JPH0792515A - 光パラメトリック発振による波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シグナル光又はアイドラ光が効率よく得られ
る光パラメトリック発振による波長変換装置を提供する
こと。 【構成】 波長λpのポンプ光ｐを出力するポンプ光源
１と、ＫＴＰ結晶から成り入射されたポンプ光ｐを波長
λsのシグナル光ｓと波長λiのアイドラ光ｉに変換する
波長変換素子２と、対向面にそれぞれ高反射率の光学薄
膜30、40が設けられた入力側ミラー３、出力側ミラー４
とでその主要部が構成され、かつ、波長変換素子２の両
面に空気側からＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２６・λ0
（λ0はアイドラ光の波長変換範囲の中心波長を示しλ0
＝３．１μｍ）とＨｆＯ₂ の光学的膜厚０．２８・λ0
（λ0＝３．１μｍ）で構成された２層反射防止膜21、2
2が設けられたことを特徴とする。そして、上記反射防
止膜21、22の作用によりアイドラ光の反射率が低減する
ためその変換効率の向上が図れる効果を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射されたポンプ光を
シグナル光とアイドラ光に変換する光パラメトリック発
振による波長変換装置に係り、特に、シグナル光又はア
イドラ光が効率よく得られる光パラメトリック発振によ
る波長変換装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、盛んに研究が進められている光パ
ラメトリック発振によるレーザ波長変換は、アイセーフ
レーザ（波長：１．４〜１．８μｍ）、分光学的化学分
析用近赤外域波長可変レーザ等を可能にする。

【０００３】以下、この光パラメトリック発振による波
長変換装置について簡単に説明すると、この装置は、例
えば図１３に示すように波長λpのポンプ光ｐを出力す
るポンプ光源ａと、非線形光学結晶で構成されその結晶
のｙ軸を中心にして回転可能に配置されかつその結晶の
ｘカット面に対し入射されたポンプ光を波長λsのシグ
ナル光ｓと波長λiのアイドラ光ｉに変換すると共にポ
ンプ光の入射側及び出射側の両面に反射防止膜b1、b2を
有する波長変換素子ｂと、この波長変換素子ｂのポンプ
光の入射側並びに出射側に設けられ共振器を構成する入
力側ミラーｃ、出力側ミラーｄとでその主要部が構成さ
れるものが知られている。

【０００４】尚、図１３は、上記光パラメトリック発振
による波長変換装置を上方よりながめた装置の概略構成
図である。また、図１３中、ポンプ光ｐ、シグナル光
ｓ、及び、アイドラ光ｉを示す黒二重丸と矢印は各光の
偏光方向を意味している。また、シグナル光とアイドラ
光については、波長の短い方をシグナル光、波長の長い
方をアイドラ光と一般に称している。

【０００５】そして、ポンプ光、シグナル光、及び、ア
イドラ光の関係は、エネルギ保存の法則から下記数式
（２）で表すことができる。

【０００６】

【数９】 また、上記波長変換素子ｂをｙ軸を中心にして矢印ｆで
示す方向へ回転させることにより、波長変換素子ｂに対
するポンプ光ｐの入射角が変化するため上記シグナル光
ｓとアイドラ光ｉの波長λs、波長λiを連続的に変化さ
せることが可能となる。例えば、波長１．０６μｍのＮ
ｄ：ＹＡＧレーザを用い、かつ、波長変換素子にＫＴｉ
ＯＰＯ₄ （以下、ＫＴＰと称する）を適用した場合、そ
の波長可変範囲は１．６〜３．２μｍである。

【０００７】また、上記入力側ミラーｃと出力側ミラー
ｄには、シグナル光ｓとアイドラ光ｉ若しくはどちらか
一方を共振させて増幅させるため、それぞれシグナル光
ｓとアイドラ光ｉ若しくはどちらか一方の波長に対する
高反射率の光学薄膜c1、d1が施されており、かつ、共振
器内に配置された波長変換素子ｂのレーザ入出射面につ
いてはそれぞれ約７〜８％程度もの反射があるためこれ
等面にも上述したように反射防止膜b1、b2が設けられて
いた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光パラメト
リック発振による波長変換装置においては、上述したよ
うに波長変換素子ｂをｙ軸を中心にして回転させると上
記シグナル光ｓとアイドラ光ｉの波長λs、波長λiが連
続的に変化し、かつ、波長変換素子ｂのシグナル光ｓ及
びアイドラ光ｉに対する屈折率も波長の変化に伴い変化
する。

【０００９】従って、波長変換素子ｂのレーザ入出射面
に設けられる反射防止膜b1、b2については、連続的に変
化するシグナル光ｓとアイドラ光ｉの各波長に対して反
射防止機能を具備させる必要があることからその光学薄
膜設計に困難性が伴い、この設計を誤るとシグナル光ｓ
又はアイドラ光ｉの変換効率が著しく低下する問題点を
有していた。

【００１０】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、波長変換素子の
回転に伴い連続的に変化するシグナル光ｓとアイドラ光
ｉの各波長に対し有効に機能する反射防止膜を具備した
光パラメトリック発振による波長変換装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者はこの
目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、連続的に変
化するシグナル光とアイドラ光の各波長に対して有効に
機能する反射防止膜の光学薄膜設計法を考案し本発明を
完成するに至ったものである。

