JPH0667238A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形光学結晶を破壊する程の高強度入射光
を用いることなしに高効率の波長変換を実現する。 【構成】 角振動数ω_p の励起光パルスを光学結晶４に
損傷を与えない程度の強度をもつ複数の光パルスに分割
し、前の光パルス入射で発生した角振動数ω_s 、ω_i の
変換光と共に次の光パルスが入射するように、分割され
た光パルスを複数回にわけて光学結晶４に入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信や光信号処理の光
源に利用する。特に、非線形光学結晶による光パラメト
リック効果を利用した光波長変換に関する。このような
光波長変換は、励起光パルスに対して位相整合条件を満
たす波長の光だけが発生することから、波長分散が小さ
く、時間幅の狭い光パルスの発生に利用することができ
る。特に、１０ピコ秒またはそれ以下の短い時間幅の光
パルスを発生する極短パルス光源として利用できる。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の典型的な連続波長可変光パ
ルス光源の構成を示す。

【０００３】このパルス光源は、非線形波長変換特性を
有する光学結晶３２と、これに励起光パルスを入射する
集光光学系３１と、光学結晶３２で発生した変換光を平
行光とするための集光光学系３３とを備え、光学結晶３
２には変換波長を調整するための回転機構が設けられ
る。また、出力光から励起光を分離するための光学フィ
ルタ３４と、変換光の二波長を分離するプリズム３５と
が設けられる。

【０００４】この構成において、角振動数ω_p の励起光
（ポンプ光）が集光光学系３１を介して光学結晶３２に
入射すると、結晶内の非線形光学効果によって、 ω_p ＝ω_s ＋ω_i …（１） なる条件を満たす角振動数ω_s 、ω_i をもつ光（信号
波、アイドラ波）が発生する。このような効果は光パラ
メトリック効果として知られており、この効果により発
生する光を以下「変換光」という。変換光の角振動数ω
_s 、ω_i は、 Δｋ＝ｋ_p −ｋ_s −ｋ_i …（２） においてΔｋ＝０となるように定まる。ここでｋは運動
量であり、 ｋ＝ｎω／ｃ …（３） なる関係を満たす。ｃは真空中の光速度、ｎは結晶中の
各振動数における屈折率である。（２）式を位相整合条
件という。

【０００５】光学結晶３２で発生した変換光は、光学フ
ィルタ３４により励起光と分離され、プリズム３５によ
り空間的に分離されて出力される。

【０００６】発生する光の波長を変化させる方法として
は、二つの方法が知られている。第一は温度整合と呼ば
れる方法であり、第二は図３に示した従来例でも用いて
いる角度整合と呼ばれる方法である。

【０００７】温度整合方法では、常光線に対する屈折率
ｎ_o と異常光線に対する屈折率ｎ_eとの温度係数の差を
利用し、温度を変えることにより、変換光の角振動数を
同調する。励起光は結晶の光学軸に垂直に入射させる。

【０００８】これに対して角度整合方法では、結晶に対
する励起光の入射方位を変化させる。複屈折特性を有す
る結晶では、結晶軸をｘ、ｙ、ｚで表し、光の伝搬方向
がｚ軸に対してθ、ｘ軸に対してφだけ傾いているとす
ると、異常光線に対する屈折率がこれらの角度θ、φに
依存し、次の関係がある。

【０００９】

【数１】 ここで、ｎ_x 、ｎ_y 、ｎ_z はそれぞれ結晶軸ｘ、ｙ、ｚ
方向の屈折率である。特に１軸性結晶の場合には、 ｎ_x ＝ｎ_y ＝ｎ_e （ただしｎ_e はθ＝０のときの値） …（５） ｎ_z ＝ｎ_o …（６） であり、（４）式は次のようになる。

【００１０】

【数２】 したがって、励起光と結晶との相対的な角度を変えると
ことにより異常光線に対する屈折率が変化し、変換光の
角振動数を同調することができる。

【００１１】また、位相整合には第一種位相整合と第二
種位相整合とがあり、それぞれ次のように表される。

【００１２】

【数３】

【００１３】

【数４】 ただし、添字のｏ、ｅはそれぞれ常光、異常光に対する
値であることを示し、ｐ、ｓ、ｉはそれぞれ角振動数ω
_p 、ω_s 、ω_i の光に対する値であることを示す。この
とき、変換光の電場は次式にしたがって発生する。

