JPH04121718A - 光高調波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物質の非線形光学効果を用いて光ビームの性
質を変換する装置にかかわり、特に光高調波発生又はパ
ラメトリック発振等により高調波を発生させる光高調波
発生装置の構成に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より非線形光学素子を用いると素子に入射するレー
ザ光の波長を半分にすることが可能である２次高調波発
生が知られている。このとき非線形光学素子に入射する
レーザ光の角周波数をωとしこの光をω波、発生する第
２次高調波を２ω波と呼ぶこととする 一般にこの非線形性を効率良く発生させるにはω波の進
行する位相と２ωの進行する位相とを一致させる必要が
あり、そのための条件として、位相整合角度θｍが定ま
る。この角度はたとえばタイプ■と呼ばれる位相整合で
は ・・・　（１） と表すことができる。ここでｎ　は常光線屈折率、ｎ　
は異常光線屈折率であり、添字ω、２ωはそのときの光
の角周波数を表す。

従来はこの位相整合角度を得るために非線形結晶をこの
角度θｍで切り出し、この角度条件に一致するようにレ
ーザー光の波長と結晶の温度を制御していた。特に、こ
のときの角度許容幅を拡大するためにはθｍ＝０°とな
るように波長と温度を制御していた。この装置の一例を
第７図に示す。

この第７図はリング共振器と呼ばれる共振器構造を有す
る１／２波長光発生装置である。同図において従来の１
／２波長光発生装置は、角周波数ωのω波を発生するレ
ーザ光発生部１と、非線形光学結晶で形成され、前記レ
ーザ発生装置１から出射されるω波が前記非線形光学結
晶の結晶軸と平行に入射され、このω波を角周波数２ω
の２ω波を発生させる周波数変換部２と、この周波数変
換部２の入射側及び出射側におけるω波、２ω波の経路
中に配設されるフィルタミラー３１．３２と、このフィ
ルタミラー３２で反射されたω波を前記フィルタミラー
３１側へ反射するミラー３３と、前記周波数変換部２の
非線形光学結晶を所定の一定温度に維持する温度制御部
４とを備える構成である。

次に、上記構成に基づ〈従来装置の動作について説明す
る。前記レーザ光発生部１から出射されるω波はフィル
タミラー３１を透過して周波数変換部２、フィルタミラ
ー３１．３２及びミラー３３で形成されるリング共振器
内に入射される。

この入射されたω波は位相整合角θｍに配設される周波
数変換部２を透過し、フィルタミラー３２からミラー３
３へ、さらにフィルタミラー３１へと順次反射されて、
再度周波数変換部２を透過する。

前記リング共振器内を繰返して透過することにより、周
波数変換部２を透過するω波の強度が上がり、変換効率
を良くして２ω波を生成できることとなる。

前記生成された２ω波は、フィルタミラー３２が角周波
数２ωの光のみを透過するように形成されていることか
ら、このフィルタミラー３２を透過して２ω波を取出す
ことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の１７２波長光発生装置は以上のように構成されて
いることから、リング共振器を一度通過する場合に一度
だけしかω波が周波数変換部２の非線形結晶を通過しな
いので共振器の損失の影響を低減するために長い結晶を
用いる必要があり、均一で大きな結晶を必要とするとい
う課題を有していた。また、この結晶の維持されるべき
角度精度はその位相整合角によって異なるが、この精度
を緩（するために位相整合角θｍ＝０°とし、いわゆる
ノンクリティカルな位相整合を行なうためには、例えば
結晶にニオブ酸カリウムを用いて８４０ｎｍの光をω波
とするには、結晶を一２３℃という低温に維持する必要
がある課題をも併有していた。

本発明は前記課題を解消するため、になされたもので、
微小な結晶であっても２ω波を高い変換効率で発生させ
ることができ、非線形結晶の維持されるべき角度精度を
緩くできると共に、非線形結晶を所定の恒温度に維持で
きる範囲を広げることができる光高調波発生装置を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図を示す。

