JPH086081A - 波長変換装置及び波長変換方法 - Google Patents

波長変換装置及び波長変換方法

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JPH086081A
JPH086081A JP6137045A JP13704594A JPH086081A JP H086081 A JPH086081 A JP H086081A JP 6137045 A JP6137045 A JP 6137045A JP 13704594 A JP13704594 A JP 13704594A JP H086081 A JPH086081 A JP H086081A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な調整を必要とすることなく単純かつ簡
単な構成で高効率に光の波長を変換する。 【構成】 光ビームを射出するレーザー装置１２、光ビ
ームの波面及びビーム径を調整して集光するレンズ１
４、１６を含むコリメータレンズ系１８、同一の曲率半
径の鏡のミラー２２、２４で構成された共振器２６、及
び共振器２６の内部でかつ集光部位付近に配置された受
容角が大きな結晶２０から波長変換装置１０を構成す
る。共振器２６は、ミラー２２、２４を各焦点位置が一
致されかつ各曲率中心が一致された共焦点系共振器で形
成され、ミラー２２、２４の各曲率半径がコリメータレ
ンズ系１８からの光ビームの波面の曲率より大きく設定
される。従って、各ミラー２２、２４では、反射時点に
おいて、波面の曲率が変更され、往路を通過する光ビー
ムでのみＳＨＧ光を効率よく出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、波長変換装置及び波長
変換方法にかかり、特に、非線型光学効果によって入射
光の発振波長から所定の波長に変換した光を射出光とし
て抽出する波長変換装置及び波長変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光学的
異方性（非線型光学効果）を有する１軸結晶等の非線型
光学材料を用いた波長変換により、基本波長である連続
可視レーザー光から変換波長である紫外光を得る波長変
換装置がある。この非線形光学効果は、非線形光学材料
中に誘起された非線形分極を基にして起こる一連の現象
である。このうち２次の非線型光学効果を用いることに
より、レーザー光を波長変換（第２次高調波発生、和周
波、差周波発生など）できる。例えば、βほう酸バリウ
ム結晶（βバリウムボレート：ＢＢＯ）等の非線型光学
材料を用いて第２高調波発生（Second Harmonic Genera
tion：ＳＨＧ）のような光の波長変換をすることは一般
的である。すなわち、波長変換のもっとも簡単な例は第
２高調波発生であり、変換された光の周波数は入力光の
２倍、波長は半分になる。以下の説明では、第２高調波
発生の波長変換を例にして簡単に説明するが、入射光が
２つの波長成分から成るときに入射光の２つの波長の和
の波長の光を発生する和周波発生及び入射光の２つの波
長の差の波長の光を発生する差周波発生の場合も同様で
ある。また、第２高調波発生のための非線型光学材料
は、結晶の形を取ることが殆どであるので、以下、結晶
という。
【０００３】２次の非線形光学効果では誘起された非線
形分極の振幅は入射された光の電場の振幅の２乗に比例
するので、変換された光のパワーは入力された光のパワ
ーの２乗に比例するが、その比例係数はかなり小さくな
る。このため、一般に、小さな変換効率により変換され
た光のパワーは小さくなる。
【０００４】図２０（ａ）に示すように、最も単純な第
２高調波発生のための波長変換装置１００は、レーザー
装置１０２のレーザー光射出側に結晶１０４を配設して
構成する。レーザー装置１０２から射出されたレーザー
光は結晶１０４に入射され、結晶１０４からは、２倍の
周波数の光（以下、ＳＨＧ光という。）Ｌ２が、結晶１
０４に入射したレーザー光（以下、励起光という。）Ｌ
１と同方向に射出される。
【０００５】この波長変換装置１００では、得られるＳ
ＨＧ光のパワーは結晶の性質、光ビームの口径、励起光
パワー等によって決定されるが、前述のようにＳＨＧ光
のパワー（出力パワー）は励起光のパワーの２乗に比例
するのでパワーが小さい連続光が励起光である場合には
出力パワーは非常に小さくなる。通常、レーザー装置１
０２のパワーは１Ｗ程度であり、この場合の変換効率は
千分の１以下と非常に小さい。そこで、このように小さ
なパワーのレーザー光を、効率的に波長変換するために
は、外部共振器を用いて、パワーを増大させている。す
なわち、ＳＨＧ光のパワーを増大させるため、結晶に入
射される励起光のパワーを増大させれば良い。例えば、
共振器の中で励起光のパワーを３０倍にできれば、ＳＨ
Ｇ光のパワーは９００倍となり、変換効率を１／１００
０とすると、励起光の９０％がＳＨＧ光に変換されるこ
とになる。
【０００６】図２０（ｂ）に示す波長変換装置１２０
は、略平行に配設された１対のミラー１１２からなる外
部共振器（以下、共振器という。）１１４を備えてい
る。このような波長変換装置では、入射された光の等位
相面（以下、波面という。）が、光の入射側のミラーの
反射面に一致するように、入射光の波面が調整されてい
る。このように最適に配置された共振器の中では往路と
復路のレーザー光の波面は一致し、励起光を閉じ込める
ことができる。これにより、レーザー装置１０２から射
出されたレーザー光Ｌ０を共振器内を往復させて、結晶
１０４に入射される励起光Ｌ１のパワーをレーザー光Ｌ
０のパワーの１００倍以上にすれば、ＳＨＧ光Ｌ２のパ
ワーは１００００倍以上にすることができる。
【０００７】しかしながら、励起光Ｌ１は１対のミラー
１１２で形成された内部領域を往復するときの往路と復
路の各々で結晶１０４を通過するので、往復時の各々で
ＳＨＧ光が発生することとなり、得られるＳＨＧ光は、
１対のミラー１１２の各々（両方）から射出されるＳＨ
Ｇ光Ｌ２，Ｌ２ａとなる。従って、変換されたＳＨＧ光
は、その半分しか利用できず、半分は無駄になる。
【０００８】図２０（ｃ）に示す波長変換装置１２０で
は、略平行に配設された１組のミラー１１２、１２２か
らなる共振器１２４を備えている。この波長変換装置１
２０では、共振器１２４の一方のミラー１２２を励起光
・ＳＨＧ光ともに高い反射率で反射するように形成し、
他方のミラー１１２を励起光だけを反射し、ＳＨＧ光を
透過するように形成することによって、ＳＨＧ光Ｌ２を
得ている。ところが、一度変換されたＳＨＧ光が再び結
晶１０４内を透過するので、その際に新しく発生するＳ
ＨＧ光との干渉が起こる。この干渉によって出力される
ＳＨＧ光のパワーは大きく変動するので、微妙な調整が
必要になる。また、結晶１０４や共振器１２４の温度変
化による特性の変化を極力抑えなければならない。さら
に、共振器は励起光とＳＨＧ光の両方の光の波長におい
て光路長を制御しなければならない。このような制限や
制御は一般的には非常に困難であり、実質的に波長変換
装置に用いることは困難である。
【０００９】図２０（ｄ）に示す波長変換装置１３０
は、共振器として、同一方向の励起光のみが結晶１０４
内を透過するようにリング型共振器１３４を用いてい
る。このリング型共振器１３４は、励起光だけを反射し
かつＳＨＧ光を透過するように形成されたミラー１１２
を少なくとも３つ有し、各々のミラー１１２を反射した
光の行路がリング状になるように光路を形成している。
この１つの光路に結晶１０４を配設することにより、干
渉の問題が生じることなく、励起光は共振器内を循環す
ると共に同一方向の励起光のみが結晶１０４内を透過
し、同一方向のＳＨＧ光が射出される。
【００１０】しかしながら、単にリング型共振器を用い
たのみでは、光学素子数の増加のため調整が複雑である
と共に、素子数が増加するため、コスト高になる。
【００１１】本発明は、上記事実を考慮して、複雑な調
整を必要とすることなく単純かつ簡単な構成で高効率に
光の波長を変換することができる波長変換装置及び波長
変換方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の波長変換装置は、基本波長の光を射出する光
射出手段の射出側に配設され、光学的異方性を有しかつ
入射された基本波長の光と波長が該基本波長と異なる少
