JP6718779B2 - 波長変換素子及び波長変換光パルス波形整形装置 - Google Patents
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Description
fT(x)=b+ax(a、bはそれぞれ定数、a≠0)
とし、位置xでの出力周波数の周波数幅をδf(x)とし、出力周波数を
f(x)=fT(x)+α(x)
としたときに、出力周波数f(x)は、条件|α(x)|≦δf(x)を満たす範囲で、目標周波数fT(x)と一致するように設定されている。
fT(x)=f1+((f2−f1)/d)×x
によって設定されている構成とすることができる。
Λ(x)=c/(f(x)Δn)
によって決定される構成とすることができる。この場合、逆に、出力周波数f(x)は、反転周期Λ(x)に基づいて下記式
f(x)=c/(Λ(x)Δn)
によって決定される。なお、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、互いに逆方向であっても良い。この場合、結晶での分極の反転周期Λ(x)は、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが逆方向である場合に、光速をc、入力光パルスに対する結晶の屈折率をnin、出力光パルスに対する結晶の屈折率をnout、それらの屈折率の和をΔn=nout+ninとして、出力周波数f(x)に基づいて下記式
Λ(x)=c/(f(x)Δn)
によって決定される構成とすることができる。
fT1(x)=b1+a1x(a1、b1はそれぞれ定数)
に設定されている第1結晶領域、及び目標周波数が
fT2(x)=b2+a2x(a2、b2はそれぞれ定数)
に設定されている第2結晶領域を少なくとも有する構成としても良い。また、波長変換素子における互いに目標周波数が異なる複数の結晶領域については、必要に応じて、3個以上の結晶領域を有する構成としても良い。
で表される関係を有する(非特許文献7参照)。ここで、式(1)において、cは光速を示し、Δnは入力光パルスに対する結晶の屈折率nin、及び出力光パルスに対する結晶の屈折率noutの屈折率の差Δn=Δn−=nout−ninを示している。このとき、波長変換素子50の結晶に対する入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、同方向である。また、出力光パルスがTHz波パルスである場合、nout=nTHzである。なお、結晶に対する入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とは、互いに逆方向であっても良い。この場合、上記式(1)におけるΔnは、屈折率の和Δn=Δn+=nout+ninとなる。
によって設定する。ここで、a、bはそれぞれ定数である。
としたときに、出力周波数f(x)を、下記式(4)の条件
を満たす範囲で目標周波数fT(x)と一致するように設定する。
によって求めることができる(式(1)参照)。なお、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが互いに逆方向である場合には、上記したように、式(5)におけるΔnは、屈折率の和Δn=nout+ninとなる。
によって設定することができる。
fT(x)=f1+((f2−f1)/d)×x
によって設定されている構成とすることができる。また、各位置xでの出力周波数fに対応する反転周期Λについては、上記したように、分極の反転周期Λ(x)は、出力周波数f(x)に基づいて下記式
Λ(x)=c/(f(x)Δn)
によって決定される構成とすることができる。
fT1(x)=b1+a1x(a1、b1はそれぞれ定数)
に設定されている第1結晶領域、及び目標周波数が
fT2(x)=b2+a2x(a2、b2はそれぞれ定数)
に設定されている第2結晶領域を少なくとも有する構成としても良い。また、波長変換素子は、周期分極反転構造を有する結晶を複数スタックして構成されても良い。また、波長変換素子は、x軸に沿った各位置xでの周期分極反転構造について、そのz軸(光軸)方向での中心位置を、位置xでの出力周波数f(x)に応じて、結晶の中心位置からシフトさせて構成されても良い。なお、これらの複数の結晶領域を有する構成、複数の結晶をスタックする構成、及び周期分極反転構造の中心位置をシフトさせる構成については、具体的には後述する。
f(x)=fT(x)+α(x)
とした場合、α(x)は、結晶の製造誤差等に起因する出力周波数の誤差に相当する。ここで、図8(a)は、波長変換素子20における出力光パルスの周波数fの結晶での位置xによる変化を示すグラフであり、目標周波数fT(x)、出力周波数f(x)、及び周波数誤差α(x)の関係を示している。
|α(x)|≦δf(x)
を満たすことが好ましい。
によって設定される。また、同様に、第2結晶領域27での出力周波数に対応する目標周波数fT2(x)は、d1≦x≦dの範囲において、下記式(8)
