JP5489491B2 - パラメトリック発振器を用いた波長アジャイルレーザ送信器 - Google Patents
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Description
（発明の分野）
本発明は、光学パラメトリック発信器に関し、より具体的には、光学パラメトリック発振器を用いた波長アジャイル（ａｇｉｌｅ）レーザ送信器に関する。
本発明は、光学パラメトリック発信器に関し、より具体的には、光学パラメトリック発振器を用いた波長アジャイル（ａｇｉｌｅ）レーザ送信器に関する。
（発明の背景）
光学パラメトリック発振器は、パラメトリック振幅を介して所望の周波数において、コヒーレントな放射を生成可能な周知の非線形光学デバイスである。従来の光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）において、ポンプ供給源はポンプ波長において、端部ミラーによって境界され、非線形光学結晶のような非線形光学媒質を含む光学空洞にレーザ光線を供給する。ポンプビームが空洞内の非線形結晶を伝播するので、ポンプ波長における光子は、２つのより長波長における光子の対に変換され、結果としてこれら２つの波長における２つの低エネルギのビームを生じさせ、それらは、従来的に信号波長とアイドラ波長と呼ばれる。信号ビームとアイドラビームとの周波数の合計は、ポンプビームの周波数に等しい。信号ビームおよびアイドラビームの特定の波長がいくつかの因子によって決定され、該因子とはポンプ波長、非線形結晶のタイプおよびカット、ならびに光学空洞の設計を含む。さらに、非線形結晶の角度を調節することによって、信号波長とアイドラ波長との同調が達成され得る。
光学パラメトリック発振器は、パラメトリック振幅を介して所望の周波数において、コヒーレントな放射を生成可能な周知の非線形光学デバイスである。従来の光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）において、ポンプ供給源はポンプ波長において、端部ミラーによって境界され、非線形光学結晶のような非線形光学媒質を含む光学空洞にレーザ光線を供給する。ポンプビームが空洞内の非線形結晶を伝播するので、ポンプ波長における光子は、２つのより長波長における光子の対に変換され、結果としてこれら２つの波長における２つの低エネルギのビームを生じさせ、それらは、従来的に信号波長とアイドラ波長と呼ばれる。信号ビームとアイドラビームとの周波数の合計は、ポンプビームの周波数に等しい。信号ビームおよびアイドラビームの特定の波長がいくつかの因子によって決定され、該因子とはポンプ波長、非線形結晶のタイプおよびカット、ならびに光学空洞の設計を含む。さらに、非線形結晶の角度を調節することによって、信号波長とアイドラ波長との同調が達成され得る。
典型的な動作条件は、小さな割合のポンプビームのみを、非線形光学結晶を通る初期経路において信号ビームとアイドラビームとに変換するので、該信号ビームおよび／またはアイドラビームが非線形光学結晶を通る連続的な経路において増幅されるように、ＯＰＯの光学空洞は、パラメトリックによって生成されたビームの一方または両方を発振させるように一般的に設計される。ＯＰＯは、生成された光学ビームの両方が共振するときは二重共振発振器であると考えられ、生成された光学ビームの一方のみが共振するときは単一共振発振器であると考えられる。具体的には、光学空洞は、信号周波数およびアイドラ周波数のうちの一方のみを反射する（単一共振）端部ミラーを有して設計され得るか、または信号周波数およびアイドラ周波数の両方を反射する（二重共振）端部ミラーを有して設計され得る。
ＯＰＯの１つの用途は、化学／生物学的ガスの検出および／または識別のための光源である。狭い線幅を有する化学因子／生物学的因子は、レーザ線幅に、正確な測定のための小さな割合のそれらの吸収特性を必要とし、広い線幅を有するその他の因子は大気の透過窓と矛盾しない複数のレーザ線および線幅を必要とする。従って、このような用途のためのＯＰＯは複数の（１０以上の）波長の同調範囲を有することと、この範囲にわたって連続的に同調可能であることと、信号平均化測定を可能にするように高い繰り返し速度で動作可能であることとが必要になる。さらに、ＯＰＯに、短いデータ収集時間およびサンプリングされた領域の迅速な評価のための高周波数同調率を提供することが望ましい。最終的に、航空機および陸上の乗り物を含む種々のプラットフォーム上に配置され得るように、ＯＰＯは比較的軽量でかつ小型であるべきである。
（発明の概要）
簡単に言うと、波長アジャイルレーザ送信装置および方法が提供される。この装置は、第１の（ポンプ）波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えている。光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）は、非線形光学媒体と、第１、第２および第３の光学素子と、狭線幅フィルタ（ｎａｒｒｏｗ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｆｉｌｔｅｒ）とを含むいくつかの光学構成要素を収容する空洞を備えている。非線形光学媒体は、第１の波長における光を、第１の波長よりもそれぞれ長い、第２の（信号）波長および第３の（アイドラ）波長における光に変換するように構成されている。光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する非線形光学媒体の角度は、ＯＰＯ内で第２の波長および第３の波長を効率的に同調するように調整可能である。第１の光学素子は、ポンプビームを受信し、該ポンプビームを非線形光学媒体の第１の端部に方向付けるように構成されている。第１の光学素子は、第２の波長において高い反射性があり、かつ第３の波長において高い透過性があるように構成されている。第２の光学素子は、非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置され、第１および第２の波長において高い反射性があり、第３の波長において高い透過性があるように構成されている。狭線幅フィルタ（例えば、エタロン）は第２の光学素子の近位に配置され、該フィルタを通過する光の線幅を狭くするように構成されている。第３の光学素子は、上記エタロンの近位に配置され、第３の波長における光がエタロンと第３の光学素子との間で共振し、かつ第２の光学素子を通過し、非線形光学媒体に入るように、第３の波長において高い反射性があるように構成され、該非線形光学媒体において第３の波長における光が第２の波長における光と相互作用する。装置の出力ビームは、第２の光学素子を透過する、第３の波長における光に対応する。
簡単に言うと、波長アジャイルレーザ送信装置および方法が提供される。この装置は、第１の（ポンプ）波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えている。光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）は、非線形光学媒体と、第１、第２および第３の光学素子と、狭線幅フィルタ（ｎａｒｒｏｗ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｆｉｌｔｅｒ）とを含むいくつかの光学構成要素を収容する空洞を備えている。非線形光学媒体は、第１の波長における光を、第１の波長よりもそれぞれ長い、第２の（信号）波長および第３の（アイドラ）波長における光に変換するように構成されている。光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する非線形光学媒体の角度は、ＯＰＯ内で第２の波長および第３の波長を効率的に同調するように調整可能である。第１の光学素子は、ポンプビームを受信し、該ポンプビームを非線形光学媒体の第１の端部に方向付けるように構成されている。第１の光学素子は、第２の波長において高い反射性があり、かつ第３の波長において高い透過性があるように構成されている。第２の光学素子は、非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置され、第１および第２の波長において高い反射性があり、第３の波長において高い透過性があるように構成されている。狭線幅フィルタ（例えば、エタロン）は第２の光学素子の近位に配置され、該フィルタを通過する光の線幅を狭くするように構成されている。第３の光学素子は、上記エタロンの近位に配置され、第３の波長における光がエタロンと第３の光学素子との間で共振し、かつ第２の光学素子を通過し、非線形光学媒体に入るように、第３の波長において高い反射性があるように構成され、該非線形光学媒体において第３の波長における光が第２の波長における光と相互作用する。装置の出力ビームは、第２の光学素子を透過する、第３の波長における光に対応する。
第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれならびにエタロンフィルタに検流計が提供される。検流計は、光学空洞の伝播軸に対するそれぞれの第１および第２の非線形光学結晶ならびにエタロンフィルタの角度を変更し、それによって第３の波長の光を調整する。