なくとも１つの変換波長の光とを射出する非線形光学材
料と、前記非線形光学材料の射出側に配設されて光軸を
通過する平面との入射光束の断面形状と異なる光束の断
面形状となるように前記基本波長の光を反射すると共に
前記変換波長の光を透過する反射透過手段と、前記非線
形光学材料と前記光射出手段との間に配設されて前記非
線形光学材料に入射された基本波長の光が通過する基準
光路に略一致する光路を通過すると共に前記基本波長の
光の光束の断面形状と略一致する光束の断面形状となる
ように該反射透過手段によって反射された光を反射する
反射手段とからなる共振手段と、を備えている。
【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の波長変換装置において、前記反射手段では収束方向に
反射透過手段によって反射された光を反射することを特
徴としている。
【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の波長変換装置において、前記反射透過手段では発散方
向に前記基本波長の光を反射することを特徴としてい
る。
【００１５】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の波長変換装置において、前記共振手段の反射透過手段
及び反射手段の各々は、曲面で構成されると共に各々の
曲面が有する焦点距離及び反射光軸が略一致することを
特徴としている。
【００１６】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の波長変換装置において、前記共振手段の反射透過手段
及び反射手段の少なくとも一方は、所定方向から入射さ
れた光を射出すると共に所定方向と異なる方向から入射
された光を反射光として射出する伝達部材と、該伝達部
材から射出された所定方向からの光を反射して該伝達部
材へ導く反射部材とから構成され、該反射部材と該伝達
部材との間に光が集光される集光部位が奇数個位置する
と共に、前記共振手段の内部で集光される集光部位の総
数が偶数個であることを特徴としている。
【００１７】請求項６に記載の発明は、請求項１に記載
の波長変換装置において、前記共振手段は、前記非線形
光学材料の射出側に配設されて光軸を通過する平面との
入射光束の断面形状と異なる光束の断面形状となるよう
に前記基本波長の光を反射すると共に前記変換波長の光
を透過する反射透過手段と、前記非線形光学材料と前記
光射出手段との間に配設されて前記非線形光学材料に入
射された基本波長の光が通過する基準光路に略一致する
光路を通過すると共に前記基本波長の光の光束の断面形
状と略一致する光束の断面形状となるように光を反射す
る反射手段と、該反射透過手段によって反射された光を
該反射手段へ案内する案内手段と、からなることを特徴
としている。
【００１８】請求項７に記載の発明の波長変換方法は、
光学的異方性を有しかつ入射された基本波長の光と波長
が該基本波長と異なる少なくとも１つの変換波長の光と
を射出する非線形光学材料を用いて該基本波長の光を該
変換波長の光に変換する波長変換方法であって、前記非
線形光学材料へ前記基本波長の光を入射し、前記非線形
光学材料の射出側では、光軸を通過する平面との入射光
束の断面形状と異なる光束の断面形状となるように前記
基本波長の光を反射すると共に前記変換波長の光を透過
し、前記非線形光学材料の入射側では、前記非線形光学
材料に入射された基本波長の光が通過する基準光路に略
一致する光路を通過すると共に前記基本波長の光の光束
の断面形状と略一致する光束の断面形状となるように前
記非線形光学材料の射出側で反射された光を反射するこ
とを特徴としている。
【００１９】
【作用】本発明によれば、光射出手段から射出される基
本波長の光が光学的異方性を有する非線形光学材料に入
射される。この非線形光学材料からは、入射された基本
波長の光が射出されると共に、該光と波長が異なる少な
くとも１つの変換波長の光とが射出される。この非線形
光学材料の射出側には反射透過手段と反射手段とから構
成された共振手段が配設される。
【００２０】反射透過手段は、非線形光学材料の射出側
に配設されて、光軸を通過する平面との入射光束の断面
形状と異なる光束の断面形状となるように基本波長の光
を反射すると共に変換波長の光を透過する。従って、光
射出手段から往路として反射透過手段に至る光のうち、
反射透過手段では、基本波長の光のみが反射される。こ
の反射時の反射光束は、入射光束の形状と異なる光束の
断面形状となるので、反射透過手段で反射されて復路と
して非線形光学材料側へ向かう光は、非線形光学材料の
位相整合等の条件に合致しなくなる。このため、復路に
おける、基本波長と異なる少なくとも１つの変換波長の
光の生成は略零になる。
【００２１】反射手段は、非線形光学材料の入射側に配
設されて、非線形光学材料に入射される基本波長の光が
通過する基準光路に略一致する光路を通過すると共に基
本波長の光の光束の断面形状と略一致する光束の断面形
状となるように反射透過手段によって反射された光を反
射する。従って、反射透過手段から復路として反射手段
に至る光は、光射出手段から往路として非線形光学材料
側へ向かう光の光束の断面形状となるように反射され
る。このため、反射手段では、反射透過手段からの復路
を進行したのち反射された光と、光射出手段から入射さ
れた光とが合致されて、この合致された光が非線形光学
材料へ向かう。これによって、基本波長の光のうち、往
路を進行するときに変換波長の光に変換されたかった光
は、再び往路を進行するようになり、非線形光学材料で
は、例えば、往路である一方の方向でのみ基本波長と異
なる少なくとも１の変換波長の光を生成することにな
る。
【００２２】前記反射手段では、請求項２にも記載した
ように、収束方向に反射透過手段によって反射された光
を反射するようにしてもよい。すなわち、非線形光学材
料において効率的に波長変換するために、光射出手段か
らの基本波長の光が集光されるように射出されたとき、
反射手段では反射透過手段によって反射された光を反射
させることによって、反射透過手段からの復路を進行し
たのち反射された光と、光射出手段から入射された光と
を合致させることができる。また、前記反射透過手段で
は、請求項３にも記載したように、発散方向に基本波長
の光を反射するようにしてもよい。すなわち、光射出手
段から集光されるように光が射出されると、反射透過手
段には非線型光学材料から発散される光が到達する。従
って、反射透過手段で発散方向に基本波長の光を反射す
れば、高速の断面形状が一致することなく非線形光学材
料の位相整合等の条件に合致しない光を反射手段へ案内
できる。
【００２３】前記共振手段の反射透過手段及び反射手段
の各々は、請求項４にも記載したように、球面等の曲面
で構成されると共に各々が有する焦点距離及び反射光軸
が略一致するように構成することができる。このような
構成では、所謂共焦点系の共振器として共振手段を構成
することができ、共振手段の内部を光が循環して、入射
された光を閉じ込めることができる。
【００２４】また、前記共振手段の反射透過手段及び反
射手段の少なくとも一方は、請求項５にも記載したよう
に、所定方向から入射された光を射出すると共に所定方
向と異なる方向から入射された光を反射光として射出す
る伝達部材と、該伝達部材から射出された所定方向から
の光を反射して該伝達部材へ導く反射部材とから構成さ
れ、該反射部材と該伝達部材との間に光が集光される集
光部位が奇数個位置すると共に、前記共振手段の内部で
集光される集光部位の総数が偶数個であるように構成す
ることができる。この内部に光が集光される集光部位と
は、反射透過手段及び反射手段の少なくとも一方を、所
定方向から入射された光を射出すると共に所定方向と異
なる方向から入射された光を反射光として射出するレン
ズや反射面による伝達部材と、該伝達部材から射出され
た所定方向からの光を反射して該伝達部材へ導く反射面
による反射部材とから構成するときに該反射部材と該伝
達部材との間に光が集光される集光部位をいう。このよ
うな構成では、所謂２重共焦点系の共振器として共振手
段を構成することができ、入射光軸等が僅かにずれた場
合であっても共振手段の内部を光が循環して、入射され
た光を閉じ込めることができる。
【００２５】更に、前記共振手段は、請求項６にも記載
したように、非線形光学材料の射出側に配設されて、光
軸を通過する平面との入射光束の断面形状と異なる光束
