JP5327731B2 - 分散光学システム - Google Patents
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Description
以上の構成において、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム100によれば、非線形光学結晶により発生した広い波長領域のパルス光を内部に取り込み、内部へ取り込んだパルス光を位相整合してパルス幅の圧縮を行って外部へ出射することにより、フェムト秒レーザー光を発生させることができる。
しかしながら、上記した従来のフェムト秒レーザー用位相整合光学システム100のように回折格子を用いたシステムにおいては、回折格子自体が広い波長領域において高い効率を得ることが困難であり、また、回折格子の出射光として2倍の波長(1オクターブ)の光が2次回折光として重なってしまい、広帯域の波長領域において高効率でフェムト秒レーザー光を発生させることが困難であるという問題点があった。
一方、上記したフェムト秒レーザー用位相整合光学システム100のように回折格子を用いたシステムとは異なり、回折格子の代わりにプリズムを用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムも知られている。
具体的には、フェムト秒レーザー光を得るために、パルスレーザー光のパルス幅を数10フェムト秒に圧縮するには、波長300〜1200nmの波長領域において効率約80%で2次回折光などの高次回折光が発生しないような分散素子あるいは分散光学システムが必要となる。
一方、テラヘルツ波を発生させるための光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器(is−TPG方式)は、その内部に非線形光学結晶が配置されており、この非線形光学結晶にシード光およびポンプ光を入射してテラヘルツ光を得るものである。
図2には、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器の概念構成説明図が示されている。
ところで、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器200の分散光学システム204に用いられる回折格子204aは、格子間隔を狭くすることにより大きな分散が得られるようになるものであるが、格子間隔が波長に近づくと回折効率が急激に低下してしまうことが知られている。
なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
θ0=sin−1{n1(λ0)sin(α/2)}
n1(λ0):λ0の屈折角
α:分散プリズムの角度
を有するものとし、上記入射光のうち波長λの光は、上記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ1(λ)が
θ1(λ)=sin−1{sinθ0/n1(λ)}
n(λ):λの屈折角
であり、上記入射光が上記分散プリズムより出射する際の出射角θout(λ)は
θout(λ)=sin−1[n1(λ0)sin{α−θ1(λ)}]
であり、上記出射角θout(λ)を有する出射光は、上記結像レンズを出射後に、上記結像レンズの光軸から高さ方向における距離xだけ離れた結像位置から上記分散拡大レンズに入射するものであって、上記xは、
x(λ)=f・tan{θout(λ)−θ}
θ:任意の角度
であり、上記分散拡大レンズに入射する入射角φin(λ)は
φin(λ)=sin−1{(x+a)/R}
a:結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
R:分散拡大レンズの曲率半径
であり、上記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ1(λ)は
φ1(λ)=sin−1 [sin{φin(λ)/n2(λ)}]
n2(λ):λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、上記分散拡大レンズより出射される光の出射角φout(λ)は
φout(λ)=sin−1[n2(λ)sin{φin(λ)−φ1(λ)}]
であるようにしたものである。
図3には、本発明による分散光学システムの第1の実施の形態の概念構成説明図が示されている。
以上の構成において、分散光学システム10によれば、分散プリズム12により分散された光束を結像レンズ14で波長毎に結像させ、結像面近傍に分散拡大レンズ16が配置されていることにより、分散拡大レンズ16で波長分散を拡大して分散の波長依存性を制御することができる。
なお、分散拡大レンズ16として、複数のレンズを組み合わせたり、非球面や自由曲面を備えたレンズを採用することにより、波長あるいは波数に対して任意の分散特性を得ることができるようになる。
次に、分散光学システム10によって光を分散させる際の作用について、図4および図5を合わせて参照しながら詳細に説明することとする。
上記において説明したように、本発明による分散光学システム10は、分散プリズム12により分散された光束を波長ごとに結像させるため、結像レンズ14の後段に分散拡大レンズ16を設けるとともに、分散プリズム12により大きく屈折した波長の光は分散拡大レンズ16の光軸近傍に入射するようにし、分散プリズムにより小さく屈折した波長の光は分散拡大レンズの縁近傍に入射するようになされていおり、分散プリズムと結像レンズのみから得られる光の分散よりも、光の分散をより拡大することができる。
ここで、図4および図5を参照しながら、分散光学システム10の分散拡大レンズ16における入射位置および出射光の屈折角についての関数を詳細に説明する。
θ0=sin−1{n1(λ0 )sin(α/2)} ・・・ 式1
即ち、波長λ0の光を上記式1より得られた入射角θ0で入射させると、光は分散プリズム12内を分散プリズム12の底面と平行に進行することになる。
θ0=sin−1{1.401×sin(60/2)}=47.312°
従って、中心波長λ=400nmの光を分散プリズム12に入射する際に、入射角θ0を47.312°とすると、分散プリズム12内を分散プリズム12の底面と平行な状態で入射光が進行する。
θ1(λ)=sin−1{sinθ0/n1(λ )} ・・・ 式2
さらに、分散プリズム12より出射した出射光の屈折角θout(λ)は、上記式2により表された各波長の屈折率n1(λ)を用いて、式3によって表される。
