JPH11119273A - 光パラメトリック発振装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長変換素子の非線形光学効果により波長変
換したレーザ光を発生させる光パラメトリック発振装置
と方法で、特に発生したシグナル光とアイドラ光のいず
れか一方を波長変換素子を形成する結晶の複屈折性を利
用した単共振型の光パラメトリック発振装置とその方法
を提供する。 【解決手段】 光パラメトリック発振装置の光共振器６
は、偏光面が略直交するシグナル光とアイドラ光の一方
のみを共振させるために他方の共振を阻止する非共振手
段８を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は波長変換素子の非線
形光学効果により波長変換したレーザ光を発生させる光
パラメトリック発振装置とその方法に関し、特に発生し
たシグナル光とアイドラ光のいずれか一方を波長変換素
子を形成する結晶の複屈折性を利用した単共振型の光パ
ラメトリック発振装置とその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光パラメトリック発振器（ＯＰ
Ｏ Ｏｐｔｉｃａｉ Ｐａｒａｍｅｔｏｒｉｃ Ｏｓｃ
ｉｌｌａｔｏｒ）は、入射光より長波長の光を発生・増
幅させる利得であるパラメトリック利得を持つＫＴＰ
（KTiOPO4 ）等の波長変換素子を、一般のレーザ共振器
と同様に２枚の反射鏡からなる光共振器中に置き、適当
なレーザ光によって励起せることによって構成されてい
る。これらの光パラメトリック共振器はシグナル光（信
号波光）とアイドラ光（補助波光）の両方、又は、いず
れか一方が共振するように構成され、ポンピング入力が
ある閾値を超えるとシグナル光およびアイドラ光でパラ
メトリック発振が生じる。

【０００３】これらについて図３に基づいて説明する
と、励起用レーザ発振器１から発生したレーザ光（励起
光）は、集光光学系２を通過して光パラメトリック発振
器（ＯＰＯ）６を形成している入力鏡３を通過して波長
変換素子４に入射する。波長変換素子においては２次の
非線形光学効果により波長の異なる２つの光（シグナル
光、アイドラ光）が発生する。その一方又は両方の光は
は出力鏡５で反射して光軸上を戻り、入射鏡３との間を
往復して共振して増幅され、その一部は出力鏡５を透過
し外部にレーザ出力光として取出される。

【０００４】一般に、励起光の偏光方向に対し発生する
２つの偏光方向は２種類あり、シグナル光とアイドラ光
の両方とも直交する「タイプＩ位相整合」と呼ばれる場
合と、シグナル光かアイドラ光の片方が一致する「タイ
プII位相整合」と呼ばれる場合が存在する。

【０００５】励起光、シグナル光、アイドラ光の各波長
の間にはエネルギー保存則が成立するため、以下の関係
が成立する。

【０００６】 １／λp ＝１／λs ＋１／λi ………（１） ここで、λp は励起光の波長、λs はシグナル光の波
長、λi はアイドラ光の波長である。

【０００７】例えば、Nd：YAG レーザを励起光として、
波長変換素子４にＫＴＰを用いた構成では、λp ＝１．
０６μm に対して、λs ＝１．６μm 、λi ＝３．２μ
m の光が得られる。また、λs ＝λi となるような構成
にした縮退発振の場合には、λi ＝λs ＝２．１２μm
の光が得られる。

【０００８】ただし、通常、ＯＰＯは励起光が１回だけ
波長変換素子である非線形光学結晶を通過しただけで
は、発生するシグナル光もアイドラ光も強度が低いの
で、その片方ないし両方の光を光共振器内に閉じ込めて
往復させて共振、増幅させることにより強度を高めて、
その一部を出力鏡から外部に取出させるように構成され
ている。

【０００９】また、ＯＰＯを構成する光共振器は、単共
振型発振器（ＳＲＯ：Singly Resonant Oscillator）お
よび双共振発振器（ＤＲＯ；Doubly Resonant Oscillat
or）と呼ばれる２種類に大別される。

【００１０】DROは図４に示すように、シグナル光とア
イドラ光の両方を共振させるもので、入力鏡３は励起光
に対して低反射（Rp=0）で、シグナル光とアイドラ光に
対しては高反射（Rs=1、Ri=1）に形成されている。出力
鏡５は励起光に対して低反射（Rs=0）で、シグナル光と
アイドラ光の両方に対して部分反射（０＜Rs＜１、０＜
Ri＜１）特性を有している。