【００１４】

【数５】 ここで、Ｅ_p 、Ｅ_s 、Ｅ_i はそれぞれ角振動数ω_p 、ω
_s 、ω_i に対応する電場であり、Ｅ_s 、Ｅ_i の式が同形
なのでまとめてＥ_s,i として示す。ｄは非線形光学結晶
の有効非線形定数であり、μ₀ 、ε₀ は真空の透磁率、
誘電率、ｚは非線形光学結晶内における光軸に沿った距
離である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】光学結晶を用いて十分
な波長変換効率を得るためには、有効非線形定数ｄの高
い結晶を用いるか、大きな強度の励起光を結晶に入射す
る方法が考えられる。しかし、有効非線形定数ｄを飛躍
的に高めることは困難であり、また、大きな強度の入射
光は結晶を破壊してしまう危険がある。このため、達成
可能な波長変換効率には限度があり、その用途が著しく
制限されていた。

【００１６】本発明は、このような課題を解決し、高効
率に波長変換を行うことのできる光波長変換装置を提供
することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の光波長変換装置
は、励起光パルスを複数の光パルスに分割し、この複数
の光パルスを互いに異なるタイミングで光学結晶に入射
させる分割入射手段と、ひとつの光パルスの入射で発生
した変換光を次の光パルスと同一タイミングで光学結晶
に再入射させる再入射手段とを含むことを特徴とする。

【００１８】

【作用】励起光パルスを複数に分けて光学結晶に入射す
るので、一度に入射する光強度を小さくすることができ
る。その一方で、発生した変換光を次の光パルスと一緒
に光学結晶に入射させるので、変換光が増倍され、大き
な波長変換効率が得られる。

【００１９】本発明により得られる波長変換効率は、複
数の光学結晶を縦続に配置し、前段からの変換光出力に
一致させてそれぞれの光学結晶に励起光パルスを入射す
る場合と同等である。ただし、複数の光学結晶を用いる
場合には、価格が高いだけでなく、波長を変化させるた
めに温度または角度を等しく制御する必要が生じる。こ
れに対して本発明の場合には、一個の光学結晶で実施で
き、その温度または角度の制御は容易である。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の第一実施例を示す構成図であ
り、連続波長可変極短パルス光源として実施した例を示
す。

【００２１】この実施例は、入射励起光に対して波長の
異なる変換光を発生する非線形光学結晶４を備え、この
光学結晶４に励起光パルスを導く入射光学手段と、この
光学結晶で発生した変換光を分離する出力光学手段とし
ての光学フィルタ１１およびプリズム１２とを備える。
光学結晶４には、変換波長を調整するための回転機構ま
たは温度調節機構が設けられる。

【００２２】ここで本実施例の特徴とするところは、入
射光学手段として、励起光パルスを複数の光パルスに分
割しこの複数の光パルスを互いに異なるタイミングで光
学結晶４に入射させる分割入射手段として、半透明鏡
１、平面鏡２、６、レトロリフレクタ８、平行移動機構
９および平面鏡１０を備え、ひとつの光パルスの入射で
発生した変換光を次の光パルスと同一タイミングで前記
光学結晶に再入射させる再入射手段として平面鏡７を備
えたことにある。入射光学手段にはさらに、光学結晶４
の両側に、励起光パルスを集光するとともに変換光を平
行化する集光光学系３、５を備える。

【００２３】半透明鏡１は、励起光パルス（角振動数ω
_p ）を光学結晶４に損傷を与えない程度の強度をもつ二
つの光パルスに分割する。

【００２４】半透明鏡１により分割された一方の光パル
スは、平面鏡２で反射され、集光光学系３により集光さ
れて光学結晶４に入射する。光学結晶４内では、非線形
光学効果によって、上述した（１）式および（２）式を
満たす角振動数ω_s およびω_i をもつ変換光が発生す
る。（２）式の位相整合条件は温度整合または角度整合
によって満足され、条件にしたがった角振動数の光が発
生するように同調することができる。発生した変換光
は、集光光学系５により平行化され、平面鏡６により反
射されて平面鏡７の方向に進行するが、この平面鏡７に
より反射されて再び逆方向に光学結晶４に入射する。