【００１２】すなわち、請求項１に係る発明は、波長λ
pのポンプ光を出力するポンプ光源と、非線形光学結晶
で構成されその結晶のｙ軸を中心にして回転可能に配置
されかつその結晶の（ｘ−θcut）カット面［ｘカット
面からｙ軸を中心にθcut度回転した面］に対し入射さ
れたポンプ光を波長λsのシグナル光と波長λiのアイド
ラ光に変換する［但し、上記ポンプ光とシグナル光の偏
光方向は非線形光学結晶のｙ軸方向と平行である］と共
にポンプ光の入射側又は出射側の少なくとも一面に反射
防止膜を有する波長変換素子と、この波長変換素子のポ
ンプ光の入射側並びに出射側に設けられ共振器を構成す
るミラーとを備えた光パラメトリック発振による波長変
換装置を前提とし、 （ａ）適用するポンプ光源の波長λpと下記数式（１）
及び（２）より目的とするシグナル光又はアイドラ光の
波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイドラ光の波
長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、

【数１０】 （ｂ）下記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellme
ir）方程式から上記非線形光学結晶の波長λpのポンプ
光、波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光
に対する主軸の屈折率、すなわち、ｎpx、ｎpy、ｎpz
（ポンプ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈
折率）、ｎsx、ｎsy、ｎsz（シグナル光に対するｘ軸方
向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）、及び、ｎix、ｎi
y、ｎiz（アイドラ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ
軸方向の屈折率）を求める工程、

【数１１】 ［但し、Ａx、Ｂx、Ｃx、Ｄx、Ａy、Ｂy、Ｃy、Ｄy、Ａ
z、Ｂz、Ｃz、及び、Ｄzは分散定数を示し、また、λは
ポンプ光、シグナル光、及び、アイドラ光の各波長を示
す］ （ｃ）波長λpのポンプ光、波長λsのシグナル光、波長
λiのアイドラ光が位相整合するための下記数式（４）
及び（５）から位相整合アングル（θmatch）［但しθm
atchは非線形光学結晶のｚ軸からの角度とする］の最大
（θmatch）maxと最小（θmatch）minを求め、かつ、対
応するｎsy 並びにｎixz(θmatch)［非線形光学結晶の
アイドラ光に対する位相整合アングルθmatchにおける
ｘｚ方向の屈折率］を求める工程、

【数１２】 （ｄ）下記数式（６）により上記位相整合アングル（θ
match）が最大（θmatch）max並びに最小（θmatch）mi
nの場合におけるポンプ光の上記波長変換素子に対する
入射角（θpump）［但し、θpumpは入射端面上の垂線か
らの角度］の最大（θpump）max並びに最小（θpump）m
inを求める工程、

【数１３】 ［但し、ｎairは空気の屈折率を示す］により求められ
た上記ｎsy、ｎixz(θmatch)、θpumpと、上記シグナル
光の波長λs、及び、アイドラ光の波長λiの各パラメー
タに基づき上記波長変換素子に設けられる反射防止膜が
設定されていることを特徴とするものである。

【００１３】以下、ｘ−カットのＫＴＰ結晶におけるｙ
ｚ面（すなわちｘカット面）をレーザ入出射面とした波
長変換素子の場合について説明する。尚、ｘカット面
は、上記（ｘ−θcut）カット面［ｘカット面からｙ軸
を中心にθcut度回転した面］で表現した場合において
θcut度＝０度に対応する。

【００１４】まず、ポンプ光源に上述した波長１．０６
μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを適用した場合、上記数式
（１）に基づき目的とするシグナル光ｓの波長可変範囲
を例えば１．６〜１．７μｍに設定する。尚、対応する
アイドラ光ｉの波長可変範囲は上記数式（２）より２．
８〜３．２μｍとなる。

【００１５】次に、上記ＫＴＰ結晶の波長λpのポンプ
光、波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光
に対する主軸の屈折率、すなわち、ｎpx、ｎpy、ｎpz
（ポンプ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈
折率）、ｎsx、ｎsy、ｎsz（シグナル光に対するｘ軸方
向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）、及び、ｎix、ｎi
y、ｎiz（アイドラ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ
軸方向の屈折率）を下記数式（１０）で示されるセルメ
イヤー方程式［IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,
VOL.27,NO.5,P.1137,MAY 1991記載］から求める。

【００１６】

【数１４】 次に、求められた主軸の屈折率ｎx、ｎy、ｎzの大小関
係（ｎx＜ｎy＜ｎz）と、適用するＫＴＰ結晶の方位に
より、ポンプ光、シグナル光、及び、アイドラ光の偏光
方向が決定される。

【００１７】すなわち、ｘカット面の上記ＫＴＰ結晶１
００を図２（Ａ）〜（Ｂ）に示すように配置し、かつ、
矢印で示される偏光方向のポンプ光ｐを以下に示す位相
整合アングルθmatchからＫＴＰ結晶１００のｘカット
面へ入射させると、シグナル光ｓの偏光方向はポンプ光
ｐの偏光方向と同様にＫＴＰ結晶１００のｙ軸方向と平
行となり、またアイドラ光ｉの偏光方向はＫＴＰ結晶１
００のｚ軸方向と平行な方向となる。但し、このような
変換状態になるためには上記位相整合アングルθmatch
の値が、縮退点の角度＜θmatch＜９０度の条件を満た
す場合に限る。

【００１８】尚、上記縮退点とは、シグナル光ｓの波長
λsとアイドラ光ｉの波長λiが同一のときをいい（すな
わち、λs ＝ λi を満たすときをいう）、また、縮退
点の角度とはこのときの位相整合アングルの角度を意味
する（図６参照）。