【００１１】また、ＯＰＯ装置の共振器６を構成する各
反射鏡３、５は通常、平面鏡又は凹面鏡が用いられてお
り、このうち入射鏡３は励起光に対して反射防止、シグ
ナル光とアイドラ光に対しては高反射の反射特性が必要
である。一方、出力鏡５は励起光に対して反射防止、シ
グナル光に対して部分反射、アイドラ光に対しては反射
防止が必要である。

【００１２】光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）でシグ
ナル光とアイドラ光の波長が等しい場合は、双共振発振
器（ＤＲＯ）になるので、励起光が非線形光学結晶に入
射して発生したシグナル光とアイドラ光は出力鏡に到達
すると、両方の光ともその一部が反射して進行してきた
光軸上を戻り、入射鏡で反射して再び励起光と共に非線
形光学結晶に入射して増幅させたる。シグナル光の利得
は励起強度とアイドラ光の強度の積に比例し、また、ア
イドラ光の利得は励起光とシグナル光との積に比例する
ので、２つの発生光は相乗的に増幅させられる。このた
め、発振閾値はＳＲＯに比べて１／１０ないし１／１０
０程度まで軽減されるので光学損傷閾値が低い非線形光
学結晶を用いる場合に適する。また、発生するＯＰＯ光
のスペクトル幅も狭くすることが出来る。

【００１３】特に、シグナル光とアイドラ光の波長が等
しい縮退発振の場合は、２つの発生光に対する反射鏡の
特性は同じであるため一般にＤＲＯとなる。

【００１４】ＳＲＯはシグナル光のみを共振させる場合
で、その典型的構成例を図５に示す。入力鏡３は励起光
に低損失（Rp＝０）かつシグナル光に対して高反射率
（Rs=1）をに形成されている。出力鏡５は励起光とアイ
ドラ光を透過（Rp=0、Ri＝０）させシグナル光に対して
は部分透過（０＜Rs＜１）である。励起光が入射鏡を通
過して波長変換素子４に入射すると、シグナル光とアイ
ドラ光の２つの光が発生し、これらは励起光が波長変換
素子４内を進むに従って非線形光学効果により強度が増
す。波長変換素子４から出射したシグナル光の一部は出
力鏡５で反射して進行してきた光軸上を戻り、再び波長
変換素子４を通過した後に入射鏡３で反射し、同時に入
射してきた励起光と共に波長変換素子４に入射して再び
増幅される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ＤＲＯ型のＯＰＯは、
シグナル光とアイドラ光の両方が反射鏡で反射されるの
で、反射光が波長変換素子を形成する非線形光学結晶を
通過する際、シグナル光とアイドラ光の和の周波発生に
より励起光の波長の光に戻る逆励起現象が生じる。その
ため、ＳＲＯより理論上の変換効率は低く励起光の強度
分布がフラットと仮定した理想的な場合でも、その変動
効率は５０％に制限されてしまうという問題が生じる。
実際、フラットでない強度分布のレーザ光で励起した場
合、通常２０〜３０％程度に制限される場合が多い。ま
た、リング型共振器の場合は上述の逆励起現象は生じな
いが、共振器の長さが長くなるのであまり好ましくな
い。

【００１６】従って、ＤＲＯ型のＯＰＯでは、通常用い
られているパルス幅１０〜１００nsec程度のＱスイッチ
発振のパルスレーザを励起レーザとして用いた場合に
は、発振閾値が高くなりＤＲＯ型ＯＰＯの特徴である発
振閾値を下げるという効果は殆ど得られないため適用す
ることは出来ないという欠点が有る。