【００２５】一方は、半透明鏡１により分割されたもう
一方の光パルスは、レトロリフレクタ８によって適当な
遅延時間を与えられる。レトロリフレクタ８は平行移動
機構９により移動可能であり、光パルス列の時間間隔を
調整することができる。遅延時間が与えられた光パルス
は、平面鏡１０により反射され、平面鏡７に達する。平
面鏡７は励起光パルスの波長を透過するようになってお
り、平面鏡１０からの光パルスが変換光と合波され、平
面鏡６および集光光学系５を介して光学結晶４に入射す
る。このため、この光学結晶４内で再び波長変換が行わ
れる。

【００２６】平面鏡２は変換光の波長に対して透明であ
り、光学結晶４から出力された変換光を透過する。取り
出された変換光は、光学フィルタ１１により励起光と分
離され、プリズム１２によりに２波長が空間的に分離さ
れる。

【００２７】励起光パルスの強度は、分割により半分に
なる。一方、変換光の電場は、最初の入射においては
（１２）式にしたがって発生し、二度目の入射において
は次の式にしたがって成長する。

【００２８】

【数６】 これらの式は、すでに変換された光が励起光と共に入射
する場合の式として公知である。２回目の波長変換で
は、最初の変換光によってＥ_s (0) の値が大きくなって
いるので、変換光の強度がさらに大きくなる。ここで、
簡単のため（１３）式を次のように表示する。

【００２９】 ｇ＝Ｄ｜Ｅ_p(0)｜ …（１６） このとき、従来例における変換光の強度は、（１２）式
および（１３）式から次のように変形される。

【００３０】

【数７】 一方、本実施例によれば、（１２）、（１３）、（１
５）から、次のような強度となる。

【００３１】

【数８】 これらの式そのものは既に公知であるが、本実施例で
は、それを実現するための構成が新規である。

【００３２】（１７）式と（１８）式とを実際の数値を
代入して比較すると、Ｅ_s がその初期値Ｅ_s (0) に対し
て１．９倍程度以上に増幅される場合には、（１８）式
の場合の方が変換光の強度が大きくなる。初期値Ｅ
_s (0) は測定上は無視できる統計的な揺らぎの程度であ
るのに対し、実用光源において最終的に発生させる変換
光の強度はこれを遙かに上回るものでなければならない
ので、非線形変換過程において変換光の増倍率は常に
１．９倍を上回ると考えてなんの問題もない。したがっ
て、（１８）式による場合のほうが、光学結晶に損傷を
与える心配もなく、さらに大きな変換効率が得られる。

【００３３】したがって、本実施例により、強度の大き
な励起光パルスを用いなくても、一個の光学結晶で高い
強度の変換光を得ることができる。

【００３４】図２は本発明の第二実施例を示す構成図で
ある。

【００３５】この実施例は、光学結晶としてＬＢＯ（ト
リ硼酸リチウム）結晶１３を用い、このＬＢＯ結晶１３
を挟んで平面鏡７との間で共振器を構成する平面鏡１４
と、励起光パルスを四つの光パルスに分割する半透明鏡
１５、１６とを備え、共振器長を光速度で除した値の１
／２となる時間間隔の光パルス列に分割するため、レト
ロリフレクタ８、平行移動機構９および平面鏡１０に加
えて、レトロリフレクタ１７および平行移動機構１８を
備えたことが第一実施例と異なる。平面鏡１４は、変換
光に対して反射率９８％程度の部分透過性をもつ。

【００３６】この実施例では、励起光パルスとして、レ
ーザにより発生された波長６２０ｎｍ、尖頭強度１００
ＭＷ、パルス幅１０ｐｓの光パルスを用いる。この励起
光パルスは半透明鏡１５により二つの光パルスに分割さ
れ、その一方は直接、他方はレトロリフレクタ１７を経
由して半透明鏡１６に入射する。半透明鏡１６は、二つ
の光パルスをそれぞれさらに二分割し、この光パルス列
を二つずつ二方向に出力する。励起光パルスが四つの光
パルス列に分割されるので、それぞれの強度は４分の１
になる。