θout(λ)=sin−1[n1(λ )sin{α−θ1(λ )}] ・・・ 式3
分散プリズム12より出射し、式3より得られた出射角θout(λ)を有する光は、結像レンズ14に入射したのち、分散拡大レンズ16に入射する。
x(λ)=f・tan{θout(λ)−θ}・・・ 式4
こうして得られた各波長の結像位置x(λ)より、分散拡大レンズ16における各波長の光の入射位置がわかるものである。
さらに、分散拡大レンズ16に入射する際の入射角φin(λ)は、結像位置x(λ)の値に結像レンズ14と分散拡大レンズ16との光軸の距離aを加えて得られる値と、分散拡大レンズ16の曲率半径Rとを用いて式5により表される。
φin(λ)=sin−1{(x+a)/R}・・・ 式5
そして、上記式5より得られた分散拡大レンズ16への入射角φin(λ)と、屈折率n2(λ)とを用いて、分散拡大レンズ16内における入射光と光軸とのなす角φ1(λ)が式6により求められる。
φ1(λ)=sin−1[sin{φin(λ)/n2(λ)}]・・・ 式6
さらに、式5から得られた分散拡大レンズ16への入射角φin(λ)と、式6から得られた分散拡大レンズ16の光軸となす角φ1(λ)とを用いて、分散拡大レンズ16を出射した各波長の出射角φout(λ)は、以下の式7より得られる。
φout(λ)=sin−1[n2(λ)sin{φin(λ)−φ1(λ)}]・・・ 式7
ここで、上記した本発明による分散光学システム10における分散特性について、図6(a)(b)を参照しながら以下に説明する。
図6(a)に示されているように、本発明の分散光学システム10の波長に対する分散特性は、長波長になるにつれて分散し難くなり、波長依存性が高いものであることがわかる。
また、図6(b)に示されているように、本発明の分散光学システム10の波数に対する分散特性は、波長に対する分散特性よりもより直線的であり、一定に近い分散が得られていることがわかる。
ここで、フェムト秒レーザーを発生させる場合には、広い波長領域において高い効率を維持できるとともに、パルス圧縮の効率や制御の点で、広い波数領域において一定の波数分散特性を示す分散素子が望まれているため、上記した分散特性から判断すると本発明による分散光学システム10はフェムト秒レーザーの発生に適していると認められる。
次に、図7(a)(b)を参照しながら、本発明による分散光学システム10の第1の変形例および第2の変形例について説明する。
次に、図8を参照しながら、本発明による分散光学システムの第2の実施の形態について説明する。
この図8に示す第2の実施の形態の分散光学システム40は、上記した第1の実施の形態の分散光学システム10(図3参照)と比較すると、分散拡大レンズとして凹形状のシリンドリカルレンズを用いている点においてのみ異なっている。
こうした凸形状の分散拡大レンズ16を有する分散光学システム10および凹形状の分散拡大レンズ46を有する分散光学システム40は、分散プリズム12の代わりに回折格子を配置することで、1オクターブ以内の波長範囲において、極めて大きな分散を得ることも可能になる。
次に、図9を参照しながら、本発明による分散光学システム10の使用例として、分散光学システム10を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システムについて説明することとする。
即ち、分散光学システム10を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム300は、第1のミラー102と、第1のミラー102の後段に配置される第1の分散光学システム10と、分散光学システム10の後段に配置される第2のミラー106と、第1の凹面鏡108と、空間光位相変調器110と、第2の凹面鏡と、第3のミラー114と、第2の分散光学システム10と、第2の分散光学システム10の後段に配置された第4のミラー118とを有して構成されている。
次に、本発明による分散光学システム40の使用例として、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器200内に本発明による分散光学システム40を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器400について、図10を参照しながら説明することとする。
即ち、図10には本発明による分散光学システム40を用いた光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器400の概念構成説明図が示されており、この光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器400は、シード光源202と、分散光学システム40と、ポンプ光源(図示せず。)と、ミラー206と、非線形光学結晶208と、カップラ210とを有して構成されている。
こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器400は、回折格子と非線形光学結晶との距離が0.8mとすることができ、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器200と比較すると、従来の40%の距離で構成されるため装置を小型化することが可能である。
次に、図11には、こうした光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器400に用いた本発明による分散光学システムの分散特性が示されている。
また、従来の光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器200は格子数1200本/mmの回折格子204aを用いていたが、本発明による分散光学システム40とともに格子数300本/mmの回折格子を用いることにより、格子数1200本/mmの回折格子を用いた場合に対して、50〜200%程度の効率向上が期待できるものである。
なお、上記した実施の形態においては、分散光学システム10に分散プリズム12を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分散プリズム12の代わりに回折格子を用いて光の分散を行ってもよいものである。ただし、図9に示す本発明による分散光学システム10を用いたフェムト秒レーザー用位相整合光学システム300の場合においては、分散光学システム10の構成を変更せずに分散プリズム12を用いるものとする。
12 分散プリズム
14 結像レンズ
16、46 分散拡大レンズ
