JPH11281808A

JPH11281808A - 共振器用ミラーおよびコヒーレント光発光装置

Info

Publication number: JPH11281808A
Application number: JP7964698A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tsunekane; 正樹常包
Original assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】従来よりも広い波長帯に対して優れた反射特性
を持ち、かつ信頼性の高い共振器用ミラー、およびその
ミラーを用いたコヒーレント光発光装置を提供する。【解決手段】コヒーレント光に対し光透過性の母材と、
上記母材の、コヒーレント光の光路に面する表面に形成
された、上記所定の波長帯のうちの一部の波長に対して
反射作用をもつ第１の反射膜と、上記母材の、上記表面
に対する裏面に形成された、上記所定の波長帯のうち
の、上記一部の波長帯の中のさらに一部の波長重複が許
容された異なる一部の波長帯に対して反射作用をもつと
ともに、上記第１の反射膜と共同して上記所定の波長帯
全域に対して反射作用をもつ第２の反射膜とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光を
反射する共振器用ミラー及びそのミラーが装置内に配置
されてなるコヒーレント光発光装置、具体的にはレーザ
装置や光パラメトリック装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術】広い波長範囲にわたり高い反射率あるい
は特定の反射率を得ようとする場合、一般的に、誘電体
よりなる膜をある波長に対して特定の厚みとなる層厚で
交互に重ねる。反射率の制御は誘電体の材料及び層厚や
層数でなされる。制御しようとする波長帯を広げようと
する場合には、交互に重ねられた誘電体層をさらに互い
に重ねることにより全体としてある波長帯に対して特定
の反射率を得ることができる。従って非常に広い波長帯
に亘り反射率を制御する場合には非常に多くの層数を形
成する必要がある。

【０００３】図５は従来のミラーの一例を示す概略構成
図であり、レーザ研究、第２４巻、第１号、７４−８０
頁（１９９６年）に記載されている。溶融石英ガラスを
材料とするミラー母材の一面に、層厚の異なるＳｉＯ₂
とＴａ₂ Ｏ₅ の誘電体層を交互に合計層数９９層重ねる
ことにより、波長６８０ｎｍから１０６０ｍに渡り、９
９．８５％以上の反射率を得ている。

【０００４】また図６は、図５に示すような構成のミラ
ーを用いて共振器を構成した波長可変レーザの一例であ
り、レーザ研究、第２３巻、第１０号、１０−１５頁に
記載されている。レーザ媒質としてＴｉを添加したＡｌ
₂ Ｏ₃ （サファイア）を用い、図中のミラー１及びミラ
ー２に、図５で説明した広帯域高反射ミラーが用いられ
ている。Ａｒイオンレーザで励起することにより、波長
６６６ｎｍから１０９３ｎｍにわたる波長可変動作を得
ている。

【０００５】また図７は、発振に光パラメトリック過程
を利用した光パラメトリック装置の例であり、ジャーナ
ル・オブ・オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリ
カ（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡ
ｍｅｒｉｃａ）、Ｂ１０巻、９号（１９９３年）、１６
８１−１６８３頁に記載されている。図中、ＭＲＦＤ
は、ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＲｉｎｇＦｒｅｑｕｅｎ
ｃｙＤｏｕｂｌｅｒの略である。このＭＦＲＤは、波
長変換装置の一種であって、結晶（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ
₃ ）の非線形効果によって光の波長が変換される。ここ
ではＮｄ：ＹＡＧの１０６４ｎｍの光が入射され、５３
２ｎｍの光が発生する。

【０００６】また、光パラメトリック発振器に用いられ
ている非線形光学結晶には長さ１５ｍｍのＭｇＯ：Ｌｉ
ＮｂＯ₃ が用いられ、結晶のｘ軸方向に光パラメトリッ
ク発振が行われるように結晶がカットされている。共振
器を構成する、その結晶の両端面は、曲率半径１６ｍｍ
を持つように研摩され、励起光の入射端面には１０６４
ｎｍ近傍で高い反射率、もう片方の端面には１０６４ｎ
ｍ近傍で９９．５％程度の部分反射率を有するように誘
電体の積層が施されている。励起光にはＮｄ：ＹＡＧレ
ーザの第二高調波である５３２ｎｍを用い、光パラメト
リック発振器の温度を１２０℃近傍で変化させることに
より、光パラメトリック過程の位相整合条件が変化し、
発振するシグナル光及びアイドラー光の波長を９９６ｎ
ｍから１１８５ｎｍまで可変させることができる。ま
た、この図７に示す例では、非線形光学結晶自体の端面
に反射膜を形成しているが、この他に、その一方あるい
は両方のミラーを分離し、結晶端面には広帯域の反射防
止膜を形成する例も報告されている。