例えば、本発明は以下の手段を提供する。
（項目１）
波長アジャイルレーザ送信器であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えており、該光学パラメトリック発振器は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第１の光学素子の近位に配置されたエタロンであって、該エタロンは該エタロンを通過する光の線幅を狭くするように構成される、エタロンと、
該エタロンの近位に配置される第３の光学素子であって、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該エタロンと該第３の光学素子との間で共振し、該第２の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該非線形光学媒体においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、第３の光学素子と
を備え、出力ビームは、該第２の光学素子を通って透過される該第３の波長における光に対応する、波長アジャイルレーザ送信器。
（項目２）
上記第１の光学素子および上記第２の光学素子は、該第１の光学素子が上記光学パラメトリック発振器から上記第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させ、該第２の光学素子および上記第３の光学素子は、上記第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に上記出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させる、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目３）
上記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の光学結晶のそれぞれは上記第１の波長における光を上記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれの角度は、該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれが生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目４）
上記光学パラメトリック発振器は、上記第１の光学結晶と上記第２の光学結晶との間に配置されたフィルタを備え、該フィルタは上記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目５）
上記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目６）
上記第１および第２の非線形光学結晶にそれぞれ連結された第１および第２の検流計をさらに備え、上記光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶の角度をそれぞれ調整するように構成された、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目７）
上記第１および第２の検流計が液冷される、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目８）
上記光学パラメトリック発振器を収容するハウジングをさらに備えている、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目９）
上記ハウジングは、第１、第２および第３のチャンバを備え、該第１および第２のチャンバはそれぞれ上記第１および第２の非線形光学結晶のための検流計を収容するように構成される、項目８に記載のレーザ送信器。
（項目１０）
上記線幅の選択を調整するために、上記エタロンの位置を調整するために該エタロンに連結された第３の検流計をさらに備え、上記ハウジングは該第３の検流計を収容するように構成された第３のチャンバをさらに備える、項目９に記載のレーザ送信器。
（項目１１）
上記第１の非線形光学結晶を上記第１の検流計に取り付ける第１のアームと、上記第２の非線形光学結晶を上記第２の検流計に取り付ける第２のアームと、上記エタロンを上記第３の検流計に取り付ける第３のアームとをさらに備え、該第１、第２および第３の検流計は、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する、該第１、第２の非線形光学結晶および該エタロンの角度をそれぞれ変更するために、該第１、第２および第３のアームをそれぞれ回転させる、項目１０に記載のレーザ送信器。
（項目１２）
上記第１および第２の非線形光学結晶のための上記第１および第２の検流計が一緒に調整されるように構成される、項目６に記載のレーザ送信器。
（項目１３）
上記非線形光学媒体の角度および上記エタロンの角度は、５００ｎｍまでの範囲内の光の第３波長を調整するように構成される、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目１４）
波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、
光学パラメトリック発振器として作用する空洞と
を備え、該空洞は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第２の光学素子の近位に配置された狭線幅フィルタであって、該フィルタを通過する光の線幅を狭くするように構成される、狭線幅フィルタと、
該狭線幅フィルタの近位に配置される第３の光学素子であって、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該狭線幅フィルタと該第３の光学素子との間で共振し、該第２の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入り、該非線形光学媒体においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用するように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成される、第３の光学素子と
を備え、該第１の光学素子および該第２の光学素子は、該第１の光学素子が該光学パラメトリック発振器から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させ、該第２の光学素子および該第３の光学素子は、該第２の光学素子が該第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させる、装置。
（項目１５）
上記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の非線形光学結晶の各々は上記第１の波長における光を上記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶の各々の角度は、該第１および第２の非線形光学結晶の各々が生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
上記狭線幅フィルタは、該狭線幅フィルタを通過する光の線幅フィルタ選択を制御するように調整可能である、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
上記光学パラメトリック発振器は、上記第１の非線形光学結晶と上記第２の非線形光学結晶との間に配置されるフィルタを備え、該フィルタは上記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、項目１５に記載の装置。
（項目１８）
上記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、項目１５に記載の装置。
（項目１９）
上記第１および第２の非線形光学結晶にそれぞれ連結された第１および第２の検流計をさらに備え、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対して、該第１および第２の非線形光学結晶の角度をそれぞれ調整するように構成される、項目１５に記載の装置。
（項目２０）
波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するための手段と、
光学パラメトリック発振をその中で支持するために複数の光学素子を収容するための手段と
を備え、該複数の光学素子を収容するための手段は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するための手段であって、該変換するための手段は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、手段と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該変換するための手段の第１の端部の中に向けるための第１の光学手段であって、該第１の光学手段は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該変換するための手段の第２の端部の近位に配置される第２の光学手段であって、該第２の光学手段は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該第２の光学手段の近位に配置されたフィルタリング手段であって、該フィルタリング手段を通過する光の線幅を狭くするように構成される、手段と、