同図において本発明に係る光高調波発生装置は、レーザ
光を発生するレーザ光発生手段（１）と、上記レーザ光
を透過する非線形光学結晶の透過物質で形成され、当該
透過物質の結晶軸に対して約位相整合角度（θｍ）だけ
傾斜させてレーザ光を入射し、当該入射レーザ光の周波
数と異なる周波数のレーザ光を出射する光周波数変換手
段（２）と、前記光周波数変換手段（２）から射出され
る入射レーザ光を反射させ、当該反射レーザ光を前記入
射レーザ光の入射経路と異なる経路を含む入射経路で前
記光周波数変換手段（２）の透過物質における結晶軸に
対して約位相整合角度（θｍ）だけ傾斜させて前記光周
波変換手段（２）に再入射させる光反射手段とを備える
ものである。

〔作用〕

本発明においては、非線形光学結晶の光周波数変換手段
に光反射手段を介して複数回透過させて光高調波に変換
することにより、微小な非線形光学結晶であっても光高
調波を高い変換効率で発生させる。また、非線形光学結
晶の位相整合角度の許容範囲を広くとることができるこ
ととなり、非線形結晶を所定の恒温度状態に維持するこ
とが容易になる。

〔実施例〕

（ａ）本発明の一実施例 以下、本発明の一実施例として第２次高調波を発生する
１／２波長光発生装置について第２図に基づいて説明す
る。この第２図は本実施例装置の構成図を示す。

同図において本実施例に係る１／２波長光発生装置は、
角周波数ωのレーザ光であるω波を発生するレーザ光発
生部１と、非線形光学結晶で形成され、この非線形光学
結晶の結晶軸に対して位相整合角度θｍだけ傾斜した方
向から前記レーザ光発生部１のω波を入射して角周波数
２ωの２ω波を発生する周波数変換部２と、該周波数変
換部２から出射されるω波を反射して再度周波数変換部
２へ結晶軸に対して位相整合角度θｍだけ傾斜して入射
するフィルタミラー３１．３２及びミラー３３．３４と
、前記周波数変換部２の非線形結晶を所定の一定温度に
維持制御する温度制御４とを備える構成である。

次に、上記構成に基づく本実施例装置の動作について説
明する。

まず、温度制御部４が周波数変換部２の非線形光学結晶
を位相整合角度θｍとなるように所定の恒温状態に制御
する。この温度制御下においてレーザ光発生部１から射
出されたω波はフィルタミラー３１を透過してリング共
振器（周波数変換部２、フィルタミラー３１．３２、ミ
ラー３３．３４で形成される）内に入射される。

この入射されたω波は位相整合角度θｍで周波数変換部
２の非線形光学結晶内に入射され、この非線形光学結晶
内を透過する際にω波の一部が２ω波に変換されて出射
される。この出射されたω波はフィルタミラー３２及び
ミラー３３で順次反射されて周波数変換部２へ再度位相
整合角度θｍで入射されて透過の際に角周波数２ωへ変
換される。また、前記一部２ωの角周波数に変換された
２ω波はフィルタミラー３２を透過してリング共振器外
へ射出される。

前記周波数変換部２を再度透過したω波は、ミラー３４
及びフィルタミラー３１で順次反射され、当初に周波数
変換部２に入射された同一経路で再度周波数変換部２に
入射・透過し、この透過の際に角周波数２ωへ変換され
る。

前記各々角周波数２ωへ変換された２ω波はフィルタミ
ラー３２を透過してリング共振器外へ出射される。

（ｂ）本発明の他の実施例 本発明の他の実施例を第３図に基づいて説明する。この
第３図は他の実施例装置の構成図を示す。

同図において他の実施例に係る１７２波長光発生装置は
、前記第２図記載実施例と同様にレーザ発生部１、周波
数変換部２、フィルタミラー３１．３２、ミラー３３．
３４及び温度制御部４を備えて構成し、前記構成に加え
て、前記フィルタミラー３１の前段（入射側）、フィル
タミラー３２の後段（出射側）、フィルタミラー３１と
ミラー３４との間及びフィルタミラー３２とミラー３３
との間に各々集光レンズ５１〜５４を配設する構成であ
る。