【０００７】また図８は、同じく発振に光パラメトリッ
ク過程を利用した光パラメトリック装置の例であり、ア
プライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ
ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）６４巻、１２号、
（１９９４年）１４９０−１４９２頁に記載されている
例である。非線形光学結晶にはＬＢＯを用い、ＬＢＯよ
り発生した異なる波長でかつ偏光の方向が９０°異なる
シグナル光とアイドラー光を、共振器内に設けた偏光ビ
ームスプリッタで分け、それぞれ別にミラー（ミラー２
とミラー３）を設けることで、それぞれの波長について
独立に共振器長を調整できるために、２つの波長での同
時発振を安定して行わせることができるというものであ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】レーザ光学および非線
形光学の様々な応用の広がりにつれ、様々な波長帯にお
いてより広い範囲でコヒーレント光の波長を可変したい
という要求が近年高まりつつある。しかしながら例えば
図６に示す方式においてさらに反射率を制御する波長帯
域を広げようとする場合、あるいは中心波長が長波長側
に寄った、例えば数μｍの波長帯域において広帯域に反
射率を制御しようとする場合、層数をさらに増やしたり
各層厚を厚くする必要があるが、誘電体の層数を増やし
たり層厚を厚くすると、それと共に表面の平坦度が徐々
に悪化し、表面での散乱損失や層厚のばらつきが著しく
大きくなり、反射率の制御ができなくなる上に光学的な
損失が増大する。また膜が厚くなったり層数が増えると
誘電体膜が剥れ易くなり、信頼性が低下する。これらの
ことから、現状の膜形成方法では、各層厚にもよるが、
実用的には図５に示すような１００層程度が限界であ
る。

【０００９】また図７に示す光パラメトリック発振装置
の例では、広帯域動作を制限しているのは結晶両端面に
形成した反射膜であるが、これもさらに広帯域化を図ろ
うとする場合、誘電体膜の層数を増やす必要があり、上
記と同じ理由で制限される。共振器ミラーを結晶から分
離した場合でも同様であって、反射膜の層数の限界によ
って帯域が制限される。加えて、この図７に示す例で
は、光パラメトリック過程により発生する異なる波長の
シグナル光とアイドラー光を同一のミラーで共振させて
いることから、発振を可能ならしめる共振器長の許容範
囲が狭く、不安定になりやすい。

【００１０】また図８に示す例では偏光ビームスプリッ
ター等のアライメントが難しく、安定性に問題があり、
加えて、シグナル光やアイドラー光が偏光ビームスプリ
ッターで反射あるいは透過する際に大きな光学的な損失
を受けるために発振閾値が上昇し、効率の低下を招く。
またこの方式は非線形光学結晶から発生するシグナル光
とアイドラー光の偏光方向が９０°異なる場合にのみ有
効であるため、非線形光学結晶の種類や結晶方位が限定
され、波長や効率に制限がある。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑み、従来よりも広
い波長帯に対して優れた反射特性を持ち、かつ信頼性の
高い共振器用ミラー、およびそのミラーを用いたコヒー
レント光発光装置を提供す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本発
明の共振器用ミラーは、複数のミラーにより構成される
共振器を有しコヒーレント光を発光するコヒーレント光
発光装置に、その共振器を構成する部品として組み込ま
れる、所定の波長帯のコヒーレント光に対して反射作用
をもつ共振器用ミラーにおいて、上記コヒーレント光に
対し光透過性の母材と、上記母材の、上記コヒーレント
光の光路に面する表面に形成された、上記所定の波長帯
のうちの一部の波長帯に対して反射作用をもつ第１の反
射膜と、上記母材の、上記表面に対する裏面に形成され
た、上記所定の波長帯のうちの、上記一部の波長帯の中
のさらに一部の波長帯の重複が許容された異なる一部の
波長帯に対して反射作用をもつとともに、上記第１の反
射膜と共同して上記所定の波長帯全域に対して反射作用
をもつ第２の反射膜とを備えたことを特徴とする。