の断面形状となるように基本波長の光を反射すると共に
変換波長の光を透過する反射透過手段と、非線形光学材
料と光射出手段との間に配設されて非線形光学材料に入
射された基本波長の光が通過する基準光路に略一致する
光路を通過すると共に基本波長の光の光束の断面形状と
略一致する光束の断面形状となるように光を反射する反
射手段と、該反射透過手段によって反射された光を該反
射手段へ案内する案内手段と、からなるように構成する
ことができる。このような構成では、所謂リング型の共
振器として共振手段を構成することができ、共振手段の
内部を光が循環すると共に、往路と復路とで光路が異な
る。このため、非線形光学材料には、例えば、往路であ
る一方の方向でのみ基本波長と異なる少なくとも１つの
変換波長の光を生成することになる。
【００２６】請求項７に記載した発明の波長変換方法で
は、光学的異方性を有しかつ入射された基本波長の光と
波長が該基本波長と異なる少なくとも１つの変換波長の
光とを射出する非線形光学材料を用いて該基本波長の光
を該変換波長の光に変換する。この非線形光学材料には
基本波長の光が入射され、非線形光学材料の射出側で
は、光軸を通過する平面との入射光束の断面形状と異な
る光束の断面形状となるように基本波長の光を反射する
と共に変換波長の光を透過する。非線形光学材料の入射
側では、入射された基本波長の光が通過する基準光路に
略一致する光路を通過すると共に基本波長の光の光束の
断面形状と略一致する光束の断面形状となるように非線
形光学材料の射出側で反射された光を反射する。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の第１実施例
を説明する。本実施例は、ファブリー・ペロー型共振器
を用いて、ＳＨＧ光を発生する波長変換装置に本発明を
適用したものである。
【００２８】図１に示したように、第１実施例の波長変
換装置１０は、所定波長の光（例えば、１０６４nm、２
００mWの連続赤外レーザービーム）を射出するレーザー
装置１２を備えている。レーザー装置１２の射出側には
コリメータレンズ系１８が配設されている。このコリメ
ータレンズ系１８は、拡散手段としての凹レンズ１４及
び集光手段としての凸レンズ１６により構成され、凹レ
ンズ１４及び凸レンズ１６の順に配設されている。レー
ザー装置１２から射出された光ビーム（レーザー光）
は、凹レンズ１４により拡散された後に凸レンズ１６に
よって集光される。このコリメータレンズ系１８は、光
の波面及び光ビームのビーム径を調整するためのもので
あり、コリメータレンズ系１８の射出側に光ビームが集
中するビームウエストなる集光部位を形成する。これら
レーザー装置１２及びコリメータレンズ系１８により光
射出手段を構成している。
【００２９】コリメータレンズ系１８の光ビームの射出
側には、共振器２６が配設されている。この共振器２６
は、コリメータレンズ系１８の光ビームの射出側から順
に配設された第１のミラー２２及び第２のミラー２４か
ら構成されている。第１のミラー２２及び第２のミラー
２４は、同一の曲率半径の曲面の球面鏡で形成されてい
る。従って、第１のミラー２２及び第２のミラー２４の
焦点距離は一致する。本実施例の共振器２６は、第１の
ミラー２２及び第２のミラー２４の各々を焦点位置が一
致するように配置すると共に、各々の曲率中心が同一の
線上に一致するように配置して、所謂、共焦点系共振器
を形成している。この共振器２６は、焦点位置付近に、
上記の光ビームが集中するビームウエストなる集光部位
が位置するように配置される。
【００３０】また、本実施例では、第１のミラー２２及
び第２のミラー２４の各々の曲率半径はコリメータレン
ズ系１８から射出される光ビームの波面の曲率より大き
く設定されている。従って、第１のミラー２２及び第２
のミラー２４の各々のミラーでは、反射時点において、
入射されたときの光の波面の曲率が変更される。
【００３１】上記のビームウエストなる集光部位付近に
は、非線形光学材料としての結晶２０が、その結晶２０
の内部にビームウエストが位置するように配設されてい
る。結晶２０は、受容角が充分大きくなっており、この
結晶２０では大きな受容角に一致した光ビームが入射さ
れたときに非線型光学効果により基本波長の光ビーム
（励起光）から得られる変換波長のＳＨＧ光が効率よく
出力される。
【００３２】次に、本実施例の波長変換装置１０の作動
を光ビームの挙動と共に説明する。コリメータレンズ系
１８から射出された光ビームＬは、徐々にビーム径が減
少しながら第１のミラー２２を透過して、結晶２０内に
至り、結晶２０中にビームウエストが形成される。ま
た、第１のミラー２２を通過した光ビームＬは、結晶２
０において変換波長のＳＨＧ光を得るための励起光Ｌ１
として作用する。この結晶２０では、非線形光学効果に
よってＳＨＧ光Ｌ２が発生する。発生したＳＨＧ光Ｌ２
は第２のミラー２４を透過して出力光として用いる（図
１の白抜矢印Ｂ方向の光）。ＳＨＧ光Ｌ２に変換されな
かった励起光Ｌ１ａは第２のミラー２４において、反射
されると共に波面の曲率が変更される。この波面の曲率
変更時には、ビーム径が縮小方向に変更されることな
く、拡散方向に広げられるように変更される。波面の曲
率が変更された励起光Ｌ１ｂは、結晶２０を透過して、
第１のミラー２２へ至る。この第１のミラー２２では、
励起光Ｌ１ｂが、コリメータレンズ系１８から射出され
た光ビームＬ（すなわち、励起光Ｌ１）の波面の曲率と
一致するように波面の曲率が変更されて反射される。こ
の励起光Ｌ１、Ｌ１ａは共に結晶２０へ至る。このよう
に、励起光は、共振器の中を循環する。
【００３３】第１のミラー２２及び第２のミラー２４で
は、入射された光ビームＬの波面の曲率ＲL が第１のミ
ラー２２及び第２のミラー２４の曲率よりも小さくなっ
ている（図２参照）。このため、第２のミラー２４で反
射された光の波面の曲率ＲBは、入射された光ビームの
波面の曲率ＲL より大きくなる。従って、上記入射時の
光ビームのビーム径と共振器の条件下では、往路（図１
及び図２の実線）と復路（図１及び図２の１点鎖線）と
でビームウエストのビーム径が変更される。このビーム
ウエストの位置に結晶２０を配設しＳＨＧ光を発生させ
ると、往路と復路の各々に対して生じるＳＨＧ光パワー
は、結晶の受容角が十分に大きいので、各々の励起光の
ビームウエストにおけるビーム径の面積に逆比例する。
すなわち、本実施例のように往路と復路でのビームウエ
ストのビーム径が異なるように共振器及び入力する光ビ
ームを設定すると、小さなビーム径の光ビームが進行す
る方向（図１の白抜矢印Ａ方向）の励起光にのみ、ＳＨ
Ｇ光（高調波出力）を発生させるためのパワーが集中す
る。例えば往路と復路とにおけるビーム径の大きさの比
を１：３（１：５）とすることにより、ＳＨＧ光（高調
波出力）は９：１（２５：１）となって、変換されたパ
ワーの９０％（９６％）は一方向に集中する。
【００３４】このように、本実施例の波長変換装置によ
れば、共焦点共振器として機能する共振器を波長変換の
ための外部共振器として用いているので、共振器が備え
たミラーによって復路に向けて反射される光ビームの波
面の曲率は入射された光及び励起光の波面の曲率と異な
る大きさにすることができ、ビームウエスト近傍に配設
された結晶を通過することによって発生するＳＨＧ光
は、往路のみに集中することになる。従って、共焦点系
として機能する１対の曲面を備えた共振器を用いて、そ
の焦点付近に結晶を配置すると共に、当該曲面の曲率半
径と異なる、すなわち当該曲面の曲率半径より小さな曲
率半径となるように入射する光ビームを調整するのみ
で、複雑な調整を必要とすることなく単純かつ簡単な構
成で高効率に光の波長を変換することができる。
【００３５】次に、本実施例の共焦点系の共振器内部
に、波長λの光ビームが如何にして励起光として循環さ
れるのかを詳細に説明する。
【００３６】図３に示すように、共振器２６は、曲率半
径ＲM の２つのミラー２２、２４が距離２ｄだけ離れて
対向して配設されているとする。この共振器２６に入射
される波長λの光ビームＬはＺ軸に沿って進行するもの
とすると、このＺ軸に沿って進行する波長λの光ビーム
の、Ｚ軸上のある位置ｚにおけるビーム径ω(z) 及び波
面の曲率半径Ｒ(z) の変化は、光線行列を用いて表すこ
とができる。例えば、Ｚ軸上の位置ｚ1 ，から位置ｚ2
へ光ビームが進行するときの光線行列は、以下の式