前記各集光レンズ５１〜５４は周波数変換部２の非線形
光学結晶内の略中央部を焦点とする光学系で構成される
。

このように、前記各集光レンズ５１〜５４を配設するこ
とにより、周波数変換部２の非線形光学結晶内において
入射されるω波が集光ガウシアンビームとなり、前記非
線形光学結晶内でのω波の光束密度を向上させ上用波数
変換効率を高めることができることとなる。さらに、前
記各集光レンズ５１〜５４により光学系の安定性を向上
させることもできる。

また、集光レンズ５１を配設することにより、例えばレ
ーザ光発生部１から拡散レーザ光が出射される場合には
大きな開口数でレーザ光を入射することとなる。

（ｃ）本発明のその他の実施例 本発明のその他の実施例を第４図に基づいて説明する。

この第４図はその他の実施例装置の構成図を示す。

同図においてその他の実施例に係る１／２波長光発生装
置は、前記第２図、第３図記載の実施例における周波数
変換部２、フィルタミラー３１．３２及びミラー３３．
３４を一体とした非線形光学結晶の光集積回路として形
成し、周波数変換部２の各端面でフィルタミラー３１．
３２及びミラー３３．３４を構成する。

このように各部分を一体とした光集積回路で構成するこ
とにより、光学的な位置合せを高精度に位置決め調整が
可能となる。

また、第５図に示すように前記その他の実施例装置は、
周波数変換部２の端面を曲面状に形成し、この端面曲面
により周波数変換部２の非線形光学結晶内においてω波
を集光ガウシアンビーム状にして光束密度を向上させる
ことができる。なお、この場合においても周波数変換部
２の外側に温度制御部４を設け、非線形光学結晶を位相
整合角度θｍとなるように所定の恒温状態に制御するこ
ともできる。

また、前記各実施例においては周波数変換部２へ入射す
る２光線（ω波）と結晶軸との各々なす角度を位相整合
角度θｍに一致させる構成としたが、２光線の入射角度
を位相整合角度θｍから微小角±α偏位させて構成する
こともできる。この位相整合角度ずれ量と変換効率との
関係を第６図（Ａ）、（Ｂ）に示す。

同図（Ａ）において、各入射角と位相整合角度θｍとを
一致させた場合（θｍ＝０）には変換効率のピーク値が
高く維持でき、しかも（＋）、（−）に偏位したとして
も緩やかに変換効率が低下する。

これに対して同図（Ｂ）のように、２光線の入射角度を
位相整合角度θｍから±αだけ偏位させた場合には、変
換効率のピーク値がやや低くなるものの、入射角許容幅
を広くとることができる。

この入射角許容幅が広くなることにより、所定レベルに
おいて安定した交換効率が得られると共に、非線形光学
結晶の温度制御を厳密に制御する必要がなくなる。

なお、前記各実施例においては、結晶軸に対する２つの
光線の入射角度を位相整合角度θｍに一致させ、または
角度±αだけ偏位させる構成としたが、位相整合角度θ
ｍの補角を入射角度とし、またこの補角から±αだけ偏
位した角度を入射光線の入射角とすることもできる。

なお、前記各実施例においては非線形結晶を温度制御部
４により所定の恒温状態に維持する構成としたが、出力
安定性を厳密に要求しない場合には温度制御部を省略し
て構成することもできる。

なお、前記各実施例においては変換後の２ω波をフィル
タミラー３２から出射する構成としたが、フィルタミラ
ー３１、ミラー３３．３４を波長選択性を有するフィル
タミラーで形成し、これらのいずれかから２ω波を出射
する構成とすることもできる。