によって設定される。
30…出力光学系、31…軸外し放物面鏡、35…パルス光源、36…結像レンズ系、60…光検出器、61…ロックインアンプ、62…制御装置。
Claims (14)
- 第1軸、及び前記第1軸と直交して波長変換の対象となる入力光パルスの入力軸となる第2軸について、前記第2軸に沿って所定の反転周期Λで分極が反転する周期分極反転構造を有する結晶からなり、
前記反転周期Λが前記第1軸に沿った位置xによって変化することで、各位置xにおいて前記反転周期Λ(x)に対応する出力周波数f(x)に変換された出力光パルスを生成するように構成されているとともに、
位置xに対して直線的に変化する目標周波数をfT(x)=b+ax(ただし、a、bはそれぞれ定数、a≠0)、位置xでの前記出力周波数の周波数幅をδf(x)とし、前記出力周波数をf(x)=fT(x)+α(x)としたときに、前記出力周波数f(x)は、条件|α(x)|≦δf(x)を満たす範囲で前記目標周波数fT(x)と一致するように設定されている、波長変換素子。 - 前記目標周波数fT(x)は、前記第1軸に沿った位置xの原点となる前記結晶の第1端での目標周波数をf1、前記第1端とは反対側の第2端での目標周波数をf2、前記結晶の前記第1軸に沿った前記第1端から前記第2端までの幅をdとしたときに、定数a、bをa=(f2−f1)/d、b=f1として、下記式
fT(x)=f1+((f2−f1)/d)×x
によって設定されている、請求項1記載の波長変換素子。 - 前記出力周波数の前記周波数幅δf(x)は、前記出力光パルスの周波数スペクトルにおける強度がピーク強度に対して1/e2となるときの幅である、請求項1または2記載の波長変換素子。
- 前記出力周波数f(x)は、前記目標周波数fT(x)と略一致するように設定されている、請求項1〜3のいずれか一項記載の波長変換素子。
- 前記結晶での前記反転周期Λ(x)は、前記入力光パルスの入力方向と前記出力光パルスの出力方向とが同方向である場合に、光速をc、前記入力光パルスに対する前記結晶の屈折率をnin、前記出力光パルスに対する前記結晶の屈折率をnout、それらの屈折率の差をΔn=nout−ninとして、前記出力周波数f(x)に基づいて下記式
Λ(x)=c/(f(x)Δn)
によって決定される、請求項1〜4のいずれか一項記載の波長変換素子。 - 前記結晶での前記反転周期Λ(x)は、前記入力光パルスの入力方向と前記出力光パルスの出力方向とが逆方向である場合に、光速をc、前記入力光パルスに対する前記結晶の屈折率をnin、前記出力光パルスに対する前記結晶の屈折率をnout、それらの屈折率の和をΔn=nout+ninとして、前記出力周波数f(x)に基づいて下記式
Λ(x)=c/(f(x)Δn)
によって決定される、請求項1〜4のいずれか一項記載の波長変換素子。 - 前記出力光パルスは、前記出力周波数が0.1THz以上10THz以下のテラヘルツ波パルスである、請求項1〜6のいずれか一項記載の波長変換素子。
- 前記結晶の材料は、ニオブ酸リチウムLiNbO3、またはタンタル酸リチウムLiTaO3である、請求項1〜7のいずれか一項記載の波長変換素子。
- 前記結晶は、前記第1軸に沿って、前記目標周波数がfT1(x)=b1+a1x(ただし、a1、b1はそれぞれ定数)に設定されている第1結晶領域、及び前記目標周波数がfT2(x)=b2+a2x(ただし、a2、b2はそれぞれ定数)に設定されている第2結晶領域を少なくとも有する、請求項1〜8のいずれか一項記載の波長変換素子。
- 前記周期分極反転構造を有する前記結晶を複数スタックして構成される、請求項1〜9のいずれか一項記載の波長変換素子。
- 前記第1軸に沿った各位置xでの前記周期分極反転構造について、その前記第2軸方向での中心位置を、位置xでの前記出力周波数f(x)に応じて、前記結晶の中心位置からシフトさせて構成されている、請求項1〜10のいずれか一項記載の波長変換素子。
- パルス光源から供給された初期光パルスの少なくとも位相を制御して、前記第1軸に沿った各位置xで所定の波形を有する前記入力光パルスを生成する光パルス波形整形器と、
前記光パルス波形整形器からの前記入力光パルスを入力して、波長変換された前記出力光パルスを生成する請求項1〜11のいずれか一項記載の前記波長変換素子と、
前記波長変換素子からの前記出力光パルスに含まれる、前記第1軸に沿った位置xによって変化する前記出力周波数f(x)を有する光パルス成分を合波して、波長変換光パルスを生成、出力する出力光学系と
を備える、波長変換光パルス波形整形装置。 - 前記光パルス波形整形器は、前記初期光パルスの少なくとも位相を制御する空間光変調器を含む、請求項12記載の波長変換光パルス波形整形装置。
- 前記光パルス波形整形器と、前記波長変換素子との間に結像光学系が設けられている、請求項12または13記載の波長変換光パルス波形整形装置。
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