（１）に示すように、ＡＢＣＤ行列で表せる。
【００３７】
【数１】
【００３８】ここで、光ビームが進行する媒質の屈折率
をｎとして、位置ｚにおける複素量ｑ(z) を、実部と虚
部からなる次に示した式（２）のように定義すると、位
置ｚ 2 における複素量ｑ(z2)は、式（３）で表せる。
【００３９】 １／ｑ(z) ＝ １／Ｒ(z) − ｉ｛λ／πｎω(z)2｝・・・（２）
【００４０】
【数２】
【００４１】ここで、進行方向に沿って収束方向にビー
ム径が減少したのちに拡散方向に増加する光ビームを考
え、位置ｚ＝−ｄでビーム径ω1 、位置ｚ＝０において
最小のビーム径ω0 、位置ｚ＝ｄで再びビーム径ω1 に
なるとすると一様な媒質中では、距離ξを透過するとき
の光線行列は、次の式（４）で表せる。
【００４２】
【数３】
【００４３】従って、位置ｚ＝０における複素量をｑ
（０）＝ｑ0 と定義すると、上記の式（３）は、次の式
（５）で表すことができる。
【００４４】 ｑ（ξ） ＝ｑ0 ＋ ξ ・・・（５） 位置ｚ（＝０）では、最小のビーム径ω0 であり、曲率
半径Ｒ(0) は無限大になる。このため、上記の式（２）
では、実部は０になり、複素量ｑ0 は純虚数になる。従
って、この式（２）から複素量ｑ0 は、（１／ｑ0 ＝−
ｉλ／πｎω0 2）になり、距離ξにおける複素量ｑ
（ξ）は、以下に示した式（６）によって表すことがで
きる。
【００４５】
【数４】
【００４６】これによって、距離ξにおける曲率半径Ｒ
（ξ）、ビーム径ω（ξ）は、式（２）と、式（６）の
実部と虚部が各々対応した場合であるため、各々以下の
式（７）及び式（８）で表すことができる。
【００４７】
【数５】
【００４８】従って、式（７）及び式（８）から、次の
式（９）に示した関係を得ることができる。
【００４９】
【数６】
【００５０】ここで、決まった位置ｚが値ｄのときビー
ム径ω(d) ＝ω1 である場合に、位置ｚ（＝０）で最小
ビーム径であるとすると、上記の式（８）により、この
位置ｚ（＝０）におけるビーム径ω0 は以下の式（１
０）で表せる。
【００５１】
【数７】
【００５２】また、位置ｄにおける曲率半径Ｒ(d) は、
式（７）を用いて、以下の式（１１）で表せる。
【００５３】
【数８】
【００５４】但し、上記の式の符号は、波面の曲率中心
が左側にあるとき波面の曲率半径Ｒを負とする。
【００５５】曲率半径Ｒ- である波面の光ビームを波面
が曲率半径Ｒ- である逆向きに進行する光ビームを得る
ためには曲率半径ＲM のミラーが必要である。このミラ
ーの曲率半径ＲM は次の式（１２）によって得ることが
できる。
【００５６】 ２／ＲM ＝ １／Ｒ+ ＋ １／Ｒ-＝ １／ｄ ＲM ＝ ２ｄ ・・・（１２）
【００５７】ここで、上記の実施例の共振器は左右対称
である共焦点（ｃｏｎｆｏｃａｌ）の共振器である。従
って、上記の式（１２）には、条件として波長、屈折
率、共振器長、入力ビーム径（ω1)等を含んでいないの
で、共焦点の共振器では、一般的に右行き（往路）と左
行き（復路）の光ビームが異なる光束形状、すなわち大
きさになることを示している。言い換えれば、このこと
は共焦点共振器を一往復する光ビームに対する光線行列
が、以下の式（１３）で表せることから理解できる。
【００５８】
【数９】
【００５９】従って、上記の式（３）による、ＡＢＣＤ
の要素をもつ光線行列について任意の複素量ｑの値の入
力に対する出力の複素量ｑの値は同一である。すなわ
ち、共焦点共振器に入力した光ビームは入射面での、ビ
ーム径および波面の曲率半径によらず、共振器を一往復
したビームはもとのビーム（入射してきたビーム）に重
なることになる。
【００６０】実際的な共焦点系の構成の一例としては、
図４に示したように、厚さｙの平行平面形状の結晶２０
の一方の面から間隔ｘを隔てて曲率半径ＲM の第１のミ
ラー２２を配設すると共に、結晶２０の他方の面から間
隔ｚを隔てて曲率半径ＲM の第２のミラー２４を配設し
て共振器２６を形成する。このとき、結晶２０の屈折率
ｎ2 がミラーと結晶までの周辺材料の媒質ｎ1 と異なる
場合には、界面の屈折を考慮し屈折率ｎ＝ｎ2 ／ｎ1 と
して、ミラーの曲率半径ＲM と間隔ｘ，ｚとは以下の式
（１４）に示す関係にある。
【００６１】 ＲM ＝ｘ＋ｙ／ｎ＋ｚ ・・・（１４）
【００６２】また、上記実施例では、同一の曲率半径を
有するミラー２２，２４の焦点付近に結晶２０を配設し
た場合を説明したが、本発明は、ミラーを別体として備
えた共振器内に結晶を配設することに限定されず、結晶
２０のみを加工して共振器２６を形成してもよい。すな
わち、結晶２０の光ビームの入射側の端面及び射出側の
端面を曲率半径ＲM となるように研磨・コーティングす
ることによって、結晶２０のみによって共振器を形成す
ることもできる。例えば、図５のように一つの結晶の光
ビームの入射側の端面２０ａ及び射出側の端面２０ｂを
曲率半径ＲM となると共に、その曲率中心が対向する端
面の中心になるように研磨すればモノリシック共焦点共
振器を形成できる。
【００６３】この場合、共振器内部を通過する光ビーム
は、常時、結晶内を伝搬することになるが、当該結晶は
位相整合条件を有しているので、この位相整合条件を満
たすときにのみ、効率的なＳＨＧ光を発生することにな
り、このＳＨＧ光を発生する結晶の有効部分（距離）
は、図４の厚さｙと一致することになる。
【００６４】なお、上記のように結晶自体を加工して、
結晶のみで共振器を形成してもよいが、結晶の球面研磨
は容易ではなく、かつ効率的にＳＨＧ光が発生する有効
部分（ｙ）以外の結晶は無駄になる。このため、結晶の
みから共振器を構成せずに中央部（ｙ）のみを結晶で形
成し周囲のミラーとなるブロック（ｘ，ｚ）を同様の屈
折率を持ったガラス等の透明媒体で構成することも効果
的である。このガラスは一般的に球面研磨が容易であ
る。このようにすることで、必要とする結晶の容量を少
なくすることができ、結晶を有効に利用できる。また、
結晶は平面研磨でよくかつガラスは容易な球面研磨すれ
ばよい。このため、共振器の製造は容易になる。
【００６５】次に、第２実施例を説明する。２重共焦点
共振器に本発明を適用したものである。なお、第２実施
例の波長変換装置は、上記実施例と略同様の構成のた
め、異なる構成の共振器のみを説明する。
【００６６】図６に示すように、コリメータレンズ系１
８の光ビームの射出側には、共振器３０が配設されてい
る。本実施例の共振器３０は、第１のミラー２２、第２
のミラー２４、及び焦点距離ｄのレンズ２８から構成さ
れる。本実施例の共振器３０では、反射部材としての第
１のミラー２２及び反射透過手段としての第２のミラー
２４の各々を曲率中心の位置が一致するように配置され
ると共に、この曲率中心位置には伝達部材としてのレン
ズ２８が配置されて、所謂、所謂２重共焦点系共振器を
形成している。また、レンズ２８の集光位置近傍には、
結晶２０が配置される。これらの第１のミラー２２及び
レンズ２８によって反射手段を構成している。
【００６７】次に、本実施例の波長変換装置の作動を光
ビームの挙動と共に説明する。コリメータレンズ系１８
から射出された光ビームＬは、徐々にビーム径が減少し
ながら第１のミラー２２を透過して、一旦集光された後
に拡散してレンズ２８へ至る。レンズ２８では、入射さ
れた光ビームを集光し、徐々にビーム径が減少しながら
結晶２０内に至り、結晶２０中にビームウエストが形成
される。この結晶２０では、非線形光学効果によってＳ
ＨＧ光Ｌ２が発生する。発生したＳＨＧ光Ｌ２は第２の
ミラー２４を透過する。ＳＨＧ光Ｌ２に変換されなかっ
た励起光Ｌ１ａは第２のミラー２４において、反射され
ると共に波面の曲率が変更される。この波面の曲率変更
時には、ビーム径が縮小方向に変更されることなく、拡
散方向に広げられるように変更される。波面の曲率が変
更された励起光Ｌ１ｂは、結晶２０を透過して、レンズ
２８へ至る。レンズ２８では、入射された光ビームを集
光し、第１のミラー２２へ射出する。第１のミラー２２
では、入射された光ビームが反射されると共に波面の曲
率が変更される。すなわち、励起光Ｌ１ｂが、コリメー
タレンズ系１８から射出された光ビームＬ（すなわち、
励起光Ｌ１）の波面の曲率と一致するように波面の曲率
が変更されて反射される。この励起光Ｌ１、Ｌ１ａは共
にレンズ２８によって集光されて結晶２０へ至る。この
ように、励起光は、共振器３０の中を循環する。
【００６８】ここで、上記の第１実施例では、進行する