【００１９】そこで、縮退点の角度＜θmatch＜９０度
の条件を満たすことを前提に、波長λpのポンプ光、波
長λsのシグナル光、波長λiのアイドラ光が位相整合す
るための上記数式（４）及び（５）［IEEE JOURNAL OF
QUANTUM ELECTRONICS,VOL.27,NO.5,P.1137,MAY 1991記
載］から位相整合アングル（θmatch）［但しθmatchは
非線形光学結晶のｚ軸からの角度とする：図４参照］の
最大（θmatch）maxと最小（θmatch）minを求め、か
つ、対応するｎsy 並びにｎixz(θmatch)［非線形光学
結晶のアイドラ光に対する位相整合アングルθmatchに
おけるｘｚ方向の屈折率］を求める。

【００２０】このようにして求めたシグナル光の屈折率
ｎsy、アイドラ光の屈折率ｎixz(θmatch)、及び、位相
整合アングルθmatch(deg)を下記表１に示す。尚、表１
においては目的とするシグナル光の波長可変範囲（１．
６〜１．７μｍ）を越えて記載している。

【００２１】

【表１】 そして、求められた上記位相整合アングル（θmatch）
が最大（θmatch）max並びに最小（θmatch）minの場合
におけるポンプ光ｐの上記ＫＴＰ結晶１００に対する入
射角（θpump）［但し、θpumpは入射端面上の垂線から
の角度：図４参照］の最大（θpump）max並びに最小
（θpump）minを上記数式（６）により求める。尚、数
式（６）中、ｎairは空気の屈折率（＝１）を示してい
る。

【００２２】また、求めた（θpump）maxと（θpump）m
inを下記表２に示す。尚、この表においても目的とする
シグナル光の波長可変範囲（１．６〜１．７μｍ）を越
えて記載している。

【００２３】

【表２】 ここで、この例においては波長変換素子としてｘカット
されたＫＴＰ結晶１００のｘカット面をレーザ入出射面
とした場合についてＫＴＰ結晶１００のｘカット面に対
するポンプ光の入射角（θpump）を求めているが、ｘカ
ット面からｙ軸を中心にθcut度回転した面（言い換え
るとｚ軸からｙ軸を中心にしてθcut度回転させた結晶
を切出した場合のその切出し面：図５参照）を上記レー
ザ入出射面にすることにより上記ポンプ光の入射角（θ
pump）を変化させることが可能となる。例えば、レーザ
入出射面をｙ軸を中心として（ｘ−１０）度に加工して
おくことにより、ポンプ光が垂直入射のとき、ｘカット
面をレーザ入出射面としたＫＴＰ結晶１００の位相整合
アングル８０度のときに対応させることが可能となり、
垂直入射にも拘らず位相整合アングル８０度のときの波
長を有するシグナル光とアイドラ光を求めることができ
る。

【００２４】このような工程を経て求められたシグナル
光の屈折率ｎsy、アイドラ光の屈折率ｎixz(θmatch)、
位相整合アングルθmatch(deg)、及び、ポンプ光の入射
角（θpump）等に基づきＫＴＰ結晶から成る波長変換素
子のレーザ入出射面に設けられる反射防止膜を設計す
る。

【００２５】すなわち、波長可変範囲を上記１．６〜
１．７μｍ（対応する位相整合アングルθmatchは、表
１から約９０度〜７０度となる）に設定した場合、波長
変換素子のレーザ入出射面に設けられる反射防止膜は、
ＫＴＰ結晶の屈折率１．７３６〜１．７３４（表１のシ
グナル光の屈折率ｎsyの欄参照）、入射角０〜３６．８
度［表２のポンプ光入射角θpump(deg)の欄参照］のＳ
偏光（その偏光方向がＫＴＰ結晶のｙ軸方向と平行な偏
光）に対し、波長約１．６〜１．７μｍにおいて反射防
止機能を有していることが必要となる。

【００２６】また、この波長変換素子は、ポンプ光のパ
ワー密度が高いほどその変換効率が高い特性があること
から、高出力レーザをレンズにより集光させて用いられ
ることがあるため、反射防止膜のレーザダメージにも注
意を払うことが望ましい。尚、レーザの吸収が小さい膜
で反射防止膜を構成するとレーザダメージのしきい値が
高くなる。そこで、近赤外領域で吸収の小さい低屈折率
物質層にＳｉＯ₂ 、高屈折率物質層にＨｆＯ₂ を適用す
ることが望ましい。更に、作製の再現性、膜厚の制御性
等を考慮すると膜層数は少ないほど好ましい。また、最
表面層には硬度が高く、耐湿性に優れた上記ＳｉＯ₂ で
構成することが望ましい。

【００２７】そこで、これ等のことを考慮し波長変換素
子の反射防止膜についてこれを空気側からＳｉＯ₂ とＨ
ｆＯ₂ から成る２層膜で構成した場合の２層反射防止膜
の光学的膜厚を以下求める。すなわち、ＳｉＯ₂ （波長
約１．６〜１．７μｍにおける屈折率：１．４３）とＨ
ｆＯ₂ （波長約１．６〜１．７μｍにおける屈折率：
１．８５）の光学的膜厚をそれぞれ独立して増減させ、
その都度分光反射率のシュミレーションを行って、シグ
ナル光におけるＫＴＰ結晶の屈折率１．７３４〜１．７
３６、入射角０度［（θpump）min］〜３６．８度
［（θpump）max］のＳ偏光に対して、波長約１．６〜
１．７μｍのシグナル光の反射率が約１％以下になる最
適な光学的膜厚を求める。

【００２８】そして、分光反射率のシュミレーションの
結果に基づき空気側からＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２５
・λ0（λ0はシグナル光の波長変換範囲の中心波長を示
し、λ0＝１．６５μｍ）とＨｆＯ₂ の光学的膜厚０．
３８・λ0（λ0＝１．６５μｍ）で構成される２層反射
防止膜を求めた。尚、この反射防止膜が設けられた波長
変換素子におけるシグナル光の波長約１．６μｍ、入射
角０度の分光反射特性計算値を図７に、また、シグナル
光の波長約１．７μｍ、入射角３６．８度におけるその
分光反射特性計算値を図８にそれぞれ示す。この図７〜
８に示されたデータから、ＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２
５・λ0とＨｆＯ₂の光学的膜厚０．３８・λ0の２層反
射防止膜が施された波長変換素子のシグナル光の波長約
１．６〜１．７μｍに対する反射率は１％以下であるこ
とが確認できる。