【００１７】また、ＯＰＯ装置の共振器を構成する各反
射鏡は通常、平面鏡又は凹面鏡が用いられており、この
うち入射鏡は励起光に対して反射防止、シグナル光とア
イドラ光に対しては高反射の反射特性が必要である。一
方、出力鏡は励起光に対して反射防止、シグナル光に対
して部分反射、アイドラ光に対しては反射防止が必要で
あるため、それらに対応する３つの反射特性を実現する
ためには、一般に数十層の誘電体膜コーティングを必要
とするため技術的に困難であり、仮に実現されても光学
損傷しやすく高価である等の不具合が存在する。光学的
にも平面鏡や凹面鏡からの光出力は、１mrad以下の微妙
な鏡の角度変化により出力が大きく低下するという問題
も存在する。そのため図５に示すように、波長の違いに
より反射ないし透過する鏡を、共振器を構成する鏡と波
長変換素子の間に挿入することにより、共振器の鏡のコ
ーティングは発生する２つの波長に対する高反射及び部
分反射が行われる構成が記載されている（「Applied P
hysics Letter」 第５５巻１９５２頁）。つまり図６
において、３´は発生光に対して広帯域の高反射コーテ
ィングが施された反射鏡で、５´は発生光に対して部分
反射しその一部を外部に出力させる反射鏡で、４´は波
長変換素子で、８´及び９´は励起光に対して高反射
（Rp=1）し発生光に対して反射防止（Rs=0、Ri=0）を施
した鏡である。この場合、反射鏡３´、５´は発生する
２つの波長に対しての特性が得られればよい。しかし、
鏡８´、９´は励起光に対しては高反射が、発生する２
つの光に対しては反射防止が必要であり、そのため一般
には特殊なコーティングを必要としている。

【００１８】ＳＲＯの場合は、アイドラ光は、出力鏡に
到達する度に出力鏡を透過して外部に出力されるので、
アイドラ光は共振器内で共振することはない。シグナル
光の利得は励起光強度とアイドラ光強度の積に比例する
が、ＳＲＯの場合、アイドラ光の強度は比較的弱いので
その分だけＯＰＯ光の発生に必要な励起光の強度（発振
閾値）が比較的高く波長変換素子４等を損傷しやすいと
いう問題が存在する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、励起用
レーザ発振器の光軸上の前方に配置された波長変換素子
と、入力鏡と出力鏡とで構成した複数の反射鏡とを有す
る光共振器により、前記励起用レーザ発振器からの光の
照射による励起レーザ光より長い波長のシグナル光とア
イドラ光を空間的に分離して発生させる光パラメトリッ
ク発振装置において、前記光共振器は偏光面が略直交す
るシグナル光とアイドラ光の一方のみを共振させるため
に他方の共振を阻止する非共振手段を有することを特徴
とする単結晶型の光パラメトリック発振装置にある。

【００２０】また本発明は、前記非共振手段は前記波長
変換素子と前記反射鏡との間のシグナル光かアイドラ光
のいずれかのみが通過する位置に全反射鏡を設けたもの
であることを特徴とする光パラメトリック発振装置にあ
る。

【００２１】また本発明は、励起用レーザ発振器の光軸
上の前方に配置された波長変換素子と、入力鏡と出力鏡
で構成した複数の反射鏡とを有する光共振器により、前
記励起用レーザ発振器からの光の照射による励起レーザ
光より長い波長のシグナル光とアイドラ光を空間的に分
離して発生させる光パラメトリック発振方法において、
前記光共振器は偏光面が略直交するシグナル光とアイド
ラ光の一方のみを共振するために他方の共振を阻止する
非共振手段を用いることを特徴とする単結晶型の光パラ
メトリック発振方法にある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明に実施形態について図
１〜２を参照して説明する。図３〜６で示した従来の技
術と同一符号は従来の技術と同一部品又は同一機能を有
する部品を示す。

【００２３】ＳＲＯでは、励起光が波長変換素子内を進
むに従って非線型光学効果によりれ強度が増す。つま
り、波長変換素子を通過する回数が多ければ多いほどシ
グナル光は増幅されるので、励起光のパルス幅が有限の
パルスレーザ励起のＯＰＯの場合、共振器の長さは通常
短く構成されている。この構成ではアイドラ光は出力鏡
に到達するたびに出力鏡を透過して外部に出力されるの
で、アイドラ光は共振器６内を往復して共振することは
ない。しかし、共振条件はシグナル光のみに対して課せ
られるので、共振器の長さの変化等による出力変動は比
較的少なく、また、発生したアイドラ光とシグナル光と
の和の周波数発生による逆転現象が起こらないので、理
論上の変換効率は１００％迄有り得るという利点が有
る。そのため、実用的なＯＰＯシステムでは通常ＳＲＯ
が用いられている。