【００１３】本発明の共振器用ミラーは、一面あたりに
形成する誘電体膜の層数を増やすことなく波長帯域を広
げるために、必要とする波長帯域の一部を分割しミラー
のもう一面にも反射膜を形成することによって、ミラー
全体としては広い波長帯に対する反射効果を得ようとい
うものである。これにより一面あたりの誘電体の層数を
それほど増やすことなく、膜の平坦度が良好な状態を維
持でき、また膜が剥れたりする恐れが少ない。

【００１４】また、上記目的を達成する本発明のコヒー
レント光発光装置は、複数のミラーにより構成された共
振器を有し所定の波長帯のコヒーレント光を出射するコ
ヒーレント光発光装置において、上記複数の少なくとも
１つのミラーが、上記コヒーレント光に対し光透過性の
母材と、上記母材の、上記コヒーレント光の光路に面す
る表面に形成された、上記所定の波長帯のうちの一部の
波長帯に対して反射作用をもつ第１の反射膜と、上記母
材の、表面に対する裏面に形成された、上記所定の波長
帯のうちの、上記一部の波長帯の中のさらに一部の波長
帯の重複が許容された異なる一部の波長帯に対して反射
作用をもつとともに、上記第１の反射膜と共同して上記
所定の波長帯全域に対して反射作用をもつ第２の反射膜
とを備えたミラーであることを特徴とする。

【００１５】本発明のコヒーレント光発光装置は、本発
明の共振器用ミラーを波長可変なコヒーレント光を発光
するコヒーレント光発光装置の共振器のミラーに用いる
ことにより、従来の一面のみに反射膜が形成されたミラ
ーを用いた場合に比べ波長帯域を２倍程度に広げること
ができるために、ミラーを交換することなく飛躍的にそ
の波長可変幅を広げることができる。

【００１６】さらに、上記本発明のコヒーレント光発光
装置において、このコヒーレント光発光装置の発振が光
パラメトリック過程に基づくものであって、上記母材と
上記第１の反射膜と上記第２の反射膜とを有するミラー
のうちの少なくとも１つのミラーの、第１の反射膜と第
２の反射膜との間の光学的な距離を変化させる手段を備
えたことを特徴とする。

【００１７】この光学的な距離を変化させる手段は、特
定の手段に限定されたものではなく、例えばそのミラー
の温度を変化、調整する手段であってもよく、あるい
は、光弾性効果または電気光学効果を応用したものであ
ってもよい。この構成によれば、本発明の共振器用ミラ
ーを光パラメトリック発振の共振器ミラーとして用い、
同時に異なる２つの波長で発振動作する場合において、
それぞれの波長に対応する反射膜をミラーの一面と相対
するもう一面とに分けて反射膜を形成することにより、
各反射膜の波長範囲を広げることができるだけでなく、
ミラー母材の温度や光弾性効果あるいは電気光学効果を
利用してミラーに設けた二つの波長帯の反射膜の光学的
な距離を変化させ調整することにより、それぞれの波長
に対する共振器長を独立に制御することが可能になり、
二つの波長の光を同時に安定して発振させることができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態について説
明する。図１は本発明の共振器用ミラーの一実施形態を
示した図である。ここで、図１（Ａ）はミラーの断面
図、図１（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ、図１（Ａ）に示
す円Ａ，Ｂの内部の部分の拡大断面図である。

【００１９】ガラス（ＳｉＯ₂ ）を母材とするミラー１
０の相対する表面及び裏面にＳｉＯ ₂ とＴｉ₂ Ｏ₃ の誘
電体反射膜が交互に形成されている。各面に形成された
層数はそれぞれおよそ１００層である。図２は、図１に
示す共振器用ミラーの、それぞれの面における反射特性
（Ａ）と、従来の一方の面だけに反射膜を形成したミラ
ーの反射特性（Ｂ）を模式的に示した図である。ミラー
の表面には５００ｎｍから９００ｎｍにわたり９９．９
％の反射率、相対する裏面には９００ｎｍから１３００
ｎｍにわたり９９．９％の反射率の多層膜が積層されて
おり、図１に示すようにミラーの両面に反射膜を形成す
ることにより９９．９％以上の高い反射率を維持する帯
域を約２倍の５００ｎｍから１３００ｎｍの範囲にまで
拡大することができる。この実施形態では積層する誘電
体材料としてＳｉＯ₂ とＴｉ₂ Ｏ₃ を用いたが、他にア
モルファスＳｉやアルミナ、ＨｆＯ₂ やＺｒＯ₂ を用い
てもよいし、さらに他の材料を用いてもよい。

