）の他にポンプ光とシグナル光が射出してくるので、図４に示すように、出力側に赤外線の透過効率の高いＧｅフィルタを設けて、ＤＦＧを選択的に透過させて、赤外光発生装置とする。
Ｇｅフィルターの透過特性は、図５に示す通り、赤外線選択性が高いので、波長が１μｍ近辺にあるＮｄ：ＹＡＧレーザ光やＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ光をよく遮断して、純度の高い赤外光を得ることができると期待されていた。
ところが、本発明の発明者らが実際に構成した差周波光発生装置における赤外光出力は期待値の半分程度の強さで、当初の期待から外れた結果となった。

発明者らは、この問題を解決すべく鋭意研究の結果、ＧｅフィルターにＮｄ：ＹＡＧレーザ光を照射すると、ＤＦＧの透過率が低下する現象を捉えた。
ポンプ光の角周波数をω１、シグナル光の角周波数をω２、ＤＦＧの角周波数をω２とすると、角周波数ω３は、ωを波数ベクトルとしてω３＝ω１−ω２で表される関係を有する。
したがって、図６に表すように、ポンプ光とシグナル光の光軸に僅かに角度差θinを持たせると、波数ベクトルω１とω２の差であるＤＦＧの波数ベクトルω３はポンプ光を挟んでシグナル光の反対側に角度差θＩだけ逸れた方向に放出される。

ＤＦＧの放出角度θＩはＤＦＧの角周波数ω３により異なるが、たとえば波長が数μｍであれば、ポンプ光とシグナル光の角度差θinを０．１〜０．５°にとったときにθinに対して４〜８倍になるので、非線形光学結晶から十分離れた位置では、ＤＦＧをポンプ光やシグナル光から分離させることができる。

そこで、このように分離したＤＦＧをＧｅフィルターに照射し、ＤＦＧが透過する部分に強度の異なるＮｄ：ＹＡＧレーザを照射して、Ｇｅフィルターに対するＤＦＧの透過エネルギーを測定した。
図７は、Ｇｅフィルターに対するＤＦＧの透過エネルギーをＮｄ：ＹＡＧレーザの強度に対してプロットしたグラフである。

図７から分かるように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの照射強度が強くなるに従ってＤＦＧの透過エネルギーが低下する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより透過エネルギーが減少するメカニズムは明らかでないが、この現象がＧｅフィルターを用いた差周波光発生装置のＤＦＧ出力が期待通りにならない原因になっていることは確実である。
したがって、ＧｅフィルターにおいてＤＦＧとポンプ光の照射位置が重ならないようにしなければならない。

なお、波長可変テラヘルツ波発生装置を開示する特許文献２には、出力部分にＧｅフィルターを設ける代わりに、ＤＦＧの出射方向をポンプ光やシグナル光の出射方向と異なるようにして出力光の純化を行う構成が記載されている。
記載された構成は、非線形光学結晶に入射させるポンプ光とシグナル光の入射角の間に僅か数分の差θinを与えて、ＤＦＧの出射角θＩを数１０度にすることにより、ポンプ光やシグナル光からＤＦＧを分離するものである。

しかし、特許文献２に記載された構成では、ＤＦＧの波長を変化させるたびにＤＦＧの出射角が変化するため、波長の異なるＤＦＧを利用しようとすると波長を変える度に光学系の光軸調整をする必要があり不便である。
たとえば、ポンプ光とシグナル光の入射角差θinが０．３度である場合、ＤＦＧの波長を５．５μｍから１０μｍに変化させると、ＤＦＧの出射方向は約１．３度も変化するので、使用時の光学的調整が極めて煩雑になる。
特開２００５−３３１５９９号公報 特開２００４−３１８０２８号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、波長変換レーザ装置における差周波光出力を十分な水準に維持するための出力差周波分離装置を提供すること、特に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて赤外光を発生する波長変換レーザ装置に適用する効率が高く赤外光の波長によらない出力差周波分離装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の波長変換レーザ出力差周波分離装置は、ネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ光をポンプ光とし、クロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザ光をシグナル光として入射すると２つの入射レーザ光の差周波を持つ差周波光（ＤＦＧ）を出力する非線形光学結晶の出力光路に、非線形光学結晶の出力側から順に、非線形光学結晶から出力されたレーザ光のうち、ＤＦＧとポンプ光及びシグナル光の一部とを透過させる波長分離ミラーと、波長分離ミラーを透過して入射する光に対してブリュースター角になるように配置され、入射する光のうちＤＦＧのみを透過させるブリュースター窓と、を直列に備えることを特徴とする。