該フィルタリング手段の近位に配置される第３の光学手段であって、該第３の光学手段は、該第３の波長における光が、該フィルタリング手段と該第３の光学手段との間で共振し、該第２の光学手段を通過して該変換するための手段に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該変換するための手段においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、手段と
を備え、該第１の光学手段および該第２の光学手段は、該第１の光学手段が該収容するための手段から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させ、該第２の光学手段および該第３の光学手段は、該第３の波長における光が該収容するための手段の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させる、装置。
（項目２１）
第１の波長におけるポンプレーザ光線を光学空洞に導入することであって、該光学空洞は、該光学空洞の対向する端部に配置された第１および第２の光学素子によって境界がなされている、ことと、
該光学空洞内に配置された非線形光学媒体を通ってポンプエネルギを通過させて、該ポンプエネルギを、該第１の波長よりもそれぞれ長い第２の波長および第３の波長におけるエネルギに変換することと、
該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するために、伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度を調整することと、
該第１の光学素子によって、該第１および第２の波長における光を反射させることによって、該第１および第２の波長における光が該非線形光学媒体を通って該第２の光学素子に向かって戻るように通過させることと、
該第１の波長における光が該非線形光学媒体を通過して戻るように反射した後で、該第１の波長における光を該光学空洞の外に反射させることと、
該第３の波長における光を、狭線幅フィルタを通って、該第３の光学素子に向けることと、
該第３の光学素子によって、該第３の波長における光を、該狭線幅フィルタを通過して戻り、該非線形光学媒体を通って、該第１の光学素子の外に出力ビームとして反射させることと
を包含する、方法。
（項目２２）
上記第２の波長における光が上記空洞内で部分的に共振した後で、該第２の波長における光を該空洞の外に反射させることをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
上記第２の波長における光を反射させることは、該第２の波長における光が上記第１の光学素子によって反射され、上記非線形光学媒体を通過した後で、該第２の波長における光を反射させることを包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記第３の波長における光を反射させることは、該第３の波長における光が上記空洞内で部分的に共振した後で、該第３の波長における光が上記出力ビームとして上記第１の光学素子を通って空洞の外に出る前に、該第３の波長における光を反射させることを包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
上記狭線幅フィルタを調整することをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目１）
波長アジャイルレーザ送信器であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えており、該光学パラメトリック発振器は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第１の光学素子の近位に配置されたエタロンであって、該エタロンは該エタロンを通過する光の線幅を狭くするように構成される、エタロンと、
該エタロンの近位に配置される第３の光学素子であって、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該エタロンと該第３の光学素子との間で共振し、該第２の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該非線形光学媒体においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、第３の光学素子と
を備え、出力ビームは、該第２の光学素子を通って透過される該第３の波長における光に対応する、波長アジャイルレーザ送信器。
（項目２）
上記第１の光学素子および上記第２の光学素子は、該第１の光学素子が上記光学パラメトリック発振器から上記第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させ、該第２の光学素子および上記第３の光学素子は、上記第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に上記出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させる、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目３）
上記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の光学結晶のそれぞれは上記第１の波長における光を上記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれの角度は、該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれが生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目４）
上記光学パラメトリック発振器は、上記第１の光学結晶と上記第２の光学結晶との間に配置されたフィルタを備え、該フィルタは上記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目５）
上記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目６）
上記第１および第２の非線形光学結晶にそれぞれ連結された第１および第２の検流計をさらに備え、上記光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶の角度をそれぞれ調整するように構成された、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目７）
上記第１および第２の検流計が液冷される、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目８）
上記光学パラメトリック発振器を収容するハウジングをさらに備えている、項目３に記載のレーザ送信器。
（項目９）
上記ハウジングは、第１、第２および第３のチャンバを備え、該第１および第２のチャンバはそれぞれ上記第１および第２の非線形光学結晶のための検流計を収容するように構成される、項目８に記載のレーザ送信器。
（項目１０）
上記線幅の選択を調整するために、上記エタロンの位置を調整するために該エタロンに連結された第３の検流計をさらに備え、上記ハウジングは該第３の検流計を収容するように構成された第３のチャンバをさらに備える、項目９に記載のレーザ送信器。
（項目１１）
上記第１の非線形光学結晶を上記第１の検流計に取り付ける第１のアームと、上記第２の非線形光学結晶を上記第２の検流計に取り付ける第２のアームと、上記エタロンを上記第３の検流計に取り付ける第３のアームとをさらに備え、該第１、第２および第３の検流計は、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する、該第１、第２の非線形光学結晶および該エタロンの角度をそれぞれ変更するために、該第１、第２および第３のアームをそれぞれ回転させる、項目１０に記載のレーザ送信器。
（項目１２）
上記第１および第２の非線形光学結晶のための上記第１および第２の検流計が一緒に調整されるように構成される、項目６に記載のレーザ送信器。
（項目１３）
上記非線形光学媒体の角度および上記エタロンの角度は、５００ｎｍまでの範囲内の光の第３波長を調整するように構成される、項目１に記載のレーザ送信器。
（項目１４）
波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、
光学パラメトリック発振器として作用する空洞と