【００２９】次に、上記波長変換素子におけるポンプ光
の反射損失を重視してポンブ光の反射率を低く設定した
２層反射防止膜を設計すると（この場合、シグナル光に
対する反射率は若干高くなる）、この反射防止膜は、空
気側からＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２２・λ0（λ0＝
１．６５μｍ）とＨｆＯ₂ の光学的膜厚０．４１・λ0
（λ0＝１．６５μｍ）の２層膜で構成することができ
る。尚、この反射防止膜が設けられた波長変換素子にお
けるシグナル光の波長約１．６μｍ、入射角０度におけ
る分光反射特性計算値を図９に、また、シグナル光の波
長約１．７μｍ、入射角３６．８度におけるその分光反
射特性計算値を図１０にそれぞれ示す。

【００３０】他方、表１〜表２を参考にして位相整合ア
ングルを約９０度（θmatch）max〜７０度（θmatch）m
inまで波長変換素子の角度を回転させ、アイドラ光の波
長約３．２μｍ〜３．０μｍを得る場合の反射防止膜
は、ＫＴＰ結晶の屈折率１．７７４〜１．７７０［表１
のアイドラ光の屈折率ｎixz(θmatch)の欄参照］、入射
角０〜３６．８度［表２のポンプ光入射角θpump(deg)
の欄参照］のＰ偏光（その偏光方向がＫＴＰ結晶のｚ軸
方向と平行な偏光）に対し、波長約３．２〜３．０μｍ
において反射防止機能を有していることが必要となる。

【００３１】そこで、波長変換素子の反射防止膜を空気
側からＳｉＯ₂ とＨｆＯ₂ から成る２層膜で構成した場
合の２層反射防止膜の光学的膜厚を以下求める。すなわ
ち、ＳｉＯ₂ （波長約３．０〜３．２μｍにおける屈折
率：１．４２）とＨｆＯ₂ （波長約３．０〜３．２μｍ
における屈折率：１．８３）の光学的膜厚をそれぞれ独
立して増減させ、その都度分光反射率のシュミレーショ
ンを行って、アイドラ光におけるＫＴＰ結晶の屈折率
１．７７４〜１．７７０、入射角０度［（θpump）mi
n］〜３６．８度［（θpump）max］のＰ偏光に対して、
波長約３．０〜３．２μｍのアイドラ光の反射率が約１
％以下になる最適な光学的膜厚を求める。

【００３２】そして、分光反射率のシュミレーションの
結果に基づき空気側からＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２６
・λ0（λ0はアイドラ光の波長変換範囲の中心波長を示
し、λ0＝３．１μｍ）とＨｆＯ₂ の光学的膜厚０．２
８・λ0（λ0＝３．１μｍ）で構成される２層反射防止
膜を求めた。尚、この反射防止膜が設けられた波長変換
素子におけるアイドラ光の波長約３．２μｍ、入射角０
度の分光反射特性計算値を図１１に、また、アイドラ光
の波長約３．０μｍ、入射角３６．８度におけるその分
光反射特性計算値を図１２にそれぞれ示す。この図１１
〜１２に示されたデータから、ＳｉＯ₂ の光学的膜厚
０．２６・λ0とＨｆＯ₂の光学的膜厚０．２８・λ0の
２層反射防止膜が施された波長変換素子のアイドラ光の
波長約３．０〜３．２μｍに対する反射率は１％以下で
あることが確認できる。

【００３３】このように請求項１に係る発明において
は、その各工程から求められたシグナル光の屈折率ｎs
y、アイドラ光の屈折率ｎixz(θmatch)、位相整合アン
グルθmatch(deg)、及び、ポンプ光の入射角（θpump）
等に基づき波長変換素子のレーザ入出射面の少なくとも
一方に設けられる反射防止膜を設計することにより回転
操作される波長変換素子に対する上記シグナル光及びア
イドラ光の反射率低減を図ることができるため、シグナ
ル光又はアイドラ光が効率良く得られる光パラメトリッ
ク発振による波長変換装置を提供することが可能とな
る。

【００３４】そして、ｘ−カットのＫＴＰ結晶における
ｘカット面をレーザ入出射面とした波長変換素子を適用
すると共に、ポンプ光源に波長１．０６μｍのＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザを適用した場合、その波長変換素子の少なく
とも一方の面に設けられる反射防止膜について空気側に
製膜された光学的膜厚０．２０・λ0〜０．３０・λ0
（λ0はシグナル光又はアイドラ光の波長変換範囲の中
心波長を示す）のＳｉＯ₂膜と、波長変換素子側に製膜
された光学的膜厚０．２０・λ0〜０．６０・λ0のＨｆ
Ｏ₂ 膜との２層膜でこれを構成することにより波長変換
素子に対するシグナル光とアイドラ光の反射率を略１％
以下にすることが可能となる。請求項３に係る発明はこ
のような技術的理由に基づきなされている。