【００２０】図３は本発明によるコヒーレント光発光装
置の１つである光パラメトリック装置の一実施形態を示
した図である。この図３では、光パラメトリック発振装
置の共振器ミラー１２，１３に本発明による共振器用ミ
ラーを用いている。非線形光学結晶１４には長さ２０ｍ
ｍのＬＢＯを用い、そのｘ軸方向に発振が起こるように
結晶１４がカットされ、図示しないペルチエ素子によっ
て位相整合の成り立つ１４０℃近傍に加熱されている。
結晶１４の両端面１４ａ，１４ｂには広帯域の反射防止
膜が形成されている。励起光１５には連続発振のＮｄ；
ＹＡＧレーザの第二高調波（５３２ｎｍ）を用いてい
る。光パラメトリック発振装置の共振器ミラー１２，１
３は、溶融石英ガラスを材料とし、曲率半径４０ｍｍの
凹面端面１２ａ，１３ａには８００ｎｍから１２００ｎ
ｍにわたり９９．８％以上の反射率をもった広帯域高反
射膜、もう一方の曲率半径４０ｍｍの凸面端面１２ｂ，
１３ｂには、１２００ｎｍから１６００ｎｍにわたり９
９．８％の反射率をもった広帯域高反射膜が形成されて
いる。これによりミラー１２，１３の全体の反射率とし
て８００ｎｍから１６００ｎｍにわたり９９．８％の高
い反射率が維持でき、したがって、ＬＢＯ結晶１４の温
度を変化させることにより、非常に広帯域に動作可能で
かつ発振閾値の低い連続発振波長可変光パラメトリック
発振装置を構成することができる。

【００２１】尚、図３を参照して説明した実施形態で
は、２枚の共振器ミラーに同じ反射率のものを用いた
が、発振光をより効率良く取り出すために、２枚の共振
器ミラーに互いに異なる反射率のものを用いてもかまわ
ない。また、この実施形態に示した２枚の共振器ミラー
からなる共振器以外にも、図８の従来例に示したような
３枚以上のミラーからなる共振器を構成するミラーの全
てあるいは一部に本発明を適用したミラーを採用しても
よい。

【００２２】また、上記実施形態では連続発振の光パラ
メトリック装置の例を挙げたが、もちろんパルス動作の
装置でもかまわない。しかしながら、本発明の共振器用
ミラーは、上記実施形態に示したように広い波長帯にわ
たり９９％以上の高い反射率制御が要求される連続発振
の光パラメトリック発振装置において特に有用である。

【００２３】図４は本発明による光パラメトリック発振
装置の別の実施形態を示した図であり、図３の構成と同
じく非線形光学結晶１４としてＬＢＯを用いている。共
振器を構成する２つのミラー１２，１３のうちの一方の
ミラー１３には、温度を調節できるようにペルチエ素子
１６とサーミスタの温度センサ１７が近接されており、
このミラー１３の温度を変えることにより、ミラー１３
の両端面に形成された反射膜の間の光学的な距離が変化
することから、シグナル光とアイドラー光に対する共振
器長を独立に変えることができ、これによって２つの異
なる波長が同時に安定して共振する条件を見い出すこと
ができ、広域にわたりこの光パラメトリック装置が安定
して動作できる。この例ではミラーの温度を変化させた
が、ミラー材料として光弾性材料を用い、ＰＺＴを接触
させて圧力をかけ、光弾性効果により屈折率を変化させ
て、反射膜間の光学的な距離を変化させてもよいし、あ
るいはミラー材料に電気光学効果を有するもの、例えば
ＬｉＮｂＯ₃ を用い、これに電極を形成して電圧を印加
することにより電気光学効果によって屈折率を変化させ
ることにより、反射膜間の光学的な距離を変化させても
よい。