を備え、該空洞は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第２の光学素子の近位に配置された狭線幅フィルタであって、該フィルタを通過する光の線幅を狭くするように構成される、狭線幅フィルタと、
該狭線幅フィルタの近位に配置される第３の光学素子であって、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該狭線幅フィルタと該第３の光学素子との間で共振し、該第２の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入り、該非線形光学媒体においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用するように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成される、第３の光学素子と
を備え、該第１の光学素子および該第２の光学素子は、該第１の光学素子が該光学パラメトリック発振器から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させ、該第２の光学素子および該第３の光学素子は、該第２の光学素子が該第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させる、装置。
（項目１５）
上記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の非線形光学結晶の各々は上記第１の波長における光を上記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶の各々の角度は、該第１および第２の非線形光学結晶の各々が生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
上記狭線幅フィルタは、該狭線幅フィルタを通過する光の線幅フィルタ選択を制御するように調整可能である、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
上記光学パラメトリック発振器は、上記第１の非線形光学結晶と上記第２の非線形光学結晶との間に配置されるフィルタを備え、該フィルタは上記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、項目１５に記載の装置。
（項目１８）
上記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、項目１５に記載の装置。
（項目１９）
上記第１および第２の非線形光学結晶にそれぞれ連結された第１および第２の検流計をさらに備え、上記光学パラメトリック発振器の上記伝播軸に対して、該第１および第２の非線形光学結晶の角度をそれぞれ調整するように構成される、項目１５に記載の装置。
（項目２０）
波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するための手段と、
光学パラメトリック発振をその中で支持するために複数の光学素子を収容するための手段と
を備え、該複数の光学素子を収容するための手段は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するための手段であって、該変換するための手段は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、手段と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該変換するための手段の第１の端部の中に向けるための第１の光学手段であって、該第１の光学手段は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該変換するための手段の第２の端部の近位に配置される第２の光学手段であって、該第２の光学手段は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該第２の光学手段の近位に配置されたフィルタリング手段であって、該フィルタリング手段を通過する光の線幅を狭くするように構成される、手段と、
該フィルタリング手段の近位に配置される第３の光学手段であって、該第３の光学手段は、該第３の波長における光が、該フィルタリング手段と該第３の光学手段との間で共振し、該第２の光学手段を通過して該変換するための手段に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該変換するための手段においては該第３の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、手段と
を備え、該第１の光学手段および該第２の光学手段は、該第１の光学手段が該収容するための手段から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させ、該第２の光学手段および該第３の光学手段は、該第３の波長における光が該収容するための手段の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させる、装置。
（項目２１）
第１の波長におけるポンプレーザ光線を光学空洞に導入することであって、該光学空洞は、該光学空洞の対向する端部に配置された第１および第２の光学素子によって境界がなされている、ことと、
該光学空洞内に配置された非線形光学媒体を通ってポンプエネルギを通過させて、該ポンプエネルギを、該第１の波長よりもそれぞれ長い第２の波長および第３の波長におけるエネルギに変換することと、
該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するために、伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度を調整することと、
該第１の光学素子によって、該第１および第２の波長における光を反射させることによって、該第１および第２の波長における光が該非線形光学媒体を通って該第２の光学素子に向かって戻るように通過させることと、
該第１の波長における光が該非線形光学媒体を通過して戻るように反射した後で、該第１の波長における光を該光学空洞の外に反射させることと、
該第３の波長における光を、狭線幅フィルタを通って、該第３の光学素子に向けることと、
該第３の光学素子によって、該第３の波長における光を、該狭線幅フィルタを通過して戻り、該非線形光学媒体を通って、該第１の光学素子の外に出力ビームとして反射させることと
を包含する、方法。
（項目２２）
上記第２の波長における光が上記空洞内で部分的に共振した後で、該第２の波長における光を該空洞の外に反射させることをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
上記第２の波長における光を反射させることは、該第２の波長における光が上記第１の光学素子によって反射され、上記非線形光学媒体を通過した後で、該第２の波長における光を反射させることを包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記第３の波長における光を反射させることは、該第３の波長における光が上記空洞内で部分的に共振した後で、該第３の波長における光が上記出力ビームとして上記第１の光学素子を通って空洞の外に出る前に、該第３の波長における光を反射させることを包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
上記狭線幅フィルタを調整することをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（摘要）
波長アジャイルレーザ送信器の装置およびその方法が提供される。上記装置は、第１の（ポンプ）波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えている。この光学パラメトリック発振器は、非線形光学媒体と、第１、第２および第３の光学素子と、狭線幅フィルタとを収容する空洞を備えている。この非線形光学媒体は、第１の波長における光を、第２の（信号）波長における光と第３の（アイドラ）波長における光とに変換するように構成され、該第２および第３の波長は、第１の波長よりも長い。第２および第３の波長における光は、光学パラメトリック発振器ないで部分的に共振することが可能であり、上記装置の出力ビームは第３の波長における光に対応する。
波長アジャイルレーザ送信器の装置およびその方法が提供される。上記装置は、第１の（ポンプ）波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えている。この光学パラメトリック発振器は、非線形光学媒体と、第１、第２および第３の光学素子と、狭線幅フィルタとを収容する空洞を備えている。この非線形光学媒体は、第１の波長における光を、第２の（信号）波長における光と第３の（アイドラ）波長における光とに変換するように構成され、該第２および第３の波長は、第１の波長よりも長い。第２および第３の波長における光は、光学パラメトリック発振器ないで部分的に共振することが可能であり、上記装置の出力ビームは第３の波長における光に対応する。