【００３５】すなわち、請求項３に係る発明は、請求項
１又は以下に述べる請求項２記載の発明に係る光パラメ
トリック発振による波長変換装置を前提とし、空気側に
製膜された光学的膜厚０．２０・λ0〜０．３０・λ0
（λ0はシグナル光又はアイドラ光の波長変換範囲の中
心波長を示す）のＳｉＯ₂ 膜と、波長変換素子側に製膜
された光学的膜厚０．２０・λ0〜０．６０・λ0のＨｆ
Ｏ₂ 膜との２層膜により波長変換素子の少なくとも一方
の面に設けられる反射防止膜が構成されていることを特
徴とするものである。

【００３６】また、これまでＫＴＰ結晶で構成された波
長変換素子に設ける反射防止膜について説明してきた
が、ＲｂＴｉＯＰＯ₄ （ＲＴＰ）結晶を適用した波長変
換素子に設けられる反射防止膜についても上述した同様
の光学薄膜設計法が適用可能である。請求項４に係る発
明は上記波長変換素子の適用材料を特定した発明に関す
るものである。

【００３７】すなわち、請求項４に係る発明は、請求項
１、２又は３記載の発明に係る光パラメトリック発振に
よる波長変換装置を前提とし、波長変換素子が、ＫＴｉ
ＯＰＯ₄ 又はＲｂＴｉＯＰＯ₄ で構成されていることを
特徴とするものである。

【００３８】ここで、請求項１に係る発明は、『縮退点
の角度＜θmatch＜９０度』の条件を具備する場合（す
なわち、ポンプ光とシグナル光の偏光方向が非線形光学
結晶のｙ軸方向と平行になる場合）の光パラメトリック
発振による波長変換装置を前提としている。これに対し
請求項２に係る発明は『θmatch＜縮退点の角度』の条
件を具備する場合（すなわち、ポンプ光とアイドラ光の
偏光方向が非線形光学結晶のｙ軸方向と平行になる場
合：図３Ａ及びＢ参照）の光パラメトリック発振による
波長変換装置を前提にした発明に関する。

【００３９】すなわち、請求項２に係る発明は、波長λ
pのポンプ光を出力するポンプ光源と、非線形光学結晶
で構成されその結晶のｙ軸を中心にして回転可能に配置
されかつその結晶の（ｘ−θcut）カット面［ｘカット
面からｙ軸を中心にθcut度回転した面］に対し入射さ
れたポンプ光を波長λsのシグナル光と波長λiのアイド
ラ光に変換する［但し、上記ポンプ光とアイドラ光の偏
光方向は非線形光学結晶のｙ軸方向と平行である］と共
にポンプ光の入射側又は出射側の少なくとも一面に反射
防止膜を有する波長変換素子と、この波長変換素子のポ
ンプ光の入射側並びに出射側に設けられ共振器を構成す
るミラーとを備えた光パラメトリック発振による波長変
換装置を前提とし、 （ａ）適用するポンプ光源の波長λpと下記数式（１）
及び（２）より目的とするシグナル光又はアイドラ光の
波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイドラ光の波
長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、

【数１５】 （ｂ）下記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellme
ir）方程式から上記非線形光学結晶の波長λpのポンプ
光、波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光
に対する主軸の屈折率、すなわち、ｎpx、ｎpy、ｎpz
（ポンプ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈
折率）、ｎsx、ｎsy、ｎsz（シグナル光に対するｘ軸方
向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）、及び、ｎix、ｎi
y、ｎiz（アイドラ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ
軸方向の屈折率）を求める工程、

【数１６】 ［但し、Ａx、Ｂx、Ｃx、Ｄx、Ａy、Ｂy、Ｃy、Ｄy、Ａ
z、Ｂz、Ｃz、及び、Ｄzは分散定数を示し、また、λは
ポンプ光、シグナル光、及び、アイドラ光の各波長を示
す］ （ｃ）波長λpのポンプ光、波長λsのシグナル光、波長
λiのアイドラ光が位相整合するための下記数式（７）
及び（８）から位相整合アングル（θmatch）［但しθm
atchは非線形光学結晶のｚ軸からの角度とする］の最大
（θmatch）maxと最小（θmatch）minを求め、かつ、対
応するｎiy 並びにｎsxz(θmatch)［非線形光学結晶の
シグナル光に対する位相整合アングルθmatchにおける
ｘｚ方向の屈折率］を求める工程、

【数１７】 （ｄ）下記数式（９）により上記位相整合アングル（θ
match）が最大（θmatch）max並びに最小（θmatch）mi
nの場合におけるポンプ光の上記波長変換素子に対する
入射角（θpump）［但し、θpumpは入射端面上の垂線か
らの角度］の最大（θpump）max並びに最小（θpump）m
inを求める工程、

【数１８】 ［但し、ｎairは空気の屈折率を示す］により求められ
た上記ｎiy、ｎsxz(θmatch)、θpumpと、上記シグナル
光の波長λs、及び、アイドラ光の波長λiの各パラメー
タに基づき上記波長変換素子に設けられる反射防止膜が
設定されていることを特徴とするものである。

【００４０】そして、この請求項２に係る発明において
も、その各工程から求められたアイドラ光の屈折率ｎi
y、シグナル光の屈折率ｎsxz(θmatch)、位相整合アン
グルθmatch(deg)、及び、ポンプ光の入射角（θpump）
等に基づき波長変換素子のレーザ入出射面の少なくとも
一方に設けられる反射防止膜を設計することにより回転
操作される波長変換素子に対する上記シグナル光及びア
イドラ光の反射率低減を図ることができるため、シグナ
ル光又はアイドラ光が効率良く得られる光パラメトリッ
ク発振による波長変換装置を提供することが可能とな
る。

