JPH11119274A

JPH11119274A - 光パラメトリック発振装置

Info

Publication number: JPH11119274A
Application number: JP28527197A
Authority: JP
Inventors: Jun Sakuma; 純佐久間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】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で、特にシグナ
ル光とアイドラ光の双共振における励起光からシグナル
光とアイドラ光に変換されるエネルギーの比率を向上さ
せ、かつ、出力を安定させる。【解決手段】双共振光発振器を用いた光パラメトリッ
ク発振装置で、光共振器をシグナル光に対してはリニア
型共振器を設け、アイドラ光に対してはリング型共振器
を設ける。

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に関し、特にシグナル光とアイ
ドラ光の双共振を起こす際に用いる励起光からシグナル
光とアイドラ光に変換されるエネルギーの比率を向上さ
せ、かつ、出力を安定させたパラメトリック発振装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光パラメトリック発振器（ＯＰ
ＯＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｏｒｉｃＯｓｃ
ｉｌｌａｔｏｒ）はパラメトリックな利得を持つ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４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つの光の偏光方向は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
になる。

【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
非線形光学結晶等の波長変換素子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】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４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３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。

【００１１】従って、波長変換素子４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５に到達するたびに出力鏡５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。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ＯＰ
Ｏ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。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６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。

【００１２】ＤＲＯは図５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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ＳＲＯ型のＯＰＯは、
共振器内の損失が大きいため発振閾値がＤＲＯ型のＯＰ
Ｏに比較すると数１０倍程度必要とするため、低閾値の
動作を行うにはＤＲＯ型のＯＰＯが有利である。

【００１４】しかしながら、ＤＲＯ型のＯＰＯは、一般
に波長が異なる２つの光に対して十分に共振条件が満足
される必要が有る。このため温度変化や微少振動等、共
振器のごくわずかな不安定性によりモードホップ、クラ
スターホップ等と呼ばれる現象が起こり、発振出力安定
のための阻害要因となっている。

【００１５】また、シグナル光とアイドラ光の両方が出
力鏡で反射されるので、反射光が非線形光学結晶等の波
長変換素子を通過する際、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。

【００１６】逆励起現象を防ぐことの出来るリング型共
振器の場合、共振器の長さがリニア型に比べて長くなる
ため、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】

【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により
双共振のシグナル光とアイドラ光を発生させる光パラメ
トリック発振装置において、前記光共振器はリニア型と
リング型が設けられ、シグナル光とアイドラ光のそれぞ
れに異なった型の光共振器が対応して作動することを特
徴とする光パラメトリック発振装置にある。

【００１８】また、本発明によれば、前記光共振器は共
通の波長変換素子を用いることを特徴とする光パラメト
リック発振装置にある。

【００１９】また、本発明によれば、前記光共振器はシ
グナル光に対してはリニア型共振器であり、アイドラ光
に対してはリング型共振器であることを特徴とする光パ
ラメトリック発振装置である。

【００２０】また、本発明によれば、前記リニア発振器
は対向配置された２枚の反射鏡を有していることを特徴
とする光パラメトリック発振装置にある。

【００２１】また、本発明によれば、前記リング型共振
器は３枚以上の反射鏡を有することを特徴とする光パラ
メトリック発振装置にある。

【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面を参照して説明する。図３〜５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】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、励起光が波長変換素子である
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れる。
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
れる。このため、発振閾値はＳＲＯに比べて１／１０な
いし１／１００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。

【００２４】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。

【００２５】例えば、１．０６μm のNd：YAG レーザを
励起レーザとした縮退発振ＯＰＯにより、リモートセン
シング等れの光源として便利な波長２．１２μm の光が
得られる。また、波長２．０５μm のTm,Ho YLFレーザ
を励起レーザとして用いた場合も縮退発振ＯＰＯによ
り、波長４．１μm の光が得られ、同様にリモートセン
シング等の光源として利用できる。

【００２６】なお、これらの場合、リング型共振器を用
いると共振器の長さが通常の対向配置されたリニア型共
振器より数倍以上となるため、発生した光が非線形光学
結晶を１回通過するのに必要な時間が長くなる。従っ
て、例えば、シグナル光に対してはリニア型共振器を用
いてアイドラ光に対してはリング型共振器を用いる等に
より、連続発振型のレーザやモードロック型レーザを励
起レーザとして用いる場合が有利である。

【００２７】図１は本発明の構成図で、励起用レーザ発
振器１の光軸上の前方に集光光学系２、リング型光共振
器第１ミラー８、リニア型光共振器第１ミラー６、波長
変換素子、リニア型光共振器第２ミラー７、リング型光
共振器第２ミラー９が配置されている。また、リング型
光共振器第２ミラー９の反射光の光軸上の前方にはリン
グ型光共振器第３ミラー１０が設けられ、更に、リング
型光共振器第３ミラー１０の反射光の光軸上の前方には
リング型光共振器第４ミラー１１が配置されている。リ
ニア型光共振器用第１、第２のミラーは共に励起光とア
イドラ光には低反射（Rp＝０、Ri=0）で、シグナル光Ri
に対しては、リニア型光共振器第１ミラー６は高反射
（Rp＝１）、リニア型光共振器第２ミラー７は部分反射
（０＜Rs＜１）である。一方、リング型光共振器用各ミ
ラーは、アイドラ光に対して高反射（Ri＝１）であり、
励起光に対してはリング型光共振器第１、第２ミラー
８，９は低反射（Rp＝０）である。なお、リング型光共
振器第２ミラー９はシグナル光Riに対しても低反射（Rs
=0）である。ただし、アイドラ光を取出したい場合は、
これらのミラーのいずれか１枚を部分通過（０＜Ri＜
１）とすればよい。