その他の目的および利点は、添付の図面と関連させて以下の説明に対して参照がなされるとき、より容易に明らかとなる。
（詳細な説明）
図１を参照すると、波長アジャイルレーザ送信器が、概して参照数字１０で示される。波長アジャイルレーザ送信器１０は、単一長手方向モード（ＳＬＭ）ポンプレーザ２０と、回転ミラー１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃと、アイソレータ１４と、光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３０とを備えており、該光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３０はいくつかの付加的な構成要素を備えている。ＯＰＯ３０は閉鎖された空洞を備え、該空洞においてこれらの付加的な構成要素が配置される。回転ミラー１２Ｃの前の、アイソレータ１４の下流側に波長板１５もまた存在する。
図１を参照すると、波長アジャイルレーザ送信器が、概して参照数字１０で示される。波長アジャイルレーザ送信器１０は、単一長手方向モード（ＳＬＭ）ポンプレーザ２０と、回転ミラー１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃと、アイソレータ１４と、光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３０とを備えており、該光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３０はいくつかの付加的な構成要素を備えている。ＯＰＯ３０は閉鎖された空洞を備え、該空洞においてこれらの付加的な構成要素が配置される。回転ミラー１２Ｃの前の、アイソレータ１４の下流側に波長板１５もまた存在する。
一つの用途の例として、波長アジャイルレーザ送信器１０は、中間波長の赤外線（ＭＷＩＲ）レーザ線への波長変換にとって有用であり、生物学的物質および化学物質の検出および識別のための異なる波長間での迅速な同調を必要とするシステムにとって特に望ましい。例えば、狭いスペクトル線幅を有する化学物質または生物学的物質は、正確な測定のために、それらの吸収特徴の１０分の１のレーザの線幅を必要とするが、広い線幅を有する物質因子は複数のレーザ線および大気透過窓に一致する線幅を必要とする。
従って、送信器１０のＯＰＯ３０の内部には、一対の非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂからなる非線形媒体があり、該一対の非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂの各々は、ＯＰＯ３０内の伝播軸３２に対してその角度が調節され得る。ＯＰＯ３０内のポンプミラー３６は、ポンプビームを非線形光学媒体に、すなわち図１に示されるように右に向ける。ＯＰＯ３０の出力端部（右側の端部）における結晶３４ａに対向する側には、所望の波長における出力光を通過させるが、他の波長の光を本明細書に記載されるような非線形光学媒体を通って戻すように反射するために役立つ出力カプラ２２がある。非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂの機能は、第１の波長の光を、第２の波長および第３の波長の光に変換することであり、伝播軸３２に対する結晶のそれぞれの角度は、第２の波長および第３の
波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整される。ＯＰＯ３０の対向する端部（左側の端部）には、後部ミラー２４と、該後部ミラー２４とポンプミラー３６との間の、狭い波長の調節可能フィルタまたはエタロン４０とがある。非線形光学結晶３４ａと３４ｂとの間に配置されるオプションのフィルタがある。レーザ送信器１０の追加の構成要素は、光学ダンプ要素３８および３９を含む。
波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整される。ＯＰＯ３０の対向する端部（左側の端部）には、後部ミラー２４と、該後部ミラー２４とポンプミラー３６との間の、狭い波長の調節可能フィルタまたはエタロン４０とがある。非線形光学結晶３４ａと３４ｂとの間に配置されるオプションのフィルタがある。レーザ送信器１０の追加の構成要素は、光学ダンプ要素３８および３９を含む。
制御ユニット５０は、ポンプレーザ２０および様々な光学要素の動作を制御し、特に、角度同調される非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂならびにエタロン４０の動作を制御する。制御ユニット５０はラップトップコンピュータに類似し得、該制御ユニット５０は、ＯＰＯ３０の調整可能な範囲にわたる、所望の調整された波長出力、繰り返し速度および走査を達成するようにこれらの要素を制御するためにパラメトリックを用いてプログラマブルである。
ポンプレーザ２０は、ポンプ波長と呼ばれる一定の波長における光を出力し、この波長は本明細書において第１の波長と呼ばれる。ポンプレーザ２０は、比較的狭い線幅のポンプレーザ（例えば、２ｋＨｚまでの繰り返し速度を有する、ＳＬＭ Ｎｄ：ＹＡＧポンプレーザ）であり得る。
ポンプレーザ２０は、光のパルスをＯＰＯ３０に出力し、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂは、ポンプ波長における光のパルスを、いわゆる信号波長およびアイドラ波長における光線に変換する。信号波長はまた第２の波長とも呼ばれ、アイドラ波長は第３の波長と呼ばれる。一実施形態において、ＯＰＯ３０は、アイドラ波長において振動を生じさせるように設計され、その結果、所望の出力波長はアイドラ波長である。しかしながら、ＯＰＯ３０は、信号波長において発振するように設計され得る。ＯＰＯ３０の伝播軸３２に対する非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂの角度は、信号波長およびアイドラ波長を制御するように調整される。さらに、伝播軸に対するエタロン４０の角度は、レーザ送信器１０の出力波長として、光学カプラ２２を介して出力するための、非常に狭い光の線幅を選択するように調整可能である。
例えば、エタロン４０は、ＯＰＯの線幅を、小さな割合の結晶帯域幅（すなわち波数未満）に制限することが可能なデバイスである。本明細書に記載される目的のために用いられ得る適切なエタロンは当該分野で公知である。
非線形光学結晶３４ａと３４ｂとの間のフィルタ４５は、該非線形光学結晶によって生成された、信号波長またはアイドラ波長（構成に依存する）に対応する波長における光を除くように設計される。フィルタ４５は、オプションの構成要素であり、一実施形態においては、第２の（信号）波長における光を除くように構成される。フィルタ４５は、高い損傷閾値（耐性の）材料でコーティングされる。このような材料の例は、４Ｊ／ｃｍ＾２程度の粒子束を扱うことのできる低吸収性酸化物（ｌｏｗ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｘｉｄｅｓ）である。
ＯＰＯ３０の様々な光学構成要素の反射性および透過性は以下の通りである。ポンプミラー３６は、ポンプ（第１の）波長および信号（第２の）波長において高い反射性（ＨＲ）を有し、アイドラ（第３の）波長において高い透過性（ＨＴ）を有する。出力カプラ２２は、ポンプ（第１の）波長および信号（第２の）波長においてＨＲであり、アイドラ（第３の）波長においてＨＴである。後部ミラー２４は、アイドラ（第３の）波長においてＨＲである。回転ミラー１２Ｃは、ポンプ（第１の）波長においてＨＲであり、信号（第２の）波長においてＨＲである。
動作中、ポンプレーザ２０はポンプビームを回転ミラー１２Ａに出力し、該回転ミラー１２Ａは、ポンプビームを回転ミラー１２Ｂに向け、次いでアイソレータ１４と波長板１５とを通って回転ミラー１２Ｃに向かい、その後ポンプミラー３６に向かう。ポンプビームは、特定の偏波（例えば、垂直偏波）を有し、アイソレータ１４はポンプビームを所定の量（例えば、４５度）だけ回転させる。波長板１５は、レーザ送信器１０によって必要とされる出力光の所望の偏波を設定し、その結果、波長板１５を通過する光は、所望の偏波を有して、ＯＰＯ３０内のポンプミラー３６に向かって反射される。
次いで、ポンプビームは、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂを通過し、ここで信号波長およびアイドラ波長の光が作り出される。光学カプラ２２は、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂを通って戻るように、ポンプビーム波長において光を反射し、ここで該光はポンプミラー３６によって再び反射され、回転ミラー１２Ｃに向かい、アイソレータ１４を通って戻り、光学ダンプ要素３８に入る。アイソレータ１４は、回転ミラー１２Ｃによって上流に反射され戻るポンプビームがポンプレーザ２０に向かうことを防ぐ。すなわち、ポンプビームが回転ミラー１２Ｃからアイソレータ１４に戻る場合、アイソレータはそれをさらに、４５度回転させて、アイソレータを（図１に示される場合に）右から左に通過するポンプビームは、入力ポンプビームの偏波に対して９０度だけ偏向され、光学ダンプ要素３８に向けられる。