波長分離ミラーは、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）板にコーティングを施して光路に対して傾斜して配置することによりポンプ光とシグナル光からＤＦＧを分離するようにしたもので、ブリュースター窓はＧｅ板を光路に対してＧｅのＤＦＧに対するブリュースター角θＢ（θＢ＝arctanｎ：ｎはＧｅの入射光に関する屈折率）だけ傾けて配置したものであることが好ましい。
特に、波長１．０６４μｍのネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザをポンプ光とし、１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長可変のクロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザ光をシグナル光として、波長範囲５〜１４μｍの可変ＤＦＧを得る波長変換レーザ装置の出力部に適用することが好ましい。

本発明の出力差周波分離装置は、初めの波長分離ミラーで大部分のポンプ光とシグナル光を分離し、残ったポンプ光とシグナル光の成分はブリュースター窓により完全に排除して、純粋なＤＦＧを得ることができる。
また、波長分離ミラーとブリュースター窓を備えれば足りるので、構成が簡単で製造費は低廉である。
この装置は、非線形光学結晶に入射するポンプ光とシグナル光を平行に入射させるため、波長分離ミラーとブリュースター窓の配置およびＤＦＧの射出方向はＤＦＧの波長に依存しない。
したがって、ＤＦＧの波長を変更するときも特別の位置調整を必要とせず、取り扱いが容易である。

ＡｇＧａＳ₂ 結晶、ＡｇＧａＳｅ₂結晶などカルコパイライト結晶からなる非線形光学結晶に、周波数ω１のポンプレーザ光と周波数ω２のシグナルレーザ光を入力すると差周波数ω３（＝ω１−ω２）のレーザ光（ＤＦＧ）を出力する。
たとえば特許文献１や特許文献２にも、波長１．０６４μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ光とＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザで発生する１．１５〜１．３５μｍの波長可変レーザ光をＡｇＧａＳ₂ 結晶などからなる非線形光学結晶で混合して波長変換し、５〜１４μｍの範囲で波長調整した赤外光を得るようにした波長変換レーザ装置が開示されている。

本発明は、このような波長変換レーザ装置において、非線形光学結晶から放射されるポンプレーザ光とシグナルレーザ光を除去してＤＦＧのみを出力するために使用されるフィルタ装置の改良に係るものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の１実施例に係る波長変換レーザ装置用の差周波分離装置の構成を説明する図面、図２は本実施例に使用するブリュースター窓の機構について説明する図面、図３は本実施例の差周波分離装置の効果を説明するグラフである。
なお、図４は従来技術のＧｅフィルターを示すブロック図、図５はＧｅの透過率スペクトル図、図６はＧｅフィルターのＤＦＧ透過エネルギーとＮｄ：ＹＡＧレーザ強度の関係を測定する方法を示す構成図、図７はＧｅフィルターのＤＦＧ透過エネルギーに及ぼすＮｄ：ＹＡＧレーザの影響を説明するグラフである。

本実施例の波長変換レーザ出力差周波分離装置は、非線形光学結晶１の出力側に波長分離ミラー２とブリュースター窓３を直列に備えたものである。
非線形光学結晶１は、ＡｇＧａＳ₂ 結晶などの光混合型非線形光学結晶で、角周波数ω１のポンプレーザ光１１と角周波数ω２のシグナルレーザ光１２が入射する。すると、ポンプレーザ光１１とシグナルレーザ光１２が非線形光学結晶１内で干渉し合って角周波数ω３（ω３＝ω１−ω２）の差周波光（ＤＦＧ）１３が発生する。

非線形光学結晶１から放射されるＤＦＧ１３は、基本的にポンプレーザ光１１の波長変換作用によって発生するもので、ＤＦＧ１３のエネルギーはポンプレーザ光のエネルギーに依存する。また、ＤＦＧ１３の角周波数ω３はポンプレーザ光１１とシグナルレーザ光１２の角周波数差であるから、シグナルレーザ光１２の角周波数ω２を変化させることにより調整することができる。