【００２４】また、波長変換素子内で発生する２つに光
の偏光面が直交するタイプII型と呼ばれる位相整合の場
合、発生する一方の光りは、その偏光方向が結晶軸と直
交する正常光に対応し、もう一方は偏光面内に結晶軸が
含まれる異常光に対応する。励起光は、正常光か異常光
のどちらの場合も存在する。従って、結晶軸が光進行方
向と直交する特殊な場合を除いては、発生光の一方のエ
ネルギー（ポインティングベクトル）は励起光と略同軸
に波長変換素子を形成する結晶内を進行するが、もう一
方の発生光のエネルギーは複屈折現象により、励起光に
光軸と有限な角度を成して進行する。結晶を出射した後
は各光りは平行に進行する。従って、アイドラ光とシグ
ナル光は結晶を出た後には空間的に分離されているの
で、光共振器の鏡がシグナル光だけを共振するように設
置すれば、アイドラ光はその波長に関わりなく共振しな
いことになるので必ずＳＲＯの動作が得られる。

【００２５】図１は本発明の実施の形態を示す構成図
で、入力鏡３の光軸上の前方に、波長変換素子４、出力
鏡５が順次配列されている。入力鏡３は励起光に対して
は低反射（Rp＝０）でシグナル光に対しては高反射（Rs
＝１）に形成されている。出力鏡５は所定位置に出力鏡
５を貫通した通過穴８が設けられている。また、入力鏡
３の光軸の後方にはレーザ共振器１が配置されている。
波長変換素子４はシグナル光とアイドラ光の偏光方向が
直交する「タイプII位相整合」である。

【００２６】これらの構成による作用を説明する。励起
光及びシグナル光は正常光、アイドラ光は異常光とした
場合。レーザ共振器１からの励起光は、入力鏡３を経て
波長変換素子４に入射しシグナル光とアイドラ光を発生
する。励起光の波長変換素子４結晶内の進行に伴って発
生光に強度は増加するが、アイドラ光のエネルギーは複
屈折現象によって励起光とシグナル光の光軸から徐々に
離れていく。各光が結晶を出射すると３つのエネルギー
の進行方向は平行となるが、アイドラ光は残りの２つの
光とは同軸ではない。アイドラ光の光軸は結晶の中心付
近を通過するので、出力鏡５上でのシグナル光軸とアイ
ドラ光軸間の距離は、アイドラ光のウォークオフ角（シ
グナル光に対するずれ角）ρと結晶長Ｌに対して、Ｄ＝
ρＬ／２程度となる。従って、シグナル光とアイドラ光
のビーム半径に合計がＤより小さいように構成すれば、
出力鏡５上ではアイドラ光は励起光とシグナル光から分
離されるので、アイドラ光が出力鏡５に達した地点に通
過穴８が設けられているので、結晶内で発生したアイド
ラ光は再び結晶に戻ることなく外部に出力される。その
結果、光共振器で共振するのはシグナル光のみとなりＳ
ＲＯ動作となる。

【００２７】例えば、波長１．０６ｍのＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ光を励起光として、波長変換素子４にＫＴＰ結晶を
用いて、発生するシグナル光とアイドラ光の波長として
２．１２ｍの赤外光を得る場合を考えると、ＫＴＰ結晶
はカット角（θ）が５２度付近でタイプII型の位相整合
をすることが知られている。ウォークオフ角は約２．６
度で、結晶長ＬはＬ＝３０ｍｍの場合で、Ｄ＝ρＬ／２
＝０．７ｍｍとなる。つまり、励起光と発生するシグナ
ル光のビーム形が０．５ｍｍ以下となるように励起光を
集光させて、光共振器はそのシグナル光に対する固有モ
ード径が０．７ｍｍ程度となるよう構成した上で、出力
鏡５上でシグナル光の光軸から０．７ｍｍは慣れた地点
に直径０．７ｍｍの通過穴８を設けたことによりＳＲＯ
が得られた。

【００２８】従って、従来シグナル光とアイドラ光の平
均出力０．２Ｗ、パルス間の出力変動±２０％であった
装置が、平均出力は２倍の０．４Ｗ、出力変動は１／２
の±１０％が可能になった。

【００２９】なお、上述の実施の形態では出力鏡５の所
定の位置に通過穴８を設けることによりアイドラ光が共
振しないように構成したが、アイドラ光軸に出力鏡５が
存在しないように構成すれば、他の方法でも同様な作用
がえられるのは言うまでもない。