ＯＰＯ３０の非線形動作を記述する同調方程式は、
１／λｐｕｍｐ＝１／λｓｉｇｎａｌ＋１／λｉｄｌｅｒ
である。
１／λｐｕｍｐ＝１／λｓｉｇｎａｌ＋１／λｉｄｌｅｒ
である。
ポンプレーザは１．０６４ミクロンの（第１の）波長のポンプビームを供給し、結晶３４ａおよび３４ｂは、信号（第２の）波長に近い（ｉｎ ｆｏｒ）ある任意の波長（例えば、１５５０ｎｍ）に調整される場合、アイドラ（第３の）波長におけるＯＰＯ３０の出力光は、約３．４ミクロンである。非線形結晶３４ａおよび３４ｂは回転し、エタロン４０は、ポンプビームを、より長い２つの波長、すなわち信号波長およびアイドラ波長に変換するように調整される。一例において、結晶３４ａおよび３４ｂは回転し、エタロン４０は、アイドラ波長に対応する所望の波長における光線を獲得（ａｃｈｉｅｖｅ）するように調整され、信号波長における光はダンプされる。
以下は、レーザ送信器１０のＯＰＯ３０の動作モードの一例の記載であり、ここで信号波長およびアイドラ波長の両方における光がＯＰＯ３０内で完全な「ラウンドトリップ」を完了することが不可能である。ポンプミラー３６および出力カプラ２２が信号波長においてＨＲであるという事実に起因して、結晶３４ａおよび３４ｂを通過するポンプビームによって作り出される、信号波長における光が、光学カプラ２２によって反射され、ポンプミラー３６に戻り、ＯＰＯ３０の外に光学ダンプ要素３９に向かう。信号波長における光は、非線形結晶３４ａおよび３４ｂを二度は通過しない。
アイドラ共振メカニズムと信号共振メカニズムとの間の「ハンドオフ」を含む、ビルドアップがＯＰＯ３０において発生する。ポンプレーザ２０からのポンプビームが結晶３４ａおよび３４ｂに衝突するので、信号波長およびアイドラ波長における光が、結晶３４ａおよび３４ｂを通る最初の通過において生成され、一部の利得をピックアップし、光学カプラ２２に衝突し、結晶３４ｂおよび３４ａを通ってポンプミラー３６に戻り、信号波長における光をダンプさせる。他方、アイドラ波長において生成された光が、所望の出力として空洞の外に光学カプラ２２を通過することが可能になる。しかし、信号波長における光が光学カプラ２２によって反射されて戻り、結晶３４ｂおよび３４ａを通過するので、その光はアイドラ波長における光を生成し続ける。アイドラ波長における光は、エタロン４０を通ってポンプミラー３６を通り続け、後部ミラー２４によって反射され、エタロン４０を通り、ポンプミラー３６を通り、ここで、この光は再び結晶３４ａおよび３４ｂを通過し、最終的には光学カプラ２２を通り外に出る。ポンプ波長における光は、依然、空洞３０内で（いずれかの方向で）結晶３４ａおよび３４ｂを通り、その結果、さらに、アイドラ波長および信号波長における光に変換し続ける。４１で示される円の内部の矢印は、各時間のアイドラ波長における光がエタロン４０を（両方の方向で）通過することを示し、エタロン４０は光をさらに狭くし、アイドラ波長における出力光線のより正確な制御を可能にする。
従って、信号波長における光は、ＯＰＯ３０の右側に対して「Ｕ」形状のループを作り、アイドラ波長における光は、ＯＰＯ３０の左側に対して「Ｕ」形状のループを作り出す。それゆえ、信号波長およびアイドラ波長における光は、空洞内で完全に共振することが可能であるわけではない。アイドラ波長における光は、右側（図１）への出力光線としてＯＰＯ３０の外へ出ることが可能であり、信号波長における光は、ポンプミラー３６によってＯＰＯ３０の外へ出ることが可能である。上述された別の方法のように、すなわち、光学カプラ２２およびポンプミラー３６は、ポンプミラー３６が第２の波長における光をＯＰＯ３０の外にダンプ要素３９に反射する前に、第２の波長における光をＯＰＯ３０内で部分的に共振させる。同様に、光学カプラ２２および後部ミラー２４は、光学カプラ２２が、第３の波長における光が出力ビームとしてＯＰＯ３０の外に出ることを可能にする前に、第３の波長における光をＯＰＯ３０内で部分的に共振させる。
ポンプビームは、比較的高強度であり、信号波長における光は、中〜高強度である。しかしながら、アイドラ波長における光は波長が長いので、低強度である（上記の例に対するポンプの３倍小さい）。結果として、ＯＰＯ３０の左側における光学要素（後部ミラー２４およびエタロン４０）は、低出力率の光学素子であり得る。
図２を参照すると、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂとエタロン４０との相対波長応答が示される。非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂの波長応答は、より大きい波長またはより小さい波長に、調整または同調され得るが、その線幅は相対的に同一である。エタロン４０の選択される線幅の波長位置は、より大きい波長またはより小さい波長に調整可能である。従って、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂは、粗い光学フィルタまたは波長選択器として作用し、エタロン４０は非常に細かい波長選択フィルタとして作用する。例えば、非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂの線幅は、５０ｎｍ程度であり得る（例えば、３〜３．５ミクロン）が、エタロン４０の線幅は１ｎｍより小さい線幅を生成し得る。ＯＰＯ３０を同調する場合、エタロン４０と非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂとの両方の角度は調和して調整される。
非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂは、パラメトリック出力を生成することが可能な任意の結晶質材料から形成され得、この結晶質材料は、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ）、チタン酸ヒ酸カリウム（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｔｅｔａｎａｌ ａｒｓｅｎａｔｅ；ＫＴＡ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、銀ガリウムセレナイト（ｓｉｌｖｅｒ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｅｌｅｎｉｔｅ；ＡｇＧａＳｅ２）、銀ガリウムスルフィド（ｓｉｌｖｅｒ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｕｌｆｉｄｅ；ＡｇＧａＳ２）を含むがこれらに限定はされない。例えば、ＯＰＯは、２８℃において２８．８ミクロンの周期間隔を有するＰＰＬＮ結晶を用いて３．１５ミクロン〜３．６５ミクロンの同調範囲を有し得る。同様に、２９．６ミクロンの周期間隔を有するＰＰＬＮ結晶は、約３．１〜３．６ミクロンの同調範囲を生じさせる。非線形光学結晶のタイプおよびその結晶のカットに依存して、伝播軸に対する、信号ビームおよびアイドラビームにおける角度のずれ（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）が発生し得る。しかしながら、２つの逆に回転する結晶を用いるとこの効果が軽減される。
図３および４を参照すると、ＯＰＯ３０は、比較的小さくコンパクトなデバイスとして実現され得る。ステンレス鋼のような材料から構成されるハウジング１００は、ＯＰＯの構成要素を収容する。出力カプラ２２は、メインのハウジング１００から離れている、該出力カプラ２２のハウジング１１０内に配置され得、アラインメントの自由度を提供する。非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂは、シャフト１２０ａおよび１２０ｂの上部に据え付けられ、これらのシャフト１２０ａおよび１２０ｂは、それぞれの検流計１３０ａおよび１３０ｂの一部である。さらに、エタロン４０は、検流計１５０に取り付けられたシャフト１４０に据え付けられる。検流計１３０ａ、１３０ｂおよび１５０は、ＯＰＯ３０の伝播軸に対してそれぞれの結晶３４ａ、３４ｂおよびエタロン４０を回転させるように一緒に調整することが可能であり、その結果、結晶３４ａおよび３４ｂによって生成された信号波長ビームおよびアイドラ波長ビームの波長位置、ならびにエタロン４０の線幅選択位置を変更（同調または調整）して、所望の波長同調を達成する。制御ユニット（図示しないが当該分野で公知）が、第１および第２の非線形光学結晶３４ａおよび３４ｂならびにエタロン４０の角度を調整するために検流計制御信号を生成し、約１０〜２０ｎｍの小さなステップの波長変更に対して２ｋＨｚまでの繰り返し速度で同調を容易化し得る。