【００３７】二方向に出力された光パルス列は、第一実
施例と同様に、一方は平面鏡２、平面鏡１４および集光
光学系３を経由してＬＢＯ結晶１３に入射し、他方はレ
トロリフレクタ８、平面鏡１０、平面鏡７、６および集
光光学系５を経由してＬＢＯ結晶１３に入射する。平面
鏡１４の裏面には波長６２０ｎｍに対する反射防止膜が
蒸着され、この面から上記一方の光パルス列が入射す
る。

【００３８】ＬＢＯ結晶１３は第二種の位相整合をとる
ためにθ＝２３°、φ＝０°にカットされており、波長
６２０ｎｍの励起光入射に対して、１．５５μｍおよび
１．０３μｍの変換光を発生する。また、変換光の波長
は、励起光のＬＢＯ結晶１３に対する入射角をそのＬＢ
Ｏ結晶１３を載置している回転機構を調整することによ
り同調できる。また、半透明鏡１５、１６とレトロリフ
レクタ１７との間隔は、これによって決定される光パル
ス列の時間間隔が変換光の共振器を周回する時間間隔に
同期するように、平行移動機構１８により調整する。し
たがって、変換光は、ＬＢＯ結晶１３における非線形効
果により、励起光（光パルス列）から繰り返し増幅を受
けて、高い変換効率を達成することができる。

【００３９】変換光を取り出すには、共振器を構成する
平面鏡１４を変換効率とのかねあいにおいて、部分透過
にしておけばよい。取り出した変換光出力については、
光学フィルタ１１（例えば可視カットフィルタ）によっ
て励起光と分離し、プリズム１２により１．５５μｍお
よび１．０３μｍの二波長に空間的に分離する。

【００４０】このように、励起光パルスを光パルス列に
分割してＬＢＯ結晶１３に入射するので、個々の光パル
スの強度が低くても高い変換光強度が得られ、ＬＢＯ結
晶１３に損傷を与える危険がない。

【００４１】以上の実施例では、励起光パルスを二分割
および四分割する場合について説明したが、さらに多数
に分割しても本発明を同様に実施できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光波長変
換装置は、励起光パルスを複数の光パルスに分割して順
に非線形光学結晶に入射し、波長変換を繰り返し行う構
成となっている。このため、光学結晶に入射する個々の
光パルスの強度は分割された分だけ小さくなって結晶に
光学的損傷を与える危険が少なくなると同時に、発生し
た変換光は励起光パルスにより繰り返し増幅が行われ、
従来よりもさらに高い変換効率を達成することができ
る。

【００４３】本発明は、一個の光学結晶を用いるだけで
従来実現が困難であった高効率非線形波長変換を実現で
き、しかも一個の光学結晶で十分であるため、安価であ
り、波長同調やその他の調整も容易である。本発明は、
波長可変極短パルス光源としての利用に特に効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の構成を示す図。

【図２】本発明の第二実施例を構成を示す図。

【図３】従来例連続波長可変光パルス光源の構成を示す
図。

【符号の説明】

１、１５、１６ 半透明鏡 ２、６、７、１０、１４ 平面鏡 ３、５、３１、３３ 集光光学系 ８、１７ レトロリフレクタ ９、１８ 平行移動機構 １１、３４ 光学フィルタ １２、３５ プリズム １３ ＬＢＯ結晶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射励起光に対して波長の異なる変換光
   を発生する非線形光学結晶と、 この光学結晶に励起光パルスを導く入射光学手段と、 この光学結晶で発生した変換光を分離する出力光学手段
   とを備えた光波長変換装置において、 前記入射光学手段は、 前記励起光パルスを複数の光パルスに分割し、この複数
   の光パルスを互いに異なるタイミングで前記光学結晶に
   入射させる分割入射手段と、 ひとつの光パルスの入射で発生した変換光を次の光パル
   スと同一タイミングで前記光学結晶に再入射させる再入
   射手段とを含むことを特徴とする光波長変換装置。