【００３０】例えば、入力鏡３に通過穴８を明けてもよ
いし、入力鏡３と出力鏡５の両方に穴を明けてもよい。

【００３１】図２は、更に別の実施の形態で、入射鏡の
光軸上の前方には波長変換素子４、出力鏡５が順次配設
されている。入射鏡の光軸に平行で、かつ、この光軸に
対称に所定距離離れた各光軸上の波長変換素子４と入力
鏡３、出力鏡５との各間には、２枚の全反射鏡９ａ，９
ｂが反斜面を対面させて配置されている。

【００３２】これらの構成によると、レーザ共振器１か
らの励起光は、入力鏡３を経て波長変換素子４に入射し
シグナル光とアイドラ光を発生する。励起光の波長変換
素子４を形成している結晶内の進行に伴って発生光に強
度は増加するが、アイドラ光のエネルギーは複屈折現象
によって励起光とシグナル光の光軸から徐々に離れてい
く。各光が結晶を出射すると３つのエネルギーの進行方
向は平行となるが、アイドラ光は残りの２つの光とは同
軸ではない。アイドラ光の光軸は結晶の中心付近を通過
するので、出力鏡５上でのシグナル光軸とアイドラ光軸
間の距離は、アイドラ光のウォークオフ角ρと結晶長Ｌ
に対して、Ｄ＝ρＬ／２程度となる。この距離Ｄの位置
に全反射鏡９ａ，９ｂが設けられているので、アイドラ
光は全反射鏡９ａ，９ｂによって光共振器外へ導かれ
る。その結果、光共振器で共振するのはシグナル光のみ
となりＳＲＯ動作が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば光
パラメトリック発振装置の光共振器で、シグナル光とア
イドラ光の一方のみを共振させるために、他方の共振を
阻止する非共振手段を設けたので、発生波長に関わりな
く、また、特殊な光学部品を付加することなく効率のよ
いＳＲＯの動作が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光パラメトリック発振装置の一実施の
形態を示す構成図。

【図２】本発明の光パラメトリック発振装置の別の一実
施の形態を示す構成図。

【図３】従来の光パラメトリック発振器の構成図。

【図４】単共振型発振器（ＳＲＯ）の説明図。

【図５】双共振発振器（ＤＲＯ）の説明図。

【図６】双共振発振器（ＤＲＯ）の変形例の説明図。

【符号の説明】

１…励起用レーザ発振器 ２…集光光学系 ３…入力鏡 ４…波長変換素子 ５…出力鏡 ６…光パラメトリック発振器（ＯＰＯ） ８…通過穴 ９ａ、９ｂ…全反射鏡

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起用レーザ発振器の光軸上の前方に配
   置された波長変換素子と、入力鏡と出力鏡とで構成した
   複数の反射鏡とを有する光共振器により、前記励起用レ
   ーザ発振器からの光の照射による励起レーザ光より長い
   波長のシグナル光とアイドラ光を空間的に分離して発生
   させる光パラメトリック発振装置において、 前記光共振器は偏光面が略直交するシグナル光とアイド
   ラ光の一方のみを共振させるために他方の共振を阻止す
   る非共振手段を有することを特徴とする単結晶型の光パ
   ラメトリック発振装置。
2. 【請求項２】 前記非共振手段はシグナル光かアイドラ
   光のいずれかのみが通過する位置に通過穴が設けられ
   た、入力鏡か出力鏡の少なくともいずれかであることを
   特徴とする請求項１記載の光パラメトリック発振装置。
3. 【請求項３】 前記非共振手段は前記波長変換素子と前
   記反射鏡との間のシグナル光かアイドラ光のいずれかの
   みが通過する位置に全反射鏡を設けたものであることを
   特徴とする請求項１記載の光パラメトリック発振装置。
4. 【請求項４】 励起用レーザ発振器の光軸上の前方に配
   置された波長変換素子と、入力鏡と出力鏡とで構成した
   複数の反射鏡とを有する光共振器により、前記励起用レ
   ーザ発振器からの光の照射による励起レーザ光より長い
   波長のシグナル光とアイドラ光を空間的に分離して発生
   させる光パラメトリック発振方法において、 前記光共振器は偏光面が略直交するシグナル光とアイド
   ラ光の一方のみを共振するために他方の共振を阻止する
   非共振手段を用いることを特徴とする単結晶型の光パラ
   メトリック発振方法。