非線形光学結晶に対する検流計１３０ａおよび１３０ｂは、例えば、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．のＭｏｄｅｌ ６２２０検流計であり得、エタロンに対する検流計１５０は、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｏｄｅｌ ６２１５検流計であり得る。検流計１３０ａ、１３０ｂおよび１５０は、それぞれ個別のチャンバ１６０、１６２および１６４の内部に収容される。検流計は、複数の角度のそれぞれに対してプログラマブルであり、それぞれの角度は固有の制御電圧によって表される。特に高い繰り返し速度で、より良い改良性および安定性を達成するためにデジタル制御フィードバックを用いる、より高い出力の検流計も使用され得る。さらに、検流計の温度が液冷配置によって調節されることによって、温度制御された水がハウジング１００上のフィッティング１７０を介して供給される。
フィルタ４５は、フィルタ４５の対向する端部に取り付けられたフィルタマウント１８２および１８４によって非線形光学結晶３４ａと３４ｂとの間に適切な位置で保持される。同様に、ミラー３６はマウント１９０によって適切な位置に保持され、該マウント１９０はミラー３６を囲み、伝播軸に対してある角度で配向される。最終的に、図３は、ハウジング１００が、光学構成要素の非常に近接した結合を可能にし、「モノブロック」アセンブリにおける冷却を提供することを示す。空洞を長くすることは、ＯＰＯ３０の性能全体において悪影響を与える。
本明細書に記載された波長同調可能なＯＰＯ３０は、種々の用途に用いられ得る。例えば、吸収差ライダー（ＤＩＡＬ）検出技術を用いた化学的／生物学的ガスの検出、ディファレンシャルスカッタリング（ＤＩＳＣ）バイオエアロゾルライダー、天然ガスの爆発性ガス検出（漏れまたは探査）、メタンフェタミンラブ検出および有毒性産業化学物質検出のための複数波長の赤外線源として有用である。
波長アジャイルレーザ光線生成の方法がまた提供され、該方法は、第１の波長におけるポンプレーザ光線を光学空洞に導入することであって、該光学空洞は、該光学空洞の対向する端部に配置された第１および第２の光学素子によって境界がなされている、ことと、該光学空洞内に配置された非線形光学媒体を通って該ポンプエネルギを通過させて、該ポンプエネルギを、それぞれ該第１の波長よりも長い第２の波長および第３の波長におけるエネルギに変換することと、該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するために、伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度を調整することと、該第１の光学素子によって、該第１および第２の波長における光を反射させることによって、該第１および第２の波長における光が該非線形光学媒体を通って該第２の光学素子に向かって戻るように通過させることと、該第１の波長における光が該非線形光学媒体を通過して戻るように反射した後で、該第１の波長における光を該光学空洞の外に反射させることと、狭線幅フィルタを通る該第３の波長における光を、該第２の光学素子に向けることと、該第２の光学素子によって、該第３の波長における光を、該狭線幅フィルタに戻し、該非線形光学媒体を通り、該第１の光学素子を通って外に出力ビームとして反射させることとを包含する。
本明細書に開示された装置および方法は、本発明の精神またはその本質的な特徴から逸脱することなしに、他の具体的な形態で具体化され得る。前述の実施形態は、それゆえ、全ての局面において、例示的であると考慮されるべきであり、限定を意味しないように考慮されるべきである。
１０ 波長アジャイルレーザ送信器
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 回転ミラー
１４ アイソレータ
１５ 波長板
２０ ポンプレーザ
２２ 光学カプラ、出力カプラ
２４ 後部ミラー
３０ 光学パラメトリック発振器、ＯＰＯ
３２ 伝播軸
３４ａ、３４ｂ 非線形光学結晶
３６ ポンプミラー
３８、３９ 光学ダンプ要素
４０ エタロン
４５ フィルタ
５０ 制御ユニット
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 回転ミラー
１４ アイソレータ
１５ 波長板
２０ ポンプレーザ
２２ 光学カプラ、出力カプラ
２４ 後部ミラー
３０ 光学パラメトリック発振器、ＯＰＯ
３２ 伝播軸
３４ａ、３４ｂ 非線形光学結晶
３６ ポンプミラー
３８、３９ 光学ダンプ要素
４０ エタロン
４５ フィルタ
５０ 制御ユニット
Claims (25)
- 波長アジャイルレーザ送信器であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、光学パラメトリック発振器とを備えており、該光学パラメトリック発振器は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第１の光学素子の近位に配置されたエタロンであって、該エタロンは該エタロンを通過する光の線幅を狭くするように構成される、エタロンと、
該エタロンの近位に配置される第３の光学素子であって、該エタロンは、該第１の光学素子と該第３の光学素子との間に配置され、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該第１の光学素子と該第３の光学素子との間で共振し、該第１の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該非線形光学媒体において該第１の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、第３の光学素子と
を備え、出力ビームは、該第２の光学素子を通って透過される該第３の波長における光に対応する、波長アジャイルレーザ送信器。 - 前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、該第１の光学素子が前記光学パラメトリック発振器から前記第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させるように構成され、該第２の光学素子および前記第３の光学素子は、該第２の光学素子が前記第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に前記出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させるように構成される、請求項１に記載のレーザ送信器。
- 前記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれは前記第１の波長における光を前記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、前記光学パラメトリック発振器の前記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれの角度は、該第１および第２の非線形光学結晶のそれぞれが生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、請求項１に記載のレーザ送信器。
- 前記光学パラメトリック発振器は、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶との間に配置されたフィルタを備え、該フィルタは前記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、請求項３に記載のレーザ送信器。
- 前記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、請求項３に記載のレーザ送信器。
- 制御ユニットと、第１のシャフトを備える第１の検流計と、第２のシャフトを備える第２の検流計とをさらに備え、前記第１および第２の非線形光学結晶が、それぞれ該第１および第２のシャフトの上部に据え付けられ、該制御ユニットは、前記光学パラメトリック発振器の伝播軸に対して該第１および第２の非線形光学結晶をそれぞれ回転させるように構成された該第１および第２の検流計への検流計制御信号を生成する、請求項３に記載のレーザ送信器。
- 前記第１および第２の検流計が液冷される、請求項６に記載のレーザ送信器。
- 前記光学パラメトリック発振器を収容するハウジングをさらに備えている、請求項６に記載のレーザ送信器。
- 前記ハウジングは、第１、第２および第３のチャンバを備え、該第１および第２のチャンバはそれぞれ前記第１および第２の非線形光学結晶のための検流計を収容するように構成される、請求項８に記載のレーザ送信器。
- 前記線幅の選択を調整するために、前記エタロンの位置を調整するために該エタロンに連結された第３の検流計をさらに備え、前記ハウジングは該第３の検流計を収容するように構成された第３のチャンバをさらに備え、前記制御ユニットは、該第３の検流計に対する検流計制御信号を生成する、請求項９に記載のレーザ送信器。
- 前記第１の非線形光学結晶を前記第１の検流計に取り付ける第１のアームと、前記第２の非線形光学結晶を前記第２の検流計に取り付ける第２のアームと、前記エタロンを前記第３の検流計に取り付ける第３のアームとをさらに備え、該第１、第２および第３の検流計は、前記光学パラメトリック発振器の前記伝播軸に対する、該第１、第２の非線形光学結晶および該エタロンの角度をそれぞれ変更するために、該第１、第２および第３のアームをそれぞれ回転させる、請求項１０に記載のレーザ送信器。