【００２８】また、リング型光共振器第１ミラー８は励
起光に対しては高透過（Rp=0）、リング型光共振器第２
ミラー９はシグナル光Riに対して高透過（Rp=0）であ
る。

【００２９】これらの構成による作用を説明すると、リ
ニア型光共振器の場合、励起用レ−ザ発振器１から出力
された励起光は集光光学系２で集光されリニア型光共振
器に入力される。それによりリニア型光共振器内の波長
変換素子で発生したシグナル光Riはリニア型光共振器で
共振しリニア型光共振器第２ミラー７から出力される。

【００３０】一方、リング型光共振器の場合は、励起用
レーザ発振器１から出力された励起光は集光光学系２で
集光され、リング型光共振器第１ミラー８とリニア型光
共振器第１ミラー６を透過して波長変換素子に入射し、
シグナル光Riとアイドラ光を発生させる。この内、シグ
ナル光Riはリニア型光共振器第２ミラー７で一部が反射
して光軸上を戻るが、アイドラ光はリニア型光共振器第
２ミラー７を透過し、リング型光共振器用各ミラー８，
９，１０，１１で順次反射してリニア型光発振器用第１
ミラーを透過して再び非線型型光学素子に入射する。こ
れにより、励起光との差周波が発生しシグナル光Riが増
幅される。

【００３１】これらの構成では、シグナル光Riに対して
光共振器の長さが短いリニア型光共振器を適用し、アイ
ドラ光に対してはリング型光発振器を適用したのでＤＲ
Ｏとしての動作が得られ、アイドラ光の発振閾値はＳＲ
Ｏに比較すると１／１０以下にすることが出来た。ま
た、アイドラ光は非線型型光学素子内を一方向のみ進行
するので、逆変換が起こらず励起光からシグナル光Ri、
アイドラ光に変換されるエネルギーの割合はＳＲＯと同
等になり原理上１００％が可能である。

【００３２】更に、シグナル光Riとアイドラ光はそれぞ
れ別の光共振器により共振させられているので、ＤＲＯ
の欠点である出力の不安定性も大幅に解消されている。

【００３３】これらの構成により、平均出力１Ｗ、パル
ス幅２０nsecの繰返発振のパルスレーザを励起用レーザ
発振器１として用いた場合、従来、シグナル光Riとアイ
ドラ光の平均出力が０．２Ｗ、パルス間出力変動が±２
０％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％が達成できた。

【００３４】また、図２はリング型光発振器のみについ
て示したもので、ミラーm1、m2、m3、m4を用いてリング
型共振器を形成して、波長変換素子４に入射した励起光
の進行に沿って発生したシグナル光とアイドラ光を、同
じ光路上を戻ることなく再び励起光が進む光軸上に重な
るように構成すれば、各光が波長変換素子４内を進む方
向は一方向となるため、逆励起は起こらず理論上の変換
効率は１００％迄が得られることになる。なお、この場
合の各ミラーの反射特性は以下のように設定されてい
る。ｍ１は（Rp＝０、Rs＝１、Ri＝１）、ｍ２は（Rp=
0、０＜Rs＜１）、ｍ３は（Ri＝１）、ｍ４は（Ri＝
１）である。

【００３５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば双
共振光発振器を用いた光パラメトリック発振装置で、光
共振器をシグナル光とアイドラ光のそれぞれに対応して
設けたので、励起光からシグナル光とアイドラ光に変換
させるエネルギー比率を向上させることが出来たと共
に、発振閾値が低い値で安定性の高い光パラメトリック
発振装置が得られた。

【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Ｉ実施例
を示す構成図。

【図２】リング型共振器の構成図。

【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。

【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…リニア共振器第１ミラー７…リニア共振器第２ミラー８…リング共振器第１ミラー９…リング共振器第２ミラー１０…リング共振器第３ミラー１１…リング共振器第４ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【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
る励起レーザ光により双共振のシグナル光とアイドラ光
を発生させる光パラメトリック発振装置において、前記光共振器はリニア型とリング型が設けられ、シグナ
ル光とアイドラ光のそれぞれに異なった型の光共振器が
対応して作動することを特徴とする光パラメトリック発
振装置。
【請求項２】前記光共振器は、共通の波長変換素子を
用い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。
【請求項３】前記光共振器は、シグナル光に対しては
リニア型共振器であり、アイドラ光に対してはリング型
共振器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。
【請求項４】前記リニア発振器は、対向配置された２
枚の反射鏡を有していることを特徴とする請求項３記載
の光パラメトリック発振装置。
【請求項５】前記リング型共振器は、３枚以上の反射
鏡を有することを特徴とする請求項３記載の光パラメト
リック発振装置。