非線形光学結晶１から射出したポンプレーザ光１１とシグナルレーザ光１２とＤＦＧ１３は波長分離ミラー２に入射する。
波長分離ミラー２は、光路に対して傾きを持って配置されたＺｎＳｅ波長分離ミラーであって、ＤＦＧ１３は透過して直進する。一方、ポンプレーザ１１とシグナルレーザ１２はその殆どが反射して光路から外れる。しかし、数％の成分が波長分離ミラー２を透過することは避けられない。

波長分離ミラー２を透過したレーザ光は、ブリュースター窓１３に入射する。
ブリュースター窓３は、たとえばＧｅ板をブリュースター角θＢを持つように配置したものである。
図２は、透明板に対して入射する光のｐ−偏光とｓ−偏光ごとの反射率を入射角についてプロットしたグラフである。グラフは、Ｇｅ板について波長１０．６μｍの光に対する反射率をプロットした例である。
ｓ−偏光では、入射角θinが０度のときの固有の反射率から９０度になって反射率が１００％になるまで反射率は単調に増加する。一方、ｐ−偏光では、入射角θinが０度のときの固有の反射率から、入射角θinが増加するにつれて反射率が減少し、ブリュースター角θＢになると０％になり、その後急増して９０度で反射率が１００％になる。

ブリュースター角θＢは、入射する光に対する材料の屈折率ｎのアークタンジェントになる。すなわち、θＢ＝arctanｎ。
したがって、Ｇｅ板に対するレーザ光の入射角がブリュースター角θＢになるように配置すると、入射レーザ光のｐ−偏光成分が完全に透過する一方、他の光線は殆ど反射して光軸方向から逸脱する。このようにブリュースター角を利用して一定の光線のみを選択的に透過するようにしたフィルターをブリュースター窓と呼ぶ。

このようにして、ブリュースター窓３はＤＦＧ１３のみを透過し、ポンプレーザ１１やシグナルレーザ１２は反射と吸収により排斥する。したがって、ブリュースター窓３を透過して出力されるレーザ光は、純度の高いＤＦＧ１３となる。

そこで、たとえばポンプレーザ装置としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、波長１．０６４μｍのパルスレーザを相対的に大きなエネルギーを持ったポンプレーザ光として非線形光学結晶１に入力する。また、ポンプレーザ光より長波長の１．１５〜１．３５μｍの範囲の波長可変レーザ光を発生するクロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザをシグナルレーザ装置として、たとえば波長１．２８４μｍに調整した出力レーザを波長変換に寄与するシグナルレーザ光としてポンプ光と一緒に非線形光学結晶１に入力する。

すると、非線形光学結晶１からは入力したレーザ光の他に波長６．２１μｍの赤外光である差周波光（ＤＦＧ）が出力する。
これら非線形光学結晶１の出力光をＺｎＳｅ波長分離ミラー２とブリュースタ窓３に通して波長分別し、長波長のＤＦＧのみを外部に取り出すようにすれば、波長変換レーザ装置は赤外光発生装置となる。

本発明の波長変換レーザ装置の出力差周波分離装置は、波長分離ミラー２とブリュースタ窓３で構成するため、極めて簡単で堅牢な構造となり、安価かつ取り扱い容易な装置となる。また、従来よく使用されたＧｅフィルターでは、ＤＦＧの透過率が共存するＮｄ：ＹＡＧレーザの強度が強くなるにつれて小さくなるため、十分な出力水準を維持することができなかったが、本発明の出力差周波分離装置は、波長分離ミラーでＮｄ：ＹＡＧレーザの殆どを除去した上、Ｇｅ板をブリュースター窓として使用するので、ＤＦＧ出力を十分な水準に維持することができる。
また、ＤＦＧの波長を変化させてもＤＦＧの出射方向が変化しないので、波長変更に伴う位置姿勢調整が不要で、取り扱いが容易である。

なお、本実施例において使用されるブリュースター窓はＧｅ板なので、ＤＦＧの透過率はＮｄ：ＹＡＧレーザが存在することにより低下する。
図３は、差周波分離装置をＧｅブリュースター窓のみで構成した場合と本実施例におけるＺｎＳｅ波長分離ミラーとＧｅブリュースター窓の組合せを用いた場合について、ＤＦＧ出力を測定して比較したグラフである。
横軸は非線形光学結晶に入力したＮｄ：ＹＡＧレーザのエネルギーを示し、縦軸はＧｅブリュースター窓を透過してくるＤＦＧレーザの出力を示す。なお、実験におけるＤＦＧの波長は６．３μｍであった。
非線形光学結晶に入力したＮｄ：ＹＡＧレーザは非線形光学結晶を透過した成分が差周波分離装置に入射するので、ＺｎＳｅ波長分離ミラーで分離しない場合は直接Ｇｅブリュースター窓に照射することになる。