光ビームの中心は共振器の中心軸に一致しなければなら
ないが、光ビームの中心と共振器の中心軸がずれていて
も２往復すれば往復ビームについてのＡＢＣＤ行列は単
位行列になる。従って、偶数回往復する毎に入射時の光
ビームに完全に重なることになる。しかしながら、奇数
回では重ならないので光パワーの損失の原因になる。
【００６９】このため、本実施例の共振器（２重共焦点
共振器、図６参照）３０では、一往復する光ビームに関
する光線行列は、以下の式（１５）に示した単位行列で
表せる。
【００７０】
【数１０】
【００７１】共焦点共振器では入射された光ビームの光
軸と共振器の中心軸がずれると、共振器を一往復した光
ビームと入射された光ビームとが完全には一致しないの
で（２往復すると一致する）損失が増えるが、この２重
共焦点共振器では光軸がずれていても完全に重なること
になる。
【００７２】ところで、第１実施例の共焦点共振器２
６、第２実施例の２重共焦点共振器３０のいずれの場合
も、往路と復路の最小ビーム径は上記の式（１０）から
ビーム径ω0+、ω0-の２つが与えられる。従って、結晶
の位相整合の受容角が充分大きい場合、（ω0+／ω0-）
2 が往路と復路でのＳＨＧ光発生のパワーの比になる。
このため、上記の式（１０）から、ＳＨＧ光の発生のパ
ワーの比は、以下の式（１６）乃至式（１８）で表すこ
とができる。
【００７３】
【数１１】
【００７４】 但し、 β＝πｎω1 2／２ｄλ ・・・（１８）
【００７５】例えば、ビーム径ω1 ＝１ｍｍ、レンズの
焦点距離ｄ＝１００ｍｍ、屈折率ｎ＝１、波長λ＝５０
０ｎｍとすると、上記の式（１６）乃至式（１８）か
ら、β＝３１で（ω0+／ω0-）2 ≒６０2 となるので、
ＳＨＧ光のパワーの比は３６００：１と略完全に一方に
向かうＳＨＧ光の出力が得られることになる。
【００７６】実際的な２重共焦点系の構成の一例は、図
７に示すように、コリメータレンズ系１８の光ビームの
射出側には、第１のミラー２２、第２のミラー２４が順
に配置される。この第２のミラー２４は入射光軸と反射
光軸とが角度γで偏向されるように配置される。第２の
ミラー２４の反射側には第３のミラー３２が配置されて
いる。これら第１のミラー２２、第２のミラー２４及び
第３のミラー３２の各々は曲率半径が同一にされると共
に、ミラーの曲率半径ＲM と間隔とは上記の式（１４）
と同様の条件を満たすものとする。これらミラーの集光
位置、すなわち、ビームウエストが最小のビーム径とな
る位置には、結晶２０が配置される。この場合、共振器
内部を通過する光ビームは、常時、結晶内を伝搬するこ
とになるが、当該結晶は位相整合条件を有しているの
で、第１のミラー２２から結晶２０へ至る光ビームに対
してのみ位相整合条件が合致するように調整すれば、こ
の位相整合条件を満たすときにのみ、効率的なＳＨＧ光
を発生することになり、第３のミラー３２へ入射すると
きの光ビーム及び第３のミラー３２で反射された光ビー
ムは位相整合条件を満たさないので、効率的にＳＨＧ光
を発生せずに、第１のミラーから反射された光ビームに
よってのみ効率的にＳＨＧ光を発生することになる。な
お、上記実施例では、同一の曲率半径を有するミラーの
焦点付近に結晶２０を配設した場合を説明したが、本発
明は、ミラーを別体として備えた共振器内に結晶を配設
することに限定されず、結晶２０のみを加工して共振器
２６を形成してもよい。すなわち、第１実施例と同様
に、結晶２０の光ビームの入射側の端面及び射出側の端
面を曲率半径ＲM となるように研磨・コーティングする
ことによって、結晶２０のみによって共振器を形成する
こともできる。例えば、図８に示すように一つの結晶２
０の光ビームの入射側の端面２０ａ及び射出側の端面２
０ｂを曲率半径ＲM となると共に、その曲率中心が対向
する端面の中心になるように研磨する。これは、上記第
１実施例における、図５と同様の構成である。図５の共
振器と図８の共振器との違いは位相整合の方向にある。
【００７７】なお、図８に示した結晶２０においても、
上記の実施例と同様に、共振器として全体を一つの結晶
で形成せずに、中心部（ｙ）だけを非線形光学結晶と
し、まわりの部分を同じような屈折率を持つガラスやそ
のほかの材料としてもよい。また、上記のように結晶の
みを加工するのではなく、中央部（ｙ）のみを結晶で形
成し周囲のミラーとなるブロック（ｘ，ｚ）を同様の屈
折率を持ったガラスで構成することも効果的である。
【００７８】上記の第１実施例及び第２実施例では、ビ
ーム径の形状まで言及しなかったが、本発明は、適用が
可能なビーム径の形状を特定しない。すなわち、共焦点
共振器および２重共焦点共振器では共振器を一往復した
光ビーム（ガウスビーム）は入射してきた光ビームに完
全に同じビーム径と曲率を有することになる。この性質
は光ビームの縦方向と横方向でビーム径および曲率半径
が同じでない場合、すなわち、楕円ビームについても適
用可能である。従って、結晶内で楕円焦点をつくるよう
な場合もそのまま適用できる。このための集光方法の一
例を図９に示すように、レーザー装置１２と結晶２０と
の途中に、ビーム径の形状を変更するためのシリンドリ
カル系３８を配設する。このシルンドリカル系３８は、
例えば、第１のシリンドリカルレンズ３４及び第１のシ
リンドリカルレンズ３４の軸線と交叉する軸線の第２の
シリンドリカルレンズ３６から構成することができる。
この第１のシリンドリカルレンズ３４及び第２のシリン
ドリカルレンズ３６のレンズパワーの設定によって、ビ
ームウエストのビーム径の形状を所定の形状に設定する
ことができる。
【００７９】このように、上記実施例では、簡単な構成
であるファブリー・ペロー型共振器を用いて、ミラーに
おいて入射光及び射出光の波面の曲率を変更することに
よって、単一方向のＳＨＧ光を発生することができる。
従って、ファブリー・ペロー型共振器でありながら、共
振器内でＳＨＧ光を折り返さないので、往路及び復路の
光ビームによって生じていた干渉効果による不安定性が
ない。また、従来のように高出力を得るために煩雑な調
整を要するリング型共振器を用いた波長変換装置に比
べ、安価かつ調整が容易であり、所望する波長域の光の
周波数変換に用いることができる。さらに、２重共焦点
共振器を用いる装置の場合、入射された光ビームが設定
された位置や方向からずれた場合であっても自動的に共
振器として働くので、微妙な調整を行うことがなく、組
み立てが容易になる。さらにまた、共振器を結晶による
一体化形成する、すなわち、結晶の周辺の固体１つで共
振器を形成する、モノリシックにして実現することがで
きる。
【００８０】従って、ファブリー・ペロー（Fabry-Pero
t ）型あるいは往復型の共振器を用いる非線形光学効果
による波長変換装置において、共振器内を往復する光ビ
ームが行き（往路）の方向と帰り（復路）の方向とでビ
ームウェストの大きさが異なるように、共振器の光学系
および入射光のビーム径および波面の曲率半径を設定す
ることにより、得られた新しい波長の光（すなわち、Ｓ
ＨＧ光）のパワーが主に一方方向に集中するようにし
て、光の波長を変換することができる。
【００８１】なお、上記実施例の復路を通過する光ビー
ムで発生したＳＨＧ光は比率的には僅かであるが、共振
器に対する入射側の部材への劣化を考慮し、戻りのＳＨ
Ｇ光を除去するためのミラーを共振器の入射側に配設す
ることが好ましい。
【００８２】次に、第３実施例を説明する。上記の実施
例では、往復型の共振器に本発明を適用した場合を説明
したが、構成は多少複雑になるものの従来の共振器を用
いて単一方向の光ビームのみにＳＨＧ光を生じさせるに
は、光ビームが共振器内をリング状に循環する所謂リン
グ型共振器が優れており、数多く使用されている。そこ
で、本第３実施例は、所謂リング型共振器を含む共振器
に本発明を適用したものである。
【００８３】このような、リング型共振器を用いた波長
変換装置の一例には、ＩＢＭアルマデン研究所のW.Kozl
ovsky 等（W.J.Kozlovsky,et al.,Appl.Phys.Lett.56(1
990)2291-2292.)によって提案された結晶内の全反射を
利用するモノリシック型リング共振器を用いた波長変換
装置がある。この波長変換装置では、１０５ｍＷの赤外
光を４１ｍＷの青色光に変換できる。ここで、結晶内の
全反射を用いたのは、端面を通過する際の反射による損
失の影響をなくすためである。すなわち、共振器内の光
