JPH1195271A - 光パラメトリック発振装置 - Google Patents

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波長が等しい縮退発振における励起
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
の比率を向上させる。 【解決手段】 励起レーザ光より長い波長で縮退発振の
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
発振装置の光共振器６を構成する各反射鏡３、５と波長
変換素子４との間に、シグナル光とアイドラ光の波長を
変化させる偏光手段１０、１１を設けてエネルギーの変
換比率を向上させる。

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波長が
等しい縮退発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た光パラ
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
Ｏ、Optical Parametoric Oscillator）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５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．
２μｍ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 ＝２．１２
μｍ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】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６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）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。

【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７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】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。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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１０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８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
Physics Letter」第５５巻、１９５２頁）。つまり図８
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´、９´は励起光に対して高反射（Ｒ
p ＝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。

【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より長
い波長で縮退発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、前記光共振器を
構成する各反射鏡と波長変換素子との間に前記シグナル
光とアイドラ光の偏光状態を変化させる偏光手段を設け
たことを特徴とする光パラメトリック発振装置である。

【００１８】また本発明によれば、前記偏光手段は波長
板であることを光パラメトリック発振装置である。

【００１９】また本発明によれば、前記偏光手段によっ
て偏光する光の位相差の合計が１８０度の奇数倍である
ことを特徴とする光パラメトリック発振装置にある。

【００２０】また本発明によれば。前記偏光手段の波長
板はいずれも１／４波長板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】また本発明によれば、前記光共振器の反射
鏡が直角プリズム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。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明に実施形態について図
１〜４を参照して説明する。図５〜８ 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】実施の形態１ 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１／１００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 ＹＬ
Ｆレーザを励起レーザとして縮退発振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、
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効である。

【００２７】図１は本実施の形態の構成図で、共振器入
射鏡３の前方には光軸上に、１／４波長板１０、反射特
性の異なる鏡１２、波長変換素子４、反射鏡１３、１／
４波長板１１、共振器出力鏡５が順次配列されている。
また、反射特性の異なる鏡１２の反射面側の光軸へ直交
方向にはレーザ共振器１が配置されている。

【００２８】反射特性の異なる鏡１２は、光軸に対して
４５度の傾きで設置され反斜面は励起光に対しては高反
射（Ｒp ＝１）、シグナル光とアイドラ光に対しては低
反射の反射特性（Ｒs ＝０、Ｒi ＝０）を有している。
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
一致する「タイプＩ位相整合」と呼ばれているものであ
る。

【００２９】これらの構成による作用を説明すると、レ
ーザ共振器１からの励起光は、反射鏡１３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させ
た後、反射鏡１３は励起光には高反射（Ｒp ＝１）で、
シグナル光とアイドラ光に対しては低反射（Ｒs ＝０、
Ｒi ＝０）なので、励起光は共振器の光軸から外れるよ
うに構成されている。発生したシグナル光とアイドラ光
は反射鏡１３を透過し、１／４波長板１１により９０度
の位相差を生じた円偏光となり共振器出力鏡５に到達し
て一部は出力光となり、残りは反射光となる。この反射
光は再び１／４波長板１１を通過すると更に９０度の位
相差が生じるので、元の発生光に対して偏光面が９０度
傾いた光となる。この光が波長変換素子４に入射すると
励起光波長との間では一般に位相整合条件が成り立たな
いので逆変換は起こらない。従って、光はそのまま通過
し更に波長変換素子４を通過した光は反射特性の異なる
鏡１２を透過して１／４波長板１０、に入射して９０度
の位相差が加えられる。その後、共振器入射鏡３により
反射した光は再び１／４波長板１０を通過して９０度の
位相差が加えられると、最初に波長変換素子４を出力し
てから３６０度の位相差が加わったことになり偏光面は
元に戻る。その結果、波長変換素子４に入射すると再び
励起光との相互作用が発生してその強度が増幅される。

【００３０】つまり、本実施の形態の構成によれば励起
レーザ光が波長変換素子４内を進行する方向では、位相
整合条件が成り立って励起光からシグナル光アイドラ光
に対する変換が生じるが、戻る際には、位相整合条件が
成り立たないため縮退ＯＰＯの変換効率を制限していた
逆変換現象は発生しない。従って、励起光からシグナル
光やアイドラ光に変換されるエネルギーの割合はＳＲＯ
と同等となり原理上１００％が可能となる。

【００３１】本実施の形態によるとパルスエネルギー１
０ｍＪ、パルス幅２０ｎｓｅｃのパルスレーザを励起源
とした装置で、従来シグナル光とアイドラ光とのエネル
ギーの合計が最大２ｍＪであった装置が８ｍＪ程度まで
得られるようになった。