- 前記第１および第２の非線形光学結晶のための前記第１および第２の検流計が一緒に調整されるように構成される、請求項６に記載のレーザ送信器。
- 前記非線形光学媒体の角度および前記エタロンの角度は、５００ｎｍまでの範囲内の光の第３波長を調整するように構成される、請求項１に記載のレーザ送信器。
- 波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプビームを出力するように構成されたポンプレーザと、
光学パラメトリック発振器として作用する空洞と
を備え、該空洞は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するように構成された非線形光学媒体であって、該光学パラメトリック発振器の伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、非線形光学媒体と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該非線形光学媒体の第１の端部の中に向けるように構成された第１の光学素子であって、該第１の光学素子は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第１の光学素子と、
該非線形光学媒体の第２の端部の近位に配置される第２の光学素子であって、該第２の光学素子は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、第２の光学素子と、
該第１の光学素子の近位に配置された狭線幅フィルタであって、該フィルタを通過する光の線幅を狭くするように構成される、狭線幅フィルタと、
該狭線幅フィルタの近位に配置される第３の光学素子であって、該狭線幅フィルタは、該第１の光学素子と該第３の光学素子との間に配置され、該第３の光学素子は、該第３の波長における光が、該第１の光学素子と該第３の光学素子との間で共振し、該第１の光学素子を通過して該非線形光学媒体に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該非線形光学媒体において該第１の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、第３の光学素子と
を備え、該第１の光学素子および該第２の光学素子は、該第１の光学素子が該光学パラメトリック発振器から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させるように構成され、該第２の光学素子および該第３の光学素子は、該第２の光学素子が該第３の波長における光が該光学パラメトリック発振器の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該光学パラメトリック発振器内で部分的に共振させるように構成される、装置。 - 前記非線形光学媒体は第１および第２の非線形光学結晶を備え、該第１および第２の非線形光学結晶の各々は前記第１の波長における光を前記第２および第３の波長における光に変換するように構成され、前記光学パラメトリック発振器の前記伝播軸に対する該第１および第２の非線形光学結晶の各々の角度は、該第１および第２の非線形光学結晶の各々が生成する該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するように調整可能である、請求項１４に記載の装置。
- 前記狭線幅フィルタは、該狭線幅フィルタを通過する光の線幅フィルタ選択を制御するように調整可能である、請求項１５に記載の装置。
- 前記光学パラメトリック発振器は、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶との間に配置されるフィルタを備え、該フィルタは前記第２の波長における光を実質的に除くように構成される、請求項１５に記載の装置。
- 前記第１および第２の非線形光学結晶は、周期分極リチウムニオブ（ＰＰＬＮ）結晶である、請求項１５に記載の装置。
- 制御ユニットと、第１のシャフトを備える第１の検流計と、第２のシャフトを備える第２の検流計とをさらに備え、前記第１および第２の非線形光学結晶が、それぞれ該第１および第２のシャフトの上部に据え付けられ、該制御ユニットは、前記光学パラメトリック発振器の伝播軸に対して該第１および第２の非線形光学結晶をそれぞれ回転させるように構成された該第１および第２の検流計への検流計制御信号を生成する、請求項１５に記載の装置。
- 波長アジャイルレーザ送信器装置であって、
第１の波長においてポンプ光ビームを出力するための手段と、
光学パラメトリック発振をその中で支持するために複数の光学素子を収容するための手段と
を備え、該複数の光学素子を収容するための手段は、
該第１の波長における光を、該第１の波長よりそれぞれ長い第２の波長および第３の波長における光に変換するための手段であって、該変換するための手段は、該第２および第３の波長における光に変換されるエネルギの配分を制御するように調整可能である、手段と、
該ポンプビームを受信し、該ポンプビームを該変換するための手段の第１の端部の中に向けるための第１の光学手段であって、該第１の光学手段は該第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該変換するための手段の第２の端部の近位に配置される第２の光学手段であって、該第２の光学手段は、該第１および第２の波長において高い反射性を有し、該第３の波長において高い透過性を有するように構成される、手段と、
該第１の光学手段の近位に配置されたフィルタリング手段であって、該フィルタリング手段を通過する光の線幅を狭くするように構成される、手段と、
該フィルタリング手段の近位に配置される第３の光学手段であって、該フィルタリング手段は、該第１の光学手段と該第３の光学手段との間に配置され、該第３の光学手段は、該第３の波長における光が、該第１の光学手段と該第３の光学手段との間で共振し、該第１の光学手段を通過して該変換するための手段に入るように、該第３の波長において高い反射性を有するように構成され、該変換するための手段において該第１の波長における光が該第２の波長における光と相互作用する、手段と
を備え、該第１の光学手段および該第２の光学手段は、該第１の光学手段が該収容するための手段から該第２の波長における光を反射させる前に、該第２の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させるように構成され、該第２の光学手段および該第３の光学手段は、該第２の光学手段が該第３の波長における光が該収容するための手段の外に出力ビームとして通過することを可能にする前に、該第３の波長における光を該収容するための手段内で部分的に共振させるように構成される、装置。 - 第１の波長におけるポンプレーザ光線を光学空洞に導入することであって、該光学空洞は、該光学空洞の対向する端部に配置された第１および第２の光学素子によって境界がなされている、ことと、
該光学空洞内に配置された非線形光学媒体を通ってポンプエネルギを通過させて、該ポンプエネルギを、該第１の波長よりもそれぞれ長い第２の波長および第３の波長におけるエネルギに変換することと、
該第２の波長と該第３の波長との間のエネルギの配分を制御するために、伝播軸に対する該非線形光学媒体の角度を調整することと、
該第１の光学素子によって、該第１および第２の波長における光を反射させることによって、該第１および第２の波長における光が該非線形光学媒体を通って該第２の光学素子に向かって戻るようにすることと、
該第１の波長における光が該非線形光学媒体を通過して戻るように反射した後で、該第１の波長における光を該光学空洞の外に反射させることと、
該第３の波長における光を、狭線幅フィルタを通って、該第２の光学素子に向けることと、
該第２の光学素子によって、該第３の波長における光を、該狭線幅フィルタを通過して戻り、該非線形光学媒体を通って、該第１の光学素子の外に出力ビームとして反射させることと
を包含する、方法。 - 前記第２の波長における光が前記空洞内で部分的に共振した後で、該第２の波長における光を該空洞の外に反射させることをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
- 前記第２の波長における光を反射させることは、該第２の波長における光が前記第１の光学素子によって反射され、前記非線形光学媒体を通過した後で、該第２の波長における光を反射させることを包含する、請求項２２に記載の方法。
- 前記第３の波長における光を反射させることは、該第３の波長における光が前記空洞内で部分的に共振した後で、該第３の波長における光が前記出力ビームとして前記第１の光学素子を通って空洞の外に出る前に、該第３の波長における光を反射させることを包含する、請求項２２に記載の方法。
- 前記狭線幅フィルタを調整することをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
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