は結晶の中だけを進行するので、全反射によれば、光ビ
ームの光路には結晶と空気の境界といった端面反射の損
失が生じない。
【００８４】しかしながら、共振器内の光のモードとし
て、共振器は通常の安定型共振器であるので、効率向上
のためには予め定めたビーム径と波面の曲率による光ビ
ームを共振器内に入射する必要がある。
【００８５】一方、上記の実施例で説明したように、往
復型の共焦点型や二重共焦点型の共振器は、入射する光
ビーム（ガウスビーム）のビーム径や波面の曲率によら
ず、常に効率よく光パワーを利用できる。
【００８６】そこで、上記実施例のような共焦点共振器
の概念をリング共振器に応用すれば、任意のガウスビー
ムのパワーを効率よく共振器の中にいれることができ
る。この場合、共振器を一周（循環）する光ビームに対
する光線行列が［単位行列］、または−１×［単位行
列］になるようにリング共振器を設計すればよい。な
お、以下の説明を簡単にするため、２×２の単位行列Ｉ
について説明する。
【００８７】先ず、２つの同じ曲率半径のミラーを用い
た共振器において、その間隔である光学的距離が等し
く、かつミラーの曲率半径に等しいという条件Ｊのとき
に、単位行列±Ｉとして得られる光線行列について図１
０を参照し説明する。
【００８８】図１０に示すように、曲率半径Ｒのミラー
４２、曲率半径Ｑのミラー４４から構成された共振器４
０において、光ビームが、ミラー４２、４４の内部を往
路では光路長ｃの空間Ａを進行すると共に、復路では光
路長ｄの空間Ｂをリング状に進行するとした場合、光路
長ｃの空間Ａにおける光線行列Ｓ１は、以下の式（１
９）で表すことができ、光路長ｄの空間Ｂにおける光線
行列Ｓ２は、以下の式（２０）で表すことができる。
【００８９】
【数１２】
【００９０】また、曲率半径Ｒのミラー４４における光
線行列は、ミラー４４の焦点距離ｆを曲率半径の１／２
（２／Ｒ＝ｆ）とすると、以下の式（２１）で表すこと
ができ、曲率半径Ｑのミラー４２における光線行列は、
ミラー４２の焦点距離ｇを曲率半径の１／２（２／Ｑ＝
ｇ）とすると、以下の式（２２）で表すことができる。
【００９１】
【数１３】
【００９２】従って、空間Ａ，ミラー４４，空間Ｂ，ミ
ラー４２を通って一周する光路の光線行列Ｔ（＝Ｔ21）
は、以下の式（２３）で表すことができる。
【００９３】
【数１４】
【００９４】ここで、上記一周する光路を進む光ビーム
の起点が異なると共に、起点部位に光ビームが戻るため
には、すなわち、上記の光線行列Ｔ（＝Ｔ21）と、ミラ
ー４４，空間Ｂ，ミラー４２，空間Ａを通って一周する
光路の光線行列Ｔ（＝Ｔ12）とが一致（Ｔ21＝Ｔ12＝
０）するためには、以下に示す式（２４）の関係が必要
である。
【００９５】
【数１５】
【００９６】焦点距離が曲率半径の１／２であることか
ら、この式（２４）は、以下の式（２５）を得ることが
できる。
【００９７】
【数１６】
【００９８】従って、上記の式（２３）、及び式（２
５）から、以下の式（２６）を得ることができる。
【００９９】
【数１７】
【０１００】ところで、上記の式（２６）から理解され
るように、光線行列Ｔが単位行列をＩとして±Ｉに等し
くなるためには、Ｒ＝Ｑ，ｃ＝ｄの必要がある。従っ
て、上記の条件Ｊのときに、単位行列をＩとして±Ｉに
等しい光線行列が得られることになる。
【０１０１】なお、ガウスビームを効率よく共振器に入
射させるためにはビーム径と波面の曲率だけでなく、ビ
ームをいれる位置、及び方向が重要であるが、上記の光
線行列が単位行列Ｉに等しい時は光ビームを入射する方
向及び位置が設定からわずかにずれたときでも、共振器
を一周するようになる。すなわち、光ビームのビーム
径、波面の曲率、いれる位置、方向が設定からずれても
効率よく共振器内に光パワーを有して入射されることに
なる。
【０１０２】以下、上記の条件Ｊを満たす実際的な共振
器の適用例を詳細に説明する。図１１に示すように、第
１の適用例は、同一の曲率半径Ｒａを有する２枚の凹面
鏡４６ａ，４６ｂの間に案内手段としての平面鏡４８
ａ，４８ｂを２枚配置して共振器４０を構成する。共振
器４０内の光ビームは全て１つの平面上（図１１では紙
面上）にあるものとする。図１１の例では、光路Ｅ1 と
光路Ｅ2 をあわせた光路長が光路Ｅ3 と光路Ｅ4 の合計
の光路長に等しく、かつその光路長が凹面鏡４６ａ，４
６ｂの実効的焦点距離の２倍に等しいとき、共焦点のリ
ング共振器となる。このとき、共振器中の光路Ｅ1 、Ｅ
2 、Ｅ3 、Ｅ4 の何れかの光路上（例えば、光路Ｅ1 上
の点線５０の部位）に結晶２０を配置し位相整合を調整
すると共に、この結晶２０内においてビーム径が小さく
なるように、コリメータレンズ径１８によって、入力す
る光ビームＬの集光度を調整すれば、結晶２０には一方
向（光路Ｅ1 に沿う方向）の光ビームのみが励起光とし
て入射され、効率よくＳＨＧ光が発生することになる。
【０１０３】図１２に示すように、第２の適用例は、同
一の曲率半径Ｒｂを有する２枚の凹面鏡５２ａ、５２ｂ
を対向して配置すると共に、各々の曲面の曲率中心
Ｏ1 ，Ｏ 2 が向き合った凹面鏡の中心に位置するように
配置して共振器５６を構成する。このとき、この共振器
５６には、凹面鏡５２ａの曲率中心Ｏ1 から間隔ａを隔
てた位置を入射点Ｐ1 として、この入射点Ｐ1 から凹面
鏡５２ｂの曲率中心Ｏ2 から間隔ｂを隔てた位置の反射
点Ｐ3 に向けて光ビームＬを入射させる（図１２（ａ）
参照）。この凹面鏡５２ａの入射点Ｐ1 は、Ｙ軸と（図
１２では光ビームの進行方向を基準に時計回りに）４５
度の角度をなし、凹面鏡５２ｂの反射点Ｐ3は、（図１
２では光ビームの進行方向を基準に逆時計回りに）４５
度の角度をなす。従って、凹面鏡５２ｂの射出側から凹
面鏡５２ｂ方向（図１２の矢印Ａ方向）にみれば、光ビ
ームは入射点Ｐ1 、反射点Ｐ3 、反射点Ｐ4 、反射点Ｐ
2 の順にリング状に循環するようにみえる（図１２
（ｃ）参照）。従って、凹面鏡５２ａにおける光ビーム
の入射点（反射点でもある）Ｐ1 及び反射点Ｐ2 を結ぶ
線分Ｐ1 Ｐ2 、及び凹面鏡５２ｂにおける光ビームの反
射点Ｐ3 及び反射点Ｐ4 を結ぶ線分Ｐ3 Ｐ4 は、９０度
の角度をなすねじれた関係を有することになる。この第
２の適用例は、第２実施例で説明した、光路Ｅ1 、光路
Ｅ2 、光路Ｅ3 、光路Ｅ4 の４つの光路の各々の光路長
が等しい二重共焦点共振器になる。従って、この共振器
構成において、結晶２０の位相整合の向きを光路Ｅ1 、
Ｅ2 、Ｅ3 、Ｅ 4 の何れかの光路と一致させかつ共振器
内部（例えば、図１２（ｂ）に点線で示す部位）に、結
晶２０を配置すれば、この位相整合のとれた光路に沿う
方向にＳＨＧ光が発生する。
【０１０４】この共振器５６では、光線行列がｘ軸方
向、ｙ軸方向ともに単位行列Ｉに等価になるので、光ビ
ームＬの入射位置や方向がずれても、共振器５６内に光
ビームを閉じ込めることができる。これにより、入射さ
れた光ビームを損失なく、有効に用いることができる。
【０１０５】上記第１の適用例及び第２の適用例は、厳
密な共焦点系である。ここで、図１２の共振器５６にお
いて、図１３に示すように、Ｙ軸及びＺ軸を含むＹＺ平
面内を進行するように光ビームＬを入射することによっ
て、近似的な共焦点系を構成することができる。すなわ
ち、入射する光ビームＬの曲率中心Ｏ1 からの高さｈ
と、２枚の凹面鏡５２ａ、５２ｂの間隔ｅとの比率を、
例えば、ｈ：ｅ＝１：２０に設定すると、光路Ｅ1 と光
路Ｅ2 の光路長は０．５％だけ異なる。このため、光ビ
ームが共振器５６内を一周することによるパワーの損失
を５％とすると、共振器５６内を光ビームが２０周する
とパワーは１／３に減少するが、ビーム径は約１０％程
度の変化のみである。従って、比率ｈ：ｅを十分小さく
すれば、略完全に共焦点系の特徴を有する共振器５６を
得ることができる。
【０１０６】しかしながら、図１３の構成では光路Ｅ1
と光路Ｅ3 は完全に同じ方向に向くので、図１３（ｂ）
に点線で示す位置に結晶２０を配置すると、光路Ｅ1 と
光路Ｅ3 において位相整合条件を満たし２か所からＳＨ
Ｇ光Ｌ２が発生することになる。これにより、単一の光
ビームのＳＨＧ光を発生することができない。
【０１０７】このため、第３の適用例としては、図１３
の構成による共振器５６において、Ｘ軸及びＺ軸を含む
ＸＺ平面上に案内手段として機能する平面鏡を配置す
る。このとき、凹面鏡５２ａおよび凹面鏡５２ｂはその