【００３２】なお、上記実施の形態では１／４波長板１
０、１１を２枚適用した場合を示したが、２つの手段に
よる位相差の合計が１８０度（１／２波長）の奇数倍で
あれば同様の作用が得られる。

【００３３】また、図２に示すようにミラー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、Ｒ
s ＝１、Ｒi ＝１）、ｍ2 は（Ｒp ＝０、０＜Ｒs ＜
１）、ｍ3 は（Ｒi ＝１）、ｍ4 は（Ｒi ＝１）であ
る。

【００３４】実施の形態２ 図３は本実施の形態の構成図で、光共振器入射鏡３の光
軸上の前方には、第１の偏光子１５、波長変換素子４、
第２の偏光子１６、光共振器出力鏡５が順次配列されて
いる。光共振器の入射鏡３、出力鏡５共にシグナル光に
対しては高反射の特性を有している。第１、第２の偏光
子１５、１６は励起光の偏光方向に対して反射するよう
に光軸に対して４５度の傾斜で設けられている。

【００３５】図示しないレーザ共振器からの励起光が第
１の偏光子１５に光共振器の光軸に対して垂直方向から
入射すると、第１の偏光子１５で反射した励起光は波長
変換素子４を通過してシグナル光とアイドラ光の２つの
光を発生させる。その際、変換せずに残った光は第２の
偏光子１６により光共振器の外部に取出される。発生し
た光のうち励起光と偏光方向が平行な光はアイドラ光と
して励起光とほぼ同軸に第２の偏光子１６で反射され光
共振器の外部に出力される。偏光方向が励起光と異なる
シグナル光は両方の偏光子１５，１６を通過するので、
光共振器反射鏡１３により往復させられて共振して増幅
しアイドラ光の出力増幅に寄与する。

【００３６】また、図４に示すように光共振器の反射鏡
１３として直角プリズム１７ａ，１７ｂを用いた場合、
直角プリズム１７ａ、１７ｂの稜線がねじれの位置関係
となるように構成すれば、直角プリズム１７ａ、１７ｂ
の角度変化に対して出力の低下の割合は、鏡の場合の１
／１０以下となり振動や衝撃に対して極めて有効にな
る。

【００３７】また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとＫＴＰ結晶に
よるＯＰＯでは、リモートセンシングに適した波長３．
２μｍのアイドラ光が振動や衝撃に対して殆ど影響を受
けず出力低下は見られなかった。また、結晶のカット角
度を調整することにより目に対する安全性に優れ、距離
の測定等の応用に適した波長１．５〜１．８μｍの光を
アイドラ光として安定して取出すことが出来た。

【００３８】また、光共振器を構成する２つの反射鏡１
３は両方ともシグナル光に対して高反射の特性を有して
さえいればよく、かつ、出力される光は偏光子を介して
ＯＰＯ共振器の光軸から曲げられるので、特殊なコーデ
ィング処理は行わなくてもよい安価な金属鏡やプリズム
を用いることが出来る。

【００３９】また、偏光子は通常の広帯域の反射防止コ
ーティングを施したグラントンプソン型等でもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば縮
退発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、光共振器を構成する各反射
鏡と波長変換素子との間にシグナル光とアイドラ光の波
長を変化させる偏光手段を設けたので、極めて高い変換
効率が可能になった。

【００４１】また、本発明によれば光共振器の反射鏡に
直角プリズムを用いたので、振動や衝撃の影響を極めて
少なくすることが出来る。

【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■実施例
を示す構成図。

【図２】リング型共振器を用いた構成図。

【図３】本発明の光パラメトリック発振装置の他の実施
例を示す構成図。

【図４】反射鏡に直角プリズムを用いた構成図。

【図５】従来の光パラメトリック発振器の構成図。

【図６】単共振型発振器（ＳＲＯ）の説明図。

【図７】双共振発振器（ＤＲＯ）の説明図。

【図８】波長の違いにより反射又は透過する鏡を用いた
場合を示す構成図。

【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） １０、１１…１／４波長板 １２…反射特性の異なる鏡 １３…反射鏡 １５、１６…偏光子 １７ａ、１７ｂ…直角プリズム

Claims (5)

【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で縮退発振のシグナル光と
   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、 前記光共振器を構成する各反射鏡と波長変換素子との間
   に前記シグナル光とアイドラ光の偏光状態を変化させる
   偏光手段を設けたことを特徴とする光パラメトリック発
   振装置。
2. 【請求項２】 前記偏光手段は波長板であることを特徴
   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】 前記偏光手段によって偏光する光の位相
   差の合計が１８０度の奇数倍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】前記偏光手段の波長板はいずれも１／４波
   長板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。
5. 【請求項５】前記光共振器の反射鏡が直角プリズムであ
   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。