【００４１】

【作用】請求項１及び請求項４に係る発明によれば、
（ａ）適用するポンプ光源の波長λpと上記数式（１）
及び（２）より目的とするシグナル光又はアイドラ光の
波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイドラ光の波
長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、（ｂ）上
記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellmeir）方程
式から非線形光学結晶の波長λpのポンプ光、波長λsの
シグナル光、及び、波長λiのアイドラ光に対する主軸
の屈折率を求める工程、（ｃ）波長λpのポンプ光、波
長λsのシグナル光、波長λiのアイドラ光が位相整合す
るための上記数式（４）及び（５）から位相整合アング
ル（θmatch）の最大（θmatch）maxと最小（θmatch）
minを求め、かつ、対応するｎsy 並びにｎixz(θmatch)
を求める工程、（ｄ）上記数式（６）により位相整合ア
ングル（θmatch）が最大（θmatch）max並びに最小
（θmatch）minの場合におけるポンプ光の波長変換素子
に対する入射角（θpump）の最大（θpump）max並びに
最小（θpump）minを求める工程、の各工程から求めら
れたシグナル光の屈折率ｎsy、アイドラ光の屈折率ｎix
z(θmatch)、位相整合アングル（θmatch）並びにポン
プ光の入射角（θpump）と、シグナル光の波長λs、及
び、アイドラ光の波長λiの各パラメータに基づき波長
変換素子の少なくとも一面に設けられる反射防止膜が設
定されているため、回転操作される波長変換素子に対す
る上記シグナル光及びアイドラ光の反射率低減を図れ、
シグナル光又はアイドラ光が効率良く得られる光パラメ
トリック発振による波長変換装置を提供することが可能
となる。

【００４２】他方、請求項２及び請求項４に係る発明に
よれば、（ａ）適用するポンプ光源の波長λpと上記数
式（１）及び（２）より目的とするシグナル光又はアイ
ドラ光の波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイド
ラ光の波長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、
（ｂ）上記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellme
ir）方程式から非線形光学結晶の波長λpのポンプ光、
波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光に対
する主軸の屈折率を求める工程、（ｃ）波長λpのポン
プ光、波長λsのシグナル光、波長λiのアイドラ光が位
相整合するための上記数式（７）及び（８）から位相整
合アングル（θmatch）の最大（θmatch）maxと最小
（θmatch）minを求め、かつ、対応するｎiy 並びにｎs
xz(θmatch)を求める工程、（ｄ）上記数式（９）によ
り位相整合アングル（θmatch）が最大（θmatch）max
並びに最小（θmatch）minの場合におけるポンプ光の波
長変換素子に対する入射角（θpump）の最大（θpump）
max並びに最小（θpump）minを求める工程、の各工程か
ら求められたアイドラ光の屈折率ｎiy、シグナル光の屈
折率ｎsxz(θmatch)、位相整合アングル（θmatch）並
びにポンプ光の入射角（θpump）と、シグナル光の波長
λs、及び、アイドラ光の波長λiの各パラメータに基づ
き波長変換素子の少なくとも一面に設けられる反射防止
膜が設定されているため、回転操作される波長変換素子
に対する上記シグナル光及びアイドラ光の反射率低減を
図れ、シグナル光又はアイドラ光が効率良く得られる光
パラメトリック発振による波長変換装置を提供すること
が可能となる。

【００４３】また、請求項３に係る発明によれば、ｘ−
カットのＫＴＰ結晶におけるｘカット面をレーザ入出射
面とした波長変換素子を適用しかつポンプ光源に波長
１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを適用することを前
提に、その波長変換素子の少なくとも一面に設けられる
反射防止膜について空気側に製膜された光学的膜厚０．
２０・λ0〜０．３０・λ0（λ0はシグナル光又はアイ
ドラ光の波長変換範囲の中心波長を示す）のＳｉＯ₂膜
と、波長変換素子側に製膜された光学的膜厚０．２０・
λ0〜０．６０・λ0のＨｆＯ₂膜との２層膜でこれを構
成しているため、波長変換素子に対するシグナル光とア
イドラ光の反射率を略１％以下にすることが可能とな
る。

【００４４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００４５】まず、この実施例に係る光パラメトリック
発振による波長変換装置は、図１に示すように波長λp
のポンプ光ｐを出力するポンプ光源１と、ＫＴＰ結晶で
構成されその結晶のｙ軸を中心にして回転可能に配置さ
れかつその結晶のｘカット面に対し入射されたポンプ光
ｐを波長λsのシグナル光ｓと波長λiのアイドラ光ｉに
変換すると共にポンプ光ｐの入射側及び出射側の両面に
反射防止膜２１、２２を有する波長変換素子２と、この
波長変換素子２のポンプ光ｐの入射側並びに出射側に設
けられかつその対向面にそれぞれ高反射率の光学薄膜３
０、４０が設けられた入力側ミラー３、出力側ミラー４
とでその主要部が構成されている。

【００４６】尚、この装置においては位相整合アングル
θmatchが約９０度〜７０度まで波長変換素子２の角度
を回転させ（すなわち『縮退点の角度＜θmatch＜９０
度』の条件を満たしており、かつ、対応するポンプ光の
上記波長変換素子２に対する入射角は前記表２より０度
〜３６．８度である）、アイドラ光ｉの約３．２〜３．
０μｍを波長可変範囲としている。

【００４７】そして、この装置は以下のようにして製造
されている。

【００４８】まず、フラックス法により育成されたＫＴ
Ｐ結晶から厚さ１０ｍｍのｘカット板を作製し、かつ、
この板のｙ面とｚ面をカットして１０×１０×１０ｍｍ
の波長変換素子を作製すると共に、ｘカット面を両面光
学研摩した。