曲率中心Ｏ1 ，Ｏ2 が対向する凹面鏡と下の平面鏡の交
線の中心に位置するように配設し、結晶２０の位相整合
の方向を光路Ｅ1 に沿う方向に一致させる。従って、光
路Ｅ2 を進行する光ビームは、平面鏡で偏向されて、光
路Ｅ4 に一致した光路へ案内される。これによって、光
路Ｅ1 のみからＳＨＧ光Ｌ２を発生させることができ
る。
【０１０８】この第３の適用例は、結晶２０と凹面鏡を
一体化したモノリシック構造にすることによって、共振
器の損失を減らすことができる。すなわち、図１４に示
すように、図１３の共振器におけるＸＺ平面の上部を主
要な構成として、ＸＺ平面上の平面鏡に対応するように
結晶２０の下面２０ｃを平面研磨すると共に、凹面鏡５
２ａおよび凹面鏡５２ｂに対応するように結晶２０の光
ビームの入射側の端面２０ａ及び射出側の端面２０ｂを
球面研磨することにより、共振器５８を形成することが
できる。
【０１０９】この共振器５８の構造によれば、入射され
た光ビームＬが、ｙ方向にずれた場合であっても、共振
器５８内部に光ビームを閉じ込めることができる。
【０１１０】なお、励起光のビーム径の形状として光路
Ｅ1 の中心で楕円形状を必要とする場合には、凹面鏡５
２ａおよび凹面鏡５２ｂをその中心が対向する凹面鏡と
下の平面にともに含まれる直線であるような円筒鏡とす
ることもできる。すなわち、２つの円筒鏡の軸線が平行
になるように結晶２０を形成すればよい。このように、
結晶端面を円筒鏡で形成した共振器５８の構造によれ
ば、入射する光ビームＬは、ｙ方向にずれてもよく、ｘ
方向のズレに対しても鈍感になる。
【０１１１】次に、第４の適用例は、案内手段として機
能する平面鏡を配設することによって二重共焦点共振器
として機能する場合を説明する。図１３の共振器５６の
構成と略同様の構成において、図１５に示すように、Ｘ
Ｚ平面上に平面鏡５２ｃを配設し、入射する光ビームの
方向がＸＺ平面と平行であると共に、Ｚ軸と平行でない
場合には、入射された光ビームが凹面鏡５２ａ，５２ｂ
及び平面鏡５２ｃの間の空間を２回循環し、二重共焦点
共振器として機能する。このように、光ビームを入射さ
せる場合には、図１５（ｂ）に点線で示す位置に結晶２
０を光路Ｅ1 に位相整合されるように配置すれば、光路
Ｅ1 のみからＳＨＧ光を発生させることができる。この
とき、位相整合が光路Ｅ1 に合致されれば、光路Ｅ3 か
らＳＨＧ光が発生することはない。また、全体を１つの
結晶で構成し、モノリシック構造にすることもできる。
なお、図から理解されるように、図１５の共振器は図１
２の共振器の内部、すなわち、ＺＸ平面上に平面鏡５２
ｃを配設した場合と略等価である。
【０１１２】第５の適用例は、第２の適用例で説明した
共振器５６（図１２）に、図１６に示すように、凹面鏡
５２ａ，５２ｂの曲率中心Ｏ1 ，Ｏ2 を結ぶ線分Ｏ1 Ｏ
2 を含みかつ直交する２つの平面上の各々に案内手段と
して機能する平面鏡６２ａ，６２ｂを配置することによ
って、リング共振器６０を構成する。この共振器６０の
内部の点線６４の位置（例えば、中心位置）に結晶２０
を配置し、位相整合方向を光路Ｅ1 の方向に設定する
と、その光路Ｅ1 の方向にＳＨＧ光Ｌ２が発生する。図
１６の配置はモノリシック構造にすることもできる。ま
た、この第５の適用例では、必要とする結晶２０が略１
／４になるので、結晶２０の容量（体積）を小さくする
ことができ、結晶を有効に利用することができる。
【０１１３】図１７に示すように、第５の適用例は、結
晶２０の２つの側平面２０ｍ，２０ｎが直交するように
研磨し、その２つの平面の交線（稜線）をＺ軸上に位置
させると共に一方の平面（図１７の例では側平面２０
ｍ）と端面２０ａ及び端面２０ｂとの交線を軸とした円
筒面となるように結晶２０の光ビームの入射側の端面２
０ａ及び射出側の端面２０ｂを研磨することにより、共
焦点共振器をもつモノリシックなＳＨＧ素子の共振器６
８を形成することができる。これら結晶２０の２つの側
平面２０ｍ，２０ｎは案内手段として機能する。両方の
端面の曲面（すなわち、シリンドリカル面）は励起光の
反射率が高くなるコーティングを行う。このとき、位相
整合の方向は光路Ｅ1 に沿う方向に設定する。なお、上
記で説明したように共振器となるための光路Ｅ1 の方向
はある程度の許容範囲（光ビームが予定通りの面で反射
する限り）で設定できる。
【０１１４】図１７に示す結晶２０と略同様の構成にお
いて、上記第４の適用例で述べたように（図１５参
照）、入射する光ビームの方向がＸＺ平面と平行である
と共にＺ軸と平行でない場合には、図１８に示すよう
に、平面鏡６２ａの反射領域Ａ1 に至るまでの光路
Ｅ1 、反射領域Ａ1 で反射された光ビームが至る円筒鏡
５４ｂまでの光路Ｅ2 は同一平面上を進行する。また、
円筒鏡５４ｂで反射された光ビームが平面鏡６２ｂの反
射領域Ａ2 に至るまでの光路Ｅ3 、反射領域Ａ2 で反射
された光ビームが至る円筒鏡５４ａまでの光路Ｅ4 は同
一平面上を進行する。これら反射領域Ａ1 、Ａ2 は案内
手段として機能する。このとき、光路Ｅ1 に沿う方向が
位相整合の方向になる。この共振器６８は図１９に示す
ように、位相整合の方向だけが違う上記の図１７に示し
た第５の適用例と同様の研磨を施したモノリシックな構
造で形成することができる。
【０１１５】このような、第４の適用例及び第５の適用
例の共振器は光線行列がｘ方向、ｙ方向ともに単位行列
Ｉに等しくなるので、光ビームの入射位置や方向がずれ
た場合であっても、共振器内に光ビームを閉じ込めるこ
とができる。
【０１１６】なお、上記の適用例で説明した各共振器
は、共振器内部を一周する光ビームが１つの平面上にな
いものもあるが、図１９に示すようにＹ軸やＸ軸に平行
な偏光のみを用いる場合には反射による偏光の変化は無
視できる。
【０１１７】このように、本実施例では、リング型共振
器を用いることによって波長変換装置として、光ビーム
を用いて単一の方向に変換波長の光ビームを得ることが
できる。共振器はリング構成であるため、励起光として
利用するために入射した光ビーム、すなわち、レーザー
装置に対して光ビームが戻ることがない。このため、戻
り光を防ぐためのアイソレータ等の部品が不要になる。
また共振器を共焦点あるいは二重共焦点とすることによ
り、共振器のパラメータを変更することなく、最適な波
長変換を行うための集光条件を、外部から入射する光ビ
ームの集光条件のみを調整することによって、得ること
ができる。さらに光ビームの形状を楕円とする集光に容
易に適用が可能である。また、光ビームの入射位置や方
向がずれても共振器内に閉じこめることができ、高効率
変換が安定に簡単に得られる。さらに、本実施例では、
共振器の調整が容易であることによって、波長変換装置
自体の組立を容易に行うことができる。さらにまた、本
実施例の共振器では、結晶と反射鏡とを一体化したモノ
リシック構造の共振器を得ることができるので、共振器
の損失を減少させることができ、高い変換効率のＳＨＧ
光を得ることができる。
【０１１８】従って、結晶の非線形光学効果を増強する
ために用いる外部光共振器として、２枚の同じ曲率半径
を持つ凹面鏡とそのあいだに配置した平面鏡等をもちい
て構成した、共焦点のリング型共振器を用いると、焦点
付近のビーム径を自由に設定することができ、安定かつ
高効率の波長変換が可能になる。また角度位相整合の結
晶の場合には、ＳＨＧ光のビーム形状を最適にするため
等の理由で、基本波長の光ビームが楕円形のビーム形状
をしていることが望ましいことがあるが、共焦点リング
共振器ではこのような楕円形のビーム形状を有する光ビ
ームについても自動的に共振器内に閉じこめることがで
きる。さらにリング共振器内を一周する光ビームの共振
器において２枚あるいは偶数枚の同じ曲率半径を持つ鏡
の間においた平面の反射面の反射スポットの数を偶数個
に設定した共振器においては、入射された基本波長の光
ビームの入射位置や方向が、初期設定からわずかにずれ
ても、改めて光学系の調整を必要とすることなしに光を
共振器に閉じこめることができる。
【０１１９】なお、上記の実施例に用いた非線形光学材
料としての結晶２０には、ＫＤＰ，ＢＢＯ，ＫＴＰ，Ｌ
ｉＮｂＯ3 等がある。
【０１２０】上記の共焦点系の共振器は、各種のレーザ
ーの波長変換に応用できる。例えば、赤外ー赤色の半導
体レーザーの周波数逓倍によって青ー近紫外光を得るこ
とができ、緑−青色レーザーの周波数逓倍によって、深
紫外光を得ることができる。従って、これらの光を用い