図３に表された実験結果から、Ｇｅブリュースター窓のみの場合は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの照射によりＤＦＧレーザ出力が大きく減少することが分かる。特に出力が大きくなると出力低下が著しく、ＤＦＧレーザとしての性能が低下している。これに対して、直列に挿入したＺｎＳｅ波長分離ミラーでＮｄ：ＹＡＧレーザを除去した後にＧｅブリュースター窓に入射させたものでは、非線形光学結晶に入力したＮｄ：ＹＡＧレーザにほぼ比例するＤＦＧレーザ出力を得ることができる。
したがって、ＺｎＳｅ波長分離ミラーとＧｅブリュースター窓を直列に配置することによって、より大きなＤＦＧ出力を確保できることが分かる。

なお、上記実施例では、特定のＮｄ：ＹＡＧレーザとＣｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザのレーザ光を利用し、非線形光学結晶や波長分離ミラーなどに特定の材質を用いた例について説明しているが、この開示に基づいて、他の組み合わせによりＤＦＧを励起レーザ光と分離する本発明の作用効果を得ることは、当業者にとって容易に想到できることであって、本発明の技術範囲に属するものであることはいうまでもない。

本発明の１実施例に係る波長変換レーザ装置の出力差周波分離装置の構成図である。 本実施例に使用するブリュースター窓の説明図である。 本実施例の差周波分離装置の効果を説明するグラフである。 従来技術のＧｅフィルターを示すブロック図である。 従来技術におけるＧｅの透過率スペクトル図である。 ＧｅフィルターのＤＦＧ透過エネルギーとＮｄ：ＹＡＧレーザ強度の関係を測定する方法を説明する構成図である。 従来技術におけるＧｅフィルターのＤＦＧ透過エネルギーに及ぼすＮｄ：ＹＡＧレーザの影響を説明するグラフである。

符号の説明

１ 非線形光学結晶
２ 波長分離ミラー
３ ブリュースター窓
１１ ポンプレーザ光
１２ シグナルレーザ光
１３ 差周波光（ＤＦＧ）

Claims (5)

1. ネオジムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ光をポンプ光とし、クロムフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）レーザ光をシグナル光として入射すると入射レーザ光の差周波を持つ差周波光（ＤＦＧ）を放出する非線形光学結晶の出力光路に、前記非線形光学結晶の出力側から順に、前記非線形光学結晶から出力されたレーザ光のうち、該ＤＦＧと前記ポンプ光及び前記シグナル光の一部とを透過させ、前記ポンプ光および前記シグナル光の残りを反射・分離させる波長分離ミラーと、前記波長分離ミラーを透過して入射する前記ＤＦＧに対してブリュースター角になるように配置され、前記入射する光のうち、該ＤＦＧのみを透過させる、ゲルマニウム（Ｇｅ）板で形成されたブリュースター窓と、を直列に備えることを特徴とする波長変換レーザ出力差周波分離装置。
2. 前記波長分離ミラーは、前記ＤＦＧと前記ポンプ光と前記シグナル光が傾いて入射したときに、前記ＤＦＧと一部の前記ポンプ光及び前記シグナル光とを透過させ、残りの前記ポンプ光及び前記シグナル光を反射させるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）板であって、前記波長分離ミラーに入射する光の光軸に対して傾斜して配置したことを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ出力差周波分離装置。
3. 前記非線形光学結晶に入射する前記ポンプ光の光軸と前記シグナル光の光軸が平行であることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換レーザ出力差周波分離装置。
4. 前記Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の波長は１．０６４μｍであり、前記ＤＦＧが波長範囲５〜１４μｍの可変範囲を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換レーザ出力差周波分離装置。
5. 前記Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザ光の波長は１．１５〜１．３５μｍの範囲で波長調整ができることを特徴とする請求項４記載の波長変換レーザ出力差周波分離装置。

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