100、300 フェムト秒レーザー用位相整合光学システム
102、106、114、118 ミラー
104、116 回折格子
108、112 凹面鏡
110 空間光位相変調器
200、400 光注入テラヘルツ波パラメトリック発生器
202 シード光源
204 分散光学システム
206 ミラー
208 非線形光学結晶
210 カップラ
Claims (10)
- 入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する分散プリズムと、
前記分散プリズムの後段に配置され、前記分散プリズムから出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの略前記焦点面に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと、
前記分散拡大レンズの後段に配置された凸レンズまたは凹面鏡と
を有し、
前記凸レンズまたは凹面鏡は、前記分散拡大レンズからの出射光を結像する位置に配置され、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸近傍に入射して前記光軸近傍に結像し、屈折角が小さいスペクトルの赤側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射して前記コバ側に結像するように配置し、
前記分散拡大レンズは、前記赤側の光の分散を前記青側の光の分散よりも大きくなるようにする
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記分散プリズムにより分散された光について、屈折角が大きいスペクトルの青側の光が前記分散拡大レンズの光軸上に入射して前記光軸上に結像するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。 - 入射光を分散する分散光学システムにおいて、
入射光を入射して分散する回折格子と、
前記回折格子の後段に配置され、前記回折格子から出射された光を入射して、該入射した光を出射して焦点面上に結像する結像レンズと、
前記結像レンズの後段において前記結像レンズの略前記焦点面に配置され、前記結像レンズから出射された光を入射して、該入射した光の分散を拡大して出射する分散拡大レンズと、
前記分散拡大レンズの後段に配置された凸レンズまたは凹面鏡と
を有し、
前記凸レンズまたは凹面鏡は、前記分散拡大レンズからの出射光を結像する位置に配置され、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、前記分散拡大レンズに入射して回折角を拡大するように配置し、
前記分散拡大レンズは、前記回折角の小さな光の分散を前記回折角の大きな光の分散よりも大きくなるようにする
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項3に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、前記結像レンズの後段において前記結像レンズの前記焦点面近傍に配置されるとともに、前記結像レンズから出射される前記回折格子により分散された光について、長波長側の光が前記分散拡大レンズの光軸上あるいは光軸近傍に入射して、短波長側の光が前記分散拡大レンズのコバ側に入射するように配置された
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散プリズムは、三角プリズムであり、
前記分散プリズムが二等辺三角形あるいは正三角形の場合に前記分散プリズムに入射する入射光は、前記分散プリズムの底面と平行になるように入射角θ0
θ0=sin−1{n1(λ0)sin(α/2)}
n1(λ0):λ0の屈折角
α:分散プリズムの角度
を有するものとし、
前記入射光のうち波長λの光は、前記分散プリズム中に入射の際の屈折角θ1(λ)が
θ1(λ)=sin−1{sinθ0/n1(λ)}
n(λ):λの屈折角
であり、
前記入射光が前記分散プリズムより出射する際の出射角θout(λ)は
θout(λ)=sin−1[n1(λ0)sin{α−θ1(λ)}]
であり、
前記出射角θout(λ)を有する出射光は、前記結像レンズを出射後に、前記結像レンズの光軸から高さ方向における距離xだけ離れた結像位置から前記分散拡大レンズに入射するものであって、
前記xは、
x(λ)=f・tan{θout(λ)−θ}
θ:任意の角度
であり、
前記分散拡大レンズに入射する入射角φin(λ)は
φin(λ)=sin−1{(x+a)/R}
a:結像レンズと分散拡大レンズの光軸の距離
R:分散拡大レンズの曲率半径
であり、
前記分散拡大レンズ内における光軸となす角φ1(λ)は
φ1(λ)=sin−1 [sin{φin(λ)/n2(λ)}]
n2(λ):λの分散拡大レンズに対する屈折率
であり、
前記分散拡大レンズより出射される光の出射角φout(λ)は
φout(λ)=sin−1[n2(λ)sin{φin(λ)−φ1(λ)}]
である
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1、2、3、4または5のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凸形状である
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1、2、3、4または5のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、凹形状である
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項6または7のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、シリンドリカルレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1、2、3、4または5のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、非球面や自由曲面を備えたレンズである
ことを特徴とする分散光学システム。 - 請求項1、2、3、4または5のいずれか1項に記載の分散光学システムにおいて、
前記分散拡大レンズは、1または複数のレンズよりなる
ことを特徴とする分散光学システム。
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