【００４９】次に、この波長変換素子２の両面に上述し
た光学薄膜設計に従って求められた２層膜、すなわち、
空気側からＳｉＯ₂ の光学的膜厚０．２６・λ0（λ0は
アイドラ光の波長変換範囲の中心波長を示しλ0＝３．
１μｍ）とＨｆＯ₂ の光学的膜厚０．２８・λ0（λ0＝
３．１μｍ）で構成された２層反射防止膜２１、２２を
形成した。この製膜には電子ビーム真空蒸着装置を用
い、はじめに５．０×１０^-6Ｔｏｒｒまで排気した後、
ＨｆＯ₂ 層蒸着時には酸素を１．０×１０^-4Ｔｏｒｒに
保たれるように導入した。ＨｆＯ₂ 層並びにＳｉＯ₂ 層
の蒸着時における膜厚制御には光学干渉式膜厚モニター
を適用した。尚、上記２層反射防止膜２１、２２が設け
られた波長変換素子におけるアイドラ光の波長約３．２
μｍ、入射角０度の分光反射特性計算値については上述
したように図１１に、また、アイドラ光の波長約３．０
μｍ、入射角３６．８度における分光反射特性計算値に
ついては図１２に示す。

【００５０】そして、図１に示すようにこの波長変換素
子２を配置し、波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ
でポンピングしながら位相整合アングルが約９０度〜７
０度まで変わるように波長変換素子２の角度を０度〜３
６．８度まで回転させ、アイドラ光ｉが約３．２〜３．
０μｍの範囲で波長可変することを確認した。

【００５１】また、波長変換素子２の両面に上記設定の
反射防止膜２１、２２が設けられていない装置に較べこ
の実施例に係る波長変換装置においてはアイドラ光の強
度が平均３０％向上していることが確認できた。

【００５２】

【発明の効果】請求項１〜４に係る発明によれば、回転
操作される波長変換素子に対するシグナル光及びアイド
ラ光の反射率の低減が図れるため、シグナル光又はアイ
ドラ光が効率良く得られる光パラメトリック発振による
波長変換装置を提供できる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る光パラメトリック発振による波長
変換装置の概略上面図。

【図２】（Ａ）は波長変換素子の作用を示す説明斜視
図、（Ｂ）はこの上面図。

【図３】（Ａ）は波長変換素子の作用を示す説明斜視
図、（Ｂ）はこの上面図。

【図４】波長変換素子へのポンプ光の入射角θpump、及
び、位相整合アングルθmatchの説明図。

【図５】ｘカット面からｙ軸を中心にθcut度回転した
面をレーザ入出射面にした場合の波長変換素子の作用説
明図。

【図６】実施例に係る光パラメトリック発振による波長
変換装置における位相整合アングル(deg)と波長との関
係を示すグラフ図。

【図７】波長１．６〜１．７μｍのシグナル光を得るた
めの２層反射防止膜の０度入射におけるＳ偏光の分光反
射特性を示すグラフ図。

【図８】波長１．６〜１．７μｍのシグナル光を得るた
めの２層反射防止膜の３６．８度入射におけるＳ偏光の
分光反射特性を示すグラフ図。

【図９】ポンプ光の反射損失を考慮した条件下で波長
１．６〜１．７μｍのシグナル光を得るための２層反射
防止膜の０度入射におけるＳ偏光の分光反射特性を示す
グラフ図。

【図１０】ポンプ光の反射損失を考慮した条件下で波長
１．６〜１．７μｍのシグナル光を得るための２層反射
防止膜の３６．８度入射におけるＳ偏光の分光反射特性
を示すグラフ図。