【００２４】上記図３，図４に示す実施形態では非線形
光学結晶にＬＢＯを用いたが、従来例のようにＭｇＯ：
ＬｉＮｂＯ₃ を用いてもよいし、ＫＴＰを用いてもよい
し、さらに他の非線形光学結晶を用いてもよい。また、
上記図３，図４に示す実施形態の場合、シグナル光とア
イドラー光の偏光方向に制限がないことから、位相整合
条件が成り立てば結晶の方位に制限はなく、したがって
自由度が高い。ミラーに形成する反射膜の波長帯域はそ
れぞれの結晶の発振する波長帯に応じて選択される。

【００２５】さらに、図３および図４に示した各実施形
態は光パラメトリック装置の例であるが、本発明にいう
コヒーレント光発光装置は光パラメトリック装置に限ら
れるものではなく、レーザ装置であってもよい。例えば
図６に従来例として示したレーザ装置のミラー１やミラ
ー２に本発明の共振器用ミラーを採用したレーザ装置も
本発明に包含される。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による共振
器用ミラーを用いることにより、従来に比べ各段に広い
波長帯にわたり波長が可変できるコヒーレント光発光装
置を構成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の共振器用ミラーの一実施形態を示した
図である。

【図２】図１に示す共振器用ミラーの、それぞれの面に
おける反射特性（Ａ）と、従来の一方の面だけに反射膜
を形成したミラーの反射特性（Ｂ）を模式的に示した図
である。

【図３】本発明によるコヒーレント光発光装置の１つで
ある光パラメトリック装置の一実施形態を示した図であ
る。

【図４】本発明による光パラメトリック発振装置の別の
実施形態を示した図である。

【図５】従来のミラーの一例を示す概略構成図である。

【図６】図５に示す構成のミラーを用いて共振器を構成
した波長可変レーザの一例を示す図である。

【図７】発振に光パラメトリック過程を利用した光パラ
メトリック装置の一例を示す図である。

【図８】発振に光パラメトリック過程を利用した光パラ
メトリック装置のもう１つの例を示す図である。

【符号の説明】

１０ミラー１２，１３共振器ミラー１２ａ，１３ａ凹面端面１２ｂ，１３ｂ凸面端面１４非線形光学結晶１５励起光１６ペルチエ素子１７温度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のミラーにより構成される共振器を
有しコヒーレント光を発光するコヒーレント光発光装置
に、該共振器を構成する部品として組込まれる、所定の
波長帯のコヒーレント光に対して反射作用をもつ共振器
用ミラーにおいて、前記コヒーレント光に対し光透過性の母材と、前記母材の、前記コヒーレント光の光路に面する表面に
形成された、前記所定の波長帯のうちの一部の波長帯に
対して反射作用をもつ第１の反射膜と、前記母材の、前記表面に対する裏面に形成された、前記
所定の波長帯のうちの、前記一部の波長帯の中のさらに
一部の波長帯の重複が許容された異なる一部の波長帯に
対して反射作用をもつとともに、前記第１の反射膜と共
同して前記所定の波長帯全域に対して反射作用をもつ第
２の反射膜とを備えたことを特徴とする共振器用ミラ
ー。
【請求項２】複数のミラーにより構成された共振器を
有し所定の波長帯のコヒーレント光を出射するコヒーレ
ント光発光装置において、前記複数のミラーのうち少なくとも１つのミラーが、前記コヒーレント光に対し光透過性の母材と、前記母材の、前記コヒーレント光の光路に面する表面に
形成された、前記所定の波長帯のうちの一部の波長帯に
対して反射作用をもつ第１の反射膜と、前記母材の、前記表面に対する裏面に形成された、前記
所定の波長帯のうちの、前記一部の波長帯の中のさらに
一部の波長帯の重複が許容された異なる一部の波長帯に
対して反射作用をもつとともに、前記第１の反射膜と共
同して前記所定の波長帯全域に対して反射作用をもつ第
２の反射膜とを備えたミラーであることを特徴とするコ
ヒーレント光発光装置。
【請求項３】発振が光パラメトリック過程に基づくも
のであって、前記母材と前記第１の反射膜と前記第２の
反射膜とを有するミラーのうちの少なくとも１つのミラ
ーの、該第１の反射膜と該第２の反射膜との間の光学的
な距離を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求
項２記載のコヒーレント光発光装置。