る、半導体素子の製造、物質加工、表示装置、印刷装
置、３次元ホログラム再生装置、光化学、計測、反応モ
ニター等への適用が可能である。特に、赤外ー赤色の半
導体レーザーの周波数逓倍による青−近紫外光を得るこ
とができ、その出力は高密度光記録に用いることができ
る。また緑−青色光の周波数逓倍によって得られる深紫
外光は、半導体素子の製造、物質加工などに用いるのに
好適である。
【０１２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
射手段及び反射透過手段によってＳＨＧ光等の基本波長
と異なる少なくとも１つの変換波長の光を発生させるた
めの非線形光学材料を透過した光は反射手段及び反射透
過手段を介して位相整合等の条件に合致することなく再
び非線形光学材料に向けて放射され、変換波長の光が非
線型光学材料内を集中して透過することがないので、単
純な構成で調整が容易であると共に安価な波長変換装置
を得ることができ、該変換波長の光が双方向に発生する
ことなく干渉効果による不安定性が生じることがない、
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる波長変換装置の概
略構成を示す概念図である。
【図２】共振器内の光ビームの波面（等位相面）を示す
イメージ図である。
【図３】２つの曲面からなる共振器の概念構成図であ
る。
【図４】共焦点共振器の一例を示すイメージ図である。
【図５】結晶とミラーを一体化した共振器を示すイメー
ジ図である。
【図６】第２実施例にかかる２重共焦点共振器の概念構
成を示すイメージ図である。
【図７】反射鏡を用いた２重共焦点型共振器を示す構成
図である。
【図８】結晶のみで構成した２重共焦点共振器を示すイ
メージ図である。
【図９】光ビームのビーム形状を任意に設定する構成例
を示す概念図である。
【図１０】第３実施例にかかるリング状の共振器を説明
するための説明図である。
【図１１】第３実施例の第１の適用例である凹面鏡及び
平面鏡からなる共振器の概略構成図である。
【図１２】第３実施例の第２の適用例である凹面鏡によ
る共振器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図１３】近似的な共焦点系を構成する共振器を示すイ
メージ図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図である。
【図１４】第３実施例の第３の適用例の一例を示す共振
器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面
図、（ｃ）は側面図である。
【図１５】第３実施例の第４の適用例の一例を示す共振
器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面
図、（ｃ）は側面図である。
【図１６】第３実施例の第５の適用例の一例を示す共振
器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面
図、（ｃ）は側面図である。
【図１７】第３実施例の第５の適用例の変形例を示す共
振器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正
面図、（ｃ）は側面図である。
【図１８】第３実施例の第５の適用例の他の変形例を示
す共振器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図１９】第３実施例の第５の適用例の応用例を示す共
振器の概略構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正
面図、（ｃ）は側面図である。
【図２０】従来の波長変換装置を示す概念図であり、
（ａ）は結晶単一パスの波長変換装置、（ｂ）は往復型
共振器を用いた波長変換装置、（ｃ）は（ｂ）の変形
例、（ｄ）はリング型共振器を用いた波長変換装置であ
る。
【符号の説明】
１０ 波長変換装置 １２ レーザー装置 １８ コリメータレンズ系（光射出手段） ２０ 結晶（非線形光学材料） ２２ 第１のミラー（反射手段） ２４ 第２のミラー（反射透過手段） ２６ 共振器（共振手段）

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基本波長の光を射出する光射出手段の射
    出側に配設され、光学的異方性を有しかつ入射された基
    本波長の光と波長が該基本波長と異なる少なくとも１つ
    の変換波長の光とを射出する非線形光学材料と、 前記非線形光学材料の射出側に配設されて光軸を通過す
    る平面との入射光束の断面形状と異なる光束の断面形状
    となるように前記基本波長の光を反射すると共に前記変
    換波長の光を透過する反射透過手段と、前記非線形光学
    材料と前記光射出手段との間に配設されて前記非線形光
    学材料に入射された基本波長の光が通過する基準光路に
    略一致する光路を通過すると共に前記基本波長の光の光
    束の断面形状と略一致する光束の断面形状となるように
    該反射透過手段によって反射された光を反射する反射手
    段と、からなる共振手段と、 を備えた波長変換装置。
  2. 【請求項２】 前記反射手段では収束方向に反射透過手
    段によって反射された光を反射することを特徴とする請
    求項１に記載の波長変換装置。
  3. 【請求項３】 前記反射透過手段では発散方向に前記基
    本波長の光を反射することを特徴とする請求項１に記載
    の波長変換装置。
  4. 【請求項４】 前記共振手段の反射透過手段及び反射手
    段の各々は、曲面で構成されると共に各々の曲面が有す
    る焦点距離及び反射光軸が略一致することを特徴とする
    請求項１に記載の波長変換装置。
  5. 【請求項５】 前記共振手段の反射透過手段及び反射手
    段の少なくとも一方は、所定方向から入射された光を射
    出すると共に所定方向と異なる方向から入射された光を
    反射光として射出する伝達部材と、該伝達部材から射出
    された所定方向からの光を反射して該伝達部材へ導く反
    射部材とから構成され、該反射部材と該伝達部材との間
    に光が集光される集光部位が奇数個位置すると共に、前
    記共振手段の内部で集光される集光部位の総数が偶数個
    であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装
    置。
  6. 【請求項６】 前記共振手段は、前記非線形光学材料の
    射出側に配設されて光軸を通過する平面との入射光束の
    断面形状と異なる光束の断面形状となるように前記基本
    波長の光を反射すると共に前記変換波長の光を透過する
    反射透過手段と、前記非線形光学材料と前記光射出手段
    との間に配設されて前記非線形光学材料に入射された基
    本波長の光が通過する基準光路に略一致する光路を通過
    すると共に前記基本波長の光の光束の断面形状と略一致
    する光束の断面形状となるように光を反射する反射手段
    と、該反射透過手段によって反射された光を該反射手段
    へ案内する案内手段と、からなることを特徴とする請求
    項１に記載の波長変換装置。
  7. 【請求項７】 光学的異方性を有しかつ入射された基本
    波長の光と波長が該基本波長と異なる少なくとも１つの
    変換波長の光とを射出する非線形光学材料を用いて該基
    本波長の光を該変換波長の光に変換する波長変換方法で
    あって、 前記非線形光学材料へ前記基本波長の光を入射し、 前記非線形光学材料の射出側では、光軸を通過する平面
    との入射光束の断面形状と異なる光束の断面形状となる
    ように前記基本波長の光を反射すると共に前記変換波長
    の光を透過し、 前記非線形光学材料の入射側では、前記非線形光学材料
    に入射された基本波長の光が通過する基準光路に略一致
    する光路を通過すると共に前記基本波長の光の光束の断
    面形状と略一致する光束の断面形状となるように前記非
    線形光学材料の射出側で反射された光を反射する、 ことを特徴とする波長変換方法。
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