【図１１】波長３．２〜３．０μｍのアイドラ光を得る
ための２層反射防止膜の０度入射におけるＰ偏光の分光
反射特性を示すグラフ図。

【図１２】波長３．２〜３．０μｍのアイドラ光を得る
ための２層反射防止膜の３６．８度入射におけるＰ偏光
の分光反射特性を示すグラフ図。

【図１３】光パラメトリック発振による波長変換装置の
概略上面図。

【符号の説明】

１ ポンプ光源 ２ 波長変換素子 ３ 入力側ミラー ４ 出力側ミラー ２１ 反射防止膜 ２２ 反射防止膜 ３０ 高反射率の光学薄膜 ４０ 高反射率の光学薄膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長λpのポンプ光を出力するポンプ光源
   と、非線形光学結晶で構成されその結晶のｙ軸を中心に
   して回転可能に配置されかつその結晶の（ｘ−θcut）
   カット面［ｘカット面からｙ軸を中心にθcut度回転し
   た面］に対し入射されたポンプ光を波長λsのシグナル
   光と波長λiのアイドラ光に変換する［但し、上記ポン
   プ光とシグナル光の偏光方向は非線形光学結晶のｙ軸方
   向と平行である］と共にポンプ光の入射側又は出射側の
   少なくとも一面に反射防止膜を有する波長変換素子と、
   この波長変換素子のポンプ光の入射側並びに出射側に設
   けられ共振器を構成するミラーとを備えた光パラメトリ
   ック発振による波長変換装置において、 （ａ）適用するポンプ光源の波長λpと下記数式（１）
   及び（２）より目的とするシグナル光又はアイドラ光の
   波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイドラ光の波
   長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、 【数１】 （ｂ）下記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellme
   ir）方程式から上記非線形光学結晶の波長λpのポンプ
   光、波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光
   に対する主軸の屈折率、すなわち、 ｎpx、ｎpy、ｎpz（ポンプ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方
   向、ｚ軸方向の屈折率）、ｎsx、ｎsy、ｎsz（シグナル
   光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）、
   及び、ｎix、ｎiy、ｎiz（アイドラ光に対するｘ軸方
   向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）を求める工程、 【数２】 ［但し、Ａx、Ｂx、Ｃx、Ｄx、Ａy、Ｂy、Ｃy、Ｄy、Ａ
   z、Ｂz、Ｃz、及び、Ｄzは分散定数を示し、また、λは
   ポンプ光、シグナル光、及び、アイドラ光の各波長を示
   す］ （ｃ）波長λpのポンプ光、波長λsのシグナル光、波長
   λiのアイドラ光が位相整合するための下記数式（４）
   及び（５）から位相整合アングル（θmatch）［但しθm
   atchは非線形光学結晶のｚ軸からの角度とする］の最大
   （θmatch）maxと最小（θmatch）minを求め、かつ、対
   応するｎsy 並びにｎixz(θmatch)［非線形光学結晶の
   アイドラ光に対する位相整合アングルθmatchにおける
   ｘｚ方向の屈折率］を求める工程、 【数３】 （ｄ）下記数式（６）により上記位相整合アングル（θ
   match）が最大（θmatch）max並びに最小（θmatch）mi
   nの場合におけるポンプ光の上記波長変換素子に対する
   入射角（θpump）［但し、θpumpは入射端面上の垂線か
   らの角度］の最大（θpump）max並びに最小（θpump）m
   inを求める工程、 【数４】 ［但し、ｎairは空気の屈折率を示す］により求められ
   た上記ｎsy、ｎixz(θmatch)、θpumpと、上記シグナル
   光の波長λs、及び、アイドラ光の波長λiの各パラメー
   タに基づき上記波長変換素子に設けられる反射防止膜が
   設定されていることを特徴とする光パラメトリック発振
   による波長変換装置。
2. 【請求項２】波長λpのポンプ光を出力するポンプ光源
   と、非線形光学結晶で構成されその結晶のｙ軸を中心に
   して回転可能に配置されかつその結晶の（ｘ−θcut）
   カット面［ｘカット面からｙ軸を中心にθcut度回転し
   た面］に対し入射されたポンプ光を波長λsのシグナル
   光と波長λiのアイドラ光に変換する［但し、上記ポン
   プ光とアイドラ光の偏光方向は非線形光学結晶のｙ軸方
   向と平行である］と共にポンプ光の入射側又は出射側の
   少なくとも一面に反射防止膜を有する波長変換素子と、
   この波長変換素子のポンプ光の入射側並びに出射側に設
   けられ共振器を構成するミラーとを備えた光パラメトリ
   ック発振による波長変換装置において、 （ａ）適用するポンプ光源の波長λpと下記数式（１）
   及び（２）より目的とするシグナル光又はアイドラ光の
   波長可変範囲を設定し、かつ、対応するアイドラ光の波
   長λi又はシグナル光の波長λsを求める工程、 【数５】 （ｂ）下記数式（３）で示されるセルメイヤー（Sellme
   ir）方程式から上記非線形光学結晶の波長λpのポンプ
   光、波長λsのシグナル光、及び、波長λiのアイドラ光
   に対する主軸の屈折率、すなわち、 ｎpx、ｎpy、ｎpz（ポンプ光に対するｘ軸方向、ｙ軸方
   向、ｚ軸方向の屈折率）、ｎsx、ｎsy、ｎsz（シグナル
   光に対するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）、
   及び、ｎix、ｎiy、ｎiz（アイドラ光に対するｘ軸方
   向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の屈折率）を求める工程、 【数６】 ［但し、Ａx、Ｂx、Ｃx、Ｄx、Ａy、Ｂy、Ｃy、Ｄy、Ａ
   z、Ｂz、Ｃz、及び、Ｄzは分散定数を示し、また、λは
   ポンプ光、シグナル光、及び、アイドラ光の各波長を示
   す］ （ｃ）波長λpのポンプ光、波長λsのシグナル光、波長
   λiのアイドラ光が位相整合するための下記数式（７）
   及び（８）から位相整合アングル（θmatch）［但しθm
   atchは非線形光学結晶のｚ軸からの角度とする］の最大
   （θmatch）maxと最小（θmatch）minを求め、かつ、対
   応するｎiy 並びにｎsxz(θmatch)［非線形光学結晶の
   シグナル光に対する位相整合アングルθmatchにおける
   ｘｚ方向の屈折率］を求める工程、 【数７】 （ｄ）下記数式（９）により上記位相整合アングル（θ
   match）が最大（θmatch）max並びに最小（θmatch）mi
   nの場合におけるポンプ光の上記波長変換素子に対する
   入射角（θpump）［但し、θpumpは入射端面上の垂線か
   らの角度］の最大（θpump）max並びに最小（θpump）m
   inを求める工程、 【数８】 ［但し、ｎairは空気の屈折率を示す］により求められ
   た上記ｎiy、ｎsxz(θmatch)、θpumpと、上記シグナル
   光の波長λs、及び、アイドラ光の波長λiの各パラメー
   タに基づき上記波長変換素子に設けられる反射防止膜が
   設定されていることを特徴とする光パラメトリック発振
   による波長変換装置。
3. 【請求項３】空気側に製膜された光学的膜厚０．２０・
   λ0〜０．３０・λ0（λ0はシグナル光又はアイドラ光
   の波長変換範囲の中心波長を示す）のＳｉＯ₂ 膜と、波
   長変換素子側に製膜された光学的膜厚０．２０・λ0〜
   ０．６０・λ0のＨｆＯ₂ 膜との２層膜により上記反射
   防止膜が構成されていることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の光パラメトリック発振による波長変換装置。
4. 【請求項４】上記波長変換素子が、ＫＴｉＯＰＯ₄ 又は
   ＲｂＴｉＯＰＯ₄ で構成されていることを特徴とする請
   求項１、２又は３記載の光パラメトリック発振による波
   長変換装置。