なお、前記各実施例においてはリング共振器の構造を非
線形光学結晶の結晶軸を中心として上下左右対称にフィ
ルタミラー３１．３２、ミラー３３．３４を配設する構
成としたが、これらのフィルタミラー３１．３２、ミラ
ー３３．３４を非対称な位置に配設する構成とすること
もできる。

また、前記各実施例においは周波数変換部２の非線形光
学結晶内において２方向の光線の交点と結晶中心とを一
致させる構成としたが、これらを一致させることなく任
意の個所で２方向の光線を交叉させることができる。

また、前記各実施例においては２次高調波（ＳＨＧ）を
発生する１／２波長光発生装置を例として説明したが、
３次高調波（ＴＨＧ）又は４次高調波（ＦＨＧ）を発生
する装置とすることもできる。なお、この場合には入射
されるレーザ光がω波である場合には３次高調波（ＴＨ
Ｇ）は３ω波となり、４次高調波（ＦＨＧ）は４ω波と
なる。さらに、周波数変換部２の非線形光学結晶におい
て入射されるレーザ光に対してパラメトリック発振がな
される場合についても適用することができる。この場合
には入射されるレーザ光がω　波とω２波であり、出射
する光線は（ω１＋ω２）となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明においては、非線形光学結晶
の光周波数変換手段に光反射手段を介して複数回透過さ
せて第２次高調波に変換することにより、微小な非線形
光学結晶であっても第２次高調波を高い変換効率で発生
できる効果を有する。

また、非線形光学結晶の位相整合角度の許容範囲を広く
とることができることとなり、非線形結晶を所定の恒温
度状態に維持することが容易になる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は本発明の一実施例構成図、 第３図は本発明の他の実施例構成図、 第４図は本発明のその他の実施例構成図、第５図は本発
明のその他の実施例の要部側面図、第６図（Ａ）　、（
Ｂ）は位相整合角度ずれ量と交換効率との関係図、 第７図は従来の１／２波長発生装置の構成図を示す。 １・・・レーザ光発生部（レーザ光発生手段）２・・・
周波数変換部（周波数変換手段）３・・・光反射手段 ４・・・温度制御部 ３１．３２・・・フィルタミラー ３３． ３４・・・ミラー ５１〜５ ４・・・レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光を発生するレーザ光発生手段 （１）と、 上記レーザ光を透過する非線形光学結晶の透過物質で形
   成され、当該透過物質の結晶軸に対して約位相整合角度
   （θｍ）だけ傾斜させてレーザ光を入射し、当該入射レ
   ーザ光の周波数と異なる周波数のレーザ光を出射する光
   周波数変換手段（２）と、 前記光周波数変換手段（２）から射出される入射レーザ
   光を反射させ、当該反射レーザ光を前記入射レーザ光の
   入射経路と異なる経路を含む入射経路で前記光周波数変
   換手段（２）の透過物質における結晶軸に対して約位相
   整合角度（θｍ）だけ傾斜させて前記光周波変換手段（
   ２）に再入射させる光反射手段（３）とを備えることを 特徴とする光高調波発生装置。 ２、前記請求項１記載の光高調波発生装置において、 前記光反射手段（３）は光周波数変換手段（２）の透過
   物質における結晶軸に対して対称に二対の反射鏡を設け
   ることを 特徴とする光高調波発生装置。 ３、前記請求項１又は２記載の光高調波発生装置におい
   て、 前記光周波数変換手段（２）の透過物質に入射する入射
   光線及び反射光線の入射側経路中に、前記光周波数変換
   手段（２）の透過物質内に焦点を有する集光レンズを配
   設することを 特徴とする光高調波発生装置。 ４、前記請求項１又は３記載の光高調波発生装置におい
   て、 光周波数変換手段（２）及び光反射手段（３）を一体と
   する光集積回路で構成することを 特徴とする光高調波発生装置。 ５、前記請求項１ないし４記載の光高調波発生装置にお
   いて、 前記光周波数変換手段（２）の透過物質を一定温度に維
   持する温度制御手段を備えることを特徴とする光高調波
   発生装置。